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KR20180091716A - 습분 이용 가스 터빈 - Google Patents

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KR20180091716A
KR20180091716A KR1020180010493A KR20180010493A KR20180091716A KR 20180091716 A KR20180091716 A KR 20180091716A KR 1020180010493 A KR1020180010493 A KR 1020180010493A KR 20180010493 A KR20180010493 A KR 20180010493A KR 20180091716 A KR20180091716 A KR 20180091716A
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fuel flow
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야스시 이와이
히데후미 아라키
다쿠야 다케다
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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

기동 시간을 단축하면서, 터빈 날개의 열부하 증가를 억제한다.
본 발명에 관한 습분 이용 가스 터빈(101)은, 압축기(1), 연소기(2), 터빈(3), 터빈 배기 가스의 열을 회수하고, 고온의 습분(18)을 발생시키는 배열 회수 장치(5), 연료 유량 제어 밸브(9)가 설치된 연료 공급 계통(60), 터빈(3)을 구동하여 배출되는 배기(51)의 온도를 취득하는 배기 온도 취득부(26), 연소 가스(20)에 포함되는 습분 비율을 연산하는 연소 가스 습분 비율 연산부(30), 연소 가스 습분 비율과 압력비로부터 배기 온도 상한값을 설정하는 배기 온도 상한 연산부(32), 배기 온도 상한값과 배기 온도의 차이를 연산하는 배기 온도 차이 연산부(36), 배기 온도의 차이를 사용하여 연료 유량 지령값을 연산하는 연료 유량 지령값 연산부(44) 및 연료 유량 지령값 선택부(45)에 의해 선택된 지령값에 기초하여 연료 유량 제어 밸브(9)에 지령 신호를 출력하는 제어 지령값 출력부(46)를 구비한다.

Description

습분 이용 가스 터빈 {GAS TURBINE USING HYGROSCOPIC MOISTURE}
본 발명은, 습분 이용 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈의 일종으로, 연소용 공기에 포함되는 습분을 증가시켜 출력이나 효율을 향상시키는 습분 이용 가스 터빈이 있다(특허문헌 1 등을 참조).
일본 특허 공개 제2004-308596호 공보
근년, 풍력 발전이나 태양광 발전으로 대표되는 재생 가능 에너지를 사용한 발전 플랜트가 증가 경향에 있다. 재생 가능 에너지로부터 얻어지는 발전량은 계절, 날씨 등에 따라 변동되기 때문에, 가스 터빈 발전 플랜트를 사용하여 계통 전력을 안정화시키고 있다. 재생 가능 에너지의 발전량 증가에 수반하여 발전량의 변동폭도 증가하고 있고, 가스 터빈 발전 플랜트에는, 계통 전력을 안정화시키기 위해, 기동 시간의 단축(고속 기동)이 요구되고 있다. 그러나, 터빈 배기 가스의 열을 이용하여 고온의 습분을 발생시켜, 압축 공기의 습분을 증가시키는 방식의 습분 이용 가스 터빈에 있어서는, 소정의 부하에서 습분의 발생을 대기하고 나서 부하를 상승시키는 기동 방법에서는, 표준적인 가스 터빈에 비해 기동 시간이 길어진다.
또한, 습분 이용 가스 터빈은, 표준적인 가스 터빈에 비해 연소 가스(터빈 입구 가스)의 비열이나 열전달률이 커지기 때문에, 표준적인 가스 터빈과 마찬가지의 연소 온도로 운용하면, 터빈 날개의 열부하가 증가하여 단수명화나 손상의 발생으로 이어지는 경우가 있다. 일반적으로 터빈 날개의 열부하의 증가를 억제하는 방책으로서, 터빈의 배기 온도가 설정값을 초과하지 않도록 제어하여, 연소 가스 온도가 제한값을 초과하지 않도록 하는 방법이 있다. 습분 이용 가스 터빈에 관하여 특허문헌 1에서는, 압축 공기에 습분을 공급할 때에 터빈의 배기 온도를 계측하고, 배기 온도가 소정의 최적 온도 범위로 유지되도록 연료 유량을 제어하고 있다. 그러나, 습분 이용 가스 터빈에서는, 압축 공기에 포함되는 습분량이 증가하여 연소 가스에 포함되는 습분량이 증가하면, 연소 가스의 비열이나 열전달률도 증가할 수 있으므로, 터빈 날개의 열부하가 증가할 가능성이 있다. 특허문헌 1에서는, 연소 가스에 포함되는 습분량의 증가에 의해 연소 가스의 비열이나 열전달률이 증가하는 것에 대해서는 고려되어 있지 않으므로, 배기 온도가 소정의 최적 온도 범위로 되도록 배기 온도 제어되어 있어도, 연소 가스에 포함되는 습분량의 증가에 의해 연소 가스 온도가 제한값을 초과해 버려, 터빈 날개의 열부하가 증가하여 허용값을 초과해 버릴 가능성이 있다.
본 발명은 상기에 비추어 이루어진 것이며, 기동 시간을 단축하면서, 터빈 날개의 열부하의 증가를 억제할 수 있는 습분 이용 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 습분 이용 가스 터빈은, 연소 가스에 포함되는 습분 비율(연소 가스 습분 비율)을 연산(취득)하는 연소 가스 습분 비율 연산부와, 상기 연소 가스 습분 비율과 압력비로부터 배기 온도 상한값을 설정하는 배기 온도 상한 연산부와, 배기 온도와 상기 배기 온도 상한값의 차이를 연산하는 배기 온도 차이 연산부를 구비하고, 종래의 제어 방법에 있어서의 배기 온도 차이의 연산부에 상기 배기 온도 차이 연산부를 사용하여 연료 공급 계통의 연료 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기동 시간을 단축하면서, 터빈 날개의 열부하의 증가를 억제할 수 있는 습분 이용 가스 터빈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 제어 장치의 블록도이다.
도 3은 배기 온도 제어선을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈의 연료 유량 제어 밸브를 제어하는 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트의 동작을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트의 동작을 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트의 동작을 예시하는 도면이다.
<실시 형태>
(구성)
1. 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트
도 1은, 본 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트의 일 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트(100)는, 습분 이용 가스 터빈(101) 및 부하 기기(8)를 구비하고 있다.
습분 이용 가스 터빈(101)은, 압축기(1), 연소기(2), 터빈(3), 가습 장치(4), 배열 회수 장치(5) 및 제어 장치(7)를 구비하고 있다.
압축기(1)는, 터빈(3)에 의해 회전 구동되고, 흡기 계통(52)을 통해 대기로부터 흡입한 공기(흡기)(16)를 압축하여 압축 공기(17)를 생성하고, 압축 공기 계통(53)을 통해 가습 장치(4)에 공급한다. 흡기 계통(52)은, 압축기(1)의 입구부(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 흡기 계통(52)에는, 흡기 압력 취득부(압력계)(23) 및 흡기 유량 취득부(유량계)(47)가 설치되어 있다. 흡기 압력 취득부(23)는, 제어 장치(7)와 전기적으로 접속되어 있고, 흡기 압력에 관한 신호(흡기 압력 신호)(11)를 제어 장치(7)에 출력한다. 흡기 유량 취득부(47)는, 제어 장치(7)와 전기적으로 접속되어 있고, 흡기 유량에 관한 신호(흡기 유량 신호)(48)를 제어 장치(7)에 출력한다. 압축 공기 계통(53)은, 압축기(1)의 출구부(도시하지 않음)와 가습 장치(4)를 접속하고 있다. 압축 공기 계통(53)에는, 토출 압력 취득부(압력계)(24)가 설치되어 있다. 토출 압력 취득부(24)는, 제어 장치(7)와 전기적으로 접속되어 있고, 토출 압력에 관한 신호(토출 압력 신호)(12)를 제어 장치(7)에 출력한다.
가습 장치(4)는, 압축기(1)로부터 공급된 압축 공기(17)에 배열 회수 장치(5)로부터 공급된 습분(18)을 공급하여 가습 공기(19)를 생성하여, 연소기(2)에 공급한다. 본 실시 형태에서는, 가습 장치(4)로서 습분 분사 장치를 상정하고 있지만, 증습탑 등을 채용하는 구성도 가능하다.
연소기(2)는, 가습 장치(4)로부터 공급된 가습 공기(19)를 연료 공급 계통(60)을 통해 공급된 연료(10)와 혼합하여 연소시키고, 고온의 연소 가스(20)를 생성하여 터빈(3)에 공급한다. 연료 공급 계통(60)은, 연료 공급원(도시하지 않음)과 연소기(2)를 접속하고 있다. 연료 공급 계통(60)은, 연소기(2)에 연료를 공급한다. 연료 공급 계통(60)에는, 연료 유량 제어 밸브(9) 및 연료 유량 취득부(유량계)(58)가 설치되어 있다. 연료 유량 제어 밸브(9)는, 연소기(2)에 공급하는 연료 유량을 제어(조정)하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 연료 유량 제어 밸브(9)는, 제어 장치(7)와 전기적으로 접속되어 있고, 제어 장치(7)로부터 지령 신호(S1)를 입력하여 개방도를 조절함으로써, 연소기(2)에 공급하는 연료 유량을 제어한다. 연료 유량 취득부(58)는, 제어 장치(7)와 전기적으로 접속되어 있고, 연소기(2)에 공급하는 연료 유량에 관한 신호(연료 유량 신호)(55)를 제어 장치(7)에 출력한다.
터빈(3)은, 연소기(2)로부터 공급된 연소 가스(터빈 입구 가스)(20)가 팽창됨으로써 회전 구동된다. 터빈(3)을 구동한 연소 가스(20)는, 터빈 배기 가스(배기)(51)로서 터빈(3)의 출구부(도시하지 않음)로부터 배출되고, 배기 계통(54)을 통해 배열 회수 장치(5)에 공급된다. 배기 계통(54)은 터빈(3)의 출구부와 배열 회수 장치(5)를 접속하고 있다. 배기 계통(54)에는, 배기 온도 취득부(온도계)(26)가 설치되어 있다. 배기 온도 취득부(26)는 배기(51)의 온도를 취득한다. 배기 온도 취득부(26)는, 제어 장치(7)와 전기적으로 접속하고 있고, 배기 온도에 관한 신호(배기 온도 신호)(14)를 제어 장치(7)에 출력한다.
배열 회수 장치(5)는, 터빈(3)의 배기(51)로부터 열을 회수하여 고온의 습분(본 실시 형태에서는, 수증기)(18)을 발생시키고, 습분 계통(59)을 통해 가습 장치(4)에 공급한다. 본 실시 형태에서는, 배열 회수 장치(5)는 열교환기(6)를 구비하고 있고, 터빈(3)으로부터 공급된 배기(51)에 의해 열교환기(6)를 가열하고, 열교환기(6)에 공급된 물(급수)(22)과 열교환함으로써 고온의 습분(18)을 발생시키고 있다. 습분 계통(59)은, 배열 회수 장치(5)(열교환기(6))와 가습 장치(4)를 접속하고 있다. 습분 계통(59)에는, 공급 습분량 제어 밸브(56) 및 공급 습분량 취득부(유량계)(25)가 설치되어 있다. 공급 습분량 제어 밸브(56)는, 가습 장치(4)에 공급하는 습분량(공급 습분량)을 제어하는 것이다. 공급 습분량 제어 밸브(56)는, 반드시 배열 회수 장치(5)와 가습 장치(4)를 연결하는 유로에 설치할 필요는 없고, 습분 계통(59)의 바이패스 경로(도시하지 않음) 상에 있어도 된다. 본 실시 형태에서는, 공급 습분량 제어 밸브(56)는 제어 장치(7)와 전기적으로 접속되어 있고, 제어 장치(7)로부터의 지령 신호(S2)를 입력하여 개방도를 조절함으로써, 연소기(2)에 의해 안정 연소 등의 소정의 성능을 발휘할 수 있도록 가습 장치(4)에 공급하는 습분량을 제어한다. 공급 습분량 취득부(25)는, 제어 장치(7)와 전기적으로 접속하고 있고, 공급 습분량에 관한 신호(공급 습분량 신호)(13)를 제어 장치(7)에 출력한다.
부하 기기(본 실시 형태에서는, 발전기)(8)는, 터빈(3)과 동축에 연결되고, 터빈(3)의 회전 동력을 전력으로 변환한다. 본 실시 형태에서는, 압축기(1), 터빈(3) 및 부하 기기(8)는, 샤프트(21)에 의해 서로 연결되어 있고, 터빈(3)에 의해 얻어진 회전 동력의 일부는 압축기(1)를 구동한다. 부하 기기(8)는, 제어 장치(7)와 전기적으로 접속되어 있고, 발전 출력에 관한 신호(발전 출력 신호)(57)를 제어 장치(7)에 출력한다.
2. 제어 장치
도 2는, 본 실시 형태에 관한 제어 장치의 블록도이다. 제어 장치(7)는, 연소 가스 습분 비율 연산부(30)에 의해 공급 습분량과 흡기 유량으로부터 연소 가스에 포함되는 습분 비율을 계산하고, 배기 온도 상한 연산부(32)에 의해, 연소 가스 습분 비율과 압력비로부터 배기 온도 상한값을 설정하고, 배기 온도가 상한값 이하로 되도록 연료 유량 제어 밸브(9)의 개방도를 제어하는 것이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(7)는 연소 가스 습분 비율 연산부(30), 배기 온도 상한 연산부(32) 외에, 흡기 유량 입력부(29), 흡기 압력 입력부(31), 토출 압력 입력부(27), 압력비 연산부(41), 공급 습분량 입력부(28), 배기 온도 입력부(35), 배기 온도 차이 연산부(36), 발전 출력 입력부(37), 발전 출력 차이 연산부(38), 연료 유량 지령값 연산부(44), 연료 유량 지령값 선택부(45) 및 제어 지령값 출력부(46)를 구비하고 있다.
·흡기 유량 입력부(29)
흡기 유량 입력부(29)는, 흡기 유량 취득부(47)로부터 출력된 흡기 유량 신호(48)를 입력한다.
·흡기 압력 입력부(31)
흡기 압력 입력부(31)는, 흡기 압력 취득부(23)로부터 출력된 흡기 압력 신호(11)를 입력한다.
·토출 압력 입력부(27)
토출 압력 입력부(27)는, 토출 압력 취득부(24)로부터 출력된 토출 압력 신호(12)를 입력한다.
·압력비 연산부(41)
압력비 연산부(41)는, 흡기 압력 취득부(23) 및 토출 압력 취득부(24)로부터 흡기 압력과 토출 압력을 입력하고, 토출 압력을 흡기 압력으로 나누어, 압축기(1)의 압력비를 연산(취득)한다.
·공급 습분량 입력부(28)
공급 습분량 입력부(28)는, 공급 습분량 취득부(25)로부터 출력된 공급 습분량 신호(13)를 입력한다.
·연소 가스 습분 비율 연산부(30)
연소 가스 습분 비율 연산부(30)는, 공급 습분량 입력부(28) 및 흡기 유량 입력부(29)로부터 공급 습분량 및 흡기 유량을 입력하고, 입력한 공급 습분량 및 흡기 유량에 기초하여, 연소 가스에 포함되는 습분의 비율인 연소 가스 습분 비율을 취득한다.
본 실시 형태에서는, 연소 가스 습분 비율 연산부(30)는, 예를 들어 공급 습분량 및 흡기 유량에 기초하여, 식(1)로부터 연소 가스 습분 비율을 연산한다.
Figure pat00001
단, rw: 연소 가스 습분 비율, Gin: 흡기 유량, Gw: 공급 습분량이다.
·배기 온도 상한 연산부(32)
배기 온도 상한 연산부(32)에서는, 연소 가스 습분 비율에 따라 변화되는 연소 가스 온도의 제한값이나, 배기 가스 덕트의 온도 제약 등으로부터 미리 구해 둔, 압축기의 압력비에 대한 배기 온도 상한값의 함수 관계에 기초하여, 배기 온도 상한값을 연산(설정)한다. 설정되는 배기 온도 상한값은, 예를 들어 이하의 식(2)∼식(4)에 의해 구해진다.
Figure pat00002
단, Tx1: 배기 온도의 상한값 1, Txsup: 연소 가스 습분 비율을 변수로 하는 배기 온도 상한값 함수. 배기 계통의 온도 제약에 의해 미리 정해 둔다.
Figure pat00003
단, Tx2: 배기 온도의 상한값 2, πc: 압력비,
F(πc, rw): 압력비와 연소 가스 습분 비율을 변수로 하는 배기 온도 상한값 함수. 연소 가스 온도의 제한값으로부터 함수형을 미리 정해 둔다.
Figure pat00004
단, Tx: 배기 온도 상한값, min(Tx1, Tx2): Tx1, Tx2의 최솟값.
계속해서 배기 온도 제어선에 대해 설명한다. 도 3은, 배기 온도 제어선을 나타내는 모식도이다. 횡축은 압력비, 종축은 배기 온도 상한값을 나타내고 있다. 배기 온도 제어선은, 압력비에 따른 배기 온도 상한값의 추이를 나타내는 선이다. 도 3에 있어서, 실선은, 연소 가스 습분 비율이 제1 값(제로, 즉 압축 공기에 습분이 공급되어 있지 않은 경우)의 배기 온도 제어선 L1이다. 일점쇄선은, 연소 가스 습분 비율이 제2 값인 경우의 배기 온도 제어선 L2이고, 이점쇄선은, 연소 가스 습분 비율이 미리 설정된 제3 값인 경우의 배기 온도 제어선 L3을 나타내고 있다. 또한 도 3은 연소 가스 습분 비율이, 제1 값, 제2 값, 제3 값의 순으로 증가한 경우의 모식도를 나타내고 있다. 습분 이용 가스 터빈에서는, 압축 공기에 공급하는 습분량이 증가하여 연소 가스 습분 비율이 증가하면, 연소 가스의 비열이나 열전달률도 증가할 수 있으므로, 본 실시 형태에서는, 연소 가스 습분 비율의 증가에 따라서 배기 온도 제어선을 변화시켜 배기 온도 상한값을 설정하고 있다.
본 실시 형태에서는, 배기 온도 제어선은 압력비에 대해 연속으로 정의되고, 배기 온도 상한값이 압력비에 관계없이 일정해지는 수평부와, 배기 온도 상한값이 압력비의 증가에 수반하여 저하되는 하강부를 갖고 있다. 도 3에 나타낸 예에서는, 배기 온도 제어선 L1은 수평부 L11 및 하강부 L12, 배기 온도 제어선 L2는 수평부 L21 및 하강부 L22, 배기 온도 제어선 L3은 수평부 L31 및 하강부 L32를 갖고 있다. 배기 온도 제어선의 수평부는, 터빈 배기 가스의 온도(배기 온도)의 제약에 의한 것이며, 배기 온도가 과도하게 높아지는(예를 들어, 터빈의 출구부에 접속하는 배기 계통을 구성하는 부재의 허용 온도보다 높아지는) 것을 억제하고 있다. 본 실시 형태에서는, 배기 온도 제어선의 수평부에 있어서의 배기 온도 상한값은, 배기 계통을 구성하는 부재의 허용 온도에 대해 여유를 갖고 설정되어 있다. 배기 온도 제어선의 하강부는, 토출 압력의 증가에 수반하여 배기 온도 상한값이 저하되도록 되어 있어, 연소 가스 온도가 과도하게 높아지는(예를 들어, 터빈 날개의 내열 온도보다 높아지는) 것을 억제하여 터빈을 보호하고 있다.
본 실시 형태의 배기 온도 제어선에서는, 압력비가 어느 전환 압력비에서 수평부로부터 하강부로 이행하도록 설정되어 있다. 도 3에 나타낸 예에서는, 배기 온도 제어선 L1의 전환 압력비는 Πc1, 배기 온도 제어선 L2의 전환 압력비는 Πc2, 배기 온도 제어선 L3의 전환 압력비는 Πc3이고, 배기 온도 제어선 L1, L2, L3의 수평부의 배기 온도 상한값은 각각 Txsup1, Txsup2, Txsup3이다.
·배기 온도 입력부(35)
배기 온도 입력부(35)는, 배기 온도 취득부(26)로부터 출력된 배기 온도 신호(14)를 입력한다.
·배기 온도 차이 연산부(36)
배기 온도 차이 연산부(36)는, 배기 온도 입력부(35)가 입력한 배기 온도 및 배기 온도 상한 연산부(32)에 의해 설정된 배기 온도 상한값을 입력하고, 배기 온도와 배기 온도 상한값의 차이(제1 차이)를 연산한다.
·발전 출력 입력부(37)
발전 출력 입력부(37)는, 부하 기기(8)로부터 출력된 발전 출력 신호(57)를 입력한다.
·발전 출력 차이 연산부(38)
발전 출력 차이 연산부(38)는, 발전 출력 입력부(37)가 입력한 발전 출력 및 중앙 급전 지령소 등으로부터 요구되는 발전 출력(발전 요구량)을 입력하고, 발전 출력과 발전 요구량의 차이(제2 차이)를 연산한다.
·연료 유량 지령값 연산부(44)
연료 유량 지령값 연산부(44)에서는, 배기 온도 차이 연산부(36)에 의해 연산된 제1 차이를 입력하여 제1 연료 유량 지령값을 계산하고, 발전 출력 차이 연산부(38)에 의해 연산된 제2 차이를 입력하여 제2 연료 유량 지령값을 계산하고, 회전수나 그 밖의 운전 상태로부터 제3 연료 유량 지령값 등을 연산한다.
·연료 유량 지령값 선택부(45)
연료 유량 지령값 선택부(45)는, 연료 유량 지령값 연산부(44)에 의해 연산된 복수의 연료 유량 지령값으로부터, 그 최솟값을 연료 공급 계통의 연료 유량을 제어하는 연료 유량 제어 지령값으로서 선택한다.
·제어 지령값 출력부(46)
제어 지령값 출력부(46)는, 연료 유량 지령값 선택부(45)에 의해 선택된 연료 유량 제어 지령값에 기초하여 연료 유량 제어 밸브(9)의 제어 지령값을 연산하고, 연료 유량 제어 밸브(9)에 지령 신호(S1)를 출력한다.
(동작)
·연료 유량 제어 밸브(9)의 제어 순서
본 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈의 연료 유량 제어 밸브(9)를 제어하는 순서에 대해 설명한다. 도 4에, 본 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈의 연료 유량 제어 밸브(9)를 제어하는 순서를 흐름도로 나타낸다.
공급 습분량 입력부(28)는, 공급 습분량 취득부(25)에 의해 취득된 공급 습분량을 입력한다(스텝 B1).
흡기 유량 입력부(29)는, 흡기 유량 취득부(47)에 의해 취득된 흡기 유량을 입력한다(스텝 B2).
연소 가스 습분 비율 연산부(30)는, 공급 습분량 입력부(28)가 입력한 공급 습분량과 흡기 유량 입력부(29)가 입력한 흡기 유량에 기초하여, 연소 가스 습분 비율을 연산한다(스텝 B3).
흡기 압력 입력부(31)는, 흡기 압력 취득부(23)에 의해 취득된 흡기 압력을 입력한다(스텝 B4).
토출 압력 입력부(27)는, 토출 압력 취득부(24)에 의해 취득된 토출 압력을 입력한다(스텝 B5).
압력비 연산부(41)는, 흡기 압력 입력부(31)에 의해 입력된 흡기 압력과, 토출 압력 입력부(27)에 의해 입력된 토출 압력으로부터 압력비를 연산한다(스텝 B6).
배기 온도 상한 연산부(32)는, 연소 가스 습분 비율 연산부(30)에 의해 연산하여 얻어진 연소 가스 습분 비율과 압력비 연산부(41)에 의해 연산하여 얻어진 압력비에 기초하여, 배기 온도 상한값을 연산한다(스텝 B7).
배기 온도 입력부(35)는, 배기 온도 취득부(26)에 의해 취득된 배기 온도를 입력한다(스텝 B8).
배기 온도 차이 연산부(36)는, 배기 온도 입력부(35)가 입력한 배기 온도와 배기 온도 상한 연산부(32)에 의해 연산된 배기 온도 상한값에 기초하여, 제1 차이(ΔT)를 연산한다(스텝 B9).
발전 출력 입력부(37)는, 부하 기기(8)로부터 발전 출력을 취득한다(스텝 B10).
발전 출력 차이 연산부(38)는, 발전 출력 입력부(37)가 취득한 발전 출력과 발전 요구량에 기초하여, 제2 차이(ΔE)를 연산한다(스텝 B11).
계속해서, 연료 유량 지령값 연산부(44)는, 배기 온도 차이 연산부(36)에 의해 연산된 제1 차이를 입력하여 제1 연료 유량 지령값을 계산하고, 발전 출력 차이 연산부(38)에 의해 연산된 제2 차이를 입력하여 제2 연료 유량 지령값을 계산하고, 회전수나 그 밖의 운전 상태로부터 제3 연료 유량 지령값 등을 연산한다(스텝 B12).
연료 유량 지령값 선택부(45)는, 연료 유량 지령값 연산부(44)에 의해 연산된 복수의 연료 유량 지령값으로부터, 그 최솟값을 연료 공급 계통의 연료 유량을 제어하는 연료 유량 제어 지령값으로서 선택한다(스텝 B13).
계속해서, 제어 지령값 출력부(46)는, 연료 유량 지령값 선택부(45)에 의해 선택한 지령값에 기초하여, 지령 신호(S1)를 출력한다(스텝 B14).
·습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트(100)의 동작
본 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트(100)의 동작에 대해, 기동 시를 예로 들어 설명한다. 도 5 내지 도 7은, 본 실시 형태에 관한 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트의 동작을 예시하는 도면이다. 도 5에 있어서, 횡축은 압력비, 종축은 배기 온도 상한값을 나타내고, 실선은 연소 가스 습분 비율이 제1 값(제로)인 경우의 배기 온도 제어선 La, 일점쇄선은 연소 가스 습분 비율이 제2 값인 경우의 배기 온도 제어선 Lb를 나타내고 있다. 도 6에 있어서, 횡축은 공급 습분량, 종축은 배기 온도를 나타내고, 실선은 공급 습분량의 증가에 수반되는 배기 온도 상한값의 추이를 나타내는 배기 온도 상한값 추이선 C를 나타내고 있다. 도 7에 있어서, 횡축은 공급 습분량, 종축은 발전 출력을 나타내고, 실선은 공급 습분량의 증가에 수반되는 발전 출력의 상한값의 추이를 나타내는 출력 상한값 추이선 D, 일점쇄선은 기동 완료 시의 목표 출력(정격 출력 등)을 나타내는 기동 시 목표 출력선 R을 나타내고 있다. 출력 상한값 추이선 D는, 각 연소 가스 습분 비율에 있어서, 배기 온도가 배기 온도 상한값으로 된 경우의 출력을 나타내고 있다. 여기서는, 기동 시에 미리 설정한 부하 상승률에 따라서 발전 요구량을 증가시키는 제어를 상정한다.
습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트(100)의 기동 시는 배기 온도가 낮기 때문에, 습분 이용 가스 터빈 발전 플랜트(100)의 기동 후 잠시 동안(제1 시간(t1) 동안)은 습분이 공급되지 않는다(즉, 공급 습분량이 제로). 부하 상승에 수반하여 배기 온도도 상승하지만, 습분이 공급되기 시작하는 것보다 전에 배기 온도가 배기 온도 제어선 La의 배기 온도 상한값에 도달하는 경우에 대해, 도 5, 도 6에 나타낸다. 제1 시간(t1) 동안, 연료 유량 제어 지령값으로서, 제1 차이(ΔT)로부터 연산된 제1 연료 유량 지령값, 제2 차이(ΔE)로부터 연산된 제2 연료 유량 지령값, 연료 유량 지령값 연산부(44)에 의해 회전수나 그 밖의 운전 상태로부터 연산된 제3 연료 유량 지령값의 최솟값이 연료 유량 지령값 선택부(45)에 의해 선택된다. 여기서, 배기 온도가 배기 온도 제어선 La의 배기 온도 상한값에 도달할 때까지는, 배기 온도 차이 연산부(36)에 의해 연산된 제1 차이(ΔT)도, 발전 출력 차이 연산부(38)에 의해 연산된 제2 차이(ΔE)도 플러스이기 때문에, 제1 내지 제3 연료 유량 지령값 중 어느 쪽이 선택될지는 상황에 따라 상이하다. 그러나, 제1 시간(t1) 동안은 기동 시의 부하 상승 페이즈이기 때문에, 제1 내지 제3 연료 유량 지령값은 모두 연료 유량을 증가시키는 지령값이 된다. 따라서 제어 지령값 출력부(46)가 선택된 연료 유량 제어 지령값에 기초하여 연료 유량 제어 밸브(9)의 개방도를 증가시키는 제어 지령값을 연산하여, 연료 유량 제어 밸브(9)에 지령 신호(S1)를 출력하기 때문에, 발전 플랜트의 연료 유량이 증가하여 부하가 상승한다. 배기 온도가 배기 온도 제어선 La의 배기 온도 상한값에 도달하면, 제1 차이(ΔT)가 제로가 되기 때문에, 연료 유량 지령값 선택부(45)에 의해 배기 온도를 상승시키지 않도록 연산된 제1 연료 유량 지령값이 선택되어, 배기 온도가 일정하게 유지된다. 이때 연료 유량이 증가하지 않으므로, 습분의 공급이 시작될 때까지 부하도 일정해진다.
그 후, 습분이 공급되기 시작하면, 습분 공급량에 따라서 부하가 상승함과 함께 배기 온도가 저하된다. 이때, 제2 차이(ΔE)(발전 출력과 발전 요구량의 차이)가 크면, 습분 공급량의 증가에 의한 배기 온도 저하가, 부하 상승에 의해 연료 유량이 증가하는 것에 의한 배기 온도의 상승에 상쇄되는 경우가 있다. 이 경우, 배기 온도 상한값은 연소 가스 습분 비율의 증가에 따라서 저하되기 때문에, 제1 차이(ΔT)(배기 온도와 배기 온도 상한값의 차이)는, 저하된 배기 온도 상한값으로부터 연산됨으로써, 이것을 사용한 제1 연료 유량 지령값이 연료 유량 지령값 선택부(45)에 의해 선택되어, 배기 온도가 상한값으로 되도록 연료 유량이 제어되고, 배기 온도가 상한값 추이선 C 위를(도 6) 추이한다(제2 시간(t2)). 이때 출력은 출력 상한값 추이선 D 위를(도 7) 추이하고, 공급 습분량의 증가에 수반하여 정격 출력 등의 목표 출력에 도달한다.
목표 출력에 도달하면, 제2 차이(ΔE)(발전 출력과 발전 요구량의 차이)가 제로가 되기 때문에, 이것을 사용한 제2 연료 유량 지령값이 연료 유량 지령값 선택부(45)에 의해 선택되어, 발전 출력이 발전 요구량(기동시 목표 출력)으로 되도록 연료 유량이 제어된다. 목표 출력 도달 후에 계속해서 공급 습분량이 증가하면, 발전 출력은 기동 시 목표 출력선(R) 위로 옮겨지고, 발전 출력은 일정한 상태 그대로 배기 온도가 저하되어, 배기 온도 제어선 Lb보다 낮아진다(도 5 내지 도 7: 제3 시간(t3)).
(효과)
(1) 본 실시 형태에서는, 공급 습분량에 의존하지 않고, 미리 설정한 부하 상승률에 따라서 변화되는 발전 요구량에 추종하도록 연료 유량 지령값을 선택하고, 연료 유량 제어 밸브(9)를 제어하고 있다. 그 때문에, 소정의 부분 부하에서 유지하고, 습분의 공급 개시를 대기하고 나서 부하 상승시킬 필요가 없어, 대기 시간을 생략할 수 있기 때문에, 기동 시간을 단축할 수 있다. 또한, 소정의 부분 부하에서 대기하지 않고 조기에 부하를 상승시키기 때문에, 배기 온도도 고온이 되고, 습분의 공급 개시 시간도 빨라져, 기동 시 목표 출력(정격 출력 등)에의 도달시간을 앞당길 수 있다.
또한, 배기 온도 상한값에 대해 공급 습분량의 의존성을 고려하지 않으면, 습분량이 적은 운전 상태라도 습분량이 많은 경우에 대비하여 배기 온도의 상한값을 낮게 설정할 필요가 있다. 이 때문에, 기동 시의 부하 상승에 의해 배기 온도가 낮게 억제되어, 공급 개시까지의 대기 시간이 연장될 가능성이 있다. 배기 온도 상한값에 대해 공급 습분량의 의존성을 고려함으로써, 이것을 피할 수 있을 가능성이 있다.
(2) 본 실시 형태에서는, 습분의 공급 개시 이후, 연소 가스 습분 비율에 따라서 배기 온도 상한값을 저하시키고 있기 때문에, 저하시킨 배기 온도 상한값을 초과하지 않도록 연료 유량 지령값을 선택하여, 연료 유량 제어 밸브(9)를 제어하고 있다. 그 때문에, 압축 공기에 습분이 공급되어 연소 가스에 포함되는 습분량이 증가해도, 배기 온도가 상한값을 초과하는 것을 피할 수 있어, 터빈 날개의 열부하가 허용값을 초과하는 것을 억제할 수 있다.
이상으로부터, 본 실시 형태에서는, 기동 시간을 단축하면서, 터빈 날개의 열부하의 초과를 억제할 수 있다.
<기타>
본 발명은, 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상술한 실시 형태는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상술한 실시 형태의 구성의 일부를 삭제 및 치환하는 것도 가능하다.
상술한 실시 형태에서는, 습분 이용 가스 터빈(101)이 가습 장치(4)를 구비하는 구성을 예시하였다. 그러나, 본 발명의 본질적 효과는, 기동 시간을 단축하면서, 터빈 날개의 열부하의 증가를 억제할 수 있는 습분 이용 가스 터빈을 제공 하는 것이며, 이 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 가습 장치(4) 대신에 압축기(1)의 흡기(16)에 습분을 공급하는, WAC(Water Atomization Cooling)나 흡기 냉각 장치를 압축기(1)의 입구측에 설치하는 구성으로 해도 된다. 또한, 배열 회수 장치(5)에서 발생시킨 습분(18)의 일부 또는 전부를 연소기(2)에 공급하여 가습 공기(19)를 생성하고, 연료(10)와 혼합하여 연소하여 연소 가스(20)를 생성하는 구성으로 해도 된다. 여기서 습분(18)의 전부를 연소기(2)에 공급하는 구성에서는, 가습 장치(4)의 기능을 연소기(2)에 통합할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 습분 계통(59)에 설치한 유량계(25)에 의해 공급 습분량을 취득하는 구성을 예시하였다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배열 회수 장치(5)에서 발생시킨 습분을 습분 분사 장치를 통해 가습 장치(4)에 공급하는 경우, 습분 분사 장치가 구비하는 밸브의 개방도에 기초하여 공급 습분량을 취득하는 구성으로 해도 된다. 또한, 가습 장치(4)로서 증습탑을 구비하는 구성의 경우, 증습탑에의 공급수량과 증습탑으로부터의 발출수량의 차분에 기초하여 공급 습분량을 취득하는 구성이나 증습탑 하부 탱크의 수위 변화와 공급수량( 또는 발출수량)에 기초하여 공급 습분량을 취득하는 구성으로 해도 된다. 또한, 연소기에 공급되는 압축 공기의 습분 비율을 계측기에 의해 직접 계측하는 구성으로 해도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 연소 가스 습분 비율 연산부(30)가, 공급 습분량 및 흡기 유량에 기초하여 연소 가스 습분 비율을 취득하는 구성을 예시하였다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 연소 가스 습분 비율 연산부(30)가, 상술한 기능 외에도, 연소기(2)에 의해 연료의 연소 시에 생성되는 연소 시 생성 습분량을 연료 유량으로부터 연산하고, 취득한 연소 시 생성 습분량을 고려하여 연소 가스 습분 비율을 연산하도록 구성되어 있어도 된다. 이에 의해, 공급 습분량 및 흡기 유량에만 기초하여 연소 가스 습분 비율을 취득하는 구성에 비해, 연소 가스 습분 비율의 정밀도를 향상시킬 수 있어, 터빈 날개의 열부하 초과를 더 고정밀도로 억제할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 배기 온도 상한 연산부(32)가, 연소 가스 습분 비율 연산부(30)에 의해 연산한 연소 가스 습분 비율을 입력하고, 입력한 연소 가스 습분 비율에 기초하여 배기 온도 상한값을 소여의 함수를 사용하여 연산하는 구성을 예시하였다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배기 온도 상한 연산부(32)가 미리 배기 온도 제어선을 연소 가스 습분 비율의 소여의 범위마다 설정되어 있고, 연소 가스 습분 비율 연산부(30)가 취득한 연소 가스 습분 비율에 따른 배기 온도 제어선을 선택하는 구성으로 해도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 배기 온도 상한 연산부(32)에 의해 배기 온도 상한값이 연소 가스 습분 비율의 함수로 연산하는 구성을 예시하였다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배기 온도 상한 연산부(32)에 의해 배기 온도 상한값을 연소 가스 습분 비율에 따르지 않도록 설정하고, 연료 유량 지령값 연산부(44)에 의해, 제1 차이(ΔT)(배기 온도와 배기 온도 상한값의 차이)로부터 연산되는 제1 연료 유량 지령값을, 연소 가스 습분 비율에 기초하여 보정하여, 제1 연료 유량 지령값을 연산하는 구성으로 해도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 토출 압력 입력부(27)가 입력한 토출 압력과 흡기 압력 입력부(31)가 입력한 흡기 압력에 기초하여, 압력비 연산부(41)가 압력비를 연산하는 구성을 예시하였다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 압력비 연산부(41)가, 토출 압력을 입력하는 대신에, 압축기의 회전수와 흡기 유량 취득부(47)가 취득한 흡기 유량을 입력하고, 입력한 회전수 및 흡기 유량에 기초하여 토출 압력을 연산하여 압력비를 연산하는 구성으로 해도 된다. 또한, 압력비 대신에 토출 압력을 사용하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 배기 온도 상한값이 토출 압력에 대해 정의되는 구성으로 되어, 흡기 압력 입력부(31)나 압력비 연산부(41) 등이 필수는 아니게 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 연료 유량 지령값 선택부(45)에 의해 제1, 제2, 제3 연료 유량 지령값으로부터 선택하도록 기술하고 있지만, 제3 연료 유량 지령값으로서 기술하고 있는 회전수나 그 밖의 운전 상태로부터 연산되는 연료 유량 지령값이 복수 개로 분할되어 있어도 되고, 이들과 제1, 제2 연료 유량 지령값으로부터 연료 공급 계통의 연료 유량을 제어하는 연료 유량 제어 지령값을 선택하는 구성으로 해도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 발전 출력과 발전 요구량의 차이에 기초하여 지령값을 연산하고, 연료 유량 제어 밸브(9)를 제어하는 구성을 예시하였다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 발전 출력 대신 토크를 취득하고, 토크와 요구 토크의 차이에 기초하여 지령값을 연산하여, 연료 유량 제어 밸브(9)를 제어하는 구성으로 해도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 압축기(1), 터빈(3) 및 부하 기기(8)가 샤프트(21)에 의해 서로 연결된 1축식 가스 터빈에 본 발명을 적용한 경우를 예시하였다. 그러나, 본 발명의 적용 대상은 1축식 가스 터빈에 한정되지 않는다. 예를 들어, 2축식 가스 터빈에도 본 발명은 적용 가능하다. 또한, 컴바인드 사이클 발전 시스템의 배열 회수 보일러에서 발생하는 증기를 유용하여 가스 터빈에 증기를 공급하는 구성으로 한 경우에도 본 발명은 적용 가능하다.
1 : 압축기
2 : 연소기
3 : 터빈
5 : 배열 회수 장치
9 : 연료 유량 제어 밸브
10 : 연료
16 : 공기(흡기)
17 : 압축 공기
18 : 습분
19 : 가습 공기
20 : 연소 가스(터빈 입구 가스)
26 : 온도계(배기 온도 취득부)
30 : 연소 가스 습분 비율 연산부
32 : 배기 온도 상한 연산부
36 : 배기 온도 차이 연산부
38 : 발전 출력 차이 연산부
44 : 연료 유량 지령값 연산부
45 : 연료 유량 지령값 선택부(선택부)
46 : 제어 지령값 출력부(출력부)
60 : 연료 공급 계통
101 : 습분 이용 가스 터빈

Claims (11)

  1. 공기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 압축기와,
    상기 압축기의 압력비를 연산하는 압력비 연산부와,
    상기 압축기의 흡기 또는 상기 압축기에서 생성된 압축 공기에 습분을 공급하는 습분 계통과,
    상기 흡기 또는 상기 압축 공기에 습분을 공급하여 생성되는 가습 공기를 연료와 혼합하여 연소시켜, 연소 가스를 발생시키는 연소기와,
    상기 연소 가스에 포함되는 습분 비율인 연소 가스 습분 비율을 취득하는 연소 가스 습분 비율 연산부와,
    상기 연소기에 연료를 공급하고, 연료 유량 제어 밸브가 설치된 연료 공급 계통과,
    상기 연소기로부터 공급되는 연소 가스에 의해 회전 구동되는 터빈과,
    상기 터빈을 구동하여 배출되는 배기의 온도인 배기 온도를 취득하는 배기 온도 취득부와,
    상기 배기 온도의 상한값을 상기 연소 가스 습분 비율과 상기 압력비에 따라서 연산하는 배기 온도 상한 연산부와,
    상기 배기 온도 상한 연산부에 의해 연산된 배기 온도 상한값과 상기 배기 온도에 기초하여 연산되는 연료 유량 지령값을 사용하여 상기 연료 유량 제어 밸브에 지령 신호를 출력하는 제어 지령값 출력부를
    구비하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡기 또는 상기 압축 공기에 공급되는 습분의 일부 또는 전부를 상기 연소기에 공급하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배기의 열을 회수하여 습분을 발생시키고, 습분 계통에 습분을 공급하는 배열 회수 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배기 온도 취득부는, 상기 터빈과 상기 배열 회수 장치를 접속하는 배기 계통에 설치된 온도계인 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연소 가스 습분 비율 연산부는, 습분 계통에서 공급하는 습분량에 기초하여 상기 연소 가스 습분 비율을 연산하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연소 가스 습분 비율 연산부는, 상기 연소기에 공급하는 연료 유량에 기초하여 상기 연소기에 있어서의 연료의 연소에 의해 생성되는 연소 시 생성 습분량을 연산하고, 연산한 연소 시 생성 습분량을 고려하여 상기 연소 가스 습분 비율을 연산하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈.
  7. 제1항에 있어서,
    배기 온도 상한 연산부가, 미리 설정한 상기 연소 가스 습분 비율과 상기 압력비의 함수로 상기 배기 온도의 상한값을 연산하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈.
  8. 공기를 압축하여 압축 공기를 생성하는 압축기와, 상기 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시켜, 연소 가스를 발생시키는 연소기와, 상기 연소기로부터 공급되는 연소 가스에 의해 회전 구동되는 터빈과, 상기 터빈을 구동하여 배출되는 배기의 열을 회수하는 배열 회수 장치와, 상기 연소기에 연료를 공급하고, 연료 유량 제어 밸브가 설치된 연료 공급 계통과, 상기 배기의 온도인 배기 온도를 취득하는 배기 온도 취득부를 구비하고, 상기 압축기의 흡기, 상기 압축기에서 생성된 압축 공기, 또는 상기 연소기 중 적어도 하나에 습분을 공급하는 습분 이용 가스 터빈의 제어 방법에 있어서,
    상기 연소 가스에 포함되는 습분의 비율인 연소 가스 습분 비율을 취득하는 스텝과,
    상기 배기 온도의 상한값과 상기 연소 가스 습분 비율의 관계를 미리 설정해 두고, 취득된 연소 가스 습분 비율에 기초하여, 상기 배기 온도의 상한값을 연산하는 스텝과,
    상기 배기 온도의 상한값과 상기 배기 온도 취득부에 의해 취득한 상기 배기 온도에 기초하여 연료 유량 지령값을 연산하는 스텝과,
    상기 연료 유량 지령값을 사용하여 상기 연료 유량 제어 밸브에 지령 신호를 출력하는 스텝을
    구비하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압축기의 흡기 또는 상기 압축기에서 생성된 압축 공기 중 적어도 한쪽에 습분을 공급하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈의 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 압축기의 흡기 또는 상기 압축기로부터 공급된 압축 공기 중 적어도 한쪽에 습분의 일부를 공급하고, 또한 습분의 나머지를 상기 연소기에 공급하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈의 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 연소기에 습분을 공급하는 것을 특징으로 하는, 습분 이용 가스 터빈의 제어 방법.
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