JP2011038478A

JP2011038478A - ガスタービンエンジンの制御装置とその制御方法

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Publication number: JP2011038478A
Application number: JP2009186966A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Takahashi; 一雄高橋; Naoyuki Nagabuchi; 尚之永渕; Kenji Nanataki; 健治七瀧; Nozomi Saito; 希齊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-02-24

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの出力指令追従性の向上を図る。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンとを有するガスタービンエンジンの制御装置において、ガスタービンエンジン出力の規定値範囲からの逸脱を予測する予測機能と、前記予測機能が規定値範囲からの逸脱の可能性を検知した場合に、補正指示信号１２５を出力する機能（補正指示器１１９）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷を目標出力指令に追従させる運転（以下、負荷運転）を行うガスタービンエンジンに係り、特に、系統周波数変動に応じた追従運転を行う発電プラントや、工業機械駆動などに利用され、広い負荷運転領域と高い負荷追従性が望まれるガスタービンエンジンの回転数制御装置に関するものである。

近年、ガスタービンエンジンの燃焼器は発電用，航空機用，船舶用，機械駆動用を問わず環境適合性が重要視されており、窒素酸化物の排出量を低減するために予め燃料と空気を混合した後燃焼する予混合燃焼方式と称する燃焼方式を採用した燃焼器が主流となっている。予混合燃焼方式により、窒素酸化物など環境に悪影響を与える物質の発生を抑制可能である。

しかし、前記燃焼方式は、燃料と空気の混合比率である燃空比に対し、燃焼器内の火炎の吹き消え、逆火を起こさない燃焼安定条件の範囲が狭いという特徴がある。目標出力指令が変化する負荷運転時は、燃料流量と同時に空気流量も変化するため燃焼状態が動的に変動する。

複数の予混合燃焼部分の燃空比が最適な値となるように燃料供給系統への燃料分配量を決定し、負荷運転をする制御方法の一例が引用文献１に開示されている。

特開２００４−１１６３８４号公報

特許文献１では、燃料分配比率計算の入力値として燃空比を利用している。タービンの定格速度到達点や、可変静翼の開度全開点などガスタービンエンジン運転上の特異点（以下、運転特異点）においては燃空比が変動するため、負荷運転を行うためには燃焼器バイパス弁を作動させ、燃焼用空気量を調節する必要がある。すなわち特許文献１の制御方法は、燃焼器バイパス弁を有する燃焼器のみに有効な方法で、燃焼器バイパス弁がない場合には空気流量を調節できないため、変動の激しい目標出力指令に対して負荷追従性能を維持するのは困難であった。燃焼器バイパス弁の使用はガスタービンエンジンの操作性が向上する反面、製作，保守面でコストおよびメンテナンス時の工数増加という課題がある。

また、ガスタービンエンジンの負荷変化幅を広げた場合、大気条件によっては前記運転特異点となる燃空比と、各燃焼部分の点火および消火を行う燃焼切替点に設定した燃空比閾値とが接近することがあり、燃焼切替えが頻発する可能性がある。そうすると目標出力指令に対する負荷追従性能が悪化することが予測される。

本発明の目的は、ガスタービンエンジンの出力指令追従性の向上を図ることにある。

上記問題を解決するため、本発明のガスタービンエンジンの制御装置は、ガスタービンエンジン出力の規定値範囲からの逸脱を予測する予測機能と、前記予測機能が規定値範囲からの逸脱の可能性を検知した場合に、補正指示信号を出力する機能とを有することを特徴とする。

本発明によると、ガスタービンエンジンの出力指令追従性を向上させることができる。

本実施例の燃料調整弁制御装置ブロック概略図である。発電用ガスタービンエンジン概略図である。本実施例の発電用ガスタービンエンジン概略図である。本実施例の燃料流量制御装置ブロック概略図である。本実施例の燃焼器２０５の説明図である。本実施例のガスタービンエンジン運転の制御特性図である。

燃焼器の燃焼安定性を高め、かつガスタービンエンジンの負荷運転を可能にする方法として、図５（ａ）に示す機構を有する燃焼器（以下、低ＮＯｘ燃焼器）を１個あるいは回転軸の同心円上に複数個備える方法が提案されている。

中心部に拡散燃焼部分５０１、その周囲に複数個（ｎ個）に分割して配置された予混合燃焼部分５０２から構成される。予混合燃焼部分の燃料供給系統とその制御系統も本来ｎ個存在するが、説明のため、第１予混合燃焼部分５０３と第ｎ予混合燃焼部分５０４に関連するもののみ記載した。拡散燃焼部分５０１には燃料供給配管５０５が接続されており、運転状態に応じて投入燃料流量を調整するための拡散燃焼部分燃料調整弁２０９を設けている。

第１予混合燃焼部分５０３には燃料供給配管５０６が接続されており、第１予混合燃焼部分燃料調整弁２１０を設けている。第ｎ予混合燃焼部分５０４には燃料供給配管５０７が接続されており、第ｎ予混合燃焼部分燃料調整弁２１１を設けている。前記複数の予混合燃焼部分５０３，５０４の燃空比が最適な値となるよう前記燃料供給系統への燃料分配量を決定し、負荷運転をする制御方法に例えば以下の例がある。

燃空比を引数とする関数によって燃料分配比率を決定する。一方で、演算により求めたタービン入口温度を入力とする上限関数および下限関数から、前記予混合燃焼部分の燃空比が最適な値となるよう燃焼器に流入する空気流量、燃料流量を決定し、燃焼器バイパス弁および各燃料調整弁に開度指令を出力する。ここで、燃焼器バイパス弁の働きは、燃焼器入口空気を後流側の排気ダクトへ放出することにより燃焼用空気量を調節する機能を有するものである。

ここで、燃料分配比率計算の入力値として燃空比を利用できるが、この場合、タービンの定格速度到達点や、可変静翼の開度全開点などガスタービンエンジン運転上の特異点（以下、運転特異点）においては燃空比が変動するため、負荷運転を行うためには燃焼器バイパス弁を作動させ、燃焼用空気量を調節する必要がある。

すなわちこの制御方法は、燃焼器バイパス弁を有する燃焼器のみに有効な方法で、燃焼器バイパス弁がない場合には空気流量を調節できないため、変動の激しい目標出力指令に対して負荷追従性能を維持するのは困難であった。燃焼器バイパス弁の使用はガスタービンエンジンの操作性が向上する反面、製作，保守面でコストおよびメンテナンス時の工数増加という課題がある。

図２に発電用２軸式ガスタービンエンジンの概略を示す。可変静翼あるいは流量調整弁など、吸込空気流量を調整する機構（以下、可変静翼と記載）２０８を介して流入した空気は圧縮機２０１で圧縮され、燃焼用空気として燃焼器２０５へと送られる。高圧タービン２０２軸を中心とする同心円状に配置された複数個の燃焼器２０５にて発生した燃焼ガスは、高圧タービン２０２を駆動することにより、同軸上に連結した圧縮機２０１を駆動する。前記燃焼ガスは、高圧タービン２０２の回転に利用された後、低圧タービン２０３を回転し、発電機２０４にトルクを伝達する。低圧タービン２０３で発電機２０４を駆動するために利用された前記高圧タービン排気は、ガスタービンエンジンの排気として大気中へと開放される。

近年、電力需要の増大に伴い昼夜の電力需要差が拡大しているため、負荷変化幅が広く低負荷領域でも運転可能なガスタービンエンジンが望まれている。しかし、ガスタービンエンジンの負荷変化幅を広げると、大気条件によっては前記運転特異点となる燃空比と、各燃焼部分の点火および消火を行う燃焼切替点に設定した燃空比閾値とが接近することがあり、燃焼切替えが頻発する可能性がある。

燃焼切替えが頻発することは燃焼器２０５および各燃料調整弁２０９，２１０，２１１の寿命を短くする可能性がある。さらに、点火および消火には燃焼反応の応答遅れが存在するため、ガスタービン制御装置２０６が燃焼切替信号を出力してから燃焼器２０５で発生する燃焼ガスのエネルギー量が変化し、発電機２０４の出力が増減するまでの遅れにより、目標出力指令に対する負荷追従性能が悪化することが予測される。

本発明は、ガスタービンエンジンの目標出力指令追従性を向上し、また、負荷運転が可能な負荷領域を広げるという目的を、制御装置の改良によって実現したものである。以下、実施例を用いて本発明について説明する。

本発明の実施例である制御装置の、低ＮＯｘ燃焼器搭載型２軸式ガスタービンエンジンへの適用例を以下に説明する。

図３は本実施例の制御装置を発電用ガスタービンエンジンに適用した例を示したものである。ガスタービン制御装置２０６は、可変静翼制御装置３０１，燃料流量制御装置３０２，燃料調整弁制御装置３０３から構成されている。本発明は燃料流量制御装置３０２および燃料調整弁制御装置３０３に適用する。

計測装置は、圧縮機２０１の吸気口に取り付けられた大気温度計測器３０４と大気圧力計測器３０５，高圧タービン２０２の軸に取り付けられた高圧タービン回転数計測器３０６，圧縮機２０１の可変静翼２０８に取り付けられた可変静翼開度計測器３０７，圧縮機２０１の空気出口に取り付けられた吐出空気温度計測器３０８，車室圧力計測器３０９，低圧タービン２０３の軸に取り付けられた低圧タービン回転数計測器３１０，発電機２０４に取り付けられた負荷出力計測器３１１，低圧タービン２０３の排気口に取り付けられた排気温度計測器３１２を備える。

目標出力指令３１３および各計測装置からの情報をもとに可変静翼開度指令３１４を計算し、可変静翼２０８に送信する。同様に、前記情報をもとに拡散燃焼部分の燃料調整弁開度指令１２３，各予混合燃焼部分の燃料調整弁開度指令１２１，１２２を計算し、各燃料調整弁２０９，２１０，２１１に送信することにより、ガスタービンエンジンを負荷運転する。

可変静翼制御装置３０１では、大気温度計測器３０４で計測した大気温度３１５と、高圧タービン回転数計測器３０６で計測した高圧タービン回転数３１７とを引数として、可変静翼開度指令３１４を出力し、可変静翼２０８に送出する。

図４に燃料流量制御装置３０２の構成例を示す。発電量指令発生部２０７より与えられる目標出力指令３１３を、回転数換算関数器４０１によって低圧タービンの目標回転数４１６に換算する。減算器４０２では目標回転数４１６と、低圧タービン回転数計測器３１０で計測した低圧タービン回転数３２１との偏差が計算される。

低圧タービン回転数３２１の増減と図３に示す発電機２０４の出力３２２の増減は連動しており、目標回転数４１６と低圧タービン回転数３２１との偏差は、発電量指令発生部２０７から与えられる目標出力指令３１３と発電機２０４の出力３２２との偏差の近似値となる。本実施例では、目標出力指令３１３と発電機２０４の出力３２２との偏差の代わりに、前記低圧タービン回転数偏差を引数として利用し負荷運転燃料流量指令４１７を決定する。すなわち、出力に関する目標値と観測値との偏差を利用した関数で燃料流量指令値を決定している。

再び図４の説明に戻る。補正指示器１１９からの補正指示信号１２５が出力されている場合は、前記低圧タービン回転数偏差に不感帯４０８が設定され、減算器４０２からの出力偏差の微小変動を負荷運転燃料流量指令４１７にフィードバックすることを抑制した状態でゲイン４０３が乗算される。補正指示器１１９からの補正指示信号１２５が出力されていない場合は減算器４０２で求められた偏差にそのままゲイン４０３が乗算される。

ゲイン４０３の出力と、無負荷返値出力器４０５から出力される無負荷運転時相当のフィードバック量を加算器４０４で足し合わせ、負荷運転燃料流量指令４１７として最小燃料流量指令選択器４０６に入力される。

最小燃料流量指令選択器４０６は、入力される各信号から最小値を選択出力する機能を有している。燃料流量計算器４０７では、低圧タービン回転数計測器３１０によって計測される低圧タービン回転数３２１，シーケンス信号発生器４１３より出力されるガスタービンエンジン運転のシーケンス信号４１８，排気温度計測器３１２によって計測される排気温度３２３，大気圧計測器３０５によって計測される大気圧３１６と、車室圧力計測器３０９によって計測される車室圧力３２０とを除算器４１４にて割ることで得られる圧縮比４１９，アナログメモリ４１５を介して得られる燃料流量指令４２３の過去値，高圧タービン回転数計測器３０６によって計測される高圧タービン回転数３１７などを引数として昇速運転燃料流量指令４２０，温度制御運転燃料流量指令４２１，起動運転燃料流量指令４２２等が計算されている。最小燃料流量指令選択器４０６にはこれらの信号も入力されているが、負荷運転時は通常、負荷運転燃料流量指令４１７が選択される。

一方で、高圧タービン回転数計測器３０６で検出される高圧タービン回転数３１７は、時間微分演算器４０９で微分値が計算され、回転数微分値ゲイン４１０を掛けることにより高圧タービン回転数微分フィードバック量が計算される。なお、ガスタービンエンジンの制御装置によっては計測値の厳密な時間微分値を算出することが難しい場合もあるが、その場合には計測値と過去計測値の差分でも代用可能である。

補正指示器１１９からの補正指示信号１２５が出力されている場合は、最小燃料流量指令選択器４０６から出力される信号に、加算器４１１によってフィードバック量が加算され、高圧タービン回転数３１７の変化率を一定にするための燃料流量補償信号となる。補正指示器１１９からの補正指示信号１２５が出力されていない場合は、最小燃料流量指令選択器４０６の出力がそのまま出力される。

最終的に加算器４１２で、加算器４１１の出力に燃料流量補正決定関数器１１６からの燃料流量指令補正量１２４を加算することにより燃料流量指令４２３を決定し、燃料流量制御装置３０２の出力とする。出力された燃料流量指令４２３は燃料調整弁制御装置３０３に入力される。

図１に燃料調整弁制御装置３０３の構成例を示す。空気流量算出器１０１では、大気温度計測器３０４で計測される大気温度３１５，高圧タービン回転数計測器３０６で検出される高圧タービン回転数３１７、および可変静翼開度計測器３０７で計測される可変静翼開度３１８を引数として、燃焼器２０５に流入する空気流量を計算する。

前記空気流量と燃料流量制御装置３０２で算出された燃料流量指令４２３とを、除算器１０２で除算することにより燃焼器２０５内の燃空比１２０を算出する。燃料分配比決定関数器１０３は燃空比１２０を引数としており、燃焼器２０５の図５（ａ）に示す予混合燃焼部分５０２各々の燃料配分を最適な値とする配分比が燃空比１２０の関数として予め記述されている。

燃料分配比決定関数器１０３は燃空比１２０が与えられると予混合燃焼部分５０２各々の燃料配分比を出力する。前記燃料分配比と燃料流量指令４２３を乗算器１０４，１０５で掛け合わせることにより、予混合燃焼部分５０２各々の目標燃料流量が決定される。また減算器１０６，１０７によって、燃料流量制御装置３０２より出力される燃料流量指令値４２３から予混合燃焼部分５０２各々の目標燃料流量を減算することにより、図５（ａ）に示す拡散燃焼部分５０１の目標燃料流量を決定する。

決定した各燃焼部分の目標燃料流量は、各々の燃料調整弁開度演算器１０８，１０９，１１０に入力され、各予混合燃焼部分の燃料調整弁開度指令１２１，１２２，拡散燃焼部分の燃料調整弁開度指令１２３が計算される。拡散燃焼部分の燃料調整弁開度指令１２３，各予混合燃焼部分の燃料調整弁開度指令１２１，１２２は各燃料調整弁２０９，２１０，２１１に送信され、各燃焼部分に供給される燃料流量が調整される。

ここで、図１では燃料分配比決定関数器１０３から第１予混合燃焼部分５０３と第ｎ予混合燃焼部分５０４の燃料分配比のみを代表として説明したが、燃料分配比決定関数器１０３からは、ｎ個の予混合燃焼部分全ての燃料分配比が出力される。拡散燃焼部分５０１の目標燃料流量についても、実際は燃料流量制御装置３０２より出力される燃料流量指令４２３からｎ個の予混合燃焼部分全ての目標燃料流量を差し引いた値となる。また、予混合燃焼部分の燃料調整弁開度演算器もｎ個存在し、ｎ個分の予混合燃焼部分の燃料調整弁開度指令が出力される。

次に燃料流量分配の補正について図１を用いて説明する。発電量指令発生部２０７より出力される目標出力指令３１３は、時間微分演算器１１２で微分される。なお、時間微分演算器４０９に関する説明でも触れたように、ガスタービンエンジンの制御装置によっては計測値の厳密な時間微分値を算出することが困難な場合もあるが、その場合には現在計測値と過去計測値の差分でも代用可能である。

負荷変化傾向判定器１１３には、予め目標出力指令３１３が上昇傾向か、下降傾向か、一定値保持傾向かを判定する判断基準が設定されており、時間微分演算器１１２で求められた目標出力指令３１３の変化率に対して判定を行い、結果を点火消火禁止指示器１１４に送信する。

負荷変化傾向判定器１１３で目標出力指令３１３が上昇傾向と判定された場合、点火消火禁止指示器１１４は分配比補正値発生器１１５に消火禁止指令を出力する。下降傾向と判定された場合は、分配比補正値発生器１１５に点火禁止指令を出力する。一定値保持傾向と判定された場合は、分配比補正値発生器１１５に消火禁止指令と点火禁止指令とを出力する。

燃焼切替燃空比閾値１１１には、燃料分配比決定関数器１０３において各予混合燃焼部分の燃料分配比が０から正値に変化する燃焼切替点の燃空比閾値が設定されている。分配比補正値発生器１１５では、点火禁止信号を受信した場合は、次に点火予定の予混合燃焼部分の点火燃空比閾値と、除算器１０２から出力される燃空比１２０とを比較し、偏差が規定値以下になると燃料分配比決定関数器１０３に補正量を与えて次に点火予定の予混合燃焼部分の燃料分配比率を０に保ち、点火を抑制する。消火禁止信号を受信した場合は、次に消火予定の予混合燃焼部分の消火燃空比閾値と、除算器１０２より出力される燃空比１２０とを比較し、偏差が規定値以下になると燃料分配比決定関数器１０３に補正量を与えて次に消火予定の予混合燃焼部分の燃料分配比率を安定燃焼可能な正値に保ち、消火を抑制する。以上により、各予混合燃焼部分の燃焼切替動作は目標出力指令に適した動作となり、負荷追従性が向上する。

前記時間微分演算器１１２より出力される目標出力指令３１３の変化率は燃料流量補正決定関数器１１６にも入力される。燃料流量補正決定関数器１１６には、この他に燃料流量指令４２３と燃空比１２０とが入力されており、内部には数値解析や実験等で予め求められた負荷運転時の燃空比と目標出力指令値の関係式が与えられている。

前記関係式と目標出力指令３１３の変化率とから現在時刻以降の負荷追従に最適な燃料流量指令値を算出する。算出された指令値は入力である燃料流量指令４２３と比較して差分が計算され、燃料流量指令補正量１２４として加算器４１２に出力される。燃料流量指令補正量１２４を求める差分計算を行う際には、数値解析や実験等の結果を基に予め補正の限界値を決定し、前記差分が限度を超える場合は限界値を燃料流量指令補正量１２４として出力する。以上により、発電機出力が目標出力指令値以上である状態を維持する性能が改善され、ガスタービンエンジンの必要出力供給量の安定性を高めることができる。

次に補正指示器１１９の機能について説明する。高圧タービン回転数定格近傍判定器１１７には、予め高圧タービン回転数３１７が定格速度近傍であるかどうかを判定する判定基準が設定されており、入力される高圧タービン回転数３１７に関する判定結果を補正指示器１１９に送信する。可変静翼開度全開近傍判定器１１８には、予め可変静翼開度３１８が最大値近傍であるかどうかを判定する判定基準が設定されており、入力される可変静翼開度３１８に関する判定結果を補正指示器１１９に送信する。また、負荷変化傾向判定器１１３の判定結果も補正指示器１１９に送信される。

補正指示器１１９は高圧タービン回転数定格近傍判定器１１７，可変静翼開度全開近傍判定器１１８の出力のうちいずれかが真値の場合、または負荷変化傾向判定器１１３で目標出力指令３１３が一定値保持傾向と判定された場合、すなわちガスタービンエンジン出力の規定値範囲からの逸脱の可能性を検知した場合は、図４に示す前述の不感帯４０８，加算器４１１に補正指示信号１２５を出力する。つまり、ガスタービンエンジン出力の規定値範囲からの逸脱を予測する予測機能と、前記予測機能が規定値範囲からの逸脱の可能性を検知した場合に、補正指示信号を出力する機能を有している。以上により、ガスタービンエンジンの運転特異点における過渡応答に対してタービン回転数の制御性能の向上が図られ、目標出力指令３１３に対する追従性が改善される。

次に、図５（ｂ）を用いて本実施例の制御装置の効果を説明する。図５（ｂ）は、本実施例適用の制御装置によるガスタービンエンジンの目標出力指令値を上昇させる負荷運転時の制御特性を表しており、横軸に時刻、縦軸に出力および燃料流量を示す。

破線６０１は目標出力指令３１３の推移である。このときの拡散燃焼部分５０１の燃料流量の推移は、本実施例の制御装置を適用した場合は実線６０３、本実施例の制御装置を適用しない場合（比較例）は点線６０６のようになる。同様に第１予混合燃焼部分５０３の燃料流量の推移は、本実施例を適用した場合が実線６０４、比較例の場合が点線６０７のようになる。

これに対応した出力３２２の推移は、本実施例を適用した場合は実線６０２、比較例の場合は点線６０５のようになる。

点線６０５，６０６，６０７で、特許文献１に記載の燃焼器バイパス弁をもたず、本実施例で提示する新機能もない比較例の制御装置によるガスタービンエンジン運転の制御特性について説明する。時刻Ｔ₂までの運転では、高圧タービンの回転数上昇分として消費されていた燃焼ガスのエネルギーが、時刻Ｔ₂より負荷出力上昇分として発電機２０４に与えられる。このため発電機２０４の出力３２２は上昇し、目標出力指令３１３追従のため燃料流量指令４２３の増加率が抑えられる。しかし、この出力３２２の上昇は運転特異点経過による一時的な過渡応答であり、燃料流量指令４２３は再び目標出力指令３１３の上昇率に応じて増加していく。

通常負荷領域における運転の場合、過渡応答に対して裕度があり、目標出力指令に負荷追従するために適切な燃焼状態が保たれる。しかし低負荷領域における運転では、大気条件等の要因により運転特異点の燃空比と燃焼切替閾値が近接しているため、場合によっては過渡応答から生じる燃空比の振動に対し第１予混合燃焼部分５０３の消火が行われる可能性がある。前述の通り燃焼切替えには応答遅れが存在し、燃焼切替えはすぐさま発電機２０４の出力３２２には反映されない。応答遅れが大きくなれば、目標出力指令３１３追従のフィードバックにより、点火および消火の繰り返しが引き起こされることも予想される。短時間内での点消火の繰り返しは燃焼器２０５の寿命を短くする可能性があり、同時に目標出力指令３１３に対する追従性も低下する。

一方で、本実施例適用の制御装置によるガスタービンエンジン運転の制御では、実線６０２，６０３，６０４で示されるように時刻Ｔ₂において、図１に示す高圧タービン回転数定格近傍判定器１１７により高圧タービン回転数定格近傍と判定され、補正指示器１１９から補正指示信号１２５の出力が開始される。本実施例の制御装置では、補正指示信号１２５の出力開始に伴い、時刻Ｔ₂より燃料流量指令４２３に対する低圧タービン回転数偏差のフィードバックには図４に示す不感帯４０８が設けられ、加算器４１１により高圧タービン回転数の微分値がフィードバックされる。

この作用により、時刻Ｔ₃より開始される運転特異点の過渡応答によって、発電機２０４の出力変動および燃空比１２０が受ける影響を予め低減する制御が加えられ、時刻Ｔ₃経過直後に点線６０５，６０６にて発生しているスパイク状の応答は現れず、目標出力指令３１３に対する追従性が向上する。

また、図１に示す負荷変化傾向判定器１１３によって負荷上昇傾向と判定されているため、点火消火禁止指示器１１４より消火禁止指令が出力され、分配比補正値発生器１１５より燃料分配比決定関数器１０３に補正が加えられ、第１予混合燃焼部分５０３の消火が抑制される。このため、拡散燃焼部分５０１の燃料流量変化によって目標出力指令３１３に追従する運転が行われる。比較例の方法では各燃焼部分の燃料流量が急激に変化し、第１予混合燃焼部分５０３では消火，点火が繰り返されていたが、本実施例適用の制御装置では第１予混合燃焼部分５０３の燃焼切替えは生じず、目標出力指令３１３に発電機２０４の出力３２２が、より精度よく追従する。

この際、図１に示す燃料流量補正決定関数器１１６では目標出力指令３１３の変化率と燃空比１２０とを引数として負荷追従に適した燃料流量指令が計算されており、出力結果である燃料流量指令補正量１２４が加算器４１２において燃料流量指令４２３に加算される。この作用により、燃料分配比を変更しても発電機２０４の出力３２２は目標出力を下回ることなく負荷追従し、電力供給性能を向上することができる。

以上の効果により、負荷の目標出力指令３１３に対する追従性は向上し、さらに負荷が目標出力指令３１３を上回る状態を維持できるのでガスタービンエンジン出力を安定供給できる。また、低負荷領域における運転時においても目標出力指令３１３に対する追従性を向上させることが可能となる。他の予混合燃焼部分の燃焼切替閾値と運転特異点が近接した場合や、目標出力指令３１３が減少する負荷運転、目標出力指令３１３の変動が微小な負荷運転についても同様の効果を得られる。

１軸式ガスタービンエンジンの場合は、高圧タービン回転数および低圧タービン回転数を単軸の回転数に置き換えて、本発明で提示した機能を有するガスタービンエンジンの制御装置を構成することで同様の効果を得られる。燃焼切替えが存在しない燃焼器のみを搭載するガスタービンエンジンの制御装置に関しては、本実施例で提示した燃料分配比の補正機能を実装する必要はない。しかし、本実施例で提示したその他の機能を有するガスタービンエンジンの制御装置を構成することで、通常の負荷運転時は従来の目標出力追従制御を阻害せず、ガスタービンエンジンの運転特異点における過渡応答に対してタービン回転数の制御性能が向上し、目標出力追従性を高める効果が得られる。また、出力が目標出力指令値以上である状態を維持する性能も向上し、ガスタービンエンジンの必要出力供給量の安定性を向上する効果が得られる。

本実施例で設定した目標出力指令と負荷出力の偏差に対する不感帯およびタービン回転数の時間微分量のフィードバック出力は、ガスタービンエンジンの運転特異点における過渡応答に対してタービン回転数の制御性能を向上し、目標出力追従性を高めるという利点がある。負荷運転可能な負荷領域の拡大を図ることもできる。但し、２軸式ガスタービンエンジンの場合、時間微分量のフィードバック出力に利用されるタービン回転数は高圧タービン回転数である。

本実施例で設定した補正関数は、ガスタービンエンジンの運転状態判定器の信号が規定値の場合のみ有効とすることにより、通常の負荷運転時は従来の目標出力追従制御を阻害せず、運転特異点近傍では燃焼切替えの頻発を防止し、安定した負荷運転を可能とする利点がある。

また、本実施例では目標出力指令の変化率と燃空比を考慮した燃料流量指令の補正量を出力するので、発電機出力が目標出力指令値以上である状態を維持する性能が向上し、ガスタービンエンジンの必要出力供給量の安定性を向上できるという利点がある。

さらに、本実施例の燃料分配比の補正信号は、運転特異点近傍での過渡的な燃空比の変動を反映した燃料分配比に対し修正を加えることによって、運転特異点近傍での負荷運転に対しても目標出力指令追従に適した燃焼切替えが可能になるという利点がある。

ガスタービンエンジンおよびその制御装置に利用可能である。目標出力指令に対する負荷追従性が向上し、負荷領域が広くなることから、系統周波数変動に応じた追従運転を行う発電プラントや、工業機械駆動用など目標出力指令の変動が大きい負荷運転を行うガスタービンエンジンおよびその制御装置にも利用できる。

１０１空気流量算出器
１０２，４１４除算器
１０３燃料分配比決定関数器
１０４，１０５乗算器
１０６，１０７，４０２減算器
１０８，１０９，１１０燃料調整弁開度演算器
１１１燃焼切替燃空比閾値
１１２，４０９時間微分演算器
１１３負荷変化傾向判定器
１１４点火消火禁止指示器
１１５分配比補正値発生器
１１６燃料流量補正決定関数器
１１７高圧タービン回転数定格近傍判定器
１１８可変静翼開度全開近傍判定器
１１９補正指示器
１２０燃空比
１２１第１予混合燃焼部分燃料調整弁開度指令
１２２第ｎ予混合燃焼部分燃料調整弁開度指令
１２３拡散燃焼部分燃料調整弁開度指令
１２４燃料流量指令補正量
１２５補正指示信号
２０１圧縮機
２０２高圧タービン
２０３低圧タービン
２０４発電機
２０５燃焼器
２０６ガスタービン制御装置
２０７発電量指令発生部
２０８可変静翼
２０９拡散燃焼部分燃料調整弁
２１０第１予混合燃焼部分燃料調整弁
２１１第ｎ予混合部分燃料調整弁
２１２燃料タンク
３０１可変静翼制御装置
３０２燃料流量制御装置
３０３燃料調整弁制御装置
３０４大気温度計測器
３０５大気圧計測器
３０６高圧タービン回転数計測器
３０７可変静翼開度計測器
３０８吐出空気温度計測器
３０９車室圧力計測器
３１０低圧タービン回転数計測器
３１１負荷出力計測器
３１２排気温度計測器
３１３目標出力指令
３１４可変静翼開度指令
３１５大気温度
３１６大気圧
３１７高圧タービン回転数
３１８可変静翼開度
３１９吐出空気温度
３２０車室圧力
３２１低圧タービン回転数
３２２出力
３２３排気温度
４０１回転数換算関数器
４０３ゲイン
４０４，４１１，４１２加算器
４０５無負荷返値出力器
４０６最小燃料流量指令選択器
４０７燃料流量計算器
４０８不感帯
４１０回転数微分値ゲイン
４１３シーケンス信号発生器
４１５アナログメモリ
４１６目標回転数
４１７負荷運転燃料流量指令
４１８シーケンス信号
４１９圧力比
４２０昇速運転燃料流量指令
４２１温度制御運転燃料流量指令
４２２起動運転燃料流量指令
４２３燃料流量指令
５０１拡散燃焼部分
５０２予混合燃焼部分
５０３第１予混合燃焼部分
５０４第ｎ予混合燃焼部分
５０５，５０６，５０７燃料供給配管
６０１破線
６０２，６０３，６０４実線
６０５，６０６，６０７点線
Ｔ₁ 第１予混合燃焼部分点火時刻
Ｔ₂ 補正指示信号出力開始時刻
Ｔ₃ 高圧タービン回転数定格回転数到達時刻

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンとを有するガスタービンエンジンの制御装置において、
ガスタービンエンジン出力の規定値範囲からの逸脱を予測する予測機能と、
前記予測機能が規定値範囲からの逸脱の可能性を検知した場合に、補正指示信号を出力する機能と
を有することを特徴とするガスタービンエンジンの制御装置。
請求項１に記載のガスタービンエンジンの制御装置において、
前記予測機能が、
前記タービンの回転数が定格速度近傍であるかどうかを判定する回転数定格近傍判定器，
前記圧縮機に設けられた可変静翼及び該可変静翼の開度が最大値近傍かどうかを判定する可変静翼開度全開近傍判定器，
負荷変化の傾向を判定する負荷変化傾向判定器、
のうち少なくとも一つであることを特徴とするガスタービンエンジンの制御装置。
請求項１または２に記載のガスタービンエンジンの制御装置において、
出力に関する目標値と観測値との偏差を利用した関数で燃料流量指令値を決定し、
前記補正指示信号を受けて前記偏差に不感帯を設定する機能を有する不感帯設定機能を有することを特徴とするガスタービンエンジンの制御装置。
請求項１−３に記載のガスタービンエンジンの制御装置において
前記補正指示信号を受けて燃料流量指令値にフィードバック量を加えタービンの回転数の変化を抑制する燃料流料補償信号を生成する加算器を有することを特徴とするガスタービンエンジンの制御装置。
請求項２−４に記載のガスタービンエンジンの制御装置において、
前記予測機能が、前記タービンの回転数，出力目標値，前記可変静翼の開度を利用してガスタービン出力を推測することを特徴とするガスタービンエンジンの制御装置。
燃焼器の流入空気流量を算出する機能と、該流入空気流量と燃料流量指令とを除算し燃空比を算出する燃空比計算機能を備えたガスタービンエンジンの制御装置において、
目標出力指令値の時間微分量と前記燃空比と前記燃料流量指令とを引数として前記燃料流量指令に補正を付加する機能を有することを特徴とするガスタービンエンジン制御装置。
拡散燃焼部分と予混合燃焼部分を有する燃焼器と、該燃焼部分へ個別に燃料を供給する系統と、負荷発生用のタービンとを備え、
前記燃焼器の流入空気流量を算出する機能と、該流入空気流量と燃料流量指令とを除算し燃空比を算出する燃空比計算機能と、前記燃空比を引数として前記燃料供給系統各々への燃料分配比を計算する機能とを備えた制御装置において、
目標出力指令値を用いて前記ガスタービンエンジンの負荷変化傾向を推測する機能と、該機能の出力結果と前記燃空比とを引数として前記燃料分配比を補正する機能を有することを特徴とするガスタービンエンジン制御装置。
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンとを有するガスタービンエンジンの制御方法において、
ガスタービンエンジン出力の規定値範囲からの逸脱の可能性を検知した場合に、補正指示信号を出力することを特徴とするガスタービンエンジンの制御方法。