JP2612023B2 - ガスタービン制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ガス燃料を燃焼してタービン発電機を駆動
するガスタービンの制御装置に関し、特に、ガス発生能
力が低い、あるいは追従性が悪い、又、ガスボリューム
が小さく、ガス圧力がガスタービンでの燃料ガス消費変
化に敏感に対応して変化する様な、ガス発生設備と連結
されたガスタービンの制御に適した制御装置に関するも
のである。

（従来の技術） 従来技術における一般的なガスタービンの制御システ
ムを第５図に示す。本例は、ガス燃料で駆動されるガス
タービンシステムを示している。

ガスタービン14は、圧縮機81、燃焼器82、タービン83
より構成され、これらは各々複雑な特性及び、高温、回
転体であるがゆえの運転制限を有し、その制御装置も複
雑である。

燃料ガス発生部12は、ガスタービン燃焼器82に送る燃
料ガスを発生する部分で、天然ガス（NG）焚きの場合は
LNG気化設備であり、近年の高炉排ガス焚きガスタービ
ンの場合は高炉となる。又、将来の石炭ガス化コンバイ
ンドサイクルで考えれば、石炭ガスを生成、精製するガ
ス化炉及び、ガス精製設備を指す。この燃料ガス発生部
12より送出される燃料ガスは、ガスタービン設備の燃料
制御弁13を介してガスタービンの燃焼器82に送られ、燃
焼ガスとなって、タービン83およびそれに結合された発
電機84を駆動する。

ガスタービン14の制御装置は、大別して３つの制御部
と位置優先器11とから構成される。それらは、起動時の
点火燃料制御、ウォーミング、定格速度迄の昇速制御を
司る起動制御部９、タービン翼金属が許し得る温度制限
内の運転となる様に、他の制御信号に優先して制御介入
する温度制御部６、タービンの回転数と負荷を目標値に
制御するための速度・負荷制御部30である。速度・負荷
制御部30は、速度コントローラ10およびその上流の回路
を有し、速度制御機能と負荷制御機能を有する。速度コ
ントローラ10を出た信号は、低値優先器11で温度制御部
６からの信号と比較され、温度制限中でない場合は、速
度コントローラ10からの信号が燃料制御信号となって、
燃料制御弁13に与えられ、燃料流量が調整され、速度及
び負荷の制御が行なわれる。

この速度・負荷制御部30の動作をもう少し詳細に説明
すると以下のとおりである。

負荷設定器１の設定信号は、減算器２で負荷信号３と
の偏差が演算され、負荷コントローラ（比例積分要素）
４へ入力される。負荷コントローラ４では比例・積分演
算が行なわれ、負荷偏差を解消するための制御出力を加
算器５に与える。加算器５では、速度設定器７（通常は
50Hz又は60Hz）と速度信号８（系統に併入されている時
は、50Hz又は60Hzの一定周波数）の速度偏差が加算さ
れ、速度コントローラ10へ与えられる。この速度偏差と
速度コントローラ（比例要素）10はガバナーと呼ばれて
いる部分で、系統周波数の変動のない場合は動作せず、
この時は、負荷コントローラ４の信号により、燃料制御
即ちタービン発電機84の出力制御が行なわれる。

（発明が解決しようとする課題） 従来の技術で説明した様に、ガスタービン14の負荷制
御は、速度・負荷制御部30からの信号により、燃料制御
弁13の開度を調整して行なわれるが、従来の様に、非常
に安定して燃料ガスを送れる燃料ガス発生部12例えばLN
G基地等を有しているガスタービンの場合、負荷指令に
もとづき、燃料を増加・減少させても燃料ガス発生部12
の追従性には問題なく、常に安定した圧力の燃料ガスの
供給を受け、健全な負荷運用が可能である。しかし、小
規模のLNG気化設備と接続されたガスタービン、高炉ガ
ス焚きガスタービン又は石炭ガス化ガス焚きガスタービ
ンの様に、限られたガス発生容量を有している場合、燃
料ガスの送出能力（追従性）に制限のある場合は、ガス
タービン側の燃料ガス要求に追従できずに、ガス圧力の
変動を招く恐れがある。

即ち、ガスタービン14側で、大きな負荷変化幅で、し
かも高い変化率で燃料増又は減を行なうと、燃料増の場
合は燃料制御弁13を継続的に開操作することになり、燃
料ガス発生部12の追従能力が低い場合は、ガス圧力の低
下をもたらす。又逆に負荷減少の場合は、ガス圧力の上
昇をもたらす。

ガス圧力の高・低変動はガスタービン14の安定燃焼上
からも好ましくなく、ガス圧力が或る規定値を越えた場
合は、ガス燃料から助燃燃料（ディーゼル油等）に切換
えるインターロックをガスタービン14側は有している。

ガス圧力の高・低変動は燃料ガス発生部12へも悪い影
響を与える。例えば石炭ガス化設備等の燃料ガス発生部
12の場合は、ロックホッパによる燃料の安定供給上の問
題があり、圧力が異常に上昇した場合は、余剰ガスをフ
レアースタックに逃がし、燃焼後大気放出する方法をと
っている。

以上の様に、従来のガスタービンには、燃料ガス圧力
の制御要素がガスタービンの燃料制御に一切考慮されて
おらず、圧力高低で燃料切替となった場合は、失火トリ
ップの危険性があるし、燃料切替が成功しても、負荷の
変化を中止し、再度燃料逆切替（液体燃料からガス燃料
への）をしなければならない。又、上記、石炭ガス化設
備を燃料ガス発生部12に有する例では、圧力高時に、圧
力を規定値に抑えるべくフレアーにガスを逃がすため、
省エネルギー上も好ましくない。従って、ガスタービン
側の制御に、燃料ガス圧力制御の要素を加味した、燃料
ガス圧力と負荷を協調して制御する方法が調く望まれ
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、燃料ガスをガスタービンの燃焼器に供給す
る流量を燃料制御弁により制御するガスタービン制御装
置において、通常時にはガスタービンの速度および負荷
がそれぞれの所定値に近づくように制御し、上記燃料ガ
スの燃料制御弁上流側圧力が所定幅以上に変動した場合
にのみその圧力をその所定幅以内にもどすようにその圧
力信号を前記燃料制御弁の制御信号として燃料ガスの流
量を制御することを特徴とするものである。

（作 用） 速度・負荷制御中に、ガス圧力が所定幅を越えて変動
した場合は、圧力の引き戻し操作を行なうことができ
る。これにより運転信頼性が向上する。

（実施例） 以下、本発明の第１の実施例を第１図に基づいて説明
する。同図において、第５図に示した従来技術と共通部
分には同一符号を付して説明を省略する。速度負荷制御
部31には、以下に述べる圧力制御要素付加のための制御
回路が追加されている。

それらは、燃料ガス圧力の規定値を設定する圧力設定
器15、圧力信号16（燃料ガス圧力信号）との偏差を演算
する減算器42、圧力偏差の幅がある一定値以内では圧力
制御機能を活かさない様にするための不感帯回路17、不
感帯回路17を出た圧力偏差を解消する様に動作する圧力
コントローラ（比例要素または比例積分要素）18、圧力
コントローラ18の信号を負荷コントローラ（比例積分要
素）４の出力信号に加算するための加算器５である。

第１図に基づいて、この実施例の作用及び効果を説明
する。ガス圧力の変動がない状態で、負荷制御中に大き
な負荷変化率がガスタービン14に課せられた場合、又燃
料ガス発生部12の方がガスタービン14の燃料制御に追従
できなくなり、ガス圧力が変動し、圧力偏差が不感帯回
路17の不感帯幅を越えた場合は、この圧力偏差が圧力コ
ントローラ18に入力し、圧力制御信号が、圧力コントロ
ーラ18より加算器45に入力され、負荷コントローラ４の
出力信号に加算され、負荷コントローラ４の信号を打ち
消す様に働く。

この圧力コントローラ18の動作により、低値優先器11
から燃料制御弁13に与えられる燃料ガス制御信号は、負
荷制御のみの信号から圧力も加味した制御信号に変わ
り、圧力を規定値内に抑える様に変化する。しかる後、
圧力偏差が戻り、圧力コントローラ18の出力がなくなる
と、元の負荷コントローラ４のみの負荷制御に移り負荷
制御が継続される。

以上の動作により、負荷変化中に圧力偏差が大きくな
っても、負荷制御を継続しながら、燃料が圧力偏差を解
消する様に適切な燃料制御弁開度指令となる様に修正さ
れ、円滑な負荷制御運転が実現される。

次に第２の実施例を第２図により説明する。この場
合、速度負荷制御部32において、負荷コントローラ４の
あとに、加算器45の代わりに低値優先器61を使用する。
低値優先器61以外は第１図と同じである。本実施例の場
合は、負荷制御により燃料制御弁13を開操作している時
に、燃料ガス圧力が規定値以下に下った場合は、負荷制
御指令（負荷コントローラ４の出力）に優先して燃料制
御弁13を圧力コントローラ18の信号により制御する様、
圧力コントローラ18の信号を低値優先器61を介して選択
する。

次に第３の実施例を第３図により説明する。これは、
速度負荷制御部33において、負荷制御と圧力制御を切替
回路19で切替えて、負荷制御を圧力制御に換える方法で
ある。

この切替は、切替選択回路20からの指令で、切替回路
19により、負荷コントローラ４の信号を使うか、圧力コ
ントローラ18の信号をガスタービン制御に使うかの選択
を行なうものである。切替選択回路19で、負荷制御か圧
力制御かの手動選択をするか、あるいは圧力が異常に変
動して負荷制御ができなくなり、圧力制御に切り替えた
い時、圧力偏差大等で自動的に圧力制御選択とする様な
使い方をする。

次に第４の実施例を第４図により説明する。

上記第１〜第３の実施例は、ガスタービンの速度制御
系、即ち速度偏差演算部分（第１図の7,52,5の構成要
素）と速度コントローラ10より成るいわゆるガバナー部
分の上流に切替あるいは選択回路を設けて、負荷コント
ローラ４の圧力コントローラ18の協調制御あるいは切替
選択制御をしていた。ここで説明する方法は、速度負荷
制御部34において、負荷制御と圧力制御の切替を速度コ
ントローラ40の下流側で行なうもので、第１〜３図で説
明した加算、低値優先、切替の機構の有する選択切替回
路21で、これを実現する方法である。

負荷コントローラ４の２次側でなく、速度コントロー
ラ10の下流で選択切替を行なう目的は、上記第３の実施
例の様に、完全に圧力コントローラ18の信号でガスター
ビン14を圧力制御しても、速度制御系が後にある場合、
ガバナー信号の影響を受け、燃料制御弁13への信号が変
動し、安定した圧力制御が出来ない場合があるからであ
る。

この方法によれば、上記第１〜第３の実施例より更に
安定した圧力制御が期待出来る。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明に係るガスタービン制御装
置によれば、燃料ガス発生設備のガス発生能力（追従
性）が悪い場合にも、燃料ガス圧力とガスタービン負荷
を協調して制御する機能をガスタービン制御装置に付加
することにより、運転信頼性、経済性が大幅に向上す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す系統図、第２図は
第２の実施例を示す系統図、第３図は第３の実施例を示
す系統図、第４図は第４の実施例を示す系統図、第５図
は従来のガスタービン制御方法を示す系統図である。 １……負荷設定器 2,42,52……減算器 ３……負荷信号 ４……負荷コントローラ 5,45……加算器 ６……温度制御部 ７……速度設定器 ８……速度信号 ９……起動制御部 10……速度コントローラ 11,61……低値優先器 12……燃料ガス発生部 13……燃料制御弁 14……ガスタービン 15……圧力設定器 16……圧力信号 17……不感帯回路 18……圧力コントローラ 82……燃焼器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料ガスをガスタービンの燃焼器に供給す
   る流量を燃料制御弁により制御するガスタービン制御装
   置において、通常時にはガスタービンの速度および負荷
   がそれぞれの所定値に近づくように制御し、上記燃料ガ
   スの燃料制御弁上流側圧力が所定幅以上に変動した場合
   にのみその圧力をその所定幅以内にもどすようにその圧
   力信号を前記燃料制御弁の制御信号として燃料ガスの流
   量を制御することを特徴とするガスタービン制御装置。