JPH07189743A - ガスタービン燃焼器の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、年間を通じて安定化燃焼制御を行い
信頼性の高い低ＮＯｘ燃焼器の制御方法を提供すること
を目的とする。 【構成】ガスタービンの運用に伴う燃料，空気流量変化
及び大気条件，燃料条件に応じて予混合部の空気流量を
調整する手段として燃料流量調節弁の開度や、空気流量
調整機開度を変化させることを介し、それぞれの流量を
調整し、燃焼安定化を図る。 【効果】年間を通じて空気流量条件変化，燃料流量条件
変化に対応しこれらの変動に左右されず低ＮＯｘ化を行
いながら、安定燃焼を行うことが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は環境対応型のガスタービ
ン燃焼器の制御方法に関するものであり、特に、低ＮＯ
ｘ燃焼を実現させるための燃焼器の制御方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の制御は、特開昭60−91141 号公報
に記載の様にガスタービン用２段燃焼式低ＮＯｘ燃焼器
において２段目の空気流量をガスタービン出力変化によ
って制御している。

【０００３】また、特開平2−33419号公報には、ガスタ
ービン燃焼器において大気湿度変化に対して常に予混合
燃焼の安定性向上を図りＮＯｘ排出量を低く抑えるため
に大気湿度を検知し、その検知信号によって２段目空気
流量を変化させることが記載されている。

【０００４】更に、特開平5−187271 号公報にも燃焼器
の制御方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、
冬季，夏季を通じてのガスタービン運用に伴う圧縮機入
口案内弁変化や、大気条件変化及び燃料条件変化に対
し、その対応が実現出来なかった。

【０００６】そこで、本発明はかかる問題点を解決し、
年間を通じて安定化燃焼制御を行い信頼性の高い低ＮＯ
ｘ燃焼器の制御方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の環境対応型ガス
タービン燃焼器の制御方法は、燃焼安定化を行いなが
ら、低ＮＯｘ燃焼を実現させるための燃焼制御方法に関
するもので、ガスタービンの負荷運用に伴う空気流量変
化や燃料流量変化及び、大気温度変化，湿度変化，燃料
組成変化による燃料発熱量変化時にとくに予混合燃焼の
燃焼安定化を図るため常に予混合部の燃料と空気の比率
を常に一定に保つように２段目の燃料流量や２段目の空
気流量を調節する制御に関するものである。

【０００８】冬季，夏季を通じてのガスタービン運用に
伴う圧縮機効率変化等の経時変化や圧縮機入口案内弁変
化，大気条件変化及び燃料条件変化に対し、常に安定な
予混合燃焼の燃料流量と空気流量を安定な燃焼範囲に保
つ様に２段目に供給する燃料流量を制御し、且つ、２段
目の空気流量調整を行うことによりその対応が出来るよ
うにすることで、年間を通じて予混合安定化燃焼制御を
行い信頼性の高い低ＮＯｘ燃焼器の燃焼制御方法を提供
する信頼性の高い低ＮＯｘ燃焼器の燃焼制御方法を提供
するものである。

【０００９】そこで、本発明は、ガスタービン出力に応
じて燃料流量を制御すると共に燃料と混合される空気流
量をある範囲内に制御するガスタービン燃焼器の制御装
置において、空気流量変化及び燃料流量の変化に対応
し、燃料流量と空気流量が常に或る一定値となるように
２段目の燃料流量を調節することを特徴とする。

【００１０】更に、空気流量変化はガスタービンの運用
に伴う圧縮機入口案内弁の変化，大気温度変化，大気圧
力等変化を対象とし、燃料流量の変化はガスタービンの
運用に伴う燃料流量変化，燃料温度変化，燃料発熱量変
化を対象とし燃料流量と空気流量が常に或る一定値とな
るように燃料流量を調節することが好ましい。

【００１１】更に、空気流量変化は２段目に流入する２
段目空気流量を対象とし、燃料流量変化は２段目に供給
される燃料流量を対象とし、２段目空気流量と２段目燃
料流量の比率が一定範囲となるように２段目に供給され
る燃料流量を調節することが好ましい。

【００１２】更に、空気流量変化は２段目に流入する２
段目空気流量を対象とし、燃料流量変化は２段目に供給
される燃料を対象とし、２段目空気流量と２段目燃料流
量の比率が一定範囲となるように２段目に供給される２
段目空気流量調節機構開度を変化することが好ましい。

【００１３】

【作用】ガスタービン出力に対する空気流量，燃料流量
の基本制御値は安定な低ＮＯｘ燃焼ができるように設定
されているが、その制御設定値は冬季，夏季を通じての
一定値であり、このため、大気温度，圧力変化や湿度変
化に対し、また、燃料組成，燃料温度変化に対応ができ
ない。そこで、本発明は各ガスタービン出力状態におい
て空気流量変化に影響を及ぼす、大気温度変化量，湿度
変化量や圧縮機の効率低下量等に対し、また、燃料流量
の変化に影響を及ぼす燃料温度変化量，燃料組成変化
量，燃料発熱量の変化に対して常に一定の２段目予混合
燃焼の燃料と空気の重量比になるように２段目に供給さ
れる燃料流量もしくは空気流量の調整を行うことによ
り、その対応が出来るようにする。

【００１４】

【実施例】図１に本発明の一実施例を示す。図１は予混
合燃焼方式を採用した２段燃焼式低ＮＯｘ燃焼器の断面
図が示されている。本図において、圧縮機１からの空気
２は燃焼器３へと導かれ燃焼ガス４となってタービン部
５へと流入するようになっている。

【００１５】燃焼器３は１段目燃焼部６と２段目燃焼部
７より構成されており、燃料供給は１段目燃焼部６への
燃料８と２段目燃焼部への燃料９の供給によって行う。
２段目燃焼部７は燃焼用空気１０と燃料ノズル１１から
の燃料９が予混合内部１２にて混合する予混合方式を採
用している。

【００１６】燃焼用空気１０の流量調節は空気流量調節
機１３によりガスタービン負荷の上昇，降下に伴う燃料
流量の変化に応じて規定の開度に調整され、燃料９と空
気１０のある一定範囲の重量流量比になるように制御さ
れる。

【００１７】本発明は２段燃焼式低ＮＯｘ燃焼器におい
て燃料流量と空気流量の調節に関するものであり、この
部分について説明を加える。圧縮機１からの空気２は燃
焼器３へと導かれ燃焼ガス４となってタービン部５へと
流入するようになっている。燃焼器３は１段目燃焼部６
と２段目燃焼部７より構成されており、燃料供給は１段
目燃焼部６への燃料８と２段目燃焼部への燃料９の供給
によって行う。それぞれの燃料系統８，９には燃料調節
弁１３，１４が設けられている。１段目燃料８は１段目
燃料調節弁１３を介して１段目燃料ノズル１６へ供給さ
れ、２段目燃料９は２段目燃料調節弁１４を介して２段
目燃料ノズル１１へ供給される。

【００１８】圧縮機１へ流入する空気１Ａは圧縮機入り
口案内弁１８により調整され燃焼器３へ導かれる空気２
は１段目燃焼部６への空気２Ａと２段目燃焼部（予混合
燃焼部）７への空気２Ｂ及び冷却用空気２Ｃに別れ供給
される。２段目の空気２Ｂは空気流入穴部１０を覆い空
気流入穴部面積を変える様に構成する空気流量調整機構
（リング形状）１７によって調整される。

【００１９】２段目は空気２Ｂと燃料１１とを予混合燃
焼部７に供給される前に混合する予混合部１２で混合さ
れた予混合燃料ガスとなり予混合燃焼部７で燃焼する。

【００２０】図２，図３に本発明における燃料投入と空
気流量変化例を示す。ガスタービン着火は１段目燃料の
みを供給することで行い、起動／昇速後、無負荷を経て
約３０〜５０％負荷までは１段目燃料の燃焼で行う。そ
れ以上の負荷では１段目燃料に加えて２段目燃料を供給
する。２段目燃料の切替え時には１００％負荷時の２段
目燃料流量に比べて流量は約１／２以下に減少する。こ
のため２段目の燃料と空気流量比率を常に一定に保つた
め空気流量も約１／２以下に減少する調整が必要であ
る。２段目燃料供給後における負荷上昇は１，２段目の
燃料を同時に増加するか、或いは１段目の燃料増加を抑
え、２段目の燃料供給を主体にして行うこともある。

【００２１】図３は２段目の燃料流量の増加，減少時に
はこれに見合う様に常に一定燃料／空気流量比率を保つ
ように２段目の空気流量を空気流量調整機構を介して増
加，減少することで２段目の着火から定格負荷までの対
応する様子を示す。２段目の着火時には２段目の燃料流
量が少ないため２段目の空気流量を減少することが必要
であるため空気流量調整機構開度を絞る制御をしてい
る。この様に空気流量はガスタービンの負荷条件によっ
てほぼ基本流量は定められる。一方、燃料は天然ガスを
用いておりガス圧縮機により高圧ガス化し、ガスタービ
ンに供給するため圧縮熱の変化や大気温度変化による配
管からの熱放散により燃料温度が変化する。

【００２２】さらに、燃料組成変化に起因し、燃料発熱
量は８６００〜１１０００kcal／Ｎｍ³ に変化する。燃
料発熱量が変化することは入熱量が変化することであ
り、燃料流量が変化するのと同等と考える事が出来、し
たがって、発熱量変化は燃料流量が約２８％変化するに
匹敵する。また、燃料の制御は燃料調節弁の開度を変化
することで行っているために燃料温度は約１０℃〜１５
０℃に変化し、温度変化による燃料密度変化により燃料
流量は約２２％変化する。この様な燃料状態の変動は不
定期に発生するため、この変化に追従し一定の燃料／空
気比率となるように２段目燃料流量を調整するか、ある
いは空気流量を調整することが必要である。

【００２３】一方、冬季，夏季を通じての大きな空気流
量変化はガスタービンの負荷運用によって変化する圧縮
機入口案内弁１８の開度変化に影響される。同一負荷条
件でも圧縮機入口案内弁の開度は大気温度変化によって
変化するように制御され、空気温度が高い場合は案内弁
１８の開き始まるポイントは低負荷側に移行するため空
気流量が変化することになる。

【００２４】このように、同一燃料流量に於いても圧縮
機入口案内弁の開度が変化することで空気流量が大幅に
変化することを示し、圧縮機入口案内弁の開度の変化に
よる空気流量の変化様子を図４に示す。圧縮機入口案内
弁開度が一定となる低負荷および定格負荷近傍では一定
開度時においても大気温度変化すると空気の密度変化に
より、空気流量が変化し、大気温度が高い夏季（３０
℃）に対し、大気温度の低い冬季（０℃）に於ける空気
流量は約８％増加する様子も図５に示す。ガスタービン
の負荷運用に準じて燃料流量及び空気流量が変化する
が、２段目予混合燃焼の安定性を保つためには空気流
量，燃料流量の変化に対応して２段目に供給する燃料流
量と空気流量との比率を一定範囲になるように制御する
ことが２段目燃焼安定性能を向上するポイントである。
本発明は空気，燃料流量の変化に準じて常に一定の燃料
／空気比率を保つように２段目の空気流量を基準にして
２段目の燃料制御弁を介して２段目燃料流量を調整する
か、或るいは空気，燃料流量の変化に準じて２段目の燃
料流量を基準にして空気流量調整機構を制御することで
２段目の空気流量を調整するかいずれの方法がとられ、
いずれでも対応が可能であることである。２段目の燃料
流量と空気流量を常に一定となる制御を行う為には基準
空気流量及び基準燃料流量に対し空気，燃料の変化量を
入力することが必要である。

【００２５】空気流量変化に及ぼす要因は大気温度，圧
縮機入口案内弁開度、及び空気流量調整機構開度変化等
があり、燃料流量変化に及ぼす要因は燃料調節弁開度，
燃料温度，燃料組成、及び燃料発熱量変化等がある。

【００２６】２段目燃空比制御のポイントは基準の燃料
流量及び空気流量に対して空気流量に及ぼす要因の変化
量と燃料流量に及ぼす要因の変化量を考慮し、基準の燃
料流量に対して空気流量変化分と燃料流量の変化分を考
慮し、修正した燃料流量と空気流量の比率が常に一定の
比率になるように調整することであり、この様子を図６
に示す。横軸はガスタービンの負荷制御に相当する燃料
流量制御信号を示し、縦軸は２段目燃料流量制御信号を
示す。２段目燃料／空気比率の一定制御についてはＦ２
／Ａ２＝基準燃料流量／基準空気流量＝修正後燃料流量
／修正後空気流量となることを基準に考える。

【００２７】図６中Ａ点を基準全燃料流量：ＦＦＤ０，
基準２段目燃料流量；Ｆ２ＦＦＤ０，基準２段目空気流
量：Ａ２０，修正後２段目燃料流量：Ｆ２ＦＦＤ，修正
後２段目空気流量：Ａ２で示す。

【００２８】２段目の燃料流量は下式で示され、Ｆ２Ｆ
ＦＤ＝（Ｆ２比率＊ＦＦＤ０）＊αここでαは２段目燃
空比一定とするためのバイアス量である。

【００２９】任意のガスタービン負荷における燃料流
量：ＦＦＤ０及び圧縮機吸込空気流量計算値：Ａｔ，圧
縮機入口案内弁開度：ＩＧＶ，大気温度：ＴＣＩとする
と空気流量調整機構開度：ＩＦＣ（ＩＦＣ開度によるＡ
２量比；Ａ２／Ａｔ），圧縮機吸込み空気流量；Ｗａ，
Ｗａ０）における２段目燃空比：Ｆ２／Ａ２で示され、 Ｆ２／Ａ２∝（Ｆ２比率＊ＦＦＤ０）＊α／（（Ａ２／
Ａｔ）＊Ｗａ）＝（Ｆ２比率＊ＦＦＤ０）／（（Ａ２／
Ａｔ）＊Ｗａ０） となる。

【００３０】したがって、２段目の燃料流量は下式の様
に示される。

【００３１】 Ｆ２ＦＦＤ＝Ｆ２比率＊ＦＦＤ０＊α ＝Ｆ２比率＊ＦＦＤ０＊（γＦ０／γＦ）＊（ＴＦ／ＴＦ０） ＊（（Ａ２／Ａｔ）／（Ａ２／Ａｔ）０）＊Ｗａ／Ｗａ０ （γＦ０／γＦ）：ｆ（燃料密度バイアス） （ＴＦ／ＴＦ０）：ｆ（燃料温度バイアス） （（Ａ２／Ａｔ）／（Ａ２／Ａｔ）０）：ｆ（ＩＦＣバ
イアス） （Ｗａ／Ｗａ０）：ｆ（ＩＧＶバイアス，ＴＣＩバイア
ス） 修正後の２段目燃料流量は各バイアス調整により下式に
て表せる。

【００３２】 Ｆ２ＦＦＤ＝Ｆ２比率＊ＦＦＤ０＊ｆ（燃料密度バイアス）＊ｆ（燃料温度 バイアス）＊ｆ（ＩＦＣバイアス）＊ｆ（ＩＧＶバイアス， ＴＣＩバイアス） 実際に制御する場合には２段目基準燃料指令信号（Ｆ２
ＦＦＤ０）に対して空気条件変化修正及び燃料条件修正
変化分を２段目基準燃料流量指令信号に加算することで
２段目燃料／空気流量を一定範囲に保持するものであ
る。

【００３３】図７，図８に圧縮機入口案内弁開度変化，
大気温度変化，大気湿度変化及び燃料温度，発熱量の変
動に応じて２段目の燃料流量を調節することによって燃
料流量増，減に起因する燃焼不安定や火炎接近による現
象発生を防止出来る制御系統例を示す。

【００３４】時々刻々変化する圧縮機入口案内弁開度出
力１９，大気温度出力２０，大気湿度出力２１，圧縮機
効率出力２２，燃料発熱量出力２３，燃料温度出力２
４，２段目燃料調節弁開度（ＩＦＣ）指令２５からのそ
れぞれの入力に対して燃料密度バイアス２６，燃料温度
バイアス２７，燃料発熱量バイアス２８，ＩＦＣバイア
ス２９，ＩＧＶバイアス３０，ＴＣＩバイアス３１，大
気湿度バイアス３２に置き換え、それぞれのバイアスに
ついて判定器３２を介し、比率演算器３３を介して設定
された２段目の燃料／空気比率３４に一定に保つように
調整する手段とし、図７に２段目燃料流量を制御する方
法としてＦ２燃料流量修正量制御信号３５により２段目
のＦ２燃料流量調節弁３６（図１では燃料調節弁１４）
を調整することで一定燃料／空気比率になる様に制御す
る。

【００３５】また、２段目の燃料／空気比率３４に一定
に保つように調整する手段として２段目空気流量修正量
制御信号３７により２段目の空気流量調整機構開度(Ｉ
ＦＣ)３８（図１では空気流量調節；１０）を調整する
ことで一定燃料／空気比率になる様に制御する。それぞ
れのバイアスについて演算器を介し、２段目の燃空比を
一定に保つように調整する手段として２段目燃料流量及
び空気流量修正制御信号によりＩＦＣ開度もしくは２段
目燃料流量の制御するのが効果的であり、燃料もしくは
空気流量の修正を行うことにより、年間を通じて安定な
燃焼を持続することができる。

【００３６】年間を通じたガスタービン運転状態から２
段目の予混合部における予混合燃料ガスの流出速度：ｖ
とＦ２／Ａ２との関係を図９に示す。Ｆ２／Ａ２が小さ
く燃料が少ないために燃焼不安定となる領域Ａ及び逆に
Ｆ２／Ａ２が大きく燃料が多いために燃焼火炎が予混合
出口に接近する領域Ｂが存在し、最適なＦ２／Ａ２と流
出速度：ｖとの関係を維持するようにＦ２流量の制御を
行うものである。

【００３７】本発明によるＦ２／Ａ２制御を行った結果
を図１０に示す。

【００３８】年間を通じて行った場合の結果であり、燃
焼不安定現象の発生はなく、火炎接近する状態もなく一
定の燃料／空気を保つような制御を実施することにより
安定な燃焼が出来ることを確認した。

【００３９】従って、出力一定で圧縮機入口案内弁一定
の場合には空気流量は基本的には変化しないと考えられ
ているが、圧縮機の効率低下や、大気温度変化，湿度変
化により空気流量の変化が生じ、且つ、燃料温度変化お
よび燃料組成変化により予混合燃焼状態が変化し、この
変化に対応できず不安定燃焼に至り、負荷低下や燃焼振
動が大きくなり、かつ、ガスタービンの排気ガス温度差
が大きくなる等の欠点を本発明は解決できる。

【００４０】冬季，夏季を通じてのガスタービン運用に
よる圧縮機入口案内弁の変化や圧縮機効率低下，大気温
度，湿度，大気圧力等の大気条件変化に対し、また、燃
料組成変化，燃料温度変化，燃料発熱料の変化等燃料条
件変化に対応する燃焼安定性向上が記載されておらず年
間を通じての安定燃焼制御が出来ないという問題を本発
明は解決できるという効果を有している。

【００４１】

【発明の効果】本発明により低ＮＯｘ燃焼器において年
間を通じて変化する空気流量条件変化および燃料流量条
件変化に対して常に一定の２段目燃空比に保つことから
低NOx燃焼を行うことが出来、ガスタービン運用を効率
良く行うことが出来る効果を生ずる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の予混合燃焼方式を採用した２段燃焼式
低ＮＯｘ燃焼器の断面図。

【図２】ガスタービン出力に対する空気流量の基本制御
線図。

【図３】ガスタービン出力に対する燃料流量の基本制御
線図。

【図４】本発明における大気温度変化に対応する圧縮機
入口案内弁開度変化例を示す図。

【図５】本発明における大気温度変化に対応する空気流
量変化例を示す図。

【図６】本発明におけるＦ２ＦＦＤ補正例を示す図。

【図７】本発明による制御実施系統例（１）を示す図。

【図８】本発明による制御実施系統例（２）を示す図。

【図９】従来の年間を通じた燃料，空気条件変化に対応
した状態変化例を示す図。

【図１０】本発明による年間を通じた燃料，空気条件変
化に対応した効果例を示す図。

【符号の説明】

１…圧縮機、３…燃焼器、５…タービン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 志村 明 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 広瀬 文之 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービン出力に応じて燃料流量を制御
   すると共に燃料と混合される空気流量をある範囲内に制
   御するガスタービン燃焼器の制御装置において、 空気流量変化及び燃料流量の変化に対応し、燃料流量と
   空気流量が常に或る一定値となるように２段目の燃料流
   量を調節することを特徴とするガスタービン燃焼器の制
   御方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のガスタービン燃焼器の制御
   方法において、 空気流量変化はガスタービンの運用に伴う圧縮機入口案
   内弁の変化，大気温度変化，大気圧力等変化を対象と
   し、燃料流量の変化はガスタービンの運用に伴う燃料流
   量変化，燃料温度変化，燃料発熱量変化を対象とし燃料
   流量と空気流量が常に或る一定値となるように燃料流量
   を調節することを特徴とするガスタービン燃焼器の制御
   方法。
3. 【請求項３】請求項２記載のガスタービン燃焼器の制御
   方法において、 空気流量変化は２段目に流入する２段目空気流量を対象
   とし、燃料流量変化は２段目に供給される燃料流量を対
   象とし、２段目空気流量と２段目燃料流量の比率が一定
   範囲となるように２段目に供給される燃料流量を調節す
   ることを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
4. 【請求項４】請求項２記載のガスタービン燃焼器の制御
   方法において、 空気流変化は２段目に流入する２段目空気流量を対象と
   し、燃料流量変化は２段目に供給される燃料を対象と
   し、２段目空気流量と２段目燃料流量の比率が一定範囲
   となるように２段目に供給される２段目空気流量調節機
   構開度を変化することを特徴とするガスタービン燃焼器
   の制御方法。