(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される空気を加温する熱交換器と、前記熱交換器により加温された空気の温度を測定する空気温度測定部と、前記タービンの加速度が所定の目標加速度に近づくように前記タービンの加速度を制御する加速度制御部とを設け、
前記加速度制御部は、前記空気温度測定部により測定された空気の温度に基づいて前記目標加速度を変動させる目標加速度変動部を有することを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２】
前記目標加速度変動部は、前記空気温度測定部により測定された空気の温度に比例する補正値を所定の基準目標加速度に加算又は減算することにより前記目標加速度を変動させること特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。
【請求項３】
前記補正値は、所定の基準空気温度と前記空気温度測定部により測定された空気の温度との偏差に所定の定数を乗算して得られた値であ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】
前記基準目標加速度が関数として構成されことを特徴とする請求項２又は３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、ガスタービン装置に係り、特に、タービンを制御対象とする制御部を備えたガスタービン装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な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、タービンにより駆動され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。
【０００３】
上述の構成において、燃料調節弁により供給量が調節された燃料および空気圧縮機により圧縮された空気（以下、適宜、圧縮空気という）は燃焼器に供給され、燃焼器にて圧縮空気と燃料との混合気が形成される。この混合気を燃焼器にて燃焼させることで高温・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によりタービンが高速で回転するようになっている。
【０００４】
一般に、ガスタービン装置を起動させる場合、モータによりタービンを回転駆動して、タービンを所定の毎分回転数（以下、単に回転数という）に維持させつつ混合気の着火動作が行われる。混合気に着火して燃焼ガスが発生した後は、上述のように、燃焼ガスにより駆動力を得てタービンが昇速する。そして、混合気が着火してからタービンが定格回転数に達するまでは、タービンの回転加速度（以下、単に加速度という）が予め設定された所定の目標加速度となるように燃焼器への燃料供給量を調節する加速度制御が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した加速度制御では、ガスタービン装置の温度、特に燃焼に供される空気の温度にかかわらず、一律に所定の目標加速度に基づいてタービンを昇速させることになる。このため、ガスタービン装置の温度によってはタービンの昇速時に混合気が激しく燃焼するなどの問題が生じている。この問題について図４を参照して説明する。図４は温度が低い状態で従来のガスタービン装置を起動させる際に各種値が変動する様子を示す図である。図４において、ＮＲ（Number of Revolution）はタービンの回転数を示し、ＥＧＴ（Exhaust Gas Temperature）は排気温度を示す。
【０００６】
タービンを定格回転数（ＮＲst）まで昇速させる場合において、一般に、ガスタービン装置の温度、特に、燃焼に供される空気の温度が高い場合には、タービンを図４に示す目標加速度（ＡＣＣＥＬ１）で昇速させるための燃料供給量はさほど多くは必要とされない。一方、ガスタービン装置の温度（燃焼に供される空気温度）が低い場合に同じ目標加速度（ＡＣＣＥＬ１）で昇速させようとすると、昇速させるための駆動力を得るためにはより多くの燃料が必要となり、図４に示すように、必然的に混合気が激しく燃焼して排気温度（ＥＧＴ）が上昇することになる。
【０００７】
このように、ガスタービン装置の温度が低い場合に混合気が激しく燃焼すると、ガスタービン装置の各構成部材に熱応力が発生して、ガスタービン装置の寿命が低下するという問題が生じる。特に、混合気が燃焼する燃焼器では、燃焼器を構成する燃焼室（ライナ）が局所的に高温となってしまい、燃焼室（ライナ）の各部位間での温度差によって熱応力が発生して燃焼器の寿命が極端に短くなってしまう。
【０００８】
ここで、図４の点線で示すように、緩やかな目標加速度（ＡＣＣＥＬ２）を設定し、タービンをこの目標加速度に沿って昇速させれば、昇速させるために必要な駆動力はより少なくて済む。従って、燃焼状態を抑えることができるので燃焼器は保護されることになる。しかしながら、起動時のガスタービン装置の温度はそのときどきによって異なってくる。特に、ガスタービン装置の温度が高い場合には、排気温度を上昇させることなく、図４の実線で示すＡＣＣＥＬ１のように、タービンを鋭く昇速させることが可能なところ、目標加速度が緩やかに設定され過ぎると、定格回転数（ＮＲst）に到達するまで不必要に時間がかかることになってしまう。
【０００９】
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、ガスタービン装置の温度に応じた最適なタービンの目標加速度を設定することにより温度上昇を防止してガスタービン装置の寿命の低下を防止することを可能とし、また、ガスタービン装置の温度に応じた最短の起動時間が得られ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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、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、燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される空気を加温する熱交換器と、前記熱交換器により加温された空気の温度を測定する空気温度測定部と、前記タービンの加速度が所定の目標加速度に近づくように前記タービンの加速度を制御する加速度制御部とを設け、前記加速度制御部は、前記空気温度測定部により測定された空気の温度に基づいて前記目標加速度を変動させる目標加速度変動部を有することを特徴とする。
【００１１】
この場合において、前記目標加速度変動部は、前記空気温度測定部により測定された空気の温度に比例する補正値を所定の基準目標加速度に加算又は減算することにより前記目標加速度を変動させることが好ましい。更には、前記補正値は、所定の基準空気温度と前記空気温度測定部により測定された空気の温度との偏差に所定の定数を乗算して得られる値であることが好ましい。また、前記基準目標加速度が関数として構成されたことが好ましい。
【００１２】
このように構成された本発明によれば、熱交換器はガスタービン装置の一部を構成するとともに、燃焼ガスの熱を利用して空気を加温するので、熱交換器により加温された空気の温度を測定することにより、ガスタービン装置のおおよその温度を推測することができる。しかも、熱交換器は燃焼に供される空気を加温するので、加温後の空気の温度を測定することにより、空気温度に最適な燃料供給量を判断することができる。
【００１３】
従って、熱交換器により加温された空気の温度に基づいてタービンの目標加速度を変動させれば、ガスタービン装置の温度に応じた最適な量の燃料を供給することができる。その結果、ガスタービン装置の寿命の低下を防止することが可能となり、さらには、ガスタービン装置の温度に応じた最短の起動時間を得ることが可能となる。
【００１４】
【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一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。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態におけ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て燃焼ガスを発生させる燃焼器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、燃焼器２に空気を圧送する空気圧縮機３とを備えている。また、ガスタービン装置は、タービン１に供給された後の燃焼ガスの熱を利用して燃焼に供される空気を加温する熱交換器４と、タービン１を制御対象とするタービン制御部１１と、タービン１の回転数を検出する回転数検出部１２とを備えている。
【００１６】
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。なお、熱交換器４は配管７の途中に設置されており、空気圧縮機３により圧縮された空気は、熱交換器４により加温された後、燃焼器２に供給される。
【００１７】
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を通過した後、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。
【００１８】
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が高速で回転する。タービン１の回転駆動に供された燃焼ガスは熱交換器４に送られ、上述したように、燃焼器２に供給される前の空気を加温した後に排気される。なお、タービン１と熱交換器４とを接続する配管８には、排気温度（主に燃焼ガスの温度）を測定するための排気温度測定部１８が設置されている。
【００１９】
また、熱交換器４と燃焼器２とを接続する配管７には、熱交換器４により加温された空気の温度を測定する空気温度測定部１７が設置されている。この空気温度測定部１７は、燃焼器２のすぐ上流側に配置されており、この空気温度測定部１７によって、燃焼器２に流入する直前の空気の温度、即ち、燃焼器流入空気温度（Combustor Inlet air Temperature、ＣＩＴ）が測定される。この空気温度測定部１７によって、燃焼に供される空気の温度を測定することができる。
【００２０】
なお、熱交換器４により加温される空気の温度は、熱交換器４の持つ熱容量により、燃焼器２における燃焼状態に対して緩やかに変動することになる。また、熱交換器４は、ガスタービン装置の一部を構成するとともに、燃焼ガスの熱を利用して空気を加温するので、熱交換器４により加温される空気の温度を測定することによりガスタービン装置本体のおおよその温度を推測することができる。
【００２１】
次に、本実施形態が備えるタービン制御部１１について図２を参照して説明する。図２（ａ）は本実施形態が備えるタービン制御部の構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は、本実施形態における目標加速度変動部の構成を示す模式図である。
図２（ａ）に示すように、タービン制御部１１は、タービン１の回転数を所定の目標回転数に近づけるための制御信号を演算する回転数用演算部１３と、タービン１の加速度を目標加速度に近づけるための制御信号を出力する加速度制御部２６と、回転数検出部１２により検出された検出値からタービン１の加速度を算出する加速度算出部１４とを備えている。
【００２２】
また、タービン制御部１１は、入力された複数の制御信号の中から最も低い値を示す制御信号のみを通過させるロウシグナルセレクト２１と、制御信号の値に応じて燃料調節弁１９の開度を操作する開度操作部２０とを備えている。以下、タービン制御部１１について詳述する。
【００２３】
回転数用演算部１３は、回転数検出部１２により検出されたタービン１の現在の回転数をフィードバック値とし、このフィードバック値を予め設定された目標回転数（ＮＲst）に近づけるよう制御される。
【００２４】
加速度制御部２６は、目標加速度を変動させる目標加速度変動部２８と、目標加速度変動部２８により定められる目標加速度にタービン１の加速度を近づけるための制御部２７とを備えている。即ち、加速度算出部１４により算出されたタービン１の現在の加速度をフィードバック値とし、このフィードバック値と、目標加速度変動部２８から送られてくる目標加速度との偏差を最小にするための制御信号が加速度用演算部２７により演算される。
【００２５】
目標加速度変動部２８は、空気温度測定部１７により測定された空気温度に基づいて目標加速度を変動させるようになっている。この点について詳述すると、目標加速度変動部２８は、図２（ｂ）に示すように、空気温度測定部１７に接続されており、空気温度測定部１７により測定された空気温度、即ち、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）が目標加速度変動部２８に常時送られるようになっている。目標加速度変動部２８には、ガスタービン装置が許容し得る燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴmax）が設定されており、まず、燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴmax）と、空気温度測定部１７から送られた燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）との偏差（ＣＩＴmax−ＣＩＴ）が算出される。
【００２６】
次に、この偏差（ＣＩＴmax−ＣＩＴ）に所定の定数Ｚを乗算することにより偏差に比例する補正値（ＣＩＴα）を算出し、予め設定された基準目標加速度（ＡＣＣＥＬst）からこの補正値（ＣＩＴα）を減算することにより目標加速度が算出される。なお、本実施形態では、基準目標加速度（ＡＣＣＥＬst）として、ガスタービン装置の温度が高い場合、即ち、燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴmax）に対応した加速度が設定されている。ガスタービン装置が想定し得る最低温度に合わせて基準目標加速度を設定する場合には、この基準目標加速度と、上述した補正値とを加算することで求めるべき目標加速度を算出すればよい。
【００２７】
上述のように構成されたタービン制御部１１においては、まず、回転数用演算部１３および加速度制御部２６から出力された制御信号はそれぞれロウシグナルセレクト２１に送られる。ロウシグナルセレクト２１では、より低い値を示す方の制御信号のみが選択される。なお、通常、混合気が着火してタービン１が定格回転数に達するまでは、回転数用演算部１３から出力される制御信号よりも、加速度制御部２６から出力される制御信号の方が小さい。従って、ロウシグナルセレクト２１では、混合気に着火してタービン１が定格回転数に達するまでは、加速度制御部２６から出力された制御信号が選択される。
【００２８】
ローシグナルセレクト２１を通過した制御信号は、最終的に開度操作部２０に送られる。開度操作部２０では、制御信号の値に基づいて燃料調節弁１９の開度を操作する操作量が決定される。そして、開度操作部２０により燃料調節弁１９を操作することで燃焼器２に供給される燃料供給量が調節され、これにより、タービン１の制御が行われる。
【００２９】
次に、本実施形態における加速度制御部２６によりタービン１の加速度が変動する様子について図３を参照して説明する。図３は本実施形態であるガスタービン装置の起動時に各種値が変動する様子を示す図である。
ガスタービン装置の起動時においては、上述したように、混合気が着火して定格回転数（ＮＲst）に至るまでは加速度制御部２６によりタービン１の制御が行われる。なお、タービン１が定格回転数（ＮＲst）に達する直前でロウシグナルセレクト２１により制御信号の選択の切り替えが行われ、その後は回転数用演算部１３によりタービン１の制御が行われる。
【００３０】
ガスタービン装置を起動する際には、モータ５によりタービン１を回転駆動してタービン１を昇速させる。そして、タービン１が着火可能な回転数（ＮＲ１）となったところで回転数を一定に維持させつつ着火動作を行う。混合気が着火すると（ｔ０）、燃焼ガスにより駆動力を得てタービン１が昇速を始める。このときのタービン１はタービン制御部１１により制御され、上述したように、タービン１の回転数が定格回転数（ＮＲst）に達するまでは加速度制御部２６によりタービン１の加速度制御が行われる。
【００３１】
本実施形態では、基準目標加速度（ＡＣＣＥＬst）および燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴmax）は、図３に示す値に設定されている。そして、燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴmax）と空気温度測定部１７により測定される燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）との偏差（ＣＩＴmax−ＣＩＴ）および基準目標加速度（ＡＣＣＥＬst）に基づいてタービン１の最終的な目標加速度が決定される。
【００３２】
例えば、ガスタービン装置の運転を停止させた後すぐに再起動するような場合は、ガスタービン装置が高温となっているため、起動時においては燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）は高い値が測定される（図３のＣＩＴ（hot）参照）。従って、燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴmax）と燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）との偏差（ＣＩＴmax−ＣＩＴ）は小さく、目標加速度変動部２８により決定される目標加速度は図３に示すＡＣＣＥＬ（hot）の値になる。そして、この目標加速度に基づいてタービン１が昇速し、ｔ１で定格回転数に達する。
【００３３】
一方、ガスタービン装置の温度が低い状態で起動する場合には、燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）の温度は低い位置にある（図３のＣＩＴ（cold））参照）。この場合は、燃焼器流入空気最大温度（ＣＩＴmax）と燃焼器流入空気温度（ＣＩＴ）との偏差（ＣＩＴmax−ＣＩＴ）は大きいので、目標加速度変動部２８により算出される目標加速度は図３に示すＡＣＣＥＬ（cold）の値になる。そして、この目標加速度に基づいてタービン１が昇速し、ｔ２で定格回転数に達する。
【００３４】
つまり、ガスタービン装置の温度が高い状態で起動する場合には、タービン１は速やかに昇速し、ガスタービン装置の温度が低い状態で起動する場合には、タービン１は緩やかに昇速することになる。ガスタービン装置の温度が低い場合にはタービン１は緩やかに昇速するので、タービン１を速やかに昇速させる場合に比べて必要な駆動力が少なくて済み、その結果、排気温度（ＥＧＴ）の上昇を低く抑えることが可能となる。また、ガスタービン装置の温度が高い場合には、タービン１が速やかに昇速することになるので、定格回転数に到達するまでの時間をｔ２からｔ１に短縮させることが可能となる。
【００３５】
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。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガスタービン装置の温度が低い場合には、タービンを緩やかに昇速させるので、タービンの昇速に必要な燃料を少なくすることができる。その結果、燃焼状態を抑えて構成部材に生じる熱応力を低下させることが可能となり、これにより、ガスタービン装置の寿命の低下を防止することが可能となる。また、ガスタービン装置の温度が高い場合にはタービンが定格回転数に到達するまでの時間を短縮させることが可能となる。即ち、ガスタービン装置の温度に対応した最短の起動時間を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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】図２（ａ）は本発明の一実施形態が備えるタービン制御部の構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す目標加速度変動部の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の起動時に各種値が変動する様子を示す図である。
【図４】温度が低い状態で従来のガスタービン装置を起動させる際に各種値が変動する様子を示す図である。
【符号の説明】
１    タービン
２    燃焼器
３    空気圧縮機
４    熱交換器
５    モータ
６    回転軸
７，８    配管
１１    タービン制御部
１２    回転数検出部
１３    回転数用演算部
１４    加速度算出部
１７    空気温度測定部
１８    排気温度測定部
１９    燃料調節弁
２０    開度操作部
２１    ロウシグナルセレクト
２６    加速度制御部
２７    加速度用演算部
２８    目標加速度変動部
【図１】
0003897608.tif 000002
【図２】
0003897608.tif 000003
【図３】
0003897608.tif 000004
【図４】
0003897608.tif 000005