JP5916479B2 - ガスタービンおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンおよびその制御方法に関する。より詳しくは、アンチアイシング機能を備えたガスタービンおよびそのガスタービンの制御方法に関する。

アンチアイシング機能、つまり圧縮機入口部の氷結を防止したり、同入口部に降り積もった雪を溶かしたりする機能を備えたガスタービンとして、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１に開示された技術では、圧縮機で生成された高温の加圧空気の一部を抽気管により圧縮機入口ダクトに導くように構成される。なお、圧縮機入口ダクトに導かれる加圧空気の量を、圧縮機入口ダクト内の温度に基づいて自動制御する技術についても周知である。

図８はアンチアイシング機能を備えた従来のガスタービンの概略の構成を示す図である。

図８に示すように、従来のガスタービン１００は、圧縮機２、燃焼器３、タービン４、ダクト６、抽気管８、温度センサー４２、流量制御弁１１および制御器５Ａなどを備える。
制御器５Ａは、温度センサー４２で検出したダクト６内の温度に基づき、流量制御弁１１の開度を制御することで、圧縮機２から抽気管８によりダクト６に導かれる高温の加圧空気の量を制御する。これによりアンチアイシング動作を行うようになっている。

ガスタービン１００のアンチアイシング動作について説明する。
ガスタービン１００の運転中は、温度センサー４２はダクト６内の温度を検出し、吸気温度値Ｔとして制御器５Ａに出力している。制御器５Ａは、吸気温度値Ｔに基づいて、次述の特性を有する弁開度指令値Ｖを出力し、流量制御弁１１の弁開度を制御する。
即ち、ダクト６内に氷結を生じる虞のある状況下で、吸気温度値Ｔが低い場合は、流量制御弁１１の弁開度を大きく制御する。これにより、ダクト６に導かれる加圧空気の量を多くし、アンチアイシングの度合いを強める。また、吸気温度値Ｔがそれほど低くない場合は、流量制御弁１１の弁開度を小さくし、アンチアイシングの度合いを弱める。

特開平６−３３７９５号公報

上述したガスタービン１００では、アンチアイシング動作時に圧縮機２からアンチアイシング用の加圧空気を抽気している。このため、アンチアイシング動作時に燃焼器３に供給される燃焼用の加圧空気は、抽気した分だけ減ることになる。つまり設計値の燃空費と実際の燃空費とに差が生じることになり、このことは、燃焼振動やエミッション変化を引き起こす要因となる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、アンチアイシング動作時に生じ得る燃焼振動やエミッション変化を防止することのできるガスタービンおよびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るガスタービンは、圧縮機、燃焼器、およびタービンと、前記圧縮機の入口に設けられて、負荷に応じてその開度が制御され、前記圧縮機に流入する空気量を調整する入口案内翼と、流量制御弁が設けられ、前記圧縮機で加圧された空気の一部を、アンチアイシング動作時に前記圧縮機の上流側に戻す抽気管と、を備えたガスタービンであって、アンチアイシング動作時に前記抽気管を介して前記圧縮機の上流側に戻される空気量を補うように、前記入口案内翼の開度を制御する制御器を備え、前記制御器は、前記ガスタービンの負荷値に応じた量の燃焼用空気を生成できる前記入口案内翼の開度指令値を求め、前記圧縮機の吸気温度に対する減少関数から前記流量制御弁の弁開度指令値を求め、該弁開度指令値に対する増加関数から求められる係数値を前記入口案内翼の開度指令値に加算する。

本発明に係るガスタービンによれば、アンチアイシング動作時に流量制御弁が設けられた抽気管を介して圧縮機の上流側に戻される空気量を補うように、入口案内翼の開度を制御する制御器、即ち、アンチアイシング動作時に抽気管を介して圧縮機の上流側に戻される空気量相当分だけ、圧縮機に流入する空気量が増加するように、入口案内翼の開度を大きくなる方向に制御する制御器が設けられていることになる。制御器は、ガスタービンの負荷値に応じた量の燃焼用空気を生成できる入口案内翼の開度指令値を求め、圧縮機の吸気温度に対する減少関数から流量制御弁の弁開度指令値を求め、該弁開度指令値に対する増加関数から求められる係数値を入口案内翼の開度指令値に加算する。
これにより、例えば、吸気温度が低く、抽気管を介して燃焼用空気が多量に抜き出されるような場合でも、入口案内翼の開度が大きくなる方向に制御されることになり、燃焼器に供給される燃焼用空気の減少を防止することができる。その結果、アンチアイシング動作時に生じ得る燃焼振動やエミッション変化を防止することができる。
なお、エミッション変化とは、次の状態をいう。即ち、燃焼用空気に対する燃料の割合が大きくなったときに、燃焼温度が上がり、ＮＯｘが増えてＣＯが減る状態のことである。本発明では、燃焼器に供給される燃焼用空気がアンチアイシング動作時に補充されるため、アンチアイシング動作時と非動作時とで、エミッションレベルは、ほぼ同等になる。

上記ガスタービンにおいて、前記制御器が、前記圧縮機の車室圧の変化により変化する抽気量を補うように、前記入口案内翼の開度を制御するように構成されているとさらに好適である。

これにより、例えば車室圧が高く、抽気量が多いときでも、これを補うように入口案内翼の開度を大きく開けて、抽気により減った空気量を補充することができるので、より安定した燃焼を実現できるようになる。

上記ガスタービンにおいて、制御器が、前記圧縮機の吸気温度に対する増加関数である補正関数による係数値を、前記ガスタービンの負荷値に対して乗算するとさらに好適である。
上記ガスタービンにおいて、前記制御器が、前記入口案内翼の開度に前記圧縮機の性能に基づいて決められる上限値を設けるとさらに好適である。
本発明に係るガスタービンの制御方法は、圧縮機、燃焼器、およびタービンと、流量制御弁が設けられ、前記圧縮機の入口に設けられて、負荷に応じてその開度が制御され、前記圧縮機に流入する空気量を調整する入口案内翼と、前記圧縮機で加圧された空気の一部を、アンチアイシング動作時に前記圧縮機の上流側に戻す抽気管と、を備えたガスタービンの制御方法であって、前記ガスタービンの負荷値に応じた量の燃焼用空気を生成できる前記入口案内翼の開度指令値を求め、前記圧縮機の吸気温度に対する減少関数から前記流量制御弁の弁開度指令値を求め、該弁開度指令値に対する増加関数から求められる係数値を前記入口案内翼の開度指令値に加算することで、アンチアイシング動作時に前記抽気管を介して前記圧縮機の上流側に戻される空気量を補うように、前記入口案内翼の開度を制御するようにした。

上記ガスタービンの制御方法において、前記圧縮機の車室圧の変化により変化する抽気量を補うように、前記入口案内翼の開度を制御するようにするとさらに好適である。
上記ガスタービンの制御方法において、前記圧縮機の吸気温度に対する増加関数である補正関数による係数値を、前記ガスタービンの負荷値に対して乗算するとさらに好適である。
上記ガスタービンの制御方法において、前記入口案内翼の開度に前記圧縮機の性能に基づいて決められる上限値を設けるとさらに好適である。

本発明に係るガスタービンおよびその制御方法によれば、アンチアイシング動作時に生じ得る燃焼振動やエミッション変化を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの概略の構成を示す図である。 第１補正関数において使用されるチャートである。 第２補正関数において使用されるチャートである。 第３補正関数において使用されるチャートである。 第４補正関数において使用されるチャートである。 第５補正関数において使用されるチャートである。 第６補正関数において使用されるチャートである。 従来のガスタービンの概略の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るガスタービンについて、図１から図７を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るガスタービンの概略の構成を示す図、図２は第１補正関数において使用されるチャート、図３は第２補正関数において使用されるチャート、図４は第３補正関数において使用されるチャート、図５は第４補正関数において使用されるチャート、図６は第５補正関数において使用されるチャート、図７は第６補正関数において使用されるチャートである。

図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１は、圧縮機２、燃焼器３、タービン４および制御器５を主たる要素として構成され、回転軸１０に連結された発電機９を駆動するように構成される。

圧縮機２は、吸気した空気から加圧空気を生成し、後段の燃焼器３にこの加圧空気を供給する要素であり、その上流側には、入口に吸気フィルター（図示せず）を備えたダクト６が接続されている。ダクト６の内部には、温度センサー４２が設けられている。温度センサー４２は、ダクト６に吸気される空気の温度を検出し、吸気温度値Ｔとして制御部５に出力するようになっている。
また、圧縮機２は抽気管８を備えている。抽気管８は、圧縮機２で加圧された空気の一部を、圧縮機２の上流側、即ちダクト６へ戻し、吸気フィルターに噴射するように構成されている。抽気管８の途中には流量制御弁１１が設けられている。流量制御弁１１は、制御器５から出力された弁開度指令値Ｖによりその開度が制御されるようになっている。
また、圧縮機２の車室内には、車室圧センサー４４が設けられており、検出した車室圧を、車室圧Ｐとして出力している。
また、圧縮機２は、その入口に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）１２を備えている。入口案内翼１２は、ガスタービンの負荷に応じて、圧縮機２に吸気される空気量を調整する可変翼であり、ＩＧＶ駆動部４５によって駆動制御されている。ガスタービンの負荷は、発電機９に設けられた発電機出力検出器４１から負荷値Ｗとして出力されている。

燃焼器３は、圧縮機２で生成した加圧空気を可燃性燃料と共に燃焼させて加熱燃焼ガスを生成するための要素である。

タービン４は、燃焼器３で生成した加熱燃焼ガスによって回転駆動される要素である。

制御器５は、流量制御弁１１の弁開度を制御するための弁開度指令値Ｖと、入口案内翼１２の開度を制御するためのＩＧＶ開度指令値Ｓとを生成するものである。弁開度指令値Ｖは、吸気温度値Ｔに基づいて算出される。ＩＧＶ開度指令値Ｓは、ガスタービン１においては、負荷値Ｗの他に、吸気温度値Ｔと車室圧Ｐにも基づいて算出される。
制御器５は、具体的には、第１補正関数ＦＸ０１、第２補正関数ＦＸ０２、第３補正関数ＦＸ０３、第４補正関数ＦＸ０４、第５補正関数ＦＸ０５、第６補正関数ＦＸ０６、加算部２４、第１乗算部２２、第２乗算部３２および低値選択部２５を備えている。

各補正関数ＦＸ０１〜ＦＸ０６の機能概要について説明する。

〔ＦＸ０１〕
第１補正関数ＦＸ０１は、ガスタービン１の負荷に応じた量の燃焼用空気が生成できるような、ＩＧＶ開度を求める関数である。例えば、小負荷時にＩＧＶ開度を小さくすることで圧縮機２の吸気流量を減らし、大負荷時にＩＧＶ開度を大きくすることで圧縮機２の吸気流量を増やす機能を持たせている。第１補正関数ＦＸ０１は、基本的には、図２に示すように、入力される負荷値Ｗに対する増加関数である。即ち、小さい負荷に対しては小さい係数値Ｊを出力し、大きい負荷に対しては大きい係数値Ｊを出力する。

〔ＦＸ０２〕
第２補正関数ＦＸ０２は、圧縮機２の吸気温度に変化があった場合でも、圧縮機２に吸気される空気の質量流量を、設計基準温度時と同等にする機能を持たせる関数である。第２補正関数ＦＸ０２は、基本的には、図３に示すように、入力される吸気温度値Ｔに対する増加関数である。即ち、低い吸気温度に対しては小さい係数値Ｎを出力し、高い吸気温度に対しては大きい係数値Ｎを出力する。
第１乗算器２２において、入力される負荷値Ｗに第２補正関数ＦＸ０２から出力された係数値Ｎを乗算することで、例えば低気温時は負荷を見かけ上小さくしてＩＧＶ開度を閉まり気味とする。これにより、気温低下による空気密度の増加に伴う、空気の質量流量の増加を抑え、圧縮機２に吸気される空気の質量流量を、設計基準温度時と同等となるようにしている。反対に、例えば高気温時は負荷を見かけ上大きくしてＩＧＶ開度を開き気味とする。これにより、気温上昇による空気密度の低下に伴う、空気の質量流量の低下を補い、圧縮機２に吸気される空気の質量流量を、設計基準温度時と同等となるようにしている。

〔ＦＸ０３〕
第３補正関数ＦＸ０３は、ＩＧＶ開度に上限値Ｒを設けるための関数である。上限値Ｒは主に圧縮機２の性能に基づいて決められる。圧縮機２では、ＩＧＶ開度が大きい場合に、多量の空気が吸気されて空気密度が増大することによるサージング現象（圧縮機失速）を起こすことがある。この上限値Ｒは該サージング現象を抑える手段として機能する。
低値選択部２５において、ＩＧＶ開度指令値Ｓの基となる係数値Ｊと上限値Ｒとが比較され、係数値Ｊが上限値Ｒよりも大きい場合には、ＩＧＶ開度指令値Ｓとしてこの上限値Ｒが出力される。
第３補正関数ＦＸ０３としては、圧縮機２の吸気温度が低くなるに従い、上限値Ｒを小さくする形態が用いられることもあるが、本実施形態では、図４に示すように、一定値としている。

〔ＦＸ０４〕
第４補正関数ＦＸ０４は、アンチアイシング動作時に抽気管８を介して圧縮機２の上流側に戻される空気量を補うように、ＩＧＶ開度を制御するのに使う関数である。基本的には、図５に示すように、入力される弁開度指令値Ｖ（詳細は後述の「ＦＸ０６」欄参照）に対する増加関数である。即ち、小さい弁開度指令値Ｖに対しては小さい係数値Ｍを出力し、大きい弁開度指令値Ｖに対しては大きい係数値Ｍを出力する。
加算部２４において、ＩＧＶ開度指令値Ｓの基となる係数値Ｊに、係数値Ｍを加算する。これにより、入口案内翼１２は、抽気量の多い低気温時は開き気味となるように制御され、燃焼器に供給される燃焼用空気が補われる。つまりアンチアイシングのために抽気されて減った空気量が補われる。なお、第４補正関数ＦＸ０４は、吸気温度値Ｔに対する増加関数となっている。

〔ＦＸ０５〕
第５補正関数ＦＸ０５は、アンチアイシング動作時のＩＧＶ開度に、車室圧の観点から補正を設ける関数である。より詳しくは、流量制御弁１１が同じ弁開度であっても、抽気される空気流量が車室圧によって異なるという現象から生じる不都合を緩和するための関数である。例えば車室圧が高いときには、燃焼器３へ供給される燃焼用空気が必要以上に減るので、これを防ぐために使用される。第５補正関数ＦＸ０５は、基本的には、図６に示すように、入力される車室圧Ｐに対する増加関数である。車室圧が高いと、流量制御弁１１の弁開度が変わらなくても、抽気量が多くなるから、これを補うように入口案内翼１２を大きく開けて、高車室圧の影響により減少した空気を補充するようにしている。なお、この補正量は、第４補正関数ＦＸ０４によるものに対して十分に小さく、系が発散することはない。

〔ＦＸ０６〕
第６補正関数ＦＸ０６は、圧縮機２の吸気温度に応じてアンチアイシングの度合いを制御するための関数である。基本的には、図７に示すように、入力される吸気温度値Ｔに対する減少関数である。即ち、低い吸気温度に対しては大きい弁開度指令値Ｖを出力し、高い吸気温度に対しては小さい弁開度指令値Ｖを出力する。この弁開度指令値Ｖに応じた開度値を流量制御弁１１に出力し、その開度制御を行う。吸気温度が境界温度Ｔ０を超えるときは、氷結の虞が無いと判断し、機能させないようになっている。

次にガスタービン１００のアンチアイシング動作について説明する。

ガスタービン１００は、アンチアイシングが必要とされない状況下で定常負荷運転中であるとする。
温度センサー４２は、ダクト６内の温度を検出し、吸気温度値Ｔとして制御器５に送信している。発電機出力検出器４１は、発電機９の出力を検出し、負荷値Ｗとして制御器５に送信している。車室圧センサー４４は、圧縮機２における車室内の圧力を検出し、車室圧Ｐとして制御器５に送信している。

この状態で、圧縮機２における吸気温度が境界温度Ｔ０以下に低下したとする。つまりアンチアイシングが必要とされる状況である。制御器５では、温度センサー４２から送信された吸気温度値Ｔを基に、第６補正関数ＦＸ０６で弁開度指令値Ｖを算出して、流量制御弁１１に送信する。流量制御弁１１は、この弁開度指令値Ｖに応じた弁開度に制御され、氷結防止に必要な量の高温の加圧空気がダクト６に供給される。これによりアンチアイシング動作が行われる。

このとき、制御器５は、抽気されてダクト６に供給された空気量相当分だけ、圧縮機２に流入する空気量が増加するように、入口案内翼１２の開度を大きくなる方向に補正制御する。具体的には、入口案内翼１２がＩＧＶ駆動部４５により駆動される。駆動のための信号はＩＧＶ開度指令値Ｓである。ここでＩＧＶ開度指令値Ｓは、負荷値Ｗを基に得た信号に、加算部２４において係数Ｍを加算している。この係数Ｍが、上記補正制御分に相当する。弁開度指令値Ｖが大きくなれば、第４補正関数ＦＸ０４の性質上、信号Ｍも大きくなる。これにより、入口案内翼１２は、抽気量の多い低気温時は開き気味となるように制御され、燃焼器に供給される燃焼用空気が補われる。つまり抽気により減った圧縮機２の吸気量が補われる。ＩＧＶ開度をΔＳだけ増加させたときの吸気空気の増加量をΔＤとし、アンチアイシングのための抽気量をΔＶとしたとき、ΔＤ＝ΔＶとなるようにＩＧＶ開度指令値Ｓは定められている。

このように、ガスタービン１によると、吸気温度が低く、抽気管８を介して燃焼用空気が多量に抜き出されるような場合でも、入口案内翼１２の開度が大きくなる方向に制御されることになり、燃焼器３に供給される燃焼用空気の減少を防止することができる。その結果、アンチアイシング動作時に生じ得る燃焼振動やエミッション変化を防止することができる。

また、ＩＧＶ開度指令値Ｓは、第１乗算器２２で吸気温度値Ｔを負荷値Ｗに乗算することにより温度補正が行われる。これにより、圧縮機２の吸気温度に変化があった場合でも、圧縮機２に吸気される空気の質量流量を、設計基準温度時と同等にする機能を持たせることができる。従って、より安定した燃焼を実現できるようになる。

また、ＩＧＶ開度指令値Ｓは、第３補正関数ＦＸ０３により、ＩＧＶ開度に上限が設けられるため、空気密度増大によるサージング現象を防止することができる。

また、ＩＧＶ開度指令値Ｓにおける補正の基となる係数Ｍは、車室圧の観点からも補正が設けられている。例えば車室圧Ｐが高く、抽気量が多いときでも、これを補うように入口案内翼１２の開度を大きく開けて、抽気により減った空気量を補充することができるので、より安定した燃焼を実現できるようになる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形・変更実施可能である。例えば、上述した実施形態では、アンチアイシングの要否判断を吸気温度値Ｔに基づいて行っていたが、大気温度や湿度などを用いて行うことも可能である。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 制御器
８ 抽気管
１１ 流量制御弁
１２ 入口案内翼
Ｐ 車室圧

Claims (8)

1. 圧縮機、燃焼器、およびタービンと、
   前記圧縮機の入口に設けられて、負荷に応じてその開度が制御され、前記圧縮機に流入する空気量を調整する入口案内翼と、
   流量制御弁が設けられ、前記圧縮機で加圧された空気の一部を、アンチアイシング動作時に前記圧縮機の上流側に戻す抽気管と、を備えたガスタービンであって、
   アンチアイシング動作時に前記抽気管を介して前記圧縮機の上流側に戻される空気量を補うように、前記入口案内翼の開度を制御する制御器を備え、
   前記制御器は、前記ガスタービンの負荷値に応じた量の燃焼用空気を生成できる前記入口案内翼の開度指令値を求め、前記圧縮機の吸気温度に対する減少関数から前記流量制御弁の弁開度指令値を求め、該弁開度指令値に対する増加関数から求められる係数値を前記入口案内翼の開度指令値に加算することを特徴とするガスタービン。
2. 前記制御器は、前記圧縮機の車室圧の変化により変化する抽気量を補うように、前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記制御器は、前記圧縮機の吸気温度に対する増加関数である補正関数による係数値を、前記ガスタービンの負荷値に対して乗算することを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。
4. 前記制御器は、前記入口案内翼の開度に前記圧縮機の性能に基づいて決められる上限値を設けることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン。
5. 圧縮機、燃焼器、およびタービンと、
   流量制御弁が設けられ、前記圧縮機の入口に設けられて、負荷に応じてその開度が制御され、前記圧縮機に流入する空気量を調整する入口案内翼と、
   前記圧縮機で加圧された空気の一部を、アンチアイシング動作時に前記圧縮機の上流側に戻す抽気管と、を備えたガスタービンの制御方法であって、
   前記ガスタービンの負荷値に応じた量の燃焼用空気を生成できる前記入口案内翼の開度指令値を求め、前記圧縮機の吸気温度に対する減少関数から前記流量制御弁の弁開度指令値を求め、該弁開度指令値に対する増加関数から求められる係数値を前記入口案内翼の開度指令値に加算することで、アンチアイシング動作時に前記抽気管を介して前記圧縮機の上流側に戻される空気量を補うように、前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とするガスタービンの制御方法。
6. 前記圧縮機の車室圧の変化により変化する抽気量を補うように、前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする請求項５に記載のガスタービンの制御方法。
7. 前記圧縮機の吸気温度に対する増加関数である補正関数による係数値を、前記ガスタービンの負荷値に対して乗算することを特徴とする請求項５または６に記載のガスタービンの制御方法。
8. 前記入口案内翼の開度に前記圧縮機の性能に基づいて決められる上限値を設けることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のガスタービンの制御方法。

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