JPH03194131A - ガスタービンの燃料切替装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービンの燃料切替装置に係り、特にＬＮ
Ｇ等のガス燃料と灯油等の液体燃料とを交互に切替えて
使用する場合に、ガスタービンを停止することなく、か
つガスタービンの負荷変動を起こすことなく容易に燃料
を切替えることができるガスタービンの燃料切替装置に
関する。

（従来の技術） ガスタービン用の燃料としては、従来、軽油や灯油等の
液体燃料が一般に使用されているが、エネルギー資源の
多角的活用の観点から、液化天然ガス（Ｌ　Ｎ　Ｇ）ま
たはプロパン、ブタンなどの液化石油ガス（Ｌ　Ｐ　Ｇ
）等のガス燃料による運用も近年増え始めている。

ガスタービンの運用形態としては、液体燃料専焼用、液
体燃料・ガス燃料混焼用およびガス燃料専焼用などがあ
り、各プラントの設置地域や各発電プラント毎のエネル
ギー事情を勘案して最適な運用形態が採用されている。

以下に、ＬＮＧ等のガス燃料と、灯油等の液体燃料との
２種類の燃料系統で構成されたガスタービン発電システ
ムを例にとり、そのシステム構成を第４図に基づいて説
明する。

ガスタービン発電システムは基本的に燃焼用空気を圧縮
する圧縮器１と、ガスタービン２と、発電機３とを同軸
上に配列して構成される。ガスタービン２は圧縮器１で
圧縮した空気を、燃焼器４内に噴射した燃料と混合した
後に燃焼させることにより回動される。

燃料系統はガス燃料系統と液体燃料系統とから構成され
、上記燃料系統は図示しないガス燃料供給源からガス燃
料をガス燃料止め弁５およびガス燃料制御弁６を経て燃
焼器４へ供給するように構成される一方、液体燃料系統
は図示しない液体燃料源から液体燃料を液体燃料止め弁
７、燃料ポンプ８、フローデバイダ９および逆止弁１０
を経て燃焼器４へ供給するように構成されている。燃料
ポンプ８をバイパスする２つの配管には、それぞれ液体
燃料バイパス制御弁１１、液体燃料リリーフ弁１２が配
設されている。

ガスタービン２の運転制御は、燃焼器４に流入する燃料
流量を調整することにより実施される。

すなわちガス燃料を使用する場合はガス燃料制御弁６を
開閉動作させる一方、液体燃料を使用する場合には、液
体燃料バイパス制御弁１１を開閉動作させることにより
実施する。またガス燃料止め弁５および液体燃料止め弁
７は、ガスタービンの異常発生時に各燃料の供給を緊急
停止する急速遮蔽弁としての機能を有する。

なお第４図においてはガスタービン２と発電機３とを一
軸で直結したガスタービン発電機システムの構成例を示
しているが、さらにガスタービン２の排熱を図示しない
排熱回収ボイラにて回収し、発生した蒸気を、ガスター
ビンと同一軸に直結した蒸気タービン（図示せず）に導
入して発電機３の運転効率を高めるコンバインドサイク
ル発電プラントにおいても、はぼ同様な燃料系統が設け
られる。

次にガス燃料を使用する場合におけるガスタービンの代
表的な運転パターンを説明する。

ガスタービンの軸端部には、トルクコンバータ等を介し
たモータ等で構成された起動装置が配置され、この起動
装置によってガスタービン２が回動を開始する。そして
ガスタービン２内のエアーパージ等が完了した時点でガ
ス燃料止め弁５およびガス燃料制御弁６が開弁じて燃焼
器４内にガス燃料が供給される。ガス燃料の着火直後に
一定期間の暖機運転を経てガスタービン２は昇速され定
格回転数に到達後、電力系統との併入、負荷上昇を経て
定格負荷に到達する迄、燃焼器４に流入するガス燃料が
徐々に増量される。なおコンバインドサイクル発電プラ
ントにおいては、ガスタービン２の昇速途中で一定回転
数に到達した時点で排熱回収ボイラの暖機運転が実施さ
れる。その間、ガスタービンの回転数は一定に保持され
る。

このようにガスタービン２の着火段階から昇速、併入、
負荷上昇運転を経て定格負荷運転に至るまでに必要なガ
ス燃料流量の制御はガス燃料制御弁６の開閉動作によっ
て実施される。しかしながらガスタービンの各運転段階
において要求される流量制御範囲が非常に広く、ガス燃
料制御弁６のみの開閉動作では流量制御が困難となる場
合もある。

特に着火、暖機運転時などガス燃料流量が低く、ガスタ
ービンが低速回転する場合には、ガス燃料制御弁６の開
度が微小になるため、安定した流量制御が困難となる場
合がある。この不安定な流量制御を解消するために、ガ
ス燃料止め弁５の２次側の燃料圧力がガスタービン２の
回転数に比例して増減するような制御機能を、ガス燃料
止め弁５に持たせる方法も採用される。これによりガス
タ−ビンの低速回転時において燃料止め弁５の２次側の
燃料圧力、すなわちガス燃料制御弁６の１次側の燃料圧
力が低く制御される。そのため低流量域においてもガス
燃料制御弁６の開度が大きい状態で操作することが可能
となり、流量制御の不安定化を回避することができる。

ガス燃料制御弁６の弁開度は図示しないガスタービン制
御回路からの指令信号により制御される。

ガスタービンの着火時および暖機運転時にはそれぞれ所
定の弁開度設定信号が出力される一方、昇速・負荷上昇
運転時には速度・負荷制御に必要な弁開度設定信号が出
力され必要な流量の燃料が得られる。また着火信号の他
にガスタービンのいかなる運転段階にあっても燃料器４
における吹き消えを防止するための一定の最小弁開度信
号等も併せて設定される。

次に液体燃料を使用する場合の運転パターンを説明する
。

液体燃料を移送する手段としては、通常ギアポンプ等で
形成した燃料ポンプ８が使用される。この燃料ポンプ８
はギア減速装置を介してタービン主軸に結合されタービ
ンと連動して回転するように構成される。従って燃料ポ
ンプ８から吐出される液体燃料の吐出流量は、ポンプ回
転数すなわちガスタービンの回転数に比例する。そのた
めガスタービンの運転に必要な燃料以外の燃料は液体燃
料バイパス制御弁１１を経て燃料ポンプ８の吸込側に戻
される。また液体燃料系統には、燃料ポンプ８の吐出圧
力が一定の許容値を超えた場合に、吐出側の燃料を吸込
側に戻すための液体燃料リリーフ弁１２も装備される。

燃料ポンプ８より吐出された液体燃料は、燃焼器４へ均
一に液体燃料を分配するためのフローデバイダ９および
逆流を防止するための逆止弁１０を経て燃焼器４内に供
給される。このように液体燃料系統においては液体燃料
バイパス制御弁１１の開度調整により、ガスタービンの
着火から昇速、併入、負荷上昇までの運転制御が実施さ
れる。液体燃料止め弁７は、ガス燃料止め弁５のように
２次側の燃料圧力を制御する機能は有しておらず、異常
発生時に単に燃料供給を緊急停止する遮蔽弁としての機
能を有する。

このようにガス燃料制御弁６を制御するための弁開度設
定信号および液体燃料バイパス制御弁１１を制御するた
めの弁開度設定信号は共に、ガスタービンの速度および
負荷を制御するための信号であるため同一の燃料制御信
号がそれぞれの各燃料弁制御回路を経て、各燃料弁の弁
開度設定信号として出力される。

ガス燃料系統と液体燃料系統との切替えは、ガスタービ
ンの停止時に図示しないガスタービン制御盤での燃料選
択により一方の燃料種を選択して行われる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら上記のような従来の燃料選択切替型のガス
タービンプラントにあっては、ガス燃料から液体燃料へ
またはその反対に相互に切替える毎に、−旦ガスタービ
ンを停止させる必要があり、燃料切替操作に多大な労力
と時間とを要し、迅速な応答ができないという欠点があ
った。さらにガスタービンの起動停止が頻繁に繰り返さ
れるため、ガスタービンの構成部材の疲労が進み易く、
プラントの寿命を損なうという不具合もある。

さらに燃料切替操作が煩雑であるため、使用燃料を多様
化するという社会的な要請に迅速に対応することが困難
であり、プラントのフレキシビリティが少なく応答性に
欠けるという問題点もあった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、ガスタービンの運転中においてもガスタービンを停
止することなく、かつガスタービンの任意の負荷におい
て、燃料切替途中でのガスタービンの負荷変動等を発生
させずに、ガス燃料と液体燃料との交互の切替えを予め
設定された任意の速度にて切替えることができるガスタ
ービンの燃料切替装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明はガスタービンの速度お
よび負荷を制御するための燃料制御回路からの燃料制御
信号に基づき、ガス燃料制御回路および液体燃料弁制御
回路から出力されるガス燃料弁制御信号および液体燃料
弁制御信号によってガス燃料制御弁および液体燃料バイ
パス制御弁の弁開度を制御し、ガス燃料と液体燃料とを
切替えて、ガスタービンに供給するガスタービンの燃料
切替装置において、上記ガス燃料弁制御回路および液体
燃料弁制御回路に入力する燃料制御信号を切替える切替
回路と、ガスタービン運転中に実行する燃料切替え時に
おける燃料制御信号またはタービン負荷の変動を防止す
る変動防止回路とを設け、上記切替回路は、閉止してい
た燃料弁側の燃料弁制御回路に、関数発生器を経由した
燃料制御信号を入力することにより、閉止していた燃料
弁を開動作させる一方、開弁していた燃料弁側の燃料弁
制御回路に、上記関数発生器から出力された燃料制御信
号分を減算した減算燃料制御信号を入力することにより
開弁していた燃料弁を閉動作させるように構成したこと
を特徴とする。

（作用） 上記構成に係るガスタービンの燃料切替装置において、
ガスタービン運転中にガス燃料および液体燃料を切替え
る場合は切替回路を所定位置に切替える。切替え後、閉
止していた燃料弁側の燃料弁制御回路には、関数発生器
の出力に比例した燃料制御信号が入力されるため、閉止
していた燃料弁は徐々に開弁する。

一方開弁していた燃料弁側の燃料弁制御回路には、上記
関数発生器から出力された燃料制御信号分を減算した減
算燃料制御信号が入力されるため、開放していた燃料弁
は関数発生器からの出力に対応して徐々に閉動作し、ガ
ス燃料および液体燃料の切替え動作が進行する。

また切替え動作時にはガスタービンの速度・負荷や燃料
制御回路からの燃料制御信号が大きく変動するおそれが
あるが、変動防止回路によって燃料制御信号およびガス
タービン負荷が一定に保持される。

従って本発明によれば、いかなる負荷条件下において運
転中のガスタービンであっても、ガス燃１ 料と液体燃料との相互の切替えを円滑に実施することが
でき、使用燃料の多角化に迅速に対応することが可能と
なり、ガスタービンプラントの応答性を著しく改善する
ことができる。また切替え動作時におけるガスタービン
の負荷変動が少なく、安定した運転制御が可能となる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図は本発明に係るガスタービンの燃料切替装
置の第１実施例を示す系統図である。なお第４図に示す
従来例と同一要素には同一符号を使用する。

すなわち第１実施例に係るガスタービンの燃料切替装置
は、ガスタービン２の速度および負荷を制御するための
燃料制御回路１３からの燃料制御信号Ｓ１に基づき、ガ
ス燃料制御回路１４および液体燃料弁制御回路１５から
出力されるガス燃料弁制御信号Ｓ　および液体燃料弁制
御信号Ｓ３によってガス燃料制御弁６および液体燃料バ
イパス制御弁１１の弁開度を制御し、ガス燃料と液体撚
２ 料とを相互に切替えて、ガスタービン２に供給するガス
タービンの燃料切替装置において、上記ガス燃料弁制御
回路１４および液体燃料弁制御回路１５に入力する燃料
制御信号Ｓ４を切替える切替回路１６と、燃料の切替え
時における燃料制御信号Ｓ１の変動を防止する変動防止
回路１７とを設け、上記切替回路１６は、閉止していた
燃料弁側の燃料弁制御回路に、関数発生器１８ａ、１８
ｂを経由した燃料制御信号Ｓ５，８６を入力することに
より、閉止していた燃料弁を開動作させる一方、開弁し
ていた燃料弁側の燃料弁制御回路に、上記関数発生器１
８ａ、１８ｂから出力された燃料制御信号分を加算器１
９ａ、１９ｂによって減算した減算燃料制御信号Ｓ７．
Ｓ８を入力することにより開弁していた燃料弁を閉動作
させるように構成される。

また切替回路１６は、ガス燃料弁制御回路１４および液
体燃料弁制御回路１５に入力する信号の経路を相互に逆
に設定した１対の回路要素Ａ、　　Ｂから構成される。

回路要素Ａは液体燃料からガス燃料に切替える場合に選
択される一方、回路要素Ｂはガス燃料から液体燃料に切
替える場合に選択される回路であり、相互に切替え自在
に構成される。

液体燃料からガス燃料へ切替えるべく回路要素がＡが選
択されると、回路要素Ａ内の関数発生器１８ａによりガ
ス燃料弁制御回路１４への燃料制御信号Ｓ５が出力され
る。関数発生器１−８ａからの発生信号は、通常０を起
点とし、切替前の燃料制御信号Ｓ４を終点とするランプ
状の関数が用いられるが、その他にも一次遅れ関数、タ
イマー関数または階段状関数など運転方式に適合する関
数を採用することができる。

関数発生器１８ａからガス燃料制御回路１４に、ガス燃
料弁６を開弁させる燃料制御信号Ｓ５が出力されるので
、液体燃料バイパス制御弁１１−側への制御信号を減じ
る必要がある。そのため加算器］−９ａが配置され、こ
の加算器１９ａが燃料制御信号Ｓ４からガス燃料弁制御
回路１４への燃料制御信号Ｓ５を減算し、この減算燃料
制御信号Ｓ７を液体燃料弁制御回路１５に出力するよう
に構成される。

反対にガス燃料から液体燃料へ切替える際は、切替回路
１６の回路要素Ｂが選択されて切替えられる。その構成
作用は燃料制御信号Ｓ４の入力方向が逆になる点を除き
回路要素Ａと同様である。

さらに燃料制御回路１３は、ガスタービン２の負荷設定
信号Ｓ。と実負荷信号Ｓ９とを加算器２０にて加算した
信号を処理して燃料制御信号Ｓ１を出力するように構成
される。

また燃料制御信号Ｓ１の変動を防止する変動防止回路１
７は、メモリ２１、演算回路２２および乗算器２３から
構成されており、燃料切替前における燃料制御信号Ｓ１
をメモリ２１に記憶させ、切替途中における実際の燃料
制御信号Ｓｌｏと比較することによりＳ１ｏ／Ｓｌを演
算回路２２にて演算させ、さらに乗算器２３にて乗算す
ることにより、燃料切替途中における燃料制御信号Ｓ１
を一定に保ち、ガスタービンの負荷変動を防止する。

次に液体燃料からガス燃料に切替える場合の具５ 体的な操作について説明する。

切替回路１６の燃料切替選択により回路要素Ａが選択さ
れる。関数発生器１８ａによりガス燃料弁制御回路１４
への燃料制御信号ｓ５が増加するに伴って、加算器１９
ａにおいて燃料制御信号Ｓ４から上記燃料制御信号Ｓ５
の増加分が減算され、減算燃料制御信号Ｓ７が液体燃料
弁制御回路１５に出力される。そしてガス燃料弁制御回
路１４および液体燃料弁制御回路１５からそれぞれ出力
されたガス燃料弁制御信号Ｓ２および液体燃料弁制御信
号Ｓ３により、ガス燃料弁６が徐々に開弁じてガス燃料
の比率を高めると同時に液体燃料バイパス制御弁１１も
徐々に開弁して燃焼器に供給される液体燃料の比率を低
下させる。従ってガスタービン内に流入する液体燃料お
よびガス燃料の合計のエネルギー量は、燃料切替途中の
いがなる時点においても一定に保持される。

また燃料切替途中において、各燃料弁の非線形流量特性
に起因するガスタービンの負荷変動が発生した場合にお
いても、変動防止回路１７にょっ６ て燃料制御信号ＳＩの合計値が燃料切替前の水準と同一
に保持されるため、燃料切替途中における燃料制御信号
Ｓ４の変動も効果的に防止される。

ガス燃料から液体燃料へ切替える場合においても、回路
要素Ｂを選択することにより燃料制御信号Ｓ４が入力さ
れる方向が逆になるだけで同様な作用により、ガスター
ビンの負荷変動等を発生せずに、迅速容易に燃料切替操
作を実施することができる。

以上説明の通り本実施例に係るガスタービンの燃料切替
装置によれば、稼動中のガスタービンを停止させること
なく、ガス燃料および液体燃料を相互に迅速に切替える
ことが可能であり、また切替操作中においてガスタービ
ンの負荷変動等を発生させるおそれもなく安定した運転
操作を継続することができる。

次に本発明の第２実施例について第２図を参照して説明
する。第２実施例の変動防止回路２４は、切替操作前の
ガスタービンの実負荷信号Ｓ、を記憶するメモリ２１ａ
と、切替操作途中における実負荷信号８９−と実負荷信
号Ｓ９との比率を演算する演算回路２２ａと、上記比率
を補正信号として燃料制御信号Ｓ１に乗じる乗算器２３
ａとから構成している。

変動防止回路２４には、燃料切替操作前後におけるガス
タービンからの実負荷信号が入力され、メモリ２１ａに
記憶させた燃料切替前の実負荷信号Ｓ９と切替途中にお
ける実負荷信号Ｓ９−との比率が演算回路２２ａにて演
算され、演算した結果を乗算器２３ａにて燃料制御信号
Ｓｔに乗じることにより、ガスタービン運転中に実行さ
れる燃料切替操作途中におけるガスタービンの負荷変動
を効果的に防止することができる。

次に本発明の第３実施例について第３図を参照して説明
する。本実施例に係るガスタービンの燃料切替装置の変
動防止回路２５は、ガス燃料および液体燃料の標準発熱
量Ｑ、、Ｑ、に対する実発熱量Ｑ−，Ｑ、−の比率をそ
れぞれ演算する演算回路２２ｃ、２２ｄと、上記比率を
制御信号Ｓ５および減算燃料制御信号Ｓ７に乗算する乗
算器２３ｃ、２３ｄとから構成される。

ガス燃料にあっては、予め既知の標準発熱量Ｑ　と、実
際に使用しているガス燃料をガス分析計により測定され
る実発熱量Ｑ　′との比率Ｑ。

／Ｑ　　−を演算回路２２ｃにて演算し、その演算結果
を乗算器２３ｃにおいてガス燃料の制御信号Ｓ５に乗算
する。液体燃料系についても同様である。

こうしてガス燃料および液体燃料の発熱量比の相異によ
る補正量を各々の燃料制御信号Ｓ５゜Ｓ７に乗じて補正
しているため、ガスタービン運転中であっても各燃料の
発熱量の変動によるガスタービンの負荷変動を効果的に
防止することができる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係るガスタービンの燃料切替装
置において、ガス燃料および液体燃料を切替える場合は
切替回路を所定位置に切替える。

切替後、閉止していた燃料弁側の燃料弁制御回路には、
関数発生器の出力に比例した燃料制御信号９ が入力されるため、閉止していた燃料弁は徐々に開弁す
る。一方間弁していた燃料弁側の燃料弁制御回路には、
上記関数発生器から出力された燃料制御信号分を減算し
た減算燃料制御信号が入力されるため、開放していた燃
料弁は関数発生器からの出力に対応して徐々に閉動作し
、ガス燃料および液体燃料の切替え動作が進行する。

また切替え動作時にはガスタービンの速度・負荷や燃料
制御回路からの燃料制御信号が大きく変動するおそれが
あるが、変動防止回路によって燃料制御信号およびガス
タービン負荷が一定に保持される。

従って本発明によれば、いかなる負荷条件下において運
転中のガスタービンであっても、ガス燃料と液体燃料と
の相互の切替えを円滑に実施することができ、使用燃料
の多角化に充分に対応することが可能となり、ガスプラ
ントの応答性を著しく改善することができる。また切替
え動作時におけるガスタービンの負荷変動が少なく、安
定した運転制御が可能となる。

０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガスタービンの燃料切替装置の第
１実施例を示す系統図、第２図は本発明の第２実施例を
示す系統図、第３図は本発明の第３実施例を示す系統図
、第４図は従来のガスタービン発電プラントの構成例を
示す系統図である。 １・・・圧縮器、２・・・ガスタービン、３・・・発電
機、４・・・燃焼器、５・・・ガス燃料止め弁、６・・
・ガス燃料制御弁、７・・・液体燃料止め弁、８・・・
燃料ポンプ、９・・・フローデバイダ、１０・・・逆止
弁、１１・・・液体燃料バイパス制御弁、１２・・・液
体燃料リリーフ弁、１３・・・燃料制御回路、１４・・
・ガス燃料弁制御回路、１５・・・液体燃料弁制御回路
、１６・・・切替回路、１７・・・変動防止回路、１８
ａ、１８ｂ・・・関数発生器、１９ａ、１９ｂ、２０−
加算器、２１．２１ａ・・・メモリ、２２．２２ａ、２
２ｃ、２２ｄ・・・演算回路、２３．２３ａ、２３ｃ、
２３ｄ−・・乗算器、２４．２５・・・変動防止回路、
ＳＯ・・・負荷設定信号、Ｓ　・・・燃料制御信号、Ｓ
２・・・ガス燃料弁制御信号、２ Ｓ３・・・液体燃料弁制御信号、Ｓ４．Ｓｓ　、Ｓ６・
・・燃料制御信号、Ｓ　７．　　Ｓ　ａ・・・減算燃料
制御信号、Ｓ９・・・実負荷信号、Ｓ１ｏ・・・燃料制
御信号、Ａ、　　Ｂ・・・回路要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガスタービンの速度および負荷を制御するための燃料制
   御回路からの燃料制御信号に基づき、ガス燃料制御回路
   および液体燃料弁制御回路から出力されるガス燃料弁制
   御信号および液体燃料弁制御信号によってガス燃料制御
   弁および液体燃料バイパス制御弁の弁開度を制御し、ガ
   ス燃料と液体燃料とを切替えてガスタービンに供給する
   ガスタービンの燃料切替装置において、上記ガス燃料弁
   制御回路および液体燃料弁制御回路に入力する燃料制御
   信号を切替える切替回路と、ガスタービン運転中に実行
   する燃料切替え時における燃料制御信号またはタービン
   負荷の変動を防止する変動防止回路とを設け、上記切替
   回路は、閉止していた燃料弁側の燃料弁制御回路に、関
   数発生器を経由した燃料制御信号を入力することにより
   、閉止していた燃料弁を開動作させる一方、開弁してい
   た燃料弁側の燃料弁制御回路に、上記関数発生器から出
   力された燃料制御信号分を減算した減算燃料制御信号を
   入力することにより開弁していた燃料弁を閉動作させる
   ように構成したことを特徴とするガスタービンの燃料切
   替装置。