JP5894317B2

JP5894317B2 - ガスタービン及びガスタービン冷却方法

Info

Publication number: JP5894317B2
Application number: JP2015113223A
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 Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: JP2015155703A

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１０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、特に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。

そして、このバイパス弁１１０の開度は、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予め（手動で）固定設定されている。

特開２０１０−３８０７１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、前記圧縮部の途中から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン部の内部に導く冷却空気系統と、を備え、前記冷却空気系統が、前記圧縮空気の一部を冷却する冷却部と、この冷却部を通過する圧縮空気が流れる主系統と、この主系統を流れる空気流量を調整する第一流量調整部と、前記主系統とは別に、前記冷却部を回避して再び前記主系統と合流する流れを形成するバイパス系統と、このバイパス系統を流れる空気流量を調整する第二流量調整部と、ガスタービン負荷に応じて予め算出された前記燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部を制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、冷却空気系統が、主系統及びバイパス系統の両系統を備え、それらを流れる空気流量を第一流量調整部及び第二流量調整部にてそれぞれ調整することにより、冷却部で冷却される空気の流量の変化に応じて冷却空気の温度を調整することができる。さらに、この発明は、圧縮部から吸入される燃焼用空気に対してより好適な温度制御を行うことができる。

また、本発明は前記ガスタービンであって、前記圧縮部の入口の開度を変動して、吸入する前記燃焼用空気量を調整する吸入量調整部を備え、前記関係式が、前記ガスタービン負荷が相対的に高い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第一関係式と、前記ガスタービン負荷が相対的に低い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第二関係式と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、ガスタービン負荷に対応して第一流量調整部及び第二流量調整部を調整することにより、ガスタービン効率をできるだけ維持しつつ、所望の流量、温度で冷却対象に冷却空気を供給して冷却することができる。

また、本発明は前記ガスタービンであって、前記空気が流れる開口面積が変化するように前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度が調整され、前記制御部が、前記第一流量調整部又は前記第二流量調整部の少なくとも一方の開度状態が所定の開度未満の場合、又は前記冷却空気系統の出口温度が所定の温度以上の場合に警告を発することを特徴とする。

この発明は、第一流量調整部又は前記第二流量調整部の少なくとも一方の弁開度が所定の開度未満の場合や、冷却空気系統の出口温度が所定の温度以上の場合には、冷却に必要な空気流量を確保できないため、警告を発することによって、設定範囲外の事態の発生を未然に抑えることができる。

本発明はガスタービン冷却方法であって、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利用してタービン部の内部を冷却するガスタービン冷却方法であって、前記圧縮空気の一部を主系統とバイパス系統との流れに分流する分流ステップと、前記主系統を流れる前記圧縮空気を冷却する冷却ステップと、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を調整する第一調整ステップと、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を調整する第二調整ステップと、前記主系統と前記バイパス系統とを流れる圧縮空気を再び合流する合流ステップと、を備え、前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップでは、ガスタービン負荷に応じて予め算出された前記燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、前記圧縮空気の流量を調整することを特徴とする。

この発明は、主系統及びバイパス系統の両系統をそれぞれ流れる圧縮空気の流量をそれぞれ調整することにより、冷却される空気の流量変化に応じてタービン内に供給する冷却空気の温度を調整することができる。さらに、この発明は、吸入される燃焼用空気に対してより好適な温度制御を行うことができる。

この発明は、主系統及びバイパス系統の両系統をそれぞれ流れる圧縮空気の流量をそれぞれ調整することにより、冷却される空気の流量変化に応じてタービン内に供給する冷却空気の温度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冷却方法であって、前記第一調整ステップでは、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を第一流量調整部の開度を変えて調整し、前記第二調整ステップでは、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を第二流量調整部の開度を変えて調整し、前記関係式が、前記ガスタービン負荷が相対的に高い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第一関係式と、前記ガスタービン負荷が相対的に低い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第二関係式と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、タービン負荷に対応して主系統及びバイパス系統を流れる空気流量を調整することにより、タービン効率をできるだけ維持しつつ、所望の流量、温度で冷却対象に冷却空気を供給して冷却することができる。

また、本発明は前記ガスタービン冷却方法であって、前記第一調整ステップでは、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を第一流量調整部の開度を変えて調整し、前記第二調整ステップでは、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を第二流量調整部の開度を変えて調整し、前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップにおいて、前記圧縮空気の一部が流れる開口面積が変化するように前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度が調整されるとともに、前記第一流量調整部又は前記第二流量調整部の開度状態の少なくとも一方が所定の開度未満の場合、又は前記主系統と前記バイパス系統とを流れる前記圧縮空気が合流してから前記タービン部の内部に至るまでの間での前記圧縮空気の温度が所定の温度以上の場合に警告を発することを特徴とする。

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制御部における第一関係式のうち主系統側の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一関係式のうちバイパス系統側の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のうち主系統側の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のうちバイパス系統側の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三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主系統の制御フロー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制御部におけるバイパス系統の制御フローを示すブロック図である。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９を参照して説明する。
本実施形態に係るガスタービン１は、図１に示すように、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、制御部７と、を備えている。

圧縮部２の入口には、開度を変動して吸入する燃焼用空気量を調整するＩＧＶ（インレットガイドベーン）（吸入量調整部）８が配されている。

冷却空気系統６は、圧縮空気の一部を冷却するクーラー（冷却部）１０と、このクーラー１０を通過する圧縮空気が流れる主系統１１と、この主系統１１を流れる空気流量を調整する第一流量調整弁（第一流量調整部）１２と、主系統１１とは別に、クーラー１０を回避して再び主系統１１と合流する流れを形成するバイパス系統１３と、このバイパス系統１３を流れる空気流量を調整する第二流量調整弁（第二流量調整部）１５と、冷却空気系統６の出口温度を検出する温度計１６と、を備えている。

制御部７は、ガスタービン負荷に応じて予め算出された燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、圧縮部２における燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、第一流量調整弁１２及び第二流量調整弁１５にて空気が流れる開口面積が弁開度に応じて変化するように第一流量調整弁１２及び第二流量調整弁１５の弁開度を制御するものとして設けられている。

関係式は、例えば、ガスタービン負荷が相対的に高い場合（以下、高負荷時と称する。）における弁開度と吸気温度との関係を示す第一関係式と、ガスタービン負荷が相対的に低い場合（以下、低負荷時と称する。）における弁開度と吸気温度との関係を示す第二関係式と、を備えている。

第一関係式は、図２に示すように、主系統１１に配された第一流量調整弁１２の開度制御に用いられる式（ｆ１ｍ）と、図３に示すように、バイパス系統１３に配された第二流量調整弁１５の開度制御に用いられる式（ｆ１ｂ）と、を備えている。

ここで、式（ｆ１ｍ）にて、吸気温度が１５℃未満の場合、温度にかかわらず弁開度を一定としている。しかし、吸気温度に対して流量は非線形に変化するという圧縮機特性により好適に対応するために、温度低下に伴って徐々に弁開度を上げていくような式にしても構わない。

第二関係式（ｆ２）は、図４に示すように、主系統１１に配された第一流量調整弁１２の開度制御に用いられる式（ｆ２ｍ）と、図５に示すように、バイパス系統１３に配された第二流量調整弁１５の開度制御に用いられる式（ｆ２ｂ）と、を備えている。

これらの式は、吸気温度が変化しても冷却空気の温度が一定となるように、予め実験や解析によって流量調整のための弁開度を求めた結果を示している。ここで、冷却空気系統６を流れる圧縮空気の流量は、ガスタービン負荷やＩＧＶ開度による影響を受ける。ここでは、より相関性の高いＩＧＶ開度を関連するパラメータとして、関係式は、図６に示すように、高負荷時には０．０、低負荷時には１．０、両者の遷移領域ではこれらを線形に結んだ第三関係式（ｆ３）をさらに備えている。

制御部７は弁の故障時対応のために、及び高負荷時での過冷却を防止するため、第一流量調整弁１２及び第二流量調整弁１５ともフェールロック（オープン）とする制御を行う。一方、低負荷時での過冷却を防止するため、第一流量調整弁１２については開度の上限値を設け、全開しないような制御を行う。

クーラー１０は、例えば、冷却水により冷却される冷却器、若しくは、複数の不図示の冷却用のファンを備えている。なお、クーラー１０の構成はこれに限定される必要はない。

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の冷却方法としては、図７に示すように、圧縮空気の一部を主系統１１とバイパス系統１３との流れに分流する分流ステップ（Ｓ０１）と、主系統１１を流れる圧縮空気をクーラー１０によって冷却する冷却ステップ（Ｓ０２）と、主系統１１を流れる圧縮空気の流量を第一流量調整弁１２にて調整する第一調整ステップ（Ｓ０３）と、バイパス系統１３を流れる圧縮空気の流量を第二流量調整弁１５にて調整する第二調整ステップ（Ｓ０４）と、主系統１１とバイパス系統１３とを流れる圧縮空気を再び合流する合流ステップ（Ｓ０５）と、を備えている。

圧縮部２から抽気された圧縮空気の一部は、分流ステップ（Ｓ０１）にて主系統１１とバイパス系統１３とに分流される。

主系統１１に分流された圧縮空気は、冷却ステップ（Ｓ０２）にて、クーラー１０によって冷却される。このときの流量は、第一調整ステップ（Ｓ０３）にて制御される。制御ロジックを図８に示す。まず、冷却空気系統６の出口温度が所定温度以下の場合について説明する。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。

高負荷時の場合には、図６に示す第三関係式（ｆ３）が０．０となるので、図２に示す圧縮部２の入口温度と弁開度との式（ｆ１ｍ）には、１．０から０．０を減算した値である１．０を乗算する。一方、図４に示す圧縮部２の入口温度と弁開度との式（ｆ２ｍ）には、０．０をそのまま乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、弁開度指令は式（ｆ１ｍ）で表される値となる。

同様に低負荷時の場合には、図６に示す第三関係式（ｆ３）が１．０となるので、図２に示す圧縮部２の入口温度と弁開度との式（ｆ１ｍ）には、１．０から１．０を減算した値である０．０を乗算する。一方、図４に示す圧縮部２の入口温度と弁開度との式（ｆ２ｍ）には、１．０をそのまま乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、弁開度指令は式（ｆ２ｍ）で表される値となる。

低負荷時と高負荷時との遷移領域では、図６に示す第三関係式（ｆ３）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、弁開度指令は両者の間の値となる。

高負荷時で、弁開度制御のみでは合流ステップ（Ｓ０５）以降の空気温度が所定温度を超える場合について説明する。この場合には、上述したロジックに加えて、温度計１６により検出した冷却空気系統６の出口温度との差分に基づくフィードバッグ制御を行う。そして、その結果の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、所定温度以下となるようにさらに弁開度を上げる補正を行う。

一方、バイパス系統１３に分流された圧縮空気は、第二調整ステップ（Ｓ０４）にて流量制御される。このときの制御ロジックを図９に示す。高負荷時の場合には、図６に示す第三関係式（ｆ３）が０．０となるので、図３に示す圧縮部２の入口温度と弁開度との式（ｆ１ｂ）には、１．０から０．０を減算した値である１．０を乗算する。一方、図５に示す圧縮部２の入口温度と弁開度との式（ｆ２ｂ）には、０．０をそのまま乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、弁開度指令は式（ｆ１ｂ）で表される値となる。

同様に低負荷時の場合には、図６に示す第三関係式（ｆ３）が１．０となるので、図３に示す圧縮部２の入口温度と弁開度との式（ｆ１ｂ）には、１．０から１．０を減算した値である０．０を乗算する。一方、図５に示す圧縮部２の入口温度と弁開度との式（ｆ２ｂ）には、１．０をそのまま乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、弁開度指令は式（ｆ２ｂ）で表される値となる。そして、低負荷時と高負荷時との遷移領域では、弁開度指令は両者の間の値となる。

主系統１１及びバイパス系統１３に分流された圧縮空気は、合流ステップ（Ｓ０５）にて再び合流してタービン部５へと送気され、タービン部５の所定領域を冷却する。

なお、冷却ステップ（Ｓ０２）、第一調整ステップ（Ｓ０３）、及び第二調整ステップ（Ｓ０４）の各ステップは順次行われるように説明しているが、実際にはこれらは同時に行われる。

このガスタービン１及び冷却方法によれば、冷却空気系統６が、主系統１１及びバイパス系統１３の両系統を備え、しかもそれらを流れる圧縮空気の流量を圧縮部２のＩＧＶ開度と吸気温度との関係から決まる関係式に基づき、第一流量調整弁１２及び第二流量調整弁１５の開度がそれぞれ制御される。したがって、クーラー１０で冷却される圧縮空気の流量の変化に応じて冷却空気の温度を調整することができる。その結果、冷却対象となるタービン部５の内部を限界温度未満としつつ、タービン出力を維持できる高い温度となるように好適に冷却することができる。

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、温度変化にかかわらず弁開度がある程度一定となるように各関係式を算出しているが、バイパス系統１３側に調整幅を確保することができる場合には、もっと勾配を持たせた関係式としてもよい。また、各関係式とも、試運転時の調整結果等に応じて見直しても構わない。

また、第一流量調整弁１２及び第二流量調整弁１５に不図示のリミットスイッチを設けて弁開度が異常のときに警報を発信できるようにしてもよい。例えば、第一流量調整弁１２の弁開度指令が全開の際に、全開リミットスイッチがＯＮとならない場合には、弁開度警報を発信してもよい。さらに安全性を考慮して弁開度が中間値となるところで中間開度リミットスイッチを設けて、この前後でリミットスイッチがＯＮにならないときに、弁開度警報を発信してもよい。また、バイパス系統１３側の第二流量調整弁１５にも全開リミットスイッチを設けて同様の警報を発信するようにしてもよい。また、冷却空気系統６出口温度を監視して、所定温度以上のときに警報発信を行ってもよい。

さらに、主系統１１において、クーラー１０が第一流量調整弁１２の上流側に配されているとしているが、第一流量調整弁１２がクーラー１０の上流側に配されていてもよい。

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
７制御部
８ＩＧＶ（吸入量調整部）
１０クーラー（冷却部）
１１主系統
１２第一流量調整弁（第一流量調整部）
１３バイパス系統
１５第二流量調整弁（第二流量調整部）
ｆ１第一関係式
ｆ２第二関係式
ｆ３第三関係式

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、
前記圧縮部の途中から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン部の内部に導く冷却空気系統と、
を備え、
前記冷却空気系統が、前記圧縮空気の一部を冷却する冷却部と、
この冷却部を通過する圧縮空気が流れる主系統と、
この主系統を流れる空気流量を調整する第一流量調整部と、
前記主系統とは別に、前記冷却部を回避して再び前記主系統と合流する流れを形成するバイパス系統と、
このバイパス系統を流れる空気流量を調整する第二流量調整部と、
ガスタービン負荷に応じて予め算出された前記燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部を制御する制御部と、
を備えていることを特徴とするガスタービン。
前記圧縮部の入口の開度を変動して、吸入する前記燃焼用空気量を調整する吸入量調整部を備え、
前記関係式が、前記ガスタービン負荷が相対的に高い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第一関係式と、
前記ガスタービン負荷が相対的に低い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第二関係式と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
前記圧縮空気の一部が流れる開口面積が変化するように前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度が調整され、
前記制御部が、前記第一流量調整部又は前記第二流量調整部の少なくとも一方の開度状態が所定の開度未満の場合、又は前記冷却空気系統の出口温度が所定の温度以上の場合に警告を発することを特徴とする請求項１又は２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利用してタービン部の内部を冷却するガスタービン冷却方法であって、
前記圧縮空気の一部を主系統とバイパス系統との流れに分流する分流ステップと、
前記主系統を流れる前記圧縮空気を冷却する冷却ステップと、
前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を調整する第一調整ステップと、
前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を調整する第二調整ステップと、
前記主系統と前記バイパス系統とを流れる圧縮空気を再び合流する合流ステップと、
を備え、
前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップでは、ガスタービン負荷に応じて予め算出された前記燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、前記圧縮空気の流量を調整することを特徴とするガスタービン冷却方法。
前記第一調整ステップでは、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を第一流量調整部の開度を変えて調整し、前記第二調整ステップでは、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を第二流量調整部の開度を変えて調整し、
前記関係式が、前記ガスタービン負荷が相対的に高い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第一関係式と、
前記ガスタービン負荷が相対的に低い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第二関係式と、
を備えていることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン冷却方法。
前記第一調整ステップでは、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を第一流量調整部の開度を変えて調整し、前記第二調整ステップでは、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を第二流量調整部の開度を変えて調整し、
前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップにおいて、前記圧縮空気の一部が流れる開口面積が変化するように前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度が調整されるとともに、前記第一流量調整部又は前記第二流量調整部の開度状態の少なくとも一方が所定の開度未満の場合、又は前記主系統と前記バイパス系統とを流れる前記圧縮空気が合流してから前記タービン部の内部に至るまでの間での前記圧縮空気の温度が所定の温度以上の場合に警告を発することを特徴とする請求項４又は５に記載のガスタービン冷却方法。