JP2019214981A - Performance diagnostic method of gas turbine, and diagnostic device of gas turbine - Google Patents

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梅沢 修一
Shuichi Umezawa
修一 梅沢
杉田 勝彦
Katsuhiko Sugita
勝彦 杉田
学 波多野
Manabu Hatano
学 波多野
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Abstract

To provide a performance diagnostic method of a gas turbine and a diagnostic device of the gas turbine, capable of diagnosing the performance degradation of the gas turbine during operation.SOLUTION: A performance diagnostic method of a gas turbine includes a first process ST12 for executing a performance test of total load of a reference gas turbine, a second process ST13 for acquiring a turbine expansion ratio and a mass flow rate of the reference gas turbine from a measured value and numerical value hydrodynamics analysis based on the measured value, a third process ST14 for executing a performance test of a diagnostic object gas turbine and acquiring a turbine expansion ratio and a mass flow rate, and a fourth process ST15 for diagnosing the performance of the diagnostic object gas turbine by comparing the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine with the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the diagnostic object gas turbine.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、ガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの診断装置に関し、例えば、稼働中のガスタービンの性能の劣化を判定できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの診断装置に関する。   The present invention relates to a gas turbine performance diagnosis method and a gas turbine diagnosis apparatus, and for example, relates to a gas turbine performance diagnosis method and a gas turbine diagnosis apparatus that can determine deterioration of the performance of a gas turbine during operation.

従来、発電設備の損傷を診断する損傷診断装置(例えば、特許文献1参照)及びガスタービンにおける高温部品の寿命診断方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。特許文献1に記載の損傷診断装置では、発電設備に設けたセンサによって得られたデータを損傷の数値解析モデルの境界条件に変換し、変換した境界条件を用いて数値解析モデルによる機器の損傷解析を実施する。
また、特許文献2に記載の寿命診断方法では、想定される運転条件毎に各高温部品に伝達される局所ガス温度を算出し、算出した局所ガス温度と各運転条件との相関図を作成する。そして、所望の高温部品について、作成した相関図及び実際の運転に伴って蓄積されている運転条件に基づき、相関図より実際の運転時の運転条件毎に対応する局所ガス温度を抽出し、抽出した局所ガス温度毎の運転時間を運転情報より取得する。そして、取得した各運転時間を重み係数で重み付けて各運転時間を累積し、累積した運転時間を高温部品に定められた基準値と比較して残り寿命を判断する。
Conventionally, a damage diagnosis device for diagnosing damage to a power generation facility (for example, see Patent Literature 1) and a method for diagnosing the life of high-temperature components in a gas turbine have been proposed (for example, see Patent Literature 2). In the damage diagnosis apparatus described in Patent Literature 1, data obtained by a sensor provided in a power generation facility is converted into boundary conditions of a numerical analysis model of damage, and damage analysis of equipment is performed by a numerical analysis model using the converted boundary conditions. Is carried out.
Further, in the life diagnosis method described in Patent Document 2, the local gas temperature transmitted to each high-temperature component is calculated for each assumed operating condition, and a correlation diagram between the calculated local gas temperature and each operating condition is created. . Then, for the desired high-temperature component, based on the created correlation diagram and the operating conditions accumulated along with the actual operation, the local gas temperature corresponding to each operating condition during the actual operation is extracted from the correlation diagram and extracted. The obtained operation time for each local gas temperature is obtained from the operation information. Then, each of the acquired operation times is weighted by a weighting factor to accumulate the respective operation times, and the accumulated operation time is compared with a reference value defined for the high-temperature component to determine the remaining life.

特許第3788901号公報Japanese Patent No. 3788901 特許第4354358号公報Japanese Patent No. 4354358

ところで、発電設備などのガスタービンにおいては、タービン本体の稼働中にタービン性能を診断するために、タービン入口部の燃焼ガス及びタービン出口部から排出される燃焼排ガスの温度及び圧力を計測してタービン内部効率を診断することが検討されている。しかしながら、タービン本体のタービン入口部では、燃焼器から供給される燃焼ガスの温度が1000℃を超えるので、従来技術ではタービン入口部の燃焼ガスの温度及び圧力を測定できず、タービン内部効率を測定してガスタービンの性能を診断することが困難であった。   By the way, in a gas turbine such as a power generation facility, in order to diagnose turbine performance during operation of the turbine main body, the temperature and pressure of combustion gas at a turbine inlet and combustion exhaust gas discharged from a turbine outlet are measured. Diagnosing internal efficiency is being considered. However, since the temperature of the combustion gas supplied from the combustor exceeds 1000 ° C. at the turbine inlet of the turbine body, the temperature and pressure of the combustion gas at the turbine inlet cannot be measured by the conventional technique, and the internal efficiency of the turbine is measured. It was difficult to diagnose the performance of the gas turbine.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、稼働中のガスタービンの性能劣化を診断できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの性能診断装置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 an object of the present invention is to provide a gas turbine performance diagnosis method and a gas turbine performance diagnosis device capable of diagnosing performance deterioration of an operating gas turbine.

本発明に係るガスタービンの性能診断方法は、空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器及び前記燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体とを備えたガスタービンの性能を診断するガスタービンの性能診断方法であって、前記基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施して、前記圧縮空気の温度、前記圧縮空気の圧力、前記ガスタービンの出口温度、前記ガスタービンの出口圧力、及び前記空気と前記燃料との総和である質量流量の計測値を取得する第1工程と、前記計測値及び前記計測値に基づいた数値流体力学解析によって、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する第2工程と、前記診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する第3工程と、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、前記診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断する第4工程とを含むことを特徴とする。   A method for diagnosing performance of a gas turbine according to the present invention includes a compressor that compresses air to obtain compressed air, a combustor that mixes the compressed air and fuel to burn and obtain combustion gas, and a turbine blade using the combustion gas. A method for diagnosing the performance of a gas turbine comprising: a turbine body that rotates and rotates a turbine body for discharging combustion exhaust gas, wherein a performance test of a full load of the reference gas turbine is performed to execute the compressed air. Temperature, the pressure of the compressed air, the outlet temperature of the gas turbine, the outlet pressure of the gas turbine, and a first step of obtaining a measured value of a mass flow rate that is a sum of the air and the fuel, and the measured value And a second step of obtaining a turbine expansion ratio and a mass flow rate of the reference gas turbine by a numerical fluid dynamics analysis based on the measurement values, and the diagnosis target gas turbine Performing a performance test to obtain a turbine expansion ratio and a mass flow rate, and comparing the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine with the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed. And diagnosing the performance of the gas turbine to be diagnosed.

上記ガスタービンの性能診断方法によれば、数値流体解析により圧縮機からタービン本体に供給される燃焼ガスの温度及び圧力を取得せずに、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得することが可能となる。これにより、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、基準ガスタービンを所定時間運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比することが可能となる。この結果、従来困難であった稼働中の診断対象ガスタービンのタービン性能の診断が可能となり、適切なメンテナンスによる効率向上、定期検査などの延長による労働力の削減による燃料費の削減が期待できる。   According to the method for diagnosing performance of a gas turbine, it is possible to obtain the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine without obtaining the temperature and pressure of the combustion gas supplied from the compressor to the turbine body by the numerical fluid analysis. Becomes possible. This makes it possible to compare the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine with the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed after the reference gas turbine has been operated for a predetermined time. As a result, it is possible to diagnose the turbine performance of the gas turbine to be diagnosed during operation, which has been difficult in the past, and it can be expected to improve the efficiency by appropriate maintenance, and to reduce the fuel cost by reducing the labor force by extending the periodical inspection and the like.

本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記基準ガスタービンのタービン静翼及びタービン動翼の形状を取得すると共に前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のクリアランスを取得する工程をさらに含むことが好ましい。   In the method for diagnosing performance of a gas turbine according to the present invention, a step of acquiring a shape of a turbine stationary blade and a turbine moving blade of the reference gas turbine and acquiring a clearance between the turbine stationary blade and the turbine moving blade is performed. Preferably, it further includes.

本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記クリアランスとして、前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のティップクリアランス及びノズルクリアランスを取得することが好ましい。   In the method for diagnosing performance of a gas turbine according to the present invention, it is preferable that a tip clearance and a nozzle clearance between the turbine stationary blade and the turbine blade are acquired as the clearance.

本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記第5工程において、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線と前記診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断することが好ましい。この方法により、基準線に対する診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のずれを把握することができるので、診断対象ガスタービンの性能低下の度合いを容易に把握することが可能となる。   In the method for diagnosing performance of a gas turbine according to the present invention, in the fifth step, a turbine expansion ratio and a mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed are compared with a turbine expansion ratio and a mass flow rate of the reference gas turbine. Preferably, the performance of the gas turbine to be diagnosed is diagnosed. According to this method, the deviation of the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed with respect to the reference line can be grasped, so that the degree of performance degradation of the gas turbine to be diagnosed can be easily grasped.

本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記第3工程において、数値流体力学解析による前記圧縮空気の圧力と前記ガスタービンの出口温度との関係を取得して、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を調整して決定することが好ましい。この方法により、測定対象となるガスタービンの基準状態を考慮して、流体力学解析によるタービン膨張比及び質量流量の解析結果を調整して決定することができるので、診断対象ガスタービンの性能をより精度よく診断することが可能となる。   In the method for diagnosing performance of a gas turbine according to the present invention, in the third step, a relationship between a pressure of the compressed air and an outlet temperature of the gas turbine by a numerical fluid dynamics analysis is acquired, and a turbine of the reference gas turbine is obtained. It is preferable to determine by adjusting the expansion ratio and the mass flow rate. According to this method, the analysis result of the turbine expansion ratio and the mass flow rate by the fluid dynamic analysis can be adjusted and determined in consideration of the reference state of the gas turbine to be measured. Diagnosis can be made with high accuracy.

本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記第1工程において、前記クリアランスとして、前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のティップクリアランス及びノズルクリアランスを取得することが好ましい。この方法により、タービン本体における燃焼ガスの漏れの量を把握することができるので、数値流体解析の結果の精度がより向上する。   In the method for diagnosing performance of a gas turbine according to the present invention, it is preferable that in the first step, a tip clearance and a nozzle clearance between the turbine stationary blade and the turbine blade are acquired as the clearance. With this method, the amount of leakage of the combustion gas in the turbine body can be grasped, so that the accuracy of the result of the computational fluid analysis is further improved.

本発明に係るガスタービンの診断装置は、空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器及び前記燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体を備えたガスタービンと、数値流体解析により予め取得した基準となる前記ガスタービンのタービン膨張比及び質量比と、所定機関運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量比との関係に基づいて前記ガスタービンの性能を診断する診断部と、を具備することを特徴とする。   A gas turbine diagnostic device according to the present invention includes a compressor that compresses air to obtain compressed air, a combustor that mixes the compressed air and fuel and burns to obtain combustion gas, and a turbine blade using the combustion gas. A gas turbine including a turbine body that rotates and discharges combustion exhaust gas, a turbine expansion ratio and a mass ratio of the gas turbine that are obtained in advance by numerical fluid analysis, and a turbine of a gas turbine to be diagnosed after a predetermined engine operation. A diagnosis unit that diagnoses the performance of the gas turbine based on a relationship between an expansion ratio and a mass ratio.

上記ガスタービンの診断装置によれば、数値流体解析により圧縮機からタービン本体に供給される燃焼ガスの温度及び圧力を取得せずに、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得することが可能となる。これにより、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、基準ガスタービンを所定時間運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比することが可能となる。これにより、従来困難であった稼働中の診断対象ガスタービンのタービン性能の診断が可能となり、適切なメンテナンスによる効率向上、定期検査などの延長による労働力の削減による燃料費の削減が期待できる。   According to the gas turbine diagnostic apparatus, it is possible to acquire the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine without acquiring the temperature and the pressure of the combustion gas supplied from the compressor to the turbine body by the numerical fluid analysis. It becomes possible. This makes it possible to compare the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine with the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed after the reference gas turbine has been operated for a predetermined time. As a result, it is possible to diagnose the turbine performance of the gas turbine to be diagnosed during operation, which has been difficult in the past, and it is expected that the efficiency will be improved by appropriate maintenance, and the fuel cost will be reduced by reducing the labor force by extending the periodical inspection and the like.

本発明によれば、稼働中のガスタービンの性能劣化を診断できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの性能診断装置を実現できる。   According to the present invention, it is possible to realize a gas turbine performance diagnosis method and a gas turbine performance diagnosis device capable of diagnosing performance deterioration of an operating gas turbine.

図1は、本発明の実施の形態に係るガスタービン発電装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a gas turbine power generator according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの部分断面模式図である。FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of the gas turbine according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法の概略を示すフロー図である。FIG. 3 is a flowchart schematically illustrating a method for diagnosing performance of a gas turbine according to the embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの圧縮空気の圧力と燃焼排ガスとの関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between the pressure of the compressed air and the combustion exhaust gas of the gas turbine according to the embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法の第3工程の概略を示すフロー図である。FIG. 5 is a flowchart schematically showing a third step of the method for diagnosing performance of a gas turbine according to the embodiment of the present invention. 図6は、本発明の実施の形態に係る実施の形態に係る基準ガスタービン及び診断対象ガスタービンのタービン膨張比と質量流量との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine and the gas turbine to be diagnosed according to the embodiment of the present invention.

以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, but can be implemented with appropriate modifications.

まず、本実施の形態に係るガスタービンの診断方法が用いられるガスタービン発電装置の概略について簡単に説明する。図1は、本実施の形態に係るガスタービン発電装置1の模式図である。図1に示すように、本実施の形態に係るガスタービン発電装置1は、燃料と空気とを混合気を燃焼させてタービンを回転させるガスタービン11と、ガスタービン11から排出される燃焼排ガスから熱を回収する排熱回収ボイラ12と、ガスタービン11に接続された発電機13とを備える。排熱回収ボイラ12で排熱が回収された燃焼排ガスは、排出ガスとして煙突14から排出ガスとして外部に排出される。なお、ガスタービン発電装置1は、排熱回収ボイラ12によって回収した熱を用いて発生させた蒸気を用いて発電する複合発電システム(コンバインドサイクル)であってもよい。   First, an outline of a gas turbine power generation device using the gas turbine diagnostic method according to the present embodiment will be briefly described. FIG. 1 is a schematic diagram of a gas turbine power generation device 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a gas turbine power generator 1 according to the present embodiment includes a gas turbine 11 that rotates a turbine by burning a mixture of fuel and air, and a combustion exhaust gas discharged from the gas turbine 11. An exhaust heat recovery boiler 12 for recovering heat and a power generator 13 connected to the gas turbine 11 are provided. The combustion exhaust gas whose exhaust heat has been recovered by the exhaust heat recovery boiler 12 is discharged as an exhaust gas from the chimney 14 to the outside as an exhaust gas. In addition, the gas turbine power generation device 1 may be a combined power generation system (combined cycle) that generates power using steam generated using heat recovered by the exhaust heat recovery boiler 12.

ガスタービン11は、ガスタービン11に供給された空気を圧縮して圧縮空気とする圧縮機111と、圧縮機111から供給される圧縮空気とガスタービン11に供給される燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスとする燃焼器112と、燃焼器112から燃焼ガスが供給されると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体113とを備える。圧縮機111とタービン本体113とはタービン軸114によって接続され、タービン軸114には、発電機13が接続されている。   The gas turbine 11 compresses air supplied to the gas turbine 11 to produce compressed air, and mixes compressed air supplied from the compressor 111 with fuel supplied to the gas turbine 11 for combustion. A combustor 112 that is made to be a combustion gas is provided, and a turbine body 113 that is supplied with the combustion gas from the combustor 112 and discharges a combustion exhaust gas. The compressor 111 and the turbine main body 113 are connected by a turbine shaft 114, and the generator 13 is connected to the turbine shaft 114.

圧縮機111には、圧縮機111に空気を供給する空気供給ライン21が接続されている。また、タービン本体113と煙突14との間には、タービン本体113の燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出ライン22が接続されている。燃焼排ガス排出ライン22におけるタービン本体113と煙突14との間には排熱回収ボイラ12が設けられている。圧縮機111と燃焼器112との間には、圧縮機111から燃焼機112に圧縮空気を供給する圧縮供給空気ライン23が設けられている。燃焼器112とタービン本体113との間には、燃焼器112からタービン本体113に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給ライン24が設けられている。また、燃焼器112には、燃焼器112に燃料を供給する燃料供給ライン25が接続されている。燃料としては、重質油燃料から蒸留により分離された軽質油などが用いられる。   The air supply line 21 that supplies air to the compressor 111 is connected to the compressor 111. Further, a flue gas discharge line 22 for discharging the flue gas of the turbine body 113 is connected between the turbine body 113 and the chimney 14. An exhaust heat recovery boiler 12 is provided between the turbine body 113 and the chimney 14 in the flue gas exhaust line 22. Between the compressor 111 and the combustor 112, a compressed supply air line 23 for supplying compressed air from the compressor 111 to the combustor 112 is provided. A combustion gas supply line 24 that supplies combustion gas from the combustor 112 to the turbine body 113 is provided between the combustor 112 and the turbine body 113. Further, a fuel supply line 25 for supplying fuel to the combustor 112 is connected to the combustor 112. As the fuel, light oil or the like separated from heavy oil fuel by distillation is used.

また、ガスタービン11は、圧縮空気供給ライン23を流れる圧縮空気の温度及び圧力を測定する測定部31と、燃焼排ガス排出ライン22を流れる燃焼排ガスの温度及び圧力であるガスタービン11の出口温度及び出口圧力を測定する測定部32と、を備える。測定部31は、測定した圧縮空気の温度及び圧力を診断部33に送信する。測定部32は、測定したガスタービン11の出口温度及び出口圧力を診断部33に送信する。診断部33は、測定部31,32から送信された圧縮空気の温度及び圧力、ガスタービンの出口温度及び出口圧力、ガスタービン11に供給される空気及び燃料の総和に基づく質量流量などに基づいてタービン膨張比及び質量流量を算出してガスタービン11の性能を診断する。   The gas turbine 11 has a measuring unit 31 that measures the temperature and pressure of the compressed air flowing through the compressed air supply line 23, and the temperature and pressure of the combustion exhaust gas flowing through the flue gas exhaust line 22 and the outlet temperature and pressure of the gas turbine 11. A measuring unit 32 for measuring the outlet pressure. The measurement unit 31 transmits the measured temperature and pressure of the compressed air to the diagnosis unit 33. The measuring unit 32 transmits the measured outlet temperature and outlet pressure of the gas turbine 11 to the diagnostic unit 33. The diagnostic unit 33 is based on the temperature and pressure of the compressed air transmitted from the measuring units 31 and 32, the outlet temperature and outlet pressure of the gas turbine, the mass flow rate based on the sum of the air and fuel supplied to the gas turbine 11, and the like. The performance of the gas turbine 11 is diagnosed by calculating the turbine expansion ratio and the mass flow rate.

図2は、本実施の形態に係るガスタービン11の部分断面模式図である。図2に示すように、ガスタービン11は、タービン軸114によって互いに連結された圧縮機111とタービン本体113とを備える。圧縮機111は、例えば、軸流圧縮機として構成されており、吸込口から空気を吸い込んで昇圧させる。圧縮機111の吐出口には、燃焼器112が接続されている。圧縮機111は、吐出口から圧縮空気を燃焼機112に供給する。燃焼機112は、圧縮機111から供給された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる。また、燃焼器112は、圧縮機111から吐出された圧縮空気は、燃焼器112に供給される。燃焼器112は、圧縮空気と燃料とを混合して1000℃以上に昇温する。また、燃焼器112は、1000℃以上の高温の燃焼ガスをタービン本体113に供給する。このガスタービン11では、圧縮機111からタービン本体113に向けて圧縮空気を供給する冷却空気供給ライン(付図示)が設けられている。タービン軸114は、軸線方向に回転自在に設けられている。   FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of the gas turbine 11 according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the gas turbine 11 includes a compressor 111 and a turbine main body 113 connected to each other by a turbine shaft 114. The compressor 111 is configured as, for example, an axial compressor, and sucks air from a suction port to increase the pressure. A combustor 112 is connected to a discharge port of the compressor 111. The compressor 111 supplies compressed air to the combustor 112 from a discharge port. The combustor 112 mixes and burns the fuel and the compressed air supplied from the compressor 111. In the combustor 112, the compressed air discharged from the compressor 111 is supplied to the combustor 112. The combustor 112 mixes the compressed air and the fuel and raises the temperature to 1000 ° C. or higher. Further, the combustor 112 supplies a high temperature combustion gas of 1000 ° C. or higher to the turbine body 113. The gas turbine 11 is provided with a cooling air supply line (not shown) for supplying compressed air from the compressor 111 to the turbine body 113. The turbine shaft 114 is provided rotatably in the axial direction.

タービン本体113は、ケーシング113Aの内壁に固定された複数(本実施の形態では、3つ)のタービン静翼115−1,115−2,115−3を備える。また、タービン本体113のタービン軸114には、各タービン静翼115−1,115−2,115−3に対応してタービン動翼116−1,116−2,116−3が取り付けられている。タービン静翼115−1,115−2,115−3と、タービン動翼116−1,116−2,116−3とは、タービン軸114の軸線方向において交互に設けられている。タービン軸114の一端には、圧縮機111の回転軸に接続され、他端には、発電機13の回転軸が接続されている。なお、図2においては、3段の翼列を有する一列式のタービン本体113を例に説明しているが、タービン本体113は、これに限定されるものではない。タービン本体113の翼列は、3段に限定されるものではなく、例えば、4段以上の複数であってもよい。また、タービン本体113は、高圧タービン又は低圧タービンを備えた二軸式タービンであってもよい。   The turbine main body 113 includes a plurality (three in this embodiment) of turbine vanes 115-1, 115-2, and 115-3 fixed to the inner wall of the casing 113A. Turbine blades 116-1, 116-2, and 116-3 are attached to the turbine shaft 114 of the turbine main body 113 in correspondence with the respective turbine stationary blades 115-1, 115-2, and 115-3. . The turbine vanes 115-1, 115-2, 115-3 and the turbine blades 116-1, 116-2, 116-3 are provided alternately in the axial direction of the turbine shaft 114. One end of the turbine shaft 114 is connected to the rotating shaft of the compressor 111, and the other end is connected to the rotating shaft of the generator 13. Although FIG. 2 illustrates an example of a single-row turbine body 113 having three stages of cascades, the turbine body 113 is not limited to this. The cascade of the turbine main body 113 is not limited to three stages, but may be, for example, four or more stages. Further, the turbine body 113 may be a two-shaft turbine provided with a high-pressure turbine or a low-pressure turbine.

タービン動翼116−1とケーシング113Aとの間には、所定の間隔としてのティップクリアランスd11が設けられている。タービン動翼116−2とケーシング113Aとの間には、所定の間隔としてのティップクリアランスd12が設けられている。タービン動翼116−3とケーシング113Aとの間には、所定の間隔としてのティップクリアランスd13が設けられている。タービン静翼115−1とタービン軸114との間には、所定の間隔としてのノズルクリアランスd21が設けられている。タービン静翼115−2とタービン軸114との間には、所定の間隔としてのノズルクリアランスd22が設けられている。タービン静翼115−3とタービン軸114との間には、所定の間隔としてのノズルクリアランスd23が設けられている。 Between the turbine blades 116-1 and the casing 113A is the tip clearance d 11 as a predetermined interval is provided. Between the turbine blades 116-2 and the casing 113A is the tip clearance d 12 is provided as a predetermined interval. Between the turbine blades 116-3 and the casing 113A is the tip clearance d 13 as a predetermined interval is provided. Between the turbine stator blades 115-1 and the turbine shaft 114, the nozzle clearance d 21 as a predetermined interval is provided. Between the turbine stator blades 115-2 and the turbine shaft 114, the nozzle clearance d 22 as a predetermined interval is provided. Between the turbine stator blades 115-3 and the turbine shaft 114, the nozzle clearance d 23 as a predetermined interval is provided.

ガスタービン11においては、圧縮機111から圧縮空気ライン23を介して供給された圧縮空気が、燃焼器112で燃料と共に燃焼されて高温高圧の燃焼ガスとして燃焼ガスライン24を介してタービン本体113のケーシング113A内に供給される。これにより、ケーシング113A内で燃焼ガスが膨張することにより、タービン軸114が回転して発電機13が駆動される。すなわち、ケーシング113A内に供給された燃焼ガスは、ケーシング113Aに固定されている各タービン静翼115−1,115−2,115−3によって圧力降下させられる。そして、これにより発生した運動エネルギーは、タービン軸114に取り付けられた各タービン動翼116−1,116−2,116−3を介して回転トルクに変換される。そして、各タービン動翼116−1,116−2,116−3で発生した回転トルクは、タービン軸114に伝達されて発電機13が駆動される。また、タービン軸114の回転は、圧縮機111の駆動力にも用いられる。このようなガスタービン11においては、高温高圧の燃焼ガスが供給されるので、タービン静翼115−1,115−2,115−3及びタービン動翼116−1,116−2,116−3が劣化する。このため、ガスタービン11は、新設時又は定期検査時からの稼働時間に伴ってタービンの内部効率が低下して性能が劣化する。   In the gas turbine 11, the compressed air supplied from the compressor 111 via the compressed air line 23 is burned together with the fuel in the combustor 112, and the compressed air is supplied to the turbine body 113 via the combustion gas line 24 as a high-temperature and high-pressure combustion gas. It is supplied into the casing 113A. As a result, the combustion gas expands in the casing 113A, whereby the turbine shaft 114 rotates and the generator 13 is driven. That is, the pressure of the combustion gas supplied into the casing 113A is reduced by the turbine stationary blades 115-1, 115-2, and 115-3 fixed to the casing 113A. Then, the kinetic energy generated thereby is converted into rotational torque via each turbine rotor blade 116-1, 116-2, 116-3 attached to the turbine shaft 114. Then, the rotational torque generated by each of the turbine blades 116-1, 116-2, 116-3 is transmitted to the turbine shaft 114, and the generator 13 is driven. The rotation of the turbine shaft 114 is also used for driving the compressor 111. In such a gas turbine 11, since high-temperature and high-pressure combustion gas is supplied, the turbine stationary blades 115-1, 115-2, 115-3 and the turbine blades 116-1, 116-2, 116-3 are formed. to degrade. For this reason, the internal efficiency of the gas turbine 11 decreases with the operation time from the time of new installation or the periodical inspection, and the performance of the gas turbine 11 deteriorates.

本発明者らは、上述したガスタービン11の性能劣化がタービン静翼115−1,115−2,115−3及びタービン動翼116−1,116−2,116−3の変形及びティップクリアランスd11,d12,d13及びノズルクリアランスd21,d22,d13などのクリアランスの変化であることに着目した。そして、本発明者らは、数値流体力学解析(CFD:computational fluid dynamics)を用いることにより、高温高圧となるタービン本体113の入口部の燃焼ガスの温度及び圧力を測定することなく、基準となるガスタービン11のタービン膨張比及び質量流量を算出して診断対象となるガスタービンの性能を診断できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors consider that the performance deterioration of the gas turbine 11 described above is caused by the deformation and the tip clearance d of the turbine stationary blades 115-1, 115-2, 115-3 and the turbine rotor blades 116-1, 116-2, 116-3. 11, by noting d 12, d 13 and a change in clearance, such as a nozzle clearance d 21, d 22, d 13 . The present inventors use CFD (computational fluid dynamics) to provide a reference without measuring the temperature and pressure of the combustion gas at the inlet of the turbine main body 113, which is at high temperature and high pressure. The present inventors have found that the performance of the gas turbine to be diagnosed can be diagnosed by calculating the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine 11, and have completed the present invention.

以下、本実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法について詳細に説明する。本実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法は、上述した図2に示したような空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機111、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器112及び燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体113とを備えたガスタービン11の性能診断方法である。   Hereinafter, the gas turbine performance diagnosis method according to the present embodiment will be described in detail. The method for diagnosing performance of a gas turbine according to the present embodiment includes a compressor 111 for compressing air to obtain compressed air as shown in FIG. This is a method for diagnosing the performance of a gas turbine 11 comprising: a combustor 112 for obtaining a gas turbine; and a turbine main body 113 for rotating a turbine blade by the combustion gas and discharging a combustion exhaust gas.

図3は、本実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法の概略を示すフロー図である。図3に示すように、本実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法は、基準ガスタービンのタービン静翼及びタービン動翼の形状を取得すると共にタービン静翼とタービン動翼との間のクリアランスを取得する第1工程ST11と、基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施して、圧縮空気の温度、圧縮空気の圧力、ガスタービンの出口温度、ガスタービンの出口圧力、及記空気と燃料との総和である質量流量の計測値を取得する第2工程ST12と、計測値及び計測値に基づいた数値流体力学解析によって、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する第3工程ST13と、診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する第4工程ST14と、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、診断対象ガスタービンの性能を診断する第5工程ST15とを含む。以下、各工程について詳細に説明する。なお、第1工程は、必要に応じて実施すればよい。   FIG. 3 is a flowchart schematically showing a gas turbine performance diagnosis method according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the method for diagnosing performance of a gas turbine according to the present embodiment obtains the shapes of the turbine vanes and turbine blades of the reference gas turbine, and obtains the clearance between the turbine vanes and turbine blades. And the performance test of the full load of the reference gas turbine is performed, and the temperature of the compressed air, the pressure of the compressed air, the outlet temperature of the gas turbine, the outlet pressure of the gas turbine, and the air and fuel And a third step ST13 of obtaining a turbine expansion ratio and a mass flow rate of a reference gas turbine by a measured value and a numerical fluid dynamics analysis based on the measured value. And a fourth step ST14 of performing a performance test of the gas turbine to be diagnosed to obtain a turbine expansion ratio and a mass flow rate, and a turbine expansion ratio of a reference gas turbine. And fine mass flow rate, by comparing the turbine expansion ratio and mass flow of the diagnosis target gas turbine, and a fifth step ST15 to diagnose the performance of the diagnostic target gas turbine. Hereinafter, each step will be described in detail. Note that the first step may be performed as needed.

第1工程ST11では、基準ガスタービンのガスタービン11のタービン静翼及びタービン動翼の形状を取得する。基準ガスタービンとしては、例えば、運転開始前の新設時のガスタービン及び、定期検査後のガスタービンなど、診断対象ガスタービンよりタービン効率が高いものが用いられる。タービン静翼及びタービン動翼の形状は、例えば、ガスタービンのケーシングを開いた状態でレーザーによってタービン静翼及びタービン動翼を3Dスキャンして取得してもよく、設計データなどから取得してもよい。また、同一機種のタービン静翼及びタービン動翼であれば、3Dスキャンのデータなどは流用することもできる。   In the first step ST11, the shapes of the turbine stationary blade and the turbine moving blade of the gas turbine 11 of the reference gas turbine are acquired. As the reference gas turbine, a gas turbine having a higher turbine efficiency than the gas turbine to be diagnosed, such as a newly installed gas turbine before the start of operation and a gas turbine after a periodic inspection, is used. The shapes of the turbine vanes and turbine blades may be obtained by, for example, 3D scanning the turbine vanes and turbine blades with a laser with the gas turbine casing open, or may be obtained from design data or the like. Good. If the turbine vane and the turbine blade are of the same model, 3D scan data and the like can be used.

また、第1工程ST11では、基準ガスタービンのタービン静翼とタービン動翼との間のクリアランスを取得する。タービン静翼とタービン動翼との間のクリアランスとしては、例えば、上述したティップクリアランス及びノズルクリアランスを用いることが好ましい。これにより、タービン本体113における燃焼ガスの漏れの量を把握することができるので、数値流体解析の結果の精度がより向上する。なお、タービン静翼とタービン動翼との間のクリアランスは、所定温度で所定回数測定した平均値を用いることが好ましい。   In the first step ST11, a clearance between the turbine stationary blade and the turbine rotor blade of the reference gas turbine is obtained. As the clearance between the turbine stationary blade and the turbine rotor blade, for example, it is preferable to use the above-described tip clearance and nozzle clearance. Thereby, the amount of leakage of the combustion gas in the turbine body 113 can be grasped, so that the accuracy of the result of the numerical fluid analysis is further improved. In addition, it is preferable to use an average value measured a predetermined number of times at a predetermined temperature as the clearance between the turbine vane and the turbine blade.

第2工程ST12では、基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施する。ここでは、図1に示した測定部31により圧縮空気の温度及び圧力を実測により測定する。測定部32によりガスタービン11の出口温度及び出口圧力を取得する。そして、測定部31,32は、測定した圧縮空気の温度及び圧力を診断部33に送信する。診断部33は、ガスタービンに供給される空気及び燃料の総和から質量流量を算出し、各測定値から基準ガスタービンの質量流量、タービン効率及びタービン膨張比などを算出する。   In the second step ST12, a performance test of the full load of the reference gas turbine is performed. Here, the measurement unit 31 shown in FIG. 1 measures the temperature and pressure of the compressed air by actual measurement. The outlet temperature and the outlet pressure of the gas turbine 11 are acquired by the measuring unit 32. Then, the measurement units 31 and 32 transmit the measured temperature and pressure of the compressed air to the diagnosis unit 33. The diagnosis unit 33 calculates a mass flow rate from the sum of air and fuel supplied to the gas turbine, and calculates a mass flow rate, turbine efficiency, turbine expansion ratio, and the like of the reference gas turbine from each measurement value.

第3工程ST13では、診断部33は、第2工程ST12における基準ガスタービンの計測値及び計測値に基づいた数値流体力学解析によって、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する。ここでの数値流体力学解析では、ガスタービンの入口圧力=圧縮機出口圧力−燃焼器圧力損失の関係が用いられる。診断部33は、数値流体力学解析により基準ガスタービンの圧縮空気の温度、圧縮空気の圧力、ガスタービンの出口温度、燃焼排ガスの圧力、及び空気と燃料との総和である質量流量を上記計測値に合わせて調整する。調整した結果に基づいて、基準ガスタービンのタービン膨張比と質量流量比との関係を複数取得する。数値流体力学解析によって基準ガスタービンの各運転条件のタービン膨張比及び質量流量を取得するタービン膨張比及び質量流量の基準線を取得することが可能となる。   In the third step ST13, the diagnostic unit 33 acquires the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine by the measurement values of the reference gas turbine in the second step ST12 and the numerical fluid dynamics analysis based on the measurement values. In the computational fluid dynamics analysis here, the relationship of gas turbine inlet pressure = compressor outlet pressure−combustor pressure loss is used. The diagnostic unit 33 calculates the mass flow rate, which is the sum of the temperature of the compressed air of the reference gas turbine, the pressure of the compressed air, the temperature of the outlet of the gas turbine, the pressure of the combustion exhaust gas, and the sum of air and fuel, using a numerical fluid dynamic analysis. Adjust according to. Based on the adjusted result, a plurality of relationships between the turbine expansion ratio and the mass flow ratio of the reference gas turbine are acquired. It is possible to acquire a turbine expansion ratio and a mass flow rate reference line for acquiring a turbine expansion ratio and a mass flow rate under each operating condition of the reference gas turbine by the computational fluid dynamics analysis.

ガスタービン11では、大気の温度及び気圧の変化などの気候条件に応じて圧縮空気の圧力が変動する場合がある。そのため、第3工程ST13では、圧縮空気の圧力を変動させて気候条件におけるガスタービン11の基準状態を把握してもよい。この場合、上述した第3工程ST13では、圧縮空気の圧力とガスタービンの出口温度との関係を取得して、基準状態を考慮した基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を調整して決定してもよい。これにより、基準状態に基づいて数値流体力学解析を行うことができるので、ガスタービンの性能をより一層正確に診断することが可能となる。   In the gas turbine 11, the pressure of the compressed air may fluctuate according to climatic conditions such as changes in the temperature and pressure of the atmosphere. Therefore, in the third step ST13, the reference state of the gas turbine 11 under climatic conditions may be grasped by changing the pressure of the compressed air. In this case, in the above-described third step ST13, the relationship between the pressure of the compressed air and the outlet temperature of the gas turbine is obtained, and the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine are adjusted and determined in consideration of the reference state. You may. Thereby, since the computational fluid dynamics analysis can be performed based on the reference state, the performance of the gas turbine can be more accurately diagnosed.

ここで、ガスタービンの圧縮空気の圧力とガスタービンの出口温度との関係について説明する。図4は、ガスタービンの圧縮空気の圧力とガスタービンの出口温度との関係を示す図である。なお、図4においては、横軸に圧縮空気の圧力を示し、縦軸にガスタービンの出口温度を示している。図4に示すように、一般に発電所では、圧縮空気の圧力が所定値(図4の例では1.2以上:点P0参照)以上になると圧縮空気の圧力を低下させる制御がなされる(実線L1参照)。一方で、一般的なガスタービン11は、圧縮空気の圧力変化に応じてガスタービン11の出口温度が変化するように設計されている。そこで、圧縮空気の圧力を変化させて性能試験を行うことにより、基準ガスタービンのタービン11の出口温度を調整して決定することが有効となる。また、タービン膨張比、質量流量の決定が上手くできないときは、圧縮機の性能曲線、つまり、圧縮機出口圧力と圧縮機出口圧の関係を用いてもよい。   Here, the relationship between the pressure of the compressed air of the gas turbine and the outlet temperature of the gas turbine will be described. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the pressure of the compressed air of the gas turbine and the outlet temperature of the gas turbine. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the pressure of the compressed air, and the vertical axis indicates the outlet temperature of the gas turbine. As shown in FIG. 4, in a power plant, generally, when the pressure of the compressed air becomes equal to or higher than a predetermined value (in the example of FIG. 4, 1.2 or more: see the point P0), control is performed to decrease the pressure of the compressed air (solid line). L1). On the other hand, the general gas turbine 11 is designed such that the outlet temperature of the gas turbine 11 changes according to the change in pressure of the compressed air. Therefore, it is effective to adjust and determine the outlet temperature of the turbine 11 of the reference gas turbine by performing a performance test while changing the pressure of the compressed air. When the determination of the turbine expansion ratio and the mass flow rate cannot be performed well, the performance curve of the compressor, that is, the relationship between the compressor outlet pressure and the compressor outlet pressure may be used.

次に、図5を参照して第3工程ST13の一例について具体的に説明する。図5は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法における第3工程の概略を示すフロー図である。図5に示すように、第3工程ST13では、基準ガスタービンを圧縮空気の基準圧力で運転して性能試験した場合のタービン膨張比及び質量流量を取得する工程ST31と、圧縮空気圧力を基準圧力から変化させてガスタービン出口温度を取得する工程ST32と、変化後の圧縮空気圧力及び取得したガスタービン出口温度を用いた数値流体力学解析によりタービン膨張比及び質量流量を取得する工程ST33と、更にタービン膨張比及び質量流量の取得が必要か否かを判定する工程ST34とを含む。   Next, an example of the third step ST13 will be specifically described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart schematically showing a third step in the method for diagnosing performance of a gas turbine according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, in a third step ST13, a step ST31 of acquiring a turbine expansion ratio and a mass flow rate when a performance test is performed by operating a reference gas turbine at a reference pressure of compressed air, A step ST32 of obtaining a gas turbine outlet temperature by changing from the above, a step ST33 of obtaining a turbine expansion ratio and a mass flow rate by a computational fluid dynamics analysis using the changed compressed air pressure and the obtained gas turbine outlet temperature, and Step ST34 of determining whether acquisition of the turbine expansion ratio and the mass flow rate is necessary.

工程ST31では、まず、基準ガスタービンを圧縮空気の基準圧力で運転して性能試験した場合のタービン膨張比及び質量流量を数値流体力学解析により取得する。ここでの数値流体力学解析では、ガスタービンの入口圧力=圧縮機出口圧力−燃焼器圧力損失の関係が用いられる。また、ここでの数値流体力学解析では、ガスタービンの入口圧力が出力されるので、タービン膨張比=ガスタービンの入口圧力/ガスタービンの出口圧力の関係を用いることにより、タービン膨張比が得られる。   In step ST31, first, the turbine expansion ratio and the mass flow rate when the performance test is performed by operating the reference gas turbine at the reference pressure of the compressed air are obtained by numerical fluid dynamics analysis. In the computational fluid dynamics analysis here, the relationship of gas turbine inlet pressure = compressor outlet pressure−combustor pressure loss is used. In the numerical fluid dynamics analysis, the inlet pressure of the gas turbine is output. Therefore, the turbine expansion ratio can be obtained by using the relationship of turbine expansion ratio = gas turbine inlet pressure / gas turbine outlet pressure. .

次に、工程ST32では、基準圧力の圧縮空気圧力を変化させてガスタービン出口温度を取得する。ここでは、図4に示すように、基準ガスタービンを圧縮空気の基準圧力で運転して性能試験した場合を基準点P1とする。そして、基準ガスタービンの設計値に基づく設計線(図4の実線L1参照)に平行な基準点P1を通る補助線(破線L2参照)を引き、補助線上で圧縮空気の圧力を変化させた際のガスタービンの出口温度を読みとる。図4に示す例では、圧縮空気の圧力を2.5%減少させることにより、点P2に対応するガスタービンの出口温度が得られる。このように、図4において、補助線(破線L2参照)を引くのは、設計線(実線L1参照)とガスタービンを実際に運用する際の基準圧力(基準点P1参照)とがずれている場合があることを考慮したことに基づいている。   Next, in step ST32, the gas turbine outlet temperature is acquired by changing the compressed air pressure of the reference pressure. Here, as shown in FIG. 4, the case where the reference gas turbine is operated at the reference pressure of the compressed air and the performance test is performed is set as the reference point P1. Then, when an auxiliary line (see a broken line L2) passing through a reference point P1 parallel to a design line (see a solid line L1 in FIG. 4) based on the design value of the reference gas turbine is drawn, and the pressure of the compressed air is changed on the auxiliary line. The gas turbine outlet temperature. In the example shown in FIG. 4, the outlet temperature of the gas turbine corresponding to the point P2 is obtained by reducing the pressure of the compressed air by 2.5%. In this manner, in FIG. 4, the auxiliary line (see the broken line L2) is drawn because the design line (see the solid line L1) and the reference pressure (see the reference point P1) when the gas turbine is actually operated are shifted. It is based on taking into account that there may be cases.

続いて、工程33では、得られた点P2に対応する圧縮空気の圧力及びガスタービンの出口温度を用いて数値流体力学解析により点P2に対応するタービン膨張比及び質量流量を取得する。ここでの数値流体力学解析では、基準圧力でのタービン膨張比の算出と同様に、ガスタービン11の入力圧力が出力されるので、タービン膨張比=ガスタービンの入口圧力/ガスタービンの出口圧力の関係を用いることにより、タービン膨張比が得られる。   Subsequently, in step 33, a turbine expansion ratio and a mass flow rate corresponding to the point P2 are acquired by a computational fluid dynamics analysis using the obtained pressure of the compressed air and the outlet temperature of the gas turbine corresponding to the obtained point P2. In the computational fluid dynamics analysis, the input pressure of the gas turbine 11 is output in the same manner as the calculation of the turbine expansion ratio at the reference pressure, so that the turbine expansion ratio = the inlet pressure of the gas turbine / the outlet pressure of the gas turbine. By using the relationship, a turbine expansion ratio is obtained.

次に、工程34では、更に圧縮空気の圧力を変更してタービン膨張比及び質量流量の取得が必要か否かを判定する。更に、圧縮空気の圧力を変更してタービン膨張比及び質量流量の取得が必要な場合(ステップST34:Yes)には、工程31〜工程33を繰り返す。図4に示す例では、工程31〜工程33を更に繰り返すことにより、基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を5%減少させて運転した場合(点P3)及び基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を2.5%増加させて運転した場合(点P4)について、数値流体力学解析によりタービン膨張比及び質量流量比を取得している。これらの点P1〜点P4の圧縮空気圧力及びガスタービン出口温度は、診断対象ガスタービンを基準圧力で運転して性能試験した場合(点P5)と近似した結果が得られていることが分かる。   Next, at step 34, it is determined whether the pressure of the compressed air is further changed to obtain the turbine expansion ratio and the mass flow rate. Further, when it is necessary to obtain the turbine expansion ratio and the mass flow rate by changing the pressure of the compressed air (step ST34: Yes), the steps 31 to 33 are repeated. In the example shown in FIG. 4, the steps 31 to 33 are further repeated to operate the reference gas turbine with the pressure reduced by 5% with respect to the reference pressure (point P3) and to operate the reference gas turbine with respect to the reference pressure. The turbine expansion ratio and the mass flow ratio are obtained by a computational fluid dynamics analysis when the operation is performed with the pressure increased by 2.5% (point P4). It can be seen that the compressed air pressure and the gas turbine outlet temperature at these points P1 to P4 are similar to those obtained when a performance test is performed by operating the diagnosis target gas turbine at the reference pressure (point P5).

このような数値流体力学解析の結果により、ガスタービンの設計線(図4の実線L1参照)とガスタービンを実際に運用する際の圧力を示す補助線(図4の破線L2参照)とのずれを調整して決定することが可能となる。これにより、基準ガスタービンの基準状態が考慮され、基準ガスタービン本来の性能が反映されたタービン膨張比及び質量流量が得られるので、診断対象となるガスタービンの性能をより一層正確に診断することが可能となる。   Based on the result of such a computational fluid dynamics analysis, the deviation between the design line of the gas turbine (see the solid line L1 in FIG. 4) and the auxiliary line indicating the pressure when the gas turbine is actually operated (see the broken line L2 in FIG. 4). Can be adjusted and determined. As a result, the reference state of the reference gas turbine is taken into account, and a turbine expansion ratio and a mass flow rate that reflect the original performance of the reference gas turbine can be obtained, so that the performance of the gas turbine to be diagnosed can be more accurately diagnosed. Becomes possible.

第3工程ST13では、圧縮空気の温度の入力値が、燃焼器112で燃料を燃焼させた際の燃焼温度の実測値と等しくなり、圧縮空気の圧力及び燃料の圧力の入力値が、圧縮空気の圧力から燃焼器112の圧損を引いた値と等しくなり、燃焼ガス流量の入力値が、圧縮機111に供給される空気流量に燃料の流量を加えた値となるようにして計測値と数値流体力学解析の結果とを調整することが好ましい。これにより、計測値と数値流体力学解析の結果とを一致させやすくなるので、ガスタービンの膨張比及び質量流量の基準線を容易に取得することが可能となる。   In the third step ST13, the input value of the temperature of the compressed air becomes equal to the actually measured value of the combustion temperature when the fuel is burned in the combustor 112, and the input values of the pressure of the compressed air and the pressure of the fuel become the compressed air. And the input value of the combustion gas flow rate is a value obtained by adding the fuel flow rate to the air flow rate supplied to the compressor 111 and the measured value and the numerical value. It is preferable to adjust the result of the fluid dynamic analysis. This makes it easier to match the measured value with the result of the computational fluid dynamics analysis, so that it is possible to easily obtain a reference line for the expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine.

また、第3工程ST13では、圧縮機111からタービン本体113に供給される冷却空気を考慮して調整することが好ましい。これにより、冷却空気を考慮した数値流体解析の結果が得られるので、数値流体解析結果の精度が向上する。   In the third step ST13, it is preferable that the adjustment is performed in consideration of the cooling air supplied from the compressor 111 to the turbine body 113. As a result, the result of the computational fluid analysis considering the cooling air is obtained, and the accuracy of the computational fluid analysis result is improved.

また、第3工程ST13では、ガスタービンの出口温度及び出口圧力を基準として圧縮空気の温度及び圧力を調整することが好ましい。これにより、基準ガスタービンの性能試験での計測値と数値流体力学解析の結果とを容易に一致させることが可能となる。このように数値流体力学解析を行うことにより、診断対象ガスタービンの解析結果と基準ガスタービンでの計測結果を高い精度で一致させることが可能となる。   In the third step ST13, it is preferable to adjust the temperature and pressure of the compressed air based on the outlet temperature and outlet pressure of the gas turbine. This makes it possible to easily match the measured value in the performance test of the reference gas turbine with the result of the computational fluid dynamics analysis. By performing the computational fluid dynamics analysis in this manner, the analysis result of the gas turbine to be diagnosed and the measurement result of the reference gas turbine can be matched with high accuracy.

第4工程ST14では、診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する。ここでは、診断部33は、ガスタービン11に供給される空気及び燃料、測定部31,32で取得された圧縮空気の温度及び圧力、ガスタービンの出口温度及び出口圧力に基づいてタービン膨張比及び質量流量を取得する。ここでは、診断対象ガスタービンの全負荷の性能試験を実施することが好ましい。   In the fourth step ST14, a performance test of the gas turbine to be diagnosed is performed to obtain a turbine expansion ratio and a mass flow rate. Here, the diagnosis unit 33 determines the turbine expansion ratio and the turbine expansion ratio based on the air and fuel supplied to the gas turbine 11, the temperature and pressure of the compressed air acquired by the measurement units 31 and 32, the outlet temperature and the outlet pressure of the gas turbine. Get the mass flow. Here, it is preferable to perform a performance test of the full load of the gas turbine to be diagnosed.

第5工程ST15では、第4工程ST14で取得した診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を対比して、診断対象ガスタービンの性能を診断する。図6は、本実施の形態に係る基準ガスタービン及び診断対象ガスタービンのタービン膨張比と質量流量との関係を示す図である。なお、図6においては、縦軸にタービン膨張比を示し、横軸に質量流量を示している。   In the fifth step ST15, the performance of the gas turbine to be diagnosed is diagnosed by comparing the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed obtained in the fourth step ST14. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine and the gas turbine to be diagnosed according to the present embodiment. In FIG. 6, the vertical axis indicates the turbine expansion ratio, and the horizontal axis indicates the mass flow rate.

図6に示すように、基準ガスタービンの性能試験を圧縮空気の基準圧力で実際に運転して性能試験した場合(点P6)と、数値流体力学解析により基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を2.5%減少させて状態を解析した場合(点P7)と、数値流体力学解析により基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を5%減少させた状態を解析した場合(点P8)と、数値流体力学解析により基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を2.5%増加させた状態を解析した場合(点P9)とでは、タービン膨張比と質量流量との関係が略線形となり、基準線L3が得られる。これに対して、診断対象ガスタービンを基準圧力で運転して性能試験した場合(点P10)には、点P6〜点P10に基づいた基準線L3から大きく外れる結果となる。これらの点P6〜点P10は、図4に示した点P1〜点P5に対応するものである。このように、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の線図上に、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のデータをプロットすることにより、診断対象ガスタービンの性能劣化を診断することが可能となる。また、基準線L3に対する診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のデータをプロットの位置の違いにより、劣化度合いを診断することも可能となる。この場合には、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線L3に対して、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のプロットが近い位置にあれば、診断対象ガスタービンのタービン本体113内の流体抵抗が大きく、タービン静翼及びタービン動翼の形状及びクリアランスが基準ガスタービンに近い状態であると判断できる。また、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線L3に対して、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のプロットが遠い位置にあれば、診断対象ガスタービンのタービン本体113の流体抵抗が減少してタービン静翼及びタービン動翼の形状及びクリアランスの少なくとも一方が変化していることが分かる。また、このように、数値流体解析により基準タービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線L3を取得しておくことにより、季節の変化に伴い温度及び気圧に伴い質量流量などが変化した場合であっても、ガスタービン11の性能を診断することが可能となる。   As shown in FIG. 6, when the performance test of the reference gas turbine was actually performed at the reference pressure of the compressed air and the performance test was performed (point P6), the pressure of the reference gas turbine was increased with respect to the reference pressure by the numerical fluid dynamic analysis. Is reduced by 2.5% (point P7), and when the pressure of the reference gas turbine is reduced by 5% with respect to the reference pressure by the numerical fluid dynamics analysis (point P8). When the state where the pressure of the reference gas turbine is increased by 2.5% with respect to the reference pressure by the numerical fluid dynamics analysis (point P9) is analyzed, the relationship between the turbine expansion ratio and the mass flow becomes substantially linear, A reference line L3 is obtained. On the other hand, when the performance of the gas turbine to be diagnosed is operated at the reference pressure and the performance test is performed (point P10), the result largely deviates from the reference line L3 based on the points P6 to P10. These points P6 to P10 correspond to points P1 to P5 shown in FIG. By diagnosing the turbine expansion ratio and the mass flow rate data of the gas turbine to be diagnosed on the diagram of the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine, it is possible to diagnose the performance degradation of the gas turbine to be diagnosed. Becomes possible. In addition, it is possible to diagnose the degree of deterioration based on the difference in the plotting position of the data of the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed with respect to the reference line L3. In this case, if the plot of the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed is located close to the reference line L3 of the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine, the turbine body of the gas turbine to be diagnosed It can be determined that the fluid resistance in 113 is large, and the shapes and clearances of the turbine vanes and turbine blades are close to those of the reference gas turbine. If the plot of the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed is far from the reference line L3 of the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine, the fluid of the turbine body 113 of the gas turbine to be diagnosed is located. It can be seen that the resistance has been reduced and at least one of the shape and clearance of the turbine vanes and turbine blades has changed. In addition, by acquiring the reference line L3 of the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference turbine by the numerical fluid analysis in this manner, the case where the mass flow rate and the like change with the temperature and the atmospheric pressure with the seasonal change. However, the performance of the gas turbine 11 can be diagnosed.

なお、第5工程ST15においては、必ずしも基準線L3と診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して性能を診断する必要はなく、特定の基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して性能を診断してもよい。この場合、タービン膨張比が大きければ、基準ガスタービンからのタービン動翼及びタービン静翼の形状の変化が小さく、タービン動翼及びタービン静翼の各種クリアランスが維持されて性能の劣化が小さいと判断できる。また、タービン膨張比が小さければ、基準ガスタービンからのタービン動翼及びタービン静翼の形状の変化が大きく、タービン動翼及びタービン静翼の各種クリアランスが変化して性能が劣化していると判断できる。   In the fifth step ST15, it is not always necessary to diagnose the performance by comparing the reference line L3 with the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed, and the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the specific reference gas turbine are not required. The performance may be diagnosed by comparing the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed. In this case, if the turbine expansion ratio is large, it is judged that the change in the shape of the turbine rotor blade and the turbine vane from the reference gas turbine is small, and that the various clearances of the turbine rotor blade and the turbine vane are maintained and the performance deterioration is small. it can. If the turbine expansion ratio is small, the shape of the turbine blade and turbine vane from the reference gas turbine changes greatly, and it is judged that the performance has deteriorated due to changes in the various clearances of the turbine blade and turbine vane. it can.

以上説明したように、上記実施の形態によれば、数値流体解析により圧縮機からタービン本体に供給される燃焼ガスの温度及び圧力を取得せずに、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得することが可能となる。これにより、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、基準ガスタービンを所定時間運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比することが可能となる。これにより、従来困難であった稼働中の診断対象ガスタービンのタービン性能の診断が可能となり、適切なメンテナンスによる効率向上、定期検査などの延長による労働力の削減による燃料費の削減が期待できる。   As described above, according to the above embodiment, the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine are obtained without acquiring the temperature and the pressure of the combustion gas supplied from the compressor to the turbine body by the numerical fluid analysis. It becomes possible to acquire. This makes it possible to compare the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine with the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the gas turbine to be diagnosed after the reference gas turbine has been operated for a predetermined time. As a result, it is possible to diagnose the turbine performance of the gas turbine to be diagnosed during operation, which has been difficult in the past, and it is expected that the efficiency will be improved by appropriate maintenance, and the fuel cost will be reduced by reducing the labor force by extending the periodical inspection and the like.

また、上記実施の形態によれば、数値流体解析により基準ガスタービンの膨張比及び質量流量の基準線L3を引くことができるので、基準線L3と診断対象ガスタービンの運転結果とを対比することにより、ガスタービン11の性能劣化を効率よく診断することが可能となる。   Further, according to the above embodiment, since the reference line L3 of the expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine can be drawn by the numerical fluid analysis, the reference line L3 is compared with the operation result of the gas turbine to be diagnosed. Accordingly, it is possible to efficiently diagnose the performance deterioration of the gas turbine 11.

さらに、上記実施の形態によれば、数値流体解析により、燃焼ガスの温度の解析も可能となり、重要部品である第1段目の静翼115−1の寿命の評価も可能となる。また、計測困難な燃焼ガスの圧力を燃料供給圧力から精度よく算出することも可能となる。   Further, according to the above-described embodiment, the temperature of the combustion gas can be analyzed by the numerical fluid analysis, and the life of the first-stage stationary blade 115-1 as an important component can be evaluated. Further, the pressure of the combustion gas, which is difficult to measure, can be accurately calculated from the fuel supply pressure.

本発明は、稼働中のガスタービンの性能劣化を診断できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンという効果を有し、例えば、ガスタービン発電装置などの各種ガスタービンを備えた装置のガスタービンの診断に用いることができる。   The present invention has an effect of a gas turbine performance diagnosis method and a gas turbine capable of diagnosing performance deterioration of an operating gas turbine, and for example, a gas turbine diagnosis of a device including various gas turbines such as a gas turbine power generation device. Can be used.

1 ガスタービン発電装置
11 ガスタービン
111 圧縮機
112 燃焼器
113 タービン本体
113A ケーシング
114 タービン軸
115−1,115−2,115−3 タービン静翼
116−1,116−2,116−3 タービン動翼
21 空気供給ライン
22 燃焼排ガスライン
23 圧縮ガス供給ライン
24 燃焼ガス供給ライン
25 燃料供給ライン
31,32 測定部
33 診断部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas turbine generator 11 Gas turbine 111 Compressor 112 Combustor 113 Turbine main body 113A Casing 114 Turbine shaft 115-1, 115-2, 115-3 Turbine stationary blade 116-1, 116-2, 116-3 Turbine rotor blade Reference Signs List 21 air supply line 22 combustion exhaust gas line 23 compressed gas supply line 24 combustion gas supply line 25 fuel supply line 31, 32 measuring unit 33 diagnostic unit

Claims (6)

空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器及び前記燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体とを備えたガスタービンの性能を診断するガスタービンの性能診断方法であって、
基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施して、前記圧縮空気の温度、前記圧縮空気の圧力、前記ガスタービンの出口温度、前記ガスタービンの出口圧力、及び前記空気と前記燃料との総和である質量流量の計測値を取得する第1工程と、
前記計測値及び前記計測値に基づいた数値流体力学解析によって、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する第2工程と、
前記診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する第3工程と、
前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、前記診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断する第4工程とを含むことを特徴とする、ガスタービンの性能診断方法。
A compressor that compresses air to obtain compressed air, a combustor that mixes the compressed air and fuel and burns to obtain combustion gas, and a turbine body that rotates turbine blades and discharges combustion exhaust gas by the combustion gas. A method for diagnosing the performance of a gas turbine having a gas turbine, comprising:
Perform a performance test of the full load of the reference gas turbine, the temperature of the compressed air, the pressure of the compressed air, the outlet temperature of the gas turbine, the outlet pressure of the gas turbine, and the sum of the air and the fuel A first step of obtaining a measurement value of a certain mass flow rate;
A second step of obtaining a turbine expansion ratio and a mass flow rate of the reference gas turbine by a numerical fluid dynamics analysis based on the measured values and the measured values;
Performing a performance test of the gas turbine to be diagnosed to obtain a turbine expansion ratio and a mass flow rate;
A fourth step of comparing the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the reference gas turbine with the turbine expansion ratio and the mass flow rate of the diagnosis target gas turbine to diagnose the performance of the diagnosis target gas turbine. A method for diagnosing the performance of a gas turbine.
前記基準ガスタービンのタービン静翼及びタービン動翼の形状を取得すると共に前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のクリアランスを取得する工程をさらに含む、請求項1に記載のガスタービンの性能診断方法。   The performance of the gas turbine according to claim 1, further comprising a step of acquiring a shape of a turbine vane and a turbine blade of the reference gas turbine and acquiring a clearance between the turbine vane and the turbine blade. Diagnostic method. 前記クリアランスとして、前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のティップクリアランス及びノズルクリアランスを取得する、請求項2に記載のガスタービンの性能診断方法。   The gas turbine performance diagnosis method according to claim 2, wherein a tip clearance and a nozzle clearance between the turbine stationary blade and the turbine blade are acquired as the clearance. 前記第4工程において、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線と前記診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のガスタービンの性能診断方法。   In the fourth step, a turbine expansion ratio and a mass flow rate of the reference gas turbine are compared with a turbine expansion ratio and a mass flow rate of the diagnosis target gas turbine, and the performance of the diagnosis target gas turbine is diagnosed. The method for diagnosing performance of a gas turbine according to any one of claims 1 to 3. 前記第1工程において、数値流体力学解析による前記圧縮空気の圧力と前記ガスタービンの出口温度との関係を取得して、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を調整して決定する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のガスタービンの性能診断方法。   In the first step, a relationship between a pressure of the compressed air and an outlet temperature of the gas turbine obtained by a computational fluid dynamics analysis is obtained, and a turbine expansion ratio and a mass flow rate of the reference gas turbine are adjusted and determined. The method for diagnosing performance of a gas turbine according to any one of claims 1 to 4. 空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器及び前記燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体を備えたガスタービンと、
数値流体力学解析により予め取得した基準となる前記ガスタービンのタービン膨張比及び質量比と、所定期間運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量比との関係に基づいて前記ガスタービンの性能を診断する診断部と、を具備することを特徴とする、ガスタービンの診断装置。
A compressor that compresses air to obtain compressed air, a combustor that mixes the compressed air and fuel to burn and obtain combustion gas, and a turbine body that rotates turbine blades and discharges combustion exhaust gas by the combustion gas. Equipped gas turbine,
The performance of the gas turbine based on the relationship between the turbine expansion ratio and the mass ratio of the gas turbine, which is a reference obtained in advance by numerical fluid dynamics analysis, and the turbine expansion ratio and the mass ratio of the gas turbine to be diagnosed after a predetermined period of operation. And a diagnosis unit for diagnosing the gas turbine.
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