JPH11148370A

JPH11148370A - ガスタービン

Info

Publication number: JPH11148370A
Application number: JP31482197A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Koganezawa; 知己小金沢; Hiroshi Inoue; 洋井上; Shigeyoshi Kobayashi; 成嘉小林; Kazuyuki Ito; 和行伊藤; Naoyuki Nagabuchi; 尚之永渕; Shohei Yoshida; 正平吉田; Yoshitaka Hirata; 義隆平田; Takafumi Enami; 貴文江波
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-06-02

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】１台のガスタービンに取り付けられた複数個の
燃焼器は、車室および火炎伝播管で相互に通じているた
め、着火した燃焼器の圧力上昇により、着火しなかった
燃焼器の圧力も上昇するので、圧力測定の精度を高くし
ないと判断を誤る可能性がある。【解決手段】複数の燃焼器１が隣り合う燃焼器１と火炎
伝播管によって連結されたガスタービンにおいて、燃焼
器１間の測定した差圧の大きさによって、各燃焼器の着
火・消炎の判定・監視を行い、必要な制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は主にガスタービンに
係り、複数個の燃焼器が火炎伝播管を介して結合された
ガスタービンにおける、安定した火炎検知，燃焼診断シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】ここで従来の技術について図３および図
４を用いて説明する。図４は図３のうち、火炎検知器を
備えた燃焼器の詳細を示したものである。

【０００３】発電用等大型のガスタービンは、複数個の
燃焼器１を備えているものが多く、その各々の燃焼器中
で燃料と圧縮空気を反応させて、高温ガスを発生する。
複数個の燃焼器はガスタービンの軸周りに円状に配置さ
れており、隣接するすべての燃焼器は連結管２によって
結合されている。この連結管の内部に火炎伝播管３が設
置されており、火炎伝播管によって結合された燃焼器の
圧力差によって、火炎伝播管中を燃焼ガスが通ることの
できる構造となっている。

【０００４】ガスタービン起動の際は、外部駆動装置に
よって点火回転数まで回転数を上昇させる。その後、す
べての燃焼器に燃料を導入する。そして１つあるいは２
つの燃焼器に設置した点火栓４により燃焼反応を開始さ
せる。燃焼器内で燃焼反応が始まると、高温ガスが発生
するため、燃焼器内部の圧力が上昇する。隣の燃焼器が
未着火な場合、着火した燃焼器との差圧により、高温の
燃焼ガスが火炎伝播管３を通って未着火の燃焼器へ流入
する。こうして１つあるいは２つの燃焼器だけの点火か
ら始まって、隣り合う各々の燃焼器が次々と点火され
る。

【０００５】点火栓４を備えている燃焼器に対して、ガ
スタービンの軸をはさんでほぼ反対側に位置している燃
焼器には、火炎検知器５が設けられている。この火炎検
知器５は火炎からの光を検知する方式のもの火炎伝播が
正常に行われなかった場合、差圧計１２Ａの出力は正の
値を示したままである（図６ｃ）。

【０００６】逆に、燃焼器１Ｂが先に着火し、燃焼器１
Ａが未着火の時、差圧は負の値が出力される。その後、
燃焼器１Ｂから燃焼器１Ａへ火炎伝播が正常に行われな
かった場合、差圧計１２Ａの出力は負の値を示したまま
である（図６ｄ）。このように、着火時の差圧の挙動に
よって着火の良否が判定でき、その結果にしたがって、
例えば着火失敗時には燃料を遮断し、回転数を点火前の
状態に戻して点火をやり直すなどの制御を行う。また、
運転中に図６ｄのような状態になった時には、燃焼器１
Ａが消炎したものと見なして、再度火炎伝播可能な状態
にするように制御を行う。

【０００７】特開平7−208734 号公報で開示された圧力
測定による方法では、図６ｅに示した着火缶の圧力挙動
と、図６ｆに示した未着火缶の圧力挙動は、よく似たも
のとなる場合がある。これは、１台のガスタービンに取
り付けられた複数個の燃焼器は、車室および火炎伝播管
で相互に通じているため、例えば１台のガスタービンに
１４缶の燃焼器が搭載されたガスタービンの場合に、１
４缶中１３缶が着火し、１缶が着火しなかった場合を考
えると、１３缶分の圧力上昇により、着火しなかった缶
の圧力も上昇するためである。

【０００８】このような場合の着火判定は、着火した１
３缶と着火しなかった１缶の圧力はあまり変わらないた
め、着火判定のしきい値の設定精度や圧力測定の精度を
高くしないと判断を誤る可能性がある。また、着火後の
圧力は、回転数や燃空比，着火のタイミング等の条件に
よって変化し、必ずしも一定ではないが、本発明による
方式は、着火缶と未着火缶の圧力差を直接測定するた
め、精度の高い判定が可能になる。

【０００９】次に運転中の差圧計測結果から、燃焼状態
のアンバランスを解消する方法について説明する。図５
に示すように、燃焼器１Ａと燃焼器１Ｂの差圧を差圧計
12Aで測定し、差圧計１２Ａの値が正の時燃焼器１Ａの
圧力が高いことを表し、さらに、燃焼器１Ａと燃焼器１
Ｃの差圧を差圧計１２Ｂで測定し、差圧計１２Ｂの値が
正の時燃焼器（Ｃ）の圧力が高いことを表している場合
を考える。ここで差圧計１２Ａが負の値を示し、差圧計
１２Ｂが正の値を示し、図示されていないその他の差圧
計の値がほぼ０であった時は、燃焼器１Ａの圧力が他の
燃焼器に比べて低いことが考えられる。

【００１０】この原因が仮に燃焼器１Ａの燃空比が他に
比べて低いことにあるとすれば、燃料流量，空気流量等
を各燃焼器ごとに個別に制御して、すべての燃焼器の燃
空比を等しくし、差圧をなくすように制御することがで
きる。

【００１１】このように、測定した差圧の情報に基づい
てガスタービンの制御を行うことで、例えば各燃焼器で
生成される燃焼ガスの温度を均一化できるようになり、
タービンブレードの熱応力変動を小さくしたり、ＮＯｘ
の排出量を抑制したりすることが可能になる。さらに、
ガスタービン負荷等の変動に対する燃焼の安定性を高
め、逆火，消炎を回避することができる。

【００１２】各燃焼器内圧力を差圧計へ導くことは圧力
導管を配管すればよいので、差圧計１２は任意の位置に
設置することができるが、例えば図７ａに示すように、
火炎伝播管の連結管２に台座１６を設け、その上に固定
することもできる。この場合燃焼器外筒８に設ける圧力
導管用の座９を２つにすることで、圧力導管１０の長さ
を短くすることができ、差圧の応答性が良くなり、また
配管も容易になる。

【００１３】また図７ｂに示すように、火炎伝播管の連
結管２に絞り部１７を設け、その両側の差圧を測定する
ことで、差圧測定系を連結管と一体化することもでき、
さらに操作性が向上する。このような場合に差圧計が雰
囲気によって高温となり測定精度が確保しにくい時に
は、周囲に低温の冷却空気を供給し、さらに冷却箱で覆
うこと等により対策可能である。

【００１４】また、図７に示すように、差圧計１２の周
りには閉止弁１３，均圧弁１４，圧力開放弁１５を設け
る。差圧計１２の０点校正時は、閉止弁１３を閉め、均
圧が一般的で、燃焼器ライナ６に開けた火炎検知孔７に
挿入されている。そして火炎検知器５からの検知信号を
もって、全燃焼器の着火が良好に行われたことを判定す
る。

【００１５】しかし、火炎からの光を検知する方式の火
炎検知器５は、燃焼器ライナ６に孔を開けて設置する必
要があるため、火炎検知孔７と火炎検知器５との隙間
や、検知器保護のための冷却空気孔から燃焼器ライナ６
内に空気が流入することが避けられない。火炎検知孔７
から燃焼器ライナ６内に空気が流入すると、その部分の
燃焼ガス温度が低下するため燃焼器内に温度勾配が生
じ、燃焼器ライナ部材，タービンブレード等に熱応力が
生じる原因となる。また、火炎中に局所的な高温部がで
きる原因となるため、ＮＯｘ生成量が増加する可能性が
ある。

【００１６】また、上記光学式の火炎検知器５において
は、設置位置が固定されているために自由度が少なく、
光学系の視野外で正常に火炎が形成されていても、火炎
からの光が検知器に届かなければ失火とみなし、誤動作
を起こす可能性がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
用いられてきた光学式の火炎検知器は、燃焼器ライナに
開口する必要があるため空気の流入が避けられず、また
視野内に火炎が位置しないと誤作動の可能性がある。こ
れらの問題を解決する手段として、特開平7−208734号
公報では、火炎検知器に圧力センサを用いることが公開
されている。これによって火炎検知孔の大きさを小さく
し、燃焼器内のガス温度を均一にすることが可能とな
る。また、燃焼器内の圧力変動を検知することが可能で
あれば、検知器を取り付ける位置は特定されないため、
火炎が直接視野に入らない位置に取り付けても精度良く
火炎を検知することが可能となり、誤動作を防止するこ
とができる。

【００１８】しかし、１台のガスタービンに取り付けら
れた複数個の燃焼器は、車室および火炎伝播管で相互に
通じているため、例えば１台のガスタービンに１４缶の
燃焼器が搭載されたガスタービンの場合に、１４缶中１
３缶が着火し、１缶が着火しなかった場合を考えると、
１３缶分の圧力上昇により、着火しなかった缶の圧力も
上昇するので、この缶の着火判定は圧力測定の精度を高
くしないと判断を誤る可能性がある。また、着火した１
３缶と着火しなかった１缶の圧力はあまり変わらないの
で、着火判定のしきい値の設定にも高い精度が必要であ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では複数の燃焼器を備えたガスタービンにお
いて、全部または一部の燃焼器相互の差圧を測定する。
また、複数の燃焼器が、ガスタービンの軸周りに、円形
に配置されたガスタービンにおいて、それぞれ隣り合う
燃焼器の間の差圧を測定する。また、複数の燃焼器が、
ガスタービンの軸周りに、円形に配置され、それぞれ隣
り合う燃焼器と火炎伝播管によって連結されたガスター
ビンにおいて、点火栓を設置した燃焼器と点火栓を設置
していない燃焼器の間の差圧を測定する。そして、測定
した差圧の大きさによって、各燃焼器の着火・消炎の判
定・監視を行う。さらに、差圧測定結果に基づく着火・
消炎判定結果から、着火失敗，消炎時はトリップ，ラン
バック等の制御を行う。また、測定した差圧の大きさに
よって、各燃焼器における燃焼状態のアンバランスを検
知し、このアンバランスを解消するように制御する。こ
のような差圧測定は、各燃焼器間に差圧計を設置するこ
とで達成できる。あるいは各燃焼器内の圧力を測定し、
差圧を取ることによっても可能である。

【００２０】本発明は火炎検知器に、従来の光学系の火
炎発光輝度を検知する検知器に対し、差圧測定用センサ
を用いることにより、着火及び失火時に各燃焼器間に生
じる差圧を検知することによって、それぞれ着火，失火
を判定するものである。これにより、ライナに設けた検
知孔の大きさを従来のものに比べかなり小さくでき、あ
るいは全くなくすことができる。また、特開平7−20873
4 号に開示された圧力を測定する方法に対して、精度の
高い検知が可能になる。

【００２１】さらに、測定された差圧に基づいて制御を
行うことによって、ガス温度が均一化でき、燃焼器，タ
ービンブレード等のメタル温度上昇防止が図られる。ま
た低ＮＯｘ化，失火防止、が期待できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１および図２に、本発明の実施
例であるガスタービン燃焼器を示す。ガスタービンは、
１４個の燃焼器１を備え、その各々の燃焼器中で燃料と
圧縮空気を反応させて、高温ガスを発生する。燃焼器１
はガスタービンの軸周りに円状に配置されており、隣接
するすべての燃焼器は連結管２によって結合され、この
連結管２の内部に火炎伝播管３が設置されている。この
火炎伝播管３の両端に接続された燃焼器の圧力差によっ
て、火炎伝播管３中を燃焼ガスが通ることのできる構造
となっている。

【００２３】ガスタービン起動の際は、外部駆動装置に
よって点火回転数まで回転数を上昇させる。この後、す
べての燃焼器に燃料を導入する。そして２つの燃焼器に
設置した点火栓４をスパークさせて、燃焼反応を開始さ
せる。燃焼器内で燃焼反応が始まると、高温ガスが発生
するため、燃焼器内部の圧力が上昇する。隣の燃焼器が
未着火な場合、着火した燃焼器との差圧により、高温の
燃焼ガスが火炎伝播管３を通って未着火の燃焼器へ流入
する。こうして１つあるいは２つの燃焼器だけの点火か
ら始まって、隣り合う各々の燃焼器が次々と点火され
る。

【００２４】各燃焼器の外筒８には圧力導管用座９を設
け、そこに圧力導管１０を挿入して固定する。圧力導管
１０の燃焼器内側の先端は、燃焼器ライナ６内部または
燃焼器ライナ６壁面または燃焼器ライナ６と外筒８の間
の空間等、測定に適した位置になるようにする。圧力導
管１０の燃焼器１外側の先端には、分岐用のコネクタ１
１を取り付け、それぞれ隣り合う缶との差圧を測定する
ための差圧計１２に接続する。差圧計１２からの信号は
制御用コンピュータに取り込み、基準値と比較すること
で燃焼状態を判断して制御を行う。

【００２５】次に差圧の挙動から燃焼状態を判断する方
法を、図５，図６を用いて説明する。図５において、あ
る燃焼器１Ａに取り付けられた差圧計１２Ａの出力が正
の時、この燃焼器１Ａの圧力が、比較の対象となる燃焼
器１Ｂの圧力よりも高いことを示しているとして以下説
明する。ガスタービン着火時において燃焼器１Ａが着火
し、燃焼器１Ｂが未着火の時は、図６ａのように差圧は
正の値が出力され、その後、燃焼器１Ａから燃焼器１Ｂ
へ火炎伝播管３を通して火炎が伝播し燃焼器１Ｂが着火
すると、燃焼器１Ａと燃焼器１Ｂの圧力は等しくなるの
で、差圧計１２Ａの出力は０になる。

【００２６】これとは逆に、燃焼器１Ｂが先に着火し、
燃焼器１Ａが未着火の時は、図６ｂのように差圧は負の
値が出力され、その後、燃焼器１Ｂから燃焼器１Ａへ火
炎伝播管３を通して火炎が伝播し燃焼器１Ａが着火する
と、燃焼器１Ａと燃焼器１Ｂの圧力は等しくなるので、
差圧計１２Ａの出力は０になる。このように着火が正常
に行われた場合には、差圧計１２Ａからの信号は図６ａ
または図６ｂの様になる。

【００２７】次に着火が正常に行われなかった場合につ
いて図６ｃと図６ｄを示して説明する。先ほどと同様、
燃焼器１Ａが着火し、燃焼器１Ｂが未着火の時、差圧は
正の値が出力される。その後、燃焼器１Ａから燃焼器１
Ｂへ火弁１４を開けて０点校正ができる。さらに圧力開
放弁１５を開ければ大気圧状態での０点校正ができる。
また、差圧計１２の修理・交換のため差圧計を取り外す
際は、閉止弁１３を閉じればガスタービンが運転中の状
態においても差圧計を容易に交換できる。

【００２８】点火栓が図８ａのように近接した２個の燃
焼器に取り付けられている場合、火炎伝播は普通図の矢
印の向きに分かれて２方向に生じるので、点火栓缶と、
点火栓缶に対して、ガスタービンの軸をはさんでほぼ反
対側に位置している燃焼器との差圧を取れば、差圧計の
数を減らしてもガスタービン起動時の火炎検知が可能と
なる。同様に、図８ｂのように火炎伝播管が一部無いな
ど、火炎伝播が一方向のみに行われるような構造の場合
は、点火栓缶と、点火栓缶に対して火炎伝播の進行方向
上最も離れた位置の燃焼器との差圧を取ればよい。

【００２９】今後低ＮＯｘ化のため予混合比率を大きく
していくと、燃焼振動が問題となってくることが考えら
れる。そのため実際のプラントにおいても燃焼器に圧力
変換器等を常設して燃焼振動を常時監視するようになる
ことも考えられる。そのような場合は、図９に示すよう
に燃焼振動測定用の圧力変換器からの信号の差を取るこ
とによって差圧の計測が可能となり、この情報を制御に
用いることができる。従来の光学式，圧力式はともに個
々の缶の状態を監視しているが、差圧式は１缶の状態を
２つの差圧計で判断できるので、より間違いが少なくな
る。仮に１つの差圧計が故障したときでももう１つの差
圧計で監視を続けることができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明は火炎検知器に、従来の火炎発光
輝度を検知する光学式の検知器に対し差圧測定用センサ
を用いて、着火及び失火時に各燃焼器間に生じる差圧を
検知することによって、それぞれ着火，失火を判定する
ものである。これにより、燃焼器ライナに設けた火炎検
知孔の大きさを従来のものに比べかなり小さくでき、あ
るいは全くなくすことができる。そのため火炎検知孔か
らライナ内に流入する空気を無くすことができるので、
燃焼器内のガス温度の分布を均一にでき、燃焼器ライナ
やタービンブレードの熱応力を低減できる。

【００３１】また、着火後の圧力は、回転数や燃空比，
着火のタイミング等の条件によって変化し、必ずしも一
定ではないが、本発明による方式は、着火缶と未着火缶
の圧力差を直接測定するため、特開平7−208734 号公報
に開示された圧力を測定する方法に比べて、精度の高い
判定が可能になる。

【００３２】さらに、測定された差圧が基づいて、各燃
焼器の燃焼状態のアンバランスを解消するように制御を
行うことによって、ガス温度が均一化でき、燃焼器，タ
ービン等のメタル温度上昇防止，応力低減等が図られ
る。また低ＮＯｘ化，失火防止、が期待できる。

【００３３】本発明においては１つのセンサで２つの燃
焼器を監視することができる。また、１つの缶を２つの
センサで監視することができ、信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例となる複数のガスタービン燃焼
器を説明する図。

【図２】図１の燃焼器部分の詳細図。

【図３】従来のガスタービン燃焼器を説明する図。

【図４】図３の燃焼器部分の詳細図。

【図５】差圧測定方法の詳細図。

【図６】差圧・圧力信号の一例を示す特性図。

【図７】差圧計設置位置の別の実施例を説明する図。

【図８】差圧測定方法の別の実施例を説明する図。

【図９】差圧測定方法の別の実施例を説明する図。

【符号の説明】

１…燃焼器、２…連結管、３…火炎伝播管、４…点火
栓、５…火炎検知器、６…燃焼器ライナ、７…火炎検知
孔、８…外筒、９…圧力導管用座、１０…圧力導管、１
１…分岐コネクタ、１２…差圧変換器、１３…閉止弁、
１４…均圧弁、１５…圧力開放弁、１６…差圧計取り付
け座、１７…絞り部、１８…圧力変換器、１９…差分
器、２０…燃焼振動解析装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤和行茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者永渕尚之茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者吉田正平茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者平田義隆茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者江波貴文茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の燃焼器を備えたガスタービンにおい
て、全部または一部の燃焼器相互の差圧を測定すること
を特徴とするガスタービン。
【請求項２】複数の燃焼器が、ガスタービンの軸周り
に、円形に配置されたガスタービンにおいて、それぞれ
隣り合う燃焼器の差圧を測定することを特徴とするガス
タービン。
【請求項３】複数の燃焼器が、ガスタービンの軸周り
に、円形に配置され、それぞれ隣り合う燃焼器と火炎伝
播管によって連結されたガスタービンにおいて、点火栓
を設置した燃焼器と点火栓を設置していない燃焼器の間
の差圧を測定することを特徴とするガスタービン。
【請求項４】測定した差圧の大きさによって、燃焼器の
着火・消炎の判定・監視を行うことを特徴とする請求項
１ないし３記載のガスタービン。
【請求項５】差圧測定結果に基づく着火・消炎判定結果
から、着火失敗，消炎時はトリップ，ランバック等の制
御を行うことを特徴とする請求項４記載のガスタービン
の制御方法。
【請求項６】測定した差圧の大きさによって、各燃焼器
における燃焼状態のアンバランスを検知し、このアンバ
ランスを解消するように制御することを特徴とする請求
項１ないし５記載のガスタービンの制御方法。
【請求項７】請求項１ないし６記載の差圧測定は、各燃
焼器内の圧力を測定し、差圧を取ることによって行うこ
とを特徴とするガスタービン。