JPH02157427A - ガスタービンの起動方法 - 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〕 本発明はガスタービンの起動方法に係り、特に起動時の
燃焼ガス温度の急激な変化を抑えてガスパス部品の熱応
力及び表面酸化を低減し、部品の寿命を大巾に延、長さ
せ得るガスタービンの起動方法に関する。

〔従来の技術〕

従来一般に採用されているガスタービンの起動方法とし
ては、クランキングモータにてタービン暖気後、燃焼器
内へ所定量の燃料を投入して、着火し、その後燃料流量
を次第に増大させタービンの加速を行うようにしている
。

このときの燃料流量と加速時間との関係及びタービン入
口の温度の関係が第２図（ａ）、（ｂ）に示されている
。

すなわちタービン暖気後、ある回転数に達した時点（Ａ
点）で、燃焼器内に、燃料の投入が行なわれ着火される
１着火時は着火燃空比大のため、タービン入口ガス温度
ＴＯは、図からもオ〕かるように急激な変化をする。勿
論翼のメタル温度ＴＭも急激な変化を示す。

Ａ点からＢ点の間では、タービンガスパス部の暖気のた
め、燃料流量は一定となるが、その後は増大、すなわち
Ｂ点からＤ点では、燃料流量変化率はほぼ一定に増大し
て、加速され４回転数Ｎは上昇してゆく、この時、燃焼
器に空気を送り込むコンプレッサの吸入流量は、コンプ
レッサとタービンのマツチングから変化するため、ガス
温度ＴＧは、図に示すように急激な温度上昇と温度減少
を示す、それに伴い翼を含めたガスパス構成部品のメタ
ル温度の変化等も急激な変化を示すこのＢ点〜Ｃ点の加
速上昇時を過ぎ回転数が、定格回転数（Ｔ点）に達した
後、タービン回転数を保持し得るだけの燃料が投入され
る。

〔発明が解決しようとする課題〕 この昇速時のある瞬間でのメタル温度分布が第３図に示
されている。

この図は静翼１と動翼２を断面で示したもので。

静ｘ１にて加速された高温ガスＨ（３は、動１２に流入
し、そのときのガスの衝動により動翼２は点線矢印方向
に回転する。ガスタービンの静翼１゜動翼２は高温状態
でもその材料強度が弱まらないように、内部から冷却し
ているのが普通で、このため静翼や動翼においては、翼
前縁と後縁との温度差は６０〜８０℃にもなる。又、翼
内外表面の温度差も大きくなる。このように翼の大部分
にて熱応力が発生し、加速途中では、この温度差が時間
に対してより大となり、熱応力が非定常的に大きなもの
となってしまい、またガスパス部品の表面酸化も生ずる
嫌いがあった。

勿論この対策として燃焼器への燃料投入量をわずかずつ
増やすようになし、すなわちタービンの回転数をゆるや
かに上昇させるようにすれば、ガスパス部品の温度変化
率も少ないので、ある程度のガスパス部品の応力緩和は
はかれるが、これではタービンの起動時間が増大してし
まう嫌いがある。

本発明はこれにかんがみなされたもので、その目的とす
るところは、起動時間を長くすることなく応力が小で、
かつガスパス部品の表面酸化が少ないこの種ガスタービ
ンの起動方法を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち本発明は、ガスタービンの起動時より、燃焼器
内、若しくはガスパス通路内へ所定量の水分を投入しつ
つ起動するとともに、その水分量を燃料供給量あるいは
燃焼ガス等の温度を関数となして変化させ、燃焼器内の
燃焼温度、若しくはガスパス部品の表面温度の変化率が
ほぼ一定となるようにして所期の目的を達成するように
したものである。

〔作用〕

すなわちこのような起動方法であると、ガスタービン起
動時に、燃焼器あるいはそれ以降のタービンガスパス部
品の部分に投入される、蒸気等の水分流量により、燃焼
器の出口または、タービン入口温度を大幅に、下げるこ
とができるとともにその温度変化率をほぼ一定に保つこ
とができ、それにより、ガスパス構成部品のガスタービ
ン起動時における急激な温度変化量を少なくすることが
できるのである。

すなわち一般にガスタービン起動時においては、たとえ
ば冷却翼の外側のメタル温度は、ガス側の温度変化に対
して、瞬時に反応しメタル温度の変化が激しく、それに
対し冷却空気にて冷却されている内周側メタル温度のガ
ス温度に対する変化は鈍であるため、内外メタル温度差
が大となるが、この方法により、外側のガス温度の変化
率を低下することにより、起動時のガスにさられる冷却
翼外側メタル温度の変化量を少なくし、又外側・内側メ
タル温度差を小さくすることにより起動時の熱応力、及
び表面酸化を大幅に低減することができるのである。

〔実施例〕

以下図示した実施例に基づいて本発明の詳細な説明する
。第１図はその全体の系統を示すもので、ガスタービン
Ｇ、スチームタービンＳ、排熱回収ボイラＢが示されて
いる。

図において、空気ＡＬは圧縮機３に吸込まれ、この圧縮
機にて高圧に圧縮された後、燃焼器５に導かれる。そし
て燃料供給装置Ｆｓより投入された燃料Ｆとともに燃焼
し、高温ガスとなる。そしてこの高温ガスはやがてガス
タービン４に流入してタービンロータを回転させる。こ
のタービンにて得られる駆動力にて、発電機６を回転さ
せ発電する。

ガスタービン内の圧縮機吐出圧力、温度、排気温度１回
転数の信号は主演算器１５に取込められる。また、燃料
流量計１２からのイ＝号は、燃料流量調整器１３に入り
、その信号は、主演算器１５にて所定の処理がなされた
後、また燃料流量調整器１３に戻り、この燃料流量調整
器にて流量調整バルブ１１の弁開度を決定する、ガスタ
ービン後方には、排熱回収ボイラ７が有り、コンバイン
ドプラントに、ガスタービンを使用する場合には、排熱
回収ボイラ７の後方には、蒸気タービン８が配置されて
いる。ガスタービン起動時に、大気温を検出し、主演算
器１５内にて、起動時の燃料流量及び、蒸気投入流量を
設定し、各々燃料流量調整器１３．蒸気流量調整器１４
に信号を送る、燃料流量調整器１３と蒸気流量調整器１
４は各々、燃料流量調整バルブ１１．蒸気流量調整バル
ブ１ｏのバルブ開度を設定し信号を送る。該設定の流量
になっているかは、それぞれ燃料流量計１２゜蒸気流量
計１３にて測定され、各々の１ｉ整器にフィードバック
される。一方、投入蒸気は非熱回収ボイラ７またはプラ
ント内の他部所から導かれてタービン燃焼器５以後に投
入される。タービン起動時に瞬時に変化するガス温度、
メタル温度に対応可能なように燃料流量、蒸気流量は主
演算器１５とフィードバック回路にて、瞬時に判定、流
量変化が可能とし、起動時のガスパス構成部品の急激な
温度変化を生じさせない。

第４図は、起動時の燃料流量設定と蒸気流量設定を行な
う主演算器の計算フローチャートである。

起動信号４１により、起動モータ、または起動エンジン
によりクランク運転の信号が入る、クランク運転中に、
大気温度、圧力２回転数、蒸気温度。

圧力等の検出器４６からの信号から、着火燃料流量及び
着火後投入する蒸気流量を設定する、着火信号（４５）
により、着火された後、ΔＴｔ＋＋ｅ”Ｆ１〜２　ｓｅ
ｅ後、各種検出装置からの信号を主演算器に取り込み、
タービン回転昇速率（ΔＮ／Δｔ）に対する、メタル温
度上昇率（ΔＴ、／Δｔ）、燃料流量率（ΔＦｕｅ／Δ
ｔ）、蒸気流量ＳＪ％（ΔＣＣ１５ｔｃａ／Δｔ）が所
定の熱応力低減するために設定された変化率（４７）と
比較判定する。メタル温度Ｔ、又は、燃焼器出口ガス温
度′ｒｌＬの変化率が大の時は、タービン加速トルクを
出すに必要な燃料流量まで絞りかつ蒸気流量を増加させ
る。メタル温度Ｔ１、燃焼器出口ガス温度Ｔｇの変化率
が設定値より小の場合、加速トルクを得るに充分である
か判定し、必要な場合、燃料流量又は蒸気流量を増加さ
せる。これにより、起動時間を大幅に変化させることな
く、ガスパス構成部品の熱応力を低減するガス温度、メ
タル温度変化率設定値にて起動可能となる。

第５図は、ガスタービンのタービン部での蒸気投入位置
とメタル温度測定位置を示したものであるが、まずター
ビン部の構成についてのべると。

このタービン部は、燃焼器１８の後方に配置され、そし
てそのケーシング１９内には静翼１がシュラウド２１を
介して取付られている。又この静翼１間に動翼２が配置
されている。タービン動翼２はタービンディスク２０に
取り付けられており、静翼１にて加速された高温、高速
な主流ガスのエネルギーを動翼２にてタービンを駆動す
るトルクに変換され、このトルクがディスク２０を通し
て発電機側へ伝えられる。本発明の起動時に投入される
蒸気は、蒸気投入器（水分投入装置）１６より投入され
、この投入は燃焼器１８のトラジションピース入口部に
位置し、火炎が失火しないことが重要である。起動時の
燃焼ガス温度の急激な変化がトラジションピースにかか
り、熱応力が発生せぬよう、トラジションピース入口に
て蒸気を投入し、ガス温度を低下させ、トラジションピ
ース以後のガスタービンタービン部のガスパス構成部品
の熱応力を低減させるものである。また、とくに起動待
熱応力により１部品の寿命が最も大きく影響する初段静
翼１のメタル温度を検出する熱電対１７が初段静翼前縁
に取付けられ・でおり、この温度の起動時のメタル温度
変化率が前述の熱応力低減設定変化率となるよう蒸気投
入器１６から起動時に蒸気が投入される。

第６図（ａ）はもう一つの例でタービンへの蒸気噴射位
置は前述した第５図と同一であるが、燃焼器まわりに噴
霧蒸気管１６ａを全周まわし、燃焼器孔（Ｈ）から全体
に投入する。メタル温度測定位置は、燃焼器１８トラジ
シヨンビースの熱負荷の最も掛り易いマウントベース付
近のメタル温度を検出するようにしたものであり、ガス
温度変化に対して敏感である。

尚第６図（ｂ）はその噴霧蒸気管単品を示すものである
。

第７図は、さらに他の例を示すもので、タービンへの蒸
気噴射位置は第５図と同一で、ガスパス構成部品のメタ
ル温度側定位ｎが、回転体で常に遠心応力が掛り、熱的
に最も負荷の掛り易いすなわち起動待熱応力の高い初段
動翼前のメタル温度を、検出するものである。検出方法
は、動翼の前側外周に熱電対又は光学的メタル温度計を
取りつけて、回転中の動翼又はその入口のガス又はメタ
ル温度を検出し、主演算器（第１図の１５）に送信して
動翼の起動時メタル温度変化率に対して所定の温度変化
率となるよう起動待蒸気流量を設定することが可能とな
るものである。

第８図はさらに他の例で、蒸気投入位置を初段外ｘ１の
入口、すなわちトラジションピースの出口の部分にし、
タービン部のガスパス構成部品の起動時メタル温度変化
を低減させるものである。

第９図は、さらに他の例でコンバインドプラントにガス
タービンを使用した時、ガスタービン後方に位置する排
熱回収ボイラ７（第１図参照）のガスタービン起動時、
排ガス温度の急激な温度によるボイラ内壁の熱応力を低
減させるため、タービン出口部に蒸気を大量に流入し、
ボイラの寿命をより延長させるものである。

以上説明の温度検出器は耐熱耐食合金でカバーされてい
て、かつ外部から取替できる方がよい。

第１１図（ａ）、（ｂ）は、起動時間に対する、初段静
翼１人ロガス温度Ｔｇと初段静翼入口ガス側（外側）、
冷却空気側（内側）メタル温度の変化及び初段静翼入口
に発生する、起動時、熱応力の変化の１例を示したもの
である１図中実線に示したように、起動時にはガス側の
メタル温度は燃焼ガスの変化に対して時間的な反応が良
く、冷却空気側メタル温度の変化がそれに追従しないた
め、着火時Ａ点、加速時Ｂ点に大きなメタル温度差が生
じかつ１時間的なメタル温度変化率が大きいため、初段
静翼入口部には、第１１図の下図の実線に示すように、
スパン方向に４０　ｋｇ／　ｍｍ”以上の圧縮応力の極
大値をＡ点　Ｂ　１点にもち、ガスタービン起動回数に
対する翼の寿命を決定する重大な要因であった。本発明
を用いて、起動を行なった場合の燃焼ガス、初段静翼の
ガス側、冷却空気側メタル温度の変化を図中破線に示す
。本発明による起動を実施した場合、起動時に蒸気を投
入することにより、静翼入口ガス温度を着火時Ａ点及び
加速時１３点での急激なガス温度が無くなるよう制御可
能なため、ガス温度変化率が緩やかでかつ一定に近いた
め、その時に発生する静翼入口での熱応力は、起動蒸気
噴射しないものに比較し、約１／２となり、大巾に熱応
力を低減可能であることがわかる。投入する蒸気量は、
計算により決める他、前もって試験により確認を行なっ
て設定すると更に精度が向上する。

第１０図は、ガスパス構成部品の主要部品である冷却翼
の起動時に加わる。ひずみ振巾に対する破損繰返し数Ｎ
を示す。従来技術を用いた場合には、ガスタービンの起
動回数約１０４程度であった。それに対して本発明を採
用した場合、起動時に冷却翼にかかるひずみ振巾が約１
／２程度まで下がり、それによる破損繰返し数は、従来
技術に対して１０倍以上となり、製品の寿命は大１１に
延長可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明はガスタービンの起動
時より、ガスパス通路内へ所定量の水分を投入しつつ起
動加速するとともに、その水分量を燃料の供給量あるい
は燃焼ガス等の温度を関数となして変化させ、燃焼器内
の燃焼温度あるいはガスパス部品の表面温度の変化率が
ほぼ一定となるようになしたから、ガスタービンの起動
時にガスパス部品に生ずる熱応力を充分低減することが
でき、またガスパス部品の表面温度の変化が急激に変化
することがなく、かつ表面温度自体も低く押えられるの
でガスパス部品の表面酸化を防止することができ、ガス
パス部品の寿命を大１１に延長することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の起動方法を説明するための制御系統図
、第２図は起ｌ！ｌＪ時間と燃焼ガス温度との関係を示
す曲線図、第３図は翼の起動時における温度分布図、第
４図は本発明の主演算器内のフローチャート図、第５図
〜第９図は本発明の起動方法を説明するためのガスター
ビンの要部断面図、第１０図はガスパス部品の寿命曲線
図、第１１図（ａ）は起動時間と各部の温度との関係を
示す曲線図、第１１図（ｂ）は起動時間と熱応力の変化
を示す曲線図である。 Ｆｓ・・・燃料供給装置、Ｇ・・・ガスタービン、Ｂ・
・・ボイラ、１・・・静翼、２・・・動翼、３・・・圧
縮機、６・・・発電機、１６・・・水分投入装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼ガスにて駆動されるタービンと、該タービンへ
   燃焼ガスを供給する燃焼器と、該燃焼器の内部へ燃料を
   供給する燃料供給装置と、燃焼ガスの通路中へ水分を投
   入する水分投入装置とを備え、タービンの起動時、前記
   燃焼ガスの通路中へ、前記水分投入装置より水分を投入
   しつつタービンを加速せしめるとともに、その投入水分
   量を、燃焼ガスの通路内に配置されている部品の温度上
   昇率がほぼ一定となるように増減制御するようにしたこ
   とを特徴とするガスタービンの起動方法。 ２、前記水分の投入位置を、前記燃焼器の燃焼ガス出口
   部に設けたことを特徴とする請求項１記載のガスタービ
   ンの起動方法。 ３、前記水分の投入開始時期が、タービンの加速開始時
   であることを特徴とする請求項１記載のタービンの起動
   方法。 ４、燃焼器と、該燃焼器の内部へ燃料を供給する燃料供
   給装置と、前記燃焼器内へ水分を投入する水分投入装置
   とを備えたガスタービンの起動方法において、ガスター
   ビンの起動時に、前記燃焼器内へ投入される水分量を燃
   料供給量に伴つて変化させ、燃焼器内の燃焼温度変化率
   をほぼ一定に制御するようにしたことを特徴とするガス
   タービンの起動方法。 ５、燃焼器と、該燃焼器へ燃料を供給する燃料供給装置
   と、前記燃焼器の燃焼ガス中へ水分を投入する水分投入
   装置とを備えたガスタービンの起動方法において、ガス
   タービンの起動時に、前記水分投入装置を燃焼ガスの温
   度変化率がほぼ一定となるように制御するようにしたこ
   とを特徴とするガスタービンの起動方法。 ６、燃焼器と、該燃焼器の内部へ燃料を供給する燃料供
   給装置と、前記燃焼器にて燃焼された燃焼ガス中へ水分
   を投入する水分投入装置とを備えたガスタービンの起動
   方法において、ガスタービンの起動時に、燃焼ガス温度
   を関数となして前記水分投入装置の水分投入量を制御す
   るようにしたことを特徴とするガスタービンの起動方法
   。 ７、燃焼器と、該燃焼器の内部へ燃料を供給する燃料供
   給装置と、前記燃焼器にて燃焼された燃焼ガスの流通路
   内に配置され、かつガスパス部品と、前記燃焼ガス中へ
   水分を投入する水分投入装置とを備え、前記ガスパス部
   品の表面温度変化率がほぼ一定となるように、前記水分
   投入装置の水分投入量を制御しつつ起動するようになし
   たことを特徴とするガスタービンの起動方法。 ８、燃焼器と、該燃焼器へ燃料を供給する燃料供給装置
   と、燃焼高温ガス中へ水または蒸気を投入する水分投入
   装置と、前記燃料供給装置の燃料供給量を制御する燃料
   流量制御装置とを備え、ガスタービンの起動時に、前記
   燃料流量制御装置の制御値を関数となして、前記水分投
   入装置の水分投入量を制御し、燃焼ガスの燃焼温度変化
   率を緩和するようにしたことを特徴とするガスタービン
   の起動方法。 ９、燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタ
   ービンと、前記燃焼器へ燃料を供給する燃料供給装置と
   、前記燃焼器の燃焼ガス中へ水分を投入する水分投入装
   置とを備え、該水分投入装置をタービン起動時より作動
   せしめるとともに、その水分投入量を、燃焼器の排出口
   における燃焼ガス温度の変化率がほぼ一定となるように
   制御するようにしたことを特徴とするガスタービンの起
   動方法。 １０、燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動される
   ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスにより蒸気を
   発生するボイラーと、該ボイラの発生蒸気により駆動さ
   れる蒸気タービンとを備え、前記ガスタービンの起動加
   速中に、前記ボイラーの水若しくは蒸気を、前記燃焼器
   の燃焼ガス中へ所定量投入し、燃焼ガスの温度変化率を
   ほぼ一定に保つようにしたことを特徴とするコンバイン
   ドタービンプラントの起動方法。