JP7561682B2 - Gas turbine - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼器で生成した燃焼ガスによってタービンを回転させるガスタービンに係り、特に、始動時に着火不良又は着火遅れが発生しにくいガスタービンに関するものである。 The present invention relates to a gas turbine that rotates the turbine using combustion gas generated in a combustor, and in particular to a gas turbine that is less susceptible to ignition failure or ignition delay during start-up.
特許文献1には、ガスタービンの点火を確認する方法の発明が開示されている。この発明によれば、ガス流制御バルブに関連する許容信号と、燃料供給圧力信号と、点火器信号と、圧縮機圧力放出信号を受信した後、所定の条件を満たした前記各信号の変化に基づいて、ガスタービン燃焼器に関連する点火ステータスを決定し、決定した点火ステータスに基づいて点火ステータス信号を出力する。この発明によれば、ガスタービンシステムを制御し、その火炎点火の検出および確認が可能となる。 Patent Document 1 discloses an invention of a method for confirming ignition of a gas turbine. According to this invention, after receiving a tolerance signal related to a gas flow control valve, a fuel supply pressure signal, an igniter signal, and a compressor pressure release signal, an ignition status related to a gas turbine combustor is determined based on changes in each of the above signals that satisfy a predetermined condition, and an ignition status signal is output based on the determined ignition status. According to this invention, it is possible to control a gas turbine system and detect and confirm flame ignition.
特許文献2には、ガスタービンの燃料制御装置の発明が開示されている。この発明によれば、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、より高い回転速度(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。このため、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ので、未燃焼・不完全燃焼が減って始動時の黒煙が減少する。 Patent Document 2 discloses an invention for a fuel control device for a gas turbine. According to this invention, the first supply line L1 for fuel control is a line that increases along the ignition limit line LM in the ignition region, and the start of fuel supply is delayed compared to when the fuel flow rate is constant, and starts at a higher rotation speed (larger air volume). The time when the first supply line L1 crosses the ignition limit line LM is delayed compared to when the fuel flow rate is constant, and the tolerance (T) for ignition delay of the first supply line L1 is equivalent to when the fuel flow rate is constant. As a result, less fuel is supplied with less air, the total amount of fuel input until ignition is reduced, and conditions are always met for ignition under lean conditions, which reduces unburned and incomplete combustion and reduces black smoke at start-up.
ガスタービンは、燃焼器で生成した燃焼ガスによってタービンを回転させ、燃焼用の空気を圧縮する圧縮機を回転させるとともに、残りのエネルギーを出力軸で取り出す内燃機関であるが、始動時に着火不良又は着火遅れが発生することがあり、始動性が不安定であるという課題があった。 Gas turbines are internal combustion engines that use combustion gases produced in a combustor to rotate a turbine, which rotates a compressor that compresses the air for combustion, and extracts the remaining energy from an output shaft. However, there have been issues with gas turbines, such as poor ignition or delayed ignition during startup, making them unstable to start.
本発明は、上述した従来の技術における課題を解決するためになされたものであり、始動時に着火不良又は着火遅れが発生しにくい始動性の良好なガスタービンを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the problems in the conventional technology described above, and aims to provide a gas turbine with good starting properties that is less susceptible to ignition failure or ignition delay during start-up.
請求項1に記載されたガスタービンは、
燃焼器で生成した燃焼ガスによってタービンを回転させるガスタービンであって、
前記燃焼器に燃料を供給する燃料ポンプと、
前記燃焼器の内部に燃料を供給するノズルと、
前記燃料ポンプと前記ノズルの間に設けられた燃料遮断弁と、
前記燃料遮断弁と前記ノズルの間に設けられた圧力センサと、
着火前に前記圧力センサが検出した燃料の圧力が第1閾値以上まで上昇したことを確認する制御部と、
前記燃料ポンプと前記燃料遮断弁の間に設けられた燃料制御弁を備え、
前記制御部は、着火前に前記燃料ポンプを動作させ、前記燃料遮断弁及び前記燃料制御弁を開いて前記圧力センサが検出した圧力が前記第1閾値以上まで上昇したことを確認した後に、前記燃料遮断弁又は燃料制御弁の何れか、又は両方を閉じる制御を行なうを備えたことを特徴としている。
The gas turbine according to claim 1 comprises:
A gas turbine that rotates a turbine by combustion gas generated in a combustor,
a fuel pump for supplying fuel to the combustor;
a nozzle for supplying fuel to an interior of the combustor;
a fuel cutoff valve provided between the fuel pump and the nozzle;
a pressure sensor provided between the fuel cutoff valve and the nozzle;
a control unit that confirms that the pressure of the fuel detected by the pressure sensor before ignition has increased to or above a first threshold value;
a fuel control valve provided between the fuel pump and the fuel cutoff valve,
The control unit is characterized in that it operates the fuel pump before ignition, opens the fuel cut-off valve and the fuel control valve, and after confirming that the pressure detected by the pressure sensor has increased to or above the first threshold value, performs control to close either the fuel cut-off valve or the fuel control valve, or both .
請求項2に記載されたガスタービンは、請求項1に記載のガスタービンにおいて、
前記ノズルとして主ノズルと副ノズルを有し、
前記圧力センサは前記燃料遮断弁と前記副ノズルとの間に設けられ、
前記圧力センサと前記副ノズルの間又は前記副ノズルに、所定の通路面積を有するしぼりが設けられたことを特徴としている。
The gas turbine according to claim 2 is the gas turbine according to claim 1,
The nozzles include a main nozzle and a sub-nozzle,
the pressure sensor is provided between the fuel cutoff valve and the sub-nozzle,
The present invention is characterized in that a restriction having a predetermined passage area is provided between the pressure sensor and the sub-nozzle or in the sub-nozzle.
請求項3に記載されたガスタービンは、請求項1に記載したガスタービンにおいて、
前記制御部は、前記燃料遮断弁又は前記燃料制御弁の何れか、又は両方を閉じた後に、前記ガスタービンの回転速度が第2閾値以上まで上昇したことを確認してから前記燃料遮断弁及び前記燃料制御弁を開ける制御を行なうことを特徴としている。
The gas turbine according to claim 3 is the gas turbine according to claim 1 ,
The control unit is characterized in that after closing either the fuel cut-off valve or the fuel control valve, or both, it controls to open the fuel cut-off valve and the fuel control valve after confirming that the rotational speed of the gas turbine has increased to or above a second threshold value.
請求項1に記載されたガスタービンによれば、主着火前(図2参照、詳細は後述する)に燃料ポンプから圧力センサまでの燃料配管が燃料で満たされたことを、圧力センサが検出した圧力に基づいて制御部が確認できるので、必要量の燃料を供給できないために始動時に着火不良が発生することを防止することができる。
さらに主着火前に予め燃料を配管に満たすことで、次に燃料遮断弁及び燃料制御弁を開く制御を行った際に、遅れなく燃料配管内の圧力を昇圧させることが可能になる。また、予め燃料を燃焼器に送ることで主着火前に一度着火させ、その後すぐに燃料遮断弁又は燃料制御弁の何れか、又は両方を閉じて消炎することにより、燃焼室内の温度を上昇させて気化した燃料を漂わせる等といった着火しやすい環境を燃焼器内に作ることができるため、任意の時期に確実に着火することが可能となる。一般に、ガスタービンは、始動時の着火時期における回転速度が高速になるほど、排出される黒煙が低減されるが、高回転速度での着火は不安定になりやすく、始動不良の要因になる。このガスタービンによれば、そのような不具合が解消される。
According to the gas turbine of the first aspect, the control unit can confirm that the fuel piping from the fuel pump to the pressure sensor is filled with fuel before main ignition (see FIG. 2 , details will be described later) based on the pressure detected by the pressure sensor. This makes it possible to prevent poor ignition at start-up due to an inability to supply the required amount of fuel.
Furthermore, by filling the piping with fuel before the main ignition, the pressure in the fuel piping can be increased without delay when the fuel shutoff valve and the fuel control valve are next controlled to open. By sending fuel to the combustor in advance, the fuel is ignited once before the main ignition, and then immediately thereafter, either the fuel shutoff valve or the fuel control valve, or both, are closed to extinguish the flame, thereby creating an environment in the combustor that is easy to ignite, such as by raising the temperature in the combustion chamber and allowing the vaporized fuel to float, and thus enabling reliable ignition at any time. Generally, the higher the rotation speed of a gas turbine at the time of ignition at start-up, the less black smoke is emitted, but ignition at high rotation speeds is likely to be unstable, which can cause poor start-up. This gas turbine eliminates such problems.
請求項2に記載されたガスタービンによれば、次の三点の効果が得られる。一点目として、主燃焼用の燃料を燃焼器内に供給する主ノズルの他に、着火用の少量の燃料を燃焼器内に供給する副ノズルを設けることで始動時の着火を促進することができる。二点目として、副ノズルと燃料遮断弁の間に圧力センサを設けることで、副ノズルに送られる燃料の圧力を検出し、燃料配管に燃料があることを保証することができる。三点目として、圧力センサと副ノズルの間又は副ノズルの内部に、例えばオリフィスなどのような所定の通路面積を有するしぼりを設けるか、又は副ノズルの出口をしぼりとし、当該出口の出口径を所定の通路面積となるように定めておくことにより、燃料の圧力と流量の関係を一定にすることができる。すなわち、燃料が通過するしぼりの通路面積を所定の値とすることにより、所定の圧力で所定の流量が得られるように燃料を管理することができる。これにより、着火に最適な量の燃料を燃焼器に送ることが可能となり、燃料を確実に霧化して燃焼器内に噴霧することができる。 According to the gas turbine described in claim 2, the following three effects can be obtained. First, in addition to the main nozzle that supplies fuel for main combustion into the combustor, a sub-nozzle that supplies a small amount of fuel for ignition into the combustor is provided, which can promote ignition at the time of starting. Second, by providing a pressure sensor between the sub-nozzle and the fuel cutoff valve, the pressure of the fuel sent to the sub-nozzle can be detected and it can be ensured that there is fuel in the fuel pipe. Third, by providing a restriction having a predetermined passage area, such as an orifice, between the pressure sensor and the sub-nozzle or inside the sub-nozzle, or by making the outlet of the sub-nozzle a restriction and setting the outlet diameter of the outlet to a predetermined passage area, the relationship between the pressure and the flow rate of the fuel can be made constant. In other words, by setting the passage area of the restriction through which the fuel passes to a predetermined value, the fuel can be managed so that a predetermined flow rate is obtained at a predetermined pressure. This makes it possible to send an optimal amount of fuel for ignition to the combustor, and the fuel can be reliably atomized and sprayed into the combustor.
請求項3に記載されたガスタービンによれば、主着火前に燃料ポンプから圧力センサまでの燃料配管が燃料で満たされたことが確認されており、主着火時に燃料遮断弁及び燃料制御弁を開ける制御をすると、すぐに昇圧し、着火に必要な圧力にできるため、着火の時期を任意に設定することができ、ガスタービンの回転速度が第2閾値以上に高くなった後で着火させることにより、始動時の黒煙を減少させることができる。 According to the gas turbine of claim 3 , it is confirmed that the fuel piping from the fuel pump to the pressure sensor is filled with fuel before main ignition, and by controlling the opening of the fuel cutoff valve and the fuel control valve at the time of main ignition, the pressure is immediately increased to the pressure required for ignition, so that the timing of ignition can be set arbitrarily, and black smoke at start-up can be reduced by igniting after the rotational speed of the gas turbine has reached the second threshold value or higher.
図1を参照して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を備えている。この燃焼器5には、圧縮機3が圧縮した圧縮空気を導く空気流路9と、燃料を供給する燃料供給系統が接続されている。燃料供給系統については後に詳述する。さらに、燃焼器5には点火栓10が設けられており、燃焼器5に供給された圧縮空気と燃料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。タービン4の出口には温度計30が設置され、着火によって排気温度が上昇することを確認できる。燃燃焼器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。ロータ2には減速機12と出力軸16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で適当な回転速度に変換され、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を駆動する電気モータであるスタータ14と、後述するメインポンプ23が連結されているほか、回転速度検出手段15も設けられている。
The overall configuration of a power generating device using a gas turbine according to an embodiment will be described with reference to FIG.
This gas turbine 1 includes a compressor 3 and a turbine 4 attached to a common rotor 2 that is freely rotatable, and a combustor 5 that supplies combustion gas for driving the turbine 4. The combustor 5 is connected to an air passage 9 that guides the compressed air compressed by the compressor 3, and a fuel supply system that supplies fuel. The fuel supply system will be described in detail later. Furthermore, the combustor 5 is provided with an
次に、図1を参照して燃焼器5に接続されている燃料供給系統の構成を説明する。
燃料供給系統は、燃料を貯蔵する燃料槽24と、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を接続する流路を必要に応じて開閉する燃料遮断弁8と、燃料を燃焼器5に供給するノズルとで構成されており、これらは、燃料配管によってつながれている。燃料槽24に貯蔵された燃料は、燃料ポンプ6にて加圧され、燃料制御弁7に送られる。なお、燃料ポンプ6は、ガスタービン1の始動時には図示しないバッテリーで駆動され、ガスタービン1が定格回転速度で運転されている状態での燃料供給は、減速機12から得た動力で駆動する機付きのメインポンプ23によって行なわれる。
Next, the configuration of a fuel supply system connected to the combustor 5 will be described with reference to FIG.
The fuel supply system is composed of a
燃料制御弁7は、燃料流量を連続的に自在に調整することができる。ガスタービン1の回転速度または負荷に対応する必要な燃料の量は試験結果に基づいて設定されており、燃料制御弁7は、後述する制御部20に与えられた指令に基づいて開度を連続的に調整し、必要な量の燃料を燃料遮断弁8に送ることができる。燃料遮断弁8は、任意の時期に開閉することにより、燃料制御弁7から送られた燃料を任意の時期にノズルに送り、又は燃料制御弁7から送られた燃料のノズルに対する供給を遮断することができる。ノズルは、主着火後に燃焼器5に燃料を送る主ノズル22と、主着火前に着火用の燃料を燃焼器5に送る副ノズル21で構成されており、燃焼器5の頭部に設置されている。また、主ノズル22の上流側(燃料遮断弁8側)には圧力調整弁17が設けられ、主ノズル22へ送られる燃料の圧力を制御する。副ノズル21と燃料遮断弁8の間には、燃料遮断弁8に近い管路の上流側に圧力センサ18が設置されている。また、副ノズル21内又は副ノズル21に近い管路の上流側には、燃料の流れを制御する要素である「しぼり」としてオリフィス19が設けられているが、他の構成例としては、副ノズル21の出口をオリフィスとしてもよい。オリフィス19は、燃料の圧力と、通過する燃料の流量が所定の対応関係となるように口径が定められており、圧力センサ18が所定の圧力を検出した場合に、オリフィス19では燃料が所定の流量となって副ノズル21へ送られるようになっている。 The fuel control valve 7 can continuously and freely adjust the fuel flow rate. The amount of fuel required corresponding to the rotation speed or load of the gas turbine 1 is set based on the test results, and the fuel control valve 7 can continuously adjust the opening based on the command given to the control unit 20 described later, and send the required amount of fuel to the fuel cutoff valve 8. The fuel cutoff valve 8 can send the fuel sent from the fuel control valve 7 to the nozzle at any time, or cut off the supply of the fuel sent from the fuel control valve 7 to the nozzle, by opening and closing at any time. The nozzle is composed of a main nozzle 22 that sends fuel to the combustor 5 after main ignition, and a sub-nozzle 21 that sends ignition fuel to the combustor 5 before main ignition, and is installed at the head of the combustor 5. In addition, a pressure regulating valve 17 is provided upstream of the main nozzle 22 (on the fuel cutoff valve 8 side) to control the pressure of the fuel sent to the main nozzle 22. Between the sub-nozzle 21 and the fuel cutoff valve 8, a pressure sensor 18 is installed upstream of the pipe close to the fuel cutoff valve 8. In addition, an orifice 19 is provided in the sub-nozzle 21 or on the upstream side of the pipe close to the sub-nozzle 21 as a "throttle" that controls the flow of fuel, but as another configuration example, the outlet of the sub-nozzle 21 may be used as an orifice. The diameter of the orifice 19 is determined so that there is a predetermined correspondence between the fuel pressure and the flow rate of the fuel passing through it, and when the pressure sensor 18 detects a predetermined pressure, the orifice 19 sends the fuel at a predetermined flow rate to the sub-nozzle 21.
図1に示すガスタービン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、回転速度検出手段15等は制御部20に接続されており、制御部20は、回転速度検出手段15から得られる回転速度の情報、温度計30による排気温度、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、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。
The power generation device, which is composed of the gas turbine 1 and the
次に、図2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を始動してロータ2の駆動を開始し、バッテリーによって始動用の燃料ポンプ6を始動し、点火栓10による点火を開始する。そして、同時に燃料制御弁7に指令1を送り、燃料制御弁7の開度を所定の値に設定するとともに、燃料遮断弁8を開弁する。なお、燃料制御弁7に送信する指令1(及び後述する指令2)が示す弁の開度は、ガスタービン1の種類や排気量、燃料制御弁7の種類等によって異なるものであり、試験結果に基づいて適宜に設定される。
Next, an operating state from start-up to rated operation of the gas turbine 1 in this embodiment will be described with reference to FIG.
When a command to start the engine (start command) is received, the control unit 20 starts the starter 14 using the battery to start driving the rotor 2, starts the starting fuel pump 6 using the battery, and starts ignition using the
制御部20は、燃料ポンプ6の燃料供給により、圧力センサ18が検出する燃料の圧力が所定の閾値(以下、第1閾値と称する。)以上になったことを確認する。これにより、主着火前に燃料ポンプ6から圧力センサ18までの燃料配管が燃料で満たされたことを、第1閾値以上の圧力を検知することで確認し、必要な量(又は圧力)の燃料がないために始動時に着火不良が発生するのを防止することができる。 The control unit 20 confirms that the fuel pressure detected by the pressure sensor 18 has reached a predetermined threshold value (hereinafter referred to as the first threshold value) or higher due to the fuel supply from the fuel pump 6. This allows the control unit 20 to confirm that the fuel piping from the fuel pump 6 to the pressure sensor 18 is filled with fuel before main ignition by detecting a pressure equal to or higher than the first threshold value, thereby preventing poor ignition at start-up due to a lack of the required amount (or pressure) of fuel.
また、燃料ポンプ6から燃料制御弁7及び燃料遮断弁8を経由してオリフィス19に送られた燃料は、オリフィス19の開口を通過して副ノズル21に送られる。なお、この時点では、燃料遮断弁8を開弁しても主ノズル22に燃料が送られないように、圧力調整弁17を閉止しておく。圧力センサ18が検出し、制御部20が確認した燃料の圧力の基準値である第1閾値や、オリフィス19の開口の口径は、ガスタービン1の種類や排気量等によって異なるものであり、試験結果に基づいて予め適宜の値に設定されている。このように、圧力センサ18が検出した第1閾値を越える圧力の燃料と、この燃料の圧力に応じて所定の流量になるように選択された口径のオリフィス19により、副ノズル21に供給される燃料の流量を管理し、着火に最適な量の燃料を燃焼器5に送ることができる。 Fuel sent from the fuel pump 6 to the orifice 19 via the fuel control valve 7 and the fuel cutoff valve 8 passes through the opening of the orifice 19 and is sent to the sub-nozzle 21. At this point, the pressure control valve 17 is closed so that fuel is not sent to the main nozzle 22 even if the fuel cutoff valve 8 is opened. The first threshold value, which is the reference value of the fuel pressure detected by the pressure sensor 18 and confirmed by the control unit 20, and the diameter of the opening of the orifice 19 differ depending on the type and displacement of the gas turbine 1, and are set to appropriate values in advance based on test results. In this way, the flow rate of fuel supplied to the sub-nozzle 21 can be managed by the fuel with a pressure exceeding the first threshold value detected by the pressure sensor 18 and the orifice 19 with a diameter selected to provide a predetermined flow rate according to the pressure of this fuel, and the optimal amount of fuel for ignition can be sent to the combustor 5.
燃焼器5では、点火栓10が連続的に作動しており、オリフィス19を経て副ノズル21から供給された燃料に着火する。この着火を、後の主着火の前に予め着火させることから、後の主着火に対してプレ着火と称する。一般に、ガスタービン1は始動時の着火時期における回転速度が高速であるほど、排出される黒煙の量が低減される。しかしながら、高回転速度での着火は不安定になりやすく、始動不良の要因になる。そこで、実施形態では、プレ着火によって燃焼器5の内部の温度を上昇させ、気化した燃料を漂わせる等といった着火しやすい環境を作り、高回転速度においても主着火が確実に得られるようにしている。そして、後述するように回転速度がある程度上昇してから主着火させることにより、黒煙の発生を低減させるものとしている。
In the combustor 5, the
次に、制御部20は、圧力センサ18が検出する燃料の圧力が第1閾値以上であることを確認すると、燃料制御弁7に指令2を送って燃料制御弁7の開度を変更するとともに燃料遮断弁8を閉弁する。燃料遮断弁8の閉弁により、プレ着火は消炎される。指令2による燃料制御弁7の開度は、前述した指令1による燃料制御弁7の開度よりも小さいが、燃料制御弁7には既に燃料が満たされているので、比較的少量の燃料を供給するだけで燃料制御弁7から燃料遮断弁8に至る流路については燃料が充満した状態を維持できる。また、閉止された燃料遮断弁8よりも下流側の流路は、上述したように、圧力センサ18の検出値が第1閾値以上であることを制御部20が確認しているので、燃料で満たされた状態が維持される。 Next, when the control unit 20 confirms that the fuel pressure detected by the pressure sensor 18 is equal to or greater than the first threshold, it sends command 2 to the fuel control valve 7 to change the opening of the fuel control valve 7 and close the fuel cutoff valve 8. Closing the fuel cutoff valve 8 extinguishes the pre-ignition. The opening of the fuel control valve 7 by command 2 is smaller than the opening of the fuel control valve 7 by command 1 described above, but since the fuel control valve 7 is already filled with fuel, it is possible to maintain the flow path from the fuel control valve 7 to the fuel cutoff valve 8 in a fuel-filled state by simply supplying a relatively small amount of fuel. In addition, the flow path downstream of the closed fuel cutoff valve 8 is maintained in a fuel-filled state because the control unit 20 has confirmed that the detection value of the pressure sensor 18 is equal to or greater than the first threshold, as described above.
次に、制御部20は、回転速度検出手段15にて、ガスタービン1の回転速度がN%以上まで上昇したことを確認した後、燃料遮断弁8を開弁させ、副ノズル21から燃焼器5内に燃料を送り、着火させる。この着火を、先に説明したプレ着火に対して主着火と称する(図2参照)。主着火を開始するガスタービンの回転速度N(%)を第2閾値と称する。必要に応じ、又は可能な限り第2閾値を大きく設定することで、ガスタービン1の回転速度がより高くなった後で主着火が行なわれることになり、始動時の黒煙を減少させる効果を得ることができる。 Next, the control unit 20 confirms with the rotation speed detection means 15 that the rotation speed of the gas turbine 1 has increased to N% or more, and then opens the fuel shutoff valve 8, sends fuel from the auxiliary nozzle 21 into the combustor 5, and ignites it. This ignition is called main ignition in contrast to the pre-ignition described above (see Figure 2). The rotation speed N (%) of the gas turbine at which main ignition begins is called the second threshold. By setting the second threshold as large as necessary or as large as possible, main ignition will occur after the rotation speed of the gas turbine 1 has increased, which has the effect of reducing black smoke at startup.
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に連動するメインポンプ23で燃焼器5に燃料を供給して運転を続行する。回転速度が100%までは、空気量に対応して燃料制御弁7にて燃料流量を増加させていき、回転速度が100%に達した後は、回転速度100%を維持するように燃料流量を制御する。
After this, the starter 14, starting fuel pump 6, and
図3は、ガスタービンの回転速度(横軸)と、燃料油圧力及び燃料制御弁開度(縦軸)との対応関係において、着火ができない着火不可領域(グレー着色の領域)と、それ以外の着火可能領域を示すとともに、実施形態のガスタービン1(分図(c))と比較例である従来のガスタービン(分図(a)及び(b))について、主着火させた場合(分図(a)及び(c))と、主着火させようとしたが失敗した場合(分図(b))において、回転速度と燃料油圧力の変化を示すグラフを重ねて示した図である。また分図(d)は、実施形態のガスタービンの運転における着火状態を確認するために、排気温度と回転速度の関係を一例として示した図である。なお、比較例のガスタービンの燃料供給系統の構成は実施形態と概ね同様である。 Figure 3 shows the relationship between the rotation speed (horizontal axis) of the gas turbine and the fuel oil pressure and fuel control valve opening (vertical axis), showing the non-ignitable region (gray-colored region) where ignition is not possible and the other ignitable regions. It also shows graphs showing the changes in rotation speed and fuel oil pressure when main ignition is performed (divisions (a) and (c)) and when main ignition is attempted but fails (division (b)) for the gas turbine 1 of the embodiment (division (c)) and a conventional gas turbine as a comparison example (divisions (a) and (b)). Diagram (d) shows an example of the relationship between exhaust temperature and rotation speed to confirm the ignition state during operation of the gas turbine of the embodiment. The configuration of the fuel supply system of the gas turbine of the comparison example is generally similar to that of the embodiment.
図3において、相対的に回転速度が高い着火不可領域では、圧縮空気の流れが強いために着火しにくいが、回転速度が高くても着火可能領域に入る程度の燃料圧力があれば着火は可能であり、また回転速度が高い状態での着火であれば黒煙の発生が少ない。逆に、着火可能領域では、相対的に低い回転速度で着火可能であるが、空気が少ないために黒煙が発生しやすい。 In Figure 3, in the non-ignitable region where the rotational speed is relatively high, ignition is difficult due to the strong flow of compressed air, but ignition is possible even at high rotational speeds as long as there is enough fuel pressure to enter the ignition region, and if ignition occurs at high rotational speeds, there is little black smoke. Conversely, in the ignition region, ignition is possible at relatively low rotational speeds, but black smoke is likely to be generated due to the lack of air.
図3(a),(b)に示す比較例では、実施形態で説明した燃料制御弁7と燃料遮断弁8を開弁するとともに、燃料ポンプ6と圧力センサ18の間の流路に所定圧力の燃料が存在することの確認を行なう制御を、主着火前に行なっていない。しかし、確認を行っていなくても、燃料ポンプ6と圧力センサ18の間の流路には、所定値以上の圧力の燃料が存在する場合もあれば、燃料がほとんど存在せず、圧力センサ18で所定値以上の圧力を検出できない場合もある。 In the comparative example shown in Figures 3(a) and (b), the fuel control valve 7 and fuel cutoff valve 8 are opened as described in the embodiment, and control to confirm that fuel at a predetermined pressure is present in the flow path between the fuel pump 6 and the pressure sensor 18 is not performed before main ignition. However, even if confirmation is not performed, there are cases where fuel at a pressure above the predetermined value is present in the flow path between the fuel pump 6 and the pressure sensor 18, and cases where there is almost no fuel present and the pressure sensor 18 cannot detect a pressure above the predetermined value.
図3(a)は、燃料ポンプ6と圧力センサ18の間の流路に、所定値以上の圧力の燃料が存在する場合を示している。この場合、ガスタービンの回転速度が所定の値になったところで、制御部20が燃料制御弁7と燃料遮断弁8に「開」指令を与えると、燃料油圧力及び燃料制御弁開度が徐々に高まって主着火に至る。しかし、この場合、回転速度を所望の領域にまで高めてから主着火し、黒煙の発生を少なくするという運転を行うことはできない。 Figure 3 (a) shows a case where fuel with a pressure equal to or greater than a predetermined value is present in the flow path between the fuel pump 6 and the pressure sensor 18. In this case, when the rotation speed of the gas turbine reaches a predetermined value, the control unit 20 issues an "open" command to the fuel control valve 7 and the fuel cutoff valve 8, and the fuel oil pressure and the fuel control valve opening gradually increase, leading to main ignition. However, in this case, it is not possible to operate the engine by increasing the rotation speed to a desired range before main ignition and reducing the generation of black smoke.
図3(b)は、燃料ポンプ6と圧力センサ18の間の流路に、所定値以上の圧力の燃料が存在しない場合を示している。この場合、図3(a)と同一の時期に、制御部20が燃料制御弁7と燃料遮断弁8に「開」指令を与えたとしても、燃料ポンプ6と圧力センサ18の間の流路に主着火に必要な量の燃料が存在しないため、直ちに主着火することができず、着火しうる量の燃料が燃料配管内に充満して燃料油圧力が上昇するまでに相応の時間を要し、図3(a)の場合に較べ、「開」指令から着火すべき時期に至るまでの時間に遅れが生じ、しかも図示のように主着火に失敗することが少なくない。 Figure 3(b) shows a case where fuel with a pressure equal to or greater than a predetermined value is not present in the flow path between the fuel pump 6 and the pressure sensor 18. In this case, even if the control unit 20 issues an "open" command to the fuel control valve 7 and the fuel cutoff valve 8 at the same time as in Figure 3(a), the amount of fuel required for main ignition is not present in the flow path between the fuel pump 6 and the pressure sensor 18, so main ignition cannot occur immediately. It takes a certain amount of time for an ignitable amount of fuel to fill the fuel pipe and increase the fuel oil pressure, and compared to the case in Figure 3(a), there is a delay from the "open" command to the time when ignition should occur, and moreover, as shown in the figure, main ignition often fails.
これに対し、図3(c)に示す実施形態では、主着火前に、燃料制御弁7と燃料遮断弁8を開弁するとともに、燃料ポンプ6と圧力センサ18の間の流路に燃料が存在していることの確認を、圧力センサ18の検知した圧力が第1閾値を越えていることを制御部20が判断することで行なっている。従って、燃料ポンプ6と圧力センサ18の間の流路には燃料が充満しているため、所望の回転速度において主着火動作(燃料制御弁7と燃料遮断弁8へ「開」指令を出力することによる燃料の再供給を)行うと、供給される燃料の量が増大して直ちに必要量に達して直ちに主着火に至る。 In contrast, in the embodiment shown in FIG. 3(c), before main ignition, the fuel control valve 7 and fuel cutoff valve 8 are opened, and the presence of fuel in the flow path between the fuel pump 6 and the pressure sensor 18 is confirmed by the control unit 20 determining that the pressure detected by the pressure sensor 18 exceeds the first threshold value. Therefore, since the flow path between the fuel pump 6 and the pressure sensor 18 is filled with fuel, when the main ignition operation (resupply of fuel by outputting an "open" command to the fuel control valve 7 and the fuel cutoff valve 8) is performed at the desired rotation speed, the amount of fuel supplied increases and immediately reaches the required amount, resulting in immediate main ignition.
このように、図3(c)に示す実施形態によれば、主着火前に、燃料ポンプ6と圧力センサ18の間の流路に燃料が存在していることを確認しており、始動時に着火不良又は着火遅れが発生しにくいため、主着火の時期は前記確認が完了した後であれば、任意に変更することができる。従って、図3(a)の従来例と比較すると、「開」指令のタイミングの差で示すように、運転者が必要と考える時期まで着火を遅くすることができる。図3(a)に示す従来例の主着火と、図3(c)に示す実施形態の主着火の差は、例えば、回転速度では数%に達し、時間では数秒差以上となっている。 In this way, according to the embodiment shown in FIG. 3(c), the presence of fuel in the flow path between the fuel pump 6 and the pressure sensor 18 is confirmed before main ignition, and since ignition failure or ignition delay is unlikely to occur at start-up, the timing of main ignition can be changed as desired after the confirmation is completed. Therefore, compared to the conventional example shown in FIG. 3(a), ignition can be delayed to a time that the driver considers necessary, as shown by the difference in the timing of the "open" command. The difference between the main ignition of the conventional example shown in FIG. 3(a) and the main ignition of the embodiment shown in FIG. 3(c) is, for example, several percent in rotation speed and several seconds or more in time.
なお、図3(d)に示すように、図3(c)に示す実施形態では、プレ着火の消炎後も排気温度が着火しやすい所定の値を保持しており、第2閾値を越えて燃料制御弁7と燃料遮断弁8へ「開」指令が出力された後は速やかに主着火に至り、その後、ガスタービン回転速度の円滑な上昇に伴い、排気温度が安定的に上昇している。 As shown in FIG. 3(d), in the embodiment shown in FIG. 3(c), the exhaust temperature maintains a predetermined value that makes ignition easy even after the pre-ignition flame has been extinguished. After the second threshold is exceeded and an "open" command is output to the fuel control valve 7 and the fuel cutoff valve 8, main ignition is quickly achieved. Thereafter, the exhaust temperature rises steadily as the gas turbine rotation speed increases smoothly.
以上説明したように、実施形態のガスタービン1によれば、主着火前に燃料ポンプ6から圧力センサ18までの燃料配管が燃料で満たされていることを圧力センサ18で検知しているので、燃料がないために従来例で見られた着火遅れ、着火不良を防止し、始動性を改善することができる。また、従来例に較べて回転速度が高い状態での着火であるため、黒煙の発生を少なくできる。 As described above, according to the gas turbine 1 of the embodiment, the pressure sensor 18 detects that the fuel pipe from the fuel pump 6 to the pressure sensor 18 is filled with fuel before main ignition, so that ignition delays and ignition failures seen in conventional examples due to a lack of fuel can be prevented and starting performance can be improved. In addition, since ignition occurs at a higher rotation speed than in conventional examples, the generation of black smoke can be reduced.
1…ガスタービン
4…タービン
5…燃焼器
6…燃料ポンプ
7…燃料制御弁
8…燃料遮断弁
18…圧力センサ
19…オリフィス
20…制御部
21…副ノズル
22…主ノズル
Reference Signs List 1 gas turbine 4 turbine 5 combustor 6 fuel pump 7 fuel control valve 8 fuel cutoff valve 18 pressure sensor 19 orifice 20 control unit 21 auxiliary nozzle 22 main nozzle
Claims (3)
前記燃焼器に燃料を供給する燃料ポンプと、
前記燃焼器の内部に燃料を供給するノズルと、
前記燃料ポンプと前記ノズルの間に設けられた燃料遮断弁と、
前記燃料遮断弁と前記ノズルの間に設けられた圧力センサと、
着火前に前記圧力センサが検出した燃料の圧力が第1閾値以上まで上昇したことを確認する制御部と、
前記燃料ポンプと前記燃料遮断弁の間に設けられた燃料制御弁を備え、
前記制御部は、着火前に前記燃料ポンプを動作させ、前記燃料遮断弁及び前記燃料制御弁を開いて前記圧力センサが検出した圧力が前記第1閾値以上まで上昇したことを確認した後に、前記燃料遮断弁又は燃料制御弁の何れか、又は両方を閉じる制御を行なうことを特徴とするガスタービン。 A gas turbine that rotates a turbine by combustion gas generated in a combustor,
a fuel pump for supplying fuel to the combustor;
a nozzle for supplying fuel to an interior of the combustor;
a fuel cutoff valve provided between the fuel pump and the nozzle;
a pressure sensor provided between the fuel cutoff valve and the nozzle;
a control unit that confirms that the pressure of the fuel detected by the pressure sensor before ignition has increased to or above a first threshold value;
a fuel control valve provided between the fuel pump and the fuel cutoff valve,
the control unit operates the fuel pump before ignition, opens the fuel cutoff valve and the fuel control valve, and after confirming that the pressure detected by the pressure sensor has increased to or above the first threshold, performs control to close either the fuel cutoff valve or the fuel control valve, or both .
前記圧力センサは前記燃料遮断弁と前記副ノズルとの間に設けられ、
前記圧力センサと前記副ノズルの間又は前記副ノズルに、所定の通路面積を有するしぼりが設けられたことを特徴とする請求項1に記載のガスタービン。 The nozzles include a main nozzle and a sub-nozzle,
the pressure sensor is provided between the fuel cutoff valve and the sub-nozzle,
2. The gas turbine according to claim 1, wherein a restriction having a predetermined passage area is provided between said pressure sensor and said sub-nozzle or in said sub-nozzle.
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