JP5899133B2 - ２軸ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、２軸ガスタービンに関する。

本技術分野の背景技術として、特表２００７−５０５２６１号公報（特許文献１）がある。この公報には、「少なくとも第１のスプール及び第２のスプールを含む多軸ガスタービンエンジンによって、発電システムが駆動される。第１のスプールは、第１の軸に取り付けられるタービン及び圧縮機を備え、第２のスプールは少なくとも、第１の軸に機械的に連結されていない第２の軸に取り付けられるタービンを有する。主発電機が、スプールの一方と連結され、補助発電機／モータもまた、スプールの一方と連結される。発電機それぞれの速度制御を使用して、エンジンの動作が制御される。補助発電機／モータは、そのスプールから動力を抽出する発電モード、又はそのスプールに動力を注入するモータモードで動作することができる。」と記載されている（要約参照）。

特表２００７−５０５２６１号公報

近年、再生可能エネルギーの普及が急速に進んでいる。再生可能エネルギーの普及が進み、電力の出力変動が大きくなると電力系統が不安定化するおそれがある。出力変動を緩和し、電力系統を安定化する手段として、ガスタービンがその高い起動速度や高い発電量変化率から着目されている。

このような背景の中で、ガスタービンにはさらなる高い運用性、すなわちより高い起動速度や発電量変化率、高頻度な負荷変動への対応、広い運用負荷帯といった機能が求められている。

ここで、前記特許文献１には、多軸タービン発電機システム及び制御方法が記載されている。例えば、第１のスプールに設けた発電機/モータ（電機機器）により第１のスプールを速度制御し、エンジンの状態を調整する技術が開示されている。

しかし、上記に挙げた高速な起動、高い発電量変化率、高頻度な負荷変動、広い運用負荷帯などを含む高い運用性を得るために必要な技術に関しては言及されていない。

そこで本発明は、高い運用性を有する２軸ガスタービンを提供する。例えば、負荷上昇時と負荷降下時で、燃焼切り替え負荷を異ならせしめ、高頻度な負荷変動時において、燃焼領域切り替え回数を低減させることが可能な２軸ガスタービンを提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃料を付加して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスで回転駆動される高圧タービンとを有するガスジェネレータと、前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスによって回転駆動される低圧タービンを有するパワータービンと、前記パワータービンと接続される負荷と、前記ガスジェネレータの回転駆動および前記ガスジェネレータからの動力抽出が可能なモータ・ジェネレータと、前記モータ・ジェネレータとの間で電力を受け渡すことにより前記回転駆動や前記動力抽出を制御する電気機器と、前記電気機器を制御する制御装置とを備えた２軸ガスタービンにおいて、前記燃焼器は、それぞれ独立した燃料調整手段を介して燃料を供給される複数の燃焼領域を有し、前記制御装置は、燃料が供給されている前記燃焼領域の数に応じて電気機器による電力の受け渡し量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、高い運用性を有する２軸ガスタービンを提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１による２軸ガスタービンの構成図の例である。 実施例１による２軸ガスタービンの設定画面の例である。 実施例１による２軸ガスタービンの作動パターンの例である。 実施例２による２軸ガスタービンの構成図の例である。 実施例３による２軸ガスタービンの構成図の例である。 本発明を適用する２軸ガスタービンの構成図の例である。 本発明を適用する２軸ガスタービンの燃焼器の構成図の例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

まず、本発明の適用対象である２軸ガスタービンの構成の一例を図６を用いて説明する。

２軸式ガスタービン１７は、ガスジェネレータ１５とパワータービン１６、ＧＴ制御装置７、燃料弁制御装置１３を含むように構成される。

パワータービン１６は、低圧タービン３および低圧タービン軸１２および負荷５を含むように構成される。なお、本実施例では負荷５を発電機とした場合の例を説明している。

発電用の場合、電力周波数を略一定とするために、パワータービン１６は略一定の回転数で回転し、負荷５を略一定の回転数で駆動する。負荷５で発電された電力は電力ケーブルを経て電力需要家へと送電される。

ガスジェネレータ１５は、圧縮機１、燃焼器２０、高圧タービン２、モータ・発電機６、ガスジェネレータ軸１１を含むように構成される。

ガスジェネレータ１５は、パワータービン１６とは機械的に分離された構造となっている。そのため、電力周波数を一定に保ったままパワータービンと異なる回転数で回転駆動することが可能である。

この特徴のため２軸ガスタービンは一般に以下の点で１軸ガスタービンに対し有利である。まず、発電機とパワータービンの間に減速機を設ける必要がなくなる、もしくは、設けたとしても減速比が小さなものでよくなるため、信頼性の向上や、コストの低減が可能となることである。もう１点は、ガスタービンの部分負荷時に圧縮機１の回転数を低下させることで、圧縮機１内部の流れがより好適な状態となり、圧縮機１の効率が向上する場合があることである。

これは、ガスジェネレータ１５を性能上好適な高回転数に保ちつつ、パワータービン１６の回転数を系統周波数に対応した、低回転数に保つことができるために得られる効果である。

圧縮機１は、大気を吸気し圧縮し圧縮空気２１を生成する。また、圧縮機１の取り込み口には、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内翼）９が備えられている。ＩＧＶ９は自身が回転することで、圧縮機１の開口面積を変化させる。その開度を変更することで圧縮機１へ流入する空気の量を変化させることができる。

また、圧縮機１へ流入する空気の量は、ガスジェネレータ１５の回転数によっても調整することが可能である。

燃焼器２０は、予混合燃焼バーナ１８および、燃焼器ライナ１９を含むように構成される。また、本実施例では、４つの燃料流量制御弁８a〜８bによって、４系統並列で燃料が予混合燃焼バーナ１８へ供給される例を示している。

燃焼器２０では、圧縮機１より流出する圧縮空気２１と燃料が、予混合燃焼バーナ１８において混合・燃焼され、高温高圧の燃焼ガス２２が生成される。燃焼ガス２２は燃焼器ライナ１９を通じて高圧タービン２へと導かれる。

燃焼器ライナ１９は燃焼ガス２２が最初に通過する流路であり、非常に高温になりやすい。そのため、許容温度以下になるよう、例えば冷却されて運用されている。

高圧タービン２は、高温高圧の燃焼ガス２２のエネルギーにより回転力を得る。回転力はガスジェネレータ軸１１を通じて圧縮機１へ伝わり、圧縮機１を回転駆動する。

燃焼ガス２２は高圧タービン２においてエネルギーの一部を抽出された後に低圧タービン３へ流入する。低圧タービン３は、燃焼ガス２２のエネルギーにより回転力を得て、その回転力を、低圧タービン軸１２を通じて負荷５へ伝え、負荷５を回転駆動する。低圧タービンを通じた燃焼ガス２２は、排気１４として排出される。

負荷５の出力は、燃料流量を調整することによって制御できる。より具体的には、以下の構成をとる場合がある。

ＧＴ制御装置７は、例えば内部のメモリに記憶された数値配列から、ＧＴ出力指令の入力値と、各種検出器（図示しない）より得たＧＴ運転状態値を参照して、燃料流量設定値を読み取り、読み取った燃料流量設定値を燃料弁制御装置１３へ送出する。

燃料弁制御装置１３は、受け取った燃料流量設定値をもとに、例えば内部のメモリに記憶された数値配列を読み取り、燃料流量制御弁８a〜８dに、燃料流量制御弁開度設定値を送出する。

燃料流量制御弁８a〜８dは、開度設定値にもとづき開度を変更し、予混合燃焼バーナ１８へ供給される燃料流量を変化させる。ここで、圧縮空気２１と燃料は混合され、圧縮空気２１の流量と燃料流量に応じた温度・圧力を持つ燃焼ガス２２になる。燃焼ガス２２は、その温度・圧力に応じて高圧タービン２へ回転駆動エネルギーを供給し、その後、低圧タービン３を残りのエネルギーにて回転駆動する。

ここで、前記の燃料流量設定値を、低圧タービン３で燃焼ガス２２より回収されるエネルギーと、負荷５で消費されるエネルギーが釣り合うように、事前の実験結果や設計結果などをもとに設定しておけば、低圧タービン３および負荷５は系統の電力周波数に対応する略一定の回転数で回転を継続することができる。

なお、ＧＴ制御装置７が、パワータービン１６の回転数検出器（図示しない）の出力を読み込み、パワータービン１６の回転数を算出し、回転数設定値との差異を用いてフィードバック制御するように構成しても良い。

このとき、同時に高圧タービン２で回収されるエネルギーと圧縮機１で消費されるエネルギーが等しくなるようなバランス調整制御が行われる。

この制御手法として、ガスジェネレータ回転数の変更や、ＩＧＶ９の開度調整による圧縮機吸い込み空気流量の変更が挙げられる。より具体的には、以下の構成をとる場合がある。

ＧＴ制御装置７は、負荷の大きさなどを含むＧＴ運転状態の入力を受け付け、例えばＧＴ制御装置７の内部メモリなどに記憶された数値配列より、ＧＴ運転状態に対応する好適なガスジェネレータ回転数を読み込む。また、ＧＴ制御装置７は、ガスジェネレータ回転数検出装置２３が送出する回転数信号を受け付け、ガスジェネレータの回転数を算出し、好適なガスジェネレータ回転数との差異を算出する。この差異をもとに、伝達関数などを用いてＩＧＶ９の開度を変更し、圧縮機吸い込み空気流量を調整することで、回転数を制御する。

例えば、回転数が設定値よりも高いときは、ＩＧＶ９の開度を増加させ、圧縮機吸い込み空気流量を増やすことで、圧縮機１の消費動力が増え、回転数が低下する。逆に、ＩＧＶ９の開度を減少させることで、ガスジェネレータ１５の回転数を増加させることができる。

もしくは、ＧＴ制御装置７は、負荷の大きさなどを含むＧＴ運転状態を受け、例えばＧＴ制御装置７の内部メモリなどに記憶された数値配列より、ＧＴ運転状態に対応する好適なＩＧＶ９の開度設定値を読み込み、ＩＧＶ９の開度を変更するように構成しても良い。

上記構成の２軸式ガスタービン１７は以下のような挙動を示す。

負荷５の必要動力に応じて、ＧＴ制御装置７は、必要な燃料を燃焼器２０へ供給し、負荷５の必要動力と低圧タービン３での回収エネルギーをバランスさせる。これによりパワータービン１６の回転数は略一定に制御される。さらにこのとき、高圧タービン２で回収されるエネルギーと、圧縮機１の駆動に必要なエネルギーをバランスさせ、ガスジェネレータ１５の回転数が好適となるように、ＧＴ制御装置７はＩＧＶ９の開度を制御する。

このように、負荷の大きさに対応して、好適なガスジェネレータ回転数が決まり、さらに好適なガスジェネレータ１５の回転数に対応して、ＩＧＶ９の開度が決定される。圧縮機吸い込み空気流量は、ガスジェネレータ１５の回転数とＩＧＶ９の開度によって制御されるため、この結果、負荷の大きさに対応して圧縮機吸い込み空気流量が決定される。

ただし、圧縮機空気流量は、大気の温度や湿度、大気圧、経年変化などによっても変わるため、負荷の大きさに対応する圧縮機吸い込み空気量はこれらの変化の範囲で変わることもある。また、ガスジェネレータ１５の回転数は、圧縮機１の性能や信頼性などによって決まる許容回転数範囲内で変化させることができるため、負荷の大きさに対応する圧縮機吸い込み空気量を、これらの変化の範囲で変えることも可能である。

ここで、本発明の各実施例である２軸式ガスタービン１７は、さらに、ガスジェネレータ回転数制御手法として、電気機器１０とモータ・ジェネレータ６を含むように構成される。電気機器１０は、例えば、負荷５が発電機であった場合は、発電機の電力出力に電気的に接続してもよい。また、負荷５が機械的負荷であった場合は電力系統に電気的に接続しても良い。

ＧＴ制御装置７からの指令に応じて電気機器１０は、ガスジェネレータ１５に接続されたモータ・ジェネレータ６と電力をやりとりする。

電気機器１０より、ガスジェネレータ１５に電力を供給しモータ・ジェネレータ６をモータモードで動作させると、ガスジェネレータ１５はエネルギーを得る。エネルギーを供給することで、例えば、ガスジェネレータ１５の回転数を一定に保ったままＩＧＶ９の開度を増加し圧縮機吸い込み空気量が増加させることができる。また、ＩＧＶ９の開度を変更せず、ガスジェネレータ回転数を上昇させ、圧縮機吸い込み空気量を増加させる手法をとることもできる。また、回転数とＩＧＶ９の開度を同時に増加させることもできる。

また、電気機器１０よりパワータービン１６に電力を抽出し、モータ・ジェネレータ６をジェネレータモードで動作させるとガスジェネレータ１５はエネルギーを減ぜられる。エネルギーを減じることで例えば、ガスジェネレータ１５の回転数を一定に保ったまま、ＩＧＶ９の開度を減少させ圧縮機吸い込み空気量を減少させることができる。また、ＩＧＶ９の開度を変更せず、ガスジェネレータ１５の回転数を低下させ、圧縮機吸い込み空気量を低下させる手法をとることもできる。また、回転数とＩＧＶ９の開度を同時に減少させることができる。

上記のように、モータ・ジェネレータ６への電力を変更することで、負荷の大きさに対応した好適なガスジェネレータ１５の回転数を保ったまま、ＩＧＶ開度を変更し、圧縮機吸い込み空気流量を、モータ・ジェネレータ６を備えていない２軸ガスタービンに比べ、大きく変えることができる。

モータ・ジェネレータ６動作時の負荷５の出力について、例えばモータ・ジェネレータ６をモータモードで動作させる場合には動力が必要となる。これを考慮し、負荷５の出力は、パワータービン軸１２が伝達するエネルギーから、損失と、モータ・ジェネレータ６の動力を減じたものとして以下では説明する。

本発明の実施例である２軸ガスタービンの燃焼器２０の構成の一例を表す図を図７に示す。

ここで、図７は、圧縮空気２２の流れ方向下流側より燃焼器２０を眺めた図である。燃焼器２０内の火炎は紙面垂直方向に、紙面奥側から手前側方向に形成される。

予混合燃焼バーナ１８は、略均等に、４つの燃焼領域５１a、５１b、５１c、５１ｄに分割される。この燃焼領域５１a、５１b、５１c、５１ｄが、各々独立して予混合燃焼できる領域である。

また、この燃焼領域５１aに対応する燃料供給ライン５０aには、燃料流量制御弁８aが備えられている。同様に、燃焼領域５１bに対応する燃料供給ライン５０bには、燃料流量制御弁８b、燃焼領域５１cに対応する燃料供給ライン５０cには、燃料流量制御弁８c、燃焼領域５１dに対応する燃料供給ライン５０dには、燃料流量制御弁８dが備えられる。

このように構成することで、予混合燃焼バーナ１８では、燃焼領域５1a〜５１dに各々独立して燃料を供給することができ、燃料が供給された領域でのみ予混合燃焼することができる。

燃料弁制御装置１３は、ＧＴ制御装置７の発する燃料流量設定値や、ＧＴ運転状態などを受け、予混合燃焼する領域を増減するように動作する。例えば、負荷が小さい場合には、燃焼領域５１aのみで予混合燃焼するように燃料流量制御弁８aには開度信号を送出し、その他の弁には流量が０となるように信号を送出する。負荷が上昇し、ＧＴ運転状態が定められた敷居値を超えると、加えて燃焼領域５１ｂでも予混合燃焼するように、燃料流量制御弁８ｂにも開度信号を送出する。以下、この予混合燃焼する領域の増減を燃焼切り替えと呼ぶ。

なお、上記定められた閾値は、事前の実験や設計を元に決定することができる。

燃焼切り替えにより、燃焼領域が増加すると、燃料が供給されるバーナの本数が増加するため、バーナ1本当たりの燃料流量が減少する。これにより、燃空比が低下する。

逆に、燃焼領域を減少すると、バーナ1本あたりの燃料流量が増加し、燃空比が増加する。

燃空比が大きいと、局所燃焼ガス温度が上昇し排気１４中のＮＯｘ濃度が上昇する場合がある。また、逆に燃空比が小さいと、燃焼の安定性が減少し失火などの問題が発生する場合がある。このように、燃空比には好適な範囲が存在する。

燃焼切り替えによって燃空比を制御できるため、幅広い燃料流量において好適な燃空比を得ることができる。また、燃焼切り替えは、燃焼器２０のメタル温度や、排気１４の未燃分濃度、一酸化炭素（ＣＯ）の濃度、温度分布などの制限値によって行われる場合もある。

本実施例では、高い運用性を有する２軸ガスタービンの例を説明する。

図１は、本実施例の２軸ガスタービンの構成図の例である。

本実施例による２軸ガスタービンは、前述の説明に加え以下の作用を有するモータ・ジェネレータ動作状態設定部１０３を備えたことを特徴とする。

モータ・ジェネレータ動作状態設定部１０３は、燃料弁制御装置１３よりその時点で燃焼を生じている燃焼領域数を読み取る。さらに、モータ・ジェネレータ動作状態設定部１０３は、ＧＴ制御装置７より負荷５の大きさを読み取る。モータ・ジェネレータ動作状態設定部１０３は、燃料領域数と負荷５の大きさに応じて、例えば内部メモリに記憶された数値配列より、モータ・ジェネレータ６の好適な作動指令値を読み込み、電気機器１０へ作動指令値を送出する。電気機器１０は作動指令値を受け付け、モータ・ジェネレータ６を指令値にて動作させる。

モータ・ジェネレータ動作状態設定部１０３内に記憶された数値配列は、事前の実験や設計、解析による、負荷、燃空比、圧縮機吸い込み空気流量、ＩＧＶ９の開度、ガスジェネレータ１５の回転数等に対するパラメータサーベイにて決定することができる。

また、この数値配列はＧＴ制御装置７の保守用コンソール（図示しない）より設定することが可能である。

保守用コンソールの設定値入力画面の例を図２に示す。

設定値入力画面は、燃焼領域数設定部３０１と、ＧＴ出力-モータ・ジェネレータ入出力設定部３０２を備えている。本入力画面にて、燃焼領域の数ごとに、モータ・ジェネレータの動作を設定する。

この構成による、動作の概要は以下の通りである。

燃空比がある値（第一の値）より高い場合に、モータ・ジェネレータ６をモータとして動作させる。例えば、負荷上昇により燃空比が燃焼切り替え閾値上限近傍に達し、燃焼切り替えにより燃焼領域を増加させようとしている場合、モータ・ジェネレータ６のモータモード出力を増加させ、圧縮機吸い込み空気流量を増加させる。こうすることで、燃焼切り替えによらず、燃空比を低下させることができるので、燃焼切り替え負荷を上昇させることができる。そして、さらに負荷上昇し、モータ・ジェネレータ６動作時に、燃空比が再度切り替え閾値上限に達した場合には、燃焼切り替えを行う。

また燃空比がある値（第二の値）より低い場合に、モータ・ジェネレータ６をジェネレータとして動作させる。例えば、負荷降下により燃空比が切り替え閾値下限近傍に達し、燃焼切り替えにより燃焼領域を減少させようとしている場合、モータ・ジェネレータ６のジェネレータモード入力を増加させ、圧縮機吸い込み空気流量を減少させる。こうすることで、燃焼切り替えによらず、燃空比を増加させることができるので、燃焼切り替え負荷を低下させることができる。そして、さらに負荷降下し、モータ・ジェネレータ６動作時に、燃空比が再度切り替え閾値に達した場合には、燃焼切り替えを行う。

両者を同時に、もしくは一方を用いることで、従来の２軸ガスタービンに比べ、燃焼切り替え負荷に大きなヒステリシスを設けることができる。

本実施例による２軸ガスタービンの動作パターンの例を図３に示す。
グラフ(a)〜(d)の横軸はすべてガスタービン出力であり、(a)の縦軸は圧縮機の吸い込み空気流量、(b)の縦軸は燃空比、(c)の縦軸はＩＧＶ開度、(d)の縦軸は、ガスジェネレータ１５に接続した、モータ・ジェネレータの出力である。
また、本図は、ある特定の燃焼切り替えポイント近傍での動作を抽出したものである。

まず、(b)に示すように、ガスタービン出力を増加させガスタービンの運転状態がポイントＡに達する。ポイントＡは燃空比がその上限に近く、ポイントＡ近傍の負荷で燃焼切り替えが必要となる運転状態である。このポイントＡにて、(d)に示すようにモータの出力を増加させ、ポイントＡ’へと移行する。このとき、制御系はガスジェネレータ１５の回転数を保つために、(c)に示すようにＩＧＶ開度を増加させる。この結果、(a）に示すようにポイントＡからＡ’の状態まで圧縮機吸い込み空気流量が増加する。

さらに、負荷上昇させることで、ガスタービンの運転状態は(a)〜(d)の破線で示す作動ラインを通りポイントＢに達する。このポイントＢにて、燃空比が上限値に達するため、燃焼切り替えを行う。同時に、モータ出力を低下させ、ポイントＢ’へと作動状態を移行する。すなわち、負荷上昇時の燃焼切り替えポイントはＢ点となる。

逆に、高出力状態から負荷を降下する場合、実線に沿った作動ラインを通りポイントＤで燃焼切り替えを行う。例示はしないが、負荷上昇時と同様の考え方により、モータ・ジェネレータ６をジェネレータモードで動作させれば、ポイントＤはさらに低負荷側に移る。

このポイントＢとＤ間の出力差をヒステリシスとすることができる。

燃焼切り替えは幅広い負荷範囲で、予混合燃焼を行うための有用な技術であるが、点火もしくは失火を伴うため、燃焼ガスや予混合燃焼バーナ１８の大きな温度変化を招く。大きな温度変化は熱応力を生じさせるため、燃焼切り替えを過度に繰り返すと、高温部品の信頼性に好ましくない影響を及ぼす恐れがある。

ここで、近年再生可能エネルギーによる発電が着目され導入が進められている。しかし、再生可能エネルギーは、変動が大きな電力源であるため、電力系統の周波数や電圧を安定的に運用するためには、変動を相殺する他の電源が必要となる。

変動相殺する電源としてガスタービンを用いる場合、従来の運用に比べて負荷変動の頻度が増加することが課題となる。本実施例による２軸式ガスタービンによれば、燃焼切り替えポイントに大きなヒステリシスを設定できるため、頻繁に負荷変動を繰り返す状況下で、燃焼切り替えの頻度増加を抑制することができる。そのため、高頻度な負荷変化を繰り返す状況に対応可能な、信頼の高い、高い運用性を有するガスタービンを提供することができる。

また、燃焼器２０の寿命は、熱疲労によって定められる場合がある。疲労寿命は熱応力とその繰り返し回数によって決まるが、一定寿命の条件下で燃焼切り替え回数を抑制、すなわち応力の繰り返し回数を減らすことができれば、より大きな熱応力を許容できる。

応力の大きさは、負荷の変化速度と相関があり、負荷が早く変化するほど、応力は大きくなる傾向がある。よって本実施例による２軸ガスタービンでは、より大きな応力を許容できるため、より負荷の変化速度を大きくすることが可能となる。

また、燃焼切り替えによる熱衝撃を避けるためにガスタービンの常用運転範囲を全領域が燃焼可能な負荷範囲に限定し、燃焼切り替えは起動・停止シーケンスにのみ実施するように運用する場合がある。このような場合、本実施例による２軸式ガスタービンによれば、全領域が燃焼している状況で、かつ燃空比が許容下限値に近い状況にて、モータ・ジェネレータをジェネレータモードで動作させることで、圧縮機吸い込み空気流量を削減できるため、燃空比を上昇させ、燃焼切り替え負荷を低くすることができる。これにより、運用負荷帯を広げることが可能となる。

このような効果は、本実施例の２軸ガスタービンが、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された圧縮空気に燃料を付加して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器２０と、燃焼ガスで回転駆動される高圧タービン２とを有するガスジェネレータ１５と、高圧タービン２を駆動した燃焼ガス２２によって回転駆動される低圧タービン３を有するパワータービン１６と、パワータービン１６と接続される負荷５と、ガスジェネレータ１５の回転駆動およびガスジェネレータ１５からの動力抽出が可能なモータ・ジェネレータ６と、モータ・ジェネレータ６との間で電力を受け渡すことにより回転駆動や動力抽出を制御する電気機器１０と、電気機器１０を制御する制御装置７とを備え、燃焼器２０は、それぞれ独立した燃料調整手段である燃料流量制御弁８を介して燃料を供給される複数の燃焼領域を有し、制御装置７は、燃料が供給されている燃焼領域の数に応じて電気機器１０による電力の受け渡し量を制御することで得られるものである。

本実施例の技術の要点は、モータ・ジェネレータ６を用いた燃焼切り替えポイントの調整であり、これによりヒステリシス幅を確保し燃焼切り替え頻度を低減させたり、運用負荷帯を広げたりすることができる。動作の特徴は、同一の負荷の大きさであっても、燃焼領域の数に応じてモータ・ジェネレータ６の動作が異なることである。本実施例による機器構成はこの作用を達成する制御機器の一例であり、この技術思想を限定するものではないことを理解されたい。

なお、本実施例においては、一例として燃空比を切り替えポイントの判定材料として説明したが、燃空比以外にも、ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度、排気温度分布、燃焼振動、メタル温度など燃空比と相関を有する値を燃焼切り替えのポイント判定材料とする場合もある。

また、モータ・ジェネレータ動作状態設定部１０３内に記憶した数値配列に基づきモータ・ジェネレータ６の動作を決定するように説明したが、燃空比などを直接センサにて計測し、その計測結果を変数に含む関数値に基づきモータ・ジェネレータ６の動作を決定するように構成しても構わない。実測値を使用することで、計算誤差や計算マージンなど考慮すべき公差が減るため、より正確な燃焼切り替えポイントを把握することができ、運用負荷帯の増加や、燃焼切り替えの頻度低減に寄与する。

なお、再生可能エネルギーによる発電量を予測する技術がある。この予測値を負荷トレンド予測データベースに取り込み、この予測値をモータ・ジェネレータ動作状態設定部１０３が読み取り、制御装置７がモータ・ジェネレータ６の動作を調整するように構成してもよい。または、予測値の入力部をＧＴオペレータからの入力を受け付けるように構成し、この入力値を負荷トレンド予測データベースに取り込んでもよい。

例えば、まずモータ・ジェネレータ動作状態設定部１０３が負荷予測値を分析する。その分析結果が、しばらく後に燃焼切り替えにより燃焼領域を増加させる必要が生じる、かつ現時点で燃焼切り替えにて燃焼領域を増やしても、モータ・ジェネレータ６による制御で運用可能である、と判断した場合には早めに燃焼切り替えを行い、低い燃空比にて運転を行う。燃空比とＮＯｘ量は相関があり、燃空比が低いとＮＯｘも低減されるので、このような運転により、ＮＯｘ量を低減することができる。

本実施例では、燃焼切り替え回数の増加を抑制できる、高い運用性を有する２軸ガスタービンの例を説明する。

図４は、本実施例の２軸ガスタービンの構成図の例である。

図４の２軸ガスタービン１７のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例の特徴は、少なくとも２台以上の２軸ガスタービン１７で電気機器１０を共用するように構成したことである。

実施例１によれば、モータ・ジェネレータ６は、燃焼切り替えのタイミングでのみ動作するように構成される場合がある。このような場合、電気機器１０は常時使用されているわけではないため複数の２軸ガスタービン１７間でモータ・ジェネレータ使用タイミングを調整することで、電気機器１０が共用可能となる。電気機器１０を共用とすることで、設置コストを低減することが可能となる。
例として、２台の２軸ガスタービンにて１台のＧＴ制御装置を共有した場合について説明する。

プラント制御装置２０１は、２軸ガスタービン１７aのＧＴ制御装置７aと、２軸ガスタービン１７bのＧＴ制御装置７bと制御線にて接続される。また、プラント制御機器２０１は電気機器１０とも制御線にて接続される。

プラント制御装置２０１は、プラント出力指令に応じて、２軸ガスタービン１７aと１７bが同時にモータ・ジェネレータを動作しないよう、ＧＴ制御装置７aと７bへの出力指令を決定し、ＧＴ出力指令を送出する。

ＧＴ制御装置７aと７bは、ＧＴ出力指令を受け、実施例１に記載の２軸ガスタービンと同様の動作を行うよう２軸ガスタービンを制御する。

電気機器１０は内部に切り替え器を有し、プラント制御機器２０１からの入力により、２軸ガスタービン１７a、１７ｂのいずれかに出力を切り替えるように動作する。また、電気機器１０は、ＧＴ制御装置７aまたは７ｂよりモータ・ジェネレータの出力指令を受けとり、出力指令に応じた電力を２軸ガスタービン１７a、１７ｂいずれかのモータ・ジェネレータ６へ送出する。

また、発電用機器などでは信頼性向上のために、同一機器を複数設置し冗長性を持たせる場合がある。例えば、本実施例では、２台の２軸ガスタービンに対し、１台の電気機器１０を設ける構成としたが、２台の電気機器１０を設置し、うち１台をバックアップ機としても良い。こうすることでより信頼性を向上することができる。

本実施例では、高い運用性を有し、かつ高性能な２軸ガスタービンの例を説明する。

図５は、本実施例の２軸ガスタービンの構成図の例である。

図５の２軸ガスタービン１７のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例の特徴は、ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度検出装置２４、排気温度検出装置２５、燃焼振動検出装置２６、温度検出装置２７のいずれか１種類以上を備え、管理値監視部１０４が検出値と許容値の裕度を判定し、裕度が基準を下回った場合にモータ・ジェネレータ６を動作させるように制御系を構成したことである。

もしくは、事前の実験や設計結果などにより、ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度、排気温度分布、燃焼振動、温度が管理値を超えることが予想される地点を、例えば、管理値監視部１０４の内部メモリに、保存しておき、２軸ガスタービンの運転状態が、その地点に達したとき、モータ・ジェネレータ６を動作させるように構成したことである。

燃焼器は、想定されるガスタービン運用条件下において、ＮＯｘ濃度が基準値以下になるよう、かつ、燃焼ガス温度の分布が基準値以下になるよう、かつ、燃焼振動が生じないよう、かつ、メタル温度が基準値以下になるように設計される。

ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度、排気温度分布、燃焼振動、温度は、使用される燃料組成の違いや、圧縮機吸い込み空気の温度や湿度、予混合燃焼バーナの仕上がり寸法などの小さな偏差に対しても大きな感度を持つため、実際の製品で問題が生じることがないよう、設計時点で大きなマージンをとっている場合がある。また、ガスタービン本体の運転範囲も、ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度、排気温度分布、燃焼振動、温度が基準値以下となるように運用範囲を設定する場合がある。

ここで、ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度、排気温度分布、燃焼振動、温度は、圧縮機吸い込み空気流量の影響を受ける。モータ・ジェネレータ６を動作させ、圧縮機空気流量を変化させると、これらの影響を緩和することができるので、ガスタービンの運用範囲を広げることができる。

例えば、部分負荷でＮＯｘ値の制限により、負荷を低下できなくなった場合、モータ・ジェネレータを、モータモードで動作させ、圧縮機吸い込み空気流量を増加させることで、ＮＯｘを低減可能である。その結果、負荷をより低減することが可能となる。

例えば、部分負荷で未燃分やＣＯ値が、燃空比が低すぎるために、制限値にかかり、負荷を低下できなくなった場合、モータ・ジェネレータ６をジェネレータモードで動作させ、圧縮機吸い込み空気流量を減少させることで未燃分やＣＯを抑制することが可能である。その結果、負荷をより低減可能となる。

例えば、排気温度分布、燃焼振動、温度などの制限により、負荷を低下できなくなった場合、モータ・ジェネレータ６を、モータモード、もしくはジェネレータモードのいずれかで動作させ、圧縮機吸い込み空気流量を変化させ、燃焼器２０内部の流れ状態を変えることで、これら現象を回避することが可能となる。

また、本実施例の構成によれば、モータ・ジェネレータ６の動作にて、燃焼器２０の制限を緩和可能であるから、燃焼器設計時の制限を緩くすることができる。一般に多くの制約事項を満足するように設計すると、性能の低下やコスト上昇を招く傾向にある。例えば、製作の許容公差を小さくし、寸法に起因する流量のバラつきを抑制したり、いかなる燃空比範囲でも燃焼振動が生じないよう、局所燃空比の空間分布にばらつきが大きい、すなわちＮＯｘを生じやすい燃焼ノズルを採用したりすることが、性能の低下やコスト上昇を招く可能性がある。

このような、燃焼器の性能低下やコスト上昇を招く設計制限を緩和することができるため、より好適な燃焼器を適用したガスタービンを提供することが可能となる。

本実施例の技術の要点は、モータ・ジェネレータ６を用いた燃焼器運用幅の拡大であり、ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度、排気温度分布、燃焼振動、温度といった燃焼器の運用制限に用いられる値をモータ・ジェネレータ６による圧縮機吸い込み空気流量の調整により、低減することである。本実施例による制御機器構成はこの作用を達成する制御機器の一例であり、この技術思想を限定するものではないことを理解されたい。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ 圧縮機
２ 高圧タービン
３ 低圧タービン
５ 負荷
６ モータ・ジェネレータ
７ ＧＴ制御装置
８ 燃料流量制御弁
９ ＩＧＶ
１０ 電気機器
１１ ガスジェネレータ軸
１２ パワータービン軸
１３ 燃料弁制御装置
１４ 排気
１５ ガスジェネレータ
１６ パワータービン
１７ ２軸ガスタービン
１８ 予混合燃焼バーナ
１９ 燃焼器ライナ
２０ 燃焼器
２１ 圧縮空気
２２ 燃焼ガス
２３ ガスジェネレータ回転数検出装置
２４ ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度検出装置
２５ 排気温度検出装置
２６ 燃焼振動検出装置
２７ 温度検出装置
５０ 燃料供給ライン
５１ 燃焼領域
１０３ モータ・ジェネレータ動作状態設定部
１０４ 管理値監視部
２０１ プラント制御装置
３０１ 燃焼領域数設定部
３０２ ＧＴ出力-モータ・ジェネレータ入出力設定部

Claims (10)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃料を付加して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスで回転駆動される高圧タービンとを有するガスジェネレータと、
   前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスによって回転駆動される低圧タービンを有するパワータービンと、
   前記パワータービンと接続される負荷と、
   前記ガスジェネレータの回転駆動および前記ガスジェネレータからの動力抽出が可能なモータ・ジェネレータと、
   前記モータ・ジェネレータとの間で電力を受け渡すことにより前記回転駆動や前記動力抽出を制御する電気機器と、
   前記電気機器を制御する制御装置とを備えた２軸ガスタービンにおいて、
   前記燃焼器は、それぞれ独立した燃料調整手段を介して燃料を供給される複数の燃焼領域を有し、
   前記制御装置は、燃料が供給されている前記燃焼領域の数に応じて電気機器による電力の受け渡し量を制御することを特徴とする２軸ガスタービン。
   
2. 請求項１の２軸ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、前記負荷の大きさに応じて電気機器による電力の受け渡し量を制御することを特徴とする２軸タービン。
   
3. 請求項１または請求項２の２軸ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、燃空比が第一の値より高い場合には前記モータ・ジェネレータをモータとして動作させることを特徴とする２軸ガスタービン。
   
4. 請求項１から３の何れかの２軸ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、燃空比が第二の値より低い場合には前記モータ・ジェネレータ６をジェネレータとして動作させることを特徴とする２軸ガスタービン。
   
5. 請求項１から４の何れかの２軸ガスタービンにおいて、
   負荷トレンド予測情報を有する負荷トレンド予測データベースを備え、前記制御装置は前記負荷トレンド予測データベースの情報に応じて前記電気機器による電力の受け渡し量を制御することを特徴とする２軸ガスタービン。
   
6. 請求項１から５の何れかの２軸ガスタービンにおいて、
   検出器で検出した値と許容値の裕度が基準を下回った場合に前記モータ・ジェネレータを作動させる信号を前記制御装置に送出する管理値監視部を備えたことを特徴とする２軸ガスタービン。
   
7. 請求項６の２軸ガスタービンにおいて、
   前記検出器が、ＮＯｘ・ＣＯ・未燃分濃度検出装置、排気温度検出装置、燃焼振動検出装置、温度検出装置のうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする２軸ガスタービン。
   
8. 請求項７の２軸ガスタービンにおいて、
   前記検出器で検出した値を変数に含む関数値に基づき、モータ・ジェネレータの動作を決定することを特徴とする２軸ガスタービン。
   
9. 請求項１から８の何れかの２軸ガスタービンを複数有するガスタービンプラントにおいて、
   前記電気機器は、複数の前記２軸ガスタービンで共有していることを特徴とするガスタービンプラント。
   
10. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃料を付加して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスで回転駆動される高圧タービンとを有するガスジェネレータと、
    前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスによって回転駆動される低圧タービンを有するパワータービンと、
    前記パワータービンと接続される負荷と、
    前記ガスジェネレータの回転駆動および前記ガスジェネレータからの動力抽出が可能なモータ・ジェネレータと、
    前記モータ・ジェネレータとの間で電力を受け渡すことにより前記回転駆動や前記動力抽出を制御する電気機器とを備え、
    前記燃焼器は、それぞれ独立した燃料調整手段を介して燃料を供給される複数の燃焼領域を有する２軸ガスタービンの制御方法において、
    燃料が供給されている前記燃焼領域の数に応じて電気機器による電力の受け渡し量を制御することを特徴とする２軸ガスタービンの制御方法。