JP6252819B1 - 制御装置、ガスタービン、制御方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明の一実施形態によるディスクキャビティへ供給する冷却空気の制御方法を図1〜図5を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。
本実施形態のガスタービンプラントは、図1に示すように、ガスタービン1と、ガスタービン1の駆動で発電する発電機9とを備えている。ガスタービン1と発電機9は、ロータ5で連結されている。ガスタービン1は、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機2と、圧縮空気と燃料ガスとを混合して燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器3と、燃焼ガスにより駆動するタービン4と、制御装置10とを備えている。ロータ5は、軸受6A、6Bによって回転可能に支持されている。また、圧縮機2とタービン4との間には、圧縮機2の途中から抽気された空気をタービン4側に導くための抽気管7が設けられ、抽気管7には、抽気された空気を冷却するための冷却装置70とタービン4側に流入する冷却空気の流量を調整するための冷却空気流量調節弁8が設けられる。制御装置10は、冷却空気流量調節弁8の開度を制御する。
図2に図1の視線方向から見た場合のディスクキャビティの模式図を示す。図示するようにディスクキャビティ43の径方向の外側には開口部43A、静翼41から供給される冷却空気の開口部43Bが設けられている。また、ディスクキャビティ43の径方向の下段側(ロータ5と接する側)には開口部43Cが設けられている。開口部43Aの面積は大きく、開口部43Cの面積は小さい。ここで、開口部43Bから冷却空気G1の流入が無いと仮定すると、燃焼ガスはより高圧の上段側から低圧の下段側へと流れるため、燃焼ガスは、開口部43Aから流入してディスクキャビティ43を満たし、開口部43Cから流出していくという流れが生じる。このような流れが生じると、ディスクキャビティ43内部の温度は上昇し、ディスクキャビティ43に接するロータ5の温度もその影響を受け上昇する。金属で構成されたロータ5の温度は、所定の温度(例えば、420℃程度)以下に保たれる必要がある。その為、静翼41を介した冷却空気を開口部43Bから取り込み、ディスクキャビティ43の内部を上記の所定の温度に制御する。より具体的には、制御装置10が、冷却空気流量調節弁8の開度を調節して、抽気管7から静翼41側へと供給される冷却空気の流量を調整する。つまり、制御装置10は、開口部43Bからディスクキャビティ43へ供給される冷却空気G1の流量を制御する。冷却空気の流量G1が増加すると、ディスクキャビティ43へ流入する燃焼ガスが減少し、やがて冷却空気が開口部43Aから燃焼ガス流路の上段側へ流出するようになる。以下、ディスクキャビティ43から開口部43Aを介して燃焼ガス流路の上段側への流れ(流量G2とともに矢印で示す方向)を「順流」、燃焼ガス流路から開口部43Aを介してディスクキャビティ43への流れを「逆流」とする。なお、開口部43Bについて冷却空気の流れる方向は、常に流量G1とともに矢印で示す方向(ディスクキャビティ43へ流入する方向)である。また、開口部43Cについては、冷却空気や燃焼ガスの流れは常に流量G3とともに矢印で示す方向(ディスクキャビティ43から流出する方向)である。
図3(a)にディスクキャビティ43の温度についての感度のグラフを示す。図3(b)にある段に設けられたディスクキャビティ43の温度のグラフ、図3(c)に開口部43Cから流出する冷却空気や燃焼ガスの流量G3のグラフ、図3(d)に開口部43Aを介して出入りする冷却空気や燃焼ガスの流量G2のグラフ、をそれぞれ示す。各グラフの横軸は開口部43Bからディスクキャビティ43への冷却空気の流量G1の大きさを示し、各グラフの横軸の同じ位置は同じ流量であることを示している。
次に図3(d)のグラフを参照する。図3(d)の流量G2の大きさを示している。流量G2は、流量G1から流量G3を差し引いた値となる。流量G1が増加するにしたがって、逆流していたガス等の流れが、流量G1の値がL3となる付近で順流に転じ、その後も流量G1の増加に伴い、順流する流量G2が増加する。上記のとおり、ディスクキャビティ43の温度(DCT)が図3(b)に示す温度T1に近い温度となるようにするためには、開口部43Aの流れを順流させる必要がある。従って、制御装置10は、流量G1がL3以上となるように、冷却空気流量調節弁8の開度を制御する。
データ取得部11は、温度センサ44が計測したDCTの値、ガスタービン1の出力値などを取得する。
開度決定部12は、流量G1が図3で説明したバンドαの右端付近の値となるような冷却空気流量調節弁8の開度を決定する。開度決定部12は、調節部121と、逸脱防止部122と、保護部123と、変調部124とを備える。調節部121は、冷却空気流量調節弁8の開度を、流量G1が目標感度Asvに対応する流量となるような開度に調節するための補正量を算出する。逸脱防止部122は、流量G1がバンドαの左側に大きく逸脱することを防止する。保護部123は、流量G1がバンドαの左側に大きく逸脱したときに流量G1がバンドαの右側の値となるよう開度を補正する。例えば、保護部123は、そのような場合、冷却空気流量調節弁8の開度を100%(全開)とするよう弁が開く側に補正する。変調部124は、調節部121が開度の補正量を算出できるようにするために、冷却空気流量調節弁8の開度をある値を中心として所定の範囲で変動させ、開度に刺激を加える。調節部121はこの刺激に対するDCTの応答から、変動の中心となる開度に対するDCTの感度を算出し、算出した感度と目標感度Asvの偏差に基づいて補正量を算出する。
開度指令部13は、冷却空気流量調節弁8の開度を、開度決定部12が決定した開度に制御する。
図4は、本発明の一実施形態における弁開度の制御方法を説明する図である。
変調部124は、冷却空気流量調節弁8の開度を、例えば、振幅2%、周期ωmが1分の正弦波で変動させるような開度指令を出力するよう開度指令部13に指示する。開度指令部13は、この指示に従って、冷却空気流量調節弁8の開度を1分周期で2%分だけ開閉させて流量G1を変動させる。なお、本実施形態の弁開度制御に先だって、冷却空気流量調節弁8の開度は、流量G1がバンドαの右端より右側の値となるよう設定された所定の開度βに制御されている。この開度βでは、流量G1の値が十分大きく、DCTが温度T0となる。この開度βは必ずしも経済的な(無駄のない)流量G1の値を実現する弁開度ではない。そこで、本実施形態では、変調部124が、冷却空気流量調節弁8の開度を変調(所定の周波数で開度を変動させること)させ、流量G1およびDCTを変動させる。そして、調節部121がDCTの変動(感度)を監視し、DCTの変動に基づいて、運転中のガスタービンにおける実際のバンドαの右端付近を検出する。具体的には、調節部121は、変調部124が、冷却空気流量調節弁8の開度を変動させているときのDCTの値を、データ取得部11を介して取得する。調節部121は、このDCTの波形データに非線形フィルタを適用し、ノイズの除去を行う。次に調節部121が備える復調機能(復調部)が、フーリエ変換などを用いて、ノイズ除去後のDCTの波形データから、変調部124による弁開度の変動により励起された成分(感度Amv)を選択的に取り出す。感度Amvの波形データを選択的に取り出すために、調節部121は、フーリエ係数の算出のために以下の式によって定積分計算を行う。
また、保護部123は、温度センサ44が計測した温度(DCT)を監視し、DCTの計測値が、所定の閾値(例えば420℃)を上回ると、逸脱防止部122に代わって、冷却空気流量調節弁8を全開とするよう補正する。係数K21は冷却空気流量調節弁8の補正量の調整係数である。
図5は、本発明の一実施形態における弁開度の制御方法の一例を示すフローチャートである。
まず、制御装置10は、冷却空気流量調節弁8の一般的な開度制御を実行する(ステップS11)。一般的な開度制御では、例えば、開度決定部12が、ガスタービン1の出力値等に応じた冷却空気流量調節弁8の弁開度に対して、データ取得部11が取得したDCTの計測値が、DCTの目標温度に近づけるような補正量を加算して開度を決定する。そして、開度指令部13が、冷却空気流量調節弁8の開度が、開度決定部12により決定された開度となるよう制御する。つまり、開度決定部12は、ディスクキャビティ43の温度に基づくフィードバック制御を行って冷却空気流量調節弁8の開度(図4で説明した開度β)を決定する。このような制御の場合、冷却空気の流量G1が過剰となる可能性がある。なお、データ取得部11は、温度センサ44が計測したDCTとガスタービン1の出力値を所定の時間間隔で取得し続けている。
次に調節部121は、AmvとAsvを比較する(ステップS16)。AmvがAsvと一致する場合(あるいは、AmvとAsvの差が許容範囲内の場合)(ステップS16;Yes)、流量G1が目標とする流量となっているので、冷却空気流量調節弁8の開度を補正する必要がない。従って、本制御を終了する。
開度決定部12は、調節部121,逸脱防止部122,保護部123が算出した補正量を加算して積分して求めた値に、変調部124が決定した変調量分を加算して冷却空気流量調節弁8の開度を決定する。
そしてステップS14以降の処理を繰り返す。
以下、本発明の第二実施形態による弁開度制御について図6を参照して説明する。第二実施形態では、冷却空気流量調節弁8の開度指令値に基づく流量G1ではなく、開度計や流量計が計測した冷却空気流量調節弁8の実際の開度又は冷却空気の実際の流量に基づいて感度Amvを補正する。以下、冷却空気流量調節弁8に開度計を設ける場合を例に説明を行う。
抽気管7の冷却空気流量調節弁8には開度計81が設けられている。第二実施形態に係る制御装置10aのデータ取得部11aは、DCTの計測値、ガスタービン1の出力値に加え、開度計81が計測した冷却空気流量調節弁8の開度を取得する。開度決定部12aの調節部121aは、第一実施形態で説明した方法による感度Amvを、冷却空気流量調節弁8に対する開度指令値とその指令値に対する実際の開度との乖離に基づいて補正する。ここで基準となる冷却空気流量調節弁8の感度をAvlv0とする。基準となる感度とは、例えば、開度指令値1%に対する実際の応答が1%であるときの感度である。次に調節部121aが感度Amvを算出する。また、このときに調節部121aが決定した補正量に基づく開度指令値を冷却空気流量調節弁8に出力したときの開度計81が計測した実際の開度の感度をAvlvとする。すると、調節部121aは、算出したAmvを以下の式(3)で補正する。
Amvc = Amv × (Avlv0÷Avlv) ・・・・(3)
以下、本発明の第三実施形態による弁開度制御について図7を参照して説明する。
図7は、本発明の第三実施形態におけるディスクキャビティの感度を定義したデータテーブルの一例を示す図である。
図7に示すデータテーブルには、出力値や大気温度などガスタービン1の運転状態や運転環境に応じて設定された目標感度Asvが定められている。ガスタービン1の運転状態や運転環境を示すパラメータの他の例として、例えば、出力の変化率、大気の湿度、大気の圧力、圧縮機2へ吸入される空気の流量(IGV開度)、燃焼器3へ供給する燃料流量や燃料の温度などが含まれていても良い。さらに、ガスタービン1、ディスクキャビティ43、冷却空気流量調節弁8等の経年変化を考慮する意味で、ガスタービン1の累積運転時間、冷却空気流量調節弁8やタービン4のメンテナンス回数、前回メンテナンスを行ってからの経過時間などをパラメータに含め、これら複数のパラメータの値に応じて目標感度Asvが定められていてもよい。
以下、本発明の第四実施形態による弁開度制御について図8を参照して説明する。
図8は、本発明の第四実施形態における制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
図8に示すように本実施形態に係る制御装置10bは、データ取得部11と、開度決定部12bと、開度指令部13と、を備える。開度決定部12bは、調節部121と、逸脱防止部122と、保護部123と、変調部124と、目標感度調整部125とを備える。
目標感度調整部125は、感度Amvが予め定められた目標感度Asvとなるように制御出来た状態で、感度Amv(またはAmvc)が変動するような場合にその変動を考慮して、目標感度Asvの値を安全側に調整する。つまり、目標感度調整部125は、Asvに対応する流量G1が大きな値(安全側)となるようにAsvの値を低下させる。具体的には、目標感度調整部125は、以下の式(4)を用いて、A*svの最大値を求め、目標感度の値を所定のAsvからA*svに更新する。
以下、本発明の第五実施形態による弁開度制御について図9〜図12を参照して説明する。
図9は、本発明の第五実施形態におけるディスクキャビティからの冷却空気の漏れを説明する図である。
図9に示すようにディスクキャビティ43の開口部43Cに相当する部分にはブラシシール45が設けられている。ガスタービン1の運転開始時においてブラシシール45とロータ5とは接している。この場合、冷却空気の流量G1が減少すると逆流によりDCTは上昇する。また、ガスタービン1が運転を開始するとタービン4には燃焼ガスが流れ高温となる。その為、ディスクキャビティ43が熱膨張してブラシシール45の内径が拡大しロータ5との隙間が広がる現象が生じる。ブラシシール45が摩耗しなければ、熱膨張が生じてもブラシシール45の穂先はロータ5と接したままであり、流量G3の値は一定に保たれる。ところが、ガスタービン1の運転開始から時間が経過してブラシシール45が摩耗すると、熱膨張によるディスクキャビティ43の径の広がりによりブラシシール45の穂先とロータ5との間に隙間が生じる。すると、開口部43Cの面積(冷却空気の漏れ面積)が増大し、流量G3が増加する。この様子をグラフG9に示す。流量G3が増加すると、冷却空気の流量G1の減少に対するDCTの上昇度合いが増加する。このように実際のガスタービン1の運転では、これまで一定として説明してきた流量G3が、運転時間やブラシシール45の摩耗に応じて一定の値まで増加するという現象が生じる。流量G3が増加すると、DCTは上昇しがちになる。そこで第五実施形態では、この流量G3の増加に対応する制御を追加する。
図10に示すように本実施形態に係る制御装置10cは、データ取得部11と、開度決定部12cと、開度指令部13と、を備える。開度決定部12cは、調節部121cと、逸脱防止部122cと、保護部123と、変調部124cとを備える。
本実施形態においても開度決定部12cは、ブラシシール45とロータ5とが接している間は、第一実施形態〜第四実施形態で説明した制御を行って冷却空気の流量を制御する。つまり、本実施形態に係る調節部121c、逸脱防止部122、保護部123、変調部124cは、図4で説明した機能を有している。次にブラシシール45とロータ5との間に隙間ができた後の調節部121c、保護部123、変調部124c、温度制御部126による制御について図11を用いて説明する。
変調部124cは、冷却空気流量調節弁8の開度を、例えば、振幅0.5%、ωm´が周期20分の正弦波で変調させるような開度指令を出力するよう開度指令部13に指示する。開度指令部13は、この指示に従って、冷却空気流量調節弁8の開度を20分周期で0.5%分だけ開閉させて流量G1を変動させる。これにより、流量G1およびDCTを変動させる。そして、調節部121cがDCTの感度を監視し、DCTの感度に基づいて、バンドαの右端付近に設定された目標感度Asv´を検出する。続いて、調節部121cは、感度Amvと目標感度Asv´との偏差に基づき、冷却空気の流量G1の補正量を算出する。例えば、AmvがAsv´より小さければ、調節部121cは、冷却空気流量調節弁8を閉じる方向で補正する。AmvがAsv´より大きければ、調節部121cは、冷却空気流量調節弁8の開度が大きくなるように補正する。これらの処理については、変動の振幅、周期が異なるだけで他は第一実施形態と同様である。
また、保護部123は、温度センサ44が計測した温度(DCT)を監視し、DCTの計測値が、所定の閾値(例えば420℃)を上回ると、冷却空気流量調節弁8を全開とする補正量を算出する。
まず、ガスタービン1の運転開始とともに第一実施形態から第四実施形態で説明した方法で、DCTの感度AmvがAsvとなるように冷却空気流量調節弁8の開度を制御する(ステップS21)。AmvがAsvとなるよう制御できると、次に温度制御部126が、温度に基づいて冷却空気流量調節弁8の開度制御を実行する(ステップS22)。具体的には、図11で説明したように温度制御部126が、冷却空気流量調節弁8の開度を調整することにより、DCTが目標温度となるようにフィードバック制御を行う。
次に調節部121c、変調部124cなどが長周期(例えば20分)でDCT感度に基づく開度制御を実行する(ステップS23)。具体的には、図11で説明したように、変調部124cが20分周期で冷却空気流量調節弁8の開度を刺激し、調節部121cがその刺激に対するDCTの計測値(波形データ)から、変動させた開度の中心に対するAmvを算出する。そして調節部121cは、算出したAmvと所定の目標感度Asv´との偏差に基づく補正量を算出する。このようにして本実施形態では、熱膨張によるブラシシール45とロータ5の隙間の拡大によって生じる流量G3の増加がDCTに与える影響への対応を行う。
このように本実施形態によれば、ディスクキャビティ43の熱膨張による変形によって流量G3が増加した場合であっても、DCTの上昇を防ぐことができる。
図13は、本発明に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
コンピュータ500は、CPU(Central Processing Unit)501、RAM(Random Access Memory)502、ROM(Read Only Memory)503、ストレージ装置504、外部I/F(Interface)505、入力装置506、出力装置507、通信I/F508等を有する。これらの装置はバスBを介して相互に信号の送受信を行う。
また、制御装置10は、1台のコンピュータで構成されていても良いし、通信可能に接続された複数のコンピュータで構成されていてもよい。
2・・・圧縮機
3・・・燃焼器
4・・・タービン
5・・・ロータ
6A、6B・・・軸受
7・・・抽気管
8・・・冷却空気流量調節弁
81・・・開度計
9・・・発電機
10・・・制御装置
11・・・データ取得部
12、12a、12b、12c・・・開度決定部
121、121a、121c・・・調節部
122、122c・・・逸脱防止部
123・・・保護部
124、124a、124c・・・変調部
125・・・目標感度調整部
126・・・温度制御部
13・・・開度指令部
40・・・ケーシング
41・・・静翼
42・・・動翼
43・・・ディスクキャビティ
43A、43B、43C・・・開口部
44・・・温度センサ
45・・・ブラシシール
G1、G2、G3・・・流量
Asv Asv´・・・目標感度
Amv、Amvc・・・感度
Claims (13)
- 回転機械の回転軸周りに設けられた軸封部の温度を制御する制御装置であって、
前記軸封部に供給する冷却空気の流量に対する前記軸封部の温度が示す感度に基づいて、前記感度が所定の目標値となるように前記冷却空気の流量を制御する、制御装置。 - 前記感度に係る所定の目標値は、前記感度の絶対値が0より大きな値となる前記冷却空気の流量と前記感度の絶対値が0となる前記冷却空気の流量の境界から所定の範囲内にある前記流量に対する感度のうち、前記軸封部の温度が許容範囲内となる前記流量に対する感度の値である、
請求項1に記載の制御装置。 - 前記感度に係る所定の目標値は、前記流量の増加に伴って前記感度の絶対値が0より大きな値から0へと変化する境界での前記流量よりも所定の値だけ小さな流量における前記感度の値である、
請求項2に記載の制御装置。 - 前記境界における前記流量よりも大きな流量から小さな流量に向かって、前記感度が前記目標値に近づくように前記流量を制御する
請求項2または請求項3に記載の制御装置。 - 前記制御装置は、前記軸封部に前記冷却空気を供給する経路に設けられた流量調節弁の開度を制御することにより前記冷却空気の流量を制御し、
前記流量調節弁の開度の制御においては、前記流量調節弁への開度指令値を所定の範囲で変動させ、当該変動による前記軸封部の温度の変動に基づいて前記変動させた開度指令値を代表する開度における前記流量に対する前記感度を算出し、算出した前記感度と前記目標値との偏差に基づいて前記流量調節弁への開度指令値を補正する、
請求項1から請求項4の何れか1項に記載の制御装置。 - 前記冷却空気の流量に対する前記軸封部の温度の感度を算出するにあたり、前記流量調節弁への開度指令値に基づく前記流量に対する前記感度を算出し、さらに前記流量調節弁への開度指令値と当該開度指令値に基づく前記冷却空気の実際の流量との乖離に基づいて、算出した前記感度を補正する、
請求項5に記載の制御装置。 - 前記感度と前記目標値との偏差が所定の許容範囲内となるよう制御された状態で前記感度が変動する場合であって、当該変動において前記冷却空気の流量が小さくなるときの前記軸封部の温度が所定の許容範囲を超える場合、前記感度の変動が生じても前記軸封部の温度が所定の閾値を超えないよう前記目標値を引き下げる、
請求項5または請求項6に記載の制御装置。 - 前記回転機械の運転状態または運転環境に応じて前記目標値に異なる値が設定されている、
請求項1から請求項7の何れか1項に記載の制御装置。 - 前記軸封部の熱膨張による変形によって前記軸封部から流出する前記冷却空気の流量が変化した場合、前記感度が、前記変形に対して設定された目標値となるように前記冷却空気の流量を制御する、
請求項1から請求項8の何れか1項に記載の制御装置。 - 前記回転機械をガスタービン、前記軸封部を前記ガスタービンが備えるタービンのディスクキャビティとする、
請求項1から請求項9の何れか1項に記載の制御装置。 - 請求項10に記載の制御装置、を備えるガスタービン。
- 回転機械の回転軸周りに設けられた軸封部の温度の制御方法であって、
前記軸封部に供給する冷却空気の流量に対する前記軸封部の温度が示す感度に基づいて、前記感度が所定の目標値となるように前記冷却空気の流量を制御する、
制御方法。 - コンピュータを、
回転機械の回転軸周りに設けられた軸封部に供給する冷却空気の流量に対する前記軸封部の温度が示す感度に基づいて、前記感度が所定の目標値となるように前記冷却空気の流量を決定する手段、
として機能させるためのプログラム。
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