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特開2021-32121ガスタービンの燃焼制御装置、燃焼制御方法及びプログラム
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-32121(P2021-32121A)
(43)【公開日】2021年3月1日
(54)【発明の名称】ガスタービンの燃焼制御装置、燃焼制御方法及びプログラム
(51)【国際特許分類】
   F02C 9/52 20060101AFI20210201BHJP
   F02C 9/46 20060101ALI20210201BHJP
   F02C 9/18 20060101ALI20210201BHJP
【FI】
   F02C9/52
   F02C9/46
   F02C9/18
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
【全頁数】23
(21)【出願番号】特願2019-152176(P2019-152176)
(22)【出願日】2019年8月22日
(71)【出願人】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱パワー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】誠真IP特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】高木 一茂
(72)【発明者】
【氏名】岸 真人
(72)【発明者】
【氏名】榊 貴彦
(72)【発明者】
【氏名】宮内 宏太郎
(57)【要約】      (修正有)
【課題】負荷遮断時のガスタービンの運転を火炎による機器の損傷を防止しつつ適切に行うことが可能な燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】燃焼制御装置1は、車室内に流入した圧縮機による圧縮空気を燃焼器に供給するガスタービンの燃焼制御装置であって、車室内に流入した圧縮空気の一部を、燃焼器における燃焼用空気として用いられないように抽気する抽気配管に設けられた抽気弁9を制御する抽気弁制御部2と、燃焼器へ供給する燃料の燃料流量Gfを調整する燃料調整弁83を制御する燃料制御部3と、燃焼器内での燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度Tfを取得する温度取得部4と、を備え、ガスタービンから負荷を切り離す負荷遮断信号Sが受信されると、抽気弁制御部は抽気弁の弁開度を閉状態から規定開度Vcの開状態に制御し、燃料制御部は取得された火炎温度が上限値Luおよび下限値Llで定められる所定の温度範囲に収まるように燃料調整弁を制御する。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
車室内に流入した圧縮機による圧縮空気を燃焼器に供給するガスタービンの燃焼制御装置であって、
前記車室内に流入した前記圧縮空気の一部を、前記燃焼器における燃焼用空気として用いられないように抽気する抽気配管に設けられた抽気弁を制御するよう構成された抽気弁制御部と、
前記燃焼器へ供給する燃料の燃料流量を調整する燃料調整弁を制御するよう構成された燃料制御部と、
前記燃焼器内での前記燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度を取得するよう構成された温度取得部と、を備え、
前記ガスタービンから負荷を切り離す負荷遮断信号が受信されると、前記抽気弁制御部は前記抽気弁の弁開度を閉状態から規定開度の開状態に制御し、前記燃料制御部は取得された前記火炎温度が上限値および下限値で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁を制御するガスタービンの燃焼制御装置。
【請求項2】
前記燃焼器は、前記燃料と前記圧縮空気とを燃焼して燃焼ガスを生成する第1筒部を有し、
前記温度取得部は、前記抽気弁の弁開度に基づいて、前記第1筒部の内部に供給される前記燃焼用空気の流量を算出するよう構成された空気流量算出部と、
前記第1筒部の内部にそれぞれ供給される前記燃料の燃料流量および前記燃焼用空気の流量に基づいて前記火炎温度の推定値を算出するよう構成された温度算出部と、を有する請求項1に記載のガスタービンの燃焼制御装置。
【請求項3】
前記規定開度を決定する規定開度決定部を、さらに備え、
前記規定開度決定部は、前記負荷遮断信号の受信の際の前記ガスタービンの負荷指標値または前記火炎温度に基づいて、前記抽気弁の前記規定開度を決定する第1決定部を有する請求項1または2に記載のガスタービンの燃焼制御装置。
【請求項4】
前記燃焼器には、パイロット燃料系統を含む複数の燃料系統が接続されており、
前記燃料制御部は、
前記負荷遮断信号が受信されると、前記ガスタービンの運転状態に応じて前記パイロット燃料系統の前記燃料調整弁の基準開度を決定するよう構成された基準開度決定部と、
前記負荷遮断信号の受信の際の前記ガスタービンの前記負荷指標値が定格負荷指標値よりも低い低負荷時には、前記基準開度に付加開度だけ加算するよう構成された開度補正部と、を有する請求項3に記載のガスタービンの燃焼制御装置。
【請求項5】
前記燃焼器には、前記燃料と前記燃焼用空気との予混合燃料の前記ガスタービンの負荷に応じた流量を、複数の燃料ノズルを用いて前記燃焼器に供給するメイン燃料系統を含む複数の燃料系統が接続されており、
前記規定開度を決定する規定開度決定部を、さらに備え、
前記規定開度決定部は、
前記負荷遮断信号の受信後に使用する、前記メイン燃料系統の前記燃料ノズルの使用本数を取得するよう構成されたノズル数取得部と、
前記使用本数に基づいて、前記抽気弁の前記規定開度を決定するよう構成された第2決定部と、を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスタービンの燃焼制御装置。
【請求項6】
前記規定開度は全開である請求項1または2に記載のガスタービンの燃焼制御装置。
【請求項7】
前記上限値は、前記ガスタービンの前記火炎による損傷を防止可能な温度であり、
前記下限値は、前記火炎の失火を防止可能な温度である請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスタービンの燃焼制御装置。
【請求項8】
車室内に流入した圧縮機による圧縮空気を燃焼器に供給するガスタービンの燃焼制御方法であって、
前記車室内に流入した前記圧縮空気の一部を、前記燃焼器における燃焼用空気として用いられないように抽気する抽気配管に設けられた抽気弁を制御する抽気弁制御ステップと、
前記燃焼器へ供給する燃料の燃料流量を調整する燃料調整弁を制御する燃料制御ステップと、
前記燃焼器内での前記燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度を取得する温度取得ステップと、を備え、
前記ガスタービンから負荷を切り離す負荷遮断信号が受信されると、前記抽気弁制御ステップは前記抽気弁の弁開度を閉状態から規定開度の開状態に制御し、前記燃料制御ステップは取得された前記火炎温度が上限値および下限値で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁を制御するガスタービンの燃焼制御方法。
【請求項9】
車室内に流入した圧縮機による圧縮空気を燃焼器に供給するガスタービンの燃焼制御プログラムであって、
コンピュータに、
前記車室内に流入した前記圧縮空気の一部を、前記燃焼器における燃焼用空気として用いられないように抽気する抽気配管に設けられた抽気弁を制御するよう構成された抽気弁制御部と、
前記燃焼器へ供給する燃料の燃料流量を調整する燃料調整弁を制御するよう構成された燃料制御部と、
前記燃焼器内での前記燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度を取得するよう構成された温度取得部と、備え、
前記ガスタービンから負荷を切り離す負荷遮断信号が受信されると、前記抽気弁制御部は前記抽気弁の弁開度を閉状態から規定開度の開状態に制御し、前記燃料制御部は取得された前記火炎温度が上限値および下限値で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁を制御するように実現させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、負荷遮断時におけるガスタービンの燃焼制御に関する。
【背景技術】
【0002】
発電用ガスタービンプラントでは、負荷運転中に負荷を切り離す負荷遮断を実施することがある。この負荷遮断後の運転は、燃焼器における火炎の失火がなく、ガスタービンの回転数がオーバースピードトリップ(以下、OST)規定値の例えば110%以下となると、成功とみなされる。負荷遮断後の運転を成功させるためには、例えば燃料を多めに供給するなどして燃空比を高めて失火を防ぐ必要があるが、燃料の供給量に応じて上記の回転数が高くなるのでOSTの可能性が高まる。一方、燃料の供給量を少なくするほどOSTの回避は確実となるが、燃料の供給量が少ないために燃空比が低くなりすぎると失火が発生し、ガスタービンが停止してしまう。
【0003】
例えば特許文献1には、負荷遮断時に入口案内翼(IGV:InletGuideVane)の開度と、圧縮機から圧縮空気を抽気する抽気弁の弁開度を制御して、ガスタービンの回転数の低下を抑制することが開示されている。また、特許文献2には、燃焼制御装置が、負荷遮断時において、燃焼器の燃料ノズルからの噴射量(燃料供給流量)を、ガスタービンの回転数がOST規定値の110%を超えないための閾値以下に制御すると共に、車室から圧縮空気を抽気するための抽気配管上のバイパス弁(抽気弁)を閉状態から開状態に制御することが開示されている。これによって、負荷遮断時に行われる車室からの圧縮空気の抽気により、燃料ノズルへの圧縮空気の供給量(空気供給流量)が減らせるので、燃焼器内への燃料供給流量を増やさずに燃焼器における燃空比を高めることが可能である。よって、OSTが発生しない量の燃料を供給することでOSTの発生を防止しつつ、無駄な燃料を消費することなく燃空比を高めることで失火を防止することが可能となる。なお、特許文献3には、ガスタービンの運転状態に基づく火炎温度の推定手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第5147766号公報
【特許文献2】特開2017−106324号公報
【特許文献3】特開2018−178803号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述したように、ガスタービンの負荷遮断時には、ガスタービンの回転数が過度に上昇するのを防止しつつ、失火を防止することが求められる。上記の特許文献2では、空気供給流量に対する燃料供給流量の割合である燃空比を失火の防止のための制御の指標に用いているが、燃焼器内での燃焼安定性をより正確に見極めると共に、火炎温度が高すぎることによる機器の損傷を防止するために、負荷遮断時の燃焼制御を火炎温度に基づいて行う手法が求められる。
【0006】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、負荷遮断時のガスタービンの運転を火炎による機器の損傷を防止しつつ適切に行うことが可能な燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃焼制御装置は、
車室内に流入した圧縮機による圧縮空気を燃焼器に供給するガスタービンの燃焼制御装置であって、
前記車室内に流入した前記圧縮空気の一部を、前記燃焼器における燃焼用空気として用いられないように抽気する抽気配管に設けられた抽気弁を制御するよう構成された抽気弁制御部と、
前記燃焼器へ供給する燃料の燃料流量を調整する燃料調整弁を制御するよう構成された燃料制御部と、
前記燃焼器内での前記燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度を取得するよう構成された温度取得部と、を備え、
前記ガスタービンから負荷を切り離す負荷遮断信号が受信されると、前記抽気弁制御部は前記抽気弁の弁開度を閉状態から規定開度の開状態に制御し、前記燃料制御部は取得された前記火炎温度が上限値および下限値で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁を制御する。
【0008】
本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃焼制御方法は、
車室内に流入した圧縮機による圧縮空気を燃焼器に供給するガスタービンの燃焼制御方法であって、
前記車室内に流入した前記圧縮空気の一部を、前記燃焼器における燃焼用空気として用いられないように抽気する抽気配管に設けられた抽気弁を制御する抽気弁制御ステップと、
前記燃焼器へ供給する燃料の燃料流量を調整する燃料調整弁を制御する燃料制御ステップと、
前記燃焼器内での前記燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度を取得する温度取得ステップと、を備え、
前記ガスタービンから負荷を切り離す負荷遮断信号が受信されると、前記抽気弁制御ステップは前記抽気弁の弁開度を閉状態から規定開度の開状態に制御し、前記燃料制御ステップは取得された前記火炎温度が上限値および下限値で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁を制御する。
【0009】
本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃焼制御プログラムは、
車室内に流入した圧縮機による圧縮空気を燃焼器に供給するガスタービンの燃焼制御プログラムであって、
コンピュータに、
前記車室内に流入した前記圧縮空気の一部を、前記燃焼器における燃焼用空気として用いられないように抽気する抽気配管に設けられた抽気弁を制御するよう構成された抽気弁制御部と、
前記燃焼器へ供給する燃料の燃料流量を調整する燃料調整弁を制御するよう構成された燃料制御部と、
前記燃焼器内での前記燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度を取得するよう構成された温度取得部と、備え、
前記ガスタービンから負荷を切り離す負荷遮断信号が受信されると、前記抽気弁制御部は前記抽気弁の弁開度を閉状態から規定開度の開状態に制御し、前記燃料制御部は取得された前記火炎温度が上限値および下限値で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁を制御するように実現させるプログラムである。
【発明の効果】
【0010】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、負荷遮断時のガスタービンの運転を火炎による機器の損傷を防止しつつ適切に行うことが可能な燃焼制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明の一実施形態に係るガスタービンプラントの系統図である。
図2】本発明の一実施形態に係る燃焼制御装置の機能を示すブロック図である。
図3A】本発明の一実施形態に係る負荷遮断時での燃焼器の第1筒部への空気供給流量の推移を示すグラフである。
図3B】本発明の一実施形態に係る負荷遮断時での抽気弁の弁開度の推移を示すグラフである。
図3C】本発明の一実施形態に係る負荷遮断時でのパイロット燃料系統からの燃料供給流量の推移を示すグラフである。
図3D】本発明の一実施形態に係る負荷遮断時での火炎温度の推移を示すグラフである。
図4A】本発明の一実施形態に係る抽気弁制御部の機能を示すブロック図であり、ガスタービンの負荷に基づいて抽気弁を制御する。
図4B】本発明の一実施形態に係る抽気弁制御部の機能を示すブロック図であり、火炎温度に基づいて抽気弁を制御する。
図5】本発明の一実施形態に係る抽気弁制御部の機能を示すブロック図であり、負荷遮断時のメインノズルの使用本数に基づいて抽気弁を制御する。
図6】本発明の一実施形態に係る燃料制御部の機能を示すブロック図である。
図7】本発明の一実施形態に係るガスタービンの燃焼制御方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【0013】
図1は、本発明の一実施形態に係るガスタービンプラント6の系統図である。図1に示すように、本実施形態のガスタービンプラント6は、ガスタービン7と、ガスタービン7によって駆動されて発電を行う発電機61とを備えている。ガスタービン7と発電機61とはロータ75で連結されており、ガスタービン7によってロータ75を介して発電機61が駆動されることで、発電が行われる。なお、図1に示す実施形態では、発電機61は、タービン74(後述)側においてロータ75(後述)に連結されているが、他の幾つかの実施形態では、圧縮機71(後述)側においてロータ75(後述)に連結されても良い。
(ガスタービンの説明)
【0014】
ガスタービン7について説明すると、図1に示すように、ガスタービン7は、空気入口系統62から内部へ流入した空気Aを圧縮して圧縮空気Acを生成する圧縮機71と、圧縮機71によって圧縮された空気(圧縮空気Ac)が流入する車室72と、少なくとも1本の燃料系統8(図1では複数)と、この燃料系統8から供給された燃料F(燃料ガス。以下同様)と上記の車室72から流入した圧縮空気Acを混合して燃料Fを燃焼させ、高温の燃焼ガスEを生成する燃焼器73と、この燃焼ガスEによりロータ75を回転し発電機61を駆動するタービン74と、上記の車室72から圧縮空気Acを抽気する抽気配管9pと、抽気配管9pに設けられた車室72から抽気する圧縮空気Acの抽気量を調節する抽気弁9と、後述するガスタービンの燃焼制御装置1とを備えている。
【0015】
図1に示す実施形態では、ガスタービン7は、空気入口系統62から流入する空気Aの流量を調整するIGV71a(InletGuideVane:入口案内翼)を備えており、圧縮機71には入口案内翼71aを通過した空気が流入するようになっている。
また、ガスタービン7は複数の燃料系統8を備えている。すなわち、拡散燃焼を行って火炎の安定化を図る拡散パイロット系統8Aと、予混合燃焼を行って燃焼器73の低NOx化を向上する予混パイロット系統8Bと、ガスタービン7の出力に応じた予混合燃料(予混合ガス)を供給する主力の燃料系統8であるメインA系統8CおよびメインB系統8Dと、燃焼効率の向上や火炎の安定化を図るため、燃焼器73の上流(車室72側)から燃料Fを噴射するトップハット系統8Eの、合計で5本の燃料系統8を備えている。
【0016】
より具体的には、拡散パイロット系統8Aには、燃料タンク86からの燃料流量を調整する燃料調整弁83A、拡散パイロット用マニホールド82Aに接続された燃料ノズル81Aが含まれている。予混パイロット系統8Bには、燃料タンク86からの燃料流量を調整する燃料調整弁83B、予混パイロット用マニホールド82Bに接続された燃料ノズル81Bが含まれている。メインA系統8Cには、燃料タンク86からの燃料流量を調整する燃料調整弁83C、メインA用マニホールド82Cに接続された燃料ノズル81C(メインノズル)が含まれている。メインB系統8Dには、燃料タンク86からの燃料流量を調整する燃料調整弁83D、メインB用マニホールド82Dに接続された燃料ノズル81D(メインノズル)が含まれている。トップハット系統8Eには、燃料タンク86からの燃料流量を調整する燃料調整弁83E、トップハット用マニホールド82Eに接続された燃料ノズル81Eが含まれている。
【0017】
また、各燃料系統8は燃料タンク86にそれぞれ接続されている。この燃料タンク86には、燃料タンク86へ燃料の供給圧を与える圧力系統87が接続されており、圧力系統87から燃料タンク86に供給される燃料供給圧を制御する2つの燃料圧調整弁88(88a、88b)を介して、圧力系統87から燃料タンク86に燃料供給圧が印加される。このようにして、燃料タンク86の燃料が各燃料系統8を介して燃焼器73へそれぞれ供給可能にされている。
【0018】
この燃焼器73は、燃料と圧縮空気Acとを燃焼して燃焼ガスEを生成する第1筒部73a(例えば内筒)と、第1筒部73aの下流側に位置し、第1筒部73aとタービン74とを接続する第2筒部73b(例えば尾筒)とを有している。そして、上記の燃料ノズル81(81A〜81E)は、燃焼器73の第1筒部73aに燃料を噴射する。他方、トップハット系統8Eの燃料ノズル81Eは、燃焼器73のより上流で燃料を噴射する。
【0019】
なお、拡散パイロット系統8Aおよび予混パイロット系統8Bは、予混パイロット系統8Bのみが用いられるなど、少なくとも一方が使用されることが多い。また、以下の説明において、メイン燃料系統8mと呼ぶ場合には、メインA系統8CおよびメインB系統8Dなど、燃焼器73への燃料供給に使用している全てのメイン系統を含み、パイロット燃料系統8pと呼ぶ場合には、拡散パイロット系統8Aおよび予混パイロット系統8Bの少なくとも一方など、燃焼器73への燃料供給に使用している全ての使用している全てのパイロット系統を含むものとする。
【0020】
また、図1に示す実施形態では、上記の抽気配管9pの下流端は、タービン74からの燃焼ガスEを排気する排気系統63に接続されており、車室72から抽気された圧縮空気Acは排気系統63に流入するようになっている。この抽気配管9pを流れる圧縮空気Acの流量は抽気弁9によって調整される。この抽気弁9は、ガスタービン7の負荷運転時には全閉状態となっているが、負荷遮断時には開状態にされる。
【0021】
ただし、本実施形態に本発明は限定されない。抽気配管9pは、車室72内の一部の圧縮空気Acが燃焼器73における燃焼用空気Asとして用いられないように、車室72から圧縮空気Acの一部を抽気可能に設けられていれば良い。このため、他の幾つかの実施形態では、抽気配管9pの一端が車室72に接続され、他端(下流端)が例えば燃焼器73の第2筒部73bに接続されることで、車室72から抽気された圧縮空気Acを第2筒部73bに流すようにしても良い。このように、抽気配管9pの下流端が、燃焼器73の第1筒部73aよりも下流側に接続されることで、本来的(抽気弁9が全閉時)には車室72から第1筒部73aに流入される圧縮空気Acの一部を、第1筒部73aをバイパスさせて流すことが可能となり、抽気した圧縮空気Acが燃焼器73における燃焼用空気Asとして用いられないようにすることが可能となる。なお、冷却配管64は、圧縮機71を冷却する冷却空気を抽気する配管である。
【0022】
また、ガスタービン7の燃焼制御装置1(以下、単に、燃焼制御装置1)は、上述したようなガスタービン7の燃焼を制御する装置であり、ガスタービン7の負荷遮断時以外の通常の運転時(通常運転時)には、ガスタービン7の出力や運転状態に応じて、燃焼器73に供給する燃料流量Gf(燃料供給流量)と、同じく燃焼器73に供給する燃焼用空気As(圧縮空気Ac。以下同様)の流量(空気供給流量Ga)と、を制御する。他方、ガスタービン7から負荷を切り離す負荷遮断が実施される負荷遮断時には、燃焼制御装置1は、ガスタービン7の回転数が、例えばOST規定値の110%以下に定められるなどする回転数閾値以下で、かつ、失火や火炎による損傷が生じないように、燃料ノズル81(81A〜81E)から噴射される燃料Fの燃焼による生じる第1筒部73a内の火炎の温度(以下、火炎温度Tf)を確認しながら、燃料調整弁83および抽気弁9の制御を実行する。
(ガスタービン7の燃焼制御装置1の説明)
【0023】
以下、ガスタービン7の燃焼制御装置1が負荷遮断時に行う燃焼制御について、図2図3Dを用いて詳細に説明する。図2は、本発明の一実施形態に係る燃焼制御装置1の機能を示すブロック図である。図3Aは、本発明の一実施形態に係る負荷遮断時での燃焼器73の第1筒部73aへの空気供給流量Gaの推移を示すグラフである。図3Bは、本発明の一実施形態に係る負荷遮断時での抽気弁9の弁開度Vの推移を示すグラフである。図3Cは、本発明の一実施形態に係る負荷遮断時でのパイロット燃料系統8pからの燃料供給流量の推移を示すグラフである。図3Dは、本発明の一実施形態に係る負荷遮断時での火炎温度Tfの推移を示すグラフである。
【0024】
燃焼制御装置1は、上述したような車室72内に流入した圧縮機71による圧縮空気Acを燃焼器73に供給するガスタービン7の燃焼制御を実行する装置である。図2に示すように、燃焼制御装置1は、燃料制御部3と、抽気弁制御部2と、温度取得部4と、を備える。上記の機能部について、ガスタービン7が、上述したメインA系統8CおよびメインB系統8Dを含むメイン燃料系統8mと、予混パイロット系統8Bであるパイロット燃料系統8pとで燃焼制御を実行しているところから負荷遮断を実行する場合を例に、それぞれ説明する。
【0025】
なお、燃焼制御装置1は、コンピュータで構成されていても良い。コンピュータは、図示しないCPUなどのプロセッサ11や、ROMやRAMといったメモリ(記憶装置12)などを備えている。そして、主記憶装置にロードされたプログラム(燃焼制御プログラム10)の命令に従ってプロセッサ11が動作(データの演算など)することで、上記の各機能部を実現する。換言すれば、上記の燃焼制御プログラム10は、コンピュータに上記の各機能部を実現させるためのソフトウェアであり、一時的な信号ではなく、コンピュータによる読み込みが可能で持ち運び可能な上記のような記憶媒体に記憶されても良い。
【0026】
抽気弁制御部2は、上述した抽気配管9pに設けられた抽気弁9の弁開度Vを制御するよう構成された機能部である。抽気弁制御部2は、負荷遮断時以外となる通常運転時には抽気弁9を閉状態にし、車室72の圧縮空気Acが抽気配管9pを通って抽気されないようにする。
【0027】
燃料制御部3は、上述した燃料調整弁83を制御するよう構成された機能部である。燃料調整弁83(燃料調整弁83の弁開度)が制御されることにより、燃焼器73の内部(第1筒部73aの内部)に供給される燃料流量(燃料量)が制御される。負荷遮断時には、燃料制御部3は、メイン燃料系統8mの燃料調整弁83(図1では83Cおよび83D)、およびパイロット燃料系統8pの燃料調整弁83(図1では83Aまたは83Bの少なくとも一方)を、後述するように制御する。
【0028】
温度取得部4は、燃焼器73内での燃料Fの燃焼で生じる火炎の火炎温度Tfを取得するよう構成された機能部である。幾つかの実施形態では、温度取得部4は、ガスタービン7の運転状態を示す各種の指標に基づいて火炎温度Tfを推定しても良い。他の幾つかの実施形態では、温度取得部4は、火炎温度Tfを直接あるいは間接的に測定可能な温度計測手段(例えば温度センサなど)により測定された測定値を取得しても良い。詳細は後述するが、図1図3Dに示す実施形態では、温度取得部4は、火炎温度Tfの推定値を算出することで、火炎温度Tfを取得する。
【0029】
そして、上述した構成を備える燃焼制御装置1において、ガスタービン7から負荷を切り離す負荷遮断信号Sが受信されると、燃料制御部3は、負荷遮断時には、燃焼器73への燃料Fの全供給量(総量)を減らす中で、メイン燃料系統8mから燃料Fの供給量を低下させつつ、パイロット燃料系統8pからの燃料Fの供給流量(以下、パイロット燃料流量Fp)を増やす。つまり、燃料タンク86へ供給する燃料圧調整弁88の弁開度を小さくしつつ、メイン燃料系統8mの燃料調整弁83(83C、84D)の弁開度を小さくし、パイロット燃料系統8pの燃料調整弁83(本実施形態では予混パイロット系統8Bの燃料調整弁83B)の弁開度を大きくする。
【0030】
その上で、燃料制御部3および抽気弁制御部2は、次のように各々の制御対象の弁を制御する。すなわち、抽気弁制御部2は、負荷遮断信号Sが受信される前には閉状態であった抽気弁9の弁開度Vを、閉状態から規定開度Vcの開状態に制御する(後述する図3B参照)。この規定開度Vcは、後述するように全開であっても良いし、全開よりも弁開度が小さく、かつ、完全に閉じた状態である全閉よりも弁開度が大きい中間開度であっても良い。また、負荷遮断時の制御における抽気弁9を規定開度Vcに設定後には、抽気弁9の弁開度Vを規定開度Vcから変更しないようにしても良いし、変更しても良い。
【0031】
ここで、火炎温度Tfは燃空比が高いほど高くなり、失火の可能性が減少する。よって、負荷遮断時において抽気弁9を閉状態から開状態にすると、車室72から燃焼器73の第1筒部73aをバイパスするように一部の圧縮空気Acが流れることになる。このため、車室72から燃焼器73に供給される燃焼用空気Asの量は相対的に減少し(後述する図3A参照)、第1筒部73a内の燃空比が上昇するので、火炎温度Tfが上昇する(後述する図3D参照)。つまり、負荷遮断時に抽気弁9を開状態にすることで、燃料流量を増やさなくても火炎温度Tfを上昇させることが可能である。しかしながら、これによる燃空比の上昇により火炎温度Tfが高温になり過ぎると、燃焼器73の第1筒部73aなど、ガスタービン7が火炎により損傷するおそれが生じる。
【0032】
そこで、上記の燃料制御部3は、上述した温度取得部4によって取得された火炎温度Tfが上限値Luおよび下限値Llで定められる所定の温度範囲に収まるように燃料調整弁83を制御する(後述する図3C参照)。この上限値Luは、ガスタービン7の火炎による損傷を防止可能な温度に設定され、上記の下限値Llは、燃焼器73における火炎が消失する(失火)を防止可能な温度に設定される。これによって、負荷遮断時の失火、および過度に高い火炎温度Tfを有する火炎によるガスタービン7の損傷の防止を図る。
【0033】
図1図3Dに示す実施形態では、上述した燃焼制御装置1は、ガスタービン7の運転中に負荷遮断信号Sを受信するよう構成された負荷遮断信号受信部50を、さらに備えている。そして、負荷遮断信号受信部50が負荷遮断信号Sを受信するのを契機に、IGV71aを閉側に制御していくことで、圧縮機71に流入する空気Aの流量を減らし、車室72に流入する全体的な圧縮空気Acの流量を減少させていく。具体的には、図3A図3Dに示す実施形態では、負荷遮断信号Sを受信すると、燃焼制御装置1は、時刻t0から負荷遮断時の制御を開始しており、図3Aに示すように一定の割合で全体的な圧縮空気Acの流量を減少させている。
【0034】
このため、図3Aの破線で示すように、燃焼器73の第1筒部73aの内部に流入する燃焼用空気Asの流量は減少するが、同時に、図3Bに示すように、抽気弁制御部2が抽気弁9の弁開度Vを上記の規定開度Vcに向けて時間の経過と共に大きくしていく(図3Bでは一定の割合で弁開度を増大)。よって、燃焼器73の第1筒部73aに流入する燃焼用空気Asの流量は、全体的な圧縮空気Acの流量の減少および抽気弁9が開状態にされることによる減少により、図3Aの実線で示すように、破線の場合よりも急激に減少する。なお、図3Aでは、時刻t1で抽気弁9の弁開度Vが規定開度Vcに到達した後も圧縮機71への空気Aの流入が減少させられているので、時刻t1〜時刻t2の間における実線で示す空気流量の減少割合(グラフの傾き)が、破線のものと同じとなっている。
【0035】
他方、燃焼器73の第1筒部73aの内部へ供給される燃料量については、ガスタービン7の回転数は供給される燃料量(燃料流量)が多いほど高くなる。よって、負荷遮断信号受信部50が負荷遮断信号Sを受信するのを契機に、燃料制御部3は、上述したようにメイン燃料系統8mから第1筒部73aへの燃料流量を時間の経過と共に減らしつつ、パイロット燃料流量Fpを、失火を防止するために図3Cに示すように時間の経過と共に増やす(図3Cでは一定の割合で増大)。この結果、図3Dの実線で示すように、パイロット燃料系統8pでは、燃料流量の増加、および抽気弁9の開制御による燃焼用空気Asの減少によって、図3Dの実線で示すように、火炎温度Tfが時間の経過と共に上昇していく。
【0036】
より詳細には、図3Dでは、時刻t1までは、上記の2つの要因により火炎温度Tfが上昇する。時刻t1には抽気弁9の弁開度Vが規定開度Vcになるので(図3B参照)、その後の時刻t1から時刻t2の間は上記のパイロット燃料流量Fpの増大のみの寄与によって火炎温度Tfが上昇する。このため、時刻t1以降の火炎温度Tfの増加割合(グラフの傾き)は緩やかになっている。
【0037】
このような燃焼制御によって、火炎温度Tfが下限値Llよりも高くなり、失火が回避される。また、燃料制御部3が、火炎温度Tfが上限値Luを超えないように火炎温度Tfを監視しながら燃料供給流量をフィードバック制御しているので、火炎温度Tfは、上限値Lu以下になっている。なお、図3Dの破線は、抽気弁9を閉状態のままにしている場合を示しており、抽気弁9を開状態にした場合に比べて燃空比が低く、火炎温度Tfが下限値Llを下回ってしまった場合を示している。
【0038】
図1図3Dに示す実施形態では、図2に示すように、燃料制御部3は、温度取得部4から入力された火炎温度Tfが上記の上限値Luと上記の下限値Llとの間のいずれかの値を有する設定温度(Ll≦設定温度≦Lu)になるように、燃焼器73に供給する燃料流量Gfを決定する燃料流量決定部31と、この燃料流量決定部31により決定された燃料流量Gfが供給されるように、燃料調整弁83を制御する燃料弁開度決定部32とを有している。そして、抽気弁9の弁開度Vがフィードバックされて温度取得部4に入力されており、この抽気弁9の弁開度Vなどに応じて変化する火炎温度Tfを確認しながら、燃料調整弁83(メイン燃料系統8mおよびパイロット燃料系統8pの燃料調整弁83)が制御されるようになっている。
【0039】
なお、図1図3Dに示す実施形態では、図2に示すように、燃焼制御装置1は、上記の抽気弁9の規定開度Vcを決定する規定開度決定部5を備えており、決定された規定開度Vcは、記憶装置12に記憶される。そして、抽気弁制御部2は記憶装置12から規定開度Vcを取得する。規定開度決定部5は、オペレータから入力された値を記憶装置12に記憶しても良い、後述するように所定のロジックに従って決定した上で記憶装置12に記憶しても良い。また、この記憶装置12には、上記の火炎温度Tfの上限値Luおよび下限値Llも記憶されており、上記の燃料制御部3は、記憶装置12からこれらの情報を取得する。
【0040】
上記の構成によれば、ガスタービン7は、圧縮機71よる圧縮空気Acを車室72から抽気することで、燃焼器73への燃焼用空気Asの供給量を減らすことが可能な抽気配管および抽気弁9を備えている。このようなガスタービン7の負荷遮断時において、ガスタービン7の回転数の過度な上昇および燃焼器73での失火を防止する際に、さらに、燃焼器73内の火炎温度Tfが上限値Luおよび下限値Llで定められる所定の温度範囲に収まるように、燃料調整弁および抽気弁9の各々の弁開度を制御して、燃焼器73に供給する燃料流量および燃焼用空気As量を制御する。これによって、ガスタービン7の回転数の過度な上昇および失火を防止しつつ、火炎温度Tfの過度な上昇による機器の損傷を防止することができる。
【0041】
次に、火炎温度Tfを推定する実施形態について、説明する。
幾つかの実施形態では、図2に示すように、温度取得部4は、抽気弁9の弁開度Vに基づいて、第1筒部73aの内部に供給される燃焼用空気Asの流量(上述した空気供給流量Ga)を算出するよう構成された空気流量算出部41と、第1筒部73aの内部にそれぞれ供給される燃料の燃料流量Gfおよび空気供給流量Gaに基づいて火炎温度Tfの推定値を算出するよう構成された温度算出部42と、を有しても良い。つまり、抽気弁9の弁開度Vを考慮して、火炎温度Tfの推定値を算出する。
【0042】
この際、空気流量算出部41は、例えば抽気弁9が全閉状態の時の抽気配管9pにおける抽気弁9の上流側および下流側の各々の圧力あるいは圧力差と、抽気弁9の弁開度Vと、抽気される圧縮空気Acの量(以下、抽気流量Ge)との関係を予め理論的にあるいは実験的に求めておき、この関係を規定した関数に基づいて、抽気弁9が任意の弁開度Vで開いている時の空気供給流量Gaを算出しても良い。すなわち、上記の関数に、上記の上流側および下流側の2つの圧力あるいは圧力差および抽気弁9の弁開度Vを代入して関数の演算を行うことで抽気流量Geが得られる。また、抽気弁9の全閉時に車室72から第1筒部73aに供給される燃焼用空気Asの流量(以下、通常時空気流量Gg)を例えばIGV71aの弁開度、大気圧、大気温度等に基づいて算出する。この通常時空気流量Ggは、差圧式流量計測手法を使用して算出しても良い。そして、この通常時空気流量Ggの算出結果から抽気流量Geを差し引くことで、抽気弁9が任意の弁開度Vで開状態となっている際の空気供給流量Gaを算出しても良い(Ga=Gg−Ge)。
【0043】
他方、温度算出部42は、火炎温度Tfの推定値を算出するにあたって、第1筒部73aの内部に供給される燃料Fの燃料流量Gfおよび空気供給流量Gaに加えて、不図示の温度センサによる測定などにより得られる車室72内の圧縮空気Acの温度(車室空気温度Tcs)をさらに考慮しても良い。さらに、燃料の低位発熱量Hfを考慮しても良い。すなわち、火炎温度Tfを推定する推定関数をfとすると、火炎温度Tfは、Tf=f(Gf、Ga)、Tf=(Gf、Ga、Tcs)、Tf=(Gf、Ga、Tcs、Hf)のいずれかで算出されても良く、考慮する要素を増やすほど、推定精度の向上が図れる。
【0044】
図2に示す実施形態では、第1筒部73aの内部に供給され燃料流量Gfおよび空気供給流量Gaと、車室空気温度Tcsと、低位発熱量Hfとに基づいて火炎温度Tfの推定値を算出する。より具体的には、空気流量算出部41には、通常時空気流量Ggと、抽気弁9の弁開度Vが入力されて、空気供給流量Gaが出力される。また、温度算出部42には、燃料制御部3で算出された燃料流量Gfと、空気供給流量Gaと、車室72内の車室空気温度Tcsと、燃料の低位発熱量Hfとが入力され、これに基づいて算出された火炎温度Tfの推定値が出力されるようになっている。このように、空気供給流量Gaを抽気弁9の弁開度Vを考慮して算出することで、空気供給流量Gaをより精度良く求めることができ、火炎温度Tfを実測することなく精度良く推定することが可能となる。
【0045】
なお、燃料タンク86やその上流側にカロリー計(不図示)を設置して、リアルタイムに上記の低位発熱量Hfを測定しても良く、図2に示す実施形態では、このカロリー計による低位発熱量Hfの測定結果が温度算出部42に入力されるようになっている。
【0046】
上記の構成によれば、温度取得部は、燃焼器73の第1筒部73aの内部(燃焼空間)に供給される燃焼用空気As(圧縮空気Ac)の流量を抽気弁9の弁開度Vを考慮して算出すると共に、この算出した燃焼用空気Asの流量と燃料流量とに基づいて、火炎温度Tfを推定する。このように抽気弁の弁開度を考慮することで、燃焼用空気Asの流量をより精度良く求めることができ、火炎温度Tfを実測することなく精度良く推定することができる。
【0047】
次に、負荷遮断時に抽気弁制御部2により抽気弁9に設定される上記の規定開度Vcの決定手法について、図4A図5を用いて説明する。図4Aは、本発明の一実施形態に係る抽気弁制御部2の機能を示すブロック図であり、ガスタービン7の負荷に基づいて抽気弁9を制御する。図4Bは、本発明の一実施形態に係る抽気弁制御部2の機能を示すブロック図であり、火炎温度Tfに基づいて抽気弁9を制御する。図5は、本発明の一実施形態に係る抽気弁制御部2の機能を示すブロック図であり、負荷遮断時のメインノズルの使用本数に基づいて抽気弁9を制御する。
【0048】
幾つかの実施形態では、上述した規定開度Vcは全開であっても良い。ここで、弁は、ある弁開度以上開けても流量の変化が極めて小さく、ほぼ変化しない領域ある。よって、上記の全開とは、100%開けた場合のみならず、100%よりも小さい弁開度であって、100%開けたのと同様の結果が得られる弁開度が含まれても良い。これによって、抽気弁9による燃空比の増大を最大化することができる。よって、失火の防止のために供給する燃料量の最小化を図ることができ、燃費の向上を図ることができる。
【0049】
ここで、火炎温度Tfは、ガスタービン7の負荷(出力。以下同様)に相関があり、通常は、ガスタービン7の負荷が低い場合には火炎温度Tfも低く、逆に、負荷が高い場合には火炎温度Tfも高くなる。例えば上記の負荷が低い場合には、もともと火炎温度Tfが低いので、抽気弁9を全開などにして燃焼器73への燃焼用空気Asの供給量を減少させても、火炎温度Tfの上限値Luを超えないように制御し易いが、上記の負荷が高い場合には、もともと火炎温度Tfが高いことから抽気弁9を全開などにすると、火炎温度Tfの上昇が過度になり易く、燃料調整弁83の制御によって火炎温度Tfを所定範囲に収めるのが難しい場合があることが予想される。
【0050】
このため、幾つかの実施形態では、図4A図4Bに示すように、上述した抽気弁9の規定開度Vcは、負荷遮断信号Sの受信直前などの受信の際のガスタービン7の負荷指標値Ld(負荷値や出力値など)または上記の火炎温度Tfに基づいて決定されても良い。この結果、上記の規定開度Vcは、全開や中間開度などに決定される。例えば負荷遮断信号Sの受信の前から負荷指標値Ldあるいは火炎温度Tfを監視しておき、負荷遮断信号Sを受信すると、その受信の直前の負荷指標値Ldまたは火炎温度Tfに基づいて規定開度Vcを決定しても良い。
【0051】
図4A図4Bに示す実施形態では、上述した規定開度決定部5は、負荷遮断信号Sの受信の際のガスタービン7の負荷指標値Ld(図4A)または火炎温度にTf(図4B)基づいて、抽気弁9の上記の規定開度Vcを決定する第1決定部51をさらに備えている。図4Aに示す実施形態では、燃焼制御装置1は、負荷遮断信号Sが受信される際のガスタービン7の負荷指標値Ldを取得するよう構成された負荷指標値取得部52を、さらに備えている。そして、上記の第1決定部51は、この負荷指標値取得部52によって取得された負荷指標値Ldに基づいて、抽気弁9の上記の規定開度Vcを決定する。他方、図4Bに示す実施形態では、上記の第1決定部51は、上述した温度取得部4から火炎温度Tfを取得し、取得された火炎温度Tfに基づいて、抽気弁9の上記の規定開度Vcを決定する。例えば、規定開度決定部5は、任意の負荷指標値Ldまたは任意の火炎温度Tfと、それに応じた弁開度との対応関係を予め定めた関数などを用いて、取得された負荷指標値Ldまたは火炎温度Tfに応じた弁開度を取得し、取得した弁開度を規定開度Vcとしても良い。
【0052】
上記の構成によれば、抽気弁9の規定開度Vcを、負荷遮断時のガスタービン7の負荷指標値Ldまたは火炎温度Tfに基づいて決定する。これによって、抽気弁9を規定開度Vcに設定した後において、燃料調整弁83の制御による火炎温度Tfの上限値Lu超過をより確実に防止することができる。また、火炎温度Tfを推定する場合には、予め火炎温度Tfが高めに推移する場合などの予測が可能となり、そのような場合に抽気弁9を中間開度にするなどが可能となる。
【0053】
また、負荷遮断時には、燃焼振動の発生状況など機器の特性に応じて、メイン燃料系統8mの燃料ノズル81(以下、メインノズル)の使用本数を変える可能性がある(例えば:8本から3本に変更)。メインノズルの使用本数を変えると、メイン燃料系統8mで使用するメインノズルの1本あたりの燃料流量が変わるため、火炎温度Tfも変化し得る。例えば、図1に示すように、メインA系統8Cには5本のメインノズルが接続されており、メインB系統8Dには3本のメインノズルが接続されている。このような場合に、負荷遮断信号Sの受信前には、メインA系統8CおよびメインB系統8Dからの燃料供給により合計で8本のメインノズルを使用して運転していたところから、負荷遮断信号Sの受信後に例えばメインA系統8Cからの燃料供給を停止して、メインB系統8Dのみから燃料供給を行うことで、メインノズルの使用本数が合計で3本になるなど、使用本数が変わり得る。
【0054】
このため、幾つかの実施形態では、図5に示すように、抽気弁制御部2は、負荷遮断信号Sの受信後に使用するメインノズルの使用本数を取得し、取得した使用本数に基づいて抽気弁9の上記の規定開度Vcを決定しても良い。例えば、使用本数が8本の場合には、抽気弁9を例えば全開などの高開度とする場合において、使用本数を5本あるいは3本というように少なくして、使用するメインノズルの各々により燃料を集中させる場合には、メインノズルの1本当たりの燃料が増大する。よって、抽気弁9の規定開度Vcを、使用本数がより多い場合よりも小さくして1本当たりの燃空比をより小さくすることで、火炎温度Tfをより低くするように図ることで、上限値Luを超えることがないようにしても良い。
【0055】
図5に示す実施形態では、上述した規定開度決定部5は、負荷遮断信号Sの受信後に使用する、メイン燃料系統8mの燃料ノズル81の使用本数を取得するよう構成されたノズル数取得部53と、このノズル数取得部53によって取得された上記の使用本数に基づいて、抽気弁9の上記の規定開度Vcを決定するよう構成された第2決定部54と、を有している。
【0056】
上記の構成によれば、メイン燃料系統8mから複数の燃料ノズル81(メインノズル)を用いて燃焼器73に燃料Fを供給する場合に、負荷遮断時に使用するメインノズルの本数に基づいて、抽気弁9の規定開度Vcを決定する。例えば、メインノズルの使用本数が8本であれば抽気弁9の規定開度Vcを全開などの相対的に高開度とする場合に、メインノズルを3本、5本というように少なくして燃料Fを集中させる場合には、メインノズルの1本当たりの燃料Fが増大するため、抽気弁9の規定開度Vcをより小さくする。これによって、火炎温度Tfが上限値Luを超えるのをより確実に防止することができる。
【0057】
次に、燃料制御部3に関する実施形態について、図6を用いて説明する。図6は、本発明の一実施形態に係る燃料制御部3の機能を示すブロック図である。
【0058】
既に、抽気弁9の規定開度Vcを負荷指標値Ld等に基づいて決定する実施形態について説明したが、幾つかの実施形態では、図6に示すように、パイロット燃料系統8pの燃料調整弁の弁開度についても負荷指標値Ldに基づいて決定しても良い。既に述べたように、一般に、燃焼器73には、パイロット燃料系統8pおよびメイン燃料系統8mが接続されている。そして、負荷遮断時における燃焼器73への燃料Fの供給は、燃料Fの供給量を全体的には減らす中で、メイン燃料系統からの供給を低下させて、パイロット燃料系統8pから供給を増やすように制御される。そこで、燃料制御部3は、パイロット燃料系統8pの燃料調整弁(81Aまたは81B)について、負荷指標値Ldに基づく制御を実行する。
【0059】
図6に示す実施形態では、燃焼制御装置1は、上述した負荷指標値取得部52を備えている。そして、燃料制御部3は、上述した負荷遮断信号受信部50によって負荷遮断信号Sが受信されると、ガスタービン7の運転状態に応じてパイロット燃料系統8pの燃料調整弁83の基準開度Vbを決定するよう構成された基準開度決定部31aと、ガスタービン7の負荷指標値Ldが定格負荷などの定格時の負荷指標値Ld(定格負荷指標値)よりも低い低負荷時には、基準開度Vbに付加開度Vpだけ加算するよう構成された開度補正部31bと、を有する。つまり、低負荷時において基準開度Vbに付加開度Vpを加算することにより、燃料流量を低負荷時よりも増加させて、燃空比を増加させることで、失火がより生じないように図っている。
【0060】
上記の構成によれば、負荷遮断時においてガスタービン7の運転状態が低負荷である場合には、パイロット燃料系統8pの燃料調整弁の弁開度を、定格負荷や高負荷時よりもより大きくし、供給する燃料流量をより多くする。負荷遮断時においてガスタービン7の運転状態が低負荷である場合には、上記の燃料調整弁83の弁開度は低開度の状態であるため、燃空比が比較的低く、火炎温度Tfが低い。よって、負荷遮断を低負荷状態で行う場合には、パイロット燃料系統8pの燃料調整弁83の燃料流量をより大きくすることで、火炎温度Tfの上昇の応答性を向上させることができ、火炎温度Tfが下限値Llを下回ることがないようにできるなど、失火のより確実な防止を図ることができる。
【0061】
以下、上述した燃焼制御装置1が行う処理に対応する燃焼制御方法について、図7を用いて説明する。図7は、本発明の一実施形態に係るガスタービン7の燃焼制御方法を示す図である。
【0062】
図7に示すように、ガスタービン7の燃焼制御方法(以下、単に、燃焼制御方法)は、上述した抽気弁9の弁開度Vを制御する抽気弁制御ステップと、上述した燃料調整弁83を制御する燃料制御ステップと、上述した火炎の火炎温度Tfを取得する温度取得ステップと、を備える。これらの抽気弁制御ステップ(S1)、燃料制御ステップ(S2)、および温度取得ステップ(S3)は、それぞれ、既に説明した抽気弁制御部2、燃料制御部3、および温度取得部4が実行する処理内容と同様であるため、詳細は省略する。
【0063】
図7に示す実施形態では、ステップS0において、負荷遮断信号Sを受信する。その後、ステップS1において、抽気弁制御ステップを実行し、抽気弁9の弁開度Vを閉状態から規定開度Vcの開状態に制御する。ステップS2において、温度取得ステップを実行し、火炎温度Tfの推定値を算出する。ステップS3において、燃料制御ステップを実行し、上述した火炎温度Tfが上限値Luおよび下限値Llで定められる所定の温度範囲に収まるように燃料調整弁83をフィードバック制御により制御する。
【0064】
例えば、ステップS2とステップS3との順序は逆であっても良い。すなわち、例えば、ガスタービン7の回転数が回転数閾値となる燃料流量以下の燃料流量をまずは決定し、その燃料流量を燃焼器73に供給した後に、火炎温度Tfを取得して、燃料流量を制御しても良い。あるいは、先に、抽気弁9の弁開度Vを規定開度Vcにした場合の火炎温度Tfを推定した後に、この火炎温度Tfに基づいて燃料流量を制御しても良い。
【0065】
また、幾つかの実施形態では、燃焼制御方法は、上記の規定開度Vcを決定する規定開度決定ステップをさらに備えても良い。規定開度決定ステップは、既に説明した規定開度決定部5が実行する処理内容と同様であるため、詳細は省略する。図7に示すように、規定開度決定ステップは、図7のステップS0とステップS1との間のステップS01において実行しても良い。
【0066】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。例えば、上述した規定開度Vcを、負荷指標値Ldまたは火炎温度Tfとメインノズルの使用本数とに基づいて決定しても良い。
(付記)
【0067】
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービン(7)の燃焼制御装置(1)は、
車室(72)内に流入した圧縮機(71)による圧縮空気(Ac)を燃焼器(73)に供給するガスタービン(7)の燃焼制御装置(1)であって、
前記車室(72)内に流入した前記圧縮空気(Ac)の一部を、前記燃焼器(73)における燃焼用空気(As)として用いられないように抽気する抽気配管(9p)に設けられた抽気弁(9)を制御するよう構成された抽気弁制御部(2)と、
前記燃焼器(73)へ供給する燃料(F)の燃料流量を調整する燃料調整弁(83)を制御するよう構成された燃料制御部(3)と、
前記燃焼器(73)内での前記燃料(F)の燃焼で生じる火炎の火炎温度(Tf)を取得するよう構成された温度取得部(4)と、を備え、
前記ガスタービン(7)から負荷を切り離す負荷遮断信号(S)が受信されると、前記抽気弁制御部(2)は前記抽気弁(9)の弁開度を閉状態から規定開度(Vc)の開状態に制御し、前記燃料制御部(3)は取得された前記火炎温度(Tf)が上限値(Lu)および下限値(Ll)で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁(83)を制御する。
【0068】
上記(1)の構成によれば、ガスタービン(7)は、圧縮機(71)よる圧縮空気(Ac)を車室(72)から抽気することで、燃焼器(73)への燃焼用空気(As)の供給量を減らすことが可能な抽気配管(9p)および抽気弁(9)を備えている。このようなガスタービン(7)の負荷遮断時において燃焼制御装置(1)は、従来からガスタービン(7)の回転数の過度な上昇(OST規定値の110%を超える上昇など)および燃焼器(73)での失火を防止するように燃焼制御を実行するが、さらに、燃焼器(73)内の火炎温度(Tf)が上限値(Lu)および下限値(Ll)で定められる所定の温度範囲に収まるように、燃料調整弁(83)および抽気弁(9)の各々の弁開度を制御して、燃焼器(73)に供給する燃料流量および燃焼用空気(As)の流量を制御する。
【0069】
ガスタービン(7)の回転数は供給する燃料量(燃料流量)が多いほど高くなり、火炎温度(Tf)は燃空比が高いほど高くなる。よって、負荷遮断時において抽気弁(9)を閉状態から開状態にすると、車室(72)から燃焼器(73)(後述する第1筒部(73a))をバイパスするように一部の圧縮空気(Ac)が流れることになるので、車室(72)から燃焼器(73)に供給される燃焼用空気(As)の量は減少し、燃空比が上昇する。つまり、負荷遮断時に抽気弁(9)を開状態にすることで、燃料流量を増やさなくても火炎温度(Tf)を上昇させることが可能である。このように、燃焼器(73)における火炎温度(Tf)の上限値(Lu)を例えばガスタービン(7)の火炎による損傷を防止可能な温度に設定し、下限値(Ll)を火炎の失火を防止可能な温度に設置し、火炎温度(Tf)がこの温度範囲内に収まるように供給する燃料流量および空気量(空気流量)を制御することで、ガスタービン(7)の回転数の過度な上昇および失火を防止しつつ、火炎温度(Tf)の過度な上昇による機器の損傷を防止することができる。
【0070】
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記燃焼器(73)は、前記燃料と前記圧縮空気(Ac)とを燃焼して燃焼ガスを生成する第1筒部(73a)を有し、
前記温度取得部(4)は、前記抽気弁(9)の弁開度に基づいて、前記第1筒部(73a)の内部に供給される前記燃焼用空気(As)の流量を算出するよう構成された空気流量算出部(41)と、
前記第1筒部(73a)の内部にそれぞれ供給される前記燃料の燃料流量および前記燃焼用空気(As)の流量に基づいて前記火炎温度(Tf)の推定値を算出するよう構成された温度算出部(42)と、を有する。
【0071】
上記(2)の構成によれば、温度取得部(4)は、燃焼器(73)の第1筒部(73a)(例えば内筒)の内部(燃焼空間)に供給される燃焼用空気(As)(圧縮空気(Ac))の流量を抽気弁(9)の弁開度を考慮して算出すると共に、この算出した燃焼用空気(As)の流量と燃料流量とに基づいて、火炎温度(Tf)を推定する。このように抽気弁(9)の弁開度を考慮することで、燃焼用空気(As)の流量をより精度良く求めることができ、火炎温度(Tf)を実測することなく精度良く推定することができる。
【0072】
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)〜(2)の構成において、
前記規定開度(Vc)を決定する規定開度決定部(5)を、さらに備え、
前記規定開度決定部(5)は、前記負荷遮断信号(S)の受信の際の前記ガスタービン(7)の負荷指標値(Ld)または前記火炎温度(Tf)に基づいて、前記抽気弁(9)の前記規定開度(Vc)を決定する第1決定部(51)を有する。
【0073】
上記(3)の構成によれば、抽気弁(9)の規定開度(Vc)を、負荷遮断時のガスタービン(7)の負荷指標値(Ld)または火炎温度(Tf)に基づいて決定する。火炎温度(Tf)は、ガスタービン(7)の負荷に相関があり、通常は、ガスタービン(7)の負荷(出力)が低い場合には火炎温度(Tf)も低く、逆に、負荷が高い場合には火炎温度(Tf)も高くなる。例えば上記の負荷が低い場合には、もともと火炎温度(Tf)が低いので、抽気弁(9)を全開などにして燃焼器(73)への燃焼用空気(As)の供給量を減少させても火炎温度(Tf)の上限値(Lu)を超えないように制御し易いが、上記の負荷が高い場合には、もともと火炎温度(Tf)が高いことから抽気弁(9)を全開などにすると、火炎温度(Tf)の上昇が過度になり易く、燃料調整弁(83)の制御によって火炎温度(Tf)を所定範囲に収めるのが難しい場合があることが予想される。
【0074】
よって、負荷遮断信号(S)の受信の際(受信直前など)のガスタービン(7)の負荷指標値(Ld)または火炎温度(Tf)に基づいて、抽気弁(9)の弁開度を全開や、全開未満の中間開度に制御することで、抽気弁(9)を規定開度(Vc)に設定した後において、燃料調整弁(83)の制御による火炎温度(Tf)の上限値(Lu)超過をより確実に防止することができる。また、火炎温度(Tf)を推定する場合には、予め火炎温度(Tf)が高めに推移する場合などの予測が可能となり、そのような場合に抽気弁(9)を中間開度にするなどが可能となる。
【0075】
(4)幾つかの実施形態では、上記(3)の構成において、
前記燃焼器(73)には、パイロット燃料系統(8p)を含む複数の燃料系統(8)が接続されており、
前記燃料制御部(3)は、
前記負荷遮断信号(S)が受信されると、前記ガスタービン(7)の運転状態に応じて前記パイロット燃料系統(8p)の前記燃料調整弁(83)の基準開度(Vb)を決定するよう構成された基準開度決定部(31a)と、
前記負荷遮断信号(S)の受信の際の前記ガスタービン(7)の前記負荷指標値(Ld)が定格負荷指標値よりも低い低負荷時には、前記基準開度(Vb)に付加開度(Vp)だけ加算するよう構成された開度補正部(31b)と、を有する。
【0076】
一般に、燃焼器(73)には、火炎の安定化を図るためのパイロット燃料系統(8p)、およびガスタービン(7)の出力に応じて予混合燃料を供給する主力のメイン燃料系統(8m)が接続されている。そして、負荷遮断時における燃焼器(73)への燃料の供給は、燃料の供給量を全体的には減らす中で、メイン燃料系統(8m)からの供給を低下させて、パイロット燃料系統(8p)から供給を増やすように制御される。
【0077】
上記(4)の構成によれば、負荷遮断時においてガスタービン(7)の運転状態が低負荷である場合には、パイロット燃料系統(8p)の燃料調整弁(83)の弁開度を、定格負荷や高負荷時よりもより大きくし、供給する燃料流量をより多くする。負荷遮断時においてガスタービン(7)の運転状態が低負荷である場合には、上記の燃料調整弁(83)の弁開度は低開度の状態であるため、燃空比が比較的低く、火炎温度(Tf)が低い。よって、負荷遮断を低負荷状態で行う場合には、パイロット燃料系統(8p)の燃料調整弁(83)の燃料流量をより大きくすることで、火炎温度(Tf)の上昇の応答性を向上させることができ、火炎温度(Tf)が下限値(Ll)を下回ることがないようにできるなど、失火のより確実な防止を図ることができる。
【0078】
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)〜(4)の構成において、
前記燃焼器(73)には、前記燃料と前記燃焼用空気(As)との予混合燃料の前記ガスタービン(7)の負荷に応じた流量を、複数の燃料ノズル(81)を用いて前記燃焼器(73)に供給するメイン燃料系統(8m)を含む複数の燃料系統(8)が接続されており、
前記規定開度(Vc)を決定する規定開度決定部(5)を、さらに備え、
前記規定開度決定部(5)は、
前記負荷遮断信号(S)の受信後に使用する、前記メイン燃料系統(8m)の前記燃料ノズル(81)の使用本数を取得するよう構成されたノズル数取得部と、
前記使用本数に基づいて、前記抽気弁(9)の前記規定開度(Vc)を決定するよう構成された第2決定部と、を有する。
【0079】
負荷遮断時には、燃焼振動の発生状況など機器の特性に応じて、メイン燃料系統(8m)の燃料ノズル(81)(メインノズル)の使用本数を変える可能性がある(例えば8本から3本に変更)。メインノズルの使用本数を変えると、メイン燃料系統(8m)で使用するメインノズルの1本あたりの燃料流量が変わるため、火炎温度(Tf)も変化し得る。
【0080】
上記(5)の構成によれば、メイン燃料系統(8m)から複数の燃料ノズル(81)(メインノズル)を用いて燃焼器(73)に燃料を供給する場合に、負荷遮断時に使用するメインノズルの本数に基づいて、抽気弁(9)の規定開度(Vc)を決定する。例えば、メインノズルの使用本数が8本であれば抽気弁(9)の規定開度(Vc)を全開などの相対的に高開度とする場合に、メインノズルを3本、5本というように少なくして燃料を集中させる場合には、メインノズルの1本当たりの燃料が増大するため、抽気弁(9)の規定開度(Vc)をより小さく。これによって、火炎温度(Tf)が上限値(Lu)を超えるのをより確実に防止することができる。
【0081】
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)〜(2)の構成において、
前記規定開度(Vc)は全開である。
上記(5)の構成によれば、負荷遮断時には、抽気弁(9)の弁開度を全開にする。これによって、抽気弁(9)による燃空比の増大を最大化することができる。よって、失火の防止のために供給する燃料量の最小化を図ることができ、燃費の向上を図ることができる。
【0082】
(7)幾つかの実施形態では、上記(1)〜(6)の構成において、
前記上限値(Lu)は、前記ガスタービン(7)の前記火炎による損傷を防止可能な温度であり、
前記下限値(Ll)は、前記火炎の失火を防止可能な温度である。
上記(7)の構成によれば、上記のように火炎温度(Tf)の上限値(Lu)および下限値(Ll)を定めることで、負荷遮断時において、ガスタービン(7)の損傷および失火を防止することができる。
【0083】
(8)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービン(7)の燃焼制御方法は、
車室(72)内に流入した圧縮機(71)による圧縮空気(Ac)を燃焼器(73)に供給するガスタービン(7)の燃焼制御方法であって、
前記車室(72)内に流入した前記圧縮空気(Ac)の一部を、前記燃焼器(73)における燃焼用空気(As)として用いられないように抽気する抽気配管(9p)に設けられた抽気弁(9)を制御する抽気弁(9)制御ステップと、
前記燃焼器(73)へ供給する燃料の燃料流量を調整する燃料調整弁(83)を制御する燃料制御ステップと、
前記燃焼器(73)内での前記燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度(Tf)を取得する温度取得ステップと、を備え、
前記ガスタービン(7)から負荷を切り離す負荷遮断信号(S)が受信されると、前記抽気弁(9)制御ステップは前記抽気弁(9)の弁開度を閉状態から規定開度(Vc)の開状態に制御し、前記燃料制御ステップは取得された前記火炎温度(Tf)が上限値(Lu)および下限値(Ll)で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁(83)を制御する。
上記(8)の構成によれば、上記(1)と同様の効果を奏する。
【0084】
(9)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービン(7)の燃焼制御プログラム(10)は、
車室(72)内に流入した圧縮機(71)による圧縮空気(Ac)を燃焼器(73)に供給するガスタービン(7)の燃焼制御プログラム(10)であって、
コンピュータに、
前記車室(72)内に流入した前記圧縮空気(Ac)の一部を、前記燃焼器(73)における燃焼用空気(As)として用いられないように抽気する抽気配管(9p)に設けられた抽気弁(9)を制御するよう構成された抽気弁制御部(2)と、
前記燃焼器(73)へ供給する燃料の燃料流量を調整する燃料調整弁(83)を制御するよう構成された燃料制御部(3)と、
前記燃焼器(73)内での前記燃料の燃焼で生じる火炎の火炎温度(Tf)を取得するよう構成された温度取得部(4)と、備え、
前記ガスタービン(7)から負荷を切り離す負荷遮断信号(S)が受信されると、前記抽気弁制御部(2)は前記抽気弁(9)の弁開度を閉状態から規定開度(Vc)の開状態に制御し、前記燃料制御部(3)は取得された前記火炎温度(Tf)が上限値(Lu)および下限値(Ll)で定められる所定の温度範囲に収まるように前記燃料調整弁(83)を制御するように実現させるプログラムである。
上記(9)の構成によれば、上記(1)と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【0085】
1 燃焼制御装置
10 燃焼制御プログラム
11 プロセッサ
12 記憶装置
2 抽気弁制御部
3 燃料制御部
31 燃料流量決定部
31a 基準開度決定部
31b 開度補正部
32 燃料弁開度決定部
4 温度取得部
41 空気流量算出部
42 温度算出部
50 負荷遮断信号受信部
5 規定開度決定部
51 第1決定部
52 負荷指標値取得部
53 ノズル数取得部
54 第2決定部
6 ガスタービンプラント
61 発電機
62 空気入口系統
63 廃棄系統
64 冷却配管
7 ガスタービン
71 圧縮機
71a 入口案内翼
72 車室
73 燃焼器
73a 第1筒部
73b 第2筒部
74 タービン
75 ロータ
8 燃料系統
8m メイン燃料系統
8p パイロット燃料系統
8A 拡散パイロット系統
8B 予混パイロット系統
8C メインA系統
8D メインB系統
8E トップハット系統
81 燃料ノズル
82A 拡散パイロット用マニホールド
82B 予混パイロット用マニホールド
82C メインA用マニホールド
82D メインB用マニホールド
82E トップハット用マニホールド
83 燃料調整弁
83A 燃料調整弁(拡散パイロット系統)
83B 燃料調整弁(予混パイロット系統)
83C 燃料調整弁(メインA系統)
83D 燃料調整弁(メインB系統)
83E 燃料調整弁(トップハット系統)
86 燃料タンク
87 圧力系統
88 燃料圧調整弁(燃料供給圧を制御用)
9 抽気弁
9p 抽気配管
Tf 火炎温度
Ll 火炎温度の下限値
Lu 火炎温度の上限値
S 負荷遮断信号
A 空気
Ac 圧縮空気
As 燃焼用空気(圧縮空気)
E 燃焼ガス
F 燃料(燃料ガス)
Fp パイロット燃料流量
Ga 空気供給流量
Ge 抽気流量
Gf 燃料流量
Gg 通常時空気流量
Hf 低位発熱量
Tcs 車室空気温度
V 抽気弁の弁開度
Vc 規定開度
Vb 基準開度
Vp 付加開度
Ld 負荷指標値
図1
図2
図3A
図3B
図3C
図3D
図4A
図4B
図5
図6
図7