(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、ガスタービンのプラント全体の熱を有効利用しつつ、チップクリアランスの拡大を抑制可能とすることにある。【解決手段】  空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスでタービンを駆動するガスタービンにおいて、前記タービンのケーシングに、該ケーシングの温度を調整する熱交換系統を備え、該熱交換系統で得られた該ケーシングの熱を用いてガスタービン燃料を予熱する燃料予熱手段とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2008215184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスでタービンを駆動するガスタービンにおいて、
前記タービンのケーシングに、該ケーシングの温度を調整する熱交換系統を備え、
該熱交換系統で得られた該ケーシングの熱を用いてガスタービン燃料を予熱する燃料予熱手段とを備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
空気を圧縮する第一の圧縮機と、前記第一の圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスでタービンを駆動するガスタービンにおいて、
前記タービンのケーシングに、該ケーシングの温度を調整する熱交換系統を備え、
該熱交換系統は、ケーシング内で媒体が流れる内部流路と、該内部流路から排出された媒体を圧縮する第二の圧縮機と、圧縮された媒体と前記燃料とを熱交換する熱交換器と、熱交換された媒体が減圧弁を介して前記内部流路に供給されるよう構成したことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
空気を圧縮する第一の圧縮機と、前記第一の圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスでタービンを駆動するガスタービンにおいて、
前記タービンのケーシングに、該ケーシングの温度を調整する熱交換系統を備え、
該熱交換系統は、ケーシング内で第一の媒体が流れる内部流路と、該内部流路から排出された第一の媒体を圧縮するポンプと、圧縮された第一の媒体と前記燃料とを熱交換する第一の熱交換器と、前記第一の媒体と第二の媒体とを熱交換する第二の熱交換器とを備え、熱交換された第一の媒体を前記内部流路に供給されるよう構成したことを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項２に記載のガスタービンにおいて、
前記ケーシング温度，発電機出力及びタービン回転数に基づき前記減圧弁の開度を制御する制御装置を備えたことを特徴としたガスタービン。
【請求項５】
請求項２に記載のガスタービンにおいて、
ガスタービン起動時および停止時において前記減圧弁の開度を開いてケーシングを予熱するための制御手段と、ガスタービン負荷運転中においては前記減圧弁の開度を絞ってケーシングを冷却するための制御手段とを備え、発電出力に応じて前記制御手段を切り替えることを特徴としたガスタービン。
【請求項６】
請求項２に記載のガスタービンにおいて、
ガスタービン緊急停止の検出手段を備え、ガスタービン緊急停止時に前記減圧弁を全開としケーシングを予熱するための制御手段を備えたことを特徴としたガスタービン。
【請求項７】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
前記ケーシング温度，発電機出力及びタービン回転数に基づき前記第二の熱交換器の第二の媒体の流量を制御する制御装置を備えたことを特徴としたガスタービン。
【請求項８】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
ガスタービン起動時および停止時に前記第二の熱交換器の第二の媒体の流量を減少しケーシングを予熱するための制御手段と、
ガスタービン負荷運転中においては前記第二の熱交換器の第二の媒体を増やしてケーシングを冷却するための制御手段とを備え、
発電出力に応じて前記制御手段を切り替えるガスタービン制御装置を備えたことを特徴としたガスタービン。
【請求項９】
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
ガスタービン緊急停止の検出手段を備え、ガスタービン緊急停止時に前記第二の熱交換器の第二の媒体の流量を遮断してケーシングを予熱するための制御手段を備えたことを特徴としたガスタービン。
【請求項１０】
燃焼器で得られた燃焼ガスでタービンを駆動するガスタービンの制御装置において、
前記タービンのケーシングの温度を調整する熱交換系統で得られた該ケーシングの熱を用いてガスタービン燃料を予熱し、該ケーシングの温度を調整するガスタービンの制御装置。
【請求項１１】
燃焼器で得られた燃焼ガスでタービンを駆動するガスタービンの制御方法において、
前記タービンのケーシングの温度を調整する熱交換系統で得られた該ケーシングの熱を用いてガスタービン燃料を予熱し、該ケーシングの温度を調整する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，ガスタービン制御装置、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ガスタービンの分野では、翼端とシュラウドとの間隙であるチップクリアランスの広さを制御する技術が検討されている。例えば特許文献１に記載の圧縮機では、圧縮機の運転時にケーシング部を冷却し、ケーシングの熱伸びを抑制することでチップクリアランスの拡大を抑制し、効率の低下を抑制している。
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−５７１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ケーシングの熱を大気に放熱しているため、プラント全体の熱利用率の点で、ロスが多くなってしまう。
【０００５】
本発明の目的は、ガスタービンのプラント全体の熱を有効利用しつつ、チップクリアランスの拡大を抑制可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、タービンのケーシングに、ケーシングの温度を調整する熱交換系統を備え、熱交換系統で得られたケーシングの熱を用いてガスタービン燃料を予熱する燃料予熱手段とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、ガスタービンのプラント全体の熱を有効利用しつつ、チップクリアランスの拡大を抑制可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ガスタービンの信頼性に関しては、クリープ，疲労，腐食などの強度の他に、変形の問題も重要である。例えば、回転半径方向の変形は、運転時におけるタービン回転部（動翼およびロータ）の遠心伸びや熱伸び、また、その外側の静止部（シュラウドあるいはケーシング）の熱伸びなどが考えられる。これらの変形で、特に動翼の翼端とシュラウドとが接触した場合、機器の損傷によりタービンの性能が低下する。場合によってはタービンを停止せざるを得ない。
【０００９】
この問題を回避する方策として、設計段階において微動翼の翼端とシュラウドが接触しないよう、翼端とシュラウドとの間隙であるチップクリアランス（以下、単にクリアランスと称す）を広く設定する方法がある。しかしながら、クリアランス部分を通過する燃焼ガスはタービンの駆動に寄与しないため、クリアランスを広くしすぎるとプラント全体の効率が低下してしまう。
【００１０】
特に産業用ガスタービンでは、クリアランスはタービン起動時に最も狭くなるという特性がある。これは、起動時における静止部の熱伸び（クリアランス増大方向）に比べ、熱容量の小さい回転部の遠心伸び及び熱伸び（クリアランス減少方向）が先行するためである。クリアランスが最も狭くなる起動時でも静止部と回転部が接触しないようにするためには、停止時のクリアランスを、起動時のクリアランスにも対応可能な程度に広く設定する必要がある。この影響で、定格運転時にはクリアランスが必要以上に広くなってしまい、プラント効率が低くなってしまう。
【００１１】
この効率の低下に対し、諸運転状態におけるタービンのクリアランスを計測・制御し、クリアランスを制御することで、信頼性の低下を抑制しつつ、ガスタービンの効率の低下を抑制する技術が提案されている。例えば、航空機用ガスタービンの分野では、シュラウドやケーシングなどの静止部を可動式とする機械制御や、飛行中の外気あるいは加圧空気で静止部を冷却・加熱する熱伸び制御が行われている。
【００１２】
一方で産業用ガスタービンの分野では、冷却・加熱に比較的時間を要するケーシング部を冷却・予熱してケーシングの熱伸び量を制御する方法が検討されている。例えば、タービンの運転時に、ケーシング部を、冷却ファンで冷却した冷却水の循環により冷却し、ケーシングの熱伸びを抑制することでチップクリアランスの拡大を抑制し、効率の低下を抑制する技術がある。
【００１３】
しかしながら、この技術では、ケーシングの熱を大気に放熱しているため、プラント全体の熱利用率の点で、ロスが多くなってしまう。また、冷却水循環用ポンプや冷却ファンなどの動力が必要であるため、システムの効率という観点で考えた場合、クリアランス制御による効率向上分の一部は、動力分の効率低下で相殺される。
【００１４】
また、産業用ガスタービンでは、起動時，負荷変化時，停止時などでクリアランスの広さが変化するため、各運転状態に応じ、適切にクリアランス制御を行うことが望ましい。
【００１５】
本発明の実施の形態のガスタービンは、チップクリアランスに着目すると共に、プランと全体を効率向上を図るものである。
【実施例１】
【００１６】
図１を用い、本発明の実施例を詳細に説明する。図１は、本発明の実施例１であるガスタービンを示す。ガスタービンは、空気１６を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された圧縮空気と燃料１７とを混合燃焼し燃焼ガスを生成する燃焼器２と、燃焼器２で得られた高温の燃焼ガスで駆動されるタービン３とを備えている。そして、タービン３で得られた駆動力により発電機４を駆動し発電する。燃料１７の燃料供給系統には、燃料流量調整手段として、燃料流量調整弁９が設けられている。ガスタービンの運転状態を把握する手段として、発電出力ＭＷ，タービン回転数Ｎなどの計測手段が備えられ、これらの計測値が目標値に追従するよう燃料流量調整弁９が調節される。
【００１７】
タービン３は、動翼，ロータ，シャンクなどの回転部７と、静翼，シュラウド，ケーシングなどの静止部８を備えている。回転部７と静止部８との間隙、特に動翼の翼端と、シュラウドとの間の隙間がチップクリアランスである。タービン運転時には高温の燃焼ガスが回転部７を通過するため、回転部７を構成する動翼，ロータ，シャンクなどは遠心伸び，熱伸びによって回転方向外側に伸張する。同じく高温ガスに接する静止部８も熱伸びを生じるが、回転部７と比べて構成部品の熱容量が大きいこと、静止部内側のシュラウドの熱伸びが外側のケーシングによって拘束されることから、熱伸びは回転部７に比べて緩やかに推移する。ガスタービンでは、これら構成部品の熱伸び量，遠心伸び量および熱容量に基づき、チップクリアランス量を設定する。つまり、定格時における静止部８の伸張がチップクリアランスの増加要因の一つである。このチップクリアランスの増加が、定格時におけるタービン効率低下の原因となる。
【００１８】
本実施例のガスタービンでは、タービン３の静止部８に循環式の熱交換系統を設けている。この熱交換系統には、静止部８のケーシング内で媒体が流れる内部流路である冷却配管６と、この流路から排出された媒体を圧縮する圧縮機１３と、圧縮された媒体に対して熱交換する熱交換器である燃料予熱手段１５と、燃料予熱手段１５で熱交換された媒体の冷却配管６への供給量を調整する調整手段である減圧弁１２とを設けている。つまり、熱交換系統は、ケーシング内で媒体が流れる内部流路と、内部流路から排出された媒体を圧縮する第二の圧縮機（圧縮機１３）と、圧縮された媒体と燃料とを熱交換する熱交換器
（燃料予熱手段１５）と、熱交換された媒体が減圧弁１２を介して前記内部流路に供給されるよう構成している。
【００１９】
例えば、冷却配管６は、定格時における静止部８の伸張を抑制し、かつ同部分の熱を回収するための冷却手段として設けられ、冷却配管６の内部には媒体が供給され充填される。この媒体は、タービン３の静止部８の熱を回収したのち、静止部８の後流に設けられた燃料予熱用圧縮機１３での断熱圧縮により高温・高圧の冷媒となる。圧縮機１３で圧縮された冷媒は、圧縮機１３の後流に設けられた燃料予熱手段１５において、燃料１７との熱交換により冷却される。燃料１７との熱交換により減温した冷媒は、燃料予熱手段１５の後流に設けられた減圧弁１２にて断熱膨張し、低温・低圧となり静止部８の冷却配管６へと還流する。燃料予熱用圧縮機１３の駆動には駆動源であるモータ１４が用いられる。冷却配管内を流れる冷媒には、例えばフロン代替化合物やＣＯ2 、空気などの自然冷媒が用いられる。
【００２０】
以上に述べた本実施例における冷媒の循環システム、すなわち静止部８からの熱回収と、燃料予熱手段１５で燃料１７を予熱するシステムには、逆カルノーサイクルの一つであるヒートポンプの原理を用いている。ヒートポンプは、圧縮機などの駆動力を用いて低温部分から高温部分へと熱を移動するサイクルであり、低温部分から駆動力の３〜６倍の熱を回収する。本実施例では、大気へと放熱して未利用となっていたタービン静止部の排熱に着目し、ヒートポンプの原理を用いてケーシングから燃料へと熱を還流するシステムとなっている。
【００２１】
本実施例のガスタービンでは、減圧弁１２の開度を調整することにより、減圧弁出口における冷媒の温度・圧力が制御可能である。そこで、本実施例のガスタービンは、タービン起動時には減圧弁を開き、燃料予熱手段１５で減温した冷媒を減圧弁で減温することなく冷却配管６に供給することによりケーシングを予熱し、ケーシングの熱伸びによりチップクリアランスを大きくし、タービン回転部のケーシングとの接触を防止する。つまり、タービン運転状態に基づき減圧弁１２の開度を調整することが望ましい。
【００２２】
次に、本実施例のガスタービンは、減圧弁１２の制御のためにクリアランス制御装置
１００を備えている。このクリアランス制御装置１００では、発電機出力ＭＷ，タービン回転数Ｎ及びケーシング温度Ｔcg等を計測し、これら計測値に基づき減圧弁１２の開度
Ｃｖを求める。
【００２３】
図２を用いて、クリアランス制御装置１００の詳細について説明する。クリアランス制御装置１００は、クリアランス量推定装置１０１，減算器１０４及び１０５，信号切替器１０６及びバルブ開度制御装置１０２及び１０３からなる。
【００２４】
クリアランス量は計測装置を用いて直接推定することも可能だが、本実施例のガスタービンでは、クリアランス量推定装置１０１において、プラント各種計測値からクリアランス量の推定値δc′を求める。δc′の推定には（数１）を用いる。
【００２５】
【数１】
2008215184.tif 000003
【００２６】
ここで、δ0 は停止時における基準クリアランス量、δcgはケーシングの熱伸量、δsdはシュラウドの熱伸量、δbは動翼の熱伸量、δwはロータホイールの熱伸量を表す。これらはそれぞれケーシング温度Ｔcg，シュラウド温度Ｔsd，動翼温度Ｔb ，ロータホイール温度Ｔwの関数として表される。
【００２７】
また、ΔＲbは動翼の遠心伸量、ΔＲwはロータホイールの遠心伸量を表し、回転数Ｎの関数として与えられる。
【００２８】
回転部である動翼温度Ｔb 及びロータホイール温度Ｔw の直接計測が困難である場合には、燃焼ガス温度Ｔg ，圧縮機出口空気温度Ｔcdなどを計測・推定し、この値から推定しても良い。
【００２９】
例えば、本実施例では燃焼器内の熱バランスから（数２）を用いて燃焼ガス温度の推定値
Ｔg′を求める。
【００３０】
【数２】
2008215184.tif 000004
【００３１】
ここで、Ｈfは燃料の低位発熱量、Ｃpfは燃料比熱、Ｇclは冷却空気流量、Ｃpcdは圧縮機出口空気比熱、Ｑlossは燃焼器における熱損失、Ｃpgはガス比熱を表す。
【００３２】
また、Ｔg′及び圧縮機出口空気圧力Ｐcdから（数３）を用いて動翼温度の推定値Ｔb′を求める。
【００３３】
【数３】
2008215184.tif 000005
【００３４】
ここで、ηt はタービン効率、Ｐtdは動翼出口ガス圧力（Ｐcdの関数）、γは係数を表す。
【００３５】
動翼温度推定値Ｔb′ は各計測値から得られた静的な計算温度であり、動翼の熱容量に起因する温度の応答遅れが反映されていないが、本実施例では動翼の熱伸びの将来値として採用する。これにより、動翼温度推定値を先行的に検知し、クリアランス量を先行的に制御する先行制御の効果が得られる。
【００３６】
ロータホイール温度推定値Ｔw′ は、ロータホイールの静的熱バランスから（数４）を用いて求める。
【００３７】
【数４】
2008215184.tif 000006
【００３８】
ここで、Ａcdwは冷却空気―ロータホイール間の伝熱面積、αcdwは冷却空気―ロータホイール間の熱伝達率、Ａbwは動翼―ロータホイール間の伝熱面積、αbwは動翼―ロータホイール間の熱伝達率を表す。動翼温度推定値Ｔb′ と同様に、ロータホイール温度推定値Ｔw′ もまた静的な値ではあるが、本実施例ではロータホイールの熱伸びの将来値としてクリアランス量の先行制御に用いる。
【００３９】
クリアランス制御装置１００では、前述のクリアランス量推定値δc′ 及びクリアランス量目標値δcR1から、減算機１０５を用いてクリアランス量の制御偏差ｄδc1 を求める。δcR1 は、ガスタービン負荷運転中におけるクリアランス量の目標値を表す。負荷運転時にはクリアランス量推定値δc′がδcR1に追従するよう、バルブ開度制御装置１０２にて減圧弁開度Ｃｖ1を求める。
【００４０】
一方、ガスタービン起動時あるいは停止時には、動翼あるいはロータホイールの熱伸び、遠心伸びがケーシングの熱伸びに先行する。特に、ガスタービンの起動あるいは停止時間は、負荷運転の時間に比べて短いことから、減圧弁を急速に開き、ケーシングを冷却から加熱に切り替えて、クリアランス量の低下を抑制することが望ましい。本発明では、クリアランス量推定値δc′及び起動時目標値δcR2から、減算器１０４を用いてクリアランス量の制御偏差ｄδc2を求め、クリアランス量推定値δc′がδcR2に追従するようバルブ開度制御装置１０３にて減圧弁開度Ｃｖ2を求める。
【００４１】
本実施例では、バルブ開度制御装置１０２に積分時定数を長く（１０分〜１時間）設定した積分制御を用いる。これはバルブ開度制御装置１０２の作動範囲が、制御時間が比較的長時間となる負荷運転時に相当するためである。これに対してガスタービン起動・停止など比較的短い時間にケーシングを加熱する減圧弁制御装置１０３には比例積分制御を用い、ケーシング加熱を加速する。
【００４２】
Ｃｖ1及びＣｖ2の信号切り替えには信号切替器１０６を用いる。発電出力ＭＷ＞０の場合には負荷運転時の開度Ｃｖ1を、ＭＷ＝０の場合には起動停止時の開度Ｃｖ2を減圧弁開度Ｃｖとして選択する。
【００４３】
本発明によるチップクリアランス制御結果について、図３〜図５を用いて説明する。
【００４４】
図３は、ガスタービンプラントの起動停止・負荷運転時におけるガスタービンの運転状態を示す。図３は横軸に時間、縦軸にタービン回転数Ｎ及び発電出力ＭＷを０〜１００％に正規化した値を示す。時刻ｔ0は燃焼器の点火時刻、時刻ｔ1はガスタービン昇速完了時刻を表す。ガスタービンはｔ0〜ｔ1で起動を完了する。ｔ1〜ｔ2はタービンの暖機時間である。時刻ｔ2 は発電機併入時刻、ｔ3は定格負荷に到達した時刻をあらわす。時刻ｔ2〜ｔ5 がガスタービン負荷運転期間である。時刻ｔ5 に発電機を解列し、燃料降下，回転数低下によりガスタービンがトリップ・停止する。図４は、実施例１であるガスタービンの燃焼ガス温度Ｔg，動翼温度Ｔb，ケーシング温度Ｔcgの推移を示す。図５は、実施例１であるガスタービンのクリアランス量δc の推移を示す。図４，図５には比較のため、クリアランス制御装置１００による制御を行わない場合のケーシング温度Ｔcg0 の推移(図４)、クリアランス量δc0の推移（図５）を併記する。
【００４５】
図４に示す通り、ガスタービン起動時（ｔ0〜ｔ1）にはＴg，Ｔbが急激に上昇する一方、Ｔcg0 は緩やかに上昇する特性を示す。これは動翼の熱容量に比してケーシングの熱容量が大きく、ケーシングの予熱に時間を要することが原因である。クリアランス量δc は、Ｔb の上昇による熱伸び、及び回転数Ｎの上昇による遠心伸びにより基準クリアランス量δ0から急激に低下する。これに対して本実施例では、クリアランス量δcが起動時目標値δcR2 に追従するよう減圧弁を開いてケーシングを予熱する。これによりケーシングはＴcgの通り上昇し、起動時におけるチップクリアランス量のアンダーシュートを緩和し、タービン動翼がシュラウドに接触するのを防止する。
【００４６】
一方、ガスタービン負荷運転時（ｔ2〜ｔ5）にはケーシング温度Ｔcg0 が上昇することからチップクリアランスδc0もまた増加傾向となる。そこで本実施例のガスタービンでは、クリアランス量δc が負荷運転中の目標値δcR1 に追従するよう、減圧弁を閉じて流体を減圧・減温、ケーシングを冷却する。これにより、ケーシング温度Ｔcgは本発明未適用のＴcg0に比べ低く推移し、クリアランス量δc が負荷運転中の目標値δcR1に追従するため、タービンの効率向上が図られる。
【００４７】
なお、ガスタービン停止時（ｔ5 以降）及びガスタービントリップ時には燃焼器の消火及びタービン回転数の低下により急激にチップクリアランスδc0が増加する。本実施例のチップクリアランス制御システムでは、ガスタービン停止時およびガスタービントリップ時にはケーシングを予熱することによりチップクリアランスを増加させる。これにより、ガスタービン停止後短時間でタービンを再起動するホットスタート運転においても動翼がシュラウドに接触するリスクを低減し、ガスタービンを安全に起動することが可能である。
【００４８】
本実施例では、タービンのケーシングに、ケーシングの温度を調整する熱交換系統を備え、熱交換系統で得られたケーシングの熱を用いてガスタービン燃料を予熱する燃料予熱手段とを備えており、ガスタービンの効率が向上する。具体的には、この構成により、ケーシングを介して燃焼器で発生する熱量の１.３％ を回収でき、この熱量を用いて燃料予熱に使用した場合プラント効率は０.７％ 向上すると試算されている。また、クリアランス低下の効果によりプラント効率はさらに０.７％ 向上するが、燃料予熱用圧縮機の動力として０.４％ が必要である。以上よりガスタービンのシステム全体としての効率は1.0 ％程度向上すると見積もられる。
【００４９】
なお、本実施例のガスタービンでは、発電出力に応じて減圧弁開度を切り替えたが、ガスタービンの緊急停止信号に応じて減圧弁開度を切り替えても良い。この場合、ガスタービン緊急停止時には、減圧弁の開度を強制的に全開にすることにより、減圧弁における冷媒の減温を停止し、ケーシング加熱を開始する。これにより、ガスタービン緊急停止後の再起動時におけるチップクリアランスの低下を防止し、ガスタービンを安全に再起動することが可能となる。
【００５０】
クリアランス制御装置１００に関し、特に、ガスタービンの緊急停止信号に応じて減圧弁開度を全開とした場合に用いられるものをクリアランス制御装置１１０とし、以下、図６を用いてクリアランス制御装置１１０を説明する。図６は、本実施例であるガスタービンのクリアランス制御装置１１０の詳細図を示す。
【００５１】
図６では、ガスタービン緊急停止時の検出手段として、ガスタービン制御装置からのトリップ信号ＳＷTripを用いる。また、本図ではトリップ信号による弁開度の切替手段として信号切替器１０８を用い、トリップ信号が検出された場合には、減圧弁の開度として
Ｃｖ0 （全開相当）を選択する。クリアランス制御装置１１０を用いたガスタービン再起動時のクリアランス特性を図７及び図８を用いて説明する。
【００５２】
図７は、本実施例のガスタービンの再起動時における燃焼ガス温度Ｔg，動翼温度Ｔb，ケーシング温度Ｔcgの推移を示す。図８は、本実施例のガスタービンの再起動時におけるクリアランス量δc の推移を示す。横軸は時間を表す。図７，図８には比較のため、クリアランス制御装置１１０による制御を行わない場合のケーシング温度Ｔcg0 の推移(図７)、クリアランス量δc0の推移（図８）を併記する。
【００５３】
時刻ｔ6 においてガスタービンが定格運転状態から緊急停止し、トリップ信号ＳＷTripがＯＮとなった場合、燃焼器２の火炎の喪失によりＴg，Ｔb，Ｔcg0 は急激に低下する。Ｔcg0 は、大気への放熱により停止時温度へと移行するが、ケーシング内部は密閉性が高いことから温度の低下は緩やかであり、ガスタービン再起動時刻であるｔ7までＴg及び
Ｔbは高い状態で推移する。これに対して本発明ではタービントリップ時刻ｔ6のＳＷTrip信号検出に合わせて減圧弁開度ＣｖをＣｖ0 に切り替えることにより、燃料予熱用圧縮機１３を利用してケーシングを加熱し、ガスタービントリップ後におけるクリアランス量
δcを拡大する。
【００５４】
時刻ｔ7にてトリップ信号ＳＷTripをＯＦＦとしガスタービンを再起動した場合、Ｔbは、図４に示した通常の起動に比して高く推移する。これに対しクリアランス制御装置110による制御を行わない場合のケーシング温度Ｔcg0は放熱により低下していることから、時刻ｔ7〜ｔ8 間における制御無の場合のクリアランス量δc0は、再起動でない通常のガスタービン起動時に比してさらに低下する特性となる。
【００５５】
これに対して本実施例のガスタービンでは、クリアランス制御装置１１０による制御を行うことにより、時刻ｔ6〜ｔ7においてケーシング予熱によるチップクリアランスの拡大を図る。そのため、時刻ｔ7以降にガスタービン起動した場合にもクリアランス量δcを確保でき、ガスタービン再起動時の信頼性低下を抑制できる。
【実施例２】
【００５６】
図９を用い本発明の別の実施例を詳細に説明する。図９は、本発明の実施例２であるガスタービンシステムを示す。図１と共通の機器については同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例と実施例１のガスタービンシステムとの主な相違点は、燃料予熱用の圧縮機１３，減圧弁１２の代わりにポンプ１０，熱交換器１１を設けた点である。
【００５７】
つまり、タービン３の静止部８（ケーシング）に、ケーシングの温度を調整する熱交換系統を備え、この熱交換系統は、ケーシング内で第一の媒体が流れる内部流路（冷却配管６）と、その内部流路から排出された第一の媒体を圧縮するポンプ１０と、圧縮された第一の媒体と燃料１７とを熱交換する第一の熱交換器（燃料予熱手段１５）と、第一の媒体と、第二の媒体とを熱交換する第二の熱交換器（熱交換器１１）とを備え、熱交換された第一の媒体を内部流路に供給されるよう構成している。
【００５８】
本実施例のガスタービンのチップクリアランス制御システムは、ケーシング温度の計測値Ｔcgを用いて、熱交換器１１へ供給する冷媒（第二の媒体）の流量を制御することを特徴とする。冷媒としては実施例１に述べた冷媒のほか、水・蒸気などが適用できる。冷却配管６にて熱回収した冷媒はポンプ１０で加圧された後、燃料予熱手段１５へ供給され、燃料を予熱したのち熱交換器１１にて冷却され、その後タービン静止部８内の冷却配管６へと還流される。
【００５９】
本実施例のクリアランス制御装置１００は、実施例１のものとほぼ同様の構成となる。ただし、実施例１では流体温度を下げるために減圧弁を閉方向としたのに対して、本実施例では冷媒の冷却に用いる第二の冷媒の流量調整弁１９を開方向とする。従って、図２に示すバルブ開度制御装置１０２及び１０３の制御ゲイン（積分時定数，比例ゲイン）の正負符号が逆転し、負となる。
【００６０】
本実施例のガスタービンは、起動時のクリアランス量の確保及び負荷運転時におけるクリアランス量の低減により、起動時の動翼とシュラウドとの接触を抑制するとともに、負荷運転時のプラント運転効率を向上させることが可能である。なお、本実施例のガスタービンでは、クリアランス制御用動力として、ポンプ１０の動力及び熱交換器１１で用いる冷媒の冷却動力が必要となる。
【００６１】
本実施例では、クリアランス量を熱交換器１１へ供給する冷媒の流量を制御しているが、冷却配管６の入口に流量制御弁を設置し、この流量制御弁の開度を制御することにより冷却配管６へ流入する流体の流量からクリアランス量を制御しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例１であるガスタービンシステムを示す。
【図２】本発明の実施例１であるガスタービンの制御装置の詳細図を示す。
【図３】一般的なガスタービンプラントの起動停止・負荷運転時におけるガスタービンの運転状態を示す。
【図４】本発明の実施例１であるガスタービンの燃焼ガス温度Ｔg，動翼温度Ｔb，ケーシング温度Ｔcgの推移を示す。
【図５】本発明の実施例１であるガスタービンのクリアランス量δc の推移を示す。
【図６】本発明の実施例１であるガスタービンの制御装置の詳細図を示す。
【図７】本発明の実施例１であるガスタービンの再起動時における燃焼ガス温度Ｔg，動翼温度Ｔb，ケーシング温度Ｔcgの推移を示す。
【図８】本発明の実施例１であるガスタービンの再起動時におけるクリアランス量  δcの推移を示す。
【図９】本発明の実施例２であるガスタービンシステムを示す。
【符号の説明】
【００６３】
１，１３  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  発電機
６  冷却配管
７  回転部
８  静止部
９  燃料流量調整弁
１０  ポンプ
１１  熱交換器
１２  減圧弁
１４  モータ
１５  燃料予熱手段
１６  空気
１７  燃料
１００，１１０  クリアランス制御装置
１０１  クリアランス量推定装置
１０２，１０３  バルブ開度制御装置
１０４，１０５  減算器
１０６，１０８  信号切替器
【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】
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