JP5039827B2 - ２軸式ガスタービン並びにその制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、２軸式ガスタービン並びにその制御装置及び制御方法に係り、特に２軸式ガスタービンにおけるガスジェネレータの制御に関する。

一般に２軸式ガスタービンは、圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンで構成されるガスジェネレータを備えるとともに、負荷に接続される低圧タービン（パワータービン）を備え、ガスジェネレータにおける回転軸（ガスジェネレータ軸）が低圧タービンの回転軸に対して分離されている。そしてそのガスジェネレータでは、圧縮機が圧縮空気を生成し、燃焼器において燃料を圧縮機からの圧縮空気と混合燃焼させて燃焼ガスを生成し、その燃焼器で生成された燃焼ガスは、高圧タービンを回転駆動して圧縮機の駆動力を発生させた後、低圧タービンに送られてそれを回転駆動する。

このような２軸式ガスタービンでは、ガスジェネレータ軸の修正回転数に基づいて圧縮機におけるＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内翼）開度を調整する制御、つまり修正回転数対応ＩＧＶ開度制御をガスジェネレータの運転状態に関係なく一律に適用するのが従来における一般的なガスジェネレータ制御であった。

なお、２軸式ガスタービンについては、例えば特許文献１〜特許文献３などに開示の例が知られている。

特開２００７−４０１７１号公報 特開平８−８２２２８号公報 特開昭６３−２１２７２５号公報

上述のように従来の２軸式ガスタービンでは修正回転数対応ＩＧＶ開度制御がガスジェネレータでなされるが、この場合、図７の（ａ）に示すように、ＩＧＶ開度は大気温度に相関する修正回転数に応じて変化し、そのため、図７の（ｂ）に示すように運転線が変化することから、ガスジェネレータ軸の回転数が大気温度によって変化する。また、運転線上の位置が変化することから、負荷やタービンの劣化によってもガスジェネレータ軸の回転数が変化する。

こうしたガスジェネレータ軸の回転数変化は共振問題を招く。すなわちガスジェネレータ軸の回転数変化は、ガスジェネレータ軸の回転数が共振回転数に近づく可能性を増大させる。そして共振回転数に近づくと共振を発生して軸振動が大きくなる。このような共振問題は高負荷運転下の高速回転にある状態で特に大きく、高速回転状態での共振はタービンや圧縮機の動翼を損傷する可能性を高まらせる。こうしたことから修正回転数対応ＩＧＶ開度制御を一律に適用する制御方式では、想定される回転数において共振を回避できる構造を与えるか、あるいは共振に耐えられる構造を動翼に与える必要があり、これによりコスト上昇を招くことになっていた。

本発明は以上のような事情を背景になされたものであり、その課題は、２軸式ガスタービンについて、ガスジェネレータ軸の回転数変化に伴う共振問題、特にガスジェネレータ軸が高速回転にある状態での共振問題を効果的に解消できるようにすることにある。

修正回転数対応ＩＧＶ開度制御は圧縮機のサージング回避に有効である。ただ、圧縮機は、その軸回転数、つまりガスジェネレータ軸の回転数が一定以上の領域では安定性が高まり、サージングがそれほど大きな問題となることはない。したがってガスジェネレータ軸が低速回転にある状態では修正回転数対応ＩＧＶ開度制御を必要とするものの、ガスジェネレータ軸が圧縮機安定領域のような高速回転にある状態では必ずしも修正回転数対応ＩＧＶ開度制御を必要としない。一方、共振問題は、ガスジェネレータ軸が圧縮機安定領域のような高速回転にある状態で大きくなってくる。

そこで、ガスジェネレータ軸が低速回転となる運転状態（これは起動運転時、停止運転時、及び負荷が一定以下である低負荷運転時に発生する）では修正回転数対応ＩＧＶ開度制御とし、ガスジェネレータ軸が高速回転となる運転状態（高負荷運転状態）ではガスジェネレータ軸の回転数を一定に保つようにＩＧＶ開度を調整する制御、つまり軸回転数一定ＩＧＶ開度制御とする。

このように異なる制御モードを運転状態に応じて用いることにより、共振問題を効果的に解消でき、しかも圧縮機のサージングにも効果的に対応することができる。すなわち共振問題が特に大きくなるガスジェネレータ軸の高速回転時には軸回転数一定ＩＧＶ開度制御によりガスジェネレータ軸の回転数を一定に保つことになるので、ガスジェネレータ軸の回転数が共振回転数に近づくような事態を効果的に避けることができ、したがって共振問題を効果的に解消できる。一方、圧縮機のサージングが問題になるガスジェネレータ軸の低速回転時には、修正回転数対応ＩＧＶ開度制御により圧縮機のサージングを避けることができる。

具体的に、本発明は、空気取込み側に入口案内翼を設けた圧縮機、燃料を前記圧縮機からの圧縮空気と混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動されて前記圧縮機の駆動力を発生する高圧タービンを含んでなるガスジェネレータを備えた２軸式ガスタービンにおいて、前記入口案内翼の制御手段は、ガスジェネレータ軸の低速回転時に大気温度に応じたガスジェネレータ軸の修正回転数に基づいて前記入口案内翼の開度を調整する第１の制御モードと、前記ガスジェネレータ軸の高速回転時に前記ガスジェネレータ軸の実回転数を一定に保つように前記入口案内翼の開度を調整する第２の制御モードとを備えている。

言い換えれば、前記入口案内翼の制御手段は、ガスジェネレータ軸の低速回転時に前記圧縮機のサージングを回避するように前記入口案内翼の開度を調整する第１の制御モードと、前記ガスジェネレータ軸の高速回転時に前記圧縮機の共振を回避するように前記入口案内翼の開度を調整する第２の制御モードとを備えている。

この場合において、ガスジェネレータ軸の回転数が大きくＩＧＶ開度が小さい状態では、圧縮機の翼で空気流れの剥離が発生して性能を低下させ易く、またアイシングも発生し易い。したがってそのような状態となるのを避けることができるようにするのが好ましい。こうしたことから本発明では上記のような２軸式ガスタービンについて、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードの間でのモード移行に際し第３の制御モードを介在させることができるようにされ、前記第３の制御モードでは、前記ガスジェネレータ軸の回転数によらずにＩＧＶ開度を一定に保つようにされていることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、２軸式ガスタービンについて、ガスジェネレータ軸が高速回転にある状態での共振問題を効果的に解消でき、しかも圧縮機のサージングにも効果的に対応することができる。

第１の実施形態による２軸式ガスタービンの構成を示す図である。 第１の実施形態におけるＩＧＶ開度制御部の構成を示す図である。 第１の実施形態におけるＩＧＶ開度と修正回転数、実回転数それぞれの関係を示す図である。 第２の実施形態による２軸式ガスタービンの構成を示す図である。 第２の実施形態におけるＩＧＶ開度制御部の構成を示す図である。 第２の実施形態におけるＩＧＶ開度と修正回転数、実回転数それぞれの関係を示す図である。 従来におけるガスジェネレータ制御の場合のＩＧＶ開度と修正回転数、実回転数それぞれの関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１に、第１の実施形態による２軸式ガスタービン１の構成を模式化して示す。２軸式ガスタービン１は、ガスジェネレータ２と出力タービン３で構成される。

出力タービン３は、低圧タービン４と負荷５を主な要素として構成され、低圧タービン４にそのロータでもある出力タービン軸６を介して負荷５が接続されている。

一方、ガスジェネレータ２は、圧縮機７、燃焼器８、高圧タービン９、及びガスジェネレータ制御装置１０を主な要素として構成されている。

圧縮機７は、大気中から取り込む空気を圧縮して圧縮空気を生成する。また圧縮機７は、空気取込み側にＩＧＶ（入口案内翼）１１が設けられている。そしてＩＧＶ１１は、ＩＧＶ駆動装置１２により開度を変えることができるようにされ、それにより圧縮機７の空気取込み量を変化させる。

燃焼器８は、燃料供給源１３から燃料制御弁１４を介して供給される燃料１５を圧縮機７からの圧縮空気１６と混合燃焼させて燃焼ガス１７を生成する。

高圧タービン９は、そのロータでもあるガスジェネレータ軸１８を介して圧縮機７に駆動力を伝達できるようにされ、燃焼器８からの燃焼ガス１７で回転駆動されて圧縮機７の駆動力を発生する。高圧タービン９の回転駆動に働いて圧力を低下させた燃焼ガス１７は、高圧タービン９から低圧タービン４に送られてそれを回転駆動する。

ガスジェネレータ制御装置１０は、燃料制御部１９とＩＧＶ開度制御部２０を備えている。

燃料制御部１９は、出力タービン軸６の回転数を検出する回転数検出器２１からのデータと負荷５について得られる負荷状態データに基づいて燃料制御弁１４を制御することで、燃料供給源１３からの燃料１５の燃焼器８への供給を制御する。

ＩＧＶ開度制御部２０は、ＩＧＶ駆動装置１２の制御を通じてＩＧＶ１１の開度を制御する。図２に、ＩＧＶ開度制御部２０の構成例を示す。この例のＩＧＶ開度制御部２０は、第１の制御部２１、第２の制御部２２、運転状態判定部２３、及びモード選択部２４を備えている。

第１の制御部２１は、第１の制御モードでの制御を実行する。第１の制御モードでは、修正回転数対応ＩＧＶ開度制御を行い、ガスジェネレータ軸１８の修正回転数に基づいてＩＧＶ開度を調整する。ここで、ガスジェネレータ軸１８の修正回転数は、ガスジェネレータ軸１８の実回転数（これはガスジェネレータ軸１８の回転数を検出する回転数検出器２５により与えられる）を大気温度（これは大気温度を計測する温度計２６により与えられる）で標準化することで得られる。具体的には、修正回転数をＮｔ、実回転数をＮ、大気温度をＴとして、下記の式で得られる。
Ｎｔ＝Ｎ・〔２８８．１５／（２７３．１５＋Ｔ）〕^１／２

第２の制御部２２は、第２の制御モードでの制御を実行する。第２の制御モードでは、軸回転数一定ＩＧＶ開度制御を行い、ガスジェネレータ軸の回転数を一定に保つようにＩＧＶ開度を調整する。ここで、軸回転数一定ＩＧＶ開度制御で一定に保つ回転数は、例えば定格回転数である。

運転状態判定部２３は、負荷データなどに基づいて運転状態を判定する。具体的には、第１の運転状態（起動運転状態、停止運転状態、低負荷運転状態のいずれか）と第２の運転状態（第１の運転状態以外の運転状態、つまり高負荷運転状態）のいずれにあるかを判定する。ここで、低負荷運転状態と高負荷運転状態は、圧縮空気１６の安定運転領域に関するＩＧＶ開度を目安として区別するものとする。つまり圧縮空気１６の特性に応じた安定運転領域についての目標ＩＧＶ開度を設定し、その目標ＩＧＶ開度に基づいて低負荷運転状態か高負荷運転状態かを判定する。

モード選択部２４は、運転状態判定部２３での判定結果に応じた制御モードの選択を行う。具体的には、第１の運転状態と判定された場合は第１の制御部２１を起動させ、第２の運転状態と判定された場合は第２の制御部２２を起動させる。つまり、第１の運転状態では修正回転数対応ＩＧＶ開度制御モード（第１の制御モード）を用い、第２の運転状態では軸回転数一定ＩＧＶ開度制御モード（第２の制御モード）を用いるようにモード選択を行う。

以上のようにＩＧＶ開度制御部２０では、修正回転数対応ＩＧＶ開度制御モードと軸回転数一定ＩＧＶ開度制御モードを運転状態に応じて選択的に用いる。図３に、このようなＩＧＶ開度制御部２０による制御の場合のガスジェネレータ軸１８の修正回転数とＩＧＶ開度の関係（図３の（ａ））、それにガスジェネレータ軸１８の実回転数とＩＧＶ開度の関係（図３の（ｂ））を示す。これに見られるように、低負荷時には大気温度によらず運転線は同一であるが、高負荷時には修正回転数は大気温度により変化する。一方、低負荷時には大気温度により運転線は変化するが、高負荷時にはガスジェネレータ軸１８の回転数は一定となる。

こうした制御によれば、共振問題、つまりガスジェネレータ軸１８の高速回転時に回転数が共振回転数に近づくことで発生する共振によりタービンや圧縮機の動翼を損傷する可能性が高まるといった共振問題を効果的に解消でき、しかも低速回転時における圧縮機のサージングにも効果的に対応することができる。この結果、共振問題に関する設計上の負担を軽減でき、低コスト化を図ることが可能となる。

以下では第２の実施形態について説明する。図４に、第２の実施形態による２軸式ガスタービン３１の構成を模式化して示す。本実施形態の２軸式ガスタービン３１は、そのガスジェネレータ制御装置１０が図１におけるＩＧＶ開度制御部２０に代えてＩＧＶ開度制御部３２を備えていることを除いて図１の２軸式ガスタービン１と同様である。したがって以下では２軸式ガスタービン３１に特徴的な構成について主に説明し、２軸式ガスタービン１と共通する構成については上での説明を援用するものとする。

ＩＧＶ開度制御部３２は、図５にその構成を示すように、図２におけるのと同様な第１の制御部２１、第２の制御部２２、運転状態判定部２３、モード選択部２４を備えるのに加えて、第３の制御部３３を備えている。

第３の制御部３３は、第３の制御モードでの制御を実行する。第３の制御モードでは、ＩＧＶ開度一定保持制御を行い、ガスジェネレータ軸１８の回転数によらずにＩＧＶ開度を一定に保つ。こうした第３の制御部３３による第３の制御モード（ＩＧＶ開度一定保持制御モード）は、第１の制御モードと第２の制御モードの間でのモード移行に際し用いられる。すなわち第３の制御部３３は、第１の運転状態又は第２の運転状態について運転状態の移行を生じたと運転状態判定部２３が判定した場合に起動され、これによりＩＧＶ開度一定保持制御モードでの制御が実行される。

図６に、ＩＧＶ開度制御部３２による制御の場合のガスジェネレータ軸１８の修正回転数とＩＧＶ開度の関係（図６の（ａ））、それにガスジェネレータ軸１８の実回転数とＩＧＶ開度の関係（図６の（ｂ））を示す。これに見られるように、ＩＧＶ開度一定保持制御モードでの制御も行えるようにしたことにより、ガスジェネレータ軸の回転数が大きい状態でＩＧＶ開度が小さくなるのを避けることができる。すなわちガスジェネレータ軸１８の回転数が大きくＩＧＶ開度が小さい状態では、圧縮機７の翼で空気流れの剥離が発生して性能を低下させ易く、またアイシングも発生し易くなるが、第１の制御モードと第２の制御モードの間でのモード移行に際し第３の制御モードを介在させことにより、そうした事態を効果的に避けることができ、信頼性を向上させることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。

１、３１ ２軸式ガスタービン
２ ガスジェネレータ
７ 圧縮機
８ 燃焼器
９ 高圧タービン
１１ ＩＧＶ
１２ ＩＧＶ駆動装置
１５ 燃料
１６ 圧縮空気
１７ 燃焼ガス
２０、３２ ＩＧＶ開度制御部
２１ 第１の制御部
２２ 第２の制御部
２３ 運転状態判定部
２４ モード選択部
３３ 第３の制御部

Claims (4)

1. 空気取込み側に入口案内翼を設けた圧縮機、燃料を前記圧縮機からの圧縮空気と混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動されて前記圧縮機の駆動力を発生する高圧タービンを含んでなるガスジェネレータを備えた２軸式ガスタービンにおいて、
   前記入口案内翼の制御手段は、ガスジェネレータ軸の低速回転時に大気温度に応じたガスジェネレータ軸の修正回転数に基づいて前記入口案内翼の開度を調整する第１の制御モードと、前記ガスジェネレータ軸の高速回転時に前記ガスジェネレータ軸の実回転数を一定に保つように前記入口案内翼の開度を調整する第２の制御モードと、前記第１の制御モードと第２の制御モードの間でのモード移行に際し、前記ガスジェネレータ軸の回転数によらずに前記入口案内翼の開度を一定に保つように調整する第３の制御モードとを備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン。
2. 空気取込み側に入口案内翼を設けた圧縮機、燃料を前記圧縮機からの圧縮空気と混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動されて前記圧縮機の駆動力を発生する高圧タービンを含んでなるガスジェネレータを備えた２軸式ガスタービンにおいて、
   前記入口案内翼の制御手段は、ガスジェネレータ軸の低速回転時に前記圧縮機のサージングを回避するように前記入口案内翼の開度を調整する第１の制御モードと、前記ガスジェネレータ軸の高速回転時に前記圧縮機の共振を回避するように前記入口案内翼の開度を調整する第２の制御モードと、前記第１の制御モードと第２の制御モードの間でのモード移行に際し、前記ガスジェネレータ軸の回転数によらずに前記入口案内翼の開度を一定に保つように調整する第３の制御モードとを備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン。
3. 空気取込み側に入口案内翼を設けた圧縮機、燃料を前記圧縮機からの圧縮空気と混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動されて前記圧縮機の駆動力を発生する高圧タービンを含んでなるガスジェネレータを備えた２軸式ガスタービンの制御装置において、
   ガスジェネレータ軸の低速回転時に大気温度に応じたガスジェネレータ軸の修正回転数に基づいて前記入口案内翼の開度を調整する第１の制御モードと、前記ガスジェネレータ軸の高速回転時に前記ガスジェネレータ軸の実回転数を一定に保つように前記入口案内翼の開度を調整する第２の制御モードと、前記第１の制御モードと第２の制御モードの間でのモード移行に際し、前記ガスジェネレータ軸の回転数によらずに前記入口案内翼の開度を一定に保つように調整する第３の制御モードとを備えたことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御装置。
4. 空気取込み側に入口案内翼を設けた圧縮機、燃料を前記圧縮機からの圧縮空気と混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動されて前記圧縮機の駆動力を発生する高圧タービンを含んでなるガスジェネレータを備えた２軸式ガスタービンの制御方法において、
   ガスジェネレータ軸が低速回転時に、大気温度に応じたガスジェネレータ軸の修正回転数に基づいて前記入口案内翼の開度を調整する第１の制御を行い、
   前記ガスジェネレータ軸が高速回転時に、前記ガスジェネレータ軸の実回転数を一定に保つように前記入口案内翼の開度を調整する第２の制御を行い、
   前記第１の制御と前記第２の制御との間で制御を移行するに際し、前記ガスジェネレータ軸の回転数によらずに前記入口案内翼の開度を一定に保つように調整する第３の制御を行うことを特徴とする２軸式ガスタービンの制御方法。

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