(57)【要約】【課題】燃焼器の失火を回避して、安定した運転を行うことができる蒸気噴射ガスタービン及びその制御方法を提案する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機１３、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器１４、燃焼器１４の排ガスで圧縮機１３を回転駆動するタービン１５及びタービン１５の排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラ１２を備え、排熱ボイラ１２で発生した水蒸気を燃焼器１４に供給する蒸気噴射ガスタービン１の制御方法であって、圧縮機１３の吐出圧力の変動、タービン１５の入口温度の変動及びタービン１５の回転数の変動に基づいてタービン１５の推定出力変動量を求める第一工程と、タービン１５の定常状態出力と推定出力変動量とから失火兆候を求める第二工程と、失火兆候に基づいて燃焼器１４に供給する燃料流量及び燃焼器に供給する蒸気噴射量を制御する第三工程と、を有する。【選択図】図１
2007332817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器、前記燃焼器の排ガスで前記圧縮機を回転駆動するタービン及び前記タービンの排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラを備え、前記排熱ボイラで発生した水蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気噴射ガスタービンであって、
前記燃焼器に供給する燃料流量を調整する燃料制御弁と、
前記燃焼器に供給する蒸気噴射量を調整する蒸気噴射制御弁と、
前記燃焼器に供給される蒸気を外部に放出又は遮断する蒸気供給停止弁と、
前記燃料制御弁、前記蒸気噴射制御弁及び前記蒸気供給停止弁を制御する制御部と、
を備えること特徴とする蒸気噴射ガスタービン。
【請求項２】
空気を圧縮する圧縮機、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器、前記燃焼器の排ガスで前記圧縮機を回転駆動するタービン及び前記タービンの排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラを備え、前記排熱ボイラで発生した水蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気噴射ガスタービンの制御方法であって、
前記圧縮機の吐出圧力の変動、前記タービンの入口温度の変動及び前記タービンの回転数の変動に基づいて前記タービンの推定出力変動量を求める第一工程と、
前記タービンの定常状態出力と前記推定出力変動量とから失火兆候を求める第二工程と、
前記失火兆候に基づいて前記燃焼器に供給する燃料流量及び前記燃焼器に供給する蒸気噴射量を制御する第三工程と、
を有することを特徴とする蒸気噴射ガスタービンの制御方法。
【請求項３】
前記第三工程は、前記燃料流量の変動を抑制すると共に前記蒸気噴射量を低下させる工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の蒸気噴射ガスタービンの制御方法。
【請求項４】
前記失火兆候が所定の閾値を逸脱する場合には、前記燃焼器への蒸気の供給を停止する第四工程を有すること特徴とする請求項２又は請求項３に記載の蒸気噴射ガスタービンの制御方法。
【請求項５】
前記タービンの回転により駆動されて発電を行う発電機を備え、
前記第一工程において、前記発電機の出力電力の変動に基づいて前記推定出力変動量を求めることを特徴とする請求項２から請求項４のうちいずれか一項に記載の蒸気噴射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、ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射する蒸気噴射ガスタービン及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの燃焼器に水蒸気を噴射して出力を増大させる蒸気噴射ガスタービンは、各種プラント等の補助電源或いは非常用電源等として注目されている。
蒸気噴射ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器、燃焼排ガスで圧縮機を回転駆動するタービン及びタービンの排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラを備え、圧縮機及びタービンに連結された発電機で発電すると同時に、排熱ボイラで発生した水蒸気を各種プラントでのプロセス蒸気として用いるものである。
具体的には、大気中から吸入された空気が圧縮機で圧縮されて燃焼器に流入する。この圧縮空気は燃料の燃焼により高温の燃焼ガスとなり、タービンに流入する。タービンで仕事をした燃焼ガスは、排熱ボイラにて水蒸気を発生した後、大気中に排出される。このタービンの出力は、圧縮機を駆動すると同時に発電機を駆動して電力を発生させる。そして、この際、排熱ボイラで発生した水蒸気は、その一部が燃焼器に噴射されタービンに流入する燃焼ガスの流量を増大させると共に燃焼ガスの比熱を増大させることで、タービンの出力が増大するように構成されている。
このような蒸気噴射ガスタービンでは、例えば特許文献１等に開示されるように、燃焼器に供給する燃料流量と燃焼器に供給する蒸気噴射量とを制御するようになっている。
【特許文献１】特開平１０−１８４３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃焼器に供給する燃料流量の制御では、タービンの回転数制御、タービン温度リミット制御、発電出力制御などの各制御コントローラからの出力値について比較選択することにより、燃料制御操作量を決定している。一方、蒸気噴射量の制御では、タービン温度値によるリミット制御が主である。
しかしながら、燃焼器が負荷変動等の外乱の影響を受けた場合には、蒸気噴射量・吸気量・燃料流量のバランスがくずれて、失火に至ってしまうという問題がある。外乱を受けてタービン回転数が変動した場合には、回転数を一定にするために燃料流量が増減するが、蒸気噴射量が変化しないために蒸気噴射量が過多となってしまうからである。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、燃焼器の失火を回避して、安定した運転を行うことができる蒸気噴射ガスタービン及びその制御方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る蒸気噴射ガスタービン及びその制御方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、空気を圧縮する圧縮機、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器、前記燃焼器の排ガスで前記圧縮機を回転駆動するタービン及び前記タービンの排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラを備え、前記排熱ボイラで発生した水蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気噴射ガスタービンであって、前記燃焼器に供給する燃料流量を調整する燃料制御弁と、前記燃焼器に供給する蒸気噴射量を調整する蒸気噴射制御弁と、前記燃焼器に供給される蒸気を外部に放出又は遮断する蒸気供給停止弁と、前記燃料制御弁、前記蒸気噴射制御弁及び前記蒸気供給停止弁を制御する制御部と、を備えること特徴とする。
【０００６】
第２の発明は、空気を圧縮する圧縮機、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器、前記燃焼器の排ガスで前記圧縮機を回転駆動するタービン及び前記タービンの排ガスで水蒸気を発生する排熱ボイラを備え、前記排熱ボイラで発生した水蒸気を前記燃焼器に供給する蒸気噴射ガスタービンの制御方法であって、前記圧縮機の吐出圧力の変動、前記タービンの入口温度の変動及び前記タービンの回転数の変動に基づいて前記タービンの推定出力変動量を求める第一工程と、前記タービンの定常状態出力と前記推定出力変動量とから失火兆候を求める第二工程と、前記失火兆候に基づいて前記燃焼器に供給する燃料流量及び前記燃焼器に供給する蒸気噴射量を制御する第三工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、前記第三工程は、前記燃料流量の変動を抑制すると共に前記蒸気噴射量を低下させる工程を含むことを特徴とする。
また、前記失火兆候が所定の閾値を逸脱する場合には、前記燃焼器への蒸気の供給を停止する第四工程を有すること特徴とする。
また、前記タービンの回転により駆動されて発電を行う発電機を備え、前記第一工程において、前記発電機の出力電力の変動に基づいて前記推定出力変動量を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば以下の効果を得ることができる。
第１の発明に係る蒸気噴射ガスタービンでは、燃焼器が負荷変動等の外乱の影響を受けて失火の可能性が発生した場合であっても、燃料制御弁、蒸気噴射制御弁を制御することで、安定した運転を維持することができる。また、蒸気供給停止弁を制御することで、より確実に失火を回避することができる。
【０００９】
第２の発明に係る蒸気噴射ガスタービンの制御方法では、圧縮機の吐出圧力の変動等に基づいて失火兆候を求める、この失火兆候に基づいて燃焼器に供給する燃料流量及び燃焼器に供給する蒸気噴射量を制御するので、失火を回避して安定した運転を維持することができる。この際、燃料流量の変動を抑制すると共に蒸気噴射量を低下させることで、失火を回避することができる。
また、失火兆候が大きい場合には、燃焼器への蒸気の供給を停止することで、失火を確実に回避することができる。
また、発電機を備える場合には、発電機の出力電力の変動に基づいて失火兆候を求めることで、より正確な失火兆候を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る蒸気噴射ガスタービン及びその制御方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置１を示す全体構成図である。
このガスタービン発電装置１は、ガスタービン発電機１０と排熱ボイラ１２とを備え、電力と水蒸気を生成するようになっている。
【００１１】
図１に示すように、ガスタービン発電機１０は、圧縮機１３、燃焼器１４、タービン１５及び発電機１６等から構成される。
そして、大気中から吸入された空気を圧縮機１３で圧縮して燃焼器１４に供給し、燃焼器１４で燃料と共に燃焼させて燃焼ガスを発生させる。そして、この燃焼ガスでタービン１５を回転し、タービン１５に連結された発電機１６を回転駆動するようになっている。
また、タービン１５は、燃焼ガスが流れるガス流路と燃焼器１４をバイパスするケース流路とを有し、このケース流路に排熱ボイラ１２から供給される水蒸気を導入してタービン出力を増大させることができるようになっている。
なお、圧縮機１３、燃焼器１４及びタービン１５は、航空用ジェットエンジンと同様に、コンパクトに一体化されている。
【００１２】
ガスタービン発電機１０は、燃料制御演算部２１により、発電機１６を一定回転速度（例えば１５００ｒｐｍ）で駆動するように制御される。また、この燃料制御演算部２１は、タービン入口温度Ｔ４を検出し、燃料流量Ｗｆを調節するようになっている。
【００１３】
排熱ボイラ１２は、タービン１５の排ガスから熱回収して、ボイラドラム１２ａから水蒸気を発生する。
このボイラドラム１２ａには、燃焼器１４、タービン１５のケース流路及び隣接プラント１８へ水蒸気を供給するラインが接続される。各ラインには、流量検出器１４ａ，１５ａ，１８ａと流量調節弁１４ｂ，１５ｂ，１８ｂが設置される。また、余剰蒸気を放出する放蒸弁１８ｃも設置される。
なお、ボイラドラム１２ａには、ドラム圧力検出器１９が設けられている。また、排熱ボイラ１２の下流には、煙突９が配置される。
【００１４】
流量検出器１４ａ，１５ａ，１８ａとドラム圧力検出器１９の出力は、蒸気制御演算部２２に入力され、この蒸気制御演算部２２により流量調節弁１４ｂ，１５ｂ，１８ｂ及び必要な場合には放蒸弁１８ｃが制御される。
【００１５】
更に、ガスタービン発電装置１は、主制御部２３を備え、この主制御部２３により燃料制御演算部２１と蒸気制御演算部２２を制御するようになっている。
なお、以下、燃焼器１４への燃料流量Ｗｆ、タービン入口温度Ｔ４、燃焼器１４への蒸気噴射量Ｑｓとする。
【００１６】
図２及び図３は、本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置１の制御方法を示すワークフロー図である。
ガスタービン発電装置１の運転を行う際には、発電機１６の出力電力（ｋＷ）、タービン１５の回転数（Ｎｇ）、圧縮機１３の吐出圧力（Ｐ３）、タービン１５の入口温度（Ｔ４）が常にセンシングされる。これらの値は、ガスタービン発電装置１が安定運転（タービン１５がほぼ一定回転速度）を行っている場合には、一定の値を維持し続ける。
【００１７】
燃焼器１４が負荷変動等の外乱の影響を受けた場合には、発電機１６の出力電力、タービン１５の回転数、圧縮機１３の吐出圧力、タービン１５の入口温度が変動する。
この際、これらの値について、微分量ｄ／ｄｔを求める（ｄｋＷ／ｄｔ、ｄＮｇ／ｄｔ、ｄＰ３／ｄｔ、ｄＴ４／ｄｔ）。また、各サンプリング間の偏差量Δを求める（ΔｋＷ、ΔＮｇ、ΔＰ３、ΔＴ４）。
【００１８】
次に、求めた微分値│ｄ／ｄｔ│＝αが設定値（α０）を越えた場合、及び最大偏差量Δ＝βが設定値（β０）以下となった場合に、それぞれの状態変化を推定する演算式ｆ１，ｆ２に入力して、状態変化量Ａ，Ｂを求める（Ａ＿ｋＷ＝ｆ１ｋＷ（α）、Ｂ＿ｋＷ＝ｆ２ｋＷ（β）、Ａ＿Ｎｇ＝ｆ１Ｎｇ（α）、ＢＡ＿Ｎｇ＝ｆ２Ｎｇ（β）、Ａ＿Ｐ３＝ｆ１Ｐ３（α）、ＢＡ＿Ｐ３＝ｆ２Ｐ３（β）、Ａ＿Ｔ４＝ｆ１Ｔ４（α）、ＢＡ＿Ｔ４＝ｆ２Ｔ４（β））。
演算式ｆ１，ｆ２（ｆ１ｋＷ、ｆ２ｋＷ、ｆ１Ｎｇ、ｆ２Ｎｇ、ｆ１Ｐ３、ｆ２Ｐ３、ｆ１Ｔ４、ｆ２Ｔ４）は、求めた微分値及び偏差量の重み付けを行うものであって、ガスタービン発電装置１の特性に応じて予め定義される。
【００１９】
次に、得られた状態変化量Ａ，Ｂを演算式ｆ３に入力して、ガスタービン発電装置１の推定出力を求める。演算式ｆ３は、ガスタービン発電装置１の出力変化を推定するもの（例えばカルマンフィルタ等）であって、ガスタービン発電装置１の特性に応じて予め定義される。
更に、ガスタービン発電装置１の推定出力と定常出力とを比較して離脱量を求める。この際、ガスタービン発電装置１の出力は、吸気温度Ｔ２、燃料流量Ｗｆ、蒸気噴射量Ｑｓを主なパラメータとして求められる。
【００２０】
次に、求めた離脱量が失火領域のどの領域にあるかを確認し、失火レベル値γを決定する。例えば、タービン温度が低い領域において、ガスタービン発電装置１の出力の変動が大きければ、失火レベル値γは大きな値となる。すなわち、失火レベル値γが大きいほど、失火する可能性が高いことを意味する。
【００２１】
失火時の初期においては、発電装置は不安定な変動を示し、この不安定を元に戻そうとして燃料増減による制御動作が発生する。小さな変動であれば安定を図れるが、より失火兆候にある場合は、この燃料増減が更に出力変動を大きくして不安定を増すことがある。よって、出力変動の大きさに応じては制御状態を安定化させる補正が必要となる。
ここで、失火レベル値γを演算式ｆ４（ｆ４Ｇｎ、ｆ４Ｑｎ）に入力して、燃料流量及び蒸気噴射量を補償制御する補正値（Ｇｎ，Ｑｎ）を求める。具体的には、失火レベル値γが大きい場合には、燃料流量Ｗｆの制御ゲインを下げると共に、蒸気噴射量Ｑｓを急激に低下させるように補正値が決定される。
なお、演算式ｆ４は、ガスタービン発電装置１の特性に応じて予め定義される。
【００２２】
そして、この補正値は、燃料制御演算部２１及び蒸気制御演算部２２に送られる。
このように燃料流量Ｗｆの制御ゲインを下げると、燃焼器１４への燃料流量Ｗｆの変動量が低減するので、タービン回転数の急激な変動が抑制される。この際、単に燃料流量Ｗｆの制御ゲインを下げただけでは、失火レベル値が改善されるとは限らない。そこで、燃料流量Ｗｆの制御ゲインを下げると同時に、蒸気噴射量Ｑｓを急激に低下させることで、蒸気噴射量が過多な状態、すなわち失火レベル値が高い状態から離脱させる。
こうして、ガスタービン発電装置１は、安定した運転状態を回復することができる。
【００２３】
ところで、失火レベル値γが大きな値となって、失火する可能性が非常に高くなってしまった場合には、燃料流量及び蒸気噴射量を補償制御したとしても、蒸気噴射量が過多な状態から離脱することが困難な場合が少なくない。このような場合には、燃焼器１４に供給する蒸気を遮断してしまうことが求められる。
そこで、失火レベル値γを演算式ｆ５に入力して、所定の閾値を越えたか否かを判断し、閾値を越える場合には、放蒸弁１８ｃを開放して、燃焼器１４に供給される蒸気を大気開放する。これにより、蒸気噴射量が過多な状態から急速に離脱することが可能となる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態に係るガスタービン発電装置１では、燃焼器１４が負荷変動等の外乱の影響を受けて失火の可能性が発生した場合であっても、不図示の燃料制御弁、流量調節弁１４ｂを制御することで、安定した運転を維持することができる。また、放蒸弁１８ｃを制御することで、より確実に失火を回避することができる。
【００２５】
また、本実施形態に係る蒸気噴射ガスタービンの制御方法では、圧縮機１３の吐出圧力の変動等に基づいて失火兆候を求め、この失火兆候に基づいて燃焼器１４に供給する燃料流量及び燃焼器に供給する蒸気噴射量を制御するので、失火を回避して安定した運転を維持することができる。この際、燃料流量の変動を抑制すると共に蒸気噴射量を低下させることで、失火を回避することができる。
また、失火兆候が大きい場合には、燃焼器１４への蒸気の供給を停止することで、失火を確実に回避することができる。
また、発電機１６の出力電力の変動に基づいて失火兆候を求めることで、より正確な失火兆候を得ることができる。
【００２６】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置１を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置１の制御方法を示すワークフロー図である。
【図３】図２に続くワークフロー図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…ガスタービン発電装置（蒸気噴射ガスタービン）
１０…ガスタービン発電機
１２…排熱ボイラ
１３…圧縮機
１４…燃焼器
１５…タービン
１６…発電機
１４ａ，１５ａ，１８ａ…流量検出器
１４ｂ，１５ｂ，１８ｂ…流量調節弁
１８ｃ…放蒸弁
２１…燃料制御演算部
２２…蒸気制御演算部
２３…主制御部
Ｑｓ…蒸気噴射量
Ｔ２…吸気温度
Ｔ４…タービン入口温度
Ｗｆ…燃料流量
γ…失火レベル値
【図１】
2007332817.tif 000003
【図２】
2007332817.tif 000004
【図３】
2007332817.tif 000005