JPH048829A - ガスタービン制御装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービンの温度制御、特にコンバインド
サイクル向のガスタービンの温度制御に関するものであ
る。

（従来の技術） ガスタービンの入口温度は、高温部材の寿命にも関連す
る重要な制限項目−つであり、一定の制限を設けて温度
の過上昇を防止するように制限制御されている。

現在広く使用されているガスタービンの一般的な制御装
置の概略を第３図に示す。

同図において、ガスタービン１の制御装置として、速度
負荷制御部２、温度制御部３、圧縮機の入口案内翼（以
下、ＩＧＶという）ｌａの開度を制御するＩＧＶ制御部
４および低値優先器５が設置されており、また、センサ
として、圧縮機出口圧力検出器６、排ガス温度検出器７
およびタービン回転数検出器８が備付けられている。

圧縮機出口圧力検出器６および排ガス温度検出器７から
の圧力信号Ｓ６および温度信号ｓ７は温度制御部３とＩ
ＧＶ制御部４に入力され、またタービン回転数検出器８
からの回転数信号ｓ８は速反負荷制御部２に入力される
。

速度負荷制御部２および温度制御部３からの信号Ｓ２お
よびＳ３は低値優先器５に入力され、いずれか低値が選
択されて燃料制御弁１ｂに導かれその開度を制御する。

また、ＩＧＶｌａの開度はＩＧＶ制御部４からの信号Ｓ
４によって制御される。

一般に、ガスタービン入口温度は１０００〜１３００℃
程度の高温であり、フィードバック信号としての信頼性
に乏しいため、ガスタービン入口温度Ｔ３と近似的に第
１式の関係にあるタービン出口の排ガス温度Ｔ４をフィ
ードバック要素として温度制御を行っている。

Ｔ４　／Ｔ３−　（Ｐ４　／Ｐ３　）″（ｋ−１）ｋ　
　・・・・・・（１）Ｔ４：排ガス温度 Ｔ３　：タービン入口温度 Ｐ４：排ガス圧力 Ｐ３　：タービン入口圧力 η　：効率により決まる定数 ｋ　：ガスの比圧縮比（定数。１．４程度）第１式より
、入口温度Ｔ３が一定の時の排ガス温度Ｔ４は Ｔ４−Ｔ３　　（Ｐ４　／Ｐ３　）″（ｋ−１）ｋ　　
　・・・・・・（２）となる。ここで、排ガス圧力Ｐ４
は通常一定としており、また入口温度Ｔ３およびαを一
定とすると、 Ｔ４−Ｔ３　　（Ｐ４　／Ｐ２　）″（ｋ−１）ｋ−Ｋ
ＴＰ２＝　　　　　　　　　　　　・・・・・・（３）
Ｐ２：圧縮機出口圧力 第２式中、入口圧力Ｐ３としては、それとほぼ等価的な
圧縮機出口圧力信号Ｓ６を使用し、排ガス温度Ｔ４は温
度信号Ｓ７を使用して演算により求め、このＴ４を設定
値として排ガス温度のフィードバック制御をしている。

Ｔ３をある目標温度とした時のＴ４とＰ２の関係を第４
図に示す。

ところで、タービンの入口温度Ｔ３は、燃料変化のほか
、空気流量の増減でも変化させることが可能である。即
ち、ある−元燃料で速度制御されていても、空気流量を
絞れば入口温度を高くすることができ、逆に空気流量を
増加させれば、入口温度は低くなる。

最近は、コンバインドサイクルとしての部分負荷での熱
効率向上のため、部分負荷時に出来る限り空気流量を絞
ってタービン入口温度の制限温度内でタービン排ガス温
度を高くして運転する方法が採用されている。これは、
サージング回避のために設置されている空気流量の調節
機能を有する圧縮機のＩＧＶを開閉制御することによっ
て実現している。

このＩＧＶによる温度設定値としては、排ガス温度設定
値より少し低目の値が与えられ、この設定に合うよう、
ＩＧＶの角度を動かして空気流量を調節する。この制御
カーブを第５図に示す。

第６図は、温度制御部３とＩＧＶ制御部４の詳細を示す
。

温度制御部３では、圧縮機出口圧力信号Ｓ６が温度制御
設定器１０に入力され、そこに予め設定されている温度
制御設定カーブに基づいて、入口温度一定となる排ガス
温度設定信号ＳｌＯが出力される。この排ガス温度設定
信号Ｓ１０は、排ガス温度信号Ｓ７とともに減算器１１
に入力されて比較演算され、さらにＰＩ　コントローラ
１２で制御出力が演算され、温度制御信号Ｓ３となって
低値優先器５（第３図）へ与えられる。

また、ＩＧＶ制御部４では、圧縮機出口圧力信号Ｓ６が
ＩＧＶ制御設定器１３に入力されると、そこに予め設定
されているＩＧＶ制御設定カーブに基づいてＩＧＶ制御
用温度設定信号ＳＩ３が出力される。このＩＧＶ制御用
温度設定信号Ｓ１３は、排ガス温度信号Ｓ７とともに減
算器１４に入力されて比較演算され、さらにＰＩコント
ローラ１５を経て、ＩＧＶ角度制御信号Ｓ４となり、Ｉ
ＧＶｌａ（第３図）へ与えられる。

なお、第６図の温度制御設定器１０およびＩＧＶ制御設
定器１３中のカーブは、第４図および第５図中の設定カ
ーブに相当している。

このようにして、ＩＧＶによる温度制御と燃料の温度制
限制御が行われる。

ここで重要なことは、これらの２つの制御は、排ガス圧
力（Ｐ４）が一定であると仮定して設定カーブが作られ
、温度制御するという第３式に基づいているということ
である。

（発明が解決しようとする課題） 近年、コンバインドサイクルの運用拡大により、第７図
に示すようなＨＲＳＧバイパス１８をＨＲＳＧ１９に並
列して設置したコンバインドサイクルシステムが多用さ
れる様になってきた。

このシステムでは、ＨＲ３Ｇ１９の入口に、ガスタービ
ン排ガスダンパ２０を設置し、ガスタービン単独運用と
コンバインドサイクル運用とを、排ガスダンパ２０の開
閉により行なえるようにすると共に、コンバインドサイ
クル運転時にＨＲ８Ｇ系に異常が発生した場合等には、
ガスタービンの運転継続しながら、ガスタービン排ガス
の流れをＨＲ３Ｇ行から煙突行（ＨＲＳＧ出口）へ即座
に切換えることができるようにしている。なお、第７図
中、符号２１は排ガスダンパリミットスイッチを示す。

ＨＲ３Ｇ１９は、ガスタービンの排ガスエネルギー（エ
ンタルピー）を蒸気との熱交換により回収して、出来る
だけ排ガス温度を下げて煙突へ排出するために、効率最
適化の観点より、多くの熱交換器１９ａ、１９ｂ・・・
をシリーズに配置している。また最近では、環境適合性
の観点より、排ガス脱硝装置も組込まれ、ＨＲ５Ｇの有
する圧力損失、即ち、煙突とＨＲ３Ｇ入口（ガスタービ
ン出口）の間の圧力損失は、かなり大きなものとなって
いる。

第１式により、排ガス圧力損を約０．１ａｔａとし、ま
た排ガス温度を一定として、ガスタービン入口温度Ｔ３
を推定計算すると、約３０℃の差が生じる。

これは、第８図のエンタルピー（ｉ）　　・エントロピ
ー（ｓ）チャートを使用して、次のように説明される。

即ち、コンバインドサイクル運用で、排ガスダンパがＨ
Ｒ３Ｇ行きとなっている時のガスタービンのガスの膨張
カーブをＡ点からＢ点とすると、ガスタービン入口温度
Ｔ３と排ガス温度Ｔ４の関係は、第１式より Ｔ３−Ｔ４　　（Ｐ　　３／Ｐ　　４）　″（ｋ−１）
ｋ　　　・・・・・・（４）となる。

この状態では、排ガス温度Ｔ４が第２式（実際は第３式
）で演算され、設定制御されている。この時、排ガスダ
ンパが開し、排ガス圧力がＰ４からＰ４°まで下がって
も、排ガス温度Ｔ４の設定値は変らない（第３式では、
排ガス圧力Ｐ４を一定としているため）。

設定カー°ブを変えないとした場合（即ち、従来技術の
Ｐ４一定の設定カーブの場合）の入口温度Ｔ３’は Ｔ３°−Ｔ４　　（Ｐ３　／Ｐ４°）″（ｋ−１）ｋ　
　・・・・・・（５）となる。ここで、 Ｐ４°−：０．９ＸＰ４とし、また、効率η−０，８、
Ｋ　−１，４として、入口温度Ｔ３°を求めるとＴ３°
−７４（Ｐ３　／Ｐ４　）　″（ｋ−１）ｋＸｔ、ｏａ
−Ｔ３Ｘ１．０３　　　　　　　　　　　・・・・・・
（６）となる。

即ち、第８図の入口温度Ｔ３°はＴ３の１．０３倍とな
る。従って、例えば、入口温度Ｔ３が１０００℃のガス
タービンの場合は、約３０℃高目の温度となってしまう
。

また逆に、ガスタービン単独運用として温度制御、ＩＧ
Ｖ制御設定カーブを入れておいた場合、コンバインドサ
イクル運用では、入口温度を低目に制御することになり
、熱効率上から好ましくない。

以上のように、従来の温度制御方法では、排ガス圧カ一
定を前提とした制御カーブで温度設定値を求めていたた
め、近年のＨＲ３Ｇ・バイパスを有するコンバインドサ
イクル運用／ガスターン単独運用の両方の運転モードが
ある場合には、改善する必要があった。

本発明は従来装置の上述のような欠点を除去すべくなさ
れたもので、排ガスダンパにより、コンバインドサイク
ル運用とガスタービン単独運用の両方を有するプラント
のように、排ガス圧力が運用によって変化するガスター
ビンに最適な温度制御装置を提供することを目的とする
ものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のガスタービン制御装置は、タービン入口温度が
規定値となるような排ガス温度目標値と排ガス温度信号
との偏差を制御演算して燃料流量を調節し、排ガス温度
目標値以上に排ガス温度が上昇しないように燃料の制限
制御を行い、また圧縮機の入口案内翼角度を調節して入
口案内翼温度目標設定値に排ガス温度が合致するように
制御するガスタービンの温度制御装置において、前記排
ガス温度目標値を、圧縮機出口圧力等のタービン入口相
当圧力と、排ガス圧力検出器より得られる排ガス圧力信
号とから演算するカーブで構成したことを特徴とするも
のである。

（作用） このような構成の本発明においては、排ガス圧力Ｐ４も
加味して、排ガス温度目標値を求めているため、排ガス
圧力がコンバインドサイクル運用、ガスタービン単独運
用と変っても入口温度は正確に規定値に制御される。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。なお、
以下の説明においては、第３図ないし第６図におけると
同一部分には、それらと同じ符号を付し、それらの説明
は必要な場合を除いて省略する。

第１図に示す本発明の実施例においては、ガスタービン
１の排ガス出口部に排ガス圧力検出器２２を設置し、こ
の排ガス圧力検出器２２によって検出された圧力信号Ｓ
２２を目標排ガス温度設定カーブに加味し、温度制御用
の排ガス温度設定信号Ｓ　１０’およびＩＧＶ制御用排
ガス温度設定信号Ｓ１３゛を作成している。

排ガス温度設定信号ＳＩＯ°は排ガス温度信号Ｓ７と共
に減算器１１に入力されて比較演算され、さらにＰＩコ
ントローラ１２を経て、温度制御信号Ｓ３となり、低値
優先器５（第５図）へ与えられる。

また、排ガス温度設定信号Ｓ　１３’は、排ガス温度信
号Ｓ７と共に減算器１４に入力されて比較演算され、さ
らにＰＩコントローラ１５を経て、ＩＧＶ角度制御信号
Ｓ４となり、ＩＧＶｌａ（第５図）へ与えられる。

これによって、排ガス圧力Ｐ４が変化しても、タービン
入口温度Ｔ３を規定温度内に正確に制御することができ
る。

第１図の実施例では、温度制御設定器１０の温度設定カ
ーブとＩＧＶ制御設定器１３における温度設定カーブは
、ガスタービン入口温度一定に対し、圧縮機出口圧力（
Ｐ２　’−Ｐ３　）と、排ガス圧力（Ｐ４）から排ガス
温度目標値（Ｔ４）を求めるように設定しである。

このように、本発明装置においては、排ガス圧力も加味
し、次式 ％式％） ： によって、タービン入口温度をある規定値にするタービ
ン排ガス温度の目標値を演算するため、コンバインドサ
イクル運用／ガスタービン単独運用のどちらの運用が選
択されても、排ガス圧力の変化により、自動的にガスタ
ービン排ガス温度目標値が変更され、入口温度目標を逸
脱しない温度制御が実現される。

なお、本発明においては、温度制御設定器１゜とＩＧＶ
制御設定器１３に記憶させた設定カーブを、それぞれコ
ンバインドサイクル運用または単独運用のどちらかの排
ガス圧力定常値に設定しておき、排ガスタンパの開閉リ
ミットスイッチ２１の信号により、温度目標値を変更す
ることでも、本発明の目的を達成できる。

即ち、例えば第２図に示すように、排ガスダンパの開閉
リミットスイッチ２１の信号により、排ガス温度設定信
号５ｌＯ１ＩＧＶ制御用温度設定信号Ｓ１３にバイアス
を加える方法（方法Ａ）あるいは排ガス圧力の修正分を
掛算する方法（方法Ｂ）でもよい。

第２図において、バイアス信号または掛算信号は、遅れ
要素演算器２３．２４を介して減算器１１．１４および
掛算器２５．２６に導がれ、減算数または掛算を実行さ
れ、バンパー切換え時の排ガス温度設定信号の突変を防
止している。

第２図中、Ｋ＾、ＫＢは予め判明している排ガスダンパ
ー開／閉それぞれの状態における排ガス圧力の違いによ
り生ずる排ガス温度設定値の偏差分であり、ＨＲＳＧの
圧損が大気に対して、例えば１０％の場合は、第６式か
らバイアスとしては３０℃、掛算信号は１．０３をに＾
、ＫＢとして与えればよい。

［発明の効果］ 上述のように、本発明装置においては、例えばコンバイ
ンド運用とガスタービン単独運用の両方の運用を行う場
合のように、ガスタービン排ガス圧力が運用により大き
く変化するガスタービンの温度制御を、常に一定の入口
温度目標値に制御できる。

従って、入口温度が低くなりすぎて熱効率の低下を招い
たり、逆に、入口温度が目標値をオーバして高温部の寿
命を短縮したりというような不具合のないガスタービン
の制御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明の他の実施例を示す構成図、第３図は従来のガスター
ビン制御システムの構成図、第４図および第５図は従来
のガスタービンの温度制御方法における排ガス温度制御
設定カーブを示すグラフ、第６図は従来のガスタービン
の温度制御方法を説明する構成図、第７図はＨＲ３Ｇバ
イパスヲ有するフンバインドサイクルの概略図、第８図
は排ガス圧力が違う場合の排ガス温度一定時の入口ガス
温度を示すｉ−ｓチャートである。 １・・・・・・・・・ガスタービン ２・・・・・・・・・速度負荷制御部 ３・・・・・・・・・温度制御部 ４・・・・・・・・・ＩＧＶ制御部 ５・・・・・・・・・低値優先器 ６・・・・・・・・・圧縮機出口圧力検出器７・・・・
・・・・・温度検出器 ８・・・・・・・・・タービン回転数検出器１０・・・
・・・・・・温度制御設定器１０・・・・・・・・・温
度制御設定器１１．１４・・・減算器 １２．１５・・・ＰＩコントローラ １３・・・・・・・・ＩＧＶ制御設定器１８・・・・・
・・・・ＨＲＳＧバイパス１９・・・・・・・・・ＨＲ
ＳＧ ２０・・・・・・・・・排ガスダンパ ２１・・・・・・・・・排ガスダンバリミツトスイッチ
２２・・・・・・・・・排ガス圧力検出器２３．２４・
・・遅れ要素演算器 ２５．２６・・・掛算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. タービン入口温度が規定値となるような排ガス温度目標
   値と排ガス温度信号との偏差を制御演算して燃料流量を
   調節し、排ガス温度目標値以上に排ガス温度が上昇しな
   いように燃料の制限制御を行い、また圧縮機の入口案内
   翼角度を調節して入口案内翼温度目標設定値に排ガス温
   度が合致するように制御するガスタービンの温度制御装
   置において、前記排ガス温度目標値を、圧縮機出口圧力
   等のタービン入口相当圧力と、排ガス圧力検出器より得
   られる排ガス圧力信号とから演算するカーブで構成した
   ことを特徴とするガスタービンの温度制御装置。