JPH076412B2 - ガスタ−ビン燃焼温度制御方法 - Google Patents

ガスタ−ビン燃焼温度制御方法

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JPH076412B2
JPH076412B2 JP1429187A JP1429187A JPH076412B2 JP H076412 B2 JPH076412 B2 JP H076412B2 JP 1429187 A JP1429187 A JP 1429187A JP 1429187 A JP1429187 A JP 1429187A JP H076412 B2 JPH076412 B2 JP H076412B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン圧縮機吐出空気圧力とガスタービ
ン排ガス温度とを測定し、これらの測定値を使つてガス
タービン燃焼温度を制御するガスタービン燃焼温度制御
方法に関するものである。
〔従来の技術〕
ガスタービンには高温ガスが使用されるので、その燃焼
温度の制御はタービン高温部材の寿命確保の為、最も重
要な問題である。ガスタービン燃焼温度制御にはいくつ
かの方法があるが、タービン燃焼温度を直接測定するこ
とは、温度が高すぎること、温度分布が一定でないこと
等の理由で得策でなく、ガスタービン圧縮機吐出空気圧
力とガスタービン排ガス温度とから燃焼温度を推定する
方法が一般的である。
第2図は、本発明を適用して温度制御を行なうとするガ
スタービンの一例として、一軸型ガスタービンの構要的
な構成を示した説明図である。更に、こうしたガスター
ビンの制御概念図を第3図に示す。第2図に示した一軸
型ガスタービンは、ガスタービン圧縮機21,燃焼器22,ガ
スタービン23,発電機等の負荷24,燃料遮断弁25および燃
料流量調整弁26を含む燃料供給系統等を有している。ま
た第3図に示す従来例のガスタービン制御系は低値選択
器27を備え、VCEはガスタービン制御信号を示す。前記
燃焼器22(第2図)に供給する燃焼流量を制御する要素
としては、起動状態では燃焼ガスまたは排ガス温度、お
よび起動制御信号であり、また負荷状態では燃焼ガスま
たは排ガス温度、および速度制御信号である。発電機用
ガスタービンでは、回転速度を一定に保つ必要がある
為、部分負荷状態では速度制御によつて燃料流量が制御
されている。しかし速度制御のみでは、負荷が大きくな
つた時必然的に上昇する燃焼温度によるガスタービン高
温部材の寿命消費を抑制することができない。その為、
ある一定のガスタービン燃焼温度上限値を設定し、この
値を越えない様に制御している。これが温度制御であ
る。
第4図に代表的なガスタービン状態線図を示す。第4図
において、28はガスタービン圧縮機入口、29はガスター
ビン圧縮機出口、30はガスタービン入口、31はガスター
ビン出口を示す。ここで前述の如く、ガスタービンの燃
焼温度は、ガスタービン圧縮機吐出空気圧力とガスター
ビン排ガス温度とにより推定することが一般的であるが
これを第4図の状態線図をもとにして考えると、ガスタ
ービン圧縮機吐出空気圧力およびガスタービン排ガス温
度と燃焼温度との間には、ある関係があることが判る。
ここで、第4図の縦軸のエンタルピはほぼ温度に比例し
ているので、縦軸を温度と考えることができる。
第5図にガスタービン状態変化図を示し、第6図にガス
タービン圧縮機吐出空気圧力、ガスタービン排ガス温度
および燃焼温度の関係を示す。第5図において、ガスタ
ービンがある温度上限値で、つまり、28→29→30→31で
運転されているとする。次に、何らかの運転条件変化に
より、ガスタービン圧縮機吐出空気圧力が上昇し、29′
になつたとする。この時、燃料流量が変化しなければ2
8′→29′→30″→31″となり、燃焼温度が上限値TFlim
を越えてしまう。そこで燃料流量を絞つて、燃焼ガス温
度が30′点になる様にすれば、28→29′→30′→31′の
形となる。
今、ガスタービンの種々の運転条件(大気温度,負荷,
等々)の下において、ガスタービン圧縮機吐出空気圧力
PCD、ガスタービン排ガス温度TXおよび燃焼温度TFの関
係をプロツトすると、第6図の様になり、最終的には、 TF=(PCD,TX) で表わされる式で燃焼温度を算出することができる。こ
の例で、ガスタービン圧縮機空気圧力PCDが29′、ガス
タービン排ガス温度が31′にあれば計算された燃焼温度
値は、燃焼温度上限値TFlimを超えるので、燃料流量を
絞つて、燃焼温度上限値TFlimに戻る様に制御される。
第7図に従来技術におけるガスタービン燃焼ガス制御系
を示す。この制御系では、ガスタービン圧縮機出口に設
置された検知器(図示せず)により測定されたガスター
ビン圧縮機吐出空気圧力PCDは、関数器32によりガスタ
ービン排ガス温度である制御排ガス温度信号TXとなる。
一方、圧力検知器故障時を想定し、信号発生器3により
制御排ガス温度上限信号TXMAXを出力し、前記制御排ガ
ス信号TXと制御排ガス温度上限信号TXMAXのどちらか低
値を低値選択器33により選択し、ガスタービン排ガス温
度制御値TXLを出力する。
一方、ガスタービン排気口に設置された複数個の温度検
知器(図示せず)によつて測定されたガスタービン排ガ
ス温度信号TX1……TXNは中間値選択器4に入り、中間値
TXMが出力される。また前記温度制御値TXLと中間値TXM
とは比較器8へ入り、その差分が出力され、比例積分器
9から中間値TXMが温度制御値TXLになる様にガスタービ
ン燃料制御信号が出力される。その際、温度上昇率制限
器5の出力信号が、出力される温度上昇率についても比
較され、制限値を越えない様に制御される。この従来の
ガスタービン燃焼温度制御系は、制御が単純化されてい
る点で有利である。
なお、この種の装置として関連するものには例えば、特
開昭60−247014「ガスタービン燃焼ガス温度制御方法お
よび装置」が挙げられる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前述した従来の燃焼温度制御方法が適用できる燃料は下
記である。
(1)高発熱量の気体燃料(メタン,プロパン等) (2)液体燃料 これらの燃料は、発熱量変動が比較的小さい(10%程
度)といつた特長を有している。これらの燃料の場合、
最高燃焼温度状態で、燃料流量と空気流量の比(/a)
が /a≒2/100となり、この状態で発熱量が±10%変動し
ても、その比(/a)は /a≒1.8〜2.2/100となり、全体的に見て非常に小さ
い。
したがつて、燃焼温度制御は、前述の式 TF=(PCD,TX) にて、十分な精度が保たれていた。
近年、石炭ガス化等の低発熱量の燃料が脚光を浴びてき
ている。これらの燃料は、従来の高発熱量の燃料に比べ
てその発熱量は1/10程度で、これに伴い、/aは /a≒2/100 程度になつてきている。
更に問題なのは、石炭の炭種,運転条件によつて発熱量
が大きく変動すると言われており、現状、±10〜±20%
の変動が生じると予想される。
ここで、大きく発熱量の異なる3種の燃料を一定燃焼温
度にて燃焼させた場合のガスタービン圧縮機吐出空気圧
力PCDと排ガス温度TXとの関係をグラフにすると第8図
の如くとなる。本図は、発熱量が低くなる程、PCD−TX
曲線が右方向に移行することを表わしている。(燃料ガ
ス流量の増大→燃焼ガス量増大→圧力比大)即ち、曲線
よりも同、同よりも同が、それぞれ右方に位置
している。
また、発熱量が低くなる程、発熱量変動時のPCD−TX
線の変動(燃焼温度一定)が激しくなる。例えば /a=30/100の場合、=±10%となると、/a=27〜
33/100となり、ガス量の変化幅が大きくなる。
上記より、従来の一本の制御線TF=(PCD,TX)では燃
焼温度一定の制御ができないといつた問題点が生じる。
更に、石炭ガス等の低発熱量燃料の他に、起動用又はバ
ツクアツプ用として他の高発熱燃料(軽油,メタン等)
を使用するいわゆる二重燃料ガスタービンにおいても、
従来の一本の制御線TF=(PCD,TX)では燃焼温度一定
の制御ができないといつた問題点が生じる。
本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、その目的
とするところは、燃料の制御を殊更に複雑ならしめるこ
となく、使用燃料の発熱量の如何に拘らず(使用燃料の
発熱量が変化しても)ガスタービンの燃焼温度を最適温
度に維持することが出来る制御方法を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成する為に創作した本発明の方法は、ガス
タービン燃料発熱量を検出し、このガスタービン燃料発
熱量を使つて燃料発熱量によるガスタービン圧縮機吐出
空気圧力とガスタービン排ガス温度制御曲線の変化分を
演算し、この演算値に基づいて前述制御曲線を補正し、
この値をガスタービン排ガス温度制御値としてガスター
ビン排ガス実測値と比較し、その差分を極小ならしめる
ように制御を行うことによつて、ガスタービンの燃料の
如何に拘らず、ガスタービン燃焼温度を設定値ならしめ
るよう制御する。
上述の原理に基づき、これを実用面に適用するための具
体的な構成として、本発明の方法は、 a.ガスタービン燃料の発熱量を検出し、 b.上記発熱量検出値を用いて、ガスタービン圧縮機の吐
出空気圧に対する排ガス温度特性の変化を算出し、 c.上記の算出値によつて排ガス温度特性を補正し、 d.上記補正値と、排ガス温度の実測値とを比較し、 e.上記比較における差分を極小ならしめるように燃料流
量を調節する。
〔作用〕
上記の方法によれば、使用燃料の発熱量を制御要素に採
り入れており、測定した発熱量に基づいて特性値を補正
するので、使用燃料の発熱量が変化しても燃焼温度を最
適値の保つことが出来る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を第1図により説明する。第1図
は、本発明を実施するためのガスタービン燃焼温度制御
装置の一実施例を示す制御系統図である。
1は第1の関数器である。この第1の関数器1には、ガ
スタービン圧縮機出口に設けられた圧力検出器(図示せ
ず)によつて測定された圧縮機出口空気圧力信号PCD
入力される。
2は第2の関数器であつて、燃料系統に設けられた燃料
発熱量検出器(図示せず)によつて測定された発熱量信
号LHVが入力される。
3は、前記の圧力検出器が故障したときに作動する信号
発生器である。
上記第1の関数器1の出力信号、及び、第2の関数器2
の出力信号は演算器6に入力され、その出力TXは前記信
号発熱器3の出力TXMAXと共に低値選択器7に入力され
る。
上記低値選択器7によつて選択された低値の信号T
XLは、中間値選択器4の出力信号TXMと共に比較器8で
比較される。
ガスタービン圧縮機出口に設置された圧力検出器によつ
て測定されたガスタービン圧縮機吐出空気圧力PCDは、
第1の関数器1により基準燃料(任意に設定)の場合の
制御排ガス温度信号TXOとなる。また燃料系統に設置さ
れた燃料発熱量信号LHVは、第2の関数器2により燃料
発熱量LHV時のガスタービン排ガス変化制御信号ΔTX
なる。これらの信号TXD,ΔTXは演算器6で演算され、前
記燃料発熱量LHV時の制御排ガス温度信号TXとなる。
一方、圧力検知器事故時を想定し、信号発生器3により
制御排ガス温度信号TXMAXを出力し、前記制御排ガス温
度信号TXと制御排ガス上限信号TXMAXのどちらか低値を
低値選択器7にて選択し、前記燃料発熱量LHVのガスタ
ービン排ガス制御値TXLを出力する。
他方、ガスタービン排気に設置された複数個の温度検知
器によつて測定されたガスタービン排ガス信号TX1……T
XNは中間選択器4に入り、中間値TXMが出力される。前
記ガスタービン排ガス温度制御値TXLとガスタービン排
ガス温度の中間値TXMは比較器8に入り、その差分が出
力され、ガスタービン排ガス温度の中間値TXMがガスタ
ービン排ガス温度制御値TXLになる様に比例積分器9か
らガスタービン制御信号VCEが出力され、ガスタービン
排ガス温度が制御される。尚、この際、比較器8で温度
上昇率器5から出力される温度上昇率についても比較さ
れ、制御値を越えない様に制御される。
〔発明の効果〕
本発明によれば、燃料発熱量の如何に拘らず、ガスター
ビンの燃焼温度を設定値に制御するようにしているで、
制御の単純性を損わず、しかも燃料発熱量の如何に拘ら
ずガスタービン燃焼温度を最適に制御し得るという効果
があり、ひいてはガスタービンを必要とする出力を確実
に制御できるという効果があり、ガスタービンの高温ガ
ス寿命を維持し得る効果がある。
特に、本発明は、石炭ガス等の低発熱量燃料及び低発熱
燃料と高発熱燃料(起動用、バツクアツプ用等)の二重
燃料を使用したガスタービンに適用して大きい実用的効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の制御方法を実施する為に構成した制御
装置の一例を示す系統図である。第2図は本発明方法の
適用対象の一例として示した一軸型ガスタービンの説明
図である。第3図は従来技術におけるガスタービン燃焼
温度制御方法を説明するための制御概念図である。第4
図はガスタービンの状態線図、第5図はガスタービンの
状態変化を示す図表、第6図はガスタービン圧縮機吐出
空気圧力とガスタービン排ガス温度及び燃焼温度の関係
を示す図表である。第7図は従来技術におけるガスター
ビンの制御系統図である。第8図は大きく発熱量の異な
る3種の燃料を一定燃焼温度で燃焼させた場合のガスタ
ービン圧縮機吐出空気圧力とガスタービン排ガス温度と
の関係を示す図表である。 1……第1の関数器、2……第2の関数器、3……信号
発生器、4……中間値選択器、6……演算器、7……低
値選択器、8……比較器、9……比例積分器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 長 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭61−40432(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガスタービン圧縮機の吐出空気圧と、ガス
    タービン排ガス温度とを測定し、これらの測定値に基づ
    いてガスタービン燃料流量を制御して燃焼温度を制御す
    る方法において、 a.ガスタービン燃料の発熱量を検出し、 b.上記発熱量検出値を用いて、ガスタービン圧縮機の吐
    出空気圧に対する排ガス温度特性の変化を算出し、 c.上記の算出値によつて排ガス温度特性を補正し、 d.上記補正値と、排ガス温度の実測値とを比較し、 e.上記比較における差分を極小ならしめるように燃料流
    量を調節すること、 を特徴とする、ガスタービン燃焼温度制御方法。
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JP4831820B2 (ja) * 2006-05-22 2011-12-07 三菱重工業株式会社 ガスタービン出力学習回路及びこれを備えたガスタービンの燃焼制御装置
JP6005252B2 (ja) * 2013-02-26 2016-10-12 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ガスタービンシステム、制御装置及びガスタービンの運転方法
JP6164994B2 (ja) * 2013-09-06 2017-07-19 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ガスタービンプラント、その制御装置、及びガスタービンの運転方法
CN111927636A (zh) * 2020-07-31 2020-11-13 中国航发贵阳发动机设计研究所 一种航空发动机起动过程涡轮后温度限制方法

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