JPH07189744A - ガスタービン装置及びその運転方法 - Google Patents
ガスタービン装置及びその運転方法Info
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- JPH07189744A JPH07189744A JP5334933A JP33493393A JPH07189744A JP H07189744 A JPH07189744 A JP H07189744A JP 5334933 A JP5334933 A JP 5334933A JP 33493393 A JP33493393 A JP 33493393A JP H07189744 A JPH07189744 A JP H07189744A
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Abstract
ガスタービンに供給する遠心圧縮機において、急激な負
荷変動に対しても吐出圧力が所定範囲に納まる制御方式
を確立する。 【構成】遠心圧縮機101の燃料圧送量の指令が燃料制
御信号34として発生したときに、その信号をガスター
ビン燃料料制御弁42,48と同時に遠心圧縮機のバイ
パス弁107へも入力する。そして、ガスタービン11
3の負荷が急変した場合のようなときには、遠心圧縮機
101のサージングを防止するためにバイパス弁107
を予め記憶された燃料制御信号34とバイパス弁開度の
関係から決定する。 【効果】急激な負荷変動時においても、遠心圧縮機のバ
イパス弁を早いタイミングで開けるので、遠心圧縮機の
吐出圧力を所定範囲内に納めることが可能となり、ガス
タービンの信頼性が向上する。
Description
り、特に発電設備に備えられた都市ガス又は液化天然ガ
スを燃料として用いるガスタービン装置及びその運転方
法に関する。
ての発電機に異常が生じた等の場合に、負荷を切り離し
てガスタービンの保全を図る負荷遮断という運転モード
がある。これは、ガスタービンの負荷を100%から0
%に急激に変化させるもので、従来燃料流量制御弁を急
閉して対応している。そして、この時ガスタービンの回
転数をある回転数範囲内に納めるよう制御している。
として用いるガスタービン装置では燃料をガスタービン
装置の燃焼器に供給するために遠心圧縮機が用いられて
いる。上記負荷遮断時には過渡的にこの遠心圧縮機の回
転数が上昇したり、吐出圧力が上昇する現象が生じる。
そして、この吐出圧力がある許容上限値を超えると、燃
料である都市ガスや液化天然ガスが燃焼器に流れ過ぎ、
ガスタービンが異常に高速回転する恐れがある。従来こ
のような事態を防止するために、燃料圧送用の遠心圧縮
機の取扱いガス流量を測定し、流量が減少したら、回流
流路に設けた弁(以下バイパス弁とも称す)を開く方式
が用いられてきた。
流量を減少させると、圧力や流量が突然変動しはじめ、
振動が増加するサージング現象を生じる。この現象を防
止するために、上述したようにガス流量を測定し、設定
値より流量が少ない場合には遠心圧縮機内を流れる流量
を増して遠心圧縮機のサーシングを防止するとともに、
バイパス弁または吐出弁を開いてガスタービンに送る流
量を所定流量とする方式が広く知られている。このよう
なサージング防止方式については、例えば、日本機械学
会編「機械工学便覧 改定第6版」(昭和60年)第1
0編 10−33頁に記載がある。
取扱いガス流量を測定し、流量が減少したらバイパス弁
を開ける制御方法においては、ガスタービンの燃料流量
制御に用いられるバイパス弁を瞬時(約0.1秒)に閉
としており、遠心圧縮機の吐出圧力が前記上限値を超え
てしまうという不具合があった。
て負荷遮断という急激な負荷変動時においても、燃焼器
に燃料を圧送する遠心圧縮機の吐出圧力の異常上昇と、
ガスタービンの回転数の異常な上昇を防止し、ガスター
ビン装置の保全と信頼性の向上を図ることにある。
に、圧縮機段とタービン段と燃焼器とを有し、都市ガス
または液化天然ガス等の可燃性ガスを前記燃焼器に遠心
圧縮機を用いて圧送し燃焼させることにより動力を発生
するガスタービンと、該ガスタービンを制御する制御装
置とを備えたガスタービン装置において、前記遠心圧縮
機にその出口側から入口側へ回流する回流流路と該流路
を開閉する開閉手段とを設け、前記制御装置に前記可燃
性ガスの流量を制御する流量制御手段と、該流量制御手
段の信号に同期して前記開閉手段の開閉信号を発生する
信号発生手段とを設けたものである。
有し、都市ガスまたは液化天然ガス等の可燃性ガスを前
記燃焼器に遠心圧縮機を用いて圧送し燃焼させることに
より動力を発生するガスタービンと、該ガスタービンを
制御する制御装置とを備えたガスタービン装置におい
て、前記ガスタービン装置に前記可燃性ガスの流量を制
御する燃料流量制御手段を設け、前記遠心圧縮機には回
流流路と該流路を開閉する開閉手段とをそれぞれ設け、
前記制御装置に前記制御装置が発生する燃料流量制御手
段への指令値を前記開閉手段へ同時に指令する指令手段
を設けたものである。
を有し、都市ガスまたは液化天然ガス等の燃料を前記燃
焼器に遠心圧縮機を用いて圧送し燃焼させることにより
動力を発生するガスタービンと、該ガスタービンを制御
する制御装置とを備えたガスタービン装置において、前
記制御装置に起動制御手段と加速制御手段と速度負荷制
御手段と負荷制限手段と排ガス温度制御手段と、該各々
の制御手段から出力される制御信号の中で最小の信号を
選択し出力する選択手段とを設け、該選択手段の出力に
基づいて前記遠心圧縮機に設けた回流回路を流通する燃
料の流量と前記ガスタービンに流入する燃料の流量を制
御する流量制御手段とを設けたものである。
又は都市ガスを燃料とするガスタービン装置の運転方法
において、前記ガスタービン装置に設けられた制御手段
に備えられた起動制御手段と加速制御手段と速度負荷制
御手段と負荷制限制御手段と排ガス温度制御手段との少
なくとも一つの信号に基づいて燃料制御信号を発生し、
該燃料制御信号に基づいて前記ガスタービン装置へ流入
する燃料流量と前記遠心圧縮機を回流する燃料流量とを
制御するようにしたものである。
一番大きいのは、100%負荷遮断である。これは、ガ
スタービンの燃料ガス流量を制御する信号(FFD:F
uel Flow Demand)が100%から0%
へと瞬時に変化し、その結果燃料流量制御弁が開状態か
ら閉状態に変化し、100%負荷状態から無負荷状態に
移る運転モードである。
秒の間に燃料流量制御弁が開状態から閉状態に変わり、
燃料ガスを供給している遠心圧縮機の一般的なバイパス
弁制御方式、つまり遠心圧縮機の取扱い流量を監視し、
下限設定値より流量が少なくなったらバイパス弁を開け
る方式を用いると応答が間に合わず、瞬時に遠心圧縮機
の吐出圧力が上昇し、ガスタービンの回転数が上限値を
越えてしまう。
おいても、遠心圧縮機の吐出圧力が所定範囲内に入って
いることが求められており、この要求を満足するために
は、遠心圧縮機とガスタービンの間に容積の大きなタン
クを設け圧力変動を小さくする、または遠心圧縮機の制
御指令に対する応答を早くするの2案が考えられる。◆ 本発明では、ガスタービンの燃料制御信号(FFD)を
早期に燃料ガス圧縮機のバイパス弁制御装置に入力し、
予めバイパス弁制御に備えることにより応答を早くし、
負荷遮断時でも遠心圧縮機の吐出圧力を所定範囲に納め
るようにしたものである。
を図面を用いて説明する。図1は、ガスタービンの制御
系統図、図2はその主要部を抜き出して示したものであ
る。さらに、図3は燃料圧送用の遠心圧縮機にかかる制
御系統を示した図である。◆ ガスタービン113にはガスタービン制御装置が備えら
れている。ここで、ガスタービン制御装置は、デジタル
制御装置であり、ガスタービンの起動、停止時及び負荷
運転中の最適な制御を行い、ガスタービン発電ユニット
の自動運転を司る。このための制御機能としては、調整
制御機能とシーケンス制御機能とがある。その他ガスタ
ービンの運転条件に望ましくない状態が発生した場合に
は警報を発し、ガスタービン装置を自動的に停止させる
ための保安装置も装備している。
み合わせてガスタービンの運転状態に対応して燃料供給
量その他を調節する機能である。そして、この機能を達
成するために、起動制御回路22、加速制限制御回路2
0、速度・負荷制御回路24、負荷制限制御回路26、
排ガス温度制御回路30、燃料ガス制御回路36、燃料
圧力制御回路38、圧縮機入口案内翼制御回路を備えて
いる。◆ ここで、起動制御回路22はガスタービン起動時に着
火、暖機、加速時等の燃料流量指令値の設定を行う回路
であり、加速制限制御回路20は、ガスタービン起動時
ガスタービンの回転数10を監視し、タービンの加速率
が制限値を超えないように制御する回路である。速度・
負荷制御回路24は定格速度到達後の系統との同期揃速
及び負荷運転時の速度調定率にしたがったガバナ運転を
制御する回路ある。同期揃速時のガバナ設定回路18の
出力の調整は、ガスタービン制御装置が行う。一方、負
荷運転時のガバナ設定回路18の出力は排ガス温度制御
回路30の出力の制限内で最大となるように調節する
か、または操作員が手動によって設定した負荷設定回路
14の出力値と発電機の出力12とが一致するように負
荷制御手段16において自動的に調整する。
荷制限設定による出力一定運転を行う回路であり、排ガ
ス温度制御回路30は起動時及び負荷運転時のガスター
ビン排ガス温度のリミット制御を行う回路である。そし
て、起動時には、熱伝対66により検出されたガスター
ビン排ガス温度が許容値を超えないように燃料を制御
し、負荷運転時には圧力変換器64の出力である燃焼器
出口の圧力に基づいて温度設定手段28が設定したガス
タービン排ガス温度に従って最大出力を制限する。な
お、温度リミット制御ではガスタービン入口温度に代え
てガスタービン出口温度を計測し、ガスタービンの圧縮
機吐出圧力で補正した値を制御に用いる。
から出力される信号の中で最小の信号を燃料制御信号と
して選択する。また、燃料ガス制御回路36は、最小信
号選択回路32から出力された燃料制御信号(FFD)
34に基づいて燃料流量制御弁の弁開度を定め、燃焼器
124へ噴射する燃料量を制御する。一方、燃料圧力制
御回路38は、燃料流量制御弁42、48前に設けた圧
力変換器44、50の出力が所定値になるように、ガス
タービンの回転数40に対応して制御する。さらに、圧
縮器入口案内翼制御回路はガスタービンの排気温度を許
容値以内で最高にするように吸込空気量を調節する回路
である。そして、起動時にはガスタービンの圧縮機に生
ずる空気の脈動を防止するために、最小開度に保持され
る。
ビン装置は運転されるが、負荷遮断時には燃料制御回路
36の出力に基づいて燃料流量制御弁42、48を急閉
する。◆ この様子を図2及び図3により説明する。遠心圧縮機1
01によりガスタービンの燃焼器124に都市ガス又は
液化天然ガスが圧送される。ここで、遠心圧縮機は低圧
段121と高圧段122から構成されており、これら2
つの段の間には中間クーラー105が配設され、低圧段
で昇温した燃料を冷却して高圧段へ送っている。低圧段
121の上流側には低圧段側から順にオリフィス10
4、吸込弁103、吸込チェック弁102が配管接続さ
れている。一方高圧段122の下流側には高圧段から順
次吐出チェック弁106、吐出タンク109が配管接続
されている。この吐出タンク109の下流側には、ガス
タービン113の燃料圧力制御弁46、52及び燃料流
量制御弁44、50が各燃料配管系統ごとに直列に接続
されている。ここで、燃料配管は例えば4インチ径の配
管である。
低圧段の吸い込みチェック弁とオリフィス104との間
には、遠心圧縮機101を回流する管(以下、回流を便
宜的にバイパスと称す)であるバイパス管が設けられ、
このバイパス管の途中にはバイパス弁107及びバイパ
スクーラー108が設けられている。遠心圧縮機113
の流量が低下するにつれ、遠心圧縮機113はサージン
グ領域に入り、ついには振動現象を引き起こす。そこ
で、遠心圧縮機のサージングを防止するために、遠心圧
縮機内を流れる流量を増やし、遠心圧縮機をでた後にそ
の一部を吸い込み側に戻すバイパス流路を設けている。
さらに、高圧段の出口近傍には圧力検出用のセンサーを
設け、そのセンサーの出力を伝送器146で圧力指示調
節計140に伝送する。一方、低圧段121の上流に設
けたオリフィス104で測定した燃料流量は、流量伝送
器142により燃料流量指示調節計144へ伝送され
る。
(FFD)とバイパス弁107の開度の関係を設定し、
燃料制御指令(FFD)が小さくなったら自動的にバイ
パス弁107を開けるようにする。また、従来遠心圧縮
機に適用していた、圧縮機吸込流量をオリフィスにより
監視し、流量の下限値に達したらバイパス弁107を開
ける制御方式を併用することも考えられる。その場合
は、燃料制御指令(FFD)と吸込流量制御指令のいず
れかが入力されたら、バイパス弁107を開ける。これ
らいずれの方法においても、圧力伝送器146、圧力指
示調節計140、流量伝送器142、流量指示調節計1
44を含む遠心圧縮機サージプロテクション制御装置7
0が作動し、その結果として遠心圧縮機バイパス弁開度
指令74が指令される。
な場合である非常負荷遮断時の系統図を示す。◆ 非常停止押しボタンの操作(ステップ202)、電気式
過速度トリップ作動(ステップ204)、ガスタービン
トリップ作動(ステップ206)、発電機トリップ条件
作動(ステップ208)、ボイラトリップ条件作動(ス
テップ210)等の非常指令がガスタービン制御装置に
入力されると、遮断電磁弁が開となり(ステップ21
4)、同時に非常調速装置が作動(ステップ212)す
るとともに、現場手動トリップ用遮断油圧弁を開にして
(ステップ216)遮断油圧を低下させ(ステップ21
8)、最終的に燃料ガス制御回路36の指令により燃料
ガス制御弁を閉にする(ステップ220)。
に従来のバイパス弁を開ける方式を用いると応答が間に
合わず、瞬時に遠心圧縮機の吐出圧力が上昇し、ガスタ
ービンの回転数が上限値を越えてしまう。これを防止す
るために、バイパス弁として瞬時(約0.1秒)に遮断
できる弁を用いることは4インチ径もある燃料配管では
非常に高価であるとともに、装置の大型化を招く。そこ
で、ガスタービン燃料制御指令(FFD)34を燃料ガ
ス制御回路36と同時に燃料圧送用の遠心圧縮機のバイ
パス弁に入力する。ここで、燃料制御指令34と燃料ガ
スバイパスコントロール弁107の開度との間にはガス
タービン装置に応じて予めある関係が定まっている。す
なわち、図5にその一例を示すように、燃料制御指令が
70%まではバイパス弁を全開とし、燃料制御指令が減
少するに従ってバイパス弁を閉じて行き、燃料制御指令
が0%では弁開度を40%まで減少させる。この関係式
をガスタービン制御装置に記憶させておき、燃料制御信
号が更新される度に、この記憶値を呼び出すことによ
り、迅速な負荷変化への対応が可能となる。
時間的変化を示す。図6はその概念図であり、図7、図
8は測定結果の一例である。◆ 図6で、燃料制御指令(FFD)34が燃料減少の指令
を発生すると、ガスタービン燃料流量制御弁111の開
度もFFDの指令量に応じて減少する。燃料減少の指令
が生じたので、ガスタービン装置は遠心圧縮機の制御装
置に対し燃料の圧送量を減少させるように指示する。こ
のとき、単に遠心圧縮機の流量を減少させると遠心圧縮
機はサージングを引き起こすので、遠心圧縮機内を流れ
る流量は所定量以上である必要がある。そこで、遠心圧
縮機のバイパス弁開度指令が発生される。この指令は、
燃料制御指令(FFD)の発生とほぼ同時に発生してい
るので、遠心圧縮機のバイパス弁の開度は従来に比較し
て時間遅れが少なく変化する。なお、バイパス弁の開閉
動作は機械的な動作であるので、指令を達成するまでに
は他の動作に比べて時間が多く費やされる。以上のよう
に吸込流量弁103、バイパスコントロール弁107、
流量調節弁111を制御すると、図6の最下段に示した
ように遠心圧縮機の吐出圧力はその上限値を超えること
がなく、従ってサージングを防止できる。
から0%まで、2秒間で全閉にすると図8に示した燃料
ガス流量は約6100m3/hrから約7100m3/
hrに増加するが、遠心圧縮機出口の燃料ガスの圧力は
約25kg/cm2から約27.7kg/cm2に増加
するに留まり、遠心圧縮機で問題となるサージングの発
生を防止できる。なお、サージングが発生していないこ
とは吐出ガス圧力線図から確認できる。これにより、信
頼性の高いガスタービン装置が得られる。又、上記の制
御を実施することにより遠心圧縮機の出口の圧力変動を
小さくすることが出来、圧力変動を吸収するために設け
た吐出タンク109の容積を小さくすることも可能とな
る。
いて負荷遮断という急激な負荷変動時においても、最小
信号選択回路からの出力信号である燃料制御信号を遠心
圧縮機のバイパス弁へも出力するので、バイパス弁を早
いタイミングで開けることができ、遠心圧縮機の吐出圧
力を上限値以下に出来る。その結果、ガスタービンを所
要回転数範囲内で運転することが可能となり、ガスター
ビン装置の信頼性を向上できる。また、遠心圧縮機の吐
出圧力の変動幅を小さくすることで、遠心圧縮機とガス
タービンの間に設けた吐出タンクの容積を小さくするこ
とが可能となる。
統図。
断系統図。
ト。
果を示す図。
果を示す図。
速度負荷制御回路、26…負荷制限制御回路、30…排
ガス温度制御回路、32…最小信号選択回路、34…燃
料制御信号(指令)、36…燃料ガス制御回路、42、
48…ガスタービン燃料流量制御弁、70…遠心圧縮機
サージプロテクション制御回路、74…遠心圧縮機バイ
パス弁開度指令 101…遠心圧縮機、102…吸込チェック弁、103
…吸込弁、104…オリフィス、105…中間クーラ
ー、106…吐出チェック弁、107…バイパス弁、1
08…バイパスクーラー、109…吐出タンク、113
…ガスタービン、123…圧縮機、124…燃焼器、1
25…タービン。
Claims (8)
- 【請求項1】圧縮機段とタービン段と燃焼器とを有し、
都市ガスまたは液化天然ガス等の可燃性ガスを前記燃焼
器に遠心圧縮機を用いて圧送し燃焼させることにより動
力を発生するガスタービンと、該ガスタービンを制御す
る制御装置とを備えたガスタービン装置において、 前記遠心圧縮機にその出口側から入口側へ回流する回流
流路と該流路を開閉する開閉手段とを設け、前記制御装
置に前記可燃性ガスの流量を制御する流量制御手段と、
該流量制御手段の信号に同期して前記開閉手段の開閉信
号を発生する信号発生手段とを設けたことを特徴とする
ガスタービン装置。 - 【請求項2】圧縮機段とタービン段と燃焼器とを有し、
都市ガスまたは液化天然ガス等の可燃性ガスを前記燃焼
器に遠心圧縮機を用いて圧送し燃焼させることにより動
力を発生するガスタービンと、該ガスタービンを制御す
る制御装置とを備えたガスタービン装置において、 前記ガスタービン装置に前記可燃性ガスの流量を制御す
る燃料流量制御手段を設け、前記遠心圧縮機には回流流
路と該流路を開閉する開閉手段とをそれぞれ設け、前記
制御装置に前記制御装置が発生する燃料流量制御手段へ
の指令値を前記開閉手段へ同時に指令する指令手段を設
けたことを特徴とするガスタービン装置。 - 【請求項3】都市ガス又は液化天然ガスをガスタービン
に圧送するターボ型流体機械において、 サージングを防止するためのバイパス流路を該流体機械
の出口側から入口側に設け、該バイパス流路を開閉する
手段と、前記流体機械の入口側に設けた流量制御手段と
を同期して駆動する信号を発生する手段を設けたことを
特徴とするターボ型流体機械。 - 【請求項4】前記信号発生手段の発生する信号の大きさ
と前記開閉手段の開度との関係を予め記憶した記憶手段
を前記制御装置に設けたことを特徴とする請求項1に記
載のガスタービン装置。 - 【請求項5】圧縮機段とタービン段と燃焼器とを有し、
都市ガスまたは液化天然ガス等の燃料を前記燃焼器に遠
心圧縮機を用いて圧送し燃焼させることにより動力を発
生するガスタービンと、該ガスタービンを制御する制御
装置とを備えたガスタービン装置において、 前記制御装置に起動制御手段と加速制御手段と速度負荷
制御手段と負荷制限手段と排ガス温度制御手段と、該各
々の制御手段から出力される制御信号の中で最小の信号
を選択し出力する選択手段とを設け、該選択手段の出力
に基づいて前記遠心圧縮機に設けた回流回路を流通する
燃料の流量と前記ガスタービンに流入する燃料の流量を
制御する流量制御手段とを設けたことを特徴とするガス
タービン装置。 - 【請求項6】前記制御装置は、前記選択手段の出力と前
記遠心圧縮機の回流手段の流量に対応した関係を予め記
憶した記憶手段を備えたことを特徴とする請求項5に記
載のガスタービン装置。 - 【請求項7】遠心圧縮機が圧送する液化天然ガス又は都
市ガスを燃料とするガスタービン装置の運転方法におい
て、 前記ガスタービン装置に設けられた制御手段に備えられ
た起動制御手段と加速制御手段と速度負荷制御手段と負
荷制限制御手段と排ガス温度制御手段との少なくとも一
つの信号に基づいて燃料制御信号を発生し、該燃料制御
信号に基づいて前記ガスタービン装置へ流入する燃料流
量と前記遠心圧縮機を回流する燃料流量とを制御するガ
スタービン装置の運転方法。 - 【請求項8】前記燃料制御信号を前記ガスタービン装置
の燃料流量制御手段と前記遠心圧縮機の回流流量制御手
段に同期して出力することを特徴とする請求項7に記載
のガスタービン装置の運転方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33493393A JP3658415B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | ガスタービン装置 |
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