JP5843515B2 - ガスタービン、ガスタービン制御装置、および発電システム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン、ガスタービン制御装置、および発電システムに関するものである。

従来、ガスタービンの制御及び運転に関する技術として、例えば、特許文献１に開示される方法が知られている。特許文献１には、燃焼器を迂回して圧縮機からタービンに圧縮空気を供給するためのバイパス流路を有するガスタービンにおいて、出力の上昇が要求された場合に、圧縮機からバイパス流路を経由してタービンに供給される抽気量を最大とし、そのときのガスタービン入口温度が予め設定されているガスタービン入口温度の最大値を超えないように、燃焼器への供給燃料を調整することが開示されている。

特開２０１０−２６１４５８号公報

ところで、上記特許文献１に開示されているように、燃焼器を迂回して圧縮機からタービンに圧縮空気を供給するバイパス流路を有するガスタービンにおいては、バイパス流路を流れる空気流量が変動することにより、ガスタービンのタービン入口温度が変化してしまう。これにより、例えば、バイパスされる空気流量が減少した場合には、燃焼空気に対する燃料量の割合が基準のバイパス空気流量の時と比べて相対的に減少するため、タービン入口温度低下により熱効率が低下する。一方、バイパスされる空気流量が増加した場合には、燃焼空気に対する燃料量の割合が基準のバイパス空気流量の時と比べて相対的に増加するため、燃料過多となり、タービン入口温度が必要以上に上昇し、オーバーファイアリングを起こす。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃焼器を迂回して圧縮機からタービンに圧縮空気を供給するバイパス流路を有するガスタービンにおいて、バイパス流路を経由してタービンへ供給される空気流量を運転に反映させることのできるガスタービン、ガスタービン制御装置、および発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを具備するガスタービンであって、前記圧縮機から前記タービンに接続され、前記圧縮機により圧縮された空気を、前記燃焼器を迂回して前記タービンを冷却する冷却空気として供給するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を流れる空気流量を調整するための流量調整手段と、前記タービンの入口温度を一定に保つために用いられ、前記タービンの入口温度に関するパラメータの関係を示した第１情報と、前記バイパス流路を流れる前記空気流量または該空気流量に関するパラメータに基づいて前記第１情報を補正する補正手段と、前記補正手段によって前記第１情報が補正された場合に、補正後の前記第１情報を用いて前記タービンの入口温度が一定であるか否かを判定する判定手段とを具備するガスタービンを提供する。

本発明によれば、圧縮機により圧縮された空気の一部を燃焼器を迂回してタービンに供給するバイパス流路が設けられており、流量調整手段によってバイパスされる空気流量が調整可能とされている。また、タービンの入口温度を一定に保つために用いられ、タービンの入口温度に関するパラメータの関係を示した第１情報が予め用意されており、補正手段によって、バイパス流路を流れる空気流量または該空気流量に関するパラメータに基づいて第１情報が補正される。補正手段によって第１情報が補正された場合、判定手段により、補正後の第１情報に基づいてタービンの入口温度が一定であるか否かが判定される。このように、バイパス流路を流れる空気流量に基づいて第１情報が補正されるので、バイパスされる空気流量に応じた適切な第１情報に基づいてタービンの入口温度が一定であるか否かを判定することが可能となる。

上記ガスタービンは、前記タービンの入口温度が一定でないと判定された場合に、前記バイパス流路を流れる空気流量または該空気流量に関するパラメータに基づいて前記燃焼器に供給する燃料量を調整する燃料調整手段を備えることとしてもよい。

このような構成によれば、タービンの入口温度が一定でないと判定された場合には、燃焼器に供給される燃料量がバイパス流路の空気流量または該空気流量に関するパラメータに基づいて調整される。これにより、燃焼器に供給される燃料量がタービンの入口温度を一定とする方向に調整されるので、タービンの入口温度を一定に保つことが可能となる。

上記ガスタービンにおいて、前記流量調整手段はバルブであり、前記バイパス流路を流れる空気流量は、前記バルブの弁開度および前記バルブ前後の差圧に基づいて推定されることとしてもよい。

このような構成によれば、流量調整手段として設けられたバルブの開度およびバルブ前後の差圧によりバイパス流路を流れる空気流量が推定されることとなる。

上記ガスタービンにおいて、前記補正手段は、前記バイパス流路を流れる空気流量と予め設定されている基準空気流量との差分を前記圧縮機入口の空気流量で除算した値を用いて前記第１情報を補正することとしてもよい。

このような構成によれば、バイパス流路を流れる空気流量と基準空気流量との差分が圧縮機入口の空気流量に占める割合に基づいて第１情報が補正されるので、より適切な第１情報を得ることが可能となる。

上記ガスタービンにおいて、前記第１情報は、車室圧力とタービンの最終段よりも後流側における排ガス温度とを関連付けた温調特性であり、前記判定手段は、前記車室圧力と前記排ガス温度の関係が前記温調特性から所定の許容範囲を超えて外れた場合に、前記タービンの入口温度が一定でないと判断することとしてもよい。

このような構成によれば、第１情報は、車室圧力と排ガス温度とを関係付けた温調特性とされており、車室圧力の測定値と排ガス温度の測定値とが温調特性から所定の許容範囲を超えて外れていた場合に、タービンの入口温度が一定でないと判断されることとなる。

上記ガスタービンにおいて、前記補正手段は、前記バルブの弁開度が変化した場合に、前記第１情報の補正を行うこととしてもよい。

このような構成によれば、バルブの弁開度が変化した場合において、第１情報の補正が補正手段によって行われるので、処理を軽減させることが可能となる。

本発明は、上記いずれかに記載のガスタービンと、前記ガスタービンにより発電される発電機とを具備する発電システムを提供する。

本発明は、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、前記圧縮機から前記タービンに接続され、前記圧縮機により圧縮された空気を、前記燃焼器を迂回して前記タービンを冷却する冷却空気として供給するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を流れる空気流量を調整するための流量調整手段と具備するガスタービンを制御するガスタービン制御装置であって、前記タービンの入口温度を一定に保つために用いられ、前記タービンの入口温度に関するパラメータの関係を示した第１情報と、前記バイパス流路を流れる前記空気流量または該空気流量に関するパラメータに基づいて前記第１情報を補正する補正手段と、前記補正手段によって前記第１情報が補正された場合に、補正後の前記第１情報を用いて前記タービンの入口温度が一定であるか否かを判定する判定手段とを具備するガスタービン制御装置を提供する。

本発明によれば、バイパス流路を経由してタービンへ供給される空気流量を運転に反映させることができ、より安定した運転を実現することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン制御装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 温調特性の一例を示した図である。 図２に示した補正部が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 補正量の求め方を説明するための図である。 ガスタービン制御装置が備える温調制御部によって実行される処理の手順を示したフローチャートである。

以下に、本発明に係るガスタービン、ガスタービン制御装置、および発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示した図である。図１に示すように、発電システムは、ガスタービン１０と発電機２０とを備えている。ガスタービン１０は、空気を圧縮する圧縮機１１と、この圧縮機１１から送られてきた圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器１２と、この燃焼器１２の下流側に位置し、燃焼器１２を出た高温燃焼ガスにより駆動されるタービン１３と、燃焼器１２に供給される燃料量などを制御するガスタービン制御装置１４とを主な構成として備えている。

発電機２０は、タービン１３と同一の回転軸に連結されており、タービン１３の回転が伝達されることにより発電する。また、圧縮機１１もタービン１３の回転軸に連結されており、タービン１３の回転により駆動するような構成とされている。圧縮機１１、燃焼器１２、およびタービン１３は、ガスタービン車室（図示略）の内部に収容されている。

タービン１３において仕事をした燃焼ガスは、排気ラインを介して排出される。圧縮機１１の吸気量は、圧縮機１１の入口に設けられた入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）１５の開閉によって調整される。入口案内翼１５の制御はガスタービン制御装置１４により行われる。

また、ガスタービン１０は、燃焼器１２を迂回し、圧縮機１１からガスタービン１３へ圧縮空気を供給するバイパス流路１６を備えている。このバイパス流路１６は、例えば、圧縮機１１の途中から抽出された圧縮空気をタービン１３を構成するタービン静翼の内部に導く流路である。

本実施形態では、説明の便宜上、バイパス流路１６が１系統設けられた場合を想定しているが、例えば、バイパス流路１６は、圧縮機１１の低圧段から抽出された圧縮空気をタービン１３の低圧段の静翼の内部に導くバイパス流路や、圧縮機１１の中圧段から抽出された圧縮空気をタービン１３の中圧段の静翼の内部に導くバイパス流路や、圧縮機１１の高圧段から抽出された圧縮空気をタービン１３の高圧段の静翼の内部に導くバイパス流路など、複数の流路が設けられていてもよい。また、この流路の数については限定されない。
タービン静翼の内部に導かれた抽気された圧縮空気は、タービン動翼が配置されたタービンディスク（図示せず）の強度低下の防止などを目的として、パージ空気としてタービンディスクの冷却や、タービンディスク間（ディスクキャビティ）のシールに用いられる。

バイパス流路１６には、タービン１３へ供給する抽気流量を制御するためのバイパス弁（流量調整手段）１８が設けられている。バイパス弁の弁開度は、ガスタービン制御装置１４によって制御される。
ガスタービン制御装置１４は、例えば、ディスクキャビティの温度を計測し、この温度が制限値よりも高くなった場合は、タービンディスクの強度を維持するために、バイパス弁１８の開度を大きくする。これにより、ディスクキャビティのパージ空気が増加され、ディスクキャビティの温度が下がるように制御される。また、ガスタービン制御装置１４は、ディスクキャビティの温度と制限値との間に余裕がある場合は、ガスタービン１０の熱効率向上のため、バイパス弁１８の開度を小さくし、抽気する圧縮空気を減らす。

燃焼器１２には、燃料を供給するための燃料供給路２５が接続されている。燃料供給路２５には、流量調節弁２６が設けられている。流量調節弁２６の開度がガスタービン制御装置１４によって制御されることにより、燃焼器１２に供給される燃料ガスの供給量が制御される。

ガスタービン制御装置１４は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置、補助記憶装置、通信装置などを備えている。
補助記憶装置は、コンピュータ読取可能な記録媒体であり、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。この補助記憶装置には、各種プログラム（例えば、燃料流量決定プログラム、温調制御プログラム等）が格納されており、ＣＰＵが補助記憶装置から主記憶装置にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。

図２は、ガスタービン制御装置１４が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図２に示されるように、ガスタービン制御装置１４は、燃料流量決定部３０と、温調制御部３１と、燃料弁開度決定部３２とを備えている。

燃料流量決定部３０は、例えば、目標発電指令値やガスタービン出力などの各種パラメータに基づいて燃料流量を決定する。燃料流量決定部３０には、例えば、図示を省略した各種制御部によって算出された負荷制御信号ＬＤＣＳＯ、ガバナ制御信号ＧＶＣＳＯ、ブレードパス温度制御信号ＢＰＣＳＯ、及び排ガス制御信号ＥＸＣＳＯが入力される。

負荷制御信号ＬＤＣＳＯは、発電機出力を発電機出力指令に一致させるように燃料流量を制御するための制御信号であり、ガバナ制御信号ＧＶＣＳＯは、タービン１３の回転速度又は回転数を目標値に一致させるように燃料流量を制御するための制御信号であり、ブレードパス温度制御信号ＢＰＣＳＯはタービン１３のブレードパス温度ＢＰＴがブレードパス温度上限値を超えないように燃料流量を制御するための制御信号であり、排ガス制御信号ＥＸＣＳＯは排ガス温度が排ガス温度上限値を超えないように燃料流量を制御するための制御信号である。ここで、排ガス温度とは、タービンの最終段よりも後流側における排ガスの温度を意味する。燃料流量決定部３０は、入力された各種制御信号のうち、最も低値の制御信号を選択し、これを燃料流量指令ＣＳＯとして出力する。
なお、上述した各制御信号に基づく燃料流量指令ＣＳＯの決定手法については、公知の技術であり、例えば、特開２００７−７１１４４号公報に開示されている方法を用いることができる。

温調制御部３１は、記憶部４０と、補正部（補正手段）４１と、判定部（判定手段）４２と、燃料調整部（燃料調整手段）４３とを主な構成として備えている。
記憶部４０には、タービン１３の入口温度を一定に保つために用いられ、タービン１３の温度に関するパラメータの関係を示した第１情報が格納されている。第１情報として、例えば、車室圧力と排ガス温度とを関連付けた温調特性が挙げられる。図３は、温調特性の一例を示した図である。図３に示した温調特性において、横軸はガスタービン車室圧力、縦軸は排ガス温度である。ここで、ガスタービン車室圧力に代えて、圧縮機出口圧力を用いてもよい。

補正部４１は、バイパス流路１６を流れる空気流量に基づいて、記憶部４０に格納されている温調特性を補正し、記憶部４０における温調特性を更新する。なお、補正部４１の詳細については、後述する。

判定部４２は、記憶部４０に格納されている温調特性を用いてタービン１３の入口温度が一定に保たれているか否かを判定する。具体的には、ガスタービン車室圧力および排ガス温度の計測値が、記憶部４０に格納されている温調特性から所定の許容範囲を超えて外れていた場合に、タービン１３の入口温度が一定でないと判定する。ここで、許容範囲は、設計により任意に設定することが可能である。

燃料調整部４３は、判定部４２によってタービン１３の入口温度が一定でないと判定された場合に、燃料流量決定部３０によって決定された燃料流量指令ＣＳＯを調整する。
具体的には、図３に示した温調特性において、ガスタービン車室圧力の測定値および排ガス温度の測定値によって決定される点が、温調特性の下側に位置していた場合には、燃料が不足していると判断し、燃料流量指令ＣＳＯを所定量増加させる。一方、図３に示した温調特性において、ガスタービン車室圧力の測定値および排ガス温度の測定値によって決定される点が、温調特性の上側に位置していた場合には、燃料が過多であると判断し、燃料流量指令ＣＳＯを所定量減少させる。

燃料調整部４３によって調整された燃料流量指令ＣＳＯ´は、燃料弁開度決定部３２に出力され、燃料流量指令ＣＳＯ´に応じた弁開度が決定される。これにより、燃料弁開度決定部３２によって決定された弁開度に基づいて燃料調節弁２６の開度が調節される。

次に、上記補正部４１について図４を参照して説明する。
図４は、補正部４１の機能ブロック図である。図４に示すように、補正部４１は、第１処理部５１と、第２処理部５２と、第３処理部５３とを備えている。

第１処理部５１は、バイパス流路１６を流れる空気流量（以下「抽気流量」という。）を推定する。第１処理部５１は、例えば、バイパス弁１８の入力圧力Ｐ_１、入力差圧ΔＰ、および弁開度より求まるバルブの容量係数Ｃｖを入力情報として得、これらの情報および予め保有している所定の関数を用いることで、抽気流量を推定する。

第２処理部５２は、例えば、抽気流量に関するパラメータと補正量とが関連付けられた第２情報を保有しており、第１処理部５１によって推定された抽気流量と第２情報とから補正量を求める。

例えば、抽気流量が減少した場合、タービン１３へ流れる冷たい空気の量が減少することとなるので、同じ車室圧で比較すると排ガス温度は上昇することとなる。また、抽気流量が減少した場合、タービン１３を通過する空気（燃焼に使用される空気）流量は増加することとなり、燃料流量や出力も増加することとなる。したがって、抽気流量が減少した場合には、タービン１３を通過する空気流量が増加するため、タービン入口温度を一定に保つためには、燃料を増加させる必要がある。したがって、図３に示した温調特性をプラス側、すなわち、同じ車室圧力に対する排ガス温度が上昇する方向に補正する必要がある。

抽気流量が増加する場合には、タービンへ流れる冷たい空気の量が増加することとなるので、同じ車室圧で比較すると排ガス温度は低下することとなる。また、抽気流量が増加した場合、タービンを通過する空気（燃焼に使用される空気）流量は減少することとなり、燃料流量や出力も低下することとなる。したがって、抽気流量が増加した場合には、タービンを通過する空気流量が低下するため、タービン入口温度を一定に保つためには、燃料も減少させる必要がある。したがって、図３に示した温調特性をマイナス側、すなわち、同じ車室圧力に対する排ガス温度が低下する方向に補正する必要がある。

このような関係から、例えば、第２情報は図５に示すような関係となる。図５において、横軸は抽気流量と予め設定されている基準抽気流量との差分ΔＱ、縦軸は補正量である。抽気流量が基準抽気流量よりも少ない場合には、差分ΔＱに比例して補正量が増加し、抽気流量が基準抽気流量よりも多い場合には、差分ΔＱに比例して補正量が減少する特性とされている。

第３処理部５３は、記憶部４０に格納されている温調特性を第２処理部５２によって決定された補正量に基づいて補正し、記憶部４０の温調特性を更新する。これにより、記憶部４０に格納されている温調特性をその時々のガスタービンの運転に応じて適切な曲線にすることが可能となる。

次に、上記構成を備える発電システムのガスタービン制御装置１４の作用について図６を参照して説明する。ここでは、本発明の主な特徴の一つである温調制御部３１による制御について主に説明する。図６は、温調制御部３１により実行される処理の手順を示したフローチャートである。

まず、ガスタービンの運転が開始され、ガスタービンの温調制御が開始される条件が満たされると（ステップＳＡ１において「ＹＥＳ」）、バイパス弁１８の開度が変化したか否かが判定される（ステップＳＡ２）。この結果、バイパス弁１８の開度が変化していた場合には（ステップＳＡ２において「ＹＥＳ」）、バイパス弁１８の開度などに基づいて補正量が求められ、この補正量に基づいて温調特性が補正される（ステップＳＡ３）。続いて、補正後の温調特性に基づいて、タービン１３の入口温度が一定であるか否かが判定され（ステップＳＡ４）、この結果、タービン１３の入口温度が一定でないと判定された場合には（ステップＳＡ４において「ＮＯ」）、燃料流量決定部３０によって決定された燃料供給量が所定量増加または減少させられる（ステップＳＡ５）。一方、ステップＳＡ４において、タービン１３の入口温度が一定であると判定された場合には（ステップＳＡ４において「ＹＥＳ」）、ステップＳＡ６に移行する。ステップＳＡ６では、ガスタービンの運転停止操作がなされたか否かが判定され、なされていなければステップＳＡ２に戻り、ステップＳＡ２以降の処理が再度実行され、一方、運転停止操作がなされた場合には、本処理を終了する。

以上説明してきたように、本実施形態に係るガスタービン、ガスタービン制御装置、および発電システムによれば、バイパス流路１６を流れる空気流量に基づいて温調特性が補正されるので、バイパスされる空気流量に応じた適切な温調特性を得ることが可能となる。そして、このバイパスされる空気流量が反映された温調特性に基づいてタービン１３の入口温度が一定であるか否かの判定がされ、一定ではないと判定された場合には、タービン１３の入口温度が一定となるように燃焼器１２に供給される燃料流量の調整が行われる。これにより、燃焼器１２をバイパスされる抽気流量を運転に反映させることができ、より安定した運転を実現することが可能となる。

なお、本実施形態においては、バイパス流路１６を流れる空気流量と基準空気流量との差分に基づいて補正量を得ることとしたが、更に、他のパラメータを考慮して補正量を決定することとしてもよい。例えば、バイパス流路１６を流れる空気流量と予め設定されている基準空気流量との差分を圧縮機入口の空気流量で除算した値を用いて補正値を求めることとしてもよい。このように、圧縮機入口の空気流量をも考慮して補正量を決めることで、より適切な温調特性を得ることが可能となる。

１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ ガスタービン制御装置
１６ バイパス流路
１８ バイパス弁
２０ 発電機
３０ 燃料流量決定部
３１ 温調制御部
３２ 燃料弁開度決定部
４０ 記憶部
４１ 補正部
４２ 判定部
４３ 燃料調整部

Claims (8)

1. 圧縮機と、燃焼器と、タービンとを具備するガスタービンであって、
   前記圧縮機から前記タービンに接続され、前記圧縮機により圧縮された空気を、前記燃焼器を迂回して前記タービンを冷却する冷却空気として供給するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を流れる空気流量を調整するための流量調整手段と、
   前記タービンの入口温度を一定に保つために用いられ、前記タービンの入口温度に関するパラメータの関係を示した第１情報と、
   前記バイパス流路を流れる前記空気流量または該空気流量に関するパラメータに基づいて前記第１情報を補正する補正手段と、
   前記補正手段によって前記第１情報が補正された場合に、補正後の前記第１情報を用いて前記タービンの入口温度が一定であるか否かを判定する判定手段と
   を具備するガスタービン。
2. 前記タービンの入口温度が一定でないと判定された場合に、前記バイパス流路を流れる空気流量または該空気流量に関するパラメータに基づいて前記燃焼器に供給する燃料量を調整する燃料調整手段を備える請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記流量調整手段はバルブであり、
   前記バイパス流路を流れる空気流量は、前記バルブの弁開度および前記バルブ前後の差圧に基づいて推定される請求項１または請求項２に記載のガスタービン。
4. 前記補正手段は、
   前記バイパス流路を流れる空気流量と予め設定されている基準空気流量との差分を前記圧縮機入口の空気流量で除算した値を用いて前記第１情報を補正する請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスタービン。
5. 前記第１情報は、車室圧力とタービンの最終段よりも後流側における排ガス温度とを関連付けた温調特性であり、
   前記判定手段は、前記車室圧力と前記排ガス温度の関係が前記温調特性から所定の許容範囲を超えて外れた場合に、前記タービンの入口温度が一定でないと判断する請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービン。
6. 前記補正手段は、前記バルブの弁開度が変化した場合に、前記第１情報の補正を行う請求項３に記載のガスタービン。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のガスタービンと、
   前記ガスタービンにより発電される発電機と
   を具備する発電システム。
8. 圧縮機と、
   燃焼器と、
   タービンと、
   前記圧縮機から前記タービンに接続され、前記圧縮機により圧縮された空気を、前記燃焼器を迂回して前記タービンを冷却する冷却空気として供給するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を流れる空気流量を調整するための流量調整手段と
   を具備するガスタービンを制御するガスタービン制御装置であって、
   前記タービンの入口温度を一定に保つために用いられ、前記タービンの入口温度に関するパラメータの関係を示した第１情報と、
   前記バイパス流路を流れる前記空気流量または該空気流量に関するパラメータに基づいて前記第１情報を補正する補正手段と、
   前記補正手段によって前記第１情報が補正された場合に、補正後の前記第１情報を用いて前記タービンの入口温度が一定であるか否かを判定する判定手段と
   を具備するガスタービン制御装置。

Images