JPH0777063A

JPH0777063A - 燃焼制御装置

Info

Publication number: JPH0777063A
Application number: JP5224198A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsumoto; 弘松本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】石燃料を用いる燃焼装置において良好な燃焼状
態を維持するための制御装置で、発電プラントのボイラ
やガスタービンの燃焼器における安定な燃焼を維持する
ための燃焼制御装置を提供する。【構成】燃焼器１００への燃料供給量もしくは空気供給
量に微小かつ高速の揺動を重畳させるため、加振信号発
生手段１１１０と、この手段からの信号を受けて作動す
る燃料供給系もしくは空気供給系に設置された加振機１
０４２からなる。加振信号は、不安定燃焼で発生する固
有振動数の二倍から十倍程度の振動数が必要で、かつラ
ンダムな信号が望ましい。また、加振信号の大きさは、
燃料供給量もしくは空気供給量の１％から５％程度とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化石燃料を用いる燃焼
装置において良好な燃焼状態を維持するための制御装置
に係り、特に、発電プラントのボイラやガスタービンの
燃焼器における安定な燃焼を維持するための燃焼制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の発電プラントにおけるボイラやガ
スタービンの燃焼器は、排気ガス中のＮＯ_X濃度を低減
し、かつ熱効率を高めるために、燃焼器へ供給する空気
量に対する燃料量の比(以下これを燃空比と呼ぶ)を極力
小さくした稀薄燃焼を導入する場合が多い。そのため、
プラントの運転条件に応じた適切な燃空比の範囲内で運
転する必要がある。しかし、上記運転条件としての燃料
発熱量や大気湿度が時々刻々変化することにより燃焼状
態が不安定となりいわゆる燃焼振動が発生し、最悪の場
合には失火に至ることがある。そのため、熱効率の低
下，出力の低下，プラント停止による稼働率低下，燃焼
器部材の熱疲労破損や高温損傷、あるいはＮＯ_X濃度の
上昇など様々な不具合を起こす可能性がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】時々刻々変化する運転
条件の高精度計測は本質的に限界がある。また、たとえ
運転条件を高精度で計測できたとしても、計測点から燃
焼器の燃焼部に至る構造上の複雑さにより、燃焼部での
温度や燃空比の空間的，時間的分布，火炎伝搬速度な
ど、実際の運転条件を正確に推定することは困難であ
る。そのため、最適な燃空比を時々刻々推算し制御操作
により安定限界に沿って維持することも困難である。

【０００４】本発明が解決しようとする課題は、燃焼器
に絡むこのような不確定要素の存在を肯定した上で、低
燃空比即ち稀薄燃料状態において如何にして安定な燃焼
を維持するかにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給
量に微小かつ高速の揺動を重畳させる手段を燃焼制御装
置に付加したことに特徴がある。

【０００６】

【作用】稀薄酸素状態における燃焼は安定性の面で、燃
料発熱量や燃焼用空気の湿度などの僅かな変動の影響を
受け易い。即ち、燃焼反応速度が大幅に変化する。その
ため、何らかの要因でそれらが変動するとき、適切な制
御操作が施されないまま（実際には困難な場合があるこ
とを既に述べた）一定時間以上放置すると燃焼振動や失
火に至る恐れがある。このような従来の課題を解決する
ために付加した上記手段は、次の様に作用する。即ち、
燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給量に微小かつ高
速の揺動を重畳させることにより不安定燃焼状態を一定
時間以上継続しないようにすることができる。換言する
と、燃料供給量もしくは空気供給量に揺動を重畳させる
ことにより、固有振動に起因する燃焼振動を強制的に抑
制する効果があり、結果として動的な安定燃焼領域を拡
大することができる。

【０００７】

【実施例】本発明の実施例として、ここでは、発電プラ
ントで用いるガスタービンとその燃焼制御装置を例に説
明する。

【０００８】本発明の実施例を説明する前に、まず、従
来のガスタービン燃焼制御装置について具体的に説明す
る。

【０００９】図１は、ガスタービン１０とその燃焼器１
００，コンプレッサ２０，発電機３０、及び従来技術に
よる燃焼制御装置１０００とその入出力信号に対応した
計測点と操作端からなるガスタービン発電設備２０００
の設備構成を示す。発電プラントで用いるガスタービン
は一般に複数台の燃焼器を有し、各燃焼器内部では図２
に示すように二重の火炎構造となっている。即ち、内側
に配置された燃料ノズル１１１から噴出される燃料(こ
れを一次燃料１１３と呼び、この燃料流量Ｆ₁を一次燃
料流量と呼ぶ）とその周囲から供給される空気（これを
一次空気１１２と呼ぶ）との間で拡散状態で燃焼する拡
散燃焼火炎１１４と、外側に配置された燃料ノズル１２
１から予混合室１２５に噴出される燃料（これを二次燃
料１２２と呼び、この燃料流量Ｆ₂を二次燃料流量と呼
ぶ)と空気（これを二次空気１２３と呼ぶ）を混合した
後に燃焼する予混合燃焼火炎１２４からなる。後者の場
合は予混合室１２５を出た燃料空気混合気体は安定燃焼
を得るための保炎リング126の下流で着火し予混合燃焼
火炎１２４を形成する。

【００１０】次に、従来技術による燃焼制御装置１００
０について説明する。図３にこの燃焼制御装置１０００
のブロック図を示す。本機能は、負荷要求値に応じた燃
焼器への総合燃料量指令１００１（ＦＦＤ）を受け、図
３に示す各種演算をしたのち、これを一次燃料１１３と
二次燃料１２２に対する二つの目標値、即ち、一次燃料
量指令値１０１１（ＦＦＤ₁）と二次燃料量指令値１０
２１（ＦＦＤ₂）に分割する。それと同時に、本機能
は、ＦＦＤ値を受け、全空気量（一次空気１１２，二次
空気１２３及び主室スリーブ１２９の冷却孔を通過する
空気の総流量）に対する二次空気１２３の流量比を規定
するＩＦＣ開度１０３１を決定する。ここで、ＩＦＣ開
度１０３１とは、図２に示すスライドリング１０３２の
位置に対応している。なお、Ｔ_CIはコンプレッサ入口空
気温度５３、ＬＨＶは燃料発熱量５１である。ここで、
ＩＦＣバイアス２１００及びＦ₂比率バイアス２２００
は、運転員からのマニュアル操作量として本燃焼制御装
置１０００に入力される。

【００１１】以上、従来のガスタービン燃焼制御装置１
０００について説明したが、以下、本発明を適用したガ
スタービン燃焼制御装置について説明する。

【００１２】図４は、本発明を適用したガスタービン燃
焼制御装置１１００を含むガスタービン発電設備２００
０の設備構成を示す。この場合、本燃焼制御装置１１０
０の基本部は従来の燃焼制御装置１０００と同じである
が、燃料供給量に揺動を重畳するための加振機１０４２
を燃料供給系に設置するとともに、本加振機１０４２に
対して加振信号１０４１を発生するための加振信号発生
手段１１１０をガスタービン燃焼制御装置１１００に付
加した点が異なる。ここで、本加振機１０４２として使
用するものは、電磁駆動型のべローズやピストンが望ま
しいが、特に限定する必要はない。また、加振信号１０
４１は、目的からして不安定燃焼で発生する固有振動数
よりも大きな、例えば、固有振動数の二倍から十倍程度
の振動数（周波数）を持つことが必要で、かつランダム
な信号が望ましい。また、加振信号１０４１の大きさ
（振幅）は、小さ過ぎると影響力が無く、大き過ぎると
逆効果となるため燃料供給量に対応した適度の大きさ、
例えば、燃料供給量の１％から５％程度とすることが必
要である。以上の考え方に基づいて構成した加振信号発
生手段１１１０の内部構成と本燃焼制御装置１１００に
おけるその位置付けを示したのが図５である。本加振信
号発生手段１１１０は、ランダム信号発生手段１１４３
と、これから発生したランダム信号の大きさを燃料供給
量（ＦＦＤ）に対応した適度の大きさに変換するための
ゲイン関数１１４４から成る。但し、ランダム信号発生
手段１１４３では、完全なるランダム性は必要としない
ので一般に用いられているＭ系列信号などに代表される
擬似ランダム信号を発生させる。あるいは、カオス性の
存在が認められている関数（ここではカオスと関数と呼
ぶことにする）として良く知られている次式（斎藤、カ
オス−科学と技術の“新大陸”，サイエンス・レビュ
ー，１９９２年３月）を利用しても本発明の目的を達成
するができる。

【００１３】

【数１】Ｘ（ｔ＋１）＝ａ・Ｘ（ｔ）・｛１−Ｘ（ｔ）｝ここで、Ｘ（ｔ）：前回の値Ｘ（ｔ＋１）：今回の値ａ：定数このようにして発生した加振信号１０４１により加振機
１０４２が作動し、燃料供給系に圧力振動が与えられる
ため、その結果、一次燃料流量Ｆ₁及び二次燃料流量Ｆ
₂の両者に対して燃料供給量としても揺動が重畳され
る。これにより、既に述べた理由により、安定燃焼を維
持することができる。

【００１４】以上は、本発明の第一の実施例であり、設
置した加振機１０４２は一次燃料と二次燃料に分岐する
前、即ち、総合燃料に対して加振する場合について示し
たが、両者に対して個別に加振することも可能で、これ
らも同様な効果が期待できる。

【００１５】そこで、本発明の第二の実施例として示し
たのが図６及び図７である。図６は加振機１０５２を一
次燃料系に対して設置した場合のガスタービン燃焼制御
装置１２００を含むガスタービン発電設備２０００の設
備構成を示し、図７は燃焼制御装置１２００における加
振信号発生手段１２１０の内部構成とその位置付けを示
す。

【００１６】また、本発明の第三の実施例として示した
のが図８及び図９である。図８は加振機１０６２を二次
燃料系に対して設置した場合のガスタービン燃焼制御装
置１３００を含むガスタービン発電設備２０００の設備
構成を示し、図９は燃焼制御装置１３００における加振
信号発生手段１３１０の内部構成とその位置付けを示
す。

【００１７】以上、本発明の第一，二，三の実施例は、
加振機を燃料供給系に適用した場合であるが、次に本発
明の第四の実施例として空気供給系を加振する場合の実
施例について説明する。この場合は、加振機を設置しな
いためガスタービン発電設備２０００の設備構成及び燃
焼制御装置１４００は図１０のようになり、燃焼制御装
置１４００における加振信号発生手段１４１０の内部構
成とその位置付けは図１１に示すようになる。

【００１８】以上の実施例は、加振部に対応して本発明
を個別に適用したものであるが、これらを、いくつか組
合せて適用することも勿論可能であり有効である。例え
ば、一次燃料系，二次燃料系，空気供給系に対して同時
に適用することや、総合燃料系と空気供給系に対して同
時に適用すること等である。

【００１９】加振信号発生手段で用いているランダム信
号発生手段では完全なランダム性を有する信号を発生す
ることが困難であり、カオス関数などによる擬似ランダ
ム信号を発生することで本発明の目的を達成できること
を既に述べたが、本発明の本質は燃焼条件に微小かつ高
速な揺動を印加することにより、不安定燃焼状態を一定
時間以上継続させないということであるから、いくつか
の周波数を合成したものや適度な周波数を有する単振動
波でもある程度の効果は期待できる。

【００２０】また、加振信号発生手段はガスタービンの
起動から定格出力運転に至る全運転領域で使用すること
は必ずしも必要ではない。即ち、燃焼器の燃焼状態が特
に不安定となる運転領域でのみ使用すればよい。例え
ば、ガスタービンの場合、定格出力など高出力領域にお
ける定常運転時などである。

【００２１】本発明の燃焼制御装置において加振信号発
生手段の実装方式は、ワイヤードロジック方式でも計算
機プログラム方式でも実現できることは明らかである。
また、既存制御装置が有る場合には両者ともその一部と
して組み込むことが可能であり、あるいは、それと別に
独立した専用装置として設置することも可能である。要
するに、適用対象に応じて使い分ければよい。

【００２２】以上は、発電プラントの代表例としてのガ
スタービン発電設備を対象として本発明の実施例を説明
したが、本発明は勿論その外の、即ち、石油，ガス、を
燃料とする通常の発電プラントにおいても適用可能であ
る。これらの発電プラントのボイラにおいて、燃焼用の
空気供給系に対しては、いずれも通風ダクトに加振機を
設置することにより本発明が目的とする効果が得られ
る。この場合、加振機の設置場所はバーナに近いほど加
振効果が期待できるため、ウインドボックスに設置する
のが望ましい。一方、燃料供給系に関しては、石油また
はガスを燃料とする発電プラントでは、ガスタービン発
電設備の場合と同様な方法で加振することにより、燃焼
の安定化が可能である。また、石炭を燃料とする発電プ
ラントでは、微粉炭ミル内にある分級機のベーン角度に
対して加振するか、微粉炭ミルを出たあとの燃料搬送用
の配管系に加振機を設置して加振することにより、燃焼
の安定化が可能となる。

【００２３】本発明は、発電プラント以外でも適用可能
であり、ボイラやガスタービンは例えば、産業用や船舶
用の動力源あるいは熱源として利用されており、これら
においても有効である。

【００２４】

【発明の効果】本発明の第一の直接的な効果は、燃料発
熱量や大気湿度などの各種運転条件が変化した場合で
も、燃焼状態が不安定，失火、あるいは高温となること
を防止できるため、熱効率の低下，出力の低下，燃焼器
部材の熱疲労破損や高温損傷など様々な不具合状態に陥
ることを未然に回避できることである。これにより、発
電プラントの熱効率や稼働率を大幅に向上でき、運転費
および補修比費を大幅に低減できる。

【００２５】本発明の第二の効果は、環境保全面から近
年特に厳しくなっているＮＯ_X濃度など排ガス規制値を
確実に守った運転を継続できることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のガスタービン発電設備のブロック図。

【図２】ガスタービン燃焼器の内部構造の説明図。

【図３】従来のガスタービン燃焼制御装置のブロック
図。

【図４】本発明の第一の実施例であるガスタービン発電
設備のブロック図。

【図５】本発明の第一の実施例であるガスタービン燃焼
制御装置のブロック図。

【図６】本発明の第二の実施例であるガスタービン発電
設備のブロック図。

【図７】本発明の第二の実施例であるガスタービン燃焼
制御装置のブロック図。

【図８】本発明の第三の実施例であるガスタービン発電
設備のブロック図。

【図９】本発明の第三の実施例であるガスタービン燃焼
制御装置のブロック図。

【図１０】本発明の第四の実施例であるガスタービン発
電設備のブロック図。

【図１１】本発明の第四の実施例であるガスタービン燃
焼制御装置のブロック図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給量
に微小かつ高速の揺動を重畳させることを特徴とする燃
焼制御装置。
【請求項２】請求項１において、燃料供給量もしくは空
気供給量に微小かつ高速の揺動を重畳させるための加振
信号発生手段を有し、前記加振信号発生手段はランダム
信号発生手段を有する燃焼制御装置。
【請求項３】請求項２において、擬似ランダム信号を発
生する手段を有する燃焼制御装置。
【請求項４】請求項３において、前記擬似ランダム信号
として、Ｍ系列信号を用いる燃焼制御装置。
【請求項５】請求項３において、前記擬似ランダム信号
として、カオス関数から得られる信号を用いる燃焼制御
装置。
【請求項６】請求項１において、燃料供給量もしくは空
気供給量に微小かつ高速の揺動を重畳させるための加振
信号発生手段を有し、燃料供給系もしくは空気供給系に
設置された加振機に対して前記加振信号発生手段から得
られた加振信号を出力する燃焼制御装置。
【請求項７】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給量
に微小かつ高速の揺動を重畳させることを特徴とする発
電プラント燃焼制御装置。
【請求項８】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給量
に微小かつ高速の揺動を重畳させることを特徴とするガ
スタービン燃焼制御装置。
【請求項９】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給量
に微小かつ高速の揺動を重畳させることを特徴とするボ
イラ燃焼制御装置。
【請求項１０】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給
量に微小かつ高速の揺動を重畳させる手段を有する燃焼
制御装置により運転されることを特徴とする発電プラン
ト。
【請求項１１】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給
量に微小かつ高速の揺動を重畳させる手段を有する燃焼
制御装置により運転されることを特徴とするガスタービ
ン。
【請求項１２】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給
量に微小かつ高速の揺動を重畳させる手段を有する燃焼
制御装置により運転されることを特徴とするボイラ。
【請求項１３】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給
量に微小かつ高速の揺動を重畳させることを目的として
作成されたワイヤードロジックを有することを特徴とす
る燃焼制御装置。
【請求項１４】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給
量に微小かつ高速の揺動を重畳させるため作成された計
算機プログラムを有することを特徴とする燃焼制御装
置。
【請求項１５】燃焼器への燃料供給量もしくは空気供給
量に微小かつ高速の揺動を重畳させるため作成されたこ
とを特徴とする加振機。
【請求項１６】化石燃料を使用する燃焼器を有する発電
プラントにおいて、前記燃焼器の燃焼状態が特に不安定
となる運転領域でのみ前記燃焼器への燃料供給量もしく
は空気供給量に微小かつ高速の揺動を重畳させることを
特徴とする燃焼制御装置。