CN104420991B - 双轴燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双轴燃气轮机，其即使在由多年退化引起的压缩机效率下降时，也能够抑制由燃烧器排出的NOx的增加。是具备内燃机气化器和动力涡轮的双轴燃气轮机，具备：测量上述压缩机的控制参数的机构；以及控制装置，该控制装置根据由测量出的上述控制参数而计算出的上述压缩机的效率下降的程度，将上述内燃机气化器的转数目标值设定为比未产生上述压缩机的效率下降的情况下的目标转数小的值，并基于设定的上述目标转数与实际转数的差异而控制上述内燃机气化器的转数。

Description

双轴燃气轮机

技术领域

本发明涉及具备内燃机气化器和动力涡轮的双轴燃气轮机。

背景技术

双轴燃气轮机主要包括由压缩机、燃烧器、以及高压叶轮机构成的内燃机气化器和连接负载的动力涡轮(低压叶轮机)，内燃机气化器的转轴与动力涡轮的转轴分离。另外，各自的转数独立控制。

在日本特开2011-38531号公报(专利文献1)中，记载了涉及内燃机气化器侧的转轴的转数控制方法。具体地说，为了解决伴随由大气温度变化等引起的转数变化的共振问题，所公开的控制方法具备2种控制模式：基于对应使用于低速旋转时的大气温度的内燃机气化器轴的修正转数，调整压缩机入口导向叶片(IGV)的散度的第1控制模式；以将使用于高数旋转时的内燃机气化器轴的实际转数保持一定的方式调整压缩机入口导向叶片(IGV)的散度的第2控制模式。

另外，在日本特开2011-102548号公报(专利文献2)中，记载了涉及用于限制仍燃气叶轮机输出的输出控制技术。具体地说，公开了一种控制方法：通过从叶轮机的总输出减去高压叶轮机的负载，求出低压叶轮机的轴输出，由该输出和其他途径设定的输出上限值计算转数修正值，以此为基础修正转数目标值。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2011-38531号公报

专利文献2：日本特开2011-102548号公报

当长时间使用双轴燃气轮机时，在压缩机的叶片部附着大气中的污垢，压缩机的效率下降，对转动所必需的压缩机动力变大。如专利文献1所述，以将内燃机气化器的修正转数或者实际转数维持一定的方式控制的情况下，需要将压缩机入口导向叶片(IGV)的散度变小，减小压缩机的风量。通过该控制，由风量减少而引起的压缩动力下降和由压缩机功率下降而引起的压缩动力的增加相互抵消，能够将转数保持为一定。

可是，此时，对于内燃机气化器的燃烧器来说，有由空气流量减少而引起燃料浓度变高、燃烧温度变高、从燃烧器排出的NOx增加的缺点。尤其如专利文献2所表示的，以动力涡轮的输出为一定的方式控制的情况下，为了补偿风量减少量的输出下降而增加燃料流量，所以，NOx排出量显著增加。而且，通常当IGV散度变小时，压缩机性能下降的倾向，通过内燃机气化器的转数一定控制，IGV散度进一步减小，NOx排出量增加。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种即使在由于长期退化而导致的压缩机效率下降时也能够抑制由燃烧器排出的NOx的增加的双轴燃气轮机。

为了解决上述课题，本发明具备：测量上述压缩机的控制参数的机构；以及控制装置，该控制装置根据由测量的上述控制参数而计算出的上述压缩机的效率下降程度，将上述内燃机气化器的转数目标值设定为比不产生上述压缩机的效率下降的情况下的目标转数小的值，基于设定的上述目标转数与实际转数的差异，控制上述内燃机气化器的转数。

发明效果

根据本发明，能够提供一种即使在由多年退化引起的压缩机效率下降时，也能够抑制由燃烧器排出的NOx增加的双轴燃气轮机。

附图说明

图1是表示涉及本发明的第1实施例的双轴燃气轮机的结构的流程图。

图2是表示内燃机气化器的转数与压缩机入口导向叶片散度的关系的图。

图3是表示压缩机效率下降程度与内燃机气化器目标转数的关系的图。

图4作为压缩机效率下降检测方法的一个例子，将由压力比求出在不发生压缩机效率下降的状态中的温度比的计算器403的一个例子、以及与由检测出的温度比之差求出效率下降程度(Δη)的计算器404的一个例子合并表示的关系图。

图5作为压缩机效率下降检测方法的又一个例子，将由IGV散度以及转数求出在不发生压缩机效率下降的状态中的压缩机出口温度的计算器403的一个例子、以及由与检测的温度之差求出效率下降程度(Δη)的计算器404的一个例子合并表示的关系图。

图6是表示涉及本发明的第1实施方式的控制器的详细内容的方框图。

图7是表示涉及本发明的第2实施方式的控制器的详细内容的方框图。

图8是表示涉及本发明的第2实施方式的压缩机效率下降程度和内燃机气化器目标旋转偏差的关系的图。

图中：1—压缩机，2—燃烧器，3—高压叶轮机，4—内燃机气化器，5—动力涡轮(低压叶轮机)，6—发电机，100—燃气轮机吸入的空气(大气压)，101—压缩空气(燃烧空气)，102—燃烧气体，103—内燃机气化器废气，104—动力涡轮废气，200—燃料，301—压缩机入口空气温度(T1)检测器，302—压缩机入口空气压力(P1)检测器，303—压缩机出口空气温度(T2)检测器，304—压缩机出口空气(P2)检测器，305—内燃机气化器转数检测器，306—动力涡轮转数检测器，307—压缩机入口空气导向叶片，308—燃料供给系统，400—控制器，401～407—计算器，408—1次延迟要素，40—计算器。

具体实施方式

(1)第1实施例

以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。

图1是表示涉及本发明的第1实施例的双轴燃气轮机的整体结构的流程图。如图1所示，双轴燃气轮机，作为主要结构，由内燃机气化器4和动力涡轮5构成。

这其中的内燃机气化器4，作为主要结构，由以下部件构成：压缩空气100，产生高压燃气用空气101的压缩机1；燃烧由该压缩机1导入的压缩空气101和燃料200，产生燃烧气体102的燃烧器2；通过由该燃烧器2产生的燃烧气体102驱动的高压叶轮机3。压缩机1与高压叶轮机3用内燃机气化器的旋转轴11连结，压缩机2由高压叶轮机3驱动。

另一方面，动力涡轮(低压叶轮机)5由来自内燃机气化器的燃烧气体103驱动。成为负载的发电机6通过旋转轴12与动力涡轮5连结，由动力涡轮5驱动。并且，内燃机气化器4与动力涡轮5的转数由控制器400各自独立地控制。

在压缩机1的入口及出口上，分别安装检测入口温度T1的温度检测器301及检测出口温度T2的温度检测器303、检测入口压力P1的压力检测器302及检测出口压力P2的压力检测器304。另外，在旋转轴11上安装检测内燃机气化器4的转数N1的转数检测器305，在旋转轴12上安装检测动力涡轮5的转数N2的转数检测器306。

其次，关于涉及本实施例的双轴燃气轮机的转数控制进行说明。

首先，动力涡轮5的转数通过燃料供给系统308的控制，增减燃料200的流量来控制。发电机6与其他发电机独立的情况下，若电力的消费量增加，则发电机6及动力涡轮5的转数下降。因此，基于目标转数与作为转数检测器306测定结果的实际转数N2的差，增加燃料200的流量，转数N2以保持为目标转数的方式控制。相反，若电力消费量减少，则发电机6与动力涡轮5的转数增加。因此，基于目标转数与实际转数N2的差，减少燃料200的流量减少，转数N2以保持为目标转数的方式控制。

另一方面，发电机与其他发电机一起与电力系统连接的情况下，发电机6及动力涡轮5的转数N2与电力系统的频率一致。因此，动力涡轮5，代替直接控制转数N2，通过与对发电机6的输出指令的增减成比例地增减燃料200的流量来控制。

其次，关于内燃机气化器4侧的转数N1的控制进行说明。燃料流量，如上述由动力涡轮侧的转数控制来决定，通过该燃料流量的增减，高压叶轮机3的输出也增减。相对于此，内燃机气化器4侧，以高压叶轮机3的输出与压缩机1的动力平衡的方式，例如，变更入口导向叶片307的散度来控制。

具体地说，如图2所示，伴随着燃料流量的增加，高压叶轮机3的输出也增加，当转数(图2的横轴)增加时，在增加纵轴的入口导向叶片散度的方向上控制起作用，压缩机的吸入流量增加。通过增加压缩机的吸入流量从而增加压缩机动力，使高压叶轮机3的输出与压缩机1的动力取得平衡。

相反，伴随着燃料流量的减少，高压叶轮机3的输出也减少，当图2横轴的转数下降时，在减少纵轴的入口导向叶片散度的方向上控制起作用，压缩机的吸入流量减少。通过压缩机的吸入流量减少而减少压缩机的动力，能够使高压叶轮机3的输出与压缩机1的动力平衡。

并且，在高转数区域，例如，如图2中A所示的实线，通过相对于内燃机气化器4的转数305，加大压缩机入口导向叶片307的散度的变化，能进行将转数以目标转数大致保持为一定的控制。

在图2中，实线A表示未使用考虑了由多年退化而引起的效率下降的转数的修正的情况(包含不产生多年退化的情况)的运转线，实线B表示使用考虑了由多年退化引起的效率下降的转数的修正的情况的运转线。并且，A1表示压缩机1的效率未下降的情况的状态，A2及B1表示压缩机1的效率下降的情况下的状态。

在此，A2未使用考虑了由多年退化而引起的效率下降的转数的修正，伴随着由效率下降而引起的压缩机动力增加，减小压缩机入口导向叶片307的散度，以使内燃机气化器4的转数N1与A1的情况相同的方式进行控制。其结果，流入燃烧器的燃烧空气的流量减少，燃料浓度增高，有火焰的高温化而导致NOx排出量增加的趋势。相对于此，B1通过考虑由多年退化而引起的效率下降地修正转数的后述的控制，将内燃机气化器的转数减小，所以，入口导向叶片307的散度能够与A1的情况保持相同。由此，能够抑制流入燃烧器的燃烧空气的减少，抑制NOx排出量的增加。

然后，关于本实施例的双轴式燃气轮机所具备的控制器400的详细内容，使用图3～图6进行说明。图6是表示控制器结构的方框图，图3～图5是模式化表示控制器内的计算器的输入输出的关系的图表。

首先，压缩机1的入口温度T1和出口温度T2通过热电偶等的温度检测器301、303进行测定，输入至控制器400中。在计算器401中，例如，输出温度比T2/T1。同样，压缩机1的入口压力P1和出口压力P2通过压力电传器等的压力检测器302、304进行测定，输入至控制器400中。在计算器402中，例如，输出压力比P2/P1。该压力比P2/P1为计算器403的输入。

在计算器403中，例如，如图4中实线所示，将压力比P2/P1的值作为基础，输出压缩机1的效率未下降的状态下的温度比(C)。并且，通过计算器404，由实际温度比T2/T1(B1)与作为计算器403的输出的温度比(C)(压缩机1的效率未下降的状态下的值)的差，计算压缩机1的效率下降程度Δη，作为计算器404的输出。

其次，在计算器405中，例如，如图4所示，将效率下降程度Δη作为基础，输出内燃机气化器的目标转数。具体地说，图3中的N0是压缩机1的效率未下降的状态下的目标转数(额定转数)，对应效率下降程度Δη，作为目标转数，设定为比N0更小的NB。并且，效率下降程度Δη为极大的情况下，目标转数急剧下降，压缩机1的电涌容限变小。因此，在本实施方式中，为了Δη为极大的情况下也保持着充足的电涌容限以确保可靠性，将目标转数设定为下限NL。

并且，在计算器406中，根据图2中所表示的关系，通过基于目标转数与实际转数N1之间的差异，控制入口导向叶片(IGV)307的散度，能够使压缩机1的动力与高压叶轮机3的输出平衡，以成为图2中B的实线上的方式控制内燃机气化器的转数N1。另外，在计算器406中输入目标转数NB，如图2所示，高转数区域中的目标转数由于压缩机的效率下降，由N0的状态向NB的状态变化。

在以上的说明中，作为压缩机1的控制参数，如图4所示，利用压缩机入口的温度T1、压力P1、出口的温度T2、压力P2，但例如如图5所示，也可以代替测量压力比P2/P1，由入口导向叶片(IGV)散度和转数(N1)的数据求出相当于压力比P2/P1的量。入口导向叶片(IGV)的散度可以用来自控制器400的指令值代替，该控制如上述，以转数(N1)为基础而进行，所以，不需要设置压力检测器302、304测定P1及P2，可简便地控制。而且，通常，T1可根据季节和时间进行某种程度推断，通过由温度检测器303只测量T2，如图5所示，也能够简单地推断Δη。

如上述，本实施例的双轴燃气轮机具备：测量压缩机的控制参数的机构；控制装置400，其根据由测量而来的控制参数计算出的压缩机1的效率下降程度Δη，将内燃机气化器4的转数目标值设定为比不发生压缩机1效率下降的情况的目标转数N0更小的值，基于设定的上述目标转数NB与实际转数N1的差异，控制内燃机气化器4的转数N1。并且，根据具备这样结构的本实施例的双轴燃气轮机，即使在压缩机叶片中附着吸入空气中的污垢等而导致效率下降的情况下，也不会发生入口导向叶片(IGV)散度变得过小的情况，所以，能够适当地保持燃烧器2中的燃料200和燃烧空气101的比例，可抑制NOx排出量的增加。

另外，作为控制参数的的测量机构，包含压缩机出口的空气温度T2的检测机构303，不仅如此，由于包含压缩机入口的空气温度T1的检测机构301、压缩机入口的压力P1的检测机构302、压缩机出口的空气压力P2的检测机构304中的任一个或全部，能够把握压缩机1出口温度T2和风量，所以，可更加准确地把握构成双轴燃气轮机的压缩机1的效率下降程度Δη，可为高可靠性的控制，能够有效地抑制NOx排出量的增加。

另外，作为控制参数的测量机构，包含压缩机出口的空气温度T2的检测机构303，不仅如此，即使在包含压缩机的入口导向叶片307的散度的检测机构、内燃机气化器4的转数N1的检测机构305、及上述压缩机出口的空气压力P2的检测机构304中的任一个或者全部的情况下，也能够把握压缩机1的出口空气温度T2和风量，所以，更准确地把握构成双轴燃气轮机的压缩机1的效率下降程度Δη，可为高可靠性的控制，能够有效地抑制NOx排出量的增加。

另外，将下限NL设定为考虑了效率下降程度Δη的转数目标值，所以，在本实施例中的双轴燃气轮机中，即使在Δη为极大值的情况下，也能够保持充足的电涌容限，能够确保控制的可靠性。

(2)第2实施例

其次，关于本发明的第2实施例，在图7及图8中表示进行说明。

与对应的图6及图3所表示的第1实施例不同点在于：插入一次延迟要素408，减小由考虑效率下降程度Δη的控制引起的目标转数的时间变化率。

图7中的计算器407输入作为计算器404的输出的效率下降程度Δη，计算内燃机气化器的目标转数的偏差量并输出。使用图8说明具体例子。

首先，在压缩机效率未下降的情况下(A1)，使内燃机气化器目标转数与在图3中的N0一致，所以，偏差如图8所示计算出为0。当在压缩机叶片上附着污垢时，效率下降程度Δη的值变大，对应于此，目标转数偏差ΔN的绝对值变大。效率下降程度Δη为极大值的情况下，当过度降低目标转数时，压缩机1的电涌容限变小，所以，将下限-ΔNL设定为目标转数偏差，以即使在效率下降程度Δη为极大值的情况下，目标转数也不低于下限NL的方式设定。

其次，在1次延迟要素408中，向目标转数偏差ΔN的变化施加1次延迟，作为目标转数偏差ΔN＇，输入至计算器409。在计算器409中，由作为1次延迟要素408的输出的目标转数偏差ΔN＇与基准目标转数N0的和求出实际目标转数。由此，如图2所示，高转数区域中的目标转数从N0变化为考虑了压缩机效率下降程度Δη的目标转数NB，运转线从实线A向实线B变化。

另外，在计算器409中，根据图2所示的关系，通过基于内燃机气化器的转数N1(305)与目标转数NB的关系，控制入口导向叶片(IGV)307的散度，使压缩机1的动力与高压叶轮机3的输出平衡，以成为图2中的B线上的方式控制转数N1。并且，在这些控制中，以不施加延迟要素，由此，转数目标值的控制的时间常数变大的方式设定。

如此，将转数目标值的控制的时间常数变大的优点如下。

在第1实施例的计算器406中，以内燃机气化器的转数N1为基础控制入口导向叶片(IGV)的散度，这种控制的时间常数依存于转数检测的速度与入口导向叶片驱动的速度，为数秒左右的等级。另外，根据该控制，在IGV散度变化的情况下，作为由控制参数测量机构进行的测量对象，例举的温度、压力、转数、IGV散度等的值也变化。另一方面，压缩机的多年退化从数周至数月的等级显著化，为了防止不由多年退化引起的状态量的变化影响转数目标值的控制使得控制不稳定(波动等)，需要控制设定值的微量调整。

对于此，如第2实施例，通过向效率下降程度的输出值施加1次延迟，控制转数目标值，能够比基于实际转数N1与目标转数NB之间差异进行的转数控制的时间常数增大根据效率下降程度Δη变更转数目标值的控制的时间常数，能够提高内燃机气化器4的转数控制的稳定性。

另外，通过内燃机气化器4的转数控制的稳定性的提高，流入燃烧器中的燃烧空气101的流量也稳定，所以，能够稳定地将燃料200与燃烧空气101的比例保持在适当的范围内，能够更加有效地抑制NOx排出量的增加。

如此，根据在各实施例中说明的双轴燃气轮机，在由多年退化引起的压缩机的效率下降时，也能够维持动力涡轮的输出且抑制由燃烧器排出的NOx的增加。

Claims (6)

1.一种双轴燃气轮机，其具备：内燃机气化器，该内燃机气化器具有在空气吸入部具备入口导向叶片的压缩机、燃烧在上述压缩机中被压缩的空气与燃料并产生燃烧气体的燃烧器、以及通过来自上述燃烧器的燃烧气体旋转并驱动上述压缩机的高压叶轮机；以及动力涡轮，该动力涡轮通过来自上述高压叶轮机的废气旋转，并驱动负载设备，该双轴燃气轮机的特征在于，

具备：

测量上述压缩机的控制参数的机构；以及

控制装置，该控制装置根据由测量的上述控制参数而计算出的上述压缩机的由多年退化而引起的效率下降的程度，将上述内燃机气化器的转数目标值设定为比未产生上述压缩机的效率下降的情况下的目标转数小的值，并基于设定的上述目标转数与实际转数的差异，控制上述内燃机气化器的转数。

2.根据权利要求1所述的双轴燃气轮机，其特征在于，

上述控制参数测量机构包含上述压缩机出口的空气温度的检测机构，

另外，还包含上述压缩机入口的空气温度、压力、上述压缩机出口的空气压力的检测机构中的任一个或者全部。

3.根据权利要求1所述的双轴燃气轮机，其特征在于，

上述控制参数测量机构包含上述压缩机出口的空气温度的检测机构，

并且，还包含上述压缩机的入口导向叶片的散度、上述内燃机气化器的转数、以及上述压缩机出口的空气压力的检测机构中的任一个或者全部。

4.根据权利要求1所述的双轴燃气轮机，其特征在于，

将下限值设定为考虑了上述压缩机的效率下降的程度的转数目标值。

5.根据权利要求1所述的双轴燃气轮机，其特征在于，

根据上述压缩机的效率下降的程度改变转数目标值的控制的时间常数设定为比基于实际转数与目标转数的差异而进行的上述内燃机气化器的转数控制的时间常数大。

6.一种双轴燃气轮机的运转方法，该双轴燃气轮机具备：内燃机气化器，该内燃机气化器具有在空气吸入部具备入口导向叶片的压缩机、燃烧在上述压缩机中被压缩的空气与燃料并产生燃烧气体的燃烧器、以及通过来自上述燃烧器的燃烧气体旋转并驱动上述压缩机的高压叶轮机；以及动力涡轮，该动力涡轮通过来自上述高压叶轮机的废气旋转，并驱动负载设备，该双轴燃气轮机的运转方法的特征在于，

根据上述压缩机的由多年退化而引起的效率下降的程度，将上述内燃机气化器的转数目标值设定为比未产生上述压缩机的效率下降的情况下的目标转数小的值。