JP2003247427A

JP2003247427A - ガスタービン装置

Info

Publication number: JP2003247427A
Application number: JP2002043473A
Authority: JP
Inventors: Terence Mckelvey; テレンスマッケルヴィ; Hidefumi Marui; 英史丸井; Masahiro Miyamoto; 政博宮本; Tadashi Kataoka; 匡史片岡; Yasushi Furuya; 泰古谷
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP3897608B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン装置の温度に応じた最適なター
ビンの目標加速度を設定することにより、温度上昇を防
止してガスタービン装置の寿命の低下を防止することを
可能とし、また、ガスタービン装置の温度に応じた最短
の起動時間が得られることを可能としたガスタービン装
置を提供する。【解決手段】燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される
空気を加温する熱交換器４と、熱交換器４により加温さ
れた空気の温度を測定する空気温度測定部１７と、ター
ビン１の加速度が所定の目標加速度に近づくようにター
ビン１の加速度を制御する加速度制御部を備えたタービ
ン制御部１１とを設け、前記加速度制御部では、空気温
度測定部１７により測定された空気の温度に基づいて前
記目標加速度を変動させる。

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。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】一般に、ガスタービン装置を起動させる場
合、モータによりタービンを回転駆動して、タービンを
所定の毎分回転数（以下、単に回転数という）に維持さ
せつつ混合気の着火動作が行われる。混合気に着火して
燃焼ガスが発生した後は、上述のように、燃焼ガスによ
り駆動力を得てタービンが昇速する。そして、混合気が
着火してからタービンが定格回転数に達するまでは、タ
ービンの回転加速度（以下、単に加速度という）が予め
設定された所定の目標加速度となるように燃焼器への燃
料供給量を調節する加速度制御が行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た加速度制御では、ガスタービン装置の温度、特に燃焼
に供される空気の温度にかかわらず、一律に所定の目標
加速度に基づいてタービンを昇速させることになる。こ
のため、ガスタービン装置の温度によってはタービンの
昇速時に混合気が激しく燃焼するなどの問題が生じてい
る。この問題について図４を参照して説明する。図４は
温度が低い状態で従来のガスタービン装置を起動させる
際に各種値が変動する様子を示す図である。図４におい
て、ＮＲ（Number of Revolution）はタービンの回転数
を示し、ＥＧＴ（Exhaust Gas Temperature）は排気温
度を示す。

【０００６】タービンを定格回転数（ＮＲst）まで昇速
させる場合において、一般に、ガスタービン装置の温
度、特に、燃焼に供される空気の温度が高い場合には、
タービンを図４に示す目標加速度（ＡＣＣＥＬ_１）で昇
速させるための燃料供給量はさほど多くは必要とされな
い。一方、ガスタービン装置の温度（燃焼に供される空
気温度）が低い場合に同じ目標加速度（ＡＣＣＥＬ_１）
で昇速させようとすると、昇速させるための駆動力を得
るためにはより多くの燃料が必要となり、図４に示すよ
うに、必然的に混合気が激しく燃焼して排気温度（ＥＧ
Ｔ）が上昇することになる。

【０００７】このように、ガスタービン装置の温度が低
い場合に混合気が激しく燃焼すると、ガスタービン装置
の各構成部材に熱応力が発生して、ガスタービン装置の
寿命が低下するという問題が生じる。特に、混合気が燃
焼する燃焼器では、燃焼器を構成する燃焼室（ライナ）
が局所的に高温となってしまい、燃焼室（ライナ）の各
部位間での温度差によって熱応力が発生して燃焼器の寿
命が極端に短くなってしまう。

【０００８】ここで、図４の点線で示すように、緩やか
な目標加速度（ＡＣＣＥＬ_２）を設定し、タービンをこ
の目標加速度に沿って昇速させれば、昇速させるために
必要な駆動力はより少なくて済む。従って、燃焼状態を
抑えることができるので燃焼器は保護されることにな
る。しかしながら、起動時のガスタービン装置の温度は
そのときどきによって異なってくる。特に、ガスタービ
ン装置の温度が高い場合には、排気温度を上昇させるこ
となく、図４の実線で示すＡＣＣＥＬ_１のように、ター
ビンを鋭く昇速させることが可能なところ、目標加速度
が緩やかに設定され過ぎると、定格回転数（ＮＲst）に
到達するまで不必要に時間がかかることになってしま
う。

【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、ガスタービン装置の温度に応じた最
適なタービンの目標加速度を設定することにより温度上
昇を防止してガスタービン装置の寿命の低下を防止する
ことを可能とし、また、ガスタービン装置の温度に応じ
た最短の起動時間が得られることを可能としたガスター
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、燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される空気
を加温する熱交換器と、前記熱交換器により加温された
空気の温度を測定する空気温度測定部と、前記タービン
の加速度が所定の目標加速度に近づくように前記タービ
ンの加速度を制御する加速度制御部とを設け、前記加速
度制御部は、前記空気温度測定部により測定された空気
の温度に基づいて前記目標加速度を変動させる目標加速
度変動部を有することを特徴とする。

【００１１】この場合において、前記目標加速度変動部
は、前記空気温度測定部により測定された空気の温度に
比例する補正値を所定の基準目標加速度に加算又は減算
することにより前記目標加速度を変動させることが好ま
しい。更には、前記補正値は、所定の基準空気温度と前
記空気温度測定部により測定された空気の温度との偏差
に所定の定数を乗算して得られる値であることが好まし
い。また、前記基準目標加速度が関数として構成された
ことが好ましい。

【００１２】このように構成された本発明によれば、熱
交換器はガスタービン装置の一部を構成するとともに、
燃焼ガスの熱を利用して空気を加温するので、熱交換器
により加温された空気の温度を測定することにより、ガ
スタービン装置のおおよその温度を推測することができ
る。しかも、熱交換器は燃焼に供される空気を加温する
ので、加温後の空気の温度を測定することにより、空気
温度に最適な燃料供給量を判断することができる。

【００１３】従って、熱交換器により加温された空気の
温度に基づいてタービンの目標加速度を変動させれば、
ガスタービン装置の温度に応じた最適な量の燃料を供給
することができる。その結果、ガスタービン装置の寿命
の低下を防止することが可能となり、さらには、ガスタ
ービン装置の温度に応じた最短の起動時間を得ることが
可能となる。

【００１４】

【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。

【００１５】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に供給された後
の燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される空気を加温す
る熱交換器４と、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。

【００１６】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。なお、熱交
換器４は配管７の途中に設置されており、空気圧縮機３
により圧縮された空気は、熱交換器４により加温された
後、燃焼器２に供給される。

【００１７】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。

【００１８】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。タービン１の回転駆動に
供された燃焼ガスは熱交換器４に送られ、上述したよう
に、燃焼器２に供給される前の空気を加温した後に排気
される。なお、タービン１と熱交換器４とを接続する配
管８には、排気温度（主に燃焼ガスの温度）を測定する
ための排気温度測定部１８が設置されている。

【００１９】また、熱交換器４と燃焼器２とを接続する
配管７には、熱交換器４により加温された空気の温度を
測定する空気温度測定部１７が設置されている。この空
気温度測定部１７は、燃焼器２のすぐ上流側に配置され
ており、この空気温度測定部１７によって、燃焼器２に
流入する直前の空気の温度、即ち、燃焼器流入空気温度
（Combustor Inlet air Temperature、ＣＩＴ）が測定
される。この空気温度測定部１７によって、燃焼に供さ
れる空気の温度を測定することができる。

【００２０】なお、熱交換器４により加温される空気の
温度は、熱交換器４の持つ熱容量により、燃焼器２にお
ける燃焼状態に対して緩やかに変動することになる。ま
た、熱交換器４は、ガスタービン装置の一部を構成する
とともに、燃焼ガスの熱を利用して空気を加温するの
で、熱交換器４により加温される空気の温度を測定する
ことによりガスタービン装置本体のおおよその温度を推
測することができる。

【００２１】次に、本実施形態が備えるタービン制御部
１１について図２を参照して説明する。図２（ａ）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
あり、図２（ｂ）は、本実施形態における目標加速度変
動部の構成を示す模式図である。図２（ａ）に示すよう
に、タービン制御部１１は、タービン１の回転数を所定
の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出力する加速度制御部２６
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。

【００２２】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、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。

【００２３】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を予め設定された
目標回転数（ＮＲst）に近づけるよう制御される。

【００２４】加速度制御部２６は、目標加速度を変動さ
せる目標加速度変動部２８と、目標加速度変動部２８に
より定められる目標加速度にタービン１の加速度を近づ
けるための制御部２７とを備えている。即ち、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
加速度変動部２８から送られてくる目標加速度との偏差
を最小にするための制御信号が加速度用演算部２７によ
り演算される。

【００２５】目標加速度変動部２８は、空気温度測定部
１７により測定された空気温度に基づいて目標加速度を
変動させるようになっている。この点について詳述する
と、目標加速度変動部２８は、図２（ｂ）に示すよう
に、空気温度測定部１７に接続されており、空気温度測
定部１７により測定された空気温度、即ち、燃焼器流入
空気温度（ＣＩＴ）が目標加速度変動部２８に常時送ら
れるようになっている。目標加速度変動部２８には、ガ
スタービン装置が許容し得る燃焼器流入空気最大温度
（ＣＩＴmax）が設定されており、まず、燃焼器流入空
気最大温度（ＣＩＴmax）と、空気温度測定部１７から
送られた燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）との偏差（ＣＩ
Ｔmax−ＣＩＴ）が算出される。

【００２６】次に、この偏差（ＣＩＴmax−ＣＩＴ）に
所定の定数Ｚを乗算することにより偏差に比例する補正
値（ＣＩＴα）を算出し、予め設定された基準目標加速
度（ＡＣＣＥＬst）からこの補正値（ＣＩＴα）を減算
することにより目標加速度が算出される。なお、本実施
形態では、基準目標加速度（ＡＣＣＥＬst）として、ガ
スタービン装置の温度が高い場合、即ち、燃焼器流入空
気最大温度（ＣＩＴmax）に対応した加速度が設定され
ている。ガスタービン装置が想定し得る最低温度に合わ
せて基準目標加速度を設定する場合には、この基準目標
加速度と、上述した補正値とを加算することで求めるべ
き目標加速度を算出すればよい。

【００２７】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
制御部２６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２
１では、より低い値を示す方の制御信号のみが選択され
る。なお、通常、混合気が着火してタービン１が定格回
転数に達するまでは、回転数用演算部１３から出力され
る制御信号よりも、加速度制御部２６から出力される制
御信号の方が小さい。従って、ロウシグナルセレクト２
１では、混合気に着火してタービン１が定格回転数に達
するまでは、加速度制御部２６から出力された制御信号
が選択される。

【００２８】ローシグナルセレクト２１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では、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を操作することで燃焼器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。

【００２９】次に、本実施形態における加速度制御部２
６によりタービン１の加速度が変動する様子について図
３を参照して説明する。図３は本実施形態であるガスタ
ービン装置の起動時に各種値が変動する様子を示す図で
ある。ガスタービン装置の起動時においては、上述した
ように、混合気が着火して定格回転数（ＮＲst）に至る
までは加速度制御部２６によりタービン１の制御が行わ
れる。なお、タービン１が定格回転数（ＮＲst）に達す
る直前でロウシグナルセレクト２１により制御信号の選
択の切り替えが行われ、その後は回転数用演算部１３に
よりタービン１の制御が行われる。

【００３０】ガスタービン装置を起動する際には、モー
タ５によりタービン１を回転駆動してタービン１を昇速
させる。そして、タービン１が着火可能な回転数（ＮＲ
_１）となったところで回転数を一定に維持させつつ着火
動作を行う。混合気が着火すると（ｔ_０）、燃焼ガスに
より駆動力を得てタービン１が昇速を始める。このとき
のタービン１はタービン制御部１１により制御され、上
述したように、タービン１の回転数が定格回転数（ＮＲ
st）に達するまでは加速度制御部２６によりタービン１
の加速度制御が行われる。

【００３１】本実施形態では、基準目標加速度（ＡＣＣ
ＥＬst）および燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴmax）
は、図３に示す値に設定されている。そして、燃焼器流
入空気最大温度（ＣＩＴmax）と空気温度測定部１７に
より測定される燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）との偏差
（ＣＩＴmax−ＣＩＴ）および基準目標加速度（ＡＣＣ
ＥＬst）に基づいてタービン１の最終的な目標加速度が
決定される。

【００３２】例えば、ガスタービン装置の運転を停止さ
せた後すぐに再起動するような場合は、ガスタービン装
置が高温となっているため、起動時においては燃焼器流
入空気温度（ＣＩＴ）は高い値が測定される（図３のＣ
ＩＴ（hot）参照）。従って、燃焼器流入空気最大温度
（ＣＩＴmax）と燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）との偏
差（ＣＩＴmax−ＣＩＴ）は小さく、目標加速度変動部
２８により決定される目標加速度は図３に示すＡＣＣＥ
Ｌ（hot）の値になる。そして、この目標加速度に基づ
いてタービン１が昇速し、ｔ_１で定格回転数に達する。

【００３３】一方、ガスタービン装置の温度が低い状態
で起動する場合には、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）の
温度は低い位置にある（図３のＣＩＴ（cold））参
照）。この場合は、燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴma
x）と燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）との偏差（ＣＩＴm
ax−ＣＩＴ）は大きいので、目標加速度変動部２８によ
り算出される目標加速度は図３に示すＡＣＣＥＬ（col
d）の値になる。そして、この目標加速度に基づいてタ
ービン１が昇速し、ｔ_２で定格回転数に達する。

【００３４】つまり、ガスタービン装置の温度が高い状
態で起動する場合には、タービン１は速やかに昇速し、
ガスタービン装置の温度が低い状態で起動する場合に
は、タービン１は緩やかに昇速することになる。ガスタ
ービン装置の温度が低い場合にはタービン１は緩やかに
昇速するので、タービン１を速やかに昇速させる場合に
比べて必要な駆動力が少なくて済み、その結果、排気温
度（ＥＧＴ）の上昇を低く抑えることが可能となる。ま
た、ガスタービン装置の温度が高い場合には、タービン
１が速やかに昇速することになるので、定格回転数に到
達するまでの時間をｔ_２からｔ_１に短縮させることが可
能となる。

【００３５】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。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガスタービン装置の温度が低い場合には、タービンを緩
やかに昇速させるので、タービンの昇速に必要な燃料を
少なくすることができる。その結果、燃焼状態を抑えて
構成部材に生じる熱応力を低下させることが可能とな
り、これにより、ガスタービン装置の寿命の低下を防止
することが可能となる。また、ガスタービン装置の温度
が高い場合にはタービンが定格回転数に到達するまでの
時間を短縮させることが可能となる。即ち、ガスタービ
ン装置の温度に対応した最短の起動時間を得ることが可
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】図２（ａ）は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り、図２（ｂ）は、
図２（ａ）に示す目標加速度変動部の構成を示す模式図
である。

【図３】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の
起動時に各種値が変動する様子を示す図である。

【図４】温度が低い状態で従来のガスタービン装置を起
動させる際に各種値が変動する様子を示す図である。

【符号の説明】

１タービン２燃焼器３空気圧縮機４熱交換器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１７空気温度測定部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２６加速度制御部２７加速度用演算部２８目標加速度変動部

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 (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

Claims

【特許請求の範囲】

【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、燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される空気を加温する
熱交換器と、前記熱交換器により加温された空気の温度
を測定する空気温度測定部と、前記タービンの加速度が
所定の目標加速度に近づくように前記タービンの加速度
を制御する加速度制御部とを設け、前記加速度制御部は、前記空気温度測定部により測定さ
れた空気の温度に基づいて前記目標加速度を変動させる
目標加速度変動部を有することを特徴とするガスタービ
ン装置。
【請求項２】前記目標加速度変動部は、前記空気温度
測定部により測定された空気の温度に比例する補正値を
所定の基準目標加速度に加算又は減算することにより前
記目標加速度を変動させること特徴とする請求項１に記
載のガスタービン装置。
【請求項３】前記補正値は、所定の基準空気温度と前
記空気温度測定部により測定された空気の温度との偏差
に所定の定数を乗算して得られた値であることを特徴と
する請求項２に記載のガスタービン装置。
【請求項４】前記基準目標加速度が関数として構成さ
れことを特徴とする請求項２又は３に記載のガスタービ
ン装置。