JPH06101501A - ガスタービンの燃料制御装置およびその燃料制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ガスタービンの急激な運転条件変化時にも作動
流体温度の急変に起因してセラミックス材料の損傷を有
効且つ確実に防止することのできるガスタービンの燃料
制御装置およびその燃料制御方法を提供すること。 【構成】燃焼器２に設けた燃料噴射弁１０へ供給する燃
料流量を調節可能なセラミックス製のガスタービンにお
いて、燃料噴射弁１０への流路を２系統に分岐し、一方
の流路に主燃料遮断弁１５を接続し、他方の流路に補助
燃料制御弁１６を接続し、主燃料遮断弁１５および補助
燃料制御弁１６を作動制御する作動制御手段１７を設
け、タービントリップなどの急激な運転条件変化時に、
燃焼器２への燃料流量を制御し、燃焼器２からタービン
に流入する燃焼ガスの温度を制御したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックス製動翼や静
翼を備えたガスタービンに係り、特にガスタービンの急
激な運転状態の変化時にセラミックスに生ずる非定常熱
応力を低減させるガスタービンの燃料制御装置およびそ
の燃料制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスタービンは図４に示すよう
なものがある。すなわち、圧縮機１で圧縮された空気は
燃焼器２に供給され、ここで燃料は燃料遮断弁３を通
り、ガスタービンの回転軸４に接続された駆動装置５に
より駆動される燃料噴射ポンプ６により昇圧され、その
一部の流量を燃料バイパス制御弁７で制御して燃料噴射
ポンプ６の一次側へ戻すとともに、残りの燃料は流量分
配器８を通り、逆止弁９を経て燃料噴射弁１０に供給さ
れて燃焼される。燃焼器２での燃焼の結果、発生した高
温・高圧の燃焼ガスはタービン１１で仕事をして発電機
１２などの被駆動機を駆動させるようにしている。

【０００３】この種のガスタービンでは、タービン入口
温度を上昇させると、ガスタービンの熱効率が向上する
ことが知られており、ガスタービンの熱効率を高めるた
め、タービン入口温度を上昇させる方策が種々採られて
いる。タービン入口温度を上昇させるためには、ガスタ
ービンの構成部品が高温の燃焼ガスに耐え得る設計とす
ることが必要である。

【０００４】このため、近年ガスタービンの主要構成部
品である動翼・静翼や燃焼器２の材料としては、耐熱性
に優れたセラミックスを用いることが試みられている。

【０００５】また、ガスタービンのトリップ時には、燃
料遮断弁３が遮断され、燃料バイパス制御弁７を開き、
図５（Ａ）に示すように燃料流量Ｑを急速に減少させる
運転制御が行われる。

【０００６】このような制御を行うと、ガスタービンの
トリップなどの急激な運転条件変化時に図５（Ｂ）に示
すように、燃焼ガス温度Ｔが急変し、ガス通路部を構成
するタービン動翼・静翼や燃焼器２の材料は急激な非定
常温度勾配を生ずることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
ガスタービンの燃料制御装置においては、タービントリ
ップ時などの運転条件変化時に、燃料流量Ｑを急激に遮
断させるため、燃焼ガス温度Ｔは急激に低下することに
なる。燃焼ガスが通過するガス通路部を構成するガスタ
ービン動翼・静翼や燃焼器２などの材料温度は、主に燃
焼ガス温度Ｔに追従するため、急激な非定常温度勾配が
生じ、これらの構成部品に熱応力が発生する。

【０００８】一般に、セラミックス材料は金属材料のよ
うに塑性変形を起こさず、脆性破壊を起こす特性があ
る。また、セラミックス材料の製造方法において、材料
中に存在する微小欠陥を皆無にすることは不可能であ
る。このため、セラミックス材料は瞬間的な非定常応力
であっても、限界応力を越えた応力が作用した場合に
は、即時に破壊してしまう。

【０００９】したがって、ガス通路部を構成するタービ
ン動翼・静翼や燃焼器２にセラミックス材料を用いたセ
ラミックスガスタービンにおいては、トリップなどの急
激な温度条件変化時に、セラミックス材料の温度の非定
常温度勾配が非常に大きくなり、セラミックス材料が脆
性破壊し、重大事故が発生する虞があるなどの問題点が
あった。

【００１０】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、ガスタービンの急激な運転条件変化時にも作動
流体温度の急変に起因してセラミックス材料の損傷を有
効且つ確実に防止することのできるガスタービンの燃料
制御装置およびその燃料制御方法を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガスタービ
ンの燃料制御装置は、上述した課題を解決するために、
燃焼器に設けた燃料噴射弁へ供給する燃料流量を調節可
能なセラミックス製のガスタービンにおいて、上記燃料
噴射弁への流路を２系統に分岐し、一方の流路に主燃料
遮断弁を接続し、他方の流路に補助燃料制御弁を接続
し、上記主燃料遮断弁および上記補助燃料制御弁を作動
制御する作動制御手段を設け、タービントリップなどの
急激な運転条件変化時に、上記燃焼器への燃料流量を制
御し、上記燃焼器からタービンに流入する燃焼ガスの温
度を制御したものである。

【００１２】また、本発明に係るガスタービンの燃料制
御方法は、セラミックス製のガスタービンのトリップ条
件を損害程度に応じて少なくとも２種類に分け、この内
の第１種のトリップ条件で、燃焼器に供給される主燃料
を遮断し、その後引き続き補助燃料流量を徐々に低下さ
せていき、第２種のトリップ条件で、主燃料および補助
燃料の双方を遮断するように制御した。

【００１３】

【作用】上記の構成を有する本発明において、セラミッ
クス製のガスタービンは、タービン動翼・静翼や燃焼器
にセラミックス材料が用いられる。ガスタービンの動翼
・静翼に用いられるセラミックスの温度は燃焼ガスと一
致すると考えられる。

【００１４】この点から、本発明に係るガスタービンの
燃料制御装置は、ガスタービンのタービントリップなど
の急激な運転条件変化時に、燃焼器に供給される燃料流
量を制御し、燃焼器からタービンに流入する燃焼ガスの
温度を制御すると、セラミックスの温度の時間的変化を
少なく抑えることができる。

【００１５】また、本発明に係るガスタービンの燃料制
御方法はタービントリップ時に、トリップ条件を少なく
とも２種類に分ける。例えば２種類に分けた場合、第１
種の条件をタービンや燃焼器の損害が比較的軽度で、損
害がタービンなどの機器内部に限られる程度のもの、ま
た第２種の条件は不具合による損害が比較的重度で、タ
ービンなどの機器の外部、すなわちプラント全体に損害
が及ぶ虞がある程度のものとする。

【００１６】そして、タービンが第１種の条件でトリッ
プした場合、トリップ直後に、主燃料を遮断し、その後
は補助燃料を緩やかに減少させてセラミックスの温度の
時間的変化を少なく抑えることにより、熱応力の発生を
低く抑えることができる。

【００１７】また、タービンが最終、例えば第２種の条
件でトリップした場合、燃焼ガス温度は圧縮機からの吐
出温度まで急速に低下するので、セラミックスに許容限
界以上の熱応力が発生する可能性があるが、急速にター
ビンを停止させることにより、ガスタービン以外の他機
器すなわちプラント全体にまでタービントリップの悪影
響が及ぶのを回避することができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１９】図１は本発明に係るガスタービンの燃料制
御装置の第１実施例を備えたセラミックスガスタービン
の概略構成を示す。なお、従来の構成と同一または対応
する部分には図４と同一の符号を用いて説明する。

【００２０】図１に示すように、ガスタービン燃料系統
は、燃料遮断弁３の下流側に、ガスタービンの回転軸４
に接続された駆動装置５により駆動される燃料噴射ポン
プ６が設けられるとともに、一部の流量は燃料バイパス
制御弁７で制御され、燃料噴射ポンプ６の一次側へ戻さ
れる。

【００２１】また、燃料噴射ポンプ６の二次側は２系統
の流路に分岐され、一方の流路には主燃料遮断弁１５が
接続され、他方の流路には補助燃料制御弁１６が接続さ
れている。そして、燃料はそれぞれ主燃料遮断弁１５お
よび補助燃料制御弁１６を通り、再び合流して流量分配
器８を経て、逆止弁９を通り燃料噴射弁１０に供給され
燃焼される。

【００２２】燃料遮断弁３、燃料バイパス制御弁７、主
燃料遮断弁１５および補助燃料制御弁１６は作動制御手
段としてのトリップ条件判別装置１７からの制御信号に
より作動制御される。このトリップ条件判別装置１７は
タービントリップのトリップ条件の程度に応じて少なく
とも２種類（２段階）に分け、第１種のトリップ信号、
…最終種のトリップ信号を出力するようになっている。

【００２３】次に、本実施例の作用を説明する。なお、
以下の説明では簡略化するために、トリップ条件を２種
類に分ける例について説明する。

【００２４】トリップ条件判別装置１７では、図示しな
いセンサにて測定されたガスタービンの回転軸４の振動
レベルや排気ガス温度などの検出信号を入力してトリッ
プ条件を判別しており、例えばガスタービンの回転軸４
の振動レベル（振幅）が１０／１００mmでアラーム信号
を出力するとともに、１５／１００mmで第１種のトリッ
プ信号、５０／１００mmで第２種のトリップ信号をそれ
ぞれ出力するようになっている。

【００２５】排気ガス温度を検出する場合、排気ガス温
度が例えば６００℃でアラーム信号を、６２０℃で第１
種のトリップ信号を、６６０℃で第２種のトリップ信号
をそれぞれ出力するようになっている。そして、トリッ
プ条件判別装置１７からのアラーム信号で図示しない警
報器が作動される一方、第１種のトリップ信号で主燃料
遮断弁１５を遮断し、第２種のトリップ信号で主燃料遮
断弁１５および補助燃料制御弁１６の双方を遮断するよ
うになっている。

【００２６】なお、トリップ条件判別装置１７はガスタ
ービンの回転軸４の振動レベルや排気ガス温度の他に、
表１に示すものがある。

【００２７】

【表１】

【００２８】上記表１に示すように、回転軸４の回転速
度、回転軸４の軸受給油圧力、軸受排油温度、発電機の
内部故障の程度、発電機遮断器の開閉状態、火災の有無
などを検出して第１種および第２種のトリップ条件を判
別するようにしてもよく、これらを総合的に組み合わせ
て判別するようにしてもよい。

【００２９】次に、本発明に係るガスタービンの燃料制
御方法の第１実施例について説明する。

【００３０】ガスタービンの通常運転負荷時には、主燃
料遮断弁１５および補助燃料制御弁１６を開いて、補助
燃料制御弁１６は一定開度で、必要燃料流量は燃料バイ
パス制御弁７により供給される。第１種のトリップ時に
主燃料遮断弁１５を閉じて、その後補助燃料制御弁１６
を緩やかに絞り込み、燃料流量を徐々に低下させ、ター
ビントリップより一定時間経過後または回転速度が一定
値以下に降下した後、補助燃料制御弁１６を閉じる。ま
た、第２種のトリップ時には、主燃料遮断弁１５および
補助燃料制御弁１６を閉じて燃料を遮断する。

【００３１】セラミックスガスタービンが定格運転時に
第１種のトリップ条件でタービントリップした場合に
は、タービントリップ直後に、図２（Ｂ）に示すように
燃料バイパス制御弁開度ａを増加させることにより、燃
料流量を補助燃料流量まで急速に減少させ、その後は補
助燃料制御弁開度ｂを緩やかに減少させていく。

【００３２】補助燃料制御弁１６を緩やかに絞り込んで
いく段階では、図２（Ａ）に示すように燃焼ガス温度Ｔ
の変化率も小さくなり、発生するセラミックスの非定常
熱応力も小さくなり、セラミックスの破損を防止するこ
とが可能となる。

【００３３】一般に、燃料制御弁では燃料流量の制御範
囲に限界があり、一つの制御弁ではトリップ後の低流量
域までカバーできなかった。そして、セラミックスガス
タービンの場合、失火を防止することがとりわけ重要で
あり、本実施例では燃料流量の小さい領域に対してそれ
に対応した補助燃料制御弁１６を用いているので安定性
が高い。

【００３４】図３は本発明に係るガスタービンの燃料制
御装置の第２実施例を示し、前記第１実施例と同一の部
分には同一の符号を付して説明する。

【００３５】本実施例のガスタービンの燃料制御装置
は、燃焼器２に燃料を供給する燃料系統の構成が図１に
示した燃料制御装置と基本的に相違する。すなわち、燃
料は十分に高く昇圧されたガス燃料で、速度比制御弁２
０によりガスタービンの速度に比例した二次圧力となる
ように制御され、その二次側は２系統に分岐され、一方
の流路には燃料制御弁２１が接続され、他方の流路には
補助燃料制御弁１６が接続されている。そして、燃料は
それぞれ燃料制御弁２１および補助燃料制御弁１６を通
り、再び合流して燃料噴射弁１０に供給され燃焼され
る。

【００３６】速度比制御弁２０、燃料制御弁２１および
補助燃料制御弁１６はトリップ条件判別装置１７からの
制御信号により作動制御される。

【００３７】次に、本発明に係るガスタービンの燃料制
御方法の第２実施例について説明する。

【００３８】ガスタービンの通常運転負荷時には、燃料
制御弁２１および補助燃料制御弁１６を開いて、補助燃
料制御弁１６は一定開度で、必要燃料流量は燃料制御弁
２１により供給される。第１種のトリップ時には燃料制
御弁２１を閉じて、その後補助燃料制御弁１６を緩やか
に絞り込み、燃料流量を徐々に低下させ、タービントリ
ップより一定時間経過後または回転速度が一定値以下に
降下した後、補助燃料制御弁１６を閉じる。

【００３９】また、第２種のトリップ時には、燃料制御
弁２１および補助燃料制御弁１６を閉じて燃料を遮断す
る。この場合、燃料制御弁２１は図１に示した燃料制御
装置における主燃料遮断弁１５の機能を兼ね備えるもの
であり、その他の構成および作用は前記第１実施例と同
一であるのでその説明を省略する。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るガス
タービンの燃料制御装置によれば、タービントリップな
どの急激な運転条件変化時に、燃焼器への燃料流量を制
御し、燃焼器からタービンに流入する燃焼ガスの温度を
制御することにより、セラミックス材料の非定常温度勾
配を少なくし、セラミックス材料に脆性破壊が生ずるの
を有効的に防止し、ガスタービンの安全性や信頼性の向
上を図ることができる。

【００４１】また、本発明に係るガスタービンの燃料制
御方法においては、タービントリップのトリップ条件を
損害程度に応じて少なくとも２種類に分け、第１種のト
リップ条件でタービントリップ直後に主燃料を遮断し、
引き続き補助燃料により、燃焼ガスの温度を徐々に低下
させるので、タービントリップ時にセラミックス材料に
生じる非定常熱応力を極力低減し、セラミックスガスタ
ービンを安全に緊急停止させ、被害を最小限に止めるこ
とができる。

【００４２】さらに、第２種のトリップ条件では、トリ
ップ直後に主燃料および補助燃料を遮断し、仮にセラミ
ックス材料の破損が生じても、その破損の悪影響が外部
に及ぶのを防止し、全体的被害を最小限に抑えることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスタービンの燃料制御装置の第
１実施例を備えたセラミックスガスタービンを示す概略
構成図。

【図２】（Ａ），（Ｂ）は図１の実施例におけるタービ
ントリップ時の状態量の時間的変化を示す特性図。

【図３】本発明に係るガスタービンの燃料制御装置の第
２実施例を備えたセラミックスガスタービンを示す概略
構成図。

【図４】従来のガスタービンの燃料制御装置を示す概略
構成図。

【図５】（Ａ），（Ｂ）は従来のガスタービンのトリッ
プ時の状態量の時間的変化を示す特性図。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 燃焼器 ３ 燃料遮断弁 ４ 回転軸 ５ 駆動装置 ６ 燃料噴射ポンプ ７ 燃料バイパス制御弁 ８ 流量分配器 ９ 逆止弁 １０ 燃料噴射弁 １１ タービン １２ 発電機 １５ 主燃料遮断弁 １６ 補助燃料制御弁 １７ トリップ条件判別装置（作動制御手段） ２０ 速度比制御弁 ２１ 燃料制御弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼器に設けた燃料噴射弁へ供給する燃
   料流量を調節可能なセラミックス製のガスタービンにお
   いて、上記燃料噴射弁への流路を２系統に分岐し、一方
   の流路に主燃料遮断弁を接続し、他方の流路に補助燃料
   制御弁を接続し、上記主燃料遮断弁および上記補助燃料
   制御弁を作動制御する作動制御手段を設け、タービント
   リップなどの急激な運転条件変化時に、上記燃焼器への
   燃料流量を制御し、上記燃焼器からタービンに流入する
   燃焼ガスの温度を制御したことを特徴とするガスタービ
   ンの燃料制御装置。
2. 【請求項２】 セラミックス製のガスタービンのトリッ
   プ条件を損害程度に応じて少なくとも２種類に分け、こ
   の内の第１種のトリップ条件で、燃焼器に供給される主
   燃料を遮断し、その後引き続き補助燃料流量を徐々に低
   下させていき、第２種のトリップ条件で、主燃料および
   補助燃料の双方を遮断するように制御したことを特徴と
   するガスタービンの燃料制御方法。