燃气轮机系统及其控制方法

技术领域

本公开涉及燃气轮机系统及其控制方法。

本申请基于2021年3月26日向日本专利局申请的特愿2021-053915号来主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

例如在专利文献1中记载了通过燃气轮机驱动发电机来进行发电的技术。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-47728号公报

发明内容

发明要解决的课题

燃气轮机的排气流路内的设计通常考虑燃气轮机的通常运转时的高温的燃烧气体的流动来进行。因此，相对于通过来自外部的供电对燃气轮机提供旋转动力的逆电力运转模式中的燃烧气体的流动，有时排气流路内的设计不是最佳的。特别是，设置于排气流路内的支柱护罩是由燃烧气体的流动引起的负载高的部位，特别需要应对。

鉴于上述的情况，本公开的至少一个实施方式的目的在于，提供能够减少逆电力运转模式中的对支柱护罩的负载的燃气轮机系统及其控制方法。

用于解决课题的方案

为了实现上述目的，本公开的燃气轮机系统具备：燃气轮机，其具备生成压缩空气的压缩机、利用所述压缩空气使燃料燃烧的燃烧器、由通过所述燃烧器中的所述燃料的燃烧而产生的燃烧气体驱动的涡轮机、及调整所述压缩机的吸气量的入口引导叶片；入口引导叶片控制装置，其控制所述入口引导叶片的开度；以及电动发电机，其能够由所述涡轮机驱动，并且能够通过来自所述燃气轮机的外部的供电对所述燃气轮机提供旋转动力，在所述电动发电机向所述燃气轮机提供所述旋转动力的运转模式即逆电力运转模式中，所述入口引导叶片控制装置将所述入口引导叶片的开度控制为成为比最小开度大的开度，所述最小开度是由所述涡轮机驱动所述电动发电机的运转模式即通常运转模式中的所述入口引导叶片的开度的最小值。

另外，根据本公开的燃气轮机系统的控制方法，所述燃气轮机系统具备：燃气轮机，其具备生成压缩空气的压缩机、利用所述压缩空气使燃料燃烧的燃烧器、由通过所述燃烧器中的所述燃料的燃烧而产生的燃烧气体驱动的涡轮机、及调整所述压缩机的吸气量的入口引导叶片；以及电动发电机，其能够由所述涡轮机驱动，并且能够通过来自所述燃气轮机的外部的供电对所述燃气轮机提供旋转动力，其中，所述燃气轮机系统的控制方法包括如下步骤：在所述电动发电机向所述燃气轮机提供所述旋转动力的运转模式即逆电力运转模式中，将所述入口引导叶片的开度控制为成为比最小开度大的开度，所述最小开度是由所述涡轮机驱动所述电动发电机的运转模式即通常运转模式中的所述入口引导叶片的开度的最小值。

发明效果

根据本公开的燃气轮机系统及其控制方法，通过将逆电力运转模式中的入口引导叶片的开度控制为比通常运转模式中的入口引导叶片的最小开度大的开度，与入口引导叶片的开度为最小开度的情况相比，从涡轮机的最后级的动叶片排出的燃烧气体的轴向的速度增加。这样，逆电力运转模式中的燃烧气体的涡流角变小，因此与通常运转模式中的燃烧气体的涡流角的差变小。其结果是，与入口引导叶片的开度为最小开度的情况相比，作用于支柱护罩的周向的负载降低，因此能够减少逆电力运转模式中的对支柱护罩的负载。

附图说明

图1是本公开的一实施方式的燃气轮机系统的结构图。

图2是本公开的一实施方式的燃气轮机系统的燃气轮机的涡轮机的一部分的剖视图。

图3是表示本公开的一实施方式的燃气轮机系统从通常运转模式向逆电力运转模式转移时的各种项目的经时变化的时序图。

图4是用于说明在通常运转模式以及逆电力运转模式的各个模式中作用于支柱护罩的周向的负载的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本公开的实施方式的燃气轮机系统及其控制方法进行说明。以下说明的实施方式表示本公开的一方式，并不限定该公开，能够在本公开的技术思想的范围内任意地变更。

<本公开的一实施方式的燃气轮机系统的结构>

如图1所示，本公开的一实施方式的燃气轮机系统10具备燃气轮机1，该燃气轮机1具有：燃烧器4，其使燃料燃烧而生成燃烧气体；压缩机2，其向燃烧器4供给作为燃烧用空气的压缩空气；以及涡轮机6，其具有与该压缩机2共用的旋转轴5，且构成为被由燃烧器4生成的燃烧气体驱动。在旋转轴5连结有电动发电机7，电动发电机7构成为能够与燃气轮机1的外部的电力系统8电连接。在压缩机2的入口设置有用于调整吸气量的入口引导叶片(IGV)3A。IGV3A的开度构成为能够由致动器3B(入口引导叶片控制装置)调节。

燃烧器4构成为从燃料供给源11经由燃料供给管线12被供给燃料。在燃料供给管线12设置有：燃料控制阀13(燃料流量控制装置)，其用于调节向燃烧器4供给的燃料的流量(燃料供给量)；先导比率控制部14(例如，对向未图示的先导喷嘴以及主喷嘴(未图示)的燃料供给量进行控制的控制阀)，其用于调节作为向先导喷嘴(未图示)的燃料供给量相对于向燃烧器4的燃料供给量的比率的先导比率。燃料控制阀13、先导比率控制部14以及致动器3B分别与控制装置15电连接。

控制装置15例如由CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random AccessMemory)、ROM(Read Only Memory)以及计算机能够读取的存储介质等构成。并且，作为一例，用于实现各种功能的一系列的处理以程序的形式存储于存储介质等，CPU将该程序读出到RAM等中，执行信息的加工/运算处理，由此实现各种功能。另外，程序也可以应用预先安装在ROM、其他存储介质中的方式、以存储于计算机能够读取的存储介质中的状态提供的方式、经由基于有线或无线的通信手段分发的方式等。计算机能够读取的存储介质为磁盘、光磁盘、CD-ROM、DVD-ROM、半导体存储器等。

如图2所示，燃气轮机1的涡轮机6具备具有涡轮机机室21及排气机室22的外部壳体、以及具有排气扩散器23的内部壳体。在涡轮机6中，通过涡轮机机室21形成有气体通路24，在气体通路24中，多级的静叶片25以及多级的动叶片26沿着在气体通路24中流通的燃烧气体的流通方向B交替地配置。在图2中，仅绘制了最后级的静叶片25以及动叶片26。呈圆筒形状(环状)的外侧扩散器23A以及内侧扩散器23B通过支柱护罩27连结，由此构成排气扩散器23。旋转轴5由轴承部28支承为旋转自如，轴承部28经由支柱29由排气机室22支承。支柱护罩27在内部配置有支柱29。

<本公开的一实施方式的燃气轮机系统的动作>

接下来，对本公开的一实施方式的燃气轮机系统10的动作进行说明。如图1所示，燃气轮机系统10能够适当切换由涡轮机6驱动电动发电机7的运转模式即通常运转模式、以及电动发电机7对燃气轮机1提供旋转动力的运转模式即逆电力运转模式来进行动作。

在通常运转模式中，从压缩机2向燃烧器4供给压缩空气，并且从燃料供给源11经由燃料供给管线12向燃烧器4供给燃料，由此燃料燃烧而生成燃烧气体。该燃烧气体被供给至涡轮机6，由此涡轮机6被驱动、即旋转，涡轮机6的旋转经由旋转轴5传递至电动发电机7，从而电动发电机7作为发电机进行驱动。由电动发电机7发出的电力被输送至电力系统8。

另一方面，在逆电力运转模式中，通过从燃气轮机1的外部的电力系统8向电动发电机7供给电力，从而电动发电机7作为电动机进行驱动。由电动发电机7产生的旋转动力被提供给燃气轮机1，以辅助燃气轮机1的运转。因此，逆电力运转模式一般与通常运转模式相比燃料消耗量变小。

<本公开的一实施方式的燃气轮机系统的控制方法>

接下来，基于图1、图2以及图3的时序图，对燃气轮机系统10的控制方法进行说明。图3的时序图表示燃气轮机系统10从通常运转模式向逆电力运转模式转移时的各种项目的经时变化。在时刻t

另外，在时刻t

在时刻t

在时刻t

如上述那样，控制装置15以运转模式切换按钮被按下为契机，进行用于使IGV3A的开度、先导比率等的向逆电力运转模式的转移条件成立的控制。通过在使燃料供给量减少到逆电力运转模式中的下限值之前预先增加IGV3A的开度，在从通常运转模式中的最低燃料供给量即第一最低供给量F

在时刻t

在时刻t

如图4所示，在通常运转模式中，在将旋转轴5的旋转速度设为S

针对于此，在该实施方式中，通过将逆电力运转模式中的IGV3A的开度控制为比通常运转模式中的IGV3A的最小开度O

<本公开的一实施方式的燃气轮机系统的控制方法的变形例>

在该实施方式中，在从通常运转模式中的最低燃料供给量降低至逆电力运转模式中的最低燃料供给量之前，使IGV3A的开度增加，但并不限定于该方式。但是，通过在降低至逆电力运转模式中的最低燃料供给量之前预先将IGV3A的开度设为比最小开度O

在该实施方式中，在通常运转模式中使IGV3A的开度降低至最小开度O

在该实施方式中，在逆电力运转模式时，作为来自燃气轮机1的外部的供电，从电力系统8向电动发电机7供给电力，但并不限定于该方式。也可以将其他工厂等中过剩的电力向电动发电机7供电。

上述各实施方式所记载的内容例如如以下那样掌握。

[1]一方案的燃气轮机系统，其中，

所述燃气轮机系统具备：

燃气轮机(1)，其具备生成压缩空气的压缩机(2)、利用所述压缩空气使燃料燃烧的燃烧器(4)、由通过所述燃烧器(4)中的所述燃料的燃烧而产生的燃烧气体驱动的涡轮机(6)、及调整所述压缩机(2)的吸气量的入口引导叶片(3A)；

入口引导叶片控制装置(致动器3B)，其控制所述入口引导叶片(3A)的开度；以及

电动发电机(7)，其能够由所述涡轮机(6)进行驱动，并且能够通过来自所述燃气轮机(1)的外部的供电对所述燃气轮机(1)提供旋转动力，

在所述电动发电机(7)向所述燃气轮机(1)提供所述旋转动力的运转模式即逆电力运转模式中，所述入口引导叶片控制装置(3B)将所述入口引导叶片(3A)的开度控制为成为比最小开度(O

根据本公开的燃气轮机系统，通过将逆电力运转模式中的入口引导叶片的开度控制为比通常运转模式中的入口引导叶片的最小开度大的开度，与入口引导叶片的开度为最小开度的情况相比，从涡轮机的最后级的动叶片排出的燃烧气体的轴向的速度增加。这样，逆电力运转模式中的燃烧气体的涡流角变小，因此与通常运转模式中的燃烧气体的涡流角之差变小。其结果是，与入口引导叶片的开度为最小开度的情况相比，作用于支柱护罩的周向的负载降低，因此能够减少逆电力运转模式中的对支柱护罩的负载。

[2]另一方案的燃气轮机系统在[1]的燃气轮机系统的基础上，

所述燃气轮机系统还具备控制向所述燃烧器(4)供给的所述燃料的流量的燃料流量控制装置(燃料控制阀13)，

在从所述通常运转模式向所述逆电力运转模式切换的过程中，所述燃料流量控制装置(13)使所述燃料的流量降低，所述入口引导叶片控制装置(3B)使所述入口引导叶片(3A)的开度增加。

在逆电力运转模式时，为了降低作用于支柱护罩的周向的负载，将入口引导叶片的开度设为比最小开度大的开度，但若在向燃烧器的燃料供给量的降低时使入口引导叶片的开度急剧增加，则存在燃烧器失火的担忧。与此相对，根据上述[2]的结构，通过增加入口引导叶片的开度，能够减少燃烧器失火的可能性，并且减少对支柱护罩的负载。

[3]又一方案的燃气轮机系统在[2]的燃气轮机系统的基础上，

所述燃料流量控制装置(13)在从所述通常运转模式向所述逆电力运转模式切换的过程中，在增加了所述入口引导叶片(3A)的开度之后，使所述燃料的流量降低。

根据这样的结构，通过在增加入口引导叶片的开度之后使燃料的流量降低，能够减少燃烧器失火的可能性，并减少对支柱护罩的负载。

[4]又一方案的燃气轮机系统在[2]或[3]的燃气轮机系统的基础上，

在从所述通常运转模式向所述逆电力运转模式切换的过程中，所述入口引导叶片控制装置(13)使所述入口引导叶片(3A)的开度以恒定的增加率增加。

根据这样的结构，通过使入口引导叶片的开度以恒定的增加率增加，能够减少燃烧器失火的可能性，并且减少对支柱护罩的负载。

[5]又一方案的燃气轮机系统在[2]～[4]中任一项的燃气轮机系统的基础上，

所述入口引导叶片控制装置(3B)在从所述通常运转模式向所述逆电力运转模式切换之前，使所述入口引导叶片(3A)的所述开度降低至所述最小开度(O

根据这样的结构，通过进行使入口引导叶片的开度从最小开度增加的控制，能够减少燃烧器失火的可能性，并且能够设定为抑制作用于支柱护罩的周向的负载的上升的适当的开度。

[6]一方案的燃气轮机系统的控制方法，所述燃气轮机系统具备：

燃气轮机(1)，其具备生成压缩空气的压缩机(2)、利用所述压缩空气使燃料燃烧的燃烧器(4)、由通过所述燃烧器(4)中的所述燃料的燃烧而产生的燃烧气体驱动的涡轮机(6)、及调整所述压缩机(2)的吸气量的入口引导叶片(3A)；以及

电动发电机(7)，其能够由所述涡轮机(6)驱动，并且能够通过来自所述燃气轮机(1)的外部的供电对所述燃气轮机(1)提供旋转动力，

所述燃气轮机系统的控制方法包括如下步骤：在所述电动发电机(7)向所述燃气轮机(1)提供所述旋转动力的运转模式即逆电力运转模式中，将所述入口引导叶片(3A)的开度控制为比最小开度(O

根据本公开的燃气轮机系统的控制方法，通过将逆电力运转模式中的入口引导叶片的开度控制为比通常运转模式中的入口引导叶片的最小开度大的开度，与入口引导叶片的开度为最小开度的情况相比，从涡轮机的最后级的动叶片排出的燃烧气体的轴向的速度增加。这样，逆电力运转模式中的燃烧气体的涡流角变小，因此与通常运转模式中的燃烧气体的涡流角之差变小。其结果是，与入口引导叶片的开度为最小开度的情况相比，作用于支柱护罩的周向的负载降低，因此能够减少逆电力运转模式中的对支柱护罩的负载。

附图标记说明：

1…燃气轮机；

2…压缩机；

3A 入口引导叶片(IGV)；

3B 致动器(入口引导叶片控制装置)；

4…燃烧器；

6…涡轮机；

7…电动发电机；

10…燃气轮机系统；

13…燃料控制阀(燃料流量控制装置)。