JPH08312378A - ガスタービン水噴射制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多重燃料焚ガスタービン発電設備において、
発電量の異なる燃料間で切替を行なっても適切な水噴射
量を維持し、ＮＯｘ増加を抑制する。 【構成】 複数種類の燃料を切替え使用し、燃焼室に水
噴射する水噴射装置を備えたガスタービンにおいて、
あらかじめ前記複数種類の各燃料に対応して、燃料流量
を指定する燃料信号と水噴射量を指定する水噴射指令値
の比を規定する特性カーブをそれぞれ設定し、燃焼中
の燃料種別を検知して、検知された燃料に対応する前記
特性カーブを選択し、燃料信号を入力として該選択さ
れた特性カーブに基づいて水噴射指令値を決定する。 【効果】 タービン運転中に燃料切替を行なっても各燃
料に応じた適切な水噴射量を得ることが出来、排気ガス
中のＮＯｘ増加を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多種燃料を切替えて使用
することのできるガスタービンプラントに係り、特に燃
料切替時のＮＯｘの低減を目的とした水噴射を行うのに
好適な制御方式に関わる。

【０００２】

【従来の技術】従来の水噴射方式では、燃料流量に応じ
て水噴射量を決定するが、燃料流量は発熱量の異なる燃
料に切替えても変化しない。従って水噴射量も燃料切替
によって変化しない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の水噴射制御方式
では、単一燃料焚のガスタービンにおいては燃料の流量
と燃料を燃やしたことによって得られる発熱量は一対一
に対応しており、燃料流量から水噴射量を決定しても問
題ない。

【０００４】しかし複数の種類の燃料を使用し、なおか
つ安全性、経済性等の観点から、それらの燃料間で切替
を行う場合、各燃料の単位量当り発熱量が異なる為、燃
料流量と発熱量が一対一に対応しなくなる。燃料切替前
後で燃料流量は変化しない為切替前後の発熱量は変動し
てしまう。一方、燃焼器内の燃料の発熱量の変動が発電
電力量の変動をもたらすことから、発電電力量の変動を
抑えることにより発熱量の変動を排除するように制御が
行われ、燃料流量が変化する。水噴射量は変化した燃料
流量に対応して変化するので、発熱量と水噴射量のバラ
ンスがくずれ噴射過剰や不足を引き起こすといった問題
があった。

【０００５】本発明の目的はこのような発熱量の異なる
燃料間で燃料切替を行なっても適切な水噴射量を維持出
来るような水噴射を行うことである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
する為、複数種類の燃料が切り換え使用される場合、燃
焼器内の燃料の発熱量の変動が発電電力量の変動をもた
らすことのないよう燃料流量が補正されることに着目
し、 あらかじめ前記複数種類の各燃料に対応して燃料流量
を指定する燃料信号と水噴射量を指定する水噴射指令値
の比を規定する特性カーブをそれぞれ設定し、 燃焼中の燃料種別を検知して、検知された燃料に対応
する前記特性カーブを選択し、 燃料信号を入力として該選択された特性カーブに基づ
いて水噴射指令値を決定する、ことを特徴とする。

【０００７】上記の課題はまた、複数種類の燃料を切替
え使用し、燃焼室に水噴射する水噴射装置と、燃料信号
に応じて水噴射量を指定する水噴射指令値を出力する関
数発生器とを備えたガスタービンの水噴射制御装置にお
いて、燃焼中の燃料種別を検知出力する検知手段を備
え、前記関数発生器を、複数種類の各燃料に対応して、
燃料流量を指定する燃料信号と水噴射量を指定する水噴
射指令値の比を規定する特性カーブを格納する記憶手段
と、前記検知手段の出力を入力として前記特性カーブの
一つを選択する選択手段と、燃料信号を入力として該選
択された特性カーブに基づいて水噴射指令値を決定する
演算手段と、を含んで構成することによっても達成され
る。

【０００８】

【作用】前記ガスタービンの水噴射量は燃料流量をパラ
メータとする関数より導き出されるから、あらかじめ前
記複数種類の各燃料に対応して、燃料流量を指定する燃
料信号と水噴射量を指定する水噴射指令値の比を規定す
る特性カーブを燃料ごとにそれぞれ単位発熱量に基づい
て設定する。

【０００９】ガスタービン運転中に燃料切替を行うと、
燃料ごとの発熱量の違いにより発電機出力すなわち発電
電力量が変動する。ここでガバナ操作を行わなければ燃
料流量は一定のままであり水噴射量も同じままである。
実際には所定の発電電力量を維持するために、発電電力
量のフィードバック信号を用いて目標とする発電電力量
との偏差により燃料流量の補正が行われる。これにより
燃料切替時の発熱量の違いに起因する発電電力量の変動
が抑制され、発電機出力が安定化される。一方、燃焼中
の燃料の種別が検知され、前記設定された特性カーブの
うちから検知された燃料種別に対応する燃料信号−水噴
射指令値特性カーブが選択される。補正後の燃料流量を
指定する燃料信号と前記選択された燃料信号−水噴射指
令値特性カーブに基づいて水噴射指令値が出力される。
選択された特性カーブは、燃焼中の燃料の燃料流量及び
発熱量にバランスした水噴射量を示すものであり、出力
された水噴射指令値によって水噴射すれば、発電電力量
に対して適正な水／燃料流量の比が保たれる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を従来例と対比させな
がら説明する。図５により、本発明が適用されるガスタ
ービン発電プラントの概要について説明する。本プラン
トは、燃焼器６から燃焼ガスの供給を受けるガスタービ
ン１と、ガスタービン１によって駆動されるコンプレッ
サー２及び発電機３からなり、ガスタービン１とコンプ
レッサー２はシャフト４を介して接続されており、また
ガスタービン１と発電機３の間は減速ギア５を介して接
続されている。また、１台のガスタービンにつき１０台
の燃焼器６が備えられている。各燃焼器６には燃料ノズ
ル７が設けられ、燃料ノズル７には、フローデバイダ１
７とマニフォールド２１及びマニフォールド２４の各出
側が接続されている。

【００１１】フローデバイダ１７の入り側には燃料油ポ
ンプ１６の吐出側が接続され、燃料油ポンプ１６の吐出
側と吸い込み側（液体燃料供給ライン１１）をバイパス
するバイパス弁１８が設けられている。液体燃料供給ラ
イン１１の上流端には、燃料切替弁１２の出側ポートが
接続され、燃料切替弁１２の二つの入り側ポートの一方
には、ＨＳＤ移送ポンプ１３を介装したハイスピード・
ディーゼル油（以下ＨＳＤ）供給ライン８が、入り側ポ
ートの他方には、ナフサ移送ポンプ１４を介装したナフ
サライン９が、それぞれ接続されている。フローデバイ
ダ１７の出側には燃料ノズル７の個数（本実施例では１
０個）だけ分岐管が設けられ、この分岐管が１本ずつ燃
料ノズル７に接続されている。

【００１２】マニフォールド２１の入り側には、ガス圧
力調整弁１９及びガス流量調整弁２０を介装したガス燃
料供給ライン１０が接続され、マニフォールド２４の入
り側には、水噴射ポンプ２２及び水噴射制御弁２３を介
装した噴射水供給ライン１５が接続されている。マニフ
ォールド２１、マニフォールド２４の出側も前記フロー
デバイダ１７の出側と同様、燃料ノズル７の個数だけ分
岐し、分岐管が１本ずつ燃料ノズル７に接続されてい
る。

【００１３】以下、上記構成の装置の動作を説明する。
コンプレッサー２で圧縮された空気は燃焼器６に送り込
まれ、燃料ノズル７より噴射された燃料と混合され、燃
焼する。その燃焼ガスはガスタービン１に送られ、ガス
タービン１を駆動し、排気ガスとして排出される。ガス
タービン１の回転は減速ギア５を通じて発電機３に伝達
され、ここで発生した電力は発電所内外へ供給される。

【００１４】次に燃料系統について説明する。本プラン
トは多種燃料焚対応となっていて、ＨＳＤ供給ライン
８、ナフサ供給ライン９及びガス燃料供給ライン１０の
３種類の燃料ラインを有している。ＨＳＤとナフサは共
通の液体燃料供給ライン１１を通じて燃料ノズル７に供
給され、一方ガス燃料は液体燃料とは別のガス燃料供給
ライン１０を通じて燃料ノズル７に供給される。ＨＳＤ
はＨＳＤ移送ポンプ１３によってＨＳＤライン８の中を
送られて来て、ナフサも同様にナフサ移送ポンプ１４に
よってナフサライン９の中を送られて来る。そして燃料
切替弁１２では上記液体燃料供給ライン１１におけるＨ
ＳＤとナフサの選択が行われる。液体燃料はさらに燃料
油ポンプ１６を通りフローデバイダ１７によって１０等
分され、各燃焼器６に取付けられた燃料ノズル７へと分
配される。バイパス弁１８は燃料油ポンプ１６の吐出側
から吸込側へ戻る燃料のバイパス量を調整することによ
り、燃焼器６へ供給される燃料流量を制御している。

【００１５】一方ガス燃料の場合はまず、ガス圧力調整
弁１９で供給ガス圧力が所定の圧力となるよう調整さ
れ、次にガス流量調整弁２０でガス流量が調整される。
マニフォールド２１はそれぞれの燃焼器６に対しガス燃
料を均等に分配する。

【００１６】次に水噴射系統について説明する。水噴射
の目的は燃焼器６内に水を噴射し、燃焼ガス温度を下げ
てやることにより、排気ガス中のＮＯｘ量を低減するこ
とである。水噴射ポンプ２２を通った水は、水噴射制御
弁２３で流量制御され、マニフォールド２４にて各燃焼
器に均等に分配される。

【００１７】以上が本プラントの概要である。以下、実
施例（図１及び図２）と従来例（図３及び図４）を用い
て本発明の説明をする。

【００１８】まず、図３と図４を用いて一般的な水噴射
の制御アルゴリズムについて説明する。前にも述べたと
おり、水噴射の目的は排気ガス中のＮＯｘ低減の為燃焼
ガスの温度を下げることである。ある所定の温度条件の
もとで、目標とすべき排気ガス中のＮＯｘ濃度を定めて
やると、タービンへの取込空気量と水噴射量との関係を
求めることが出来る。取込空気量と燃料流量の比は最適
な一定値に保たれて運転しているので、燃料種別が決ま
れば取込空気量は燃料流量に簡単に置き換えることが出
来る。こうして燃料流量と水噴射量との関係が求まり、
それを図４に示す。燃料信号３１と水噴射指令値３３と
の関係は直線２７で示されるような線型な特性に近似
し、水噴射量の上限２８及び下限２９が定められてい
る。また、この特性カーブは大気温度によってバイアス
量が若干補正される。

【００１９】図３は図４で示した特性カーブを作る関数
発生器３０を含んだ水噴射制御ブロック図である。

【００２０】ガスタービンの制御モードには起動制御、
加速度制御、速度制御、温度制御といったモードがあ
り、ガスタービンはその運転状態に応じてこれらの制御
モードのうちいずれか一つを選択、切替えながら運転し
ていく。起動制御はガスタービン起動時の起動装置運
転、タービン着火・暖機等のシーケンス制御を行うモー
ドであり、加速度制御はタービン加速時に加速度が大き
くなり過ぎないように制御するモード、速度制御はター
ビン速度が設定速度となるよう制御するとともに、発電
機出力の上げ下げを制御するモード、温度制御は燃焼温
度を抑える為の制御モードである。これら制御モードの
出力は燃料信号として反映され、それぞれ起動燃料信号
４７、加速度燃料信号４６、速度燃料信号４４、温度燃
料信号４５となる。なお、最小燃料信号４８はタービン
の失火を防ぐ為、燃料信号の下限を設定するものであ
る。

【００２１】次に水噴射量を決定する上で重要なパラメ
ータである燃料信号３１について引き続き図３を用いて
説明する。最小値選択回路４９は各制御モードに対応す
る燃料信号４４〜４７のうち最小値を選択し、選択され
た最小値を更に、最大値選択回路４９Ａで最小燃料信号
４８と比較して大きい方を実際にタービンに供給される
燃料信号３１とする。

【００２２】関数発生器３０は燃料信号３１及び圧縮機
入口温度３２を入力とし、図４の特性に従って水噴射指
令値３３を出力する。さらに水噴射指令値３３と実際の
計測で得た水流量のフィードバック信号３４との偏差で
ある水噴射偏差３５を零とすべく、ＰＩＤ制御器３６で
制御を行う。ＰＩＤ制御の出力信号は操作信号３７とし
て、水噴射制御弁２３の開度を調節する。

【００２３】次に上記制御モードのうち、今回の発明と
関わりのある速度制御モードの制御ブロックについて図
３を用いて説明する。無負荷時のタービン速度設定値や
負荷運転時の負荷設定値は設定速度信号３９に反映さ
れ、実際のタービン速度のフィードバック信号４０との
偏差が計算される。この速度偏差４１に調定率４２が乗
算され、さらに無負荷定格速度燃料信号４３が加算され
る。その結果、速度燃料信号４４を得る。調定率４２は
速度偏差４１の値が４％の時、発電機出力がピーク負荷
となるように設定される。

【００２４】以上が従来用いられてきた一般的な水噴射
制御方式である。次に本発明で解決すべき問題について
述べる。本実施例のプラントでは前にも述べたとおり、
顧客要求によりＨＳＤ、ナフサ、ガス燃料の３重燃料系
となっている。特にナフサは引火点が３０℃程度と低
く、起動時は燃焼が不安全であるため爆発の可能性があ
り、また停止時にはナフサがガスタービンに残留する危
険性があり使用出来ない。このため、ナフサの使用は比
較的安定な燃焼状態であるガスタービンの通常運転中に
限られ、起動／停止時は引火点の高いＨＳＤを用いる必
要がある。ここに、ガスタービン運転中にＨＳＤ／ナフ
サ間の燃料切替を行わなければならないという課題が生
じる。燃料切替のタイミングについては、燃焼の安定性
を損わない範囲でナフサで運用出来る範囲を広げるた
め、起動時には発電機遮断器投入後、負荷上昇して行く
途中に切替を行うこととした。

【００２５】ところが、ＨＳＤとナフサとでは発熱量に
差があり、同じ体積当りの発熱量はナフサの方が約２０
％少なく、従来方式ではこの発熱量差を補正する手段を
持たず、切替に際して燃料信号３１が変化しないため、
発電電力量が変動してしまい、いったん投入された遮断
器が再び開かれ、発電機が解列されてしまう可能性すら
ある。一方、燃料信号３１が変化しないと水噴射制御弁
２３に対する操作信号３７も変化せず、発熱量が変動し
ているのに水噴射量はそれに合わせて変化しないことと
なる。この結果水噴射不足となってＮＯｘ低減の効果が
薄れたり、水噴射過剰となって高温部材の損傷、タービ
ンの失火といった問題が生じる。

【００２６】本実施例ではこれらの問題を解決すべく、
図１に示す発電電力量フィードバック信号５４で設定速
度信号３９を補正する回路を付加し、燃焼中の燃料種別
を検知出力する検知手段として燃料切替弁の作動位置に
応じて動作するＬ／Ｓを設け、また図３中の関数発生器
３０に代えて、演算される水噴射特性を燃料種類を示す
燃料選択信号５３に応じて図２に示すように複数のカー
ブとして設定する関数発生器５２を設けた。この関数発
生器５２は、複数種類の各燃料に対応して、燃料流量を
指定する燃料信号と水噴射量を指定する水噴射指令値の
比を規定する特性カーブを格納する記憶手段と、前記検
知手段の出力を入力として前記特性カーブの一つを選択
する選択手段と、燃料信号を入力として該選択された特
性カーブに基づいて水噴射指令値を決定する演算手段
と、を含んで構成されている。

【００２７】図２は図４と同様、燃料信号３１と水噴射
指令値３３とを関係づける特性カーブであるが、燃料種
別ごとにカーブが設定され、例えば本実施例のプラント
の場合では特性線２７がナフサの特性、特性線５０がＨ
ＳＤの特性、特性線５１がガス燃料の特性というように
使い分けられる。水噴射量の上限２８及び下限２９は図
４と同様である。

【００２８】図１は本発明の水噴射制御ブロック図であ
る。負荷設定値は設定速度３９に反映されているが、こ
こに発電電力量をガスタービンのガバナの調定速度に換
算した発電電力量フィードバック信号５４を持って来て
偏差を求める。発電電力量フィードバック信号５４もや
はり、発電電力量が零の時に調定速度１００％、発電電
力量がピーク負荷の時に調定速度１０４％となるよう換
算されている。そうしてさらにタービン速度のフィード
バック信号４０との速度偏差４１を求め、調定率４２が
乗算される。この演算結果が制御装置の演算周期におけ
る１周期前に計算された燃料信号４３に加算され、速度
燃料信号４４を得る。結局、設定負荷と実際の発電電力
量との偏差が大きければ大きいほど速度燃料信号を増加
し、タービン出力を増加させる方向に働くようなループ
が追加されたことになる。

【００２９】そして、従来例と異なるもう一つのポイン
トは図２で説明した関数発生器５２である。関数発生器
５２への入力として燃料選択信号５３が追加され、燃料
選択信号５３で示される燃料に応じた水噴射特性カーブ
が選択される。

【００３０】最後に本発明における水噴射方式を運用し
た時の動きを、ガスタービン起動時ＨＳＤからナフサに
燃料切替した場合を例にとって説明する。

【００３１】ガスタービンはＨＳＤを燃料として起動さ
れ、定格速度に達すると水噴射が開始される。水噴射特
性はＨＳＤのカーブが選択されている。発電機遮断器が
投入され、ある負荷に達すると燃料切替許可となる。燃
料切替弁１２の入り側ポートがＨＳＤ側からナフサ側に
切替わり始めるが、切替弁はすぐに切替わるわけではな
く、完全に切替わるまでは弁の特性にもよるが約３０秒
程度かかる。その間、タービンに供給される燃料は混合
状態となり、じわじわと発熱量の少ないナフサの割合が
高くなって行く。発熱量の低下によりタービン出力が低
下しようとするが、発電電力量フィードバック回路の働
きにより燃料流量が増加しタービン出力は維持される。

【００３２】一方、燃料切替許可により三方弁である燃
料切替弁１２が切替るが、この弁に燃料種別を燃料選択
信号５３として出力する検知手段であるＬ／Ｓが設けて
あり、該三方弁の二つの入り側ポートのうち、どちら側
が出側ポートに連通されているかを検知するようになっ
ている。このＬ／Ｓの動作に応じて燃料選択信号５３が
新たな燃料種別を示すように切り替わる。燃料選択信号
５３が切り替わると、関数発生器５２が用いる水噴射特
性カーブがＨＳＤのカーブからナフサのカーブに切替わ
る。これはじわじわとでなく一気に切替わり、一旦は水
噴射量が低下するが、発電電力量フィードバック回路の
働きにより燃料流量が増加して行くに従って水噴射量も
増加し、完全にナフサに切替わって燃料流量が変化しな
くなった時にはタービン出力に見合った水噴射量となっ
ている。

【００３３】以上が本発明の方式による水噴射量制御で
あり、燃料切替時の発熱量と水噴射量のバランスが崩れ
る時間が最小限となり、燃料切替時の排気ガス中のＮＯ
ｘ量の増加が抑制される。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、多種燃料焚ガスタービ
ンにおいて運転中に燃料切替を行なった際、燃焼中の燃
料種別に応じた最適な水噴射が行われ、燃料切替時の排
気ガス中のＮＯｘの増加抑制に効果がある。

【００３５】具体的には、従来は燃料切替時に各燃料間
の発熱量の違いにより、水噴射量が過剰となったり、不
足したりするという問題があったが、これを燃料の発熱
量の違いにかかわらず、タービン出力に見合った最適な
水噴射を維持することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である水噴射の制御ブロック
図を示す。

【図２】図１に示す実施例における燃料信号と水噴射量
との関係を示す概念図である。

【図３】従来技術における水噴射の制御ブロック図であ
る。

【図４】従来技術における燃料信号と水噴射量との関係
を示す概念図である。

【図５】図１に示す実施例が適用されるプラントの要部
構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ ガスタービン ２ コンプ
レッサ ３ 発電機 ４ シャフ
ト ５ 減速ギア ６ 燃焼器 ７ 燃料ノズル ８ ＨＳＤ
供給ライン ９ ナフサ供給ライン １０ ガス
燃料供給ライン １１ 液体燃料供給ライン １２ 燃料
切替弁 １３ ＨＳＤ移送ポンプ １４ ナフ
サ移送ポンプ １５ 噴射水供給ライン １６ 燃料
油ポンプ １７ フローデバイダ １８ バイ
パス弁 １９ ガス圧力調整弁 ２０ ガス
流量調整弁 ２１ マニフォールド ２２ 水噴
射ポンプ ２３ 水噴射制御弁 ２４ マニ
フォールド ２７ ナフサの特性線 ２８ 水噴
射量の上限 ２９ 水噴射量の下限 ３０ 関数
発生器 ３１ 燃料信号 ３２ 圧縮
器入り口温度 ３３ 水噴射指令値 ３４ 水流
量 ３５ 水噴射偏差 ３６ ＰＩ
Ｄ制御器 ３７ 操作信号 ３９ 設定
速度信号 ４０ タービン速度のフィードバック信号 ４１ 速度
偏差信号 ４２ 調定率 ４３ 無負
荷定格速度燃料信号 ４４ 速度燃料信号 ４５ 温度
燃料信号 ４６ 加速度燃料信号 ４７ 起動
燃料信号 ４８ 最小燃料信号 ４９ 最小
値選択回路 ４９Ａ 最大値選択回路 ５０ ＨＳ
Ｄの特性線 ５１ ガス燃料の特性線 ５２ 関数
発生器 ５３ 燃料選択信号 ５４ 発電電力量フィードバック信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数種類の燃料を切替え使用し、燃焼室
   に水噴射するガスタービンの水噴射制御方法において、
   あらかじめ前記複数種類の各燃料に対応して、燃料流
   量を指定する燃料信号と水噴射量を指定する水噴射指令
   値の比を規定する特性カーブをそれぞれ設定し、燃焼
   中の燃料種別を検知して、検知された燃料に対応する前
   記特性カーブを選択し、燃料信号を入力として該選択
   された特性カーブに基づいて水噴射指令値を決定するこ
   とを特徴とする制御方法。
2. 【請求項２】 複数種類の燃料を切替え使用し、燃焼室
   に水噴射する水噴射装置と、燃料信号に応じて水噴射量
   を指定する水噴射指令値を出力する関数発生器とを備え
   たガスタービンの水噴射制御装置において、燃焼中の燃
   料種別を検知出力する検知手段を備え、前記関数発生器
   が、複数種類の各燃料に対応して、燃料流量を指定する
   燃料信号と水噴射量を指定する水噴射指令値の比を規定
   する特性カーブを格納する記憶手段と、前記検知手段の
   出力を入力として前記特性カーブの一つを選択する選択
   手段と、燃料信号を入力として該選択された特性カーブ
   に基づいて水噴射指令値を決定する演算手段と、を含ん
   でなることを特徴とするガスタービンの水噴射制御装
   置。