JP3960814B2

JP3960814B2 - ガスタービン装置

Info

Publication number: JP3960814B2
Application number: JP2002032702A
Authority: JP
Inventors: テレンスマッケルヴィ; 英史丸井; 政博宮本; 泰古谷; 匡史片岡
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: JP2003232231A

Description

【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、運転中のガスタービンエンジンが所定の上限速度以上となり、過速度トリップを起こすことを防止するための制御技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、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、空気を圧縮する空気圧縮機とを備えている。
【０００３】
上述の構成において、燃料調整弁により調整された燃料および空気圧縮機により圧縮された空気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。そして、燃焼器において混合気を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、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。回転軸の一端には発電機が取り付けられており、回転軸を介してタービンにより発電機を駆動することで発電が行われる。
【０００４】
このようなガスタービン装置においては、燃料調節弁の弁開度の制御により、起動制御あるいは定速運転制御等の各種の運転制御が行われる。例えば発電電力の供給に際しては、所定の定格速度で運転しつつ、負荷状態に対応して燃料調節弁の弁開度が調整され、これにより燃料の燃焼エネルギー量に見合った発電電力が供給される。すなわち、発電電力の供給量が大きい場合には、燃料調節弁の弁開度が大きくなり、逆に発電電力量が小さい場合には燃料調節弁の弁開度が小さくなるように制御され、これによりガスタービンの回転速度が略一定に保たれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記一定の速度で運転中に突然エンジンの負荷が軽くなる場合がある。このような場合にはガスタービンの回転速度が上昇し、上昇の程度によっては上限速度に到達し、過速度トリップが作動しエンジンの運転を停止する場合がある。一端、過速度トリップが生じると、エンジン内部の点検等を行う必要があり、ガスタービン装置の運転に大きな支障をきたす。
【０００６】
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、運転中のガスタービンが所定の上限速度以上の速度となり、過速度トリップを起こすことを確実に防止することができるガスタービン装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【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、本発明のガスタービン装置は、空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンにおいて、その制御装置に、前記ガスタービンの回転速度と加速度とを軸とした座標系を設け、該座標系に、前記ガスタービンの回転速度が大きくなるにつれて加速度が小さくなる境界線を設定し、該境界線よりも加速度が大きい領域を、前記ガスタービンエンジンが過速度トリップを起こす可能性が高い領域として設定し、運転中のガスタービンの回転速度および加速度が前記領域に入ると、燃料の供給を停止するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のガスタービン装置の制御方法は、ガスタービンの回転速度と加速度とを軸とした座標系を設け、該座標系に、前記ガスタービンの回転速度が大きくなるにつれて加速度が小さくなる境界線を設定し、該境界線よりも加速度が大きい領域を、前記ガスタービンエンジンが過速度トリップを起こす可能性が高い領域として設定し、運転中の前記ガスタービンの回転速度および加速度を監視し、前記回転速度および前記加速度が前記領域に到達すると、前記エンジンへの燃料の供給を停止することを特徴とする。
【０００９】
このように構成された本発明によれば、運転中の回転速度と加速度の組み合わせから、過速度トリップを予測することができ、これにより燃料の供給を遮断することで過速度トリップを完全に防止することができる。すなわち、例えば定格速度で運転中に、所定値以上の加速度が存在すると回転速度のオーバシュートによりトリップ速度に到達することが予測できる。従って、その時点で燃料の供給を遮断することで、ガスタービンの回転速度を急速に低下に向かわせることが可能である。これにより、確実に過速度トリップを防止することができる。
【００１０】
【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、本実施形態のガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【００１１】
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に回転駆動されて回転する発電機５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８と、燃焼器２に圧縮空気を供給する空気圧縮機３と、タービン１に供給された後の燃焼ガスの熱を利用して圧縮空気を加温する再生熱交換器４と、タービン１を制御対象とする制御装置１０とを備えている。
【００１２】
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、ケーシング（図示せず）に収納され、回転軸６を介して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。なお、配管７の途中には再生熱交換器４が設置されており、空気圧縮機を出た圧縮空気は、再生熱交換器４により加温された後、燃焼器２に供給されるようになっている。
【００１３】
燃料調節弁８は、燃焼器２の上流側に配置され、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８を通過した後、燃焼器２に供給される。燃料調節弁８は、弁の開度が可変に構成され、この弁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。また、燃料遮断弁９を備え、エンジンの緊急停止が必要な場合には、即座に燃料遮断弁９を閉じて、燃料の供給を遮断することができるようになっている。
【００１４】
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する。燃焼器２にて図示しない着火プラグにより混合気が着火されて高温・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。
回転軸６の端部には発電機５が接続されており、回転軸６を介してタービン１により発電機５が高速で回転駆動されることで発電が行われる。
【００１５】
このガスタービン装置には、各種のセンサを備えており、これらの信号に基づいて制御装置１０が燃料調節弁８の弁開度の制御等を行う。回転センサ１２は、回転軸の速度を検出し、定速運転時にはこの回転速度が一定となるように燃料調節弁の弁開度がフィードバック制御される。また、ガスタービン装置の起動時においては、検出された回転速度を微分した加速度が所定値となるように、同様に燃料調節弁の弁開度がフィードバック制御される。ガスタービンの燃焼ガスの排出部にはＥＧＴ（Exhaust Gas Temperature）センサ１３を備え、タービンより排出される燃焼排ガスの温度を計測する。そして、この温度が過度に上昇しないように燃料調節弁８の制御がおこなわれる。
【００１６】
図２は、本発明の実施形態の制御装置を示す。この制御装置においては、第１段階の制御の選択（ＬＳＳ）として、回転速度（ＮＲ）制御２１、排ガス温度（ＥＧＴ）制御２２、加速度（ＡＣＣ）制御２３等を備え、この中から最も弁開度の低いものを選択する。また、第２段階の選択（ＨＳＳ）として、第１段階の選択の結果とその他の制御との高い方の弁開度が選択され、燃料調節弁（ＦＣＶ）に出力される。
【００１７】
また、この装置においては過速度トリップ予測演算部２７と燃料遮断弁制御２５とを備え、運転中の回転速度と加速度との関係から、ガスタービン装置が過速度トリップを起こす可能性が予測される領域に入ると、直ちに燃料遮断弁９を閉じて過速度トリップを防止するようになっている。
【００１８】
回転速度（ＮＲ）制御２１、排ガス温度（ＥＧＴ）制御２２、加速度（ＡＣＣ）制御２３は、それぞれＰＩＤ演算器によるフィードバック制御であり、センサで検出された計測値が設定値に近づく制御が行われる。回転速度（ＮＲ）制御２１は、例えば設定値が定格運転速度で、回転速度が一定となる制御である。従って、エンジンの負荷が増減すると、回転速度が増減するが、これに対応して燃料調節弁（ＦＣＶ）の弁開度が増減して燃料供給量が調整され、回転速度は設定値に戻される。即ち、エンジンの負荷が減少すると、回転速度が増加するので、設定値との差が小さくなるようにＰＩＤ演算器より燃料調節弁（ＦＣＶ）の弁開度が出力される。燃料調節弁（ＦＣＶ）の弁開度が増加すると、燃料供給量が増大し、回転速度が上昇して元の設定値の回転速度に戻される。これにより、エンジンの負荷が減少すると、回転速度がいったん増大し、その後、減少して元の速度に戻るいわゆるオーバシュートが生じる。
【００１９】
排ガス温度（ＥＧＴ）制御２２および加速度（ＡＣＣ）制御２３は、ガスタービン装置の起動時に用いられる制御であり、比較的低い速度でガスタービンをモータにより回転させておき、着火した後に定格回転速度等の所定の速度までエンジン回転速度が上昇する際に主として用いられる。排ガス温度（ＥＧＴ）制御２２は、その時に燃焼排ガス温度が所定値となるように燃料調節弁（ＦＣＶ）を調節する制御である。また、加速度（ＡＣＣ）制御２３は、その時に加速度が所定値となるように燃料調節弁（ＦＣＶ）を開いていく制御である。
【００２０】
図３は、エンジン負荷が急減したときの回転速度の変動例を示す。図中の実線は、例えば負荷が半減した状態を示す。この場合には、負荷の減少により回転速度が上昇するが、上述した回転速度（ＮＲ）制御２１が作動し、回転速度が一定値となるように燃料調節弁の弁開度が減少する。これにより燃料の供給量が減少し、一端上昇した回転速度は下向して、所要の時間が経過すると元の一定速度に戻る。この負荷急減時には、図示するように回転速度が急激に上昇し、接線Ａの傾きで示される加速度（以下、加速度Ａという）があらわれる。
【００２１】
また、エンジン負荷の急減の幅が大きく、例えば図中点線で示すように大幅に急減すると、ガスタービンの回転速度は図中点線で示すように急激に上昇する。この時の加速度Ｂは、加速度Ａよりも大きくなっている。従って、加速度Ａの時のオーバシュートの大きさａに対して、加速度Ｂの時のオーバシュートの大きさｂの方が大きくなる。
【００２２】
エンジンの上限速度を規定するトリップ速度が図中の位置に設定されていると、加速度Ｂの場合には過速度トリップが生じる。過速度トリップが生じると、発電機出力が遮断され、エンジンへの燃料の供給が停止され、ガスタービン装置の運転が強制的に停止する。さらに、ガスタービン装置の運転が停止するばかりでなく、エンジン内部の点検等の必要があり、大変手間を要することになる。従って、過速度トリップを起こすことなく、上限速度いっぱいで運転できるガスタービン装置が好ましい。
【００２３】
図４は、上述した過速度トリップを防止するための制御装置（過速度トリップ予測演算部２７）の構成例を示す。この制御装置においては、ガスタービンの回転速度と加速度とを縦横軸とした座標系を備え、ガスタービンエンジンが過速度トリップを起こすことが予測できる領域Ｋを配置し、これを図中に斜線で示している。この座標系は横軸が回転速度であり、縦軸が加速度である。図３に示すように、負荷急減時（ｔ_１）の加速度の大きさＡ，Ｂから、回転速度のオーバシュートの大きさａ，ｂが実測可能である。
【００２４】
即ち、対象となるガスタービン装置の特性および負荷特性等から、回転速度αで運転中に、トリップ速度に到達する可能性があるオーバシュートを引き起こすと予測できる加速度βが存在する。この回転速度αが大きくなると、トリップ速度に到達すると予測される加速度βは小さくなる。従って、ガスタービンの回転速度と加速度とを軸とした座標系に、ガスタービンエンジンが過速度トリップを起こす可能性が予測できる領域Ｋを、図４に示すように配置することができる。なお、この領域Ｋは多少の余裕をみて加速度βよりも広くとってある。
【００２５】
また、図４に示すように加速度がほとんどゼロでも、回転速度が徐々に上昇してトリップ速度に近接する場合がある。この場合にも、過速度トリップを起こす速度γを越える場合には、ただちに燃料の供給を停止して、エンジンの運転を一旦停止状態とする必要がある。このため、図４において過速度トリップを起こす可能性が予測できる領域は加速度がゼロである領域をも含んでいる。
【００２６】
このガスタービン装置には回転速度センサ１２を備え、回転軸の回転速度が常時監視可能であり、この回転速度を微分した加速度も常時監視が可能である。従って、例えば時刻ｔ_１において負荷の急減があると、これにより回転軸の回転速度が上昇するが、この時の回転速度および加速度の大きさから図４に示すガスタービン装置が過速度トリップを起こす可能性が予測できる領域Ｋに入るか否かを判断する。
【００２７】
この制御装置においては、燃料遮断弁９を備えている。従って、ガスタービン装置の回転速度および加速度の大きさから、図４に示すガスタービン装置が過速度トリップを起こす可能性が予測できる領域Ｋに入る場合には、燃料遮断弁制御２５により直ちに遮断弁９を閉じて燃料の供給を停止する。これにより燃焼ガスのエンジンへの供給が絶たれ、回転速度が低下を始め、過速度トリップを回避することができる。
【００２８】
図５は、この制御装置の動作例を示す。例えば定格速度で運転中のガスタービン装置が時刻ｔ_１において負荷が急減したとする。この負荷の急減の程度が小さい場合には、この時の加速度はトリップを起こす可能性の高い領域Ｋに入らず、この場合にはそのまま運転が継続され、上述した回転速度一定のＰＩＤ演算器による制御動作が行われる。負荷の急減の程度が大きく、この時に検出された加速度が過速度トリップを起こすことが予測される領域Ｋに入る場合には、この検出の時点で燃料遮断弁９が遮断され、エンジンへの燃料の供給が直ちに停止される。これにより回転速度は急激に低下し、過速度トリップを回避できる。
【００２９】
回転速度が低下し、元の回転速度（例えば定格回転速度）に戻ると、これを検出して、燃料遮断弁の遮断を解除するようにしてもよい。これにより燃料は燃料調節弁から供給され、元の回転速度一定のＰＩＤ制御が行われる。これにより負荷の急減時に過速度トリップが予測される加速度が存在しても、回転速度のオーバシュートを生じることなく、過速度トリップを起こすことなく安全に運転を継続することができる。なお、図中の点線で示すように、エンジンをそのまま停止するようにしてもよい。
【００３０】
上述した制御装置によれば、回転速度および加速度が過速度トリップを起こす可能性が予測できる領域Ｋに入る場合には、直ちに遮断弁を閉じて燃料の供給を停止するので、確実に過速度トリップを防止できる。従って、ガスタービン装置の上限速度いっぱいで運転することが可能となり、ガスタービン装置の有する能力をフルに発揮させることができる。
【００３１】
なお、本発明のガスタービン装置は、上述の図示例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。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、確実に過速度トリップを防止することができ、安定性、信頼性の高いガスタービン装置を提供することができる。
【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１における制御装置の構成例を示す図である。
【図３】回転速度のオーバシュートと加速度の関係を示す図である。
【図４】ガスタービン装置が過速度トリップを起こす可能性が予測される領域Ｋを示す図であり、横軸は回転速度を示し、縦軸は加速度を示す。
【図５】本発明のガスタービン装置の動作例を示す図である。
【符号の説明】
１タービン
２燃焼器
３空気圧縮機
４再生熱交換器
５発電機
６回転軸
７配管
８燃料調節弁
９燃料遮断弁
１０制御装置
１２回転センサ
１３ＥＧＴセンサ
２１回転速度（ＮＲ）制御
２２排ガス温度（ＥＧＴ）制御
２３加速度（ＡＣＣ）制御
２５燃料遮断弁制御
２７過速度トリップ予測演算部

Claims

空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンにおいて、
その制御装置に、前記ガスタービンの回転速度と加速度とを軸とした座標系を設け、該座標系に、前記ガスタービンの回転速度が大きくなるにつれて加速度が小さくなる境界線を設定し、該境界線よりも加速度が大きい領域を、前記ガスタービンエンジンが過速度トリップを起こす可能性が高い領域として設定し、運転中のガスタービンの回転速度および加速度が前記領域に入ると、燃料の供給を停止するようにしたことを特徴とするガスタービン装置。
前記ガスタービンエンジンが過速度トリップを起こす可能性が高い領域は、前記ガスタービンの回転速度と加速度との関係から、オーバシュートにより回転速度がトリップ速度を超えることが予測される領域であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。
空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンにおいて、
前記ガスタービンの回転速度と加速度とを軸とした座標系を設け、該座標系に、前記ガスタービンの回転速度が大きくなるにつれて加速度が小さくなる境界線を設定し、該境界線よりも加速度が大きい領域を、前記ガスタービンエンジンが過速度トリップを起こす可能性が高い領域として設定し、運転中の前記ガスタービンの回転速度および加速度を監視し、前記回転速度および前記加速度が前記領域に到達すると、前記エンジンへの燃料の供給を停止することを特徴とするガスタービン装置の制御方法。