JPH0670380B2 - 燃焼タービンの燃料流量調整方法及び装置、着火温度超過阻止方法及び装置、並びに制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、燃焼タービンに関し、特に、このような燃焼
タービンを使用している発電プラントにおいてタービン
の燃料過給又は過度の“燃焼もしくは着火温度”（firi
ng temperature）状態を阻止するための方法及び装置に
関するものである。

また、本発明は、次の米国特許、即ち米国特許第3,866,
108号、米国特許第3,875,380号、米国特許第3,919,623
号、米国特許第4,283,634号、米国特許第4,308,463号、
米国特許第4,380,146号に関連している。尚、これ等の
米国特許は、それぞれ、本出願人に譲渡されているもの
であり、その内容は参考のために本明細書に援用する。

従来技術の説明 燃焼タービン（ガスタービンとしても知られている）
は、その“燃焼もしくは着火温度”（firing temperatu
re）が、タービンの内部構成部品の設計限界を超えると
損傷を受け得る。タービン内部には、考慮しなければな
らない多くの異なった温度がある。例えば、単一の燃焼
器バスケットからの火炎の中心にある箇所における温度
は、一般に、“火炎温度”と称されている。しかし、こ
の火炎温度は、タービンの敏感な構成要素が露出される
実際の温度を表さないので、タービン制御方式において
は殆ど無価値である。

燃焼タービンの分野においては、燃焼タービンのタービ
ン要素の出口における平均温度を表すのに、“翼通路温
度”（blade path temperature）も一般に知られてい
る。即ち、個々の燃焼器バスケットの各々から排出され
たガスがタービン要素内の最終翼列を通過した後に、か
かるガスの翼通路温度の検知を行うために、殆どの場
合、高い応答性を有する複数個の熱電対がタービン要素
の出口を取り囲んで対称的に配設されている。このよう
な翼通路温度の監視は、タービンの任意の燃焼器バスケ
ットにおける問題を検出する上では有用であるが、この
ような翼通路温度は、タービンの敏感な構成要素を過度
の“燃焼温度”から保護する上で信頼性が非常に高いわ
けではない。

燃焼タービンの分野で一般に知られている意味として、
タービンの“燃焼温度”とは、タービン要素内の最初の
翼列がさらされる温度を意味する。慣用のタービン要素
は、複数個のディスク組立体を形成するようにディスク
に装着された高温合金動翼を備えている。各動翼の根元
は、タービンの圧縮機部の出口から抽気されて周知の仕
方で冷却系を通される空気によって冷却される。また、
冷却空気は、ユニットの運転負荷範囲に亙り比較的一定
の低金属温度を与えるように各タービンディスク上をも
通る。

従って、容易に理解されるように、上に述べた“翼通路
温度”は、“燃焼温度”よりも比較的に低い。と言うの
は、この燃焼温度が検出される箇所（即ち、最初の翼
列）は、上に述べた冷却手段が存在するために、翼通路
温度が検出される箇所（即ち、最後の翼列）ほど低くな
らないからである。

一般に用いられ且つ本明細書でも使用されている術語で
ある“燃焼もしくは着火温度”（firing temperatur
e）”は、タービン要素内の最初の翼列における燃焼ガ
スの温度を意味するが、この温度は時として、単サイク
ルタービンでは“サイクル温度（cycle temperatur
e）”とも称されている。しかし、複合サイクルタービ
ンでは、術語“サイクル温度”は、燃焼タービンの排気
スタックもしくは排気筒内の良く混合されたガスの温度
を意味する場合もある。

従って、本明細書において、“燃焼もしくは着火温度”
を使用しても、或は術語“サイクル温度”を使用して
も、これ等の術語は、タービン要素内の最初の翼列にお
ける燃焼ガスの温度を意味するものと理解されたい。タ
ービンの敏感な構成要素を保護するという問題を考察す
るに当たって、この箇所の温度が最も重要になる。

タービンの“燃料過給（overfueling）”の状態の結果
として、過度の燃焼（又はサイクル）温度が生起し得
る。このような燃料過給状態中には、タービンの燃焼部
内の燃料／空気率は、制御しないで放置したとすると、
敏感な構成要素を損傷するレベルにまで増加する。しか
し、燃焼温度は、タービンに対する燃料流量及び空気流
量を、その結果として生ずる燃料／空気比が不適切にな
らないように調整することによって制御することが可能
である。

特に、タービンの加速期間中又は他のタービン過渡状態
中に、燃料流量か或は空気流量を調整することにより燃
料／空気比を制御する種々の方式が提案されている。例
えば米国特許第3,232,053号明細書には、圧縮機空気入
口温度、圧力及び圧縮機速度というパラメータを基にし
て燃料流量を制御するジェットエンジンのような燃焼機
関のための燃料供給／出力制御装置が開示されている。
燃料流量は、一対の三次元のカム面により調整され、燃
料流量を制御するための特定のカム面の選択は、エンジ
ンが調速モード（即ち、“定常状態”）にあるか又は加
速モード（即ち、“過渡状態”）にあるかどうかに依存
して行われる。

上記米国特許第3,232,053号明細書に開示されている各
カム面は、所定の燃料供給計画を実現するように特殊な
輪郭を与えられている。カム面のうちの１つに乗るカム
従動子は、計量弁を介してエンジンに対する燃料を加速
する。所定のカム面が選択された後に、圧縮機速度及び
圧縮機入口空気温度パラメータが検知されて、カム面上
の異なつた所定点（即ち、異なった燃料供給計画に対応
する点）がカム従動子に当接するようにカム面の回転及
び軸方向運動を生ぜしめる電気機械的信号を発生するの
に用いられる。しかる後に、検知された圧縮機速度及び
入口空気温度に依存して、特定の燃料流量が用いられ
る。しかし、容易に理解されるように、このようなシス
テムにおける主たる問題は、その機械的複雑性にある。

他の公知の制御システムとしては、米国特許第3,938,32
1号明細書に開示されているものがある。即ち、この米
国特許明細書には、燃料の供給と動力タービンノズルの
設定角とを制御するために、エンジン入口空気温度、ガ
ス発生器速度及びタービン入口空気温度というパラメー
タを用いるガスタービン制御が開示してある。また、米
国特許第4,041,694号明細書には、所望の温度に達する
まで、タービンに対する空気流量及び燃料流量を制御す
ることにより、ガスタービン機関の燃焼器の“局所火炎
温度（local flame temperature）”を調整する燃焼温
度制御が開示してある。上記米国特許第3,938,321号明
細書によれば、特定のバーナの火炎領域において検知さ
れた温度に依存し、該特定のバーナに供給される空気及
び燃料が加減される。

しかし、上述の２つのシステムもしくは方式に共通する
問題として“火炎温度”（この術語の意味は、上に定義
した通りである）か、又はタービン要素に流入するガス
の温度のいずれかを測定することが要求される点であ
る。このような測定は困難で、屡々測定中の温度の不均
等性（即ち、異なった入口或は内部箇所で測定される温
度が異なつた結果を生ずる）に起因し不正確になる。

本発明に関連する上述の米国特許のうちの代表的な米国
特許である米国特許第3,866,108号明細書に記載されて
いる発明は、ガスタービン発電プラントのようなガスタ
ービン装置ためのディジタルコンピュータベースの制御
方式に向けられている。

温度、圧力、速度、振動及び電圧のようなガスタービン
の異なった運転パラメータを表す複数個のコンピュータ
入力信号がディジタルコンピュータにより処理されて、
ガスタービンの総合運転状態を制御するのに用いられて
いる。特に、燃料要求信号となる“制御信号出力”（CS
Oとも略称する）を発生するのに速度が用いられてい
る。そして、このCSOは、タービンに対する燃料流量、
従ってその“燃焼温度”を調整するのに用いられる。

発生されたCSOは、燃料要求に対する高レベル限界信号
及び低レベル限界信号と比較され、発生されたCSOがこ
れ等の限界内に入る場合には、該CSOがタービンに対す
る燃料の供給を制御するのに利用される。低レベル限界
信号は、タービンの運転中、“火炎消失”状態が生ずる
のを阻止するために最小量の燃料が連続して供給される
ように固定的に設定される。他方、高レベル限界信号
は、特定のプロセス変数（即ち、タービン速度、プラン
トのメガワット出力、燃焼器筒圧力、タービン排気温
度）に基づいて、設計限界が超えられないようにコンピ
ュータで発生される。

上述した米国特許第3,866,108号明細書に記載の制御方
式の欠点の１つは、やはり、周囲環境が原因で測定が極
めて困難であり、しかも測定される温度が均等でないと
いう点にある。また、この制御方式と関連する別の問題
としては、測定装置（例えば熱電対）を用いる他の方式
と同様に、この種の温度測定装置の時定数が、燃料流量
の迅速な増加を阻止し、システムの総合能力を低下する
ことが挙げられる。また、この制御方式は、潜在的に危
険であるタービン内の領域に温度及び圧力測定装置を設
置しなければならないという問題をも抱えている。この
ような装置では、システム全体により提供されるべき保
護が行われず、実質的に保護がなされない場合が起こり
得る。

以上に鑑み、発生メガワット出力に対し負荷制限もしく
は限界を与えることにより、燃焼タービンにおける過度
の燃焼（又はサイクル）温度を阻止することができ、し
かもタービン排気温度や燃焼器筒圧力の複雑な測定に依
拠しない方式に対する必要性が存在する。

発明の概要 本発明の１つの目的は、燃料過給状態を阻止する燃焼タ
ービンのための方法及び装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、燃焼タービンを過度の燃焼もしく
はサイクル温度から保護する燃焼タービンのための方法
及び装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、圧縮機入口案内羽根の位置及
び圧縮機吸込ガス（通常は空気）の温度を監視すること
により、燃焼タービンにおける燃料過給を阻止する燃焼
タービンのための方法及び装置を提供することにある。

本発明のなお更に他の目的は、監視された入口案内羽根
位置及び圧縮機入口空気温度の関数である発電メガワッ
ト出力に対し、負荷限界（制限）を与えることにより過
度の燃焼もしくはサイクル温度を阻止する燃焼タービン
のための方法及び装置を提供することにある。

概略的に述べると、本発明の上述の目的及び他の目的
は、圧縮機入口空気温度、圧縮機入口案内羽根位置及び
タービン発電機の電気負荷出力を検知するためのコンピ
ュータ並びに関連の測定及び制御手段を含む慣用の燃焼
タービン発電機において、タービンに対する燃料過給及
びその結果生ずる過度の燃焼温度を阻止するように、発
電機による電気負荷を制御するタービンに対する燃料流
量を設定するための手段により達成される。

本発明の１つの重要な側面によれば、燃料流量を調整す
ることによりタービンにおける過度の燃焼温度を阻止す
る方法は、（１）圧縮機入口空気温度、圧縮機入口案内
羽根位置及び最大（定格）負荷時の着火温度に対応する
発生メガワット負荷を含む少なくとも３つの変数を有す
る多次元データベースを作成し、（２）該データベース
をコンピュータに格納し、（３）測定及び制御手段で圧
縮機入口空気温度及び圧縮機入口案内羽根を監視し、
（４）上記格納されているデータベースを用いてコンピ
ュータ装置により、上記測定及び制御手段から圧縮機入
口温度空気及び圧縮機入口案内羽根位置を表す信号を受
けて、監視された圧縮機入口空気温度、監視された圧縮
機入口案内羽根位置及び所定の発電機メガワット負荷に
対応するデータベース上の単一のデータ点を周期的に決
定し、（５）上記コンピュータ装置から、タービンに対
して、該タービンが、タービン発電機の運転中、最大
（定格）負荷時の着火温度に対応する所定の発生メガワ
ット負荷を超えるのを阻止するように、タービンに対し
上記コンピュータ装置から制御信号を出力する諸ステッ
プを含む。

本発明の第１の実施例によれば、データベースは、単
に、 （１）圧縮機入口案内羽根位置の関数としての発生メガ
ワット負荷、及び （２）圧縮機入口空気温度の関数としての発生メガワッ
ト負荷 という２つの独立変数を求めるようにタービン−発電機
を運転するだけで作成することができる。

圧縮機入口案内羽根の位置（例えば、０゜、７゜、22゜
及び37゜）の各々に対し、安全な燃焼温度が越えられる
単一の発生メガワット負荷が存在する。同様に、圧縮機
入口空気温度の各々に対しても単一の発生メガワット負
荷が存在する。これ等の単一の発生メガワット負荷はま
た、最大（定格）負荷とも称される。

上記２つの独立変数をプロットする（即ち、圧縮機入口
案内羽根位置の関数としての発生メガワット負荷及び圧
縮機入口空気温度の関数としての発生メガワット負荷を
直交関係で重畳する）と、タービン発電機の制御に対し
高い信頼性をもって、ベースとなる三次元面が形成され
る。タービン発電機は、この面の下側で、安全な燃焼温
度を超える危険性を伴わずに、発生メガワット負荷、圧
縮機入口空気温度及び圧縮機入口案内羽根位置の組み合
わせで運転することができる。他方、タービン発電機は
また、安全なレベルを超えるような燃焼温度を招来する
発生メガワット負荷、圧縮機入口空気温度及び圧縮機入
口案内羽根の組み合わせでの運転を阻止される。

別法として、本発明の第２実施例によれば、データベー
スは、線形回帰のような周知の技術により経験的に作成
することが可能である。発生メガワット負荷を圧縮機入
口案内羽根位置の関数として、且つ発生メガワット負荷
を圧縮機入口空気温度の関数としてシミュレートするこ
とができるコンピュータプログラムは知られており、こ
のような公知のコンピュータプログラムのアルゴリズム
が、例えば線形回帰のような手段により特定の運転条件
に対し適応可能である。タービン発電機を運転し、本発
明の第１の実施例に従って種々のデータ点を決定するこ
とにより作成されるデータベースの場合、経験的に発生
されるデータベースは、各圧縮機入口案内羽根位置に対
し、安全な燃焼温度が超えられることのない単一の発生
メガワット負荷を含む。同じことが、各圧縮機入口空気
温度についても当てはまる。上記のように、経験的に作
成されるデータベースをプロットするこにより、タービ
ン発電機の制御に対し高い信頼性を以てベースとなる三
次元面を形成することができる。

しかし、このような経験的または算術的手段の利用にお
ける１つの欠点は、多次元面の輪郭に影響を与え、且つ
発生される関数に対し変数となる数多の独立変数（例え
ば、圧縮機入口空気温度、タービンの清浄度、タービン
内で燃焼される燃料の種類、蒸発水入口空気冷却の使用
及び蒸気注入の使用）のような多数の独立変数が存在す
ることである。

例えば、蒸発水入口空気冷却を用いると、圧縮機入口空
気の温度が変化するばかりでなく、空気の質量流量内の
水蒸気がタービンに注入され、それにより圧縮機入口空
気圧力が増加する。運転過程におけるデータベースの作
成においては、このような独立変数を考慮する必要があ
る。と言うのは、これ等の独立変数は、発生メガワット
負荷対圧縮機入口案内羽根位置及び発生メガワット負荷
対圧縮機入口空気温度の関数に影響するからである。他
方、経験的手段によるこの種のデータベースの作成に
は、考慮することが困難である多数の独立変数の計算が
要求される。

本発明の他の目的、利点及び新規な特徴は、添付図面を
参照しての好適な実施例に関する以下の詳細な説明から
一層明らかになるであろう。

好適な実施例の詳細な説明 図面を参照し、燃焼タービン発電機の燃料過給制限方法
及び装置に関して説明する。尚、図面中、対応部分は同
じ参照数字で示す。

一般に、第１図に示してある燃焼タービンもしくはガス
タービン発電プラントは、任意公知の仕方で、発電機12
に機械的に接続されている燃焼タービン10を備えてい
る。燃焼タービン10の回転運動で発電機12により電力が
発生される。規定の負荷限界内で発電機12から所望の電
力出力を得るために燃焼タービン及び発電機の種々の組
み合わせが可能であることは理解されるであろう。本発
明は、燃焼タービン10に、可変的に位置付け可能である
圧縮機入口案内羽根を有することを必要とし、その目的
に関しては追って詳細に説明する。

コントローラ14（コンピュータ装置）は、燃焼タービン
10に対し複数の信号Ｓを送出したり、該燃焼タービンか
ら複数の信号Ｓを受けるように構成されている。コント
ローラ14によって受信される信号Ｓは、典型的には、燃
焼タービン10内の種々の状態を反映する信号であり、他
方、燃焼タービン10に送られる信号Ｓは、燃焼タービン
10の制御のための信号である。本発明に従いコントロー
ラ14を具現することができる１つの態様が、米国特許第
3,866,108号明細書に詳細に記載されている。しかし、
本発明に従いコントローラ14を具現する好適な態様で
は、燃焼タービン発電機10、12の運転を制御するため
に、多次元特性及び複数のパラメータ18〜30（第４図参
照）に関するデータベース16を有するパーソナルコンピ
ュータのようなコンピュータ（図示せず）が用いられ
る。

第２図を参照するに、燃焼タービン10は、一般に、入口
部32（入口）と、圧縮機部34（圧縮機）と、燃焼器部36
と、タービン要素37と、排気部38とを含むことが理解さ
れるであろう。入口部32は、燃焼タービン10を通る空気
流を変えるために慣用の仕方で入口部32を横切って支持
されている組立体33として形成されている複数個の可変
的に位置決め可能な圧縮機入口案内羽根を備えている。
ガスの流れに対して全ての案内羽根が配置される角度は
均等であり、典型的には、周知のように、組立体33内の
案内羽根に連結されて空気圧で作動される位置付けリン
グにより制御される。

入口部32で燃焼タービン10に入る空気は、圧縮機部34で
断熱的に圧縮され、燃料と混合され、そして燃焼器部36
内で一定の圧力で加熱される。加熱された燃料／空気ガ
スは、燃焼器部36から排出され、タービン要素37を経
て、排気部38を介し排気され、このようにしてガスの断
熱膨張が基本的な燃焼タービンサイクルを完成する。タ
ービン要素37内で、第１列の翼37a（最初の翼列）に
は、先に定義した“燃焼”（又はサイクル）温度が発生
する。

燃焼タービン10内に極めて効率の良い、高い圧力比が維
持されるようにするために、圧縮機部34は、慣用の燃焼
タービンの殆どの圧縮機部と同様に、ロータ40を有する
軸流構造形態に構成されている。ロータ40は、軸44に沿
って軸方向に配置された複数個の動翼42及び複数個のデ
ィスク46を備えている。動翼42の各隣接する対には、タ
ービン・ケーシング50に取り付けられている複数個の静
翼48の１つが間挿されている。

慣用の燃焼タービン発電機（10、12）の構造、運転及び
プラントの性能特性に関する他の詳細に関しては、参考
のために本明細書に援用してある既述の特許明細書、特
に、米国特許第4,283,634号及び第4,308,463号明細書を
参照されたい。

第３図及び第４図を参照しより詳細に説明するように、
本発明に従えば、燃焼タービン10内の燃焼（又はサイク
ル）温度を究極的に制御するためのコントローラ14の動
作に単純なアルゴリズムを利用することが可能である。
圧縮機入口空気温度及び圧縮機入口案内羽根位置をそれ
ぞれ表す一対の独立変数を上記アルゴリズムに入力して
発電機負荷限界の形で出力変数を定式的に決定し、次い
で、この出力変数を、過度の燃焼（又はサイクル）温度
を阻止するのに用いる。

第３図にフロチャート形式で示すように、上記アルゴリ
ズムにおいては、２つの基本的入力変数、即ち、（１）
圧縮機入口空気温度TC及び（２）圧縮機入口案内羽根位
置AVが用いられる。先ず、圧縮機入口空気温度TCをステ
ップ102で測定して校正用のステップ104に入力する。周
知のように、このような圧縮機入口空気温度TCは、慣用
の手段によつて測定される（例えば、米国特許第4,283,
634号及び第4,308,463号各明細書に詳細に記述されてい
るように熱電対によって測定される）。

圧縮機入口案内羽根位置AVに関して述べると、このAV入
力は、慣用の仕方で入口案内羽根位置指令信号から導出
するか、或はステップ106に示してあるように、慣用の
トランスジューサー（変換器）手段により測定して実際
の入口案内羽根位置を決定する。このような入口案内羽
根位置指令信号の導出及び実際の入口案内羽根位置を求
めるための変換器手段は、参考のために本明細書に援用
してある既述の米国特許、特に米国特許第4,283,634号
及び第4,308,463号各明細書に詳細に記述してある。

いずれにせよ、導出された圧縮機入口案内羽根位置AVは
次いで校正のためのステップ108に入力される。ステッ
プ108で求められる校正された値DVは、更にステップ110
及び112に入力されて、それにより一対の関数が発生さ
れる。追って詳細に説明する仕方で導出されるこれ等の
関数は、双方共に、ステップ104で求められた校正され
た値DVと共にステップ114に入力されて、このステップ1
14で発電機負荷限界MDが決定される。しかる後、この決
定された発電機負荷限界MDはステップ116で用いるため
に出力され、該ステップ116において、２つの方法の内
のいずれか２つの方法双方で、発電機負荷限界MDに対応
する燃料流量要求が決定される。

先ず、ステップ114で求められた発電機負荷限界MDは、
コントローラ14（第１図）に入力され、一般に用いられ
ている固定のメガワット限界信号と置換することができ
る。フォート・コリンズ、シーオー（Fort Collins,C
o）所在のウッドワード・ガバナー社（Woodward Goveno
r Co.）により製造される“ウッドワード・アナログ・
コントロール・システム（Woodward Analog Control Sy
stem）”を具備する公知の“パラーロジック（Powerlog
ic）”制御システムを有するコントローラ14において
は、ステップ114で求められた発電機負荷限界MDによつ
て、アナログ・システム・カード“1A13"のポテンショ
メータR12により設定されている固定のメガワット限界
信号が置換される。このようにして、新しい入力が、フ
ィードバック信号として、測定された発電機負荷信号を
有する“パワーロジック”制御システム内の慣用の比例
積分（PPI）メガワット制御コントローラに対し可変設
定点を与える。このようにして、周知のように、PPIメ
ガワット制御コントローラは、その後、燃料流量要求信
号又は制御信号出力（CSO）に対し高（レベル）限界を
設定する。

第２に、ステップ114で求められた発電機負荷限界MD
は、単純な方程式（例えば、Ｙ＝ax＋ｂ、ここで、ａ
は、CSO及びメガワット出力における変化と関連する比
例定数、ｂは、タービンをアイドリングする、即ち無負
荷運転するのに要求されるCSOの値である）の付加で、C
SOの開ループ高レベル制限に用いて、CSOと発電機のメ
ガワット出力との間に存在する関係を補償するようにす
ることも可能である。

ステップ114で求められる発電機負荷限界MDの上述の適
用のいずれか或はその双方において、ステップ116に対
するMD出力は、現在、公知のコントローラ14（例えば、
ウッドワード・アナログ制御システムを用いる“パワー
ロジック”制御システム）によって与えられるよりも高
いもしくは付加的な保護がタービン10に対して与えられ
る。即ち、PPIメガワット・コントローラにより与えら
れる制限を取り除いてしまうようなメガワット出力フイ
ードバック信号“損失”にも拘わらず、CSOの開ループ
制限は、発電機12が測定されているメガワット出力を発
生しているか或は“オフライン”状態にあるかに関係無
く、有効に留どまる。

追って再述する第３図のアルゴリズムは、例えば、本出
願人の“W501−D5"型燃焼タービンのような慣用のター
ビン10に具現した場合に好適であると考えられる本発明
の実施例を例示するものである。追って説明するが、入
力変換信号は、（摂氏度で測定した）圧縮機入口空気温
度TC及び圧縮機入口案内羽根位置AV（典型的には、０゜
角の最大開度で10ボルトDC、そして37゜角の最小開度で
０ボルトDC）を含み、出力変数信号は、発電機負荷限界
MD（典型的には、無負荷もしくは０メガワットで０ボル
トDC、150メガワットで10ボルトDC）である。“読み取
り”変数のJ0、J1、J2、J3、K0、K1、K2、K3は、それぞ
れ特定の現場設置タービン発電機に対して、係数126.
2、2.792、0.24、0.042、0.689、0.003、0.0008及び0.0
0032を表す。しかし、このような“データ”及びこれ等
のデータに対する羃は、他のタービン発電機に適合する
ように変えることができる。例えば、上記係数は、圧縮
機入口圧力、圧縮機及びタービンの清浄度、燃焼される
燃料の種類並びに蒸発水入口空気冷却及び蒸気注入の使
用における変動で変化する。しかし、当該技術分野で通
常の知識を有する者には、単に、下に示すようなVV、DV
及びMDに対する方程式の関係を知れば、V1（即ち、“第
１の関数”）及びV2（即ち、“第２の関数”）に対し、
方程式を解くのに最良適合法を適用するだけで、広範な
実験を必要とすることなく、これ等の係数を定めること
が可能であろう。

読み取り J0,J1,J2,J3,K0,K1,K2,K3 データ 126.2,2.792,0.24,0.042,0.689,0.003,0.000
8,0.00032 VV＝TC＋20 DV＝10−AV V1＝−K0＋K1×DV−K2×(DV)²＋K3×(DV)³ V2＝＋J0−J1×DV＋J2×(DV)²−３×(DV)³ MD＝（VV×V1＋V2）/15 下に表の形態で、上述のアルゴリズムを用いて発生され
るメガワット“限界”及び本出願人による“W501−D5"
型燃焼タービンの線形化された計算性能を表すメガワッ
ト“データ”が示してある。上記“限界”は、本発明に
従って決定されるように、タービン発電機の安全な燃焼
温度を超えることなく発生される最大メガワット負荷を
表す。即ち、これ等の限界は、タービン発電機に対する
燃料流量が、上記のような限界を超える発生されたメガ
ワット負荷要求を満たすべく増加するのを阻止すること
により、タービン発電機における過度の燃焼温度を阻止
する。対照的に、“データ”は、本出願人の“W501−D
5"型燃焼タービンのための既知の模擬コンピュータプロ
グラムによって決定される仮想的タービン発電機の安全
な燃焼温度を超えることなく発生される最大メガワット
負荷を表す。

実際の適用例においては、上記の“限界”は、燃焼ター
ビン発電プラントの能力が減少するのを回避するために
僅かではあるが増加される可能性がある。勿論、このこ
とは、本発明の好適な実施例のいずれかに従って決定さ
れる発電機負荷限界MD及びCSOが“制限”制御量として
用いられるか、或は“手動”制御量として用いられるか
に依存するであろう。即ち、必要な調整量は、このよう
な出力変数が燃焼タービン10に対する燃料流量を実際に
制御するのに用いられるか、或は過度の燃焼（又はサイ
クル）温度を阻止するために上記のような燃料流量の上
限を設けるために用いられるかに依存する。

次に、第４図を参照すると、本発明の好適な実施例によ
る多次元データベースの面（薄く陰影が付けてある）が
示してある。この面16は、最大（定格）負荷に対する一
対の独立変数（例えば、圧縮機入口空気温度TC及び圧縮
機入口案内羽根位置AV）に対応する複数の交差するデー
タ点によって形成されている。既に述べたように、ター
ビン発電機10、12のメガワット（MW）出力は、圧縮機入
口空気温度TC及び圧縮機入口案内羽根位置AV双方の関数
である。

従って、タービン発電機（10、12）は、過度の燃焼温度
にいたるような燃料流量の要求が生ずる恐れなく、上記
の面16より下方の発生メガワット負荷MW、圧縮機入口空
気温度TC及び圧縮機入口案内羽根位置AVの組み合わせで
安全に運転することができる。他方、タービン発電機
（10、12）は、安全レベルを超える燃焼温度にいたるよ
うな発生メガワット負荷MW、圧縮機入口空気温度TC及び
圧縮機入口案内羽根位置AVの組み合わせでの運転を阻止
することができる。面16は、タービン10に対する燃料流
量の更なる増加を阻止し、従って過度の燃焼温度を阻止
するような既述のアルゴリズムの発電機負荷限界信号MD
に対応する全ての最大（定格）負荷を表すに過ぎない。

従って、第４図に示してある多次元データベースは、圧
縮機入口案内羽根位置AV対タービン発電機（10、12）の
メガワット出力MWの二次元関数を、圧縮機入口空気温度
TC対タービン発電機メガワット出力MWの二次元関数に投
影することにより形成される。従って、本発明のこの好
適な実施例により得られる上記の三次元データベースに
おいては、Ｚ軸もしくは共通軸は、タービン発電機（1
0、12）のメガワット出力を表し、他方、Ｘ軸及びＹ軸
は、それぞれ、圧縮機入口案内羽根位置及び圧縮機入口
空気温度を表す。

第４図に示すように、薄く陰影を付けた面16上の実線で
示した曲線は、それぞれ、０゜Ｆ（18）、20゜Ｆ（2
0）、40゜Ｆ（22）、59゜Ｆ（24）、80゜Ｆ（26）及び1
00゜Ｆ（28）の圧縮機入口空気温度TCに対する圧縮機入
口案内羽根位置の関数として出力メガワットMWを例示す
る曲線である。また、第４図のMW−TC平面上に投影され
た破線は、それぞれ、７゜（30d）、22゜（30c）及び37
゜（30d）の圧縮機入口案内羽根位置AVに対する圧縮機
入口空気温度TCの関数として出力メガワット数MWを例示
するものである。更にまた、実線30aは、０゜の圧縮機
入口案内羽根位置に対する圧縮機入口空気温度TCの関数
として出力メガワット数MWを例示する。

上の説明から明らかなように、実線18、20、22、24、26
及び28をMW−AV平面から適当に投影し且つ実線30aを破
線30b、30c及び30dと関連してMW−TC平面から投影すれ
ば、これ等の実線が互いに交差して、第４図に示す面16
における領域及び該面16の下方の領域によって表される
多次元データベースが発生される。

第４図は、独立変数である圧縮機入口案内羽根位置AV及
び圧縮機入口空気温度TC双方の関数として発生メガワッ
ト負荷MWを示すものであるが、この場合、燃料流量需要
CSOに対する発電機負荷限界MDの典型的な関係を前提と
している点に注意するべきである。実際には、周知のよ
うに、発電機負荷限界MDは、圧縮機入口案内羽根位置及
び圧縮機入口空気温度の関数である。前にも説明したよ
に、発電機負荷限界は、便宜的に、例えばPPIコントロ
ーラを用いることにより燃料流量要求信号（制御信号出
力CSOとも称する）を決定するのに用いられる。しか
し、発生されるメガワットMWは、燃料流量を制限なく増
加したとして、該メガワット負荷を超えた場合に過度の
燃焼温度が発生するようなメガワット負荷である。この
ように発生されるメガワット負荷は、最大（定格）負荷
として知られており、第４図の面16上に示してあるのが
これ等の負荷である。従って、発生メガワット負荷MWが
圧縮機入口案内羽根位置及び圧縮機入口空気温度の関数
であるばかりではなく、発電機負荷限界MD及び燃料流量
要求CSOもまた、圧縮機入口案内羽根位置及び圧縮機入
口空気温度の関数であることが分かる。所定の発電機負
荷限界MD及び所定の燃料流量要求CSOは、圧縮機入口案
内羽根位置及び圧縮機入口空気温度の所定の組み合わせ
に対応するのである。

発生メガワット負荷MWが本発明に従って決定される所定
の発電機負荷限界MDより低い場合には、圧縮機入口案内
羽根位置及び圧縮機入口空気温度の上記所定の組み合わ
せに対し、過度の燃焼温度になり得るような燃料流量に
対する要求の発生の危険性はない。しかし、発生メガワ
ット負荷MWが第４図の面16上に存在する場合には、この
ことは、燃料流量要求CSOが更に増加した場合に、発電
機負荷限界MDが超えられて過度の燃焼温度になり得るこ
とを意味する。従って、発電機負荷限界MD、燃料流量要
求CSO、そして究極的には発生メガワット負荷MWは、本
発明によれば、単に、圧縮機入口案内羽根位置及び圧縮
機入口空気温度の関数として制御することができる。

即ち、タービン発電機（10、12）によって発生すること
ができるメガワット負荷は、圧縮機入口空気温度及び圧
縮機入口案内羽根位置という２つの変数の関数であると
同時にまた、燃焼タービン10に対する燃料流量の関数で
もある。従って、本発明による多次元データベースは、
発生されるメガワット負荷を単に、２つの独立変数（即
ち、圧縮機入口空気温度及び圧縮機入口空気案内羽根位
置）の関数として、或は３つの変数（タービン10に対す
る燃料流量、圧縮機入口空気温度及び圧縮機入口案内羽
根位置）の関数として、或はまた４つの変数（即ち、タ
ービン10に対する燃料流量、圧縮機入口空気温度、圧縮
機入口案内羽根位置及び発電機負荷限界）の関数として
発生されるメガワット負荷により適切に定義される。既
に述べたように、更に多くの変数も可能である。

数学的に述べると、発生メガワット負荷MWは圧縮機入口
空気温度TCの関数である。即ち、 MW＝ｆ（TC） しかし、発生メガワット負荷は、圧縮機入口案内羽根位
置AVの関数でもある。即ち、 MW＝ｇ（AV） 更に、発生メガワット負荷は、タービン10に対する燃料
流量FFの関数である。即ち、 MW＝ｈ（FF） 上に定義した発電機負荷限界MDは、所定の発生メガワッ
ト負荷に対応し、それをタービン10に対する燃料流量の
増加が超えた場合に過度の燃焼温度になるタービン10の
所定の燃料流量（所定のメガワット負荷に対応する）に
対して比例する。

従って、本発明による発電機負荷限界MDは、第３図及び
第４図を参照して既に述べたように、２つの変数、即
ち、圧縮機入口空気温度TC及び圧縮機入口案内羽根位置
AVの関数、即ち、 MD＝ｆ（TC,AV） であり、多次元データベースを形成するのに発生される
関数の最も単純な形態である。更に、 MD MW_max＝ｆ（TC,AV,FF） であるので、本発明によれば、多次元データベースは、
３つの変数から形成することができる。上に示した発電
機負荷限界MDは、圧縮機入口空気温度TC、圧縮機入口案
内羽根位置AV及びタービン10に対する燃料流量FFの関数
であるので、本発明に従い多次元データベースを形成す
るのに発生される関数はまた、４つの変数から形成する
ことができる。即ち、 F_control＝ｆ（TC,AV,FF,MW_max） 明らかなように、上に述べた教示に徴して多くの変更及
び変形が可能である。本発明に従って発生される多次元
データベースをタービン発電機（10、12）を“制御”す
るのに用いられるが、このような制御は、当該データの
境界内（例えば、第４図に示した面16において、或はそ
の下側で）行われるものであることは容易に理解される
であろう。他方、過度の燃焼温度を阻止するために、発
電機負荷限界を“制限”するために上記多次元データベ
ースを用いる場合には、このような制限機能は面16自体
により確定されることになる。本発明による方法及び装
置は従って、所定の運転条件或は状態に対しタービン−
発電機（10、12）が、危険な燃焼（又はサイクル）温度
を越えるのを阻止することにより、タービン10の敏感な
構成要素に対する早期の損傷を軽減もしくは阻止する。

上の説明から容易に明らかなように、本発明で用いてい
る術語“圧縮機入口案内羽根位置”は、実際に監視され
ている圧縮機入口案内羽根の位置、或いは所定の位置に
対する需要信号、或いは圧縮機入口案内羽根の所望の位
置又は実際位置を指示する他の均等な手段にも同等に当
て嵌まるものである。

先に述べた圧縮機入口空気圧力、タービンの清浄度、タ
ービン内で燃焼される燃料の種類、蒸発水入口空気冷却
の使用及び蒸気注入の使用のような他の変数も、過度の
実験を必要とすることなく、他の多次元データベースの
ための面を形成するのに利用することが可能でもある。
例えば、圧縮機入口における空気圧力のような関数は、
発電機負荷限界ばかりではなく、圧縮機入口空気温度に
対しても影響を与える。と言うのは、空気は低い温度で
高密度になるからである。従って、圧縮機入口案内羽根
の開度に依存し、より多くの空気がタービン内に注入さ
れる。従って、タービン発電機（10、12）によるメガワ
ット出力に関係がある限り、本発明に従い、他の多次元
データベース面を形成することが可能であろう。

従って、本発明の範囲内で、本発明を上に特定的に述べ
た以外の仕方で実施することが可能であるものと理解さ
れたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、燃焼タービン発電機に関する本発明の一実施
例の構成を示すブロック図、第２図は、第１図にブロッ
ク形態で示した軸流燃焼タービンを一部直交断面で示し
た斜視図、第３図は、第１図に示した本発明の実施例に
おいて行われる動作もしくは処理を図解するフローチャ
ート、第４図は、本発明の好適な実施例による多次元デ
ータベースの面をグラフで示す図である。 10……燃焼タービン 14……コントローラ（コンピュータ装置） 16……多次元データベースの面 32……入口部（入口） 33……案内羽根の組立体 34……圧縮機部（圧縮機） 37……タービン要素 Ｓ……信号 TC……圧縮機入口空気温度 AV……圧縮機入口案内羽根位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カーミット・リチャード・ウエスコット アメリカ合衆国、フロリダ州、ウインタ ー・スプリングス、サラナック 671 (56)参考文献 特開 昭61−187540（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−97835（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入口と、該入口にあり、可変的に位置付け
   可能な複数個の案内羽根とを有する圧縮機を含む燃焼タ
   ービンに対する燃料流量を調整する方法であつて、 圧縮機入口空気温度及び圧縮機入口案内羽根位置を含む
   少なくとも２つの独立変数の値と、それぞれ圧縮機入口
   空気温度及び圧縮機入口案内羽根位置における運転に対
   応する過度の着火温度を阻止するようになっている前記
   燃焼タービンに対する燃料流量を表す値とを有する多次
   元データベースを発生し、 前記発生された多次元データベースを前記燃焼タービン
   の複数の運転パラメータを制御するために接続されたコ
   ンピュータ装置に格納し、 前記燃焼タービンの圧縮機入口空気温度及び圧縮機入口
   案内羽根位置を決定するためにセンサ手段で前記燃焼タ
   ービンを監視して、それぞれ、監視された圧縮機入口空
   気温度及び監視された圧縮機入口案内羽根位置を表す一
   対の信号を出力し、 前記データベースが格納されている前記コンピュータ装
   置を働かせて、前記センサ手段から、前記監視された圧
   縮機入口空気温度及び前記監視された圧縮機入口案内羽
   根位置を表す前記一対の信号を受信し、前記データベー
   スから前記監視された圧縮機入口空気温度及び前記監視
   された圧縮機入口案内羽根位置に対応する燃料流量値を
   周期的に決定し、 前記決定された燃料流量値に基づき前記燃焼タービンに
   対する燃料流量を制御するために前記コンピュータ装置
   から前記燃焼タービンに制御信号を出力する、 諸ステップを含む燃焼タービンの燃料流量調整方法。
2. 【請求項２】入口と、該入口にある、可変的に位置付け
   可能な複数個の案内羽根とを有する圧縮機を含む燃焼タ
   ービンに対する燃料流量を調整するための装置であっ
   て、 圧縮機入口空気温度と、圧縮機入口案内羽根位置と、前
   記燃焼タービンが運転されるようになっている最大定格
   負荷を定める前記燃焼タービンに対する燃料流量とを含
   む少なくとも３つの変数の多次元関数を発生するための
   関数発生器手段と、 前記発生された多次元関数を受けて、該発生された多次
   元関数に基づき前記燃焼タービンの１つ又は２つ以上の
   運転パラメータを制御するためのコンピュータ装置と、 前記圧縮機入口空気温度及び前記圧縮機入口案内羽根位
   置を監視し、それぞれ、該監視された圧縮機入口空気温
   度及び該監視された圧縮機入口案内羽根位置を表す一対
   の信号を前記コンピュータ装置に出力するセンサ手段と
   を含み、 前記コンピュータ装置は、前記発圧された多次元関数並
   びに前記監視された圧縮機入口空気温度及び前記監視さ
   れた圧縮機入口案内羽根位置を表す前記一対の出力を受
   けて、前記発生された多次元関数の面上に、前記監視さ
   れた圧縮機入口空気温度、前記監視された圧縮機入口案
   内羽根位置及び前記燃焼タービンに対する所定の燃料流
   量に対応する単一のデータ点を決定し、前記燃焼タービ
   ンに対する燃料流量が前記所定の燃料流量を超えるのを
   阻止するための制御信号を前記燃焼タービンに出力す
   る、 燃焼タービンの燃料流量調整装置。
3. 【請求項３】入口と、該入口にある、可変的に位置付け
   可能な複数個の案内羽根とを有する圧縮機を含む燃焼タ
   ービンに対する燃料流量を調整することにより、該燃焼
   タービンにおける着火温度が所定限界を超えるのを阻止
   する方法であって、 前記燃焼タービンを運転して、圧縮機入口空気温度及び
   圧縮機入口案内羽根位置を含む少なくとも２つの独立変
   数の関数として前記燃焼タービンに対する燃料流量の多
   次元データベースを発生し、 前記発生された多次元データベースを、前記燃焼タービ
   ンの複数個の運転パラメータを制御するように接続され
   たコンピュータ装置に格納し、 前記圧縮機入口空気温度及び前記圧縮機入口案内羽根位
   置をセンサ手段で監視して、それぞれ前記監視された圧
   縮機入口空気温度及び前記監視された圧縮機入口案内羽
   根位置を表す一対の信号を前記コンピュータ装置に出力
   し、 前記発生された多次元データベースが格納されている前
   記コンピュータ装置を働かせて、前記センサ手段から前
   記一対の信号を受け、前記発生された多次元データベー
   スの面上に、前記監視された圧縮機入口空気温度、前記
   監視された圧縮機入口案内羽根位置及び前記燃焼タービ
   ンに対する所定の燃料流量に対応する単一のデータ点を
   周期的に決定し、それにより前記燃焼タービンにおける
   着火温度が所定限界を超えないようにし、 前記燃焼タービンに対する前記所定の燃料流量を表す制
   御信号を前記コンピュータ装置から前記燃焼タービンに
   出力して前記燃焼タービンが前記所定限界を超えるのを
   阻止する、 諸ステップを含む燃焼タービンにおける着火温度超過阻
   止方法。
4. 【請求項４】入口と、該入口にあり、可変的に位置付け
   可能な複数個の案内羽根とを有する圧縮機を含む燃焼タ
   ービンに対する燃料流量を調整することにより、該燃焼
   タービンにおける着火温度が所定限界を超えるのを阻止
   するための装置において、 圧縮機入口空気温度及び圧縮機入口案内羽根位置双方の
   関数として燃料流量の多次元関数を発生するための関数
   発生器手段と、 前記発生された多次元関数を受け、該発生された多次元
   関数に基づき前記燃焼タービンの複数個の運転パラメー
   タを制御するためのコンピュータ装置と、 前記圧縮機入口空気温度及び前記圧縮機入口案内羽根位
   置を監視して、それぞれ該監視された圧縮機入口空気温
   度及び該監視された圧縮機入口案内羽根位置を表す一対
   の信号を前記コンピュータ装置に出力するセンサ手段と
   を含み、 前記コンピュータ装置は、前記発生された多次元関数及
   び前記一対の信号を受けて、前記発生された多次元関数
   の面上に、前記監視された圧縮機入口空気温度と、前記
   監視された圧縮機入口案内羽根位置と、前記燃焼タービ
   ンにおける過度の着火温度を阻止するようになっている
   前記燃焼タービンに対する所定の燃料流量とに対応する
   単一のデータ点を周期的に決定して、前記燃焼タービン
   に対し、該燃焼タービンが前記所定の燃料流量及び所定
   限界を超えるのを阻止するための燃料流量制御信号を出
   力する 燃焼タービンにおける着火温度超過阻止装置。
5. 【請求項５】燃焼タービンが、測定可能な負荷を有する
   発電機に接続され、該燃焼タービンが、入口に加えて、
   該入口にあり、可変的に位置付け可能な複数個の案内羽
   根を有する圧縮機と、燃焼要素と、該燃焼要素に対し燃
   料を供給するための燃料系及び第１の翼列を有するター
   ビン要素とを含み、更に、ディジタルコンピュータ装置
   及び該コンピュータ装置のための信号入／出力手段を備
   えている制御系を含む発電プラントの燃焼タービンを制
   御するための装置において、 前記信号入／出力手段に接続されて圧縮機入口空気温度
   を周期的に測定し、前記測定された圧縮機入口空気温度
   を表す第１の信号を前記ディジタルコンピュータ装置に
   入力する圧縮機入口空気温度測定手段と、 前記信号入／出力手段に接続されて前記圧縮機入口案内
   羽根の位置を周期的に測定し、前記測定された圧縮機入
   口案内羽根位置を表す第２の信号を前記ディジタルコン
   ピュータ装置に入力するための圧縮機入口案内羽根位置
   測定手段と、 前記ディジタルコンピュータ装置の信号入／出力手段か
   ら前記第１及び第２の信号を受けて、圧縮機入口空気温
   度と、圧縮機入口案内羽根位置と、前記燃焼タービンに
   対する超えられてはならないサイクル温度に対応する発
   電機負荷限界と、前記燃料系を経て前記燃焼タービンに
   供給される燃料流量とを含む少なくとも４つの変数の多
   次元関数を発生するように接続された関数発生器手段と
   を含み、 前記関数発生器手段は、前記ディジタルコンピュータの
   前記信号入／出力手段に対し、前記第１及び第２の信号
   及び所定の燃料流量に対応する第３の信号を出力し、 前記所定の燃料流量を表す第４の信号を前記ディジタル
   コンピュータ装置の信号入／出力手段から前記燃料系に
   出力し、前記第４の信号で、前記特定発電機負荷限界、
   前記第１の信号によって表される前記圧縮機入口空気温
   度及び前記第２の信号によって表される前記圧縮機入口
   案内羽根位置に対応する所定のサイクル温度に対し前記
   燃焼要素への燃料流量を制御する燃焼タービン制御装
   置。
6. 【請求項６】燃焼タービンを制御する方法において、 該燃焼タービンに対し、超えられてはならない着火温度
   を決定し、 圧縮機入口案内羽根位置と、圧縮機入口空気温度と、前
   記超えられてはならない着火温度に対応する前記燃焼タ
   ービンに対する燃料流量と、前記燃焼タービンに対する
   所定の燃料流量との関数として発生されるメガワット負
   荷を決定し、 前記圧縮機入口案内羽根位置、前記圧縮機入口空気温度
   及び前記燃焼タービンに対する前記燃料流量を監視し、 前記燃料流量が、前記監視された圧縮機入口案内羽根位
   置及び前記監視された圧縮機入口空気温度に対応する前
   記所定の燃料流量を超えるのを阻止する、 諸ステップ段階を含む燃焼タービン制御方法。