JP6607772B2 - 蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービン - Google Patents

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Description

本発明は圧縮機駆動用の高圧タービンを備えたガスジェネレータと、高圧タービンから放出された排ガスで駆動される負荷駆動用の低圧タービンを備えたパワータービンから構成される蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンに関する。
入口案内翼を有する圧縮機と、燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動される高圧タービンを備えたガスジェネレータと、高圧タービンから放出された排ガスで駆動される低圧タービンを備えたパワータービンから構成される２軸式ガスタービンにおいて、負荷運転時に圧縮機の入口案内翼の開度を制御してガスジェネレータとパワータービンの各軸の回転数の安定化を図った２軸式ガスタービンに関する技術が、特開２０１２−４７０８３号公報（特許文献１）に記載されている。
また、入口案内翼を有する圧縮機と、燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動される高圧タービンを備えたガスジェネレータと、高圧タービンから放出された排ガスで駆動される低圧タービンを備えたパワータービンから構成される２軸式ガスタービンにおいて、ガスジェネレータの軸の回転数の制御と、パワータービンから放出される排ガスの温度の制御を図った２軸式ガスタービンに関する技術が、特開２０１４−１１４７０７号公報（特許文献２）に記載されている。
また、圧縮機と、燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動される高圧タービンを備えたガスジェネレータと、高圧タービンから放出された排ガスで駆動される低圧タービンを備えたパワータービンから構成される２軸式ガスタービンにおいて、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射してタービンに流入する燃焼ガスの流量を増大させ、タービンの出力を増加するようにした２軸式ガスタービンに関する技術が、米国特許第４８２３５４６号公報（特許文献３）に記載されている。
特開２０１２−４７０８３号公報 特開２０１４−１１４７０７号公報 米国特許第４８２３５４６号公報
特許文献１及び特許文献２に記載された２軸式ガスタービンには、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射してタービンに流入する燃焼ガスの流量を増大させ、タービンの出力を増加するようにした技術について何ら考慮されていない。
また、特許文献３に記載された２軸式ガスタービンは、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射してタービンに流入する燃焼ガスの流量を増大させ、タービンの出力を増加する２軸式ガスタービンに関する技術を開示しているが、蒸気噴射時の圧縮機のサージマージンを拡大させる課題については何ら考慮されていない。
本発明の目的は、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射してタービンの出力を増加させる際に、蒸気噴射時の圧縮機のサージマージンを拡大させることを可能にした蒸気噴射機構を有する２軸ガスタービンを提供することにある。
本発明の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンは、導入する空気の流量を調節する入口案内翼を設置した圧縮機と、前記圧縮機に導入した空気を圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼し燃焼ガスを発生する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動する高圧タービン及び該高圧タービンの下流側に設置された低圧タービンとからなるタービンと、前記低圧タービンから排出された排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気系統と、前記燃焼器に燃料を供給する燃料系統に設置され該燃焼器に供給する燃料の流量を調節する燃料弁と、前記蒸気系統に設置され該蒸気系統を通じて排熱回収ボイラから燃焼器に供給する蒸気の流量を調節する蒸気弁と、前記タービンによって駆動される負荷を有し、前記高圧タービンは前記圧縮機を駆動し、前記低圧タービンは前記負荷を駆動するように構成され、前記高圧タービンと圧縮機を連結するタービン軸と、前記低圧タービンと負荷を連結する低圧タービン軸とを備えた蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、圧縮機の回転数を計測する回転数計測器と、圧縮機に設置した入口案内翼の開度を計測する入口案内翼開度計測器と、蒸気系統に設置された蒸気弁の開度を計測する蒸気弁開度計測器及び排熱回収ボイラで発生した蒸気を燃焼器に供給する蒸気の流量を計測する流量計測器のうちの少なくとも一方の計測器をそれぞれ有し、前記回転数計測器と、入口案内翼開度計測器と、蒸気弁開度計測器及び流量計測器のうちの少なくとも一方の計測器でそれぞれ計測した各計測信号とガスタービンに対する増出力指令値に基づいて、前記燃料弁、蒸気弁、及び入口案内翼の開度を操作する指令信号をそれぞれ演算して出力する制御装置を備え、
前記制御装置には、圧縮機の回転数、排熱回収ボイラで発生した蒸気を燃焼器に供給する蒸気の流量、圧縮機に設置した入口案内翼の開度、及び蒸気系統に設置された蒸気弁の開度をそれぞれ設定する設定器と、
前記回転数計測器、流量計測器、入口案内翼開度計測器、及び蒸気弁開度計測器でそれぞれ計測した各計測信号と、前記設定器で設定した各設定値及びガスタービンに対する増出力指令値に基づいて、前記燃料弁、蒸気弁、及び入口案内翼の開度を操作する指令信号をそれぞれ演算して出力する演算器が設置され、
前記制御装置に設置した前記演算器では、前記圧縮機の回転数が上昇したことを検知してから蒸気弁の開度を拡大するように制御することを特徴とする。
本発明によれば、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射してタービンの出力を増加させる際に、蒸気噴射時の圧縮機のサージマージンを拡大させることを可能にした蒸気噴射機構を有する蒸気噴射機構を有する２軸ガスタービンを実現することができる。
本発明の第１実施例である蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンを示す概略系統図。 図１に示した第１実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、入口案内翼の開度を先行制御する際の制御フロー図。 図１に示した第１実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、入口案内翼の開度を先行制御する際の２軸式ガスタービンの主要機器とサージマージンの特性を示す制御特性図。 図１に示した第１実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、ガスタービンの出力を増加させる際の蒸気弁、入口案内翼、及び燃料弁を制御する制御の優先順位を示した制御フロー図。 図１に示した第１実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、ガスタービンを運転中に緊急事態が発生した際の制御のインターロックを示した制御フロー図。
本発明の実施例である蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンについて図面を引用して以下に説明する。
本発明の第１実施例である蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンの概略構成について図１を用いて説明する。
図１は本発明の第１実施例である蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンを示す概略系統図である。
図１に示した本発明の第１実施例である蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、ガスタービン本体は、大気から吸入した空気１を圧縮して圧縮空気３にする圧縮機１０と、圧縮機１０によって圧縮した圧縮空気３と燃料系統４ａを通じて供給された燃料４とを混合して燃焼し高温の燃焼ガス６を発生させる燃焼器２０と、燃焼器２０で発生した燃焼ガス６によって駆動される高圧タービン３０を備えている。
圧縮機１０の入り口に圧縮機１０内に導入する空気１の流量を調節する入口案内翼１２が設置されており、前記入口案内翼１２は、環状に配列した複数の翼の開度を案内翼駆動装置１３によって駆動することで調節して、翼間を通じて圧縮機１０内に導入する空気１の流量を調節するように構成している。
高圧タービン３０は圧縮機軸１１を介して圧縮機１０と連結されており、この高圧タービン３０の回転によって圧縮機軸１１を介して圧縮機１０を駆動する。
高圧タービン３０から排出された排ガス７は高圧タービン３０の下流側に設置された低圧タービン４０に流入して、この低圧タービン４０を駆動する。
低圧タービン４０は低圧タービン軸４１を介して発電機５０に接続されており、低圧タービン４０の回転によって低圧タービン軸４１を介して発電機５０を駆動して発電するように構成している。そして、この発電機５０で発電した電力は図示しない電力系統に送電される。
また、発電機５０で発電に要した負荷の大きさは検出器（図示せず）にて計測され、下記した制御装置１００に入力される。
このように、本実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンは、ロータ軸が圧縮機１０と高圧タービン３０を連結する圧縮機軸１１と、低圧タービン４０と発電機５０を連結する低圧タービン軸４１とが独立した２軸式のガスタービンを構成している。
本実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンでは、低圧タービン４０を駆動した後に該低圧タービン４０から放出されるタービン排気８を熱源として給水６１と熱交換し、蒸気６２を発生させる排熱回収ボイラ６０が低圧タービン４０の下流側に配設されている。
排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２は、ガスタービンの増出力指令があった場合に、蒸気噴射機構（図示せず）を介して燃焼器２０に蒸気６２を噴射してタービンに流入する燃焼ガスの流量を増大させ、タービンの出力を増加させるように構成している。
排熱回収ボイラ６０で給水６１と熱交換した後のタービン排気８は、排気９として前記排熱回収ボイラ６０から外部に排出している。
本実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいては、タービンに流入する燃焼ガスの流量を増大させてタービンの出力を増加するために、排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を燃焼器２０に供給する蒸気系統６２ａには蒸気流量を調節する蒸気弁７２、及び、蒸気流量を計測する流量計測器８１がそれぞれ設置されている。
圧縮機１０の圧縮機軸１１には、圧縮機の回転数を計測する回転数計測器８３が設置されている。
燃料４を燃焼器２０に供給する燃料系統４ａには、燃料流量を調節する燃料弁７１が設置されている。
排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を燃焼器２０に供給する蒸気系統６２ａの途中には、蒸気系統６２ａから分岐した分岐配管７３ａに設置され、この分岐配管７３ａに蒸気系統６２ａを流下する蒸気６２の一部を、分岐配管７３ａを通じて系外に逃がす蒸気逃がし弁７３が設置されている。
前記蒸気弁７２には、蒸気弁７２の開度を計測する蒸気弁開度計測器８２が設置されている。
また、低圧タービン４０からタービン排気８を排熱回収ボイラ６０に放出するタービン排気系統８ａには、タービン排気８の温度を計測する排気温度計測器８４が設置されている。
圧縮機１０の入口案内翼１２には、この入口案内翼１２の開度を計測する入口案内翼開度計測器８５が設置されている。
本実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいては、２軸式ガスタービンを制御する制御装置１００が設置されており、前記した計測器である流量計測器８１、蒸気弁開度計測器８２、回転数計測器８３、排気温度計測器８４、入口案内翼開度計測器８５及び負荷である発電機５０の検出器（図示せず）によって計測された各計測信号は前記制御装置１００にそれぞれ入力するように構成されている。
そして、排熱回収ボイラ６０から排出された排気９は煙突９０を経由して大気中に放出している。
次に、本発明の第１実施例である蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンを制御する制御装置１００による制御について、図２〜図５を用いて説明する。
図２は図１に示した第１実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、入口案内翼の開度を先行制御する際の制御フロー図、図３は図１に示した第１実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、入口案内翼の開度を先行制御する際の２軸式ガスタービンの主要機器とサージマージンの特性を示す制御特性図である。
図１〜図３において、制御装置１００に備えられた演算器１００ａには図２に示した増出力指令のステップ２０１、蒸気弁開度の拡大量決定のステップ２０２、圧縮機回転数上昇量決定のステップ２０３、ＩＧＶ開度指令のステップ２０４、ＩＧＶ開度縮小のステップ２０５、圧縮機回転数上昇検知のステップ２０６、蒸気噴射指令のステップ２０７、及び、蒸気弁開度拡大のステップ２０８の各ステップが組み込まれている。
そして、本実施例の２軸式ガスタービンにおいて、図２の増出力指令のステップ２０１に示したように、２軸式ガスタービンを制御する制御装置１００に対して増出力指令が出されると、制御装置１００に備えられた演算器１００ａに、この増出力指令のステップ２０１の増出力指令が入力し、前記演算器１００ａの演算によって、図２の蒸気弁開度の拡大量決定のステップ２０２に示すように、増出力目標から逆算して蒸気弁開度拡大量を決定する。
前記制御装置１００に備えられた演算器１００ａでは、流量計測器８１、蒸気弁開度計測器８２、回転数計測器８３、排気温度計測器８４及び入口案内翼開度計測器８５からそれぞれ入力した各計測信号に基づいて、後述する図２〜図５のフローチャート及び特性図に示したように、前記演算器１００ａによる演算によって、圧縮機１０に設けた入口案内翼１２の翼の開度を調節する案内翼駆動装置１３を駆動する操作信号を出力し、燃料系統４ａに設けた燃料弁７１の開度を調節して燃焼器２０に供給する燃料流量を制御する操作信号を出力し、排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を燃焼器２０に供給する蒸気系統６２ａに設けた蒸気弁７２の開度を調節して燃焼器２０に供給する蒸気流量を制御する操作信号を出力し、前記蒸気系統６２ａから分岐した分岐配管７３ａに設けた蒸気逃がし弁７３の開度を調節してこの蒸気系統６２ａを流下する蒸気６２の一部を系外に逃がす蒸気流量を制御する操作信号を出力するように構成されている。
また、前記制御装置１００に備えられた演算器１００ｂでは、圧縮機回転数上限値、蒸気弁開度上限値、ＩＧＶ開度上限値、ＩＧＶ開度下限値、及び、ガスタービン目標出力値をそれぞれ設定して前記制御装置１００に備えられた演算器１００ａに入力させており、前記演算器１００ａにおける演算の際に常にこれらの各種上限値及び下限値が参照できるように構成している。
そして、図２に示した蒸気弁開度拡大量決定のステップ２０２で蒸気弁開度拡大量が決定すると、次に、図２の圧縮機回転数上昇量決定のステップ２０３に進み、前記演算器１００ａによる演算によって、圧縮機１０に対して蒸気弁開度から逆算して圧縮機回転数上昇量を決定する。
そして、前記演算器１００ａによる演算による操作信号を出力して、先に入口案内翼１２を絞る制御を行った後に、蒸気弁７２を操作する制御を行う。
即ち、図２のＩＧＶ開度指令のステップ２０４に示したように、先に入口案内翼（ＩＧＶ）１２を絞る制御を行うために、圧縮機１０の入口案内翼１２に対して制御装置１００の演算器１００ａからＩＧＶ開度指令を出力し、次に図２のＩＧＶ開度縮小のステップ２０５に進んで、前記演算器１００ａの演算によって入口案内翼（ＩＧＶ）１２のＩＧＶ開度を縮小する制御を行う。
そして入口案内翼（ＩＧＶ）１２の開度が縮小すると、図３の制御特性図に示したように、圧縮機回転数は増出力指令から時間遅れを経た後に回転数が上昇するので、この回転数上昇を検知する図２の圧縮機回転数上昇検知のステップ２０６に進む。
圧縮機の回転数が上昇して、図３の制御特性図に示したように、圧縮機の回転数が閾値以上に上昇した時点で圧縮機回転数の上昇を検知し、制御装置１００の演算器１００ａによる制御によって、蒸気噴射指令のステップ２０７に進んで、排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を燃焼器２０に供給する蒸気系統６２ａに設けた蒸気弁７２に対して開弁操作を行う。
その後、制御装置１００の演算器１００ａによる制御によって、図３の制御特性図に示したように、蒸気弁７２の弁開度を徐々に開弁していく蒸気弁開度拡大のステップ２０８に進んで蒸気弁７２の弁開度を制御して、排熱回収ボイラ６０で発生して蒸気系統６２ａに設けた蒸気弁７２を通じて燃焼器２０に供給する蒸気６２の量を調節するように、本実施例の２軸式ガスタービンの制御装置が構成されている。
ここで、入口案内翼（ＩＧＶ）１２を先に絞るように制御するのは、下記した理由による。即ち、蒸気弁７２を先に動作、あるいはＩＧＶ１２とほぼ同時に開弁動作させると、圧縮機１０の回転数の上昇が遅れ、蒸気弁７２を通じて燃焼器２０に流入する蒸気６２の蒸気流入増大によりサージマージンが過渡的に減少する恐れがあるため、図３の制御特性図に示したように、圧縮機１０の回転数の上昇を検知してから蒸気弁７２の開度を拡大するように操作している。
この結果、図３の制御特性図に示したように、サージマージンは、なだらかに増加するので、サージマージンが過渡的に減少する事態は回避できる。
これに対して、例えば、入口案内翼（ＩＧＶ）１２と同時に蒸気弁７２を開弁操作すると、図３の制御特性図に破線で示したように、蒸気弁７２の開度は増出力指令と同時に大きく開弁し、この蒸気弁７２を経て燃焼器２０に流入する流入蒸気６２の流量は蒸気弁７２の開度増加よりも少し遅れて増大するので、その結果、サージマージンは、破線で示したように、蒸気６２の蒸気流入増大によって過渡的に減少するという不具合が生じることになる。
そこで、本実施例の２軸式ガスタービンにおいては、図２のフローチャートで説明したように、圧縮機回転数上昇検知のステップ２０６で圧縮機１０の回転数の上昇を検知した後に、蒸気噴射指令のステップ２０７及び蒸気弁開度拡大のステップ２０８に進んで蒸気弁７２の弁開度を調節し、排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を蒸気系統６２ａに設けた蒸気弁７２を通じて燃焼器２０に供給する蒸気量を増大させるように制御しているので、サージマージンが蒸気６２の蒸気流入増大によって過渡的に減少するという不具合は回避することが可能となる。
即ち、前記制御装置に設置した前記演算器１００ａでは、前記燃焼器２０へ流入する蒸気量が前記圧縮機１０の吸い込む空気量の２〜３割となる状態で前記圧縮機１０の回転数が定格回転数の２％〜７％、望ましくは定格回転数の３％〜５％上昇させる。
前記圧縮機回転数上昇検知のステップ２０６では、燃焼器２０に流入する蒸気量の目標値に応じて圧縮機回転数の検知閾値を上げ、回転数が上昇したことを検知してから前記蒸気弁７２の開度を拡大するように制御する。
ところで、本実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいては、制御装置１００の演算器１００ａには、出力増指令時に操作される蒸気弁７２、入口案内翼（ＩＧＶ）１２、燃料弁７１の間で制御の優先順位が図４のフローチャートに示すように設定されている。
即ち、図４に示したフローチャートに記載されているように、制御装置１００に備えられた演算器１００ａには、図４に示したガスタービンに対する増出力指令のステップ２０１、圧縮機回転数上限を判断するステップ３０２、蒸気弁開度上限を判断するステップ３０３、ＩＧＶ開度下限を判断するステップ３０４、蒸気噴射量増加制御のステップ３０５、目標出力到達を判断するステップ３０６、及び制御を終了する終了のステップ３０７の各ステップが組み込まれている。
更に本実施例である蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンの制御装置１００の演算器１００ａでは、ガスタービンに対する増出力指令のステップ２０１に基づいて前記演算器１００ａの演算によって圧縮機１０の回転数が上昇するため、まずは圧縮機回転数上限を判断するステップ３０２に進む。
圧縮機回転数上限を判断するステップ３０２で圧縮機回転数が設定器１００ｂに設定した圧縮機回転数の上限値に達していないと判断されると、次に、蒸気弁開度上限を判断するステップ３０３に進む。
蒸気弁開度上限を判断するステップ３０３では、前記蒸気系統６２ａに設けた蒸気弁７２の開度を、排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を燃焼器２０に供給する蒸気系統６２ａに設けた流量計測器８１で計測した蒸気流量の計測値から演算するか、蒸気弁開度計測器８２からの測定信号を受信する等して確認する。
そして、蒸気弁開度上限を判断するステップ３０３で前記演算器１００ａの演算によって蒸気弁７２の開度が設定器１００ｂで設定した蒸気弁開度の上限値に達していないと判断すると、次に、ＩＧＶ開度下限を判断するステップ３０４に進む。
このＩＧＶ下限を判断するステップ３０４で圧縮機１０に導入する大気１の流量を調節する入口案内翼１２の開度が前記演算器１００ａの演算によって設定器１００ｂに設定したＩＧＶ開度下限値に達していないと判断されると、次に、蒸気噴射量増加制御のステップ３０５に進む。
そして、この蒸気噴射量増加制御のステップ３０５で前記演算器１００ａの演算に基づいて排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を燃焼器２０に供給する蒸気系統６２ａに設けた蒸気弁７２に対して開弁操作を行なって、図３の制御特性図に示したように蒸気弁７２の弁開度を徐々に開弁して、排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を燃焼器２０に供給する蒸気量を増加させていく。
そして、この蒸気噴射量増加制御のステップ３０５を行ないながらガスタービンの出力を増加させ、次の目標出力到達のステップ３０６に進む。
この目標出力到達のステップ３０６で前記演算器１００ａの演算に基づいてガスタービンの出力が設定器１００ｂに設定した目標出力に到達したと判断されると、次に、蒸気噴射量増加制御を終了する終了のステップ３０７に進んで、ガスタービンの蒸気弁７２の開度を開いて蒸気噴射量を増加する操作を終了する。
また、この目標出力到達のステップ３０６で、前記演算器１００ａの演算に基づいてガスタービンの出力が設定器１００ｂに設定した目標出力に到達していないと判断されると、前記増出力指令のステップ２０１に戻って、前記制御装置１００の演算器１００ａから新たにガスタービンに対する増出力を指令することになる。
ところで、図４に示した制御の優先順位を示すフローチャートにおいて、ガスタービンに対する増出力指令のステップ２０１に基づいて圧縮機１０の回転数が上昇する等により、前記演算器１００ａの演算によって圧縮機回転数上限を判断するステップ３０２で圧縮機回転数が上限に達したと判断すると、次に、ＩＧＶ開度上限を判断するステップ３０８に進む。
そして、このＩＧＶ開度上限を判断するステップ３０８で、前記演算器１００ａの演算によってＩＧＶ開度が上限に達したと判断すると、次に、増出力不可のステップ３１３に進んで、２軸式ガスタービンの増出力の操作をストップさせる。
また、ＩＧＶ開度上限を判断するステップ３０８で、前記演算器１００ａの演算によってＩＧＶ開度が上限に達していないと判断すると、次に、ＩＧＶ開指令のステップ３０９に進んで、前記演算器１００ａによる制御によって入口案内翼（ＩＧＶ）１２を開操作する。
そして、制御装置１００の演算器１００ａの演算では、前記蒸気弁開度上限を判断するステップ３０３及びＩＧＶ開度加減を判断するステップ３０４の判断結果に基づいて、蒸気弁開度上限を判断するステップ３０３で蒸気弁開度が上限に達したと判断された場合、あるいは、ＩＧＶ開度加減を判断するステップ３０４でＩＧＶ開度が上限に達したと判断された場合に、次のＧＴ排気温度上限を判断するステップ３１０に進む。
このＧＴ排気温度上限を判断するステップ３１０で、タービン排気系統８ａに設けられて、低圧タービン４０から排気されるタービン排気８の温度を計測する排気温度測定器８４で測定したＧＴ排気温度が、設定器１００ｂに設定されたＧＴ排気温度の上限値に達していると判断されると、前記ＩＧＶ開度上限を判断するステップ３０８に進み、ＩＧＶ開度が上限に達しているかを判断することになる。
また、このＧＴ排気温度上限を判断するステップ３１０で、排気温度測定器８４で測定したＧＴ排気温度が、設定器１００ｂに設定されたＧＴ排気温度の上限値に達していないと判断されると、次の燃料弁開指令のステップ３１１に進み、演算器１００ａの演算に基づいて燃料系統４ａに設けた燃料弁７１の開度を調節して燃焼器２０に供給する燃料流量を増加するように制御し、ガスタービンの出力を増加していく。
そして次に、ガスタービンの出力が目標出力到達を判断するステップ３１２に進み、このガスタービンの出力が目標出力到達を判断するステップ３１２で設定器１００ｂに設定されたガスタービンの目標出力に達していないと判断されると、前記増出力指令のステップ２０１に戻って、前記制御装置１００の演算器１００ａから新たにガスタービンに対する増出力を指令することになる。
そして、ガスタービンの出力が目標出力到達を判断するステップ３１２でガスタービンの出力が設定器１００ｂに設定されたガスタービンの目標出力に到達したと判断されると、終了のステップ３０７に進んで、ガスタービンの燃料弁７１を開操作する操作を終了する。
ところで、本実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいては、圧縮機回転数が大幅に低下すると、サージマージンを確保できなくなるので、蒸気系統６２ａに設けた蒸気弁７２の開弁によるガスタービンの燃焼器２０への蒸気６２の流入を止める必要がある。
この場合、蒸気弁７２を閉止しても蒸気系統６２ａに残留する蒸気６２の一部が燃焼器２０に流入してしまうので、蒸気系統６２ａから分岐した分岐配管７３ａに設置した蒸気逃がし弁７３を開いて蒸気系統６２ａを流下する蒸気６２の一部を、分岐配管７３ａを通じて系外に逃がして、燃焼器２０に流入する蒸気６２の流入量を低減させることが考えられる。
また、燃焼器２０に噴射する蒸気６２の蒸気流入量が急激に減少すると、燃焼器２０の燃空比が上昇して前記燃焼器２０で発生する燃焼ガス６の燃焼温度（排気温度）も上昇する。そのため、燃料系統４ａに設けた燃料弁７１によって燃焼器２０に供給する燃料４の流量を、前記燃料弁７１の開度を絞ることで減らし、燃焼器２０で発生する燃焼ガス６の温度が温度上限を超過する事態を回避させることが考えられる。
そこで、本実施例の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいては、圧縮機１０の回転数や蒸気流入量が大幅に低下する緊急事態が発生した場合に、圧縮機１０がサージに陥ることや排気温度の温度上限超過を回避するインターロックが、図５のフローチャートに示すように設定されている。
即ち、図５に示したフローチャートに記載されているように、制御装置１００に備えられた演算器１００ａには図５に示したガスタービンに対する蒸気噴射運転のステップ４０１、圧縮機回転数偏差大を判断するステップ４０２、蒸気流量偏差大を判断するステップ４０３、蒸気逃がし弁開指令のステップ４０４、蒸気弁閉指令のステップ４０５、及び燃料弁閉指令のステップ４０６の各ステップが組み込まれている。
そして本実施例である蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンの制御装置１００の演算器１００ａにおいては、図５に示したガスタービンに対する蒸気噴射運転のステップ４０１で、図２のフローチャートにおける蒸気噴射指令のステップ２０７及び蒸気弁開度拡大のステップ２０８で蒸気弁７２を開弁操作して図３の制御特性図に示したように排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気６２を燃焼器２０に供給する蒸気量を増加させる蒸気噴射運転を行う。
そして、蒸気噴射運転のステップ４０１で蒸気噴射運転を行っている際に、圧縮機１０の回転数が大幅に低下する緊急事態が発生した場合に、圧縮機１０がサージに陥ることを回避するインターロックとして、圧縮機１０の回転数が大幅に低下した場合に、圧縮機回転数偏差大（目標値−実測値＞閾値）を判断するステップ４０２に進み、回転数計測器８３で測定した圧縮機１０の回転数の実測値と制御装置１００の設定器１００ｂに設定した目標値との偏差が別途定めた閾値を超えて偏差大となったか否か、圧縮機回転数偏差大（目標値−実測値＞閾値）を判断する。
この圧縮機回転数偏差大を判断するステップ４０２において、圧縮機回転数偏差が（目標値−実測値＞閾値）で圧縮機回転数偏差大であると判断された場合には、次の蒸気逃がし弁開指令のステップ４０４に進み、蒸気系統６２ａから分岐した分岐配管７３ａに設置した蒸気逃がし弁７３を開いて蒸気系統６２ａを流下する蒸気６２の一部を、分岐配管７３ａを通じて系外に逃がして、燃焼器２０に流入する蒸気６２の流入量を低減させる。
次に、蒸気弁閉指令のステップ４０５に進み、蒸気系統６２ａに設けた蒸気弁７２を開弁して排熱回収ボイラで発生した蒸気６２が蒸気系統６２ａを通じてガスタービンの燃焼器２０に流入するのを止める。
そして、この蒸気弁閉指令のステップ４０５から、次に、燃料弁閉指令のステップ４０６に進んで、燃料系統４ａに設けた燃料弁７１の開度を絞って燃焼器２０に供給する燃料４の流量を減少させる。
即ち、燃焼器２０に噴射する蒸気６２の蒸気流入量が急激に減少すると、燃焼器２０の燃空比が上昇して前記燃焼器２０で発生する燃焼ガス６の燃焼温度（排気温度）も上昇するため、燃料弁閉指令のステップ４０６では、燃料系統４ａに設けた燃料弁７１によって燃焼器２０に供給する燃料４の流量を、前記燃料弁７１の開度を絞ることで、燃焼器２０で発生する燃焼ガス６の温度が温度上限を超過する事態を回避させる。
また、蒸気噴射運転のステップ４０１で蒸気噴射運転を行っている際に、燃焼器２０に噴射する蒸気６２の蒸気流入量が急激に減少すると、燃焼器２０の燃空比が上昇して前記燃焼器２０で発生する燃焼ガス６の燃焼温度（排気温度）が上昇するため、この燃焼器２０による燃焼ガス６の燃焼温度（排気温度）が上昇する緊急事態を回避するインターロックとして、圧縮機回転数偏差大を判断するステップ４０２において、圧縮機回転数偏差が（目標値−実測値≦閾値）で圧縮機回転数偏差大でないと判断された場合には、次の蒸気流量偏差大（推定値−実測値＞閾値）を判断するステップ４０３に進む。
そして、この蒸気流量偏差大（推定値−実測値＞閾値）を判断するステップ４０３で、蒸気流量偏差大が（推定値−実測値≦閾値）で蒸気流量偏差大でないと判断された場合には、前記蒸気噴射運転のステップ４０１に戻るフローとなる。
この蒸気流量偏差大（推定値−実測値＞閾値）を判断するステップ４０３で、蒸気６２の蒸気流量の推定値は蒸気弁７２の開度（と温度・圧力）から算出する。
そして、この蒸気流量偏差大（推定値−実測値＞閾値）を判断するステップ４０３で、蒸気流量偏差大が（推定値−実測値＞閾値）で蒸気流量偏差大であると判断された場合には、次に、燃料弁閉指令のステップ４０６に進んで、燃料系統４ａに設けた燃料弁７１の開度を絞って燃焼器２０に供給する燃料４の流量を減少させる。
即ち、燃焼器２０に噴射する蒸気６２の蒸気流入量が急激に減少すると、燃焼器２０の燃空比が上昇して前記燃焼器２０で発生する燃焼ガス６の燃焼温度（排気温度）も上昇するため、前述したように、この燃料弁閉指令のステップ４０６では、燃料系統４ａに設けた燃料弁７１によって燃焼器２０に供給する燃料４の流量を、前記燃料弁７１の開度を絞ることで、燃焼器２０で発生する燃焼ガス６の温度が温度上限を超過する事態を回避させる。
燃料弁７１の開度縮小量は燃料４の流量をΔfuel減らせる開度とする。ここで、Δfuel ＝蒸気流量最大時の最大出力における燃料流量−蒸気噴射無しの最大出力における燃料流量である。
上記した本実施例の蒸気噴射機構を有する２軸ガスタービンによれば、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射してタービンの出力を増加させる際に、蒸気噴射時の圧縮機のサージマージンを拡大させることを可能にした蒸気噴射機構を有する２軸ガスタービンを実現することができる。
１：空気、４：燃料、８：タービン排気、１０：圧縮機、１２：入口案内翼、１３：案内翼駆動装置、２０：燃焼器、３０：高圧タービン、４０：低圧タービン、５０：発電機、６０：排熱回収ボイラ、６２：蒸気、６２ａ：、７０：燃料弁、７２：蒸気弁、７３：蒸気逃がし弁、８１：流量計測器、８２：蒸気弁開度計測器、８３：回転数計測器、８４：排気温度計測器、８５：入口案内翼開度計測器、１００：制御装置、１００ａ：演算器、１００ｂ：設定器。

Claims (5)

  1. 導入する空気の流量を調節する入口案内翼を設置した圧縮機と、前記圧縮機に導入した空気を圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼し燃焼ガスを発生する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動する高圧タービン及び該高圧タービンの下流側に設置された低圧タービンとからなるタービンと、前記低圧タービンから排出された排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気系統と、前記燃焼器に燃料を供給する燃料系統に設置され該燃焼器に供給する燃料の流量を調節する燃料弁と、前記蒸気系統に設置され該蒸気系統を通じて排熱回収ボイラから燃焼器に供給する蒸気の流量を調節する蒸気弁と、前記タービンによって駆動される負荷を有し、前記高圧タービンは前記圧縮機を駆動し、前記低圧タービンは前記負荷を駆動するように構成され、前記高圧タービンと圧縮機を連結するタービン軸と、前記低圧タービンと負荷を連結する低圧タービン軸とを備えた蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、
    圧縮機の回転数を計測する回転数計測器と、圧縮機に設置した入口案内翼の開度を計測する入口案内翼開度計測器と、蒸気系統に設置された蒸気弁の開度を計測する蒸気弁開度計測器及び排熱回収ボイラで発生した蒸気を燃焼器に供給する蒸気の流量を計測する流量計測器のうちの少なくとも一方の計測器をそれぞれ有し、
    前記回転数計測器と、入口案内翼開度計測器と、蒸気弁開度計測器及び流量計測器のうちの少なくとも一方の計測器でそれぞれ計測した各計測信号とガスタービンに対する増出力指令値に基づいて、前記燃料弁、蒸気弁、及び入口案内翼の開度を操作する指令信号をそれぞれ演算して出力する制御装置を備え、
    前記制御装置には、圧縮機の回転数、排熱回収ボイラで発生した蒸気を燃焼器に供給する蒸気の流量、圧縮機に設置した入口案内翼の開度、及び蒸気系統に設置された蒸気弁の開度をそれぞれ設定する設定器と、
    前記回転数計測器、流量計測器、入口案内翼開度計測器、及び蒸気弁開度計測器でそれぞれ計測した各計測信号と、前記設定器で設定した各設定値及びガスタービンに対する増出力指令値に基づいて、前記燃料弁、蒸気弁、及び入口案内翼の開度を操作する指令信号をそれぞれ演算して出力する演算器が設置され、
    前記制御装置に設置した前記演算器では、前記圧縮機の回転数が上昇したことを検知してから蒸気弁の開度を拡大するように制御することを特徴とする蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービン。
  2. 請求項１に記載の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、前記制御装置に設置した前記演算器では、出力増指令時に、前記入口案内翼を開操作する場合は、前記蒸気弁、前記入口案内翼、前記燃料弁の順で開操作するように制御することを特徴とする蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービン。
  3. 請求項１に記載の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、前記制御装置に設置した前記演算器では、前記燃焼器へ流入する蒸気量が前記圧縮機の吸い込む空気量の２〜３割となる状態で、前記圧縮機の回転数が定格回転数の２％〜７％上昇したことを検知してから前記蒸気弁の開度を拡大するように制御することを特徴とする蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービン。
  4. 請求項３に記載の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、前記制御装置に設置した前記演算器では、前記燃焼器へ流入する蒸気量が前記圧縮機の吸い込む空気量の２〜３割となる状態で、前記圧縮機の回転数が定格回転数の３％〜５％上昇したことを検知してから前記蒸気弁の開度を拡大するように制御することを特徴とする蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービン。
  5. 請求項１に記載の蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービンにおいて、前記制御装置に設置した前記演算器では、蒸気噴射運転時に圧縮機回転数の目標値との偏差が大となった場合に、前記排熱回収ボイラから蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気系統から分岐した分岐系統に設けた蒸気逃がし弁を開操作した後に燃料弁を閉操作し、また、圧縮機回転数の目標値との偏差が小で、燃焼器に供給する蒸気流量の目標値との偏差が大となった場合に、燃料弁を閉操作するように制御することを特徴とする蒸気噴射機構を有する２軸式ガスタービン。
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