JP5276756B2 - ガス圧縮機の運転方法及びガス圧縮機を備えるガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、たとえば製鉄所副生ガス（ＢＦＧ）のような低カロリーガスを燃料として使用する低カロリーガス焚きガスタービンに用いられる、ガス燃料を圧縮するためのガス圧縮機のように、ガス燃料の供給条件が変動するガス圧縮機に適用されるガス圧縮機の運転方法及びこの運転方法により運転されるガスタービンに関する。

従来、製鉄プロセスにおいて大量に発生する製鉄所副生ガス（Blast Furnace Gas：ＢＦＧ）のような低カロリーガスを燃料として運転されるガスタービンプラント、すなわち、低カロリーガスを燃料として運転される低カロリーガス焚きガスタービン（以下、「ガスタービン」と呼ぶ）が知られている。このようなガスタービンでは、圧力の低いガス燃料を圧縮して燃焼器に供給するガス圧縮機が用いられている。従って、ガス圧縮機のサージングを防止するため、たとえば図１に実線で示すように、横軸の「可変静翼開度」に対する縦軸の「圧力比」について、運用上の「制限圧力比」が設けられている。

この制限圧力比は、ガス圧縮機における吸入絶対圧力及び吐出絶対圧力の圧力比について、サージングを防止する運用上の上限を規定した値である。従って、ガス圧縮機のサージングを防止するためには、制限圧力比を超過しないよう可変静翼（吸込流量調整機構）の開度を調整し、サージング制限に対する余裕を確保するような運転制御を行っている。

すなわち、図１において圧力比が点Ａから上昇して大きくなると、可変静翼開度を変更しないと点Ａ′で制限圧力比と一致するため、これ以上圧力比を上昇させる運転はできなくなる。しかし、点Ａからの圧力比上昇に応じて可変静翼を開方向に動作させると、たとえば図１の点Ａから点Ｂのように制限圧力比も上昇するので、サージングの発生を防止できる圧力比の運転領域が広がり、安全に運転できる領域に余裕が生じることとなる。
このようにして可変静翼の開度を増すことは、ガス圧縮機により昇圧されたガス燃料の供給を受けるガスタービンが、ガス燃料のバイパス運用を行うことを意味している。

また、ガス圧縮機により昇圧されたガス燃料の供給を受けるガスタービンには、運転圧力比が制限圧力比を超過した場合に機器を保護するため、運転を緊急停止するインターロックが設けられている。

圧縮機のサージング防止に関する従来技術としては、たとえば特許文献１に開示されているような二酸化炭素回収型発電プラントの圧縮機サージ防止システムが知られている。この場合、水蒸気及び二酸化炭素の混合気体を差動流体とする圧縮機のサージングを防止するため、流量調整弁により変動する水蒸気及び二酸化炭素の濃度比を制御している。

また、高炉ガスを主原料とするガスタービン発電システムは、発生する高炉ガスのカロリー変動により発電出力も変動する。このため、たとえば特許文献２に開示されているように、ガス燃料カロリーの測定結果に応じて減熱ガスや増熱ガスを添加してカロリー調整を行うが、急激なカロリー変動に対する応答遅れによって不安定燃焼や吹き消えに至ることがあるため、ガス燃料のカロリーをリアルタイムで算出する速やかな制御を行ってシステムの安定化を図ることが記載されている。

特開２０００−３３７１０９号公報 特開２００４−１９０６３３号公報

ところで、上述した低カロリーガス焚きのガスタービンは、ガス圧縮機に供給されるガス燃料の温度（吸込ガス温度）が変動することや、たとえば組成の異なる複数のガス燃料を混合する場合のように、ガス燃料組成が大きく変化する不安定なガス燃料を使用する場合もある。
上述した吸込ガス温度やガス燃料組成のように、ガス燃料の供給条件に大きな変化が生じると、サージングの制限圧力比に影響を及ぼす値である吸込ガス温度（Ｔ）、ガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）も変動する。すなわち、吸込ガス温度やガス燃料組成のようなガス燃料の供給条件が変動することにより、ガス圧縮機のサージングを防止する制限圧力比の特性も変化することになる。

しかし、供給条件が変動するガス燃料を圧縮して燃焼器に供給するガス圧縮機を備え、このガス圧縮機に可変静翼が設けられている従来のガスタービン運転方法は、ガスタービン制御やインターロックにガス燃料供給条件の変動が考慮されていない。従って、ガス燃料の供給条件が大きく変動してサージングの制限圧力比が低下するようなことになれば、ガス圧縮機のサージングを防止することはできず、最悪の場合は機器損傷に至ることが懸念される。

このような背景から、供給条件が変動するガス燃料を圧縮して燃焼器に供給するガス圧縮機を備えており、かつ、ガス圧縮機に可変静翼が設けられているガスタービンにおいては、ガス燃料供給条件の変化に対応してサージングを確実に防止できるガスタービン運転方法の開発が望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ガス燃料供給条件の変化に対応してガス圧縮機のサージングを確実に防止できるガスタービン運転方法及びガスタービンを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の第一の態様に係るガス圧縮機の運転方法は、供給条件が変動するガス燃料を圧縮し、吸込流量調整機構が設けられている場合のガス圧縮機の運転方法であって、前記ガス圧縮機の吸込流量または前記吸込流量調整機構の開度に対する圧力比の運用上限を規定して前記ガス圧縮機のサージングを防止する制限圧力比が、前記ガス圧縮機の設計条件により算出された基準制限圧力比に対し、前記ガス圧縮機の運転状況検出値に応じて算出される第１補正係数を乗じて補正されるものである。

このような本発明のガス圧縮機の運転方法によれば、ガス圧縮機の吸込流量または吸込流量調整機構の開度に対する圧力比の運用上限を規定してガス圧縮機のサージングを防止する制限圧力比が、ガス圧縮機の設計条件により算出された基準制限圧力比に対し、ガス圧縮機の運転状況検出値に応じて算出される第１補正係数を乗じて補正されるので、ガス圧縮機の運転状況に応じて補正した適切な制限圧力比を用いることで、サージングの発生を確実に防止した運転が可能になる。

本発明の第一の態様に係るガス圧縮機の運転方法においては、前記第１補正係数は、前記ガス圧縮機の吸込ガス温度により算出されることが好ましく、これにより、状態方程式で表されるように、温度に応じて変動するガス燃料の状態を反映した補正が可能になる。
このようなガス圧縮機の運転方法においては、前記第１補正係数の算出に、前記ガス圧縮機の吸込ガスのガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）を加えることが好ましい。すなわち、第１補正係数は、ガス圧縮機の吸込ガス温度と、ガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）とにより算出されるので、ガス組成が変動するようなガスをガス燃料として使用する場合であっても、ガス圧縮機の運転状況に応じて補正した適切な制限圧力比を用いることで、サージングの発生を確実に防止した運転が可能になる。
さらに、上記のガス圧縮機の運転方法においては、前記第１補正係数の算出に、前記ガス圧縮機の実回転数を加えることが好ましく、これにより、制限圧力比の補正をより一層最適化してサージングの発生を防止することができる。

本発明の第一の態様に係るガス圧縮機の運転方法においては、前記第１補正係数は、前記ガス圧縮機の基準回転数をＮ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準比熱比をκ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準ガス定数をＲ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準温度をＴ_０、前記ガス圧縮機の実回転数をＮ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状比熱比をκ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状ガス定数をＲ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状温度をＴとしたときに、下記の（数式１）により求められる修正回転数比（α）から求められることが好ましい。

上記のガス圧縮機の運転方法においては、前記ガス圧縮機の吸込ガスのガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）は、前記ガス圧縮機の入口側で計測されたガス組成により算出されることが好ましい。
この場合、前記ガス圧縮機の吸込ガスが複数のガスを混合したガスの場合には、各ガスの組成及び流量比から混合後のガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）を求めて使用する。

上記のガス圧縮機の運転方法においては、前記ガス圧縮機の吸込ガスのガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）を、前記ガス圧縮機の入口側で計測されたガス密度またはガス発熱量から換算して求めたガス組成により算出しても良い。また、前記ガス圧縮機の吸込ガスが複数のガスを混合したガスの場合には、少なくとも一つのガスの組成を、ガス密度またはガス発熱量から換算して求めても良い。

本発明の第一の態様に係るガス圧縮機の運転方法においては、前記制限圧力比は、前記第１補正係数を乗じて補正後に、さらに前記ガス圧縮機の吸込流量または前記吸込流量調整機構の開度及び動作方向に応じて予め定めた第２補正係数を乗じて補正されることが好ましく、これにより制限圧力比はより一層最適化された値となるので、サージングの発生をより一層確実に防止した運転が可能になる。

本発明の第一の態様に係るガス圧縮機の運転方法においては、前記ガス圧縮機の吸込流量は、前記ガス圧縮機の実吸込流量をＱ（単位系は体積流量）、前記ガス圧縮機の基準回転数をＮ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準比熱比をκ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準ガス定数をＲ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準温度をＴ_０、前記ガス圧縮機の実回転数をＮ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状比熱比をκ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状ガス定数をＲ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状温度をＴ、としたときに、下記の（数式２）により求められる修正流量Ｑ_０（単位系は体積流量）であるか、または、前記ガス圧縮機の実吸込流量をＧ（単位系は質量流量）、前記ガス圧縮機の基準回転数をＮ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準比熱比をκ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準ガス定数をＲ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準温度をＴ_０、前記ガス圧縮機の実回転数をＮ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状比熱比をκ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状ガス定数をＲ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状温度をＴ、としたときに、下記の（数式３）により求められる修正流量Ｇ_０（単位系は質量流量）であることが好ましい。
この場合、制限圧力比を求めるためのガス圧縮機の吸込流量を、ガス圧縮機の実吸込流量と、吸込ガス温度と、吸込ガス圧力と、ガス燃料のガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）とにより算出された修正流量を用いるので、ガス組成が変動するようなガスをガス燃料として使用する場合であっても、ガス圧縮機の運転状況に応じて補正した適切な制限圧力比を用いることで、サージングの発生を確実に防止した運転が可能になる。

本発明の第二の態様に係るガスタービンの運転方法は、供給条件が変動するガスをガス燃料として圧縮して燃焼器に供給するガス圧縮機を備え、該ガス圧縮機に吸込流量調整機構が設けられているガスタービンの運転方法であって、前記ガス圧縮機の吸込流量または吸込流量調整機構の開度に対する圧力比の運用上限を規定して前記ガス圧縮機のサージングを防止する運転方法が、本発明の第一の態様に係るガス圧縮機の運転方法により行われることを特徴とするものである。

本発明の第二の態様に係るガスタービンの運転方法においては、前記ガス圧縮機のサージングを防止する運転方法が、ガス燃料のバイパス運用を含むことが好ましい。

本発明の第二の態様に係るガスタービンの運転方法においては、前記ガス圧縮機の運転圧力比が制限圧力比を超過した場合に、運転を緊急停止するインターロックを備えることが好ましい。

本発明の第三の態様に係るガスタービンは、供給条件が変動するガスをガス燃料として圧縮して燃焼器に供給するガス圧縮機を備え、該ガス圧縮機に吸込流量調整機構が設けられているガスタービンであって、前記ガス圧縮機の吸込流量または吸込流量調整機構の開度に対する圧力比の運用上限を規定して前記ガス圧縮機のサージングを防止する運転が、本発明の第一の態様に係るガス圧縮機の運転方法により行われることを特徴とするものである。

本発明の第二の態様に係るガスタービンおよび本発明の第三の態様に係るガスタービンの運転方法によれば、ガス圧縮機の吸込流量または吸込流量調整機構の開度に対する圧力比の運用上限を規定してガス圧縮機のサージングを防止する運転が、本発明の第一の態様に係るガス圧縮機の運転方法により行われるので、供給条件が変動するガス燃料を圧縮するガス圧縮機のサージングを確実に防止して安定した運転が可能になる。

上述した本発明によれば、供給条件が変動するガスをガス燃料として圧縮して燃焼器に供給するガス圧縮機を備えており、かつ、ガス圧縮機に可変静翼が設けられているガスタービンにおいて、ガス圧縮機の制限圧力比がガス燃料供給条件の変化に対応して補正され、ガス燃料供給条件に応じて最適化した値の制限圧力比が適用される。この結果、ガス圧縮機のサージングを確実に防止して安定した運転が可能になり、従って、燃料組成が変化するような低カロリーのガス燃料を使用する場合であっても、ガス圧縮機のサージングを確実に防止して機器損傷等に至ることのない信頼性の高い運転が可能になる。

本発明に係るガス圧縮機の運転方法及びガス圧縮機を備えるガスタービンの一実施形態を示す図で、ガス圧縮機の制限圧力比補正に関する説明図である。 制限圧力比の補正係数（第１補正係数）を示す図で、（ａ）は吸込ガス温度Ｔと補正係数との関係、（ｂ）は修正回転数比αと補正係数との関係である。 修正回転数比による基準制限圧力比の補正例を説明する図である。 本発明に係るガスタービンの構成例を示す概略系統図である。

以下、本発明に係るガス圧縮機の運転方法及びガス圧縮機を備えるガスタービンの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図４に示す本実施形態のガスタービン１は、たとえば製鉄所副生ガス（ＢＦＧ）や組成の異なる複数のガス燃料を混合する場合ように、低カロリーのガス燃料を使用して運転するプラントである。

ガスタービン１は、圧縮機Ｃａと、燃焼器（ガスタービン燃焼器）２と、タービンＴｕとを主な構成要素とする装置である。
圧縮機Ｃａは空気を取り込んで圧縮し、高圧の圧縮空気を吐出する。圧縮機Ｃａから吐出された圧縮空気は、燃焼用空気として燃焼器２に取り入れられ、燃焼器２に供給されたガス燃料とともに燃焼して高温の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはタービンＴｕに取り入れられ、動翼及び静翼間を燃焼ガスが流れることによりタービンＴｕを駆動する。

タービンＴｕを駆動した燃焼ガスは、たとえば排熱回収ボイラ３を通過することで蒸気の生成に使用された後、必要な排ガス処理を施してから大気へ放出される。なお、外気を導入する圧縮機Ｃａの上流側には、一般的にフィルタや消音器が設置されている。

図示のガスタービン１は、圧縮機Ｃａ側に同軸の発電機４を備えている。この発電機４は、タービンＴｕの出力により圧縮機Ｃａとともに駆動されて発電する。
さて、図示のガスタービン１は、低カロリーのガス燃料を使用するため、ガス燃料を圧縮して燃焼器２に供給するガス圧縮機Ｃｇを備えている。このガス圧縮機Ｃｇは、空気用の圧縮機Ｃａ及び発電機４と同様にタービンＴｕの出力で駆動されるため、発電機４の圧縮機Ｃａと反対側に、動力伝達機構５を介して連結されている。なお、ガス圧縮機Ｃｇはガスタービン１とは独立した動力により駆動される場合もあり、本実施例に限定されるものではない。

ガス圧縮機Ｃｇは、吸入するガス燃料の流路断面積を可変とする可変静翼１０（吸込流量調整機構）を備えている。この可変静翼１０は、その開度（圧力損失）を調整することにより、サージングと呼ばれる失速現象（コンプレッサ・ストール）がガス圧縮機に生じることを防止する機能を有している。
ガス圧縮機Ｃｇで圧縮するガス燃料は、たとえば燃料ガス配管６からＢＦＧ等のガスを導入し、必要に応じてコークス炉ガス（ＣＯＧ）を混合したガスが使用される。このガス燃料は、ガス圧縮機Ｃｇに供給する前に湿式電気集塵機７を通過させる。湿式電機集塵機７は、ガス中のダストを分離させて捕集する装置である。

ガス圧縮機Ｃｇで圧縮されたガス燃料は、その主流が燃焼器２に供給されて燃焼し、一部が流量調整弁８を介して燃料ガス配管６に戻される。すなわち、ガス圧縮機Ｃｇで圧縮されたガス燃料は、流量調整弁８の開度調整により燃焼器２へ供給するガス量が調整されている。なお、燃料ガス配管６に戻すガス燃料は、ガス冷却器９を通すことにより冷却されている。

上述したように、供給条件が変動するガス燃料を圧縮して燃焼器２に供給するガス圧縮機Ｃｇを備え、該ガス圧縮機Ｃｇに可変静翼１０が設けられているガスタービン１を運転する場合、本実施形態の運転方法では、吸込流量または可変静翼１０の開度に対する圧力比の運用上限を規定してガス圧縮機Ｃｇのサージングを防止する制限圧力比が、ガス圧縮機Ｃｇの設計条件により算出された基準制限圧力比に対し、ガス圧縮機Ｃｇの運転状況検出値に応じて算出される第１補正係数を乗じた値に補正される。
このように、基準制限圧力比に第１補正係数を乗じて得られる補正後の制限圧力比は、以下の説明において「補正後制限圧力比」と呼ぶことにする。

さて、上記のガスタービン運転方法において、ガス圧縮機Ｃｇの運転状況検出値に応じて算出される第１補正係数は、たとえばガス圧縮機Ｃｇの吸込ガス温度Ｔにより算出される値である。この場合の吸込ガス温度Ｔは、ガス圧縮機Ｃｇの入口近傍で検出したガス燃料の温度であり、従って、温度に応じて変動するガス燃料の状況（圧力及び流量）が反映されるように補正を行うものである。すなわち、ガス燃料の特性は、状態方程式で表されるように、吸込ガス温度Ｔの変化に応じて変動するので、実際に圧縮するガス燃料の状態を反映した補正が可能になる。

具体的に説明すると、吸込ガス温度Ｔに対応する補正係数は、たとえば図２（ａ）に示すように、横軸の吸込ガス温度Ｔが高くなるにつれて小さくなるように変化する特性を有している。このような補正係数の特性は、ガス圧縮機Ｃｇの仕様等に応じて、設計仕様点の補正係数を基準の１にして事前に定めたものである。このため、図１に示す制限圧力比を基準制限圧力比として補正される補正後制限圧力比は、図中に矢印Ｃで示すように、吸込ガス温度Ｔの変化に応じて、制限圧力比が上下に移動する。

すなわち、吸込ガス温度Ｔが基準の設計仕様点より高くなる方向に変化する場合の補正後制限圧力比は、基準制限圧力比と比較して、制限圧力比を小さくする方向（下向き）に補正される。反対に、吸込ガス温度Ｔが基準の設計仕様点より低くなる方向に変化する場合の補正後制限圧力比は、基準制限圧力比と比較して、制限圧力比を大きくする方向（上向き）に補正される。換言すれば、吸込ガス温度Ｔが低い運転状況にある場合ほど制限圧力比は大きい（高い）値になるため、ガス圧縮機Ｃｇは、サージングを生じることなく安定して運転可能な範囲が広くなる。

また、上述したガスタービン運転方法では、第１補正係数の算出に、ガス燃料のガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）を加えることが望ましい。すなわち、第１補正係数の算出は、ガス圧縮機Ｃｇの吸込ガス温度Ｔと、ガス燃料のガス定数Ｒ及び比熱比κとにより算出された値を使用する。
具体的には、下記の（数式１）に示す修正回転数比αを求め、この修正回転数比αに対応する補正係数を使用して基準制限圧力比を補正する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、補正回転数比αに対応する補正係数の特性を予め定めておき、算出した基準制限圧力比に対応する補正係数を用いて基準制限圧力比を補正する。

ここで、Ｎ_０はガス圧縮機Ｃｇの基準回転数、κ_０はガス燃料の基準比熱比、Ｒ_０はガス燃料の基準ガス定数、Ｔ_０はガス燃料の基準温度（吸込ガス温度）であり、いずれもガス圧縮機Ｃｇの設計仕様点により定まる基準値である。
一方、Ｎはガス圧縮機Ｃｇの実回転数（現状回転数）、κはガス燃料の現状比熱比、Ｒはガス燃料の現状ガス定数、Ｔはガス燃料の現状温度（吸込ガス温度）であり、いずれもガス圧縮機Ｃｇが実際に運転されている時点における測定値である。この場合、ガス燃料の現状比熱比κ、ガス燃料の現状ガス定数Ｒ及びガス燃料の現状温度Ｔについては、ガス圧縮機Ｃｇの入口側（吸入側）で計測した実測値を使用する。

上述した（数式１）によれば、修正回転数比αの算出については、ガス圧縮機Ｃｇにおける回転数比（Ｎ／Ｎ_０）、ガス燃料における比熱比の比（κ／κ_０）、ガス定数の比（Ｒ／Ｒ_０）及びガス温度の比（Ｔ／Ｔ_０）として算出することも可能である。従って、他の値が一定であると仮定した場合や、他の値が及ぼす影響は小さいと判断した場合には、ガス圧縮機Ｃｇの回転数比（Ｎ／Ｎ_０）、ガス圧縮機Ｃｇの入口側で計測したガス燃料の比熱比の比（κ／κ_０）、ガス定数の比（Ｒ／Ｒ_０）及びガス温度の比（Ｔ／Ｔ_０）のうち、少なくともいずれか一つを用いて修正回転数比αを算出することも可能である。

すなわち、上述した第１補正係数の算出は、ガス圧縮機Ｃｇの運転状況検出値となるガス燃料のガス温度、比熱比、ガス定数及びガス圧縮機Ｃｇの実回転数のうち、通常最も影響の大きいガス温度に加えて、比熱比及びガス定数と、実回転数とのうち、いずれか一方または両方を加えることが望ましい。第１補正係数の算出に用いる運転状況検出値の項目数が多ければ、ガス燃料の組成を含む実際の運転状況を詳細に反映した補正後制限圧力比が設定されることになるので、制限圧力比の補正をより一層最適化してサージングの発生を防止することができる。

こうして算出した修正回転数比αに対応する補正係数は、たとえば図２（ｂ）に示すように、横軸の修正回転数比αが大きくなるにつれて大きな値となるように変化する特性を有している。すなわち、設計点に対応する基準値より修正回転数比αが大きくなると補正係数も大きな値となり、反対に基準値より修正回転数比αが小さくなると補正係数も小さな値となる。
従って、上述した補正係数を基準制限圧力比に乗じて得られる補正後制限圧力比は、たとえば図３に示すように、補正係数が基準値の１以下となる場合、制限圧力比が小さくなるように下方へ移動し、反対に、補正係数が基準値の１以上となる場合、制限圧力比が大きくなるように上方へ移動する。

このように、補正制限圧力比の算出に修正回転数比αを用いると、たとえば組成の異なる複数のガス燃料を混合する場合のように、ガス組成が大きく変動するようなガス燃料を使用する場合でも、ガス圧縮機Ｃｇの運転状況に応じて補正した適切な制限圧力比を用いて運転することが可能になる。すなわち、ガス組成により変動する比熱比κやガス定数Ｒの値を反映した補正後制限圧力比を得ることができるので、換言すれば、実際に使用するガス燃料のガス組成をガス圧縮機Ｃｇの入口側で測定し、実際のガス燃料に対応する比熱比κやガス定数Ｒに基づいた補正した制限圧力比を設定してガス圧縮機Ｃｇを運転するので、ガス燃料の組成が変動しても常に最適化された制限圧力比を設定し、サージングの発生を確実に防止できる安定した運転が可能になる。

ところで、ガス圧縮機Ｃｇで圧縮するガス燃料のガス組成は、ガス圧縮機Ｃｇの入口側で計測することが好ましい。このとき、ガス燃料が複数のガス成分を含む混合ガスの場合には、最初に、混合される前の各ガスの組成及び流量比を求める。この後、各ガスの流量比を及びガス組成から混合ガスの組成を求めた後、混合ガスのガス定数Ｒ及び比熱比κを求めて第１補正係数の算出に使用する。

ここで、ガス燃料のガス組成は、ガス組成を直接分析可能なガス分析計（ガスクロマトグラフ）を用いて計測することができる。あるいは、ガス組成が大きく変動するようなガス燃料であっても、ガスの密度とガス組成との間に相関があるようなガス燃料であれば、ガス密度計でガス密度を計測し、密度から換算してガス組成を推定することができる。具体的には、表１に記載のように、ガスＡの密度が１．３１４ｋｇ／ｍ^３Ｎ、ガスＢの密度が１．２６９ｋｇ／ｍ^３Ｎで、各々の組成が解っているとする。この時、ガス燃料の計測密度が１．２９ｋｇ／ｍ^３Ｎであれば、ガスＡとガスＢのガス組成から内挿によって、推定組成を算出することができる。

また、ガス発熱量とガス組成との間に相関がるようなガス燃料であれば、ガス発熱量計でガス発熱量を計測し、発熱量から換算してガス組成を推定することができる。具体的には、表２に記載のように、ガスＡの低位発熱量が７．２５ＭＪ／ｍ^３Ｎ、ガスＢの低位発熱量が７．３１ＭＪ／ｍ^３Ｎで、各々の組成が解っているとする。この時、ガス燃料の計測された低位発熱量が７．２７／ｍ^３Ｎであれば、ガスＡとガスＢのガス組成から内挿によって、推定組成を算出することができる。
一般に、ガスクロマトグラフは高価であるため、比較的安価なガス密度計またはガス発熱量計を用いることにより、計測器のコストを低減することができる。

また、ガス燃料が複数のガス成分を含む混合ガスの場合には、組成が変動するガス成分についてガス組成を計測するか、ガス密度またはガスの発熱量を計測し、計測された密度又は発熱量から組成を推定すれば良い。これにより、組成が変動しないガス成分については計測が不要となるため、ガス組成の計測に必要な計測器のコストを低減できる。

また、上述した補正後制限圧力比は、すなわち、基準制限圧力比に第１補正係数を乗じて得られた補正後制限圧力比は、吸込流量または可変静翼１０の開度及び動作方向に応じて予め定めた第２補正係数を乗じてさらに補正することが望ましい。すなわち、補正後制限圧力比は、基準制限圧力比に対して第１補正係数及び第２補正係数を乗じて補正した値を採用すれば、実際の運転状況に応じてより一層最適化された値となるので、サージングの発生をより一層確実に防止した運転が可能になる。
なお、上述した第２補正係数は、ガス圧縮機Ｃｇの仕様に応じて異なるものであり、たとえば吸込流量または可変静翼１０の開度が増すにつれて第１補正係数の値が小さくなるような値、すなわち１より小さい値の第２補正係数を設定するなど、ガス燃料、ガス圧縮機Ｃｇ及びガスタービン１等の諸条件に応じて適宜設定される値である。

また、制限圧力比を求めるためのガス圧縮機の吸込流量を、下記（数式２）により求めた修正流量としてもよい。

ここで、Ｑ０はガス圧縮機Ｃｇの修正流量であり、単位系は体積流量である。一方、Ｑはガス圧縮機Ｃｇの実吸込流量（現状吸込流量）であり、単位系は体積流量である。その他の文字については（数式１）と同じである。なお、修正流量の単位系は質量流量として下記（数式３）による定義を用いてもよい。

ここで、Ｇ０はガス圧縮機Ｃｇの修正流量であり、単位系は質量流量である。Ｐ０はガス燃料の基準圧力（吸込ガス圧力）である。一方、Ｇはガス圧縮機Ｃｇの実吸込流量（現状吸込流量）であり、単位系は質量流量である。Ｐはガス燃料の現状圧力（吸込ガス圧力）である。

制限圧力比を求めるための吸込流量として、上述した（数式２）または（数式３）により、実吸込流量と、吸込ガス温度と、吸込ガス圧力と、ガス燃料のガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）とにより算出された修正流量を用いるので、ガス組成が変動するようなガス燃料を使用する場合であっても、ガス圧縮機の運転状況に応じて補正した適切な制限圧力比を用いることで、サージングの発生を確実に防止した運転が可能になる。

このような本実施形態のガス圧縮機の運転方法によれば、吸込流量または可変静翼１０の開度に対する圧力比の運用上限を規定してガス圧縮機のサージングを防止する制限圧力比が、ガス圧縮機Ｃｇの設計条件により算出された基準制限圧力比に対し、ガス圧縮機Ｃｇの運転状況検出値に応じて算出される第１補正係数を乗じて補正されるので、ガス圧縮機の運転状況に応じて補正した適切な制限圧力比を設定でき、従って、サージングの発生を確実に防止した運転が可能になる。

この結果、ガス圧縮機Ｃｇのサージングを確実に防止して安定した運転が可能になり、特に、燃料組成が変化するような低カロリーのガス燃料を使用する場合でも、ガス圧縮機Ｃｇのサージングを確実に防止し、機器損傷等に至ることのない信頼性の高い運転が可能になる。すなわち、ガス燃料組成の変化に伴うガス圧縮機Ｃｇの損傷を防止し、サージングを生じることなく運転可能な運用範囲の拡大が可能になる。

また、本実施形態のガスタービン１の運転方法によれば、ガス圧縮機Ｃｇの運転状況に応じて補正した適切なガス圧縮機Ｃｇの制限圧力比を設定できるので、この制限圧力比を監視しながら、ガス燃料のバイパス運用を行うことが可能となる。
また、仮にガス圧縮機Ｃｇの運転圧力比が、この制限圧力比を超過した場合に、機器を保護するため、運転を緊急停止するインターロックを設けることもできる。

この結果、ガス圧縮機Ｃｇのサージングを確実に防止して安定した運転が可能になり、特に、燃料組成が変化するような低カロリーのガス燃料を使用する場合でも、ガス圧縮機Ｃｇのサージングを確実に防止し、機器損傷等に至ることのない信頼性の高い運転が可能になる。すなわち、ガス燃料組成の変化に伴うガス圧縮機Ｃｇの損傷を防止し、サージングを生じることなく運転可能な運用範囲の拡大が可能になる。

そして、上述したガスタービン運転方法を採用したガスタービン１は、吸込流量または可変静翼１０の開度に対する圧力比の運用上限である制限圧力比を規定してガス圧縮機Ｃｇのサージングを防止する運転において、変動するガス燃料の供給条件が反映された補正により、最適化された補正後制限圧力比を設定してガス圧縮機Ｃｇのサージングを確実に防止し、安定した運転の継続が可能になる。すなわち、本実施形態のガスタービン１は、サージング防止の制限圧力比を設定する際の補正に修正回転数比αを適用して補正後制限圧力比を最適化するので、ガス圧縮機Ｃｇの吸込ガス温度のみならず、ガス燃料のガス組成やガス圧縮機Ｃｇの実回転数が変化しても確実にサージングを防止することができる。

従って、ガスタービン１を構成するガス圧縮機Ｃｇ等の機器類は、ガス燃料組成変化及び実回転数低下に伴うガス圧縮機Ｃｇのサージングに起因して損傷することが防止され、しかも、サージングを生じることなく安定して運用可能な範囲を拡大することも可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ ガスタービン
２ 燃焼器
４ 発電機
１０ 可変静翼（吸込流量調整機構）
Ｃａ 圧縮機
Ｔｕ タービン
Ｃｇ ガス圧縮機

Claims (15)

1. 供給条件が変動するガスを圧縮し、吸込流量調整機構を備えるガス圧縮機の運転方法であって、
   前記ガス圧縮機の吸込流量または前記吸込流量調整機構の開度に対する圧力比の運用上限を規定して前記ガス圧縮機のサージングを防止する制限圧力比が、前記ガス圧縮機の設計条件により算出された基準制限圧力比に対し、前記ガス圧縮機の運転状況検出値に応じて算出される第１補正係数を乗じて補正されるガス圧縮機の運転方法。
2. 前記第１補正係数が、前記ガス圧縮機の吸込ガス温度により算出される請求項１に記載のガス圧縮機の運転方法。
3. 前記第１補正係数の算出に、前記ガス圧縮機の吸込ガスのガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）を加えた請求項２に記載のガス圧縮機の運転方法。
4. 前記第１補正係数の算出に、前記ガス圧縮機の実回転数を加えた請求項２または３に記載のガス圧縮機の運転方法。
5. 前記第１補正係数が、前記ガス圧縮機の基準回転数をＮ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準比熱比をκ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準ガス定数をＲ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準温度をＴ_０、前記ガス圧縮機の実回転数をＮ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状比熱比をκ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状ガス定数をＲ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状温度をＴとしたときに、下記の（数式１）により求められる修正回転数比（α）から求められる請求項１から４のいずれか一項に記載のガス圧縮機の運転方法。
   

   
6. 前記ガス圧縮機の吸込ガスのガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）は、前記ガス圧縮機の入口側で計測されたガス組成により算出される請求項３または５に記載のガス圧縮機の運転方法。
7. 前記ガス圧縮機の吸込ガスのガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）は、前記ガス圧縮機の入口側で計測されたガス密度またはガス発熱量から換算して求めたガス組成により算出される請求項３または５に記載のガス圧縮機の運転方法。
8. 前記ガス圧縮機の吸込ガスが複数のガスを混合したガスの場合には、各ガスの組成及び流量比から混合後のガス定数（Ｒ）及び比熱比（κ）を求める請求項３または５に記載のガス圧縮機の運転方法。
9. 複数のガスのうち少なくとも一つのガスの組成を、ガス密度またはガス発熱量から換算して求める請求項８に記載のガス圧縮機の運転方法。
10. 前記ガス圧縮機の吸込流量は、前記ガス圧縮機の実吸込流量をＱ（単位系は体積流量）、前記ガス圧縮機の基準回転数をＮ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準比熱比をκ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準ガス定数をＲ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準温度をＴ_０、前記ガス圧縮機の実回転数をＮ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状比熱比をκ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状ガス定数をＲ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状温度をＴ、としたときに、下記の（数式２）により求められる修正流量Ｑ_０（単位系は体積流量）であるか、または、前記ガス圧縮機の実吸込流量をＧ（単位系は質量流量）、前記ガス圧縮機の基準回転数をＮ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準比熱比をκ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準ガス定数をＲ_０、前記ガス圧縮機の吸込ガスの基準温度をＴ_０、前記ガス圧縮機の実回転数をＮ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状比熱比をκ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状ガス定数をＲ、前記ガス圧縮機の吸込ガスの現状温度をＴ、としたときに、下記の（数式３）により求められる修正流量Ｇ_０（単位系は質量流量）である請求項１から９のいずれか一項に記載のガス圧縮機の運転方法。
    

    

    
    

    
11. 前記制限圧力比は、前記第１補正係数を乗じて補正後に、さらに前記ガス圧縮機の吸込流量または前記吸込流量調整機構の開度及び動作方向に応じて予め定めた第２補正係数を乗じて補正される請求項１から１０のいずれか一項に記載のガス圧縮機の運転方法。
12. 供給条件が変動するガスをガス燃料として圧縮して燃焼器に供給するガス圧縮機を備え、該ガス圧縮機に吸込流量調整機構が設けられているガスタービンの運転方法であって
    前記ガス圧縮機の吸込流量または前記吸込流量調整機構の開度に対する圧力比の運用上限を規定して前記ガス圧縮機のサージングを防止する運転方法が、請求項１から１１のいずれか一項に記載されたガス圧縮機の運転方法により行われるガスタービンの運転方法。
13. 前記ガス圧縮機のサージングを防止する運転方法が、ガス燃料のバイパス運用を含む請求項１２に記載のガスタービンの運転方法。
14. 前記ガス圧縮機の運転圧力比が制限圧力比を超過した場合に、運転を緊急停止するインターロックを備える請求項１２または１３に記載のガスタービンの運転方法。
15. 供給条件が変動するガスをガス燃料として圧縮して燃焼器に供給するガス圧縮機を備え、該ガス圧縮機に吸込流量調整機構が設けられているガスタービンであって、
    前記ガス圧縮機の吸込流量または前記吸込流量調整機構開度に対する圧力比の運用上限を規定して前記ガス圧縮機のサージングを防止する運転が、請求項１から１１のいずれか一項に記載されたガス圧縮機の運転方法により行われるガスタービン。

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