JP3234055B2 - 複合発電プラントの系列負荷制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一軸型または多軸型の
複合発電プラントの系列運転時の負荷制御性を向上させ
るようにした複合発電プラントの系列負荷制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガスタービンとその排ガスを利用
した蒸気タービンとを組合わせた複合発電プラントにお
いては、プラント全体の効率の良さに加え、ガスタービ
ン側を変えることによって天然ガス以外の燃料を採用す
ることも可能であることから、火力発電プラントの主流
になりつつある。

【０００３】この複合発電プラントによれば、天然ガス
等の燃料を燃焼させることによってガスタービンを駆動
して発電を行うと共に、その排ガスから排熱を回収し、
この排熱によって排熱回収ボイラと呼ばれるボイラで蒸
気を発生させ、この蒸気で蒸気タービンを駆動して発電
機で発電することができる。一般に、複合発電プラント
の構成には、様々な構成のものがあるが、ここでは一番
簡単な例として、ガスタービン発電機・排熱回収ボイラ
・蒸気タービン発電機を各１台用いて構成される複合発
電プラントを例に採って、その動作原理を説明する。

【０００４】この複合発電プラントは、図５に示すよう
な構成となっている。すなわち、まず燃料を燃焼器１で
燃焼させ、高温高圧となった燃焼ガスはガスタービン２
を駆動した後、排ガスとなって煙突３から外気へ放出さ
れる。煙突３には排熱回収ボイラ４が設置されており、
排ガスから回収された熱により排熱回収ボイラ４内の水
が加熱されて蒸気が発生する。この蒸気は加減弁５を通
って蒸気タービン６を駆動して発電を行った後、蒸気タ
ービン６から復水器７に導かれ、凝縮して水となる。

【０００５】なお、図中８は燃焼器１に空気又は酸素と
共に供給される燃料を調節するガスタービン燃料調節弁
である。さて、一般に発電プラントは中央給電発電指令
室から与えられる負荷目標値に対して発電出力が一致す
るように負荷制御を行なうのが通常である。複合発電プ
ラントは、１軸あたりの発電出力が従来の汽力発電プラ
ントよりも小規模であることから、複数の軸を１つのグ
ループ（１系列）と見なして、１系列の総発電出力に対
する負荷制御が行なわれる。すなわち、中央給電発電指
令室から１系列に対する系列負荷目標値が与えられ、系
列発電出力を一致させるような系列負荷制御が行なわれ
る。

【０００６】系列負荷制御を行うためには、系列全体に
対して与えられる系列負荷目標値を何らかの方法で各軸
に分配し、各軸の総発電出力である系列発電出力が系列
目標値に一致するように制御する系列負荷制御装置が必
要である。ところで、系列負荷制御機能としては、次の
２つが要求される。その１つは系列負荷目標値が変動し
たときに系列発電出力が遅れなく追従すること、すなわ
ち目標値追従性を有することである。もう１つは系列負
荷制御装置で運転している軸数が変動した時に、速やか
にそれらの影響を取除くこと、すなわち外乱補償性を有
することである。

【０００７】図６に従来の系列負荷制御系を示し、図７
にその制御方法による負荷制御の状態を示す。系列負荷
目標値信号101 は変化率制限器１１を通り、系列負荷変
化率(b1)121 で滑らかに変化する系列負荷設定値信号10
2 となる。この系列負荷設定値信号102 は系列発電出力
信号103 と比較され、その偏差信号104 が偏差補償器１
２に加えられる。この偏差補償器１２は偏差が解消され
るように各軸負荷補償信号105 を出力する。

【０００８】また、系列負荷目標値信号101 の変化に対
する速応性向上のために、変化率制限器１１から系列負
荷変化率信号113 をフィードフォワード算出器１３に与
え、このフィードフォワード算出器１３よりフィードフ
ォワード信号106 として偏差補償器１２から出力される
各軸負荷補償信号 105に加算して各軸負荷制御信号107
を作る。この各軸負荷制御信号107 は変化率制限器１４
に加えられ、この変化率制限器１４によって最大各軸負
荷変化率(b2)122 で滑らかに変化する各軸負荷目標値信
号108 となり、各軸負荷制御装置２１〜２３に出力され
る。

【０００９】各軸負荷制御装置２１〜２３は各々の軸発
電出力 110〜112 を与えられた各軸負荷変化率 123〜12
5 に従って各軸負荷目標値信号108 に一致させるように
各軸発電出力制御を行う。このように従来の系列負荷制
御装置２０においては、各軸負荷目標値信号108を作る
場合、最大各軸負荷変化率(b2)122 を用いることにより
速く負荷変動できる軸のスピードに合わせた各軸負荷目
標信号108 を出力することができ、これによって各軸を
それぞれ最大限の変化率で負荷変化させて系列全体の負
荷応答速度を上げている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の複合発電プラントの系列負荷制御装置においては、フ
ィードバック制御により系列負荷制御を行っているた
め、以下に述べるような問題があつた。ここで、説明の
簡単のため、２軸で１系列を形成しているシステムにつ
いて考える。いま、系列負荷制御装置で運転されている
軸が２軸あり、それぞれの軸は異なる負荷変化率で運転
可能なものとする。また、第１軸の負荷変化率α１＝５
％／min 、第２軸の負荷変化率α２＝１％／min とする
と、系列全体としては系列負荷変化率ｂ１＝（α１＋α
２）／２＝３％／min で負荷変動が可能である。このと
き、最大各軸負荷変化率ｂ２は、ｂ２＝max （α１，α
２）＝５％／minである。第１軸、第２軸とも最大１０
０ＭＷ発電出力することが可能であるとすれば、系列全
体では２００ＭＷ発電出力である。

【００１１】このような複合発電プラントの系列負荷制
御装置において、時刻0で系列負荷目標値信号101が２０
０ＭＷから１１０ＭＷに変化したときの系列負荷制御の
様子を図７に示す。最終状態では第１軸、第２軸ともに
５５ＭＷに到達する。過渡的には第１軸の負荷変化率α
１は第２軸の負荷変化率α２よりも大きいため、図７に
示すように第１軸の発電出力110が先に５５ＭＷに到達
し、第２軸の発電出力111がまだ十分低下していないた
め、これを補うために各軸負荷目標値信号１０８は下が
り続け、第１軸の発電出力１１０も追従する。図７にお
いては各軸負荷目標値信号１０８と第１軸の発電出力１
１０とを同一の線で示している。各軸目標値信号１０８
と第１軸の発電出力１１０とは、さらに２５ＭＷに減少
した後に第２軸の発電出力111の低下に合わせて再び増
加するという複雑な応答を示す。

【００１２】時刻０から１５分までのフィードフォワー
ド信号106 は、図７に示すように３％／min で変化する
ため、折角速応性向上のためにフィードフォワード信号
106を用いているにもかかわらず、その効果が現れな
い。各軸負荷目標値信号108 は時刻０から３％／min で
変化を始め、系列負荷設定値信号102 と系列発電出力信
号103 との偏差信号104 が生じることにより偏差補償器
１２がフィードバック制御を行い、各軸補償信号105 を
出力する。この各軸補償信号105 とフィードフォワード
信号106 との偏差が増大することによって、各軸負荷目
標値信号108 は最大各軸負荷変化率ｂ２＝５％／min で
変化する。

【００１３】以上の結果から、時刻０から偏差信号 104
が生じるまでの時間は３％／min で第１軸の発電出力Ｓ
111が変化し、これは第１軸の負荷変化可能変化率α１
を十分に活用していない。また、フィードフォワード信
号 106は１５分後に、５５ＭＷに達して変化が終わるた
め、１５分以降の第２軸の発電出力 111の低下に合せて
第１軸の発電出力111を増加させて行く制御は、フィー
ドバック制御のみによって行われる。

【００１４】従って、偏差補償器１２は系列負荷設定値
信号 102と系列発電出力信号 103との偏差信号 104を解
消するように各軸負荷補償信号 105を出力して制御を行
うので、第２軸の発電出力 111の変動が終わるまで、系
列負荷設定値信号 102と系列発電出力信号 103との偏差
104は解消しない。本発明は上記のような事情に鑑みて
なされたもので、各軸の負荷変化率が同じでない場合で
も速く負荷変動可能な軸を最大限活用して負荷制御性を
向上させ、系列負荷設定値信号と系列発電出力信号との
偏差を最小にでき、且つ負荷変化の遅い軸の応答をも十
分に補償することができ、もって系列負荷制御を安全且
つ確実に行うことができる複合発電プラントの系列負荷
制御装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、複数台のガスタービンの排ガスを用いて排
熱回収ボイラより蒸気を発生させ、このボイラで発生し
た蒸気を用いて蒸気タービンを駆動するようにした一軸
型または他軸型の複合発電プラントの運用上の系列全体
の発電出力を系列負荷目標値に一致させる制御系を有す
る系列負荷制御装置において、前記系列負荷目標値と系
列発電出力予測値との偏差からフィードフォワード信号
を算出するフィードフォワード算出部と、このフィード
フォワード算出部で算出されたフィードフォワード信号
から各軸発電出力予測値を算出してその総和を前記系列
発電出力予測値として出力する各軸モデル部とを備え、
前記フィードフォワード算出部は前記系列負荷目標値と
前記各軸モデル部で算出された各軸発電出力予測値の総
和との間に偏差があれば所定時間最も速く変化する軸の
変化率を基に変化するフィードフォワード信号を算出し
て前記制御系に与え、且つ前記各軸モデル部は所定時間
経過後に遅い軸の発電出力の変動を予測した前記系列発
電出力予測値を出力するものである。

【００１６】このような構成の複合発電プラントの系列
負荷制御装置にあっては、各時刻において各軸発電出力
予測値を予測演算し、系列負荷目標値と各軸発電出力予
測値の総和との間に偏差が生じるようであれば、最も速
く変化する軸の変化率を基に変化するフィードフォーワ
ード信号を算出する。また、遅い軸の発電出力応答を予
測し、その発電出力を補償するようなフィードフォワー
ド信号を算出する。すなわち、各軸の発電出力を予測演
算し、制御系の系列負荷設定信号と系列発電出力信号と
の偏差が最小となるようなフィードフォワード信号を算
出することによって、最も速く負荷変動可能な軸を最大
限に負荷変動させ、発電出力変動の遅い軸の発電出力変
動も十分に補償可能となる。

【００１７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。図１は本発明による複合発電プラントの系列負荷制
御装置の第１の実施例を示すブロック構成図で、図６と
同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここ
では異なる点について述べる。

【００１８】第１の実施例では、図１に示すように従来
のフィードフォワード算出器１３（図６に示す）に代え
て系列負荷目標値信号と各軸負荷目標予測値からフィー
ドフォワード信号を算出するフィードフォワード信号算
出部３０と、このフィードフォワード信号から各軸発電
出力予測値が算出可能な各軸モデル部３１を設ける構成
とするものである。

【００１９】この場合、第１の実施例では説明を簡単に
するため、各軸モデル部３１は各軸の負荷変化率 123〜
125に対応した変化率を持つ変化率制限器とし、フィー
ドフォワード信号算出部３０は最大各軸変化率122(b2)
に対応した変化率制限器として構成されている。ここ
で、各軸を変化率制限器でモデル化したのは次のような
理由によるものである。すなわち、図６に示す従来の系
列負荷制御装置で述べたように、各軸には各軸負荷制御
装置２１〜２３が設置されており、各軸負荷制御装置２
１〜２３は各々の軸発電出力 110〜 112を与えられた各
軸負荷変化率 123〜 125に従って各軸負荷目標値信号 1
08に一致させるように各軸発電出力制御を行っている。

【００２０】従って、各軸負荷制御がうまくいっている
状態で、系列負荷制御装置２０が各軸に対し各軸負荷制
御目標値信号108を出力すれば、与えられた各軸負荷変
化率123〜125に従って各軸負荷目標値信号108に一致さ
せるように、各軸の発電出力110〜112が変化する。これ
は変化率制限器の応答に他ならない。また、説明を簡単
にするため、２軸で１系列を形成しているシステムにつ
いて考えると次の通りである。系列負荷制御装置２０で
運転されている軸が２軸あり、それぞれの軸は異なる負
荷変化率α１，α２で運転可能であるとする。そして、
第１軸の負荷変化率α１＝５％／min、第２軸の負荷変
化率α２＝１％／minとすると、各軸モデル部３１には
それぞれ変化率127(c1)＝α１＝５％／min、変化率128
(c2)＝α２＝１％／minの変化率制限器である。このと
きフィードフォワード信号算出部３０はフィードフォワ
ード変化率126(b3)＝max(α１，α２)＝５％／minの変
化率制限器である。

【００２１】次に上記のように構成された複合発電プラ
ントの系列負荷制御装置の作用を述べる。上述したよう
に系列負荷制御装置２０で運転されている軸が２軸あ
り、それぞれの軸は異なる負荷変化率α１，α２で運転
可能であるとする。そして、第１軸の負荷変化率α１＝
５％／min 、第２軸の負荷変化率α２＝１％／min とす
ると、系列全体としては系列負荷変化率 121(b1)＝（α
１＋α２）／２＝３％／minで負荷変動が可能である。
また、第１軸、第２軸とも最大１００ＭＷ発電出力する
ことが可能であるとすると、系列全体では２００ＭＷ発
電出力である。

【００２２】このような複合発電プラントにおいて、時
刻０で系列負荷目標値信号 101が２００ＭＷから１１０
ＭＷに変化したときの系列負荷制御の様子を図２により
説明する。図２に示すように、最終状態は第１軸、第２
軸ともに５５ＭＷに到達する。過渡的には第１軸の負荷
変化率α１(123) は第２軸の負荷変化率α２(124) より
も大きいため、第１軸の発電出力110 が先に５５ＭＷに
到達し、第２軸の発電出力111 がまだ十分低下していな
いため、さらに２５ＭＷまで減少してから第２軸の発電
出力111 低下に合せて再び増加する複雑な応答を示す。

【００２３】本実施例の各軸モデル部３１は、このよう
な複雑な各軸発電出力110 〜111 の挙動を模擬し、各軸
発電出力予測値131 〜132 を出力する。各軸発電出力予
測値131 〜132 の総和が系列発電出力予測値135 であ
り、この系列発電出力予測値135 は時刻０から１５分ま
では系列負荷目標値信号101 に達しないことから、時刻
０から１５分までの間、各軸は各々最も速い負荷変化率
123 〜125 で負荷変化する必要がある。

【００２４】フィードフォワード信号算出部３０では、
この結果に基づき最も速く変化する軸の変化率、すなわ
ちこの例ではフィードフォワード変化率ｂ３(126) ＝α
１＝５％／min で変化するフィードフォワード信号106
を算出する。この結果、時刻０から１５分までのフィー
ドフォワード信号106 は図２に示すように５％／min で
変化するため、第１軸の発電出力110 は時刻０で系列負
荷目標値信号101 が変化した直後から５％／min で変化
する。これは第１軸の発電出力110 の変化する速度を最
大限に利用しているといえる。また、第１軸の発電出力
110 を最大速度で変化させているため、系列負荷設定値
信号102 と系列発電出力103 との間には偏差104 が殆ど
生じない。この点で、速く発電出力可能な軸の特性を最
大限生かし、系列負荷設定値信号102 と系列発電出力10
3 との偏差104が殆ど生じない制御が実現できる。

【００２５】また、１５分を過ぎてからは第２軸の発電
出力111 が各軸負荷目標値信号108に向かって減少して
くるので、第１軸はこれに対応して発電出力110 を増や
す必要がある。各軸モデル部３１は第２軸の発電出力予
測値132 が増加し、この結果系列発電出力予測値135 が
増加するのを予測演算する。また、フィードフォワード
信号算出部３０は、系列発電出力予測値135 が系列発電
目標値信号101 に一致するようにフィードフォワード信
号106 を算出する。このフィードフォワード信号106 に
よって、時刻１５分以降も各軸負荷目標値信号108 は第
２軸の発電出力111 を補償するように先行的に変化し、
第１軸はこれを受けて発電出力変化する。すなわち、遅
い軸の発電出力111 変動を予測することにより、適切な
フィードフォワード信号106 が算出され、偏差104 を殆
ど生じることなく、各軸負荷目標値信号を適切に変動さ
せることができる。

【００２６】このように第１の実施例による系列負荷制
御装置では、各軸の発電出力予測値131 〜133 を算出す
る各軸モデル部３１を設け、各軸発電出力予測値131 〜
133を用いてフィードフォワード信号106 を算出するよ
うにしたので、従来のフィードバック制御のように偏差
の生じる運転状態に対しても殆ど偏差を生じることがな
く系列負荷制御を行うことが可能となり、安全且つ確実
に系列負荷制御を向上させることができる。

【００２７】また、上記第１の実施例では、各軸のモデ
ルを変化率制限器を用いて模擬しても著しく制御性を向
上させることができるので、構成が非常に簡単になるば
かりでなく、演算量の減少につながり、実際の制御装置
として製作する上で有利である。次に本発明の第２の実
施例を図３を参照して説明する。

【００２８】図３は各軸発電出力予測値131 を算出する
ための各軸モデルとして各軸モデル部３１により複雑な
動特性モデルを有する複合発電プラントの系列負荷制御
装置の系統構成を示すもので、図１と同一部分には同一
符号を付して説明する。第２の実施例では、図３に示す
ように各軸モデル部３１として線形の微分方程式、ある
いはその方程式をラプラス変換して得られる伝達関数、
あるいはその微分方程式をｚ変換して得られる伝達関
数、あるいは入出力関係を表わした入出力モデル等で表
わされる各軸の動特性モデルを有している。例えば、第
１の実施例示した各軸各軸モデルの他にガスタービン燃
料流量調節弁８の動特性までを模擬した各軸モデルを考
えると、各軸モデル部３１の構成は図３に示すように変
化率制限器と燃料弁の動特性を線形結合させたものとし
て表現できる。

【００２９】このような構成の系列負荷制御装置とすれ
ば、負荷制御の様子は図４に示すようになり、その作用
は第１の実施例で述べたのとほぼ同様なので、ここでは
異なる点についてのみ述べる。第２の実施例では、第１
の実施例に比べて各軸の動特性をより詳細に模擬した各
軸モデル部３１を設けているため、系列負荷設定値信号
102 と系列発電出力信号103 との偏差104 はより一層小
さくなる。

【００３０】なお、上記した各実施例の系列負荷制御装
置において、次のような機能を持たせるようにしてもよ
い。 （１）過去のプラントの履歴を用いて将来のプラントの
動作状態を予測する機能を持たせる。 （２）制御装置内に制御対象の動特性モデルを用いて将
来のプラントの動作状態を予測する機能を持たせる。 （３）動特性モデル及び過去のプラントの履歴を用いて
将来のプラントの動作状態を予測する機能を持たせる。

【００３１】（４）過去のプラントの履歴を用いて将来
のプラントの動作状態を予測し、それが現在の系列負荷
目標値と一致するように系列全体の動的な最適運転を行
うことができる機能を持たせる。 （５）過去のプラントの履歴を用いて将来のプラントの
動作状態を予測し、それが現在から将来に渡る系列負荷
目標値と一致するように系列全体の動的な最適運転を行
うことができる機能を持たせる。

【００３２】（６）動特性モデルを用いて将来のプラン
トの動作状態を予測し、それが現在の系列負荷目標値と
一致するように系列全体の動的な最適運転を行うことが
できる機能を持たせる。 （７）動特性モデルを用いて将来のプラントの動作状態
を予測し、それが現在から将来に渡る系列負荷目標値と
一致するように系列全体の動的な最適運転を行うことが
できる機能を持たせる。

【００３３】（８）動特性モデル及び過去のプラントの
履歴を用いて将来のプラントの動作状態を予測し、それ
が現在の系列負荷目標値と一致するように系列全体の動
的な最適運転を行うことができる機能を持たせる。 （９）動特性モデル及び過去のプラントの履歴を用いて
将来のプラントの動作状態を予測し、それが現在から将
来に渡る系列負荷目標値と一致するように系列全体の動
的な最適運転を行うことができる機能を持たせる。

【００３４】

【発明の効果】以上の述べたように本発明によれば、各
軸の負荷変化率が同じでない場合でも速く負荷変動可能
な軸を最大限活用して負荷制御性を向上させ、系列負荷
設定値信号と系列発電出力信号との偏差を最小にでき、
且つ負荷変化の遅い軸の応答をも十分に補償することが
でき、もって系列負荷制御を安全且つ各軸に行うことが
できる複合発電プラントの系列負荷制御装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による複合発電プラントの系列負荷制御
装置の第１の実施例を示すブロック構成図。

【図２】第１の実施例において、系列負荷制御を行った
ときの作用を説明するためのタイミングチャートを示す
図。

【図３】本発明の第２の実施例を示すブロック構成図。

【図４】第２の実施例において、系列負荷制御を行った
ときの作用を説明するためのタイミングチャートを示す
図。

【図５】複合発電プラントの概略構成を示す系統図。

【図６】従来の複合発電プラントの系列負荷制御装置を
示すブロック構成図。

【図７】従来の系列負荷制御装置を用いて系列負荷制御
を行ったときの作用を説明するためのタイムチャートを
示す図。

【符号の説明】

１……燃焼器、２……ガスタービン、４……排熱回収ボ
イラ、５……加減弁、６……蒸気タービン、７……復水
器、８……燃料調節弁、１１，１４，１５……変化率制
限器、１２，１６……偏差補償器、１３……フィードフ
ォワード算出器、２０……系列負荷制御装置、２１……
第１軸負荷制御装置、２３……第ｎ軸負荷制御装置、３
０……フィードフォワード信号算出部、３１……各軸モ
デル部、３２……第２軸モデル、３４……第ｎ軸モデ
ル。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数台のガスタービンの排ガスを用いて
   排熱回収ボイラより蒸気を発生させ、このボイラで発生
   した蒸気を用いて蒸気タービンを駆動するようにした一
   軸型または他軸型の複合発電プラントの運用上の系列全
   体の発電出力を系列負荷目標値に一致させる制御系を有
   する系列負荷制御装置において、前記系列負荷目標値と
   系列発電出力予測値との偏差からフィードフォワード信
   号を算出するフィードフォワード算出部と、このフィー
   ドフォワード算出部で算出されたフィードフォワード信
   号から各軸発電出力予測値を算出してその総和を前記系
   列発電出力予測値として出力する各軸モデル部とを備
   え、前記フィードフォワード算出部は前記系列負荷目標
   値と前記各軸モデル部で算出された各軸発電出力予測値
   の総和との間に偏差があれば所定時間最も速く変化する
   軸の変化率を基に変化するフィードフォワード信号を算
   出して前記制御系に与え、且つ前記各軸モデル部は所定
   時間経過後に遅い軸の発電出力の変動を予測した前記系
   列発電出力予測値を出力することを特徴とする複合発電
   プラントの系列負荷制御装置。
2. 【請求項２】 各軸モデル部はプラントの動特性モデル
   を有し、その動特性モデルは変化率制限器により構成さ
   れたことを特徴とする請求項１に記載の複合発電プラン
   トの系列負荷制御装置。