JP6738601B2 - ガスタービンの起動方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機と燃焼器とタービンとを有するガスタービンの起動方法及び装置に関するものである。

一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。そして、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）を得て、この燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。

ガスタービンを起動するとき、起動用モータによりロータを駆動回転し、圧縮機を駆動することで圧縮空気を確保している。この圧縮機で圧縮空気を生成するとき、動翼の負荷が大きくなり、旋回失速が発生する。旋回失速が発生すると、効率低下、翼振動、軸振動を併発することがある。

ガスタービンの旋回失速を防止するものとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されたガスタービンの起動方法は、ガスタービンの起動時に、抽気配管に設けられている弁を開き、抽気配管から抽気された圧縮空気をインジェクションノズルから動翼または静翼に対して吹き付けることで、起動時の旋回失速を抑制するものである。

特開２０１２−２０７６２３号公報

上述した従来のガスタービンの起動方法では、動翼または静翼に対して圧縮空気を吹き付けるためのインジェクションノズルが必要となり、構造が複雑になると共に製造コストが増加してしまうという課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、構造の複雑化や製造コストの増加を抑制して適正にガスタービンを起動することができるガスタービンの起動方法及び装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のガスタービンの起動方法は、圧縮機と燃焼器とタービンとから構成され、前記圧縮機の第１抽気室と前記第１抽気室より高圧側の第２抽気室と前記第２抽気室より高圧側の第３抽気室から抽気した圧縮空気を冷却空気として前記タービンに供給する第１抽気流路と第２抽気流路と第３抽気流路が設けられ、前記圧縮機の第１抽気室と第２抽気室と第３抽気室から抽気した圧縮空気を冷却空気として前記タービンに供給する第１抽気流路と第２抽気流路と第３抽気流路が設けられ、前記第１抽気流路と前記第２抽気流路と前記第３抽気流路の圧縮空気をタービン排気系に排気する第１排気流路と第２排気流路と第３排気流路が設けられ、前記第１排気流路と前記第２排気流路と前記第３排気流路にそれぞれ第１排気弁と第２排気弁と第３排気弁が設けられるガスタービンにおいて、前記ガスタービンが起動するとき、前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に前記第３排気弁を開放する、ことを特徴とするものである。

従って、ガスタービンが起動するとき、例えば、起動用モータにより圧縮機を駆動することで空気を圧縮し、燃焼器側に圧縮空気を流しているが、このとき、圧縮機における動翼の負荷が大きくなり、旋回失速が発生するおそれがある。そのため、ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に第３排気弁を開放し、第３抽気室から抽気して第３抽気流路を流れる圧縮空気を第３排気流路によりタービン排気系に排気する。すると、動翼の負荷が小さくなって旋回失速の発生が抑制され、ガスタービンの起動特性を改善することができる。その結果、構造の複雑化や製造コストの増加を抑制して適正にガスタービンを起動することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記第１抽気室は、前記圧縮機の前段から３０％〜４５％の範囲の段数に対応して設けられ、前記第２抽気室は、前段から５５％〜７０％の範囲の段数に対応して設けられ、前記第３抽気室は、前段から７５％〜９５％の範囲の段数に対応して設けられることを特徴としている。

従って、各抽気室を圧縮機の各段の適正範囲に設けることで、動翼の負荷が小さくして旋回失速の発生を抑制し、ガスタービンの起動特性を改善することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記ガスタービンが起動するとき、前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁を開放することを特徴としている。

従って、ガスタービンの起動時、ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に、第３排気弁だけでなく第１排気弁と第２排気弁を開放するため、圧縮機の全ての領域で動翼の負荷を小さくすることができ、旋回失速の発生を抑制してガスタービンの起動特性を改善することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記ガスタービンの起動時に、前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁を開放することを特徴としている。

従って、ガスタービンの起動時に第１排気弁と第２排気弁と第３排気弁を開放することで、ガスタービンの起動途中での開弁操作が不要となり、制御を簡素化して操作性を向上することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記第３排気弁を開放するときの開度を、前記第１排気弁及び前記第２排気弁を開放するときの開度より小さく設定することを特徴としている。

従って、第３排気弁の開度が第１排気弁及び第２排気弁の開度より小さいことから、高圧まで加圧した圧縮空気の損失を抑制し、ガスタービン効率の低下を抑制することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁を閉止することを特徴としている。

従って、ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると、各排気弁を閉止することで、十分な圧縮空気量を確保して早期に定格運転を実施することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記ガスタービンの回転数が予め設定された所定の第１回転数に到達すると、前記第３排気弁を閉止することを特徴としている。

従って、ガスタービンの回転数が第１回転数に到達すると、まず、第３排気弁を閉止することで、高圧まで加圧した圧縮空気の抽気を停止して早期に定格運転を実施することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記ガスタービンの回転数が前記第１回転数より高い予め設定された所定の第２回転数に到達すると、前記第１排気弁を閉止し、前記ガスタービンの回転数が前記第２回転数より高い予め設定された所定の第３回転数に到達すると、前記第２排気弁を閉止することを特徴としている。

従って、ガスタービンの回転数が第２回転数に到達すると、次に、第１排気弁を閉止し、ガスタービンの回転数が第３回転数に到達すると、続いて、第２排気弁を閉止することで、圧縮空気の抽気を順次停止して早期に定格運転を実施することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記ガスタービンの回転数が前記第１回転数より低い予め設定された所定の第４回転数に到達すると、前記第３排気弁の開度を小さくし、前記ガスタービンの回転数が前記第１回転数に到達すると、前記第３排気弁を閉止することを特徴としている。

従って、ガスタービンの回転数が第４回転数に到達すると、第３排気弁の開度を小さくし、第１回転数に到達すると第３排気弁を閉止することで、高圧まで加圧した圧縮空気の損失を抑制し、ガスタービン効率の低下を抑制することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記ガスタービンの起動時における前記第３排気弁の開度の上限値は、前記タービンの入口ガス温度または出口ガス温度に応じて設定されることを特徴としている。

従って、第３排気弁の開度をタービンの入口ガス温度または出口ガス温度に応じて設定することで、圧縮機における耐熱温度以上の温度上昇を防止して安全性を確保することができる。

本発明のガスタービンの起動方法では、前記ガスタービンの起動時における前記第３排気弁の開度の下限値は、前記圧縮機における圧縮空気の圧力に応じて設定されることを特徴としている。

従って、第３排気弁の開度を圧縮機における圧縮空気の圧力に応じて設定することで、旋回失速を抑制する一方で、無駄な圧縮空気の損失を抑制することができる。

また、本発明のガスタービンの起動方法は、圧縮機と燃焼器とタービンとから構成され、前記圧縮機の第１抽気室と前記第１抽気室より高圧側の第２抽気室と前記第２抽気室より高圧側の第３抽気室から抽気した圧縮空気を冷却空気として前記タービンに供給する第１抽気流路と第２抽気流路と第３抽気流路が設けられ、前記第１抽気流路と前記第２抽気流路と前記第３抽気流路の圧縮空気をタービン排気系に排気する第１排気流路と第２排気流路と第３排気流路が設けられ、前記第１排気流路と前記第２排気流路と前記第３排気流路にそれぞれ第１排気弁と第２排気弁と第３排気弁が設けられるガスタービンにおいて、前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁の開度を大きくし、前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁の開度を小さくする、ことを特徴とするものである。

従って、ガスタービンが起動するとき、例えば、起動用モータにより圧縮機を駆動することで空気を圧縮し、燃焼器側に圧縮空気を流しているが、このとき、圧縮機における動翼の負荷が大きくなり、旋回失速が発生するおそれがある。そのため、ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に排気弁の開度を大きくし、ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると排気弁の開度を小さくする。すると、動翼の負荷が小さくなって旋回失速の発生が抑制され、ガスタービンの起動特性を改善することができる。その結果、構造の複雑化や製造コストの増加を抑制して適正にガスタービンを起動することができる。

また、本発明のガスタービンの起動装置は、圧縮機と燃焼器とタービンとから構成されるガスタービンにおいて、前記圧縮機の第１抽気室と第２抽気室と第３抽気室から抽気した圧縮空気を冷却空気として前記タービンに供給する第１抽気流路と第２抽気流路と第３抽気流路が設けられ、前記第１抽気流路と前記第２抽気流路と前記第３抽気流路の圧縮空気をタービン排気系に排気する第１排気流路と第２排気流路と第３排気流路と、前記第１排気流路と前記第２排気流路と前記第３排気流路にそれぞれ設けられる第１排気弁と第２排気弁と第３排気弁と、前記ガスタービンが起動するときに前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に前記第３排気弁を開放する制御装置と、を備えることを特徴とするものである。

従って、ガスタービンが起動するとき、ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に第３排気弁を開放するため、動翼の負荷が小さくなって旋回失速の発生が抑制され、ガスタービンの起動特性を改善することができる。その結果、構造の複雑化や製造コストの増加を抑制して適正にガスタービンを起動することができる。

本発明のガスタービンの起動方法及び装置によれば、ガスタービンが起動するとき、ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に排気弁を開放するので、構造の複雑化や製造コストの増加を抑制して適正にガスタービンを起動することができる。

図１は、本実施形態のガスタービンを表す概略構成図である。 図２は、本実施形態のガスタービンの抽気配管を表す概略図である。 図３は、ガスタービンの起動時における排気弁の開度を表すグラフである。 図４は、ガスタービンの起動時における排気弁の開度の変形例を表すグラフである。 図５は、ガスタービンの起動時における排気弁の開度の変形例を表すグラフである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの起動方法及び装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態のガスタービンを表す概略構成図である。

本実施形態において、図１に示すように、ガスタービン１０は、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３により構成されている。このガスタービン１０は、同軸上に図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と動翼２４が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。このタービン車室２６の下流側には、排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有している。

また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（回転軸）３２が位置している。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持される一方、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、このロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたディスクが複数重ねられて固定され、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたディスクが複数重ねられて固定されており、排気室３０側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

そして、このガスタービン１０は、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３５に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３６により支持され、排気室３０が脚部３７により支持されている。

従って、圧縮機１１の空気取入口２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された発電機を駆動する。一方、タービン１３を駆動した燃焼ガスは、排気ガスとして大気に放出される。

このように構成されたガスタービン１０では、図２に示すように、圧縮機１１から抽気した一部の圧縮空気を冷却空気としてタービン１３に供給することで、このタービン１３を冷却している。即ち、圧縮機１１の抽気室２５（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）から抽気した冷却空気（圧縮空気）をタービン１３のタービン車室２６に供給し、静翼２７やこの静翼２７を支持する構成部品などを冷却している。

圧縮機車室２１は、低圧抽気室（第１抽気室）２５ａと中圧抽気室（第２抽気室）２５ｂと高圧抽気室（第３抽気室）２５ｃが設けられている。低圧抽気流路（第１抽気流路）４１は、一端部が低圧抽気室２５ａに連結され、他端部がタービン車室２６の下流部に連結されている。中圧抽気流路（第２抽気流路）４２は、一端部が中圧抽気室２５ｂに連結され、他端部がタービン車室２６の中流部に連結されている。高圧抽気流路（第３抽気流路）４３は、一端部が高圧抽気室２５ｃに連結され、他端部がタービン車室２６の上流部に連結されている。

本実施形態にて、圧縮機１１は、１５段であり、ロータ３２の軸心方向に１５個の静翼２３と１５個の動翼２４が交互に配設されて構成されており、例えば、第１段から第６段に対応して低圧抽気室２５ａが設けられ、第７段から第９段までに対応して中圧抽気室２５ｂが設けられ、第１０段から第１２段に対応して高圧抽気室２５ｃが設けられている。

なお、本実施形態は、この構成に限定されるものではない。例えば、最終段である第１５段より上流側の第１１段から第１４段のいずれかに対応して高圧抽気室２５ｃを設け、この高圧抽気室２５ｃが第１１段から第１４段のいずれかの位置から圧縮空気を抽気するように構成してもよい。また、圧縮機１１は、１５段のものに限定されるものではなく、１７段以上のものであってもよく、例えば１７段の場合、ロータ３２の軸心方向に１７個の静翼２３と１７個の動翼２４が交互に配設されて構成されており、例えば、第１段から第６段に対応して低圧抽気室２５ａが設けられ、第７段から第１１段までに対応して中圧抽気室２５ｂが設けられ、第１２段から第１４段に対応して高圧抽気室２５ｃが設けられればよく、圧縮機の全段数に対して前記低圧抽気室２５ａは前段から３０〜４５％の範囲の段数に対応し、前記中圧抽気室２５ｂは前段から５５〜７０％の範囲の段数に対応し、前記高圧抽気室２５ｃは前段から７５〜９５％の範囲の段数に対応するよう構成されればよい。

また、低圧排気流路（第１排気流路）４４は、一端部が低圧抽気流路４１の中途部に連結され、他端部が排気室３０（また、排気ダクト）に連結されている。中圧排気流路（第２排気流路）４５は、一端部が中圧抽気流路４２の中途部に連結され、他端部が排気室３０（また、排気ダクト）に連結されている。高圧排気流路（第３排気流路）４６は、一端部が高圧抽気流路４３の中途部に連結され、他端部が排気室３０（また、排気ダクト）に連結されている。そして、低圧排気流路４４に低圧排気弁（第１排気弁）４７が設けられ、中圧排気流路４５に中圧排気弁（第２排気弁）４８が設けられ、高圧排気流路４６に高圧排気弁（第３排気弁）４９が設けられている。

そのため、低圧排気弁４７を閉止すると、低圧抽気室２５ａに抽気された低圧の圧縮空気が低圧抽気流路４１を通ってタービン車室２６の下流側に供給される。一方、低圧排気弁４７を開放すると、低圧抽気室２５ａに抽気された低圧の圧縮空気が低圧排気流路４４を通って排気室３０に排気される。また、中圧排気弁４８を閉止すると、中圧抽気室２５ｂに抽気された中圧の圧縮空気が中圧抽気流路４２を通ってタービン車室２６の中流側に供給される。一方、中圧排気弁４８を開放すると、中圧抽気室２５ｂに抽気された中圧の圧縮空気が中圧排気流路４５を通って排気室３０に排気される。また、高圧排気弁４９を閉止すると、高圧抽気室２５ｃに抽気された高圧の圧縮空気が高圧抽気流路４３を通ってタービン車室２６の上流側に供給される。一方、高圧排気弁４９を開放すると、高圧抽気室２５ｃに抽気された高圧の圧縮空気が高圧排気流路４６を通って排気室３０に排気される。

低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９は、流量調整弁であって、制御装置５０は、低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を開閉制御可能であると共に、その開度を調整可能となっている。なお、低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９の開度を調整不要である場合には、開閉弁であってもよい。

ところで、ガスタービン１０を起動するとき、起動用モータ（例えば、発電機として使用する電動発電機）によりロータ３２を駆動回転し、圧縮機１１を駆動することで圧縮空気を確保している。この圧縮機１１で圧縮空気を生成するとき、動翼２４の負荷が大きくなり、旋回失速が発生するおそれがある。特に、ガスタービン１０の高性能化に伴って圧力比が高くなると、旋回失速が発生しやすくなる。

そのため、本実施形態のガスタービンの起動方法は、ガスタービン１０が起動するとき、このガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に高圧排気弁４９を開放するようにしている。また、本実施形態のガスタービンの起動方法は、ガスタービン１０が起動するとき、このガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を開放するようにしている。

本実施形態のガスタービンの起動装置は、制御装置５０を有しており、この制御装置５０は、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に低圧排気弁４７、中圧排気弁４８、高圧排気弁４９を開放（開度制御）する。この場合、制御装置５０は、ガスタービン１０が起動する前に、低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を開放し、起動用モータによりロータ３２を駆動回転してガスタービン１０を起動する。

そして、ガスタービン１０の起動時における低圧排気弁４７と中圧排気弁４８の開度は、全開（１００％）またはその近傍の開度であり、高圧排気弁４９の開度は、低圧排気弁４７及び中圧排気弁４８の開度より小さい、例えば、半開（４０％〜５０％）近傍の開度である。

また、本実施形態のガスタービンの起動方法は、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を閉止するようにしている。

具体的に、ガスタービン１０（圧縮機１１）の回転数が予め設定された所定の第１回転数に到達すると、高圧排気弁４９を閉止する。ガスタービン１０の回転数が第１回転数より高い予め設定された所定の第２回転数に到達すると、低圧排気弁４７を閉止し、ガスタービン１０の回転数が第２回転数より高い予め設定された所定の第３回転数に到達すると、中圧排気弁４８を閉止する。

この第１回転数と第２回転数と第３回転数は、ガスタービン１０の機種ごとにより変動するものであることから、予め実験などにより設定しておく。この場合、ガスタービン１０の起動時における低圧排気弁４７と中圧排気弁４８の開度は、前述したように、全開近傍の開度であるが、ガスタービン１０の起動時における高圧排気弁４９の開度は、タービン１３の入口ガス温度または出口ガス温度と、圧縮機１１における圧縮空気の圧力に応じて設定される。

ガスタービン１０が起動し、圧縮機１１の回転数が上昇すると、タービン１３に流入する燃焼ガス（排気ガス）の温度が上昇し、タービン１３が加熱される。そのため、圧縮機１１により生成された圧縮空気の一部を抽気し、冷却空気として各抽気流路４１，４２，４３によりタービン１３に供給して冷却する必要があり、高圧排気弁４９の開度が制限される。即ち、高圧排気弁４９の開度の上限値は、タービン１３の入口ガス温度（出口ガス温度）に応じて設定される。つまり、タービン１３の入口ガス温度が耐熱温度より上昇しないように、高圧排気弁４９の開度の上限値が決定される。

一方、前述したように、圧縮機１１の回転数が上昇すると、動翼２４に作用する負荷が大きくなり、旋回失速が発生するおそれがある。そのため、圧縮機１１の圧縮空気を抽気して排気することで、圧力を低下させる必要があり、高圧排気弁４９の開度が制限される。即ち、高圧排気弁４９の開度の下限値は、圧縮機１１における圧縮空気の圧力に応じて設定される。つまり、圧縮機１１で旋回失速の発生を抑制するように、高圧排気弁４９の開度の下限値が決定される。

ここで、ガスタービン１０の起動時における制御装置５０による各排気弁４７，４８，４９の開閉制御について具体的に説明する。図３は、ガスタービンの起動時における排気弁の開度を表すグラフである。

図３に示すように、ガスタービン１０の起動時、低圧排気弁４７の開度Ａは、Ｖ１、中圧排気弁４８の開度Ｂは、Ｖ２、高圧排気弁４９の開度Ｃは、Ｖ３に設定されており、この状態で起動用モータにより圧縮機１１を駆動する。このとき、低圧排気弁４７と中圧排気弁４８の開度は、全開（１００％）の近傍であり、高圧排気弁４９の開度は、半開（４０％〜５０％）近傍となっている。

ガスタービン１０を起動すると、圧縮機１１の回転数が上昇して圧縮空気を生成し、圧縮空気の圧力が増加していく。すると、動翼２４の負荷が大きくなり、旋回失速が発生するおそれがある。しかし、ここで、圧縮機１１の低圧側と中圧側と高圧側から抽気していることから、特に高圧側での圧力上昇が抑制され、動翼２４に作用する負荷が軽減して旋回失速の発生が抑制される。

この場合、圧縮機１１の低圧側と中圧側だけから抽気した場合、密度が高い圧縮空気を抜くこととなり、径の大きな抽気流路（配管）４１，４２及び排気流路（配管）４４，４５が必要となる。また、圧縮機１１の低圧側と中圧側から抜いた圧縮空気は、高圧ではないことから、タービン１３側との差圧が小さく、抽気量の調整が困難となり、起動性に悪影響を与えるおそれがある。しかし、ここでは、圧縮機１１の低圧側と中圧側とに加えて高圧側からも抽気しているため、抽気流路（配管）４１，４２，４３及び排気流路（配管）４４，４５，４６の大径化や起動性の低下を抑制できる。サイリスタの容量を小さくすることが可能となる。特に、最も圧力の高くてチョークする最終段の直前の圧縮空気を抽気することで、前方段側の圧力比を有効的に下げ、起動特性を改善できる。

そして、ガスタービン１０を起動すると、回転数が上昇して第１回転数Ｎ１に到達すると、高圧排気弁４９を閉止する。続いて、ガスタービン１０の回転数が上昇して第２回転数Ｎ２に到達すると、低圧排気弁４７を閉止する。その後、ガスタービン１０の回転数が上昇して第３回転数に到達すると、中圧排気弁４８を閉止する。即ち、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると、高圧排気弁４９、低圧排気弁４７、中圧排気弁４８の順に閉止する。

なお、ガスタービン１０の回転数に応じて高圧排気弁４９、低圧排気弁４７、中圧排気弁４８の順に閉止したが、この構成に限定されるものではない、図４及び図５は、ガスタービンの起動時における排気弁の開度の変形例を表すグラフである。

この変形例では、ガスタービン１０の回転数に応じて低圧排気弁４７と中圧排気弁４８の開度を所定期間にわたって小さくし、その後、低圧排気弁４７と中圧排気弁４８を閉止するようにしている。図４に示すように、ガスタービン１０の起動時、低圧排気弁４７の開度Ａは、Ｖ１、中圧排気弁４８の開度Ｂは、Ｖ２、高圧排気弁４９の開度Ｃは、Ｖ３に設定されており、この状態で起動用モータにより圧縮機１１を駆動する。

そして、ガスタービン１０の回転数が上昇し、第１回転数Ｎ１１に到達すると、高圧排気弁４９を閉止する。続いて、ガスタービン１０の回転数が上昇して所定回転数Ｎ１２に到達すると、中圧排気弁４８の開度を小さくし、所定回転数Ｎ１３に到達すると、低圧排気弁４７の開度を小さくする。その後、ガスタービン１０の回転数が上昇して第２回転数Ｎ１４に到達すると、低圧排気弁４７を閉止し、第３回転数Ｎ１５に到達すると、中圧排気弁４８を閉止する。即ち、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると、高圧排気弁４９を閉止すると共に、低圧排気弁４７と中圧排気弁４８の開度を小さくすることで、圧縮機１１からの抽気量を減少して圧縮空気を迅速に圧力上昇させることができる。

また、この変形例では、ガスタービン１０の回転数が第１回転数より低い予め設定された所定の第４回転数に到達すると、高圧排気弁４９の開度を小さくし、ガスタービン１０の回転数が第１回転数に到達すると、高圧排気弁４９を閉止するようにしている。図５に示すように、ガスタービン１０の起動時、低圧排気弁４７の開度Ａは、Ｖ１、中圧排気弁４８の開度Ｂは、Ｖ２、高圧排気弁４９の開度Ｃは、Ｖ３に設定されており、この状態で起動用モータにより圧縮機１１を駆動する。

そして、ガスタービン１０の回転数が上昇し、第４回転数Ｎ２１に到達すると、高圧排気弁４９の開度を小さくし、ガスタービン１０の回転数が上昇して所定回転数Ｎ２２に到達すると、中圧排気弁４８の開度を小さくし、所定回転数Ｎ２３に到達すると、低圧排気弁４７の開度を小さくする。その後、ガスタービン１０の回転数が上昇し、ガスタービン１０の回転数が第１回転数Ｎ２４に到達すると、高圧排気弁４９を閉止し、第２回転数Ｎ２５に到達すると、低圧排気弁４７を閉止し、第３回転数Ｎ２６に到達すると、中圧排気弁４８を閉止する。即ち、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると、高圧排気弁４９を閉止せずに開度を小さくすることで、旋回失速の発生に備え、旋回失速の発生がほとんどなくなった第１回転数Ｎ２４の到達時に高圧排気弁４９を閉止する。

このように本実施形態のガスタービンの起動方法にあっては、圧縮機１１の低圧抽気室２５ａと中圧抽気室２５ｂと高圧抽気室２５ｃから抽気した圧縮空気を冷却空気としてタービン１３に供給する低圧抽気流路４１と中圧抽気流路４２と高圧抽気流路４３を設け、低圧抽気流路４１と中圧抽気流路４２と高圧抽気流路４３の圧縮空気をタービン排気系に排気する低圧排気流路４４と中圧排気流路４５と高圧排気流路４６を設け、低圧排気流路４４と中圧排気流路４５と高圧排気流路４６にそれぞれ低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を設け、ガスタービン１０が起動するとき、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に高圧排気弁４９を開放するようにしている。

従って、ガスタービン１０が起動するとき、例えば、起動用モータにより圧縮機１１を駆動することで空気を圧縮し、燃焼器１２側に圧縮空気を流しているが、このとき、圧縮機１１における動翼２４の負荷が大きくなり、旋回失速が発生するおそれがある。そのため、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に高圧排気弁４９を開放し、高圧抽気室２５ｃから抽気して高圧抽気流路４３を流れる圧縮空気を高圧排気流路４６によりタービン排気系に排気する。すると、動翼２４の負荷が小さくなって旋回失速の発生が抑制され、ガスタービン１０の起動特性を改善することができる。その結果、構造の複雑化や製造コストの増加を抑制して適正にガスタービン１０を起動することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、ガスタービン１０が起動するとき、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を開放するようにしている。従って、高圧排気弁４９だけでなく低圧排気弁４７と中圧排気弁４８を開放するため、圧縮機１１の全ての領域で動翼２４の負荷を小さくすることができ、旋回失速の発生を抑制してガスタービン１０の起動特性を改善することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、ガスタービン１０の起動時に、低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を開放するようにしている。従って、ガスタービン１０の起動前から各排気弁４７，４８，４９を開放するため、ガスタービン１０の起動途中での開弁操作が不要となり、制御を簡素化して操作性を向上することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、高圧排気弁４９を開放するときの開度を低圧排気弁４７及び中圧排気弁４８を開放するときの開度より小さく設定している。従って、高圧まで加圧した圧縮空気の損失を抑制し、タービン効率の低下を抑制することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を閉止するようにしている。従って、十分な圧縮空気量を確保して早期に定格運転を実施することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、ガスタービン１０の回転数が予め設定された所定の第１回転数に到達すると、高圧排気弁４９を閉止するようにしている。従って、回転数が上昇すると、まず、高圧排気弁４９を閉止することで、高圧まで加圧した圧縮空気の抽気を停止して早期に定格運転を実施することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、ガスタービン１０の回転数が第１回転数より高い予め設定された所定の第２回転数に到達すると、低圧排気弁４７を閉止し、ガスタービン１０の回転数が第２回転数より高い予め設定された所定の第３回転数に到達すると、中圧排気弁４８を閉止するようにしている。従って、圧縮空気の抽気を順次停止して早期に定格運転を実施することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、ガスタービン１０の回転数が第１回転数より低い予め設定された所定の第４回転数に到達すると、高圧排気弁４９の開度を小さくし、ガスタービン１０の回転数が第１回転数に到達すると、高圧排気弁４９を閉止するようにしている。従って、高圧まで加圧した圧縮空気の損失を抑制し、ガスタービン効率の低下を抑制することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、ガスタービン１０の起動時における高圧排気弁４９の開度の上限値を、タービン１３の入口ガス温度または出口ガス温度に応じて設定している。従って、圧縮機１１における耐熱温度以上の温度上昇を防止して安全性を確保することができる。

本実施形態のガスタービンの起動方法では、ガスタービン１０の起動時における高圧排気弁４９の開度の下限値を、圧縮機１１における圧縮空気の圧力に応じて設定している。従って、旋回失速を抑制する一方で、無駄な圧縮空気の損失を抑制することができる。

また、本実施形態のガスタービンの起動装置にあっては、圧縮機１１の低圧抽気室２５ａと中圧抽気室２５ｂと高圧抽気室２５ｃから抽気した圧縮空気を冷却空気としてタービン１３に供給する低圧抽気流路４１と中圧抽気流路４２と高圧抽気流路４３と、低圧抽気流路４１と中圧抽気流路４２と高圧抽気流路４３の圧縮空気をタービン排気系に排気する低圧排気流路４４と中圧排気流路４５と高圧排気流路４６と、低圧排気流路４４と中圧排気流路４５と高圧排気流路４６にそれぞれ設けられる低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９と、ガスタービン１０が起動するときにガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に高圧排気弁４９を開放する制御装置５０とを設けている。

従って、ガスタービン１０が起動するとき、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に高圧排気弁４９を開放するため、動翼２４の負荷が小さくなって旋回失速の発生が抑制され、ガスタービン１０の起動特性を改善することができる。その結果、構造の複雑化や製造コストの増加を抑制して適正にガスタービン１０を起動することができる。

また、本実施形態のガスタービンの起動方法にあっては、圧縮機１１の低圧抽気室２５ａと中圧抽気室２５ｂと高圧抽気室２５ｃから抽気した圧縮空気を冷却空気としてタービン１３に供給する低圧抽気流路４１と中圧抽気流路４２と高圧抽気流路４３を設け、低圧抽気流路４１と中圧抽気流路４２と高圧抽気流路４３の圧縮空気をタービン排気系に排気する低圧排気流路４４と中圧排気流路４５と高圧排気流路４６を設け、低圧排気流路４４と中圧排気流路４５と高圧排気流路４６にそれぞれ低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９を設け、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９の開度を大きくし、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると低圧排気弁４７と中圧排気弁４８と高圧排気弁４９の開度を小さくするようにしている。

従って、ガスタービン１０が起動するとき、例えば、起動用モータにより圧縮機１１を駆動することで空気を圧縮し、燃焼器１２側に圧縮空気を流しているが、このとき、圧縮機１１における動翼２４の負荷が大きくなり、旋回失速が発生するおそれがある。そのため、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に排気弁４７，４８，４９の開度を大きくし、ガスタービン１０の起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると排気弁４７，４８，４９の開度を小さくする。すると、動翼２４の負荷が小さくなって旋回失速の発生が抑制され、ガスタービン１０の起動特性を改善することができる。その結果、構造の複雑化や製造コストの増加を抑制して適正にガスタービン１０を起動することができる。

なお、本発明のガスタービンの起動方法及び装置は、ガスタービンが起動するとき、ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に排気弁を開放するものであり、実施形態では、ガスタービン１０の起動時、つまり、ガスタービン１０が起動する前に排気弁を開放しておくように構成したが、この構成に限定されるものではない。例えば、ガスタービンが旋回失速を発生する回転数や圧縮空気の圧力などを事前の実験などにより求めておき、ガスタービンが起動し、旋回失速を発生する回転数や圧縮空気の圧力に到達すると、排気弁を開放するようにしてもよい。

１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２１ 圧縮機車室
２３ 静翼
２４ 動翼
２５ 抽気室
２５ａ 低圧抽気室（第１抽気室）
２５ｂ 中圧抽気室（第２抽気室）
２５ｃ 高圧抽気室（第３抽気室）
２６ タービン車室
３０ 排気室
３２ ロータ
４１ 低圧抽気流路（第１抽気流路）
４２ 中圧抽気流路（第２抽気流路）
４３ 高圧抽気流路（第３抽気流路）
４４ 低圧排気流路（第１排気流路）
４５ 中圧排気流路（第２排気流路）
４６ 高圧排気流路（第３排気流路）
４７ 低圧排気弁（第１排気弁）
４８ 中圧排気弁（第２排気弁）
４９ 高圧排気弁（第３排気弁）
５０ 制御装置

Claims (10)

1. 圧縮機と燃焼器とタービンとから構成され、
   前記圧縮機の第１抽気室と前記第１抽気室より高圧側の第２抽気室と前記第２抽気室より高圧側の第３抽気室から抽気した圧縮空気を冷却空気として前記タービンに供給する第１抽気流路と第２抽気流路と第３抽気流路が設けられ、
   前記第１抽気流路と前記第２抽気流路と前記第３抽気流路の圧縮空気をタービン排気系に排気する第１排気流路と第２排気流路と第３排気流路が設けられ、
   前記第１排気流路と前記第２排気流路と前記第３排気流路にそれぞれ第１排気弁と第２排気弁と第３排気弁が設けられるガスタービンにおいて、
   前記ガスタービンが起動するとき、前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁を開放し、
   前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると、前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁に対し、それぞれ異なる回転数で閉止を開始し、さらにそれぞれ異なる回転数で閉止を完了させ、
   前記第３排気弁の閉止を開始する回転数は、前記第１排気弁および前記第２排気弁の閉止を開始する回転数よりも低く、さらに前記第３排気弁の閉止が完了する回転数は、前記第１排気弁および前記第２排気弁の閉止が完了する回転数より低い、
   ことを特徴とするガスタービンの起動方法。
2. 前記第１抽気室は、前記圧縮機の前段から３０％〜４５％の範囲の段数に対応して設けられ、前記第２抽気室は、前段から５５％〜７０％の範囲の段数に対応して設けられ、前記第３抽気室は、前段から７５％〜９５％の範囲の段数に対応して設けられることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの起動方法。
3. 前記ガスタービンの起動時に、前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁を開放することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービンの起動方法。
4. 前記第３排気弁を開放するときの開度を、前記第１排気弁及び前記第２排気弁を開放するときの開度より小さく設定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガスタービンの起動方法。
5. 前記第１排気弁の閉止を開始する回転数は、前記第２排気弁の閉止を開始する回転数より高いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガスタービンの起動方法。
6. 前記ガスタービンの回転数が前記第３排気弁の閉止を開始する回転数より低い回転数に到達すると、前記第３排気弁の閉止を開始して所定の開度をまで小さくした後にその状態を維持し、さらに前記ガスタービンの回転数が前記第３排気弁の閉止を開始する回転数に到達すると、前記第３排気弁の閉止を開始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起動方法。
7. 前記ガスタービンの起動時における前記第３排気弁の開度の上限値は、前記タービンの入口ガス温度または出口ガス温度に応じて設定されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガスタービンの起動方法。
8. 前記ガスタービンの起動時における前記第３排気弁の開度の下限値は、前記圧縮機における圧縮空気の圧力に応じて設定されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のガスタービンの起動方法。
9. 前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁の開度を大きくし、前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁の開度をそれぞれ異なる回転数で小さくし始めることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のガスタービンの起動方法。
10. 圧縮機と燃焼器とタービンとから構成されるガスタービンにおいて、
    前記圧縮機の第１抽気室と前記第１抽気室よりも高圧側の第２抽気室と前記第２抽気室よりも高圧側の第３抽気室から抽気した圧縮空気を冷却空気として前記タービンに供給する第１抽気流路と第２抽気流路と第３抽気流路が設けられ、
    前記第１抽気流路と前記第２抽気流路と前記第３抽気流路の圧縮空気をタービン排気系に排気する第１排気流路と第２排気流路と第３排気流路と、
    前記第１排気流路と前記第２排気流路と前記第３排気流路にそれぞれ設けられる第１排気弁と第２排気弁と第３排気弁と、
    前記ガスタービンが起動するときに前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域に到達する前に前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁を開放し、前記ガスタービンの起動状態が旋回失速を発生する領域を抜けると、前記第１排気弁と前記第２排気弁と前記第３排気弁に対し、それぞれ異なる回転数で閉止を開始し、さらにそれぞれ異なる回転数で閉止を完了させる制御装置と、
    を備え、
    前記第３排気弁の閉止を開始する回転数は、前記第１排気弁および前記第２排気弁の閉止を開始する回転数よりも低く、さらに前記第３排気弁の閉止が完了する回転数は、前記第１排気弁および前記第２排気弁の閉止が完了する回転数より低い、
    ことを特徴とするガスタービンの起動装置。

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