JPH05280739A - ガスタ−ビン燃料供給設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】総流量制御弁３４は第１の制御弁７と第２の制
御弁９の上流の主燃料供給管３９に配設される。負荷制
御部１４ａは、ガスタービン１２の負荷要求に応じた総
燃料流量を総流量制御弁３４を制御して燃焼器２へ供給
する。予混合制御演算部１４ｂは、ガスタービン１２の
速度指令信号と予め設定した混合分配比とに基づいて第
１の制御弁と第２の制御弁を制御する。 【効果】安定した負荷制御ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン燃料供給
設備に係り、特に低ＮＯｘ型の多段燃焼式のガスタービ
ン燃焼器を有するガスタービンに好適なガスタービン燃
料供給設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは、その効率向上を目指し
て、燃焼温度が上昇の一途をたどっている。これに伴っ
て燃焼過程で生成するＮＯｘは、増大の傾向にある。こ
れは、近年の環境保全の要求に反するもので、各所で低
ＮＯｘ化の技術開発が進められている。

【０００３】燃焼過程で、生成するＮＯｘ（これをサー
マルＮＯｘという）は、燃焼温度酸素分圧および燃焼器
における燃焼ガスの滞留時間等に依存するが、燃焼温度
の影響が最も大きいためＮＯｘの低減化には、燃焼温度
の低減が効果的であるといわれている。

【０００４】この局所的な火炎温度の低減を実現する方
法として予混合法が現実的な対応技術として研究されて
いる。この予混合法は、燃焼筒の外側部に設けた予混合
室で予め燃料を空気と混合し、希薄燃料状態にして燃焼
器に送り込むものである。

【０００５】図３は、上記した予混合法を利用した燃焼
器の概略図である。

【０００６】図示するように、圧縮機１から燃焼器２に
高圧空気３が供給される。燃焼器２は、外筒４の内側と
燃焼筒５の外側に予混合室６が形成されている。第１の
制御弁７からは、燃料が燃焼ノズル８へ供給され、燃料
が第２の制御弁９から予混合室６へ供給される。

【０００７】予混合室６では、燃焼筒５内に流入する前
に高圧空気３と予混合され、予混合室６に設けられた複
数個の空気穴１０を通って燃焼筒５内に流入する。そし
て、上記燃焼筒５内では、燃料ノズル８から噴射された
燃料の燃焼により高温ガスが発生し、この高温ガスで予
混合室６からの燃料が着火され、低い燃焼温度で燃焼し
ＮＯｘの発生が抑制される。ここで、１１はスワラを示
す。

【０００８】燃焼ガスはタービン１２へ供給され、ター
ビン１２の駆動によつて発電機１３が発電する。

【０００９】図３に示す如くの燃焼器２において、例え
ば、第１の制御弁７および第２の制御弁９を図４に示す
ようにＧＴ負荷指令に対して燃料流量設定をすると、高
負荷域において予混合燃料が増加し、燃焼温度の上昇が
抑制される。このため、図４に示す予混合燃料の増加に
従って図５に示すようにＮＯｘの増加は抑えられる。な
お、図５に示す破線のカーブは、予混合燃焼を行わなか
った場合で、ＧＴ負荷増加による燃料増加に従って燃焼
温度が上昇し、ＮＯｘも増加していることを示すもので
ある。

【００１０】上記した予混合型燃焼器の制御に関して
は、その詳細が特開昭６１ー１３５９４２号公報「ガス
タービン制御装置」で、公開されている。この装置は、
それぞれの燃焼器の燃料流量を制御可能な複数の燃料系
統と、燃焼ノズルから燃料を噴出させる燃料系統以外の
燃料系統の燃料をそれぞれ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給する複数の予混合室
と、タービン負荷に応じて、複数系統の燃料流量の総和
を制御すると共に、単一燃料系統から複数燃料系統への
切替えを行って、予混合された燃料の供給を段階的に行
わせる燃焼制御器とを有することを特徴とするものであ
る。

【００１１】次に、上記したガスタービン制御装置を図
６および図７を参照して説明する。

【００１２】第１の制御弁７と第２の制御弁９は、図６
に示すように、負荷制御部１４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なっている。

【００１３】負荷制御部１４には、負荷増減信号Ｌが入
力されると共に、ガスタービン１２の排気部に設けられ
た排気温度センサー１５からの排気温度信号、ガスター
ビン速度センサー１６からの速度信号、ＭＷセンサー１
７からはガスタービン出力（ＭＷ）がフィードバック入
力される。さらに、第１の制御弁７と第２の制御弁９に
それぞれ設けられた弁開度検出器１８と弁開度検出器１
９からの弁開度信号がフィードバックされ入力される。
なお、ｆ１は第１系統の燃料を示し、ｆ２は第２系統の
燃料を示している。

【００１４】負荷制御部１４は、図７に示す１例のよう
に構成され、まず、負荷増減信号Ｌとガスタービン出力
とが比較器２０ａで比較演算され、その出力が速度設定
器２１に入力すると、その速度設定器２１が作動して速
度指令信号が出力され、この速度指令信号は、速度セン
サー１６より得られる速度信号と比較器２０ｂで比較さ
れ、その偏差信号が速度負荷制御部２２を介して低値優
先回路２３に入力される。低値優先回路２３には、排気
温度センサー１５からの排気温度信号をフィードバック
信号とする排気温度制御部２４の出力信号と、起動時制
御部２５の出力信号が同様に入力され、これらの３つの
信号の内で低値の信号が優先して選択され、その信号が
燃料要求指令信号ｇとして出力される。

【００１５】すなわち、上記低値優先回路２３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
制御信号が選択されたり、起動時には起動時制御部２５
の出力信号により燃料制御を行うためのもので、通常の
定格速度到達状態で、かつ、排気温度が制限内であれ
ば、負荷指令信号が選択され、負荷指令信号に応じて燃
料要求指令信号ｇが出力される。

【００１６】次に、上記燃料要求指令信号ｇは、第１の
関数発生器２６と第２の関数発生器２７とに入力され
る。第１の関数発生器２６では、燃料要求指令信号ｇ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
る。この信号は減算器２８ａでバイアス設定器２９から
のバイアス信号により減算され、その偏差信号が流量ー
弁リフト変換器３０で弁リフト信号に変換される。弁リ
フト信号は、減算器２８ｂ、パワーアンプ３１ａを介し
て第１の制御弁７に出力される。これにより、第１の制
御弁７の開度が制御される。また、上記第１の制御弁７
の開度は弁開度検出器１８によって検出され、減算器２
８ｂにフィードバックされる。

【００１７】一方、第２の関数発生器２７では、タービ
ン負荷が所定値になったとき、燃料要求指令信号ｇに応
じて第２系統の燃料ｆ２の流量指令信号が出力され、こ
れが加算器３２ａにおいてバイアス設定器２９からのバ
イアス信号が加算される。続いて、加算器３２ａからの
出力信号が流量ー弁リフト変換器３３で弁リフト信号に
変換され、減算器２８ｃ、パワーアンプ３１ｂを介して
第２の制御弁９に出力され、その第２の制御弁９の開度
が制御される。そして、その第２の制御弁９の開度は弁
開度検出器１９によって検出され、減算器２８ｃにフィ
ードバックされる。

【００１８】なお、バイアス設定器２９は、第２系統の
燃料用の第２の制御弁９の開動作点を調整するためのも
のである。以上のようにして、負荷指令に応じた燃料の
総流量（ｆ１＋ｆ２）と共に、予混合燃料の割合も関数
設定値により、負荷信号に応じて変化するため、ＮＯｘ
を低く抑えながら、かつ、最適な負荷制御が実現され
る。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような装置により確かに低ＮＯｘ化と最適な負荷制御が
実現されるが次に説明する問題がある。

【００２０】上記装置は、負荷指令値に基づいて第１の
制御弁７と第２の制御弁９を作動させているため、負荷
指令値が安定しており、かつ、ガバナフリー運転を行わ
ないガスタービン制御の場合には問題ない。ところが、
昨今のように、火力発電プラントが電力系統の負荷変動
を吸収するべく起動／停止、負荷変化ガバナフリー運転
等を頻繁に行うガスタービンの場合では、負荷制御指令
値の変化は高速で、かつ、ガバナフリー信号を含んでい
るため常に変動している。このため、第１の制御弁７と
第２の制御弁９が常に開方向や閉方向に動作することに
なる。

【００２１】すなわち、負荷制御指令信号の増加の場合
は、第２の制御弁９が開方向へ動作させ、負荷制御指令
信号減少の場合は、第１の制御弁７を開動作、第２の制
御弁９を閉方向へ動作させる。常時上記した動作が繰り
返えされると、その度に燃料流量（ｆ１＋ｆ２）が変化
し、ガスタービン１２の出力が変化する。このようなガ
スタービン１２の出力変化は、フィードバックされ負荷
制御偏差を繰り返し変化させるため、第１の制御弁７と
第２の制御弁９との開閉動作がサイクル状態となる。

【００２２】以上の動きにより、予混合燃焼器への燃料
は、常に変化しているため、燃焼振動の誘発等、安定燃
焼という観点からは妥当でない燃焼状況を呈する。ま
た、負荷制御の安定性という観点からも、第１の制御弁
７と第２の制御弁９の開閉動作の変化に基づく総燃料流
量の変化はガスタービン１２の出力の変化となり、これ
により制御装置が負荷制御の修正動作をするから安定し
た負荷制御の実現は困難である。

【００２３】本発明は、従来技術の欠点に鑑みなされた
もので予混合型燃焼器を有するガスタービンを安定して
負荷制御するガスタービン制御装置を提供することを目
的とする

【００２４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、１段
目の燃料供給装置と２段目の燃料供給装置とを有し、ガ
スタービンの起動から低出力範囲は、前記１段目の燃料
供給装置から第１の制御弁を介して供給される燃料と圧
縮機からの空気とにより燃焼させると共に、最大出力を
含む高出力範囲は、前記１段目の燃料供給装置から第１
の制御弁および前記２段目の燃料供給装置から第２の制
御弁を介して供給される燃料と前記空気とにより燃焼さ
せる２段からなる燃焼器へ燃料を供給するガスタービン
燃料供給設備において、前記１段目の燃料供給装置と前
記２段目の燃料供給装置との上流に総燃料を供給する総
燃料供給装置と、この総燃料供給装置の燃料流量をガス
タービンの負荷要求に応じて総燃料を供給する第３の制
御弁とを設けたことを特徴とするガスタービン燃料供給
設備とを設けるようにしたものである。

【００２５】請求項２の発明は、前記第１の制御弁と第
２の制御弁とを前記ガスタービンの速度指令信号と予め
設定された前記１段目の燃料供給装置から供給される燃
料と前記２段目の燃料供給装置から供給される燃料との
分配比とに基づいて制御する一方、前記第３の制御弁を
負荷速度制御信号と排ガス温度制御信号と起動時制御信
号とを入力した低値優先回路の低値の信号に基づいて制
御するものである。

【００２６】

【作用】上記構成により、ガスタービンの負荷要求に応
じて第３の制御弁を開閉して１段目と２段目の燃料供給
装置への総燃料の流量を制御する。また、ガスタービン
への速度指令信号と予め設定された１段目と２段目の燃
料供給装置へ燃料分配比とに基づいて第１の制御弁と第
２の制御弁の制御弁を開閉して燃焼器へ燃料を供給され
る。これにより、燃焼器への総燃料流量は負荷要求が変
化しても、これに対応して負荷要求に応じることがで
き、また、ガスタービンの速度が振動してもガスタービ
ンの速度信号を含んでいない信号に基づいて第１の制御
弁と第２の制御弁を制御するから負荷変化に対し第１の
制御弁と第２の制御弁は緩やかに変化する。従って、負
荷変化に伴い第１の制御弁と第２の制御弁とがサイクル
する動作を防止でき、安定した負荷制御できる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２８】図１は、本発明の一実施例を示すガスター
ビン制御装置の構成図である。図６と同一符号は同一部
分または相当部分を示し、その説明を省略する。図１が
図６と相違する点は、第３の制御弁として総流量制御弁
３４と圧力制御弁３５と圧力センサ３６と弁開度検出器
３７とを追設し、また、負荷制御部１４を負荷制御部１
４ａと予混合制御演算部１４ｂに分割した点である。

【００２９】総流量制御弁３４は、開閉により第１の制
御弁７と第２の制御弁９を介して燃焼器２へ供給する流
量を制御する。圧力制御弁３５は、主燃料供給管３９の
圧力を開閉して制御する。圧力センサ３６は、主燃料供
給管３９の圧力を検出してその検出値に基づいて圧力制
御弁３５を開閉する。弁開度検出器３７は、総流量制御
弁３４の開度を検出して負荷制御部１４ａに出力する。

【００３０】負荷制御部１４ａと予混合制御演算部１４
ｂは、図２に示すように構成され、図７と異なる点は、
負荷制御部１４ａでは低値優先回路２３の燃料要求指令
信号ｇが流量ー弁リフト変換器３８により弁リフト信号
になり、この信号が減算器２８ｄとパワーアンプ３１ｃ
を介して総流量制御弁３４を制御する点と、予混合制御
演算部１４ｂでは、第１の制御弁７と第２の制御弁９を
制御するための指令信号を出力する第１の関数発生器２
６と第２の関数発生器２７の入力信号を負荷制御部１４
ａの速度設定器２１の速度指令信号ｈを用いていること
である。

【００３１】ここで、流量ー弁リフト変換器３８は、低
値優先回路２３の燃料要求指令信号ｇに応じて所定の関
数演算をして弁開度指令信号を減算器２８ｄに出力す
る。また、総流量制御弁３４の開度は、弁開度検出器３
７によって検出され、減算器２８ｂにフィードバックさ
れるようになっている。

【００３２】次に、負荷制御部１４ａの作用を説明す
る。

【００３３】まず、ＭＷセンサー１７の出力信号と負荷
増減信号Ｌとは、比較器２０ａで比較され、その偏差信
号が速度設定器２１に入力され、速度設定器２１から速
度指令信号ｈが出力される。速度指令信号ｈは、比較器
２０ｂで速度センサー１６の速度信号と比較され、その
偏差信号が速度負荷制御部２２に入力され、速度負荷制
御部２２の出力が低値優先回路２３に入力される。

【００３４】低値優先回路２３では、通常定格速度到達
状態で、かつ、排気温度制限内のとき速度負荷制御部２
２の出力信号が低値となり選択され、燃料要求指令信号
ｇが出力される。この燃料要求指令信号ｇは、流量ー弁
リフト変換器３８により所定の関数で演算がされ、弁開
度指令信号が減算器２８ｄに出力される。そして、弁開
度指令信号は、パワーアンプ３１ｃを駆動源として総流
量制御弁３４を開閉する。これによって、負荷運転中
に、速度負荷制御部２２からの制御信号により制御さ
れ、負荷増減信号Ｌに応じたガスタービン１２の出力を
得るべく、総燃料流量が制御される。

【００３５】一方、予混合制御演算部１４ｂの第１の関
数発生器２６と第２の関数発生器２７とに速度指令信号
ｈが入力される。第１の関数発生器２６では、速度指令
信号ｈに対応する第１系統の燃料ｆ１の流量指令信号が
出力される。この信号は減算器２８ａでバイアス設定器
２９のバイアス信号により減算され、流量ー弁リフト変
換器３０で弁リフト信号となる。これによって、速度指
令信号ｈに基づく信号が減算器２８ｂ、パワーアンプ３
１ａを介して第１の制御弁７を制御する。

【００３６】また、第２の関数発生器２７では、速度指
令信号ｈに対応する第２系統の燃料ｆ２の流量指令信号
が出力される。この信号は加算器３２ａでバイアス設定
器２９のバイアス信号が加算され流量ー弁リフト変換器
３３でリフト信号となる。これによって、速度指令信号
ｈに基づく信号が減算器２８ｃ、パワーアンプ３１ｂを
介して第２の制御弁９を制御する。

【００３７】このように、第１の制御弁７および第２の
制御弁９は、速度設定器２１からの出力信号である速度
指令信号ｈに基づいて、第１の関数発生器２６および第
２の関数発生器２７からの要求燃料流量、すなわち、第
１の制御弁７と第２の制御弁９の燃料流量比を得るべ
く、第１の制御弁７および第２の制御弁９の通過流量を
制御する。この場合、負荷制御部１４ａの速度指令信号
ｈと低値優先回路２３からの燃料要求指令信号ｇは、い
ずれも目標負荷設定の増減に伴い、同様に変化する信号
である。ところが、燃料要求指令信号ｇが、発電機から
発生する電力を送り出す系統周波数の振れに伴って生ず
るガスタービン速度の振れから生ずる速度偏差発生分を
加味したいわゆるガバナフリー信号等を含む常に変動す
る信号である。これに対して、速度指令信号ｈは、負荷
指令に応じて暫増、暫減する負荷要求値である。従っ
て、速度指令信号ｈに基づき、予混合制御分担比率を演
算して、第１の制御弁７および第２の制御弁９へ出力す
るので、これらの制御弁への信号は、ガバナフリー信号
を含まない滑らかな信号となり、その結果、第１の制御
弁７および第２の制御弁９は、負荷変化に応じてゆっく
りと動作することができる。

【００３８】上記の如く本実施例によれば、要求負荷に
基づき設定値が決定する速度指令信号に基づく信号によ
り第１の制御弁７および第２の制御弁９が制御されるた
め、安定な動作が得られる。さらに、ガバナフリー信号
を含んだ低値優先回路２３の出力信号により、総流量制
御弁３４が制御されるため、所望の負荷を得るための要
求燃料を得ることができ、系統周波数変動に伴い発生す
るタービン回転数の変動補正動作は、従来のガスタービ
ンと同様の制御系が機能するため安定した負荷速度制御
が得られることとなる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ガ
スタービンの速度指令信号に基づいて第１の制御弁と第
２の制御弁とを制御するようにしたから負荷が変化して
も第１の制御弁と第２の制御弁とが安定して動作するこ
とができ、負荷制御の安定が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すガスタービン燃料供給
設備の構成図である。

【図２】図１の制御ブロック図である。

【図３】予混合法を利用した燃焼器の基本的構成を示す
概略図である。

【図４】ＧＴ負荷指令と燃料流量設定の関係を示す説明
図である。

【図５】ＧＴ負荷とＧＴ出口ＮＯｘ排出特性を示す説明
図である。

【図６】従来例を示すガスタービン制御装置の構成図で
ある。

【図７】図６の制御ブロック図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 燃焼器 ７ 第１の制御弁 ９ 第２の制御弁 １２ ガスタービン １４ａ 負荷制御部 １４ｂ 予混合制御演算部 ３４ 総流量制御弁 ３９ 主燃料供給管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １段目の燃料供給装置と２段目の燃料供
   給装置とを有し、ガスタービンの起動から低出力範囲で
   は前記１段目の燃料供給装置から第１の制御弁を介して
   供給される燃料と圧縮機からの空気とにより燃焼させる
   と共に、最大出力を含む高出力範囲では前記１段目の燃
   料供給装置から第１の制御弁および前記２段目の燃料供
   給装置から第２の制御弁を介して供給される燃料と前記
   空気とにより燃焼させる構成の２段燃焼器へ燃料を供給
   するガスタービン燃料供給設備において、 前記１段目の燃料供給装置と前記２段目の燃料供給装置
   との上流に総燃料を供給する総燃料供給装置と、この総
   燃料供給装置の燃料流量をガスタービンの負荷要求に応
   じて総燃料として供給する第３の制御弁とを設けたこと
   を特徴とするガスタービン燃料供給設備。
2. 【請求項２】前記第１の制御弁と第２の制御弁とを前記
   ガスタービンの速度指令信号と予め設定された前記１段
   目の燃料供給装置から供給される燃料と前記２段目の燃
   料供給装置から供給される燃料との分配比とに基づいて
   制御する一方、前記第３の制御弁を負荷速度制御信号と
   排ガス温度制御信号と起動時制御信号とを入力した低値
   優先回路の低値の信号に基づいて制御することを特徴と
   する請求項１記載のガスタービン燃料供給設備。