JP5183692B2

JP5183692B2 - 高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置

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Publication number: JP5183692B2
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Description

本発明は、高湿分空気利用ガスタービンに搭載する低ＮＯｘガスタービン燃焼器を安定に運用する高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置に関する。

公知例の特開２００８−１７５０９８号公報には、ガスタービン作動流体（空気）に水分を添加して加湿し、この加湿空気によってガスタービン排ガスの持つ熱エネルギーを回収することで、出力及び効率の向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、水分添加開始の前後に燃焼器の低ＮＯｘ性能を確保しつつ火炎の安定性を維持可能にする燃料制御に関する技術が開示されている。

一般に、ガスタービン起動時の回転数上昇時には、圧縮機吸込み空気流量や回転体の振動特性が変化するため、定格回転数到達後に比べると外乱により系が不安定になりやすい傾向がある。高湿分ガスタービンプラントにおいても、回転数上昇途中に水分添加を開始するとガスタービンに対して外乱を与えることになるため、起動時の安定性を確保するためには定格回転数到達後の部分負荷状態で水分添加を開始する方が望ましい。

一方、ガスタービン燃焼器で発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）は、天然ガスや灯油、軽油等の窒素含有量の少ない燃料を用いる場合、空気中の窒素が酸化されて発生するサーマルＮＯｘが大部分である。サーマルＮＯｘの生成は温度依存性が高いため、一般にこれらの燃料を使用するガスタービンでは、火炎温度の低減が低ＮＯｘ燃焼法の基本思想である。

火炎温度を低減する方策として、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼が知られている。また、高湿分ガスタービンプラントのように、再生器により燃焼用空気が高温化されている場合には、燃料の自発火を防止しつつ火炎温度を適度に制御して低ＮＯｘ化を図る必要があり、そのためには、前記特開２００８−１７５０９８号公報に開示されているように、燃料と空気を多数の小径の同軸噴流としてガスタービン燃焼室に噴出して燃焼させる技術が有効である。

このような低ＮＯｘ化を図るガスタービン燃焼器では、低ＮＯｘ性能と火炎の安定性を両立させるために燃料流量と空気流量の比である燃空比を所定の範囲に調節することが肝要である。

公知例の特開平０７−１８９７４３号公報には、一般のガスタービンに使用される低ＮＯｘガスタービン燃焼器として、ガスタービンの運用にともなう圧縮機入口案内弁の開度変化、大気温度変化、大気圧力変化に起因する空気流量の変化や、燃料温度および燃料発熱量変化に起因する燃料流量の変化に基づいて、ガスタービン燃焼器に供給する燃料流量と空気流量の比を調整する制御装置に関する技術が開示されている。

特開２００８−１７５０９８号公報特開平０７−１８９７４３号公報

高湿分ガスタービンプラントで水分添加が開始されると、ガスタービン燃焼器では燃焼空気中の湿分が増加するため、燃料の燃焼熱が湿分に奪われて火炎温度が低下してＮＯｘ発生量は減少する。また、水分の添加によってタービン作動流体の流量が増加するため、回転数を一定に保持するために燃料が減少することによっても火炎温度が低下してＮＯｘ発生量は減少する。

さらにガスタービン燃焼器で燃焼する火炎温度が低下したことにより、再生器での回収熱量が減少するため、燃焼空気温度が低下することによっても火炎温度が低下し、ＮＯｘ発生量は減少する。

このように水分添加が開始されることよって、（１）湿分増加、（２）燃料減少、（３）空気温度低下が同時に進行して火炎温度が低下するため、ＮＯｘ発生量は減少するが、逆に火炎の安定性は悪くなる。

そこで、あらかじめ水分添加を考慮してガスタービン燃焼器に供給する空気配分を設定しておけば、高湿分条件で火炎の吹き消えが生じないようにガスタービン燃焼器の頭部の予混合部または同軸噴流部に供給する空気流量を適切に設定することができる。

しかしながら、このようにガスタービン燃焼器に供給する空気配分が設定されたガスタービン燃焼器では、水分添加開始前には上記とは逆に火炎温度が高くなるため、火炎の安定性は確保されるもののＮＯｘ発生量は増加する傾向がある。

すなわち、高湿分利用ガスタービンにおいては、水分添加開始前後で、ガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対して大きな条件変化が生ずるため、このような条件変化に対してもガスタービン燃焼器を低ＮＯｘ化し、安定燃焼する制御手段が求められる。

そこで、前記特開２００８−１７５０９８号公報に開示されたように、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備えたガスタービン燃焼器の一部の燃焼部を他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部（空気流に旋回成分を与える空気孔を備えた燃焼部）で構成し、増湿開始後の所定の間、保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度が増湿開始前の燃焼ガス温度以上となるように、保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の比率を大きく設定して燃料を制御すれば、加湿後の燃焼安定性を確保することができる。

しかしながら、発明者らが、高湿分ガスタービンのパイロットプラントを用いて、上記のような加湿開始時の燃焼安定性を検証したところ、加湿開始後に増湿器供給水量を一定の条件で保持した場合においても、ガスタービン燃焼器での燃焼の安定性確保に必要な燃料の比率が時間の経過と共に徐々に変化することが分かった。

また、その後の試験データ解析によって、上記したような時間の経過と共に生じる燃料の比率の変化は、加湿開始に圧縮空気中の湿分が徐々に増加することに起因するものと推測された。すなわち、加湿状態において増湿器供給水量を一定の条件で保持した場合であっても、圧縮空気中の湿分の増加にはある遅れがあり、この遅れがガスタービン燃焼器での燃焼の安定性や低ＮＯｘ性に影響する程度の時間スパンおよび変化幅を持つことが判明した。

このような圧縮空気中の湿度の変化に対して、前記特開平０７−１８９７４３号公報に開示されているような制御装置の技術を適用して燃焼の安定性を確保する場合は、圧縮空気中の湿分を計測し、その値を基に燃料流量割合を制御することが考えられる。

しかしながら、増湿器出口の空気は飽和条件でかつ１００℃前後の高温であり、増湿器出口にセンサーを設置した場合、このセンサーによる湿度計測は誤差が大きくなる可能性がある。また、再生器出口の空気は飽和条件ではないものの４５０℃〜６５０℃と高温であり、再生器出口にセンサーを設置した場合、再生器出口のセンサーには高い耐熱性が要求されるという課題がある。

本発明の目的は、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器への水分添加の開始後でガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対する過渡的な条件変化が生じた場合に、ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定して燃焼させることを可能にした高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置を提供することにある。

本発明の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法は、圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと燃焼用空気を供給する複数の空気流路とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち一部の燃焼部に他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率の設定を、前記増湿器による圧縮空気への加湿開始前の条件をもとに設定される値から加湿開始後の条件をもとに設定される値へ変化させる際に前記比率変化に一次応答遅れを与えて設定することによって前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする。

また本発明の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法は、圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと同軸となるように空気孔プレートに形成された燃焼用空気を供給する複数の空気孔とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち、空気孔プレートの内周側に位置する燃焼部に空気孔プレートの外周側に位置する他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率の設定を、前記増湿器による圧縮空気への加湿開始前の条件をもとに設定される値から加湿開始後の条件をもとに設定される値へ変化させる際に前記比率変化に一次応答遅れを与えて設定することによって前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする。
本発明の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置は、圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと燃焼用空気を供給する複数の空気流路とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち一部の燃焼部に他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率を設定する燃料流量比率設定器と、
前記増湿器による圧縮空気への加湿開始前の条件および加湿開始後の条件をもとに前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を設定するバイアス設定器と、前記燃料比率のバイアス量が変化時に１次遅れを発生させる１次遅れ要素と、前記バイアス設定器の出力と前記１次遅れ要素の出力を加算して前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率を算出する加算器を備えて、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする。
また本発明の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置は、圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと同軸となるように空気孔プレートに形成された燃焼用空気を供給する複数の空気孔とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち、空気孔プレートの内周側に位置する燃焼部に空気孔プレートの外周側に位置する他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率を設定する燃料流量比率設定器と、前記増湿器による圧縮空気への加湿開始前の条件および加湿開始後の条件をもとに前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を設定するバイアス設定器と、前記燃料比率のバイアス量が変化時に１次遅れを発生させる１次遅れ要素と、前記バイアス設定器の出力と前記１次遅れ要素の出力を加算して前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率を算出する加算器を備えて、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする。

本発明によれば、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器への水分添加の開始後でガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対する過渡的な条件変化が生じた場合に、ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定して燃焼させることを可能にした高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置が実現できる。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンの構成を示すシステム系統図。本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御装置が適用されるガスタービン燃焼器に設けられた燃料ノズルの構成図。図２に示したガスタービン燃焼器の燃料ノズルの空気孔プレートを示す正面図。第１実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置による高湿分空気利用ガスタービンシステムの運転方法の一例を表す制御特性図。本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置の機能を止めた場合の高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御方法の一例を表す特性図。本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置の機能を働かせた場合の高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御方法の一例を表す特性図。本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置の機能を止めた場合の高湿分空気利用ガスタービンシステムの加湿停止時の制御方法の一例を表す特性図。本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置の機能を働かせた場合の高湿分空気利用ガスタービンシステムの加湿停止時の制御方法の一例を表す特性図。本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御装置の構成を示す制御ブロック図。本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御装置の構成を示す制御ブロック図。

本発明の実施例である高湿分空気利用ガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置について図面を引用して以下に説明する。

本発明の第１実施例である高湿分空気利用ガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置について図１乃至図９を用いて説明する。

図１は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御装置が適用される高湿分空気利用ガスタービンの全体構成を表すシステム系統図である。

図１において、本実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御装置が適用される発電用の高湿分空気利用ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮した圧縮空気と燃料とを燃焼して高温の燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器２と、ガスタービン燃焼器２で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービン３と、圧縮機１で圧縮した圧縮空気を加湿する増湿器４と、増湿器４で加湿した空気を前記タービン３から排出される排ガスによって加熱して前記ガスタービン燃焼器２に燃焼用空気として供給する再生熱交換器５を備えており、前記タービン３の出力により発電機２０を回転させ電力を得ている。

ガスタービン燃焼器２は、燃焼器ケーシング７、及び燃焼器カバー８の内部に格納されている。ガスタービン燃焼器２の上流端中央には燃料ノズル９があり、その下流には、未燃の空気と既燃の燃焼ガスを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０がある。
また、本実施例の高湿分ガスタービンでは、圧縮機１入口のガスタービン吸い込み空気１００に水３００を噴霧する吸気噴霧装置１１を備えている。水噴霧後の空気１０１（大気圧）を圧縮機１で圧縮した高圧空気１０２は、増湿器４において水分を添加され加湿空気１０３となる。空気の加湿方法としては、濡壁塔或いは増湿塔による加湿が知られている。

増湿器４で水分を添加された加湿空気１０３は、再生熱交換器５に導かれ、ガスタービン排気ガス１０７（タービン出口低圧燃焼ガス）との熱交換により加熱されて、再生器通過後の高温空気１０４となり燃焼器ケーシング７へと注入される。

燃焼器ケーシング７内での空気は、燃焼器ライナ１０の外側の概して環状の空間を通って燃焼器頭部へ向かって流れ、途中燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。また、その一部（１０５）は燃焼器ライナ１０に設けられた冷却孔から燃焼器ライナ内へ流入し、フィルム冷却に使用される。残りの空気（３６）は、後述する空気孔３２から燃焼器ライナ１０内に流入し、燃料ノズル３１から噴出される燃料とともに燃焼に使用され、高温の燃焼ガス１０６となってタービン３へと送られる。

タービン３を出た低圧のガスタービン排気ガス１０７は再生熱交換器５で熱回収された後、給水加熱器１２、水回収装置１３を経て、排気ガス１０８として排気塔１４から排気される。また、燃焼排ガス中の水分は途中の水回収装置１３で回収する。本図では、水回収の方式として煙道に水を噴霧し、ガス中の水分を凝集、落下させて回収する方式となっている。

タービン３で得られた駆動力はシャフト２１を通じて圧縮機１及び発電機２０に伝えられる。駆動力の一部は圧縮機１において空気の加圧に用いられる。また、発電機２０で駆動力を電力に変換する。
水回収装置１３及び増湿器４の底部から回収した水は、水回収装置１３への噴霧水あるいは増湿器４への加湿水として再利用する。

高湿分ガスタービン発電プラントの出力である発電量ＭＷは、燃料流量調整弁（２１１、２１２）の開閉により制御する。一方、空気への加湿量は増湿器４への加湿水量を調整弁３１１で制御する。

図２は本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置が適用されるガスタービン燃焼器２に備えられた燃料ノズル９の構造を示した部分拡大図である。
ガスタービン燃焼器２を構成する燃焼器カバー８の燃料ノズルヘッダ３０に多数の燃料ノズル３１が取り付けられており、それらの各ガスタービン燃焼器２に対応した空気流路をそれぞれ形成する多数の空気孔３２を備えた空気孔プレート３３が、サポート３４を介して燃焼器カバー８に取り付けられた構造となっている。

一対の燃料ノズル３１と空気孔３２はほぼ同心状に配置されており、中央に燃料噴流３５、その周囲に空気３６の同軸噴流を多数形成することができる。この同軸噴流構造により、空気孔３２内では燃料−空気は未混合であるため、高湿分ガスタービンの様に燃焼空気が高温であっても、燃料の自発火は発生せず、空気孔プレート３３を溶損するようなことなく、信頼性の高いガスタービン燃焼器２にすることができる。

また、このような小さな同軸噴流を多数形成することにより、燃料と空気の界面が増加し混合が促進するため、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。かくして、高湿分ガスタービンに前記ガスタービン燃焼器２を採用した場合においても低ＮＯｘ化と安定燃焼を両立することが可能となる。

図３は本実施例のガスタービン燃焼器２を構成する空気孔プレート３３を燃焼器下流側から見た正面図である。本実施例のガスタービン燃焼器２において、多数の空気孔３２（および、図示されていないが空気孔３２と対を成す燃料ノズル３１）は空気孔プレート３３の半径方向内周側から半径方向外周側にかけて環状の空気孔列が同心状に８列配置されている。

前記ガスタービン燃焼器２の燃焼部を形成するバーナは、中心側の４列（第１列〜第４列）が第１群（Ｆ１）の燃焼部を形成するＦ１バーナ、第５列が第２群（Ｆ２）の燃焼部を形成するＦ２バーナ、その外側の２列（第６、７列）が第３群（Ｆ３）の燃焼部を形成するＦ３バーナ、最外周（第８列）が第４群（Ｆ４）の燃焼部を形成するＦ４バーナとそれぞれ群分けされており、図２に示した様に、Ｆ１バーナ〜Ｆ４バーナのそれぞれの群ごとにヘッダ３０に設けたフランジ（４１〜４４）を通じて燃料が燃料ノズル３１から供給できる様に燃料系統が群分けして配設されている。

このような燃料系統の群分け構造を採用することにより、ガスタービン燃焼器２に供給する燃料流量変化に対して燃料供給する燃料ノズルの本数を段階的に変化させる燃料ステージングが可能となり、ガスタービン部分負荷運転時におけるガスタービン燃焼器２の燃焼安定性が高まるとともに低ＮＯｘ化が可能となる。

さらに中央の４列（Ｆ１）の燃焼部を形成するＦ１バーナを構成する空気孔プレート３３の空気孔３２はピッチ円接線方向に角度（図３中のα°、本実施例では１５°としている）を持った斜め穴に形成することで、この空気孔３２を流下する空気流全体に旋回をかけ、生じる循環流によって火炎を安定化させている。

Ｆ１バーナの外周側に配設したＦ２バーナ〜Ｆ４バーナは、中央のＦ１バーナの燃焼熱によって火炎が安定化される。したがって、高湿分ガスタービンにおいて加湿が開始され、燃焼用空気の湿分が増加する際には、ガスタービン燃焼器２のＦ１バーナに供給する燃料流量を増加させ、局所的に高温な部分を設けることで、Ｆ１火炎の燃焼安定性が向上する。

Ｆ１燃料の増加分、Ｆ２バーナ以降のバーナの燃料流量は減少するが、これらの火炎はＦ１バーナの燃焼熱によって火炎が安定化されているため、バーナ全体として、燃焼安定性が確保される。

本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置によるガスタービン燃焼器２の運転方法について図４に示した高湿分空気利用ガスタービンシステムの運転方法の一例を表す制御特性図を参照して説明する。

図４の横軸は起動開始からの時刻、縦軸は上から回転数、発電量、増湿器供給水量、全体の燃料流量、燃焼ガス温度、Ｆ１バーナ〜Ｆ４バーナに燃料を供給する各燃料系統の個別燃料流量（Ｆ１流量〜Ｆ４流量）を模式的に表したものである。

また、期間ａは起動から定格回転数に達するまでの回転数昇速期間、期間ｂはガスタービン起動中の増負荷期間、期間ｃは起動終了後の負荷追従運転期間をそれぞれ表す。また、増負荷期間ｂは前半の水分無添加期間ｂ１と水分添加期間ｂ２に分かれている。

本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置によるガスタービン燃焼器２の運転方法においては、まず、制御装置４００からの指令によって燃料流量が比較的少ない着火および昇速時はガスタービン燃焼器２の軸心側に位置するＦ１バーナのみを燃焼させて運転（すなわち図２の燃料系統２０１のみに燃料を供給）し、定格回転数無負荷条件付近まで昇速させる。このＦ１バーナの単独燃焼を今後の説明では１／４モードと呼ぶことにする。

次にそれ以降の負荷上昇過程（期間ｂ）では、ガスタービン燃焼器２のＦ１バーナの外周側に設置したＦ２バーナに燃料を投入して、Ｆ１＋Ｆ２で運転する。すなわち、燃料系統２０１及び２０２に燃料を供給し、制御装置４００からの指令によってこれらの燃料系統２０１及び２０２にそれぞれ設置された流量制御弁２１１及び２１２の開度を調節することにより各燃料流量を制御する。このときを２／４モードと呼ぶことにする。

次に、さらにガスタービン燃焼器２のＦ２バーナの外周側に設置したＦ３バーナに燃料を投入する燃料系統２０３に燃料を供給し、Ｆ３バーナに着火した状態を３／４モードと呼ぶ。ここまでの過程では高湿分空気利用ガスタービンの増湿器４には水分が添加されていない（ｂ１）。すなわち図１に示した高湿分空気利用ガスタービンの増湿器４に供給する水の流量を調節する増湿器給水弁３１１は全閉であり、増湿器バイパス弁３１２の開度によって再生熱交換器５の下流側に設置された給水過熱器１２を流れる水量が制御されている。

また、この間の燃料流量増加は、ガスタービンの起動計画に定められた負荷上昇率に従ってガスタービン発電量が増加する様に、流量制御弁２１１、２１２及び２１３の開度を調節することによってＦ１バーナ、Ｆ２バーナ、Ｆ３バーナに供給する燃料流量が制御される。また、Ｆ１バーナ、Ｆ２バーナ、Ｆ３バーナに供給する各燃料系統２０１乃至２０３の燃料流量配分は、ガスタービン燃焼器２の燃焼が安定しかつ生成するＮＯｘが最小となる様に定められた比率で供給される。

本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置においては、この３／４モードで高湿分空気利用ガスタービンの増湿器４への水分添加を開始する。加湿開始指令により増湿器給水弁３１１が開き、開度に応じた流量の給水が増湿器４へと注入される。同時に、増湿器バイパス弁３１２は、給水過熱器１２を流れる水量が所定の値となるよう制御されながら、開度を減少し最終的には全閉状態となる。

その後は増湿器給水弁３１１の開度を制御することで、給水過熱器１２を流れる水量が所定の値となるよう調整される。

このとき、ガスタービンの起動計画に定められた負荷上昇率に従ってガスタービン発電量が増加する様に、ガスタービン燃焼器２に供給する燃料流量が制御される。そのうち、Ｆ１バーナに供給する燃料は、ガスタービン燃焼器２の燃焼の安定性確保に主要な役割を担うため、加湿開始前に対して加湿開始後には、全燃料流量に対するＦ１バーナに供給する燃料流量の比率が大きくなるように設定される。

発電量またはタービン排ガス温度が所定の量に達した時点で、高湿分ガスタービンの起動が完了し、その後は、負荷の増減に合わせて燃料流量が増減することで負荷追従する（期間ｃ）。高負荷運転時においては、主としてガスタービン燃焼器２の最外周に設置されたＦ４バーナの燃料流量を増減させて対応する。

このときＦ４バーナに供給する燃料と空気の混合気は、Ｆ１〜Ｆ３バーナの燃焼ガスと混合して高温になるため、燃料の酸化反応が進行し、高い燃焼効率を得ることができる。

また燃焼完結後の温度をＮＯｘ生成が顕著となる温度（おおよそ１６００℃）以下になるよう空気配分が設定されているため、Ｆ４バーナからのＮＯｘ発生をほとんど零とする燃焼が可能となる。またＦ４バーナに投入した燃料がごくわずかでも反応が完結するため、連続的な燃料切り換えが可能となり、運用性が向上する。

図５に示した特性図は、本実施例のガスタービン燃焼器２に設けた燃料制御装置４００を構成する一次遅れ要素４０５の機能を止めた場合の高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御方法の一例を表す特性図を示すものである。

図５の横軸は加湿開始指令からの経過時間である。図１に示す燃料制御装置４００から加湿開始指令が発せられると、増湿器給水弁３１１が開き、開度に応じた流量の給水が増湿器４へと注入される。

その時間は図５中にＴ_０で示した時間であり、弁の応答速度によるが、数十秒から１分程度の時間である。このとき増湿器給水弁３１１の弁開度または増湿器４に注入される水量測定値をもとにＦ１バーナに供給する燃料流量のバイアス量であるＦ１バイアス量を決定することができ、その変化の時間はやはりＴ_０となり、数十秒から１分程度の時間である。

ところで、発明者らの検証試験によれば、増湿器４への供給水量が一定となった後も、圧縮空気中の湿分は、図５中の点線のように徐々に増加して、やがて一定の値に落ち着くことが分かった。それまでの時間はおおよそ１０分から１５分程度であり、この湿分増加の遅れを１次遅れと見ると、その時定数τは数分（３分から６分の間）のオーダーであった。

この間、すなわち圧縮空気中の湿分が一定の値に落ち着くまでの１０分から１５分程度の間は、増湿器４への供給水量から求められるＦ１バーナに供給する燃料のＦ１バイアス量が、湿分から求められる適度なＦ１バイアス量よりも多くなるため、燃焼安定性は確保されるもののＮＯｘ生成量が多くなる状況となる。

そこで、本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御方法および燃料制御装置においては、燃料制御装置４００に設置した一次遅れ要素４０５によって増湿器４への供給水量から求めたＦ１バイアス量に１次応答遅れを与えることによって、図６に本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置の機能を働かせた場合の高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御方法の一例を表す特性図として示したように、Ｆ１バイアス量の変化は空気中湿分の変化と同様な挙動を示すように改善され、本実施例のガスタービン燃焼器２を低ＮＯｘかつ安定燃焼可能なＦ１バイアス量に近づけることができ、よってＮＯｘ生成量を抑えつつ燃焼安定性を確保するガスタービン燃焼器２が得られる。

以上は、加湿開始時の挙動についての説明であるが、本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御方法および燃料制御装置は加湿停止時に適用すると、より大きな効果が得られる。

次に加湿停止時に適用する本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御方法および燃料制御装置について図７および図８を用いて説明する。

図７に示した特性図は、本実施例のガスタービン燃焼器２に設けた燃料制御装置４００を構成する一次遅れ要素４０５の機能を止めた場合の高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御方法の一例を表す特性図を示すものである。

図７の横軸は加湿停止指令からの経過時間である。図１に示す燃料制御装置４００から加湿開始指令が発せられると、図１の増湿器バイパス弁３１２が開き、開度に応じた流量の給水が水回収器１４へと注入される。同時に増湿器給水弁３１１の開度が減少し、増湿器４へ注入される水量が減少する。

その時間は図７中にＴ_０で示した時間であり、加湿開始時に図５で示したＴ_０と同等の数十秒から１分程度の時間である。このとき増湿器給水弁３１１の弁開度または増湿器に注入される水量をもとにＦ１バーナに供給する燃料流量のバイアス量であるＦ１バイアス量を決定することができ、その変化の時間はやはりＴ_０となり、数十秒から１分程度の時間である。

ところで、図５および図６における説明と同様に、増湿器４への供給水量がゼロとなった後も、圧縮空気中の湿分は、図７中の点線のように徐々に減少して、やがて加湿開始前の一定の値に落ち着く。そのため、圧縮空気中の湿分が一定の値に落ち着くまでの間は、Ｆ１バイアス量が湿分から求められる適度なＦ１バイアス量よりも少なくなることから、燃焼安定性が失われる状況となる。

そこで、本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御方法および燃料制御装置においては、制御装置４００に設置した一次遅れ要素４０５によって増湿器４への供給水量から求めたＦ１バイアス量に１次応答遅れを与えると、図８に本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置の機能を働かせた場合の高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御方法の一例を表す特性図として示したように、空気中湿分から求められる最適値に近づけることができるため、本実施例のガスタービン燃焼器２をＮＯｘ生成量を抑えつつ燃焼安定性を確保することができる。

上記した構成の本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置を用いない場合、加湿開始時はＮＯｘ生成量は多くなるものの火炎安定性は保たれるため、火炎消失によるガスタービントリップは生じる恐れは無いが、加湿停止時は火炎安定性が損なわれるため、火炎消失によるガスタービントリップに至る可能性もある。上記した構成の本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置によれば、このような状況も解決することができるため、特に加湿停止時に適用すると効果が大きい。

図９は本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００の制御ブロックの一例を示したものである。

本実施例であるガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００は、減算器４０１と、燃料流量制御器４０２と、燃料流量比率設定器４０３と、Ｆ１バイアス設定器４０４と、１次遅れ要素４０５と、加算器４０６と、実燃料制御器４０７を備えている。

そして前記燃料制御装置４００では、予め定められた発電量増加率に従うように与えられた負荷指令ＭＷＤと実際の発電量ＭＷの差を減算器４０１で求め、この減算器４０１で求めた負荷指令ＭＷＤと実際の発電量ＭＷの差に基づいて燃料流量制御器４０２でガスタービン燃焼器２に供給する燃料流量指令値４１０を演算する。

燃料流量制御器４０２で演算した燃料流量指令値４１０に基づいて燃料流量比率設定器４０３でガスタービン燃焼器２に設置されたＦ１バーナ〜Ｆ４バーナに供給する燃料の各燃料流量比率（４１１〜４１４）をそれぞれ演算する。

次に、高湿分空気利用ガスタービンシステムの増湿器４に供給する供給水量の計測値４１５に基づいて、Ｆ１バイアス設定器４０４によってガスタービン燃焼器２に設置されたＦ１バーナに供給する燃料にバイアスするＦ１バイアス４１６を演算する。

Ｆ１バイアス設定器４０４で演算したＦ１バイアス４１６に基づいて１次遅れ要素４０５でＦ１バイアス（遅れ）４１７を演算し、このＦ１バイアス（遅れ）４１７と前記燃料流量比率設定器４０３で演算した燃料流量比率（４１１）との和を加算器４０６で演算して、前記加算器４０６で演算したＦ１バイアス（遅れ）４１７と燃料流量比率（４１１）との和を実燃料制御器４０７に入力するように構成している。

実燃料制御器４０７では、Ｆ１バーナ〜Ｆ４バーナの各燃料流量比率（４１１〜４１４）および燃料流量指令値４１０で演算した燃料流量指令値４１０を入力し、Ｆ１〜Ｆ４各燃焼系統の流量または弁開度（２１１〜２１４）をそれぞれ演算して出力して、前記ガスタービン燃焼器２に設置されたＦ１バーナ〜Ｆ４バーナに供給する燃料の流量を調節する燃料流量制御弁２１１〜２１４の弁開度を制御するように構成している。

かくして、図９に示した制御ブロックを備えた燃料制御装置４００によって、図６および図８の制御特性図に示したＦ１バイアス量を演算することが可能となる。

本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００においては、Ｆ１バイアス設定器４０４の入力４１５として、増湿器４に供給する増湿器供給水量４１５の計測値の例を示したが、増湿器４に給水する供給水量制御弁３１１の開度信号でも代用できる。この場合は供給水量制御弁３１１の弁前後の圧力条件の変動によって流量実測値の場合と比べると精度は劣るが、増湿器供給水量４１５を計測する流量計が不要となるため、制御系が簡便となる。あるいは、より簡便に実施するため、加湿開始指令を入力値とすることも考えられる。

本実施例によれば、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器への水分添加の開始後でガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対する過渡的な条件変化が生じた場合に、ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定して燃焼させることを可能にした高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置が実現できる。

次に、本発明の第２実施例である高湿分空気利用ガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置について図１０を用いて説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置は先の第２実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置と基本的な構造は共通しているので、両者に共通した構成は説明を省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。

図１０は本発明の第２実施例である高湿分空気利用ガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器の燃料制御装置について示しており、図９に示した第１実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置４００と異なる点は、燃料制御装置４００を構成する１次遅れ要素４０５に入力する時定数４１８を算出するために、むだ時間要素４２０、減算器４０８及び時定数設定器４０９を更に設けた点にある。

図９に示した第１実施例のガスタービン燃焼器３の燃料制御装置４００においては、燃料制御装置４００に設置した１次遅れ要素４０５に入力する時定数４１８は一定の値であった。この値は、例えば試運転時に得られたデータをもとに予め選定し、常に一定値で使用することもできる。

しかしながら、増湿器４への給水流量の変化が比較的大きい加湿開始前後のような場合と、加湿開始後の負荷運転時の水量変動のように増湿器４への給水流量の変化が比較的小さい場合では、最適な時定数も異なることになる。

そこで本実施例のガスタービン燃焼器３の燃料制御装置４００においては、増湿器４に供給する給水を計測した給水流量計測値４１５の時間変化量を減算器４０８で計算するが、そのために、計測した給水流量計測値４１５から、むだ時間要素４２０を経由させた給水流量計測値４１５を減算器４０８で減算することで給水流量計測値４１５の時間変化量を計算し、この減算器４０８で計算した給水流量計測値４１５の時間変化量の値に基づいて時定数設定器４０９によって最適な時定数４１８を演算して１次遅れ要素４０５の入力とするものである。

１次遅れ要素４０５ではこの時定数４１８を用いて、前記Ｆ１バイアス設定器４０４によって演算したガスタービン燃焼器２のＦ１バーナに供給する燃料にバイアスするＦ１バイアス４１６に対して１次遅れ要素を加えたＦ１バイアス４１７を演算して前記加算器４０６に出力するように構成されている。

以上説明した構成を備えた本実施例のガスタービン燃焼器３の燃料制御装置４００においては、第１実施例のスタービン燃焼器３の燃料制御装置４００について述べたような、加湿前後の増湿器４への給水流量の変化が大きい場合に、低ＮＯｘで安定なガスタービン燃焼器を提供するだけでなく、加湿開始後の負荷運転時の水量変動のように増湿器４への給水流量の変化が比較的小さい場合においても、ガスタービン燃焼器３のＦ１バイアスの変化を湿分変化に追従させることが可能となり、ガスタービン燃焼器３の燃焼状態を常に安定に保持できる。

本発明は、高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置に適用可能である。

１：圧縮機、２：ガスタービン燃焼器、３：タービン、４：増湿器、５：再生熱交換器、７：燃焼器ケーシング、８：燃焼器カバー、９：燃料ノズル、１０：燃焼器ライナ、１１：吸気噴霧装置、１２：給水加熱器、１３：水回収装置、１４：排気筒、２０：発電機、２１：シャフト、３０：燃料ヘッダ、３１：燃料ノズル、３２：空気孔、３３：空気孔プレート、３４：サポート、３５：燃料噴流、３６：空気噴流、４１：Ｆ１燃料フランジ、４２：Ｆ２燃料フランジ、４４：Ｆ４燃料フランジ、１００：ガスタービン吸い込み空気（大気圧）、１０１：水噴霧後の吸い込み空気（大気圧）、１０２：圧縮空気、１０３：再生器前低温高湿空気、１０４：再生器通過後高温高湿空気１０５：ライナ冷却空気、１０６：高温燃焼ガス、１０７：タービン出口低圧燃焼ガス、１０８：排気筒排気ガス、２００：燃料、２０１：Ｆ１燃料、２０２：Ｆ２燃料、２０３：Ｆ３燃料、２０４：Ｆ４燃料、２１０：燃料遮断弁、２１１：Ｆ１燃料制御弁、２１２：Ｆ２燃料制御弁、２１３：Ｆ３燃料制御弁、２１４：Ｆ４燃料制御弁、３００：圧縮機吸気噴霧水、３０１：増湿器給水、３１０：圧縮機吸気噴霧水量制御弁、３１１：増湿器給水量制御弁、３１２：増湿器バイパス弁、４０１、４０８：減算器、４０２：燃料流量制御器、４０３：燃料流量比率設定器、４０４：Ｆ１バイアス設定器、４０５：１次遅れ要素、４０６：加算器、４０７：実燃料制御器、４０９：時定数設定器、４１０：燃料流量指令値、４１１：Ｆ１燃料比率、４１２：Ｆ２燃料比率、４１３：Ｆ３燃料比率、４１４：Ｆ４燃料比率、４１５：増湿器供給水量、４１６：Ｆ１バイアス、４１７：Ｆ１バイアス（補正）。

Claims

圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器であって、
前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと燃焼用空気を供給する複数の空気流路とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち一部の燃焼部に他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率の設定を、前記増湿器による圧縮空気への加湿開始前の条件をもとに設定される値から加湿開始後の条件をもとに設定される値へ変化させる際に前記比率変化に一次応答遅れを与えて設定することによって前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器であって、
前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと同軸となるように空気孔プレートに形成された燃焼用空気を供給する複数の空気孔とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち、空気孔プレートの内周側に位置する燃焼部に空気孔プレートの外周側に位置する他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率の設定を、前記増湿器による圧縮空気への加湿開始前の条件をもとに設定される値から加湿開始後の条件をもとに設定される値へ変化させる際に前記比率変化に一次応答遅れを与えて設定することによって前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
請求項１又は請求項２に記載の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
前記加湿開始前の条件と前記加湿開始後の条件の変化の度合いに応じて前記一次遅れの時定数を設定することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと燃焼用空気を供給する複数の空気流路とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち一部の燃焼部に他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、
前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、
前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率を設定する燃料流量比率設定器と、
前記増湿器による圧縮空気への加湿開始前の条件および加湿開始後の条件をもとに前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を設定するバイアス設定器と、
前記燃料比率のバイアス量が変化時に１次遅れを発生させる１次遅れ要素と、前記バイアス設定器の出力と前記１次遅れ要素の出力を加算して前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率を算出する加算器を備えて、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置。
圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと同軸となるように空気孔プレートに形成された燃焼用空気を供給する複数の空気孔とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち、空気孔プレートの内周側に位置する燃焼部に空気孔プレートの外周側に位置する他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、
前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、
前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率を設定する燃料流量比率設定器と、
前記増湿器による圧縮空気への加湿開始前の条件および加湿開始後の条件をもとに前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を設定するバイアス設定器と、
前記燃料比率のバイアス量が変化時に１次遅れを発生させる１次遅れ要素と、前記バイアス設定器の出力と前記１次遅れ要素の出力を加算して前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率を算出する加算器を備えて、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置。
請求項４又は請求項５に記載の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、
前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、前記加湿開始前の条件と前記加湿開始後の条件の変化の度合いを入力として、前記一次遅れの時定数を出力する時定数設定器を更に備えていることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置。