(57)【要約】【課題】  本発明は、蒸気噴射量や気温（圧縮機吸気温度）、入口案内翼開度の変化がもたらす圧縮機の信頼性低下を抑制可能なガスタービンを提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、気温と前記入口案内翼の開度と前記蒸気噴射量とを指標とする蒸気噴射量の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記蒸気噴射量、又は前記入口案内翼の開度の少なくとも一つを制御する制御装置とを備えたこと特徴とする。また、上記ガスタービンにおいて蒸気噴射量の代わりに圧力比を監視する機構を備え、各大気温度条件と圧力比と入口案内翼開度における翼負荷またはサージマージンが一定量を超えないための制限値をあらかじめ設定しておき、入口案内翼開度または蒸気噴射量を制限または制御することも可能である。【選択図】  図４
2014098374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機より吐出された圧縮空気を取り込み燃料と混合して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を備えたガスタービンであって、
前記圧縮機入口付近の段に設けられ、取付角度を変化させることで圧縮機流量を調整する入口案内翼と、
前記燃焼器に蒸気噴射する蒸気噴射機構と、前記蒸気噴射量を調整する蒸気調整弁および前記蒸気調整弁開度を調整する蒸気量制御機構と、
前記燃焼器へ噴射される蒸気量を監視する蒸気監視機構と、
大気温度を監視する気温監視機構と、
気温と前記入口案内翼の開度と前記蒸気噴射量とを指標とする蒸気噴射量の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記蒸気噴射量、又は前記入口案内翼の開度の少なくとも一つを制御する制御装置とを備えたこと特徴とするガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記制御装置が、気温と前記蒸気噴射量と目標出力を入力値とし、運転条件が前記制限値以下となるように前記入口案内翼の開度を制御する制御装置であることを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記制御装置が、気温と前記入口案内翼開度と目標出力を入力値とし、運転条件が前記制限値以下となるように前記蒸気噴射量を制御する制御装置であることを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記燃焼器の燃焼温度を監視する燃焼温度監視機構と、
前記燃焼器に注入する燃料を調整する燃料調整機構とを備え、
前記制御装置が、気温と前記入口案内翼の開度と前記蒸気噴射量と前記燃焼温度とを指標とする蒸気噴射量の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記入口案内翼の開度、前記蒸気噴射量、又は前記燃焼温度の少なくとも一つを制御する制御装置であることを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機より吐出された圧縮空気を取り込み燃料と混合して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を備えたガスタービンであって、
前記圧縮機入口付近の段に設けられ、取付角度を変化させることで圧縮機流量を調整する入口案内翼と、
前記燃焼器に蒸気噴射する蒸気噴射機構と、前記蒸気噴射量を調整する蒸気調整弁および前記蒸気調整弁開度を調整する蒸気量制御機構と、
前記燃焼器へ噴射される蒸気量を監視する蒸気監視機構と、
前記圧縮機より吐出された圧縮空気の圧力を計測する圧力比監視機構と、
大気温度を監視する気温監視機構を備え、
前記圧縮機の翼負荷が過剰とならないために設定された、前記入口案内翼の開度と気温とを指標とする前記圧力比の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記蒸気噴射量、又は前記入口案内翼の開度の少なくとも一つを制御する制御装置とを備えたこと特徴とするガスタービン。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のガスタービンにおいて、
前記圧縮機入口に圧縮機流入気体の温度を調整する機構を持つことを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
請求項１〜５の何れか一項に記載のガスタービンにおいて、
前記ガスタービン排気の排熱を回収する排熱ボイラと、
前記排熱ボイラより生成された飽和蒸気の一部を、蒸気を利用する機器へ送る配管系統と、
前記排熱ボイラより生成された飽和蒸気の残りを燃焼器へ注入することを特徴とするガスタービン。
【請求項８】
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機より吐出された圧縮空気を取り込み燃料と混合して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、前記圧縮機入口付近の段に設けられ、取付角度を変化させることで圧縮機流量を調整する入口案内翼と、前記燃焼器に蒸気噴射する蒸気噴射機構とを備えたガスタービンの運転方法であって、
気温と前記入口案内翼の開度と前記蒸気噴射量とを指標とする蒸気噴射量の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記蒸気噴射量、又は前記入口案内翼の開度の少なくとも一つを制御すること特徴とするガスタービンの運転方法。
【請求項９】
請求項８に記載のガスタービンの運転方法であって、
気温と前記入口案内翼の開度と前記蒸気噴射量と前記燃焼温度とを指標とする蒸気噴射量の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記入口案内翼の開度、前記蒸気噴射量、又は前記燃焼温度の少なくとも一つを制御することを特徴とするガスタービンの運転方法。
【請求項１０】
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機より吐出された圧縮空気を取り込み燃料と混合して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、前記圧縮機入口付近の段に設けられ、取付角度を変化させることで圧縮機流量を調整する入口案内翼と、前記燃焼器に蒸気噴射する蒸気噴射機構とを備えたガスタービンの運転方法であって、
前記圧縮機の翼負荷が過剰とならないために設定された、前記入口案内翼の開度と気温とを指標とする前記圧力比の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記蒸気噴射量、又は前記入口案内翼の開度の少なくとも一つを制御することを特徴とするガスタービンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼器に蒸気または不活性ガスを噴射させる蒸気または不活性ガス噴射型ガスタービン及びその制御方法に係り、特にガスタービン圧縮機の運転方法の制御に関わる。
【背景技術】
【０００２】
発電用ガスタービンの高効率化・高出力化において、燃焼器の燃焼温度は高温化が必要となるが，その一方で燃焼温度の上昇に伴いNOxの発生量は指数関数的に上昇する。NOxは拡散火炎により局所的に温度の高い部位で発生するため、蒸気を燃焼器内に噴射することにより燃焼器内高温部の燃焼温度を低下させてNOxを低減させる手法が広く用いられている。また、燃焼器に蒸気を噴射することで燃焼器内の燃焼温度が低下するため、より多くの燃料を投入してガスタービン出力を増加させることも可能である。
【０００３】
上記のように、ガスタービン燃焼器に蒸気噴射することでガスタービン排気ガスのNOx低減およびガスタービン出力向上の効果があるが、一方で燃焼器に高圧の蒸気を噴射することによりガスタービン圧縮機の圧力比は上昇し、軸流速度が低下する。このため圧縮機翼の段あたりの圧力比が上昇し、圧縮機翼負荷が上昇してサージング等の不安定現象が生じる危険性がある等、圧縮機信頼性低下が問題となる。
【０００４】
また、蒸気または不活性ガスを噴射されたガスタービンでは周囲環境温度の変化によっても圧力比は変化する。例えば低気温時には大気の密度が高気温時と比較して高くなっているため圧縮機内の質量流量が増加し、高気温時と比較して圧力比は上昇する。そのため同様に、圧縮機信頼性低下が問題となる。
【０００５】
ガスタービンの軸流圧縮機では一般に圧縮機の空気流量調整機構として入口案内翼が取り付けられている。入口案内翼とは圧縮機の入口付近の一段または複数段の静翼において翼の取付角度を能動的に制御可能とした翼であり、入口案内翼の角度を調整することで圧縮機内の流量および圧力比の調整が可能である。入口案内翼の調整によって圧縮機の流量を低下させると圧力比は低下するが、圧縮機内の軸流速度が低下する。このため圧縮機の段によっては翼負荷が上昇してサージング等の不安定現象が生じる危険性が増す場合がある。
【０００６】
上記のように燃焼機に蒸気噴射されたガスタービンでは大気温度条件に対して入口案内翼開度と蒸気噴射量が適切でないと、圧縮機信頼性が著しく低下する危険性がある。蒸気噴射量に対する案内翼開度を制御する方法として、特許文献１には、圧力比を一定に保つために蒸気噴射量の増減に応じて案内翼開度を開閉する方法が記載されている。また、特許文献２には、大気温度および大気湿度に伴って圧縮機翼信頼性を確保するために案内翼開度を制限する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１２５９８４
【特許文献２】特開２０１１−３２８６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の方法では、蒸気噴射量の上昇に応じて入口案内翼開度を閉じて圧縮機流量を減少させることで圧縮機翼の負荷はさらに上昇するため、サージング等の不安定現象が生じる危険性は回避されない。
【０００９】
また、特許文献２に記載の方法は大気中の湿分の凝縮または氷結による圧縮機翼への影響を回避する手法であり、燃焼器への蒸気噴射による圧縮機翼負荷への影響は考慮されていない。
【００１０】
そこで本発明は、蒸気噴射量や気温（圧縮機吸気温度）、入口案内翼開度の変化がもたらす圧縮機の信頼性低下を抑制可能なガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機より吐出された圧縮空気を取り込み燃料と混合して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を備えたガスタービンであって、前記圧縮機入口付近の段に設けられ、取付角度を変化させることで圧縮機流量を調整する入口案内翼と、前記燃焼器に蒸気噴射する蒸気噴射機構と、前記蒸気噴射量を調整する蒸気調整弁および前記蒸気調整弁開度を調整する蒸気量制御機構と、前記燃焼器へ噴射される蒸気量を監視する蒸気監視機構と、大気温度を監視する気温監視機構と、気温と前記入口案内翼の開度と前記蒸気噴射量とを指標とする蒸気噴射量の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記蒸気噴射量、又は前記入口案内翼の開度の少なくとも一つを制御する制御装置とを備えたこと特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、蒸気噴射量や気温（圧縮機吸気温度）、入口案内翼開度の変化がもたらす圧縮機の信頼性低下を抑制可能なガスタービンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例における燃焼器に蒸気噴射されたガスタービンの概要図。
【図２】蒸気噴射型燃焼器の概要図。
【図３】蒸気噴射されたガスタービンの第一の制御方法の概要図。
【図４】第一ないし第二の制御方法における蒸気噴射量制限値マップの概要図。
【図５】第一の制御方法を適用した運転例を示す概要図。
【図６】蒸気噴射されたガスタービンの第二の制御方法の概要図。
【図７】第二の制御方法を適用した運転例を示す概要図。
【図８】蒸気噴射されたガスタービンの第三の制御方法の概要図。
【図９】第三の制御方法における蒸気噴射量制限値マップの概要図。
【図１０】本発明の実施例において圧縮機流入温度を調整する機構を備えた、燃焼器に蒸気噴射されたガスタービンの概要図。
【図１１】本発明の実施例においてコジェネレーションシステムを有した、燃焼器に蒸気噴射されたガスタービンの概要図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
燃焼器に蒸気噴射されたガスタービンでは蒸気噴射量の上昇により圧縮機の圧力比が上昇するため、圧縮機翼段あたりの負荷が上昇する。これにより、サージング等の不安定現象が生じる危険性が高まり、圧縮機の信頼性が低下するという問題がある。また、翼負荷は気温によっても変化し、低気温時には圧縮機の圧力比が上昇するため、圧縮機翼段あたりの負荷が上昇する。そのため、サージング等の不安定現象が生じる危険性が高まり、圧縮機信頼性が低下するという問題がある。また、圧縮機の入口案内翼開度が変化することで圧縮機内の軸流速度が変化して翼負荷が変化する。そのため、入口案内翼開度の変化によってサージング等の不安定現象が生じる危険性が高まり、圧縮機信頼性が低下するという問題がある。
【００１５】
以下で説明する本発明の実施例は、燃焼器に蒸気噴射されたガスタービンにおいて、大気温度の監視機構と蒸気噴射量監視機構および圧縮機の前側段において静翼の取付角度を調整して圧縮機の流入空気量を調整する入口案内翼と蒸気噴射量を制御する機構を備え、各大気温度条件と蒸気噴射量と入口案内翼開度における翼負荷またはサージマージンが一定量を超えないための制限値をあらかじめ設定しておき、入口案内翼開度または蒸気噴射量を制限または制御すること等を特徴とする。また、上記ガスタービンにおいて蒸気噴射量の代わりに圧力比を監視する機構を備え、各大気温度条件と圧力比と入口案内翼開度における翼負荷またはサージマージンが一定量を超えないための制限値をあらかじめ設定しておき、入口案内翼開度または蒸気噴射量を制限または制御することも可能である。
【００１６】
そして、燃焼器に蒸気噴射されたガスタービンにおいて、各大気温度条件と蒸気噴射量と入口案内翼開度における圧縮機の翼負荷またはサージマージンが一定量を超えないための制限値をあらかじめ設定しておき、入口案内翼開度または蒸気噴射量を制限または制御することで、ガスタービンの圧縮機の安全性を確保することのできる運転条件が明確となり、圧縮機の信頼性が向上する。
【００１７】
また、各大気温度において蒸気噴射量と入口案内翼開度を圧縮機の翼負荷またはサージマージンが一定量を超えないための制限値をあらかじめ明確にしておくことで、圧縮機の安全性を確保するための蒸気噴射量と入口案内翼開度の自動制御が可能となる。また、本制限値は大気温度も考慮した制限値であるため大気温度寒冷地から温暖な地域まで共通の指標で制御することができ、運用地域ごとに運転条件を検討する必要がなくなり、開発の効率が向上する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実形態に係る蒸気噴射型ガスタービンを用いて構成したガスタービン設備を示す概略構成図である。実施例１のガスタービンは、ロータ５と、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機入口付近の段に設けられた入口案内翼６および入口案内翼６開度を監視する入口案内翼開度監視機構２１と入口案内翼６開度を調整する入口案内翼調整機構２２と、圧縮空気を取り込み燃料と混合して燃焼させる燃焼器２と、燃焼エネルギをロータ５の駆動力に変換するタービン３と、ロータ５の回転駆動力を電気に変換する発電機４と、燃焼器２に蒸気を供給する蒸気供給系統７と、蒸気噴射量を調整する調圧弁９および調圧弁９を調整する蒸気量調整機構８と、燃焼器２へ噴射される蒸気量を監視する蒸気監視機構２３と、大気温度を監視する気温監視機構２４を備える。
【００１９】
本実施例のガスタービンでは、圧縮機１より大気中の空気を取り込んで圧縮し、圧縮空気を燃焼器２において燃料と混合して燃焼させて高温高圧ガスを生成させ、タービン３の動翼が高温高圧ガスを受けてロータ５の回転動力に変換し、回転動力を発電機４より電気エネルギに変換する。また、圧縮機１前側段の一段または複数段の静翼には、取付角度を調節する機構が設けられている。このような機構を設けた静翼を入口案内翼６と呼ぶが、この入口案内翼６の取付角度を調節することにより、圧縮機１への流入空気量を、ガスタービンが好適に運転するよう調節する。燃焼器２に蒸気噴射されたガスタービンでは、蒸気供給系統７より高圧蒸気を供給し、調圧弁９により燃焼器２の車室１１圧力よりも高い蒸気圧まで減圧したのちに、蒸気導入路１０を通って燃焼器２に噴射される。
【００２０】
ここで燃焼器２に蒸気噴射されたガスタービンの燃焼器２の構成について図２を用いて説明する。蒸気噴射型ガスタービンの燃焼器２は車室１１、燃焼室１２、燃料ノズル１３および蒸気ノズル１４より構成される。圧縮機１で圧縮された圧縮機空気１５は環状の車室１１に流入し、一部は燃焼室１２の周壁の下流側に設けられた希釈孔１６から燃焼室１２内に流入し、残りは車室１１内で燃料ノズル１３の近接位置に取付られた蒸気ノズル１４より噴射された蒸気１９と混合され温度が低下される。
【００２１】
車室１１内で蒸気と混合された圧縮空気はスワーラ１７により旋回流とされたのちに燃焼室１２内に流入する。スワーラ１７より燃焼室１２内に流入した蒸気と混合された圧縮空気は燃料ノズル１３から噴射された燃料１８と混合されて燃焼し、燃焼ガスが蒸気とともにタービン３に送られる。上述のように、蒸気噴射された燃焼器２では圧縮空気１５が蒸気１９と混合されることにより温度が低下されるため、燃焼温度が低下し、ＮＯｘが低減する。また燃焼温度の低下により、より多くの燃料１８を投入することができるため、ガスタービンの出力を増加させることができる。
【００２２】
蒸気噴射された燃焼器２では、燃焼器内で蒸気１９と圧縮機１からの圧縮空気からなる圧縮流体の量が多くなる。その結果、圧縮流体を燃焼器２で燃焼させた後の燃焼ガス２０が円滑にタービン側へ流出しなくなることから、圧縮機１の背圧である車室１１内の圧力が上昇する、すなわち圧縮機１の圧力比が上昇する。したがって圧縮機１の翼の段あたりの圧力比も上昇し、翼負荷は上昇する。
【００２３】
一方、入口案内翼６を閉じると、圧縮機１の段によっては翼負荷が上昇する場合がある。また、周囲環境温度の変化によっても圧力比は上昇する。例えば低気温時には大気の密度が高気温時と比較して高くなっているため圧縮機１内の質量流量が増加し、高気温時と比較して圧力比は上昇する。このように圧縮機の安全性の観点からみれば、入口案内翼６開度が閉じ、燃焼器２への蒸気噴射量が上昇し、大気温度が低下するほど圧縮機１は過酷な条件となる。
【００２４】
本実施例の制御装置４６で行うガスタービン運転制御システムを図３に示す。気温監視機構２４により大気温度を検出し、大気温度、出力目標値および投入したい蒸気噴射量を入力値として適切な入口案内翼６開度を算出する。ここで、本実施例のガスタービン運用システムでは後述するあらかじめ設定した運転制限値マップと比較し、算出された入口案内翼６の開度が制限値を満足するかを判定する。
【００２５】
算出された入口案内翼６開度が運転不可と判定された場合、蒸気噴射量または出力目標値を修正しなければならないが、通常はまず蒸気噴射量を低減する。蒸気噴射量を限界まで低減させても運転条件が制限値以下とならない場合は出力目標値が不適切な可能性があるため、このような範囲での運転が行われないようガスタービン設計および運用システムの構築を行う必要がある。蒸気噴射量の最小値とは、例えばＮＯｘ低減のために最低限必要な蒸気噴射量である。
【００２６】
あらかじめ設定される蒸気噴射量および入口案内翼６開度の制限値は例えば図４のようになる。図４は気温を横軸にとり、縦軸に蒸気噴射量をとった制限値マップ３９であり、図４のライン３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄおよび３６ｅは各入口案内翼開度ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅにおける蒸気噴射量の制限値である。例えば入口案内翼開度がａの場合、ライン３６ａの右下の領域が運転可能範囲３７ａであり、ライン３６ａの左上が運転不可範囲３８ａである。入口案内翼開度がｂ、ｃ、ｄまたはｅのときも同様に、それぞれライン３６ｂ、３６ｃ、３６ｄおよび３６ｅの右下の範囲が運転可能範囲３７ｂ、３７ｃ、３７ｄおよび３７ｅ（図示しない）、左上の範囲が運転不可範囲３８ｂ、３８ｃ、３８ｄおよび３８ｅ（図示しない）となる。
【００２７】
入口案内翼６開度が開くほど圧縮機１の全段における翼負荷の最大値が低下する圧縮機１においては、図４の制限値マップ３９のように入口案内翼６開度が開くほど蒸気噴射量の制限値は上昇する。ただし、図４では入口案内翼６開度が開くほど全段における翼負荷の最大値が低下する圧縮機１の制限値マップ３９を例に示したが、この傾向が逆になる場合も考えられる。
【００２８】
本実施形態のガスタービンの運用例について、図５を用いて説明する。本実施例のガスタービンでは、気温監視機構２４により測定された気温、および投入したい蒸気噴射量により運転条件が制限値マップ３９上にプロットされる。ここでは気温および投入した蒸気噴射量が運転条件４０ａである場合を例に説明する。次に入口案内翼６開度は、気温、蒸気噴射量および出力目標値により算出される。入口案内翼６開度によって制限値は決定され、例えば入口案内翼開度がｆであり、このときの制限値がライン３６ｆとすると、運転可能な範囲は運転可能範囲３７ｆ、運転不可能な範囲は運転不可範囲３８ｆとわかる。本例では運転条件４０ａは運転可能範囲３７ｆ内にあるため、運転可能であると判断される。
【００２９】
一方、入口案内翼６開度がｆより小さい場合には蒸気噴射量の制限値は制限値ライン３６ｆよりも右下に移動し、例えば制限値ライン３７ｇとなるため、運転可能範囲は運転可能範囲３７ｇ、運転不可能な範囲は運転不可範囲３８ｇとなる。本例では運転条件４０ａは運転不可範囲３８ｇにあるため、入口案内翼６開度のみで目標の出力を達成することは不可能であり、蒸気噴射量を例えば４０ｂまで低減させる必要がある。
【００３０】
実施例１の運用方法は、はじめに投入したい蒸気噴射量を決定する方法であるため、例えばＮＯｘ低減のために蒸気噴射量が決定している場合や、別システムにおいて蒸気が生成され、供給される蒸気量がガスタービンの運用とは無関係に決定している運用系において有効である。即ち、気温と蒸気噴射量と目標出力を入力値とし、運転条件が制限値以下となるように入口案内翼の開度を制御することにより、蒸気噴射量の制御が困難な場合等にも圧縮機の信頼性低下を抑制することが可能である。
【００３１】
本実施例における運転制御方法では、燃焼器２に蒸気噴射されたガスタービンにおいて、各大気温度条件と蒸気噴射量と入口案内翼６開度における圧縮機１の翼負荷が一定量を超えないための制限値をあらかじめ設定しておき、入口案内翼６開度または蒸気噴射量を制限することで、ガスタービンの圧縮機１の安全性を確保することのできる運転条件が明確となり、圧縮機１の信頼性が向上する。
【００３２】
また、各大気温度において蒸気噴射量と入口案内翼６開度を圧縮機１の翼負荷が一定量を超えないための制限値をあらかじめ明確にしておくことで、圧縮機１の安全性を確保するための蒸気噴射量と入口案内翼６開度の自動制御が可能となる。また、本制限値は大気温度も考慮した制限値であるため大気温度寒冷地から温暖な地域まで共通の指標で制御することができ、運用地域ごとに運転条件を検討する必要がなくなり、開発の効率が向上する。
【００３３】
なお、本実施例ではあらかじめ設定した運転制限値マップとして横軸に気温、縦軸に蒸気噴射量をとり、入口案内翼開度毎に蒸気噴射量の制限値ライン３６を引いた制限値マップ３９を使用した運転方法を示したが、蒸気噴射量ではなく圧力比の制限値を設定し、圧力比が制限値以下となるよう監視する運転方法とすることもできる。この場合翼負荷に直接関わる圧力比を監視することができるため、圧縮機の信頼性は向上する。
【実施例２】
【００３４】
本発明の第二の実施形態について図１および図６を用いて説明する。実施例２のガスタービンは、図１に示すようにロータ５と、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機入口付近の段に設けられた入口案内翼６および入口案内翼開度を監視する入口案内翼開度監視機構２１と入口案内翼開度を調整する入口案内翼開度調整機構２２と、圧縮空気を取り込み燃料１８と混合して燃焼させる燃焼器２と、燃焼エネルギをロータ５の駆動力に変換するタービン３と、ロータ５の回転駆動力を電気に変換する発電機４と、燃焼器２に蒸気を供給する蒸気供給系統７と、蒸気噴射量を調整する調圧弁９および調圧弁９開度を調整する蒸気量調整機構８と、燃焼器２へ噴射される蒸気量を監視する蒸気監視機構２３と、大気温度を監視する気温監視機構２４を備える。
【００３５】
本実施例の制御装置４６で行うガスタービン運転制御システムを図６に示す。気温監視機構２４により大気温度を検出し、大気温度、出力目標値および入口案内翼６開度を入力値として適切な蒸気噴射量を算出する。実施例２のガスタービン運用システムではあらかじめ設定した制限値マップ３９と比較し、算出された入口案内翼６の開度が制限値を満足するかを判定する。算出された蒸気噴射量で運転不可と判定された場合、入口案内翼６開度または出力目標値を修正しなければならないが、通常はまず入口案内翼６開度を変更する。
【００３６】
入口案内翼６開度が開くほど蒸気噴射量の制限値が上昇する圧縮機１の場合は、入口案内翼６を開くことで翼信頼性が向上し、かつ出力が向上する。入口案内翼６を最大まで開いても運転条件が制限値以下とならない場合は出力目標値が不適切な可能性があるため、このような範囲での運転が行われないようガスタービン設計および運用システムの構築を行う必要がある。
【００３７】
実施例２のガスタービンの運用例を図７を用いて説明する。実施例２のガスタービンでは、気温監視機構２４により測定された環境温度およびはじめに決定した入口案内翼６開度を制限値マップ３９と比較することで、注入可能な蒸気噴射量の制限値が算出される。例えば入口案内翼６開度がｈの場合に、蒸気噴射量の制限値は制限値ライン３６ｈとなるとすると、制限値ライン３６ｈの右下の範囲が運転可能範囲３７ｈ、左上の範囲が運転不可範囲３８ｊとなる。
【００３８】
次に蒸気噴射量は、気温、入口案内翼６開度および出力目標値により算出され、蒸気噴射量と気温の関係により決定する運転条件を制限値マップ３９上にプロットする。ここで運転条件が例えば運転条件４１ａであったとすると、運転条件４１ａは運転可能範囲３７ｈ内であるため、運転が可能であると判断される。入口案内翼６開度ｈのまま出力を上昇させ、出力上昇分を蒸気噴射量で調整する場合、出力上昇のために投入できる蒸気噴射量の上限値は運転条件が制限ライン３６ｈ上となる運転条件４１ｂの蒸気噴射量である。運転条件ｂ、入口案内翼６開度ｈの状態よりも出力を上昇させたい場合には蒸気噴射量のみで出力目標値を達成することは不可能であるため、入口案内翼６開度を例えばｉまで上昇させ、蒸気噴射量の制限値を制限値ライン３６ｉまで上昇させる。このとき入口案内翼６開度が開くことにより出力は向上し、さらに蒸気噴射量は４１ｃまで上昇させることができるため、より出力を上昇させることができる。
【００３９】
本実施例のガスタービンにおいて入口案内翼６開度の最大値がｊであり、このときの制限値ラインが３６ｊであるとき、蒸気噴射量を運転条件４２ｄとしたときが本システムでその気温において取り出せる最大の出力であるため、ガスタービン設計および運用システム構築の段階で本条件よりも大きな出力を取り出すことのないよう事前に検討しておくことが望ましい。
【００４０】
実施例２では入口案内翼６開度を開くほど翼負荷が低下する圧縮機１を例に説明したが、入口案内翼６開度を閉じるほど翼負荷が低下する圧縮機でも同様の方法で制御可能である。ただしこの場合入口案内翼６開度を閉じるほど蒸気噴射量をより多く投入できるが、入口案内翼６開度を閉じて蒸気噴射量を増加させた方が出力が向上するのか、蒸気噴射量を低下させて入口案内翼６開度を開いた方が出力が向上するのかは別個に検討が必要である。
【００４１】
実施例２の運用方法は、はじめに入口案内翼６開度を決定する制御方法であるため、入口案内翼６開度を最大に開いてガスタービンを運転し、出力不足となった場合に付加的に蒸気噴射量で出力を調整する運用系において有効である。即ち、気温と前記入口案内翼開度と目標出力を入力値とし、運転条件が前記制限値以下となるように前記蒸気噴射量を制御することにより、特に蒸気噴射量で出力を調整するような運用系において、圧縮機の信頼性低下を抑制する事ができる。
【００４２】
実施例２における運転制御方法では、燃焼器に蒸気噴射されたガスタービンにおいて、各大気温度条件と蒸気噴射量と入口案内翼６開度における圧縮機１の翼負荷が一定量を超えないための制限値をあらかじめ設定しておき、入口案内翼６開度または蒸気噴射量を制限することで、ガスタービンの圧縮機１の安全性を確保することのできる運転条件が明確となり、圧縮機１の信頼性が向上する。
【００４３】
また、各大気温度において蒸気噴射量と入口案内翼６開度を圧縮機１の翼負荷が一定量を超えないための制限値をあらかじめ明確にしておくことで、圧縮機１の安全性を確保するための蒸気噴射量と入口案内翼６開度の自動制御が可能となる。また、本制限値は大気温度も考慮した制限値であるため大気温度寒冷地から温暖な地域まで共通の指標で制御することができ、運用地域ごとに運転条件を検討する必要がなくなり、開発の効率が向上する。
【００４４】
なお、本実施例ではあらかじめ設定した運転制限値マップとして横軸に気温、縦軸に蒸気噴射量をとり、入口案内翼開度毎に蒸気噴射量の制限値ライン３６を引いた制限値マップ３９を使用した運転方法を示したが、蒸気噴射量ではなく圧力比の制限値を設定し、圧力比が制限値以下となるよう監視する運転方法とすることもできる。この場合翼負荷に直接関わる圧力比を監視することができるため、圧縮機の信頼性は向上する。
【実施例３】
【００４５】
本発明の第三の実施形態について説明する。実施例３のガスタービンは、ロータ５と、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１入口付近の段に設けられた入口案内翼６および入口案内翼６開度を監視する入口案内翼開度監視機構２１と入口案内翼開度を調整する入口案内翼開度調整機構２２と、圧縮空気を取り込み燃料１８と混合して燃焼させる燃焼器２と燃料を調整する燃料調整機構２５と、燃焼温度を監視する燃焼温度監視機構２６と、燃焼エネルギをロータ５の駆動力に変換するタービン３と、ロータ５の回転駆動力を電気に変換する発電機４と、燃焼器２に蒸気を供給する蒸気供給系統７と、蒸気噴射量を調整する調圧弁９および蒸気調整弁９開度を調整する蒸気量調整機構８と、燃焼器へ噴射される蒸気量を監視する蒸気監視機構２３と、大気温度を監視する気温監視機構２４を備える。
【００４６】
実施例３のガスタービン運転制御システムを図８に示す。気温監視機構２４により大気温度を検出し、大気温度、出力目標値、燃焼温度および入口案内翼６開度を入力値として適切な蒸気噴射量を算出する。ここで、実施例３のガスタービン運用システムでは後述するあらかじめ設定した運転制限値マップと比較し、算出された蒸気噴射量が制限値を満足するかを判定する。
【００４７】
算出された蒸気噴射量で運転不可と判定された場合、入口案内翼６開度、燃焼温度または出力目標値を修正しなければならないが、通常はまず入口案内翼６開度または燃焼温度を変更する。蒸気噴射量を限界まで低減させても運転条件が制限値以下とならない場合は出力目標値が不適切な可能性があるため、このような範囲での運転が行われないようガスタービン設計および運用システムの構築を行う必要がある。蒸気噴射量の最小値とは、例えばＮＯｘ低減のために最低限必要な蒸気噴射量である。
【００４８】
あらかじめ設定される蒸気噴射量、燃焼温度および入口案内翼６開度の制限値は例えば図９のようになる。図９は横軸を気温、縦軸を蒸気噴射量とした蒸気噴射量の制限値マップ４５である。制限値マップ４５において、制限値ライン４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄおよび４２ｅはそれぞれ入口案内翼開度と燃焼温度の組合わせａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅにおける蒸気噴射量の制限値を示している。
【００４９】
例えば入口案内翼開度と燃焼温度の組合わせがａの場合、ライン４２ａの右下の領域が運転可能範囲４３ａであり、ライン４２ａの左上が運転不可半い４４ａである。入口案内翼開度と燃焼温度の組合わせがｂ、ｃ、ｄ、またはｅのときも同様に、それぞれ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄおよび４２ｅの右下範囲が運転可能範囲４３ｂ、４３ｃ、４３ｄおよび４３ｅ（図示しない）、左上の範囲が運転不可範囲運転不可範囲４４ｂ、４４ｃ、４４ｄおよび４４ｅとなる。
【００５０】
入口案内翼６開度が開くほど圧縮機１の全段における翼負荷の最大値が低下する圧縮機１においては、図９の制限値マップ４５のように入口案内翼６開度が開くほど蒸気噴射量の制限値は上昇する。ただし、図９では入口案内翼６開度が開くほど全段における翼負荷の最大値が低下する圧縮機１の制限値マップ４５を例に示したが、この傾向が逆になる場合も考えられる。また、燃焼温度が低下するほど翼負荷は低下するため、蒸気噴射量の制限値ライン４２は上昇する。
【００５１】
制限値マップ４５では各入口案内翼開度、燃焼温度の組合わせ毎に一つの制限値ライン４２を設定する必要があるため煩雑となる。このため制限値マップ４５の代替として燃焼温度を一定とした制限値マップ（図示しない）を複数使用する手法や、入口案内翼開度θと燃焼温度Ｔの関数であり、本関数が一定であれば翼負荷が一定となるような関数ｆ（θ，Ｔ）を導入して制限値マップを作成してもよい。
【００５２】
実施例３の運用方法は、実施例２と比較して燃焼温度が入力値として追加されているため、制限値マップはより煩雑となるが、実施例３のように燃焼温度をパラメータとして追加することで、例えば入口案内翼６開度が限界まで開いており、出力も十分確保できているが翼負荷を低減させたい場合に燃焼温度を低下させる等、運用の選択肢を増やすことができる。
【００５３】
即ち、気温と前記入口案内翼の開度と前記蒸気噴射量と前記燃焼温度とを指標とする蒸気噴射量の制限値を満たすように、前記圧縮機に流入する空気の温度、前記入口案内翼の開度、前記蒸気噴射量、又は前記燃焼温度の少なくとも一つを制御することにより、運用の選択肢を増やすことができ、幅広い運転条件において圧縮機の信頼性低下を抑制する事が可能である。
【００５４】
実施例３では入口案内翼６開度および燃焼温度を入力値として蒸気噴射量を制御する例を示したが、燃焼温度および蒸気噴射量を入力値として入口案内６翼開度を制御する場合や、蒸気噴射量および入口案内翼６開度を入力値として燃焼温度を制御する場合でも同様に図９の制限値マップ４５を使用して制御することが可能である。
【００５５】
なお、本実施例ではあらかじめ設定した運転制限値マップとして横軸に気温、縦軸に蒸気噴射量をとり、入口案内翼開度と燃焼温度の組合わせ毎に蒸気噴射量の制限値ライン３６を引いた制限値マップ３９を使用した運転方法を示したが、蒸気噴射量ではなく圧力比の制限値を設定し、圧力比が制限値以下となるよう監視する運転方法とすることもできる。この場合翼負荷に直接関わる圧力比を監視することができるため、圧縮機の信頼性は向上する。また、制限値マップ４５の制限値は燃焼温度と入口案内翼開度で変化するが、圧力比を監視する手法では制限値は燃焼温度に関わらず入口案内翼開度のみで変化するため、マップが単純化する利点がある。
【実施例４】
【００５６】
本発明の第四の実施形態について図１０を用いて説明する。図１０は、実施例４のガスタービンにおいて、圧縮機１入口温度を制御する温度制御機構２８を付加した例である。入口温度の制御機構としては、例えば圧縮機１の吐出空気の一部を抽気して圧縮機１入口の空気に混合させて入口温度を上昇させる機構や、圧縮機１入口付近に蒸気噴霧して温度を低下させる機構などがある。この場合、制限値マップは図４における横軸の気温を圧縮機入口温度と読み変えることで同様の制限値マップを使用することができる。
【００５７】
実施例１のガスタービンでは大気温度は変更不可能であるのに対し、本実施例のガスタービンでは圧縮機１入口温度も制御装置４６で制御可能なパラメータとなるため、運用の自由度が向上する。そのため、運用の選択肢を増やすことができ、幅広い運転条件において圧縮機の信頼性低下を抑制する事が可能である。
【００５８】
本実施例では実施例１におけるガスタービンを例に圧縮機入口の温度制御機構２８を追加したガスタービンを説明したが、実施例２、実施例３、実施例４の圧縮機入口に温度制御機構２８を追加することも可能である。
【実施例５】
【００５９】
本発明の第五の実施形態について図１１を用いて説明する。  実施例５のガスタービンは、ロータ５と、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１入口付近の段に設けられた入口案内翼６および入口案内翼６開度を監視する入口案内翼開度監視機構２１と入口案内翼開度を調整する入口案内翼開度調整機構２２と、圧縮空気を取り込み燃料１８と混合して燃焼させる燃焼器２と、燃焼エネルギをロータ５の駆動力に変換するタービン３と、ロータ５の回転駆動力を電気に変換する発電機４と、燃焼器２に蒸気を供給する蒸気供給系統７と、蒸気噴射量を調整する調圧弁９および調圧弁９開度を調整する蒸気量調整機構８と、燃焼器２へ噴射される蒸気量を監視する蒸気監視機構２３と、大気温度を監視する気温監視機構２４を備える。
【００６０】
また、実施例５のガスタービンは、ガスタービン排気ガス２９の排熱を回収する排熱ボイラ３０と、開閉弁３１と、排熱ボイラ３０より生成された飽和蒸気３２を開閉弁３１を介して蒸気を使用する機器へ送るプロセス蒸気配管系統３３と、蒸気を使用する機器へ送る飽和蒸気３２の圧力を調整する調圧弁３４を備える。
【００６１】
タービン３の排気ガス２９は、排熱ボイラ３０に導かれ、排熱ボイラ３０内の水と熱交換したのち、適切な方法により廃気される。排熱ボイラ３０内の水はタービン３の排気ガス２９から熱回収して飽和蒸気３２として排熱ボイラ３０より開閉弁３１を介して調圧弁３４により一定圧力に調整され、プロセス蒸気３５として冷暖房機器や給湯機器などの種々の蒸気使用機器に供給される。一方飽和蒸気３２の一部は調圧弁９を介して蒸気導入路１０を通り燃焼器２に注入される。
【００６２】
すなわち本システムは実施例１で示したガスタービンの排気ガス２９を排熱ボイラの飽和蒸気３２の一部を燃焼器２への蒸気噴射として利用したコジェネレーションシステムである。コジェネレーションシステムでは、飽和蒸気３２が常に生成されており、プロセス蒸気３３として使用した分の余りが燃焼器２に噴射される。蒸気噴射量は排熱ボイラ３０で生成された飽和蒸気３２量とプロセス蒸気３５として使用した蒸気量の差で決まるため、投入したい蒸気噴射量が決まっており、入口案内翼６開度で出力を調整する制御方法となる。運転条件が制限値を超過し、蒸気噴射量を調整する必要がある場合には、排熱ボイラ３０で生成する飽和蒸気３２量を減らすか、または生成された飽和蒸気３２を燃焼器２に投入せずに外気へ放出する。
【００６３】
本実施例では余剰分の蒸気を燃焼器２に投入した場合に蒸気量が過剰となることによる圧縮機１の信頼性の低下を回避することができる。本実施例では実施例１にコジェネレーションシステムを付加した例を示したが、実施例２、実施例３、実施例４のガスタービンに適用することもできる。
【００６４】
なお、以上においては蒸気噴射されたガスタービンの制御方法について記述しているが、燃焼器に蒸気以外の不活性ガスを注入するガスタービンでも、蒸気噴射量を不活性ガスの注入量と読み替えることで同様の制御方法が可能である。
【００６５】
以上の各実施例で説示したように、気温と入口案内翼の開度と蒸気噴射量とを指標とする蒸気噴射量の制限値を満たすように、圧縮機に流入する空気の温度、蒸気噴射量、又は入口案内翼の開度の少なくとも一つを制御することによって、各大気温度条件と蒸気噴射量と入口案内翼開度における圧縮機の翼負荷またはサージマージンが一定量を超えないための制限値をあらかじめ設定した上で入口案内翼開度または蒸気噴射量を制限または制御することができ、ガスタービンの圧縮機の安全性を確保することのできる運転条件が明確となって圧縮機の信頼性が向上する。
【符号の説明】
【００６６】
１    圧縮機
２    燃焼器
３    タービン
４    発電機
５    ロータ
６    入口案内翼
７    蒸気供給系統
８    蒸気量調整機構
９    調圧弁
１０    蒸気導入路
１１    車室
１２    燃焼室
１３    燃料ノズル
１４    蒸気ノズル
１５    圧縮空気
１６    希釈孔
１７    スワーラ
１８    燃料
１９    蒸気
２０    燃焼ガス
２１    入口案内翼開度監視機構
２２    入口案内翼開度調整機構
２３    蒸気監視機構
２４    気温監視機構
２５    燃料調整機構
２６    燃焼温度監視機構
２７    圧力比監視機構
２８    温度制御機構
２９    排気ガス
３０    排熱ボイラ
３１    開閉弁
３２    飽和蒸気
３３    プロセス蒸気配管系統
３４    調圧弁
３５    プロセス蒸気
３６    制限値ライン
３７    運転可能範囲
３８    運転不可範囲
３９    制限値マップ
４０    運転条件
４１    運転条件
４２    制限値ライン
４３    運転可能範囲
４４    運転不可範囲
４５    制限値マップ
４６    制御装置
【図１】
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【図２】
2014098374.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014098374.tif 000008
【図７】
2014098374.tif 000009
【図８】
2014098374.tif 000010
【図９】
2014098374.tif 000011
【図１０】
2014098374.tif 000012
【図１１】
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