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

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 Download PDF

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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
    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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