JPS6329116A - ガスタ−ビンプラントの運転方法およびその装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ガスタービンプラントの起動、運転方法及び
その装置に係り、特に、低ＮＯｘ化のために二段燃焼方
式を採用した燃焼器が組み込まれたガスタービンプラン
トの起動、運転方法及びその装置に関する。

〔発明の背景〕

最近、国内では、省エネルギ、省資源のニーズの高まり
により、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラント
とを組合わせた複合サイクル発電プラントの計画が進み
つつある。しかし、国内では、ガスタービンの排出ガス
に対する環境規制が厳しく、特に、排出ガス中の窒素酸
化物Ｎ　Ｏｘに関しては、在来ガスタービン燃焼器では
規制値内に収まらず、低ＮＯｘ燃焼器の開発が急務とな
っている。その開発の結果として、燃料を分散させ。

かつ、多段階に燃焼させる方式が有効とされ、二段燃焼
方式の燃焼器が採用されつつある。二段燃焼方式の燃焼
器は、一次燃料を燃焼させる頭部燃焼室と、この燃焼室
の下流側にあって、比較的高い負荷帯で二次燃料と二次
空気とを予混合した後に燃焼させる後部燃焼室とを備え
、後部燃焼室では頭部燃焼室の火炎によって二次燃料に
着火する。

それぞれの燃焼室で空気過剰とする稀薄燃焼が可能であ
るため、低ＮＯｘ化が可能である。

ところが、ガスタービンプラントの負荷が変化すると、
燃料流量がほぼ負荷に比例して変化するのに対し、圧縮
機からの空気量はほぼ一定（ガスタービンの回転数が一
定のため）であるため、空気と燃料との重量比（以下、
空燃比と言う）が変動してしまい、成る負荷状態で好ま
しい空燃比になるように空気と燃料の比を設定していて
も、別の負荷状態では、過度に濃くなったり反対に薄く
なったりして、排ガス中のＮＯに、あるいは、Ｃｏ、Ｈ
Ｃなどが増大する。

このため、実開昭５７−１５４８５５号公報に見られる
ように、燃焼室をバイパスして、一部の圧縮空気を直接
尾筒に流す流路を設けて、負荷状態に応じてこのバイパ
ス空気量を制御することが提案されている。

この技術では、バイパスの可変通路面積を大き、くシな
ければ所望のバイパス空気量が得られないため、構造的
な制限から、一次、二次燃料を供給して運転できる負荷
領域が、比較的高い負荷帯に限定される。それ故、ガス
タービンの定常的な運転負荷帯で、一次燃料のみの運転
から、一次、二次燃料を同時に供給する運転状態に切り
換り、そのとき、異常に大きい燃焼振動が発生する恐れ
がある。又、一次火炎を着火源として２次の予混合燃焼
が始まるまでに、二次空気が多いため二次燃料が希薄す
ぎて着火が出来ない、いわゆる、可燃焼限界以下となる
。このため、未燃焼成分の生成が多く効率低下となるお
それがある。このような一次ａ料から二次燃料への切り
換えは、効率低下や燃焼振動抑制の観点からは、通常の
負荷運転範囲からずらし、できる限り低負荷であること
が好ましい。又、二次空気流量を精度良く、かつ、効率
良く制御することが燃焼器内部の部分的な空燃比を均一
とすることが出来るための燃焼性をより良くすることが
出来る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、二段燃焼方式の燃焼器を備えたガスタ
ービンプラントにおいて、一次燃料の火炎から二次燃料
への火移りを良好に行わせ、燃焼振動を抑制し、かつ、
効率の低下を抑え、又二次空気の精度良い制御をするこ
とができるタービン起動、運転方法及びその装置を提供
することにある。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明を実施したタービンプラントの概略系
統図である１図において、圧縮機１で圧縮された空気４
は、燃焼器３に供給され１頭部燃焼室７の周壁７ａに形
成した一次空気供給口及び後部燃焼室６の周壁１１に形
成した二次空気供給口から各燃焼室に入り、燃焼空気と
して使用される。後部燃焼室１１の下流側は、尾筒１７
を介して、ガスタービン２の静翼１８に燃焼ガスを供給
するように構成される。頭部燃焼室７の中央にはエンド
ブラケット９から軸方向に延びる内筒１０が設けられ、
この内筒１０と周壁７ａとに囲まれた環状空間にエンド
ブラケット９から多数の一次燃料ノズル１９が設けられ
ている。後部燃焼室６は、頭部燃焼室７よりも大径とな
っていて、両燃焼室の接続部１２には、二次燃料供給口
１３が設けられる。一次燃料ノズル１９及び二次燃料供
給口１３はそれぞれ燃料ライン８及び１４を介して燃料
調節弁２１及び２２に接続される。調節弁２１．２２は
制御器２０からの信号により制御される。制御器２０に
は、ガスタービン２の回転数信号及び負荷信号が入力さ
れる。更に、制御器２０の出力信号は、圧縮機１の車室
から抽気するライン２５に設けた抽気弁２３の制御信号
として与えられる。又、これと連動し二次空気通路から
二次空気を抽気するライン２７に設けた抽気弁２８の制
御信号として用いられる。２６は、ガスタービン２の負
荷であり、例えば１発電機である。

次に、ガスタービンブラットの起動について説明する。

一般に１発電プラントに適用されるガスタービンは、ガ
スタービン起動後、発電機２６を無負荷にしておき、ガ
スタービン回転数を定格回転数まで昇速し、かかる後に
負荷をとる。

第２図は、本発明による空気流量特性並びに一次、二次
燃料特性を示す、圧縮機１の吐出空気量は、ガスタービ
ン回転数が定格（１００％）回転数に達するまでは、は
ぼ二次曲線的に増大し、それ以降は、負荷にかかわらず
一定となる。ガスタービンの起動に際しては、圧縮機１
を他の原動機で駆動し、ある回転数ａ点に達したところ
で一次燃料を供給して点火する。これによりガスタービ
ン２は自立運転に入り、一次燃料を徐々に増加すること
により、ガスタービン２は昇速される。ｂ点まで昇速さ
れると第３図に示すように抽気弁２３が開き、圧縮機１
の空気を大気に逃すため、第２図の太い実線で示すよう
に、燃焼器３への流入する空気量が抽気された分だけ少
なくなる。抽気を開始した後、０点で二次燃料がステッ
プ状に供給され、点線で示す一次燃料はステップ状に減
少させる。二次燃料の供給と同時に、頭部燃焼室の火炎
１６により二次燃料が点火され二次火炎１５が生じる。

二次燃料点火後、一次、二次両方の燃料を供給しながら
運転されるが、抽気弁２３のみの制御ではその開度は第
３図に示すように、ｂ点から徐々に大きくなり、その後
点線をたどりｅ′位置の定格回転数付近で最大となり、
負荷上昇とともに減少させ、ガスタービンの常用負荷帯
（通常２５％〜１００％負荷）では、抽気量は零もしく
は攻に近い値になるように減じられる。０点以降の一次
燃料と二次燃料との合計燃料は、第２図実線で示すよう
に変化し、抽気をしない場合の必要燃料量（三線鎖線で
示す）に比べて、抽気の出力が低下するので、その低下
分を補うために余分の燃料を必要とするからである。

また、抽気を行うと燃料増加となり、これに起因する効
率低下に及ぼす影響が大であり効率低下を抑え、かつ、
良好な燃焼を行うため車室抽気と二次空気抽気を併用す
ることが良好である。すなわち、車室のみの抽気では燃
室比制御を必要とする二次空気のみの制御だけでなく希
釈、冷却の空気量も共に抽気するため抽気空気量が多く
効率低下に及ぼす影響が大きくなるため、車室抽気と二
次空気通路からの抽気を併用する方法があり、二次空気
通路からの抽気を第３図中ｄの位置で行い抽気を徐々に
増加すると共に車室抽気を減少させ０点では二次空気通
路からのみの抽気を行い二次火炎を良好な可燃範囲に入
るように抽気弁２３および２８の制御を行う。とくに、
負荷帯における抽気は抽気小流量でしかも抽気を必要と
する二次空気通路からのみ抽気するものであり精度の良
い抽気制御が出来燃焼振動発生防止や未燃焼成分の発生
を防ぐことが出来る。第４図にタービン運転過程におけ
る効率低下と抽気量との関係を示す。

車室のみの抽気に対し、二次空気通路からの抽気を併用
すれば抽気空気量を０点で約−に減じることが出来、効
率低下も抽気量低減と同じように抑えることが出来る。

第５図に抽気による燃焼振動レベルおよび未燃焼成分の
傾向を示す。抽気を二次空気通路から行う方法では効率
良く空気と燃料の比率制御が出来るために、いずれの特
性も低く抑えることが出来る。

とくに、ター（ン回転数が１００％に達しない状態では
一次燃焼室における空気量が多く空気過剰な燃焼を行っ
ており燃焼性能が低下することからで次燃焼部の空気を
減少し燃焼性能を向上するこ斜が必要であり、一次燃焼
部の空気を少なくする手段として車室より空気を抽気す
ると一次燃焼室の燃焼性能を向上することが出来る。し
かるに、タービン回転数１００％までは一次燃焼室への
空気量も制御できる車室抽気と、それ以上の負荷運転時
での抽気は、出来るだけ抽気流量を抑え効率の低下を抑
える方法が有効である。具体的には本発明のように車室
抽気と二次空気通路からの抽気とを併用することが有効
である。

第６図は、第２図に示す一次燃料、二次燃料の流量特性
により燃料を制御したときの一次、二次燃室比特性を示
す。図中ハツチングで示す範囲は、最適な空燃比範囲を
示すものであり、上限（濃厚側）は、ＮＯｘ生成の限界
値で定まり、下限（稀薄側）は、ｃｏあるいはＨＣの限
界値として決るものである。

ここで、一次、二次燃室比は、それぞれ一次及び二次燃
料と、頭部燃焼室に供給される空気量（一次燃料空気＋
冷却空気）及び後部燃焼室に供給される空気量（二次空
気＋冷却空気）として定義される。又、第６図において
、一次燃焼部と二次燃焼部とで最適燃室比範囲が異なっ
ているのは、一次燃焼部が拡散燃焼、二次燃焼部が予混
合燃焼であるためであり、燃焼方式が変われば、最適範
囲も変るものである。換言すれば、一次、二次燃焼方式
が決れば、それぞれ最適燃室比範囲が決るので、タービ
ンの全運転範囲にわたって燃室比がこの範囲内に入って
いるように、燃焼空気と燃料を設定する必要がある。第
６図中タービン回転数が１００％近傍では−、二二次燃
比比濾い方を示すｅ′を通過する点線の傾向は車室のみ
の抽気の場合である。一方、ガスタービンの合計燃料量
と負荷とは、はぼ比例関係にあるため、負荷１００％の
点で、一次、二次燃室比が最適燃室比、内の最大値とな
るように設定した場合、抽気を行わないと、負荷零％で
の燃室比は、最適燃室比の下限値以下となり、良好な燃
焼状態を維持できなくなる。

それ故に、第６図に示すように、燃室比が下限値に近く
になる運転領域で抽気を行い、ガスタービンの全運転範
囲で最適燃室比範囲になるように抽気量を制御する。

一次、二次燃料及び抽気量の制御は、制御器２、ｏにガ
スタービン２の回転数信号及び負荷信号を取り込み、燃
料調節弁２１，２２．抽気弁２３および抽気弁２８を制
御することによって行う。

抽気弁２３，２８が開いている運転領域、すなわち、第
３図の抽気ゾーンは、常用負荷帯よりも小さい負荷帯及
び昇速領域にあるので、抽気量を多くしても起動時の効
率が低下するが、常用負荷時の効率低下にはならない。

それ故、第６図の抽気ゾーンの燃室比を所望の特性に設
定することができ、第２図に示すように、二次燃料の供
給開始点Ｃを定格速度に達する前に設定することができ
る。

二次燃料の供給開始点Ｃ点がガスタービン回転数の低い
領域に設定できれば、一次燃料火炎と二次燃焼火炎との
燃焼エネルギの差が小さいので、燃焼のステップ的な変
化に基因する振動レベルが小さくなる利点がある。さら
に、二次燃室比が最少となる第６図に示す８点をｅ′点
よりも上げることが出来るので、車室および二次空気通
路抽気の併用の場合に燃焼性能を向上させることができ
、さらに、燃焼性能に寄因する燃焼振動レベルを小さく
する利点もある。

従来技術のバイパス空気量の制御では、バイパス空気量
を大きくすることがむずかしいので、定格速度で無負荷
運転の際、燃室比が稀薄になりすぎて、■ＩＣ，ＣＯＱ
度が増大するため、２５％負荷近傍までは、一次燃料の
みで運転し、要求燃料量がある程度増大した点で二次燃
料の供給を開始せざるを得なかった。そのだめ、一次火
炎から二次火炎に火移りしたときの燃焼振動が大きくな
る頃向があった。

しかるに５本発明では、ガスタービンの昇速の過程で二
次火炎を形成することができ、さらに。

より二次燃室比を濃い方へ設定できるので燃焼振動のレ
ベルが低いことは勿論、常用負荷帯では。

常に一次火炎、二次火炎が形成されているので、一次か
ら二次に大移りするときのような過渡的な燃焼がないの
で、ガスタービンの運転が安定している利点がある。

第７図にガスタービン立上げ時に車室抽気を行い゛低負
荷帯で、−９二次空気流量を行う他の実施例を示す。

ガスタービン立上げ時に、車室２９よリライン２５に装
置した抽気弁２３を介して流量を制御し、抽気を行う、
さらに一次３０．二次３１空気流量の制御は一次燃焼室
７ａを囲み一次空気供給孔３０ａを開口したカバ一部材
３２を設け、さらに、これを覆いこれを外筒３３の外側
からリンク機構３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３°５ｄ、３
５ｅによって連結されたスライド部材３６を摺動させる
。そしてスライド部材３６の一方側端は一次空気流入孔
３０ａ上をスライドすることによって、流入面積を変化
させ、−火室気流を制御する。一方、二次空気はスライ
ド部材３６に開口した空気流入口３８が、二次空気流入
口３９上をスライドすることによって、開口面積を変化
させ、流入量を変化させる。そして所定の燃室気を得る
ように制御する。すなわち、−２二次燃料の切換点では
第６図に示すように一次燃料を急激に減少させる時、車
室抽気を行っていても一次燃焼室は空気過剰の状嵐とな
る。このため一次燃焼室におけるＣＯ濃度が上昇する。

ここでスライド部３６を摺動させることによって一次空
気開口部面積を減少する方向に作動させ一次空気流入量
を減じる。これと連動し、二次空気流量も同時に減少す
るように作動するものである。第８図に点線で示すよう
にＣ○の生成を低く抑える利点を生じる。さらに、同時
に二次空気も制御しているので二次燃焼の効率を向上さ
せることも効果も合せて得ることが出来る。

このように車室抽気方式により大まかな調整を行い精度
の良い制御は−、二次空気を共に制御する方法を組合せ
ることにより燃焼性能を向上することが出来ると共に空
気過剰による燃焼がなくなるため燃焼振動の発生を小さ
く抑えることが出来る利点も生じる。

第９図の実施例では、ガスタービンプラントが複合サイ
クルプラントに組み込まれている。

第９図において、圧縮機２により吸入された空気４１は
、圧縮空気４２となり、２段燃焼方式の燃焼器３へ導か
れ、燃焼器３内で、一次、二次燃料を燃焼させ、燃焼ガ
ス４０となってタービン２１こ流入し、タービン２を駆
動した後、排ガス４３となって、排熱回収ボイラ４４に
導かれる。ボイラ４４内には、蒸発器４４ａ、過熱器４
４ｂ及び排ガス中のＮＯｘを浄化するための脱硝装置４
５が設けられ、浄化された排ガス４６は、大気へ放出さ
れる。一方、排熱回収ボイラ４４で発生した蒸気４７は
、蒸気タービン４８に導かれ、これを駆動し、発電機４
９を駆動する。蒸気タービン４８の排気蒸気は、復水器
５０で復水５１となり給水ポンプ５２により、ボイラ４
４に戻される。

燃焼器３および車室２９には、それぞれ抽気弁３７ｂ、
２３をもつ抽気管５３．５４が設けられ。

抽気管の他端は、排熱回収ボイラ４４に導かれている。

抽気弁２３ｂ、２８ｂ、３９ｂには、制御器２０から制
御信号が与えられる６制御器には、ガスタービン負荷信
号１回転数信号、大気温度信号、大気湿度信号などが取
り込まれ、一次燃料。

二次燃料の制御も行うものである１本実施例において、
燃焼器３の一次、二次燃料の制御は第２図の特性図に示
すのとほぼ同一であり、抽気弁は第３図に示すように制
御される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃焼器内の燃室比を所定の量に制御す
ることが出来ると共に、さらに−、二次空気流量の調整
および二次空気流量の抽気制御なることが出来、二次燃
料への着火が容易となり、二次燃料着火時の燃焼振動を
抑制することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例のガスタービンプラントの
系統図、第２図は、空気量及び燃料量の特性図、第３図
は、抽気弁開度特性図、第４図は。 空気量と燃焼効率低下を示す図、第５図は、未燃成分、
燃焼振動レベルを示す図、第６図は、燃室比特性図、第
７図は、他の実施例の断面図、第８図は、ＣＯａ度特性
図、第９図は、本発明を複合サイクルプラントに応用し
た系統図である。 第　１図 第２図 第３図 第４０ 第６　口 篤′ｉ３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一次燃料の供給手段及び一次空気供給口を備えた頭
   部燃焼室と、前記頭部燃焼室の下流側にあつて二次燃料
   の供給手段及び二次空気供給口を備えた後部燃焼室から
   なる燃焼器と、前記燃焼器に燃焼のための圧縮空気を供
   給する圧縮機と、前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆
   動されるタービンとを備えたガスタービンプラントにお
   いて、 前記ガスタービンが起動し前記一次燃料の燃焼が始まつ
   た後、前記圧縮機からの空気の１部を前記圧縮機の吐出
   部より抽気し、前記燃焼器へ供給する空気流量を減少さ
   せた状態で前記二次燃料の燃焼を開始させ、かつ、前記
   二次空気の通路より空気を抽気することを特徴とするガ
   スタービンプラントの運転方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記一
   次燃料の燃焼開始直後から徐々に抽気空気量を前記ガス
   タービンの速度上昇に応じて増大させ、前記二次燃料の
   燃焼開始後、前記ガスタービンの負荷増大に応じて前記
   抽気空気量を減少させることを特徴とするガスタービン
   プラントの運転方法。 ３、特許請求の範囲第２項の運転方法において、前記二
   次燃料の燃焼開始後に車室から抽気する空気量を減じな
   がら前記二次空気通路からの抽気を増大し負荷に応じて
   抽気量を減少させることを特徴とするガスタービンプラ
   ントの運転方法。 ４、特許請求の範囲第２項または第３項の運転方法にお
   いて、 前記一次空気および前記二次空気の流量の調整を併用す
   ることを特徴とするガスタービンプラントの運転方法。 ５、一次燃料の供給手段及び一次空気供給口を備えた頭
   部燃焼室と、前記頭部燃焼室の下流側にあつて二次燃料
   の供給手段及び前記二次燃料の供給口を備えた後部燃焼
   室からなる燃焼器と、前記一次及び二次空気供給口に燃
   焼のための圧縮空気を供給する圧縮機と、前記燃焼器で
   生じた燃焼ガスにより駆動されるタービンとを含むガス
   タービンプラントにおいて、 前記一次、二次燃料の供給量を制御するための燃料調整
   手段と、前記圧縮空気の一部を車室より抽気するための
   第一の抽気弁と、前記二次空気を抽気する第二の抽気弁
   と前記燃料調整手段及び抽気弁を制御するための制御器
   とを備え、前記制御器は、少なくとも前記ガスタービン
   の回転速度信号及び負荷信号を入力し、前記ガスタービ
   ンの起動過程で前記二次燃料が供給される前に前記第一
   の抽気弁が開いて抽気が行われるようにしたことを特徴
   とするガスタービンプラントの運転装置。 ６、特許請求の範囲第５項の運転装置において、前記一
   次空気および前記二次空気の調整を行う手段を備え、こ
   の手段を前記二次燃料の供給を開始する近傍で作動させ
   ることを特徴とするガスタービンプラントの運転装置。