JPH09170454A - ガスタービン燃焼監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 早期に、かつ、確実な判定ができ、即座に異
常状態に対処する。 【解決手段】 光度計９は、燃焼器１内の燃焼状態を明
るさ信号として検出する。演算装置１０は、拡散燃焼式
の場合に、運転状態に応じて正常時の明るさ検出信号を
収集し、所定時間内の明るさ検出信号の極大値の出現頻
度と極大値の平均値を演算して正常時データとして記憶
しておき、監視対象として明るさ検出信号を収集して所
定時間内の明るさ検出信号の極大値の出現頻度と極大値
の平均値とを演算して、監視データとし、これら監視デ
ータが監視対象の運転状態に応じた正常時データより所
定値以上大きいとき、燃焼器１への燃料供給過多異常ま
たは供給空気過少異常を早期に、正確に判定して監視員
へ知らせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン燃焼
器内の燃焼状態を監視するガスタービン燃焼装置に係
り、特に早期に異常および原因を判定可能とするガスタ
ービン燃焼監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスタービン燃焼状態の監視は、
一般に、ガスタービンの排ガス温度を検出して排ガス温
度の状態変化によって行われていた。すなわち、燃焼器
から供給された燃焼ガスによりガスタービンで仕事をし
たガスが放出されるガスタービン排気部に多数の温度検
出器を設けて、監視装置に接続して監視がされていた。

【０００３】燃焼器の燃焼状態を監視するためには、燃
焼器の出口かまたはガスタービンの入口でガス温度を検
出する方が精度が向上するが、燃焼器の出口およびガス
タービン入口はガス温度が高いため熱電対が切れ易く、
信頼性が落ちて実用的でない。このため、一般にはガス
タービン排気部の排ガス温度を検出するようにしてい
る。

【０００４】ガスタービン燃焼監視装置は、ガスタービ
ン排気部に環状に複数配置している排ガス温度検出器か
らの全検出信号を取込み、これらの平均値若しくは中間
値以上になったことで、ガスタービン入口温度がガスタ
ービン動翼の限界温度に接近したことを検出し、この検
出信号により燃料供給を停止してガスタービンを安全に
停止させるようにしている。これにより、ガスタービン
と動翼が過温度により損傷するのを防止するようにして
いる。

【０００５】また、従来のガスタービン燃焼監視装置
は、ガスタービンの排ガス温度の部分的な温度低下を検
出した場合、燃焼器１缶が失火若しくは不完全燃焼と判
断し、燃料供給を停止してガスタービンを安全に停止で
きるように構成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の排ガス
温度の検出による燃焼状態の監視では、燃焼器内の燃焼
異常が発生し、それが燃焼ガスの温度異常となり、さら
に、排ガス温度の異常となって初めて異常の判定がされ
るから燃焼状態の異常を早期に、かつ、正確に監視する
ことが困難であった。

【０００７】このような間接的な燃焼器の燃焼状態の監
視では、異常の発生の検知が遅れガスタービンの燃焼器
の燃焼異常が相当拡大してしまうという状態が予想され
た。

【０００８】そこで、本発明は、ガスタービンの燃焼の
異常を早期に確実に検知するガスタービン燃焼監視装置
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ガス
タービンの燃焼器の燃焼状態を監視するガスタービン燃
焼監視装置において、燃焼器内の明るさを検出して明る
さ検出信号を出力する明るさ検出器と、該明るさ検出器
により予め収集記憶された正常時の明るさ検出信号に基
づく明るさ状態と明るさ検出器により得られる監視対象
の明るさ検出信号に基づく明るさ状態とを比較して両者
の差が所定値以上ある場合、燃焼状態の異常を判定する
ようにしたものである。以上の手段により、正常時の明
るさ検出信号に基づく明るさ状態と監視対象の明るさ検
出信号に基づく明るさ状態との比較により燃焼状態を監
視するために、早期に、かつ、確実な判定ができ、即座
に対処できる。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載のガスタ
ービン燃焼監視装置において、燃焼器が拡散燃焼式の場
合に、運転状態に応じて時系列に正常時の明るさ検出信
号を収集し、所定時間内の明るさ検出信号の極大値の出
現頻度と極大値の平均値を演算して、これらを正常時デ
ータとして記憶しておき、これらに対応して監視対象と
して時系列に明るさ検出信号を収集して所定時間内の明
るさ検出信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値とを
それぞれ演算して、これらを監視データとし、これら監
視データが監視対象の運転状態に応じた正常時データよ
り所定値以上大きいとき、燃焼器への燃料供給過多異常
または燃焼器への供給空気過少異常を判定するようにし
たものである。以上の手段により、正常時の明るさ検出
信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値と監視対象の
対応するデータとを比較して判定するために燃料供給過
多または空気供給過少が正確に判定でき、即座に対処で
きる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１記載のガスタ
ービン燃焼監視装置において、燃焼器が拡散燃焼式の場
合に、予め運転状態に応じて時系列に正常時の明るさ検
出信号を収集し所定時間内の明るさ検出信号の極大値の
出現頻度と極大値の平均値を演算して、これらを正常時
データとして記憶しておき、これに対応して監視対象と
して時系列に明るさ検出信号を収集して所定時間内の明
るさ検出信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値とを
それぞれ演算して、これらを監視データとし、これら監
視データが監視対象の運転状態に応じた正常時データよ
り所定値以下小さいとき、燃焼器への燃料供給過少異常
または燃焼器への供給空気過多異常を判定するようにし
たものである。以上の手段により、正常時の明るさ検出
信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値と監視対象の
対応するデータとを比較して判定するから燃料過少また
は空気過多が正確に判定でき、即座に対処できる。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１記載のガスタ
ービン燃焼監視装置において、燃焼器が予混合燃焼式の
場合に、予め運転状態に応じて時系列に正常時の明るさ
検出信号を収集し所定時間内の明るさ検出信号の極大値
の出現頻度と極大値の平均値とを演算して、これらを正
常時データとして記憶しておき、これらに対応して監視
対象として時系列に明るさ検出信号を収集して所定時間
内の明るさ検出信号の極大値の出現頻度と極大値の平均
値とをそれぞれ演算して、これらを監視データとして、
これら監視データが監視対象の運転状態に応じた正常時
データより所定値以上大きいとき、燃焼器への供給空気
過多異常または燃料供給過多異常を判定するようにした
ものである。以上の手段により、正常時の明るさ検出信
号の極大値の出現頻度と極大値の平均値と監視対象の対
応するデータとを比較して判定するから燃焼器の供給空
気過多または燃料供給過多を正確に、かつ、早期に判定
することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１４】図１は、本発明の第１実施の形態乃至第３
実施の形態に適用する燃焼監視装置の構成図である。

【００１５】図において、燃焼器１は、ロータ２の周囲
に環状に複数配置されているが便宜上、１台のみ図示し
ている。

【００１６】燃焼器１の端部には図示しない燃料弁から
燃料を噴射する燃料ノズル３が配設され、燃焼器１の上
面および下面にはコンプレッサ８を介して空気を流入さ
せる空気孔４が多数設けられ、先端にトランジションピ
ース５を形成し、燃焼器１はケーシング６に収納されて
いる。燃焼器１の前面には、ガスタービン７が配置さ
れ、動翼７ａがロータ２に固定されている。

【００１７】一方、燃焼器１の燃料ノズル３の上方に明
るさ検出器である光度計９が配置され、光度計９は演算
装置１０に接続し、さらに、表示装置１１に接続されて
いる。

【００１８】ここで、光度計９は、燃焼器１内の燃焼状
態を明るさとして検出するもので、例えば、ＣＣＤ等を
用いることができ、照度を計測するものでも、光度を計
測するものでもよく、燃焼状態を明るさの変化として電
気信号で把えられればよい。演算装置１０は、明るさ検
出信号を収集して所定の演算処理を行う演算手段１０ａ
と、所定の判定処理を行う判定手段１０ｂ等から構成さ
れている。表示装置１１は、演算装置１０により処理結
果を表示出力して監視員へ知らせるものである。

【００１９】まず、コンプレッサ８を介して圧縮された
空気が燃焼器１の空気孔４から導入される一方、図示し
ない燃料制御弁を介して燃料が燃料ノズル３から燃焼器
１内へ導入される。燃焼器１内では、燃料と空気との混
合がされ高温高圧の燃焼ガスが得られ、この得られた燃
焼ガスがトランジションピース５を経由してガスタービ
ン７へ送られる。この高温高圧の燃焼ガスがガスタービ
ン７へ噴射してロータ２を回転させ、図示しない発電機
を回転させる。

【００２０】ところで、拡散燃焼式の場合、燃料ノズル
３から燃焼器１内に導入された燃料は燃焼器１の軸方向
へ流れ燃焼する。燃料に対して多量の空気を混合させる
と燃焼反応が一時期に生じ、燃料プロセスが高温化し
て、窒素酸化物の生成等の要因となり好ましくない。そ
こで、燃焼用の空気を燃焼器１の外壁の空気孔４から少
しずつ導入させ、可能な限り燃焼反応を少しずつ安定し
て進行させるようにしている。

【００２１】ここで、第１実施の形態として、正常運転
時に運転状態毎に光度計９からの明るさ検出信号を予め
収集して運転状態毎の正常時データを作成し記憶してお
く。そして、監視対象として光度計９からの明るさ検出
信号を監視データとして作成し、作成された監視データ
と監視対象の運転状態に対応する正常時データとを比較
し、両者の差に基づいて異常判定をする。

【００２２】すなわち、燃焼器１内の燃焼状況を観察す
ると、次のようなことが言える。まず、天然ガスを燃料
に用いると燃焼器１内では、ほぼ無色に近いがやや青み
がかった炎が全体に分布しているのが観察される。ま
た、最適な燃料と空気との比で燃焼させているとき、燃
焼器１内の流れの乱れによって一時的に空気が多量に供
給される部所がある。このような部所では、燃焼反応が
急激に進行し、高温となり、肉眼で黄色がかった白色の
炎（「輝炎」と称する）が観察される。この輝炎は、発
生場所、発生時間間隔、明るさ（輝度）について何ら規
則性を持たないが、一定の時間の平均値で見ると、発生
時間間隔と明るさは、ほぼ一定となり、また、発生場所
についても燃焼器１内の周方向にほぼ均等に出現してい
る。

【００２３】上記現象を光度計９で燃焼器１の明るさと
して観察すると輝炎が生じたとき一瞬明るくなり、その
後、全く暗くなる。これによって、輝炎の発生、頻度や
輝度は、光度の変化して把えることができる。そこで、
本発明の第１実施の形態では、演算装置１０により正常
時の明るさ検出信号を運転状態毎に正常時データとして
作成し記憶しておき、監視対象の明るさ検出信号とを比
較判定するようにした。

【００２４】次に、本発明の第２実施の形態として、燃
焼器１が拡散燃焼方式の場合に、予め運転状態毎に光度
計９から時系列に正常時の明るさ検出信号を収集して、
所定時間内の極大値の出現頻度と極大値の平均値を演算
してこれを正常時データとして記憶しておく。そして、
監視対象として、時系列に明るさ検出信号を収集して所
定時間内の極大値の出現頻度と極大値の平均値を演算し
てこれを監視データとしてこの監視データが監視対象の
運転状態に応じた正常時データより所定値大きいとき燃
焼器１の燃料過多または燃焼器１の空気孔４のつまり等
による空気過少を判定するようにした。

【００２５】輝炎の発生頻度と明るさ（輝度）は、一定
時間の平均値を求めると、運転状態が同じであればほぼ
同じ値が得られる。

【００２６】例えば、図２に示すように、正常時ではあ
る周期をもって光度の極大値（図示Ｌ１）が大きく出現
し、平均値が大きく、極大値の出現回数（図示Ｎ１回）
も多い。ところが、燃焼器１の外壁の空気孔４につまり
や閉塞が発生した場合は、設計値より少量の空気が燃焼
器１内に供給される。この結果、輝炎が発生しにくくな
り、図３に示すように出現頻度（図示Ｎ２回）や極大値
（図示Ｌ２）が低下する。また、燃料系の故障により燃
料流量が過多となった場合も、供給空気量が不足し、同
様の現象となる。

【００２７】そこで、光度計９により検出される明るさ
検出信号の極大値の出現頻度や所定時間で極大値の平均
値を求め、両者が同じ運転状態で通常値より所定の値以
上小さい場合に、異常と判定し、その原因として、燃焼
器の外壁の空気孔の状況によりつまり，閉塞の発生また
は燃料流量過多と判定することができる。

【００２８】なお、状況によって所定時間内の明るさ検
出信号の極大値の出現頻度と所定時間内の極大値の平均
値とのいずれか一方または双方が所定値より小さい場合
に異常と判定するようにしてもよい。

【００２９】次に、本発明の第３実施の形態として、第
２実施の形態と同様に燃焼器１が拡散燃焼方式の場合
に、予め運転状態毎に時系列に正常時の明るさ検出信号
を収集して、所定時間内の極大値の出現頻度と極大値の
平均値を演算して、これを正常時データとして記憶して
おく。そして、監視対象として、時系列に明るさ検出信
号を収集して所定時間内の極大値の出現頻度と極大値の
平均値を演算して、これを監視データとしてこの監視デ
ータが監視対象の運転状態に応じた正常時データより所
定値大きいとき燃焼器１の燃料過少または燃焼器１の破
孔発生による空気過多を判定するようにした。

【００３０】この場合は、正常時には輝炎の発生頻度と
明るさ（輝炎）は、図２に示すように一定時間の平均値
をとれば同一の運転状態では、ほぼ同じ値を示すが、例
えば、燃焼器１の外壁に亀裂や破孔が発生した場合に
は、設計値よりも多量の空気が一気に燃焼器内に流入す
るので図４に示すよう輝炎による極大値が発生しやすく
なり、その発生頻度（図示Ｎ３回）が多くなり、極大値
（図示Ｌ３）が大きくなり平均値も大きくなる。また、
燃料系の故障により燃料流量が過少となった場合もその
分空気が多く供給されるので、同様の現象となる。

【００３１】そこで、第３実施の形態では、燃焼器１内
の光度の時間的分布から光度の極大値やその出現頻度の
一定時間の平均値を求め、同じ運転状態での正常値より
所定の値以上大きい場合には、異常有と判定し、その原
因として燃焼器１外壁の亀裂や破孔の発生等による空気
過多または燃料流量過少と判定することができる。な
お、状況によって極大値の出現頻度と極大値の平均値の
いずれか一方または双方が所定値以上の場合に異常と判
定するようにしてもよい。

【００３２】次に、本発明の第４実施の形態として、燃
焼器１が予混合燃焼式の場合に、予め運転状態に応じて
時系列に正常時の明るさ検出信号を収集して所定時間内
の明るさ検出信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値
を演算して、正常時データとして記憶しておく。そし
て、監視対象として時系列に明るさ検出信号を収集して
所定時間内の明るさ検出信号の極大値の出現頻度と極大
値の平均値をそれぞれ演算して、これらを監視データと
して、これら監視データが監視対象の運転状況に応じた
前記正常時データより所定値以上大きいとき、燃焼器１
の破孔発生等を判定するようにした。

【００３３】予混合燃焼式の場合、燃料ノズルから噴き
出した燃料は、予混合ダクトの中で空気と混合し、燃焼
器内に投入され、高温雰囲気の中で燃焼する。これを図
５を参照して説明すると、燃焼器１３に対して燃料ノズ
ル１４と予混合ダクト１５とを経て燃焼器１３へ燃料が
流入する。つまり、燃料が予混合ダクト１５内で空気と
混合されてから燃焼器１３に投入される。従って、拡散
燃焼のような燃焼器１内の乱流による燃料／空気分布密
度の乱れが発生せず、輝炎も発生しない。燃焼器１３内
は、ほぼ透明の青みがかった炎が全域に分布しているの
が観察され、例えば、正常時では、図６に示すように、
光度の極大値の出現頻度（図示Ｎ４回）は極めて少な
く、極大値（図示Ｌ４）が小さく、その平均値も小さ
い。なお、図５に示す１６はトランジションピース、１
７はケーシングである。

【００３４】燃焼器１３の外壁に亀裂や破孔が発生する
と、本来予混合ダクト１５を経由して燃焼器１３に供給
されていた空気が、予混合ダクト１５をバイパスし、亀
裂や破孔から直接燃焼器１３内に流入することになる。
予混合ダクト１５の空気量が減るため、予混合ダクト１
５内の燃料／空気比が変化し、同ダクトからは、設計値
より燃料比の高い空気が燃焼器１３に供給される。燃料
比が一定値以上に高まると、予混合ダクト１５から燃焼
器１３に流入した直後に急激な燃焼反応が起きるため燃
焼温度が上昇し、前記輝炎をを生じるようになる。燃料
系統の故障により過大な量の燃料が供給された場合にも
同様の現象を生じる。従って、例えば、図７に示すよう
に光度の極大値の出現頻度（図示Ｎ５回）は増加し、極
大値（図示Ｌ５）の大きく、その平均値が大きくなる。

【００３５】そこで、第４実施の形態によれば、燃焼器
１３内の光度を観測し、その極大値の発生頻度の所定時
間での平均値が同じ運転状態における正常時値より、所
定の値以上大きくなった場合に異常有りと判定し、その
原因を燃焼器１３の外壁の亀裂や破孔の発生等による空
気過多または燃料流量過多と判定することができる。こ
の場合、予混合ダクト内の空気流量の低下により逆火の
可能性も判定できる。なお、状況により光度の極大値の
出現頻度と極大値の平均値とのいずれか一方または双方
が所定値以上のとき異常の判定するようにしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、正常時の明るさ検出信号に基づく明るさ状態と監
視対象の明るさ検出信号に基づく明るさ状態との比較に
より燃焼状態を監視するために、早期に、かつ、確実な
判定ができ、即座に異常状態に対して対処することがで
きる。

【００３７】また、請求項２の発明によれば、正常時の
明るさ検出信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値と
監視対象の対応するデータとを比較して判定するために
燃料供給過多または空気供給過少が正確に判定でき、即
座に対処することができる。

【００３８】また、請求項３の発明によれば、正常時の
明るさ検出信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値と
監視対象の対応するデータとを比較して判定するために
燃料過少または空気過多が正確に判定でき、即座に対処
することができる。

【００３９】また、請求項４の発明によれば、燃焼器が
予混合燃焼式の場合に、正常時の明るさ検出信号の極大
値の出現頻度と極大値の平均値と監視対象の対応するデ
ータとを比較して判定するようにしたために燃焼器の供
給空気過多または燃料供給過多を正確に、かつ、早期に
判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態乃至第３実施の形態に
適用するガスタービン燃焼監視装置の構成図である。

【図２】本発明の第２実施の形態および第３実施の形態
を示す正常時の光度を示す説明図である。

【図３】本発明の第２実施の形態を示す異常時の光度を
示す説明図である。

【図４】本発明の第３実施の形態を示す異常時の光度を
示す説明図である。

【図５】本発明の第４実施の形態に適用するガスタービ
ンの構成図である。

【図６】本発明の第４実施の形態を示す正常時の光度を
示す説明図である。

【図７】図６の異常時の光度を示す説明図である。

【符号の説明】

１，１３ 燃焼器 ２ ロータ ３，１４ 燃料ノズル ４ 空気孔 ５ トランジションピース ６ ケーシング ７ ガスタービン ８ コンプレッサ ９ 光度計 １０ 演算装置 １１ 表示装置 １５ 予混合ダクト

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンの燃焼器の燃焼状態を監視
   するガスタービン燃焼監視装置において、 前記燃焼器内の明るさを検出して明るさ検出信号を出力
   する明るさ検出器と、該明るさ検出器により予め収集記
   憶された正常時の明るさ検出信号に基づく明るさ状態と
   前記明るさ検出器により得られる監視対象の明るさ検出
   信号に基づく明るさ状態とを比較して両者の差が所定値
   以上ある場合、燃焼状態の異常を判定することを特徴と
   するガスタービン燃焼監視装置。
2. 【請求項２】 前記燃焼器が拡散燃焼式の場合に、運転
   状態に応じて時系列に正常時の明るさ検出信号を収集
   し、所定時間内の明るさ検出信号の極大値の出現頻度と
   極大値の平均値を演算して、これらを正常時データとし
   て記憶しておき、これらに対応して監視対象として時系
   列に明るさ検出信号を収集して所定時間内の明るさ検出
   信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値とをそれぞれ
   演算して、これらを監視データとし、これら監視データ
   が監視対象の運転状態に応じた前記正常時データより所
   定値以上大きいとき、前記燃焼器への燃料供給過多異常
   または前記燃焼器への供給空気過少異常を判定すること
   を特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼監視装
   置。
3. 【請求項３】 前記燃焼器が拡散燃焼式の場合に、予め
   運転状態に応じて時系列に正常時の明るさ検出信号を収
   集し所定時間内の明るさ検出信号の極大値の出現頻度と
   極大値の平均値を演算して、これらを正常時データとし
   て記憶しておき、これに対応して監視対象として時系列
   に明るさ検出信号を収集して所定時間内の明るさ検出信
   号の極大値の出現頻度と極大値の平均値とをそれぞれ演
   算して、これらを監視データとし、これら監視データが
   監視対象の運転状態に応じた前記正常時データより所定
   値以下小さいとき、前記燃焼器への燃料供給過少異常ま
   たは前記燃焼器への供給空気過多異常を判定することを
   特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼監視装置。
4. 【請求項４】 前記燃焼器が予混合燃焼式の場合に、予
   め運転状態に応じて時系列に正常時の明るさ検出信号を
   収集し所定時間内の明るさ検出信号の極大値の出現頻度
   と極大値の平均値とを演算して、これらを正常時データ
   として記憶しておき、これらに対応して監視対象として
   時系列に明るさ検出信号を収集して所定時間内の明るさ
   検出信号の極大値の出現頻度と極大値の平均値とをそれ
   ぞれ演算して、これらを監視データとして、これら監視
   データが監視対象の運転状態に応じた前記正常時データ
   より所定値以上大きいとき、前記燃焼器への供給空気過
   多異常または燃料供給過多異常を判定することを特徴と
   する請求項１記載のガスタービン燃焼監視装置。