特開 2024-74497 ガスタービンの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024074497

(43)【公開日】2024-05-31

(54)【発明の名称】ガスタービンの制御方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 9/48 20060101AFI20240524BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20240524BHJP

   F02C 7/143 20060101ALI20240524BHJP

   F02C 9/32 20060101ALI20240524BHJP

   F02C 7/228 20060101ALI20240524BHJP

【ＦＩ】

F02C9/48

F02C7/18 A

F02C7/143

F02C9/32

F02C7/228

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022185684

(22)【出願日】2022-11-21

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】荒木 勝人

(72)【発明者】

【氏名】赤松 真児

(72)【発明者】

【氏名】小山 敦史

(57)【要約】

【課題】部分負荷運転状態において、排ガス中の未燃ガスの増加を抑制しつつ、タービン性能を向上する。
【解決手段】制御方法は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、圧縮機から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された第１冷却空気をタービンのロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器と、を備えるガスタービンの制御方法に関する。本方法では、ガスタービンの運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合に、空気冷却器の出口部における第１冷却空気の温度を、定格負荷運転状態に比べて上昇させる。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された第１冷却空気を前記タービンのロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器と、
を備えるガスタービンの制御方法であって、
前記ガスタービンの運転状態が、定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったか否かを判定する運転状態判定工程と、
前記運転状態が前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合、前記空気冷却器の出口部における前記第１冷却空気の温度を、前記定格負荷運転状態に比べて上昇させる温度調整工程と、
を備える、制御方法。

【請求項2】

前記温度調整工程では、前記第１冷却空気の温度変化量が３～１５℃である、請求項１に記載の制御方法。

【請求項3】

前記燃焼器は、前記燃料を噴射するための少なくとも１つの燃料噴射ノズルでそれぞれ構成される第１ノズル群及び第２ノズル群を備え、
前記制御方法は、
前記運転状態が前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合、前記定格負荷運転状態に比べて、前記第１ノズル群及び第２ノズル群の合計燃料流量に対する前記第２ノズル群の燃料流量の比を低下させる燃料流量比調整工程を更に備える、請求項１又は２に記載の制御方法。

【請求項4】

前記燃料流量比調整工程では、燃焼振動が生じない範囲で、前記燃料流量値が調整される、請求項３に記載の制御方法。

【請求項5】

前記燃料流量比調整工程では、前記第１ノズル群と前記第２ノズル群における燃料流量が等しい場合を１００％として、前記燃料流量比が１０２．５～１０５％に設定される、請求項３に記載の制御方法。

【請求項6】

前記第１ノズル群は、前記第２ノズル群に比べて前記ロータ系に近い方に位置する燃料ノズルを含んで構成される、請求項３に記載の制御方法。

【請求項7】

前記圧縮機から抽気した圧縮空気であって、前記タービンの静止系の冷却系統に供給される第２冷却空気の流量を調整するための流量調整弁を備え、
前記制御方法は、
前記運転状態が前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合、前記定格負荷運転状態に比べて、前記第２冷却空気の流量が増加するように前記流量調整弁を制御する流量調整弁調整工程を更に備える、請求項１又は２に記載の制御方法。

【請求項8】

前記運転状態判定工程では、前記ガスタービンの負荷が、定格負荷より小さい部分負荷に所定期間以上、継続的に維持された場合に、前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定する、請求項１又は２に記載の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガスタービンの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンは、典型的には、圧縮機、燃焼器及びタービンを備えて構成される。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気を生成する。燃焼器は、この圧縮空気に対して燃料を供給し、混合して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスを得る。タービンは、車室内に複数の静翼と動翼が燃焼ガスの流動方向に沿って交互に配設されて構成されており、燃焼器で生成された燃焼ガスが、複数の静翼と動翼を通過することでロータが駆動回転される。タービンのロータには発電機が連結されており、タービンの回転駆動により発電機が駆動されることで発電が行われる。

【0003】

この種のガスタービンでは、圧縮機で圧縮した圧縮空気は、一部が抽気されて冷却空気として用いられる。このような冷却空気は、タービン車室や静翼のような静止系や、タービンディスクや動翼のようなロータ系（回転系）の冷却系統に供給される。例えば特許文献１には、コンバインドサイクルプラントに用いられるガスタービンにおいて、圧縮機からの抽気の一部を外部の空気冷却器により冷却することにより、ロータ系の冷却系統に供給される冷却空気が生成可能な構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－７５１７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、風力、地熱、太陽光のような再生可能エネルギを利用した発電設備が増加している。このような再生可能エネルギを利用した発電設備では、気象条件のような不確定要素によって発電量が左右されるため、他の発電方式によって、発電エネルギを利用した発電設備における発電量の変動を吸収することが求められている。

【0006】

前述したガスタービンを利用したコンバインドサイクルプラントも、このような他の発電方式の一種である。従来、ガスタービンは発電効率の観点から定格負荷運転が主流であったが、このような用途では、再生可能エネルギによる発電量の変動を賄うために、部分負荷運転が求められることも多くなっている。例えば再生可能エネルギによる発電量が多い場合には、ガスタービンに対する電力需要が低くなるため、ガスタービンは、運用最低負荷のような部分負荷運転が求められる。このような部分負荷運転が求められる割合は増加傾向にあるため、ガスタービンには、定格負荷運転だけでなく、部分負荷運転における性能向上のニーズがある。

【0007】

ここでガスタービンの部分負荷運転性能を向上させるための一手段として、部分負荷運転ではガスタービンの燃焼温度が低下することに着目して、ロータ系に対する冷却空気の供給量を削減することが考えられる。この場合、圧縮機からの抽気量が減少するため部分負荷運転におけるタービン効率の向上が期待される。しかしながら、冷却空気の供給量を減らし過ぎると、ガスタービンの出力を同等に維持するためには、燃焼温度が更に低下してしまい、排ガス中にＣＯを含む未燃ガスが増加して燃焼効率が低下してしまい、逆にガスタービンの性能が低下してしまうおそれがある。

【0008】

本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、部分負荷運転状態において、排ガス中の未燃ガスの増加を抑制しつつ、タービン性能を向上可能なガスタービンの制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の少なくとも一実施形態に係る制御方法は、上記課題を解決するために、
空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された第１冷却空気を前記タービンのロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器と、
を備えるガスタービンの制御方法であって、
前記ガスタービンの運転状態が、定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったか否かを判定する運転状態判定工程と、
前記運転状態が前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合、前記空気冷却器の出口部における前記第１冷却空気の温度を、前記定格負荷運転状態に比べて上昇させる温度調整工程と、
を備える。

【発明の効果】

【0010】

本開示の少なくとも一実施形態によれば、部分負荷運転状態において、排ガス中の未燃ガスの増加を抑制しつつ、タービン性能を向上可能なガスタービンの制御方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施形態に係るガスタービンコンバインドサイクルプラントの概略構成図である。

【図2】図１のガスタービンの構成例である。

【図3】図２の燃焼器を側方から示す断面図である。

【図4】図２の燃焼器を軸方向から示す断面図である。

【図5】一実施形態に係るガスタービン制御装置の機能的構成を示すブロック図である。

【図6】一実施形態に係るガスタービン制御方法を示すフローチャートである。

【図7】ガスタービンの負荷と燃料流量比との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

【0013】

図１は一実施形態に係るガスタービンコンバインドサイクルプラント１１の概略構成図である。ガスタービンコンバインドサイクルプラント１１は、ガスタービン部１２と、蒸気タービン部１３とを備える。

【0014】

ガスタービン部１２はガスタービン２０を有する。ガスタービン２０は、圧縮機２１、燃焼器２２及びタービン２３を備える。圧縮機２１及びタービン２３は、回転軸（ロータ）２４により一体的に回転可能に連結される。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気を圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から圧縮空気供給ライン２６を介して供給された圧縮空気と、燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスとを混合して燃焼することで、燃焼ガスを生成する。タービン２３は、燃焼器２２から燃焼ガス供給ライン２８を介して供給された燃焼ガスにより回転する。発電機２９は、圧縮機２１及びタービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電する。

【0015】

ガスタービン部１２は、圧縮機２１から抽出して得られた圧縮空気を冷却してタービン２３におけるロータ系（例えばタービンディスクや動翼を含む回転系）の冷却系統に供給する空気冷却器３１を有する。圧縮機２１には、圧縮機２１で生成された圧縮空気を抽出するための第１抽気ライン３２が設けられており、第１抽気ライン３２からの抽気は、空気冷却器３１によって冷却される。冷却された抽気は、タービン２３におけるロータ系の冷却系統に冷却空気供給ライン３３を介して、第１冷却空気として供給される。また第１抽気ライン３２には、空気冷却器３１をバイパスする空気冷却器バイパスライン３４が設けられる。空気冷却器バイパスライン３４には、電動弁３５が設けられる。

【0016】

またガスタービン部１２は、圧縮機２１の抽気室から抽出して得られた圧縮空気を、第２冷却空気として、タービン２３における静止系（例えばタービン車室や静翼など）の冷却系統に供給するための第２抽気ライン４１を有する。第２抽気ライン４１には、流量調整弁３６が設けられており、その開度を制御することで、静止系に対する第２冷却空気の供給量を調整可能である。

【0017】

蒸気タービン部１３は、排熱回収ボイラ４０を有する。排熱回収ボイラ４０は、タービン２３から排ガス排出ライン３０を介して排出された排気ガスの排熱によって蒸気を発生させる。具体的には、高圧ドラム４３には、給水ライン５９からポンプ６０によって圧送された給水と、当該給水が高圧蒸発器４４で排熱によって加熱されて生成された蒸気とが貯留される。高圧ドラム４３に貯留された蒸気は、高圧飽和蒸気管４８を介して高圧過熱器４５に送られ過熱された後、蒸気供給通路７４を介して蒸気タービン７０に供給される。

【0018】

蒸気タービン７０は、排熱回収ボイラ４０により生成された蒸気により駆動される高圧タービン７１と低圧タービン７２とを有する。高圧タービン７１及び低圧タービン７２は同軸状に配置され、発電機２９が連結されている。高圧過熱器４５の高圧蒸気は、高圧蒸気供給通路 ７４により高圧タービン７１に供給され、低圧過熱器６５の低圧蒸気は、低圧蒸気供給通路７５により低圧タービン７２に供給される。そして、高圧タービン７１から排出された高圧蒸気は、高圧蒸気排出通路７６により低圧蒸気供給通路７５に供給され、低圧タービン７２から排出された低圧蒸気は、低圧蒸気排出通路７７により復水器７８に供給される。

【0019】

復水器７８は、回収された蒸気を海水により冷却して復水とする。復水器７８で生成された復水は、復水供給ライン８１を介してグランドコンデンサ８２に送られることにより凝縮される。グランドコンデンサ８２で凝縮された復水は、低圧節炭器５２に送られる。低圧節炭器５２で加熱された復水は、低圧ドラム５１に貯留可能である。低圧ドラム５１に送られた給水は、低圧ドラム降水管６７ａ及び低圧ドラム上昇管６７ｂを介して低圧蒸発器６４で加熱されて低圧蒸気を発生する。低圧蒸発器６４で発生した低圧蒸気は、低圧飽和蒸気管６８を介して低圧過熱器６５に送られて過熱される。

【0020】

また低圧節炭器５２で加熱された復水は、給水ライン５９を介して高圧節炭器４２に供給可能である。高圧節炭器４２で加熱された給水は、高圧給水ライン４６を介して高圧ドラム４３に送られる。高圧ドラム４３に送られた給水は、高圧ドラム降水管４７ａ及び高圧ドラム上昇管４７ｂを介して高圧蒸発器４４で加熱されて高圧蒸気を発生する。高圧蒸発器４４で発生した高圧蒸気は、高圧飽和蒸気管４８を介して高圧過熱器４５に送られて過熱される。尚、高圧給水ライン４６には、流量調節弁４９が設けられる。

【0021】

また給水ライン５９には、低圧節炭器５２をバイパスするように設けられたバイパスライン８３が設けられる。バイパスライン８３にはバイパス弁８４が設けられ、バイパス弁８４の開度を調整することにより、低圧節炭器５２を通過する復水と、低圧節炭器５２をバイパスする復水とのバランスを調整可能となっている。

【0022】

また給水ライン５９のうちポンプ６０より下流側からは、空気冷却器３１に至る冷却水供給ライン６１が分岐して設けられる。空気冷却器３１では、冷却水供給ライン６１から供給される冷却水（復水）によって、圧縮機２１から第１抽気ライン３２に抽気された圧縮空気（第１冷却空気）を冷却可能である。空気冷却器３１で熱交換を終えて加熱された冷却水（復水）は、冷却水ライン６９を介して高圧節炭器４２の下流側に戻されることにより高圧ドラム４３に貯留される。

【0023】

また冷却水ライン６９には温度調節弁６３が設けられている。冷却水ライン６９のうち温度調節弁６３より上流側からは、分岐して復水器７８に至る給水回収ライン８５が設けられる。給水回収ライン８５には、空気冷却器３１に供給される冷却水流量を確保するための流量調整弁８６が設けられている。

【0024】

続いて図２～図４を参照して、ガスタービン２０が備える燃焼器２２の構成について説明する。図２は図１のガスタービン２０の構成例であり、図３は図２の燃焼器２２を側方から示す断面図であり、図４は図２の燃焼器２２を軸方向から示す断面図である。

【0025】

燃焼器２２は、タービン車室に固定される外筒３７と、外筒３７より内側に配置された複数のメインバーナ５３と、複数のメインバーナ５３より下流側に配置され、複数のメインバーナ５３による燃焼による燃焼ガスをタービン２３の燃焼ガス流路中に送る燃焼筒３９とを備える。
尚、本願明細書では、燃焼器２２の中心軸線が延びる方向で、燃焼筒３９内で燃焼ガスが流れていく側を下流側とし、その反対側を上流側とする。

【0026】

複数のメインバーナ５３は、中心軸に対して周方向に等間隔で配置される。図４に示すように、複数のメインバーナ５３は、中心軸の外周側を囲む筒状のメイン空気用内筒５５と、メイン空気用内筒５５の外周を囲む筒状のメイン空気用外筒５６と、メイン空気用内筒５５の外周側とメイン空気用外筒５６の内周側との間の環状の空間を周方向に複数に分割する仕切板５７と、複数の仕切板５７の相互間に配置されているメインノズル５４と、を有する。

【0027】

一つのメインバーナ５３は、他のメインバーナ５３と共有するメイン空気用内筒５５及びメイン空気用外筒５６と、周方向で隣接する一対の仕切板５７と一対の仕切板５７の間に配置されている一つのメインノズル５４と、を有する。一つのメインバーナ５３におけるガス流路枠５８ａは、メイン空気用内筒５５と、メイン空気用外筒５６と、周方向で隣接する一対の仕切板５７とを有して構成される。

【0028】

メイン空気用内筒５５とメイン空気用外筒５６と複数の仕切板５７で画定される複数の空間は、圧縮機２１からの圧縮空気がメイン空気Ａｍとして流れるメイン空気流路５８を成している。このメイン空気流路５８を流れるメイン空気Ａｍには、このメイン空気流路５８内に配置されているメインノズル５４からメイン燃料Ｆｍが噴射される。このため、メイン空気流路５８内でメインノズル５４の先端（下流端）よりも下流側には、メイン空気Ａｍとメイン燃料Ｆｍとが混ざり合った予混合ガスが流れる。この予混合ガスは、メイン空気流路５８から噴射されてから燃焼（予混合燃焼）し、予混合火炎を形成する。よって、本実施形態のメインノズル５４は、予混合ノズルである。

【0029】

尚、中心軸に対応する位置にはパイロットバーナが配置されていてもよい。また複数のメインバーナ５３の外周側には、少なくとも一つのトップハットノズルが配置されていてもよい。

【0030】

燃焼器２２は、図４に示すように、８本のメインバーナ５３を有する。８本のメインバーナ５３のうち、ガスタービン２０のロータ系の軸線Ａｒ（図２を参照）に近い側に配置され、且つ、周方向で互いに隣接している３本のメインバーナ５３は、第１メインバーナ群５３Ａを構成する。また、残りの５本のメインバーナ５３は、第２メインバーナ群５３Ｂを構成する。第１メインバーナ群５３Ａを構成する３本のメインバーナ５３における各メインノズル５４は、第１ノズル群５４Ａを構成し、第２メインバーナ群５３Ｂを構成する５本のメインバーナ５３における各メインノズル５４は、第２ノズル群５４Ｂを構成する。

【0031】

またガスタービン２０は、燃焼器２２に供給する燃料Ｆが流れる燃料ガス供給ライン２７と、第１ノズル群５４Ａに燃料Ｆｍａを送る第１燃料ライン６２ａと、第２ノズル群５４Ｂに燃料Ｆｍｂを送る第２燃料ライン６２ｂと、燃料Ｆｍａの流量を調節する第１燃料弁６６ａと、燃料Ｆｍｂの流量を調節する第２燃料弁６６ｂと、を備える。

【0032】

第１燃料ライン６２ａ及び第２燃料ライン６２ｂは、いずれも燃料ガス供給ライン２７から分岐したラインである。第１燃料ライン６２ａは、メインラインと、このメインラインから分岐した複数の分岐ラインとを有する。複数の分岐ラインは、第１ノズル群５４Ａを構成する３本のメインノズル５４毎に設けられている。第１燃料弁６６ａは、第１燃料ライン６２ａのメインラインに設けられている。第２燃料ライン６２ｂは、メインラインと、このメインラインから分岐した複数の分岐ラインとを有する。複数の分岐ラインは、第２ノズル群５４Ｂを構成する５本のメインノズル５４毎に設けられている。第２燃料弁６６ｂは、第２燃料ライン６２ｂのメインラインに設けられている。

【0033】

続いて上記構成を有するガスタービン２０を制御するためのガスタービン制御装置１００について説明する。図５は一実施形態に係るガスタービン制御装置１００の機能的構成を示すブロック図である。

【0034】

ガスタービン制御装置１００は、ガスタービン２０を制御するためのコントロールユニットであり、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。尚、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

【0035】

ガスタービン制御装置１００は、運転状態判定部１０２と、空気冷却器出口温度制御部１０４と、燃料流量比制御部１０６と、冷却量制御部１０８とを備える。

【0036】

運転状態判定部１０２は、ガスタービン２０の運転状態が、定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったか否かを判定するための構成である。ガスタービン２０の負荷は、例えば、タービン２３に連結された発電機２９の出力（発電電力）を検出することで特定される。運転状態判定部１０２は、ガスタービン２０の負荷に基づいてガスタービン２０の運転状態をモニタリングすることにより、定格負荷運転状態から部分負荷運転状態への切り替わりを判定する。

【0037】

尚、定格負荷運転状態は、ガスタービン２０の負荷が予め設定された定格負荷にある運転状態であり、部分負荷運転状態は、ガスタービン２０の負荷が、定格負荷より小さい部分負荷にある運転状態である。また部分負荷は、ガスタービン２０が運転可能な最小運転負荷であってもよい。

【0038】

空気冷却器出口温度制御部１０４は、空気冷却器３１の出口部における温度（以下、適宜「出口温度Ｔｃ」と称する）を制御するための構成である。空気冷却器出口温度制御部１０４は、例えば、電動弁３５及びバイパス弁８４の開度を制御することにより、空気冷却器３１の出口温度Ｔｃを調整できる。具体的には、電動弁３５の弁開度を閉制御するとともに、バイパス弁８４を開制御することにより、空気冷却器３１の出口温度Ｔｃを下げるように調整できる。一方で、電動弁３５の弁開度を開制御するとともに、バイパス弁８４の弁開度を閉制御することで、空気冷却器３１の出口温度Ｔｃを上げるように調整できる。

【0039】

燃料流量比制御部１０６は、燃焼器２２が備える複数のノズル群に対する燃料流量比ＫＭＢを制御するための構成である。燃料流量比ＫＭＢは、次式に示すように、第２ノズル群５４Ｂに供給する燃料Ｆｍｂの流量である第２流量ＭＢＣＳＯを、第１ノズル群５４Ａに供給する燃料Ｆｍｂの流量である流量ＭＡＣＳＯと流量ＭＢＣＳＯとを加算した値で割った値として定義される。
ＫＭＢ＝ＭＢＣＳＯ／（ＭＡＣＳＯ＋ＭＢＣＳＯ） （１）

【0040】

冷却量制御部１０８は、ガスタービン２０の静止系の冷却系統に対する第２冷却空気の供給量を制御するための構成である。前述したように、ガスタービン２０の静止系の冷却系統には、圧縮機２１から抽気された第２冷却空気が供給される。第２冷却空気が流れる第２抽気ライン４１には、流量調整弁３６が設けられている。冷却量制御部１０８は、流量調整弁３６の開度を調整することにより、静止系の冷却系統に対する第２冷却空気の供給量を制御することができる。

【0041】

続いて上記構成を有するガスタービン制御装置１００によって実施されるガスタービン制御方法について説明する。図６は一実施形態に係るガスタービン制御方法を示すフローチャートである。

【0042】

まず運転状態判定部１０２は、ガスタービン２０の運転状態が、定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったか否かを判定する（ステップＳ１００：運転状態判定工程）。ステップＳ１００では、例えば、ガスタービン２０に連結された発電機２９の出力（発電電力）に基づいて特定されるガスタービン２０の負荷に基づいて判定が行われる。定格負荷運転状態は、ガスタービン２０の負荷が予め設定された定格負荷にある運転状態であり、部分負荷運転状態は、ガスタービン２０の負荷が、定格負荷より小さい部分負荷にある運転状態である。

【0043】

ステップＳ１００では、運転状態判定部１０２は、ガスタービン２０の負荷が静定的に部分負荷に維持された場合に、定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったと判定してもよい。ここで静定的とは、ガスタービン２０の負荷が、ある値の部分負荷に予め設定された所定期間以上にわたって安定的に維持されることを意味する。すなわち、この場合、ガスタービン２０の負荷が、ある値の部分負荷に所定期間以上安定した場合に、定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったと判定される。

【0044】

定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、空気冷却器出口温度制御部１０４は、空気冷却器３１の出口温度Ｔｃを上昇させる（ステップＳ１０１：温度調整工程）。ステップＳ１０１における出口温度Ｔｃの上昇は、前述のように電動弁３５の弁開度を開制御するとともにバイパス弁８４の弁開度を閉制御することにより行われる。このようにガスタービン２０の運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替えされた際に、出口温度Ｔｃを上昇させることで、タービン２３のロータ系と静止系との間におけるチップクリアランスが低減し、部分負荷運転状態におけるタービン効率を効果的に向上できる。

【0045】

尚、ステップＳ１０１における出口温度Ｔｃの上昇幅は、例えば、３～１５度の範囲が好ましい。このような数値範囲に出口温度Ｔｃの上昇幅を設定することにより、タービンのロータ系と静止系との間におけるチップクリアランスが低減し、部分負荷運転状態におけるタービン効率を効果的に向上できる。

【0046】

続いて燃料流量比制御部１０６は、燃料流量比ＫＭＢを部分負荷運転状態に対応した値になるように制御する（ステップＳ１０２：燃料流量比調整工程）。燃料流量比ＫＭＢは、ガスタービン２０の運転状態に対応して制御されるが、その制御パラメータの一つに負荷がある。ここで図７はガスタービン２０の負荷（発電機２９の出力）と燃料流量比ＫＭＢとの関係を示す図である。燃料流量比ＫＭＢは、ガスタービン２０が定格負荷運転状態にある場合には、第１値ＫＭＢ１になるように制御される。第１値ＫＭＢ１は、比較的１００％に近い値であり、この場合、第１ノズル群５４Ａに供給する燃料Ｆｍａの流量ＭＡＣＳＯと、第２ノズル群５４Ｂに供給する燃料Ｆｍｂの流量ＭＢＣＳＯとが比較的近くなる。

【0047】

ステップＳ１０２では、ガスタービン２０の運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替えられることにより、燃料流量比ＫＭＢは、このような第１値ＫＭＢ１から、部分負荷に対応する第２値ＫＭＢ２になるように制御される。第２値ＫＢＭ２は、第１値ＫＭＢ１より大きく、部分負荷に対応する値を有する。

【0048】

この第２値ＫＢＭ２は、燃焼振動が生じない範囲で、前記燃料流量値が調整される。図７では、各負荷において燃焼振動が生じる境界ラインＬが示されており、第２値ＫＢＭ２は当該境界ラインＬに対して所定のマージンを有するように設定される。例えば、第２値ＫＭＢ２（部分負荷における燃料流量比）は、１０２．５～１０５％になるように制御される。

【0049】

これによりステップＳ１０２では、ガスタービン２０の運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替えされた際に、燃料流量比ＫＭＢが減少するように制御されることで、第１ノズル群５４Ａに供給する燃料Ｆｍａの流量ＭＡＣＳＯが第２ノズル群５４Ｂに供給する燃料Ｆｍｂの流量ＢＭＣＳＯに比べて相対的に増加する。その結果、第１ノズル群５４Ａに対応する火炎温度が高くなり、部分負荷運転状態で排ガスに含まれるＣＯの排出量を効果的に抑制できる。

【0050】

ここで、前述したように、第２ノズル群５４Ｂは、第１ノズル群５４Ａに比べてロータ系に近い方に位置する燃料ノズルを含んで構成される。ステップＳＳ１０２では、ガスタービン２０の運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替えされた際に、燃焼器２２が有する複数のノズルのうち、ロータ系に近い方に位置する燃料ノズルを含む第２ノズル群５４Ｂの燃料流量ＢＭＣＳＯが相対的に減少させられる。これにより、部分負荷運転状態において、ガスタービン２０のロータ系のうち動翼の根元近傍における温度が抑制され、ステップＳ１０１で空気冷却器３１の出口温度Ｔｃを上昇させた際に、ガスタービン２０からの排ガスが温度上限規制値（例えば７００度）を超えることを防止できる。

【0051】

続いて冷却量制御部１０８は、ガスタービン２０の静止系の冷却系統に対する第２冷却空気の供給量を、定格負荷運転状態に比べて増加するように制御する（ステップＳ１０３：流量調整弁調整工程）。これにより、第２冷却空気の流量増加によってガスタービン２０の排ガスの温度を低下させられるため、ステップＳ１０１において空気冷却器３１の出口温度Ｔｃを上昇させた際に、タービン２３からの排ガスが温度上限規制値（例えば７００度）を超えることをより効果的に防止できる。

【0052】

尚、ステップＳ１０２～Ｓ１０３の実施順は任意でもよい。またステップＳ１０２～Ｓ１０３の少なくとも１つは省略してもよい。

【0053】

以上説明したように上記各実施形態によれば、部分負荷運転状態において、排ガス中の未燃ガスの増加を抑制しつつ、タービン性能を向上可能なガスタービンの制御方法を提供できる。

【0054】

その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

【0055】

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

【0056】

（１）一態様に係るガスタービンの制御方法は、
空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された第１冷却空気を前記タービンのロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器と、
を備えるガスタービンの制御方法であって、
前記ガスタービンの運転状態が、定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わったか否かを判定する運転状態判定工程と、
前記運転状態が前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合、前記空気冷却器の出口部における前記第１冷却空気の温度を、前記定格負荷運転状態に比べて上昇させる温度調整工程と、
を備える。

【0057】

上記（１）の態様によれば、ガスタービンの運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替えされた際に、空気冷却器の出口部における第１冷却空気の温度が上昇するように制御される。これにより、タービンのロータ系と静止系との間におけるチップクリアランスが低減し、部分負荷運転状態におけるタービン効率を効果的に向上できる。

【0058】

（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
前記温度調整工程では、前記第１冷却空気の温度変化量が３～１５℃である。

【0059】

上記（２）の態様によれば、ガスタービンの運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替えされた際に、空気冷却器の出口部における温度変化量が３～１５度の範囲に制御されることで、タービンのロータ系と静止系との間におけるチップクリアランスが低減し、部分負荷運転状態におけるタービン効率を効果的に向上できる。

【0060】

（３）他の態様では、上記（１）又は（２）の態様において、
前記燃焼器は、前記燃料を噴射するための少なくとも１つの燃料噴射ノズルでそれぞれ構成される第１ノズル群及び第２ノズル群を備え、
前記制御方法は、
前記運転状態が前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合、前記定格負荷運転状態に比べて、前記第１ノズル群及び前記第２ノズル群の合計燃料流量に対する前記第２ノズル群の燃料流量の比を低下させる燃料流量比調整工程を更に備える。

【0061】

上記（３）の態様によれば、ガスタービンの運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替えされた際に、定格負荷運転状態に比べて、第１ノズル群及び第２ノズル群の合計燃料流量に対する第２ノズル群の燃料流量の比を低下させる。これにより、定格負荷運転状態に比べて、第１ノズル群に対応する火炎温度が高くなり、部分負荷運転状態で排ガスに含まれるＣＯの排出量を効果的に抑制できる。

【0062】

（４）他の態様では、上記（３）の態様において、
前記燃料流量比調整工程では、燃焼振動が生じない範囲で、前記燃料流量値が調整される。

【0063】

上記（４）の態様によれば、上記の燃料流量比の制御は、燃焼振動が発生しない範囲で制御される。これにより、部分負荷運転状態において、ガスタービンの動作状態を健全に保持しながら、タービン効率や排ガス性能の改善を図ることができる。

【0064】

（５）他の態様では、上記（３）又は（４）の態様において、
前記燃料流量比調整工程では、前記第１ノズル群と前記第２ノズル群における燃料流量が等しい場合を１００％として、前記燃料流量比が１０２．５～１０５％に設定される。

【0065】

上記（５）の態様によれば、部分負荷運転状態において、ガスタービンの動作状態を健全に保持しながら、タービン効率や排ガス性能の改善を図ることができる。

【0066】

（６）他の態様では、上記（３）から（５）のいずれか一態様において、
前記第１ノズル群は、前記第２ノズル群に比べて前記ロータ系に近い方に位置する燃料ノズルを含んで構成される。

【0067】

上記（６）の態様によれば、ガスタービンの運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替えされた際に、燃焼器が有する複数のノズルのうち、ロータ系から遠い方に位置する第２ノズル群の燃料流量より、ロータ系に近い方に位置する燃料ノズルを含む第１ノズル群の燃料流量が相対的に低いので、タービンのロータ系のうち動翼の根元近傍における温度が抑制される。このため、更に、空気冷却器の出口温度を上げることができ、タービンのロータ系と静止系との間におけるチップクリアランスが低減し、部分負荷運転状態におけるタービン効率を効果的に向上できる。

【0068】

（７）他の態様では、上記（１）から（６）のいずれか一態様において、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気であって、前記タービンの静止系の冷却系統に供給される第２冷却空気の流量を調整するための流量調整弁を備え、
前記制御方法は、
前記運転状態が前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定された場合、前記定格負荷運転状態に比べて、前記第２冷却空気の流量が増加するように前記流量調整弁を制御する流量調整弁調整工程を更に備える。

【0069】

上記（７）の態様によれば、ガスタービンの運転状態が定格負荷運転状態から部分負荷運転状態に切り替わった場合に、第２冷却空気の流量が増加するように制御される。これにより、第２冷却空気の流量増加によってタービンの排ガスの温度を低下させられるため、タービンからの排ガスが温度上限規制値（例えば７００度）を超えることを防止できる。

【0070】

（８）他の態様では、上記（１）から（７）のいずれか一態様において、
前記運転状態判定工程では、前記ガスタービンの負荷が、定格負荷より小さい部分負荷に所定期間以上、継続的に維持された場合に、前記定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態に切り替わったと判定する。

【0071】

上記（８）の態様によれば、定格負荷運転状態から前記部分負荷運転状態への切り替わり判定が、ガスタービンの負荷が部分負荷に所定期間以上、継続的に維持されたか否かにより行われる。これにより、ガスタービンの運転状態の遷移を的確に判定し、部分負荷運転状態における安定的な運転状態の制御を実現できる。

【符号の説明】

【0072】

１１ ガスタービンコンバインドサイクルプラント
１２ ガスタービン部
１３ 蒸気タービン部
２０ ガスタービン
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２５ 空気取り込みライン
２６ 圧縮空気供給ライン
２７ 燃料ガス供給ライン
２８ 燃焼ガス供給ライン
２９ 発電機
３０ 排ガス排出ライン
３１ 空気冷却器
３２ 第１抽気ライン
３３ 冷却空気供給ライン
３４ 冷却空気バイパスライン
３５ 電動弁
３６ 流量調整弁
３７ 外筒
３９ 燃焼筒
４０ 排熱回収ボイラ
４１ 第２抽気ライン
４２ 高圧節炭器
４３ 高圧ドラム
４４ 高圧蒸発器
４５ 高圧過熱器
４８ 蒸気管
４９ ポンプ
５１ 低圧ドラム
５３ メインバーナ
５３Ａ 第１メインバーナ群
５３Ｂ 第２メインバーナ群
５４ メインノズル
５４Ａ 第１ノズル群
５４Ｂ 第２ノズル群
５５ メイン空気用内筒
５６ メイン空気用外筒
５７ 仕切板
５８ メイン空気流路
５８ａ ガス流路枠
５９ 給水ライン
６１ 冷却水供給ライン
６２ａ 第１燃料ライン
６２ｂ 第２燃料ライン
６３ 温度調節弁
６４ 低圧蒸発器
６５ 低圧過熱器
６６ａ 第１燃料弁
６６ｂ 第２燃料弁
６７ａ 低圧ドラム降水管
６７ｂ 低圧ドラム上昇管
６８ 低圧飽和蒸気管
６９ 冷却水ライン
７０ 蒸気タービン
７１ タービン
７３ 発電機
７４ 蒸気供給通路
７６ 蒸気排出通路
７８ 復水器
８１ 復水供給ライン
８２ グランドコンデンサ
８３ バイパスライン
８４ バイパス弁
８５ 給水回収ライン
１００ ガスタービン制御装置
１０２ 運転状態判定部
１０４ 空気冷却器出口温度制御部
１０６ 燃料流量比制御部
１０８ 冷却量制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】