JP2013201892A - 周波数コンバータを用いたガスタービンの始動 - Google Patents

Abstract

【課題】パワープラント装置の始動方法を提供する。
【解決手段】ガスタービン（２）と、ガスタービン（２）に結合された発電機（１８）と、系統周波数を有する電流を供給するために電力系統（１）に接続可能な周波数コンバータとを有するパワープラント装置（１０）の始動方法において、ガスタービン（２）の始動中、周波数コンバータ（２７）は、ガスタービン（２）の公称回転速度に達する前に、当該周波数コンバータ（２７）が系統周波数を有する出力電流を生成し、発電機（１８）が周波数コンバータ（２７）を介して電力系統（１）に接続されるよう制御される。
【選択図】図７

Description

本発明は、パワープラントエンジニアリングの分野に関する。本発明は、発電機と系統との間の電子周波数変換を用いたガスタービン装置を動作させる方法、および、かかる方法の実施のためのガスタービン装置に関する。

電流を生成する発電機がタービンにより駆動され、生成される電気出力が所定の系統周波数（たとえば５０または６０Ｈｚ）で系統に供給される１００ＭＷ超の範囲の出力を有する大型パワープラント装置は、通常、タービンの（機械）回転速度と系統周波数との間で固定結合されている。ここで、発電機の出力は、系統接続を介して固定周波数を有する系統に接続されており、発電機はガスタービンに直接接続されている。より小型のパワープラント装置においては、発電機は機械ギアユニットを介して回転速度結合的にタービンによって駆動される。タービンの回転速度と系統周波数との間の固定された伝達比のみが、ギアユニットによって実現される。

始動のため、ガスタービンは典型的には発電機によって加速され、発電機は、ガスタービンの自立回転速度を超えるまで、モータとして制御され動作される。ここで、ガスタービンの自立回転速度は、タービンによるパワー（power）出力によりガスタービンを動作状態に維持するために十分な最小回転速度である。発電機のフィードは自立回転速度より上では切断され、発電機は系統から電気的に分離される。ガスタービンは公称回転速度に達するまで、自身の力で加速される。発電機により電気系統に直接結合される従来の大型ガスタービンについて、この回転速度は系統周波数に一致する。ギアユニットを有するガスタービンにおいて、公称回転速度は、ギアユニットの回転速度比が乗算された系統周波数に一致する。

公称回転速度に達した後、発電機は同期可能となり、電力（power）が電力系統に出力可能となる。同期のため、ガスタービンは典型的には最初、系統周波数に比べてわずかに過速度にされ、回転速度はその後、回転速度と位相シフトにおける偏差が同期のために許容可能な偏差以下となるまで低下され、ガスタービンはその後同期される。このプロセスは比較的時間がかかり、おおよそ数秒から数分かかる場合がある。

さらに、同期プロセスは、タービンの高温ガスと排気ガス温度における不必要な過渡現象をもたらす。自立回転速度より上では、ガスタービンが出力可能なパワーは回転速度とともに増大する。一定の高温ガス温度での始動プロセスの最後の部分におけるパワー上昇は、ガスタービンのさらに高速化する加速をもたらす。ガスタービンを公称回転速度に調節するため、タービンのパワー出力は低減しなければならないが、これは高温ガス温度の低下により実現される。系統への同期後、タービンは典型的には負荷されるが、そのためには、高温ガス温度は再び上昇される。

本発明の課題は、ガスタービンパワープラントの高速始動方法を特定することである。さらに、一時的なタービンの熱負荷が低減されるべきである。本発明はまた、本方法の実施に適したガスタービンパワープラントに関する。

上記方法を実施するためのパワープラント装置は、ガスタービンと、ガスタービンに結合された発電機と、周波数コンバータとを有し、周波数コンバータは、電気系統に電流を供給するために、系統周波数で系統に接続可能である。

ガスタービンの始動は、運転停止から電気系統との同期までのガスタービンの準備を意味するものと理解されるべきである。

パワープラント装置を始動するための本方法は、ガスタービンの公称回転速度に達する前に発電機が周波数コンバータを介して電気系統に接続され、ここで、周波数コンバータは当該周波数コンバータが系統周波数を有する電流を生成するように制御されることを特徴とする。

したがって、電力はガスタービンの公称回転速度に達する前でも電気系統に出力可能である。この電力は好ましくは昇圧トランスを介して直接電気系統に出力される。

公称回転速度または設計回転速度は、ガスタービンが負荷状態で動作される回転速度を意味するものと理解されるべきである。大型ガスタービンにおいて、これは典型的には系統周波数、すなわち、３０００ｒｐｍまたは３６００ｒｐｍに対応する５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。周波数コンバータを用いて、ギアユニットを用いた場合も同様に、タービンの機械的公称周波数または公称回転速度は、系統に対して同期回転速度から電圧変換率分外れてよく、したがって、たとえば、６０Ｈｚの系統への供給のための３０００ｒｐｍの公称回転速度または５０Ｈｚの系統への供給のための３６００ｒｐｍの公称回転速度が可能であり、一方で、それから外れる回転速度も実現可能である。周波数コンバータを用いる中程度のパワーのガスタービンに関して、機械的周波数から系統周波数への電圧変換率は１よりはるかに大きく、典型的には２〜５の範囲である。

本方法の一実施形態によれば、発電機は、系統に電力を出力するために、ガスタービンの動作回転速度の９０％未満の回転速度で周波数コンバータを介して電力系統にすでに接続されている。動作回転速度は、所定の環境条件においてガスタービンが目標パワーを生成するために定常状態にあるときの動作回転速度である。典型的には、ＩＳＯ条件における動作回転速度およびベース負荷が公称速度に等しい。動作回転速度は、たとえば、部分負荷および／又は低い環境温度における公称速度より低い。

ガスタービンを始動するため、低い回転速度でのコンプレッサにおける失速を避けるために、コンプレッサの吐出し弁は典型的には開放されている。これらの吐出し弁は公称回転速度に達する前に、たとえば、公称回転速度の７０％〜９０％の間ですでに閉鎖されてよい。発電機は典型的には、ガスタービンの吐出し弁が閉鎖されたときに、周波数コンバータを介して電気系統に接続される。本方法の実施形態では、発電機はガスタービンの吐出し弁が閉鎖されるとすぐに周波数コンバータを介して電気系統に接続される。ガスタービンの自立回転速度は、典型的には公称回転速度の４０％〜６０％である。自立回転速度より約１０％〜２０％上の回転速度では、タービンのパワーはコンプレッサを駆動し、摩擦損失を克服する等のために必要なパワーよりもはるかに大きく、したがって、ガスタービンはシャフトトレーンを自身で加速し、使用可能なパワーがさらに出力可能となる。本方法の一実施形態によれば、ガスタービンが系統周波数の７０％〜８５％の間の回転速度に達するとすぐに、発電機は周波数コンバータを介して電力系統に接続される。

別の実施形態では、３０００ｒｐｍの公称回転速度を有するガスタービンを用いる周波数コンバータを介して６０Ｈｚの系統周波数を有する系統に電流が供給される。特にこの場合において、発電機はガスタービンが系統周波数の７０％〜８５％の間の回転速度に達するとすぐに周波数コンバータを介して電気系統に接続される。

本方法の別の実施形態では、発電機は始動トランスおよび静止始動装置を介してガスタービンの回転を開始するための最初のステップにおいてモータとして動作される。第２のステップにおいて、発電機は静止始動装置から分離され、第３のステップにおいて、電力を出力するために、周波数コンバータを介して系統に接続される。

本方法の一実施形態では、発電機は、ガスタービンの自立回転速度を超えるまで、ガスタービンの回転を開始するためにモータとして動作される。

別の実施形態では、発電機は、ガスタービンのパワーがシャフトトレーンの加速に必要なパワーを超える（すなわち、自立回転速度より上、典型的には、自立回転速度の５％〜１０％または２％〜２０％上）まで、ガスタービンの回転を始めるためにモータとして動作される。ガスタービンパワーがシャフトトレーンの加速に必要なパワーを超えるとすぐ、電力が同じ周波数コンバータを介して系統に出力される。

本方法の別の実施形態では、発電機は、周波数コンバータを介して系統から電流が供給され、ガスタービンのパワーがシャフトトレーンの加速に必要なパワーを超えるまで、ガスタービンの回転を開始するためにモータとして動作される。ガスタービンのパワーがシャフトトレーンの加速に必要なパワーとしきい値との和を超えるとすぐ、電力が周波数コンバータを介して系統に出力される。たとえば、しきい値はパワープラント装置の最小電力である。最小電力は、系統への電力供給を確実にし、発電機への電力帰還流を防ぐために定義される。たとえば、最小電力は発電機の公称電力の約０．５％〜２％である。

過剰のパワーがこの最大の回転速度勾配を実現するために十分大きければすぐに、典型的には準備段階での始動プロセスの間、ガスタービンの回転速度勾配は最大値に制御される。公称回転速度を超える回転速度の強いオーバーシュートを防ぐため、および、公称回転速度への安定な調整を容易にするため、この最大回転速度勾配は典型的には回転速度に依存しており、公称回転速度に達する前は小さい。ここで、回転速度勾配は典型的には高温ガス温度により制御される。公称回転速度に達する前の過剰な加速を防ぐため、高温ガス温度は大きく低下させる必要がある。ガスタービンの付随する熱負荷およびガスタービンの負荷の遅延を防ぐため、本方法の一実施形態にかかるガスタービンの加速は、発電機が周波数コンバータを介して系統に電力を出力するとすぐに、系統への電力出力を介して制御され、この際、高温ガス温度の大きな変動なしに公称回転速度への調整が可能である。

提案される方法は、同期からのガスタービンの加速を可能とし、ここで、タービン出口温度は所定の曲線に従って制御され、加速は出力電力により制御される。所定の出口温度はたとえば一定のタービン出口温度であり、または、回転速度に従って与えられる。本方法の一実施形態では、公称回転速度に達すると、タービン出口温度は一定に維持され、ガスタービンの回転速度は出力電力の制御によりガスタービンの公称回転速度に制御される。出力電力の制御とは、典型的には、回転速度のさらなる上昇を防ぐための、パワーの増大である。安定な電力出力および制御を確実にするため、本方法の一実施形態にかかる周波数コンバータは、発電機が系統に接続された時点から、発電機が系統にガスタービンの公称出力（power）の少なくとも１％の電力を出力するように制御される。

本方法の他に、本発明は、本方法の実施のためのパワープラント装置に関する。この種のパワープラント装置はガスタービンの始動時にコンプレッサからのエアを吹き出す吐出し弁を有するガスタービンと、ガスタービンに結合された発電機と、電力系統に接続可能な周波数コンバータとを有する。パワープラント装置は、周波数コンバータが制御装置を有し、制御装置が、パワープラント装置の始動の間、吐出し弁が閉鎖された後でかつガスタービンの公称回転速度に達する前に、周波数コンバータを、それが系統周波数を有する出力電流を生成するように制御することを特徴とする。これにより、ガスタービンがその公称回転速度に達する前に、発電機が電気系統に接続し、系統に電力を出力できる。

一実施形態では、周波数コンバータは昇圧トランスを介して系統に接続される。別の実施形態では、モータとして発電機を制御するために、周波数コンバータは昇圧トランスを介して系統から電力が供給可能であり、その電力は電力系統に電力を伝達するために負荷状態で動作されるときに用いられる。

別の実施形態では、始動トランスが周波数コンバータと系統との間に設けられ、系統からの電流を、発電機の負荷状態での動作時の電圧よりも低い始動電圧に変換する。始動電圧と系統周波数を有する交流電流から始めて、発電機は周波数コンバータによりモータとして制御される。有利には、周波数コンバータは、負荷状態での動作のための始動トランスを介してまたは始動のための始動トランスを介して、系統に選択的に接続可能である。

好適な実施形態では、系統に電力を出力するために、発電機回路遮断器、昇圧トランスおよび系統高電圧トランスが、周波数コンバータと系統との間に設けられており、始動トランスおよび始動スイッチが電力消費のために発電機回路遮断器に並列に設けられている。したがって、ガスタービンを始動するため、電力が発電機回路遮断器、始動トランスおよび始動スイッチを介して系統から周波数コンバータに導かれる。

本発明について、図面に基づいて例示的実施形態について以下より詳細に説明する。

ガスタービンと、周波数コンバータを有する発電機と、下流水／蒸気循環路とを有するコンバインドガスタービンプラントの大きく簡略化した概略図を示す。 周波数コンバータと静止始動装置とを有する本発明の例示的実施形態にかかる大きく簡略化した単線接続図を示す。 系統への電流供給のためのおよびモータとしての発電機の制御のための周波数コンバータを有する本発明の例示的実施形態にかかる、大きく簡略化した単線接続図の詳細を示す。 周波数コンバータと系統との間の２つのトランスを有する例示的実施形態にかかるパワープラント装置の大きく簡略化した単線接続図の詳細を示す。 図１から４のいずれかにかかる装置における電子周波数コンバータとして使用可能なマトリクスコンバータの例示的構造を示す。 ガスタービンプラントの始動の間の主要なプロセス変数の変化の例を示す。 本発明にかかるガスタービンの始動に伴う、主要なプロセス変数の変化の例を示す。 ガスタービンの回転開始から周波数コンバータを分離しない本発明にかかるガスタービン始動に伴う、主要なプロセス変数の変化の例を示す。

図１は、パワープラント装置１０の大きく簡略化した図を示す。パワープラント装置１０は、第１の発電機１８に結合されたガスタービン２と、第２の発電機８に結合された蒸気タービン２４とによって電流を生成し、該電流を系統１に供給する。ガスタービン２と発電機１８とは共通シャフトにより結合され、シャフトトレーン９を形成する。最も単純な場合、ガスタービン２は、吸気口１６を介して燃焼空気を引き込み、圧縮するコンプレッサ１３を有する。コンプレッサ１３はたとえば連続的に接続された複数のサブコンプレッサから構成され、サブコンプレッサは増加する圧力レベルで動作し、必要な場合に圧縮空気の中間的な冷却を可能とする。コンプレッサ１３において圧縮される燃焼空気は燃焼チャンバ内に達し、燃焼チャンバ内に液体燃料（たとえば石油）または気体燃料（たとえば天然ガス）が燃料供給１７を介して注入され、燃焼空気の消費とともに燃やされる。ガスタービンはさらに吐出し弁４７を有し、吐出し弁を介して、ガスタービンの始動の間、コンプレッサ１３の少なくとも１つの中間段階においてから、コンプレッサ１３内の低速速度による失速を避けるため、典型的にはガスタービンの公称回転速度の７０％〜９０％の間の回転速度まで空気が吹き出される。たとえば、空気が周辺環境に、または、ラインを介してガスタービンの排気ガスライン（図示せず）に吹き出される。

燃焼チャンバ１５から出た高温ガスは後続のタービン１４内で仕事膨張され、コンプレッサ１３および結合された第１の発電機１８を駆動する。タービンから出るときには未だ比較的高温の排気ガスは、蒸気タービン２４の動作のための蒸気を生成するため、後続の廃棄熱蒸気発生器２３を通して独立な水／蒸気循環路２５内を送られる。図を簡単にするため、水／蒸気循環路２５の凝縮器、供給水ポンプおよび他のシステムは、示していない。ガスタービンパワープラントと蒸気パワープラントのこのような組み合わせは、コンバインドパワープラントといわれる。ここで、蒸気タービン２４はタービン１４の反対側の第１の発電機１８に結合されてよい。ガスタービン２、第１の発電機１８および蒸気タービン２４は、シングルシャフトパワートレーンとして知られるものを形成する。しかし、蒸気タービン２４は図１に示されるように、別個のシャフトトレーン１１上のそれ自身の第２の発電機８を駆動してもよい。マルチシャフト型装置に関して種々の組み合わせが知られている。たとえば、第２の発電機８を有するシャフトトレーン１１の蒸気タービン２４に、２つのタービンの間に設けられた廃棄熱蒸気発生器２３によって蒸気が供給される、いわゆる２イン１構成として知られるものが広く用いられている。ここで、ガスタービン２はそれぞれ自身の第１の発電機１８を有するシャフトトレーン９に設けられている。同様に、蒸気タービン２４を駆動するために、ガスタービン２の下流に設けられた３つ以上の廃棄熱蒸気発生器２３により蒸気が用いられる構成もある。

図１の１シャフト型ガスタービンについて、ガスタービン２の回転速度は第１の発電機１８で生成される交流電圧の周波数に対して固定された比を有する。系統周波数に独立にガスタービン２を動作可能とするため、発電機は周波数コンバータ２７を介して系統１に接続されている。系統電圧は典型的には発電機電圧より高いため、昇圧トランスが周波数コンバータ２７と系統１との間にさらに設けられている。周波数コンバータ２７により、ガスタービン２または発電機１８はその公称回転速度に達する前においても系統１に接続でき、昇圧トランス３を介して系統１に電力を供給できる。対応する接続により、周波数コンバータ２７は、ガスタービン２の始動のためのモータとして発電機１８を動作するために用いることができる。

本発明にかかるパワープラントの第１の実施形態の単線接続図からの大きく簡略化した詳細を図２に示す。この構成では、ガスタービンが公称回転速度に達する前に系統１への電力供給が可能である。当該構成は少なくとも１つのタービンにより駆動される従来の発電機１８を有し、該発電機の出力電力はパワープラント系統５を介して伝達される。パワープラント系統５は、発電機１８をパワープラント系統５から分離する、高電圧ラインおよび発電機回路遮断器６を有する。発電機１８により生成される電流は系統接続２０、昇圧トランス３および系統高電圧スイッチ２１を介して系統１に供給される。パワープラントに属し、これにより供給される中電圧系統および低電圧系統からなる電力系統は、典型的には補助トランスおよび高圧スイッチ（図示せず）を介してパワープラント系統５と接続される。

発電機励起電流はパワープラント系統５から引き込まれ、励起トランス７を介して励起電圧に変換され、静止励起器４３において整流され、制御される。励起は励起スイッチ４０によりオンオフされる。

ガスタービンの始動のためのモータとして発電機１８をスイッチングするため、発電機１８は始動トランス４２および静止始動装置（静止周波数コンバータ）４５を介してパワープラント系統５から電流が供給される。静止始動装置４５は、発電機１８に接続されるか、または、そこから始動スイッチ２６により分離される。

通常動作の間、発電機１８により生成される電流の周波数は周波数コンバータ２７において系統周波数に変換される。これによりガスタービンのより柔軟な動作が可能となる。有利には、周波数コンバータは、発電機１８がその動作回転速度に達する前の系統１への発電機１８の電気接続を可能とする。この接続は、たとえば、ガスタービン２がその自立回転速度に達し、始動スイッチ２６が開き、発電機１８の励起器が励起スイッチ４０によりオンに切り替えられたすぐ後に起こる。励起電圧は典型的にはパワープラント系統５の電圧よりも低く、これが励起トランス７を静止励起器４３の電力供給のために設けられる理由である。

本発明にかかるパワープラントの第２の実施形態が図３に示されている。図３に示す例示的実施形態は、図２の実施形態に基づいている。この実施形態では、ガスタービン２の始動のための静止始動装置４５が除かれている。周波数コンバータ２７が始動のためにモータとして発電機１８を制御するために用いられる。このため、この実施形態の周波数コンバータ２７は、発電機１８のモータ動作の間、昇圧トランス３を介して直接系統１から電流が供給される。

本発明にかかるパワープラントの他の実施形態が図４に示されている。周波数コンバータ２７の設計および昇圧トランス３の前の電圧に依存して、周波数コンバータ２７はモータとして発電機１８を直接制御するために用いることはできない。始動のためにより低い電圧レベルで電流を周波数コンバータ２７に供給するため、始動トランス４２（開始トランスともいう）および始動スイッチ２６がこの実施形態では設けられている。系統高電圧スイッチ２１は始動の間、閉じられる。発電機１８をモータとして動作させるため、周波数コンバータ２７は、始動トランス３および始動トランス４２を介して適切な電圧が供給される。発電機／モータ電力がガスタービンの回転を開始するためにもはや必要でなくなるとすぐに、始動スイッチ２６が閉じられる。その後、必要なクリアランスに達すると、発電機１８は励起され、電力が周波数コンバータ２７、発電機スイッチ６、昇圧トランス３および系統高電圧スイッチ２１を介して系統１に出力される。

種々の種類の周波数コンバータ２７が知られている。マトリクスコンバータの例示的構造として、図１〜４にかかる装置における電子周波数コンバータ２７として用いることができるものが、図５に示されている。

電子周波数コンバータ２７は好適には電力損失を制限するために、ＤＣリンクの無いマトリクスコンバータとして形成されている。その制御を理由として特に低損失で動作する、このようなマトリクスコンバータの構造および動作原理は、ＥＰ−Ａ２−１１９９７９４に記載されている。かかるマトリクスコンバータの他の実施形態は、ＥＰ−Ａ１−１５６１２７３、ＤＥ−Ａ１−１０２００４０１６４５３、ＤＥ−Ａ１−１０２００４０１６４６３およびＤＥ−Ａ１−１０２００４０１６４６４に開示されている。６つの入力相および３つの出力相を有するマトリクスコンバータの基本概略図が図５に示されている。マトリクスコンバータ２７は、時間順で、ソースとしての発電機１８の６つの相Ｇ１、…、Ｇ６を、負荷３０の３つの相Ｌ１、…、Ｌ３に接続する。これに必要とされる電力素子２９は、逆並列接続サイリスタの形態の１８個の双方向スイッチ３２を有する（通常、ｍ個の入力／ソースおよびｎ個の出力／負荷について、ｍ×ｎ個のスイッチが存在する）。スイッチ３２は（６×３）マトリクスで設けられている。スイッチ３２の制御のために、制御ユニットまたは制御装置３１が設けられており、制御装置はクロック発生器２８から時間信号（クロック周波数）を受け取る。スイッチ３２それぞれのスイッチング状態（オン、オフ）は監視され、第１の信号線３６を介して制御装置３１に信号送信される。スイッチ３２はそれぞれ制御線３５を介して制御装置３１によって制御される。

電流計３４が発電機８、１８の個々の相Ｇ１、…、Ｇ６それぞれに設けられており、電流計３４は第２の信号線３７を介して相電流の極性符号を信号送信する。さらに、電圧計３３が発電機８、１８の相Ｇ１、…、Ｇ６の間に設けられており、電圧計３３は第３の信号線３８を介して制御装置３１に各位相差電圧の極性符号を信号送信する。マトリクスコンバータの動作手順の詳細に関しては、上述の文献が参照される。

他の周波数コンバータの種類も本発明にかかる適用に適しており、ここで、周波数コンバータの高度な効率性が適用に有利である。

示されている例では、周波数コンバータは発電機から分離された装置として示されている。その代わりに、周波数コンバータは発電機に統合されていてもよく、または、周波数コンバータはロータ巻線の制御された回転場／励起周波数によって、発電機１８の出力周波数を設定／制御してもよい。

図６は、周波数コンバータ２７を用いないガスタービン始動の間の主要なプロセス変数の変化の例を示す。始動を示すため、回転速度ｎ、タービン出口温度ＴＡＴおよびガスタービンパワーＰ_ＧＴが経時的に示されている。公称回転速度に達するまでの準備段階の間、総発電機電力とシャフトトレーン９の加速パワーの合計がガスタービンパワーＰ_ＧＴを形成する。ここで、負の総発電機電力はモータ動作の間に発電機が出力する電力である。ガスタービンの回転が運転停止から、すなわち０ｒｐｍに等しい回転速度ｎから開始すると、加速パワーは当初、モータとして動作され必要な場合に別個の始動励起器により励起される発電機１８の電力に等しい。回転速度の上昇につれ、コンプレッサのパワー消費はより大きくなり、その結果、加速は低下し、ガスタービンパワーＰ_ＧＴは低下する。燃焼チャンバ１５内での点火１２直後、ＴＡＴ制御によって燃料供給が安定化され、ガスタービンがより強く加速されるまで、タービン出口温度ＴＡＴは急峻に上昇する。したがってガスタービンのパワーＰ_ＧＴはさらに落ちる前に短期間上昇する。自立回転速度を超え、吐出し弁が閉鎖されると、ガスタービンパワーＰ_ＧＴは急峻に上昇する。静止始動装置４５は典型的にはガスタービン２の公称回転速度の６０％から８０％に切り替えられ、ガスタービンは、さらに単独で、発電機の駆動なしで、加速する。公称回転速度への回転速度ｎの安定調整を確実にするため、回転速度の勾配（加速度）は典型的には制限される。回転速度制御装置が干渉し、タービン出口温度ＴＡＴは低下される。公称回転速度に達するとすぐ、回転速度ｎは安定化され、発電機１８は同期される。この比較的時間のかかる安定化および同期４４の後でのみ、ガスタービンの負荷１９が開始可能となり、そのために、タービン出口温度ＴＡＴが上昇される。同期４４から、ガスタービン２は一定の回転速度ｎで動作され、ガスタービンパワーＰ_ＧＴは発電機１８の電力に等しい。

同期４４のため、ガスタービン２は系統１に比してわずかに（すなわち、最大１％または２％）過速度とされ、同期装置は発電機１８の周波数が系統１の周波数と同相となるまでガスタービン２の制御を担う。発電機１８の周波数および電圧が系統１の周波数および電圧に対応するとすぐ、同期装置は発電機スイッチ６を閉鎖するよう命令を与える。そうでなければ発電機１８はすぐに自動的に系統１から分離されるため、負の電力はこのプロセスの間回避されるべきである。

タービン出口温度ＴＡＴは高温のガス温度に等しい。いずれも典型的には燃料供給１７により制御される。ガスタービン２を公称回転速度で安定化させるため、ガスタービンパワーＰ_ＧＴは加速段階と比べて大きく低減されるべきである。このため、当座のタービン出口温度ＴＡＴおよびしたがって高温ガス温度もまた、低下されるべきである。高速始動のため、タービン出口温度ＴＡＴは最も高く選択されるべきである。回転速度ｎの安定化のためのタービン出口温度ＴＡＴの低下、および、ガスタービン２の負荷１９の間のその後のタービン出口温度ＴＡＴの上昇は、過渡的な温度変化につながり、付随する熱起電力によって耐用年数がさらに減少しうる。

図７は、本発明にかかる方法の一実施形態についての図６からの主要なプロセス変数の例示的変化を示す。ガスタービン２の公称回転速度に達する直前まで、図６に示す始動と同じ始動が行われる。静止始動装置４５がガスタービン２の公称回転速度の６０％〜８０％の間に切り替えるとすぐ、発電機１８の静止励起器４３がオンに切り替えられる。発電機１８は公称回転速度に達する前でも周波数コンバータ２７を介して系統に同期的に接続可能である。従来の同期は必要ではない。周波数コンバータがオンに切り替えられるとともに、タービンは電力制御に入る。たとえば、タービンは公称回転速度までさらなる加速のための目標値として最小パワーでもって制御可能である。周波数コンバータの制御がタービンの回転速度制御を担う。ガスタービン２の公称回転速度への調整は、この制御により実現される。それまで加速に用いられた正のガスタービンパワーＰ_ＧＴが系統１に出力される、すなわち、いわば公称速度に達した時に加速が「減速される」ようにこれは制御される。負荷はその後直接に行われる。

ガスタービンは同期４４のためのアイドリング段階を通じて最初に行われる必要は無いが、系統１に電力を直接出力するので、タービン出口温度ＴＡＴは高いレベルに保持される。理想的には、同期４４の間のタービン出口温度ＴＡＴへの一時的な変化は、完全に補償される。

図８は本発明の方法の別の実施形態についての主要なプロセス変数の例示的変化を示す。この例では、ガスタービン２の最初の回転の後、系統１から周波数コンバータ２７を分離すること無く、ガスタービンの始動が起きる。ガスタービン２は周波数コンバータ２７によりモータとして制御される発電機１８により回転される。このため、発電機スイッチ６は運転停止から閉鎖される。周波数コンバータを分離しない本発明によるガスタービン始動では、発電機スイッチ６はガスタービンの最初の回転から閉鎖されたままである。ガスタービンがシャフトトレーンの加速のために十分なパワーを生成するとすぐ、周波数コンバータの制御は、発電機がもはや電力を出力しないように制御する。回転速度ｎの上昇につれ、周波数コンバータ２７は電力が系統に出力されるように制御される。ここで、負荷１９はガスタービン２の公称回転速度に達する前にすでに始まっている。ガスタービンの回転速度ｎは、それが公称回転速度で安定化するように増加する電力出力により制御される。したがって、タービン出口温度ＴＡＴの一時的な低下は完全に避けられる。電力の増大につれ、タービン出口温度ＴＡＴのさらなる上昇が生じる。これは圧力状態の上昇に伴う改善された冷却に対応する。

本発明の可能な実施形態は本明細書中に示す実施例に限定されない。実施例に基づいて、当業者は等価な回路および方法を製造する多くの可能性が与えられる。特にスイッチ、トランスおよびラインの構成に関して、多くの組み合わせが可能である。簡略化のため、安全スイッチおよび補助システムの大部分も示していない。さらに、用途は本明細書に示す種類および組み合わせに限られない。有利には、用途はコンバインドサイクルパワープラントへの使用に限定されない。純粋なガスタービンパワープラントへの適用も可能である。さらに、用途は、図１に示すような、１つの燃焼チャンバを有するガスタービンに限定されず、たとえばＥＰ０７１８４７０から知られるような、シーケンシャル燃焼のガスタービンについての限定無く適用可能である。

上記の実施例では、廃棄熱蒸気発電機２３のボイラ洗浄は示されていない。ボイラ洗浄は、典型的にはガスタービンの点火の前に、廃棄熱蒸気発電機２３の構成に必要である。このため、ガスタービンは洗浄回転速度とされ、爆発性の燃料混合気が廃棄熱蒸気発電機２３から確実に除かれるまで、新鮮な空気が流される。その状態となったあとすぐ、ガスタービンは上述のように始動される。

さらに、蒸気タービン２４の回転速度は、系統１の系統周波数に独立に電子周波数コンバータを用いても制御可能であり、この場合、蒸気タービンの自動始動もまたモータ動作時の発電機を用いた提供される周波数コンバータによって支援可能である。

１ 系統、 ２ ガスタービン、 ３ 昇圧トランス、 ４ 始動トランス、 ５ パワープラント系統、 ６ 発電機回路遮断器、 ７ 励起トランス、 ８ 蒸気タービン発電機、 ９ シャフトトレーン、 １０ パワープラント装置、 １１ 蒸気タービンのシャフトトレーン、 １２ 点火、 １３ コンプレッサ、 １４ タービン、 １５ 燃焼チャンバ、 １６ 吸気口、 １７ 燃料供給、 １８ 発電機、 １９ 負荷、 ２０ 系統接続（周波数結合された）、 ２１ 系統高電圧スイッチ、 ２２ ガスタービン排気ガス、 ２３ 廃棄熱蒸気発電機、 ２４ 蒸気タービン、 ２５ 水／蒸気循環路、 ２６ 始動スイッチ、 ２７ 電子周波数コンバータ、 ２８ クロック発生器、 ２９ 電力素子、 ３０ 負荷、 ３１ 制御装置、 ３２ スイッチ（双方向）、 ３３ 電圧計、 ３４ 電流計、 ３５ 制御線、 ３６、…、３８ 信号線、 ３９ 排気ガス、 ４０ 励起スイッチ、 ４１ 始動／系統高電圧スイッチ、 ４２ 始動トランス、 ４３ 静止励起器、 ４４ 同期、 ４５ 静止始動装置、 ４６ 到達した公称回転速度、 ４７ 吐出し弁、Ｇ１〜Ｇ６ 相（発電機）、 Ｌ１〜Ｌ３ 相（負荷）、 ｎ 回転速度、 ｔ 時間、 ＴＡＴ タービン出口温度、 Ｐ_ＧＴ ガスタービンパワー

Claims (14)

1. ガスタービン（２）と、前記ガスタービン（２）に結合された発電機（１８）と、系統周波数を有する電流を供給するために電力系統（１）に接続可能な周波数コンバータとを有するパワープラント装置（１０）の始動方法であって、
   前記ガスタービン（２）の始動中、前記周波数コンバータ（２７）は、前記ガスタービン（２）の公称回転速度に達する前に、当該周波数コンバータ（２７）が前記系統周波数を有する出力電流を生成し、前記発電機（１８）が前記周波数コンバータ（２７）を介して前記電力系統（１）に接続されるよう制御される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記発電機（１８）は、前記ガスタービン（２）の動作回転速度の９０％未満の回転速度で前記周波数回転装置（２７）を介して前記電力系統（１）に接続される、請求項１記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
3. 前記発電機（１８）は、前記ガスタービンが前記系統周波数の７０％〜８５％の間の回転速度に達するとすぐに、前記周波数コンバータ（２７）を介して前記電力系統（１）に接続される、請求項１又は２記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
4. 前記発電機（１８）は、前記ガスタービンの吐出し弁（４７）の閉鎖後すぐに、前記周波数コンバータ（２７）を介して前記電力系統（１）に接続される、請求項１記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
5. 前記発電機（１８）は、前記ガスタービンの自立回転速度を超えるまで、前記ガスタービン（２）の回転を開始するためにモータとして動作される、請求項１から４のいずれか１項記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
6. 前記発電機（１８）は、最初、始動トランスおよび静止始動装置（６３）を介して、前記ガスタービン（２）の回転を始めるためにモータとして動作され、前記発電機（１８）は前記静止始動装置（６３）から分離されており、前記発電機は、その後、電力出力のために前記周波数コンバータ（２７）を介して前記系統（１）に接続される、請求項５記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
7. 前記発電機（１８）は、前記周波数コンバータ（２７）を介して前記系統（１）から電流が供給され、前記ガスタービンのパワーがシャフトトレーン（９）の加速に必要なパワーを超えるまで、前記ガスタービン（２）の回転を始めるためにモータとして動作され、
   前記ガスタービンの出力が前記シャフトトレーン（１９）の加速に必要な動力を超えると、電力が前記周波数コンバータ（２７）を介して前記系統（１）に出力される、
   請求項５記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
8. 前記発電機（１８）は、前記周波数コンバータ（２７）を介して前記系統（１）から電流が供給され、前記ガスタービンの出力が前記シャフトトレーン（１９）の加速に必要な動力を超えるまで前記ガスタービン（２）の初期回転のためのモータとして動作され、
   前記ガスタービンの出力がシャフトトレーン（１９）の加速に必要な動力としきい値との和を超えるとすぐに、電力が前記周波数コンバータ（２７）を介して前記系統（１）に出力される、
   請求項５記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
9. 前記ガスタービンの加速は、前記発電機（１８）が前記周波数コンバータ（２７）を介して前記系統（１）に電力を出力するとすぐに、前記系統（１）への電力出力を制御することにより制御される、請求項１から８のいずれか１項記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
10. 前記周波数コンバータ（２７）は、前記発電機が、当該発電機が前記系統（１）に接続された時点から、前記系統（１）に前記ガスタービン（２）の公称出力の１％以上の電力を出力するように制御される、請求項１から９のいずれか１項記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
11. 前記ガスタービンの出口温度（ＴＡＴ）は公称回転速度に達したときに一定に維持され、前記ガスタービン（２）の回転速度（ｎ）は前記ガスタービン（２）の公称回転速度へ出力を増大させることにより制御される、請求項１から１０のいずれか１項記載のパワープラント装置（１０）の始動方法。
12. 当該ガスタービン（２）の始動時にコンプレッサ（１３）からの空気を吹き出すための吐出し弁（４７）を有するガスタービン（２）と、前記ガスタービン（２）に結合された発電機（１８）と、電力系統（１）に接続可能な周波数コンバータ（２７）とを有するパワープラント装置（１０）であって、
    前記周波数コンバータ（２７）は制御装置（３１）を有しており、当該制御装置は、前記パワープラント装置（１０）の始動中、前記吹き出し弁（４７）が閉鎖されたすぐ後でありかつ前記ガスタービン（２）の公称回転速度に達する前に、前記発電機（１８）を前記電力系統（１）に接続するために、前記周波数コンバータ（２７）を制御して当該周波数コンバータ（２７）に前記系統周波数を有する出力電流を生成させる、
    パワープラント装置（１０）。
13. 昇圧トランス（３）が前記周波数コンバータ（２７）と前記系統（１）との間に設けられている、請求項１２記載のパワープラント装置（１０）。
14. 前記系統（１）に電力を出力するために、発電機回路遮断器（６）と、昇圧トランス（３）と、系統高電圧トランス（２１）とが、前記周波数コンバータ（２７）と前記系統（１）との間に設けられており、
    始動トランス（４）と始動スイッチ（２６）とが前記ガスタービン（２）の始動のための電力消費のために前記発電機回路遮断器（６）に並列に設けられている、
    請求項１２記載のパワープラント装置（１０）。

Images