CN104520555B - 燃气涡轮冷却系统的控制方法、执行该方法的控制装置及具备该控制装置的燃气涡轮设备 - Google Patents

燃气涡轮冷却系统的控制方法、执行该方法的控制装置及具备该控制装置的燃气涡轮设备 Download PDF

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Abstract

本发明的燃气涡轮冷却系统(30)具备：对从空气压缩机(11)抽出的压缩空气进行冷却而使其成为冷却空气的冷却器(31)；将冷却空气向燃烧器(12)的燃烧筒(13)供给的冷却空气压缩机(34)；对冷却空气的流量进行调节的IGV(35)。该燃气涡轮冷却系统的控制装置(50)具备：根据检测到的冷却空气的温度，确定冷却空气的关于流量相当值的目标值的目标值设定部(52)；求出使检测到的冷却空气的流量相当值相对于该目标值的偏差减小的修正驱动量的修正驱动量算出部(53、54)；将与该修正驱动量对应的驱动指令向IGV输出的驱动指令输出部(57)。

Description

燃气涡轮冷却系统的控制方法、执行该方法的控制装置及具备该控制装置的燃气涡轮设备
技术领域
本发明涉及用于对燃气涡轮中的与燃烧气体相接的高温部进行冷却的燃气涡轮冷却系统的控制方法、执行该方法的控制装置及具备该控制装置的燃气涡轮设备。
本申请基于2012年9月27日在日本提出申请的日本特愿2012-215127号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
燃气涡轮具备：对外部气体进行压缩而生成压缩空气的空气压缩机；使燃料在压缩空气中燃烧而生成燃烧气体的多个燃烧器；由燃烧气体驱动的涡轮。在燃气涡轮中，燃烧器的燃烧筒、涡轮的动叶片、静叶片等暴露于高温的燃烧气体下，因此需要对这些高温部进行冷却，从而保护这些高温部，以免受到燃烧气体的热量的影响。
在以下的专利文献1中公开一种用于对燃气涡轮的高温部的一部分即燃烧器的尾筒(燃烧筒)进行冷却的冷却系统。该冷却系统具备：对从空气压缩机抽出的压缩空气进行冷却的冷却器；对由该冷却器冷却后的压缩空气进行加压，从而将该压缩空气作为冷却空气向燃烧器的尾筒输送的冷却空气压缩机。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2000-265856号公报
发明内容
【发明要解决的课题】
要求对燃烧器的燃烧筒等的高温部输送充分的流量的冷却空气，来防止高温部的烧损。另一方面，当增加冷却空气的流量时，不仅冷却空气压缩机的动力增加，而且对压缩空气进行冷却的交换热量也增加，因此燃气涡轮的发电效率降低。在上述专利文献1所记载的冷却系统中，完全没有公开用于同时实现燃气涡轮的高温部的冷却和燃气涡轮的效率的具体的冷却空气的控制方法。
因此，本发明用于解决上述课题，其目的在于提供一种能够进行燃气涡轮的高温部的充分的冷却且能够使燃气涡轮的发电效率提高的燃气涡轮冷却系统的控制方法、执行该方法的控制装置、及具备该控制装置的燃气涡轮设备。
【用于解决课题的方案】
作为本发明的一形态的燃气涡轮冷却系统的控制方法中，该燃气涡轮冷却系统具备：对从燃气涡轮的空气压缩机抽出的压缩空气进行冷却而使其成为冷却空气的冷却器；将所述冷却空气向燃气涡轮中的与燃烧气体相接的高温部供给的冷却空气压缩机，所述燃气涡轮冷却系统的控制方法执行：目标值设定工序，其中，使用目标值设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度对应的目标值，该目标值设定函数确定向所述高温部供给的所述冷却空气的关于流量相当值的目标值与所述冷却空气的温度的关系；修正驱动量算出工序，其中，求出使检测到的所述冷却空气的所述流量相当值相对于所述目标值的偏差减小的修正驱动量，作为对所述冷却空气的流量进行调节的冷却空气量调节器的修正驱动量；驱动指令输出工序，其中，将与所述修正驱动量对应的驱动指令向所述冷却空气量调节器输出。
当调节冷却空气量调节器的驱动量而以使冷却空气的流量相当值成为该目标值的方式进行控制时，向燃气涡轮的高温部输送的冷却空气的流量大致成为该目标值。然而，即使能够控制向高温部输送的冷却空气的流量，若无法控制成与该冷却空气的温度相称的流量，则也无法将高温部管理成规定的温度以下。因此，在该控制方法中，通过确定与向高温部输送的冷却空气的温度对应的流量相当值的目标值，且以使流量相当值成为该目标值的方式进行控制，由此使冷却空气的流量成为与该冷却空气的温度对应的流量的目标值，从而将高温部管理成规定的温度以下。另外，在该控制方法中，无需使向高温部输送的冷却空气不必要地增多，因此能够提高燃气涡轮的发电效率。
在所述燃气涡轮冷却系统的控制方法中，还可以构成为，所述目标值设定函数确定所述目标值与所述冷却空气的温度与燃气涡轮输出相当值之间的关系，在所述目标值设定工序中，使用所述目标值设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度和从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的目标值。
当燃气涡轮输出相当值升高时，对高温部进行加热的热量增多。因此，在该控制方法中，通过确定与燃气涡轮输出相当值对应的目标值，使燃气涡轮输出相当值升高，即使对高温部进行加热的热量增多，也能使高温部成为规定的温度以下。
在以上的任一个燃气涡轮冷却系统的控制方法中，还可以构成为，执行先行驱动量设定工序，在该先行驱动量设定工序中，使用表示所述冷却空气的温度与所述冷却空气量调节器的驱动量的关系的驱动量设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度对应的先行驱动量，在所述驱动指令输出工序中，输出与在所述先行驱动量设定工序中确定的所述先行驱动量加上所述修正驱动量而得到的驱动量对应的驱动指令。
在该情况下，还可以构成为，所述驱动量设定函数确定所述冷却空气的温度与燃气涡轮输出相当值与所述冷却空气量调节器的驱动量之间的关系，在所述先行驱动量设定工序中，使用所述驱动量设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度和从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的所述先行驱动量。
在该控制方法中，通过进行使用了先行驱动量的先行控制，能够提高与各种参数的变动相伴的冷却空气流量的变更的响应性。
作为本发明的一形态的燃气涡轮冷却系统的控制装置中，该燃气涡轮冷却系统具备：对从燃气涡轮的空气压缩机抽出的压缩空气进行冷却而使其成为冷却空气的冷却器；将所述冷却空气向燃气涡轮中的与燃烧气体相接的高温部供给的冷却空气压缩机，所述燃气涡轮冷却系统的控制装置具有：目标值设定部，其使用目标值设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度对应的目标值，该目标值设定函数确定所述冷却空气的关于流量相当值的目标值与所述冷却空气的温度的关系；修正驱动量算出部，其求出使检测到的所述冷却空气的所述流量相当值相对于所述目标值的偏差减小的修正驱动量，作为对所述冷却空气的流量进行调节的冷却空气量调节器的修正驱动量；驱动指令输出部，其将与所述修正驱动量对应的驱动指令向所述冷却空气量调节器输出。
在该控制装置中，也与前述的控制方法同样地确定与向高温部输送的冷却空气的温度对应的流量相当值的目标值，并以使流量相当值成为该目标值的方式进行控制。由此，能够使冷却空气的流量成为与该冷却空气的温度对应的流量的目标值，能够将高温部管理成规定的温度以下。而且，能够提高燃气涡轮的发电效率。
在所述燃气涡轮冷却系统的控制装置中，还可以构成为，所述目标值设定函数确定所述目标值与所述冷却空气的温度与燃气涡轮输出相当值之间的关系，所述目标值设定部使用所述目标值设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度和从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的目标值。
在该控制装置中，确定与燃气涡轮输出相当值对应的目标值，因此燃气涡轮输出相当值升高，即使对高温部进行加热的热量增多，也能够将高温部管理成规定的温度以下。
在以上的任一个燃气涡轮冷却系统的控制装置中，还可以构成为，所述目标值设定函数是表示随着所述冷却空气的温度升高而使所述目标值增大的关系的函数。
在以上的任一个燃气涡轮冷却系统的控制装置中，还可以构成为，所述燃气涡轮冷却系统的控制装置具有先行驱动量设定部，该先行驱动量设定部使用表示所述冷却空气的温度与所述冷却空气量调节器的驱动量的关系的驱动量设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度对应的先行驱动量，所述驱动指令输出部输出与所述先行驱动量设定部确定的所述先行驱动量加上所述修正驱动量而得到的驱动量对应的驱动指令。
在该情况下，还可以构成为，所述驱动量设定函数确定所述冷却空气的温度与燃气涡轮输出相当值与所述冷却空气量调节器的驱动量之间的关系，所述先行驱动量设定部使用该驱动量设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度和从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的先行驱动量。
在该控制装置中，通过进行使用了先行驱动量的先行控制，能够提高与各种参数的变动相伴的冷却空气流量的变更的响应性。
作为本发明的一形态的燃气涡轮设备具备：以上的任一个控制装置；所述燃气涡轮冷却系统，其具备检测向所述高温部供给的所述冷却空气的温度的温度计、检测所述冷却空气的所述流量相当值的流量相当值计、所述冷却器、所述冷却空气压缩机及所述冷却空气量调节器；所述燃气涡轮。
在该燃气涡轮设备中，由于具备以上的任一个控制装置，因此能够使冷却空气的流量成为与该冷却空气的温度对应的流量的目标值，能够将高温部管理成规定的温度以下。而且，能够提高燃气涡轮的发电效率。
在所述燃气涡轮设备中，还可以构成为，所述冷却器具有使来自所述空气压缩机的压缩空气与冷却介质进行热交换的热交换器、对所述冷却介质的流量进行调节的介质量调节器，所述控制装置具有驱动指令输出部，该驱动指令输出部以使向所述高温部供给的所述冷却空气的温度成为所述冷却空气的温度的目标值即温度目标值的方式，对所述介质量调节器输出驱动指令。
在该情况下，还可以构成为，所述控制装置具有温度目标值设定部，该温度目标值设定部使用表示向所述高温部供给的所述冷却空气的温度的目标值即温度目标值与燃气涡轮输出相当值的关系的温度目标值设定函数，确定与从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的所述温度目标值。
在该燃气涡轮设备中，使向高温部供给的冷却空气的温度大致成为温度目标值，因此能够使冷却空气流量的控制稳定化。
另外，在所述冷却器具有所述介质量调节器的燃气涡轮设备中，还可以构成为，所述冷却器的所述热交换器是将空气作为所述冷却介质而与所述压缩空气进行热交换的散热器，所述冷却器的所述介质量调节器是能够调节向所述散热器输送的所述空气的流量的风扇。
在该情况下，还可以构成为，所述燃气涡轮设备具备燃料预热器，该燃料预热器使从所述风扇向所述散热器输送的空气与向所述燃气涡轮的燃烧器输送的燃料进行热交换，来对该燃料进行加热。在该燃气涡轮设备中，能够提高燃气涡轮的发电效率。
另外，在该情况下，还可以构成为，所述燃气涡轮设备具备：通过与从所述燃气涡轮排出的燃烧气体进行热交换而产生蒸气的废热回收锅炉；使从所述风扇向所述散热器输送的空气与向所述燃气涡轮的燃烧器输送的燃料进行热交换来对该燃料进行加热的第一燃料预热器；使所述燃料与在所述废热回收锅炉中产生的蒸气或被加热后的水进行热交换来对该燃料进行加热的第二燃料预热器。在该燃气涡轮设备中，能够提高燃气涡轮的发电效率。
在所述冷却器具有所述介质量调节器的任一个燃气涡轮设备中，还可以构成为，所述燃气涡轮设备具备废热回收锅炉，该废热回收锅炉通过与从所述燃气涡轮排出的燃烧气体进行热交换而产生蒸气，所述冷却器的所述热交换器是将向所述废热回收锅炉输送的水作为所述冷却介质而与所述压缩空气进行热交换的锅炉水预热器，所述冷却器的所述介质量调节器是对向所述锅炉水预热器输送的所述水的流量进行调节的水量调节器。
在该燃气涡轮设备中，能够对压缩空气进行冷却，且能够提高燃气涡轮的发电效率。
【发明效果】
在本发明中，能够将燃气涡轮的高温部的温度抑制成规定以下，且能够提高燃气涡轮的发电效率。
附图说明
图1是本发明的一实施方式中的燃气涡轮设备的系统图。
图2是表示本发明的一实施方式中的差压目标值设定函数的说明图。
图3是表示本发明的一实施方式中的先行驱动量设定函数的说明图。
图4是表示本发明的一实施方式中的温度目标值设定函数的说明图。
图5是表示本发明的一实施方式中的燃气涡轮设备的各部分的动作等的时间图。
图6是本发明的一实施方式的第一变形例中的燃气涡轮设备的系统图。
图7是本发明的一实施方式的第二变形例中的燃气涡轮设备的系统图。
具体实施方式
以下，参照图1～图5，对本发明的燃气涡轮的燃气涡轮设备的一实施方式进行详细说明。
如图1所示，本实施方式的燃气涡轮设备具备：燃气涡轮10；对从燃气涡轮10排出的燃烧气体的热量进行回收的废热回收装置20；对燃气涡轮10中的高温部进行冷却的燃气涡轮冷却系统(以下，简称为冷却系统)30；对冷却系统30进行控制的控制装置50；以及上位控制装置70。
燃气涡轮10具备：对外部气体进行压缩而生成压缩空气的空气压缩机11；使来自燃料供给源的燃料F在压缩空气中燃烧而生成燃烧气体的多个燃烧器12；以及由燃烧气体驱动的涡轮15。在涡轮15的转子上连接有通过该转子的旋转进行发电的发电机19。多个燃烧器12以涡轮15的转子为中心而沿周向彼此以等间隔固定于涡轮15的壳体。该燃烧器12具有：将燃烧气体向涡轮15的燃烧气体流路中输送的燃烧筒13；向该燃烧筒13内喷射燃料及压缩空气的燃料供给器14。在该燃气涡轮10中，燃烧器12的燃烧筒13、涡轮15的动叶片及静叶片成为暴露于高温的燃烧气体下的高温部。本实施方式的冷却系统30向燃气涡轮10的高温部中的燃烧器12的燃烧筒13供给冷却空气而对该燃烧筒13进行冷却。因此，在该燃烧筒13中形成有通过燃烧筒13的外周面与燃烧筒13的内周面之间的冷却空气通路。该冷却空气通路在燃烧筒13的外周侧向燃烧气体的流动方向的上游侧和燃烧气体的流动方向的下游侧分别开口。燃烧筒13中的燃烧气体的流动方向的下游侧的开口成为冷却空气的流入口，燃烧气体的流动方向的上游侧的开口成为冷却空气的排出口。从燃烧筒13中的燃烧气体的流动方向的下游侧的开口流入到冷却空气通路内的冷却空气对燃烧筒13的壁面进行了冷却之后，从燃烧筒13中的燃烧气体的流动方向的上游侧的开口流出，作为燃烧用空气而被向燃烧器12回收。
废热回收装置20具备：通过从燃气涡轮10排出的燃烧气体与水的热交换而产生蒸气的废热回收锅炉21；由在废热回收锅炉21中产生的蒸气来驱动的蒸气涡轮22；使驱动蒸气涡轮22的蒸气返回成水的冷凝器23；使冷凝器23中的水向废热回收锅炉21返回的供水泵24。在蒸气涡轮22的转子上连接有例如通过该转子的旋转进行发电的发电机。
冷却系统30具备：对从燃气涡轮10的空气压缩机11抽出的压缩空气进行冷却而使其成为冷却空气的冷却器31；对该冷却空气进行加压而将使其成为加压冷却空气并向燃烧器12的燃烧筒13供给的冷却空气压缩机34。需要说明的是，以下，也存在将加压冷却空气简称为冷却空气的情况。
冷却器31具有使从空气压缩机11抽出的压缩空气通过内部的散热器32和向该散热器32输送空气的风扇33。风扇33具有带逆变器的马达，通过改变该带逆变器的马达的转速，能够调节空气的流量。即，该风扇33是能够调节作为压缩空气的冷却介质的空气的流量的介质量调节器。在与散热器32相邻的位置设置有燃料预热器49，燃料预热器49使与散热器32内的压缩空气进行热交换而被加热后的空气与向燃烧器12供给的燃料F进行热交换，来对燃料F进行加热。
在冷却空气压缩机34上连接有马达38，通过该马达38的驱动而使冷却空气压缩机34进行驱动。作为冷却空气压缩机34的驱动源，使用马达。但是，冷却空气压缩机34的驱动源可以是任意的驱动源，例如，可以与涡轮15的转子机械地连结而将涡轮15作为驱动源。在该冷却空气压缩机34的吸入口设有对吸入的空气的流量进行调节的作为冷却空气流量调节器的IGV(inletguidevane)35。该IGV35具有配置在冷却空气压缩机34的吸入口内的叶片36和改变该叶片36的角度的驱动器37。
在从空气压缩机11向燃烧器12输送压缩空气的压缩空气线路中，在其中途分支出冷却用压缩空气线路41。在该冷却用压缩空气线路41上连接有冷却器31的散热器32。散热器32与冷却空气压缩机34的吸入口由冷却空气线路42连接。冷却空气压缩机34的喷出口与燃烧器12的燃烧筒13由加压冷却空气线路43连接。本实施方式的冷却系统30还具备：对通过加压冷却空气线路43的加压冷却空气的温度进行检测的温度计45；对冷却用压缩空气线路41中的压缩空气的压力与加压冷却空气线路43中的加压冷却空气的压力之间的差压、即空气压缩机11的喷出压与加压冷却空气的向燃烧器12的入口压之间的差压ΔP进行检测的差压计46。
控制装置50具有：对作为冷却空气流量调节器的IGV35的叶片开度进行控制的IGV控制系统51；对冷却器31中的作为介质量调节器的风扇33的转速进行控制的风扇控制系统61；使冷却空气压缩机34的驱动源即马达38等起动的压缩机控制系统(未图示)。IGV控制系统51对IGV35的驱动器37输出表示该驱动器37的驱动量(IGV开度)的驱动指令。该IGV控制系统51具有：确定冷却用压缩空气线路41中的压缩空气的压力与加压冷却空气线路43中的加压冷却空气的压力之间的差压ΔP的目标值的差压目标值设定部52；求出由差压计46检测到的差压ΔP与差压目标值的偏差的减法器53；求出与该偏差对应的比例·积分动作量的修正驱动量的PI控制器54；确定先行驱动量(IGV开度)的先行驱动量设定部55；将先行驱动量加上了修正驱动量之后的驱动量输出的加法器56；将来自加法器56的驱动量所对应的驱动指令向IGV35的驱动器37输出的IGV驱动指令输出部57。需要说明的是，在该IGV控制系统51中，修正驱动量算出部具有减法器53和PI控制器54。
如图2所示，差压目标值设定部52具有表示差压目标值与燃气涡轮输出P与由温度计45检测的加压冷却空气的温度T之间的关系的差压目标值设定函数。该差压目标值设定函数是随着加压冷却空气的温度T(Ta＜Tb＜Tc)升高而使差压目标值增大的函数。另外，差压目标值设定函数是在燃气涡轮输出P例如为50％左右的中输出(b％)以上时，随着该燃气涡轮输出P升高而使差压目标值增大的函数。该差压目标值设定部52使用该差压目标值设定函数，确定与从上位控制装置70得到的燃气涡轮输出P和由温度计45检测到的加压冷却空气的温度T对应的差压目标值。
需要说明的是，燃气涡轮输出P的值例如由上位控制装置70输送来。上位控制装置70例如将由检测发电机19的发电电力的电力计等所检测到的电力的值作为燃气涡轮输出P的值来处理，该发电机19与燃气涡轮10连接。
如图3所示，先行驱动量设定部55具有表示先行驱动量(IGV开度)与燃气涡轮输出P与由温度计45检测的加压冷却空气的温度T之间的关系的先行驱动量设定函数。该先行驱动量设定函数是随着加压冷却空气的温度T(Ta＜Tb＜Tc)升高而使先行驱动量增大的函数。先行驱动量设定函数是在加压冷却空气的温度恒定的情况下，在燃气涡轮输出P从0％到预先确定的低输出(a％)为止，使先行驱动量表示该加压空气温度下的最大且恒定的值的函数。另外，先行驱动量设定函数是在加压冷却空气的温度恒定的情况下，在燃气涡轮输出P从低输出(a％)到前述的中输出(b％)为止，随着该燃气涡轮输出P升高而使先行驱动量减小的函数。另外，先行驱动量设定函数是在加压冷却空气的温度恒定的情况下，在燃气涡轮输出P为中输出(b％)以上时，随着该燃气涡轮输出P升高而使先行驱动量增大的函数。先行驱动量设定部55使用该先行驱动量设定函数，确定与从上位控制装置70得到的燃气涡轮输出P和由温度计45检测到的加压冷却空气的温度T对应的先行驱动量。
风扇控制系统61对风扇33输出表示该风扇33的驱动量(转速)的驱动指令。风扇控制系统61具有：确定由温度计45检测的加压冷却空气的温度T的目标值的温度目标值设定部62；求出由温度计45检测到的加压冷却空气的温度T与温度目标值的偏差的减法器63；求出与该偏差对应的比例·积分动作量的修正驱动量的PI控制器64；将该修正驱动量所对应的驱动指令向风扇33输出的风扇驱动指令输出部65。如图4所示，温度目标值设定部62具有表示温度目标值与燃气涡轮输出P的关系的温度目标值设定函数。该温度目标值设定函数是在燃气涡轮输出P从0％到前述的低输出(a％)为止，使温度目标值表示恒定的第一温度目标值，在燃气涡轮输出P为前述的中输出(b％)以上时，使温度目标值表示恒定且比第一温度目标值高的第二温度目标值的函数。另外，该温度目标值设定函数是在从低输出(a％)到中输出(b％)之间，随着燃气涡轮输出P增加而使温度目标值升高的函数。温度目标值设定部62使用该温度目标值设定函数，确定与燃气涡轮输出P对应的温度目标值。
需要说明的是，以上说明的差压目标值设定函数、先行驱动量设定函数、温度目标值设定函数既可以是通过式子表示各参数相互的关系的形式的函数，也可以是将多个参数每一个的多个数值相互建立关系的表形式的函数。
接着，按照图5所示的时间图，对以上说明的冷却系统30及其控制装置50的动作进行说明。
通过起动装置，使涡轮15的转子及空气压缩机11的转子开始旋转(S1)，并使它们的转速逐渐增加。伴随该空气压缩机11的转子转速的增加，从空气压缩机11喷出的压缩空气的压力逐渐升高，并且该压缩空气的温度也逐渐升高。当涡轮15的转子及空气压缩机11的转子成为预先确定的低转速时，通过来自控制装置50的压缩机控制系统(未图示)的指示而使冷却空气压缩机34起动，并且通过来自控制装置50的IGV控制系统51的驱动指令而使IGV35的叶片36开始打开(S2)。然后，IGV35的叶片36的开度(以下，简称为IGV开度)成为全开(100％)，或者成为与此时的由温度计45检测到的温度T对应的开度中的最大开度(S3)。
当冷却空气压缩机34起动且IGV35的叶片36开始打开时(S2)，来自空气压缩机11的压缩空气通过冷却用压缩空气线路41、冷却空气线路42及加压冷却空气线路43向燃烧器12的燃烧筒13供给。此时，冷却器31的风扇33还未起动。在该阶段，该空气的冷却器出口温度、即冷却空气线路42中的空气的温度与从空气压缩机11刚喷出之后的压缩空气的温度大致相同。并且，该空气的燃烧器12的入口温度、即由温度计45检测的加压冷却空气线路43中的温度由于冷却空气压缩机34进行的加压而比冷却器出口温度高。
之后，向燃气涡轮10的燃烧器12供给燃料，该燃料在燃烧器12的燃烧筒13内点火(S4)。向燃气涡轮供给的燃料供给量从该时刻到燃气涡轮10的负载运转为止逐渐增加。
当空气的燃烧器12中的入口温度、即由温度计45检测到的空气的温度T成为风扇起动温度时，从控制装置50的风扇驱动指令输出部65输出表示风扇33的起动的驱动指令，使风扇33起动(S5)。当风扇33起动时，在冷却器31的散热器32内通过的压缩空气与来自风扇33的空气进行热交换，从而将该压缩空气冷却。该压缩空气作为冷却空气而在冷却空气线路42中流动。其结果是，冷却空气线路42中的冷却空气的温度、即冷却器出口温度、以及加压冷却空气线路43中的加压冷却空气的温度、即加压冷却空气的燃烧器中的入口温度都暂时降低。然而，在伴随空气压缩机11转子转速的增加而从空气压缩机11喷出的压缩空气的温度升高的关系上，冷却空气的冷却器出口温度、以及加压冷却空气的燃烧器入口温度也再次开始升高。
当由温度计45检测到的空气的温度T成为风扇起动温度时，控制装置50的风扇控制系统61如前述那样，使风扇33起动，并且还开始该风扇33的转速的控制(S5)。从上位控制装置70向风扇控制系统61的温度目标值设定部62输入燃气涡轮输出P0％。温度目标值设定部62使用温度目标值设定函数(参照图4)，输出与燃气涡轮输出P0％对应的加压冷却空气的温度目标值即第一温度目标值。风扇控制系统61的减法器63求出由温度计45检测到的加压冷却空气的温度T与第一温度目标值的偏差，并将该偏差向风扇控制系统61的PI控制器64输出。该PI控制器64求出与该偏差对应的比例·积分动作量的修正驱动量，并将其向风扇驱动指令输出部65输出。风扇驱动指令输出部65将该修正驱动量所对应的驱动指令向风扇33输出。其结果是，由温度计45检测的加压冷却空气的温度大致成为第一温度目标值。
当涡轮15的转子转速及空气压缩机11的转子转速成为100％之后(S6)而经过规定时间时，发电机19被并入外部的电力系统，电力系统负载、即燃气涡轮输出P开始增加(S7)。
当燃气涡轮输出P成为前述的低输出(a％)时，通过控制装置50的IGV控制系统51而开始IGV35的叶片开度控制(S8)。向IGV控制系统51的先行驱动量设定部55输入来自上位控制装置70的燃气涡轮输出P及由温度计45检测到的加压冷却空气的温度T。先行驱动量设定部55使用先行驱动量设定函数(参照图3)，确定与燃气涡轮输出P及加压冷却空气的温度T对应的先行驱动量，并将其向加法器56输出。与以上的动作并行地向IGV控制系统51的差压目标值设定部52也输入来自上位控制装置70的燃气涡轮输出P及由温度计45检测到的加压冷却空气的温度T。差压目标值设定部52使用差压目标值设定函数(参照图2)，确定与燃气涡轮输出P及加压冷却空气的温度T对应的差压目标值，并将其输出。IGV控制系统51的减法器53求出该差压目标值与由差压计46检测到的差压ΔP的偏差，并将该偏差向IGV控制系统51的PI控制器54输出。该PI控制器54求出与该偏差对应的比例·积分动作量的修正驱动量，并将其向加法器56输出。加法器56将从先行驱动量设定部55输出的先行驱动量与从PI控制器54输出的修正驱动量相加，并将通过该相加而得到的驱动量输出。IGV驱动指令输出部57将与从加法器56输出的驱动量所对应的驱动指令向IGV35的驱动器37输出。其结果是，IGV开度成为与驱动指令表示的驱动量相称的开度。
即，在本实施方式中，确定IGV35的先行驱动量而对加压冷却空气的流量进行前馈控制，并且基于与加压冷却空气的流量具有相关关系的差压ΔP，来对加压冷却空气的流量进行反馈控制。
需要说明的是，先行驱动量设定函数(参照图3)是在燃气涡轮输出P从低输出(a％)到中输出(b％)之间，如前述那样随着燃气涡轮输出P升高而使先行驱动量减小的函数。因此，在燃气涡轮输出P从低输出(a％)到中输出(b％)之间，由该先行驱动量设定函数确定的先行驱动量起作用，随着燃气涡轮输出P升高而使IGV开度减小。
另外，风扇控制系统61具有的温度目标值设定函数(参照图4)是在燃气涡轮输出P从低输出(a％)到中输出(b％)之间，如前述那样随着燃气涡轮输出P升高而使温度目标值升高的函数。因此，当燃气涡轮输出P成为低输出(a％)时，在从该低输出(a％)到中输出(b％)之间，随着燃气涡轮输出P升高而冷却空气的温度及加压冷却空气的温度升高(S9)。
IGV控制系统51具有的先行驱动量设定函数(参照图3)是在燃气涡轮输出P为中输出(b％)以上时，如前述那样随着燃气涡轮输出P升而使先行驱动量变大的函数。另外，IGV控制系统51具有的差压目标值设定函数(图2)是在燃气涡轮输出P为中输出(b％)以上时，如前述那样随着燃气涡轮输出P升高而使差压目标值变大的函数。即，在燃气涡轮输出P为中输出(b％)以上时，随着燃气涡轮输出P升高而先行驱动量及差压目标值变大。因此，当燃气涡轮输出P成为中输出(b％)以上时，随着燃气涡轮输出P升高而IGV开度变大。换言之，在燃气涡轮输出P为中输出(b％)以上时，随着燃气涡轮输出P降低而IGV开度减小(S10)。
另外，风扇控制系统61具有的温度目标值设定函数(参照图4)是在燃气涡轮输出P为中输出(b％)以上时，表示恒定且比第一温度目标值高的第二温度目标值的函数。因此，当燃气涡轮输出P成为中输出(b％)以上时，加压冷却空气的温度大致成为第二温度目标值(S11)。
燃气涡轮输出超过中输出(b％)后，向燃气涡轮10供给的燃料供给量减少而再次成为中输出(b％)以下时，在IGV控制系统51的控制下，随着燃气涡轮输出P降低而IGV35的叶片36的开度变大(S12)，并且在风扇控制系统61的控制下，随着燃气涡轮输出P降低而冷却空气的温度及加压冷却空气的温度降低(S13)。
当燃气涡轮输出P进一步降低而成为低输出(a％)以下时，在IGV控制系统51的控制下，IGV开度再次成为100％，或者成为与此时的由温度计45检测到的温度T对应的开度中的最大开度(S14)，并且在风扇控制系统61的控制下，加压冷却空气的温度再次成为大致第一温度目标值(S15)。
而且，在向燃气涡轮10供给的燃料供给停止后(S16)经过规定时间时，在IGV控制系统51的控制下，IGV开度成为0％、即全闭(S17)，并且冷却空气压缩机34停止，在风扇控制系统61的控制下，风扇33停止(S18)。
冷却用压缩空气线路41中的压缩空气的压力与加压冷却空气线路43中的加压冷却空气的压力之间的差压ΔP、即空气压缩机11的喷出压与向燃烧器12的燃烧筒13输送的加压冷却空气的压力之间的差压ΔP如前述那样，与向燃烧器12的燃烧筒13输送的冷却空气的流量具有相关关系。因此，当调节IGV开度而以使该差压ΔP成为差压目标值的方式进行控制时，向燃烧器12的燃烧筒13输送的冷却空气的流量也成为与差压目标值相称的规定的流量。然而，即使能够控制向燃烧器12的燃烧筒13输送的冷却空气的流量，若无法控制成与该冷却空气的温度相称的流量，则也无法将燃烧筒13管理成规定的温度以内。
因此，在本实施方式中，确定与向燃烧筒13供给的加压冷却空气的温度对应的差压目标值，并以使差压ΔP成为目标差压ΔP的方式进行控制，由此使加压冷却空气的流量成为与该加压冷却空气的温度对应的目标值，从而将燃烧筒13的温度管理成燃烧筒13不发生损伤的温度以下。另外，在本实施方式中，无需使向燃烧筒13输送的冷却空气不必要地增多，因此能够提高燃气涡轮10的发电效率。
当燃气涡轮10成为中输出(b％)以上时，若向燃气涡轮10供给的燃料供给量增加而燃气涡轮输出P增加，则对燃烧筒13进行加热的热量增加。因此，在本实施方式中，伴随燃气涡轮输出P的增加而增大差压目标值，并增大IGV35的先行驱动量，来增多向该燃烧筒13供给的加压冷却空气的流量，从而抑制燃烧筒13的温度上升。
另外，在本实施方式中，基于与加压冷却空气的流量具有相关关系的差压ΔP，来进行加压冷却空气的流量的反馈控制，并且确定IGV35的先行驱动量，来对加压冷却空气的流量进行前馈控制，因此能够提高与加压冷却空气的温度或燃气涡轮输出P等各种参数的变动相伴的加压冷却空气的流量变更的响应性。
另外，在本实施方式中，从冷却器31的风扇33送风，利用与压缩空气进行热交换而被加热后的空气的热量，利用燃料预热器49对向燃烧器12供给的燃料进行预热，因此能够进一步提高燃气涡轮10的发电效率。
然而，在燃气涡轮10的起动过程或停止过程中，与负载运转中相比，加压冷却空气的压力降低。因此，在本实施方式中，在该起动过程或停止过程中，为了确保燃烧筒13的冷却所需的加压冷却空气的流量及温度，使IGV开度成为全开(100％)，或者成为与此时的由温度计45检测到的温度T对应的开度中的最大开度，并且降低加压冷却空气的温度而增多低温度的加压冷却空气的流量。
需要说明的是，在起动过程或停止过程中，即使不降低加压冷却空气的温度，只要使IGV开度成为全开(100％)，或者成为与此时的由温度计45检测到的温度T对应的开度中的最大开度，就能够将燃烧器12的燃烧筒13冷却为规定温度以下。然而，若不降低加压冷却空气的温度，则需要增多加压冷却空气的流量，因此必须增大冷却空气压缩机34的必要吸入风量，使冷却空气压缩机34大型化，从而设备成本增大。因此，在本实施方式中，在起动过程或停止过程中，降低加压冷却空气的温度，由此减小冷却空气压缩机34的必要吸入风量，从而能够抑制冷却空气压缩机34的大型化及设备成本。
“第一变形例”
接着，基于图6，对与燃气涡轮设备相关的上述实施方式的第一变形例进行说明。
在上述实施方式中，在与冷却器31的散热器32相邻的位置设置对燃料F进行加热的燃料预热器49。在本变形例中，还设有使由该燃料预热器(第一燃料预热器)49加热后的燃料F与在废热回收锅炉21中产生的蒸气或被加热后的水进行热交换，来对燃料F进一步进行加热的燃料预热器(第二燃料预热器)。
以上，在本变形例中，从冷却器31的风扇33送风，利用与压缩空气进行热交换而被加热后的空气的热量来对燃料F进行加热，且利用由废热回收锅炉21产生的蒸气或被加热后的水的热量来进一步对燃料F进行加热。由此，能够进一步提高燃气涡轮的发电效率。
“第二变形例”
接着，基于图7，对燃气涡轮设备的上述实施方式的第二变形例进行说明。
在上述实施方式中，冷却器31的热交换器为散热器32，冷却器31的介质量调节器为风扇33。在本变形例中，作为冷却器26的热交换器，取代散热器32而使用锅炉水预热器27，该锅炉水预热器27使向废热回收锅炉21供给的锅炉水与压缩空气进行热交换，并且，作为冷却器26的介质量调节器，取代风扇33而使用水量调节阀(水量调节器)28，该水量调节阀28对向锅炉水预热器27供给的锅炉水的流量进行调节。因此，在本变形例的控制装置50a中，取代风扇控制系统61而设置向水量调节阀输出开度指令的水量调节阀控制系统61a。
以上，在本变形例中，使向废热回收锅炉21供给的锅炉水与压缩空气进行热交换，因此能够对压缩空气进行冷却，并且能够对该锅炉水进行预热。
“其他的变形例”
在上述实施方式中，设置差压计46，基于由该差压计46检测到的差压ΔP，来控制向燃烧器12的燃烧筒13供给的冷却空气的流量。然而，也可以取代差压计46，在将从空气压缩机11抽出的压缩空气向燃烧器12的燃烧筒13输送的线路中的任意的位置设置检测向燃烧器12供给的冷却空气的流量的流量计，并基于由该流量计检测到的流量，来控制向燃烧器12的燃烧筒13供给的冷却空气的流量。在该情况下，IGV控制系统51的差压目标值设定部52成为流量目标值设定部。并且，该流量目标值设定部使用表示流量目标值与燃气涡轮输出P与由温度计45检测的加压冷却空气的温度T之间的关系的流量目标值设定函数，来确定与燃气涡轮输出P和加压冷却空气的温度T对应的流量目标值。然后，IGV控制系统51的减法器53求出该流量目标值与由流量计检测到的流量的偏差。
如以上所示，在本发明中，向燃烧器12的燃烧筒13供给的空气的流量相当值既可以是冷却空气的流量，也可以是与该空气的流量具有相关关系的例如差压ΔP等。需要说明的是，冷却空气的流量既可以是体积流量，也可以是质量流量。
另外，在上述实施方式中，为了检测空气压缩机11的喷出压与加压冷却空气的向燃烧器12的入口压之间的差压ΔP而设置差压计46，但也可以通过分别单独设置的压力计来检测空气压缩机11的喷出压和加压冷却空气的向燃烧器12的入口压，并通过控制装置50或50a运算其压力差而作为差压ΔP。
另外，在上述实施方式中，作为燃气涡轮输出相当值，使用由检测发电机19的发电电力的电力计等所检测到的电力的值，该发电机19与燃气涡轮10连接。然而，在本发明中，燃气涡轮输出相当值只要是与燃气涡轮输出P具有相关关系的参数的值即可，可以为任意值，例如可以为向燃气涡轮10供给的燃料流量的值、根据燃气涡轮10的运转状况等假想的涡轮10的燃烧气体入口部的温度、或者使该温度量纲为1后的值。
在以上的实施方式中，在加压冷却空气线路43上设置温度计45，但也可以在冷却器26、31与冷却空气压缩机34之间的冷却空气线路42上设置温度计45。
另外，在以上的实施方式中，作为冷却空气调整器，使用了IGV35，但只要是能够调节向燃气涡轮10的高温部供给的冷却空气的流量的结构即可，可以为任意结构。另外，在以上的实施方式中，在冷却空气压缩机34中设置了作为冷却空气调整器的IGV35，但该冷却空气调节器既可以设置在冷却空气压缩机34的上游侧，也可以设置在下游侧。
另外，在以上的实施方式中，将冷却空气向燃烧器12的燃烧筒13供给，但只要是在燃气涡轮10中与燃烧气体接触的高温部即可，可以向任意的部位供给冷却空气，例如，可以向涡轮15的动叶片或静叶片等供给冷却空气。
【产业上的可利用性】
在本发明中，能够将燃气涡轮的高温部的温度抑制成规定以下，且能够提高燃气涡轮的发电效率。
【符号说明】
10：燃气涡轮
11：空气压缩机
12：燃烧器
13：燃烧筒
15：涡轮
19：发电机
20：废热回收装置
21：废热回收锅炉
25：燃料预热器(第二燃料预热器)
27：锅炉水预热器
28：水量调节阀
30：燃气涡轮冷却系统
26、31：冷却器
32：散热器
33：风扇
34：冷却空气压缩机
45：温度计
46：差压计
49：燃料预热器(第一燃料预热器)
50：控制装置
51：IGV控制系统
52：差压目标值设定部
55：先行驱动量设定部
57：IGV驱动指令输出部
61：风扇控制系统
62：温度目标值设定部
65：风扇驱动指令输出部
70：上位控制装置

Claims (14)

1.一种燃气涡轮冷却系统的控制方法，该燃气涡轮冷却系统具备：对从燃气涡轮的空气压缩机抽出的压缩空气进行冷却而使其成为冷却空气的冷却器；将所述冷却空气向燃气涡轮中的与燃烧气体相接的高温部供给的冷却空气压缩机，
所述燃气涡轮冷却系统的控制方法执行：
目标值设定工序，其中，使用目标值设定函数，来确定与检测到的所述冷却空气的温度对应的目标值，该目标值设定函数确定向所述高温部供给的所述冷却空气的关于流量相当值的目标值与所述冷却空气的温度的关系；
先行驱动量设定工序，其中，使用表示所述冷却空气的温度与对冷却空气的流量进行调节的冷却空气量调节器的驱动量的关系的驱动量设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度对应的先行驱动量；
修正驱动量算出工序，其中，求出使检测到的所述冷却空气的所述流量相当值相对于所述目标值的偏差减小的修正驱动量，作为所述冷却空气量调节器的修正驱动量；
驱动指令输出工序，其中，将与所述修正驱动量对应的驱动指令向所述冷却空气量调节器输出，
在所述驱动指令输出工序中，输出与在所述先行驱动量设定工序中确定的所述先行驱动量加上所述修正驱动量而得到的驱动量对应的驱动指令。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮冷却系统的控制方法，其中，
所述目标值设定函数确定所述目标值与所述冷却空气的温度与燃气涡轮输出相当值之间的关系，在所述目标值设定工序中，使用所述目标值设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度和从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的目标值。
3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮冷却系统的控制方法，其中，
所述驱动量设定函数确定所述冷却空气的温度与燃气涡轮输出相当值与所述冷却空气量调节器的驱动量之间的关系，在所述先行驱动量设定工序中，使用所述驱动量设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度和从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的所述先行驱动量。
4.一种燃气涡轮冷却系统的控制装置，该燃气涡轮冷却系统具备：对从燃气涡轮的空气压缩机抽出的压缩空气进行冷却而使其成为冷却空气的冷却器；将所述冷却空气向燃气涡轮中的与燃烧气体相接的高温部供给的冷却空气压缩机，
所述燃气涡轮冷却系统的控制装置具有：
目标值设定部，其使用目标值设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度对应的目标值，该目标值设定函数确定所述冷却空气的关于流量相当值的目标值与所述冷却空气的温度的关系；
先行驱动量设定部，其使用表示所述冷却空气的温度与对冷却空气的流量进行调节的冷却空气量调节器的驱动量的关系的驱动量设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度对应的先行驱动量；
修正驱动量算出部，其求出使检测到的所述冷却空气的所述流量相当值相对于所述目标值的偏差减小的修正驱动量，作为所述冷却空气量调节器的修正驱动量；
驱动指令输出部，其将与所述修正驱动量对应的驱动指令向所述冷却空气量调节器输出，
所述驱动指令输出部输出与所述先行驱动量设定部确定的所述先行驱动量加上所述修正驱动量而得到的驱动量对应的驱动指令。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮冷却系统的控制装置，其中，
所述目标值设定函数确定所述目标值与所述冷却空气的温度与燃气涡轮输出相当值之间的关系，所述目标值设定部使用所述目标值设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度和从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的目标值。
6.根据权利要求4所述的燃气涡轮冷却系统的控制装置，其中，
所述目标值设定函数是表示随着所述冷却空气的温度升高而使所述目标值增大的关系的函数。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的燃气涡轮冷却系统的控制装置，其中，
所述驱动量设定函数确定所述冷却空气的温度与燃气涡轮输出相当值与所述冷却空气量调节器的驱动量之间的关系，所述先行驱动量设定部使用该驱动量设定函数，确定与检测到的所述冷却空气的温度和从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的先行驱动量。
8.一种燃气涡轮设备，其具备：
权利要求4至7中任一项所述的控制装置；
所述燃气涡轮冷却系统，其具备检测向所述高温部供给的所述冷却空气的温度的温度计、检测所述冷却空气的所述流量相当值的流量相当值计、所述冷却器、所述冷却空气压缩机及所述冷却空气量调节器；
所述燃气涡轮。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮设备，其中，
所述冷却器具有使来自所述空气压缩机的压缩空气和冷却介质进行热交换的热交换器、对所述冷却介质的流量进行调节的介质量调节器，
所述控制装置具有驱动指令输出部，该驱动指令输出部以使向所述高温部供给的所述冷却空气的温度成为所述冷却空气的温度的目标值即温度目标值的方式，对所述介质量调节器输出驱动指令。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮设备，其中，
所述控制装置具有温度目标值设定部，该温度目标值设定部使用表示向所述高温部供给的所述冷却空气的温度的目标值即温度目标值与燃气涡轮输出相当值的关系的温度目标值设定函数，确定与从外部得到的所述燃气涡轮输出相当值对应的所述温度目标值。
11.根据权利要求9所述的燃气涡轮设备，其中，
所述冷却器的所述热交换器是将空气作为所述冷却介质而与所述压缩空气进行热交换的散热器，所述冷却器的所述介质量调节器是能够调节向所述散热器输送的所述空气的流量的风扇。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮设备，其中，
所述燃气涡轮设备具备燃料预热器，该燃料预热器使从所述风扇向所述散热器输送的空气与向所述燃气涡轮的燃烧器输送的燃料进行热交换，来对该燃料进行加热。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮设备，其中，
所述燃气涡轮设备具备：
通过与从所述燃气涡轮排出的燃烧气体进行热交换而产生蒸气的废热回收锅炉；
使从所述风扇向所述散热器输送的空气与向所述燃气涡轮的燃烧器输送的燃料进行热交换来对该燃料进行加热的第一燃料预热器；
使所述燃料与在所述废热回收锅炉中产生的蒸气或被加热后的水进行热交换来对该燃料进行加热的第二燃料预热器。
14.根据权利要求9所述的燃气涡轮设备，其中，
所述燃气涡轮设备具备废热回收锅炉，该废热回收锅炉通过与从所述燃气涡轮排出的燃烧气体进行热交换而产生蒸气，
所述冷却器的所述热交换器是将向所述废热回收锅炉输送的水作为所述冷却介质而与所述压缩空气进行热交换的锅炉水预热器，所述冷却器的所述介质量调节器是对向所述锅炉水预热器输送的所述水的流量进行调节的水量调节器。
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