JP5193197B2 - ガスタービン作動方法ならびに当該方法を実施するためのガスタービン - Google Patents
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Description
電力を形成するためのガスタービン装置にはふつう、図1のように圧縮機11が含まれており、この圧縮機により、圧縮機入口18を介して空気が周囲から吸引され、この空気が圧縮され、圧縮されたこの空気が圧縮機出口19を介して後続の燃料室15に送出され、この燃焼室においてこの空気が使用されて、燃料供給路20によって供給される液状またはガス状の燃料を燃焼させる。燃焼の際に発生した高温ガスは、タービン入口21を介して後続のタービン12に供給され、このタービンにおいて出力を発生して膨張する。膨張したガスは、タービン出口22において排気ガスと排出される。タービン12は、共通のシャフト14を介して圧縮機11も発電機13も共に駆動し、この発電機端子において電力が取り出され、また変圧器16を介してローカルまたは国の給電網に送出することができる。
本発明の課題は、ガスタービン作動方法ならびにこの方法を実施するガスタービンであって、公知の解決手段の欠点を回避しかつ殊にパワーアイランドに使用される装置に有利な作動方法ならびガスタービンを提供することである。
− 周囲温度、
− 圧縮機入口温度、
− 圧縮機出口温度、
− タービン出口温度、
− 周囲空気圧力、
− 圧縮機出口における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力、
− タービン入口における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力、
− 圧縮機出口とタービン入口との間における圧力損失、
− ガスタービンの回転数または給電網周波数、
− 燃料室に供給される燃料の測定したまたはあらかじめ設定した質量流、および
− 燃料の低位発熱量
を測定ないしは求めて、測定ないしは求めたパラメタから、ガスタービンの実効熱出力を計算し、または計算したこの実効熱出力をガスタービンの閉ループ制御に使用することである。
− 周囲温度、
− 圧縮機入口温度、
− 圧縮機出口温度、
− タービン出口温度、
− 周囲空気圧力、
− 圧縮機出口における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力、
− タービン入口における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力、
− 圧縮機出口とタービン入口との間での圧力損失、
− ガスタービンの回転数または給電網周波数、
− 燃料室に供給される燃料の測定したまたはあらかじめ設定した質量流、および
− 燃料の低位発熱量
に対して測定値センサがガスタービンの対応する個所に設けられており、これらの測定値センサが、上記の閉ループ制御部に接続されており、これらの測定値センサから送出されるデータから、ガスタービンの実効温度出力が計算されるようにこの閉ループ制御部が設計されていることを特徴とする、ガスタービンによって解決される。
PGT∝f1(p3)・f2(mfuel)・f3(LHV)・f4(nGT)・f5(T2)
にしたがって計算され、ここでf1,…,f5は個々のケースに対して決定される関数であり、p3は圧縮機出口圧力であり、mfuelは燃料質量流であり、LHVは燃料の低位発熱量であり、nGTはガスタービンの回転数であり、T2は、圧縮機入口温度である。
本発明は、(すでに上で述べたように)発電機端子における実際出力(PGENO)には、ガスタービンの熱出力(PGT)に加えて、運動についての出力(PKINETIC)が含まれているという事実を出発点とし、ここでこの出力は、アイランドにぶら下がっている消費装置における上記のようなイベント中の全体的な慣性モーメント(JISLAND)にも、また給電網周波数の時間微分(dn/dt)にも比例する。
(1) PGENO=PGT+PKINETIC=PGT −4π2・JISLAND・n・(dn/dt)
であり、ここでこの式は定常状態に対して簡略化して
(2) P GENO=PGT
とすることが可能である。
(3) PGT ∝ mexh・(h6-h7)
にしたがい、ここでインデックス「6」および「7」は、タービン入口(21)およびタービン出口(22)における条件に関係する。
(4) PGT ∝ f1(p3)・f2(mfuel)
によって近似することができる。
(5) PGT∝f1(p3)・f2(mfuel)・f3(LHV)
さらに給電網周波数における変動(ガスタービンのロータ速度における相対変化に等しい変動)を調整しようとし、また周囲温度における変化を考慮しようとする場合、上記の式(5)から最終的につぎの式
(6) PGT∝f1(p3)・f2(mfuel)・f3(LHV)・f4(nGT)・f5(T1)
が得られる。
(7) PGT∝f1(p3)・f2(mfuel)・f3(LHV)・f4(nGT)・f5(T2)
が得られる。
− 周囲温度T1,
− 圧縮機入口温度T2,
− 圧縮機出口温度,
− タービン出口温度、
− 周囲空気圧力、
− 圧縮機出口19における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力p3、
− タービン出口21における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力、
− 圧縮機出口19とタービン入口21との間での圧力損失、
− ガスタービン10の回転数nGTまたは給電網周波数、
− 圧縮機11の可変入口静翼VIGVの位置、
− 燃料室15に供給される燃料の測定したまたはあらかじめ設定した質量流mfuel,
− 水ないしは蒸気が付加的にガスタービンの1コンポーネントに注入される場合、水または蒸気の測定されるまたはあらかじめ設定される質量流、および
− 例えばオンラインガスクロマトグラフ(GC)をベースにした燃料の低位熱量(LHV)が処理されるのである。
− 測定値センサ23は、圧縮機11の可変入口静翼VIGVの位置に対して設けられており、
− 圧縮機入口18における測定値センサ24は、圧縮機入口18における圧力および/または温度に対して設けられており、
− 測定値センサ25は、周囲温度T1および/または周囲空気圧力に対して設けられており、
− 燃料供給部20における測定値センサ26により、燃料質量流mfuelが測定され、
− 燃料供給部20における測定値センサ27は、例えばガスクロマトグラフとして構成されておりかつ燃料の低位発熱量LHVを測定し、
− タービン入口21に配置される測定値センサ28により、タービン入口圧力が測定され、
− タービン出口22に配置される測定値センサ29は、タービン出口温度を測定するために設けられており、
− シャフト14に配置される測定値センサ30により、シャフト14の回転数が記録され、
− 冷却媒体供給部34に配置される測定値センサ31により、冷却媒体の質量流が測定され、
− 圧縮機出口19に設けられる測定値センサ32により、圧縮機出口温度および圧縮機出口圧力が測定され、また
− 上記の発電機端子に配置される測定値センサにより、この発電機端子における電力が測定される。
− 出力測定のダイナミックが欠如している(すなわち測定が十分に高速でない);
− および/または出力ロッド(Leistungsstrang)の運動的な出力
が理由になり得るのである。
1. 発電機端子におけるガスタービンの実際出力(PGENO)が直接測定できない。これは例えばつぎのような場合である。
a. パワーアイランドをサポートするためのガスタービン動作時。すなわち、例えば高速の過渡的な動作状態および/または網周波数変動の間。
b. 1シャフト構成のコンビネーション形発電所におけるガスタービン動作時。
35 閉ループ制御部出力側
Claims (13)
- ガスタービン(10)を作動させる方法であって、
該ガスタービンは給電網にエネルギーを供給し、また
該ガスタービンには、
周囲から吸引した燃焼空気を圧縮する圧縮機(11)と、
当該の燃焼空気を用いて、供給される燃料を燃焼させる燃焼室(15)と、
当該の燃焼室(15)からの高温ガスによって駆動されるタービン(12)と、
当該のタービン(12)によって駆動されて電力を形成する発電機(13)とが含まれる形式の、ガスタービンを作動させる方法において、
当該ガスタービンの以下のパラメタのうちの1つまたは複数のパラメタ、すなわち、
− 周囲温度(T1)、
− 圧縮機入口温度(T2)、
− 圧縮機出口温度、
− タービン出口温度、
− 周囲空気圧力、
− 圧縮機出口(19)における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力(p3)、
− タービン入口(21)における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力、
− 圧縮機出口(19)とタービン入口(21)との間での圧力損失、
− ガスタービン(10)の回転数(nGT)または給電網周波数、
− 燃料室(15)に供給される燃料の測定したまたはあらかじめ設定した質量流量(mfuel)、および
− 燃料の低位発熱量(LHV)
を測定ないしは求め、測定ないしは求めた当該のパラメタから、ガスタービン(10)の実効熱出力(PGT)を計算し、また計算した当該の実効熱出力(PGT)をガスタービン(10)の閉ループ制御に使用し、
前記の圧縮機(11)には可変入口静翼(VIGV)が含まれており、
前記の実効熱出力(PGT)を計算する際に、当該可変入口静翼(VIGV)の位置を別のパラメタとして考慮する、
前記のガスタービン(10)の実効熱出力(PGT)を式
PGT∝f1(p3)・f2(mfuel)・f3(LHV)・f4(nGT)・f5(T2)
にしたがって計算し、ここで
f1,…,f5は個々のケースに対して決定される関数であり、
p3は圧縮機出口圧力であり、
mfuelは燃料質量流量であり、
LHVは燃料の低位発熱量であり、
nGTはガスタービン(10)の回転数であり、
T2は、圧縮機入口温度であることを特徴とする、
ガスタービン(10)を作動させる方法。 - ガスタービン(10)の任意の個所(34)に冷却媒体を供給し、
前記の実効熱出力(PGT)を計算する際に、冷却媒体の質量流量を別のパラメタとして考慮する、
請求項1に記載の方法。 - 前記の式にて圧縮機入口温度(T2)の代わりに周囲温度(T1)を変数として使用する、
請求項1に記載の方法。 - ガスタービン(10)における経年変化作用を考慮するため、当該ガスタービン(10)が平衡状態または定常状態にある所定の時点にガスタービン(10)の実効熱出力(PGT)を、発電機端子で測定した出力を介して測定し、
当該の計算した実効熱出力(PGT)との比較によって前記の式に現れる係数を適合化する、
請求項3に記載の方法。 - 前記の式における燃料の低位発熱量(LHV)を時折適合化する、
請求項4に記載の方法。 - 前記のガスタービン(10)の実効熱出力(PGT)を継続して測定し、
ガスタービン(10)の閉ループ制御に対して選択的に前記の実効熱出力(PGT)の測定値または計算値を使用し、
ガスタービン(10)および給電網の状態にしたがってガスタービン(10)の閉ループ制御を前記の測定値から計算値にまたはその逆に自動的に切り換える、
請求項4に記載の方法。 - ガスタービン(10)が定常の動作状態にある場合には前記の実効熱出力(PGT)の測定値を使用してガスタービンを閉ループ制御し、
ガスタービン(10)が高速に変化する移行状態にある場合および/または給電網が不安定な場合には前記の実効熱出力(PGT)の計算値を使用する、
請求項6に記載の方法。 - 請求項1から7までのいずれか1項に記載の方法を実施するガスタービン(10)であって、
該ガスタービンには、
周囲から吸引した燃焼空気を圧縮する圧縮機(11)と、
当該の燃焼空気を用いて、供給される燃料を燃焼させる燃焼室(15)と、
当該の燃焼室(15)からの高温ガスによって駆動されるタービン(12)と、
当該のタービン(12)によって駆動されて電力を形成する発電機(13)とが含まれており、
前記のガスタービン(10)の動作を制御する閉ループ制御部(17)が設けられている形式の、ガスタービンにおいて、
つぎのパラメタのうちの1つまたは複数に対して、すなわち、
− 周囲温度(T1)、
− 圧縮機入口温度(T2)、
− 圧縮機出口温度、
− タービン出口温度、
− 周囲空気圧力、
− 圧縮機出口(19)における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力(p3)、
− タービン入口(21)における全体圧力または静的絶対圧力または過圧力、
− 圧縮機出口(19)とタービン入口(21)との間での圧力損失、
− ガスタービン(10)の回転数(nGT)または給電網周波数、
− 燃料室(15)に供給される燃料の測定したまたはあらかじめ設定した質量流量(mfuel)、および
− 燃料の低位発熱量(LHV)
に対して測定値センサ(23〜33)がガスタービン(10)の対応する個所に設けられており、
該測定値センサは、前記の閉ループ制御部(17)に接続されており、
前記の測定値センサ(23〜33)から送出されるデータから、ガスタービン(10)の実効熱出力(PGT)が計算されるように当該閉ループ制御部(17)が設計されていることを特徴とする
ガスタービン(10)。 - 前記の圧縮機(11)には可変入口静翼(VIGV)が含まれており、
当該の可変入口静翼(VIGV)の位置を記録しかつ前記の閉ループ制御部(17)に接続されている測定値センサ(23)が前記圧縮機(11)に配置されている、
請求項8に記載のガスタービン。 - 冷却媒体によってガスタービン(10)を冷却する装置(34)がガスタービン(10)に設けられており、
当該の冷却媒体の質量流量を測定しかつ前記閉ループ制御部に接続される測定値センサ(31)が当該ガスタービン(10)に配置されている、
請求項8または9に記載のガスタービン(10)。 - 前記の発電機(13)の端子にて送出される出力を測定しかつ前記の閉ループ制御部(17)に接続される手段(33)が発電機端子に取り付けられている、
請求項8から10までのいずれか1項に記載のガスタービン。 - 請求項1から7までのいずれか1項に記載の方法を実施するガスタービンにおいて、
当該ガスタービンは実質的に、
少なくとも1つの圧縮機からなる圧縮機ユニットと、
当該の圧縮機ユニットが作用する下流の第1燃焼室と、
当該の第1燃焼室が作用する下流の第1タービンと、
当該の第1タービンが作用する下流の第2燃焼室と、
当該の第2燃焼室が作用する下流の第2タービンとからなり、
前記の第1燃焼室および第2燃焼室は、環状の構造を有しており、
第2燃焼室は、自己点火形燃焼室として構成されていることを特徴とする
ガスタービン。 - 前記の第2燃焼室には、うずを形成する要素が取り付けられている、
請求項12に記載のガスタービン。
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