JP4218778B2

JP4218778B2 - ガスタービンの起動制御方法

Info

Publication number: JP4218778B2
Application number: JP02255199A
Authority: JP
Inventors: 倉弘隆熊; 川潔井
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2019-01-29
Also published as: JP2000220474A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンに連結した発電機をスタータモータとして駆動して、ガスタービンを起動するのに用いられるガスタービンの起動制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの起動制御装置としては、例えば、図５に示すようなものが提案されている。図に示すガスタービンの起動制御装置は、ガスタービン１００に連結した発電機１０１をスタータモータとして駆動するものであって、始動回転制御手段１０２によって発電機１０１を駆動し、タービン軸の回転数が所定の着火回転数に達したところでその回転数を維持し、ガスタービン１００の燃焼器において点火を行うと共に、着火燃料制御手段１０３で燃料流量を調整しながら、燃料供給系１０４から燃焼器に燃料を供給する。そして、燃焼器において温度センサ等により着火を確認したのち、始動回転制御手段１０２によりタービン軸の加速を開始し、タービン軸が所定の回転数まで加速されたところで起動を終了し、発電機１０１を発電制御に切換える。
【０００３】
上記のガスタービンの起動制御装置は、燃料流量を調整する着火燃料制御手段１０３を備えたことにより、良好な着火性を実現したものである。このようなガスタービンの起動制御装置は、例えば特開平６−２６４７６６号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では、小型で高効率を特徴とした永久磁石式の発電機が増えつつあり、低コスト化を目的としたガスタービンの起動制御装置においては、高い電圧との共用化、例えば１００Ｖと２００Ｖの共用化を図った高電圧型発電機の採用が考えられている。
【０００５】
ところが、１００Ｖと２００Ｖを共用する高電圧型発電機では、１００Ｖ専用型発電機の約２倍の電圧特性を有するが、同電圧（例えば２４Ｖ）のバッテリーで駆動し得る回転域が１００Ｖ専用型発電機の約半分になる。このため、ガスタービンの起動制御装置に高電圧型発電機を用いると、バッテリーの電圧内で制御可能な上限回転数が低すぎることから、燃焼器の燃焼不良域で着火することとなり、その結果、着火しているにもかかわらず着火判定に必要な温度上昇が得られないので、着火判定が困難になるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、ガスタービンの起動制御において、高電圧型発電機を用いた場合でも着火判定を確実に行うことができるガスタービンの起動制御方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるガスタービンの起動制御方法は、請求項１として、ガスタービンに連結した発電機をスタータモータとして駆動して、ガスタービンの起動を行うに際し、タービン軸の回転数が着火回転数に達したところで、その回転数をほぼ一定に維持すると共に、燃焼器において点火および燃料供給を開始して燃焼器出口の着火後の最低温度を検出し、タービン軸の回転に伴う空気流入量の増加により燃焼器の温度が低下した場合には着火後の最低温度を更新し、燃焼器出口の着火後の最低温度と燃焼中の出口温度を比較して着火判定を行う構成とし、請求項２として、タービン軸の着火回転数を維持した状態で所定の待機時間が経過したのち、タービン軸の加速を開始する構成とし、請求項３として、燃焼器出口の着火後の最低温度が基準値よりも高い場合に待機時間を短く設定する構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わるガスタービンの起動制御方法では、ガスタービンに連結した発電機をスタータモータとして駆動して、ガスタービンの起動を行うに際し、タービン軸の回転数が着火回転数に達したところで、その回転数をほぼ一定に維持し、燃焼器において点火および燃料供給を開始する。このとき、発電機が例えば１００Ｖと２００Ｖを共用する高電圧型発電機である場合、バッテリー電圧内で制御し得る上限回転数が低いため、着火回転数も低くなる。その結果、燃焼器の燃焼不良域で着火することとなり、正常な着火に比べて燃焼器出口の温度も低いものとなる。そこで、当該ガスタービンの起動制御方法では、燃焼器において点火および燃料供給を開始したところで、燃焼器出口の着火後の最低温度（初期温度）を検出し、タービン軸の回転に伴う空気流入量の増加により燃焼器の温度が低下した場合には着火後の最低温度を更新し、その後、燃焼器出口の着火後の最低温度と燃焼中の出口温度を比較して着火判定を行う。つまり、着火開始後の所定の温度上昇を確認することにより、燃焼器の燃焼不良域での着火により燃焼器出口の温度が低い場合や、空気流入量の増加により燃焼器の温度が低下した場合であっても、その着火判定が確実なものとなる。その後、タービン軸の始動加速を行い、所定の回転数に達したところで起動を終了し、発電機を発電制御に切換える。
【０００９】
本発明の請求項２に係わるガスタービンの起動制御方法では、タービン軸の回転が着火回転数に達したところで、その着火回転数を所定の待機時間の間維持する。つまり、着火回転数が低く、燃焼器の燃焼不良域で着火している場合、着火直後にタービン軸の加速を行うと火の吹き消えが生じることがある。そこで、所定の待機時間を設けることによって火の吹き消えを防止する。また、待機時間が経過したのちにタービン軸の加速を開始することにより、着火判定可能な温度上昇が発生しやすくなる。
【００１０】
本発明の請求項３に係わるガスタービンの起動制御方法では、バッテリー電圧内で制御し得る上限回転数が低い高電圧型発電機を用いた場合、燃焼器の燃焼不良域で着火することとなるが、燃焼器の初期温度が高いほど火の吹き消えが発生しにくくなる傾向にあり、また、低速の着火回転数で長時間燃焼を行うと、燃料噴射弁の近傍にすすが堆積したり、部品の変形等の原因となる部分的なホットスポットが発生したりすることから、燃焼器出口の着火後の最低温度が基準値よりも高い場合に待機時間を短く設定することにより、火の吹き消えを防止したうえで、低速の着火回転数での燃焼時間が短くなる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるガスタービンの起動制御方法によれば、バッテリー電圧内で制御し得る上限回転数つまり着火回転数が低い高電圧型発電機を使用したことで、燃焼器の燃焼不良域で着火する場合や、空気流入量の増加により燃焼器の温度が低下した場合であっても、その着火判定を確実に行うことができる。これにより、低コストの高電圧型発電機を使用したガスタービンの起動制御装置を実現すると共に、ガスタービンの起動を円滑に行うことができる。
【００１３】
本発明の請求項２に係わるガスタービンの起動制御方法によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、タービン軸の着火回転数を所定の待機時間の間維持することから、燃焼器の燃焼不良域で着火している場合に火の吹き消えを防止することができ、また、所定の待機時間が経過したのち、タービン軸の加速を開始することにより、着火判定可能な温度上昇を発生しやすくして、燃焼器出口の最低温度と燃焼中の出口温度との比較による着火判定をより一層確実なものにすることができる。
【００１４】
本発明の請求項３に係わるガスタービンの起動制御方法によれば、請求項２と同様の効果を得ることができるうえに、燃焼器出口の着火後の最低温度が基準値よりも高い場合に待機時間を短く設定することにより、とくに、燃焼器の初期温度が高い場合において、燃焼器の燃焼不良域で着火した際の火の吹き消えを防止することができると共に、すすの堆積やホットスポット等の不具合が発生しやすい低速回転数域での燃焼時間を極力短くすることができる。
【００１６】
【実施例】
図１は、本発明に係わるガスタービンの起動制御方法が適用されるガスタービンの起動制御装置を説明するブロック図である。
【００１７】
ガスタービンの起動制御装置は、ガスタービン１のタービン軸に連結した発電機２をスタータモータとして駆動するものであって、発電機２の始動回転を制御する始動回転制御手段３と、始動回転制御手段３からの指令により燃料流量の制御を行う着火燃料制御手段４と、ガスタービン１における燃焼器の燃料噴射弁に通じる燃料供給系５を備えている。
【００１８】
発電機２は、小型で且つ高効率な永久磁石式であって、さらに低コスト化を図るために、例えば１００Ｖと２００Ｖを共用化した高電圧型発電機である。このため、発電機２は、回転数にほぼ比例して電圧の立上がりを生じる特性を有するが、例えば１００Ｖ専用型の発電機に比べて同じ電圧での制御可能な上限回転数が約半分であり、着火回転数が低いものとなっている。また、発電機２は、バッテリー電圧（例えば２４Ｖ）内で制御可能な範囲において所定の着火回転数を設定する第１のモードと、電力一定で始動加速を行う第２のモード（回転数は成り行き）とを備えている。
【００１９】
始動回転制御手段３は、発電機２に対してスタータ駆動モードと発電制御モードとを切換える機能を有すると共に、スタータ駆動モードにおいては、図示しないバッテリーからの電源供給により発電機２を駆動し、このとき、タービン軸の回転数を所定の着火回転数で維持する場合には、第１のモードすなわち回転数制御手段６を介してバッテリー電圧内で発電機２を駆動し、タービン軸を始動加速する場合には、第２のモードすなわち電力一定加速手段７を介して発電機２を駆動するようになっている。
【００２０】
そして、当該ガスタービンの起動制御装置は、ガスタービン１における燃焼器の出口温度（ガス温度）を検出する温度検出手段８を備えている。この温度検出手段８は、着火後の最低温度（初期温度）を検出する最低温度検出手段９と、最低温度検出手段９から入力した最低温度と燃焼中の燃焼器の出口温度とを比較する着火判定手段１０を備えている。着火判定手段１０は、所定の着火判定温度ΔＴを設定し、燃焼中の出口温度が最低温度よりも着火判定温度ΔＴの分上昇しているか否かを判定し、上昇を確認した場合に着火しているものとして、着火判定を始動回転制御手段３に入力する。
【００２１】
また、始動回転制御手段３は、タービン軸の回転数が着火回転数に達したのちに、その回転数を維持する所定の待機時間Ｔｈを設定する機能を有し、最低温度検出手段９で検出した最低温度が予め定めた基準値よりも高い場合には、待機時間Ｔｈを短く設定し直す機能を有している。なお、最低温度が基準値よりも低い場合に待機時間Ｔｈを長くする機能を付加することも可能である。
【００２２】
上記の構成を備えたガスタービンの起動制御装置において、その起動制御は図２に示すフローチャートに従って行われる。
【００２３】
すなわち、ステップＳ１において始動回転制御手段３の起動スイッチをオンにし、ステップＳ２において始動回転制御手段３をスタータ駆動モードにすると、第１のモードである回転数制御手段６を介して発電機２が駆動されると共に、ガスタービン１のタービン軸が回転を開始する。そして、ステップＳ３においてタービン軸の回転を所定の着火回転数Ｎ１にしたところで、ステップＳ４において燃焼器の点火装置をオンにし、さらに、ステップＳ５において燃料供給系５から燃焼器に対する燃料供給を開始する。
【００２４】
このとき、ガスタービンの起動制御方法では、図３に示すように、タービン軸の回転が着火回転数Ｎ１に達したところでその回転数を維持し、ステップＳ６において最低温度検出手段９により燃焼器出口の着火後の最低温度を検出し、ステップＳ７において待機時間Ｔｈの計測を開始する。着火回転数Ｎ１の維持は待機時間Ｔｈの間行われる。
【００２５】
ここで、図１に示すガスタービンの起動制御装置では、高電圧型の発電機２を使用しているので、バッテリー電圧内で制御可能な上限回転数が低く、これにより着火回転数Ｎ１も低いものとなり、その結果、燃焼器の燃焼不良域で着火するので、正常な着火に比べて燃焼器出口の温度も低いものとなっている。また、燃焼器の燃焼不良域で着火することから、着火直後にタービン軸の加速を行うと火の吹き消えが生じることがある。
【００２６】
そこで、ガスタービンの起動制御方法では、着火回転数Ｎ１を維持する待機時間Ｔｈを設定することにより、火の拭き消えを防止している。そして、ステップＳ８において燃焼器出口の最低温度と燃焼中の現在の出口温度を比較し、現在の出口温度が最低温度よりも着火判定温度ΔＴの分上昇していないと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ９において待機時間Ｔｈ内であるか否かを判定し、待機時間Ｔｈ内であると判定した場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ８に戻る。また、ステップＳ９において待機時間Ｔｈを経過したと判断した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１０において回転数制御手段６による第１のモードの制御から電力一定加速手段７による第２のモードの制御に切換え、電力一定加速手段７を介して電力一定でのタービン軸の加速を開始し、ステップＳ８に戻る。
【００２７】
ステップＳ８において、現在の出口温度が最低温度よりも着火判定温度ΔＴの分上昇したと判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１１において、着火判定後の始動加速を行い、タービン軸が所定の回転数まで加速されたところで起動を終了し、発電機２を発電制御モードに切換える。
【００２８】
このようにして、上記ガスタービンの起動制御では、着火開始後の所定の温度上昇を確認することにより、燃焼器の燃焼不良域での着火により燃焼器出口の温度が低い場合であっても、着火判定が確実なものとなり、ガスタービン１の起動が円滑に行われる。また、所定の待機時間Ｔｈが経過したのちにタービン軸の加速を開始することにより、火の拭き消えが防止されるうえに、着火判定可能な温度上昇が発生しやすくなり、着火判定がより確実なものとなる。したがって、通常の場合、着火判定（着火確認）は、図３に示す如くタービン軸の加速後に行われる。
【００２９】
さらに、このガスタービンの起動制御装置では、燃焼器の初期温度が高いほど火の吹き消えが発生しにくくなる傾向にある。そこで、ステップＳ６において最低温度を検出した際に、その最低温度が基準値よりも高い場合には、ステップＳ７において待機時間Ｔｈを短く設定する。つまり、低速の着火回転数で長時間燃焼を行うと、燃料噴射弁の近傍にすすが堆積したり、部品の変形等の原因となる部分的なホットスポットが発生したりするので、最低温度が高い場合には、図３に示す如く短い待機時間Ｔｈ´を設定することにより、火の拭き消え防止の機能を得たうえで、低速での燃焼時間を短くしている。なお、起動時にガスタービン１の燃焼器の温度が高い場合、タービン軸を回転させると、回転数の上昇に伴って空気流入量が増加し、これにより燃焼器の温度が下がることがあるので、その低下分をキャンセルする制御も行われる。
【００３０】
図４は、本発明に係わるガスタービンの起動制御方法の参考例を説明する図である。なお、起動制御装置は、図１に示すものを用いることができる。
【００３１】
このガスタービンの起動制御方法では、ガスタービン１に連結した発電機２をスタータモータとして駆動して、ガスタービン１の起動を行うに際し、タービン軸の回転数が着火回転数に達したところで燃焼器において点火および燃料供給を開始したのち、着火回転数の維持とタービン軸の加速との切換えを短時間に繰り返し行う。つまり、回転数制御手段６を介した第１のモードの制御と、電力一定加速手段７を介した第２のモードの制御との切換えを短時間に繰り返し行う。
【００３２】
これにより、バッテリー電圧内で制御し得る上限回転数が低い高電圧型発電機２を用いたガスタービンの起動制御において、第１および第２のモードの繰り返しとともにタービン軸の回転数が増減を繰り返し、タービン軸の回転数Ｎ２が低い着火回転数よりも着火に適した高い回転数域となり、着火が良好に行われることとなる。したがって、先の実施例のように、燃焼器出口の最低温度と現在の出口温度との比較により温度上昇を確認し、着火判定を行うことも容易であるし、温度上昇の検出を行わない温度センサ等の温度検出手段による着火判定も行い得るものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるガスタービンの起動制御方法が適用される起動制御装置の一例を説明するブロック図である。
【図２】ガスタービンの起動制御過程を説明するフローチャートである。
【図３】ガスタービンの起動制御における時間とタービン軸の回転数との関係を説明するグラフである。
【図４】本発明に係わるガスタービンの起動制御方法の参考例における時間とタービン軸の回転数との関係を説明するグラフである。
【図５】従来のガスタービンの起動制御装置を説明するブロック図である。
【符号の説明】
１ガスタービン
２発電機

Claims

ガスタービンに連結した発電機をスタータモータとして駆動して、ガスタービンの起動を行うに際し、タービン軸の回転数が着火回転数に達したところで、その回転数をほぼ一定に維持すると共に、燃焼器において点火および燃料供給を開始して燃焼器出口の着火後の最低温度を検出し、
タービン軸の回転に伴う空気流入量の増加により燃焼器の温度が低下した場合には着火後の最低温度を更新し、
燃焼器出口の着火後の最低温度と燃焼中の出口温度を比較して着火判定を行うことを特徴とするガスタービンの起動制御方法。
タービン軸の着火回転数を維持した状態で所定の待機時間が経過したのち、タービン軸の加速を開始することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの起動制御方法。
燃焼器出口の着火後の最低温度が基準値よりも高い場合に待機時間を短く設定することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンの起動制御方法。