(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータによりタービンを回転駆動しながら燃料と空気との混合気に着火して該混合気を燃焼させ、該燃焼により発生した燃焼ガスを前記タービンに供給することにより前記タービンを昇速させるガスタービン装置の起動方法において、
混合気に着火した後の所定時間、燃焼に供される燃料の供給量を一定に保持し、
前記所定時間経過後、燃焼に供される燃料の供給量を徐々に増加させると共に、前記モータによる前記タービンの回転駆動力を徐々に減少させることを特徴とするガスタービン装置の起動方法。
【請求項２】
空気と燃料との混合気を燃焼させ、該燃焼により発生した燃焼ガスをタービンに供給することにより前記タービンを回転駆動するガスタービン装置において、
起動時においてモータにより前記タービンを回転駆動しながら混合気への着火動作を行う着火手段と、
燃焼に供される燃料の供給量を調節する開度可変な燃料調節弁と、
混合気の着火を検知する着火検知手段と、
前記着火検知手段により混合気の着火が検知された時点から所定時間は前記燃料調節弁の開度を一定に保持する開度保持手段と、
前記所定時間経過後、前記モータへの電流の供給量を徐々に減少させると共に前記燃料調節弁の開度を徐々に増加させる駆動力調整手段とを設けたことを特徴とするガスタービン装置。
【請求項３】
前記駆動力調整手段は、前記燃料調節弁の開度を操作して混合気における空気と燃料との空燃比を制御する空燃比制御部と、前記モータへの電流の供給量を制御する電流供給量制御部とを備え、前記電流供給量制御部により前記タービンが所定の目標加速度を保つように前記モータを制御しつつ、前記所定時間経過後に前記空燃比制御部により前記燃料調節弁の開度を徐々に増加させることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン装置。
【請求項４】
前記駆動力調整手段は、前記モータへの電流の供給量を制御する電流供給量制御部と、前記燃料調節弁の開度を操作して前記タービンの加速度を制御する加速度制御部とを備え、前記加速度制御部により前記タービンを所定の目標加速度に保ちつつ、前記所定時間経過後に前記電流供給量制御部により前記モータへの電流の供給量を徐々に減少させることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン装置の起動方法及びガスタービン装置に係り、特に、起動用のモータを用いてガスタービン装置を起動する起動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスタービン装置は、回転軸を介して回転自在に取り付けられたタービンと、燃料と空気との混合気を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器への燃料供給量を調節する燃料調節弁と、タービンに連動して燃焼器に空気を圧送する空気圧縮機などから基本的に構成される。このような構成において、燃料調節弁及び空気圧縮機を介して形成された混合気が燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスがタービンに供給されることでタービンが高速で回転駆動される。
【０００３】
このようなガスタービン装置は、通常、ガスタービン装置を起動するためのモータを備えており、起動の際にはこのモータによりタービンを回転駆動しながら混合気への着火動作が行われる。
ここで、ガスタービン装置の起動時の様子について図３を参照して説明する。
図３は従来のガスタービン装置の起動時におけるタービン回転数、排気温度、燃料供給量、モータへの供給電流を示す図である。なお、図３において、ＮＲ（Number of Revolution）はタービンの回転数を表し、ＦＣＶ（Fuel Control Valve）は燃料調節弁の開度を表し、ＥＧＴ（Exhaust Gas Temperature）は排気温度を表し、ＭＣ（Motor Current）はモータへ供給される電流の供給量を表す。
【０００４】
まず、モータによりタービンを回転駆動し、図３に示すように、タービンが着火可能な回転数になったところでこの回転数を維持させる。その後、燃料調節弁を開いて燃料の供給を開始し（ｔ１）、供給量を徐々に増加させながら燃焼器に燃料を供給する。燃料の供給開始と同時に、燃焼器にて形成される燃料と空気との混合気への着火動作を開始し、やがて、混合気に着火すると（ｔ２）、混合気が燃焼して燃焼ガスが発生する。
【０００５】
混合気に着火して燃焼ガスが発生した後は燃焼ガスがタービンに供給され、燃焼ガスとモータとによりタービンが回転駆動される。その後、モータへの電流供給が停止され（ｔ３）、その後は燃焼ガスが供給されることのみでタービンが回転駆動される。また、混合気に着火して燃焼ガスの供給が開始された後は（ｔ２〜）、タービンが所定の目標加速度（ＡＣＣsp）で昇速するように燃料調節弁の開度を加減する昇速制御が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、昇速制御が開始された直後（ｔ２）は、図３に示すように、昇速制御によりタービンの加速度が０の状態から目標加速度（ＡＣＣsp）にまで速やかに引き上げようとして燃料の供給量が一時的に増大する（図３のＦＣＶ参照）。このため、排気温度が急激に上昇し、ガスタービン装置、特に、燃焼器が急激に高温となって大きなダメージを受けてしまう（図３のＥＧＴ参照）。
【０００７】
また、モータによるタービンの回転駆動が停止されると、その後は燃焼ガスの供給のみによってタービンを昇速することになる。そうすると、モータの回転駆動停止直後（ｔ３）に、目標加速度を維持しようとする制御動作により燃料の供給量が急増し、ガスタービン装置の温度が更に上昇するという問題が生じている。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、起動時において、燃焼に供される燃料の供給量の急激な増加を防止することでガスタービン装置の急激な温度上昇を抑えることを可能としたガスタービン装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、本発明の一態様は、モータによりタービンを回転駆動しながら燃料と空気との混合気に着火して該混合気を燃焼させ、該燃焼により発生した燃焼ガスを前記タービンに供給することにより前記タービンを昇速させるガスタービン装置の起動方法において、混合気に着火した後の所定時間、燃焼に供される燃料の供給量を一定に保持することを特徴とする。
【００１０】
このような本発明によれば、混合気に着火した後に燃料の供給量を一定に保持することにより、着火直後に燃料が過剰に供給されてしまうことが防止される。その結果、ガスタービン装置の温度上昇を抑えることが可能となる。
【００１１】
また、本発明の一態様は、前記所定時間経過後、燃焼に供される燃料の供給量を徐々に増加させると共に、前記モータによる前記タービンの回転駆動力を徐々に減少させることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、タービンの回転駆動を、モータによる駆動から燃焼ガスによる駆動に徐々にシフトさせた後にモータによるタービンの回転駆動が停止される。その結果、モータによる回転駆動の停止に際し、目標加速度を維持させるために燃料を供給しようとする制御動作を緩和させることが可能となり、燃料供給量を抑えてガスタービン装置の急激な温度上昇を防止することが可能となる。
【００１３】
更に、着火後の燃料の供給量が一定に保持される一方でタービンの回転数が上昇すると、燃焼器に供給される空気の量だけが増えることになり、燃焼器にて形成される混合気中の空気量に対する燃料の割合が低くなることになる。そうすると、場合によっては、燃焼火炎が消えてしまうフレームアウトと呼ばれる現象が起こることがある。本発明によれば、燃料の供給量を一定に保持した後、徐々に燃料の供給量を増加させるので、このようなフレームアウトの発生を防止しつつ、ガスタービン装置の温度上昇を抑えることが可能になる。
【００１４】
また、本発明の他の一態様は、空気と燃料との混合気を燃焼させ、該燃焼により発生した燃焼ガスをタービンに供給することにより前記タービンを回転駆動するガスタービン装置において、起動時においてモータにより前記タービンを回転駆動しながら混合気への着火動作を行う着火手段と、燃焼に供される燃料の供給量を調節する開度可変な燃料調節弁と、混合気の着火を検知する着火検知手段と、前記着火検知手段により混合気の着火が検知された時点から所定時間は前記燃料調節弁の開度を一定に保持する開度保持手段とを設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の一態様は、前記所定時間経過後、前記モータへの電流の供給量を徐々に減少させると共に前記燃料調節弁の開度を徐々に増加させる駆動力調整手段を更に備えたことを特徴とする。
【００１６】
この場合において、前記駆動力調整手段は、前記燃料調節弁の開度を操作して混合気における空気と燃料との空燃比を制御する空燃比制御部と、前記モータへの電流供給量を制御する電流供給量制御部とを備え、前記電流供給量制御部により前記タービンが所定の目標加速度を保つように前記モータを制御しつつ、前記所定時間経過後に前記空燃比制御部により前記燃料調節弁の開度を徐々に増加させることが好ましい。
【００１７】
または、前記駆動力調整手段は、前記モータへの電流の供給量を制御する電流供給量制御部と、前記燃料調節弁の開度を操作して前記タービンの加速度を制御する加速度制御部とを備え、前記加速度制御部により前記タービンを所定の目標加速度に保ちつつ、前記所定時間経過後に前記電流供給量制御部により前記モータへの電流の供給量を徐々に減少させることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン装置の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態であるガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン装置は、タービン１と、燃料と空気との混合気を燃焼させる燃焼器２と、燃焼器２への燃料の供給量を調節する燃料調節弁１９と、タービン１に連動して燃焼器２に空気を圧送する空気圧縮機３とから基本的に構成される。
【００２０】
タービン１は、流体を受けて回転するための複数の回転翼（図示せず）を有し、回転軸６を介してケーシング（図示せず）内に回転自在に支持されている。空気圧縮機３は回転軸６を介してタービン１により駆動されて空気を圧縮するように構成されている。この空気圧縮機３は配管７を介して燃焼器２に接続されており、空気圧縮機３により圧縮された空気は配管７を通って燃焼器２に供給されるようになっている。
【００２１】
燃料調節弁１９は燃焼器２の上流側に配置されており、図示しない燃料供給源から供給された燃料は、この燃料調節弁１９を介して燃焼器２に供給される。燃料調節弁１９は弁の開度が可変に構成され、この開度を操作することにより、燃焼器２への燃料の供給量が調節されるようになっている。
【００２２】
燃焼器２に供給された燃料および空気は燃焼器２において混合気を形成し、燃焼器２にて混合気が燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスが発生する。そして、この燃焼ガスがタービン１に供給されることによりタービン１が高速で回転駆動される。タービン１の回転数は、回転軸６の軸端近傍に配置された回転数検知部１２により検知され、この回転数検知部１２により検知されたタービン１の回転数は加速度制御部１１に送られる。
【００２３】
加速度制御部１１は、回転数検知部１２から送られてきたタービン１の回転数を微分することでタービン１の加速度を算出し、算出した加速度が予め設定された目標加速度に近づくように燃料調節弁１９の開度を操作することでタービン１の加速度を制御するように構成されている。
【００２４】
回転軸６の端部付近には発電機５が連結されており、回転軸６を介してタービン１により発電機５が回転駆動されることで発電が行われる。なお、本実施形態では発電機５は起動時には起動用モータとして使用される。以下の説明では、発電機を適宜モータという。
【００２５】
本実施形態に係るガスタービン装置は、起動時においてモータ５によりタービン１を回転駆動しながら混合気への着火動作を行う着火手段と、混合気の着火を検知する着火検知手段２２と、燃料調節弁１９の開度を操作して混合気における空気と燃料との空燃比を制御する空燃比制御部１５と、モータ５への電流の供給量を制御する電流供給量制御部１６とを更に備えている。
【００２６】
なお、本実施形態においては、着火手段とは燃焼器２に内設された着火プラグ（図示せず）のことをいう。また、本実施形態において着火検知手段２２は、タービン１に供給された後の燃焼ガスの温度を測定する排気温度センサー２０と、排気温度センサー２０により測定された排気温度が所定の上昇率を示した場合は混合気に着火したと判断する着火判断部２１とから構成される。
【００２７】
空燃比制御部１５は、着火検知手段２２により混合気の着火が検知された時点から所定時間は燃料調節弁１９の開度を一定に保持するようになっている。即ち、この空燃比制御部１５は開度保持手段として機能する。更に、空燃比制御部１５は、上述した所定時間経過後、燃料調節弁１９の開度を徐々に増加させるようになっている。
【００２８】
電流供給量制御部１６は、モータ５への電流の供給量を制御することにより、起動時におけるタービン１を所望の回転数や加速度に制御することを可能としている。この電流供給量制御部１６は、着火手段により混合気への着火動作を行う間はタービン１が着火に好ましい所定の回転数を維持するように設定されており、さらに、混合気に着火した後、空燃比制御部１５により燃料の供給量が一定に保持されている間、タービン１を所定の目標加速度にて昇速させるように設定されている。
【００２９】
上述のように構成された空燃比制御部１５及び電流供給量制御部１６によれば、混合気に着火した後の所定時間燃料供給量を一定にした後、空燃比制御部１５により燃料の供給量が徐々に増加されるので、燃焼ガスによるタービン１の回転駆動力が増すことになる。このとき、電流供給量制御部１６により、タービン１が目標加速度で昇速するようにモータ５への電流供給量が制御されるので、燃焼ガスによる回転駆動力の増加に連動してモータ５への電流供給量が減少することになる。
【００３０】
つまり、モータ５を介してタービン１の加速度が一定に保たれている場合にあっては、燃焼ガスによるタービン１の回転駆動力が増加すると、これに連動してモータ５によるタービン１の回転駆動力が減少することになる。従って、本実施形態においては、空燃比制御部１５と電流供給量制御部１６により駆動力調整手段が構成される。
【００３１】
ここで、開度保持手段及び駆動力調整手段の動作について図２を参照して説明する。図２は本実施形態であるガスタービン装置の起動時におけるタービン回転数、燃料供給量、排気温度、モータへの電流供給量を示す図である。なお、図２において、ＮＲはタービン１の回転数を表し、ＦＣＶは燃料調節弁１９の開度を表し、ＥＧＴは排気温度を表し、ＭＣはモータ５へ供給される電流の供給量を表す。比較例として従来のガスタービン装置において示される値を点線で示す。
【００３２】
図２に示すように、まず、モータ５によりタービン１を回転駆動し、タービン１が着火に好ましい回転数になったところで、電流供給量制御部１６によりこの回転数を維持させる。その後、燃料調節弁１９を開いて燃料の供給を開始し（ｔ１）、供給量を徐々に増加させながら燃焼器２に燃料を供給する。燃料の供給開始と同時に、燃焼器２にて着火手段により混合気への着火動作を開始する。
【００３３】
やがて、混合気に着火すると（ｔ２）、混合気が燃焼して燃焼ガスが発生し、モータ５に加えて燃焼ガスにより駆動力を得てタービン１が昇速する。なお、混合気に着火すると排気温度が上昇することになるので、着火検知手段２２にて混合気への着火動作が完了したことが検知される。
【００３４】
着火検知手段２２にて混合気に着火したことが検知されると、この検知時を起点とした所定時間（ｔ２からｔ３まで）の間、空燃比制御部１５により燃料調節弁１９の開度が一定に保持され、燃焼器２に供給される燃料の供給量が一定に保たれる（図２のＦＣＶ参照）。従来では、着火直後に加速度制御部１１による昇速制御に切り替わり、図２の点線で示すように排気温度が急上昇していたが、本実施形態では、空燃比制御部１５により燃焼に供される燃料の供給量が一定に保持されるので排気温度の上昇が防止される。
【００３５】
着火検知手段２２により混合気への着火が検知された後は、タービン１は燃焼ガス及びモータ５により駆動力を得てタービン１が昇速することになる。このとき、タービン１が予め設定された所定の目標加速度（ＡＣＣsp）を維持しながら昇速するように電流供給量制御部１６によってモータ５の制御が行われる。これにより、燃料調節弁１９の開度が一定に保持された間もタービン１は目標加速度（ＡＣＣsp）で昇速することになる。
【００３６】
所定時間燃料調節弁１９の開度を一定に保持した後、今度は、空燃比制御部１５により燃料調節弁１９の開度が所定の増加率で徐々に増加する（ｔ３〜）。すると、上述した通り、電流供給量制御部１６によりタービン１は所定の目標加速度に保持されているので、モータ５によるタービン１の回転駆動力、即ち、モータ５への電流の供給量が徐々に減少することになる（図２のＭＣ参照）。つまり、燃料調節弁１９を増加させて燃焼ガスによる回転駆動力を増加させると、自動的にモータ５への電流供給量が減少してモータ５による回転駆動力が減少することになる。
【００３７】
そして、ある程度、モータ５への電流の供給量が減少し、燃焼に供される燃料供給量が増加したところで、モータ５への電流供給量を完全に０にする（ｔ４）。そうすると、その後のタービン１は燃焼ガスが供給されることのみによって昇速することになる。モータ５への電流供給量が０になった後は、空燃比制御部１５から加速度制御部１１に切り替わって、以降のタービン１は加速度制御部１１による昇速制御が行われる。
【００３８】
このように、モータ５への電流供給を停止する前に、モータ５による駆動から燃焼ガスによる駆動に徐々にシフトすることによって、モータ５への供給電流を完全に停止させた直後に燃焼器２に過剰な燃料が供給されてしまうことを防止することが可能となる。また、混合気に着火した後に、タービン１を昇速させながら燃焼に供される燃料供給量を一定に保持すると、混合気中における空気量に対して燃料の割合が減少し、場合によってはフレームアウトが起こることがある。本実施形態では、着火後の燃料供給量を一定に保持した後、徐々に燃料供給量を増加させるので、フレームアウトの発生を防止しつつ、ガスタービン装置の温度の上昇を抑えることが可能となる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態におけるガスタービン装置の全体構成は上述した第１の実施形態と全く同様である。また、本実施形態は、ガスタービン装置の起動時において示されるタービン回転数、燃料供給量、排気温度、モータへの電流供給量の動きについても第１の実施形態と同様である。従って、特に説明しない構成及び動作については第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４０】
本実施形態では、燃料調節弁１９の開度保持手段として空燃比制御部１５を備えている点でも第１の実施形態と同様である。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、燃料供給量を増加させながらモータ５への電流供給量を減少させる駆動力調整手段が異なっていることである。即ち、本実施形態では、駆動力調整手段は、電流供給量制御部１６と加速度制御部１１とから構成される。
【００４１】
本実施形態では、空燃比制御部１５により燃料供給量を所定時間一定に保持した後、加速度制御部１１によりタービン１を所定の目標加速度に保ちながら、電流供給量制御部１６によりモータ５への電流供給量を徐々に減少させるようになっている。電流供給量制御部１６により電流供給量を減少させると、モータ５によるタービン１の回転駆動力が減少することになる。すると、加速度制御部１１はタービン１を目標加速度に維持させようとして燃料調節弁１９の開度を増加させて燃焼ガスによる回転駆動力を増加させることになる。
【００４２】
即ち、加速度制御部１１によりタービン１の加速度が一定に保たれている場合にあっては、モータ５への電流供給量を減少させると、加速度制御部１１により燃焼に供される燃料の供給量が増加することになる。そして、その結果、モータ５への電流供給量及び燃料調節弁１９の開度は、上述した第１の実施形態と同様の動きを示すことになる。
【００４３】
このように、本実施形態においては、駆動力調整手段が第１の実施形態と異なるものの、起動時において示される燃焼器２への燃料供給量及びモータ５への電流供給量の動きは第１の実施形態と全く同様である。従って、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、起動時において、フレームアウトを防止しつつガスタービン装置の温度上昇を抑えることが可能となる。
【００４４】
なお、本発明のガスタービン装置は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、混合気に着火した後に燃料の供給量を一定に保持することにより、着火直後に燃料が過剰に供給されてしまうことが防止される。その結果、ガスタービン装置の温度上昇を抑えることが可能となる。
【００４６】
また、本発明によれば、タービンの回転駆動を、モータによる駆動から燃焼ガスによる駆動に徐々にシフトさせた後にモータによるタービンの回転駆動が停止される。その結果、モータによる回転駆動の停止に際し、目標加速度を維持させるために燃料を供給しようとする制御動作を緩和させることが可能となり、燃料供給量を抑えてガスタービン装置の急激な温度上昇を防止することが可能となる。
【００４７】
更に、本発明によれば、燃料の供給量を一定に保持した後、徐々に燃料の供給量を増加させるので、フレームアウトの発生を防止しつつ、ガスタービン装置の温度上昇を抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２の実施形態であるガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１及び第２の実施形態であるガスタービン装置の起動時におけるタービン回転数、燃料供給量、排気温度、モータへの電流供給量を示す図である。
【図３】従来のガスタービン装置の起動時におけるタービン回転数、燃料供給量、排気温度、モータへの供給電流を示す図である。
【符号の説明】
１    タービン
２    燃焼器
３    空気圧縮機
５    発電機（モータ）
６    回転軸
７    配管
１１    加速度制御部
１２    回転数検知部
１５    空燃比制御部
１６    電流供給量制御部
１９    燃料調節弁
２０    排気温度センサー
２１    着火判断部
２２    着火検知手段
【図１】
0003939197.tif 000002
【図２】
0003939197.tif 000003
【図３】
0003939197.tif 000004