JP2015052278A - ２軸ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】経年劣化による圧縮機の効率低下に際しても、燃焼器から排出されるNOxの増加を抑制することができる２軸ガスタービンを提供する。【解決手段】ガスジェネレータとパワータービンとを備えた２軸ガスタービンであって、前記圧縮機の制御パラメータを測定する手段と、測定された前記制御パラメータより算出される前記圧縮機の効率低下の度合いに応じて、前記ガスジェネレータの回転数目標値を、前記圧縮機の効率低下が生じていない場合の目標回転数よりも小さく設定し、設定した前記目標回転数と実際の回転数との差異に基づいて前記ガスジェネレータの回転数を制御する制御装置とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスジェネレータとパワータービンを備えた２軸ガスタービンに関わる。

２軸ガスタービンは主に、圧縮機、燃焼器、および高圧タービンで構成されるガスジェネレータと、負荷に接続されるパワータービン（低圧タービン）から成り、ガスジェネレータの回転軸とパワータービンの回転軸は分離されている。また、それぞれの回転数は独立に制御されている。

特開２０１１‐３８５３１号公報（特許文献１）には、ガスジェネレータ側の回転軸の回転数の制御方法に関する技術が記載されている。具体的には、大気温度の変化等に起因する回転数変化に伴う共振問題を解決するために、低速回転時に用いる大気温度に応じたガスジェネレータ軸の修正回転数に基づいて圧縮機入口案内翼（IGV）の開度を調整する第1の制御モードと、高速回転時に用いるガスジェネレータ軸の実回転数を一定に保つように圧縮機入口案内翼（IGV）の開度を調整する第２の制御モードという２つの制御モードを備えた制御方法が開示されている。

また、特開２０１１‐１０２５４８号公報（特許文献２）には、ガスタービンの出力を制限するための出力制御に関する技術が記載されている。具体的には、タービン総出力から高圧タービン負荷を差し引くことによって低圧タービンの軸出力を求め、その出力と、別途設定された出力上限値から回転数補正値を算出し、これをもとに回転数目標値を補正する制御方法が開示されている。

特開２０１１‐３８５３１号公報 特開２０１１‐１０２５４８号公報

２軸ガスタービンを長期間使用すると、圧縮機の翼に大気中のよごれが付着し、圧縮機の効率が低下して、回転に必要な圧縮機動力が大きくなる。特許文献１のように、ガスジェネレータの修正回転数または実回転数を一定に維持するように制御する場合、圧縮機入口案内翼（IGV）の開度を小さくして圧縮機の風量を減少させる必要がある。この制御により、風量減少による圧縮動力の低下と圧縮機効率低下による圧縮動力の増加が相殺され、回転数を一定に保つことができる。

しかしこの時、ガスジェネレータの燃焼器にとっては、空気流量が減少するため燃料濃度が高まり、燃焼温度が高くなって、燃焼器から排出されるNOxが増加するデメリットがある。特に特許文献２に示されたようにパワータービンの出力が一定となるように制御されている場合は、風量減少分の出力低下を補うために燃料流量が増加するので、NOx排出量はさらに増加してしまう。加えて、通常、IGV開度が小さくなると圧縮機の性能は低下する傾向があるため、ガスジェネレータの回転数一定制御により、IGV開度はさらに小さくなってしまい、NOx排出量が増加する。

そこで、本発明は、経年劣化による圧縮機の効率低下に際しても、燃焼器から排出されるNOxの増加を抑制することができる２軸ガスタービンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、前記圧縮機の制御パラメータを測定する手段と、測定された前記制御パラメータより算出される前記圧縮機の効率低下の度合いに応じて、前記ガスジェネレータの回転数目標値を、前記圧縮機の効率低下が生じていない場合の目標回転数よりも小さく設定し、設定した前記目標回転数と実際の回転数との差異に基づいて前記ガスジェネレータの回転数を制御する制御装置とを備える。

本発明によれば、経年劣化により圧縮機の効率が低下した際にも、燃焼器から排出されるNOxの増加を抑制することができる２軸ガスタービンを提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る２軸ガスタービンの構成を表すフロー図である。 ガスジェネレータの回転数と圧縮機入口案内翼開度の関係を示す図である。 圧縮機効率低下度合いとガスジェネレータ目標回転数の関係を示す図である。 圧縮機効率低下検出手段の一例として、圧縮機の効率低下が無い状態における温度比を、圧力比から求める演算器４０３の一例、および、検出された温度比との差から効率低下度合い（Δη）を求める演算器４０４の一例をあわせて示した関係図である。 圧縮機効率低下検出手段の別の一例として、圧縮機の効率低下が無い状態における圧縮機出口温度を、IGV開度および回転数から求める演算器４０３の一例、および、検出された温度との差から効率低下度合い（Δη）を求める演算器４０４の一例をあわせて示した関係図である。 本発明の第１の実施例に係る制御器の詳細を示したブロック図である。 本発明の第２の実施例に係る制御器の詳細を示したブロック図である。 本発明の第２の実施例に係る圧縮機効率低下度合いと、ガスジェネレータ目標回転偏差の関係を示す図である。

（１）第１の実施例
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は本発明の第１の実施例に係る２軸ガスタービンの全体構成を表すフロー図である。図１に示すように、２軸ガスタービンは、主として、ガスジェネレータ４とパワータービン５から構成されている。

このうちガスジェネレータ４は、主として、空気１００を圧縮して高圧の燃焼用空気１０１を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される圧縮空気１０１と燃料２００とを燃焼させて燃焼ガス１０２を生成する燃焼器２と、この燃焼器２で生成された燃焼ガス１０２によって駆動される高圧タービン３とから構成されている。圧縮機１と高圧タービン３はガスジェネレータの回転軸１１で連結されており、圧縮機１は高圧タービン３によって駆動される。

一方、パワータービン（低圧タービン）５は、ガスジェネレータからの燃焼ガス１０３によって駆動される。負荷となる発電機６が回転軸１２によってパワータービン５と連結されており、パワータービン５によって駆動される。そして、ガスジェネレータ４とパワータービン５の回転数は制御器４００によってそれぞれ独立に制御されている。

圧縮機１の入口及び出口には、それぞれ、入口温度T1を検出する温度検出器３０１及び出口温度T2を検出する温度検出器３０３と、入口圧力P1を検出する圧力検出器３０２及び出口圧力P2を検出する圧力検出器３０４が取り付けられている。また、回転軸１１にはガスジェネレータ４の回転数Ｎ１を検出する回転数検出器３０５が取り付けられ、回転軸１２にはパワータービン５のN2を検出する回転数検出器３０６が取り付けられている。

次に、本実施例に係る２軸ガスタービンの回転数の制御について説明する。

まずパワータービン５の回転数は燃料供給系３０８の制御によって燃料２００の流量を増減することによって制御されている。発電機６が他の発電機と独立している場合、電力消費量が増加すると発電機６およびパワータービン５の回転数が低下する。そのため、目標回転数と回転数検出器３０６の測定結果である実回転数N2の差に基づいて燃料２００の流量が増加され、回転数N2は目標回転数に保つように制御される。逆に、電力消費量が減少すると発電機６およびパワータービン５の回転数は増加する。そのため、目標回転数と実回転数N2の差に基づいて燃料２００の流量が減少され、回転数N2は目標回転数に保つように制御されている。

一方、発電機が他の発電機とともに電力系統と連係している場合、発電機６およびパワータービン５の回転数N2は電力系統の周波数と一致している。そのため、パワータービン５は、回転数N2を直接制御する代わりに、発電機６への出力指令の増減に比例して燃料２００の流量を増減させることにより制御されている。

次に、ガスジェネレータ４側の回転数N1の制御について説明する。燃料流量は、上述したようにパワータービン側の回転数制御で決められるが、この燃料流量の増減によって高圧タービン３の出力も増減する。これに対してガスジェネレータ４側は、高圧タービン３の出力と圧縮機１の動力がバランスするように、例えば入口案内翼３０７の開度を変更して制御される。

具体的には、図２に示すように、燃料流量の増加に伴い高圧タービン３の出力が増加して、回転数（図２の横軸）が増加すると、縦軸の入口案内翼開度を増加させる方向に制御がはたらき、圧縮機の吸込み流量が増加する。圧縮機の吸込み流量を増加させて圧縮機動力を増加させることで、高圧タービン３の出力と圧縮機１の動力をバランスさせる。

逆に、燃料流量の減少に伴い高圧タービン３の出力が減少して、図２横軸の回転数が低下すると、縦軸の入口案内翼開度を減少させる方向に制御がはたらき、圧縮機の吸込み流量が減少する。圧縮機の吸込み流量が減少させて圧縮機の動力を減少させることで、やはり高圧タービン３の出力と圧縮機１の動力をバランスさせることができる。

そして、高回転数域においては、例えば図２のＡで示した実線のように、ガスジェネレータ４の回転数３０５に対して、圧縮機入口案内翼３０７の開度の変化を大きくすることによって、回転数を目標回転数でほぼ一定に保つ制御が可能となっている。

図２において、実線Ａは経年劣化による効率低下を考慮した回転数の補正を適用しない場合（経年劣化が生じていない場合を含む）の運転線を表し、実線Ｂは経年劣化による効率低下を考慮した回転数の補正を適用した場合の運転線を表す。そしてA1は圧縮機１の効率が低下していない場合の状態を表し、A2およびB1は圧縮機１の効率が低下した場合の状態を表す。

ここでA2は経年劣化による効率低下を考慮した回転数の補正を適用しておらず、効率低下による圧縮機動力の増加に伴い、圧縮機入口案内翼３０７の開度を小さくしてガスジェネレータ４の回転数N1をA1の場合と同じになるように制御している。その結果、燃焼器に流入する燃焼空気の流量が減少して燃料濃度が高まり、火炎の高温化によってNOx排出量が増加する傾向があった。それに対して、B1は経年劣化による効率低下を考慮して回転数を補正する後述の制御によってガスジェネレータの回転数を小さくしたため、入口案内翼３０７の開度はA1の場合と同等に保つことができる。これにより、燃焼器に流入する燃焼空気の減少を抑制し、NOx排出量の増加を抑制することができる。

さて、本実施例の２軸式ガスタービンが備える制御器４００の詳細について、図３〜図６を用いて説明する。図６は制御器の構成を示すブロック図であり、図３〜図５は制御器内の演算器の入出力の関係を模式的に表したグラフである。

まず、圧縮機１の入口温度T1と出口温度T2が熱電対などの温度検出器３０１、３０３によって測定され、制御器４００に入力される。演算器４０１ではたとえば温度比T2/T1が出力される。同様に、圧縮機１の入口圧力P1と出口圧力P2が圧力電送器などの圧力検出器３０２、３０４によって測定され、制御器４００に入力される。演算器４０２ではたとえば圧力比P2/P1が出力される。この圧力比P2/P1は演算器４０３の入力となる。

演算器４０３では、たとえば図４の実線で示されるように、圧力比P2/P1の値を元に圧縮機１の効率が低下していない状態での温度比（C）が出力される。そして演算器４０４によって、実際の温度比T2/T1（B1）と演算器４０３の出力である温度比（C）（圧縮機１の効率が低下しない状態での値）の差から、圧縮機１の効率低下度合いΔηが計算され、演算器４０４の出力となる。

次に、演算器４０５では、たとえば図４に示されるように、効率低下度合いΔηを元にガスジェネレータの目標回転数が出力される。具体的には、図３のN0が圧縮機１の効率が低下しない状態での目標回転数（定格回転数）であり、効率低下度合いΔηに応じて、目標回転数としてN0よりも小さいNBを設定する。なお、効率低下度合いΔηが極端に大きい場合には、目標回転数が下がり過ぎて圧縮機１のサージマージンが小さくなる。そこで、本実施例では、Δηが極端に大きい場合にも十分なサージマージンを保ち信頼性を確保できるよう、目標回転数に下限NLが設定されている。

そして、演算器４０６では、図２に示した関係により、目標回転数と実際の回転数N1との差異に基づいて入口案内翼（IGV）３０７の開度を制御することによって、圧縮機１動力と高圧タービン３出力をバランスさせて、ガスジェネレータの回転数N1を図２のＢの実線上になるよう制御している。また、演算器４０６には目標回転数NBが入力されており、図２に示したように、高回転数域での目標回転数がN0の状態から圧縮機の効率低下によってNBの状態に変化している。

以上の説明では、圧縮機１の制御パラメータとして、図４に示すように、圧縮機入口の温度T1、圧力P1、出口の温度T2、圧力P2を利用したが、たとえば図５に示すように、圧力比P2/P1を計測する代わりに入口案内翼（IGV）開度と回転数（N1）の情報から圧力比P2/P1に相当する量を求めても良い。入口案内翼（IGV）の開度は制御器４００からの指令値でも代用することが可能で、この制御は上述したように回転数（N1）を元に行なわれているため、圧力検出器３０２、３０４を設けてP1及びP2を測定する必要が無く、簡便に制御が可能となる。さらには、通常T1は季節や時刻からある程度推定が可能なため、温度検出器３０３によってT2のみを計測することで、図５に示すように、簡易にΔηを推定することもできる。

以上のように、本実施例の２軸ガスタービンは、圧縮機の制御パラメータを測定する手段と、測定された制御パラメータより算出される圧縮機１の効率低下の度合いΔηに応じて、圧縮機１の効率低下が生じていない場合の目標回転数N0よりもガスジェネレータ４の回転数目標値を小さく設定し、設定した前記目標回転数NBと実際の回転数N1との差異に基づいてガスジェネレータ４の回転数N1を制御する制御装置４００とを備える。そして、このような構成を備えた本実施例の２軸ガスタービンによれば、圧縮機翼に吸い込み空気中の汚れが付着するなどして効率が低下した場合でも、入口案内翼（IGV）開度が小さくなりすぎることが無いため、燃焼器２での燃料２００と燃焼空気１０１の比を適正に保つことができて、NOx排出量の増加を抑制することが可能となる。

また、制御パラメータの測定手段として、圧縮機出口の空気温度T2の検出手段３０３を含み、それに加えて、圧縮機入口の空気温度T1の検出手段３０１、圧縮機入口の圧力P1の検出手段３０２、圧縮機出口の空気圧力P2の検出手段３０４のいずれかまたは全てを含むことにより、圧縮機１の出口空気温度T2と風量が把握できることとなるため、２軸ガスタービンを構成する圧縮機１の効率低下度合いΔηをより正確に把握して信頼性の高い制御が可能となり、NOx排出量の増加を効果的に抑制することができる。

また、制御パラメータの測定手段として、圧縮機出口の空気温度T2の検出手段３０３を含み、それに加えて、圧縮機の入口案内翼３０７の開度の検出手段、ガスジェネレータ４の回転数N1の検出手段３０５、および前記圧縮機出口の空気圧力P2の検出手段３０４のいずれかまたは全てを含む場合でも、圧縮機１の出口空気温度T2と風量が把握できるため、２軸ガスタービンを構成する圧縮機１の効率低下度合いΔηをより正確に把握して信頼性の高い制御が可能となり、NOx排出量の増加を効果的に抑制することができる。

また、効率低下度合いΔηを考慮した回転数目標値に下限NLが設定されているため、本実施例の２軸ガスタービンでは、Δηが極端に大きい場合にも十分なサージマージンを保ち、制御の信頼性を確保することができる。

（２）第２の実施例
次に、本発明の第２の実施例について、図７および図８に示して説明する。

対応する図６および図３に示した第１の実施例との違いは、１次遅れ要素４０８を挿入して効率低下度合いΔηを考慮した制御による目標回転数の時間的な変化率を小さくした点にある。

図７の演算器４０７は演算器４０４の出力である効率低下度合いΔηを入力とし、ガスジェネレータの目標回転数の偏差分を演算して出力する。具体例を図８を用いて説明する。

まず圧縮機効率が低下していない場合（Ａ1）、ガスジェネレータ目標回転数を図３におけるN0と一致させるため、偏差は図８のように０と算出される。圧縮機翼に汚れが付着してくると、効率低下度合いΔηの値が大きくなってくるので、それに応じて目標回転数偏差ΔNの絶対値が大きくなる。効率低下度合いΔηが極端に大きい場合は、それ以上目標回転数を下げると圧縮機１のサージマージンが小さくなるため、目標回転数偏差には下限-ΔNLが設定され、効率低下度合いΔηが極端に大きい場合にも目標回転数が下限NLを下回らないように設定されている。

次に、１次遅れ要素４０８では、目標回転数偏差ΔNの変化に１次遅れを与えて目標回転数偏差ΔN'とし、演算器４０９に入力する。演算器４０９では、１次遅れ要素４０８の出力である目標回転数偏差ΔN'と、基準目標回転数N0の和から実際の目標回転数を求める。これによって図２に示したように、高回転数域での目標回転数はN0から、圧縮機の効率低下度合いを考慮した目標回転数NBに変化し、運転線は実線Ａから実線Ｂへと変化する。

また、演算器４０９では、図２に示した関係により、ガスジェネレータの回転数N1（３０５）と目標回転数NBとの際に基づいて入口案内翼（IGV）３０７の開度を制御することによって、圧縮機１の動力と高圧タービン３の出力とをバランスさせて、回転数N1を図２のＢの線上になるよう制御している。なお、こちらの制御には遅れ要素を与えておらず、これにより回転数目標値の制御の時定数の方が大きくなるように設定している。

このように、回転数目標値の制御の時定数を大きくしている利点は以下のとおりである。

実施例１の演算器４０６では、ガスジェネレータの回転数N1をもとに入口案内翼（IGV）の開度を制御しているが、この制御の時定数は、回転数検出の速度と入口案内翼駆動の速度に依存しており数秒程度のオーダーである。また、この制御によってIGV開度が変化した場合には、制御パラメータ測定手段による測定対象として例示した温度、圧力、回転数、IGV開度等の値も変化する。一方、圧縮機の経年劣化は数週間から数ヶ月のオーダー顕在化するものであり、経年劣化に起因しない状態量の変化が回転数目標値制御に影響して制御が不安定（ハンチングなど）になることを防止するためには、制御設定値の微調整が必要となる。

これに対して、第２の実施例のように、効率低下度合いの出力値に１次遅れを与えて回転数目標値を制御することにより、実回転数N1と目標回転数NBとの差異に基づいて行なう回転数制御の時定数よりも、効率低下度合いΔηに応じて回転数目標値を変更する制御の時定数を大きくすることができて、ガスジェネレータ４の回転数制御の安定性を向上させることができる。

また、ガスジェネレータ４の回転数制御の安定性が向上することにより、燃焼器へ流入する燃焼空気１０１の流量も安定するため、燃料２００と燃焼空気１０１の比を安定して適正範囲に保つことができ、より確実にNOx排出量の増加を抑制することができる。

このように、各実施例で説明した２軸ガスタービンによれば、経年劣化により圧縮機の効率が低下した際にも、パワータービンの出力を維持しつつ燃焼器から排出されるNOxの増加を抑制することができる。

１：圧縮機、２：燃焼器、３：高圧タービン、４：ガスジェネレータ、５：パワータービン（低圧タービン）、６：発電機、１００：ガスタービン吸い込み空気（大気圧）、１０１：圧縮空気（燃焼空気）、１０２：燃焼ガス、１０３：ガスジェネレータ排気ガス、１０４：パワータービン排気ガス、２００：燃料、３０１：圧縮機入口空気温度（T1）検出器、３０２：圧縮機入口空気圧力（P1）検出器、３０３：圧縮機出口空気温度（T2）検出器、３０４：圧縮機出口空気圧力（P2）検出器、３０５：ガスジェネレータ回転数検出器、３０６：パワータービン回転数検出器、３０７：圧縮機入口空気案内翼、３０８：燃料供給系、４００：制御器、４０１〜４０７：演算器、４０８：１次遅れ要素、４０：演算器

Claims (6)

1. 空気吸入部に入口案内翼を備えた圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転して前記圧縮機を駆動する高圧タービンとを有するガスジェネレータと、前記高圧タービンからの排ガスによって回転して負荷機器を駆動するパワータービンとを備えた２軸ガスタービンであって、
   前記圧縮機の制御パラメータを測定する手段と、
   測定された前記制御パラメータより算出される前記圧縮機の効率低下の度合いに応じて、前記ガスジェネレータの回転数目標値を、前記圧縮機の効率低下が生じていない場合の目標回転数よりも小さく設定し、設定した前記目標回転数と実際の回転数との差異に基づいて前記ガスジェネレータの回転数を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする２軸ガスタービン。
2. 請求項１に記載の２軸ガスタービンにおいて、
   前記制御パラメータ測定手段は、前記圧縮機出口の空気温度の検出手段を含み、
   それに加えて、前記圧縮機入口の空気温度、圧力、前記圧縮機出口の空気圧力の検出手段のいずれかまたは全てを含むことを特徴とする２軸ガスタービン。
3. 請求項１に記載の２軸ガスタービンにおいて、
   前記制御パラメータ測定手段は、前記圧縮機出口の空気温度の検出手段を含み、
   それに加えて、前記圧縮機の入口案内翼の開度、前記ガスジェネレータの回転数、および前記圧縮機出口の空気圧力の検出手段のいずれかまたは全てを含むことを特徴とする２軸ガスタービン。
4. 請求項１乃至３に記載の２軸ガスタービンにおいて、前記圧縮機の効率低下の度合いを考慮した回転数目標値に下限値が設定されていることを特徴とする２軸ガスタービン。
5. 請求項１乃至４に記載の２軸ガスタービンにおいて、
   前記圧縮機の効率低下の度合いに応じて回転数目標値を変更する制御の時定数が、実際の回転数と目標回転数との差異に基づいて行なう前記ガスジェネレータの回転数制御の時定数よりも大きく設定されていることを特徴とする２軸ガスタービン。
6. 空気吸入部に入口案内翼を備えた圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転して前記圧縮機を駆動する高圧タービンとを有するガスジェネレータと、前記高圧タービンからの排ガスによって回転して負荷機器を駆動するパワータービンとを備えた２軸ガスタービンの運転方法であって、
   前記圧縮機の効率低下の度合いに応じて、前記ガスジェネレータの回転数目標値を、前記圧縮機の効率低下が生じていない場合の目標回転数よりも小さくすることを特徴とする２軸ガスタービンの運転方法。