JP2020084840A - ガスタービン及びその抽気量調整方法 - Google Patents

ガスタービン及びその抽気量調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料を加熱する冷却空気の流量を調節する抽気弁の過敏な開度変化を抑制する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機から抽気されてタービンに供給される冷却空気で燃焼器に供給する燃料を加熱する熱交換器と、冷却空気の流量を調整する抽気弁と、燃料状態値を計測する第1センサと、冷却空気状態値を計測する第2センサと、抽気弁の開度を制御する制御コンピュータとを備え、制御コンピュータが、燃料状態値及び冷却空気状態値についてそれぞれ基準値及びこれを包含する不感帯の情報を格納しており、燃料状態値及び冷却空気状態値の少なくとも一方が不感帯を超えて基準値から変動した場合に、変動した検出値を基準値に近付けるように抽気弁を制御する。【選択図】図2

Description

本発明はガスタービンに関し、特に燃焼器に供給する燃料を圧縮機から抽気した冷却空気と熱交換して加熱するガスタービンとその抽気量調整方法に係る。
ガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃焼器で燃料と共に燃焼させて高温の作動流体である燃焼ガスを発生させ、燃焼ガスでタービンを駆動するように構成されている。この種のガスタービンには、所望温度の燃焼ガスを発生させるために燃焼器に供給する燃料の所要流量を低減しシステム熱効率の向上を図るために、燃焼器に供給する燃料を圧縮機からの圧縮空気と熱交換して加熱するものがある(特許文献1等参照)。
特開2014−047657号公報
例えば圧縮機から抽気した圧縮空気をタービンの冷却に用いるガスタービンにおいて、タービンに供給される冷却空気と熱交換して燃料を加熱する場合、前述したシステム熱効率向上の効果に加え、冷却空気温度の低下に伴って冷却空気流量も低減可能である。この場合、抽気弁により冷却空気流量を調整可能な構成とし、冷却空気による冷却対象であるタービン高温部の温度に応じて抽気弁を制御することでガスタービン性能をより適正に向上させることができる。
しかし、燃料の性状は必ずしも一定ではなく、この燃料と熱交換した冷却空気の温度も大きく変動することが想定される。こうした冷却空気の温度変化はタービン高温部の温度変化に繋がり、タービン高温部の温度変化に伴って抽気弁開度も時々刻々と変化することとなり、冷却空気流量が不安定になる可能性がある。
本発明の目的は、燃料を加熱する冷却空気の流量を調節する抽気弁の過敏な開度変化を抑制することができるガスタービン及びその抽気量調整方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記圧縮機から抽気されて前記タービンに供給される冷却空気で前記燃焼器に供給する燃料を加熱する熱交換器と、前記冷却空気の流量を調整する抽気弁と、前記燃料に関する状態値を計測する第1センサと、前記冷却空気に関する状態値を計測する第2センサと、前記抽気弁の開度を制御する制御コンピュータとを備え、前記制御コンピュータが、前記第1センサ及び前記第2センサの検出値についてそれぞれ設定された基準値及び前記基準値を包含する不感帯の情報を格納しており、前記第1センサ及び前記第2センサの検出値の少なくとも一方が前記不感帯を超えて前記基準値から変動した場合に、前記変動した検出値を前記基準値に近付けるように前記抽気弁を制御する。
本発明によれば、燃料を加熱する冷却空気の流量を調節する抽気弁の過敏な開度変化を抑制することができる。
本発明の第1実施形態に係るガスタービンの一例の模式図 本発明の第1実施形態に係るガスタービンの抽気弁の制御手順を表すフローチャート 本発明の第1実施形態に係るガスタービンにおける抽気弁制御のタイミングを説明するための燃料状態値及び冷却空気状態値の時間変化のモデル図 本発明の第2実施形態に係るガスタービンの抽気弁の制御手順を表すフローチャート 本発明の第2実施形態に係るガスタービンにおける抽気弁制御のタイミングを説明するための燃料状態値及び冷却空気状態値の時間変化のモデル図
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
(第1実施形態)
−ガスタービン−
図1は本発明の第1実施形態に係るガスタービンの一例の模式図である。本実施形態では、ガスタービン燃焼器を燃焼器と略称する。図1に示したガスタービン100は、圧縮機1、燃焼器2、タービン3、負荷機器4、熱交換器5、抽気弁6、第1センサ7,8、第2センサ9,10及び制御コンピュータ11を備えている。
圧縮機1は、吸気部を介して吸い込んだ空気Aを圧縮し、高圧の圧縮空気Cを生成して吐出する。燃焼器2は、圧縮機1で圧縮された圧縮空気Cと燃料とを燃焼し、高温の燃焼ガスHを発生させてタービン3に供給する。タービン3は、燃焼器2で生成された燃焼ガスHによって駆動される。圧縮機1及びタービン3は同軸に連結され、また圧縮機1又はタービン3には負荷機器4(発電機、或いはポンプ等)が連結される。タービン3で得られる回転動力は、一部が圧縮機1の動力として使用され、一部が負荷機器4の動力として使用される。タービン3を駆動した燃焼ガスHは、排気ガスEとしてタービン3から排出される。
熱交換器5は、燃料供給源(不図示)と燃焼器2とを接続する燃料配管(燃料系統)12の途中に設けられており、燃料配管12を流れる燃料と抽気配管13を流れる抽気空気との間で熱交換させる。抽気配管13は圧縮機1の中間段(出口でも良い)とタービン3の中間段(入口でも良い)とを接続している。圧縮機1から抽気されて抽気配管13を流れる抽気空気は、燃料配管12を流れる燃料を加熱するのと引き換えに温度を下げ、タービン3の高温部に冷却空気或いはシール空気として供給される。反対に燃料配管12を流れる燃料は、燃料配管12を流れる燃料からの入熱により温度を上げて燃焼器2に供給される。
抽気弁6は冷却空気の流量を調整する弁装置であり、抽気配管13における熱交換器5とタービン3との間に設けられている。但し、抽気弁6は抽気配管13の経路上に設けられていれば良く、抽気配管13における熱交換器5と圧縮機1との間に設けても良い。抽気弁6は制御コンピュータ11からの信号により駆動され、制御コンピュータ11により抽気弁6の開度が制御されることで抽気流量が制御される。
第1センサ7,8は燃料に関する状態値を計測するセンサである。燃料に関する状態値とは、例えば燃料流量Ffや燃料温度Ftであり、本実施形態では第1センサ7が温度計であり、第1センサ8が流量計である。第1センサ7,8とも燃料配管12における熱交換器5と燃焼器2との間に設けられており、熱交換器5で抽気空気と熱交換をした後の燃料に関する状態値を検出する構成を図示してある。但し、第1センサ7,8は燃料配管12における熱交換器5よりも上流側に設けた構成とすることもできる。なお、本実施形態では燃料流量Ffを計測するのに第1センサ8として流量計を用いた場合を例示したが、例えば燃料配管12に設けた燃料流量調整弁14の開度から燃料流量Ffを推定することもできる。燃料流量調整弁14の開度は、開度計で計測できる他、燃料流量調整弁14に対する制御コンピュータ11の指令値でも知ることができる。また、燃料流量Ffや燃料温度Tf、燃料流量調整弁14の開度を全て検出する構成とすることもできるが、燃料に関する状態値としてこれら全てを検出する必要は必ずしもなく、これらの値のうち少なくとも1つを検出する構成であれば良い。燃料配管12に圧力計を設けて燃料の圧力を燃料に関する状態値として測定する構成も考えられる。
第2センサ9,10は冷却空気(抽気空気)に関する状態値を計測するセンサである。冷却空気に関する状態値とは、例えば冷却空気流量Faや冷却空気温度Taであり、本実施形態では第2センサ9が温度計であり、第2センサ10が流量計である。第2センサ9,10とも抽気配管13における熱交換器5とタービン3との間に設けられており、熱交換器5で燃料と熱交換をした後の冷却空気に関する状態値を検出する構成を図示してある。但し、第2センサ9,10は抽気配管13における熱交換器5よりも上流側に設けた構成とすることもできる。なお、本実施形態では冷却空気流量Faを計測するのに第2センサ10として流量計を用いた場合を例示したが、例えば抽気配管13に設けた抽気弁6の開度から冷却空気流量Faを推定することもできる。抽気弁6の開度は、開度計で計測できる他、抽気弁6に対する制御コンピュータ11の指令値でも知ることができる。また、冷却空気流量Faや冷却空気温度Ta、抽気弁6の開度を全て検出する構成とすることもできるが、冷却空気に関する状態値としてこれら全てを検出する必要は必ずしもなく、これらの値のうち少なくとも1つを検出する構成であれば良い。抽気配管13に圧力計を設けて冷却空気の圧力を冷却空気に関する状態値として測定する構成も考えられる。
制御コンピュータ11は、抽気弁6の開度を制御する制御装置であり、抽気弁6に限らずガスタービン100の全体を制御する機能を備えている。制御コンピュータ11にはメモリやCPUが備わっており、第1センサ7,8及び第2センサ9,10の検出値についてそれぞれ基準値(図2のa0,b0)と基準値を包含する不感帯(図2のa1,a2,b1,b2)の情報がメモリに格納されている。基準値a0,b0や不感帯a1,a2,b1,b2(a1<a0<a2,b1<b0<b2))の値は、運転条件(例えば部分負荷運転なのか定格運転なのか)毎に設定されていることとする。また、メモリに格納されたプログラムをCPUにロードし、第1センサ7,8及び第2センサ9,10の検出値の少なくとも一方が不感帯を超えて基準値から変動した場合に、変動した検出値を基準値に近付けるように抽気弁6を制御する制御を実行する。なお、制御コンピュータ11は、ガスタービン100の起動スケジュールや負荷指令に応じて燃料流量調整弁14を制御する一般的な機能も兼ね備えている。
−抽気弁制御手順−
図2は本発明の第1実施形態に係るガスタービンの抽気弁の制御手順を表すフローチャートである。図3は本発明の第1実施形態に係るガスタービンにおける抽気弁制御のタイミングを説明するための燃料状態値及び冷却空気状態値の時間変化のモデル図である。制御コンピュータ11は、プログラムをCPUにロードして図2の制御を開始すると第1センサ7,8及び第2センサ9,10から検出信号を入力し、まず燃料状態値aが不感帯の範囲内であるかを判定する(ステップS11)。不感帯は燃料状態値aについて設定した基準値a0を含む範囲であって、下限値a1以上で上限値a2以下の範囲をいう(a1<a0<a2)。燃料状態値aは第1センサ7,8の検出値である。本実施形態では例えば燃料温度Tf及び燃料流量Ffの双方がそれぞれ設定された不感帯に納まっているかを判定し、少なくとも一方が不感帯を外れていれば燃料状態値aが不感帯から外れていると判定される。但し、双方の値が不感帯を外れている場合にのみ燃料状態値aが不感帯から外れていることとすることもできる。
燃料状態値aが不感帯の範囲内の値である場合、制御コンピュータ11は、冷却空気状態値bが不感帯の範囲内であるかを判定する(ステップS12)。燃料状態値aの場合と同じく、不感帯は冷却空気状態値bについて設定した基準値b0を含む範囲であって、下限値b1以上で上限値b2以下の範囲をいう(b1<b0<b2)。冷却空気状態値bは第2センサ9,10の検出値である。本実施形態では例えば冷却空気温度Ta及び冷却空気流量Faの双方がそれぞれ設定された不感帯に納まっているかを判定し、少なくとも一方が不感帯を外れていれば冷却空気状態値bが不感帯から外れていると判定される。但し、双方の値が不感帯を外れている場合にのみ冷却空気状態値bが不感帯から外れていることとすることもできる。ステップS11,S12の順序は逆であっても良い。
ステップS11,S12の判定の結果、燃料状態値aも冷却空気状態値bも各不感帯の範囲内の値である場合、制御コンピュータ11は抽気弁6の開度を現状維持してステップS11に手順を戻す。反対に燃料状態値a及び冷却空気状態値bの少なくとも一方が対応する不感帯を超えて基準値から変動している場合、制御コンピュータ11は抽気弁6の開度を変更してステップS11に手順を戻す(ステップS13)。ステップS13では、燃料状態値a又は冷却空気状態値bのうち不感帯を超えて変動した値が対応する基準値に近付くように、抽気弁6の開度が変更される。例えば燃料温度Tfが不感帯を超えて上昇した場合、抽気弁6の開度を下げ冷却空気流量Faを低下させて燃料温度Tfを低下させる。例えば冷却空気温度Taが不感帯を超えて低下した場合、抽気弁6の開度を上げ冷却空気流量Faを増加させて冷却空気温度Taを上昇させる。
図3の例の場合、時刻t1−t2の間に燃料状態値aが不感帯を超えて変動している。また、時刻t3−t4の間に冷却空気状態値bが、時刻t4−t5の間に燃料状態値a及び冷却空気状態値bの双方が不感帯を超えて変動している。その後時刻t5で冷却空気状態値bが不感帯に復帰し、時刻t5−t6の間は燃料状態値aのみが不感帯を超えた状態となる。時刻t1以前、時刻t2−t3、時刻t6以降は、燃料状態値a及び冷却空気状態値bの双方が不感帯の範囲内に納まっている。この場合、時刻t1以前、時刻t2−t3、時刻t6以降は抽気弁6の開度が維持され、時刻t1−t2、時刻t3−t6に抽気弁6の開度が補正制御される。
−効果−
本実施形態によれば、圧縮機1から抽気してタービン3に供給される冷却空気と熱交換して燃料を加熱することで、システム熱効率向上の効果が得られる。また燃料との熱交換によりタービン冷却用の冷却空気温度が低下するので、冷却空気流量も低減可能であり、冷却対象であるタービン高温部の温度に応じて抽気弁6の開度を制御することでガスタービン性能を適正に向上させることができる。
特に本実施形態の場合、燃料状態値aや冷却空気状態値bを基礎として抽気弁6を制御するに当たり、燃料状態値a及び冷却空気状態値bに不感帯を設けている。これにより、不安定な燃料の性状に起因してタービン高温部の温度変化に振れが生じても抽気弁6の開度が過敏に変化しない。このように抽気弁6の過敏な開度変化を抑制できるので、冷却空気流量の変動を抑制できる。
−抽気流量調整方法−
燃料状態値及び冷却空気状態値についてそれぞれ基準値とこれを包含する不感帯の情報を予め決めておき、燃料状態値及び冷却空気状態値の少なくとも一方が不感帯を超えて基準値から変動した場合に、変動した状態値を基準値に近付けるように抽気弁を操作する。この方法を採ることにより、上記の通り燃料を加熱する冷却空気の流量を調節する抽気弁の過敏な開度変化を抑制することができる。第1実施形態(後述する第2実施形態も同様)では、これを制御コンピュータ11により実行する構成としたが、燃料状態値や冷却空気状態値さえモニタできれば、例えば制御室でオペレータが抽気弁6を手動操作することでも同様の効果が得られる。この場合、図2に示した制御コンピュータ11による抽気弁制御機能は必ずしも必要ない。
(第2実施形態)
図4は本発明の第2実施形態に係るガスタービンの抽気弁の制御手順を表すフローチャートである。図5は本発明の第2実施形態に係るガスタービンにおける抽気弁制御のタイミングを説明するための燃料状態値及び冷却空気状態値の時間変化のモデル図である。図4及び図5は図2及び図3に対応している。本実施形態が第1実施形態と相違する点は、燃料状態値aと冷却空気状態値bの双方が不感帯から外れた場合にのみ抽気弁6の開度変更の制御が実行される点であり、ハード構成は第1実施形態と同様である。
制御コンピュータ11は、プログラムをCPUにロードして図4の制御を開始すると第1センサ7,8及び第2センサ9,10から検出信号を入力し、まず燃料状態値aが不感帯の範囲内であるかを判定する(ステップS21)。燃料状態値aが不感帯の範囲内の値である場合、制御コンピュータ11は、冷却空気状態値bが不感帯の範囲内であるかを判定する(ステップS22)。ステップS21,S22の判定の結果、燃料状態値a及び冷却空気状態値bの少なくとも一方が各不感帯の範囲内の値である場合、制御コンピュータ11は抽気弁6の開度を現状維持してステップS21に手順を戻す。反対に燃料状態値a及び冷却空気状態値bの双方が対応する不感帯を超えて基準値から変動している場合、制御コンピュータ11は抽気弁6の開度を変更してステップS21に手順を戻す(ステップS23)。ステップS21,S22,S23の個々の処理内容は図2のステップS11,S12,S13の処理内容と同様である。
図3の例と同様、図5の例の場合、時刻t1−t2の間に燃料状態値aが不感帯を超えて変動している。また、時刻t3−t4の間に冷却空気状態値bが、時刻t4−t5の間に燃料状態値a及び冷却空気状態値bの双方が不感帯を超えて変動している。その後時刻t5で冷却空気状態値bが不感帯に復帰し、時刻t5−t6の間は燃料状態値aのみが不感帯を超えた状態となる。時刻t1以前、時刻t2−t3、時刻t6以降は、燃料状態値a及び冷却空気状態値bの双方が不感帯の範囲内に納まっている。この場合、時刻t4以前、時刻t5以降は抽気弁6の開度が維持され、時刻t4−t5に抽気弁6の開度が補正制御される。
本実施形態においても第1実施形態と同様の効果が得られる。また、燃料状態値aと冷却空気状態値bの双方が不感帯を超えた場合にのみ抽気弁6の開度が変更されるので、抽気弁の開度変化は第1実施形態と比較しても抑えられる。第1実施形態及び第2実施形態は適宜選択して採用することができる。
(変形例)
図1では単軸のガスタービンを本発明の適用対象として例示したが、他のタイプのガスタービンに本発明を適用した場合にも同様の効果を得ることができる。例えば、圧縮機に連結された高圧タービン、及び高圧タービンと分離されて負荷機器に連結された低圧タービンを有する二軸ガスタービンにも本発明は適用可能であり、同様の効果を得ることができる。また、例えば第1実施形態の制御態様と第2実施形態の制御態様をそれぞれ第1モード及び第2モードとして、抽気弁6の制御モードが例えばスイッチ操作によって手動で切り換えられるようにすることができる。
1…圧縮機、2…燃焼器、3…タービン、5…熱交換器、6…抽気弁、7,8…第1センサ、9,10…第2センサ、11…制御コンピュータ、100…ガスタービン、a0,b0…基準値、a1,b1…下限値(不感帯)、a2,b2…上限値(不感帯)、A…空気、C…圧縮空気、H…燃焼ガス

Claims (4)

  1. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
    前記圧縮機から抽気されて前記タービンに供給される冷却空気で前記燃焼器に供給する燃料を加熱する熱交換器と、
    前記冷却空気の流量を調整する抽気弁と、
    前記燃料に関する状態値を計測する第1センサと、
    前記冷却空気に関する状態値を計測する第2センサと、
    前記抽気弁の開度を制御する制御コンピュータとを備え、
    前記制御コンピュータが、前記第1センサ及び前記第2センサの検出値についてそれぞれ設定された基準値及び前記基準値を包含する不感帯の情報を格納しており、前記第1センサ及び前記第2センサの検出値の少なくとも一方が前記不感帯を超えて前記基準値から変動した場合に、前記変動した検出値を前記基準値に近付けるように前記抽気弁を制御するガスタービン。
  2. 請求項1のガスタービンにおいて、前記燃料に関する状態値が、燃料流量、燃料温度、及び前記燃料流量を調整する流量調整弁の開度の少なくとも1つであるガスタービン。
  3. 請求項1のガスタービンにおいて、前記冷却空気に関する状態値が、冷却空気流量、冷却空気温度、及び前記抽気弁の開度の少なくとも1つであるガスタービン。
  4. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
    前記燃焼器に供給する燃料を前記圧縮機から抽気した冷却空気と熱交換して加熱する熱交換器と、前記冷却空気の流量を調整する抽気弁とを備えたガスタービンの抽気量調整方法であって、
    前記燃料に関する状態値及び前記冷却空気に関する状態値についてそれぞれ基準値及び前記基準値を包含する不感帯の情報を予め決めておき、前記燃料に関する状態値及び前記冷却空気に関する状態値の少なくとも一方が前記不感帯を超えて前記基準値から変動した場合に、前記変動した状態値を前記基準値に近付けるように前記抽気弁を操作するガスタービンの抽気量調整方法。
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