JPH0684815B2 - ガスタ−ビンプラントの運転方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ガスタービンプラントの運転方法及びその装
置に係り、特に、低NO_x化のために二段燃焼方式を採用
した燃焼器が組み込まれたガスタービンプラントの運転
方法及びその装置に関する。

〔発明の背景〕

最近、国内では、省エネルギ，省資源のニーズの高まり
により、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラント
とを組合わせた複合サイクル発電プラントの計画が進み
つつある。しかし、国内では、ガスタービンの排出ガス
に対する環境規制が厳しく、特に、排出ガス中の窒素酸
化物（NO_x）に関しては、在来ガスタービン燃焼器では
規制値内に収まらず、低NO_x燃焼器の開発が急務となつ
ている。その開発の結果として、燃料を分散させ、か
つ、多段階に燃焼させる方式が有効とされ、二段燃焼方
式の燃焼器が採用されつつある。二段燃焼方式の燃焼器
は、一次燃料を燃焼させる頭部燃焼室と、この燃焼室の
下流側にあつて、比較的高い負荷帯で二次燃料と二次空
気とを予混合した後に燃焼させる後部燃焼室とを備え、
後部燃焼室では頭部燃焼室の火炎によつて二次燃料に着
火する。このものであるとそれぞれの燃焼室で空気過剰
とする稀薄燃焼が可能であるため、低NO_x化が可能であ
る。

ところが、ガスタービンプラントの負荷が変化すると、
燃料流量がほぼ負荷に比例して変化するのに対し、圧縮
機からの空気量はほぼ一定（ガスタービンの回転数が一
定のため）であるため、空気と燃料との重量比（以下、
空燃比と言う）が変動してしまい、或る負荷状態で好ま
しい空燃比になるように空気と燃料の比を設定していて
も、別の負荷状態では、過度に濃くなつたり反対に薄く
なつたりして、排ガス中のNO_x、あるいは、CO,HCなどが
増大する。

このため、実開昭57-154855号公報に見られるように、
燃焼室をバイパスして、一部の圧縮空気を直接燃焼器後
部の尾筒に流す流路を設けて、負荷状態に応じてこのバ
イパス空気量を制御することが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしこの技術では、バイパスの可変通路面積を大きく
しなければ所望のバイパス空気量が得られないため、構
造的な制限から、一次，二次燃料を供給して運転できる
負荷領域が、比較的高い負荷帯に限定される。それ故、
ガスタービンの定常的な運転負荷帯において、一次燃料
のみの運転から、一次，二次燃料を同時に供給する運転
状態に切り換るとき、異常に大きい燃焼振動が発生する
恐れがある。又、一次火炎を着火源として２次の予混合
燃焼が始まるまでに、二次空気が多いため二次燃料が希
薄すぎて着火が出来ない、いわゆる、可燃焼限界以下と
なる。このため、未燃焼成分の生成が多く効率低下とな
るおそれがある。このような一次燃料から二次燃料への
切り換えは、効率低下や燃焼振動抑制の観点からは、通
常の負荷運転範囲からずらし、できる限り低負荷である
ことが好ましい。又、二次空気流量を精度良く、かつ、
効率良く制御することが燃焼器内部の部分的な空燃比を
均一とすることができ、燃焼性をより良くすることがで
きるわけである。

本発明の目的は、二段燃焼方式の燃焼器を備えたガスタ
ービンプラントにおいて、一次燃料の火炎から二次燃料
への火移りを良好に行わせ、燃焼振動を抑制し、かつ、
効率の低下を抑え、又二次空気の精度良い制御をするこ
とができるガスター起動，運転方法及びその装置を提供
するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち本発明は、ガスタービンが起動し一次燃料の燃
焼が始まつた後、圧縮機から空気の１部を圧縮機の吐出
部より抽気し、燃焼器へ供給される空気流量を減少させ
た状態で二次燃料の燃焼を開始させ、かつ、二次空気の
通路より空気を抽気するようになし所期の目的を達成す
るようにしたものである。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明を実施したガスタービンプラントの概
略系統図である。図において、圧縮機１で圧縮された空
気４は、燃焼器３に供給され、頭部燃焼室７の周壁7aに
形成した一次空気供給口及び後部燃焼室６の周壁11に形
成した二次空気供給口から各燃焼室に入り、燃焼空気と
して使用される。後部燃焼室11の下流側は、尾筒17を介
して、ガスタービン２の静翼18に燃焼ガスを供給するよ
うに構成される。頭部燃焼室７の中央にはエンドブラケ
ツト９から軸方向に延びる内筒10が設けられ、この内筒
10と周壁7aとに囲まれた環状空間にエンドブラケツト９
から多数の一次燃料ノズル19が設けられている。後部燃
焼室６は、頭部燃焼室７よりも大径となつていて、両燃
焼室の接続部12には、二次燃料供給口13が設けられる。
一次燃料ノズル19及び二次燃料供給口13はそれぞれ燃料
ライン８及び14を介して燃料調節弁21及び22に接続され
る。調節弁21,22は制御器20からの信号により制御され
る。制御器20には、ガスタービン２の回転数信号及び負
荷信号が入力される。更に、制御器20の出力信号は、圧
縮機１の車室から抽気するライン25に設けた抽気弁23の
制御信号として与えられる。又、これと連動し二次空気
通路から二次空気を抽気するライン27に設けた抽気弁28
の制御信号として用いられる。26は、ガスタービン２の
負荷であり、例えば、発電機である。

次に、ガスタービンプラントの起動について説明する。
一般に、発電プラントに適用されるガスタービンは、ガ
スタービン起動後、発電機26を無負荷にしておき、ガス
タービン回転数を定格回転数まで昇速し、かかる後に負
荷をとる。

第２図は、本発明による空気流量特性並びに一次，二次
燃料特性を示す。圧縮機１の吐出空気量は、ガスタービ
ン回転数が定格（100％）回転数に達するまでは、ほぼ
二次曲線的に増大し、それ以降は、負荷にかかわらず一
定となる。ガスタービンの起動に際しては、圧縮機１を
他の原動機で駆動し、ある回転数ａ点に達したところで
一次燃料を供給して点火する。これによりガスタービン
２は自立運転に入り、一次燃料を徐々に増加することに
より、ガスタービン２は昇速される。ｂ点まで昇速され
ると第３図に示すように抽気弁23が開き、圧縮機１の空
気を大気に逃すため、第２図の太い実線で示すように、
燃焼器３への流入する空気量が抽気された分だけ少なく
なる。抽気を開始した後、ｃ点で二次燃料がステツプ状
に供給され、点線で示す一次燃料はステツプ状に減少さ
せる。二次燃料の供給と同時に、頭部燃焼室の火炎16に
より二次燃料が点火され二次火炎15が生じる。二次燃料
点火後、一次，二次両方の燃料を供給しながら運転され
るが、抽気弁23のみの制御ではその開度は第３図に示す
ように、ｂ点から徐々に大きくなり、その後点線をたど
りｅ′位置の定格回転数付近で最大となり、負荷上昇と
ともに減少させ、ガスタービンの常用負荷帯（通常25％
〜100％負荷）では、抽気量は零もしくは攻に近い値に
なるように減じられる。ｃ点以降の一次燃料と二次燃料
との合計燃料は、第２図実線で示すように変化し、抽気
をしない場合の必要燃料量（二点鎖線で示す）に比べ
て、抽気ゾーンでは若干増大している。これは、抽気を
行うと、燃焼器流入空気量の減少により、タービンの出
力が低下するので、その低下分を補うために余分の燃料
を必要とするからである。

また、抽気を行うと燃料増加となり、これに起因する効
率低下に及ぼす影響が大であり効率低下を抑え、かつ、
良好な燃焼を行うため車室抽気と二次空気抽気を併用す
ることが良好である。すなわち、車室のみの抽気では燃
空比制御を必要とする二次空気のみの制御だけでなく希
釈，冷却の空気量も共に抽気するため抽気空気量が多く
効率低下に及ぼす影響が大きくなるため、車室抽気と二
次空気通路からの抽気を併用する方法があり、二次空気
通路からの抽気を第３図中ｄの位置で行い抽気を徐々に
増加すると共に車室抽気を減少させｅ点では二次空気通
路からのみの抽気を行い二次火炎を良好な可燃範囲に入
るように抽気弁23および28の制御を行う。とくに、負荷
帯における抽気は抽気小流量でしかも抽気を必要とする
二次空気通路からみ抽気するものであり精度の良い抽気
制御が出来燃焼振動発生防止や未燃焼成分の発生を防ぐ
ことが出来る。第４図にタービン運転過程における効率
低下と抽気量との関係を示す。

車室のみの抽気に対し、二次空気通路からの抽気を併用
すれば抽気空気量をｅ点で約1/3に減じることが出来、
効率低下も抽気量低減と同じように抑えることが出来
る。

第５図に抽気による燃焼振動レベルおよび未燃焼成分の
傾向を示す。抽気を二次空気通路から行う方法では効率
良く空気と燃料の比率制御が出来るために、いずれの特
性も低く抑えることが出来る。

とくに、タービン回転数が100％に達しない状態では一
次燃焼室における空気量が多く空気過剰な燃焼を行つて
おり燃焼性能が低下することから一次燃焼室の空気を減
少し燃焼性能を向上することが必要であり、一次燃焼室
の空気を少なくする手段として車室より空気を抽気する
と一次燃焼室の燃焼性能を向上することが出来る。しか
るに、タービン回転数100％までは一次燃焼室への空気
量も制御できる車室抽気と、それ以上の負荷運転時での
抽気は、出来るだけ抽気流量を抑え効率の低下を抑える
方法が有効である。具体的には本発明のように車室抽気
と二次空気通路からの抽気とを併用することが有効であ
る。

第６図は、第２図に示す一次燃料，二次燃料の流量特性
により燃料を制御したときの一次，二次燃空比特性を示
す。図中ハツチングで示す範囲は、最適な空燃比範囲を
示すものであり、上限（濃厚側）は、NO_x生成の限界値
で定まり、下限（稀薄側）は、COあるいはHCの限界値と
して決まるものである。

ここで、一次，二次燃空比は、それぞれ一次及び二次燃
料と、頭部燃焼室に供給される空気量（一次燃料空気＋
冷却空気）及び後部燃焼室に供給される空気量（二次空
気＋冷却空気）として定義される。又、第６図におい
て、一次燃焼部と二次燃焼部とで最適燃空比範囲が異な
つているのは、一次燃焼部が拡散燃焼、二次燃焼部が予
混合燃焼であるためであり、燃焼方式が変われば、最適
範囲も変るものである。換言すれば、一次，二次燃焼方
式が決れば、それぞれ最適燃空比範囲が決るので、ター
ビンの全運転範囲にわたつて燃空比がこの範囲内に入つ
ているように、燃焼空気と燃料を設定する必要がある。
第６図中タービン回転数が100％近傍では一，二次燃空
比が濃い方を示すｅ′を通過する点線の傾向は車室のみ
の抽気の場合である。一方、ガスタービンの合計燃料量
と負荷とは、ほぼ比例関係にあるため、負荷100％の点
で、一次，二次燃空比が最適燃空比内の最大値となるよ
うに設定した場合、抽気を行わないと、負荷零％での燃
空比は、最適燃空比の下限値以下となり、良好な燃焼状
態を維持できなくなる。

それ故に、第６図に示すように、燃空比が下限値に近く
になる運転領域で抽気を行い、ガスタービンの全運転範
囲で最適燃空比範囲になるように抽気量を制御する。

一次，二次燃料及び抽気量の制御は、制御器20にガスタ
ービン２の回転数信号及び負荷信号を取り込み、燃料調
節弁21,22、抽気弁23および抽気弁28を制御することに
よつて行う。抽気弁23,28が開いている運転領域、すな
わち、第３図の抽気ゾーンは、常用負荷帯よりも小さい
負荷帯及び昇速領域にあるので、抽気量を多くしても起
動時の効率が低下するが、常用負荷時の効率低下にはな
らない。それ故、第６図の抽気ゾーンの燃空比を所望の
特性に設定することができ、第２図に示すように、二次
燃料の供給開始点ｃを定格速度に達する前に設定するこ
とができる。

二次燃料の供給開始点ｃ点がガスタービン回転数の低い
領域に設定できれば、一次燃料火炎と二次燃焼火炎との
燃焼エネルギの差が小さいので、燃焼のステツプ的な変
化に起因する振動レベルが小さくなる利点がある。さら
に、二次燃空比が最少となる第６図に示すｅ点をｅ′点
よりも上げることが出来るので、車室および二次空気通
路抽気の併用の場合に燃焼性能を向上させることがで
き、さらに、燃焼性能に寄因する燃焼振動レベルを小さ
くする利点もある。

従来技術のバイパス空気量の制御では、バイパス空気量
を大きくすることがむずかしいので、定格速度で無負荷
運転の際、燃空比が稀薄になりすぎて、HC,CO濃度が増
大するため、25％負荷近傍までは、一次燃料のみで運転
し、要求燃料量がある程度増大した点で二次燃料の供給
を開始せざるを得なかつた。そのため、一次火炎から二
次火炎に火移りしたときの燃焼振動が大きくなる傾向が
あつた。

しかるに、本発明では、ガスタービンの昇速の過程で二
次火炎を形成することができ、さらに、より二次燃空比
を濃い方へ設定できるので燃焼振動のレベルが低いこと
は勿論、常用負荷帯では、常に一次火炎，二次火炎が形
成されているので、一次から二次に火移りするときのよ
うな過渡的な燃焼がないので、ガスタービンの運転が安
定している利点がある。

第７図にガスタービン立上げ時に車室抽気を行い低負荷
帯で、一，二次空気流量を行う他の実施例を示す。

ガスタービン立上げ時に、車室29よりもライン25に装着
した抽気弁23を介して流量を制御し、抽気を行う。さら
に一次30,二次31空気流量の制御は一次燃焼室7aを囲み
一次空気供給孔30aを開口したガバー部材32を設け、さ
らに、これを覆いこれを外筒33の外側からリンク機構35
a,35b,35c,35d,35eによつて連結されたスライド部材36
を摺動させる。そしてスライド部材36の一方側端は一次
空気流入孔30a上をスライドすることによつて、流入面
積を変化させ、一次空気流を制御する。一方、二次空気
はスライド部材36に開口した空気流入口38が，二次空気
流入口39上をスライドすることによつて、開口面積を変
化させ、流入量を変化させる。そして所定の燃空気を得
るように制御する。すなわち、一，二次燃料の切換点で
は第６図に示すように一次燃料を急激に減少させる時、
車室抽気を行つていても一次燃焼室は空気過剰の状態と
なる。このため一次燃焼室におけるCO濃度が上昇する。
ここでスライド部36を摺動させることによつて一次空気
開口部面積を減少あする方向に作動させ一次空気流入量
を減じる。これと連動し、二次空気流量も同時に減少す
るように作動するものである。第８図に点線で示すよう
にCOの生成を低く抑える利点を生じる。さらに、同時に
二次空気も制御しているので二次燃焼の効率を向上させ
ることも効果も合せて得ることが出来る。

このように車室抽気方式により大まかな調整を行い精度
の良い制御は一，二次空気を共に制御する方法を組合せ
ることにより燃焼性能を向上することが出来ると共に空
気過剰による燃焼がなくなるため燃焼振動の発生を小さ
く抑えることが出来る利点も生じる。

第９図の実施例では、ガスタービンプラントが複合サイ
クルプラントに組み込まれている。

第９図において、圧縮機２により吸入された空気41は、
圧縮空気42となり、２段燃焼方式の燃焼器３へ導かれ、
燃焼器３内で、一次，二次燃料を燃焼させ、燃焼ガス40
となつてタービン２に流入し、タービン２を駆動した
後、排ガス43となつて、排熱回収ボイラ44に導かれる。
ボイラ44内には、蒸発器44a,加熱器44b及び排ガス中のN
O_xを浄化するための脱硝装置45が設けられ、浄化された
排ガス46は、大気へ放出される。一方、排熱回収ボイラ
44で発生した蒸気47は、蒸気タービン48に導かれ、これ
を駆動し、発電機49を駆動する。蒸気タービン48の排気
蒸気は、復水器50で復水51となり給水ポンプ52により、
ボイラ44に戻される。

燃焼器３および車室29には、それぞれ抽気弁37b,23をも
つ抽気管53,54が設けられ、抽気管の他端は、排熱回収
ボイラ44に導入かれている。抽気弁23b,28b,39bには、
制御器20から制御信号が与えられる。制御器には、ガス
タービン負荷信号，回転数信号，大気温度信号，大気湿
度信号などが取り込まれ、一次燃料，二次燃料の制御も
行うものである。本実施例において、燃焼器３の一次，
二次燃料の制御は第２図の特性図に示すのとほぼ同一で
あり、抽気弁は第３図に示すように制御される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃焼器内の燃空比を所定の量に制御す
ることが出来ると共に、さらに一，二次空気流量の調整
および二次空気流量の抽気制御などを併用することによ
り良好な燃焼範囲を保つことが出来る。又、一，二次燃
焼の燃焼性を向上することが出来、二次燃料への着火が
容易となり、二次燃料着火時の燃焼振動を抑制すること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例のガスタービンプラントの
系統図、第２図は、空気量及び燃料量の特性図、第３図
は、抽気弁開度特性図、第４図は、空気量と燃焼効率低
下を示す図、第５図は、未燃成分，燃焼振動レベルを示
す図、第６図は、燃空比特性図、第７図は、他の実施例
の断面図、第８図は、CO濃度特性図、第９図は、本発明
を複合サイクルプラントに応用した系統図である。 １…圧縮機。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一次燃料の供給手段及び一次空気供給口を
   有する頭部燃焼室及び前記頭部燃焼室の下流側にあつて
   二次燃料の供給手段及び二次空気供給口を有する後部燃
   焼室からなる燃焼器と、この燃焼器に燃焼のための圧縮
   空気を供給する圧縮機と、前記燃焼器で生じた燃焼ガス
   により駆動されるタービンとを備えたガスタービンプラ
   ントにおいて、 前記ガスタービンが起動し前記一次燃料の燃焼が始まつ
   た後、前記圧縮機からの空気の１部を前記圧縮機の吐出
   部より抽気し、燃焼器へ供給される空気流量を減少させ
   た状態で前記二次燃料の燃焼を開始させ、かつ、前記二
   次空気の通路より空気を抽気することを特徴とするガス
   タービンプラントの運転方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の運転方法にお
   いて、前記一次燃料の燃焼開始直後から徐々に抽気空気
   量を前記ガスタービンの速度上昇に応じて増大させ、前
   記二次燃料の燃焼開始後、前記ガスタービンの負荷増大
   に応じて前記抽気空気量を減少させることを特徴とする
   ガスタービンプラントの運転方法。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項の運転方法におい
   て、前記二次燃料の燃焼開始後に圧縮機の吐出部から抽
   気する空気量を減じながら前記二次空気通路からの抽気
   を増大し負荷に応じて燃焼器の抽気量を減少させること
   を特徴とするガスタービンプラントの運転方法。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第２項または第３項の運転
   方法において、 前記一次空気および前記二次空気の流量の調整を併用す
   ることを特徴とするガスタービンプラントの運転方法。
5. 【請求項５】一次燃料の供給手段及び一次空気供給口を
   備えた頭部燃焼室と、前記頭部燃焼室の下流側にあつて
   二次燃料の供給手段及び前記二次燃料の供給口を備えた
   後部燃焼室からなる燃焼器と、前記一次及び二次空気供
   給口に燃焼のための圧縮空気を供給する圧縮機と、前記
   燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるタービンとを
   含むガスタービンプラントにおいて、 前記一次，二次燃料の供給量を制御するための燃料調整
   手段と、前記圧縮空気の一部を燃焼器の車室より抽気す
   るための第一の抽気弁と、前記二次空気を抽気する第二
   の抽気弁と前記燃料調整手段及び抽気弁を制御するため
   の制御器とを備え、前記制御器は、少なくとも前記ガス
   タービンの回転速度信号及び負荷信号を入力し、前記ガ
   スタービンの起動過程で前記二次燃料が供給される前に
   前記第一の抽気弁が開いて抽気が行われるようにしたこ
   とを特徴とするガスタービンプラントの運転装置。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第５項の運転装置におい
   て、 前記一次空気および前記二次空気の調整を行う手段を備
   え、この手段を前記二次燃料の供給を開始する近傍で作
   動させることを特徴とするガスタービンプラントの運転
   装置。