JPH11236823A - ガスタービン機構の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冒頭に述べた形式の方法を提供して、制御の
ために不可欠な温度の検出におけるイナーシャ（作用の
遅延）を排除することである。 【解決手段】 第１の燃焼器を作動させるために必要な
燃料量Ｆ_Hを、まず圧縮機の出口での圧力Ｐ₃の関数でコ
ントロールし、前記燃料量Ｆ_Hと前記圧力Ｐ₃との比を、
第１のタービンへの入口での温度Ｔ₇とこの温度の目標
値Ｔ_7sollとの差を表す係数Ｋ₁によって連続的に更新
し、第２の燃焼器を作動させるために必要な燃料量Ｆ_L
を第２のタービンへの入口での圧力Ｐ₁₁の関数でコント
ロールし、前記燃料量Ｆ_Lと前記圧力Ｐ₁₁との比を、第
２のタービンへの入口での温度Ｔ₁₁とこの温度の目標値
Ｔ_11sollとの差を表す係数Ｋ₂によって同様に連続的に
更新する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、実質的に圧縮機ユ
ニットと、圧縮機ユニットに後置接続された第１の燃焼
器と、第１の燃焼器に後置接続された第１のタービン
と、第１のタービンに後置接続された、自己着火部を操
作する第２の燃焼器と、少なくとも１つの発電機とから
成るガスタービン機構を制御するために、第２の燃焼器
に第２のタービンが高温ガスを加える、ガスタービン機
構の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ヨーロッパ特許第０６４６７０４号公報
から、ガスタービン機構の制御方法が公知である。ガス
タービン機構は実質的には圧縮機ユニット、高圧燃焼
器、高圧タービン、低圧燃焼器、低圧タービン、および
発電機から成る。高圧燃焼器のための燃料供給量は補正
された温度信号から選定される。すなわち低圧タービン
の出口での温度の値から、そのつど検出される温度上昇
分を差し引いた値により選定される。この温度信号は、
低圧燃焼器へ供給される燃料量によって生じる温度上昇
分を、低圧タービンの出口での測定温度から差し引くこ
とにより求められる。低圧燃焼器への燃料供給量の選定
には、低圧タービンの出口での温度信号が補正されない
まま使用される。

【０００３】この手法では、制御に不可欠な温度の検出
が、技術的に信頼性の高い構成と再現性が得られる個所
で行われる。この場合の制御コンセプトは、低圧燃焼器
の着火に起因して低圧タービンの出口で温度が上昇する
が、この上昇分は再現可能に検出できる点に基づいてい
る。このためこの手段では、２つの燃焼器への燃料の分
配のための制御コンセプトが提供される。

【０００４】この制御コンセプトによれば燃料の良好な
分配供給が実現される。しかしこの種の装置に固有のイ
ナーシャすなわち作用の遅延により、突然に予測不能な
障害が生じて直接または間接にプロセス温度に影響を与
えることがあり、これは場合によっては制御技術的に避
けられない。本発明はこの欠点を回避することを目的と
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に述べた形式の方法を提供して、制御のために不可欠な
温度を検出する際のイナーシャ（作用の遅延）を排除す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題は、第１の燃焼
器を作動させるために必要な燃料量Ｆ_Hを、まず圧縮機
の出口での圧力Ｐ₃の関数でコントロールし、前記第１
の燃焼器を作動させるために必要な燃料量Ｆ_Hと前記圧
縮機の出口での圧力Ｐ₃との比を、第１のタービンへの
入口での温度Ｔ₇とこの温度の目標値Ｔ _7sollとの差を表
す係数Ｋ₁によって連続的に更新し、第２の燃焼器を作
動させるために必要な燃料量Ｆ_Lを第２のタービンへの
入口での圧力Ｐ₁₁の関数でコントロールし、前記第２の
燃焼器を作動させるために必要な燃料量Ｆ_Lと前記第２
のタービンへの入口での圧力Ｐ₁₁との比を、第２のター
ビンへの入口での温度Ｔ₁₁と該温度の目標値Ｔ_11sollと
の差を表す係数Ｋ₂によって同様に連続的に更新して解
決される。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明によれば、そこに存在して
いる圧力を有する燃料量に圧力バックアップを目的とし
た制御を行うことにより、あらかじめ装置内で予測すべ
きイナーシャ（作用の遅延）が排除される。

【０００８】この場合、高圧燃焼器（以下ＨＰ燃焼器と
も称する）のための燃料量はまず圧縮機の出口での圧力
の関数でコントロールされる。燃料量と圧縮機の出口で
の圧力との比は、高圧タービン（以下ＨＰタービンとも
称する）への入口での温度とこの温度の目標値との差を
表す係数によって連続的に更新される。低圧燃焼器（以
下ＬＰ燃焼器とも称する）を作動させるために必要な燃
料量は低圧タービン（以下ＬＰタービンとも称する）へ
の入口での圧力の関数でコントロールされる。この燃料
量と低圧タービンへの入口での圧力との比は、低圧ター
ビンへの入口での温度とこの温度の目標値との差を表す
係数によって同様に連続的に更新される。

【０００９】本発明の重要な利点は、測定温度または算
出温度を燃料量の制御の唯一の尺度としてもはや直接に
は利用せず、圧力バックアップによる制御を行うことで
ある。この制御は圧力と燃料量との比に応動して行われ
る。したがって流量の変化に応答して圧力がただちに変
化するので、直接性が得られる。

【００１０】本発明の手段の有利な別の実施形態は従属
請求項に記載されている。

【００１１】

【実施例】以下に図に基づいて本発明の実施例を詳細に
説明する。本発明を理解するために直接に必要でない要
素は省略してある。媒体の流れ方向、および図示の実施
例における制御パルスは矢印で示されている。

【００１２】図１にはガスタービン機構が示されてお
り、このガスタービン機構において後に説明する制御が
行われる。ガスタービン機構は圧縮機ユニット１を有し
ており、この圧縮機ユニットでは吸気２の圧縮が行われ
る。圧縮された空気３は第２の燃焼器すなわち高圧燃焼
器４（ＨＰ燃焼器）に流れる。この高圧燃焼器では供給
された燃料５により高温ガス７の最初の形成が行われ
る。ＨＰ燃焼器４からの流体が、第１のタービン６すな
わち高圧タービン（ＨＰタービン）を作動させる。この
高圧タービン中を流れる際に、ＨＰ燃焼器４で形成され
た高温ガス７は完全にではないが膨張する。この不完全
な膨張には、ＨＰタービン６からの高温ガス８は、まだ
１０００℃以上のオーダの比較的高い温度を有している
という特徴がある。相応して前述のＨＰタービン６は複
数の可動翼の列（有利には１段から３段）から成ってい
る。ＨＰタービン６からの流体は第２の燃焼器すなわち
低圧燃焼器（ＬＰ燃焼器）９に達する。このＬＰ燃焼器
は自己着火原理によって作動される。これに関連して、
ヨーロッパ特許第０６２０３６２号公報にこれらの構成
要素が組み込まれた装置が記載されている。ＬＰ燃焼器
９はほぼリング状管路の形で、有利にはガス状の燃料１
０が噴射される管路を有している。ＨＰ燃焼器からの排
気ガス８の温度が上述の温度レベルにある場合、ＬＰ燃
焼器９で噴射された燃料１０の自己着火が行われる。こ
のＬＰ燃焼器９はここでは詳細には図示されていない補
助流体を有しており、この補助流体は火炎の先端部にお
いて確実な燃焼の作動を保証するための安定した戻し流
領域を形成する。不完全に膨張した高温ガス８はこの
後、ＬＰ燃焼器９でふたたび完全な値の高温ガス１１と
なり、この高温ガス１１の温度はＨＰ燃焼器４内での温
度に相当する。基本的には高温ガス７、１１の温度は直
接には熱力学的な限界を有さない。この限界は、ガスを
加えるべきタービンおよび機構要素により所定である。
高温ガス１１は第２のタービンすなわち低圧タービン
（ＬＰタービン）１２に加えられる。このＬＰタービン
において最終的な膨張が行われる。排気ガス１３の熱量
残留ポテンシャルは例えば後続の蒸気回路サイクルの蒸
気形成に利用される。発電機１４は流体の形成を２つの
タービン６、１２の動作出力から行う。図示されている
ガスタービン機構の重要な特徴は、全ての流体のための
機構１、６、１２が、連続して延在しているシャフト１
５に一体に取り付けられている点である。このシャフト
は有利には２つの図示されない軸受に支持されている。
２つの燃焼器４、９は２つのタービン６、１２の間の中
間スペースに配置されている。ここでＨＰ燃焼器４は有
利にはリング状燃焼器として構成されており、圧縮機ユ
ニット１の大部分に重なっているので、ガスタービン機
構をコンパクトなユニットとして構成するのに寄与して
いる。こうしたコンパクトな構成は、ＬＰ燃焼器９に関
して流体の技術を考慮すると完全には実現できない。し
かしこの場合にはＬＰ燃焼器９はきわめて短く構成され
ているので、コンパクトなガスタービン機構を実現する
目的は達成される。

【００１３】ガスタービン機構はスタートアップ過程か
ら動作速度に達するまでの間、ＨＰ燃焼器の着火のみに
よる１／２の出力で作動される。まず部分的に閉鎖され
た圧縮機ガイド翼の列が順次開放される。続いてＨＰ燃
焼器４への燃料量５の制御が従来の手段で行われる。こ
の場合ＬＰタービン１２の出口での温度Ｔ₁₃と、圧縮機
の端部圧力Ｐ₃または圧縮機の圧力比πとの関数の式 Ｔ₇＝Ａ（Ｔ₁₃−ΔＴ₁₃)＋（Ｂ・π）＋Ｃ （１） が成り立つ。ここでＡ、Ｂ、Ｃは一般的に適合する補正
係数であり、Ｔ₇はＨＰタービンへの入口での温度であ
り、Ｔ₁₃はＬＰタービンの出口での温度であり、温度差
ΔＴ₁₃は初期的にはゼロにとどまっている。

【００１４】機構の別の負荷のために、ＬＰ燃焼器９へ
の燃料供給１０が開始され、従来の第２の関係式による
制御が行われる。すなわち式 Ｔ11＝（Ａ’・Ｔ13）＋（Ｂ’−π’）＋Ｃ’ （２） が成り立つ。ここでπ’＝Ｐ₁₁／Ｐ₁₃であり、Ｐ₁₁は第
２のタービンへの入口での圧力、Ｐ₁₃は第２のタービン
の出口での圧力である。

【００１５】ＨＰ燃焼器４の一定に保持された燃料量で
ＬＰ燃焼器９を作動させることにより生じる、ＬＰター
ビン１２の出口での温度上昇ΔＴ₁₃が式（１）に代入さ
れる。これによりＨＰ燃焼器４は、ＬＰ燃焼器９が作動
していない場合と同様に制御される。値ΔＴ₁₃を正確に
するために、各スタートアップ過程またはランダウン過
程中に較正分が求められる。この較正分はいずれの場合
でも、ＬＰ燃焼器９の燃料量１０のΔｍ_FLの小さい変化
（質量流量と燃料量との間の差）によって確認すること
ができる。この手段は少なくとも、ＬＰ燃焼器９の燃料
量１０の相対的な測定を前提にしている。温度差ΔＴ₁₃
も計算でシミュレートできることは明らかである。

【００１６】制御技術的に特に良好な過渡特性を達成す
るために、ＨＰ燃焼器およびＬＰ燃焼器の両方の燃料量
に対して、少なくとも以下のような圧力バックアップに
よる制御を行うと有利である。

【００１７】ＨＰ燃焼器４のための燃料量Ｆ_Hはまず圧
縮機１の出口での圧力Ｐ₃の関数でコントロールされ
る。この場合、ＨＰ燃焼器のための燃料量Ｆ_Hと圧縮機
の出口での圧力Ｐ₃との比は、ＨＰタービンへの入口で
の温度Ｔ₇とこの温度Ｔ₇の目標値との差を表す係数Ｋ₁
によって連続的に更新される。ＬＰ燃焼器９のための燃
料量Ｆ_LはＬＰタービン１２への入口での圧力Ｐ₁₁の関
数でコントロールされる。この場合、 ＬＰ燃焼器のた
めの燃料量Ｆ_LとＬＰタービン１２への入口での圧力Ｐ
₁₁との比は、ＬＰタービンへの入口での温度Ｔ₁₁とこの
温度Ｔ₁₁の目標値との差を表す係数Ｋ₂によって連続的
に更新される。

【００１８】次の式が圧力バックアップを目的とした制
御に対して成り立つ。

【００１９】 Ｆ_H〜Ｋ₁・Ｐ₃ （３） Ｆ_L〜Ｋ₂・Ｐ₁₁ （４） 図示された温度制御モードは出力制御および回転数制御
にも使用することができる。その場合には２つのＴ_max
信号が燃料量５、１０を制限するように作用する。回転
数制御の場合には（ω＝ω_soll）、通常、消火されたＬ
Ｐ燃焼器９における高圧の燃料量５のみが制御される。
これは大規模な機構は実際には個別運転には使用され
ず、回転数制御は単に同期のためにしか用いられないた
めである。しかし、Ｔ₇＝Ｔ_7sollが達成された後、ω信
号を再び低圧の燃料量１０に作用させることもできる。
これに対して出力制御Ｐ＝Ｐ_sollを低圧の燃料量１０に
ついて行うこともできる。この機構は１／２の負荷で運
転されることはほとんどないからである。しかし、ＬＰ
燃焼器９の消火後、高圧の燃料量５に対するＰ信号を伝
送することもできる。

【００２０】プロセス制御が困難になった場合、圧縮機
の出口での圧力Ｐ₃および第２のタービンへの入口での
圧力Ｐ₁₁を低減することに代えて、圧力バックアップの
ために、ガスタービン機構の質量流量を決定するための
圧力を使用することができる。この場合に質量流量と圧
力との間の相互依存を、圧力が低減される際にも保証し
なければならない。

【００２１】所定の過渡的な負荷領域では、ＨＰタービ
ン６への入口での温度Ｔ₇は、第２のタービンの出口で
の温度からＬＰタービンの出口での温度上昇を差し引い
た値Ｔ₁₃−ΔＴ₁₃、および圧縮機の出口での圧力と第２
のタービンの出口での圧力の圧力比Ｐ₃／Ｐ₁₃により求
められる。ここで温度差ΔＴ₁₃はＬＰ燃焼器９の熱出力
の接続により生じる温度Ｔ₁₃の上昇分である。すなわち
この温度差は、前述のＬＰ燃焼器９へ供給される絶対燃
料量または相対燃料量Ｆ_Lから適切に導出される。この
温度差ΔＴ₁₃は、所定の安定した温度値Ｔ₁₁に基づい
て、または実験的に再現可能な手法によって、第２のタ
ービンへの入口での圧力Ｐ₁₁、第２のタービンの出口で
の圧力Ｐ₁₃、第２のタービンの出口での温度Ｔ₁₃から求
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン機構とその制御手段を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 圧縮機ユニット ２ 吸気 ３ 圧縮された空気 ４ ＨＰ燃焼器 ５ 供給される燃料 ６ ＨＰタービン ７、１１ 高温ガス ８、１３ 排気ガス ９ ＬＰ燃焼器 １０ 気体燃料 １２ ＬＰタービン １４ 発電機 １５ シャフト Ｐ3 圧縮機の出口での圧力 Ｐ11 第２のタービンへの入口での圧力 Ｐ13 第２のタービンの出口での圧力 Ｔ7 第１のタービンへの入口での温度 Ｔ11 第２のタービンへの入口での温度 Ｔ13 第２のタービンの出口での温度

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実質的に圧縮機ユニットと、該圧縮機ユ
   ニットに後置接続された第１の燃焼器と、該第１の燃焼
   器に後置接続された第１のタービンと、該第１のタービ
   ンに後置接続された、自己着火部を作動させる第２の燃
   焼器と、少なくとも１つの発電機とから成るガスタービ
   ン機構を制御するために、 前記第２の燃焼器に第２のタービンが高温ガスを加え
   る、 ガスタービン機構の制御方法において、 第１の燃焼器（４）を作動させるために必要な燃料量
   （Ｆ_H）を、まず圧縮機（１）の出口での圧力（Ｐ₃）の
   関数でコントロールし、 前記第１の燃焼器を作動させるために必要な燃料量（Ｆ
   _H）と前記圧縮機の出口での圧力（Ｐ₃）との比を、第１
   のタービンへの入口での温度（Ｔ₇）と該温度の目標値
   （Ｔ_7soll）との差を表す係数（Ｋ₁）によって連続的に
   更新し、 第２の燃焼器（９）を作動させるために必要な燃料量
   （Ｆ_L）を第２のタービン（１２）への入口での圧力
   （Ｐ₁₁）の関数でコントロールし、 前記第２の燃焼器を作動させるために必要な燃料量（Ｆ
   _L）と前記第２のタービンへの入口での圧力（Ｐ₁₁）と
   の比を、第２のタービンへの入口での温度（Ｔ ₁₁）と該
   温度の目標値（Ｔ_11soll）との差を表す係数（Ｋ₂）に
   よって同様に連続的に更新する、ことを特徴とするガス
   タービン機構の制御方法。
2. 【請求項２】 前記圧縮機の出口での圧力（Ｐ₃）およ
   び第２のタービンへの入口での圧力（Ｐ₁₁）に代えて、
   ガスタービン機構の質量流量を決定するための少なくと
   も１つの圧力を使用する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 第２のタービン（１２）の出口での温度
   （Ｔ₁₃）と、第２の燃焼器（９）の熱出力の接続によっ
   て生じる温度差（ΔＴ₁₃）との差、および前記圧縮機の
   出口での圧力（Ｐ₃）と第２のタービンの出口での圧力
   （Ｐ₁₃）との圧力比（Ｐ₃／Ｐ₁₃）により、前記第１の
   タービンへの入口での温度（Ｔ₇）を求める、請求項１
   または２記載の方法。
4. 【請求項４】 前記温度差（ΔＴ₁₃）を、絶対燃料量ま
   たは相対燃料量（Ｆ _L）から導出する、請求項１から３
   までのいずれか１項記載の方法。
5. 【請求項５】 前記圧縮機の出口での圧力（Ｐ₃）、前
   記第２のタービンの出口での圧力（Ｐ₁₃）および前記第
   ２のタービンの出口での温度（Ｔ₁₃）から、算出された
   熱力学的な最適温度（Ｔ₁₁)に基づいて前記温度差（Δ
   Ｔ₁₃）を求める、請求項１から３までのいずれか１項記
   載の方法。