JPH06307259A - 二段燃焼型ガスタービン燃焼器の燃料制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】燃焼モード切換え過程の第一段燃料２０１と第
二段燃料２０２を、燃料流量・配分算出器３４に大気湿
度２９，圧縮機空気流量２８，圧縮機吐出空気温度３０
ならび燃料性状データ３２を入力し、これらの影響度合
いを算出し、これに基づいて修正して供給する。 【効果】燃焼モード切換え過程の燃料制御を行うことに
より、燃焼モード切換えが円滑になり、この間のガスタ
ービンの出力変化の割合いも小さくなる。

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焼器に係
り、特に、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生が少ない二段燃
焼型ガスタービン燃焼器の燃料制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの排気中のＮＯｘを低減す
るために、予混合燃焼と拡散燃焼を組み合わせた二段燃
焼器が開発されている。これらの燃焼器構造はガスター
ビン製造会社やＮＯｘ達成レベルでさまざまに異なる
が、一例として特公平1−40246号公報に缶型の二段燃焼
器が示されている。ここでは、燃焼器上流側に副室構造
の第一段目燃焼の拡散バーナを備え、その下流端外周側
には第二段目燃焼の環状予混合器を有する予混合バーナ
を備えており、ガスタービンの起動から部分負荷帯まで
は第一段目燃焼で運転し、部分負荷帯から定格負荷まで
は第一段目と第二段目燃焼で運転することが示されてい
る。更に、ここでは、第一段目から第二段目への燃焼モ
ードの切換えに関し、第二段目への燃料供給は一定量を
ステップ状に投入し、同時に第一段目への燃料供給量を
同量ステップ状に減じるようにして行うことが示されて
いる。このような二段燃焼器では、燃焼モードの切換え
後、即ち、第二段目の予混合燃焼によって低ＮＯｘ化さ
れるものであり、切換え可能なガスタービン負荷を出来
るだけ小さくすることが要求されており、また、燃焼モ
ードの切換を確実にして、かつ、切換え途中においてガ
スタービン出力変化がない円滑な切換えが大切である。
ところが、拡散燃焼及び予混合燃焼の火炎の安定性がガ
スタービンの作動条件や大気環境などによって影響を受
けるため、従来技術では信頼性の高い燃焼モードの切換
えに問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の二段燃焼型のガ
スタービン燃焼器では、前述したように一段目から二段
目への燃焼モードの切換えが確実かつ円滑に行えないと
いう問題があった。

【０００４】本発明の目的は、確実、かつ、円滑を燃焼
モード切換えが行える燃料の制御方法の提供にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】燃焼モードの確実、か
つ、円滑な切換えを行うのには、第二段目燃料の供給に
よって第二段目火炎が確実に着火し、安定燃焼すること
と、第二段目燃料量に相当する分だけ燃料流量が減じら
れた第一段目火炎が安定燃焼を接続することが必要であ
る。従って、燃焼モード切換えでは、燃焼モード切換え
完了後のそれぞれ第一段目及び第二段目の燃料流量はそ
れぞれの火炎の安定燃焼範囲内に設定されなければなら
ない。特に第二段目の予混合火炎では、安定燃焼範囲が
狭く、かつ、種々の燃焼条件の影響を強く受ける。この
ため、火炎の着火及び安定燃焼に特に強く影響する大気
湿度，圧縮機吐出空気温度，圧縮機吐出空気流量および
燃料性状の情報を取り込み、これらの火炎への影響度合
を評価し、予め定められた計画燃料流量を必要に応じて
修正を加えて供給し、第二段目火炎の確実な着火と安定
燃焼を可能とし、かつ、第一段目火炎の安定燃焼範囲に
保つものである。

【０００６】

【作用】第一段目火炎ならびに第二段目火炎ともバーナ
特性と燃焼条件によって決る安定燃焼範囲がある。即
ち、所定の作動条件において燃料流量がある量以下にな
ると火炎は吹消え、又、ある量以上になるとバーナの赤
熱や焼損が起こる。特に、予混合燃焼の第二段目火炎で
は逆火が発生する。このため安定燃焼を持続させるに
は、バーナ特性や燃焼条件によって定まる燃料流量範囲
内に設定する必要がある。特に、二段燃焼の燃焼モード
切換え時には、第二段目火炎は第一段目火炎によって着
火され、第二段目バーナによって安定化されるので、第
一段目と第二段目の相互作用を考慮に入れた燃料制御が
要求され、燃焼への影響因子の影響度合を評価し、これ
を燃料制御に反映させることにより、一層確実、かつ、
円滑な切換えが可能となる。

【０００７】ガスタービン燃焼器における影響因子のう
ち作用の大きいものは大気湿度、圧縮機吐出空気温
度、圧縮機吐出空気流量、燃料性状がある。このう
ち、大気湿度の影響はこれが高くなるほど着火燃料流量
ならび安定燃焼燃料流量は増加する。圧縮機吐出空気温
度はこれが低いと着火燃料流量ならびに安定燃焼燃料流
量は増加する。圧縮機吐出空気流量はこれが多いと着火
燃料流量ならび安定燃焼燃料流量は増加する。さらに燃
料性状であるが、液化天然ガスの増合について見ると、
メタン成分が多くなるほど着火しにくくかつ、安定燃焼
するのに必要な燃料流量は多くなる。従って、これらの
影響因子の着火及び安定燃焼への影響度合を予め実験的
に評価し、これをデータ化するとともに、ガスタービン
運転時にこれらの諸量を測定し、これらを比較演算し、
予め定められた燃料制御流量に対し必要に応じて修正を
加えることにより、第二段目火炎の確実な着火と安定燃
焼が行える。

【０００８】

【実施例】図１に本発明の一実施例を示す。ガスタービ
ンは圧縮機１と燃焼器２及びタービン３から構成され、
大気吸込み空気１００は圧縮機１で昇圧され、圧縮機吐
出空気１０１として燃焼器２へ供給され、燃料２００
（本実施例では天然ガス）と燃焼して高温作動ガス１０
４を発生し、タービンで仕事をし、排気は排熱回収ボイ
ラ４を経て煙突より放出される。なお、タービン出力は
発電機６にて電気に変換される。

【０００９】燃焼器は圧縮機の吐出ケーシング７とター
ビンケーシング８の間に配置され、燃焼器外筒９と燃焼
器カバー１０によって格納されている。燃焼器は上流側
の中心部に第一段目燃焼ノズル１３を持ちその下流端部
の外周に旋回器１５を持つ第一段目燃焼流路が開口して
おりこれから供給される第一段目燃焼空気１０３は第一
段目燃料ノズル１３の端部に開孔する燃料噴孔１４より
噴出する第一段目燃料２０１燃焼室内で混合しながら燃
焼する第一段バーナが配置され、更に、ひの外周側に環
状の空気流路と燃料供給ノズルからなる予混合器１６が
配置され、その下流端は第一段バーナの外周側において
燃焼器内へ開口している。予混合器１６の上流側より第
二段目燃焼空気１０２が流入し、この空気と第二段目燃
焼供給フランジ１７に取付けられた第二段目燃料ノズル
１８から噴射される第二段目燃料２０２は予混合内で混
合し、可燃混合気として燃焼室内へ供給される。燃焼室
内で発生した燃焼ガス１０４は燃焼器尾筒１２を経てタ
ービン３へ供給される。

【００１０】この構成のガスタービン燃焼器において、
ガスタービンの起動から部分負荷は第一段目バーナのみ
によって運転され、部分負荷から定格負荷帯は第一段目
バーナと第二段目バーナを作動させて運転される。ここ
で各バーナの燃料流量と燃焼空気流量の比、即ち、燃空
比を理論燃空比より小さく設定することにより火炎温度
は低く抑えられるのでＮＯｘの発生の小さい燃焼とな
る。この場合、火炎の温度を均一に低下できる二段目の
予混合バーナのＮＯｘ低減効果が大きい。従って低ＮＯ
ｘ燃焼器としては、予混合バーナの燃焼量を大きく、か
つ、安定燃焼限界に近づけた薄い混合気を燃焼させるこ
とが大切となる。

【００１１】ガスタービンの運転において第一段目バー
ナから第二段目バーナへの燃焼モードの切換えが必要と
なる。即ち、ガスタービンが定格運転に至るある定めら
れた部分負荷条件において、第一段燃焼から第一段目及
び第二段目の燃焼モードへの切換えが行われる。これ
は、総燃料流量をほぼ一定に保ちながら、第二段目燃料
を定められた一定量をステップ状に投入し、ほぼ同時に
第一段目燃料をステップ状に減じることによって達成さ
れる。燃焼モード切換時のそれぞれの燃料投入量は第二
段目バーナについては確実な着火とそれに続く安定燃焼
のために必要な燃料流量でなければならず、また、第一
段目バーナについてはステップ状に燃料を減じても火炎
が安定に保持可能な燃料流量以上でなければならない。
これらの値は、ガスタービンの作動条件をシミュレート
した燃焼実験により基本計画され、詳細にはガスタービ
ン運転時に調整が行われて燃料制御計画が定められる。
更に、実用運転の信頼性と運転裕度を高めるために季節
や天候によるガスタービンの作動条件の変化や燃料組成
の変化に対しても十分対応できるための安定燃焼が確保
されねばならない。

【００１２】この要求には、具体的には着火や燃焼安定
性に及ぼすガスタービンの運転条件や大気条件，燃料性
状などが着火や火炎安定性にどのように影響するかを調
べ、それらの単体の影響，複合した場合の影響をデータ
ベース化し、ガスタービン運転時にそれらの諸量を実測
ないしは予測して、それらの影響度合を評価し、予め定
められた燃料制御計画値を必要に応じて修正することに
よって実現される。更に具体的には、図２に示すような
大気湿度による着火及び火炎安定範囲の変化を実験的に
調べ、これを制御に反映させるものである。○印で結ん
だ三本の線（（１），（２），（３））がそれぞれ大気
湿度が異なる場合の第二段目燃焼の着火条件の変化を示
すもので、大気湿度は（１）→（２）→（３）の順に高
くなる。第二段目燃焼の着火燃料流量は第一段目燃焼の
燃料が大きい程小さくなる傾向にあるが最小着火燃料流
量があり、大気湿度が（１）の場合についてみると、図
中の第二段目燃料はＦ₂*であり、その時の第一段目燃料
はＦ₁** である。また、第一段目燃焼の安定可能燃料流
量が存在し、それが図中のＦ₁** である。また、この時
の第二段燃焼の着火燃料流量はＦ₂** である。即ち、大
気湿度（１）の場合には○印を結んだ第一段目燃料と第
二段目燃料の流量条件が作動可能条件となる。なお、燃
焼モードの切換えは、総燃料流量をほぼ一定に保ち、ガ
スタービンの出力変化を小さくして行う。この総燃料一
定の条件を示したのは図中の一点鎖線であり、従って
（１）の場合にはこの線上の（ａ）（Ｆ₁*，Ｆ₂*）から
(ｂ)（Ｆ₁**，Ｆ₂**）までが切換え可能条件となる。大
気湿度が高い（２）の場合には第二段目の着火燃料流量
と第一段目燃焼の安定限界燃料流量は増加する方向へシ
フトする。この場合（ｃ）〜（ｂ）が切換え可能条件と
なる。更に大気湿度が高くなった（３）の場合には、一
点鎖線で示す総燃料条件では着火条件は存在しないこと
になる。この場合には総燃料流量を多くしたガスタービ
ン負荷条件で燃焼モードの切換えを行うことになる。図
３は圧縮機吐出空気温度による着火及び火炎安定範囲の
変化を示したものであり、（１）→（２）→（３）の順
序で圧縮機吐出空気温度は低い。図４は同様に圧縮機吐
出空気流量による着火及び火炎安定範囲の変化を示した
ものであり（１）→（２）→（３）の順で圧縮機吐出空
気流量は増大しており、これに対応して着火及び安定燃
焼に必要な燃料流量に増大する。図５は天然ガスについ
て燃料組成による着火及び火炎安定範囲の変化を示すも
ので、（１）→（２）→（３）の順で燃料ガス中のメタ
ン濃度が高くなっており、これに対応して必要燃料流量
は増大する。

【００１３】図１に再び戻って、燃焼モードの切換え方
法について説明する。圧縮機１には吸気ダクトに湿度セ
ンサ２０及び空気流量計２１が取り付けられており、圧
縮機１の吐出部には空気温度センサ２２が付けられ、こ
れらの測定信号はそれぞれ湿度データ処理器２９，空気
流量データ処理器２８及び空気温度データ処理器３０に
入力される。一方、燃料系統には、燃料性状測定器２３
と第一段燃料系統ならびに第二段燃料系統にそれぞれ燃
料流量測定器２５，２７が設けられている。これらの測
定信号はそれぞれ燃料性状データ処理器３２と第一段
目，第二段目燃料流量データ処理器３１，３２に入力さ
れる。各々のデータ処理器からは適切な制御信号として
燃料流量・配分算出器に入力され、ここにおいて、燃焼
モード切換えに必要なそれぞれ第一段目燃料流量と第二
段目燃料流量が演算されて設定され、この信号が燃料流
量設定器３５に入力され、これより発掘される制御信号
によりそれぞれ第一段目燃料流量調節弁２４ならび第二
段目燃料流量調節弁２６の開度調節がなされて燃焼モー
ドの切換えが行われる。図６に燃焼モード切換え過程の
燃料流量の時間変化を示す。時刻ｔ₁ において燃焼モー
ドの切換えに入り、適切に設定された第二段目燃料ガス
ステップ状に投入され、ほぼこの燃料流量に対応して第
一段目燃料がステップ状に減じられ、時刻ｔ₂ において
モード切換えは完了する。図７は燃焼モード切換え過程
のガスタービン出力の時間変化を示す。本発明により燃
焼モード切換えにより、実線に示すようにこの間のガス
タービンの負荷変化は小さく、円滑な切換えが可能とな
る。なお、点線は第二段目バーナへの着火が遅れた時の
出力変化を示したものである。着火遅れにより負荷低下
が大きく、また、着火後は急激な負荷上昇を伴うことと
なり、円滑な燃焼モードの切換えは出来ない。

【００１４】

【発明の効果】本発明によれば次のような効果が得られ
る。

【００１５】(1）ガスタービンの作動条件や大気湿度な
らびに燃料性状が変化した場合も燃焼モードの切換え条
件が適切に選定される。

【００１６】(2）燃焼モードの切換え条件が適切に選定
される結果、第二段目バーナの着火が円滑となり、燃焼
モード切換え過程のガスタービン出力の変化が小さく抑
えられガスタービンの信頼性が高くなり、運転性が向上
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン燃焼器の燃料制御系統図。

【図２】大気湿度による着火，安定燃焼範囲の変化を示
す特性図。

【図３】圧縮機吐出空気温度による着火，安定燃焼範囲
の変化を示す特性図。

【図４】圧縮機吐出空気流量による着火，安定燃焼範囲
の変化を示す特性図。

【図５】燃料組成による着火，安定燃焼範囲の変化を示
す特性図。

【図６】燃焼モード切換え過程の燃料流量の時間変化を
示す特性図。

【図７】燃焼モード切換え過程のガスタービン出力の時
間変化を示す特性図。

【符号の説明】

２…燃焼器、１３…第一段目燃料ノズル、１７…第二段
目燃料ノズル、２０…湿度測定センサ、２１…空気流量
計、２２…空気温度測定センサ、２３…燃料性状測定
器、２５…第一段目燃料流量計、２７…第二段目燃料流
量計、３４…燃料流量・配分算出器、３５…燃料流量設
定器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 正平 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 赤津 茂行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 小金沢 知己 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 林 則行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】拡散燃焼をする拡散バーナと予混合燃焼す
   る予混合バーナとを組合せたガスタービン燃焼器であ
   り、ガスタービンの起動から部分負荷運転時は第一段目
   燃焼の拡散バーナで運転し、部分負荷から定格負荷は第
   一段目燃焼と第二段目燃焼の予混合バーナで運転し、第
   一段目燃焼から第二段目燃焼への燃焼モードの切換えは
   第一段目燃料を定流量に保ちながら、もしくは第一段目
   燃料を減じながら第二段目燃料を所定量まで投入するガ
   スタービン燃焼器において、大気湿度，圧縮機吐出温
   度，圧縮機吐出空気流量および燃料性状のいずれか一つ
   もしくはそれら複数の情報を取り込み、燃焼モード切換
   過程の第一段目燃焼と第二段目燃焼のそれぞれの安定燃
   焼条件を演算，判定し、これに基づき予め計画された燃
   料流量を修正して供給し、燃焼モード切換えを行うこと
   を特徴とする二段燃焼型ガスタービン燃焼器の燃料制御
   方法。