JP3960826B2

JP3960826B2 - ガスタービン装置及びその制御方法

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Publication number: JP3960826B2
Application number: JP2002062269A
Authority: JP
Inventors: テレンスマッケルヴィ; 英史丸井; 政博宮本; 泰古谷; 匡史片岡
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: JP2003262136A

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係り、特に、ガスタービンエンジンの燃焼排ガス温度と発電機出力の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、電力規制緩和に伴う電力市場のオープン化により地域分散型の電源が注目されている。小型ガスタービン発電装置は、電力を発生する発電機と、発電機を駆動するためのガスタービンエンジンとから基本的に構成される。ガスタービンエンジンは、回転軸を介して回転自在に取り付けられたタービンと、燃焼ガスを発生させるための燃焼器と、燃焼器への燃料供給量を調節する燃料調節弁と、空気を圧縮する空気圧縮機とを備えている。
【０００３】
上述の構成において、燃料調節弁により調整された燃料および空気圧縮機により圧縮された空気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。そして、燃焼器において混合気を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、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。回転軸の一端には発電機が取り付けられており、回転軸を介してタービンにより発電機を駆動することで発電が行われる。
【０００４】
このようなガスタービン発電装置においては、各種の運転制御が行われる。例えば、エンジン燃焼排ガス温度を検出して、これが一定の値を超えないように発電電力の調整が行われる。即ち、発電機出力の増大はガスタービンエンジンにおける燃焼量の増大に関連し、最大発電機出力はガスタービンエンジンにおける許容可能な燃焼排ガスの最大温度により決められる。
【０００５】
図５は、従来の発電機出力の立ち上げ時の燃焼排ガス温度と発電機出力との関係を示す。一般に発電機出力を負荷側に供給するに際して、まず無負荷状態でガスタービンエンジンを起動する。そして、ガスタービンエンジンが例えば定格速度で無負荷で運転している状態において、発電機出力を所要の出力まで徐々に供給量を増大する。発電機出力はインバータ装置により設定が可能であり、時刻ｔ_１において所要の発電機設定出力を指令する。これにより燃料調節弁の弁開度が徐々に開いて燃料供給量が増加し、実際の発電機出力が増大していくと共に、燃焼排ガス温度（EGT）が増大していく。
【０００６】
ガスタービンエンジンにおいては、燃焼排ガス温度の許容最大温度があり、この許容最大温度に到達することを防止するため、燃焼排ガス温度の設定温度（運転温度）がある。そして、この設定温度に燃焼排ガス温度が時刻ｔ_２において到達すると、発電機の設定出力を一定の割合で低下させる。しかしながら、時刻ｔ_２においては、発電機の実際出力と設定出力との間に解離がある場合があり、発電機実際出力はなお増加を続ける。このため、図示するように燃焼排ガス温度（EGT）は増大を続け、図示するようにオーバシュートが生じる。そして、時刻ｔ_３において発電機の実際出力と設定出力が一致し、これにより発電機出力は設定出力に従って低下していく。燃焼排ガス温度（EGT）は、この時点で低下に方向が転換する。そして、燃焼排ガス温度（EGT）は、徐々に低下していき、時刻ｔ_４で燃焼排ガス温度（EGT）が設定温度を下回ると、これにより発電機の設定出力は一定の割合で増加していく。従って、これにより燃焼排ガス温度（EGT）も再び増加方向に向かう。このようにして燃焼排ガス温度がその設定温度となるように、発電機の実際出力が収束する。
【０００７】
このような発電機出力の制御によれば、実際の発電機出力は燃焼排ガス温度の設定温度により制限され、燃焼排ガスの設定温度は、許容最大燃焼排ガス温度に対して実際の燃焼排ガス温度上昇時のオーバシュート分を考慮して余裕を見て設定される。そして、このような従来の発電機出力の設定方法によれば、発電機出力の上昇時の燃焼排ガス温度が、その設定温度を超えるオーバシュート分を考慮するため、設定温度を許容最大温度に対して十分な余裕を設けて設定しなければならないという問題があった。これにより、発電機の実際出力が低く抑えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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、エンジン燃焼排ガス温度のオーバシュートという問題を最小限に抑え、エンジンの有する最大発電出力を引き出すことができるガスタービン装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、本発明のガスタービン装置は、空気と、燃料を混合して燃焼することで、タービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記タービンに直結した発電機とを備えたガスタービン装置において、前記発電機の出力を上昇しつつ前記ガスタービンエンジンの燃焼排ガス温度を計測し、燃焼排ガス温度が設定温度を超えた場合に前記発電機の設定出力をその時点の実際出力に変更することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のガスタービン装置は、前記発電機の実際出力を一定の出力に保持し、前記燃焼排ガス温度の変動が落ち着いた後に、前記燃焼排ガス温度の設定温度を緩やかに上昇させることを特徴とする。
【００１１】
このように構成された本発明によれば、発電機出力の上昇に際して、燃焼排ガス温度がその設定温度を超えた場合に、発電機の設定出力をその時点の実際出力に変更するので、この時点で燃料調節弁の弁開度が固定され、発電機はその時点での実際出力が保持される。これにより、燃焼排ガス温度のオーバシュートを最小限に抑えることができる。従って、燃焼排ガスの許容最大温度に対して、設定温度をこれに近づけて高くすることができ、これに対応して発電機出力を大きくすることができる。
【００１２】
また、緩やかに燃焼排ガスの設定温度を許容最大温度に近づけるように制御することで、安定に燃焼排ガス温度を許容最大値に制御することが可能となる。これにより、燃焼排ガス温度をその許容可能な上限値いっぱいで使用することができるので、ガスタービンエンジンが有する最大の発電機出力を取り出すことが可能となる。
【００１３】
【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。なお、以下に説明するガスタービン装置は、小型のタービンを使用した、ガスタービン発電装置についてのものであるが、他の形式のガスタービン装置においても同様に適用が可能である。
図１は、本実施形態のガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【００１４】
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、小型のタービン１と、タービン１に回転駆動されて回転する発電機５と、タービン１に燃焼ガスを供給する燃焼器２と、燃焼器２への燃料の供給量を調節する燃料調節弁８と、燃焼器２に圧縮空気を供給する空気圧縮機３と、タービン１に供給された後の燃焼ガスの熱を利用して圧縮空気を加温する再生熱交換器４と、燃料調節弁８等を制御対象とする制御装置１０とを備えている。
【００１５】
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、ケーシング（図示せず）に収納され、回転軸６を介して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。なお、配管７の途中には再生熱交換器４が設置されており、空気圧縮機を出た圧縮空気は、再生熱交換器４により加温された後、燃焼器２に供給されるようになっている。
【００１６】
燃料調節弁８は、燃焼器２の上流側に配置され、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８を通過した後、燃焼器２に供給される。燃料調節弁８は、弁の開度が可変に構成され、この弁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。
【００１７】
燃焼器２に供給された燃料および圧縮空気は燃焼器２において混合気を形成し、燃焼することで、燃焼器２にて高温・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。
【００１８】
回転軸６の端部には発電機５が接続されており、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。発電機５にて発生した交流電力は、図示しない直流変換部、昇圧部、インバータ装置などにより商用交流電力として使用可能に調整された後に出力される。この発電機５の出力は、インバータ装置の設定により任意に調整が可能である。従って、制御装置１０において発電機出力を設定すると、発電機５がタービン１から供給されるエネルギーの範囲内において任意の発電機出力を負荷側に供給することができる。
【００１９】
このガスタービン装置は、各種のセンサを備えており、これらの信号に基づいて制御装置１０が燃料調節弁８の弁開度の制御、及び発電機出力の調整等を行う。回転センサ１２は、回転軸６の回転速度を検出し、定速運転時にはこの回転速度が一定となるように燃料調節弁の弁開度がフィードバック制御される。また、ガスタービンエンジンの燃焼ガスの排出部にはＥＧＴ（Exhaust Gas Temperature）センサ１３を備え、タービンより排出される燃焼排ガスの温度を計測する。そして、この温度が許容可能な目標温度を超えて上昇しないように発電機出力の制御等がおこなわれる。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態の発電機出力と燃焼排ガス温度の制御方法を示す。この制御は、例えばガスタービン装置を起動後、ガスタービンの回転速度を所定の運転速度に調整した後に、発電機出力を０から例えば定格出力まで上げていく時に適用される。上述したように発電機出力はガスタービンエンジンの燃焼量に対応し、発電機出力が増大するとエンジン燃焼排ガス温度も上昇する。
【００２１】
このガスタービン装置においては、時刻ｔ_１において例えば発電機の定格出力を設定出力とする。ガスタービンエンジンにおいては、この設定出力を出力するように燃料調節弁の弁開度が徐々に開かれて、これにより実際の発電機出力が上昇していく。同時に燃焼排ガス温度（EGT）も上昇し、時刻ｔ_２において燃焼排ガスの設定温度に到達する。この制御装置１０においては、燃焼排ガス温度が設定温度を超えた場合には、発電機の出力の設定値をその時点の実際の発電機出力に変更する。発電機の実際出力が設定出力と一致するので、燃料調節弁の弁開度はこの時の状態に保持される。
【００２２】
従って、時刻ｔ_２において、発電機の設定出力が発電機の実際出力と一致し、発電機の実際出力は設定出力に従って一定に保持される。そして、この時点で燃料調節弁の弁開度も一定に保たれるので、時刻ｔ_３において、燃焼排ガス温度（EGT）のオーバシュートが極めて小さくなる。
【００２３】
燃焼排ガスの設定温度は、図３（ａ）に示すようにその温度の上下に発電機の出力を所定の割合で減少又は増加させるバンドを備えている。即ち、設定温度２１の上側バンド２２では、燃焼排ガス温度がその温度を超えると発電機の出力を一定の割合で減少させる。又、設定温度２１の下側バンド２３では、燃焼排ガス温度がこの温度を下回ると発電機の出力を一定の割合で増加させる。従って、図２において発電機出力の立上がりで燃焼排ガス温度が設定温度２１の上側バンド２２を越えると、発電機出力が一定の割合で減少し、これにより燃焼排ガス温度は下方に向かい、又燃焼排ガス温度が下側のバンド２３を下回ると発電機出力は一定の割合で増加する。従って、このようにして燃焼排ガス温度（EGT）は設定温度に収束し、これに追従して発電機の実際出力も一定値に収束する。
【００２４】
この制御装置１０によれば、上述したように燃焼排ガス温度の設定温度を超えたオーバシュートが極めて小さくなる。なお、比較のために従来例を点線で示す。従って、燃焼排ガスの設定温度を許容最大温度に近づけることができ、例えば図示の設定温度Ａに上げることができる。これに対応して発電機出力を増加することができる。
【００２５】
図４は、本発明の第２の実施形態の発電機出力と燃焼排ガス温度の制御方法を示す。発電機出力の上昇に際して、燃焼排ガス温度がその設定温度を超えると、発電機の設定出力をその時点の実際出力に変更するようにしたことは上記第１の実施形態と同様である。この実施形態においては、燃焼排ガス温度の変動が落ち着いた後に、燃焼排ガス温度の設定温度を緩やかに上昇させる。例えば、時刻ｔ_５において、燃焼排ガス温度の設定温度の緩やかな上昇を開始する。
【００２６】
この燃焼排ガスの設定温度は、図３（ｂ）に示すように、その設定温度２１の上下に発電機の出力を所定の割合で減少又は増加させるバンド２２，２３を備えている。従って、設定温度が上昇すると、燃焼排ガス温度がこの下側バンドを下回ることになり、発電機の設定出力が増加する。これにより、燃料調節弁の弁開度が開かれ、発電機の実際出力も燃焼排ガス温度の上昇に追従して緩やかに上昇する。
【００２７】
この緩やかな上昇の程度は、燃焼排ガス温度の設定温度の上昇に伴い、実際の燃焼排ガス温度及び発電機出力に振動が生じないで追従できる程度にゆっくりとしたものとする。燃焼排ガスの設定温度の上昇は、許容最大温度に極めて接近したところで停止し、この設定温度に固定する。これにより、燃焼排ガス温度をその許容最大温度いっぱいの温度でガスタービン装置を運転することが可能となる。即ち、時刻ｔ_６において燃焼排ガス温度の許容最大温度以下のいっぱいの温度まで到達したので、その温度に設定温度を保持し、定常状態での運転が行われる。これにより、燃焼排ガス温度の許容最大温度いっぱいのところで運転をすることができるので、ガスタービン装置の有する最大限の発電機出力を取り出すことができる。
【００２８】
上記実施形態のおいては、燃焼排ガスの設定温度の上下に発電機の出力を所定の割合で減少又は増加させるバンドを設けた例について説明したが、このバンドは上下に各２個の内側及び外側バンドを備えるようにしてもよい。ここで、外側バンドは内側バンドよりも高い割合で発電機出力を減少又は増加させる。このように上下に各２個のバンドを設けることで、より早い燃焼排ガス温度の設定温度への収束ができる。
【００２９】
なお、本発明のガスタービン装置は、上述の図示例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。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発電機出力の上昇に際して、燃焼排ガス温度のオーバシュートという問題を最小限に抑えられる。従って、燃焼排ガスの設定温度を許容最大温度の近くに設定することが可能となり、これにより発電機出力をそのガスタービン装置の有する最大能力まで高めることが可能となる。従って、安定性が高く、且つ効率的な運転が可能なガスタービン装置が提供される。
【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】本発明の第１の実施形態の発電機出力と燃焼排ガス温度の関係を示す図である。
【図３】設定温度とその上下に備えたバンドとの関係を示す図であり、（ａ）は設定温度およびバンドが固定の場合を示し、（ｂ）はバンドが設定温度と共に緩やかに上昇する場合を示す。
【図４】本発明の第２の実施形態の発電機出力と燃焼排ガス温度の関係を示す図である。
【図５】従来の発電機出力の立ち上げ時の燃焼排ガス温度と発電機出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
１タービン
２燃焼器
３空気圧縮機
４再生熱交換器
５発電機
６回転軸
７配管
８燃料調節弁
１０制御装置
１２回転センサ
１３ＥＧＴセンサ
２１設定温度
２２上側バンド
２３下側バンド

Claims

空気と、燃料を混合して燃焼することで、タービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記タービンに直結した発電機とを備えたガスタービン装置において、
前記発電機の設定出力を設定する手段と、
前記ガスタービンエンジンの燃焼排ガス温度を計測するセンサと、
前記発電機の出力を前記設定出力に一致するように上昇させるに際して、前記センサで計測された燃焼排ガス温度が設定温度を超えた場合に前記設定出力をその時点の前記発電機の実際出力に変更する手段とを備えたことを特徴とするガスタービン装置。
前記燃焼排ガスの設定温度を当初の設定温度から緩やかに上昇させ、許容最大温度以下の温度に固定する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン装置。
前記燃焼排ガスの設定温度の上下に、前記発電機の出力を所定の割合で減少または増加させるバンドを備えたことを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン装置。
空気と、燃料を混合して燃焼することで、タービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記タービンに直結した発電機とを備えたガスタービン装置において、
前記発電機の出力を上昇しつつ前記ガスタービンエンジンの燃焼排ガス温度を計測し、燃焼排ガス温度が設定温度を超えた場合に前記発電機の設定出力をその時点の実際出力に変更することを特徴とするガスタービン装置の制御方法。
前記発電機の実際出力を一定の出力に保持し、前記燃焼排ガス温度の変動が落ち着いた後に、前記燃焼排ガス温度の設定温度を緩やかに上昇させることを特徴とする請求項４記載のガスタービン装置の制御方法。
燃焼排ガスの温度が、前記燃焼排ガスの設定温度の上側バンドを超えると、前記発電機の出力を所定の割合で減少させ、前記燃焼排ガスの設定温度の下側バンドを下回ると、前記発電機の出力を所定の割合で増加させることを特徴とする請求項４または５記載のガスタービン装置の制御方法。