JP2004019476A

JP2004019476A - ガスタービン装置

Info

Publication number: JP2004019476A
Application number: JP2002172090A
Authority: JP
Inventors: Terence Mckelvey; マッケルヴィ　テレンス; Hidefumi Marui; 丸井　英史; Masahiro Miyamoto; 宮本　政博; Tadashi Kataoka; 片岡　匡史; Yasushi Furuya; 古谷　泰
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】負荷変動に対して安定性が高く、且つエンジンの燃焼が停止するフレームアウト等の問題が生じないガスタービン装置を提供する。
【解決手段】空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービン１を回転駆動するガスタービンエンジンと、前記ガスタービンに直結した発電機５とを備えたガスタービン装置において、発電機５の電気的負荷の急減を検知する手段と、前記電気的負荷の急減を検知した信号に基づいて燃料調節弁１４の弁開度を制御する手段１３とを備えた。
【選択図】　　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン装置に係り、特に、ガスタービンエンジンの燃料調節弁を制御する制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なガスタービン発電装置は、電力を発生する発電機と、発電機を駆動するためのガスタービンエンジンとから基本的に構成される。ガスタービンエンジンは、回転軸を介して回転自在に取り付けられたタービンと、燃焼ガスを発生させるための燃焼器と、燃焼器への燃料供給量を調節する燃料調節弁と、空気を圧縮する空気圧縮機とを備えている。
【０００３】
上述の構成において、燃料調節弁により調整された燃料および空気圧縮機により圧縮された空気は燃焼器に供給され、燃焼器にて圧縮空気と燃料との混合気が形成される。そして、燃焼器において混合気を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスがタービンに供給されることによりタービンが回転するようになっている。回転軸の一端には発電機が取り付けられており、回転軸を介してタービンにより発電機を駆動することで発電が行われる。
【０００４】
このようなガスタービン発電装置においては、燃料調節弁の弁開度の制御により、起動制御あるいは定速運転制御等の各種の運転制御が行われる。例えば、負荷が急減した時には、定速運転速度を維持するためには燃料供給量を激減する必要があるが、一定量以下に燃料供給量を絞ると、エンジン内の燃焼が停止するフレームアウトという問題がある。このため、このような場合にも一定量の燃料供給量を確保するように燃料調節弁の弁開度が制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、負荷が急減した時には、定速運転速度を維持するためには燃料供給量を激減する必要があるが、この燃料調節弁の弁開度の制御は定速運転速度を目標値としたＰＩＤ制御により行われる。従って、負荷の急減に対応した迅速な弁開度の制御が行えず、ガスタービン装置の運転が不安定になるという問題があった。即ち、負荷の急減により回転速度が上昇するが、弁開度の制御が緩慢であり、回転速度が過度に上昇すると過速度トリップが生じる等の問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、負荷変動に対して安定性が高く、且つエンジンの燃焼が停止するフレームアウト等の問題が生じないガスタービン装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、本発明のガスタービン装置は、空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記ガスタービンに直結した発電機とインバータ装置とを備えたガスタービン装置において、前記発電出力の電気的負荷の急減を検知する手段と、前記電気的負荷の急減を検知した信号に基づいて燃料調節弁の弁開度を制御する手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、発電機（インバータ装置）出力側の電気的信号を利用することで、電気的負荷の急減を迅速に検知することができる。そして、この信号をガスタービンエンジンの燃料調節弁の弁開度制御に用いることで、燃料調節弁の弁開度を電気的負荷の急減に対応するように即時に調整することが可能となる。従って、負荷変動に対して安定性の高いガスタービン装置を提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態におけるガスタービン装置は、タービン１と、タービン１に回転駆動されて回転する発電機５と、タービン１に燃焼ガスを供給する燃焼器２と、燃焼器２への燃料の供給量を調節する燃料調節弁１４と、燃焼器２に圧縮空気を供給する空気圧縮機３と、タービン１を制御対象とする制御装置１３とを備えている。
【００１１】
タービン１は流体を受けて回転するための複数の回転翼（図示せず）を有し、ケーシング（図示せず）に収納され、回転軸６を介して回転自在に支持されている。空気圧縮機３は回転軸６を介してタービン１により駆動されて空気を圧縮するように構成されている。この空気圧縮機３は配管７を介して燃焼器２に接続されており、空気圧縮機３により圧縮された空気は配管７を通って燃焼器２に供給される。
【００１２】
燃料調節弁１４は、燃焼器２の上流側に配置され、図示しない燃料供給源から供給された燃料は、この燃料調節弁１４を通過した後、燃焼器２に供給される。燃料調節弁１４は、弁の開度が可変に構成され、この弁の開度を操作することにより、燃焼器２への燃料の供給量が調節されるようになっている。
【００１３】
燃焼器２に供給された燃料および圧縮空気は燃焼器２において混合気を形成する。燃焼器２にて図示しない着火プラグにより混合気が着火されて高温・高圧の燃焼ガスが発生する。そして、この燃焼ガスがタービン１に供給されることによりタービン１が高速で回転する。
【００１４】
回転軸６の端部には発電機５が接続されており、回転軸６を介してタービン１により発電機５が高速で回転駆動されることで発電が行われる。
【００１５】
このガスタービン装置には、回転センサ１２その他各種のセンサを備えており、これらの信号に基づいて制御装置１３が燃料調節弁１４の弁開度の制御等を行う。
【００１６】
図２は、上記ガスタービン発電装置の制御系の概要を示す。発電機５は、ロータに永久磁石が周設されている永久磁石型の発電機であり、ロータの外周側にステータが配置され、ロータの回転に伴って発生する誘起電力をステータ巻線から出力する。この装置においては、高速回転するタービン翼の回転軸６に直結された発電機５によって発電される電力をコンバータ部（全波整流回路）２６で整流して、その直流を昇圧回路２７により昇圧し、その直流電圧から商用交流電源系統と同一の周波数、電圧、位相を有する交流電力にインバータ部２８で変換してから出力する。これらの各部からなるインバータ装置２５の出力は、系統連系部２９を介して端子１８から商用交流電源系統等の負荷側に送出される。
【００１７】
発電機５の出力は、インバータ装置２５に供給され、ここで商用交流電源の周波数、電圧、位相に合わせた交流出力に調整されるが、このインバータ装置の制御はインバータ制御部３８により行われる。
【００１８】
エンジン制御部３１は、同様にマイクロプロセッサを含む制御部であり、燃料調節弁１４の弁開度制御を行う。ここで、エンジン制御部３１とインバータ制御部３８とは、高速通信回線３９により接続され、相互に情報の交換が行われる。
【００１９】
次に、発電機の電気的負荷の急減を検知する手段４１の具体例について説明する。「電流波形検出」は、系統連系部２９における電流検出器４１（ＣＴ）で検出された電流をインバータ制御部３８に取り込み、この正弦波電流波形のピーク値を監視する。そして、例えば定格負荷状態から負荷電流が急減した場合には、電気的負荷の急減を検知した信号を出力する。また、「電圧波形検出」は、同様に系統連系部２９における電圧検出器４１（ＰＴ）により検出された電圧波形をインバータ制御部３８にて監視する。そして、この電圧波形に異常が検出された場合には、発電機の出力電圧の異常を検知した信号を出力する。
【００２０】
図３は、電流波形検出器又は電圧波形検出器から異常信号を受けた後のエンジン制御部の動作を示すものである。異常信号は直ちに燃料調節弁ＦＣＶを閉にする指令を出すが、過速度トリップ及びフレームアウト防止の最低燃料供給制御部により弁開度の下限が制限される。
【００２１】
図４は、上記制御装置によるガスタービン装置の動作例を示す。図中、点線は従来例を示し、実線は本発明の動作例を示す。時刻ｔ_１において略定格負荷状態で運転していたガスタービン装置の負荷が略ゼロとなるように急減したとする。上述した制御装置では、電気的負荷急減検知手段４１により、電気的負荷の急減が直ちに検知される。するとエンジンにおける燃焼のフレームアウト防止のための最低限必要な燃料が供給されるように最低燃料供給制御５１により燃料調節弁（ＦＣＶ）の弁開度が出力される。
【００２２】
これにより、回転軸には電気的負荷の急減と略同時に燃料供給量が急減するので、従来の方法より早く対応でき、回転速度（ＮＲ）の上昇が最小限に抑えられる。即ち、電気的負荷の急変に対して安定した運転制御が可能となる。なお、負荷の急減に合わせて燃料供給量も急減するが、この燃料供給量はエンジン燃焼炎のフレームアウトが防止される最低限の燃料を供給しているので、エンジン燃焼炎のフレームアウトという問題が生じない。
【００２３】
上述した実施形態においては、電気的負荷の急減の検知手段として、発電機（インバータ装置）側の信号にのみ依存した例について示したが、ガスタービンエンジンの機械的負荷の減少に伴う、既存の方法と併用して負荷の急減を検知するようにしてもよい。
【００２４】
なお、本発明のガスタービン装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発電機（インバータ装置）出力側の電気的負荷の急変を検知して、これをガスタービンエンジンの制御に用いることで、負荷変動に対応した迅速な制御が可能となる。従って、発電機の電気的負荷の急変に対して安定した運転制御が可能なガスタービン装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】ガスタービン発電装置の制御系の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態のエンジン制御部の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態のガスタービン装置の動作を示す図であり、点線は比較のため従来例の動作を示す。
【符号の説明】
１　　タービン
２　　燃焼器
３　　空気圧縮機
５　　発電機
６　　回転軸
７　　配管
１２　　回転センサ
１３　　制御装置
１４　　燃料調節弁
２９　　系統連系部
３１　　エンジン制御部
３８　　インバータ制御部
３９　　高速通信回路
４１　　電気的負荷急減手段
５１　　最低燃料供給制御

Claims

空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記ガスタービンに直結した発電機とを備えたガスタービン装置において、
前記発電機出力をインバータ装置を介して商用交流電力に変換して送出する発電機の出力側の信号を高速通信回線を介してガスタービンエンジンの制御装置に取り込み、電気的負荷の急減を検知する手段と、前記電気的負荷の急減を検知した信号に基づいて燃料調節弁の弁開度を制御する手段とを備えたことを特徴とするガスタービン装置。
前記電気的負荷の急減の検知は、負荷電流波形または電圧波形をモニタすることにより行うものであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。
前記電気的負荷の急減の検知後の燃料調節弁の制御は、過速度トリップ及びエンジンのフレームアウト防止のための燃料を供給する弁開度に切換えるものであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。