JPH0579818B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はガスタービンの制御装置に係り、特に
ガスタービンからの公害排出物NOxの低減化を
目的とするガスタービンの制御装置に関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕

第４図は、基本的なガスタービン装置の構成図
であつて、空気圧縮機１によつて圧縮された大気
は高圧空気となつて燃焼器２に流入する。上記燃
焼器２は円筒状の燃焼筒３を有し、その燃焼筒３
の外周部に環状領域４を形成するように外筒５が
同心的に配設され、上記燃焼筒３の一端部に燃料
ノズル６が設けられている。そこで、上記燃焼器
２に流入した高圧空気は、上記燃焼筒３と外筒５
により形成された環状領域４を通り、燃焼筒３を
強制対流冷却しながら、その燃焼筒３の外周壁に
形成された空気穴７および前記燃料ノズル６の外
周部に設けられたスワラ８等により燃焼筒３内に
流入する。一方、燃料はガスタービン負荷に対応
して燃料流量調整弁９によつで流量が制御され、
燃料ノズル６により燃焼筒３内の逆流領域１０近
傍に噴出せしめられ、点火装置１１により着火さ
れ、前記スワラ８および空気穴７から流入した高
圧空気とともに燃焼し、定容定圧燃焼が継続して
高温ガスが発生される。しかして、この高温ガス
はガスタービン１２に導びかれて動力を発生し、
この動力は空気圧縮機１の駆動動力として一部を
消費し、残りの動力は例えば発電機の如き被駆動
機１３の駆動動力として消費される。

ところが、上記燃焼器２においては、燃料ノズ
ル６が１個または複数個の場合においても、燃焼
によつて生ずる高温ガスのため、いわゆるサーマ
ルNOxと称するNOxが大量に発生する。

このNOxは燃料ノズル６の多数化、空気穴７
等の工夫により、若干の局所的または狭い領域の
火炎温度の低下には効果があるが、大巾なNOx
の低減は不可能である。

ところで、局所的な火炎温度の低減を実現する
方法としては、予混合法が効果的であることが知
られている。すなわち、第５図は燃空比に対する
NOxの変化を示す図であり、予混合なしの場合
におけるNOx発生量が曲線Ａのようになるのに
対し、例えば燃料希薄条件で予混合すると、その
予混合割合に応じてNOx発生量は曲線Ｂのよう
になり、局所的火炎温度の低下が可能となり、
NOx低減が可能となる。

第６図は、上記予混合法を利用した燃焼器の基
本的な構成を示す概略図であつて、燃焼筒３の外
側部には予混合室１４が形成されており、第２の
燃料流量調整弁９ａによつて流量調整された燃料
が上記予混合室１４に供給され、そこで燃焼筒３
内に流入する前に高圧空気と予混合され、予混合
室１４に設けられた複数個の穴１５を通つて燃焼
筒３内に流入する。そして、上記燃焼筒３内にお
いて、前記燃料ノズル６から噴射された燃料の燃
焼によつて発生した高温ガスによつて着火され、
低い燃焼温度で燃焼しNOxの発生が抑制される。

このような装置にこえるNOxのガスタービン
負荷に対応する排ガス量は、第７図に示すように
なり、定格負荷付近のガスタービン運転において
は、NOx規制値ａを十分クリアすることができ
る。しかしながら、この図からも判るように、部
分負荷運転時においては、NOxは規制値ａを大
巾にオーバーする。

これらの部分負荷における欠点を補うため、第
６図に示すように、高圧空気の一部を直接ガスタ
ービン１２の入口側に供給する空気バイパス導管
１６を設け、ガスタービン負荷に対応して調整弁
１７により燃焼器２への空気量を制御し、できる
だけ高温ガスにおける燃空比を一定にすることに
より、NOxの発生を抑制する方法もある。しか
し、この方法は、前記欠点のNOxの最大値をク
リアすることはできるが、高温ガス周辺に温度差
のある高圧空気を流入させるため、構造的にも温
度分布的にも好ましくない等の別の問題が発生す
る。

また、ガスタービンのNOx低減対策として蒸
気噴射によるものもあるが、この場合は蒸気の消
費量が多く、コンバインドサイクルでよくみかけ
られるように低負荷時の蒸気不足の問題が生じる
ことがある。

さらに別の方法として、予混合を２段階とし、
３系統の燃料ラインを使用して、負荷指令に対す
る燃料要求指令に応じて３系統の燃料を順次投入
していく方法も考えられる。

すなわち、第８図に示すように、第１系統の燃
料f₁を制御弁１８を介して燃料ノズル６から燃焼
筒３の最上流部に噴出するとともに、上記燃料の
一部を高圧空気とともにスワラ８によつて上記噴
出燃料の周囲部に供給し、当該部分で燃焼を行な
わせる。一方、上記燃焼筒３の外周部には、それ
ぞれ独立した予混合室１９，２０が設けられ、各
予混合室１９，２０に、第２系統の燃料f₂および
第３系統の燃料f₃がそれぞれ制御弁２１，２２を
介して供給され、そこで空気圧縮機１から吐出さ
れた高圧空気の一部とそれぞれ予混合した後、各
予混合室１９，２０に設けられた穴２３，２４よ
り燃焼筒３内に噴入され、当該部で燃焼される。
また、上記燃焼筒３内には、その周壁に設けられ
た多数の穴２５から冷却空気が供給されるととも
に、下流側においては数個の穴２６から希釈空気
が供給される。

そこで、各燃料は、３つの制御弁１８，２１，
２２をタービンの負荷に応じて順次開いていくこ
とにより、全負荷帯を通じてのNOxのピーク値
を抑えるように制御される。

すなわち、第９図ａに示すように、第１系統の
燃料f₁の流量w₁、第２系統の燃料f₂の流量w₂、第
３系統の燃料f₃の流量w₃の合計がガスタービン負
荷に応じたトータル燃料Ｗで、切換点A₁で制御
弁２１が開らき、切換点A₂で制御弁２２が開ら
くように制御される。このように、予混合を順次
下流側に移して行くことにより、第９図ｂに示す
ように、切換点A₁で第１のNOxピーク値p₁とな
るが、第２系統の燃料制御弁２１が開くことによ
り、NOxは下がる。さらに切換点A₂で第３系統
の燃料制御弁２２が開くことにより、一度上昇し
かけたNOxが再度下がり、全負荷帯を通じて
NOx規制値ａ以下の運転が可能となる。

しかし、上記燃料系統を３系統とする方法は、
燃料の追加或は削除が、切換点A₁，A₂で発生す
ることになり、燃料切換時の燃料の変動による負
荷変動等が発生する問題がある。特に切換点A₂
は高負荷帯に当り、頻繁な負荷増減、ガバナフリ
ーによる負荷変動を受けやすい負荷帯でもあり、
この部分に燃料ラインの切換点があることは、運
用上の制約ともなりかねない等の問題がある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、複数系統の燃料
系統と蒸気噴射装置との組合わせにより、NOx
の低減を効果的に行ない、上述の如き問題点を解
消し得るようにしたガスタービンの制御装置を得
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、燃焼器内に配置された燃焼筒の燃焼
ノズルに燃料を供給するとともに流量制御が可能
な第１燃料系統と、高圧空気と燃料とを予混合す
る予混合室に燃料を供給するとともに流量制御が
可能な第２燃料系統と、燃焼器内に蒸気を供給す
るとともに流量制御が可能な蒸気供給系統と、タ
ービン負荷に応じて第１燃料系統、第２燃料系統
および蒸気供給系統の流量制御を行なう燃焼制御
器とを備え、前記燃焼制御器はタービン負荷に応
じて第１燃料系統の流量信号を出力するとともに
タービン負荷の第１低負荷時から流量信号の傾き
をゆるやかにする第１関数発生器と、タービン負
荷の第１低負荷時からスタートするとともに、第
１関数発生器からの第１燃料系統の流量信号との
総和がタービン負荷に応じた所定値となるよう第
２燃料系統の流量信号を出力する第２関数発生器
と、タービン負荷の第１低負荷時より大きな第２
低負荷時からスタートしタービン負荷に応じて蒸
気供給系統の流量信号を出力する第３関数発生器
を有することを特徴とするガスタービン制御装置
である。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の制御装置の概略系統図であつ
て、燃焼筒３の最上流部には、当該部に設けられ
た燃料ノズル６によつて第１系統の燃料f₁が制御
弁１８を介して供給されるとともに、上記燃料の
一部が高圧空気とともにスワラ８によつて上記燃
料ノズル６の周囲部に供給され、当該部分で燃焼
が行なわれるようにしてある。一方、上記燃焼筒
３の外周部には、予混合室１９が設けられてお
り、その予混合室１９内において、制御弁２１を
介して供給された第２系統の燃料f₂と空気圧縮機
１から吐出された高圧空気の一部とが予混合さ
れ、その後予混合室１９に設けられた穴２３から
燃焼筒３内に噴入され、当該部で燃焼するよう構
成されている。

また、上記燃焼筒３内には、その周壁に設けら
れた多数の穴２５から冷却空気が供給されるとと
もに、下流側においては数個の穴２６を経て希釈
空気が供給されるようにしてあり、さらに上記燃
焼筒３の最上流部には、蒸気流量制御弁３０を介
して蒸気を燃焼筒３内に噴出せしめる蒸気噴射装
置３１が設けられている。

ところで、制御弁１８，２１および蒸気流量制
御弁３０は、燃焼制御器３２からの出力信号によ
つてそれぞれ作動制御されるようにしてあり、上
記燃焼制御器３２には、負荷増減信号Ｌが入力さ
れるとともに、タービンの排気部に設けられた排
気温度センサー３３からの排気温度信号、ガスタ
ービン速度センサー３４からの速度信号、および
噴射蒸気流量計３５からの蒸気流量信号がそれぞ
れフイードバツクされ、さらに両制御弁１８，２
１に設けられだ弁開度検出器３６，３７から弁開
度信号がフイードバツクされる。

第２図は上記燃焼制御器３２の制御ブロツク図
であつて、ガスタービン負荷増減信号Ｌが燃焼制
御器３２の負荷設定器４０に入力すると、その負
荷設定器４０が作動して負荷指令が出力され、こ
の負荷指令は速度センサー３４より得られる速度
信号と比較器４１で比較され、その偏差信号が速
度負荷制御部４２を介して低値優先回路４３に入
力される。上記低値優先回路４３には、排気温度
センサー３３からの排気温度信号を入力する排気
温度制御部４４の出力と、起動時制御部４５の出
力が同様に入力されており、これらの３信号の低
値により燃料要求指令信号ｇが出力される。上記
低値優先回路４３は、速度負荷信号に優先して、
ガスタービン保護のための排気温度制御信号を活
かしたり、起動時の燃料制御を行なうためのもの
で、通常排気温度が制限内であれば、負荷指令に
応じて燃料要求指令信号ｇが出力される。

ところで、上記燃料要求指令信号ｇは、第１の
関数発生器４６、第２の関数発生器４７、および
第３の関数発生器４８に入力され、上記第１の関
数発生器４６では、上記燃料要求指令信号ｇに対
応する第１系統の燃料f₁の流量指令信号が出力さ
れ、この信号から減算器４９でバイアス設定器５
０からのバイアス信号が減算され、その偏差信号
が流量−弁リフト変換器５１で弁リフト信号とな
り、減算器５２、パワーアンプ５３を介して制御
弁１８に入力され、その制御弁１８の開度が制御
される。また、上記制御弁１８の開度は弁開度検
出器３６によつて検出され、減算器５２にフイー
ドバツクされる。

一方、第２の関数発生器４７では、タービン負
荷が低負荷域における所定値（第１低負荷時）に
なつたとき、燃料要求指令信号ｇに応じて第２系
統の然料f₂の流量指令信号が出力され、これが加
算器５４において前記バイアス設定器５０からの
バイアス信号が加算され、その加算信号が流量−
弁リフト変換器５５で弁リフト信号となり、減算
器５６、パワーアンプ５７を介して制御弁２１に
入力され、その制御弁２１の開度が制御される。
そして、その制御弁２１の開度は弁開検出器３７
によつて検出され、減算器５６にフイードバツク
される。

上記バイアス設定器５０は、第２系統の燃料用
の制御弁２１の開き始め点Ｂで、バイアス量ｌを
第１系統の燃料の流量指令信号から引算し、第２
系統の燃料の流量指令信号に加算するものであ
り、この場合瞬時に引算、加算を行なうと、燃料
流量変動を招く恐れがあるため、バイアスは徐々
に与えられる。

しかして、ガスタービン負荷増信号が燃焼制御
器３２に入力れると、第１系統で燃料制御弁１８
によつて第３図ａの実線で示すようにその流量が
制御され、また第２系統の燃料は制御弁２１によ
つて点線で示すようにその流量が制御され、トー
タル燃料は一点鎖線で示すようになる。すなわ
ち、燃料系統の切換は、切換点Ｂのみで、その後
の負荷上昇は主に第２系統の燃料の制御弁２１の
制御によつて行なわれる。しかも、この切換点Ｂ
は、併入後の初負荷をとつた程度の低負荷域に設
定される。

ところで、上述のような燃料切換を行なうと、
NOx排出量は、第３図ｂに示すように切換点Ｂ
においてNOxピーク値p₁をとるが、その後実線
で示すように推移し、約50％負荷付近からは、一
点鎖線のようになり、NOx規制値ａをオーバー
してしまう。

そこで、本発明においてはこれを防ぐため、第
３図ｃに示すように、上記切換点Ｂの後より蒸気
噴射装置３１を作動し、噴射蒸気を燃焼筒３内に
供給する。

すなわち、第３の関数発生器４８においては、
前記燃料切換点Ｂよりさらに負荷が上昇した時点
（第２低負荷時）において、燃料要求指令信号ｇ
に応じて、まず所定値の蒸気を供給し、その後順
次あらかじプログラムされたカーブにしたがい、
蒸気量を増加するような噴射蒸気量指令信号が出
力され、この指令信号が噴射蒸気流量計３５から
の噴射蒸気量信号と比較器５８で比較され、その
偏差信号が噴射蒸気流量制御部５９で演算され、
その後蒸気流量制御弁３０に駆動信号が出力され
る。そして、最終的に、第３図ｃで示すような、
負荷に対応する噴射蒸気量となるように蒸気流量
が制御される。

しかして、切換点Ｂ以後においては、タービン
負荷に応じた噴射蒸気が燃焼筒３内に噴射され、
それによつてNOxの発生が規制され、約50％負
荷付近以降においても、NOx排出量は第３図ｂ
の実線に示すようになり、NOx排出量がNOx規
則値ａ以下に制御される。

なお、上記実施例においては、蒸気噴射量のプ
ログラムを燃料要求指令信号に対応したものとし
たが、これは負荷に対応する、例えば実負荷、空
気流量等の信号によつて蒸気噴射量を決めるよう
にしてもよい。また、燃料系統についても必らず
しも２系統とする必要はなく、部分負荷或は高負
荷帯において燃料切換を行なわなければ、２以上
の複数系統としてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては、燃料
と空気との予混合によるNOx低減効果と、蒸気
噴射によるNOx低減効果とを併用したのて、
NOx排出量を常に規則値以下に維持することが
でき、しかも制御弁の切換をタービン併入後の低
負荷で行なうのみで、高負荷帯での切換えなく高
負荷帯では蒸気噴射による連続制御によりNOx
排出量を低減させるので、負荷変動要求、ガバナ
フリー運転要求時においても安定した制御を行な
うことができる。さらに、従来の蒸気噴射のみの
NOx低減のための制御より蒸気の消費量は少な
く、コンバインドサイクルでよくみられる低負荷
時の蒸気不足の問題もなくなる。

また、予混合室への燃料供給が開始される第１
低負荷時より大きな第２低負荷時から、タービン
負荷に応じて蒸気を供給することにより、より確
実にNOx排出量を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のガスタービン制御装置の概
略系統図、第２図は燃焼制御器の制御ブロツク
図、第３図ａ，ｂ，ｃはそれぞれ本発明における
ガスタービン負荷に対応した、燃料流量、NOx
排出量、噴射蒸気量の変化説明図、第４図は基本
的なガスタービン装置の構成図、第５図は燃空比
に対するNOxの変化線図、第６図は従来の予混
合方式と空気流量制御による低NOxタービンの
構成図、第７図は第６図のガスタービンの排ガス
特性線図、第８図は従来の３燃料系統を有する低
NOxガスタービンの構成図、第９図ａ，ｂは第
８図のガスタービンにおける負荷に対応する燃料
流量、NOx排出量の変化線図である。 １……空気圧縮機、２……燃焼器、３……燃焼
筒、６……燃料ノズル、８……スワラ、１２……
ガスタービン、１９……予混合室、１８，２１…
…制御弁、３０……蒸気流量制御弁、３１……蒸
気噴射装置、３２……燃焼制御器、４２……速度
負荷制御部、４３……低値優先回路、５０……バ
イアス設定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼器内に配置された燃焼筒の燃焼ノズルに
   燃料を供給するとともに流量制御が可能な第１制
   御系統と、高圧空気と燃料とを予混合する予混合
   室に燃料を供給するとともに流量制御が可能な第
   ２燃料系統と、燃焼器内に蒸気を供給するととも
   に流量制御が可能な蒸気供給系統と、タービン負
   荷に応じて第１燃料系統、第２燃料系統および蒸
   気供給系統の流量制御を行なう燃焼制御器とを備
   え、前記燃焼制御器はタービン負荷に応じて第１
   燃料系統の流量信号を出力するとともにタービン
   負荷の第１低負荷時から流量信号の傾きをゆるや
   かにする第１関数発生器と、タービン負荷の第１
   低負荷時からスタートするとともに、第１関数発
   生器からの第１燃料系統の流量信号との総和がタ
   ービン負荷に応じた所定値となるよう第２燃料系
   統の流量信号を出力する第２関数発生器と、ター
   ビン負荷の第１低負荷時より大きな第２低負荷時
   からスタートしタービン負荷に応じて蒸気供給系
   統の流量信号を出力する第３関数発生器を有する
   ことを特徴とするガスタービン制御装置。 ２ 第１関数発生器、第２関数発生器および第３
   関数発生器に入力されるタービン負荷は、燃料要
   求信号によつて表わされることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のガスタービン制御装置。