JP2010048213A

JP2010048213A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2010048213A
Application number: JP2008214791A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Takahashi; 康雄高橋; Takanori Shibata; 貴範柴田; Chihiro Meiren; 千尋明連
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: JP5142886B2

Abstract

【課題】
吸気空気に水分を添加するような、中間冷却効果を得ることができる圧縮機の特性を考慮して、効果的にサージングを回避できる圧縮機およびその制御方法を提供する。
【解決手段】
作動流体を圧縮する複数段の圧縮機において、圧縮中の作動流体を冷却する中間冷却機構と、最終段動翼よりも軸方向上流側に、中間冷却機構で冷却された流体の温度を測定する少なくとも一つの温度測定手段と、温度測定手段で測定された温度をもとにサージング抑制手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮機およびその制御方法に関する。

ガスタービン圧縮機吸気空気や圧縮後の作動流体に水分を添加して加湿し、この加湿空気によってガスタービン排ガスの持つ熱エネルギーを回収することで出力および効率の向上を図る高湿分利用ガスタービンシステムが知られている。例えば、国際公開第００／２５００９号パンフレットに記載されたガスタービン圧縮機では、吸気に液滴を噴霧して加湿する吸気冷却効果によりガスタービン出力を増加できる。また、液滴の噴霧量を増加させて液滴を圧縮機内部へ導入し、中間冷却効果により圧縮動力を低減できガスタービンの効率を向上できるメリットがある。しかし、このような作動流体に湿分を添加することでガスタービンの出力と効率が向上できる高湿分利用ガスタービン圧縮機に対して、サージング予兆の検出方法およびサージング回避のための制御方法は言及されていない。

一方、通常のシンプルサイクルガスタービンの圧縮機では、起動時などの低回転数域では圧縮機の前段側で旋回失速やサージングが発生しやすく、高回転数域では後段側の翼列から失速しサージングに突入しやすい傾向がある。このサージングの検出方法として、圧縮機の吸気温度を監視してサージングを検知するのが一般的である。特開２００１−９０５５５号公報には、圧縮機内の各段における圧力，温度を検出することによりサージングを検出する技術が開示されている。

国際公開第００／２５００９号パンフレット特開２００１−９０５５５号公報

しかし、従来検討されてきたサージング検出技術は、起動直後の低回転段階におけるサージングや、翼の汚れ等に起因するサージングに関するものが主であった。吸気空気に水分を添加するような、中間冷却効果を得ることができる圧縮機の特性を考慮したサージング回避技術の検討はあまり行われていない。

本発明の目的は、効果的にサージングを回避できる圧縮機およびその制御方法を提供することにある。

作動流体を圧縮する複数段の圧縮機において、圧縮中の前記作動流体を冷却する中間冷却機構と、最終段動翼よりも軸方向上流側に、前記中間冷却機構で冷却された流体の温度を測定する温度測定手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、効果的にサージングを回避できる圧縮機およびその制御方法を提供できる。

図７を用いて本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンシステムについて説明する。図７は本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンシステムの全体構成を示すシステム構成図を示す。

高湿分利用ガスタービンは、圧縮機１，燃焼器２，タービン３，再生熱交換器６，加湿装置１１，吸気噴霧冷却装置１２から構成される。吸気噴霧冷却装置１２は大気４１に水６１を噴霧し湿分空気４２を生成する。吸気噴霧冷却装置１２で生成された湿分空気４２は圧縮機１で圧縮される。圧縮機１で生成された圧縮空気４３は圧縮機のガスパス出口から全流量抽気される。圧縮機１のガスパス出口から抽気された高圧空気４３は、加湿装置１１で加湿される。加湿装置１１で加湿された湿分空気４４は再生熱交換器６に供給され、タービン３からの排ガス４７との熱交換により過熱される。そして、再生熱交換器６において、過熱された湿分空気４４は、湿分空気４５として燃焼器２に供給される。燃焼器２に供給された湿分空気４５は、燃料３１と混合燃焼する。そして、燃焼器２で生成され燃焼ガス４６はタービン３に供給され、タービン３を回転駆動させる。タービン３から排出された排ガス４７は、再生熱交換器６で湿分空気４４との熱交換により熱回収され、排ガス５２として排出される。なお、圧縮機１とタービン３とは中間軸により連結され、タービン３により発生した軸動力を電力に変換する発電機４も圧縮機１の回転軸に連結されている。

本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンは、通常のシンプルサイクルガスタービンと比べ、再生熱交換器６において排気ガス４７の熱エネルギーを燃焼用空気に回収できる。そのため、燃焼器２へ供給される燃料流量を減らすことができ、ガスタービンサイクルの効率を向上させることができる。また、加湿装置１１で湿分を添加することにより作動流体を増加させることで出力を増加させることができる。さらに、湿分添加により作動流体の温度を低下させる効果と、流量を増加させる効果によって、再生熱交換器６における熱回収量を増加させることができ、ガスタービンの効率を向上させることができる。

次に、図８を用いて本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンの湿分の添加スケジュールについて説明する。図８は本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンの運転スケジュールと回転数及び出力の関係を示す。ガスタービンを起動後、回転数が１００％、すなわち定格回転数に達した後、燃料を投入し、その流量を増加させることでタービン３へ流入する高温ガスの体積流量を増やして出力および圧縮機の作動圧力比を増加させる（段階Ｉ）。このとき、吸気噴霧冷却装置１２および加湿装置１１へは水を供給せず、ガスタービン回転数を一定に保持する。なお、本実施例で圧縮機１の作動圧力比とは、タービン３の入口圧力と、大気圧であるタービン３の出口圧力の比を意味する。

ガスタービンの出力が予め設定した出力値に達した後、加湿装置１１へ水６２を供給しガスタービンの出力を増加させる（段階II）。出力の増加に伴い圧縮機１の作動圧力比も高くなっていく。このとき、加湿によりタービン３へ流入する流量が増加するので、燃焼器２へ供給される燃料３１の流量を調整しながら回転数を一定に保持するように制御する。ガスタービンを構成する機器は、定格回転数において最適な運転がなされるよう設定されているからである。

加湿装置１１で水６２を供給された湿分空気４４の流量が安定した後、吸気噴霧冷却装置１２への水６１の供給を開始する。そうすると、ガスタービン出力はさらに増加する（段階III）。水６１は、大気温度を考慮した上で、ガスタービンの出力が予め設定された出力値に達するように供給される。出力の増加に伴い、圧縮機１の吸込み空気流量と作動圧力比も増加する。このとき、圧縮機１から吐出される空気４３の流量は増加する。これに対し、燃焼器２へ供給される燃料流量３１を減らすことにより、回転数を一定に制御する。

このような水分の添加のスケジュールを採用せず、高湿分利用ガスタービンが部分回転数で運転されているとき、すなわち定格回転数に達する前に圧縮機１の吸入空気に水４１を供給すると、圧縮機１の後段側の翼負荷が増加してサージマージンが低下する恐れがある。また、吸気噴霧冷却装置１２に供給される水６１に比べて、加湿装置１１に供給される水６２の方が多量である。吸気冷却装置１２にて湿分を添加することによる圧縮機１の作動圧力比の上昇量は加湿装置１１にて湿分を添加することによる上昇量よりも大きいため、吸気噴霧冷却装置１２での加湿よりも加湿装置１１での加湿の方が全システムに与える影響が大きい。サージマージンの減少する割合も大きく、一気にサージングに突入する可能性もある。そのため、吸気噴霧冷却装置１２より先に加湿装置１１に水を供給する必要がある。

仮に加湿装置１１への水の供給より先に吸気噴霧冷却装置１２へ水を供給した場合、作動流体へ添加される加湿量が少なく、ガスタービンの部分負荷運転時に燃焼温度を上げることができない。そうなると、再生熱交換器６における熱回収量が少なくなり、加湿装置１１による湿分添加時に比べてガスタービンの効率は低くなる。また、吸気噴霧冷却装置１２への水の供給量は出力指令値や大気温度によっても影響を受ける。そのため、吸気噴霧冷却装置１２への水６１の供給は、ガスタービン起動の最後の出力増加や効率向上のために用いられるのが望ましい。

（実施例１）
図１を用いて、本発明の実施例１である、ガスタービン圧縮機のサージングの検出方法を説明する。図１に、本発明の実施例１であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。

本発明の実施例１であるガスタービンの圧縮機１は、吸気噴霧冷却装置１２を備えた軸流圧縮機である。吸気噴霧冷却装置１２は、作動流体入口に微細な液滴を噴霧して圧縮機流路内で蒸発させることにより、圧縮機１内部の作動流体の温度を低下させる、軸流圧縮機は一般的には静翼と動翼とを複数段有する多段圧縮機である。図１では中間段の静翼と動翼とを一部省略している。そして、静翼と動翼とを省略した圧縮機流路を点線で表記する。圧縮機１は、タービン３と同じ回転軸で回転する圧縮機ロータと、回転する圧縮機ロータに植設された動翼７１と、動翼７１の軸方向前後間に位置し径方向外側に設けられたケーシング７３に固定された静翼７２とで構成される。作動流体である空気４２が通過する圧縮機１の流路は、圧縮機ロータの外周面である流路内面８１とケーシングの内周面である流路外面８２とで形成される。また、ケーシング７３には、スリット９１，抽気孔９２による抽気構造、および圧縮機１の前段側の静翼７２には、起動時の旋回失速防止とサージマージンを確保するために、翼の角度を可変にできる機構である入口案内翼１０１が備えられている。

次に、作動流体の流れについて説明する。圧縮機１は、大気から空気４１を吸入する。大気から圧縮機１に供給される空気４１には吸気噴霧冷却装置１２によって水６１が噴霧される。噴霧水６１は高圧ポンプ６７で加圧された後、流量制御弁６３で所定の流量に調整され、吸気噴霧冷却装置１２内の噴霧ノズルで微細化されて空気４１に噴霧される。微細液滴の一部は圧縮機１に吸込まれる前に蒸発する。この蒸発潜熱により作動流体の温度を低下させることができる。大気より低温，高密度な吸込み空気を得ることができ、ガスタービンの出力を増加させられる。大気温度が高い場合ほど圧縮機吸込み空気流量（質量流量）を多くする（大きな吸気冷却効果を得る）ことができるため、吸気噴霧冷却装置１２を使用することにより、年間を通した大気温度変動に対する、ガスタービン出力の変動を抑制することができる。一方、微細液滴のうち圧縮機１に流入する前に蒸発しきれなかった液滴は、液滴のまま圧縮機内部へ流入する。圧縮機１の内部で液滴は動翼間，静翼間を通過しながら蒸発し、圧縮途中の作動流体の温度を低下させる。この中間冷却効果によって圧縮特性が等温圧縮に近づくため、圧縮機１の動力は低減される。その結果ガスタービンの効率が向上する。圧縮機へ導入された液滴は、圧縮機吐出までに完全に蒸発する。作動流体は圧縮機吐出から排出される。

図２を用いて、本実施例の圧縮機１の特性を説明する。図２に、本発明の実施例であるガスタービンの圧縮機１の段負荷分布を示す。横軸は回転軸方向の位置（段数）、縦軸は各段における段負荷の大きさを示す。本実施例の圧縮機１は、吸気空気４１に液滴を噴霧し、噴霧された水の蒸発を圧縮機の内部で完了させるタイプの圧縮機である。このような圧縮機では、圧縮機の中間冷却効果により、圧縮機１の前段翼列では段負荷が低減し、後段翼列では段負荷が増加する。なお、本実施例では、液滴の蒸発が完了する回転軸方向の位置を蒸発完了位置と呼ぶ。圧縮機の前段翼列，後段翼列とは、この蒸発完了位置よりも前段側か後段側かで判断する。

図２（ａ）はシンプルサイクルガスタービン圧縮機のような、圧縮機の吸気に液滴を噴霧しない場合に最適な運転をするように設計された圧縮機の段負荷分布を示す。図２（ｂ）は高湿分利用ガスタービンのような、圧縮機の吸気に液滴を噴霧し、その液滴の蒸発を圧縮機の内部で完了させる場合に最適な運転をするように設計された圧縮機の段負荷分布を示す。それぞれ、圧縮機１の吸気に水を噴霧して運転した場合の段負荷を実線で、水噴霧なしで運転した場合の段負荷を点線で示す。実線と点線が交差する回転軸方向位置が、蒸発完了位置である。

例えば図２（ａ）で示した、水噴霧なしでの運転向けに設計された圧縮機では、水噴霧をしない運転において、ストールおよびチョークが起こりにくく、定格回転数時にすべての段の翼列を効率よく作動できるように設計されている。具体的には、図２にそれぞれ一点鎖線で示した、高負荷側のストール域、低負荷側のチョーク域との境界から一定の余裕度をもった負荷分布となるよう設計されている。図２（ｂ）で示した、水噴霧ありでの運転向けに設計された圧縮機では、水噴霧をする運転において、高負荷側のストール域，低負荷側のチョーク域との境界から一定の余裕度をもった負荷分布となるよう設計されている。

段負荷がチョーク域に達すると、翼列圧力面側で剥離が生じる可能性が高まる。段負荷がストール域に達すると、翼列負圧面側で剥離が生じる可能性が高まる。剥離が生じると圧縮機１の圧力比や効率等、性能が低下する。特に段負荷がストール域に達して翼列負圧面側で剥離が生じた場合には、起動時に旋回失速が発生し、サージングにつながるおそれがある。サージングとは、圧力比を上げていくと、ある圧力比において急に強い音響を伴う圧力と流れの激しい脈動と機械の振動を引き起こし運転が不安定になる現象である。ストールに対する段負荷の余裕度を増やすことは、サージング発生の余裕度であるサージマージンを増やすことにつながる。

図２（ａ）で示した圧縮機の段負荷分布は、図２（ａ）に点線で示すように、前段側に比べて後段側の段負荷を下げることで定格負荷運転時のストールに対する余裕度、すなわちサージマージンを確保できるように設計される。このように設計された圧縮機に液滴を噴霧すると、中間冷却効果により、図２（ａ）に実線で示すように、蒸発完了位置よりも前段側では段負荷は減少し、後段側では段負荷が増加する。そうすると、後段翼列でのストールの可能性が高まる、すなわちサージマージンが低下し、サージングに突入する危険性が高くなる。特に、吸気噴霧冷却装置１２に多量の液滴を供給する場合には、サージマージンの減少度合いは大きくなる。

そこで、吸気に液滴を噴霧する圧縮機としては、図２（ｂ）で示したような、吸気に水噴霧ありの場合に最適な運転ができるようにしたものを用いるのが望ましい。すなわち、液滴を噴霧した際に後段翼列の段負荷が増加しても十分なサージマージンを確保できるように、図２（ａ）に点線で示した負荷分布から、予め後段翼列の段負荷を低く設定し前段翼列の段負荷を高く設定し、図２（ｂ）の点線で示した負荷分布を持つような設計にすることが望ましい。

例えば、圧縮機１の吸気に噴霧する液滴量が、作動流量に対して約２.０ｗｔ％以内であれば圧縮機１の入口までに液滴はほぼ蒸発する。この場合シンプルサイクルガスタービン圧縮機１の段負荷配分を変更する必要性は低い。液滴の噴霧量が２.０ｗｔ％以上になると段負荷配分を考慮した設計の必要性が高くなる。なお、高湿分利用ガスタービンでは、噴霧量を多くした方が、圧縮動力低減やガスタービン効率向上効果が大きくなる。

次に、図２（ｂ）で示した、圧縮機吸気への液滴の噴霧を考慮して設計された圧縮機のサージングの検知について説明する。

多量の液滴の噴霧を考慮して設計された圧縮機１では後段側の段負荷を下げて翼列の作動域がチョーク側になるように設計しているため、図２（ｂ）点線で示したような吸気噴霧冷却装置１２を作動しない運転をした場合、後段翼列でチョーク、前段翼列でストールし、運転状態によっては起動の低回転数域で旋回失速が発生し、この旋回失速がサージングを誘引する可能性が高い。本実施例の圧縮機１では、吸気で液滴の噴霧をしない場合で、特に、起動時等の低回転数運転時に、最終段翼列が最もチョークしやすい。ここでチョークが起こると、最終段翼列の圧力面側で剥離が発生する。この圧力面側の失速は周方向の翼列全体に広がり、流れが閉塞する。これにより後段側は前段側にとって大きな流動抵抗となり流量が減少する。

図９に、最終段の翼列および最終段より上流側の翼列の流量係数と段負荷係数の特性を示す。水噴霧なし向けに設計された圧縮機では、定格運転点（Ａ）に対して起動時等の低回転数時に最終段でチョークした場合、作動点は（Ｂ）になる。後段でチョークすると、流量減少により前段側ではストール側（Ｂ）へ作動点が変化する。

水噴霧を考慮して設計された圧縮機では、図２（ｂ）で示したように、後段側の負荷はよりチョーク側となるよう設計されている。そのため、定格運転点（Ａ）に対して起動時等の低回転数運転時に最終段でチョークした場合、最終段の翼列の作動点は（Ｃ）、すなわち更にチョーク側で作動することになる。この場合、前段側の翼列の作動点は更にストール側である（Ｃ）となり、特に大気温度が低い場合などにストール限界に達する可能性がある。

図１０に圧縮機１の各段の入口温度を示す。水噴霧なしで設計された圧縮機では回転軸方向位置に対して各段の入口温度は圧縮機出口までほぼ線形（Ｔ０１⇒Ｔ０２⇒Ｔ０３）に増加する。しかし、後段側でチョークした場合、チョークした段の上流側では段負荷が上昇してストール側の作動となる。そうすると各段の入口温度は上昇し、温度分布はＴ０１⇒Ｔ２⇒Ｔ０３となる。水噴霧を考慮して設計した圧縮機では、最終段翼列で最もチョークする可能性が高いため、最終段動翼の上流側の温度Ｔ２の計測が有効となる。具体的には、例えば前段側の翼列がストール限界に達するときの最終段翼列前の温度Ｔｃｒを設定し、最終段動翼の上流側の温度Ｔ２がＴｃｒ以下で運転できるように監視することがサージング回避には有効となる。なお、最終段翼列の下流側（圧縮機出口側）ではチョークによる温度上昇は顕著には現れないため、最終段動翼の上流側で温度の監視をすることが効果的である。

また、チョークした段の入出口の温度上昇はほとんどなく、最終段動翼の上流側の温度Ｔ２と最終段翼列の下流側の温度Ｔ０３を計測する場合には、その温度変化量を監視することで翼列のチョーク兆候を検知することも可能である。

そこで本実施例の圧縮機１では、最終段動翼７４の上流側の作動流路内で温度を検知する温度センサ２０１を配置している。最終段翼列のチョークによる温度上昇を監視することで、圧縮機１の前段翼列のストールに起因したサージングの発生を予測することができる。

図１１は、図２のＡ−Ａ断面を圧縮機上流側から見た断面図である。温度センサは、回転軸に対して周方向に少なくとも２点計測し、温度センサの先端の感温部は主流空気内へ導入した構造である。温度センサ先端部がケーシングに近すぎる場合、ケーシングのメタル温度の影響で主流空気温度の計測に誤差が発生する可能性がある。本実施例の圧縮機では、温度監視は周方向２点の温度センサで計測した温度の平均値を用いる。

本実施例のように、圧縮機１後段翼列のチョークによる温度上昇を監視してサージングを予測することで、サージングの発生を未然に回避することが可能である。こうすると、翼列でストールが発生したことを、圧力変動や翼負荷上昇による温度上昇を監視してサージングの発生を検知する方法に比べて、圧縮機の信頼性を向上することができる。

なお、本実施例では、例として多段軸流圧縮機を挙げているが、多段遠心圧縮機など２段以上の多段圧縮機であれば同様に適用可能である。また、本実施例では圧縮機１の入口で吸気噴霧冷却装置１２を備えて液滴を噴霧する圧縮機について説明しているが、圧縮機内部において液滴を噴霧するものや、圧縮機の中間段で冷却器を介して作動流体の温度を低下させるような、中間冷却効果を有する圧縮機であれば適用可能である。

本実施例の複数段圧縮機は、圧縮中の前記作動流体を冷却する中間冷却機構と、最終段動翼よりも軸方向上流側に、前記中間冷却機構で冷却された流体の温度を測定する温度測定手段を有している。この構成は、中間冷却装置を備えた圧縮機の段負荷分布を考慮した構成である。このような圧縮機では、圧縮機最終段動翼列の上流側の温度を監視することで、後段側翼列のチョーク兆候の検知を通じて前段側翼列のストールに起因したサージングを予測でき、サージングの発生を効果的に回避することができる。また、必要最小限の温度センサの監視でサージングの予測が可能であるため、制御や計測装置の複雑さを抑制することができ、コスト低減および監視の容易性にも効果がある。

ここで、水噴霧をすることを想定されて設計された圧縮機１を、水噴霧なしで運転するケースについて説明する。ガスタービンの起動時は、圧縮機内部の温度は低いため、液滴を吸気に噴霧してもほとんど蒸発せずドレインとなって排出されることになる。そして、圧縮機内部で液滴が完全に蒸発しきれない場合、例えば圧縮機の吐出空気が燃焼器２へ導入されるガスタービンでは、燃焼器２に液滴が付着して局所的な熱応力が発生する可能性がある。そこで、圧縮機１の吸気に液滴を噴霧する場合、ガスタービンがほぼ定格負荷運転で安定したときに噴霧する必要がある。この場合、圧縮機１は、吸気噴霧冷却装置１２が稼動するまで部分圧力比で作動し続ける可能性が高い。また、大気温度が低い場合には、吸気で噴霧した液滴の一部が固体化する現象であるアイシングを起こして、作動条件によってはサージングに突入する可能性もある。このような場合には、吸気噴霧しないドライ状態で長時間ガスタービンを運転することも考えられる。

図８で示した段階Ｉ，段階IIも、吸気噴霧冷却装置１２による湿分の添加がないケースである。ガスタービン出力の増加と共に圧縮機１の作動圧力比が増加するため、圧縮機１の作動点はよりストール側，サージング側へ移動していく。

また、起動時の液滴の噴霧は、圧縮機入口で流れの周方向偏差により噴霧された液滴が周方向に一様に分布するとは限らず周方向に流量偏差を持つ可能性がある。このように周方向で流れが不均一になると、サージングが発生し異常事態に突入する可能性が高くなる。ガスタービン起動時の部分回転数運転時に圧縮機の吸気に液滴を噴霧すると、後段翼列の負荷が増加しサージングを引き起こす可能性高まる。このような理由からも、サージング対策の必要性が高いことが分かる。

（実施例２）
図３を用いて、本発明の実施例２である、ガスタービン圧縮機１のサージングの検出方法を説明する。図３に、本発明の実施例１であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。

図３で示した圧縮機が図１の圧縮機と異なる点は、圧縮機１の入口に位置する入口案内翼７６の上流側の作動流路内に温度センサ２０２を配置したことである。これにより、圧縮機１に導入する大気空気４１の温度の変動情報を得ることができる。この情報を圧縮機最終段動翼７４の上流側の温度監視によるサージングの予測に利用することが可能であり、より精度よくサージングを回避することができる。また、吸気噴霧冷却装置１２で噴霧される水６１の流量は、大気温度によっても制御される。そのため、吸気噴霧冷却装置１２へ供給される水量６１の制御に対しても温度センサ２０２からの情報を流用することができる。

（実施例３）
図４を用いて、本発明の実施例３である、ガスタービン圧縮機のサージングの検出方法を説明する。図４に、本発明の実施例３であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。

図４で示した圧縮機が図１の圧縮機１と異なる点は、蒸発完了位置よりも後段側で最も前段側の動翼７５より下流側であり、最終段の動翼７４より上流側の作動流路内に少なくとも１つの温度センサ２０３を配置したことである。これにより万一、最終段より上流側の翼列でチョークが起きた場合にも、圧縮機前段側の翼列のストールに起因したサージングの発生をいち早く予測することができ、圧縮機の信頼性が向上する。

温度センサを蒸発完了位置よりも上流側で計測した場合、水噴霧時に液滴が温度センサへ付着して、その熱伝導で正確な主流空気温度を計測できない。また、水噴霧後にガスタービンを停止して、すぐにガスタービンをリスタートする場合でも、温度センサに液滴が付着している可能性があり、正確な主流空気温度を計測することが困難でありサージング発生の予測精度が低下する。

また、旋回失速やサージングの予兆を検知する方法として、ケーシング面で複数段に設置した圧力センサにより圧力や圧力変動を計測する場合がある。圧縮機に水噴霧する場合、主流空気中に液滴があるため、圧力を計測する圧力チューブ内に液滴が吸入され、チューブ内が液滴で閉塞されて計測精度が低下する可能性がある。また運転終了後に圧力チューブをパージしてチューブ内の液滴を排出する必要があり、そのためにパージ用の空気源となる余計な計器が必要となる。

また、吸気噴霧冷却装置１２を作動させている場合、図２で示したように圧縮機前段翼列の段負荷は低減し、蒸発完了位置より下流側である後段翼列の段負荷は増加する。また、圧縮機１に導入される大気温度の変動により吸気噴霧冷却装置１２で噴霧される水６１の流量が制御されるため、蒸発完了位置は常に一定とは限らない。本実施例の圧縮機のように、圧縮機の蒸発完了位置より下流側で、最終段の動翼７４より上流側の作動流路内に少なくとも１ヶ所、所望の位置に温度センサ２０３を配置することで、段負荷が増加し過ぎた場合の翼列のストールをより詳細に監視することが可能となる。これにより後段側の翼列のストールによるサージングの回避精度を高めることができる。

（実施例４）
図５を用いて、本発明の実施例４である、ガスタービン圧縮機のサージング抑制のための制御方法を説明する。図５に、本発明の実施例４であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。

本実施例の圧縮機１は、起動時の低回転数域での旋回失速防止とサージマージンの確保のために、圧縮機１の前段側に、油圧装置３０３により翼の角度を可変にできる、入口案内翼（ＩＧＶ）などの角度可変静翼１０１を有している。また、圧縮機のケーシング７３に、スリット９１，抽気孔９２による抽気構造から抽気空気を放出させるための抽気弁３０２を備えている。油圧装置３０３と抽気弁３０２は制御システム３０１からの制御信号により操作可能に構成されている。

サージング回避のための制御方法について説明する。まず、圧縮機１の最終段動翼７４上流側に配置された温度センサ２０１が監視した温度情報が制御システム３０１に送信される。制御システム３０１で受信した温度が許容チョーク温度Ｔｃｒ以上となり、サージングの危険性のある温度と判断される場合には、制御システム３０１から制御信号が出力される。

この制御信号が圧縮機１の前段側に位置する角度可変静翼１０１の油圧装置３０３へ伝達された場合には、角度可変静翼１０１は圧縮機１の吸込み流量を絞るように油圧制御される。サージングの危険性のある温度と判断される場合には、圧縮機１の前段側の動翼列へ流入する流れが正側のインシデンスになっており、翼列負圧面側（動翼背側）で剥離が起きている状態であると推定される。このとき、角度可変静翼１０１を閉じるよう制御すれば、動翼列に対する流入空気のインシデンスを合わせて負圧面側の剥離を抑制することができる。このように、圧縮機１の吸込み流量を低減させるよう制御することでサージマージンを確保することができ、サージングを回避することができる。

一方、制御システム３０１からの制御信号が抽気弁３０２へ伝達された場合には、抽気弁３０２を開放することで、圧縮された作動空気の一部を系外に放出させることができる。抽気された作動空気はタービンの排気ダクトを介して大気へ放出される。このように圧縮機作動流体の一部を抽気することで、後段翼列のチョークを抑制することができる。作動流体の抽気は、圧縮機の前段側へ流入する吸込み流量を増加させることにもつながるため、前段動翼列への軸流速度を上げ、前段動翼列の負圧面側の剥離を抑制することができる。前段動翼列の負圧面側の剥離を抑制することができれば、サージングの発生を回避することができる。

（実施例５）
図６を用いて、本発明の実施例５である、ガスタービン圧縮機のサージング抑制のための制御方法を説明する。図６に、本発明の実施例５であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。図６で示した圧縮機１において図５の圧縮機と構造上異なる点は、圧縮機最終段の動翼７４の上流側のケーシングにスリット４０１および抽気孔４０２を設け、その抽気構造から抽気空気を放出させるための抽気弁４０３を設置したことである。

抽気弁４０３は制御システム３０１からの制御信号により操作が可能な装置として構成されている。まず、圧縮機１の最終段動翼７４上流側に配置された温度センサ２０１で温度を監視する。この温度情報を制御システム３０１で受信し、温度が許容チョーク温度以上でありサージングの危険性が高いと判断すると、制御システム３０１から制御信号が出力される。その制御信号は抽気弁４０３へ伝達され、抽気弁４０３を開いて圧縮された作動空気の一部を系外に放出する。

通常、スリット９１，抽気孔９２，抽気弁３０２からなる圧縮機の抽気機構は、以下二つの目的で設けられている。起動時など圧縮機が低回転数域運転をしているときには、後段側の翼列のチョーク，前段側の翼列の旋回失速やサージングの回避のために作動流体を抽気する。高回転数域運転をしているときには、タービンの翼冷却用空気に用いるために作動流体を抽気する。低回転数域では、抽気弁を開いて圧縮機の作動流量の約１５〜２０％が抽気されてサージングを回避し、高回転数域では抽気弁を絞ることで圧縮機の作動流量の約２〜３％が抽気されてタービン翼冷却空気として利用される。

一方、本実施例の圧縮機に設けられたスリット４０１，抽気孔４０２，抽気弁４０３からなる抽気機構では、圧縮機１の最終段でチョークが発生したときだけ抽気弁４０３を開く。そして、作動流量の約５〜１０％程度を抽気してチョークを回避する。抽気された圧縮空気は、配管を介してタービン排気ダクトから排出される。このような局所的な抽気構造にすることで、少量の抽気流量で後段翼列のチョークの抑制及びサージングの回避が可能となる。

通常の圧縮機の抽気段は、タービン翼の冷却空気に用いられることを考慮して、圧縮機側とタービン側の差圧分に対応可能な程度に高圧の空気を確保できるように設定される。従って、一般的には抽気段は翼列がチョークする段と一致しない。特にチョークが起こりやすい最終段付近には、以下の理由から、抽気段が設けられることはほとんどない。

タービンの翼冷却は、タービン初段静翼は圧縮機吐出ケーシング内から静翼内部へ導通している冷却通路を介して導入される。またタービン動翼の冷却は、圧縮機の最終段動翼の下流にあるロータ側のスリットから抽気されて、タービン内周側から導入される。圧縮機のケーシングからの抽気によるタービン外周側から導入される冷却空気は、初段以降の静翼に配管を介して行われる。冷却空気は、圧縮機側とタービン側の差圧分に対応可能な程度に最適な圧力の空気を導入することがガスタービン性能向上には重要である。圧縮機最終段付近の圧力は十分に差圧を確保できる程度の圧力であるが、差圧が大きすぎて無駄となり、ガスタービンの性能低下に繋がる。また、圧縮機最終段付近のケーシングの周囲には、周方向に燃焼器が配置しているため、構造上も、圧縮機の作動流量の約１５〜２０％を抽気するような大きな抽気配管を設置することは困難である。

抽気段が、翼列がチョークする段よりも前段になってしまうことで、チョークを回避するために必要以上の抽気流量を放出させることになる。この抽気流量の増加は、圧縮動力を費やして圧縮した作動流体を排気してしまう分無駄となり、効率を低下させてしまう。本実施例の圧縮機のようにチョーク段と抽気段とを一致させれば、チョークを回避するための抽気流量を抑制することができ、効率低下を抑制できる。

また、本実施例のような高湿分利用ガスタービンでは圧縮機１の吐出空気全量を抽気して、加湿装置１１へ導入している。加湿装置１１では高圧空気に加湿して質量流量増加と温度低下を図っている。このようなガスタービンでは、この加湿装置１１を通過後の加湿空気４４の一部をタービン翼の冷却に利用することができる。加湿空気による翼冷却は空気による冷却に比べて熱伝達率が大きく冷却性能を向上させることができる。この冷却方法により、圧縮機から翼冷却用空気を抽気する配管が不要となる。すなわち、本実施例のような加湿装置を備えたガスタービンでは、翼冷却用の抽気手段を圧縮機に設ける必要はない。スリット９１，抽気孔９２，抽気弁３０２からなる抽気機構を設けずに、スリット４０１，抽気孔４０２，抽気弁４０３からなる抽気機構だけを設ければよく、よりシンプルな構造で、より効果的な抽気が可能となる。

以下、圧縮機１以外の機器の制御を含めた、圧縮機のサージング回避のための制御方法について説明する。圧縮機１以外の機器の制御を含めた制御を行う際には、回転数を一定に保持することに留意するのが望ましい。圧縮機１とタービンが同軸で構成されるガスタービンでは、過回転による軸振動や翼振動，低回転数保持による圧縮機翼列の共振等を回避する必要があるからである。

図７に示すように、本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンは、圧縮機１の最終段の動翼上流側に配置された温度センサ２０１、その温度センサによる温度を受信して許容チョーク温度と比較することができる制御システム３０１、制御システム３０１からの出力信号により吸気噴霧冷却装置１２および加湿装置１１へ供給される水量を制御できる流量制御弁６３，６４および圧縮機１の吐出から抽気した湿分空気４３を加湿装置１１へ導入する系統に設けられ、作動流量を制御できる放風弁６５，燃焼器２へ供給される燃料の流量を調整できる燃料調整弁３２から構成される。

圧縮機１の最終段動翼の上流側に配置された温度センサ２０１により得られた温度情報は、制御システム３０１に送られる。制御システム３０１で受信した温度が許容チョーク温度以上であってサージングの危険性が高いと判断されると、制御システム３０１から制御信号が出力される。

この出力信号は、圧縮機から吐出された湿分空気４３の一部を大気へ放出するための放風弁６５へ送信される。放風弁は制御信号に応じて全開となり、圧縮された作動空気を大気へ放出することで、圧縮機の作動圧力比を下げることができる。このとき、タービン３へ流入する作動流量が低減するので、燃料流量３１を増加させて回転数を一定に保持する。なお、放風弁６５はガスタービンの作動流量によっては複数個設置されることもあり、圧縮機の作動圧力比によって段階的に放風することも可能である。

また、出力信号は、加湿装置１１の水量を制御する流量調整弁６４に送信される。加湿装置１１へ供給される水量を少なくすることで作動空気への湿分の添加量を低減させることができる。そうするとタービン３へ流入する作動空気の流量が低減するので、燃料流量３１を増加させて回転数を一定に保持させる。このとき、燃料流量を増加させて燃焼温度を上げた影響よりも、作動流量が減少する影響が大きいため、圧縮機１の作動圧力比を低下させることが可能であり、サージングを回避することができる。

さらに、出力信号は、吸気噴霧冷却装置１２の水量を制御する流量調整弁６３に送信され、流量調整弁６３を開いて吸気に液滴を噴霧させる。これにより圧縮機前段翼列の段負荷を低減させることができ、後段翼列の段負荷を増加させることができる。そうすると、後段側翼列のチョーク，前段側翼列のストール及びこれにより引き起こされるサージングを抑制することができる。このとき、タービン３へ流入する作動流量が増加するため、燃料流量３１を減らして回転数を一定に保持させる。

出力信号は、燃焼器２へ供給される燃料流量を調整する燃料調整弁３２へ送信される場合、燃料流量を低減することで燃焼ガス温度を下げて圧縮機の作動圧力比を低下させることができる。しかしこの場合、回転数を一定保持させるために、加湿装置１１もしくは吸気噴霧冷却装置１２へ供給される水量６２，６３を増加させる必要がある。回転数に関しては、燃料流量の増加によって燃焼温度を上昇させた影響より作動流量を増加させた影響が大きく、タービンは過渡的に過回転になり、作動圧力比も上昇する可能性がある。そのため、燃料流量は動的に制御に利用するのではなく、回転数一定保持のための調整用とするのが望ましい。

上記の制御方法において、圧縮機の吐出空気の放風は、圧力比低減には最も効果的である。しかし、圧縮動力を費やした高圧空気を大気へ放出する分効率低下につながるため、放風量をできるだけ抑えるか、圧縮機がサージングを引き起こした緊急時にのみ作動させるのが望ましい。吸気噴霧冷却装置１２への水量６１の供給は簡易な制御で実現できる点で優れている。一方、加湿装置１１へ水量６２を供給する制御は、部分負荷においても加湿することで燃焼温度を上げることができ、ガスタービンの部分負荷時の効率向上にも効果がある。

各実施例の複数段圧縮機は、圧縮中の前記作動流体を冷却する中間冷却機構と、最終段動翼よりも軸方向上流側に、中間冷却機構で冷却された流体の温度を測定する少なくとも一つの温度測定手段と、温度測定手段で測定された温度をもとにサージング抑制手段を制御する制御手段とを備えている。この構成は、中間冷却装置を備えた圧縮機の段負荷分布を考慮した構成である。このような圧縮機では、中間冷却機構より下流側である後段側翼列のサージング兆候だけでなくチョーク兆候も検知できる。チョーク兆候を検知できれば前段側翼列で起こるストールを予測することができ、これに起因するサージングの発生を早い段階で効果的に回避することができる。また、必要最小限の温度センサの監視でサージングの予測が可能であるため、構造や制御の複雑さを抑制することができ、コスト低減および監視の簡素化にも効果がある。

各実施例の複数段圧縮機は、圧縮される前または圧縮中の作動流体に水を供給する手段を備え、前記水は前記圧縮機内で蒸発するよう構成された、サージングの発生を抑制するサージング抑制手段と、水の蒸発完了位置と圧縮機の最終段動翼との間で前記空気の温度を測定する少なくとも一つの温度測定手段と、温度測定手段で測定された温度をもとにサージング抑制手段を制御する制御手段とを備えている。この構成は、圧縮機内で水が蒸発されている間は圧縮機の段負荷は減少し、蒸発後は作動流体の増加効果により段負荷が増加するという段負荷分布を考慮した構成である。このような圧縮機では、蒸発完了位置より下流側である後段側翼列のサージング兆候だけでなくチョーク兆候も検知できる。そうすると、上記と同様に、効果的にサージングを回避することができる。

各実施例の複数段圧縮機は、温度測定手段で測定された温度が許容温度以上かどうかを判定する判定手段を備えている。この判定手段により、温度測定手段で得られた温度情報を適切に利用した最適な制御が可能となる。

各実施例の複数段圧縮機の温度測定手段は、最終段動翼とその前段の静翼との間に設けられている。サージングにつながるストール、またはチョークの兆候が最初に現れるのは、最終段動翼であることがほとんどである。そのため、少なくとも最終段動翼の兆候を監視することにより、圧縮機のサージングを効果的に制御することができる。

各実施例の複数段圧縮機は、サージング抑制手段として、入口案内翼，作動流体の抽気手段，圧縮後の作動流体の放風手段，作動流体に供給する水の供給量調整手段のいずれかを備えている。このような手段を用いることで、検知したサージング予兆に対応したサージングの回避行動を実際にとることができる。

各実施例の複数段圧縮機には、軸方向に複数のドレン排出孔を備え、それぞれのドレン排出孔から排出されるドレンを検知する検知手段と設けることもできる。吸気噴霧装置による圧縮機への液滴噴霧は、大気温度変化によるガスタービン出力状況により噴霧量が変化する。噴霧量により圧縮機内部での液滴の蒸発完了位置も変化するため、ドレン量の検知手段を設けることで蒸発完了位置を特定することができる。このような構成を有することにより、ドレンの有無から蒸発完了位置を検知することができる。そして、ドレン無しの段に取り付けた温度センサで計測された温度を有効と、ドレン有の段に取り付けた温度センサで計測された温度を無効とすることで、より良い制御が可能となる。

各実施例の複数段圧縮機は、空気に水を噴霧する吸気噴霧装置と、前記吸気噴霧装置で生成された湿分空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された湿分空気を加湿する加湿装置と、前記熱交換器で加熱された湿分空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、前記タービンから排出された排ガスとの熱交換により前記燃焼器に供給される質分空気を過熱する熱交換器とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記吸気噴霧装置で噴霧された水は前記圧縮器内で蒸発するよう構成され、前記圧縮機の最終段動翼とその前段の静翼との間に少なくとも一つの温度測定手段を備え、前記圧縮機の最終段動翼とその前段の静翼との間に圧縮途中の湿分空気を抽気する抽気手段を備えている。このような高湿分サイクルガスタービンシステムでは、前述のように効果的にサージングを回避することができる。特に、サージング回避のために抽気する圧縮空気の量を必要最低限にできるため、必要以上にシステムの効率を低下させることなく、サージング制御が可能となる。

各実施例の複数段圧縮機には、加湿装置で加湿された湿分空気を、前記タービン被冷却部に供給する冷却媒体供給配管を設けることもできる。このような高湿分サイクルガスタービンシステムでは、従来のガスタービンによく見られる、圧縮機で圧縮中の空気を抽気して翼の冷却に用いる系統が不要となるため、圧縮機の抽気口の数を減らすことができ、圧縮機構造を簡素化することができる。構造の簡素化は、効率の低下やコストの低減につながる。圧縮機内の流れを阻害する構造物の排除や設計の簡素化が可能だからである。

本発明の実施例１であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。本発明の実施例であるガスタービンの圧縮機１の段負荷分布を示す。本発明の実施例１であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。本発明の実施例３であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。本発明の実施例４であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。本発明の実施例５であるガスタービンの圧縮機１の流路上半分を表した断面図を示す。本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンシステムの全体構成を示すシステム構成図を示す。本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンの運転スケジュールと回転数及び出力の関係を示す。本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンの圧縮機１の最終段翼列および最終段より上流側の翼列の流量係数と段負荷係数の特性を示す。本発明の実施例である高湿分利用ガスタービンの圧縮機１の各段の入口温度を示す。図２のＡ−Ａ断面を圧縮機上流側から見た断面図を示す。

符号の説明

１圧縮機
２燃焼器
３タービン
４発電機
６再生熱交換器
１１加湿装置
１２吸気噴霧冷却装置
７１，７２動翼，静翼
７３ケーシング
９１，９２スリット，抽気孔
２０１〜２０３温度センサ
３０１制御システム

Claims

作動流体を圧縮する複数段の圧縮機において、
圧縮中の前記作動流体を冷却する中間冷却機構と、
最終段動翼よりも軸方向上流側に、前記中間冷却機構で冷却された流体の温度を測定する少なくとも一つの温度測定手段と、前記温度測定手段で測定された温度をもとに前記サージング抑制手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする圧縮機。
圧縮される前または圧縮中の作動流体に水を供給する手段を備え、前記水は前記圧縮機内で蒸発するよう構成された、複数段の圧縮機において、
サージングの発生を抑制するサージング抑制手段と、前記水の蒸発完了位置と前記圧縮機の最終段動翼との間で前記空気の温度を測定する少なくとも一つの温度測定手段と、前記温度測定手段で測定された温度をもとに前記サージング抑制手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする圧縮機。
請求項１または２に記載の圧縮機において、
前記温度測定手段で測定された温度が許容温度以上かどうかを判定する判定手段を備えたことを特徴とする圧縮機。
請求項１または２に記載の圧縮機において、
前記温度測定手段は、最終段動翼とその前段の静翼との間に設けられたことを特徴とする圧縮機。
請求項１または２に記載の圧縮機において、
前記サージング抑制手段は、入口案内翼，作動流体の抽気手段，圧縮後の作動流体の放風手段，作動流体に供給する水の供給量調整手段から選ばれることを特徴とする圧縮機。
請求項２に記載の圧縮機において、
軸方向に複数のドレン排出孔を備え、それぞれのドレン排出孔から排出されるドレンを検知する検知手段とを有することを特徴とする圧縮機。
空気に水を噴霧する吸気噴霧装置と、前記吸気噴霧装置で生成された湿分空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された湿分空気を加湿する加湿装置と、前記熱交換器で加熱された湿分空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、前記タービンから排出された排ガスとの熱交換により前記燃焼器に供給される質分空気を過熱する熱交換器とを備えたガスタービンシステムにおいて、
前記吸気噴霧装置で噴霧された水は前記圧縮器内で蒸発するよう構成され、前記圧縮機の最終段動翼とその前段の静翼との間に少なくとも一つの温度測定手段を備え、前記圧縮機の最終段動翼とその前段の静翼との間に圧縮途中の湿分空気を抽気する抽気手段を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
請求項７に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記加湿装置で加湿された湿分空気を、前記タービン被冷却部に供給する冷却媒体供給配管を供えたことを特徴とするガスタービンシステム。
中間冷却機構と、サージング抑制手段とを有する複数段の圧縮機の制御方法において、
最終段動翼よりも軸方向上流側で、前記中間冷却機構で冷却された流体の温度を測定し、測定された温度をもとに前記サージング抑制手段を制御することを特徴とする圧縮機の制御方法。
空気に水を噴霧する吸気噴霧装置と、前記吸気噴霧装置で生成された湿分空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された湿分空気を加湿する加湿装置と、前記熱交換器で加熱された湿分空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、前記タービンから排出された排ガスとの熱交換により前記燃焼器に供給される質分空気を過熱する熱交換器と前記圧縮機のサージング抑制手段とを備え、前記吸気噴霧装置で噴霧された水は前記圧縮器内で蒸発するよう構成されたガスタービンシステムの制御方法において、
前記加湿装置での加湿が安定した後に前記吸気噴霧装置での水噴霧を開始し、前記吸気噴霧装置で噴霧された水の蒸発完了位置と圧縮機の最終段動翼の間で湿分空気の温度を測定し、測定された温度をもとに前記サージング制御手段を制御することを特徴とするガスタービンシステムの制御方法。