JP2013015093A

JP2013015093A - ガスタービンシステム

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Publication number: JP2013015093A
Application number: JP2011149078A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Shimamura; 裕島村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: JP5738098B2

Abstract

【課題】ガスタービンの回転数が外的条件により上下した場合においても、安定した制御を可能とする。
【解決手段】ガスタービン１の発電機１４を電動機として使用する際の出力トルクを、サイリスタ制御部５がサイリスタをスイッチングすることによって制御するサイリスタ起動装置４を備えるガスタービンシステム１０であって、ガスタービン１の回転数を検出する回転数検出部１５と、回転数検出部１５から出力される回転数に対応する発電機１４のトルク信号を出力するトルク信号演算部３を備え、サイリスタ制御部５がトルク信号に基づいてサイリスタをスイッチングするガスタービンシステム１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンシステムに係り、特に、サイリスタを使用して発電機を起動用電動機とするガスタービンシステムに関する。

従来、ガスタービンを起動昇速する際に、ガスタービンの起動を補助するために、同軸の発電機を電動機として使用するガスタービンシステムが知られている。このようなガスタービンシステムにおいては、発電機に対しては、サイリスタを使用したサイリスタ起動装置を通して電力が供給されている（例えば、特許文献１参照）。

図４に、従来のサイリスタ起動装置を備えたガスタービンシステムの系統図を示す。図４に示すように、ガスタービンシステム１１０は、ガスタービン１と、ガスタービン１を制御するガスタービン制御装置２と、ガスタービン１によって駆動される発電機１４と、発電機１４に電力を供給して制御するサイリスタ起動装置１０４とから構成されている。

ガスタービン１の起動の際は、サイリスタ起動装置１０４を構成するサイリスタ制御部１０５が、ガスタービン１の起動からの時間に応じて発電機１４の出力トルクを制御している。サイリスタ制御部１０５は、所定の関係式に従ってガスタービン起動からの時間に応じたトルク信号を発電機１４に出力している。

所定の関係式は、例えば図５に示すようなグラフで表わすことができる。図５に示すように、関係式は４点の関数接点によって構成されており、ガスタービン１の起動から所定の時間までは、線形的に発電機１４の出力トルクを上昇させるように時間と出力トルクを関係付けている。そして、ガスタービン回転数の十分な上昇が推測される時間以降は、出力トルクを一定値とし、次いで、ガスタービンが自立回転に達すると推測される時間に向かって、徐々に出力トルクを減少させるように時間と出力トルクを関係付けている。

特許第３１０５６７３号公報

ところで、上述したような、従来のガスタービンシステム１１０では、サイリスタ制御部１０５がガスタービン１の起動からの時間に対応して発電機１４の出力トルクの制御を実施している。即ち、ガスタービン１の回転数は考慮しているものの、厳密には回転数に応じて発電機１４を制御しておらず、経験的にガスタービン起動から経過した時間に応じて発電機１４の出力トルクを変化させているに過ぎない。

このように、起動からの時間のみに依存した制御であると、燃料のエネルギー不足や大気温度の低下などの原因により、ガスタービン１がその時間において想定された回転数に達していない場合においては発電機１４の出力トルクが足りず、燃焼振動の原因となる場合がある。また、これとは反対に、ガスタービン１が想定された回転数よりも高い回転数であった場合、発電機１４が必要以上に起動を助けることになり、やはりガスタービン１の振動につながるという問題がある。

また、製鉄所に設置され、製鉄所の生産過程において発生する高炉ガスを燃料として使用する高炉ガス焚きのガスタービンにおいては、高炉の運転状況によって燃料ガスのカロリーなどのパラメータが大きく変動する。このパラメータの変動に対応するために、通常は、ガスタービンの試運転を重ねることによって関係式を調整し、最終的な関係式を構築している。

しかしながら、上述した従来のガスタービンシステム１１０は、起動からの時間と発電機１４の出力トルクとを関係付けるための関数接点が少なく、上記カロリーや大気状態などの変動に対応した関係式の作成が困難であった。即ち、関係式の調整しろが少なく、場合によってはガスタービンの起動ができないことがあった。また、試運転時における燃焼振動のリスクの増加、試運転期間の長期化などの問題もあった。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明は、ガスタービンの発電機を電動機として使用する際の出力トルクを、サイリスタ制御部がサイリスタをスイッチングすることによって制御するサイリスタ起動装置を備えるガスタービンシステムであって、前記ガスタービンの回転数を検出する回転数検出部と、該回転数検出部から出力される回転数に対応する前記発電機のトルク信号を出力するトルク信号演算部を備え、前記サイリスタ制御部が、前記トルク信号に基づいて前記サイリスタをスイッチングすることを特徴とする。

上記構成によれば、トルク信号演算部がガスタービンの回転数に基づいてサイリスタ制御部にトルク信号を出力する構成とした。これにより、電動機として使用する発電機がガスタービンの回転数に応じた出力トルクを発生するように制御されるため、ガスタービンの回転数が外的条件により上下した場合においても、安定した制御が可能となる。

また、前記トルク信号演算部は、前記ガスタービンの回転数に対応する前記発電機のトルク信号の関係式を用いて演算し、前記関係式はピークを有するカーブであり、前記ピークに至るまでのカーブは複数の接点により形成されていることが好ましい。

また、前記トルク信号演算部は、前記ガスタービンの回転数に対応する前記発電機のトルク信号の関係式を用いて演算し、前記関係式はピークを有するカーブであり、前記ピーク以降のカーブは複数の接点により形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、回転数に基づいてトルク信号を演算する関係式のより柔軟な調整が可能となるため、ガスタービンの起動に影響を与える外的条件が変動した場合においても、この変動幅に対応した関係式の構築が可能となる。

さらに、前記ガスタービンの起動から着火を経て自立回転に至るまでの間において、前記発電機の出力トルクを制御することが好ましい。

上記構成によれば、ガスタービンの自立回転に至るまでガスタービンの回転数が監視され、この回転数に応じて発電機の出力トルクが制御されるため、ガスタービンの起動をより安定して実施することができる。

本発明によれば、トルク信号演算部がガスタービンの回転数に基づいてサイリスタ制御部にトルク信号を出力する構成とした。これにより、電動機として使用する発電機がガスタービンの回転数に応じた出力トルクを発生するように制御されるため、ガスタービンの回転数が外的条件により上下した場合においても、安定した制御が可能となる。

本実施形態に係るガスタービンシステムの系統図である。本実施形態に係るサイリスタ起動装置の電機回路図である。本実施形態に係るトルク信号演算部が発電機の出力トルクの演算に使用する関係式を示すグラフである。従来のガスタービンシステムの系統図である。従来のガスタービン起動からの発電機の出力トルクの変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態のガスタービンシステム１０の系統図である。
図１に示すように、ガスタービンシステム１０は、ガスタービン１と、ガスタービン１を制御するガスタービン制御装置２と、ガスタービン制御装置２から出力されるガスタービン１の回転数信号が入力されるトルク信号演算部３と、トルク信号演算部３から出力されるトルク信号に基づいてガスタービン１の発電機１４を制御するサイリスタ起動装置４とを有する。

ガスタービン１は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮機１１と、この圧縮機１１から送られてきた圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器１２と、この燃焼器１２の下流側に位置し、燃焼器１２を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン１３とを備えている。このガスタービンシステム１０において、圧縮機１１、タービン１３、発電機１４は同軸により互いに連結されており、タービン１３は、発電機１４を駆動している。

また、発電機１４は、ガスタービン１の起動用電動機として使用されるように構成されている。即ち、ガスタービン１の起動時においては、発電機１４が電動機として使用され、ガスタービン１がより早く安定するための動力源となるように構成されている。

ガスタービン１は、ガスタービン制御装置２によって制御されている。ガスタービン制御装置２は、図示しない各センサの入力に基づき燃料流量調整などを行う装置であり、ガスタービン１の回転数を検出する回転数検出機能を有する回転数検出部１７を備えている。回転数検出部１７から出力されるガスタービン１の回転数信号は、トルク信号演算部３に入力される。トルク信号演算部３の詳細は後述する。

サイリスタ起動装置４は、サイリスタ（シリコン制御整流子）を使用した半導体乾式整流器によって発電機１４を電動機として使用できるようにする装置である。サイリスタ起動装置４は、サイリスタを使って電機子印加電圧を変化させ、発電機１４を電動機として使用する。サイリスタ起動装置４は、サイリスタ１６（図２参照）と、このサイリスタ１６を制御するサイリスタ制御部５を備えている。

図２は、サイリスタ起動装置４の電機回路図である。図２に示すように、サイリスタ起動装置４は、３相交流電源をサイリスタ１６によって整流し、ブラシ１７を介して電機子１８に供給する装置である。
サイリスタ１６は、サイリスタ制御部５によってスイッチング制御される。サイリスタ制御部５は、点弧位相制御によってサイリスタ１６をゲート制御する部位であり、サイリスタ１６は、サイリスタ制御部５によってその導通開始角度が制御され、電機子印加電圧が調整されて、発電機回転数が制御される。サイリスタ１６は一方向にしか電流を通さないため、通常は図２のように２組のサイリスタがブリッジ構成にされている。

トルク信号演算部３は、入力されたガスタービン１の回転数信号に基づき、サイリスタ起動装置４に発電機１４のトルク信号を出力するアナログインターフェースである。
発電機１４のトルク信号は、ガスタービン１の回転数信号に基づき、図３に示す関係式を用いて算出される。関係式は、回転数を横軸とし、出力トルクを縦軸としたトルクカーブとされている。

また、横軸のゼロ点は、ガスタービン１の起動のタイミングと一致している。なお、起動時においてガスタービン１は、たわみ防止のための序動回転（ターニング）を行っている。即ち、ガスタービン１の起動は回転数０からの起動ではなく、低速の回転からの起動である。また、サイリスタ制御装置４による制御は、ガスタービン１が自立回転に入るまで行われる。ガスタービン１が自立回転に入るとサイリスタ起動装置４による発電機１４の制御は終了する。

トルクカーブは、１０点の回転数と出力トルクの組からなる関数接点から構成されており、所定の回転数に至るまでは、出力トルクが略線形的に上昇するように回転数と出力トルクとを関連付けている。また、所定の回転数に達してからは、やはり線形的に出力トルクを減少させるように、回転数と出力トルクとを関連付けている。

即ち、トルク信号演算部３は、ガスタービン１の回転数が所定回転数以下の段階では、発電機１４（電動機）が回転数に比例したトルクを出力するように、発電機１４を制御する。この回転上昇に従って、ガスタービン１の着火が行われ、ガスタービン１の回転数は、自立回転が可能な回転数に近づく。次いで、所定回転数以上では、発電機１４によるアシストは必要なくなるため、回転数が上がるに従ってトルクを減少させるように制御を行う。

また、上述したように、トルクカーブは１つのピークを有する１０点の関数接点によって構成されている。これらの関数接点は、ガスタービン１の固体差に応じて適宜調整可能である。具体的には、試運転などを経て、燃料の状態や、大気の状態に変動があった場合においても、正常な回転上昇が行えるように調整される。例えば、本実施形態の関係式のトルクカーブは、図３に示すように、ピークに至るまでのカーブがやや下に凸の湾曲している。これは、試運転を経て、トルクカーブを構成する関数接点を上下方向に調整した結果である。

また、トルクカーブの関数接点は多い程好ましいが、ハードウェアの制約に従った点数が適宜選択される。上述したように、外的条件に柔軟に対応可能な関係式を構築する為には、ピークに至るまでのカーブは複数の接点により形成されていることが好ましい。また、ピーク以降のカーブは複数の接点により形成されていることが好ましい。

上述したような過程で決定された出力トルクのトルク信号は、トルク信号演算部３より出力されてサイリスタ起動装置４のサイリスタ制御部５に入力される。サイリスタ制御部５は、このトルク信号に基づいてサイリスタ１６をスイッチングすることで発電機１４を制御し、発電機１４はガスタービン１の回転数に応じた出力トルクを出力する。

上記実施形態によれば、トルク信号演算部３がガスタービン１の回転数に基づいてサイリスタ制御部５にトルク信号を出力する構成とした。これにより、電動機１４として使用する発電機がガスタービン１の回転数に応じた出力トルクを発生するように制御されるため、ガスタービン１の回転数が外的条件により上下した場合においても、安定した制御が可能となる。

また、回転数に基づいてトルク信号を演算する関係式が、１０点からなる関数接点から構成されていることにより、関係式のより柔軟な調整が可能となる。これにより、ガスタービン１の起動に影響を与える外的条件が変動した場合においても、この変動幅に対応した関係式の構築が可能となる。さらに、調整しろの拡大により、試運転時における燃焼振動などのリスクを低減させることができ、試運転期間の短縮に繋げることができる。

また、ガスタービン１の自立回転に至るまでガスタービン１の回転数が監視され、この回転数に応じて発電機１４の出力トルクが制御されるため、ガスタービン１の起動をより安定して実施することができる。

さらに、アナログインターフェースとしてのトルク信号演算部３を追加することによって、既存のガスタービンシステムに適用可能であるため、サイリスタ起動装置４に大きな変更を加えることなく、サイリスタ起動装置４の運用性を向上させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、以上で説明した実施形態では、トルク信号演算部３はガスタービン制御装置２から出力されたガスタービン１の回転数より出力トルクを演算するように構成されているが、ガスタービン制御装置２を介することなく、トルク信号演算部３が独自にガスタービン１の回転数を参照するような構成としてもよい。

１…ガスタービン、２…ガスタービン制御装置、３…トルク信号演算部、４…サイリスタ起動装置、５…サイリスタ制御部、１０…ガスタービンシステム、１４…発電機、１５…回転数検出部

Claims

ガスタービンの発電機を電動機として使用する際の出力トルクを、サイリスタ制御部がサイリスタをスイッチングすることによって制御するサイリスタ起動装置を備えるガスタービンシステムであって、
前記ガスタービンの回転数を検出する回転数検出部と、
該回転数検出部から出力される回転数に対応する前記発電機のトルク信号を出力するトルク信号演算部を備え、
前記サイリスタ制御部が、前記トルク信号に基づいて前記サイリスタをスイッチングすることを特徴とするガスタービンシステム。
前記トルク信号演算部は、前記ガスタービンの回転数に対応する前記発電機のトルク信号の関係式を用いて演算し、
前記関係式はピークを有するカーブであり、前記ピークに至るまでのカーブは複数の接点により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
前記トルク信号演算部は、前記ガスタービンの回転数に対応する前記発電機のトルク信号の関係式を用いて演算し、
前記関係式はピークを有するカーブであり、前記ピーク以降のカーブは複数の接点により形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービンシステム。
前記ガスタービンの起動から着火を経て自立回転に至るまでの間において、前記発電機の出力トルクを制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。