JP2012102648A

JP2012102648A - ガスタービン

Info

Publication number: JP2012102648A
Application number: JP2010250682A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Ouchi; 敏昭大内; Akihiko Saito; 昭彦齋藤; Takashi Sonoda; 隆園田; Kazuya Azuma; 一也東
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-09
Also published as: JP5595232B2

Abstract

【課題】一時的な出力増加を行うことのできるガスタービンを提供する。
【解決手段】圧縮機が圧縮空気を生成し、燃焼器が圧縮空気から燃焼ガスを生成し、タービンが燃焼ガスによって駆動する。そして、抽気配管が圧縮機から抽気され、タービンまたは燃焼器の冷却対象に冷却空気を送出する。このとき、制御弁が抽気配管に設けられ、冷却空気の流量を調整する。制御部は、出力増加要求の検出に基づいて出力増加が得られるよう制御弁による冷却空気の流量を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮空気から燃焼ガスを生成して、当該燃焼ガスによって駆動するガスタービンに関する。

従来、ガスタービンにおいて、圧縮機から空気を抽出し、当該空気をタービン翼や燃焼器等の冷却対象に送出する技術が特許文献１に開示されている。

特開平５−５９９６５号公報

上述の特許文献１の技術では、プログラマブルコントローラが冷却空気流量制御弁の開度を調節し、過剰に供給されていたタービン翼の冷却空気を適切な量に制御し、ガスタービンの性能を向上させるものである。
ここで、上述のようなガスタービンの技術において、ガスタービンの出力増加を行うための技術が望まれている。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできるガスタービンを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスによって駆動するタービンと、前記圧縮機から抽気して、前記タービンまたは燃焼器の冷却対象に冷却空気を送出する抽気配管と、前記抽気配管に設けられ、前記冷却空気の流量を調整する調整手段と、出力増加要求の検出に基づいて出力増加が得られるよう前記調整手段による前記冷却空気の流量を抑制する制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とするガスタービンである。

また本発明は、上述のガスタービンにおいて、前記制御手段は、出力増加要求を検出した場合に、前記燃焼器の所定の１箇所以上の温度、または前記燃焼器の所定箇所の圧力、または出力値、の何れか１つまたは複数によって得られる値に基づく開度によって前記調整手段を制御することを特徴とする。

また本発明は、上述のガスタービンにおいて、前記抽気配管を流れる前記冷却空気を貯める冷却空気貯蔵手段を備えることを特徴とする。

また本発明は、上述のガスタービンにおいて、前記冷却空気貯蔵手段は、前記調整手段より前記冷却空気の下流側の前記前記抽気配管に介装されることを特徴とする。

また本発明は、上述のガスタービンにおいて、前記冷却空気貯蔵手段は、前記調整手段より前記冷却空気の下流側の前記抽気配管に接続管を介して接続されることを特徴とする。

また本発明は、上述のガスタービンにおいて、前記抽気配管に接続され、前記冷却空気を前記タービンまたは燃焼器の冷却対象に送出する第２の圧縮機を備えることを特徴とする。

本発明によれば、出力増加要求に基づいて冷却空気の流量を調整し、その冷却空気の流量を抑えた場合には、その分、圧縮機内の圧縮空気を燃焼器に対して多く送ることができる。したがって、燃焼ガスの増加により、燃焼ガスの量に応じて投入制御される燃料について増やすことができ、これにより、ガスタービンの出力を一時的に増加させることができる。

第１の実施形態によるガスタービンの概略構成図である。制御装置の機能ブロック図である。制御装置の制御弁の制御ロジックを示す第１の図である。制御装置の制御弁の制御ロジックを示す第２の図である。制御装置の制御弁の制御ロジックを示す第３の図である。制御装置の制御弁の制御ロジックを示す第４の図である。第２の実施形態によるガスタービンの第１の概略構成図である。第２の実施形態によるガスタービンの第２の概略構成図である。第３の実施形態によるガスタービンの第１の概略構成図である。第３の実施形態によるガスタービンの第２の概略構成図である。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態によるガスタービンを図面を参照して説明する。
図１は第１の実施形態によるガスタービンの概略構成図である。
この図において、符号１は圧縮空気を生成する圧縮機、符号２は車室、符号３は圧縮空気から燃焼ガスを生成する燃焼器、符号４は燃焼ガスによって駆動するタービン、符号５ａ，５ｂ，５ｃは圧縮機１から抽気された冷却空気をタービン４に送出する抽気配管、符号５ｄは圧縮機１から抽気された冷却空気を燃焼器３の冷却対象（本実施形態においてはロータ）に送出する抽気配管である。また、符号６ａ，６ｂ，６ｃは、抽気配管５ａ，５ｂ，５ｃにそれぞれ設けられ冷却空気の流量を調整する制御弁（調整手段）、符号６ｄは抽気配管５ｄ（以下、総称して抽気配管５とする）に設けられ冷却空気の流量を調整する制御弁（調整手段）、符号７は一時的な出力増加が得られるよう制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ（以下、総称して制御弁６とする）による冷却空気の流量を抑制する制御を行う制御装置（制御手段）である。また図１において符号８は、圧縮機１及びタービン４を貫通するロータであり、発電機９がロータ８に接続されている。

このようなガスタービンにおいては、圧縮機１が大気から空気を吸気圧縮して圧縮空気を生成し、燃焼器３が圧縮機１で生成された圧縮空気に燃料を混合させて燃焼ガスを生成し、燃焼器３で生成された燃焼ガスによりタービン４が回転駆動する。そして、ロータ８が回転し、この回転に基づいて発電機９が発電を行う。
そして、本実施形態においては、タービン翼を冷却する冷却空気の流量を調整する制御弁６ａ〜６ｃの１つまたは複数の開度と、ロータ８を冷却する冷却空気の流量を調整する制御弁６ｄの開度の、何れか一方または両方を制御装置７が調整する。

図２は制御装置の機能ブロック図である。
この図が示すように、制御装置７は、各種センサの検出した値を、信号線を介して取得し、制御弁６ａ〜６ｄの開度の算出に用いるパラメータを算出するパラメータ処理部７１、制御弁６ａ〜６ｄの開度を算出するために用いる情報等を記憶する記憶部７２、ＰＩＤ制御等を行う制御部７３、制御部７３からの出力に基づいて制御弁６ａ〜６ｄの何れかの開度を、対応する制御弁６へ信号線を介して通知する弁開度調整部７４を備えている。
各種センサとしては、温度センサ１０、圧力センサ１１、出力値センサ１２などがあり、それぞれ、ガスタービンの所定箇所に備えられる。

図３は制御装置の制御弁の制御ロジックを示す第１の図である。
制御装置７は、図３に示すように、パラメータ処理部７１が、ＧＴ（ガスタービン）出力やロータ温度を、出力値センサ１２や温度センサ１０から入力し、記憶部７２に記憶されている所定の関数（ＦＸ）を用いて設定温度を算出し、この設定温度の値と、ロータ温度との差分のパラメータ値を算出する。そして制御部７３がパラメータ値をパラメータ処理部７１から入力し、また出力増加要求フラグを記憶部７２から読み取る。そして、出力増加要求フラグ（例えば、“０”の場合出力要求なし，“１”の場合出力要求ありとする）が“１”であれば、入力したパラメータ値に基づいてＰＩＤ制御を行い、制御弁６ａ〜６ｄの開度を算出し弁開度調整部７４へ出力する。なお、出力増加要求フラグが“０”の場合には出力増加のための制御弁６ａ〜６ｄの調整は行わないため処理を終了する。

弁開度調整部４は、通常は開度指令スイッチＴをＯＦＦしておりこれにより、制御弁６ａ〜６ｄは全開となっている。そして弁開度調整部４は、制御部７３から開度を入力した場合には、開度指令スイッチＴをＯＮし、これにより開度指令スイッチＴが、制御対象となる制御弁６ａ〜６ｄへ、開度の信号を信号線を介して出力する。これにより、制御弁６ａ〜６ｄは信号入力した開度に弁の開度を抑制する。なお、制御弁６ａ〜６ｄは開度が２値（“０”または“１”）で示されるような場合には、全開または全閉を行う遮断弁であってもよい。また、制御装置７は、タービン翼の冷却空気の流量を調整する制御弁６ａ〜６ｃのみに対応する開度指令スイッチＴのみのＯＮ，ＯＦＦを制御するようにしてもよいし、ロータ８の冷却空気の流量を調整する制御弁６ｄのみに対応する開度指令スイッチＴのみのＯＮ，ＯＦＦを制御するようにしてもよい。またタービン翼の冷却空気の流量を調整する制御弁６ａ〜６ｃと、ロータ８の冷却空気の流量を調整する制御弁６ｄの両方に対応する開度指令スイッチＴのＯＮ，ＯＦＦを同時に制御するようにしてもよい。

ここで、タービン翼の冷却空気の流量を調整し、その冷却空気の流量を抑えた場合には、その分、圧縮機１内の圧縮空気を燃焼器３に対して多く送ることができる。したがって、燃焼ガスの増加により、燃焼ガスの量に応じて投入制御される燃料についても増やすことができるため、ガスタービンの出力を増加させることができる。

図４は制御装置の制御弁の制御ロジックを示す第２の図である。
図４で示すように制御装置７は、制御部７３が算出した値が下限値以下である場合には、弁開度調整部４への出力を停止する下限リミッターの制御をＰＩＤ制御の後段に備えるようにしてもよい。
例えば、下限リミッターを備えることで、冷却空気の流量を著しく多く抑制することによって、タービン翼などの機器が損傷しないように制御できる。このような仕組みにより、出力不足を一時的に補うガスタービンを提供することができる。

図５は制御装置の制御弁の制御ロジックを示す第３の図である。
図５で示すように制御装置７は、タービン側抽気室圧力と、ディスクキャビティ温度とに基づいて制御弁６の開度を調整するようにしてもよい。
具体的には、パラメータ処理部７１がタービン側抽気室の圧力を圧力センサ１１から入力して制御部７３へ出力する。またパラメータ処理部７１はディスクキャビティの温度を温度センサ１０より入力し、所定の関数（ＦＸ）を用いて必要冷却空気量を算出する。そして、制御部７３は、パラメータ処理部７１から入力するタービン側抽気室圧力と必要冷却空気量から一意に制御弁６ａ〜６ｄの開度を算出する。例えば、記憶部７２に記録されているタービン側抽気室圧力と必要冷却空気量の各値と開度の値の対応関係から、補間計算によって開度を算出する。

図６は制御装置の制御弁の制御ロジックを示す第４の図である。
図６で示すように制御装置７は、車室圧力と、ガスタービンの出力値とに基づいて制御弁６の開度を調整するようにしてもよい。
この場合、パラメータ処理部７１が車室２の圧力を圧力センサ１１から入力して制御部７３へ出力する。またパラメータ処理部７１はガスタービン出力の値を出力値センサ１２より入力し、所定の関数（ＦＸ）を用いて必要冷却空気量を算出する。そして、制御部７３は、パラメータ処理部７１から入力する車室圧力と必要冷却空気量から一意に制御弁６ａ〜６ｄの開度を算出する。例えば、記憶部７２に記録されている車室圧力と必要冷却空気量の各値と開度の値の対応関係から、補間計算によって開度を算出する。

＜第２の実施形態＞
図７は第２の実施形態によるガスタービンの第１の概略構成図である。
この図に示すようにガスタービンは、抽気配管５ａ〜５ｃを流れる冷却空気を貯める冷却空気貯蔵手段であるタンク１３ａ〜１３ｃ（総称してタンク１３と呼ぶ）を、抽気配管５ａ〜５ｃそれぞれに備えるようにしてもよい。
図７の例では、抽気配管５ａ〜５ｃにおいて、制御弁６ａ〜６ｃの下流側にタンク１３ａ〜１３ｃが介装されている。なおタンク１３は所定の圧力で冷却空気が貯められている。
このような構成において制御装置７は、出力増加要求に応じてタンク１３より圧縮機１側（上流側）の抽気配管５ａ〜５ｃに設けられた制御弁６ａ〜６ｄを閉じる制御を行う。これによりガスタービンの出力が増加する。同時に、制御装置７はタンク１３ａ〜１３ｃよりタービン４側（下流側）の抽気配管５ｅ，５ｆ，５ｇに設けられた制御弁６ｅ，６ｆ，６ｇを開に制御しておくことで、タンク１３ａ〜１３ｃに貯められた冷却空気をタービン４に抽気することができる。
これにより、ガスタービンの出力を増加できるとともに、冷却空気をタービン４に送ることができる。なお、ロータ８へ冷却空気を送出する抽気配管５ｄにおいて制御弁６ｄの下流側にタンク１３と制御弁６を介装して、同様の制御を行うようにしてもよい。

図８は第２の実施形態によるガスタービンの第２の概略構成図である。
この図に示すガスタービンは、図７で示したガスタービンの構成と比べ、タンク１３の設置位置が異なっている。つまり図８で示すガスタービンの例では、抽気配管５ａ〜５ｃにおいて制御弁６ａ〜６ｃの下流側には接続管Ａａ，Ａｂ，Ａｃが接続されており、当該接続管Ａａ，Ａｂ，Ａｃにそれぞれタンク１３ａ，１３ｂ，１３ｃが接続されている。このため、タンク１３ａは、接続管Ａａを介して抽気配管５ａに接続され、同様にタンク１３ｂ，１３ｃも接続管Ａｂ，Ａｃそれぞれを介して抽気配管５ｂ，５ｃに接続されている。また接続管Ａａ〜Ａｃには、制御弁６ｅ〜６ｇがそれぞれ設けられている。
これにより図７の例では、圧縮機１からタービン４までの間の冷却空気の体積が抽気配管５内の容量とタンク１３内の容量の合計となっていたが、図８の例ではタンク１３の容量の分だけ冷却空気の体積が減少する。なお、接続管Ａａ〜Ａｃの配管内の体積は比較的小さいものと考える。これにより、タービン４に抽気する冷却空気の量を反応よく抑制することができる。従って、ガスタービンを出力増加させる際の反応がよくなる。なお、制御弁６の開度の調整のタイミングは図７で示した例と同様である。

＜第３の実施形態＞
図９は第３の実施形態によるガスタービンの第１の概略構成図である。
この図に示すようにガスタービンは、タービン４や燃焼器３の冷却対象に送出する冷却空気のみを圧縮する第２の圧縮機１４を備えるようにしてもよい。制御装置７が、一時的な出力増加を行う際、抽気配管６ａ〜６ｃ、さらに６ｄの開度を抑制しても、圧縮機１４から送出される冷却空気は接続管Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃを介して、それぞれの抽気配管５ａ〜５ｃの制御弁６ａ〜６ｃの下流側に送出される。
このような構成とすることで、制御装置７がタービン翼への冷却空気を抑制する制御弁６ａ〜６ｃを閉に制御したとしても、第２の圧縮機１４からタービン４や燃焼器３の冷却対象に対して、冷却空気を送出することができる。

図１０は第３の実施形態によるガスタービンの第２の概略構成図である。
この図が示すように、図９で示した構成に加え、接続管Ｂａ〜Ｂｃにタンク１３ａ〜１３ｃがそれぞれ介装され、その下流側にそれぞれ制御弁６ｅ〜ｇが介装されるようにしてもよい。このような構成の場合、制御装置７は、一時的な出力増加を行う際、抽気配管６ａ〜６ｃ、さらに６ｄの開度を抑制した後、制御弁６ｅ，６ｆ，６ｇを開に制御する。これにより、制御装置７がタービン翼への冷却空気を抑制する制御弁６ａ〜６ｃを閉に制御したとしても、第２の圧縮機１４からタービン４や燃焼器３の冷却対象に対して、冷却空気を送出することができる。また制御弁６ｅ，６ｆ，６ｇの開度を制御装置７が制御することで、タービン４に抽気する冷却空気の流量を自由に調整することができる。

１・・・圧縮機
２・・・車室
３・・・燃焼器
４・・・タービン
５・・・抽気配管
６・・・制御弁
７・・・制御装置
８・・・ロータ
９・・・発電機
１０・・・温度センサ
１１・・・圧力センサ
１２・・・出力値センサ
１３・・・タンク
１４・・・第２の圧縮機

Claims

圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮空気から燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼ガスによって駆動するタービンと、
前記圧縮機から抽気して、前記タービンまたは燃焼器の冷却対象に冷却空気を送出する抽気配管と、
前記抽気配管に設けられ、前記冷却空気の流量を調整する調整手段と、
出力増加要求の検出に基づいて出力増加が得られるよう前記調整手段による前記冷却空気の流量を抑制する制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン。
前記制御手段は、出力増加要求を検出した場合に、前記燃焼器の所定の１箇所以上の温度、または前記燃焼器の所定箇所の圧力、または出力値、の何れか１つまたは複数によって得られる値に基づく開度によって前記調整手段を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
前記抽気配管を流れる前記冷却空気を貯める冷却空気貯蔵手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン。
前記冷却空気貯蔵手段は、前記調整手段より前記冷却空気の下流側の前記前記抽気配管に介装されることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
前記冷却空気貯蔵手段は、前記調整手段より前記冷却空気の下流側の前記抽気配管に接続管を介して接続されることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
前記抽気配管に接続され、前記冷却空気を前記タービンまたは燃焼器の冷却対象に送出する第２の圧縮機を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載のガスタービン。