(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機と、
前記圧縮機から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に位置し、前記燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記圧縮機の途中から抽出した一部の前記圧縮空気を冷却部で減温して前記タービン内部の高温部に導く冷却空気導入系統と、
を備えたガスタービンに適用可能なガスタービンの制御装置において、
前記圧縮機への燃焼用空気の吸入流量に基づいて前記冷却部における減温機能を制御することを特徴とするガスタービンの制御装置。
【請求項２】
前記減温機能の制御は、吸入する燃焼用空気量を変動させるＩＧＶの開度に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの制御装置。
【請求項３】
前記冷却部の出口温度が目標温度となるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービンの制御装置。
【請求項４】
前記フィードバック制御は、前記タービンの出力が所定出力より高い場合において実施されることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンの制御装置。
【請求項５】
燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機と、
前記圧縮機から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に位置し、前記燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記圧縮機の途中から抽出した一部の前記圧縮空気を冷却部で減温して前記タービン内部の高温部に導く冷却空気導入系統と、
を備えたガスタービンに適用可能なガスタービンの制御方法において、
前記圧縮機への燃焼用空気の吸入流量に基づいて前記冷却部における減温機能を制御することを特徴とするガスタービンの制御方法。
【請求項６】
前記減温機能の制御は、吸入する燃焼用空気量を変動させるＩＧＶの開度に基づいて行われることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンの制御方法。
【請求項７】
さらに、前記冷却部の出口温度が目標温度となるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のガスタービンの制御方法。
【請求項８】
前記フィードバック制御は、前記タービンの出力が所定出力より高い場合において実施されることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法に関し、特に、圧縮機の途中から抽出した一部の圧縮空気を用いてタービンを冷却する冷却空気導入系統を用いたガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に示すように、圧縮機１０２と、燃焼器１０３と、タービン１０４と、を備えるガスタービン１０１は、圧縮機１０２の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン１０４内の動翼やケーシングに供給してこれらを冷却する冷却空気導入系統１０５をさらに備えている。この冷却空気導入系統１０５は、例えば、冷却ファン１０９を有する冷却機であり、例えば、気温の高い夏場に運転する際には、タービン１０４の内部の温度が高温になり過ぎないように流れる空気を冷却している。
【０００３】
上述したように、例えば、動翼やケーシングを冷却することによって、運転中におけるガスタービン１０１のケーシングと動翼のすき間（クリアランス）を小さく設定することができる。これにより、ガスリーク量を低減させることでき、ガスタービン１０１の効率を向上させることができる。動翼とケーシングとのクリアランスは、タービンの負荷が高くなり、ガス温度が高温となる高負荷運転時（定格運転時）において最小となるように設定されている。
【０００４】
また、冷却機によって生成される冷却用空気の温度を低くすることで、より少ない流量で同等の冷却効果を得ることができ、冷却に必要な抽出空気量を低減することができるため、ガスタービンの効率をさらに向上させることができる。
このような技術として、特許文献１には、冷却用空気を、ガスタービンの運転状態に応じて空気冷却器で冷却したうえで静翼に供給するようにしたガスタービン冷却空気制御装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−５４６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のガスタービン冷却空気制御装置では、ガスタービンの負荷やディスクキャビティ内の温度に応じて冷却用空気を冷却するように制御しているため、冷却に遅れが発生することによって高負荷運転時において冷却が十分に行われない場合がある。これにより、動翼とケーシングのクリアランスの低下による接触が発生し、場合によっては、翼が破損するおそれがある。
【０００７】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ガスタービンの高負荷運転時に動翼とケーシングのクリアランス低下による動翼破損などの危険性を低減し、高効率のガスタービンを実現するガスタービンの制御装置及びガスタービンの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るガスタービンの制御装置は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機と、前記圧縮機から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼器の下流側に位置し、前記燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の途中から抽出した一部の前記圧縮空気を冷却部で減温して前記タービン内部の高温部に導く冷却空気導入系統と、を備えたガスタービンに適用可能な制御装置において、前記圧縮機への燃焼用空気の吸入流量に基づいて前記冷却部における減温機能を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るガスタービンの制御方法は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機と、前記圧縮機から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼器の下流側に位置し、前記燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の途中から抽出した一部の前記圧縮空気を冷却部で減温して前記タービン内部の高温部に導く冷却空気導入系統と、を備えたガスタービンに適用可能なガスタービンの制御方法において、前記圧縮機への燃焼用空気の吸入流量に基づいて前記冷却部における減温機能を制御することを特徴とする。
【００１０】
このような特徴のガスタービンの制御装置においては、圧縮機への燃焼用空気の吸入流量によってタービンの負荷が変動するため、タービンの負荷に応じた冷却部の減温機能の制御を実施することができる。
【００１１】
また、本発明に係るガスタービンの制御装置において、前記減温機能の制御は、吸入する燃焼用空気量を変動させるＩＧＶの開度に基づいて行われることが好ましい。
上記構成によれば、圧縮機への燃焼用空気の吸入流量を特定する手段として、吸入流量と最も関連性が高いＩＧＶを用いるため、吸入流量の制御が容易となり、かつ正確な制御が可能となる。これにより、ガスタービンの負荷に応じた減温機能の制御の精度を高めることができる。
【００１２】
また、本発明に係るガスタービンの制御装置において、前記冷却部の出口温度が目標温度となるようにフィードバック制御を行うことが好ましい。
上記構成によれば、冷却部の出口温度を目標の温度に設定することができる。
【００１３】
また、本発明に係るガスタービンの制御装置において、前記フィードバック制御は、前記タービンの出力が所定出力より高い場合において実施されることが好ましい。
上記構成によれば、タービンの出力が所定出力より低い場合においては、ＩＧＶ開度のみによる制御となるため、それほど正確な制御をしなくてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、タービンの負荷に応じて冷却部の減温機能の制御を実施することによって、タービンを構成する動翼とケーシングのクリアランス低下を防止できるとともに、ガスタービンの高効率の運転を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービンを示す系統図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るガスタービンの圧縮機を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における制御ロジックを示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第一関係式を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第二関係式を示すグラフである。
【図６】従来のガスタービンを示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで説明する実施形態は、この発明を発電設備に適用したものである。
図１において、ガスタービン１は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機２と、この圧縮機２から送られてきた圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器３と、この燃焼器３の下流側に位置し、燃焼器３を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン４と、圧縮機２の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン４の内部に導く冷却空気導入系統５と、制御部６とを備えている。タービン４は、発電機７を駆動するようになっている。
【００１７】
また、圧縮機２の入口には、圧縮機２の入口温度を測定する温度計１２が設けられている。さらに、冷却空気導入系統５の出口には、冷却空気導入系統５の出口温度、即ち冷却された空気の温度を検出する温度計１３が設けられている。
さらに、圧縮機２の入口には、開度を変動して吸入する燃焼用空気量を調整するＩＧＶ（Inlet Guide Vane）（吸入量調整部）８が配されている。ＩＧＶ８の開度は、ＩＧＶ開度調整部１４によって制御される。ＩＧＶ開度調整部１４は、タービン４の出力、つまりタービン４の負荷に応じてＩＧＶ８の開度を調整している。
【００１８】
冷却空気導入系統５は、冷却ファン９と、この冷却ファン９に接続されたモータ１０と、モータ１０に所定状態の電力をそれぞれ供給するインバータ１１とを備えている。冷却ファン９は、圧縮機２とタービン４とを接続する配管１５内を流れる冷却用の圧縮空気を冷却するように設けられている。冷却された圧縮空気は、配管１５を介してタービン４の動翼を冷却するように構成されている。
【００１９】
制御部６は、ＩＧＶ開度調整部１４から出力されるＩＧＶ開度信号Ｓ１と、圧縮機２の入口に設けられた温度計１２にて検出した吸気温度の信号、つまり大気温度信号Ｓ２と、冷却空気導入系統５の出口温度を検出する温度計１３にて検出した出口温度信号Ｓ３と、タービン４の出口に設けられたセンサーにて検出したタービン出力信号Ｓ４に基づき、インバータ１１の出力を制御して冷却ファン９の回転数を制御するものとして設けられている。
【００２０】
すなわち、この制御部６には、ＩＧＶ開度信号Ｓ１と、大気温度信号Ｓ２と、冷却空気導入系統の出口温度信号Ｓ３と、タービン出力信号Ｓ４が入力される。そして、インバータ１１への回転指令が出力される。
なお、制御部６はインバータ１１を制御するものであり、冷却ファン９は、インバータ１１によって電力が供給されたモータ１０によって回転するものであるが、以下の説明においては、簡略化のため、制御部６が冷却ファン９の回転数（以下、冷却ファン回転数と称す）制御するものとして説明する。
【００２１】
図２は、圧縮機２の一部を示す概略図である。
図２に示すように、ＩＧＶ８は圧縮機２における燃焼用空気が流入する部分、別の言い方をすると、ロータ２１に形成されている動翼２２の更に上流側に配置された翼である。ＩＧＶ８は、圧縮機２のケーシング２３における内周面から、ケーシング２３の径方向内側に向かって延びて配置されるとともに、ケーシング２３の周方向に複数枚が等間隔に配置されている。
ＩＧＶ８は、ＩＧＶ駆動部１６によってケーシング２３の径方向に沿う軸線まわりに回動可能とされており、これによりＩＧＶ８の開度が変動し、燃焼用空気量が調整される。
【００２２】
次に、本実施形態に係るガスタービン１の冷却方法について、図３に示す冷却ファン回転数の制御ロジックに基づいて説明する。ここで、「×」は各式のパラメータを乗算、「△」は減算、「＋」は加算することを示す。また、「ＴＲ」はスイッチ機能であり、条件に応じて制御ロジックの切り替えを行うものである。
【００２３】
本実施形態の制御ロジックは、タービン出力信号Ｓ４に基づくガスタービン１の低負荷帯と高負荷帯とで切り替えられる。具体的には、ガスタービン１の低負荷帯においては、ＩＧＶ開度及び大気温度に基づいて冷却ファン回転数を決定し、高負荷帯においては、ＩＧＶ開度及び大気温度による決定に加えて、冷却空気導入系統５の出口温度が目標温度となるようにフィードバック補正を行うものである。切り替え条件については後述する。
【００２４】
まず、ガスタービン１の低負荷帯における冷却ファン回転数の制御ロジックについて説明する。
ガスタービン１の低負荷帯においては、冷却ファン回転数は、圧縮機２の抽出空気量に影響を与えるＩＧＶ開度信号Ｓ１によって算出され、かつ、大気温度信号Ｓ２によって補正される。
具体的には、ＩＧＶ開度信号Ｓ１に基づいて図４に示す第一関係式（ｆ１）を用いて冷却ファン回転数を算出する。さらに、大気温度信号Ｓ２に基づいて図５に示す第二関係式（ｆ２）を用いて補正係数を算出し、（ｆ１）を用いて算出した冷却ファン回転数をこの補正係数で乗算して、最終的なファン回転数とする。
即ち、ガスタービン１の低負荷帯においては、冷却ファン回転数はＩＧＶ開度が大きいほど高くなるように、加えて、大気温度の上昇に応じて高くなるように制御される。
【００２５】
次に、冷却ファン回転数の算出に用いられる関係式について説明する。上述したように、関係式は、ＩＧＶ開度と冷却ファン回転数との関係を示す第一関係式（ｆ１）と、大気温度と、この大気温度に応じて冷却ファン回転数を補正する補正係数との関係を示す第二関係式（ｆ２）とからなる。
【００２６】
第一関係式（ｆ１）は、図４に示すように、ＩＧＶ開度が約１６％以下の場合には、インバータ回転数を一定値とし、約１６％以上の場合には、ＩＧＶ開度に対して、略比例関係でインバータ回転数が増加するように関係付けられている。
【００２７】
第二関係式（ｆ２）は、図５に示すように、大気温度が−１０°〜１５℃の範囲においては、補正係数は約０．３から１まで線形に増加するものとなっている。即ち、大気温度が−１０°〜１５℃の範囲においては、冷却ファン回転数は、この補正係数によって第一関係式（ｆ１）で算出された回転数よりも低く設定される。
大気温度が１５℃以上の範囲においては、補正係数は１以上の値で、やはり線形に増加するものとなっている。即ち、大気温度が１５℃以上の範囲においては、冷却ファン回転数は、この補正係数によって第一関係式（ｆ１）で算出された回転数よりも高く設定され、圧縮空気はより冷却される。
【００２８】
次に、低負荷帯と高負荷帯の切り替え条件について説明する。
低負荷帯と高負荷帯とは、タービン出力信号Ｓ４に基づいて切り替えられる。具体的には、タービン出力が所定の出力以下の段階では、スイッチ機能ＴＲは、シグナルＳＧから発信されるＳ＝０の数値をＩＧＶ開度及び大気温度によって算出された冷却ファン回転数に加算するように切り替えを行う。即ち、低負荷帯においては、冷却ファン回転数は、ＩＧＶ開度及び大気温度のみによって制御される。
【００２９】
タービン出力が所定の出力以上になった段階では高負荷帯に遷移したと判断され、スイッチ機能ＴＲが切り替えられ、冷却ファン回転数は、冷却空気導入系統５の出口温度が目標温度（例えば１００℃）となるようにフィードバック補正される。
具体的には、冷却空気導入系統出口温度信号Ｓ３と冷却空気導入系統５の目標温度との差分を用いてＰＩフィードバック制御により冷却ファン回転数を制御する。
【００３０】
上記実施形態によれば、タービン４の負荷に対応する燃焼用空気の吸入流量によって冷却ファン９の回転数を決定する構成としたことによって、タービン４の負荷に応じて冷却ファン回転数の制御を実施することができる。燃焼用空気の吸入流量は、ＩＧＶ８の開度によって調整されるため、ファン回転数をより正確に調整することができる。
【００３１】
また、冷却ファン回転数は、大気温度に基づいて補正されるため、例えば、大気温度が低い場合におけるタービン４の過冷却を防止することができ、また、大気温度が高い場合において、タービン４の冷却を促進することができる。
【００３２】
また、タービン４の高負荷帯においては、冷却空気導入系統５の出口温度が目標温度となるようにフィードバック制御を行うため、冷却空気導入系統５の出口温度を目標の温度に設定することができる。
【００３３】
さらに、フィードバック制御は、タービン４の出力が高い場合にのみ実施されるように切り替えられるため、タービン４の出力が所定出力より低い場合においては、ＩＧＶ開度のみによる制御となり、より即応性の高い制御を実施することができる。
【００３４】
以上の効果により、冷却温度を目標値内に管理できるため、高負荷運転時における動翼とケーシングのクリアランス低下による動翼破損などのリスクが減少し、高効率の運転を確保することができる。
【００３５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態における第一関係式（ｆ１）及び第二関係式（ｆ２）は一例であって、これらに限定されることはない。
【００３６】
また、第一関係式（ｆ１）における冷却ファン回転数は、ＩＧＶ開度によって算出されることに限定されない。例えば、圧縮機２の入口部に流量計を配置し、流量計によって測定された燃焼用空気の吸入流路によって算出してもよい。
【００３７】
また、冷却空気導入系統５に用いられる冷却機は冷却ファンに限ることはなく、例えば、熱交換器を用いて圧縮空気を冷却する構成としてもよい。例えば、更に排熱回収ボイラと蒸気タービンとを備えたコンバインドサイクル発電プラントのガスタービンに適用する場合、排熱回収ボイラへの給水と熱交換することによって圧縮空気を冷却することができる。また、供給前の燃料ガスと熱交換することによって圧縮空気を冷却する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…ガスタービン、２…圧縮機、３…燃焼器、４…タービン、５…冷却空気導入系統、６…制御部（制御装置）、７…発電機、８…ＩＧＶ、９…冷却ファン（冷却部）。
【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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