JP7478597B2 - ガスタービンの制御装置および方法並びにガスタービン - Google Patents

Description

本開示は、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービンの制御装置およびガスタービンの制御方法、ガスタービンの制御装置を備えるガスタービンに関するものである。

ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンを備える。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮することで高温・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・高圧の燃焼ガスを生成する。タービンは、燃焼ガスにより駆動し、同軸上に連結された発電機を駆動する。

ガスタービンは、電力デマンド（出力目標値）に追従するように運転制御される。一方で、ガスタービンは、タービン入口や排気ダクトが高い燃焼温度に晒されており、損傷を防止するために排ガス温度が制約温度以下に維持されるように運転制御される。そのため、制御装置は、出力目標値が維持されるように燃料流量を制御し、各種温度が所望の温度になるように燃空比を制御、つまり、空気流量を調整する。制御装置は、燃料流量指令信号に基づいて燃料流量調整弁の開度を調整する。また、制御装置は、空気流量指令信号に基づいて入口案内翼（ＩＧＶ）の開度を調整する。

ところで、外気温度が低い状態でガスタービンを運転すると、ＩＧＶを流れる空気の温度が氷点下に下がり、空気中の湿分が氷結するおそれがあり、ガスタービンは、圧縮機に流入する空気の温度を上昇させるアンチアイシング機能が設けられる。アンチアイシング機能は、圧縮機で生成された高温の加圧空気の一部を抽気経路により空気取入口に導くことで、空気取入口の氷結を防止する。また、アンチアイシング機能によりタービン入口温度を維持することで、燃焼振動の発生を抑制したり、排ガス性状を改善したりすることができる。

しかし、アンチアイシングの動作時に、圧縮機で生成された加圧空気の一部を抽気すると、燃焼器における燃焼用の加圧空気が減少するため、排ガス温度が上昇する。排ガス温度が上昇すると、制約温度に到達してしまい、制御装置は、規定のガバナ制御の負荷（出力）変化レートでの出力を上昇させることが困難になる。そこで、温度制約の観点から、低温である低負荷領域（例えば、負荷０～７０％）では、アンチアイシング機能を全開とし、高温になる高負荷領域（例えば、負荷８０～１００％）では、アンチアイシング機能を停止させている。このような技術としては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。

特開２０１３－２０９９１７号公報 国際公開第２０１７／０５１７６６号

上述したように、制御装置は、排ガス温度が制約温度に到達しないように、ＩＧＶの開度を大きくして空気流量を増加し、排ガス温度を制御する。しかし、ＩＧＶの開度に対する開度上限値が設けられている。すなわち、ＩＧＶの開度を大きくすることで、空気流量を必要以上に増加すると、圧縮機の仕事量が増加し、発電効率が低下してしまう。そのため、高負荷領域では、開度上限値によりＩＧＶの開度を大きくすることができず、排ガス温度が制約温度の近傍で高止まりしてしまう。従来、圧縮機入口温度が自然に大気温度まで低下するにつれて出力が増加するのを待っており、規定の負荷変化レートで出力を上昇させることが困難であるという課題がある。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、定格出力までの上昇時間を短縮することで発電効率の向上を図るガスタービンの制御装置および方法並びにガスタービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示のガスタービンの制御装置は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記圧縮機の入口に設けられて前記圧縮機に流入する空気流量を調整する入口案内翼と、前記圧縮機で加圧された圧縮空気の一部を前記圧縮機の入口に戻す抽気ラインと、前記抽気ラインに設けられる開閉弁と、を備えるガスタービンにおいて、前記ガスタービンの出力上昇時に前記開閉弁の弁開度指令値と圧縮機入口温度に基づいて、前記ガスタービンが所定の性能を満たすように予め設定された前記入口案内翼の最大値制限値を補正する。

本開示のガスタービンの制御方法は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記圧縮機の入口に設けられて前記圧縮機に流入する空気流量を調整する入口案内翼と、前記圧縮機で加圧された圧縮空気の一部を前記圧縮機の入口に戻す抽気ラインと、前記抽気ラインに設けられる開閉弁と、を備えるガスタービンにおいて、前記ガスタービンの出力上昇時に前記開閉弁の弁開度指令値と圧縮機入口温度に基づいて、前記ガスタービンが所定の性能を満たすように予め設定された前記入口案内翼の最大値制限値を補正する。

本開示のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記圧縮機の入口に設けられて前記圧縮機に流入する空気流量を調整する入口案内翼と、前記圧縮機で加圧された圧縮空気の一部を前記圧縮機の入口に戻す抽気ラインと、前記抽気ラインに設けられる開閉弁と、前記入口案内翼および前記開閉弁を制御する前記ガスタービンの制御装置と、を備える。

本開示のガスタービンの制御装置および方法並びにガスタービンによれば、定格出力までの上昇時間を短縮することで発電効率の向上を図ることができる。

図１は、第１実施形態のガスタービンを表す概略構成図である。 図２は、第１実施形態のガスタービンの制御装置によるＩＧＶ最大値制限値の補正処理の流れを表す概略図である。 図３は、ＡＩ弁開度指令値に対する整定時の温度差を表すグラフである。 図４は、温度増加量に対する最大出力差を表すグラフである。 図５は、最大出力差に対するＩＧＶ制限補正量を表すグラフである。 図６は、圧縮機入口温度に対する最大出力を表すグラフである。 図７は、第１実施形態のガスタービンの制御装置によるＩＧＶ最大値制限値の補正処理を表すフローチャートである。 図８は、第１実施形態のガスタービンの制御装置によるＩＧＶ最大値制限値の補正処理を実施したときの各データの変動を表すグラフである。 図９は、第２実施形態のガスタービンの制御装置による排ガスおよびブレードパス制約温度の補正処理の流れを表す概略図である。 図１０は、車室圧力に対する排ガス制約温度を表すグラフである。 図１１は、ＩＧＶ制限補正量に対する排ガス制約温度補正量を表すグラフである。 図１２は、第２実施形態のガスタービンの制御装置による排ガスおよびブレードパス制約温度の補正処理を表すフローチャートである。 図１３は、第２実施形態のガスタービンの制御装置による排ガスおよびブレードパス制約温度の補正処理を実施したときの各データの変動を表すグラフである。

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

［第１実施形態］
＜ガスタービン＞
図１は、第１実施形態のガスタービンを表す概略構成図である。

第１実施形態において、図１に示すように、ガスタービン１０は、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３と、制御装置１４とを備える。

圧縮機１１とタービン１３は、回転軸２１により一体回転可能に連結され、回転軸２１に発電機２２が連結される。圧縮機１１は、ダクト２３が連結される。圧縮機１１は、ダクト２３側に空気Ａを取り込む空気取入口２４が設けられ、車室内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２５が配置される。入口案内翼２５は、ＩＧＶ駆動部２６により駆動され、圧縮機１１に吸入される空気流量を調整可能である。また、圧縮機１１は、図示しないが、車室内に複数の静翼および動翼が配置される。圧縮機１１は、ダクト２３から空気取入口２４を通して空気Ａを取り込む。圧縮機１１は、取り込んだ空気Ａを静翼および回転する動翼により圧縮する。

燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された高温・高圧の圧縮空気ＣＡが供給される。燃焼器１２は、圧縮空気ＣＡに対して燃料Ｆを供給して燃焼させることで、燃焼ガスＣＧを生成する。燃焼器１２は、メイン燃料供給ラインＬ１と、パイロット燃料供給ラインＬ２と、トップハット燃料供給ラインＬ３が連結される。メイン燃料供給ラインＬ１は、圧力調整弁２７と流量調整弁２８が直列に配置される。パイロット燃料供給ラインＬ２は、圧力調整弁２９と流量調整弁３０が直列に配置される。トップハット燃料供給ラインＬ３は、圧力調整弁３１と流量調整弁３２が直列に配置される。流量調整弁２８，３０，３２の開度を調整することで、メイン燃料供給ラインＬ１とパイロット燃料供給ラインＬ２とトップハット燃料供給ラインＬ３とから燃焼器１２に供給される燃料の比率が調整される。

タービン１３は、燃焼器１２から燃焼ガス燃焼ガスＣＧが供給される。タービンは、供給された燃焼ガスＣＧにより回転駆動する。タービン１３は、図示しないが、車室内に複数の静翼および動翼が配置される。タービン１３は、燃焼ガスＣＧが静翼および動翼を通過することで回転軸２１を回転圧縮する。発電機２２は、タービン１３から回転軸２１を介して伝達される回転力により駆動し、発電を行う。タービン１３は、駆動した後に排ガスＥＧを排出する。

また、圧縮機１１は、抽気ラインＬ４と冷却ラインＬ５が設けられる。抽気ラインＬ４は、一端部が圧縮機１１の車室に接続され、他端部がダクト２３に連結される。抽気ラインＬ４は、圧縮機１１で加圧された圧縮空気ＣＡの一部を抽気し、圧縮機１１の上流側のダクト２３に戻す。抽気ラインＬ４は、ＡＩ（アンチアイシング）供給弁３３とＡＩ（アンチアイシング）温度調整弁３４が直列に配置される。抽気ラインＬ４とＡＩ供給弁３３とＡＩ温度調整弁３４とによりアンチアイシング装置が構成される。ＡＩ供給弁３３は、遮断弁であって、圧縮機１１から抽気ラインＬ４を通してダクト２３に戻される圧縮空気ＣＡの流れを遮断する。ＡＩ温度調整弁３４は、流量調整弁であって、圧縮機１１から抽気ラインＬ４を通してダクト２３に戻される圧縮空気ＣＡの流量を調整する。

冷却ラインＬ５は、一端部が抽気ラインＬ４におけるＡＩ供給弁３３より車室側に連結され、他端部がタービン１３に連結される。冷却ラインＬ５は、圧縮機１１で加圧された圧縮空気ＣＡの一部をタービン１３に供給することで、タービン１３の静翼などを冷却する。冷却ラインＬ５は、流量調整弁３５とＴＣＡクーラ３６が直列に配置される。

圧縮機１１は、ダクト２３の内部に温度センサ３７が設けられる。温度センサ３７は、外部からダクト２３に流入する空気Ａと、圧縮機１１から抽気ラインＬ４を通して戻される圧縮空気ＣＡとの混合気（以下では、空気Ａと称する。）の温度を検出する。温度センサ３７は、検出した空気Ａの温度を圧縮機入口温度Ｔｉとして出力する。圧縮機１１は、ダクト２３の外部に温度センサ３８が設けられる。温度センサ３８は、外部の空気（大気）の温度を検出し、大気温度Ｔａとして出力する。発電機２２は、発電機出力検出器３９が設けられる。発電機出力検出器３９は、ガスタービン１０の負荷を検出し、検出値を負荷値として出力する。また、タービン１３は、排ガスラインに温度センサ４０，４１が設けられる。温度センサ４０は、タービン１３の排ガスＥＧの流れ方向の下流側に設けられる最終段のブレードを通過した排ガス（ブレードパス）の温度を計測する。温度センサ４１は、温度センサ４０より下流側に設けられ、排ガスＥＧの温度を計測する。

制御装置１４は、ＩＧＶ駆動部２６、圧力調整弁２７，２９，３１、流量調整弁２８，３０，３２、ＡＩ供給弁３３、ＡＩ温度調整弁３４、流量調整弁３５を駆動制御可能である。すなわち、制御装置１４は、入口案内翼２５、圧力調整弁２７，２９，３１、流量調整弁２８，３０，３２、ＡＩ供給弁３３、ＡＩ温度調整弁３４、流量調整弁３５の開度を調整可能である。また、制御装置１４は、温度センサ３７，３８，４０，４１、発電機出力検出器３９の検出結果が入力される。

制御装置１４は、発電機出力検出器３９が検出した出力Ｗが目標出力Ｗｔに到達するように、圧力調整弁２７，２９，３１および流量調整弁２８，３０，３２の開度を制御すると共に、ＩＧＶ駆動部２６により入口案内翼２５の開度を制御する。このとき、制御装置１４は、温度センサ４０，４１が検出したブレードパス温度Ｔｅ１および排ガス温度Ｔｅが予め設定されたブレードパス制約温度ＴｅＬ１および排ガス制約温度ＴｅＬ以下に維持されるように入口案内翼２５の開度を制御する。

また、ガスタービン１０は、アンチアイシング装置を有する。制御装置１４は、温度センサ３７，３８が検出した圧縮機１１に取り込まれる空気Ａの圧縮機入口温度Ｔｉおよび大気温度Ｔａに基づいてＡＩ温度調整弁３４および流量調整弁３５の開度を制御する。このとき、制御装置１４は、低温である低負荷領域（例えば、負荷０～７０％）では、ＡＩ温度調整弁３４および流量調整弁３５の開度を全開とし、高温である高負荷領域（例えば、負荷８０～１００％）では、ＡＩ温度調整弁３４の開度を減少、または、全閉にする。

ところで、制御装置１４は、ブレードパス温度Ｔｅ１および排ガス温度Ｔｅがブレードパス制約温度ＴｅＬ１および排ガス制約温度ＴｅＬ以下に維持されるように入口案内翼２５の開度を調整することで、ブレードパス温度Ｔｅ１および排ガス温度Ｔｅを制御している。一方で、入口案内翼２５の開度を大きくして空気流量を必要以上に増加させると、圧縮機１１の仕事量が増加し、発電効率が低下するため、入口案内翼２５の最大開度を制限するＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬが設定されている。そのため、高負荷領域では、入口案内翼２５の開度をＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬより大きくすることができず、ブレードパス温度Ｔｅ１および排ガス温度Ｔｅが高止まりしてしまう。

そこで、第１実施形態のガスタービンの制御装置は、ガスタービン１０の高負荷領域にて、ＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬを一時的に増加補正することで、入口案内翼２５の開度を大きくして空気流量を増加させ、ブレードパス温度Ｔｅ１および排ガス温度Ｔｅの高止まりを抑制する。

図２は、第１実施形態のガスタービンの制御装置によるＩＧＶ最大値制限値の補正処理の流れを表す概略図、図３は、ＡＩ弁開度指令値に対する整定時の温度差を表すグラフ、図４は、温度増加量に対する最大出力差を表すグラフで、図５は、最大出力差に対するＩＧＶ制限補正量を表すグラフ、図６は、圧縮機入口温度に対する最大出力を表すグラフである。

第１実施形態において、図１および図２に示すように、制御装置１４は、ガスタービン１０の出力上昇時（高負荷領域）に、ＡＩ温度調整弁（開閉弁）３４のＡＩ弁開度指令値Ｓａと圧縮機入口温度Ｔｉに基づいて、ガスタービン１０が所定の性能を満たすように入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬを補正する。詳細に説明すると、ＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬは、ガスタービン１０の発電効率などに基づいて設定される。相関テーブル５１は、ＡＩ温度調整弁３４のＡＩ弁開度指令値Ｓａに応じて整定時における圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓを算出するものである。すなわち、図３に示すように、相関テーブル５１は、入力されるＡＩ温度調整弁３４のＡＩ弁開度指令値Ｓａに対して出力される整定時における圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓの増加関数である。

図１および図２に示すように、演算器５２は、現在における圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒと、整定時における圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒ－Ｔ（ｉ－ａ）ｓを算出するものである。相関テーブル５３は、温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒ－Ｔ（ｉ－ａ）ｓに基づいてガスタービン１０の現在の最大出力Ｗｒと整定時の最大出力Ｗｓとの最大出力差Ｗｓ－Ｗｒを算出するものである。すなわち、図４に示すように、相関テーブル５３は、入力される温度差（温度増加量）Ｔ（ｉ－ａ）ｒ－Ｔ（ｉ－ａ）ｓに対して出力される最大出力差Ｗｓ－Ｗｒの増加関数である。なお、ここで、温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒ－Ｔ（ｉ－ａ）ｓは、温度増加量であって、０より大きいとき、すなわち、現在の温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒが整定時の温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓより高いときだけ、最大出力差Ｗｓ－Ｗｒを出力する。

図６に示すように、圧縮機入口温度Ｔｉの上昇に対して、ガスタービン１０の最大出力Ｗが減少する傾向にある。そして、整定時の圧縮機入口温度Ｔｉｓに対して現在の圧縮機入口温度Ｔｉｒが高く、整定時の最大出力Ｗｓに対して現在の最大出力Ｗｒが低い傾向にある。このような圧縮機入口温度Ｔｉとガスタービン１０の最大出力Ｗとの関係から、相関テーブル５３の増加関数が導き出される。

図１および図２に示すように、相関テーブル５４は、最大出力差Ｗｓ－Ｗｒに基づいてＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃを算出するものである。すなわち、図５に示すように、相関テーブル５４は、入力される最大出力差Ｗｓ－Ｗｒに対して出力されるＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃの増加関数である。なお、ここで、最大出力差Ｗｓ－Ｗｒが０より大きいとき、すなわち、現在の最大出力Ｗｒが整定時の最大出力Ｗｓより高いときだけ、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃを出力する。図１および図２に示すように、演算器５５は、入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬにＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃを加算することで、ＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬを補正するものである。

なお、制御装置１４が入口案内翼２５にＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉを出力したり、ＡＩ温度調整弁３４にＡＩ弁開度指令値Ｓａを出力したりするとき、温度の伝達遅れが発生する。相関テーブル５１にて、整定時における圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓとは、熱平衡状態に達して、時間変化に寄らずに温度一定時の圧縮機入口温度Ｔｉを用いて算出した温度差である。すなわち、整定時の温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓは、設計データに基づいて算出される。

以下、制御装置１４によるＩＧＶ最大値制限値の補正処理の制御について説明する。図７は、第１実施形態のガスタービンの制御装置によるＩＧＶ最大値制限値の補正処理を表すフローチャート、図８は、第１実施形態のガスタービンの制御装置によるＩＧＶ最大値制限値の補正処理を実施したときの各データの変動を表すグラフである。

図１および図７に示すように、ステップＳ１１にて、制御装置１４は、温度センサ３７，３８から現在の圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａを取得する。ステップＳ１２にて、制御装置１４は、現在における圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒを算出する。ステップＳ１３にて、制御装置１４は、ＡＩ温度調整弁３４のＡＩ弁開度指令値Ｓａに基づいて整定時の圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓを算出（相関テーブル５１）する。

ステップＳ１４にて、制御装置１４は、現在の温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒと整定時の温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒ－Ｔ（ｉ－ａ）ｓに基づいて、ガスタービン１０の現在の最大出力Ｗｒと整定時の最大出力Ｗｓとの最大出力差Ｗｓ－Ｗｒを算出（演算器５２、相関テーブル５３）する。ステップＳ１５にて、制御装置１４は、最大出力差Ｗｓ－Ｗｒに基づいてＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃを算出（相関テーブル５４）する。ステップＳ１５にて、制御装置１４は、入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬにＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃを加算（演算器５５）することで、ＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬを補正する。

図１および図８に示すように、制御装置１４は、目標出力Ｗｔに基づいて圧力調整弁２７，２９，３１および流量調整弁２８，３０，３２の開度を制御して燃焼器１２に供給される燃料流量を調整すると共に、入口案内翼２５の開度を制御して圧縮機１１に取り込まれる空気流量を調整する。制御装置１４は、ガスタービン１０が高負荷領域で定格負荷まで出力を上昇させるとき、燃料流量（燃料流量指令値Ｓｆ）を増加させると共に、空気流量（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）を増加させる。一方、圧縮機入口温度Ｔｉが上昇することから、流量調整弁３５の開度を全閉とし、抽気流量（ＡＩ弁開度指令値Ｓａ）を減少させる。

このとき、図８に点線で表す従来の制御では、入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬが所定値に設定されていることから、入口案内翼２５の開度（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）を大きくすることができず、排ガス温度Ｔｅが排ガス制約温度ＴｅＬに近い温度になる。すると、燃料流量（燃料流量指令値Ｓｆ）を増加させることができず、圧縮機入口温度Ｔｉの低下を待つこととなり、出力Ｗが目標出力Ｗｔに到達するまでに所定の時間を要してしまう。

一方、図８に実線で表す第１実施形態の制御では、入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬが増加側に補正されることから、入口案内翼２５の開度（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）を大きくすることができ、排ガス制約温度ＴｅＬが若干低下すると共に、排ガス温度Ｔｅが排ガス制約温度ＴｅＬから離れた温度まで低下する。すると、燃料流量（燃料流量指令値Ｓｆ）を増加させることができ、出力Ｗを負荷変化レートで早期に目標出力Ｗｔに到達させることができる。

［第２実施形態］
図９は、第２実施形態のガスタービンの制御装置による排ガスおよびブレードパス制約温度の補正処理の流れを表す概略図、図１０は、車室圧力に対する排ガス制約温度を表すグラフ、図１１は、ＩＧＶ制限補正量に対する排ガス制約温度補正量を表すグラフである。なお、第２実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第１実施形態の制御のように、ガスタービン１０の高負荷領域での出力上昇時に、開度が減少されるＡＩ温度調整弁３４のＡＩ弁開度指令値Ｓａと圧縮機入口温度Ｔｉに基づいて入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬが増加するように補正すると、入口案内翼２５の開度（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）が大きくなり、排ガス制約温度ＴｅＬの制約を受けずに、出力Ｗを上昇させることができる。一方で、入口案内翼２５の開度（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）が大きくなると、圧縮機１１から排出される空気量に対して流入量が増加することで、圧縮機車室の圧力が上昇し、排ガス制約温度ＴｅＬが低下する。このとき、温度の伝達遅れが発生するため、排ガス温度Ｔｅが排ガス制約温度ＴｅＬの制約を受け、出力Ｗを規定の負荷変化レートで上げることが困難となる。

そこで、第２実施形態のガスタービンの制御装置は、ガスタービン１０の高負荷領域にて、ＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬを増加補正したとき、排ガス制約温度ＴｅＬも一時的に増加補正することで、出力Ｗを規定の負荷変化レートで上げることができるようにする。

第２実施形態において、図１および図９に示すように、制御装置１４は、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃに応じたタービン１３の排ガス制約温度ＴｅＬの低下量に基づいて、ガスタービン１０が所定の性能を満たすように予め設定された排ガス制約温度ＴｅＬを補正する。詳細に説明すると、タービン１３の排ガス制約温度ＴｅＬおよびブレードパス制約温度ＴｅＬ１は、圧縮機１１の車室圧力などに基づいて設定される。相関テーブル６１は、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃに応じて排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃ（または、ブレードパス制約温度補正量ＴｅＬ１ｃ）を算出するものである。

すなわち、図１０に示すように、車室圧力に対して、排気ダクト温度制約ＴｄＬとタービン入口温度制約ＴｔＬからなる排ガス制約温度ＴｅＬ（ブレードパス制約温度ＴｅＬ１）が設定される。排気ダクト温度制約ＴｄＬは、車室圧力の増加に対して一定であるが、タービン入口温度制約ＴｔＬは、車室圧力の増加に伴って低下する。ここで、車室圧力と排ガス制約温度ＴｅＬとの関係が地点ａから地点ｂに移行したとき、つまり、車室圧力が上昇したとき、排ガス制約温度ＴｅＬ（タービン入口温度制約ＴｔＬ）が低下するが、実際の排ガス温度Ｔｅは、温度の伝達遅れにより排ガス制約温度ＴｅＬを超え、出力Ｗを規定の負荷変化レートで上げることができない。

そのため、相関テーブル６１にて、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃに基づいてタービン１３の排ガス制約温度ＴｅＬの低下量、つまり、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを算出する。すなわち、図１１に示すように、相関テーブル６１は、入力されるＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃに対して出力される排ガス制約温度補正量（排ガス制約温度ＴｅＬの低下量）ＴｅＬｃの増加関数である。なお、ここで、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃが０より大きいときだけ、排ガス制約温度補正量（排ガス制約温度ＴｅＬの低下量）ＴｅＬｃを出力する。

図１および図９に示すように、演算器６２は、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃに基づいて排ガス制約温度ＴｅＬを補正する期間Ｐを算出する。演算器６２は、タイムディレイワイプアウトであって、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃが０より大きくなると、期間Ｐの間だけ無効（０）に代えて有効（１）を出力する。ここで、期間Ｐは、あくまでも温度応答遅れ分を補償するものであり、排ガス制約温度Ｔｅを超えるような事態を避けるため、温度遅れ（実温度そのものの遅れと計器遅れ）が追い付くまで時間（例えば、３０秒～１分）である。スイッチ６３は、演算器６２から有効（１）が入力されると、期間Ｐの間だけ、相関テーブル６１から出力された排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを出力する。レートリミッタ６４は、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃに対してレートをかけた値を出力する。このとき、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを増加する場合は、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃに無限大∞をかけて出力、つまり、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃをそのまま出力する。一方、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを減少する場合は、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃに所定のレートＲ（減少率０＜Ｒ＜１）をかけて出力、つまり、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃが０になったとき、瞬時に０を出力するのではなく、時間をかけて徐々に０まで下げて排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを出力する。

演算器６５は、排ガス制約温度ＴｅＬに排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを加算することで、排ガス制約温度ＴｅＬを補正するものである。また、演算器６６は、ブレードパス制約温度ＴｅＬ１に排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを加算することで、ブレードパス制約温度ＴｅＬ１を補正するものである。

以下、制御装置１４による排ガス制約温度の補正処理の制御について説明する。図１２は、第２実施形態のガスタービンの制御装置による排ガスおよびブレードパス制約温度の補正処理を表すフローチャート、図１３は、第２実施形態のガスタービンの制御装置による排ガスおよびブレードパス制約温度の補正処理を実施したときの各データの変動を表すグラフである。

図１および図１２に示すように、ステップＳ２１にて、制御装置１４は、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃを取得する。ステップＳ２２にて、制御装置１４は、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃに基づいて排ガス制約温度ＴｅＬの低下量を算出する。ステップＳ２３にて、制御装置１４は、ＩＧＶ制限補正量ＳｉＬｃに基づいて排ガス制約温度ＴｅＬが有効となる期間Ｐを設定する。ステップＳ２４にて、制御装置１４は、期間Ｐの間だけ排ガス制約温度ＴｅＬの低下量を出力する。

ステップＳ２５にて、制御装置１４は、排ガス制約温度ＴｅＬの低下量が増加しているかどうかを判定する。ここで、排ガス制約温度ＴｅＬの低下量が増加していると判定（Ｙｅｓ）されると、ステップＳ２７に移行する。すなわち、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを増加する場合は、排ガス制約温度ＴｅＬの低下量をそのまま出力する。一方、排ガス制約温度ＴｅＬの低下量が低下していると判定（Ｎｏ）されると、ステップＳ２６に移行する。ステップＳ２６にて、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを減少する場合は、排ガス制約温度ＴｅＬの低下量を所定のレートＲで出力する。

そして、ステップＳ２７にて、制御装置１４は、排ガス制約温度ＴｅＬの低下量またはレートＲがかかった排ガス制約温度ＴｅＬの低下量を排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃとし、排ガス制約温度ＴｅＬに排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを加算して排ガス制約温度ＴｅＬを補正する。ステップＳ２８にて、制御装置１４は、ブレードパス制約温度ＴｅＬ１に排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを加算してブレードパス制約温度ＴｅＬ１を補正する。

図１および図１３に示すように、制御装置１４は、目標出力Ｗｔに基づいて圧力調整弁２７，２９，３１および流量調整弁２８，３０，３２の開度を制御して燃焼器１２に供給される燃料流量を調整すると共に、入口案内翼２５の開度を制御して圧縮機１１に取り込まれる空気流量を調整する。制御装置１４は、ガスタービン１０が高負荷領域で定格負荷まで出力を上昇させるとき、燃料流量（燃料流量指令値Ｓｆ）を増加させると共に、空気流量（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）を増加させる。一方、圧縮機入口温度Ｔｉが上昇することから、流量調整弁３５の開度を全閉とし、抽気流量（ＡＩ弁開度指令値Ｓａ）を減少させる。

このとき、図１３に点線で表す第１実施形態の制御では、ＩＧＶ制限補正量ＴｉＬｃによるＩＧＶ開度の増加により、排ガス温度Ｔｅとブレードパス温度Ｔｅ１が下がるだけでなく、排ガス制約温度ＴｅＬとブレードパス制約温度ＴｅＬ１も下がることから、排ガス温度Ｔｅが排ガス制約温度ＴｅＬに近い温度になると共に、ブレードパス温度Ｔｅ１がブレードパス制約温度ＴｅＬ１に近い温度になる。すると、排ガス温度Ｔｅとブレードパス温度Ｔｅ１が排ガス制約温度ＴｅＬとブレードパス制約温度ＴｅＬ１の制約を受け、出力Ｗを規定の負荷変化レートで上げることが困難となる。

一方、図１３に実線で表す第２実施形態の制御では、入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＳｉＬが増加側に補正されることから、入口案内翼２５の開度（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）を大きくすることができ、排ガス制約温度ＴｅＬの低下を抑制することで、排ガス温度Ｔｅが排ガス制約温度ＴｅＬから離れた温度まで低下する。また、ブレードパス制約温度ＴｅＬ１の低下を抑制することで、ブレードパス温度Ｔｅ１がブレードパス制約温度ＴｅＬ１から離れた温度まで低下する。すると、燃料流量（燃料流量指令値Ｓｆ）を増加させることができ、出力Ｗを負荷変化レートで早期に目標出力Ｗｔに到達させることができる。

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係るガスタービンの制御装置は、空気Ａを圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１が圧縮した圧縮空気ＣＡと燃料Ｆを混合して燃焼する燃焼器１２と、燃焼器１２が生成した燃焼ガスＣＧにより回転動力を得るタービン１３と、圧縮機１１の入口に設けられて圧縮機１１に流入する空気流量を調整する入口案内翼２５と、圧縮機１１で加圧された圧縮空気ＣＡの一部を圧縮機１１の入口に戻す抽気ラインＬ４と、抽気ラインＬ４に設けられるＡＩ温度調整弁（開閉弁）３４とを備えるガスタービン１０において、ガスタービン１０の出力上昇時にＡＩ温度調整弁のＡＩ弁開度指令値と圧縮機入口温度Ｔｉに基づいて、ガスタービン１０が所定の性能を満たすように予め設定された入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを補正する。

第１の態様に係るガスタービンの制御装置は、ガスタービン１０の出力上昇時に、ＡＩ温度調整弁のＡＩ弁開度指令値と圧縮機入口温度Ｔｉに基づいて入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを増加する側に補正する。そのため、入口案内翼２５の開度（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）を大きくすることができ、排ガス温度Ｔｅが排ガス制約温度ＴｅＬに対して低下することとなり、燃料流量（燃料流量指令値Ｓｆ）を増加させて出力Ｗを負荷変化レートに合わせて目標出力Ｗｔに到達させることができる。その結果、ガスタービン１０の定格出力までの上昇時間を短縮することで発電効率の向上を図ることができる。

第２の態様に係るガスタービンの制御装置は、現在の圧縮機入口温度Ｔｉと、ＡＩ温度調整弁３４のＡＩ弁開度指令値Ｓａに応じた整定時の圧縮機入口温度Ｔｉとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒ－Ｔ（ｉ－ａ）ｓに基づいてＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを補正する。これにより、現在と整定時との圧縮機入口温度Ｔｉの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒ－Ｔ（ｉ－ａ）ｓに基づいてＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを補正することから、ＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを高精度に補正することができる。

第３の態様に係るガスタービンの制御装置は、温度差に基づいて現在の最大出力Ｗｒと整定時の最大出力Ｗｓとの最大出力差Ｗｓ－Ｗｒを算出し、最大出力差Ｗｓ－Ｗｒに基づいてＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを補正する。これにより、現在と整定時との最大出力差Ｗｓ－Ｗｒに基づいてＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを補正することから、ＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを高精度に補正することができる。

第４の態様に係るガスタービンの制御装置は、ＡＩ温度調整弁３４のＡＩ弁開度指令値Ｓａと圧縮機入口温度Ｔｉに基づいて入口案内翼２５のＩＧＶ制限補正量ＴｉＬｃを算出し、ＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬにＩＧＶ制限補正量ＴｉＬｃを加算して補正する。これにより、容易にＩＧＶ制限補正量ＴｉＬｃを増加側に補正することができる。

第５の態様に係るガスタービンの制御装置は、ＩＧＶ制限補正量ＴｉＬｃに応じたタービン１３の排ガス制約温度ＴｅＬの低下量に基づいて排ガス制約温度ＴｅＬを補正する。これにより、入口案内翼２５の開度（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）を大きくすることで、車室圧力が増加して排ガス制約温度ＴｅＬが低下するが、その低下量に基づいて排ガス制約温度ＴｅＬを増加側に補正することから、ガスタービン１０の出力Ｗを負荷変化レートに合わせて目標出力Ｗｔに到達させることができる。

第６の態様に係るガスタービンの制御装置は、ＩＧＶ制限補正量ＴｉＬｃに基づいて排ガス制約温度ＴｅＬを補正する期間Ｐを設定する。これにより、必要な時だけ排ガス制約温度ＴｅＬを増加補正することができる。

第７の態様に係るガスタービンの制御装置は、ＩＧＶ制限補正量ＴｉＬｃに応じた排ガス制約温度ＴｅＬの低下量に基づいて排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを算出し、排ガス制約温度ＴｅＬに排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを加算して補正する。これにより、容易に排ガス制約温度ＴｅＬを増加側に補正することができる。

第８の態様に係るガスタービンの制御装置は、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃの減少時に、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃを予め設定されたレート（減算率）Ｒで減少させる。これにより、排ガス制約温度補正量ＴｅＬｃが０になったとき、時間をかけて徐々に０まで下げることで、排ガス制約温度ＴｅＬの補正による効果瞬時になくなることを抑制することができる。

第９の態様に係るガスタービンの制御方法は、ガスタービン１０の出力上昇時にＡＩ温度調整弁のＡＩ弁開度指令値と圧縮機入口温度Ｔｉに基づいて、ガスタービン１０が所定の性能を満たすように予め設定された入口案内翼２５のＩＧＶ最大値制限値ＴｉＬを補正する。これにより、そのため、入口案内翼２５の開度（ＩＧＶ弁開度指令値Ｓｉ）を大きくすることができ、排ガス温度Ｔｅが排ガス制約温度ＴｅＬに対して低下することとなり、燃料流量（燃料流量指令値Ｓｆ）を増加させて出力Ｗを負荷変化レートに合わせて目標出力Ｗｔに到達させることができる。その結果、ガスタービン１０の定格出力までの上昇時間を短縮することで発電効率の向上を図ることができる。

第１０の態様に係るガスタービンは、空気Ａを圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１が圧縮した圧縮空気ＣＡと燃料Ｆを混合して燃焼する燃焼器１２と、燃焼器１２が生成した燃焼ガスＣＧにより回転動力を得るタービン１３と、圧縮機１１の入口に設けられて圧縮機１１に流入する空気流量を調整する入口案内翼２５と、圧縮機１１で加圧された圧縮空気ＣＡの一部を圧縮機１１の入口に戻す抽気ラインＬ４と、抽気ラインＬ４に設けられるＡＩ温度調整弁（開閉弁）３４と、入口案内翼２５およびＡＩ温度調整弁３４を制御する制御装置１４とを備える。これにより、その結果、ガスタービン１０の定格出力までの上昇時間を短縮することで発電効率の向上を図ることができる。

なお、上述した実施形態では、現在の圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒと、整定時の圧縮機入口温度Ｔｉと大気温度Ｔａとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｓとの温度差Ｔ（ｉ－ａ）ｒ－Ｔ（ｉ－ａ）ｓに基づいて、最大出力差Ｗｓ－Ｗｒを算出したが、この方法に限定されるものではない。例えば、現在の圧縮機入口温度Ｔｉと整定時の圧縮機入口温度Ｔｉとの温度差Ｔｉｒ－Ｔｉｓに基づいて、最大出力差Ｗｓ－Ｗｒを算出してもよい。

１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ 制御装置
２１ 回転軸
２２ 発電機
２３ ダクト
２４ 空気取入口
２５ 入口案内翼
２６ ＩＧＶ駆動部
２７，２９，３１ 圧力調整弁
２８，３０，３２ 流量調整弁
３３ ＡＩ供給弁
３４ ＡＩ温度調整弁（開閉弁）
３５ 流量調整弁
３６ ＴＣＡクーラ
３７，３８，４０，４１ 温度センサ
３９ 発電機出力検出器
５１，５３，５４ 相関テーブル
５２，５５ 演算器
６１ 相関テーブル
６２，６５，６６ 演算器
６３ スイッチ
６４ レートリミッタ
Ａ 空気
ＣＡ 圧縮空気
ＣＧ 燃焼ガス
Ｆ 燃料
ＥＧ 排ガス
Ｌ１ メイン燃料供給ライン
Ｌ２ パイロット燃料供給ライン
Ｌ３ トップハット燃料供給ライン
Ｌ４ 抽気ライン
Ｌ５ 冷却ライン
Ｐ 期間
Ｓｆ 燃料流量指令値
Ｓｉ ＩＧＶ弁開度指令値
ＳｉＬ ＩＧＶ最大値制限値
ＳｉＬｃ ＩＧＶ制限補正量
Ｓａ ＡＩ弁開度指令値
Ｔａ 大気温度
Ｔｉ 圧縮機入口温度
Ｔｅ 排ガス温度
ＴｅＬ 排ガス制約温度
ＴｅＬｃ 排ガス制約温度補正量
Ｔｅ１ ブレードパス温度
ＴｅＬ１ ブレードパス制約温度
Ｗ 出力（負荷値）
Ｗｔ 目標出力（目標負荷値）

Claims (10)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
   前記圧縮機の入口に設けられて前記圧縮機に流入する空気流量を調整する入口案内翼と、
   前記圧縮機で加圧された圧縮空気の一部を前記圧縮機の入口に戻す抽気ラインと、
   前記抽気ラインに設けられる開閉弁と、
   を備えるガスタービンを制御する制御装置であって、
   前記入口案内翼の最大開度を制限する最大値制限値を設定して、前記入口案内翼の開度が前記最大開度を越えないように前記入口案内翼の開度を制御すると共に、前記ガスタービンの出力上昇時に前記開閉弁の弁開度指令値と圧縮機入口温度に基づいて前記入口案内翼の最大値制限値を補正する、
   ガスタービンの制御装置。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
   前記圧縮機の入口に設けられて前記圧縮機に流入する空気流量を調整する入口案内翼と、
   前記圧縮機で加圧された圧縮空気の一部を前記圧縮機の入口に戻す抽気ラインと、
   前記抽気ラインに設けられる開閉弁と、
   を備えるガスタービンを制御する制御装置であって、
   現在の圧縮機入口温度と、前記開閉弁の弁開度指令値に応じた整定時の圧縮機入口温度との温度差に基づいて、前記ガスタービンが所定の性能を満たすように予め設定された前記入口案内翼の最大値制限値を補正する、
   ガスタービンの制御装置。
3. 前記温度差に基づいて現在の最大出力と整定時の最大出力との最大出力差を算出し、前記最大出力差に基づいて前記最大値制限値を補正する、
   請求項２に記載のガスタービンの制御装置。
4. 前記開閉弁の弁開度指令値と前記圧縮機入口温度に基づいて前記入口案内翼の制限補正量を算出し、前記最大値制限値に前記制限補正量を加算して補正する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガスタービンの制御装置。
5. 前記制限補正量に応じた前記タービンの排ガス制約温度の低下量に基づいて予め設定された前記タービンの排ガス制約温度を補正する、
   請求項４に記載のガスタービンの制御装置。
6. 前記制限補正量に基づいて前記排ガス制約温度を補正する期間を設定する、
   請求項５に記載のガスタービンの制御装置。
7. 前記制限補正量に応じた前記排ガス制約温度の低下量に基づいて排ガス制約温度補正量を算出し、前記排ガス制約温度に前記排ガス制約温度補正量を加算して補正する、
   請求項５または請求項６に記載のガスタービンの制御装置。
8. 前記排ガス制約温度補正量の減少時に、前記排ガス制約温度補正量を予め設定された減算率で減少させる、
   請求項７に記載のガスタービンの制御装置。
9. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
   前記圧縮機の入口に設けられて前記圧縮機に流入する空気流量を調整する入口案内翼と、
   前記圧縮機で加圧された圧縮空気の一部を前記圧縮機の入口に戻す抽気ラインと、
   前記抽気ラインに設けられる開閉弁と、
   を備えるガスタービンにおいて、
   前記入口案内翼の開度を制御する制御装置が、前記入口案内翼の最大開度を制限する最大値制限値を設定して、前記入口案内翼の開度が前記最大開度を越えないように前記入口案内翼の開度を制御すると共に、前記ガスタービンの出力上昇時に前記開閉弁の弁開度指令値と圧縮機入口温度に基づいて前記入口案内翼の最大値制限値を補正する、
   ガスタービンの制御方法。
10. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
    前記圧縮機の入口に設けられて前記圧縮機に流入する空気流量を調整する入口案内翼と、
    前記圧縮機で加圧された圧縮空気の一部を前記圧縮機の入口に戻す抽気ラインと、
    前記抽気ラインに設けられる開閉弁と、
    前記入口案内翼および前記開閉弁を制御する請求項１から８のいずれか一項に記載のガスタービンの制御装置と、
    を備えるガスタービン。
    

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