DE112013006847T5

DE112013006847T5 - Gasturbinenstromerzeugungssystem

Info

Publication number: DE112013006847T5
Application number: DE112013006847.8T
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Morisaki; Tomomichi Itou; Noriaki Hino; Kothet Aung; Naohiro Kusumi; Kazuo Takahashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2015-12-03
Also published as: WO2014147738A1; JP5953424B2; JPWO2014147738A1

Abstract

Ein Gasturbinenstromerzeugungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: einen Gasgenerator, der einen Kompressor, eine Hochdruckturbine und eine Brennkammer aufweist; eine Arbeitsturbine, die eine Niederdruckturbine und einen Stromgenerator aufweist; einen Motor-Generator, der durch den Gasgenerator angetrieben wird und mit einem Stromsystem des Stromgenerators verbunden ist; einen Brennstoffdurchsatz-Befehlsrechner (104) (FFD-Rechner), der den Brennstoffdurchsatz entsprechend einem Gasturbinenleistungsbefehl (MWD) steuert; einen Begrenzer (107) der Änderungsgeschwindigkeit der Leistung, der die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes begrenzt; einen Frequenzeinsteller, der die Leistungsfrequenz des Motor-Generators einstellt; einen Lasteinsteller, der die Stromerzeugungslast des Motor-Generators einstellt; und eine Ausgabesteuerung (103), die, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes entsprechend dem Gasturbinenleistungsbefehl (MWD) über den Grenzwert steigt, eine Stromerzeugungslast an den Motor-Generator entsprechend dem Gasturbinenleistungsbefehl (MWD) anlegt und die Stromerzeugung mit einer Änderungsgeschwindigkeit erhöht, die größer ist als wenn der Brennstoffdurchsatz durch den Grenzwert erhöht wird. Somit ist es möglich, zu der Stabilisierung der Systemfrequenz beizutragen, indem die Reaktionsfähigkeit der Stromerzeugung auf den Strombedarf verbessert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinenstromerzeugungssystem.
Technischer Hintergrund
Ein Gasturbinenstromerzeugungssystem ist bekannt, bei dem die Stromerzeugung so anhand des Brennstoffdurchsatzes, in eine Brennkammer und der Ansaugmenge eines Kompressors gesteuert oder kontrolliert wird, dass sie konstant ist (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
Liste der zitierten Literatur
Patentliteratur

Patentliteratur 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2001-123852

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Im Fall von erneuerbarer Energie, wie Windenergie oder photovoltaischer Energie, variiert die Stromerzeugung beträchtlich in Abhängigkeit vom Wetter und dergleichen. Es besteht daher die Sorge, dass die Einspeisung einer großen Menge an erneuerbarer Energie die Systemfrequenz eines Stromsystems instabil machen könnte. Für die Stabilisierung der Systemfrequenz ist es erforderlich, dass sich die Elektrizitätserzeugung mit dem Strom- oder Energiebedarf deckt und dass die Elektrizität dem Stromsystem zugeführt wird, um Schwankungen der erneuerbaren Energie zu begegnen. Es gibt daher einen dringenden Bedarf an der Verbesserung der Reaktionsfähigkeit des Stromerzeugungssystems auf den Strombedarf.
Im Fall von Gasturbinenstromerzeugungssystemen wird die Stromerzeugung durch die Turbinenleistung, genauer den Brennstoffdurchsatz etc. gesteuert, und es könnte zu einer Verzögerung bei der Reaktion der Stromerzeugung auf die Steuerung des Brennstoffdurchsatzes etc. kommen. Weiterhin führt beispielsweise, wenn sich bei der Steuerung der Stromerzeugung durch Änderungen des Brennstoffdurchsatzes die Temperatur des Verbrennungsgases ändert, eine plötzliche Änderung der Temperatur des Verbrennungsgases zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung der heißen Teile, die dem Verbrennungsgas ausgesetzt sind, was zu einer Zunahme der thermischen Belastung führt. Übermäßige thermische Belastungen können eine thermische Ermüdung und gegebenenfalls ein Brechen heißer Teile hervorrufen. Dieses Beispiel eingeschlossen bringt die Steuerung der Turbinenleistung mit Hilfe der Menge an hindurchfließendem Brennstoff verschiedene Einschränkungen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit mit sich. Daher ergibt sich in bekannten Gasturbinenstromerzeugungssystemen eine Wahrscheinlichkeit, dass es auf Grund einer Begrenzung des Brennstoffdurchsatzes etc. und einer verzögerten Antwort unmöglich ist, plötzliche Änderungen des Energiebedarfs zu meistern.
Die Erfindung wurde demgemäß im Hinblick auf das weiter oben Beschriebene gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gasturbinenstromerzeugungssystem bereitzustellen, das imstande ist, zu der Stabilisierung der Systemfrequenz beizutragen, indem die Reaktionsfähigkeit der abgegebenen Strom- bzw. Energiemenge auf den Strom- bzw. Energiebedarf verbessert wird.
Lösung der Aufgabe
Für die Lösung der oben erwähnten Aufgabe wird in der vorliegenden Erfindung, wenn die Geschwindigkeit der Änderung des Brennstoffdurchsatzes entsprechend einem Gasturbinenleistungsbefehl bzw. Gasturbinenausgangsbefehl außerhalb eines begrenzten Bereichs liegt, die Stromerzeugungslast gesteuert und die Einstellung der Turbinendrehzahl wird geändert, um die Stromerzeugung mit einer Änderungsgeschwindigkeit zu ändern, die größer ist als wenn der Brennstoffdurchsatz durch den Grenzwert geändert wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Beitrag zu der Stabilisierung der Systemfrequenz zu leisten, indem die Reaktionsfähigkeit der Stromerzeugung auf den Strombedarf verbessert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinenstromerzeugungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein funktionelles Blockdiagramm einer Gasturbinensteuereinheit, mit der das Gasturbinenstromerzeugungssystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausgabesteuerungsverfahren unter Verwendung der Gasturbinensteuerungseinheit zeigt, mit der das Gasturbinenstromerzeugungssystem nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
4 zeigt ein Beispiel für das Verhalten verschiedener Typen von Leistungsabgaben des Gasturbinenstromerzeugungssystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für den Strombedarf zeigt.
5 zeigt ein Beispiel für einen Steuerungsbildschirm unter Verwendung einer Ausgabevorrichtung, mit der das Gasturbinenstromerzeugungssystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
6 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinenstromerzeugungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausgabesteuerungsverfahren unter Verwendung einer Gasturbinensteuerungseinheit zeigt, mit der das Gasturbinenstromerzeugungssystem gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
8 zeigt ein Beispiel für das Verhalten verschiedener Typen von Leistungsabgaben des Gasturbinenstromerzeugungssystems gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für den Strombedarf.
9 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinenstromerzeugungssystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausgabesteuerungsverfahren unter Verwendung einer Gasturbinensteuereinheit zeigt, mit der das Gasturbinenstromerzeugungssystem nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1. Gasturbinenstromerzeugungssystem
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinenstromerzeugungssystems nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Gasturbinenstromerzeugungssystem 100, das in 1 gezeigt wird, ist mit einer Gasturbine 17, einem Stromgenerator 5, einer Generatorsteuereinheit 10 und einer Gasturbinensteuereinheit 7 ausgestattet. Die Gasturbine ist eine einachsige Gasturbine, die mit einem Kompressor 1, einer Brennkammer 20 und einer Turbine 2 ausgestattet ist.
Der Kompressor 1 erzeugt komprimierte Luft 21 durch das Ansaugen von atmosphärischer Luft und Komprimieren dieser Luft, um die erzeugte komprimierte Luft 21 an die Brennkammer 20 zu liefern. Weiterhin ist beim Lufteinlass des Kompressors 1 eine Einlassleitschaufel IGV (IGV = Inlet Guide Vane) vorgesehen. Die IGV 9 ändert das Volumen an Luft, die in den Kompressor 1 strömt, durch das Rotieren einer Vielzahl von Schaufeln (nicht gezeigt), mit denen die IGV ausgestattet ist, und durch das Ändern der Öffnungsfläche des Lufteinlasses des Kompressors 1.
Die Brennkammer 20 erzeugt Verbrennungsgas 22 durch das Verbrennen eines Gemischs aus komprimierter Luft 21 aus dem Kompressor 1 und Brennstoff, der von einem Brenner 18 ausgestoßen wird. Das Verbrennungsgas 22 fließt durch ein Brennkammermantel in die Turbine 2. Der Durchsatz an Brennstoff, der von dem Brenner 18 verbrannt wird, wird durch ein Steuerventil für den Brennstoffdurchsatz 8 eingestellt, das in einem Brennstoffrohr vorgesehen ist.
Die Turbine 2 wird durch das Verbrennungsgas 22 aus der Brennkammer 20 angetrieben (erhält die Rotationsenergie einer Turbinenwelle 13). Ein Drehzahldetektor 26 misst die Drehzahl der Turbinenwelle 13 und gibt das Ergebnis an die Gasturbinensteuereinheit 7 aus. Das Verbrennungsgas 22, dessen Energie von der Turbine 2 aufgenommen wurde, wird als Abgas 14 abgegeben. Weiterhin wird ein Teil der komprimierten Luft, die aus dem Kompressor 1 austritt, als Turbinenkühlluft 23 an die Turbine 2 geliefert. Die Turbinenkühlluft 23 umgeht die Brennkammer 20 und wird direkt von dem Kompressor 1 an die Turbine 2 geliefert, um Stator- oder Leitschaufeln 24, Rotor- oder Laufschaufeln 25 etc., die die Turbine 2 bilden, zu kühlen.
Der Stromgenerator 5 ist mit der Turbinenwelle 13 der Gasturbine 17 verbunden und wird durch die Rotationsenergie angetrieben, die von der Turbine 2 erhalten wird, um einen Wechselstrom zu erzeugen.
Die Generatorsteuereinheit 10 ist zwischen dem Stromgenerator 5 und einem Stromsystem vorgesehen und ist mit einem Lasteinsteller 11 und einem Frequenzeinsteller 12 ausgestattet. Als Generatorsteuereinheit 10 kann beispielsweise ein Wechselrichter/Umrichter verwendet werden. Der Lasteinsteller 1 ist ein Mechanismus für das Einstellen der Stromerzeugungslast des Stromgenerators 5 (zum Beispiel des Stroms, der durch einen Stator fließt, und seiner Phase). Der Frequenzeinsteller 12 ist ein Mechanismus für das Einstellen der Leistungs- bzw. Ausgabefrequenz des Stromgenerators 5, und er stellt den Wechselstrom, der von dem Stromgenerator 5 erhalten wird, auf eine Sollfrequenz für die Ausgabe ein (beispielsweise eine Bezugsfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz). Der Stromgenerator 5 gibt eine Wellenform aus, die durch die Generatorsteuereinheit 10 geformt wird und die durch ein Stromkabel an einen Stromverbraucher abgegeben wird.
Die Gasturbinensteuereinheit 7 empfängt verschiedene Eingabesignale und gibt verschiedene Signale aus, eingeschlossen ein Befehl für den Brennstoffdurchsatz (im Folgenden als FFD bezeichnet) für die Steuerung der Öffnung des Steuerventils 8 für den Brennstoffdurchsatz, ein Einlassdurchflussbefehl (im Folgenden als CIGV bezeichnet) für die Steuerung der Öffnung der IGV 9, und ein Generatorsteuerbefehl (im Folgenden als IMWD bezeichnet) für die Steuerung des Betriebs der Generatorsteuereinheit 10. Die Eingabesignale der Gasturbinensteuereinheit 7 schließen einen Gasturbinenleistungsbefehl (im Folgenden als MWD bezeichnet), der dem Strombedarf entspricht, eine Turbinendrehzahl von dem Drehzahldetektor 26, die aktuelle Menge an erzeugtem Strom (im Folgenden als RMW bezeichnet), die von einem Stromzähler (nicht dargestellt) gemessen wird, und weitere nicht veranschaulichte Eingabesignale verschiedener Detektoren (die im Folgenden als Zustandsmengensignale bezeichnet werden) ein.
2. Gasturbinensteuereinheit
2 zeigt ein funktionales Blockdiagramm der Gasturbinensteuereinheit 7.
Die Gasturbinensteuereinheit 7 ist mit einem Schutzbegrenzer 101, einem Drehzahlbegrenzer 102, einer Leistungs Ausgabesteuerung 103, einem FFD-Rechner, einem Lastbegrenzer 105, einem Abgastemperaturbegrenzer 106, einem Begrenzer 107 für die Geschwindigkeit der Änderung der Leistung, einem IGV-Öffnungsrechner 108 und einem Komparator 109 ausgestattet. Weiterhin ist eine Abgabevorrichtung 110 mit der Gasturbinensteuereinheit 7 verbinden, um das Überprüfen der Trends bei der Abgabe von erzeugtem Strom und der Turbinendrehzahl zu ermöglichen, eines Betriebsmodus und dergleichen zu ermöglichen. Die Ausgabevorrichtung 110 ist eine Bildschirmvorrichtung, wie ein Steuerungskontrollpult.
Der FFD-Rechner empfängt einen MWD, eine Turbinendrehzahl und eine RMW, und berechnet das erforderliche Ausmaß der Erhöhung oder Verringerung des Brennstoffdurchsatzes, beispielsweise aus den Differenzen zwischen der RMW und dem MWD, und gibt eine Wert für den Brennstoffdurchsatz, der die Differenzen umfasst, an den Komparator 109 aus. Der FFD-Rechner 104 dient also als Steuereinheit für den Brennstoffdurchsatz, die den Brennstoffdurchsatz entsprechend dem MWD so steuert, dass die RMW in die Nähe des MWD gebracht wird, und stellt die Turbinenleistung und weiterhin die Stromerzeugung ein.
Der Lastbegrenzer 105 dient der Begrenzung der maximalen Leistung, die durch die für die erzeugende Ausrüstung erlaubte Leistung etc. bestimmt wird. Somit wird ein Wert für den Brennstoffdurchsatz, der einem Grenzwert für eine maximale Leistung entspricht (oder nur um auf der sicheren Seite zu sein, einem Wert entspricht, der etwas unter diesem Wert eingestellt wird) von dem Lastbegrenzer 105 an den Komparator 109 ausgegeben.
Der Abgastemperaturbegrenzer 106 dient der Begrenzung der maximalen Temperatur des Abgases 14. Hierfür wird eine Wert für den Brennstoffdurchsatz, der einem Grenzwert für eine maximale Temperatur entspricht (oder um auf der sicheren Seite zu sein die einem Wert entspricht, der etwas unter diesem Wert liegt) von dem Abgastemperaturbegrenzer 106 an den Komparator 109 übermittelt.
Der Begrenzer 107 der Änderungsgeschwindigkeit der Leistung dient der Begrenzung des Maximalwertes der Geschwindigkeit, mit der sich die Turbinenleistung ändert (in diesem Fall die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes) unter Berücksichtigung thermischer Beanspruchungen etc., die in den heißen Teilen der Gasturbine erzeugt werden. Unter Änderungsgeschwindigkeit ist hier eine Änderung der Turbinenleistung pro Stunde zu verstehen. Der Brennstoffdurchsatz wird durch den Begrenzer 107 der Änderungsgeschwindigkeit der Leistung so gesteuert, dass die Änderungsgeschwindigkeit den Grenzwert nicht übersteigt. Beispielsweise wird der Brennstoffdurchsatz-Wert, der sich in Abhängigkeit von der begrenzten Zunahme- oder Abnahmegeschwindigkeit in Bezug auf einen aktuellen Wert ändert, von dem Begrenzer 107 der Änderungsgeschwindigkeit der Leistung bzw. Abgabemenge nur ausgegeben, wenn die Geschwindigkeit der Änderung des Brennstoffdurchsatzes den Grenzwert überschreitet.
Der Komparator 109 ist eine Auswahlvorrichtung für die Auswahl niedrigerer Werte, die den niedrigsten Wert unter den einzelnen Durchflussbefehlswerten des FFD-Rechners 104, des Drehzahlbegrenzers 102, des Abgastemperaturbegrenzers 106 und des Begrenzers 107 für die Änderungsgeschwindigkeit der Leistung auswählt und die den ausgewählten Wert als FFD an das Steuerventil 8 für den Brennstoffdurchsatz ausgibt.
Der Rechner 108 für die IGV-Öffnung empfängt eine Turbinendrehzahl von dem Drehzahldetektor 26 und eine RMW und berechnet einen CIGV auf der Basis dieser Werte, der an die IGV 9 ausgegeben wird. Im Einzelnen dient der Rechner 108 für die IGV-Öffnung der Steuerung des Einlassstromes in den Kompressor 1 mit dem Ziel, diesen konstant zu halten.
Der Drehzahlbegrenzer 102 dient der Begrenzung des IMWD, damit die Turbinendrehzahl nicht außerhalb eines begrenzten Bereichs ist. Die obere Grenze und die untere Grenze der Turbinendrehzahl werden vorab unter Berücksichtigung beispielsweise der Resonanz eines Flügelblatts des Kompressors 1 oder der Turbine 2, des zulässigen Wertes der Zentrifugalbeanspruchung und der rotierenden Abreißströmung des Kompressors 1 festgelegt. Wenn die Turbinendrehzahl, die von dem Drehzahldetektor 26 empfangen wird, die obere Grenze übersteigt, gibt der Drehzahlbegrenzer 102 die obere Grenze der Turbinendrehzahl aus und ansonsten gibt er die untere Grenze an die Ausgabesteuerung 103 aus.
Der Schutzbegrenzer 101 empfängt Signale (Zustandsmengensignale) von einem Temperaturfühler, einem Druckfühler, einem Drehmomentfühler etc. (die nicht gezeigt werden) als sonstige verschiedene Begrenzungen und begrenzt die Turbinendrehzahl, so dass der Wert einer Stoßtemperatur, eines Stoßdrucks, des Wellendrehmoments etc. nicht außerhalb eines begrenzten Bereichs liegt.
Die Leistungssteuerung bzw. Ausgabesteuerung 103 ermittelt, ob oder ob nicht die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes entsprechend dem MWD innerhalb des begrenzten Bereichs liegt und ändert die Einstellung der Turbinendrehzahl entsprechend der Ermittlung, um einen IMWD einzustellen. In dieser Ausführungsform empfängt die Ausgabesteuerung 103 die Ausgabe des FFD-Rechners 104, des Lastbegrenzers 105, des Abgastemperaturbegrenzers 106 und des Begrenzer 107 der Änderungsgeschwindigkeit der Leistung oder Energieabgabe und bestimmt, ob oder ob nicht der Ausgabewert des FFD-Rechners 104 innerhalb des Grenzwertes durch den Begrenzer 107 für die Änderungsgeschwindigkeit oder dergleichen liegt. In dieser Ausführungsform kann die Ermittlung in Abhängigkeit davon gemacht werden, ob oder ob nicht der Ausgabewert des FFD-Rechners 104 für den Brennstoffdurchsatzes der niedrigere Wert ist. Wenn der von dem FFD-Rechner 104 ausgegebene Wert für den Brennstoffdurchsatz nicht außerhalb des begrenzten Bereichs liegt, stellt die Ausgabesteuerung 103 einen IMWD entsprechend dem MWD ein, ohne die Einstellung der Turbinendrehzahl zu ändern. Wenn der von dem FFD-Rechner 104 ausgegebene Wert für den Brennstoffdurchsatz außerhalb des begrenzten Bereichs liegt, wird die Turbinendrehzahl in dem Fall, in dem die Stromerzeugung infolge einer plötzlichen Änderung des MWD geändert wird, vorhersagend berechnet. Zu diesem Zeitpunkt vergleicht die Ausgabesteuerung 103, die die Funktion einer Vorrichtung für die Auswahl eines niedrigeren Wertes hat, den vorhergesagten Wert mit den Turbinendrehzahlgrenzwerten durch den Schutzbegrenzer 101 und den Drehzahlbegrenzer 102 und wählt den niedrigsten Wert unter den drei Werten aus. Daher ändert die Ausgabe- bzw. Leistungssteuerung 103, falls die vorhergesagte Drehzahl bei den Grenzwerten oder darunter liegt, die Einstellung der Turbinendrehzahl auf den vorgesagten Wert, und sie stellt einen IMWD entsprechend dem MWD ein. Falls der vorhergesagte Wert einen von beiden Grenzwerten übersteigt, legt die Ausgabesteuerung 103 einen IMWD entsprechend dem Grenzwert fest, ohne die Einstellung der Turbinendrehzahl zu ändern. In diesem Fall, da der Grenzwert der eingestellte Wert ist, wird der IMWD auch zu dem eingestellten Wert (Grenzwert). Der in der oben beschriebenen Weise von der Ausgabesteuerung 103 festgelegte IMWD wird an die Generatorsteuereinheit 10 ausgegeben.
3. Steuerungsverfahren
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausgabesteuerungsverfahren bzw. Leistungssteuerungsverfahren des Gasturbinenstromerzeugungssystems unter Verwendung der Gasturbinensteuereinheit 7 zeigt.
Die Gasturbinensteuereinheit 7 führt die Verfahren der Schritte S101 bis S111 in 3 wiederholend während des stromerzeugenden Betriebs aus.
Schritte S101 bis S107
Zu Beginn des Verfahrens gemäß 3 empfängt die Gasturbinensteuereinheit 7 zunächst verschiedene Signale (Zustandsmengensignale, Drehzahl, MWD und RMW) (Schritt S101). Anschließend ermittelt die Gasturbinensteuereinheit 7 unter Verwendung der Ausgabesteuerung 103, ob oder ob nicht die Änderungsgeschwindigkeit des FFD, die auf der Basis des MWD berechnet wird, innerhalb des begrenzten Bereichs liegt (der Bereich von der unteren Grenze bis zu der oberen Grenze), die von dem Begrenzer 107 für die Änderungsgeschwindigkeit der Abgabemenge bzw. Leistung berechnet wird (Schritt S102). Die Gasturbinensteuereinheit 7 setzt das Verfahren mit Schritt S108 fort (der später beschrieben wird), wenn die Änderungsgeschwindigkeit des FFD außerhalb des begrenzten Bereichs liegt. Wenn die Änderungsgeschwindigkeit des FFD innerhalb des begrenzten Bereichs liegt, wird ein IMWD entsprechend dem MWD durch die Ausgabesteuerung 103 (Schritt S103) eingestellt, der an die Generatorsteuereinheit 10 ausgegeben wird (Schritt S104). Anschließend wird ermittelt, ob oder ob nicht die Abweichung zwischen der Turbinendrehzahl und der eingestellten Drehzahl innerhalb eines erlaubten Wertes (eingestellter Wert) liegt (Schritt S105). Wenn die Abweichung innerhalb des erlaubten Wertes liegt, beendet die Gasturbinensteuereinheit 7 das Verfahren gemäß der Figur und startet es erneut. Wenn die Abweichung den zulässigen Wert übersteigt, berechnet die Gasturbinensteuereinheit 7 einen FFD und einen CIGV unter Verwendung des FFD-Rechners 104 und des IGV-Öffnungsrechners 108 (Schritt S106) und gibt den FFD und den CIGV an das Steuerventil 8 für den Brennstoffdurchsatz und die IGV 9 ab, um den Brennstoffdurchsatz und den Ansaugstrom zu steuern (Schritt S107). Zu diesem Zeitpunkt wird, falls der von dem FFD-Rechner 104 berechnete FFD den Grenzwert durch den Lastbegrenzer 105 oder dergleichen übersteigt, der FFD wie weiter oben beschrieben begrenzt. Nach Ausführung des Verfahrens der Schritte S106 und S107 kehrt die Gasturbinensteuereinheit 7 zu dem Verfahren des Schritts S105 zurück und wiederholt das Verfahren der Schritte S106 und S107, bis die Abweichung zwischen der Turbinendrehzahl und dem eingestellten Wert dem zulässigen Wert entspricht oder darunter liegt.
Es folgt eine ergänzende Erklärung der Steuerung der Öffnung der IGV 9. Zunächst nimmt der Ansaugstrom des Kompressors 1 mit einer Abnahme der Turbinendrehzahl ab, und selbst wenn der Brennstoffdurchsatz gleich ist, wird das Brennstoff-Luft-Verhältnis erhöht, was zu einer Zunahme der Temperatur des Verbrennungsgases 22 führt. Daher wird die Öffnung der IGV 9 vorzugsweise durch den IGV-Öffnungsrechner 108 gesteuert, damit Schwankungen des Ansaugstromes unterdrückt werden. Da die Temperatur des Verbrennungsgases 22 konstant gehalten wird, selbst wenn die Drehzahl (Turbinendrehzahl) des Kompressors 1 geändert wird, kann somit eine hohe Zuverlässigkeit und die Änderungsgeschwindigkeit der Leistung oder Abgabemenge gewährleistet werden.
Im Einzelnen wird die IGV 9 geöffnet (nimmt die Öffnung zu), wenn die Turbinendrehzahl abnimmt, und wenn die Turbinendrehzahl zunimmt, wird die IGV 9 geschlossen (nimmt die Öffnung ab). Die Zunahme der Öffnung der IGV 9 verursacht eine Verbesserung der Effizienz des Kompressors 1. Wenn beispielsweise die Turbinendrehzahl zum Zeitpunkt der Erhöhung der Leistung verringert wird, wird die Effizienz des Kompressors verbessert, was zu einer Abnahme der Temperatur der Abgasluft des Kompressors 1 und einer Senkung der Kompressorleistung führt. In diesem Fall wird der Betrag der Zunahme der Turbinenleistung, die durch die Verringerung der Kompressorleistung verursacht wird, zu dem Betrag der Zunahme der Turbinenleistung, die auf dem Brennstoffdurchsatz basiert, addiert. Weil die Temperatur des Verbrennungsgases 22 mit der Verringerung der Temperatur der Abgasluft abnimmt, wird die Änderung der Abgastemperatur, die durch die Änderung der Turbinenleistung verursacht wird, gering, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit führt. Zum anderen sinkt die Kompressoreffizienz, wenn die Turbinendrehzahl erhöht wird, was zu einer Zunahme der Temperatur der Abgasluft des Kompressors 1 und einer Zunahme der Kompressorleistung führt. In diesem Fall, zusätzlich zu der Verringerung des Brennstoffdurchsatzes, wird die Turbinenleistung durch den Betrag der Zunahme der Kompressorleistung verringert. Da die Temperatur des Verbrennungsgases 22 mit der Zunahme der Temperatur der ausgestoßenen Luft zunimmt, kann die durch die Turbinenleistung verursachte Änderung der Abgastemperatur klein werden, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit führt.
Es wird darauf hingewiesen, dass, falls die IGV 9 oder ihre Steuerung entfernt wird, eine Idee darin besteht, den Betriebspunkt des Kompressors 1 so zu gestalten, dass die Kompressoreffizienz zunimmt, wenn die Drehzahl abnimmt, bezogen auf eine Bezugsdrehzahl, und dass die Kompressoreffizienz abnimmt, wenn die Drehzahl zunimmt, bezogen auf eine Bezugsdrehzahl. Somit kann der gleiche vorteilhafte synergetische Effekt wie die weiter oben beschriebene IGV-Steuerung erhalten werden.
Schritte S108 bis S111
Wenn in dem vorherigen Schritt S102 ermittelt wird, dass die Geschwindigkeit der Änderung des FFD außerhalb des begrenzten Bereichs liegt, berechnet die Gasturbinensteuereinheit 7 die Turbinendrehzahl unter Verwendung der Ausgabesteuerung 103 vorhersagend im Fall der Steuerung der Generatorlast entsprechend dem MWD (Schritt S108). Das vorhersagende Berechnungsverfahren ist nicht begrenzt, vielmehr wird beispielsweise die Turbinendrehzahl nach der Lastanpassung berechnet, worin das Ausmaß der Abweichung der MWD (die Differenz von dem Grenzwert) durch eine Stromerzeugungslast angepasst wurde. Als nächstes vergleicht die Gasturbinensteuereinheit unter Verwendung der Ausgabesteuerung 103 den vorhergesagten Wert der Turbinendrehzahl mit dem Grenzwert durch den Drehzahlbegrenzer 102 oder den Schutzbegrenzer 101 (Schritt S109), und wenn der vorhergesagte Wert innerhalb des Grenzwertes liegt, ändert sie die Einstellung der Turbinendrehzahl von dem aktuellen Wert zu dem vorhergesagten Wert (Schritt 110), und setzt dann das Verfahren mit dem oben beschriebenen Schritt S103 fort, um einen IMWD entsprechend dem MWD einzustellen. Wenn andererseits der vorhergesagte Wert den Grenzwert übersteigt und die Generatorsteuerung entsprechend dem MWD schwierig ist, stellt die Ausgabesteuerung 103 einen IMWD entsprechend dem Grenzwert des Schutzbegrenzers 101 oder des Rotationsdrehzahlbegrenzers 102 ohne Änderung der Einstellung der Turbinendrehzahl (Schritt S111) ein und setzt das Verfahren bei dem oben beschriebenen Schritt S104 fort.
Durch das wiederholte Ausführen des obigen Verfahrens wird in dem Gasturbinenstromerzeugungssystem 10 gemäß dieser Ausführungsform die Turbinenleistung durch die Steuerung des Brennstoffdurchsatzes gemäß dem MWD gesteuert, wenn der Brennstoffdurchsatz und die Geschwindigkeit seiner Änderung dem MWD entsprechend innerhalb des begrenzten Bereichs bleiben und wenn es möglich ist, dem MWD durch die Steuerung des Brennstoffdurchsatzes zu folgen. Da die Einstellung der Turbinendrehzahl nicht verändert wird, wird zu diesem Zeitpunkt die Generatorlast durch den Lasteinsteller 11 bzw. Lastanpasser gesteuert, so dass die Turbinendrehzahl entsprechend den Änderungen der Turbinenleistung beibehalten wird, und die Stromerzeugung wird dazu gebracht, dem MWD durch eine Steuerung des Brennstoffdurchsatzes zu folgen, während die Turbinendrehzahl beibehalten wird. Die Frequenz der Stromerzeugung wird durch den Frequenzeinsteller 12 bzw. Frequenzanpasser auf einen eingestellten Wert geregelt (beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz).
Wenn andererseits der Brennstoffdurchsatz und seine Änderungsgeschwindigkeit entsprechend dem MWD außerhalb des begrenzten Bereichs liegen, ist der FFD begrenzt, und infolgedessen kommt es zu einem Überschuss oder Mangel an erzeugtem Strom in Bezug auf den MWD, wenn nur der Brennstoffdurchsatz gesteuert wird. In diesem Fall wird in dieser Ausführungsform die Steuerung der Stromerzeugung durch Änderung der Einstellung der Turbinendrehzahl versucht, bei der, falls der vorhergesagte Wert der Turbinendrehzahl nach der Änderung innerhalb des Grenzwertes liegt, die Einstellung der Turbinendrehzahl vorübergehend zu dem prognostizierten oder berechneten Wert geändert, und die Stromerzeugung wird dazu gebracht, dem MWD durch Änderung der Stromerzeugungslast zu folgen. Wenn beispielsweise die Geschwindigkeit der Änderung des FFD entsprechend dem MWD über den Grenzwert steigt, wird die Stromerzeugung mit einer Zunahmegeschwindigkeit geändert, die größer ist als wenn der FDD bei einer begrenzten Änderungsgeschwindigkeit erhöht wird, und folgt dem MWD, indem die eingestellte Turbinendrehzahl verringert wird und die Generatorlast erhöht wird. Anders ausgedrückt wird die kinetische Energie, die durch die Änderung der Drehzahl der Turbinenwelle 13 abgegeben wird, zu der Energie addiert, die aus dem Verbrennungsgas 22 gewonnen wird, wodurch die Energie, die für die Generatorleistung verbraucht werden kann, vorübergehend erhöht wird. Andererseits, wenn die Geschwindigkeit der Änderung des FDD entsprechend dem MWD unter den Grenzwert sinkt, wird die Stromerzeugung mit einer Abnahmegeschwindigkeit geändert, die größer ist als wenn der FDD bei einer begrenzten Änderungsgeschwindigkeit verringert wird, und folgt dem MWD, indem die eingestellte Drehzahl erhöht wird und die Generatorlast verringert wird. Anders ausgedrückt wird die kinetische Energie, die für Änderung der Drehzahl der Turbinenwelle 13 erforderlich ist, von der Energie abgezogen, die aus dem Verbrennungsgas 22 gewonnen wird, wodurch die Energie, die für die Generatorleistung verbraucht werden kann, vorübergehend verringert wird. Somit folgt die Stromerzeugung dem MWD mit einer Änderungsgeschwindigkeit, die die maximale Änderungsgeschwindigkeit der Stromerzeugung übersteigt, die nur bei Steuerung des Brennstoffdurchsatzes erzielt werden kann.
Während das Verfahren gemäß 3 mehrfach ausgeführt wird, kehrt die eingestellte Turbinendrehzahl zu ihrem ursprünglichen Wert zurück (einem Wert, der der eingestellten Frequenz der Stromerzeugung entspricht). Im Laufe dieses Vorgangs wird auch die Frequenz der Stromerzeugung durch den Frequenzeinsteller 12 auf einen eingestellten Wert geregelt.
4. Vorteilhafte Wirkungen
4 zeigt ein Beispiel für das Verhalten verschiedener Typen von Leistungsabgaben durch das Gasturbinenstromerzeugungssystem bei Strombedarf. Dieses Beispiel zeigt einen Fall, in dem der Bedarf steigt. In der Figur zeigt die linke Spalte den Fall, in dem es keine Generatorsteuereinheit 10 gibt und Bedarfsschwankungen gering sind; die mittlere Spalte zeigt den Fall, in dem es keine Generatorsteuereinheit 10 gibt und die Bedarfsschwankungen groß sind; und die rechte Spalte zeigt den Fall, in dem, in dieser Ausführungsform, die Bedarfsschwankungen groß sind.
Auch ohne die Generatorsteuereinheit 10 ist es möglich, den Bedarfsschwankungen durch den Brennstoffdurchsatz zu folgen, während die Turbinendrehzahl beibehalten wird, wenn die Bedarfsschwankungen (die Änderungsgeschwindigkeit des MWD) gering sind (linke Spalte). Wenn jedoch die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes, die infolge der Bedarfsschwankungen erforderlich ist, einen Grenzwert übersteigt, ist die Zunahmegeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes begrenzt, was zu einer unzureichenden Stromerzeugung verglichen mit dem Strombedarf führt. Während dies passiert, kann die Turbinendrehzahl wegen der unzureichenden Turbinenleistung nicht aufrechterhalten werden, und die Leistungs- oder Abgabefrequenz wird ebenfalls entsprechend verringert.
Auf der anderen Seite wird in dieser Ausführungsform, wie weiter oben beschrieben wird, die eingestellte Turbinendrehzahl durch die Ausgabesteuerung 103 als Reaktion auf eine plötzliche Zunahme der Bedarfsschwankungen verringert, und die Generatorlast wird durch den Lasteinsteller 11 eingestellt, wodurch die unzureichende Turbinenleistung auf Grund der Begrenzung des FFD kompensiert wird und die Stromerzeugung plötzlichen Änderungen des Strombedarfs folgen kann. Während die Turbinendrehzahl unter eine Referenzdrehzahl sinkt (gepunktete Linie), wird die Ausgabefrequenz durch den Frequenzeinsteller 12 aufrechterhalten.
Dieses Beispiel stellt den Fall dar, in dem der Strombedarf plötzlich ansteigt, und diese Ausführungsform kann auch plötzliche Abnahmen des Strombedarfs verkraften. Im Einzelnen wird, wenn die Stromerzeugung nur durch Steuerung der Turbinenleistung gesteuert wird, falls den Bedarfsschwankungen entsprechend die Geschwindigkeit der Abnahme des Brennstoffdurchsatzes einen Grenzwert überschreitet, die eingestellte Turbinendrehzahl durch die Ausgabesteuerung 103 erhöht und die Generatorlast durch den Lasteinsteller 11 verringert. Durch diese Maßnahmen wird die Menge an überschüssig erzeugtem Strom auf die kinetische Energie der Turbinenwelle 13 verringert, was es der Stromerzeugung ermöglicht, einer plötzlichen Abnahme des Strombedarfs zu folgen. Während die Turbinendrehzahl größer als eine Referenzdrehzahl wird (gepunktete Linie), wird die Ausgabefrequenz durch den Frequenzeinsteller 12 beibehalten.
Auf diese Weise ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, zu der Stabilisierung der Systemfrequenz beizutragen, indem die Reaktionsfähigkeit der Stromerzeugung auf den Strombedarf verbessert wird. Weiterhin kann die thermische Ermüdung oder dergleichen von heißen Teilen unterdrückt werden, da die Stromerzeugung als Reaktion auf plötzliche Bedarfsschwankungen eingestellt werden kann, ohne von der Steuerung des Brennstoffdurchsatzes abhängig zu sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl die Technik der Speicherung von elektrischer Energie unter Verwendung einer Speicherbatterie bzw. Akkumulators oder eines Schwungrades als Ausrüstung für die Bewältigung plötzlicher Schwankungen des Strombedarfs bekannt ist, wenn diese Technik bei einer bekannten Gasturbinenstromerzeugungsausrüstung angewendet wird, die Installation von wesentlicher Ausrüstung, wie eines Schwungrades und einer Speicherbatterie, zusätzlich erforderlich ist, wodurch die Kosten erhöht werden. Weiterhin wird der Verlust durch einen Lagerverlust des Schwungrades, die natürliche Entladung eines wieder aufladbaren Akkus etc. erhöht. Dem gegenüber ist die vorliegende Ausführungsform bei einer bekannten Gasturbinenstromerzeugungsausrüstung bei geringen Kosten anwendbar, und sie bringt den großen Vorteil mit sich, dass der Verlust geringer ausfällt.
Ausgabe auf einer Anzeigevorrichtung
5 zeigt ein Beispiel für eine Kontrollbildschirmanzeige der Ausgabevorrichtung.
Der in der Figur gezeigte Kontrollbildschirm ist mit einer einfachen Anzeigeeinheit 301 für die FFD-Übereinstimmung, die einen Betriebsmodus für das Bewältigen der Leistungsschwankungen ausschließlich mit Hilfe der Steuerung des Brennstoffdurchsatzes zeigt, und einer Anzeigeeinheit 302 für die Drehzahlumwandlungsübereinstimmung ausgestattet, die einen Betriebsmodus für das Bewältigen der Leistungsschwankungen unter Verwendung der Änderung der Einstellung der Turbinendrehzahl zusätzlich zu der Steuerung der Brennstoffdurchsatzes zeigt. Diese Anzeigen ermöglichen das Überprüfen eines aktuellen Betriebsmodus. Weiterhin ist der Kontrollbildschirm mit einer Anzeigeeinheit 303 für ein Tendenzdiagramm ausgestattet, in dem eine Tendenz 304 für die Stromerzeugung (≈ MWD), eine Tendenz 305 für die Stromerzeugung nur durch Steuerung des Brennstoffdurchsatzes (ohne Änderung der Einstellung der Drehzahl) und eine Tendenz 306 für die Turbinendrehzahl dargestellt werden. Die Anzeigeeinheit 303 für das Tendenzdiagramm ermöglicht es so einem Verwalter oder dergleichen, einen Betriebszustand des Gasturbinenstromerzeugungssystems nachzuprüfen.
(Zweite Ausführungsform)
6 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinenstromerzeugungssystems nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur werden die gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren für die gleichen Teile wie bei der ersten Ausführungsform verwendet, und eine Beschreibung dieser Teile wird hier weggelassen.
Das Gasturbinenstromerzeugungssystem 200 gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich darin von der ersten Ausführungsform, dass es bei einer zweiwelligen Gasturbine 27 angewendet wird. Das Gasturbinenstromerzeugungssystem 200 schließt die zweiwellige Gasturbine 27, einen Motor-Generator 6, eine Gasturbinensteuereinheit 7a, die Generatorsteuereinheit 10 und dergleichen ein. Die zweiwellige Gasturbine 27 schließt einen Gasgenerator 15 und eine Arbeitsturbine 16 ein.
Die Arbeitsturbine 16 hat einen Aufbau, bei dem eine Niederdruckturbine 2b und der Stromgenerator 5 durch eine Niederdruckturbinenwelle 13b gekoppelt sind. Für die Unterdrückung von Schwankungen bei der Frequenz der Stromerzeugung wird die Arbeitsturbine im Wesentlichen bei einer konstanten Drehzahl betrieben. Der erzeugte Strom des Stromgenerators 5 wird durch ein Stromkabel an einen Stromverbraucher versendet. Die Niederdruckturbinenwelle 13b ist mit einem Drehzahldetektor 26b ausgestattet.
Der Gasgenerator 15 schließt den Kompressor 1, die Brennkammer 20 und eine Hochdruckturbine 2a ein. Die Hochdruckturbine 2a ist über eine Gasgeneratorwelle 13a mit dem Kompressor 1 verbunden. Der Gasgenerator 15 kann mit einer Drehzahl angetrieben werden, die verschieden von der Drehzahl der Arbeitsturbine 16 ist, weil seine Welle mechanisch von der Arbeitsturbine 16 getrennt ist. Die Gasgeneratorwelle 13a ist mit einem Drehzahldetektor 26a ausgestattet.
Die Hochdruckturbine 2a erhält ihre Rotationsenergie aus der Energie des Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgases 22 aus der Brennkammer 20. Die Rotationsenergie der Hochdruckturbine 2a wird über die Gasgeneratorwelle 13a auf den Kompressor 1 übertragen, um den Kompressor 1 drehend anzutreiben. Das Verbrennungsgas 22, dessen Energie teilweise in Rotationsenergie der Hochdruckturbine 2a umgewandelt worden ist, strömt in die Niederdruckturbine 2b der Arbeitsturbine 16. Die Niederdruckturbine 2b erhält Rotationsenergie aus der Energie des Verbrennungsgases 22 nach dem Antreiben der Hochdruckturbine 2a. Die Rotationsenergie der Niederdruckturbine 2b wird auf den Stromgenerator 5 durch die Niederdruckturbinenwelle 13b übertragen, um den Stromgenerator 5 rotierend anzutreiben. Das Verbrennungsgas wird nach dem Antreiben der Niederdruckturbine 2b als Abgas 14 ausgestoßen. Weiterhin wird ein Teil der durch den Kompressor 1 komprimierten Luft als Turbinenkühlungsluft 23 abgezogen, die an der Brennkammer 20 vorbeigeleitet wird, um an die Hochdruckturbine 2a und die Niederdruckturbine 2b geliefert zu werden.
Der Motor-Generator 6, der eine Einheit ist, die sowohl als elektrischer Motor (Motor) als auch als Generator dient, ist mit der Hochdruckturbinenwelle 13a gekoppelt. Weiterhin ist der Motor-Generator 6 über die Generatorsteuereinheit 10 mit einem Stromsystem des Stromgenerators 5 verbunden, so dass das Abgeben und Empfangen von elektrischem Strom an das oder von dem Stromsystem ermöglicht wird. Durch die Abgabe eines Teils des erzeugten Stromes des Stromgenerators 5 an den Motor-Generator 6 unter Verwendung der Generatorsteuereinheit 10 und Betreiben des Motor-Generators 6 als Motor wird der Teil des von dem Stromgenerator 5 erzeugten elektrischen Stromes zu kinetischer Energie der Hochdruckturbinenwelle 13a reduziert, wodurch die Stromerzeugung des Gasturbinenstromerzeugungssystems 200 unterdrückt wird. Wenn andererseits der Motor-Generator 6 als Generator betrieben wird, wird ein Teil der Rotationsenergie der Hochdruckturbine 2a in elektrischen Strom umgewandelt, und die Stromerzeugung des Motor-Generators 6 wird durch die Generatorsteuereinheit 10 an das Stromsystem abgegeben, wodurch die Stromerzeugung des Gasturbinenstromerzeugungssystems 200 erhöht wird.
Während die Gasturbinensteuereinheit 7a im Wesentlichen die gleiche Gestaltung wie die Gasturbinensteuereinheit 7 (siehe 2) der ersten Ausführungsform hat, kann ein Schutzgrenzwert unter Berücksichtigung sowohl der Hochdruckturbine 2a als auch der Niederdruckturbine 2b eingestellt werden. Weiterhin ist die Ausgabesteuerung 103 (siehe 2) verantwortlich für das Steuerverfahren des Motor-Generators 6 und der Generatorsteuereinheit 10 unter den Verfahren, die in dem folgenden Flussdiagramm beschrieben werden.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung der Leistung oder Ausgabe des Gasturbinenstromerzeugungssystems unter Verwendung der Gasturbinensteuereinheit 7a zeigt.
Die Gasturbinensteuereinheit 7a führt während des Stromerzeugungsbetriebs mehrfach die Verfahrensschritte S201 bis S214 in 7 aus.
Schritte S201 bis S210
Die Schritte S201 bis S210 stellen das Verfahren für das Erzielen der Stromerzeugung unter Befolgen des MWD ohne Änderung der Einstellung der Drehzahl der Hochtemperaturturbine 2a dar, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des FFD entsprechend dem MWD innerhalb eines begrenzten Bereichs liegt, womit es das Verfahren entsprechend den Schritten S101 bis S107 (siehe 3) der ersten Ausführungsform ist. Im Einzelnen empfängt die Gasturbinensteuereinheit 7a beim Start des Verfahrens von 7 verschiedene Signale (Zustandsmengensignale, Drehzahl, MWD, RMW, etc.) (Schritt S201), und ermittelt anschließend unter Verwendung der Ausgabesteuerung 103, ob oder ob nicht die Änderungsgeschwindigkeit des FFD entsprechend dem MWD innerhalb des begrenzten Bereichs liegt (Schritt S202). Die Gasturbinensteuereinheit 7a setzt das Verfahren mit dem Schritt S211 fort (der später beschrieben wird), wenn die Änderungsgeschwindigkeit außerhalb des begrenzten Bereichs liegt. Wenn die Änderungsgeschwindigkeit innerhalb des begrenzten Bereichs liegt, gibt es keinen Bedarf an einem Betreiben des Motor-Generators 6, und daher wird der IMWD durch die Ausgabesteuerung 103 (Schritt S203) auf null eingestellt (IMWD = 0), was an die Generatorsteuereinheit 10 ausgegeben wird (Schritt S204).
Nachfolgend wird ermittelt, ob oder ob nicht die Abweichung zwischen der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a und der eingestellten Drehzahl innerhalb eines zulässigen Wertes (eingestellter Wert) liegt (Schritt S205). Wenn die Abweichung innerhalb des zulässigen Wertes liegt, setzt die Gasturbinensteuereinheit 7a das Verfahren mit Schritt S206 fort (der später beschrieben wird). Wenn die Abweichung den zulässigen Wert übersteigt, wird ein CIGV durch den IGV-Öffnungsrechner 108 berechnet (Schritt S207) und an die IGV 9 ausgegeben, wodurch der Einlassdurchfluss gesteuert wird. Nach der Ausführung des Verfahrens der Schritte S207 und S208 kehrt das Verfahren mit Hilfe der Gasturbinensteuereinheit 7a wieder zu dem Schritt S205 zurück und wiederholt die Schritte S207 und S208, bis die Abweichung zwischen der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a und dem eingestellten Wert dem zulässigen Wert entspricht oder darunter liegt.
Wenn die Abweichung zwischen der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a und dem eingestellten Wert dem zulässigen Wert entspricht oder darunter liegt, ermittelt die Gasturbinensteuereinheit 7a, ob oder ob nicht die Abweichung zwischen der Drehzahl der Niederdruckturbine 2b und der eingestellten Drehzahl innerhalb eines zulässigen Wertes (eingestellten Wertes) liegt (Schritt S206). Wenn die Abweichung innerhalb des erlaubten Wertes liegt, beendet die Gasturbinensteuereinheit 7a das Verfahren der Figur und startet es dann erneut. Wenn die Abweichung den zulässigen Wert übersteigt, berechnet die Gasturbinensteuereinheit einen FFD unter Verwendung des FFD-Rechners 104 (Schritt S209) und gibt den FFD an das Steuerventil 8 für den Brennstoffdurchsatz aus, um den Brennstoffdurchsatz zu ändern (Schritt S210). Zu diesem Zeitpunkt, wenn der von dem FFD-Rechner 104 berechnete FFD den Grenzwert durch den Lastbegrenzer 105 oder dergleichen übersteigt, wird der FFD wie oben beschrieben beschränkt. Nach der Durchführung des Verfahrens der Schritte S209 und S210 kehrt das Verfahren mit Hilfe der Gasturbinensteuereinheit 7a wieder zu Schritt S206 zurück und wiederholt die Schritte S209 und S210, bis die Abweichung zwischen der Drehzahl der Niederdruckturbine 2b und dem eingestellten Wert dem zulässigen Wert entspricht oder darunter liegt.
Im Folgenden wird die Steuerung der Öffnung der IGV 9 und des Brennstoffdurchsatzes ergänzend erklärt. Zunächst wird bei der zweiwelligen Gasturbine 27 eine Steuerung der Einstellung des Gleichgewichts so durchgeführt, dass die Rotationsenergie, die von der Hochdruckturbine 2a erhalten wird, und der Energieverbrauch des Kompressors 1 gleich groß werden. Diese Steuerung wird im Allgemeinen durchgeführt, indem die Drehzahl des Gasgenerators 15 und der Einlassstrom des Kompressors 1 angepasst werden. Wenn beispielsweise die Drehzahl des Gasgenerators 15 größer als ein eingestellter Wert ist, wird der Stromverbrauch des Kompressors 1 erhöht und die Drehzahl verringert, indem die Öffnung der IGV 9 vergrößert wird und der Einlassstrom erhöht wird. Umgekehrt kann die Drehzahl des Gasgenerators 15 erhöht werden, indem die Öffnung der IGV 9 verkleinert wird.
Weiterhin wird in der zweiwelligen Gasturbine 27 der FFD, der dem MWD entspricht, an das Steuerventil 8 für den Brennstoffdurchsatz ausgegeben, wodurch die Drehzahl der Niederdruckturbine 2b an die Stromerzeugung des Stromgenerators 5 angepasst wird. Auf diese Weise wird die Drehzahl der Arbeitsturbine 16 so gesteuert, dass sie nahezu konstant ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Rotationsenergie, die von der Hochdruckturbine 2a aus dem Verbrennungsgas 22 gewonnen wird, an den Stromverbrauch des Kompressors 1 angepasst, und die Gasturbinensteuereinheit 7a steuert die Öffnung der IGV 9 so, dass sich die Drehzahl des Gasgenerators 15 an den eingestellten Wert annähert. Auf diese Weise kann die Drehzahl des Gasgenerators 15 geändert werden, ohne einzig bestimmt zu sein in Bezug auf die Stromerzeugung.
Schritte S211 bis S214
Wenn in dem vorherigen Schritt S202 ermittelt wird, dass die Änderungsgeschwindigkeit des FFD außerhalb des begrenzten Bereichs liegt, berechnet die Gasturbinensteuereinheit 7a vorhersagend unter Verwendung der Ausgabesteuerung 103 die Drehzahl der Hochdruckturbine 2a in dem Fall, in dem der Motor-Generator 6 entsprechend dem MWD angetrieben wird (Schritt S211). Die vorhersagende Berechnungsmethode ist nicht beschränkt, vielmehr wird beispielsweise eine Drehzahl der Hochdruckturbine 2a berechnet, nachdem die Stromerzeugung entsprechend dem Ausmaß der MWD-Abweichung (der Unterschied zu dem Grenzwert) von dem Motor-Generator 6 erzeugt oder verbraucht worden ist. Anschließend vergleicht die Gasturbinensteuereinheit 7a unter Verwendung der Ausgabesteuerung 103 den vorgehsagten Wert der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a mit dem Grenzwert durch den Drehzahlbegrenzer 102 oder dem Schutzbegrenzer 101 (Schritt S212). Wenn der vorhergesagte Wert innerhalb des Grenzwertes liegt, ändert die Gasturbinensteuereinheit 7a die Einstellung der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a von dem aktuellen Wert in den vorhergesagten Wert (Schritt S213), und dann, nach dem Einstellen des Ausmaßes der MWD-Abweichung zu dem IMWD (Schritt 214), setzt sie das Verfahren mit dem oben beschriebenen Schritt S204 fort. Auf der anderen Seite, wenn in dem vorhergehenden Schritt 212 der vorhergesagte Wert den Grenzwert übersteigt und die erzeugte Strommenge nicht dazu gebracht werden kann, dem MWD zu folgen, auch nicht durch Antreiben des Motor-Generators 6, setzt die Gasturbinensteuereinheit 7a das Verfahren mit dem oben beschriebenen Schritt S203 ohne Änderung der Einstellung der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a fort.
Durch das wiederholte Ausführen des obigen Verfahrens, wenn der Brennstoffdurchsatz und seine Änderungsgeschwindigkeit entsprechend dem MWD innerhalb des begrenzten Bereichs liegen, wird der Motor-Generator 6 weder als ein Generator noch als ein Motor betrieben, und die Stromerzeugung wird dazu gebracht, dem MWD durch die Steuerung des Brennstoffdurchsatzes zu folgen. Da sich die Drehzahl der Niederdruckturbine 2b nicht ändert, wird die Leistungsfrequenz bzw. Ausgabefrequenz des Stromgenerators 5 ebenfalls beibehalten.
Andererseits, wenn der Brennstoffdurchsatz und seine Änderungsgeschwindigkeit gemäß dem MWD außerhalb des begrenzten Bereichs liegen, wird der FFD begrenzt, und als Ergebnis kommt es nur zu einem Überschuss oder einem Mangel an erzeugtem Strom in Bezug auf den MWD, wenn nur die Steuerung des Brennstoffdurchflusses durchgeführt wird. In diesem Fall wird die Steuerung der Stromerzeugung durch Änderung der Einstellung der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a versucht, worin, wenn die Drehzahl der Hochdruckturbine 2a nach der Änderung innerhalb des begrenzten Wertes liegt, die Einstellung der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a vorübergehend geändert wird und die Stromerzeugung dazu gebracht wird, dem MWD durch Stromerzeugung oder Stromverbrauch des Motor-Generators 6 zu folgen. Wenn beispielsweise die Änderungsgeschwindigkeit des FFD entsprechend dem MWD über den Grenzwert ansteigt, sorgt die Laststeuerung 11 unter der Steuerung durch die Gasturbinensteuereinheit 7a für eine Stromerzeugungslast des Motor-Generators 6, um die Stromerzeugung (die Summe aus erzeugtem Strom des Stromgenerators 5 und des Motor-Generators 6) mit einer Änderungsgeschwindigkeit zu ändern, die größer ist als wenn der FDD bei der begrenzten Änderungsgeschwindigkeit erhöht wird. Andererseits, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des FFD entsprechend dem MWD unter den Grenzwert fällt, verwendet die Laststeuerung 11 unter der Steuerung durch die Gasturbinensteuereinheit 7a einen Teil der Stromerzeugung des Stromgenerators 5 für den Motorantrieb des Motor-Generators 6 für die Umwandlung in die kinetische Energie des Gasgenerators 15, um die Stromerzeugung mit einer Änderungsgeschwindigkeit zu verringern, die größer ist als wenn der Brennstoffdurchsatz bei der begrenzten Änderungsgeschwindigkeit geändert wird. Somit ändert sich die Stromerzeugung und folgt dem MWD mit einer Änderungsgeschwindigkeit, die die maximale Änderungsgeschwindigkeit der Stromerzeugung übersteigt, die nur durch die Steuerung des Brennstoffdurchsatzes erzielt werden kann. Während das Verfahren in 7 wiederholt ausgeführt wird, kehrt die Einstellung der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a zu dem Ausgangswert zurück (einem Wert, der der eingestellten Frequenz der Stromerzeugung entspricht). Die Frequenz der Strommenge bzw. der Leistung, die dem Stromsystem von dem Motor-Generator 6 kompensiert werden muss, wird auf einen eingestellten Wert (beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz) durch den Frequenzeinsteller 12 gesteuert.
Auch in dieser Ausführungsform kann die Stromerzeugung gesteuert werden, während schnell plötzlichen Änderungen des Strombedarfs gefolgt wird, ohne von der Steuerung des Brennstoffdurchsatzes abhängig zu sein, und somit können die gleichen Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform erhalten werden. Zusätzlich kann gemäß dieser Ausführungsform die Kapazität der Generatorsteuereinheit 10 weiter verringert werden, bezogen auf die der ersten Ausführungsform, und die wesentlichen Teile der Erfindung können kostengünstig zusammengestellt werden. In der ersten Ausführungsform benötigt die Generatorsteuereinheit 10 eine Kapazität äquivalent zu der gesamten Stromerzeugung der Gasturbine 17, weil die gesamte Stromerzeugung der Gasturbine 17 durch die Generatorsteuereinheit 10 verarbeitet wird. Andererseits wird in dieser Ausführungsform die Niederdruckturbine 2b, die für den größten Teil der Stromabgabe verantwortlich ist, bei einer konstanten Geschwindigkeit betrieben. Da nur der Motor-Generator 6, der bei der Hochdruckturbine 2a angeordnet ist, die Generatorsteuereinheit 10 für den Betrieb bei variierender Geschwindigkeit benötigt, kann die Kapazität der Generatorsteuereinheit 10 verringert werden. Um beispielsweise die Abgabe entsprechend 10 % der geschätzten Stromerzeugungsabgabe zusätzlich zu der Abgabeänderung auf der Basis des Brennstoffdurchsatzes zu ändern, ist es ausreichend, wenn eine Generatorsteuereinheit 10 verwendet wird, die eine Kapazität von 10 % der geschätzten Stromerzeugungsabgabe hat.
8 zeigt ein Beispiel für das Verhalten verschiedener Typen von Leistungsabgaben des Gasturbinenstromerzeugungssystems gemäß dieser Ausführungsform bei einem Strombedarf. Dieses Beispiel zeigt einen Fall, in dem der Bedarf ansteigt. Die Figur entspricht der 4 der ersten Ausführungsform, wobei die linke Spalte den Fall zeigt, in dem es keinen Motor-Generator 6 und keine Generatorsteuereinheit 10 gibt und die Bedarfsschwankungen gering sind; die mittlere Spalte zeigt den Fall, in dem es keinen Motor-Generator 6 und keine Generatorsteuereinheit 10 gibt und die Bedarfsschwankungen groß sind; und die rechte Spalte zeigt den Fall, in dem in dieser Ausführungsform die Schwankungen groß sind.
Wie in der Figur gezeigt wird, kann die Stromerzeugung auch ohne den Motor-Generator 6 und die Generatorsteuereinheit 10 dazu gebracht werden, den Bedarfsschwankungen über den Brennstoffdurchsatz zu folgen, wenn die Bedarfsschwankungen gering sind. Die Stromerzeugung kann jedoch nicht dazu gebracht werden kann, großen Bedarfsschwankungen zu folgen, so dass die Drehzahl der Niederdruckturbinenwelle 13b verringert wird und die Frequenz der Stromerzeugung ebenfalls verringert wird.
Andererseits wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Energieaustausch zwischen dem Stromsystem dem Gasgenerator 15 gemacht, indem der Motor-Generator 6 unter Verwendung der Generatorsteuereinheit 10 als Generator oder Motor betrieben wird, und in diesem Fall wird der Motor-Generator 6 als ein Generator betrieben, wodurch für die Stromerzeugung kompensiert wird. Auf diese Weise folgt die Stromerzeugung plötzlichen Änderungen im Strombedarf. Zu diesem Zeitpunkt, während auf Grund der Umwandlung eines Teils der Rotationsenergie in elektrische Energie durch den Motor-Generator 6 die Drehzahl der Hochdruckturbine 2a verringert wird, wird die Ausgabefrequenz bzw. Leistungsfrequenz des Motor-Generators 6 durch den Frequenzeinsteller 12 auf einen eingestellten Wert eingestellt. Weiterhin ändert die Niederdruckturbine 2b weder die Drehzahl noch die Ausgabe- oder Leistungsfrequenz, da sie sich unabhängig von der Hochdruckturbine 2a dreht. Daher bleibt die Systemfrequenz stabil.
Es wird darauf hingewiesen, dass 8 den Fall veranschaulicht, in dem der Strombedarf steigt, und das Gleiche trifft für den Fall zu, in dem der Strombedarf sinkt.
(Dritte Ausführungsform)
9 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinenstromerzeugungssystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Figur werden die gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren für die gleichen Teile wie in den bereits beschriebenen Ausführungsformen verwendet, so dass auf eine Beschreibung dieser Bezugszeichen und Teile verzichtet wird.
Ein Gasturbinenstromerzeugungssystem 300 gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Gasturbinenstromerzeugungssystem 200 der zweiten Ausführungsform dadurch, dass das Stromsystem mit einer Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie ausgestattet ist. Da die Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie mit dem Stromsystem verbunden ist, ist eine größere Schwankungsbreite bei der Stromerzeugung erforderlich.
Wie in der Figur gezeigt wird, ist die Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie mit der zweiwelligen Gasturbine 27 durch das Stromsystem 30 verbunden. Als Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie können verschiedene Stromerzeugungseinrichtungen, wie Windenergiestromerzeugungseinrichtungen, Solarenergiestromerzeugungseinrichtungen und Wellenenergiestromerzeugungseinrichtungen für die Erzeugung von Elektrizität unter Verwendung von erneuerbarer Energie verwendet werden, und in dieser Ausführungsform wird ein Fall gezeigt, in dem eine Windenergiestromerzeugungseinrichtung verwendet wird. Das Gasturbinenstromerzeugungssystem 300 ist mit einem Detektor 31 für die Vorhersage von Schwankungen bei der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie und einem Vorhersagewertrechner 32 ausgestattet, der einen Vorhersagewert (Schwankungen) der Stromerzeugung der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie auf der Basis eines Signals des Detektors 31 berechnet. Beispiele für den Detektor 31 können in dieser Ausführungsform einen Anemometer und einen Empfänger für meteorologische Daten einschließen, die an einem Punkt auf der Windseite der Einrichtung für die Stromerzeugung aus Windenergie vorgesehen sind. Weiterhin können im Fall der Verwendung einer Einrichtung für die Stromerzeugung aus Solarenergie Beispiele für den Detektor 31 zusätzlich zu dem Empfänger meteorologischer Daten einen Beleuchtungsmesser einschließen, der in seiner Umgebung installiert ist. Der Vorhersagewertrechner 32 gibt den Vorhersagewert für Stromschwankungen (im Folgenden als PMWD bezeichnet) der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie an eine Gasturbinensteuereinheit 7b aus.
Weiterhin empfängt der FFD-Rechner 104 (siehe 2) der Gasturbinensteuereinheit 7b den PMWD zusammen mit der RMW (aktuell erzeugte Strommenge) und stellt die Drehzahl der Hochdruckturbine 2a auf der Basis des PMWD ein und berechnet dann den Brennstoffdurchsatz und die Öffnung der IGV 9, so dass die Drehzahl zu der eingestellten Drehzahl wird.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausgabesteuerungsverfahren des Gasturbinenstromerzeugungssystems unter Verwendung der Gasturbinensteuereinheit 7b zeigt.
Die Gasturbinensteuereinheit 7b führt wiederholt das Verfahren der Schritte S301 bis S318 in 10 während des Stromerzeugungsbetriebs aus. Die Schritte S301, S302 und S307 bis S318 in der Figur stimmen mit den Schritten S201 bis S214 der zweiten Ausführungsform überein. Der Unterschied besteht darin, dass die Schritte S303 bis S306 zwischen den Schritten S302 und S307 hinzugefügt werden. Im Folgenden werden die Schritte S303 bis S306 beschrieben.
Schritte S303 bis S306
Dieses Verfahren ist ein Verfahren zum Ändern der eingestellten Drehzahl der Hochdruckturbine 2a in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen PMWD, bei dem es sich um ein Verfahren für das Sicherstellen einer Genehmigung einer Anpassung der Leistung der Hochdruckturbine 2a entsprechend der Vorhersage der Schwankung der Stromerzeugung der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie handelt. Im Einzelnen gibt die Gasturbinensteuereinheit 7b zunächst den PMWD in den FFD-Rechner 104 ein (Schritt S303) und führt die Analyse des PMWD unter Verwendung des FFD-Rechners 104 durch (Schritt S304). In der Analyse des PMWD wird die Berechnung der zeitlichen Änderung (Änderungsgeschwindigkeit) des PMWD durchgeführt. Anschließend stellt die Gasturbinensteuereinheit 7b Standby-Bedingungen unter Verwendung des FFD-Rechners 104 (Schritt S305) ein. Die Standby-Bedingungen bedeuten eine Genehmigung für das Anpassen der Drehzahl der Hochdruckturbine 2a, die sichergestellt sein soll für die Vorbereitung auf Schwankungen der Stromerzeugung der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie. Wenn beispielsweise eine zukünftige Zunahme der Stromerzeugung von der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie anhand der Änderungsgeschwindigkeit des PMWD erwartet wird, wird die eingestellte Drehzahl der Hochdruckturbine 2a höher eingestellt als der aktuelle Wert, um eine Genehmigung der Verringerung der Turbinenleistung der Hochdruckturbine 2a zu gewährleisten. Wenn eine zukünftige Abnahme der Stromerzeugung von der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie erwartet wird, wird umgekehrt die eingestellte Drehzahl der Hochdruckturbine 2a niedriger eingestellt als der aktuelle Wert, um die Genehmigung für eine Erhöhung der Turbinenleistung der Hochdruckturbine 2a zu gewährleisten. Im Folgenden wird zum Zwecke der Beschreibung die eingestellte Drehzahl nach der Änderung als der Standby-Wert bezeichnet. Der Standby-Wert weicht jedoch nicht von der zulässigen oberen Grenze und unteren Grenze der Hochdruckturbinendrehzahl ab, weil der Standby-Wert durch den Begrenzer begrenzt ist. Anschließend ändert die Gasturbinensteuereinheit 7b unter Verwendung des FFD-Rechners 104 die eingestellte Drehzahl der Hochdruckturbine 2a in den Standby-Wert, der in Schritt S305 (Schritt S306) erhalten wurde, und setzt das Verfahren mit dem oben beschriebenen Schritt S307 fort.
Wenn die eingestellte Drehzahl der Hochdruckturbine 2a in dieser Weise geändert wird, beispielsweise in den nachfolgenden Schritten S309, S311 und S312, wird die Drehzahl der Hochdruckturbine 2a zu der Drehzahl nach der Änderung der Einstellung gesteuert. Im Einzelnen wird die Drehzahl der Hochdruckturbine 2a durch Verkleinern der Öffnung der IGV 9 und Verringern des Stromverbrauchs des Kompressors 1 erhöht. Umgekehrt wird die Drehzahl der Hochdruckturbine 2a durch Vergrößern der Öffnung der IGV 9 und Vergrößern des Stromverbrauchs des Kompressors 1 gesenkt. Die Turbinenwellendrehzahl kann durch eine Funktion unter Verwendung der Überschussstrommenge vorhergesagt werden, von der angenommen wird, dass sie nur durch die Leistungsänderung auf der Basis des Brennstoffdurchsatzes, des Trägheitsmoments der Turbinenwelle und der Drehzahl erzeugt wird.
Bei dieser Ausführungsform können zusätzlich zu den gleichen Vorteilen wie bei der ersten und der zweiten Ausführungsform die folgenden Vorteile erzielt werden. Die umwandelbare Menge an Turbinenrotationsenergie in elektrische Energie und die umwandelbare Menge an elektrischer Energie in Turbinenrotationsenergie sind durch die obere Grenze und die untere Grenze der Turbinenwellenrotationsenergie begrenzt. Daher setzt sich der Zustand, in dem es unmöglich ist, dem Bedarf nur durch die Leistungsanpassung auf der Basis des Brennstoffdurchsatzes zu folgen, fort, und wenn die Turbinenwellendrehzahl weiterhin zunimmt oder abnimmt, erreicht die Turbinendrehzahl die obere Grenze oder die untere Grenze und keine weitere Leistungsanpassung kann vorgenommen werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird hingegen durch das Vorhersagen der Schwankungen bei der Stromerzeugung der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie die Genehmigung der Anpassung der Turbinenleistung größer, verglichen mit dem Fall der Verwendung der eingestellten Drehzahl, während der Referenzwert so gehalten wird wie er ist. Somit kann eine breitere Genehmigung für das Anpassen an Schwankungen bei der Stromerzeugung der Einrichtung 30 für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie sichergestellt werden.
(Sonstiges)
Der technische Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Aspekte der oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt und kann verschiedene Abwandlungen einschließen. Beispielsweise sind nicht alle Bauteile, die bei den obigen Ausführungsformen vorgesehen sind, essentiell, und Bauteile verschieden von den essentiellen Bauteile der Erfindung können gegebenenfalls weggelassen werden. Weiterhin können Bauteile jeder Ausführungsform durch andere Bauteile ersetzt werden, die die gleiche Funktion und Bedeutung haben. Weiterhin ist die wechselseitige oder teilweise Kombination der Ausführungsformen möglich. Weiterhin können die oben beschriebenen Gestaltungen, Funktionen, Verarbeitungseinheiten, Verarbeitungseinrichtungen etc. insgesamt oder in Teilen in Hardware eingeführt werden, beispielsweise durch das Gestalten und Verwenden eines integrierten Schaltkreises. Zusätzlich können die oben beschriebenen Gestaltungen, Funktionen etc. in Software eingefügt werden, indem ein Prozessor dazu gebracht wird, ein Programm für das Implementieren aller Funktionen zu übersetzen und auszuführen.
Bezugszeichenliste

1: Kompressor
2: Turbine
2a: Hochdruckturbine
2b: Niederdruckturbine
5: Stromgenerator
6: Motor-Generator
7, 7a, 7b: Gasturbinensteuereinheit
11: Lasteinsteller
12: Frequenzeinsteller
15: Gasgenerator
16: Arbeitsturbine
20: Brennkammer
30: Einrichtung für die Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie
32: Rechner für die Wertevorhersage (Vorhersagegerät)
100: Gasturbinenstromerzeugungssystem
103: Leistungs- oder Ausgabesteuerung
104: FFD-Rechner (Steuerung des Brennstoffdurchsatzes)
107: Begrenzer der Änderungsgeschwindigkeit der Leistung (Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer)
108: IGV-Öffnungsrechner (Zuflusssteuerung)
110: Ausgabevorrichtung
200: Gasturbinenstromerzeugungssystem
300: Gasturbinenstromerzeugungssystem
MWD: Gasturbinenleistungsbefehl

Claims

Gasturbinenstromerzeugungssystem, das umfasst: einen Gasgenerator, der einen Kompressor und eine Hochdruckturbine, die miteinander gekoppelt sind, und eine Brennkammer aufweist, die komprimierte Luft aus dem Kompressor zusammen mit Brennstoff verbrennt und die Hochdruckturbine antreibt; eine Arbeitsturbine, die eine Niederdruckturbine, antreibend durch Verbrennungsgas nach Antreiben des Gasgenerators, und einen Stromgenerator aufweist, der mit der Niederdruckturbine gekoppelt ist; einen Motor-Generator, der durch den Gasgenerator antreibt und mit einem Stromsystem des Stromgenerators verbunden ist; eine Brennstoffmengensteuerung, die den Brennstoffdurchsatz zu der Brennkammer entsprechend einem Gasturbinenleistungsbefehl steuert und die Stromerzeugung des Stromgenerators einstellt; einen Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer, der die Geschwindigkeit der Änderung des Brennstoffdurchsatzes durch die Brennstoffmengensteuerung begrenzt; einen Frequenzeinsteller, der die Leistungsfrequenz des Motor-Generators einstellt; einen Lasteinsteller, der die Stromerzeugungslast des Motor-Generators einstellt; und eine Ausgabesteuerung, die, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes entsprechend dem Gasturbinenleistungsbefehl über einen Grenzwert steigt, die Laststeuerung steuert und eine Stromerzeugungslast entsprechend dem Gasturbinenleistungsbefehl an den Motor-Generator anlegt, wodurch die Stromerzeugung mit einer Änderungsgeschwindigkeit erhöht wird, die größer ist als wenn der Brennstoffdurchsatz durch den Grenzwert erhöht wird.
Gasturbinenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes entsprechend dem Gasturbinenleistungsbefehl unter einen Grenzwert fällt, die Ausgabesteuerung auf der Basis des Gasturbinenleistungsbefehls der Laststeuerung den Befehl ausgibt, einen Teil des von dem Stromgenerator erzeugten Stromes für den Motorbetrieb des Motor-Generators zur Umwandlung in kinetische Energie des Gasgenerators zu verwenden, wodurch die Stromerzeugung mit einer Änderungsgeschwindigkeit verringert wird, die größer ist als wenn der Brennstoffdurchsatz durch den Grenzwert verringert wird.
Gasturbinenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Steuerung des Einlassstromes umfasst, die die Steuerung durchführt, den Einlassstrom des Kompressors beizubehalten.
Gasturbinenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei der Kompressor so gestaltet ist, dass seine Effizienz steigt, wenn der Kompressor bei einer niedrigeren Drehzahl als einer Referenzdrehzahl dreht, und dass seine Effizienz abnimmt, wenn der Kompressor bei einer höheren Drehzahl als der Referenzdrehzahl dreht.
Gasturbinenstromerzeugungssystem, das umfasst: einen Kompressor, der Ansaugluft komprimiert; eine Brennkammer, die komprimierte Luft aus dem Kompressor zusammen mit Brennstoff verbrennt; eine Turbine, die durch Verbrennungsgas aus der Brennkammer antreibt; einen Stromgenerator, der durch die Turbine antreibt; eine Brennstoffmengensteuerung, die den Brennstoffdurchsatz zu der Brennkammer entsprechend einem Gasturbinenleistungsbefehl steuert und die Stromerzeugung einstellt; einen Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer, der die Geschwindigkeit der Änderung des Brennstoffdurchsatzes durch die Brennstoffmengensteuerung begrenzt; einen Frequenzeinsteller, der die Leistungsfrequenz des Stromgenerators einstellt; einen Lasteinsteller, der die Stromerzeugungslast des Stromgenerators einstellt; und eine Ausgabesteuerung, die, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes entsprechend dem Gasturbinenleistungsbefehl außerhalb eines begrenzten Bereichs liegt, die Einstellung der Drehzahl der Turbine ändert und dann die Steuerung der Laststeuerung durchführt, um die Stromerzeugungslast entsprechend dem Gasturbinenleistungsbefehl zu steuern, wodurch die Stromerzeugung mit einer Änderungsgeschwindigkeit geändert wird, die größer ist als wenn der Brennstoffdurchsatz durch den Grenzwert verändert wird.
Gasturbinenstromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das weiterhin umfasst: eine Einrichtung zur Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie, die mit dem Stromsystem verbunden ist; eine Vorhersageeinrichtung, die Schwankungen bei der Stromerzeugung durch die Einrichtung zur Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie vorhersagt; eine Gasturbinensteuereinheit, die die Genehmigung für die Anpassung der Turbinenleistung erhöht, um sich an Schwankungen bei der Stromerzeugung durch die Einrichtung zur Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie auf der Basis eines von der Vorhersageeinrichtung vorhergesagten Wertes anzupassen.
Gasturbinenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Ausgabeeinrichtung umfasst, die einen Kontrollbildschirm anzeigt, der eine Betriebszustandsanzeige einschließt.
Verfahren zum Steuern der Stromerzeugung eines Gasturbinenstromerzeugungssystems, wobei das Verfahren umfasst: wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchsatzes entsprechend einem Gasturbinenleistungsbefehls außerhalb eines begrenzten Bereichs liegt, Ändern der Einstellung der Turbinendrehzahl und Steuern einer Stromerzeugungslast, wodurch die Stromerzeugung mit einer Änderungsgeschwindigkeit geändert wird, die größer ist als wenn der Brennstoffdurchsatz durch einen Grenzwert geändert wird.