JPH0583744B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、特に炭鉱や製鉄所等の事業所の自家
発電設備で、蒸気タービン発電機とガスタービン
発電機とを組み合わせ、急激な負荷増減に対し
て、ガスタービンの燃焼器やガスタービンに急激
な温度変化を発生させないようにしたガスタービ
ン装置の制御方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

通常、炭鉱、製鉄所等の事業所においては、自
家発電設備を有している。このような事業所で
は、電力及び蒸気は自家発電設備で発生したもの
を用い、特に電力については、電力会社からの購
入電力と、自家発電設備で発生した電力とでまか
なつている。ところで、ガスタービン発電機は天
然ガスを用いて燃焼器で燃焼発生される高温ガス
によりガスタービン発電機を回転させている。

ガスタービン発電機負荷の増大により燃焼器に
供給される天然ガスの増加で燃焼器が高温になつ
てしまい、燃焼器の供給される燃焼ガス量を制御
する必要があり、かつ燃焼器を冷却するためにガ
スタービン発電機の高温ガスの排熱を利用する排
熱回収ボイラと蒸気と、蒸気タービン発電機から
の蒸気とを用いて冷却する必要がある。

しかし、蒸気タービン発電機からの蒸気量を減
らすと、自家発電電力を下げることになつて電力
会社からの購入電力が増える。一般には、購入電
力は電力会社と最大電力契約値が決められてお
り、その最大電力契約値を超えた場合には、割増
料金を支払わなければならないので、安易に蒸気
タービン発電機の蒸気量を減らすことは好ましく
ない。又蒸気流量の大小によりガスタービンの燃
焼器の燃焼効果が落ちることになる。

一般にガスタービン発電機系統は、第３図に示
すように、吸気ダクト１、空気圧縮機２、燃焼器
３、ガスタービン４、調速器５、排熱回収ボイラ
６、蒸気タービン発電機７、ガス燃料８、ガスタ
ービン制御油圧制御装置９、高温ガス管１０、排
気ダクト１１、ガスタービン発電機１２、燃料制
御弁１３、第１のバルブ１４、第２のバルブ１５
で構成されている。

このガスタービン発電機系統図において、作動
流体である空気は、大気より吸気ダクト１を通り
空気圧縮機２に吸収され、そこで圧縮された後に
燃焼器３に送られる。燃焼器３ではこの圧縮され
た空気の一部が燃料用空気となつてガス燃料８と
反応する。すなわち、ガス燃料８は調速機５の開
度の増減の条件をうけて開度が制御されることか
らガスタービン制御油圧制御装置９を介して燃焼
器３に供給され、こゝで圧縮された空気と反応し
た作動流体の空気が加熱され、燃焼排熱ガスと混
合して高温ガスとなる。この高温ガスは高温ガス
管１０を通つてガスタービン４に入り、ガスター
ビン発電機１２を駆動し、そこで膨張したあと、
排気ダクトを通つて排熱回収ボイラ６（以下
HRSGと略す）を通して蒸気を作り、該HRSG
６にて発生する噴射蒸気により燃焼器３の温度制
御を行なう。

ガス燃料８の供給により、ガスタービン４の出
力増大に比例して、ガス燃料８が増大して燃焼器
３が高温になり、該燃焼器８の温度制御を行なう
のに、HRSG６の噴射蒸気量が許容量以上の蒸
気を必要とする場合、蒸気タービン発電機７の抽
気ラインからの第１のバルブ１４を開閉して噴射
蒸気量を制御し、第１のバルブ１４での蒸気量が
不足している場合、製造設備ラインの第２のバル
ブ１５を閉して燃焼器３の温度制御を行なう。

そして、前記ガスタービン４で膨張する際に発
生するガスタービン４の出力から空気圧縮機２で
圧縮するために、必要な圧縮機入力を差し引いた
動力が発電機１２を駆動する。発電機１２が、一
定の速度で動作し自家発電設備の事業所の負荷の
増減のある場合、ガスタービン４の出力制御は回
転速度を一定に制御する調速機５からの制御信号
により、ガスタービン制御油圧制御装置９を介し
て、ガス燃料１０の燃料制御弁１３の開度を制御
し、ガス燃料供給ライン１４を通つて燃焼器３に
供給するガス燃料１０の量を調整する。一方、ガ
スタービン４において、回転速度一定の場合の空
気圧縮機２とガスタービン４の圧力と流量の特性
は第４図に示すグラフで表わされる。

ガスタービン４の入口ガス温度即ち燃焼器３の
出口温度がT₁の場合、T₁に対するガスタービン
４側の特性曲線はY₁となつて流量と圧力は比例
状態となり、空気圧縮機２側の流量−圧力特性は
Y₃のような特性曲線であり、圧力が変化しても
流量はほとんど変化しない特性である。該ガスタ
ービン４の入口ガス温度T₁に対する特性曲線Y₁
と空気圧縮機２側の特性曲線Y₃との交点をＡ点
とすると、Ａ点に対応して流量R_A、圧力P_Aにな
る。

又ガスタービン４の入口ガス温度即ち燃焼器３
の出口温度がT₂になるとガスタービン４側の特
性曲線はY₂となり空気圧縮機２側の特性曲線の
交点はＢ点になり、圧力はP_AからP_Bに上昇する
が、流量R_Bは、前記Ａ点に対応するR_Aとほとん
ど変化がない。この圧力と流量の特性からガスタ
ービン４の空気流量はガスタービン４が一定回転
数で運転している場合一定であるが、ガスタービ
ン４の出力制御のために燃料流量を変化させると
ガスタービン入口ガス温度がそれに応じて変化す
る。ガスタービン入口ガス温度が変化すると、燃
焼器３の内壁面や、タービンの動翼、静翼、ロー
タ、ケーシング等の高温部の各部品の温度が変化
し、熱応力が発生する。

燃焼器３内の温度変化が大きいと発生する熱応
力も大きく、温度変化がくり返しと続くと熱疲労
も大きくなり、高温部品の寿命は著しく短縮さ
れ、急速かつ大幅な負荷変動が頻繁に生ずるよう
な負荷に対してはガスタービン発電機は適用でき
なくなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、急速かつ大幅な負荷変動が頻
繁に生ずるような負荷に対するガスタービン発電
機を適用可能とするため、又急速な負荷変動或い
は大幅な負荷変動時においても、ガスタービン発
電機入口ガス温度変化速度及び変化幅を小さくす
るよう運転するガスタービン装置の制御方法を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明によるガスタービン装置の制御方法は、
空気を圧縮して燃焼器に送りこの燃焼器で圧縮空
気の中に燃料を噴射して高温ガスを作りこの高温
ガスでガスタービンを駆動するガスタービン系
と、ガスタービンから排出された排気を排熱回収
ボイラに送つて蒸気を作る排熱回収ボイラ系と、
この排熱回収ボイラで発生した蒸気を駆動力とす
る蒸気タービン系および所内蒸気ライン系とを具
備するガスタービン装置において、前記排熱回収
ボイラの噴射蒸気を燃焼器の温度制御に使用し、
前記燃焼器に流入する燃料ガス量および空気量と
燃焼器の温度制御のために流入する蒸気量とを同
時に制御することにより、ガスタービンの負荷の
増減に応じてガス温度の変化幅、温度変化率を許
容値以内に抑えるよう追従制御を行なわせること
を特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明を第１図および第２図に示す実施例
について説明する。なお、第１図および第２図に
おいて第３図と同一部分については同一符号を付
してその説明を省略する。第１図において空気圧
縮機２と燃焼器３とを結ぶ導管３０に放風ライン
３１が接続されている。該放風ライン３１には放
風制御装置１６によつて制御される放風制御弁１
５が接続され、放風ライン３１を経て排出される
空気量を調節する。

このガスタービン発電機系統図において、調速
機５の調速機開度信号７０−１と、調速機５を増
減する増減信号Ｙと、第１のバルブ１４を開閉す
る信号V_B-1がガスタービン制御装置１７により
制御される。該第１のバルブの開閉制御信号
V_B-1と、第２のバルブ１５を開閉する開閉制御
信号V_B-2と、放風制御装置１６を制御する放風
制御装置開閉信号Ｚと、燃焼器３からの高温ガス
管１０を経て排出されるガスタービン入口温度検
出器TDからのガスタービン入口温度信号Ｔ−１
と、ガスタービン制御油圧制御装置９を制御する
ガスタービン制御油圧信号９−１とが、ガスター
ビン制御装置１７により制御し、燃焼器３に流入
する電気量と燃料量とを同時に制御する。

即ちガスタービン４の負荷の発電機１２が急速
な負荷減少になると調速機５が作動し、該調速機
５が負荷の変化量に応じた作動量に応じてガスタ
ービン制御油圧信号９−１が急速に減少する。そ
れにより制御装置１７からガス燃料制御変化率に
より放風制御装置１６へ放風制御弁１５を開放す
る増減信号Ｚを出し、空気圧縮機２からの吐出空
気の一部が該放風制御弁１５を開放することによ
り、大気中に放出されて燃焼器３に流入する空気
量が減りガスタービン４の出力が低下する。

したがつてガスタービン４の負荷の変動に応じ
て燃料供給量の急激な減少が防止され、ガスター
ビン入口温度変化は許容変化の偏差内に制御され
る。しかし放風制御弁１５を開状態のまま運転す
ることはガスタービン４の効率を低下させるの
で、ガスタービン入口温度検出器TDのガスター
ビン入口温度信号Ｔ−１に応じて放風制御装置１
６に放風制御装置開閉信号Ｚにより放風制御弁１
５を徐々に閉じ、放風量を減少して全閉するよう
ガスタービン制御装置１７から信号を発する。

第２図はガスタービン制御装置１７のブロツク
図である。信号入力部１７−１は調速機５の調速
機開度信号７０−１を入力し、該調速機開度信号
７０−１をガス燃料供給量に換算した信号Ｓがガ
ス燃料供給判断部１８へ入力する。ガス燃料供給
判断部１８にて調速機開度信号７０−１に応じた
信号Ｑが調速機モータ動作指令出力部２３に与え
られ、該信号量に応じて調速機モータ５を増減す
る信号Ｙを出力することによりガスタービン制御
油圧制御装置９を制御し、燃料制御弁１３を開閉
して燃焼器３のガス燃料８の流量を制御する。

更にガス燃料供給判断部１８にて判断されたガ
ス供給量信号Ｔにより温度判断部１９に入力す
る。該温度判断部１９にて、ガスタービン発電機
入口温度信号Ｔ−１を入力し、ガスタービン発電
機入口温度信号Ｔ−１とガス供給量信号Ｔによる
燃焼器３内の温度との演算を行なう。該比較演算
の偏差量に応じた各々の偏差信号Ｖ，Ｕが選択判
断部２０と放風制御指令部２５に入力する。

選択判断部２０においては、燃焼器３の設定温
度との比較演算を行ない、該比較演算の偏差量に
応じて、第２のバルブ１５の開度出力指令を第２
のバルブ開度出力部２２に与え、第２のバルブ１
５へ比較演算の偏差量に応じた開閉制御信号
V_B-2を出力する。第２のバルブ１５に出力され
た第２のバルブ開度出力部２２からの第２のバル
ブ開・閉制御信号V_B-2により、燃焼器３の規定
温度以上に高い場合に第２のバルブ１５により開
閉制御信号V_B-2を出力し、HRSG６の蒸気噴射
量により燃焼器３内の温度制御を行なう。

上記の制御の第２のバルブの開制御信号により
ガスタービン入口温度検出器TDからの入口温度
を検出したガスタービン発電機入口温度信号Ｔ−
１は、入口温度変化を検出してガスタービン制御
装置１７に入力される。このガスタービン発電機
入口温度信号Ｔ−１は、温度判断部１９に入力
し、燃料供給判断部１８での燃料による温度上昇
の偏差量に応じて演算した信号をレベル変換した
ガス供給量信号Ｔと演算され、その結果を選択判
断部２０にて第２のバルブ１５の開度制御指令方
向が決定される。

第２のバルブ１５の開度指令により、燃焼器３
への供給噴射蒸気量が決定される。このとき
HRSG６からの噴射蒸気量がHRSG６の許容量
以上になり、ガスタービン４の入口温度検出器
TDのガスタービン発電機入口温度信号Ｔ−１に
より、燃焼器３内の温度が規定温度以下に降下し
ないと温度判断部１９で判断されると、選択判断
部２０にて第１のバルブ１４の開度出力指令Ｗが
第１のバルブ開度出力部２１に印加される。該第
１のバルブ開度出力部２１より開度制御信号
V_B-1が出力され、第１のバルブ１４の開閉の制
御により蒸気タービン発電機７の抽気ラインから
噴射蒸気を供給するよう第１のバルブ１４の開制
御指令を出し、常に燃焼器３を規定温度に保持す
るよう制御を行なう。

更にガスタービン４の負荷が急速な減少になる
と調速機５が急速に動作することにより調速機信
号７０−１の増・減信号が入力され、ガス燃料制
御変化率により放風制御指令部２５へ変化率に応
じた信号Ｕが印加され、放風制御弁へ増減信号Ｚ
を出し、空気圧縮機２からの吐出空気の制御を行
なう。

更に調速機信号７０−１の増減信号によりガス
燃料供給判断部１８にて供給燃料制御を行なう信
号XZがガスタービン制御油圧指令部２６に印加
しガスタービン制御油圧制御装置９の燃料制御信
号XYを出力し、燃料制御弁を制御する。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、燃焼機に流入す
る燃料量と蒸気量及び空気量とを同時に制御する
ので、ガスタービン入口ガス温度変化幅ならびに
温度変化率を許容変化幅内に抑えて、高温部品に
過大な熱応力を発生することを防止することがで
きる。又本発明は突変的で大きな負荷の変化に対
し安全に追従制御を行なわしめることができる。
更に、負荷変化に対し容易に応従制御ができるた
め、電力会社との契約電力量を気にすることな
く、負荷に対し大きな容量の原動機の設備の必要
性も経済的な運用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービン装置の制御
方法を適用するガスタービン発電機の系統図、第
２図は本発明に使用するガスタービン装置制御装
置のブロツク図、第３図は従来のガスタービン発
電機の系統図、第４図は従来の空気圧縮機とガス
タービンとの圧力と流量の特性図である。 １……吸気ダクト、２……空気圧縮機、３……
燃焼器、４……ガスタービン、５……調速機、６
……排熱回収ボイラ、７……蒸気タービン発電
機、８……ガス燃料、９……ガスタービン制御油
圧制御装置、１０……高温ガス配管、１１……排
気ダクト、１３……燃料制御弁、１４……第１の
バルブ、１５……放風制御弁、１６……放風制御
装置、１７……ガスタービン制御装置、１８……
ガス燃料供給判断部、１９……温度判断部、２０
……選択判断部、２１……第１のバルブ開度出力
部、２２……第２のバルブ開度出力部、２３……
調速機モータ動作指令出力部、２５……放風制御
指令部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 空気を圧縮して燃焼器に送りこの燃焼器で圧
   縮空気の中に燃料を噴射して高温ガスを作りこの
   高温ガスでガスタービンを駆動するガスタービン
   系と、ガスタービンから排出された排気を排熱回
   収ボイラに送つて蒸気を作る排熱回収ボイラ系
   と、この排熱回収ボイラで発生した蒸気を駆動力
   とする蒸気タービン系および所内蒸気ライン系と
   を具備するガスタービン装置において、前記排熱
   回収ボイラの噴射蒸気を燃焼器の温度制御に使用
   し、前記燃焼器に流入する燃料ガス量および空気
   量と燃焼器の温度制御のために流入する蒸気量と
   を同時に制御することにより、ガスタービンの負
   荷の増減に応じてガス温度の変化幅、温度変化率
   を許容値以内に抑えるよう追従制御を行なわせる
   ことを特徴とするガスタービン装置の制御方法。