JPS6125896B2

JPS6125896B2 -

Info

Publication number: JPS6125896B2
Application number: JP2085879A
Authority: JP
Inventors: Tadayoshi Saito; Kenji Iwamya; Yukiro Tsuji; Hiroshi Matsumoto; Yoshio Sato
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-02-26
Filing date: 1979-02-26
Publication date: 1986-06-18
Also published as: JPS55114851A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はガスタービン起動制御方法に係り、特
に、着火時に発生する熱歪、熱応力を軽減するの
に好適なガスタービン起動制御方法に関する。

ガスタービンを運転するには、まず起動用モー
タなどで圧縮機を回転して燃焼器に送風し、ある
空気流量に達したとき燃焼器に燃料流量を噴射す
ると同時に点火器にスパークを飛せて着火する。
燃焼器で発生した燃焼ガスはタービンで断熱膨張
して動力を発生するので着火後は起動用モータと
タービンの両方で圧縮機を加速する。回転数が上
昇するに従がい、圧縮機の吐出空気流量、吐出空
気圧力が上昇し、タービン動力が増加するため、
タービン出力のみで圧縮機を駆動できる、いわゆ
る自立運転に入いる。回転数が規定値に達してか
らは圧縮機の吐出空気流量はほゞ一定になるため
タービン出力の増加は燃料流量を増加することに
よつて行なわれる。

このようなガスタービン起動において、着火時
には燃料ノズルからの燃料の噴霧が良好に行なえ
るための燃料圧力が得られ、さらに、着火により
燃焼ガス温度の急激な上昇によつて、燃焼ガスに
接触する金属部分に生ずる熱応力を許容値以下に
抑えることが必要である。

従来のガスタービン起動においては、圧縮機の
回転数が定格値の20％に達したときに燃料ノズル
より燃料を噴霧させ、点火栓で着火させるように
していた。

次に、圧縮機の特性について説明する。第１図
は横軸に圧縮機から吐出される修正空気流量、
縦軸に圧縮機の入口と出口の圧力比ｒをとり、圧
縮機の修正回転数をパラメータとして示したも
のであり、修正空気流量、修正回転数は基準
大気温度Ｔ_aR、圧力Ｐ_aRにおける空気流量Ｇ_R、
回転数Ｎ_Rを基準にした場合、大気温度Ｔ_a、圧力
Ｐ_aにおける値で、次式でそれぞれで表わさせ
る。

すなわち、圧縮機の特性は、大気温度、圧力に
大きく依存する。第１図においていま、従来方式
による着火タイミングは回転数を_２に設定し、
基準大気条件における圧縮機の特性をａ点とする
と、大気圧力が基準値より低い場合には、着火時
の圧縮機の特性はｂ点に移り、空気流量は_bに
減少し、燃空比が増加する。逆に大気圧力が基準
値より高い場合には、着火時の圧縮機の特性はｃ
点に移り、空気流量は_cに増加し、燃空比が減
少する。また、大気温度が基準値より高い場合に
は空気流量は減少し、燃空比が増加する。逆に大
気温度が基準値より低い場合には空気流量が増加
し、燃空比が減少する。

このように、一定回転数のもとでの着火時には
大気圧力、温度が基準値より偏れると燃空比が変
り、燃空比が過大になると着火時の燃焼ガス温度
もしくはその変化幅が許容値をオーバーし、ガス
に接触する金属部に過大な熱歪、熱応力を発生
し、寿命を短縮する。また、燃空比がより過大に
なると、過濃限界に達し、燃焼不安定になる。燃
空比が過小になつた場合には希薄限界に達し、着
火が困難になる等の欠点がある。

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、本発明によれば大気
圧力、温度の変化に影響を受けることなく、着火
時の燃焼ガス温度あるいはその変化幅を許容値以
内の一定値に制御し得るガスタービンの起動制御
方法を提供するにある。

すなわち、本発明の起動制御方法は、従来、圧
縮機回転数のみによる判断に基き、着火タイミン
グを決定していたものを、大気圧力、温度の変化
を考慮し、着火時の燃焼ガス温度あるいはその変
化幅が許容値以下になるような空気流量を求め、
該空気流量を発生し得る回転数に達したときを着
火タイミングとするものである。

第２図に本発明の実施例の全体構成を示す。

１００はガスタービンプラントで、タービン７
のシヤフト９には圧縮機１が直結されており、空
気取入口２から取込んだ空気は圧縮され、圧縮空
気排出口３から燃焼器４に送られる。燃料供給装
置２１で供給された燃料は燃料ノズル５から噴出
し、上記した圧縮空気の供給を受けて燃焼する。
これにより発生する高圧高温の燃焼ガスはタービ
ン７に導びかれ、タービンを駆動して排気ダクト
１０から排出される。８はタービン７に結合され
る発電気であり、通常運転時は排気ダクト１０に
設けられた温度検出器３７により排気温度を監視
しながらタービン負荷が指令と一致するように燃
料流量を制御するが、第２図では起動制御に関係
する部分のみ詳細に示している。

すなわち、起動時はまず起動用電動機を起動し
てタービン及び圧縮機を回転させ、デイジタル計
質機化制御装置２００で着火タイミングを判定し
て着火し、暖機、昇速した後に発電機を系統に投
入して負荷を取る。２３はデイジタル計算機化制
御装置２００の出力により燃料に着火するための
着火装置である。また、検出端としては、大気圧
力検出器３１、大気温度検出器３２、圧縮機吐出
空気温度検出器３３、圧縮機吐出空気圧力検出器
３４、燃焼器４内の火炎検出器３５ならびに圧縮
機１の回転数検出器３６が設けられている。

デジタル計算機化制御装置２００は着火タイミ
ングを決定するのに必要なデータをアナログ／デ
ジタル入力装置（図示省略）を用いて入力処理す
る入力処理機能４２、該入力処理機能４２からの
データを用いて後述する方法により最適な着火タ
イミングを決定する着火タイミング決定機能４
３、該着火タイミング決定機能４３からのデータ
をアナログ／デジタル出力装置（図示省略）を用
いて燃料制御装置２２、着火装置２３に出力する
出力処理機能４４から構成される。なお、上記し
た機能４２，４３，４４はオペレータからのガス
タービン起動指令により起動され、以後周期的に
起動される。次に、本発明の特徴とする着火タイ
ミング決定機能４３の詳細について説明する。第
３図に着火タイミング決定機能のフローチヤート
を示す。第３図において、５１は着火判定機能、
５２は燃圧予測判定機能、５３は圧縮空気定圧比
熱算出機能、５４は着火時燃焼ガス定圧比熱予測
機能、５５は着火目標空気流量算出機能、５６は
圧力比算出機能、５７は修正空気流量算出機能、
５８は修正回転数算出機能、５９は着火目標回転
数算出機能、６０は着火条件判定機能、６１は着
火燃料流量設定機能、６２は着火指令設定機能で
ある。着火判定機能５１では火炎の有無を判定
し、火炎がない場合は着火前と判断し、燃圧予測
判定機能５２に進む。もし火炎がある場合には着
火成功とみなし、着火以後の暖機操作に入るが、
本発明は着火に関するものであるから暖機操作に
関しては説明を省略する。次に燃圧予測判定機能
５２では燃料を燃料ノズル５から良好に噴霧し得
る燃圧を得ることの可能な回転数領域になつた否
かを判断する。この回転数領域下限値は経験的に
決めることができる。燃圧が不十分であると予測
された場合には処理を終了し、燃圧が十分である
と予測された場合には次の圧縮空気定圧比熱算出
機能５３へ処理が進む。該圧縮空気定圧比熱算出
機能５３では次に示す空気の特性近似式を用い
て、圧縮機吐出空気温度Ｔのもとでの圧縮空気定
圧比熱Ｃ_Pを求める。

Ｃ_P＝0.23956＋0.00583（Ｔ／１０００）＋0.11026（Ｔ／１０００）^２−0.0668（Ｔ／１０００）^３ ……(3) また、着火時燃焼ガス定圧比熱予測機能５４で
は燃焼ガス（空気過剰比＝２）の特性近似式を用
いて、着火時の許容燃焼ガス温度Ｔ_Bのもとでの
燃焼ガス定圧比熱Ｃ_PBを求める。

Ｃ_PB＝0.24598＋0.03112（Ｔ_Ｂ／１０００）＋0.07043（Ｔ_Ｂ／１０００）^２−0.0336（Ｔ_Ｂ／１０００）^３……(4) 次に着火目標空気流量算出機能５５では、前記
の燃圧が十分であると予測された回転数下限値に
おける燃料流量をＧ_FLとして、着火時の燃焼は瞬
間になされるものと考えてよいから、燃焼器の入
出力には次式で示すエネルギバランスが成り立
つ。

Ｇ_FL×Ｈ_F＋Ｇ×Ｃ_P×Ｔ＝η_B（Ｇ_FL＋Ｇ）Ｃ_PB×Ｔ_B ……(5) ただし、Ｈ_Fは燃料の発熱量、η_Bは燃焼器の効
率である。したがつて、着火目標空気流量Ｇが次
式で求まる。

Ｇ＝（Ｈ_Ｆ−Ｃ_ＰＢ×Ｔ_Ｂ）Ｇ_ＦＬ／η_Ｂ×Ｃ_ＰＢ×Ｔ
_Ｂ−Ｃ_Ｐ×Ｔ……(6) 圧力比算出機能５６では圧縮機の圧力比γを次
式で求める。

γ＝Ｐ／Ｐ_a ……(7) ただし、Ｐは圧縮機吐出空気圧力、Ｐ_aは大気
圧力である。次に修正空気流量算出機能５７では
前記(1)式を用いて大気圧力、温度が基準値より偏
れた場合の修正空気流量Ｇ_cが求まる。さらに、
修正回転数算出機能５８では第１図に示した圧縮
機の特性をテーブル形式で記憶しておくことによ
り、前記の方法により求めておいた圧力比γ、修
正空気流量Ｇ_cの交点における修正回転数Ｎ_cが求
まる。したがつて、着火目標回転数算出機能５９
では(2)式の関係から、着火時燃焼ガス温度を許容
値以下に制限するのに必要な空気流量を得る着火
目標回転数Ｎ_sは次式で求まる。

着火条件判定機能６０では実回転数が着火目標
回転数に達したか否かを判断し、実回転数が着火
目標回転数に達した場合には着火燃料流量設定機
能６１、着火指令設定機能６２において、燃料流
量設定値Ｇ_FLならびに着火指令がセツトされる。
一方、実回転数が着火目標回転数に達しない場合
には処理を終了する。

次に上述した本発明による動作を第１図を例に
して説明する。いま、大気圧力、温度が基準値で
あるときの着火回転数はN₂で圧縮機の特性はａ
点に設定され、かつ回転数がN₂′〜N₂″の範囲では
燃圧は十分であるものとする。例えば大気圧力が
減少した場合には圧力比がγ_bに増加するが着火
目標回転数がN₂′に修正され圧縮機の特性はb′点
に移行するため空気流量に変化はなく、着火時の
燃焼ガス温度を許容値以下に維持できる。逆に大
気圧力が増加した場合には圧力比がγ_cに減少す
るが着火目標回転数がN₂″に修正され圧縮機の特
性はb″点に移行するため空気流量に変化はな
く、上述と同様の効果が得られる。また大気温度
が変化した場合にも同様の効果が得られる。

発明の実施例では着火時の許容燃焼ガス温度Ｔ
_Bは絶対値として扱つたが、特に着火時の急激な
変化幅が寿命管理上問題となる場合には燃焼ガス
温度Ｔ_Bを圧縮空気温度Ｔに着火時の燃焼ガス温
度の許容変化幅δを加えたものとして用いても本
発明の効果は発揮できる。

以上説明したように構成される本発明のガスタ
ービンの起動制御方法は、従来技術のものに比べ
て大気圧力、温度変化に影響を受けることなく、
着火時の燃焼ガス温度あるいはその変化幅は常に
許容値以内に抑制できるので燃焼ガスが接触する
金属部分に生じる熱歪、熱応力を常に許容値以下
に抑えることが可能であり、寿命低減の向上が図
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧縮機の特性を示す図、第２図は本発
明の実施例としてデジタル計算機を用いた場合の
システムの全体構成を示す図、第３図は本発明に
よる着火タイミング決定方法を表わすフローチヤ
ートである。１００……ガスタービンプラント、２００……
計算機化制御装置、１……圧縮機、２……空気取
入口、３……圧縮空気送出口、４……燃焼器、５
……燃料ノズル、６……起動用電動機、７……タ
ービン、８……発電機、９……シヤフト、１０…
…排気ダクト、２１……燃料供給装置、２２……
燃料制御装置、２３……着火装置、３１……大気
圧力検出器、３２……大気温度検出器、３３……
吐出空気温度検出器、３４……吐出空気圧力検出
器、３５……火炎検出器、３６……回転数検出
器、４２……入力処理機能、４３……着火時期決
定機能、４４……出力処理機能。

Claims

【特許請求の範囲】

１圧縮機からの圧縮空気と燃料供給装置からの
燃料とを燃焼器内に導き、該燃焼器からの燃焼ガ
スをタービンに通すようにしたガスタービンの起
動制御方法において、大気圧力、温度、圧縮機吐
出空気圧力、温度、圧縮機回転数から着火時の燃
焼ガス温度を許容値以内に抑制するように着火タ
イミングを決定することを特徴とするガスタービ
ン起動制御方法。