(57)【要約】【課題】稼働中のガスタービンの性能劣化を診断できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの診断装置を提供すること。【解決手段】ガスタービンの性能診断方法は、基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施する第１工程ＳＴ１２と、計測値及び前記計測値に基づいた数値流体力学解析によって、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する第２工程ＳＴ１３と、診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する第３工程ＳＴ１４と、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断する第４工程ＳＴ１５とを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器及び前記燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体とを備えたガスタービンの性能を診断するガスタービンの性能診断方法であって、
基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施して、前記圧縮空気の温度、前記圧縮空気の圧力、前記ガスタービンの出口温度、前記ガスタービンの出口圧力、及び前記空気と前記燃料との総和である質量流量の計測値を取得する第１工程と、
前記計測値及び前記計測値に基づいた数値流体力学解析によって、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する第２工程と、
前記診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する第３工程と、
前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、前記診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断する第４工程とを含むことを特徴とする、ガスタービンの性能診断方法。
【請求項２】
前記基準ガスタービンのタービン静翼及びタービン動翼の形状を取得すると共に前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のクリアランスを取得する工程をさらに含む、請求項１に記載のガスタービンの性能診断方法。
【請求項３】
前記クリアランスとして、前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のティップクリアランス及びノズルクリアランスを取得する、請求項２に記載のガスタービンの性能診断方法。
【請求項４】
前記第４工程において、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線と前記診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスタービンの性能診断方法。
【請求項５】
前記第１工程において、数値流体力学解析による前記圧縮空気の圧力と前記ガスタービンの出口温度との関係を取得して、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を調整して決定する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガスタービンの性能診断方法。
【請求項６】
空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器及び前記燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体を備えたガスタービンと、
数値流体力学解析により予め取得した基準となる前記ガスタービンのタービン膨張比及び質量比と、所定期間運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量比との関係に基づいて前記ガスタービンの性能を診断する診断部と、を具備することを特徴とする、ガスタービンの診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの診断装置に関し、例えば、稼働中のガスタービンの性能の劣化を判定できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電設備の損傷を診断する損傷診断装置（例えば、特許文献１参照）及びガスタービンにおける高温部品の寿命診断方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献１に記載の損傷診断装置では、発電設備に設けたセンサによって得られたデータを損傷の数値解析モデルの境界条件に変換し、変換した境界条件を用いて数値解析モデルによる機器の損傷解析を実施する。
また、特許文献２に記載の寿命診断方法では、想定される運転条件毎に各高温部品に伝達される局所ガス温度を算出し、算出した局所ガス温度と各運転条件との相関図を作成する。そして、所望の高温部品について、作成した相関図及び実際の運転に伴って蓄積されている運転条件に基づき、相関図より実際の運転時の運転条件毎に対応する局所ガス温度を抽出し、抽出した局所ガス温度毎の運転時間を運転情報より取得する。そして、取得した各運転時間を重み係数で重み付けて各運転時間を累積し、累積した運転時間を高温部品に定められた基準値と比較して残り寿命を判断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７８８９０１号公報
【特許文献２】特許第４３５４３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、発電設備などのガスタービンにおいては、タービン本体の稼働中にタービン性能を診断するために、タービン入口部の燃焼ガス及びタービン出口部から排出される燃焼排ガスの温度及び圧力を計測してタービン内部効率を診断することが検討されている。しかしながら、タービン本体のタービン入口部では、燃焼器から供給される燃焼ガスの温度が１０００℃を超えるので、従来技術ではタービン入口部の燃焼ガスの温度及び圧力を測定できず、タービン内部効率を測定してガスタービンの性能を診断することが困難であった。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、稼働中のガスタービンの性能劣化を診断できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの性能診断装置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】
【０００６】
本発明に係るガスタービンの性能診断方法は、空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器及び前記燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体とを備えたガスタービンの性能を診断するガスタービンの性能診断方法であって、前記基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施して、前記圧縮空気の温度、前記圧縮空気の圧力、前記ガスタービンの出口温度、前記ガスタービンの出口圧力、及び前記空気と前記燃料との総和である質量流量の計測値を取得する第１工程と、前記計測値及び前記計測値に基づいた数値流体力学解析によって、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する第２工程と、前記診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する第３工程と、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、前記診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断する第４工程とを含むことを特徴とする。
【０００７】
上記ガスタービンの性能診断方法によれば、数値流体解析により圧縮機からタービン本体に供給される燃焼ガスの温度及び圧力を取得せずに、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得することが可能となる。これにより、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、基準ガスタービンを所定時間運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比することが可能となる。この結果、従来困難であった稼働中の診断対象ガスタービンのタービン性能の診断が可能となり、適切なメンテナンスによる効率向上、定期検査などの延長による労働力の削減による燃料費の削減が期待できる。
【０００８】
本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記基準ガスタービンのタービン静翼及びタービン動翼の形状を取得すると共に前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のクリアランスを取得する工程をさらに含むことが好ましい。
【０００９】
本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記クリアランスとして、前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のティップクリアランス及びノズルクリアランスを取得することが好ましい。
【００１０】
本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記第５工程において、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線と前記診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、前記診断対象ガスタービンの性能を診断することが好ましい。この方法により、基準線に対する診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のずれを把握することができるので、診断対象ガスタービンの性能低下の度合いを容易に把握することが可能となる。
【００１１】
本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記第３工程において、数値流体力学解析による前記圧縮空気の圧力と前記ガスタービンの出口温度との関係を取得して、前記基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を調整して決定することが好ましい。この方法により、測定対象となるガスタービンの基準状態を考慮して、流体力学解析によるタービン膨張比及び質量流量の解析結果を調整して決定することができるので、診断対象ガスタービンの性能をより精度よく診断することが可能となる。
【００１２】
本発明に係るガスタービンの性能診断方法においては、前記第１工程において、前記クリアランスとして、前記タービン静翼と前記タービン動翼との間のティップクリアランス及びノズルクリアランスを取得することが好ましい。この方法により、タービン本体における燃焼ガスの漏れの量を把握することができるので、数値流体解析の結果の精度がより向上する。
【００１３】
本発明に係るガスタービンの診断装置は、空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器及び前記燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体を備えたガスタービンと、数値流体解析により予め取得した基準となる前記ガスタービンのタービン膨張比及び質量比と、所定機関運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量比との関係に基づいて前記ガスタービンの性能を診断する診断部と、を具備することを特徴とする。
【００１４】
上記ガスタービンの診断装置によれば、数値流体解析により圧縮機からタービン本体に供給される燃焼ガスの温度及び圧力を取得せずに、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得することが可能となる。これにより、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、基準ガスタービンを所定時間運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比することが可能となる。これにより、従来困難であった稼働中の診断対象ガスタービンのタービン性能の診断が可能となり、適切なメンテナンスによる効率向上、定期検査などの延長による労働力の削減による燃料費の削減が期待できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、稼働中のガスタービンの性能劣化を診断できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンの性能診断装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るガスタービン発電装置の模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの部分断面模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法の概略を示すフロー図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの圧縮空気の圧力と燃焼排ガスとの関係を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法の第３工程の概略を示すフロー図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る実施の形態に係る基準ガスタービン及び診断対象ガスタービンのタービン膨張比と質量流量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。
【００１８】
まず、本実施の形態に係るガスタービンの診断方法が用いられるガスタービン発電装置の概略について簡単に説明する。図１は、本実施の形態に係るガスタービン発電装置１の模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係るガスタービン発電装置１は、燃料と空気とを混合気を燃焼させてタービンを回転させるガスタービン１１と、ガスタービン１１から排出される燃焼排ガスから熱を回収する排熱回収ボイラ１２と、ガスタービン１１に接続された発電機１３とを備える。排熱回収ボイラ１２で排熱が回収された燃焼排ガスは、排出ガスとして煙突１４から排出ガスとして外部に排出される。なお、ガスタービン発電装置１は、排熱回収ボイラ１２によって回収した熱を用いて発生させた蒸気を用いて発電する複合発電システム（コンバインドサイクル）であってもよい。
【００１９】
ガスタービン１１は、ガスタービン１１に供給された空気を圧縮して圧縮空気とする圧縮機１１１と、圧縮機１１１から供給される圧縮空気とガスタービン１１に供給される燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスとする燃焼器１１２と、燃焼器１１２から燃焼ガスが供給されると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体１１３とを備える。圧縮機１１１とタービン本体１１３とはタービン軸１１４によって接続され、タービン軸１１４には、発電機１３が接続されている。
【００２０】
圧縮機１１１には、圧縮機１１１に空気を供給する空気供給ライン２１が接続されている。また、タービン本体１１３と煙突１４との間には、タービン本体１１３の燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出ライン２２が接続されている。燃焼排ガス排出ライン２２におけるタービン本体１１３と煙突１４との間には排熱回収ボイラ１２が設けられている。圧縮機１１１と燃焼器１１２との間には、圧縮機１１１から燃焼機１１２に圧縮空気を供給する圧縮供給空気ライン２３が設けられている。燃焼器１１２とタービン本体１１３との間には、燃焼器１１２からタービン本体１１３に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給ライン２４が設けられている。また、燃焼器１１２には、燃焼器１１２に燃料を供給する燃料供給ライン２５が接続されている。燃料としては、重質油燃料から蒸留により分離された軽質油などが用いられる。
【００２１】
また、ガスタービン１１は、圧縮空気供給ライン２３を流れる圧縮空気の温度及び圧力を測定する測定部３１と、燃焼排ガス排出ライン２２を流れる燃焼排ガスの温度及び圧力であるガスタービン１１の出口温度及び出口圧力を測定する測定部３２と、を備える。測定部３１は、測定した圧縮空気の温度及び圧力を診断部３３に送信する。測定部３２は、測定したガスタービン１１の出口温度及び出口圧力を診断部３３に送信する。診断部３３は、測定部３１，３２から送信された圧縮空気の温度及び圧力、ガスタービンの出口温度及び出口圧力、ガスタービン１１に供給される空気及び燃料の総和に基づく質量流量などに基づいてタービン膨張比及び質量流量を算出してガスタービン１１の性能を診断する。
【００２２】
図２は、本実施の形態に係るガスタービン１１の部分断面模式図である。図２に示すように、ガスタービン１１は、タービン軸１１４によって互いに連結された圧縮機１１１とタービン本体１１３とを備える。圧縮機１１１は、例えば、軸流圧縮機として構成されており、吸込口から空気を吸い込んで昇圧させる。圧縮機１１１の吐出口には、燃焼器１１２が接続されている。圧縮機１１１は、吐出口から圧縮空気を燃焼機１１２に供給する。燃焼機１１２は、圧縮機１１１から供給された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる。また、燃焼器１１２は、圧縮機１１１から吐出された圧縮空気は、燃焼器１１２に供給される。燃焼器１１２は、圧縮空気と燃料とを混合して１０００℃以上に昇温する。また、燃焼器１１２は、１０００℃以上の高温の燃焼ガスをタービン本体１１３に供給する。このガスタービン１１では、圧縮機１１１からタービン本体１１３に向けて圧縮空気を供給する冷却空気供給ライン（付図示）が設けられている。タービン軸１１４は、軸線方向に回転自在に設けられている。
【００２３】
タービン本体１１３は、ケーシング１１３Ａの内壁に固定された複数（本実施の形態では、３つ）のタービン静翼１１５−１，１１５−２，１１５−３を備える。また、タービン本体１１３のタービン軸１１４には、各タービン静翼１１５−１，１１５−２，１１５−３に対応してタービン動翼１１６−１，１１６−２，１１６−３が取り付けられている。タービン静翼１１５−１，１１５−２，１１５−３と、タービン動翼１１６−１，１１６−２，１１６−３とは、タービン軸１１４の軸線方向において交互に設けられている。タービン軸１１４の一端には、圧縮機１１１の回転軸に接続され、他端には、発電機１３の回転軸が接続されている。なお、図２においては、３段の翼列を有する一列式のタービン本体１１３を例に説明しているが、タービン本体１１３は、これに限定されるものではない。タービン本体１１３の翼列は、３段に限定されるものではなく、例えば、４段以上の複数であってもよい。また、タービン本体１１３は、高圧タービン又は低圧タービンを備えた二軸式タービンであってもよい。
【００２４】
タービン動翼１１６−１とケーシング１１３Ａとの間には、所定の間隔としてのティップクリアランスｄ１１が設けられている。タービン動翼１１６−２とケーシング１１３Ａとの間には、所定の間隔としてのティップクリアランスｄ１２が設けられている。タービン動翼１１６−３とケーシング１１３Ａとの間には、所定の間隔としてのティップクリアランスｄ１３が設けられている。タービン静翼１１５−１とタービン軸１１４との間には、所定の間隔としてのノズルクリアランスｄ２１が設けられている。タービン静翼１１５−２とタービン軸１１４との間には、所定の間隔としてのノズルクリアランスｄ２２が設けられている。タービン静翼１１５−３とタービン軸１１４との間には、所定の間隔としてのノズルクリアランスｄ２３が設けられている。
【００２５】
ガスタービン１１においては、圧縮機１１１から圧縮空気ライン２３を介して供給された圧縮空気が、燃焼器１１２で燃料と共に燃焼されて高温高圧の燃焼ガスとして燃焼ガスライン２４を介してタービン本体１１３のケーシング１１３Ａ内に供給される。これにより、ケーシング１１３Ａ内で燃焼ガスが膨張することにより、タービン軸１１４が回転して発電機１３が駆動される。すなわち、ケーシング１１３Ａ内に供給された燃焼ガスは、ケーシング１１３Ａに固定されている各タービン静翼１１５−１，１１５−２，１１５−３によって圧力降下させられる。そして、これにより発生した運動エネルギーは、タービン軸１１４に取り付けられた各タービン動翼１１６−１，１１６−２，１１６−３を介して回転トルクに変換される。そして、各タービン動翼１１６−１，１１６−２，１１６−３で発生した回転トルクは、タービン軸１１４に伝達されて発電機１３が駆動される。また、タービン軸１１４の回転は、圧縮機１１１の駆動力にも用いられる。このようなガスタービン１１においては、高温高圧の燃焼ガスが供給されるので、タービン静翼１１５−１，１１５−２，１１５−３及びタービン動翼１１６−１，１１６−２，１１６−３が劣化する。このため、ガスタービン１１は、新設時又は定期検査時からの稼働時間に伴ってタービンの内部効率が低下して性能が劣化する。
【００２６】
本発明者らは、上述したガスタービン１１の性能劣化がタービン静翼１１５−１，１１５−２，１１５−３及びタービン動翼１１６−１，１１６−２，１１６−３の変形及びティップクリアランスｄ１１，ｄ１２，ｄ１３及びノズルクリアランスｄ２１，ｄ２２，ｄ１３などのクリアランスの変化であることに着目した。そして、本発明者らは、数値流体力学解析（ＣＦＤ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）を用いることにより、高温高圧となるタービン本体１１３の入口部の燃焼ガスの温度及び圧力を測定することなく、基準となるガスタービン１１のタービン膨張比及び質量流量を算出して診断対象となるガスタービンの性能を診断できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２７】
以下、本実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法について詳細に説明する。本実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法は、上述した図２に示したような空気を圧縮して圧縮空気を得る圧縮機１１１、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼して燃焼ガスを得る燃焼器１１２及び燃焼ガスによりタービン翼を回転させると共に燃焼排ガスを排出するタービン本体１１３とを備えたガスタービン１１の性能診断方法である。
【００２８】
図３は、本実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法の概略を示すフロー図である。図３に示すように、本実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法は、基準ガスタービンのタービン静翼及びタービン動翼の形状を取得すると共にタービン静翼とタービン動翼との間のクリアランスを取得する第１工程ＳＴ１１と、基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施して、圧縮空気の温度、圧縮空気の圧力、ガスタービンの出口温度、ガスタービンの出口圧力、及記空気と燃料との総和である質量流量の計測値を取得する第２工程ＳＴ１２と、計測値及び計測値に基づいた数値流体力学解析によって、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する第３工程ＳＴ１３と、診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する第４工程ＳＴ１４と、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して、診断対象ガスタービンの性能を診断する第５工程ＳＴ１５とを含む。以下、各工程について詳細に説明する。なお、第１工程は、必要に応じて実施すればよい。
【００２９】
第１工程ＳＴ１１では、基準ガスタービンのガスタービン１１のタービン静翼及びタービン動翼の形状を取得する。基準ガスタービンとしては、例えば、運転開始前の新設時のガスタービン及び、定期検査後のガスタービンなど、診断対象ガスタービンよりタービン効率が高いものが用いられる。タービン静翼及びタービン動翼の形状は、例えば、ガスタービンのケーシングを開いた状態でレーザーによってタービン静翼及びタービン動翼を３Ｄスキャンして取得してもよく、設計データなどから取得してもよい。また、同一機種のタービン静翼及びタービン動翼であれば、３Ｄスキャンのデータなどは流用することもできる。
【００３０】
また、第１工程ＳＴ１１では、基準ガスタービンのタービン静翼とタービン動翼との間のクリアランスを取得する。タービン静翼とタービン動翼との間のクリアランスとしては、例えば、上述したティップクリアランス及びノズルクリアランスを用いることが好ましい。これにより、タービン本体１１３における燃焼ガスの漏れの量を把握することができるので、数値流体解析の結果の精度がより向上する。なお、タービン静翼とタービン動翼との間のクリアランスは、所定温度で所定回数測定した平均値を用いることが好ましい。
【００３１】
第２工程ＳＴ１２では、基準ガスタービンの全負荷の性能試験を実施する。ここでは、図１に示した測定部３１により圧縮空気の温度及び圧力を実測により測定する。測定部３２によりガスタービン１１の出口温度及び出口圧力を取得する。そして、測定部３１，３２は、測定した圧縮空気の温度及び圧力を診断部３３に送信する。診断部３３は、ガスタービンに供給される空気及び燃料の総和から質量流量を算出し、各測定値から基準ガスタービンの質量流量、タービン効率及びタービン膨張比などを算出する。
【００３２】
第３工程ＳＴ１３では、診断部３３は、第２工程ＳＴ１２における基準ガスタービンの計測値及び計測値に基づいた数値流体力学解析によって、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得する。ここでの数値流体力学解析では、ガスタービンの入口圧力＝圧縮機出口圧力−燃焼器圧力損失の関係が用いられる。診断部３３は、数値流体力学解析により基準ガスタービンの圧縮空気の温度、圧縮空気の圧力、ガスタービンの出口温度、燃焼排ガスの圧力、及び空気と燃料との総和である質量流量を上記計測値に合わせて調整する。調整した結果に基づいて、基準ガスタービンのタービン膨張比と質量流量比との関係を複数取得する。数値流体力学解析によって基準ガスタービンの各運転条件のタービン膨張比及び質量流量を取得するタービン膨張比及び質量流量の基準線を取得することが可能となる。
【００３３】
ガスタービン１１では、大気の温度及び気圧の変化などの気候条件に応じて圧縮空気の圧力が変動する場合がある。そのため、第３工程ＳＴ１３では、圧縮空気の圧力を変動させて気候条件におけるガスタービン１１の基準状態を把握してもよい。この場合、上述した第３工程ＳＴ１３では、圧縮空気の圧力とガスタービンの出口温度との関係を取得して、基準状態を考慮した基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を調整して決定してもよい。これにより、基準状態に基づいて数値流体力学解析を行うことができるので、ガスタービンの性能をより一層正確に診断することが可能となる。
【００３４】
ここで、ガスタービンの圧縮空気の圧力とガスタービンの出口温度との関係について説明する。図４は、ガスタービンの圧縮空気の圧力とガスタービンの出口温度との関係を示す図である。なお、図４においては、横軸に圧縮空気の圧力を示し、縦軸にガスタービンの出口温度を示している。図４に示すように、一般に発電所では、圧縮空気の圧力が所定値（図４の例では１．２以上：点Ｐ０参照）以上になると圧縮空気の圧力を低下させる制御がなされる（実線Ｌ１参照）。一方で、一般的なガスタービン１１は、圧縮空気の圧力変化に応じてガスタービン１１の出口温度が変化するように設計されている。そこで、圧縮空気の圧力を変化させて性能試験を行うことにより、基準ガスタービンのタービン１１の出口温度を調整して決定することが有効となる。また、タービン膨張比、質量流量の決定が上手くできないときは、圧縮機の性能曲線、つまり、圧縮機出口圧力と圧縮機出口圧の関係を用いてもよい。
【００３５】
次に、図５を参照して第３工程ＳＴ１３の一例について具体的に説明する。図５は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの性能診断方法における第３工程の概略を示すフロー図である。図５に示すように、第３工程ＳＴ１３では、基準ガスタービンを圧縮空気の基準圧力で運転して性能試験した場合のタービン膨張比及び質量流量を取得する工程ＳＴ３１と、圧縮空気圧力を基準圧力から変化させてガスタービン出口温度を取得する工程ＳＴ３２と、変化後の圧縮空気圧力及び取得したガスタービン出口温度を用いた数値流体力学解析によりタービン膨張比及び質量流量を取得する工程ＳＴ３３と、更にタービン膨張比及び質量流量の取得が必要か否かを判定する工程ＳＴ３４とを含む。
【００３６】
工程ＳＴ３１では、まず、基準ガスタービンを圧縮空気の基準圧力で運転して性能試験した場合のタービン膨張比及び質量流量を数値流体力学解析により取得する。ここでの数値流体力学解析では、ガスタービンの入口圧力＝圧縮機出口圧力−燃焼器圧力損失の関係が用いられる。また、ここでの数値流体力学解析では、ガスタービンの入口圧力が出力されるので、タービン膨張比＝ガスタービンの入口圧力／ガスタービンの出口圧力の関係を用いることにより、タービン膨張比が得られる。
【００３７】
次に、工程ＳＴ３２では、基準圧力の圧縮空気圧力を変化させてガスタービン出口温度を取得する。ここでは、図４に示すように、基準ガスタービンを圧縮空気の基準圧力で運転して性能試験した場合を基準点Ｐ１とする。そして、基準ガスタービンの設計値に基づく設計線（図４の実線Ｌ１参照）に平行な基準点Ｐ１を通る補助線（破線Ｌ２参照）を引き、補助線上で圧縮空気の圧力を変化させた際のガスタービンの出口温度を読みとる。図４に示す例では、圧縮空気の圧力を２．５％減少させることにより、点Ｐ２に対応するガスタービンの出口温度が得られる。このように、図４において、補助線（破線Ｌ２参照）を引くのは、設計線（実線Ｌ１参照）とガスタービンを実際に運用する際の基準圧力（基準点Ｐ１参照）とがずれている場合があることを考慮したことに基づいている。
【００３８】
続いて、工程３３では、得られた点Ｐ２に対応する圧縮空気の圧力及びガスタービンの出口温度を用いて数値流体力学解析により点Ｐ２に対応するタービン膨張比及び質量流量を取得する。ここでの数値流体力学解析では、基準圧力でのタービン膨張比の算出と同様に、ガスタービン１１の入力圧力が出力されるので、タービン膨張比＝ガスタービンの入口圧力／ガスタービンの出口圧力の関係を用いることにより、タービン膨張比が得られる。
【００３９】
次に、工程３４では、更に圧縮空気の圧力を変更してタービン膨張比及び質量流量の取得が必要か否かを判定する。更に、圧縮空気の圧力を変更してタービン膨張比及び質量流量の取得が必要な場合（ステップＳＴ３４：Ｙｅｓ）には、工程３１〜工程３３を繰り返す。図４に示す例では、工程３１〜工程３３を更に繰り返すことにより、基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を５％減少させて運転した場合（点Ｐ３）及び基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を２．５％増加させて運転した場合（点Ｐ４）について、数値流体力学解析によりタービン膨張比及び質量流量比を取得している。これらの点Ｐ１〜点Ｐ４の圧縮空気圧力及びガスタービン出口温度は、診断対象ガスタービンを基準圧力で運転して性能試験した場合（点Ｐ５）と近似した結果が得られていることが分かる。
【００４０】
このような数値流体力学解析の結果により、ガスタービンの設計線（図４の実線Ｌ１参照）とガスタービンを実際に運用する際の圧力を示す補助線（図４の破線Ｌ２参照）とのずれを調整して決定することが可能となる。これにより、基準ガスタービンの基準状態が考慮され、基準ガスタービン本来の性能が反映されたタービン膨張比及び質量流量が得られるので、診断対象となるガスタービンの性能をより一層正確に診断することが可能となる。
【００４１】
第３工程ＳＴ１３では、圧縮空気の温度の入力値が、燃焼器１１２で燃料を燃焼させた際の燃焼温度の実測値と等しくなり、圧縮空気の圧力及び燃料の圧力の入力値が、圧縮空気の圧力から燃焼器１１２の圧損を引いた値と等しくなり、燃焼ガス流量の入力値が、圧縮機１１１に供給される空気流量に燃料の流量を加えた値となるようにして計測値と数値流体力学解析の結果とを調整することが好ましい。これにより、計測値と数値流体力学解析の結果とを一致させやすくなるので、ガスタービンの膨張比及び質量流量の基準線を容易に取得することが可能となる。
【００４２】
また、第３工程ＳＴ１３では、圧縮機１１１からタービン本体１１３に供給される冷却空気を考慮して調整することが好ましい。これにより、冷却空気を考慮した数値流体解析の結果が得られるので、数値流体解析結果の精度が向上する。
【００４３】
また、第３工程ＳＴ１３では、ガスタービンの出口温度及び出口圧力を基準として圧縮空気の温度及び圧力を調整することが好ましい。これにより、基準ガスタービンの性能試験での計測値と数値流体力学解析の結果とを容易に一致させることが可能となる。このように数値流体力学解析を行うことにより、診断対象ガスタービンの解析結果と基準ガスタービンでの計測結果を高い精度で一致させることが可能となる。
【００４４】
第４工程ＳＴ１４では、診断対象ガスタービンの性能試験を実施して、タービン膨張比及び質量流量を取得する。ここでは、診断部３３は、ガスタービン１１に供給される空気及び燃料、測定部３１，３２で取得された圧縮空気の温度及び圧力、ガスタービンの出口温度及び出口圧力に基づいてタービン膨張比及び質量流量を取得する。ここでは、診断対象ガスタービンの全負荷の性能試験を実施することが好ましい。
【００４５】
第５工程ＳＴ１５では、第４工程ＳＴ１４で取得した診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を対比して、診断対象ガスタービンの性能を診断する。図６は、本実施の形態に係る基準ガスタービン及び診断対象ガスタービンのタービン膨張比と質量流量との関係を示す図である。なお、図６においては、縦軸にタービン膨張比を示し、横軸に質量流量を示している。
【００４６】
図６に示すように、基準ガスタービンの性能試験を圧縮空気の基準圧力で実際に運転して性能試験した場合（点Ｐ６）と、数値流体力学解析により基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を２．５％減少させて状態を解析した場合（点Ｐ７）と、数値流体力学解析により基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を５％減少させた状態を解析した場合（点Ｐ８）と、数値流体力学解析により基準ガスタービンを基準圧力に対して圧力を２．５％増加させた状態を解析した場合（点Ｐ９）とでは、タービン膨張比と質量流量との関係が略線形となり、基準線Ｌ３が得られる。これに対して、診断対象ガスタービンを基準圧力で運転して性能試験した場合（点Ｐ１０）には、点Ｐ６〜点Ｐ１０に基づいた基準線Ｌ３から大きく外れる結果となる。これらの点Ｐ６〜点Ｐ１０は、図４に示した点Ｐ１〜点Ｐ５に対応するものである。このように、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の線図上に、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のデータをプロットすることにより、診断対象ガスタービンの性能劣化を診断することが可能となる。また、基準線Ｌ３に対する診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のデータをプロットの位置の違いにより、劣化度合いを診断することも可能となる。この場合には、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線Ｌ３に対して、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のプロットが近い位置にあれば、診断対象ガスタービンのタービン本体１１３内の流体抵抗が大きく、タービン静翼及びタービン動翼の形状及びクリアランスが基準ガスタービンに近い状態であると判断できる。また、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線Ｌ３に対して、診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量のプロットが遠い位置にあれば、診断対象ガスタービンのタービン本体１１３の流体抵抗が減少してタービン静翼及びタービン動翼の形状及びクリアランスの少なくとも一方が変化していることが分かる。また、このように、数値流体解析により基準タービンのタービン膨張比及び質量流量の基準線Ｌ３を取得しておくことにより、季節の変化に伴い温度及び気圧に伴い質量流量などが変化した場合であっても、ガスタービン１１の性能を診断することが可能となる。
【００４７】
なお、第５工程ＳＴ１５においては、必ずしも基準線Ｌ３と診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して性能を診断する必要はなく、特定の基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比して性能を診断してもよい。この場合、タービン膨張比が大きければ、基準ガスタービンからのタービン動翼及びタービン静翼の形状の変化が小さく、タービン動翼及びタービン静翼の各種クリアランスが維持されて性能の劣化が小さいと判断できる。また、タービン膨張比が小さければ、基準ガスタービンからのタービン動翼及びタービン静翼の形状の変化が大きく、タービン動翼及びタービン静翼の各種クリアランスが変化して性能が劣化していると判断できる。
【００４８】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、数値流体解析により圧縮機からタービン本体に供給される燃焼ガスの温度及び圧力を取得せずに、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量を取得することが可能となる。これにより、基準ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量と、基準ガスタービンを所定時間運転後の診断対象ガスタービンのタービン膨張比及び質量流量とを対比することが可能となる。これにより、従来困難であった稼働中の診断対象ガスタービンのタービン性能の診断が可能となり、適切なメンテナンスによる効率向上、定期検査などの延長による労働力の削減による燃料費の削減が期待できる。
【００４９】
また、上記実施の形態によれば、数値流体解析により基準ガスタービンの膨張比及び質量流量の基準線Ｌ３を引くことができるので、基準線Ｌ３と診断対象ガスタービンの運転結果とを対比することにより、ガスタービン１１の性能劣化を効率よく診断することが可能となる。
【００５０】
さらに、上記実施の形態によれば、数値流体解析により、燃焼ガスの温度の解析も可能となり、重要部品である第１段目の静翼１１５−１の寿命の評価も可能となる。また、計測困難な燃焼ガスの圧力を燃料供給圧力から精度よく算出することも可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、稼働中のガスタービンの性能劣化を診断できるガスタービンの性能診断方法及びガスタービンという効果を有し、例えば、ガスタービン発電装置などの各種ガスタービンを備えた装置のガスタービンの診断に用いることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  ガスタービン発電装置
１１  ガスタービン
１１１  圧縮機
１１２  燃焼器
１１３  タービン本体
１１３Ａ  ケーシング
１１４  タービン軸
１１５−１，１１５−２，１１５−３  タービン静翼
１１６−１，１１６−２，１１６−３  タービン動翼
２１  空気供給ライン
２２  燃焼排ガスライン
２３  圧縮ガス供給ライン
２４  燃焼ガス供給ライン
２５  燃料供給ライン
３１，３２  測定部
３３  診断部
【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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【図６】
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