JP2018184949A

JP2018184949A - ガスタービンシステムおよび制御方法

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Publication number: JP2018184949A
Application number: JP2018044931A
Authority: JP
Inventors: ヒーチョイ、ビュン; Byung Hee Choi
Original assignee: Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
Current assignee: Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2038-03-13
Also published as: US10432119B2; JP6582331B2; KR101893689B1; EP3396137B1; US20180316293A1; EP3396137A1

Abstract

【課題】本発明は、ガスタービンシステムが目標速度調整率を合わせるために、燃料量制御部が燃焼器に供給する燃料量を制御する際に参照する参照速度調整率を調整することのできるガスタービンシステムおよびその制御方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る目標速度調整率に応じて発電機の出力を増減させるガスタービンシステムの制御装置は、ロータの回転数および発電機の出力を測定するセンシング部と、センシング部で測定したロータの回転数および発電機の出力に基づいて実際の速度調整率を計算し、実際の速度調整率および目標速度調整率に基づいて参照速度調整率を設定する速度調整率設定部と、速度調整率設定部で設定した参照速度調整率に基づいて燃焼器に供給する燃料量を制御する燃料量制御部とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンシステムおよびその制御方法に関し、より詳細には、ガスタービンシステムが目標速度調整率を合わせるために、燃料量制御部が燃焼器に供給する燃料量を制御する際に参照する参照速度調整率を調整することのできるガスタービンシステムおよびその制御方法に関する。

一般的に、ガスタービンや蒸気タービンのようなタービン（ｔｕｒｂｉｎｅ）を備えた機関または装置は、気体または流体の熱エネルギーを機械的エネルギーの回転力に変換する動力発生装置で、気体または流体によって軸回転するロータ（ｒｏｔｏｒ）と、前記ロータを支持して取り囲むステータ（ｓｔａｔｏｒ）とを備えている。

電気を生産するために発電所などで用いられるガスタービンの構成を簡単に説明すれば、空気を圧縮した高圧の空気を燃焼器に供給する圧縮機と、燃焼ガスを生成するための燃焼器と、燃焼器から吐出される燃焼ガスによって駆動するタービンとを備えることができる。

ガスタービンの圧縮機は、一般的に、タービンの軸と一体に結合してタービンとともに軸回転をし、このように軸回転をしながら外部空気を吸入して圧縮する。圧縮された空気は燃焼器に供給され、燃焼器では、圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させることにより高温、高圧の燃焼ガスを生成し、これをタービンに供給する。

タービンに供給された高温、高圧の燃焼ガスは、タービンの回転翼を駆動させてタービンのロータ（ｒｏｔｏｒ）を回転させる。

電気を伝送する電力系統において、電力系統全体の安定運用のためには、系統周波数が定格周波数（韓国の場合は６０Ｈｚ）に維持され続ける必要がある。そして、一般的に、複数の発電所が系統上に連結されて分担して電力を供給しており、供給と負荷が一致すると、系統周波数は定格周波数に安定する。しかし、一部の発電所が故障などによって電力を供給できなければ供給が不足し、これによって系統周波数が低下する。この場合、他の発電所が不足する電力分を追加的に供給して系統周波数を安定させる。この時、各発電所がどれだけの電力を追加的に供給するかを示す指標として、速度調整率という概念がある。速度調整率とは、周波数変化率と発電機の出力の変化率との比を百分率で表したものである。

ところで、発電所が速度調整率に合わせて追加的に電力を供給すると期待するものの、制御応答時間における時差および制御ロジック上でのエラーなどで実際に測定された速度調整率が目標の速度調整率に及ばないことがある。この場合、追加的に供給すべき電力がニーズに及ばず、系統周波数を定格周波数に維持するうえで問題点として作用する。

本発明の目的は、目標速度調整率を合わせるために、燃料量制御部が制御のために参照する参照速度調整率を測定した実際の速度調整率に基づいて調整することのできるガスタービンシステムおよびその制御方法を提供することである。

上記の目的を達成するための、本発明に係る、外部から空気を吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気と燃料を燃焼させて高温、高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に発生する燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービンと、前記ロータの回転により駆動される発電機とを備え、前記ロータの回転数は系統周波数に比例し、前記系統周波数が定格周波数から外れる場合、前記系統周波数を前記定格周波数に復旧させるために、目標速度調整率（δ_ｔ）に応じて発電機の出力を増減させるガスタービンシステムの制御装置は、前記ロータの回転数および前記発電機の出力を測定するセンシング部と、前記センシング部で測定した前記ロータの回転数および前記発電機の出力に基づいて実際の速度調整率（δ_ｒ）を計算し、前記実際の速度調整率（δ_ｒ）および前記目標速度調整率（δ_ｔ）に基づいて参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定する速度調整率設定部と、前記速度調整率設定部で設定した参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に基づいて前記燃焼器に供給する燃料量を制御する燃料量制御部とを備えることができる。

より詳細には、前記燃料量制御部は、前記センシング部で測定した前記ロータの回転数および前記速度調整率設定部で設定した参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に基づいて前記発電機で生産する出力を決定し、前記発電機が前記決定された出力を生産するように前記燃焼器に供給する燃料量を制御することができ、この時、前記燃料量制御部は、
（ここで、Ｎ_Ｎは前記タービンのロータの定格回転数、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは発電機の定格出力、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された発電機の出力、δ_ｒｅｆは前記速度調整率設定部で設定した参照速度調整率）の式を用いて前記発電機で生産する出力を決定することができる。

そして、前記速度調整率設定部は、予め設定された一定周期に応じて前記参照速度調整率を設定し、前記センシング部は、前記予め設定された一定周期で測定したものを累積平均して、前記ロータの回転数および前記発電機の出力を測定することができる。

また、前記速度調整率設定部は、
（ここで、Ｎ_Ｎは定格回転数、Ｎ_ｏは前の周期のタービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは発電機の最大出力である定格出力、Ｐ_ｏはタービンのロータの回転数がＮ_ｏの時の発電機の出力、Ｐ_ｃはタービンのロータの回転数がＮ_ｃの時の発電機の出力である）の式を用いて前記実際の速度調整率（δ_ｒ）を計算し、前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）により求められる発電機の出力と前の周期における参照速度調整率（δ_ｏｒｅｆ）により求められる発電機の出力との間の差が、目標速度調整率（δ_ｔ）により求められる発電機の出力と実際の速度調整率（δ_ｒ）により求められる発電機の出力との間の差と一致するように参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するが、前記発電機の出力は、
（ここで、Ｎ_Ｎは前記タービンのロータの定格回転数、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは発電機の定格出力、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された発電機の出力、Ａはδ_ｒｅｆ、δ_ｏｒｅｆ、δ_ｔ、またはδ_ｒである）により計算される。

より簡単には、前記速度調整率設定部は、
の式を用いて計算された値を参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に設定することができる。

上記の目的を達成するための、本発明に係る発電のためのガスタービンシステムは、外部から空気を吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気と燃料を燃焼させて高温、高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に発生する燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービンと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記燃焼器に供給する燃料量を制御する請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御装置とを備えることができる。

上記の目的を達成するための、本発明に係る、外部から空気を吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気と燃料を燃焼させて高温、高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に発生する燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービンと、前記ロータの回転により駆動される発電機とを備え、前記ロータの回転数は系統周波数に比例し、前記系統周波数が定格周波数から外れる場合、前記系統周波数を前記定格周波数に復旧させるために、目標速度調整率（δ_ｔ）に応じて発電機の出力を増減させるガスタービン制御方法は、目標速度調整率（δ_ｔ）を設定するステップと、前記タービンのロータの回転数および前記発電機の出力を測定するステップと、前記タービンのロータの回転数および前記発電機の出力に基づいて実際の速度調整率（δ_ｒ）を計算するステップと、前記実際の速度調整率（δ_ｒ）および前記目標速度調整率（δ_ｔ）に基づいて参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するステップと、前記参照速度調整率に応じて前記燃焼器に供給する燃料量を制御するステップとを含むことができる。

より詳細に説明すれば、前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に応じて前記燃焼器に供給する燃料量を制御するステップは、前記ロータの回転数および前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に基づいて前記発電機で生産する出力を決定するステップと、前記発電機が前記決定された出力を生産するように前記燃焼器に供給する燃料量を制御するステップとを含むことができ、前記発電機で生産する出力を決定するステップは、
（ここで、Ｎ_Ｎは前記タービンのロータの定格回転数、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは発電機の定格出力、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された発電機の出力、δ_ｒｅｆは設定された参照速度調整率）の式を用いて前記発電機で生産する出力を決定するステップを含むことができる。

そして、前記実際の速度調整率（δ_ｒ）および前記目標速度調整率（δ_ｔ）に基づいて参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するステップは、前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）により求められる発電機の出力と前の周期における参照速度調整率（δ_ｏｒｅｆ）により求められる発電機の出力との間の差が、目標速度調整率（δ_ｔ）により求められる発電機の出力と実際の速度調整率（δ_ｒ）により求められる発電機の出力との間の差と一致するように参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するステップを含むが、前記発電機の出力は、
（ここで、Ｎ_Ｎは前記タービンのロータの定格回転数、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは発電機の定格出力、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された発電機の出力、Ａはδ_ｒｅｆ、δ_ｏｒｅｆ、δ_ｔ、またはδ_ｒである）により計算され、より単純には、
の式を用いて計算された値を参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に設定するステップを含むことができる。

本発明によれば、負荷の減少／増加または他の発電所の故障によって追加的な電力を供給しなければならない場合の目標速度調整率を満足できるようにガスタービンシステムを制御することで、系統全体の安定運用を確保可能にする効果がある。

また、本発明によれば、システムの応答時間遅延などの影響で実際の速度調整率が目標速度調整率より低い場合を無くすことで、事業者が要求する速度調整率を合わせることができる効果がある。

本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムを示す図である。２つの異なる速度調整率の時の系統周波数に応じた発電機５０の出力を示す図である。本発明の一実施形態に係る制御装置１００のブロック図を示す図である。本発明の一実施形態に係る制御装置１００において、参照速度調整率を設定し、目標速度調整率を合わせるように制御する方法を示す図である。

本発明を明確に説明するために説明と関係のない部分は省略しており、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。

明細書全体において、ある部分が他の部分に『連結』されているとする時、これは、『直接的に連結』されている場合のみならず、その中間に他の素子を挟んで『電気的に連結』されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を『含む』とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

ある部分が他の部分の『上に』あると言及する場合、これは、直に他の部分の上にあり得るか、その間に他の部分が伴うこともある。対照的に、ある部分が他の部分の『真上に』あると言及する場合、その間に他の部分は伴わない。

第１、第２および第３などの用語は、多様な部分、成分、領域、層および／またはセクションを説明するために使われるが、これらに限定されない。これらの用語は、ある部分、成分、領域、層またはセクションを、他の部分、成分、領域、層またはセクションと区別するためにのみ使われる。したがって、以下に述べる第１部分、成分、領域、層またはセクションは、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で第２部分、成分、領域、層またはセクションと言及されてもよい。

ここで使われる専門用語は、単に特定の実施形態を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使われる単数形態は、文章がこれと明らかに反対の意味を示さない限り、複数形態も含む。明細書で使われる『含む』の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分の存在や付加を除外させるわけではない。

『下』、『上』などの相対的な空間を示す用語は、図面に示された一部分の他の部分に対する関係をより容易に説明するために使われる。このような用語は、図面で意図した意味とともに、使用中の装置の他の意味や動作を含むように意図される。例えば、図中の装置を覆すと、他の部分の『下』にあると説明されていたある部分は、他の部分の『上』にあると説明される。したがって、『下』という例示的な用語は、上と下の方向をすべて含む。装置は９０゜回転または他の角度で回転してもよく、相対的な空間を示す用語もこれに基づいて解釈される。

別途に定義しないが、ここで使われる技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同じ意味を持つ。通常使われる辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を持つものと追加解釈され、定義されない限り、理想的または非常に公式的な意味で解釈されない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。

図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムを示す図である。

図１を参照すれば、ガスタービンシステムは、圧縮機１０と、燃焼器３０と、タービン２０と、発電機５０と、制御装置１００とを備えることができる。

圧縮機１０は、外部から吸入した空気を圧縮して高圧の圧縮空気を生成する機能を果たすことができる。圧縮空気は燃焼器３０に伝達される。

燃焼器３０は、圧縮機１０から入る圧縮空気に燃料を注入し燃焼させて高圧、高温の燃焼ガスを生成し、タービン２０に提供することができる。タービン２０に供給された高温、高圧の燃焼ガスは、タービンの回転翼を駆動させてタービン２０のロータを回転させる。タービン２０に供給された高温、高圧の燃焼ガスは、タービンの回転翼を駆動させるにつれ、温度と圧力が低くなり、排出ガスとして大気中に放出される。

発電機５０は、タービン２０のロータの回転を利用して電力を生産することができる。

そして、タービン２０と圧縮機１０とは１つの軸４０にともに固定されていて、上述のように、タービン２０のロータが回転するにつれ、圧縮機１０もともに回転し、これを利用して空気を圧縮する。

制御装置１００は、一般的に、ガスタービンシステムの効率的な駆動のために多様な制御を行うことができる。

ガスタービンシステムの場合、タービン２０のロータの回転速度を調整する方式には、ロード制限（ＬｏａｄＬｉｍｉｔ）方式とガバナフリー（ＧｏｖｅｒｎｏｒＦｒｅｅ）方式とがある。ロード制限方式は、タービン２０のロータの回転速度を一定に固定しておく方式をいうものであり、ガバナフリー方式は、電力系統の周波数変化に応じてタービン２０のロータの回転速度が自動的に制御されるようにする方式をいう。一般的に、電力系統全体の安定運用のためには、系統周波数が定格周波数（韓国の場合は６０Ｈｚ）に維持され続ける必要がある。そこで、ガスタービンシステムの運用者は、設備保護レベルでガスタービンシステムの急激な動揺を防止できるロード制限方式を好むが、電力系統全体の安定運用をつかさどる韓国電力取引所の「電力市場運営規則」には「発電会員はガバナフリー運転で系統周波数の維持に積極的に協調しなければならない。」という義務条項が挿入されていて、ガスタービンシステムはガバナフリー方式で運転されるのが一般的である。

ガバナフリー方式で運用されると、系統周波数に比例する回転速度でタービン２０のロータが回転する。ここで、速度調整率（ＤｒｏｏｐまたはＳｐｅｅｄＲｅｇｕｌａｔｉｏｎＲａｔｅ）の概念が導入される。速度調整率とは、周波数変化率（タービン２０のロータの回転速度の変化率）と発電機５０の出力の変化率との比を百分率で表したものをいう。もし、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・、Ｋの発電所が電力系統に電力を供給しており、Ｋ発電所が故障などによって電力供給を中断して発電量が不足すると、発電量と負荷との間の不均衡のため、系統周波数が小さくなる。この場合、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・の発電所が不足する発電量を適切に分けて分担して追加的な発電をすることで系統周波数を早速復旧する必要があり、この時、各発電所は与えられた速度調整率に応じて追加的な発電を試みるようになる。

一般的に、速度調整率（δ）は、次の式のように表される。
［数式１］

そして、上記式から
［数式２］
を求めることができる。ここで、Ｎ_１、Ｎ_２、Ｎ_Ｎはタービン２０のロータの回転数を表し、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_Ｎは発電機の出力を表す。より詳細に説明すれば、Ｎ_１は直前のロータの回転数、Ｎ_２は現在のロータの回転数、Ｎ_Ｎは定格回転数、Ｐ_１は直前の発電機の出力、Ｐ_Ｎは定格出力、Ｐ_２はロータの回転数がＮ_１からＮ_２に変化した時の発電機が生産すべき出力を表す。

一例として、速度調整率（δ）は３％、定格出力（Ｐ_Ｎ）は２８．８ＭＷ、直前の発電機の出力（Ｐ_１）は２１．６ＭＷであり、系統周波数が定格周波数（６０Ｈｚ）で運用される途中、系統事故によって系統周波数が急に５９．７Ｈｚに低下した場合に、タービン２０のロータの回転数は系統周波数に比例するので、Ｎ_１＝Ｎ_Ｎ＝６０ｋ、Ｎ_２＝５９．７ｋになる。すると、系統周波数を定格周波数に復帰させるために発電機が生産すべき出力（Ｐ_２）は２６．４ＭＷにならなければならない。

図２は、２つの異なる速度調整率の時の系統周波数に応じた発電機５０の出力を示す図である。

図２を参照すれば、直線２２０は速度調整率が２％の場合であり、直線２１０は速度調整率が４％の場合である。系統周波数が定格周波数の場合、発電機はＰの出力を生産する。そうしている間に、系統周波数が定格周波数より減少すると、速度調整率に応じて生産する出力を高めなければならず、系統周波数が定格周波数より大きくなると、速度調整率に応じて生産する出力を低下させなければならない。特に、速度調整率が２％の場合には、周波数変動率が１％（０．６Ｈｚ）変化した時、定格周波数における出力（Ｐ）の１．５倍の出力を発電機が生産しなければならず、速度調整率が４％の場合には、周波数変動率が２％（１．２Ｈｚ）変化した時、定格周波数における出力（Ｐ）の１．５倍の出力を発電機が生産しなければならない。すなわち、速度調整率が小さい場合に、より急激に生産する出力を変化させなければならないことが分かる。

この時、速度調整率に応じて出力を高めるためには、燃焼器３０に供給する燃料の量を増加させて、より多い高温、高圧の燃焼ガスを生成しなければならない。

本発明の制御装置１００は、上述の目標速度調整率を合わせるために、燃焼器３０に供給する燃料の量を制御することができる。これに加えて、圧縮機１０から燃焼器３０に供給される圧縮空気量も制御可能である。その他のガスタービンシステム上の他の制御要素も制御可能である。

しかし、制御装置１００による実際の制御により取得される速度調整率が、系統管理者が所望する目標速度調整率と一致するかが問題となる。すなわち、目標速度調整率に応じて発電機５０が出力を生産するようにするために多様なシミュレーションなどにより供給する燃料の量を何％増加させればよいとの情報などを有していてもよいが、制御に対するシステムの応答時間の変化、システムの状態や燃料の質、環境などによって、同一の燃料量を注入しても取得可能な速度調整率が目標速度調整率と一致するかを知ることができない。

したがって、本発明では、制御装置１００が適応的に目標速度調整率を達成できるように設計しようとする。

図３は、本発明の一実施形態に係る制御装置１００のブロック図を示す図である。

図３を参照すれば、本発明の一実施形態に係る制御装置１００は、センシング部１１０と、速度調整率設定部１２０と、燃料量制御部１３０とを備えることができる。

センシング部１１０は、タービン２０のロータの回転数および発電機５０の出力を測定することができる。上述のように、タービン２０のロータの回転数は系統周波数に比例するので、タービン２０のロータの回転数を測定することにより、系統周波数の変化を認知することができる。

燃料量制御部１３０は、後述する速度調整率設定部１２０で設定した参照速度調整率およびセンシング部１１０で測定したタービン２０のロータの回転数に基づいて発電機５０で生産する出力を決定し、発電機５０が決定された出力を生産できるようにガスタービンシステムを制御する。特に、燃焼器３０に供給される燃料量を制御することができる。すなわち、発電機５０でより高い出力を生産しなければならない場合には、より多い燃料が燃焼器３０に供給できるように制御し、より小さい出力を生産しなければならない場合には、より少ない燃料が燃焼器３０に供給されるように制御することができる。この時、発電機５０で生産する出力は、次の数式３により求められる。
［数式３］

ここで、Ｎ_Ｎは前記タービン２０のロータの定格回転数であり、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービン２０のロータの回転数であり、Ｎ_ｃは現在のタービン２０のロータの回転数であり、Ｐ_Ｎは発電機５０の定格出力であり、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された発電機５０の出力であり、δ_ｒｅｆは新しく設定された参照速度調整率である。

速度調整率設定部１２０は、燃料量制御部１３０が燃焼器３０に供給する燃料量を決定するために参照する参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定することができる。単純には、目標速度調整率（δ_ｔ）を参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）として設定すればよいが、上述のような様々な理由によって実際の速度調整率（δ_ｒ）が目標速度調整率（δ_ｔ）と一致しないことがある。このために、参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を実際の速度調整率（δ_ｒ）に基づいて再び設定することができる。実際の速度調整率（δ_ｒ）は、次の数式４から求めることができる。
［数式４］

ここで、Ｎ_Ｎは定格回転数であり、Ｎ_ｏは直前のタービン２０のロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービン２０のロータの回転数を表し、Ｐ_Ｎは発電機５０の最大出力である定格出力を表し、Ｐ_ｏはタービン２０のロータの回転数がＮ_ｏの時の発電機の出力、Ｐ_ｃはタービン２０のロータの回転数がＮ_ｃの時の発電機の出力である。この時、タービン２０のロータの回転数および出力は、一定時間で測定した結果を累積して平均したものであってよい。すなわち、毎測定時ごとの結果に基づいて実際の速度調整率を計算するのではなく、一定時間で累積して測定した結果に基づいて実際の速度調整率を計算することができる。

一実施形態として、Ｎ_Ｎ＝Ｎ_ｏ＝６０ｋ、Ｎ_ｃ＝５９．７ｋ、Ｐ_Ｎ＝２８．８ＭＷ、Ｐ_ｏ＝２１．６ＭＷ、Ｐ_ｃ＝２６．４ＭＷとすれば、実際の速度調整率（δ_ｒ）は数式4により３％になる。目標速度調整率（δ_ｔ）が３％であれば、実際の速度調整率（δ_ｒ）が目標速度調整率（δ_ｔ）と一致するので、現在設定された参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）をそのまま維持すればよい。しかし、実際の速度調整率（δ_ｒ）が目標速度調整率（δ_ｔ）と異なる場合には、目標速度調整率（δ_ｔ）と一致させるために参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を修正する必要がある。

上述の一実施形態において、発電機５０がＰ_２＝２５．２ＭＷを生産していれば、実際の速度調整率は４％になり、目標速度調整率３％を満足させることができない。これを解決するために、度調整率設定部１２０は、参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を現在よりも小さく設定することができる。

このために、速度調整率設定部１２０は、発電機５０が生産する出力（Ｐ_２）に基づいて実際の速度調整率（δ_ｒ）を前記数式4を用いて計算し、目標速度調整率（δ_ｔ）に基づいて新しい参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を次の数式５を用いて求めることができる。
［数式５］

数式５は、前記数式３に基づいて新しい参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）により求められる発電機５０の出力と前の参照速度調整率（δ_ｏｒｅｆ）により求められる発電機５０の出力との間の差が、目標速度調整率（δ_ｔ）により求められる発電機５０の出力と実際の速度調整率（δ_ｒ）により求められる発電機５０の出力との間の差と一致するように新しい参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定する一例を示すものである。

図４は、本発明の一実施形態に係る制御装置１００において、参照速度調整率を設定し、目標速度調整率を合わせるように制御する方法を示す図である。

図４を参照すれば、本発明の一実施形態に係る制御装置１００は、ガスタービンシステムが目標速度調整率に合わせながら運用できるようにするために、まず、ガスタービンシステムが合わせようとする目標速度調整率を設定（Ｓ５１０）する。そして、タービン２０のロータの回転数および発電機の出力を測定（Ｓ５２０）する。この時、タービン２０のロータの回転数に基づいて系統周波数を決定することができる。もし、系統周波数が定格周波数の時は、速度調整率による制御を必要とせず、この場合には、定格周波数における発電機５０の出力がどの程度なのかを測定して保存していてもよい。

もし、タービン２０のロータの回転数により計算された系統周波数が定格周波数でなければ、目標速度調整率に応じて発電機５０の出力を高めたり低下させなければならない。このために、制御装置１００は、燃料量制御部１３０が燃料量を制御するために参照する参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定することができる。最初の参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を目標速度調整率（δ_ｔ）と同一に設定することができる。そして、一定期間で累積して測定したタービン２０のロータの回転数および発電機の出力に基づいて実際の速度調整率（δ_ｒ）を計算（Ｓ５３０）する。もし、計算した実際の速度調整率（δ_ｒ）が目標速度調整率（δ_ｔ）を満足しなければ、新しい参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定すればよい。そして、燃料量制御部１３０は、新しく設定された参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に応じて燃焼器に供給する燃料量を制御（Ｓ５５０）することができる。制御装置１００の速度調整率設定部１３０は、目標速度調整率（δ_ｔ）を満足するまで、ステップＳ５２０からステップＳ５４０を周期的に繰り返し行うことができる。

上述の方法によって速度調整率設定部１３０が一定周期ごとに参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定することにより、ガスタービンシステムが目標速度調整率（δ_ｔ）を合わせるように制御可能である。

この時、新しい参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定する一実施形態は、前記数式3に基づいて新しい参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）により求められる発電機５０の出力と前の参照速度調整率（δ_ｏｒｅｆ）により求められる発電機５０の出力との間の差が、目標速度調整率（δ_ｔ）により求められる発電機５０の出力と実際の速度調整率（δ_ｒ）により求められる発電機５０の出力との間の差と一致するように新しい参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するものであってもよい。

以上、本発明で提示する制御装置は、実際の速度調整率に基づいて参照速度調整率を設定し、参照速度調整率に基づいて燃料量を調整する機能を提供することにより、ガスタービンシステムが目標速度調整率を達成可能にする効果を提供することができる。

本発明の属する技術分野における当業者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施できるため、以上に述べた実施形態はあらゆる面で例示的なものであり、限定的ではないものとして理解しなければならない。本発明の範囲は、詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味および範囲、そしてその等価概念から導出されるあらゆる変更または変形した形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。

１０：圧縮機
２０：タービン
３０：燃焼器
４０：軸
５０：発電機
１００：制御装置
１１０：センシング部
１２０：速度調整率設定部
１３０：燃料量制御部

Claims

外部から空気を吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気と燃料を燃焼させて高温、高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に発生する燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービンと、前記ロータの回転により駆動される発電機とを備え、前記ロータの回転数は系統周波数に比例し、前記系統周波数が定格周波数から外れる場合、前記系統周波数を前記定格周波数に復旧させるために、目標速度調整率（δ_ｔ）に応じて前記発電機の出力を増減させるガスタービンシステムの制御装置であって、
前記ロータの回転数および前記発電機の出力を測定するセンシング部と、
前記センシング部で測定した前記ロータの回転数および前記発電機の出力に基づいて実際の速度調整率（δ_ｒ）を計算し、前記実際の速度調整率（δ_ｒ）および前記目標速度調整率（δ_ｔ）に基づいて参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定する速度調整率設定部と、
前記速度調整率設定部で設定した参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に基づいて前記燃焼器に供給する燃料量を制御する燃料量制御部とを備える、ガスタービン制御装置。
前記燃料量制御部は、前記センシング部で測定した前記ロータの回転数および前記速度調整率設定部で設定した参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に基づいて前記発電機で生産する出力を決定し、前記発電機が前記決定された出力を生産するように前記燃焼器に供給する燃料量を制御する、請求項１に記載のガスタービン制御装置。
前記燃料量制御部は、
（ここで、Ｎ_Ｎは前記タービンのロータの定格回転数、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは前記発電機の定格出力、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記発電機の出力、δ_ｒｅｆは前記速度調整率設定部で設定した参照速度調整率）の式を用いて前記発電機で生産する出力を決定する、請求項２に記載のガスタービン制御装置。
前記速度調整率設定部は、予め設定された一定周期に応じて前記参照速度調整率を設定し、
前記センシング部は、前記予め設定された一定周期で測定したものを累積平均して、前記ロータの回転数および前記発電機の出力を測定する、請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービン制御装置。
前記速度調整率設定部は、
（ここで、Ｎ_Ｎは定格回転数、Ｎ_ｏは前の周期のタービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは前記発電機の最大出力である定格出力、Ｐ_ｏはタービンのロータの回転数がＮ_ｏの時の前記発電機の出力、Ｐ_ｃはタービンのロータの回転数がＮ_ｃの時の前記発電機の出力である）の式を用いて前記実際の速度調整率（δ_ｒ）を計算する、請求項４に記載のガスタービン制御装置。
前記速度調整率設定部は、前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）により求められる前記発電機の出力と前の周期における参照速度調整率（δ_ｏｒｅｆ）により求められる前記発電機の出力との間の差が、目標速度調整率（δ_ｔ）により求められる前記発電機の出力と実際の速度調整率（δ_ｒ）により求められる前記発電機の出力との間の差と一致するように参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するが、
前記発電機の出力は、
（ここで、Ｎ_Ｎは前記タービンのロータの定格回転数、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは前記発電機の定格出力、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記発電機の出力、Ａはδ_ｒｅｆ、δ_ｏｒｅｆ、δ_ｔ、またはδ_ｒである）により計算される、請求項４に記載のガスタービン制御装置。
前記速度調整率設定部は、
の式を用いて計算された値を参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に設定する、請求項６に記載のガスタービン制御装置。
発電のためのガスタービンシステムであって、
外部から空気を吸入して圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮した圧縮空気と燃料を燃焼させて高温、高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器に発生する燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービンと、
前記ロータの回転により駆動される発電機と、
前記燃焼器に供給する燃料量を制御する請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスタービン制御装置に含まれる制御装置とを備える、ガスタービンシステム。
外部から空気を吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気と燃料を燃焼させて高温、高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に発生する燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービンと、前記ロータの回転により駆動される発電機とを備え、前記ロータの回転数は系統周波数に比例し、前記系統周波数が定格周波数から外れる場合、前記系統周波数を前記定格周波数に復旧させるために、目標速度調整率（δ_ｔ）に応じて前記発電機の出力を増減させるガスタービン制御方法であって、
目標速度調整率（δ_ｔ）を設定するステップと、
前記タービンのロータの回転数および前記発電機の出力を測定するステップと、
前記タービンのロータの回転数および前記発電機の出力に基づいて実際の速度調整率（δ_ｒ）を計算するステップと、
前記実際の速度調整率（δ_ｒ）および前記目標速度調整率（δ_ｔ）に基づいて参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するステップと、
前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に応じて前記燃焼器に供給する燃料量を制御するステップとを含む、ガスタービン制御方法。
前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に応じて前記燃焼器に供給する燃料量を制御するステップは、
前記ロータの回転数および前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に基づいて前記発電機で生産する出力を決定するステップと、
前記発電機が前記決定された出力を生産するように前記燃焼器に供給する燃料量を制御するステップとを含む、請求項９に記載のガスタービン制御方法。
前記発電機で生産する出力を決定するステップは、
（ここで、Ｎ_Ｎは前記タービンのロータの定格回転数、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは前記発電機の定格出力、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記発電機の出力、δ_ｒｅｆは設定された参照速度調整率）の式を用いて前記発電機で生産する出力を決定するステップを含む、請求項１０に記載のガスタービン制御方法。
前記実際の速度調整率（δ_ｒ）および前記目標速度調整率（δ_ｔ）に基づいて参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するステップは、前記参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）により求められる前記発電機の出力と前の周期における参照速度調整率（δ_ｏｒｅｆ）により求められる前記発電機の出力との間の差が、目標速度調整率（δ_ｔ）により求められる前記発電機の出力と実際の速度調整率（δ_ｒ）により求められる前記発電機の出力との間の差と一致するように参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するステップを含むが、前記発電機の出力は
（ここで、Ｎ_Ｎは前記タービンのロータの定格回転数、Ｎ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記タービンのロータの回転数、Ｎ_ｃは現在のタービンのロータの回転数、Ｐ_Ｎは前記発電機の定格出力、Ｐ_ｏは前の参照速度調整率の設定時に測定された前記発電機の出力、Ａはδ_ｒｅｆ、δ_ｏｒｅｆ、δ_ｔ、またはδ_ｒである）により計算される、請求項９から１１のいずれか一項に記載のガスタービン制御方法。
前記実際の速度調整率（δ_ｒ）および前記目標速度調整率（δ_ｔ）に基づいて参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）を設定するステップは、
の式を用いて計算された値を参照速度調整率（δ_ｒｅｆ）に設定するステップを含む、請求項１２に記載のガスタービン制御方法。