JP6284376B2 - ガスタービンの運転方法および運転制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンの運転方法および運転制御装置に関する。
ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成されている。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮させることで高温・高圧の圧縮空気とする。燃焼器は、圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスとする。タービンは、ケーシング内の通路に複数のタービン静翼およびタービン動翼が交互に配設されて構成されており、前記通路に供給された燃焼ガスによりタービン動翼が駆動されることで、発電機に連結されたタービン軸を回転駆動する。タービンを駆動した燃焼ガスは、排ガスとして大気に放出される。
従来、例えば、特許文献１に記載のガスタービンは、圧縮器で圧縮された圧縮空気を取り出して熱交換器（ＴＣＡクーラ）により冷却した後、タービン側のタービン動翼に供給して当該タービン動翼を冷却する冷却空気系統（冷却空気供給手段）が示されている。
なお、例えば、特許文献２に記載のガスタービンシステムは、液体が噴霧された空気を圧縮する圧縮機の段間および吐出部にドレン回収配管を接続して液体ドレンを機外に排出することが示されている。
特開２００７−１４６７８７号公報 特開２０１２−１５４２９０号公報
特許文献１に示される冷却空気系統では、熱交換器の出口側に水が溜まって錆が発生する可能性がある。そして、この錆が冷却空気の流れによって運ばれてタービン側に持ち込まれることは望ましくない。また、特許文献２に示されるドレン回収配管は、液体が噴霧された空気を圧縮する圧縮機を備えるガスタービンシステムに適用されたものであるが、このドレン回収配管をガスタービンの運転中に常時使用すると、圧縮機から取り出した圧縮空気も抜けてしまいガスタービンの性能損失に繋がるおそれがある。
本発明は上述した課題を解決するものであり、冷却空気系統に溜まった水をガスタービンの性能損失を防ぎつつ抜くことのできるガスタービンの運転方法および運転制御装置を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明のガスタービンの運転方法は、圧縮機の中間段または出口とタービンとを接続して前記圧縮機から抽気した圧縮空気をタービンに供給する冷却空気系統を備えており、前記冷却空気系統の途中に前記圧縮空気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器の前記圧縮空気の下流側に設けられたドレン水排出弁とを備えるガスタービンの運転方法であって、少なくとも前記ガスタービンの起動における定格速度到達の後の所定期間に前記ドレン水排出弁を開状態とし、その後、前記ドレン水排出弁を閉状態とすることを特徴とする。
ガスタービンの起動前は、冷却空気系統に備えられた熱交換器自体とその冷媒の温度は低い状態である。ここでガスタービンが起動すると、圧縮機から抽気された圧縮空気が冷却空気系統を通って熱交換器に供給されるが、このとき熱交換器自体や冷媒の温度が低いことにより、圧縮空気の温度が大幅に低下してドレンが多量に発生する。その後、熱交換器自体や冷媒の温度が上昇することにより、ドレンの発生量は減少する。発明者らは、ガスタービンの起動シーケンスにおける定格速度到達直後に大量のドレンが発生することを見出した。よって、このガスタービンの運転方法によれば、大量に発生したドレンが溜まっている時期に限定してドレン水排出弁を開状態として冷却空気系統の水を排出することができる。このため、冷却空気系統での錆の発生を防ぐことができるとともに、所定期間を超えた場合にドレン水排出弁を閉状態とするため、冷却空気系統に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービンの性能損失を防ぐことができる。
また、本発明のガスタービンの運転方法では、前記ガスタービンの起動における定格速度到達の後に前記熱交換器の出口温度が上昇して設定温度に至る時点を前記所定期間の終わりとすることを特徴とする。
設定温度は、結露によるドレン水の発生が止まる時点の温度とすることができる。従って、熱交換器の出口温度に基づいてドレン水排出弁を閉状態とすることで、冷却空気系統に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービンの性能損失を防ぐ効果を顕著に得ることができる。
また、本発明のガスタービンの運転方法では、前記ガスタービンの起動開始から設定時間が経過した時点を前記所定期間の終わりとすることを特徴とする。
設定時間は、ガスタービンの起動開始から結露によるドレン水の発生が止まる時点までの経過時間とすることができる。従って、ガスタービンの起動開始からの設定時間に基づいてドレン水排出弁を閉状態とすることで、冷却空気系統に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービンの性能損失を防ぐ効果を顕著に得ることができる。
また、本発明のガスタービンの運転方法では、前記ガスタービンの停止時は前記ドレン水排出弁を閉状態とし、前記ガスタービンの起動開始後に前記ドレン水排出弁を開状態とすることを特徴とする。
例えば、ドレン水排出弁を設けた配管が、他の設備から排出されるドレン水が共に貯留されるドレンピットに接続されている場合は、ガスタービンの停止時に配管を通じて他の設備から湿分が送られ冷却空気系統に取り込まれることで冷却空気系統に錆が発生するおそれがある。従って、ガスタービンの停止時はドレン水排出弁を閉状態とし、ガスタービンの起動開始後にドレン水排出弁を開状態とすることで、ガスタービンの停止時に冷却空気系統に湿分が取り込まれる事態を防ぐことができる。
上述の目的を達成するために、本発明のガスタービンの運転制御装置は、圧縮機の中間段または出口とタービンとを接続して前記圧縮機から抽気した圧縮空気をタービンに供給する冷却空気系統を備えており、前記冷却空気系統の途中に前記圧縮空気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器の前記圧縮空気の下流側に設けられたドレン水排出弁とを備えるガスタービンの運転制御装置であって、前記ガスタービンの起動における定格速度到達の後の所定期間を検出し、少なくとも前記所定期間に前記ドレン水排出弁を開放制御し、前記所定期間を超えた場合に前記ドレン水排出弁を閉鎖制御することを特徴とする。
ガスタービンの起動前は、冷却空気系統に備えられた熱交換器自体とその冷媒の温度は低い状態である。ここでガスタービンが起動すると、圧縮機から抽気された圧縮空気が冷却空気系統を通って熱交換器に供給されるが、このとき熱交換器自体や冷媒の温度が低いことにより、圧縮空気の温度が大幅に低下してドレンが多量に発生する。その後、熱交換器自体や冷媒の温度が上昇することにより、ドレンの発生量は減少する。発明者らは、ガスタービンの起動シーケンスにおける定格速度到達直後に大量のドレンが発生することを見出した。よって、このガスタービンの運転制御装置によれば、大量に発生したドレンが溜まっている時期に限定してドレン水排出弁を開放制御して冷却空気系統の水を排出することができる。このため、冷却空気系統での錆の発生を防ぐことができるとともに、所定期間を超えた場合にドレン水排出弁を閉鎖制御するため、冷却空気系統に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービンの性能損失を防ぐことができる。
また、本発明のガスタービンの運転制御装置では、前記熱交換器の出口温度を検出し、当該出口温度が上昇して設定温度に至った場合に前記ドレン水排出弁を閉鎖制御することを特徴とする。
設定温度は、結露によるドレン水の発生が止まる時点の温度とすることができる。従って、熱交換器の出口温度に基づいてドレン水排出弁を閉鎖制御することで、冷却空気系統に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービンの性能損失を防ぐ効果を顕著に得ることができる。
また、本発明のガスタービンの運転制御装置では、前記ガスタービンの起動開始からの経過時間を検出し、当該経過時間が予め設定された設定時間となった場合に前記ドレン水排出弁を閉鎖制御することを特徴とする。
設定時間は、ガスタービンの起動開始から結露によるドレン水の発生が止まる時点までの経過時間とすることができる。従って、ガスタービンの起動開始からの設定時間に基づいてドレン水排出弁を閉鎖制御することで、冷却空気系統に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービンの性能損失を防ぐ効果を顕著に得ることができる。
また、本発明のガスタービンの運転制御装置では、前記ガスタービンの停止および起動開始を検出し、停止時に前記ドレン水排出弁を閉鎖制御し、起動開始後に前記ドレン水排出弁を開放制御することを特徴とする。
例えば、ドレン水排出弁を設けた配管が、他の設備から排出されるドレン水が共に貯留されるドレンピットに接続されている場合は、ガスタービンの停止時に配管を通じて他の設備から湿分が送られ冷却空気系統に取り込まれることで冷却空気系統に錆が発生するおそれがある。従って、ガスタービンの停止時はドレン水排出弁を閉鎖制御し、ガスタービンの起動開始後にドレン水排出弁を開放制御することで、ガスタービンの停止時に冷却空気系統に湿分が取り込まれる事態を防ぐことができる。
本発明によれば、冷却空気系統に溜まった水をガスタービンの性能損失を防ぎつつ抜くことができる。
図１は、本発明の実施形態に係るガスタービンの運転制御装置の概略構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係るガスタービンの運転制御装置が適用されるガスタービンの構成図である。 図３は、本発明の実施形態に係るガスタービンの運転制御装置が適用されるガスタービンにおける冷却空気系統の構成図である。 図４は、本発明の実施形態に係るガスタービンの運転制御装置が適用されるガスタービンにおける冷却空気系統の他の例の概略構成図である。 図５は、空気の圧力と露点との関係を示すグラフである。 図６は、ガスタービンにおける時間に対するガスタービン負荷、タービン軸回転数および熱交換器出口温度を示すグラフである。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
図１は、本実施形態に係るガスタービン発電設備の概略構成図であり、図２は、本実施形態に係るガスタービン発電設備におけるガスタービンの構成図であり、図３は、本実施形態に係るガスタービン発電設備における冷却空気系統の構成図である。また、図４は、本実施形態に係るガスタービン発電設備の他の例の概略構成図である。また、図５は、空気の圧力と露点との関係を示すグラフであり、図６は、ガスタービンにおける時間に対するガスタービン負荷、タービン軸回転数および熱交換器出口温度を示すグラフである。
図１に示すように、ガスタービン発電設備１は、発電機１００と、ガスタービン２００と、冷却空気系統３００と、ドレン水排出系統４００と、を有する。
発電機１００は、駆動軸１０１が、後述するガスタービン２００のタービン軸２０４に接続され、タービン軸２０４の回転動力が付与されることで発電を行う。なお、発電機１００は、ガスタービン２００の起動時に、タービン軸２０４に回転動力を付与する起動用電動機としても用いられる。
ガスタービン２００は、圧縮機２０１と燃焼器２０２とタービン２０３とを備えている。このガスタービン２００は、圧縮機２０１、燃焼器２０２およびタービン２０３の中心部に、タービン軸２０４が貫通して配置されている。圧縮機２０１、燃焼器２０２およびタービン２０３は、タービン軸２０４の軸心Ｒに沿い、空気の流れの前側から後側に向かって順に並設されている。なお、以下の説明において、タービン軸方向とは軸心Ｒに平行な方向をいい、タービン周方向とは軸心Ｒを中心とした周り方向をいう。
圧縮機２０１は、空気を圧縮して圧縮空気とするものである。図２に示すように、圧縮機２０１は、空気を取り込む空気取入口２１１を有した圧縮機ケーシング２１２内に圧縮機静翼２１３および圧縮機動翼２１４が設けられている。圧縮機静翼２１３は、圧縮機ケーシング２１２側に取り付けられてタービン周方向に複数並設されている。また、圧縮機動翼２１４は、タービン軸２０４側に取り付けられてタービン周方向に複数並設されている。これら圧縮機静翼２１３と圧縮機動翼２１４とは、タービン軸方向に沿って交互に設けられている。
燃焼器２０２は、図２に示すように、圧縮機２０１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給することで、高温・高圧の燃焼ガスを生成するものである。燃焼器２０２は、燃焼筒として、圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる内筒２２１と、内筒２２１から燃焼ガスをタービン２０３に導く尾筒２２２と、内筒２２１の外周を覆い、圧縮機２０１からの圧縮空気を内筒２２１に導く空気通路２２５をなす外筒２２３とを有している。この燃焼器２０２は、タービン車室をなす燃焼器ケーシング２２４に対しタービン周方向に複数（例えば１６個）並設されている。
タービン２０３は、図２に示すように、燃焼器２０２で燃焼された燃焼ガスにより回転動力を生じるものである。タービン２０３は、タービンケーシング２３１内にタービン静翼２３２およびタービン動翼２３３が設けられている。タービン静翼２３２は、タービンケーシング２３１側に取り付けられてタービン周方向に複数並設されている。また、タービン動翼２３３は、タービン軸２０４側に取り付けられてタービン周方向に複数並設されている。これらタービン静翼２３２とタービン動翼２３３とは、タービン軸方向に沿って交互に設けられている。また、タービンケーシング２３１の後側には、タービン２０３に連続する排気ディフューザ２３４ａを有した排気室２３４が設けられている。
タービン軸２０４は、圧縮機２０１側の端部が軸受部２４１により支持され、排気室２３４側の端部が軸受部２４２により支持されて、軸心Ｒを中心として回転自在に設けられている。そして、タービン軸２０４は、圧縮機２０１側の端部に発電機１００の駆動軸１０１が連結されている。
このようなガスタービン２００は、圧縮機２０１の空気取入口２１１から取り込まれた空気が、複数の圧縮機静翼２１３と圧縮機動翼２１４とを通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気に対し、燃焼器２０２において燃料が混合されて燃焼されることで高温・高圧の燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスがタービン２０３のタービン静翼２３２とタービン動翼２３３とを通過することでタービン軸２０４が回転駆動され、このタービン軸２０４に連結された発電機１００に回転動力を付与することで発電を行う。そして、タービン軸２０４を回転駆動した後の排気ガスは、排気室２３４の排気ディフューザ２３４ａを経て排気ガスとして大気に放出される。
冷却空気系統３００は、上述したガスタービン２００に設けられ、圧縮機２０１から抽気した圧縮空気をタービン２０３に供給する。
冷却空気系統３００に係る構成について説明する。図３に示すように、上述したガスタービン２００において、タービン軸２０４は、中間軸２５０に複数のタービンディスク２５１などが連結ボルト２５２により一体に連結されてなり、各軸受部２４１，２４２により回転自在に支持されている。タービンディスク２５１は、その外周部にタービン動翼２３３が取り付けられている。タービン動翼２３３は、タービンディスク２５１の外周端部にタービン周方向に沿って固定される複数の翼根部２３３ａと、各翼根部２３３ａを連結するプラットホーム２３３ｂと、プラットホーム２３３ｂの外周面に周方向に均等間隔で固定される複数の動翼部２３３ｃとから構成されている。
そして、タービン軸２０４の外周辺に、タービン周方向に沿ってリング形状をなす中間軸カバー２５３が装着されており、この中間軸カバー２５３の外周において、燃焼器ケーシング２２４内であって複数の燃焼器２０２の外側にタービン車室２５４が区画されている。一方、燃焼器２０２は、尾筒２２２が、タービン２０３においてタービン周方向に沿って環形状に形成された燃焼ガス通路２５５に連通している。燃焼ガス通路２５５は、複数のタービン静翼２３２および複数のタービン動翼２３３（動翼部２３３ｃ）がタービン軸方向に沿って交互に配設されている。
タービン軸２０４は、タービンディスク２５１に、タービン軸方向に沿って設けられて圧縮機２０１側が入口部として開口された冷却空気供給孔２５６が形成されている。冷却空気供給孔２５６は、タービン軸方向に沿って形成されていると共に、各タービンディスク２５１を介して各タービン動翼２３３の内部に設けられた冷却孔（図示せず）に通じている。そして、冷却空気供給孔２５６の入口部の周辺であって中間軸カバー２５３内に、タービン周方向に沿ってリング形状をなすシールリング保持環２５７が設けられている。シールリング保持環２５７は、その外周面側において、タービン軸方向の各端部を中間軸カバー２５３の内周部に密着して装着され、タービン軸方向の中央において中間軸カバー２５３との間にタービン周方向に沿って空間部２６２が区画されている。また、シールリング保持環２５７は、その内周面側において、シールリング保持環２５７の内周面とタービン軸２０４の外周面との間の隙間をシールする複数のシール２５８，２５９，２６０，２６１が設けられている。そして、中間軸カバー２５３とシールリング保持環２５７との間に区画された空間部２６２は、シールリング保持環２５７に形成された貫通孔２６３を介して冷却空気供給孔２５６の入口部に通じている。
燃焼器ケーシング２２４には、タービン車室２５４に対して外部に通じるように冷却空気系統３００をなす冷却空気配管３０１の一端側が接続されている。具体的に、冷却空気配管３０１の一端側は、図１に示すように１本とされ、図３に示すように燃焼器ケーシング２２４に形成された１つの接続部３０２に対して接続される。また、冷却空気配管３０１は、図１に示すように、その他端側が複数（図１では４本）に分岐して形成され、それぞれが燃焼器ケーシング２２４を貫通して中間軸カバー２５３に取り付けられ、空間部２６２を介して冷却空気供給孔２５６に対して通じている。また、冷却空気配管３０１は、その途中に熱交換器であるＴＣＡクーラ３０３が設けられている。ＴＣＡクーラ３０３は、冷却空気配管３０１の一端側に接続される入口ヘッダ３０３ａと、冷却空気配管３０１の他端側に接続される出口ヘッダ３０３ｂとが熱交換部３０３ｃに設けられ、入口ヘッダ３０３ａから供給される圧縮空気を熱交換部３０３ｃにて冷媒と熱交換させ、熱交換後の圧縮空気を出口ヘッダ３０３ｂから排出する。一般に、このＴＣＡクーラ３０３は、図１に示すように、ガスタービン２００などが収容されているガスタービン発電設備１の建屋１ａの外に配置されているため、冷却空気配管３０１は、建屋１ａの外に引き出されてＴＣＡクーラ３０３に接続されるとともに、ＴＣＡクーラ３０３から再び建屋１ａに戻る構成をとる。さらに、図１に示すように、冷却空気配管３０１は、その途中であってＴＣＡクーラ３０３よりも他端側にフィルタ３０４が設けられている。
ガスタービン２００の運転時には、ガスタービン２００の圧縮機２０１で圧縮された圧縮空気がタービン車室２５４に供給される。この圧縮空気がタービン車室２５４から燃焼器２０２に導かれ、燃焼器２０２において高温・高圧の燃焼ガスが生成され、尾筒２２２を経て燃焼ガス通路２５５に流れ込んでタービン２０３に送られる。冷却空気系統３００は、圧縮機２０１の出口に通じるタービン車室２５４に供給された圧縮空気の一部が、冷却空気配管３０１の一端側から抽気され、冷却空気配管３０１の他端側から空間部２６２を経て貫通孔２６３を通してタービン２０３側である冷却空気供給孔２５６に供給され、各タービン動翼２３３の冷却孔を通過する。冷却空気配管３０１を通過する圧縮空気は、ＴＣＡクーラ３０３により冷却され、かつフィルタ３０４により異物が除去されて各タービン動翼２３３に至り、各タービン動翼２３３を冷却する。
ところで、上述した冷却空気系統３００は、圧縮機２０１の出口から圧縮空気を抽気しタービン２０３側に供給するものであるが、その他の冷却空気系統についても本発明を適用しうる。図４は、本実施形態に係るガスタービン発電設備の他の例の概略構成図であり、冷却空気系統の他の例を示している。図４に示すように、冷却空気系統５００は、圧縮機２０１の中間段から圧縮空気を抽気しタービン２０３側に供給する。
上述したガスタービン２００において、図２に示すように、圧縮機２０１は、圧縮機ケーシング２１２における圧縮機静翼２１３の位置の外側に、圧縮機ケーシング２１２の内部に連通すると共に、タービン周方向に沿って環形状に形成された圧縮機抽気室２１５が設けられている。また、タービン２０３は、燃焼器ケーシング２２４におけるタービン静翼２３２の位置の外側に、タービン周方向に沿って環形状に形成されたタービン翼環キャビティ２３５が設けられている。タービン翼環キャビティ２３５は、各タービン静翼２３２の内部に設けられた冷却孔（図示せず）に通じている。
圧縮機抽気室２１５には、図４に示すように、冷却空気系統５００をなす冷却空気配管５０１の一端側が接続されている。また、冷却空気配管５０１は、その他端側がタービン翼環キャビティ２３５に接続されている。また、冷却空気配管５０１は、その途中に熱交換器であるＴＣＡクーラ５０３が設けられている。ＴＣＡクーラ５０３は、冷却空気配管５０１の一端側に接続される入口ヘッダ５０３ａと、冷却空気配管５０１の他端側に接続される出口ヘッダ５０３ｂとが熱交換部５０３ｃに設けられ、入口ヘッダ５０３ａから供給される冷却対象と熱交換部５０３ｃにて熱交換を行い、熱交換後の冷却対象を出口ヘッダ５０３ｂから排出する。このＴＣＡクーラ５０３は、熱交換効率の向上を図るため、図４に示すように、ガスタービン２００などが収容されているガスタービン発電設備１の建屋１ａの外に配置されており、冷却空気配管５０１が、建屋１ａの外に引き出されてＴＣＡクーラ５０３に接続されている。さらに、図４に示すように、冷却空気配管５０１は、その途中であってＴＣＡクーラ５０３よりも他端側にフィルタ５０４が設けられている。このフィルタ５０４もガスタービン発電設備１の建屋１ａの外に配置されている。
従って、冷却空気系統５００は、ガスタービン２００の圧縮機２０１で圧縮された圧縮空気が圧縮機抽気室２１５から冷却空気配管５０１の一端側から抽気され、冷却空気配管５０１の他端側からタービン翼環キャビティ２３５を経て各タービン静翼２３２の冷却孔を通過する。冷却空気配管５０１を通過する圧縮空気は、ＴＣＡクーラ５０３により冷却され、かつフィルタ５０４により圧縮機抽気室２１５から持ち込まれる異物が除去されて各タービン静翼２３２に至り、各タービン静翼２３２を冷却する。
ドレン水排出系統４００は、冷却空気系統３００，５００からドレン水を排出するものである。ドレン水は、高温・高圧の圧縮空気をＴＣＡクーラ３０３により温度を下げたときに大気中の湿分が結露して発生し、ＴＣＡクーラ３０３の出口ヘッダ３０３ｂに溜まりやすい。また、ドレン水は、ＴＣＡクーラ３０３の出口ヘッダ３０３ｂに溜まったドレン水の一部が、冷却空気配管３０１，５０１において圧縮空気の流れに従って送られて、フィルタ３０４のケーシングなどの冷却空気系統中で低くなっている位置に溜まりやすい。このため、ドレン水排出系統４００は、図１や図４に示すように、冷却空気系統３００，５００における冷却空気配管３０１，５０１にドレン水排出配管４０１が接続されている。特に、本実施形態において、ドレン水排出配管４０１は、ＴＣＡクーラ３０３の出口ヘッダ３０３ｂに接続されている。また、冷却空気系統３００，５００にフィルタ３０４，５０４が設けられている場合、ドレン水排出配管４０１は、フィルタ３０４，５０４のケーシングに接続されている。このドレン水排出配管４０１は、ドレン水排出弁が設けられている。ドレン水排出弁は、１つでもよいが、安全のためドレン水排出配管４０１に沿って併設された第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を設けてもよい。なお、ドレン水排出配管４０１は、ドレン水が貯留されるドレンピット（図示せず）に接続されている。ドレンピットは、当該ドレン水排出配管４０１が専用に接続されているものや、他の設備から排出されるドレン水も共に貯留されるものがある。
また、ドレン水排出系統４００は、ガスタービン２００を運転する際にドレン水排出弁（第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３）の開閉を制御するガスタービン２００の運転制御装置である制御装置４０４を有する。制御装置４０４は、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂにおける圧縮空気の温度（ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口温度）を、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂに設けられた温度計測器４０５から取得する。また、制御装置４０４は、ガスタービン２００の起動開始を、ガスタービン２００側の制御装置（図示せず）から取得する。また、制御装置４０４は、ガスタービン２００の起動開始からの経過時間を、ガスタービン２００側の制御装置（図示せず）から取得する。
また、制御装置４０４は、第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉鎖制御するため、図５および図６に示すＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口温度における設定温度αや、図６に示すガスタービン２００の起動開始からの経過時間である設定時間βが予め設定されている。
設定温度αについて説明する。図５に実線で示す曲線は、所定の湿度の空気を圧縮した場合の露点の変化を示す。ここから、空気を圧縮することにより露点が上昇することがわかる。また、図５に示す点Ａ、点Ｂ、点Ｃを結ぶ破線は、ガスタービン２００の起動シーケンスにおけるＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口条件である。点Ａはガスタービンの起動開始時であり、点Ｂは定格回転速度到達時である。点Ａから点Ｂの間では、圧縮機２０１の回転数増加により圧縮空気の圧力は増大するものの、ＴＣＡクーラ３０３，５０３自体の温度やＴＣＡクーラ３０３，５０３に供給される冷媒の温度が低いため、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口温度はあまり上昇しない。そのため、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口温度が露点温度を下回り、結露が生じてドレン水が発生する。その後、ガスタービン２００を併入して負荷上昇していくと、圧縮空気の圧力が上昇するとともに、ＴＣＡクーラ３０３，５０３自体の温度やＴＣＡクーラ３０３，５０３に供給される冷媒の温度が上昇するためＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口温度も上昇する。そして、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口温度が露点温度を超えた点Ｃ以降は、結露が生じなくなる。すなわち、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口条件が図５に示す実線より下の領域にあるとき、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口で結露が生じてドレン水が溜まることになる。特に、定格回転速度到達時（点Ｂ）の近辺では、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口温度はその圧力における露点を大きく下回っており、大量のドレンが発生する。なお、露点温度は、大気温度に伴って変動するため、制御装置４０４では、大気温度に応じて設定温度αが設定されている。
設定時間βについて説明する。図６において、横軸は時間であり、実線はタービン軸２０４の回転速度を示し、破線はＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂの温度（出口温度）を示し、一点鎖線はガスタービン２００の負荷を示している。タービン軸２０４の回転速度は、ガスタービン２００の停止（タービン静止またはターニング状態）からの起動時（点Ａ）に、起動用電動機により回転動力が付与されて上昇し、一定速度のパージ運転を経た後、起動用電動機により再び上昇する過程で、燃焼器２０２が着火されてタービン２０３が自立運転できるようになり起動用電動機が切断され、点Ｄで無負荷の定格速度（例えば、３６００ｒｐｍ）となる。そして、ガスタービン２００は、点Ｄの後、発電機１００が併入され、タービン軸２０４の回転速度を定格速度に維持しつつ負荷が上昇する。そして、ガスタービン２００の負荷が上昇する過程でＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂの温度（出口温度）が設定温度αに達する。このガスタービン２００の起動時において、起動時の点ＡからＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂの温度が上昇し設定温度αに到達するまでの経過時間を設定時間βとする。なお、ガスタービン２００を停止する場合は、タービン軸２０４の回転速度を定格速度に維持した状態で発電機１００を解列すると共に負荷を低下させ、その後に燃焼器２０２への燃料の供給を停止させる。
そして、制御装置４０４は、必要に応じてドレン水排出弁（第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３）を開閉制御することで、ドレン水を排出する。具体的に、制御装置４０４は、図６に示すように、ガスタービン２００の停止からの起動時（点Ａ）に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を開放制御する。そして、制御装置４０４は、ガスタービン２００の起動における定格速度到達（点Ｄ）の後にＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂの温度が上昇して設定温度αに至った場合に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉鎖制御する。制御装置４０４は、この閉鎖制御を次のガスタービン２００の停止からの起動時（点Ａ）まで維持する。
なお、上述した設定温度αに基づく制御装置４０４の制御において、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂの温度（出口温度）が設定温度αに至った時点で第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉鎖制御しているが、設定温度αに至る以前に発生したドレン水を確実に排出するため、設定温度αに若干余裕を持った温度ｘを加えた設定温度α＋ｘに至った場合に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉鎖制御してもよい。
また、制御装置４０４は、図６に示すように、ガスタービン２００の停止からの起動時（点Ａ）に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を開放制御し、ガスタービン２００の起動における定格速度到達（点Ｄ）の後にガスタービン２００の起動開始から設定時間βが経過した場合に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉鎖制御してもよい。制御装置４０４は、この閉鎖制御を次のガスタービン２００の停止からの起動時（点Ａ）まで維持する。
なお、上述した設定時間βに基づく制御装置４０４の制御において、ガスタービン２００の起動開始から設定時間βが経過した時点で第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉鎖制御しているが、設定時間βの経過以前に発生したドレン水を確実に排出するため、設定時間βに若干余裕を持った時間ｙを加えた設定時間β＋ｙを経過した場合に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉鎖制御してもよい。
ところで、上述したように、制御装置４０４は、ガスタービン２００の起動（点Ａ）から設定温度αまたは設定時間βになるまで第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を開放制御しているが、この限りではない。ドレン水は、ガスタービン２００の起動における定格速度到達の後に最も多く発生し、かつガスタービン２００の起動における負荷上昇の開始後に発生が終わる。このため、制御装置４０４は、少なくともガスタービン２００の起動における定格速度到達の後の所定の期間に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を開放制御する。所定の期間の終了時点は、結露の発生が止まって溜まっている全てのドレン水を排水できる時点であればよい。例えば、所定の期間の始まりを、上述したガスタービン２００の起動時（点Ａ）やガスタービン２００の起動における定格速度到達時（点Ｄ）とし、所定の期間の終わりを、上述した設定温度α（α＋ｘ）となった時点や設定時間β（β＋ｙ）を経過した時点とすることができる。また、所定の期間の始まりを、上述した設定温度αとなった時点や設定時間βを経過した時点としてもよく、設定温度αとなった時点を過ぎたときや設定時間βを経過した時点を過ぎたときとしてもよく、所定の期間の終わりを、予め試験などで求めた全ドレン水の排出所要時間が経過したときとしてもよい。
すなわち、本実施形態において、ガスタービン２００の運転方法は、圧縮機２０１の中間段または出口とタービン２０３とを接続して圧縮機２０１から抽気した圧縮空気をタービン２０３に供給する冷却空気系統３００，５００を備えており、冷却空気系統３００，５００の途中に圧縮空気を冷却するＴＣＡクーラ（熱交換器）３０３，５０３と、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の圧縮空気の下流側に設けられたドレン水排出弁（第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３）と、を備えるガスタービン２００の運転方法であって、少なくともガスタービン２００の起動における定格速度到達の後の所定期間にドレン水排出弁を開状態とし、その後、所定期間を超えた場合にドレン水排出弁を閉状態とする。
ガスタービン２００の起動前は、冷却空気系統３００，５００に備えられたＴＣＡクーラ３０３，５０３自体とその冷媒の温度は低い状態である。ここでガスタービン２００が起動すると、圧縮機２０１から抽気された圧縮空気が冷却空気系統３００，５００を通ってＴＣＡクーラ３０３，５０３に供給されるが、このときＴＣＡクーラ３０３，５０３自体や冷媒の温度が低いことにより、圧縮空気の温度が大幅に低下してドレンが多量に発生する。その後、ＴＣＡクーラ３０３，５０３自体や冷媒の温度が上昇することにより、ドレンの発生量は減少する。発明者らは、ガスタービン２００の起動シーケンスにおける定格速度到達直後に大量のドレンが発生することを見出した。よって、このガスタービン２００の運転方法によれば、大量に発生したドレンが溜まっている時期に限定して第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を開状態として冷却空気系統３００，５００のドレン水を排出することができる。このため、冷却空気系統３００，５００での錆の発生を防ぐことができるとともに、所定期間を超えた場合に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉状態とするため、冷却空気系統３００，５００に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービン２００の性能損失を防ぐことができる。
また、本実施形態のガスタービン２００の運転方法では、ガスタービン２００の起動における定格速度到達の後にＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂの温度が上昇して設定温度αに至る時点を所定期間の終わりとする。
設定温度αは、結露によるドレン水の発生が止まる時点の温度とすることができる。従って、ＴＣＡクーラ３０３，５０３の出口ヘッダ３０３ｂ，５０３ｂの温度に基づいて第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉状態とすることで、冷却空気系統３００，５００に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービン２００の性能損失を防ぐ効果を顕著に得ることができる。
また、本実施形態のガスタービン２００の運転方法では、ガスタービン２００の起動開始から設定時間βが経過した時点を所定期間の終わりとする。
設定時間βは、ガスタービン２００の起動開始から結露によるドレン水の発生が止まる時点までの経過時間とすることができる。従って、ガスタービン２００の起動開始からの設定時間βに基づいて第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉状態とすることで、冷却空気系統３００，５００に送られた圧縮空気の抜けを抑制し、ガスタービン２００の性能損失を防ぐ効果を顕著に得ることができる。
また、本実施形態のガスタービン２００の運転方法では、ガスタービン２００の停止時は第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉状態とし、ガスタービン２００の起動開始後に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を開状態とする。
例えば、第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を設けたドレン水排出配管４０１が、他の設備から排出されるドレン水が共に貯留されるドレンピットに接続されている場合は、ガスタービン２００の停止時にドレン水排出配管４０１を通じて他の設備から湿分が送られ冷却空気系統３００，５００に取り込まれることで冷却空気系統３００，５００に錆が発生するおそれがある。従って、ガスタービン２００の停止時は第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を閉状態とし、ガスタービン２００の起動開始後に第一ドレン水排出弁４０２および第二ドレン水排出弁４０３を開状態とすることで、ガスタービン２００の停止時に冷却空気系統３００，５００に湿分が取り込まれる事態を防ぐことができる。
２００ ガスタービン
２０１ 圧縮機
２０３ タービン
３００，５００ 冷却空気系統
３０３，５０３ ＴＣＡクーラ（熱交換器）
３０３ｂ，５０３ｂ 出口ヘッダ
４００ ドレン水排出系統
４０１ ドレン水排出配管
４０２ 第一ドレン水排出弁
４０３ 第二ドレン水排出弁
４０４ 制御装置
α 設定温度
β 設定時間

Claims (8)

  1. 圧縮機の中間段または出口とタービンとを接続して前記圧縮機から抽気した圧縮空気をタービンに供給する冷却空気系統を備えており、前記冷却空気系統の途中に前記圧縮空気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器の前記圧縮空気の下流側に設けられたドレン水排出弁とを備えるガスタービンの運転方法であって、
    前記ガスタービンの起動における定格速度到達の後の少なくとも所定期間は前記ドレン水排出弁を開状態とし、その後、前記ドレン水排出弁を閉状態とし、
    前記ガスタービンが負荷上昇すると、前記熱交換器の出口温度が露点温度より高いことを特徴とするガスタービンの運転方法。
  2. 前記ガスタービンの起動における定格速度到達の後に前記熱交換器の出口温度が上昇して設定温度に至る時点を前記所定期間の終わりとすることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの運転方法。
  3. 前記ガスタービンの起動開始から設定時間が経過した時点を前記所定期間の終わりとすることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの運転方法。
  4. 前記ガスタービンの停止時は前記ドレン水排出弁を閉状態とし、前記ガスタービンの起動開始後に前記ドレン水排出弁を開状態とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のガスタービンの運転方法。
  5. 圧縮機の中間段または出口とタービンとを接続して前記圧縮機から抽気した圧縮空気をタービンに供給する冷却空気系統を備えており、前記冷却空気系統の途中に前記圧縮空気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器の前記圧縮空気の下流側に設けられたドレン水排出弁とを備え、負荷上昇した後の運転時の前記熱交換器の出口温度が露点温度より高いガスタービンで用いる運転制御装置であって、
    前記ガスタービンの起動における定格速度到達の後の所定期間を検出し、少なくとも前記所定期間は前記ドレン水排出弁を開放制御し、前記所定期間を超えた場合に前記ドレン水排出弁を閉鎖制御することを特徴とするガスタービンの運転制御装置。
  6. 前記熱交換器の出口温度を検出し、当該出口温度が上昇して設定温度に至った場合に前記ドレン水排出弁を閉鎖制御することを特徴とする請求項５に記載のガスタービンの運転制御装置。
  7. 前記ガスタービンの起動開始からの経過時間を検出し、当該経過時間が予め設定された設定時間となった場合に前記ドレン水排出弁を閉鎖制御することを特徴とする請求項５に記載のガスタービンの運転制御装置。
  8. 前記ガスタービンの停止および起動開始を検出し、停止時に前記ドレン水排出弁を閉鎖制御し、起動開始後に前記ドレン水排出弁を開放制御することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載のガスタービンの運転制御装置。
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