(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気取込み側に入口案内翼を有し流入空気を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動される高圧タービンからなるガスジェネレータと、前記高圧タービンから排出されたガスで駆動される低圧タービンとを備え、前記圧縮機と高圧タービンを接続する高圧タービン軸と、前記低圧タービンと負荷を接続する低圧タービン軸とが別軸であり、かつ、前記入口案内翼の開度を制御して前記圧縮機への流入空気量が調整される２軸式ガスタービンであって、
前記入口案内翼の開度を制御する手段として、前記高圧タービン軸の高速回転時に該高圧タービン軸の実回転数を一定に保つように前記入口案内翼の開度を調整する第１制御部と、該第１制御部で一定に保つ実回転数と前記入口案内翼の開度を確認する制御状態確認部と、該制御状態確認部に入力された前記第１制御部で一定に保つ実回転数が予め設定した閾値Ｎ０以上で、かつ、前記入口案内翼の開度が予め設定した閾値ξ０以上になっており、しかも、大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合に、前記第１制御部で一定に保つ実回転数を減少させるように前記入口案内翼の開度を制御する低大気温度補正部とを少なくとも備えていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
前記２軸式ガスタービンは、前記入口案内翼の開度が変更可能な入口案内翼制御装置と、前記燃焼器への燃料供給源からの燃料供給量を制御する燃料制御弁と、前記低圧タービン軸に設置された回転数検出器によって検出された回転数と負荷から得られた運転負荷データを用いて前記燃料制御弁を制御する燃料制御部及び前記入口案内翼制御装置と接続されて前記入口案内翼の開度を制御する入口案内翼開度制御部から成り、前記２軸式ガスタービンの運転状態を制御するガスジュネレータ制御装置とを備えていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項３】
請求項２に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
前記入口案内翼開度制御部は、前記第１制御部と、前記制御状態確認部と、前記低大気温度補正部と、前記高圧タービン軸に設置された回転数検出器によって得られた前記ガスジェネレータの回転数及び大気温度を用いて修正回転数を算出し、大気温度によらず修正回転数と前記入口案内翼の開度の関係が一意に定まるように前記入口案内翼の開度を調整する第２制御部と、前記ガスジェネレータの運転状態を起動、停止状態と低負荷運転状態からなる第２の運転状態及び該第２の運転状態以外の高負荷運転状態からなる第１の運転状態を判定する運転状態判定部と、該運転状態判定部の判定結果から前記第１制御部及び第２制御部のいずれを用いるかを選択する制御選択部とを備え、
前記運転状態判定部による運転状態の判定と前記制御選択部による制御選択が完了した後、前記制御状態確認部及び前記低大気温度補正部を通過して前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
前記第１制御部で一定に保つ実回転数の予め設定した閾値Ｎ０が、設計時に規定した定格運転時の回転数Ｎｄｅｓであり、かつ、前記入口案内翼の開度の予め設定した閾値ξ０が、設計時に規定した定格運転時の開度ξｄｅｓであることを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項５】
請求項２に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
前記制御状態確認部によって運転状態が補正要と判断された場合、前記低大気温度補正部では、前記ガスジェネレータの実回転数Ｎに補正係数αを乗じ、回転数がＮ´に減少するように前記入口案内翼制御装置に信号を送って前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
前記第１制御部で一定に保つ実回転数の予め設定した閾値Ｎ０及び前記入口案内翼の開度の予め設定した閾値ξ０を、設計時に規定した定格運転時の回転数Ｎｄｅｓ、定格運転時の開度ξｄｅｓより小さく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３に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
前記第２制御部での制御から前記第１制御部での制御への移行に際し、前記高圧タービン軸の回転数によらずに前記入口案内翼の開度を一定に保つように調整する第３制御部を備えていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項８】
請求項３に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
前記入口案内翼開度制御部は、前記大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合に、前記入口案内翼の開度を増加させる低大気温度追加補正部を備えていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項９】
空気取込み側に入口案内翼を有し流入空気を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動される高圧タービンからなるガスジェネレータと、前記高圧タービンから排出されたガスで駆動される低圧タービンとを備え、前記圧縮機と高圧タービンを接続する高圧タービン軸と、前記低圧タービンと負荷を接続する低圧タービン軸とが別軸であり、かつ、前記入口案内翼の開度を制御して前記圧縮機への流入空気量が調整される２軸式ガスタービンの前記入口案内翼の開度を制御するに当たって、
前記入口案内翼の開度を制御する手段として、第１制御部と制御状態確認部及び低大気温度補正部を備え、
前記第１制御部では、前記高圧タービン軸の高速回転時に該高圧タービン軸の実回転数を一定に保つように前記入口案内翼の開度を調整し、前記制御状態確認部では、前記第１制御部で一定に保つ実回転数と前記入口案内翼の開度を確認し、更に、前記低大気温度補正部では、前記制御状態確認部に入力された前記第１制御部で一定に保つ実回転数が予め設定した閾値Ｎ０以上で、かつ、前記入口案内翼の開度が予め設定した閾値ξ０以上になっており、しかも、大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合に、前記第１制御部で一定に保つ実回転数を減少させるように前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法において、
前記入口案内翼の開度が入口案内翼制御装置で変更されると共に、前記燃焼器への燃料供給源からの燃料供給量が燃料制御弁で制御され、かつ、前記低圧タービン軸に設置された回転数検出器によって検出された回転数と負荷から得られた運転負荷データを用いて前記燃料制御弁を制御する燃料制御部、及び前記入口案内翼制御装置と接続されて前記入口案内翼の開度を制御する入口案内翼開度制御部から成るガスジュネレータ制御装置で２軸式ガスタービンの運転状態が制御され、前記高圧タービン軸に設置された回転数検出器によって得られた前記ガスジェネレータの回転数及び大気温度を用いて修正回転数を算出し、大気温度によらず修正回転数と前記入口案内翼の開度の関係が一意に定まるように第２制御部で前記入口案内翼の開度を調整し、前記ガスジェネレータの運転状態を起動、停止状態と低負荷運転状態からなる第２の運転状態及び該第２の運転状態以外の高負荷運転状態からなる第１の運転状態を運転状態判定部で判定し、前記運転状態判定部の判定結果から前記第１制御部及び第２制御部のいずれを用いるかを制御選択部で選択し、
前記運転状態判定部による運転状態の判定と前記制御選択部による制御選択が完了した後、前記制御状態確認部及び前記低大気温度補正部を通過して前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法において、
前記第１制御部で一定に保つ実回転数の予め設定した閾値Ｎ０が、設計時に規定した定格運転時の回転数Ｎｄｅｓであり、かつ、前記入口案内翼の開度の予め設定した閾値ξ０が、設計時に規定した定格運転時の開度ξｄｅｓであることを特徴とする２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法において、
前記制御状態確認部によって運転状態が補正要と判断された場合、前記低大気温度補正部では、前記ガスジェネレータの実回転数Ｎに補正係数αを乗じ、回転数がＮ´に減少するように前記入口案内翼制御装置に信号を送って前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法。
【請求項１３】
請求項９又は１０に記載の２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法において、
前記第１制御部で一定に保つ実回転数の予め設定した閾値Ｎ０及び前記入口案内翼の開度の予め設定した閾値ξ０を、設計時に規定した定格運転時の回転数Ｎｄｅｓ、定格運転時の開度ξｄｅｓより小さくすることを特徴とする２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法において、
前記第２制御部での制御から前記第１制御部での制御への移行に際し、前記高圧タービン軸の回転数によらずに前記入口案内翼の開度を、第３制御部で一定に保つように調整することを特徴とする２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法。
【請求項１５】
請求項１０に記載の２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法において、
前記大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合に、低大気温度追加補正部で前記入口案内翼の開度を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２軸式ガスタービン及びその入口案内翼開度制御方法に係り、特に、圧縮機、燃焼器及び圧縮機駆動用の高圧タービンからなるガスジェネレータと、負荷駆動用の低圧タービンとを備えているものに好適な２軸式ガスタービン及びその入口案内翼開度制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギー需要の増加に伴い、液化天然ガス（ＬＮＧ）の生産に適した機械駆動用のガスタービンに対する需要が増加している。ＬＮＧプラントでは、天然ガスをＬＮＧ液化用圧縮機で高圧にすることによって液化を達成している。特に、ＬＮＧ液化用圧縮機の駆動には、２軸式のガスタービンが用いられることが多い。
【０００３】
２軸式のガスタービンは、タービン部分が低圧タービンと高圧タービンに分けられており、低圧タービンはＬＮＧ用圧縮機や発電機等の負荷を駆動し、高圧タービンはガスジェネレータとして圧縮機と接続されている。２軸式のガスタービンは、高圧側と低圧側それぞれのタービンが異なる回転軸を持つという特徴がある。
【０００４】
２軸式ガスタービンは、前述のような機械駆動用としてだけでなく、発電機に接続する発電用としても用いられることがある。発電用のガスタービンとしては、構造が簡素で運用しやすい等の理由から、圧縮機とタービンが同一軸で回転する１軸式ガスタービンが主流である。しかし、装置を小型化する場合には、発電機の仕様に合わせた回転数を維持する必要があり、減速機が必要になるという欠点がある。
【０００５】
一方、発電用に２軸式ガスタービンを用いれば、圧縮機、燃焼器及び高圧ガスタービンからなるガスジェネレータ側の回転数と、低圧タービンの回転数を任意に選択できるため、減速機が不要となる。よって、コンパクトで高効率なガスタービンを提供することができる。
【０００６】
このような２軸式ガスタービンを運用する場合、ガスジェネレータ軸（高圧ガスタービン軸）の実回転数に対する大気温度の影響を補正した修正回転数に基づいて、圧縮機の入口案内翼（以下、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane）という）を調整、つまり、ガスジェネレータの運転状態によらず、修正回転数基準のＩＧＶ制御を用いるのが一般的であった。
【０００７】
この場合、図９（ａ）にガスジェネレータの修正回転数とＩＧＶ開度の関係を示すように、ＩＧＶ開度は、大気温度に相関する修正回転数に応じて変化（ガスジェネレータ軸の修正回転数とＩＧＶ開度の関係は一意に決まる）し、そのため、図９（ｂ）にガスジェネレータ軸の実回転数とＩＧＶ開度の関係を示すように、運転線が変化することから、ガスジェネレータ軸の回転数が大気温度によって変化する。つまり、ＩＧＶの開度を増加させて定格負荷近傍で運用する際でも、大気温度によって実回転数が変化することになる。
【０００８】
このため、定格負荷運転時に翼の共振を回避すべき領域が増えるため、共振回避設計が困難となる。また、共振回避範囲が増加すると翼型設計の自由度が減ることになるため、翼の空力性能向上も難しくなる。
【０００９】
上記の定格負荷運転時の共振の問題を回避するため、２軸ガスタービンの制御方法が特許文献１に開示されている。この特許文献１は、定格負荷運転条件を含む高速回転時には、修正回転数基準制御によるサージ（圧縮機翼の流れの剥離に起因して発生する流体的脈動現象）回避の重要性が小さくなることに着目し、ガスジェネレータと低圧タービンからなる２軸式ガスタービンにおいて、ＩＧＶの制御手段として、ガスジェネレータ軸の低速回転時には修正回転数基準でＩＧＶの開度を制御し、高速回転時には実回転数を一定に保つようにＩＧＶの開度を制御するようにしたものである。
【００１０】
この特許文献１に記載の２軸式ガスタービンの制御方法を用いることで、図１０（ａ）にガスジェネレータ軸の修正回転数とＩＧＶ開度の関係を、図１０（ｂ）にガスジェネレータ軸の実回転数とＩＧＶ開度の関係をそれぞれ示すように、低負荷時には大気温度によらず運転線は同一であるが、高負荷時には修正回転数は大気温度により変化する。一方、低負荷時には大気温度により運転線は変化するが、高負荷時にはガスジェネレータ軸の回転数は一定となる。
【００１１】
従って、共振問題（ガスジェネレータ軸の高速回転時に回転数が共振回転数に近づくことで発生する共振により、タービンや圧縮機の動翼を損傷する可能性が高まるといった問題）を効果的に解消でき、しかも、低速回転時における圧縮機サージングにも効果的に対応することができるので、共振問題に関する設計上の負担を軽減でき、前述の共振回避設計が容易となる。
【００１２】
このような特許文献１は、主にサージ回避や共振回避といった信頼性向上を主目的としており、運用時の性能についてはあまり言及されていない。
【００１３】
一般的に、ガスタービンは、気温が低いほど修正回転数及び圧力比が増加し出力や効率が増加するが、その一方で圧縮機は、修正回転数増加によって衝撃波損失が増加し、定格条件（通常は１５℃）の場合より効率が低下する。通常、この影響は、前述のガスタービン全体の性能向上効果より小さいが、大流量化等を目的に定格条件でのマッハ数が大きい圧縮機（具体的には、例えば初段外周流入マッハ数が１．２以上となる圧縮機等）を用いた場合、この圧縮機効率低下の影響が無視できなくなってくる。
【００１４】
更に、大気温度が低い場合、特許文献１に記載の信頼性に加え、翼負荷分布変化による信頼性低下も抑制する必要がある。即ち、図１１（ａ）に大気温度と翼負荷分布の関係を示すように、低気温時は修正回転数の増加によって定格条件より前段翼負荷が減少し後段翼負荷が増加するため、後段翼に流れの剥離等による高い振動応力が発生して破損に至る可能性がある。
【００１５】
また、低気温時のガスタービン性能を運用によって改善する技術が、特許文献２に開示されている。この特許文献２は、発電用については低気温時のガスタービン出力増加が抑制されることが多いのに着目し、低気温条件下における運用ＩＧＶの開度を減少させることを特徴としている。
【００１６】
特許文献２によれば、ＩＧＶの開度を減少させて流量を絞ることで、低気温時に低下する燃焼温度を定格燃焼温度近傍に保つことができ、ガスタービンの効率向上につながるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０１１−３８５３１号公報
【特許文献２】特開２００１−２００７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の制御方法を用いた場合は、前述の通り低気温時の圧縮機の性能低下や後段翼の信頼性が問題となる可能性がある。一方、上述した特許文献２に記載の制御方法を用いた場合は、効率については改善する可能性が高いものの、定格時よりＩＧＶ開度が減少する。
【００１９】
一般に、ＩＧＶ開度と翼負荷分布の関係を示す図１１（ｂ）のように、ＩＧＶ開度を減少させると前段負荷が減少し後段負荷が増加するため、後段翼が破損するリスクがさらに高まる可能性がある。
【００２０】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ガスジェネレータと低圧タービンからなる２軸式ガスタービンであっても、低気温時の圧縮機性能低下を抑制することは勿論、後段翼の信頼性を向上させることができる２軸式ガスタービン及びその入口案内翼開度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】
【００２１】
本発明の２軸式ガスタービンは、上記目的を達成するために、空気取込み側に入口案内翼を有し流入空気を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動される高圧タービンからなるガスジェネレータと、前記高圧タービンから排出されたガスで駆動される低圧タービンとを備え、前記圧縮機と高圧タービンを接続する高圧タービン軸と、前記低圧タービンと負荷を接続する低圧タービン軸とが別軸であり、かつ、前記入口案内翼の開度を制御して前記圧縮機への流入空気量が調整される２軸式ガスタービンであって、前記入口案内翼の開度を制御する手段として、前記高圧タービン軸の高速回転時に該高圧タービン軸の実回転数を一定に保つように前記入口案内翼の開度を調整する第１制御部と、該第１制御部で一定に保つ実回転数と前記入口案内翼の開度を確認する制御状態確認部と、該制御状態確認部に入力された前記第１制御部で一定に保つ実回転数が予め設定した閾値Ｎ０以上で、かつ、前記入口案内翼の開度が予め設定した閾値ξ０以上になっており、しかも、大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合に、前記第１制御部で一定に保つ実回転数を減少させるように前記入口案内翼の開度を制御する低大気温度補正部とを少なくとも備えていることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の２軸式ガスタービンの入口案内翼開度制御方法は、上記目的を達成するために、空気取込み側に入口案内翼を有し流入空気を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動される高圧タービンからなるガスジェネレータと、前記高圧タービンから排出されたガスで駆動される低圧タービンとを備え、前記圧縮機と高圧タービンを接続する高圧タービン軸と、前記低圧タービンと負荷を接続する低圧タービン軸とが別軸であり、かつ、前記入口案内翼の開度を制御して前記圧縮機への流入空気量が調整される２軸式ガスタービンの前記入口案内翼の開度を制御するに当たって、前記入口案内翼の開度を制御する手段として、第１制御部と制御状態確認部及び低大気温度補正部を備え、前記第１制御部では、前記高圧タービン軸の高速回転時に該高圧タービン軸の実回転数を一定に保つように前記入口案内翼の開度を調整し、前記制御状態確認部では、前記第１制御部で一定に保つ実回転数と前記入口案内翼の開度を確認し、更に、前記低大気温度補正部では、前記制御状態確認部に入力された前記第１制御部で一定に保つ実回転数が予め設定した閾値Ｎ０以上で、かつ、前記入口案内翼の開度が予め設定した閾値ξ０以上になっており、しかも、大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合に、前記第１制御部で一定に保つ実回転数を減少させるように前記入口案内翼の開度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ガスジェネレータと低圧タービンからなる２軸式ガスタービンであっても、低気温時の圧縮機性能低下を抑制することは勿論、後段翼の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の２軸式ガスタービンの実施例１を示す概略構成図である。
【図２】本発明の２軸式ガスタービンの実施例１に採用されるガスジェネレータ制御装置におけるＩＧＶ開度制御部を示す図である。
【図３】本発明の２軸式ガスタービンの実施例１における大気温度と回転数補正係数αで補正した際の実回転数の関係を示す図である。
【図４（ａ）】本発明の２軸式ガスタービンの実施例１における高圧タービン軸の修正回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図４（ｂ）】本発明の２軸式ガスタービンの実施例１における高圧タービン軸の実回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図５（ａ）】本発明の２軸式ガスタービンの実施例１の変形例である実施例２におけるガスジェネレータ軸の修正回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図５（ｂ）】本発明の２軸式ガスタービンの実施例１の変形例である実施例２におけるガスジェネレータ軸の実回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図６】本発明の２軸式ガスタービンの実施例３に採用されるガスジェネレータ制御装置におけるＩＧＶ開度制御部を示す図である。
【図７（ａ）】本発明の２軸式ガスタービンの実施例３における高圧タービン軸の修正回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図７（ｂ）】本発明の２軸式ガスタービンの実施例３における高圧タービン軸の実回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図８】本発明の２軸式ガスタービンの実施例４に採用されるガスジェネレータ制御装置におけるＩＧＶ開度制御部を示す図である。
【図９（ａ）】従来の２軸式ガスタービンにおける高圧タービン軸の修正回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図９（ｂ）】従来の２軸式ガスタービンにおける高圧タービン軸の実回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図１０（ａ）】特許文献１における高圧タービン軸の修正回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図１０（ｂ）】特許文献１における高圧タービン軸の実回転数とＩＧＶ開度の関係を示す図である。
【図１１（ａ）】一般的な圧縮機における大気温度と翼負荷分布の関係を示す図である。
【図１１（ｂ）】一般的な圧縮機におけるＩＧＶ開度と翼負荷分布の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図示した実施例に基づいて、本発明の２軸式ガスタービン及びその入口案内翼開度制御方法を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。
【実施例１】
【００２６】
図１に、本発明の２軸式ガスタービンの実施例１の概略構成を示す。
【００２７】
該図に示す如く、本実施例の２軸式ガスタービン１は、空気吸込み側にＩＧＶ（入口案内翼）３１を有し流入空気を圧縮する圧縮機３、この圧縮機３によって圧縮された圧縮空気１０と燃料４３とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器４、燃焼器４で生成された燃焼ガス１１により駆動される高圧タービン５から成るガスジェネレータ２と、高圧タービン５から排出された燃焼ガス１１で駆動される低圧タービン７とを備え、圧縮機３と高圧タービン５を接続する高圧タービン軸（ガスジェネレータ軸）６と、低圧タービン７と負荷９を接続する低圧タービン軸８とが別軸で構成されている。
【００２８】
即ち、図１に示すように、２軸式ガスタービン１は、圧縮機３、燃焼器４、高圧タービン５から構成されるガスジェネレータ２及び低圧タービン７からなり、ガスジェネレータ２側では、圧縮機３と高圧タービン５が高圧タービン軸６によって、低圧タービン７側では、低圧タービン７と負荷９が低圧タービン軸８によって接続されている。
【００２９】
なお、本実施例では、負荷９としては発電機を想定しているが、機械駆動用向けのＬＮＧ圧縮機などであっても問題ない。
【００３０】
上述した如く、圧縮機３の空気吸込み側にはＩＧＶ３１が設置され、このＩＧＶ３１はＩＧＶ制御装置３２によって、その開度が変更可能となっており、これによって、ガスジェネレータ２の吸込空気流量（流入空気量）を調整している。また、燃焼器４には、燃料供給源４１から燃料４３が供給されており、その燃料４３の供給量は、燃料制御弁４２によって制御されている。
【００３１】
２軸ガスタービン１における作動流体（空気、燃焼ガス等）の挙動としては、まず、圧縮機３に流入して圧縮された圧縮空気１０が燃焼器４に流入する。燃焼器４では、燃料４３が噴射されて高温の燃焼ガスを生成する。この高温・高圧の燃焼ガス１１は、圧縮機３と高圧タービン軸６によって接続されている高圧タービン５に流入して圧縮機３を駆動し、その後、低圧タービン７に流入する。低圧タービン７を燃焼ガス１１が通過する際、低圧タービン軸８によって接続された負荷９が駆動され、これによって、発電や機械駆動が行われている。
【００３２】
２軸ガスタービン１の運転状態は、主にガスジェネレータ２側に設置されたガスジェネレータ制御装置２１によって制御される。このガスジェネレータ制御装置２１は、燃料制御部２２とＩＧＶ開度制御部２３で構成されている。
【００３３】
燃料制御部２２は、低圧タービン軸８に設置された回転数検出器８１によって得られた回転数と、負荷９から得られる運転負荷データとを用いて燃料制御弁４２を制御し、燃焼器４への燃料４３の供給量を制御している。
【００３４】
ＩＧＶ開度制御部２３はＩＧＶ制御装置３２と接続されており、ＩＧＶ３１の開度、即ち圧縮機３の吸込流量を制御している。本実施例では、図２に示す通り、ＩＧＶ開度制御部２３は、運転状態判定部２４、制御選択部２５、第１制御部２６、第２制御部２７、制御状態確認部２９及び低大気温度補正部３０から構成されている。
【００３５】
第２制御部２７では、修正回転数基準でＩＧＶ３１の開度を制御する。具体的には、高圧タービン軸６に設置された回転数検出器６１によって得られたガスジェネレータ２の回転数Ｎ、及び温度計６２によって得られた大気温度Ｔａを用いて修正回転数Ｎｃを算出し、大気温度によらず修正回転数とＩＧＶ３１の開度の関係が一意に定まるようにＩＧＶ３１の開度を調整する。
【００３６】
ここで、修正回転数Ｎｃは以下の式（１）で与えられる。
【００３７】
Ｎｃ＝Ｎ×［２８８．１５／（２７３．１５＋Ｔａ）］１／２        …（１）
なお、第２制御部２７としては、特許文献１と同様、本実施例で示した修正回転数基準の制御とするのが望ましいが、他の方式にすることも可能である。
【００３８】
第１制御部２６は第２制御部２７と異なり、ガスジェネレータ２の実回転数を一定に保つようにＩＧＶ３１の開度を制御する。本実施例では、一定に保つ回転数として定格回転数、即ち、設計時に規定した定格運転時の回転数Ｎｄｅｓを想定しているが、他の回転数でも問題ない。
【００３９】
ＩＧＶ開度制御部２３では、上記の第１制御部２６と第２制御部２７のいずれを用いるかを運転状態判定部２４及び制御選択部２５によって決定している。
【００４０】
運転状態判定部２４では、ガスジェネレータ２の運転状態を起動、停止状態と低負荷運転状態からなる第２の運転状態と、それ以外の高負荷運転状態からなる第１の運転状態の２つに判定している。その判定方法としては、制御を変更しても安定運転が可能な目標ＩＧＶ開度を圧縮機３の特性から設定しておき、その目標ＩＧＶ開度に基づいて低負荷運転状態と高負荷運転状態を区別する方法を用いる。
【００４１】
また、制御選択部２５では、運転状態判定部２４での判定結果を入力として、第１制御部２６と第２制御部２７のいずれを用いるかを選択する。具体的には、第２の運転状態である低負荷運転状態のときは、修正回転数とＩＧＶ３１の開度が一意に定まる制御を行うように第２制御部２７を選択し、第１の運転状態である高負荷運転状態のときは、実回転数一定制御を行うように第１制御部２６を選択する。
【００４２】
運転状態の判定と制御選択の完了後、制御状態確認部２９及び低大気温度補正部３０を通過して制御がなされる。まず、制御状態確認部２９では、運転状態判定部２４の判定結果を基に、現在の運転状態における補正要否を判断する。具体的には、高負荷運転状態での制御として第１制御部２６が選択された状態で、ガスジェネレータ２の実回転数が予め設定した閾値Ｎ０以上で、かつ、ＩＧＶ３１の開度が予め設定した閾値ξ０以上となっており、しかも、大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合のみ、補正要と判定して判定結果を低大気温度補正部３０に送信する。
【００４３】
ここで、上述したガスジェネレータ２の実回転数の予め設定した閾値Ｎ０としては、前述のＮｄｅｓを、ＩＧＶ３１の開度の予め設定した閾値ξ０としては設計時に規定した定格運転時の開度ξｄｅｓを想定している。
【００４４】
なお、本実施例では、制御状態確認部２９を独立して記載しているが、低大気温度補正部３０若しくは運転状態判定部２４に含めてしまっても問題はない。
【００４５】
制御状態確認部２９によって補正要と判断された場合、低大気温度補正部３０では、ガスジェネレータ２の実回転数Ｎに補正係数αを乗じ、回転数がＮ´に減少するように燃料制御部２２に信号を送って制御する。
【００４６】
本実施例における大気温度と補正係数αの関係は式（２）に示す通りで、図示すると図３のようになる（βは定数）。即ち、大気温度の予め設定した閾値Ｔａ０からの減少量に比例するように実回転数をＮからＮ´へ減少させている。
【００４７】
α＝１−β（Ｔａ０−Ｔａ）        …（２）
上述した制御における回転数とＩＧＶ開度の関係をまとめると図４（ａ）及び図４（ｂ）のようになる。
【００４８】
即ち、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、低大気温度補正部３０によって低大気温度、高負荷運転状態の回転数を減少させることで、運転時の修正回転数が減少して定格回転数に近づくことになる。つまり、第１制御部２６による実回転数一定制御時に懸念される低大気温度条件下での衝撃波損失増加による圧縮機効率の低下を抑制できる。
【００４９】
また、回転数減少によって一般的に圧縮機の翼負荷は、前段で高負荷、後段で低負荷となるため、低大気温度条件下で懸念される後段翼破損のリスクも軽減される。つまり、特許文献１の制御に比べ、低大気温度、低負荷運転状態の圧縮機３の効率と信頼性が向上する。同時に、運転可能な大気温度条件が拡大するため、２軸ガスタービン１そのものの運用性向上にも寄与する。
【００５０】
ただし、回転数をガスジェネレータ２の回転数Ｎから実回転数Ｎ´に減少させた際の減少量が大きすぎると、第１制御部２６を用いることによる高負荷運転状態での共振回避領域低減の効果がなくなることになる。
【００５１】
このため、本実施例では、以下の式（３）を満たすような回転数補正係数αを用いる。
式（３）は、回転数を実回転数Ｎ´に補正した後の運転状態から算出される修正回転数が、補正前の実回転数Ｎより大きいことを意味しており、少なくとも高負荷運転状態で修正回転数基準制御を行った場合よりも、共振回避領域を小さくすることが可能となる。
【００５２】
Ｎ´×［２８８．１５／（２７３．１５＋Ｔａ）］１／２＞Ｎ        …（３）
【実施例２】
【００５３】
前述の通り、実施例１では、制御状態確認部２９で補正要と判断する際の実回転数の予め設定した閾値Ｎ０として定格回転数Ｎｄｅｓを、ＩＧＶ３１の開度の予め設定した閾値ξ０として定格開度ξｄｅｓを想定しているが、他の値とすることも可能である。
【００５４】
この他の値とした場合の変形例である実施例２として、図５（ａ）及び図５（ｂ）に回転数とＩＧＶ開度の例を示す。
【００５５】
図５（ａ）及び図５（ｂ）では、ガスジェネレータ２の実回転数の予め設定した閾値Ｎ０及びＩＧＶ３１の開度の予め設定した閾値ξ０を定格時の値（Ｎｄｅｓ、ξｄｅｓ）より小さくすることで、大気温度Ｔａの低気温時に第１制御部２６で一定に保って、ＩＧＶ３１の開度を増加させる回転数をガスジェネレータ２の実回転数Ｎ０に減少させている。
【００５６】
この本実施例の場合、最大となる修正回転数が全ＩＧＶ開度に対して本実施例を適用しない場合（例えば、特許文献１等）より減少することになるので、ＩＧＶ３１の開度の小さい部分負荷条件に対しても、前述の低気温時の効率低下抑制や後段翼負荷減少による信頼性向上の効果が得られる。
【実施例３】
【００５７】
本実施例の別の変形例である実施例３として、図６にガスジェネレータ制御装置２１の構成例を、図７（ａ）及び図７（ｂ）にガスジェネレータ２の修正回転数とＩＧＶ開度の関係及びガスジェネレータ２の実回転数とＩＧＶ開度の関係を示す。
【００５８】
本実施例の考え方については特許文献１にも記載されているが、実施例１のＩＧＶ開度制御部２３の構成に、回転数によらずＩＧＶ３１の開度を一定に保つ第３制御部２８を設けている点が特徴である。具体的には、第３制御部２８による制御（Ｃ）は、第２制御部２７による制御（Ｂ）と第１制御部２６による制御（Ａ）の間に用いられる。
【００５９】
この制御を用いると、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、回転数が大きくＩＧＶ３１の開度の小さい条件を通過せずに定格負荷条件に移行することができる。回転数が大きくＩＧＶ３１の開度の小さい条件下では、ＩＧＶ３１の開度のみ定格負荷条件から大幅に小さくなり、定格負荷条件からの流れ場のずれが大きくなるため、性能低下が起こりやすくなるが、第３制御部２８による制御を適用することで性能低下を抑制することが可能となる。
【００６０】
以上をまとめると、実施例１を用いることで、特許文献１に記載の高負荷運転状態（高速回転時）の共振回避領域低減の効果を確保しつつ、特許文献１及び特許文献２で懸念される低大気温度、高負荷運転状態での圧縮機性能低下及び後段翼負荷増加による信頼性低下を抑制できる。
【００６１】
更に、実施例２及び３を用いることで、定格運転条件以外の部分負荷時も同様の効果が期待できる。このため、圧縮機３の信頼性及び２軸式ガスタービン１の運用性を向上させることが可能になる。
【実施例４】
【００６２】
図８に、本発明の２軸式ガスタービン１の実施例４に採用されるガスジェネレータ制御装置２１におけるＩＧＶ開度制御部２３を示す。
【００６３】
該図に示す本実施例の図２に示す実施例１との相違は、ＩＧＶ開度制御部２３に、低大気温度補正部３０に加えてＩＧＶ３１の開度を増加させる低大気温度追加補正部３０Ｂを備えた点である。なお、図２に示す実施例１と重複する機器については符号を同一とし、詳細な説明は省略する。
【００６４】
図８を用いて、本実施例における低気温時の運転について説明する。
【００６５】
実施例１と同様に、本実施例でも制御状態確認部２９で運転状態判定部２４の判定結果を基に現在の運転状態における補正要否を判断した後、低大気温度補正部３０及び低大気温度追加補正部３０Ｂによる補正が実施される。
【００６６】
具体的には、高負荷運転状態での制御として第１制御部２６が選択された状態で、ガスジェネレータ２の実回転数が予め設定した閾値Ｎ０以上で、かつ、ＩＧＶ３１の開度が予め設定した閾値ξ０以上となっており、しかも、大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合のみ、補正要という判定結果を低大気温度補正部３０及び低大気温度追加補正部３０Ｂに送信する。
【００６７】
制御状態確認部２９によって補正要と判断されると、低大気温度補正部３０では実施例１と同じくガスジェネレータ２の実回転数を減少させる制御が行われる。一方、低大気温度追加補正部３０Ｂでは、大気温度が予め設定した閾値Ｔａ０以下の場合に、ガスジェネレータ２のＩＧＶ３１の開度を増加させるようにＩＧＶ制御装置３２に信号を送る制御が実施される。即ち、本実施例では、低大気温度条件時に回転数を減少させるだけではなく、ＩＧＶ３１の開度も増加させている。
【００６８】
ＩＧＶ３１の開度を増加させた場合、ＩＧＶ３１の周辺の翼では流入出角、即ち、速度三角形が設計値（通常、定格負荷条件に合わせる）からずれるため、相対的に図１１（ｂ）のように、前段側の負荷が増加し、後段側の負荷が減少することになる。つまり、本実施例のような制御を行うと、実施例１で示した修正回転数の減少（定格回転数に近づく）だけではなく、ＩＧＶ３１の開度増加による後段翼負荷の低減も達成されることになるため、実施例１よりも更に後段翼の信頼性を向上させることができる。
【００６９】
また、ＩＧＶ３１の開度の増加により、実施例１に比べて圧縮機３の吸込流量が増加する。圧縮機３の吸込流量が増加すると、全体のマッチングが高圧力比側にシフトして燃焼温度が増加する。このため、実施例１より本実施例の方が、ガスタービン全体性能の向上効果が高くなると考えられる。
【００７０】
以上をまとめると、本実施例を用いることで実施例１と同様に、低大気温度、高負荷運転状態での圧縮機の性能低下及び後段翼負荷増加による信頼性低下を抑制できる。また、実施例１よりもＩＧＶ３１の開度増加により後段翼負荷が低減するため、信頼性低下の抑制効果は大きくなる。更に、実施例１より圧縮機３の吸込流量が増加し、全体性能も向上する。
【００７１】
また、本実施例における２軸式ガスタービン１に対しても、実施例１−３に示した制御が適用可能である。この場合、実施例１と同様、定格運転条件以外の部分負荷時に対しても前述の効率低下抑制の効果と信頼性向上の効果が期待できる。つまり、圧縮機３の信頼性及び２軸式ガスタービン１の運用性を向上させることが可能になる。
【００７２】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１…２軸式ガスタービン、２…ガスジェネレータ、３…圧縮機、４…燃焼器、５…高圧タービン、６…高圧タービン軸、７…低圧タービン、８…低圧タービン軸、９…負荷、１０…圧縮空気、１１…燃焼ガス、２１…ガスジェネレータ制御装置、２２…燃料制御部、２３…入口案内翼（ＩＧＶ）開度制御部、２４…運転状態判定部、２５…制御選択部、２６…第１制御部、２７…第２制御部、２８…第３制御部、２９…制御状態確認部、３０…低大気温度補正部、３０Ｂ…低大気温度追加補正部、３１…入口案内翼（ＩＧＶ）、３２…入口案内翼（ＩＧＶ）制御装置、４１…燃料供給源、４２…燃料制御弁、４３…燃料、６１、８１…回転数検出器、６２…温度計。
【図１】
0006753803.tif 000002
【図２】
0006753803.tif 000003
【図３】
0006753803.tif 000004
【図４（ａ）】
0006753803.tif 000005
【図４（ｂ）】
0006753803.tif 000006
【図５（ａ）】
0006753803.tif 000007
【図５（ｂ）】
0006753803.tif 000008
【図６】
0006753803.tif 000009
【図７（ａ）】
0006753803.tif 000010
【図７（ｂ）】
0006753803.tif 000011
【図８】
0006753803.tif 000012
【図９（ａ）】
0006753803.tif 000013
【図９（ｂ）】
0006753803.tif 000014
【図１０（ａ）】
0006753803.tif 000015
【図１０（ｂ）】
0006753803.tif 000016
【図１１（ａ）】
0006753803.tif 000017
【図１１（ｂ）】
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