CN1170814A - 燃气轮机发电设备的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明目的是提供一种在起动停止过程中降低燃气轮机高温部件的热应力,抑制燃气轮机高温部件的裂纹、提高可靠性的燃气轮机发电设备的控制方法及装置。燃气轮机1停止操作时的发电机解列后,按程序控制向燃烧器4的燃料投入量,在使轴的转数下降,燃气轮机入口气体温度的变化或变化率为设定值的同时通过将与燃气轮机连接的发电机作为电动机使用的静止型起动装置来控制涡轮机轴的转数,而确保了使上述燃料燃烧所必需的燃烧空气是使燃烧器出口气体温度成为预定温度的空气量。

Description

燃气轮机发电设备的控制方法及装置

本发明涉及一种构成发电站的燃气轮机发电设备起动和停止时的控制方法及装置。

图12为燃气轮机发电设备系统概略图，燃气轮机1、压缩机2及发电机3的旋转体连接在单根涡轮机轴上。

压缩机2旋转吸入的大气中的空气在燃烧器内与燃料共同燃烧，产生燃烧气体。此燃烧气体供给燃气轮机1，由燃烧气体驱动涡轮机，产生涡轮机轴的输出。在此场合，供给燃烧器4的空气流量由设在压缩机2入口的入口导向翼5的开度来控制。

在此，通常将由燃气轮机1、压缩机2、及发电机3接合有单根涡轮机轴上的结构称为轴。作为构成轴的设备，有燃气轮机1、压缩机2、及发电机3的其他辅助蒸汽系统及起动装置。因此，由多根轴构成系列，通常由多个系列构成发电站。但由一个系例构成发电站的例子也有。

在这样的燃气轮机发电设备中，作为轴起动前的准备需进行称为旋转运转的低速旋转。

从这种低速旋转状态到达额定旋转数的程序如下。即由于使用气体燃料的场合在燃气轮机尾流部分残留有未燃烧燃料，为了保护系统，在以额定转速的20％-40％转速进行轴的运转的同时，将从空气压缩机向涡轮机流动的排气净化运转5-15分钟。在采用液体燃料的情况下则可省略净化运转。

净化运转结束后，由起动装置产生必要的扭矩，轴的运转开始。

上述净化运转完成后，由于净化运转结束时轴的转数高于燃气轮机点火时的预定燃气轮机点火转数，由所述起动装置来控制轴的转数从净化运转转数降至燃气轮机点火转数，接着，在燃气轮机点火后，使燃气轮机缓慢变暖进行暖机运转，转为升速控制。

这种升速控制按照函数产生与轴的转数相对应的加速度，对于起动装置设定了与轴的转速相应的合适的输出扭矩。即将产生预定的加速度所需的必要加速扭矩减去起动装置的输出扭矩，将此扭矩差来控制通过燃气轮机供给的向燃烧器投入的燃料投入量，以间接控制轴的转速。

这样，在轴的起动时，与燃气轮机中涡轮机产生的动力相比超过了驱动压缩机所必需的动力，因此，为了起动燃气轮机还要使用作为其它驱动动力源的起动装置。

燃气轮机加速度是按避开压缩机运转不稳定领域以及防止燃烧器出口燃烧气体温度的过剩上升来设定的，特别是以燃烧气体温度设定在允许水平之下为准，这就决定了起动装置的最大容量。

燃气轮机点火后，由于燃气轮机产生的扭矩与起动装置供给的扭矩轴升速至轴的额定转数附近。轴的转速达到与轴的额定转数附近时，起动装置脱离，其以后的运转由燃气轮机的控制装置控制。这样，轴的转速达到额定转速，将发电机3并入外部电力系统后转为通常运转。

另一方面，在停止过程中，进行如下的运转控制。从基本负载运转(燃气轮机最大负载运转)状态开始，燃料急剧减少达到无负荷运转后，发电机从外部电源系统解列。发电机解列后，燃气轮机的转数不再依从外部电源系统的频率(另外，与此相对应，发电机与外部电源系统连接的通常运转时，燃气轮机的转数与外部电源频率相同，比如在50Hz地区，燃气轮机的转数为3000rpm，也就是50转/秒)。由于发电机解列后燃气轮机的转数不再依从外部电源系统的频率，必须使燃气轮机的转数不超过额定转数，为此，需要通过大大减少供给燃料的流量来降低燃气轮机的转数。这里，输出为150MW至250MW级的燃气轮机，从解列到停止的时间为5到10分钟。

在此停止过程中，作为燃气轮机高温部的燃烧器、过渡接头、第1定子叶片及转子叶片等温度急速下降。例如，1300℃级的燃气轮机中第一段入口的温度基本负载时有1300℃，而无负荷运转时变为700℃至900℃，在停止过程中，几乎降低为接近大气温度的20℃至50℃。结果，燃气轮机的高温部件受到过大的热应力，使燃气轮机的高温部件的寿命大为降低。

特别是燃气轮机的高温部件一般为Ni基或Co基的超合金通过精密铸造制成的，内部具有复杂的空气冷却构造。由于高温部件这种构造的复杂性，各处会产生应力集中，同时又由于是铸造件，高温部件的材质对于热应力等的变形非常不利。因而，实际使用的燃气轮机随着运转时间及起动停止次数的增加，高温部件常常发生裂纹，需定期进行保修焊接。

特别是对于热应力引起的变形，在起动至额定负荷运转的过程中，高温部件例如喷管的温度由于从停止的较低温度上升到额定负荷运转的最高温度，构成喷管的材料膨胀，其结果，由于喷管固定在支架等上，在压缩方向发生变形(压缩变形)。另一方面，在额定运转到停止运转的过程中，急速冷却，喷管由于固定的支架等上，会产生沿拉伸方向的变形(拉伸变形)。

这样，所述的压缩侧变形与拉伸侧变形两者的差成为从起动运转到停止运转的一周期的热应力变化(这种由热应力而来的疲劳一般称为低周期疲劳)。即，其压缩变形由形成最高气体温度的额定运转状态支配，拉伸变形由停止过程中温度的时间变化支配。

现在，国内燃气轮机发电设备的大多数作为中间负荷电源运转。采用这种运行的方法可以日间运转与夜间运转每日交替，进行Dairy Stat andStop运转，从起动过程到停止过程的运转中，燃气轮机的高温部件的寿命降低而产生对维修费用的极大影响。由此必需使用金属耐热温度约700℃至900℃的Ni基超合金或Co基超合金的金属材料作为高温部件的原材料。同时带有空气冷却用多孔精密铸造部件制成的十分昂贵的高温部件在燃气轮机维修时，通常1、2年需要进行一次维修焊接或更换。

对这样的燃气轮机发电装置，从燃气轮机的起动过程至停止过程之间，燃烧器出口气体温度的温度变化幅度或温度的时间变化率有很大过程部分。这样，造成构成燃气轮机高温部件的寿命缩短的问题。

此外，以往也尽量在解列后延长熄火时间以减少停止时燃气轮机内部的温度下降率。但解列后转数一旦下降，压缩机的效率便急剧降低，与此同时为使气体温度降低，燃料投入减少，从而使涡轮机的输出也降低，这样，涡轮机的转数急剧降低，使空气流量减少，燃料投入更为减少。因而燃烧气体实际温度缓慢下降受到燃气轮机固有的基本特性的制约。

鉴于这些问题，本发明谋求提供降低伴随起动过程至停止过程中轴的加速控制变化产生的燃汽机高温部的温度变化幅度及温度时间变化率，提高燃气轮机高温部的可靠性及寿命，提高轴部件的可靠性及减少维修负担的火力发电设备的控制方法及装置。

为了达到上述目的，本发明燃气轮机发电设备的控制方法的特征是，在控制燃气轮机发电设备的预定过程中，从预定标准时间经过的时间与涡轮机转数的关系由第1函数所规定，所述预定过程中前述涡轮机轴的转数与供给燃烧器的燃料流量的关系由第2函数所规定，所述经过时间中对所述涡轮机轴的实际转数进行测定，由驱动所述涡轮机轴的起动装置驱动旋转所述涡轮机轴，使所述涡轮机实际转数与所述第1函数规定的与所述时间对应的转数相同，同时，参照所述第2函数求出对应于所述实际转数的燃料流量，按求出的燃料流量将燃料供给所述燃烧器进行控制。

所述起动装置具有直接将连接于所述燃气轮机上的发电机作为电动机使用的静止型起动装置。

所述起动装置为驱动用电机。

所述预定过程为所述燃气轮机点火后所述涡轮机轴转速达到额定转速的起动过程。

所述预定标准时间为用于所述燃气轮机点火时间。

所述预定过程为所述燃气轮机停止操作时发电机解列后的所述涡轮机轴的解列停止过程。

所述预定标准时间是用于所述发电机的解列时间。

所述第2函数规定了使所述燃气轮机入口温度的时间变化率或温度变化幅度限在允许范围内的情况下，所述涡轮机轴的转数与向所述燃烧器供给的燃料的关系。所述第1函数规定了将所述燃烧器供给的燃料流量的燃料燃烧所必需的燃烧空气量向所述燃烧器供给时，所述燃气轮机入口温度的时间变化率或温度变化幅度限在允许范围内的情况下所述的时间与所述涡轮机轴的转数的关系。所述起动装置驱动所述涡轮机轴，使测定的所述实际转数与所述第1函数规定的与所述时间对应转数的偏差为零。

在上述发明中，控制燃气轮机发电设备的预定过程适用于各种过程，例如从起动过程到解列过程的各阶段。第1函数与第2函数设定成适于例如起动过程或停止过程。起动装置按预定标准时间开始所经过的时间与涡轮机轴的实际转数遵从第1函数来控制涡轮机轴的旋转驱动。经与涡轮机轴结合的压缩机向燃烧器供给的燃烧空气量可以按照充分满足向燃烧器供给的燃料流量的燃料燃烧需要来控制。燃烧器中，根据由起动装置控制的涡轮机轴的转数参照第2函数得出的燃料流量的燃料来供给。

此外，由于由起动装置控制涡轮机轴的转数，与只由控制向燃烧器供给燃料流量来控制转数的情况相比不会产生响应延迟，能够以迅速的响应性来控制转数。作为起动装置，可以使用与燃气轮机直接连接的发电机作为电动机使用的静止型起动装置，也可使用驱动电机。

其结果，能够在起动或解列过程中，使燃气轮机入口温度的时间变化率或变化幅度处在允许范围之内，降低燃气轮机高温部件温度变化幅度与变化率，延长高温部件的寿命。

此外，本发明的燃气轮机发电设备的控制方法的特征是，第1函数规定了燃气轮机停止操作时发电机解列后的涡轮机轴的解列停止过程中从预定标准时间开始所经过的时间与涡轮机轴的转数的关系，第2函数规定了所述解列停止过程中所述涡轮机轴的转数与向燃烧器供给的燃料流量的关系，所述时间中对所述涡轮机轴的实际转数进行测定，控制向所述燃烧器供给的燃料流量，使所述实际转数达到参照所述第1函数及所述第2函数求出的与前述时间对应的转数的同时，所述涡轮机轴的转数与发生起动扭矩的关系由第3函数规定，参照此第3函数求出与所述实际转数对应的所述发生扭矩，由所述驱动涡轮机轴的起动装置来驱动涡轮机轴，使其生成求出的所述扭矩。

上述发明中，涡轮机轴转数的控制通过参照第1函数及第2函数，主要控制供给燃烧器的燃料的流量来进行。起动装置参照第3函数，产生与所得实际转数相适应的扭矩来驱动涡轮机轴。其结果，在涡轮机停止操作时发电机解列后的涡轮机轴的解列停止过程中，能够防止涡轮机轴的转数失去控制，使燃气轮机入口温度的时间变化率或变化幅度限制的允许范围以内。能够降低燃气轮机高温部件的温度变化幅度与变化率，使高温部件的寿命延长。

此外，本发明的燃气轮机发电设备的控制方法的特征为，燃气轮机发电设备中，与负荷中断造成涡轮机轴的输出急剧减少时，检测出其输出的减少，将以发电机作为电动机使用的静止型起动装置作为所述燃气轮机的阻尼体来抑制涡轮机轴的旋转上升。

在上述本发明中，由于使用静止型起动装置作为起动装置，即使在负荷遮断时涡轮机轴的输出急剧减少的情况下，也能够控制涡轮机轴的转数。

此外，本发明的燃气轮机发电设备的控制装置的特征是，在燃气轮机与发电机及压缩机结合于一轴的燃气轮机发电设备的控制装置中具有以下要素，在控制燃气轮机发电设备的预定过程中从预定标准时间开始经过的时间与涡轮机轴的转数的关系由第1函数规定，同时，所述预定过程中所述涡轮机轴的转数与向燃烧器供给的燃料流量关系由第2函数规定，形成数据部。

测定所述时间中所述涡轮机轴的实际转数的旋转数测定装置

使所述实际转数达到与所述第1函数规定的所述经过时间相对应的转数的所述驱动涡轮机轴的起动装置，和参照所述第2函数求得与所述实际转数相对应的燃料流量，并控制将所求得的燃料流量的燃料供给所述燃烧器的燃料控制装置。

所述起动装置为作为与所述燃气轮机直接连接的发电机所使用的静止型起动装置。

所述静止型起动装置向所述发电机供给可变频率电流，使其作为电动机产生的扭矩以控制所述涡轮机轴的转数。

所述起动装置为驱动用电机。

所述燃气轮机发电设备具有由燃气轮机、发电机、压缩机结合为一轴的多轴构造，在多轴的每个轴上均设有作为所述与燃气轮机直接连接的发电机所使用的相同容量的静止型起动装置，各轴所设的相同容量的静止型起动装置至少两台静止型起动装置能够与一轴连接组合。

所述燃气轮机发电设备具有由燃气轮机、发电机、压缩机结合为一轴的多轴构造，在多轴的每个轴上均设有作为所述与燃气轮机直接连接的发电机所使用的相同容量的静止型起动装置，各轴所设的相同容量的静止型起动装置至少两台静止型起动装置能够通过断路开关串连连接。

图1为本发明燃气轮机发电设备的系统概略图

图2为本发明起动过程中涡轮机轴的转数相对于时间的变化及涡轮机的负荷扭矩及必要起动扭矩的关系图。

图3为起动过程中轴负荷扭矩相对于转速及起动必要扭矩相对于转速的关系图。虚线为本发明情况，实线为以往情况。

图4为起动过程中燃烧器出口气体温度相对于转速的关系图，实线为本发明情况，虚线为以往情况。

图5为停止过程中转速与燃烧器出口气体温度的关系图，虚线为本发明情况，实线为以往情况。

图6为从解列至熄火的时间与燃烧器出口气体温度的关系图，虚线为本发明情况，实线为以往情况。

图7为本发明起动装置使用驱动电机等时的燃气轮机发电设备的系统概略图，

图8为本发明另一实施例的燃气轮机发电设备系统概略图，适用于燃气轮机停止操作时发电机解列后涡轮机轴的解列停止过程。

图9为本发明用在4轴燃气轮机发电设备的静止型起动装置的结构的一个例子。

图10为图9所示静止型起动装置的变形例。

图11为图10的串连回路三线结线图

图12为以往的燃气轮机发电设备系统概略图。

以下参照附图对本发明的实施例进行说明。

图1所示为本发明的燃气轮机控制装置的简略构成。由数根轴构成的发电设备构成一根轴的部分是将燃气轮机1、压缩机2及发电机3相互结合在一根涡轮机轴上。供给燃烧器的燃料由作为燃料控制装置所设的控制阀11来控制燃料流量。燃烧器4中的燃料及燃烧用燃烧空气经入口导向翼5被压缩机2引入供给燃烧器4。

发电机3由燃器轮机1的驱动力来旋转发出电力，由发电机3将电力供向图中未示出的外部。

燃烧器出口温度由燃烧器4出口部配置的燃烧器出口温度检测器来检测。同样，燃气轮机1入口部的燃气轮机入口温度由设在燃气轮机入口部的燃气轮机入口温度检测器来检测。

本发明还设有驱动涡轮机轴旋转用的起动装置，在点火后旋转速度达到额定旋转速度的起动过程及燃气轮机停止操作时发电机解列后的涡轮机轴解列停止过程中，起动装置产生动作来避免燃气轮机的涡轮机轴产生如后所述的旋转状态的急剧变化。作为起动装置使用的是为发电机3提供变频电流使其作为电动机而产生扭矩的静止型起动装置6。

作为起动装置，并不只限于将发电机3作为电动机来动作的静止型起动装置6，如图7所示，也可利用驱动电机等驱动装置16。以下说明以使用为发电机3提供变频电流使其作为电动机而产生扭矩的静止型起动装置为例。

本发明如图1所示，控制燃气轮机发电设备的预定过程中限定来自预定标准时间的经过时间与涡轮机轴的旋转数的关系的第1函数7及预定过程中限定涡轮机轴旋转数与通过压缩机2供给燃烧器4的燃料流量的第2函数10被设置在数据部中。

根据速度检测器8测定的实际旋转数的数据与参照函数设定器中设定的第1函数7所得的各经过时间相对应取旋转数的数据与比较器9演算出的偏差(a-b)。比较器的输出被输入到静止型起动装置6，静止型起动装置6将发电机3用作电动机动作来修正偏差(a-b)。

燃料的控制装置是根据速度检测器8所得的实际旋转数的数据与函数设定器中设定的第2函数10对比，求得与实际旋转数相适合的燃料流量的燃料由燃料控制阀11控制供给燃烧器4。

通过压缩器2供给燃烧器的燃烧空气量由压缩机2的旋转数决定。此燃烧空气量控制在根据燃料控制阀11控制的燃料流量的燃料足以进行燃烧所需的数量，涡轮机轴的旋转数由静止型起动装置6控制。

以下是对本发明具体实施例的说明。

火力发电设备上轴起动过程的最初部分与以往技术相同，由于燃气轮机尾流部分有未燃烧燃料，为保护系统首先以额定转数的20-40％运转，让燃气轮机的空气压缩机排出空气进行净化运转5-15分钟。

在图2中示出了本发明中轴的起动过程中时间与转数的关系、时间与轴负荷扭矩及轴起动必要的起动必要输出扭矩的关系，还有动力发生源的动作区域的关系。在这里，轴负荷扭矩作为压缩机3等的驱动负荷属于耗费负荷。起动必要输出扭矩中的一部分为轴负荷扭矩，剩余部分为加速用扭矩。也就是说燃气轮机从点火后到达到额定转速所必要的加速度扭矩是由起动必要输出扭矩与轴负荷扭矩的差所提供的。图2中未能明示出各机构所分担的扭矩，其中由蒸汽轮机供给的扭矩是辅助扭矩，起动必要输出扭矩主要由静止型起动装置6与燃汽轮机1供给。

具体是直到上述净化运转完成，发电机3都作为电动机动作，由静止型起动装置6供给电流产生必要输出扭矩运转。

净化运转完成后，轴的转数由静止型起动装置6与作为电动机的发电机3供给的的供给扭矩调整下降至燃气轮机的点火转数，从燃烧器4投入燃料点火。

点火后，燃气轮机1开始产生扭矩，但由于压缩机2的耗费扭矩较大，加速中必要的加速扭矩以静止型起动装置6为主供给。

另一方面，点火完成后为使防止产生由燃气轮机1轴的转速及入口导向翼相应的开度决定空气量相应的燃烧器出口气体温度及其上升率引起过大的热应力，燃料依据预定的第1函数7及第2函数10规定的燃料投放计划来增加。但此预定燃料投入计划不包含用于辅助轴加速的加速扭矩，此起动时的转速的控制由起动装置6完成。

因而，在这种情况下，起动必要输出扭矩由图3的虚线表示。同时图3中实线表示的起动必要输出扭矩为以往的方法的必要输出扭矩。

由于不是用控制燃料的供给量来控制加速，图4实线所示燃烧器出口气体温度变化为400-800℃，与以往技术相比十分稳定。图4中以虚线示出以往方法中燃烧器出口气体温度的变化。

涡轮机从点火至达到额定转速的时间通常为15-20分钟。在这段时间里，起动中的燃气轮机高温部件的温度变化幅度及温度的时间变化率的降低对于热应力的降低十分有利，可以延长高温部件的寿命。

此外，由于用静止型起动装置6的输出替代控制燃气轮机的燃料供给量来控制起动时的转速，燃气轮机1实行负荷控制和谐速控制(使其频率为50Hz)，燃气轮机的控制装置的构造可以更为简单。另一方面，静止起动装置6精确地按照燃气轮机控制装置设定值来进行控制，这种控制方法即使有改变也难使控制系统变得复杂。

在起动装置使用静止型起动装置6的场合，由多轴组成的火力发电设备的轴数与起动装置的容量相匹配，可考虑起动装置机器结构及系统构成等多种变形例。

以下对轴的停止过程进行说明。

在轴的停止过程中，通过设于燃料系统(图中未示出)的燃料调节阀11调节燃气轮机的燃料投入量，由此使轴的输出下降到无负荷状态。在这种状态下发电机3从系统中解列，轴的运转达到无负荷额定转数运转。到此的操作与以往技术相同。

以往，燃气轮机的燃料投入量作为转数的函数减少，轴的转数对应燃料投入量的减少自然下降。通常发从电机解列经过预定时间，达到了预定的转数，或者确认满足自然熄火的各个条件，再进行熄火操作，采用轴的转数下降到旋转状态的自然降低方法。

然而，停止过程与起动过程同样，通过减小燃烧器出口气体温度的变化率及温度的变化幅度而能够抑制热应力的发生。为了抑制熄火操作时热应力上升的发生，要求轴的转数较小，燃烧器出口气体温度较低。其理由是，燃烧器出口气体温度在熄火时降至空气压缩机出口温度，在熄火前温度高、轴的转数大的情况下使高温部分金属的表面急剧冷却容易生产比较大的热应力。

图5中的实线所示出以往的情况，以往高温金属表面急剧冷却。与此相对，图中以虚线示出了使用本发明的情况。

在本发明中，对应于不至熄火的转数投入最低的燃料，由静止型起动装置控制轴转数的下降。这样，由于停止操作中燃烧器出口气体温度的变化率在图5虚线所示的预定值以下，随之也抑制了气体温度的变化幅度，进行这样的停止操作便抑制了热应力的产生。

这里，考虑到从解列到熄火的时间对于金属疲劳带来的较大影响。通常对于150MW到250KW的燃气轮机，从解列到熄火的时间约为5分钟到10分钟，如果这一时间延长至10几分至25分钟，可以大幅缓解金属的疲劳。解列时的700℃至800℃的金属温度下降至熄火时100℃至200℃的金属温度，此时金属产生急剧的收缩，其结果是对应有很大的拉伸应力作用，延长这个变化过程时间可以收到缓解金属疲劳的效果。图6所示实线为以往情况，虚线所示为本发明情况。

在本发明中，这个停止过程是由静止型起动装置6产生扭矩的，与以往由于转数下降带来轴扭矩大幅度减少而使轴转数在低数旋转区域不能维持微小的速度下降率相反，燃气轮机的转数可以稳定地徐徐下降。其结果是从解列到熄火的时间可以得到延长，能够得到缓解金属疲劳的效果。

有关本发明停止过程具体描述如下。

在停止过程中，在临近解列时驱动静止型起动装置，以输出250KW级的燃气轮机为例，无负荷额定速度运转中燃气轮机1涡轮机侧产生的输出为100MW，与此涡轮机相匹配的输出成为压缩机2必要的动力。另一方面，静止型起动装置6产生3MW至10MW的输出，不超过压缩机2必要动力的3％至10％，无论解列前后都不会引起转数大的变动。

在此，静止型起动装置6按预定的第1函数7规定的程序控制转数。如图1所示，由函数设定器设定的第1函数7中设了与从发电机3的解列开始所经时间相对应的涡轮机轴的预定转数，第1函数7设定的函数设定器中输出的预定转数与速度检测器8测出的实际转数的差(a-b)，由比较器9生成偏差信号，此偏差信号加给静止型起动装置6以调整静止型起动装置6的输出。

另一方面，供给燃气轮机的燃料流量的控制如下所述。参照函数设定器预定的第2函数10，由速度检测器8测出的实际转数求出燃料流量。将此燃料流量供给燃烧器4，将依据第2函数10的流量指令信号加给燃料控制阀11，根据此流量指令信号控制实际供给燃烧器4的燃料流量。

在此，为了减少轴停止时燃气轮机高温部的热应力，对设定第1函数7的函数设定器及设定第2函数的函数设定器的设定值进行适当的调整，这样，可以延长燃气轮机高温部的寿命。具体来说，燃气轮机静翼、燃烧器等发生的裂纹能够大幅度减少。

另外，由于程序是由第1函数7与第2函数10各函数设定器设定，即使是燃气轮机安装以后，根据试运转或定期检查时得到的数据，考虑轴停止时燃气轮机高温部的影响，能够容易地变更设定值。

以下，对于发电机3从外部系统解列而发生负荷中断情况下的实施例进行说明。

在发生与发电机3从外部系统解列相类似的负荷中断的情况下，燃气轮机1的输出处于负荷中断发生前的状态，发电机3的负荷一旦与外部电力系统阻断，急剧减为自身用电负荷运转所必要的发电量。这样轴的转数急速上升。通常，根据中断信号燃气轮机的燃料调节阀11急速收小以减少燃料投入量，调节入口导向翼5的开度，控制轴的转数使转数不至达到过速跳闸转数。但是，最近的火力发电设备由于容量的增加及环保政策的关系，由于燃料系统不容易进行复杂的控制而使剩余能量增加，转数上升而过速跳闸的预定的转数余量减小。

对于以上情况，在本发明中，静止型起动装置6依据负荷中断信号作为轴系的阻尼体来连接，静止型起动装置6动作能够抑制轴转数的上升。

以下参照图8对本发明的其他实施例进行说明。

以件，起动装置仅用在起动过程中，不用在解列停止过程中。而本实施例则在燃气轮机停止操作时发电机解列后也使用起动装置，同时，用与以往相同的方式以控制燃烧器4供给的燃料流量为主来控制转数。

在图8中，函数设定器设定了规定从预定时间开始经过时间与涡轮机轴的转数关系的第1函数7、预定解列停止过程中涡轮机轴的转数与向燃烧器供给的燃料流量关系的第2函数10以及规定由静止型起动装置决定的起动涡轮机轴的转数与产生起动扭矩关系的第3函数15。

在某一经过时间上涡轮机轴的实际转数被速度检测器8测出。测出的实际转数参照第1函数7及第2函数10求得与上述经过时间对应的转数，由燃料控制阀11控制燃烧器4供给的燃料流量来实现控制。

同时，参照第3函数15求出与检测出的实际转数对应的静止型起动装置应生产的适合的扭矩，静止型起动装置6将发电机3用作电动机控制驱动以产生此扭矩。根据上述实施例，燃气轮机停止操作时在发电机解列后涡轮机轴的解列停止过程中，可以防止涡轮机轴转数失控，燃气轮机入口温度的时间变化率及变化幅度可以在允许范围之内，燃气轮机高温部件的温度变化幅度与变化率可以降低，从而使延长高温部件的寿命得以实现。

以下，对于有关静止型起动装置6的构成、作用说明如下。

为说明简单起见，轴起动时承担1/2输出的静止型起动装置称为50％SFC，轴起动时承担的必要扭矩称为静止型起动装置为100％SFC。

图9中，在有4根轴的燃气轮机火力发电设备构成的发电站中，以轴停止过程中必要扭矩为每台50％SFC为例进行表示。即50％SFC以20a，20b组合来起动任意一轴，同时50％SFC的20a或20b中1台能使2轴同时停止，这样的结构进行表示。

上述50％SFC20a、20b经过断路开关21及输入变压器22连接在商用频率的电源上，其输出侧分为几路，一路为通过遮断开关或断路开关23a、23b，降低短路电流用交流扼流圈24a、24b且断路开关25a、25b、25c、25d连接于发电机3a、3b、3c、3d上。另一路通过断路开关26a、26b连接输出变压器27，输出变压器27的输出端经遮断开关或断路开关28a、28b、交流扼流圈24a、24b等连接于发电机3a、3b、3c、3d上。

但是，由于轴起动时转换器50％SFC20a、20b两台经输出变压器27而使电压变为2倍，可以为发电机供给起动必要的旋转力的100％。这样由于设置了断路开关26a、26b，一轴起动后开关25a、25b、25c、25d，可任意选择要起动的另一轴。

其次，在停止时选择遮断开关或断路开关26a、26b，切断断路开关29，闭合自用电源遮断开关21，经由输入变压器22由50％SFC变换频率，通过遮断开关或断路开关23a、交流扼流圈24a及断路开关25a或25b可使发电机3a或3b同时作为电动机供给轴旋转力以控制升速及转数。与20b相同，50％SFC通过遮断开关或断路开关23b、交流扼流圈24b及断路开关25c或25d可使发电机3c或3d同时作为电动机运转。断路开关29在50％SFC20a、20b中一台发生故障等无法使用时可构成支援回路。

例如对2轴的燃气轮机，由于有两台1/2容量的静止型起动装置，起动时两台1/2静止型起动装置可以组合起动，由于一方停止时两轴的燃气轮机可以分别使用每个1/2容量的静止型起动装置，两轴还可同时停止。由于通常设备起动时视受电方需要在额定输出产生前1-3小时编排程序起动，燃气轮机不是同时起动，因而各轴起动间隔为5-30分钟，而在停止时如有异常则必须同时停止多轴，本发明由于上述结构而可以满足这种需要。

这样，在起动装置的容量不扩大而保证了经济性的同时，对于起动和停止没有妨碍。

图10所示为6相整流回路串连，能够进行50％与100％输出替换的实施例。

通过转换器的电源侧的遮断开关21三线圈输入变压器22的两个次级线圈分别与6相的转换器20a、20b连接。在发电机侧需要50％SFC输出的场合(轴停止时等)，切断二个转换器20a、20b的连接，接通断路开关23a、23b并切断28a、28b，通过扼流圈24a或24b，选择断路开关向发电机3a等供给可变电源使其起动。

在上述起动时，连接转换器20a、20b，断开断路开关23a、23b，接通断路开关30，要起动的轴一侧的断路开关28a及28b接通以及要起动的发电机断路开关25a等接通，能够由转换器20a、20b向要起动轴的用作电动机的发电机3a等供给100％的输出。

图11示出了图10中6相整流回路20a、20b串连举例的三线接线图，以下对起动和停止时的替换详细说明。

在图11中，6组整流元件31构成电桥，各电桥设有输出端子，此二组电桥分别串极连接，在直流侧设有断路开关32及切换用断路开关33，其间设有100％输出端子，可以切换50％及100％输出。

轴停止时只需输出50％SFC时，断路开关32接通，断路开关33连接A侧，可以分别使用单个6相整流器。在轴起动时需要100％输出的场合，断路开关32断开，断路开关33连接B侧，两个6相整流器串连。由于输入侧(转换器)及输出侧(换流器)有相同的接线，起动装置的容量可增为二倍。

在图9中，一台50％的SFC20b与输出变压器连接，发电机电压比不经输出变压器时高，可以减小发电机的流入电流，从而可以减少运转中转子含高谐波的诱电电流。

特别是在轴停止时扭矩需要大于轴起动时的1/2扭矩时，可以构成由轴起动时相同的回路来提供轴停止时必要的扭矩。

根据以上说明，按本发明实施例，由于采用向发电机提供变频电源使其作为电动机产生扭矩的静止型起动装置作为轴的起动装置，将起动时轴的转数控制由燃气轮机燃料控制转变为由静止型起动装置进行，轴的加速控制及转数控制的响应性提高，实现了起动时的转数控制的高精度，特别是能够抑制燃气轮机燃烧器出口温度的上升及上升率。这样能够减低起动时短时间内燃气轮机高温部件温度的变化幅度及变化率，使延长高温部件的寿命成为可能。

特别是静止型起动装置6作为轴系的阻尼体可以抑制轴转数的上升，对于燃气轮机的燃料控制系统来说比以往的方法容易控制。

同时，多个静止型起动装置相互或以输出变压器等连接使用的场合，在起动时使用多个起动装置，停止时用一台起动装置即可，能够使设备的供给更经济。

在以上说明中，使用的起动装置是静止型起动装置6，作为起动装置，采用电动机与转换器的组合或电气驱动的常用电机也可。

如上所述，按照本发明的结构，由于通过起动装置对涡轮机轴的转数进行控制，与只通过控制供给燃烧器燃料流量来控制转数的场合相比不会发生响应性延迟的现象，能够以高响应性正确控制转数。

其结果是能够在起动或解列过程中，使燃气轮机入口温度的时间变化率或变化幅度处在允许范围之内，降低燃气轮机高温部件温度变化幅度与变化率，从而延长高温部件的寿命。

Claims (19)

1、一种燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于：在控制燃气轮机发电设备的预定过程中，自预定标准时间经过的时间与涡轮机转数的关系由第1函数规定，所述预定过程中，前述涡轮机轴的转数与供给燃烧器的燃料流量的关系由第2函数规定；

所述经过时间中对所述涡轮机轴的实际轴转数进行测定；

由驱动所述涡轮机轴的起动装置驱动旋转所述涡轮机的轴，使所述涡轮机实际转数与所述第1函数规定的与所述时间对应的转数相同，同时；

参照所述第2函数求出对应于所述实际转数的燃料流量，按求出的燃料流量将燃料供给所述燃烧器而进行控制。

2、按照权利要求1所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述起动装置具有直接将连接于所述燃气轮机上的发电机作为电动机使用的静止型起动装置。

3、按照权利要求1所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述起动装置为驱动用电机。

4、按照权利要求1所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述预定过程为所述燃气轮机点火后的所述涡轮机轴转速达到额定转速的起动过程。

5、按照权利要求4所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述预定标准时间为用于所述燃气轮机点火时间。

6、按照权利要求1所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述预定过程为所述燃气轮机停止操作时发电机解列后的所述涡轮机轴的解列停止过程。

7、按照权利要求7所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述预定标准时间是用于所述发电机的解列时间。

8、按照权利要求1所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述第2函数规定了使所述燃气轮机入口温度的时间变化率或温度变化幅度限在允许范围内的情况下，所述涡轮机轴的转数与向所述燃烧器供给的燃料的关系。

所述第1函数规定了将所述燃烧器供给的燃料流量的燃料燃烧所必需的燃烧空气量向所述燃烧器供给时，所述燃气轮机入口温度的时间变化率或温度变化幅度限在允许范围内的情况下，所述的时间与所述涡轮机轴转数的关系。

9、按照权利要求1所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述起动装置驱动所述涡轮机轴，使测定的所述实际转数与所述第1函数规定的与所述时间对应转数的偏差为零。

10、一种燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，第1函数规定了燃气轮机停止操作时发电机解列后的涡轮机轴的解列停止过程中从预定标准时间开始经过的时间与涡轮机轴的转数的关系，第2函数规定了所述解列停止过程中所述涡轮机轴的转数与向燃烧器供给的燃料流量的关系；

所述时间中对所述涡轮机轴的实际转数进行测定；

控制向所述燃烧器供给的燃料流量，使所述实际转数达到参照所述第1函数及所述第2函数求出的与前述时间对应的转数的同时；

所述涡轮机轴的转数与发生起动扭矩的关系由第3函数规定，参照此第3函数求出与所述实际转数对应的所述发生扭矩，由所述驱动涡轮机轴的起动装置来驱动涡轮机轴，使其生成求出的所述扭矩。

11、按照权利要求10所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述起动装置为将直接连接在所述燃气轮机上的发电机作为电动机使用的静止型起动装置。

12、按照权利要求10所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述的预定标准时间是用于前述发电机解列的时间。

13、一种燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，燃气轮机发电设备中，由于负荷中断造成涡轮机轴的输出急剧减少时，检测出其输出的减少，将以发电机作为电动机使用的静止型起动装置作为所述燃气轮机的阻尼体来抑制轴的旋转上升。

14、一种燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，在燃气轮机与发电机及压缩机结合于一轴的燃气轮机发电设备的控制装置中具有以下要素，

在控制燃气轮机发电设备的预定过程中，从预定标准时间开始经过的时间与涡轮机轴的转数的关系由第1函数规定，同时，所述预定过程中，所述涡轮机轴的转数与向燃烧器供给的燃料流量关系由第2函数规定，形成数据部，

测定所述时间中所述涡轮机轴的实际转数的放置数测定装置，

使所述实际转数达到与所述第1函数规定的所述经过时间相对应的转数的所述驱动涡轮机轴的起动装置，

参照所述第2函数求得与所述实际转数相对应的燃料流量，并控制将所求得的燃料流量的燃料供给所述燃烧器的燃料控制装置。

15、按照权利要求14所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述起动装置为作为与所述燃气轮机直接连接的发电机所使用的静止型起动装置。

16、按照权利要求14所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述静止型起动装置向所述发电机供给可变频率电流，使其作为电动机产生的扭矩以控制所述涡轮机轴的转数。

17、按照权利要求14所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述起动装置为驱动用电机。

18、按照权利要求14所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机发电设备具有燃气轮机、发电机、压缩机结合为一轴的多轴构造，在多轴的每个轴上均设有作为所述与燃气轮机直接连接的发电机所使用的相同容量的静止型起动装置，各轴所设的相同容量的静止型起动装置至少两台静止型起动装置能够与一轴连接组合。

19、按照权利要求1所述的燃气轮机发电设备的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机发电设备具有燃气轮机、发电机、压缩机结合为一轴的多轴构造，在多轴的每个轴上均设有作为所述与燃气轮机直接连接的发电机所使用的相同容量的静止型起动装置，各轴所设的相同容量的静止型起动装置至少两台静止型起动装置能够通过断路开关串连连接。

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