JP2004308596A

JP2004308596A - 蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法

Info

Publication number: JP2004308596A
Application number: JP2003105120A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kobayashi; 英夫小林; Toru Shibanuma; 徹柴沼; Yuushi Yasuda; 友芝安田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】排熱ボイラの蒸発量を最大限に維持しながら、ＮＯｘの発生を抑制しかつ高い燃焼効率を維持することができる蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法を提供する。
【解決手段】排熱ボイラで発生した水蒸気Ｓを燃焼器３に噴射する蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法であって、水蒸気噴射時にタービン２の排気温度を計測し、この排気温度を所定の最適温度範囲に維持するように燃焼器３に供給する燃料流量を制御する。燃焼器３は、複数の予混合燃焼式のメインバーナー１４を有する低ＮＯｘ燃焼器であり、蒸気噴射量の増加に応じてメインバーナーに供給する燃料流量を増加させる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射する蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射して出力の増大を図る蒸気噴射ガスタービンとして、特許文献１〜特許文献６等が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特公平８−２６７８０号公報
【特許文献２】
特開平９−１２５９８４号公報
【特許文献３】
特開平１０−１８４３９３号公報
【特許文献４】
特開２００２−４９４６号公報
【特許文献５】
特表平１０−５０４６３０号公報
【特許文献６】
特開２００２−１３０６７４号公報
【０００４】
特許文献１に開示された二流体サイクルは、図７に示すように、ガスタービン設備５１の排熱Ｅで発生した水蒸気５２を混合器５３で圧縮空気と混合し、この混合ガスを排熱Ｅで加熱してガスタービンの燃焼器５５に噴射することにより、余剰水蒸気５２ａをユーティリィティとして供給しながら、電力需要に応じて発電出力が増大できるようになっている。なおこの図で５６は排熱回収ボイラ、Ａは空気、Ｆは燃料、Ｗは給水である。
【０００５】
特許文献２の「蒸気注入ガスタービンとその制御方法」は、図８に示すように、圧縮機６２、燃焼器６３及びタービン６４と、燃焼器に蒸気を注入する蒸気注入手段６５と、圧縮機の静翼角度を調整して圧縮機の流入空気量を調整する空気量制御手段６６と、空気量制御手段の制御手段６７とを備え、燃焼器６３への注入蒸気量の増大に応じて流入空気量を減少させるか、または圧縮機６２で圧縮された空気の圧力変動を抑制するように空気量制御手段６６を制御するものである。
【０００６】
特許文献３の「ガスタービン発電装置の制御方法」は、図９に示すように、エンジン制御装置７１、蒸気制御装置７２、出力管理装置７３を備え、燃料流量から燃焼器７４でのＮＯｘ発生を抑制する蒸気量を算出して調節し、電力優先の場合とプロセス蒸気優先の場合とで、それぞれタービン噴射蒸気量と燃料流量を算出するものである。
【０００７】
特許文献４の「小容量のガスタービンコージェネレーションシステムの熱電比制御方法」は、図１０に示すように、排熱回収ボイラ８１で発生した蒸気の一部を燃焼器８２へ供給する蒸気制御バルブ８３を備えた蒸気供給通路８４を設け、排熱回収ボイラ８１の熱負荷に応じて蒸気制御バルブ８３の開度を調整することにより、システム出力の熱電比を制御するものである。
【０００８】
特許文献５の「ガスタービンの出力調節及び増大方法及び装置」は、図１１に示すように、圧縮機６２で空気を圧縮し、燃焼器６３で圧縮した空気を加熱して高温ガスを発生させ、可変流量の蒸気を高温ガスに送り込んでタービン６４中で膨張させて軸出力を発生し、この軸出力を維持しかつタービン６４で膨張するガス／蒸気混合物の温度をほぼ一定に維持するように蒸気流速を調節するものである。
【０００９】
特許文献６の「二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器とその運転方法」は、図１２に示すように、中心部に配置された拡散燃焼式のパイロットバーナー９２と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式のメインバーナー９４と、メインバーナーの燃料噴射弁９へ流入する空気と混合するように水蒸気を供給する蒸気噴射管９６を備え、出力増加のために蒸気噴射を行う際に、噴射する蒸気の一部を蒸気噴射管９６から噴射して、メイン噴射弁へ流入する空気と混合して燃料噴射弁へ供給するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
環境保護のために、ガスタービンの燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減することが義務付けられており、我国では、大都市（例えば東京）において例えば２０ｐｐｍ以下にする必要がある。
ＮＯｘの発生要因は、燃焼時の高温火炎により空気中の窒素が酸化する、いわゆるサーマルＮＯｘが主であり、このサーマルＮＯｘを低減するには、火炎中のホットスポットを減少させ、高温火炎の発生をなくすことが効果的である。
【００１１】
このため、上述した特許文献１〜５では、水蒸気の噴射により火炎温度を低下させる手段が用いられ、燃焼器には水蒸気を噴射しても安定燃焼ができる「拡散燃焼器」が使用されていた。
しかし、拡散燃焼器に蒸気噴射する場合、水蒸気を減らしすぎるとＮＯｘ発生量が増大して規制値を超えるおそれがある。そのため、常に蒸気噴射が必要となり、その分ユーティリィティ蒸気量が減り、かつ燃料消費量が多くなる問題点があった。
【００１２】
一方、低ＮＯｘ化が可能な燃焼器として、上述した蒸気噴射拡散燃焼器の他に特許文献６に開示される「希薄予混合燃焼器」が知られている。この希薄予混合燃焼器は、燃料を十分な空気量と予混合して均質化し、これを希薄燃焼させるものであり、大量の空気と共に燃焼させるため、ホットスポットがなく、高温火炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００１３】
従って従来の希薄予混合燃焼器を蒸気噴射ガスタービンに適用することにより、蒸気噴射をなくしても、ＮＯｘ発生量を規制値内に抑えることができ、蒸気噴射を必要に応じてなくし、その分ユーティリィティ蒸気量を増やしかつ燃料消費量を低減することができる。
【００１４】
しかし、この希薄予混合燃焼器は、低ＮＯｘ化のために蒸気を必要としない反面、燃焼が不安定になりやすい問題点があった。このため、希薄予混合燃焼器に水蒸気を単に噴射すると火炎温度が下がり過ぎて安定燃焼が困難となり失火してしまったり、燃焼の安定化のために燃料を増加させると燃料領域で燃料が過剰となり、本来の希薄燃焼ができず、ＮＯｘ発生量が増大したり燃焼効率が低下する、等の問題点があった。
また、燃料流量を一定に保ったまま蒸気噴射量を増加していくと、出力は増加するが排気温度が低下し、水蒸気をユーティリィティとして供給するコージェネレーションとしては排熱ボイラの蒸発量が減少する問題点があった。
【００１５】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、排熱ボイラの蒸発量を最大限に維持しながら、ＮＯｘの発生を抑制しかつ高い燃焼効率を維持することができる蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、空気を圧縮する圧縮機、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器、燃焼排ガスで圧縮機を回転駆動するタービン、及びタービンの排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラを備え、排熱ボイラで発生した水蒸気を燃焼器に噴射する蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法であって、蒸気噴射時にタービンの排気温度を計測し、該排気温度を所定の最適温度範囲に維持するように燃焼器に供給する燃料流量を制御する、ことを特徴とする蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法が提供される。
【００１７】
上述した本発明によれば、蒸気噴射時にタービンの排気温度を計測し、この排気温度を所定の最適温度範囲に維持するように燃焼器に供給する燃料流量を制御するので、常にタービン排気温度が最適温度範囲にされ、排熱ボイラの蒸発量を最大限に維持しながら、燃料流量も高く維持できる。従って、燃料と空気及び水蒸気の混合割合を安定燃焼範囲に維持できるので、安定燃焼を実現でき、高い燃焼効率を維持でき、水蒸気をユーティリィティとして供給するコージェネレーションとして、発電端出力と水蒸気量を高く維持することができる。また、水蒸気を噴射しながら安定燃焼を実現できるので、燃焼効率の低下を防ぐと共に、低ＮＯｘ化を達成することができる。従ってこの出力制御方法により、振動燃焼、燃焼効率の低下、発電出力の振れ等の不安定現象を解消することができる。
【００１８】
本発明の好ましい実施例によれば、前記燃焼器は、複数の予混合燃焼式のメインバーナーを有する低ＮＯｘ燃焼器であり、蒸気噴射量の増加に応じてメインバーナーに供給する燃料流量を増加させる。
【００１９】
上述した本発明の出力制御方法によれば、蒸気噴射ガスタービンにおいて、出力増加のための蒸気噴射を行わない運用状態では、低ＮＯｘ燃焼器は、従来の希薄予混合燃焼器として作動し、蒸気噴射をなくしても、ＮＯｘ発生量を規制値内に抑えることができ、その分ユーティリィティ蒸気量を増やしかつ燃料消費量を低減することができる。
【００２０】
また、出力増加のために蒸気噴射を行う際は、噴射する蒸気を蒸気噴射管から噴射させ、パイロットバーナー及びメインバーナーへの流入空気に混合するので、蒸気と空気を十分に均一に混合して導入することができる。従って、燃焼的に比較的不安定な予混合燃焼に蒸気を噴射しても、安定した燃焼が可能となる。
【００２１】
更に、蒸気と燃料の割合は、燃料の増加量に応じて、メインバーナーに供給する蒸気噴射量を増加することにより、ＮＯｘの発生を抑えながら燃焼量を増大させ、ガスタービンの出力を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２３】
図１は、本発明の燃焼制御方法を適用する蒸気噴射ガスタービンの全体構成図である。この図に示すように、この蒸気噴射ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器３、燃焼排ガスで圧縮機を回転駆動するタービン２、及びタービン２の排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラ６を備え、排熱ボイラ６で発生した水蒸気Ｓを燃焼器３に噴射することにより、余剰水蒸気をユーティリィティとして供給しながら、電力需要に応じて発電出力が増大できるようになっている。なおこの図で、４は減速機、５は発電機、７はミストセパレータ、Ａは空気、Ｆは燃料、Ｗは給水である。
【００２４】
また、この蒸気噴射ガスタービンは、タービン２の排気温度を計測する温度センサー８、燃焼器３に供給する燃料流量を調節する流量調節弁９、及び流量制御器１０を備え、タービン２の排気温度を所定の最適温度範囲に維持するように燃料流量を制御する。この所定の最適温度範囲は、例えば５００〜６００℃である。
【００２５】
図２は、本発明の蒸気噴射ガスタービンの熱電出力特性の具体例である。この図において、横軸はユーティリィティとして外部に供給できる送気蒸気量、縦軸は発電端出力である。また、図中のＡは、燃焼器に水蒸気を噴射しないドライ運用ライン、Ｂは燃焼器に水蒸気を噴射して出力を最大にする最大出力ラインである。
【００２６】
図２から、この蒸気噴射ガスタービンでは、燃焼器に水蒸気を噴射することなく、約２０００ｋＷの発電端出力を得ることができ、その時点で最大約６０００ｋｇ／ｈの水蒸気をユーティリィティとして外部に供給できる。また、その水蒸気の一部を燃焼器に噴射することにより最大約２５００ｋＷの発電端出力を得ることができることがわかる。
【００２７】
図２の最大出力ラインにおいて、本発明では、蒸気噴射時にタービンの排気温度を計測し、この排気温度を所定の最適温度範囲（例えば５００〜６００℃）に維持するように燃焼器に供給する燃料流量を制御する。なお、この制御は最大出力ラインに限られず、図２にＣで示すように、ドライ運用ラインＡの途中から燃焼器に水蒸気を噴射する場合にも適用する。
【００２８】
図３は本発明による発電端出力と排気温度の関係図である。この図において、破線で示すように、蒸気噴射時に燃料流量を一定に保ったまま蒸気噴射量を増加していく（従来例）と、出力は増加するが排気温度は低下する。これに対して、本発明では実線で示すように、蒸気噴射量が増減しても排気温度が一定を保持するように燃料流量を制御する。
【００２９】
図４は、本発明を適用する低ＮＯｘ燃焼器の全体構成図である。この図に示すように、この低ＮＯｘ燃焼器３は、中央部に配置されたパイロットバーナー１２と、そのまわりに配置された複数（この例では６つ）のメインバーナー１４とを備える。なお、この図において、２２は燃焼器ライナ、２３はケーシング、２４は点火栓（イグナイタ）であり、空気圧縮機１で圧縮した空気Ａがケーシング２３とライナ２２の間を流れてバーナー１２、１４に達し、このバーナーとその他の部分を通ってライナ２２内に流入して火炎２７ａ，２７ｂを形成し、発生した燃焼ガスがスクロール部２１を通って図示しないガスタービン２に導かれ、これを駆動するようになっている。
【００３０】
図４において、パイロットバーナー１２は、燃料Ｆを燃焼室１１内で拡散燃焼させる拡散燃焼バーナーである。
メインバーナー１４は、互いに同軸に配置された主噴射弁１４ａと予混合管１４ｂとからなる。主噴射弁１４ａには、低ＮＯｘ燃焼器３のケーシング２３を通して外部から燃料Ｆが供給される。この燃料には、例えばガス燃料を用いる。予混合管１４ｂは、この図で下端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなっている。すなわち、メインバーナー１４は、主噴射弁１４ａと予混合管１４ｂで構成された予混合希薄バーナーである。
この構成により、主噴射弁１４ａにより予混合管１４ｂ内に燃料Ｆを噴射し、予混合管１４ｂ内で燃料Ｆを十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させることができる。
【００３１】
本発明を適用する低ＮＯｘ燃焼器３は、更に、メインバーナー１４の燃料噴射弁（主噴射弁１４ａ）へ流入する空気と混合するように水蒸気を供給する蒸気噴射管１６を備える。
この蒸気噴射管１６は、低ＮＯｘ燃焼器３のケーシング３ａの周囲に複数（例えば６本）取り付けられ、パイロットバーナー１２及びメインバーナー１４へ流入する空気に混合される水蒸気を供給するようになっている。
【００３２】
本発明において、複数の蒸気噴射管１６から供給される水蒸気量は常にほぼ均等であり、その総量のみが図示しない蒸気流量調節弁で可変に制御される。さらに、燃焼器内に蒸気噴射管１６から噴射された水蒸気は、できる限り完全に空気と混合してパイロットバーナー１２及びメインバーナー１４に供給される。
また、中央部に配置されたパイロットバーナー１２に供給される燃料流量（以下、パイロット燃料流量と呼ぶ）も、図示しない蒸気流量調節弁で可変に制御される。
さらに、複数（この例では６つ）のメインバーナー１４に供給される燃料流量（以下、メイン燃料流量と呼ぶ）も、その総量は図示しない蒸気流量調節弁で可変に制御される。
なお、複数のメインバーナー１４にはそれぞれ独立した開閉弁が設けられており、メインバーナーの使用本数を自由に変化させることができるようになっている。この場合、すべてのメインバーナー１４に空気と水蒸気の混合ガスがほぼ均等に流れ、使用するメインバーナーのみに燃料が追加して供給される。
【００３３】
上述した本発明の構成により、パイロットバーナー１２により拡散燃焼を行いメインバーナー１４の保炎源を形成できる。また、メインバーナー１４の予混合管１５における予混合燃焼によりＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００３４】
【実施例】
以下、上述した低ＮＯｘ燃焼器３を備えた蒸気噴射ガスタービンの実施例を説明する。
【００３５】
図５は、図１〜図４に示した蒸気噴射ガスタービンの発電端出力と燃料流量の関係図である。この図において、横軸は発電端出力、縦軸は燃料流量、図中の記号◆は、安定燃焼が得られた実施条件を示している。
この図から、発電端出力の増大にほぼ比例させて燃料流量を増大させることにより、安定燃焼ができることがわかる。
【００３６】
図６は、同一条件における発電端出力と蒸気流量の関係図である。この図において、横軸は発電端出力、縦軸は蒸気流量、図中の記号◆は、安定燃焼が得られた実施条件である。右端のラインが排気温度をドライ定格点温度一定に制御し総合効率最大のラインとなる。
【００３７】
この図から、図２に示したように、この蒸気噴射ガスタービンでは、燃焼器に水蒸気を噴射しないドライ条件でも約１５００ｋＷ以上の発電端出力を得ることができ、さらに水蒸気の噴射を行うことにより最大約２５００ｋＷの発電端出力を得ることができることがわかる。
【００３８】
従って、蒸気噴射量の増加に応じてメインバーナーに供給する燃料流量を増加させ、同時に、蒸気噴射量の増加に応じてメインバーナーの使用本数を変化させ、使用するメインバーナーにおける蒸気Ｓと空気Ａの和と燃料Ｆとの比率（Ｓ＋Ａ）／Ｆを燃焼安定範囲に保持することで、安定燃焼と低ＮＯｘ化、及び高い燃焼効率を同時に達成することができることがわかる。
【００３９】
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４０】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、蒸気噴射時にタービンの排気温度を計測し、この排気温度を所定の最適温度範囲に維持するように燃焼器に供給する燃料流量を制御するので、常にタービン排気温度が最適温度範囲にされ、排熱ボイラの蒸発量を最大限に維持しながら、燃料流量も高く維持できる。また、燃料と空気及び水蒸気の混合割合を安定燃焼範囲に維持できるので、安定燃焼を実現でき、高い燃焼効率を維持でき、水蒸気をユーティリィティとして供給するコージェネレーションとして、発電端出力と水蒸気量を高く維持することができる。
【００４１】
従って、本発明の蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法は、排熱ボイラの蒸発量を最大限に維持しながら、ＮＯｘの発生を抑制しかつ高い燃焼効率を維持することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼制御方法を適用する蒸気噴射ガスタービンの全体構成図である。
【図２】本発明の蒸気噴射ガスタービンの熱電出力特性の例である。
【図３】本発明による発電端出力と排気温度の関係図である。
【図４】本発明における燃焼器の全体構成図である。
【図５】発電端出力と燃料流量の関係図である。
【図６】発電端出力と蒸気流量の関係図である。
【図７】従来の蒸気噴射ガスタービンの構成図である。
【図８】従来の別の蒸気噴射ガスタービンの構成図である。
【図９】従来の別の蒸気噴射ガスタービンの構成図である。
【図１０】従来の別の蒸気噴射ガスタービンの構成図である。
【図１１】従来の別の蒸気噴射ガスタービンの構成図である。
【図１２】従来の別の蒸気噴射ガスタービンの構成図である。
【符号の説明】
１空気圧縮機、２タービン、３燃焼器（低ＮＯｘ燃焼器）、
４減速機、５発電機、６排熱ボイラ、７ミストセパレータ、
８温度センサー、９流量調節弁、１０流量制御器、
１２パイロットバーナー（拡散燃焼バーナー）、
１４メインバーナー（予混合希薄バーナー）、
１４ａ主噴射弁、１４ｂ予混合管、
１６蒸気噴射管、２１スクロール、２２燃焼器ライナ、
２３ケーシング、２４点火栓（イグナイタ）、
２７ａ，２７ｂ火炎、
Ａ空気、Ｅ排熱、Ｆ燃料、Ｗ給水、Ｓ水蒸気

Claims

空気を圧縮する圧縮機、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器、燃焼排ガスで圧縮機を回転駆動するタービン、及びタービンの排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラを備え、排熱ボイラで発生した水蒸気を燃焼器に噴射する蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法であって、
蒸気噴射時にタービンの排気温度を計測し、該排気温度を所定の最適温度範囲に維持するように燃焼器に供給する燃料流量を制御する、ことを特徴とする蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法。
前記燃焼器は、複数の予混合燃焼式のメインバーナーを有する低ＮＯｘ燃焼器であり、
蒸気噴射量の増加に応じてメインバーナーに供給する燃料流量を増加させる、ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気噴射ガスタービンの出力制御方法。