DE102019008224A1

DE102019008224A1 - Betriebssteuervorrichtung und betriebssteuerverfahren für einwellen-gasturbine und programm hierfür

Info

Publication number: DE102019008224A1
Application number: DE102019008224.9A
Authority: DE
Inventors: Koichiro Iida; Akihiko Saito; Hisanobu Shinoda; Kuniaki Aoyama
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US20200309040A1; US11499486B2; CN111749795A; JP2020165323A; CN111749795B; JP7206143B2

Abstract

Eine Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine wählt einen Betriebsmodus basierend auf einem Lastzustand eines Stromgenerators aus und steuert die Turbine basierend auf dem Betriebsmodus. In einem ersten Betriebsmodus wird eine Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs gehalten, und in einem zweiten Betriebsmodus wird die Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs gehalten, der an einer Seite einer niedrigeren Geschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereichs eingestellt ist. Der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich ist an der Seite der niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten ersten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf eine Betriebssteuervorrichtung und ein Betriebssteuerverfahren für eine Einwellen-Gasturbine und ein Programm hierfür.
HINTERGRUND
Es ist eine Gasturbine bekannt, die konfiguriert ist, um komprimierte Luft von einem Kompressor und Brennstoff in eine Brennkammer zuzuführen und einen Stromgenerator durch Rotieren einer Turbine mit durch die Brennkammer erzeugtem Verbrennungsgas anzutreiben. Als eine solche Gasturbine ist eine Einwellen-Gasturbine bekannt, die mit einer Rotationswelle verbunden ist, die für den Kompressor und den Stromgenerator gemeinsam ist. Bei einer herkömmlichen Einwellen-Gasturbine wird eine Rotationsgeschwindigkeit derselben konstant eingestellt, sodass eine Ausgabefrequenz des Stromgenerators mit einer Systemfrequenz synchronisiert ist. Die konstante Rotationsgeschwindigkeit einer solchen Einwellen-Gasturbine ist auf einen Wert eingestellt, der eine Strömungsrate des Kompressors bis zu einem gewissen Ausmaß so sicherstellen kann, dass Abgaseigenschaften der Turbine (das heißt NOx-Konzentration im Abgas) Standards erfüllen, während ein stabiler Betrieb des Kompressors unabhängig von einer Lastgröße sichergestellt ist. Entsprechend besteht die Tendenz, dass bei einer Teillast, die kleiner ist als eine Nennlast ist, oder bei keiner Last die thermische Effizienz abnimmt und der Brennstoffverbrauch zunimmt.
In Patentdokument 1 wird offenbart, eine Rotationsgeschwindigkeit einer Einwellen-Gasturbine variabel gemäß der Lastgröße durch Nutzung eines Stromgenerators mit variabler Geschwindigkeit oder eines Stromgenerators mit Umrichtersteuerung als Stromgenerator zu steuern. In diesem Dokument wird empfohlen, die thermische Effizienz zu verbessern, indem eine Rotationsgeschwindigkeit verringert wird, und den Brennstoffverbrauch bei einer Teillast mit einer niedrigeren Last oder keiner Last zu verringern.
Zitierungsliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: JP 3677536B
ZUSAMMENFASSUNG
Bei der herkömmlichen Einwellen-Gasturbine, bei der die Rotationsgeschwindigkeit gemäß obiger Beschreibung konstant gehalten wird, ist eine Vibrationsfrequenz, die bei der Turbine unter Nennbetriebsbedingungen auftritt, normalerweise so ausgelegt, dass sie nicht mit einer natürlichen Frequenz bzw. Eigenfrequenz, die eine Turbinenschaufel grundsätzlich besitzt, übereinstimmt. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit gemäß der Last nach der Offenbarung im Patentdokument 1 variabel gesteuert wird, besteht eine Möglichkeit, dass ein Resonanzphänomen aufgrund einer Übereinstimmung der variierenden Vibrationsfrequenz, die an der Turbine auftritt, mit der natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz übereinstimmt bzw. auftritt, was in einer Fehlfunktion resultiert.
Wenn ferner ein elektrischer Schaltkreis zum Umwandeln einer Stromerzeugungsfrequenz in eine Systemfrequenz als ein Stromgenerator mit Umrichtersteuerung angewandt wird, besteht eine Möglichkeit des Auftretens eines Wellenvibrationsphänomens aufgrund von Eigenschaften des elektrischen Schaltkreises (d.h. ein Torsions-Vibrationsphänomen einer Welle, das bei einem Stromgenerator auftritt und eine untersynchrone Torsionsinteraktion (engl.: „Subsynchronous Torsional Interaction - SSTI“) ist, die aufgrund einer Interaktion mit einem Stromsystem mit einem Umrichter mit großer Kapazität auftritt).
In dieser Hinsicht ist es eine Aufgabe von zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Betriebssteuervorrichtung und ein Betriebssteuerverfahren für eine Einwellen-Gasturbine, die das Auftreten einer Fehlfunktion wie einem Wellenvibrationsphänomen zuverlässig verhindern können, während ein Brennstoffverbrauch durch Verringern einer Rotationsgeschwindigkeit gemäß der Last verbessert wird, und ein Programm dafür vorzusehen.
(1) Um die obigen Probleme zu lösen sieht zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine vor, die konfiguriert ist, um komprimierte Luft von einem Kompressor und Brennstoff in eine Brennkammer zuzuführen und einen Stromgenerator durch Rotieren einer Turbine anzutreiben, welche mit einer Drehwelle verbunden ist, die für den Kompressor und den Stromgenerator gemeinsam ist, mit einem durch die Brennkammer erzeugten Verbrennungsgas. Hierbei weist die Betriebssteuervorrichtung eine Lastzustandbestimmungseinheit, welche einen Lastzustand des Stromgenerators bestimmt, eine Betriebsmodusauswahleinheit, die konfiguriert ist, um basierend auf einem Bestimmungsergebnis der Lastzustandbestimmungseinheit, aus einem ersten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten einer Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs und einem zweiten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs, der auf einer Seite einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten ersten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, auszuwählen, und eine Steuereinheit, die die Turbine basierend auf dem an der Betriebsmodusauswahleinheit ausgewählten Betriebsmodus steuert, auf.
Gemäß der zuvor unter (1) beschriebenen Konfiguration wird der Betriebsmodus basierend auf dem Lastzustand des Stromgenerators ausgewählt und die Rotationsgeschwindigkeitssteuerung wird gemäß dem ausgewählten Betriebsmodus ausgeführt. Bei jedem Betriebsmodus wird eine Steuerung einer annähernd konstanten Rotationsgeschwindigkeit ausgeführt, um die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines entsprechenden Rotationsgeschwindigkeitsbereichs beizubehalten. Insbesondere in dem zweiten Betriebsmodus ist der Rotationsgeschwindigkeitsbereich auf einer Seite einer niedrigeren Geschwindigkeit als in dem ersten Betriebsmodus eingestellt. Daher kann ein Brennstoffverbrauch gemäß dem Lastzustand des Stromgenerators verringert werden.
Darüber hinaus ist der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich zwischen dem ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereich entsprechend dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereich entsprechend dem zweiten Betriebsmodus eingestellt. Aufgrund der Tatsache, dass der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, um einen unerwünschten Rotationsgeschwindigkeitsbereich wie beispielsweise entsprechend einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz einer Turbinenschaufel oder einer durch einen elektrischen Schaltkreis bewirkten Wellenvibration zu umfassen, kann das Auftreten einer Fehlfunktion effektiv verhindert werden, indem ein Betrieb bei der unerwünschten Rotationsgeschwindigkeit vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
(2) Bei einigen Ausführungsformen bei der zuvor unter (1) beschriebenen Konfiguration bestimmt die Lastzustandbestimmungseinheit den Lastzustand basierend auf einer Ziellastrate, die für den Stromgenerator eingestellt ist, und einer effektiven Lastrate des Stromgenerators.
Gemäß der zuvor unter (2) beschriebenen Konfiguration wird der Lastzustand, der eine Auswahlreferenz für den Betriebsmodus ist, basierend auf der Ziellastrate, die ein Lastindex für die Anforderung an elektrischer Energie ist, und der effektiven Lastrate, die ein Lastindex für die Zufuhr derselben ist, bestimmt. Durch Nutzen des Lastzustands, der gemäß obiger Beschreibung bestimmt wird, kann die Last des Stromgenerators geeignet evaluiert werden.
(3) Bei einigen Ausführungsformen bei der zuvor unter (2) beschriebenen Konfiguration bestimmt die Lastzustandbestimmungseinheit, dass der Lastzustand zu dem ersten Lastzustand gehört, wenn irgendeine der Bedingungen (i) bis (iii) innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne erfüllt ist, und die Betriebsmodusauswahleinheit wählt den ersten Betriebsmodus aus, wenn der Lastzustand als zu dem ersten Lastzustand gehörend bestimmt wird:

(i) die Ziellastrate ist größer als ein erster Schwellenwert,
(ii) die effektive Lastrate ist größer als ein zweiter Schwellenwert, und
(iii) die Differenz zwischen der Ziellastrate und der effektiven Lastrate ist größer als ein dritter Schwellenwert, und die Ziellastrate ist gleich oder größer als die effektive Lastrate.

Gemäß der zuvor unter (3) beschriebenen Konfiguration wird die Steuerung gemäß dem ersten Betriebsmodus ausgeführt, wenn der Lastzustand des Stromgenerators basierend auf der zuvor beschriebenen Referenz als zu dem ersten Lastzustand gehörend bestimmt wird.
(4) Bei einigen Ausführungsformen bestimmt bei der unter (2) oder (3) oben beschriebenen die Lastzustandbestimmungseinheit, dass der Lastzustand Konfiguration zu einem zweiten Lastzustand gehört, wenn die Bedingungen (iv) bis (vi) über eine vorbestimmte Zeitspanne erfüllt sind, und die Betriebsmodusauswahleinheit wählt den zweiten Betriebsmodus aus, wenn der Lastzustand als zu dem zweiten Lastzustand gehörend bestimmt wird:

(iv) die Ziellastrate ist gleich oder kleiner als ein erster Schwellenwert,
(v) die effektive Lastrate ist gleich oder kleiner als ein zweiter Schwellenwert, und
(vi) die Differenz zwischen der Ziellastrate und der effektiven Lastrate ist gleich oder kleiner als ein dritter Schwellenwert, oder die Ziellastrate ist kleiner als die effektive Lastrate.

Gemäß der zuvor unter (4) beschriebenen Konfiguration wird die Steuerung gemäß dem zweiten Betriebsmodus ausgeführt, wenn der Lastzustand des Stromgenerators basierend auf der zuvor beschriebenen Referenz als zu dem zweiten Lastzustand gehörend bestimmt wird. Da der Rotationsgeschwindigkeitsbereich bei dem zweiten Betriebsmodus an einer Seite einer niedrigeren Geschwindigkeit als der in dem ersten Betriebsmodus eingestellt ist, kann ein Brennstoffverbrauch unter annähernd konstanter Rotationsgeschwindigkeitssteuerung, bei der die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb des zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs gehalten wird, effektiv verringert werden.
(5) Bei einigen Ausführungsformen steuert die Steuereinheit bei der unter irgendeinem von (1) bis (4) oben beschriebenen Konfiguration in dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus eine Ausgabe der Turbine durch Einstellen einer Öffnung eines Einlassleitflügels, der an einer stromaufwärtigen Stufe des Kompressors angeordnet ist, und einer Strömungsrate des Brennstoffs, und steuert eine Rotationsgeschwindigkeit der Turbine durch Steuern einer Ausgabe eines Stromrichters, der eine Ausgabefrequenz des Stromgenerators in eine Systemfrequenz wandelt.
Gemäß der zuvor unter (5) beschriebenen Konfiguration erfolgt in dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus eine Turbinenausgabesteuerung mit der Öffnung des Einlassleitflügels und der Strömungsrate des Brennstoffs als Steuerparameter, und die Turbinenrotationsgeschwindigkeitssteuerung erfolgt mit der Ausgabe des Stromrichters als Steuerparameter. Entsprechend kann eine kooperative Steuerung zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit auf einem annähernd konstanten Wert in geeigneter Weise ausgeführt werden, während eine Stromerzeugungsanforderung an dem Stromgenerator erfüllt wird.
(6) Bei einigen Ausführungsformen bei der unter irgendeinem von (1) bis (5) beschriebenen Konfiguration umfasst der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eine natürliche Frequenz oder Eigenfrequenz einer in der Turbine enthaltenen Turbinenschaufel.
Gemäß der unter (6) beschriebenen Konfiguration kann aufgrund der Tatsache, dass der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, um die natürliche Frequenz oder Eigenfrequenz der Turbinenschaufel zu umfassen, das Auftreten einer Fehlfunktion wie ein Bruch der Turbinenschaufel effektiv verhindert werden, indem ein Betrieb bei der natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz der Turbinenschaufel vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
(7) Bei einigen Ausführungsformen ist die Betriebsmodusauswahleinheit bei der unter irgendeinem von (1) bis (6) beschriebenen Konfiguration konfiguriert, um einen dritten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines dritten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs auswählen zu können, welcher an einer Seite einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten zweiten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist.
Gemäß der zuvor unter (7) beschriebenen Konfiguration ist der dritte Betriebsmodus zusätzlich zu dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus, die zuvor beschrieben wurden, auswählbar. Bei dem dritten Betriebsmodus wird eine annähernd konstante Rotationsgeschwindigkeitssteuerung ausgeführt, bei der die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb des dritten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs gehalten wird. Da der dritte Rotationsgeschwindigkeitsbereich an einer Seite einer niedrigeren Geschwindigkeit als der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich angeordnet ist, kann ein Brennstoffverbrauch gemäß dem Lastzustand des Stromgenerators weiter verringert werden.
Der zweite Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich ist darüber hinaus zwischen dem zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereich entsprechend dem zweiten Betriebsmodus und dem dritten Rotationsgeschwindigkeitsbereich entsprechend dem dritten Betriebsmodus eingestellt. Aufgrund der Tatsache, dass der zweite Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, um eine unerwünschte Rotationsgeschwindigkeit zu umfassen, beispielsweise entsprechend einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz einer Turbinenschaufel oder einer Wellenvibration oder Wellenschwingung, die durch einen elektrischen Schaltkreis bewirkt wird, kann das Auftreten einer Fehlfunktion effektiv verhindert werden, indem ein Betrieb bei der unerwünschten Rotationsgeschwindigkeit vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
(8) Bei einigen Ausführungsformen bestimmt die Lastzustandbestimmungseinheit bei der oben unter (7) beschriebenen Konfiguration, dass der Lastzustand zu einem dritten Lastzustand gehört, wenn die Bedingungen (vii) und (viii) über einer vorbestimmten Zeitspanne erfüllt sind, und die Betriebsmodusauswahleinheit wählt den dritten Betriebsmodus aus, wenn der Lastzustand als zu dem dritten Lastzustand gehörend bestimmt wird:

(vii) die Ziellastrate ist gleich oder kleiner als ein vierter Schwellenwert, und
(viii) die effektive Lastrate ist gleich oder kleiner als ein fünfter Schwellenwert.

Gemäß der zuvor unter (8) beschriebenen Konfiguration wird die Steuerung dann, wenn der Lastzustand des Stromgenerators basierend auf der zuvor beschriebenen Referenz als zu dem dritten Lastzustand gehörend bestimmt wird, gemäß dem dritten Betriebsmodus ausgeführt. Da der Rotationsgeschwindigkeitsbereich bei dem dritten Betriebsmodus auf einer Seite einer niedrigeren Geschwindigkeit als der bei dem zweiten Betriebsmodus eingestellt ist, kann der Brennstoffverbrauch unter einer annähernd konstanten Rotationsgeschwindigkeitssteuerung, bei der die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb des dritten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs gehalten wird, effektiv weiter verringert werden.
(9) Bei einigen Ausführungsformen steuert die Steuereinheit bei der zuvor unter (7) oder (8) beschriebenen Konfiguration in dem dritten Betriebsmodus die Ausgabe der Turbine durch Einstellen einer Öffnung eines Einlassleitflügels, der an einer stromaufwärtigen Stufe des Kompressors angeordnet ist, einer Strömungsrate des Brennstoffs, und einer Öffnung eines Zapfluftventils des Kompressors, und steuert eine Rotationsgeschwindigkeit der Turbine durch Steuern einer Ausgabe eines Stromrichters, der eine Ausgabefrequenz des Stromgenerators in eine Systemfrequenz umwandelt.
Gemäß der zuvor unter (9) beschriebenen Konfiguration erfolgt die Turbinenausgabesteuerung in dem dritten Betriebsmodus mit der Öffnung des Einlassleitflügels, der Strömungsrate des Brennstoffs und der Öffnung des Zapfluftventils als Steuerparameter, und die Steuerung der Turbinenrotationsgeschwindigkeit erfolgt mit der Ausgabe eines Stromrichters als Steuerparameter. Entsprechend kann eine kooperative Steuerung zum annähernd konstanten Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit in geeigneter Weise ausgeführt werden, während eine Stromerzeugungsanforderung an den Stromgenerator erfüllt wird.
(10) Bei einigen Ausführungsformen umfasst der zweite Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich bei der zuvor unter irgendeinem von (7) bis (9) beschriebenen Konfiguration eine natürliche Frequenz oder Eigenfrequenz einer Turbinenschaufel in der Turbine.
Gemäß der zuvor unter (10) beschriebenen Konfiguration kann aufgrund der Tatsache, dass der zweite Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, um die natürliche Frequenz oder Eigenfrequenz der Turbinenschaufel zu umfassen, das Auftreten einer Fehlfunktion wie ein Brechen der Turbinenschaufel effektiv verhindert werden, indem ein Betrieb bei der natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz der Turbinenschaufel vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
(11) Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, sieht zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Betriebssteuerverfahren für eine Einwellen-Gasturbine vor, die konfiguriert ist, um komprimierte Luft von einem Kompressor und Brennstoff in eine Brennkammer zuzuführen und einen Stromgenerator durch Rotieren einer Turbine, welche mit einer Rotationswelle gemeinsam für den Kompressor und den Stromgenerator verbunden ist, mit durch die Brennkammer erzeugtem Verbrennungsgas anzutreiben. Hierbei weist das Betriebssteuerverfahren die Schritte eines Bestimmens eines Lastzustands des Stromgenerators, eines Auswählens, basierend auf einem Bestimmungsergebnis des Lastzustands, aus einem ersten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten einer Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs und einem zweiten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs, der an einer Seite einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten ersten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, und eines Steuerns der Turbine basierend auf dem ausgewählten Betriebsmodus auf.
Gemäß der zuvor unter (11) beschriebenen Konfiguration wird der Betriebsmodus basierend auf dem Lastzustand des Stromgenerators ausgewählt und die Rotationsgeschwindigkeitssteuerung wird gemäß dem ausgewählten Betriebsmodus ausgeführt. Bei jedem Betriebsmodus wird eine annähernd konstante Rotationsgeschwindigkeitssteuerung ausgeführt, bei der die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines entsprechenden Rotationsgeschwindigkeitsbereichs gehalten wird. Insbesondere in dem zweiten Betriebsmodus ist der Rotationsgeschwindigkeitsbereich an einer Seite einer niedrigeren Geschwindigkeit als der in dem ersten Betriebsmodus eingestellt. Daher kann der Brennstoffverbrauch gemäß dem Lastzustand des Stromgenerators verringert werden.
Darüber hinaus ist der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich zwischen dem ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereich entsprechend dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereich entsprechend dem zweiten Betriebsmodus eingestellt. Aufgrund der Tatsache, dass der erste Nichtauswahl-Geschwindigkeitsbereich eingestellt ist, um eine unerwünschte Rotationsgeschwindigkeit zu umfassen, die beispielsweise einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz einer Turbinenschaufel oder einer Wellenvibration, die durch einen elektrischen Schaltkreis verursacht wird, entspricht, kann das Auftreten einer Fehlfunktion effektiv verhindert werden, indem der Betrieb bei der unerwünschten Rotationsgeschwindigkeit vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
(12) Um die obigen Probleme zu lösen sieht zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Programm zum betriebsmäßigen Steuern einer Einwellen-Gasturbine vor, die konfiguriert ist, um komprimierte Luft von einem Kompressor und Brennstoff in eine Brennkammer zuzuführen und einen Stromgenerator durch Rotieren einer Turbine, die mit einer Rotationswelle gemeinsam für den Kompressor und den Stromgenerator verbunden ist, mit durch die Brennkammer erzeugtem Verbrennungsgas anzutreiben. Hierbei veranlasst das Programm einen Computer, die folgenden Schritte auszuführen: Bestimmen eines Lastzustands des Stromgenerators, Auswählen, basierend auf einem Bestimmungsergebnis des Lastzustands, aus einem ersten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten einer Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs und einem zweiten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs, der an einer Seite einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten ersten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, und Steuern der Turbine basierend auf dem ausgewählten Betriebsmodus.
Gemäß dem zuvor unter (12) beschriebenen Programm wird der Betriebsmodus basierend auf dem Lastzustand des Stromgenerators ausgewählt und die Rotationsgeschwindigkeitssteuerung wird gemäß dem ausgewählten Betriebsmodus ausgeführt. Bei jedem Betriebsmodus wird eine annähernd konstante Rotationsgeschwindigkeitssteuerung ausgeführt, bei der die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines entsprechenden Rotationsgeschwindigkeitsbereichs gehalten wird. Insbesondere in dem zweiten Betriebsmodus ist der Rotationsgeschwindigkeitsbereich an einer Seite einer niedrigeren Geschwindigkeit als der in dem ersten Betriebsmodus eingestellt. Daher kann der Brennstoffverbrauch gemäß dem Lastzustand des Stromgenerators verringert werden.
Darüber hinaus ist der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich zwischen dem ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereich entsprechend dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereich entsprechend dem zweiten Betriebsmodus eingestellt. Aufgrund der Tatsache, dass der erste Nichtauswahl-Geschwindigkeitsbereich eingestellt ist, um eine unerwünschte Rotationsgeschwindigkeit zu umfassen, die beispielsweise einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz einer Turbinenschaufel oder einer Wellenvibration, die durch einen elektrischen Schaltkreis verursacht wird, entspricht, kann das Auftreten einer Fehlfunktion effektiv verhindert werden, indem der Betrieb bei der unerwünschten Rotationsgeschwindigkeit vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Betriebssteuervorrichtung und ein Betriebssteuerverfahren für eine Einwellen-Gasturbine, die das Auftreten einer Fehlfunktion wie einem Wellenvibrationsphänomen effektiv verhindern können, während ein Brennstoffverbrauch durch Verringern einer Rotationsgeschwindigkeit gemäß der Last verbessert wird, und eines Programms dafür, vorzusehen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration einer Gasturbine gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2A ist eine schematische Strukturansicht, die ein Beispiel einer Hardwarekonfiguration einer Steuervorrichtung in 1 zeigt.
2B ist eine schematische Strukturansicht, die ein weiteres Beispiel der Hardwarekonfiguration der Steuervorrichtung in 1 zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine interne Konfiguration einer Lastzustandbestimmungseinheit in 1 zeigt.
4 zeigt ein Verteilungsbeispiel eines Lastzustands bezüglich einer Ziellastrate und einer effektiven Lastrate.
5 ist ein Diagramm, das Rotationsgeschwindigkeitseigenschaften in ersten bis dritten Betriebsmodi zeigt.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine interne Konfiguration der Steuereinheit in 1 zeigt.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das jeden Schritt des Betriebssteuerverfahrens für eine Gasturbine gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Soweit nicht ausdrücklich angegeben sollen Abmessungen, Materialien, Formen, Relativpositionen und dergleichen von in den Ausführungsformen beschriebenen Komponenten als erläuternd aber nicht beschränkend bezüglich des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verstanden werden.
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration einer Gasturbine 100 gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Gasturbine 100 umfasst einen Kompressor 102, eine Brennkammer 104, eine Turbine 106, einen Stromgenerator 108 und einen Stromwandler oder Stromrichter 110. Angesaugte Luft wird durch den Kompressor 102 komprimiert, mit von einem Brennstoffströmungsrateneinstellventil 112 zugeführtem Brennstoff gemischt und in der Brennkammer 104 verbrannt. Eine der Brennkammer 104 zugeführte Brennstoffströmungsrate ist durch das Brennstoffströmungsrateneinstellventil 112 steuerbar, das auf Basis eines Steuersignals (Brennstoffsteuersignal) von einer Steuervorrichtung 150 arbeitet.
In der Brennkammer 104 erzeugtes Hochtemperatur-Verbrennungsgas erzeugt Energie bzw. wird in diese umgewandelt, indem es in der Turbine 106 expandiert wird. Ein Teil der Energie der Turbine 106 treibt den Kompressor 102 an und der Rest der Energie treibt den Stromgenerator 108 als eine Last an. Hierbei sind eine Rotationswelle des Kompressors 102, eine Rotationswelle der Turbine 106 und eine Rotationswelle des Stromgenerators 108 integral verbunden und die Gasturbine 100 ist somit eine Einwellen-Gasturbine.
Wechselstromenergie, die von dem Stromgenerator 108 ausgegeben wird, wird einem Strom- oder Energiesystem 140 über den Stromrichter 110 zugeführt. Da eine Rotationsgeschwindigkeit der Gasturbine 100 (des Kompressors 102, der Turbine 106 und des Stromgenerators 108) variabel ist, ist, wie später beschrieben ist, eine Stromfrequenzausgabe von dem Stromgenerator 108 allgemein verschieden von einer Systemfrequenz des Energie- bzw. Stromsystems 140 (d.h. eine kommerzielle Frequenz wie 50 Hz und 60 Hz). Die Stromfrequenz wird in die Systemfrequenz durch den Stromrichter 110 umgewandelt. Eine solche Konversion in die Systemenergie durch den Stromrichter 110 wird basierend auf einem Steuersignal (Stromkonversionssteuersignal) von der Steuervorrichtung 150 ausgeführt.
Hierbei umfasst ein elektrischer Schaltkreis, der in dem Stromrichter 110 enthalten ist, beispielsweise einen Umwandlerschaltkreis oder einen Umrichterschalkreis. In einem Fall, bei dem die Stromfrequenz des Stromgenerators 108 in die Systemfrequenz gemäß obiger Beschreibung umgewandelt wird, umfasst der Stromrichter 110 beispielsweise einen Umwandlerschaltkreis, der von dem Stromgenerator 108 ausgegebene Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umwandelt, und einen Umrichterschalkreis, der die Gleichstromenergieausgabe von dem Umwandlerschaltkreis in Wechselstromenergie mit derselben Systemfrequenz umwandelt. In einem Fall, dass Ausgabeenergie des Stromgenerators 108 als Gleichstromenergie übertragen wird (d.h. in einem Fall, dass das Energiesystem 140 eine Gleichstromübertragungsleitung ist), umfasst der Stromrichter 110 einen Umwandlerschaltkreis, der eine Wechselstromenergieausgabe von dem Stromgenerator 108 in Gleichstromenergie umwandelt.
Ein Einlassleitflügel (engl.: „inlet guide vane - IGV“) 114 ist an einer stromaufwärtigen Stufe von Schaufeln an einer ersten Stufe des Kompressors 102 angeordnet. Angesaugte Luft wird in der Umfangsrichtung durch den Einlassleitflügel 114 beschleunigt und in den Kompressor 102 eingeführt. In dem Kompressor 102 wird die eingeführte Luft dadurch mit Energie beaufschlagt, dass sie zwischen Rotorschaufeln und Statorschaufeln, die in einer mehrstufigen Weise ausgebildet sind, passieren gelassen wird, und deren Druck wird dabei erhöht. Der Einlassleitflügel 114 umfasst eine Vielzahl von beweglichen Flügeln (nicht gezeigt), die in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, und zwar so, dass sie jeweils beweglich getragen sind. Die beweglichen Flügel des Einlassleitflügels 114 sind durch einen Betätiger (nicht gezeigt) angetrieben, der mit einem Steuersignal (IGV Steuersignal) von der Steuervorrichtung 150 betrieben wird.
Um das Auftreten einer Überbelastung (engl.: „surging“) in dem Kompressor 102 während des Hochfahrens oder einer Geschwindigkeitserhöhung der Gasturbine (100) zu verhindern, ist ein Zapfluftventil 115 vorgesehen, das einen Teil von Luft bei einem Druckanstieg in dem Kompressor 102 bei einer beliebigen Rotationsgeschwindigkeit extrahiert und die Luft zu der Turbine 106 umleitet. Aufgrund der Tatsache, dass das Zapfluftventil 115 basierend auf einem Steuersignal (Zapfluftventilsteuersignal) von der Steuervorrichtung 150 arbeitet, kann eine Zapfluftströmungsrate von dem Kompressor 102 gesteuert werden.
Ein Nachschaufel-Temperatursensor 116, der die Temperatur von Verbrennungsgas erfasst, das die Schaufeln der letzten Stufe passiert hat, ist an einem letzten Stufenabschnitt der Turbine 106 angeordnet. Ein Abgastemperatursensor 118, der die Temperatur von Abgas erfasst, ist an einem Abgasdurchgang an der stromabwärtigen Seite des Nachschaufel-Temperatursensors 116 angeordnet. Ein Ansaugluftzustandsdetektor 120, der die Temperatur und den Druck von angesaugter Luft erfasst, ist ebenfalls angeordnet. Ein Kammer-Innendrucksensor 122, der den Druck in einer Kammer der Brennkammer 104 erfasst, ist ebenfalls angeordnet. Ferner ist ein Ausgabesensor 124, der eine Ausgabe der Turbine 106 erfasst, ebenfalls angeordnet.
Erfassungsergebnisse des Nachschaufel-Temperatursensors 116, des Abgastemperatursensors 118, des Ansaugluftzustandsdetektors 120, des Kammer-Innendrucksensors 122, und des Ausgabesensors 124 werden in die Steuervorrichtung 150 eingegeben. Die Steuervorrichtung 150 führt eine Steuerung durch Ausgeben von Steuersignalen basierend auf den Eingabesignalen zu entsprechenden Elementen der Gasturbine 100 aus. Die Steuervorrichtung 150 steuert insbesondere das Brennstoffströmungsrateneinstellventil 112 durch Übertragen eines Brennstoffsteuersignals zu diesem, steuert den Stromrichter 110 durch Übertragen eines Stromumwandlungssteuersignals zu diesem, steuert die Öffnung des Einlassleitflügels 114 durch Übertragen eines IGV-Steuersignals zu diesem, und steuert die Öffnung des Zapfluftventils 115 durch Übertragen eines Zapfluftventilsteuersignals zu diesem.
Die Steuervorrichtung 150 kann als ein Computer konfiguriert sein. Hierbei sind 2A und 2B schematische Strukturansichten, die jeweils eine Hardwarekonfiguration der Steuervorrichtung 150 in 1 zeigen. Beispielsweise umfasst gemäß der Darstellung in 2A die Steuervorrichtung 150 eine zentrale Verarbeitungseinheit (engl.: „central processing unit - CPU“) 11, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (engl.: „random access memory - RAM“) 12, einen Nur-Lese-Speicher (engl.: „read-only memory - ROM“) 13, ein Festplattenlaufwerk (engl.: „hard disk drive - HDD“) 14, eine Eingabeschnittstelle (I/F) 15 und eine Ausgabeschnittstelle (I/F) 16, die miteinander über einen Bus 17 verbunden sind.
Auf Vorstehendes nicht beschränkt kann die Hardware der Steuervorrichtung 150 als eine Kombination aus Steuerschaltkreisen und Speichervorrichtungen konfiguriert sein.
Gemäß der Darstellung in 2B kann ein Programm (Betriebsbedingungsbestimmungsprogramm) zum Aktualisieren von Funktionen der Steuervorrichtung 150 in einer Cloud 1c oder einem Speichermedium 1d gespeichert sein. Dabei kann die Steuervorrichtung 150 eine äußere Kommunikationseinheit 18, beispielsweise für eine drahtlose LAN-Kommunikation wie eine 4G- oder 5G-Leitungskommunikation und Wi-Fi (eingetragene Marke) umfassen. Die CPU 11 kann das Programm von der Cloud 1c durch die äußere Kommunikationseinheit 18 lesen, das Programm in den RAM 12 laden, und das Programm ausführen. Ferner kann die Steuervorrichtung 150 einen Treiber 19 zum Lesen von Daten in dem Speichermedium 1d aufweisen. Die CPU 11 kann das Programm von dem Speichermedium 1d lesen, das Programm in den RAM 12 laden, und das Programm ausführen. Das Speichermedium 1d kann von irgendeiner Art sein und kann beispielsweise eine SD-Karte, einen USB-Speicher oder eine externe Festplatte (HDD) gemäß der Kapazität des Programms anwenden.
Die Steuervorrichtung 150 mit der zuvor beschriebenen Hardware-Konfiguration hat eine Konfiguration entsprechend einem in 1 gezeigten Funktionsblock. Die Steuervorrichtung 150 umfasst also eine Lastzustandbestimmungseinheit 152, eine Betriebsmodusauswahleinheit 154 und eine Steuereinheit 156.
Die Lastzustandbestimmungseinheit 152 bestimmt einen Lastzustand des Stromgenerators 108. Die Bestimmung des Lastzustands wird beispielsweise basierend auf einer Ziellastrate Lt, die für den Stromgenerator 108 eingestellt ist, und einer effektiven Lastrate Le des Stromgenerators 108 ausgeführt. Die Ziellastrate Lt wird basierend auf einer Ausgabeanforderungsinformation (d.h. einer Anforderungsgröße für zukünftige Ausgabe des Stromgenerators) berechnet, die von außen erhalten wird, und die effektive Lastrate Le wird durch Erhalten eines Erfassungswerts des Ausgabesensors 124 berechnet.
Als Nächstes wird eine detaillierte Beschreibung eines Verfahrens zum Bestimmen eines Lastzustands bei der Lastzustandbestimmungseinheit 152 mit Bezug zu 3 und 4 gegeben. 3 ist ein Blockdiagramm, das eine interne Konfiguration der Lastzustandbestimmungseinheit in 1 zeigt. 4 zeigt ein Verteilungsbeispiel eines Lastzustands bezüglich der Ziellastrate Lt und der effektiven Lastrate Le. In diesem Beispiel wird der Lastzustand des Stromgenerators 108 basierend auf der Ziellastrate Lt und der effektiven Lastrate Le, die bei der Lastzustandbestimmungseinheit 152 berechnet werden, als zu irgendeinem von einem ersten Lastzustand, einem zweiten Lastzustand und einem dritten Lastzustand gehörend bestimmt.
Gemäß der Darstellung in 3 umfasst die Lastzustandbestimmungseinheit 152 ein Ziellastratenberechnungsteil 158, ein Effektivlastratenberechnungsteil 160, einen Zeitzähler 162, ein Differenzberechnungsteil 164 und ein Bestimmungsteil 166.
Das Ziellastratenberechnungsteil 158 erhält die Ausgabeanforderungsinformation von außen und berechnet die Ziellastrate Lt basierend auf der Ausgabeanforderungsinformation. Das Effektivlastratenberechnungsteil 160 erhält einen Erfassungswert des Ausgabesensors 124 und berechnet die effektive Lastrate Le basierend auf dem Erfassungswert. Der Zeitzähler 162 misst eine Zeit. Das Differenzberechnungsteil 164 berechnet eine Differenz ΔL zwischen der Ziellastrate Lt, die an dem Ziellastratenberechnungsteil 158 berechnet wird, und der effektiven Lastrate Le, die an dem Effektivlastratenberechnungsteil 160 berechnet wird. Das Bestimmungsteil 166 bestimmt, zu welchem von dem ersten Lastzustand, dem zweiten Lastzustand und dem dritten Lastzustand der Lastzustand gehört, basierend auf verschiedener Information, die von dem Ziellastratenberechnungsteil 158, dem Effektivlastratenberechnungsteil 160, dem Zeitzähler 162 und dem Differenzberechnungsteil 164 eingegeben wird.
4 zeigt ein Beispiel einer Verteilung des ersten Lastzustands, des zweiten Lastzustands und des dritten Lastzustands. In diesem Beispiel bestimmt das Bestimmungsteil 166, zu welchem, von dem ersten Lastzustand, dem zweiten Lastzustand und dem dritten Lastzustand der Lastzustand des Stromgenerators 108 gehört, gemäß den im Folgenden beschriebenen Bedingungen.
Wenn zwei im Folgenden beschriebene Bedingungen über eine vorbestimmte Zeitspanne erfüllt sind, bestimmt das Bestimmungsteil 166, dass der Lastzustand des Stromgenerators 108 zu dem zweiten Lastzustand gehört:

- Die Ziellastrate Lt ist gleich oder kleiner als ein Schwellenwert Lt1, und die effektive Lastrate Le ist gleich oder kleiner als ein Schwellenwert Le1;
- Die Differenz ΔL zwischen der Ziellastrate Lt und der effektiven Lastrate Le ist gleich oder kleiner als ein dritter Schwellenwert ΔL1, oder die Ziellastrate Lt ist kleiner als die effektive Lastrate Le.

Hierbei ist die vorbestimmte Zeitspanne vorzugsweise auf beispielsweise etwa eine Minute eingestellt.
Wenn eine im Folgenden beschriebene Bedingung über eine vorbestimmte Zeitspanne erfüllt ist, bestimmt das Bestimmungsteil 166, dass der Lastzustand des Stromgenerators 108 zu dem dritten Lastzustand gehört:

- Die Ziellastrate Lt ist gleich oder kleiner als ein Schwellenwert Lt2, und die effektive Lastrate Le ist gleich oder kleiner als ein Schwellenwert Le2. Hierbei ist der Schwellenwert Lt2 kleiner als der Schwellenwert Lt1 und der Schwellenwert Le2 ist kleiner als der Schwellenwert Le1.

Wenn der Lastzustand des Stromgenerators 108 als nicht zu dem zweiten Lastzustand und auch nicht zu dem dritten Lastzustand gehörend bestimmt wird, bestimmt das Bestimmungsteil 166, dass der Lastzustand des Stromgenerators 108 zu dem ersten Lastzustand gehört.
Bei dem Vorstehenden wird die Bestimmung des ersten Lastzustandes durch einen Prozess der Elimination ausgeführt. Die Bestimmung kann aber auch basierend auf praktischen Bedingungen erfolgen. Das Bestimmungsteil 166 kann demnach bestimmen, dass der Lastzustand des Stromgenerators 108 zu dem ersten Lastzustand gehört, wenn irgendeine der im Folgenden beschriebenen Bedingungen innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne erfüllt ist:

- Die Ziellastrate Lt ist größer als der Schwellenwert Lt1 oder die effektive Lastrate Le ist größer als der Schwellenwert Lei;
- Die Differenz ΔL zwischen der Ziellastrate Lt und der effektiven Lastrate Le ist größer als der dritte Schwellenwert ΔL1, und die Ziellastrate Lt ist gleich oder größer als die effektive Lastrate Le.

Werden die jeweiligen Lastzustände in 4 in einer qualitativen Weise beschrieben, entspricht der zweite Lastzustand einem Zustand, bei dem eine Teillastsituation über der vorbestimmten Zeitspanne andauert, der dritte Lastzustand entspricht der Umgebung einer Situation ohne Last einschließlich eines Aufstartens und Abschaltens der Turbine 106, und der erste Lastzustand entspricht einem weiten Lastzustand einschließlich einer Nennlastsituation, während der zweite Lastzustand und der dritte Lastzustand ausgeschlossen sind. Kurz gesagt tendiert die Last des Stromgenerators 108 dazu, in der Reihenfolge des ersten Lastzustands, des zweiten Lastzustands und des dritten Lastzustands abzusinken.
Wieder zurück zu 1 wählt die Betriebsmodusauswahleinheit 154 einen Betriebsmodus basierend auf dem Bestimmungsergebnis der Lastzustandbestimmungseinheit 152 aus. Eine Vielzahl von Betriebsmodi sind als durch die Betriebsmodusauswahleinheit 154 auswählbar vorbereitet und irgendeine davon wird basierend auf dem Lastzustand des Stromgenerators 108 ausgewählt. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind ein erster Betriebsmodus, ein zweiter Betriebsmodus und ein dritter Betriebsmodus als jeweils entsprechend dem ersten Lastzustand, dem zweiten Lastzustand und dem dritten Lastzustand, die zuvor mit Bezug auf 4 beschrieben wurden, vorbereitet. Wenn der Lastzustand des Stromgenerators 108 durch die Lastzustandbestimmungseinheit 152 als zu dem ersten Lastzustand gehörend bestimmt wird, wählt die Betriebsmodusauswahleinheit 154 den ersten Betriebsmodus aus. Wenn der Lastzustand des Stromgenerators 108 durch die Lastzustandbestimmungseinheit 152 als zu dem zweiten Lastzustand gehörend bestimmt wird, wählt die Betriebsmodusauswahleinheit 154 den zweiten Betriebsmodus aus. Wenn der Lastzustand des Stromgenerators 108 durch die Lastzustandbestimmungseinheit 152 als zu dem dritten Lastzustand gehörend bestimmt wird, wählt die Betriebsmodusauswahleinheit 154 den dritten Betriebsmodus aus.
5 ist ein Diagramm, das Rotationsgeschwindigkeitseigenschaften in den ersten bis dritten Betriebsmodi verdeutlicht. Hierbei gibt ein Rotationsgeschwindigkeitsverhältnis an der vertikalen Achse von 5 ein Verhältnis einer Rotationsgeschwindigkeit zu einer Nenn-Rotationsgeschwindigkeit an.
Der erste Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 106 innerhalb eines ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs B1. Der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich B1 umfasst eine Nenn-Rotationsgeschwindigkeit Re1 (=100%) und ist mit einem zulässigen Bereich ±ΔRe1 bezüglich der Nenn-Rotationsgeschwindigkeit Re1 definiert. In dem ersten Betriebsmodus kann also die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 106 annähernd konstant bei der Nenn-Rotationsgeschwindigkeit Re1 gesteuert werden oder kann innerhalb des zulässigen Bereichs ±ΔRe1 fluktuieren. Der zulässige Bereich ±ΔRe1 ist beispielsweise ±3% bezüglich der Nenn-Rotationsgeschwindigkeit Re1.
Der zweite Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs B2. Der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich B2 ist an einer Seite einer niedrigeren Geschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich B1 angeordnet, und ist mit einem zulässigen Bereich ±ΔRe2 bezüglich einer mittleren Rotationsgeschwindigkeit Re2 definiert. In dem zweiten Betriebsmodus kann die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 106 also annähernd konstant bei der mittleren Rotationsgeschwindigkeit Re2 gesteuert werden oder kann innerhalb des zulässigen Bereichs ±ΔRe2 fluktuieren. Der zulässige Bereich ±ΔRe2 ist beispielsweise ±3% bezüglich der mittleren-Rotationsgeschwindigkeit Re2.
Der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich B2 ist ferner an der Seite der niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich B1 angeordnet, wobei ein erster Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB1 dazwischen angeordnet ist. Der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich B1 und der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich B2 überlappen einander demnach nicht, und der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB1 ist dazwischen vorgesehen. Der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB1 ist so gewählt, dass er eine unerwünschte Rotationsgeschwindigkeit enthält, die beispielweise einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz einer Turbinenschaufel, einer durch einen elektrischen Schaltkreis in dem Stromrichter 110 verursachten Wellenvibration und dergleichen entspricht. Entsprechend dem Vorstehenden kann das Auftreten einer Fehlfunktion effektiv verhindert werden, indem ein Betrieb bei der unerwünschten Rotationsgeschwindigkeit vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
Der dritte Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines dritten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs B3. Der dritte Rotationsgeschwindigkeitsbereich B3 ist an der Seite der niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit angeordnet als der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich B2, und er ist mit einem zulässigen Bereich ±ΔRe3 bezüglich einer mittleren Rotationsgeschwindigkeit Re3 definiert. In dem dritten Betriebsmodus kann demnach die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 106 annähernd konstant an der mittleren Rotationsgeschwindigkeit Re3 gesteuert werden oder kann innerhalb des zulässigen Bereichs ±ΔRe3 fluktuieren. Der zulässige Bereich ±ΔRe3 ist beispielsweise ±3% bezüglich der mittleren-Rotationsgeschwindigkeit Re3.
Der dritte Rotationsgeschwindigkeitsbereich B3 ist an der Seite der niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich B2 angeordnet, wobei ein zweiter Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB2 dazwischen vorgesehen ist. Der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich B2 und der dritte Rotationsgeschwindigkeitsbereich B3 überlappen einander demnach nicht, und der zweite Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB2 ist dazwischen vorhanden. Der zweite Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB2 ist so gewählt, dass er eine unerwünschte Rotationsgeschwindigkeit umfasst, die beispielweise einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz einer Turbinenschaufel, einer durch einen elektrischen Schaltkreis in dem Stromrichter 110 bewirkten Wellenvibration und dergleichen entspricht. Entsprechend dem Vorstehenden kann das Auftreten einer Fehlfunktion effektiv verhindert werden, indem ein Betrieb bei der unerwünschten Rotationsgeschwindigkeit vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
Wieder zurück zu 1 steuert die Steuereinheit 156 die Gasturbine 100 basierend auf dem an der Betriebsmodusauswahleinheit 154 ausgewählten Betriebsmodus. 6 ist ein Blockdiagramm, das eine interne Konfiguration der Steuereinheit 156 in 1 zeigt. Die Steuereinheit 156 umfasst ein ALR-Steuerteil 168, ein Lastgrenzensteuerteil 170, ein Reglersteuerteil 172, ein Temperaturgrenzensteuerteil 174, ein Brennstoffgrenzensteuerteil 176, ein Niedrigwertauswahlteil 178, ein IGV-Steuerteil 180, ein Zapfluftventilsteuerteil 182 und ein Energieumwandlungssteuerteil 184.
Das ALR-Steuerteil 168 berechnet die Ziellastrate Lt basierend auf der von Außen zugeführten Ausgabeanforderungsinformation. Das Lastgrenzensteuerteil 170 gibt ein Brennstoffströmungsratenbefehlssignal zum Bewirken der Ziellastrate Lt, die von dem ALR-Steuerteil 168 eingegeben wird, aus, um ein Grenzwert zu sein, der zuvor auf Basis von Spezifikationen eingestellt ist.
Das Reglersteuerteil 172 gibt ein Brennstoffströmungsratenbefehlssignal aus, um zu bewirken, dass die Rotationsgeschwindigkeit ein vorbestimmter Grenzwert ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform empfängt das Reglersteuerteil 172 Betriebsmodusinformationen entsprechend dem an der Betriebsmodusauswahleinheit 154 ausgewählten Betriebsmodus und erzeugt das Brennstoffströmungsratenbefehlssignal, das zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit erforderlich ist, innerhalb dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechend den Rotationsgeschwindigkeitsbereich.
Das Temperaturgrenzensteuerteil 174 gibt ein Brennstoffströmungsratenbefehlssignal so aus, dass die Temperatur an jedem Abschnitt der Gasturbine 100 (d.h. die Temperatur, die durch jeden von dem Nachschaufel-Temperatursensor 116, dem Abgastemperatursensor 118 und dem Ansaugluftzustandsdetektor 120 erfasst wurde) ein zuvor basierend auf den Spezifikationen angegebener Grenzwert wird.
Das Brennstoffgrenzensteuerteil 176 gibt ein Brennstoffströmungsratenbefehlssignal so aus, dass eine Brennstoffströmungsrate ein Grenzwert wird, der zuvor basierend auf den Spezifikationen eingestellt wurde.
Das Niedrigwertauswahlteil 178 wählt, als ein Brennstoffsteuersignal, ein Signal aus, das die niedrigste Brennstoffströmungsrate von den Brennstoffströmungsratenbefehlssignalen von dem Lastgrenzensteuerteil 170, dem Reglersteuerteil 172, dem Temperaturgrenzensteuerteil 174 und dem Brennstoffgrenzensteuerteil 176 angibt, und gibt dieses aus. Das von dem Niedrigwertauswahlteil 178 ausgegebene Brennstoffsteuersignal wird zu dem Brennstoffströmungsrateneinstellventil 112 eingegeben und die Brennstoffsteuerung wird entsprechend dem Betriebsmodus ausgeführt.
Das IGV-Steuerteil 180 berechnet ein IGV-Steuersignal basierend auf einer Ausgabe des Stromgenerators 108 (ein Erfassungswert des Ausgabesensors 124), der Ansauglufttemperatur (ein Erfassungswert des Ansaugluftzustandsdetektors 120), einem Kammerdruck des Kompressors 102 (ein Erfassungswert des Kammer-Innendrucksensors 122), einer Abgastemperatur (ein Erfassungswert des Abgastemperatursensors 118), und einer Betriebsmodusinformation (einem Ausgabesignal der Betriebsmodusauswahleinheit 154) und gibt dieses aus. Das von den IGV-Steuerteil 180 ausgegebene IGV-Steuersignal wird zu dem Einlassleitflügel 114 eingegeben, sodass eine Öffnungseinstellung des Einlassleitflügels 114 ausgeführt wird. Aufgrund der Tatsache, dass die Betriebsmodusinformation entsprechend dem Betriebsmodus, der an der Betriebsmodusauswahleinheit 154 ausgewählt wurde, zu dem IGV-Steuerteil 180 gemäß obiger Beschreibung eingegeben wird, wird die Öffnungseinstellung des Einlassleitflügels 114 gemäß jedem Betriebsmodus ausgeführt.
Das Zapfluftventilsteuerteil 182 berechnet ein Zapfluftventilsteuersignal basierend auf der Rotationsgeschwindigkeit und der Betriebsmodusinformation (dem Ausgabesignal der Betriebsmodusauswahleinheit 154) und gibt dieses aus. Aufgrund der Tatsache, dass die Betriebsmodusinformation entsprechend dem an der Betriebsmodusauswahleinheit 154 ausgewählten Betriebsmodus zu dem Zapfluftventilsteuerteil 182 eingegeben wird, wird die Steuerung des Zapfluftventils 115 gemäß jedem Betriebsmodus ausgeführt.
Das Energieumwandlungssteuerteil 184 berechnet ein Energieumwandlungssteuersignal basierend auf einer Ziellastrate Lt, die von dem ALR-Steuerteil 168 eingegeben wird (genauer gesagt eine Zielrotationsgeschwindigkeit entsprechend der Ziellastrate Lt), einer Rotationsgeschwindigkeit und der Betriebsmodusinformation (das Ausgabesignal der Betriebsmodusauswahleinheit 154) und gibt dieses aus. Aufgrund der Tatsache, dass die Betriebsmodusinformation entsprechend dem an der Betriebsmodusauswahleinheit 154 ausgewählten Betriebsmodus zu dem Energieumwandlungssteuerteil 184 eingegeben wird, wird die Steuerung des Stromrichters 110 gemäß jedem Betriebsmodus ausgeführt.
Gemäß obiger Beschreibung wird jedes von dem Brennstoffsteuersignal, dem IGV-Steuersignal, dem Zapfluftventilsteuersignal und dem Energieumwandlungssteuersignal gemäß der Art des Betriebsmodus, der an der Betriebsmodusauswahleinheit 154 ausgewählt wurde, erzeugt. Die Brennstoffströmungsrate, die Öffnung des Einlassleitflügels 114, die Öffnung des Zapfluftventils 115 und die Ausgabe des Stromrichters 110, die Steuerparameter sind, die jeweils dem Brennstoffsteuersignal, dem IGV-Steuersignal, dem Zapfluftventilsteuersignal und dem Energieumwandlungssteuersignal entsprechen, werden gemäß der Art des Betriebsmodus gesteuert.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung der erste Betriebsmodus oder der zweite Betriebsmodus an der Betriebsmodusauswahleinheit 154 ausgewählt ist, wählt die Steuereinheit 156 als Steuerparameter die Öffnung des Einlassleitflügels 114 und die Brennstoffströmungsrate aus, um die Turbinenausgabe zu steuern. Die Steuereinheit 156 wählt als einen Steuerparameter und steuert die Ausgabe des Stromrichters 110 zum Umwandeln der Ausgabefrequenz des Stromgenerators 108 in die Systemfrequenz, um die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 106 zu steuern. Daher wird eine annähernd konstante Rotationsgeschwindigkeitssteuerung zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb des ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs B1 ausgeführt, wenn der erste Betriebsmodus ausgewählt ist, und eine annähernd konstante Rotationsgeschwindigkeitssteuerung zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb des zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs B2 wird ausgeführt, wenn der zweite Betriebsmodus ausgewählt ist.
Wenn der dritte Betriebsmodus an der Betriebsmodusauswahleinheit 154 ausgewählt ist, wählt die Steuereinheit 156 darüber hinaus als Steuerparameter und stellt die Öffnung des Zapfluftventils 115 des Kompressors 102 zusätzlich zu der Öffnung des Einlassleitflügels 114 ein, und die Brennstoffströmungsrate zum Steuern der Turbinenausgabe. Die Steuereinheit 156 wählt ferner als Steuerparameter und steuert die Ausgabe des Stromrichters 110 zum Umwandeln der Ausgabefrequenz des Stromgenerators 108 in die Systemfrequenz, um die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 106 zu steuern. Es wird also eine Steuerung einer annähernd konstanten Rotationsgeschwindigkeit zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb des dritten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs B3 ausgeführt, wenn der dritte Betriebsmodus ausgewählt wird.
Als nächstes wird eine Beschreibung eines Betriebssteuerverfahrens gegeben, das durch die Steuervorrichtung 150 mit der obigen Konfiguration ausgeführt wird. Die 7 ist ein Ablaufdiagramm, das jeden Schritt des Betriebssteuerverfahrens bei der Gasturbine 100 gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verdeutlicht.
Zunächst erhält die Lastzustandbestimmungseinheit 152 der Steuervorrichtung 150 die Ziellastrate Lt und die effektive Lastrate Le (Schritt S1). Gemäß obiger Beschreibung wird die Ziellastrate Lt basierend auf der Zielanforderungsinformation berechnet, die von außen erhalten wird, und die effektive Lastrate Le wird basierend auf dem Erfassungswert des Ausgabesensors 124 berechnet.
Nachfolgend bestimmt die Lastzustandbestimmungseinheit 152 einen Lastzustand des Stromgenerators 108 basierend auf der Ziellastrate Lt und der effektiven Lastrate Le, die in dem Schritt S1 erhalten wurden (Schritt S2). Die ersten bis dritten Lastzustände, zu denen der Lastzustand des Stromgenerators 108 gehören kann, sind zuvor als eine Tabelle basierend auf der Ziellastrate Lt und der effektiven Lastrate Le gemäß der Darstellung in 4 definiert. Aufgrund der Tatsache, dass die Ziellastrate Lt und die effektive Lastrate Le, die im Schritt S1 erhalten werden, mit der Tabelle verifiziert werden, wird bestimmt, dass der Lastzustand des Stromgenerators 108 zu einem Bestimmten der ersten bis dritten Lastzustände gehört.
Nachfolgend wählt die Betriebsmodusauswahleinheit 154 einen Betriebsmodus entsprechend dem in Schritt S2 bestimmten Lastzustand aus (Schritt S3). Die Betriebsmodusauswahleinheit 154 kann gemäß der Darstellung in 5 den Betriebsmodus aus den ersten bis dritten Betriebsmodi auswählen, die zuvor entsprechend jeweils den ersten bis dritten Lastzuständen definiert wurden.
Nachfolgend steuert die Steuereinheit 156 die Gasturbine 100 gemäß dem in Schritt S3 ausgewählten Betriebsmodus (Schritt S4). Dementsprechend wird die Rotationsgeschwindigkeit der Gasturbine 100 innerhalb des Rotationsgeschwindigkeitsbereichs von jedem Betriebsmodus, der in 5 gezeigt ist, gehalten. Bei jedem Betriebsmodus wird eine annähernd konstante Rotationsgeschwindigkeitssteuerung ausgeführt, um die Rotationsgeschwindigkeit der Gasturbine 100 innerhalb des entsprechenden Rotationsgeschwindigkeitsbereichs aufrechtzuerhalten. Da die Rotationsgeschwindigkeitsbereiche entsprechend dem ersten Betriebsmodus, dem zweiten Betriebsmodus und dem dritten Betriebsmodus in deren Reihenfolge jeweils zu der Seite der niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit hin gewählt sind, kann durch Umschalten der Betriebsmodi gemäß dem Lastzustand des Stromgenerators 108 ein Brennstoffverbrauch verringert werden.
Darüber hinaus liegt der erste Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB1 zwischen dem ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereich B1 entsprechend dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereich B2 entsprechend dem zweiten Betriebsmodus, und der zweite Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB2 liegt zwischen dem zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereich B2 entsprechend dem zweiten Betriebsmodus und dem dritten Rotationsgeschwindigkeitsbereich B3 entsprechend dem dritten Betriebsmodus. Aufgrund der Tatsache, dass eine unerwünschte Rotationsgeschwindigkeit, beispielsweise entsprechend einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz einer Turbinenschaufel oder einer durch einen elektrischen Schaltkreis bewirkten Wellenvibration so gewählt ist, dass er in dem ersten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB1 oder dem zweiten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich NB2 liegt, kann das Auftreten einer Fehlfunktion effektiv verhindert werden, indem ein Betrieb bei der unerwünschten Rotationsgeschwindigkeit vermieden wird, während die Betriebsmodi gemäß den Lastzuständen umgeschaltet werden.
Gemäß obiger Beschreibung kann gemäß der beschriebenen Ausführungsform eine Betriebssteuervorrichtung und ein Betriebssteuerverfahren für eine Einwellen-Gasturbine, die das Auftreten einer Fehlfunktion eines Wellenvibrationsphänomens effektiv verhindern können, während ein Brennstoffverbrauch durch Verringern einer Rotationsgeschwindigkeit gemäß einer Last verbessert wird, und eines Programms dafür vorgesehen werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bei einer Betriebssteuervorrichtung und Betriebssteuerverfahren für eine Einwellen-Gasturbine und einem Programm dafür angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3677536 B [0004]

Claims

Eine Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine, die konfiguriert ist, um komprimierte Luft von einem Kompressor und Brennstoff in eine Brennkammer zuzuführen und einen Stromgenerator durch Rotieren einer Turbine anzutreiben, welche mit einer Drehwelle verbunden ist, die für den Kompressor und den Stromgenerator gemeinsam ist, mit einem durch die Brennkammer erzeugten Verbrennungsgas, wobei die Betriebssteuervorrichtung aufweist: eine Lastzustandbestimmungseinheit, welche einen Lastzustand des Stromgenerators bestimmt, eine Betriebsmodusauswahleinheit, die konfiguriert ist, um basierend auf einem Bestimmungsergebnis der Lastzustandbestimmungseinheit, aus einem ersten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten einer Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs und einem zweiten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs, der auf einer Seite einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten ersten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, auszuwählen, und eine Steuereinheit, die die Turbine basierend auf dem an der Betriebsmodusauswahleinheit ausgewählten Betriebsmodus steuert.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß Anspruch 1, wobei die Lastzustandbestimmungseinheit den Lastzustand basierend auf einer Ziellastrate bestimmt, die für den Stromgenerator eingestellt ist, und einer effektiven Lastrate des Stromgenerators bestimmt.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß Anspruch 2, wobei die Lastzustandbestimmungseinheit bestimmt, dass der Lastzustand zu dem ersten Lastzustand gehört, wenn irgendeine der Bedingungen (i) bis (iii) innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne erfüllt ist, und die Betriebsmodusauswahleinheit den ersten Betriebsmodus auswählt, wenn der Lastzustand als zu dem ersten Lastzustand gehörend bestimmt wird: (i) die Ziellastrate ist größer als ein erster Schwellenwert, (ii) die effektive Lastrate ist größer als ein zweiter Schwellenwert, und (iii) die Differenz zwischen der Ziellastrate und der effektiven Lastrate ist größer als ein dritter Schwellenwert, und die Ziellastrate ist gleich oder größer als die effektive Lastrate.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Lastzustandbestimmungseinheit bestimmt, dass der Lastzustand zu einem zweiten Lastzustand gehört, wenn die Bedingungen (iv) bis zu (vi) über eine vorbestimmte Zeitspanne erfüllt sind, und die Betriebsmodusauswahleinheit den zweiten Betriebsmodus auswählt, wenn der Lastzustand als zu dem zweiten Lastzustand gehörend bestimmt wird: (iv) die Ziellastrate ist gleich oder kleiner als ein erster Schwellenwert, (v) die effektive Lastrate ist gleich oder kleiner als ein zweiter Schwellenwert, und (vi) die Differenz zwischen der Ziellastrate und der effektiven Lastrate ist gleich oder kleiner als ein dritter Schwellenwert, oder die Ziellastrate ist kleiner als die effektive Lastrate.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, in dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus, die Steuereinheit eine Ausgabe der Turbine durch Einstellen einer Öffnung eines Einlassleitflügels, welcher an einer stromaufwärtigen Stufe des Kompressors angeordnet ist, und einer Strömungsrate des Brennstoffs steuert, und eine Rotationsgeschwindigkeit der Turbine durch Steuern einer Ausgabe eines Stromrichters steuert, welcher eine Ausgabefrequenz des Stromgenerators in eine Systemfrequenz wandelt.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eine natürliche Frequenz bzw. Eigenfrequenz einer in der Turbine enthaltenen Turbinenschaufel umfasst.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Betriebsmodusauswahleinheit konfiguriert ist, um einen dritten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines dritten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs auszuwählen, der an der Seite einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der zweite Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß Anspruch 7, wobei die Lastzustandbestimmungseinheit bestimmt, dass der Lastzustand zu einem dritten Lastzustand gehört, wenn die Bedingungen (vii) und (viii) über eine vorbestimmte Zeitspanne erfüllt sind, und die Betriebsmodusauswahleinheit den dritten Betriebsmodus auswählt, wenn der Lastzustand als zu dem dritten Lastzustand gehörend bestimmt wird: (vii) die Ziellastrate ist gleich oder kleiner als ein vierter Schwellenwert, und (viii) die effektive Lastrate ist gleich oder kleiner als ein fünfter Schwellenwert.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei, in dem dritten Betriebsmodus, die Steuereinheit eine Ausgabe der Turbine durch Einstellen einer Öffnung eines Einlassleitflügels, welcher an einer stromaufwärtigen Stufe des Kompressors angeordnet ist, einer Strömungsrate des Brennstoffs, und einer Öffnung eines Zapfluftventils des Kompressors steuert, und eine Rotationsgeschwindigkeit der Turbine durch Steuern einer Ausgabe eines Stromrichters steuert, welcher eine Ausgabefrequenz des Stromgenerators in eine Systemfrequenz wandelt.
Die Betriebssteuervorrichtung für eine Einwellen-Gasturbine gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der zweite Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eine natürliche Frequenz bzw. Eigenfrequenz einer in der Turbine enthaltenen Turbinenschaufel umfasst.
Ein Betriebssteuerverfahren für eine Einwellen-Gasturbine, die konfiguriert ist, um komprimierte Luft von einem Kompressor und Brennstoff in eine Brennkammer zuzuführen und einen Stromgenerator durch Rotieren einer Turbine, welche mit einer Rotationswelle gemeinsam für den Kompressor und den Stromgenerator verbunden ist, mit durch die Brennkammer erzeugtem Verbrennungsgas anzutreiben, wobei das Betriebssteuerverfahren die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen eines Lastzustands des Stromgenerators, Auswählen, basierend auf einem Bestimmungsergebnis des Lastzustands, aus einem ersten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten einer Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs und einem zweiten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs, der an einer Seite einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten ersten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, und Steuern der Turbine basierend auf dem ausgewählten Betriebsmodus.
Ein Programm zum betriebsmäßigen Steuern einer Einwellen-Gasturbine, die konfiguriert ist, um komprimierte Luft von einem Kompressor und Brennstoff in eine Brennkammer zuzuführen und einen Stromgenerator durch Rotieren einer Turbine, die mit einer Rotationswelle gemeinsam für den Kompressor und den Stromgenerator verbunden ist, mit durch die Brennkammer erzeugtem Verbrennungsgas anzutreiben, wobei das Programm einen Computer veranlasst, die folgenden Schritte auszuführen: Bestimmen eines Lastzustands des Stromgenerators, Auswählen, basierend auf einem Bestimmungsergebnis des Lastzustands, aus einem ersten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten einer Rotationsgeschwindigkeit der Turbine innerhalb eines ersten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs und einem zweiten Betriebsmodus zum Aufrechterhalten der Rotationsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Rotationsgeschwindigkeitsbereichs, der an einer Seite einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit als der erste Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit einem dazwischen angeordneten ersten Nichtauswahl-Rotationsgeschwindigkeitsbereich eingestellt ist, und Steuern der Turbine basierend auf dem ausgewählten Betriebsmodus.