JP2017106324A - 燃焼制御システム、ガスタービン、燃焼制御方法及びプログラム - Google Patents
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Description
以下、本発明の一実施形態によるガスタービン燃焼制御装置を図1〜図5を参照して説明する。
図1は、本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。
図示するように本実施形態のガスタービンプラント1は、ガスタービン2と、ガスタービン2によって駆動され発電する発電機3とを含む。ガスタービン2と発電機3はロータ16で連結されている。
ガスタービン2は、空気入口系統10から流入する空気量を調整するIGV(入口案内翼)11と、流入した空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機12と、圧縮機12によって圧縮された空気が流入する車室13と、複数の燃料ノズル21C〜25Cが噴射した燃料ガスおよび車室13から入流した圧縮空気を混合して燃料ガスを燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器14と、燃焼ガスによりロータ16を回転し発電機3を駆動するタービン15と、圧縮機12を冷却する冷却空気を抽気する冷却配管17と、車室13から圧縮空気を抽気する抽気配管18と、燃料タンク26および複数の燃料系統(21〜25)と、圧力系統27が供給する燃料供給圧を制御する調整弁28及び調整弁29と、ガスタービン燃焼制御装置50とを含んで構成される。抽気配管18には、抽気空気の抽気量を調節するバイパス弁19が設けられている。また、空気入口系統10の付近には、温度センサ30が設けられている。また、廃棄系統20は、タービン15からの排ガスや抽気配管18からの圧縮空気などを廃棄する。
図13(a)、(b)は、負荷遮断時に燃料を投入しすぎた場合に生じる問題点を説明する図である。図13(a)のグラフ121は、負荷遮断後の時間の経過に伴う、ガスタービンの回転数の変化を示したグラフである。グラフ12Tは、オーバースピードトリップ(OSP)の110%となる回転数を示している。図示するように、時刻t1から時刻t2までの間でグラフ121の値は、グラフ12Tの値を超えている。このとき、ガスタービンでは、OSPが発生している。
負荷遮断が生じると、メインA系統、メインB系統から供給する燃料を減らし、拡散パイロット系統21および予混パイロット系統22から供給する燃料を増加させることで、ガスタービン2の出力を抑えつつ燃焼器14の保炎を図る制御が行われる。グラフ122は、負荷遮断直後に予混パイロット燃空比が上昇し(グラフ122右端)、やがて、燃空比クライテリアに達する様子を示している。図13(b)の場合、予混パイロット燃空比は、燃空比クライテリアを上回っているので失火は生じない。
図13(a)、図13(b)の場合、燃料ノズル22Cから投入する燃料の量が多いため、失火は生じないが、回転数がOSP規定値の110%を超えてしまう。従って、この場合の負荷遮断後の運転は失敗と判定される。
図示するようにガスタービン燃焼制御装置50は、負荷遮断信号取得部51と、燃料制御部52と、バイパス弁制御部53と、記憶部54を備えている。
燃料制御部52は、燃料ノズル21C〜25Cから噴射する燃料の供給量を制御する。特に本実施形態において燃料制御部52は、負荷遮断信号取得部51が負荷遮断信号40を取得すると、燃料ノズル21C〜25Cから噴射する燃料の供給量を、ガスタービンの回転数がOST規定値の110%を超えないような所定の供給量以下に制御する。
なお、ガスタービン燃焼制御装置50は、これらの他にもさまざまな機能を備えているが、本実施形態に関係のない機能についての説明は省略する。
圧縮機12で圧縮された圧縮空気は、車室13を経由して燃焼器14に流入する。燃焼器14では、燃料ガスが流入した圧縮空気と混合し燃焼する。この際、流入する空気流量は圧縮機12の回転数とIGV11の開度で決まるが、圧縮機12はタービン15と同軸となっており、ガスタービン2の出力は負荷遮断後の出力制御によって管理されるため、圧縮機12の回転数(タービン15の回転数)を変更して空気流量を操作することはできない。一方、IGV11は負荷遮断時に全閉に近い状態に制御されるが、既にIGV11を通過して流入した空気は、燃焼器14に投入されてしまう。そこで、車室13から抽気した空気を大気に排出する系統(抽気配管18)を追加する。また、抽気配管18にはバイパス弁19を設け、負荷遮断時の必要なときのみバイパス弁19を開状態とし、車室13の圧縮空気を廃棄系統20へ抽気する。これにより、自由に変更することができない圧縮機12の回転数およびIGVの開度によらず、燃焼器14に流入する圧縮空気の量を制御することができる。
図4のフローチャートを用いて本実施形態における負荷遮断時の燃料供給制御およびバイパス弁19の開閉制御について説明する。
前提としてバイパス弁19は閉状態であるとする。また、ガスタービン2の運転中に負荷遮断が生じたものとする。すると、負荷遮断信号取得部51が負荷遮断信号(LRT)40を取得する(ステップS11)。負荷遮断信号取得部51は、燃料制御部52およびバイパス弁制御部53に負荷遮断の発生を通知し、負荷遮断時の燃焼制御を行うよう指示を行う。すると燃料制御部52は、回転数がOST規定値の110%以下となる燃料流量を決定する(ステップS12)。例えば、記憶部54には、ガスタービン2の回転数がOST規定値110%を超えないような燃料供給量の閾値が記録されている。この閾値は、実機での検証やシミュレーションで算出された値である。そして、燃料制御部52は、その閾値に基づいて、各燃料系統21〜25に配分する燃料の割合を算出する。燃料制御部52は、予混パイロット系統22に配分する燃料供給量の最大値を算出する。同様に、燃料制御部52は、拡散パイロット系統21、メインA系統23、メインB系統24、トップハット系統25への燃料供給量を算出する。燃料制御部52は、各燃料ノズル21C〜25Cから算出した燃料が噴出されるように、各燃料ノズルに対応する調整弁21B〜25Bそれぞれの弁開度を算出する。燃料制御部52は、算出した弁開度に応じた弁開度指令値を各調整弁21B〜25Bに出力する。これにより、各燃料系統21〜25からは、回転数がOST規定値110%以下となるような量の燃料ガスが噴射される。
図5(a)、(b)は、本実施形態によるバイパス弁19の開閉制御を行った場合の負荷遮断後に生じる回転数および燃空比の挙動を示す図である。
図5(a)のグラフ121は、負荷遮断後の時間の経過に伴う、ガスタービンの回転数の変化を示したグラフである。図示するようにグラフ121の値は、グラフ12Tの値以下のまま推移しており、OSPが発生していない。
図5(b)のグラフ122は、予混パイロット燃空比とメイン燃空比との関係を示している。図示するようにグラフ122の値は、グラフ12Cの値を上回っている。予混パイロット燃空比が燃空比クライテリアを上回っているため失火は生じない。このように本実施形態によれば、負荷遮断後の運転は成功となる。
以下、本発明の第二実施形態によるガスタービン燃焼制御装置を図6〜図7を参照して説明する。
以下、図1に例示したガスタービンプラントの系統図、図2に例示したガスタービン燃焼制御装置のブロック図を前提に第二実施形態に係るガスタービン燃焼制御装置50aについて説明を行う。第一実施形態と同様の構成には同じ符号を付して説明を行う。ガスタービン燃焼制御装置50aは、第一実施形態と異なる方法でバイパス弁19の制御を行う。第二実施形態においてバイパス弁19の制御は、バイパス弁制御部53aが行う。第一実施形態では、バイパス弁制御部53がバイパス弁19を所定時間だけ全開とすることで車室13から抽気する圧縮空気の抽気量を制御した。この第二実施形態では、バイパス弁制御部53aが、バイパス弁19の弁開度を、負荷遮断信号取得部51が負荷遮断信号40を取得する直前のガスタービン2の出力値に応じて決定する。
負荷遮断を行うと、急に負荷が無くなるので、それまでの回転動力の勢いによってガスタービン2の回転数は上昇傾向になる。負荷遮断時の回転数の上昇には、直前のガスタービン2の出力の大きさが支配的に影響する。例えば、負荷遮断直前の出力が小さい場合は、負荷遮断後の回転数の上昇が小さく、OSTが生じる可能性は少ない。また、ガスタービン2の出力に応じて、各燃料ノズル21C〜25Cから噴射される燃料供給量やIGV11の開度(圧縮機12への空気流入量)も異なるため、燃空比の制御もガスタービン2の出力に応じて行うことが好ましい。そこで、本実施形態では、負荷遮断直前のガスタービン2の出力値を用いてバイパス弁19の開度を決定する。
弁開度X%は、関数532bが算出する。関数532bは、ガスタービンの出力値と弁開度との対応関係を規定する関数である。グラフ532dは、関数532bの一例である。グラフ532dの横軸はガスタービン2の出力値、縦軸はバイパス弁19の弁開度である。グラフ532dが示すように、バイパス弁19の弁開度は、ガスタービン2の出力値が大きい程、大きくなるように規定されている。関数532bは、スイッチ532aからガスタービン2の出力値を取得し、グラフ532dで例示した関数に基づいてバイパス弁19の弁開度を算出する。関数532bは、バイパス弁19を所定の時間だけ開状態とすれば、燃料ノズル22C(予混パイロット系統22)における失火を防ぐ燃空比が維持できる分量の圧縮空気を抽気することができる弁開度X%を、ガスタービン出力値に対応付けて規定した関数である。関数532bは、予め実験、シミュレーション等により用意され、記憶部54に記録されている。なお、所定の時間とは、例えば第一実施形態の時間Tcである。
このように負荷遮断が生じると、スイッチ532a、関数532b、スイッチ532cは連動し、スイッチ532cは、負荷遮断直前のガスタービン出力値に応じた弁開度でバイパス弁19の開度を制御する。なお、スイッチ532a、関数532b、スイッチ532cは、バイパス弁制御部53aの具体的な実装の一例を示している。
図7のフローチャートを用いて本実施形態における負荷遮断時の燃料供給制御およびバイパス弁19の開閉制御について説明する。第一実施形態と同様の処理には同じ符号を付して簡単に説明を行う。
まず、負荷遮断信号取得部51が負荷遮断信号(LRT)40を取得する(ステップS11)。負荷遮断信号取得部51は、燃料制御部52およびバイパス弁制御部53aに負荷遮断の発生を通知し、負荷遮断時の燃焼制御を行うよう指示を行う。すると燃料制御部52は、回転数がOST規定値の110%以下となる燃料流量を決定する(ステップS12)。燃料制御部52は、決定した燃料流量に応じた弁開度指令値を各調整弁21B〜25Bに出力する。
以下、本発明の第三実施形態によるガスタービン燃焼制御装置を図8〜図9を参照して説明する。
以下、第二実施形態と同様に図1のガスタービンプラント、図2のガスタービン燃焼制御装置を前提に第三実施形態に係るガスタービン燃焼制御装置50bについて説明を行う。第一実施形態と同様の構成には同じ符号を付して説明を行う。ガスタービン燃焼制御装置50bは、第一実施形態、第二実施形態と異なる方法でバイパス弁19の制御を行う。第三実施形態おいてバイパス弁19の制御は、バイパス弁制御部53bが行う。バイパス弁制御部53bは、バイパス弁19の弁開度を、負荷遮断信号取得部51が負荷遮断信号40を取得する直前のIGV11の開度に応じて決定する。
IGV11は、圧縮機12への空気流量を調整する翼である。空気流量が多いときはそれだけ多くの圧縮空気を車室13から抽気する必要がある。そこで、本実施形態では、バイパス弁19の開度を、IGV11の開度の関数として決定する。なお、負荷遮断時には、IGV11は全閉に近い状態に制御される。そのため、負荷遮断直前のIGV11の開度をパラメータとして用いる。
弁開度Y%は、関数533aが算出する。関数533aは、IGV11の開度と弁開度との対応関係を規定する関数である。グラフ533cは、関数533aの一例である。グラフ533cの横軸はIGV11の開度、縦軸はバイパス弁19の弁開度である。グラフ533cが示すように、バイパス弁19の弁開度は、IGV11の開度が大きい程、大きくなるように規定されている。これにより、IGV11の開度が大きく、多量の空気が流入した場合、それに応じて多量の圧縮空気を車室13から抽気することができる。関数533aは、IGV11の開度を制御する制御装置(図示せず)などからIGV開度を取得し、グラフ533cで例示した関数に基づいてバイパス弁19の弁開度を算出する。関数533aは、バイパス弁19を所定時間だけ開状態とすれば、燃料ノズル22C(予混パイロット系統22)における失火を防ぐ燃空比が維持できる分量の圧縮空気を抽気することができる弁開度Y%をIGV11の開度に対応付けて規定した関数である。関数533aは、予め実験、シミュレーション等により用意され、記憶部54に記録されている。なお、所定の時間とは、例えば第一実施形態の時間Tcである。
なお、関数533a、スイッチ533bは、バイパス弁制御部53bの具体的な実装の一例を示している。
図9のフローチャートを用いて本実施形態における負荷遮断時の燃料供給制御およびバイパス弁19の開閉制御について説明する。第一実施形態、第二実施形態と同様の処理には同じ符号を付して簡単に説明を行う。
まず、負荷遮断信号取得部51が負荷遮断信号40を取得する(ステップS11)。負荷遮断信号取得部51は、燃料制御部52およびバイパス弁制御部53bに負荷遮断の発生を通知し、負荷遮断時の燃焼制御を行うよう指示を行う。すると燃料制御部52は、回転数がOST規定値の110%以下となる燃料流量を決定する(ステップS12)。燃料制御部52は、決定した燃料流量に応じた弁開度指令値を各調整弁21B〜25Bに出力する。
なお、本実施形態は、第二実施形態と組み合わせ、負荷遮断直前のガスタービン2の出力値とIGV11の開度の両方の影響を考慮してバイパス弁19の弁開度を算出するようにしてもよい。
以下、本発明の第四実施形態によるガスタービン燃焼制御装置を図10〜図12を参照して説明する。第四実施形態は、第一実施形態〜第三実施形態の何れとも組み合わせることが可能であるが、第三実施形態と組み合わせた場合を例に説明を行う。
図10は、本発明に係る第四実施形態におけるガスタービン燃焼制御装置のブロック図である。
本発明の第四実施形態に係る構成のうち、本発明の第三実施形態に係るガスタービン燃焼制御装置50bを構成する機能部と同じものには同じ符号を付し、それぞれの説明を省略する。第四実施形態に係るガスタービン燃焼制御装置50cは、第三実施形態の構成に加えて、大気温度補正部55を備えている。
大気温度補正部55は、バイパス弁制御部53bが決定したバイパス弁19の弁開度を大気温度に応じて補正する。
大気温度によって圧縮機12に流入する空気の質量流量は変化する。例えば大気温度が上昇すると空気の密度が低下し、圧縮機12に流入する空気の質量流量が減少する。空気の質量流量が減少すると同じ体積の空気が流入したとしても、燃焼器14での燃空比は低下する。そこで、本実施形態では、バイパス弁制御部53bが、大気温度によらず所望の質量流量の圧縮空気を抽気できるようバイパス弁19の開度を大気温度で補正する。
図12のフローチャートを用いて本実施形態における負荷遮断時の燃料供給制御およびバイパス弁19の開閉制御について説明する。第三実施形態と同様の処理には同じ符号を付して簡単に説明を行う。
まず、負荷遮断信号取得部51が負荷遮断信号(LRT)40を取得する(ステップS11)。負荷遮断信号取得部51は、燃料制御部52およびバイパス弁制御部53bに負荷遮断の発生を通知し、負荷遮断時の燃焼制御を行うよう指示を行う。すると燃料制御部52は、回転数がOST規定値の110%以下となる燃料流量を決定する(ステップS12)。燃料制御部52は、決定した燃料流量に応じた弁開度指令値を各調整弁21B〜25Bに出力する。
また、本実施形態では、大気温度に応じてバイパス弁19の弁開度を補正したが、さらに大気圧力や大気湿度などに応じて弁開度を補正するように構成してもよい。
なお、燃料ノズル22Cは予混パイロットノズルの一例である。OSP規定値の110%の回転数は、ガスタービンの回転数の所定の閾値の一例である。燃空比クライテリアは、失火が発生しないよう定められた所定の燃空比の一例である。
2・・・ガスタービン
3・・・発電機
10・・・空気入口系統
11・・・IGV
12・・・圧縮機
13・・・車室
14・・・燃焼器
15・・・タービン
16・・・ロータ
17・・・冷却配管
18・・・抽気配管
19・・・バイパス弁
20・・・廃棄系統
21・・・拡散パイロット系統
22・・・予混パイロット系統
23・・・メインA系統
24・・・メインB系統
25・・・トップハット系統
21A、22A、23A、24A、25A・・・調整弁
21B、22B、23B、24B、25B・・・マニホールド
21C、22C、23C、24C、25C・・・燃料ノズル
26・・・燃料タンク
27・・・圧力系統
28、29・・・調整弁
30・・・温度センサ
50、50a、50b、50c・・・ガスタービン燃焼制御装置
Claims (10)
- 入口案内翼を備えた圧縮機と、燃料ノズルを備えた燃焼器と、前記圧縮機によって圧縮された空気が流入する車室と、前記車室から圧縮空気を抽気する抽気配管と、を備えたガスタービンの燃焼制御システムであって、
前記ガスタービンの運転中に負荷を切り離す負荷遮断信号を取得する負荷遮断信号取得部と、
前記燃料ノズルから噴射する燃料の供給量を制御する燃料制御部と、
前記圧縮空気の抽気量を調節するバイパス弁を制御するバイパス弁制御部と、
を備え、
前記負荷遮断信号取得部が負荷遮断信号を取得すると、前記燃料制御部は、前記燃料の供給量を、ガスタービンの回転数が所定の閾値を超えないように定められた供給量以下に制御し、前記バイパス弁制御部は、前記バイパス弁を閉状態から開状態に制御する、
ガスタービンの燃焼制御システム。 - 前記負荷遮断信号取得部が負荷遮断信号を取得すると、
前記バイパス弁制御部は、前記燃焼器での燃空比が、失火が発生しないよう定められた所定の燃空比以上となるように前記抽気量を調整する、
請求項1に記載のガスタービンの燃焼制御システム。 - 前記負荷遮断信号取得部が負荷遮断信号を取得すると、
前記バイパス弁制御部は、燃料と空気とを予め混合した予混燃料ガスを噴射する予混パイロットノズルの火炎が失火しない燃空比以上となるよう前記バイパス弁の制御を行う、
請求項1または請求項2に記載のガスタービンの燃焼制御システム。 - 前記バイパス弁制御部は、前記バイパス弁を所定の時間だけ全開状態とする、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載のガスタービンの燃焼制御システム。 - 前記バイパス弁制御部は、前記バイパス弁の弁開度を、前記負荷遮断信号を取得する直前の前記ガスタービンの出力値に応じて決定する、
請求項1から請求項4の何れか1項に記載のガスタービンの燃焼制御システム。 - 前記バイパス弁制御部は、前記バイパス弁の弁開度を、前記負荷遮断信号を取得する直前の前記入口案内翼の開度に応じて決定する、
請求項1から請求項5の何れか1項に記載のガスタービンの燃焼制御システム。 - 前記バイパス弁制御部が決定した前記バイパス弁の弁開度を、大気温度に応じて補正する大気温度補正部、
をさらに備える請求項1から請求項6の何れか1項に記載のガスタービンの燃焼制御システム。 - 請求項1から請求項7の何れか1項に記載の燃焼制御システム、を備えるガスタービン。
- 入口案内翼を備えた圧縮機と、燃料ノズルを備えた燃焼器と、前記圧縮機によって圧縮された空気が流入する車室と、前記車室から圧縮空気を抽気する抽気配管と、を備えたガスタービンの燃焼制御方法であって、
前記ガスタービンの運転中に負荷を切り離す負荷遮断信号を取得するステップと、
前記燃料ノズルから噴射する燃料の供給量を制御するステップと、
前記圧縮空気の抽気量を調節するバイパス弁を制御するステップと、
を備え、
前記負荷遮断信号を取得するステップにおいて負荷遮断信号を取得すると、前記燃料の供給量を制御するステップでは、前記燃料の供給量を、ガスタービンの回転数が所定の閾値を超えないように定められた供給量以下に制御し、前記バイパス弁を制御するステップでは、前記バイパス弁を閉状態から開状態に制御する、
ガスタービンの燃焼制御方法。 - 入口案内翼を備えた圧縮機と、燃料ノズルを備えた燃焼器と、前記圧縮機によって圧縮された空気が流入する車室と、前記車室から圧縮空気を抽気する抽気配管と、を備えたガスタービンの燃焼制御システムのコンピュータを、
前記ガスタービンの運転中に負荷を切り離す負荷遮断信号を取得する手段、
前記燃料ノズルから噴射する燃料の供給量を制御する手段、
前記圧縮空気の抽気量を調節するバイパス弁を制御する手段、
として機能させるためのプログラムであって、
前記負荷遮断信号を取得する手段が負荷遮断信号を取得すると、前記燃料の供給量を制御する手段は、前記燃料の供給量を、ガスタービンの回転数が所定の閾値を超えないように定められた供給量以下に制御し、前記バイパス弁を制御する手段は、前記バイパス弁を閉状態から開状態に制御する、
プログラム。
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