JPH06146928A - ガスタービン装置用燃料ガス供給装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 部分負荷運転時における燃料ガス圧縮機の軸
動力を、より一層減少させることを可能にしたガスター
ビン装置用燃料ガス供給装置の制御装置を提供する。 【構成】 昇圧された燃料ガスを生成する第１段，第２
段ガス圧縮機２，３を含む燃料ガス供給装置２１から送
り出す燃料ガスの流量を調節する第１，第２バイパス弁
１０，１２，圧力調節計１５等からなる流量調節部と、
燃料ガス供給装置２１から燃料ガスの供給を受けて、こ
の燃料ガスを圧縮空気が供給される燃焼器２８にガバナ
弁２７を介して導き、燃焼器２８からの吐出ガスにより
回転させられるガスタービン２４を含むガスタービン装
置２２のガスタービンの作動状態を示す状態量を測定す
る測定手段３３と、これによる測定値を示す電力信号を
受け、燃料ガス供給装置２１から送り出されるガス吐出
圧力を予め定めた必要最小限度の値にさせる信号を圧力
調節計１５に出力する演算器３５とから形成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば事業用或は工場
内自家用設備等に適用するガスタービン装置用燃料ガス
供給装置の制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンにより発電機或はブロワー
等の回転機械を駆動するガスタービン装置では、ガスタ
ービンの燃料として、都市ガス，天然ガス，プロパンガ
ス、或はその他の混合ガスが使用されている。また最近
では、ガスタービン発電装置を含むコジェネレーション
システムがよく採用されており、特に都市ガスが使用さ
れることが多く、ガスタービン発電装置に燃料ガスを供
給するガス圧縮機で、燃料ガスを１．５〜２．５ＭＰａ
程度に昇圧して、ガスタービンに供給するのが一般的で
ある。図６は、従来のガスタービン装置用燃料ガス供給
装置を示し、この装置は、モータ１により同軸駆動する
ようにした第１段ガス圧縮機２と第２段ガス圧縮機３と
を備えている。第１段ガス圧縮機２の吸込側には、遮断
弁４が、吐出側には第１ガスクーラ５が設けてあり、第
２段ガス圧縮機３の吐出側には、第２ガスクーラ６，レ
シーバタンク７，遮断弁８が設けてある。

【０００３】図示していないが、この遮断弁８の出側に
接続した流路９は、ガス流量調節用のガバナ弁、および
このカバナ弁を介して燃料ガスと、空気圧縮機から圧縮
空気の供給を受ける燃焼器、さらにこの燃焼器から燃焼
ガスの供給を受ける被駆動機駆動用ガスタービン等を含
むガスタービン装置へと続いている。また、第１ガスク
ーラ５，第２段ガス圧縮機３との間から第１バイパス弁
１０を経て、第１段ガス圧縮機２の吸込側に至る第１バ
イパス流路１１と、第２ガスクーラ６とレシーバタンク
７との間から第２バイパス弁１２を経て、第１段ガス圧
縮機２の吸込側に至る第２バイパス流路１３とが設けて
ある。さらに、レシーバタンク７と遮断弁８との間に圧
力検出可能に圧力検出器１４と、この圧力検出器１４か
らの圧力信号を受け、これに基づいて第１，第２バイパ
ス弁１０，１２の開度を制御する圧力調節計１５が設け
てある。

【０００４】そして、この装置では、上記ガスタービ
ン、およびこのガスタービンにより駆動される被駆動機
の負荷が変動しても、以下に述べるように吐出圧力、即
ち第２段ガス圧縮機３の吐出圧力を略一定に保つ制御が
行われている。即ち、上記ガスタービンでの燃料ガス使
用量が減少すると、圧力検出器１４による検出圧力は上
昇傾向を示すが、この場合には、圧力検出器１４からの
信号を受けた圧力調節計１５は、第１バイパス弁１０に
対して、その開度を増大させる信号を出力し、即ち出力
信号を弱くして、さらに上記検出圧力が増大傾向を示す
場合には、第２バイパス弁１２に対して、その開度を増
大させる信号を出力し、即ち出力信号を弱くして、吐出
圧力を一定に保つ部分負荷運転を行うようになってい
る。

【０００５】図７は、圧力調節計１５からの出力信号
（ＰＣ出力信号）の比（（ＰＣ出力信号の強さ／最大Ｐ
Ｃ出力信号の強さ）×１００）に対する、第１，第２バ
イパス弁１０，１２の動作特性を示す図で、実線による
折れ線Iが第１バイパス弁１０の動作特性、一点鎖線に
よる直線IIが第２バイパス弁１２の動作特性を示してい
る。ＰＣ出力信号の比が１００％から５０％までは、第
１バイパス１０の開度のみを制御し、ＰＣ出力信号の比
が５０％以下になると、第１バイパス弁１０の開度をさ
らに大きくすると第１段ガス圧縮機２，と第２段ガス圧
縮機３との間の差圧が大きくなり過ぎるため、第１バイ
パス弁１０の開度は、そのままにして、第２バイパス弁
１２のみを制御するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の装置では、
ガスタービン、およびこのガスタービンにより駆動され
る被駆動機の負荷が変動しても、吐出圧力一定に保つ部
分負荷運転を行うようになっている。このため、ガス圧
縮機の軸動力は、第１バイパス弁１０の制御時に第１段
ガス圧縮機２の軸動力が減少するだけで、吐出圧力一定
故、第２バイパス弁１２の制御時には、第２段ガス圧縮
機３の軸動力は減少しない。図８は、上述した装置にお
けるガス圧縮機の部分負荷特性を示し、横軸に第２段ガ
ス圧縮機３からの吐出ガス流量の比（（吐出ガス流量／
最大吐出ガス流量）×１００）を、縦軸に第１段，第２
段ガス圧縮機２，３の軸動力の比（（軸動力／最大軸動
力）×１００）をとってあり、吸込圧力，吐出圧力が一
定の場合、吐出ガス流量の比が１００％〜５０％では、
この比が小さくなると、軸動力は減少しているが、５０
％以下では上記比が小さくなっても軸動力は一定となっ
ている。即ち、上記従来の装置の場合、軸動力は、部分
負荷運転をしても、３０％減にとどまるという問題があ
る。本発明は、斯る従来の問題点を課題としてなされた
もので、ガスタービン装置の部分負荷運転時におけるガ
ス圧縮機の軸動力をより一層減少させることを可能とし
たガスタービン装置用燃料ガス供給装置の制御装置を提
供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、昇圧された燃料ガスを生成するガス圧縮
機を含む燃料ガス供給装置から送り出す燃料ガスの流量
を調節する流量調節部と、上記燃料ガス供給装置から燃
料ガスの供給を受けて、この燃料ガスを圧縮空気が供給
される燃焼器にガス流量調節用ガバナ弁を介して導き、
この燃焼器から吐出されるガスにより回転させられる被
駆動機駆動用ガスタービンを含むガスタービン装置の上
記ガスタービンの負荷状態を示す状態量を測定する測定
手段と、この測定手段による測定値を示す測定値信号を
受け、上記燃料ガス供給装置から送り出される燃料ガス
の吐出圧力を予め定めた必要最小限度の値にさせる信号
を上記流量調節部に出力する演算器とから形成した。

【０００８】

【作用】上記発明のように構成することにより、ガスタ
ービン及びこのガスタービンで駆動される被駆動機の負
荷が小さくなった場合、燃料ガス供給装置の吐出圧力を
全負荷時の吐出圧力よりも低くなるように制御されるよ
うになる。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の一実施例を図面にしたがって
説明する。図１は、本発明の第１実施例に係るガスター
ビン発電装置用燃料ガス供給装置の制御装置を適用した
発電設備を示し、図６に示す装置と共通する部分につい
ては同一番号を付して説明を省略する。上述したよう
に、燃料ガス供給装置２１に接続した流路９は、ガスタ
ービン発電装置２２に続いており、このガスタービン発
電装置２２には、同軸回転する空気圧縮機２３，ガスタ
ービン２４、および発電機２５が設けてある。また、流
路９は、緊急遮断弁２６、およびガス流量調節用ガバナ
弁２７を介して燃焼器２８に接続しており、この流路９
より燃焼器２８に昇圧した燃料ガスを供給している。さ
らに、空気圧縮機２３には、大気中の空気を吸込むため
の吸込流路２９と、燃焼器２８に圧縮空気を吐出する吐
出流路３０とが接続している。

【００１０】燃焼器２８からの燃焼ガスは、ガスタービ
ン２４を回転させるのに使われ、ガスタービン２４に接
続した排ガス流路３１からの排ガスは、例えば工場にお
けるコジェネレーションシステムの場合、ボイラの熱源
として有効利用される。また、ガスタービン２４の回転
とともに発電機２５が駆動され、これにより発生した電
力は、例えば商用電源からの電力とともに工場内負荷に
送られる。本実施例では、発電機２５からの送電線３２
に、電流，電圧測定可能に電力変換器３３を設け、これ
により測定電流，電圧に基づき、発電機２５から出力さ
れる電力を算出して、この電力を電力信号に変換し、こ
の電力信号をガスタービン調速器３４，演算器３５に入
力している。ガスタービン調速器３４には予め発電電力
設定値を入力しておいて、この発電電力設定値と上記電
力信号との偏差を縮小するように、ガスタービン調速器
３４からの信号によりガバナ弁２７の開度を制御するよ
うにしてある。

【００１１】この制御により、燃焼器２８内の温度、圧
力が変化し、発電機２５による発電電力量が調節され
る。また、燃焼器２８内の温度、圧力が変化する故、こ
れに対応して第２段ガス圧縮機３の吐出圧力を変えても
発電電力量に見合った量の燃料ガスをガバナ弁２７を介
して燃焼器２８に送り込むことが可能となる。そこで、
電力変換器３３から電力信号を受けた演算器３５にて、
その電力信号に見合った燃料ガス供給圧を演算させ、圧
力調節計１５の設定値を定め、設定値信号を圧力調節計
１５に入力している。図２（横軸：（発電電力／発電電
力の最大値）×１００，縦軸：（圧力調節計１５の設定
値／設定値の最大値）×１００）は、発電電力と圧力調
節計１５の設定値との関係の一例を示し、ガスタービン
２４による発電電力量に対応する電力信号から、これに
見合った燃料ガス圧縮機の吐出圧力が決まり、この吐出
圧力の比（（吐出圧力／最大吐出圧力）×１００）を図
２中破線IIIで表してある。さらに、流路９でのガスの
圧損及びガバナー弁２７の必要圧損等を考慮して、上記
吐出圧力に、設備固有の圧力損失分等を加味して、圧力
（正確には、圧力比）ΔＰをプラスした値を圧力調節計
１５の設定値とする。この設定値を、図２中実線IVで示
してある。

【００１２】そして、この設定値に基づいて第１，第２
バイパス弁１０，１２の開度が制御される。図３（横
軸：吐出ガス流量の比（（吐出ガス流量／最大吐出ガス
流量）×１００），縦軸：第１段，第２段ガス圧縮機
２，３の軸動力の比（（軸動力／最大軸動力）×１０
０））中の実線による折れ線Vは、斯る制御、即ち変圧
制御を行った場合の部分負荷特性を示し、図３中破線で
示す折れ線VIは図８に示す従来の制御方式による部分負
荷特性を示し、この折れ線VIで示す部分負荷特性に比し
て、変圧制御の場合の部分負荷特性は、吐出ガス流量比
が減少する程、軸動力の減少幅は大きくなり、吐出ガス
流量比が０％のとき、即ち無負荷運転状態のときに約１
３％減少する。例えば、燃料ガスとして、化学製鉄プラ
ントにて発生するオフガスを使用する場合は、ガス圧縮
機で燃料ガスを０．１ＭＰａ以下から１．５〜２．５Ｍ
Ｐａまで昇圧する必要があり、特に低カロリの燃料ガス
の場合、ガス圧縮機の軸動力は発電電力の１０％を超え
ることもあるため、上記変圧制御による部分負荷特性の
改善の意義は大きい。

【００１３】図４は、本発明の第２実施例に係るガスタ
ービン発電装置用燃料ガス供給装置の制御装置を適用し
た発電設備を示し、図１に示す装置と共通する部分につ
いては同一番号を付して説明を省略する。本実施例で
は、第１段ガス圧縮機２をモータ１ａで、また第２段ガ
ス圧縮機３をモータ１ｂで駆動するようにしてあり、図
１に示す装置に含まれる第１バイパス流路１１，第１バ
イパス弁１０を省いた構造になっている。そして、圧力
調節計１５により、上記同様発電電力に対応させて、即
ちガスタービン２４の運転状態に合わせて、圧力調節計
１５によりモータ１ａ，１ｂの回転数制御、および第２
バイパス弁１２の開度制御を行うようにしてある。さら
に、詳しくは、例えば吐出ガス流量比が１００〜５０％
の間はモータ１ａ，１ｂの回転数制御を行い、５０〜０
％の間は第２バイパス弁１２の開度制御を行う。

【００１４】図５は、本発明の第３実施例に係るガスタ
ービン発電装置用燃料ガス供給装置の制御装置を適用し
た発電設備を示し、図１に示す装置と共通する部分につ
いては同一番号を付して説明を省略する。本実施例で
は、図１に示す装置の第２段ガス圧縮機３，第２ガスク
ーラ６，第２バイパス流路１３、および第２バイパス弁
１２を省いた構造にするとともに、第１段ガス圧縮機２
を容量調節装置、例えばスライド弁を備えたものとし、
その駆動部４１を、圧力調節計１５により制御して、例
えばスライド弁の位置を調節するようになっている。そ
して、圧力調節計１５により、上記同様発電電力に対応
させて、圧力調節計１５により駆動部４１を介して、例
えばスライド弁の位置制御、および第１バイパス弁１１
０の開度制御を行うようにしてある。さらに、詳しく
は、例えば吐出ガス流量の変化がゆるやかな間は駆動部
４１の制御を行い、急激な間は第１バイパス弁１０の開
度制御を合わせて行う。

【００１５】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものでなく、この他例えば電力変換器３３に代えて、ガ
スタービン２４のガスの消費量を測定するガス消費量測
定器、或はガバナ弁３０の下流側のいずれかの位置にガ
スの圧力，差圧等の状態量を測定するガス状態量測定器
を設けてこの測定器から測定信号を演算器３５に入力し
て上記同様の制御を行うようにしてもよい。即ち、電力
変換器３３とともに、これらの測定器を設けて、これら
の測定器からの信号を演算器３５に入力し、電力変換器
からの信号をガスタービン調速器３４に入力するように
してもよい。また、被駆動機駆動用ガスタービン装置に
おいては、被駆動機の状態特性量（圧力，流量等）を入
力とする状態量測定器を設けて、この測定器からの測定
信号を演算器３５に入力して、上記と同様の制御を行う
ようにしてもよい。さらにまた、ガス圧縮機の段数も上
記実施例に示す１段，２段のものに限定するものでな
く、さらに、ガス圧縮機を複数段設けた場合に、各圧縮
機を同軸回転させることに限定するものでもない。

【００１６】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
によれば、昇圧された燃料ガスを生成するガス圧縮機を
含む燃料ガス供給装置から送り出す燃料ガスの流量を調
節する流量調節部と、上記燃料ガス供給装置から燃料ガ
スの供給を受けて、この燃料ガスを圧縮空気が供給され
る燃焼器にガス流量調節用ガバナ弁を介して導き、この
燃焼器から吐出されるガスにより回転させられる被駆動
機駆動用ガスタービンを含むガスタービン装置の上記ガ
スタービンの負荷状態を示す状態量を測定する測定手段
と、この測定手段による測定値を示す測定値信号を受
け、上記燃料ガス供給装置から送り出される燃料ガスの
吐出圧力を予め定めた必要最小限度の値にさせる信号を
上記流量調節部に出力する演算器とから形成してある。

【００１７】このため、例えば電力の消費量が減少し
て、ガスタービンの負荷が低下した場合には、ガスター
ビンの運転状態に合わせて、ガス圧縮機の吐出圧力を必
要最低限度まで低下させるように制御するようになる結
果、燃料ガス圧縮機の部分負荷特性が改善され、部分負
荷運転時における圧縮機の軸動力をより一層減少させる
ことが可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係るガスタービン発電
装置用燃料ガス供給装置の制御装置を適用した発電設備
の全体構成図である。

【図２】 図１に示す装置における電力変換器により測
定された発電電力と圧力調節計の設定値との関係を示す
図である。

【図３】 図１に示す装置における圧縮機の部分負荷特
性を示す図である。

【図４】 本発明の第２実施例に係るガスタービン発電
装置用燃料ガス供給装置の制御装置を適用した発電設備
の全体構成図である。

【図５】 本発明の第３実施例に係るガスタービン発電
装置用燃料ガス供給装置の制御装置を適用した発電設備
の全体構成図である。

【図６】 従来のガスタービン発電装置用燃料ガス供給
装置を示す全体構成図である。

【図７】 図６に示す装置における圧力調節計からの出
力信号（ＰＣ出力信号）と第１，第２バイパス弁の開度
との関係を示す図である。

【図８】 図６に示す装置における圧縮機の部分負荷特
性を示す図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ モータ ２ 第１段ガス圧縮機 ３ 第２第ガス圧縮機 １０ 第１バイパス弁 １１ 第１バイパス流路 １２ 第２バイパス弁 １３ 第２バイパス流路 １４ 圧力検出器 １５ 圧力調節計 ２１ 燃料ガス供給装置 ２２ ガスタービン発電装置 ２４ ガスタービン ２５ 発電機 ２７ ガバナ弁 ２８ 燃焼器 ３３ 電力変換器 ３４ ガスタービン調速器 ３５ 演算器 ４１ 駆動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下平 一成 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日本 製鐵株式会社広畑製鉄所内 (72)発明者 和田 伸顯 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 伊藤 誠規 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 澤田 征男 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者 瀬川 秀樹 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 昇圧された燃料ガスを生成するガス圧縮
   機を含む燃料ガス供給装置から送り出す燃料ガスの流量
   を調節する流量調節部と、上記燃料ガス供給装置から燃
   料ガスの供給を受けて、この燃料ガスを圧縮空気が供給
   される燃焼器にガス流量調節用ガバナ弁を介して導き、
   この燃焼器から吐出されるガスにより回転させられる被
   駆動機駆動用ガスタービンを含むガスタービン装置の上
   記ガスタービンの負荷状態を示す状態量を測定する測定
   手段と、この測定手段による測定値を示す測定値信号を
   受け、上記燃料ガス供給装置から送り出される燃料ガス
   の吐出圧力を予め定めた必要最小限度の値にさせる信号
   を上記流量調節部に出力する演算器とから形成したこと
   を特徴とするガスタービン装置用燃料ガス供給装置の制
   御装置。