JP2015031283A - ガスタービンシャフト速度変化のためのガスタービンシステム制御の調整 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンシャフト速度変化のためにガスタービンシステム制御を調整する。
【解決手段】動力システム１００は、電力供給網１２０に動力を供給するためにシャフト１１４を回転させるように構成されているガスタービンと、シャフト１１４の速度の変化を検出するように、また変化するシャフト１１４速度を検出することに基づいて、ガスタービンの燃焼器１１２に供給される燃料を制御するための公式を調整するように構成されている制御装置１１６とを含む。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示されている主題は、ガスタービンを制御することに関し、詳細には、シャフト回転速度に対する変化を補償するために、配電網に接続されているガスタービンを制御することに関する。

国によっては、ガスタービンオペレータに対して、グリッド周波数が降下したとき維持されなければならない標準のベース負荷出力のパーセンテージを指定するグリッド周波数制御要件を義務づけている。そのような要件を満たすための１つの方法は、感知されるガスタービン負荷を最小要求値と比較することによって、燃料を直接的に制御することである。しかし、ガスタービンシャフトの回転速度および加速度に基づいてガスタービンからの動力出力（ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ）を計算する動力出力公式によれば、電気システムの負荷の増大に起因してシャフト速度が減少するとき、ガスタービンからの動力出力は一時的に増大する。計算される動力の一時的な増大は、ガスタービン制御装置が、ガスタービンに供給される燃料を維持するか、または、一時的に減少させることを引き起こし、グリッドの電力レベル、および、ガスタービンシャフトの回転速度が一定になるとき、最小要求負荷に戻ることを遅らせる。

ガスタービンの制御システムは、典型的には国の要件によってグリッド周波数の関数として規定されているベース負荷要求出力のパーセンテージを認識するように設計される。制御システムは、ガスタービンへの燃料を調整し、グリッド周波数が標準の値（典型的には、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の下方へドリフトするとき、要求負荷に出力を維持する。

ガスタービン負荷は、ガスタービンの燃焼システムによって供給される動力（すなわち、トルクとシャフト速度の積）と、一部にはシャフト速度およびシャフト加速度に基づくガスタービンの蓄積されている運動エネルギーの変化との組み合わせである。しかし、この理解に基づけば、シャフトが減速するとき、ガスタービン制御システムがガスタービン負荷を維持しようと試みても妨げられる可能性がある。何故なら、制御システムは、最初に動力の増大を検出し、これは、シャフト速度の減少に対する制御システムの応答を遅らせるからである。

米国特許第７８８４４９１号明細書

本発明の１つの態様によれば、動力システムは、電力供給網に動力を供給するためにシャフトを回転させるように構成されているガスタービンと、シャフトの速度の変化を検出するように、また変化するシャフト速度を検出することに基づいて、ガスタービンの燃焼器に供給される燃料を制御するための公式を調整するように構成されている制御装置とを含む。

本発明の別の態様によれば、配電網に接続されているガスタービンを制御する方法は、ガスタービンのシャフトの速度の変化を検出するステップと、変化するシャフト速度を検出することに基づいて、ガスタービンの燃焼器に供給される燃料を制御するための公式を調整するステップとを含む。また、方法は、燃料を制御するための公式を調整するステップに基づいて、燃焼器に供給される燃料を制御するステップも含む。

これらの利点および特徴、ならびに、他の利点および特徴は、図面を伴う以下の説明から、より明らかになることになる。

本発明として考えられる主題は、とりわけ、本明細書の末尾における特許請求の範囲で指摘され、かつ、明確に特許請求されている。先述の特徴および他の特徴、ならびに、本発明の利点は、添付の図面を伴って、以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施形態による動力システムを図示する図である。 本発明の実施形態によるガスタービン運転のグラフである。 本発明の実施形態による方法を図示するフローチャートである。

詳細な説明は、例として、図面を参照して、利点および特徴とともに、本発明の実施形態を説明している。

配電網に接続されているガスタービンは、ガスタービン負荷を所定のレベルに維持することが必要とされ得る。しかし、配電網によってシャフトが呈する変化など、シャフト速度の変化は、ガスタービン制御システムがガスタービンを所定の負荷に維持する能力を妨げる。本発明の実施形態は、ガスタービンに燃料を供給するために、ガスタービン動力の計算を調整することに関する。

図１は、本発明の実施形態による動力システム１００を図示している。システム１００は、ガスタービンシステム１１０を含み、ガスタービンシステム１１０は、圧縮機１１１と、燃焼器１１２と、タービン段１１３と、シャフト１１４とを含む。運転中に、空気が圧縮機１１１へ、また圧縮機から燃焼器１１２へ供給される。燃料は、燃料供給１１５から燃焼器１１２へ供給され、制御装置１１６が、燃料の流量および燃焼器１１２の運転を制御する。燃焼器１１２は、圧縮機１１１からの空気とともに燃料を燃焼させ、燃焼生成物（または、燃焼済みガス）が、タービン１１３に渡され、シャフト１１４を回転させる。

ガスタービンシステム１１０が電力供給網１２０に接続されているとき、シャフト１１４の回転速度ωは、電力供給網１２０の周波数に対応する。電力供給網１２０は、電力源（ガスタービンおよび他の発電構造体を含む）、ならびに、電力消費構造体（住宅および商業施設を含む）から構成されている。電力供給網１２０上で電力が降下すると、燃料供給１１５から燃焼器１１２への燃料入力が変化していない場合でも、電力供給網１２０は、シャフト１１４の回転速度ωを低下させる。

変化する回転速度に起因するガスタービン１１０の動力出力の変化は、以下の公式によって推定することが可能である。

動力出力の変化＝−Ｉωα （１）
ここで、ωは、シャフト１１４の回転速度、Ｉは、シャフト１１４の慣性モーメント、αは、シャフト１１４の加速度である。

ガスタービンシステム１１０の運転中に、シャフト速度がその公称値（典型的には５０／６０Ｈｚ）にあるとき、特定のガスタービン出力に対応するベース負荷温度で、ガスタービンシステム１１０は動作する。電力供給網１２０の周波数が降下する場合には、燃料流量が維持されると、または、ベース負荷温度の下方の温度に保つために燃料流量が低減されると、ガスタービンシステム１１０からの定常状態の動力出力も時間の経過につれて降下する。しかし、ガスタービンシステム１１０は、ベース負荷温度の上方で稼働されることが必要となり得る。例えば、規制により、燃料および／または温度の全体的な増大を必要とするレベルにガスタービン出力を維持することが、ガスタービンシステム１１０に要求される可能性がある。

動力出力の変化の式（１）に基づいて、シャフト１１４が減速するとき、および、シャフト１１４の加速度αがマイナスであるとき、ガスタービン動力出力が、シャフト１１４が最初に減速し始める時間のあたりで、一時的に増大する。制御装置１１６は、グリッドへの動力出力レベルがベース動力出力レベルを超えていることを検出するので、動力出力レベルの増大は、制御装置１１６が、燃焼器１１２に供給される燃料を維持または減少させることを引き起こす。動力出力レベルは、必要とされる動力出力レベルを技術的に超えているが、燃焼器１１２に供給される燃料の減少は、ガスタービントルクの減少を結果として生じさせ、電力供給網１２０の周波数が安定化し、および、シャフト１１４の加速度αがゼロに戻ると、ガスタービンシステム１１０が、グリッドコード要求を満足するために必要とされる動力出力レベルよりも少ない出力を発生させるようになっている。

図２は、本発明の実施形態による図１のガスタービンシステム１１０など、ガスタービンの運転を図示するグラフである。線２０１は、タービンシャフトの回転速度ωを表している。線２０２は、補償されていないガスタービン動力出力を表しており、線２０３は、ガスタービンの目標動力出力またはベース負荷動力出力レベルを表している。時点Ａの前に、ガスタービンの動力出力は、目標動力出力２０３とおおよそ同じである。やがて、時点Ａにおいて、シャフトは減速し始め、回転速度ωは、線２０１によって図示されているように下向きに傾斜する。上述のように、動力出力の変化の式（１）にしたがって、シャフトが減速すると、ガスタービン動力出力は、線２０２によって図示されているように、最初に突然増大する。タービンの制御装置は、ガスタービン出力の突然の増大について、必要よりも多くの動力をタービンが提供しているとして解釈する可能性があり、かつ、燃焼器への燃料を減少させる可能性がある。

時間の経過につれて、シャフトの回転率ωが減少し続けるので、ガスタービン出力動力は、線２０２によって示されているように減少し、最終的に目標出力動力２０３を下回る位置へ減少する。水平になっている線２０１によって示されているように、シャフトの回転速度ωが、時点Ｂにおいて安定化するとき、線２０２によって表わされているガスタービン動力出力は、突然に減少し、そして、制御装置がガスタービンの燃焼器に供給される燃料を増大させ、ガスタービンシャフトのトルクを増大させるのにつれて、ゆっくりと増大し始める。換言すれば、シャフトの減速中、補償されていない動力信号に依拠するとき、制御装置は、即座には、シャフト回転率ωの減少に対処するステップを開始しない。何故なら、補償されていない動力信号は、シャフトが減速し始めた後に、所定の時間にわたり目標出力動力２０３を超えているように、出力動力を示すからである。したがって、シャフト速度ωが水平になる時間Ｂまで、ガスタービンは、もはや、動力出力を目標出力動力２０３に維持するために必要なトルクをシャフト上に発生させるのに十分な燃料を受け取っていない。

線２０４は、本発明の実施形態にしたがって、動力出力の変化の式（１）に基づいて、感知される動力に対して調整することを表している。時点Ａにおいて、ガスタービン制御装置が、シャフトの減速（線２０１によって表されている）を検出するとき、制御装置は、感知されるガスタービン動力を調整し、加速度係数αを除外するか、または打ち消す。したがって、制御装置によって検出される、調整される動力出力値は、時点Ａから時点Ｂへシャフトの回転速度ωを追跡し、制御装置は、時点Ａにおいて、燃焼器に供給される燃料を即座に調整し始める。

本発明の実施形態では、線２０４は、図２において、時点Ａと時点Ｂとの間のタービンシャフトの減速の全体スパンに沿って、式（１）に基づく調整を説明するために図示されているが、時点Ａにけるタービンシャフトの減速に対する制御装置の迅速な応答は、ガスタービンの動力出力が、線２０４ではなく、目標動力出力線２０３にさらに近づくように追跡することを可能にすることになる。換言すれば、線２０２によって表されている突然の増大の代わりに、時点Ａにおける線２０４に対応する、調整される動力出力値の即座の減少を、制御装置が検出するので、制御装置は、即座にガスタービンを制御し、調整される動力計算の減少を補償することが可能である。制御装置は、ガスタービンの燃焼器に供給される燃料を制御し、調整される動力出力計算に基づいて、時点Ａと時点Ｂとの間の目標動力出力２０３に、または、その上方に、動力出力を維持することが可能である。時点Ｂにおいて、シャフト速度レベルが水平になるとき、動力出力レベルが、目標動力出力２０３に維持され得る。

本発明の一実施形態では、シャフト加速度αを表す変数を打ち消す、調整される動力の式は、シャフト速度ωの減少が検出されるときだけ利用される。シャフト速度ωの増大が検出されるとき、または、シャフト加速度αがプラスであるとき、制御装置は、調整されない動力を使用し続けることが可能であり、調整されない動力は、シャフト加速度αの影響を含む。代替的な実施形態では、シャフト速度ωの増大が検出されるとき、制御装置は、シャフト速度ωの増大の期間にわたり、ガスタービンへの一定の燃料流量を維持することが可能である。

図３は、本発明の実施形態による方法のフローダイアグラムを図示している。ブロック３０１において、ガスタービンは、目標動力出力レベルで駆動されている。目標動力レベルは、政府機関など配電網オペレータによって、顧客によって、または、ガスタービンオペレータによって、要求される動力レベルに対応し得る。ブロック３０２において、タービンシャフト速度の変化が検出される。とりわけ、制御装置は、シャフト速度の減速を検出することが可能である。シャフト速度は、ガスタービンに接続されている速度センサー（光学的なセンサー、加速度計、または、タービンシャフトの回転速度を測定できる任意の他のタイプのセンサーなど）によって、検出することが可能である。

ブロック３０３において、ガスタービンの燃焼器への燃料流量を制御するために動力を計算するアルゴリズムが、タービンシャフト速度の変化を検出することに基づいて調整される。一実施形態では、タービンシャフト速度が一定である通常運転中には、タービン出力動力に対する調整はされない。また、調整されないタービン動力出力は、シャフト速度の増大が検出されるとき使用され得る。しかし、タービンシャフトが減速していることが決定されるとき、ガスタービン動力出力を調整する式が使用され、ガスタービンへの燃料流量を制御する。本発明の実施形態では、この式は、タービンシャフトの加速度に対応する変数を除外するか、または打ち消す。

ブロック３０４において、ガスタービンに供給される燃料は、調整されるガスタービン動力に基づいて制御される。したがって、ガスタービンは、タービンシャフト速度の変化に迅速に反応するように制御され、タービン動力の突然の増大は、シャフトが減速し始めるとき検出されない。

本発明の実施形態によれば、ガスタービンの調整可能な動力出力が使用され、制御ガスタービンへの燃料流量を制御する。動力出力推定は、タービンシャフトが、一定の速度であるか、または、加速しているとき、タービンシャフトの加速度に対する調整はしないが、推定される動力出力は、タービンシャフトが減速しているとき、タービンシャフト加速度に対応する変数を除外するように調整される。したがって、タービン制御装置は、タービンシャフトが減速し始めるとき、調整される式に基づいてタービンシャフトへの燃料流量を増大させることによって、タービンシャフトの減速に迅速に応答する。

本発明について、限定された数の実施形態だけに関して詳細に説明したが、本発明は、そのような開示されている実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、前述されていない任意の数の変形例、代替例、置換例、または均等の構成を組み込むように修正することが可能であるが、それらは、本発明の精神および範囲に整合する。さらに、本発明の様々な実施形態について説明したが、本発明の態様は、説明されている実施形態のうちのいくつかだけを含むことが可能であることを理解されたい。したがって、本発明は、先述の説明によって限定されるものとして見られるべきでなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１００ システム
１１０ ガスタービンシステム
１１１ 圧縮機
１１２ 燃焼器
１１３ タービン段
１１４ シャフト
１１５ 燃料供給
１１６ 制御装置
１２０ 電気供給網
２０１ 線（タービンシャフトの回転速度）
２０２ 線（補償されていないガスタービン動力出力）
２０３ 線（目標動力出力）
２０４ 線（感知される動力に対する調整）
Ａ 時点
Ｂ 時点
３０１ 目標動力出力レベルでタービンを駆動するステップ
３０２ タービンシャフト速度の変化を検出するステップ
３０３ シャフト速度の変化を考慮するために、燃料制御動力アルゴリズムを調整するステップ
３０４ 調整されたアルゴリズムに基づいて、タービンに供給される燃料を制御するステップ

Claims (17)

1. 電力供給網に動力を供給するためにシャフトを回転させるように構成されているガスタービンと、
   前記シャフトの速度の変化を検出するように、また変化するシャフト速度を検出することに基づいて、前記ガスタービンの燃焼器に供給される燃料を制御するための公式を調整するように構成されている制御装置と
   を含む、動力システム。
2. 前記制御装置が、前記変化するシャフト速度を検出することに基づいて、シャフト加速度に対応する変数を前記公式から除外することによって、前記公式を調整するように構成されている、請求項１記載の動力システム。
3. 前記制御装置が、減少するシャフト速度を検出することに基づいて、前記シャフト加速度に対応する前記変数を前記公式から除外するように構成されている、請求項２記載の動力システム。
4. 前記制御装置が、増大するシャフト速度を検出することに基づいて、前記シャフト加速度に対応する前記変数を前記公式内に含むように構成されている、請求項３記載の動力システム。
5. 前記燃焼器に供給される前記燃料を制御するための前記公式が、動力出力の変化の式、すなわち
   ガスタービン動力出力の変化＝−Ｉωα
   に基づいており、ここで、ωは、前記シャフトの速度であり、Ｉは、前記シャフトの慣性モーメントであり、αは、前記シャフト加速度に対応する前記変数である、請求項３記載の動力システム。
6. 前記制御装置が、増大するシャフト速度を検出することに基づいて、前記ガスタービンへの燃料の供給を安定的に維持するように構成されている、請求項２記載の動力システム。
7. ガスタービンのシャフトの速度の変化を検出するステップと、
   変化するシャフト速度を検出することに基づいて、前記ガスタービンの燃焼器に供給される燃料を制御するための公式を調整するステップと、
   前記燃料を制御するための前記公式を調整する前記ステップに基づいて、前記燃焼器に供給される前記燃料を制御するステップと
   を含む、配電網に接続されているガスタービンを制御する方法。
8. 前記公式を調整するステップが、前記変化するシャフト速度を検出することに基づいて、シャフト加速度に対応する変数を前記公式から除外するステップを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記公式を調整するステップが、減少するシャフト速度を検出することに基づいて、前記シャフト加速度に対応する前記変数を前記公式から除外するステップを含む、請求項８記載の方法。
10. 増大するシャフト速度を検出することに基づいて、前記シャフト加速度に対応する前記変数を前記公式内に含ませるステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 前記燃焼器に供給される前記燃料を制御するための前記公式が、動力出力の式、すなわち
    ガスタービン動力出力の変化＝−Ｉωα
    に基づいており、ここで、ωは、前記シャフトの速度であり、Ｉは、前記シャフトの慣性モーメントであり、αは、前記シャフト加速度に対応する前記変数である、請求項９記載の方法。
12. 増大するシャフト速度を検出することに基づいて、前記ガスタービンの燃焼器への燃料の供給を安定的に維持するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
13. ガスタービンの燃焼器に供給される燃料を制御する公式を保存するように構成されているメモリであって、前記公式は、前記ガスタービンからの動力出力に基づく、メモリと、
    前記ガスタービンのシャフトの速度の変化を検出するように、また変化するシャフト速度を検出することに基づいて、前記ガスタービンの前記燃焼器に供給される前記燃料を制御するための前記公式を調整するように構成されているプロセッサと
    を含む、ガスタービン制御装置。
14. 前記ガスタービン制御装置が、前記変化するシャフト速度を検出することに基づいて、シャフト加速度に対応する変数を前記公式から除外することによって、前記公式を調整するように構成されている、請求項１３記載のガスタービン制御装置。
15. 前記ガスタービン制御装置が、減少するシャフト速度を検出することに基づいて、前記シャフト加速度に対応する前記変数を前記公式から除外するように構成されている、請求項１４記載のガスタービン制御装置。
16. 前記燃焼器に供給される前記燃料を制御するための前記公式が、動力出力の式、すなわち
    ガスタービン動力出力の変化＝−Ｉωα
    に基づいており、ここで、ωは、前記シャフトの速度であり、Ｉは、前記シャフトの慣性モーメントであり、αは、前記シャフト加速度に対応する前記変数である、請求項１５記載のガスタービン制御装置。
17. 前記ガスタービン制御装置が、増大するシャフト速度を検出することに基づいて、前記ガスタービンへの燃料の供給を安定的に維持するように構成されている、請求項１４記載のガスタービン制御装置。