JP5147766B2 - ガスタービンの回転制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガスタービン及び低圧ガスタービンを有する２軸型ガスタービンの回転制御装置に関するものである。

２軸型ガスタービンは、熱エネルギを発生させる高圧ガスタービン（ＨＰＴ）と、発生させた熱エネルギを回収する低圧ガスタービン（ＬＰＴ）と、を有し、各々の独立した２つの回転軸を有している。

高圧ガスタービンは、外部への機械的な接続を持たないフリータービンであり、低圧ガスタービンへ熱エネルギを供給する役割を担っている。

一方、低圧ガスタービンは、自分自身でエネルギを発生させる機能を持たないエネルギ回収タービンであり、発電機と連携する際は、電力系統に併入するため、外部からの要求にて回転速度を調整する必要がある。

さらに、低圧ガスタービンは、自身を直接的に制御する機器およびシステムを持たないため、負荷遮断時などの緊急の出力減少操作時においては、低圧ガスタービンの加速を抑制させる何らかの方法が必要である。

この改善策として、入口案内翼(Inlet Guide Vane：ＩＧＶ）の開閉動作により、圧縮機に流入する空気の量を調整する方法が、特許文献１に開示されている。

また、燃焼器へ供給する燃料量を絞る方法が考えられる。

特開２００３−１４８１７３号公報

従来のガスタービンの負荷遮断時の回転制御では、燃焼器へ供給する燃料を絞ることや、ＩＧＶの閉動動作により、圧縮機に流入する空気の量を減少することで、ガスタービンの回転速度の上昇を抑制している。

そして、燃焼器へ供給する燃料を調整する燃料調節弁やＩＧＶの閉速度を速くする等により、負荷遮断時に回転速度の上昇をある程度、抑制することは可能である。

しかし、２軸型ガスタービンの低圧ガスタービンには、燃料調節弁やＩＧＶなどの自身を直接的に制御する機器やシステムが備わっていない。

また、２軸型ガスタービンの高圧ガスタービンは、従来と同様に、負荷遮断と同時にＩＧＶを全開に移行すると、圧縮機に流入する空気の量が増大することになり、圧縮機の負荷が増大し、回転速度が減少してしまう可能性があった。

そこで、本発明は、２軸型ガスタービンの低圧ガスタービンの負荷遮断時であっても、圧縮機の負荷を増大させることなく、回転速度の減少を抑制することができるガスタービンの回転制御装置を提供するものである。

本発明の一実施態様であるガスタービンの回転制御装置は、圧縮機，燃焼器，高圧ガスタービン、及び低圧ガスタービンを有する２軸型ガスタービンの負荷が遮断された際に、燃焼器へ供給される燃料を絞り、ガスタービンの回転状態を制御するものである。

そして、この回転制御装置は、低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、圧縮機において圧縮された圧縮空気を抽気する抽気弁及び圧縮機に空気を導入する入口案内翼を開閉制御する信号を、それぞれ、抽気弁及び入口案内翼を駆動するアクチュエータに送信することを特徴とする。

また、低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、ハード回路にて瞬時に、抽気弁を全閉制御することが好ましい。

また、低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、高圧ガスタービンの回転数を抑制するために、入口案内翼を瞬時に中間開度へ閉制御することが好ましい。

また、高圧ガスタービンの回転状態に応じて、入口案内翼を開閉制御することが好ましい。

また、低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、燃焼器に供給する燃料制御指令値を、最小燃料制御指令値にするように、バイアスを負荷することが好ましい。

本発明により、２軸型ガスタービンの低圧ガスタービンの負荷遮断時であっても、圧縮機の負荷を増大させることなく、回転速度の減少を抑制することができるガスタービンの回転制御装置を提供することができる。

２軸型ガスタービンの概略構成図である。 負荷遮断時の回転制御装置の動作図である。 抽気弁の全開制御の具体例を示す図である。 ＩＧＶの開閉制御の具体例を示す図である。 燃料流量指令の絞込み動作の具体例を示す図である。 バイアス補正をする場合のタイムチャートを示す図である。

本発明の実施形態を、以下、説明する。

本実施形態で説明する２軸型ガスタービンの回転制御装置は、低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、車室の抽気弁を開閉制御する制御手段を備え、負荷が遮断された際に車室から空気を放出することで低圧ガスタービンの動力を減少させて、回転速度の上昇を抑制する機能が備えられている。

つまり、２軸型ガスタービンの運転中に負荷が遮断された場合であっても、回転速度の上昇を積極的に抑制し、停止（トリップ）動作へ至らずに運転継続を可能とするものである。

また、本実施形態で説明する２軸型ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機，圧縮空気と燃料と燃焼させ高圧ガスを発生させる燃焼器，高圧ガスによって駆動する高圧ガスタービン、及び低圧ガスタービンを有するものである。

そして、２軸型ガスタービンの回転制御装置は、低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、燃焼器へ供給される燃料が絞られて、ガスタービンの回転状態を制御し、低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、圧縮機からの圧縮空気を外部に流出させる抽気弁を全開制御する。

こうした回転制御装置を用いることにより、負荷が遮断された際に、低圧ガスタービンに流入する空気を急激に減少させた状態で、圧縮機の負荷を減少させずに、回転速度の上昇を抑制することができる。

この結果、自身を直接的に制御する機器およびシステムを持たない低圧ガスタービンであっても、負荷遮断時に回転速度の上昇を積極的に抑制することが可能になる。

また、こうした回転制御装置は、低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、燃焼器に供給される燃料の絞込み動作を行う。つまり、高圧ガスタービンの回転速度の降下量分を、入口案内翼を開閉制御することによって調整する。

この結果、負荷が遮断された際に、圧縮機へ導入される空気量を急激に減少させないので、高圧ガスタービンの回転速度の降下を抑制することができる。

そして、負荷が遮断された後、高圧ガスタービンの回転速度に応じて入口案内翼を開閉制御するため、適切な空気量を導入して、圧縮機の負荷を調整して、高圧ガスタービンの回転速度を保持することができる。

また、回転制御装置には、燃焼器において火炎を維持するための最小燃料制御指令が設定されている。

そして、負荷が遮断された直後において、過渡的な高圧ガスタービンの状態変化により、燃焼器の火炎が喪失する可能性があるが、燃焼器の火炎が喪失することを防止するバイアスを負荷させることにより、燃焼器の失火を防ぐことができる。

以下、図面を用いて、説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る回転制御装置７を備えた２軸型ガスタービンの全体を表す概略構成が示されている。

図１に示すように、２軸型ガスタービンには、高圧ガスタービン１（ＨＰＴ）及び低圧ガスタービン２（ＬＰＴ）、並びに圧縮機３及び燃焼器４が備えられている。

圧縮機３で圧縮された空気が、燃焼器４で燃料と共に燃焼され、高温の燃焼ガスとなり、高圧ガスタービン１で膨張する。

高圧ガスタービン１は、圧縮機３を駆動するとともに、低圧ガスタービン２へ熱エネルギを供給する。

低圧ガスタービン２は、高圧ガスタービン１より供給されたエネルギで発電機等の負荷８を駆動する。

圧縮機３の上流側には、入口案内翼（Inlet Guide Vane：ＩＧＶ）６が備えられている。空気はＩＧＶ６により圧縮機３に導入され、導入された空気は圧縮機３にて圧縮され、圧力が上昇する。一方、圧縮機３の下流側には抽気弁５が備えられている。

ＩＧＶ６や抽気弁５は、アクチュエータ（ＡＣＴ）により駆動され、アクチュエータには回転制御装置７から駆動指令が出力される。

回転制御装置７には、ガスタービンの回転速度，排ガス温度，排ガス圧力，負荷遮断情報等のプロセス情報が入力される。

ＩＧＶ６の開度は、ガスタービンの運転状況に応じて適宜制御され、開度を増減することにより、圧縮機３に導入される空気の流入量を増減するようになっている。

即ち、ＩＧＶ６を駆動するアクチュエータは、回転制御装置７の駆動指令に基づいて駆動され、ガスタービンの運転状況に応じて、所定の開度に開閉駆動される。

また、燃焼器４へ供給する燃料の燃料供給手段（燃料調節弁等）の駆動指令も同様に回転制御装置７からアクチュエータへ出力されるようになっている。

ここで、抽気弁５を駆動するアクチュエータへの回転制御装置７からの指令はハード回路にてなされる。

図２には、負荷遮断時の回転制御装置７の動作が示されている。図２に基づいて、負荷遮断時の回転制御装置７の動作を説明する。

図１に示すような２軸型ガスタービンにおいて、負荷遮断時には、回転制御装置７からの駆動指令により、瞬時に圧縮機３の下流側に設置される抽気弁５を全開動作させて、低圧ガスタービン２の回転速度の上昇を抑制する。

それと同時に、回転制御装置７からの駆動指令により、燃焼器４へ供給する燃料の燃料流量を絞ることで、システム全体のベース動力の低減をはかり、回転速度の上昇を抑制する。

さらに、回転制御装置７からの駆動指令により、圧縮機３の上流側に設置されるＩＧＶ６を開閉制御して中間開度とし、高圧ガスタービン１の回転速度の降下を抑制する。

その後、無負荷定格速度状態となる高圧ガスタービン１と低圧ガスタービン２とのバランスを保持・調整するため、圧縮機３の動力を変化させないよう、ＩＧＶ６を最小開度制御して、ＩＧＶ６の開度を極力小さく抑え、高圧ガスタービン１の速度を高めに維持させることで、自立運転を継続させることが可能になる。

図３には、抽気弁５の全開制御の具体例が示されている。図３に基づいて、抽気弁５の全開制御の具体例を説明する。

図３は、抽気弁５の基本回路を示している。

この回路はハード回路とソフト回路とによって構成されている。

通常時の開閉動作においては、例えば、低圧ガスタービンの回転数と抽気弁の開閉速度設定とを比較して信号を出力するような、ソフト処理されたソフト回路を用いて、回転制御装置７からの指令にて動作させている。

一方、負荷遮断時には、ハード回路にて全開動作させる回路構成としており、ワンショットにて瞬時に抽気弁５を全開動作させる回路となっている。

図４には、ＩＧＶ６の開閉制御の具体例が示されている。図４に基づいて、ＩＧＶ６の開閉制御の具体例を説明する。

図４（ａ）は、回転制御装置７に入力される高圧ガスタービン１の回転数情報および圧縮機３の入口温度情報により、あらかじめ設定されたＩＧＶ６の開度に制御する基本回路である。

図４（ａ）に示される基本回路は、回転制御装置７に入力される高圧ガスタービン１の回転数情報および圧縮機３の入口温度情報を用いて修正速度演算を行い、ＩＧＶ６の速度制御信号を出力する回路と、負荷遮断時にＩＧＶ６の急速閉指令として中間開度まで瞬時に絞込み動作を行うための信号を出力する回路と、ＩＧＶ６の最大開度制御を行うための信号を出力する回路と、を有し、これら回路から出力された信号の低値を選択して、ＩＧＶ６の開度設定を、つまり、開度指令を出力するものである。

こうした基本回路を用い、負荷遮断時には、ＩＧＶ６の急速閉指令として中間開度まで瞬時に絞込み動作を行うための設定値へ切り替えることが可能となる。

負荷遮断時に、瞬時に、ＩＧＶ６の開度を中間開度まで制御して、高圧ガスタービン１の回転数を運転速度の下限値まで減少させずに運転を継続する。そして、回転速度が低下しはじめた段階で、ＩＧＶ６を徐々に閉側に動作させる。これにより、回転速度の降下が確実に抑制され、速度低トリップに至ることがない。

その後、無負荷定格速度状態となる高圧ガスタービン１と低圧ガスタービン２とのバランスを保持するため、圧縮機３の動力を変化させないよう、ＩＧＶ６を最小開度制御し、ＩＧＶ６の開度を極力小さく抑え、高圧ガスタービン１の回転速度を高めに維持させることで、自立運転を継続させることが可能になる。

こうした瞬時の動作を実現すべく、図４（ｂ）に示すようなマスタコントローラ及びサブコントローラを用いて、機能分担を実施し、負荷遮断時には中間開度まで瞬時に絞込み動作を行っている。

図４（ｂ）は、回転制御装置７に設置されるマスタコントローラ及びサブコントローラの機能分担を示す図である。

すなわち、回転制御装置７には、通常演算処理を行うマスタコントローラとマスタコントローラよりも高速で演算可能な高速演算処理を行うサブコントローラとが搭載される。

つまり、高圧ガスタービン１の回転数情報および圧縮機３の入口温度情報は、マスタコントローラに入力され、ＩＧＶ６の開度が設定される。通常状態であれば、こうした開度でＩＧＶ６は制御される。

しかし、負荷遮断情報が、サブコントローラに入力されると、マスタコントローラにて演算されたＩＧＶ６の開度設定指令と共にサブコントローラにて演算されたＩＧＶ６の開度設定指令が比較され、最終的なＩＧＶ６の開度設定指令がサブコントローラから出力される。

図５には、燃料流量指令の絞込み動作の具体例が示されている。図５に基づいて、燃料流量指令の絞込み動作の具体例を説明する。

図５は、燃焼器４にて火炎を維持するための最小燃料制御指令を算出する回路を示すものである。

図５に示される回路は、通常、圧縮機３の入口側温度信号と高圧ガスタービン１の修正された回転速度信号とを乗算し、最小燃料流量指令を作成する。なお、圧縮機３の入口側温度信号は、圧縮器３の吸込空気量補正がなされる。

ここで、こうした回路に負荷遮断情報が入力される場合を説明する。

負荷遮断情報が入力されると、ＩＧＶ６の開度設定値信号と補正バイアス信号とを加算する。これは、負荷遮断情報の入力をトリガーにして、加算選択指令が入力されるためである。

この加算信号と高圧ガスタービン１の修正された回転速度信号とを更に加算する。

ここで、高圧ガスタービン１の修正された回転速度信号と更なる加算信号とを選択回路にて信号選択する。この選択指令も負荷遮断情報の入力をトリガーにして入力される。

最後に、選択された信号と圧縮機３の入口側温度信号とを乗算し、最小燃料流量指令を作成する。

こうした基本回路により、高圧ガスタービン１の修正された回転速度，ＩＧＶ６の開度設定値，圧縮機３の入口側温度の補正により、あらかじめ設定された最小燃料流量を算出することが可能となる。

負荷遮断時の急激な燃料の減少およびＮＯｘ低減操作（水，蒸気投入）の影響により、火炎を喪失することを防ぐために、バイアスを負荷させることが有益であることがわかる。

図６に、バイアス補正をする場合のタイムチャートを示す。

すなわち、図６は、燃料量（ＦＦＤ：実際は燃料を供給する弁の開度％で表示）と時間との関係を示したものであり、負荷遮断信号が入力された際に、燃焼器４にて火炎を維持するための最小燃料（ＦＦＤＭＩＮ）制御指令を算出するまでの時間経過を示したものである。

燃焼器４に対する燃料流量指令（ＦＦＤ）に、負荷遮断情報が入力された場合、先ずは、燃焼器４に供給される燃料を、所定量減少させるため、開度を急速に小さくする。

この場合、ＩＧＶ６の開度設定値信号に補正バイアス信号が加味されることで、圧縮器３から燃焼器４に導入される圧縮空気量についても調整される。

その後、所定時間（β秒）の間、バイアス補正がなされ、燃料量を減少させるため、開度を徐々に小さくする。また、所定時間（β秒）後、燃焼器４に供給される燃料を、所定量減少させるため、開度を急速に絞る。その後、所定時間は開度調整をせず一定を保ち（バイアス２）、その後、徐々に最小燃料（ＦＦＤＭＩＮ）まで、開度を小さくする。

こうした制御を行うことにより、あらかじめ設定された最小燃料流量を算出することが可能となる。

本発明は、高圧ガスタービン及び低圧ガスタービンを有する２軸型ガスタービンの回転制御装置に利用可能である。

１ 高圧ガスタービン
２ 低圧ガスタービン
３ 圧縮機
４ 燃焼器
５ 抽気弁
６ ＩＧＶ
７ 回転制御装置
８ 負荷

Claims (3)

1. 圧縮機，燃焼器，高圧ガスタービン、及び低圧ガスタービンを有する２軸型ガスタービンの負荷が遮断された際に、前記燃焼器への燃料を絞り、前記ガスタービンの回転状態を制御するガスタービンの回転制御装置において、
   前記低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、前記圧縮機からの圧縮空気を抽気する抽気弁及び前記圧縮機に空気を導入する入口案内翼を開閉制御する信号を送信し、前記抽気弁をハード回路にて全開制御し、前記高圧ガスタービンの回転数を抑制するために、前記入口案内翼を中間開度へ閉制御することを特徴とするガスタービンの回転制御装置。
2. 請求項１において、
   前記高圧ガスタービンの回転状態に応じて、前記入口案内翼を開閉制御することを特徴とするガスタービンの回転制御装置。
3. 請求項２において、
   前記低圧ガスタービンの負荷が遮断された際に、前記燃焼器に供給する燃料制御指令値を、最小燃料制御指令値にするように、バイアスを負荷することを特徴とするガスタービンの回転制御装置。

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