JP2003201864A

JP2003201864A - ガスタービン装置の起動方法及びガスタービン装置

Info

Publication number: JP2003201864A
Application number: JP2002002836A
Authority: JP
Inventors: Terence Mckelvey; テレンスマッケルヴィ; Hidefumi Marui; 英史丸井; Masahiro Miyamoto; 政博宮本; Tadashi Kataoka; 匡史片岡; Yasushi Furuya; 泰古谷
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】様々な条件下にあっても確実に混合気を着火
させることを可能として起動の信頼性を向上させ、さら
に、着火直後のガスタービン装置の温度上昇を抑えるこ
とを可能にしたガスタービン装置およびその起動方法を
提供する。【解決手段】タービン１に連結されたモータ５により
タービン１を回転駆動するとともに、タービン１に連動
する空気圧縮機３により空気を燃焼器に圧送し、タービ
ン１が所定の回転数に達したところで燃焼器２に燃料の
供給を開始するとともに、燃焼器２において燃料と空気
との混合気への着火動作を開始し、少なくとも燃焼器２
において混合気の着火動作が行われている間は、タービ
ン１の回転数を上昇させるとともに燃焼器２への燃料の
供給量を増加させる。

Description

【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、スタータモータを用いて起動するガスタービン装
置の起動方法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、燃焼ガス
を発生させるための燃焼器と、燃焼器への燃料供給量を
調節する燃料調節弁と、圧縮した空気（以下、適宜、圧
縮空気という）を燃焼器に送り込む空気圧縮機とを備え
て構成される。そして、燃焼器にて形成された空気と燃
料との混合気が燃焼して高温・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
ンが回転するようになっている。

【０００３】この種のガスタービン装置にあっては、起
動の際に、起動用のモータによりタービンを駆動してガ
スタービン装置を起動する方法が採用されている。即
ち、まず、モータによりタービンを回転駆動するととも
に、回転軸を介してモータにより空気圧縮機を駆動して
燃焼器への圧縮空気の供給を開始する。その後、燃料調
節弁が開いて燃料が燃焼器に供給され、燃焼器にて圧縮
空気と燃料との混合気が形成される。そして、燃焼器に
おいて混合気への着火動作を開始すると、やがて、混合
気が燃焼して燃焼ガスが発生し、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】ここで、混合気が着火する条件のひとつ
に、混合気における空気と燃料との質量比（または重量
比）、即ち、空燃比（エア・フューエル・レシオ、Ａ／
Ｆともいう）が挙げられる。空燃比は、燃焼に供される
空気と燃料との質量比、即ち、混合比であり、空気の単
位時間当たりの流量を燃料の単位時間当たりの流量で除
算することで得ることができる。なお、上述したよう
に、空気は空気圧縮機により圧縮されて燃焼器に送ら
れ、この空気圧縮機はタービンに連動して駆動されるた
め、空気の流量はタービンの回転数より算出することが
できる。また、燃料の流量は燃料調節弁の開度より算出
することができる。したがって、空燃比は、タービンの
回転数および燃料調節弁の開度から導くことができる。

【０００５】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、燃料調節弁の開度、排気温度の
様子を経時的に表したグラフ図である。図３に示すよう
に、まず、モータにてタービンを回転駆動し（図３の点
線参照）、タービンが着火に必要とされる回転数ＮＲ_１
に達した後、この回転数ＮＲ_１を維持するようにモータ
を制御する。その後、燃焼器への燃料の供給を開始して
混合気を形成させ、同時に混合気への着火動作を開始す
る（ｔ_１）。このときの燃料供給量（燃料調節弁の開
度）は、図３に示すように、着火に好ましい所定の供給
量（ｆｃｖ_１）に維持されている。

【０００６】やがて、混合気に着火して燃焼ガスが発生
し（ｔ_２）、この燃焼ガスがタービンに供給されること
で、燃焼ガスにより動力を得てタービンが昇速する。そ
の後、モータの回転駆動を停止する。そして、燃焼ガス
による回転駆動が開始されると同時に、タービンへ供給
される燃焼ガスの供給量を調節することによりタービン
が制御される。即ち、タービンの加速度が、予め設定さ
れた所定の目標加速度に達するように燃料調節弁の開度
を操作してタービンの回転を昇速させる昇速制御が行わ
れる。

【０００７】上述したように、着火動作時（ｔ_１からｔ
_２までの間）においては、空燃比は着火に好ましい値と
なるように設定されており、したがって、図３に示すよ
うに、タービンの回転数（圧縮空気の流量）と燃料調節
弁の開度（燃料の供給量）は、それぞれ一定となる。こ
のように、着火に好ましい空燃比での着火動作を行うこ
とにより、混合気の速やかな着火が図られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、着火に
好ましい空燃比は起動時の種々の条件によって異なって
くる。例えば、周囲環境の温度が低いときは着火しにく
く、運転停止後のガスタービン装置本体が高温にある状
態で再起動する場合は着火しやすい。即ち、必ずしも同
一の空燃比で着火するとは限らなく、このため、混合気
の着火がうまく行われずに起動に失敗する場合がある。

【０００９】この問題を解決するために、従来では、図
４に示すように、タービンの回転数を一定に保ちつつ、
燃料調節弁の開度を増加させ、空燃比を変動させること
で着火条件の変化に追従させる試みがなされている。し
かしながら、この場合には、次のような問題が起こって
いる。着火した直後（ｔ_２）は、上述したように、ター
ビンの制御はモータによる駆動から燃焼ガスの供給によ
る昇速制御に切り替わる。このとき、着火直後のタービ
ンの回転数は一定に維持されて加速度は０となっている
ため、目標加速度と切り替え直後のタービンの加速度と
の偏差が大きい。

【００１０】そうすると、昇速制御に切り替わった直後
に、この偏差を最小にしようとする制御動作により燃料
調節弁が大きく開いてしまうことになる。このため、燃
料調節弁から燃焼器への過剰な燃料の供給が行われ、着
火直後にガスタービン装置、特に燃焼器の温度が急激に
高温となってしまうという問題が生じている（図４の排
気温度参照）。そして、この問題は、図３に示す起動方
法を採用した場合にも同様に起きている。

【００１１】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たもので、様々な条件下にあっても確実に混合気を着火
させることを可能として起動の信頼性を向上させ、さら
に、着火直後のガスタービン装置の温度上昇を抑えるこ
とを可能にしたガスタービン装置およびその起動方法を
提供することを目的とする。

【００１２】

【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、本発明は、タービンに連結されたモータによ
り前記タービンを回転駆動するとともに、前記タービン
に連動する空気圧縮機により空気を燃焼器に圧送し、前
記タービンが所定の回転数に達したところで前記燃焼器
に燃料の供給を開始するとともに、前記燃焼器において
燃料と空気との混合気への着火動作を開始し、少なくと
も前記燃焼器において混合気の着火動作が行われている
間は、前記タービンの回転数を上昇させるとともに前記
燃焼器への燃料の供給量を増加させることを特徴とす
る。

【００１３】また、本発明は、タービンを回転駆動する
モータと、前記モータの回転数を制御するモータ制御部
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、前記タービンに連動して前記燃焼器に
空気を圧送する空気圧縮機と、前記燃焼器への燃料の供
給量を調節する燃料調節弁とを備えたガスタービン装置
において、少なくとも前記燃焼器において混合気への着
火動作が行われている間は、前記モータ制御部により前
記モータを介して前記タービンの回転数を上昇させると
ともに前記燃料調節弁を介して前記燃焼器への燃料の供
給量を増加させることを特徴とする。

【００１４】本発明によれば、着火条件の変動に空燃比
を追従させることができるため、確実に着火させること
が可能となる。また、着火した時点ではタービンがある
程度加速しているため、着火時のタービンの加速度と目
標加速度との偏差が少なくなる。したがって、着火して
昇速制御に切り替わった直後の燃料の過剰供給を防止す
ることができ、これにより、着火直後にガスタービン装
置の温度が上昇してしまうことを防止することが可能と
なる。

【００１５】

【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。

【００１６】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、タービン１に燃焼ガ
スを供給する燃焼器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、タービン１を制御対象とするタービン
制御部１１とを備えている。

【００１７】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。

【００１８】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は開度が可変に構成され、この
開度を操作されることで燃焼器２への燃料の供給量が調
節されるようになっている。なお、タービン制御部１１
は、タービン１の加速度を予め設定された目標加速度に
近づけるべく、燃料調節弁１９の開度を操作することで
タービン１を制御するようになっている。

【００１９】燃焼器２に供給された燃料および圧縮空気
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。なお、回転軸６のモ
ータ５側の軸端付近には、タービン１の回転数を検出す
る回転数検出部１２が設置されている。

【００２０】また、本実施形態に係るガスタービン装置
は、図１に示すように、回転軸６に連結されたモータ５
と、モータ５の回転数を制御するモータ制御部８とを備
えている。そして、本実施形態では、モータ５がガスタ
ービン装置の起動用モータとして機能し、このときのモ
ータ５の回転数制御はモータ制御部８により行われる。

【００２１】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の回転数、燃料調節弁の開
度、排気温度の様子を経時的に表したグラフ図である。
図２に示すように、ガスタービン装置の起動を開始する
際は、まず、モータ５に電力を供給し、モータ５により
タービン１を回転駆動する（図２点線参照）。やがて、
タービン１の回転数が着火可能な回転数（ＮＲ_１）に達
した後、モータ制御部８によりモータ５を制御してター
ビン１の回転数を徐々に上昇させる。そうすると、図１
に示すように、モータ５と空気圧縮機３とは回転軸６を
介して連動するため、このときの燃焼器２への圧縮空気
の供給量も徐々に増加することになる。

【００２２】モータ制御部８によるタービン１の回転数
の上昇開始とほぼ同時に、燃料調節弁１９を開いて燃焼
器２への燃料の供給を開始する（ｔ_１）。更に、燃焼器
２への燃料の供給開始と同時に燃料調節弁１９の開度を
徐々に大きくし、燃焼器２への燃料の供給量を増加させ
る。

【００２３】燃焼器２では圧縮空気と燃料とにより混合
気が形成され、この混合気への着火動作は燃料の燃焼器
２への供給とほぼ同時に開始される。混合気が着火する
のに好ましい空燃比は、ガスタービン装置本体の温度な
どによって変動するが、着火動作が行われている間（ｔ
_１からｔ_２までの間）は、上述したように、燃焼器２へ
の圧縮空気および燃料の供給量が増加するため、空燃比
が変動することになる。したがって、そのときの着火に
好ましい条件に符合する空燃比になったとき、混合気に
着火することになる。

【００２４】混合気の着火動作が完了した後は、燃焼ガ
スがタービン１に供給され、燃焼ガスにより駆動力を得
てタービン１が昇速する。燃焼ガスによるタービン１の
回転駆動が開始された後（ｔ_２以降）は、タービン制御
部１１による昇速制御に切り替わる。なお、燃焼器２に
おいて混合気への着火動作が完了したか否かの確認は、
配管に設けられた排気温度測定器１７により排気温度を
測定することで行われる。

【００２５】ここで、昇速制御に切り替わった直後は、
図２に示すように、既にモータ５により駆動されてター
ビン１はある程度加速しているため、このときのタービ
ン１の加速度と目標加速度との偏差はあまり大きくな
い。したがって、図２に示すように、タービン１の加速
度を目標加速度に近づけるために燃料調節弁１９の開度
が過剰に大きく開くことはなく、その結果、燃焼器２へ
の過剰な燃料の供給が防止され、着火直後のガスタービ
ン装置が高温となることを防止することが可能となる。

【００２６】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。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
着火条件の変動に空燃比を追従させることができるた
め、確実に着火させることが可能となる。また、着火し
た時点ではタービンがある程度加速しているため、着火
時のタービンの加速度と目標加速度との偏差が少なくな
る。したがって、着火して昇速制御に切り替わった直後
の燃料の過剰供給を防止することができ、これにより、
着火直後にガスタービン装置の温度が上昇してしまうこ
とを防止す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】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の
起動時におけるタービンの回転数、燃料調節弁の開度、
排気温度の様子を経時的に表したグラフ図である。

【図３】従来のガスタービン装置の起動時におけるター
ビンの回転数、燃料調節弁の開度、排気温度の様子を経
時的に表したグラフ図である。

【図４】従来の他のガスタービン装置の起動時における
タービンの回転数、燃料調節弁の開度、排気温度の様子
を経時的に表したグラフ図である。

【符号の説明】

１タービン２燃焼器３空気圧縮機５モータ６回転軸７配管８モータ制御部１１タービン制御部１２回転数検出部１７排気温度測定器１９燃料調節弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮本政博東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者片岡匡史東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者古谷泰東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タービンに連結されたモータにより前記
タービンを回転駆動するとともに、前記タービンに連動
する空気圧縮機により空気を燃焼器に圧送し、前記ター
ビンが所定の回転数に達したところで前記燃焼器に燃料
の供給を開始するとともに、前記燃焼器において燃料と
空気との混合気への着火動作を開始し、少なくとも前記
燃焼器において混合気の着火動作が行われている間は、
前記タービンの回転数を上昇させるとともに前記燃焼器
への燃料の供給量を増加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】タービンを回転駆動するモータと、前記
モータの回転数を制御するモータ制御部と、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、前記タービンに連動して前記燃焼器に空気を圧送す
る空気圧縮機と、前記燃焼器への燃料の供給量を調節す
る燃料調節弁とを備えたガスタービン装置において、少なくとも前記燃焼器において混合気への着火動作が行
われている間は、前記モータ制御部により前記モータを
介して前記タービンの回転数を上昇させるとともに前記
燃料調節弁を介して前記燃焼器への燃料の供給量を増加
させることを特徴とするガスタービン装置。