JP2001123852A

JP2001123852A - ガスタービン発電制御装置

Info

Publication number: JP2001123852A
Application number: JP30513199A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Nagabuchi; 尚之永渕; Motoaki Utamura; 元昭宇多村; 孝明 ▲クワ▼原; Takaaki Kuwahara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JP3677536B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン圧縮機入口空気温度、出力要求
値及び系統周波数が変動する場合に、ガスタービンの出
力を一定に制御し、熱効率の低下を抑制することにあ
る。【解決手段】可変速発電機５とガスタービン４を組み
合せたガスタービン発電制御装置７において、ガスター
ビンの軸回転数１２及び燃焼器３への燃料供給量６を調
整する手段と、予め設定された軸回転数と圧縮機入口案
内翼１開度とから求まる圧縮機サージラインを設定し、
圧縮機２内のサージングの発生領域を回避する手段と、
入口案内翼１開度を調整する手段を設け、部分負荷運用
となる場合に、圧縮機内のサージングの発生領域を回避
しながら、最適熱効率となる運転線上を通るように軸回
転数に基づく入口案内翼１開度（圧縮比）を制御する。
ここで、圧縮機サージラインと圧縮機吐出空気圧力１０
との偏差が設定値以上となった場合には、圧縮機入口空
気温度９をもとに圧縮機抽気弁８開度を操作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン発電
制御装置に係り、特に、ガスタービンのように大気条件
及び運用負荷帯に応じて出力及び熱効率が変動する原動
機を用いた発電プラントの出力安定／高効率運転制御の
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常のガスタービン発電プラントでは、
ガスタービンと発電機とが同一の回転軸で連結されてい
るため、系統周波数からの制約条件により、一定回転数
制御を実施している。そのため、燃料制御は主として負
荷追従制御となっている。一方、特開平７−８７７９０
号公報には、上記負荷追従制御を回避するため、ガスタ
ービンに連結された発電機を可変速発電機とし、二次巻
線を交流励磁することにより、一次巻線の周波数を系統
周波数としたまま、二次巻線の回転数、即ちガスタービ
ンの回転数を可変とする技術が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常のガスタービン燃
料制御では、回転数一定制御のため、大気条件、特に大
気温度の季節変動によって空気密度が異なるため、圧縮
機吸込み空気の質量、流量も変動し、結果としてガスタ
ービン出力が同一燃料流量であっても出力が変化すると
いう課題と、部分負荷運用の場合には、熱効率が低下す
るという課題と、系統周波数が変動した場合には、燃料
流量が短時間で急激に変動することによって、燃焼器で
の燃焼が不安定となるという課題があった。更に、前述
公報では、通常のガスタービンでの回転数・負荷制御に
ついて、一義的に中央給電指令所からの負荷指令値によ
って燃料流量指令値を決定しており、圧縮機入口温度変
化及び部分負荷時の燃料流量指令値補正についての記述
があるものの、定性的な記述であり、具体的な開示がな
されていない。

【０００４】本発明の課題は、圧縮機入口空気温度、出
力要求値及び系統周波数が変動する場合に、ガスタービ
ンの出力を一定に制御し、熱効率の低下を抑制するに好
適なガスタービン発電制御装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、ガスタービンの軸回転数及び燃焼器への燃料供給量
を調整する手段と、圧縮機内のサージングの発生領域を
回避する手段と、圧縮機入口案内翼開度を調整する手段
を設け、可変速発電機の出力要求値が部分負荷運用とな
る場合に、圧縮機内のサージングの発生領域を回避しな
がら、最適熱効率となる運転線上を通るように軸回転数
に基づく圧縮機入口案内翼開度（圧縮比）を制御する。
ここで、ガスタービンの軸回転数を調整する手段には、
各運用負荷帯において最大熱効率となる軸回転数を設定
する手段を設ける。また、前記ガスタービンの軸回転数
を調整する手段は、負荷指令値の変化率または変化幅が
設定値以上となった場合に負荷指令値をもとに設定され
た軸回転数を出力し、設定値内の場合には定速度運転と
する機能を内包する。また、ガスタービンの軸回転数を
調整する手段には、燃焼器の燃空比変動幅が安定燃焼範
囲となるように変化率設定器を設ける。また、圧縮機内
のサージングの発生領域を回避する手段には、予め設定
された軸回転数と圧縮機入口案内翼開度とから求まる圧
縮機サージラインを設定し、ガスタービンの軸回転数を
調整する手段は、負荷指令値をもとに設定された軸回転
数を前記圧縮機サージラインと圧縮機吐出空気圧力との
比較に基づいて調整する。また、圧縮機サージラインと
圧縮機吐出空気圧力との比較結果、その偏差が予め設定
した値以上となった場合には、圧縮機入口空気温度をも
とに修正した軸回転数に基づいて圧縮機抽気弁開度を操
作する手段を設ける。また、系統周波数が変動した場合
に、全運用負荷帯にわたって燃焼器への供給燃料流量と
圧縮機入口空気温度をもとに求めた可変速発電機の二次
巻線の交流励磁とを協調制御する手段を設ける。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態によるガ
スタービン発電制御装置を示す。図１において、ガスタ
ービン発電設備として、空気は、圧縮機入口案内翼１に
よって流量を調整した後、圧縮機２により高圧に圧縮
し、燃焼器３へ供給される。一方、抽気弁８は、ガスタ
ービン４が起動・昇速中に圧縮機２内でサージングが発
生しないように、任意の回転数にて圧縮機２の昇圧途中
の一部空気を抽気してタービン４へバイパスする。燃料
は、燃料流量調整弁６によって流量を調整した後、燃焼
器３へ供給される。燃焼器３では、圧縮機２からの高圧
空気と燃料流量調整弁６からの燃料とが燃焼反応するこ
とにより、高圧・高温の燃焼ガスを発生する。燃焼ガス
は、タービン４において膨張後、系外へ放出される。タ
ービン４では、燃焼ガスの膨張力を回転軸の駆動力に変
換し、可変速発電機５を駆動して発電する。次に、本実
施形態の制御装置７への入力信号を説明する。圧縮機２
の入口には空気温度検出器９を、出口には吐出空気圧力
検出器１０を設ける。タービン４の出口には排気ガス温
度検出器１１を、回転軸には回転数検出器１２を設け
る。可変速発電機５には出力検出器１３を設ける。各検
出器からの出力は、制御装置７に伝送され、その内部に
おいて処理後、圧縮機入口案内翼（ＩＧＶ）１、燃料流
量調整弁６、抽気弁８の開度信号及び可変速発電機５に
内包された二次励磁回転子５−ａの電流指令値に変換さ
れる。

【０００７】次に、図２及び図３を用いて、制御装置７
の構成と信号処理について説明する。制御装置７では、
プラントへの負荷指令値をもとに各制御操作端の動作指
令値を発生する構成となっている。負荷指令値は３分岐
され、第１の信号は減算器１４へ、第２の信号は関数設
定器２５へ、第３の信号は微分器３５へ各々伝達され
る。第１の信号は、減算器１４にて出力検出器１３の信
号との偏差となり、予め試運転等により確認した負荷変
化率制約値を設定した変化率設定器１５を介し、プラン
ト負荷の上下限設定器１６へ伝達される。該信号は、更
にアナログメモリ１７を介してゲイン１８により負荷偏
差を回転数に変換した後、減算器１９により回転数検出
器１２からの信号との偏差となり、ＰＩコントローラ２
０によって偏差が０となるように出力を調整した後、燃
料量制約を設定した上下限設定器２１を介してゲイン２
２にて回転数を燃料指令値に変換し、加算器２３に伝達
される。該信号は加算器２３において後述する関数設定
器３７からの無負荷状態での燃料指令値を加算後、低値
選択器２４へ伝達される。この第１の信号による制御系
は、負荷指令値と出力検出器１３の信号との偏差に基づ
いてガスタービン４の回転数と燃料指令値を決定する通
常運転（可変速運転なし）の系を形成する。第２の信号
は、図３に示したプラントの熱効率最大となる目標回転
数を設定した関数設定器２５を介して、加算器２６によ
り、後述する上下限設定器４２からの信号と加算後、ス
イッチ２８に伝達される。このスイッチ２８には、定速
度を設定した定数設定器２７の信号が入力されている。
また、第３の信号は、微分器３５により、負荷変化率
（または、負荷変化幅）を計算した後、ガスタービン４
を可変運用とした方が熱効率向上できるしきい値を設定
した比較器３６に伝達される。比較器３６では、入力値
がしきい値以上となる場合に出力１．０となる。該信号
は、後述する論理否定器６２からの信号と共に論理積器
６３に伝達される。スイッチ２８では、論理積器６３か
らの信号により前記２入力を切替え、すなわち、論理積
器６３からの信号ｘ１の成立で加算器２６からの入力ｘ
１を選択し、減算器２９に信号を伝達する。該信号は、
減算器２９により、回転数検出器１２からの信号との差
分となり、予め試運転等により確認した回転数変化率制
約値即ち燃焼器３の燃空比変動幅が安定燃焼範囲となる
ように設定した変化率設定器３０を介し、プラント回転
数の上下限設定器３１へ伝達される。該信号は、ＰＩコ
ントローラ３２において偏差が０となるように出力を調
整した後、ゲイン３３によつて回転数を燃料指令値に変
換し、加算器３４に伝達される。該信号は加算器３４に
て、後述する関数設定器３７からの無負荷状態での燃料
指令値を加算後、低値選択器２４へ伝達される。スイッ
チ２８からの信号は、図３に示した回転数を引数とした
無負荷燃料指令値を設定した関数設定器３７へ伝送さ
れ、前述の各加算器２３及び３４へ伝達される。低値選
択器２４へは、前述２信号と同時に通常ガスタービンの
主機保護として設定されている排気温度制御信号３８が
入力されており、低値選択器２４から燃料流量調整弁６
の開度指令信号として出力される。回転数検出器１２か
らの信号と圧縮機入口案内翼１の開度信号とは、図３に
示した圧縮機２のサージラインを設定した関数設定器３
９を介し、減算器４０によって吐出空気圧力検出器１０
からの信号との差分となり、アナログメモリ４１へ伝達
される。アナログメモリ４１では、回転数の変動バイア
スを出力し、バイアスの制約値を設定した上下限設定器
４２を介して加算器２６へ信号を伝達する。この第２、
３の信号による制御系は、負荷指令値の変化率（また
は、変化幅）が設定値以上となった場合には、圧縮機２
のサージングを回避する回転数に調整し、即ち部分負荷
運転（可変速運転）の系を形成し、設定値内の場合に
は、定速度運転が可能となる系を形成する。

【０００８】ここで、関数設定器２５は、負荷指令値
（即ち、運転負荷）を引数とし、プラント熱効率最大と
なる回転数を出力とする関数を示す。関数設定器３７
は、回転数を引数とし、ガスタービン無負荷状態での燃
料流量指令値を出力とする関数を示す。ガスタービンの
燃料制御では、通常初負荷（０％負荷で１００％回転数
ＦＳＮＬ：ＦｕｌｌＳｐｅａｄＮｏＬｏｏｄ）か
ら定格負荷の間で負荷と回転数とを調整するように設定
されているため、各制御値にＦＳＮＬ成立分の燃料量を
ゲタバキさせることを目的としている。関数設定器３９
は、予め設定された回転数とＩＧＶ（ＩｎｌｅｔＧｕ
ｉｄｅＶａｎｅ：圧縮機入口案内翼の開度）とを引数と
し、圧縮比即ち圧縮機サージライン（圧縮機運転不能ラ
イン）を出力とする関数を示す。

【０００９】次に、抽気弁８及び可変速発電機５に内包
された二次巻線５−ａの制御信号処理について説明す
る。回転数検出器１２からの信号と圧縮機入口空気温度
検出器９からの信号とは、図３に示した修正回転数演算
式を設定した関数設定器４３と、可変速発電機の二次励
磁電流を設定した関数設定器４８へ伝達される。関数設
定器４３からの信号は３つに分岐され、各々関数設定器
４４、５６及び５７へ伝達される。関数設定器４４に
は、図３に示した修正回転数に対する抽気弁開度が設定
されており、該信号はスイッチ４６へ伝達される。スイ
ッチ４６へは抽気弁開度全閉を設定した定数設定器４５
からの信号が伝達されており、後述する比較器４７から
の信号ｘ１によって出力を切替え、抽気弁８の開度信号
ｘ１として出力する。比較器４７には、減算器４０から
の信号が伝達されており、圧縮機２のサージラインを吐
出空気圧力が超えた場合に１．０を出力する。また、関
数設定器４８からの信号はスイッチ５０へ伝達される。
スイッチ５０へは、定速度状態の二次励磁電流を設定し
た定数設定器４９からの信号が伝達されており、系統周
波数信号が微分器６０を介して、周波数変動値に対する
負荷追従幅を設定した比較器６１からの信号ｘ１によっ
て出力を切替え、二次巻線５−ａの励磁電流目標信号ｘ
１として出力する。比較器６１の信号は、更に論理否定
器６２へ伝達され、負荷指令値と系統周波数とが同時に
変動する場合には、二次巻線５−ａの電流制御を優先さ
せ、ガスタービン４は定速運用とする。抽気弁８は、圧
縮機入口空気温度によって修正された回転数に基づいて
その開度が制御され、また、可変速発電機５の二次巻線
５−ａの励磁電流は、圧縮機入口空気温度をパラメータ
とした回転数によって制御される。

【００１０】ここで、関数設定器４４は、修正回転数
（関数設定器４３の式より導出）を引数とし、抽気弁開
度を出力する関数を示す。抽気弁が全開した場合でも、
全体の圧縮機吐出空気量の数％程度である。関数設定器
４８は、回転数と圧縮機入口空気温度とを引数とし、可
変速発電機二次巻線の励磁電流を出力する関数を示す。
ガスタービン可変速運転時に、電力系統側の周波数と同
期するために必要な二次巻線への電流を調整することを
目的とし、同時に大気温度によって変動するガスタービ
ン出力も考慮して協調させるため、入口空気温度も引数
とする。関数設定器５６，５７は、各々修正回転数を引
数とし、ＩＧＶ開度を出力とする関数を示す。圧縮機サ
ージラインは、回転数が小さい領域では関数設定器３９
のように低くなるため、回転数０（起動）〜９０％程度
ではＩＧＶを強制的に調整する必要がある。但し、可変
速運転中では、通常の開度設定値のままであると、熱効
率が悪くなるため、関数設定器５６のように、保護線
（これ以上ＩＧＶ開くとサージングが発生する限界）−
α（適当量）に設定した値を用いるようにした。

【００１１】次に、圧縮機入口案内翼１の制御信号処理
について説明する。関数設定器５６及び５７には、各々
修正回転数を引数とした圧縮機２のサージラインからα
分の裕度を持った圧縮機入口案内翼１の開度設定値と、
通常運用時の開度設定値とが設定されており、各出力は
スイッチ５８に伝達される。スイッチ５８は、比較器４
７からの信号ｘ１により切替えられ、圧縮機吐出空気圧
力がサージラインを越えた場合には、関数設定器５７か
らの信号ｘ１を選択することにより、可変速運用時の開
度設定値である関数設定器５６からの信号よりも低い値
を低値選択器５９へ伝達する。一方、低値選択器２４か
らの燃料指令信号と、吐出空気圧力検出器１０からの信
号とは、各々図３に示した関数設定器５１、５２を介
し、排気温度制御設定値として低値選択器５３に伝達す
る。低値選択器５３の信号と排気温度検出器１１からの
信号とは、減算器５４にて演算後、先行制御付きコント
ローラであるＰＩＦコントローラ５５によって偏差が０
になるように出力を調整した後、低値選択器５９に伝達
し、圧縮機入口案内翼１の開度信号として出力する。

【００１２】ここで、関数設定器５１，５２は、各々負
荷指令値及び圧縮機吐出空気圧力とを引数とし、設定排
気温度を出力する関数を示す。関数設定器５１，５２の
目的は、本体保護のため、燃焼器での燃焼温度を抑える
ことであり、直接燃焼温度を監視する方が単純である
が、１０００゜Ｃ以上の高温度を長時間、信頼性を保持
しながら検出するのは困難であるため、排気温度による
制御となる。但し、圧縮機吐出空気圧力がわかれば、タ
ービンでの膨張比と燃料量とから、一義的に燃料温度が
求まることから、圧縮機吐出空気圧力による排気温度制
御と同じ意味となる。一方の負荷指令値による排気温度
制御は、バックアップであり、例えば電力基幹系統への
落雷等により、ガスタービンの急激な負荷増加指令が要
求された場合に、過剰な燃料投入を抑えるため、排気温
度制御値を減少するように設定する。

【００１３】図４に、本発明の効果を従来方式と対比し
て示す。大気温度変化時可変速運転の効果として、図４
（ａ）のように、従来方式でのガスタービンでは回転数
一定の運用であるため、圧縮機入口空気温度による出力
変動があったが、本発明では、設計点より入口温度が低
い場合には、回転数を低下し、設計点より入口温度が高
い場合には、回転数を増加することにより、入口温度の
変化に影響無く、一定出力を実現できる。部分負荷時可
変速運転の効果として、図４（ｂ）のように、従来方式
でのガスタービンでは回転数一定の運用であるため、部
分負荷運用時の熱効率が低下したが、本発明では、部分
負荷時に回転数を低下させることにより、熱効率低下を
抑えた運用が実現できる。燃料量・発電機協調制御の効
果として、図４（ｃ）のように、従来方式でのガスター
ビンでは、系統周波数変動時には周波数に追従するため
に燃料指令値も変動したが、本発明では、可変速発電機
との協調制御により燃料指令値一定の運用が実現でき
る。

【００１４】以上、本発明の実施形態の発電機として可
変速発電機について説明したが、インバータ制御発電機
とガスタービンとを組み合わせた発電設備についても、
同様に本発明を適用することができる。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、従来方式では、ガ
スタービンの回転数一定の運用であるため、圧縮機入口
空気温度による出力変動があったが、本発明によれば、
設計点より入口温度が低い場合には、回転数を低下し、
設計点より入口温度が高い場合には、回転数を増加する
ことにより、入口温度の変化に影響無く、一定出力を実
現することができる。また、従来方式では、ガスタービ
ンの回転数一定の運用であるため、部分負荷運用時の熱
効率が低下したが、本発明によれば、部分負荷時に回転
数を低下させることにより、熱効率低下を抑えた運用が
実現できる。また、従来方式のガスタービンでは、系統
周波数変動時に周波数に追従するために燃料指令値も変
動したが、本発明によれば、可変速発電機との協調制御
により燃料指令値一定の運用が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるガスタービン発電制
御装置

【図２】本発明の制御装置の構成と信号処理を説明する
図

【図３】本発明の制御装置の関数設定値の内容

【図４】本発明の効果を説明する図

【符号の説明】

１…圧縮機入口案内翼、２…圧縮機、３…燃焼器、４…
タービン、５…可変速発電機、６…燃料流量調整弁、７
…制御装置、８…抽気弁、９…圧縮機入口温度検出器、
１０…吐出空気圧力検出器、１１…排気温度検出器、１
２…回転数検出器、１３…出力検出器、１４…減算器、
１５…変化率制限器、１６…上下限制限器、１７…アナ
ログメモリ、１８…ゲイン、１９…減算器、２０…ＰＩ
コントローラ、２１…上下限制限器、２２…ゲイン、２
３…加算器、２４…低値選択器、２５…関数設定器、２
６…加算器、２７…定数設定器、２８…スイッチ、２９
…減算器、３０…変化率制限器、３１…上下限制限器、
３２…ＰＩコントローラ、３３…ゲイン、３４…加算
器、３５…微分器、３６…比較器、３７…関数設定器、
３８…排気温度制御信号、３９…関数設定器、４０…減
算器、４１…アナログメモリ、４２…上下限制限器、４
３…関数設定器、４４…関数設定器、４５…定数設定
器、４６…スイッチ、４７…比較器、４８…関数設定
器、４９…定数設定器、５０…スイッチ、５１…関数設
定器、５２…関数設定器、５３…低値選択器、５４…減
算器、５５…ＰＩＦコントローラ、５６…関数設定器、
５７…関数設定器、５８…スイッチ、５９…低値選択
器、６０…微分器、６１…比較器、６２…論理否定器、
６３…論理積器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービン圧縮機と、ガスタービン燃
焼器と、出力周波数を一定に保ちながら、軸回転数の可
変速運転が可能な可変速発電機またはインバータ制御発
電機と、ガスタービンとを組み合せたガスタービン発電
制御装置において、前記ガスタービンの軸回転数及び前
記燃焼器への燃料供給量を調整する手段と、前記圧縮機
内のサージングの発生領域を回避する手段と、前記圧縮
機入口案内翼開度を調整する手段を設け、前記発電機の
出力要求値が部分負荷運用となる場合に、前記圧縮機内
のサージングの発生領域を回避しながら、最適熱効率と
なる運転線上を通るように軸回転数に基づく前記圧縮機
入口案内翼開度（圧縮比）を制御することを特徴とする
ガスタービン発電制御装置。
【請求項２】請求項１において、前記ガスタービンの
軸回転数を調整する手段には、各運用負荷帯において最
大熱効率となる軸回転数を設定する手段を設けることを
特徴とするガスタービン発電制御装置。
【請求項３】請求項１において、前記ガスタービンの
軸回転数を調整する手段は、負荷指令値の変化率または
変化幅が設定値以上となった場合に負荷指令値をもとに
設定された軸回転数を出力し、前記設定値内の場合には
定速度運転とする機能を内包することを特徴とするガス
タービン発電制御装置。
【請求項４】請求項１において、前記ガスタービンの
軸回転数を調整する手段には、前記燃焼器の燃空比変動
幅が安定燃焼範囲となるように変化率設定器を設けるこ
とを特徴とするガスタービン発電制御装置。
【請求項５】請求項１において、前記圧縮機内のサー
ジングの発生領域を回避する手段には、予め設定された
軸回転数と圧縮機入口案内翼開度とから求まる圧縮機サ
ージラインを設定し、前記ガスタービンの軸回転数を調
整する手段は、負荷指令値をもとに設定された軸回転数
を前記圧縮機サージラインと圧縮機吐出空気圧力との比
較に基づいて調整することを特徴とするガスタービン発
電制御装置。
【請求項６】請求項５において、前記圧縮機サージラ
インと圧縮機吐出空気圧力との比較結果、その偏差が予
め設定した値以上となった場合には、圧縮機入口空気温
度をもとに修正した軸回転数に基づいて圧縮機抽気弁開
度を操作する手段を設けることを特徴とするガスタービ
ン発電制御装置。
【請求項７】請求項１において、系統周波数が変動し
た場合に、全運用負荷帯にわたって前記燃焼器への供給
燃料流量と圧縮機入口空気温度をもとに求めた前記発電
機の二次巻線の交流励磁とを協調制御する手段を設ける
ことを特徴とするガスタービン発電制御装置。