JP5179665B2 - ガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｎａ、Ｋ、Ｓ、Ｖ等の不純物を多く含む低質燃料を燃焼するガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置に関する。

ガスタービンに使用する燃料は、軽油、灯油、重油に代表される油燃料、天然ガス、及び都市ガスに代表されるガス燃料に大別されるが、近年の燃料価格の高騰に伴い、より価格の安い低質燃料の需要が増加する可能性があり、更なる多種燃料への対応が求められている。

例えば低質燃料であるＣ重油や重質油は、通常の燃料に比べて燃料中に、より多くの不純物（Ｎａ、Ｋ、Ｓ）又は（Ｎａ、Ｋ、Ｓ、Ｖ）を含むため、これらの不純物を含んだ低質燃料を燃焼させた際に発生する高温の燃焼ガスが直接接触する動翼及び静翼などのガスタービンを構成する高温部材に、上記不純物に起因するアルカリ硫酸塩やＶ化合物によって高温腐食が発生し易い。

これらのアルカリ硫酸塩やＶ化合物は、溶融塩（液相）状態のときに最も腐食性が高く、しかも溶融塩によってガスタービンの高温部材に生じる高温腐食は、通常の燃料による高温酸化と比較して著しく速い速度で進行するため、ガスタービンに使用する動翼及び静翼などの高温部品を寿命管理する上で非常に重要な課題となっている。

溶融塩による高温腐食を防止する技術として、石炭をガス化したガス化燃料を対象としたものではあるが、ガス化燃料に含まれた不純物による高温腐食の防止対策として、特開平０１−２９９６２１号公報には、ガス化燃料を前処理することによって脱硫または脱アルカリしてガス化燃料中の不純物を除去した後に、タービンに供給する技術が開示されている。

また、特開２００２−２９７７１０号公報には、高温の燃焼ガスによってガスタービンを構成する高温部材の劣化を予測し、発電プラントの保全計画を支援する技術が開示されている。

特開平０１−２９９６２１号公報 特開２００２−２９７７１０号公報

ところで、燃料中に含まれている油溶性のＶを除去することは、イオン交換樹法、有機溶媒抽出法及び水素添加法を組み合せること等によって技術的には可能であるが、これらの技術を組み合せた装置は構造が非常に複雑で製作が高コストとなり実用化が経済的に困難であるため、Ｖを含む燃料をガスタービンに使用する場合には、腐食防止用燃料添加剤として、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ等の化合物を使用して、燃料を燃焼させた燃焼ガス中のＶ化合物の融点を高くすることによるガスタービン高温部材の防食法が広く行われている。

しかしながら、前記した腐食防止添加剤を使用すると、燃料の燃焼時に燃焼ガス中に含まれる元素とこれらの添加剤とが反応して、ＭｇＳＯ_４などの灰（燃焼残渣）が多量に生成する。

この灰がガスタービン高温部材である動翼及び静翼に付着することによって、ガスタービンを流下する燃焼ガスの経路が狭くなり、ガスタービンの出力の低下や動翼及び静翼の冷却孔の閉塞の発生に至る可能性が高くなる。

一方、燃料側の対策ではなく、ガスタービンの高温部材の耐食性を向上させる方法の１つとして、耐食性の高いＣｒやＡｌを多く含む材料をガスタービンの高温部材に使用する方法がある。しかしながら、更なるガスタービンの高効率化のために燃焼ガスが高温化している現状では、高温部材には耐食性だけでなく耐熱強度が必要であり、耐食性の高いＣｒやＡｌは耐熱強度を低下させるため、その含有量は減少傾向にある。

また、ガスタービンの高温部材の耐食性を向上させる方法の他の１つとして、ガスタービンの高温部材である動翼及び静翼に、動翼及び静翼の基材よりも耐食性の高いＭＣｒＡｌＹ（ＭはＮｉ、Ｃｏのいずれかもしくは両方）の合金コーティングを施すか、またはＭＣｒＡｌＹコーティングの上に遮熱性のセラミックコーティングを溶射等により施す方法も行われている。

しかしながら、コーティングは主に耐熱性の向上のために施されていて溶融塩による耐食性は劣るため、これらのコーティングを施したとしてもガスタービンの高温部材である動翼及び静翼に低質燃料に含まれた不純物に起因した溶融塩による高温腐食を防止することは困難である。

したがって、ガスタービンに使用する高温部品の寿命管理を行なうためには、ガスタービンの高温部材に生じるアルカリ硫酸塩やＶ化合物の溶融塩による高温腐食の状況を知ることが重要となる。

本発明の目的は、ガスタービンに使用する高温部品の寿命を管理するために、ガスタービンで燃焼させる低質燃料に含まれたＮａ、Ｋ、Ｓ、又はＮａ、Ｋ、Ｓ、Ｖの不純物に起因してガスタービンの高温部品に生じる溶融塩による高温腐食の腐食速度を精度良く推定して高温腐食の進展を抑制するガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置を提供することにある。

本発明の高温腐食性の不純物を含む低質燃料を燃焼するガスタービンの運転制御方法は、低質燃料に含まれる不純物及び運転データに基づいて熱力学平衡計算を用いて不純物に起因して高温の燃焼ガスが流下するタービンの高温部品に高温腐食を発生させる溶融塩の露点及び固相線温度を計算して液相状態の温度及び圧力領域を示す溶融塩マップを作成し、この溶融塩マップ上にタービンの高温部品の表面温度及び圧力を演算して表示して液相の溶融塩の領域との重畳の状況の判定を行ない、ガスタービンの高温部品の腐食速度を推定することによって前記高温部品の寿命を予測し、この高温部品の寿命の予測に基づいてガスタービン高温部品の表面温度及び圧力領域が、溶融塩マップにおける液相の溶融塩の領域と重畳する面積が少なくなるように燃焼器に供給する低質燃料の流量を制御することを特徴とする。

本発明の高温腐食性の不純物を含む低質燃料を燃焼するガスタービンの運転制御装置は、低質燃料に含まれる不純物及び運転データに基づいて熱力学平衡計算を用いて前記不純物に起因して高温の燃焼ガスが流下するタービンの高温部品に高温腐食を発生させる溶融塩の露点及び固相線温度を計算して液相状態の溶融塩マップを作成する溶融塩マップ作成の演算器と、溶融塩マップ作成の演算器によって作成した溶融塩マップ上にタービンの高温部品の表面温度及び圧力を演算して表示し液相の溶融塩の領域との重畳の状況の判定を行なう腐食領域判定の演算器と、ガスタービンの高温部品の腐食速度を推定することによって前記高温部品の寿命を予測する腐食損傷予測の演算器と、腐食損傷予測の演算器で演算した前記高温部品の寿命の予測に基づいてガスタービン高温部品の表面温度及び圧力領域が溶融塩マップにおける液相の溶融塩の領域と重畳する面積が少なくなるように燃焼器に供給する低質燃料の流量を制御する運転条件最適化の演算器とが備えられていることを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービンに使用する高温部品の寿命を管理するために、ガスタービンで燃焼させる低質燃料に含まれたＮａ、Ｋ、Ｓ、又はＮａ、Ｋ、Ｓ、Ｖの不純物に起因してガスタービンの高温部品に生じる高温腐食の腐食速度を精度良く推定して高温腐食の進展を抑制するガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置が実現できる。

本発明の一実施例であるガスタービンの運転制御装置の概略構成を示す制御ブロック図。 図１に示した実施例のガスタービンの運転制御装置が有する溶融塩マップ作成部によって作成した溶融塩の露点及び固相線を示す模式図。 図１に示した実施例のガスタービンの運転制御装置が有する溶融塩マップ作成部によって作成したＮａ_２ＳＯ_４及びＫ_２ＳＯ_４を溶融塩とする溶融塩マップ上に、腐食領域判定部によって作成されたタービンの高温部品の表面温度及び圧力分布を重畳して示した模式図。 図１に示した実施例のガスタービンの運転制御装置が有する腐食損傷予測部によって作成された腐食速度のマスターカーブを示す模式図。 図１に示した実施例のガスタービンの運転制御装置が有する溶融塩マップ作成部によって作成したＮａ_２ＳＯ_４及びＫ_２ＳＯ_４を溶融塩とする溶融塩マップ上に、運転条件最適化部によって調節されたタービンの高温部品の表面温度及び圧力分布を重畳して示した模式図。

次に本発明の一実施例であるガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置について図面を引用して説明する。

図１は高温腐食性の不純物を含む低質燃料、例えばＮａ、Ｋ、Ｓの不純物、又はＮａ、Ｋ、Ｓ、Ｖの不純物を含む低質燃料であるＣ重油や重質油をガスタービン装置の燃料として使用する場合における本発明の一実施例であるガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置の構成を示す概略図である。

図１において、本実施例のガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置を実現する運転制御装置１００は、ガスタービン装置３０の運転を、運転制御装置１００を構成する腐食速度推定演算装置５０と入力データ装置１０によって行なっている。

そして運転制御装置１００によって制御される運転対象のガスタービン装置３０は、図１の下方に示すように、燃焼用空気となる空気を圧縮する圧縮機３１と、燃料の供給系統を通じて外部から供給されたＮａ、Ｋ、Ｓの不純物、又はＮａ、Ｋ、Ｓ、Ｖの不純物を多く含む低質燃料と圧縮機３１で圧縮した空気とを混合させて燃焼して高温の燃焼ガスを生成する燃焼器３２と、燃焼器３２で燃焼して生成した高温の燃焼ガスによって駆動されるタービン３３と、このタービン３３の駆動によって回転して発電する発電機３４と、前記腐食速度推定演算装置５０で演算した指令信号に基づいて操作されて燃焼器３２に供給される低質燃料の流量を調節する前記燃料の供給系統に設置された燃料調節弁３５とを備えている。

前記ガスタービン装置３０の運転を制御する運転制御装置１００に備えられた腐食速度推定演算装置５０は、溶融塩マップ作成部１と、腐食領域判定部２と、腐食損傷予測部３と、運転条件最適化部４の各演算器から構成されている。

腐食速度推定演算装置５０を構成する溶融塩マップ作成部１の演算器は、入力データ装置１０に備えられた燃料データベース１１と運転データベース１２にそれぞれ格納された燃料データと運転データを使用して、ガスタービン装置３０の燃焼器３２に供給される低質燃料のＣ重油や重質油に含まれる不純物（Ｎａ、Ｋ、Ｓ等）や（Ｎａ、Ｋ、Ｓ、Ｖ等）に基づいて、熱力学平衡計算によって前記不純物に起因して高温の燃焼ガスが流下するタービン３３を構成する高温部品（動翼２２及び静翼２１）に高温腐食を発生させるアルカリ硫酸塩の溶融塩（液相）やＶ化合物の溶融塩（液相）のマップを作成するものである。

腐食速度推定演算装置５０を構成する腐食領域判定部２の演算器は、溶融塩マップ作成部１で作成した溶融塩マップ及び入力データ装置１０に備えられた高温部品の設計データベース１３に格納した高温部品の設計データを用いて、高温部品の動翼２２及び静翼２１の表面温度及び圧力が、前記溶融塩マップ作成部１で作成した溶融塩状態のマップにおける溶融塩（液相）の領域との重畳の状況の判定を行なものである。

腐食速度推定演算装置５０を構成する腐食損傷予測部３の演算器は、溶融塩作成部１で計算した単位時間、単位断面積当たりの溶融塩生成量及び入力データ装置１０に備えられた材料データベース１４及び定期検査データベース１５に格納された材料データ及び定期検査データを使用して、ガスタービン３３の高温部品の寿命予測を行なうものである。

腐食速度推定演算装置５０を構成する運転条件最適化部４の演算器は、腐食損傷予測部３で演算したガスタービン３３の高温部品の寿命予測に基づいて、高温部品の表面温度及び圧力領域が、溶融塩マップにおける溶融塩領域と重畳する面積を少なくするように、ガスタービン装置３０の燃焼器３２によって燃焼させる低質燃料の燃焼温度を算出するものである。

そして、前記運転条件最適化部４による演算によって出力した指令信号に基づいて、ガスタービン装置３０の燃焼器３２に供給される燃料系統に設けた燃料調節弁３５の開度を調節して燃焼器３２に供給する低質燃料の流量が減少するように制御し、燃焼器３２において低質燃料の燃焼で生成してガスタービン３３の高温部品の動翼２２及び静翼２１に流下する燃焼ガスの温度を所望の温度にまで低下させることによって、高温部品の動翼２２及び静翼２１の一部が図５に示すように、溶融塩領域に重畳する事態を回避するようにしている。

前記運転制御装置１００の腐食速度推定演算装置５０には、この腐食速度推定演算装置５０によってガスタービン装置３０を運転する指令信号の演算に必要な各種データを入力する入力データ装置１０が備えられている。

前記入力データ装置１０は、ガスタービン装置３０に供給するＮａ、Ｋ、Ｓ等の不純物や、Ｎａ、Ｋ、Ｓ、Ｖ等の不純物を含む低質燃料のＣ重油や重質油の燃料データ１１、ガスタービン装置３０の運転データ１２、ガスタービン装置３０のタービン３３を構成する高温部品である動翼及び静翼の設計データ１３、タービン３３を構成する高温部品の動翼２２及び静翼２１を形成する材料データ１４、及びガスタービン装置３０の定期検査データ１５を備えている。

そしてＮａ、Ｋ、Ｓ等の高温腐食性の不純物や、Ｎａ、Ｋ、Ｓ、Ｖ等の高温腐食性の不純物を含む低質燃料を燃焼するガスタービン装置３０に対して、前記運転制御装置１００によって燃焼器３２で生成する燃焼ガス中の不純物濃度、ガスタービン装置３０の運転データ、ガスタービン３３の高温部品の設計データ、及び高温部品の材料データを使用し、ガスタービン装置３３の運転時に燃焼ガス中の不純物に起因してガスタービン３３の高温部材に生成する溶融塩の状態を特定して高温部材の腐食速度を推定し、この高温部材の腐食速度の推定結果に基づいてガスタービンの運転を制御するガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置を提供するものである。

本発明の実施例であるガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置について図１を用いて詳細に説明すると、本実施例の運転制御装置１００を構成する腐食速度推定演算装置５０は、前述したように溶融塩マップ作成部１と、腐食領域判定部２と、腐食損傷予測部３と、運転条件最適化部４の各演算器を備えており、更にディスプレイ６０と、図示していないマウス、キーボード等の入力装置と、前記腐食速度推定演算装置５０及び後述する入力データ装置１０を備えたパソコンまたはワークステーションにより構築している。

腐食速度推定演算装置５０に備えた溶融塩マップ作成部１、腐食領域判定部２、腐食損傷予測部３、運転条件最適化部４の各演算器において、演算に必要な入力データは、自動的、または手動によって入力データ装置１０を用いて指定することにより、入力データ装置１０に備えられた燃料データベース１１、運転データベース１２、高温部品の設計データベース１３、材料データベース１４、定期検査データベース１５にそれぞれ格納されたデータの中から必要なデータを取り込んで計算し、その計算結果をディスプレイ６０に表示することができる。

腐食速度推定演算装置５０に備えた溶融塩マップ作成部１の演算器では、入力データ装置１０に備えられた燃料データベース１１と運転データベース１２にそれぞれ格納された燃料データと運転データを使用して、ガスタービン装置３０の燃焼器３２に供給して燃焼させる低質燃料に含まれる不純物（Ｎａ、Ｋ、Ｓ等）に基づいて、熱力学平衡計算を用いて前記不純物に起因して高温の燃焼ガスが流下するタービン３３を構成する高温部品（動翼２２及び静翼２１）に高温腐食を発生させるアルカリ硫酸塩の溶融塩の露点及び固相線温度を計算し、図２に示した溶融塩（液相）状態の溶融塩マップを作成する。

溶融塩腐食は、アルカリ硫酸塩が液相である場合に発生し、圧力を一定とした場合、液相が存在する温度の範囲は、図２に模式的に示したアルカリ硫酸塩の露点と固相線の間で区画される範囲の温度である。

この温度は、熱力学平衡計算によって燃焼ガス中の不純物量を用いて計算することができる。また、燃焼ガス中の不純物量は燃料中に含まれる不純物量を用いて算出する。

ここで、アルカリ硫酸塩の露点温度は、アルカリ硫酸塩の飽和蒸気圧に依存するため、アルカリ硫酸塩の分圧の関数で表すことができる。アルカリ硫酸塩の分圧は、全圧及び系のアルカリ硫酸塩量に依存する。したがって、露点温度は、全圧が一定の場合にはアルカリ硫酸塩量、アルカリ硫酸塩量が一定の場合には全圧の関数としてそれぞれ表すことができる。

一方、固相線温度は、アルカリ硫酸塩の気相が関係していないため、圧力依存性は小さいものと考えられる。

図２は、溶融塩の露点及び固相線を模式的に示す図（以後、溶融塩マップと呼ぶ）であり、液相で示した領域が、溶融塩の存在領域を示している。露点及び固相線は、燃焼ガス中に含まれる不純物量によって移動し、例えば低質燃料に不純物としてＮａ、Ｋ、Ｓ等に加えて、Ｖを含む場合には、図２に点線として示すように温度Ｔ１よりも温度が低い温度Ｔ２に対応する固相線となるので、Ｖ化合物の液相の溶融塩領域が増大する。

また、後述するように、ガスタービン３３の高温部材の表面温度及び圧力は、図２の溶融塩マップに重畳して表示することによって高温部材毎の領域で示すことが可能となる。したがって、ガスタービン３３の高温部材の温度、圧力領域と液相の溶融塩領域とが重なる部分が、溶融塩腐食発生領域であることが分かる。

ところで、燃料データベース１１に格納されている燃料データは、低質燃料の組成を含むデータであり、単位時間、単位断面積あたりにガスタービン装置３０の燃焼器３２に導入される全ての元素の量を含むデータベースであるため、不純物の量も当然この中に含まれる。

運転データベース１２に格納されている運転データは、運転対象のガスタービン装置３０毎に異なっているガスタービン装置に供給される空気流量及び燃料流量を含むデータベースであり、これらの運転データの数値から、単位時間、単位断面積あたりの燃焼ガスに含まれるＯ、Ｎ、Ｃ、Ｈ等の量を算出する。

ガスタービン装置３０の燃焼器３２で空気と低質燃料を燃焼して生成される燃焼ガス中の腐食性の不純物は、ガスタービン装置３０の燃焼器３２に導入される低質燃料及び圧縮機３１に引き込まれる空気に由来するため、溶融塩の熱力学計算を行なうには、それらに含まれる全ての元素について、単位時間、単位断面積当たりの量を計算する必要がある。

そこで、溶融塩マップ作成部１の演算器においては、燃料データベース１１に格納した低質燃料に関して予め分析した燃料データに基いて、単位時間、単位断面積当たりのＮａ、Ｋ、Ｓ、Ｖ等の不純物量を計算し、それらと運転データベース１２に格納した運転データから抽出したＯ、Ｎ、Ｃ、Ｈ等の不純物以外の量も全て入力することによって、ガスタービン装置３０の燃焼器３２に供給される空気流量及び燃料流量を考慮した熱力学平衡計算を行なう。

本実施例である運転制御装置１００を構成する腐食速度推定演算装置５０に備えられた溶融塩マップ作成部１の演算器では、スラグ等の溶融塩に関する熱力学データベースが充実したＧＴＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社の熱力学平衡計算ソフトＦａｃｔＳａｇｅを使用した。

この熱力学平衡計算はギブス自由エネルギー最小化法を用いて多元系の平衡状態計算を行なう。そしてこの熱力学平衡計算によれば、低質燃料に含まれたＮａ、Ｋ、Ｓ等の不純物、又はＮａ、Ｋ、Ｓ、Ｖ等の不純物に起因して任意の温度及び圧力において生成する溶融塩の種類及び生成量、また溶融塩の露点及び固相線温度を求めることができる。

溶融塩の生成量は、溶融塩マップ作成部１によって燃料データベース１１及び運転データベース１２に格納された単位時間、単位断面積当たりの燃料データ及び運転データから求めるため、単位はｇ／ｍｍ^２／ｓなどによって表される。

溶融塩マップ作成部１の演算器は、これらの計算結果を用いて、横軸を対数表示の圧力（Ｐａ）、縦軸を温度（℃）としてプロットし、図２に示したような溶融塩マップを作成する。

図２に示した溶融塩マップの露点及び固相線は、低質燃料の組成によって変動するが、連続的に燃料の組成を分析することは現実的ではないため、低質燃料を定期的にサンプリングして燃料の組成の分析を行なうことが好ましい。

次に、腐食領域判定部２の演算器では、溶融塩マップ作成部１で作成した溶融塩マップ上に、図３に示すように、入力データ装置１０に備えられた高温部品の設計データベース１３に格納されたタービン３３の高温部品の設計データを用いて高温部品の動翼２２及び静翼２１の表面温度及び圧力を演算して重畳させて表示し、ガスタービン３３の高温部品の動翼２２及び静翼２１の表面温度及び圧力が前記溶融塩マップ作成部１で作成した溶融塩マップ上における固相線よりも温度が高い溶融塩（液相）の領域と重畳しているか否か重畳の状況の判定を行なう。

ガスタービン３３の高温部品の設計データベース１３は、当該高温部品の設計表面温度及び圧力分布を含むデータを格納したガスタービン３３の高温部品の設計データベースである。

Ｃ重油や重質油の低質燃料に含まれる不純物がＮａ、Ｋ、Ｓの場合には、生成される溶融塩は主にＮａ_２ＳＯ_４及びＫ_２ＳＯ_４の溶融塩となる。

図３は溶融塩マップ作成部１で作成したＮａ_２ＳＯ_４及びＫ_２ＳＯ_４を溶融塩とする溶融塩マップ上に、腐食領域判定部２の演算器による演算によって作成したガスタービン３３の高温部品の第一段静翼２１及び第一段動翼２２の表面温度及び圧力分布を重畳して示したものである。

この図３では、液相と固相との境界となる固相線が温度Ｔ１に対応する状態を示しており、固相線に対応する温度Ｔ１は約８００℃〜９００℃の範囲に該当する。

図３に示したＮａ_２ＳＯ_４及びＫ_２ＳＯ_４を溶融塩とする溶融塩マップと、ガスタービンの高温部品の表面温度及び圧力分布において、ガスタービン３３の高温部品の第一段静翼２１は、溶融塩領域となる液相部分に相当する表面温度及び圧力に位置していないが、ガスタービン３３の高温部品の第一段動翼２２の一部は固相線の温度Ｔ１よりも温度の高い液相部分に位置するため、その部分に溶融塩腐食が発生する可能性が非常に高いことを示している。

ガスタービン３３の高温部品の表面温度及び圧力については、動翼２２など高温の回転体では実機運転中の測定が不可能であるため設計データを使用するが、静翼２１などの静止体のように実機運転中のデータを測定することができれば、運転データを使用することがより好ましい。

図３に示したＮａ_２ＳＯ_４及びＫ_２ＳＯ_４を溶融塩とする溶融塩マップとガスタービンの高温部品の表面温度及び圧力分布では、ガスタービン３３の高温部品として第一段の静翼２１と第一段の動翼２２についての例を示したが、第二段、第三段の動翼及び静翼など、ガスタービン３３の他の高温部品についても同様に判定が可能なのは言うまでもない。

次に、腐食損傷予測部３の演算器では、溶融塩作成部１で計算した単位時間、単位断面積当たりの溶融塩生成量及び入力データ装置１０に備えられた材料データベース１４及び定期検査データベース１５に格納された材料データ及び定期検査データを使用して、ガスタービン３３の高温部品である動翼２２及び静翼２１の腐食速度を推定することにより寿命の予測を行なう。

腐食損傷予測部３による寿命予測は、対象とするガスタービン３３の高温部品である動翼２２及び静翼２１が最も損傷の激しい溶融塩腐食領域にある場合に、その高温部品の動翼２２及び静翼２１の寿命がガスタービン３３の寿命となるため、腐食損傷予測部３によって後述する図４に示した溶融塩によるガスタービン３３の高温部品の腐食速度を使用して演算によってその腐食速度を推定し、寿命を予測する。

入力データ装置１０に備えられた材料データベース１４は、ガスタービン３３の高温部品である動翼２２及び静翼２１に使用される材料の腐食速度に関する試験データを含むデータベースであり、高温部品である動翼２２及び静翼２１が材料毎、また材料に合金コーティングやセラミック等のコーティングを施して使用される場合にはコーティング毎の溶融塩腐食速度データを含む。

試験データは、実機を模擬したバーナリグ試験から得ることができる。バーナリグ試験では、不純物の添加により実機燃料を模擬した燃料を使用して、材料またはコーティングの溶融塩による腐食速度を求める。

また、バーナリグ試験で使用した燃料、不純物、吸込み空気及び燃料流量から単位時間、単位断面積当たりの溶融塩生成量を、実機と同様に熱力学平衡計算から求めたデータも含む。

入力データ装置１０に備えられた定期検査データベース１５は、実機のガスタービン装置３０の定期検査において測定された腐食減肉データを含むデータベースであり、腐食データから計算可能な腐食速度に関するデータも含む。腐食速度は、単位時間当たりの腐食量を示しており、単位はｍｍ／ｈなどにより表される。

溶融塩による腐食速度は、溶融塩の生成量に依存する傾向があるため、腐食損傷予測部３の演算器によって横軸に溶融塩の生成量の対数、縦軸に腐食速度の対数としてプロットすると、図４に示すように、材料またはコーティング毎に腐食速度のマスターカーブが得られる。

腐食損傷予測部３の演算器では、さらに入力データ装置１０に備えられた定期検査データ１５に格納した腐食速度データ及び溶融塩マップ作成部１で計算した溶融塩生成量をプロットすることにより、実機のガスタービン３３の高温部品である動翼２２及び静翼２１に生成した溶融塩生成量から実機データを反映した腐食速度が推定できるため、この腐食損傷予測部３の演算器によってガスタービン３３の高温部品について推定した腐食速度から、ガスタービン３３の高温部品の寿命を予測することが可能となる。

次に、運転条件最適化部４の演算器では、腐食損傷予測部３の演算器で演算したガスタービン３３の高温部品について推定した腐食速度から予測したガスタービン３３の高温部品の寿命の予測結果に基づいて、ガスタービン３３の高温部品である動翼２２及び静翼２１の表面温度及び圧力領域が、溶融塩マップにおける溶融塩領域（液相）と重畳する面積を少なくするように、ガスタービン装置３０の燃焼器３２で低質燃料を燃焼させる燃焼ガスの燃焼温度を算出する。

そして、この演算した燃焼ガスの燃焼温度となるように運転条件最適化部４の演算器から燃焼器３２に供給される燃料系統に設けた燃料調節弁３５に指令信号を出力して前記燃料調節弁３５の開度を調節し、燃焼器３２に供給する低質燃料の流量が減少するように制御する。この結果、燃焼器３２で低質燃料を燃焼させて生成してガスタービン３３の高温部品の動翼２２及び静翼２１を加熱する燃焼ガスの温度を所望の温度にまで低下させることが出来る。

図５は、運転条件最適化部４の演算器によって算出した、Ｎａ_２ＳＯ_４及びＫ_２ＳＯ_４を溶融塩とする溶融塩マップと、燃焼器３２で燃焼した燃焼ガスによって加熱されたガスタービン３３の高温部品の第一段静翼２１及び第一段動翼２２の表面温度及び圧力分布を示す。

図５と図３にそれぞれ示したＮａ_２ＳＯ_４及びＫ_２ＳＯ_４を溶融塩とする溶融塩マップとガスタービンの高温部品の表面温度及び圧力分布を比較すると、図３に示した溶融塩マップとガスタービンの高温部品の表面温度及び圧力分布では、ガスタービン装置３０の燃焼器３２による低質燃料の燃焼条件が、第一段動翼２２の表面温度及び圧力分布の一部が固相線の温度Ｔ１よりも温度が高くなる液相の溶融塩領域に重畳していることを示している。

これに対して、図５に示した溶融塩マップとガスタービンの高温部品の表面温度及び圧力分布では、ガスタービン装置３０の燃焼器３２による低質燃料の燃焼条件が、燃焼ガス温度を下げるように燃料調節弁３５の開度を調節して燃焼器３２に供給する低質燃料の流量を減少することによって、第一段動翼２２及び第一段静翼２１の表面温度及び圧力分布がいずれも固相線の温度Ｔ１よりも温度が低い固相の領域に位置することになり、液相の溶融塩領域と重畳する部分がなくなったことを示している。

上記したように、タービン３３の高温部品の表面温度及び圧力分布が溶融塩マップの溶融塩の固相線の温度Ｔ１よりも温度が低くなるように燃焼器３２による低質燃料の燃焼ガス温度を温度Ｔ３にまで低下させるように制御した結果、溶融塩によるガスタービン３３の高温部品の腐食が低減され、その寿命を延長することが可能となる。

運転条件最適化部４の演算器によって演算する燃焼器３２で燃焼させる低質燃料の最適な燃焼ガス温度の計算方法として、溶融塩作成部１における熱力学平衡計算により計算した溶融塩マップの固相線の温度Ｔ１を基準として、ある温度の燃焼ガス温度におけるタービンの高温部品の表面温度・圧力領域が、溶融塩領域と重畳する面積率（％）を算出し、その値が最小になるような燃焼ガス温度Ｔ３を特定する。

そして、この溶融塩領域と重畳するタービンの高温部品の表面温度・圧力領域の面積率（％）の値が最小となる燃焼ガス温度Ｔ３になるように、ガスタービン装置３０の燃焼器３２に供給する燃料系統に設けた燃料調節弁３５の開度を調節して、燃焼器３２に供給する低質燃料の流量を減少するように制御する。

この運転条件最適化部４の演算器によって演算する溶融塩マップの固相線の温度Ｔ１は約８００℃〜９００℃であり、ガスタービン装置によっても相違するが通常１２００℃〜１３００℃の燃焼ガス温度を、燃焼器３２に供給する低質燃料の流量が減少するように調節することによって、タービン３３の高温部品の動翼２２及び静翼２１の温度を１０℃〜２００℃程度の範囲で低下させることによって前記高温部品の温度及び圧力を液相の溶融塩の領域から固相の領域に移動させることができる。

この結果、燃焼器３２で低質燃料の燃焼によって生成してタービン３３の高温部品の動翼２２及び静翼２１に流下する燃焼ガス温度は所望の温度Ｔ３にまで低下して、高温部品の動翼２２及び静翼２１の表面温度及び圧力分布が液相の領域から温度Ｔ１に対応する固相線よりも温度が低い固相の領域となるように制御でき、図５に示すようにタービン３３の高温部品である動翼２２及び静翼２１の表面温度及び圧力分布が液相の溶融塩領域に重畳する事態を回避させることが可能となる。

ところで、上記した説明ではＣ重油や重質油の低質燃料にＮａ、Ｋ、Ｓの不純物が含まれた場合について、図２に示した溶融塩マップ上に温度Ｔ１に対応する実線で示した固相線よりも温度が高い領域を液相の溶融塩の領域として説明したが、前記低質燃料の不純物にＮａ、Ｋ、Ｓに加えてＶが含まれる場合は、図２に示した溶融塩マップ上に温度Ｔ１よりも低温の温度Ｔ２に対応する破線で示した固相線よりも温度が高い領域が液相の溶融塩の領域となって溶融塩の領域が拡大する。

そこで、運転条件最適化部４の演算器によって演算する燃焼器３２で燃焼させる低質燃料の最適な燃焼温度の計算方法として、溶融塩作成部１における熱力学平衡計算により計算した溶融塩マップの固相線の温度Ｔ２を基準として、ある温度の燃焼ガス温度におけるタービンの高温部品の表面温度・圧力領域が、溶融塩領域と重畳する面積率（％）を算出し、その値が最小になるような燃焼ガス温度Ｔ３’を特定する。

そして、この溶融塩領域と重畳するタービンの高温部品の表面温度・圧力領域の面積率（％）の値が最小となる燃焼ガス温度Ｔ３’になるように、ガスタービン装置３０の燃焼器３２に供給される燃料系統に設けた燃料調節弁３５の開度を調節して燃焼器３２に供給する低質燃料の流量が更に減少するように制御する。

この結果、燃焼器３２による低質燃料の燃焼で生成してガスタービン３３の高温部品の動翼２２及び静翼２１に流下する燃焼ガス温度は温度Ｔ３よりも低温となる所望の温度Ｔ３’に低下して、高温部品の動翼２２及び静翼２１の表面温度及び圧力分布が温度Ｔ２に対応する固相線よりも温度が低くなるように制御して、図５に示すようにタービン３３の高温部品である動翼２２及び静翼２１の表面温度及び圧力分布を固相の領域に位置させることができるので、液相の溶融塩領域に重畳する事態を回避させることが可能となる。

上述したように、本実施例によれば、ガスタービンに使用する高温部品の寿命を管理するために、ガスタービンで燃焼させる低質燃料に含まれたＮａ、Ｋ、Ｓの不純物、又はＮａ、Ｋ、Ｓ、Ｖの不純物に起因してガスタービンの高温部品に生じる高温腐食の腐食速度を精度良く推定して高温腐食の進展を抑制するガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置が実現できる。

本発明は、Ｎａ、Ｋ、Ｓの不純物、又はＮａ、Ｋ、Ｓ、Ｖの不純物を多く含む低質燃料を燃焼するガスタービンの運転制御方法及びガスタービンの運転制御装置に適用可能である。

１：溶融塩マップ作成部、２：腐食領域判定部、３：腐食損傷予測部、４：運転条件最適化部、１０：入力データ装置、１１：燃料データベース、１２：運転データベース、１３：高温部品の設計データベース、１４：材料データベース、１５：定期検査データベース、２１：第一段静翼、２２：第一段動翼、３０：ガスタービン装置、３１：圧縮機、３２：燃焼器、３３：タービン、３４：発電機、３５：燃料調節弁、５０：腐食痩躯推定装置、６０：ディスプレイ、１００：運転制御装置。

Claims (14)

1. 高温腐食性の不純物を含む低質燃料を燃焼するガスタービンの運転制御方法において、
   低質燃料に含まれる不純物及びガスタービンの運転データに基づいて熱力学平衡計算を用いて不純物に起因して高温の燃焼ガスが流下するタービンの高温部品に高温腐食を発生させる溶融塩の露点及び固相線温度を計算して液相状態の溶融塩マップを作成し、
   この溶融塩マップ上にタービンの高温部品の表面温度及び圧力を演算して表示して液相の溶融塩の領域との重畳の状況の判定を行ない、
   タービンの高温部品の腐食速度を推定することによって前記高温部品の寿命を予測し、
   この高温部品の寿命の予測に基づいてタービン高温部品の表面温度及び圧力領域が、溶融塩マップにおける液相の溶融塩の領域と重畳する面積が少なくなるように燃焼器に供給する低質燃料の流量を制御することを特徴とするガスタービンの運転制御方法。
2. 請求項１に記載のガスタービンの運転制御方法において、
   前記溶融塩マップ作成の演算では、低質燃料の燃料データに含まれる不純物及び運転データに基づいて熱力学平衡計算を用いて前記不純物に起因して高温の燃焼ガスが流下するタービンを構成する高温部品に高温腐食を発生させるアルカリ硫酸塩やＶ化合物の溶融塩の露点及び固相線温度を計算して気相、液相、及び固相からなる溶融塩マップを作成することを特徴とするガスタービンの運転制御方法。
3. 請求項１に記載のガスタービンの運転制御方法において、
   腐食領域判定の演算では、溶融塩マップ作成の演算によって作成した溶融塩マップ上に、タービンの高温部品の設計データを用いて演算した前記高温部品の表面温度及び圧力を表示させて液相の溶融塩の領域と重畳しているか否かの判定を行なうことを特徴とするガスタービンの運転制御方法。
4. 請求項１に記載のガスタービンの運転制御方法において、
   腐食損傷予測の演算では、材料データ及び定期検査データを用いてタービンの高温部品の腐食速度を推定し前記高温部品の寿命を予測することを特徴とするガスタービンの運転制御方法。
5. 請求項１に記載のガスタービンの運転制御方法において、
   運転条件最適化の演算では、腐食損傷予測で演算した前記高温部品の寿命の予測に基づいてタービンの高温部品である動翼及び静翼の表面温度及び圧力領域が、溶融塩マップにおける液相の溶融塩の領域と重畳する面積が少なくなるように、ガスタービン装置の燃焼器に供給する低質燃料の流量が減少するように制御することを特徴とするガスタービンの運転制御方法。
6. 請求項４に記載のガスタービンの運転制御方法において、
   前記腐食損傷予測の演算では、前記高温部品の寿命の予測は燃焼ガス中の溶融塩生成量に基づいて行なうことを特徴とするガスタービンの運転制御方法。
7. 請求項１に記載のガスタービンの運転制御方法において、
   前記溶融塩マップ作成の演算では、熱力学平衡計算によって行なう溶融塩生成量の計算における前記燃焼ガス中の不純物濃度は、Ｎａ、Ｋ、Ｓの濃度であることを特徴とするガスタービンの運転制御方法。
8. 請求項１に記載のガスタービンの運転制御方法において、
   前記溶融塩マップ作成の演算では、熱力学平衡計算によって行なう溶融塩生成量の計算における前記燃焼ガス中の不純物濃度は、Ｎａ、Ｋ、Ｓ、Ｖの濃度であることを特徴とするガスタービンの運転制御方法。
9. 高温腐食性の不純物を含む低質燃料を燃焼するガスタービンの運転制御装置において、
   前記ガスタービンの運転制御装置には、低質燃料に含まれる不純物及び運転データに基づいて熱力学平衡計算を用いて前記不純物に起因して高温の燃焼ガスが流下するタービンの高温部品に高温腐食を発生させる溶融塩の露点及び固相線温度を計算して液相状態の溶融塩マップを作成する溶融塩マップ作成の演算器と、
   溶融塩マップ作成の演算器によって作成した溶融塩マップ上にタービンの高温部品の表面温度及び圧力を演算して表示し液相の溶融塩の領域との重畳の状況の判定を行なう腐食領域判定の演算器と、
   タービンの高温部品の腐食速度を推定することによって前記高温部品の寿命を予測する腐食損傷予測の演算器と、
   腐食損傷予測の演算器で演算した前記高温部品の寿命の予測に基づいてタービン高温部品の表面温度及び圧力領域が溶融塩マップにおける液相の溶融塩の領域と重畳する面積が少なくなるように燃焼器に供給する低質燃料の流量を制御する運転条件最適化の演算器とが備えられていることを特徴とするガスタービンの運転制御装置。
10. 請求項９に記載のガスタービンの運転制御装置において、
    前記溶融塩マップ作成の演算器では、入力データ装置に備えられた低質燃料の燃料データに含まれる不純物及び運転データに基づいて熱力学平衡計算を用いて前記不純物に起因して高温の燃焼ガスが流下するタービンを構成する高温部品に高温腐食を発生させるアルカリ硫酸塩又はＶ化合物の溶融塩の露点及び固相線温度を計算して気相、液相、及び固相からなる溶融塩マップを作成することを特徴とするガスタービンの運転制御装置。
11. 請求項９に記載のガスタービンの運転制御装置において、
    前記腐食領域判定の演算器では、溶融塩マップ作成の演算器によって作成した溶融塩マップ上に、入力データ装置に備えられたタービンの高温部品の設計データを用いて演算した前記高温部品の表面温度及び圧力を表示させて液相の溶融塩の領域と重畳しているか否かの判定を行なうことを特徴とするガスタービンの運転制御装置。
12. 請求項９に記載のガスタービンの運転制御装置において、
    前記腐食損傷予測の演算器では、入力データ装置に備えられた材料データ及び定期検査データを用いてタービンの高温部品の腐食速度を推定して前記高温部品の寿命を予測することを特徴とするガスタービンの運転制御装置。
13. 請求項９に記載のガスタービンの運転制御装置において、
    前記運転条件最適化の演算器では、腐食損傷予測の演算器で演算した前記高温部品の寿命の予測に基づいてタービンの高温部品である動翼及び静翼の表面温度及び圧力領域が、溶融塩マップにおける液相の溶融塩の領域と重畳する面積が少なくなるように、ガスタービン装置の燃焼器に供給する低質燃料の流量を減少させて制御することを特徴とするガスタービンの運転制御装置。
14. 請求項１２に記載のガスタービンの運転制御装置において、
    前記腐食損傷予測の演算器では、前記高温部品の寿命の予測は燃焼ガス中の溶融塩生成量に基づいて行なうことを特徴とするガスタービンの運転制御装置。

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