JP3658415B2 - ガスタービン装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガスタービン装置に係り、特に発電設備に備えられた都市ガス又は液化天然ガスを燃料として用いるガスタービン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン装置においては、負荷としての発電機に異常が生じた等の場合に、負荷を切り離してガスタービンの保全を図る負荷遮断という運転モードがある。これは、ガスタービンの負荷を１００％から０％に急激に変化させるもので、従来燃料流量制御弁を急閉して対応している。そして、この時ガスタービンの回転数をある回転数範囲内に納めるよう制御している。
【０００３】
ところで、都市ガスや液化天然ガスを燃料として用いるガスタービン装置では燃料をガスタービン装置の燃焼器に供給するために遠心圧縮機が用いられている。上記負荷遮断時には過渡的にこの遠心圧縮機の回転数が上昇したり、吐出圧力が上昇する現象が生じる。そして、この吐出圧力がある許容上限値を超えると、燃料である都市ガスや液化天然ガスが燃焼器に流れ過ぎ、ガスタービンが異常に高速回転する恐れがある。従来このような事態を防止するために、燃料圧送用の遠心圧縮機の取扱いガス流量を測定し、流量が減少したら、回流流路に設けた弁（以下バイパス弁とも称す）を開く方式が用いられてきた。
【０００４】
一方、遠心圧縮機においては、取扱いガス流量を減少させると、圧力や流量が突然変動しはじめ、振動が増加するサージング現象を生じる。この現象を防止するために、上述したようにガス流量を測定し、設定値より流量が少ない場合には遠心圧縮機内を流れる流量を増して遠心圧縮機のサーシングを防止するとともに、バイパス弁または吐出弁を開いてガスタービンに送る流量を所定流量とする方式が広く知られている。このようなサージング防止方式については、例えば、日本機械学会編「機械工学便覧 改定第６版」（昭和６０年）第１０編 １０−３３頁に記載がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術である取扱いガス流量を測定し、流量が減少したらバイパス弁を開ける制御方法においては、ガスタービンの燃料流量制御に用いられる燃料制御弁を瞬時（約０.１秒）に閉としており、遠心圧縮機の吐出圧力が前記上限値を超えてしまうという不具合があった。
【０００６】
本発明の目的は、ガスタービン装置において負荷遮断という急激な負荷変動時においても、燃焼器に燃料を圧送する遠心圧縮機の吐出圧力の異常上昇と、ガスタービンの回転数の異常な上昇を防止し、ガスタービン装置の保全と信頼性の向上を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、圧縮機段（１２３）とタービン段（１２５）と燃焼器（１２４）とを有し、都市ガスまたは液化天然ガス等の可燃性ガスを前記燃焼器に遠心圧縮機（１０１）を用いて圧送し燃焼させることにより動力を発生するガスタービン（１１３）と、該ガスタービンを制御する制御装置とを備えたガスタービン装置において、前記燃焼器に供給する可燃性ガス量を調節する第１の流量調節弁（４２、４８）と、前記遠心圧縮機の下流側であってこの第１の流量調節弁の上流側から遠心圧縮機の入口側へ回流するバイパス流路と、このバイパス流路を開閉する第２の流量調節弁（１０７）とを設け、前記制御装置に前記可燃性ガスの流量を制御する流量制御（ＦＦＤ）手段（３４）を設け、この流量制御（ＦＦＤ）手段は前記第１の流量調節弁に開度信号を指令すると同時に前記第２の開閉手段に開閉信号を指令し、前記遠心圧縮機のサージングと前記タービン段の過回転を回避するものである。
【０００８】
そしてこの特徴において、流量制御（ＦＦＤ）手段が前記第２の流量調節弁に指令する信号の大きさとこの第２の流量調節弁の開度との関係を予め記憶した記憶手段を前記制御装置に設けたものである。
【０００９】
【作用】
ガスタービンの運転モードのなかで負荷変動が一番大きいのは、１００％負荷遮断である。これは、ガスタービンの燃料ガス流量を制御する信号（ＦＦＤ：Ｆｕｅｌ Ｆｌｏｗ Ｄｅｍａｎｄ）が１００％から０％へと瞬時に変化し、その結果燃料流量制御弁が開状態から閉状態に変化し、１００％負荷状態から無負荷状態に移る運転モードである。
【００１０】
この負荷遮断時には、約０.１秒から０.２秒の間に燃料流量制御弁が開状態から閉状態に変わり、燃料ガスを供給している遠心圧縮機の一般的なバイパス弁制御方式、つまり遠心圧縮機の取扱い流量を監視し、下限設定値より流量が少なくなったらバイパス弁を開ける方式を用いると応答が間に合わず、瞬時に遠心圧縮機の吐出圧力が上昇し、ガスタービンの回転数が上限値を越えてしまう。
【００１１】
ガスタービン装置においては負荷遮断時においても、遠心圧縮機の吐出圧力が所定範囲内に入っていることが求められており、この要求を満足するためには、遠心圧縮機とガスタービンの間に容積の大きなタンクを設け圧力変動を小さくする、または遠心圧縮機の制御指令に対する応答を早くするの２案が考えられる。
本発明では、ガスタービンの燃料制御信号（ＦＦＤ）を早期に燃料ガス圧縮機のバイパス弁制御装置に入力し、予めバイパス弁制御に備えることにより応答を早くし、負荷遮断時でも遠心圧縮機の吐出圧力を所定範囲に納めるようにしたものである。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明のガスタービン装置の一実施例を図面を用いて説明する。図１は、ガスタービンの制御系統図、図２はその主要部を抜き出して示したものである。さらに、図３は燃料圧送用の遠心圧縮機にかかる制御系統を示した図である。
ガスタービン１１３にはガスタービン制御装置が備えられている。ここで、ガスタービン制御装置は、デジタル制御装置であり、ガスタービンの起動、停止時及び負荷運転中の最適な制御を行い、ガスタービン発電ユニットの自動運転を司る。このための制御機能としては、調整制御機能とシーケンス制御機能とがある。その他ガスタービンの運転条件に望ましくない状態が発生した場合には警報を発し、ガスタービン装置を自動的に停止させるための保安装置も装備している。
【００１３】
調整制御機能は、シーケンス制御機能と組み合わせてガスタービンの運転状態に対応して燃料供給量その他を調節する機能である。そして、この機能を達成するために、起動制御回路２２、加速制限制御回路２０、速度・負荷制御回路２４、負荷制限制御回路２６、排ガス温度制御回路３０、燃料ガス制御回路３６、燃料圧力制御回路３８、圧縮機入口案内翼制御回路を備えている。
ここで、起動制御回路２２はガスタービン起動時に着火、暖機、加速時等の燃料流量指令値の設定を行う回路であり、加速制限制御回路２０は、ガスタービン起動時ガスタービンの回転数１０を監視し、タービンの加速率が制限値を超えないように制御する回路である。速度・負荷制御回路２４は定格速度到達後の系統との同期揃速及び負荷運転時の速度調定率にしたがったガバナ運転を制御する回路ある。同期揃速時のガバナ設定回路１８の出力の調整は、ガスタービン制御装置が行う。一方、負荷運転時のガバナ設定回路１８の出力は排ガス温度制御回路３０の出力の制限内で最大となるように調節するか、または操作員が手動によって設定した負荷設定回路１４の出力値と発電機の出力１２とが一致するように負荷制御手段１６において自動的に調整する。
【００１４】
負荷制限制御回路２６は、負荷運転時に負荷制限設定による出力一定運転を行う回路であり、排ガス温度制御回路３０は起動時及び負荷運転時のガスタービン排ガス温度のリミット制御を行う回路である。そして、起動時には、熱伝対６６により検出されたガスタービン排ガス温度が許容値を超えないように燃料を制御し、負荷運転時には圧力変換器６４の出力である燃焼器出口の圧力に基づいて温度設定手段２８が設定したガスタービン排ガス温度に従って最大出力を制限する。なお、温度リミット制御ではガスタービン入口温度に代えてガスタービン出口温度を計測し、ガスタービンの圧縮機吐出圧力で補正した値を制御に用いる。
【００１５】
最小信号選択回路は上述の５つの制御回路から出力される信号の中で最小の信号を燃料制御信号として選択する。また、燃料ガス制御回路３６は、最小信号選択回路３２から出力された燃料制御信号（ＦＦＤ）３４に基づいて燃料流量制御弁の弁開度を定め、燃焼器１２４へ噴射する燃料量を制御する。一方、燃料圧力制御回路３８は、燃料流量制御弁４２、４８前に設けた圧力変換器４４、５０の出力が所定値になるように、ガスタービンの回転数４０に対応して制御する。さらに、圧縮器入口案内翼制御回路はガスタービンの排気温度を許容値以内で最高にするように吸込空気量を調節する回路である。そして、起動時にはガスタービンの圧縮機に生ずる空気の脈動を防止するために、最小開度に保持される。
【００１６】
このような各種制御を行いながらガスタービン装置は運転されるが、負荷遮断時には燃料制御回路３６の出力に基づいて燃料流量制御弁４２、４８を急閉する。
この様子を図２及び図３により説明する。遠心圧縮機１０１によりガスタービンの燃焼器１２４に都市ガス又は液化天然ガスが圧送される。ここで、遠心圧縮機は低圧段１２１と高圧段１２２から構成されており、これら２つの段の間には中間クーラー１０５が配設され、低圧段で昇温した燃料を冷却して高圧段へ送っている。低圧段１２１の上流側には低圧段側から順にオリフィス１０４、吸込弁１０３、吸込チェック弁１０２が配管接続されている。一方高圧段１２２の下流側には高圧段から順次吐出チェック弁１０６、吐出タンク１０９が配管接続されている。この吐出タンク１０９の下流側には、ガスタービン１１３の燃料圧力制御弁４６、５２及び燃料流量制御弁４２、４８が各燃料配管系統ごとに直列に接続されている。ここで、燃料配管は例えば４インチ径の配管である。
【００１７】
遠心圧縮機１０１の高圧段の出口近傍から低圧段の吸い込みチェック弁とオリフィス１０４との間には、遠心圧縮機１０１を回流する管（以下、回流を便宜的にバイパスと称す）であるバイパス管が設けられ、このバイパス管の途中にはバイパス弁１０７及びバイパスクーラー１０８が設けられている。遠心圧縮機１２３の流量が低下するにつれ、遠心圧縮機１２３はサージング領域に入り、ついには振動現象を引き起こす。そこで、遠心圧縮機のサージングを防止するために、遠心圧縮機内を流れる流量を増やし、遠心圧縮機をでた後にその一部を吸い込み側に戻すバイパス流路を設けている。さらに、高圧段の出口近傍には圧力検出用のセンサーを設け、そのセンサーの出力を伝送器１４６で圧力指示調節計１４０に伝送する。一方、低圧段１２１の上流に設けたオリフィス１０４で測定した燃料流量は、流量伝送器１４２により燃料流量指示調節計１４４へ伝送される。
【００１８】
本発明では、ガスタービンの燃料制御指令（ＦＦＤ）とバイパス弁１０７の開度の関係を設定し、燃料制御指令（ＦＦＤ）が小さくなったら自動的にバイパス弁１０７を開けるようにする。また、従来遠心圧縮機に適用していた、圧縮機吸込流量をオリフィスにより監視し、流量の下限値に達したらバイパス弁１０７を開ける制御方式を併用することも考えられる。その場合は、燃料制御指令（ＦＦＤ）と吸込流量制御指令のいずれかが入力されたら、バイパス弁１０７を開ける。これらいずれの方法においても、圧力伝送器１４６、圧力指示調節計１４０、流量伝送器１４２、流量指示調節計１４４を含む遠心圧縮機サージプロテクション制御装置７０が作動し、その結果として遠心圧縮機バイパス弁開度指令７４が指令される。
【００１９】
図４にガスタービン負荷が急変する典型的な場合である非常負荷遮断時の系統図を示す。
非常停止押しボタンの操作（ステップ２０２）、電気式過速度トリップ作動（ステップ２０４）、ガスタービントリップ作動（ステップ２０６）、発電機トリップ条件作動（ステップ２０８）、ボイラトリップ条件作動（ステップ２１０）等の非常指令がガスタービン制御装置に入力されると、遮断電磁弁が開となり（ステップ２１４）、同時に非常調速装置が作動（ステップ２１２）するとともに、現場手動トリップ用遮断油圧弁を開にして（ステップ２１６）遮断油圧を低下させ（ステップ２１８）、最終的に燃料ガス制御回路３６の指令により燃料ガス制御弁を閉にする（ステップ２２０）。
【００２０】
ところで、このように負荷が急変する場合に従来のバイパス弁を開ける方式を用いると応答が間に合わず、瞬時に遠心圧縮機の吐出圧力が上昇し、ガスタービンの回転数が上限値を越えてしまう。これを防止するために、バイパス弁として瞬時（約０．１秒）に遮断できる弁を用いることは４インチ径もある燃料配管では非常に高価であるとともに、装置の大型化を招く。そこで、ガスタービン燃料制御指令（ＦＦＤ）３４を燃料ガス制御回路３６と同時に燃料圧送用の遠心圧縮機のバイパス弁に入力する。ここで、燃料制御指令３４と燃料ガスバイパスコントロール弁１０７の開度との間にはガスタービン装置に応じて予めある関係が定まっている。すなわち、図５にその一例を示すように、燃料制御指令が７０％まではバイパス弁を全閉とし、燃料制御指令が減少するに従ってバイパス弁を開いていき、燃料制御指令が０％では弁開度を４０％まで開く。この関係式をガスタービン制御装置に記憶させておき、燃料制御信号が更新される度に、この記憶値を呼び出すことにより、迅速な負荷変化への対応が可能となる。
【００２１】
図６、図７及び図８に負荷遮断時の各値の時間的変化を示す。図６はその概念図であり、図７、図８は測定結果の一例である。
図６で、燃料制御指令（ＦＦＤ）３４が燃料減少の指令を発生すると、ガスタービン燃料流量制御弁４２、４８の開度もＦＦＤの指令量に応じて減少する。燃料減少の指令が生じたので、ガスタービン装置は遠心圧縮機の制御装置に対し燃料の圧送量を減少させるように指示する。このとき、単に遠心圧縮機の流量を減少させると遠心圧縮機はサージングを引き起こすので、遠心圧縮機内を流れる流量は所定量以上である必要がある。そこで、遠心圧縮機のバイパス弁開度指令が発生される。この指令は、燃料制御指令（ＦＦＤ）の発生とほぼ同時に発生しているので、遠心圧縮機のバイパス弁の開度は従来に比較して時間遅れが少なく変化する。なお、バイパス弁の開閉動作は機械的な動作であるので、指令を達成するまでには他の動作に比べて時間が多く費やされる。以上のように吸込流量弁１０３、バイパスコントロール弁１０７、燃料流量制御弁４２、４８を制御すると、図６の最下段に示したように遠心圧縮機の吐出圧力はその上限値を超えることがなく、従ってサージングを防止できる。
【００２２】
図８に示すように、燃料流量調節弁を２秒間で全閉にしバイパス弁１０７を０％から３７％まで開くと、図７に示した燃料ガス流量は約７１００ｍ３／ｈｒから約６１００ｍ３／ｈｒに減少するが、遠心圧縮機出口の燃料ガスの圧力は約２５ｋｇ／ｃｍ２から約２７．７ｋｇ／ｃｍ２に増加するに留まり、遠心圧縮機で問題となるサージングの発生を防止できる。なお、サージングが発生していないことは吐出ガス圧力線図から確認できる。これにより、信頼性の高いガスタービン装置が得られる。又、上記の制御を実施することにより遠心圧縮機の出口の圧力変動を小さくすることが出来、圧力変動を吸収するために設けた吐出タンク１０９の容積を小さくすることも可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスタービン装置において負荷遮断という急激な負荷変動時においても、最小信号選択回路からの出力信号である燃料制御信号を遠心圧縮機のバイパス弁へも出力するので、バイパス弁を早いタイミングで開けることができ、遠心圧縮機の吐出圧力を上限値以下に出来る。その結果、ガスタービンを所要回転数範囲内で運転することが可能となり、ガスタービン装置の信頼性を向上できる。また、遠心圧縮機の吐出圧力の変動幅を小さくすることで、遠心圧縮機とガスタービンの間に設けた吐出タンクの容積を小さくすることが可能となる。
【００２４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のガスタービン装置の制御系統図。
【図２】図１の主要部。
【図３】本発明の一実施例の遠心圧縮機の制御系統図。
【図４】本発明の一実施例のガスタービン装置の非常遮断系統図。
【図５】弁開度線図。
【図６】ガスタービン装置の負荷遮断時のタイムチャート。
【図７】本発明の一実施例のガスタービン装置の測定結果を示す図。
【図８】本発明の一実施例のガスタービン装置の測定結果を示す図。
【符号の説明】
２０…加速制限制御回路、２２…起動制御回路、２４…速度負荷制御回路、２６…負荷制限制御回路、３０…排ガス温度制御回路、３２…最小信号選択回路、３４…燃料制御信号（指令）、３６…燃料ガス制御回路、４２、４８…ガスタービン燃料流量制御弁、７０…遠心圧縮機サージプロテクション制御回路、７４…遠心圧縮機バイパス弁開度指令、１０１…遠心圧縮機、１０２…吸込チェック弁、１０３…吸込弁、１０４…オリフィス、１０５…中間クーラー、１０６…吐出チェック弁、１０７…バイパス弁、１０８…バイパスクーラー、１０９…吐出タンク、１１３…ガスタービン、１２３…圧縮機、１２４…燃焼器、１２５…タービン。

Claims (2)

1. 圧縮機段（１２３）とタービン段（１２５）と燃焼器（１２４）とを有し、都市ガスまたは液化天然ガス等の可燃性ガスを前記燃焼器に遠心圧縮機（１０１）を用いて圧送し燃焼させることにより動力を発生するガスタービン（１１３）と、該ガスタービンを制御する制御装置とを備えたガスタービン装置において、前記燃焼器に供給する可燃性ガス量を調節する第１の流量調節弁（４２、４８）と、前記遠心圧縮機の下流側であってこの第１の流量調節弁の上流側から遠心圧縮機の入口側へ回流するバイパス流路と、このバイパス流路を開閉する第２の流量調節弁（１０７）とを設け、前記制御装置に前記可燃性ガスの流量を制御する流量制御（ＦＦＤ）手段（３４）を設け、この流量制御（ＦＦＤ）手段は前記第１の流量調節弁に開度信号を指令すると同時に前記第２の開閉手段に開閉信号を指令し、前記遠心圧縮機のサージングと前記タービン段の過回転を回避することを特徴とするガスタービン装置。
2. 前記流量制御（ＦＦＤ）手段が前記第２の流量調節弁に指令する信号の大きさとこの第２の流量調節弁の開度との関係を予め記憶した記憶手段を前記制御装置に設けたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。

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