(57)【要約】【課題】ガスタービンの回転速度が急激に減速されたときにも水噴射量を即座に対応して過剰状態にならないようにし、燃焼器の火焔の吹き消えなどを防止でき、ガスタービンの運転を安定させられるガスタービンの水噴射制御装置を提供する。【解決手段】燃焼器への燃料流量を調節する燃料制御手段を有するガスタービン１０における燃焼器３への水Ｗの噴射量を、燃料流量等に応じて調節する機能をもつガスタービンの水噴射制御装置において、ガスタービン１０の回転速度が急減速となるように燃料制御状態を検知した場合又はガスタービンの運転中にそのガスタービンを急減速させる外部指令を検知した場合に、ガスタービン１０の運転が安定した状態に維持できる範囲内で所定の設定値に制限する急減速時水噴射量設定値演算器２２および同演算器２２への切換え器２３を設けた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器への燃料流量を調節する燃料制御手段を有するガスタービンにおける燃焼器への水の噴射量を、同ガスタービンの燃料流量等に応じて調節する機能をもつガスタービンの水噴射制御装置において、
上記の水の噴射量を、下記の▲１▼又は▲２▼の場合に、上記ガスタービンの運転が安定した状態に維持できる所定の設定値に制限する急減速時用制御手段および同急減速時用制御手段への切換え器を設けたことを特徴とするガスタービンの水噴射制御装置。
▲１▼上記ガスタービンの回転速度が急減速となるような燃料制御状態を検知した場合、
▲２▼上記ガスタービンの運転中にそのガスタービンを急減速させる外部指令を検知した場合。
【請求項２】
燃焼器への燃料流量を調節する燃料制御手段を有するガスタービンにおける燃焼器への水の噴射量を、同ガスタービンの通常運転時における燃料流量等に応じて一定の比率で排気ガスに含まれるＮＯｘ低減に最適な状態に演算する水噴射量設定値演算器を備えたガスタービンの水噴射制御装置において、
上記ガスタービン回転速度が急減速となるような燃料制御状態を検知する手段とガスタービン回転速度の急減速に関係する外部指令の発生を検知する手段とをそれぞれ設けるとともに、
ガスタービン回転速度に応じてガスタービンの運転が安定した状態に維持できる水噴射量を演算する急減速時水噴射量設定値演算器を設け、
上記検知手段が上記ガスタービン回転速度が急減速となるような燃料制御状態あるいは外部急減速指令を検知したときに、上記水噴射量設定値演算器から上記急減速時水噴射量設定値演算器に演算器を切り換える切換え器を設けたこと
を特徴とするガスタービンの水噴射制御装置。
【請求項３】
上記ガスタービン回転速度が急減速となるような燃料制御状態あるいは外部急減速指令を検知した状態が解除されたのち、水の噴射量を通常値へ復帰させる上記切換え器の切換を遅らせるＯＮ→ＯＦＦ遅延器を、上記切換え器に組み込んだことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービンの水噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器への燃料流量を調節する燃料制御手段を有するガスタービンの燃焼器に噴射する水量を制御するための水噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの燃焼器への水噴射は、運転中の燃焼器内の温度を下げてガスタービンからの排出物（とくに窒素酸化物）を低減するため一般に行われている。こうした水噴射を行なう際には、通常（正常な運転中）は、燃料流量、タービン入り口／出口ガス温度、燃焼温度などに応じて一定の比率になるように、つまりあらかじめ定められた値（所定の設定値）になるように水噴射量を制御している（たとえば特許文献１を参照）。また、ガスタービンの燃焼器内の圧力変動が小さいうちは燃焼温度によって水の噴射量を制御するが、圧力変動が大きくなると、その圧力変動を圧力変動検知器にて検知するとともに上限設定器にて水噴射量に制限を加えて燃焼器の圧力変動を抑制し、燃焼器の安全な運用が行なえる装置も提案されている（たとえば特許文献２を参照）。
【０００３】
ところが、ガスタービンの回転速度が急激に減少する急減速時などの過渡運転状態においては、水噴射量が過剰になって燃焼器の火焔が吹き消えるという不都合が生じるおそれがある。これは、燃料流量やガス温度や燃焼温度などは燃料流量が制御された結果としてのガスタービンの運転状態を表す二次的要素であるので、ガスタービンの制御状態の変化に即座に追随しないからである。したがって、ガスタービンの急減速時に、上記の燃焼温度などに応じて水の噴射量を制御していたのでは過剰になるおそれがあり、燃焼の吹き消えなどの不都合が生じるおそれがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５５−４０２３８号公報（明細書第１０頁中段〜同第１１頁中段、第３図）
【特許文献２】
特開昭５５−１４９２６号公報（明細書第２頁右欄上段〜同左欄下段、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の一般的なガスタービンの水噴射制御装置および上記公報に記載の制御装置では、下記のような点でさらに改善の余地がある。すなわち、
いずれも、タービン入り口／出口ガス温度、燃焼温度などの燃料流量が制御された結果としての二次的要素に応じて一定の比率で水噴射量を制御しているから、たとえばガスタービンの回転速度を急減速したときに、ガス温度や燃焼温度などへは即座に反映されない。つまり実際に水噴射量が大幅に制限されたり、水噴射量がゼロになったりするのにタイムラグがある。このため、タイムラグの間は水の噴射量が過剰になって燃焼器の火焔が吹き消えたりする。また上記特許文献２に記載の制御装置では、燃焼温度だけでなく圧力変動も同時に検知することによって圧力変動時には水噴射量の上限値を制限するが、この装置の場合にも、基本的には燃焼温度を基準に水噴射量を制御するので、同様の不都合が生じる。
【０００６】
本発明は上述した従来の不都合な点を解消し、ガスタービンの回転速度が急激に減速されたときにも水噴射量を即座に対応して過剰状態にならないようにし、燃焼器の火焔の吹き消えなどを防止してガスタービンの運転状態を安定させることができる、ガスタービンの水噴射制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明にかかるガスタービンの水噴射制御装置は、ガスタービンにおける燃焼器への水の噴射量を、同ガスタービンの燃料流量等に応じて調節する機能をもつガスタービンの水噴射制御装置において、上記の水の噴射量を、下記の▲１▼又は▲２▼の場合に、上記ガスタービンの運転が安定した状態に維持できる所定の設定値（ゼロすなわち水噴射の停止を含む）に制限する急減速時用制御手段および同急減速時用制御手段への切換え器を設けたことを特徴としている。
▲１▼上記ガスタービンの回転速度（回転数）が急減速となるような燃料制御状態を検知した場合、▲２▼上記ガスタービンの運転中にそのガスタービンを急減速させる外部指令（たとえば、定格運転中に故障が発生したときの異常信号や運転中にトラブルが発生しオペレータが急減速スイッチを押したとき）を検知した場合。
【０００８】
上記構成を有する本発明にかかるガスタービンの水噴射制御装置によれば、普通の運転状態では、従来と同様に、燃料流量、タービン入り口／出口ガス温度、燃焼温度などの運転状態を表すパラメータに応じて一定の比率（関数）になるように水噴射量が制御される。このときの水噴射量は、排気ガスに含まれるＮＯｘを規定量に減らすのに必要な最適水量に設定される。本発明の制御装置では上記燃料流量などのパラメータの監視だけでなくガスタービンの回転数（回転速度）も同時に監視しており、その回転数が急減速されるような燃料制御状態のとき、すなわちガスタービンの回転数設定値とその実際の回転数との偏差が、急減速へ移行することを示すときにはこれが検知され切換え器によって急減速運転時の水噴射制御状態に切り換わって、急減速時の水噴射量制御プログラム（演算器）で演算される設定値に水噴射量が制御される。この水噴射量は、ガスタービンの運転を安定させるために最小限に絞った水量である。
【０００９】
ガスタービンの回転数設定値とその実際の回転数との偏差は、燃料流量、タービン入り口／出口ガス温度、燃焼温度などに比べると、より現状の燃料制御状態に直結したパラメータであるから、即座に急減速となる燃料制御状態を検知できる。したがって、従来の装置に比べて現状の運転状態とのタイムラグがなく、燃焼器に対し過剰な量の水噴射が行われることがなく、安定した運転状態を維持できる。
【００１０】
また、外部急減速指令の検知については、ガスタービンの回転数設定値とその実際の回転数との偏差が、急減速へ移行することを示す前に、急減速させる指令（の信号）を操作員（作業者）などが外部から入力したときにも、これを検知する検知手段を介して切換え器によって急減速運転時の水噴射制御状態に切り換わって、急減速時の水噴射量制御プログラム（演算器）で演算される設定値に基づいて水噴射量が制御される。この後者の場合は、ガスタービンの回転数設定値とその実際の回転数との偏差が、急減速へ移行することを示す直前に切換え器によって急減速運転状態の制御に切り換わるため、ガスタービンの急減速に対して前者よりもさらに早く応答できる。
【００１１】
請求項２記載のガスタービンの水噴射制御装置は、ガスタービンにおける燃焼器への水の噴射量を、同ガスタービンの通常運転時における燃料流量等に応じて一定の比率で排気ガスに含まれるＮＯｘ低減に最適な状態に演算する水噴射量設定値演算器を備えたガスタービンの水噴射制御装置において、上記ガスタービン回転速度が急減速となるような燃料制御状態を検知する手段とガスタービン回転速度の急減速に関係する外部指令の発生を検知する手段とをそれぞれ設けるとともに、ガスタービン回転速度に応じてガスタービンの運転が安定した状態に維持できる水噴射量を演算する急減速時水噴射量設定値演算器を設け、上記検知手段が上記ガスタービン回転速度が急減速となるような燃料制御状態あるいは外部急減速指令を検知したときに、上記水噴射量設定値演算器から上記急減速時水噴射量設定値演算器に切り換えるための切換え器を設けたことを特徴としている。
【００１２】
請求項２記載のガスタービンの水噴射制御装置による作用は、実質的に請求項１の上述した作用と共通するものであるので繰り返し記述することは避けるが、請求項１における急減速時用制御手段は請求項２の急減速時水噴射量設定値演算器に該当するものである。
【００１３】
請求項３に記載のように、上記ガスタービン回転速度が急減速となるような燃料制御状態あるいは外部急減速指令を検知した状態が解除されたのち、水の噴射量を通常値へ復帰させる上記切換え器の切換を遅らせるＯＮ→ＯＦＦ遅延器を、上記切換え器に組み込むことが好ましい。
【００１４】
このように構成した請求項３の水噴射制御装置によれば、切換え器によって急減速運転状態の制御に切り換わったのちに、たとえば上記ガスタービン回転速度が急減速となるような燃料制御状態あるいは外部急減速指令を検知してすぐに検知状態が解除されたときでも、つまり急減速となるような燃料制御状態が検知されなくなった場合および外部急減速指令の出力状態などが解除された場合でも、ＯＮ→ＯＦＦ遅延器によって通常の水噴射量の設定値への切り換えが遅らされるために、ガスタービンの運転が十分に安定してから切り換わることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるガスタービンの水噴射制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の水噴射制御装置の実施形態を概略的に示す系統図である。同図に示すように、本例は２軸型ガスタービン１０に適用した場合であり、ガス発生機１０ａには低圧圧縮機１と高圧圧縮機２があり、低圧圧縮機１を駆動すための低圧タービン５と高圧圧縮機２を駆動するための高圧タービン４がある。低圧圧縮機１と低圧タービン５は、回転軸１ａを介して連結され、高圧圧縮機２と高圧タービン４は、中空回転軸２ａを介して連結される。回転軸１ａは、中空回転軸２ａの周りに配装され、したがって、低圧圧縮機１と高圧圧縮機２は、それぞれ独立して駆動される。高圧圧縮機２と高圧タービン４の中間で中空回転軸２ａの周りに燃焼器３が配設されている。外部から取り込んだ空気Ａは、低圧圧縮機１によって圧縮され、次いで高圧圧縮機２によって圧縮され、高圧空気となり燃焼器３へ導かれる。一方、燃料タンク（図示せず）から燃料ポンプ３２を介して燃料供給ライン３１にて送られる燃料Ｆは、燃焼器３へ供給され、燃料Ｆが燃焼することによって燃焼器３で高温・高圧ガスＧが発生する。この高温・高圧ガスＧが高圧タービン４、低圧タービン５、出力タービン６へと順に供給される。この高温・高圧ガスのエネルギーは、低圧タービン４及び高圧タービン５を介して低圧圧縮機１及び高圧圧縮機２を駆動する動力に使用され、さらに出力タービン６を介して出力タービン軸６ａに減速機７を介して連結された被駆動装置８の動力に使用される。なお、出力タービン６から排気ガスＥが排出される。
【００１７】
燃料供給ライン３１には、燃料ポンプ３２側から燃料流量計３３および燃料流量調整弁３４が介設されている。燃焼器３へ供給される燃料の流量は、被駆動装置８が必要とする動力に応じて低圧圧縮機回転数設定値演算器３５で導かれた低圧圧縮機回転数設定値と、回転軸１ａに装着された回転速度検出器２６にて検出される実際の低圧圧縮機回転数が一致するように、燃料流量調節計３６にて導かれた燃料流量調整弁開度指令に応じて燃料流量調整弁３４が駆動されることによって、制御される。
【００１８】
また、水タンク１２からの水Ｗが水ポンプ１３を介して燃焼器３へ送られる水供給ライン１１には、水ポンプ１３側から噴射水流量計１４および噴射水流量調整弁１５が介設されている。
【００１９】
通常の運転時における燃焼器３への水噴射量の制御は、燃料流量計３３にて検出される燃料流量を表す信号が、燃料流量に基づいて水噴射量を一定の比率（関数）で演算する水噴射量設定値演算器１６に入力される。この演算器１６にて演算される水噴射量設定値の信号は、変化率制限器１７を介して調節計１８に入力される。演算器１６にて演算される水噴射量は、ガスタービン１０から発生するＮＯｘを規定量に削減するのに必要な水量である。調節計１８は、燃焼器３に噴射する水量が所定量になるよう噴射水流量調整弁１５の開度を調節するもので、同調整弁１５の開度を演算し、噴射水流量調整弁１５へ開度指令信号を出力する。変化率制限器１７は、急激な噴射水流量の変化を抑えるため、水噴射量設定値の変化率を増加時には増加率を低く抑える一方減少時には減少率を低くすることなどにより、制限して変化率を緩和する。ここまでの構成については、従来より公知のものである。
【００２０】
本発明では、さらにガスタービン１０の回転数（回転速度）が実際に急減速状態になる前に燃焼器３への水噴射量を瞬時に抑制して過剰にならないように、次の制御手段を組み込んでいる。すなわち、図１に示すとおり、
燃料流量調節計３６から得られる低圧圧縮機回転数偏差の変化に基づいてガスタービンが急減速となるような燃料制御状態か否かを検知するための急減速燃料制御状態検知器２１を設置している。また、急減速時等に燃焼器３への水噴射量を回転速度検出器２６で検出される低圧圧縮機回転数に基づいて運転状態が安定して行われる最小限の水噴射量（ゼロすなわち水噴射の停止を含む）に演算する急減速時水噴射量設定値演算器２２を設置している。この演算器２２で演算された水噴射量の設定値は、上記演算器１６に比べてかなり低いが、低圧圧縮機回転数に応じて一定の比率（関数）で演算される点は上記の演算器１６と共通し、ガスタービンの回転数に対する比率が水噴射停止つまりゼロとなる場合を含め通常運転時に比べてかなり低い値になる点が相違する。
【００２１】
演算器２２は燃料流量に基づき一定比率で水噴射量を演算する上記の演算器１６に換わるもので、水噴射量設定値演算器１６と変化率制限器１７の間に切換え器２３を介設し、燃料制御状態（急減速に移行するか否か）に応じて二つの演算器１６・２２のうち一方の演算器１６又は２２のいずれか（図１は通常運転状態を示す）となるように切換え器２３で切り換えるようにしている。
【００２２】
上記の急減速燃料制御状態検知器２１が急減速を検知した場合だけでなく、外部急減速指令手段４１から外部急減速指令が出力された場合にも、急減速時水噴射量設定値演算器２２からの信号が切換え器２３に入るように、ＯＲ回路２５を介して急減速燃料制御状態検知器２１および外部急減速指令手段４１にそれぞれ接続されている。さらに本実施形態ではＯＲ回路２５と切換え器２３の間には、ＯＮ→ＯＦＦ遅延器２４を介設している。このＯＮ→ＯＦＦ遅延器２４は、急減速燃料制御状態検知器２１による急減速が検知されなくなった時および外部急減速指令手段４１による急減速指令の入力が解除された時に、瞬時に切換え器２３が通常の水噴射量の設定値へ切り換わるのを遅らせ、ガスタービン１０の運転状態が十分に安定してから切り換わるようにするものである。
【００２３】
以上が本発明の特徴部分を表しているが、この特徴部分は図１において点線で囲んでいる。
【００２４】
上記に本実施形態のガスタービンの水噴射制御装置について説明したが、本発明の水噴射制御装置は下記のように実施することができる。
【００２５】
▲１▼  上記実施例は、高圧・低圧圧縮機及びタービンの例を示すが、圧縮機及びタービンがそれぞれ、一組しかない場合でも適用できる。
【００２６】
▲２▼  ＯＮ→ＯＦＦ遅延器２４を省くこともできる。
【００２７】
▲３▼  通常の運転状態における水噴射量の制御に関して、水噴射量設定値演算器２６で水噴射量を演算するための運転パラメータとして、燃料流量に代えてタービン入り口／出口ガス温度や燃焼温度などを用いることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明にかかるガスタービンの水噴射制御装置には、次のような優れた効果がある。すなわち、
・ガスタービンの回転速度が急激に減速されたときにも水噴射量を即座に対応して過剰状態にならないよう急減速運転時の制御に切換えることができ、したがって燃焼器の火焔の吹き消えなどを防止でき、ガスタービンの運転を安定させられる。
【００２９】
・ＯＮ→ＯＦＦ遅延器を組み込むことによって、切換え器によって急減速運転状態の制御に切り換わったのち、たとえばすぐに急減速が検知されなくなった場合および外部急減速指令の入力が解消された場合でも、ＯＮ→ＯＦＦ遅延器によってガスタービンの運転が十分に安定してから通常の水噴射量の設定値へ切り換えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる水噴射制御装置の実施形態を概略的に示す系統図である。
【符号の説明】
１０  ２軸型ガスタービン
１１  水供給ライン
１２  水タンク
１３  水ポンプ
１４  噴射水流量計
１５  噴射水流量調整弁
１６  水噴射量設定値演算器
１７  変化率制限器
１８  噴射水流量調節計
２１  急減速燃料制御状態検知器
２２  急減速時水噴射量設定値演算器
２３  切換え器
２４  ＯＮ→ＯＦＦ遅延器
２５    ＯＲ回路
２６  回転速度検出器
３１  燃料供給ライン
３２  燃料ポンプ
３３  燃料流量計
３４  燃料流量調整弁
３５  低圧圧縮機回転数設定値演算器
３６  燃料流量調節計
４１  外部急減速指令手段
【図１】
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