(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機のＩＧＶ、可変静翼を起動開始から定格回転数に至る起動中に所定の開度に設定し、前記起動中に複数の抽気弁を制御するガスタービン起動方法であって、連続して開度を調整できる複数の抽気弁を使用してその開度を起動中に可変とし、前記複数の抽気弁は、起動開始から回転数上昇の途中までは所定の開度に絞って設定され、前記回転数上昇の途中において全開とされ、定格回転数の直前において全閉に設定され、前記複数の抽気弁の開度を全開にする回転数は、定格回転数のほぼ５０％を超えて５２％までの回転数とし、少くとも１つは異なる回転数とすることを特徴とするガスタービン起動方法。
【請求項２】
前記複数の抽気弁の回転数上昇途中までの開度設定は互に異なる開度に設定されていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン起動方法。
【請求項３】
前記複数の抽気弁の回転数上昇途中までの開度設定は少くとも１つが全閉であることを特徴とする請求項２記載のガスタービン起動方法。
【請求項４】
前記抽気弁を全閉とする回転数は、定格回転数の９０％を超えた回転数であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン起動方法。
【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の起動方法に関し、起動時に大気に放出する空気量を少くすると共に、圧縮機に発生する流体不安定現象を回避することのできるようにした方法である。
【０００２】
【従来の技術】
図３はガスタービンの圧縮機の一例を示す一般的な断面図である。図において５０は圧縮機全体であり、ロータ１０のロータディスク部周囲には動翼Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４〜（図では１０段の例で示す）が取付けられており、ロータ１０と共に回転する。一方ケーシング側１４には周囲に静翼Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４〜（図では１０段の例で示す）が取付けられ、軸方向とは動翼とそれぞれ交互に配置されている。圧縮機５０の入口には、ロータ１０周囲にＩＧＶ（Inlet Guide Vane）１１が取付けられており、駆動部１２によりその開度が調整できるようになっている。
【０００３】
静翼のうち、図の例では、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は可変翼となっでおり、その開度がそれぞれ駆動部１３−１，１３−２，１３−３，１３−４により調整できるようになっている。空気２０は入口よりＩＧＶ１１の開度で定められた流量で圧縮機５０に流入し、各静翼間を流れる過程において回転する動翼間を通り圧縮され、圧縮空気２１となって流出し、ガスタービンの燃焼用や、ロータ、翼の冷却用として供給される。なお、図３の例では、静翼Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の４段が可変静翼で、翼が全部で１０段からなる圧縮機５０の例で説明したが、可変静翼がＣ１〜Ｃ５の５段で、翼が全部で１５段からなる圧縮機も開発されている。
【０００４】
図４は上記に説明の圧縮機の静翼のみを模式的に示した図であり、図４の例では可変静翼がＣ１〜Ｃ５の５段からなる圧縮機の例で説明する。圧縮機５０入口にはＩＧＶ１１が設けられ、静翼Ｃ１，Ｃ２〜Ｃ１５が配列しており、静翼は図示省略しているが、Ｃ１５まで配設されている。静翼の５段目Ｃ５の直後には開口部１５が設けられ、開口部１５には配管３０が連通し、配管３０には抽気弁６０が接続されて圧縮空気を抽気するようになっており、同様に８段目の静翼Ｃ８の直後にも開口部１６が設けられ、同様に配管３１により抽気弁６１が接続され、又、１１段目の静翼Ｃ１１の直後にも開口部１７が設けられ、配管３２により抽気弁６２が接続されている。なお、これら抽気弁の各配管３０，３１，３２はケーシング周囲に４ヶ所設けられ、合流して各抽気弁に接続する構成となっている。
【０００５】
上記構成のガスタービン圧縮機においては、ＩＧＶ１１、静翼Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の５段はその開度が可変であり、又、抽気弁６０，６１，６２はＯＮ／ＯＦＦにより全開、全閉する構成となっている。起動時においては、ＩＧＶ１１、静翼Ｃ１〜Ｃ５の開度を所定の開度に設定し、抽気弁６０，６１，６２は全開として空気２０を圧縮する。起動時においては、ガスタービンが立上るまでは起動モータを駆動して運転しており、初期には低回転数であり、空気の流量を低速運転にマッチングするために回転数が９０％程度に上昇するまで抽気弁２０，２１，２２を全開とすることにより抽気し、大気へ逃すようにし、回転数が定格回転数の９０％となり運転が立上ると、抽気弁６０，６１，６２を全閉として定常状態の運転に入るようにしている。従って、起動開始時の流量の不整合や、回転数の上昇時での抽気弁の閉止時等において、流量不安定現象が生じ、又起動時の起動力を確保するために起動用モータの容量も、大きなものを装備しなければならなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来のガスタービンの圧縮機においては、起動時には、起動モータを駆動して抽気弁を全開と、空気を途中から逃して運転をして装置との整合を取り、回転数が９０％程度に上昇した段階で抽気弁を全閉として定常運転に入っている。このような運転方式では起動から回転数が上昇するまでの間は、途中まで圧縮した多量の空気を大気に逃がしており、空気を無駄に放出している。
【０００７】
又、起動用モータも、起動時に大気に放出する空気流量の分まで見込んだ容量が必要であり、又、圧縮機の設計上の定格時における空気流量と起動時の低速回転時の空気流量とを調整するための抽気弁が開、閉のみを行うＯＮ／ＯＦＦ操作のみであって抽気弁の流量調整が開、閉のみであり、起動時には流体の不安定現象が生じ、昇速をスムーズに行う妨げとなっていた。
【０００８】
そこで本発明は、圧縮機の抽気弁の開、閉操作を改良して連続して開度を調整できる抽気弁とし、起動時には複数の抽気弁の開度を絞り、それぞれの開度を変化させて運転を開始し、所定の回転数に達すると抽気弁を全閉として運転し、定格回転数に達するような運転方法を採用し、従来起動時に抽気弁から無駄に大気に放出されていた空気量を低減させると共に、起動時における流体の不安定現象も回避してスムーズな昇速が得られるガスタービン起動方法を提供することを課題としてなされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の（１）乃至（４）の手段を提供する。
【００１０】
（１）圧縮機のＩＧＶ、可変静翼を起動開始から定格回転数に至る起動中に所定の開度に設定し、前記起動中に複数の抽気弁を制御するガスタービン起動方法であって、連続して開度を調整できる複数の抽気弁を使用してその開度を起動中に可変とし、前記複数の抽気弁は、起動開始から回転数上昇の途中までは所定の開度に絞って設定され、前記回転数上昇の途中において全開とされ、定格回転数の直前において全閉に設定され、前記複数の抽気弁の開度を全開にする回転数は、定格回転数のほぼ５０％を超えて５２％までの回転数とし、少くとも１つは異なる回転数とすることを特徴とするガスタービン起動方法。
【００１２】
（２）前記複数の抽気弁の回転数上昇途中までの開度設定は互に異なる開度に設定されていることを特徴とする（１）記載のガスタービン起動方法。
【００１３】
（３）前記複数の抽気弁の回転数上昇途中までの開度設定は少くとも１つが全閉であることを特徴とする（２）記載のガスタービン起動方法。
【００１５】
（４）前記抽気弁を全閉とする回転数は、定格回転数の９０％を超えた回転数であることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載のガスタービン起動方法。
【００１６】
本発明は上記（１）の発明を基本としており、ガスタービンの起動においてはガスタービンが立上るまでは起動用モータで圧縮機を駆動している。圧縮機では、ＩＧＶ、可変静翼を所定の開度とし、複数の抽気弁の開閉を制御して低速回転時での空気流量を調整し、昇速する。従来の起動時には、抽気弁はＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、開，閉操作を行う弁であり、抽気弁は回転数が定格の９０％まで全開として運転し、その後全閉とする操作で行っていたので、抽気弁から大気へ放出される空気量が多く、無駄な空気量が多くなり、そのために駆動モータの容量も大きくしていた。本発明では連続して開度を調整できる複数の抽気弁を使用し、同抽気弁は起動中に全開〜全閉の範囲で可変としたので、起動中の抽気弁から大気中に放出する空気量を制御することが可能となり、そのために無駄に放出される空気を少くすることができるものであり、又、起動中の流体の不安定現象を回避するように抽気弁の開度を制御することができる。
【００１７】
また、本発明の（１）においては、抽気弁の開度を回転上昇の途中までは所定の開度で絞っておき、その後回転数が上昇した段階で全開とし、定格回転数の直前までは全開として運転し、直前において全閉として定格回転数に至るように抽気弁を回転数の上昇に応じて細かく制御するので、従来の抽気弁全開、その後全閉の単純な操作と比べると大気に放出される無駄な空気を少くすることができ、より細かな抽気弁の開度の制御により流体の不安定現象も小さくするように制御することができる。各回転数における流体の不安定現象を小さくするのに必要な抽気流量は異なるので、これを各回転数域によりきめ細かく制御することによって最適な流量を得ることができる。
しかも本発明の（１）では、抽気弁の開度を途中で全開とする時点を回転数が定格の５０％を超えて５２％までの時点とし、又少くとも１つは異なる回転数の時点として空気流量の変動を互にずらすようにする。通常、ガスタービンでは、５０％スピードで排ガス温度が最も高くなるため、この回転数域での抽気量を減らようにすれば温度上昇が低く抑えられる。又、圧縮機の流体不安定現象のピークは６０％回転数域となるため、この領域での抽気量を増やすために、ほぼ５０％を超えた５２％までを境として抽気弁開度を操作する。但し、複数を同じ回転数で制御するか否かは、特に明確な理由はないのでばらばらの回転数での設定としても良い。
【００１８】
本発明の（２）では抽気弁の開度の絞りは複数の抽気弁で互に異なる開度とし、例えば前段は開度を大きく、後段の抽気弁程開度を小さくして設定し、又（３）の発明では複数の抽気弁のうち少くとも１つは全閉、例えば、最後部の抽気弁の開度を全閉に、設定するようにしたので、無駄に流出する空気を少くできると共に、この制御により流体不安定現象の発生も抑えることができる。通常圧縮機内部で圧縮された空気を外部に捨てる時、後方段に行く程空気の持つエネルギーは大きくなるので、これを捨てると無駄が増えることになる。従って、エネルギーを有効に活用するには、前方段の抽気を多くし、後方段の抽気を少なくする方が損失が減る結果となる。このような理由により、極端には、（３）の発明のように、後方段の１つを前閉とすることが出来れば、エネルギー損失は最小となる。但し、この時流体の不安定現象が発生しないのが条件となる。
【００２０】
又（４）の発明では、前閉とする時点を回転数が定格の９０％を超える点としているので起動から定格回転数まで立上るまでの昇速をスムーズにすることができ、翼への励振力が大きくなるのを防ぎ、流体不安定現象の発生も抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基いて具体的に説明する。図１は本発明の実施の一形態に係るガスタービン起動方法を実施する装置の構成図である。図において圧縮機の構成は図４に示す従来の構成と同じであり、本発明の特徴部分は抽気弁１，２，３及び制御装置４による抽気弁１，２，３の制御方法にあり、以下に詳しく説明する。
【００２２】
図１において、抽気弁１，２，３は、その開度が任意に設定できる弁であり、従来の開，閉のみしかできないＯＮ／ＯＦＦ弁に代えた構成としている。本実施の形態においては、ガスタービンの起動時に制御装置４において、圧縮機４０のこれら抽気弁１，２，３の開度を、後述するように全開から所定の開度で絞って設定し、又、それぞれの３個の弁における開度を異なる開度として運転開始する。その後、回転数が上昇してゆき、回転数が途中まで上昇した時点でそれぞれの抽気弁を多少異なる回転数において全開とし、この状態で運転して回転数が更に定格回転数の９０％を超えた時点で全閉とし、その後回転数が１００％で定格運転に入るような運転を行うものである。
【００２３】
図２は上記の圧縮機の運転状態を示す図であり、（ａ）はＩＧＶと５個の可変静翼１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ，４Ｃ，５Ｃの回転数の上昇に対する開度設定を示し、（ｂ）は NO.５， NO.8 ， NO.１１の各抽気弁の回転数に対する開度設定の状態を示す図である。
【００２４】
これら図において、起動時のＩＧＶと可変静翼１Ｃ〜５Ｃの開度は、回転数が８０％になるまでは、ＩＧＶが５０゜、１Ｃが４０゜、２Ｃが２４゜、３Ｃが２０゜、４Ｃと５Ｃが１６゜に設定しておく。可変静翼１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ，４Ｃ，５Ｃは回転数が８０％から９５％の間は開度を回転数上昇に比例して開いてゆき、９５％で全開とし、ＩＧＶは回転数が８６％まで開度５０゜を維持し、８６％から９５％までは速度の上昇に比例して開度を開いてゆき、９５％で４１．５゜に設定し、以降この開度を維持し、定格回転数では、１Ｃ〜５Ｃが全開、ＩＧＶが４１．５゜の中間開度で定常運転を行う。これらの各弁の開度制御は制御装置４に設定され、所定の回転数になると自動的に設定値になるように制御される。
【００２５】
一方抽気弁は、（ｂ）図に示すように、 NO.５， NO.8 ， NO.１１抽気弁共、図示のように開度を１００％（全開）から除々に減少（閉じる方へ絞る）させる５個の設定値のいずれかを選び、設定して起動する。 NO.５抽気弁１は図示の例では、回転数が５２％まで上昇した時点で１００％（全開）とし、 NO.８抽気弁２も上記と同様に開度を設定し、回転数５１％で全開、 NO.１１抽気弁３も回転数５１％で全開として運転をし、回転数が上昇してゆく。
【００２６】
その後 NO.５抽気弁１は回転数９１．５％で開度０（全閉）、 NO.８抽気弁２は回転数９２．５％で全閉、 NO.１１抽気弁３は回転数９３．５％で全閉とし、以降すべての抽気弁を全閉状態で定格回転数に達して定常運転に入る。これら抽気弁の制御は、あらかじめ制御装置４に各抽気弁の回転数に対する開度のパターンを設定しておき、制御装置４により自動的になされる。
【００２７】
上記に説明の実施の形態の起動方法によれば、ＩＧＶを所定の開度とし、可変静翼１Ｃ〜５Ｃの回転数８０％まで所定の開度に設定し、８０％から９５％までの間は回転数の上昇に比例して開度を拡大してゆき、９５％で全開とするように制御装置４により制御する。この間に NO.１抽気弁１、 NO.５抽気弁２、 NO.１１抽気弁３を回転数上昇の途中まで所定の開度に絞って運転し、その後全開とし、回転数が９０％を超えた時点でそれぞれ全閉とするように制御装置４により制御し、圧縮機を起動するようにしたので、従来起動時には抽気弁を全開として空気を無駄に大気に放出していた空気の一部を、圧縮機の吐出空気としてガスタービンで有効利用することができる。
【００２８】
上記の運転方法において、テストでは NO.５抽気弁を８％開度、 NO.８抽気弁を４８％開度、 NO.１１抽気弁を全閉として設定し、それぞれ定格回転数の５２％，５１％，５１％で全開とし、９０％を超えた時点で全閉としてテストした結果、抽気弁から放出する空気は、従来は４３％であったものが２５％を放出するだけで良くなり、空気を有効活用することができるようになった。
【００２９】
又、起動時には抽気弁を絞って運転し、回転数上昇の途中で全開とするので、従来と比べて起動時の起動モータの動力が少くて良い。更に、上記のように抽気弁１，２，３を制御装置４で制御することにより、従来の全開、全閉のみの制御と比べ、流体不安定現象が抑えられる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のガスタービン起動方法は、（１）圧縮機のＩＧＶ、可変静翼を起動開始から定格回転数に至る起動中に所定の開度に設定し、前記起動中に複数の抽気弁を制御するガスタービン起動方法であって、連続して開度を調整できる複数の抽気弁を使用してその開度を起動中に可変とし、前記複数の抽気弁は、起動開始から回転数上昇の途中までは所定の開度に絞って設定され、前記回転数上昇の途中において全開とされ、定格回転数の直前において全閉に設定され、前記複数の抽気弁の開度を全開にする回転数は、定格回転数のほぼ５０％を超えて５２％までの回転数とし、少くとも１つは異なる回転数とすることを基本的な特徴としている。このような起動方法では、抽気弁は連続して開度を調整できる複数の抽気弁を使用し、起動中に全開〜全閉の範囲で可変としたので、起動中の抽気弁から大気中に放出する空気量を制御することが可能となり、そのために無駄に放出される空気を少くすることができるものであり、又、起動中の流体の不安定現象を回避するように抽気弁の開度を制御することができる。
また、抽気弁の開度を回転上昇の途中までは所定の開度で絞っておき、その後回転数が上昇した段階で全開とし、定格回転数の直前までは全開として運転し、直前において全閉として定格回転数に至るように抽気弁を回転数の上昇に応じて細かく制御するので、従来の抽気弁全開、その後全閉の単純な操作と比べると大気に放出される無駄な空気を少くすることができ、より細かな抽気弁の開度の制御により流体の不安定現象も小さくするように制御することができる。
しかも抽気弁の開度を途中で全開とする時点を回転数が定格の５０％を超えて５２％までの時点とし、又少くとも１つは異なる回転数の時点として空気流量の変動を互にずらすようにしているので、抽気弁からの空気放出量を抑制でき、また、流体不安定現象の発生も抑えることができる。
【００３２】
本発明の（２）では抽気弁の開度の絞りは複数の抽気弁で互に異なる開度とし、例えば前段は開度を大きく、後段の抽気弁程開度を小さくして設定し、又（３）の発明では複数の抽気弁のうち少くとも１つは全閉、例えば、最後部の抽気弁の開度を全閉に設定するようにしたので、無駄に流出する空気を少くできると共に、この制御により流体不安定現象の発生も抑えることができる。
【００３３】
本発明の（４）では、抽気弁を全閉とする時点を回転数が定格の９０％を超える点としているので、上記した全開とする時点と相俟って起動から定格回転数まで立上るまでの昇速をスムーズにすることができ、又、流体不安定現象の発生も抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るガスタービン起動方法を実施する圧縮機の構成図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係るガスタービン起動方法の各弁の開度の状態を示す図である。
【図３】ガスタービンの圧縮機の一例を示す断面図である。
【図４】従来のガスタービンのＩＧＶ、静翼、抽気弁の構成図である。
【符号の説明】
１，２，３            抽気弁
１１                  ＩＧＶ
１２                  駆動部
１３−１〜１３−５    駆動部
１４                  ケーシング
１５，１６，１７      開口部
２０                  空気
２１                  圧縮空気
４０                  圧縮機
【図１】
0004115037.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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