JPWO2007069309A1

JPWO2007069309A1 - ガスタービン装置

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Publication number: JPWO2007069309A1
Application number: JP2007550041A
Authority: JP
Inventors: 聡百々; 晋中野; 弘行白岩
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2009-05-21
Also published as: WO2007069309A1

Abstract

発熱量が変動する燃料を主燃料とし、発熱量が安定した燃料を補助燃料として用いるガスタービン装置において、吹き消えや過熱のない安定した燃焼を行えるガスタービン装置を提供することにある。燃焼器５は、燃焼室内に燃料と空気を噴出する第１のバーナ１０５と、第１のバーナの火炎の先端部分に相当する燃焼器内の軸方向位置に、第１のバーナ火炎を堰きとめるように燃料と空気を噴出して燃焼室内に燃料と空気の循環流を生ぜしめる第２のバーナ１０８とを備える。補助燃料流量演算制御器３３及び主燃料流量演算制御器３４は、ガスタービン空気流量によって算出される所定流量の発熱量の安定した燃料を前記第１のバーナに供給し、発熱量が変動する燃料を前記第２のバーナに供給し、所要のガスタービン出力と実際のガスタービン出力の差を用いて算出される補正量により第２のバーナに供給する燃料流量を変化させる。

Description

本発明は、ガスタービン装置に係り、特に、発熱量が変動する燃料を用いる場合に好適なガスタービン装置に関する。

ガスタービン装置に用いるガスタービン用燃焼器では、燃料と空気を燃焼室に流入する前に予混合器と呼ばれる燃焼器部品内で混合して供給する予混合燃焼方式を採用しているものが多い。予混合燃焼方式の燃焼器では、燃焼用空気と燃料を予め量論混合比より燃料希薄になるよう混合してから燃焼させることができるので、局所的な高温領域がなく火炎温度も低くなるので窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量が少ない。

しかし、近年は、発電効率向上のため圧縮機吐出空気を再生熱交換器によって予熱し燃焼器に送ることで、タービン排気の排熱を回収し熱効率の向上を図る再生式ガスタービン装置が普及し、特に小型のマイクロタービンと称される再生式ガスタービンでは９０％を超える再生効率を持つものも多い。このような再生式ガスタービンでは、燃焼器入口空気温度が６００℃を上回る高温になるため、燃料の発火点温度を超え予混合器内で自発火したり、あるいは燃焼室内の火炎が予混合器内に逆流する逆火などの危険が高い。

一方、燃料を空気と混合せずに燃焼室に流入させ燃焼室内で空気と混合させる拡散燃焼方式の燃焼器では、火炎の位置が燃料と空気が混合する過程に大きく依存し、量論混合比近傍の混合気が形成されている領域に保持されるため、局所的に非常に高温な領域が発生しＮＯｘ排出量が多い。特に燃焼器入口空気温度が高い再生式ガスタービンの場合、火炎温度が非常に高くなるため指数関数的にＮＯｘ排出量が増大する。

このような燃焼器入口の空気温度が高い場合にも安定でＮＯｘ排出量が低い燃焼を行わせることができるガスタービン用燃焼器としては、例えば、本出願人による国際公開公報ＷＯ２００５／０５９４４２Ａ１に記載のものが知られている。

国際公開公報ＷＯ２００５／０５９４４２Ａ１

しかしながら、国際公開公報ＷＯ２００５／０５９４４２Ａ１記載のものは、単一の発熱量の安定した燃料を用いる場合についての構成を示したものであり、例えば汚泥消化ガスなどの発熱量が変動する燃料を用いる場合については開示していない。例えば、下水処理場で発生する汚泥などを乾燥発酵処理して得られる汚泥消化ガスなどの燃料は、季節による湿度の変化や汚泥の性質の変化により、燃料中の可燃成分濃度が変化し、発熱量が変動する。このように発熱量が変動する燃料を利用したガスタービン装置では、燃料の発熱量の変動に対応して所定の性能を維持できるように燃料流量を調整する制御を行う必要がある。

一般的に燃料の発熱量が変動する場合には、発熱量の変動による吹き消えや過熱を防止するため、発熱量の安定した別の燃料を補助燃料として併用する方法が知られている。しかしながら、発熱量の変動する主燃料と、発熱量の安定した補助燃料を用いた場合にも、安定しＮＯｘの排出量が少ない燃焼を行わせるためには、主燃料と補助燃料を適切に分配する制御が必要である。

本発明の目的は、発熱量が変動する燃料を主燃料とし、発熱量が安定した燃料を補助燃料として用いるガスタービン装置において、吹き消えや過熱のない安定した燃焼を行えるガスタービン装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、発熱量の変動する燃料を主燃料とし、発熱量の安定した燃料を補助燃料として用いるガスタービン装置であって、燃焼室内に燃料と空気を噴出する第１のバーナと、第１のバーナの火炎の先端部分に相当する燃焼器内の軸方向位置に、第１のバーナ火炎を堰きとめるように燃料と空気を噴出して燃焼室内に燃料と空気の循環流を生ぜしめる第２のバーナとを設けた燃焼器と、ガスタービン空気流量によって算出される所定流量の発熱量の安定した燃料を前記第１のバーナに供給し、発熱量が変動する燃料を前記第２のバーナに供給し、所要のガスタービン出力と実際のガスタービン出力の差を用いて算出される補正量により第２のバーナに供給する燃料流量を変化させる制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、発熱量が変動する燃料を主燃料とし、発熱量が安定した燃料を補助燃料として用いるガスタービン装置において、吹き消えや過熱のない安定した燃焼を行えるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、さらに、要求負荷と吸気温度信号から、要求負荷を出力できる運転回転数を算出して、所定の回転数上昇率にしたがって基準運転回転数指令値を発生する運転回転数演算制御器と、タービン出口ガス温度信号を参照してタービン出口温度の基準値との偏差に基づいて運転回転数の補正量を算出し、運転回転数補正量指令値を発生する補正運転回転数制御演算器とを備え、前記基準運転回転数指令値と前記運転回転数補正量指令値を加算して運転回転数指令値を発生するようにしたものである。

（３）上記目的を達成するために、本発明は、発熱量の変動する燃料を主燃料とし、発熱量の安定した燃料を補助燃料として用いるガスタービン装置であって、燃焼室内に燃料と空気を噴出する第１のバーナと、第１のバーナの火炎の先端部分に相当する燃焼器内の軸方向位置に、第１のバーナ火炎を堰きとめるように燃料と空気を噴出して燃焼室内に燃料と空気の循環流を生ぜしめる第２のバーナとを設けた燃焼器と、ガスタービン空気流量によって算出される所定流量の発熱量の安定した燃料を前記第１のバーナに供給し、発熱量が変動する燃料を前記第２のバーナに供給し、タービン出口ガス温度の基準値と実際のタービン出口ガス温度の差を用いて算出される補正量により前記第２のバーナに供給する燃料流量を変化させる制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、発熱量が変動する燃料を主燃料とし、発熱量が安定した燃料を補助燃料として用いるガスタービン装置において、吹き消えや過熱のない安定した燃焼を行えるものとなる。

本発明によれば、発熱量が変動する燃料を主燃料としても、燃焼が安定した燃焼を行えるものとなる。

本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置の構成を示す全体構成図である。本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置に用いる燃焼器の構成を示す縦断面である。本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置における希薄混合気の緩慢燃焼反応について化学反応シミュレーションを行った結果の説明図である。本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置に用いる燃焼器における、第２次燃焼領域での滞留時間を３５ｍｓとした時に９９％以上の燃焼効率が得られる当量比と混合平均温度の条件の説明図である。本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置におけるそれぞれの吸気温度の場合に要求負荷を出力できる運転回転数についての説明図である。本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置におけるそれぞれの吸気温度の場合に供給するべき発熱量の安定した補助燃料の流量についての説明図である。本発明の第２の実施形態によるガスタービン装置の構成を示す全体構成図である。本発明の第３の実施形態によるガスタービン装置の構成を示す全体構成図である。

符号の説明

１…電力変換器
２…発電機／モータ
３…圧縮機
４…再生熱交換器
５…燃焼器
６…タービン
７…吸気温度計
８…燃焼器入口空気温度計
９…タービン出口燃焼ガス温度計
１１…空気
１２…補助燃料
１３…主燃料
１４…排気ガス
２１…補助燃料流量調整弁
２２…主燃料流量調整弁
３１…運転回転数演算制御器
３２…補正運転回転数制御演算器
３３…補助燃料流量演算制御器
３４…主燃料流量演算制御器
３５…基準主燃料流量演算器
３６…補正主燃料流量演算器
４０…要求負荷
４１…基準運転回転数指令値
４２…運転回転数補正量指令値
４３…運転回転数指令値
４４…実回転数信号
４５…実ガスタービン出力信号
４６…吸気温度信号
４７…燃焼器入口空気温度信号
４８…タービン出口ガス温度信号
４９…補助燃料流量投入指令
５０…基準主燃料流量投入指令
５１…主燃料流量投入補正指令
５２…主燃料流量投入指令値
１０２…燃焼室
１０３…燃焼器ライナー
１０４…ライナーキャップ
１０５…起動用バーナ
１０６…エンドカバー
１０７…外筒
１０８…第２バーナ
１０９…起動用燃料ノズル
１１０…第１燃料噴出孔
１１１…第１空気導入筒
１１２…旋回翼
１１３…第１空気導入孔
１１４…弾性シール部材
１１５…希釈孔
１１６…第２空気導入孔
１１７…第２燃料ノズル

以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるガスタービン装置の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置の構成を示す全体構成図である。

本実施形態に示すガスタービン装置は、電力変換器１により制御・駆動される発電機／モータ２と、発電機／モータ２に直結された圧縮機３およびタービン６と、タービン６の排気ガスと圧縮機３の吐出高圧空気の間で熱交換を行い高圧空気の予熱を行う再生熱交換器４と、燃焼器５とからなる再生式ガスタービン装置である。発電機／モータ２、圧縮機３およびタービン６は、運転回転数演算制御器３１から得られる運転回転数指令値４３に従って電気的に制御され、所定の回転数スケジュールに従って起動・負荷運転される。空気１１は吸気温度計７により吸気温度を測定された後、圧縮機３に入り高圧空気となった後、再生熱交換器４で高温に予熱され、燃焼器入口空気温度計８により燃焼器入口空気温度を計測された後、燃焼器５に流入する。燃焼器５には、起動時の昇温と負荷運転時の燃焼安定性確保を担う補助燃料１２と、負荷を発生するための主燃料１３がそれぞれ補助燃料流量調整弁２１および主燃料流量調整弁２２を介して供給されており、これらの燃料が前述の高温予熱空気と反応して更に高温の燃焼ガスとなり、タービン６に流入する。タービン６に流入した高温燃焼ガスはタービンを駆動した後、タービン出口温度計９でタービン出口燃焼ガス温度を計測された後、再生熱交換器４で高圧空気と熱交換し最終的に排気ガス１４として系外に排出される。

制御装置は大きく分けて、運転回転数演算制御器３１と、補助燃料流量演算制御器３３と、主燃料流量演算制御器３４とからなり、それぞれ運転回転数，補助燃料流量，主燃料流量の制御を担っている。

運転回転数演算制御器３１は、要求負荷４０と吸気温度信号４６から、ガスタービン装置の大気温度特性および回転数特性を関数化した式を用いて、要求負荷４０を出力できる運転回転数を算出して、所定の回転数上昇率にしたがって運転回転数指令値４３を発生する。電力変換器１は、運転回転数指令値４３に基づいて発電機／モータ２の回転数を所定の回転数となるよう電流および電圧を調整するとともに、実際の運転回転数を実回転数信号４４として出力する。

補助燃料流量演算制御器３３は、電力変換器１から得られる実回転数信号４４と吸気温度信号４６から算出されるガスタービン空気流量と、燃焼器入口空気温度信号４７とから供給するべき発熱量の安定した補助燃料１２の流量を求め、補助燃料流量投入指令４９により補助燃料流量調整弁２１の開度を制御する。

主燃料流量演算制御器３４は、基準主燃料流量演算器３５と、補正主燃料流量演算器３６とを備え、それぞれの主燃料流量演算器３５，３６から得られる基準主燃料流量投入指令５０と主燃料流量投入補正指令５１を加算して主燃料流量投入指令値５２により、主燃料流量調整弁２２の開度を制御する。基準主燃料流量演算器３５は、電力変換器１から得られる実回転数信号４４と吸気温度信号４６から算出されるガスタービン空気流量と、燃焼器入口空気温度信号４７から供給するべき主燃料１３の標準的な流量を算出し、基準主燃料流量投入指令５０として出力する。補正主燃料流量演算器３６は、電力変換器１から得られる実ガスタービン出力信号４５と要求負荷４０との偏差から補正すべき主燃料流量を算出し、主燃料流量投入補正指令５１を出力する。

次に、図２を用いて、本実施形態によるガスタービン装置に用いる燃焼器５の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置に用いる燃焼器の構成を示す縦断面である。

本燃焼器は燃焼室１０２を形成する断面円形をなす燃焼器ライナー１０３と、この燃焼器ライナー１０３の上流側を塞ぐライナーキャップ１０４と、このライナーキャップ１０４の中心に形成した起動用バーナ（第１のバーナー）１０５と、この起動用バーナ１０５の上流側に設けたエンドカバー１０６と、このエンドカバー１０６に一端側固定され他端側が前記燃焼器ライナー１０３の外周側に隙間を介して延在する外筒１０７と、前記燃焼器ライナー１０３の周壁を貫通して形成された複数の第２バーナ１０８を有している。

起動用バーナ１０５は、ガスタービン着火から起動・暖機運転および例えば８０％までの部分負荷運転を担うバーナであり、発熱量の安定した補助燃料１２を供給される。起動用バーナ１０５は、燃焼器ライナー１０３と同心的に形成され、その中央部には下流端がライナーキャップ１０４の中央に位置し、上流端がエンドカバー１０６の中心部を貫通して延在する起動用燃料ノズル１０９を有している。起動用燃料ノズル１０９の下流端には、第１燃料噴出孔１１０が設けられ、起動用燃料ノズル１０９の外周には、起動用燃料ノズル１０９と同心の第１空気導入筒１１１が隙間をもって形成され、この隙間に旋回翼１１２が設けられている。第１空気導入筒１１１の下流側はライナーキャップ１０４から燃焼器ライナー１０３に開口し、上流側はエンドカバー１０６で塞がれている。そして、第１空気導入筒１１１のエンドカバー１０６寄りに第１空気導入孔１１３が設けられている。

燃焼器ライナー１０３は、下流側が弾性シール部材１１４を介して図示しないトランジッションピースに連結されており、燃焼室内で発生した高温燃焼ガスをタービン６に導いている。燃焼器ライナー１０３の下流側には、燃焼器出口のガス温度分布を平滑にするための希釈空気孔１１５が設けられている。このほか実際には、燃焼器ライナー１０３の位置を固定するストッパや、信頼性を確保するためのフィルム冷却スロットが設けられているが、煩雑になるため図示は省略している。

複数の第２バーナ１０８は、燃焼器ライナー１０３の周壁に設けた第２空気導入孔１１６と、第２空気導入孔１１６にそれぞれ対向する外筒１０７の周壁を貫通するように設けた第２燃料ノズル１１７とから構成されており、発熱量の変動する主燃料１３を供給されている。

燃焼用空気は、圧縮機３により圧縮され、再生熱交換器４により昇温された状態で、図中右側の燃焼器ライナー１０３と外筒１０７との隙間から図中左向きに案内される。案内された燃焼用空気の一部は、希釈孔１１５、および第２空気導入孔１１６を通過して燃焼器ライナー１０３内の燃焼室１０２に導入され、残りは第１空気導入孔１１３から第１空気導入筒１１１に入り旋回翼１１２により所定の旋回を与えられた後、ライナーキャップ１０４から燃焼室１０２内に噴出される。第１空気導入孔１１３から第１空気導入筒１１１に入り旋回翼１１２により旋回を与えられた高温高圧の空気は燃焼室１０２に流入した後、外周側に急拡大するので、起動用燃料ノズル１０９の下流側に循環流領域を形成する。

さらに、発熱量の安定した補助燃料１２は、起動用燃料ノズル１０９から燃焼室１０２内に噴出し、発熱量の変動する主燃料１３は、第２燃料ノズル１１７から燃焼室１０２内に噴出される。全ての燃料は直接燃焼室に向けて噴射されており、燃焼室外で燃料と空気が混在することがないため、自発火あるいは逆火は発生しない。

起動用バーナ１０５は、燃焼器全体の燃焼安定性を左右する上、着火・起動から８０％までの部分負荷までの広範囲で使用されるため、本実施形態では拡散燃焼方式を採用している。

一方、第２次空気導入孔１１６から燃焼室１０２内に噴出する空気には、同位置に設置した第２燃料ノズル１１７から放射状に、発熱量の変動する主燃料１３が噴射される。但し、第２燃料ノズル１１７から噴射された直後の主燃料１３は、第２空気導入孔１１６から噴射される空気の流速が大きくまた周囲の燃焼ガスとの剪断が強いために、燃焼反応が始まってもすぐに火炎が吹き消えてしまい、第２次燃料ノズル近傍では火炎保持しないので第２燃料ノズル１１７や燃焼器ライナー１０３壁面近傍には局所的な高温領域が現れないので信頼性確保の観点から有利である。

また、周方向３箇所の第２空気導入孔１１６から噴出した空気は、燃焼室１０２中心軸近傍で互いに衝突して淀み領域を形成し、第２空気導入孔１１６の上流と下流にそれぞれ循環流領域を形成する。これらの循環流領域内では流速は低下しおり、充分に伝播火炎が維持できる条件となるため、第２燃料ノズル１１７から噴出された燃料は、循環流内で燃焼反応を開始する。この際、反応を開始する時点では第２燃料ノズルから噴射された燃料と第２空気導入孔から噴射された空気は希薄混合気となっているため、混合気への熱の拡散に依存した緩慢な酸化反応に律速される反応形態をとり、局所高温部を生じない低ＮＯｘ燃焼を実現する。

以上のように、本実施形態の燃焼器は、燃焼室内に燃料と空気を噴出する第１のバーナ（起動用バーナー）１０５と、第１のバーナの火炎の先端部分に相当する燃焼器内の軸方向位置に、第１のバーナ火炎を堰きとめるように燃料と空気を噴出して燃焼室内に燃料と空気の循環流を生ぜしめる第２のバーナ１０８とを備え、第２のバーナから噴出した燃料と空気の混合流は燃焼室内で衝突し、強い乱れを伴った循環流を生じ、第１のバーナからの燃焼ガスと広い接触面積で接触しながら混合することにより、燃焼室内に局所的な高温領域を発生させることのない緩慢な燃焼を行うことができ、逆火や自発火を発生させることなく安定した燃焼を行うことができるものである。

次に、図３を用いて、本実施形態によるガスタービン装置に用いる燃焼器における希薄混合気の緩慢燃焼反応について化学反応シミュレーションを行った結果について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置における希薄混合気の緩慢燃焼反応について化学反応シミュレーションを行った結果の説明図である。

図３において、横軸は第２空気導入孔１１６から希釈孔１１５までの距離を燃焼器ライナー１０３の全長で規格化したものである。すなわち、図２に示した燃焼器の構成において、図２に示す燃焼器ライナーの全長をＬとし、第２空気導入孔１１６から希釈孔１１５までの距離をＸとしたとき、図３の横軸は、Ｘ／Ｌを示している。なお、図２に示す燃焼器５では、希釈孔１１５の位置が０．６６８の位置にあたる。

図３は、図２に示した燃焼器の軸方向での一酸化炭素濃度および燃焼ガス温度の反応計算による予測分布図を示している。図３において、下側の曲線は、燃焼器内の燃焼ガス流通方向に沿う燃焼ガス温度Ｔｇ（℃）の変化を示し、上側の曲線は、燃焼ガス流通方向に沿う一酸化炭素濃度を、反応の指標として示している。第２バーナ１０８からの燃料と空気により形成された希薄混合気は、燃焼器ライナー１０３中心軸近傍の淀み領域で起動用バーナ１０５の燃焼ガスと混合し、混合平均温度８６６℃の希薄混合気となる。この希薄混合気は上述のように緩慢に燃料が酸化されて一酸化炭素を発生しながら徐々に発熱・温度上昇していき、一酸化炭素濃度が極大値に達した後に急速に熱発生が行われて一酸化炭素濃度が低下する。この間に必要な滞留時間は図２に示す燃焼器５の混合平均温度８６６℃の場合で約３０ｍｓ程度である。

次に、図４を用いて、本実施形態によるガスタービン装置に用いる燃焼器における、第２次燃焼領域での滞留時間を３５ｍｓとした時に９９％以上の燃焼効率が得られる当量比と混合平均温度の条件について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置に用いる燃焼器における、第２次燃焼領域での滞留時間を３５ｍｓとした時に９９％以上の燃焼効率が得られる当量比と混合平均温度の条件の説明図である。

図４は、第２空気導入孔１１６から希釈孔１１５までの領域の滞留時間を３５ｍｓとした時に、第２バーナ１０８からの燃料と空気で定義される当量比と、第２バーナ１０８からの燃料および空気と起動用バーナ１０５からの燃焼ガスの混合平均温度について、９９％以上の高燃焼効率が得られる条件を示している。図４に示す近似直線の右上側の条件、すなわち混合平均温度Ｔmixと当量比Φについて
Φ≧０．００１０３４５６７×Ｔmix＋１．２７１８１
であれば燃焼効率が確保されるが、あまり極端に混合平均温度を高くしたり当量比を大きくしたりすると反応が急速に進行してＮＯｘ排出量が増加する。また、滞留時間を長く取れば図３に示す条件より希薄な当量比でも燃焼効率が得られるが、燃焼器５の長さが長くなり、燃焼器が大型化するので好ましくない。

ここで、第２バーナ１０８からの燃料および空気で定義される当量比は、第２燃料ノズル１１７から噴出される主燃料１３の可燃成分モル流量と、第２空気導入孔１１６から噴出される空気中の酸素モル流量の比によってのみ定義される値である。また、第２バーナ１０８に供給される主燃料１３の成分組成が変化し、単位流量あたりの発熱量が変動した場合でも、第２バーナ１０８に供給される主燃料１３の発熱量の時間あたりの総和が一定であれば、その時間に供給された主燃料１３中の可燃成分のモル流量は一定であり、第２バーナ１０８からの燃料と空気で定義される当量比は変化しない。

一方、第２バーナ１０８からの燃料と空気で定義される当量比Φの希薄混合気に対して高燃焼効率を得るために必要な混合平均温度Ｔmixは第２バーナ１０８からの燃料および空気と起動用バーナ１０５からの燃焼ガスによって定まり、第２バーナ１０８からの燃料流量は起動用バーナ１０５および第２バーナの空気流量に比較して小さいので、混合平均温度Ｔmixは起動用バーナ１０５の空気流量と起動用バーナに供給される補助燃料１２の流量および第２空気導入孔１１６から噴出される空気流量によって決定される。ここで起動用バーナに供給される補助燃料１２は発熱量の安定した燃料であるので、第２バーナ１０８において、第２バーナ１０８からの燃料と空気で定義される当量比Φがある一定の値である場合に、高燃焼効率を得るために必要な起動用バーナ１０５に供給すべき補助燃料１２の燃料流量はある一定の値となる。

一般にガスタービン装置において所要の出力を得るためには、高燃焼効率が維持されていればガスタービン運転条件で定まる空気流量に対してある一定の発熱量を与えれば良い。すなわち、ガスタービン要求出力に対して、投入すべき燃料の発熱量の総和は一定の値となるので、その際の第２バーナ１０８からの燃料と空気で定義される当量比Φは一定となる。

したがって、本実施形態のガスタービン装置において、ある要求負荷４０が与えられた場合に、発熱量の変動する主燃料１３と発熱量の安定した補助燃料１２を用いて、高燃焼効率を維持して要求負荷４０を満足するため、吸気温度信号４６からガスタービン装置の大気温度特性および回転数特性を関数化した式を用いて、要求負荷４０を出力できる運転回転数と必要な発熱量の総和を算出し、その発熱量とガスタービン運転状態における空気流量から算出される第２バーナ１０８からの燃料と空気で定義される当量比Φに対して、図４に示す条件を満たす混合平均温度Ｔmixを与える発熱量の安定した補助燃料１２の流量を起動用バーナ１０５に供給し、要求負荷４０を満足するまで発熱量の変動する主燃料１３を第２バーナ１０８に供給すればよい。

そのために、本実施形態では、補助燃料流量演算制御器３３は、電力変換器１から得られる実回転数信号４４と吸気温度信号４６から算出されるガスタービン空気流量と、燃焼器入口空気温度信号４７とから供給するべき発熱量の安定した補助燃料１２の流量を求め、補助燃料流量投入指令４９により補助燃料流量調整弁２１の開度を制御する。一方、主燃料流量演算制御器３４の基準主燃料流量演算器３５は、電力変換器１から得られる実回転数信号４４と吸気温度信号４６から算出されるガスタービン空気流量と、燃焼器入口空気温度信号４７から供給するべき主燃料１３の標準的な流量を算出し、基準主燃料流量投入指令５０として出力する。そして、補正主燃料流量演算器３６は、電力変換器１から得られる実ガスタービン出力信号４５と要求負荷４０との偏差から補正すべき主燃料流量を算出し、主燃料流量投入補正指令５１を出力する。さらに、それぞれの主燃料流量演算器３５，３６から得られる基準主燃料流量投入指令５０と主燃料流量投入補正指令５１を加算して主燃料流量投入指令値５２により、主燃料流量調整弁２２の開度を制御する。このように制御することで、発熱量が変動する燃料を主燃料とし、発熱量が安定した燃料を補助燃料として用いて要求負荷を満たした安定燃焼が行え、かつＮＯｘの排出量が少ない燃焼を行えるものとなる。

ここで、図５を用いて、本実施形態によるガスタービン装置におけるそれぞれの吸気温度の場合に要求負荷を出力できる運転回転数について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置におけるそれぞれの吸気温度の場合に要求負荷を出力できる運転回転数についての説明図である。

図５は、本実施形態に示すガスタービン装置において、要求負荷４０を出力できる運転回転数を吸気温度−１０℃、５℃、１５℃、２５℃、４０℃の場合について示す。図５において、横軸は運転回転数を定格回転数で規格化したものであり、縦軸は出力できる負荷を定格出力で規格化した値である。一般にガスタービン装置においては、吸気温度が高くなると圧縮機入口空気密度の低下により、ガスタービン空気流量が減少し、出力できる負荷が小さくなる。本実施の形態に示すガスタービン装置においても、吸気温度２５℃および４０℃の場合には定格出力に相当する負荷は出力できない。

さらに、図６を用いて、本実施形態によるガスタービン装置におけるそれぞれの吸気温度の場合に供給するべき発熱量の安定した補助燃料の流量について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態によるガスタービン装置におけるそれぞれの吸気温度の場合に供給するべき発熱量の安定した補助燃料の流量についての説明図である。

図６は、吸気温度−１０℃、５℃、１５℃、２５℃、４０℃の場合について起動用バーナ１０５に供給するべき、発熱量の安定した補助燃料１２の補助燃料投入指令値４９を回転数の関数として示している。図６において、横軸は運転回転数を定格回転数で規格化したものであり、縦軸は補助燃料投入指令値４９である。

以上説明したように、本実施形態によれば、発熱量が変動する燃料を主燃料とし、発熱量が安定した燃料を補助燃料として用いて要求負荷を満たした安定燃焼が行え、かつＮＯｘの排出量が少ない燃焼を行えるものとなる。

次に、図７を用いて、本発明の第２の実施形態によるガスタービン装置の構成について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態によるガスタービン装置の構成を示す全体構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の基本的な装置構成は、図１に示した実施形態とほぼ同一であり、電力変換器１により制御・駆動される発電機／モータ２と直結された圧縮機３およびタービン６と、タービン６の排気ガスと圧縮機３の吐出高圧空気の間で熱交換を行い高圧空気の予熱を行う再生熱交換器４と燃焼器５からなる再生式ガスタービン装置である。

運転回転数演算制御器３１は、要求負荷４０と吸気温度信号４６から、ガスタービン装置の大気温度特性および回転数特性を関数化した式を用いて、要求負荷４０を出力できる運転回転数を算出して、所定の回転数上昇率にしたがって基準運転回転数指令値４１を発生する。

さらに、本実施形態では、補正運転回転数制御演算器３２を備えている。補正運転回転数制御演算器３２は、タービン出口ガス温度信号４８を参照してタービン出口温度の基準値との偏差に基づいて運転回転数の補正量を算出し、運転回転数補正量指令値４２を発生する。そして、基準運転回転数指令値４１と運転回転数補正量指令値４２の加算により運転回転数指令値４３を発生する。

以上のように、運転回転数指令値４３をタービン出口ガス温度信号４８に基づいて補正することで、再生熱交換器４に流入する燃焼ガス温度を再生熱交換器の最適な作動条件に近く保つことができ、ガスタービン装置の熱効率を高く保つ運転ができる上に、主燃料１３の発熱量が増加した場合に過熱することを回避できるので、更に信頼性を向上することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、発熱量が変動する燃料を主燃料とし、発熱量が安定した燃料を補助燃料として用いて要求負荷を満たした安定燃焼が行え、かつＮＯｘの排出量が少ない燃焼を行えるものとなる。また、信頼性を向上することができる。

次に、図８を用いて、本発明の第３の実施形態によるガスタービン装置の構成について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態によるガスタービン装置の構成を示す全体構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の基本的な装置構成は、図１若しくは図７に示した実施形態とほぼ同一であるが、再生熱交換器４がなく、その代替として排気ガス１４から排熱を回収し系外で利用するための排熱回収設備１０が設置されている。

図８に示す実施形態は、電力変換器１により制御・駆動される発電機／モータ２と直結された圧縮機３およびタービン６と、燃焼器５からなるガスタービン装置と排気ガス１４から排熱を回収して外部で利用する排熱回収装置１０からなる、いわゆる熱電併給設備である。また、図８に示す実施形態では、補正主燃料流量演算制御器３６が、電力変換器１から得られる実ガスタービン出力信号４５と要求負荷４０との偏差から補正量を算出するのではなく、タービン出口ガス温度信号４８を参照してタービン出口温度の基準値との偏差に基づいて、補正すべき主燃料流量を算出し、主燃料流量投入補正指令５１を出力することが図１や図７の実施形態と異なる。

一般にガスタービン装置の出力は、ガスタービン装置の空気流量とタービン入口の温度により決定されるので、タービン出口ガス温度を目標値に合致させることで、ガスタービン装置の出力を制御することができ、主燃料流量投入補正指令５１を電力変換器１から得られる実ガスタービン出力信号４５と要求負荷４０との偏差から補正量を算出することと、タービン出口ガス温度信号４８を参照してタービン出口温度の基準値との偏差から補正量を算出することはほぼ等価であり、本実施形態の方がより安価な制御構成とすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、発熱量が変動する燃料を主燃料とし、発熱量が安定した燃料を補助燃料として用いて要求負荷を満たした安定燃焼が行える。また、図２に示した燃焼器を用いることで、ＮＯｘの排出量が少ない燃焼を行えるものとなる。また、装置コストを低減することができる。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、燃焼器に供給されるガスタービン空気流量に対して、発熱量の安定した燃料により運用される第１のバーナが安定して燃焼することで、所要のガスタービン出力を発生するための発熱量を第２のバーナで燃焼するために必要な温度条件を実現することができ、第２のバーナへは所要のガスタービン出力を満足するように燃料が供給されるので、発熱量が変動する燃料の可燃成分濃度によらずに吹き消えや過熱のない安定し、かつＮＯｘの排出量が少ない燃焼を行わせることが可能となる。

Claims

発熱量の変動する燃料を主燃料とし、発熱量の安定した燃料を補助燃料として用いるガスタービン装置であって、
燃焼室内に燃料と空気を噴出する第１のバーナ(105)と、第１のバーナの火炎の先端部分に相当する燃焼器内の軸方向位置に、第１のバーナ火炎を堰きとめるように燃料と空気を噴出して燃焼室内に燃料と空気の循環流を生ぜしめる第２のバーナ(108)とを設けた燃焼器(5)と、
ガスタービン空気流量によって算出される所定流量の発熱量の安定した燃料を前記第１のバーナに供給し、発熱量が変動する燃料を前記第２のバーナに供給し、所要のガスタービン出力と実際のガスタービン出力の差を用いて算出される補正量により第２のバーナに供給する燃料流量を変化させる制御手段(33,34)を備えることを特徴とするガスタービン装置。
請求項１記載のガスタービン装置において、
前記制御手段は、さらに、
要求負荷と吸気温度信号から、要求負荷を出力できる運転回転数を算出して、所定の回転数上昇率にしたがって基準運転回転数指令値を発生する運転回転数演算制御器(41)と、
タービン出口ガス温度信号を参照してタービン出口温度の基準値との偏差に基づいて運転回転数の補正量を算出し、運転回転数補正量指令値を発生する補正運転回転数制御演算器(42)とを備え、
前記基準運転回転数指令値と前記運転回転数補正量指令値を加算して運転回転数指令値を発生することを特徴とするガスタービン装置。
発熱量の変動する燃料を主燃料とし、発熱量の安定した燃料を補助燃料として用いるガスタービン装置であって、
燃焼室内に燃料と空気を噴出する第１のバーナ(105)と、第１のバーナの火炎の先端部分に相当する燃焼器内の軸方向位置に、第１のバーナ火炎を堰きとめるように燃料と空気を噴出して燃焼室内に燃料と空気の循環流を生ぜしめる第２のバーナ(108)とを設けた燃焼器(5)と、
ガスタービン空気流量によって算出される所定流量の発熱量の安定した燃料を前記第１のバーナに供給し、発熱量が変動する燃料を前記第２のバーナに供給し、タービン出口ガス温度の基準値と実際のタービン出口ガス温度の差を用いて算出される補正量により前記第２のバーナに供給する燃料流量を変化させる制御手段(33,34)を備えることを特徴とするガスタービン装置。