JP2003278563A - 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一定に維持する制御が行
われるガスタービン装置において、負荷が増加しつつ運
転する場合でも、迅速にフレームアウトの発生を検知す
ることができるガスタービン装置を提供する。 【解決手段】 混合気における空気と燃料との空燃比を
算出する空燃比算出部３１と、空燃比算出部３１により
算出された空燃比に圧力検出部２０により検出された値
に応じて変動する所定の補正値を加算することにより略
一定となる補正空燃比を算出する補正空燃比算出部３４
と、補正空燃比算出部３４により算出された補正空燃比
が予め設定した所定の基準空燃比を下回ったときはフレ
ームアウトが発生したと判断するフレームアウト判断部
３３とを備えた。

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、フレームアウトの発生を迅速に判断する
ことができるガスタービン装置に関するものである。

【従来の技術】

【０００２】発電を行うための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、燃焼ガスを発生させるための燃焼器と、燃焼器へ
の燃料供給量を調節する燃料調節弁と、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。ま
た、発電機は、回転軸を介してタービンに接続され、タ
ービンと空気圧縮機と発電機とは、通常、回転軸を介し
て一体的に駆動するように構成される。

【０００３】上述の構成において、燃料調節弁により調
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、燃焼器において混合気を燃焼させて燃焼ガスを発
生させ、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。上述し
たように、回転軸の一端には発電機が取り付けられてお
り、回転軸を介してタービンにより発電機を駆動するこ
とで発電が行われる。

【０００４】上述したガスタービン装置においては、一
般に、タービンの回転数や加速度を制御するフィードバ
ック制御が行われる。即ち、現在のタービンの回転数や
加速度を求めて演算部にフィードバックし、フィードバ
ックされた値と予め設定された目標値との偏差を最小と
するための燃料供給量を求める。そして、この燃料供給
量となるように燃料調節弁の開度を操作して燃焼器への
燃料供給量を調節し、タービンに供給される燃焼ガスの
量を加減することで、タービンの回転数の制御が行われ
る。

【０００５】ところで、上述したガスタービン装置にお
いては、燃焼器に燃料を供給しながらも燃焼火炎が突然
消えてしまう、いわゆるフレームアウトという現象が起
こることがある。このフレームアウトが起こると、ガス
タービン装置が停止するのみならず、供給された燃料或
いは混合気がガスタービン装置内部に充満し、タービン
などの余熱により引火して爆発するおそれがあり、極め
て危険である。従って、フレームアウトが発生した場合
には、これを速やかに検知し、燃料の供給を停止させる
ことが極めて重要となる。

【０００６】フレームアウトの発生を判断する判断要素
として、混合気における空気と燃料との質量比（または
重量比）、即ち、空燃比（エア・フューエル・レシオ、
Ａ／Ｆともいう）が挙げられる。空燃比は、燃焼に供さ
れる空気と燃料との質量比、即ち、混合比であり、空気
の単位時間当たりの流量を燃料の単位時間当たりの流量
で除算することで得ることができる。なお、上述したよ
うに、空気は空気圧縮機により圧縮されて燃焼器に送ら
れ、この空気圧縮機はタービンによって駆動されるた
め、空気の流量はタービンの回転数に比例し、また、燃
料の流量は燃料調節弁の開度に比例するため、空燃比
は、タービンの回転数および燃料調節弁の開度から導く
ことができる。

【０００７】フレームアウトが発生すると、燃焼ガスの
供給が停止するためタービンの回転数（空気の流量）は
減速し、減速した回転数を回復させようとするフィード
バック制御により燃料調節弁の開度（燃料の流量）が増
加するので、空燃比は低下することになる。従って、フ
レームアウトが発生した場合に想定される空燃比を、フ
レームアウトが発生したことを判断する基準空燃比とし
て予め設定しておけば、この基準空燃比より空燃比が下
がった場合にフレームアウトが発生したと判断すること
ができる。このことに基づき、従来のガスタービン装置
においては、空燃比の変化を常時監視し、この空燃比が
設定した基準空燃比を下回ったことを検知したときにフ
レームアウトが発生したと判断する判断方法が採用され
ている。

【０００８】ここで、上述したように、ガスタービン装
置はタービンを制御するための制御装置を備えており、
特に、発電機から安定的に電力を出力させるために、負
荷運転時においてのタービンの回転数を基準として回転
数を一定に保つ制御が行われる。このように、一定の回
転数を保つようにタービンを制御するガスタービン装置
にあっては、タービンが負荷を受けた場合には、負荷の
増加により一旦低下に向かった回転数を回復させるべく
燃料供給量が増加する。即ち、タービンの回転数が一定
であるのに対し燃料の供給量が増加するので、空燃比の
値は負荷の大きさに追従して低下することになる。

【０００９】例えば、負荷の大きさが段階的に増加する
場合は、負荷の大きさに追従して空燃比の値も段階的に
低下する。このときのガスタービン装置の各数値の変動
の様子を図４に示す。図４は従来のガスタービン装置が
受ける負荷が段階的に増加したときの各数値が変動する
様子を示すグラフ図である。図４に示すように、タービ
ンの回転数（Number of Revolutions、ＮＲ）が一定
である場合、段階的に増加する負荷（ＬＯＡＤ）に応じ
て燃料調節弁（Fuel Control Valve、ＦＣＶ）の開度
が増加し、これに伴って空燃比（Ａ／Ｆ）が低下する。
すると、基準空燃比の設定値によっては、低下した空燃
比がこの基準空燃比よりも下がることがある（図４のＳ
１参照）。このため、実際にはフレームアウトが発生し
ていないにもかかわらず、フレームアウトが発生したと
誤認してしまうことになる。このような誤認を回避する
ために、従来では、基準空燃比の設定値は、図４に示す
ように、負荷を受けて低下した空燃比の最低値よりも更
に低い値に設定することで解決を図ってきた（図４のＳ
２参照）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、基準空燃比を低く設定すると、無負荷運転時
（定格回転時）の空燃比の値と基準空燃比の値との差が
大きくなるため、実際にフレームアウトが発生した場合
に、低下する空燃比が基準空燃比にまで到達するまで時
間がかかることになる。そうすると、実際のフレームア
ウトの発生時からフレームアウトが発生したと判断する
までのタイムラグが大きくなってしまう。このことは、
燃料の供給を停止させるタイミングが遅れてしまうこと
を意味し、上述したような事故が起こるおそれがある。

【００１１】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、タービンの回転数を一定に維持する制御が
行われるガスタービン装置において、負荷が増加しつつ
運転する場合でも、迅速にフレームアウトの発生を検知
することができるガスタービン装置を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した問題を解決する
ために、本発明は、燃料と空気圧縮機により圧縮された
空気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であって、混合気における
空気と燃料との空燃比を算出する空燃比算出部と、前記
空燃比算出部により算出された空燃比に前記空気圧縮機
の吐出圧力に応じて変動する所定の補正値を加算するこ
とにより略一定となる補正空燃比を算出する補正空燃比
算出部と、前記補正空燃比算出部により算出された補正
空燃比が予め設定された所定の基準空燃比を下回ったと
きはフレームアウトが発生したと判断するフレームアウ
ト判断部と、を備えたことを特徴とする。

【００１３】この場合において、前記補正値は、前記空
気圧縮機の吐出圧力と所定の基準圧力との偏差に所定の
定数を乗算して得られた値であることが好ましい。ま
た、前記空気圧縮機は前記タービンにより駆動され、前
記空燃比算出部は、前記タービンの回転数及び燃料の供
給量を調節する燃料調節弁の開度に基づいて空燃比を算
出することが好ましい。

【００１４】本発明によれば、回転数が一定になるよう
にタービンを制御するガスタービン装置において、ガス
タービン装置が受ける負荷が段階的に増加する場合で
も、上述した補正値を空燃比に加算することにより得ら
れる補正空燃比はほぼ一定となる値として算出される。
従って、監視すべき対象をこの補正空燃比とすれば、フ
レームアウト発生の判断基準となる基準空燃比を、この
補正空燃比のすぐ下の位置にまで引き上げて設定するこ
とができる。この補正空燃比は実際にフレームアウトが
発生した場合には低下するので、この補正空燃比の変動
に基づいてフレームアウトの発生を判断すれば、実際に
フレームアウトが発生した場合に、低下する補正空燃比
はすぐに基準空燃比に到達することになり、迅速にフレ
ームアウトの発生を検知することが可能となる。

【００１５】

【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。

【００１６】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、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、空気圧縮機３により圧縮された空気の吐出圧
力を検出する圧力検出部２０とを備えている。

【００１７】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。

【００１８】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、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。

【００１９】燃焼器２に供給された燃料および圧縮空気
は燃焼器２において混合気を形成し、燃焼器２にて混合
気が燃焼して高温・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。なお、回転軸６の軸端近
傍には、タービン１の回転数を検出する回転数検出部１
２が設置されている。

【００２０】回転軸６の端部には発電機５が接続されて
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。また、タービン制
御部１１では、タービン１を制御対象としたフィードバ
ック制御が行われる。なお、本実施形態では、タービン
制御部１１によって、負荷運転時においての定格回転数
を維持する制御が行われる。

【００２１】次に、本実施形態が備えるフレームアウト
判断部について図２及び図３を参照して説明する。図２
（ａ）は本実施形態であるガスタービン装置が備えるフ
レームアウト判断部の入出力経路を示す模式図であり、
図２（ｂ）は本実施形態における補正空燃比の算出式を
示す図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は本実施形態
であるガスタービン装置が受ける負荷が段階的に増加し
たときの各数値が変動する様子を示すグラフ図である。

【００２２】図２（ａ）に示すように、本実施形態であ
るガスタービン装置は、フレームアウトの発生を判断す
るフレームアウト判断部３３と、フレームアウト判断部
３３でのフレームアウトの判断要素となる補正空燃比を
算出する補正空燃比算出部３４とを備えている。

【００２３】補正空燃比算出部３４は、空燃比算出部３
１により算出された空燃比に空気圧縮機３の吐出圧力に
対応した所定の補正値を加算することにより略一定とな
る補正空燃比を算出するように構成されている。即ち、
図２（ｂ）に示すように、圧力検出部２０により検出さ
れた空気圧縮機３の吐出圧力（Compressor Discharge
Pressure、以下、適宜ＣＤＰという）と所定の基準圧
力との偏差を圧力偏差算出部２１にて求める。基準圧力
としては、例えば、図３（ａ）に示すＣＤＰ_１の値が好
ましい。そして、この偏差に所定の定数Ｙを乗算して補
正値（ＣＤＰα）を求め、さらに、この補正値（ＣＤＰ
α）と空燃比算出部３１により算出された空燃比（Ａ／
Ｆ）とを加算することで補正空燃比（Ａ／Ｆc）が得ら
れる。ここで、定数Ｙは、補正値（ＣＤＰα）と空燃比
（Ａ／Ｆ）とを加算して得られた補正空燃比（Ａ／Ｆ
ｃ）が略一定となるような値である。

【００２４】図２（ａ）に示すように、補正空燃比算出
部３４において算出された補正空燃比（Ａ／Ｆc）は、
次に、フレームアウト判断部３３に送られる。このフレ
ームアウト判断部３３には予め基準空燃比が設定されて
おり、補正空燃比算出部３４により算出された補正空燃
比（Ａ／Ｆc）が基準空燃比より下回ったときはフレー
ムアウトが発生したと判断するようになっている。そし
て、フレームアウト判断部３３によってフレームアウト
が発生したと判断された場合には、燃焼器２の上流側に
設置された緊急停止弁３２（図１及び図２（ａ）参照）
を作動させて、燃焼器２への燃料の供給を停止させる。

【００２５】上述のように算出された補正空燃比（Ａ／
Ｆc）は略一定の値となって求められる。この理由につ
いて、図３を参照して説明する。タービン１の回転数
（ＮＲ）が一定となるように制御するガスタービン装置
にあっては、タービン１に負荷が段階的に増加する場
合、低下しようとするタービン１を回復させようとする
フィードバック制御により、燃料供給量（ＦＣＶ）が増
加する（図４参照）。

【００２６】すると、図３（ａ）に示すように、空燃比
（Ａ／Ｆ）は負荷の大きさに比例して低下することにな
る。また、同時に、燃料供給量の増加に伴い、燃焼に供
される空気の量も増加するため圧縮空気の圧力（ＣＤ
Ｐ）は負荷に比例して増加する。即ち、図３（ａ）に示
すように、空燃比（Ａ／Ｆ）と圧縮空気の圧力（ＣＤ
Ｐ）はある一定の関係をもって反比例した動きになる。
従って、図２（ｂ）に示す所定の定数Ｙを適切に設定す
ることにより、低下する空燃比（Ａ／Ｆ）の値を補うよ
うな補正値（ＣＤＰα）を求めることができる。そし
て、この補正値（ＣＤＰα）を空燃比（Ａ／Ｆ）に加算
することにより、補正空燃比算出部３４により算出され
る補正空燃比（Ａ／Ｆc）を略一定とすることができ
る。

【００２７】この補正空燃比（Ａ／Ｆc）は、実際にフ
レームアウトが起きた場合には低下するため、フレーム
アウト判断部３３において、この補正空燃比をフレーム
アウト発生の判断要素として使用する。即ち、無負荷運
転時での補正空燃比よりやや低い値に基準空燃比を設定
し、補正空燃比がこの基準空燃比を下回った場合にはフ
レームアウトが発生したと判断する。

【００２８】このような判断方法を採用したことによ
り、負荷下での運転時でも補正空燃比はほぼ一定となる
ので、負荷が増加した場合でもフレームアウトが発生し
たとは判断されない。そして、実際にフレームアウトが
発生した場合にのみ補正空燃比が低下するので、フレー
ムアウトの発生を正確に判断することが可能となる。し
かも、基準空燃比は、図３（ｂ）に示すように、従来の
値（Ｓ２）に比べ、無負荷運転時での補正空燃比のすぐ
下の位置にまで引き上げた値（Ｓ３）に設定することが
できるので、低下する補正空燃比はすぐに基準空燃比に
達し、その結果、フレームアウトが発生したことを極め
て迅速に判断することが可能となる。

【００２９】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。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回転数が一定になるようにタービンを制御するガスター
ビン装置において、ガスタービン装置が受ける負荷が段
階的に増加する場合でも、上述した補正値を空燃比に加
算することにより得られる補正空燃比はほぼ一定となる
値として算出される。従って、監視すべき対象をこの補
正空燃比とすれば、フレームアウト発生の判断基準とな
る基準空燃比を、この補正空燃比のすぐ下の位置にまで
引き上げて設定することができる。その結果、実際にフ
レームアウトが発生した場合に、低下する補正空燃比は
すぐに基準空燃比に到達することになるので、極めて迅
速にフレームアウトが発生したことを検知することが可
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】図２（ａ）は本発明の一実施形態であるガスタ
ービン装置が備えるフレームアウト判断部の入出力経路
を示す模式図であり、図２（ｂ）は本発明の一実施形態
における補正空燃比の算出式を示す図である。

【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の一実施形
態であるガスタービン装置が受ける負荷が段階的に増加
したときの各数値が変動する様子を示すグラフ図であ
る。

【図４】従来のガスタービン装置が受ける負荷が段階的
に増加したときの各数値が変動する様子を示すグラフ図
である。

【符号の説明】

１ タービン ２ 燃焼器 ３ 空気圧縮機 ５ 発電機 ６ 回転軸 ７ 配管 １１ タービン制御部 １２ 回転数検出部 １９ 燃料調節弁 ２０ 圧力検出部 ２１ 圧力偏差算出部 ３１ 空燃比算出部 ３２ 緊急停止弁 ３３ フレームアウト判断部 ３４ 補正空燃比算出部 ＣＤＰ 空気圧縮機の吐出圧力 ＦＣＶ 燃料調整弁 ＮＲ タービンの回転数 ＬＯＡＤ 発電機の負荷

───────────────────────────────────────────────────── 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料と空気圧縮機により圧縮された空気
   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であって、 混合気における空気と燃料との空燃比を算出する空燃比
   算出部と、 前記空燃比算出部により算出された空燃比に前記空気圧
   縮機の吐出圧力に応じて変動する所定の補正値を加算す
   ることにより略一定となる補正空燃比を算出する補正空
   燃比算出部と、 前記補正空燃比算出部により算出された補正空燃比が予
   め設定された所定の基準空燃比を下回ったときはフレー
   ムアウトが発生したと判断するフレームアウト判断部
   と、を備えたことを特徴とするガスタービン装置。
2. 【請求項２】 前記補正値は、前記空気圧縮機の吐出圧
   力と所定の基準圧力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１に記載のガス
   タービン装置。
3. 【請求項３】 前記空気圧縮機は前記タービンにより駆
   動され、前記空燃比算出部は、前記タービンの回転数及
   び燃料の供給量を調節する燃料調節弁の開度に基づいて
   空燃比を算出するように構成されたことを特徴とする請
   求項1又は２に記載のガスタービン装置。