ガスタービンの燃料制御方法及び燃料制御装置
【課題】着火の信頼性を確保しつつ、始動中の排気に生じる黒煙を低減すること。
【解決手段】 燃料制御用の第１供給ラインＬ１を、着火領域で着火限界ラインＬＭに沿って増大するラインとし、燃料の供給開始を燃料流量一定の場合よりも遅らせて、より高い回転数（より多い空気量）で開始する。第１供給ラインＬ１が着火限界ラインＬＭに交差する時が燃料流量一定の場合よりも遅れ、第１供給ラインＬ１の着火遅れに対する裕度（Ｔ）は燃料流量一定の場合と同等になる。空気がより少ない状態での燃料供給が少なくなり、着火までの投入燃料総量が減少し、常に希薄条件で着火する条件となるため、未燃焼・不完全燃焼が減って始動時の黒煙が減少する。
【解決手段】 燃料制御用の第１供給ラインＬ１を、着火領域で着火限界ラインＬＭに沿って増大するラインとし、燃料の供給開始を燃料流量一定の場合よりも遅らせて、より高い回転数（より多い空気量）で開始する。第１供給ラインＬ１が着火限界ラインＬＭに交差する時が燃料流量一定の場合よりも遅れ、第１供給ラインＬ１の着火遅れに対する裕度（Ｔ）は燃料流量一定の場合と同等になる。空気がより少ない状態での燃料供給が少なくなり、着火までの投入燃料総量が減少し、常に希薄条件で着火する条件となるため、未燃焼・不完全燃焼が減って始動時の黒煙が減少する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの燃焼器に供給される燃料の流量を制御するためのガスタービンの燃料制御方法に係り、特に着火の信頼性を十分に確保しつつ、始動中の排気に生じる黒煙を低減することができるガスタービンの燃料制御方法及び燃料制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、再生サイクルガスタービンにおいて低ＮＯx を達成できるガスタービンの燃料制御装置に関する発明が開示されている。同文献の図１に示すように、燃料制御装置３１は、再生サイクルガスタービンの燃焼器９に燃料を供給する装置であって、燃焼器９に主燃料を供給する主燃料供給系３９と、負荷の信号に応じてパイロット当量比を決め、この当量比に基づき燃焼器９に供給するパイロット燃料の流量を可変制御するパイロット燃料供給系４１とを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４７１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されているような従来のガスタービンでは、圧力噴射ノズルによって燃料を良好な状態で噴射するために高い燃料圧力が必要であり、また着火遅れに対する信頼性を確保し、着火遅れが生じても着火できるようにするために、一般に投入する燃料の量は多くなる傾向にある。このため、始動時には未燃焼又は不完全燃焼の燃料が発生し、黒煙が多量に排出される場合があった。
【０００５】
図７は、本発明者が先に発明したガスタービンの燃料制御方法を示すグラフである。横軸は始動指令以降の時間ｔを表わしており、縦軸には時間の経過に対して変化する３つの量として、上からガスタービン回転数と、ガスタービン排気温度と、燃料流量を割り当てており、それぞれの時間に対する変化を３つのグラフで表示している。
【０００６】
図７に示すように、ガスタービンを始動する場合には、始動指令と同時にスタータでガスタービンの軸を駆動して回転数を上昇させていき、ロータの回転が加速され始めるのとほぼ同時に燃料の投入も行う。燃料流量は、圧力噴射ノズルによる良好な噴霧状態を得るためと、着火遅れが生じても着火できるようにするために、着火後、排気温度が所定量（例えば３０度）だけ上昇するまでは一定に保持し、その後は回転数の上昇に合わせて（すなわち空気量の増加に合わせて）増加していくように制御していた。このため、図７中にある斜線を施した矩形の領域で示すように、大量の燃料が投入されることとなり、この燃料の未燃焼又は不完全燃焼によって始動時に黒煙が発生していたものと考えられる。
【０００７】
図８は、着火遅れに対する信頼性について説明するために、このガスタービンの着火限界ラインＬＭを図７に示したガスタービンの燃料制御方法のグラフに重ねて示したものである。着火限界ラインＬＭとは、ガスタービン及びこれに付随する燃焼器の構造やその運転方法等によって定まる着火限界の燃料流量を表わすものであって、このラインの上側は着火領域であり、下側は非着火領域である。
【０００８】
上述したように、このガスタービンでは、始動開始直後から一定の燃料流量で燃料を供給し、着火後には燃料流量を増大させているのであるが、仮に図示の着火ポイントで着火しなければ、図中破線で示すように一定の燃料流量による燃料の供給はそのまま継続し、排気温度も始動時の一定温度を維持して上昇することはない。燃料供給開始後、この燃料流量一定のラインが着火限界ラインＬＭに交差する時刻までの時間Ｔが着火可能な時間範囲であり、これを本発明者は、着火が遅れた場合の時間的余裕を表わす目安と考え、「着火遅れに対する裕度」と称している。この着火遅れに対する裕度が長いほど、着火するチャンスが多くなり、ミスなく着火できる可能性が高まり、着火の信頼性が高いと言える。
【０００９】
このガスタービンのように、始動開始直後から一定の燃料流量で燃料を供給する場合において、着火遅れに対する裕度（Ｔ）を長くするためには、始動開始直後から供給する燃料流量の一定値をなるべく高く設定し、時間が経過して着火限界ラインＬＭが立ち上がっていっても、一定の燃料流量が着火限界ラインＬＭに交差して下方の非着火領域に入ってしまう時刻がなるべく遅くなるようにすればよい。このガスタービンでは、圧力噴射ノズルによる良好な噴霧状態を得るとともに、そのような着火遅れに対する信頼性の確保といった観点から、一定の燃料流量で投入する燃料の量を多く設定していたのであるが、そのために前述したように、始動時には未燃焼又は不完全燃焼の燃料が発生し、黒煙が多量に排出される場合があったと考えられる。
【００１０】
ガスタービンの始動時に発生する黒煙の問題を解決するために、始動開始直後から投入する燃料の一定燃料流量をより少なく設定すれば、未燃焼又は不完全燃焼の燃料が少なくなって発生する黒煙も減少することが予想されるが、単に燃料流量を少なくしたのでは、図８の下段に示す燃料流量のグラフにおいて、水平な一定流量の供給ラインが下方に平行移動することとなり、これが着火限界ラインＬＭと交差する点の時刻ｔがより早くなり、結果として前記着火遅れに対する裕度（Ｔ）が短くなって着火の信頼性が低下してしまう。
【００１１】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、着火の信頼性を十分に確保しつつ、始動中の排気に生じる黒煙を低減することができるガスタービンの燃料制御方法及び燃料制御装置を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載されたガスタービンの燃料制御方法は、
ガスタービンを駆動する燃焼ガスを生成するために燃焼器に供給される燃料の流量を制御するガスタービンの燃料制御方法において、
時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するガスタービンの始動時において、前記流量と時間の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインＬＭを想定し、実際に燃料を供給する場合における前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインを前記着火領域内で前記着火限界ラインＬＭに沿って設定し、前記第１供給ラインに従って燃焼器に燃料を供給することを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載されたガスタービンの燃料制御方法によれば、請求項１記載のガスタービンの燃料制御方法において、
所定の着火可能時間の長さを有し着火まで前記流量を一定に保持する一定供給ラインを想定し、
前記第１供給ラインによる燃料の供給開始の時に対応するガスタービンの回転数を、前記一定供給ラインによる燃料の供給開始の時に対応するガスタービンの回転数よりも大きく設定し、
前記第１供給ラインが前記着火限界ラインＬＭに交差する時に対応するガスタービンの回転数を、前記一定供給ラインが前記着火限界ラインＬＭに交差する時に対応するガスタービンの回転数よりも大きくなるように設定したことを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載されたガスタービンの燃料制御方法は、請求項２記載のガスタービンの燃料制御方法において、
前記第１供給ラインによる前記流量の制御は、時間の経過に伴って前記流量が比例係数ａの正比例で増大する制御であり、着火した後には、時間の経過に伴って前記流量が比例係数ｂ（ａ＞ｂ）の正比例で増大する第２供給ラインに沿って制御を行うことを特徴としている。
【００１５】
請求項４に記載されたガスタービンの燃料制御装置は、
ガスタービンを駆動する燃焼ガスを生成するために燃焼器に燃料制御弁を介して供給される燃料の流量を制御するガスタービンの燃料制御装置において、
時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するスタータを用いたガスタービンの始動時において、前記流量と時間の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインＬＭを想定し、実際に燃料を供給する場合における前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインを前記着火領域内で前記着火限界ラインＬＭに沿って設定し、前記第１供給ラインに従って燃焼器に燃料を供給するように前記燃料制御弁を制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載されたガスタービンの燃料制御方法と、請求項４に記載されたガスタービンの燃料制御装置によれば、ガスタービンの始動時には、時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するとともに、着火限界ラインＬＭも徐々に上昇していくが、着火領域内で着火限界ラインＬＭに沿って設定した第１供給ラインに従って燃料を供給するので、始動後に一定の燃料流量で燃料を供給する場合に比べ、着火前の燃料投入量を可及的に減少せしめることができるとともに、着火範囲内であればどこで着火しても着火限界に近い状態での着火となり、可能な限り希薄な条件での燃焼となるため、未燃焼又は不完全燃焼の燃料が少なくなり、始動中の排気に生じる黒煙を低減させることができる。
【００１７】
請求項２に記載されたガスタービンの燃料制御方法によれば、燃料流量が一定である一定供給ラインの燃料供給開始時よりも後で、前記第１供給ラインに従って燃焼器への燃料供給を開始するとともに、一定供給ラインが着火限界ラインＬＭに交差する時よりも後で、前記第１供給ラインが前記着火限界ラインＬＭに交差するように燃料の供給態様を設定することができる。従って、始動後に一定の燃料流量で燃料を供給する場合に比べ、燃料の供給開始が遅くなり、着火前の燃料投入量を減少させることが可能であるとともに、燃料流量が非着火領域に移行する時点も一定の燃料流量の場合より遅くなるので、着火可能な時間範囲（前記着火遅れに対する裕度）については一定供給ラインの場合と同等以上に設定することが可能となり、一定供給ラインの場合と同等以上の着火の信頼性を確保することができる。すなわち、着火の信頼性を十分に確保しつつ、始動中の排気に生じる黒煙を低減することができる。
【００１８】
請求項３に記載されたガスタービンの燃料制御方法によれば、ガスタービンの始動後、燃料流量は第１供給ラインに従って時間に対して正比例で直線的に増大していくが、その着火可能な時間範囲（前記着火遅れに対する裕度）内で着火した場合は、第１供給ラインよりも小さい傾きの第２供給ラインに従って、より小さい増加量で燃料流量の供給を行なうので、そのまま第１供給ラインに沿って燃料を供給する場合に比べ、燃焼状態を適切に維持しつつ、燃料供給量については削減することができ、黒煙の発生をより一層抑える効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るガスタービン装置の構造と制御系統を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガスタービン装置に設けられた燃料制御弁の構造を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ切断線における断面図であり、弁の全閉状態と全開状態をそれぞれ示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るガスタービン装置の駆動状態を、時間に対するロータの回転数の変化と、装置各部の作動状態とによって示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るガスタービンの燃料制御方法を示す図であって、横軸には始動指令以降の時間をとり、縦軸には時間の経過に対して変化するガスタービン回転数と、ガスタービン排気温度と、燃料流量をとり、各量の時間に対する変化を３つのグラフで表示した図である。
【図６】（ａ）は本発明の実施形態に係るガスタービンの始動時における排気状況を示す写真であり、（ｂ）は本発明者が先に発明したガスタービンの燃料制御方法による始動時の排気状況を示す写真である。
【図７】本発明者が先に発明したガスタービンの燃料制御方法を示す図であって、横軸には始動指令以降の時間をとり、縦軸には時間の経過に対して変化するガスタービン回転数と、ガスタービン排気温度と、燃料流量をとり、各量の時間に対する変化を３つのグラフで表示した図である。
【図８】図７に示したガスタービンの燃料制御方法のグラフに、このガスタービンの着火限界ラインＬＭを重ねて示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の最良の実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１を参照して本実施形態のガスタービンを用いた発電装置の全体構成を説明する。このガスタービン１は、回転自在である共通のロータ２に取り付けられた圧縮機３及びタービン４と、タービン４に駆動用の燃焼ガスを供給する燃焼器５とを備えている。この燃焼器５には、燃料を送る燃料ポンプ６と、燃料ポンプ６から送られた燃料の流量を制御する燃料制御弁７と、燃料制御弁７と燃焼器５との流路を必要に応じて開閉する燃料遮断弁８とによって構成された破線で示す燃料供給系統が接続されている。この燃料供給系統における燃料ポンプ６は、ガスタービン１の始動時に図示しないバッテリーで駆動されるものであり、ガスタービン１が定格回転数で運転されている状態での燃料供給は後述するメインポンプによって行なわれる。また、燃焼器５には、圧縮機３から圧縮空気を導く空気流路９も接続されている。そして、燃焼器５には点火栓１０が設けられており、燃焼器５に供給された燃料及び圧縮空気の混合気に着火して燃焼させ、燃焼ガスを生成することができる。燃焼器５とタービン４は燃焼ガス流路１１で接続されており、燃焼器５で生成された燃焼ガスは燃焼ガス流路１１を介してタービン４に導かれ、これを駆動してロータ２を回転させることができる。
【００２１】
このように構成されたガスタービン１のロータ２には減速機１２を介して発電機１３が連結されている。ガスタービン１を駆動すれば、ロータ２の回転力は減速機１２で適当な回転数に変換され、発電機１３を駆動して電力を得ることができる。なお、減速機１２には、ガスタービン１の始動時にロータ２を駆動する電機モータであるスタータ１４が連結されているほか、回転数検出手段１５も設けられている。
【００２２】
このガスタービン１及び発電機１３等からなる発電装置は、燃料制御装置としての機能を有する制御部２０によって全体として統轄的に制御されるようになっている。すなわち、図１中に示したように、燃料ポンプ６、燃料制御弁７、燃料遮断弁８、点火栓１０、スタータ１４、回転数検出手段１５等は制御部２０に接続されており、制御部２０は、回転数検出手段１５から得られる回転数の情報、その他の図示しないセンサ等からの情報や外部からの指示を受けて、燃料ポンプ６、燃料制御弁７、燃料遮断弁８、点火栓１０、スタータ１４等の装置各部を適宜に制御し、後述するような燃料流量の制御を行なってガスタービン１による発電を行うことができる。なお、図示はしないが、前述した通り、減速機１２にはロータ２の回転力によって駆動されるメインポンプが連結されている。このメインポンプは、ガスタービン１が定格回転数で運転されている状態において、燃料を燃焼器５に供給するように構成されている。
【００２３】
次に、図２及び図３を参照して前記ガスタービン１の燃焼器５に燃料を供給する燃料制御弁７について説明する。図２に示すように、燃料制御弁７の弁箱２５の内部には、燃料ポンプ６に接続された入口側流路２６と、入口側流路２６に連通した略円筒形の弁室２７と、弁室２７と燃料遮断弁８を連通させる出口側流路２８が形成されている。この弁室２７の内部には、図３に示すように、弁室２７の形状と略同形でやや小さい円柱体を縦に半分にしたような半円柱形の弁体２９が設けられている。この弁体２９は、その軸を中心として回動自在とされており、図２中に模式的に示すように、制御部２０を介して与えられる４〜２０ｍＡの電流信号で駆動される図示しないアクチュエータにより、図３に示すように全開位置と全閉位置との間の任意の位置に設定され、流路２６，２８の開度を任意に調整できるようになっている。すなわち、この燃料制御弁７では、入口側流路２６と出口側流路２８の各圧力は一定であることになっており、弁体２９による流路の開度調整によって燃料流量を連続的に自在に調整することができる。
【００２４】
図２に示すように、燃料制御弁７の弁箱２５の内部には、入口側流路２６と出口側流路２８の各圧力が何らかの負荷等によって変動した場合にも、安定して流量制御を行なえるようにするため、圧力補償機構が設けられている。圧力補償室３０には、圧力補償弁３１が移動自在に設けられており、その一方側には入口側流路２６の圧力Ｐ１と等しいバイパス圧力ＰＢが与えられ、その他方側には出口側流路２８の圧力Ｐ２が与えられている。この構成によれば、入口側流路２６の圧力Ｐ１と出口側流路２８の圧力Ｐ２との差圧が一定に制御される。例えば、出口側流路２８の下流にある燃料弁等の絞りが何らかの理由で狭くなってしまった場合、出口側流路２８の圧力Ｐ２は上昇するが、これによって圧力補償弁３１は図中左側に移動するので、バイパス圧力ＰＢが下がり、燃料のバイパス量が減少して燃料流量を一定に維持することができる。
【００２５】
次に、図４を参照して実施形態におけるガスタービン１の始動から定格運転に至る運転状態の大略を説明する。始動開始の指示（始動指令）が入ると、制御部２０は、バッテリーによってスタータ１４を始動してガスタービン１のロータ２を駆動し始めるとともに、バッテリーによって始動用の燃料ポンプ６と点火栓１０も始動する。ロータ２の回転数が所定の回転数（定格回転数１００％に対してＮ％）まで上昇したところで、燃焼器５内の混合気に着火するが、その後、燃料遮断弁８を作動させて始動用の燃料ポンプ６の系統から来る燃料を遮断する。以後、スタータ１４、始動用の燃料ポンプ６及び点火栓１０は適当な時期に停止するが、減速機１２に連動する図示しないメインポンプで燃焼器５に燃料を供給して運転を続行する。回転数が１００％までは、空気量に対応して燃料流量を増加させていき、回転数が１００％に達した後は、回転数１００％を維持するように燃料流量を制御する。
【００２６】
次に、図４を参照して説明したガスタービン１の始動時における燃料制御について、図５を参照して詳細に説明する。
図５に示す本実施形態の燃料制御方法を示すグラフの座標系では、横軸には始動指令以降の時間ｔをとり、縦軸には時間の経過に対して変化する３つの量として、上からガスタービン回転数と、ガスタービン排気温度と、燃料流量をとり、各量の時間ｔに対する変化を３つのグラフで表示している。また、燃料流量のグラフに重ねて前記ガスタービン１の燃焼器５の着火限界ラインＬＭも示している。この図は、スタータ１４によってガスタービン１のロータ２の回転数を上昇させる制御を行なう始動時の図であるため、横軸の時間ｔが増大するにつれて、ガスタービン１の回転数は上昇していき、始動後一定であったガスタービン排気温度も着火ポイント後には上昇していく。
【００２７】
図５に示すように、ガスタービン１を始動する場合には、始動指令と同時にスタータ１４でガスタービン１の軸を駆動して回転数を上昇させていき、ロータ２の回転が加速されて回転数がある程度上昇してから燃料の投入を始める。図７に示した本発明者の先行発明の場合は、前述したようにロータの回転が加速され始めるのとほぼ同時期であって、空気量が比較的少ない状態で燃料の供給を開始していた。これに対し本実施形態では、これよりも遅く、空気量がより多い時刻ｔ１になってから燃料の供給を開始する。
【００２８】
このように、本実施形態では、本発明者の先行発明の場合よりも燃料供給開始時を遅くし、より回転数が高く、より空気量が多くなった時刻ｔ１で燃料供給を開始するので、空気が少ない状態で供給されて未燃焼となりがちな燃料が減り、黒煙が発生しにくくなっている。
【００２９】
図５に示すように、本実施形態では、始動開始後の経過時間と燃料流量の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインＬＭを想定し、実際に燃料を供給する前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインＬ１を、前記着火領域内において、前記着火限界ラインＬＭに沿った直線（傾きをａとする）として設定した。第１供給ラインＬ１は、その最後の部分で流量が一定になって水平となり、着火限界ラインＬＭに交差するが、この交差点における時刻ｔ２と燃料供給を開始した前記時刻ｔ１の時間間隔が、着火遅れに対する裕度（Ｔ）となる。この裕度（Ｔ）は、燃料供給開始が本実施形態より早い本発明者の先行発明の場合と同等であり、着火の信頼性は十分に確保されている。
【００３０】
本実施形態のようなガスタービン１を利用した発電装置は、非常用として設置される場合が多く、その場合には用途の緊急性に鑑みて始動時にはなるべく一回で着火して直ちに発電を始められる性能が求められる。すなわち、時間的な着火可能範囲が広く、着火遅れに対する裕度（Ｔ）が長く、着火に対する信頼性が重要である。本実施形態によれば、このような要請・期待に十分応えうる着火信頼性を備えていると言える。
【００３１】
このように、本実施形態では、燃料供給のタイミングを遅らせているのにも関わらず、着火遅れに対する裕度（Ｔ）が先行発明と同等で十分な信頼性を備えているが、これは本実施形態の燃料流量が一定ではなく、着火領域において着火限界ラインＬＭに沿って直線的に流量が増大していく第１供給ラインＬ１に沿った流量制御を採用したためである。
【００３２】
また、本実施形態によれば、着火領域内で着火限界ラインＬＭに沿って直線的に流量が増大する第１供給ラインＬ１を燃料制御のスケジュールとして採用したので、前記裕度（Ｔ）内のどの時点で着火したとしても、常に着火限界に近い希薄条件での着火となるため、黒煙を低減させる効果がある。
【００３３】
また、本実施形態によれば、前述したように回転数が上昇して空気量が多くなってから燃料供給を開始し、さらに着火限界ラインＬＭに沿った第１供給ラインＬ１に従って燃料を供給するため、前記先行発明と同等の前記裕度（Ｔ）を確保しながら、図５中の斜線を付した台形領域で示すように、着火までに投入される総燃料量は従来よりも少なくなる。前述したように空気が少ない状態で供給される燃料が少ないことや、常に希薄燃焼で着火する点に加え、着火可能な時間範囲内（裕度（Ｔ））における着火前の燃料供給量自体が先行発明に比べて少なくなるため、この点においても先行発明に比べて未燃焼・不完全燃焼の燃料が少なくなり、黒煙発生が減少することとなる。
【００３４】
図５に示すように、本実施形態では、着火ポイント後、排気温度が所定量（例えば３０度）だけ上昇するまでは、第１供給ラインＬ１に従った燃料制御を維持し、その後に、第１供給ラインＬ１よりも燃料流量の増加率の低い第２供給ラインＬ２に従って燃料流量の制御を行なう。すなわち、第２供給ラインＬ２は、前記流量が比例係数ｂ（ａ＞ｂ）の正比例で増大する燃料制御のスケジュールを示している。
【００３５】
本実施形態によれば、ガスタービン１の始動後、燃料流量は第１供給ラインＬ１に従って時間に対して正比例で直線的に増大していくが、その着火可能な時間範囲（前記着火遅れに対する裕度（Ｔ））内で着火した場合は、第１供給ラインＬ１よりも小さい傾きの第２供給ラインＬ２に従って、より小さい増加量で燃料流量の供給を行なうことになる。一旦着火した後であるため、第２供給ラインＬ２が着火限界ラインＬＭの下方の非着火領域に入っても問題はない。従って、そのまま第１供給ラインＬ１に沿って燃料を供給する場合に比べ、燃焼状態を適切に維持しつつ、燃料供給量については削減することができるので、黒煙の発生をより一層抑える効果が得られる。
【００３６】
以上説明した実施形態における着火限界ラインＬＭは、ガスタービンや運転手法等によって変動しうる特性である。従って、例えばガスタービン１においてダクトの構造を変更したため給気や排気の抵抗が変化したり、燃焼器５に供給される際の燃料温度が変動して微粒化の程度が変動した等の理由により、前述した第１供給ラインＬ１を設定する基本データとなった着火限界ラインＬＭ自体が変化する場合が考えられる。従って、第１供給ラインＬ１を着火限界ラインＬＭにあまりに近接して設定すると、何らかの原因で着火限界ラインＬＭが上のように変動してしまった場合には、実際の燃料流量が着火限界ラインＬＭを下回って着火ミスが発生することが考えられる。そこで、第１供給ラインＬ１は、着火領域内で裕度Ｔの全範囲にわたって着火限界ラインＬＭに近接するように設けるのではなく、供給開始から時間が経過するほど、着火限界ラインＬＭから離れていくように設定してもよい。又は、着火後の黒煙の発生状況を見ながら、燃料流量を徐々に増やすような制御を行なってもよい。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１供給ラインＬ１による燃料の供給開始を先行発明の場合よりも遅らせて、より高い回転数（より多い空気量）で燃料供給を開始するとともに、燃料の制御ラインである第１供給ラインＬ１を、着火領域で着火限界ラインＬＭに沿って増大するラインとすることにより、第１供給ラインＬ１が着火限界ラインＬＭに交差する時を先行発明の場合よりも遅らせて、第１供給ラインＬ１の着火遅れに対する裕度（Ｔ）の終期を、先行発明の場合よりも高い回転数（より多い空気量）の側に設定した。このため、着火遅れに対する裕度については先行発明の場合と同等に十分な値を確保しながら、より空気の少ない状態での燃料供給を少なくし、着火までの投入燃料総量を減少させ、着火については常に希薄条件で行なわれる条件を整えたため、未燃焼・不完全燃焼が減って始動時の黒煙が減少する効果が得られた。
【００３８】
図６は、特Ａ重油を燃料とし、定格の２０％の回転数でガスタービン１を運転した場合の煙道の様子を示す写真であり、図６（ａ）は実施形態に係る燃料制御方法の場合を示す写真であり、煙道からの排気には黒煙は全く見られない。同図（ｂ）は本発明者の先行発明による燃料制御方法の場合を示す写真であり、煙道からは黒煙が排出されている。
【符号の説明】
【００３９】
１…ガスタービン
５…燃焼器
７…燃料制御弁
１４…スタータ
２０…燃料制御装置としての制御部
ＬＭ…着火限界ライン
Ｌ１…第１供給ライン
Ｌ２…第２供給ライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの燃焼器に供給される燃料の流量を制御するためのガスタービンの燃料制御方法に係り、特に着火の信頼性を十分に確保しつつ、始動中の排気に生じる黒煙を低減することができるガスタービンの燃料制御方法及び燃料制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、再生サイクルガスタービンにおいて低ＮＯx を達成できるガスタービンの燃料制御装置に関する発明が開示されている。同文献の図１に示すように、燃料制御装置３１は、再生サイクルガスタービンの燃焼器９に燃料を供給する装置であって、燃焼器９に主燃料を供給する主燃料供給系３９と、負荷の信号に応じてパイロット当量比を決め、この当量比に基づき燃焼器９に供給するパイロット燃料の流量を可変制御するパイロット燃料供給系４１とを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４７１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されているような従来のガスタービンでは、圧力噴射ノズルによって燃料を良好な状態で噴射するために高い燃料圧力が必要であり、また着火遅れに対する信頼性を確保し、着火遅れが生じても着火できるようにするために、一般に投入する燃料の量は多くなる傾向にある。このため、始動時には未燃焼又は不完全燃焼の燃料が発生し、黒煙が多量に排出される場合があった。
【０００５】
図７は、本発明者が先に発明したガスタービンの燃料制御方法を示すグラフである。横軸は始動指令以降の時間ｔを表わしており、縦軸には時間の経過に対して変化する３つの量として、上からガスタービン回転数と、ガスタービン排気温度と、燃料流量を割り当てており、それぞれの時間に対する変化を３つのグラフで表示している。
【０００６】
図７に示すように、ガスタービンを始動する場合には、始動指令と同時にスタータでガスタービンの軸を駆動して回転数を上昇させていき、ロータの回転が加速され始めるのとほぼ同時に燃料の投入も行う。燃料流量は、圧力噴射ノズルによる良好な噴霧状態を得るためと、着火遅れが生じても着火できるようにするために、着火後、排気温度が所定量（例えば３０度）だけ上昇するまでは一定に保持し、その後は回転数の上昇に合わせて（すなわち空気量の増加に合わせて）増加していくように制御していた。このため、図７中にある斜線を施した矩形の領域で示すように、大量の燃料が投入されることとなり、この燃料の未燃焼又は不完全燃焼によって始動時に黒煙が発生していたものと考えられる。
【０００７】
図８は、着火遅れに対する信頼性について説明するために、このガスタービンの着火限界ラインＬＭを図７に示したガスタービンの燃料制御方法のグラフに重ねて示したものである。着火限界ラインＬＭとは、ガスタービン及びこれに付随する燃焼器の構造やその運転方法等によって定まる着火限界の燃料流量を表わすものであって、このラインの上側は着火領域であり、下側は非着火領域である。
【０００８】
上述したように、このガスタービンでは、始動開始直後から一定の燃料流量で燃料を供給し、着火後には燃料流量を増大させているのであるが、仮に図示の着火ポイントで着火しなければ、図中破線で示すように一定の燃料流量による燃料の供給はそのまま継続し、排気温度も始動時の一定温度を維持して上昇することはない。燃料供給開始後、この燃料流量一定のラインが着火限界ラインＬＭに交差する時刻までの時間Ｔが着火可能な時間範囲であり、これを本発明者は、着火が遅れた場合の時間的余裕を表わす目安と考え、「着火遅れに対する裕度」と称している。この着火遅れに対する裕度が長いほど、着火するチャンスが多くなり、ミスなく着火できる可能性が高まり、着火の信頼性が高いと言える。
【０００９】
このガスタービンのように、始動開始直後から一定の燃料流量で燃料を供給する場合において、着火遅れに対する裕度（Ｔ）を長くするためには、始動開始直後から供給する燃料流量の一定値をなるべく高く設定し、時間が経過して着火限界ラインＬＭが立ち上がっていっても、一定の燃料流量が着火限界ラインＬＭに交差して下方の非着火領域に入ってしまう時刻がなるべく遅くなるようにすればよい。このガスタービンでは、圧力噴射ノズルによる良好な噴霧状態を得るとともに、そのような着火遅れに対する信頼性の確保といった観点から、一定の燃料流量で投入する燃料の量を多く設定していたのであるが、そのために前述したように、始動時には未燃焼又は不完全燃焼の燃料が発生し、黒煙が多量に排出される場合があったと考えられる。
【００１０】
ガスタービンの始動時に発生する黒煙の問題を解決するために、始動開始直後から投入する燃料の一定燃料流量をより少なく設定すれば、未燃焼又は不完全燃焼の燃料が少なくなって発生する黒煙も減少することが予想されるが、単に燃料流量を少なくしたのでは、図８の下段に示す燃料流量のグラフにおいて、水平な一定流量の供給ラインが下方に平行移動することとなり、これが着火限界ラインＬＭと交差する点の時刻ｔがより早くなり、結果として前記着火遅れに対する裕度（Ｔ）が短くなって着火の信頼性が低下してしまう。
【００１１】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、着火の信頼性を十分に確保しつつ、始動中の排気に生じる黒煙を低減することができるガスタービンの燃料制御方法及び燃料制御装置を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載されたガスタービンの燃料制御方法は、
ガスタービンを駆動する燃焼ガスを生成するために燃焼器に供給される燃料の流量を制御するガスタービンの燃料制御方法において、
時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するガスタービンの始動時において、前記流量と時間の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインＬＭを想定し、実際に燃料を供給する場合における前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインを前記着火領域内で前記着火限界ラインＬＭに沿って設定し、前記第１供給ラインに従って燃焼器に燃料を供給することを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載されたガスタービンの燃料制御方法によれば、請求項１記載のガスタービンの燃料制御方法において、
所定の着火可能時間の長さを有し着火まで前記流量を一定に保持する一定供給ラインを想定し、
前記第１供給ラインによる燃料の供給開始の時に対応するガスタービンの回転数を、前記一定供給ラインによる燃料の供給開始の時に対応するガスタービンの回転数よりも大きく設定し、
前記第１供給ラインが前記着火限界ラインＬＭに交差する時に対応するガスタービンの回転数を、前記一定供給ラインが前記着火限界ラインＬＭに交差する時に対応するガスタービンの回転数よりも大きくなるように設定したことを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載されたガスタービンの燃料制御方法は、請求項２記載のガスタービンの燃料制御方法において、
前記第１供給ラインによる前記流量の制御は、時間の経過に伴って前記流量が比例係数ａの正比例で増大する制御であり、着火した後には、時間の経過に伴って前記流量が比例係数ｂ（ａ＞ｂ）の正比例で増大する第２供給ラインに沿って制御を行うことを特徴としている。
【００１５】
請求項４に記載されたガスタービンの燃料制御装置は、
ガスタービンを駆動する燃焼ガスを生成するために燃焼器に燃料制御弁を介して供給される燃料の流量を制御するガスタービンの燃料制御装置において、
時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するスタータを用いたガスタービンの始動時において、前記流量と時間の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインＬＭを想定し、実際に燃料を供給する場合における前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインを前記着火領域内で前記着火限界ラインＬＭに沿って設定し、前記第１供給ラインに従って燃焼器に燃料を供給するように前記燃料制御弁を制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載されたガスタービンの燃料制御方法と、請求項４に記載されたガスタービンの燃料制御装置によれば、ガスタービンの始動時には、時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するとともに、着火限界ラインＬＭも徐々に上昇していくが、着火領域内で着火限界ラインＬＭに沿って設定した第１供給ラインに従って燃料を供給するので、始動後に一定の燃料流量で燃料を供給する場合に比べ、着火前の燃料投入量を可及的に減少せしめることができるとともに、着火範囲内であればどこで着火しても着火限界に近い状態での着火となり、可能な限り希薄な条件での燃焼となるため、未燃焼又は不完全燃焼の燃料が少なくなり、始動中の排気に生じる黒煙を低減させることができる。
【００１７】
請求項２に記載されたガスタービンの燃料制御方法によれば、燃料流量が一定である一定供給ラインの燃料供給開始時よりも後で、前記第１供給ラインに従って燃焼器への燃料供給を開始するとともに、一定供給ラインが着火限界ラインＬＭに交差する時よりも後で、前記第１供給ラインが前記着火限界ラインＬＭに交差するように燃料の供給態様を設定することができる。従って、始動後に一定の燃料流量で燃料を供給する場合に比べ、燃料の供給開始が遅くなり、着火前の燃料投入量を減少させることが可能であるとともに、燃料流量が非着火領域に移行する時点も一定の燃料流量の場合より遅くなるので、着火可能な時間範囲（前記着火遅れに対する裕度）については一定供給ラインの場合と同等以上に設定することが可能となり、一定供給ラインの場合と同等以上の着火の信頼性を確保することができる。すなわち、着火の信頼性を十分に確保しつつ、始動中の排気に生じる黒煙を低減することができる。
【００１８】
請求項３に記載されたガスタービンの燃料制御方法によれば、ガスタービンの始動後、燃料流量は第１供給ラインに従って時間に対して正比例で直線的に増大していくが、その着火可能な時間範囲（前記着火遅れに対する裕度）内で着火した場合は、第１供給ラインよりも小さい傾きの第２供給ラインに従って、より小さい増加量で燃料流量の供給を行なうので、そのまま第１供給ラインに沿って燃料を供給する場合に比べ、燃焼状態を適切に維持しつつ、燃料供給量については削減することができ、黒煙の発生をより一層抑える効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るガスタービン装置の構造と制御系統を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガスタービン装置に設けられた燃料制御弁の構造を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ切断線における断面図であり、弁の全閉状態と全開状態をそれぞれ示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るガスタービン装置の駆動状態を、時間に対するロータの回転数の変化と、装置各部の作動状態とによって示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るガスタービンの燃料制御方法を示す図であって、横軸には始動指令以降の時間をとり、縦軸には時間の経過に対して変化するガスタービン回転数と、ガスタービン排気温度と、燃料流量をとり、各量の時間に対する変化を３つのグラフで表示した図である。
【図６】（ａ）は本発明の実施形態に係るガスタービンの始動時における排気状況を示す写真であり、（ｂ）は本発明者が先に発明したガスタービンの燃料制御方法による始動時の排気状況を示す写真である。
【図７】本発明者が先に発明したガスタービンの燃料制御方法を示す図であって、横軸には始動指令以降の時間をとり、縦軸には時間の経過に対して変化するガスタービン回転数と、ガスタービン排気温度と、燃料流量をとり、各量の時間に対する変化を３つのグラフで表示した図である。
【図８】図７に示したガスタービンの燃料制御方法のグラフに、このガスタービンの着火限界ラインＬＭを重ねて示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の最良の実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１を参照して本実施形態のガスタービンを用いた発電装置の全体構成を説明する。このガスタービン１は、回転自在である共通のロータ２に取り付けられた圧縮機３及びタービン４と、タービン４に駆動用の燃焼ガスを供給する燃焼器５とを備えている。この燃焼器５には、燃料を送る燃料ポンプ６と、燃料ポンプ６から送られた燃料の流量を制御する燃料制御弁７と、燃料制御弁７と燃焼器５との流路を必要に応じて開閉する燃料遮断弁８とによって構成された破線で示す燃料供給系統が接続されている。この燃料供給系統における燃料ポンプ６は、ガスタービン１の始動時に図示しないバッテリーで駆動されるものであり、ガスタービン１が定格回転数で運転されている状態での燃料供給は後述するメインポンプによって行なわれる。また、燃焼器５には、圧縮機３から圧縮空気を導く空気流路９も接続されている。そして、燃焼器５には点火栓１０が設けられており、燃焼器５に供給された燃料及び圧縮空気の混合気に着火して燃焼させ、燃焼ガスを生成することができる。燃焼器５とタービン４は燃焼ガス流路１１で接続されており、燃焼器５で生成された燃焼ガスは燃焼ガス流路１１を介してタービン４に導かれ、これを駆動してロータ２を回転させることができる。
【００２１】
このように構成されたガスタービン１のロータ２には減速機１２を介して発電機１３が連結されている。ガスタービン１を駆動すれば、ロータ２の回転力は減速機１２で適当な回転数に変換され、発電機１３を駆動して電力を得ることができる。なお、減速機１２には、ガスタービン１の始動時にロータ２を駆動する電機モータであるスタータ１４が連結されているほか、回転数検出手段１５も設けられている。
【００２２】
このガスタービン１及び発電機１３等からなる発電装置は、燃料制御装置としての機能を有する制御部２０によって全体として統轄的に制御されるようになっている。すなわち、図１中に示したように、燃料ポンプ６、燃料制御弁７、燃料遮断弁８、点火栓１０、スタータ１４、回転数検出手段１５等は制御部２０に接続されており、制御部２０は、回転数検出手段１５から得られる回転数の情報、その他の図示しないセンサ等からの情報や外部からの指示を受けて、燃料ポンプ６、燃料制御弁７、燃料遮断弁８、点火栓１０、スタータ１４等の装置各部を適宜に制御し、後述するような燃料流量の制御を行なってガスタービン１による発電を行うことができる。なお、図示はしないが、前述した通り、減速機１２にはロータ２の回転力によって駆動されるメインポンプが連結されている。このメインポンプは、ガスタービン１が定格回転数で運転されている状態において、燃料を燃焼器５に供給するように構成されている。
【００２３】
次に、図２及び図３を参照して前記ガスタービン１の燃焼器５に燃料を供給する燃料制御弁７について説明する。図２に示すように、燃料制御弁７の弁箱２５の内部には、燃料ポンプ６に接続された入口側流路２６と、入口側流路２６に連通した略円筒形の弁室２７と、弁室２７と燃料遮断弁８を連通させる出口側流路２８が形成されている。この弁室２７の内部には、図３に示すように、弁室２７の形状と略同形でやや小さい円柱体を縦に半分にしたような半円柱形の弁体２９が設けられている。この弁体２９は、その軸を中心として回動自在とされており、図２中に模式的に示すように、制御部２０を介して与えられる４〜２０ｍＡの電流信号で駆動される図示しないアクチュエータにより、図３に示すように全開位置と全閉位置との間の任意の位置に設定され、流路２６，２８の開度を任意に調整できるようになっている。すなわち、この燃料制御弁７では、入口側流路２６と出口側流路２８の各圧力は一定であることになっており、弁体２９による流路の開度調整によって燃料流量を連続的に自在に調整することができる。
【００２４】
図２に示すように、燃料制御弁７の弁箱２５の内部には、入口側流路２６と出口側流路２８の各圧力が何らかの負荷等によって変動した場合にも、安定して流量制御を行なえるようにするため、圧力補償機構が設けられている。圧力補償室３０には、圧力補償弁３１が移動自在に設けられており、その一方側には入口側流路２６の圧力Ｐ１と等しいバイパス圧力ＰＢが与えられ、その他方側には出口側流路２８の圧力Ｐ２が与えられている。この構成によれば、入口側流路２６の圧力Ｐ１と出口側流路２８の圧力Ｐ２との差圧が一定に制御される。例えば、出口側流路２８の下流にある燃料弁等の絞りが何らかの理由で狭くなってしまった場合、出口側流路２８の圧力Ｐ２は上昇するが、これによって圧力補償弁３１は図中左側に移動するので、バイパス圧力ＰＢが下がり、燃料のバイパス量が減少して燃料流量を一定に維持することができる。
【００２５】
次に、図４を参照して実施形態におけるガスタービン１の始動から定格運転に至る運転状態の大略を説明する。始動開始の指示（始動指令）が入ると、制御部２０は、バッテリーによってスタータ１４を始動してガスタービン１のロータ２を駆動し始めるとともに、バッテリーによって始動用の燃料ポンプ６と点火栓１０も始動する。ロータ２の回転数が所定の回転数（定格回転数１００％に対してＮ％）まで上昇したところで、燃焼器５内の混合気に着火するが、その後、燃料遮断弁８を作動させて始動用の燃料ポンプ６の系統から来る燃料を遮断する。以後、スタータ１４、始動用の燃料ポンプ６及び点火栓１０は適当な時期に停止するが、減速機１２に連動する図示しないメインポンプで燃焼器５に燃料を供給して運転を続行する。回転数が１００％までは、空気量に対応して燃料流量を増加させていき、回転数が１００％に達した後は、回転数１００％を維持するように燃料流量を制御する。
【００２６】
次に、図４を参照して説明したガスタービン１の始動時における燃料制御について、図５を参照して詳細に説明する。
図５に示す本実施形態の燃料制御方法を示すグラフの座標系では、横軸には始動指令以降の時間ｔをとり、縦軸には時間の経過に対して変化する３つの量として、上からガスタービン回転数と、ガスタービン排気温度と、燃料流量をとり、各量の時間ｔに対する変化を３つのグラフで表示している。また、燃料流量のグラフに重ねて前記ガスタービン１の燃焼器５の着火限界ラインＬＭも示している。この図は、スタータ１４によってガスタービン１のロータ２の回転数を上昇させる制御を行なう始動時の図であるため、横軸の時間ｔが増大するにつれて、ガスタービン１の回転数は上昇していき、始動後一定であったガスタービン排気温度も着火ポイント後には上昇していく。
【００２７】
図５に示すように、ガスタービン１を始動する場合には、始動指令と同時にスタータ１４でガスタービン１の軸を駆動して回転数を上昇させていき、ロータ２の回転が加速されて回転数がある程度上昇してから燃料の投入を始める。図７に示した本発明者の先行発明の場合は、前述したようにロータの回転が加速され始めるのとほぼ同時期であって、空気量が比較的少ない状態で燃料の供給を開始していた。これに対し本実施形態では、これよりも遅く、空気量がより多い時刻ｔ１になってから燃料の供給を開始する。
【００２８】
このように、本実施形態では、本発明者の先行発明の場合よりも燃料供給開始時を遅くし、より回転数が高く、より空気量が多くなった時刻ｔ１で燃料供給を開始するので、空気が少ない状態で供給されて未燃焼となりがちな燃料が減り、黒煙が発生しにくくなっている。
【００２９】
図５に示すように、本実施形態では、始動開始後の経過時間と燃料流量の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインＬＭを想定し、実際に燃料を供給する前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインＬ１を、前記着火領域内において、前記着火限界ラインＬＭに沿った直線（傾きをａとする）として設定した。第１供給ラインＬ１は、その最後の部分で流量が一定になって水平となり、着火限界ラインＬＭに交差するが、この交差点における時刻ｔ２と燃料供給を開始した前記時刻ｔ１の時間間隔が、着火遅れに対する裕度（Ｔ）となる。この裕度（Ｔ）は、燃料供給開始が本実施形態より早い本発明者の先行発明の場合と同等であり、着火の信頼性は十分に確保されている。
【００３０】
本実施形態のようなガスタービン１を利用した発電装置は、非常用として設置される場合が多く、その場合には用途の緊急性に鑑みて始動時にはなるべく一回で着火して直ちに発電を始められる性能が求められる。すなわち、時間的な着火可能範囲が広く、着火遅れに対する裕度（Ｔ）が長く、着火に対する信頼性が重要である。本実施形態によれば、このような要請・期待に十分応えうる着火信頼性を備えていると言える。
【００３１】
このように、本実施形態では、燃料供給のタイミングを遅らせているのにも関わらず、着火遅れに対する裕度（Ｔ）が先行発明と同等で十分な信頼性を備えているが、これは本実施形態の燃料流量が一定ではなく、着火領域において着火限界ラインＬＭに沿って直線的に流量が増大していく第１供給ラインＬ１に沿った流量制御を採用したためである。
【００３２】
また、本実施形態によれば、着火領域内で着火限界ラインＬＭに沿って直線的に流量が増大する第１供給ラインＬ１を燃料制御のスケジュールとして採用したので、前記裕度（Ｔ）内のどの時点で着火したとしても、常に着火限界に近い希薄条件での着火となるため、黒煙を低減させる効果がある。
【００３３】
また、本実施形態によれば、前述したように回転数が上昇して空気量が多くなってから燃料供給を開始し、さらに着火限界ラインＬＭに沿った第１供給ラインＬ１に従って燃料を供給するため、前記先行発明と同等の前記裕度（Ｔ）を確保しながら、図５中の斜線を付した台形領域で示すように、着火までに投入される総燃料量は従来よりも少なくなる。前述したように空気が少ない状態で供給される燃料が少ないことや、常に希薄燃焼で着火する点に加え、着火可能な時間範囲内（裕度（Ｔ））における着火前の燃料供給量自体が先行発明に比べて少なくなるため、この点においても先行発明に比べて未燃焼・不完全燃焼の燃料が少なくなり、黒煙発生が減少することとなる。
【００３４】
図５に示すように、本実施形態では、着火ポイント後、排気温度が所定量（例えば３０度）だけ上昇するまでは、第１供給ラインＬ１に従った燃料制御を維持し、その後に、第１供給ラインＬ１よりも燃料流量の増加率の低い第２供給ラインＬ２に従って燃料流量の制御を行なう。すなわち、第２供給ラインＬ２は、前記流量が比例係数ｂ（ａ＞ｂ）の正比例で増大する燃料制御のスケジュールを示している。
【００３５】
本実施形態によれば、ガスタービン１の始動後、燃料流量は第１供給ラインＬ１に従って時間に対して正比例で直線的に増大していくが、その着火可能な時間範囲（前記着火遅れに対する裕度（Ｔ））内で着火した場合は、第１供給ラインＬ１よりも小さい傾きの第２供給ラインＬ２に従って、より小さい増加量で燃料流量の供給を行なうことになる。一旦着火した後であるため、第２供給ラインＬ２が着火限界ラインＬＭの下方の非着火領域に入っても問題はない。従って、そのまま第１供給ラインＬ１に沿って燃料を供給する場合に比べ、燃焼状態を適切に維持しつつ、燃料供給量については削減することができるので、黒煙の発生をより一層抑える効果が得られる。
【００３６】
以上説明した実施形態における着火限界ラインＬＭは、ガスタービンや運転手法等によって変動しうる特性である。従って、例えばガスタービン１においてダクトの構造を変更したため給気や排気の抵抗が変化したり、燃焼器５に供給される際の燃料温度が変動して微粒化の程度が変動した等の理由により、前述した第１供給ラインＬ１を設定する基本データとなった着火限界ラインＬＭ自体が変化する場合が考えられる。従って、第１供給ラインＬ１を着火限界ラインＬＭにあまりに近接して設定すると、何らかの原因で着火限界ラインＬＭが上のように変動してしまった場合には、実際の燃料流量が着火限界ラインＬＭを下回って着火ミスが発生することが考えられる。そこで、第１供給ラインＬ１は、着火領域内で裕度Ｔの全範囲にわたって着火限界ラインＬＭに近接するように設けるのではなく、供給開始から時間が経過するほど、着火限界ラインＬＭから離れていくように設定してもよい。又は、着火後の黒煙の発生状況を見ながら、燃料流量を徐々に増やすような制御を行なってもよい。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１供給ラインＬ１による燃料の供給開始を先行発明の場合よりも遅らせて、より高い回転数（より多い空気量）で燃料供給を開始するとともに、燃料の制御ラインである第１供給ラインＬ１を、着火領域で着火限界ラインＬＭに沿って増大するラインとすることにより、第１供給ラインＬ１が着火限界ラインＬＭに交差する時を先行発明の場合よりも遅らせて、第１供給ラインＬ１の着火遅れに対する裕度（Ｔ）の終期を、先行発明の場合よりも高い回転数（より多い空気量）の側に設定した。このため、着火遅れに対する裕度については先行発明の場合と同等に十分な値を確保しながら、より空気の少ない状態での燃料供給を少なくし、着火までの投入燃料総量を減少させ、着火については常に希薄条件で行なわれる条件を整えたため、未燃焼・不完全燃焼が減って始動時の黒煙が減少する効果が得られた。
【００３８】
図６は、特Ａ重油を燃料とし、定格の２０％の回転数でガスタービン１を運転した場合の煙道の様子を示す写真であり、図６（ａ）は実施形態に係る燃料制御方法の場合を示す写真であり、煙道からの排気には黒煙は全く見られない。同図（ｂ）は本発明者の先行発明による燃料制御方法の場合を示す写真であり、煙道からは黒煙が排出されている。
【符号の説明】
【００３９】
１…ガスタービン
５…燃焼器
７…燃料制御弁
１４…スタータ
２０…燃料制御装置としての制御部
ＬＭ…着火限界ライン
Ｌ１…第１供給ライン
Ｌ２…第２供給ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンを駆動する燃焼ガスを生成するために燃焼器に供給される燃料の流量を制御するガスタービンの燃料制御方法において、
時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するガスタービンの始動時において、前記流量と時間の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインを想定し、実際に燃料を供給する場合における前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインを前記着火領域内で前記着火限界ラインに沿って設定し、前記第１供給ラインに従って燃焼器に燃料を供給することを特徴とするガスタービンの燃料制御方法。
【請求項２】
所定の着火可能時間の長さを有し着火まで前記流量を一定に保持する一定供給ラインを想定し、
前記第１供給ラインによる燃料の供給開始の時に対応するガスタービンの回転数を、前記一定供給ラインによる燃料の供給開始の時に対応するガスタービンの回転数よりも大きく設定し、
前記第１供給ラインが前記着火限界ラインに交差する時に対応するガスタービンの回転数を、前記一定供給ラインが前記着火限界ラインに交差する時に対応するガスタービンの回転数よりも大きくなるように設定したことを特徴とする請求項１記載のガスタービンの燃料制御方法。
【請求項３】
前記第１供給ラインによる前記流量の制御は、時間の経過に伴って前記流量が比例係数ａの正比例で増大する制御であり、着火した後には、時間の経過に伴って前記流量が比例係数ｂ（ａ＞ｂ）の正比例で増大する第２供給ラインに沿って制御を行うことを特徴とする請求項２記載のガスタービンの燃料制御方法。
【請求項４】
ガスタービンを駆動する燃焼ガスを生成するために燃焼器に燃料制御弁を介して供給される燃料の流量を制御するガスタービンの燃料制御装置において、
時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するスタータを用いたガスタービンの始動時において、前記流量と時間の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインを想定し、実際に燃料を供給する場合における前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインを前記着火領域内で前記着火限界ラインに沿って設定し、前記第１供給ラインに従って燃焼器に燃料を供給するように前記燃料制御弁を制御することを特徴とするガスタービンの燃料制御装置。
【請求項１】
ガスタービンを駆動する燃焼ガスを生成するために燃焼器に供給される燃料の流量を制御するガスタービンの燃料制御方法において、
時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するガスタービンの始動時において、前記流量と時間の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインを想定し、実際に燃料を供給する場合における前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインを前記着火領域内で前記着火限界ラインに沿って設定し、前記第１供給ラインに従って燃焼器に燃料を供給することを特徴とするガスタービンの燃料制御方法。
【請求項２】
所定の着火可能時間の長さを有し着火まで前記流量を一定に保持する一定供給ラインを想定し、
前記第１供給ラインによる燃料の供給開始の時に対応するガスタービンの回転数を、前記一定供給ラインによる燃料の供給開始の時に対応するガスタービンの回転数よりも大きく設定し、
前記第１供給ラインが前記着火限界ラインに交差する時に対応するガスタービンの回転数を、前記一定供給ラインが前記着火限界ラインに交差する時に対応するガスタービンの回転数よりも大きくなるように設定したことを特徴とする請求項１記載のガスタービンの燃料制御方法。
【請求項３】
前記第１供給ラインによる前記流量の制御は、時間の経過に伴って前記流量が比例係数ａの正比例で増大する制御であり、着火した後には、時間の経過に伴って前記流量が比例係数ｂ（ａ＞ｂ）の正比例で増大する第２供給ラインに沿って制御を行うことを特徴とする請求項２記載のガスタービンの燃料制御方法。
【請求項４】
ガスタービンを駆動する燃焼ガスを生成するために燃焼器に燃料制御弁を介して供給される燃料の流量を制御するガスタービンの燃料制御装置において、
時間の経過に伴ってガスタービンの回転数が上昇するスタータを用いたガスタービンの始動時において、前記流量と時間の関係を示す領域を燃料の着火領域と非着火領域に分ける着火限界ラインを想定し、実際に燃料を供給する場合における前記流量と時間の関係を示す第１供給ラインを前記着火領域内で前記着火限界ラインに沿って設定し、前記第１供給ラインに従って燃焼器に燃料を供給するように前記燃料制御弁を制御することを特徴とするガスタービンの燃料制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４４２６３（Ｐ２０１３−４４２６３Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１６６８（Ｐ２０１１−１８１６６８）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（５０３１１６８９９）新潟原動機株式会社 (61)
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（５０３１１６８９９）新潟原動機株式会社 (61)
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