JP2012082829A - ガスタービンのタービンステージの冷却の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な運転条件において冷却空気流量を最適化する、ガスタービンのタービンステージの冷却の制御方法を提供する。
【解決手段】ガスタービン１のタービンステージ２０の冷却の制御方法であって、この方法は、冷却空気を、ガスタービン１のコンプレッサー２内を流れる燃焼空気から抽気し、タービンステージ２０のステーター２１から始まる冷却回路５５に対して供給するもので、冷却空気流量は、冷却回路の入口における圧力Ｐ_Oairの関数として、また、コンプレッサー２の出口における燃焼空気圧力Ｐ_compの関数として調節され、特に、設定点を設定するフィードバック制御を行い、設定点を、汚染放出物を低減するように、タービン４のパワー出力Ｐの関数としてあらかじめ決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１に記載するガスタービンのタービンステージの冷却の制御方法に関する。

特許文献１は、冷却空気を、コンプレッサーから所定のタービンステージのステーターブレードとローターブレードとに対して供給する制御方法について記載している。冷却空気は、ステーターブレードとステーターの内側リングを通り、同じステージのローターに流入し、最終的には、ローターブレードを貫通する。ステーターの上流の冷却空気流量を調節するための弁が、制御ユニットによって操作され、この制御ユニットは、弁の出口における圧力センサからのフィードバック信号に基づいて作動し、特許文献１に記載された制御方法では、センサからのあらかじめ決定された圧力信号を維持するように、冷却空気流量を調節している。

この制御方式は、パワー出力すなわちタービン負荷を考慮していないことが明らかであり、冷却空気の消費量を正確に調節することができないという欠点を有している。例えば、高負荷において冷却空気の消費量が過剰である場合に、燃焼空気流量を低減させると、燃焼チャンバの温度を上昇させ、従って、一酸化窒素放出量を増大させることになるであろう。

逆に、低負荷において冷却空気の消費量を過剰に低減させれば、燃焼チャンバの温度を降下させ、従って、一酸化炭素放出量と粒子状物質を増大させることになるであろう。

欧州特許第１０８４３２７号（ＥＰ１０８４３２７）

上述の欠点に対する簡単で安価な解決策を提供すると共に、特に、様々な運転条件において冷却空気流量を最適化するように設計された、ガスタービンのタービンステージの冷却の制御方法を提供することが、本発明の目的である。

本発明によれば、請求項１に記載する、ガスタービンのタービンステージの冷却の制御方法が提供される。

本発明による制御方法は、冷却空気の消費量を最適化し、高負荷での効率を改善し、パワーを増大させ、低負荷での排出物を低減させる。

本発明による制御方法はまた、冷却空気の消費曲線が、ブレードのうちのどれかの設計仕様を満たさなくなるような場合であっても、タービンの熱応力のかかる部品を保護するために必要な、最小量の冷却空気を確保する。ブレードの稼働時間が長くなるほど、冷却空気の消費曲線は、ブレードの劣化のために変化していく、という点に留意することが重要である。本願の制御方法は、高負荷での二次空気の最少量を正確に維持することによって、この点をも考慮することができるようにしている。

本願の制御方法はまた、二次空気の回路に対する構造的な変更を行わずに、制御ロジックを変更するだけで、グレードアップすることもできる。

すなわち、特許文献１とは異なり、本願発明の方式は、ローターブレードとステーターブレードなどのタービンの構成要素の、運転温度の制御を与えると共に、過熱を防止することにより、（ステーターブレードとローターブレードなどの）熱応力のかかる部品の高い信頼性と長い運転寿命とを確保する。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、実施例として以下に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定するものではない。

本発明によるタービンステージの冷却の制御方法の、好ましい実施形態を備えた、ガスタービンの概略図である。 本発明による制御方法を利用して冷却されるタービンステージの、部分詳細図であり、部分断面を示す図である。 本発明の制御方法のステップの一部を示すロックダイアグラムである。 本発明の制御方法の個々のステップのグラフを示す図である。 本発明の制御方法の個々のステップのグラフを示す図である。

図１の参照符号１は、コンプレッサー２と、バーナー３と、高圧タービン４と、を備えるガスタービン（概略的に示す）を示している。コンプレッサー２は、入口６を通して空気が供給され、バーナー３の入口８に接続された出口７を有しており、このバーナーには、ライン１０によって燃料が供給され、バーナーは、タービン４の入口１２に接続された出口１１を有している。

図２を参照すると、タービン４は、軸１３（図１）に沿って延び、外側を固定環状構造によって形成され、内側を回転シャフト１８（図１）に取り付けられたハブ１７によって形成された、環状のコンジット１５（部分的に示す）を有し、回転シャフト１８（図１）は、コンプレッサー２に動力を供給し、通常はオルタネーター１９にも動力を供給している。コンジット１５内の燃焼ガスは、いくつかの連続したステージ２０に入るが、これらのうちの１つだけが部分的に示されている。簡単のために、以下の説明においては、この１つのステージ２０を参照するが、同様のことがその他の全てのステージに対しても適用されることを、理解されたい。

ステージ２０は、ステーター２１と、ローター２２と、を有する。ローター２２は、ブレードの配列２４を備え、ブレードの配列の内側半径方向端部は、軸１３と交差する方向に延びる環状プレート２６によって保護されたアンカーによって、ハブ１７の外側環状部分２５に固定されている。

ステーター２１は、ブレードの配列２８を備え、ブレードの配列の端部は、外側においては、固定環状構造の部分３０（概略的に示す）に、内側においては、プレート２６と軸方向において対向するリング３１に、固定されている。

部分３０とリング３１とは、個々の環状コンジット３２、３３を形成しており、これらのコンジットは、ブレード２８内に形成されたチャンネル３４（概略的に示す）を介して連通している。コンジット３２には、コンプレッサー２の中間ステージの抽気点３６（図１）に接続されたライン３５（概略的に示す）によって、加圧空気が供給されており、抽気点３６からの空気の圧力は、コンプレッサー２の出口における燃焼空気圧力Ｐ_compよりも小さい。ライン３５から抽気された空気は、ステーター２１と、好ましくは、ローター２２も冷却するために、利用され、シール空気としても、利用され、ステージ２０を冷却する空気は、様々な圧力で、個々のライン（図示せず）によって供給されている。

リング３１の内側半径方向端部は、シール部材３８によってハブ１７に装着されており、このシール部材は、ラビリンスシールとブラシシールとを有することが好ましい。リング３１に沿って、ステーター２１の軸方向端部は、一方の側を、ハブ１７に、他方の側を、プレート２６に、それぞれラビリンスシール４１、４２によって、接続されている。各ブレード２８に対し、リング３１は、シール部材３８と４１との間の環状空洞４５にコンジット３３を接続する、一組の孔４３と、シール部材３８と４２との間の環状空洞４６にコンジット３３接続する、一組の孔４４と、を有している。特に、孔４４は、プレート２６に対向し、傾斜しており、空気流に渦成分を付与して、ローターブレード２４に向かう空気流の圧力を最大にし、ローターブレード２４に向かう空気流の全相対温度を最小にする。

空洞４５内の空気は、シール部材４１を通ってシール機能を発揮し、空洞４６内の空気は、一部はシール部材４２を通ってシール機能を発揮し、また、一部は、プレート２６内のいくつかの孔５０を通して、外側環状部分２５とブレード２４内に形成されたチャンネル５１（概略的に示す）に流入し、ローター２２を冷却する。

コンジット３２、３３、チャンネル３４、５１、空洞４５、４６、孔４３、４４、５０は、冷却回路５５の一部分を形成し、ライン３５の出口から始まり、シール部材４１、４２と、ブレード２４、２８内に形成されたチャンネル３４、５１の出口と、を通り、最後にコンジット１５に入る。回路５５内の冷却空気流は、ライン３５に沿って又は部分３０内に配置された弁５６によって調節され、電子制御ユニット５７によって制御される。

ユニット５７によって実行される制御方式は、以下のパラメータに基づいて弁５６の開度を調節する。
−回路５５の入口においてセンサ５８（概略的に示す）によって測定された冷却空気圧力Ｐ_Oair
−コンプレッサー２の出口においてセンサ５９（概略的に示す）によって測定された燃焼空気圧力Ｐ_comp
−ステーター２１の出口又はローター２２の入口においてセンサ６０（概略的に示す）によって測定された冷却空気温度Ｔ_airrot
−オルタネーター１９の端子上で読み取られたタービン４の負荷すなわちパワー出力Ｐ
−センサ６１（概略的に示す）によって測定されたタービン４の排気ガス温度Ｔ_gas

特に、圧力Ｐ_Oairは、コンジット３２内において測定され、温度Ｔ_airrotは、コンジット３３又は空洞４６内において測定される。

ガスタービン１の運転を制御するために測定されるその他の値は、次のとおりである。
−コンプレッサー２の出口における空気温度
−ブレード２８における冷却空気の加熱状態（Ｔ_air−Ｔ_airrot）を算出するための、ステージ２０の回路５５の入口における、すなわち、コンジット３２に沿った、冷却空気温度Ｔ_air
−ブレード２８における圧力降下を算出するための、ステーター２１の出口における、すなわち、コンジット３３に沿った、冷却空気圧力
−周辺の圧力と温度
−バーナー３の入口８と出口１１との間における圧力降下Δｐ_ccを算出するための、バーナー３の出口１１におけるガス圧力

本発明の一実施形態によれば、弁５６の開度は、センサ５８によって測定された圧力Ｐ_Oairと、圧力Ｐ_compと、の間の比率の関数として調節され、回路５５内における所定の膨張比βと、従って、所定の冷却空気質量流量と、を実現する。

膨張比βは、圧力Ｐ_Oairと、回路５５の冷却空気排気圧力、すなわち、冷却されるステージ２０のコンジット１５内の燃焼ガスの圧力Ｐ_gasと、の間の比率に等しく、圧力Ｐ_gasは、入口１２における燃焼ガスの圧力Ｐ_Tinと、ある比例定数（ｃｏｎｓｔ）によって、略比例している。タービンの膨張曲線が、負荷の変動に対して不変であると仮定すれば、比例定数（ｃｏｎｓｔ）は、コンジット１５に沿ったガス圧力の降下に依存し、従って、対象のステージにしたがって変化するが、それぞれの冷却されるステージについては、タービン４の負荷Ｐの変動に対して略一定であると仮定することができる。

そして、圧力Ｐ_Tinは、圧力Ｐ_compとバーナー３の燃焼チャンバ内の圧力損失Δｐ_ccとの間の、差に略等しい。

Ｐ_gas＝ｃｏｎｓｔ＊Ｐ_Tin＝ｃｏｎｓｔ＊（Ｐ_comp−Δｐ_cc）

弁５６の開度は、ユニット５７によってフィードバック制御され、比率（Ｐ_Oair／Ｐ_comp）を、目標値又は設定点に等しくなるように維持する。すなわち、次の式が成り立つ。

β＝Ｐ_Oair/Ｐ_gas
＝（ｓｅｔｐｏｉｎｔ＊Ｐ_comp）/（ｃｏｎｓｔ＊（Ｐ_comp−Δｐ_cc））
＝（ｓｅｔｐｏｉｎｔ／ｃｏｎｓｔ）＊（１／（１−Δｐ_cc／Ｐ_comp））
＝ｓｅｔｐｏｉｎｔ＊（１／ｃｏｎｓｔ）＊（１／（１−Δｐ_cc%））

ここで、Δｐ_cc%は、燃焼チャンバ内の損失のパーセントを示しており、所定のバーナーにおいて、負荷Ｐの変動に対してほとんど変化せず、ほぼ一定であると仮定することができる。従って、冷却回路５５の膨張比βは、ユニット５７によって設定される目標比率（Ｐ_Oair／Ｐ_comp）値にほぼ正比例する。

冷却空気の換算質量流量は、関数ｆ（β）によって、膨張係数βと関係付けられ、目標値又は設定点を設定する場合に、ユニット５７が、一定の換算質量流量も間接的に設定する。

一定の膨張比βと、従って、一定の換算質量流量と、を維持することは、冷却空気質量流量を、圧力Ｐ_Oairと回路５５の入口における冷却空気温度Ｔ_airとの間の比率に比例するように維持し、従って、空気の密度に比例するように維持し、空気の密度は、ガスタービン１の、圧力Ｐ_compによって定義される加圧の程度に、直接関係している。

より詳しく説明すると、換算質量流量は、次式に等しい。

従って、次式が得られる。

上述のように、フィードバック制御を行い、センサ５８と５９とによって測定された圧力から算出された実際の比率（Ｐ_Oair／Ｐ_comp）が、設定点より小さい場合には、ユニット５７は、弁５６の開度を増加させて圧力Ｐ_Oairを上昇させ、逆に、実際の比率（Ｐ_Oair／Ｐ_comp）が設定点より大きい場合には、ユニット５７は、弁５６の開度を減少させて圧力Ｐ_Oairを低下させる。

図３のブロックダイアグラムに示す本発明の別の実施形態によると、ユニット５７の制御方式は、設定点を、負荷Ｐの関数として決定する。或いは、負荷Ｐを温度Ｔ_gasに関係付ける関数を設定すれば、設定点を、Ｔ_gasの関数として決定することもできる。設定点は、以下のようにあらかじめ決定される。

−負荷Ｐが閾値Ｐ１よりも大きい場合には、設定点を小さくすることにより、弁５６の開度を小さくするようにし、冷却空気を節約して、バーナー３への燃焼空気を増大させる。燃焼空気を（化学量論的比率に関して）増大させることは、燃焼チャンバ内の温度を低下させ、従って、窒素酸化物の放出量を減少させる。

−部分負荷すなわち負荷Ｐが閾値Ｐ１より小さい場合に、設定点を大きくすることによって、弁５６の開度を大きくすることは、冷却空気流量を増加させ、燃焼空気流量を減少させる。燃焼空気を（化学量論的比率に関して）減少させることは、燃焼チャンバ内の高温を維持し、従って、一酸化炭素の放出量を低減させる。

図４のグラフは、図３の方式のブロック６２において、基準信号Ｓ（ｙ軸で示す）の決定を、負荷Ｐの関数として実行するステップを示している。相対的に小さい、すなわち、閾値Ｐ２よりも小さい負荷Ｐにおいては、基準信号Ｓは、設計段階で決定した公称値ＲＥＦのままであり、例えば、タービン出力が公称負荷の９５％という運転条件では、公称冷却空気質量流量と最高性能とを実現する。

負荷Ｐが閾値Ｐ２を超えた場合には、基準信号Ｓは、数値ＲＥＦ１まで上昇し、しばらくの間、ＲＥＦ１に等しい状態にある。負荷Ｐがほぼ閾値Ｐ１に到達した場合には、基準信号Ｓは、数値ＲＥＦより小さい数値ＲＥＦ２まで降下する。詳細に説明すると、ＲＥＦとＲＥＦ２との間の差は、ＲＥＦ１とＲＥＦとの間の差よりも小さい。基準信号Ｓは、しばらくの間、数値ＲＥＦ２に等しい状態にあり、最終的には、タービン４が公称負荷１００％に到達する直前に、数値ＲＥＦまで上昇する。

上述のように、ユニット５７はまた、ブレード２４、２８を保護するために、温度Ｔ_airrotに基づいて、弁５６の開度を調節することが好ましい。設定点を設定するために、ユニット５７は、ブロック６３において、補正係数Ｆを決定し、ブロック６４において、補正係数Ｆを、基準信号Ｓに適用する。補正係数Ｆは、温度Ｔ_airrotが公称設計値Ｔ_refを超えた場合に基準信号Ｓを上昇させて弁５６の開度を増加させ、温度Ｔ_airrotが値Ｔ_refよりも小さい場合に基準信号Ｓを低下させて弁５６の開度を減少させる。ブロック６３が補正係数Ｆを決定する法則は、タービン４の負荷Ｐの関数として変化し、ブレード２４、２８内における冷却チャンネルでの負荷損失と、構成要素の耐熱限界と、を考慮に入れて、回路５５内の最適な膨張比βの値を維持する。

図５のグラフは、ブロック６３がどのように補正係数Ｆを決定するかの一例を示している。このグラフは、ｙ軸に沿って補正係数Ｆを示し、ｘ軸に沿って比率Ｔ_airrot／Ｔ_refをパーセントで示し、タービンの様々な負荷Ｐ’、Ｐ’’、Ｐ’’’と関連付けたいくつかの曲線を示している。実際の負荷Ｐに対応する曲線を選択することにより、また、測定された温度Ｔ_airrotに対応するｘ軸に沿った点を見出すことにより、ブロック６３は、ｙ軸に沿った対応する点、すなわち、基準信号Ｓに適用して設定点を設定するための補正係数Ｆを決定する。

或いは、ブレード２４、２８を保護するために、この制御方式は、温度Ｔ_arirotではなく、ステーターブレード２８又はローターブレード２４の、推定平均金属温度の関数として、基準Ｓに適用する補正係数を決定することもできる。この方式は、ブレードの金属の温度の算出をおこなうため、より複雑な制御方式であるが、より正確である。詳しく説明すると、ブレードの金属の温度は、ブレード側部の「高温」と「低温」との熱交換の方程式を使用して推定され、この方程式には、温度Ｔ_gas（この温度はブレードに接触するガスの温度に比例すると考えられる）と、温度Ｔ_airと、温度Ｔ_airrotと、の測定値と、ブレードの補正係数と熱交換面積と、冷却空気流量（この流量は膨張比βから算出される）と、を含む。

通常の運転条件では、ブレード２４、２８における熱負荷は、タービン４のコンジット１５内の燃焼ガスの流量と温度とから決定され、負荷Ｐにほぼ比例しており、従って、圧力Ｐ_compによって定義されるガスタービン１の加圧にほぼ比例している。本制御方式は、ユニット５７による所定の設定点に対して、回路５５の膨張比βを一定値に維持し、冷却空気の換算質量流量が一定となり、従って、冷却空気の質量流量が、圧力Ｐ_compに対してほぼ比例し、従って、ブレード２４、２８の熱負荷に対してほぼ比例して、増加又は減少するように作用する。この外部の熱負荷と冷却空気の質量流量との間の比例関係は、高温の構成要素（特に、ブレード２４、２８）の温度が、ほぼ数値Ｔ_refになることを、確実にする。

従って、通常の運転条件では、制御方式のブロック６４は、実際には、基準信号Ｓに対して補正を実行しない。

しかしながら、遷移状態（負荷Ｐの鋭い変化）や異常運転の場合には、ブロック６４によって実行される補正が、高温部品の過熱を防止する。

上述のように、本制御方式は、最適な膨張比βと、従って、ステージ２０の回路５５内の冷却空気の最適な質量流量と、を維持し、同時に、設定点を、負荷Ｐ又は温度Ｔ_gasの関数として変化させることにより、燃焼空気流量をも調節して、特定の運転条件における汚染ガスの放出を低減し、また、温度Ｔ_airrotを考慮することによって、安全機能をも発揮する。

更に、タービン４のステージ２０を冷却するこの方法は、ローターブレード２４が、ステーターブレード２８を通って流れる空気と同一の空気によって冷却されるので、設計及び構造の観点において、従来のものよりも簡単である。

上述の制御方法に対して、添付の請求項に記載されている本発明の保護の範囲を逸脱することなしに、変更を加えることができることは、明らかである。

特に、上述の目標値又は設定点の代わりに、特定の比較的狭い範囲を置換することは、可能であり、また、ブロック６４による補正を行わないことも、可能である。

Claims (14)

1. ガスタービン（１）のタービンステージ（２０）の冷却の制御方法であって、
   前記方法が、
   −前記ガスタービン（１）のコンプレッサー（２）内を流れる燃焼空気から冷却空気を抽気し、前記抽気された冷却空気を、前記タービンステージ（２０）のステーター（２１）から始まる冷却回路（５５）に供給するステップと、
   −前記冷却回路（５５）への冷却空気流量を、前記冷却回路の入口における圧力（Ｐ_Oair）の関数として調節するステップと、
   を備え、
   前記冷却空気流量が、前記コンプレッサー（２）の燃焼空気圧力（Ｐ_comp）の関数としても調節されることを特徴とする、方法。
2. 前記冷却空気流量が、前記コンプレッサー（２）の出口における前記燃焼空気圧力（Ｐ_comp）の関数として調節されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記冷却空気流量が、前記冷却回路の前記入口における前記圧力（Ｐ_Oair）と前記燃焼空気圧力（_Pcomp）との間の比率の関数として調節されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記冷却空気流量が、弁（５６）の開度をフィードバック制御することにより、前記比率のあらかじめ決定した目標値を実現するように調節されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記目標値を、前記タービン（４）のパワー出力（Ｐ）によって又は前記タービン（４）の前記出口における燃焼ガスの温度（Ｔ_gas）によって定義されるパラメータの関数として、あらかじめ決定することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 基準信号（Ｓ）を、
   −前記パラメータの第１の範囲内の第１の値（ＲＥＦ）に、
   −前記パラメータの前記第１の範囲の後に、第２の範囲内の、前記第１の値（ＲＥＦ）より大きな第２の値（ＲＥＦ１）に、
   −前記パラメータの前記第２の範囲の後に、第３の範囲内の、前記第１の値（ＲＥＦ）より小さな第３の値（ＲＥＦ２）に、
   設定することによって、前記目標値があらかじめ決定されること特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の値と第２の値との差（ＲＥＦ１−ＲＥＦ）が、前記第１の値と第３の値との差（ＲＥＦ−ＲＥＦ２）よりも大きいことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記基準信号（Ｓ）が、前記タービン（４）の公称パワー出力に等しいパワー出力（Ｐ）において前記第１の値（ＲＥＦ）に等しいことを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記目標値が、前記基準信号（Ｓ）を前記ステーター（２１）の出口における冷却空気温度（Ｔ_airrot）の関数として補正することにより、あらかじめ決定されることを特徴とする、請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記補正が、前記タービンステージ内のブレードの金属の温度の関数として行われ、前記金属の温度が、前記ステーター（２１）の前記出口における前記冷却空気温度（Ｔ_airrot）と、前記タービン（４）の前記出口における前記ガス温度（Ｔ_gas）と、前記冷却回路（５５）の前記入口における冷却空気温度（Ｔ_air）と、の関数として推定されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記補正の量が、前記タービン（４）の前記パワー出力の関数として決定されることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記冷却空気温度（Ｔ_arirot）が、前記ステーター（２１）の内側リング（３１）内において測定されることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記冷却回路（５５）が、前記タービンステージ（２０）の前記ステーター（２１）とローター（２２）とのそれぞれにおいて、連続的に配置され、形成された、第１と第２の部分を有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記冷却回路の前記入口における前記圧力（Ｐ_Oair）が、前記ステーター（２１）の外側環状構造（３０）内に形成された環状コンジット（３２）内において測定されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。

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