JP2015098788A

JP2015098788A - ２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法

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Publication number: JP2015098788A
Application number: JP2013237701A
Authority: JP
Inventors: 高橋　康雄; Yasuo Takahashi; 康雄高橋; 拓也武田; Takuya Takeda
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-05-28
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Abstract

【課題】２軸ガスタービンの圧縮機の効率の低下した運転状態において、入口案内翼の開度に応じて吸気噴霧量と高圧タービンの回転数とを制御し、効率と信頼性とを高めることのできる２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】圧縮機の吸気に液滴を噴霧する液滴噴霧装置と、燃焼器に供給される燃料の流量を調整する燃料制御部と、液滴噴霧装置に供給される噴霧水の流量を調整する噴霧流量制御部と、入口案内翼の開度を調整する入口案内翼開度制御部と、高圧タービンの回転数と入口案内翼の開度とに応じて、圧縮機の駆動力と高圧タービンの出力とをバランスさせるための指令信号を出力する効率改善制御部とを有し、効率改善制御部からの指令により、高圧タービンの回転数を低下させ、入口案内翼を開方向に制御し、噴霧水の流量を適切に制御するコントローラとを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法に関する。

圧縮機を駆動する高圧タービンと、発電機やポンプを駆動する低圧タービンが別軸構成になっている２軸ガスタービンは、ポンプやスクリュー圧縮機などの被駆動機の回転数が低い場合でも、圧縮機と高圧タービンを高速回転させることが可能となるため、低圧タービンの低回転数でのトルクを大きくすることができる。このため、２軸ガスタービンはポンプやスクリュー圧縮機などの機械駆動用として用いられるが、低圧タービンで発電機を駆動する発電用として用いることも可能であり、減速機なしで使用する場合には、減速機での損失がないことと、圧縮機を高速回転させることで高効率化が図れる利点がある。また、減速機を使用する場合でも、減速比を小さくできるためコスト低減、効率向上に利点がある。このような２軸ガスタービンにおいて、高いサイクル圧縮比を達成するための制御システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、夏期等の大気温度が高い場合におけるガスタービンの運転では、吸気密度が下がるために、ガスタービンの出力が低下することが知られている。この出力低下に対して、例えば、圧縮機の吸込み空気に水等の液滴を噴霧して吸気密度を上昇させ、吸気冷却の効果によりガスタービン出力を向上させる方法がある。さらに、その液滴の噴霧量を増加させて液滴を圧縮機内部へ導入させた場合には、中間冷却の効果により圧縮機駆動力を低減させることができるので、ガスタービンの効率が向上する。これは、気流と共に圧縮機内部へ搬送された微細な液滴が、動翼列間、静翼列間を通過しながら段の飽和温度まで蒸発し、その蒸発潜熱により作動流体の温度を低下させることによる。
このような水噴霧による出力増加機構を備えたガスタービン（１軸式）において、定格運転時における入口案内翼の開度と圧縮機の吸気部における液滴噴霧量の制御が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６３−２１２７２５号公報特開平１１−７２０２９号公報

通常の１軸ガスタービンは、圧縮機の入口案内翼の角度を一定にして燃焼温度を上昇させながら、出力を上昇させることができる。しかし、２軸ガスタービンではタービン側が高圧タービンと低圧タービンと別軸構成のため、入口案内翼の角度を一定にして燃焼温度を上昇させると、圧縮機の駆動力に対して相対的に高圧タービンの出力が大きくなるため、高圧タービン側が過回転になってしまう。そのため２軸ガスタービンでは、燃焼温度の上昇に伴って、入口案内翼の開度が制御され、高圧タービンの出力と圧縮機駆動力とがバランスするように圧縮機の吸込流量が制御される。

このような２軸ガスタービンにおいて、夏場など吸気温度が高くなると圧縮機の駆動力が増加するため、燃焼温度を定格温度にした場合、入口案内翼は、閉止方向に作動して吸込み流量を低減させることで圧縮機の駆動力を低減させて高圧タービンの出力とバランスさせる。このため、夏場の出力低下は、１軸ガスタービンに比べて２軸ガスタービンでは吸込流量の低減が加わるので、その影響が大きくなる。ここで、出力改善のため吸気噴霧した場合には、入口案内翼が閉止しているため噴霧液滴が入口案内翼に衝突して圧縮機内部での中間冷却の効果が小さくなるという課題がある。

さらに、翼に衝突した液滴は粗大な液滴となり、気流に搬送されずに下流の動翼に衝突する。その液滴は遠心力によりケーシング内壁面へ飛翔し液膜として堆積する。ケーシング内壁面へ液滴が付着し堆積すると、動翼の回転に対して摺動損失となり圧縮機の駆動力が増加する可能性がある。また、圧縮機では経年劣化により翼にダストが付着し翼列性能が低下する。さらに液滴噴霧する圧縮機では翼面に液滴が付着するため翼表面が腐食により錆が発生する可能性がある。このような翼の汚れや錆により翼表面粗さが増大し、翼列性能が低下する。そのため圧縮機の効率の低下により圧縮機駆動力が増加する。

ガスタービンの運用では運用負荷範囲があり、例えば電力需要により５０％負荷から１００％負荷までの範囲で運転される場合がある。このような部分負荷運転を２軸ガスタービンに適用した場合、燃焼温度の低下と同時に入口案内翼も閉じられるので、通常の１軸ガスタービンに比べて圧縮機の効率が低下し、圧縮機駆動力が増加することが懸念される。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、２軸ガスタービンの圧縮機の効率の低下した運転状態において、入口案内翼の開度に応じて吸気噴霧量と高圧タービンの回転数とを制御し、２軸ガスタービンの効率と信頼性とを高めることのできる２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、空気取込み側に入口案内翼を設けた圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記圧縮機と機械的に連結され、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンを駆動した膨張燃焼ガスにより駆動される低圧タービンとを備えた２軸ガスタービンの制御装置であって、前記圧縮機の吸気に液滴を噴霧する液滴噴霧装置と、前記高圧タービンの回転数を検出する回転数計と、前記入口案内翼の開度を検出する開度計と、前記燃焼器に供給される前記燃料の流量を調整する燃料制御部と、前記液滴噴霧装置に供給される噴霧水の流量を調整する噴霧流量制御部と、前記入口案内翼の開度を調整する入口案内翼開度制御部と、前記回転数計が検出した前記高圧タービンの回転数と前記開度計が検出した前記入口案内翼の開度とを取り込み、前記高圧タービンの回転数と前記入口案内翼の開度とに応じて、前記燃料制御部と前記噴霧流量制御部と前記入口案内翼開度制御部とに前記圧縮機の効率を向上させるための指令信号をそれぞれ出力する効率改善制御部とを有し、前記効率改善制御部からの指令により、前記高圧タービンの回転数を低下させ、前記入口案内翼を開方向に制御し、前記噴霧水の流量を適切に制御するコントローラとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、２軸ガスタービンの圧縮機の効率の低下した運転状態において、入口案内翼の開度に応じて吸気噴霧量と高圧タービンの回転数とを制御するので、圧縮機の駆動力を低減できると共に、吸気部の液滴のドレイン量を低減することができる。この結果、２軸ガスタービンの効率及び信頼性を高めることができる。

本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態を備えた２軸ガスタービンシステムを示す概略構成図である。本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態を構成するコントローラの構成を示すブロック図である。本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態における回転数と圧縮機効率との関係を示す特性図である。本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態におけるＩＧＶ開度と圧縮機効率との関係を示す特性図である。本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態を構成するコントローラの処理内容を示すフローチャート図である。本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第２の実施の形態を備えた２軸ガスタービンシステムを示す概略構成図である。本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第３の実施の形態を備えた２軸ガスタービンシステムを示す概略構成図である。

以下、本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態を備えた２軸ガスタービンシステムを示す概略構成図である。
２軸ガスタービンシステムは、大気から吸入した空気１００を圧縮して高圧空気１０４を生成する圧縮機１と、高圧空気１０４と燃料２００とを混合燃焼させて高温の燃焼ガス１０５を生成する燃焼器２と、生成された高温の燃焼ガス１０５により回転駆動する高圧タービン３と、高圧タービン３で膨張した膨張燃焼ガス１０６が導入されて回転駆動する低圧タービン４と、低圧タービン４の負荷となる発電機５とを備えている。圧縮機１と高圧タービン３とは第１回転軸２０Ｈによって機械的に連結されていて、低圧タービン４と発電機５とは第２回転軸２０Ｌによって機械的に連結されている。なお、膨張燃焼ガス１０６は、低圧タービン４を回転させた後、排気ガス１０７として系外に放出される。

圧縮機１は、空気取込み側に吸気流量を制御するための入口案内翼３０１（以下、ＩＧＶともいう）が設置されている。ＩＧＶ３０１は、空気の流れ方向に対する翼の角度（ＩＧＶ開度）をＩＧＶ駆動装置３０１ａにより、変更可能としている。このＩＧＶ開度を変化させることで、圧縮機１の吸気流量を調整する。ＩＧＶ駆動装置３０１ａは後述するコントローラ５００からの指令信号６０１によりＩＧＶ開度を変更する。

燃焼器２は、燃料供給源から燃料制御弁３１を介して供給される燃料２００を圧縮機１からの圧縮空気と混合燃焼させて燃焼ガスを生成する。燃料制御弁３１は、燃焼器２に供給する燃料流量を制御するものであって、後述するコントローラ５００からの指令信号６０２によりその開度を変更する。

圧縮機１の吸気側であって、ＩＧＶ３０１の上流側には、液滴噴霧装置８を備えている。液滴噴霧装置８は、噴霧流量制御弁３２を介して供給された水を内部に設置した高圧ノズル（図示せず）で加圧して、吸気ダクト及び圧縮機１に向けて噴霧する。噴霧流量制御弁３２は、液滴噴霧装置８に供給する水の流量を制御するものであって、後述するコントローラ５００からの指令信号６０３によりその開度を変更する。

液滴噴霧装置８の高圧ノズルによって微粒化した水は、吸気ダクト中及び圧縮機１内部で蒸発し、その蒸発潜熱により吸気空気を冷却する。吸気空気の冷却による空気密度の増大により、圧縮機１を通過する空気の質量流量が増大する。また、吸気空気に含まれる湿分の圧縮機１内部の蒸発により、圧縮機１を通過する空気の温度が低下する。この結果、圧縮機１の動力が低下するので、２軸ガスタービンシステムの効率が向上する。

回転数計６は、第１回転軸２０Ｈの回転数を検出するために、第１回転軸２０Ｈの近傍に設けられている。開度計７は、ＩＧＶ３０１の開度を検出するために、ＩＧＶ駆動装置３０１ａの近傍に設けられている。なお、開度計７は、ＩＧＶ３０１の開度を変更するためのＩＧＶ駆動装置３０１ａのシリンダストロークなどから角度を算出してもよい。

回転数計６からの第１回転軸２０Ｈの回転数検出信号と、開度計７からのＩＧＶ３０１の開度検出信号とは後述するコントローラ５００に入力されている。

次に、本実施の形態を構成する制御装置について図２を用いて説明する。図２は本発明の２軸式スタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態を構成するコントローラの構成を示すブロック図である。図２において、図１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

コントローラ５００は、回転数計６からの回転数検出信号６０４と，開度計７からのＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５とを取込む入力部と、これらの検出信号を基に後述する演算処理を実行する演算部と、演算部で算出したＩＧＶ開度指令６０１と，燃料制御弁開度指令６０２と，噴霧流量制御弁開度指令６０３とをＩＧＶ駆動装置３０１ａと燃料制御弁３１と噴霧流量制御弁３２とにそれぞれ出力する出力部とを備えている。

演算部は、ＩＧＶ開度制御部２６と燃料制御部２７と噴霧流量制御部２８と効率改善制御部２５とを備えている。

ＩＧＶ開度制御部２６は、第１回転軸２０Ｈの回転数検出信号６０４に基づいて、第１回転軸２０Ｈの回転数が所定の回転数となるように、ＩＧＶ開度指令６０１を算出し、ＩＧＶ駆動装置３０１ａの制御を通じてＩＧＶ３０１の開度を制御する。

燃料制御部２７は、発電機出力の検出信号等の負荷状態データ又は第１回転軸２０Ｈの回転数検出信号６０４に基づいて、発電機５の出力が所定の出力となるように、又は、第１回転軸２０Ｈの回転数が所定の回転数となるように、燃料制御弁開度指令６０２を算出し、燃料制御弁３１の開度を制御することで、燃料２００の燃焼器２への供給を制御する。

噴霧流量制御部２８は、第１回転軸２０Ｈの回転数検出信号６０４とＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５とに基づいて、噴霧流量制御弁開度指令６０３を算出し、噴霧流量制御弁３２の開度を制御することで圧縮機１への水噴霧量を制御する。

効率改善制御部２５は、第１回転軸２０Ｈの回転数検出信号６０４とＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５とに基づいて、圧縮機１の駆動力と高圧タービン３の出力とをバランスさせて圧縮機効率を向上させる各種指令信号を算出し、ＩＧＶ開度制御部２６と燃料制御部２７と噴霧流量制御部２８とへ、上位指令信号をそれぞれ出力する。

次に、本実施の形態における２軸ガスタービンシステムの動作の概要について図３及び図４を用いて説明する。図３は本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態における回転数と圧縮機効率との関係を示す特性図、図４は本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態におけるＩＧＶ開度と圧縮機効率との関係を示す特性図である。

まず、特性図について説明する。図３及び４において、縦軸は圧縮機効率を示し、図３の横軸は高圧タービン３の回転数を、図４の横軸はＩＧＶ３０１の開度をそれぞれ示している。
図３は、高圧タービン回転数に対する圧縮機効率の分布を示し、横軸のＮｒは定格回転数を、Ｎ_ＭＩＮは運転許容最低回転数を、Ｎ_ＭＡＸは運転許容最大回転数をそれぞれ示し、Ｎ_ＭＩＮとＮ_ＭＡＸとの間が運転可能な回転数の範囲を示している。この回転数範囲は、ガスタービンにおける軸振動と翼共振とを避けるために設定されている。図３において、特性線３ｘは、後述するＩＧＶ開度が定格開度Ｏｒのときの回転数に対する圧縮機効率を示し、特性線３ｙは、ＩＧＶ開度がＯ１のときの回転数に対する圧縮機効率を示している。

これらの特性線３ｘ、３ｙが示すように、軸流式の圧縮機においては、回転数が定格回転数より増加していくと周速度が増加するので、翼面で発生する衝撃波損失の影響により圧縮機効率は低下している。一方、圧縮機は、翼列の失速側のマージンを考慮して、定格回転数よりも低い回転数側に最大の効率点が存在するように設計されている。この最大の効率点より低回転数側では、効率は低下する。

図４は、入口案内翼（ＩＧＶ）の開度に対する圧縮機効率の分布を示し、横軸のＯｒは定格のＩＧＶ開度を、Ｏｓは吸気噴霧でドレイン量が低減できるＩＧＶ開度を示している。図４において、特性線４ｘは、高圧タービン３の回転数が定格回転数ＮｒのときのＩＧＶ開度に対する圧縮機効率を示し、特性線４ｙは、高圧タービン３の回転数がＮ１のときのＩＧＶ開度に対する圧縮機効率を示している。

これらの特性線４ｘ、４ｙが示すように、ＩＧＶ開度Ｏｓよりも小さい開度（閉じられた状態）で吸気噴霧すると、ＩＧＶ３０１への液滴の衝突が多くなり、ドレインの増加と中間冷却の効果が小さくなることを示している。また、この液滴の衝突により粗大な液滴が発生し、ケーシング内壁面で液膜となる。この液膜によりケーシングが急冷されることで、後述する動翼先端間隙が縮小し、ケーシング内壁面と動翼先端が接触するラビングが発生する可能性が高まる。換言すると、ＩＧＶ開度がＯｓ以上であれば、吸気噴霧することが信頼性の面からも望ましい。また、図３と図４とに示すように、回転数に対する圧縮機効率の低下よりも、ＩＧＶの開度変化に対する圧縮機効率の低下が大きいため、大気温度の上昇によってＩＧＶ３０１が閉じることによる圧縮機効率の低下の影響が大きくなる。

次に、２軸ガスタービンの動作について説明する。通常の状態において、２軸ガスタービンが運転している点を図３と図４のＡで示す。この作動点Ａは、高圧タービン３が定格回転数Ｎｒで運転していて、ＩＧＶ３０１の開度が定格開度Ｏｒであり、吸気噴霧はされていない状態である。このときの圧縮機効率はη_Ａである。

作動点Ｂは、例えば、大気温度が上昇したことにより、ＩＧＶ開度が図４に示すＯ１まで閉止した場合を示す。このとき図３に示すように特性線は３ｘから３ｙに変わるが高圧タービン３の回転数はＮｒで変化していない。図３と図４に示すように、ＩＧＶ３０１の開度減少により、圧縮機効率はη_Ｂに減少する。

ここで、コントローラ５００は、圧縮機１の効率を改善するために燃料流量信号を制御して、高圧タービン３の回転数をＮ１まで低下させる。このとき高圧タービンの回転数信号の低下に伴い、ＩＧＶ３０１へは開方向の指令信号が出力されるので、ＩＧＶ３０１の開度はＯ１からＯ２に開方向に変わる。このとき図４に示すように特性線は４ｘから４ｙに変わる。図４に示すように、ＩＧＶ３０１の開度増加により、圧縮機効率はη_Ｃに少し増加する。

図４に示すように、ＩＧＶ３０１の開度Ｏ２は、上述した吸気噴霧でドレイン量が低減できるＩＧＶ開度Ｏｓよりも大きいので、コントローラ５００は、吸気噴霧を開始する。ここにおける吸気噴霧は、ＩＧＶ３０１開度が確保されているので、圧縮機１の内部で効果的に液滴の蒸発が促進される。この中間冷却の効果により圧縮機１の駆動力が低減され、さらにＩＧＶの開度が開方向に改善される。この結果、ＩＧＶ３０１の開度が定格開度Ｏｒまで開動作して、吸気噴霧されていて、高圧タービン３が回転数Ｎ１で運転している作動点Ｄに到達する。このときの圧縮機効率はη_Ｄである。

次に、本実施の形態におけるコントローラの処理内容を図５を用いて説明する。図５は本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態を構成するコントローラの処理内容を示すフローチャート図である。図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

コントローラ５００は、ガスタービンシステムの運転状態信号を取得する（ステップＳ１）。具体的には、効率改善制御部２５が回転数計６から第１回転軸２０Ｈの回転数検出信号６０４（高圧タービン３の回転数）を、開度計７からＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５を取得する。

コントローラ５００は、高圧タービン３の回転数６０４が定格近傍か否かを判断する（ステップＳ２）。具体的には、効率改善制御部２５において、予め設定された定格回転数Ｎｒと回転数検出信号６０４とを比較して、その差異が所定の値Ｋ以内か否かにより判断する。回転数検出信号６０４と定格回転数Ｎｒとの差異が所定の値Ｋ以内の場合には（ステップＳ３）へ進み、それ以外の場合は（ステップＳ１）へ戻る。

コントローラ５００は、ＩＧＶ３０１の開度が吸気噴霧でドレイン量が低減できるＩＧＶ開度Ｏｓ超過か否かを判断する（ステップＳ３）。具体的には、効率改善制御部２５において、予め設定された吸気噴霧でドレイン量が低減できるＩＧＶ開度ＯｓとＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５とを比較して、ＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５がＩＧＶ開度Ｏｓ超過か否かにより判断する。ＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５がＩＧＶ開度Ｏｓ超過でない場合には（ステップＳ４）へ進み、それ以外の場合は（ステップＳ７）へ進む。

コントローラ５００は、高圧タービン３の回転数低減の制御を開始する（ステップＳ４）。具体的には、効率改善制御部２５において、高圧タービン３の回転数を低減するために、燃料制御部２７へ燃料供給量を低下させる上位指令信号を出力する。このことにより、燃料制御部２７から出力される燃料制御弁開度指令６０２が減少を開始する。ここまでのフローは、図３及び図４で説明した作動点Ｂから高圧タービン３の回転数を低下させる部分に該当する。

コントローラ５００は、高圧タービン３の回転数６０４が運転許容最低回転数Ｎ_ＭＩＮ以上か否かを判断する（ステップＳ５）。具体的には、効率改善制御部２５において、予め設定された運転許容最低回転数Ｎ_ＭＩＮと回転数検出信号６０４とを比較して、回転数検出信号６０４が運転許容最低回転数Ｎ_ＭＩＮ以下か否かにより判断する。回転数検出信号６０４が運転許容最低回転数Ｎ_ＭＩＮ以下でない場合には（ステップＳ３）へ戻り、それ以外の場合は（ステップＳ６）へ進む。

（ステップＳ５）において、回転数検出信号６０４が運転許容最低回転数Ｎ_ＭＩＮ以下の場合には、コントローラ５００は、高圧タービン３の回転数低減の制御を停止する（ステップＳ６）。具体的には、効率改善制御部２５において、高圧タービン３の回転数を低減させるために、燃料制御部２７へ出力していた燃料供給量を低下させる上位指令信号を停止する。このことにより、燃料制御部２７から出力される燃料制御弁開度指令６０２の減少は停止する。運転許容最低回転数Ｎ_ＭＩＮ以下の運転は、ガスタービンにおける軸振動と翼共振との発生が予測されるためである。（ステップＳ６）での処理が終わると、リターンへ進み、再度処理を開始する。

（ステップＳ５）において、回転数検出信号６０４が運転許容最低回転数Ｎ_ＭＩＮ以下でない場合には、コントローラ５００は、再度（ステップＳ３）を実行する。
（ステップＳ３）において、ＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５がＩＧＶ開度Ｏｓ超過の場合には、コントローラ５００は、高圧タービン３の回転数低減の制御を停止する（ステップＳ７）。具体的には、効率改善制御部２５において、高圧タービン３の回転数を低減させるために、燃料制御部２７へ出力していた燃料供給量を低下させる上位指令信号を停止する。このことにより、燃料制御部２７から出力される燃料制御弁開度指令６０２の減少は停止する。ここまでのフローは、図３及び図４で説明した作動点Ｂから作動点Ｃに移動した部分に該当する。

コントローラ５００は、吸気噴霧を開始し、噴霧量の増加の制御を開始する（ステップＳ８）。具体的には、効率改善制御部２５において、ＩＧＶ３０１の開度を増加させるために、噴霧流量御部２８へ噴霧流量を増加させる上位指令信号を出力する。このことにより、噴霧流量制御部２８から出力される噴霧流量制御弁開度指令６０３が増加を開始する。ここまでのフローは、図３及び図４で説明した作動点Ｃから噴霧流量を増加させる部分に該当する。

コントローラ５００は、ＩＧＶ３０１の開度が定格開度Ｏｒ以上か否かを判断する（ステップＳ９）。具体的には、効率改善制御部２５において、予め設定されたＩＧＶ定格開度ＯｒとＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５とを比較して、ＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５がＩＧＶ定格開度Ｏｒ以上か否かにより判断する。ＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５がＩＧＶ定格開度Ｏｒ以上でない場合には（ステップＳ８）へ戻り、それ以外の場合は（ステップＳ１０）へ進む。ここまでのフローは、図３及び図４で説明した作動点ＣからＤへ向けての部分に該当する。ここにおける吸気噴霧は、ＩＧＶ３０１開度が確保されているので、圧縮機１の内部で効果的に液滴の蒸発が促進される。この中間冷却の効果により圧縮機１の駆動力が低減され、さらにＩＧＶの開度が開方向に改善される。

（ステップＳ９）において、ＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５がＩＧＶ定格開度Ｏｒ以上でない場合には、コントローラ５００は、再度（ステップＳ８）を実行していく。
（ステップＳ９）において、ＩＧＶ３０１の開度検出信号６０５がＩＧＶ定格開度Ｏｒ以上の場合には、コントローラ５００は、噴霧量の増加の制御を停止する（ステップＳ１０）。具体的には、効率改善制御部２５において、ＩＧＶ３０１の開度を開方向に改善するために、噴霧流量御部２８へ出力していた噴霧流量を増加させる上位指令信号を停止する。このことにより、噴霧流量制御部２８から出力される噴霧流量制御弁開度指令６０３の増加は停止し、一定の噴霧流量が供給されることになる。ここまでのフローは、図３及び図４で説明した作動点Ｃから作動点Ｄに移動した部分に該当する。（ステップＳ１０）での処理が終わると、リターンへ進み、再度処理を開始する。

上述した本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第１の実施の形態によれば、２軸ガスタービンの圧縮機１の効率の低下した運転状態において、ＩＧＶ３０１（入口案内翼）の開度に応じて吸気噴霧量と高圧タービン３の回転数とを制御するので、圧縮機１の駆動力を低減できると共に、吸気部の液滴のドレイン量を低減することができる。この結果、２軸ガスタービンの効率及び信頼性を高めることができる。

以下、本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図６は本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第２の実施の形態を備えた２軸ガスタービンシステムを示す概略構成図である。図６において、図１乃至図５に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図６に示す本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、圧縮機１の吸気温度を検出する第１温度計９ａと、圧縮機１の吸気圧力を検出する第１圧力計９ｂと、圧縮機１の吐出温度を検出する第２温度計９ｃと、圧縮機１の吐出圧力を検出する第２圧力計９ｄとを設け、これら温度計、圧力計９ａ〜９ｄで検出した各種検出信号６０６をコントローラ５００に取り込む点が異なる。

本実施の形態においては、コントローラ５００が、この各種検出信号６０６から圧縮機効率を直接算出し、この圧縮機効率の信号に基づいて、高圧タービン３の回転数と圧縮機の噴霧量とを制御する。このように、圧縮機効率を算出して、圧縮機効率に基づいて制御するので、第１の実施の形態で説明した高圧タービン回転数と効率およびＩＧＶ開度と効率の関係の算出において、大気温度変化による補正計算が不要になる。このことにより、２軸ガスタービンの運転制御の精度が向上する。

上述した本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に効果を得ることができる。

また、上述した本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第２の実施の形態によれば、圧縮機効率を直接算出し、この圧縮機効率の信号に基づいて、高圧タービン３の回転数と圧縮機１の噴霧量とを制御するので、２軸ガスタービンの運転制御の精度が向上し、信頼性がより向上する。

以下、本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第３の実施の形態を備えた２軸ガスタービンシステムを示す概略構成図である。図７において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図７に示す本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第３の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、圧縮機の中間段において動翼の先端間隙を計測する動翼先端間隙センサ１０を設け、動翼先端間隙センサ１０で検出した動翼の先端間隙検出信号６０７をコントローラ５００に取り込む点が異なる。

ガスタービンの吸気に多量の液滴を噴霧して中間冷却する圧縮機１において、ＩＧＶ開度が閉じられた状態では、ＩＧＶ３０１に衝突した液滴が粗大な液滴となり、前段側から中間段のケーシング内壁面に液膜が形成される。主流空気の温度は流れに伴って大気温度から徐々に昇温されるので、前段側に堆積する液膜はケーシングの熱変形に対してほとんど影響を及ぼさない。しかし、液滴の蒸発完了段より上流側に位置する中間段では高温のケーシング内壁面に液滴が付着することでケーシングの熱変形に大きな影響を及ぼす。

液滴を噴霧する前の定格運転時に中間段の動翼先端部と、その動翼を囲う環状のケーシング内壁面間に一定の間隙を有している状態で、液滴を噴霧したときについて説明する。中間段のケーシングに液滴が堆積して液膜が形成される場合、熱伝導によりケーシング温度が下がり、ケーシングの熱膨張が抑制される。そのためロータや動翼の熱膨張よりケーシングの熱膨張が小さくなり動翼とケーシング内壁面の間隙は縮小して、ケーシングの熱膨張が小さくなり過ぎることで、動翼はケーシング内壁面に接触して動翼先端が損傷する可能性が発生する。

液滴の噴霧を考慮して、動翼の先端間隙を大きく設計した場合、高気温時に液滴を噴霧することでケーシングの熱変形が抑制されて翼先端間隙を最小にできる。しかし、低気温時は液滴噴霧が少流量に調整、もしくは停止されるため、動翼先端間隙の拡大により圧縮機１の効率が低下する。また、圧縮機１の吸気温度や湿度条件によって吸気ダクト内での蒸発量が変化するため、圧縮機１内部の蒸発位置も変化する。つまり、蒸発完了段が大気条件や噴霧量によって変化してしまうため、設計時に動翼の先端間隙量を的確に設定することは困難である。

本実施の形態においては、コントローラ５００が、動翼先端間隙センサ１０が検出した動翼の先端間隙検出信号６０７を取り込み、この動翼の先端間隙量をモニタしながら圧縮機の噴霧量を制御する。具体的には、予め定めた間隙余裕値との差異の信号に基づいて噴霧水の流量を制御し、余裕値小の場合には、噴霧を中止する制御を行う。このため、動翼の先端間隙の縮小による動翼とケーシング内壁面との接触を確実に回避することができる。このことにより、２軸ガスタービンの信頼性がより向上する。

上述した本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に効果を得ることができる。

また、上述した本発明の２軸ガスタービンの制御装置及び制御方法の第３の実施の形態によれば、２軸ガスタービンの軸流圧縮機１の効率低下に対して、液滴噴霧による圧縮機の駆動力を効果的に低減でき、また、吸気部の液滴のドレイン量の低減と、圧縮機動翼先端間隙の縮小による動翼とケーシング内壁面の接触を回避して、ガスタービンの出力増加と信頼性に優れた２軸ガスタービンを提供できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記した実施例をすべて同一のガスタービンシステムに適用することも可能である。

１圧縮機
２燃焼器
３高圧タービン
４低圧タービン
５発電機
６回転計
７開度計
８液滴噴霧装置
９ａ第１温度計
９ｂ第１圧力計
９ｃ第２温度計
９ｄ第２圧力計
１０動翼先端間隙センサ
２０Ｈ第１回転軸
２０Ｌ第２回転軸
２５効率改善制御部
２６ＩＧＶ開度制御部
２７燃料制御部
２８噴霧流量制御部
３１燃料制御弁
３２噴霧流量制御弁
１００空気
１０４高圧空気
１０５燃焼ガス
１０６膨張燃焼ガス
１０７排気ガス
２００燃料
３０１ＩＧＶ（入口案内翼）
３０１ａＩＧＶ駆動装置
５００コントローラ
６０１ＩＧＶ開度指令
６０２燃料制御弁開度指令
６０３噴霧流量制御弁開度指令
６０４回転数検出信号
６０５ＩＧＶ開度検出信号
６０７動翼の先端間隙検出信号

Claims

空気取込み側に入口案内翼を設けた圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記圧縮機と機械的に連結され、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンを駆動した膨張燃焼ガスにより駆動される低圧タービンとを備えた２軸ガスタービンの制御装置であって、
前記圧縮機の吸気に液滴を噴霧する液滴噴霧装置と、
前記高圧タービンの回転数を検出する回転数計と、
前記入口案内翼の開度を検出する開度計と、
前記燃焼器に供給される前記燃料の流量を調整する燃料制御部と、前記液滴噴霧装置に供給される噴霧水の流量を調整する噴霧流量制御部と、前記入口案内翼の開度を調整する入口案内翼開度制御部と、前記回転数計が検出した前記高圧タービンの回転数と前記開度計が検出した前記入口案内翼の開度とを取り込み、前記高圧タービンの回転数と前記入口案内翼の開度とに応じて、前記燃料制御部と前記噴霧流量制御部と前記入口案内翼開度制御部とに前記圧縮機の効率を向上させるための指令信号をそれぞれ出力する効率改善制御部とを有し、前記効率改善制御部からの指令により、前記高圧タービンの回転数を低下させ、前記入口案内翼を開方向に制御し、前記噴霧水の流量を適切に制御するコントローラとを備えた
ことを特徴とする２軸ガスタービンの制御装置。
請求項１に記載の２軸ガスタービンの制御装置において、
前記圧縮機の吸気温度を検出する第１温度計と、前記圧縮機の吸気圧力を検出する第１圧力計と、前記圧縮機の吐出温度を検出する第２温度計と、前記圧縮機の吐出圧力を検出する第２圧力計とを備え、
前記効率改善部は、前記第１温度計と前記第２温度計が検出した前記圧縮機の吸気温度と吐出温度、及び前記第１圧力計と前記第２圧力計が検出した前記圧縮機の吸気圧力と吐出圧力とを取り込み、前記圧縮機の効率を算出し、この圧縮機効率の信号に基づいて、前記燃料制御部と前記噴霧流量制御部と前記入口案内翼開度制御部とに前記指令信号をそれぞれ出力する
ことを特徴とする２軸ガスタービンの制御装置。
請求項１に記載の２軸ガスタービンの制御装置において、
前記圧縮機の中間段における動翼の先端間隙を計測する間隙センサを備え、
前記効率改善部は、前記間隙センサが検出した前記動翼の先端間隙を取り込み、予め設定した間隙余裕値との差異の信号に基づいて、前記燃料制御部と前記噴霧流量制御部と前記入口案内翼開度制御部とに前記指令信号をそれぞれ出力する
ことを特徴とする２軸ガスタービンの制御装置。
空気取込み側に入口案内翼を設けた圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記圧縮機と機械的に連結され、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンを駆動した膨張燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、
前記圧縮機の吸気に液滴を噴霧する液滴噴霧装置と、
前記高圧タービンの回転数を検出する回転数計と、
前記入口案内翼の開度を検出する開度計と、
前記燃焼器に供給される前記燃料の流量を調整する燃料制御部と、前記液滴噴霧装置に供給される噴霧水の流量を調整する噴霧流量制御部と、前記入口案内翼の開度を調整する入口案内翼開度制御部と、前記燃料制御部と前記噴霧流量制御部と前記入口案内翼開度制御部とに前記圧縮機の駆動力と前記高圧タービンの出力とをバランスさせるための指令信号をそれぞれ出力する効率改善制御部とを有するコントローラとを備えた２軸ガスタービンの制御方法であって、
前記コントローラは、前記回転数計が検出した前記高圧タービンの回転数と前記開度計が検出した前記入口案内翼の開度とに応じて、前記高圧タービンの回転数を低下させる手順と、
前記高圧タービンの回転数の低下に伴う前記入口案内翼の開度を監視して、前記入口案内翼の開度が規定値を超えたときに前記高圧タービンの回転数の低下を停止する手順と、
前記液滴噴霧装置における吸気噴霧を開始し、前記噴霧水の流量の増加の制御を開始する手順と、
前記噴霧水の流量の増加に伴う前記入口案内翼の開度を監視して、前記入口案内翼の開度が規定値以上のときに前記噴霧水の流量の増加の制御を停止する手順とを備えた
ことを特徴とする２軸ガスタービンの制御方法。