KR101908200B1 - 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈 - Google Patents

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신이치 히구치
치히로 묘렌
료오 아키야마
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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

가스 터빈의 연소기에 수증기를 분사해서 터빈의 출력을 증가시킬 때, 증기 분사 시의 압축기의 서지 마진 확대를 가능하게 한 증기 분사 기구를 갖는 2축 가스 터빈을 제공한다.
입구 안내익(12)을 설치한 압축기(10)와, 연소기(20)와, 터빈(30, 40)과, 배열 회수 보일러(60)와, 연소기에 공급하는 증기를 조절하는 증기 밸브(72)와, 연소기에 공급하는 연료를 조절하는 연료 밸브(71)를 구비한 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 압축기의 회전수 계측기와, 배열 회수 보일러로부터 연소기에 공급하는 증기를 계측하는 유량 계측기와, 압축기에 설치한 입구 안내익 개방도 계측기와, 증기 밸브 개방도 계측기를 갖고, 상기 회전수 계측기, 입구 안내익 개방도 계측기 또는 증기 밸브 개방도 계측기로 계측한 각 계측 신호와 가스 터빈에 대한 증가 출력 지령값에 기초하여 상기 연료 밸브, 증기 밸브 및 입구 안내익의 개방도를 조작하는 지령 신호를 연산해서 출력하는 제어 장치(100)를 구비하였다.

Description

증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈{2-AXIS TYPE GAS TURBINE HAVING STEAM INJECTING APPARATUS}
본 발명은, 압축기 구동용의 고압 터빈을 구비한 가스 발생기와, 고압 터빈으로부터 방출된 배기 가스로 구동되는 부하 구동용 저압 터빈을 구비한 파워 터빈으로 구성되는 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 관한 것이다.
입구 안내익을 갖는 압축기와, 연소기에서 발생한 연소 가스로 구동되는 고압 터빈을 구비한 가스 발생기와, 고압 터빈으로부터 방출된 배기 가스로 구동되는 저압 터빈을 구비한 파워 터빈으로 구성되는 2축식 가스 터빈에 있어서, 부하 운전 시에 압축기의 입구 안내익의 개방도를 제어해서 가스 발생기와 파워 터빈의 각 축의 회전수 안정화를 도모한 2축식 가스 터빈에 관한 기술이, 일본 특허 공개 제2012-47083호 공보(특허문헌 1)에 기재되어 있다.
또한, 입구 안내익을 갖는 압축기와, 연소기에서 발생한 연소 가스로 구동되는 고압 터빈을 구비한 가스 발생기와, 고압 터빈으로부터 방출된 배기 가스로 구동되는 저압 터빈을 구비한 파워 터빈으로 구성되는 2축식 가스 터빈에 있어서, 가스 발생기의 축 회전수의 제어와, 파워 터빈으로부터 방출되는 배기 가스의 온도 제어를 도모한 2축식 가스 터빈에 관한 기술이, 일본 특허 공개 제2014-114707호 공보(특허문헌 2)에 기재되어 있다.
또한, 압축기와, 연소기에서 발생한 연소 가스로 구동되는 고압 터빈을 구비한 가스 발생기와, 고압 터빈으로부터 방출된 배기 가스로 구동되는 저압 터빈을 구비한 파워 터빈으로 구성되는 2축식 가스 터빈에 있어서, 가스 터빈의 연소기에 수증기를 분사해서 터빈으로 유입되는 연소 가스의 유량을 증대시켜, 터빈의 출력을 증가하도록 한 2축식 가스 터빈에 관한 기술이, 미국 특허 제4823546호 공보(특허문헌 3)에 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2012-47083호 공보 일본 특허 공개 제2014-114707호 공보 미국 특허 제4823546호 공보
특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 2축식 가스 터빈에는, 가스 터빈의 연소기에 수증기를 분사해서 터빈으로 유입되는 연소 가스의 유량을 증대시켜, 터빈의 출력을 증가하도록 한 기술에 대해서 전혀 고려되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 3에 기재된 2축식 가스 터빈은, 가스 터빈의 연소기에 수증기를 분사해서 터빈으로 유입되는 연소 가스의 유량을 증대시켜, 터빈의 출력을 증가하는 2축식 가스 터빈에 관한 기술을 개시하고 있지만, 증기 분사 시의 압축기의 서지 마진을 확대시키는 과제에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다.
본 발명의 목적은, 가스 터빈의 연소기에 수증기를 분사해서 터빈의 출력을 증가시킬 때, 증기 분사 시의 압축기의 서지 마진을 확대시키는 것을 가능하게 한 증기 분사 기구를 갖는 2축 가스 터빈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈은, 도입하는 공기의 유량을 조절하는 입구 안내익을 설치한 압축기와, 상기 압축기로 도입한 공기를 압축한 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소해 연소 가스를 발생하는 연소기와, 상기 연소기에서 발생한 연소 가스에 의해 구동하는 고압 터빈 및 해당 고압 터빈의 하류측에 설치된 저압 터빈으로 이루어지는 터빈과, 상기 저압 터빈으로부터 배출된 배기 가스를 열원으로 해서 증기를 발생시키는 배열 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러에서 발생한 증기를 상기 연소기에 공급하는 증기 계통과, 상기 연소기에 연료를 공급하는 연료 계통에 설치되어 해당 연소기에 공급하는 연료의 유량을 조절하는 연료 밸브와, 상기 증기 계통에 설치되어 해당 증기 계통을 통해서 배열 회수 보일러로부터 연소기에 공급하는 증기의 유량을 조절하는 증기 밸브와, 상기 터빈에 의해 구동되는 부하를 갖고, 상기 고압 터빈은 상기 압축기를 구동하고, 상기 저압 터빈은 상기 부하를 구동하도록 구성되고, 상기 고압 터빈과 압축기를 연결하는 압축기 축과, 상기 저압 터빈과 부하를 연결하는 저압 터빈 축을 구비한 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 압축기의 회전수를 계측하는 회전수 계측기와, 압축기에 설치한 입구 안내익의 개방도를 계측하는 입구 안내익 개방도 계측기와, 증기 계통에 설치된 증기 밸브의 개방도를 계측하는 증기 밸브 개방도 계측기 및 배열 회수 보일러에서 발생한 증기를 연소기에 공급하는 증기의 유량을 계측하는 유량 계측기 중 적어도 한쪽의 계측기를 각각 갖고, 상기 회전수 계측기와, 입구 안내익 개방도 계측기와, 증기 밸브 개방도 계측기 및 유량 계측기 중 적어도 한쪽의 계측기에 의해 각각 계측한 각 계측 신호와 가스 터빈에 대한 증가 출력 지령값에 기초하여, 상기 연료 밸브, 증기 밸브 및 입구 안내익의 개방도를 조작하는 지령 신호를 각각 연산해서 출력하는 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈의 연소기에 수증기를 분사해서 터빈의 출력을 증가시킬 때, 증기 분사 시의 압축기의 서지 마진을 확대시키는 것을 가능하게 한 증기 분사 기구를 갖는 증기 분사 기구를 갖는 2축 가스 터빈을 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예인 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈을 나타내는 개략 계통도.
도 2는, 도 1에 도시한 제1 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 입구 안내익의 개방도를 선행 제어할 때의 제어 흐름도.
도 3은, 도 1에 도시한 제1 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 입구 안내익의 개방도를 선행 제어할 때의 2축식 가스 터빈의 주요 기기와 서지 마진의 특성을 나타내는 제어 특성도.
도 4는, 도 1에 도시한 제1 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 가스 터빈의 출력을 증가시킬 때의 증기 밸브, 입구 안내익 및 연료 밸브를 제어하는 제어의 우선 순위를 나타낸 제어 흐름도.
도 5는, 도 1에 도시한 제1 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 가스 터빈을 운전 중에 긴급 사태가 발생했을 때의 제어의 인터로크를 나타낸 제어 흐름도.
본 발명의 실시예인 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 대해서 도면을 인용해서 이하에 설명한다.
[제1 실시예]
본 발명의 제1 실시예인 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈의 개략 구성에 대해서 도 1을 사용해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예인 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈을 나타내는 개략 계통도이다.
도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예인 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 가스 터빈 본체는, 대기로부터 흡입한 공기(1)를 압축해서 압축 공기(3)로 하는 압축기(10)와, 압축기(10)에 의해 압축한 압축 공기(3)와 연료 계통(4a)을 통해서 공급된 연료(4)를 혼합해서 연소해 고온의 연소 가스(6)를 발생시키는 연소기(20)와, 연소기(20)에서 발생한 연소 가스(6)에 의해 구동되는 고압 터빈(30)을 구비하고 있다.
압축기(10)의 입구에 압축기(10) 내로 도입하는 공기(1)의 유량을 조절하는 입구 안내익(12)이 설치되어 있고, 상기 입구 안내익(12)은 링 형상으로 배열한 복수의 날개의 개방도를 안내익 구동 장치(13)에 의해 구동함으로써 조절하여, 날개 사이를 통해서 압축기(10) 내로 도입하는 공기(1)의 유량을 조절하도록 구성하고 있다.
고압 터빈(30)은 압축기 축(11)을 개재해서 압축기(10)와 연결되어 있고, 이 고압 터빈(30)의 회전에 의해 압축기 축(11)을 개재해서 압축기(10)를 구동한다.
고압 터빈(30)으로부터 배출된 배기 가스(7)는 고압 터빈(30)의 하류측에 설치된 저압 터빈(40)으로 유입되어, 이 저압 터빈(40)을 구동한다.
저압 터빈(40)은 저압 터빈 축(41)을 개재해서 발전기(50)에 접속되어 있고, 저압 터빈(40)의 회전에 의해 저압 터빈 축(41)을 개재해서 발전기(50)를 구동해서 발전하도록 구성하고 있다. 그리고 이 발전기(50)에서 발전한 전력은 도시하지 않은 전력 계통으로 송전된다.
또한, 발전기(50)에서 발전에 필요한 부하의 크기는 검출기(도시하지 않음)에 의해 계측되어, 하기한 제어 장치(100)에 입력된다.
이와 같이, 본 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈은, 로터축이 압축기(10)와 고압 터빈(30)을 연결하는 압축기 축(11)과, 저압 터빈(40)과 발전기(50)를 연결하는 저압 터빈 축(41)이 독립된 2축식의 가스 터빈을 구성하고 있다.
본 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에서는, 저압 터빈(40)을 구동한 후에 해당 저압 터빈(40)으로부터 방출되는 터빈 배기(8)를 열원으로 해서 급수(61)와 열 교환하고, 증기(62)를 발생시키는 배열 회수 보일러(60)가 저압 터빈(40)의 하류측에 배치되어 있다.
배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)는 가스 터빈의 증가 출력 지령이 있었을 경우에, 증기 분사 기구(도시하지 않음)를 개재해서 연소기(20)에 증기(62)를 분사해서 터빈으로 유입되는 연소 가스의 유량을 증대시켜, 터빈의 출력을 증가시키도록 구성하고 있다.
배열 회수 보일러(60)에서 급수(61)와 열 교환한 후의 터빈 배기(8)는 배기(9)로서 상기 배열 회수 보일러(60)로부터 외부로 배출하고 있다.
본 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서는, 터빈으로 유입되는 연소 가스의 유량을 증대시켜서 터빈의 출력을 증가하기 위해, 배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 연소기(20)에 공급하는 증기 계통(62a)에는 증기 유량을 조절하는 증기 밸브(72) 및 증기 유량을 계측하는 유량 계측기(81)가 각각 설치되어 있다.
압축기(10)의 압축기 축(11)에는, 압축기의 회전수를 계측하는 회전수 계측기(83)가 설치되어 있다.
연료(4)를 연소기(20)에 공급하는 연료 계통(4a)에는, 연료 유량을 조절하는 연료 밸브(71)가 설치되어 있다.
배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 연소기(20)에 공급하는 증기 계통(62a)의 도중에는, 증기 계통(62a)으로부터 분기한 분기 배관(73a)에 설치되고, 이 분기 배관(73a)에 증기 계통(62a)을 유하하는 증기(62)의 일부를, 분기 배관(73a)을 통해서 시스템 밖으로 릴리스하는 증기 릴리프 밸브(73)가 설치되어 있다.
상기 증기 밸브(72)에는, 증기 밸브(72)의 개방도를 계측하는 증기 밸브 개방도 계측기(82)가 설치되어 있다.
또한, 저압 터빈(40)으로부터 터빈 배기(8)를 배열 회수 보일러(60)에 방출하는 터빈 배기 계통(8a)에는, 터빈 배기(8)의 온도를 계측하는 배기 온도 계측기(84)가 설치되어 있다.
압축기(10)의 입구 안내익(12)에는, 이 입구 안내익(12)의 개방도를 계측하는 입구 안내익 개방도 계측기(85)가 설치되어 있다.
본 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서는, 2축식 가스 터빈을 제어하는 제어 장치(100)가 설치되어 있고, 상기한 계측기인 유량 계측기(81), 증기 밸브 개방도 계측기(82), 회전수 계측기(83), 배기 온도 계측기(84), 입구 안내익 개방도 계측기(85) 및 부하인 발전기(50)의 검출기(도시하지 않음)에 의해 계측된 각 계측 신호는 상기 제어 장치(100)에 각각 입력하도록 구성되어 있다.
그리고 배열 회수 보일러(60)로부터 배출된 배기(9)는 굴뚝(90)을 경유해서 대기 중에 방출하고 있다.
이어서, 본 발명의 제1 실시예인 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈을 제어하는 제어 장치(100)에 의한 제어에 대해서, 도 2 내지 도 5를 사용해서 설명한다.
도 2는, 도 1에 도시한 제1 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 입구 안내익의 개방도를 선행 제어할 때의 제어 흐름도, 도 3은 도 1에 도시한 제1 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서, 입구 안내익의 개방도를 선행 제어할 때의 2축식 가스 터빈의 주요 기기와 서지 마진의 특성을 나타내는 제어 특성도이다.
도 1 내지 도 3에 있어서, 제어 장치(100)에 구비된 연산기(100a)에는, 도 2에 도시한 증가 출력 지령의 스텝 201, 증기 밸브 개방도의 확대량 결정의 스텝 202, 압축기 회전수 상승량 결정의 스텝 203, IGV 개방도 지령의 스텝 204, IGV 개방도 축소의 스텝 205, 압축기 회전수 상승 검지의 스텝 206, 증기 분사 지령의 스텝 207 및 증기 밸브 개방도 확대의 스텝 208의 각 스텝이 내장되어 있다.
그리고 본 실시예의 2축식 가스 터빈에 있어서, 도 2의 증가 출력 지령의 스텝 201에 나타낸 바와 같이, 2축식 가스 터빈을 제어하는 제어 장치(100)에 대하여 증가 출력 지령이 내려지면, 제어 장치(100)에 구비된 연산기(100a)에, 이 증가 출력 지령의 스텝 201의 증가 출력 지령이 입력되고, 상기 연산기(100a)의 연산에 의해, 도 2의 증기 밸브 개방도의 확대량 결정의 스텝 202에 나타낸 바와 같이, 증가 출력 목표에서 역산해서 증기 밸브 개방도 확대량을 결정한다.
상기 제어 장치(100)에 구비된 연산기(100a)에서는, 유량 계측기(81), 증기 밸브 개방도 계측기(82), 회전수 계측기(83), 배기 온도 계측기(84) 및 입구 안내익 개방도 계측기(85)로부터 각각 입력한 각 계측 신호에 기초하여, 후술하는 도 2 내지 도 5의 흐름도 및 특성도에 나타낸 바와 같이, 상기 연산기(100a)에 의한 연산에 의해, 압축기(10)에 설치한 입구 안내익(12)의 날개 개방도를 조절하는 안내익 구동 장치(13)를 구동하는 조작 신호를 출력하고, 연료 계통(4a)에 설치한 연료 밸브(71)의 개방도를 조절하여 연소기(20)에 공급하는 연료 유량을 제어하는 조작 신호를 출력하고, 배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 연소기(20)에 공급하는 증기 계통(62a)에 설치한 증기 밸브(72)의 개방도를 조절해서 연소기(20)에 공급하는 증기 유량을 제어하는 조작 신호를 출력하고, 상기 증기 계통(62a)으로부터 분기한 분기 배관(73a)에 설치한 증기 릴리프 밸브(73)의 개방도를 조절해서 이 증기 계통(62a)을 유하하는 증기(62)의 일부를 시스템 밖으로 릴리스하는 증기 유량을 제어하는 조작 신호를 출력하도록 구성되어 있다.
또한, 상기 제어 장치(100)에 구비된 설정기(100b)에서는, 압축기 회전수 상한값, 증기 밸브 개방도 상한값, IGV 개방도 상한값, IGV 개방도 하한값 및 가스 터빈 목표 출력값을 각각 설정해서 상기 제어 장치(100)에 구비된 연산기(100a)에 입력시키고 있으며, 상기 연산기(100a)에 있어서의 연산 시에 항상 이들의 각종 상한값 및 하한값을 참조할 수 있도록 구성하고 있다.
그리고 도 2에 도시한 증기 밸브 개방도 확대량 결정의 스텝 202에서 증기 밸브 개방도 확대량이 결정되면, 이어서 도 2의 압축기 회전수 상승량 결정의 스텝 203으로 진행하고, 상기 연산기(100a)에 의한 연산에 의해, 압축기(10)에 대하여 증기 밸브 개방도로부터 역산해서 압축기 회전수 상승량을 결정한다.
그리고 상기 연산기(100a)에 의한 연산에 의한 조작 신호를 출력하고, 먼저 입구 안내익(12)을 교축하는 제어를 행한 후에, 증기 밸브(72)를 조작하는 제어를 행한다.
즉, 도 2의 IGV 개방도 지령의 스텝 204에 나타낸 바와 같이, 먼저 입구 안내익(IGV)(12)을 교축하는 제어를 행하기 위해서, 압축기(10)의 입구 안내익(12)에 대하여 제어 장치(100)의 연산기(100a)로부터 IGV 개방도 지령을 출력하고, 이어서 도 2의 IGV 개방도 축소의 스텝 205로 진행하여, 상기 연산기(100a)의 연산에 의해 입구 안내익(IGV)(12)의 IGV 개방도를 축소하는 제어를 행한다.
그리고 입구 안내익(IGV)(12)의 개방도가 축소되면, 도 3의 제어 특성도에 나타낸 바와 같이, 압축기 회전수는 증가 출력 지령으로부터 시간 지연을 거친 후에 회전수가 상승하므로, 이 회전수 상승을 검지하는 도 2의 압축기 회전수 상승 검지의 스텝 206으로 진행한다.
압축기의 회전수가 상승하여, 도 3의 제어 특성도에 나타낸 바와 같이, 압축기의 회전수가 임계값 이상으로 상승한 시점에서 압축기 회전수의 상승을 검지하고, 제어 장치(100)의 연산기(100a)에 의한 제어에 의해, 증기 분사 지령의 스텝 207로 진행하여, 배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 연소기(20)에 공급하는 증기 계통(62a)에 설치한 증기 밸브(72)에 대하여 개방 조작을 행한다.
그 후, 제어 장치(100)의 연산기(100a)에 의한 제어에 의해, 도 3의 제어 특성도에 나타낸 바와 같이, 증기 밸브(72)의 밸브 개방도를 서서히 개방해 가는 증기 밸브 개방도 확대의 스텝 208로 진행해서 증기 밸브(72)의 밸브 개방도를 제어하여, 배열 회수 보일러(60)에서 발생해서 증기 계통(62a)에 설치한 증기 밸브(72)를 통해서 연소기(20)에 공급하는 증기(62)의 양을 조절하도록, 본 실시예의 2축식 가스 터빈의 제어 장치가 구성되어 있다.
여기서, 입구 안내익(IGV)(12)을 먼저 교축하도록 제어하는 것은, 하기한 이유에 의한다. 즉, 증기 밸브(72)를 먼저 동작, 또는 IGV(12)와 거의 동시에 개방 동작시키면, 압축기(10)의 회전수 상승이 지연되어, 증기 밸브(72)를 통해서 연소기(20)로 유입되는 증기(62)의 증기 유입 증대에 의해 서지 마진이 과도하게 감소할 우려가 있기 때문에, 도 3의 제어 특성도에 나타낸 바와 같이, 압축기(10)의 회전수 상승을 검지하고 나서 증기 밸브(72)의 개방도를 확대하도록 조작하고 있다.
이 결과, 도 3의 제어 특성도에 나타낸 바와 같이, 서지 마진은 완만하게 증가하므로, 서지 마진이 과도하게 감소하는 사태는 피할 수 있다.
이에 반해, 예를 들어 입구 안내익(IGV)(12)과 동시에 증기 밸브(72)를 개방 조작하면, 도 3의 제어 특성도에 파선으로 나타낸 바와 같이, 증기 밸브(72)의 개방도는 증가 출력 지령과 동시에 크게 개방하고, 이 증기 밸브(72)를 지나 연소기(20)로 유입되는 유입 증기(62)의 유량은 증기 밸브(72)의 개방도 증가보다도 조금 지연되어서 증대하므로, 그 결과, 서지 마진은 파선으로 나타낸 바와 같이, 증기(62)의 증기 유입 증대에 의해 과도하게 감소된다고 하는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 본 실시예의 2축식 가스 터빈에 있어서는, 도 2의 흐름도에서 설명한 바와 같이, 압축기 회전수 상승 검지의 스텝 206에서 압축기(10)의 회전수 상승을 검지한 후에, 증기 분사 지령의 스텝 207 및 증기 밸브 개방도 확대의 스텝 208로 진행해서 증기 밸브(72)의 밸브 개방도를 조절하고, 배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 증기 계통(62a)에 설치한 증기 밸브(72)를 통해서 연소기(20)에 공급하는 증기량을 증대시키도록 제어하고 있으므로, 서지 마진이 증기(62)의 증기 유입 증대에 의해 과도하게 감소한다고 하는 문제는 회피할 수 있게 된다.
즉, 상기 제어 장치에 설치한 상기 연산기(100a)에서는, 상기 연소기(20)로 유입되는 증기량이 상기 압축기(10)가 흡입하는 공기량의 2 내지 3할이 되는 상태에서 상기 압축기(10)의 회전수가 정격 회전수의 2% 내지 7%, 바람직하게는 정격 회전수의 3% 내지 5% 상승시킨다.
상기 압축기 회전수 상승 검지의 스텝 206에서는, 연소기(20)로 유입되는 증기량의 목표값에 따라서 압축기 회전수의 검지 임계값을 올려, 회전수가 상승한 것을 검지하고 나서 상기 증기 밸브(72)의 개방도를 확대하도록 제어한다.
그런데 본 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서는, 제어 장치(100)의 연산기(100a)에는, 출력 증가 지령 시에 조작되는 증기 밸브(72), 입구 안내익(IGV)(12), 연료 밸브(71) 사이에서 제어의 우선 순위가 도 4의 흐름도에 나타낸 바와 같이 설정되어 있다.
즉, 도 4에 도시한 흐름도에 기재되어 있는 바와 같이, 제어 장치(100)에 구비된 연산기(100a)에는, 도 4에 도시한 가스 터빈에 대한 증가 출력 지령의 스텝 201, 압축기 회전수 상한을 판단하는 스텝 302, 증기 밸브 개방도 상한을 판단하는 스텝 303, IGV 개방도 하한을 판단하는 스텝 304, 증기 분사량 증가 제어의 스텝 305, 목표 출력 도달을 판단하는 스텝 306 및 제어를 종료하는 종료 스텝 307의 각 스텝이 내장되어 있다.
또한 본 실시예인 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈의 제어 장치(100)의 연산기(100a)에서는, 가스 터빈에 대한 증가 출력 지령의 스텝 201에 기초하여 상기 연산기(100a)의 연산에 의해 압축기(10)의 회전수가 상승하므로, 우선은 압축기 회전수 상한을 판단하는 스텝 302로 진행한다.
압축기 회전수 상한을 판단하는 스텝 302에서 압축기 회전수가 설정기(100b)에 설정한 압축기 회전수의 상한값에 도달하고 있지 않다고 판단되면, 이어서 증기 밸브 개방도 상한을 판단하는 스텝 303으로 진행한다.
증기 밸브 개방도 상한을 판단하는 스텝 303에서는, 상기 증기 계통(62a)에 설치한 증기 밸브(72)의 개방도를, 배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 연소기(20)에 공급하는 증기 계통(62a)에 설치한 유량 계측기(81)에서 계측한 증기 유량의 계측값으로부터 연산하거나, 증기 밸브 개방도 계측기(82)로부터의 측정 신호를 수신하는 등 하여 확인한다.
그리고 증기 밸브 개방도 상한을 판단하는 스텝 303에서 상기 연산기(100a)의 연산에 의해 증기 밸브(72)의 개방도가 설정기(100b)에서 설정한 증기 밸브 개방도의 상한값에 도달하고 있지 않다고 판단되면, 이어서 IGV 개방도 하한을 판단하는 스텝 304로 진행한다.
이 IGV 하한을 판단하는 스텝 304에서 압축기(10)로 도입하는 대기(1)의 유량을 조절하는 입구 안내익(12)의 개방도가 상기 연산기(100a)의 연산에 의해 설정기(100b)에 설정한 IGV 개방도 하한값에 도달하고 있지 않다고 판단되면, 이어서 증기 분사량 증가 제어의 스텝 305로 진행한다.
그리고 이 증기 분사량 증가 제어의 스텝 305에서 상기 연산기(100a)의 연산에 기초하여 배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 연소기(20)에 공급하는 증기 계통(62a)에 설치한 증기 밸브(72)에 대하여 개방 조작을 행하고, 도 3의 제어 특성도에 나타낸 바와 같이 증기 밸브(72)의 밸브 개방도를 서서히 밸브 개방하여, 배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 연소기(20)에 공급하는 증기량을 증가시켜 간다.
그리고 이 증기 분사량 증가 제어의 스텝 305을 행하면서 가스 터빈의 출력을 증가시켜, 다음의 목표 출력 도달을 판단하는 스텝 306으로 진행한다.
이 목표 출력 도달을 판단하는 스텝 306에서 상기 연산기(100a)의 연산에 기초하여 가스 터빈의 출력이 설정기(100b)에 설정한 목표 출력에 도달했다고 판단되면, 이어서 증기 분사량 증가 제어를 종료하는 종료 스텝 307로 진행하고, 가스 터빈의 증기 밸브(72)의 개방도를 개방해서 증기 분사량을 증가하는 조작을 종료한다.
또한, 이 목표 출력 도달을 판단하는 스텝 306에서, 상기 연산기(100a)의 연산에 기초하여 가스 터빈의 출력이 설정기(100b)에 설정한 목표 출력에 도달하고 있지 않다고 판단되면, 상기 증가 출력 지령의 스텝 201로 돌아가, 상기 제어 장치(100)의 연산기(100a)로부터 새로이 가스 터빈에 대한 증가 출력을 지령하게 된다.
그런데 도 4에 도시한 제어의 우선 순위를 나타내는 흐름도에 있어서, 가스 터빈에 대한 증가 출력 지령의 스텝 201에 기초하여 압축기(10)의 회전수가 상승하는 등에 의해, 상기 연산기(100a)의 연산에 의해 압축기 회전수 상한을 판단하는 스텝 302에서 압축기 회전수가 상한에 도달했다고 판단하면, 이어서 IGV 개방도 상한을 판단하는 스텝 308로 진행한다.
그리고 이 IGV 개방도 상한을 판단하는 스텝 308에서, 상기 연산기(100a)의 연산에 의해 IGV 개방도가 상한에 도달했다고 판단하면, 이어서 증가 출력 불가의 스텝 313으로 진행하고, 2축식 가스 터빈의 증가 출력의 조작을 멈추게 한다.
또한, IGV 개방도 상한을 판단하는 스텝 308에서, 상기 연산기(100a)의 연산에 의해 IGV 개방도가 상한에 도달하고 있지 않다고 판단하면, 이어서 IGV 개방 지령의 스텝 309로 진행하고, 상기 연산기(100a)에 의한 제어에 의해 입구 안내익(IGV)(12)을 개방 조작한다.
그리고 제어 장치(100)의 연산기(100a)의 연산에서는, 상기 증기 밸브 개방도 상한을 판단하는 스텝 303 및 IGV 개방도 하한을 판단하는 스텝 304의 판단 결과에 기초하여, 증기 밸브 개방도 상한을 판단하는 스텝 303에서 증기 밸브 개방도가 상한에 도달했다고 판단된 경우, 또는 IGV 개방도 하한을 판단하는 스텝 304에서, IGV 개방도가 하한에 도달했다고 판단된 경우에, 다음 GT 배기 온도 상한을 판단하는 스텝 310으로 진행한다.
이 GT 배기 온도 상한을 판단하는 스텝 310에서, 터빈 배기 계통(8a)에 설치되어, 저압 터빈(40)으로부터 배기되는 터빈 배기(8)의 온도를 계측하는 배기 온도 측정기(84)에서 측정한 GT 배기 온도가, 설정기(100b)에 설정된 GT 배기 온도의 상한값에 도달하고 있다고 판단되면, 상기 IGV 개방도 상한을 판단하는 스텝 308로 진행하고, IGV 개방도가 상한에 도달하고 있는지를 판단하게 된다.
또한, 이 GT 배기 온도 상한을 판단하는 스텝 310에서, 배기 온도 측정기(84)로 측정한 GT 배기 온도가, 설정기(100b)에 설정된 GT 배기 온도의 상한값에 도달하고 있지 않다고 판단되면, 다음 연료 밸브 개방 지령의 스텝 311로 진행하고, 연산기(100a)의 연산에 기초하여 연료 계통(4a)에 설치한 연료 밸브(71)의 개방도를 조절해서 연소기(20)에 공급하는 연료 유량을 증가하도록 제어하고, 가스 터빈의 출력을 증가해 간다.
그리고 이어서, 가스 터빈의 출력이 목표 출력 도달을 판단하는 스텝 312로 진행하고, 이 가스 터빈의 출력이 목표 출력 도달을 판단하는 스텝 312에서 설정기(100b)에 설정된 가스 터빈의 목표 출력에 도달하고 있지 않다고 판단되면, 상기 증가 출력 지령의 스텝 201로 돌아와, 상기 제어 장치(100)의 연산기(100a)로부터 새롭게 가스 터빈에 대한 증가 출력을 지령하게 된다.
그리고 가스 터빈의 출력이 목표 출력 도달을 판단하는 스텝 312에서 가스 터빈의 출력이 설정기(100b)에 설정된 가스 터빈의 목표 출력에 도달했다고 판단되면, 종료 스텝 307로 진행하고, 가스 터빈의 연료 밸브(71)를 개방 조작하는 조작을 종료한다.
그런데 본 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서는, 압축기 회전수가 대폭으로 저하되면, 서지 마진을 확보할 수 없게 되므로, 증기 계통(62a)에 설치한 증기 밸브(72)의 개방 밸브에 의한 가스 터빈의 연소기(20)로의 증기(62)의 유입을 멈출 필요가 있다.
이 경우, 증기 밸브(72)를 폐지해도 증기 계통(62a)에 잔류하는 증기(62)의 일부가 연소기(20)로 유입되어 버리므로, 증기 계통(62a)으로부터 분기한 분기 배관(73a)에 설치한 증기 릴리프 밸브(73)를 개방해서 증기 계통(62a)을 유하하는 증기(62)의 일부를, 분기 배관(73a)을 통해서 시스템 밖으로 릴리스하여, 연소기(20)로 유입되는 증기(62)의 유입량을 저감시키는 것이 고려된다.
또한, 연소기(20)에 분사하는 증기(62)의 증기 유입량이 급격하게 감소되면, 연소기(20)의 연공비가 상승해서 상기 연소기(20)에서 발생하는 연소 가스(6)의 연소 온도(배기 온도)도 상승한다. 그로 인해, 연료 계통(4a)에 설치한 연료 밸브(71)에 의해 연소기(20)에 공급하는 연료(4)의 유량을, 상기 연료 밸브(71)의 개방도를 교축함으로써 저감시키고, 연소기(20)에서 발생하는 연소 가스(6)의 온도가 온도 상한을 초과하는 사태를 회피시키는 것이 고려된다.
따라서, 본 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서는, 압축기(10)의 회전수나 증기 유입량이 대폭으로 저하되는 긴급 사태가 발생한 경우에, 압축기(10)가 서지에 빠지거나 배기 온도의 온도 상한 초과를 회피하는 인터로크가, 도 5의 흐름도에 나타낸 바와 같이 설정되어 있다.
즉, 도 5에 도시한 흐름도에 기재되어 있는 바와 같이, 제어 장치(100)에 구비된 연산기(100a)에는 도 5에 도시한 가스 터빈에 대한 증기 분사 운전의 스텝 401, 압축기 회전수 편차대를 판단하는 스텝 402, 증기 유량 편차대를 판단하는 스텝 403, 증기 릴리프 밸브 개방 지령의 스텝 404, 증기 밸브 폐쇄 지령의 스텝 405 및 연료 밸브 폐쇄 지령의 스텝 406의 각 스텝이 포함되어 있다.
그리고 본 실시예인 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈의 제어 장치(100)의 연산기(100a)에 있어서는, 도 5에 도시한 가스 터빈에 대한 증기 분사 운전의 스텝 401에서, 도 2의 흐름도에 있어서의 증기 분사 지령의 스텝 207 및 증기 밸브 개방도 확대의 스텝 208에서 증기 밸브(72)를 개방 조작해서 도 3의 제어 특성도에 도시한 바와 같이 배열 회수 보일러(60)에서 발생한 증기(62)를 연소기(20)에 공급하는 증기량을 증가시키는 증기 분사 운전을 행한다.
그리고 증기 분사 운전의 스텝 401에서 증기 분사 운전을 행하고 있을 때에, 압축기(10)의 회전수가 대폭으로 저하되는 긴급 사태가 발생한 경우에, 압축기(10)가 서지에 빠지는 것을 회피하는 인터로크로서, 압축기(10)의 회전수가 대폭으로 저하된 경우에, 압축기 회전수 편차대 (목표값-실측값>임계값)을 판단하는 스텝 402로 진행하고, 회전수 계측기(83)로 측정한 압축기(10)의 회전수 실측값과 제어 장치(100)의 설정기(100b)에 설정한 목표값과의 편차가 별도로 정한 임계값을 초과해서 편차대가 되었는지 여부, 압축기 회전수 편차대(목표값-실측값>임계값)를 판단한다.
이 압축기 회전수 편차대를 판단하는 스텝 402에 있어서, 압축기 회전수 편차가 (목표값-실측값>임계값)으로 압축기 회전수 편차대라고 판단된 경우에는, 다음의 증기 릴리프 밸브 개방 지령의 스텝 404로 진행하고, 증기 계통(62a)으로부터 분기한 분기 배관(73a)에 설치한 증기 릴리프 밸브(73)를 개방해서 증기 계통(62a)을 유하하는 증기(62)의 일부를, 분기 배관(73a)을 통해서 시스템 밖으로 릴리스하여, 연소기(20)로 유입되는 증기(62)의 유입량을 저감시킨다.
이어서, 증기 밸브 폐쇄 지령의 스텝 405로 진행하고, 증기 계통(62a)에 설치한 증기 밸브(72)를 밸브 개방해서 배열 회수 보일러에서 발생한 증기(62)가 증기 계통(62a)을 통해서 가스 터빈의 연소기(20)로 유입되는 것을 멈춘다.
그리고 이 증기 밸브 폐쇄 지령의 스텝 405로부터, 이어서 연료 밸브 폐쇄 지령의 스텝 406으로 진행하고, 연료 계통(4a)에 설치한 연료 밸브(71)의 개방도를 교축해서 연소기(20)에 공급하는 연료(4)의 유량을 감소시킨다.
즉, 연소기(20)에 분사하는 증기(62)의 유입량이 급격하게 감소되면, 연소기(20)의 연공비가 상승해서 상기 연소기(20)에서 발생하는 연소 가스(6)의 연소 온도(배기 온도)도 상승하므로, 연료 밸브 폐쇄 지령의 스텝 406에서는, 연료 계통(4a)에 설치한 연료 밸브(71)에 의해 연소기(20)에 공급하는 연료(4)의 유량을, 상기 연료 밸브(71)의 개방도를 교축함으로써, 연소기(20)에서 발생하는 연소 가스(6)의 온도가 온도 상한을 초과하는 사태를 회피시킨다.
또한, 증기 분사 운전의 스텝 401에서 증기 분사 운전을 행하고 있을 때에, 연소기(20)에 분사하는 증기(62)의 증기 유입량이 급격하게 감소되면, 연소기(20)의 연공비가 상승해서 상기 연소기(20)에서 발생하는 연소 가스(6)의 연소 온도(배기 온도)가 상승하므로, 이 연소기(20)에 의한 연소 가스(6)의 연소 온도(배기 온도)가 상승하는 긴급 사태를 회피하는 인터로크로서, 압축기 회전수 편차대를 판단하는 스텝 402에 있어서, 압축기 회전수 편차가 (목표값-실측값≤임계값)으로 압축기 회전수 편차대가 아니라고 판단된 경우에는, 다음의 증기 유량 편차대 (추정값-실측값>임계값)을 판단하는 스텝 403으로 진행한다.
그리고 이 증기 유량 편차대 (추정값-실측값>임계값)을 판단하는 스텝 403에서, 증기 유량 편차대가 (추정값-실측값≤임계값)으로 증기 유량 편차대가 아니라고 판단된 경우에는, 상기 증기 분사 운전의 스텝 401로 돌아오는 흐름이 된다.
이 증기 유량 편차대 (추정값-실측값>임계값)을 판단하는 스텝 403에서, 증기(62)의 증기 유량의 추정값은 증기 밸브(72)의 개방도(온도·압력)로부터 산출한다.
그리고 이 증기 유량 편차대 (추정값-실측값>임계값)을 판단하는 스텝 403에서, 증기 유량 편차대가 (추정값-실측값>임계값)으로 증기 유량 편차대라고 판단된 경우에는, 이어서 연료 밸브 폐쇄 지령의 스텝 406으로 진행하고, 연료 계통(4a)에 설치한 연료 밸브(71)의 개방도를 교축해서 연소기(20)에 공급하는 연료(4)의 유량을 감소시킨다.
즉, 연소기(20)에 분사하는 증기(62)의 증기 유입량이 급격하게 감소되면, 연소기(20)의 연공비가 상승해서 상기 연소기(20)에서 발생하는 연소 가스(6)의 연소 온도(배기 온도)도 상승하므로, 전술한 바와 같이, 이 연료 밸브 폐쇄 지령의 스텝 406에서는, 연료 계통(4a)에 설치한 연료 밸브(71)에 의해 연소기(20)에 공급하는 연료(4)의 유량을, 상기 연료 밸브(71)의 개방도를 교축함으로써, 연소기(20)에서 발생하는 연소 가스(6)의 온도가 온도 상한을 초과하는 사태를 회피시킨다.
연료 밸브(71)의 개방도 축소량은 연료(4)의 유량을 Δfuel 줄이는 개방도로 한다. 여기서, Δfuel=증기 유량 증대 시의 최대 출력에 있어서의 연료 유량-증기 분사 없음의 최대 출력에 있어서의 연료 유량이다.
상기한 본 실시예의 증기 분사 기구를 갖는 2축 가스 터빈에 의하면, 가스 터빈의 연소기에 수증기를 분사해서 터빈의 출력을 증가시킬 때, 증기 분사 시의 압축기의 서지 마진을 확대시키는 것을 가능하게 한 증기 분사 기구를 갖는 2축 가스 터빈을 실현할 수 있다.
1: 공기
4: 연료
8: 터빈 배기
10: 압축기
12: 입구 안내익
13: 안내익 구동 장치
20: 연소기
30: 고압 터빈
40: 저압 터빈
50: 발전기
60: 배열 회수 보일러
62: 증기
62a: 증기 계통
71: 연료 밸브
72: 증기 밸브
73: 증기 릴리프 밸브
81: 유량 계측기
82: 증기 밸브 개방도 계측기
83: 회전수 계측기
84: 배기 온도 계측기
85: 입구 안내익 개방도 계측기
100: 제어 장치
100a: 연산기
100b: 설정기

Claims (7)

  1. 도입하는 공기의 유량을 조절하는 입구 안내익을 설치한 압축기와, 상기 압축기로 도입한 공기를 압축한 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소하여 연소 가스를 발생하는 연소기와, 상기 연소기에서 발생한 연소 가스에 의해 구동하는 고압 터빈 및 해당 고압 터빈의 하류측에 설치된 저압 터빈으로 이루어지는 터빈과, 상기 저압 터빈으로부터 배출된 배기 가스를 열원으로 해서 증기를 발생시키는 배열 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러에서 발생한 증기를 상기 연소기에 공급하는 증기 계통과, 상기 연소기에 연료를 공급하는 연료 계통에 설치되어 해당 연소기에 공급하는 연료의 유량을 조절하는 연료 밸브와, 상기 증기 계통에 설치되어 해당 증기 계통을 통해서 배열 회수 보일러로부터 연소기에 공급하는 증기의 유량을 조절하는 증기 밸브와, 상기 터빈에 의해 구동되는 부하를 갖고, 상기 고압 터빈은 상기 압축기를 구동하고, 상기 저압 터빈은 상기 부하를 구동하도록 구성되고, 상기 고압 터빈과 압축기를 연결하는 압축기 축과, 상기 저압 터빈과 부하를 연결하는 저압 터빈 축을 구비한 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈에 있어서,
    압축기의 회전수를 계측하는 회전수 계측기와, 압축기에 설치한 입구 안내익의 개방도를 계측하는 입구 안내익 개방도 계측기와, 증기 계통에 설치된 증기 밸브의 개방도를 계측하는 증기 밸브 개방도 계측기 및 배열 회수 보일러에서 발생한 증기를 연소기에 공급하는 증기의 유량을 계측하는 유량 계측기 중 적어도 한쪽의 계측기를 각각 갖고,
    상기 회전수 계측기와, 입구 안내익 개방도 계측기와, 증기 밸브 개방도 계측기 및 유량 계측기 중 적어도 한쪽의 계측기에 의해 각각 계측한 각 계측 신호와 가스 터빈에 대한 증가 출력 지령값에 기초하여, 상기 연료 밸브, 증기 밸브 및 입구 안내익의 개방도를 조작하는 지령 신호를 각각 연산해서 출력하는 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는, 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치에는, 압축기의 회전수, 배열 회수 보일러에서 발생한 증기를 연소기에 공급하는 증기의 유량, 압축기에 설치한 입구 안내익의 개방도 및 증기 계통에 설치된 증기 밸브의 개방도를 각각 설정하는 설정기와,
    상기 회전수 계측기, 유량 계측기, 입구 안내익 개방도 계측기 및 증기 밸브 개방도 계측기로 각각 계측한 각 계측 신호와, 상기 설정기로 설정한 각 설정값 및 가스 터빈에 대한 증가 출력 지령값에 기초하여, 상기 연료 밸브, 증기 밸브 및 입구 안내익의 개방도를 조작하는 지령 신호를 각각 연산해서 출력하는 연산기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치에 설치한 상기 연산기에서는, 상기 압축기의 회전수가 상승한 것을 검지하고 나서 증기 밸브의 개방도를 확대하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치에 설치한 상기 연산기에서는, 출력 증가 지령 시에, 상기 증기 밸브, 상기 입구 안내익, 상기 연료 밸브의 순으로 개방 조작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어 장치에 설치한 상기 연산기에서는, 상기 연소기로 유입되는 증기량이 상기 압축기가 흡입하는 공기량의 2 내지 3할이 되는 상태에서, 상기 압축기의 회전수가 정격 회전수의 2% 내지 7% 상승한 것을 검지하고 나서 상기 증기 밸브의 개방도를 확대하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치에 설치한 상기 연산기에서는, 증기 분사 운전 시에 압축기 회전수의 목표값과의 편차가 커졌을 경우에, 상기 배열 회수 보일러로부터 증기를 상기 연소기에 공급하는 증기 계통으로부터 분기한 분기 계통에 설치한 증기 릴리프 밸브를 개방 조작한 후에 연료 밸브를 폐쇄 조작하고, 압축기 회전수의 목표값과의 편차가 작고, 연소기에 공급하는 증기 유량의 목표값과의 편차가 커졌을 경우에, 연료 밸브를 폐쇄 조작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제어 장치에 설치한 상기 연산기에서는, 상기 연소기로 유입되는 증기량이 상기 압축기가 흡입하는 공기량의 2 내지 3할이 되는 상태에서, 상기 압축기의 회전수가 정격 회전수의 3% 내지 5% 상승한 것을 검지하고 나서 상기 증기 밸브의 개방도를 확대하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 증기 분사 기구를 갖는 2축식 가스 터빈.
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