２軸式ガスタービンシステムの制御装置
【課題】
負荷遮断時におけるタービンの回転数上昇を抑制しつつ、ガスタービンシステム全体の安定性を確保可能な２軸式ガスタービンシステムの制御装置および方式を提供する。
【解決手段】
空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された圧縮空気２６と燃料２１とを燃焼させる燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガス２３により圧縮機２と同軸で回転駆動する高圧側タービン１と、高圧側タービンを回転駆動した燃焼ガスにより圧縮機２と別軸で回転駆動する低圧側タービン３と、燃焼器に供給される圧縮空気２６の流量を調整可能な抽気手段とを備えた２軸式ガスタービンの制御装置であって、負荷遮断運転時に抽気手段により抽気された空気量に基づいて入口案内翼を制御するよう構成する。
負荷遮断時におけるタービンの回転数上昇を抑制しつつ、ガスタービンシステム全体の安定性を確保可能な２軸式ガスタービンシステムの制御装置および方式を提供する。
【解決手段】
空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された圧縮空気２６と燃料２１とを燃焼させる燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガス２３により圧縮機２と同軸で回転駆動する高圧側タービン１と、高圧側タービンを回転駆動した燃焼ガスにより圧縮機２と別軸で回転駆動する低圧側タービン３と、燃焼器に供給される圧縮空気２６の流量を調整可能な抽気手段とを備えた２軸式ガスタービンの制御装置であって、負荷遮断運転時に抽気手段により抽気された空気量に基づいて入口案内翼を制御するよう構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２軸式ガスタービンシステムの制御装置、特に、負荷遮断時におけるタービンの過回転を抑止するガスタービンシステムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムを用いたプラントにおいて、異常発生した際の負荷遮断時には、タービン回転数の過回転を抑制する運転が必要となる。例えば特開２００３−１４８１７３号公報には、圧縮機入口に設置した入口案内翼を負荷遮断運転時に開き、圧縮機への吸気量を増加することにより圧縮機の負荷を高めてガスタービンの回転数上昇を抑制する技術が開示されている。また、特開昭６１−２１８７９４号公報には、圧縮機中間段に設置した抽気弁を負荷遮断運転時に開き、圧縮機吐出の空気圧力を減少させるとともに、タービンへ供給する燃焼空気流量を減少させてガスタービンの回転数上昇を抑制する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４８１７３号公報
【特許文献２】特開昭６１−２１８７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特開２００３−１４８１７３号公報に開示された入口案内翼を開いてガスタービンの回転数上昇を抑制する方法では、負荷遮断運転時において空気流量の増加を伴うことから、タービンに流入する燃焼用空気の流量はむしろ増加する。燃焼用空気流量の増加と、燃料流量の急速な降下により燃空比は低下し、燃焼安定性が損なわれる可能性がある。さらに、２軸式ガスタービンの場合には圧縮機負荷の上昇により高圧側タービンの回転数上昇は抑制されるが、燃焼用空気流量の増加により低圧側タービンへと流入する燃焼ガス量は相対的に増加するため、低圧側タービンの回転数上昇に対しては充分な抑制効果が得られない。
【０００５】
一方、特開昭６１−２１８７９４号公報に開示された抽気弁を開いてガスタービンの回転数上昇を抑制する方法では、圧縮機出口における空気圧力、高圧側タービン入口および低圧側タービン入口における燃焼ガス圧力の低下に効果があることから、高圧側・低圧側双方のタービン回転数の上昇を抑制する効果があると考えられる。しかしながら、低圧側タービンの回転数上昇を充分に抑制するためには、抽気空気の流量を充分に確保する必要があり、圧縮機出口および高圧側タービン入口において過度な圧力低下をもたらす。高圧側タービン入口圧力の過度な低下は高圧側タービンの過度な回転数低下の原因となるほか、高圧側タービンおよび低圧側タービンの回転数がそれぞれに大きく変動して、負荷遮断運転後のシステム全体の安定性が損なわれる。
【０００６】
本発明の目的は、負荷遮断時におけるタービンの回転数上昇を抑制しつつ、ガスタービンシステム全体の安定性を確保可能な２軸式ガスタービンシステムの制御装置および方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の２軸式ガスタービンシステムの制御装置は、空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより前記圧縮機と同軸で回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより前記圧縮機と別軸で回転駆動する低圧タービンと、前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを備えた２軸式ガスタービンの制御装置であって、負荷遮断運転時に前記抽気手段により抽気された空気量に基づいて前記入口案内翼を制御するよう構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、負荷遮断時におけるタービンの回転数上昇を抑制しつつ、ガスタービンシステム全体の安定性を確保可能な２軸式ガスタービンシステムの制御装置および方式を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
発電所において送電系統に異常が発生した場合、送電系統の保護を目的に発電機を系統から遮断するとともに、発電機を駆動するガスタービンの燃料流量を無負荷・定格回転数の燃料設定にまで急速に降下させる負荷遮断運転を実施する。負荷遮断運転では、発電機遮断から燃料流量降下開始までの時間差，バルブ開閉速度に起因する燃料流量の応答遅れ，燃料流量調整弁から燃焼器までの配管に残留する燃料の燃焼等の影響によってガスタービンおよび発電機の回転数（タービン回転数）に一時的な上昇がみられる。タービン回転数の過度な上昇は駆動軸やタービン翼にダメージを与え、寿命低下の原因となることから、タービン回転数の過回転を防止する運転が必要となる。
【００１０】
また、負荷遮断運転後のガスタービンは無負荷・定格回転数の状態で運転を継続し、送電系統の異常が解消した場合にはすみやかにタービン回転数を系統周波数に同期・併入して系統に復帰する必要がある。そのため、ガスタービン発電システムにおいては負荷遮断後のシステム変動を最小限とし、すみやかにシステム全体を安定化させるための最適運転も望まれている。
【００１１】
以上に挙げた２点の課題は、圧縮機を駆動する高圧側タービンと発電機を駆動する低圧側タービンとで構成され、高圧側・低圧側の双方のタービンが独立して回転する２軸式ガスタービンにおいて特に重要な課題となる。これは、２軸式ガスタービンで負荷遮断運転が発生した場合、駆動軸に圧縮機などの負荷を持たない低圧側タービンが完全に無負荷状態となるためであり、１軸式ガスタービンにおける負荷遮断運転時に比べて低圧側タービンの回転数上昇が著しい。低圧側タービンの回転数上昇を抑制するには１軸式ガスタービンと比べて高圧側タービンの燃料流量をさらに下げる必要があるが、そうすると高圧側タービンの回転数変動および燃焼器における燃焼安定性の低下によりシステム全体の安定性が損なわれる可能性がある。
【００１２】
以下説明する本発明の各実施例の２軸式ガスタービンシステムによれば、負荷遮断運転時においては、高圧側タービンの入口に設置した燃料流量調整弁を最低燃料流量相当となる開度へと切り換えるとともに、放風弁の開度および圧縮機入口案内翼の角度を増加することにより圧縮機を通過する空気流量を増加させる。負荷遮断運転時には燃料流量の低下によりタービン出力を降下させるとともに、圧縮機を通過する空気流量の増加によって圧縮機負荷を上昇させるので、高圧側タービンの出力をより速やかに無負荷・定格回転数の状態にまで降下させることができる。
【００１３】
また、燃料流量の低下によって高圧側タービンの出力を降下させると同時に、圧縮機を通過する空気流量の増加によって圧縮機負荷を上昇させることにより、圧縮機出口における空気圧力、高圧側タービン入口燃焼ガス圧力および低圧側タービン入口燃焼ガス圧力のそれぞれを速やかに降下させ、かつ高圧側タービンから低圧側タービンへと流入する燃焼ガスの流量を速やかに降下させるので、低圧側タービンの回転数上昇をより効果的に抑制することができる。
【００１４】
さらにまた、圧縮機制御装置において空気放風量から圧縮機入口案内翼の角度を制御するので、高圧側タービン入口における空気圧力の過度な低下・空気流量の過度な低下などに起因する燃空比の変動を抑制して燃焼用空気流量の過多による火炎の喪失（失火），空気流量の寡少による燃焼配管への逆火といったトラブルの発生を抑制することができる。
【００１５】
さらにまた、高圧側タービンから低圧側タービンへと流入する燃焼ガスのエネルギー量の速やかな降下により、低圧側タービンの回転数変動を抑制するので、負荷遮断後の燃料流量による低圧側および高圧側双方のタービン回転数の変動を最小としてタービン全体を無負荷・定格回転数の安定状態へとより早期に移行することが可能となり、再送電までの時間を最短とすることができる。
【実施例１】
【００１６】
図１を用いて、本発明の第１の実施例について説明する。図１は本発明の実施例１である２軸式ガスタービンおよびその制御装置の概略図を示す。
【００１７】
実施例１である２軸式ガスタービンシステムは、燃料２１の燃焼エネルギーを用いて駆動する高圧側タービン１と、高圧側タービン１の駆動力を圧縮機２へと伝達する高圧側駆動軸１０と、空気２０を吸気・加圧して燃焼用空気２６を得る圧縮機２と、高圧側タービン１からの燃焼ガス２３を用いて駆動する低圧側タービン３と、低圧側タービン３の駆動力を発電機４へと伝達する低圧側駆動軸１１と、低圧側タービン３の駆動力を用いて発電する発電機４とで構成される。発電機４で得られた電力は遮断機５，変圧器６を経て送電系統２５から電力系統へと送電する。電力系統に何らかのトラブルが発生した場合には、遮断機５において発電機４を送電系統２５から遮断する。
【００１８】
また、本実施例の２軸式ガスタービンシステムは、圧縮機２へ吸気する空気２０の流量を制御する入口案内翼９と、高圧側タービン１への燃料空気２６の流量を制御する放風弁８と、電力系統を統括する中央給電指令所からの負荷指令に応じて燃料２１の流量を制御する燃料流量調整弁７とを備える。また、発電機４における発電出力ＭＷを計測する電力計３１と、低圧側タービン回転数ＮLPを計測する回転数計３０と、放風弁８を通過する空気放風量ＧBLWを計測する流量計３２とを備え、発電出力ＭＷと、低圧側タービン回転数ＮLPと、空気放風量ＧBLWおよび中央給電指令所からの負荷指令ＭＷＤとから燃料流量調整弁７の開度指令ＣGCV，放風弁８の開度指令ＣBLW，入口案内翼９の角度指令ＡIGVを計算するタービン制御装置１００を備える。本実施例の２軸式ガスタービンシステムのタービン制御装置１００は、燃料流量制御装置１０１と圧縮機制御装置１０２とから構成されるる。燃料流量制御装置１０１はガスタービンの起動停止運転，負荷運転，負荷遮断運転等ガスタービンの諸運転における燃料流量調整弁７の開度指令ＣGCVを計算する。圧縮機制御装置１０２は一般のガスタービン制御装置に用いられる単純な入口案内翼９の制御に加え、負荷遮断運転時における入口案内翼および放風弁の協調制御を担当し、負荷遮断信号ＳCB，発電指令ＭＷＤ，空気放風量ＧBLWから入口案内翼角度指令ＡIGVおよび放風弁開度指令ＣBLWを計算する。
【００１９】
図２は、本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの燃料流量制御装置１０１の概略図を示す。燃料流量制御装置１０１は、一般のガスタービン制御装置と同等の機能をも有するが、ここでは特に２軸式ガスタービンシステムにおける燃料流量制御の考え方についてその概略を示す。
【００２０】
制御器１１０は、発電出力ＭＷと負荷指令ＭＷＤとの値を比較し、ＭＷとＭＷＤが一致するよう低圧側タービン回転数指令ＮLP1を計算する。次に信号切換器１１１において、負荷遮断信号ＳCBの状態に応じて前記低圧側タービン回転数指令ＮLP1および負荷遮断時低圧側タービン回転数指令ＮLP0（通常は定格回転数に相当）のいずれかを選択し、切換後低圧側タービン回転数指令ＮLP2として出力する。具体的には負荷遮断運転時には信号ＮLP2の値として信号ＮLP0が選択され、それ以外の場合には信号ＮLP2の値として信号ＮLP1が選択される。
【００２１】
制御器１１２では、前記切換後低圧側タービン回転数指令ＮLP2と低圧側タービン回転数ＮLPとからＮLP2とＮLPが一致するよう速度負荷燃料指令Ｇfldを計算する。Ｇfldは無負荷・定格回転数から、定格負荷・定格回転数までのガスタービン発電システムの運転制御、すなわち、一定負荷運転，負荷変化運転あるいは負荷遮断運転における燃料流量の制御を担当する。
【００２２】
なお、負荷遮断運転時には信号切換器１１１において、低圧側タービン回転数指令値ＮLP2をＮLP1からＮLP0に切り換えることにより低圧側タービン回転数ＮLPが負荷遮断時低圧側タービン回転数指令（定格回転数）に一致するよう制御するが、負荷遮断運転時には先に述べた諸要因によって低圧タービン回転数が上昇する。そこで、負荷遮断時にＧfldとは別に最低燃料流量指令Ｇfminを設定することにより、タービン回転数の上昇を先行的に抑えている。図２に示した燃料流量制御装置１０１では、信号切換器１１３において、負荷遮断信号ＳCBの状態に応じて最大燃料流量ＧfMAXと無負荷定格時燃料流量ＧfFSNLを切り換え、変化率制限器１１４を通して最低燃料流量Ｇfminを得る。
【００２３】
なお、燃料流量制御装置１０１では、先に示したＧfld，Ｇfminのほかにも起動燃料指令Ｇfsu，停止燃料指令Ｇfsd，排気温度制御指令Ｇftxなどを別途計算し、低値選択１１５にてこれら指令値の最小の値を燃料流量指令Ｇf0とする。ただし、負荷運転時および負荷遮断運転時にはＧfsu，Ｇfsdは最大燃料流量ＧfMAXを指示するよう設定される。この場合ＧfldまたはＧfminの信号が低値選択１１５に選択されることになる。
【００２４】
負荷遮断時には燃料流量指令Ｇf0は負荷遮断直後にＧfminまで下げられる。その後、燃料流量指令Ｇf0としてはＧfldが選択され、低圧側タービン回転数を定格回転数に一致するよう制御される。
【００２５】
制御器１１６では、燃料流量指令Ｇf0から燃料流量弁開度指令ＣGCVが計算され、この開度指令をもって燃料流量調整弁７が制御される。
【００２６】
図３は、本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの圧縮機制御装置１０２の概略図を示す。
【００２７】
圧縮機制御装置１０２は、負荷遮断運転開始から一定時間までの入口案内翼角度指令ＡIGVおよび放風弁開度指令ＣBLWを制御するよう動作する。図３で示した圧縮機制御装置１０２では、負荷遮断信号ＳCBを入力し、このＳCB信号を信号発生器１２１によって一定時間持続させることによりその動作時間を決定する構成とした。すなわち、負荷遮断信号ＳCBがセットされた（例えばブール値で０から１に変化した）場合、信号発生器１２１はＳCBのセット状態（以下負荷遮断信号発生中と称する）を一定時間維持した信号を発生させる。以下、負荷遮断信号発生中の動作について述べる。
【００２８】
負荷遮断信号発生により、信号切換手段１２４によって放風弁の目標開度を０からＣBLWBへと切り換えるとともに、変化率制限器１２５を通して放風弁開度指令ＣBLWを得る。放風弁の開度を０からＣBLWBへと切り換え圧縮機出口の燃焼用空気をタービン系外（例えば低圧側タービン排気側や煙突）へと放風することで、圧縮機出口の空気圧力および高圧側タービン入口の燃焼ガス圧力を低下させる。
【００２９】
一方、減算器１２８は、現在の入口案内翼開角度ＡIGVと入口案内翼角度基準値ＡIGVRとから、入口案内翼角度偏差ΔＡIGVを計算し、関数１２７において入口案内翼角度偏差ΔＡIGVに応じた圧縮機入口空気流量修正値ΔＧCIを求める。圧縮機入口空気流量修正値ΔＧCIは、入口案内翼角度の変化に対して圧縮機入口で増減する空気流量に相当する。制御器１２２は、前記圧縮機入口空気流量修正値ΔＧCIと放風弁を通過する空気の流量ＧBLWを比較し、ΔＧCIとＧBLWとが一致するよう制御器１２２を用いて入口案内翼角度バイアス指令ＡIGV1を計算する。なお、本実施例では放風弁流量ＧBLWの計測遅れおよび入口案内翼角度ＡIGVの制御遅れを考慮し、関数１２９において切換前放風弁開度指令ＣBLW1から入口案内翼角度基準値ＡIGVFを求め、これを先行信号と制御器１２２に入力する。入口案内翼角度バイアス指令ＡIGV1は変化率制限器１２３で変化速度が制限された後、案内翼角度バイアスＡIGVBとなる。
【００３０】
さらに、加算器１２６では一般的なガスタービン制御における入口案内翼角度指令ＡIGV0と、入口案内翼バイアスＡIGVBの和を入口案内翼角度ＡIGVとする。
【００３１】
なお、本実施例では空気放風量ＧBLWに対して圧縮機入口における空気流量の増加・減少分ΔＧCIを関数１２７にて静的に決定したが、圧縮機入口に流量計を設け、基準流量からの増減を直接計測しても良い。
【００３２】
次に、負荷遮断運転時の２軸式ガスタービンシステムの運転特性を図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの負荷遮断時のタービン運転特性を示す。図中、縦軸はガスタービンシステムの操作量・状態量の相対値、横軸は経過時間を表す。
【００３３】
時刻ｔ0に負荷遮断信号が発生した場合、燃料流量制御装置１０１は燃料流量Ｇfを最低燃料流量Ｇfminまで下げたのち、低圧側タービン回転数ＮLPを定格回転数に一致させるよう制御する。また、圧縮機制御装置１０２は放風弁開度ＣBLWを一定変化率で開き、圧縮機出口の燃焼用空気をタービン外へと放風する。同時に入口案内翼開度ＡIGVを空気放風量ＧBLWおよび切換前放風弁開度指令ＣBLW1に従い一定変化率で増加させ、圧縮機入口の空気流量を増加させる。負荷遮断運転後、入口案内翼開度は無負荷・定格回転数時の設定開度となる。
【００３４】
燃料流量の減少によるタービン駆動力の低下と、放風弁開度ＣBLWおよび入口案内翼角度ＡIGVの過渡的な増加による圧縮機負荷の増加により高圧側タービンの出力が急速に低下し、高圧側タービン回転数ＮHPおよび圧縮機吐出圧力ＰCが低下する。また、回転数ＮHPおよび圧力ＰCの低下により、燃焼空気流量ＧHPも小幅ながら減少する。燃料流量Ｇfの低下に伴う燃焼ガス温度の低下、圧縮機負荷増加による燃焼空気流量ＧHPの減少および圧縮機吐出圧力ＰCの低下により低圧側タービンへの燃焼ガス熱量及び燃焼ガス圧力が低下し、低圧側タービン回転数はＮLPMAX1まで上昇したのち低下する。低圧側タービン回転数ＮLPは燃料流量Ｇfによって制御することから、低圧側タービン回転数ＮLPは緩やかに変動しつつｔs1秒後に安定する。
【００３５】
次に、比較例を用いて、上述した制御の一部を行わない場合のタービン運転特性につき説明する。図５は、比較例である２軸式ガスタービンの負荷遮断時のタービン運転特性を示す。図４と同じく時刻ｔ0に負荷遮断信号が発生した場合、燃料流量制御装置は燃料流量Ｇfを最低燃料流量Ｇfminまで下げたのち、低圧側タービン回転数ＮLPを定格回転数に一致するよう制御する。入口案内翼角度指令ＡIGVは無負荷・定格回転数時の設定開度となる。
【００３６】
燃料流量の減少によるタービン駆動力の低下により高圧側タービンの出力は低下するが、一方で入口案内翼角度指令ＡIGVの低下により圧縮機負荷も低下することから高圧側タービン回転数ＮHPは緩やかに推移する。実施例１で説明した制御に比べて燃焼空気流量ＧHP，圧縮機吐出圧力ＰCの変化もまた緩やかであることから、低圧側タービン回転数ＮLPは実施例１で説明した制御における回転数ＮLPMAX1に比べてより高い値であるＮLPMAX2まで上昇する。また、低圧側タービン回転数ＮLPは燃料流量Ｇfで制御することから、低圧側タービン回転数ＮLPは大きく振動しながらｔs2秒後に定格回転数へと収束・安定する。これは、燃料流量Ｇfの変動により高圧タービン回転数ＮHPの変動が燃焼空気流量ＧHP，圧縮機吐出圧力ＰCへと波及し、結果的に低圧側タービン回転数ＮLPの変動したためである。
【００３７】
実施例１で説明した制御の特徴は、放風弁および入口案内翼の制御によって負荷遮断運転時の高圧側タービンの出力を速やかに低下させるとともに、高圧側タービンおよび低圧側タービンへと流入する燃焼空気流量を抑制し、低圧側タービンの回転数上昇を抑制する点にある。低圧側タービンの回転数上昇の抑制は、負荷遮断運転後の燃料流量低下を抑制することから、負荷遮断運転時における燃焼安定性向上にも効果がある。
【００３８】
図６は、本発明の実施例１である２軸式ガスタービンシステムにおける負荷遮断運転時の燃空比特性を示す。図６において、縦軸は高圧側タービンに流入する燃焼空気流量、横軸は燃空比を表す。点Ｐは定格負荷における２軸式ガスタービンシステムの運転点、点Ｑは負荷遮断後の無負荷・定格回転数運転時における運転点を表す。領域Ａ1は燃空比低による失火領域、領域Ａ2は燃空比高による燃焼不安定領域を表す。燃焼器においてはそれぞれ失火ラインＬ1，燃焼不安定ラインＬ2の内側の領域で燃料流量を制御する必要がある。
【００３９】
実施例１で説明した制御装置において負荷遮断を実施した場合、燃料流量Ｇfは点Ｐから経路（ａ）を経て最低燃料流量Ｇfminまで低下し、そののち経路（ｂ）を経て点Ｑへと到達する。燃空比の一時的な低下により経路（ａ）の終端で一時的に失火ラインＬ1へと接近するが、その後は失火ラインＬ1から離れつつ点Ｑへと到達しており負荷遮断後も燃料が安定に制御されていると考えられる。
【００４０】
図７に、比較例の２軸式ガスタービンシステムにおける負荷遮断時の燃空比特性を示す。点Ｐ，点Ｑの位置および負荷遮断時の燃料低下による燃空比低下（経路（ａ））は図６と同様である。しかし低圧側タービン回転数の変動にともない燃料流量が変動することから、経路（ｂ−１）のある区間においてたびたび失火ラインＬ1へと接近しており、燃焼器の失火などのリスクが高まる。
【００４１】
実施例１の２軸式ガスタービンシステムでは、このような負荷遮断時における燃焼器失火のリスクを低減し、より安全に、また早期にガスタービンを無負荷状態に移行させることができる。
【実施例２】
【００４２】
図８を用いて、本発明の別の実施例について説明する。図８は本発明の実施例２である２軸式ガスタービンおよびその制御装置の概略図を示す。
【００４３】
実施例２の２軸式ガスタービンシステムは、圧縮機２の中間圧縮段より圧縮空気を抽気し、抽気空気の一部を高圧側タービン１の冷却空気として用いる一方、抽気空気の一部を排気ガスへと放風するよう放風弁８が設置され、圧縮機からの抽気空気量ＧCLAを計測する流量計３２とを備えている点で、実施例１の二軸式ガスタービンと異なる。また、空気放風量ＧBLWの代わりに抽気空気量ＧCLAに基づいた制御を行う点で実施例１と異なる。
【００４４】
図８に示す実施例２の２軸式ガスタービンでは、負荷遮断運転時に放風弁８を開いて抽気空気の一部を低圧側タービン３の排気側に放風する。これと同時に、入口案内翼９の角度を増加させて圧縮機入口における吸気空気量を増やし負荷遮断運転時における圧縮機負荷を高める。これにより負荷遮断時には高圧側ガスタービンの出力を急速降下させて、低圧側ガスタービンの回転数上昇を抑制する。通常運転時においては放風弁８を全閉とすることにより、抽気空気を全量高圧側タービンの冷却空気として用いることができる。
【００４５】
図９を用いて、実施例２における放風弁開度ＣBLW及び入口案内翼角度ＡIGVの制御方法を示す。図９は、本発明の実施例２である２軸式ガスタービンの圧縮機制御装置１０２の概略図を示す。負荷遮断運転時において放風弁を開いた際の空気放風量と同量の空気を入口案内翼制御で吸気する方式は実施例１で説明した方式と同様である。ただし、本実施例において圧縮機から抽気した空気の一部を高圧側タービンの冷却空気として利用することから、減算器１３０において抽気空気量ＧCLAから冷却空気流量ＧCAL0を減じた値を空気放風量ＧBLWとして入口案内翼角度ＡIGV制御に用いる。
【００４６】
以上説明した実施例の２軸式ガスタービンは、空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより前記圧縮機と同軸で回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより前記圧縮機と別軸で回転駆動する低圧タービンと、前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを備え、負荷遮断運転時に前記抽気手段により抽気された空気量に基づいて前記入口案内翼を制御するよう構成されている。
【００４７】
燃焼器に供給される圧縮空気を抽気する手段を備えることで、負荷遮断の際に高圧タービン及び低圧タービンの回転数が上昇するのを抑制することができる。また、入口案内翼を制御することで、高圧側タービンの出力を速やかに降下させることができる。さらに、燃焼器に供給される圧縮空気の流量に基づいて入口案内翼を制御するよう構成することで、燃焼用空気の流量を調整して燃空比の変動を適切に管理することができるため、失火や逆火などのトラブルの発生を抑制することができ、システム全体の安定性を確保することができる。
【００４８】
また、負荷遮断運転時に燃焼器に供給する燃料流量を減少させることで、負荷遮断時のタービンの回転数変動を抑制することができる。速やかな燃料減少制御は、特に圧縮機と別軸に接続されている低圧タービンの回転数変動の抑制に効果がある。タービンの回転数変動の抑制は、ガスタービンシステムを早期に無負荷・定格回転数の安定状態へと移行させることにつながり、ガスタービンシステム全体の安定性の確保につながる。
【００４９】
望ましくは、負荷遮断の際、燃料流量を定格回転数で運転する際の最低燃料流量まで減少させるのが望ましい。タービン回転数の上昇を先行的に抑えることで、より早期にガスタービンシステムを無負荷・定格回転数の安定状態へと移行させることができるからである。また、抽気手段により抽気された空気量の計測遅れや入口案内翼の制御遅れを考慮した関数を用いた制御を行えば、より適切な制御が可能となる。抽気された空気の一部を、高圧タービンの翼などの高温部材に供給するよう構成すれば、システム全体の効率や安定性を向上させることができる。
【００５０】
各実施例においては、燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段として、圧縮機２の吐出吸気を放出する系統及び放風弁８、または、圧縮機２の中間段から抽気した空気の一部を排気ガスへと放風する系統及び放風弁８を用いているが、別の方式で抽気しても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンおよびその制御装置の概略図を示す。
【図２】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの燃料流量制御装置１０１の概略図を示す。
【図３】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの圧縮機制御装置１０２の概略図を示す。
【図４】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの負荷遮断時のタービン運転特性を示す。
【図５】比較例である２軸式ガスタービンの負荷遮断時のタービン運転特性を示す。
【図６】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンにおける負荷遮断時燃空比特性を示す。
【図７】比較例の２軸式ガスタービンにおける負荷遮断時燃空比特性を示す。
【図８】本発明の実施例２である２軸式ガスタービンおよびその制御装置の概略図を示す。
【図９】本発明の実施例２である２軸式ガスタービンの圧縮機制御装置１０２の概略図を示す。
【符号の説明】
【００５２】
１ 高圧側タービン
２ 圧縮機
３ 低圧側タービン
４ 発電機
５ 遮断機
６ 変圧器
７ 燃料流量調整弁
８ 放風弁
９ 圧縮機入口案内翼
１０ 高圧側駆動軸
１１ 低圧側駆動軸
２０，２６ 空気
２１ 燃料
２２ 放風空気
２３ 燃焼ガス
２４ 排気ガス
２５ 送電系統
３０ 回転数計
３１ 電力計
３２ 流量計
３３ 抽気配管
１００ タービン制御装置
１０１ 燃料流量制御装置
１０２ 圧縮機制御装置
１１０，１１２，１１６，１２２ 制御器
１１１，１１３ 信号切換器
１１４，１２３，１２５ 変化率制限器
１１５ 低値選択
１２１ 信号発生器
１２４ 信号切換手段
１２６ 加算器
１２７，１２９ 関数
１２８，１３０ 減算器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２軸式ガスタービンシステムの制御装置、特に、負荷遮断時におけるタービンの過回転を抑止するガスタービンシステムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムを用いたプラントにおいて、異常発生した際の負荷遮断時には、タービン回転数の過回転を抑制する運転が必要となる。例えば特開２００３−１４８１７３号公報には、圧縮機入口に設置した入口案内翼を負荷遮断運転時に開き、圧縮機への吸気量を増加することにより圧縮機の負荷を高めてガスタービンの回転数上昇を抑制する技術が開示されている。また、特開昭６１−２１８７９４号公報には、圧縮機中間段に設置した抽気弁を負荷遮断運転時に開き、圧縮機吐出の空気圧力を減少させるとともに、タービンへ供給する燃焼空気流量を減少させてガスタービンの回転数上昇を抑制する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４８１７３号公報
【特許文献２】特開昭６１−２１８７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特開２００３−１４８１７３号公報に開示された入口案内翼を開いてガスタービンの回転数上昇を抑制する方法では、負荷遮断運転時において空気流量の増加を伴うことから、タービンに流入する燃焼用空気の流量はむしろ増加する。燃焼用空気流量の増加と、燃料流量の急速な降下により燃空比は低下し、燃焼安定性が損なわれる可能性がある。さらに、２軸式ガスタービンの場合には圧縮機負荷の上昇により高圧側タービンの回転数上昇は抑制されるが、燃焼用空気流量の増加により低圧側タービンへと流入する燃焼ガス量は相対的に増加するため、低圧側タービンの回転数上昇に対しては充分な抑制効果が得られない。
【０００５】
一方、特開昭６１−２１８７９４号公報に開示された抽気弁を開いてガスタービンの回転数上昇を抑制する方法では、圧縮機出口における空気圧力、高圧側タービン入口および低圧側タービン入口における燃焼ガス圧力の低下に効果があることから、高圧側・低圧側双方のタービン回転数の上昇を抑制する効果があると考えられる。しかしながら、低圧側タービンの回転数上昇を充分に抑制するためには、抽気空気の流量を充分に確保する必要があり、圧縮機出口および高圧側タービン入口において過度な圧力低下をもたらす。高圧側タービン入口圧力の過度な低下は高圧側タービンの過度な回転数低下の原因となるほか、高圧側タービンおよび低圧側タービンの回転数がそれぞれに大きく変動して、負荷遮断運転後のシステム全体の安定性が損なわれる。
【０００６】
本発明の目的は、負荷遮断時におけるタービンの回転数上昇を抑制しつつ、ガスタービンシステム全体の安定性を確保可能な２軸式ガスタービンシステムの制御装置および方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の２軸式ガスタービンシステムの制御装置は、空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより前記圧縮機と同軸で回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより前記圧縮機と別軸で回転駆動する低圧タービンと、前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを備えた２軸式ガスタービンの制御装置であって、負荷遮断運転時に前記抽気手段により抽気された空気量に基づいて前記入口案内翼を制御するよう構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、負荷遮断時におけるタービンの回転数上昇を抑制しつつ、ガスタービンシステム全体の安定性を確保可能な２軸式ガスタービンシステムの制御装置および方式を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
発電所において送電系統に異常が発生した場合、送電系統の保護を目的に発電機を系統から遮断するとともに、発電機を駆動するガスタービンの燃料流量を無負荷・定格回転数の燃料設定にまで急速に降下させる負荷遮断運転を実施する。負荷遮断運転では、発電機遮断から燃料流量降下開始までの時間差，バルブ開閉速度に起因する燃料流量の応答遅れ，燃料流量調整弁から燃焼器までの配管に残留する燃料の燃焼等の影響によってガスタービンおよび発電機の回転数（タービン回転数）に一時的な上昇がみられる。タービン回転数の過度な上昇は駆動軸やタービン翼にダメージを与え、寿命低下の原因となることから、タービン回転数の過回転を防止する運転が必要となる。
【００１０】
また、負荷遮断運転後のガスタービンは無負荷・定格回転数の状態で運転を継続し、送電系統の異常が解消した場合にはすみやかにタービン回転数を系統周波数に同期・併入して系統に復帰する必要がある。そのため、ガスタービン発電システムにおいては負荷遮断後のシステム変動を最小限とし、すみやかにシステム全体を安定化させるための最適運転も望まれている。
【００１１】
以上に挙げた２点の課題は、圧縮機を駆動する高圧側タービンと発電機を駆動する低圧側タービンとで構成され、高圧側・低圧側の双方のタービンが独立して回転する２軸式ガスタービンにおいて特に重要な課題となる。これは、２軸式ガスタービンで負荷遮断運転が発生した場合、駆動軸に圧縮機などの負荷を持たない低圧側タービンが完全に無負荷状態となるためであり、１軸式ガスタービンにおける負荷遮断運転時に比べて低圧側タービンの回転数上昇が著しい。低圧側タービンの回転数上昇を抑制するには１軸式ガスタービンと比べて高圧側タービンの燃料流量をさらに下げる必要があるが、そうすると高圧側タービンの回転数変動および燃焼器における燃焼安定性の低下によりシステム全体の安定性が損なわれる可能性がある。
【００１２】
以下説明する本発明の各実施例の２軸式ガスタービンシステムによれば、負荷遮断運転時においては、高圧側タービンの入口に設置した燃料流量調整弁を最低燃料流量相当となる開度へと切り換えるとともに、放風弁の開度および圧縮機入口案内翼の角度を増加することにより圧縮機を通過する空気流量を増加させる。負荷遮断運転時には燃料流量の低下によりタービン出力を降下させるとともに、圧縮機を通過する空気流量の増加によって圧縮機負荷を上昇させるので、高圧側タービンの出力をより速やかに無負荷・定格回転数の状態にまで降下させることができる。
【００１３】
また、燃料流量の低下によって高圧側タービンの出力を降下させると同時に、圧縮機を通過する空気流量の増加によって圧縮機負荷を上昇させることにより、圧縮機出口における空気圧力、高圧側タービン入口燃焼ガス圧力および低圧側タービン入口燃焼ガス圧力のそれぞれを速やかに降下させ、かつ高圧側タービンから低圧側タービンへと流入する燃焼ガスの流量を速やかに降下させるので、低圧側タービンの回転数上昇をより効果的に抑制することができる。
【００１４】
さらにまた、圧縮機制御装置において空気放風量から圧縮機入口案内翼の角度を制御するので、高圧側タービン入口における空気圧力の過度な低下・空気流量の過度な低下などに起因する燃空比の変動を抑制して燃焼用空気流量の過多による火炎の喪失（失火），空気流量の寡少による燃焼配管への逆火といったトラブルの発生を抑制することができる。
【００１５】
さらにまた、高圧側タービンから低圧側タービンへと流入する燃焼ガスのエネルギー量の速やかな降下により、低圧側タービンの回転数変動を抑制するので、負荷遮断後の燃料流量による低圧側および高圧側双方のタービン回転数の変動を最小としてタービン全体を無負荷・定格回転数の安定状態へとより早期に移行することが可能となり、再送電までの時間を最短とすることができる。
【実施例１】
【００１６】
図１を用いて、本発明の第１の実施例について説明する。図１は本発明の実施例１である２軸式ガスタービンおよびその制御装置の概略図を示す。
【００１７】
実施例１である２軸式ガスタービンシステムは、燃料２１の燃焼エネルギーを用いて駆動する高圧側タービン１と、高圧側タービン１の駆動力を圧縮機２へと伝達する高圧側駆動軸１０と、空気２０を吸気・加圧して燃焼用空気２６を得る圧縮機２と、高圧側タービン１からの燃焼ガス２３を用いて駆動する低圧側タービン３と、低圧側タービン３の駆動力を発電機４へと伝達する低圧側駆動軸１１と、低圧側タービン３の駆動力を用いて発電する発電機４とで構成される。発電機４で得られた電力は遮断機５，変圧器６を経て送電系統２５から電力系統へと送電する。電力系統に何らかのトラブルが発生した場合には、遮断機５において発電機４を送電系統２５から遮断する。
【００１８】
また、本実施例の２軸式ガスタービンシステムは、圧縮機２へ吸気する空気２０の流量を制御する入口案内翼９と、高圧側タービン１への燃料空気２６の流量を制御する放風弁８と、電力系統を統括する中央給電指令所からの負荷指令に応じて燃料２１の流量を制御する燃料流量調整弁７とを備える。また、発電機４における発電出力ＭＷを計測する電力計３１と、低圧側タービン回転数ＮLPを計測する回転数計３０と、放風弁８を通過する空気放風量ＧBLWを計測する流量計３２とを備え、発電出力ＭＷと、低圧側タービン回転数ＮLPと、空気放風量ＧBLWおよび中央給電指令所からの負荷指令ＭＷＤとから燃料流量調整弁７の開度指令ＣGCV，放風弁８の開度指令ＣBLW，入口案内翼９の角度指令ＡIGVを計算するタービン制御装置１００を備える。本実施例の２軸式ガスタービンシステムのタービン制御装置１００は、燃料流量制御装置１０１と圧縮機制御装置１０２とから構成されるる。燃料流量制御装置１０１はガスタービンの起動停止運転，負荷運転，負荷遮断運転等ガスタービンの諸運転における燃料流量調整弁７の開度指令ＣGCVを計算する。圧縮機制御装置１０２は一般のガスタービン制御装置に用いられる単純な入口案内翼９の制御に加え、負荷遮断運転時における入口案内翼および放風弁の協調制御を担当し、負荷遮断信号ＳCB，発電指令ＭＷＤ，空気放風量ＧBLWから入口案内翼角度指令ＡIGVおよび放風弁開度指令ＣBLWを計算する。
【００１９】
図２は、本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの燃料流量制御装置１０１の概略図を示す。燃料流量制御装置１０１は、一般のガスタービン制御装置と同等の機能をも有するが、ここでは特に２軸式ガスタービンシステムにおける燃料流量制御の考え方についてその概略を示す。
【００２０】
制御器１１０は、発電出力ＭＷと負荷指令ＭＷＤとの値を比較し、ＭＷとＭＷＤが一致するよう低圧側タービン回転数指令ＮLP1を計算する。次に信号切換器１１１において、負荷遮断信号ＳCBの状態に応じて前記低圧側タービン回転数指令ＮLP1および負荷遮断時低圧側タービン回転数指令ＮLP0（通常は定格回転数に相当）のいずれかを選択し、切換後低圧側タービン回転数指令ＮLP2として出力する。具体的には負荷遮断運転時には信号ＮLP2の値として信号ＮLP0が選択され、それ以外の場合には信号ＮLP2の値として信号ＮLP1が選択される。
【００２１】
制御器１１２では、前記切換後低圧側タービン回転数指令ＮLP2と低圧側タービン回転数ＮLPとからＮLP2とＮLPが一致するよう速度負荷燃料指令Ｇfldを計算する。Ｇfldは無負荷・定格回転数から、定格負荷・定格回転数までのガスタービン発電システムの運転制御、すなわち、一定負荷運転，負荷変化運転あるいは負荷遮断運転における燃料流量の制御を担当する。
【００２２】
なお、負荷遮断運転時には信号切換器１１１において、低圧側タービン回転数指令値ＮLP2をＮLP1からＮLP0に切り換えることにより低圧側タービン回転数ＮLPが負荷遮断時低圧側タービン回転数指令（定格回転数）に一致するよう制御するが、負荷遮断運転時には先に述べた諸要因によって低圧タービン回転数が上昇する。そこで、負荷遮断時にＧfldとは別に最低燃料流量指令Ｇfminを設定することにより、タービン回転数の上昇を先行的に抑えている。図２に示した燃料流量制御装置１０１では、信号切換器１１３において、負荷遮断信号ＳCBの状態に応じて最大燃料流量ＧfMAXと無負荷定格時燃料流量ＧfFSNLを切り換え、変化率制限器１１４を通して最低燃料流量Ｇfminを得る。
【００２３】
なお、燃料流量制御装置１０１では、先に示したＧfld，Ｇfminのほかにも起動燃料指令Ｇfsu，停止燃料指令Ｇfsd，排気温度制御指令Ｇftxなどを別途計算し、低値選択１１５にてこれら指令値の最小の値を燃料流量指令Ｇf0とする。ただし、負荷運転時および負荷遮断運転時にはＧfsu，Ｇfsdは最大燃料流量ＧfMAXを指示するよう設定される。この場合ＧfldまたはＧfminの信号が低値選択１１５に選択されることになる。
【００２４】
負荷遮断時には燃料流量指令Ｇf0は負荷遮断直後にＧfminまで下げられる。その後、燃料流量指令Ｇf0としてはＧfldが選択され、低圧側タービン回転数を定格回転数に一致するよう制御される。
【００２５】
制御器１１６では、燃料流量指令Ｇf0から燃料流量弁開度指令ＣGCVが計算され、この開度指令をもって燃料流量調整弁７が制御される。
【００２６】
図３は、本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの圧縮機制御装置１０２の概略図を示す。
【００２７】
圧縮機制御装置１０２は、負荷遮断運転開始から一定時間までの入口案内翼角度指令ＡIGVおよび放風弁開度指令ＣBLWを制御するよう動作する。図３で示した圧縮機制御装置１０２では、負荷遮断信号ＳCBを入力し、このＳCB信号を信号発生器１２１によって一定時間持続させることによりその動作時間を決定する構成とした。すなわち、負荷遮断信号ＳCBがセットされた（例えばブール値で０から１に変化した）場合、信号発生器１２１はＳCBのセット状態（以下負荷遮断信号発生中と称する）を一定時間維持した信号を発生させる。以下、負荷遮断信号発生中の動作について述べる。
【００２８】
負荷遮断信号発生により、信号切換手段１２４によって放風弁の目標開度を０からＣBLWBへと切り換えるとともに、変化率制限器１２５を通して放風弁開度指令ＣBLWを得る。放風弁の開度を０からＣBLWBへと切り換え圧縮機出口の燃焼用空気をタービン系外（例えば低圧側タービン排気側や煙突）へと放風することで、圧縮機出口の空気圧力および高圧側タービン入口の燃焼ガス圧力を低下させる。
【００２９】
一方、減算器１２８は、現在の入口案内翼開角度ＡIGVと入口案内翼角度基準値ＡIGVRとから、入口案内翼角度偏差ΔＡIGVを計算し、関数１２７において入口案内翼角度偏差ΔＡIGVに応じた圧縮機入口空気流量修正値ΔＧCIを求める。圧縮機入口空気流量修正値ΔＧCIは、入口案内翼角度の変化に対して圧縮機入口で増減する空気流量に相当する。制御器１２２は、前記圧縮機入口空気流量修正値ΔＧCIと放風弁を通過する空気の流量ＧBLWを比較し、ΔＧCIとＧBLWとが一致するよう制御器１２２を用いて入口案内翼角度バイアス指令ＡIGV1を計算する。なお、本実施例では放風弁流量ＧBLWの計測遅れおよび入口案内翼角度ＡIGVの制御遅れを考慮し、関数１２９において切換前放風弁開度指令ＣBLW1から入口案内翼角度基準値ＡIGVFを求め、これを先行信号と制御器１２２に入力する。入口案内翼角度バイアス指令ＡIGV1は変化率制限器１２３で変化速度が制限された後、案内翼角度バイアスＡIGVBとなる。
【００３０】
さらに、加算器１２６では一般的なガスタービン制御における入口案内翼角度指令ＡIGV0と、入口案内翼バイアスＡIGVBの和を入口案内翼角度ＡIGVとする。
【００３１】
なお、本実施例では空気放風量ＧBLWに対して圧縮機入口における空気流量の増加・減少分ΔＧCIを関数１２７にて静的に決定したが、圧縮機入口に流量計を設け、基準流量からの増減を直接計測しても良い。
【００３２】
次に、負荷遮断運転時の２軸式ガスタービンシステムの運転特性を図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの負荷遮断時のタービン運転特性を示す。図中、縦軸はガスタービンシステムの操作量・状態量の相対値、横軸は経過時間を表す。
【００３３】
時刻ｔ0に負荷遮断信号が発生した場合、燃料流量制御装置１０１は燃料流量Ｇfを最低燃料流量Ｇfminまで下げたのち、低圧側タービン回転数ＮLPを定格回転数に一致させるよう制御する。また、圧縮機制御装置１０２は放風弁開度ＣBLWを一定変化率で開き、圧縮機出口の燃焼用空気をタービン外へと放風する。同時に入口案内翼開度ＡIGVを空気放風量ＧBLWおよび切換前放風弁開度指令ＣBLW1に従い一定変化率で増加させ、圧縮機入口の空気流量を増加させる。負荷遮断運転後、入口案内翼開度は無負荷・定格回転数時の設定開度となる。
【００３４】
燃料流量の減少によるタービン駆動力の低下と、放風弁開度ＣBLWおよび入口案内翼角度ＡIGVの過渡的な増加による圧縮機負荷の増加により高圧側タービンの出力が急速に低下し、高圧側タービン回転数ＮHPおよび圧縮機吐出圧力ＰCが低下する。また、回転数ＮHPおよび圧力ＰCの低下により、燃焼空気流量ＧHPも小幅ながら減少する。燃料流量Ｇfの低下に伴う燃焼ガス温度の低下、圧縮機負荷増加による燃焼空気流量ＧHPの減少および圧縮機吐出圧力ＰCの低下により低圧側タービンへの燃焼ガス熱量及び燃焼ガス圧力が低下し、低圧側タービン回転数はＮLPMAX1まで上昇したのち低下する。低圧側タービン回転数ＮLPは燃料流量Ｇfによって制御することから、低圧側タービン回転数ＮLPは緩やかに変動しつつｔs1秒後に安定する。
【００３５】
次に、比較例を用いて、上述した制御の一部を行わない場合のタービン運転特性につき説明する。図５は、比較例である２軸式ガスタービンの負荷遮断時のタービン運転特性を示す。図４と同じく時刻ｔ0に負荷遮断信号が発生した場合、燃料流量制御装置は燃料流量Ｇfを最低燃料流量Ｇfminまで下げたのち、低圧側タービン回転数ＮLPを定格回転数に一致するよう制御する。入口案内翼角度指令ＡIGVは無負荷・定格回転数時の設定開度となる。
【００３６】
燃料流量の減少によるタービン駆動力の低下により高圧側タービンの出力は低下するが、一方で入口案内翼角度指令ＡIGVの低下により圧縮機負荷も低下することから高圧側タービン回転数ＮHPは緩やかに推移する。実施例１で説明した制御に比べて燃焼空気流量ＧHP，圧縮機吐出圧力ＰCの変化もまた緩やかであることから、低圧側タービン回転数ＮLPは実施例１で説明した制御における回転数ＮLPMAX1に比べてより高い値であるＮLPMAX2まで上昇する。また、低圧側タービン回転数ＮLPは燃料流量Ｇfで制御することから、低圧側タービン回転数ＮLPは大きく振動しながらｔs2秒後に定格回転数へと収束・安定する。これは、燃料流量Ｇfの変動により高圧タービン回転数ＮHPの変動が燃焼空気流量ＧHP，圧縮機吐出圧力ＰCへと波及し、結果的に低圧側タービン回転数ＮLPの変動したためである。
【００３７】
実施例１で説明した制御の特徴は、放風弁および入口案内翼の制御によって負荷遮断運転時の高圧側タービンの出力を速やかに低下させるとともに、高圧側タービンおよび低圧側タービンへと流入する燃焼空気流量を抑制し、低圧側タービンの回転数上昇を抑制する点にある。低圧側タービンの回転数上昇の抑制は、負荷遮断運転後の燃料流量低下を抑制することから、負荷遮断運転時における燃焼安定性向上にも効果がある。
【００３８】
図６は、本発明の実施例１である２軸式ガスタービンシステムにおける負荷遮断運転時の燃空比特性を示す。図６において、縦軸は高圧側タービンに流入する燃焼空気流量、横軸は燃空比を表す。点Ｐは定格負荷における２軸式ガスタービンシステムの運転点、点Ｑは負荷遮断後の無負荷・定格回転数運転時における運転点を表す。領域Ａ1は燃空比低による失火領域、領域Ａ2は燃空比高による燃焼不安定領域を表す。燃焼器においてはそれぞれ失火ラインＬ1，燃焼不安定ラインＬ2の内側の領域で燃料流量を制御する必要がある。
【００３９】
実施例１で説明した制御装置において負荷遮断を実施した場合、燃料流量Ｇfは点Ｐから経路（ａ）を経て最低燃料流量Ｇfminまで低下し、そののち経路（ｂ）を経て点Ｑへと到達する。燃空比の一時的な低下により経路（ａ）の終端で一時的に失火ラインＬ1へと接近するが、その後は失火ラインＬ1から離れつつ点Ｑへと到達しており負荷遮断後も燃料が安定に制御されていると考えられる。
【００４０】
図７に、比較例の２軸式ガスタービンシステムにおける負荷遮断時の燃空比特性を示す。点Ｐ，点Ｑの位置および負荷遮断時の燃料低下による燃空比低下（経路（ａ））は図６と同様である。しかし低圧側タービン回転数の変動にともない燃料流量が変動することから、経路（ｂ−１）のある区間においてたびたび失火ラインＬ1へと接近しており、燃焼器の失火などのリスクが高まる。
【００４１】
実施例１の２軸式ガスタービンシステムでは、このような負荷遮断時における燃焼器失火のリスクを低減し、より安全に、また早期にガスタービンを無負荷状態に移行させることができる。
【実施例２】
【００４２】
図８を用いて、本発明の別の実施例について説明する。図８は本発明の実施例２である２軸式ガスタービンおよびその制御装置の概略図を示す。
【００４３】
実施例２の２軸式ガスタービンシステムは、圧縮機２の中間圧縮段より圧縮空気を抽気し、抽気空気の一部を高圧側タービン１の冷却空気として用いる一方、抽気空気の一部を排気ガスへと放風するよう放風弁８が設置され、圧縮機からの抽気空気量ＧCLAを計測する流量計３２とを備えている点で、実施例１の二軸式ガスタービンと異なる。また、空気放風量ＧBLWの代わりに抽気空気量ＧCLAに基づいた制御を行う点で実施例１と異なる。
【００４４】
図８に示す実施例２の２軸式ガスタービンでは、負荷遮断運転時に放風弁８を開いて抽気空気の一部を低圧側タービン３の排気側に放風する。これと同時に、入口案内翼９の角度を増加させて圧縮機入口における吸気空気量を増やし負荷遮断運転時における圧縮機負荷を高める。これにより負荷遮断時には高圧側ガスタービンの出力を急速降下させて、低圧側ガスタービンの回転数上昇を抑制する。通常運転時においては放風弁８を全閉とすることにより、抽気空気を全量高圧側タービンの冷却空気として用いることができる。
【００４５】
図９を用いて、実施例２における放風弁開度ＣBLW及び入口案内翼角度ＡIGVの制御方法を示す。図９は、本発明の実施例２である２軸式ガスタービンの圧縮機制御装置１０２の概略図を示す。負荷遮断運転時において放風弁を開いた際の空気放風量と同量の空気を入口案内翼制御で吸気する方式は実施例１で説明した方式と同様である。ただし、本実施例において圧縮機から抽気した空気の一部を高圧側タービンの冷却空気として利用することから、減算器１３０において抽気空気量ＧCLAから冷却空気流量ＧCAL0を減じた値を空気放風量ＧBLWとして入口案内翼角度ＡIGV制御に用いる。
【００４６】
以上説明した実施例の２軸式ガスタービンは、空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより前記圧縮機と同軸で回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより前記圧縮機と別軸で回転駆動する低圧タービンと、前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを備え、負荷遮断運転時に前記抽気手段により抽気された空気量に基づいて前記入口案内翼を制御するよう構成されている。
【００４７】
燃焼器に供給される圧縮空気を抽気する手段を備えることで、負荷遮断の際に高圧タービン及び低圧タービンの回転数が上昇するのを抑制することができる。また、入口案内翼を制御することで、高圧側タービンの出力を速やかに降下させることができる。さらに、燃焼器に供給される圧縮空気の流量に基づいて入口案内翼を制御するよう構成することで、燃焼用空気の流量を調整して燃空比の変動を適切に管理することができるため、失火や逆火などのトラブルの発生を抑制することができ、システム全体の安定性を確保することができる。
【００４８】
また、負荷遮断運転時に燃焼器に供給する燃料流量を減少させることで、負荷遮断時のタービンの回転数変動を抑制することができる。速やかな燃料減少制御は、特に圧縮機と別軸に接続されている低圧タービンの回転数変動の抑制に効果がある。タービンの回転数変動の抑制は、ガスタービンシステムを早期に無負荷・定格回転数の安定状態へと移行させることにつながり、ガスタービンシステム全体の安定性の確保につながる。
【００４９】
望ましくは、負荷遮断の際、燃料流量を定格回転数で運転する際の最低燃料流量まで減少させるのが望ましい。タービン回転数の上昇を先行的に抑えることで、より早期にガスタービンシステムを無負荷・定格回転数の安定状態へと移行させることができるからである。また、抽気手段により抽気された空気量の計測遅れや入口案内翼の制御遅れを考慮した関数を用いた制御を行えば、より適切な制御が可能となる。抽気された空気の一部を、高圧タービンの翼などの高温部材に供給するよう構成すれば、システム全体の効率や安定性を向上させることができる。
【００５０】
各実施例においては、燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段として、圧縮機２の吐出吸気を放出する系統及び放風弁８、または、圧縮機２の中間段から抽気した空気の一部を排気ガスへと放風する系統及び放風弁８を用いているが、別の方式で抽気しても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンおよびその制御装置の概略図を示す。
【図２】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの燃料流量制御装置１０１の概略図を示す。
【図３】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの圧縮機制御装置１０２の概略図を示す。
【図４】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンの負荷遮断時のタービン運転特性を示す。
【図５】比較例である２軸式ガスタービンの負荷遮断時のタービン運転特性を示す。
【図６】本発明の実施例１である２軸式ガスタービンにおける負荷遮断時燃空比特性を示す。
【図７】比較例の２軸式ガスタービンにおける負荷遮断時燃空比特性を示す。
【図８】本発明の実施例２である２軸式ガスタービンおよびその制御装置の概略図を示す。
【図９】本発明の実施例２である２軸式ガスタービンの圧縮機制御装置１０２の概略図を示す。
【符号の説明】
【００５２】
１ 高圧側タービン
２ 圧縮機
３ 低圧側タービン
４ 発電機
５ 遮断機
６ 変圧器
７ 燃料流量調整弁
８ 放風弁
９ 圧縮機入口案内翼
１０ 高圧側駆動軸
１１ 低圧側駆動軸
２０，２６ 空気
２１ 燃料
２２ 放風空気
２３ 燃焼ガス
２４ 排気ガス
２５ 送電系統
３０ 回転数計
３１ 電力計
３２ 流量計
３３ 抽気配管
１００ タービン制御装置
１０１ 燃料流量制御装置
１０２ 圧縮機制御装置
１１０，１１２，１１６，１２２ 制御器
１１１，１１３ 信号切換器
１１４，１２３，１２５ 変化率制限器
１１５ 低値選択
１２１ 信号発生器
１２４ 信号切換手段
１２６ 加算器
１２７，１２９ 関数
１２８，１３０ 減算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより前記圧縮機と同軸で回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより前記圧縮機と別軸で回転駆動する低圧タービンと、前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを備えた２軸式ガスタービンの制御装置であって、
負荷遮断運転時に前記抽気手段により抽気された空気量に基づいて前記入口案内翼を制御するよう構成されたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項２】
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、
前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを有し、前記圧縮機は入口案内翼を有する、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが別軸に接続された２軸式ガスタービンの制御装置であって、
負荷遮断運転時に、前記燃焼器に供給する燃料流量を減少させ、前記抽気手段により前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整し、前記抽気手段により抽気された空気量に基づいて前記入口案内翼を制御するよう構成されたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の２軸式ガスタービンの制御装置であって、
前記燃焼器に供給する燃料流量は、負荷遮断信号が発生した際に最低燃料流量まで減少させたのちに、前記低圧タービンの回転数が定格回転数になるように制御するよう構成されたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の２軸式ガスタービンの制御装置であって、
前記抽気手段により抽気された空気量の計測遅れ、または前記入口案内翼の制御遅れの少なくとも一方を考慮した関数を用いることを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の２軸式ガスタービンの制御装置であって、
前記抽気手段により抽気された空気の一部を前記高圧タービンに冷却空気として供給する系統を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項６】
空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより前記圧縮機と同軸で回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより前記圧縮機と別軸で回転駆動する低圧タービンと、前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを備えた２軸式ガスタービンの制御方法であって、
負荷遮断運転を開始した際、前記圧縮機に吸入される空気流量を増やすように前記入口案内翼を制御し、前記抽気手段により圧縮空気の一部を抽気し、その後、前記抽気手段により抽気された圧縮空気の流量に応じて前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする２軸式ガスタービンの制御方法。
【請求項１】
空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより前記圧縮機と同軸で回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより前記圧縮機と別軸で回転駆動する低圧タービンと、前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを備えた２軸式ガスタービンの制御装置であって、
負荷遮断運転時に前記抽気手段により抽気された空気量に基づいて前記入口案内翼を制御するよう構成されたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項２】
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、
前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを有し、前記圧縮機は入口案内翼を有する、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが別軸に接続された２軸式ガスタービンの制御装置であって、
負荷遮断運転時に、前記燃焼器に供給する燃料流量を減少させ、前記抽気手段により前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整し、前記抽気手段により抽気された空気量に基づいて前記入口案内翼を制御するよう構成されたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の２軸式ガスタービンの制御装置であって、
前記燃焼器に供給する燃料流量は、負荷遮断信号が発生した際に最低燃料流量まで減少させたのちに、前記低圧タービンの回転数が定格回転数になるように制御するよう構成されたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の２軸式ガスタービンの制御装置であって、
前記抽気手段により抽気された空気量の計測遅れ、または前記入口案内翼の制御遅れの少なくとも一方を考慮した関数を用いることを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の２軸式ガスタービンの制御装置であって、
前記抽気手段により抽気された空気の一部を前記高圧タービンに冷却空気として供給する系統を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
【請求項６】
空気を圧縮する入口案内翼を有する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより前記圧縮機と同軸で回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した燃焼ガスにより前記圧縮機と別軸で回転駆動する低圧タービンと、前記燃焼器に供給される圧縮空気の流量を調整可能な抽気手段とを備えた２軸式ガスタービンの制御方法であって、
負荷遮断運転を開始した際、前記圧縮機に吸入される空気流量を増やすように前記入口案内翼を制御し、前記抽気手段により圧縮空気の一部を抽気し、その後、前記抽気手段により抽気された圧縮空気の流量に応じて前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする２軸式ガスタービンの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２５０６９（Ｐ２０１０−２５０６９Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９０３９２（Ｐ２００８−１９０３９２）
【出願日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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