JP4409566B2 - Lean premixed combustion system and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、負荷が急激に変動した場合にも希薄予混合燃焼を安定に維持できるとともに、燃料供給量の負荷変動に対する追従性の向上を図った希薄予混合型燃焼装置とその制御方法に関するものである。 The present invention relates to a lean premixed combustion apparatus capable of stably maintaining lean premixed combustion even when the load suddenly fluctuates, and to improve followability to load fluctuations in fuel supply amount, and a control method therefor It is.
ガスタービンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特に、窒素酸化物(以下、NOX という。)の排出量の低減が望まれている。低NOX 化の手段として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が以前により採用されていたが、この方法では、エンジン熱効率の低下や悪い水質によるタービンの腐食に伴う寿命低下などの種々の欠点があった。近年では、水や蒸気を用いないドライ式でNOX を低減する手段として、希薄予混合燃焼方式が有効であることがよく知られている。この希薄予混合燃焼方式は、空気と燃料を予め混合して燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるため、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、NOX 発生量を効果的に低減することができる。 In a gas turbine, strict environmental standards are provided with respect to the exhaust gas composition, in particular, NOx reduction of emissions (hereinafter, referred to as NO X.) It is desired. As a means of low NO X reduction, a method of reducing the combustion flame temperature by injecting water or steam into the combustion chamber has been adopted by the previous, in this way, the corrosion of the turbine due to a decrease or bad quality of the engine thermal efficiency There were various disadvantages such as a reduction in life. In recent years, as a means of reducing NO X in a dry type without using water or steam, lean premixed combustion method is well known to be effective. In this lean premix combustion method, air and fuel are premixed and burned as a mixture with uniform fuel concentration, so there is no combustion region where the flame temperature is locally high, and the fuel is diluted. because it can totally reduce the flame temperature also makes it possible to effectively reduce NO X generation amount.
ところが、この希薄予混合燃焼方式では、NOX の発生量が少なく、かつ失火の発生無しに高い燃焼効率で安定に燃焼させることができる空燃比の範囲が極めて狭い。したがって、空燃比が高過ぎると不完全燃焼が生じて燃焼安定性が著しく低下し、逆に空燃比が低くなり過ぎると燃料過濃になって生成されるNOX が指数関数的に増加する。そのため、ガスタービンの広い負荷範囲において低NOX で、かつ高い燃焼効率を維持するためには、ガスタービンの作動条件にかかわらず空気と燃料の混合比(空燃比)を一定範囲内に維持するように正確に制御する必要がある。 However, in this lean premixed combustion system, there is little generation of NO X, and the range of air-fuel ratio can be stably combusted at high combustion efficiency without occurrence of a misfire is extremely narrow. Therefore, if the air-fuel ratio is too high, incomplete combustion occurs and the combustion stability is remarkably reduced. Conversely, if the air-fuel ratio is too low, the fuel is excessively rich and NO x produced increases exponentially. Therefore, in order to maintain at a low NO X, and the high combustion efficiency in a wide load range of the gas turbine maintains the mixture ratio of air and fuel regardless operating conditions of the gas turbine (air) within a predetermined range Need to be controlled accurately.
この空燃比を一定範囲内に維持するために、負荷が増大するのに対応して複数のメイン予混合バーナをオン・オフ制御することによりメイン予混合バーナの作動数を増加させるとともに、追焚きバーナへの燃料供給量を負荷の変化に応じて連続的に制御することにより、負荷に応じた出力制御を行うようにしたガスタービンの燃焼器が知られている(特許文献1参照)。また、燃焼器の空燃比制御を、燃料流量指令に基づき所定の空燃比になる空気流量のフィードフォワード信号を求め、このフィードフォワード信号により空気流量調節機構を制御する方法も開示されている(特許文献2参照)。 In order to maintain this air-fuel ratio within a certain range, the number of main premix burner operations is increased by turning on / off the plurality of main premix burners in response to an increase in load, and additional tracking is performed. 2. Description of the Related Art A gas turbine combustor that performs output control according to a load by continuously controlling the amount of fuel supplied to a burner according to a change in the load is known (see Patent Document 1). In addition, a method is also disclosed in which the air-fuel ratio control of the combustor obtains a feedforward signal of an air flow rate at a predetermined air-fuel ratio based on a fuel flow rate command, and controls the air flow rate adjustment mechanism by this feedforward signal (patent) Reference 2).
しかしながら、特許文献1の燃焼器では、負荷が増大するのに対応して複数のメイン予混合バーナのうちの作動数を順次増加させる際に、同一作動数において負荷が増大していくと、空気量が一定であるのに対し燃料供給量が増加するので、燃料が濃くなってNOX 発生量が増大していき、燃焼中のメイン予混合バーナの理論空燃比に近づいてNOX 発生量が大幅に増えた時点でメイン予混合バーナの作動数を増加させ、これにより燃料濃度を薄くしてNOX 発生量を急激に低下させる動作を繰り返すので、負荷が急激に増加または減少した場合にNOX 排出量の増加減が大きくなるという課題がある。
However, in the combustor of
また、特許文献3の空燃比制御手段では、燃料流量指令に基づき求めた所定の空燃比となる空気流量のフィードフォワード信号により空気流量調節機構の制御を行うと、空気流量制御系と燃料流量制御系の各々の応答速度が相違することから、負荷が急激に変動した過渡状態において空燃比を一定に保つのが困難となる。すなわち、一般に、空気流量制御系の応答は燃料流量制御系に比べて遅いので、図6(a)に示すようにガスタービンの負荷が急激に減少した場合には、同図(b)に示す予混合バーナへの燃料供給量が同図(c)に示す予混合バーナへの空気供給量よりも先に減少するので、同図(d)に示すように空燃比が大きくなって失火が発生し、安定燃焼を維持することができなくなる。 Further, in the air-fuel ratio control means of Patent Document 3, when the air flow rate adjusting mechanism is controlled by a feedforward signal of the air flow rate that becomes a predetermined air-fuel ratio obtained based on the fuel flow rate command, the air flow rate control system and the fuel flow rate control Since the response speeds of the systems are different, it is difficult to keep the air-fuel ratio constant in a transient state where the load fluctuates rapidly. That is, in general, since the response of the air flow rate control system is slower than that of the fuel flow rate control system, as shown in FIG. 6A, when the load of the gas turbine is drastically reduced, the response shown in FIG. Since the fuel supply amount to the premixing burner decreases earlier than the air supply amount to the premixing burner shown in FIG. 4C, the air-fuel ratio becomes large and misfire occurs as shown in FIG. As a result, stable combustion cannot be maintained.
このような失火の発生を防止するために、予め空燃比を小さく設定して空気流量を少なくするように図ると、燃焼火炎温度が高くなってNOX 発生量が増加することになるので、空燃比をあまり小さく設定することができない。一方、空気流量制御系と燃料流量制御系の各々の応答速度の相違に起因する空燃比の変化を無くするために、燃料流量制御系を応答速度の遅い空気流量制御系に合わせて制御することが考えられるが、そのようにした場合には、ガスタービンの負荷追従性が悪くなるという別の課題が生じる。 In order to prevent the occurrence of such misfire, since previously the air-fuel ratio is set smaller achieve as to reduce the air flow rate, so that the NO X generation amount by the combustion flame temperature becomes high is increased, empty The fuel ratio cannot be set too small. On the other hand, in order to eliminate the change in the air-fuel ratio due to the difference in response speed between the air flow rate control system and the fuel flow rate control system, the fuel flow rate control system should be controlled in accordance with the air flow rate control system with a slow response speed. However, in such a case, another problem arises that the load followability of the gas turbine is deteriorated.
本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、負荷が急激に変動した過渡状態でも予混合バーナの空燃比を一定に保持して安定な希薄予混合燃焼を維持しながらも、負荷の変動に対し良好な追従性を有する希薄予混合型燃焼装置とこれを制御する方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and maintains a stable lean premixed combustion while maintaining a stable lean premixed combustion by maintaining a constant air-fuel ratio of the premixed burner even in a transient state where the load fluctuates rapidly. It is an object of the present invention to provide a lean premixed combustion apparatus having good followability to fluctuations in the temperature and a method for controlling the same.
上記目的を達成するために、本発明に係る希薄予混合型燃焼装置は、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンに供給する燃焼装置であって、少なくとも一つの予混合バーナと、少なくとも一つの拡散燃焼型の追焚きバーナと、前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段と、負荷に対応した総燃料供給量を算出する燃料流量指令部と、求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第1燃料供給量を算出する乗算器、および前記総燃料供給量から前記第1燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第2燃料供給量を算出する加減算器を有する燃料流量設定部と、前記第1および第2燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給する燃料供給弁部と、を備えている。 In order to achieve the above object, a lean premixed combustion apparatus according to the present invention is a combustion apparatus that combusts compressed air and fuel supplied from a compressor and supplies combustion gas to a turbine. A premix burner, at least one diffusion combustion type reheating burner, an air flow rate acquisition means for obtaining a premix burner air flow rate through the premix burner in the compressed air, and a total fuel supply amount corresponding to the load. A fuel flow rate command unit to be calculated, a multiplier for calculating a first fuel supply amount to the premix burner based on the determined premix burner air flow rate, and the total fuel supply the fuel flow rate setting unit having a subtractor for calculating a second amount of fuel supplied to the first fuel supply amount obtained by subtracting by the reheating burner from the amount, so that the first and second fuel supply amount Wherein the Ki予 mixed burner and a, a fuel supply valve unit for supplying fuel to each of the reheating burner.
この構成によれば、圧縮機から供給される圧縮空気のうちの予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比になるように予混合バーナへの第1燃料供給流量を設定しているので、燃料供給制御系による予混合バーナへの燃料供給量は、空気流量制御系による予混合バーナ空気流量に対応するように制御されるから、負荷が急激に変動した場合であっても、予混合バーナへの空燃比が常に一定に維持されるので、失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持でき、NOX の発生を抑制できる。しかも、空燃比は、予混合バーナ空気流量に基づいて設定することから、希薄燃焼を達成するために可及的に大きく設定することが可能となり、これにより、NOX の発生を効果的に抑制することができる。また、負荷の急激な変動に対応して設定する総燃料供給量から第1燃料供給量を差し引いた第2燃料供給量を拡散燃焼型の追焚きバーナに供給するので、総燃料供給量のうちの急激な負荷変動に伴う増加分または減少分が時間遅れなく追焚きバーナに供給されるから、負荷の急激な変動に対する追従性が向上する。ここで、拡散燃焼型の追焚きバーナは、安定燃焼のための空燃比の範囲が広いので、燃料供給量が急激に増減しても失火や不完全燃焼のおそれが少ない。また、追焚きバーナは予混合バーナによる高温燃焼ガス中で燃焼を行うので、NOX 排出量を増加させない。 According to this configuration, the first fuel supply flow rate to the premix burner is set based on the premix burner air flow rate that passes through the premix burner in the compressed air supplied from the compressor so as to have a constant air-fuel ratio. Therefore, the fuel supply amount to the premix burner by the fuel supply control system is controlled to correspond to the premix burner air flow rate by the air flow control system. However, since the air-fuel ratio to the premixed burner is always maintained constant, stable combustion without fear of causing misfire or incomplete combustion can be maintained, and generation of NO x can be suppressed. Moreover, the air-fuel ratio, since the set based on the premix burner air flow rate, we are possible to set as large as possible in order to achieve the lean burn, thereby effectively suppressing the generation of the NO X can do. In addition, since the second fuel supply amount obtained by subtracting the first fuel supply amount from the total fuel supply amount set in response to a rapid change in the load is supplied to the diffusion combustion type burner, Since the increase or decrease associated with the rapid load fluctuation is supplied to the tracking burner without a time delay, the followability to the sudden load fluctuation is improved. Here, the diffusion combustion type additional burner has a wide range of the air-fuel ratio for stable combustion, and therefore there is little risk of misfire or incomplete combustion even if the fuel supply amount increases or decreases rapidly. Further, reheating burner since the combustion in the hot combustion gases by premixing burner, does not increase the NO X emissions.
本発明において、前記空気流量取得手段は、前記圧縮機の圧力比と空気流量の関係を示すコンプレッサマップを使用して前記予混合バーナ空気流量を求めることが好ましい。この構成によれば、負荷の急激な変動時にも予混合バーナ空気流量を容易、かつ正確に求めることができる。 In this invention, it is preferable that the said air flow rate acquisition means calculates | requires the said premix burner air flow rate using the compressor map which shows the relationship between the pressure ratio of the said compressor, and an air flow rate. According to this configuration, the premix burner air flow rate can be obtained easily and accurately even when the load fluctuates rapidly.
また、前記コンプレッサマップを使用するに際して、前記空気流量取得手段は、前記コンプレッサマップから前記圧縮機の可変静翼角度に基づき圧縮機空気量を求め、この圧縮機空気量と前記圧縮空気の一部を外部に放出する抽気弁の開度とに基づき前記予混合バーナ空気流量を求めることが好ましい。この構成によれば、予混合バーナへの第1燃料供給流量を、予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比になるように設定することから、、予混合バーナの空気流量は負荷変動に追従して制御する必要がないので、空気量調節機構として安価で応答速度の遅い可変静翼および抽気弁を採用しても、予混合バーナの空燃比を負荷の変動によらず常に一定に保つことができる。ここでいう圧縮機空気量とは、圧縮機から送給される圧縮空気の総量であって、燃焼器に送られる分と抽出して外部に排出される余剰分とを含んでいる。 Further, when the compressor map is used, the air flow rate acquisition means obtains a compressor air amount from the compressor map based on a variable stationary blade angle of the compressor, and the compressor air amount and a part of the compressed air. It is preferable to obtain the premixed burner air flow rate based on the degree of opening of the bleed valve that discharges the air to the outside. According to this configuration, since the first fuel supply flow rate to the premix burner is set to be a constant air-fuel ratio based on the premix burner air flow rate, the air flow rate of the premix burner is subject to load fluctuations. Since it is not necessary to control following the control, the air-fuel ratio of the premix burner is always kept constant regardless of load fluctuations even if a variable stationary blade and a bleed valve, which are inexpensive and have a slow response speed, are used. be able to. The amount of compressor air here is the total amount of compressed air supplied from the compressor, and includes the amount sent to the combustor and the surplus extracted and discharged to the outside.
本発明に係る希薄予混合型燃焼装置の制御方法によっても上述した希薄予混合型燃焼装置と同様の効果が得られる。 The same effect as that of the lean premixed combustion apparatus described above can also be obtained by the control method of the lean premixed combustion apparatus according to the present invention.
本発明の希薄予混合型燃焼装置とその制御方法によれば、燃料供給制御系による予混合バーナへの燃料供給量を、応答性の遅い空気流量制御系による予混合バーナ空気流量に対応して制御するようにしたので、負荷が急激に変動した場合であっても、予混合バーナへの空燃比を常に一定に維持して失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持でき、NOX の発生を抑制できる。また、総燃料供給量から第1燃料供給量を差し引いた第2燃料供給量を拡散燃焼型の追焚きバーナに供給するようにしたので、負荷の急激な変動に対する燃料供給量の追従性が向上する。しかも、追焚きバーナは拡散燃焼型であるから、安定燃焼のための空燃比の範囲が広いので、燃料供給量を急激に増減させても失火や不完全燃焼のおそれが少ない。 According to the lean premixed combustion apparatus and its control method of the present invention, the fuel supply amount to the premix burner by the fuel supply control system corresponds to the premix burner air flow rate by the air flow control system with slow response. Because it is controlled, even if the load fluctuates suddenly, the air-fuel ratio to the premix burner can always be kept constant to maintain stable combustion without the risk of misfire or incomplete combustion, the generation of the NO X can be suppressed. In addition, since the second fuel supply amount obtained by subtracting the first fuel supply amount from the total fuel supply amount is supplied to the diffusion combustion type additional burner, the followability of the fuel supply amount to a rapid load change is improved. To do. Moreover, since the reheating burner is a diffusion combustion type, the range of the air-fuel ratio for stable combustion is wide, so that there is little risk of misfire or incomplete combustion even if the fuel supply amount is increased or decreased rapidly.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の一実施形態の希薄予混合型燃焼装置が適用されるガスタービン発電装置を示した概略構成図である。ガスタービンGTは圧縮機1、燃焼器2およびタービン3を主構成要素として有し、圧縮機1から供給される圧縮空気Aを燃焼器2で燃焼させ、それにより発生する高温高圧の燃焼ガスGをタービン3に供給する。圧縮機1は回転軸5を介してタービン3により駆動される。圧縮機1には、その上段の静翼の角度を変更して圧縮機空気量を調節する角度調節機構6が取り付けられている。また、圧縮機1と燃焼器2を接続する圧縮空気通路には、一部の圧縮空気Aを外部に放出するための抽気弁30が設けられている。前記タービン3はまた、減速機4を介して発電機7を駆動する。燃焼器2には、燃料供給装置9から送給される天然ガスのようなガス燃料または液体燃料が、燃料制御装置8を介して供給される。前記燃焼器2および燃料制御装置8が本発明の希薄予混合型燃焼装置の一部を構成する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a gas turbine power generator to which a lean premixed combustion apparatus according to an embodiment of the present invention is applied. The gas turbine GT has a
図2は前記燃焼器2を示す縦断面図である。同図において、この燃焼器2は、円筒状のハウジングH内に、ほぼ円筒状の燃焼筒10が同心状の配置で収納されており、この燃焼筒10内に燃焼室11が形成されている。この燃焼器2が、複数、例えば6つ、ガスタービンの回転軸心回りに等間隔で配置されている。ハウジングHは、その基端側に設けられたフランジ14を介して、圧縮機1およびタービン3を覆うメインハウジング13に設けたフランジ13aに、ボルト(図示せず)により結合されている。ハウジングHの先端側にはエンドカバー12がボルト(図示せず)により固定されている。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the
ハウジングHの頭部には支持筒52の基端部が連結されており、この支持筒52の先端部(図の右端部)に燃焼筒10の頭部が固定されて、燃焼筒10が支持筒52を介してハウジングHに支持されている。燃焼筒10の基端部は、タービン3へ燃焼ガスGを導入する遷移ダクトの入口部54に嵌入されている。ハウジングHと燃焼筒10との間に、圧縮機1からの圧縮空気Aを燃焼筒10の頭部へ導く環状の空気通路16が形成されている。また、支持筒52の内側には空気導入室17が形成されており、この支持筒52に、空気通路16を通って送られてきた圧縮空気Aを空気導入室17内に導く複数の空気導入孔18が設けられている。
The base end of the support cylinder 52 is connected to the head of the housing H, and the head of the
燃焼筒10の頭部の中央部には、燃料Fを燃焼室11内に直接噴出する拡散燃焼式の単一のパイロットバーナ20が設けられている。このパイロットバーナ20の外周には、燃料Fと圧縮空気Aとを予め混合して生成した混合気Mを燃焼室11内に噴出する希薄予混合燃焼式のプライマリ予混合バーナ21が設けられている。
A diffusion combustion type
プライマリ予混合バーナ21は、エンドカバー12に支持された内周管22とこれと同心の外周管23との間で環状の予混合通路24を形成し、この予混合通路24に放射状に延びる複数のプライマリ燃料ノズル25が配置され、プライマリ燃料ノズル25の上流側にスワーラ26が配置されている。内周管22の内側に燃料導管27が同心状に配置され、この燃料導管27の内側にパイロットバーナ用の燃料通路28が形成され、燃料導管27と内周管22との間にプライマリ予混合バーナ21用の燃料通路29が形成されている。
The
パイロットバーナ20は、内周管22の先端部にパイロット用の複数のパイロット噴射孔19を有する。燃料導管27の内側の燃料通路28は、内周管22に設けたパイロット燃料導入口31に接続されている。予混合通路24に臨む各プライマリ燃料ノズル25は径方向に並んだ複数の燃料噴射孔を有し、内周管22の内側の燃料通路29に連通し、この燃料通路29が、内周管22に設けたプライマリ燃料導入口32に接続されている。
The
プライマリ予混合バーナ21の外周には、これと同心状の環状の予混合通路34を有する希薄予混合燃焼式のセカンダリ予混合バーナ35が設けられている。このセカンダリ予混合バーナ35の径方向外方に開口した環状の空気入口36に複数のセカンダリ燃料ノズル37が、周方向に等間隔で配置されている。セカンダリ燃料ノズル37はエンドカバー12に設けたセカンダリ燃料導入口33に接続されている。また、空気入口36には、セカンダリ燃料ノズル37の下流に位置するスワーラ38が配置されている。前記パイロット燃料導入口31、プライマリ燃料導入口32およびセカンダリ燃料導入口33には、図1の燃料供給装置9から燃料制御装置8を介して燃料Fが供給される。
A lean premix combustion type
プライマリ予混合バーナ21およびセカンダリ予混合バーナ35から燃焼室11内に噴射された予混合気Mが燃焼室11内で燃焼して第1の燃焼領域11aを形成する。燃焼筒10における第1の燃焼領域11aよりも下流側には、短いパイプを貫通させて形成された複数の追焚用空気孔44が周方向に等間隔に配設されている。ハウジングHにおける各追焚用空気孔44に対向する部分には、拡散燃焼型の追焚きバーナ47が、各々の燃料噴出孔を追焚用空気孔44に臨ませて取り付けられている。この追焚きバーナ47は、図1の燃料供給装置9から燃料制御装置8を介して供給された燃料Fを、追焚用空気孔44を通じて燃焼筒10内に噴射して、燃焼室11内の第1の燃焼領域11aの下流側に第2の燃焼領域11bを形成する。燃焼筒10におけるパイロットバーナ20および予混合バーナ21,35の下流側で追焚きバーナ47の上流側に点火プラグ40が装着されている。
The premixed gas M injected into the
つぎに、燃焼器2の動作について説明する。この燃焼器2は、起動時および拡散運転(非低NOX 運転)中にのみパイロットバーナ20を作動させ、その燃料通路28のパイロット噴射孔19から燃料Fを噴射して拡散燃焼させる。低NOX 運転中は、プライマリおよびセカンダリ予混合バーナ21,35を作動させ、第1の燃焼領域11aにおいて希薄燃焼させる。これにより、燃焼温度が低下して、NOX の発生が抑制される。さらに、追焚きバーナ47から噴出された燃料Fは、第1の燃焼領域11aによりかなりの高温になっている第2の燃焼領域11bに導入されるので、拡散燃焼であってもNOX の発生が抑制される。
Next, the operation of the
図3は燃料制御装置8を含むガスタービンGT全体のコントローラCTと燃焼器2とを備えた希薄予混合型燃焼装置を示す系統図である。この希薄予混合型燃焼装置は、構成を大別すると、圧縮機1からの圧縮空気Aのうち予混合バーナ21,35を通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段49と、求められた予混合空気流量に基づいて一定の空燃比となるように予混合バーナ21,35への第1燃料供給量を設定し、発電機出力指令値から、すなわちガスタービンGTの負荷に対応した総燃料供給量から第1燃料供給量を差し引いて追焚きバーナ47への第2燃料供給量を設定する燃料流量設定部50と、設定された第1および第2燃料供給量となるように予混合バーナ21,35と追焚きバーナ47のそれぞれに燃料Fを供給する燃料供給弁部51とを有している。これら空気流量取得手段49、燃料流量設定部50および燃料供給弁部51が、図1の燃料制御装置8を構成している。
FIG. 3 is a system diagram showing a lean premixed combustion apparatus including a controller CT and a
図3の空気流量取得手段49は、稼働に先立って予め実験的に得たコンプレッサマップを使用して予混合バーナ空気流量を求めるようになっている。先ず、このコンプレッサマップについて説明する。図1のガスタービン発電装置を実際に作動させて、図3の可変静翼角度調節機構6により調節される圧縮機1の可変静翼53の実角度と、回転速度計61により得られた回転軸5の回転速度、つまり圧縮機1の回転速度と、圧力センサ65により得られた圧縮機1の出口圧力とに基づき、図4に示すような圧縮機1の圧力比と空気流量との関係を示すコンプレッサマップを取得する。図4はコンプレッサマップの一例を示したもので、C1およびC2は、それぞれ圧縮機1の回転数が100%(定格回転数)時に可変静翼53の実角度が定格値の基準角度に対し10°および5°ずれたときの各特性曲線であり、C3およびC4は、それぞれ圧縮機1の回転数が90%時に可変静翼53の実角度が定格値の基準角度に対し10°および5°ずれたときの各特性曲線である。このコンプレッサマップは、図3の圧縮機空気量演算部60にデータテーブルとして記憶されている。
The air flow rate acquisition means 49 in FIG. 3 obtains the premixed burner air flow rate using a compressor map obtained experimentally in advance prior to operation. First, the compressor map will be described. 1 is actually operated, the actual angle of the variable stator blade 53 of the
空気流量指令部57は、発電機7の電力を計測した発電機出力検出信号S1に対応する負荷率(定格負荷に対する比率)を算出して、その負荷率に基づき求めた可変静翼角度指令信号S2および抽気弁開度指令信号S3をそれぞれ可変静翼角度調節機構6および抽気弁30に対し出力する。可変静翼角度調節機構6は、可変静翼53の取付角度を可変静翼角度指令信号S2に基づき調整して可変静翼53の流出角を変更することにより、圧縮機1を通過する圧縮機空気量を調節する。抽気弁30は、抽気弁開度指令信号S3に対応する弁開度に調節して、圧縮機1から送られる圧縮空気Aのうちの燃焼器2に送給する燃焼用空気BAおよび冷却用空気CAの各空気量に対し余剰となって外部に放出する抽気空気EAの放出量を調節する。これら可変静翼角度調節機構6と抽気弁30により、燃焼器2へ供給される空気量を発電機7の出力変動(負荷変動)に対応するように調節する。
The air flow rate command unit 57 calculates a load factor (ratio to the rated load) corresponding to the generator output detection signal S1 obtained by measuring the power of the
前記空気流量取得手段49では以下のような演算を行って予混合バーナ21,35の空気流量を求める。すなわち、圧縮機空気量演算部60は、可変静翼角度調節機構6、回転速度計61および圧力センサ65からそれぞれ入力される可変静翼角度検出信号S4、圧縮機回転速度検出信号S5および圧力検出信号S6より求める圧力比を図4に示したコンプレッサマップと対照することにより圧縮機空気量を求め、圧縮機空気量信号S7を出力する。ここで、圧縮機空気量とは、圧縮機1から送給される圧縮空気Aの総量であって、燃焼器2に送られる分と抽気弁30により抽出して放出される余剰分とを含んでいる。
The air flow rate acquisition means 49 calculates the air flow rates of the
一方、抽気空気量演算部62は、抽気弁30から入力する抽気弁開度検出信号S11に基づき抽気空気EAの流量を算出して、抽気空気量信号S12を出力する。第1の加減算器63は、前記圧縮機空気量信号S7から前記抽気空気量信号S12を減算して燃焼器空気量を算出し、燃焼器空気量信号S13を出力する。さらに、第1の乗算器64は、燃焼器空気量信号S13に予め求めた予混合バーナ流入空気流量係数を乗算して予混合バーナ空気流量を算出し、予混合バーナ空気流量信号S14を出力する。
On the other hand, the extraction air
燃料流量指令部67は、発電機出力指令値(負荷指令値)と発電機出力検出信号(負荷検出信号)S1とに基づいて、負荷変動に対応してフィードバック制御するための総燃料供給量、つまり所定の発電機出力を得るのに必要な総燃料供給量を算出し、総燃料供給量指令信号S16を出力する。前記燃料流量設定部50において、第2の乗算器68は、第1の乗算器64からの予混合バーナ空気流量信号S14にNOX 排出量が最小となる予混合バーナ最適燃空比を乗算し、常に、一定の空燃比となるように予混合バーナ21,35に供給する燃料流量である第1燃料供給量を算出して、第1の流量−弁開度変換部69に第1燃料供給量指令信号S17を出力する。第1の流量−弁開度変換部69は、第1燃料供給量指令信号S17が示す燃料供給量を得るための予混合バーナ弁72の弁開度を演算により算出して、予混合バーナ弁開度指令信号S18を出力する。
The fuel flow
一方、燃料流量設定部50の第2の加減算器70は、総燃料供給量指令信号S16の総燃料供給量から第1燃料供給量指令信号S17の第1燃料供給量を減算して追焚きバーナ47に供給する燃料流量である第2燃料供給量を算出して、第2の流量−弁開度変換部71に第2燃料供給量指令信号S19を出力する。第2の流量−弁開度変換部71は、第2燃料供給量指令信号S19が示す燃料供給量を得るための追焚きバーナ弁73の弁開度を演算により算出して、追焚きバーナ弁開度指令信号S20を出力する。
On the other hand, the second adder /
前記燃料供給弁部51では、予混合バーナ弁72が、第1の流量−弁開度変換部69からの予混合バーナ弁開度指令信号S18に対応する弁開度に調節されて、第1燃料供給量の燃料Fを予混合バーナ21,35に供給する。このとき、燃料Fは分配器75によりプライマリ予混合バーナ21とセカンダリ予混合バーナ35とに分配される。この予混合バーナ21,35への第1燃料供給量は、上述のように負荷変動に対応した予混合バーナ空気量に基づき最適空燃比となるように設定された燃料流量であるので、負荷の急激な変動が発生した場合であっても、希薄予混合燃焼方式である予混合バーナ21,35の空燃比が常に所要の一定値となるように制御されることから、失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持できるので、NOX の発生を抑制できる。起動時および拡散運転中のパイロットバーナ20への燃料供給の制御は、図示しないパイロットバーナ弁の弁開度の調節によりなされる。
In the fuel
一方、追焚きバーナ弁73は、第2の流量−弁開度変換部71からの追焚きバーナ弁開度指令信号S20に対応する弁開度に調節されて、前記第2燃料供給量の燃料Fを追焚きバーナ47に供給する。この第2燃料供給量は、指令された発電機出力を得るのに必要な総燃料供給量(S16に対応)から前記第1燃料供給量(S17に対応)を差し引いたものであるから、第1燃料供給量が負荷の変動に対して遅れて変動しても、第2燃料供給量(S20に対応)は急激に変動する。つまり、第1と第2の燃料供給量の合計は常に燃料流量指令部67で算出した総燃料供給量に一致するよう制御される。換言すれば、負荷の急激な変動に対応するよう総燃料供給量のうちの負荷変動による増加分または減少分が、第2燃料供給量として、時間遅れなく追焚きバーナ47に供給される。
On the other hand, the
ここで、追焚きバーナ47は、拡散燃焼型であるから、安定燃焼のための空燃比範囲が広いので、燃料供給量を急激に増減させても、失火や不完全燃焼のおそれが少ない。また、追焚きバーナ47は、第1の燃焼領域11aからの高温の燃焼ガスGによって高温になっている第2の燃焼領域11bに燃料Fを噴射するので、NOX の発生量を増加させない。特に、拡散バーナのみで燃焼させる場合と比べて、NOX の発生量が少なくなる。実測によると、追焚きバーナ47に供給する第2燃料供給流量は、総燃料供給流量に対し20〜25%までの供給割合の範囲内において、追焚きしない場合と比べてNOX が全く増加せず、むしろ僅かに減少することが確認されている。これにより、NOX の発生を抑制しながら、負荷の急激な変動に対する燃料供給量の追従性が向上する。
Here, the
つぎに、図5のタイミングチャートを参照しながら、負荷の急激な変動時における動作について説明する。同図(a)に示すように、負荷を急激に低下させる指令が出された場合、同図(d)に示すように、予混合バーナ21,35への空気供給量が負荷変動に対応して減少するように制御されるが、この空気供給量の制御は、可変静翼53の角度の変更による圧縮機1の空気流量の調節および抽気弁30の弁開度の可変による抽気空気EAの放出量の調節によって行われるので、応答速度が遅い。
Next, the operation at the time of a sudden change in the load will be described with reference to the timing chart of FIG. As shown in FIG. 11A, when a command for suddenly reducing the load is issued, the air supply amount to the
これに対し、同図(b)に示すように、希薄予混合燃焼式の予混合バーナ21,35に供給する第1燃料供給量は、可変静翼53の角度および抽気弁30の弁開度から求めた圧縮機空気量から抽気空気量を差し引いて燃焼器空気量を算出したのち、この燃焼器空気量に基づき算出した予混合バーナ21,35への空気供給量に基づき設定されるので、応答性の遅い予混合バーナ21,35への空気供給量の変化に対応したものとなる。これにより、同図(e)に示すように、予混合バーナ21,35の空燃比は、負荷の急激な変動にもかかわらず常に所要の一定値を維持するので、安定燃焼を保持してNOX の発生を抑制できる。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, the first fuel supply amount supplied to the lean premix combustion
一方、同図(c)に示すように、追焚きバーナ47に供給される第2燃料供給量は、負荷の急激な低下に対応するように設定された総燃料供給量のうちの第1燃料供給量の減少度合いが遅いのに伴って余剰となる燃料量だけリアルタイムに減少される。これにより、負荷の急激な低減に対する発電機出力の追従性が向上する。
On the other hand, as shown in FIG. 3C, the second fuel supply amount supplied to the
なお、前記実施形態では、予混合バーナ21,35への予混合バーナ空気流量を求めるに際して、コンプレッサマップを用いる場合を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機空気量もしくは予混合バーナ空気流量を空気流量計によって直接計測できる場合、コンプレッサマップは不要になる。
In the above embodiment, the case where the compressor map is used to determine the premix burner air flow rate to the
また、燃焼器2は、複数に限られず、いわゆる単缶式燃焼装置に見られるように、1つでもよい。拡散燃焼型バーナである追焚きバーナ47は、予混合バーナ21,35の下流側に配置される必要はなく、上流側またはガス流れ方向の同一位置に配置してもよい。
Further, the number of the
1 圧縮機
3 タービン
21,35 予混合バーナ
30 抽気弁
47 追焚きバーナ
49 空気流量取得手段
50 燃料流量設定部
51 燃料供給弁部
53 可変静翼
A 圧縮空気
DESCRIPTION OF
Claims (6)
少なくとも一つの予混合バーナと、
少なくとも一つの拡散燃焼型の追焚きバーナと、
前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段と、
負荷に対応した総燃料供給量を算出する燃料流量指令部と、
求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第1燃料供給量を算出する乗算器、および前記総燃料供給量から前記第1燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第2燃料供給量を算出する加減算器を有する燃料流量設定部と、
前記第1および第2燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給する燃料供給弁部と、
を備えた希薄予混合型燃焼装置。 A combustion apparatus for combusting compressed air and fuel supplied from a compressor and supplying combustion gas to a turbine,
At least one premix burner;
At least one diffusion combustion type burner,
An air flow rate acquisition means for obtaining a premix burner air flow rate through the premix burner of the compressed air;
A fuel flow rate command unit for calculating a total fuel supply amount corresponding to the load ;
A multiplier for calculating a first fuel supply amount to the premix burner based on the determined premix burner air flow rate, and the first fuel supply amount from the total fuel supply amount; A fuel flow rate setting unit having an adder / subtractor for subtracting the value to calculate the second fuel supply amount to the additional burner;
A fuel supply valve unit for supplying fuel to each of the premixed burner and the reheating burner so that said first and second fuel supply amount,
A lean premixed combustion device.
前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求めるステップと、
負荷に対応した総燃料供給量を算出するステップと、
求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第1燃料供給量を算出するステップと、
前記総燃料供給量から前記第1燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第2燃料供給量を算出するステップと、
前記第1および第2燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給するステップと、
を備えた希薄予混合型燃焼装置の制御方法。 A method of controlling a combustion apparatus comprising at least one premixing burner and at least one diffusion combustion type reheating burner, which burns compressed air and fuel supplied from a compressor and supplies combustion gas to a turbine. And
Obtaining a premix burner air flow rate through the premix burner of the compressed air;
Calculating a total fuel supply corresponding to the load;
Calculating a first fuel supply amount to the premix burner so as to obtain a constant air-fuel ratio based on the determined premix burner air flow rate ;
Calculating a second amount of fuel supplied to the reheating burner from said total fuel supply amount by subtracting said first fuel supply amount,
And supplying fuel to each of said first and second fuel supply amount and the premixed burner and the reheating burner so,
A control method for a lean premixed combustion apparatus comprising:
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