JP5787857B2 - ガスタービン冷却系統の制御方法、この方法を実行する制御装置、これを備えているガスタービン設備 - Google Patents

ガスタービン冷却系統の制御方法、この方法を実行する制御装置、これを備えているガスタービン設備 Download PDF

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Description

本発明は、ガスタービン中で燃焼ガスに接する高温部を冷却するためのガスタービン冷却系統の制御方法、この方法を実行する制御装置、これを備えているガスタービン設備に関する。
ガスタービンは、外気を圧縮して圧縮空気を生成する空気圧縮機と、燃料を圧縮空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備えている。ガスタービンでは、燃焼器の燃焼筒や、タービンの動翼や静翼等が高温の燃焼ガスに晒されるため、これらの高温部を冷却して、これらの高温部を燃焼ガスの熱から保護する必要がある。
以下の特許文献1には、ガスタービンの高温部の一部である燃焼器の尾筒(燃焼筒)を冷却するための冷却系統が開示されている。この冷却系統は、空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却する冷却器と、この冷却器で冷却された圧縮空気を加圧して、この圧縮空気を冷却空気として燃焼器の尾筒に送る冷却空気圧縮機と、を備えている。
特開2000−265856号公報
燃焼器の燃焼筒等の高温部に対して、高温部の焼損を防止するために十分な流量の冷却空気を送ることが求められる。一方、冷却空気の流量を増加させると冷却空気圧縮機の動力が増加するだけでなく、圧縮空気を冷却する交換熱量が増加するため、ガスタービンの発電効率が低下してしまう。上記特許文献1に記載の冷却系統では、ガスタービンの高温部の冷却とガスタービンの効率を両立させるための具体的な冷却空気の制御方法について何ら開示されていない。
そこで、本発明は、上記課題を解決するため、ガスタービンの高温部の十分な冷却を行い、かつガスタービンの発電効率を向上させることができるガスタービン冷却系統の制御方法、この方法を実行する制御装置、これを備えているガスタービン設備を提供することを目的とする。
上記問題点を解決するための発明に係る一態様としてのガスタービン冷却系統の制御方法は、
ガスタービンの空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却して冷却空気にする冷却器と、該冷却空気をガスタービン中で燃焼ガスに接する高温部に供給する冷却空気圧縮機と、を備えているガスタービン冷却系統の制御方法において、前記高温部に供給する前記冷却空気の流量相当値についての目標値と該冷却空気の温度との関係を定めた目標値設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度に応じた目標値を定める目標値設定工程と、前記冷却空気の流量を調節する冷却空気量調節器の補正駆動量として、前記目標値に対する、検出された前記冷却空気の前記流量相当値の偏差が小さくなる補正駆動量を求める補正駆動量算出工程と、前記補正駆動量に応じた駆動指令を前記冷却空気量調節器に出力する駆動指令出力工程と、を実行することを特徴とする。
冷却空気量調節器の駆動量を調節して、冷却空気の流量相当値がその目標値になるように制御すると、ガスタービンの高温部に送られる冷却空気の流量はほぼその目標値になる。しかしながら、高温部に送られる冷却空気の流量を制御できても、この冷却空気の温度に見合った流量に制御できなければ、高温部を所定の温度以内に管理することができない。そこで、当該制御方法では、高温部に送られる冷却空気の温度に応じた流量相当値の目標値を定め、流量相当値がこの目標値になるように制御することで、冷却空気の流量を、この冷却空気の温度に応じた流量の目標値にして、高温部を所定の温度以下に管理している。また、当該制御方法では、高温部に送る冷却空気を不必要に多くする必要がないので、ガスタービンの発電効率を向上させることができる。
ここで、前記ガスタービン冷却系統の制御方法において、前記目標値設定関数は、前記目標値と前記冷却空気の温度とガスタービン出力相当値との関係を定めており、前記目標値設定工程では、該目標値設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度と外部から得られた前記ガスタービン出力相当値とに応じた目標値を定めてもよい。
ガスタービン出力相当値が高くなると、高温部を加熱する熱量が多くなる。そこで、当該制御方法では、ガスタービン出力相当値に対応する目標値を定めることで、ガスタービン出力相当値が高くなり、高温部を加熱する熱量が多くなっても、高温部が所定の温度以下になるようにしている。
また、以上のいずれかのガスタービン冷却系統の制御方法において、前記冷却空気の温度と前記冷却空気量調節器の駆動量との関係を示す駆動量設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度に応じた先行駆動量を定める先行駆動量設定工程を実行し、前記駆動指令出力工程では、前記先行駆動量設定工程で定めた前記先行駆動量に前記補正駆動量を加えた駆動量に応じた駆動指令を出力してもよい。
この場合、前記駆動量設定関数は、前記冷却空気の温度と、ガスタービン出力相当値と、前記冷却空気量調節器の駆動量との関係を定めており、前記先行駆動量設定工程では、該駆動量設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度と外部から得られた前記ガスタービン出力相当値とに応じた前記先行駆動量を定めてもよい。
当該制御方法では、先行駆動量を用いた先行制御を行うことで、各種パラメータの変動に伴う冷却空気流量の変更の応答性を高めることができる。
上記問題点を解決するための発明に係る一態様としてのガスタービン冷却系統の制御装置は、
ガスタービンの空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却して冷却空気にする冷却器と、該冷却空気をガスタービン中で燃焼ガスに接する高温部に供給する冷却空気圧縮機と、を備えているガスタービン冷却系統の制御装置において、前記冷却空気の流量相当値についての目標値と該冷却空気の温度との関係を定めた目標値設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度に応じた目標値を定める目標値設定部と、前記冷却空気の流量を調節する冷却空気量調節器の補正駆動量として、前記目標値に対する、検出された前記冷却空気の前記流量相当値の偏差が小さくなる補正駆動量を求める補正駆動量算出部と、前記補正駆動量に応じた駆動指令を前記冷却空気量調節器に出力する駆動指令出力部と、を有することを特徴とする。
当該制御装置でも、前述の制御方法と同様、高温部に送られる冷却空気の温度に応じた流量相当値の目標値を定め、流量相当値がこの目標値になるように制御するので、冷却空気の流量を、この冷却空気の温度に応じた流量の目標値にすることができ、高温部を所定の温度以下に管理することができる。さらに、ガスタービンの発電効率を向上させることができる。
ここで、前記ガスタービン冷却系統の制御装置において、前記目標値設定関数は、前記目標値と前記冷却空気の温度とガスタービン出力相当値との関係を定めており、前記目標値設定部は、該目標値設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度と外部から得られた前記ガスタービン出力相当値とに応じた目標値を定めてもよい。
当該制御装置では、ガスタービン出力相当値に対応する目標値を定めるので、ガスタービン出力相当値が高くなり、高温部を加熱する熱量が多くなっても、高温部を所定の温度以下に管理することができる。
また、以上のいずれかのガスタービン冷却系統の制御装置において、前記目標値設定関数は、前記冷却空気の温度が高くなるに連れて前記目標値が大きくなる関係を示す関数であってもよい。
また、以上のいずれかのガスタービン冷却系統の制御装置において、前記冷却空気の温度と前記冷却空気量調節器の駆動量との関係を示す駆動量設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度に応じた先行駆動量を定める先行駆動量設定部を有し、前記駆動指令出力部は、前記先行駆動量設定部が定めた前記先行駆動量に前記補正駆動量を加えた駆動量に応じた駆動指令を出力してもよい。
この場合、前記駆動量設定関数は、前記冷却空気の温度と、ガスタービン出力相当値と、前記冷却空気量調節器の駆動量との関係を定めており、前記先行駆動量設定部は、該駆動量設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度と外部から得られた前記ガスタービン出力相当値とに応じた先行駆動量を定めてもよい。
当該制御装置では、先行駆動量を用いた先行制御を行うことで、各種パラメータの変動に伴う冷却空気流量の変更の応答性を高めることができる。
上記問題点を解決するための発明に係る一態様としてのガスタービン設備は、
以上のいずれかの制御装置と、前記高温部に供給する前記冷却空気の温度を検出する温度計、該冷却空気の前記流量相当値を検出する流量相当値計、前記冷却器、前記冷却空気圧縮機、及び前記冷却空気量調節器を備えている前記ガスタービン冷却系統と、前記ガスタービンと、を備えていることを特徴とする。
当該ガスタービン設備でも、以上のいずれかの制御装置を備えているので、冷却空気の流量を、この冷却空気の温度に応じた流量の目標値にすることができ、高温部を所定の温度以下に管理することができる。さらに、ガスタービンの発電効率を向上させることができる。
ここで、前記ガスタービン設備において、前記冷却器は、前記空気圧縮機からの圧縮空気と冷却媒体とを熱交換させる熱交換器と、前記冷却媒体の流量を調節する媒体量調節器と、を有し、前記制御装置は、前記高温部に供給される前記冷却空気の温度が、該冷却空気の温度の目標値である温度目標値になるよう、前記媒体量調節器に対して駆動指令を出力する駆動指令出力部を有してもよい。
この場合、前記制御装置は、前記高温部に供給される前記冷却空気の温度の目標値である温度目標値とガスタービン出力相当値との関係を示す温度目標値設定関数を用いて、外部から得られた前記ガスタービン出力相当値に応じた前記温度目標値を定める温度目標値設定部を有してもよい。
当該ガスタービン設備では、高温部に供給される冷却空気の温度がほぼ温度目標値になるので、冷却空気流量の制御を安定化させることができる。
また、前記冷却器が前記媒体量調節器を有するガスタービン設備において、前記冷却器の前記熱交換器は、空気を前記冷却媒体として前記圧縮空気と熱交換させるラジエターであり、前記冷却器の前記媒体量調節器は、前記ラジエターに送る前記空気の流量を調節できるファンであってもよい。
この場合、前記ガスタービン設備は、前記ファンから前記ラジエターに送られた空気と、前記ガスタービンの燃焼器に送る燃料とを熱交換させて、該燃料を加熱する燃料予熱器を備えてもよい。当該ガスタービン設備では、ガスタービンの発電効率を向上させることができる。
また、この場合、前記ガスタービンから排気された燃焼ガスとの熱交換で蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、前記ファンから前記ラジエターに送られた空気と前記ガスタービンの燃焼器に送る燃料とを熱交換させて、該燃料を加熱する第一燃料予熱器と、前記燃料と前記排熱回収ボイラーで発生した蒸気又は加熱された水とを熱交換させて該燃料を加熱する第二燃料予熱器と、を備えてもよい。当該ガスタービン設備では、ガスタービンの発電効率を高めることができる。
また、前記冷却器が前記媒体量調節器を有するいずれかのガスタービン設備において、前記ガスタービンから排気された燃焼ガスとの熱交換で蒸気を発生させる排熱回収ボイラーを備え、前記冷却器の前記熱交換器は、前記排熱回収ボイラーに送る水を前記冷却媒体として前記圧縮空気と熱交換させるボイラー水予熱器であり、前記冷却器の前記媒体量調節器は、前記ボイラー水予熱器に送る前記水の流量を調節する水量調節器であってもよい。
当該ガスタービン設備では、圧縮空気を冷却することができると共に、ガスタービンの発電効率を向上させることができる。
本発明では、ガスタービンの高温部の温度を所定以下に抑えることができると共に、ガスタービンの発電効率を向上させることができる。
本発明に係る一実施形態におけるガスタービン設備の系統図である。 本発明に係る一実施形態における差圧目標値設定関数を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態における先行駆動量設定関数を示す説明図ある。 本発明に係る一実施形態における温度目標値設定関数を示す説明図である。 本発明に係る一実施形態におけるガスタービン設備の各部の動作等を示すタイミングチャートである。 本発明に係る一実施形態の第一変形例におけるガスタービン設備の系統図である。 本発明に係る一実施形態の第二変形例におけるガスタービン設備の系統図である。
以下、本発明に係るガスタービンのガスタービン設備の一実施形態について、図1〜図5を参照して詳細に説明する。
本実施形態のガスタービン設備は、図1に示すように、ガスタービン10と、ガスタービン10から排気された燃焼ガスの熱を回収する排熱回収装置20と、ガスタービン10中の高温部を冷却するガスタービン冷却系統(以下、単に冷却系統とする)30と、冷却系統30を制御する制御装置50と、上位制御装置70と、を備えている。
ガスタービン10は、外気を圧縮して圧縮空気を生成する空気圧縮機11と、燃料供給源からの燃料Fを圧縮空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の燃焼器12と、燃焼ガスにより駆動するタービン15と、を備えている。タービン15のロータには、このロータの回転で発電する発電機19が接続されている。複数の燃焼器12は、タービン15のロータを中心として、周方向に互いに等間隔でタービン15のケーシングに固定されている。この燃焼器12は、燃焼ガスをタービン15の燃焼ガス流路中に送る燃焼筒13と、この燃焼筒13内に燃料及び圧縮空気を噴射する燃料供給器14とを有している。このガスタービン10で、燃焼器12の燃焼筒13やタービン15の動翼及び静翼は、高温の燃焼ガスに晒される高温部を成す。本実施形態の冷却系統30は、ガスタービン10の高温部のうちの燃焼器12の燃焼筒13に冷却空気を供給して、この燃焼筒13を冷却する。
このため、この燃焼筒13には、外周面と内周面との間を通る冷却空気通路が形成されている。この冷却空気通路は、燃焼筒13の外周側において、上流側と下流側とのそれぞれで開口しており、下流側の開口が冷却空気の流入口を成し、上流側の開口が冷却空気の排出口を成している。燃焼筒13の下流側の開口から冷却空気通路内に流入した冷却空気は、燃焼筒13の壁面を冷却した後、燃焼筒13の上流側の開口から流出し、燃焼用空気として燃焼器12に回収される。
排熱回収装置20は、ガスタービン10から排気された燃焼ガスと水との熱交換で蒸気を発生させる排熱回収ボイラー21と、排熱回収ボイラー21で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン22と、蒸気タービン22を駆動させた蒸気を水に戻す復水器23と、復水器23中の水を排熱回収ボイラー21に戻す給水ポンプ24と、を備えている。蒸気タービン22のロータには、例えば、このロータの回転で発電する発電機が接続されている。
冷却系統30は、ガスタービン10の空気圧縮機11から抽気した圧縮空気を冷却して冷却空気にする冷却器31と、この冷却空気を加圧して加圧冷却空気として燃焼器12の燃焼筒13に供給する冷却空気圧縮機34と、を備えている。なお、以下では、加圧冷却空気も単に冷却空気という場合がある。
冷却器31は、空気圧縮機11から抽気した圧縮空気が内部を通るラジエター32と、このラジエター32に空気を送るファン33と、を有している。ファン33は、インバータ付モータを有しており、このインバータ付モータの回転数を変えることで、空気の流量を調節できる。すなわち、このファン33は、圧縮空気の冷却媒体である空気の流量を調節することができる媒体量調節器を成す。ラジエター32に隣接した位置には、ラジエター32内の圧縮空気との熱交換で加熱された空気と燃焼器12に供給する燃料Fとを熱交換させて、燃料Fを加熱する燃料予熱器49が設置されている。
冷却空気圧縮機34には、モータ38が接続され、このモータ38の駆動で冷却空気圧縮機34が駆動する。なお、ここでは、冷却空気圧縮機34の駆動源としてモータを用いている。しかしながら、冷却空気圧縮機34の駆動源はいかなるものでもよく、例えば、ガスタービン10の空気圧縮機11又はタービン15のロータと機械的に連結して、タービン15を駆動源としてもよい。この冷却空気圧縮機34の吸込口には、吸い込む空気の流量を調節する冷却空気流量調節器としてのIGV(inlet guide vane)35が設けられている。このIGV35は、冷却空気圧縮機34の吸込口内に配置されているベーン36と、このベーン36の角度を変える駆動器37と、を有している。
空気圧縮機11から燃焼器12に圧縮空気を送る圧縮空気ラインは、途中で冷却用圧縮空気ライン41として分岐しており、この冷却用圧縮空気ライン41に冷却器31のラジエター32が接続されている。ラジエター32は、冷却空気圧縮機34の吸込口と冷却空気ライン42で接続されている。冷却空気圧縮機34の吐出口と燃焼器12の燃焼筒13とは、加圧冷却空気ライン43で接続されている。本実施形態の冷却系統30は、さらに、加圧冷却空気ライン43を通る加圧冷却空気の温度を検知する温度計45と、冷却用圧縮空気ライン41中の圧縮空気の圧力と加圧冷却空気ライン43中の加圧冷却空気の圧力との差圧、つまり空気圧縮機11の吐出圧と加圧冷却空気の燃焼器12への入口圧との差圧ΔPを検知する差圧計46と、を備えている。
制御装置50は、冷却空気流量調節器としてのIGV35のベーン開度を制御するIGV制御系51と、冷却器31における媒体量調節器としてのファン33の回転数を制御するファン制御系61と、冷却空気圧縮機34の駆動源であるモータ38等を起動させる圧縮機制御系(不図示)と、を有している。IGV制御系51は、IGV35の駆動器37に対して、この駆動器37の駆動量(IGV開度)を示す駆動指令を出力する。このIGV制御系51は、冷却用圧縮空気ライン41中の圧縮空気の圧力と加圧冷却空気ライン43中の加圧冷却空気の圧力との差圧ΔPの目標値を定める差圧目標値設定部52と、差圧計46で検知された差圧ΔPと差圧目標値との偏差を求める減算器53と、この偏差に応じた比例・積分動作分の補正駆動量を求めるPI制御器54と、先行駆動量(IGV開度)を定める先行駆動量設定部55と、先行駆動量に補正駆動量を加えた駆動量を出力する加算器56と、加算器56からの駆動量に応じた駆動指令をIGV35の駆動器37に出力するIGV駆動指令出力部57と、を有している。なお、このIGV制御系51で、補正駆動量算出部は減算器53とPI制御器54とを有して構成されている。
差圧目標値設定部52は、図2に示すように、差圧目標値と、ガスタービン出力Pと、温度計45で検知される加圧冷却空気の温度Tとの関係を示す差圧目標値設定関数を有している。この差圧目標値設定関数は、加圧冷却空気の温度T(Ta<Tb<Tc)が高くなるに連れて、差圧目標値が大きくなる関数である。また、差圧目標値設定関数は、ガスタービン出力Pが例えば50%程度の中出力(b%)以上で、このガスタービン出力Pが高くなるに連れて、差圧目標値が大きくなる関数である。この差圧目標値設定部52は、この差圧目標値設定関数を用いて、上位制御装置70から得られたガスタービン出力Pと温度計45で検知された加圧冷却空気の温度Tとに応じた差圧目標値を定める。
なお、ガスタービン出力Pの値は、例えば、上位制御装置70から送られてくる。上位制御装置70は、例えば、ガスタービン10に接続されている発電機19の発電電力を検知する電力計等で検知された電力の値をガスタービン出力Pの値として扱う。
先行駆動量設定部55は、図3に示すように、先行駆動量(IGV開度)と、ガスタービン出力Pと、温度計45で検知される加圧冷却空気の温度Tとの関係を示す先行駆動量設定関数を有している。この先行駆動量設定関数は、加圧冷却空気の温度T(Ta<Tb<Tc)が高くなるに連れて、先行駆動量が大きくなる関数である。先行駆動量設定関数は、加圧冷却空気の温度が一定の場合、ガスタービン出力Pが0%から予め定めた低出力(a%)までは、先行駆動量が当該加圧空気温度における最大かつ一定の値を示す関数である。また、先行駆動量設定関数は、加圧冷却空気の温度が一定の場合、ガスタービン出力Pが低出力(a%)から前述の中出力(b%)までは、このガスタービン出力Pが高くなるに連れて、先行駆動量が小さくなる関数である。また、先行駆動量設定関数は、加圧冷却空気の温度が一定の場合、ガスタービン出力Pが中出力(b%)以上では、このガスタービン出力Pが高くなるに連れて、先行駆動量が大きくなる関数である。先行駆動量設定部55は、この先行駆動量設定関数を用いて、上位制御装置70から得られたガスタービン出力Pと温度計45で検知された加圧冷却空気の温度Tとに応じた先行駆動量を定める。
ファン制御系61は、ファン33に対してこのファン33の駆動量(回転数)を示す駆動指令を出力する。ファン制御系61は、温度計45で検出される加圧冷却空気の温度Tの目標値を定める温度目標値設定部62と、温度計45で検知された加圧冷却空気の温度Tと温度目標値との偏差を求める減算器63と、この偏差に応じた比例・積分動作分の補正駆動量を求めるPI制御器64と、この補正駆動量に応じた駆動指令をファン33に出力するファン駆動指令出力部65と、を有している。温度目標値設定部62は、図4に示すように、温度目標値と、ガスタービン出力Pとの関係を示す温度目標値設定関数を有している。この温度目標値設定関数は、ガスタービン出力Pが0%から前述の低出力(a%)までは、温度目標値が一定の第一温度目標値を示し、ガスタービン出力Pが前述の中出力(b%)以上では、一定で且つ第一温度目標値より高い第二温度目標値を示す関数である。また、この温度目標値設定関数は、低出力(a%)から中出力(b%)までの間では、ガスタービン出力Pが増加するに連れて温度目標値が高くなる関数である。温度目標値設定部62は、この温度目標値設定関数を用いて、ガスタービン出力Pに応じた温度目標値を定める。
なお、以上で説明した差圧目標値設定関数、先行駆動量設定関数、温度目標値設定関数は、各パラメータ相互の関係を式で表した式形式のものでも、複数のパラメータ毎の複数の数値相互を関係付けた表形式のものでもよい。
次に、以上で説明した冷却系統30及びその制御装置50の動作について、図5に示すタイミングチャートに従がって説明する。
起動装置により、タービン15のロータ及び空気圧縮機11のロータを回転させ始め(S1)、これらの回転数を徐々に増加させる。この空気圧縮機11のロータ回転数の増加に伴って、空気圧縮機11から吐出される圧縮空気の圧力が徐々に高くなると共に、この圧縮空気の温度も徐々に高くなる。タービン15のロータ及び空気圧縮機11のロータが予め定められた低回転数になると、制御装置50の圧縮機制御系(不図示)からの指示で冷却空気圧縮機34が起動すると共に、制御装置50のIGV制御系51からの駆動指令でIGV35のベーン36が開き始める(S2)。そして、IGV35のベーン36の開度(以下、単にIGV開度とする)は、全開(100%)になる、又は、そのときの温度計45で検知された温度Tに応じた開度のうちで最大開度になる(S3)。
冷却空気圧縮機34が起動し、且つIGV35のベーン36が開き始めると(S2)、空気圧縮機11からの圧縮空気が冷却用圧縮空気ライン41、冷却空気ライン42及び加圧冷却空気ライン43を通って、燃焼器12の燃焼筒13に供給される。冷却器31のファン33が起動していない。この段階では、この空気の冷却器出口温度、つまり冷却空気ライン42中の空気の温度は、空気圧縮機11から吐出された直後の圧縮空気の温度とほぼ同じである。また、この空気の燃焼器12の入口温度、つまり温度計45で検知される加圧冷却空気ライン43中の温度は、冷却空気圧縮機34による加圧で、冷却器出口温度より高くなる。
その後、ガスタービン10の燃焼器12に燃料が供給され、この燃料が燃焼器12の燃焼筒13内で着火する(S4)。ガスタービンへの燃料供給量は、この時点からガスタービン10の負荷運転まで、徐々に増加する。
空気の燃焼器12における入口温度、つまり温度計45で検知された空気の温度Tがファン起動温度になると、制御装置50のファン駆動指令出力部65からファン33の起動を示す駆動指令が出力され、ファン33が起動する(S5)。ファン33が起動すると、冷却器31のラジエター32内を通る圧縮空気がファン33からの空気と熱交換して、この圧縮空気が冷却され、この圧縮空気が冷却空気として冷却空気ライン42を流れる。この結果、冷却空気ライン42中の冷却空気の温度、つまり冷却器出口温度、さらに、加圧冷却空気ライン43中の加圧冷却空気の温度、つまり加圧冷却空気の燃焼器における入口温度は、いずれも一時的に低下する。しかしながら、空気圧縮機11ロータ回転数の増加に伴って、空気圧縮機11から吐出される圧縮空気の温度が高まる関係上、冷却空気の冷却器出口温度、さらに、加圧冷却空気の燃焼器入口温度も再び高くなり始める。
制御装置50のファン制御系61は、温度計45で検知された空気の温度Tがファン起動温度になると、前述したように、ファン33を起動させると共に、このファン33の回転数の制御も開始する(S5)。ファン制御系61の温度目標値設定部62には、上位制御装置70からガスタービン出力P0%が入力する。温度目標値設定部62は、温度目標値設定関数(図4参照)を用いて、ガスタービン出力P0%に対応する加圧冷却空気の温度目標値である第一温度目標値を出力する。ファン制御系61の減算器63は、温度計45で検知された加圧冷却空気の温度Tと第一温度目標値との偏差を求め、これをファン制御系61のPI制御器64に出力する。このPI制御器64は、この偏差に応じた比例・積分動作分の補正駆動量を求め、ファン駆動指令出力部65に出力する。ファン駆動指令出力部65は、この補正駆動量に応じた駆動指令をファン33に出力する。この結果、温度計45で検知される加圧冷却空気の温度は、ほぼ第一温度目標値になる。
タービン15のロータ回転数及び空気圧縮機11のロータ回転数が100%になってから(S6)、所定時間経過すると、発電機19が外部の電力系統に併入され、電力系統負荷、つまりガスタービン出力Pが増加し始める(S7)。
ガスタービン出力Pが前述の低出力(a%)になると、制御装置50のIGV制御系51により、IGV35のベーン開度制御が開始される(S8)。IGV制御系51の先行駆動量設定部55には、上位制御装置70からのガスタービン出力P及び温度計45で検知された加圧冷却空気の温度Tが入力する。先行駆動量設定部55は、先行駆動量設定関数(図3参照)を用いて、ガスタービン出力P及び加圧冷却空気の温度Tに対応する先行駆動量を定め、これを加算器56に出力する。以上の動作と並行して、IGV制御系51の差圧目標値設定部52にも、上位制御装置70からのガスタービン出力P及び温度計45で検知された加圧冷却空気の温度Tが入力する。差圧目標値設定部52は、差圧目標値設定関数(図2参照)を用いて、ガスタービン出力P及び加圧冷却空気の温度Tに対応する差圧目標値を定め、これを出力する。IGV制御系51の減算器53は、この差圧目標値と差圧計46で検知された差圧ΔPとの偏差を求め、これをIGV制御系51のPI制御器54に出力する。このPI制御器54は、この偏差に応じた比例・積分動作分の補正駆動量を求め、これを加算器56に出力する。加算器56は、先行駆動量設定部55から出力された先行駆動量とPI制御器54から出力された補正駆動量とを加算し、この加算で得られた駆動量を出力する。IGV駆動指令出力部57は、加算器56から出力された駆動量に応じた駆動指令をIGV35の駆動器37に出力する。この結果、IGV開度は、駆動指令が示す駆動量見合いの開度になる。
すなわち、本実施形態では、IGV35の先行駆動量を定めて、加圧冷却空気の流量をフィードフォワード制御すると共に、加圧冷却空気の流量と相関関係のある差圧ΔPに基づいて、加圧冷却空気の流量をフィードバック制御している。
なお、先行駆動量設定関数(図3参照)は、ガスタービン出力Pが低出力(a%)から中出力(b%)までの間、前述したように、ガスタービン出力Pが高くなるに連れて、先行駆動量が小さくなる関数である。このため、ガスタービン出力Pが低出力(a%)から中出力(b%)までの間、この先行駆動設定関数で定められる先行駆動量がきいて、ガスタービン出力Pが高くなるに連れて、IGV開度は小さくなる。
また、ファン制御系61が有している温度目標値設定関数(図4参照)は、ガスタービン出力Pが低出力(a%)から中出力(b%)までの間、前述したように、ガスタービン出力Pが高くなるに連れて、温度目標値が高くなる関数である。このため、ガスタービン出力Pが低出力(a%)になると、この低出力(a%)から中出力(b%)までの間、ガスタービン出力Pが高くなるに連れて、冷却空気の温度及び加圧冷却空気の温度は高くなる(S9)。
IGV制御系51が有している先行駆動量設定関数(図3参照)は、ガスタービン出力Pが中出力(b%)以上において、前述したように、ガスタービン出力Pが高くなるに連れて、先行駆動量が大きくなる関数である。また、IGV制御系51が有している差圧目標値設定関数(図2)は、ガスタービン出力Pが中出力(b%)以上において、前述したように、ガスタービン出力Pが高くなるに連れて、差圧目標値が大きくなる関数である。すなわち、ガスタービン出力Pが中出力(b%)以上において、ガスタービン出力Pが高くなるに連れて、先行駆動量及び差圧目標値が大きくなる。このため、ガスタービン出力Pが中出力(b%)以上になると、ガスタービン出力Pが高くなるに連れて、IGV開度は大きくなる。言い換えると、ガスタービン出力Pが中出力(b%)以上では、ガスタービン出力Pが低くなるに連れて、IGV開度は小さくなる(S10)。
また、ファン制御系61が有している温度目標値設定関数(図4参照)は、ガスタービン出力Pが中出力(b%)以上では、一定で且つ第一温度目標値より高い第二温度目標値を示す関数である。このため、ガスタービン出力Pが中出力(b%)以上になると、加圧冷却空気の温度はほぼ第二温度目標値になる(S11)。
ガスタービン出力Pが中出力(b%)を越えてから、ガスタービン10への燃料供給量が減少して、再び、中出力(b%)以下になると、IGV制御系51による制御で、ガスタービン出力Pが低くなるに連れて、IGV35のベーン36の開度は大きくなると共に(S12)、ファン制御系61による制御で、ガスタービン出力Pが低くなるに連れて、冷却空気の温度及び加圧冷却空気の温度は低くなる(S13)。
ガスタービン出力Pがさらに低下して低出力(a%)以下になると、IGV制御系51による制御で、IGV開度は、再び、100%になる、又は、そのときの温度計45で検知された温度Tに応じた開度のうちで最大開度になると共に(S14)、ファン制御系61による制御で、加圧冷却空気の温度は、再び、ほぼ第一温度目標値になる(S15)。
さらに、ガスタービン10への燃料供給が停止してから(S16)、所定時間経過すると、IGV制御系51による制御で、IGV開度は、0%、つまり全閉になると共に(S17)、冷却空気圧縮機34が停止し、ファン制御系61による制御で、ファン33が停止する(S18)。
冷却用圧縮空気ライン41中の圧縮空気の圧力と加圧冷却空気ライン43中の加圧冷却空気の圧力との差圧ΔP、つまり、空気圧縮機11の吐出圧と燃焼器12の燃焼筒13に送られる加圧冷却空気の圧力との差圧ΔPは、前述したように、燃焼器12の燃焼筒13に送られる冷却空気の流量と相関関係がある。このため、IGV開度を調節して、この差圧ΔPが差圧目標値になるように制御すると、燃焼器12の燃焼筒13に送られる冷却空気の流量も差圧目標値見合いの所定の流量になる。しかしながら、燃焼器12の燃焼筒13に送られる冷却空気の流量を制御できても、この冷却空気の温度に見合った流量に制御できなければ、燃焼筒13を所定の温度以内に管理することができない。
そこで、本実施形態では、燃焼筒13に供給される加圧冷却空気の温度に応じた差圧目標値を定め、差圧ΔPが目標差圧ΔPになるように制御することで、加圧冷却空気の流量を、この加圧冷却空気の温度に応じた目標値にして、燃焼筒13の温度を燃焼筒13が損傷しない温度以下に管理している。また、本実施形態では、燃焼筒13に送る冷却空気を不必要に多くする必要がないので、ガスタービン10の発電効率を向上させることができる。
ガスタービン10が中出力(b%)以上になると、ガスタービン10への燃料供給量が増加して、ガスタービン出力Pが増加すると、燃焼筒13を加熱する熱量が増加する。そこで、本実施形態では、ガスタービン出力Pの増加に伴って、差圧目標値を大きくすると共に、IGV35の先行駆動量を大きくして、この燃焼筒13に供給する加圧冷却空気の流量を多くして、燃焼筒13の温度上昇を抑えている。
また、本実施形態では、加圧冷却空気の流量と相関関係のある差圧ΔPに基づいて、加圧冷却空気の流量のフィードバック制御を行っていると共に、IGV35の先行駆動量を定めて、加圧冷却空気の流量をフィードフォワード制御しているので、加圧冷却空気の温度やガスタービン出力P等の各種パラメータの変動に伴う加圧冷却空気の流量変更の応答性を高めることができる。
また、本実施形態では、冷却器31のファン33から送風されて、圧縮空気との熱交換で加熱された空気の熱を利用して、燃焼器12に供給される燃料を燃料予熱器49で予熱しているので、ガスタービン10の発電効率をさらに向上させることができる。
ところで、ガスタービン10の起動過程や停止過程では、加圧冷却空気の圧力が負荷運転中と比べて低い。そこで、本実施形態では、この起動過程や停止過程において、燃焼筒13の冷却に必要な加圧冷却空気の流量及び温度を確保するため、IGV開度を全開(100%)、又は、そのときの温度計45で検知された温度Tに応じた開度のうちで最大開度にすると共に、加圧冷却空気の温度を低くして、低い温度の加圧冷却空気の流量を多くしている。
なお、起動過程や停止過程では、加圧冷却空気の温度を低くせずとも、IGV開度を全開(100%)、又は、そのときの温度計45で検知された温度Tに応じた開度のうちで最大開度にすれば、燃焼器12の燃焼筒13を所定温度以下に冷却することは可能である。しかしながら、加圧冷却空気の温度を低くしなければ、加圧冷却空気の流量を多くする必要性が生じるため、冷却空気圧縮機34の必要吸込風量を大きくしなければならなくなり、冷却空気圧縮機34が大型化し、設備コストがかさむ。そこで、本実施形態では、起動過程や停止過程で、加圧冷却空気の温度を低くすることで、冷却空気圧縮機34の必要吸込風量を小さくして、冷却空気圧縮機34の大型化及び設備コストを抑えている。
「第一変形例」
次に、ガスタービン設備に関する上記実施形態の第一変形例について、図6に基づいて説明する。
上記実施形態では、冷却器31のラジエター32に隣接した位置に燃料Fを加熱する燃料予熱器49を設置している。本変形例では、さらに、この燃料予熱器(第一燃料予熱器)49で加熱された燃料Fと、排熱回収ボイラー21で発生した蒸気又は加熱された水とを熱交換させて、燃料Fをさらに加熱する燃料予熱器(第二燃料予熱器)25を設けている。
以上、本変形例では、冷却器31のファン33から送風されて、圧縮空気との熱交換で加熱された空気の熱を利用して、燃料Fを加熱し、排熱回収ボイラー21で発生した蒸気又は加熱された水の熱を利用して、さらに燃料Fを加熱しているので、ガスタービンの発電効率をさらに向上させることができる。
「第二変形例」
次に、ガスタービン設備の上記実施形態の第二変形例について、図7に基づいて説明する。
上記実施形態では、冷却器31の熱交換器がラジエター32であり、冷却器31の媒体量調節器がファン33である。本変形例では、冷却器26の熱交換器としてラジエター32の替りに、排熱回収ボイラー21に供給されるボイラー水を圧縮空気と熱交換させるボイラー水予熱器27を用い、冷却器26の媒体量調節器としてファン33の替りに、ボイラー水予熱器27に供給するボイラー水の流量を調節する水量調節弁(水量調節器)28を用いている。このため、本変形例の制御装置50aでは、ファン制御系61の替りに、水量調節弁へ開度指令を出力する水量調節弁制御系61aが設けられることになる。
以上、本変形例では、排熱回収ボイラー21に供給されるボイラー水を圧縮空気と熱交換させているので、圧縮空気を冷却することができると共に、このボイラー水を予熱することができる。
「その他の変形例」
上記実施形態では、差圧計46を設け、この差圧計46で検知された差圧ΔPに基づいて、燃焼器12の燃焼筒13に供給する冷却空気の流量を制御している。しかしながら、この差圧計46の替りに、燃焼器12に供給する冷却空気の流量を検知する流量計を、空気圧縮機11から抽気した圧縮空気を燃焼器12の燃焼筒13に送るライン中のいずれかの位置に設け、この流量計で検知された流量に基づいて、燃焼器12の燃焼筒13に供給する冷却空気の流量を制御するようにしてもよい。この場合、IGV制御系51の差圧目標値設定部52は、流量目標値設定部となる。そして、この流量目標設定部は、流量目標値と、ガスタービン出力Pと、温度計45で検知される加圧冷却空気の温度Tとの関係を示す流量目標値設定関数を用いて、ガスタービン出力Pと加圧冷却空気の温度Tとに応じた流量目標値を定めることになる。さらに、IGV制御系51の減算器53は、この流量目標値と流量計で検知された流量との偏差を求めることになる。
以上のように、本発明において、燃焼器12の燃焼筒13に供給する空気の流量相当値は、冷却空気の流量であってもよいし、この空気の流量と相関関係のある、例えば、差圧ΔP等であってもよい。なお、冷却空気の流量は、体積流量であっても質量流量であってもよい。
また、上記実施形態では、空気圧縮機11の吐出圧と加圧冷却空気の燃焼器12への入口圧との差圧ΔPを検知するために差圧計46を設置しているが、空気圧縮機11の吐出圧と加圧冷却空気の燃焼器12への入口圧とをそれぞれ個別に設けた圧力計で検知し、制御装置50又は50aでその圧力差を演算して差圧ΔPとしてもよい。
また、上記実施形態では、ガスタービン出力相当値として、ガスタービン10に接続されている発電機19の発電電力を検知する電力計等で検知された電力の値を用いている。しかしながら、本発明において、ガスタービン出力相当値は、ガスタービン出力Pと相関関係のあるパラメータの値であれば、如何なるものでもよく、例えば、ガスタービン10に供給する燃料流量の値や、ガスタービン10の運転状況等から想定されるタービン10の燃焼ガス入口部の温度、或いはこの温度を無次元化した値であってもよい。
以上の実施形態では、加圧冷却空気ライン43に温度計45を設けているが、冷却器26,31と冷却空気圧縮機34との間の冷却空気ライン42に温度計45を設けてもよい。
また、以上の実施形態では、冷却空気調整器としてIGV35を用いているが、ガスタービン10の高温部に供給する冷却空気の流量を調節できるものであれば、如何なるのもでもよい。また、以上の実施形態では、冷却空気圧縮機34中に冷却空気調整器としてのIGV35を設けているが、この冷却空気調節器は、冷却空気圧縮機34の上流側に設けても下流側に設けてもよい。
また、以上の実施形態では、冷却空気を燃焼器12の燃焼筒13に供給しているが、ガスタービン10中で燃焼ガスに接する高温部であれば、如何なるところに冷却空気を供給してもよく、例えば、タービン15の動翼や静翼等に冷却空気を供給してもよい。
10:ガスタービン、11:空気圧縮機、12:燃焼器、13:燃焼筒、15:タービン、19:発電機、20:排熱回収装置、21:排熱回収ボイラー、25:燃料予熱器(第二燃料予熱器)、27:ボイラー水予熱器、28:水量調節弁、30:ガスタービン冷却系統、31,26:冷却器、32:ラジエター、33:ファン、34:冷却空気圧縮機、45:温度計、46:差圧計、49:燃料予熱器(第一燃料予熱器)、50:制御装置、51:IGV制御系、52:差圧目標値設定部、55:先行駆動量設定部、57:IGV駆動指令出力部、61:ファン制御系、62:温度目標値設定部、65:ファン駆動指令出力部、70:上位制御装置

Claims (16)

  1. ガスタービンの空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却して冷却空気にする冷却器と、該冷却空気をガスタービン中で燃焼ガスに接する高温部に供給する冷却空気圧縮機と、を備えているガスタービン冷却系統の制御方法において、
    前記高温部に供給する前記冷却空気の流量相当値についての目標値と該冷却空気の温度との関係を定めた目標値設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度に応じた目標値を定める目標値設定工程と、
    前記冷却空気の流量を調節する冷却空気量調節器の補正駆動量として、前記目標値に対する、検出された前記冷却空気の前記流量相当値の偏差が小さくなる補正駆動量を求める補正駆動量算出工程と、
    前記補正駆動量に応じた駆動指令を前記冷却空気量調節器に出力する駆動指令出力工程と、
    を実行することを特徴とするガスタービン冷却系統の制御方法。
  2. 請求項1に記載のガスタービン冷却系統の制御方法において、
    前記目標値設定関数は、前記目標値と前記冷却空気の温度とガスタービン出力相当値との関係を定めており、前記目標値設定工程では、該目標値設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度と外部から得られた前記ガスタービン出力相当値とに応じた目標値を定める、
    ことを特徴とするガスタービン冷却系統の制御方法。
  3. 請求項1又は2に記載のガスタービン冷却系統の制御方法において、
    前記冷却空気の温度と前記冷却空気量調節器の駆動量との関係を示す駆動量設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度に応じた先行駆動量を定める先行駆動量設定工程を実行し、
    前記駆動指令出力工程では、前記先行駆動量設定工程で定めた前記先行駆動量に前記補正駆動量を加えた駆動量に応じた駆動指令を出力する、
    ことを特徴とするガスタービン冷却系統の制御方法。
  4. 請求項3に記載のガスタービン冷却系統の制御方法において、
    前記駆動量設定関数は、前記冷却空気の温度と、ガスタービン出力相当値と、前記冷却空気量調節器の駆動量との関係を定めており、前記先行駆動量設定工程では、該駆動量設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度と外部から得られた前記ガスタービン出力相当値とに応じた前記先行駆動量を定める、
    ことを特徴とするガスタービン冷却系統の制御方法。
  5. ガスタービンの空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却して冷却空気にする冷却器と、該冷却空気をガスタービン中で燃焼ガスに接する高温部に供給する冷却空気圧縮機と、を備えているガスタービン冷却系統の制御装置において、
    前記冷却空気の流量相当値についての目標値と該冷却空気の温度との関係を定めた目標値設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度に応じた目標値を定める目標値設定部と、
    前記冷却空気の流量を調節する冷却空気量調節器の補正駆動量として、前記目標値に対する、検出された前記冷却空気の前記流量相当値の偏差が小さくなる補正駆動量を求める補正駆動量算出部と、
    前記補正駆動量に応じた駆動指令を前記冷却空気量調節器に出力する駆動指令出力部と、
    を有することを特徴とするガスタービン冷却系統の制御装置。
  6. 請求項5に記載のガスタービン冷却系統の制御装置において、
    前記目標値設定関数は、前記目標値と前記冷却空気の温度とガスタービン出力相当値との関係を定めており、前記目標値設定部は、該目標値設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度と外部から得られた前記ガスタービン出力相当値とに応じた目標値を定める、
    ことを特徴とするガスタービン冷却系統の制御装置。
  7. 請求項5又は6に記載のガスタービン冷却系統の制御装置において、
    前記目標値設定関数は、前記冷却空気の温度が高くなるに連れて前記目標値が大きくなる関係を示す関数である、
    ことを特徴とするガスタービン冷却系統の制御装置。
  8. 請求項5から7のいずれか一項に記載のガスタービン冷却系統の制御装置において、
    前記冷却空気の温度と前記冷却空気量調節器の駆動量との関係を示す駆動量設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度に応じた先行駆動量を定める先行駆動量設定部を有し、
    前記駆動指令出力部は、前記先行駆動量設定部が定めた前記先行駆動量に前記補正駆動量を加えた駆動量に応じた駆動指令を出力する、
    ことを特徴とするガスタービン冷却系統の制御装置。
  9. 請求項8に記載のガスタービン冷却系統の制御装置において、
    前記駆動量設定関数は、前記冷却空気の温度と、ガスタービン出力相当値と、前記冷却空気量調節器の駆動量との関係を定めており、前記先行駆動量設定部は、該駆動量設定関数を用いて、検出された前記冷却空気の温度と外部から得られた前記ガスタービン出力相当値とに応じた先行駆動量を定める、
    ことを特徴とするガスタービン冷却系統の制御装置。
  10. 請求項5から9のいずれか一項に記載の制御装置と、
    前記高温部に供給する前記冷却空気の温度を検出する温度計、該冷却空気の前記流量相当値を検出する流量相当値計、前記冷却器、前記冷却空気圧縮機、及び前記冷却空気量調節器を備えている前記ガスタービン冷却系統と、
    前記ガスタービンと、
    を備えていることを特徴とするガスタービン設備。
  11. 請求項10に記載のガスタービン設備において、
    前記冷却器は、前記空気圧縮機からの圧縮空気と冷却媒体とを熱交換させる熱交換器と、前記冷却媒体の流量を調節する媒体量調節器と、を有し、
    前記制御装置は、前記高温部に供給される前記冷却空気の温度が、該冷却空気の温度の目標値である温度目標値になるよう、前記媒体量調節器に対して駆動指令を出力する駆動指令出力部を有する、
    ことを特徴とするガスタービン設備。
  12. 請求項11に記載のガスタービン設備において、
    前記制御装置は、前記高温部に供給される前記冷却空気の温度の目標値である温度目標値とガスタービン出力相当値との関係を示す温度目標値設定関数を用いて、外部から得られた前記ガスタービン出力相当値に応じた前記温度目標値を定める温度目標値設定部を有する、
    ことを特徴とするガスタービン設備。
  13. 請求項11又は12に記載のガスタービン設備において、
    前記冷却器の前記熱交換器は、空気を前記冷却媒体として前記圧縮空気と熱交換させるラジエターであり、前記冷却器の前記媒体量調節器は、前記ラジエターに送る前記空気の流量を調節できるファンである、
    ことを特徴とするガスタービン設備。
  14. 請求項13に記載のガスタービン設備において、
    前記ファンから前記ラジエターに送られた空気と、前記ガスタービンの燃焼器に送る燃料とを熱交換させて、該燃料を加熱する燃料予熱器を備えている、
    ことを特徴とするガスタービン設備。
  15. 請求項13に記載のガスタービン設備において、
    前記ガスタービンから排気された燃焼ガスとの熱交換で蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、
    前記ファンから前記ラジエターに送られた空気と、前記ガスタービンの燃焼器に送る燃料とを熱交換させて、該燃料を加熱する第一燃料予熱器と、
    前記燃料と前記排熱回収ボイラーで発生した蒸気又は加熱された水とを熱交換させて該燃料を加熱する第二燃料予熱器と、
    を備えていることを特徴とするガスタービン設備。
  16. 請求項11又は12に記載のガスタービン設備において、
    前記ガスタービンから排気された燃焼ガスとの熱交換で蒸気を発生させる排熱回収ボイラーを備え、
    前記冷却器の前記熱交換器は、前記排熱回収ボイラーに送る水を前記冷却媒体として前記圧縮空気と熱交換させるボイラー水予熱器であり、前記冷却器の前記媒体量調節器は、前記ボイラー水予熱器に送る前記水の流量を調節する水量調節器である、
    ことを特徴とするガスタービン設備。
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