KR20100133999A - 가스 터빈 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈 플랜트에 있어서, 목표 부하에 대응하여, 공기 유량이나 연료 유량의 설정의 자유도를 향상시키고, 이에 의해 연소 안정성을 향상시켜, 연소 진동의 발생을 미연 방지 가능하게 한다. 목표 부하에 대응하여 연소기(32)에 공급되는 연료 유량 또는 공기 유량을 설정하는 제1 함수 발생기(62)와, 압축기 입구의 흡기 온도를 검출하는 흡기 온도 검출기(22) 및 상기 흡기 온도 검출기의 검출치에 기초하여 상기 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 보정하는 보정량을 설정하는 제2 함수 발생기(69)와, 목표 부하를 가미하여 상기 보정량을 수정하는 수정량을 설정하는 제3 함수 발생기(66)와, 제2 함수 발생기에 의해 설정된 보정량과 제3 함수 발생기에 의해 설정된 수정량으로부터 수정 보정량을 연산하는 제1 연산기(68)와, 제1 함수 발생기에 의해 설정된 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치에 상기 수정 보정량을 더하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 산출하는 제2 연산기(64)를 구비하였다.

Description

가스 터빈 제어 장치{GAS TURBINE CONTROLLER}
본 발명은, 가스 터빈 플랜트에 있어서, 흡기 온도나 연료의 조성 또는 열량이 변동되어도 연소 진동을 발생시키는 일 없이, 안정 연소를 유지 가능하게 한 가스 터빈 제어 장치에 관한 것이다.
가스 터빈의 연소기는, 복수 종류의 연소 노즐을 갖는다. 즉, 고부하시의 NOX 저감과 저부하시의 연소 안정성을 도모하는 것 등을 목적으로 하여, 예혼합 연소용 메인 노즐과, 확산 연소용 파일럿 노즐을 구비한 것이나, 상기 연소 노즐에, 더욱 NOX 저감을 도모하는 것 등을 목적으로 하여, 예혼합 연소용 톱 햇(top hat) 노즐을 구비한 것이 있다. 이러한 연소기의 구성은, 예를 들어 특허 문헌 1(일본 특허 출원 공개 제2008-25910호 공보)에 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 개시된 연소기의 구성을 도 6 및 도 7에 의해 설명한다.
연소기(100)의 외통(102)의 내부에, 소정 간격을 두고 연소기 내통(104)이 지지 고정되고, 이 연소기 내통(104)의 선단부에 연소기 미통(尾筒)(106)이 연결되어, 연소기 케이싱이 구성되어 있다. 연소기 내통(104)의 중심부에 파일럿 노즐(108)이 배치되는 동시에, 연소기 내통(104)의 내주면에 주위 방향을 따라, 파일럿 노즐(108)을 둘러싸도록 복수의 예혼합 연소용 메인 노즐(110)이 배치되어 있다. 파일럿 노즐(108)의 선단부에는, 파일럿 콘(112)이 장착되어 있다. 또한, 연소기 외통(102)의 내주면에, 주위 방향을 따라 복수의 톱 햇 노즐(114)이 배치되어 있다.
도 7에 있어서, 연소기 외통(102)에는 외통 본체(116)의 기단부에 외통 덮개부(118)의 일단부가 복수의 체결 볼트(120)에 의해 체결되어 있다. 외통 덮개부(118)의 타단부에 연소기 내통(104)의 기단부가 끼움 장착되고, 외통 덮개부(118)와 연소기 내통(104) 사이에 공기 통로(122)가 형성되어 있다. 그리고 각 메인 노즐(110)의 선단부가 메인 버너(124)에 연통되어 있다.
외통 덮개부(118)에는 톱 햇부(126)가 끼워 맞춤되고, 복수의 체결 볼트(128)에 의해 체결되어 있다. 톱 햇 노즐(114)은 톱 햇부(126)에 설치되어 있다. 즉, 톱 햇부(126)에 주위 방향을 따라 연료 캐비티(130)가 형성되고, 이 연료 캐비티(130)로부터 외통 덮개부(118)를 향해 복수의 제1 연료 통로(132)가 형성되어 있다. 이 각 제1 연료 통로(132)의 선단부에, 공기 통로(122)를 향해 제2 연료 통로(134)가 형성되고, 이 제2 연료 통로(134)는 톱 햇부(126)의 내주면에 장착된 페그(136)에 연결되어 있다.
그리고 도시하지 않은 파일럿 연료 라인이 파일럿 노즐(108)의 연료 포트(138)에 연결되어, 파일럿 연료(fp)를 공급한다. 또한, 도시하지 않은 메인 연료 라인이 메인 노즐(110)의 연료 포트(140)에 연결되어, 메인 연료(fm)를 공급한다. 또한, 도시하지 않은 톱 햇 연료 라인이 톱 햇 노즐(114)의 연료 포트(142)에 연결되어, 톱 햇 연료(ft)를 공급하고 있다.
이러한 구성에 있어서, 고온ㆍ고압의 압축 공기가, 공기 유로(144)로부터 화살표 a방향을 향해 공기 통로(122)에 공급되면, 이 압축 공기가 톱 햇 노즐(114)로부터 분사된 연료(ft)와 예혼합된다. 이 연료 혼합기(混合氣)가 연소기 내통(104) 내로 유입된다.
연소기 내통(104) 내에서는, 연료 혼합기가 메인 노즐(110)로부터 분사된 연료(fm)와 메인 버너(124)에 의해 혼합되고, 예혼합기의 선회류로 되어 연소기 미통(106) 내로 유입된다.
또한, 연료 혼합기는 파일럿 노즐(108)로부터 분사된 연료(fp)와 혼합되어, 도시하지 않은 불씨에 의해 착화되어 연소하고, 연소 가스로 되어 연소기 미통(106) 내로 분출한다. 이때, 연소 가스의 일부가 연소기 미통(106) 내에 화염을 수반하여 주위로 확산하도록 분출함으로써, 각 메인 노즐(110)로부터 연소기 미통(106) 내로 유입된 예혼합기에 착화되어 연소한다. 즉, 파일럿 노즐(108)로부터 분사된 파일럿 연료에 의한 확산 화염에 의해, 메인 노즐(110)로부터의 희박 예혼합 연료의 안정 연소를 행하기 위한 보염(保炎)을 행할 수 있다. 또한, 압축 공기를 톱 햇 노즐(114)로부터 분사한 연료와 예혼합함으로써 NOX를 저감시킬 수 있다.
종래의 가스 터빈 플랜트에서는, 발전기 출력, 대기 온도 등에 기초하여, 연소기로 보내는 공기 유량 및 연료 유량을 미리 결정하고, 시운전으로 미세 조정한 후, 그 미세 조정한 값을 사용하여 운전을 행하고 있다. 그러나 종래의 가스 터빈 플랜트의 제어 장치에서는, 연료의 조성 변화에 즉응할 수 없고, 그로 인해 연소 안정성이 저하되거나, 혹은 연소 진동이 발생되는 경우가 있었다.
연소 진동이 발생되면, 가스 터빈의 운전에 큰 지장을 초래하게 되므로, 플랜트 설비의 보호 관점 및 가동률 향상의 관점으로부터, 연소 진동을 가능한 한 억제하는 것이 강하게 요구되고 있다.
특허 문헌 2(일본 특허 출원 공개 평5-187271호 공보)에는, 가스 터빈 연소기에 있어서, 대기 온도나, 대기 습도 또는 연료 발열량 등의 변화량에 기초하여, 공기 유량이나 연료 유량을 증감하는 제어 장치를 구비하는 것이 개시되어 있다. 특허 문헌 2에서는, 상기 요구에 의해, 대기 온도나, 대기 습도 또는 연료 발열량 등의 변동에 대해 연소 안정성을 향상시키기 위해, 공기 유량이나 연료 유량을 바이어스 제어하도록 하고 있다.
특허 문헌 2에 개시된 제어 수단에서는, 공기 유량이나 연료 유량을 바이어스 제어하여 일률적으로 변경하도록 하고 있으므로, 자유도가 적어, 공기 유량이나 연료 유량의 최적량으로의 조정이 곤란하다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 과제에 비추어, 가스 터빈 플랜트에 있어서, 발전량 등의 목표 부하에 대응하여, 공기 유량이나 연료 유량을 최적 유량으로 조정하는 경우에, 설정의 자유도를 향상시키고, 이에 의해 연소 안정성을 향상시키는 동시에, 연소 진동의 발생을 미연 방지 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 가스 터빈 제어 장치는,
가스 터빈의 목표 부하에 대응하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 제어하도록 한 가스 터빈 제어 장치에 있어서,
목표 부하에 대응하여 상기 연소기에 공급되는 연료 유량 또는 공기 유량을 설정하는 제1 함수 발생기와,
압축기 입구의 흡기 온도를 검출하는 흡기 온도 검출기 및 상기 흡기 온도 검출기의 검출치에 기초하여 상기 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 보정하는 보정량을 설정하는 제2 함수 발생기와,
상기 보정량을 목표 부하를 가미하여 수정하는 수정량을 설정하는 제3 함수 발생기와,
상기 제2 함수 발생기에 의해 설정된 보정량과 제3 함수 발생기에 의해 수정된 수정량으로부터 수정 보정량을 연산하는 제1 연산기와,
제1 함수 발생기에 의해 설정된 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치에 상기 수정 보정량을 더하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 산출하는 제2 연산기를 구비한 것이다.
본 발명에서는, 목표 부하에 대응하여 설정된 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치에 대해, 압축기 입구의 흡기 온도를 검출하고, 이 검출치에 기초하여 상기 설정치를 보정하는 보정량을 설정하는 제2 함수 발생기를 설치하고 있다. 즉, 가스 터빈의 안정 연소를 유지하기 위해, 연료 유량 또는 공기 유량을 제어하기 위한 파라미터로서 흡기 온도에 착안한 것이다.
특허 문헌 2에는, 대기 온도를 하나의 파라미터로 하고 있지만, 흡기 온도와 대기 온도는 일의적으로 대응하는 것은 아니다. 흡기 온도는 대기 온도와 어느 정도의 상관은 있지만, 흡기 온도는 흡기 후의 유속에 의해 온도 저하의 정도가 바뀌어, 유속이 커질수록 온도가 저하된다.
대기 온도와 비교하여, 가스 터빈에 흡입되는 흡기의 온도인 흡기 온도를 검출함으로써, 가스 터빈 연료의 질량 수지 및 열수지를 보다 정확하게 구할 수 있다. 따라서, 대기 온도를 파라미터로 하여 사용한 경우보다, 흡기 온도를 파라미터로 하여 사용한 쪽이, 기상 조건의 변동에 대해 연소 안정성을 유지하기 쉬운 이점이 있다.
또한, 제3 함수 발생기에 의해, 제2 함수 발생기에 의해 설정된 보정량을 목표 부하를 가미하여 수정한 수정 보정량을 연산하고, 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 보정하도록 하고 있으므로, 목표 부하에 따라서 최적의 연료 유량 또는 공기 유량으로 할 수 있다. 따라서, 특허 문헌 2에 개시된 제어 수단과 비교하여, 자유도가 크고, 또한 연소 진동을 발생시키는 일 없이 안정 연소를 유지할 수 있는 제어가 가능해진다.
본 발명 장치에 있어서, 연료의 조성 또는 열량에 대응하여 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 보정하는 제2 보정량을 설정하는 제4 함수 발생기와, 상기 제2 보정량을 목표 부하를 가미하여 수정하는 제2 수정량을 설정하는 제5 함수 발생기와, 상기 제4 함수 발생기에 의해 설정된 제2 보정량과 제5 함수 발생기에 의해 설정된 제2 수정량으로부터 제2 수정 보정량을 연산하는 제3 연산기를 구비하고, 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치에 상기 수정 보정량 및 제2 수정 보정량을 더하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 연산하는 제4 연산기를 구비하도록 하면 좋다.
이와 같이, 다른 파라미터로서, 연료의 조성 또는 열량을 더하여, 이 파라미터에 기초하여 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 보정하는 제2 보정량을 구하는 동시에, 목표 부하에 따라서 상기 보정량을 수정한 제2 수정 보정량을 연산하고, 이 제2 수정 보정량에 의해 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 수정하도록 하고 있으므로, 연료의 조성 또는 열량, 혹은 연료 중에 포함되는 불활성 가스의 비율이 변동되어도 연소 진동을 발생시키는 일 없이 안정 연소를 유지할 수 있다.
본 발명 장치에 있어서, 연소기의 상류측의 연료 공급로에 연료의 조성 또는 열량을 검출하는 검출기를 설치하고, 상기 검출기의 검출치에 기초하여 상기 제2 보정량을 설정하도록 해도 좋다. 연료의 조성 또는 열량은, 미리 설정하거나, 연료가 바뀔 때마다 적절하게 입력하는 것이 가능하지만, 이와 같이 연료의 조성 또는 열량을 검출하는 검출기를 설치하여, 상기 검출기에 의해 검출하도록 해도 좋다. 또한, 발전기 출력과 연료 유량을 사용하여, 연산에 의해 열량을 추정하도록 해도 좋다.
이에 의해, 연료의 조성 또는 열량을 미리 설정해 둘 필요가 없고, 또한 운전 중에 연료의 조성 또는 열량이 바뀌어도 상기 검출기에 의해 검출할 수 있으므로 운전을 중단할 필요가 없어, 운전 상태를 유지한 채 변경 후의 연료의 조성 또는 열량에 대응한 제2 보정량을 설정할 수 있다.
또한, 본 발명 장치에 있어서, 목표 부하가 발전량 또는 연소 온도를 기준으로 한 부하이고, 연소기에 연료를 공급하는 연료 공급 관로에 설치된 연료 유량 조정 밸브의 개방도, 압축기에 설치된 입구 안내 날개의 각도, 또는 연소기 내의 연소 영역을 바이패스하는 공기를 통과시키는 배관에 설치된 연소기 바이패스 밸브의 개방도를 제어 대상으로 할 수 있다.
이들 기기를 제어 대상으로 함으로써, 연료 유량 또는 공기 유량의 조정이 용이해져, 각 연소기에 공급되는 연료와 공기의 양을 모든 부하대에 있어서, 흡기 온도나 연료의 조성 또는 열량을 감안하여 적절하게 설정하는 것이 가능해진다. 이 결과, 흡기 온도나 연료의 조성 또는 열량의 변동에 대해, 영향을 받기 어려운 연소 제어가 가능해진다.
또한, 본 발명 장치에 있어서, 목표 부하가 발전량 또는 연소 온도를 기준으로 한 부하이고, 전체 연료 유량에 대한 파일럿 연료 유량 또는 톱 햇 연료 유량의 비를 제어 대상으로 해도 좋다.
이와 같이, 전체 연료 유량에 대한 파일럿 연료 유량 또는 톱 햇 연료 유량의 비를 제어 대상으로 함으로써, 흡기 온도나 연료의 조성 또는 열량의 변동에 대해, 전체 연료 유량을 변동시키는 일 없이 각 연소기에 공급되는 연료의 양을 적절하게 설정하는 것이 가능해진다. 이 결과, 흡기 온도나 연료의 조성 또는 열량의 변동에 대해, 발전량 또는 연소 온도가 영향을 받기 어려운 제어가 가능해진다.
본 발명 장치에 따르면, 가스 터빈의 목표 부하에 대응하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 제어하도록 한 가스 터빈 제어 장치에 있어서, 목표 부하에 대응하여 상기 연소기에 공급되는 연료 유량 또는 공기 유량을 설정하는 제1 함수 발생기와, 압축기 입구의 흡기 온도를 검출하는 흡기 온도 검출기 및 상기 흡기 온도 검출기의 검출치에 기초하여 상기 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 보정하는 보정량을 설정하는 제2 함수 발생기와, 상기 보정량을 목표 부하를 가미하여 수정하는 수정량을 설정하는 제3 함수 발생기와, 상기 제2 함수 발생기에 의해 설정된 보정량과 제3 함수 발생기에 의해 수정된 수정량으로부터 수정 보정량을 연산하는 제1 연산기와, 제1 함수 발생기에 의해 설정된 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치에 상기 수정 보정량을 더하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 산출하는 제2 연산기를 구비함으로써, 제어의 자유도를 향상시킬 수 있는 동시에, 흡기 온도를 파라미터로 하여 목표 부하에 따른 연료 유량 또는 공기 유량의 최적 제어가 가능해지고, 그로 인해 기상 조건의 변동에 대해 연소 안정성을 유지할 수 있어, 연소 진동을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 터빈 플랜트의 구성도이다.
도 2는 상기 제1 실시 형태의 제어부를 도시하는 블록선도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 가스 터빈 제어부의 블록선도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 가스 터빈 제어부의 블록선도이다.
도 5는 상기 제3 실시 형태의 연료 유량 제어 밸브의 제어 기구를 도시하는 블록선도이다.
도 6은 가스 터빈 연소기의 종단면도이다.
도 7은 도 6의 일부를 확대한 단면도이다.
이하, 본 발명을 도면에 도시한 실시 형태를 사용하여 상세하게 설명한다. 단, 이 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명을 그것에만 한정하는 취지는 아니다.
(제1 실시 형태)
본 발명 장치의 제1 실시 형태를 도 1 및 도 2에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 관한 가스 터빈 플랜트의 구성도이다. 도 1에 있어서, 가스 터빈(1)은 가스 터빈 본체부(10)와, 연소부(30)를 구비한다. 가스 터빈 본체부(10)는, 입구 안내 날개(14)를 갖는 압축기(12), 회전축(16) 및 터빈(18)을 구비하고, 터빈(18)에는 발전기(20)가 접속되어 있다. 또한, 입구 안내 날개(14)를 통과하는 흡기(s)의 온도를 계측하는 흡기 온도 검출기(22)가 장착되어 있다. 흡기 온도 검출기(22)의 검출치는, 본 실시 형태의 가스 터빈 플랜트의 제어를 행하는 후술하는 가스 터빈 제어부(60)에 입력된다.
터빈(18)은, 연소 가스 도입관(26)과 연소 배기 가스(e)를 외부로 배출하는 배출관(28)에 접속되어 있다. 또한, 회전축(16)을 통해 압축기(12) 및 발전기(20)에 접속되어 있다. 터빈(18)에서는, 연소 가스 도입관(26)으로부터 연소 가스의 공급을 받고, 연소 가스에 의해 회전하고, 그 회전에 의해 발전기(20)나 압축기(12)를 회전시킨다. 발전에 사용한 연소 가스는, 배출관(28)으로부터 배기 가스(e)로서 외부로 배출된다. 터빈(18)의 입구부에는, 연소 가스 도입관(26)으로부터 도입되는 연소 가스의 온도를 검출하는 검출기(19)가 장착되어 있다. 검출기(19)의 검출치는, 후술하는 가스 터빈 제어부(60)에 입력된다.
압축기(12)는, 외부로부터 공기를 도입하는 배관(13)과, 압축 공기 도입부(24)에 접속되어 있다. 압축기(12)는, 회전축(16)을 통해 터빈(18) 및 발전기(20)에 결합되어 있고, 터빈(18)의 회전이 전달되어 회전하고, 그 회전에 의해 배관(13)으로부터 공기를 도입한다. 그리고 도입한 흡기(s)를 압축하여, 연소기(32)로 송출한다.
입구 안내 날개(14)는 흡기(s)의 통로에 설치된 회전 날개로, 회전 날개의 각도를 조절함으로써, 회전수가 일정해도 압축기(12)로 도입하는 흡기(s)의 유량을 조정할 수 있다. 입구 안내 날개(14)의 회전 날개의 각도는, 후술하는 가스 터빈 제어부(60)에 의해 제어된다.
다음에, 연소부(30)의 구성을 설명한다. 압축 공기 도입부(24) 및 연소 가스 도입관(26)에 연소기(32)가 접속되어 있다. 연소기(32)의 구성은, 도 6 및 도 7에 도시하는 연소기(100)의 구성과 동일하다. 흡기(s)가 압축 공기 도입부(24)를 통해 연소기(32)에 도입된다. 바이패스관(34)은, 압축 공기 도입부(24) 및 연소 가스 도입관(26)에 접속되고, 바이패스 밸브(36)가 개재 설치되어 있다. 바이패스 밸브(36)에 의해 연소기(32)에 도입되는 흡기량을 제어한다. 바이패스 밸브(36)의 개방도는, 후술하는 가스 터빈 제어부(60)에 의해 제어된다.
연료(f)는, 연료 공급 주관(38)으로부터 3개의 분기관(40, 42 및 44)을 경유하여 연소기(32)에 공급된다. 연료 공급 주관(38)에는, 연료(f)의 열량을 검출하는 칼로리미터(46)가 장착되어 있다. 메인 연료 공급관(40)에는, 메인 연료 유량 제어 밸브(48) 및 메인 연료 공급 밸브(50)가 개재 설치되어 있다. 톱 햇 연료 공급관(42)에는, 톱 햇 연료 유량 제어 밸브(52) 및 톱 햇 연료 공급 밸브(54)가 개재 설치되어 있다. 파일럿 연료 공급관(44)에는, 파일럿 연료 유량 제어 밸브(56) 및 파일럿 연료 공급 밸브(58)가 개재 설치되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 도 7에 도시하는 바와 같이, 메인 연료 공급관(40)으로부터 공급되는 연료(fm)는, 메인 노즐(110)의 연료 포트(140)에 공급되고, 톱 햇 연료 공급관(42)으로부터 공급되는 연료(ft)는, 톱 햇 노즐(114)의 연료 포트(142)에 공급되고, 파일럿 연료 공급관(44)으로부터 공급되는 연료(fp)는 파일럿 노즐(108)의 연료 포트(138)에 공급된다. 이와 같이 하여, 전술한 연소 방법에 의해 연소기(32)에 의해 연료(f)를 연소시킨다.
도 2에 본 실시 형태의 가스 터빈 제어부(60)를 도시한다. 도 2에 있어서, 우선 목표 부하가 설정된다. 목표 부하는, 발전량 부하(MW)라도 좋고, 혹은 터빈(18)에 도입되는 연소 가스의 온도를 기준으로 하여 설정하도록 해도 좋다. 예를 들어, 발전량 부하이면, 50％ 또는 100％(전체 부하) 등의 목표 설정을 행한다.
설정된 목표 부하에 기초하여, 제1 함수 발생기(62)에 의해 연료 공급 주관(38)으로부터 공급되는 연료 유량을 설정한다. 그 설정치가 제1 가감산기(64)에 입력된다.
다음에, 흡기 온도 검출기(22)에 의해 검출한 흡기 온도를 제2 함수 발생기(69)에 입력하고, 상기 흡기 온도에 따른 보정량을 설정한다. 제2 함수 발생기(69)에 의해 설정된 보정량을 제1 승산기(68)에 입력한다. 또한, 목표 부하에 의해 연소 상태가 변동되므로, 그 변동을 가미하여 연료 유량 설정치를 수정할 필요가 있다. 따라서, 별도 목표 부하를 제3 함수 발생기(66)에 입력하여, 그 수정량을 설정한다. 그리고 제3 함수 발생기(66)에 의해 설정한 수정량을 제1 승산기(68)에 입력한다.
제1 승산기(68)에서는, 제2 함수 발생기(69)에 의해 설정된 흡기 온도에 따른 보정량과, 제3 함수 발생기(66)에 의해 설정한 목표 부하에 따른 수정량으로부터 수정 보정량을 연산하고, 그 수정 보정량을 제1 가감산기(64)에 입력한다. 제1 가감산기(64)에서는, 제1 함수 발생기(62)에 의해 설정한 연료 유량 설정치로부터 상기 수정 보정량을 가감산하여, 목표 부하에 따른 연료 유량을 결정한다.
이 연료 유량에 기초하여, 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 또는 56)의 밸브 개방도 특성이나 연료의 온도, 압력 등의 파라미터를 사용하여 밸브 개방도를 결정하고, 가스 터빈 제어부(60)로부터 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 또는 56)에 대해 밸브 개방도 지령을 발신한다.
이와 같이 하여, 연료 유량을 결정함으로써, 압축기(12)의 입구의 흡기 온도 검출치에 따른 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 또는 56)의 밸브 개방도로 할 수 있는 동시에, 목표 부하의 연소 특성을 가미한 밸브 개방도로 제어하고 있으므로, 목표 부하에 따라서 최적의 연료 유량으로 할 수 있다. 따라서, 연소 진동을 발생시키는 일 없이, 안정 연소를 유지할 수 있다. 또한, 특허 문헌 2에 개시된 바이어스 제어에 비해, 자유도가 큰 제어가 가능해진다.
또한, 본 실시예에서는, 제1 함수 발생기(62)에 의해 연료 공급 주관(38)으로부터 공급되는 연료 유량을 설정하고, 제1 가감산기(64)에 의해 수정 보정량을 가감산하여, 목표 부하에 따른 연료 유량을 결정하고 있지만, 제1 함수 발생기(62)에 의해 메인 연료 공급관(40), 톱 햇 연료 공급관(42), 또는 파일럿 연료 공급관(44)으로부터 공급되는 연료 유량을 설정하고, 제1 가감산기(64)에 의해 수정 보정량을 가감산하여, 목표 부하에 따른 메인 연료 유량, 톱 햇 연료 유량, 또는 파일럿 연료 유량을 결정하도록 해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 유량을 제어하도록 하고 있지만, 대신에 압축 공기 도입부(24)로부터 연소기(32)로 도입되는 압축 공기량을 제어하도록 해도 좋다. 이 경우에는, 입구 안내 날개(14)의 회전 날개의 각도를 조정하여, 압축 공기량을 제어하거나, 혹은 바이패스 밸브(36)의 개방도를 조절하여, 연소기(32)에 공급되는 압축 공기량을 제어하도록 한다. 또한, 연료 유량과 압축 공기량의 양쪽을 동시에 제어하도록 해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는, 터빈(18)의 입구부에 연소 가스의 온도를 검출하는 검출기(19)를 설치하고 있지만, 다른 검출기의 검출치를 사용하여, 열수지·질량 수지로부터 연산에 의해 연소 가스의 온도를 추정하도록 해도 좋다.
(제2 실시 형태)
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태를 도 3에 기초하여 설명한다. 도 3에 있어서, 도 2에 도시하는 상기 제1 실시 형태와 동일한 부호를 부여한 함수 발생기, 가감산기 또는 승산기는 동일한 기능을 갖는 것이다. 본 실시 형태에서는, 도 2에 도시하는 제어에 더하여, 연료 공급 주관(38)에 설치된 칼로리미터(46)에 의해 연료(f)의 열량을 검출하도록 하고 있다. 그리고 칼로리미터(46)에 의해 검출한 검출치에 따라서, 제4 함수 발생기(78)에 의해, 연료 유량 설정치에 대한 제2 보정량을 설정한다. 또한, 제5 함수 발생기(74)에 의해, 목표 부하를 가미하여 상기 제2 보정량을 수정하는 제2 수정량을 설정한다.
다음에, 제4 함수 발생기(78)에 의해 설정한 제2 보정량과 제5 함수 발생기(74)에 의해 설정한 제2 수정량을 제2 승산기(76)에 입력하고, 제2 승산기(76)에 의해 제2 수정 보정량을 연산한다. 이 제2 수정 보정량을 제2 가감산기(72)에 입력한다. 그리고 제1 함수 발생기(62)에 의해 목표 부하에 따라서 설정한 연료 유량의 설정치에 대해, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 제1 가감산기(64)에 의해 제1 수정 보정량을 가감산하고, 이와 같이 하여 수정된 설정치에 대해, 제2 가감산기(72)에 의해 다시 제2 수정 보정량을 가감산한다. 이와 같이 하여 연소기(32)에 공급하는 연료 유량을 결정하고, 이 연료 유량에 기초하여, 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 또는 56)의 밸브 개방도 특성이나 연료의 온도, 압력 등의 파라미터를 사용하여 밸브 개방도를 결정하도록 한다.
본 실시 형태에 따르면, 2번째의 파라미터로서, 연료(f)의 열량 검출치를 더하여, 압축기 입구의 흡기 온도 검출치와 이 열량 검출치에 의해 연료 유량의 설정치를 보정하는 동시에, 목표 부하에 따라서 상기 보정량을 수정하고 있으므로, 상기 제1 실시 형태에 의한 작용 효과에 더하여, 연료(f)의 조성 또는 열량, 혹은 연료(f) 중에 포함되는 불활성 가스의 비율이 변동되어도 연소 진동을 발생시키는 일 없이 안정 연소를 유지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 유량을 제어하도록 하고 있지만, 대신에 압축 공기 도입부(24)로부터 연소기(32)에 도입되는 압축 공기량을 제어하도록 해도 좋다. 이 경우에는, 입구 안내 날개(14)의 회전 날개의 각도를 조정하여, 압축 공기량을 제어하거나, 혹은 바이패스 밸브(36)의 개방도를 조절하여 연소기(32)에 공급되는 압축 공기량을 제어하도록 한다. 또한, 연료 유량과 압축 공기량의 양쪽을 동시에 제어하도록 해도 좋다. 또한, 연료 공급 주관(38)에 칼로리미터(46)를 설치하고 있지만, 발전기 출력과 연료 유량을 사용하여 연산에 의해 열량을 추정하도록 해도 좋다.
(제3 실시 형태)
다음에, 본 발명의 제3 실시 형태를 도 4 및 도 5에 기초하여 설명한다. 도 4에 있어서, 본 실시 형태에서는 목표 부하로서 터빈(18)의 입구에 도입되는 연소 가스의 온도를 설정한다. 그 연소 가스의 온도는, 온도 검출기(19)에 의해 검출한다. 예를 들어, 터빈(18)의 입구에 도입되는 연소 가스의 온도를 1480 내지 1500℃로 하는 것을 목표 부하로 한다. 도 4에 도시하는 제어부(80)를 구성하는 함수 발생기, 가감산기 및 승산기는 도 3의 것과 동일 구성을 이루고, 이들 기기에 도 3과 동일 부호를 부여하고 있다.
제어부(80)에서는, 상기 연소 가스의 온도를 목표 부하로 하고, 흡기 온도 검출기(22)에 의해 검출한 흡기 온도 및 칼로리미터(46)에 의해 검출한 연료(f)의 열량을 파라미터로 하여, 제2 실시 형태와 동일한 처리를 행하고, 제1 함수 발생기(62)에 의해 연료 유량비를 설정한다. 이 연료 유량비에 대해, 제1 가감산기(64)에 의해 제1 수정 보정량을 가감산하고, 다음에 제2 가감산기(72)에 의해 제2 수정 보정량을 가감산한다. 여기서, 연료 유량비라 함은, 예를 들어 전체 연료 유량에 대한 톱 햇 연료 유량의 비(톱 햇 연료비) 및 전체 연료 유량에 대한 파일럿 연료 유량의 비(파일럿 연료비)이다.
이와 같이 하여, 결정한 연료 유량비에 기초하여, 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 및 56)의 개방도를 지령한다.
이들 연료 유량비로부터 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 및 56)의 개방도를 결정하는 수순을 도 5에 의해 설명한다. 도 5에 있어서, 파일럿 연료비와 전체 연료 유량으로부터 파일럿 연료 유량을 산출하는 동시에, 톱 햇 연료비와 전체 연료 유량으로부터 톱 햇 연료 유량을 산출한다. 비교기(84)에 의해, 전체 연료 유량으로부터 파일럿 연료 유량 및 톱 햇 연료 유량을 감산하여, 메인 연료 유량을 산출한다.
그 후, 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 및 56)의 밸브 특성, 연료의 압력 및 온도 등의 파라미터를 사용하여, 이들 파라미터에 기초하여 각 보정기(86, 88 및 90)에 의해 수정을 가하고, 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 및 56)의 개방도를 결정한다. 결정한 밸브 개방도를 각 연료 유량 제어 밸브(48, 52 및 56)에 지령한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 터빈(18)의 입구부에 연소 가스의 온도를 검출하는 검출기(19)를 설치하고 있지만, 다른 검출기의 검출치를 사용하여, 열수지ㆍ질량 수지로부터 연산에 의해 연소 가스의 온도를 추정하도록 해도 좋다.
본 실시 형태에 따르면, 상기 제2 실시 형태와 마찬가지로, 흡기 온도 검출기(22)에 의해 검출한 흡기 온도와, 칼로리미터(46)에 의해 검출한 연료(f)의 열량을 파라미터로 하고 있으므로, 상기 제2 실시 형태에서 얻어지는 작용 효과에 더하여, 터빈(18)의 입구의 연소 가스 온도를 목표 부하로 하고 있으므로, 계절 변동에 수반되는 흡기 온도 변화에 의해, 연소기 내부에서의 연소 안정성에의 영향을 최소한으로 그치게 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈 플랜트에 있어서, 흡기 온도나 연료 중에 포함되는 불활성 가스의 비율이 변동되어도, 간단한 제어 기구에 의해 연소 진동을 발생시키는 일 없이, 안정 연소를 달성할 수 있다.

Claims (5)

  1. 가스 터빈의 목표 부하에 대응하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 제어하도록 한 가스 터빈 제어 장치에 있어서,
    목표 부하에 대응하여 상기 연소기에 공급되는 연료 유량 또는 공기 유량을 설정하는 제1 함수 발생기와,
    압축기 입구의 흡기 온도를 검출하는 흡기 온도 검출기 및 상기 흡기 온도 검출기의 검출치에 기초하여 상기 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 보정하는 보정량을 설정하는 제2 함수 발생기와,
    상기 보정량을 목표 부하를 가미하여 수정하는 수정량을 설정하는 제3 함수 발생기와,
    상기 제2 함수 발생기에 의해 설정된 보정량과 제3 함수 발생기에 의해 수정된 수정량으로부터 수정 보정량을 연산하는 제1 연산기와,
    제1 함수 발생기에 의해 설정된 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치에 상기 수정 보정량을 더하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 산출하는 제2 연산기를 구비한 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 연료의 조성 또는 열량에 대응하여 연료 유량 또는 공기 유량의 설정치를 보정하는 제2 보정량을 설정하는 제4 함수 발생기와,
    상기 제2 보정량을 목표 부하를 가미하여 수정하는 제2 수정량을 설정하는 제5 함수 발생기와,
    상기 제4 함수 발생기에 의해 설정된 제2 보정량과 제5 함수 발생기에 의해 설정된 제2 수정량으로부터 제2 수정 보정량을 연산하는 제3 연산기와,
    연료 유량 또는 공기 유량의 설정치에 상기 수정 보정량 및 제2 수정 보정량을 더하여 연소기에 공급하는 연료 유량 또는 공기 유량을 연산하는 제4 연산기를 구비한 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연소기의 상류측의 연료 공급로에 연료의 조성 또는 열량을 검출하는 검출기를 설치하고, 상기 검출기의 검출치에 기초하여 상기 제2 보정량을 설정하도록 한 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목표 부하가 발전량 또는 연소 온도를 기준으로 한 부하이고, 상기 연소기에 연료를 공급하는 연료 공급 관로에 설치된 연료 유량 조정 밸브의 개방도, 압축기에 설치된 입구 안내 날개의 각도, 또는 연소기 내의 연소 영역을 바이패스하는 공기를 통과시키는 배관에 설치된 연소기 바이패스 밸브의 개방도를 제어 대상으로 한 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 제어 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목표 부하가 발전량 또는 연소 온도를 기준으로 한 부하이고, 전체 연료 유량에 대한 파일럿 연료 유량 또는 톱 햇 연료 유량의 비를 제어 대상으로 한 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 제어 장치.
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