JP5704564B2

JP5704564B2 - ガスタービン及びガスタービン冷却方法

Info

Publication number: JP5704564B2
Application number: JP2011076955A
Authority: JP
Inventors: 雅幸村上; 好史岩▲崎▼; 吉岡　真一; 真一吉岡; 清垂水
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012211529A

Description

本発明は、ガスタービン及びガスタービン冷却方法に関する。

図８に示すように、圧縮部１０１と、燃焼部１０２と、タービン部１０３と、を備えるガスタービン１００は、圧縮部１０１の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン部１０３内の静翼や動翼に供給してこれらを冷却する冷却空気系統１０５をさらに備えている。

この冷却空気系統１０５は、気温の高い夏場に運転する際には、タービン部１０３の内部の温度が高温になり過ぎないように冷却する必要があり（例えば、特許文献１参照。）、流れる空気を冷却するためのクーラー１０６が配された主系統１０７と、クーラー１０６を回避した流れを作るためのバイパス系統１０８と、に分岐されており、バイパス系統１０８には、ここを流れる空気流量を所定量にするための手動バイパス弁１１０が配されている。

バイパス弁１１０は、想定される夏場の最高気温時に、ガスタービン冷却対象が限界温度未満の所定の温度となるように、開度が予め（手動で）固定設定されている。ここで、クーラー１０６は、例えば、特許文献２に記載のように、複数のファン及び駆動源であるモーターを備えている。

特開２０１０−３８０７１号公報特開平０８−２８４６８９号公報

しかしながら、上記従来のガスタービン１００の場合、想定される最高気温より気温が低下していくと、設定されたバイパス弁１１０の開度に応じた冷却性能で冷却されることから、冷却空気の温度も低下していく。従って、最高気温より気温が低い場合には、冷却対象を必要以上に冷却することとなり、ガスタービン１００の性能が犠牲となってしまう。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、気温に応じて冷却性能を調整して、冷却対象を限界温度未満としつつできるだけ高い温度となるように冷却することが可能なガスタービン及びガスタービンの冷却方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るガスタービンは、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮部と、この圧縮部から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部と、この燃焼部の下流側に位置し、前記燃焼部を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部と、ファン、該ファンの駆動源、及び該駆動源に所定状態の電力を供給するインバータ部を有し、前記圧縮部の途中から前記圧縮空気の一部を抽出して冷却するとともに前記タービン部の内部に導く冷却空気系統と、前記インバータ部の出力を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、前記タービン部の出力と、前記冷却空気系統の出口温度と、の少なくとも一つに応じて予め算出された複数の関係式に基づき、前記インバータ部の出力を制御することを特徴とする。

この発明は、ファンの回転数がインバータ部で制御されるので、ファンの回転数を適宜変化させることができ、燃焼用空気の吸気温度に対して圧縮空気の温度を好適に変化させることができる。

また、本発明は前記ガスタービンであって、前記制御部が、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、前記タービン部の出力と、前記冷却空気系統の出口温度と、の少なくとも一つに応じて予め算出された複数の関係式に基づき、前記インバータ部の出力を制御することを特徴とする。

この発明は、冷却空気の温度に影響を与える因子に基づき、ファンの回転数を制御して冷却性能を調整することができる。

また、本発明は前記ガスタービンであって、前記関係式が、起動時及び低負荷運転時に前記ファンを設定された回転数以上の回転数で回転させ、高負荷運転時に前記設定された回転数よりも少ない回転数で前記ファンを回転させるように設定されていることを特徴とする。

この発明は、起動時や低負荷運転時のようにガスタービン各部における熱膨張の差が大きい状態において、例えば動翼のように、タービンケーシングとの間のクリアランスを適切に確保する必要がある部材を早急に冷却することができる。また、高負荷運転時には、タービン性能を確保しつつ適切なクリアランスを維持することができる。

また、本発明は前記ガスタービンであって、前記冷却空気系統が、前記インバータ部を迂回して電力を直接前記駆動源に供給するバイパス回路を備え、前記制御部が、前記インバータ部の異常の有無を監視する異常検知部と、該異常検知部の出力から、前記インバータ部の異常の有無を判定する判定部と、該判定部の判定結果に基づき、前記駆動源への電力供給を前記インバータ部経由から前記バイパス回路経由にする切換部と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、インバータ部が故障したときにも、ファンを停止することなく回転させることができ、タービン部の温度上昇を好適に抑えることができる。

本発明は、圧縮部で燃焼用空気を吸入して圧縮した圧縮空気の一部を抽気するとともに、駆動源のインバータ制御によりファンを回転して冷却し、この冷却空気をタービン部へ送気して内部を冷却するガスタービン冷却方法であって、前記駆動源に所定状態の電力を供給するインバータ部を監視して異常の有無を判定する判定ステップと、正常判定の場合に、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、前記タービン部の出力と、前記冷却空気の温度と、に応じて予め算出された複数の関係式に基づき、前記ファンの回転数を調整する調整ステップと、異常判定の場合に、前記駆動源のインバータ制御を定格運転に変更する異常対応ステップと、を備えていることを特徴とする。

この発明は、タービン部の運転状況や負荷に伴い変化するタービン部の内部環境に応じて好適な冷却を行うことができる。

本発明によれば、外気温に応じて冷却性能を調整して、冷却対象を限界温度未満としつつ、できるだけ高い温度となるように冷却することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンを示す系統図である。本発明の一実施形態に係るガスタービンの冷却空気系統の構成を示す系統図である。本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第一関係式を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第二関係式を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るガスタービンの冷却方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における制御ロジックを示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るガスタービンの冷却運用概念を示すグラフである。従来のガスタービンを示す系統図である。

本発明に係る一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。ここで説明する実施形態は、この発明を発電設備に適用したものである。そして、発電設備全体が複合サイクルプラントとして構成されている。
図１において、ガスタービン１は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮部２と、この圧縮部２から送られてきた圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部３と、この燃焼部３の下流側に位置し、燃焼部３を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部５と、圧縮部２の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン部５の内部に導く冷却空気系統６と、冷却空気系統６の出口温度を検出する温度計７と、制御部８と、を備えている。

タービン部５は、発電機ＥＧ１を駆動するようになっている。一方、タービン部５から排出される排ガスは、排熱回収ボイラＨＲＳＧに導入され、蒸気を発生するための熱源としても利用される。排熱回収ボイラＨＲＳＧで発生した蒸気は、蒸気タービンＳＴに供給され、蒸気タービンＳＴにより発電機ＥＧ２を駆動する。そして、蒸気タービンＳＴからの飽和蒸気は、復水器Ｃにて冷却復水され、ポンプＰを介して排熱回収ボイラＨＲＳＧに導入される。

冷却空気系統６は、図２に示すように、複数のファン１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、これらファン１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ毎に接続された駆動源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと、駆動源１１Ｂ，１１Ｃに所定状態の電力をそれぞれ供給するインバータ部１２Ｂ，１２Ｃと、駆動源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの電源部１３と、電源部１３から駆動源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃへの電力供給系統１５，１６，１７と、を備えている。

電力供給系統１６，１７は、電源部１３とインバータ部１２Ｂ，１２Ｃと駆動源１１Ｂ，１１Ｃとをそれぞれ接続する主回路１６Ａ，１７Ａと、インバータ部１２Ｂ，１２Ｃを迂回して電力を直接駆動源１１Ｂ，１１Ｃに供給するためのバイパス回路１６Ｂ，１７Ｂと、を備えている。主回路１６Ａ，１７Ａには第一スイッチ１８が、及び、バイパス回路１６Ｂ，１７Ｂには第二スイッチ２０がそれぞれ配されている。

各駆動源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、駆動源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの過負荷・過電流を監視する不図示の監視装置と接続されている。

制御部８は、圧縮部２に配された温度計２１にて検出した吸気温度と、タービン部５の出力と、冷却空気系統６の出口温度を検出する温度計７にて検出した出口温度と、の少なくとも一つに応じて予め算出された複数の関係式に基づき、インバータ部１２Ｂ，１２Ｃの出力を制御するものとして設けられている。

ここで、関係式は、圧縮部２における吸気温度と、インバータ部１２Ｂ，１２Ｃの出力と、の関係を示す第一関係式（ｆ１）と、タービン部５の負荷に応じて変化する第二関係式（ｆ２）と、冷却空気系統６の目標出口温度と温度計７による検出値との偏差を比例積分するための不図示の第三関係式と、を備えている。

第一関係式（ｆ１）は、例えば、ファン１０Ｂ，１０Ｃの定格回転数に相当するインバータ部１２Ｂ，１２Ｃの定格出力を１００％としたとき、図３に示すように、圧縮部２における吸気温度が−１０℃以下の場合には出力５０％で一定値とし、−１０℃を超えて６０℃になるまでは出力が線形に増加するものとなっている。

第二関係式（ｆ２）は、図４に示すように、タービン部５の負荷が相対的に高いとき（以下、高負荷時と称する。）には０．０、タービン部５の負荷が相対的に低いとき（以下、低負荷時と称する。）には１．０、両者の遷移領域ではこれらを線形に結んだものとなっている。

制御部８は、インバータ部１２Ｂ，１２Ｃの故障時対応のために、監視装置からの出力に基づきインバータ部１２Ｂ，１２Ｃの異常の有無を監視する異常検知部２２と、異常検知部２２の出力からインバータ部１２Ｂ，１２Ｃの故障の有無を判定する判定部２３と、判定部２３の判定結果に基づき、駆動源１１Ｂ，１１Ｃへの電力供給を主回路１６Ａ，１７Ａ経由からバイパス回路１６Ｂ，１７Ｂ経由にする切換部２５と、を備えている。

すなわち、この制御部８には、温度計２１で検出される圧縮部２における吸気温度信号Ｓ１と、タービン部５の出力信号Ｓ２と、温度計７で検出される冷却空気系統６の出口温度信号Ｓ３と、インバータ部１２Ｂ，１２Ｃの故障検知信号Ｓ４と、不図示の監視装置からの故障検知信号Ｓ５が入力される。そして、インバータ部１２Ｂ，１２Ｃへの回転指令と、第一スイッチ１８及び第二スイッチ２０間の切換信号と、が出力される。

次に、本実施形態に係るガスタービン１の冷却方法について、ガスタービン１の作用とともに説明する。
ガスタービン１の冷却方法は、図５に示すように、インバータ部１２Ｂ，１２Ｃを監視しての異常の有無を判定する判定ステップ（Ｓ０１）と、正常判定の際に、各関係式に基づきファン１０Ｂ，１０Ｃの回転数を調整する調整ステップ（Ｓ０２）と、異常判定の際に、駆動源１１Ｂ，１１Ｃへの電力供給ルートを変更する異常対応ステップ（Ｓ０３）と、を備えている。調整ステップ（Ｓ０２）における各関係式を用いた制御ロジックを図６に示す。ここで、「×」は各式のパラメータを乗算、「△」は減算、「＋」は加算することを示す。

まず、起動昇速時には、第一スイッチ１８をＯＮ、第二スイッチ２０をＯＦＦとして、駆動源１１Ｂ，１１Ｃには主回路１６Ａ，１７Ａ経由で電力を供給するとともに、タービン部５の回転数に応じてファン１０Ｃ，１０Ｂ，１０Ａを順次所定の回転数に駆動する。なお、ファン１０Ａは、以降、このままの回転を継続する。

続いて判定ステップ（Ｓ０１）では、不図示の監視装置により計測された駆動源１１Ｂ，１１Ｃの電流値から、過負荷、過電流の有無を異常検知部２２にて検知する。そして、所定の閾値内であれば、判定部２３がインバータ部１２Ｂ，１２Ｃを「正常」と判定して、調整ステップ（Ｓ０２）へ移行又は継続する。一方、閾値を超えた場合には、判定部２３がインバータ部１２Ｂ，１２Ｃを「故障」と判定して、異常対応ステップ（Ｓ０３）へ移行する。なお、駆動源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの故障時には、例えば、調整ステップ（Ｓ０２）での運用を継続しつつ、警報器２６へ警報信号を発するものとする。

調整ステップ（Ｓ０２）では、第一スイッチ１８がＯＮ、第二スイッチ２０がＯＦＦの状態で運転が継続される。そして、タービン部５の負荷が例えばＬ_１ＭＷになるまでの低負荷時では、図４に示す第二関係式（ｆ２）が１．０となるので、図３に示す第一関係式（ｆ１）には、１．０から１．０を減算した値である０．０を乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、第一関係式（ｆ１）にかかわらず第二関係式（ｆ２）に基づき、ファン１０Ｂ，１０Ｃをそのままの回転数で回転させる。

一方、タービン部５の負荷が例えばＬ_２ＭＷ（Ｌ_２＞Ｌ_１）を超えるような高負荷時には、図４に示す第二関係式（ｆ２）が０．０となるので、図３に示す第一関係式（ｆ１）には、１．０から０．０を減算した値である１．０を乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、タービン部５の出力にかかわらず、第一関係式（ｆ１）に基づき、吸気温度に応じた回転数でファン１０Ｂ，１０Ｃを回転させる。

タービン部５の負荷がＬ_１ＭＷからＬ_２ＭＷの遷移領域では、図４に示す第二関係式（ｆ２）が０．０と１．０との間の値となり、上記と同様のロジックによって、第一関係式（ｆ１）と第二関係式（ｆ２）の両者による制御に基づき、ファン１０Ｂ，１０Ｃを回転させる。

タービン部５の負荷が９５％以上では、冷却空気系統６の出口温度が目標温度とずれる場合もあり得る。この場合には、上述したロジックに加えて、温度計７での検出値と目標温度との差分に基づくフィードバッグ制御を行う。すなわち、不図示の第三関係式に基づき、さらに比例積分制御を行って得た値を、上述したロジックの結果の値に加算することにより、ファン１０Ｂ，１０Ｃを回転させる。この調整ステップ（Ｓ０２）による全体運用概念を図７に示す。

異常対応ステップ（Ｓ０３）では、判定部２３の結果に基づき切換部２５にて第一スイッチ１８をＯＦＦ、第二スイッチ２０をＯＮに切り換え、バイパス回路１６Ｂ，１７Ｂを介して電源部１３から駆動源１１Ｂ，１１Ｃに直接電力供給する。これにより、ファン１０Ｂ，１０Ｃは定格回転数で回転する。

このガスタービン１及び冷却方法によれば、冷却空気の温度に影響を与える因子に基づき、ファン１０Ｂ，１０Ｃの回転数をインバータ部１２Ｂ，１２Ｃで制御するので、ファン１０Ｂ，１０Ｃの回転数を適宜変化させることができ、燃焼用空気の吸気温度に対して圧縮空気の温度を好適に変化させることができる。したがって、タービン部５の内部を限界温度未満としつつ、できるだけ高い温度となるように冷却することができる。

また、駆動源１１Ｂ，１１Ｃの過電流、過負荷を監視して、インバータ部１２Ｂ，１２Ｃが故障したときには、駆動源１１Ｂ，１１Ｃへの電力供給を主回路１６Ａ，１７Ａからバイパス回路１６Ｂ、１７Ｂに切り換えて電源部１３から直接駆動源１１Ｂ，１１Ｃに電力供給する。そのため、ファン１０Ｂ，１０Ｃを停止することなく回転させることができ、タービン部５の温度上昇を好適に抑えることができる。

また、このガスタービン１及び冷却方法によれば、前記関係式を、起動時及び低負荷運転時に前記ファンを設定された回転数以上、例えば最大回転数にて回転させ、高負荷運転時には前記設定された回転数よりも少ない回転数で前記ファンを回転させるように設定すれば、起動時や低負荷運転時のようにガスタービン各部における熱膨張の差が大きい状態において、例えば動翼のように、タービンケーシングとの間のクリアランスを適切に確保する必要のある部材を早急に冷却することができる。また、高負荷運転時には、タービン性能を確保しつつ適切なクリアランスを維持することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態における第一関係式（ｆ１）及び第二関係式（ｆ２）は一例であって、これらに限定されることはない。

また、ファン１０Ａは直接電源部１３と接続させているが、このファン１０Ａもファン１０Ｂ，１０Ｃと同様にインバータ制御を行ってもよい。

１ガスタービン
２圧縮部
３燃焼部
５タービン部
６冷却空気系統
８制御部
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃファン
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ駆動源
１２Ｂ，１２Ｃインバータ部
１６Ｂ，１７Ｂバイパス回路
２２異常検知部
２３判定部
２５切換部

Claims

燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮部と、
この圧縮部から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部と、
この燃焼部の下流側に位置し、前記燃焼部を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部と、
ファン、該ファンの駆動源、及び該駆動源に所定状態の電力を供給するインバータ部を有し、前記圧縮部の途中から前記圧縮空気の一部を抽出して冷却するとともに前記タービン部の内部に導く冷却空気系統と、
前記インバータ部の出力を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、前記タービン部の出力と、前記冷却空気系統の出口温度と、の少なくとも一つに応じて予め算出された複数の関係式に基づき、前記インバータ部の出力を制御することを特徴とするガスタービン。
前記制御部が、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、前記タービン部の出力と、前記冷却空気系統の出口温度と、の少なくとも一つに応じて予め算出された複数の関係式に基づき、前記インバータ部の出力を制御することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
前記関係式が、起動時及び低負荷運転時に前記ファンを設定された回転数以上の回転数で回転させ、高負荷運転時に前記設定された回転数よりも少ない回転数で前記ファンを回転させるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン。
前記冷却空気系統が、前記インバータ部を迂回して電力を直接前記駆動源に供給するバイパス回路を備え、
前記制御部が、前記インバータ部の異常の有無を監視する異常検知部と、
該異常検知部の出力から、前記インバータ部の異常の有無を判定する判定部と、
該判定部の判定結果に基づき、前記駆動源への電力供給を前記インバータ部経由から前記バイパス回路経由にする切換部と、
を備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載のガスタービン。
圧縮部で燃焼用空気を吸入して圧縮した圧縮空気の一部を抽気するとともに、駆動源のインバータ制御によりファンを回転して冷却し、この冷却空気をタービン部へ送気して内部を冷却するガスタービン冷却方法であって、
前記駆動源に所定状態の電力を供給するインバータ部を監視して異常の有無を判定する判定ステップと、
正常判定の場合に、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、前記タービン部の出力と、前記冷却空気の温度と、に応じて予め算出された複数の関係式に基づき、前記ファンの回転数を調整する調整ステップと、
異常判定の場合に、前記駆動源のインバータ制御を定格運転に変更する異常対応ステップと、
を備えていることを特徴とするガスタービン冷却方法。