JPH03233141A - ガスタービンの制御装置 - 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、ガスタービンの制御装置に関する。

（従来の技術および課題） 一般にガスタービンにおける燃料供給量は、タービン等
の耐熱性の点からこれに導かれる燃焼ガス温度が限界温
度を越えない範囲で制御する必要があるが、タービンに
導かれる燃焼ガスは非常な高温となるため、これを直接
的に検出することが難しい。

この対策として実公昭６１−２０２６５号公報では、燃
焼器の入口空気温度と燃料供給量とを検出し、これら検
出値からタービンに導かれる燃焼ガス温度を推定するよ
うになっているが、回転蓄熱式の熱交換器を備えるガス
タービンは、熱交換器を通過した空気温度の分布のバラ
ツキが大きく、熱交換器出口温度の平均値を検出するの
が困難である。このため、加速時など応答遅れを含めて
、ガスノエネレータの入口温度との対応（相関性）が大
きくずれることがあり、燃料の供給量がタービンに導か
れる燃焼ガス温度に対応しなくなる危険がある。

また、インジェクタの部分的な詰まりなどが発生した場
合、燃料供給量を検出できなくなるという問題、αがあ
った。

本発明は、このような従来の問題点を解決することを目
的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明では、コンプレッサーに
より圧縮されたガスを、燃焼器により燃焼した後コンプ
レッサーにガスジェネレータ軸を介して連結されたコン
プレッサータービンに供給してコンプレッサーおよびコ
ンプレッサータービンを回転駆動するとともに、コンプ
レッサータービンを経たガスをバリアブルノズルを介し
てパワータービンに供給してパワータービンおよびパワ
ータービンの出力軸に接続された負荷を回転駆動するガ
スタービンの制御装置において、パワータービンの負荷
を検出する手段５１と、この検出された負荷の大きさに
基づいて目標ガスジェネレータ軸回軟速度を設定する手
段５２と、ガスジェネレータ軸の回転速度を検出する手
段５３と、ガスジェネレータ軸の回転速度を目標回転速
度に近付けるように燃焼器への燃料供給量を燃料調量弁
１１を介して制御する第一燃料供給量制御手段５４と、
パワータービンの出力軸の回転速度を検出する手段５５
と、この検出された出力軸の回転速度を目標回転速度に
近付けるようにバリアブルノズル１３の角度を制御する
第一ノズル角度制御手段５６とを設ける一方、検出され
たガスジェネレータ軸の回転速度に基づいてガスジェネ
レータ軸の目標回転速度を設定する加速度設定手段５７
と、この目標回転速度に検出されたガスジェネレータ軸
の回転加速度を近付けるように燃焼器への燃料供給量を
燃料調量弁１１を介して制御する第二燃料供給量制御手
段５８と、検出されたガスジェネレータ軸の回転速度に
基づいてバリアブルノズル１３の角度を設定するノズル
角度設定手段５９と、この設定角度にバリ７ブルノズル
１３を制御する第二ノズル角度制御手段６０とを設け、
ガスジェネレータ軸の回転速度と目標回転速度の偏差が
所定値以下の通常運転時に第一燃料供給１制御手段５４
と第一ノズル角度制御手段５６に出力させるとともに、
ガスジェネレータ軸の回転速度と目標回転速度の偏差が
所定値より大きい急加速要求時に、通常運転時の制御か
ら第二燃料供給量制御手段５８と第二ノズル角度制御手
段６０の出力に切り換える加速判定手段６１を設けた。

（作用） 上記構成に基づき、加速要求度の小さい通常運転時は、
予め設定されたマツプに基づいて負荷の大きさに応じて
ガスジェネレータ軸の目標回転速度を読み出し、第一燃
料供給量制御手段５４はこの目標回転速度に実際の回転
速度を近付けるように燃焼器への燃料供給量を負荷の変
化に応じてフィードバック制御する。

また、第一ノズル角度制御手段５６は負荷の大きさ等に
基づいて設定された出力軸の目標回（速度に実際の回転
速度を近付けるようにバリアブルノズル１３の角度をフ
ィードバック制御する。

これに対して、加速要求度の大きい運転状態と判断され
た場合、加速度設定手段５８は予め設定されたマツプに
基づいてガスジエネレータ軸の目標回転加速度を読み出
し、第二燃料供給量制御手段６０はこの目標回転加速度
に実際の回転加速度を近付けるように燃焼器への燃料供
給量をフィードバック制御する。ガスジエネレータ軸の
回転加速度をフィードバック制御のパラメータとするこ
とにより、燃料供給量を回転速度に応じて比較的に大き
なゲインでステップ状に変化させられ、加速応答性を高
められる。

また、ノズル角度設定手段５９は予め設定されたマツプ
に基づいてガスジエネレータ軸の回（速度に応じてノズ
ル角度を読み出し、第二ノズル角度制御手段６０を介し
てバリアブルノズル１３の角度を制御する。ノズル角度
をガスジェネレータ軸の回転速度に応じて比較的に大き
なゲインでステップ状に変化させることにより、加速応
答性を高められる。

ガスジエネレータ軸の回転速度に基づいてタービンに導
かれる燃焼ガスが限界温度に達する燃料供給量を設定す
ることが可能であり、この燃料供給量を越えないように
ガスジェネレータ軸の回転速度または加速度を制限する
ことにより、間接的にタービンに導かれる燃焼ブス温度
を抑えられる。

このように基本的にガスジェネレータ軸の回転速度また
は加速度に基づいて燃料供給量を制御するため、熱交換
器を通過した空気温度や燃料供給量を検出する必要が無
く、熱交換器の動特性や燃料調量弁の詰まり等を自動的
に補正することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第２図に示すように、コンプレッサー１はガスジェネレ
ータ軸２によってコンプレッサータービン３と連結され
、パワータービン４は負荷とじての発電機７と出力軸５
およびギアボックス６を介して連結されている６本実施
例では、パワータービン４の回転によって発１１Ｒ７が
回転駆動されるが、車両や他の機械駆動に用いることも
考えられる。

大気はコンプレッサー１で圧縮され、熱交換器８を通っ
て加熱された後、燃焼器９に至る。

燃料は燃料ポンプ１０から燃料調量弁１１を通って調量
された後、燃焼器９において圧縮加熱された空気と混合
して燃焼され、該燃焼がスはコンプレッサータービン３
に入り、コンプレッサータービン３お上りコンプレッ４
ｔ−１を回転駆動する。

燃料調量弁１１は弁駆動機構１２によって駆動され、こ
れにより燃料供給量が制御される。

コンプレッサータービン３を出た燃焼γスは゛、バリア
ブルノズル（可変案内翼）１３を介してパワータービン
４に入ってパワータービン４を回転駆動した後、熱交換
器８を通って圧縮空気を加熱した後に排出される。

このシステムを制御する装置は、ガスジエネレータ軸２
の回転速度を検出する検出器２２、出力軸５の回転速度
を検出する検出器２３、コンプレッサー人口温度検出器
２４、負荷を検出する検出器２１が設けられ、これらか
らの各検出信号を入力し、後述する各回路によって弁駆
動機構１２とバリアブルノズル１３の駆動量を制御する
。

第３図は制御装置の構成を示すブロック図であり、修正
負荷演算部３１は、負荷検出手段としての検出器２１に
よって検出された負荷Ｌｐｔをコンプレッサ１の入口圧
力Ｐ、と入口温度Ｔ１によって修正した値Ｌ＊ｐｔを演
算する。

また、修正がスノエネレータ輸回松速度演算部３２は、
検出器２２によって検出されたガスジェネレータ軸２の
回転速度Ｎｇｇを、検出器２４によって検出されたフン
プレッサ入口温度Ｔ、によって修正された値Ｎ＊ｇｇを
演算する。

これらの修正は、ブスタービンの入口状態によってパワ
ータービン４の出力状態が大きく変化するので、これを
補償するために行われ、各ブロック内に示す演算式（Ｔ
ｏｏ、Ｐｏ。は基準値）によって修正される。すなわち
、 Ｌ　＊　ｐｔ＝　（Ｐ　ｏｏ／Ｐ　＋）ｘ−ρＴ’　ｏ
ｏン”チーＸＬｐｔＮ＊ｇｇ”へｔチー；−；フーＴ、
ＸＮｇｇガスノエネレータ輸２の目標回転速度設定部３
３は、修正負荷値Ｌ＊ｐｔに基づいてマツプから検索さ
れた目標回転速度Ｎ本ｇｇｓｅｔが選択される。

第一燃料供給量フィードバック制御部３４は、目標回転
速度ｐＪ　＊　Ｂｓｅｔと修正回転速度値Ｎ＊Ｆ１ｇの
回転速度偏差量を０に近付けるように燃焼器９に供給さ
れる燃料供給量Ｇｆｓｅｔをフィードバック制御により
演算し、後述する切換部３５を介してこの演算された燃
料供給量Ｇｆｓｅｔに相当する制御信号が弁駆動機構１
２に出力される。この弁駆動機構１２を介して駆動され
る燃料調量弁１１により、燃料供給量が制御値により制
御される。

目標バリアブルノズル角度フィードバック制御部３６は
回転速度検出器２３により検出された出力軸５の回啄速
度Ｎｐｔと、予め負荷に応じて設定されているパワータ
ービンの目標回転速度Ｎｐｔｓｅｔの偏差量を０に近付
けるようにフィードバック制御によりバリアブルノズル
角度演算し、後述する切換部３７を介してこの演算され
たフィードバック制御値θｖｎｓｅｔに相当する制御信
号が駆動機構１４に出力され、バリアブルノズル１３の
ノズル角度が制御される。

一方、ガスジエネレータ紬２の目標回転加速度設定部３
９は、修正回転速度値Ｆ’Ｊ＊ｇｇに基づいてマツプか
ら検索された目標回転速度Ｎ本ｇｇｓｅｔが選択される
。

第二燃料供給量フィードバック制御部４０は、目標回転
加速度Ｎ寧ｇｇｓｅｔと、修正回転速度値Ｎ本ｇｇの単
位時開における変化値として求まる実際の回転加速度の
偏差量を０に近付けるように、燃焼器９に供給される燃
料供給量　Ｇ　ｆｓｅｔをフィードバック制御により演
算し、切換部３５を介してこの演算された燃料供給量Ｇ
　ｆｓｅｔに相当する制御信号が弁駆動機構１２に出力
される。

ノズル角度設定部４１は、ガスジエネレータ輸２の回転
速度修正値Ｎ＊ｇｇに基づいてマツプから検索されたバ
リアブルノズル１３の制御値θｖｎ曽ｉｎが選択され、
切換部３７を介してこの制御値θｖｎｍｉｎにより駆動
機構１４を介してバリアブルノズル１３のノズル角度が
制御される。

加速判断部３８は、ガスジエネレータ輸２の回転速度修
正値ＮＩｇｇと目標回転速度値Ｎ＊　ｇｇｓｅｔの偏差
に基づく加速要求度に応じて切換部３５と３７からの出
力を切換える。

この制御動作を第４図に示す７０−チャートにしたがっ
て説明すると、まずステップ１では、ガスノエネレータ
輸２の回転速度修正値ＮＩｇｇと、目標値Ｎ　＊　ｇｇ
ｓｅｔの偏差εを演算し、ステップ２で修正値Ｎ＊ｇＨ
に基づいてマツプから検索された偏差基準値εｗａｘが
選択され、ステップ３でこの偏差基準値ε−ａ×と実際
の偏差εの大小を比較する。ステップ３で偏差εが基準
値ε―ａｘより大きい急加速要求時と判別された場合は
、ステップ４に進んで急加速要求時の制御が行われる一
方、ステップ３で偏差εが基準値εｗａｘ以下と判別さ
れた場合はステップ８に進んで第一燃料供給量フィード
バック制御手段３４による通常運啄時の制御が行われる
。

すなわち、急加速要求時はステップ４に進んで目標回転
速度設定部３９における目標回転加速度Ｎ＊　ｇｇｓｅ
ｔの選択が行われ、ステップ５に進んで第二燃料供給量
フィードバック制御部４０において演算される燃料供給
量Ｇｆｓｅｔに相当する制御信号が切換部３５を介して
弁駆動機構１２に出力される。

続いて、ステップ６に進んでノズル角度設定手段５９に
おけるノズル角度の制御値θｖｎｍｉｎの選択が行われ
、ステップ７に進んで切換部３７を介してこの制御値θ
ｖｎｍｉｎにより駆動機構１４を介してバリアブルノズ
ル１３のノズル角度が制御される。

このようにして、加速要求度の小さい通常運転時はガス
ノエネレータ軸２の回転速度を目標回転速度に近付ける
のに対して、急加速要求時はガスジエネレータ輸２の回
転加速度を目標値に近付けるように燃焼器９への燃料供
給量制御を切換えるとともに、急加速要求時にバリアブ
ルノズル１３のノズル角度をガスジエネレータ軸２の回
転速度に応じて決められる設定値に制御することにより
、急加速要求時に燃料供給量とノズル角度をガスジエネ
レータ軸２の回転速度に応じて比較的に大きなデインで
ステップ状に変化させられ、二輪ガスタービンの加速応
答性を高められる。

ガスジェネレータ軸２の回転速度に基づいて燃焼器９か
らコンプレッサタービン３に導かれる燃焼ガスが限界温
度に達する燃料供給量を設定することが可能であり、こ
の燃料供給量を越えないようにガスジエネレータ軸２の
回転速度または加速度を制限することにより、間接的に
コンプレッサタービン３に導かれる燃焼が大温度を抑え
られる。

このように基本的にγスジエネレータ軸２の回転速度ま
たは加速度に基づいて燃料供給量を制御するため、熱交
換器８を通過した空気温度や燃料調量弁１１で調量され
た燃料供給量を検出する必要が無く、熱交換器８の動特
性や燃料調量弁１１の詰まり等を自動的に補正すること
ができる。

（発明の効果） 以上の通り本発明によれば、二輪ガスタービンにおいて
、加速要求度の小さい通常運転時はガスジエネレータ軸
の回転速度を目標回転速度に近付けるのに対して、急加
速要求時はガスジエネレータ軸の回転加速度を目標値に
近付けるように燃料供給量制御を切換えるとともに、急
加速要求時にバリアブルノズルのノズル角度をガスジエ
ネレータ軸の回転速度に応じて決められる設定値に制御
するよ）にしたため、急加速要求時に燃料供給量とノズ
ル角度を比較的に大きなゲインで変化させられ、ガスタ
ービンの加速応答性を高められる。

また、燃焼〃大温度や熱交換器の出口温度を検出したり
、燃焼器に供給される燃料供給量を検出する必要が無く
、熱交換器の動特性や燃料調量弁の詰まり等を自動的に
補正して、安定した運転制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は実施
例におけるガスタービンの構造を示す図、ｔＪＳ３図は
制御部の構成を示すブロック図、第４図は制御ルーチン
を示す７０−チャートである。 １・・・コンプレッサ、２・・・ガスジェネレータ軸、
３・・・コンプレッサタービン、４・・・パワータービ
ン、５・・・出力軸、８・・−熱交換器、９・・・燃焼
器、１１・・・燃料調量弁、１３・・・バリアブルノズ
ル、５１・・・負荷検出手段、５２・・・目標ガスジヱ
ネレータ軸回転速度設定手段、５３・・・ガスジエネレ
ータ軸回転速度検出手段、５４・・・第一燃料供給量制
御手段、５５・・・出力軸回転速度検出手段、５６・・
・第一ノズル角度制御手段、５７・・・目標ガスジェネ
レータ紬回転加速度設定手段、５８−・・第二燃料供給
量制御手段、５９・・・ノズル角度設定手段、６０・・
・第二ノズル角度制御手段、６１・・・加速判断手段。 第 ２図 θｖｎｓｅｔ 第 ３ 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. コンプレッサーにより圧縮されたガスを、燃焼器により
   燃焼した後コンプレッサーにガスジェネレータ軸を介し
   て連結されたコンプレッサータービンに供給してコンプ
   レッサーおよびコンプレッサータービンを回転駆動する
   とともに、コンプレッサータービンを経たガスをバリア
   ブルノズルを介してパワータービンに供給してパワータ
   ービンおよびパワータービンの出力軸に接続された負荷
   を回転駆動するガスタービンの制御装置において、パワ
   ータービンの負荷を検出する手段と、この検出された負
   荷の大きさに基づいて目標ガスジェネレータ軸回転速度
   を設定する手段と、ガスジェネレータ軸の回転速度を検
   出する手段と、ガスジェネレータ軸の回転速度を目標回
   転速度に近付けるように燃焼器への燃料供給量を燃料調
   量弁を介して制御する第一燃料供給量制御手段と、パワ
   ータービンの出力軸の回転速度を検出する手段と、この
   検出された出力軸の回転速度を目標回転速度に近付ける
   ようにバリアブルノズルの角度を制御する第一ノズル角
   度制御手段とを設ける一方、検出されたガスジェネレー
   タ軸の回転速度に基づいてガスジェネレータ軸の目標回
   転加速度を設定する加速度設定手段と、この目標回転加
   速度に検出されたガスジェネレータ軸の回転加速度を近
   付けるように燃焼器への燃料供給量を燃料調量弁を介し
   て制御する第二燃料供給量制御手段と、検出されたガス
   ジェネレータ軸の回転速度に基づいてバリアブルノズル
   の角度を設定するノズル角度設定手段と、この設定角度
   にバリアブルノズルを制御する第二ノズル角度制御手段
   とを設け、ガスジェネレータ軸の回転速度と目標回転速
   度の偏差が所定値以下の通常運転時に第一燃料供給量制
   御手段と第一ノズル角度制御手段に出力させるとともに
   、ガスジェネレータ軸の回転速度と目標回転速度の偏差
   が所定値より大きい急加速要求時に、通常運転時の制御
   から第二燃料供給量制御手段と第二ノズル角度制御手段
   の出力に切り換える加速判定手段を設けたことを特徴と
   するガスタービンの制御装置。