(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に圧縮機ユニットと、該圧縮機ユニットに後置接続された第１の燃焼器と、該第１の燃焼器に後置接続された第１のタービンと、該第１のタービンに後置接続された、自己着火部を作動させる第２の燃焼器と、少なくとも１つの発電機とから成るガスタービン機構を制御するために、
前記第１のタービンからの高温ガスを前記第２の燃焼器へ加える、
ガスタービン機構の制御方法において、
第１の燃焼器（４）を作動させるために必要な燃料量（ＦＨ）を、まず圧縮機（１）の出口での圧力（Ｐ３）の関数でコントロールし、
前記第１の燃焼器を作動させるために必要な燃料量（ＦＨ）と前記圧縮機の出口での圧力（Ｐ３）との比を、第１のタービンへの入口での温度（Ｔ７）と該温度の目標値（Ｔ７ｓｏｌｌ）との差を表す係数（Ｋ１）によって連続的に更新し、
第２の燃焼器（９）を作動させるために必要な燃料量（ＦＬ）を第２のタービン（１２）への入口での圧力（Ｐ１１）の関数でコントロールし、
前記第２の燃焼器を作動させるために必要な燃料量（ＦＬ）と前記第２のタービンへの入口での圧力（Ｐ１１）との比を、第２のタービンへの入口での温度（Ｔ１１）と該温度の目標値（Ｔ１１ｓｏｌｌ）との差を表す係数（Ｋ２）によって同様に連続的に更新する
ことを特徴とするガスタービン機構の制御方法。
【請求項２】
第２のタービン（１２）の出口での温度（Ｔ１３）と、第２の燃焼器（９）の熱出力の接続によって生じる温度差（ΔＴ１３）との差、および前記圧縮機の出口での圧力（Ｐ３）と第２のタービンの出口での圧力（Ｐ１３）との圧力比（Ｐ３／Ｐ１３）により、前記第１のタービンへの入口での温度（Ｔ７）を求める、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記温度差（ΔＴ１３）を、絶対燃料量または相対燃料量（ＦＬ）から導出する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記圧縮機の出口での圧力（Ｐ３）、前記第２のタービンの出口での圧力（Ｐ１３）および前記第２のタービンの出口での温度（Ｔ１３）から、算出された熱力学的な最適温度（Ｔ１１）に基づいて前記温度差（ΔＴ１３）を求める、請求項１または２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実質的に圧縮機ユニットと、該圧縮機ユニットに後置接続された第１の燃焼器と、該第１の燃焼器に後置接続された第１のタービンと、該第１のタービンに後置接続された、自己着火部を作動させる第２の燃焼器と、少なくとも１つの発電機とから成るガスタービン機構を制御するために、前記第１のタービンからの高温ガスを前記第２の燃焼器へ加える、ガスタービン機構の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許第０６４６７０４号公報から、ガスタービン機構の制御方法が公知である。ガスタービン機構は実質的には圧縮機ユニット、高圧燃焼器、高圧タービン、低圧燃焼器、低圧タービン、および発電機から成る。高圧燃焼器のための燃料供給量は補正された温度信号から選定される。すなわち低圧タービンの出口での温度の値から、そのつど検出される温度上昇分を差し引いた値により選定される。この温度信号は、低圧燃焼器へ供給される燃料量によって生じる温度上昇分を、低圧タービンの出口での測定温度から差し引くことにより求められる。低圧燃焼器への燃料供給量の選定には、低圧タービンの出口での温度信号が補正されないまま使用される。
【０００３】
この手法では、制御に不可欠な温度の検出が、技術的に信頼性の高い構成と再現性が得られる個所で行われる。この場合の制御コンセプトは、低圧燃焼器の着火に起因して低圧タービンの出口で温度が上昇するが、この上昇分は再現可能に検出できる点に基づいている。このためこの手段では、２つの燃焼器への燃料の分配のための制御コンセプトが提供される。
【０００４】
この制御コンセプトによれば燃料の良好な分配供給が実現される。しかしこの種の装置に固有のイナーシャすなわち作用の遅延により、突然に予測不能な障害が生じて直接または間接にプロセス温度に影響を与えることがあり、これは場合によっては制御技術的に避けられない。本発明はこの欠点を回避することを目的としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法を提供して、制御のために不可欠な温度を検出する際のイナーシャ（作用の遅延）を排除することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、第１の燃焼器を作動させるために必要な燃料量ＦHを、まず圧縮機の出口での圧力Ｐ3の関数でコントロールし、
前記第１の燃焼器を作動させるために必要な燃料量ＦHと前記圧縮機の出口での圧力Ｐ3との比を、第１のタービンへの入口での温度Ｔ7とこの温度の目標値Ｔ7sollとの差を表す係数Ｋ1によって連続的に更新し、
第２の燃焼器を作動させるために必要な燃料量ＦLを第２のタービンへの入口での圧力Ｐ11の関数でコントロールし、
前記第２の燃焼器を作動させるために必要な燃料量ＦLと前記第２のタービンへの入口での圧力Ｐ11との比を、第２のタービンへの入口での温度Ｔ11と該温度の目標値Ｔ11sollとの差を表す係数Ｋ2によって同様に連続的に更新して解決される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、そこに存在している圧力を有する燃料量に圧力バックアップを目的とした制御を行うことにより、あらかじめ装置内で予測すべきイナーシャ（作用の遅延）が排除される。
【０００８】
この場合、高圧燃焼器（以下ＨＰ燃焼器とも称する）のための燃料量はまず圧縮機の出口での圧力の関数でコントロールされる。燃料量と圧縮機の出口での圧力との比は、高圧タービン（以下ＨＰタービンとも称する）への入口での温度とこの温度の目標値との差を表す係数によって連続的に更新される。低圧燃焼器（以下ＬＰ燃焼器とも称する）を作動させるために必要な燃料量は低圧タービン（以下ＬＰタービンとも称する）への入口での圧力の関数でコントロールされる。この燃料量と低圧タービンへの入口での圧力との比は、低圧タービンへの入口での温度とこの温度の目標値との差を表す係数によって同様に連続的に更新される。
【０００９】
本発明の重要な利点は、測定温度または算出温度を燃料量の制御の唯一の尺度としてもはや直接には利用せず、圧力バックアップによる制御を行うことである。この制御は圧力と燃料量との比に応動して行われる。したがって流量の変化に応答して圧力がただちに変化するので、直接性が得られる。
【００１０】
本発明の手段の有利な別の実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１１】
【実施例】
以下に図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。本発明を理解するために直接に必要でない要素は省略してある。媒体の流れ方向、および図示の実施例における制御パルスは矢印で示されている。
【００１２】
図１にはガスタービン機構が示されており、このガスタービン機構において後に説明する制御が行われる。ガスタービン機構は圧縮機ユニット１を有しており、この圧縮機ユニットでは吸気２の圧縮が行われる。圧縮された空気３は第１の燃焼器すなわち高圧燃焼器４（ＨＰ燃焼器）に流れる。この高圧燃焼器では供給された燃料５により高温ガス７の最初の形成が行われる。ＨＰ燃焼器４からの流体が、第１のタービン６すなわち高圧タービン（ＨＰタービン）を作動させる。この高圧タービン中を流れる際に、ＨＰ燃焼器４で形成された高温ガス７は完全にではないが膨張する。この不完全な膨張には、ＨＰタービン６からの高温ガス８は、まだ１０００℃以上のオーダの比較的高い温度を有しているという特徴がある。相応して前述のＨＰタービン６は複数の可動翼の列（有利には１段から３段）から成っている。ＨＰタービン６からの流体は第２の燃焼器すなわち低圧燃焼器（ＬＰ燃焼器）９に達する。このＬＰ燃焼器は自己着火原理によって作動される。これに関連して、ヨーロッパ特許第０６２０３６２号公報にこれらの構成要素が組み込まれた装置が記載されている。ＬＰ燃焼器９はほぼリング状管路の形で、有利にはガス状の燃料１０が噴射される管路を有している。ＨＰ燃焼器からの排気ガス８の温度が上述の温度レベルにある場合、ＬＰ燃焼器９で噴射された燃料１０の自己着火が行われる。このＬＰ燃焼器９はここでは詳細には図示されていない補助流体を有しており、この補助流体は火炎の先端部において確実な燃焼の作動を保証するための安定した戻し流領域を形成する。不完全に膨張した高温ガス８はこの後、ＬＰ燃焼器９でふたたび完全な値の高温ガス１１となり、この高温ガス１１の温度はＨＰ燃焼器４内での温度に相当する。基本的には高温ガス７、１１の温度は直接には熱力学的な限界を有さない。この限界は、ガスを加えるべきタービンおよび機構要素により所定である。高温ガス１１は第２のタービンすなわち低圧タービン（ＬＰタービン）１２に加えられる。このＬＰタービンにおいて最終的な膨張が行われる。排気ガス１３の熱量残留ポテンシャルは例えば後続の蒸気回路サイクルの蒸気形成に利用される。発電機１４は流体の形成を２つのタービン６、１２の動作出力から行う。図示されているガスタービン機構の重要な特徴は、全ての流体のための機構１、６、１２が、連続して延在しているシャフト１５に一体に取り付けられている点である。このシャフトは有利には２つの図示されない軸受に支持されている。２つの燃焼器４、９は２つのタービン６、１２の間の中間スペースに配置されている。ここでＨＰ燃焼器４は有利にはリング状燃焼器として構成されており、圧縮機ユニット１の大部分に重なっているので、ガスタービン機構をコンパクトなユニットとして構成するのに寄与している。こうしたコンパクトな構成は、ＬＰ燃焼器９に関して流体の技術を考慮すると完全には実現できない。しかしこの場合にはＬＰ燃焼器９はきわめて短く構成されているので、コンパクトなガスタービン機構を実現する目的は達成される。
【００１３】
ガスタービン機構はスタートアップ過程から動作速度に達するまでの間、ＨＰ燃焼器の着火のみによる１／２の出力で作動される。まず部分的に閉鎖された圧縮機ガイド翼の列が順次開放される。続いてＨＰ燃焼器４への燃料量５の制御が従来の手段で行われる。この場合ＬＰタービン１２の出口での温度Ｔ13と、圧縮機の端部圧力Ｐ3または圧縮機の圧力比πとの関数の式
Ｔ7＝Ａ（Ｔ13−ΔＴ13)＋（Ｂ・π）＋Ｃ                          （１）
が成り立つ。ここでＡ、Ｂ、Ｃは一般的に適合する補正係数であり、Ｔ7はＨＰタービンへの入口での温度であり、Ｔ13はＬＰタービンの出口での温度であり、温度差ΔＴ13は初期的にはゼロにとどまっている。
【００１４】
機構の別の負荷のために、ＬＰ燃焼器９への燃料供給１０が開始され、従来の第２の関係式による制御が行われる。すなわち式
Ｔ11＝（Ａ’・Ｔ13）＋（Ｂ’−π’）＋Ｃ’                      （２）
が成り立つ。ここでπ’＝Ｐ11／Ｐ13であり、Ｐ11は第２のタービンへの入口での圧力、Ｐ13は第２のタービンの出口での圧力である。
【００１５】
ＨＰ燃焼器４の一定に保持された燃料量でＬＰ燃焼器９を作動させることにより生じる、ＬＰタービン１２の出口での温度上昇ΔＴ13が式（１）に代入される。これによりＨＰ燃焼器４は、ＬＰ燃焼器９が作動していない場合と同様に制御される。値ΔＴ13を正確にするために、各スタートアップ過程またはランダウン過程中に較正分が求められる。この較正分はいずれの場合でも、ＬＰ燃焼器９の燃料量１０のΔｍFLの小さい変化（質量流量と燃料量との間の差）によって確認することができる。この手段は少なくとも、ＬＰ燃焼器９の燃料量１０の相対的な測定を前提にしている。温度差ΔＴ13も計算でシミュレートできることは明らかである。
【００１６】
制御技術的に特に良好な過渡特性を達成するために、ＨＰ燃焼器およびＬＰ燃焼器の両方の燃料量に対して、少なくとも以下のような圧力バックアップによる制御を行うと有利である。
【００１７】
ＨＰ燃焼器４のための燃料量ＦHはまず圧縮機１の出口での圧力Ｐ3の関数でコントロールされる。この場合、ＨＰ燃焼器のための燃料量ＦHと圧縮機の出口での圧力Ｐ3との比は、ＨＰタービンへの入口での温度Ｔ7とこの温度Ｔ7の目標値との差を表す係数Ｋ1によって連続的に更新される。ＬＰ燃焼器９のための燃料量ＦLはＬＰタービン１２への入口での圧力Ｐ11の関数でコントロールされる。この場合、 ＬＰ燃焼器のための燃料量ＦLとＬＰタービン１２への入口での圧力Ｐ11との比は、ＬＰタービンへの入口での温度Ｔ11とこの温度Ｔ11の目標値との差を表す係数Ｋ2によって連続的に更新される。
【００１８】
次の式が圧力バックアップを目的とした制御に対して成り立つ。
【００１９】
ＦH〜Ｋ1・Ｐ3                                                    （３）
ＦL〜Ｋ2・Ｐ11                                                    （４）
図示された温度制御モードは出力制御および回転数制御にも使用することができる。その場合には２つのＴmax信号が燃料量５、１０を制限するように作用する。回転数制御の場合には（ω＝ωsoll）、通常、消火されたＬＰ燃焼器９における高圧の燃料量５のみが制御される。これは大規模な機構は実際には個別運転には使用されず、回転数制御は単に同期のためにしか用いられないためである。しかし、Ｔ7＝Ｔ7sollが達成された後、ω信号を再び低圧の燃料量１０に作用させることもできる。これに対して出力制御Ｐ＝Ｐsollを低圧の燃料量１０について行うこともできる。この機構は１／２の負荷で運転されることはほとんどないからである。しかし、ＬＰ燃焼器９の消火後、高圧の燃料量５に対するＰ信号を伝送することもできる。
【００２０】
プロセス制御が困難になった場合、圧縮機の出口での圧力Ｐ3および第２のタービンへの入口での圧力Ｐ11を低減することに代えて、圧力バックアップのために、ガスタービン機構の質量流量を決定するための圧力を使用することができる。この場合に質量流量と圧力との間の相互依存を、圧力が低減される際にも保証しなければならない。
【００２１】
所定の過渡的な負荷領域では、ＨＰタービン６への入口での温度Ｔ7は、第２のタービンの出口での温度からＬＰタービンの出口での温度上昇を差し引いた値Ｔ13−ΔＴ13、および圧縮機の出口での圧力と第２のタービンの出口での圧力の圧力比Ｐ3／Ｐ13により求められる。ここで温度差ΔＴ13はＬＰ燃焼器９の熱出力の接続により生じる温度Ｔ13の上昇分である。すなわちこの温度差は、前述のＬＰ燃焼器９へ供給される絶対燃料量または相対燃料量ＦLから適切に導出される。この温度差ΔＴ13は、所定の安定した温度値Ｔ11に基づいて、または実験的に再現可能な手法によって、第２のタービンへの入口での圧力Ｐ11、第２のタービンの出口での圧力Ｐ13、第２のタービンの出口での温度Ｔ13から求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービン機構とその制御手段を示す図である。
【符号の説明】
１  圧縮機ユニット
２  吸気
３  圧縮された空気
４  ＨＰ燃焼器
５  供給される燃料
６  ＨＰタービン
７、１１  高温ガス
８、１３  排気ガス
９  ＬＰ燃焼器
１０  気体燃料
１２  ＬＰタービン
１４  発電機
１５  シャフト
Ｐ3  圧縮機の出口での圧力
Ｐ11  第２のタービンへの入口での圧力
Ｐ13  第２のタービンの出口での圧力
Ｔ7  第１のタービンへの入口での温度
Ｔ11  第２のタービンへの入口での温度
Ｔ13  第２のタービンの出口での温度
【図１】
0004353562.tif 000002