JP2003214188A - ガスタービン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 タービンの回転数を変速させる際に、タービ
ンを緩やかに変速させることにより燃料が過剰に供給さ
れてしまうことを防止し、これにより、ガスタービン装
置の寿命の低下を防止することを可能にしたガスタービ
ン装置を提供する。 【解決手段】 空気と燃料との混合気を燃焼させ、該燃
焼により発生した燃焼ガスをタービン１に供給すること
によりタービン１を回転駆動するガスタービン装置にお
いて、タービン１の回転数を変速させる際、該変速が開
始された時点から所定時間の間は、タービン１の加速度
を所定の目標値に沿って連続的に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン装置
に係り、特に、タービンを制御対象とする制御部を備え
たガスタービン装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的なガスタービン装置は、回転軸を
介して回転自在に取り付けられたタービンと、燃料と空
気との混合気を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器
と、燃焼器への燃料供給量を調節する開度可変な燃料調
節弁と、タービンにより駆動されて燃焼器に空気を圧送
する空気圧縮機などから基本的に構成される。

【０００３】上述の構成において、燃料調節弁により供
給量が調節された燃料および空気圧縮機により圧縮され
た空気（以下、適宜、圧縮空気という）は燃焼器に供給
され、燃焼器にて圧縮空気と燃料との混合気が形成され
る。そして、この混合気を燃焼器にて燃焼させることで
高温・高圧の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスがタービ
ンに供給されることによりタービンが高速で回転するよ
うになっている。

【０００４】また、一般に、ガスタービン装置では、タ
ービンの回転数や加速度が所定の目標値に近づくように
タービンを制御するフィードバック制御が行われる。こ
のフィードバック制御では、タービンの現在の回転数や
加速度を検出してこれをフィードバック値とし、このフ
ィードバック値と目標値との偏差を最小とするための燃
料を供給すべく、燃料調節弁の開度の操作が行われる。
即ち、燃料調節弁を操作することにより燃焼器への燃料
の供給量を加減し、これにより、タービンに供給する燃
焼ガスの温度を調節することでタービンの加速度や回転
数の制御が行われる。

【０００５】ここで、上述のように構成されたガスター
ビン装置の起動時の様子について図５を参照して説明す
る。図５は従来のガスタービン装置の起動時に各種値が
変動する様子を経時的に示す図である。図５において、
ＮＲ（Number of Revolution）はタービンの回転数を
示し、ＦＣＶ（Fuel Control Valve）は燃料調節弁の
開度を示し、ＥＧＴ（Exhaust Gas Temperature）は
排気温度を示す。なお、排気温度は、タービン出口の温
度である。

【０００６】ガスタービン装置の起動は、まず、起動用
のモータによりタービンを回転駆動することから開始さ
れる（図５のｔ_０）。図５において、モータにより回転
駆動されたタービンが着火可能な回転数（ＮＲ_１）に達
したところでこの回転数を一定に維持するようモータの
回転数を制御し、この間に混合気の着火動作が行われ
る。やがて混合気に着火して燃焼ガスが発生すると（ｔ
_１）、燃焼ガスがタービンに供給され、上述したよう
に、燃焼ガスにより駆動力を得てタービンが定格回転数
にまで昇速する。そして、混合気に着火してから定格回
転数（ＮＲ_２）に達するまでのタービンは、上述したフ
ィードバック制御によって予め設定された目標値に従っ
てタービンが加速するようタービンの加速度制御が行わ
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ガスタービン装置においては、モータによりタービンの
回転数を一定に維持した後、上述したフィードバック制
御に切り替わった直後に次のような問題が生じている。
一般に、タービンは、それ自体が有する質量により慣性
モーメントが作用しているため、タービンの回転数を瞬
間的に変速させるためには、この変速時において多くの
駆動力が必要となる。図５においては、モータによる定
速回転制御からフィードバック制御による加速度制御に
切り替わるタイミングｔ_１では、タービンの回転数をほ
ぼ瞬間的に変速させるようなフィードバック制御指令が
出されることになる。

【０００８】すると、タービンを速やかに変速させるた
めに多くの燃料が必要となり、燃料調節弁の開度が大き
く開いてしまう（図５のＦＣＶ参照）。その結果、燃料
が激しく燃焼して排気温度（ＥＧＴ）が急激に上昇する
ことになる（図５のＥＧＴ参照）。そして、この排気温
度の急激な上昇により、ガスタービン装置、特に、燃焼
器の寿命を縮めてしまうという問題が生じている。この
ような問題は、ガスタービン装置の起動時に限らず、フ
ィードバック制御によりタービンの回転数を急に変速さ
せるような指令が出された場合にも起こり得る。

【０００９】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであり、タービンの回転数を変速させる
際に、タービンを緩やかに変速させることにより燃料が
過剰に供給されてしまうことを防止し、これにより、ガ
スタービン装置の寿命の低下を防止することを可能にし
たガスタービン装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明は、空気と燃料との混合気を燃焼させ、
該燃焼により発生した燃焼ガスをタービンに供給するこ
とにより前記タービンを回転駆動するガスタービン装置
において、前記タービンの回転数を変速させる際、該変
速が開始された時点から所定時間の間は、前記タービン
の加速度を所定の目標値に沿って連続的に変化させるこ
とを特徴とする。この場合において、前記所定の目標値
は、経過時間を変数とする所定の関数により、経過時間
とともに連続的に変動する値として与えられることが好
ましい。

【００１１】このように構成された本発明によれば、タ
ービンの回転数を変速させる際に、タービンは緩やかに
変速することになるので、タービンの変速に必要な燃料
供給量を抑えることが可能となる。その結果、排気温度
が上昇してしまうことを防止することが可能となり、こ
れにより、ガスタービン装置の寿命低下を防止すること
が可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスタービン
装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図
１は本実施形態であるガスタービン装置の全体構成を示
す模式図である。

【００１３】図１に示すように、本実施形態におけるガ
スタービン装置は、タービン１と、燃料と空気との混合
気を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器２と、燃焼
器２への燃料の供給量を調節する燃料調節弁１９と、燃
焼器２に空気を圧送する空気圧縮機３とを備えている。
また、ガスタービン装置は、タービン１を制御対象とす
るタービン制御部１１と、タービン１の回転数を検出す
る回転数検出部１２とを備えている。

【００１４】タービン１は、流体を受けて回転するため
の複数の回転翼（図示せず）を有し、回転軸６を介して
ケーシング（図示せず）内に回転自在に支持されてい
る。空気圧縮機３は回転軸６を介してタービン１により
駆動されて空気を圧縮するように構成されている。この
空気圧縮機３は配管７を介して燃焼器２に接続されてお
り、空気圧縮機３により圧縮された空気は配管７を通っ
て燃焼器２に供給されるようになっている。

【００１５】燃料調節弁１９は燃焼器２の上流側に配置
されており、図示しない燃料供給源から供給された燃料
は、この燃料調節弁１９を通過した後、燃焼器２に供給
される。燃料調節弁１９は、弁の開度が可変に構成さ
れ、この開度を操作することにより、燃焼器２への燃料
の供給量が調節されるようになっている。

【００１６】燃焼器２に供給された燃料および空気は燃
焼器２において混合気を形成し、燃焼器２にて混合気が
燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスが発生する。そし
て、この燃焼ガスがタービン１に供給されることにより
タービン１が高速で回転する。さらに、回転軸６の一端
には発電機５が連結されており、回転軸６を介してター
ビン１により発電機５が回転駆動されることで発電が行
われる。なお、タービン１の下流側に接続される配管８
には、排気ガスの温度（ＥＧＴ）を測定するための排気
温度測定部１８が設置されている。

【００１７】次に、タービン制御部１１について図２を
参照して説明する。図２は本実施形態が備えるタービン
制御部の構成を示す模式図である。図２に示すように、
タービン制御部１１は、タービン１の回転数を目標回転
数に近づけるための制御信号を演算する回転数用演算部
１３と、タービン１の加速度を目標加速度に近づけるた
めの制御信号を演算する加速度用演算部１５と、回転数
検出部１２により検出された検出値からタービン１の加
速度を算出する加速度算出部１４とを備えている。な
お、本実施形態においては、目標値は、目標回転数及び
目標加速度のことである。

【００１８】また、タービン制御部１１は、入力された
複数の制御信号の中から最も低い値を示す制御信号のみ
を通過させるロウシグナルセレクト２１と、入力された
複数の制御信号の中から最も高い値を示す制御信号のみ
を通過させるハイシグナルセレクト２２と、制御信号の
値に応じて燃料調節弁１９の開度を操作する開度操作部
２０とを備えている。以下、タービン制御部１１につい
て詳述する。

【００１９】回転数用演算部１３は、回転数検出部１２
により検出されたタービン１の現在の回転数をフィード
バック値とし、このフィードバック値と予め設定された
目標回転数との偏差を最小にするための制御信号をＰＩ
Ｄ動作により演算するように構成されている。加速度用
演算部１５は、加速度算出部１４により算出されたター
ビン１の現在の加速度をフィードバック値とし、このフ
ィードバック値と目標加速度との偏差を最小にするため
の制御信号をＰＩＤ動作により演算するように構成され
ている。

【００２０】上述のように構成されたタービン制御部１
１においては、まず、回転数用演算部１３および加速度
用演算部１５から出力された制御信号はそれぞれロウシ
グナルセレクト２１に送られる。ロウシグナルセレクト
２１では、より低い値を示す方の制御信号のみが選択さ
れて通過するようになっているので、選択された１つの
制御信号がハイシグナルセレクト２２に送られる。な
お、ロウシグナルセレクト２１に送られてくる制御信号
は、図２に示すように、回転数用演算部１３及び加速度
用演算部１５から出力された制御信号である。

【００２１】ハイシグナルセレクト２２では、ロウシグ
ナルセレクト２１を通過した制御信号と、混合気の燃焼
状態を維持するための最小燃料確保部（図示せず）等か
ら出力される制御信号とが比較され、最も高い値を示す
制御信号のみが通過する。なお、最小燃料確保部は、タ
ービン１が受ける負荷が急減した場合などに燃焼状態を
維持させるために設けられているので、通常の運転時に
おいては、ハイシグナルセレクト２２では、ロウシグナ
ルセレクト２１を通過した制御信号が選択される。

【００２２】ハイシグナルセレクト２２を通過した制御
信号は、最終的に開度操作部２０に送られる。開度操作
部２０においては、制御信号の値に基づいて燃料調節弁
１９の開度を操作する操作量が決定される。そして、開
度操作部２０により燃料調節弁１９が操作されることで
燃焼器２に供給される燃料供給量が調節され、これによ
り、タービン１の制御が行われる。

【００２３】次に、本実施形態における回転数用演算部
１３及び加速度用演算部１５において設定されている目
標値について図３を参照して説明する。図３（ａ）は図
２に示す回転数用演算部において設定される目標回転数
を示す図であり、図３（ｂ）は図２に示す加速度用演算
部において設定される目標加速度を示す図であり、図３
（ｃ）は図３（ａ）に示す目標回転数及び図３（ｂ）に
示す目標加速度を重ね合わせた図である。なお、図３に
おける座標軸では、横軸は時間（ｔ）を示し、縦軸はタ
ービン１の回転数（ＮＲ）の値を示す。

【００２４】一般には、回転数用演算部１３において設
定される目標回転数は、時間の経過にかかわらず一定の
値が与えられる（図３（ａ）の点線参照）。本実施形態
では、図３（ａ）の実線で示すように、回転数用演算部
１３において設定される目標回転数（ＮＲsp）は、ター
ビン１の回転数がＮＲ_１から昇速してＮＲ_２に達するま
では時間の経過とともに変動するように設定されてい
る。従って、回転数用演算部１３により出力される制御
信号の値は、図３（ａ）に示す目標回転数（ＮＲsp）に
略比例して増加することになる。ここで、目標回転数
（ＮＲsp）の曲線は、経過時間ｔを変数とする所定の関
数を設定することにより与えることができ、例えば、２
次関数などを用いて設定することができる。

【００２５】一方、加速度用演算部１５において設定さ
れている目標加速度（ＡＣＣＥＬsp）は、図３（ｂ）に
示すように、タービン１の回転数がＮＲ_１を起点として
ほぼ一定の加速度で昇速するように設定されている。従
って、加速度用演算部１５により出力される制御信号の
値は、図３（ｂ）に示す目標加速度（ＡＣＣＥＬsp）に
略比例して増加することになる。

【００２６】ここで、回転数用演算部１３と加速度用演
算部１５から出力される制御信号は、上述したように、
ロウシグナルセレクト２１においてより低い値を示す制
御信号のみが選択されて通過することになる。従って、
ロウシグナルセレクト２１を通過した制御信号によれ
ば、タービン１は、図３（ｃ）に示す実線に示す目標値
（ＳＰ）に沿って昇速することになる。

【００２７】次に、本実施形態におけるガスタービン装
置の起動時において、タービン１の回転数が昇速する様
子について図４を参照して説明する。図４は本実施形態
におけるガスタービン装置の起動時において各種値が変
動する様子を経時的に示す図である。本実施形態では、
ガスタービン装置の起動時には、回転軸６に連結された
モータ５（図１参照）が起動用駆動源として用いられ
る。即ち、モータ５によりタービン１を回転駆動して着
火可能な回転数（ＮＲ_１）に達するまで昇速させる。そ
して、モータ５によりタービン１をこの回転数（Ｎ
Ｒ_１）に維持しつつ混合気の着火動作が行われる。混合
気が着火して燃焼ガスが発生した後は、タービン制御部
１１（図１参照）により、図３（ｃ）に示す目標値（Ｓ
Ｐ）に基づいてタービン１の制御が行われる。

【００２８】図４において、モータ５による制御（ｔ_０
〜ｔ_１）からタービン制御部１１による制御（ｔ_１〜）
に切り替わる際、タービン１の回転数が変速することに
なる。このとき、本実施形態によれば、図４に示すよう
に、タービン１の変速が開始された時点ｔ_１からｔ_２ま
での間は、変速する直前の加速度０を起点として、ター
ビン１の加速度は連続的に変化することになり、その結
果、タービン１は緩やかに昇速することになる。

【００２９】従って、タービン１の回転数の変速が開始
された時点ｔ_１からｔ_２までの間におけるタービン１の
加速度の上昇率を、タービン１の慣性モーメントに合わ
せた上昇率に設定すれば、この間（ｔ_１からｔ_２）に要
求される燃料供給量を低く抑えることが可能となる（図
４のＦＣＶ参照）。その結果、タービン１の変速に起因
する排気温度（ＥＧＴ）の過度な上昇を抑えることが可
能となり、これにより、ガスタービン装置、特に、燃焼
器２の寿命の低下を防止することが可能となる。

【００３０】なお、本発明のガスタービン装置は、上述
の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ること
は勿論である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
タービンの回転数を変速させる際、タービンは緩やかに
変速することになるので、回転数の変速に必要な燃料供
給量を抑えることが可能となる。その結果、排気温度が
上昇してしまうことを防止することが可能となり、これ
により、ガスタービン装置の寿命低下を防止することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の
全体構成を示す模式図である。

【図２】本発明の一実施形態が備えるタービン制御部の
構成を示す模式図である。

【図３】図３（ａ）は図２に示す回転数用演算部におい
て設定される目標回転数を示す図であり、図３（ｂ）は
図２に示す加速度用演算部において設定される目標加速
度を示す図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）に示す目標
回転数及び図３（ｂ）に示す目標加速度を重ね合わせた
図である。

【図４】本発明の一実施形態におけるガスタービン装置
の起動時において各種値が変動する様子を経時的に示す
図である。

【図５】従来のガスタービン装置の起動時に各種値が変
動する様子を経時的に示す図である。

【符号の説明】

１ タービン ２ 燃焼器 ３ 空気圧縮機 ５ モータ ６ 回転軸 ７，８ 配管 １１ タービン制御部 １２ 回転数検出部 １３ 回転数用演算部 １４ 加速度算出部 １５ 加速度用演算部 １８ 排気温度測定部 １９ 燃料調節弁 ２０ 開度操作部 ２１ ロウシグナルセレクト ２２ ハイシグナルセレクト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮本 政博 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 古谷 泰 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 片岡 匡史 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気と燃料との混合気を燃焼させ、該燃
   焼により発生した燃焼ガスをタービンに供給することに
   より前記タービンを回転駆動するガスタービン装置にお
   いて、 前記タービンの回転数を変速させる際、該変速が開始さ
   れた時点から所定時間の間は、前記タービンの加速度を
   所定の目標値に沿って連続的に変化させることを特徴と
   するガスタービン装置。
2. 【請求項２】 前記所定の目標値は、経過時間を変数と
   する所定の関数により、経過時間とともに連続的に変動
   する値として与えられることを特徴とする請求項１に記
   載のガスタービン装置。