JP6563532B2 - ガスタービンのサージマージン制御方法およびガスタービンの抽気装置 - Google Patents

Description

本発明は、多数個の圧縮機ステージが備えられたガスタービンにおいてサージによる振動騒音および流動の不安定性を最小化して安定した圧縮機ユニットの駆動を目的とするガスタービンのサージマージン制御方法およびガスタービンの抽気装置に関する。

通常、ガスタービンや蒸気タービンをはじめ、タービンを備えた機関または装置をターボマシン（Ｔｕｒｂｏ ｍａｃｈｉｎｅ）とする。前記ターボマシンは、流体の熱エネルギーを機械的エネルギーである回転力に変換する動力発生装置であって、流体によって軸回転する回転体および前記回転体を支持し、取り囲む固定体を含んで構成される。

一例として、ガスタービンは、大きく燃焼ガスを生成するための燃焼器と、前記燃焼器から吐出される燃焼ガスによって駆動するタービンおよび燃焼器に高圧の空気を供給する圧縮機を含む。

前記圧縮機は回転される場合、外部の空気を吸入、圧縮して燃焼器に圧縮空気を供給し、前記燃焼器で圧縮空気に燃料を供給して燃焼させることで、高温、高圧の燃焼ガスを生成した後、タービンに供給される。

そして、前記燃焼器から吐出された高温、高圧の燃焼ガスがタービンの回転翼を駆動させてタービンのローターが回転される。

前記タービンは固定翼および回転翼のようなタービンディスクユニットが、前記ロータの軸方向に沿って交互に多段に備えられている。

前記ガスタービンは、始動が行われる際、圧縮機を構成する多数個の圧縮機ステージにおいて多段に圧縮が行われる、この場合、前記圧縮機ステージを構成する初期圧縮機のうちいずれか一つにおいて圧力比が非正常な状態が保持される場合、サージ（ｓｕｒｇｅ）による衝撃および異常音が生じることがある。

前記サージは、主に圧縮機ブレードが設けられた角度と、圧縮空気が前記圧縮機ブレードに向かって供給される供給角度との違いにより生じる。

従来にも圧縮機ステージで生じるサージを遅延させるための努力が多様に試みられているが、前記圧縮機ステージの全体において圧力を基準として制御が行われる場合がほとんどであるので、有効な制御が行われていない。

米国特許ＵＳ９，０２７，３５４

本発明の実施例は、ガスタービンに備えられた圧縮機ステージにおいて、初期圧縮機ステージに対する抽気制御を実施して、サージによる振動騒音および衝撃の発生を抑制し、圧縮機ユニットの安定した作動を図って、ガスタービンの効率を向上させようとする。

本発明の一側面によると、ガスタービンの圧縮機ユニットに備えられた複数個の圧縮機ステージのうち、初期ステージに位置された複数個の圧縮機ステージの回転数および個別圧力比を判断するステップ；および前記初期圧縮機ステージにおいてサージマージンが基準を満たさない場合、前記圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップを含んでいる。

前記圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップは、最初の圧縮が行われる第１圧縮機において抽気が行われる第１抽気ステップを含む。

前記第１抽気ステップは、前記タービンに供給される抽気量が前記サージマージンの状態に応じて増加または減少されることを特徴とする。

前記圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップは、第１抽気ステップ以後にサージマージンが確保されない場合、前記第１圧縮機の次のステージに隣り合って位置された圧縮機ステージにおいて追加で抽気が行われる第２抽気ステップをさらに含む。

前記第２抽気ステップは、前記タービンに供給される抽気量が前記サージマージンの状態に応じて増加または減少されることを特徴とする。

前記圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップは、第１、２抽気ステップ以後にサージマージンが確保されない場合、次の圧縮機ステージにおいて追加で抽気が行われる第３抽気ステップをさらに含む。

前記第３抽気ステップは、前記タービンに供給される抽気量が前記サージマージンの状態に応じて増加または減少されることを特徴とする。

前記第３抽気ステップ以後にサージマージンが安定しない場合は、ガスタービンの作動を中止するステップを含む。

本実施例に係るガスタービンの抽気装置は、ガスタービンの圧縮機ユニットに備えられた複数個の圧縮機ステージのうち、初期ステージに位置された複数個の圧縮機ステージに対する回転数および個別圧力比を感知する感知センサーユニット;前記初期ステージに位置された複数個の圧縮機ステージを取り囲む圧縮機ハウジングの円周方向に一端が連結され、他端がタービンに延長された抽気管;前記抽気管に備えられたバルブユニット；および前記バルブユニットの開度量を前記感知センサーユニットで感知された感知値に基づいて制御する制御部を含む。

前記抽気管は、圧縮機ステージにそれぞれ個別結合されたことを特徴とする。

前記抽気管は、一端が前記圧縮機ハウジングの円周方向から内側に挿入され、複数個が等間隔で配置された分岐管;前記分岐管が、前記圧縮機ハウジングの外側に延長された後に、全て合流されて、単一管で形成されたメイン管を含む。

前記分岐管は、前記圧縮機ハウジングの上下左右対称に配置される。

前記分岐管は、前記メイン管よりも大きい直径で形成される。

前記バルブユニットは、前記圧縮機ステージからそれぞれ延長された分岐管に個別装着されたことを特徴とする。

前記制御部は、前記圧縮機ステージのうち、初期ステージから隣り合った次の圧縮機ステージの順にバルブユニットの開度量を順次制御することを特徴とする。

前記制御部は、前記圧縮機ステージのうち、初期ステージは正常であり、前記初期ステージと隣り合った次の圧縮機ステージが非正常である場合、前記初期ステージおよび次の圧縮機ステージに該当するバルブユニットが全て開放されるように制御することを特徴とする。

本発明の実施例は、ガスタービンの初期圧縮機ステージにおいて回転数および圧力比をリアルタイムで感知し、サージが生じる場合、抽気量の制御を通じて振動および騒音を最小化することができる。

本発明の実施例は、初期圧縮機ステージにおいて抽気の制御を順次実施して、初期圧縮機ステージの安全性を確保することができる。

本発明の実施例は、ガスタービンの効率を向上させることができ、ガスタービンに対する点検または修理のために停止した後に始動が行われる場合にも、圧縮機ステージの安定した作動を図ることができる。

本発明の一実施例に係るガスタービンのサージマージン制御方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施例に係るガスタービンのサージマージン制御方法において時間によるサージマージンの状態を示したグラフである。 本発明の一実施例に係るガスタービンの抽気装置による構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る制御部および前記制御部に連携した構成を示す図である。 本発明の一実施例に係るガスタービンの抽気装置の作動状態図である。 本発明の一実施例に係るガスタービンの抽気装置の作動状態図である。

本発明の一実施例に係るガスタービンのサージマージン制御方法について図面を参照して説明する。

添付された図１または図３を参照すると、本実施例に係るガスタービンのサージマージン制御方法は、多段軸流圧縮機の始動区間において圧縮機ユニットの安全性を確保しようとする。

このため、本実施例では、ガスタービンの圧縮機ユニットに備えられた複数個の圧縮機ステージのうち、初期ステージに位置された複数個の圧縮機ステージの回転数および個別圧力比を判断するステップ（ＳＴ１００）および、前記初期圧縮機ステージにおいてサージマージンが基準を満たさない場合、前記圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップ（ＳＴ２００）を含む。

前記単位圧縮機の回転数および個別圧力比を判断するためには（ＳＴ１００）、前記圧縮機ユニットを構成する単位圧縮機別にそれぞれ個別回転数および圧力比が感知されなければならない。

多段圧縮機は、ガスタービンの軸方向に沿って圧縮機ブレードと圧縮機ベーンとが一対で構成され、これを圧縮機ステージ（ｓｔａｇｅ）と定義する。前記圧縮機ステージは、一例として圧縮機ユニットの内部に１０段から２０段の間をなし、多数個が配置される。

圧縮機ユニットは圧縮機ステージ別に入口空気の圧力と出口空気の圧力との比が特定の圧力で設計される。もし、特定の圧縮機ステージの回転数または圧力比が既に設定された設計値と異なると、圧縮空気によって圧縮機ブレードとの衝撃または流動の不安定に起因する圧縮機ユニットでの振動騒音につながるサージ現状が発生することができる。

本実施例は、かかるサージ現状を最小化するために圧縮機ユニットを構成する多数個の圧縮機ステージのうち、初期ステージに位置された圧縮機ステージの個別回転数および圧力比の状態が正常状態であるか否かをそれぞれ判断する。

前記圧縮機ステージの個別回転数は、ＲＰＭセンサーまたはこれと類似する機能を果たす他のセンサーが用いられることができ、前記圧力比は、圧力センサーによって感知される。

初期ステージに位置された圧縮機ステージにおいてサージが生じる場合、前記圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御（ＳＴ２００）する。本実施例は、一例として、最初の圧縮が行われる第１圧縮機の回転数または圧力比において異常が生じる場合、第１抽気ステップ（ＳＴ２１０）が実施される。

前記第１抽気ステップ（ＳＴ２１０）は、タービンに供給される抽気量が前記サージマージンの状態に応じて増加または減少され、一例として、時間によるサージマージンの状態を示したグラフに基づいて説明する。

前述した第１抽気ステップ（ＳＴ２１０）は、グラフに示されたＡ位置において圧縮機ユニットに対する稼動が保持されず、時間が経過するに伴い、Ｂ位置に向かってグラフの移動軌跡が下向きに移動されることがある。

例えば、グラフは、移動軌跡がＡ位置から下向きしてＢ位置に至る場合、初期圧縮機ステージにおいてサージが生じたと判断する。図３に示された点線は、ＡからＤの位置で要求される圧縮機ユニットが振動または騒音の発生が最小化された状態で安定した作動のためのリミット１から３を示したものである。

この場合、初期圧縮機ステージにおいてタービンに抽気が行われる場合、グラフがＢ位置で後述した第１バルブ３１０（図４参照）がオープンされ、特定量に開度量が調節される場合、初期圧縮機ステージにおいて生じた振動および騒音が低減される。

この場合、初期圧縮機ステージにおけるサージマージンが減少されるので、ガスタービンの出力低下も最小化されることができる。

参考に、前記第１バルブ３１０が閉鎖される場合、グラフの移動軌跡は、Ｂ位置からＡ位置に向かって小幅に移動されることがある。

本実施例は、第１抽気（ＳＴ２１０）が行われる場合、抽気量が完全開放または完全閉鎖されず、圧縮機ユニットの安全性およびガスタービンの効率を考慮して、タービンに供給される抽気量が時間によって比例制御されることができる。ここで、比例制御の意味は、時間によって抽気量が増加または減少されるように、後述する第１から第３バルブ３１０、３２０、３３０によって開度量が調節されることを意味する。したがって、ガスタービンの作動中に、初期圧縮機ステージに備えられた圧縮機ブレードの衝撃発生が減少し、圧縮空気の流動の不安定性も減少されることができる。

圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップは、第１抽気が行われた以後に（ＳＴ２１０）サージマージンが安定しない場合、前記第１圧縮機の次のステージに隣り合って位置された圧縮機ステージにおいて追加で抽気が行われる第２抽気ステップ（ＳＴ２２０）をさらに含む。

前記第２抽気ステップ（ＳＴ２２０）は、前記タービンに供給される抽気量が前記サージマージンの状態に応じて増加または減少され、前述した第１圧縮機で生じたサージマージンは、最初の第１抽気が行われた以後に（ＳＴ２１０）安定することが望ましい。

もし、第１抽気以後に（ＳＴ２１０）安定しておらず回転数または圧力比が続いて増加される場合、グラフのＢ位置からＣ位置に軌跡が移動されながら、サージマージンが減少される。

この場合、Ｃ位置で抽気量が完全開放または完全閉鎖されず、圧縮機ユニットの安全性およびガスタービンの効率を考慮して、タービンに供給される抽気量が時間によって比例制御されることができる。

したがって、ガスタービンの作動中に、初期圧縮機ステージに備えられた圧縮機ブレードの衝撃発生が減少し、圧縮空気の流動の不安定性も減少されることができ、圧縮機ユニットの振動および騒音の発生が減少し、ガスタービンの出力低下も最小化されることができる。

本実施例は、圧縮機ユニットでのサージマージンによって、第１抽気（ＳＴ２１０）および第２抽気（ＳＴ２２０）が順次行われる。もし、第１、２抽気以後にも圧縮機ユニットでサージマージンが基準を満たさない場合は、次の圧縮機ステージにおいて追加で抽気が行われる第３抽気ステップ（ＳＴ２３０）が実施される。

前記第３抽気ステップ（ＳＴ２３０）は、第１、２抽気以後に（ＳＴ２１０、ＳＴ２２０）安定せず、回転数または圧力比が続いて増加する場合、グラフのＣ位置からＤ位置に軌跡が移動されながら、サージマージンが増加される。

この場合、Ｄ位置で抽気量が完全開放または完全閉鎖されず、圧縮機ユニットの安全性およびガスタービンの効率を考慮して、タービンに供給される抽気量が時間によって比例制御されることができる。

したがって、ガスタービンの作動中に、初期圧縮機ステージに備えられた圧縮機ブレードの衝撃発生が減少し、圧縮空気の流動の不安定性も減少されることができ、圧縮機ユニットの振動および騒音の発生が減少し、ガスタービンの出力低下も最小化されることができる。

もし、第３抽気ステップ（ＳＴ２３０）以後にサージマージンが安定する場合には（ＳＴ２５０）、ガスタービンが正常に作動されるものと判断（ＳＴ２６０）する。

もし、第３抽気ステップ（ＳＴ２３０）以後にサージマージンが安定しない場合は、ガスタービンの作動を中止して圧縮機ユニットの故障または誤作動を防ぐことができる（ＳＴ２７０）。

本実施例は、第１抽気以後にサージマージンが持続される場合、第２抽気が実施され、その以後にもサージマージンが持続される場合、第３抽気を通じて圧縮機ユニットの安定した作動を図ることができる。

この場合、第１から第３抽気は順次実施されるため、ガスタービンの安定した作動および効率の向上を同時に図ることができる。

本発明の一実施例に係るガスタービンの抽気装置について図面を参照して説明する。

添付された図２から図４を参照すると、本実施例に係るガスタービンの抽気装置は、ガスタービンの圧縮機ユニット１０に備えられた複数個の圧縮機ステージ１１、１２、１３のうち、初期ステージに位置され複数個の圧縮機ステージ１１、１２、１３に対する個別回転数および圧力比を感知する感知センサーユニット１００と、前記初期ステージに位置された複数個の圧縮機ステージ１１、１２、１３を取り囲む圧縮機ハウジング２０の円周方向に一端が連結され、他端がタービンに延長された抽気管２００と、前記抽気管２００に備えられたバルブユニット３００及び前記バルブユニット３００の開度量を前記感知センサーユニット１００で感知された感知値に基づいて制御する制御部４００とを含む。

前記感知センサーユニット１００は、圧縮機ステージ１１、１２、１３の個別回転数をＲＰＭセンサーまたはこれと類似する機能を果たす他のセンサーが用いられることができ、前記圧力比は、圧力センサーによって感知される。

前記抽気管２００は、圧縮機ステージ１１、１２、１３にそれぞれ個別結合され、一例として一端が前記圧縮機ハウジング２０の円周方向から内側に挿入され、複数個が等間隔で配置された分岐管２１０と、前記分岐管２１０が、前記圧縮機ハウジング２０の外側に延長された後に、全て合流されて、単一管で形成されたメイン管２２０を含む。

前記分岐管２１０は、一例として圧縮機ハウジング２０が円筒状に形成される場合、上下の位置に互いに向き合ってそれぞれ位置されるか、上下左右対称に位置されることができる。

前記分岐管２１０は、いずれも同一直径で形成され、前記圧縮機ステージ１１、１２、１３の内側と連通された状態で結合される。前記分岐管２１０は、レイアウトに応じて異なることはあるが、同一の長さで、前記メイン管２２０に向かって延長される。

前記メイン管２２０が同一直径で形成される場合、バルブユニット３００の開度量によってそれぞれの分岐管２１０を通じて同一の流量の圧縮空気が前記メイン管２２０を経由してタービンに供給されることができる。

したがって、前記分岐管２１０が互いに異なる位置に位置された場合にも、タービン３０に供給される多量の圧縮空気を安定して供給することができるため、供給の安全性が向上される。

本実施例に係るメイン管２２０は、複数個の分岐管２１０が合わさって１つの単一配管でタービンに向かって延長される。前記メイン管２２０は、バルブユニット３００を構成する第１バルブ３１０が備えられ、開度量が制御部４００によって制御されるように構成される。

前記分岐管２１０は、前記メイン管２２０よりも大きい直径で形成されるので、高圧の圧縮空気が前記メイン管２２０に安定して移動されることができ、移動中の圧力降下による問題の発生も最小化されることができる。

前記分岐管２１０は、圧縮機ステージ１１、１２、１３にそれぞれ備えられ、メイン管２２０も前記圧縮機ステージ１１、１２、１３からそれぞれ延長された分岐管２１０と連結されるようにそれぞれ備えされる。

前記メイン管２２０は、タービンに個別供給されず、単一管で合わさって供給されるので、バルブユニット３００の開度状態に応じて、タービンに供給される抽気量が制御される。

本実施例に係るバルブユニット３００は、前記圧縮機ステージ１１、１２、１３からそれぞれ延長された分岐管に個別装着され、第１バルブ３１０と第２バルブ３２０と第３バルブ３３０とで構成される。

第１から第３バルブ３１０、３２０、３３０が全て制御部４００によって制御され、開度量の制御を通じてタービンに供給される抽気量の制御が安定して行われることができる。

添付された図４から図６を参照すると、本実施例に係る制御部４００は、前記圧縮機ステージ１１、１２、１３のうち、初期ステージから隣り合った次の圧縮機ステージの順にバルブユニット３００の開度量を順次制御する。すなわち、制御部４００は、前記圧縮機ステージ１１に対する第１バルブ３１０をオープン状態に制御した後に隣り合った圧縮機ステージ１２に対する抽気のために第２バルブ３２０がオープンされるように制御することができる。

そして、隣り合った圧縮機ステージ１３に対する抽気のための第３バルブ３３０がオープンされるように制御すると、タービン３０に供給される圧縮空気が供給されることができる。この場合、高圧の圧縮空気は、太い実線の移動経路に沿って移動される。

本実施例に係る制御部４００は、前記圧縮機ステージ１１、１２、１３のうち、初期ステージ１１は正常であり、前記初期ステージ１１と隣り合った次の圧縮機ステージ１２が非正常である場合、前記初期ステージ１１および次の圧縮機ステージ１２に該当する第１、２バルブユニット３１０、３２０が全て開放されるように制御することができる。

この場合、抽気された空気は、太い実線で示された移動経路に沿ってタービン３０に供給されるので、サージによる振動および騒音が抑制され、ガスタービンの安定した作動が保持される。

１０…圧縮機ユニット
１１、１２、１３…圧縮機ステージ
２０…圧縮機ハウジング
１００…感知センサーユニット
２００…抽気管
２１０…分岐管
２２０…メイン管
３００…バルブユニット
４００…制御部

Claims (12)

1. ガスタービンの圧縮機ユニットに備えられた複数個の圧縮機ステージのうち、初期ステージに位置された複数個の圧縮機ステージの回転数および個別圧力比を判断するステップと、
   初期圧縮機ステージにおいてサージマージンが基準を満たさない場合、前記複数個の圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップと、
   を含み、
   前記圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップは、
   最初の圧縮が行われる第１圧縮機ステージにおいて抽気が行われる第１抽気ステップと、
   前記第１抽気ステップ以後に、サージマージンが安定しない場合、前記第１圧縮機ステージの次のステージに隣り合って位置された圧縮機ステージにおいて追加で抽気が行われる第２抽気ステップと、
   を含むガスタービンのサージマージン制御方法。
2. 前記第１抽気ステップは、前記タービンに供給される抽気量が前記サージマージンの状態に応じて増加または減少される請求項１に記載のガスタービンのサージマージン制御方法。
3. 前記第２抽気ステップは、前記タービンに供給される抽気量が前記サージマージンの状態に応じて増加または減少される請求項１又は２に記載のガスタービンのサージマージン制御方法。
4. 前記圧縮機ステージ別にタービンに圧縮空気を抽気してサージマージンを制御するステップは、第１、２抽気ステップ以後に、サージマージンが安定しない場合、次の圧縮機ステージにおいて追加で抽気が行われる第３抽気ステップをさらに含む請求項１に記載のガスタービンのサージマージン制御方法。
5. 前記第３抽気ステップは、前記タービンに供給される抽気量が前記サージマージンの状態に応じて増加または減少される請求項４に記載のガスタービンのサージマージン制御方法。
6. 前記第３抽気ステップ以後にサージマージンが確保されない場合には、ガスタービンの作動を中止するステップを含む請求項４または請求項５に記載のガスタービンのサージマージン制御方法。
7. ガスタービンの圧縮機ユニットに備えられた複数個の圧縮機ステージのうち、初期ステージに位置された複数個の圧縮機ステージに対する個別回転数および圧力比を感知する感知センサーユニットと、
   前記初期ステージに位置された複数個の圧縮機ステージを取り囲む圧縮機ハウジングの円周方向に一端が連結され、他端がタービンに延長された抽気管と、
   前記抽気管に備えられたバルブユニットと、
   前記バルブユニットの開度量を前記感知センサーユニットで感知された感知値に基づいて制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、サージマージンが基準を満たさない場合、前記初期ステージに位置された前記複数個の圧縮機ステージのうち、最初の圧縮が行われる第１圧縮機ステージに接続された抽気管のバルブユニットの開度量を制御した後、
   サージマージンが安定しない場合、前記第１圧縮機ステージに隣り合った次のステージに位置された圧縮機ステージに接続された抽気管のバルブユニットの開度量を制御する、
   ガスタービンの抽気装置。
8. 前記抽気管は、圧縮機ステージにそれぞれ個別結合される請求項７に記載のガスタービンの抽気装置。
9. 前記抽気管は、一端が前記圧縮機ハウジングの円周方向から内側に挿入され、複数個が等間隔で配置された分岐管と、
   前記分岐管が、前記圧縮機ハウジングの外側に延長された後に、全て合流されて、単一管で形成されたメイン管を含む請求項８に記載のガスタービンの抽気装置。
10. 前記分岐管は、前記圧縮機ハウジングの上下左右対称に配置された請求項９に記載のガスタービンの抽気装置。
11. 前記バルブユニットは、前記圧縮機ステージからそれぞれ延長された分岐管に個別装着される請求項９に記載のガスタービンの抽気装置。
12. 前記制御部は、前記第１圧縮機ステージは正常であり、前記第１圧縮機ステージと隣り合った次の圧縮機ステージが非正常である場合、前記第１圧縮機ステージおよび前記次の圧縮機ステージに該当するバルブユニットが全て開放されるように制御する請求項７に記載のガスタービンの抽気装置。