JPS61138836A - ガスタ−ビン制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はガスタービンの制御装置に係り、特に　″ガス
タービンからの公害排出物ＮＯＸの低減化を目的とする
ガスタービンの制ｔ２Ｉｌ装置に関する。

〔発明の技術的￥Ｉｒ順およびその問題点〕第４図は、
基本的なガスタービン装置の椛成図であって、空気圧縮
１１によって圧縮された大気は高圧空気となって燃焼器
２に流入する。上記燃焼料２は円筒状の燃焼筒３を有し
、その燃焼筒３の外周部に環状領域４を形成するように
外筒５が同心的に配設され、上記燃焼筒３の一端部にｖ
５ＰＡノズル６が設けられている。そこで、上記燃焼器
２に流入した高圧空気は、上記燃焼筒３と外筒５により
形成された環状領域４を通り、燃焼筒３を強制対流冷却
しながら、その燃焼筒３の外周壁に形成された空気穴７
および前記燃料ノズル６の外周部に設けられたスワラ８
等により燃焼筒３内に流入づる。一方、ｔ！ｉ斜はガス
タービン負荷に対応して燃料流量調整弁９によって流量
が制御され、燃料ノズル６により燃焼筒３内の逆流領ｌ
ｉｔ！１０近傍に噴出せしめられ、点火装置１１により
着火され、前記スワラ８および空気穴７から流入した高
圧空気とともに燃焼し、定容定圧燃焼が継続して高温ガ
スが発生される。しかして、この高温ガスはガスタービ
ン１２に導びかれて動力を発生し、この動力は空気圧縮
ａｌ１１１の駆動動力として一部を消費し、残りの動力
は例えば発電機の如き被駆動機１３の駆動動力として消
費される。

ところが、上記燃焼器２においては、燃料ノズル６が１
個または複数個の場合においても、燃焼によって生ずる
高温ガスのため、いわゆるサーマルＮＯｘと称するＮＯ
ｘが人聞に発生する。

このＮＯＸは燃料ノズル６の多数化、空気穴７等の工夫
により、若干の局所的または狭い領域の火炎温度の低下
には効果があるが、大巾なＮＯｘの低減は不可能である
。

ところで、局所的な火炎温度の低減を実現する方法とし
ては、予混合法が効果的であることが知られている。ず
なわら、第５図は燃空比に対するＮＯｘの変化を示す図
であり、予混合なしの場合におけるＮＯｘ発生かが曲線
Ａのようになるのに対し、例えば燃料希薄条件で予混合
すると、その予混合割合に応じてＮＯｘＯｘ発生的線Ｂ
のようになり、局所的火炎温度の低下が可能となり、Ｎ
Ｏｘ低減が可能となる。

第６図は、上記予混合法を利用した燃焼器の基本的な構
成を示す概略図であって、燃焼筒３の外側部には予混合
室１４が形成されており、第２の燃料流量調整弁９ａに
よって流量調整された燃料が上記予混合室１４に供給さ
れ、そこで燃焼筒３内に流入する前に高圧空気と予混合
され、予混合室１４に設けられた複数個の穴１５を通っ
て燃焼筒３内に流入する。そして、上記燃焼筒３内にお
いて、前記燃料ノズル６から噴射された燃料の燃焼によ
って発生した高温ガスによって着火され、低い燃焼温度
で燃焼しＮＯＸの発生が抑制される。

このような装置におけるＮＯｘのガスタービン負荷に対
応する排ガス開は、第７図に示すようになり、定格負荷
付近のガスタービン運転においては、ＮＯｘ規制値ａを
十分クリアすることができる。しかしながら、この図か
らも判るように、部分負荷運転時においては、ＮＯｘは
規制御ａａを大巾にオーバーする。

これらの部分負荷における欠点を補うため、第６図に示
すように、高圧空気の一部を直接ガスタービン１２の入
口側に供給する空気バイパス導管１６を設け、ガスター
ビン負荷に対応して調整弁１７により燃焼器２への空気
量を制御し、できるだけ高温ガスにおける燃空比を一定
にすることにより、ＮＯｘの発生を抑制する方法もある
。しかし、この方法は、前記欠点のＮＯＸの最大値をク
リアすることはできるが、高温ガス周辺に温度差のある
高圧空気を流入させるため、構造的にも温度分布的にも
好ましくない等の別の問題が発生する。

また、ガスタービンのＮＯｘ低減対策として蒸気噴射に
よるものもあるが、この場合は蒸気の消費量が多く、コ
ンバインドサイクルでよくみかけられるように低負伺時
の蒸気不足の問題が生じることがある。

さらに別の方法として、予混合を２段階とし、３系統の
燃料ラインを使用して、負荷指令に対する燃料要求指令
に応じて３系統の燃料を順次投入していく方法も考えら
れる。

すなわち、第８図に示すように、第１系統の燃料で１を
制御弁１８を介して燃料ノズル６から燃焼筒３の最上流
部に噴出するとともに、上記ｖ５利の一部を高圧空気と
ともにスワラ８によって上記噴出燃料の周囲部に供給し
、当該部分で燃焼を行なわせる。一方、上記燃焼筒３の
外周部には、それぞれ独立した予混合室１９．２０が設
けられ、各予混合室１９．２０に、第２系統の燃料ｆ２
および第３系統の燃料ｆ３がそれぞれ制御弁２１゜２２
を介して供給され、そこで空気圧縮Ｉａ１から吐出され
た高圧空気の一部とそれぞれ予混合した後、各予混合ｖ
１９，２０に設けられた穴２３゜２４より燃焼筒３内に
噴入され、当該部で燃焼される。また、上記燃焼筒３内
には、その周壁に設けられた多数の穴２５から冷却空気
が供給されるとともに、下流側においては数個の穴２６
から希釈空気が供給される。

そこで、各燃料は、３つの制御弁１８．２１゜２２をタ
ービンの負荷に応じて順次間いていくことにより、全負
荷帯を通じてのＮＯｘのピーク値を抑えるように制御さ
れる。

すなわち、第９図（ａ）に示すように、第１系統の然Ｆ
ｌｆ１の流量Ｗ１、第２系統の燃Ｆｌｆ２の流量Ｗ２、
第３系統の燃料ｆ３の流量Ｗ３の金目がガスタービン負
荷に応じたトータル燃料Ｗで、切換点Ａ１で制御弁２１
が開らき、切換点Ａ２で制御弁２２が開らくように制御
される。このように、予混合を順次下流側に移して行く
ことにより、第９図（ｂ）に示すように、切換点Ａ１で
第１のＮ−０Ｘビーク値ｐ１となるが、第２系統の燃料
制御弁２１が開くことにより、ＮＯｘは下がる。さらに
切換点Ａ２で第３系統の燃料制御弁２２が開くことによ
り、一度上昇しかけたＮＯｘが再度下がり、全負荷帯を
通じてＮＯｘＯｘ規制値下以下転が可能となる。

しかし、上記燃料系統を３系統とする方法は、燃料の追
加或は削除が、切換点Ａ１．Ａ２で発生することになり
、燃料切換時の燃料の変動による負荷変動等が発生する
問題がある。特に切換点Ａ２は高負荷帯に当り、頻繁な
負荷増減、ガバナフリーによる負荷変動を受けやすい負
荷帯でもあり、この部分に燃料ラインの切換点があるこ
とは、運用上の制約ともなりかねない等の問題がある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、複数系統の燃料系統と蒸
気噴射装置との組合わせにより、ＮＯＸの低減を効果的
に行ない、上述の如き問題点を解消し得るようにしたガ
スタービンの制御装置を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、それぞれ燃焼器への燃料Ｐ、量を制御可能な
複数の燃料系統と、燃料ノズルから燃料を噴出せしめる
燃料系統以外のｖ５判系統の燃料を高圧空気と予混合さ
せ、その予混合された燃料を燃焼筒内に供Ｓａ　する予
混合室と、燃焼器への蒸気噴射装置と、タービン負荷に
応じて複数系統の燃料流量の総和を制御するとともに、
上記タービン負荷の低負荷時に単一燃料系統から順次複
数燃料系統への切換を行なって予混合された燃料の供給
を開始せしめ、かつ燃料切換後の部分負荷時或は高負荷
帯において蒸気噴射装置を作動せしめ、蒸気噴＠ｍを連
続制御せしめる燃焼制御器とを有することを特徴とする
ものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の制御装置の概略系統図であって、燃焼
筒３の最上流部には、当該部に設けられた燃料ノズル６
によって第１系統の燃料ｆ１が制御弁１８を介して供給
されるとともに、上記燃料の一部が高圧空気とともにス
ワラ８によって上記燃料ノズル６の周囲部に供給され、
当該部分で燃焼が行なわれるようにしである。一方、上
記燃焼筒３の外周部には、予混合室１９が設けられてお
り、その予混合室１９内において、°制御弁２１を介し
て供給された第２系統の燃料ｆ２と空気圧縮Ｉ１１から
吐出された高圧空気の一部とが予混合され、その後予混
合室１９に設けられた穴２３から燃焼筒３内に噴入され
、当該部で燃焼するよう構成されている。

また、上記燃焼筒３内には、その周壁に設【プられた多
数の穴２５から冷却空気が供給されるとともに、下流側
においては数個の穴２６を経て希釈空気が供給されるよ
うにしてあり、さらに上記燃焼筒３の最上流部には、蒸
気流量制御弁３０を介して蒸気を燃焼筒３内に咄出ゼし
める然気噴射装置３１が設けられている。

ところで、制御弁１８．２１および蒸気流聞制御井３０
は、燃焼制御器３２からの出力信号によってそれぞれ作
動制御されるようにしてあり、上記燃焼制ｔ２Ｉｌ器３
２には、負荷増減信号りが入力されるとともに、タービ
ンの排気部に設けられた排気温度センサー３３からの排
気湿度信号、ガスタービン速度センサー３４からの速度
信号、および囁（ト）蒸気流量計３５からの蒸気流量信
号がそれぞれフィードバックされ、さらに両制御弁１８
゜２１に設けられた弁開度検出器３６．３７から弁開度
信号がフィードバックされる。

第２図は上記燃焼制御器３２の制御ブ１」ツク図であっ
て、ガスタービン負荷増減信号りが燃焼制御器３２の負
荷設定器４０に入力すると、その負荷設定器４０が作動
して負荷指令が出力され、この負荷指令は速度センサー
３４より得られる速度信号と比較器４１で比較され、そ
の偏差信号が速度負荷制御部４２を介して低価優先回路
４３に入ツノされる。上記低１１ａ侵先回路４３に【Ｊ
、排気温１ｕセンサー３３からの排気温度信号を入力す
る排気湿度制御部４４の出力と、起動り制ｔＩ１部４５
の出力が同様に入力されており、これらの３信号の低値
により燃料要求指令信号Ωが出力される。上記低値優先
回路４３は、速度負荷信号に優先して、ガスタービン保
護のための排気温度制御信号を活かしたり、起動時の燃
料制御を行なうためのもので、通常排気渇厄が制限内で
あれば、負荷指令に応じて燃料要求指令信号Ｑが出力さ
れる。

ところで、上記燃料要求指令信号Ｑは、第１の関数発生
器４６、第２の関数発生器４７、および第３の関数発生
器４８に入力され、上記第１の関数発生器４６では、上
記ｄＩＭｆ３１要求指令信号Ｑに対応する第１系統の燃
料ｆ１の流量指令信号が出力され、この信号から減算器
４９でバイアス設定器５０からのバイアス信号が減算さ
れ、その偏差信号が流か一弁すフｉ−変換器５１で弁リ
フト信号となり、減算器５２、パワーアンプ５３を介し
て制御弁１８に入力され、その制御弁１８の開度が制御
される。また、上記制御弁１８の開度は弁開度検出器３
６によって検出され、減算器５２にフィードバックされ
る。

一方、第２の関数発生器４７では、タービン負荷が低角
ｖＪｂＪにおける所定値になったとき、燃料要求指令信
号Ｑに応じて第２系統の熱料ｆ２の流１指令信号が出力
され、これが加わ器５４に＋１５いて前記バイアス設定
器５０からのバイアス信号が加口され、その加算信号が
流量−弁リフト変換器５５で弁リフト信号となり、減算
器５６、パワーアンプ５７を介して制御弁２１に入力さ
れ、その制御弁２１の開度が制御される。そして、その
制御弁２１の開度は弁開検出器３７によって検出され、
減算器５６にフィードバックされる。

上記バイアス設定器５０は、第２系統の燃料用の制御弁
２１の開き始め点Ｂで、バイアスｍｆＪを第１系統の燃
料の流量指令信号から引算し、第２系統の燃料の流量指
令信号に加算するものであり、この場合瞬時に引算、加
算を行なうと、燃料流囲変動を招く恐れがあるため、バ
イアスは徐々に与えられる。

しかして、ガスタービン負荷用信号が燃焼制御器３２に
入力れるど、第１系統の燃料制御弁１８によって第３図
（ａ）の実線で示すようにその流量が制御され、また第
２系統の燃料は制御弁２１によって点線で示すようにそ
の流ｍが制御され、トーク燃料は一点鎖線で示づように
なる。すなわち、燃料系統の切換は、切換点Ｂのみで、
その後の負荷上昇は主に第２系統の燃料の制御弁２１の
制御によって行なわれる。しかも、この切換点Ｂは、併
人世の初負荷をとった程度の低負荷域に設定される。

ところで、上述のような燃料切換を行なうと、ＮＯＸ排
出吊は、第３図（ｂ）に示すように切換点ＢにおいてＮ
Ｏｘピーク値ｐ１をとるが、その後実線で示すように推
移し、約５０％負荷付近からは、一点鎖線のようになり
、ＮＯｘ規制値ａをオーバーしてしまう。

そこで１本発明においてはこれを防ぐため、第３図（Ｃ
ンに示づように、上記切換点Ｂの後より然気噴射装置３
１を作動し、噴射蒸気を燃焼筒３内に供給する。

すなわち、第３の関数発生器４８においては、前記燃料
切換点Ｂよりさらに負荷が１臂した時点において、燃料
要求指令信号Ｑに応じて、まず所定値の蒸気を供給し、
その後順次あらかじプログラムされたカーブにしたがい
、蒸気量を増加するような噴射蒸気量指令信号が出力さ
れ、この指令信号が噴９Ａ蒸気流吊計３５からの噴射蒸
気量信号と比較器５８で比較され、その偏差信号が噴射
蒸気流ｍ　Ｉ１１御部５９で演算され、その後蒸気流ｍ
制御弁３０に駆動信号が出力される。そして、最終的に
、第３図（Ｃ）で示すような、負荷に対応する噴射蒸気
量となるように蒸気流量が制御される。

しかして、切換点Ｂ以後においては、タービン負荷に応
じた噴射蒸気が燃焼筒３内に噴射され、それによってＮ
Ｏｘの発止が規制され、約５０％負荷付近以降において
も、Ｎ　ＯＸ　Ｊｕｌ出１は第３図（ｂ）の実線に示す
ようになり、ＮＯｘ排出量がＮＯｘＯｘ規制値下以下御
される。

なお、上記実施例においては、蒸気噴用吊のプログラム
を燃料要求指令信号に対応したものどしたが、これは負
荷に対応する、例えば実負荷、空気流量等の信号によっ
て蒸気噴射量を決めるようにしてもよい。また、燃料系
統についても必らずしも２系統とする必要はなく、部分
負荷或は高負荷帯において燃料切換を行なわな（ブれば
、２以上の複数系統としてもよい。

（発明の効果〕 以上説明したように、本発明においては、燃料と空気と
の予混合によるＮＯｘ低減効果と、蒸気ｗｅｉ劃による
ＮＯｘ低減効果とを個用したので、Ｎ　ＯＸ　ＪＪＩ出
世を常に規制値以下に維持することができ、しかも制御
弁の切換をタービン（７１人後の低負荷で行なうのみで
、高負荷帯での切換えなく高負荷帯では蒸気９１１割に
よる連続制御によりＮＯ，ｘ排出量を低減させるので、
負荷変動要求、ガバナフリー運転要求時においても安定
した制御を行なうことができる。さらに、従来の蒸気１
’？４躬のみのＮＯｘ低減のための制御より蒸気の消費
量は少なく、コンバインドザイクルでよくみられる低角
向時の蒸気不足の問題もなくなる。

【図面の簡単な説明】

」１図は、本発明のガスタービン制ｔ１１装置の概略系
統図、第２図は燃焼制御Ｉｌ器の制御ブロック図、第３
図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明におけるガ
スタービン負荷に対応した、燃料流量、ＮＯｘ排出量、
噴（ト）蒸気量の変化説明図、第４図は基本的なカスタ
ービン装置の構成図、第５図は燃空比に対するＮＯＸの
変化線図、第６図は従来の予混合方式と空気流量制御に
よる低ＮＯｘタービンの構成図、第７図は第６図のガス
タービンの排ガス特性線図、第８図は従来の３燃料系統
を有する低ＮＯＸガスタービンの構成図、第９図（ａ）
（ｂ）は第８図のガスタービンにお【プる負荷に対応す
る燃料流ω、ＮＯＸ排出聞の変化線図である。 １・・・空気圧縮機、２・・・燃焼器、３−・・燃焼筒
、６・・・ｊＷ　ｒ３１ノズル、８・・・スワラ、１２
・・・ガスタービン、１９・・・予混合室、１８．２１
・・・制御弁、３０・・・蒸気流量制御弁、３１・・・
蒸気噴ＱＪ装置、３２・・・燃焼ｉｌｌ　ｍ器、４２・
・・速度＠荷制御部、４３・・・低仙優先回路、５０・
・・バイアス設定器。 出願人代理人　　猪　　股　　　　清 第１図 第２繍 スス 筋３目 Ｕ　　　　　　　　　　　　亦ｊ坐１呵第４目 羊６図 名２菌 第δ口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、それぞれ燃焼器への燃料流量を制御可能な複数の燃
   料系統と、燃料ノズルから燃料を噴出される燃料系統以
   外の燃料系統の燃料を高圧空気と予混合せしめ、その予
   混合された燃料を燃焼筒内に供給する予混合室と、燃焼
   器への蒸気噴射装置と、タービン負荷に応じて複数系統
   の燃料流量の総和を制御するとともに、上記タービン負
   荷の低負荷時に単一燃料系統から順次複数燃料系統への
   切換を行なって予混合された燃料の供給を開始せしめ、
   かつ燃料切換後の部分負荷時或は高負荷帯において蒸気
   噴射装置を作動せしめ、蒸気噴射量を連続制御せしめる
   燃焼制御器とを有することを特徴とする、ガスタービン
   制御装置。 ２、各燃料系統の燃料流量を制御する制御弁の切換およ
   びその制御は、燃料要求指令信号によって行なわれるこ
   とを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載のガスター
   ビン制御装置。 ３、蒸気噴射量は、負荷指令相当信号に対応し、ＮＯｘ
   排出量を勘案してプログラムされた関数発生器からの出
   力信号によって制御されることを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項記載のガスタービン制御装置。 ４、負荷指令相当信号は燃料要求指令信号であることを
   特徴とする、特許請求の範囲第３項記載のガスタービン
   制御装置。