JP3730275B2

JP3730275B2 - Variable guide vane control device for gas turbine

Info

Publication number: JP3730275B2
Application number: JP31728394A
Authority: JP
Inventors: 尚毅持田; 房司柿崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: JPH0882228A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ガスタービンの可変案内翼制御装置に係り、特に、空気圧縮機の運転中に発生するサージングを防止するに好適なガスタービンの可変案内翼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンに軸直結した空気圧縮機を有するガスタービンは、起動時間が蒸気タービンに比較して極めて短かいことも手伝って発電時のピーク負荷用原動機として、また蒸気タービンと組み合せた、いわゆるコンバインドサイクル発電用の原動機として数多く実施されており、その代表的構成例は図８に示すものがある。
【０００３】
このガスタービンは、空気圧縮機１，燃焼機４，タービン５を備えている。
【０００４】
空気圧縮機１は、大気（空気）の流れに沿って翼３を多段落に配する、いわゆる軸流タイプであって、その入口には可変案内翼２を備え、起動時や部分負荷時、これを開閉させて吸い込む大気の流量を調整している。
【０００５】
このような構成のガスタービンは、空気圧縮機１により可変案内翼２の開度を調整しながら大気を吸い込み、多段落に配する翼３により圧縮化され、その圧縮化された高圧流体を燃焼器４に送り出し、ここで燃料弁６からの燃料が加えられて作動ガスを作り出し、作り出された作動ガスをタービン５に送って膨脹仕事をさせて回転トルクを得、膨脹仕事後の作動ガスを排ガスとして大気に放出しており、こうして膨脹仕事により得た回転トルクを図示しない発電機に伝えて電力を取り出している。
【０００６】
ところで、上記可変案内翼２は、起動時や部分負荷時、圧縮空気１から吸い込む大気の変動があり、このため段翼に配する翼２にサージング（失速）が発生することを避けるために開閉させるものであって、その翼開度演算回路は図９に示すものが使用されている。
【０００７】
全体を符号１０で示す翼開度演算回路は、関数発生器１２、可変翼開度定数設定器１１、演算部分１３，１５、高値選択回路１６、翼開度位置制御回路１８を備えている。
【０００８】
上記構成の翼開度演算回路１０において、関数発生器１２は空気圧縮機１の出口側に備える圧力検出器１１からの圧縮空気圧信号を受けており、ここでその空気圧信号に基づいてタービン５から出る排ガスの温度換算値が作り出されている。関数発生器１２により作り出された排ガス温度換算値の出力信号は、演算部分１３，１５のうち、減算部１３に送られ、ここでタービン５の出口側に備える温度検出器１４からの実排ガス温度信号と突き合され、減算後、演算部１５により比例・積分動作がなされ、高値選択回路１６に送り出されている。
【０００９】
高値選択回路１６は、他の出力信号として可変案内翼開度定数設定器１７からの信号を受けており、ここで突き合され、いずれか高値の信号を選択して翼開度位置制御回路１８に送り出している。
【００１０】
翼開度位置制御回路１８は、上述の出力信号のほかに可変案内翼駆動部２ａに備える検出器１９からの実可変翼開度位置信号をフィードバックとして受けており、ここで突き合させ、偏差が生じた場合、その偏差を可変案内翼駆動部２ａに与えて可変案内翼２の開度位置を修正している。
【００１１】
このようにして、従来の翼開度演算回路１０は、起動時や部分負荷時のように空気圧縮機１の吸い込む大気の変動に伴なうタービン５に送られる作動ガス温度の低下を防止する一方、空気圧縮機１の翼３のサージングに対処していた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ガスタービン出力（負荷）と可変案内翼開度との関係は、図１０にも示されているように、起動時または部分負荷時、可変案内翼２を所与値のまま一定開度に保持しておき、ガスタービンの出力が７０〜８０％を境に全開きさせるかまたは絞り開度（一定開度）に制御している。このような可変案内翼２の開度制御の下、空気圧縮機１は吸込み大気の流量を調整しているが、可変案内翼２の開度が一定に保持されているときに空気圧縮機１の翼３にサージングが起こることが多い。
【００１３】
図１１は、上述した可変案内翼２の作動方法における可変案内翼２の作動範囲（開度）を大気温度との関係で示した図であり、斜線部ａが作動範囲となる。大気温度が低下すると、空気の密度が濃くなり、より密度の高い空気を燃焼器４に押し込むため圧縮空気の圧力が上昇してしまう。圧縮空気の圧力が上昇すれば空気の体積が減少し圧縮機翼３を流れる空気の流速が低下し、圧縮機翼３での失速現象が発生し易くなる。
【００１４】
また一方、可変案内翼２の開度を小さくすれば圧縮機１が吸い込む空気流量が急激に減少し、圧縮機翼３を通過する空気の流速が低下し、圧縮機翼３での失速現象が発生し易くなる。
【００１５】
以上の原理より、大気温度が低い場合で、かつ可変案内翼２の開度が小さい運転状態では、圧縮機翼３での空気の流速が低下し、失速現象が発生し易いことになる。
【００１６】
図１１で示す作動範囲のうち極低大気温度の黒塗り領域ｂにて圧縮機翼３での失速現象、つまりサージング現象が発生してしまう。
【００１７】
このサージングを、さらに具体的に、図１２を用いて説明する。従来、起動時または部分負荷時に可変案内翼２を上述のように、所与値のまま一定開度に保持し、タービン５に送られる作動ガス温度の低下を防止する一方、サージング防止に対処してはいるものの、空気圧縮機１が吸い込む大気は、その温度変化に比例して吸い込む体積重量も増減変化する関係にある。このため、大気温度が低下すると、大気の密度が高くなって、空気圧縮機１の翼３により押圧される圧縮流体圧は過度に高くなり、これに伴ってその機内を通過する流速は著しく低下する。この流速の低下により、図５に示すように、翼３の背側に境界剥離が生じ、この領域に負圧が一瞬生じた次の瞬間に圧縮流体が通過することによって翼３にサージングが起きている。
【００１８】
このサージング発生防止は、図９でも述べたように、燃焼器４からタービン５に送られる作動ガス温度を一定値に保持しつつ、この間、サージングを考慮して関数発生器１２の出力信号と可変案内翼開度設定器１７の出力信号とのうち、いずれか高値信号を高値選択回路１６により選択して可変案内翼２の開度位置を修正している。
【００１９】
ところが、近年のガスタービンは、大容量化の開発が進み、高出力化に伴ってタービン５に送られる作動ガスの高温化と相俟って空気圧縮機１の大気吸込量も従来よりも大幅に増加しており、このような条件の下では、従来の翼開度演算回路１０を用いてサージングの発生を防止することに一抹の不安を抱えている。すなわち、翼開度演算回路１０に組み込まれた可変案内翼開度設定器１７は、予め経験的に定められた一定値のみを出力信号とするだけに、可変案内翼２の開度修正幅が狭く、大気の温度変化の幅が比較的小さいならばともかく、冬季のように例えば０℃になる場合、この温度変化に伴って空気圧縮機１を通過する大気の流速を適正値に調整することが難しく、このため運転操作員は何時、サージングが起こるか予想がつかないまま運転せざるを得ず、常に不安を抱えながら運転している等の問題があった。
【００２０】
この発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、サージングが発生せず、安定したガスタービンの運転を行なうことができるガスタービンの可変案内翼制御装置を提供することを目的とする。
【００２１】
この発明の他の目的は、空気圧縮機の吸い込む大気が従来よりも大幅に増加し、また吸い込む大気の温度が大幅にかつ急激に変化しても、その吸い込む大気の流量，温度変化に迅速に追従して可変案内翼の開度を好ましく修正できるようにしたガスタービンの可変案内翼制御装置を提供するにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るガスタービンの可変案内翼制御装置は、空気圧縮機からの圧縮空気圧信号を受けてタービンの排ガス温度換算値を作り出す関数発生器り出す関数発生器と、上記関数発生器の出力信号とタービンからの排ガス温度信号との偏差に基づいて翼開度信号を作り出す翼開度演算回路を備えるとともに、上記空気圧縮機の可変案内翼の実開度を検出する実翼開度位置検出器を備え、上記翼開度演算回路からの翼開度信号と上記実翼開度位置検出器からの出力信号とに基づいて上記可変案内翼の開度を修正せしめるガスタービンの可変案内翼制御装置において、上記空気圧縮機の入口側に温度検出器を設け、上記関数発生器とは別に、上記温度検出器からの信号を受けて可変案内翼の開度信号を作り出す第１関数発生器を設け、上記第１関数発生器からの出力信号と上記翼開度演算回路からの翼開度信号のうち、いずれか高値信号を選択して可変案内翼駆動部に可変案内翼の翼開度修正信号として与える高値選択回路翼開度修正信号を作り出す翼開度演算修正回路を設けてなり、この翼開度演算修整回路により作り出された翼開度修正信号と上記実翼開度位置検出器からの出力信号とに基づいて上記可変案内翼の開度を修正せしめたものである。
【００２７】
【作用】
この発明に係るガスタービンの可変案内翼制御装置は、従来と異なり大気の温度変化を検出する温度検出器を設け、検出された大気温度変化信号をファクターとして翼開度演算修正回路により可変案内翼の翼開度修正信号を作り出している。
【００２８】
この場合の翼開度演算修正回路のうち、第１関数発生器は大気温度変化と可変案内翼の開度とを特定の関係をもたせながら翼開度修正信号を作り出して出力しているので、ガスタービン容量の大出力化により空気圧縮機の吸込み大気量が大幅に増加し、この吸込み量の体積重量が大気温度変化により大幅に増減変化しても、その変化に迅速に追従できるよう可変案内翼を適正開度に修正することができる。
【００２９】
したがって、可変案内翼は大気温度の変化の下、適正開度位置に修正することできるから、空気圧縮機の吸い込む大気の体積重量に過不足があっても確実にサージングを防止することができる。
【００３０】
また、この発明によれば、圧縮空気の一部を大気放出することにより圧縮機での内圧が低下することになり、圧縮機翼での空気の流速を確保し、サージングの発生しない安全な運転が可能となる。
【００３１】
また、この発明によれば、極低大気温度時にも圧縮機での内圧を常に規定値とすることとなり、圧縮機翼での空気の流速を確保し、サージングの発生しない安全な運転が可能となる。
【００３２】
さらに、この発明によれば、極低大気温度時にも圧縮機での内圧を限定することとなり、圧縮機翼での空気の流速を確保し、サージングの発生しない安全な運転が可能となる。
【００３３】
【実施例】
以下、この発明に係るガスタービンの可変案内翼制御装置の一実施例を添付図面を参照して説明する。
【００３４】
図１は、この発明に係るガスタービンの可変案内翼制御装置の一例を示す略示図である。
【００３５】
ガスタービンは、タービン５に軸直結する空気圧縮機１を備え、空気圧縮機１からの圧縮空気とともに燃料を加えて燃焼器４により作動ガス（燃焼ガス）を作り出し、その作動ガスをタービン５に与えて膨脹仕事をさせている。また、空気圧縮機１には可変案内翼２を備えており、この可変案内翼２は翼開度演算修正回路２０により開度を修正している。
【００３６】
翼開度演算修正回路２０には第１関数発生器２２と第２関数発生器１２が組み込まれている。
【００３７】
第１関数発生器２２は、空気圧縮機１の入口に設けた温度検出器２１からの大気温度変化信号を受けており、この大気温度変化信号に基づいて可変案内翼２の開度信号が作り出されて高値選択回路１６に送り出されている。
【００３８】
第２関数発生器１２は、空気圧縮機１の出口側に設けた圧力検出器１１からの圧縮空気圧信号を受けており、この圧縮空気圧信号に基づいてタービン５の排ガス温度換算値が作り出されている。第２関数発生器１２により作り出された排ガス温度換算値の出力信号は、減算部１３に送られ、ここでタービン５の出口に設けた排ガス温度検出器１４からの実排ガス温度信号と突き合され、減算後、演算部１５により比例・積分動作がなされ、高値選択回路１６に送り出されている。
【００３９】
高値選択回路１６は、第１関数発生器２２により作り出された可変案内翼２の開度信号と、タービン５に送られる作動ガス温度を一定にするために第２関数発生器１２により作り出された排ガス温度換算値の演算信号とのうち、いずれか高値信号を選択して翼開度位置制御回路１８に送り出し、ここで可変案内翼駆動部２ａの検出器１９からの実可変案内翼開度位置と突き合せ、偏差が生じた場合、その偏差を可変案内翼２ａに与えて可変案内翼２の開度位置を修正している。
【００４０】
このように、この発明に係る翼開度演算修正回路２０では、空気圧縮機１から吸い込む大気の温度変化をファクターにして可変案内翼２の開度を修正しているので、空気圧縮機１は大気の温度に対応して適正な大気量を吸い込むことができ、このような適正な大気の吸込み量の下、空気圧縮機内を通過する流体の流速変化は起きず、したがってサージングを防止することができる。
【００４１】
次に、図２によって、本発明に係るガスタービンの可変案内翼制御装置における圧縮機保護装置を説明する。
【００４２】
図２に示すように、圧縮機１にて圧縮された高圧空気の一部は、圧縮機１の抽気部または吐出部に接続された放出管２０により、放出止め弁２１および放出空気流量調節弁２３を経由して、ガスタービン５の排気ガス中に放出される。なお、放出先は大気、または圧縮機１の吸込部でも良い。
【００４３】
図３はガスタービン圧縮機保護装置の参考例を示している。
【００４４】
圧縮機１の入口に設けられた大気温度検出器３２と、圧縮機１の回転軸に設けられた回転数検出器３１と、可変案内翼２に設けられた可変案内翼位置検出器１９の信号とが、ガスタービン圧縮機保護装置３０内の演算器３３に入力される。演算器３３では圧縮機修正流量を演算し、その結果を関数発生器３４へ出力する。
【００４５】
関数発生器３４は、圧縮機修正流量と圧縮機圧力比設定の関係式を持っており、圧縮機修正流量が小さい時には圧縮機圧力比設定も小さくなるようになっている。これらの関係式については後に説明する。
【００４６】
関数発生器３４からの圧縮機圧力比設定は、減算器３５へ出力される。また、圧縮機１の入口部に設けられた圧力検出器３６からの圧縮機入口圧力信号と、圧縮機１の吐出部に設けられた圧力検出器１１からの圧縮機吐出圧力信号とが、ガスタービン圧縮機保護装置３０内の除算器３７に入力される。
【００４７】
除算器３７は、圧縮機吐出圧力信号を圧縮機入口圧力信号で除算することにより実圧縮機圧力比信号を演算し、その結果を減算器３５へ出力する。減算器３５は関数発生器３４からの圧縮機圧力比設定信号と除算器３７からの実圧縮機圧力比信号との差を演算し、その結果の偏差信号を調節計３８へ出力する。調節計３８は比例および積分要素を持ち、減算器３５からの偏差信号が零になるように調節計３８の出力が放出空気流量調節弁２２の開度を制御する。
【００４８】
このガスタービン圧縮機保護装置３０により、極低大気温度時に可変案内翼２の開度が小さくなり圧縮機流量が低下した場合においても、圧縮機圧力比は常に規定値となるためサーシングは発生せず常に安全な運転が可能となる。
【００４９】
前述したガスタービン圧縮機臍装置３０の関係式等について詳述すると、以下の通りである。
【００５０】
すなわち、図３に参考例として示すガスタービン圧縮機保護装置３０内の修正流量演算器３３は、次の機能を持った演算器としている。
【００５１】
回転数検出器３１からのガスタービン空気圧縮機速度信号と、温度検出器３２とからの大気温度信号を基に、次の演算式より空気圧縮機修正速度Ｎｃを算出する。
【００５２】
【数１】

【００５３】
次に、上記式にて算出された空気圧縮機修正速度Ｎｃを基に、図４に示す特性の関数発生器を用いて空気圧縮機修正流量Ｇｃを算出する。図４において、空気圧縮機修正速度（修正回転数）Ｎｃが増加することによって、空気圧縮機修正流量Ｇｃは増加する。但し、図示の関数は空気圧縮機の効率を示し、空気圧縮機の空気吸込断面積は一定の場合を示す。
【００５４】
次に位置検出器１９よりの入口案内翼開度信号を基に、図５に示す特性の関数発生器を使用し、空気圧縮機の空気吸込断面積の補正係数を算出する。すなわち、図４に示す特性の関数発生器で算出される空気圧縮機修正流量は入口案内翼の開度が全開状態での流量となるため、実際の運転状態での流量とするために、左記の入口案内翼開度による補正を行う必要がある。
【００５５】
以上の演算をまとめると、図３の修正流量演算器３３は図６に示す構成となる。
【００５６】
また、以上の操作上の理論的根拠について説明すると、次のとおりである。体積重量Ｇは流量Ｑと比重量γとの積であり、
【数２】

となる。ここで比重量γは温度の関数γ＝γ（Ｔ）で、温度が高くなると比重量γは小さくなる。つまり、
【数３】

の逆比例になる。
【００５７】
したがって、大気温度が高くなると、比重量γは小さくなるから、仮に吸込流量Ｑが一定でも体積重量Ｇは、
【数４】

になる。
【００５８】
このため、高い大気温度の影響を受けてＧは小さくなるから、小さくなったＧにおいて回転数Ｎを修正する必要が生じ、Ｎｃを上式の通り補正する必要がある。なお、設計上、大気温度は１５℃とし、その温度のときの比重量γで、体積重量Ｇを定めている。
【００５９】
図７はガスタービン圧縮機保護装置の参考例を示している。
【００６０】
圧縮機１の入口に設けられた大気温度検出器３６からの温度信号と可変案内翼２に設けられた可変案内翼位置検出器１９からの可変案内翼開度信号がガスタービン圧縮機保護装置４０内の関数発生器４１に入力される。
【００６１】
この関数発生器４１は、大気温度と可変案内翼開度における圧縮機１の放出空気流量の関係式を持っており、大気温度が低い時に圧縮機１の放出空気流量を発生し、可変案内翼２の開度が高い程、その放出空気流量も大きくなるようになっている。この関数発生器４１からの圧縮機放出空気流量は、放出空気流量調節弁２２の弁開度設定と同等として扱うことができるため、関数発生器４１の出力が放出空気流量調節弁２２の開度を決定する。
【００６２】
このガスタービン圧縮機保護装置４０により圧縮機翼での空気流速が確保でき、サージングは発生せず安全な運転が可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明の通り、この発明に係るガスタービンの可変案内翼制御装置は、空気圧縮機が吸い込む大気の温度変化をファクターにして可変案内翼の翼開度信号を作り出し、また空気圧縮機からの圧縮空気圧に基づいてタービンの排ガス温度換算値を作り出し、さらにこの排ガス温度換算値にタービンの実排ガス温度を加えて演算し、この演算信号と上記翼開度信号とのうち、いずれか高値信号を選択して可変案内翼に翼開度修正信号を与える翼開度演算修正回路を設けているので、空気圧縮機は可変案内翼により大気の温度変化に対応して適正大気量を吸い込むことができる。このため空気圧縮機は、大気温度の変化があっても過不足のない大気の体積重量の確保の下、流速をほぼ一定にでき、サージングを防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンの可変案内翼制御装置の一実施例を示すブロック図。
【図２】前記可変案内翼制御装置における圧縮機保護装置を示す図。
【図３】圧縮機保護装置の参考例を示す図。
【図４】圧縮機保護装置における関数発生器の修正機能の参考例を示す特性図。
【図５】圧縮機保護装置における位置検出器の機能の参考例を示す特性図。
【図６】圧縮機保護装置における修正流量演算器の機能の参考例を示す構成図。
【図７】圧縮機保護装置の参考例を示す図。
【図８】従来の代表的なガスタービンの略示図。
【図９】従来のガスタービンの可変案内翼制御装置のブロック図。
【図１０】可変案内翼開度とガスタービン出力との関係を示すグラフ。
【図１１】可変案内翼開度と大気温度との関係を示すグラフ。
【図１２】翼にサージングが発生したことを示す空気の挙動を表わした図。
【符号の説明】
１空気圧縮機
２可変案内翼
２ａ可変案内翼駆動部
３翼
４燃焼器
５タービン
１１圧力検出器
１２第２関数発生器
１３減算部
１４排ガス温度検出器
１５演算部
１６高値選択回路
１８翼開度位置制御回路
１９検出器
２０翼開度演算修正回路
２１温度検出器
２２第１関数発生器
２３放出空気流量調節弁
３０ガスタービン圧縮機保護装置
３１回転数検出器
３２大気温度検出器
３３演算器
３４関数発生器
３５減算器
３６圧力検出器
３７除算器
３８調節計
４０ガスタービン圧縮機保護装置
４１関数発生器[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a variable guide blade control device for a gas turbine, and more particularly to a variable guide blade control device for a gas turbine suitable for preventing surging that occurs during operation of an air compressor.
[0002]
[Prior art]
A gas turbine having an air compressor directly connected to the turbine is a so-called combined cycle power generation system that is used as a prime load power generator during power generation and is combined with a steam turbine, helping that the start-up time is extremely short compared to a steam turbine. Many examples are shown in FIG. 8 as a typical configuration.
[0003]
This gas turbine includes an air compressor 1, a combustor 4, and a turbine 5.
[0004]
The air compressor 1 is a so-called axial flow type in which the blades 3 are arranged in multiple stages along the flow of the atmosphere (air). The air compressor 1 includes a variable guide blade 2 at the inlet thereof, and is activated or partially loaded. The air flow is adjusted by opening and closing it.
[0005]
The gas turbine having such a configuration sucks the atmosphere while adjusting the opening of the variable guide vane 2 by the air compressor 1 and is compressed by the blades 3 arranged in multiple stages, and burns the compressed high-pressure fluid. The fuel from the fuel valve 6 is added to produce working gas, and the produced working gas is sent to the turbine 5 to perform expansion work to obtain rotational torque, and the working gas after the expansion work is obtained. The exhaust gas is discharged into the atmosphere as an exhaust gas, and thus the rotational torque obtained by the expansion work is transmitted to a generator (not shown) to extract electric power.
[0006]
By the way, the variable guide vane 2 is opened and closed in order to avoid surging (stall) from occurring in the airfoil 2 that is arranged in the step blades due to the fluctuation of the atmosphere sucked from the compressed air 1 at the time of start-up or partial load. The blade opening calculation circuit shown in FIG. 9 is used.
[0007]
The blade opening calculation circuit generally indicated by reference numeral 10 includes a function generator 12, a variable blade opening constant setter 11,

calculation parts

13 and 15, a high value selection circuit 16, and a blade opening position control circuit 18.
[0008]
In the blade opening degree calculation circuit 10 having the above configuration, the function generator 12 receives a compressed air pressure signal from the pressure detector 11 provided on the outlet side of the air compressor 1, and here, from the turbine 5 based on the air pressure signal. A temperature-converted value of the exhaust gas that comes out is created. The output signal of the exhaust gas temperature converted value generated by the function generator 12 is sent to the subtracting unit 13 of the

calculation parts

13 and 15, where the actual exhaust gas temperature from the temperature detector 14 provided on the outlet side of the turbine 5. After the signal is matched and subtracted, a proportional / integral operation is performed by the arithmetic unit 15 and sent to the high value selection circuit 16.
[0009]
The high value selection circuit 16 receives a signal from the variable guide blade opening constant setter 17 as another output signal, which is matched here, and selects one of the high value signals to select the blade opening position control circuit 18. Have been sent out.
[0010]
The blade opening position control circuit 18 receives the actual variable blade opening position signal from the detector 19 provided in the variable guide blade drive unit 2a as feedback in addition to the output signal described above. When this occurs, the deviation is given to the variable guide blade drive unit 2a to correct the opening position of the variable guide blade 2.
[0011]
In this way, the conventional blade opening degree calculation circuit 10 prevents a decrease in the temperature of the working gas sent to the turbine 5 due to a change in the atmosphere sucked in by the air compressor 1 at the time of startup or partial load. On the other hand, the surging of the blades 3 of the air compressor 1 was dealt with.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, the relationship between the gas turbine output (load) and the variable guide vane opening degree, as shown in FIG. 10, is a constant opening degree with the variable guide vane 2 kept at a given value at start-up or partial load. The output of the gas turbine is fully opened at the boundary of 70 to 80%, or is controlled to the throttle opening (constant opening). Under such control of the opening degree of the variable guide vane 2, the air compressor 1 adjusts the flow rate of the intake air, but when the opening degree of the variable guide vane 2 is kept constant, the air compressor 1. Surging often occurs in the wings 3.
[0013]
FIG. 11 is a diagram showing the operating range (opening) of the variable guide vane 2 in relation to the atmospheric temperature in the above-described method of operating the variable guide vane 2, and the shaded portion a is the operating range. When the atmospheric temperature is lowered, the density of the air is increased, and the pressure of the compressed air is increased because the denser air is pushed into the combustor 4. When the pressure of the compressed air increases, the volume of the air decreases, the flow velocity of the air flowing through the compressor blades 3 decreases, and the stall phenomenon in the compressor blades 3 is likely to occur.
[0014]
On the other hand, if the opening degree of the variable guide vane 2 is reduced, the air flow rate sucked by the compressor 1 is drastically reduced, the flow velocity of the air passing through the compressor vane 3 is lowered, and the stall phenomenon in the compressor vane 3 is caused. It tends to occur.
[0015]
Based on the above principle, when the atmospheric temperature is low and the opening degree of the variable guide vane 2 is small, the flow velocity of air at the compressor vane 3 is reduced, and a stall phenomenon is likely to occur.
[0016]
In the operating range shown in FIG. 11, a stall phenomenon, that is, a surging phenomenon, occurs in the compressor blades 3 in the black coating region b at an extremely low atmospheric temperature.
[0017]
This surging will be described more specifically with reference to FIG. Conventionally, as described above, the variable guide vanes 2 are maintained at a constant opening degree at a given value at the time of start-up or partial load to prevent a decrease in the temperature of the working gas sent to the turbine 5 and to prevent surging. However, the air sucked by the air compressor 1 has a relationship that the volume weight sucked in proportion to the temperature change also changes. For this reason, when the atmospheric temperature is lowered, the density of the atmosphere is increased, the compressed fluid pressure pressed by the blades 3 of the air compressor 1 is excessively increased, and accordingly, the flow velocity passing through the inside of the machine is significantly reduced. To do. As shown in FIG. 5, boundary flow separation occurs on the back side of the blade 3 due to the decrease in the flow velocity, and surging occurs in the blade 3 by the passage of the compressed fluid at the next moment when negative pressure is momentarily generated in this region. ing.
[0018]
As described above with reference to FIG. 9, this surging is prevented by maintaining the temperature of the working gas sent from the combustor 4 to the turbine 5 at a constant value, while taking the surging into account and changing the output signal of the function generator 12. Of the output signals of the guide blade opening degree setting unit 17, one of the high value signals is selected by the high value selection circuit 16 to correct the opening position of the variable guide blade 2.
[0019]
However, in recent years, gas turbines have been developed for larger capacities, and as the output increases, the amount of air sucked into the air compressor 1 is significantly larger than before due to the higher temperature of the working gas sent to the turbine 5. Under such conditions, there is some concern about preventing the occurrence of surging using the conventional blade opening degree calculation circuit 10. That is, the variable guide vane opening degree setting unit 17 incorporated in the blade opening calculation circuit 10 uses only a fixed value determined empirically in advance as an output signal, so that the opening correction width of the variable guide vane 2 can be increased. Regardless of being narrow and having a relatively small range of atmospheric temperature changes, when the temperature becomes 0 ° C., for example, in winter, the flow rate of the atmosphere passing through the air compressor 1 is adjusted to an appropriate value along with this temperature change. For this reason, there is a problem that the driving operator is forced to drive without being able to predict when surging will occur and is always driving with anxiety.
[0020]
The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a variable guide vane control device for a gas turbine that does not generate surging and can stably operate the gas turbine.
[0021]
Another object of the present invention is to increase the flow rate and temperature of the sucked air quickly even if the air sucked by the air compressor is greatly increased than before and the temperature of the sucked air changes drastically and rapidly. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a variable guide vane control device for a gas turbine that can follow the opening degree of the variable guide vanes preferably.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
A variable guide vane control device for a gas turbine according to a first aspect of the present invention is a function generator for generating a function to generate an exhaust gas temperature converted value of a turbine in response to a compressed air pressure signal from an air compressor , and the function generator A blade opening calculation circuit for generating a blade opening signal based on the deviation between the output signal of the engine and the exhaust gas temperature signal from the turbine, and an actual blade opening for detecting the actual opening of the variable guide blade of the air compressor A gas turbine variable guide having a position detector and correcting the opening of the variable guide blade based on a blade opening signal from the blade opening calculation circuit and an output signal from the actual blade opening position detector In the blade control device, a temperature detector is provided on the inlet side of the air compressor , and separately from the function generator, a first function generation for generating a variable guide blade opening signal by receiving a signal from the temperature detector. Set up A high value signal is selected from the output signal from the first function generator and the blade opening signal from the blade opening calculation circuit, and is given to the variable guide blade drive unit as the blade opening correction signal of the variable guide blade. be provided vane opening operation correction circuit that produces a high value selection circuit vane opening correction signal, the output signal from the produced the vane opening correction signal and the actual vane opening position detector by the vane opening operation concealment circuit in which it was allowed fix the opening degree of the variable guide vane on the basis of and.
[0027]
[Action]
The variable guide vane control device for a gas turbine according to the present invention is provided with a temperature detector that detects a change in atmospheric temperature unlike the conventional one, and the variable guide vane is calculated by a blade opening degree calculation correction circuit using the detected atmospheric temperature change signal as a factor. The wing opening correction signal is generated.
[0028]
Of the blade opening calculation correction circuit in this case, the first function generator creates and outputs a blade opening correction signal while maintaining a specific relationship between the atmospheric temperature change and the opening of the variable guide blade. Increased gas turbine capacity greatly increases the amount of air sucked into the air compressor, and even if the volume weight of the air sucked changes greatly due to changes in atmospheric temperature, variable guidance is provided so that the change can be followed quickly. The wing can be corrected to an appropriate opening degree.
[0029]
Therefore, since the variable guide vane can be corrected to an appropriate opening position under a change in atmospheric temperature, surging can be reliably prevented even if the volume weight of the atmosphere sucked in by the air compressor is excessive or insufficient.
[0030]
Further, according to the present invention, by releasing a part of the compressed air to the atmosphere, the internal pressure in the compressor is lowered, the air flow rate in the compressor blade is ensured, and safe operation without surging occurs. Is possible.
[0031]
In addition, according to the present invention, the internal pressure in the compressor is always set to the specified value even at extremely low atmospheric temperatures, and the air flow rate at the compressor blades is secured, and safe operation without surging is possible. Become.
[0032]
Furthermore, according to the present invention, the internal pressure in the compressor is limited even at extremely low atmospheric temperatures, and the air flow rate at the compressor blades is secured, and safe operation without surging is possible.
[0033]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of a variable guide blade control device for a gas turbine according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0034]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a variable guide vane control device for a gas turbine according to the present invention.
[0035]
The gas turbine includes an air compressor 1 directly connected to the turbine 5, and fuel is added together with the compressed air from the air compressor 1 to produce a working gas (combustion gas) by the combustor 4, and the working gas is supplied to the turbine 5. Giving and doing expansion work. Further, the air compressor 1 is provided with a variable guide vane 2, and the variable guide vane 2 has its opening corrected by a blade opening calculation correction circuit 20.
[0036]
The blade function calculation correction circuit 20 includes a first function generator 22 and a second function generator 12.
[0037]
The first function generator 22 receives the atmospheric temperature change signal from the temperature detector 21 provided at the inlet of the air compressor 1, and the opening degree signal of the variable guide vane 2 is generated based on the atmospheric temperature change signal. And sent to the high value selection circuit 16.
[0038]
The second function generator 12 receives a compressed air pressure signal from the pressure detector 11 provided on the outlet side of the air compressor 1, and an exhaust gas temperature converted value of the turbine 5 is generated based on the compressed air pressure signal. Yes. The output signal of the exhaust gas temperature converted value generated by the second function generator 12 is sent to the subtracting unit 13 where it is matched with the actual exhaust gas temperature signal from the exhaust gas temperature detector 14 provided at the outlet of the turbine 5. After the subtraction, proportional / integral operation is performed by the arithmetic unit 15 and sent to the high value selection circuit 16.
[0039]
The high value selection circuit 16 is generated by the second function generator 12 in order to make the opening degree signal of the variable guide vane 2 generated by the first function generator 22 and the working gas temperature sent to the turbine 5 constant. Among the calculation signals of the exhaust gas temperature converted value, one of the high value signals is selected and sent to the blade opening position control circuit 18, where the actual variable guide blade opening position from the detector 19 of the variable guide blade drive unit 2a. If the deviation occurs, the deviation is given to the variable guide vane 2a to correct the opening position of the variable guide vane 2.
[0040]
As described above, in the blade opening calculation correction circuit 20 according to the present invention, the opening of the variable guide blade 2 is corrected using the temperature change of the air sucked from the air compressor 1 as a factor. A proper amount of air can be sucked in according to the temperature of the air, and under such a proper amount of sucked air, the flow velocity of the fluid passing through the air compressor does not change, and therefore surging can be prevented. it can.
[0041]
Then, depending on 2, illustrating the compressor protection device in the variable guide vane control device of a gas turbine according to the present invention.
[0042]
As shown in FIG. 2, a part of the high-pressure air compressed by the compressor 1 is discharged by a discharge stop valve 21 and a discharge air flow rate adjustment valve by a discharge pipe 20 connected to a bleed portion or a discharge portion of the compressor 1. 23 and is discharged into the exhaust gas of the gas turbine 5. The discharge destination may be the atmosphere or the suction part of the compressor 1.
[0043]
FIG. 3 shows a reference example of the gas turbine compressor protection device.
[0044]
Signals from the atmospheric temperature detector 32 provided at the inlet of the compressor 1, the rotational speed detector 31 provided at the rotating shaft of the compressor 1, and the variable guide blade position detector 19 provided at the variable guide blade 2. Is input to the calculator 33 in the gas turbine compressor protection device 30. The calculator 33 calculates the compressor correction flow rate and outputs the result to the function generator 34.
[0045]
The function generator 34 has a relational expression between the compressor correction flow rate and the compressor pressure ratio setting, and when the compressor correction flow rate is small, the compressor pressure ratio setting is also reduced. These relational expressions will be described later.
[0046]
The compressor pressure ratio setting from the function generator 34 is output to the subtractor 35. The compressor inlet pressure signal from the pressure detector 36 provided at the inlet portion of the compressor 1 and the compressor discharge pressure signal from the pressure detector 11 provided at the discharge portion of the compressor 1 are gas Input to the divider 37 in the turbine compressor protection device 30.
[0047]
The divider 37 calculates the actual compressor pressure ratio signal by dividing the compressor discharge pressure signal by the compressor inlet pressure signal, and outputs the result to the subtractor 35. The subtractor 35 calculates the difference between the compressor pressure ratio setting signal from the function generator 34 and the actual compressor pressure ratio signal from the divider 37, and outputs the resulting deviation signal to the controller 38. The controller 38 has proportional and integral elements, and the output of the controller 38 controls the opening degree of the discharge air flow rate control valve 22 so that the deviation signal from the subtractor 35 becomes zero.
[0048]
With this gas turbine compressor protection device 30, even when the opening degree of the variable guide vane 2 is reduced at a very low atmospheric temperature and the compressor flow rate is reduced, the compressor pressure ratio is always at the specified value, so that no surfing occurs. Therefore, safe operation is always possible.
[0049]
The relational expression and the like of the gas turbine compressor umbilical device 30 described above will be described in detail as follows.
[0050]
That is, the corrected flow rate calculator 33 in the gas turbine compressor protection device 30 shown as a reference example in FIG. 3 is a calculator having the following functions.
[0051]
Based on the gas turbine air compressor speed signal from the rotation speed detector 31 and the atmospheric temperature signal from the temperature detector 32, the air compressor correction speed Nc is calculated from the following arithmetic expression.
[0052]
[Expression 1]

[0053]
Next, based on the air compressor correction speed Nc calculated by the above equation, the air compressor correction flow rate Gc is calculated using a function generator having the characteristics shown in FIG. In FIG. 4, the air compressor correction flow rate Gc increases as the air compressor correction speed (correction speed) Nc increases. However, the function shown shows the efficiency of the air compressor, and shows the case where the air suction cross-sectional area of the air compressor is constant.
[0054]
Next, based on the inlet guide blade opening signal from the position detector 19, a function generator having the characteristics shown in FIG. 5 is used to calculate a correction coefficient for the air suction cross section of the air compressor. That is, the air compressor correction flow rate calculated by the function generator having the characteristics shown in FIG. 4 is the flow rate when the opening degree of the inlet guide vane is fully open. It is necessary to perform correction based on the opening degree of the inlet guide blade.
[0055]
In summary, the corrected flow rate calculator 33 in FIG. 3 has the configuration shown in FIG.
[0056]
The theoretical basis for the above operation will be described as follows. Volume weight G is the product of flow rate Q and specific weight γ,
[Expression 2]

It becomes. Here, the specific weight γ is a function of temperature γ = γ (T), and the specific weight γ decreases as the temperature increases. That means
[Equation 3]

The inverse proportion of
[0057]
Therefore, as the atmospheric temperature increases, the specific weight γ decreases, so even if the suction flow rate Q is constant, the volume weight G is
[Expression 4]

become.
[0058]
For this reason, G becomes smaller under the influence of the high atmospheric temperature. Therefore, it is necessary to correct the rotational speed N in the smaller G, and Nc needs to be corrected according to the above equation. In the design, the atmospheric temperature is 15 ° C., and the volume weight G is determined by the specific weight γ at that temperature.
[0059]
FIG. 7 shows a reference example of the gas turbine compressor protection device.
[0060]
The temperature signal from the atmospheric temperature detector 36 provided at the inlet of the compressor 1 and the variable guide vane opening signal from the variable guide vane position detector 19 provided in the variable guide vane 2 are the gas turbine compressor protection device 40. Is input to the function generator 41.
[0061]
This function generator 41 has a relational expression between the atmospheric temperature and the discharge air flow rate of the compressor 1 at the opening degree of the variable guide blade. The function generator 41 generates the discharge air flow rate of the compressor 1 when the atmospheric temperature is low, and the variable guide blade. The higher the opening degree of 2, the greater the discharge air flow rate. Since the compressor discharge air flow rate from the function generator 41 can be handled as being equivalent to the valve opening setting of the discharge air flow rate adjustment valve 22, the output of the function generator 41 is the opening degree of the discharge air flow rate adjustment valve 22. To decide.
[0062]
The gas turbine compressor protection device 40 can secure the air flow velocity at the compressor blades, and can be operated safely without surging.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, the variable guide vane control device for a gas turbine according to the present invention creates a blade opening signal of the variable guide vane by using the temperature change of the air sucked by the air compressor as a factor, Based on the compressed air pressure, a turbine exhaust gas temperature converted value is created, and the actual exhaust gas temperature of the turbine is added to the exhaust gas temperature converted value for calculation. Since there is a blade opening calculation correction circuit that selects and gives a blade opening correction signal to the variable guide vane, the air compressor can suck in an appropriate amount of air according to the temperature change of the atmosphere by the variable guide vane . For this reason, the air compressor has an effect of making it possible to make the flow velocity substantially constant and prevent surging while ensuring the volume weight of the atmosphere without excess or deficiency even when the atmospheric temperature changes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a variable guide vane control device for a gas turbine according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a compressor protection device in the variable guide vane control device.
FIG. 3 is a diagram showing a reference example of a compressor protection device .
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a reference example of a function generator correction function in the compressor protection device .
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a reference example of the function of the position detector in the compressor protection device .
FIG. 6 is a configuration diagram showing a reference example of the function of the corrected flow rate calculator in the compressor protection device .
FIG. 7 is a diagram showing a reference example of a compressor protection device .
FIG. 8 is a schematic view of a conventional typical gas turbine.
FIG. 9 is a block diagram of a conventional variable guide vane control device for a gas turbine.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the variable guide vane opening degree and the gas turbine output.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the variable guide vane opening degree and the atmospheric temperature.
FIG. 12 is a diagram showing the behavior of air indicating that surging has occurred in the wing.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air compressor 2 Variable guide blade 2a Variable guide blade drive part 3 Blade 4 Combustor 5 Turbine 11 Pressure detector 12 Second function generator 13 Subtraction part 14 Exhaust gas temperature detector 15 Calculation part 16 High value selection circuit 18 Blade opening degree Position control circuit 19 Detector 20 Blade opening calculation correction circuit 21 Temperature detector 22 First function generator 23 Discharge air flow rate adjustment valve 30 Gas turbine compressor protection device 31 Rotational speed detector 32 Atmospheric temperature detector 33 Calculator 34 Function generator 35 Subtractor 36 Pressure detector 37 Divider 38 Controller 40 Gas turbine compressor protection device 41 Function generator

Claims

A function generator for generating a turbine exhaust gas temperature converted value in response to a compressed air pressure signal from the air compressor , and a blade based on the deviation between the output signal of the function generator and the exhaust gas temperature signal from the turbine. A blade opening calculation circuit for generating an opening signal, an actual blade opening position detector for detecting the actual opening of the variable guide blade of the air compressor, and a blade opening from the blade opening calculation circuit In the variable guide blade control device for a gas turbine that corrects the opening of the variable guide blade based on the signal and the output signal from the actual blade opening position detector, a temperature detector is provided on the inlet side of the air compressor. In addition to the function generator, there is provided a first function generator that receives a signal from the temperature detector and generates an opening signal of the variable guide blade, and outputs an output signal from the first function generator and the blade. From the opening calculation circuit Of opening signal, provided vane opening operation correction circuit that produces a high value selection circuit vane opening correction signal to provide a vane opening correction signal of the variable guide vane selects either high signal to the variable guide vane driving unit becomes, characterized in that allowed to fix the opening degree of the variable guide vane on the basis of the output signal from the vane opening correction signal and the actual vane opening position detector produced by the vane opening operation concealment circuit A variable guide blade control device for a gas turbine.