JPS5848740B2 - ニジクガタガスタ−ビンノセイギヨソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二軸型ガスタービンの制御装置に係わり、特に
、ガスタービンの経年劣化を考慮して補正されたより正
確な燃焼温度推定値に基いてガスタービンの運転を制御
することにより、広範囲の負荷レベルにおいて高効率で
運転し得るように改良された二軸型ガスタービンの制御
装置に係わる。

第１〜第３図について、先ず、従来技術による二軸型ガ
スタービンの制御装置を説明する。

第１図には、ガスタービン設備５０とこれを運転するた
めのガスタービン匍御装置１００が示されている。

コンプレツサ１は、運転中、空気取入口８から空気を取
入れこれ劃玉縮し圧縮空気送出口９を通して燃焼器１０
内へ送り込む。

燃料人口１１から燃焼器１０内に圧入された燃料が前記
圧縮空気と共に燃焼され、燃焼ガスは燃焼ガス通路１２
を通して高圧タービン２に導かれる。

該高圧ガスタービンはコンプレツサ１にシャフト５によ
り直結されている。

高圧タービンに導かれた燃焼ガスは、該高圧タービンを
回転させコンプレツサ１を駆動するとともに、ノズル７
を通して低圧タービン３に導かれる。

該低圧タービンはシャフト６により負荷４に連結されて
おり、前記燃焼ガスは負荷４に仕事をした後排ガスとし
て排気管１４かも外部へ出される。

以上のガスタービンを運転するためにガスタービン制御
装置１００が設げられ、該制御装置からの操作端として
は、燃料供給装置１８からの燃料量を調整するための燃
料操作器１７と、ノズ／Ｌ／７の開度を調整するための
ノズル操作器１３が設けられている。

また、検出端としては、排ガス温度検出器１５、低圧タ
ービン速度検出器１６及びコンプレツサ吐出圧力検出器
３６が設げられている。

かＳるガスタービン制御装置による匍脚方式はノズル７
の開度が大きくなるとコンプレツサ１の速度が上昇し燃
焼器１０内の燃焼温度が低下し、逆に開度力′ＶＪＳさ
くなるとコンプレツサ速度が低下し燃焼温度が上昇する
という現象、即ち高圧、低圧タービン間の負荷配分率の
調整がその基本となっている。

以下、この匍御方式について具体的に説明する。

ガスタービンの速度すなわち負荷匍脚る制御装置１００
で燃焼器１０へ送り込む燃料量を制御することによって
行なわれる。

該負荷匍脚においては、低圧タービン３の回転速度を電
磁ピックアップ等Ｑ速度検出器１６で検出し、この検出
信号２５と速度設定器２１に設定された速度設定信号２
４との偏差２６に応じて、速度調定率設定器２２に予め
設定してある調定率に応じて負荷信号２７が発生され、
これに応答して比例制御系２３により燃料要求信号２８
が燃料操作器１７に対して出力される。

したがって、速度設定値を任意に変えることにより負荷
も任意にとることができる，一方二軸型ガスタービンで
は、二軸の特徴を生かしてコンプレツサ１の速度をノズ
ル７の開度制御により低圧タービン３の速度とは独立し
て制御し、これによって空気流量を燃焼温度を考慮した
必要最小限に押え、低負荷時での効率を高く維持してい
る。

しかし、燃焼器１０内のガス温度は温度分布にむらがあ
るため、従来、一般には排気管１４の排ガスの温度を熱
電対等の温度検出器１５で検出し、この値から燃焼温度
を推定する方式を採用している。

かかる従来の方式では、燃焼温度推定装置３２において
、排ガスの温度検出信号３１を、圧力検出器３６で検出
したコンプレツサ吐出圧力信号３７で補正していた。

こうして補正された燃焼温度推定値信号３３が推定装置
３２から発生され、これと温度設定器２９で設定した燃
焼温度設定信号３０とを比較し、その温度偏差信号３８
を入力としてノズル開度制御系３４が作動し、ノズル操
作器１３に対してノズル操作信号３５が与えられる。

負荷制御に際しては、例えば温度偏差信号３８が正とな
った場合ノズル７は開方向に操作され、高圧低圧タービ
ン間の仕事分担は高圧タービン側〕ζが増加され、コン
プレツサ１の駆動速度が増大する。

その結果コンプレツサ流人空気流量が増大して燃焼温度
が低下し、温度偏差信号３８も小さくなる。

逆の場合即ち温度偏差信号３８力豫の場合も同じ方法で
制御される。

次に、燃焼温度推定装置３２０機能を第２図について説
明する。

第２図はブレイトンサイクルのＴ−Ｓ線図を示すもので
、Ｔは絶対温度を、Ｓは作動流体のエントロピをそれぞ
れ示す。

コンプレツサ１及びタービンに損失のない理想的な特性
は１−２−３−４であるが、実際には損失が伴なうため
１ −２’−３’−４’となる。

Ｐ１ は大気圧力、Ｐ２はコンプレツサ吐出力を示す。

ここで、もし前記燃焼温度を排ガス温度Ｔｚのみで推定
して制御すると、コンプレツサ吐出モカが例えば△ＰＣ
Ｄだけ上昇した場合、Ｔ−Ｓ線図は１２／／ ａ／
４／となり燃焼温度は△Ｔ３だげ高い所でタービンの
運転がなされることになる。

したがって、燃焼温度かもとのＴ３で運転するためには
排ガス温度がＴ′４ より△Ｔ４だげ低い所で運転する
必要がある。

この点に関して、従来の方式では次の方法で燃焼温度を
推定していた。

即ち、先ず第２図の線図からも明らかな如く、コンプレ
ツサ吐出圧力ＰＣＤが一定の状態では、燃焼温度ＴＦは
排ガス温度ＴＸの関数として一義的に決まる。

したがって燃焼温度ＴＦをで定義する。

次にコンプレツサ吐出圧力Ｐ。

Ｄの変動を考慮すると、燃焼温度の推定値ＴｈＥは （但し、Ａは定数、△ＰＣＤはＰＣＤ”変動値）で与え
られる。

以上の数式で推定した燃焼温度に基すいて制御すればＴ
−Ｓ線図は１ ２／／ ３／／ ４“となり、実
際の燃焼温度Ｔ３を理論上維持することができる。

しかし、タービンの運転により燃焼器あるいはタービン
ブレードが経年劣化した場合は、タービンの効率が低下
し、従来技術による前記燃焼温度推定値との差が大きく
なる。

即ち、タービン効率カ低下した場合には、タービン内で
のガス膨脹過程は第３図に示すように３／／ ４／／
から３／／／ ４／／に移行し、このため燃焼温度は
△Ｔ３ｌだげ低下したＴζｌのところで制御されていた
。

この点が従来技術によるタービＪｔＪ御装置の欠点であ
り、この経年劣化によりタービンの運転効率は５〜１０
％低下し高効率運転を長期間持続することができなかっ
た。

このことは経済上タービン設備の保守頻度が高くなるこ
と、機器部品の交換頻度が高くなること、さらには長期
間の連続運転ができなかったことの原因である。

本発明は上記した従来技術の欠点を解消することを目的
とするものであり、本発明によればタービンの経年劣化
の有無に拘わらずタービン効率を極力高い値に制御維持
し得る二軸型ガスタービンの制御装置が提供される。

即ち、本発明の制御装置は、従来の方式で用いていた燃
焼温度推定値を更にタービンの経年劣化を考慮して補正
することにより更に正確度の高い推定値を求め、該推定
値と設定値との温度偏差によってノズル開度制御を行な
い、コンプレッサの回転速度を変更することにより空気
取入れ量を制御し、もって燃焼温度を許容温度範囲内で
極力高く維持し高いタービン効率を持続し得るように構
成される。

以下、第３〜第５図につき本発明の実施ｆＫ説明する。

て 本発明の二軸型ガスタービンの匍脚装置は、第３図
に示すように、タービンの経年劣化で低下する燃焼器１
０内の燃焼温度の低下分△Ｔ３′を補正して設定値Ｔ３
で運転するために、排ガス温度を従来の場合のＴ４″
より△Ｔ４′だけ高い温度Ｔ ４”で運転することを主
たる特徴とするものである。

第４図は本発明の制御装置の燃焼温度推定装置１５０の
構成並びにこれとノズル開度制御器３４との関連を示す
ものである。

本発明による燃焼温度推定装置１５０は、第４図の機能
ブロック図によれば、従来の方式（第１図参照）による
燃焼温度推定装置３２、ガスタービン効率計算装置４１
及び温度補正装置４２から構成される。

ここで、排ガス温度検出値ＴＸとコンプレツサ吐出圧力
検出値Ｐ。

Ｄから従来方式の場合と同様にして前緘１）式及び（２
）式で算出した推定温度ＴＩＦＦ，を用いれば、本発明
における燃焼温度推定値ＴＦＥは次のようにして算出さ
れる。

先ず、第３図におげる△Ｔ／，はタービン効率ηＧＴ
の関数として、 となる。

第４図の温度補正装置４２は、（４）式に基づく演算に
よりＴＦＥ を求める。

４２内のグラフは（４）式の関係を示している。

これらのグラフと（４）式とを比較して明らかなように
、ＴＦ’Ｅが一定の場合は△Ｔ３ｌ又はｇ（ηｏＴ）が
犬なるほどＴＦＥ力″−／卦さくなり、△Ｔ３′又はｇ
（ηＧＴ ）が一定の場合はＴＦ’Ｅが犬なるほどＴＦ
Ｅも大きくなる。

なお、前記ガスタービン効率計算装置４１でのタービン
効率η。

Ｔの求め方には種々の方法があるが、例えば、タービン
機種、使用燃料の種類及びタービン運転時間の積算値に
より決定すればよＬ）。

本発明により補正された燃焼温度推定値ＴＦＥは、第４
図に示す如く、温度補正装置４２から温度推定値信号４
３として発生され、これと温度設定器で設定した温度Ｔ
３の燃焼温度設定信号３０とが比較され、その温度偏差
信号３９を入力として従来方式と同様のノズル開度制御
系３４が作動される。

前記ガスタービン効率計算装置４１は必ずしも常時作動
している必要はなく、適当な周期で作動Ｌつ〜タービン
効率計算値信号４４を発生する型式のものでもよい。

また、タービン効率η。

Ｔ の値を運転者による手動設定方式によって設定して
も本発明の本質から外れるものではない。

さらにまた、タービン効率計算値によらな《とも、延運
転時間を間接的に利用しても本発明の実施は可能である
。

尚、第４図に示す本発明の実施例においては、タービン
効率η。

Ｔによる補正値ＴＦＥをフィードバック値としているが
、前記Ｔ Ｆ’Ｅ を従来通りフィードバック値とし、
補正分を温度設定信号に加算する方式としても本発明の
本質を外れるものではない。

以上説明したように構成される本発明の二軸型ガスター
ビンの制御装置は、従来技術のものに比べ特に以下の点
で卓越した効果を発揮する。

（イ）タービンＱ運転効率が長期間の運転によっても低
下せず、長期間連続運転も可能となる。

（口）燃焼器内の燃焼温度が許容値以下に匍脚されるの
で、高効率維持のもとで運転しても燃焼器及びタービン
ブレードなどの機器部品に熱的悪影響が生じることはな
い。

（ノ→ 従来のタービン設備に新たな装置を附加するこ
となく、純粋な制御的な解決策がとられているので・設
備のコストアップ＋ｉ殆どなＬ・。

（ニ）燃焼器あるいはタービンブレードなどの保守頻度
を大巾に低減することができ、タービン設備の運用計画
も単純化され、経済的運用が可能となる。

（川 機器部品の取換えを最少限度に止めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の二軸型ガスタービンとその節脚装置
の構成を示すブロック線図、第２図はブレイトンサイク
ルにおけるタービンのコンプレツサ吐出圧力変動時のＴ
−Ｓ線図の変動を示す図表、第３図はブレイトンサイク
ルにおけるタービン効率変動時のＴ−Ｓ線図の変動を示
す図表、第４図は本発明の制御装置の燃焼温度推定装置
及び関連部分の構成を示すブロック線図である。 符号の説明、１・・・・・・コンプレッサ、２・・・・
・・高圧タービン、３・・・・・・低圧タービン、４．
．．．．．負荷、７・・・・・ツズル、１０・・・・・
・燃焼器、１３・・・・・ツズル操作器、１４・・−・
・・排気管、２９・・・・・・温度設定器、３０・・・
・・・温度設定信号、３１・・・・・・温度検出信号、
３２・・・・・・従来の燃焼温度推定装置、３３・・・
・・・温度推定値（ＴＦ：Ｅ）、３４・・・・・・ノズ
ル開度匍脚系、３８・・・・・・温度偏差信号（従来）
、３９・・・・・・温度偏差信号（本発明）、４２・・
・・・・温度補正装置、４３・・・・・・温度推定値（
ＴＦＥ）、５０・・・・・・ガスタービン、１００・・
・・・・ガスタービン制御装置、１５０・．．・・・燃
焼温度推定装置（本発明）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コンプレツサに直結された高圧タービンと、負荷に
   連結された低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低
   圧タービンとの間に設置されたノズルと、前記ノズルの
   開度の調整する手段とから構成された二軸型ガスタービ
   ンの制御装置において、二軸型ガスタービンの効率を求
   める効率導出手段、該手段の効率と前記低圧タービンか
   らの排ガス温度と前記コンプレソサの吐出圧力とにより
   燃焼器内の燃焼温度を推定しこの推定値と温度設定値と
   の偏差に応じて前記ノズル開度の調整手段を駆動する演
   算手段を付加したことを特徴とする二軸型ガスタービン
   の制御装置。