JP3730489B2

JP3730489B2 - Exhaust gas temperature control method and apparatus for two-shaft regenerative gas turbine

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Publication number: JP3730489B2
Application number: JP2000218186A
Authority: JP
Inventors: 徹夫寺本; 貢足利; 隆雄杉本; 宏宮地
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: JP2002030945A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２軸再生式ガスタービンにおいて、タービン入口の可変ノズルを用いて排ガス温度を制御する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
舶用主機などの推進用ガスタービンは、広い負荷範囲において高い効率が求められるため、部分負荷時の効率特性に優れる２軸式ガスタービンが多く採用されている。また、近年はより一層の効率向上が求められているため、ガスタービンの排ガスの熱を再生器と呼ばれる熱交換器にて回収し、燃料消費量の低減を図ることができる再生式ガスタービンの開発・実用化が進められている。
【０００３】
特開昭６３−２１２７２５号公報には、燃料量及び出力タービンの可動ノズルを制御するとともに、コンプレッサ回転数に応じてコンプレッサの可動ステータブレードを制御することにより、効率向上を図るようにした二軸ガスタービン制御システムが開示されている。
また、特開平２−３７１１９号公報には、機関の過渡状態から定常状態へ移行した後の所定時間においてコンプレッサの速度を一定に保ちながら燃焼器出口温度を目標値に制御することにより、機関の破損を防止するようにした二軸式ガスタービン機関の制御装置が開示されている。
また、特開平３−１３０５３９号公報には、別軸の出力タービンにおける出口温度センサの故障時には、機関回転数に基づいて予め定めた開度位置に可変ノズルを制御し、出力タービンにおける実際の出口温度を過大にすることなく、車両の走行を可能にした二軸式ガスタービン機関が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した２軸再生式ガスタービンにおいて、再生器における熱回収の効率に着目すると、一般的には定格条件において効率が高くなるように設計され、再生器入口のガス温度が低下するほど熱回収の効率も低下する。したがって、部分負荷時においても燃料消費量の低減を図るためには、再生器による熱回収の効率を高い状態に維持することが必要になる。そのためには、再生器入口のガス温度、すなわち、ガスタービンの排ガス温度が、部分負荷時においても再生器の設計条件の値に維持されればよい。ここで、出力タービンにおいて可変機構を有していない場合には、部分負荷時には排ガス温度が低下してしまうが、タービン入口に可変ノズルを設けることにより排ガス温度の制御が可能となる。
【０００５】
上記の特開昭６３−２１２７２５号公報記載の発明は、タービン入口の可変ノズルにより排ガス温度制御を行ったものであるが、再生式ガスタービンへの適用ではなく、ガスタービン本体のみの効率向上を目的としたものである。特開平２−３７１１９号公報、特開平３−１３０５３９号公報記載の発明は、再生式ガスタービンへの適用であるが、タービン入口の可変ノズルにより制御するのは燃焼器出口温度であり、主に燃焼器出口温度が過大になることを防止することを目的としたものである。したがって、上記先行技術はいずれも、再生器の動作点を最適にすることによる効率向上を考慮したものではない。
【０００６】
上述したように、出力タービン入口に可変ノズル機構を有しているガスタービンでは、この可変ノズルを操作することにより排ガス温度の制御が可能となり、広い負荷範囲において再生器による熱回収の効率を高い状態に維持することができる。
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、出力軸タービンの入口に可変ノズルを設けた２軸再生式ガスタービンにおいて、タービン入口の可変ノズルを用いてガスタービンの排ガス温度を制御することにより、再生器に導入される排ガス温度を再生器が最も効率のよい状態で運用される条件に維持することができ、これにより、広い負荷範囲において再生器による熱回収の効率を高い状態に維持することができ、ガスタービンの燃料消費量を低減させることができる２軸再生式ガスタービンの排ガス温度制御方法及び装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、出力軸タービンの入口に可変ノズルを設けた２軸再生式ガスタービンにおいて、ガスジェネレータ軸の修正回転数によるタービン入口の可変ノズル開度のスケジュール制御と、排ガス温度のフィードバックによる補正制御の組み合わせでタービン入口の可変ノズルを操作し、ガスタービンの排ガス温度を制御することにより、広い負荷範囲において再生器を最も効率がよい動作点に維持することができ、ガスタービンの燃料消費量を低減させることができることに加えて、ガスタービンの特性変化に対しても排ガス温度を常に目標値に維持することができる２軸再生式ガスタービンの排ガス温度制御方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の２軸再生式ガスタービンの排ガス温度制御方法は、コンプレッサに直結され、燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるガスジェネレータタービンと、負荷に連結された出力タービンと、出力タービンの入口に設けられた可変ノズルと、コンプレッサと燃焼器との間に設けられ、出力タービンからの排ガスを取り入れてコンプレッサより導入される圧縮空気を加熱する再生器とを備えた２軸再生式ガスタービンにおいて、出力タービンの入口に設けた可変ノズルの開度を操作して、再生器に導入される排ガス温度を再生器が最も効率のよい状態で運用される条件に維持できるように、ガスタービンの排ガス温度を制御するように構成されている。
上記のようなガスタービンにおいて、コンプレッサとガスジェネレータタービンとを連結するガスジェネレータ軸の回転数によって可変ノズル開度のスケジュール制御を行うことが、ガスタービンの特性上から有効な手段である。
【０００８】
また、本発明の２軸再生式ガスタービンの排ガス温度制御方法は、コンプレッサにガスジェネレータ軸によって直結され、燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるガスジェネレータタービンと、負荷に連結された出力タービンと、出力タービンの入口に設けられた可変ノズルと、コンプレッサと燃焼器との間に設けられ、出力タービンからの排ガスを取り入れてコンプレッサより導入される圧縮空気を加熱する再生器とを備えた２軸再生式ガスタービンにおいて、ガスジェネレータ軸の修正回転数による出力タービン入口の可変ノズル開度のスケジュール制御と、実際の排ガス温度のフィードバックによる補正制御との組み合わせにより出力タービン入口の可変ノズルの開度を操作して、再生器に導入される排ガス温度を再生器が最も効率のよい状態で運用される条件に維持できるように、ガスタービンの排ガス温度を制御することを特徴としている。
上記の本発明の方法において、ガスタービンに投入される燃料流量を制御する回転数制御系（燃料制御系）と、タービン入口の可変ノズル開度を制御する排ガス温度制御系との相互干渉が発生しないように、排ガス温度制御系の感度を調整することが好ましい。
【０００９】
本発明の２軸再生式ガスタービンの排ガス温度制御装置は、コンプレッサにガスジェネレータ軸によって直結され、燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるガスジェネレータタービンと、負荷に連結された出力タービンと、出力タービンの入口に設けられた可変ノズルと、コンプレッサと燃焼器との間に設けられ、出力タービンからの排ガスを取り入れてコンプレッサより導入される圧縮空気を加熱する再生器とを備えた２軸再生式ガスタービンにおいて、ガスジェネレータ軸の修正回転数によって出力タービン入口の可変ノズル開度のスケジュール制御を行うとともに、出力タービンの排ガス温度をフィードバックして補正制御を行う排ガス温度制御手段を設け、排ガス温度制御手段からの可変ノズル開度指令によって出力タービン入口の可変ノズルの開度が操作され、再生器に導入される排ガス温度を再生器が最も効率のよい状態で運用される条件に維持できるように、ガスタービンの排ガス温度が制御されるようにしたことを特徴としている。
本発明の制御方法及び装置は、推進用（舶用、車両用等）、発電用、航空用などの２軸再生式ガスタービン一般の制御方式として採用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することができるものである。図１は、本発明の制御方法に用いる２軸再生式ガスタービンの概略構成を示している。図１に示すように、２軸再生式ガスタービンは、空気を圧縮するコンプレッサ１０と、コンプレッサ１０で圧縮された空気と燃料を燃焼器１２に投入して燃焼させ、その燃焼ガスを膨張させコンプレッサ動力を取り出すガスジェネレータタービン１４と、さらにその後段で負荷動力を取り出す出力タービン１６とから構成され、コンプレッサ１０とガスジェネレータタービン１４とはガスジェネレータ軸１８により直結されており、また、出力タービン１６は出力軸２０により負荷２２に直結されている。また、再生器２４はコンプレッサ１０と燃焼器１２の間に設けられ、出力タービン１６からの排ガスを取り入れて熱回収を行い、その熱をコンプレッサ１０より導入される空気に与え、加熱された圧縮空気が燃焼器１２に投入される。また、燃料制御手段（回転数制御手段）２６からの燃料制御弁開度指令値が燃料制御弁２８に送られ、燃焼器１２に燃料が供給される。
【００１１】
出力タービン１６からの排ガス温度を制御するための可変ノズル３０は出力タービン１６の入口に設けられており、可変ノズルアクチュエータ３２によってノズル開度を操作することで出力タービン１６を通過する燃焼ガスの流量を調節することができる。ここで、ノズル開度を絞ることにより燃焼ガスの流量は低減するので、同程度の熱エネルギを持った燃焼ガスに対しては相対的にガス温度が高くなることになり、このことから可変ノズル３０による排ガス温度の調節が可能となる。可変ノズル開度指令値は排ガス温度制御手段３４によって可変ノズルアクチュエータ３２に送られるが、排ガス温度制御手段３４の詳細については後述する。
【００１２】
上記の特性を考慮して、タービン入口に可変ノズル機構を有した２軸再生式ガスタービンの排ガス温度制御方法について以下に説明する。
ガスタービンにおいては、大きな負荷動力を賄う際には多くの熱エネルギを要し、要求される負荷動力が小さくなると必要とされる熱エネルギは少なくなる。したがって、タービン入口の可変ノズルなどの可変機構を持たないガスタービンでは、要求される負荷動力が小さくなるほどガスタービンの排ガス温度は低くなる。このことから、ガスタービンに対する要求負荷が小さくなることに対し、タービン入口の可変ノズルを絞ることによって排ガス温度を上昇させれば、再生器に導入される排ガス温度を再生器が最も良い効率で運用される動作点に維持することができる。
一方で、ガスタービンにおける動作点は、種々の条件によって多少の影響は受けるものの、主には要求される負荷動力の大きさによって決まる。これは２軸ガスタービンの場合も同様であり、ガスジェネレータ軸の動作点は負荷動力の大きさによって大きく支配される。このことから、要求される負荷動力に対し、再生器が最も効率のよい状態で運用できるタービン入口の可変ノズルの開度を、ガスジェネレータ軸の動作点、すなわち、ガスジェネレータ軸の回転数（一般には、大気条件によって標準化された修正回転数が用いられる）の関数として表すことができる。
【００１３】
以上より、タービン入口の可変ノズル開度をガスジェネレータ軸の修正回転数によってスケジュールした制御方法が、有効な制御手段の一つとして考えられる。しかしながら、ガスタービンの動作点は負荷動力の大きさのみならず種々の条件の影響により変動し、また、量産的に製作されたガスタービンでは微小ではあるが個々の特性のばらつきがあることに加え、長期間にわたって使用された場合には経年的な特性変化も生ずるため、固定的なスケジュール制御のみではこれらの特性誤差に対応できない。
これを補正するため、上記の可変ノズル開度のスケジュール制御に加え、実際の排ガス温度をフィードバックした補正制御を加える手段が有効であると考えられる。なお、排ガス温度のフィードバック制御には、一般的なＰＩ制御器を用いればよい。
以上に基づいて構成した制御系構成図を図２に示す。
【００１４】
すなわち、図２は、本発明の実施の第１形態による２軸再生式ガスタービンの排ガス温度制御方法を実施する装置を示している。図２に示すように、排ガス温度制御手段３４は、ガスジェネレータ軸１８の修正回転数による出力タービン入口の可変ノズル開度のスケジュール制御と、実際の排ガス温度のフィードバックによる補正制御との組み合わせで構成されており、排ガス温度制御手段３４からの可変ノズル開度指令値によって出力タービン１６入口の可変ノズル３０の開度が操作され、再生器２４に導入される排ガス温度を再生器が最も効率のよい状態で運用される条件に維持できるように、出力タービン１６の排ガス温度が制御される。
排ガス温度制御手段３４では、ガスジェネレータ軸１８の回転数が演算手段３６、３８で修正回転数に標準化され、可変ノズル開度スケジュール手段４０によって可変ノズル開度指令値が算出される。なお、修正回転数は、１／√θ（θ＝吸気温度[K]／標準大気温度[K]（２８８．１５K、１５℃））をガスジェネレータ軸回転数に乗じて求められる。また、出力タービン１６の排ガス温度（又は再生器２４入口の排ガス温度）が制御器４２に入力されてフィードバック制御が行われ、補正指令値が算出される。演算手段４４で補正された可変ノズル開度指令値は可変ノズルアクチュエータ３２に送られ、可変ノズルアクチュエータ３２によって可変ノズル３０のノズル開度が操作される。他の構成及び作用は図１と同様である。
【００１５】
【実施例】
以上で説明した制御系構成を適用した例について、シミュレーション検討によりその有効性を検証した例を以下に説明する。なお、以下の実施例に用いたガスタービンは、負荷変動に対して出力軸回転数の設定値を変更することにより対応する形式とした。また、出力軸回転数を制御する燃料制御系には、２軸ガスタービン制御において一般的に用いられているものをベースにした制御ロジックを使用した。
実施例１
本実施例は、図３〜図８に示すように、定格負荷から中間負荷まで負荷変動させたときのシミュレーション検討であり、排ガス温度制御系に可変ノズル開度のスケジュール制御のみを用いた例である。図３に示すように、Ｐ／Ｔ（出力タービン）軸回転数の設定値を定格負荷から中間負荷にステップ変化させた場合（時刻０）、Ｐ／Ｔ（出力タービン）軸回転数、Ｇ／Ｇ（ガスジェネレータ）軸回転数、ガスタービン出力、燃焼ガス（排ガス）温度、燃料流量、タービン入口ノズル開度は、それぞれ図３〜図８に示すような経時変化となった。なお、この例では、ガスタービンの個体差による特性のばらつきや経年変化による特性の変化などを想定して、中間負荷時の可変ノズル開度スケジュールに若干の誤差を設けている。
スケジュール制御方式は基本的に開ループ制御であるため、ガスタービンの特性が当初設定された可変ノズル開度スケジュールからずれた場合、図６に示されるように制御目標値に対して誤差を生じ、それを補正することができないまま運転が継続されてしまう。そのため、再生器の動作点が設計条件に維持されているとは限らず、ガスタービン全体の効率が常に最適な状態に維持されているとはいえない。
【００１６】
実施例２
本実施例は、図９〜図１４に示すように、実施例１と同様の負荷変動に対するシミュレーション検討であり、排ガス温度制御系を可変ノズル開度のスケジュール制御に排ガス温度のフィードバック制御を加えたものとした例である。また、可変ノズル開度スケジュールはフィードバック制御による補正効果を比較するため、実施例１と同じものを用いた。図９に示すように、Ｐ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させた場合（時刻０）、Ｐ／Ｔ軸回転数、Ｇ／Ｇ軸回転数、ガスタービン出力、燃焼ガス（排ガス）温度、燃料流量、タービン入口ノズル開度は、それぞれ図９〜図１４に示すような経時変化となった。
図１２、図１４からわかるように、実施例１（図６、図８参照）で生じていた中間負荷時における制御目標値に対する誤差が補正されている効果が確認できる。なお、本実施例では、回転数制御系（燃料制御系）と排ガス温度制御系の干渉に配慮して、排ガス温度のフィードバック制御の制御ゲインを低めに設定してある。
【００１７】
実施例３
実施例２の項で言及した回転数制御系（燃料制御系）と排ガス温度制御系の干渉について検討した例を以下で説明する。
回転数制御系はガスタービンに投入される燃料流量を制御しており、一方で本発明にて提案している排ガス温度制御系は、前述したようにタービン入口の可変ノズル開度を制御している。そして、これらはともにガスタービンの動作点に対して大きく影響するため、双方の制御系の感度が高いとそれぞれの制御効果が干渉し合い、制御動作が振動的になる場合がある。
本実施例はこのようなケースについて検証したものであり、制御ゲイン以外は実施例２と同一の条件でシミュレーションを行った。なお、制御ゲインは比例・積分とも実施例２に対して５倍の感度となるように与えた。図１５に示すように、Ｐ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させた場合（時刻０）、Ｐ／Ｔ軸回転数、Ｇ／Ｇ軸回転数、ガスタービン出力、燃焼ガス（排ガス）温度、燃料流量、タービン入口ノズル開度は、それぞれ図１５〜図２０に示すような経時変化となった。
図１８からわかるように、排ガス温度（再生器燃焼ガス温度）は負荷変動中においても実施例２の場合（図１２）より設定値の近傍に制御されているものの、図１９に示すように、負荷変動の開始直後から燃料流量に大きな振動が表れており、双方の制御系が干渉している現象が確認される。このように燃料流量が大きく急変するようなことは、ガスタービンの運用上好ましくないため、排ガス温度制御系の感度を落として干渉を防止しなければならない。回転数制御系には負荷変動に対して高い応答性が求められることから、実施例２のように排ガス温度制御系の制御ゲインを低めに設定する方法が適切である。
【００１８】
なお、図３〜図２０において各プロセス量のスケールは、Ｐ／Ｔ軸回転数、Ｇ／Ｇ軸回転数、ガスタービン出力、燃料流量についてはそれぞれの定格状態により、燃焼ガス温度については再生器入口の定格状態により正規化している。また、タービン入口ノズル開度については、定格状態における開度を標準開度（＝０）とし、最大操作範囲により正規化したスケールで表示している（ノズルの閉方向を正とする）。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１）２軸再生式ガスタービンにおいて、出力タービンの入口に設けられた可変ノズルによりガスタービンの排ガス温度を制御することにより、再生器に導入される排ガス温度を再生器が最も良い効率で運用される動作点に維持することができる。
（２）上記制御の効果により、広い負荷範囲において再生器による熱回収の効率を高い状態に維持することができ、ガスタービンの燃料消費量を低減させることができる。
（３）ガスタービンの特性が、環境条件の変化、ガスタービンの個体差、経年変化などにより設計条件からずれた場合でも、排ガス温度をフィードバックして補正することにより、常に排ガス温度を目標値に維持することができる。
（４）回転数制御系（燃料制御系）と排ガス温度制御系の感度を考慮した制御系調整とすることにより、２つの制御系による相互干渉が発生しないように制御動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御方法に用いる２軸再生式ガスタービンを示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の第１形態による２軸再生式ガスタービンの排ガス温度制御方法を実施する装置を示す系統的概略構成図である。
【図３】実施例１においてＰ／Ｔ（出力タービン）軸回転数の設定値を定格負荷から中間負荷にステップ変化させたとき（時刻０）のＰ／Ｔ軸回転数の経時変化を示すグラフである。
【図４】実施例１においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのＧ／Ｇ（ガスジェネレータ）軸回転数の経時変化を示すグラフである。
【図５】実施例１においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのガスタービン出力の経時変化を示すグラフである。
【図６】実施例１においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときの燃焼ガス（排ガス）温度の経時変化を示すグラフである。
【図７】実施例１においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときの燃料流量の経時変化を示すグラフである。
【図８】実施例１においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのタービン入口ノズル開度の経時変化を示すグラフである。
【図９】実施例２においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたとき（時刻０）のＰ／Ｔ軸回転数の経時変化を示すグラフである。
【図１０】実施例２においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのＧ／Ｇ軸回転数の経時変化を示すグラフである。
【図１１】実施例２においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのガスタービン出力の経時変化を示すグラフである。
【図１２】実施例２においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときの燃焼ガス（排ガス）温度の経時変化を示すグラフである。
【図１３】実施例２においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときの燃料流量の経時変化を示すグラフである。
【図１４】実施例２においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのタービン入口ノズル開度の経時変化を示すグラフである。
【図１５】実施例３においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたとき（時刻０）のＰ／Ｔ軸回転数の経時変化を示すグラフである。
【図１６】実施例３においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのＧ／Ｇ軸回転数の経時変化を示すグラフである。
【図１７】実施例３においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのガスタービン出力の経時変化を示すグラフである。
【図１８】実施例３においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときの燃焼ガス（排ガス）温度の経時変化を示すグラフである。
【図１９】実施例３においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときの燃料流量の経時変化を示すグラフである。
【図２０】実施例３においてＰ／Ｔ軸回転数の設定値をステップ変化させたときのタービン入口ノズル開度の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０コンプレッサ
１２燃焼器
１４ガスジェネレータタービン
１６出力タービン
１８ガスジェネレータ軸
２０出力軸
２２負荷
２４再生器
２６燃料制御手段（回転数制御手段）
２８燃料制御弁
３０可変ノズル
３２可変ノズルアクチュエータ
３４排ガス温度制御手段
３６、３８、４４演算手段
４０可変ノズル開度スケジュール手段
４２制御器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for controlling exhaust gas temperature using a variable nozzle at the turbine inlet in a two-shaft regenerative gas turbine.
[0002]
[Prior art]
Since a propulsion gas turbine such as a marine main engine is required to have high efficiency in a wide load range, a two-shaft gas turbine excellent in efficiency characteristics at a partial load is often used. In recent years, further improvement in efficiency has been demanded, so that the heat of the exhaust gas from the gas turbine can be recovered by a heat exchanger called a regenerator to reduce the fuel consumption. Development / practical use is in progress.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-212725 discloses a two-shaft system that improves the efficiency by controlling the amount of fuel and the movable nozzle of the output turbine, and controlling the movable stator blade of the compressor in accordance with the rotational speed of the compressor. A gas turbine control system is disclosed.
Japanese Patent Laid-Open No. 2-37119 discloses that the temperature of the combustor outlet is controlled to a target value while keeping the speed of the compressor constant for a predetermined time after the transition from the engine transient state to the steady state. A control apparatus for a twin-shaft gas turbine engine that prevents damage is disclosed.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-130539 discloses that when the outlet temperature sensor in the output turbine of another shaft fails, the variable nozzle is controlled to a predetermined opening position based on the engine speed, and the actual outlet in the output turbine is A two-shaft gas turbine engine that allows a vehicle to travel without excessively increasing the temperature is disclosed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described two-shaft regenerative gas turbine, when attention is paid to the efficiency of heat recovery in the regenerator, it is generally designed so as to increase the efficiency under rated conditions, and the heat recovery efficiency increases as the gas temperature at the regenerator inlet decreases. Efficiency is also reduced. Therefore, in order to reduce the fuel consumption even at the partial load, it is necessary to maintain a high heat recovery efficiency by the regenerator. For this purpose, the gas temperature at the inlet of the regenerator, that is, the exhaust gas temperature of the gas turbine may be maintained at the value of the design condition of the regenerator even at the partial load. Here, when the output turbine does not have a variable mechanism, the exhaust gas temperature decreases at the time of partial load, but the exhaust gas temperature can be controlled by providing a variable nozzle at the turbine inlet.
[0005]
In the invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 63-212725, the exhaust gas temperature is controlled by a variable nozzle at the turbine inlet. However, the invention is not applied to a regenerative gas turbine, but only the efficiency of the gas turbine main body is improved. It is intended. The inventions described in JP-A-2-37119 and JP-A-3-130539 are applied to a regenerative gas turbine, but it is the combustor outlet temperature that is controlled by a variable nozzle at the turbine inlet. The purpose is to prevent the combustor outlet temperature from becoming excessive. Accordingly, none of the above prior art considers the improvement in efficiency by optimizing the operating point of the regenerator.
[0006]
As described above, in a gas turbine having a variable nozzle mechanism at the output turbine inlet, the exhaust gas temperature can be controlled by operating this variable nozzle, and the efficiency of heat recovery by the regenerator is high in a wide load range. Can be maintained in a state.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a two-shaft regenerative gas turbine in which a variable nozzle is provided at the inlet of an output shaft turbine. By controlling the temperature, it is possible to maintain the exhaust gas temperature introduced into the regenerator at the conditions under which the regenerator is operated in the most efficient state, thereby improving the efficiency of heat recovery by the regenerator over a wide load range. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas temperature control method and apparatus for a two-shaft regenerative gas turbine that can maintain a high temperature and reduce the fuel consumption of the gas turbine.
Another object of the present invention is to provide a schedule control of the variable nozzle opening at the turbine inlet based on the corrected rotational speed of the gas generator shaft, and the exhaust gas temperature in a two-shaft regenerative gas turbine provided with a variable nozzle at the inlet of the output shaft turbine. By operating the variable nozzle at the turbine inlet with a combination of feedback correction control and controlling the exhaust gas temperature of the gas turbine, the regenerator can be maintained at the most efficient operating point in a wide load range. Provided is an exhaust gas temperature control method and apparatus for a two-shaft regenerative gas turbine that can always maintain the exhaust gas temperature at a target value in response to changes in the characteristics of the gas turbine, in addition to being able to reduce fuel consumption. There is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an exhaust gas temperature control method for a two-shaft regenerative gas turbine according to the present invention is connected to a compressor and a gas generator turbine directly connected to a compressor and driven by combustion gas from a combustor. An output turbine, a variable nozzle provided at the inlet of the output turbine, and a regenerator provided between the compressor and the combustor, which takes in exhaust gas from the output turbine and heats compressed air introduced from the compressor. In a two-shaft regenerative gas turbine, the opening of the variable nozzle provided at the inlet of the output turbine is operated to maintain the exhaust gas temperature introduced into the regenerator at the condition where the regenerator is operated in the most efficient state. It is configured to control the exhaust gas temperature of the gas turbine so that it can.
In the gas turbine as described above, performing schedule control of the variable nozzle opening according to the rotation speed of the gas generator shaft connecting the compressor and the gas generator turbine is an effective means in terms of the characteristics of the gas turbine.
[0008]
The exhaust gas temperature control method for a two-shaft regenerative gas turbine according to the present invention includes a gas generator turbine that is directly connected to a compressor by a gas generator shaft and driven by combustion gas from a combustor, and an output turbine that is connected to a load. A two-shaft equipped with a variable nozzle provided at the inlet of the output turbine, and a regenerator provided between the compressor and the combustor, which takes in the exhaust gas from the output turbine and heats the compressed air introduced from the compressor In a regenerative gas turbine, the variable nozzle opening at the output turbine inlet can be adjusted by combining the schedule control of the variable nozzle opening at the output turbine inlet with the corrected rotation speed of the gas generator shaft and the correction control with feedback of the actual exhaust gas temperature. By operating, the regenerator is most efficient at the exhaust gas temperature introduced into the regenerator As can be maintained in the condition that operate in good condition, it is characterized by controlling the exhaust gas temperature of the gas turbine.
In the method of the present invention described above, mutual interference occurs between the rotational speed control system (fuel control system) that controls the flow rate of fuel input to the gas turbine and the exhaust gas temperature control system that controls the variable nozzle opening at the turbine inlet. Therefore, it is preferable to adjust the sensitivity of the exhaust gas temperature control system.
[0009]
An exhaust gas temperature control apparatus for a two-shaft regenerative gas turbine according to the present invention includes a gas generator turbine directly connected to a compressor by a gas generator shaft and driven by combustion gas from a combustor, an output turbine connected to a load, and an output A twin-shaft regenerative type provided with a variable nozzle provided at the inlet of the turbine, and a regenerator provided between the compressor and the combustor, which takes in the exhaust gas from the output turbine and heats the compressed air introduced from the compressor In the gas turbine, exhaust gas temperature control means is provided for performing schedule control of the variable nozzle opening at the inlet of the output turbine according to the corrected rotation speed of the gas generator shaft, and providing exhaust gas temperature control means for feedback control of the exhaust gas temperature of the output turbine to perform correction control. Output turbine inlet by variable nozzle opening command from means The exhaust temperature of the gas turbine is controlled so that the opening of the variable nozzle can be operated and the exhaust gas temperature introduced into the regenerator can be maintained at the condition where the regenerator operates in the most efficient state. It is characterized by.
The control method and apparatus of the present invention can be employed as a general control system for two-shaft regenerative gas turbines for propulsion (for ships, vehicles, etc.), for power generation, and for aviation.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with appropriate modifications. FIG. 1 shows a schematic configuration of a two-shaft regenerative gas turbine used in the control method of the present invention. As shown in FIG. 1, the two-shaft regenerative gas turbine includes a compressor 10 that compresses air, and the air and fuel compressed by the compressor 10 are injected into a combustor 12 to be combusted, and the combustion gas is expanded and compressed. A gas generator turbine 14 for extracting power and an output turbine 16 for extracting load power at the subsequent stage are further connected. The compressor 10 and the gas generator turbine 14 are directly connected by a gas generator shaft 18. The output shaft 20 is directly connected to the load 22. The regenerator 24 is provided between the compressor 10 and the combustor 12, takes in exhaust gas from the output turbine 16, recovers heat, gives the heat to the air introduced from the compressor 10, and heated compressed air. Is charged into the combustor 12. Further, the fuel control valve opening command value from the fuel control means (rotation speed control means) 26 is sent to the fuel control valve 28, and fuel is supplied to the combustor 12.
[0011]
The variable nozzle 30 for controlling the exhaust gas temperature from the output turbine 16 is provided at the inlet of the output turbine 16, and the flow rate of the combustion gas passing through the output turbine 16 by operating the nozzle opening degree by the variable nozzle actuator 32. Can be adjusted. Here, since the flow rate of the combustion gas is reduced by reducing the nozzle opening, the gas temperature becomes relatively high with respect to the combustion gas having the same degree of thermal energy. The exhaust gas temperature can be adjusted by 30. The variable nozzle opening command value is sent to the variable nozzle actuator 32 by the exhaust gas temperature control means 34. Details of the exhaust gas temperature control means 34 will be described later.
[0012]
Considering the above characteristics, an exhaust gas temperature control method for a two-shaft regenerative gas turbine having a variable nozzle mechanism at the turbine inlet will be described below.
In a gas turbine, a large amount of heat energy is required to cover a large load power, and the required heat energy decreases as the required load power decreases. Therefore, in a gas turbine that does not have a variable mechanism such as a variable nozzle at the turbine inlet, the exhaust gas temperature of the gas turbine decreases as the required load power decreases. As a result, the required load on the gas turbine is reduced, but if the exhaust gas temperature is raised by restricting the variable nozzle at the turbine inlet, the regenerator operates the exhaust gas temperature introduced into the regenerator with the highest efficiency. Can be maintained at the operating point.
On the other hand, the operating point in the gas turbine is mainly determined by the required load power, although it is somewhat affected by various conditions. The same applies to the case of a two-shaft gas turbine, and the operating point of the gas generator shaft is largely governed by the magnitude of the load power. From this, the opening of the variable nozzle at the turbine inlet at which the regenerator can be operated in the most efficient state with respect to the required load power is determined as the operating point of the gas generator shaft, that is, the rotational speed of the gas generator shaft (generally Can be expressed as a function of the modified rotational speed standardized by atmospheric conditions).
[0013]
From the above, a control method in which the variable nozzle opening at the turbine inlet is scheduled based on the corrected rotation speed of the gas generator shaft is considered as one of the effective control means. However, the operating point of the gas turbine fluctuates not only due to the magnitude of the load power but also due to the influence of various conditions. In addition, in the gas turbine manufactured in mass production, there are small variations in individual characteristics. When used over a long period of time, characteristic changes with time also occur. Therefore, these characteristic errors cannot be dealt with only by fixed schedule control.
In order to correct this, in addition to the above schedule control of the variable nozzle opening, it is considered effective to add correction control that feeds back the actual exhaust gas temperature. A general PI controller may be used for feedback control of the exhaust gas temperature.
A control system configuration diagram based on the above is shown in FIG.
[0014]
That is, FIG. 2 shows an apparatus for performing the exhaust gas temperature control method for a two-shaft regenerative gas turbine according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the exhaust gas temperature control means 34 is configured by a combination of schedule control of the variable nozzle opening at the output turbine inlet based on the corrected rotational speed of the gas generator shaft 18 and correction control based on feedback of the actual exhaust gas temperature. The opening of the variable nozzle 30 at the inlet of the output turbine 16 is manipulated by the variable nozzle opening command value from the exhaust gas temperature control means 34, and the regenerator has the most efficient exhaust gas temperature introduced into the regenerator 24. The exhaust gas temperature of the output turbine 16 is controlled so that the operating condition can be maintained.
In the exhaust gas temperature control means 34, the rotation speed of the gas generator shaft 18 is standardized to the corrected rotation speed by the calculation means 36, 38, and the variable nozzle opening schedule means 40 calculates the variable nozzle opening command value. The corrected rotational speed is obtained by multiplying the gas generator shaft rotational speed by 1 / √θ (θ = intake air temperature [K] / standard atmospheric temperature [K] (288.15 K, 15 ° C.)). Further, the exhaust gas temperature of the output turbine 16 (or the exhaust gas temperature at the inlet of the regenerator 24) is input to the controller 42, feedback control is performed, and a correction command value is calculated. The variable nozzle opening command value corrected by the calculation means 44 is sent to the variable nozzle actuator 32, and the nozzle opening of the variable nozzle 30 is operated by the variable nozzle actuator 32. Other configurations and operations are the same as those in FIG.
[0015]
【Example】
An example in which the effectiveness of the control system configuration described above is verified through simulation studies will be described below. In addition, the gas turbine used for the following example was made into the format which respond | corresponds by changing the setting value of output-shaft rotation speed with respect to load fluctuation. Further, a control logic based on what is generally used in the two-shaft gas turbine control is used for the fuel control system for controlling the output shaft speed.
Example 1
As shown in FIGS. 3 to 8, the present embodiment is a simulation study when the load is varied from the rated load to the intermediate load. In this example, only the schedule control of the variable nozzle opening is used for the exhaust gas temperature control system. is there. As shown in FIG. 3, when the set value of the P / T (output turbine) shaft rotational speed is step-changed from the rated load to the intermediate load (time 0), the P / T (output turbine) shaft rotational speed, G / The G (gas generator) shaft rotation speed, gas turbine output, combustion gas (exhaust gas) temperature, fuel flow rate, and turbine inlet nozzle opening varied with time as shown in FIGS. In this example, a slight error is provided in the variable nozzle opening schedule at the time of intermediate load, assuming variations in characteristics due to individual differences of gas turbines and changes in characteristics due to secular changes.
Since the schedule control method is basically open loop control, when the characteristics of the gas turbine deviate from the initially set variable nozzle opening schedule, an error occurs with respect to the control target value as shown in FIG. The operation is continued without being able to correct it. Therefore, the operating point of the regenerator is not always maintained at the design condition, and it cannot be said that the efficiency of the entire gas turbine is always maintained in an optimum state.
[0016]
Example 2
As shown in FIGS. 9 to 14, the present embodiment is a simulation study for load fluctuation similar to that of the first embodiment, and the exhaust gas temperature control system is added with the exhaust gas temperature feedback control to the schedule control of the variable nozzle opening degree. This is an example. Further, the variable nozzle opening schedule was the same as that of Example 1 in order to compare the correction effect by feedback control. As shown in FIG. 9, when the set value of the P / T axis rotation speed is changed in steps (time 0), the P / T axis rotation speed, the G / G axis rotation speed, the gas turbine output, and the combustion gas (exhaust gas) The temperature, fuel flow rate, and turbine inlet nozzle opening varied with time as shown in FIGS.
As can be seen from FIGS. 12 and 14, it is possible to confirm the effect of correcting the error with respect to the control target value at the intermediate load that occurred in the first embodiment (see FIGS. 6 and 8). In this embodiment, the control gain of the exhaust gas temperature feedback control is set to be low in consideration of interference between the rotation speed control system (fuel control system) and the exhaust gas temperature control system.
[0017]
Example 3
An example in which interference between the rotation speed control system (fuel control system) and the exhaust gas temperature control system referred to in the section of Embodiment 2 is examined will be described below.
The rotational speed control system controls the flow rate of fuel input to the gas turbine, while the exhaust gas temperature control system proposed in the present invention controls the variable nozzle opening at the turbine inlet as described above. Yes. Since these both greatly affect the operating point of the gas turbine, if the sensitivity of both control systems is high, the respective control effects may interfere with each other, and the control operation may become oscillating.
The present embodiment was verified for such a case, and a simulation was performed under the same conditions as in the second embodiment except for the control gain. The control gain was given so that the proportional / integral was 5 times as sensitive as Example 2. As shown in FIG. 15, when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps (time 0), the P / T axis rotational speed, the G / G axis rotational speed, the gas turbine output, and the combustion gas (exhaust gas) The temperature, the fuel flow rate, and the turbine inlet nozzle opening were changed over time as shown in FIGS.
As can be seen from FIG. 18, although the exhaust gas temperature (regenerator combustion gas temperature) is controlled to be close to the set value in the case of Example 2 (FIG. 12) even during load fluctuation, as shown in FIG. A large vibration appears in the fuel flow rate immediately after the start of load fluctuation, confirming the phenomenon that both control systems interfere. Such a drastic change in the fuel flow rate is not preferable in the operation of the gas turbine, and therefore the sensitivity of the exhaust gas temperature control system must be lowered to prevent interference. Since the rotational speed control system is required to have high responsiveness to load fluctuations, a method of setting a lower control gain of the exhaust gas temperature control system as in the second embodiment is appropriate.
[0018]
3 to 20, the scale of each process amount is P / T axis rotation speed, G / G axis rotation speed, gas turbine output, and fuel flow rate according to each rated state, and combustion gas temperature is a regenerator. Normalized by the rated condition of the inlet. The turbine inlet nozzle opening is displayed on a scale normalized by the maximum operating range with the opening in the rated state being the standard opening (= 0) (the nozzle closing direction is positive).
[0019]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exist the following effects.
(1) In a two-shaft regenerative gas turbine, the regenerator operates the exhaust gas temperature introduced into the regenerator with the highest efficiency by controlling the exhaust gas temperature of the gas turbine by a variable nozzle provided at the inlet of the output turbine. Can be maintained at the operating point.
(2) Due to the effect of the above control, the efficiency of heat recovery by the regenerator can be maintained at a high level in a wide load range, and the fuel consumption of the gas turbine can be reduced.
(3) Even when the characteristics of the gas turbine deviate from the design conditions due to changes in environmental conditions, individual differences in the gas turbine, aging, etc., the exhaust gas temperature is always adjusted to the target value by correcting the exhaust gas temperature by feedback. Can be maintained.
(4) By performing the control system adjustment considering the sensitivity of the rotational speed control system (fuel control system) and the exhaust gas temperature control system, the control operation can be performed so that mutual interference between the two control systems does not occur.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a two-shaft regenerative gas turbine used in a control method of the present invention.
FIG. 2 is a systematic schematic configuration diagram showing an apparatus for carrying out an exhaust gas temperature control method for a two-shaft regenerative gas turbine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a change with time in P / T shaft rotational speed when the set value of P / T (output turbine) shaft rotational speed is step-changed from a rated load to an intermediate load in Example 1 (time 0); It is.
4 is a graph showing a change with time in G / G (gas generator) shaft rotational speed when the set value of P / T shaft rotational speed is changed in steps in Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a graph showing a change with time in gas turbine output when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the first embodiment.
6 is a graph showing a change with time in combustion gas (exhaust gas) temperature when the set value of the P / T axis rotation speed is changed in steps in Example 1. FIG.
7 is a graph showing a change with time in the fuel flow rate when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in Embodiment 1. FIG.
FIG. 8 is a graph showing a change with time of the turbine inlet nozzle opening when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the first embodiment.
FIG. 9 is a graph showing changes with time in P / T-axis rotational speed when the set value of P / T-axis rotational speed is changed in steps (time 0) in the second embodiment.
FIG. 10 is a graph showing changes with time in G / G-axis rotation speed when the set value of P / T-axis rotation speed is changed in steps in Example 2.
FIG. 11 is a graph showing a change with time in gas turbine output when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the second embodiment.
12 is a graph showing the change with time of the combustion gas (exhaust gas) temperature when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in Example 2. FIG.
FIG. 13 is a graph showing a change with time in the fuel flow rate when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the second embodiment.
FIG. 14 is a graph showing the change over time in the turbine inlet nozzle opening when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the second embodiment.
15 is a graph showing a change with time in P / T-axis rotation speed when the set value of P / T-axis rotation speed is changed in steps (time 0) in Embodiment 3. FIG.
FIG. 16 is a graph showing a change with time of the G / G axis rotational speed when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the third embodiment.
FIG. 17 is a graph showing the change with time of the gas turbine output when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the third embodiment.
FIG. 18 is a graph showing the change with time of the combustion gas (exhaust gas) temperature when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the third embodiment.
FIG. 19 is a graph showing a change in fuel flow with time when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the third embodiment.
FIG. 20 is a graph showing the change over time in the turbine inlet nozzle opening when the set value of the P / T axis rotational speed is changed in steps in the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Compressor 12 Combustor 14 Gas generator turbine 16 Output turbine 18 Gas generator shaft 20 Output shaft 22 Load 24 Regenerator 26 Fuel control means (rotation speed control means)
28 Fuel control valve 30 Variable nozzle 32 Variable nozzle actuator 34 Exhaust gas temperature control means 36, 38, 44 Calculation means 40 Variable nozzle opening schedule means 42 Controller

Claims

A gas generator turbine connected directly to the compressor and driven by combustion gas from the combustor, an output turbine connected to the load, a variable nozzle provided at the inlet of the output turbine, and provided between the compressor and the combustor In a two-shaft regenerative gas turbine equipped with a regenerator that takes in exhaust gas from the output turbine and heats compressed air introduced from the compressor, the opening of a variable nozzle provided at the inlet of the output turbine is manipulated The exhaust gas of a two-shaft regenerative gas turbine is characterized in that the exhaust gas temperature of the gas turbine is controlled so that the exhaust gas temperature introduced into the regenerator can be maintained at a condition where the regenerator is operated in the most efficient state. Temperature control method.

A gas generator turbine directly connected to the compressor by a gas generator shaft and driven by combustion gas from a combustor; an output turbine connected to a load; a variable nozzle provided at an inlet of the output turbine; a compressor and a combustor; In a two-shaft regenerative gas turbine provided with a regenerator that takes in the exhaust gas from the output turbine and heats the compressed air introduced from the compressor. The regenerator has the most efficient exhaust gas temperature introduced into the regenerator by operating the variable nozzle opening at the output turbine inlet through a combination of variable nozzle opening schedule control and actual exhaust gas temperature feedback correction control. Gas turbines so that they can be maintained in good operating conditions. Exhaust gas temperature control method of a two-shaft regenerative gas turbine and controlling the gas temperature.

An exhaust gas temperature control method for a two-shaft regenerative gas turbine, wherein the exhaust gas temperature control method according to claim 1 or 2 is applied to a two-shaft regenerative gas turbine for propulsion, power generation or aviation.

A gas generator turbine directly connected to the compressor by a gas generator shaft and driven by combustion gas from a combustor; an output turbine connected to a load; a variable nozzle provided at an inlet of the output turbine; a compressor and a combustor; In a two-shaft regenerative gas turbine provided with a regenerator that takes in exhaust gas from the output turbine and heats the compressed air introduced from the compressor. In addition to schedule control of variable nozzle opening, exhaust gas temperature control means for performing correction control by feeding back the exhaust gas temperature of the output turbine is provided, and by the variable nozzle opening command from the exhaust gas temperature control means, Exhaust gas whose opening is manipulated and introduced into the regenerator So as to maintain the conditions that degree the regenerator is operated in the most efficient state, the exhaust gas temperature control device for two-shaft regenerative gas turbine, characterized in that as the exhaust gas temperature of the gas turbine is controlled.