JP2004108315A - ガスタービンシステムおよびその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンの運転状態に突変が発生しても、実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従した最適な燃焼モードの切替えができるガスタービンシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【解決手段】燃焼ガス温度演算部１３４とは別個設けられ、燃料流量指令値１２５を用いてガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する突変用燃焼ガス温度演算部１１と、ガスタービン１１２の運転状態の突変発生を検知する突変運転検知部１０とを備え、突変発生時には、突変用燃焼ガス温度演算部１１で演算されたガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果を用いて、予混合燃焼器および拡散燃焼器に供給する燃料流量の割合が算出される。
【選択図】 図１
【解決手段】燃焼ガス温度演算部１３４とは別個設けられ、燃料流量指令値１２５を用いてガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する突変用燃焼ガス温度演算部１１と、ガスタービン１１２の運転状態の突変発生を検知する突変運転検知部１０とを備え、突変発生時には、突変用燃焼ガス温度演算部１１で演算されたガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果を用いて、予混合燃焼器および拡散燃焼器に供給する燃料流量の割合が算出される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合燃焼部および拡散燃焼部を有する燃焼器を備えたガスタービンシステムとその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来のガスタービンシステム１００の構成の概略を示す。
従来のガスタービンシステム１００は、ガスタービン動力部１０１と燃料流量制御部１０２とから構成されている。
【０００３】
ガスタービン動力部１０１は、空気圧縮機１１０、燃焼器１１１、ガスタービン１１２および発電機１１３で主に構成され、燃焼器１１１には、予混合燃焼器および拡散燃焼器が併設されている。
【０００４】
ガスタービン動力部１０１は次のように動作する。
大気より空気圧縮機１１０によって吸引され圧縮された空気は、燃焼器１１１へ供給される。燃焼器１１１では、空気圧縮機１１０より供給された圧縮空気中の酸素を酸化剤とし、燃料供給設備１４６から供給された燃料が燃焼して、燃焼ガスを生成する。燃焼器１１１で生成された高温高圧の燃焼ガスは、ガスタービン１１２に供給され、ガスタービン１１２は、その燃焼ガスによって回転駆動される。発電機１１３において、ガスタービン１１２の回転のエネルギは、電力に変換され、その電力は、遮断器１１４を介して各電力系統１１５へ供給される。
【０００５】
一方、燃料流量制御部１０２は、次のように構成されている。
燃料流量制御部１０２は、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体を制御する燃料流量全体制御部１２０と、燃焼器１１１の予混合燃焼器および拡散燃焼器に供給される燃料流量の割合を制御する燃料流量割合制御部１３０から構成されている。
【０００６】
燃料流量全体制御部１２０は、低値選択回路部１２４を備えている。低値選択回路部１２４では、低値選択回路部１２４に入力する速度制御燃料流量指令値１２１、加速度制御燃料流量指令値１２２、出力制御燃料流量指令値１２３の各燃料流量指令値から最低値を選択する。選択された最低値は、燃料流量指令値１２５として、低値選択回路部１２４から、乗算回路１３８、１４３に出力される。
【０００７】
燃料流量割合制御部１３０は、燃焼ガス温度演算部１３４および負荷割合演算部１３６から主に構成されている。
燃料流量割合制御部１３０では、燃焼ガス温度演算部１３４によって空気圧縮機吐出圧力値１３１、ＩＧＶ開度値１３２およびガスタービン排ガス温度値１３３から熱関数的にガスタービン入口燃焼ガス温度が演算される。ここで、ＩＧＶ開度値１３１は、空気圧縮機１１０に流入する空気流量を空気圧縮機入口の案内翼の角度を駆動させて制御するＩＧＶ（入口案内翼）の開度値である。このＩＧＶの開度は、所定の設定された開度に段階的に制御される。ガスタービン排ガス温度値１３３は、ガスタービン出口燃焼ガス温度値である。
【０００８】
燃焼ガス温度演算部１３４で演算された燃焼ガス温度演算値１３５は、負荷割合演算部１３６に出力されて、ここで予め設定されたガスタービン入口燃焼ガス温度に対するガスタービン１１２の運転負荷割合の関数から、ガスタービン１１２の運転負荷割合が演算される。さらに、負荷割合演算部１３６では、ガスタービン１１２の運転負荷割合に基づいて、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を算出し、これを予混合割合値１３７として乗算回路１３８および減算回路１３９に出力する。乗算回路１３８では、燃料流量指令値１２５に予混合割合値１３７を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する予混合燃料流量の割合を算出し、それを予混合燃料流量指令値１４０として予混合燃料流量調節弁１４１に出力する。予混合燃料流量調節弁１４１では、予混合燃料流量指令値１４０に基づいて弁開度を制御する。
【０００９】
また、減算回路１３９では、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗算回路１４３に出力する。乗算回路１４３では、燃料流量指令値１２５に、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する拡散燃料流量の割合を算出し、それを拡散燃料流量指令値１４４として拡散燃料流量調節弁１４５に出力する。拡散燃料流量調節弁１４５では、拡散燃料流量指令値１４４に基づいて弁開度を制御する。
【００１０】
このように、従来のガスタービン１１２の燃料流量制御では、空気圧縮機吐出圧力値１３１、ＩＧＶ開度値１３２、ガスタービン排ガス温度値１３３等の各運転状態のパラメータから求められた燃焼ガス温度演算値１３５を用いて、予混合燃焼器および拡散燃焼器に供給する燃料流量を制御することによって、燃焼モードの切替えを行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特許第２６６７６０９号公報（［請求項１］、［００１６］〜［００１８］、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
複数の電力系統の一部が事故により遮断器が閉となった場合、これに対応してガスタービンの動力を抑制することが必要となる。つまり、負荷遮断、所内単独運転、系統単独運転等、急激な負荷変動が発生した場合、ガスタービンの動力を抑制するため燃料の供給を絞り込むので、その状態に最適な燃焼モードへの切替えが必要となる。
【００１３】
しかしながら、空気圧縮機吐出圧力値、ＩＧＶ開度値、ガスタービン排ガス温度値等の各運転状態のパラメータから熱関数的に求められた燃焼ガス温度演算値を用いた従来の燃焼モードの切替えでは、負荷遮断等の急激な負荷変動が発生した場合、燃焼ガス温度演算値を出力する燃焼ガス温度演算部の演算処理に時間を要した。そのため、燃焼ガス温度演算値の変化が実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従せず、最適な燃焼モードの切替えができないという問題があった。
【００１４】
そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ガスタービンの運転状態のパラメータの演算から求められた燃焼ガス温度演算値の変化が実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従しないような負荷遮断等が発生した場合においても、実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従した最適な燃焼モードの切替えができるガスタービンシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のガスタービンシステムは、予混合燃焼部および拡散燃焼部を有する燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼ガスで駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンの運転状態からガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する燃焼ガス温度演算部と、前記燃焼ガス温度演算部における前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果から前記ガスタービンの運転負荷割合を演算し、前記ガスタービンの運転負荷割合の演算結果から前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合を演算する負荷割合演算部と、前記負荷割合演算部における前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合の演算結果から前記予混合燃焼部および前記拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御する燃料流量制御部とを備えたガスタービンシステムにおいて、燃料流量指令値を用いて前記ガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する、前記燃焼ガス温度演算部とは別個の突変用燃焼ガス温度演算部と、前記ガスタービンの運転状態の突変発生を検知する突変運転検知部とを備え、前記突変運転検知部によって突変発生が検知された場合には、前記突変用燃焼ガス温度演算部における前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果を前記負荷割合演算部に出力し、前記予混合燃焼部および前記拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、ガスタービンの突変発生時に、燃料流量指令値を用いて突変用燃焼ガス温度演算部から瞬時に突変用燃焼ガス演算値を出力することができるので、最適な燃焼モードの切替えを行うことができる。また、ガスタービンの運転負荷に応じて、予混合燃焼器と拡散燃焼器に供給する燃料流量の割合を制御しているので、火炎安定が図れる範囲で、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を増加することにより、ＮＯｘの生成を抑制することができる。さらに、このガスタービンシステムでは、ＮＯｘ排出濃度をガスタービンのＮＯｘ排出規制値以下に抑えることができる。
【００１７】
また、本発明のガスタービンシステムの運転方法は、ガスタービンの運転状態の突変発生を検知するステップと、前記ガスタービンの運転状態の突変発生が検知された場合、燃料流量指令値を用いて前記ガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するステップと、前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果から前記ガスタービンの運転負荷割合を演算し、予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合を演算するステップと、前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合の演算結果から予混合燃焼部および拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御するステップとを有することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、ガスタービンの突変発生時に、燃料流量指令値を用いて突変用燃焼ガス温度演算部から瞬時に突変用燃焼ガス演算値を出力することができるので、最適な燃焼モードの切替えを行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービンシステムとその運転方法について図面を参照して説明する。なお、従来のガスタービンシステムの構成と同一部分には同符号を付す。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示すガスタービンシステムである。
ガスタービンシステム１は、ガスタービン動力部１０１と燃料流量制御部２から構成されている。
【００２１】
ガスタービン動力部１０１は、空気圧縮機１１０、燃焼器１１１、ガスタービン１１２および発電機１１３から主に構成され、燃焼器１１１には、予混合燃焼器および拡散燃焼器が併設されている。
【００２２】
拡散燃焼器は、燃料と空気をそれぞれ別個に燃焼領域に供給し、供給された燃料と空気を燃焼器１１１内で、拡散、混合させながら燃焼反応を行わせるものである。このような燃焼反応を行う拡散燃焼では、燃料と空気の混合比が可燃範囲内にある領域で燃焼反応が行われるため、燃焼反応を伴う各局所領域の燃料と空気の混合比は可燃範囲内で広く分布している。そのため、燃焼器１１１に供給される空気と燃料の割合から全体として空燃比が大きな状態であっても、化学量論付近の混合比で燃焼反応が行われている領域も多く存在し、そのような領域では火炎温度が高い。このように、拡散燃焼における火炎では、火炎温度の高い領域が存在するので、火炎が安定している。そこで、火炎が不安定になりやすい低燃料流量で運転を行うガスタービン１１２の低負荷運転時には、拡散燃焼器に予混合燃焼器よりも多くの燃料流量が供給される。
【００２３】
一方、予混合燃焼器は、予め燃料と空気とを混合した予混合気を燃焼領域に供給するもので、その供給された予混合気は、燃焼器１１１内で燃焼反応を行う。燃焼器１１１に供給される予混合気は、空燃比の大きい希薄予混合気であるため、それを燃焼させる希薄予混合燃焼は、拡散燃焼に比べて、火炎温度が低く、火炎が不安定になりやすい。そのため、予混合燃焼は、比較的火炎が安定する大きな燃料流量で運転を行うガスタービン１１２の高負荷運転時に適している。そこで、ガスタービン１１２の高負荷運転時には、予混合燃焼器に予拡散燃焼器よりも多くの燃料流量が供給される。また、希薄予混合燃焼は、燃料と空気が均一に混合された希薄予混合気の状態で燃焼反応が進むため、燃焼器１１１内で局所的な高温領域が形成されず、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００２４】
次に、ガスタービン動力部１０１の動作について説明する。
大気より空気圧縮機１１０によって吸引され圧縮された空気は、燃焼器１１１へ供給される。燃焼器１１１では、空気圧縮機１１０より供給された圧縮空気中の酸素を酸化剤とし、燃料供給設備１４６から供給された燃料が燃焼して、燃焼ガスを生成する。燃焼器１１１で生成された高温高圧の燃焼ガスは、ガスタービン１１２に供給され、ガスタービン１１２は、その燃焼ガスによって回転駆動される。発電機１１３において、ガスタービン１１２の回転エネルギは、電力に変換され、その電力は、遮断器１１４を介して各電力系統１１５へ供給される。
【００２５】
次に、燃料流量制御部２の構成について説明する。
燃料流量制御部２は、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体を制御する燃料流量全体制御部１２０と、燃焼器１１１の予混合燃焼器および拡散燃焼器に供給される燃料流量の割合を制御する燃料流量割合制御部３とから構成されている。
【００２６】
燃料流量全体制御部１２０は、低値選択回路部１２４を備えている。低値選択回路部１２４では、低値選択回路部１２４に入力する速度制御燃料流量指令値１２１、加速度制御燃料流量指令値１２２、出力制御燃料流量指令値１２３の各燃料流量指令値から最低値を選択する。選択された最低値は、燃料流量指令値１２５として、低値選択回路部１２４から、乗算回路１３８、１４３に出力される。
【００２７】
燃料流量割合制御部３は、突変運転検知部１０、突変用燃焼ガス温度演算部１１、燃焼ガス温度演算部１３４、演算回路切替部１２および負荷割合演算部１３６から主に構成されている。
【００２８】
突変運転検知部１０は、常に燃料流量指令値１２５を受信し、その値の変化からガスタービン１１２の運転状態を判定し、ガスタービン１１２の突変発生を検知するものである。
【００２９】
突変用燃焼ガス温度演算部１１は、ガスタービン１１２の突変時に、燃料流量指令値１２５からガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するものである。
【００３０】
燃焼ガス温度演算部１３４は、ガスタービン１１２の通常運転時に、空気圧縮機吐出圧力値１３１、ＩＧＶ開度値１３２、ガスタービン排ガス温度値１３３から熱関数的にガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するものである。
【００３１】
演算回路切替部１２は、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路を、ガスタービン１１２の通常運転時には燃焼ガス温度演算部１３４側に、ガスタービン１１２の突変時には突変用燃焼ガス温度演算部１１側に切替えるものである。
【００３２】
負荷割合演算部１３６は、燃焼ガス温度演算部１３４または突変用燃焼ガス温度演算部１１で演算されたガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果に基づいて、ガスタービンの運転負荷割合を演算するものである。また、負荷割合演算部１３６では、ガスタービンの運転負荷割合の演算結果に基づいて、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を算出し、予混合割合値１３７を出力する。
【００３３】
上記した突変運転検知部１０の構成および動作について、図１および２を参照してさらに詳しく説明する。図２は、突変運転検知部１０の具体的な回路の一例を示す。
突変運転検知部１０は、燃料流量指令値の単位時間あたりの変化率を算出する変化率演算回路３０１、入力される値をその絶対値を取った値に変換する絶対値演算回路３０３、入力される値と所定の定められた規定値とを比較する比較演算回路３０５および信号が連続的に入力されるときはその間において、また、信号が途絶えた後も所定時間は信号を出力し続ける遅延復帰タイマ３０７で主に構成されている。
【００３４】
次に、突変運転検知部１０における信号値の流れについて説明する。
低値選択回路部１２４から出力された燃料流量指令値１２５は、変化率演算回路３０１によって、その単位時間あたりの変化率が算出されて、燃料流量指令変化率値３０２に変換される。変換された燃料流量指令変化率値３０２は、絶対値演算回路３０３によって、その絶対値が取られ、燃料流量指令変化率絶対値３０４に変換される。燃料流量指令変化率絶対値３０４は、比較演算回路３０５によって、規定値以上であると判定された場合、規定値超過信号３０６に変換され、遅延復帰タイマ３０７に出力される。なお、燃料流量指令変化率絶対値３０４が、規定値より小さいと判定された場合には、規定値超過信号３０６は出力されない。遅延復帰タイマ３０７では、規定値超過信号３０６の入力が瞬時のものであっても６０秒間はその規定値超過信号３０６が入力されているものとして、突変発生信号１３を演算回路切替部１２に出力し続ける。また、遅延復帰タイマ３０７では、規定値超過信号３０６が連続的に入力されるときはその間において、また、規定値超過信号３０６が途絶えた後も６０秒間は突変発生信号１３を出力し続ける。なお、遅延復帰タイマ３０７による遅延時間は、６０秒に限るものではなく、これ以外の時間設定でもよい。
【００３５】
次に、図１を参照して、燃料流量制御部２の動作について説明する。
まず、ガスタービン１１２の運転負荷変動が規定値より小さく抑えられる通常起動、ベースロード運転、通常停止等のガスタービン１１２の通常運転の場合における燃料流量制御について説明する。通常運転の場合は、演算回路切替部１２によって、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路が燃焼ガス温度演算部１３４側に接続される。
【００３６】
燃焼ガス温度演算部１３４において、空気圧縮機吐出圧力値１３１、ＩＧＶ開度値１３２およびガスタービン排ガス温度値１３３から熱関数的にガスタービン入口燃焼ガス温度が演算される。ここで、ＩＧＶ開度値１３１は、空気圧縮機１１０に流入する空気流量を空気圧縮機入口の案内翼の角度を駆動させて制御するＩＧＶ（入口案内翼）の開度値である。このＩＧＶの開度は、所定の設定された開度に段階的に制御される。ガスタービン排ガス温度値１３３は、ガスタービン出口燃焼ガス温度値である。
【００３７】
燃焼ガス温度演算部１３４で演算された燃焼ガス温度演算値１３５は、負荷割合演算部１３６に出力されて、ここで予め設定されたガスタービン入口燃焼ガス温度に対するガスタービン１１２の運転負荷割合の関数から、ガスタービン１１２の運転負荷割合が演算される。さらに、負荷割合演算部１３６では、ガスタービン１１２の運転負荷割合に基づいて、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を算出し、これを予混合割合値１３７として乗算回路１３８および減算回路１３９に出力する。乗算回路１３８では、燃料流量指令値１２５に予混合割合値１３７を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する予混合燃料流量の割合を算出し、それを予混合燃料流量指令値１４０として予混合燃料流量調節弁１４１に出力する。予混合燃料流量調節弁１４１では、その予混合燃料流量指令値１４０に基づいて弁開度を制御する。
【００３８】
また、減算回路１３９では、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗算回路１４３に出力する。乗算回路１４３では、燃料流量指令値１２５に、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する拡散燃料流量の割合を算出し、それを拡散燃料流量指令値１４４として拡散燃料流量調節弁１４５に出力する。拡散燃料流量調節弁１４５では、その拡散燃料流量指令値１４４に基づいて弁開度を制御する。
【００３９】
ここで、負荷割合演算部１３６により演算されたガスタービン１１２の運転負荷割合が低い場合には、拡散燃焼器に予混合燃焼器よりも多くの燃料流量が供給されるので、拡散燃料流量指令値１４４は、予混合燃料流量指令値１４０よりも大きくなる。逆に、演算されたガスタービン１１２の運転負荷割合が高い場合には、予混合燃焼器に拡散燃焼器よりも多くの燃料流量が供給されるので、予混合燃料流量指令値１４０は、拡散燃料流量指令値１４４よりも大きくなる。
【００４０】
次に、突変運転検知部１０において、ガスタービン１１２の運転状態の突変が検知された場合の燃料流量制御について説明する。
突変運転検知部１０から演算回路切替部１２に突変発生信号１３が出力されると、演算回路切替部１２によってガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路が突変用燃焼ガス温度演算部１１側に切替えられる。突変用燃焼ガス温度演算部１１では、燃料流量指令値１２５を受け、ここで予め関数化された燃料流量とガスタービン入口燃焼ガス温度の関係を用い、燃料流量指令値１２５からガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する。その演算結果は、突変用燃焼ガス温度演算値１４として演算回路切替部１２を介して負荷割合演算部１３６に出力され、そこで予め設定されたガスタービン入口燃焼ガス温度に対するガスタービン１１２の運転負荷割合の関数から、ガスタービン１１２の運転負荷割合が演算される。さらに、負荷割合演算部１３６では、ガスタービン１１２の運転負荷割合に基づいて、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を算出し、これを予混合割合値１３７として乗算回路１３８および減算回路１３９に出力する。乗算回路１３８では、燃料流量指令値１２５に予混合割合値１３７を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する予混合燃料流量の割合を算出し、それを予混合燃料流量指令値１４０として予混合燃料流量調節弁１４１に出力する。予混合燃料流量調節弁１４１では、予混合燃料流量指令値１４０に基づいて弁開度を制御する。
【００４１】
また、減算回路１３９では、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗算回路１４３に出力する。乗算回路１４３では、燃料流量指令値１２５に、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する拡散燃料流量の割合を算出し、それを拡散燃料流量指令値１４４として拡散燃料流量調節弁１４５に出力する。拡散燃料流量調節弁１４５では、拡散燃料流量指令値１４４に基づいて弁開度を制御する。
【００４２】
次に、図１および３を参照して、燃料流量制御の流れ５０の一例を説明する。
図３に示した燃料流量制御制御では、まず、第１の判定ステップ５１で、ガスタービン１１２の運転を続けるか否かを判定する。ここで、判定がＮｏの場合、ガスタービン１１２の運転は停止される。また、判定がＹｅｓの場合、第２の判定ステップ５２に進む。
【００４３】
第２の判定ステップ５２では、突変運転検知部１０によりガスタービン１１２の突変が発生しているか否かが判定される。ここで、判定がＮｏの場合、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路は、演算回路切替部１２によって、燃焼ガス温度演算部１３４側の回路に切替えられる。この場合、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算が燃焼ガス温度演算部１３４側の回路で行われるため、燃料流量制御は、上記したガスタービン１１２の通常運転の場合における制御によって行われる。また、第２の判定ステップ５２での判定がＹｅｓの場合、演算回路切替部１２によって、突変用燃焼ガス温度演算部１１側の回路に切替えられる。この場合、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算が突変用燃焼ガス温度演算部１１側の回路で行われるため、燃料流量制御は、上記したガスタービン１１２の突変が検知された場合における制御によって行われる。
【００４４】
上記した一実施の形態では、突変運転検知部を設け、突変運転検知部からの信号により、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路を、ガスタービンの定常運転時と突変発生時で切替えることができる。これによって、ガスタービンの突変発生時に、燃料流量指令値を用いて突変用燃焼ガス温度演算部から瞬時に突変用燃焼ガス演算値を出力することができるので、最適な燃焼モードの切替えを行うことができる。また、ガスタービンの運転負荷に応じて、予混合燃焼器と拡散燃焼器に供給する燃料流量の割合を制御しているので、火炎安定が図れる範囲で、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を増加することにより、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００４５】
図４は、本発明に係るガスタービンシステムとその運転方法の第２の実施の形態を示している。なお、第１の実施の形態の構成部分と同一部分には同一符号を付し、異なる構成部分についてのみ説明する。
【００４６】
第２の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成に大気温度出力部２０を付加したものである。
大気温度出力部２０は、例えば熱起電力を利用した熱電対などを用いることができるが、これに限らず、温度を電気的な信号として出力できる温度センサであれば用いることができる。
【００４７】
大気温度出力部２０は、大気温度を大気温度値２１に変換し、その大気温度値２１を突変用燃焼ガス温度演算部１１に出力する。突変用燃焼ガス温度演算部１１では、大気温度値２１を用いて、予め関数化された燃料流量とガスタービン入口燃焼ガス温度の関数に大気温度による補正を行う。
【００４８】
燃料流量とガスタービン入口燃焼ガス温度の関数に大気温度による補正を行うことで、負荷割合演算部１３６の演算に用いられる突変用燃焼ガス温度演算値１４が実際のガスタービン入口燃焼ガス温度に近い値となるため、第１の実施の形態の効果に加え、実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化により追従した燃焼モードの切替えが可能となる。
【００４９】
図５は、本発明に係るガスタービンシステムとその運転方法の第３の実施の形態を示している。なお、第１および２の実施の形態の構成部分と同一部分には同一符号を付し、異なる構成部分についてのみ説明する。
【００５０】
第３の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成にフィルタ回路部３０を付加したものである。
フィルタ回路部３０では、燃料流量指令値１２５の高周波成分の値と燃料流量指令値１２５との相関によって決定されるフィルタ特性を有する低域フィルタ、帯域フィルタ、帯域阻止フィルタなどのフィルタが用いられる。
【００５１】
突変用燃焼ガス温度演算部１１には、フィルタ回路部３０で高周波成分が除去された燃料流量指令値１２５が入力される。つまり、燃料流量指令値１２５にノイズ等の異常値が含まれていても、フィルタ回路部３０により、その突変値は除去され、突変用燃焼ガス温度演算部１１には、安定した燃料流量指令値１２５が常に出力される。
【００５２】
燃料流量指令値１２５の高周波成分を除去することで、第１の実施の形態の効果に加え、突変用燃焼ガス温度演算値１４の異常値の発生を防止でき、安定した燃焼モードの切替えができる。
【００５３】
また、第３の実施の形態の構成に、第２の実施の形態の大気温度出力部２０を付加した実施の形態も構成することができる。この構成にすることで、第１の実施の形態の効果に加え、安定で且つ実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従した最適な燃焼モードの切替えを行うことができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のガスタービンシステムおよびその運転方法によれば、突変運転検知部を設けて、突変運転検知部からの信号により、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路を、ガスタービンの定常運転時と突変発生時で切替えることができる。また、ガスタービンの突変発生時に、燃料流量指令値を用いて突変用燃焼ガス温度演算部から瞬時に突変用燃焼ガス演算値を出力することができるので、ガスタービンの突変が発生した場合にも安定で且つ実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従した最適な燃焼モードの切替えができ、安定したガスタービンシステムの運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成図。
【図２】突変運転検知部の構成図。
【図３】燃料流量制御の流れ図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の構成図。
【図６】ガスタービン発電設備における従来の燃料流量制御の構成図。
【符号の説明】
１…ガスタービンシステム、２…燃料流量制御部、３…燃料流量割合制御部、１０…突変運転検知部、１１…突変用燃焼ガス温度演算部、１２…演算回路切替部、１３…突変発生信号、１４…突変用燃焼ガス温度演算値、１０１…ガスタービン動力部、１１０…空気圧縮機、１１１…燃焼器、１１２…ガスタービン、１１３…発電機、１１４…遮断器、１１５…電力系統、１２０…燃料流量全体制御部、１２１…速度制御燃料流量指令値、１２２…加速度制御燃料流量指令値、１２３…出力制御燃料流量指令値、１２４…低値選択回路部、１２５…燃料流量指令値、１３１…空気圧縮機吐出圧力値、１３２…ＩＧＶ開度値、１３３…ガスタービン排ガス温度値、１３４…燃焼ガス温度演算部、１３５…燃焼ガス温度演算値、１３６…負荷割合演算部、１３７…予混合割合値、１３８、１４３…乗算回路、１３９…減算回路、１４０…予混合燃料流量指令値、１４１…予混合燃料流量調節弁、１４２…拡散割合値（１００％）、１４４…拡散燃料流量指令値、１４５…拡散燃料流量調節弁、１４６…燃料供給設備、３０１…変化率演算回路、３０２…燃料流量指令変化率値、３０３…絶対値演算回路、３０４…燃料流量指令変化率絶対値、３０５…比較演算回路、３０６…規定値超過信号、３０７…遅延復帰タイマ
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合燃焼部および拡散燃焼部を有する燃焼器を備えたガスタービンシステムとその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来のガスタービンシステム１００の構成の概略を示す。
従来のガスタービンシステム１００は、ガスタービン動力部１０１と燃料流量制御部１０２とから構成されている。
【０００３】
ガスタービン動力部１０１は、空気圧縮機１１０、燃焼器１１１、ガスタービン１１２および発電機１１３で主に構成され、燃焼器１１１には、予混合燃焼器および拡散燃焼器が併設されている。
【０００４】
ガスタービン動力部１０１は次のように動作する。
大気より空気圧縮機１１０によって吸引され圧縮された空気は、燃焼器１１１へ供給される。燃焼器１１１では、空気圧縮機１１０より供給された圧縮空気中の酸素を酸化剤とし、燃料供給設備１４６から供給された燃料が燃焼して、燃焼ガスを生成する。燃焼器１１１で生成された高温高圧の燃焼ガスは、ガスタービン１１２に供給され、ガスタービン１１２は、その燃焼ガスによって回転駆動される。発電機１１３において、ガスタービン１１２の回転のエネルギは、電力に変換され、その電力は、遮断器１１４を介して各電力系統１１５へ供給される。
【０００５】
一方、燃料流量制御部１０２は、次のように構成されている。
燃料流量制御部１０２は、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体を制御する燃料流量全体制御部１２０と、燃焼器１１１の予混合燃焼器および拡散燃焼器に供給される燃料流量の割合を制御する燃料流量割合制御部１３０から構成されている。
【０００６】
燃料流量全体制御部１２０は、低値選択回路部１２４を備えている。低値選択回路部１２４では、低値選択回路部１２４に入力する速度制御燃料流量指令値１２１、加速度制御燃料流量指令値１２２、出力制御燃料流量指令値１２３の各燃料流量指令値から最低値を選択する。選択された最低値は、燃料流量指令値１２５として、低値選択回路部１２４から、乗算回路１３８、１４３に出力される。
【０００７】
燃料流量割合制御部１３０は、燃焼ガス温度演算部１３４および負荷割合演算部１３６から主に構成されている。
燃料流量割合制御部１３０では、燃焼ガス温度演算部１３４によって空気圧縮機吐出圧力値１３１、ＩＧＶ開度値１３２およびガスタービン排ガス温度値１３３から熱関数的にガスタービン入口燃焼ガス温度が演算される。ここで、ＩＧＶ開度値１３１は、空気圧縮機１１０に流入する空気流量を空気圧縮機入口の案内翼の角度を駆動させて制御するＩＧＶ（入口案内翼）の開度値である。このＩＧＶの開度は、所定の設定された開度に段階的に制御される。ガスタービン排ガス温度値１３３は、ガスタービン出口燃焼ガス温度値である。
【０００８】
燃焼ガス温度演算部１３４で演算された燃焼ガス温度演算値１３５は、負荷割合演算部１３６に出力されて、ここで予め設定されたガスタービン入口燃焼ガス温度に対するガスタービン１１２の運転負荷割合の関数から、ガスタービン１１２の運転負荷割合が演算される。さらに、負荷割合演算部１３６では、ガスタービン１１２の運転負荷割合に基づいて、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を算出し、これを予混合割合値１３７として乗算回路１３８および減算回路１３９に出力する。乗算回路１３８では、燃料流量指令値１２５に予混合割合値１３７を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する予混合燃料流量の割合を算出し、それを予混合燃料流量指令値１４０として予混合燃料流量調節弁１４１に出力する。予混合燃料流量調節弁１４１では、予混合燃料流量指令値１４０に基づいて弁開度を制御する。
【０００９】
また、減算回路１３９では、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗算回路１４３に出力する。乗算回路１４３では、燃料流量指令値１２５に、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する拡散燃料流量の割合を算出し、それを拡散燃料流量指令値１４４として拡散燃料流量調節弁１４５に出力する。拡散燃料流量調節弁１４５では、拡散燃料流量指令値１４４に基づいて弁開度を制御する。
【００１０】
このように、従来のガスタービン１１２の燃料流量制御では、空気圧縮機吐出圧力値１３１、ＩＧＶ開度値１３２、ガスタービン排ガス温度値１３３等の各運転状態のパラメータから求められた燃焼ガス温度演算値１３５を用いて、予混合燃焼器および拡散燃焼器に供給する燃料流量を制御することによって、燃焼モードの切替えを行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特許第２６６７６０９号公報（［請求項１］、［００１６］〜［００１８］、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
複数の電力系統の一部が事故により遮断器が閉となった場合、これに対応してガスタービンの動力を抑制することが必要となる。つまり、負荷遮断、所内単独運転、系統単独運転等、急激な負荷変動が発生した場合、ガスタービンの動力を抑制するため燃料の供給を絞り込むので、その状態に最適な燃焼モードへの切替えが必要となる。
【００１３】
しかしながら、空気圧縮機吐出圧力値、ＩＧＶ開度値、ガスタービン排ガス温度値等の各運転状態のパラメータから熱関数的に求められた燃焼ガス温度演算値を用いた従来の燃焼モードの切替えでは、負荷遮断等の急激な負荷変動が発生した場合、燃焼ガス温度演算値を出力する燃焼ガス温度演算部の演算処理に時間を要した。そのため、燃焼ガス温度演算値の変化が実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従せず、最適な燃焼モードの切替えができないという問題があった。
【００１４】
そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ガスタービンの運転状態のパラメータの演算から求められた燃焼ガス温度演算値の変化が実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従しないような負荷遮断等が発生した場合においても、実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従した最適な燃焼モードの切替えができるガスタービンシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のガスタービンシステムは、予混合燃焼部および拡散燃焼部を有する燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼ガスで駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンの運転状態からガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する燃焼ガス温度演算部と、前記燃焼ガス温度演算部における前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果から前記ガスタービンの運転負荷割合を演算し、前記ガスタービンの運転負荷割合の演算結果から前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合を演算する負荷割合演算部と、前記負荷割合演算部における前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合の演算結果から前記予混合燃焼部および前記拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御する燃料流量制御部とを備えたガスタービンシステムにおいて、燃料流量指令値を用いて前記ガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する、前記燃焼ガス温度演算部とは別個の突変用燃焼ガス温度演算部と、前記ガスタービンの運転状態の突変発生を検知する突変運転検知部とを備え、前記突変運転検知部によって突変発生が検知された場合には、前記突変用燃焼ガス温度演算部における前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果を前記負荷割合演算部に出力し、前記予混合燃焼部および前記拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、ガスタービンの突変発生時に、燃料流量指令値を用いて突変用燃焼ガス温度演算部から瞬時に突変用燃焼ガス演算値を出力することができるので、最適な燃焼モードの切替えを行うことができる。また、ガスタービンの運転負荷に応じて、予混合燃焼器と拡散燃焼器に供給する燃料流量の割合を制御しているので、火炎安定が図れる範囲で、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を増加することにより、ＮＯｘの生成を抑制することができる。さらに、このガスタービンシステムでは、ＮＯｘ排出濃度をガスタービンのＮＯｘ排出規制値以下に抑えることができる。
【００１７】
また、本発明のガスタービンシステムの運転方法は、ガスタービンの運転状態の突変発生を検知するステップと、前記ガスタービンの運転状態の突変発生が検知された場合、燃料流量指令値を用いて前記ガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するステップと、前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果から前記ガスタービンの運転負荷割合を演算し、予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合を演算するステップと、前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合の演算結果から予混合燃焼部および拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御するステップとを有することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、ガスタービンの突変発生時に、燃料流量指令値を用いて突変用燃焼ガス温度演算部から瞬時に突変用燃焼ガス演算値を出力することができるので、最適な燃焼モードの切替えを行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービンシステムとその運転方法について図面を参照して説明する。なお、従来のガスタービンシステムの構成と同一部分には同符号を付す。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示すガスタービンシステムである。
ガスタービンシステム１は、ガスタービン動力部１０１と燃料流量制御部２から構成されている。
【００２１】
ガスタービン動力部１０１は、空気圧縮機１１０、燃焼器１１１、ガスタービン１１２および発電機１１３から主に構成され、燃焼器１１１には、予混合燃焼器および拡散燃焼器が併設されている。
【００２２】
拡散燃焼器は、燃料と空気をそれぞれ別個に燃焼領域に供給し、供給された燃料と空気を燃焼器１１１内で、拡散、混合させながら燃焼反応を行わせるものである。このような燃焼反応を行う拡散燃焼では、燃料と空気の混合比が可燃範囲内にある領域で燃焼反応が行われるため、燃焼反応を伴う各局所領域の燃料と空気の混合比は可燃範囲内で広く分布している。そのため、燃焼器１１１に供給される空気と燃料の割合から全体として空燃比が大きな状態であっても、化学量論付近の混合比で燃焼反応が行われている領域も多く存在し、そのような領域では火炎温度が高い。このように、拡散燃焼における火炎では、火炎温度の高い領域が存在するので、火炎が安定している。そこで、火炎が不安定になりやすい低燃料流量で運転を行うガスタービン１１２の低負荷運転時には、拡散燃焼器に予混合燃焼器よりも多くの燃料流量が供給される。
【００２３】
一方、予混合燃焼器は、予め燃料と空気とを混合した予混合気を燃焼領域に供給するもので、その供給された予混合気は、燃焼器１１１内で燃焼反応を行う。燃焼器１１１に供給される予混合気は、空燃比の大きい希薄予混合気であるため、それを燃焼させる希薄予混合燃焼は、拡散燃焼に比べて、火炎温度が低く、火炎が不安定になりやすい。そのため、予混合燃焼は、比較的火炎が安定する大きな燃料流量で運転を行うガスタービン１１２の高負荷運転時に適している。そこで、ガスタービン１１２の高負荷運転時には、予混合燃焼器に予拡散燃焼器よりも多くの燃料流量が供給される。また、希薄予混合燃焼は、燃料と空気が均一に混合された希薄予混合気の状態で燃焼反応が進むため、燃焼器１１１内で局所的な高温領域が形成されず、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００２４】
次に、ガスタービン動力部１０１の動作について説明する。
大気より空気圧縮機１１０によって吸引され圧縮された空気は、燃焼器１１１へ供給される。燃焼器１１１では、空気圧縮機１１０より供給された圧縮空気中の酸素を酸化剤とし、燃料供給設備１４６から供給された燃料が燃焼して、燃焼ガスを生成する。燃焼器１１１で生成された高温高圧の燃焼ガスは、ガスタービン１１２に供給され、ガスタービン１１２は、その燃焼ガスによって回転駆動される。発電機１１３において、ガスタービン１１２の回転エネルギは、電力に変換され、その電力は、遮断器１１４を介して各電力系統１１５へ供給される。
【００２５】
次に、燃料流量制御部２の構成について説明する。
燃料流量制御部２は、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体を制御する燃料流量全体制御部１２０と、燃焼器１１１の予混合燃焼器および拡散燃焼器に供給される燃料流量の割合を制御する燃料流量割合制御部３とから構成されている。
【００２６】
燃料流量全体制御部１２０は、低値選択回路部１２４を備えている。低値選択回路部１２４では、低値選択回路部１２４に入力する速度制御燃料流量指令値１２１、加速度制御燃料流量指令値１２２、出力制御燃料流量指令値１２３の各燃料流量指令値から最低値を選択する。選択された最低値は、燃料流量指令値１２５として、低値選択回路部１２４から、乗算回路１３８、１４３に出力される。
【００２７】
燃料流量割合制御部３は、突変運転検知部１０、突変用燃焼ガス温度演算部１１、燃焼ガス温度演算部１３４、演算回路切替部１２および負荷割合演算部１３６から主に構成されている。
【００２８】
突変運転検知部１０は、常に燃料流量指令値１２５を受信し、その値の変化からガスタービン１１２の運転状態を判定し、ガスタービン１１２の突変発生を検知するものである。
【００２９】
突変用燃焼ガス温度演算部１１は、ガスタービン１１２の突変時に、燃料流量指令値１２５からガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するものである。
【００３０】
燃焼ガス温度演算部１３４は、ガスタービン１１２の通常運転時に、空気圧縮機吐出圧力値１３１、ＩＧＶ開度値１３２、ガスタービン排ガス温度値１３３から熱関数的にガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するものである。
【００３１】
演算回路切替部１２は、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路を、ガスタービン１１２の通常運転時には燃焼ガス温度演算部１３４側に、ガスタービン１１２の突変時には突変用燃焼ガス温度演算部１１側に切替えるものである。
【００３２】
負荷割合演算部１３６は、燃焼ガス温度演算部１３４または突変用燃焼ガス温度演算部１１で演算されたガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果に基づいて、ガスタービンの運転負荷割合を演算するものである。また、負荷割合演算部１３６では、ガスタービンの運転負荷割合の演算結果に基づいて、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を算出し、予混合割合値１３７を出力する。
【００３３】
上記した突変運転検知部１０の構成および動作について、図１および２を参照してさらに詳しく説明する。図２は、突変運転検知部１０の具体的な回路の一例を示す。
突変運転検知部１０は、燃料流量指令値の単位時間あたりの変化率を算出する変化率演算回路３０１、入力される値をその絶対値を取った値に変換する絶対値演算回路３０３、入力される値と所定の定められた規定値とを比較する比較演算回路３０５および信号が連続的に入力されるときはその間において、また、信号が途絶えた後も所定時間は信号を出力し続ける遅延復帰タイマ３０７で主に構成されている。
【００３４】
次に、突変運転検知部１０における信号値の流れについて説明する。
低値選択回路部１２４から出力された燃料流量指令値１２５は、変化率演算回路３０１によって、その単位時間あたりの変化率が算出されて、燃料流量指令変化率値３０２に変換される。変換された燃料流量指令変化率値３０２は、絶対値演算回路３０３によって、その絶対値が取られ、燃料流量指令変化率絶対値３０４に変換される。燃料流量指令変化率絶対値３０４は、比較演算回路３０５によって、規定値以上であると判定された場合、規定値超過信号３０６に変換され、遅延復帰タイマ３０７に出力される。なお、燃料流量指令変化率絶対値３０４が、規定値より小さいと判定された場合には、規定値超過信号３０６は出力されない。遅延復帰タイマ３０７では、規定値超過信号３０６の入力が瞬時のものであっても６０秒間はその規定値超過信号３０６が入力されているものとして、突変発生信号１３を演算回路切替部１２に出力し続ける。また、遅延復帰タイマ３０７では、規定値超過信号３０６が連続的に入力されるときはその間において、また、規定値超過信号３０６が途絶えた後も６０秒間は突変発生信号１３を出力し続ける。なお、遅延復帰タイマ３０７による遅延時間は、６０秒に限るものではなく、これ以外の時間設定でもよい。
【００３５】
次に、図１を参照して、燃料流量制御部２の動作について説明する。
まず、ガスタービン１１２の運転負荷変動が規定値より小さく抑えられる通常起動、ベースロード運転、通常停止等のガスタービン１１２の通常運転の場合における燃料流量制御について説明する。通常運転の場合は、演算回路切替部１２によって、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路が燃焼ガス温度演算部１３４側に接続される。
【００３６】
燃焼ガス温度演算部１３４において、空気圧縮機吐出圧力値１３１、ＩＧＶ開度値１３２およびガスタービン排ガス温度値１３３から熱関数的にガスタービン入口燃焼ガス温度が演算される。ここで、ＩＧＶ開度値１３１は、空気圧縮機１１０に流入する空気流量を空気圧縮機入口の案内翼の角度を駆動させて制御するＩＧＶ（入口案内翼）の開度値である。このＩＧＶの開度は、所定の設定された開度に段階的に制御される。ガスタービン排ガス温度値１３３は、ガスタービン出口燃焼ガス温度値である。
【００３７】
燃焼ガス温度演算部１３４で演算された燃焼ガス温度演算値１３５は、負荷割合演算部１３６に出力されて、ここで予め設定されたガスタービン入口燃焼ガス温度に対するガスタービン１１２の運転負荷割合の関数から、ガスタービン１１２の運転負荷割合が演算される。さらに、負荷割合演算部１３６では、ガスタービン１１２の運転負荷割合に基づいて、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を算出し、これを予混合割合値１３７として乗算回路１３８および減算回路１３９に出力する。乗算回路１３８では、燃料流量指令値１２５に予混合割合値１３７を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する予混合燃料流量の割合を算出し、それを予混合燃料流量指令値１４０として予混合燃料流量調節弁１４１に出力する。予混合燃料流量調節弁１４１では、その予混合燃料流量指令値１４０に基づいて弁開度を制御する。
【００３８】
また、減算回路１３９では、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗算回路１４３に出力する。乗算回路１４３では、燃料流量指令値１２５に、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する拡散燃料流量の割合を算出し、それを拡散燃料流量指令値１４４として拡散燃料流量調節弁１４５に出力する。拡散燃料流量調節弁１４５では、その拡散燃料流量指令値１４４に基づいて弁開度を制御する。
【００３９】
ここで、負荷割合演算部１３６により演算されたガスタービン１１２の運転負荷割合が低い場合には、拡散燃焼器に予混合燃焼器よりも多くの燃料流量が供給されるので、拡散燃料流量指令値１４４は、予混合燃料流量指令値１４０よりも大きくなる。逆に、演算されたガスタービン１１２の運転負荷割合が高い場合には、予混合燃焼器に拡散燃焼器よりも多くの燃料流量が供給されるので、予混合燃料流量指令値１４０は、拡散燃料流量指令値１４４よりも大きくなる。
【００４０】
次に、突変運転検知部１０において、ガスタービン１１２の運転状態の突変が検知された場合の燃料流量制御について説明する。
突変運転検知部１０から演算回路切替部１２に突変発生信号１３が出力されると、演算回路切替部１２によってガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路が突変用燃焼ガス温度演算部１１側に切替えられる。突変用燃焼ガス温度演算部１１では、燃料流量指令値１２５を受け、ここで予め関数化された燃料流量とガスタービン入口燃焼ガス温度の関係を用い、燃料流量指令値１２５からガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する。その演算結果は、突変用燃焼ガス温度演算値１４として演算回路切替部１２を介して負荷割合演算部１３６に出力され、そこで予め設定されたガスタービン入口燃焼ガス温度に対するガスタービン１１２の運転負荷割合の関数から、ガスタービン１１２の運転負荷割合が演算される。さらに、負荷割合演算部１３６では、ガスタービン１１２の運転負荷割合に基づいて、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を算出し、これを予混合割合値１３７として乗算回路１３８および減算回路１３９に出力する。乗算回路１３８では、燃料流量指令値１２５に予混合割合値１３７を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する予混合燃料流量の割合を算出し、それを予混合燃料流量指令値１４０として予混合燃料流量調節弁１４１に出力する。予混合燃料流量調節弁１４１では、予混合燃料流量指令値１４０に基づいて弁開度を制御する。
【００４１】
また、減算回路１３９では、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗算回路１４３に出力する。乗算回路１４３では、燃料流量指令値１２５に、拡散割合値（１００％）１４２から予混合割合値１３７を減じた値を乗じて、燃焼器１１１に供給される燃料流量全体に対する拡散燃料流量の割合を算出し、それを拡散燃料流量指令値１４４として拡散燃料流量調節弁１４５に出力する。拡散燃料流量調節弁１４５では、拡散燃料流量指令値１４４に基づいて弁開度を制御する。
【００４２】
次に、図１および３を参照して、燃料流量制御の流れ５０の一例を説明する。
図３に示した燃料流量制御制御では、まず、第１の判定ステップ５１で、ガスタービン１１２の運転を続けるか否かを判定する。ここで、判定がＮｏの場合、ガスタービン１１２の運転は停止される。また、判定がＹｅｓの場合、第２の判定ステップ５２に進む。
【００４３】
第２の判定ステップ５２では、突変運転検知部１０によりガスタービン１１２の突変が発生しているか否かが判定される。ここで、判定がＮｏの場合、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路は、演算回路切替部１２によって、燃焼ガス温度演算部１３４側の回路に切替えられる。この場合、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算が燃焼ガス温度演算部１３４側の回路で行われるため、燃料流量制御は、上記したガスタービン１１２の通常運転の場合における制御によって行われる。また、第２の判定ステップ５２での判定がＹｅｓの場合、演算回路切替部１２によって、突変用燃焼ガス温度演算部１１側の回路に切替えられる。この場合、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算が突変用燃焼ガス温度演算部１１側の回路で行われるため、燃料流量制御は、上記したガスタービン１１２の突変が検知された場合における制御によって行われる。
【００４４】
上記した一実施の形態では、突変運転検知部を設け、突変運転検知部からの信号により、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路を、ガスタービンの定常運転時と突変発生時で切替えることができる。これによって、ガスタービンの突変発生時に、燃料流量指令値を用いて突変用燃焼ガス温度演算部から瞬時に突変用燃焼ガス演算値を出力することができるので、最適な燃焼モードの切替えを行うことができる。また、ガスタービンの運転負荷に応じて、予混合燃焼器と拡散燃焼器に供給する燃料流量の割合を制御しているので、火炎安定が図れる範囲で、予混合燃焼器に供給する燃料流量の割合を増加することにより、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００４５】
図４は、本発明に係るガスタービンシステムとその運転方法の第２の実施の形態を示している。なお、第１の実施の形態の構成部分と同一部分には同一符号を付し、異なる構成部分についてのみ説明する。
【００４６】
第２の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成に大気温度出力部２０を付加したものである。
大気温度出力部２０は、例えば熱起電力を利用した熱電対などを用いることができるが、これに限らず、温度を電気的な信号として出力できる温度センサであれば用いることができる。
【００４７】
大気温度出力部２０は、大気温度を大気温度値２１に変換し、その大気温度値２１を突変用燃焼ガス温度演算部１１に出力する。突変用燃焼ガス温度演算部１１では、大気温度値２１を用いて、予め関数化された燃料流量とガスタービン入口燃焼ガス温度の関数に大気温度による補正を行う。
【００４８】
燃料流量とガスタービン入口燃焼ガス温度の関数に大気温度による補正を行うことで、負荷割合演算部１３６の演算に用いられる突変用燃焼ガス温度演算値１４が実際のガスタービン入口燃焼ガス温度に近い値となるため、第１の実施の形態の効果に加え、実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化により追従した燃焼モードの切替えが可能となる。
【００４９】
図５は、本発明に係るガスタービンシステムとその運転方法の第３の実施の形態を示している。なお、第１および２の実施の形態の構成部分と同一部分には同一符号を付し、異なる構成部分についてのみ説明する。
【００５０】
第３の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成にフィルタ回路部３０を付加したものである。
フィルタ回路部３０では、燃料流量指令値１２５の高周波成分の値と燃料流量指令値１２５との相関によって決定されるフィルタ特性を有する低域フィルタ、帯域フィルタ、帯域阻止フィルタなどのフィルタが用いられる。
【００５１】
突変用燃焼ガス温度演算部１１には、フィルタ回路部３０で高周波成分が除去された燃料流量指令値１２５が入力される。つまり、燃料流量指令値１２５にノイズ等の異常値が含まれていても、フィルタ回路部３０により、その突変値は除去され、突変用燃焼ガス温度演算部１１には、安定した燃料流量指令値１２５が常に出力される。
【００５２】
燃料流量指令値１２５の高周波成分を除去することで、第１の実施の形態の効果に加え、突変用燃焼ガス温度演算値１４の異常値の発生を防止でき、安定した燃焼モードの切替えができる。
【００５３】
また、第３の実施の形態の構成に、第２の実施の形態の大気温度出力部２０を付加した実施の形態も構成することができる。この構成にすることで、第１の実施の形態の効果に加え、安定で且つ実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従した最適な燃焼モードの切替えを行うことができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のガスタービンシステムおよびその運転方法によれば、突変運転検知部を設けて、突変運転検知部からの信号により、ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算回路を、ガスタービンの定常運転時と突変発生時で切替えることができる。また、ガスタービンの突変発生時に、燃料流量指令値を用いて突変用燃焼ガス温度演算部から瞬時に突変用燃焼ガス演算値を出力することができるので、ガスタービンの突変が発生した場合にも安定で且つ実際のガスタービン入口燃焼ガス温度の変化に追従した最適な燃焼モードの切替えができ、安定したガスタービンシステムの運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成図。
【図２】突変運転検知部の構成図。
【図３】燃料流量制御の流れ図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の構成図。
【図６】ガスタービン発電設備における従来の燃料流量制御の構成図。
【符号の説明】
１…ガスタービンシステム、２…燃料流量制御部、３…燃料流量割合制御部、１０…突変運転検知部、１１…突変用燃焼ガス温度演算部、１２…演算回路切替部、１３…突変発生信号、１４…突変用燃焼ガス温度演算値、１０１…ガスタービン動力部、１１０…空気圧縮機、１１１…燃焼器、１１２…ガスタービン、１１３…発電機、１１４…遮断器、１１５…電力系統、１２０…燃料流量全体制御部、１２１…速度制御燃料流量指令値、１２２…加速度制御燃料流量指令値、１２３…出力制御燃料流量指令値、１２４…低値選択回路部、１２５…燃料流量指令値、１３１…空気圧縮機吐出圧力値、１３２…ＩＧＶ開度値、１３３…ガスタービン排ガス温度値、１３４…燃焼ガス温度演算部、１３５…燃焼ガス温度演算値、１３６…負荷割合演算部、１３７…予混合割合値、１３８、１４３…乗算回路、１３９…減算回路、１４０…予混合燃料流量指令値、１４１…予混合燃料流量調節弁、１４２…拡散割合値（１００％）、１４４…拡散燃料流量指令値、１４５…拡散燃料流量調節弁、１４６…燃料供給設備、３０１…変化率演算回路、３０２…燃料流量指令変化率値、３０３…絶対値演算回路、３０４…燃料流量指令変化率絶対値、３０５…比較演算回路、３０６…規定値超過信号、３０７…遅延復帰タイマ
Claims (7)
- 予混合燃焼部および拡散燃焼部を有する燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼ガスで駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンの運転状態からガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する燃焼ガス温度演算部と、
前記燃焼ガス温度演算部における前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果から前記ガスタービンの運転負荷割合を演算し、前記ガスタービンの運転負荷割合の演算結果から前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合を演算する負荷割合演算部と、
前記負荷割合演算部における前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合の演算結果から前記予混合燃焼部および前記拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御する燃料流量制御部と
を備えたガスタービンシステムにおいて、
燃料流量指令値を用いて前記ガスタービン入口燃焼ガス温度を演算する、前記燃焼ガス温度演算部とは別個の突変用燃焼ガス温度演算部と、
前記ガスタービンの運転状態の突変発生を検知する突変運転検知部と
を備え、
前記突変運転検知部によって突変発生が検知された場合には、前記突変用燃焼ガス温度演算部における前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果を前記負荷割合演算部に出力し、前記予混合燃焼部および前記拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御することを特徴とするガスタービンシステム。 - 少なくともガスタービン速度制御燃料流量指令値、ガスタービン加速度制御燃料流量指令値およびガスタービン出力制御燃料流量指令値の最低値を選択する最低値選択部を備え、前記燃料流量指令値が、前記最低値選択部で選択された前記最低値であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンシステム。
- 大気温度値を出力する大気温度出力部を備え、前記大気温度値を前記突変用燃焼ガス温度演算部に出力し、前記突変用燃焼ガス温度演算部の演算パラメータに大気温度のパラメータを付加したことを特徴とする請求項１または２記載のガスタービンシステム。
- 前記燃料流量指令値の高周波成分の値と前記燃料流量指令値との相関によって決定されるフィルタ特性を用いて、前記燃料流量指令値の高周波成分を除去するフィルタ回路部を備え、前記燃料流量指令値が前記フィルタ回路部を介して前記突変用燃焼ガス温度演算部に入力されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスタービンシステム。
- ガスタービンの運転状態の突変発生を検知するステップと、
前記ガスタービンの運転状態の突変発生が検知された場合、燃料流量指令値を用いて前記ガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するステップと、
前記ガスタービン入口燃焼ガス温度の演算結果から前記ガスタービンの運転負荷割合を演算し、予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合を演算するステップと、
前記予混合燃焼部に供給する燃料流量の割合の演算結果から予混合燃焼部および拡散燃焼部に供給する燃料流量の割合を制御するステップと
を有することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。 - 前記燃料流量指令値を用いて前記ガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するステップに、大気温度出力部から出力された大気温度値を演算パラメータとして加えるステップを付加したことを特徴とする請求項５記載のガスタービンシステムの運転方法。
- 前記燃料流量指令値を用いて前記ガスタービン入口燃焼ガス温度を演算するステップの前に、前記燃料流量指令値の高周波成分の値と前記燃料流量指令値との相関によって決定されるフィルタ特性を用いて、前記燃料流量指令値の高周波成分を除去するステップを付加したことを特徴とする請求項５または６記載のガスタービンシステムの運転方法。
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