(57)【要約】【課題】燃料を加熱する冷却空気の流量を調節する抽気弁の過敏な開度変化を抑制する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機から抽気されてタービンに供給される冷却空気で燃焼器に供給する燃料を加熱する熱交換器と、冷却空気の流量を調整する抽気弁と、燃料状態値を計測する第１センサと、冷却空気状態値を計測する第２センサと、抽気弁の開度を制御する制御コンピュータとを備え、制御コンピュータが、燃料状態値及び冷却空気状態値についてそれぞれ基準値及びこれを包含する不感帯の情報を格納しており、燃料状態値及び冷却空気状態値の少なくとも一方が不感帯を超えて基準値から変動した場合に、変動した検出値を基準値に近付けるように抽気弁を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記圧縮機から抽気されて前記タービンに供給される冷却空気で前記燃焼器に供給する燃料を加熱する熱交換器と、
前記冷却空気の流量を調整する抽気弁と、
前記燃料に関する状態値を計測する第１センサと、
前記冷却空気に関する状態値を計測する第２センサと、
前記抽気弁の開度を制御する制御コンピュータとを備え、
前記制御コンピュータが、前記第１センサ及び前記第２センサの検出値についてそれぞれ設定された基準値及び前記基準値を包含する不感帯の情報を格納しており、前記第１センサ及び前記第２センサの検出値の少なくとも一方が前記不感帯を超えて前記基準値から変動した場合に、前記変動した検出値を前記基準値に近付けるように前記抽気弁を制御するガスタービン。
【請求項２】
請求項１のガスタービンにおいて、前記燃料に関する状態値が、燃料流量、燃料温度、及び前記燃料流量を調整する流量調整弁の開度の少なくとも１つであるガスタービン。
【請求項３】
請求項１のガスタービンにおいて、前記冷却空気に関する状態値が、冷却空気流量、冷却空気温度、及び前記抽気弁の開度の少なくとも１つであるガスタービン。
【請求項４】
空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記燃焼器に供給する燃料を前記圧縮機から抽気した冷却空気と熱交換して加熱する熱交換器と、前記冷却空気の流量を調整する抽気弁とを備えたガスタービンの抽気量調整方法であって、
前記燃料に関する状態値及び前記冷却空気に関する状態値についてそれぞれ基準値及び前記基準値を包含する不感帯の情報を予め決めておき、前記燃料に関する状態値及び前記冷却空気に関する状態値の少なくとも一方が前記不感帯を超えて前記基準値から変動した場合に、前記変動した状態値を前記基準値に近付けるように前記抽気弁を操作するガスタービンの抽気量調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンに関し、特に燃焼器に供給する燃料を圧縮機から抽気した冷却空気と熱交換して加熱するガスタービンとその抽気量調整方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃焼器で燃料と共に燃焼させて高温の作動流体である燃焼ガスを発生させ、燃焼ガスでタービンを駆動するように構成されている。この種のガスタービンには、所望温度の燃焼ガスを発生させるために燃焼器に供給する燃料の所要流量を低減しシステム熱効率の向上を図るために、燃焼器に供給する燃料を圧縮機からの圧縮空気と熱交換して加熱するものがある（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０４７６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば圧縮機から抽気した圧縮空気をタービンの冷却に用いるガスタービンにおいて、タービンに供給される冷却空気と熱交換して燃料を加熱する場合、前述したシステム熱効率向上の効果に加え、冷却空気温度の低下に伴って冷却空気流量も低減可能である。この場合、抽気弁により冷却空気流量を調整可能な構成とし、冷却空気による冷却対象であるタービン高温部の温度に応じて抽気弁を制御することでガスタービン性能をより適正に向上させることができる。
【０００５】
しかし、燃料の性状は必ずしも一定ではなく、この燃料と熱交換した冷却空気の温度も大きく変動することが想定される。こうした冷却空気の温度変化はタービン高温部の温度変化に繋がり、タービン高温部の温度変化に伴って抽気弁開度も時々刻々と変化することとなり、冷却空気流量が不安定になる可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、燃料を加熱する冷却空気の流量を調節する抽気弁の過敏な開度変化を抑制することができるガスタービン及びその抽気量調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記圧縮機から抽気されて前記タービンに供給される冷却空気で前記燃焼器に供給する燃料を加熱する熱交換器と、前記冷却空気の流量を調整する抽気弁と、前記燃料に関する状態値を計測する第１センサと、前記冷却空気に関する状態値を計測する第２センサと、前記抽気弁の開度を制御する制御コンピュータとを備え、前記制御コンピュータが、前記第１センサ及び前記第２センサの検出値についてそれぞれ設定された基準値及び前記基準値を包含する不感帯の情報を格納しており、前記第１センサ及び前記第２センサの検出値の少なくとも一方が前記不感帯を超えて前記基準値から変動した場合に、前記変動した検出値を前記基準値に近付けるように前記抽気弁を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料を加熱する冷却空気の流量を調節する抽気弁の過敏な開度変化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービンの一例の模式図
【図２】本発明の第１実施形態に係るガスタービンの抽気弁の制御手順を表すフローチャート
【図３】本発明の第１実施形態に係るガスタービンにおける抽気弁制御のタイミングを説明するための燃料状態値及び冷却空気状態値の時間変化のモデル図
【図４】本発明の第２実施形態に係るガスタービンの抽気弁の制御手順を表すフローチャート
【図５】本発明の第２実施形態に係るガスタービンにおける抽気弁制御のタイミングを説明するための燃料状態値及び冷却空気状態値の時間変化のモデル図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
−ガスタービン−
図１は本発明の第１実施形態に係るガスタービンの一例の模式図である。本実施形態では、ガスタービン燃焼器を燃焼器と略称する。図１に示したガスタービン１００は、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、負荷機器４、熱交換器５、抽気弁６、第１センサ７，８、第２センサ９，１０及び制御コンピュータ１１を備えている。
【００１２】
圧縮機１は、吸気部を介して吸い込んだ空気Ａを圧縮し、高圧の圧縮空気Ｃを生成して吐出する。燃焼器２は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気Ｃと燃料とを燃焼し、高温の燃焼ガスＨを発生させてタービン３に供給する。タービン３は、燃焼器２で生成された燃焼ガスＨによって駆動される。圧縮機１及びタービン３は同軸に連結され、また圧縮機１又はタービン３には負荷機器４（発電機、或いはポンプ等）が連結される。タービン３で得られる回転動力は、一部が圧縮機１の動力として使用され、一部が負荷機器４の動力として使用される。タービン３を駆動した燃焼ガスＨは、排気ガスＥとしてタービン３から排出される。
【００１３】
熱交換器５は、燃料供給源（不図示）と燃焼器２とを接続する燃料配管（燃料系統）１２の途中に設けられており、燃料配管１２を流れる燃料と抽気配管１３を流れる抽気空気との間で熱交換させる。抽気配管１３は圧縮機１の中間段（出口でも良い）とタービン３の中間段（入口でも良い）とを接続している。圧縮機１から抽気されて抽気配管１３を流れる抽気空気は、燃料配管１２を流れる燃料を加熱するのと引き換えに温度を下げ、タービン３の高温部に冷却空気或いはシール空気として供給される。反対に燃料配管１２を流れる燃料は、燃料配管１２を流れる燃料からの入熱により温度を上げて燃焼器２に供給される。
【００１４】
抽気弁６は冷却空気の流量を調整する弁装置であり、抽気配管１３における熱交換器５とタービン３との間に設けられている。但し、抽気弁６は抽気配管１３の経路上に設けられていれば良く、抽気配管１３における熱交換器５と圧縮機１との間に設けても良い。抽気弁６は制御コンピュータ１１からの信号により駆動され、制御コンピュータ１１により抽気弁６の開度が制御されることで抽気流量が制御される。
【００１５】
第１センサ７，８は燃料に関する状態値を計測するセンサである。燃料に関する状態値とは、例えば燃料流量Ｆｆや燃料温度Ｆｔであり、本実施形態では第１センサ７が温度計であり、第１センサ８が流量計である。第１センサ７，８とも燃料配管１２における熱交換器５と燃焼器２との間に設けられており、熱交換器５で抽気空気と熱交換をした後の燃料に関する状態値を検出する構成を図示してある。但し、第１センサ７，８は燃料配管１２における熱交換器５よりも上流側に設けた構成とすることもできる。なお、本実施形態では燃料流量Ｆｆを計測するのに第１センサ８として流量計を用いた場合を例示したが、例えば燃料配管１２に設けた燃料流量調整弁１４の開度から燃料流量Ｆｆを推定することもできる。燃料流量調整弁１４の開度は、開度計で計測できる他、燃料流量調整弁１４に対する制御コンピュータ１１の指令値でも知ることができる。また、燃料流量Ｆｆや燃料温度Ｔｆ、燃料流量調整弁１４の開度を全て検出する構成とすることもできるが、燃料に関する状態値としてこれら全てを検出する必要は必ずしもなく、これらの値のうち少なくとも１つを検出する構成であれば良い。燃料配管１２に圧力計を設けて燃料の圧力を燃料に関する状態値として測定する構成も考えられる。
【００１６】
第２センサ９，１０は冷却空気（抽気空気）に関する状態値を計測するセンサである。冷却空気に関する状態値とは、例えば冷却空気流量Ｆａや冷却空気温度Ｔａであり、本実施形態では第２センサ９が温度計であり、第２センサ１０が流量計である。第２センサ９，１０とも抽気配管１３における熱交換器５とタービン３との間に設けられており、熱交換器５で燃料と熱交換をした後の冷却空気に関する状態値を検出する構成を図示してある。但し、第２センサ９，１０は抽気配管１３における熱交換器５よりも上流側に設けた構成とすることもできる。なお、本実施形態では冷却空気流量Ｆａを計測するのに第２センサ１０として流量計を用いた場合を例示したが、例えば抽気配管１３に設けた抽気弁６の開度から冷却空気流量Ｆａを推定することもできる。抽気弁６の開度は、開度計で計測できる他、抽気弁６に対する制御コンピュータ１１の指令値でも知ることができる。また、冷却空気流量Ｆａや冷却空気温度Ｔａ、抽気弁６の開度を全て検出する構成とすることもできるが、冷却空気に関する状態値としてこれら全てを検出する必要は必ずしもなく、これらの値のうち少なくとも１つを検出する構成であれば良い。抽気配管１３に圧力計を設けて冷却空気の圧力を冷却空気に関する状態値として測定する構成も考えられる。
【００１７】
制御コンピュータ１１は、抽気弁６の開度を制御する制御装置であり、抽気弁６に限らずガスタービン１００の全体を制御する機能を備えている。制御コンピュータ１１にはメモリやＣＰＵが備わっており、第１センサ７，８及び第２センサ９，１０の検出値についてそれぞれ基準値（図２のａ０，ｂ０）と基準値を包含する不感帯（図２のａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２）の情報がメモリに格納されている。基準値ａ０，ｂ０や不感帯ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２（ａ１＜ａ０＜ａ２，ｂ１＜ｂ０＜ｂ２））の値は、運転条件（例えば部分負荷運転なのか定格運転なのか）毎に設定されていることとする。また、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵにロードし、第１センサ７，８及び第２センサ９，１０の検出値の少なくとも一方が不感帯を超えて基準値から変動した場合に、変動した検出値を基準値に近付けるように抽気弁６を制御する制御を実行する。なお、制御コンピュータ１１は、ガスタービン１００の起動スケジュールや負荷指令に応じて燃料流量調整弁１４を制御する一般的な機能も兼ね備えている。
【００１８】
−抽気弁制御手順−
図２は本発明の第１実施形態に係るガスタービンの抽気弁の制御手順を表すフローチャートである。図３は本発明の第１実施形態に係るガスタービンにおける抽気弁制御のタイミングを説明するための燃料状態値及び冷却空気状態値の時間変化のモデル図である。制御コンピュータ１１は、プログラムをＣＰＵにロードして図２の制御を開始すると第１センサ７，８及び第２センサ９，１０から検出信号を入力し、まず燃料状態値ａが不感帯の範囲内であるかを判定する（ステップＳ１１）。不感帯は燃料状態値ａについて設定した基準値ａ０を含む範囲であって、下限値ａ１以上で上限値ａ２以下の範囲をいう（ａ１＜ａ０＜ａ２）。燃料状態値ａは第１センサ７，８の検出値である。本実施形態では例えば燃料温度Ｔｆ及び燃料流量Ｆｆの双方がそれぞれ設定された不感帯に納まっているかを判定し、少なくとも一方が不感帯を外れていれば燃料状態値ａが不感帯から外れていると判定される。但し、双方の値が不感帯を外れている場合にのみ燃料状態値ａが不感帯から外れていることとすることもできる。
【００１９】
燃料状態値ａが不感帯の範囲内の値である場合、制御コンピュータ１１は、冷却空気状態値ｂが不感帯の範囲内であるかを判定する（ステップＳ１２）。燃料状態値ａの場合と同じく、不感帯は冷却空気状態値ｂについて設定した基準値ｂ０を含む範囲であって、下限値ｂ１以上で上限値ｂ２以下の範囲をいう（ｂ１＜ｂ０＜ｂ２）。冷却空気状態値ｂは第２センサ９，１０の検出値である。本実施形態では例えば冷却空気温度Ｔａ及び冷却空気流量Ｆａの双方がそれぞれ設定された不感帯に納まっているかを判定し、少なくとも一方が不感帯を外れていれば冷却空気状態値ｂが不感帯から外れていると判定される。但し、双方の値が不感帯を外れている場合にのみ冷却空気状態値ｂが不感帯から外れていることとすることもできる。ステップＳ１１，Ｓ１２の順序は逆であっても良い。
【００２０】
ステップＳ１１，Ｓ１２の判定の結果、燃料状態値ａも冷却空気状態値ｂも各不感帯の範囲内の値である場合、制御コンピュータ１１は抽気弁６の開度を現状維持してステップＳ１１に手順を戻す。反対に燃料状態値ａ及び冷却空気状態値ｂの少なくとも一方が対応する不感帯を超えて基準値から変動している場合、制御コンピュータ１１は抽気弁６の開度を変更してステップＳ１１に手順を戻す（ステップＳ１３）。ステップＳ１３では、燃料状態値ａ又は冷却空気状態値ｂのうち不感帯を超えて変動した値が対応する基準値に近付くように、抽気弁６の開度が変更される。例えば燃料温度Ｔｆが不感帯を超えて上昇した場合、抽気弁６の開度を下げ冷却空気流量Ｆａを低下させて燃料温度Ｔｆを低下させる。例えば冷却空気温度Ｔａが不感帯を超えて低下した場合、抽気弁６の開度を上げ冷却空気流量Ｆａを増加させて冷却空気温度Ｔａを上昇させる。
【００２１】
図３の例の場合、時刻ｔ１−ｔ２の間に燃料状態値ａが不感帯を超えて変動している。また、時刻ｔ３−ｔ４の間に冷却空気状態値ｂが、時刻ｔ４−ｔ５の間に燃料状態値ａ及び冷却空気状態値ｂの双方が不感帯を超えて変動している。その後時刻ｔ５で冷却空気状態値ｂが不感帯に復帰し、時刻ｔ５−ｔ６の間は燃料状態値ａのみが不感帯を超えた状態となる。時刻ｔ１以前、時刻ｔ２−ｔ３、時刻ｔ６以降は、燃料状態値ａ及び冷却空気状態値ｂの双方が不感帯の範囲内に納まっている。この場合、時刻ｔ１以前、時刻ｔ２−ｔ３、時刻ｔ６以降は抽気弁６の開度が維持され、時刻ｔ１−ｔ２、時刻ｔ３−ｔ６に抽気弁６の開度が補正制御される。
【００２２】
−効果−
本実施形態によれば、圧縮機１から抽気してタービン３に供給される冷却空気と熱交換して燃料を加熱することで、システム熱効率向上の効果が得られる。また燃料との熱交換によりタービン冷却用の冷却空気温度が低下するので、冷却空気流量も低減可能であり、冷却対象であるタービン高温部の温度に応じて抽気弁６の開度を制御することでガスタービン性能を適正に向上させることができる。
【００２３】
特に本実施形態の場合、燃料状態値ａや冷却空気状態値ｂを基礎として抽気弁６を制御するに当たり、燃料状態値ａ及び冷却空気状態値ｂに不感帯を設けている。これにより、不安定な燃料の性状に起因してタービン高温部の温度変化に振れが生じても抽気弁６の開度が過敏に変化しない。このように抽気弁６の過敏な開度変化を抑制できるので、冷却空気流量の変動を抑制できる。
【００２４】
−抽気流量調整方法−
燃料状態値及び冷却空気状態値についてそれぞれ基準値とこれを包含する不感帯の情報を予め決めておき、燃料状態値及び冷却空気状態値の少なくとも一方が不感帯を超えて基準値から変動した場合に、変動した状態値を基準値に近付けるように抽気弁を操作する。この方法を採ることにより、上記の通り燃料を加熱する冷却空気の流量を調節する抽気弁の過敏な開度変化を抑制することができる。第１実施形態（後述する第２実施形態も同様）では、これを制御コンピュータ１１により実行する構成としたが、燃料状態値や冷却空気状態値さえモニタできれば、例えば制御室でオペレータが抽気弁６を手動操作することでも同様の効果が得られる。この場合、図２に示した制御コンピュータ１１による抽気弁制御機能は必ずしも必要ない。
【００２５】
（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態に係るガスタービンの抽気弁の制御手順を表すフローチャートである。図５は本発明の第２実施形態に係るガスタービンにおける抽気弁制御のタイミングを説明するための燃料状態値及び冷却空気状態値の時間変化のモデル図である。図４及び図５は図２及び図３に対応している。本実施形態が第１実施形態と相違する点は、燃料状態値ａと冷却空気状態値ｂの双方が不感帯から外れた場合にのみ抽気弁６の開度変更の制御が実行される点であり、ハード構成は第１実施形態と同様である。
【００２６】
制御コンピュータ１１は、プログラムをＣＰＵにロードして図４の制御を開始すると第１センサ７，８及び第２センサ９，１０から検出信号を入力し、まず燃料状態値ａが不感帯の範囲内であるかを判定する（ステップＳ２１）。燃料状態値ａが不感帯の範囲内の値である場合、制御コンピュータ１１は、冷却空気状態値ｂが不感帯の範囲内であるかを判定する（ステップＳ２２）。ステップＳ２１，Ｓ２２の判定の結果、燃料状態値ａ及び冷却空気状態値ｂの少なくとも一方が各不感帯の範囲内の値である場合、制御コンピュータ１１は抽気弁６の開度を現状維持してステップＳ２１に手順を戻す。反対に燃料状態値ａ及び冷却空気状態値ｂの双方が対応する不感帯を超えて基準値から変動している場合、制御コンピュータ１１は抽気弁６の開度を変更してステップＳ２１に手順を戻す（ステップＳ２３）。ステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の個々の処理内容は図２のステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３の処理内容と同様である。
【００２７】
図３の例と同様、図５の例の場合、時刻ｔ１−ｔ２の間に燃料状態値ａが不感帯を超えて変動している。また、時刻ｔ３−ｔ４の間に冷却空気状態値ｂが、時刻ｔ４−ｔ５の間に燃料状態値ａ及び冷却空気状態値ｂの双方が不感帯を超えて変動している。その後時刻ｔ５で冷却空気状態値ｂが不感帯に復帰し、時刻ｔ５−ｔ６の間は燃料状態値ａのみが不感帯を超えた状態となる。時刻ｔ１以前、時刻ｔ２−ｔ３、時刻ｔ６以降は、燃料状態値ａ及び冷却空気状態値ｂの双方が不感帯の範囲内に納まっている。この場合、時刻ｔ４以前、時刻ｔ５以降は抽気弁６の開度が維持され、時刻ｔ４−ｔ５に抽気弁６の開度が補正制御される。
【００２８】
本実施形態においても第１実施形態と同様の効果が得られる。また、燃料状態値ａと冷却空気状態値ｂの双方が不感帯を超えた場合にのみ抽気弁６の開度が変更されるので、抽気弁の開度変化は第１実施形態と比較しても抑えられる。第１実施形態及び第２実施形態は適宜選択して採用することができる。
【００２９】
（変形例）
図１では単軸のガスタービンを本発明の適用対象として例示したが、他のタイプのガスタービンに本発明を適用した場合にも同様の効果を得ることができる。例えば、圧縮機に連結された高圧タービン、及び高圧タービンと分離されて負荷機器に連結された低圧タービンを有する二軸ガスタービンにも本発明は適用可能であり、同様の効果を得ることができる。また、例えば第１実施形態の制御態様と第２実施形態の制御態様をそれぞれ第１モード及び第２モードとして、抽気弁６の制御モードが例えばスイッチ操作によって手動で切り換えられるようにすることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、５…熱交換器、６…抽気弁、７，８…第１センサ、９，１０…第２センサ、１１…制御コンピュータ、１００…ガスタービン、ａ０，ｂ０…基準値、ａ１，ｂ１…下限値（不感帯）、ａ２，ｂ２…上限値（不感帯）、Ａ…空気、Ｃ…圧縮空気、Ｈ…燃焼ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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