JP7388993B2 - ガスタービンの起動方法 - Google Patents

Description

本開示は、ガスタービンの起動方法に関する。

特許文献１には、ガスタービンの起動時からある回転数に達するまでは圧縮機のＩＧＶの開度を一定値に維持し、ある回転数に達したら回転数の上昇に比例してＩＧＶを開いていき、定格回転数の９５％の回転数に達したらＩＧＶの開度を、起動時における開度よりも大きい開度で一定に維持する動作が記載されている。

特開２０００－２９１４４９号公報

しかしながら、特にガスタービンの再起動時において、温まっている部品は、圧縮機へ吸気される空気によって冷却されるが、圧縮機の回転数が上昇し圧力比が高まっていくと、圧縮空気により部品が再加熱されるようになる。この際、静止側部品と回転側部品との熱容量の違いに起因して、このような冷却・再加熱の程度に違いが生じ、互いの伸び差に違いが生じるので、過度的にクリアランス最小点（ピンチポイント）が発生してしまうといった問題点があった。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、ガスタービンの起動時又は再起動時においてピンチポイントの発生を抑制できるガスタービンの起動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係るガスタービンの起動方法は、前記ガスタービンの負荷併入までに、前記ガスタービンの圧縮機に設けられるＩＧＶの開度を第１開度で維持する第１開度ステップと、前記第１開度ステップの後に、前記ＩＧＶの開度を、前記第１開度よりも大きい開度である第２開度に変更する第２開度ステップと、前記第２開度ステップの後に、前記ＩＧＶの開度を、前記第１開度よりも大きく前記第２開度よりも小さい開度である第３開度に変更する第３開度ステップとを行う。

本開示のガスタービンの起動方法によれば、ＩＧＶの開度を第１開度から第３開度に変更するまでの間に、ＩＧＶの開度を第３開度よりも大きい第２開度にすることにより、ＩＧＶの開度が第３開度である場合よりも吸気流量及び圧力比が高い状態となり、圧縮機のフローパスを通過する圧縮空気の温度が高い状態となるので、フローパスを構成する静止側部品及び回転側部品の起動時の冷却が緩和されるとともに再加熱が促進される。その結果、ピンチポイントの発生を抑制することができる。

本開示の一実施形態に係るガスタービンの構成模式図である。 本開示の一実施形態に係るガスタービンの起動時の各構成要件の状態変化を示すグラフ群である。 本開示の一実施形態に係るガスタービンの起動方法の変形例におけるＩＧＶの開度の経時変化を示すグラフである。

以下、本開示の実施の形態によるガスタービンの起動方法について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

＜本開示の一実施形態に係るガスタービンの構成＞
図１に示されるように、本開示の一実施形態にかかるガスタービン１は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器４と、燃焼器４に燃焼用空気としての圧縮空気を供給する圧縮機２と、この圧縮機２と共通の回転軸５を有し、燃焼器４によって生成された燃焼ガスによって駆動されるように構成されたタービン６とを備えている。回転軸５には、発電機７が連結されており、タービン６の出力によって発電機７が駆動されるように構成されている。発電機７は電力系統８に電気的に接続可能に構成されている。圧縮機２の入口には、吸気量を調整するための入口案内翼（ＩＧＶ）３Ａが設けられ、ＩＧＶ３Ａの開度はアクチュエータ３Ｂによって調節可能に構成されている。ＩＧＶ３Ａよりも下流には抽気弁９Ａが設けられ、抽気弁９Ａの開度はアクチュエータ９Ｂによって調節可能に構成されている。

＜本開示の一実施形態に係るガスタービンの起動方法＞
次に、ガスタービン１の起動方法を図１及び２を参照しながら説明する。以下の説明では、稼働中のガスタービン１を一旦停止させて、ガスタービン１の各部品が完全に冷却する前に起動する再起動を想定しているが、ガスタービン１の各部品が完全に冷却されている状態から起動する場合にも以下の説明が当てはまる。

ガスタービン１を起動すると、圧縮機２の回転数が上昇する（図２のグラフ（ａ）参照）。圧縮機２で発生した圧縮空気は、燃焼器４に供給されて燃料を燃焼し、燃焼ガスが発生する。燃焼ガスはタービン６に供給されてタービン６が駆動される。タービン６の回転による回転軸５の回転によって発電機７が駆動される。やがて定格回転数に達すると、ガスタービン１は無負荷定格速度運転の状態となる。この後、発電機７が電力系統８に併入される（負荷併入）。

図２のグラフ（ｂ）及び（ｃ）を参照すると、ガスタービン１の起動時は、アクチュエータ３Ｂ及び９Ｂはそれぞれ、ＩＧＶ３Ａ及び抽気弁９Ａの開度をそれぞれ第１開度Ｖ_{ＩＧＶ＿１}及びＶ_ＢＶ＿１に調整する（第１開度ステップ）。その後、アクチュエータ９Ｂは、ガスタービン１の自立運転が確立するタイミング（時間ｔ_１）で抽気弁９Ａの開度が第１の開度Ｖ_ＢＶ＿１よりも小さい第２開度Ｖ_ＢＶ＿２となるように調整する。一方、アクチュエータ３Ｂは、時間ｔ_１においてＩＧＶ３Ａの開度が第１開度Ｖ_{ＩＧＶ＿１}よりも大きい第２開度Ｖ_{ＩＧＶ＿２}に調整する（第２開度ステップ）。尚、ガスタービン１の自立運転の確立は通常、７０～８０％の回転数程度になる。

その後、時間ｔ_２においてガスタービン１が無負荷定格速度運転の状態となったら、時間ｔ_２の経過後、アクチュエータ３Ｂは、ＩＧＶ３Ａの開度を第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}に調整する（第３開度ステップ）。ここで、第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}は、第１開度Ｖ_{ＩＧＶ＿１}よりも大きく第２開度Ｖ_{ＩＧＶ＿２}よりも小さい開度である。一方、抽気弁９Ａの開度は第２開度Ｖ_ＢＶ＿２のままである。

図２のグラフ（ｄ）を参照すると、ガスタービン１の静止側部品及び回転側部品は起動時には、いずれも外気よりも高い温度になっているが、圧縮機２へ吸気される空気によってガスタービン１の静止側部品及び回転側部品のそれぞれが冷却されて温度が低下する。その後、圧縮機２の回転数が上昇し圧力比が高まっていくと、圧縮空気によりガスタービン１の静止側部品及び回転側部品が再加熱されるようになるので、温度が上昇するようになる。一般に、静止側部品及び回転側部品それぞれの熱容量が違うので、この違いに起因して、互いの伸び差に違いが生じる。その結果、静止側部品と回転側部品との間のクリアランスが変化する。このクリアランスの経時変化が図２のグラフ（ｅ）に示されている。

図２のグラフ（ｂ）には、時間ｔ_１においてＩＧＶ３Ａの開度を第２開度Ｖ_{ＩＧＶ＿２}ではなく第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}に変更してその開度を維持する動作が破線で描かれている。以下では、この動作を「比較動作」といい、図２のグラフ（ｂ）において実線で描かれている動作を「本開示動作」という。比較動作を行った場合のガスタービン１の静止側部品及び回転側部品それぞれの温度の経時変化が図２のグラフ（ｄ）に破線で描かれており、比較動作を行った場合のクリアランスの経時変化が図２のグラフ（ｅ）に破線で描かれている。

図２のグラフ（ｅ）を参照すると、本開示動作及び比較動作のいずれの場合も、時間ｔ_１まではクリアランスが低下する傾向を示すが、比較動作の場合には、時間ｔ_１を経過した後もクリアラスの低下傾向は続き、時間ｔ_２の直前（時間ｔ_３）あたりでクリアランスが上昇傾向に変化する。すなわち、比較動作の場合には、時間ｔ_３でピンチポイントが発生することになる。

これに対し、本開示動作では、時間ｔ_１を経過した後のクリアラスの低下傾向は比較動作に比べて緩やかであるか、或いは、クリアラスがほぼ一定の状態を維持した後、時間ｔ_３よりも早いタイミング（時間ｔ_４）でクリアランスが上昇傾向に変化する。すなわち、本開示動作では、比較動作の場合に比べて、ピンチポイントの発生が抑制されている。

本開示動作では、ＩＧＶ３Ａの開度を第１開度Ｖ_{ＩＧＶ＿１}から第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}に変更するまでの間に、ＩＧＶ３Ａの開度を第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}よりも大きい第２開度Ｖ_{ＩＧＶ＿２}にすることにより、ＩＧＶ３Ａの開度が第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}である場合よりも吸気流量及び圧力比が高い状態となる。これにより、圧縮機２の静止側部品及び回転側部品によって構成されたフローパスを通過する圧縮空気の温度が比較動作に比べて高い状態となるので、フローパスを構成する静止側部品及び回転側部品の起動時の冷却が緩和されるとともに再加熱が促進される。その結果、ピンチポイントの発生が抑制される。

ピンチポイントの発生を抑制する観点からは、ＩＧＶ３Ａの開度を第２開度Ｖ_{ＩＧＶ＿２}のままに維持し続けても構わないが、本開示動作では、時間ｔ_２の経過後にＩＧＶ３Ａの開度を第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}にしている。この理由は次の通りである。

無負荷運転中は、燃焼器４における燃焼温度が低いことから燃料の不完全燃焼が生じて、一酸化炭素等の好ましくない成分が発生する。このような好ましくない成分の発生を抑制するためや、無負荷運転中の燃料消費を抑えるためには、ＩＧＶ３Ａの開度は小さい方が好ましい。一方で、ピンチポイントの発生を抑制するためには、ＩＧＶ３Ａの開度は大きい方が好ましい。このため、本開示動作では、ピンチポイントが発生する可能性のあるタイミングで一時的にＩＧＶ３Ａの開度を大きく（第２開度Ｖ_{ＩＧＶ＿２}）し、ピンチポイントの心配がなくなったタイミングで、ＩＧＶ３Ａの開度をより小さい第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}にしている。

＜本開示の一実施形態に係るガスタービンの起動方法の変形例＞
ＩＧＶ３Ａの開度変化のタイミングは、図２のグラフ（ｂ）に示されるタイミングに限定するものではない。例えば、図３に示されるように、時間ｔ_２よりも前に第２開度Ｖ_{ＩＧＶ＿２}から第３開度Ｖ_{ＩＧＶ＿３}にしてもよい。すなわち、ガスタービン１の負荷併入までに、第１開度ステップから第３開度ステップを行うようにすればよい。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］一の態様に係るガスタービンの起動方法は、
前記ガスタービン（１）の負荷併入までに、
前記ＩＧＶ（３Ａ）の開度を第１開度で維持する第１開度ステップと、
前記第１開度ステップの後に、前記ＩＧＶ（３Ａ）の開度を、前記第１開度よりも大きい開度である第２開度に変更する第２開度ステップと、
前記第２開度ステップの後に、前記ＩＧＶ（３Ａ）の開度を、前記第１開度よりも大きく前記第２開度よりも小さい開度である第３開度に変更する第３開度ステップと
を行う。

本開示のガスタービンの起動方法によれば、ＩＧＶの開度を第１開度から第３開度に変更するまでの間に、ＩＧＶの開度を第３開度よりも大きい第２開度にすることにより、ＩＧＶの開度が第３開度である場合よりも吸気流量及び圧力比が高い状態となり、圧縮機のフローパスを通過する圧縮空気の温度が高い状態となるので、フローパスを構成する静止側部品及び回転側部品の起動時の冷却が緩和されるとともに再加熱が促進される。その結果、ピンチポイントの発生を抑制することができる。

［２］別の態様に係るガスタービンの起動方法は、［１］のガスタービンの起動方法であって、
前記第１開度ステップから前記第２開度ステップへの移行、及び、前記第２開度ステップから前記第３開度ステップへの移行はそれぞれ、前記圧縮機（２）の回転数に基づいて行う。

このような構成によれば、圧縮機の回転数に基づいてＩＶＧの開度調整を行うので、フローパスを構成する静止側部品及び回転側部品の起動時の冷却の緩和及び再加熱の促進をそれらの状態に応じて適切に行うことができる。

［３］さらに別の態様に係るガスタービンの起動方法は、［１］または［２］のガスタービンの起動方法であって、
前記ガスタービン（１）が無負荷定格速度運転になるまでに前記第２開度ステップに移行する。

このような構成によれば、ピンチポイントが発生しやすい状態のときにフローパスを構成する静止側部品及び回転側部品の起動時の冷却が緩和されるとともに再加熱が促進されるので、ピンチポイントの発生を抑制することができる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３Ａ ＩＧＶ
３Ｂ アクチュエータ
４ 燃焼器
５ 回転軸
６ タービン
７ 発電機
８ 電力系統
９Ａ 抽気弁
９Ｂ アクチュエータ

Claims (3)

1. ガスタービンの起動方法であって、
   前記ガスタービンの負荷併入までに、
   前記ガスタービンの圧縮機に設けられるＩＧＶの開度を第１開度で維持する第１開度ステップと、
   前記第１開度ステップの後に、前記ＩＧＶの開度を、前記第１開度よりも大きい開度である第２開度に変更する第２開度ステップと、
   前記第２開度ステップの後に、前記ＩＧＶの開度を、前記第１開度よりも大きく前記第２開度よりも小さい開度である第３開度に変更する第３開度ステップと
   を行うガスタービンの起動方法。
2. 前記第１開度ステップから前記第２開度ステップへの移行、及び、前記第２開度ステップから前記第３開度ステップへの移行はそれぞれ、前記圧縮機の回転数に基づいて行う、請求項１に記載のガスタービンの起動方法。
3. 前記ガスタービンが無負荷定格速度運転になるまでに前記第２開度ステップに移行する、請求項１または２に記載のガスタービンの起動方法。

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