JPH07332609A

JPH07332609A - ガスタービン燃焼器の燃空比制御方式

Info

Publication number: JPH07332609A
Application number: JP12348594A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kato; 文雄加藤; Osamu Yokota; 修横田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-06-06
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、複数個の予混合器室を設けたガスタ
ービン低ＮＯｘ燃焼器に関し、その目的は、各予混合器
室の予混合気濃度（燃空比）の偏差を、火炎のラジカル
発光成分像を観測し、その平均輝度から求められるよう
にし、且つ、その燃空比の偏差を極小にするように燃料
流量を制御することにある。【構成】図１に本発明の基本構成を示す、燃焼装置１の
上流部に複数個の予混合器６が設けられ、ここで生成さ
れた予混合気が後流側で燃焼する。この複数個の分散火
炎からＯＨラジカル等の発光成分像を火炎観測プローブ
１９及びＣＣＤカメラ４３で観測する。該火炎観測プロ
ーブ１９は、観測時のみ燃焼器中心軸線上まで挿入し、
不使用時は火炎のない所で待機できる。画像処理機４４
により、ラジカル像の輝度から燃空比が算定される。燃
空比の偏量を極小にするように燃料の制御が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン燃焼器の
火炎分光計測に基づいて火炎の燃空比を推定し、低ＮＯ
ｘ化のための燃焼制御をする方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの利用は近年、発電プラン
トとして、蒸気タービンとの併用システム（コンバイン
ドサイクル）など大形化してきている。この中で最大の
課題は燃焼ガス中に排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）の
低減化である。このＮＯｘ低減化のための大きな流れと
して、（１）拡散燃焼から予混合燃焼への変更。（２）
燃料を分散させた多分散希薄燃焼。などの対応が採られ
てきている。

【０００３】予混合燃焼は、予め燃料（ガス燃料）と空
気を混合させて、均一濃度に近い混合気の燃焼を行う方
式である。燃料の分散方法としては燃焼器(一般には円
筒形)の周方向や、軸方向に燃料ノズルを配置して、分
散燃焼を行わせて、ノズル１本当りの燃焼負荷量の軽減
を図り、低温燃焼と燃焼ガス温度の均一化を狙ってい
る。

【０００４】ところで、均一な燃焼を実現するための前
提となるものが、各々の燃料ノズルが受け持つ燃焼部分
の混合気の濃度、すなわち燃空比或いは当量比が一致す
ることが必要となる。しかし、燃料は個別計量ができ流
量が把握できるが、空気量については、現実的に流量把
握ができないのが実体である。燃焼器の配置方式，形状
によって宿命的な問題として、各燃焼器間で総空気量に
偏差があり、さらに燃焼器内においても、燃焼器が軸対
称に構成されていても、空気量に偏差があることが知ら
れている。燃焼器は、ガスタービンの圧縮機からの空気
を受けて運転される関係上、圧縮機の外側周方向に等間
隔に、８〜１４缶配置され、燃焼器の形態からマルチキ
ャン型，マルチアニュラー型などに分類される。空気は
圧縮機を出た後、燃焼器の下流側から上流側に流れる逆
流型の採用が主流である。複数本の燃焼器に流入する空
気量に偏差が生ずる理由としては、圧縮機吐出部での流
出流量の不均一に加え、最初に空気が流入する部屋は周
方向にみると場所によって補強スティーや支持部材等が
あって、正確に同一断面形状になっていないことがあ
る。一方、個々の燃焼器の各予混合室に流入する空気量
についても違いが生ずる。これは圧縮機出口部の空気流
れ方向がほぼ１８０゜転向することによって生ずる燃焼
器背側部と腹側部の空気流速の違いが原因となってい
る。

【０００５】従来、ガスタービン燃焼器の燃空比につい
ては、これを予測する手段をもつものはこれまでにな
く、全くブラックボックスであった。

【０００６】ところでガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ化
は近い将来１０ppm 以下の達成が求められる状況にあ
る。この極限の低ＮＯｘ燃焼においては、いかに設計通
り燃空比で均一燃焼させるかということが大きなウェイ
トを占めることになる。

【０００７】本発明に最も近い公知例として特願昭61−
296738号公報がある。これはやはりガスタービン燃焼器
の火炎観測装置の構造に関したものであったが、燃焼器
の中心軸が水平に配置される従来型の燃焼器に対しては
有効であったが、最近の燃焼器のように水平に対してあ
る傾きをもって配置されるものに対しては使用は難し
い。また、火炎の分光学的処理やそれに基づき燃焼を制
御するという機能はなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】複数個の予混合器を有
する低ＮＯｘ燃焼器において、排出ＮＯｘを最適に制御
するためには、各予混合器で生成される混合気の濃度
（空燃比）を設計値に近い、一定値に抑えることが必要
である。しかし実際の燃焼器の運転時は、各予混合器に
流入する空気量がまちまちなため、理想的な混合状態に
はなっていない。そこで、本発明においては、この燃空
比のアンバランスさを火炎の分光画像解析から定量的に
推定して、燃空比が全燃焼室で一定になるように制御す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】個々の予混合器内の燃空
比を推定する手段として、本発明では特定火炎発光成分
の輝度が空燃比によって変化するという公知技術を利用
する。予混合器は燃焼器の軸中心に対して同一半径上、
軸対称の関係に配置されることが多い。従って、これら
複数予混合器出口の燃焼室に形成される火炎状況を観測
する最適位置は、燃焼器の中心軸上にある。

【００１０】本発明では、火炎観測用の光学プローブを
燃焼器とタービン間の尾筒部に設け、プローブ軸と燃焼
器中心軸とが直交する関係となるように取り付けられて
いる。プローブは火炎を観測するときのみ、火炎の存在
する燃焼器の中心軸まで挿入できるようにし、不使用時
は火炎の存在しないところまで引き上げられ、待機でき
るようにしてある。

【００１１】火炎の撮影時間は１〜２秒で終了できるの
で、火炎中にプローブがある時間も１５秒程度と短時間
に抑えて、プローブに対するダメージを極力回避するよ
うにしている。

【００１２】火炎像は、各予混合器の出口面積を解析領
域に選び特定発光成分の平均輝度が求められる。さらに
予め、それら発光成分と燃空比との間で求められている
輝度−燃空比との間の関係（検量線）と参照することに
よって燃空比の算定が行われる。次いで、各燃焼器の燃
空比が一定となるように、各燃焼器に供給される燃料流
量が制御される。この画像計測，解析，燃料制御を数回
行うことにより各燃焼室の燃空比の偏差量をある値以下
に制御し、最適低ＮＯｘ燃焼が実現する。

【００１３】

【作用】各燃焼器の燃焼状況を火炎分光的手法を用いて
精度よく推定するためには観測する位置が重要で、火炎
の重なりがなく観測できる最適な位置は、燃焼器の中心
軸上にある。本発明では観測プローブを燃焼器とタービ
ン部をつなぐ尾筒部に設けているが、プローブの挿入が
可能であれば燃焼器の後部などでもよい。本法では、高
温燃焼ガス中にプローブ先端を挿入するが、１火炎像撮
影のために火炎中にある時間を１０〜１５秒程度にし、
不使用時は火炎中から退避して格納できる機能を有す
る。これにより、観測プローブの過酷な条件下での耐久
性の確保を図っている。

【００１４】観測する火炎発光の特定成分としては、炭
化水素系ガス燃料の燃焼で強い発光成分をもつ、波長３
０６〜３２０ｎｍ付近に発光するＯＨラジカル、４３
１.５ｎｍ付近のＣＨラジカル，５１６.５ｎｍ付近のＣ
₂ラジカル等が使用できる。特にＯＨラジカルの場合、
発熱量との相関が強いので燃焼状態を推定するうえで、
最も利用し易い。また紫外光域では火炎中のススなどに
よる連続スペクトルの影響がほとんどなく、測定精度が
高くとれるのも有利である。

【００１５】各燃焼室の燃空比算出は、測定した火炎像
から、まず各燃焼室の配置位置と燃焼室の出口部の面積
に相当する部分を解析対象に取り、その領域の平均輝度
を算出し、予め燃焼条件（空気量，燃料流量圧力，温
度）の既知な状態で測定されたＯＨの輝度−燃空比特性
線図（検量線図）と比較して、燃空比が推定される。設
定燃空比に対する偏差量が算定された後、各燃焼室の燃
空比がある偏差内に入るように各燃焼室に供給している
燃料流量を制御する。

【００１６】これらのプローブ挿入，火炎像観測，燃空
比算出，燃料制御による空燃比補正は、シーケンシャル
に実施される。この一連の操作は燃空比の偏差量が設定
値内に入るまで周期的に実施される。定められた回数内
で収束しない場合は、オペレータに偏差量の変更の判断
を求めることもできる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図５により
説明する。

【００１８】図１にガスタービン燃焼器の構成と燃焼火
炎の観測方法並びに燃空比制御ブロック線図を示す。図
２は、ガスタービンの全燃焼器の配置状況と本火炎観測
プローブの取付関係を示した図である。

【００１９】図２に示すようにある種の産業用ガスター
ビンの燃焼装置１は燃焼用空気の供給を行う圧縮機２の
ケーシングの外側周方向に等間隔に８〜１４缶配置され
ている。そのうちの１缶の燃焼装置１の断面形状を示し
たのが図１である。

【００２０】圧縮機２で加圧された圧縮空気は環状のデ
ィフューザ部を通って、やはり環状の燃焼空気室４に入
る。燃焼装置１は燃料ノズル５，空気と燃料の混合気を
作る予混合器６，予混合器の出口部には保炎器８が付い
ていて保炎器後方の円筒燃焼器ライナ１０により形成さ
れた燃焼室９で燃焼が行われる。生成した燃焼ガスは尾
筒１１を通ってタービン翼１５に送られ、これを回転し
て仕事をする。燃焼装置１の前部は外筒カバー１２と円
筒状の外筒１３より形成される圧力室内にあり、その後
部は燃焼空気室４の中に配置されている。このような燃
焼装置の配置形態を逆流キャン型と一般に呼ばれる。

【００２１】ガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ化は近い将
来１０ppm を切るレベルまでくることが予想されてい
る。このためには完全予混合に近い希薄燃焼技術が不可
欠である。その場合、一番困難な問題は各予混合器６で
生成される予混合気の濃度（燃空比）にアンバランスが
発生することである。ＮＯｘ値の目標値が高いときは、
相対的にこのアンバランスの影響は軽減されているが、
１０ppm クラスになるとこの影響は大きなウェイトを占
めてくる。この予混合気濃度のアンバランスを生じしめ
る最大の要因は、各予混合器に流入する空気量にアンバ
ランスが生ずるためである。この空気量のアンバランス
は主に２つの要因で発生する。１つは、燃焼空気室４
は、厳密な意味でタービン中心軸に対して対称構造では
なく、空気室の補強ストラット１６，タービン冷却用空
気の抽気管など流れを阻害するものがある。これによっ
て複数個の燃焼装置１に流入する流量に不均一さが生ず
る。２点目は、個々の燃焼装置１に流入する空気量も場
所によって異なる。これは燃焼装置の配置と関係する。
逆流キャン型燃焼器では、ディフューザ３を出た流れ
は、ディフューザ３の取付方向に慣性力をもって流れ
る。これによって、一般にライナ背側流速１７がライナ
腹側流速１８よりも速い分布が生じる。このことは燃焼
装置１の上流側の予混合器入口付近でも流速のアンバラ
ンスを発生させ、流入空気量に差を生じさせる原因とな
る。

【００２２】各予混合室に供給される燃料は計量できる
ので、供給量のアンバランスは極めて低位に制御でき
る。以上述べたように燃焼器配置，流路形状等から発生
する空気流入量のアンバランスについては現状ではこれ
を修正する方法は見当たらない。

【００２３】この空気量のアンバランスによって発生す
る燃空比の違いは、燃焼発熱量，燃焼速度，燃焼温度な
どの違い、さらにはＮＯｘ発生量の違いを生じさせ、設
計通りの低ＮＯｘ化の達成を困難なものにする。

【００２４】本発明では、この燃空比のアンバランスを
解析する手段として火炎発光の分光画像計測法を用い
る。本発明の特徴の一つは、火炎観測用プローブの配置
位置とその構造にある。予混合器６の出口部に配置され
た保炎器８周りに形成される火炎を燃焼器の後方より観
測する場合、火炎を重なりがなく観測するのに最適な位
置は燃焼器中心軸２０である。本発明ではこの中心軸２
０まで観測プローブを挿入して火炎を観測する。実施例
ではタービンのラッパーケーシング１４上に設けられた
プローブ挿入孔２１、及び尾筒１１の背側に設けられた
尾筒挿入孔を通して火炎観測プローブ１９が設置されて
いる。

【００２５】図３をもって該火炎観測プローブの構造を
説明する。

【００２６】火炎観測プローブ１９は熱保護シールド管
２４と観測筒３０からなる。

【００２７】熱保護シールド管２４はその内部に配置さ
れて上下に摺動する観測筒３０のガイド管の役目と、熱
によるダメージから観測筒３０を保護する目的のため用
いられる。該２４は、円筒形をしたパイプ状のものでそ
の火炎側に面したシールド管先端２５は尾筒１１の尾筒
挿入孔２２に挿入され尾筒１１の火炎側内壁面より火炎
側に出ない程度に配置される。一方、ラッパーケーシン
グ１４側の固定方法は、ラッパーケーシング１４に取り
付けられたラッパー取付フランジ２３に、シールド管フ
ランジ２６をボルトで締結して固定される。該熱保護シ
ールド管２４は、水冷構造としてあり、該２４内部には
冷却水の通路が設けてあって冷却水供給口２７から供給
された水冷水はその通路を循環して冷却水排水口２８よ
り排出される。該２４のラッパーケーシング１４側の出
口側付近には、圧力シール装置２９があり、燃焼器内圧
力に対して十分なシール性能を有し、かつ観測筒の上下
摺動ができる機能を有している。

【００２８】次に観測筒３０の構造を説明する。観測筒
３０は火炎観測のときのみ、燃焼器中心軸２０まで挿入
され、不使用時は、観測筒火炎側端部３９は、シールド
管先端２５よりも内側に引き込まれて格納してあり、火
炎によるダメージをなくし耐久性を確保している。観測
筒３０が火炎中にある時間は長くても１５秒程度で火炎
像を観測できるように制御される。該３０も、冷却水に
よる冷却が実施され、冷却水循環用の通路が内部に形成
されている。冷却水は、冷却水供給口３６より供給し、
内部の通路を循環した後、冷却水排水口３７から排出す
る。

【００２９】火炎像は次の光学部材を経て外部に取り出
される。該観測筒３０の火炎側端部３９には観測窓３１
があり、この窓を通して入光した火炎像は、映像変角ミ
ラー３２でほぼ９０度変向された後、光イメージファイ
バー受光部３２に結像された後、光ファイバーケーブル
３４を介して、ファイバー取出し口３５を経て外部の映
像機に伝送される。なお、本実施例においては映像伝送
方法としてイメージファイバーの利用を示したが、他に
光学レンズを多数組み合わせたボアスコープなどの利用
も可能である。

【００３０】該観測筒の上下方向の移動は、ケーシング
側端部３８に接続された油圧又は空気圧を利用したジャ
ッキ装置４０で行われる。その位置決めや挿入スピード
等はコンピュータ４５からの制御で行われる。

【００３１】次に得られた火炎像をどのように処理して
燃空比制御を行うかについて説明する。

【００３２】燃焼器の燃料としては、低ＮＯｘ化にとっ
て有利なガス燃料がほとんどで、特に大型の発電プラン
ト用としてはＬＮＧ（液化天然ガス）が主流となってい
る。このＬＮＧの主成分はメタンが約９０％以上を占め
る。ところで、このガス燃料が燃焼すると、燃焼過程で
各種ラジカル（不安定化学種）が発生する。それらラジ
カルは主に燃焼反応熱によって励起されて、基底エネル
ギーに遷移する過程で自発光を生ずる。これが火炎色と
して認識されているものである。

【００３３】これら自発光の中に、特に顕著な強度をも
つものとして、波長が３０６４Å〜３２００Åに存在す
るＯＨラジカル発光，４１６５Å付近にピークをもつＣ
Ｈラジカル発光，５１６５Å付近にピークをもつＣ₂ラ
ジカル発光がある。これら３ラジカル発光は、一例とし
て図４に示すように、当量比（又は燃空比）と発光輝度
との間に特徴ある特性があることが知られている。Ｏ
Ｈ，ＣＨ，Ｃ₂はそれぞれ輝度のピークは当量比が１.
０，１.１，１.２〜１.３付近に存在しその両側で減少
する分布となる。

【００３４】ガスタービン低ＮＯｘ形燃焼器の場合の平
均的な当量比は０.５〜０.６程度にあるから、実質的に
はピークよりも左側にある当量比の範囲を利用すること
になる。

【００３５】ガスタービン燃焼器にこの方法を適用する
ためには、燃焼器の実使用条件に合わせて、図４に示し
たような検量線を前もって取得しておく必要がある。燃
空比の推定には、これら３ラジカルのそれぞれが使用で
きるが、中でも、ＯＨの利用が計測精度の点では有利で
ある。

【００３６】その理由は、ＯＨの輝度強度が他の２つに
比べて高いこと、またススなどの固体粒子からの連続ス
ペクトルの光の影響の少ない波長域にあるためＳ／Ｎ比
の高い像観測ができる。

【００３７】ＯＨ発光像は、次のようにして観測され
る。光ファイバーケーブル３４で外部に取り出された火
炎発光像は、観測しようとするラジカル発光のみを通す
光学フィルター４１により分光する。この分光像は映像
増強器４２によって増強し、ＣＣＤカメラ４３等により
映像化された後、画像処理機４４により各種画像処理が
実行される。

【００３８】図５は、画像処理機４４で映像化された火
炎輝度の平均をイメージ的に示した図である。本例では
中心部にあるパイロットバーナ７による火炎その周辺に
ある４個の予混合器６の後流に形成される火炎につい
て、それら燃焼部の出口領域（本例では円形）を解析領
域に選び画像解析を行う。輝度平均の算出方法は、解析
領域の全輝度の総和

【００３９】

【外１】

【００４０】を観測点数ｎで徐したアンサンブル平均値

【００４１】

【外２】

【００４２】である。

【００４３】各燃焼室ごとに平均輝度が求まると、その
情報はコンピュータ４５に送られ、図４に示した当量比
と相対輝度の検量線を用いて、各予混合器内の当量比
（燃空比）が求まる。個々の燃焼装置１に供給される燃
料流量は許量された後、全缶燃料配分器４６によって最
適量が分配される。さらに各燃焼装置１の各予混合器に
供給される燃料も、燃料デバイダー４７を通して最適量
が分配される。

【００４４】本システムに於いては各予混合器に供給さ
れる燃料流量，燃焼装置１に供給される総燃料流量がわ
かっているので、逆に検料線から求められた燃空比の値
からその予混合器に流入した空気量も推定することが可
能となる。

【００４５】以上のように各予混合器の燃空比が分かれ
ば、火炎の安定性も考慮に入れたうえで、全予混合器の
燃空比が極小低ＮＯｘ化のための目標燃空比になるよう
に各予混合器に供給される燃料流量を変えている制御が
実施される。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように本発明では、ＮＯｘ低
減にとって障害となってきた各予混合器や他の燃焼バー
ナ部に流入する空気の不均一さの程度を定量的に推定が
でき、それに基づき各燃焼部に供給される燃料流量の制
御が個別にできることから、全予混合器内の予混合気の
濃度、すなわち燃空比を最適値に近づけた制御ができＮ
Ｏｘの低減が可能となる。又、本発明では、基本的に燃
焼中の火炎状況が観測できるので、火炎性状，安定性、
などの評価もでき、燃焼器の運転上の信頼性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン燃焼器の燃空比制御方式を示した
図である。

【図２】本発明をガスタービン燃焼器の全缶に適用した
状況を示した図である。

【図３】火炎観測用プローブの詳細構造を示した図であ
る。

【図４】当量比（燃空比）と発光輝度との関係を示した
図である。

【図５】火炎輝度（平均輝度）が燃焼室如に異なる状況
をイメージ的に示した図である。

【符号の説明】

１…燃焼装置、２…圧縮機、３…ディフューザ、４…燃
焼空気室、５…燃料ノズル、６…予混合器、７…パイロ
ットバーナ、８…保炎器、９…燃焼室、１０…燃焼器ラ
イナ、１１…尾筒、１２…外筒カバー、１３…外筒、１
４…ラッパーケーシング、１５…タービン翼、１６…ス
トラット、１７…ライナ背側流速、１８…ライナ腹側流
速、１９…火炎観測プローブ、２０…中心軸、２１…プ
ローブ挿入孔、２２…尾筒挿入孔、２３…ラッパー取付
フランジ、２４…熱保護シールド管、２５…シールド管
先端、２６…シールド管フランジ、２７，３６…冷却水
供給口、２８，３７…冷却水排水口、２９…圧力シール
装置、３０…観測筒、３１…観測窓、３２…映像変角ミ
ラー、３３…光イメージファイバー受光部、３４…光フ
ァイバーケーブル、３５…ファイバー取出し口、３８…
ケーシング側端部、３９…火炎側端部、４０…ジャッキ
装置、４１…光学フィルター、４２…映像増強器、４３
…ＣＣＤカメラ、４４…画像処理機、４５…コンピュー
タ、４６…全缶燃料配分器、４７…燃料デバイダー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単缶もしくは複数缶の燃焼器から構成され
るガスタービンの燃焼装置において、該燃焼器が複数個
の予混合器を備えた低ＮＯｘ形燃焼器に関して、該予混
合器出口付近の火炎のラジカル発光成分（ＯＨ，ＣＨ，
Ｃ₂）の一つを選択して、燃焼器後方に配置した火炎観
測手段により、これを画像計測し、得られた発光像から
空気と燃料の混合率（燃空比）を各予混合器毎に算出
し、該燃空比の偏差量を個々の燃焼器内及び、全燃焼装
置間で極小にするように各予混合器に供給する燃料流量
を制御して最適な低ＮＯｘ燃焼を図ることを特徴とした
ガスタービン燃焼器の燃空比制御方式。
【請求項２】請求項１において、前記火炎観測手段は、
光イメージファイバー、又は光学レンズの組み合わせに
よって形成された火炎観測用プローブを、燃焼器後方の
尾筒背面側に備え、火炎像を観測するときのみ、短時間
火炎中に挿入し、不使用時は、火炎の存在しない位置で
待機できるようにした可動機構を有することを特徴とす
るガスタービン燃焼器の燃空比制御方式。
【請求項３】請求項２において、前記プローブの火炎中
挿入の位置は、火炎像が重なりがなく観測できる最適位
置である燃焼器中心軸線上にあり、また、該中心軸線と
該プローブ軸線はほぼ直交するように配置したことを特
徴としたガスタービン燃焼器の燃空比制御方式。