JP2020153286A - タービンの回転数制御装置、発電設備、タービンの回転数制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】タービンにおいて、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減する。【解決手段】タービンの回転数制御装置は、制御部と目標回転数変更部とを備える。制御部は、タービンの目標回転数と実回転数との偏差に基づく比例制御により、タービンの操作量の指令値を出力する。目標回転数変更部は、タービンのトリップが生じない制限範囲内に実回転数が収まっている場合にのみ、回転数調整範囲内で目標回転数を変更するように構成されている。【選択図】 図２

Description

本開示は、タービンの回転数制御装置、発電設備、タービンの回転数制御方法及びプログラムに関する。

近年、蒸気タービンやガスタービン等のタービンの制御において、様々な制御方法が提案されている。例えば、特許文献１には、目標回転数と実回転数との偏差に応じた比例制御によってタービンの回転数を制御する構成が開示されている。

特開平７−８３０７４号公報

タービンを備える発電設備は、電力系統周波数が変動していても電力系統への併入を可能とするために、目標回転数を変更してタービンの実回転数を調節可能に構成される場合がある。

ところが、特許文献１に記載されている制御装置では、目標回転数に対する実回転数の残留偏差（オフセット）が生じ得る。このため、タービンを備える発電設備を電力系統へ併入する前に、無負荷定格速度運転時に目標回転数を変更すると、タービンの実回転数がタービンのトリップを引き起こす回転数に予期せず変動してしまう場合がある。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、タービンにおいて、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンの回転数制御装置は、
タービンの目標回転数と実回転数との偏差に基づく比例制御により、前記タービンの操作量の指令値を出力するための制御部と、
前記タービンのトリップが生じない制限範囲内に前記実回転数が収まっている場合にのみ、回転数調整範囲内で前記目標回転数を変更するように構成された目標回転数変更部と、
を備える。

上記（１）の構成によれば、制限範囲内に実回転数が収まっていない場合には、目標回転数を変更しないため、目標回転数の変更によって実回転数が予期せずトリップが生じる回転数まで変動することが生じにくい。そのため、タービンにおいて、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記制限範囲の下限値は、前記タービンの下側トリップ回転数よりも高い。

上記（２）の構成によれば、目標回転数の変更に起因して実回転数がタービンの下側トリップ回転数に到達してトリップが発生するリスクを低減することが可能となる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記制限範囲の上限値は、前記タービンの上側トリップ回転数よりも低い。

上記（３）の構成によれば、目標回転数の変更に起因して実回転数がタービンの上側トリップ回転数に到達してトリップが発生するリスクを低減することが可能となる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか一つの構成において、前記目標回転数変更部は、
前記回転数調整範囲内において、前記目標回転数の変更指令を受け付けるように構成された変更指令受付部と、
前記実回転数が前記制限範囲内に収まっている場合に限り、前記変更指令を許容して前記変更指令により規定された前記目標回転数を前記制御部に対して出力するための変更指令許容部と、
を含む。

近年、タービンを備える発電設備では、電力系統周波数が変動していても電力系統への併入（同期投入）を可能とするために、目標回転数を無負荷定格速度運転時の実回転数を含む回転数調整範囲内で変更指令を受け付ける機能を有している。その点、上記（４）の構成によれば、変更指令受付部によって現在普及しているタービンと同様の機能を維持しつつ、変更指令許容部によってトリップが発生するリスクを低減することが可能となる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、前記変更指令許容部は、前記タービンの無負荷定格速度運転状態への到達後、かつ、前記タービンの前記電力系統への併入前における前記タービンの回転数制御に用いられるガバナ設定信号としての前記変更指令に対して、許容の可否を判断するように構成されている。

上記（５）の構成によれば、変更指令許容部は、電力系統への併入前におけるタービンの回転数制御に用いられるガバナ設定信号としての変更指令について許容の可否を判断する。そのため、電力系統への併入後における回転数制御及び当該回転数制御に伴うトリップの動作には影響を与えないようにすることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、前記変更指令許容部は、前記実回転数と前記制限範囲の上限値又は下限値との比較結果と、前記変更指令との両方が入力された場合に前記変更指令を出力するＡＮＤ回路を含む。

上記（６）の構成によれば、この場合、簡易な構成で、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れか一つの構成において、前記目標回転数変更部は、前記タービンが電力系統に併入されていない状態において前記目標回転数を変更する。

上記（７）の構成によれば、電力系統への併入を行う前の試運転中にトリップが発生するリスクを低減することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか一つの構成において、前記制御部は、前記偏差に基づいて燃料流量を操作するための操作信号を前記タービンの前記操作量の前記指令値として出力する。

上記（８）の構成によれば、ガスタービンに適した制御を行うことができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか一つの構成において、前記制御部は、前記偏差に基づいて主蒸気弁の弁開度を操作するための操作信号を前記タービンの前記操作量の前記指令値として出力する。

上記（９）の構成によれば、蒸気タービンに適した制御を行うことができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る発電設備は、
タービンと、
上記（１）乃至（９）の何れか一つに記載のタービンの回転数制御装置と、
前記タービンによって駆動されるように構成された発電機と、
を備える。

上記（１０）の構成によれば、タービンを備える発電設備において、上記（１）乃至（９）の何れか一つに記載のタービンの回転数制御装置によって、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る発電設備は、
ガスタービンと、
蒸気タービンと、
前記ガスタービンに設けられる、上記（１）乃至（８）の何れか一つに記載のタービンの回転数制御装置と、
前記ガスタービン及び前記蒸気タービンによって駆動されるように構成された発電機と、
を備える。

ガスタービンと蒸気タービンを備える発電設備（コンバインドサイクル発電設備）では、コールド起動の際、ガスタービンの排気温度による蒸気タービンへの熱的な負荷を軽減するために、ガスタービンのインレットガイドベーンを開くように構成されている場合がある。この場合、インレットガイドベーンの開放により、無負荷定格速度運転時の目標回転数に対する実回転数の残留偏差（オフセット）が拡大するため、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクが高まる。そのため、上記（１１）の構成によれば、上記（１）乃至（８）の何れか一つに記載のタービンの回転数制御装置の利点を有効活用することができる。

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンの回転数制御方法は、
タービンの目標回転数及び実回転数を取得する取得ステップと、
前記取得ステップにおいて取得した前記目標回転数と前記実回転数との偏差に基づく比例制御により、前記タービンの操作量の指令値を出力する制御ステップと、
前記タービンのトリップが生じない制限範囲内に前記実回転数が収まっている場合にのみ、回転数調整範囲内で前記目標回転数を変更する目標回転数変更ステップと、
を備える。

上記（１２）の方法によれば、タービンにおいて、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係るプログラムは、
コンピュータを、
タービンの目標回転数及び実回転数を取得する取得手段、
前記取得手段が取得した前記目標回転数と前記実回転数との偏差に基づく比例制御により、前記タービンの操作量の指令値を出力する制御手段、
前記タービンのトリップが生じない制限範囲内に前記実回転数が収まっている場合にのみ、回転数調整範囲内で前記目標回転数を変更する目標回転数変更手段、
として機能させる。

上記（１３）のプログラムによれば、タービンにおいて、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、タービンにおいて、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る発電設備の概略構成図である。 一実施形態に係るタービンの回転数制御装置の概略構成を示すブロック図である。 一実施形態に係るタービンの回転数制御装置による回転数制御の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係るタービンの回転数制御装置を使用した場合の回転数の推移の一例を示す図である。 比較例に係るタービンの回転数制御装置の概略構成を示すブロック図である。 比較例に係るタービンの回転数制御装置を使用した場合の回転数の推移の一例を示す図である。 一実施形態に係るタービンの回転数制御装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る発電設備の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る発電設備の概略構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電設備１０（１０ａ）の概略構成図である。図１に示すように、発電設備１０（１０ａ）は、空気を圧縮して出力する圧縮機１と、圧縮機１からの圧縮空気と燃料配管を経て供給される燃料とを混合燃焼し、燃焼ガスを出力する燃焼器２と、燃焼器２からの燃焼ガスにより回転駆動されるガスタービン３と、ガスタービン３により駆動される発電機４と、ガスタービン３の回転数を制御するように構成されたタービンの回転数制御装置２０（２０ａ）とを備えている。なお、圧縮機１、ガスタービン３、及び発電機４は同軸により互いに連結されている。

燃焼器２の燃料配管には、燃料流量を調整するための燃料流量調整弁５が設けられている。この燃料流量調整弁５の開度は、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）により制御される。圧縮機１の第１段の翼の前側には、圧縮機１へ供給する空気流量を調整するためのインレットガイドベーン６が設けられている。インレットガイドベーン６の開度は、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）によって制御されてもよい。

図２は、一実施形態に係るタービンの回転数制御装置２０の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、タービンの回転数制御装置２０は、タービンの操作量の指令値を出力するための制御部２１と、目標回転数を変更するように構成された目標回転数変更部２２（２２ａ）と、実回転数を取得するための実回転数取得部２３と、を備える。

制御部２１は、タービンの目標回転数と実回転数との偏差に基づく比例制御により、操作量の指令値を出力するように構成されている。具体的には、制御部２１は、信号生成部２１２、加算器２１３、比較器２１４、比例器２１５、及び信号変換部２１６を含む。

ガスタービン３の併入では、インレットガイドベーン６を開放した後の状態で併入される場合と、インレットガイドベーン６が閉鎖した状態のままで併入される場合とがある。インレットガイドベーン６の開閉によってガスタービン３の回転数は変化する。しかし、無負荷定格速度運転時の実回転数は、使用状況に応じていればよく、インレットガイドベーン６が開放している状態と閉鎖している状態のどちらの実回転数を意味していてもよい。

信号生成部２１２は、無負荷回転数を設定するための信号を生成し、その信号を出力する。この信号は、ガスタービン３に無負荷定格速度運転（ＦＳＮＬ：Ｆｕｌｌ Ｓｐｅｅｄ Ｎｏ Ｌｏａｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を実行させるようにタービンの回転数を昇速させるための信号である。なお、例えば、定格速度が３０００ｒｐｍの回転数であっても、無負荷定格速度運転時の実回転数は、定格速度の３０００ｒｐｍの回転数に対してオフセットの分だけ差異を有する。

加算器２１３は、信号生成部２１２の出力信号と目標回転数変更部２２（２２ａ）の出力信号とを受け付けて、それらを加算した信号を、目標回転数を示す信号として出力する。比較器２１４は、加算器２１３の出力信号（目標回転数）と実回転数取得部２３の出力信号（実回転数）とを受け付けて、それらを比較して偏差を出力する。

比例器２１５は、比較器２１４が出力する偏差を受け付けて、その偏差を増幅又は減衰させた信号を出力する。信号変換部２１６は、比例器２１５の出力信号を変換して、操作量の指令値を示す信号を出力する。操作量の指令値を示す信号は、例えば、燃料流量の燃料流量を操作するための操作信号である。

目標回転数変更部２２（２２ａ）は、タービンのトリップが生じない制限範囲内に実回転数が収まっている場合のみにおいて、回転数調整範囲内で目標回転数を変更する。目標回転数変更部２２（２２ａ）は、ガスタービン３が電力系統に併入されていない状態において目標回転数を変更するように構成されている。目標回転数変更部２２（２２ａ）は、変更指令受付部２２１、変更指令許容部２２２（２２２ａ）及びアナログメモリ２２３を含む。

ここで、「回転数調整範囲」とは、電力系統との併入のために設定されている比率に基づくガバナ上下限の範囲である。例えば、回転数調整範囲は、無負荷定格速度運転時の目標回転数（すなわち定格速度）の９６〜１０６％の範囲に設定される。なお、比率の値は、国や電力会社等によって異なる。

「制限範囲内」とは、上限値と下限値の少なくとも一方により規定される範囲内である。一実施形態では、制限範囲の下限値は、タービンの下側トリップ回転数よりも高い回転数である。タービンの下側トリップ回転数は、定格速度よりも低い回転数であり、例えば、サージング（過大なタービン振動）防止のために設定される異常低下トリップ回転数である。例えば、定格速度が３０００ｒｐｍである場合、タービンの下側トリップ回転数は、２８４０ｒｐｍ（定格速度の９４．６７％）に設定される。

変更指令受付部２２１は、設定されている回転数調整範囲内において、目標回転数の変更指令を受け付けるように構成されている。例えば、変更指令受付部２２１は、ガバナ設定信号としての増指令（すなわち目標回転数を上げる指令）を受け付ける増指令受付部２２１ａと、ガバナ設定信号としての減指令（すなわち目標回転数を下げる指令）を受け付ける減指令受付部２２１ｂとを含む。

増指令受付部２２１ａは、増指令を受け付けた場合に「１」（Ｈｉｇｈ信号）を出力し、減指令受付部２２１ｂは、減指令を受け付けた場合に「１」（Ｈｉｇｈ信号）を出力する。なお、変更指令受付部２２１が受け付ける変更指令は、ユーザによる手動操作（例えば増指令ボタンや減指令ボタンの押下）に基づく指令であってもよいし、ユーザの自動ボタンの押下によって自動生成される指令であってもよい。なお、変更指令による変更は、目標回転数に急激な変更が生じないように、所定レートずつの変更の制限されている。例えば、増指令ボタンを１回押下されるたびに、目標回転数は定格速度の０．１％ずつ変化してもよい。

変更指令許容部２２２（２２２ａ）は、タービンの実回転数が制限範囲内に収まっている場合に限り、変更指令受付部２２１が受け付けた変更指令を許容して、変更指令により規定された目標回転数を制御部２１に対して出力するように構成されている。また、変更指令許容部２２２（２２２ａ）は、タービンの無負荷定格速度運転状態への到達後、かつ、タービンの電力系統への併入前におけるタービンの回転数制御に用いられるガバナ設定信号としての変更指令に対して、許容の可否を判断するように構成されている。具体的には、変更指令許容部２２２（２２２ａ）は、比較結果出力部２２４とＡＮＤ回路２２５とを含む。

比較結果出力部２２４は、タービンの実回転数と制限範囲の下限値との比較結果を出力する。具体的には、比較結果出力部２２４は、タービンの実回転数が制限範囲の下限値より高い場合には「１」（Ｈｉｇｈ信号）を出力し、タービンの実回転数が制限範囲の下限値以下である場合には「０」（Ｌｏｗ信号）を出力する。ＡＮＤ回路２２５には、比較結果出力部２２４から出力される比較結果と、減指令受付部２２１ｂが受け付けるガバナ設定信号としての減指令とが入力される。

ＡＮＤ回路２２５は、減指令及び比較結果の両方が「１」（Ｈｉｇｈ信号）である場合に、「１」（Ｈｉｇｈ信号）を出力する。このように、ＡＮＤ回路２２５は、タービンの実回転数が制限範囲の下限値より高い場合には減指令をそのまま出力し、タービンの実回転数が制限範囲の下限値以下である場合には、減指令をキャンセルする。

なお、変更指令許容部２２２（２２２ａ）において、比較結果出力部２２４がタービンの実回転数が制限範囲の下限値より高い場合には「０」（Ｌｏｗ信号）を出力し、減指令を受け付けた場合に減指令受付部２２１ｂが「０」（Ｌｏｗ信号）を出力するように構成されてもよい。すなわち、変更指令をローアクティブにするかハイアクティブにするかは適宜変更可能である。

アナログメモリ２２３は、変更指令受付部２２１からの増指令又は変更指令許容部２２２（２２２ａ）からの減指令を受け付けて、それらを一時記憶して制御部２１の加算器２１３に出力する。これにより、目標回転数に変更指令が反映される。

実回転数取得部２３は、実回転数を示す信号を出力するように構成されている。実回転数取得部２３は、選択器２３１を含む。選択器２３１は、入力される３つの回転数（回転数Ａ、回転数Ｂ、回転数Ｃ）を示す信号のうち中間値を示す信号を選択する。選択器２３１は、選択した信号を、実回転数を示す信号として出力する。

ここで、上記構成を有するタービンの回転数制御装置２０（２０ａ）の動作を説明する。図３は、一実施形態に係るタービンの回転数制御装置２０（２０ａ）による回転数制御の一例を示すフローチャートである。図４は、一実施形態に係るタービンの回転数制御装置２０（２０ａ）を使用した場合の回転数の推移の一例を示す図である。

図３に示すように、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）は、信号生成部２１２の出力信号に基づいて無負荷回転数である目標回転数を取得し、実回転数取得部２３によってタービンの実回転数を取得する（ステップＳ１）。タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）の制御部２１は、取得した目標回転数と実回転数との偏差に基づく比例制御によって操作量の指令値を出力する（ステップＳ２）。

これにより、ガスタービン３において、無負荷定格速度運転状態となるようにタービンの回転数が昇速する。例えば、図４に示すように目標回転数が３０００ｒｐｍである場合に、実回転数は２９６０ｒｐｍまで到達する。ここで、例えば、２９４０ｒｐｍ（定格速度の９８％）以上に達していることを条件にインレットガイドベーン６が開放する。そうすると、インレットガイドベーン６の開放によって実回転数が低下する。例えば、図４に示すように実回転数が２９５０ｒｐｍに低下する。

なお、近年のコンバインドサイクル発電システム（後述する図８参照）におけるガスタービン３では、コールド起動の際に蒸気タービンへの負荷（すなわち排ガス温度）を下げるためにインレットガイドベーン６を開く構成が採用されている。ただし、インレットガイドベーン６の開放は必須の動作ではない。例えば、ガスタービン３が単独運転する場合には、ガスタービン３はインレットガイドベーン６を開放しない構成であってもよい。

このように、インレットガイドベーン６を開放した状態（又は開放しないままの状態）でタービンの実回転数が安定すると、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）は、変更指令受付部２２１から入力される変更指令を受け付ける（ステップＳ３）。ここで、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）は、タービンの実回転数が制限範囲内であるか否かを判別する（ステップＳ４）。

なお、図２に示す一実施形態では、変更指令許容部２２２（２２２ａ）が減指令受付部２２１ｂ側のみに設けられている。そのため、減指令については実回転数が制限範囲の下限値より高いか否かが判別されるものの、増指令についてはこのような判別は実行されない。なお、後述する図７に示すように、変更指令許容部２２２（２２２ｂ）が増指令受付部２２１ａ側に設けられ、増指令について実回転数が制限範囲の上限値より低いか否かが判別されてもよい。

例えば、図４に示す例では、無負荷定格速度運転時の実回転数が２９５０ｒｐｍであり、タービンの下側トリップ回転数が２８４０ｒｐｍであり、制限範囲の下限値はタービンの下側トリップ回転数より高い回転数として２８５０ｒｐｍが設定されている。この場合、タービンの実回転数が制限範囲の下限値（２８５０ｒｐｍ）より高い場合には、実回転数が制限範囲内であると判別される。そのため、タービンの実回転数が２８５０ｒｐｍ以下となっている場合には、実回転数が制限範囲外であると判別される。

タービンの実回転数が制限範囲内ではないと判別された場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）は、ステップＳ３に戻って処理を実行する。なお、実回転数が制限範囲の下限値以下である場合に受け付けた減指令は無効化される。例えば、図４において、タービンの実回転数が２８５０ｒｐｍ以下となっている場合には、減指令は、たとえ目標回転数を回転数調整範囲内で変更する指令であっても無効化される。

一方、タービンの実回転数が制限範囲内であると判別された場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）は、変更指令に応じて回転数調整範囲内で目標回転数を変更する（ステップＳ５）。例えば、図２において、アナログメモリ２２３に変更指令が入力され、アナログメモリ２２３の出力が、目標回転数を定める加算器２１３に入力される。

ここで、上述した一実施形態に係るタービンの回転数制御装置２０（２０ａ）の利点をわかりやすく説明するために、比較例に係るタービンの回転数制御装置４０について説明する。図５は、比較例に係るタービンの回転数制御装置４０の概略構成を示すブロック図である。図６は、比較例に係るタービンの回転数制御装置４０を使用した場合の回転数の推移の一例を示す図である。

図５に示すように、比較例に係るタービンの回転数制御装置４０は、目標回転数変更部４２を備えている。目標回転数変更部４２は、変更指令許容部２２２（２２２ａ）を備えていない点で、一実施形態に係るタービンの回転数制御装置２０（２０ａ）の目標回転数変更部２２（２２ａ）とは異なる。他の構成については、タービンの回転数制御装置４０は、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）と同様の構成を有している。

タービンの回転数制御装置４０では、変更指令に応じて回転数調整範囲内で目標回転数が変更される。そのため、例えば、図６に示すように、定格回転数が３０００ｒｐｍである場合に、無負荷定格速度運転時のタービンの実回転数がオフセットやインレットガイドベーンの開放等によって２９５０ｒｐｍに落ち着いたとする。このような状態において、目標回転数が定格速度の９６％（回転数調整範囲の下限値）に設定された場合、実回転数が２８３２ｒｐｍ程度となり、タービンの下側トリップ回転数２８４０ｒｐｍ以下に達して、タービンのトリップが発生してしまう。

このように、比較例に係るタービンの回転数制御装置４０では、タービンを備える発電設備を電力系統へ併入させるために目標回転数を変化させた場合、電力系統への併入が可能かを確認するための試運転において目標回転数を変化させた場合等に、実回転数が機器保護のために設定されているトリップ回転数に達してしまう虞がある。このような場合であっても、部品交換やガバナの傾き調整等の機器の調整後に再始動すれば、トリップ設定値に達しないことがある。しかし、一度、停止させた発電設備を再始動する場合、長い待機時間と起動時間が必要となる。したがって、目標回転数の変更に起因してトリップが発生する構成では、利便性が低い。

これに対し、一実施形態に係るタービンの回転数制御装置２０は、例えば、図２及び後述する図７に示すように、タービンの目標回転数と実回転数との偏差に基づく比例制御により、タービンの操作量の指令値を出力するための制御部２１と、タービンのトリップが生じない制限範囲内に実回転数が収まっている場合にのみ、回転数調整範囲内で目標回転数を変更するように構成された目標回転数変更部２２（２２ａ，２２ｂ）と、を備えている。

かかる構成によれば、制限範囲内に実回転数が収まっていない場合には、目標回転数を変更しないため、目標回転数の変更によって実回転数が予期せずトリップが生じる回転数まで変動することが生じにくい。そのため、タービンにおいて、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

幾つかの実施形態では、例えば、図２及び図４に示すように、制限範囲の下限値は、前記タービンの下側トリップ回転数よりも高い回転数に設定されている。

かかる構成によれば、目標回転数の変更に起因して実回転数がタービンの下側トリップ回転数に到達してトリップが発生するリスクを低減することが可能となる。

幾つかの実施形態では、制限範囲の上限値は、タービンの上側トリップ回転数よりも低い回転数に設定されていてもよい。タービンの上側トリップ回転数は、定格速度よりも高い回転数である。例えば、タービンの上側トリップ回転数は、過回転防止のために設定される過速度トリップ回転数である。例えば、定格速度が３０００ｒｐｍである場合、タービンの上側トリップ回転数は、３３３０ｒｐｍ（定格速度の１１１％）に設定される。なお、制限範囲は、上限値と下限値の少なくとも一方によって規定されていればよい。

例えば、図７は、一実施形態に係るタービンの回転数制御装置２０の概略構成を示すブロック図である。図２及び図４に示す一実施形態では、制限範囲が下限値によって規定される場合について説明した。これに対し、図７は、制限範囲が上限値によって規定されている場合の構成を示している。

図７に示すタービンの回転数制御装置２０の目標回転数変更部２２（２２ｂ）は、変更指令許容部２２２（２２２ｂ）を備えている。変更指令許容部２２２（２２２ｂ）の比較結果出力部２２４は、タービンの実回転数と制限範囲の上限値との比較結果を出力するように構成されている。変更指令許容部２２２（２２２ｂ）のＡＮＤ回路２２５には、比較結果出力部２２４から出力される比較結果と、増指令受付部２２１ａが受け付けるガバナ設定信号としての増指令とが入力される。

具体的には、比較結果出力部２２４は、タービンの実回転数が制限範囲の上限値より低い場合には「１」（Ｈｉｇｈ信号）を出力し、タービンの実回転数が制限範囲の上限値以上である場合には「０」（Ｌｏｗ信号）を出力する。

ＡＮＤ回路２２５は、増指令及び比較結果の両方が「１」（Ｈｉｇｈ信号）である場合に、「１」（Ｈｉｇｈ信号）を出力する。このように、ＡＮＤ回路２２５は、タービンの実回転数が制限範囲の上限値より低い場合には増指令をそのまま出力し、タービンの実回転数が制限範囲の上限値以上である場合には、増指令をキャンセルする。なお、上述したように、変更指令はハイアクティブではなくローアクティブにされてもよい。

アナログメモリ２２３は、変更指令受付部２２１からの減指令又は変更指令許容部２２２（２２２ｂ）からの増指令を受け付けて、それらを一時記憶して制御部２１の加算器２１３に出力する。これにより、目標回転数に変更指令が反映される。

かかる構成によれば、目標回転数の変更に起因して実回転数がタービンの上側トリップ回転数に到達してトリップが発生するリスクを低減することが可能となる。なお、図示した例に限られず、増指令受付部２２１ａ及び減指令受付部２２１ｂに、それぞれ変更指令許容部２２２ａ，２２２ｂが接続されていてもよい。

幾つかの実施形態では、例えば、図２、図４及び図７に示すように、目標回転数変更部２２（２２ａ，２２ｂ）は、回転数調整範囲内において、目標回転数の変更指令を受け付けるように構成された変更指令受付部２２１と、実回転数が制限範囲内に収まっている場合に限り、変更指令を許容して変更指令により規定された目標回転数を制御部に対して出力するための変更指令許容部２２２（２２２ａ，２２２ｂ）と、を含む。

近年、タービンを備える発電設備では、電力系統周波数が変動していても電力系統への併入（同期投入）を可能とするために、目標回転数を回転数調整範囲内で変更指令を受け付ける機能を有している。その点、上記構成によれば、変更指令受付部２２１によって現在普及しているタービンと同様の機能を維持しつつ、変更指令許容部２２２（２２２ａ，２２２ｂ）によってトリップが発生するリスクを低減することが可能となる。

幾つかの実施形態では、例えば、図２及び図７に示すように、変更指令許容部２２２（２２２ａ，２２２ｂ）は、タービンの無負荷定格速度運転状態への到達後、かつ、タービンの電力系統への併入前におけるタービンの回転数制御に用いられるガバナ設定信号としての変更指令に対して、許容の可否を判断するように構成されている。

かかる構成によれば、変更指令許容部２２２（２２２ａ，２２２ｂ）は、電力系統への併入前におけるタービンの回転数制御に用いられるガバナ設定信号としての変更指令について許容の可否を判断する。そのため、電力系統への併入後における回転数制御及び当該回転数制御に伴うトリップの動作には影響を与えないようにすることができる。

幾つかの実施形態では、例えば、図２に示すように、変更指令許容部２２２は、タービンの実回転数と制限範囲の下限値との比較結果と、変更指令との両方が入力された場合に変更指令を出力するＡＮＤ回路２２５を含む。また、図７に示すように、変更指令許容部２２２は、タービンの実回転数と制限範囲の上限値との比較結果と、変更指令との両方が入力された場合に変更指令を出力するＡＮＤ回路２２５を含んでいてもよい。

かかる構成によれば、この場合、簡易な構成で、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

幾つかの実施形態では、目標回転数変更部２２（２２ａ，２２ｂ）は、タービンが電力系統に併入されていない状態において目標回転数を変更する。

かかる構成によれば、電力系統への併入を行う前の試運転中にトリップが発生するリスクを低減することができる。

幾つかの実施形態では、例えば、図１、図２及び図７に示すように、制御部２１は、偏差に基づいて燃料流量を操作するための操作信号をタービンの操作量の指令値として出力する。かかる構成によれば、ガスタービン３に適した制御を行うことができる。

一実施形態に係る発電設備１０（１０ａ）は、例えば、図１に示すように、タービンを備えるガスタービン３と、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）と、タービンによって駆動されるように構成された発電機４と、を備える。

かかる構成によれば、タービンを備える発電設備１０（１０ａ）において、タービンの回転数制御装置２０（２０ａ）によって、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクを低減することができる。

タービンの回転数制御装置２０は、ガスタービン３に適用されるタービンの回転数制御装置２０ａに限られない。また、タービンの回転数制御装置２０が適用される発電設備１０は、ガスタービン３を備える発電設備１０ａに限られない。

図８は、本発明の一実施形態に係る発電設備１０（１０ｂ）の概略構成図である。幾つかの実施形態では、例えば、図８に示すように、蒸気タービン８を備える発電設備１０（１０ｂ）において、蒸気タービン８に供給される蒸気量を操作するための操作信号を蒸気タービン８の操作量の指令値として出力するタービンの回転数制御装置２０ｂが設けられていてもよい。この場合においても、タービンの回転数制御装置２０ｂの構成は、タービンの回転数制御装置２０ｂの構成と基本的に同じである。

ただし、タービンの回転数制御装置２０ｂの制御部２１は、偏差に基づいて主蒸気弁９の弁開度を操作するための操作信号をタービンの操作量の指令値として出力する。また、タービンの回転数制御装置２０ｂでは、回転数調整範囲は、例えば、定格速度の９４〜１０６％の範囲に設定される。

かかる構成によれば、蒸気タービン８に適した制御を行うことができる。なお、タービンの回転数制御装置２０ｂの制御部２１は、主蒸気弁９の弁開度ではなく、蒸気加減弁（不図示）の弁開度を操作するための操作信号をタービンの操作量の指令値として出力するように構成されてもよい。

図９は、本発明の一実施形態に係る発電設備１０（１０ｃ）の概略構成図である。この発電設備１０（１０ｃ）は、一軸形コンバインドサイクル発電を行う設備である。しかし、発電設備１０（１０ｃ）は、多軸型コンバインドサイクル発電を行う構成にされてもよい。

図９に示すように、発電設備１０（１０ｃ）では、ガスタービン３と、発電機４と、蒸気タービン８と、起動モータ１４とが同軸上で結合されている。ガスタービン３からの排熱は、排熱回収ボイラ７で回収され、排熱回収ボイラ７から出力される蒸気は、蒸気タービン８に供給される。ガスタービン３と蒸気タービン８はそれぞれタービン及び軸を回転させ、その動力によって発電機４に発電させるように構成されている。なお、起動モータ１４は、ガスタービン３の自立速度到達まで軸に回転トルクを与えるためのものである。

発電設備１０（１０ｃ）は、燃料流量を操作するための操作信号をガスタービン３の操作量の指令値として出力するタービンの回転数制御装置２０（２０ｃ）を備えている。タービンの回転数制御装置２０ｃの構成は、図２に示すタービンの回転数制御装置２０ａの構成と基本的に同じである。

ガスタービン３と蒸気タービン８を備える発電設備１０ｃでは、コールド起動の際、ガスタービン３の排気温度による蒸気タービン８への熱的な負荷を軽減するために、ガスタービン３のインレットガイドベーン６を開くように構成されている場合がある。この場合、インレットガイドベーン６の開放により、無負荷定格速度運転時の目標回転数に対する実回転数の残留偏差（オフセット）が拡大するため、目標回転数の変更に起因してトリップが発生するリスクが高まる。そのため、タービンの回転数制御装置２０（２０ｃ）の利点を有効活用することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

タービンの回転数制御装置２０は、ガバナ設定に基づく制御ではない他の制御（例えば、発電機４の出力に応答して燃焼器２の燃料投入量を制御する負荷制御、ガスタービン３のブレードパス温度に応答して燃焼器２の燃料投入量を制御する温度制御）については、上述した制御とは異なる制御を実行するように構成されてもよい。

上述した幾つかの実施形態に係るタービンの回転数制御装置２０は、上記処理の全て或いは一部をソフトウェアによって実現する構成としてもよい。この場合、タービンの回転数制御装置２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置、及び上記処理の全て或いは一部を実現させるためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。

そして、ＣＰＵが上記記録媒体に記録されているプログラムを読み出して、情報の加工及び演算処理を実行することにより、上述したタービンの回転数制御装置２０と同様の処理を実現させる。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。また、このようなプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ ガスタービン
４ 発電機
５ 燃料流量調整弁
６ インレットガイドベーン
７ 排熱回収ボイラ
８ 蒸気タービン
９ 主蒸気弁
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 発電設備
１４ 起動モータ
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，４０ タービンの回転数制御装置
２１ 制御部
２２，２２ａ，２２ｂ，４２ 目標回転数変更部
２３ 実回転数取得部
２１２ 信号生成部
２１３ 加算器
２１４ 比較器
２１５ 比例器
２１６ 信号変換部
２２１ 変更指令受付部
２２１ａ 増指令受付部
２２１ｂ 減指令受付部
２２２，２２２ａ，２２２ｂ 変更指令許容部
２２３ アナログメモリ
２２４ 比較結果出力部
２２５ ＡＮＤ回路
２３１ 選択器

Claims (13)

1. タービンの目標回転数と実回転数との偏差に基づく比例制御により、前記タービンの操作量の指令値を出力するための制御部と、
   前記タービンのトリップが生じない制限範囲内に前記実回転数が収まっている場合にのみ、回転数調整範囲内で前記目標回転数を変更するように構成された目標回転数変更部と、
   を備えるタービンの回転数制御装置。
2. 前記制限範囲の下限値は、前記タービンの下側トリップ回転数よりも高い
   請求項１に記載のタービンの回転数制御装置。
3. 前記制限範囲の上限値は、前記タービンの上側トリップ回転数よりも低い
   請求項１又は２に記載のタービンの回転数制御装置。
4. 前記目標回転数変更部は、
   前記回転数調整範囲内において、前記目標回転数の変更指令を受け付けるように構成された変更指令受付部と、
   前記実回転数が前記制限範囲内に収まっている場合に限り、前記変更指令を許容して前記変更指令により規定された前記目標回転数を前記制御部に対して出力するための変更指令許容部と、
   を含む
   請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービンの回転数制御装置。
5. 前記変更指令許容部は、前記タービンの無負荷定格速度運転状態への到達後、かつ、前記タービンの前記電力系統への併入前における前記タービンの回転数制御に用いられるガバナ設定信号としての前記変更指令に対して、許容の可否を判断するように構成されている
   請求項４に記載のタービンの回転数制御装置。
6. 前記変更指令許容部は、前記実回転数と前記制限範囲の上限値又は下限値との比較結果と、前記変更指令との両方が入力された場合に前記変更指令を出力するＡＮＤ回路を含む
   請求項５に記載のタービンの回転数制御装置。
7. 前記目標回転数変更部は、前記タービンが電力系統に併入されていない状態において前記目標回転数を変更する
   請求項１乃至６の何れか一項に記載のタービンの回転数制御装置。
8. 前記制御部は、前記偏差に基づいて燃料流量を操作するための操作信号を前記タービンの前記操作量の前記指令値として出力する
   請求項１乃至７の何れか一項に記載のタービンの回転数制御装置。
9. 前記制御部は、前記偏差に基づいて主蒸気弁の弁開度を操作するための操作信号を前記タービンの前記操作量の前記指令値として出力する
   請求項１乃至７の何れか一項に記載のタービンの回転数制御装置。
10. タービンと、
    請求項１乃至９の何れか一項に記載のタービンの回転数制御装置と、
    前記タービンによって駆動されるように構成された発電機と、
    を備える発電設備。
11. ガスタービンと、
    蒸気タービンと、
    前記ガスタービンに設けられる、請求項１乃至８の何れか一項に記載のタービンの回転数制御装置と、
    前記ガスタービン及び前記蒸気タービンによって駆動されるように構成された発電機と、
    を備える発電設備。
12. タービンの目標回転数及び実回転数を取得する取得ステップと、
    前記取得ステップにおいて取得した前記目標回転数と前記実回転数との偏差に基づく比例制御により、前記タービンの操作量の指令値を出力する制御ステップと、
    前記タービンのトリップが生じない制限範囲内に前記実回転数が収まっている場合にのみ、回転数調整範囲内で前記目標回転数を変更する目標回転数変更ステップと、
    を備えるタービンの回転数制御方法。
13. コンピュータを、
    タービンの目標回転数及び実回転数を取得する取得手段、
    前記取得手段が取得した前記目標回転数と前記実回転数との偏差に基づく比例制御により、前記タービンの操作量の指令値を出力する制御手段、
    前記タービンのトリップが生じない制限範囲内に前記実回転数が収まっている場合にのみ、回転数調整範囲内で前記目標回転数を変更する目標回転数変更手段、
    として機能させるためのプログラム。

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