JP2013221423A - Control device for gas turbine, gas turbine, and control method for gas turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービンの制御装置、ガスタービン、及びガスタービンの制御方法に関するものである。 The present invention relates to a gas turbine control device, a gas turbine, and a gas turbine control method.
従来、ガスタービンは、ガスタービンの停止時間に応じて予め定められた起動モードに従って、固定されたスケジュールで起動していた。
これに対して、特許文献1には、圧縮機よって取り込まれた空気の物理的特性、圧縮機の物理的特性、燃料の物理的特性、及び燃料供給システムの物理的特性、並びにガスタービンの現時点の動作パラメータに関する動作データに基づいて、空燃比を決定する起動方法が記載されている。特許文献1に記載されている起動方法では、ガスタービンの外囲条件や機器状態に従って、起動スケジュールを臨機応変に変えるので、タービンの起動時間を短縮させることができる。
Conventionally, a gas turbine has been started according to a fixed schedule according to a startup mode determined in advance according to the stop time of the gas turbine.
In contrast, Patent Document 1 discloses the physical characteristics of air taken in by a compressor, the physical characteristics of the compressor, the physical characteristics of the fuel, the physical characteristics of the fuel supply system, and the current state of the gas turbine. A start-up method for determining the air-fuel ratio based on the operation data regarding the operation parameters is described. In the start-up method described in Patent Document 1, the start-up schedule is changed flexibly according to the surrounding conditions and the equipment state of the gas turbine, so that the start-up time of the turbine can be shortened.
しかしながら、ガスタービンの外囲条件や機器状態に従って、起動スケジュールを変化させると、ガスタービンの運転が不安定になったり、機器の損傷リスクが高まる可能性がある。 However, if the startup schedule is changed in accordance with the surrounding conditions and the equipment state of the gas turbine, there is a possibility that the operation of the gas turbine becomes unstable and the risk of equipment damage increases.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安全性を保ちつつ、起動時間を短縮することができる、ガスタービンの制御装置、ガスタービン、及びガスタービンの制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a gas turbine control device, a gas turbine, and a gas turbine control method capable of reducing start-up time while maintaining safety. The purpose is to do.
上記課題を解決するために、本発明のガスタービンの制御装置、ガスタービン、及びガスタービンの制御方法は以下の手段を採用する。 In order to solve the above problems, the gas turbine control device, gas turbine, and gas turbine control method of the present invention employ the following means.
本発明の第一態様に係るガスタービンの制御装置は、空気取込口から取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機、燃料を前記圧縮空気によって燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼ガスにより駆動するタービンを備えたガスタービンの制御装置であって、前記ガスタービンを構成する機器の損傷と前記タービンの回転加速度との関係を示した第1指標に基づいて、前記タービンが可能な最大の回転加速度を決定する回転加速度決定手段と、前記回転加速度決定手段によって決定された前記回転加速度で前記タービンが加速するように前記燃焼器の燃空比を決定する加速燃空比決定手段と、を備える。 A control apparatus for a gas turbine according to a first aspect of the present invention includes a compressor that generates compressed air by compressing air taken from an air intake port, and a combustion that generates combustion gas by burning fuel with the compressed air And a gas turbine control device including a turbine driven by the combustion gas, based on a first index indicating a relationship between damage of equipment constituting the gas turbine and rotational acceleration of the turbine, Rotational acceleration determining means for determining the maximum rotational acceleration possible for the turbine, and accelerated fuel for determining a fuel-air ratio of the combustor so that the turbine is accelerated at the rotational acceleration determined by the rotational acceleration determining means. And an air ratio determining means.
本構成によれば、ガスタービンは、空気取込口から取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機、燃料を圧縮空気によって燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び燃焼ガスにより駆動するタービンを備える。
タービンが可能な最大の回転加速度は、ガスタービンを構成する機器の損傷とタービンの回転加速度との関係を示した第1指標に基づいて、回転加速度決定手段によって決定される。
タービンの回転加速度が大きいほど、タービンの回転数が予め定められた動作回転数に達する時間、すなわち、ガスタービンの起動時間が短くなる。しかし、タービンの回転加速度によっては、ガスタービンを構成する機器に与える影響が大きくなり、損傷を与える可能性がある。すなわち、第1指標は、タービンの回転加速度が大きくなる場合に生じる機器の損傷の可能性を示した指標である。
According to this configuration, the gas turbine includes a compressor that generates compressed air by compressing air taken from the air intake port, a combustor that generates combustion gas by burning fuel with the compressed air, and a combustion gas. A driving turbine is provided.
The maximum rotational acceleration possible for the turbine is determined by the rotational acceleration determining means based on the first index indicating the relationship between damage of equipment constituting the gas turbine and the rotational acceleration of the turbine.
As the rotational acceleration of the turbine increases, the time for the turbine rotation speed to reach a predetermined operation rotation speed, that is, the startup time of the gas turbine is shortened. However, depending on the rotational acceleration of the turbine, the influence on the equipment constituting the gas turbine is increased, which may cause damage. That is, the first index is an index that indicates the possibility of equipment damage that occurs when the rotational acceleration of the turbine increases.
そして、加速燃空比決定手段によって、回転加速度決定手段で決定されたタービンの回転加速度でタービンが加速するように燃焼器の燃空比が決定される。
このように、本構成は、ガスタービンを構成する機器の損傷とタービンの回転加速度との関係を示した第1指標に基づいて、タービンが可能な最大の回転加速度が決定されるので、安全性を保ちつつ、起動時間を短縮することができる。
Then, the fuel / air ratio of the combustor is determined by the accelerated fuel / air ratio determining means so that the turbine is accelerated by the rotational acceleration of the turbine determined by the rotational acceleration determining means.
As described above, in this configuration, the maximum rotational acceleration that the turbine can perform is determined based on the first index indicating the relationship between the damage of the equipment constituting the gas turbine and the rotational acceleration of the turbine. The start-up time can be shortened while maintaining the above.
上記第一態様では、前記第1指標が、タービン動翼のケーシングへの接触と前記タービンの回転加速度との関係、前記圧縮機のサージングと前記タービンの回転加速度との関係、及び前記タービンの排気ガス温度と前記タービンの回転加速度との関係の少なくとも何れか一つであることが好ましい。 In the first aspect, the first index is the relationship between the contact of the turbine blades on the casing and the rotational acceleration of the turbine, the relationship between the surging of the compressor and the rotational acceleration of the turbine, and the exhaust of the turbine. It is preferable that the relationship is at least one of the relationship between the gas temperature and the rotational acceleration of the turbine.
本構成によれば、タービンの回転加速度が機器へ与える影響を、簡易に回避できる。 According to this structure, the influence which the rotational acceleration of a turbine has on an apparatus can be avoided easily.
上記第一態様では、前記燃焼器によって燃料が安定して燃焼できる、燃料又は空気に関する物理量と燃空比との関係を示した第2指標に基づいて、前記燃焼器を点火させる場合における前記物理量と燃空比とを決定する点火燃空比決定手段を、備えることが好ましい。 In the first aspect, the physical quantity in the case where the combustor is ignited based on the second index indicating the relationship between the physical quantity relating to fuel or air and the fuel-air ratio, which allows the fuel to be stably combusted by the combustor. It is preferable to include ignition fuel / air ratio determining means for determining the fuel / air ratio.
本構成によれば、燃焼器によって燃料が安定して燃焼できる、燃料又は空気に関する物理量と燃空比との関係を示した第2指標が予め定められている。そして、点火燃空比決定手段によって、第2指標に基づいて、燃焼器を点火させる場合における、燃料又は空気に関する物理量と燃空比とが決定される。
第2指標とは、すなわち燃料の燃焼によるガスタービンの運転に好ましくない事象の発生の可能性を示した指標である。
これにより、本構成は、より安定した起動を行うことができる。
According to this structure, the 2nd parameter | index which showed the relationship between the physical quantity regarding fuel or air and fuel-air ratio which can burn a fuel stably with a combustor is predetermined. Then, the ignition fuel / air ratio determining means determines the physical quantity and fuel / air ratio related to fuel or air when the combustor is ignited based on the second index.
The second index is an index indicating the possibility of occurrence of an event that is undesirable for the operation of the gas turbine due to fuel combustion.
Thereby, this structure can perform more stable starting.
上記第一態様では、前記第2指標は、逆火及び失火しない領域を示した、燃料と空気の混合気体又は空気の噴出流速と燃空比との関係、及び燃焼振動が生じない領域を示した、全燃料流量に対するパイロット燃料流量の比であるパイロット比と燃空比との関係の少なくとも何れか一つであることが好ましい。 In the first aspect, the second index indicates a region in which flashback and misfire do not occur, a relationship between a fuel-air mixed gas or air jet velocity and a fuel-air ratio, and a region in which combustion vibration does not occur. In addition, it is preferable that at least one of the relationship between the pilot ratio and the fuel-air ratio, which is the ratio of the pilot fuel flow rate to the total fuel flow rate.
本構成によれば、燃料の燃焼が機器へ与える影響を、簡易に回避できる。 According to this structure, the influence which the combustion of a fuel has on an apparatus can be avoided easily.
上記第一態様では、前記燃料のパージを行う場合に、サイリスタを使用して制御される電動機によって前記圧縮機を回転させるために、前記サイリスタの出力に応じて前記圧縮機の回転数を決定する回転数決定手段、を備えることが好ましい。 In the first aspect, when the fuel is purged, the rotation speed of the compressor is determined according to the output of the thyristor in order to rotate the compressor by an electric motor controlled using a thyristor. It is preferable to include a rotation speed determination means.
本構成によれば、燃料のパージが行われる場合、圧縮機は、サイリスタを使用して制御される電動機によって回転される。電動機は、例えばタービン及び圧縮機に連結されている発電機である。そして、燃料のパージを行う場合に、回転数決定手段によって、サイリスタの出力に応じて圧縮機の回転数が決定される。サイリスタの出力が大きいほど、圧縮機の回転数も速くでき、パージ時間短縮できる。
従って、本構成は、サイリスタの出力に応じて、パージ時間を最適にすることができる。
According to this configuration, when the fuel is purged, the compressor is rotated by an electric motor controlled using a thyristor. The electric motor is a generator connected to a turbine and a compressor, for example. When purging the fuel, the rotational speed determining means determines the rotational speed of the compressor according to the output of the thyristor. The larger the thyristor output, the faster the compressor speed and the shorter the purge time.
Therefore, this configuration can optimize the purge time according to the output of the thyristor.
本発明の第二態様に係るガスタービンは、空気取込口から取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を前記圧縮空気によって燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、上記記載の制御装置と、を備える。 A gas turbine according to a second aspect of the present invention includes a compressor that compresses air taken in from an air intake port to generate compressed air, a combustor that burns fuel with the compressed air and generates combustion gas, and A turbine driven by the combustion gas, and the control device described above.
本発明の第三態様に係るガスタービンの制御方法は、空気取込口から取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機、燃料を前記圧縮空気によって燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼ガスにより駆動するタービンを備えたガスタービンの制御方法であって、前記ガスタービンを構成する機器の損傷と前記タービンの回転加速度との関係を示した第1指標に基づいて、前記タービンが可能な最大の回転加速度を決定する第1工程と、決定した前記回転加速度で前記タービンが加速するように前記燃焼器の燃空比を決定する第2工程と、を含む。 A method for controlling a gas turbine according to a third aspect of the present invention includes a compressor that compresses air taken in from an air intake to generate compressed air, and combustion that generates combustion gas by burning fuel with the compressed air And a gas turbine control method including a turbine driven by the combustion gas, based on a first index indicating a relationship between damage of equipment constituting the gas turbine and rotational acceleration of the turbine, A first step of determining a maximum rotational acceleration that the turbine is capable of, and a second step of determining a fuel-air ratio of the combustor such that the turbine is accelerated at the determined rotational acceleration.
本発明によれば、安全性を保ちつつ、起動時間を短縮することができる、という優れた効果を有する。 According to the present invention, there is an excellent effect that the startup time can be shortened while maintaining safety.
以下に、本発明に係るガスタービンの制御装置、ガスタービン、及びガスタービンの制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a gas turbine control device, a gas turbine, and a gas turbine control method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態について、図を参照して説明する。
図1は、第1実施形態に係るガスタービン10の構成図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a
ガスタービン10は、ターボ機械であるタービン12及び圧縮機14、並びに燃焼器16を備える。
The
圧縮機14は、回転軸18により駆動されることで、空気取込口から取り込まれた空気を圧縮して圧縮空気を生成する。圧縮機14の入口には、圧縮機14に導かれる空気の流量を制御する入口案内翼(Inlet Guide Vane:IGV)20が設けられている。
The
燃焼器16は、圧縮機14から車室22へ導入された圧縮空気に燃料を噴射して高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。
The
タービン12は、燃焼器16で発生した燃焼ガスによって回転駆動する。
The
車室22と燃焼器16との間にはバイパス管24が設けられており、バイパス管24は、タービン12の負荷変動により燃焼器16内の空気が不足する状態になった場合に、燃焼器バイパス弁26が開かれると車室22内の空気を燃焼器16内に導入する流路となる。また、圧縮機14とタービン12との間には、圧縮機14からタービン12へ冷却用の空気を導入させるための抽気管28が設けられている。
A
なお、タービン12、圧縮機14、及び発電機30は、回転軸18によって連結され、タービン12に生じる回転駆動力は、回転軸18によって圧縮機14及び発電機30に伝達される。そして、発電機30は、タービン12の回転駆動力によって発電する。
なお、発電機30は、サイリスタを使用して電動機としても用いられ、ガスタービン10の起動時にタービン12及び圧縮機14を回転させる。すなわち、本実施形態に係るガスタービン10は、タービン12及び圧縮機14の起動時の回転数がサイリスタによって制御されることとなる。
The
The
また、燃焼器16には、パイロットノズル32P及びメインノズル32Mが設けられている。メインノズル32Mは、パイロットノズル32Pを取り囲むように複数(例えば8本、図示省略)設けられている。パイロットノズル32Pには、圧力調整弁34Pで流量調整弁36P前後の差圧が調整され、流量調整弁36Pで流量が調整されたパイロット燃料が供給される。一方、メインノズル32Mには圧力調整弁34Mで流量調整弁36M前後の差圧が調整され、流量調整弁36Mで流量が調整されたメイン燃料が供給される。
なお、圧力調整弁34Pと圧力調整弁34Mは、両者を一つにまとめた共通圧力調整方式でも構わない。
そして、燃焼器16は、パイロットノズル32Pから供給されたパイロット燃料と圧縮空気とを混合させて燃焼させると共に、メインノズル32Mから供給されたメイン燃料と圧縮空気とを混合させて燃焼させる。
The
The
The
さらに、ガスタービン10は、ガスタービン10全体の制御を司る制御装置40を備える。
図2は、本第1実施形態に係るガスタービン10の起動に関する制御装置40の機能を示す機能ブロック図である。なお、制御装置40は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記憶装置等から構成されている。そして、図2に示されるパージ回転数決定部44、点火燃空比決定部46、回転加速度決定部48、及び加速燃空比決定部50の各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶装置である記憶部42又はRAMに記憶されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。
Further, the
FIG. 2 is a functional block diagram illustrating functions of the
パージ回転数決定部44は、圧縮機14を回転させて空気を燃焼器16に送り、燃料のパージを行うための圧縮機14の回転数(以下、「パージ回転数」という。)を決定する。パージは、例えば燃焼器16内に残っている燃料を燃焼器16外へ空気で吹き飛ばすことであり、ガスタービン10の起動時における異常燃焼を抑制することができる。
The purge rotation
点火燃空比決定部46は、燃焼器16を点火させる際の燃空比(以下、「点火燃空比」という。)を決定する。
The ignition / fuel
回転加速度決定部48は、タービン12の回転数(回転速度)を予め定められた動作速度(例えば定格速度)に昇速させるための回転加速度を決定する。
The rotational
加速燃空比決定部50は、回転加速度決定部48によって決定された回転加速度でタービン12が加速するように燃焼器16の燃空比を決定する。
The acceleration fuel / air
また、本第1実施形態に係る記憶部42は、ガスタービン10を構成する機器の損傷とタービン12の回転加速度との関係を示した安全度指標を記憶している。タービン12の回転加速度が大きいほど、タービン12の回転数が動作回転数に達する時間、すなわち、ガスタービン10の起動時間が短くなる。しかし、タービン12の回転数加速度によっては、ガスタービン10を構成する機器に与える影響が大きくなり、損傷を与える可能性がある。すなわち、安全度指標は、タービン12の回転加速度が大きくなる場合に生じる機器の損傷の可能性を示した指標である。
In addition, the
図3は、安全度指標の一例を示した図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the safety index.
図3(a)は、安全度指標を、タービン動翼のケーシングへの接触(以下、「翼接触」という。)とタービン12の回転加速度との関係で示したグラフである。
翼接触は、ガスタービン10の起動又は停止において、車室22側と回転機器(ロータ及びタービン動翼)との非定常な熱伸に起因して、タービン動翼とケーシングとが接触する事象である。
図3(a)に示されるように、タービン12の回転加速度が上昇すると、それに伴い燃焼ガスの温度も高くなるため、翼接触が生じる可能性が高まり、機器安全度は低下する。機器安全度が危険領域以下の回転加速度は、使用に適さない。
FIG. 3A is a graph showing the safety index in relation to the contact of the turbine blade with the casing (hereinafter referred to as “blade contact”) and the rotational acceleration of the
The blade contact is an event in which the turbine rotor blade and the casing come into contact with each other due to unsteady hot stretching between the
As shown in FIG. 3A, when the rotational acceleration of the
図3(b)は、安全度指標を、圧縮機14のサージング(以下、「圧縮機サージ」という。)とタービン12の回転加速度との関係で示したグラフである。
圧縮機サージは、圧縮空気が低流量の場合に、圧縮機14が一種の自励振動を起こし、吐出圧力及び流量が変動する事象である。
図3(b)に示されるように、タービン12の回転加速度が下降すると、それに伴い、圧縮空気の流量も小さくなるため、圧縮機サージが生じる可能性が高まり、機器安全度は低下する。
FIG. 3B is a graph showing the safety index as a relationship between the surging of the compressor 14 (hereinafter referred to as “compressor surge”) and the rotational acceleration of the
The compressor surge is an event in which the
As shown in FIG. 3 (b), when the rotational acceleration of the
図3(c)は、タービン12の排気ガス温度とタービン12の回転加速度との関係で示したグラフである。
タービン12の排気ガス温度が、排気ダクト(不図示)の許容温度を超えると、排気ダクトの損傷を招くこととなる。
図3(c)に示されるように、タービン12の回転加速度が上昇すると、それに伴い排気ガス温度も高くなるため、排気ダクトが損傷する可能性が高まり、機器安全度は低下する。
FIG. 3C is a graph showing the relationship between the exhaust gas temperature of the
If the exhaust gas temperature of the
As shown in FIG. 3 (c), when the rotational acceleration of the
図4は、ガスタービン10を起動させる場合に、制御装置40によって実行されるガスタービン起動処理の流れを示すフローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart showing the flow of the gas turbine starting process executed by the
まず、ステップ100では、ターボ機械であるタービン12及び圧縮機14を起動する。ここでいう起動とは、停止されているタービン12及び圧縮機14に対して、オペレータが起動指令を与えることである。これにより、発電機30は、電動機としての動作を開始する。
First, in step 100, the
次のステップ102では、パージ回転数を決定する。本第1実施形態では、オペレータが選択した圧縮機14の回転数を、パージ回転数決定部44がパージ回転数として決定する。
In the next step 102, the purge rotational speed is determined. In the first embodiment, the purge rotational
次のステップ104では、発電機30を電動機とすることで、圧縮機14を加速させる。
In the next step 104, the
次のステップ106では、燃焼器16のパージが完了したか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ108へ移行し、否定判定の場合は、ステップ104へ戻る。なお、パージが完了したか否かは、圧縮機14の回転数がパージ回転数に達したか否か、パージ回転数を所定時間継続したか否か等に基づいて判定する。
In the next step 106, it is determined whether or not the purging of the
ステップ108では、燃焼器16の点火燃空比を決定する。本第1実施形態では、点火燃空比決定部46が、予め定められた燃空比を点火燃空比として決定する。
In
次のステップ110では、パイロット燃料の流量調整弁36P及びメイン燃料の流量調整弁36M前後の差圧が所定の値となるように圧力調整弁34P及び圧力調整弁34Mを制御すると共に、決定した点火燃空比となるように流量調整弁36M及び流量調整弁36Mの開度を制御し、燃料を点火し、燃焼器16から燃焼ガスを生成する。
In the
次のステップ112では、タービン12の回転加速度を決定する。本第1実施形態では、回転加速度決定部48が、記憶部42に記憶されている安全度指標に基づいて、タービン12が可能な最大の回転加速度を決定する。
具体的には、回転加速度決定部48は、図3に示される安全度指標に基づいて、翼接触、圧縮機サージ、及び排気ダクトの損傷が生じない、すなわち機器安全度が危険領域に含まれない最大の回転加速度を選択して決定する。
In the next step 112, the rotational acceleration of the
Specifically, the rotational
次のステップ114では、決定した回転加速度でタービン12が加速するように、加速燃空比決定部50が加速燃空比を決定する。
In the
次のステップ116では、決定した加速燃空比で燃料を燃焼させ、タービン12を加速させる。
In the next step 116, fuel is burned at the determined acceleration fuel-air ratio, and the
次のステップ118では、タービン12の速度が動作速度に達したか否かを判定し、否定判定の場合は、ステップ116へ戻り、タービン12を加速し続け、肯定判定の場合は、本処理を終了する。
In the next step 118, it is determined whether or not the speed of the
以上説明したように、本第1実施形態に係るガスタービン10の制御装置40は、ガスタービン10を構成する機器の損傷とタービン12の回転加速度との関係を示した安全度指標に基づいて、タービン12が可能な最大の回転加速度を決定する回転加速度決定部48と、回転加速度決定部48によって決定された回転加速度でタービンが加速するように燃焼器14の燃空比を決定する加速燃空比決定部50と、を備える。これにより、ガスタービン10は、安全性を保ちつつ、起動時間を短縮することができる。
As described above, the
また、安全度指標は、翼接触とタービン12の回転加速度との関係、圧縮機サージとタービン12の回転加速度との関係、及びタービン12の排気ガス温度とタービン12の回転加速度との関係とされるので、ガスタービン10は、タービン12の回転加速度が機器へ与える影響を、簡易に回避できる。
The safety index is a relationship between the blade contact and the rotational acceleration of the
なお、本第1実施形態では、安全度指標として、翼接触とタービン12の回転加速度との関係、圧縮機サージとタービン12の回転加速度との関係、及び排気ガス温度とタービン12の回転加速度との関係、全てを用いる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、少なくとも何れか一つを用いる形態としてもよい。
In the first embodiment, as the safety index, the relationship between the blade contact and the rotational acceleration of the
また、本第1実施形態では、記憶部42が安全度指標を予め記憶する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、安全度指標は、ガスタービンの起動毎にシミュレーションによって生成される形態や、ガスタービン10の外囲条件や停止時間に基づいて適宜修正される形態としてもよい。
Moreover, although the memory |
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態について説明する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
なお、本第2実施形態に係るガスタービン10の構成は、図1,2に示す第1実施形態に係るガスタービン10の構成と同様であるので説明を省略する。
The configuration of the
なお、本第2実施形態に係る記憶部42は、燃焼器16によって燃料が安定して燃焼できる、燃料又は空気に関する物理量と燃空比との関係を示した燃焼安定指標を記憶している。すなわち、燃焼安定指標とは、燃料の燃焼によるガスタービン10の運転に好ましくない事象の発生の可能性を示した指標である。なお、燃料又は空気に関する物理量とは、燃料又は空気の流速や流量等である。
In addition, the memory |
図5は、燃焼安定指標の一例を示した図である。 FIG. 5 is a diagram showing an example of the combustion stability index.
図5(a)は、逆火及び失火しない領域を示した、燃料と空気の混合気体又は空気の噴出流速と燃空比との関係を示したマップ(以下、「マップ1」という。)である。逆火は、フラッシュバックともいわれ、噴出流速が遅いことにより、通常の火炎位置から上流側に火炎が戻り、機器を損傷させる事象である。失火は、噴出流速が速いため、火炎が吹き消える事象である。
図5(a)に示されるように、燃空比と噴出流速とのバランスが取れた領域が逆火及び失火を生じない領域となる。
FIG. 5A is a map (hereinafter referred to as “Map 1”) showing the relationship between the fuel / air mixture flow rate or fuel / air ratio and the fuel / air mixed gas or air jetting region, which shows the region where flashback and misfire do not occur. is there. Backfire is also referred to as flashback, and is an event in which the flame returns to the upstream side from the normal flame position due to the low jet flow velocity, damaging the equipment. Misfire is an event in which the flame blows off due to the high jet velocity.
As shown in FIG. 5A, a region where the fuel-air ratio and the jet velocity are balanced is a region where backfire and misfire do not occur.
図5(b)は、燃焼振動が生じない領域を示した、全燃料流量に対するパイロット燃料流量の比であるパイロット比と燃空比との関係を示したマップ(以下、「マップ2」という。)である。燃焼振動は、燃焼の不安定化に伴って燃焼器16内で生じる圧力変動であり、過大な燃料振動は、燃焼器16及の構成部品の損傷を招く。
図5(b)に示されるように、燃空比とパイロット比とのバランスが取れた領域が燃焼振動を生じない領域となる。
FIG. 5B shows a region where no combustion vibration occurs, and a map showing the relationship between the pilot ratio, which is the ratio of the pilot fuel flow rate to the total fuel flow rate, and the fuel-air ratio (hereinafter referred to as “map 2”). ). Combustion vibrations are pressure fluctuations that occur in the
As shown in FIG. 5B, a region where the fuel-air ratio and the pilot ratio are balanced is a region where combustion vibration does not occur.
図6は、本第2実施形態に係る制御装置40によって実行されるガスタービン起動処理の流れを示すフローチャートである。なお、図6における図4と同一のステップについては図4と同一の符号を付して、その説明を一部又は全部省略する。
FIG. 6 is a flowchart showing the flow of the gas turbine startup process executed by the
ステップ106では、燃焼器16のパージが完了したか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ108’へ移行し、否定判定の場合は、ステップ104へ戻る。
In step 106, it is determined whether or not the
ステップ108’では、燃焼器16の点火燃空比を選択する。本第2実施形態では、点火燃空比決定部46が、燃焼安定指標に基づいて点火燃空比を選択する。
In step 108 ', the ignition fuel / air ratio of the
次のステップ109では、点火燃空比が安定領域に位置しているか否かを判定する。例えば、大気温度によって、空気の密度も変化するため、空気の重量流量が変化する。このため、ガスタービン10の起動毎に、点火燃空比が安定領域に位置しているか否かを判定する必要がある。ステップ109において肯定判定の場合は、選択した点火燃空比をガスタービン10の起動に用いる点火燃空比として決定してステップ110へ移行し、否定判定の場合は、ステップ108’へ戻り、点火燃空比を選択し直す。
In the next step 109, it is determined whether or not the ignition fuel / air ratio is located in a stable region. For example, since the air density also changes depending on the atmospheric temperature, the weight flow rate of the air changes. For this reason, it is necessary to determine whether or not the ignition / fuel ratio is located in the stable region every time the
一例として、図7を参照して、本第2実施形態に係る点火燃空比の決定について説明する。 As an example, the determination of the ignition / fuel ratio according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
点Aは、初期運転点であり、マップ2では安定領域に位置するが、図7(a)に示されるマップ1では失火領域に位置する。
そこで、運転点をマップ1の安定領域に位置させるために、制御装置40は、空気流量を減らし、点Bに是正する。この場合、圧縮機14の回転数を低減させると起動時間が延びるため、圧縮機サージが生じない範囲において入口案内翼20の開度を制御することで、空気流量を調整することが好ましい。
Point A is an initial operating point and is located in the stable region in map 2, but is located in the misfire region in map 1 shown in FIG. 7 (a).
Therefore, in order to position the operating point in the stable region of the map 1, the
この結果、点Bの運転点は、マップ1において安定領域に位置するが、図7(b)に示されるマップ2においては燃焼振動領域に位置することとなる。
そこで、運転点をマップ2の安定領域に位置させるために、空気流量を維持したまま、流量調整弁36P,36Mの開度を制御することでパイロット比を低下させて、点Cに是正する。
As a result, the operating point of the point B is located in the stable region in the map 1, but is located in the combustion vibration region in the map 2 shown in FIG. 7B.
Therefore, in order to position the operating point in the stable region of the map 2, the pilot ratio is reduced by controlling the opening degree of the flow
点Cの運転点は、マップ1,2共に安定領域に位置するため、制御装置40は、点Cの運転点で燃焼器16を点火させる。
Since the operating point of point C is located in the stable region in both maps 1 and 2, the
以上説明したように、本第2実施形態に係るガスタービン10の制御装置40は、燃焼器16によって燃料が安定して燃焼する燃空比を示した燃焼安定指標に基づいて、燃焼器16を点火させる場合における点火燃空比を決定する点火燃空比決定部46を備える。従って、本第2実施形態に係るガスタービン10は、より安定した起動を行うことができる。
As described above, the
燃焼安定指標は、逆火及び失火しない領域を示した、混合気体又は空気の噴出流速と燃空比との関係、及び燃焼振動が生じない領域を示した、パイロット比と燃空比との関係である。従って、本第2実施形態に係るガスタービン10は、燃料の燃焼が機器へ与える影響を、簡易に回避できる。
Combustion stability index is the relationship between the jet velocity of mixed gas or air and the fuel-air ratio, which indicates the region where no flashback or misfire occurs, and the relationship between the pilot ratio and the fuel-air ratio, which indicates the region where combustion oscillation does not occur It is. Therefore, the
なお、本第2実施形態では、安全度指標として、混合気体の噴出流速と燃空比との関係、及びパイロット比と燃空比との関係、両方を用いる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、何れか一つを用いる形態としてもよい。 In the second embodiment, the relationship between the jetting flow velocity of the mixed gas and the fuel / air ratio and the relationship between the pilot ratio and the fuel / air ratio, both of which are used as safety indicators, have been described. However, the present invention is not limited to this, and any one of them may be used.
〔第3実施形態〕
以下、本発明の第3実施形態について説明する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described.
なお、本第3実施形態に係るガスタービン10の構成は、図1,2に示す第1実施形態に係るガスタービン10の構成と同様であるので説明を省略する。
The configuration of the
本第3実施形態に係るガスタービン10は、起動するために燃料(本第3実施形態では燃焼器16内に残存する燃焼)のパージを行う。
パージを行う場合、圧縮機14は、サイリスタによって制御される電動機を用いて回転される。電動機は、上述したように、タービン12及び圧縮機14に連結されている発電機30である。
The
When purging, the
そして、本第3実施形態に係るパージ回転数決定部44は、燃焼器16のパージを行う場合に、サイリスタの出力(以下、「サイリスタ出力」という。)に応じて圧縮機14の回転数を決定する。サイリスタ出力が大きいほど、圧縮機14の回転数も速くでき、パージ時間を短縮できる。なお、サイリスタ出力の最大値はガスタービン10毎に決まっているものである。
Then, when purging the
図8は、サイリスタ出力と回転数の関係を示したグラフであり、図9は、パージ回転数とパージ時間との関係を示したグラフである。
サイリスタ出力は、(1)式に示されるようにサイリスタの電圧、電流、及び力率の積であり、サイリスタによって制御される電動機のトルクと回転数の積である。
サイリスタ出力(W)=電圧×電流×力率=トルク×回転数 ・・・(1)
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thyristor output and the rotational speed, and FIG. 9 is a graph showing the relationship between the purge rotational speed and the purge time.
The thyristor output is a product of the voltage, current, and power factor of the thyristor as shown in the equation (1), and is the product of the torque and the rotational speed of the motor controlled by the thyristor.
Thyristor output (W) = Voltage x Current x Power factor = Torque x Number of revolutions (1)
図8に示されるように、圧縮機14は、回転数が上昇するにつれて消費動力が大きくなる。消費動力は、昇速動力と抵抗動力との和である。昇速動力は、慣性と回転加速度によって求められ、抵抗動力は、摩擦抵抗等によって求められる。
サイリスタ出力が大きいほど、より多くの消費動力を賄うことができ、圧縮機14の回転数をより速くできる。
As shown in FIG. 8, the power consumption of the
The larger the thyristor output, the more power can be consumed and the rotation speed of the
そして、図9に示されるように、パージを行う場合に、圧縮機14の回転数が速いほど、パージ時間は短くなる。なお、パージ時間は、パージが行われる機器の容量、すなわち本第3実施形態では燃焼器16の容量と、圧縮機14の回転数から求められる風力とから、燃焼器16内の空気を所定回数(例えば2回)入れ替えるのに要する時間として求められる。
As shown in FIG. 9, when purging is performed, the faster the rotation speed of the
図10は、本第3実施形態に係る制御装置40によって実行されるガスタービン起動処理の流れを示すフローチャートである。なお、図10における図6と同一のステップについては図6と同一の符号を付して、その説明を一部又は全部省略する。
FIG. 10 is a flowchart showing the flow of the gas turbine startup process executed by the
まず、ステップ100では、ターボ機械であるタービン12及び圧縮機14を起動し、ステップ102’へ移行する。
First, in step 100, the
ステップ102’では、パージ回転数を決定する。本第3実施形態では、サイリスタ出力に応じた圧縮機14の回転数をパージ回転数として決定し、ステップ104へ移行する。
In step 102 ', the purge rotational speed is determined. In the third embodiment, the rotational speed of the
なお、パージ回転数は、サイリスタ出力に応じて予め決定されていてもよいし、ガスタービン10の起動毎に算出されてもよい。
The purge rotation speed may be determined in advance according to the thyristor output, or may be calculated every time the
図11は、サイリスタ出力とターボ機械である圧縮機14とタービン12の回転数との関係を示したグラフである。
ガスタービン10が起動すると共に、サイリスタ出力は上昇し、圧縮機14をパージ回転数に達するまで回転させる。これに伴い、タービン12もパージ回転数まで回転する。そして、回転数がパージ回転数に達すると、一旦サイリスタ出力は低下するものの、パージが完了し、燃焼器16が点火されると、再び上昇する。燃焼器16が点火されてしばらくするまで、タービン12の回転数の増加をサイリスタ出力によって支援するためである。一例として、燃焼器16の点火後、タービン12の回転数が定格回転数の50%に達するまで、サイリスタ出力による支援が行われ、その後、サイリスタ出力の支援は停止される。そして、タービン12の回転数が定格回転数に達すると、昇速は終了される。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the thyristor output and the rotational speed of the
As the
以上説明したように、本第3実施形態に係るガスタービン10の制御装置40は、燃焼器16のパージを行う場合に、サイリスタを使用して制御される電動機によって圧縮機14を回転させるために、サイリスタの出力に応じて圧縮機14の回転数を決定するパージ回転数決定部44を備える。従って、本第3実施形態に係るガスタービン10の制御装置40は、サイリスタの出力に応じて、パージ時間を最適にすることができる。
As described above, the
なお、本第3実施形態では、燃焼器16をパージさせる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ガスタービンコンバインドサイクル(Gas Turbine Combined Cycle:GTCC)プラントのようにガスタービン10から排気される排ガスから熱回収する排ガスボイラを備え、燃焼器16と共に排ガスボイラをパージさせる形態としてもよい。
In addition, although the form which purges the
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using said each embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiments without departing from the gist of the invention, and embodiments to which the changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.
例えば、上記各実施形態では、ガスタービン10を起動させる場合に、発電機30を電動機として用いて圧縮機14及びタービン12を加速させる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、起動専用の電動機を備え、ガスタービン10を起動させる場合に発電機30を用いずに、該電動機によって圧縮機14及びタービンを加速させる形態としてもよい。
For example, in each of the above embodiments, when the
また、上記各実施形態では、一つの制御装置40が一つのガスタービン10を制御する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、一つの制御装置40が複数のガスタービン10を制御する形態としてもよい。この形態の場合、制御装置40は、各ガスタービン10毎に対応した安全度指標、燃焼安定指標、サイリスタ出力の値を記憶又は演算し、ガスタービン10を起動させる場合における、タービン12の回転加速度、点火燃空比、及びパージ速度をガスタービン10毎に求める。
Further, in each of the above embodiments, the mode in which one
また、上記各実施形態で説明したガスタービン起動処理の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。 The flow of the gas turbine startup process described in each of the above embodiments is also an example, and unnecessary steps are deleted, new steps are added, or the processing order is changed within a range not departing from the gist of the present invention. Or you may.
10 ガスタービン
12 タービン
14 圧縮機
16 燃焼器
30 発電機
40 制御装置
44 パージ回転数決定部
46 点火燃空比決定部
48 回転加速度決定部
50 加速燃空比決定部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ガスタービンを構成する機器の損傷と前記タービンの回転加速度との関係を示した第1指標に基づいて、前記タービンが可能な最大の回転加速度を決定する回転加速度決定手段と、
前記回転加速度決定手段によって決定された前記回転加速度で前記タービンが加速するように前記燃焼器の燃空比を決定する加速燃空比決定手段と、
を備えたガスタービンの制御装置。 Compressor for generating compressed air by compressing air taken in from air intake port, combustor for generating combustion gas by burning fuel with compressed air, and gas turbine including turbine driven by the combustion gas A control device of
Rotational acceleration determining means for determining the maximum rotational acceleration that the turbine is capable of based on a first index indicating a relationship between damage of equipment constituting the gas turbine and rotational acceleration of the turbine;
Accelerating fuel / air ratio determining means for determining a fuel / air ratio of the combustor so that the turbine accelerates at the rotational acceleration determined by the rotational acceleration determining means;
A control device for a gas turbine.
燃料を前記圧縮空気によって燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、
請求項1から請求項5の何れか1項記載の制御装置と、
を備えたガスタービン。 A compressor that generates compressed air by compressing air taken from the air intake;
A combustor that burns fuel with the compressed air and generates combustion gas;
A turbine driven by the combustion gas;
A control device according to any one of claims 1 to 5;
Gas turbine equipped with.
前記ガスタービンを構成する機器の損傷と前記タービンの回転加速度との関係を示した第1指標に基づいて、前記タービンが可能な最大の回転加速度を決定する第1工程と、
決定した前記回転加速度で前記タービンが加速するように前記燃焼器の燃空比を決定する第2工程と、
を含むガスタービンの制御方法。 Compressor for generating compressed air by compressing air taken in from air intake port, combustor for generating combustion gas by burning fuel with compressed air, and gas turbine including turbine driven by the combustion gas Control method,
A first step of determining a maximum rotational acceleration that the turbine is capable of based on a first index indicating a relationship between damage of equipment constituting the gas turbine and rotational acceleration of the turbine;
A second step of determining a fuel-air ratio of the combustor so that the turbine is accelerated at the determined rotational acceleration;
A method for controlling a gas turbine.
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