JP3949014B2 - ガスタービン装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電を行うための一般的なガスタービン装置は、回転軸を介して回転自在に取り付けられたタービンと、燃料と空気との混合気を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器への燃料供給量を調節する燃料調節弁と、タービンにより駆動されて燃焼器に空気を圧送する空気圧縮機と、燃焼ガスの熱を利用して空気圧縮機により圧送される空気を加温する熱交換器などから基本的に構成される。また、発電機は、回転軸を介してタービンに連結され、タービンと空気圧縮機と発電機とは、通常、回転軸を介して一体的に駆動するように構成される。
【０００３】
上述の構成において、燃料調節弁により供給量が調節された燃料および空気圧縮機により圧縮された空気（以下、適宜、圧縮空気という）は燃焼器に供給され、燃焼器にて圧縮空気と燃料との混合気が形成される。この混合気を燃焼器にて燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスがタービンに供給されることによりタービンが高速で回転するようになっている。そして、回転軸を介して発電機がタービンにより駆動されることで発電が行われる。
【０００４】
ところで、ガスタービン装置の運転を停止させる場合は、一般に、燃焼に供される燃料の供給を停止させることにより行われる。一般的なガスタービン装置においては、運転停止スイッチを手動で操作して燃焼器への燃料の供給を停止させ、これにより、ガスタービン装置の運転を停止させる。
【０００５】
この場合、運転停止スイッチを操作した後、すぐに燃料の供給を停止させてガスタービン装置の運転を停止させると、ガスタービン装置の温度が急に低下することになる。特に、負荷量が大きい状態で長時間運転した場合には、ガスタービン装置が高温となっているため、運転停止後のガスタービン装置の温度が大きく降下することになる。
【０００６】
このように、ガスタービン装置の温度が短時間の間に大きく低下すると、温度の低下によりガスタービン装置の各部材が不均一に収縮してガスタービン装置にひずみが生じ、ガスタービン装置の寿命が短くなるという問題がある。このような問題を解決するために、従来では、運転停止スイッチ操作後、予め設定された所定の時間は無負荷の状態でガスタービン装置の運転（以下、この運転をアイドリング運転という）を継続させてガスタービン装置の温度をある程度低下させ、設定時間経過後に燃料の供給を停止させて運転を停止させる方法が採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の運転停止方法によると、例えば、高負荷のもとで長時間運転した場合には、予め設定された所定時間の間アイドリング運転しただけではガスタービン装置の温度が十分に低下しない場合がある。ガスタービン装置の温度が十分に低下していない状態で運転を停止すると、上述したようにひずみが発生してしまうことになる。
【０００８】
一方、起動後すぐに運転を停止させるような場合には、ガスタービン装置の温度がさほど高温とはなっていないため、ひずみの発生を考慮することなく直ちに運転を停止させることができる。ところが、このような場合でも、上述した従来の運転停止方法によると、予め設定された所定時間が経過しなければ燃料の供給が停止されないため、その間の燃料が無駄に消費されてしまうことになる。しかも、その間の燃焼によって、却ってガスタービン装置の温度上昇を招くことになってしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、ガスタービン装置の温度に応じて運転停止時のアイドリング運転の時間を調節することにより、ひずみの発生を防いでガスタービン装置の寿命低下を防止することを可能とし、また、余分なアイドリング運転に供される燃料を節約することを可能としたガスタービン装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の課題を解決するために、本発明は、空気と燃料との混合気を燃焼させ、該燃焼により発生した燃焼ガスをタービンに供給することにより前記タービンを回転駆動するガスタービン装置において、燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される空気を加温する熱交換器と、前記熱交換器により加温された空気の温度を測定する空気温度測定部と、排気温度を測定する排気温度測定部と、燃焼に供される燃料の供給を停止させることにより前記ガスタービン装置の運転を停止させる運転停止制御部とを設け、前記運転停止制御部は、前記空気温度測定部により測定された空気の温度が、前記排気温度測定部により測定された排気温度を所定温度だけ下回ったときに、燃料の供給を停止させることを特徴とする。
【００１１】
ガスタービン装置から排気される燃焼ガスの温度、即ち排気温度は、混合気の燃焼状態、即ち、燃料供給量に応じて機敏に変動することになる。これに対して、熱交換器により加温された空気の温度は、熱交換器本体が持つ熱容量のため、混合気の燃焼状態に緩やかに追従して変動する。さらに、熱交換器はガスタービン装置の一部を構成しているので、熱交換器により加温された空気の温度を測定することによってガスタービン装置のおおよその温度を推測することができる。
【００１２】
従って、例えば、負荷を受けながらの運転からアイドリング運転に切り替わった場合、排気温度の方が急速に低下して熱交換器に加温された空気温度よりも一旦低くなる。そして、その後、熱交換器により加温された空気の温度が徐々に低下し、やがて排気温度から所定温度だけ下回った場合には、ガスタービン装置の温度が十分に低下したということができる。従って、この時点でガスタービン装置の運転を停止させれば、温度低下によるひずみを防止することができ、これにより、ガスタービン装置の寿命の低下を防止することが可能になる。
【００１３】
また、起動後すぐに運転を停止させるような場合には、熱交換器により加温された空気の温度は十分に上昇せず、排気温度よりも十分に低い状態にある。従って、熱交換器により加温された空気の温度が排気温度から更に所定温度以下の温度である場合には、特段のアイドリング運転を行うことなく直ちにガスタービン装置を停止させることができる。その結果、アイドリング運転に消費される燃料を節約することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態であるガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態におけるガスタービン装置は、タービン１と、混合気を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器２と、燃焼器２への燃料の供給量を調節する燃料調節弁１９と、燃焼器２に空気を圧送する空気圧縮機３とを備えている。また、ガスタービン装置は、タービン１に供給された後の燃焼ガスの熱を利用して空気を加温する熱交換器４と、タービン１を制御対象とするタービン制御部１１と、タービン１の回転数を検出する回転数検出部１２とを備えている。
【００１６】
タービン１は、流体を受けて回転するための複数の回転翼（図示せず）を有し、回転軸６を介してケーシング（図示せず）内に回転自在に支持されている。空気圧縮機３は回転軸６を介してタービン１により駆動されて空気を圧縮するように構成されている。この空気圧縮機３は配管７を介して燃焼器２に接続されており、空気圧縮機３により圧縮された空気は配管７を通って燃焼器２に供給されるようになっている。なお、熱交換器４は配管７の途中に設置されており、空気圧縮機３により圧縮された空気は、熱交換器４により加温された後、燃焼器２に供給される。
【００１７】
燃料調節弁１９は燃焼器２の上流側に配置されており、図示しない燃料供給源から供給された燃料は、この燃料調節弁１９を通過した後、燃焼器２に供給される。燃料調節弁１９は、弁の開度が可変に構成され、この開度を操作することにより、燃焼器２への燃料の供給量が調節されるようになっている。
【００１８】
燃焼器２に供給された燃料および空気は燃焼器２において混合気を形成し、燃焼器２にて混合気が燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスが発生する。そして、この燃焼ガスがタービン１に供給されることによりタービン１が高速で回転する。タービン１に供給された燃焼ガスは熱交換器４に送られ、上述したように、燃焼器２に供給される前の空気を加温した後に排気される。また、タービン１と熱交換器４とを接続する配管８には、排気される燃焼ガスの温度、即ち、排気温度（Exhaust Gas Temperature、ＥＧＴ）を測定するための排気温度測定部１８が設けられている。
【００１９】
熱交換器４と燃焼器２とを接続する配管７には、熱交換器４により加温された空気の温度を測定する空気温度測定部１７が設置されている。この空気温度測定部１７は、燃焼器２のすぐ上流側に配置されており、この空気温度測定部１７によって、燃焼器２に流入する直前の空気の温度、即ち、燃焼器流入空気温度（Combustor air Inlet Temperature、ＣＩＴ）が測定される。
【００２０】
なお、熱交換器４により加温される空気の温度は、燃焼器２における燃焼状態には機敏には追従せず、熱交換器４の持つ熱容量により緩やかに変動することになる。また、熱交換器４はガスタービン装置の一部を構成しているので、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）を測定することによりガスタービン装置本体のおおよその温度を推測することができる。
【００２１】
回転軸６には発電機５が連結されており、回転軸６を介してタービン１により発電機５が高速で回転駆動されることで発電が行われる。タービン制御部１１では、タービン１の回転数の制御が行われる。
【００２２】
また、図１に示すように、本実施形態は、ガスタービン装置の運転を停止させる運転停止制御部２１を備えている。この運転停止制御部２１は、燃料調節弁１９の上流側に設置されており、燃焼器２への燃料の供給を停止させることによりガスタービン装置の運転を停止するように構成されている。図２は本実施形態における運転停止制御部２１の構成を示す模式図である。図２に示すように、運転停止制御部２１には運転停止スイッチが接続されており、運転停止スイッチを作動させることにより運転停止制御部２１が作動するようになっている。
【００２３】
また、図２に示すように、運転停止制御部２１には空気温度測定部１７と排気温度測定部１８が接続されており、空気温度測定部１７および排気温度測定部１８により測定された測定値（ＣＩＴ、ＥＧＴ）が運転停止制御部２１に常時送られてくるようになっている。そして、運転停止制御部２１にて、空気温度測定部１７により測定された空気温度、即ち、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）と、排気温度測定部１８により測定された排気温度（ＥＧＴ）とが比較され、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）が排気温度（ＥＧＴ）より所定温度だけ下回ったときに燃焼器２に供給される燃料の供給を停止させるようになっている。なお所定温度は、ガスタービン装置の持つ熱容量などに応じて自由に設定することができる。
【００２４】
ここで、運転停止制御部２１によりガスタービン装置の運転が停止する様子について図３を用いて説明する。図３（ａ）は負荷運転後に運転を停止させる場合において各種値が変動する様子を経時的に示す図であり、図３（ｂ）は起動後すぐに運転を停止させる場合に各種値が変動する様子を経時的に示す図である。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、タービン１の回転数は、上述したように、タービン制御部１１により定格回転数を維持するように制御されている。このような制御のもとでタービン１が受ける負荷（ＬＯＡＤ）が減少すると、タービン１の回転数（ＮＲ）を一定に保つために燃料供給量が減少する。即ち、より少ない燃料により燃焼するために排気温度（ＥＧＴ）が低下する。排気温度（ＥＧＴ）は、燃焼状態、即ち、燃料供給量に機敏に追従して低下することになる。
【００２６】
一方、空気温度測定部１７により測定される燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）は、排気温度（ＥＧＴ）よりも緩やかに低下する。これは、燃料供給量が減少して排気温度（ＥＧＴ）が低下しても、熱交換器４が持つ熱容量が大きいためにすぐには熱交換器４の温度が低下しないからであり、このため、熱交換器４により加温される燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）が緩やかに低下することになる。従って、図３（ａ）に示すように、排気温度（ＥＧＴ）の方が燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）よりも早く低下することになる。
【００２７】
負荷が完全に除去された直後（ｔ_１）からアイドリング運転となり、この時点では、図３（ａ）に示すように、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）の方が排気温度（ＥＧＴ）よりも高くなっている。通常、ガスタービン装置の運転停止スイッチの操作は、完全に負荷が除去されてアイドリング運転に入ってから行われ、本実施形態では、ｔ_２のときに運転停止スイッチが操作される。
【００２８】
燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）は、時間の経過とともに徐々に低下していき、やがて排気温度（ＥＧＴ）よりも低下することになる。このことは、熱交換器４の温度、即ち、ガスタービン装置の温度が運転停止させるのに十分な温度にまで低下したことを意味する。従って、運転停止制御部２１によって、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）が排気温度（ＥＧＴ）を予め設定した所定温度Ｔだけ下回ったとき（ｔ_３）に燃焼器２への燃料供給が停止される。このように、本実施形態によれば、ガスタービン装置の温度が十分に低下した時点で運転を停止させることができるので、ガスタービン装置の温度低下による各部材でのひずみの発生を防止することが可能となる。
【００２９】
また、図３（ｂ）に示すように、起動後、負荷を受けることなく運転する場合には、定格回転数を維持するための最小限の燃料のみが燃焼に供されるため、タービン１の回転数に対応して排気温度（ＥＧＴ）も一定になる。一方、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）は、熱交換器４の温度が十分に上がっていないために、排気温度（ＥＧＴ）よりも低い位置にあり、その差は、図３（ｂ）に示すように、Ｔ以上の開きがある。即ち、ガスタービン装置の温度は停止できる程度に十分に低いということができる。従って、この場合には、運転停止スイッチ操作時（ｔ_４）と同時にガスタービン装置の運転を停止させることができ、その結果、アイドリング運転に消費される燃料を節約することが可能となる。
【００３０】
なお、本発明のガスタービン装置は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱交換器により加温された空気の温度が、排気温度より所定温度以下に下がったときには、ガスタービン装置の温度が停止可能な程度にまで低下したということができる。従って、ガスタービン装置の温度が十分に低下したときに運転を停止させれば、温度低下に起因する各部材のひずみを防止することができ、これにより、ガスタービン装置の寿命の低下を防止することが可能となる。また、起動後すぐに運転を停止させるような場合には、特段のアイドリング運転を経ることなく直ちに運転を停止させることができるので、アイドリング運転に消費される燃料を節約することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態における運転停止制御部の構成を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）は負荷運転後に運転を停止させる場合において各種値が変動する様子を経時的に示す図であり、図３（ｂ）は起動後すぐに運転を停止させる場合に各種値が変動する様子を経時的に示す図である。
【符号の説明】
１ タービン
２ 燃焼器
３ 空気圧縮機
４ 熱交換器
５ 発電機
６ 回転軸
７，８ 配管
１１ タービン制御部
１２ 回転数検出部
１７ 空気温度測定部
１８ 排気温度測定部
１９ 燃料調節弁
２１ 運転停止制御部

Claims (1)

1. 空気と燃料との混合気を燃焼させ、該燃焼により発生した燃焼ガスをタービンに供給することにより前記タービンを回転駆動するガスタービン装置において、
   燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される空気を加温する熱交換器と、前記熱交換器により加温された空気の温度を測定する空気温度測定部と、排気温度を測定する排気温度測定部と、燃焼に供される燃料の供給を停止させることにより前記ガスタービン装置の運転を停止させる運転停止制御部とを設け、
   前記運転停止制御部は、前記空気温度測定部により測定された空気の温度が、前記排気温度測定部により測定された排気温度を所定温度だけ下回ったときに、燃料の供給を停止させることを特徴とするガスタービン装置。

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