(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、２軸式ガスタービンにおいて、ガスタービンの部分負荷運転時の圧縮機効率低下を抑制し、かつ圧縮機のサージマージンを確保することにある。【解決手段】  本発明は、所定負荷を低下させるように運転を切り替える際に、圧縮機の回転数を減少させる第一の工程と、圧縮機の作動空気量を減少させる第二の工程の両者を含むことを特徴とする。【効果】  本発明によって、２軸式ガスタービンにおいて、ガスタービンの部分負荷運転時の圧縮機効率低下を抑制し、かつ圧縮機のサージマージンを確保することが可能になる。【選択図】図１
2008064117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、及び該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンの運転制御方法であって、
所定負荷を低下させるように運転を切り替える際に、
前記圧縮機の回転数を減少させる第一の工程と
前記圧縮機の作動空気量を減少させる第二の工程とを含み、
前記第一の工程の開始後に前記第二の工程を開始することを特徴とする
２軸式ガスタービンの運転制御方法。
【請求項２】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された排出ガスにより回転駆動する高圧タービン、及び該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンの運転制御方法であって、
所定負荷を低下させるように運転を切り替える際に、
前記圧縮機の回転数を所望の回転数まで減少させる第一の工程と
前記圧縮機の作動空気量を減少させる第二の工程とを含み、
前記第一の工程の開始後に前記第二の工程を開始することを特徴とする
２軸式ガスタービンの運転制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の２軸式ガスタービンの運転制御方法であって、
前記作動空気量を減少させる第二の工程では、前記圧縮機に取り付けられた可変静翼の開度を減少させることを特徴とする
２軸式ガスタービンの運転制御方法。
【請求項４】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、及び該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンの運転制御方法であって、
所定負荷を低下させるように運転を切り替える際に、
前記圧縮機の回転数を減少させる第一の工程と
前記圧縮機の作動空気量を減少させる第二の工程とを含み、
圧縮機の回転数を減少させる前記第一の工程の開始と同時に作動空気量を減少させる前記第二の工程を開始することを特徴とする
２軸式ガスタービンの運転制御方法。
【請求項５】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、及び該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンであって、
前記圧縮機の回転数を制御する第一の制御手段と、
前記第一の制御手段による前記圧縮機の回転数制御の開始後に前記圧縮機の作動空気量を制御する第二の制御手段と
を備えることを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項６】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンであって、
前記圧縮機の回転数を制御する第一の制御手段と、
前記圧縮機の作動空気量を制御する第二の制御手段とを備え、
前記圧縮機の圧力比から得られるサージマージン又は前記圧縮機の回転数に基づいて、前記第一の制御手段による前記圧縮機の回転数制御の開始後に前記第二の制御手段に実行を指示する手段を有することを特徴とする
２軸式ガスタービン。
【請求項７】
請求項５記載の２軸式ガスタービンであって、
前記圧縮機の内部を流れる作動空気量を制御する第二の制御手段では、前記圧縮機に取り付けられた可変静翼の開度を制御する手段を設けた
２軸式ガスタービン。
【請求項８】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンであって、
前記圧縮機の回転数を制御する第一の制御手段と、
前記圧縮機の作動空気量を制御する第二の制御手段とを備え、
前記圧縮機の圧力比から得られるサージマージン又は前記圧縮機の回転数に基づいて、前記第一の制御手段及び前記第二の制御手段のうち少なくとも一方に実行を指示する手段を有し、
前記圧縮機の圧力比から得られるサージマージン又は前記圧縮機の回転数に基づいて、前記第一の制御手段及び前記第二の制御手段のうち少なくとも一方に実行を指示する手段が、前記第一の制御手段及び前記第二の制御手段を同時に実行するよう指示することを特徴とする
２軸式ガスタービン。
【請求項９】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、及び該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンの運転制御方法であって、
所定負荷を低下させるように運転を切り替える際に、
前記圧縮機の回転数を減少させることで生じるサージマージンの減少分を、前記圧縮機の内部を流れる作動空気量を減少させることで生じるサージマージンの増加分で補うことを特徴とする
２軸式ガスタービンの運転制御方法。
【請求項１０】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、及び該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンの運転制御装置であって、
前記圧縮機の回転数を制御する第一の制御手段と、
前記第一の制御手段による前記圧縮機の回転数制御の開始後に前記圧縮機の作動空気量を制御する第二の制御手段と
を備えることを特徴とする２軸式ガスタービンの運転制御装置。
【請求項１１】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、及び該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンであって、
前記圧縮機の空気導入口に可変静翼を備え、
前記圧縮機の回転数を制御する第一の制御手段と、
前記第一の制御手段による前記圧縮機の回転数制御の開始後に前記圧縮機の可変静翼を制御する第二の制御手段と
を有した運転制御装置を備えることを特徴とする
２軸式ガスタービン。
【請求項１２】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器、該燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン、及び該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動される低圧タービンを備えた２軸式ガスタービンの運転制御方法であって、
所定負荷を低下させるように運転を切り替える際に、
前記圧縮機の回転数を減少させる第一の工程と
前記圧縮機の作動空気量を減少させる第二の工程とを含み、
事前に設定された、前記２軸式ガスタービンの目標出力となるように前記第一の工程の開始後に前記第二の工程を開始することを特徴とする
２軸式ガスタービンの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２軸式ガスタービンの運転制御方法と２軸式ガスタービン、及び２軸式ガスタービンの運転制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、２軸式ガスタービンにおいて圧縮機回転数を可変にし、更に高圧タービンから排出された燃焼ガスをパワータービンに供給する時に、パワータービン入口に備えられた可変案内翼を介することでパワータービン出力を制御する技術が記載されている
。
【０００３】
【特許文献１】特公平７−６４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１記載の技術では、パワータービン入口に備えられた可変案内翼は、パワータービンに供給する燃焼ガス量を調整するためのものであり、パワータービンの出力を変えるだけである。そのため、圧縮機内を流れる作動空気量を制御することが困難である。したがって、圧縮機の特性は変わらないため、部分負荷運転時の圧縮機効率低下に対応することができない。
【０００５】
本発明の目的は、２軸式ガスタービンにおいて、ガスタービンの部分負荷運転時の圧縮機効率低下を抑制し、かつ圧縮機のサージマージンを確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、所定負荷を低下させるように運転を切り替える際に、圧縮機の回転数を減少させる第一の工程と、圧縮機の作動空気量を減少させる第二の工程の両者を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によって、２軸式ガスタービンにおいて、ガスタービンの部分負荷運転時の圧縮機効率低下を抑制し、かつ圧縮機のサージマージンを確保することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
２軸式ガスタービンは、ガスジェネレータとパワータービンの回転軸を分離して２軸にしている。そのため、１軸式ガスタービンに比べ運転の自由度が多く、部分負荷性能を向上できる。１軸式ガスタービンでは、燃焼器に供給する燃料流量の調整だけでガスタービン出力を制御できる。２軸式ガスタービンでは、燃焼器の燃料流量の調整だけでは、ガスタービンの出力制御が困難である。そこで２軸式ガスタービンでは、ガスジェネレータに備えられた圧縮機の吸込流量も制御する必要がある。この圧縮機の吸込流量を制御する方法として、一般に圧縮機の回転数を可変制御する方法と、圧縮機に取り付けられた可変静翼の取付角度を可変制御する方法がある。なお、圧縮機に取り付けられた可変静翼の取付角度を可変制御することで、圧縮機の内部を流れる作動空気量を直接的に減少させることが出来る。
【０００９】
２軸式ガスタービンで、簡単のため機械損失などを考慮しない場合、ガスジェネレータを一定回転数で運転するためには、ガスジェネレータの高圧タービンで発生した動力とガスジェネレータの圧縮機の駆動動力とを適切に調整する必要がある。すなわち、１軸式ガスタービンでは、圧縮機，燃焼器，タービンを備え、圧縮器とタービンとを同一の回転軸で連結し、発電機などの負荷を回転させている。そのため１軸式ガスタービンでは、タービンで発生した動力から圧縮機の駆動動力を差し引いた分が発電機などの出力として取り出される。
【００１０】
しかし、２軸式ガスタービンは、１軸式ガスタービンと異なり、ガスジェネレータとパワータービンとの回転軸が分断されている。そのため、ガスジェネレータに着目すると、高圧タービンと圧縮機との動力を適切に調整する必要がある。ガスジェネレータの回転数や圧縮機可変静翼の角度を変更せずに（即ち、吸込流量を変えずに）、燃料流量だけで負荷を変更しようとしても、燃料流量をあまり絞れないので負荷を大きく変更することができない。したがって、負荷を大きく変更するためには圧縮機吸込流量を変更することが考えられる。本実施例では、最も効率良くガスタービンを運転させることが可能なガスタービン負荷を定格負荷（定格状態）とする。そして、定格負荷よりも低い負荷でガスタービンを運転させる場合を部分負荷状態と称する。
【００１１】
図１０は、圧縮機の回転数のみで圧縮機内部の流量を減少させた時の圧縮機効率やサージマージンの関係を示す。図１０において、左側の縦軸を圧縮機のサージマージン、右側の縦軸を圧縮機効率、横軸を圧縮機流量Ｆとしている。なお、サージマージンを表す左側の縦軸と圧縮機効率を表す右側の縦軸とは縮尺が異なっている。また、横軸は圧縮機回転数Ｎを絞ることで圧縮機流量Ｆを減少させているため、同時に圧縮機回転数Ｎも表している。例えば、圧縮機の回転数によって、圧縮機の内部を流れる作動空気量を減少させ、圧縮機流量を定格状態から減少させる。このとき圧縮機効率は、点Ｘから曲線ｌ上を左方向に遷移するため、圧縮機効率は点Ｊまで上昇する。このように圧縮機流量を定格状態から減少させる時、サージマージンは、点Ｘから曲線ｍ上を左方向に遷移するため、減少する
。つまり、圧縮機の回転数のみで圧縮機流量を減少させる場合、圧縮機のサージマージンが減少する。ここで、サージマージンについて説明する。圧縮機は、吸込んだ流体を昇圧する機械であり、圧縮機に対する昇圧前後の圧力の比を圧力比と称する。サージマージンとは、サージング現象が発生する圧力比と実際の運転点の圧力比との間の余裕のことである。そして、サージング現象とは、次のような現象である。圧力比を増加させていくと、任意の圧力比において急激に強い音響を伴う圧力変動と、空気流の激しい脈動と、機械の振動とを引き起こし、圧縮機の運転が不安定になる現象である。圧縮機によっては、このサージマージンが充分確保出来ないために、圧縮機の回転数をあまり減少させることができず、ガスタービン出力を充分減少できないこともある。図１０の場合、サージマージンが現象し過ぎて、サージング現象が生じる所定の領域をαとする。
【００１２】
次に、圧縮機回転数の可変範囲について説明する。圧縮機回転数の可変範囲は、圧縮機翼が共振する回転数で決定する。そのため、圧縮機回転数を定格状態から減少させる場合、圧縮機翼が共振を起こす回転数までしか、回転数を減少させることが出来ない。図１０では、圧縮機回転数が共振回転数に到達する所定の領域をβとする。したがって、圧縮機回転数の可変範囲は、定格状態から圧縮機翼が共振する回転数までとなる。この可変範囲を広げるために、圧縮機翼の共振回転数を低下させる構造にしようとすると、翼を厚くする必要が生じ、空力的には最適な設計にならない。そのため、圧縮機回転数の可変範囲を広げることには限界がある。
【００１３】
また、図１１は圧縮機の可変静翼のみで圧縮機内部の流量を減少させた時の圧縮機効率やサージマージンの関係を示す。図１１において、左側の縦軸をサージマージン、右側の縦軸を圧縮機効率、横軸を圧縮機流量とする。また、横軸は可変静翼の開度Ｖを減少させることで圧縮機流量Ｆを減少させているため、同時に可変静翼の開度Ｖも表している。図１１に示すように、圧縮機の可変静翼の開度を減少させると圧縮機効率は減少する。即ち
、圧縮機効率の観点では、圧縮機回転数でガスタービン出力を制御する場合より部分負荷性能が低下する。しかし、可変静翼の取付角度のみを制御するだけで圧縮機流量を減少させる場合、サージマージンは定格状態より増加している。したがって、サージング現象が起きる可能性は減少する。
【実施例１】
【００１４】
本実施例における２軸式ガスタービンの構成図を図９に示す。本実施例の２軸式ガスタービンは、ガスジェネレータ１０とパワータービン４とを備える。ガスジェネレータ１０は、大気空気６を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１，圧縮機１により圧縮された圧縮気体と燃料とを混合燃焼させる燃焼器３、及び燃焼器３から排出された燃焼ガスにより回転駆動される高圧タービン２を備える。そして、圧縮機１とパワータービン４の回転軸は同一である。パワータービン４である低圧タービンは、高圧タービン２から排出された排出ガス７のエネルギにより回転駆動し、パワータービン４の回転軸に連結されている発電機５やプロセス用圧縮機などを回転させる。また、ガスジェネレータ１０とパワータービン４とは、回転軸を分離して２軸式としている。そして、圧縮機１の入口案内翼はその取付角度を可変可能に構成し、必要に応じ前側の静翼の取付角度も可変可能に構成している
。ここで、圧縮機に取り付けられた、入口案内翼を含め取付角度が可変である静翼を可変静翼３０と称する。また、この可変静翼３０は可変静翼駆動機３１により開度を調整する
。
【００１５】
ガスジェネレータ１０とパワータービン４にはそれぞれ回転計３４，３５を設けている。この回転計３４，３５によって、それぞれの軸回転数を計測できる。ガスジェネレータ１０の軸回転数は主として燃焼器３に供給される燃料２４の流量により制御される。
【００１６】
ここで、燃焼器３に燃料を供給する燃料系統について説明する。燃料系統の上流には燃料供給ポンプ３３が設置され、燃料供給ポンプ３３から供給される燃料は燃料制御弁３２により燃料流量を制御されている。そして、圧縮機１のケーシングには抽気室が設けられており、抽気室に起動用の抽気ラインやタービン高温部冷却用の抽気ラインが取り付けられている。抽気室内の作動流体の一部は必要に応じ抽気される。
【００１７】
次に、図９及び図１２を用い、制御装置２０について説明する。制御装置２０には、主に圧縮機１における圧力比４０，ガスジェネレータ１０の軸回転計３４から得られるガスジェネレータ軸回転数４１，パワータービン４の軸回転計３５から得られるパワータービン軸回転数４２，発電機に取り付けられた出力計３６から得られるガスタービン出力４３が入力される。これらの入力データに基づき、可変静翼の開度を制御する信号２１，燃料流量を制御する信号２５が出力される。なお、図９では、制御装置２０が送受信する信号は点線で表記している。図１２は、制御装置２０における基本的な制御の流れを示した図である。目標出力設定部１００は、ガスタービンの目標出力ＸＸと出力計３６から得られるガスタービン出力４３を入力し、それに応じた出力指令信号Ｌを送信する。変換器１０１は、出力指令信号Ｌに基づいて目標出力ＸＸに対応する、圧縮機内を流れる作動空気量Ｆを算出し、関数発生器１０２に送信する。関数発生器１０２は、圧縮器内の作動空気量Ｆと圧縮機回転数Ｎｘに基づいてサージマージン値Ｓを算出する。この関数発生器１０２には図１０の関係が設定されているため、作動空気量Ｆに対応したサージマージン値Ｓを算出することが可能である。関数発生器１０２は、算出したサージマージン値Ｓと圧縮機回転数Ｎ及び作動空気量Ｆをサージマージン判定器１０３に送信する。そして、サージマージン判定器１０３は、関数発生器１０２から送信されたサージマージン値Ｓが安全であるか否かを判定する。サージマージン値が安全である場合、圧縮機回転数Ｎと作動空気量Ｆを回転数判定器１０４に送信する。逆に、サージマージン値Ｓに問題があると判定した場合、このときの作動空気量Ｆを関数発生器１０６に送信する。回転数判定器１０４は、サージマージン判定器１０３から送信された圧縮機回転数Ｎが共振回転数に達しているかどうかを判定する。圧縮機回転数が安全である場合（即ち、サージマージン値Ｓ，回転数Ｎともに問題ない場合）、減算器１０５に圧縮機回転数Ｎを送信する。回転数判定器１０４が圧縮機回転数Ｎに問題あると判定した場合、このときの作動空気量Ｆを関数判定器１０６に送信する。減算器１０５では、回転数判定器１０４から送信された圧縮機回転数Ｎをもとに、軸回転計３４から得られる圧縮機回転数Ｎｘと比較しながら回転数制御量ΔＮを算出し、燃料制御弁３２の制御を行う。具体的には、燃料制御弁３２に弁開度を減少させる信号２５を送信する。
【００１８】
このように、サージマージン判定器１０３は、圧縮機回転数を減少させて圧縮機流量を減少させた場合に、サージマージンが低下しすぎることを防止する機能を有する。また、回転数判定器１０４は圧縮機回転数が共振回転数に到達することを防止する機能を有する。
【００１９】
次に、関数発生器１０６には、サージマージン判定器１０３又は回転数判定器１０４から圧縮機内の作動空気量Ｆが送信される。関数発生器１０６は図１１の対応関係が設定されている。そのため、可変静翼３０のみを用いて圧縮機内の作動空気量Ｆを減少させたときのサージマージン，圧縮機効率を算出することが可能である。関数発生器１０６は圧縮機効率ηを算出し、圧縮機効率ηと作動空気量Ｆを圧縮機効率判定器１０７に送信する。圧縮機効率判定器１０７は、関数発生器１０６から作動空気量Ｆと圧縮機効率ηが送信され、圧縮機効率ηが低下しすぎていないか（図１１の領域γに到達していないか）判定する。なお、図１１において圧縮機効率ηを低下させることが可能な所定の領域をγとする。圧縮機効率ηに問題がなければ、減算器１０８に圧縮機の作動空気量Ｆを送信する。減算器１０８は、入力された圧縮機の作動空気量Ｆをもとに、作動空気量の制御量ΔＦを送信する。変換器１１０は圧縮機の作動空気量を可変静翼の開度に変換する機能を有する。また、変換器１１２は軸回転計３４から得られる圧縮機回転数と圧縮機１から得られる圧力比及び可変静翼開度Ｖｘ等より作動空気量Ｆｘを算出する。そのため、減算器１０８は、圧縮機効率判定器１０７から得られる作動空気量Ｆと変換器１１２から得られる作動空気量Ｆｘより作動空気量の制御量ΔＦを算出することが可能である。また、減算器１１１は変換器１１０から得られる可変静翼の開度Ｖと可変静翼駆動機３１から得られる開度Ｖｘより可変静翼開度の制御量ΔＶを算出する。したがって、減算器１１１は制御量ΔＶを信号２１として可変静翼駆動機３１に送信し、可変静翼開度を減少させる。なお、圧縮機効率判定器１０７において圧縮機効率ηが下がり過ぎていると判定した場合、可変静翼開度を増加させるように可変静翼駆動機３１を制御すればよい。また、可変静翼３０の開度を減少させると、サージマージンが上昇するため、再び関数発生器１０２に戻って圧縮機回転数を減少させるようにしても良い。
【００２０】
なお、発電機に取り付けられた出力計３６から得られるガスタービン出力が目標出力設定部１００で設定した目標出力ＸＸとなった場合は、その時点で制御を停止する。
【００２１】
図１，図２，図１２を用いて、定格出力（定格負荷状態）から部分負荷状態にするためにガスタービン出力を減少させる場合の、圧縮機の回転数と可変静翼の開度を制御する手順を説明する。なお、図１の縦軸は、圧縮機回転数と圧縮機可変静翼の開度を、定格状態（１とする）からの制御量で表している。横軸は、定格負荷（１とする）から圧縮機回転数と圧縮機可変静翼の開度を制御したときのガスタービン出力を表す。また、図２の縦軸は、圧縮機効率とサージマージンをガスタービンの定格状態（１とする）から変更したときの性能で表す。横軸は、定格負荷（１とする）から圧縮機効率とサージマージンを変更したときのガスタービン出力を表す。ガスタービンの定格状態は点Ｘに位置し、横軸の値は１である。そして、圧縮機の回転数及び圧縮機の可変静翼のどちらか一方を制御することでガスタービン出力を減少させる場合、点Ｘから左方向にグラフ上を遷移していく。
【００２２】
ここで、定格状態から圧縮機回転数を減少させると、共振回転数に到達する前にサージマージンが低下しすぎてしまう場合（図１０の領域αの回転数が領域βの回転数より定格状態に近い場合）と、逆に、サージマージンに余裕があっても共振回転数に到達してしまう場合（図１０の領域βの回転数が領域αの回転数より定格状態に近い場合）が考えられる。本実施例では、サージマージンに余裕があっても共振回転数に到達してしまう場合を説明する。
【００２３】
定格出力（定格負荷）のガスタービンを部分負荷状態にする場合、目標出力設定部１００にガスタービンの目標出力ＸＸと出力計３６から得られるガスタービン出力４３を入力する。そして、目標出力設定部１００がガスタービンの目標出力ＸＸを設定するとともに、変換器１０１に出力指令信号Ｌを送信する。変換器１０１は、出力指令信号Ｌに基づいて圧縮機内を流れる作動空気量Ｆを算出し、関数発生器１０２に送信する。図１２に示すように、関数発生器１０２は圧縮器内の作動空気量Ｆと軸回転計３４から得られる圧縮機回転数Ｎｘが送信され、サージマージン値Ｓを算出する。関数発生器１０２は、圧縮機回転数Ｎと算出したサージマージン値Ｓ及び作動空気量Ｆをサージマージン判定器１０３に送信する。本実施例の場合、関数発生器１０２から送信されたサージマージン値Ｓは問題ないため、このときの圧縮機回転数Ｎと作動空気量Ｆを回転数判定器１０４に送信する。そして、回転数判定器１０４では、送信された圧縮機回転数Ｎが共振を起こす回転数範囲βに到達するか又は到達する以前（図１のガスタービン出力Ａ）であることを、回転数判定器１０４が検知する。検知後は、圧縮機回転数Ｎを所定の範囲に設定することが望ましい。圧縮機翼の共振回転数では、回転数を保持して運転することが困難なためである。そして、回転数判定器１０４は圧縮機の作動空気量Ｆを関数発生器１０６に送信する。なお、サージマージン，圧縮機回転数ともに問題ない場合（図１の区間Ｎ）、回転数判定器１０４が減算器１０５に圧縮機回転数Ｎを送信する。減算器１０５は、送信された圧縮機回転数Ｎと軸回転計３４から得られる圧縮機回転数Ｎｘに基づいて圧縮機回転数の制御量ΔＮを燃料制御弁３２に送信する。
【００２４】
次に関数発生器１０６では、回転数判定器１０４から圧縮機の作動空気量Ｆが送信される。関数発生器１０６は、可変静翼３０によって圧縮機流量を減少させる場合のサージマージンＳ，圧縮機効率ηを算出するとともに、圧縮機効率ηと作動空気量Ｆを圧縮機効率判定器１０７に送信する。圧縮機効率判定器１０７では、関数発生器１０６から送信された圧縮機効率ηに問題がないか判定する。具体的には、圧縮機効率ηが領域γに到達しているかどうかで判定する。圧縮機効率判定器１０７が圧縮機効率ηに問題ないと判定した場合、減算器１０８に圧縮機の作動空気量Ｆを送信する。なお、変換器１１２は圧縮機１から得られる圧力比と軸回転計３４から得られる圧縮機回転数及び可変静翼駆動機３１から得られる可変静翼開度Ｖｘ等に基づいて作動空気量Ｆｘを算出する。減算器１０８は、この変換器１１２から得られる作動空気量Ｆｘと圧縮機効率判定器１０７から得られる作動空気量Ｆより作動空気量の制御量ΔＦを出力する。そして、変換器１１０によりΔＦを可変静翼開度に変換し、減算器１１１に送信する。減算器１１１は、送信された可変静翼開度信号Ｖと可変静翼駆動機３１から得られる可変静翼開度信号Ｖｘより可変静翼３０開度の制御量ΔＶを出力する。具体的には、信号２１を可変静翼駆動機３１に送信し、圧縮機の可変静翼３０を閉じる（可変静翼の開度を減少させる）。したがって、圧縮機回転数と圧縮機可変静翼の開度を制御することで、圧縮機が吸い込む大気空気６の量を減少させ、ガスタービン出力が減少する。
【００２５】
このように、制御装置２０は、所望のガスタービン出力に対してサージマージンと圧縮機効率を算出する第一の制御手段である関数発生器１０２，第二の制御手段である関数発生器１０６を備える。そして、圧縮機のサージマージン又は圧縮機回転数に基づいてガスタービンの運転状態を判断するサージマージン判定器１０３，回転数判定器１０４を有することで、ガスタービンの運転状態にあわせて２つの制御手段の少なくとも一方に実行を指示することが可能である。
【００２６】
図２を用いて、前述の圧縮機回転数と圧縮機可変静翼の開度を制御する状態を、圧縮機効率とサージマージンとの関係から説明する。定格出力ガスタービンの圧縮機回転数を定格状態（出力１）から図１のガスタービン出力Ａまで減少させる時、定格状態と比べて圧縮機効率は増加するが、サージマージンは減少する。しかし、ガスタービン出力Ａからは圧縮機回転数を所定の範囲とし、圧縮機可変静翼を閉じる（圧縮機の可変静翼の開度を減少させる）ため、一度減少したサージマージンは増加する。一方、圧縮機効率はガスタービン出力Ａを境界に減少しているが、圧縮機可変静翼の開度のみで制御する場合に比べると、圧縮機効率の定格状態からの減少量は少ない。
【００２７】
図１の区間Ｎでは圧縮機の内部を流れる作動空気量は所定の範囲とし、圧縮機の回転数を減少させる（第一の工程）と、圧縮機効率が増加し、サージマージンが減少する。ガスタービン出力Ａを境界にガスタービン出力を更に減少させる時に（区間Ｍ）、圧縮機の回転数を所定の範囲とし、圧縮機の内部を流れる作動空気量を減少させる（第二の工程）と、圧縮機効率が減少し、サージマージンが増加する。圧縮機効率は、部分負荷状態の区間Ｍにおいて減少しているが、区間Ｎで事前に圧縮機効率を増加させているため、定格状態の圧縮機効率と比較して、部分負荷状態の圧縮機効率低下を抑制することが可能である。また、サージマージンは、区間Ｎで減少しているが、区間Ｍでは増加するため、部分負荷状態では圧縮機のサージマージンを確保することが可能である。即ち、圧縮機の回転数を減少させることで生じるサージマージンの減少分を、圧縮機内部を流れる作動空気量を減少させることで生じるサージマージンの増加分で補っている。このように、圧縮機の回転数を減少させる第一の工程と圧縮機の作動空気量を減少させる第二の工程とを含む制御であるため、圧縮機効率低下を抑制し、かつサージマージンを確保することができる。
【００２８】
なお、本実施例では、第二の工程を第一の工程の開始後である区間Ｍで実施しているが、区間Ｎにおいて第一の工程の開始と第二の工程の開始が同時であってもよい。
【００２９】
このような圧縮機回転数を制御する第一の制御手段と圧縮機内部を流れる作動空気量を制御する第二の制御手段による反対の特性を利用し、サージマージン又は圧縮機の回転数に基づいて２つの制御手段の少なくとも一方に実行を指示する手段である複数の監視部を用いることで、圧縮機効率低下を抑制し、かつサージマージンを確保することができる。また、部分負荷運転時の安定駆動とプラント熱効率の向上を同時に実現できる。
【００３０】
本実施例では、定格出力からガスタービン出力を減少させる場合、圧縮機回転数を減少させる第一の工程の開始後に、圧縮機の作動空気量を減少させる第二の工程を開始する。第一の工程より第二の工程を先に開始すると、一連の制御過程において圧縮機効率が定格状態より増加する状態が一切存在しない可能性があるため、好ましくない。そのため、第二の工程を第一の工程の開始後に開始することで、少なくともガスタービン出力Ａでは圧縮機効率を定格状態よりも増加させることが可能になる。そして、一連の制御過程において圧縮機効率が定格状態より減少する状態を少なくすることが可能となる。
【００３１】
また、図１において、点Ｘに位置する定格出力のガスタービンを部分負荷状態にする時、ガスタービン出力Ａまでは可変静翼の開度は所定の範囲で圧縮機回転数を減少させる（図１の区間Ｎ）。但し、可変静翼の開度は一定値である必要はない。そして、圧縮機翼が共振するガスタービン出力Ａを境界として、圧縮機の内部を流れる作動空気量は減少させているが、圧縮機回転数は所定の範囲としている（図１の区間Ｍ）。この区間Ｍにおいても、圧縮機回転数は厳密に一定である必要はなく、多少の増減があっても良い。
【００３２】
なお、圧縮機の作動空気流量を制御する方法には、圧縮機１の抽気を利用する方法や圧縮機１吐出空気の一部を大気に排出する方法もある。この場合、抽気や排出する流量を制御するために流量調整弁が必要になる。また、高圧タービンで発生した動力を利用して昇圧した圧縮空気を捨てることになるので、ガスタービンの熱効率は低下する。したがって、本実施例のように圧縮機内の作動空気量を減少させるために、圧縮機の可変静翼で制御すると、ガスタービンの熱効率低下を抑制することが可能になる。なお、圧縮機１の抽気を利用する方法や圧縮機吐出空気の一部を大気に排出する方法で圧縮機内を流れる作動空気量を減少させる場合は、実施例１から３のように、圧縮機の可変静翼や回転数を制御する方法を併用することが望ましい。
【００３３】
また、本実施例では定格出力のガスタービンを部分負荷状態にする場合であるが、所定負荷において作動するガスタービン出力を低下させるように切り替える場合にも、本実施例の制御方法を適用可能である。
【実施例２】
【００３４】
実施例２を図３，図４を用いて説明する。なお、図３，図４の表記方法は、それぞれ図１，図２と同様である。
【００３５】
本実施例は、定格出力からガスタービン出力を減少させる場合に、圧縮機回転数を減少させる第一の工程の開始と同時に圧縮機の内部を流れる作動空気量を減少させる第二の工程も開始している。本実施例も圧縮機回転数の減少によりサージマージンが減少しているが、同時に圧縮機の内部を流れる作動空気量を減少させることで、ガスタービン出力Ｂにおける定格出力からのサージマージンの減少幅を抑えることが可能になる。
【実施例３】
【００３６】
実施例３を図５，図６，図１２を用いて説明する。なお、図５，図６の表記方法は、それぞれ図１，図２と同様である。
【００３７】
本実施例は、実施例１と同様に定格出力からガスタービン出力を減少させる場合に、まず圧縮機回転数を減少させる。そして、圧縮機の翼が共振回転数の範囲に到達するか又は到達以前に、圧縮機１のサージマージンが減少し過ぎた場合（図１０の領域αの回転数が領域βの回転数より定格状態に近い場合）の制御スケジュールである。そのため、図１２において関数発生器１０２がサージマージン値と圧縮機回転数をサージマージン判定器１０３に送信するまでは、同一である。
【００３８】
本実施例では、圧縮機の回転数がサージマージンを確保できる最小回転数領域αに到達するか又は到達する以前であることを、サージマージン判定器１０３が検知する（図５，図６の点Ｃ）。サージマージン判定器１０３で異常を検知した場合、サージマージン判定器１０３は関数発生器１０６に圧縮機の作動空気量Ｆを送信する。関数発生器１０６は、送信された作動空気量Ｆより圧縮機効率ηを算出し、圧縮機効率判定器１０７に送信する。圧縮機効率判定器１０７は、関数発生器１０６から圧縮機効率ηが送信され、圧縮機効率ηが低下しすぎていないか判定する。圧縮機効率ηに問題がなければ、減算器１０８に圧縮機の作動空気量Ｆを送信する。減算器１０８は、送信された圧縮機の作動空気量Ｆをもとに、可変静翼３０の開度を減少させる。なお、可変静翼３０を制御する時に減算器１０８，１１１、変換器１１０，１１２による制御方法は実施例１と同様である。したがって、圧縮機内を流れる作動空気量が減少し、ガスタービン出力を減少させる。関数発生器１０６の算出結果より、サージマージン値が上昇することが分かる。そのため、その分の圧縮機回転数を減少させることができる。なお、圧縮機の可変静翼を閉じる時、同時に圧縮機回転数を低下させなくても良い。本実施例では、圧縮機の可変静翼を閉じる時、同時に圧縮機回転数を減少させ、圧縮機翼が共振する回転数範囲に到達するか又は到達以前に（図５，図６の点Ｄ）、回転数を所定の範囲とし可変静翼を更に閉じる。以上の制御により、ガスタービン出力が目標出力設定部１００で設定した目標出力となった場合、その時点で制御が停止となる。
【実施例４】
【００３９】
実施例４を、図７，図８を用いて説明する。なお、図７，図８の表記方法は、それぞれ図１，図２と同様である。
【００４０】
本実施例は、実施例１と同様に、定格出力からガスタービン出力を減少させる場合、まず圧縮機回転数を減少させる。そして、圧縮機翼の共振回転数の範囲に、圧縮機回転数が到達するか又は到達以前に（図７，図８の点Ｅ）、圧縮機回転数を所定の範囲とし、圧縮機の可変静翼を閉じてガスタービン出力を減少させる（図７，図８の点Ｆ）。その後、圧縮機回転数が共振回転数の範囲を回避できる下側の回転数まで、圧縮機回転数を短時間に減少させる（図７，図８の点Ｇ）。図７のように、運用によっては、圧縮機回転数を短時間に減少させるのに合わせて可変静翼を開き（可変静翼の開度を増加させる）、ガスタービン出力の急減を避けることが望ましい。さらにガスタービン出力を減少させる場合は圧縮機回転数のみを減少させる。圧縮機のサージマージンを確保できる最小回転数に到達後（図７，図８の点Ｈ）は、実施例３と同様に、圧縮機の可変静翼を閉じてガスタービン出力を減少させる。圧縮機の可変静翼を閉じるとサージマージンは増加するので、その分、圧縮機回転数を減少させることができる。
【００４１】
本実施例のように制御すると、定格状態から圧縮機回転数を減少させる幅を大きくできる。ただし、図１０から分かるように、圧縮機回転数を減少させると点Ｊまでは圧縮機効率は増加するが、その後減少する。そのため、最高効率の圧縮機回転数になったら（図７，図８の点Ｉ）回転数は所定の範囲とし、圧縮機内を流れる作動空気量を減少させる。なお、圧縮機内を流れる作動空気量を減少させると最高効率の圧縮機回転数が変わるので、最高効率になる圧縮機回転数で運転することが望ましい。図８ではサージマージンを確保できる最小回転数（図７，図８の点Ｈ）より最高効率の回転数（図７，図８の点Ｉ）の方が圧縮機回転数は小さいが、圧縮機１によってはサージマージンを確保できる最小回転数より最高効率の回転数のほうが圧縮機回転数は大きいこともある。図７，図８は共振回転数が１つの場合の制御スケジュールであるが、共振回転数が複数あるときは同様の操作を行う。
【００４２】
従来は、圧縮機翼が共振する回転数範囲における最大値（即ち、定格状態における圧縮機回転数を減少させた時に、圧縮機翼が最初に共振する圧縮機回転数）までしか圧縮機回転数を減少させることができなかった。そのため、部分負荷運転を行うために、定格状態における圧縮機回転数から共振回転数までの回転数範囲を拡大するように設計をする必要があり、空力的には最適な設計にならなかった。しかし、本実施例のように、共振回転数の範囲に圧縮機の回転数が到達するか又は到達以前に、圧縮機回転数を所定の範囲とし、前記圧縮機の内部を流れる作動空気量を減少させることで、共振回転数以下の圧縮機回転数にすることが可能である。また、定格状態における圧縮機回転数から翼が共振する圧縮機回転数までの範囲は狭くても構わず、空力的に最適な設計が可能となる。
【００４３】
このように、制御スケジュールを工夫することで、翼の共振回転数以下でもガスタービンを運転することが可能となり、定格状態の圧縮機回転数から最低回転数までの幅を大きく設定することができる。そのため、効率が良い部分負荷運転の範囲が広がる。さらに、定格状態における回転数から共振回転数までの回転数範囲は狭くても構わないので、空力的に熱効率の良い設計が可能となる。また、既存のガスタービンの場合、ハードを変えずに本実施例のような圧縮機の回転数を制御する第一の制御手段と、圧縮機の作動空気量を制御する第二の制御手段とを備える運転制御装置に変更するだけで部分負荷特性が改善されるので、コストをかけずに部分負荷性能を向上させることができる。
【００４４】
なお、上記の実施例では定格出力のガスタービンを部分負荷状態にする場合を対象としている。しかし、ある所定負荷において作動するガスタービンの出力を低下させるようにガスタービンの運転を切り替える場合にも、各実施例の制御方法を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】圧縮機の回転数と可変静翼開度のスケジュールを表した図。
【図２】ガスタービン出力と圧縮機効率またはサージマージンとの関係図。
【図３】圧縮機回転数と可変静翼を同時に低下させた時の、回転数と可変静翼開度のスケジュールを表した図。
【図４】圧縮機回転数と可変静翼を同時に低下させた時の、ガスタービン出力と圧縮機効率またはサージマージンとの関係図。
【図５】回転数と可変静翼開度のスケジュールを表した図。
【図６】ガスタービン出力と圧縮機効率またはサージマージンとの関係図。
【図７】圧縮機の回転数と可変静翼開度のスケジュールを表した図。
【図８】ガスタービン出力と圧縮機効率またはサージマージンとの関係図。
【図９】２軸式ガスタービンの構成図。
【図１０】圧縮機回転数を制御した場合の、サージマージンと圧縮機効率との関係図。
【図１１】圧縮機可変静翼を制御した場合の、サージマージンと圧縮機効率との関係図。
【図１２】制御装置２０における制御フローを示した図。
【符号の説明】
【００４６】
１…圧縮機、２…高圧タービン、３…燃焼器、４…パワータービン、５…発電機、６…大気空気、７…排出ガス、１０…ガスジェネレータ、２０…制御装置、２１，２２，２５…信号、２４…燃料。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008064117.tif 000011
【図１０】
2008064117.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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