JPH01159425A - セラミックガスタービン緊急停止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は燃焼器、動及び静翼などの構成材としてセラミ
ックを用いたガスタービン発電プラントの緊急停止方法
に関するものである。

（従来技術とその問題点） ガスタービン発電プラント、例えば第１図のように空気
圧縮ａ（１）により作られた圧縮空気と、軽油、ＬＮＧ
、石炭ガスなどの燃料を用いて燃焼器（２）において作
動ガスを作り、これによりガスタービン（３）を駆動し
て発電機（４）により発電するプラントは、急速な起動
性にすぐれるのみでなく小型で運転や保守が容易である
ことから、従来非常用或いは離島用などの小規模発電用
などとして用いられている。なお図中（５）は起動用モ
ータである。しかし近年タービン入口温度の上昇による
効率の向上、或いは冷却技術などの設計技術の向上によ
る運転の信頼性の向上などに伴い、ガスタービン発電プ
ラントと、その排熱により蒸気を発生させ発電する所謂
排熱回収蒸気タービン発電プラントとを複合して更に効
率を向上させた、ｌＯＯ万ＫＷ級の複合発電プラントが
実運用されるに及び、これが商業用火力発電プラントの
主力としての立場を固めつつある。

しかし従来のような耐熱合金を燃焼器や動、静翼の構成
材とするガスタービンでは、構成材及び翼冷却方法など
の技術的限界からガスタービン入口温度は１１００〜１
１５０°Ｃ程度に制約されており、このままではタービ
ン入口温度の向上による現在以上の効率の向上を望み得
ない。

そこで上記のような制約を打破するため、近年技術的進
歩の著しいファインセラミック材の使用や新しい冷却技
術の採用により、タービン入口温度が１３００’Ｃ級の
タービンの開発が行われており、将来的には１５００°
Ｃ級ガスタービンの実現も考えられている。しかしセラ
ミック材は従来の耐熱合金に比して耐高温性、耐蝕性、
耐摩耗性などにおいて著しくすぐれる反面、製造技術が
格段に進歩したと云っても、基本的には脆性材料である
ため熱衝撃に対して弱いと云う大きな弱点を有している
。

従って燃焼器やタービン動翼、静翼の回りに急激な温度
変化を生ずるような運転がなされた場合には、熱衝撃を
受けて割れ更にはこれを素因とするプラントの破損に発
展する可能性がある。

例えば第１図のようにガスタービン発電プラントが接続
された電力系統（６）における短絡事故などの故障時、
過電流から発電機（４）を保護するため、故障検出リレ
ー（７）の出力により遮断器（８）を動作させて発電プ
ラントを電力系統（６）から遮断した場合、負荷の遮断
に伴い生ずるタービン入力の余剰によりガスタービンと
これに直結された発電機の加速を招き、これを放置する
ときは過速となって遠心力によるタービンや発電機の破
損を招く。従ってこのような事態に立ち至る以前にガス
タービン（３）を緊急に停止させる必要がある。そこで
燃焼器や動及び静翼などに耐熱合金など金属材を用いた
ガスタービンの場合には、第２図（ａ）に示すように時
間ｔＩにおいて発電機（４）が無負荷状態になったとき
、直ちに第１図の燃料遮断弁（１１）により第２図ら）
のように燃焼器（２）への燃料の供給を停止することに
より、第２図（Ｃ）中の点線図示のように余剰軸動力に
より加速しようとするガスタービンの回転数を低下させ
ることが行われている。

この場合燃料の急速な供給停止により、第２図（ｄ）の
ように燃焼器（２）内の燃焼ガスの温度も急激に低下し
、これに伴いタービン動翼や静翼回りの燃焼ガスの温度
も燃料供給の遮断前後において急激な勾配をもって低下
する。このため燃焼器（２）やタービン動・静翼などに
大きな熱衝撃を生じさせる結果となり、構成材として金
属を用いたものではこれによって生じる熱応力は部材の
許容内であるが、セラミック材の場合は熱伝導率が小さ
いため、生じる熱応力は大きく部材の許容値を超えるた
め何等かの新しい緊急停止手段が生みだされない限り運
転の信頬性の確保に欠は商業化には大きな懸念が残る。

（発明の目的） 本発明は動翼などを熱衝撃による破損から防ぎうるセラ
ミックガスタービンの緊急停止方法の提供を目的として
なされたものである。

（問題点を解決するための本発明の手段）本発明の特徴
とするところは次の点にある。即ち第３図（第１図と同
一符号は同等部分を示す）に示す遮断器（８）による電
力系統（６）からの発電機（４）の連係解除などにより
、セラミックガスタービン発電プラントが無負荷状態に
なった場合のようにガスタービンの緊急な停止が必要に
なったとき、燃焼ガス流量の制御量である空気圧縮機（
１）の人口案内翼（９）、空気圧縮機（１）の吐出放風
弁００）、更には燃料遮断弁（１１）の単独或いは適宜
組合わせによる同時制御により、燃焼器（２）に入る圧
縮空気量の減少制御及び燃料供給の減少制御や供給停止
を行い、これにより第４図（ａ）のように燃焼器（２）
内などの燃焼ガス温度の変化勾配を、タービン動・静翼
などの破損を招くことのないように緩やかにする。

しかし、これだけでは温度変化は十分緩和されないため
第３図に示すように遮断器（８）による電力系統（６）
からの解列と同時、またはこれより少し遅れて働（遮断
器０２）により発電機（４）に接続される余剰軸動力吸
収装置０３）、例えば水抵抗器やグリッド抵抗器を設け
る。そして電力系統（６）からの解列後開始される燃焼
ガス制御系による燃焼ガス流量の減少及び燃焼ガス温度
の低下などの制御と併行して、例えば第４図（ｂ）に示
すように余剰軸動力吸収装置０３）の抵抗値を増大する
ように制御する。そしてこれにより電力系統（６）から
の解列後も温度勾配の緩和のために続く燃焼ガスの供給
にもとづくタービンへの余剰入力を、タービンの加速が
常に許される範囲内にあるように吸収しながら第４図（
Ｃ）のように次第に減速させ停止させて、セラミック製
燃焼器やタービン動、静翼など熱衝撃に弱い部分の破損
を招くことなく緊急停止が行われるようにしたことを特
徴とするものである。

次に２０ＭＷ級石炭ガス化ガスタービン発電プラントを
対象とし、最も苛酷である発電機の定格負荷遮断を例に
とって燃料組成、燃焼器特性などを同一として行われた
、従来と本発明緊急停止方法によるシュミレート結果の
一例について説明する。

なお対象とするガスタービン発電プラントの主たる設計
パラメータは第１表の通りであり、ガスタービン回りの
定格点ヒートバランス（初期値）は第５図の通りである
。また燃料遮断弁、空気圧縮機の入口案内翼は一般に油
圧サーボ機構により動作し共に応動が非常に速いが、燃
料遮断弁は０Ｎ−ＯＦＦの２値制御であるに対し入口案
内翼は３値動作であるため、それぞれの遅れ時間などを
第２表のケース９のように選定し、更に圧縮機吐出放風
弁は第２表のケース８のように全閉から全開までに１秒
間を要するものとした。なお従来方式の条件は第２表の
ケース１の欄に示す。第６図は燃料遮断弁と圧縮機入口
案内翼及び圧縮機吐出放風弁を（ａ）（ｂ）（Ｃ）図の
ように同時制御した場合の結果の一例であって、図中の
実線曲線は本発明方式によるもの、点線曲線は従来方式
によるものである。

第６図（ｅ）から明らかなように燃焼器内燃焼ガス温度
は従来の場合、負荷遮断から一定値に落ち着くまでにほ
ぼ１．２秒であってこの間の温度差は約１０００°Ｃで
ある。これに対し本発明においては従来方式と同一温度
差に達するまでに約３０秒を要し温度勾配は従来方式の
約１７２５に緩和される。従ってセラミック材に破損の
脅威を与えるものでないことが判明した。

第　　　　１　　　　表 また上記シュミレートの外に第２表のケース２〜８のよ
うに燃料遮断弁、圧縮機入口案内翼、圧縮機吐出放風弁
などをそれぞれに単独または併用制御した場合などにつ
いてもシュミレートしたが、燃焼器内燃焼ガスの温度勾
配の緩和効果はいずれもセラミック燃焼器、動・静翼な
どの破損防止に不十分となることが判明した。

（発明の効果） 以上から明らかなように本発明によれば、ガスタービン
における適用セラミック材の熱応力緩和による破損防止
と過速による危険を防止できるもので、セラミックガス
タービンの商業化に大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の緊急停止方法の説明用系統図
及び曲線図、第３図及び第４図は本発明緊急停止方法の
説明用系統図及び曲線図、第５図は定格点ヒートバラン
ス図、第６図はシュミレート結果の一例を示す曲線図で
ある。 第１図 弗２図 第３図 第６図 第６図 ＋ＳＥＣ，１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）負荷遮断時燃焼器の燃焼ガス温度が熱衝撃による
   構成セラミックの破損を生じさせない温度勾配で低下す
   るように燃焼ガス制御系を制御すると共に、負荷遮断時
   発電機に接続されるように設けた余剰軸動力吸収装置が
   負荷遮断後生ずるガスタービンの余剰軸動力を吸収する
   ように上記燃焼ガス制御系の制御と併行して制御するこ
   とにより、構成セラミック材の破損防止と過速による危
   険防止を図りながら緊急停止を行うようにしたことを特
   徴とするセラミックガスタービン緊急停止方法。