JP3540422B2 - ガスタービン制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンの排ガス温度を所定上限値に保ちながら、ガスタービンの燃料流量を調節制御するガスタービン制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスタービン発電プラントは、燃料と圧縮空気とを燃焼器に供給し、燃焼器で燃焼したガスをガスタービンに供給してガスタービンを駆動するようにしたものである。図２３に、ガスタービン発電プラントの構成図を示す。
【０００３】
入口空気案内翼１を介して取り入れられた空気は、空気圧縮機２にて高圧空気に圧縮され、その圧縮空気は空気流路３を通って燃焼器４に入り燃料の燃焼用空気として使用される。一方、燃料制御弁５を介して供給された燃料は、燃料バーナー６から燃焼器４に入り、ここで燃焼して高温高圧ガスとなる。この燃焼ガスはガスタービン７に入り、ガスタービン軸８を回転させ、同軸に結合されている発電機９を回転させて発電機出力を得る。
【０００４】
ガスタービン７から排出された排ガスは、煙突に抜けていくか、あるいはコンバインドサイクル発電プラントの場合は、排熱回収ボイラの熱源として使用された後、同様に煙突に抜けていく。
【０００５】
ガスタービン制御装置１０は、軸端歯車１１に近接して取り付けられた速度検出器１２から得たガスタービン速度Ｎ、空気圧縮機２の吐出空気圧力検出器１３からの吐出空気圧力ＰＣＤ、ガスタービン排ガス温度検出器１４からの排ガス温度ＴＸ及び発電機出力検出器１５からの発電機出力ＭＷ等に基づいて、燃料制御信号ＦＲＥＦを燃料制御弁５に与えて燃料流量を調節している。
【０００６】
図２４に、ガスタービン制御装置１０のブロック図を示す。ガスタービン制御装置１０は、ガスタービン７の速度とガスタービン７に連結された発電機９の負荷とを制御するための速度負荷制御部１６と、ガスタービン７の排ガス温度を所定上限値に制御するための排ガス温度制御部１８と、速度負荷制御部１６からの速度負荷制御信号ＦＮと排ガス温度制御部１８からの排ガス温度制御信号ＦＴとのうち小さい方を選択し燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部１７とを備えている。
【０００７】
ガスタービン７の起動は、図示を省略している起動制御部にて燃料流量を調節して定格回転数まで昇速される。この時点では燃料流量が少ないので、排ガス温度ＴＸは低い。したがって、速度負荷制御部１６からの速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御部１８からの排ガス温度制御信号ＦＴより小さいので、燃料制御信号選択部１７では速度負荷制御信号ＦＮが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択されている。つまり、起動制御部にて定格回転数まで昇速されたガスタービン７は、速度負荷制御部１６にて定格回転数で保持されることになる。
【０００８】
速度負荷制御部１６は、ガスタービン７に連結された発電機８が無負荷であるときにはガスタービン７を定格回転数に維持し、電力系統に並入されたときは発電機９が負荷設定器２４に設定された設定値を出力するように制御するものである。すなわち、速度設定器１９には初期値として定格回転数が設定されており、ガスタービン７の回転数Ｎとの速度偏差ＮＥが減算器２０で演算される。その速度偏差ＮＥは比例制御器２１で比例演算され、信号発生器２２からの無負荷定格速度バイアス信号が加算されて速度負荷制御信号ＦＮとして出力される。無負荷定格速度バイアス信号は、無負荷状態のガスタービン７や発電機９を定格回転数に維持するために必要な燃料流量に相当する信号である。
【０００９】
この状態で、発電機９が電力系統に並入されると、発電機９は系統周波数と同期して回転することになり負荷運転となる。負荷運転状態では、発電機出力ＭＷと負荷設定器２４の負荷設定値との発電機出力偏差ＭＷＥが減算器２５で演算され、発電機出力偏差ＭＷＥが負であるときは、比較器２６がスイッチ２７をオンし、発電機出力偏差ＭＷＥが正であるときは、比較器２９がスイッチ３０をオンする。
【００１０】
つまり、発電機出力偏差ＭＷＥが負であるときは、信号発生器２８に設定された正の値が速度設定器１９に入力される。速度設定器１９は積分特性を持っており、その正の値に対応した変化率で速度設定器１９の設定値を増加させ、発電機出力偏差ＭＷＥが零になるように速度負荷制御信号ＦＮを変化させる。同様に、発電機出力偏差ＭＷＥが正であるときは、信号発生器３１に設定された負の値に対応した変化率で速度設定器１９の設定値を減少させ、発電機出力偏差ＭＷＥが零になるように速度負荷制御信号ＦＮを変化させる。
【００１１】
発電機９が電力系統に並入され、負荷を徐々に取り始める状態では発電機出力偏差ＭＷＥが負である状態であるので、比較器２６がスイッチ２７をオンし、信号発生器２８に設定された正の値に対応した変化率で速度設定器１９の設定値を増加させている状態である。これによって、発電機出力ＭＷが徐々に増加していく。そうすると、排ガス温度ＴＸが徐々に上昇していくので、排ガス温度制御部１８からの排ガス温度制御信号ＦＴが徐々に小さくなっていく。
【００１２】
排ガス温度制御部１８は、排ガス温度ＴＸが空気圧縮機２の吐出空気圧力ＰＣＤの関数として定まる所定の上限値ＴＸＲになるように制御するものである。この所定上限値ＴＸＲは、ガスタービン７の高温部材料と冷却性能とから定まるもので、ガスタービン７の高温部材料に熱ストレスがかからないようにするためである。また、排ガス温度ＴＸを所定上限値ＴＸＲで制御するのは、排ガス温度が高いほどガスタービン７の効率が高くなるからである。なお、本来ならば、ガスタービン７の高温部材料の熱ストレスの検出には、ガスタービン７のガス入口温度を検出するのが好ましいが、ガスタービン７のガス入口温度は千数百℃の高温であるため、排ガス温度ＴＸにより等価的に入口ガス温度を監視制御するようにしている。
【００１３】
図２５は、空気圧力ＰＣＤに基づいて所定上限値ＴＸＲを演算する関数発生器３２における特性の説明図である。図２５の実線は所定上限値ＴＸＲを示し、点線は排ガス温度の警報値あるいはガスタービン７のトリップ値を示している。
【００１４】
図２５に示した特性曲線が右下がりに傾斜しているのは、空気圧縮機２の吐出空気圧力ＰＣＤの増加と共にガスタービン効率が高くなるので、入口ガス温度を一定に維持するためには排ガス温度ＴＸ、すなわち所定上限値ＴＸＲをタービン効率の上昇に応じて減少させなければならないことを表している。
【００１５】
このようにして得られた所定上限値ＴＸＲは減算器３３に入力され、排ガス温度ＴＸとの排ガス温度偏差ＴＥが算出される。排ガス温度偏差ＴＥは比例積分制御器３４に入力され、排ガス温度制御信号ＦＴが得られる。
【００１６】
したがって、燃料流量が増加していくにつれ、ガスタービン７の排ガス温度ＴＸが上昇し、排ガス温度偏差ＴＥが徐々に減少する。やがて、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに達すると、排ガス温度偏差ＴＥは零となる。また、排ガス温度ＴＸがこの所定上限値ＴＸＲを越えると、排ガス温度偏差ＴＥは負となり、警報を発生したり、ガスタービン７をトリップさせたりする。
【００１７】
排ガス温度制御信号ＦＴが減少することにより、排ガス温度制御信号ＦＴの値の方が速度負荷制御信号ＦＮの値よりも低くなって、燃料制御信号選択部１７では速度負荷制御信号ＦＮに代わって排ガス温度制御信号ＦＴが燃料制御信号ＦＲＥＦとなって燃料流量を調節してガスタービン７の排ガス温度ＴＸを所定上限値ＴＸＲに一致するように制御する。
【００１８】
このように従来のガスタービン制御装置では、ガスタービン７の熱ストレスを回避しながらガスタービン効率の高いところで運転できるようにしている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来のガスタービン制御装置１０では、電力系統に周波数変動があると、速度負荷制御部１６は比例制御器２１の高い比例ゲインを介して、系統周波数を回復させる方向に大きく応動するので、燃料流量が大きく変動し、ガスタービン７の排ガス温度ＴＸが大きく変動することがある。排ガス温度ＴＸの変動はガスタービン高温部の熱ストレスを増長させ、ガスタービン７の排ガスを熱源とする排熱回収ボイラのボイラ制御に大きな外乱を与える。また、ガスタービン７の排ガスをボイラへの押込通風用空気として利用する排気再燃式コンバインドサイクル発電プラントでも、ボイラ制御に大きな外乱を与えることになる。
【００２０】
特に、ガスタービン排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲの近傍で運転されている場合に、系統周波数が変動すると、速度負荷制御部１６の動作はガスタービン排ガス温度制御に大きな外乱を与える。たとえば、系統周波数が上昇した場合には、ガスタービン速度Ｎも上昇する。速度負荷制御部１６は、これを修正する方向に動作するので、速度負荷制御信号ＦＮはその直前の値から減少し、速度負荷制御信号ＦＮの方が排ガス温度制御信号ＦＴよりも低くなって、燃料制御信号選択部１７では速度負荷制御信号ＦＮが選択され、燃料流量が絞られる。これにより、燃料流量が減少し、それに伴いガスタービン７の排ガス温度ＴＸが数秒の遅れをもって低下する。
【００２１】
この状態で、系統周波数が急に回復すると、ガスタービン速度Ｎも定格回転数まで急に低下する。この場合のガスタービン速度Ｎの検出遅れは無視できるほど小さいので、速度負荷制御信号ＦＮは急上昇することになる。燃料制御信号選択部１７は、この状態では速度負荷制御信号ＦＮを燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択しているので、速度負荷制御信号ＦＮの変化は燃料流量の変化となり、燃料流量は急増する。これは、ガスタービン速度Ｎの検出遅れは無視できるほど小さいのに対し、ガスタービン７の排ガス温度ＴＸの検出遅れは数秒あることから、燃料流量の急増に応じた排ガス温度ＴＸの上昇が遅れるからである。
【００２２】
したがって、燃料流量の急増により、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに到達した時点ではすでに過剰な燃料流量が投入されていることになる。また、その時点で、燃料制御信号選択部１７は燃料制御信号ＦＲＥＦとして速度負荷制御信号ＦＮから排ガス温度制御信号ＦＴに切り替えて、燃料流量を減少させることになるが、既に、過剰に燃料流量が投入されているので、排ガス温度ＴＸは上昇を続けることになる。
【００２３】
ガスタービン７の排ガス温度ＴＸを極力高い温度で運転したいというガスタービン効率上の理由から所定上限値ＴＸＲと排ガス温度ＴＸの警報値やガスタービン７のトリップ値は近接しているので、このような場合には過温度によりガスタービンとリップに至るという不都合が発生することもある。
【００２４】
また、逆に、ガスタービン７の排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲより若干低い温度であって、燃料制御信号ＦＲＥＦとして速度負荷制御信号ＦＮが選択されている状態で発電機出力ＭＷを制御しているときに、系統周波数が急に下降した場合においても、速度負荷制御信号ＦＮが急上昇するので、前述の場合と同様な不都合が発生する。
【００２５】
本発明の目的は、ガスタービンの熱ストレスを回避しながら、ガスタービン効率の高いところで運転でき、しかも、系統周波数の変動があった場合においても、排ガス温度に与える影響を極力少なくしたガスタービン制御装置を得ることである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ガスタービンの排ガス温度が所定上限値になるように制御するための排ガス温度制御信号を出力する排ガス温度制御部と、ガスタービンの速度とガスタービンに連結された発電機の負荷とが速度設定器に設定された設定値になるように速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、発電機の負荷を制限するための負荷制限制御信号を所定のレートで出力する負荷制限制御部と、排ガス温度制御信号と速度負荷制御信号と負荷制限制御信号とのうち最も小さい信号を選択しガスタービンへの燃料流量を調節するための燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部と、排ガス温度制御信号と負荷制限制御信号とのうち小さい方を選択する低値選択部と、速度負荷制御信号が低値選択部で選択された信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための速度負荷追従制御部とを備えている。
【００２７】
請求項２の発明は、ガスタービンの排ガス温度が所定上限値になるように制御するための排ガス温度制御信号を出力する排ガス温度制御部と、ガスタービンの速度とガスタービンに連結された発電機の負荷とが速度設定器に設定された設定値になるように速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、発電機の負荷を制限するための負荷制限制御信号を所定のレートで出力する負荷制限制御部と、排ガス温度制御信号と速度負荷制御信号と負荷制限制御信号とのうち最も小さい信号を選択しガスタービンへの燃料流量を調節するための燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部と、燃料制御信号選択部で排ガス温度制御信号が選択されているときは速度負荷制御信号が排ガス温度制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための速度負荷追従制御部と、負荷制限制御信号が速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための負荷制限追従制御部とを備えている。
【００２８】
そして、負荷制限追従制御部は、負荷制限制御信号が、速度負荷制御信号又は排ガス温度温度制御信号のうち小さい方より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するようにし、その余裕値は、発電機の負荷が低負荷時には大きい余裕値とし、高負荷時には小さい余裕値とする。又は、その余裕値を排ガス温度が所定上限値に近づくに従い小さくなるようする。
【００２９】
一方、負荷制限追従制御部には、負荷制限制御部の所定のレートを変化させる手段を設け、排ガス温度が低いときは大きいレートを選択し、排ガス温度が所定上限値近傍では小さいレートを選択する。又は、所定のレートを排ガス温度が所定上限値に近づくに従い小さくなるようにする。
【００３０】
また、必要に応じて、排ガス温度が所定上限値の近傍であるときは、速度負荷制御信号の増方向変化率を制限する変化率制限器を設ける。
【００３１】
【作用】
請求項１の発明では、速度負荷追従制御部は、速度負荷制御信号が、低値選択部で選択された排ガス温度制御信号又は負荷制限制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するので、通常時においては、燃料制御信号選択部は排ガス温度制御信号又は負荷制限制御信号のうちいずれかを選択している。排ガス温度が低い状態では負荷制限制御信号を選択し、排ガス温度が所定上限値の近傍になると、排ガス温度制御信号を選択している。
【００３２】
この状態で、系統周波数の上昇する変動があると、速度負荷制御信号が急激に下降するので、燃料制御信号選択部では、速度負荷制御信号が燃料制御信号として選択されることになる。その場合、速度負荷制御信号は排ガス温度制御信号又は負荷制限制御信号より所定の余裕値だけ高い位置にあるので、その余裕値分だけ高い位置から変動することになる。したがって、速度負荷制御信号が急激に変化しても、燃料制御信号としての変化は余裕値分だけ小さくなる。
【００３３】
また、燃料制御信号選択部で排ガス温度制御信号が選択されている状態で、排ガス温度制御信号の突変が生じても、速度負荷制御信号はその突変に対し所定のレートで変化するので、燃料制御信号選択部で速度負荷制御信号が燃料制御信号として選択されることになり、燃料流量の急激な変化を抑制できる。
【００３４】
請求項２の発明では、速度負荷追従制御部は、燃料制御信号選択部で排ガス温度制御信号が選択されているときは速度負荷制御信号が排ガス温度制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御し、また、負荷制限追従制御部は、負荷制限制御信号が速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するので、この状態での通常時においては当然に排ガス温度制御信号が選択されている。
【００３５】
この状態で系統周波数が上昇する変動した場合、請求項１の発明の場合と同様に、速度負荷制御信号が急激に下降するので、燃料制御信号選択部では、速度負荷制御信号が燃料制御信号として選択されることになる。その場合、速度負荷制御信号は排ガス温度制御信号又は負荷制限制御信号より所定の余裕値だけ高い位置にあるので、その余裕値分だけ高い位置から変動することになる。したがって、速度負荷制御信号が急激に変化しても、燃料制御信号としての変化は余裕値分だけ小さくなる。そして、負荷制限制御信号は速度負荷制御信号に追従して所定のレートで変化するので、系統周波数が正常な定格周波数に急激に回復し速度負荷制御信号が急激に上昇したときには、負荷制限制御信号が燃料制御信号として選択されるので、燃料流量の急激な変化を抑制できる。
【００３６】
一方、燃料制御信号選択部で速度負荷制御信号が選択されている状態では、負荷制限追従制御部が負荷制限制御信号が速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するので、負荷制限制御信号が速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高い位置にある。この状態で、系統周波数が上昇する変動した場合には、負荷制限制御信号にて燃料流量の急激な変化を抑制することになる。
【００３７】
そして、負荷制限追従制御部は、負荷制限制御信号が、速度負荷制御信号又は排ガス温度温度制御信号のうち小さい方より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するようにした場合には、系統周波数が一旦上昇して下降した場合に生じる燃料流量の変動を抑制できる。また、その余裕値は、発電機の負荷が低負荷時には大きい余裕値とし、高負荷時には小さい余裕値とする。これによって、燃料流量の多い高負荷時において、負荷制限制御信号による負荷制限を早めにかけることができる。その余裕値を排ガス温度が所定上限値に近づくに従い小さくなるようした場合も同様である。
【００３８】
一方、負荷制限追従制御部には、負荷制限制御部の所定のレートを変化させる手段を設け、排ガス温度が低いときは大きいレートを選択し、排ガス温度が所定上限値近傍では小さいレートを選択する。排ガス温度が所定上限値近傍では、小さいレートすることにより、燃料流量の多い高負荷時において、燃料流量の変動を小さく抑制することができる。所定のレートを排ガス温度が所定上限値に近づくに従い小さくなるようにした場合も同様である。また、必要に応じて、排ガス温度が所定上限値の近傍であるときは、速度負荷制御信号の増方向変化率を制限する変化率制限器を設ける。これによって、変化率制限器に設定された増方向変化率制限値以上の燃料流量の突変を防止できる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。図１は本発明の第１の実施例を示すブロック構成図である。図２４に示した従来例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。この第１の実施例は、図２４に示した従来例に対し、発電機の負荷を制限するための負荷制限制御信号ＦＬＬを出力する負荷制限制御部３５と、排ガス温度制御信号ＦＴと負荷制限制御信号ＦＬＬとのうち小さい方を選択する低値選択部４１と、速度負荷制御信号ＦＮが低値選択部４１で選択された信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための速度負荷追従制御部４２とが追加して設けられている。そして、燃料制御信号選択部１７には、排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮと負荷制限制御信号ＦＬＬとが入力され、これらの信号のうち最も小さい信号が選択されて、ガスタービン７への燃料流量を調節するための燃料制御信号ＦＲＥＦとして出力されることになる。
【００４０】
負荷制限制御部３５の負荷制限器３６は積分器として動作し、その積分値を負荷制限制御信号ＦＬＬとして出力する。したがって、信号発生器３８又は信号発生器４０に設定された設定値に基づいて所定のレートで変化する負荷制限制御信号を出力することになる。信号発生器３８及び信号発生器４０には、発電機９の負荷を制限するための設定値が設定される。信号発生器３８には正の設定値が設定され、信号発生器４０には負の設定値が設定される。
【００４１】
負荷制限器３６の積分値、すなわち負荷制限制御信号ＦＬＬは、外部の装置あるいは運転員の要求に応じて増加あるいは減少させることができる。増加要求に応じてはスイッチ３７が閉じ、信号発生器３８の正の設定値がスイッチ３７を介して負荷制限器３６の入力に送られる。この入力が与えられている間、負荷制限制御信号ＦＬＬは積分状に増加する。スイッチ３７が開くとその増加は停止しその値が保持される。逆に、減少要求に応じてはスイッチ３９が閉じ、信号発生器４０の負の設定値がスイッチ３９を介して負荷制限器３６の入力に送られる。この入力が与えられている間、負荷制限制御信号ＦＬＬは積分状に減少する。スイッチ３９が開くとその減少は停止しその値が保持される。
【００４２】
排ガス温度制御信号ＦＴと負荷制限制御信号ＦＬＬは、低値選択部４１に入力される。低値選択部４１は、排ガス温度制御信号ＦＴと負荷制限制御信号ＦＬＬとのうち低い値の信号を選択して、信号ＬＶＡとして速度負荷追従制御部４２に出力する。
【００４３】
信号ＬＶＡは速度負荷追従制御部４２の関数発生器４３に入力され、ここで信号ＬＶＢに変換される。関数発生器４３での信号ＬＶＡから信号ＬＶＢへの信号変換は、次式で求められる。
ＬＶＢ＝（ＬＶＡ−Ｂ）／Ｋ＋Ｎｏ
ここで、Ｂは信号発生器２２により与えられる無負荷定格速度バイアス信号、Ｋは比例制御器２１のゲイン、Ｎｏはガスタービン定格速度である。
【００４４】
上式は、信号ＬＶＡを、同じ信号レンジの速度負荷制御信号ＦＮに等しいと見なした場合に、速度負荷制御部１６の上流の信号である速度設定ＮＲに換算していることを表している。つまり、関数発生器４３は、低値選択部４１の出力信号である排ガス温度制御信号ＦＴ又は負荷制限制御信号ＦＬＬを、速度負荷制御信号ＦＮと見立てた場合における速度設定（信号ＬＶＢ）を算出する。このようにして、信号ＬＶＡは、速度設定ＮＲと同じ信号レンジで比較できるような信号ＬＶＢに変換される。
【００４５】
速度負荷制御部１６の速度設定ＮＲは速度負荷制御自動追従制御部４２の減算器４４に入力される。減算器４４は信号ＬＶＢと速度設定ＮＲとの偏差を演算し、その偏差は加算器４５に加えられる。加算器４５にて、その偏差には、信号発生器４６から与えられる余裕値と呼称する追従バイアス設定値ＦＢＡが加算される。加算器４５で得られた信号は上限リミッタ４６及び下限リミッタ４７で上限及び下限のリミッタが掛けられる。上限リミッタ４６及び下限リミッタ４７には、それぞれ上限設定値や下限設定値を内蔵しており、上下限設定値以内の信号はそのまま通過し、上下限設定値を越える信号に対しては上下限設定値に制限される。下限リミッタ４７を出た信号はスイッチ４８を介して、速度負荷制御部１６の加算器４９に入力される。
【００４６】
なお、スイッチ４８は速度負荷追従制御の使用と除外を行うためのスイッチであり、運転員により選択される。スイッチ４８が閉じているときが使用状態であり、スイッチ４８が開いているときが除外状態である。速度負荷追従制御の使用状態のときは、下限リミッタ４７を出た信号はスイッチ４８を介して速度負荷制御部１６の加算器４９に入力される。加算器４９は、スイッチ２７、３０と速度設定器１９の間に新たに設けられたものであり、スイッチ２７、３０、４８を出た信号を加算する。これらのスイッチ２７、３０、４８が開いているときはいずれもスイッチを出た信号の値は零である。加算器４９の出力は速度設定器１９の入力となる。
【００４７】
図２に、第１の実施例の運転チャートを示す。初期状態として、発電機９が電力系統に併入され、発電機出力ＭＷが比較的低い低負荷域で運転されており、燃料制御信号選択部１７では負荷制限制御信号ＦＬＬが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択されている場合を示す。
【００４８】
一般に、速度負荷制御信号ＦＮによらず、負荷制限器３６の負荷制限制御信号ＦＬＬで発電機出力ＭＷを調節する運転を負荷制限運転と称する。この負荷制限運転では、負荷制限器３６からの負荷制限制御信号ＦＬＬが燃料制御信号ＦＲＥＦとなるので、この負荷制限器３６からの負荷制限制御信号ＦＬＬによって燃料流量が決められる。したがって、電力系統に同期並入されたガスタービン速度Ｎ、すなわち系統周波数の影響を受けないという特徴がある。そのため、燃焼器４あるいはガスタービン７の排ガスを利用するボイラ側の特性が、燃料流量や排ガス温度ＴＸあるいは排ガス流量の変動に敏感に応動して特性上不適合なプラントにおいて、この負荷制限運転は好適である。
【００４９】
図２において、負荷制限制御信号ＦＬＬは実線で示されている。燃料制御信号ＦＲＥＦは、線が重ならぬよう、便宜上わずか下にずらして点線で記載されている。時点ｔ１以前においては、排ガス温度制御信号ＦＴは、まだ燃料量が少なく排ガス温度ＴＸが比較的低いので高い値に飽和している。そして、速度負荷追従制御は使用状態に選択されており、スイッチ４８は閉じているとする。
【００５０】
速度負荷制御信号ＦＮは、低値選択部４１で信号ＬＶＡとして低値選択されている負荷制限制御信号ＦＬＬに対して、速度設定ＮＲの信号レベルに換算して余裕値ＦＢＡだけ高い位置に自動追従制御されている。この動作は、信号ＬＶＢと余裕値ＦＢＡとの和に速度設定ＮＲが一致するように加算器４９を介して速度設定器１９により調節されていることによる。
【００５１】
時刻ｔ１にて負荷制限制御部３５のスイッチ３７が閉じ、負荷制限制御信号ＦＬＬを所定のレートで増加させると、負荷上昇が再開する。負荷制限制御信号ＦＬＬの増加レートは信号発生器３８の設定値と負荷制限器３６の積分時定数とから決まる。低値選択部４１では、信号ＬＶＡとしてまだ負荷制限制御信号ＦＬＬが選択されているので、負荷制限制御信号ＦＬＬの上昇にしたがって、速度負荷追従制御部４２を介して速度設定ＮＲが自動追従し上昇する。つまり、速度負荷制御信号ＦＮが負荷制限制御信号ＦＬＬに追従して上昇する。この場合の速度設定ＮＲの追従レートの最大値は上限リミッタ４６の上限設定値により決まる。燃料制御信号ＦＲＥＦである負荷制限制御信号ＦＬＬの上昇にしたがって、燃料流量が増加し、排ガス温度ＴＸと発電機出力ＭＷも上昇する。
【００５２】
排ガス温度ＴＸの上昇に伴い、温度偏差ＴＥが減少し排ガス温度制御信号ＦＴも減少する。そして、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに達すると、温度偏差ＴＥが零となり排ガス温度制御信号ＦＴも零となる。時刻ｔ２において、燃料制御信号選択部１７にて、負荷制限制御信号ＦＬＬに代わって排ガス温度制御信号ＦＴが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択されると、排ガス温度制御部１８は排ガス温度ＴＸが上限設定値ＴＸＲになるように制御する。それと共に、低値選択部４１においても、負荷制限制御信号ＦＬＬに代わって排ガス温度制御信号ＦＴが信号ＬＶＡとして選択される。その結果、速度設定ＮＲは、負荷制限制御信号ＦＬＬから排ガス温度制御信号ＦＴに自動追従するようになる。つまり、速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御信号ＦＴに自動追従するようになる。
【００５３】
この状態で、図３に示すように、例えば、系統周波数ＦＱが時刻ｔ３にて急上昇した場合、速度設定ＮＲは排ガス温度制御信号ＦＴに自動追従していたので、速度負荷制御信号ＦＮは余裕値設定ＦＢＡから決まる幅だけ高い位置から、速やかにガスタービン速度Ｎすなわち系統周波数ＦＱに応動して、系統周波数ＦＱの回復につとめようとする。また、常時の若干量の周波数変動に対しては、余裕値設定ＦＢＡを適切に選べば排ガス温度制御の外乱にはならない。図３は排ガス温度制御部１８により燃料流量が調節されて排ガス温度制御が行われている高負荷域での例であるが、低負荷域では、図３における排ガス温度制御信号ＦＴを負荷制限制御信号ＦＬＬに置き換えればその効果は同等である。すなわち、系統周波数ＦＱの急上昇に速やかに応動しつつ、常時の若干量の周波数変動の影響を受けることなく安定した燃料量を供給することができる。
【００５４】
また、図４に示すように排ガス温度制御信号ＦＴにより燃料流量が調節されているときに、何等かの原因により排ガス温度制御信号ＦＴが急上昇した場合、速度負荷制御信号ＦＮは上限リミッタ４６の上限設定値により決まる最大の追従レートでしか追従しないので、図示のように、緩やかに上昇する速度負荷制御信号ＦＮが燃料制御信号選択部１７において低値選択されて、燃料制御信号ＦＲＥＦすなわち燃料流量の急変が抑制される。余裕値設定値ＦＢＡを適切に選ぶことにより、排ガス温度の高警報や温度高によるガスタービントリップを回避して電力供給の安定化を図ることができる。
【００５５】
以上述べたように、この第１の実施例によれば、通常時は、排ガス温度制御信号ＦＴ又は負荷制限制御信号ＦＬＬが燃料制御信号ＦＲＥＦとなり、速度負荷制御信号ＦＮは、排ガス温度制御信号ＦＴ又は負荷制限制御信号ＦＬＬに対して余裕値ＦＢＡだけ高い位置で追従させるので、速度負荷制御信号ＦＮは余裕値ＦＢＡだけ高い位置から下降し、燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択された場合でも、急激な外乱にはならない。
【００５６】
また、排ガス温度制御信号ＦＴにより燃料流量が調節されているときに、何等かの原因により排ガス温度制御信号ＦＴが急上昇した場合でも、速度負荷制御信号ＦＮは上限リミッタ４６の上限設定値により決まる最大の追従レートでしか追従しないので、緩やかに上昇する速度負荷制御信号ＦＮにて燃料流量の急変が抑制される。
【００５７】
次に、本発明の第２の実施例を説明する。図５は、本発明の第２の実施例のブロック構成図である。図１に示した第１の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。この第２の実施例は、図１に示した第１の実施例に対し、負荷制限制御信号ＦＬＬが速度負荷制御信号ＦＮより所定の余裕値ＦＢＢだけ高くなるように追従制御するための負荷制限追従制御部５０を設け、低値選択部４１を省略したものである。そして、速度負荷追従制御部４２は、燃料制御信号選択部１７で排ガス温度制御信号ＦＴが選択されているときは、速度負荷制御信号ＦＮが排ガス温度制御信号ＦＴより所定の余裕値ＦＢＡだけ高くなるように追従制御する。
【００５８】
図５において、負荷制限追従制御部５０の減算器５１は、速度負荷制御信号ＦＮと負荷制限制御信号ＦＬＬとの偏差を演算し、その偏差は信号発生器５２からの余裕値ＦＢＢと加算器５３にて加算される。加算器５３の出力信号は上限リミッタ５４及び下限リミッタ５５にて上限及び下限がかけられる。上限リミッタ５４と下限リミッタ５５には、上限設定値と下限設定値が内蔵されている。上下限設定値以内の信号はそのまま通過し、上下限設定値を越える信号に対しては上下限設定値に制限される。下限リミッタ５５の出力信号はスイッチ５６を介して負荷制限制御部３５の加算器５７に入力される。
【００５９】
スイッチ５６は負荷制限追従制御の使用と除外を行うためのスイッチであり、運転員により選択される。スイッチ５６が閉じている時が負荷制限追従制御の使用状態であり、スイッチ５６が開いている時が負荷制限追従制御の除外状態である。負荷制限追従制御の使用状態の時は、下限リミッタ５５の出力信号はスイッチ５６を介して負荷制限制御部３５の加算器５７に入力される。加算器５７は、スイッチ３７、３９と負荷制限器３６の間に新たに設けたものである。加算器５７は、スイッチ３７、３９、５６の出力信号を加算する。これらのスイッチ３７、３９、５６が開いているときは、いずれもスイッチ３７、３９、５６の出力信号は零である。加算器５７の出力は負荷制限器３６の入力となる。
【００６０】
図６に、図５に示した第２の実施例を適用した場合の運転チャートを示す。初期状態として、発電機９が電力系統に併入され、発電機出力ＭＷが比較的低い低負荷域で運転されており、燃料制御信号選択部１７では速度負荷制御信号ＦＮが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択されている状態を示している。負荷制限追従制御は使用状態に選択されており、スイッチ５６は閉じているとする。
【００６１】
負荷制限制御信号ＦＬＬは速度負荷制御信号ＦＮに対して余裕値設定ＦＢＢだけ高い位置に自動追従制御されている。この動作は、速度負荷制御信号ＦＮと余裕値ＦＢＢの和に、負荷制限制御信号ＦＬＬが一致するように加算器５７を介して負荷制限器３６により調節されていることによる。
【００６２】
時刻ｔ１にて、速度負荷制御部１６のスイッチ２７が閉じられると、正の設定値が速度設定器１９に入力されることになるので、速度負荷制御信号ＦＮが上昇し負荷上昇が再開する。速度負荷制御信号ＦＮの増加レートは信号発生器２８の正の設定値と速度設定器１９の積分時定数から決まる。速度負荷制御信号ＦＮの上昇にしたがって、負荷制限制御信号ＦＬＬが負荷制限追従制御部５０を介して自動追従し上昇する。そのときの負荷制限制御信号ＦＬＬの追従レートの最大値は上限リミッタ５４の上限設定値により決まる。負荷上昇に伴い燃料流量の増加し、排ガス温度ＴＸと発電機出力ＭＷと共に上昇する。
【００６３】
排ガス温度ＴＸの上昇に伴い、排ガス温度偏差ＴＥが減少し排ガス温度制御信号ＦＴも減少する。そして、排ガス温度ＴＸが上限設定値ＴＸＲに達すると、温度偏差ＴＥが零となる。いま、排ガス温度制御信号ＦＴの減少によって、時刻ｔ２おいて、排ガス温度制御信号ＦＴが速度負荷制御信号ＦＮに代わって、燃料制御信号選択部１７において低値選択されると、排ガス温度制御部１８は排ガス温度ＴＸが上限設定値ＴＸＲになるように制御する。それと共に、図７に示したように、排ガス温度制御信号ＦＴと燃料制御信号ＦＲＥＦとが比較器５８で比較されて、排ガス温度制御信号ＦＴが低値選択されていることが検出されると、スイッチ４８を閉じて速度負荷追従制御部４２を使用状態にする。
【００６４】
これによって、速度負荷追従制御が開始されると、速度負荷追従制御部４２の関数発生器４３に排ガス温度制御信号ＦＴを入力することになるので、速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御信号ＦＴに対して、余裕値設定ＦＢＡから決まる幅だけ高い位置に自動追従制御される。そして、負荷制限制御信号ＦＬＬは引き続き速度負荷制御信号ＦＮに対して余裕値設定ＦＢＢだけ高い位置に自動追従制御される。したがって、図８に図示したように、速度負荷制御信号ＦＮにより燃料流量を制御中に、速度負荷制御信号ＦＮが急上昇したような場合においても、図示したように、負荷制限制御信号ＦＬＬの追従レートはゆるやかなので、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変は抑止される。
【００６５】
次に、図９のように系統周波数ＦＱが変動した場合、速度負荷制御信号ＦＮはガスタービン速度Ｎの変動に応動して図示のように減少する。負荷制限制御信号ＦＬＬは下限リミッタ５５の下限設定値により決まる追従レートで降下しつつ自動追従制御が行われる。そして燃料制御信号ＦＲＥＦが減少するので、排ガス温度ＴＸが若干減少するために温度偏差ＴＥが正となって排ガス温度制御信号ＦＴが上昇する。次に系統周波数ＦＱが回復すると、それに応動して速度負荷制御信号ＦＮは急上昇する。一方、負荷制限制御信号ＦＬＬは自動追従制御されているので、上限リミッタ５４の上限設定値から決まる追従レートで緩やかに上昇し、速度負荷制御信号ＦＮの突変による燃料量の過剰な供給を抑止する。排ガス温度ＴＸの検出には数秒の遅れがあるので、排ガス温度制御に先行して負荷制限制御信号ＦＬＬで過剰な燃料供給を抑止することは、排ガス温度高警報と過温度によるガスタービントリップの回避に効果的である。
【００６６】
以上述べたように、この第２の実施例によれば、通常時は、速度負荷制御信号ＦＮが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択され、負荷制限制御信号ＦＬＬは、速度負荷制御信号ＦＮに余裕値ＦＢＢを加算した値に追従しており、この状態で、周波数変化があり、速度負荷制御信号ＦＮが急激に変化したときは、その速度負荷制御信号ＦＮの急激な変化より負荷制限器３６の追従レートが低いので、燃料制御信号ＦＲＥＦは負荷制限制御信号ＦＬＬで制限される。したがって、速度負荷制御信号ＦＮの急激な変化があっても、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変は抑制される。
【００６７】
また、弁開度制御信号ＦＲＥＦが排ガス温度制御信号ＦＴに切り替わると、速度負荷追従制御部４２を起動するので、速度負荷制御信号ＦＮは、弁開度制御信号ＦＲＥＦである排ガス温度制御信号ＦＴに余裕値ＦＢＡを加算した値に追従し、負荷制限制御信号ＦＬＬは、速度負荷制御信号ＦＮに余裕値ＦＢＢを加算した値に追従する。この状態で、周波数変化があると、図９に示すように、速度負荷制御信号ＦＮは急激に変化するが、余裕値ＦＢＡ分だけ、速度負荷制御信号ＦＮが高い位置から変化するので、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変は抑制される。
【００６８】
そして、周波数が回復すると、速度負荷制御信号ＦＮは急激に上昇するので、その上昇より緩やかに変化する負荷制限制御信号ＦＬＬが弁開度制御信号ＦＲＥＦとして選択されるので、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変は抑制される。
【００６９】
本発明の第３の実施例のブロック構成図を図１０に示す。この第３の実施例は、第２の実施例に対し、負荷制限制御信号ＦＬＬを排ガス温度制御信号ＦＴ又は速度負荷制御信号ＦＮのうち小さい方に追従させるようにしたものである。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００７０】
排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮとのうち小さい方を選択する低値選択部５９が設けられている。この低値選択部５９の出力信号は負荷制限追従制御部５０の加算器５１に入力される。この第３の実施例の場合の運転は、低負荷域から高負荷域へ負荷上昇する過程は図６に示した特性と同等である。すなわち、負荷制限制御信号ＦＬＬは速度負荷制御信号ＦＮに追従する。そして排ガス温度ＴＸが上限設定値ＴＸＲに到達後は、排ガス温度制御信号ＦＴが燃料制御信号低値選択部１７で低値選択される。
【００７１】
一方、第３の実施例においても、図７に示した条件により速度負荷追従制御部４２が起動され、これにより速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御信号ＦＴに余裕値ＦＢＡだけ高い位置で追従する。また、負荷制限制御信号ＦＬＬは、低値選択部５９により得られる排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮとの低値に余裕値ＦＢＢだけ高い位置で追従する。従って、その動作は、図１１に示すようになる。
【００７２】
排ガス温度制御信号ＦＴが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択され、運転されている状態であるとする。この場合、負荷制限制御信号ＦＬＬは排ガス温度制御信号ＦＴに追従している。
【００７３】
この状態で、系統周波数ＦＱが上昇すると、その系統周波数ＦＱの上昇に応動して速度負荷制御信号ＦＮが降下する。速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御信号ＦＴに対し余裕値ＦＢＡだけ高い位置で追従しているので、その位置から速度負荷制御信号ＦＮは下降することになるので、燃料制御信号ＦＲＥＦの変化は余裕値分だけ小さくなる。
【００７４】
また、速度負荷制御信号ＦＮが排ガス温度制御信号ＦＴより低値となると、負荷制限制御信号ＦＬＬは速度負荷制御信号ＦＮに追従することになる。したがって、系統周波数ＦＱが急速に回復しても、負荷制限制御信号ＦＬＬは所定の追従レートで緩やかに上昇するので、過剰な燃料流量の供給を防止することができる。
【００７５】
このように、この第３の実施例によれば、負荷制限制御部３５の負荷制限信号ＦＬＬを排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮとの低値に追従させているので、これら排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮの急激な変化に対して、負荷制限制御信号ＦＬＬがその急激な変化を抑制することになるので、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変を防止することができる。
【００７６】
図１２は、本発明の第４の実施例を示すブロック構成図である。この第４の実施例は、第２の実施例に対し、負荷制限追従制御部５０の余裕値を低負荷時と高負荷時とで切り替えるようにしたものであり、低負荷時には余裕値を大きくし、高負荷時には余裕値を小さくする。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００７７】
図５に示した信号発生器５２に代えて、大きい余裕値が設定される信号発生器６０と小さい余裕値が設定される信号発生器６１とが設けられている。信号発生器６０はスイッチ６２を介して加算器５３に接続され、信号発生器６１はスイッチ６３を介して加算器５３に接続されている。信号発生器６０は低負荷域から中高負荷域にかけての域で使用され、信号発生器６１より大きい値が余裕値として与えられる。信号発生器６１は高負荷であって、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲあるいはその近傍の温度であるときに使用され、信号発生器６０より小さい値が余裕値として与えられる。
【００７８】
スイッチ６０及びスイッチ６１の動作条件、すなわち負荷制限追従制御部５０での余裕値の切替え条件を図１３に示す。排ガス温度制御部１８の排ガス温度偏差ＴＥと所定の切換基準偏差とが比較器６４にて比較され、排ガス温度偏差ＴＥが切換基準偏差よりも小さいときには、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲである近傍と判定し、スイッチ６２を開きスイッチ６３を閉じる。逆のときはスイッチ６２を閉じスイッチ６３を開く。
【００７９】
この第４の実施例を適用した場合の運転チャートを図１４に示す。負荷制限制御信号ＦＬＬは速度負荷制御信号ＦＮに自動追従している。時刻ｔ１にて排ガス温度偏差ＴＥが切換基準偏差より小さくなると、スイッチ６３が閉じられ余裕値が小さい信号発生器６１側に切り換える。第２の実施例における系統周波数が変動した場合の特性図を示す図９からも分かるように、負荷制限制御信号ＦＬＬをできるだけ速度負荷制御信号ＦＮに近付けた位置に自動追従させると、速度負荷制御信号ＦＮが急上昇したときの負荷制限制御信号ＦＬＬによる頭打ちを早い時点で行えるので、過剰な燃料供給の抑止の効果が大きい。一方、排ガス温度ＴＸが比較的低い域では排ガス温度の過温度に対する余裕があるので、通常の若干量の周波数変動に対しては速度負荷制御信号ＦＮが応動できるように、余裕値をやや大きくしておくことが望ましい。
【００８０】
以上のように、この第４の実施例によれば、低負荷時の排ガス温度の過温度に対する余裕がある場合には、大きい余裕値を選択して負荷制限制御信号ＦＬＬによる制限を緩和し、高負荷時の排ガス温度の過温度に対する余裕がない場合には、小さい余裕値を選択して負荷制限制御信号ＦＬＬによる制限をきき易くするので、適切な排ガス温度制御が可能となる。
【００８１】
図１５に、本発明の第５の実施例を示す。この第５の実施例は、第２の実施例に対し、負荷制限追従制御部５０の余裕値を排ガス温度偏差ＴＥに基づいて可変としたものであり、排ガス温度偏差ＴＥが大きいときは余裕値を大きくし、排ガス温度偏差ＴＥが小さいときは余裕値を小さくする。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００８２】
この第５の実施例では、図５に示した信号発生器５２に代えて、排ガス温度偏差ＴＥが大きいときは大きい余裕値を出力し排ガス温度偏差ＴＥが小さくなるにつれて小さい余裕値を出力する関数発生器６５が使用される。関数発生器１６の特性を図１６に示す。排ガス温度制御部１８の温度偏差ＴＥを入力として関数発生器６５は、図１６に図示される特性曲線にしたがって余裕値を出力し、加算器５３に与える。
【００８３】
図１６において、横軸の排ガス温度偏差ＴＥが零の点は、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに等しいときである。したがって、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに近づく状態とは、横軸の上で左向き即ち排ガス温度偏差ＴＥが負の方向に向かって移行している状態を意味している。図１６中の排ガス温度偏差ＴＥＡは、目安として排ガス温度の高警報値とすることができる。このように、排ガス温度偏差ＴＥが零の点から若干遠い域では余裕を残し、排ガス温度偏差ＴＥが零に近付くに従い、急激に余裕値設定を減らすようにしている。
【００８４】
この第５の実施例によれば、速度負荷制御信号ＦＮの系統周波数変動に対する応動を確保しながら、排ガス温度偏差ＴＥが零の近辺では過剰な燃料供給を負荷制限制御信号ＦＬＬにより充分に抑止できるという効果がある。
【００８５】
本発明の第６の実施例を図１７に示す。この第６の実施例は、第２の実施例に対し、負荷制限追従制御部５０に、負荷制限制御部３５から出力される負荷制限制御信号ＦＬＬの所定レートを変化させる手段を設けたものである。そして、排ガス温度ＴＸが低いときは大きいレートを選択し、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲの近傍では小さいレートを選択するようにしている。この所定レートを変化させる手段は、第１の追従レートを設定するための信号発生器６６とスイッチ６８、及び第２の追従レートを設定するための信号発生器６７とスイッチ６９とから構成され、負荷制限追従制御部５０の上限リミッタ５４の設定値を低負荷時と高負荷時とで切り替えるようにしたものである。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００８６】
この第６の実施例では、上限リミッタ５４の上限設定値を外部から与えられるようにする。信号発生器６６は第１の追従レート設定値を与えるものであり、また、信号発生器６７は第２の追従レート設定値を与えるものである。そして、スイッチ６８とスイッチ６９の動作条件は、負荷制限追従制御部５０での余裕値の切替え条件を示す図１３と同等のロジックで得るようにしている。排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲの近傍のときには、スイッチ６８を開きスイッチ６９を閉じるようにする。逆のときは、スイッチ６８を閉じスイッチ６９を開くようにする。すなわち、排ガス温度ＴＸが比較的低い領域では、スイッチ６８が閉じスイッチ６９が開くので、信号発生器６６の第１の追従レート設定値がスイッチ６８を介して上限リミッタ５４の上限設定値として与えられる。また、排ガス温度が所定上限値ＴＸＲの近傍のときには、スイッチ６８を開きスイッチ６９を閉じるので、信号発生器６７の第２の追従レート設定値がスイッチ６９を介して上限リミッタ５４の上限設定値として与えられる。
【００８７】
低負荷域から中高負荷域にかけては、負荷上昇と負荷降下の運用上の負荷変化率等から第１の追従レートはあまり小さくすることは出来ない。一方、排ガス温度ＴＸの高い所定上限値ＴＸＲの近傍では、排ガス温度ＴＸの過温度を回避しながら極力高い排ガス温度に保持して効率の高い運転をすることが目標とされる。従って、負荷制限追従制御部５０の追従レートを小さくすることにより過剰な燃料量の供給を抑止できる。前述した第２の実施例で系統周波数が変動した場合の特性を示す図９を参照すれば、系統周波数ＦＱが回復したときに、速度負荷制御信号ＦＮの急上昇による燃料制御信号ＦＲＥＦの急上昇を負荷制限制御信号ＦＬＬが抑制している様子が分かる。そして、増方向の追従レートをさらに小さくすれば、燃料流量急増の抑制はより早い時点に行われ、その小さい追従レートにしたがって燃料流量の増加はより緩やかに行われるので、過剰な燃料量の供給は抑止できる。
【００８８】
このように、この第６の実施例によれば、排ガス温度ＴＸの高い所定上限値ＴＸＲの近傍で運転されている状態で系統周波数が変動した場合、負荷制限制御信号ＦＬＬは小さい追従レートにしたがって出力されるので、燃料流量の増加はより緩やかに行われる。これにより過剰な燃料量の供給を抑制できる。
【００８９】
次に、本発明の第７の実施例を図１８に示す。この第７の実施例は、上述の第６の実施例と同様に第２の実施例に対し、負荷制限追従制御部５０に、負荷制限制御部３５から出力される負荷制限制御信号ＦＬＬの所定レートを変化させる手段を設けたものであり、その所定のレートを排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに近づくに従い小さくなるようにしものである。この第７の実施例における所定レートを変化させる手段は、排ガス温度偏差ＴＥに基づいて可変の設定値を出力する関数発生器７０で構成され、負荷制限追従制御部５０の上限リミッタ５４の設定値を排ガス温度偏差ＴＥに基づいて可変としたものである。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００９０】
すなわち、この第７の実施例では、排ガス温度偏差ＴＥに基づいて可変の設定値を出力する関数発生器７０が使用される。関数発生器７０は、排ガス温度制御部１８の温度偏差ＴＥを入力として上限リミッタ５４の可変設定値を出力し、追従レート設定値として上限リミッタ５４に出力する。この追従レート設定値は上限リミッタ５４の上限設定値となる。図１９に関数発生器７０の特性図を示す。
【００９１】
図１９において、横軸の排ガス温度偏差ＴＥが零の点は、図１６の場合と同様に、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに等しいときである。したがって、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに近づく状態とは、横軸の上で左向き即ち排ガス温度偏差ＴＥが負の方向に向かって移行している状態を意味している。図１６中の排ガス温度偏差ＴＥＡは、目安として排ガス温度の高警報値とすることができる。このように、排ガス温度偏差ＴＥが零の点から若干遠い域では追従レート設定値は余り小さくしないで、排ガス温度偏差ＴＥが零に近付くに従い急激に追従レート設定値を小さくするようにしている。
【００９２】
この第７の実施例によれば、速度負荷制御信号ＦＮの系統周波数変動に対する応動を確保しながら、排ガス温度偏差ＴＥが零の近辺では、過剰な燃料供給を負荷制限制御信号ＦＬＬにより充分に抑止できるという効果がある。
【００９３】
図２０は、本発明の第８の実施例のブロック構成図である。この第８の実施例は、速度負荷制御部１６の速度負荷制御信号ＦＮの増方向変化率制限値を発生する関数発生器７２と、この関数発生器７２からの増方向変化率制限値に基づき速度負荷制御信号ＦＮに制限をかける増方向変化率制限リミッタ７１とを設けたものである。この場合の増方向変化率制限値は排ガス温度偏差ＴＥに基づいて定められる。すなわち、排ガス温度偏差ＴＥが大きいときは制限値も大きくし、小さいときは小さくする。これにより、排ガス温度が所定上限値の近傍であるときは、速度負荷制御信号の増方向変化率を制限する。
【００９４】
増方向変化率リミッタ７１は加算器２３と燃料制御信号選択部１７との間に設けられ、加算器２３の出力信号の変化率が増方向変化率制限値より小さいときは、その信号をそのまま通し、大きいときは増方向変化率制限値に制限される。その増方向変化率制限値は関数発生器７２により得られ、関数発生器７２は排ガス温度偏差ＴＥを入力として、図２１に示すような出力を増方向変化率リミッタ７１に与える。
【００９５】
図２１において、横軸の排ガス温度偏差ＴＥが零の点は、図１６の場合と同様に、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに等しいときである。したがって、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに近づく状態とは、横軸の上で左向き即ち排ガス温度偏差ＴＥが負の方向に向かって移行している状態を意味している。図１６中の排ガス温度偏差ＴＥＡは、目安として排ガス温度の高警報値とすることができる。ここで、排ガス温度偏差ＴＸが大きいときは、増方向変化率制限値として大きな値が設定されているので、増方向変化率リミッタ７１は変化率リミッタとして動作しない。つまり制限を加えずに信号を通す。排ガス温度偏差ＴＥが零の近傍に達すると増方向変化率制限値が急激に小さくなり増方向変化率リミッタ７１は動作する。つまり、制限を加えることなる。
【００９６】
この第８の実施例の特性を図２２に示す。系統周波数ＦＱの回復時の速度負荷制御信号ＦＮの変化を、前述の第２の実施例で速度負荷制御信号が急上昇した場合の特性を示す図９と比較してみると、排ガス温度偏差ＴＥが零に近付いたときの速度負荷制御信号ＦＮの変化が緩やかになっており、図９の例に比べ燃料制御信号すなわち燃料流量の過剰な供給が良好に抑制されていることが分かる。
【００９７】
このように、第８の実施例によれば、排ガス温度偏差ＴＥが零近傍であるときに、系統周波数の変動があったときは、速度負荷制御信号ＦＮの変化が緩やかになるので、燃料流量の過剰な供給が抑制され、ガスタービンに過大な熱ストレスを与えることがなくなる。
【００９８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ガスタービンの負荷上昇運転からガスタービンの排ガス温度制御運転への移行に際してスムーズに切換わり、いずれの運転領域においても、系統周波数変動に応動しつつ、燃料流量や発電機出力等の諸量の突変を抑制することができる。また、ガスタービンの排ガス温度を所定上限値に制御して効率の高い運転を維持しつつ、過剰な燃料供給を抑制することができる。したがって、系統周波数の変動による燃料過剰投入が避けられ、過温度によるガスタービントリップを回避することができ、電力供給信頼度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック構成図
【図２】本発明の第１の実施例の運転チャートを示す特性図
【図３】本発明の第１の実施例で系統周波数が急上昇した場合の特性を示す特性図
【図４】本発明の第１の実施例で排ガス温度制御信号が急上昇した場合の特性を示す特性図
【図５】本発明の第２の実施例を示すブロック構成図
【図６】本発明の第２の実施例の運転チャートを示す説明図
【図７】本発明の第２の実施例における速度負荷追従部の軌道条件の説明図
【図８】本発明の第２の実施例で速度負荷制御信号が急上昇した場合の特性図
【図９】本発明の第２の実施例で系統周波数が変動した場合の特性図
【図１０】本発明の第３の実施例のブロック構成図
【図１１】本発明の第３の実施例で系統周波数が変動した場合の特性図
【図１２】本発明の第４の実施例を示すブロック構成図
【図１３】本発明の第４の実施例における負荷制限追従制御部の余裕値の切換え条件の説明図
【図１４】第４の実施例の運転チャートを示す説明図
【図１５】本発明の第５の実施例を示すブロック構成図
【図１６】本発明の第５の実施例における関数発生器の特性図
【図１７】本発明の第６の実施例のブロック構成図
【図１８】本発明の第７の実施例のブロック構成図
【図１９】本発明の第７の実施例における関数発生器の特性図
【図２０】本発明の第８の実施例のブロック構成図
【図２１】本発明の第８の実施例における関数発生器の特性図
【図２２】本発明の第８の実施例で系統周波数が変動した場合の特性図
【図２３】ガスタービン発電プラントの構成図
【図２４】従来例のブロック構成図
【図２５】排ガス温度の所定上限値を演算する関数発生器の特性曲線の説明図
【符号の説明】
１ 入口空気案内翼
２ 空気圧縮機
３ 空気流路
４ 燃焼器
５ 燃料制御弁
６ 燃料バーナー
７ ガスタービン
８ ガスタービン軸
９ 発電機
１０ ガスタービン制御装置
１１ 軸端歯車
１２ 速度検出器
１３ 空気圧縮機吐出空気圧力検出器
１４ 排ガス温度検出器
１５ 発電機出力検出器
１６ 速度負荷制御部
１７ 燃料制御信号選択部
１８ 排ガス温度制御部
１９ 速度設定器
２０ 減算器
２１ 比例制御器
２２ 信号発生器
２３ 加算器
２４ 負荷設定器
２５ 減算器
２６ 比較器
２７ スイッチ
２８ 信号発生器
２９ 比較器
３０ スイッチ
３１ 信号発生器
３２ 関数発生器
３３ 減算器
３４ 比例積分制御器
３５ 負荷制限制御部
３６ 負荷制限器
３７ スイッチ
３８ 信号発生器
３９ スイッチ
４０ 信号発生器
４１ 低値選択部
４２ 速度負荷追従部
４３ 関数発生器
４４ 減算器
４５ 加算器
４６ 上限リミッタ
４７ 下限リミッタ
４８ スイッチ
４９ 加算器
５０ 負荷制限追従制御部
５１ 減算器
５２ 信号発生器
５３ 加算器
５４ 上限リミッタ
５５ 下限リミッタ
５６ スイッチ
５７ 加算器
５８ 比較器
５９ 低値選択部
６０ 信号発生器
６１ 信号発生器
６２ スイッチ
６３ スイッチ
６４ 比較器
６５ 関数発生器
６６ 信号発生器
６７ 信号発生器
６８ スイッチ
６９ スイッチ
７０ 関数発生器
７１ 変化率リミッタ
７２ 関数発生器
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンの排ガス温度を所定上限値に保ちながら、ガスタービンの燃料流量を調節制御するガスタービン制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスタービン発電プラントは、燃料と圧縮空気とを燃焼器に供給し、燃焼器で燃焼したガスをガスタービンに供給してガスタービンを駆動するようにしたものである。図２３に、ガスタービン発電プラントの構成図を示す。
【０００３】
入口空気案内翼１を介して取り入れられた空気は、空気圧縮機２にて高圧空気に圧縮され、その圧縮空気は空気流路３を通って燃焼器４に入り燃料の燃焼用空気として使用される。一方、燃料制御弁５を介して供給された燃料は、燃料バーナー６から燃焼器４に入り、ここで燃焼して高温高圧ガスとなる。この燃焼ガスはガスタービン７に入り、ガスタービン軸８を回転させ、同軸に結合されている発電機９を回転させて発電機出力を得る。
【０００４】
ガスタービン７から排出された排ガスは、煙突に抜けていくか、あるいはコンバインドサイクル発電プラントの場合は、排熱回収ボイラの熱源として使用された後、同様に煙突に抜けていく。
【０００５】
ガスタービン制御装置１０は、軸端歯車１１に近接して取り付けられた速度検出器１２から得たガスタービン速度Ｎ、空気圧縮機２の吐出空気圧力検出器１３からの吐出空気圧力ＰＣＤ、ガスタービン排ガス温度検出器１４からの排ガス温度ＴＸ及び発電機出力検出器１５からの発電機出力ＭＷ等に基づいて、燃料制御信号ＦＲＥＦを燃料制御弁５に与えて燃料流量を調節している。
【０００６】
図２４に、ガスタービン制御装置１０のブロック図を示す。ガスタービン制御装置１０は、ガスタービン７の速度とガスタービン７に連結された発電機９の負荷とを制御するための速度負荷制御部１６と、ガスタービン７の排ガス温度を所定上限値に制御するための排ガス温度制御部１８と、速度負荷制御部１６からの速度負荷制御信号ＦＮと排ガス温度制御部１８からの排ガス温度制御信号ＦＴとのうち小さい方を選択し燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部１７とを備えている。
【０００７】
ガスタービン７の起動は、図示を省略している起動制御部にて燃料流量を調節して定格回転数まで昇速される。この時点では燃料流量が少ないので、排ガス温度ＴＸは低い。したがって、速度負荷制御部１６からの速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御部１８からの排ガス温度制御信号ＦＴより小さいので、燃料制御信号選択部１７では速度負荷制御信号ＦＮが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択されている。つまり、起動制御部にて定格回転数まで昇速されたガスタービン７は、速度負荷制御部１６にて定格回転数で保持されることになる。
【０００８】
速度負荷制御部１６は、ガスタービン７に連結された発電機８が無負荷であるときにはガスタービン７を定格回転数に維持し、電力系統に並入されたときは発電機９が負荷設定器２４に設定された設定値を出力するように制御するものである。すなわち、速度設定器１９には初期値として定格回転数が設定されており、ガスタービン７の回転数Ｎとの速度偏差ＮＥが減算器２０で演算される。その速度偏差ＮＥは比例制御器２１で比例演算され、信号発生器２２からの無負荷定格速度バイアス信号が加算されて速度負荷制御信号ＦＮとして出力される。無負荷定格速度バイアス信号は、無負荷状態のガスタービン７や発電機９を定格回転数に維持するために必要な燃料流量に相当する信号である。
【０００９】
この状態で、発電機９が電力系統に並入されると、発電機９は系統周波数と同期して回転することになり負荷運転となる。負荷運転状態では、発電機出力ＭＷと負荷設定器２４の負荷設定値との発電機出力偏差ＭＷＥが減算器２５で演算され、発電機出力偏差ＭＷＥが負であるときは、比較器２６がスイッチ２７をオンし、発電機出力偏差ＭＷＥが正であるときは、比較器２９がスイッチ３０をオンする。
【００１０】
つまり、発電機出力偏差ＭＷＥが負であるときは、信号発生器２８に設定された正の値が速度設定器１９に入力される。速度設定器１９は積分特性を持っており、その正の値に対応した変化率で速度設定器１９の設定値を増加させ、発電機出力偏差ＭＷＥが零になるように速度負荷制御信号ＦＮを変化させる。同様に、発電機出力偏差ＭＷＥが正であるときは、信号発生器３１に設定された負の値に対応した変化率で速度設定器１９の設定値を減少させ、発電機出力偏差ＭＷＥが零になるように速度負荷制御信号ＦＮを変化させる。
【００１１】
発電機９が電力系統に並入され、負荷を徐々に取り始める状態では発電機出力偏差ＭＷＥが負である状態であるので、比較器２６がスイッチ２７をオンし、信号発生器２８に設定された正の値に対応した変化率で速度設定器１９の設定値を増加させている状態である。これによって、発電機出力ＭＷが徐々に増加していく。そうすると、排ガス温度ＴＸが徐々に上昇していくので、排ガス温度制御部１８からの排ガス温度制御信号ＦＴが徐々に小さくなっていく。
【００１２】
排ガス温度制御部１８は、排ガス温度ＴＸが空気圧縮機２の吐出空気圧力ＰＣＤの関数として定まる所定の上限値ＴＸＲになるように制御するものである。この所定上限値ＴＸＲは、ガスタービン７の高温部材料と冷却性能とから定まるもので、ガスタービン７の高温部材料に熱ストレスがかからないようにするためである。また、排ガス温度ＴＸを所定上限値ＴＸＲで制御するのは、排ガス温度が高いほどガスタービン７の効率が高くなるからである。なお、本来ならば、ガスタービン７の高温部材料の熱ストレスの検出には、ガスタービン７のガス入口温度を検出するのが好ましいが、ガスタービン７のガス入口温度は千数百℃の高温であるため、排ガス温度ＴＸにより等価的に入口ガス温度を監視制御するようにしている。
【００１３】
図２５は、空気圧力ＰＣＤに基づいて所定上限値ＴＸＲを演算する関数発生器３２における特性の説明図である。図２５の実線は所定上限値ＴＸＲを示し、点線は排ガス温度の警報値あるいはガスタービン７のトリップ値を示している。
【００１４】
図２５に示した特性曲線が右下がりに傾斜しているのは、空気圧縮機２の吐出空気圧力ＰＣＤの増加と共にガスタービン効率が高くなるので、入口ガス温度を一定に維持するためには排ガス温度ＴＸ、すなわち所定上限値ＴＸＲをタービン効率の上昇に応じて減少させなければならないことを表している。
【００１５】
このようにして得られた所定上限値ＴＸＲは減算器３３に入力され、排ガス温度ＴＸとの排ガス温度偏差ＴＥが算出される。排ガス温度偏差ＴＥは比例積分制御器３４に入力され、排ガス温度制御信号ＦＴが得られる。
【００１６】
したがって、燃料流量が増加していくにつれ、ガスタービン７の排ガス温度ＴＸが上昇し、排ガス温度偏差ＴＥが徐々に減少する。やがて、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに達すると、排ガス温度偏差ＴＥは零となる。また、排ガス温度ＴＸがこの所定上限値ＴＸＲを越えると、排ガス温度偏差ＴＥは負となり、警報を発生したり、ガスタービン７をトリップさせたりする。
【００１７】
排ガス温度制御信号ＦＴが減少することにより、排ガス温度制御信号ＦＴの値の方が速度負荷制御信号ＦＮの値よりも低くなって、燃料制御信号選択部１７では速度負荷制御信号ＦＮに代わって排ガス温度制御信号ＦＴが燃料制御信号ＦＲＥＦとなって燃料流量を調節してガスタービン７の排ガス温度ＴＸを所定上限値ＴＸＲに一致するように制御する。
【００１８】
このように従来のガスタービン制御装置では、ガスタービン７の熱ストレスを回避しながらガスタービン効率の高いところで運転できるようにしている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来のガスタービン制御装置１０では、電力系統に周波数変動があると、速度負荷制御部１６は比例制御器２１の高い比例ゲインを介して、系統周波数を回復させる方向に大きく応動するので、燃料流量が大きく変動し、ガスタービン７の排ガス温度ＴＸが大きく変動することがある。排ガス温度ＴＸの変動はガスタービン高温部の熱ストレスを増長させ、ガスタービン７の排ガスを熱源とする排熱回収ボイラのボイラ制御に大きな外乱を与える。また、ガスタービン７の排ガスをボイラへの押込通風用空気として利用する排気再燃式コンバインドサイクル発電プラントでも、ボイラ制御に大きな外乱を与えることになる。
【００２０】
特に、ガスタービン排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲの近傍で運転されている場合に、系統周波数が変動すると、速度負荷制御部１６の動作はガスタービン排ガス温度制御に大きな外乱を与える。たとえば、系統周波数が上昇した場合には、ガスタービン速度Ｎも上昇する。速度負荷制御部１６は、これを修正する方向に動作するので、速度負荷制御信号ＦＮはその直前の値から減少し、速度負荷制御信号ＦＮの方が排ガス温度制御信号ＦＴよりも低くなって、燃料制御信号選択部１７では速度負荷制御信号ＦＮが選択され、燃料流量が絞られる。これにより、燃料流量が減少し、それに伴いガスタービン７の排ガス温度ＴＸが数秒の遅れをもって低下する。
【００２１】
この状態で、系統周波数が急に回復すると、ガスタービン速度Ｎも定格回転数まで急に低下する。この場合のガスタービン速度Ｎの検出遅れは無視できるほど小さいので、速度負荷制御信号ＦＮは急上昇することになる。燃料制御信号選択部１７は、この状態では速度負荷制御信号ＦＮを燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択しているので、速度負荷制御信号ＦＮの変化は燃料流量の変化となり、燃料流量は急増する。これは、ガスタービン速度Ｎの検出遅れは無視できるほど小さいのに対し、ガスタービン７の排ガス温度ＴＸの検出遅れは数秒あることから、燃料流量の急増に応じた排ガス温度ＴＸの上昇が遅れるからである。
【００２２】
したがって、燃料流量の急増により、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに到達した時点ではすでに過剰な燃料流量が投入されていることになる。また、その時点で、燃料制御信号選択部１７は燃料制御信号ＦＲＥＦとして速度負荷制御信号ＦＮから排ガス温度制御信号ＦＴに切り替えて、燃料流量を減少させることになるが、既に、過剰に燃料流量が投入されているので、排ガス温度ＴＸは上昇を続けることになる。
【００２３】
ガスタービン７の排ガス温度ＴＸを極力高い温度で運転したいというガスタービン効率上の理由から所定上限値ＴＸＲと排ガス温度ＴＸの警報値やガスタービン７のトリップ値は近接しているので、このような場合には過温度によりガスタービンとリップに至るという不都合が発生することもある。
【００２４】
また、逆に、ガスタービン７の排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲより若干低い温度であって、燃料制御信号ＦＲＥＦとして速度負荷制御信号ＦＮが選択されている状態で発電機出力ＭＷを制御しているときに、系統周波数が急に下降した場合においても、速度負荷制御信号ＦＮが急上昇するので、前述の場合と同様な不都合が発生する。
【００２５】
本発明の目的は、ガスタービンの熱ストレスを回避しながら、ガスタービン効率の高いところで運転でき、しかも、系統周波数の変動があった場合においても、排ガス温度に与える影響を極力少なくしたガスタービン制御装置を得ることである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ガスタービンの排ガス温度が所定上限値になるように制御するための排ガス温度制御信号を出力する排ガス温度制御部と、ガスタービンの速度とガスタービンに連結された発電機の負荷とが速度設定器に設定された設定値になるように速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、発電機の負荷を制限するための負荷制限制御信号を所定のレートで出力する負荷制限制御部と、排ガス温度制御信号と速度負荷制御信号と負荷制限制御信号とのうち最も小さい信号を選択しガスタービンへの燃料流量を調節するための燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部と、排ガス温度制御信号と負荷制限制御信号とのうち小さい方を選択する低値選択部と、速度負荷制御信号が低値選択部で選択された信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための速度負荷追従制御部とを備えている。
【００２７】
請求項２の発明は、ガスタービンの排ガス温度が所定上限値になるように制御するための排ガス温度制御信号を出力する排ガス温度制御部と、ガスタービンの速度とガスタービンに連結された発電機の負荷とが速度設定器に設定された設定値になるように速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、発電機の負荷を制限するための負荷制限制御信号を所定のレートで出力する負荷制限制御部と、排ガス温度制御信号と速度負荷制御信号と負荷制限制御信号とのうち最も小さい信号を選択しガスタービンへの燃料流量を調節するための燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部と、燃料制御信号選択部で排ガス温度制御信号が選択されているときは速度負荷制御信号が排ガス温度制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための速度負荷追従制御部と、負荷制限制御信号が速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための負荷制限追従制御部とを備えている。
【００２８】
そして、負荷制限追従制御部は、負荷制限制御信号が、速度負荷制御信号又は排ガス温度温度制御信号のうち小さい方より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するようにし、その余裕値は、発電機の負荷が低負荷時には大きい余裕値とし、高負荷時には小さい余裕値とする。又は、その余裕値を排ガス温度が所定上限値に近づくに従い小さくなるようする。
【００２９】
一方、負荷制限追従制御部には、負荷制限制御部の所定のレートを変化させる手段を設け、排ガス温度が低いときは大きいレートを選択し、排ガス温度が所定上限値近傍では小さいレートを選択する。又は、所定のレートを排ガス温度が所定上限値に近づくに従い小さくなるようにする。
【００３０】
また、必要に応じて、排ガス温度が所定上限値の近傍であるときは、速度負荷制御信号の増方向変化率を制限する変化率制限器を設ける。
【００３１】
【作用】
請求項１の発明では、速度負荷追従制御部は、速度負荷制御信号が、低値選択部で選択された排ガス温度制御信号又は負荷制限制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するので、通常時においては、燃料制御信号選択部は排ガス温度制御信号又は負荷制限制御信号のうちいずれかを選択している。排ガス温度が低い状態では負荷制限制御信号を選択し、排ガス温度が所定上限値の近傍になると、排ガス温度制御信号を選択している。
【００３２】
この状態で、系統周波数の上昇する変動があると、速度負荷制御信号が急激に下降するので、燃料制御信号選択部では、速度負荷制御信号が燃料制御信号として選択されることになる。その場合、速度負荷制御信号は排ガス温度制御信号又は負荷制限制御信号より所定の余裕値だけ高い位置にあるので、その余裕値分だけ高い位置から変動することになる。したがって、速度負荷制御信号が急激に変化しても、燃料制御信号としての変化は余裕値分だけ小さくなる。
【００３３】
また、燃料制御信号選択部で排ガス温度制御信号が選択されている状態で、排ガス温度制御信号の突変が生じても、速度負荷制御信号はその突変に対し所定のレートで変化するので、燃料制御信号選択部で速度負荷制御信号が燃料制御信号として選択されることになり、燃料流量の急激な変化を抑制できる。
【００３４】
請求項２の発明では、速度負荷追従制御部は、燃料制御信号選択部で排ガス温度制御信号が選択されているときは速度負荷制御信号が排ガス温度制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御し、また、負荷制限追従制御部は、負荷制限制御信号が速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するので、この状態での通常時においては当然に排ガス温度制御信号が選択されている。
【００３５】
この状態で系統周波数が上昇する変動した場合、請求項１の発明の場合と同様に、速度負荷制御信号が急激に下降するので、燃料制御信号選択部では、速度負荷制御信号が燃料制御信号として選択されることになる。その場合、速度負荷制御信号は排ガス温度制御信号又は負荷制限制御信号より所定の余裕値だけ高い位置にあるので、その余裕値分だけ高い位置から変動することになる。したがって、速度負荷制御信号が急激に変化しても、燃料制御信号としての変化は余裕値分だけ小さくなる。そして、負荷制限制御信号は速度負荷制御信号に追従して所定のレートで変化するので、系統周波数が正常な定格周波数に急激に回復し速度負荷制御信号が急激に上昇したときには、負荷制限制御信号が燃料制御信号として選択されるので、燃料流量の急激な変化を抑制できる。
【００３６】
一方、燃料制御信号選択部で速度負荷制御信号が選択されている状態では、負荷制限追従制御部が負荷制限制御信号が速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するので、負荷制限制御信号が速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高い位置にある。この状態で、系統周波数が上昇する変動した場合には、負荷制限制御信号にて燃料流量の急激な変化を抑制することになる。
【００３７】
そして、負荷制限追従制御部は、負荷制限制御信号が、速度負荷制御信号又は排ガス温度温度制御信号のうち小さい方より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するようにした場合には、系統周波数が一旦上昇して下降した場合に生じる燃料流量の変動を抑制できる。また、その余裕値は、発電機の負荷が低負荷時には大きい余裕値とし、高負荷時には小さい余裕値とする。これによって、燃料流量の多い高負荷時において、負荷制限制御信号による負荷制限を早めにかけることができる。その余裕値を排ガス温度が所定上限値に近づくに従い小さくなるようした場合も同様である。
【００３８】
一方、負荷制限追従制御部には、負荷制限制御部の所定のレートを変化させる手段を設け、排ガス温度が低いときは大きいレートを選択し、排ガス温度が所定上限値近傍では小さいレートを選択する。排ガス温度が所定上限値近傍では、小さいレートすることにより、燃料流量の多い高負荷時において、燃料流量の変動を小さく抑制することができる。所定のレートを排ガス温度が所定上限値に近づくに従い小さくなるようにした場合も同様である。また、必要に応じて、排ガス温度が所定上限値の近傍であるときは、速度負荷制御信号の増方向変化率を制限する変化率制限器を設ける。これによって、変化率制限器に設定された増方向変化率制限値以上の燃料流量の突変を防止できる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。図１は本発明の第１の実施例を示すブロック構成図である。図２４に示した従来例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。この第１の実施例は、図２４に示した従来例に対し、発電機の負荷を制限するための負荷制限制御信号ＦＬＬを出力する負荷制限制御部３５と、排ガス温度制御信号ＦＴと負荷制限制御信号ＦＬＬとのうち小さい方を選択する低値選択部４１と、速度負荷制御信号ＦＮが低値選択部４１で選択された信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための速度負荷追従制御部４２とが追加して設けられている。そして、燃料制御信号選択部１７には、排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮと負荷制限制御信号ＦＬＬとが入力され、これらの信号のうち最も小さい信号が選択されて、ガスタービン７への燃料流量を調節するための燃料制御信号ＦＲＥＦとして出力されることになる。
【００４０】
負荷制限制御部３５の負荷制限器３６は積分器として動作し、その積分値を負荷制限制御信号ＦＬＬとして出力する。したがって、信号発生器３８又は信号発生器４０に設定された設定値に基づいて所定のレートで変化する負荷制限制御信号を出力することになる。信号発生器３８及び信号発生器４０には、発電機９の負荷を制限するための設定値が設定される。信号発生器３８には正の設定値が設定され、信号発生器４０には負の設定値が設定される。
【００４１】
負荷制限器３６の積分値、すなわち負荷制限制御信号ＦＬＬは、外部の装置あるいは運転員の要求に応じて増加あるいは減少させることができる。増加要求に応じてはスイッチ３７が閉じ、信号発生器３８の正の設定値がスイッチ３７を介して負荷制限器３６の入力に送られる。この入力が与えられている間、負荷制限制御信号ＦＬＬは積分状に増加する。スイッチ３７が開くとその増加は停止しその値が保持される。逆に、減少要求に応じてはスイッチ３９が閉じ、信号発生器４０の負の設定値がスイッチ３９を介して負荷制限器３６の入力に送られる。この入力が与えられている間、負荷制限制御信号ＦＬＬは積分状に減少する。スイッチ３９が開くとその減少は停止しその値が保持される。
【００４２】
排ガス温度制御信号ＦＴと負荷制限制御信号ＦＬＬは、低値選択部４１に入力される。低値選択部４１は、排ガス温度制御信号ＦＴと負荷制限制御信号ＦＬＬとのうち低い値の信号を選択して、信号ＬＶＡとして速度負荷追従制御部４２に出力する。
【００４３】
信号ＬＶＡは速度負荷追従制御部４２の関数発生器４３に入力され、ここで信号ＬＶＢに変換される。関数発生器４３での信号ＬＶＡから信号ＬＶＢへの信号変換は、次式で求められる。
ＬＶＢ＝（ＬＶＡ−Ｂ）／Ｋ＋Ｎｏ
ここで、Ｂは信号発生器２２により与えられる無負荷定格速度バイアス信号、Ｋは比例制御器２１のゲイン、Ｎｏはガスタービン定格速度である。
【００４４】
上式は、信号ＬＶＡを、同じ信号レンジの速度負荷制御信号ＦＮに等しいと見なした場合に、速度負荷制御部１６の上流の信号である速度設定ＮＲに換算していることを表している。つまり、関数発生器４３は、低値選択部４１の出力信号である排ガス温度制御信号ＦＴ又は負荷制限制御信号ＦＬＬを、速度負荷制御信号ＦＮと見立てた場合における速度設定（信号ＬＶＢ）を算出する。このようにして、信号ＬＶＡは、速度設定ＮＲと同じ信号レンジで比較できるような信号ＬＶＢに変換される。
【００４５】
速度負荷制御部１６の速度設定ＮＲは速度負荷制御自動追従制御部４２の減算器４４に入力される。減算器４４は信号ＬＶＢと速度設定ＮＲとの偏差を演算し、その偏差は加算器４５に加えられる。加算器４５にて、その偏差には、信号発生器４６から与えられる余裕値と呼称する追従バイアス設定値ＦＢＡが加算される。加算器４５で得られた信号は上限リミッタ４６及び下限リミッタ４７で上限及び下限のリミッタが掛けられる。上限リミッタ４６及び下限リミッタ４７には、それぞれ上限設定値や下限設定値を内蔵しており、上下限設定値以内の信号はそのまま通過し、上下限設定値を越える信号に対しては上下限設定値に制限される。下限リミッタ４７を出た信号はスイッチ４８を介して、速度負荷制御部１６の加算器４９に入力される。
【００４６】
なお、スイッチ４８は速度負荷追従制御の使用と除外を行うためのスイッチであり、運転員により選択される。スイッチ４８が閉じているときが使用状態であり、スイッチ４８が開いているときが除外状態である。速度負荷追従制御の使用状態のときは、下限リミッタ４７を出た信号はスイッチ４８を介して速度負荷制御部１６の加算器４９に入力される。加算器４９は、スイッチ２７、３０と速度設定器１９の間に新たに設けられたものであり、スイッチ２７、３０、４８を出た信号を加算する。これらのスイッチ２７、３０、４８が開いているときはいずれもスイッチを出た信号の値は零である。加算器４９の出力は速度設定器１９の入力となる。
【００４７】
図２に、第１の実施例の運転チャートを示す。初期状態として、発電機９が電力系統に併入され、発電機出力ＭＷが比較的低い低負荷域で運転されており、燃料制御信号選択部１７では負荷制限制御信号ＦＬＬが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択されている場合を示す。
【００４８】
一般に、速度負荷制御信号ＦＮによらず、負荷制限器３６の負荷制限制御信号ＦＬＬで発電機出力ＭＷを調節する運転を負荷制限運転と称する。この負荷制限運転では、負荷制限器３６からの負荷制限制御信号ＦＬＬが燃料制御信号ＦＲＥＦとなるので、この負荷制限器３６からの負荷制限制御信号ＦＬＬによって燃料流量が決められる。したがって、電力系統に同期並入されたガスタービン速度Ｎ、すなわち系統周波数の影響を受けないという特徴がある。そのため、燃焼器４あるいはガスタービン７の排ガスを利用するボイラ側の特性が、燃料流量や排ガス温度ＴＸあるいは排ガス流量の変動に敏感に応動して特性上不適合なプラントにおいて、この負荷制限運転は好適である。
【００４９】
図２において、負荷制限制御信号ＦＬＬは実線で示されている。燃料制御信号ＦＲＥＦは、線が重ならぬよう、便宜上わずか下にずらして点線で記載されている。時点ｔ１以前においては、排ガス温度制御信号ＦＴは、まだ燃料量が少なく排ガス温度ＴＸが比較的低いので高い値に飽和している。そして、速度負荷追従制御は使用状態に選択されており、スイッチ４８は閉じているとする。
【００５０】
速度負荷制御信号ＦＮは、低値選択部４１で信号ＬＶＡとして低値選択されている負荷制限制御信号ＦＬＬに対して、速度設定ＮＲの信号レベルに換算して余裕値ＦＢＡだけ高い位置に自動追従制御されている。この動作は、信号ＬＶＢと余裕値ＦＢＡとの和に速度設定ＮＲが一致するように加算器４９を介して速度設定器１９により調節されていることによる。
【００５１】
時刻ｔ１にて負荷制限制御部３５のスイッチ３７が閉じ、負荷制限制御信号ＦＬＬを所定のレートで増加させると、負荷上昇が再開する。負荷制限制御信号ＦＬＬの増加レートは信号発生器３８の設定値と負荷制限器３６の積分時定数とから決まる。低値選択部４１では、信号ＬＶＡとしてまだ負荷制限制御信号ＦＬＬが選択されているので、負荷制限制御信号ＦＬＬの上昇にしたがって、速度負荷追従制御部４２を介して速度設定ＮＲが自動追従し上昇する。つまり、速度負荷制御信号ＦＮが負荷制限制御信号ＦＬＬに追従して上昇する。この場合の速度設定ＮＲの追従レートの最大値は上限リミッタ４６の上限設定値により決まる。燃料制御信号ＦＲＥＦである負荷制限制御信号ＦＬＬの上昇にしたがって、燃料流量が増加し、排ガス温度ＴＸと発電機出力ＭＷも上昇する。
【００５２】
排ガス温度ＴＸの上昇に伴い、温度偏差ＴＥが減少し排ガス温度制御信号ＦＴも減少する。そして、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに達すると、温度偏差ＴＥが零となり排ガス温度制御信号ＦＴも零となる。時刻ｔ２において、燃料制御信号選択部１７にて、負荷制限制御信号ＦＬＬに代わって排ガス温度制御信号ＦＴが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択されると、排ガス温度制御部１８は排ガス温度ＴＸが上限設定値ＴＸＲになるように制御する。それと共に、低値選択部４１においても、負荷制限制御信号ＦＬＬに代わって排ガス温度制御信号ＦＴが信号ＬＶＡとして選択される。その結果、速度設定ＮＲは、負荷制限制御信号ＦＬＬから排ガス温度制御信号ＦＴに自動追従するようになる。つまり、速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御信号ＦＴに自動追従するようになる。
【００５３】
この状態で、図３に示すように、例えば、系統周波数ＦＱが時刻ｔ３にて急上昇した場合、速度設定ＮＲは排ガス温度制御信号ＦＴに自動追従していたので、速度負荷制御信号ＦＮは余裕値設定ＦＢＡから決まる幅だけ高い位置から、速やかにガスタービン速度Ｎすなわち系統周波数ＦＱに応動して、系統周波数ＦＱの回復につとめようとする。また、常時の若干量の周波数変動に対しては、余裕値設定ＦＢＡを適切に選べば排ガス温度制御の外乱にはならない。図３は排ガス温度制御部１８により燃料流量が調節されて排ガス温度制御が行われている高負荷域での例であるが、低負荷域では、図３における排ガス温度制御信号ＦＴを負荷制限制御信号ＦＬＬに置き換えればその効果は同等である。すなわち、系統周波数ＦＱの急上昇に速やかに応動しつつ、常時の若干量の周波数変動の影響を受けることなく安定した燃料量を供給することができる。
【００５４】
また、図４に示すように排ガス温度制御信号ＦＴにより燃料流量が調節されているときに、何等かの原因により排ガス温度制御信号ＦＴが急上昇した場合、速度負荷制御信号ＦＮは上限リミッタ４６の上限設定値により決まる最大の追従レートでしか追従しないので、図示のように、緩やかに上昇する速度負荷制御信号ＦＮが燃料制御信号選択部１７において低値選択されて、燃料制御信号ＦＲＥＦすなわち燃料流量の急変が抑制される。余裕値設定値ＦＢＡを適切に選ぶことにより、排ガス温度の高警報や温度高によるガスタービントリップを回避して電力供給の安定化を図ることができる。
【００５５】
以上述べたように、この第１の実施例によれば、通常時は、排ガス温度制御信号ＦＴ又は負荷制限制御信号ＦＬＬが燃料制御信号ＦＲＥＦとなり、速度負荷制御信号ＦＮは、排ガス温度制御信号ＦＴ又は負荷制限制御信号ＦＬＬに対して余裕値ＦＢＡだけ高い位置で追従させるので、速度負荷制御信号ＦＮは余裕値ＦＢＡだけ高い位置から下降し、燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択された場合でも、急激な外乱にはならない。
【００５６】
また、排ガス温度制御信号ＦＴにより燃料流量が調節されているときに、何等かの原因により排ガス温度制御信号ＦＴが急上昇した場合でも、速度負荷制御信号ＦＮは上限リミッタ４６の上限設定値により決まる最大の追従レートでしか追従しないので、緩やかに上昇する速度負荷制御信号ＦＮにて燃料流量の急変が抑制される。
【００５７】
次に、本発明の第２の実施例を説明する。図５は、本発明の第２の実施例のブロック構成図である。図１に示した第１の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。この第２の実施例は、図１に示した第１の実施例に対し、負荷制限制御信号ＦＬＬが速度負荷制御信号ＦＮより所定の余裕値ＦＢＢだけ高くなるように追従制御するための負荷制限追従制御部５０を設け、低値選択部４１を省略したものである。そして、速度負荷追従制御部４２は、燃料制御信号選択部１７で排ガス温度制御信号ＦＴが選択されているときは、速度負荷制御信号ＦＮが排ガス温度制御信号ＦＴより所定の余裕値ＦＢＡだけ高くなるように追従制御する。
【００５８】
図５において、負荷制限追従制御部５０の減算器５１は、速度負荷制御信号ＦＮと負荷制限制御信号ＦＬＬとの偏差を演算し、その偏差は信号発生器５２からの余裕値ＦＢＢと加算器５３にて加算される。加算器５３の出力信号は上限リミッタ５４及び下限リミッタ５５にて上限及び下限がかけられる。上限リミッタ５４と下限リミッタ５５には、上限設定値と下限設定値が内蔵されている。上下限設定値以内の信号はそのまま通過し、上下限設定値を越える信号に対しては上下限設定値に制限される。下限リミッタ５５の出力信号はスイッチ５６を介して負荷制限制御部３５の加算器５７に入力される。
【００５９】
スイッチ５６は負荷制限追従制御の使用と除外を行うためのスイッチであり、運転員により選択される。スイッチ５６が閉じている時が負荷制限追従制御の使用状態であり、スイッチ５６が開いている時が負荷制限追従制御の除外状態である。負荷制限追従制御の使用状態の時は、下限リミッタ５５の出力信号はスイッチ５６を介して負荷制限制御部３５の加算器５７に入力される。加算器５７は、スイッチ３７、３９と負荷制限器３６の間に新たに設けたものである。加算器５７は、スイッチ３７、３９、５６の出力信号を加算する。これらのスイッチ３７、３９、５６が開いているときは、いずれもスイッチ３７、３９、５６の出力信号は零である。加算器５７の出力は負荷制限器３６の入力となる。
【００６０】
図６に、図５に示した第２の実施例を適用した場合の運転チャートを示す。初期状態として、発電機９が電力系統に併入され、発電機出力ＭＷが比較的低い低負荷域で運転されており、燃料制御信号選択部１７では速度負荷制御信号ＦＮが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択されている状態を示している。負荷制限追従制御は使用状態に選択されており、スイッチ５６は閉じているとする。
【００６１】
負荷制限制御信号ＦＬＬは速度負荷制御信号ＦＮに対して余裕値設定ＦＢＢだけ高い位置に自動追従制御されている。この動作は、速度負荷制御信号ＦＮと余裕値ＦＢＢの和に、負荷制限制御信号ＦＬＬが一致するように加算器５７を介して負荷制限器３６により調節されていることによる。
【００６２】
時刻ｔ１にて、速度負荷制御部１６のスイッチ２７が閉じられると、正の設定値が速度設定器１９に入力されることになるので、速度負荷制御信号ＦＮが上昇し負荷上昇が再開する。速度負荷制御信号ＦＮの増加レートは信号発生器２８の正の設定値と速度設定器１９の積分時定数から決まる。速度負荷制御信号ＦＮの上昇にしたがって、負荷制限制御信号ＦＬＬが負荷制限追従制御部５０を介して自動追従し上昇する。そのときの負荷制限制御信号ＦＬＬの追従レートの最大値は上限リミッタ５４の上限設定値により決まる。負荷上昇に伴い燃料流量の増加し、排ガス温度ＴＸと発電機出力ＭＷと共に上昇する。
【００６３】
排ガス温度ＴＸの上昇に伴い、排ガス温度偏差ＴＥが減少し排ガス温度制御信号ＦＴも減少する。そして、排ガス温度ＴＸが上限設定値ＴＸＲに達すると、温度偏差ＴＥが零となる。いま、排ガス温度制御信号ＦＴの減少によって、時刻ｔ２おいて、排ガス温度制御信号ＦＴが速度負荷制御信号ＦＮに代わって、燃料制御信号選択部１７において低値選択されると、排ガス温度制御部１８は排ガス温度ＴＸが上限設定値ＴＸＲになるように制御する。それと共に、図７に示したように、排ガス温度制御信号ＦＴと燃料制御信号ＦＲＥＦとが比較器５８で比較されて、排ガス温度制御信号ＦＴが低値選択されていることが検出されると、スイッチ４８を閉じて速度負荷追従制御部４２を使用状態にする。
【００６４】
これによって、速度負荷追従制御が開始されると、速度負荷追従制御部４２の関数発生器４３に排ガス温度制御信号ＦＴを入力することになるので、速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御信号ＦＴに対して、余裕値設定ＦＢＡから決まる幅だけ高い位置に自動追従制御される。そして、負荷制限制御信号ＦＬＬは引き続き速度負荷制御信号ＦＮに対して余裕値設定ＦＢＢだけ高い位置に自動追従制御される。したがって、図８に図示したように、速度負荷制御信号ＦＮにより燃料流量を制御中に、速度負荷制御信号ＦＮが急上昇したような場合においても、図示したように、負荷制限制御信号ＦＬＬの追従レートはゆるやかなので、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変は抑止される。
【００６５】
次に、図９のように系統周波数ＦＱが変動した場合、速度負荷制御信号ＦＮはガスタービン速度Ｎの変動に応動して図示のように減少する。負荷制限制御信号ＦＬＬは下限リミッタ５５の下限設定値により決まる追従レートで降下しつつ自動追従制御が行われる。そして燃料制御信号ＦＲＥＦが減少するので、排ガス温度ＴＸが若干減少するために温度偏差ＴＥが正となって排ガス温度制御信号ＦＴが上昇する。次に系統周波数ＦＱが回復すると、それに応動して速度負荷制御信号ＦＮは急上昇する。一方、負荷制限制御信号ＦＬＬは自動追従制御されているので、上限リミッタ５４の上限設定値から決まる追従レートで緩やかに上昇し、速度負荷制御信号ＦＮの突変による燃料量の過剰な供給を抑止する。排ガス温度ＴＸの検出には数秒の遅れがあるので、排ガス温度制御に先行して負荷制限制御信号ＦＬＬで過剰な燃料供給を抑止することは、排ガス温度高警報と過温度によるガスタービントリップの回避に効果的である。
【００６６】
以上述べたように、この第２の実施例によれば、通常時は、速度負荷制御信号ＦＮが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択され、負荷制限制御信号ＦＬＬは、速度負荷制御信号ＦＮに余裕値ＦＢＢを加算した値に追従しており、この状態で、周波数変化があり、速度負荷制御信号ＦＮが急激に変化したときは、その速度負荷制御信号ＦＮの急激な変化より負荷制限器３６の追従レートが低いので、燃料制御信号ＦＲＥＦは負荷制限制御信号ＦＬＬで制限される。したがって、速度負荷制御信号ＦＮの急激な変化があっても、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変は抑制される。
【００６７】
また、弁開度制御信号ＦＲＥＦが排ガス温度制御信号ＦＴに切り替わると、速度負荷追従制御部４２を起動するので、速度負荷制御信号ＦＮは、弁開度制御信号ＦＲＥＦである排ガス温度制御信号ＦＴに余裕値ＦＢＡを加算した値に追従し、負荷制限制御信号ＦＬＬは、速度負荷制御信号ＦＮに余裕値ＦＢＢを加算した値に追従する。この状態で、周波数変化があると、図９に示すように、速度負荷制御信号ＦＮは急激に変化するが、余裕値ＦＢＡ分だけ、速度負荷制御信号ＦＮが高い位置から変化するので、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変は抑制される。
【００６８】
そして、周波数が回復すると、速度負荷制御信号ＦＮは急激に上昇するので、その上昇より緩やかに変化する負荷制限制御信号ＦＬＬが弁開度制御信号ＦＲＥＦとして選択されるので、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変は抑制される。
【００６９】
本発明の第３の実施例のブロック構成図を図１０に示す。この第３の実施例は、第２の実施例に対し、負荷制限制御信号ＦＬＬを排ガス温度制御信号ＦＴ又は速度負荷制御信号ＦＮのうち小さい方に追従させるようにしたものである。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００７０】
排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮとのうち小さい方を選択する低値選択部５９が設けられている。この低値選択部５９の出力信号は負荷制限追従制御部５０の加算器５１に入力される。この第３の実施例の場合の運転は、低負荷域から高負荷域へ負荷上昇する過程は図６に示した特性と同等である。すなわち、負荷制限制御信号ＦＬＬは速度負荷制御信号ＦＮに追従する。そして排ガス温度ＴＸが上限設定値ＴＸＲに到達後は、排ガス温度制御信号ＦＴが燃料制御信号低値選択部１７で低値選択される。
【００７１】
一方、第３の実施例においても、図７に示した条件により速度負荷追従制御部４２が起動され、これにより速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御信号ＦＴに余裕値ＦＢＡだけ高い位置で追従する。また、負荷制限制御信号ＦＬＬは、低値選択部５９により得られる排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮとの低値に余裕値ＦＢＢだけ高い位置で追従する。従って、その動作は、図１１に示すようになる。
【００７２】
排ガス温度制御信号ＦＴが燃料制御信号ＦＲＥＦとして選択され、運転されている状態であるとする。この場合、負荷制限制御信号ＦＬＬは排ガス温度制御信号ＦＴに追従している。
【００７３】
この状態で、系統周波数ＦＱが上昇すると、その系統周波数ＦＱの上昇に応動して速度負荷制御信号ＦＮが降下する。速度負荷制御信号ＦＮは排ガス温度制御信号ＦＴに対し余裕値ＦＢＡだけ高い位置で追従しているので、その位置から速度負荷制御信号ＦＮは下降することになるので、燃料制御信号ＦＲＥＦの変化は余裕値分だけ小さくなる。
【００７４】
また、速度負荷制御信号ＦＮが排ガス温度制御信号ＦＴより低値となると、負荷制限制御信号ＦＬＬは速度負荷制御信号ＦＮに追従することになる。したがって、系統周波数ＦＱが急速に回復しても、負荷制限制御信号ＦＬＬは所定の追従レートで緩やかに上昇するので、過剰な燃料流量の供給を防止することができる。
【００７５】
このように、この第３の実施例によれば、負荷制限制御部３５の負荷制限信号ＦＬＬを排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮとの低値に追従させているので、これら排ガス温度制御信号ＦＴと速度負荷制御信号ＦＮの急激な変化に対して、負荷制限制御信号ＦＬＬがその急激な変化を抑制することになるので、燃料制御信号ＦＲＥＦの突変を防止することができる。
【００７６】
図１２は、本発明の第４の実施例を示すブロック構成図である。この第４の実施例は、第２の実施例に対し、負荷制限追従制御部５０の余裕値を低負荷時と高負荷時とで切り替えるようにしたものであり、低負荷時には余裕値を大きくし、高負荷時には余裕値を小さくする。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００７７】
図５に示した信号発生器５２に代えて、大きい余裕値が設定される信号発生器６０と小さい余裕値が設定される信号発生器６１とが設けられている。信号発生器６０はスイッチ６２を介して加算器５３に接続され、信号発生器６１はスイッチ６３を介して加算器５３に接続されている。信号発生器６０は低負荷域から中高負荷域にかけての域で使用され、信号発生器６１より大きい値が余裕値として与えられる。信号発生器６１は高負荷であって、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲあるいはその近傍の温度であるときに使用され、信号発生器６０より小さい値が余裕値として与えられる。
【００７８】
スイッチ６０及びスイッチ６１の動作条件、すなわち負荷制限追従制御部５０での余裕値の切替え条件を図１３に示す。排ガス温度制御部１８の排ガス温度偏差ＴＥと所定の切換基準偏差とが比較器６４にて比較され、排ガス温度偏差ＴＥが切換基準偏差よりも小さいときには、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲである近傍と判定し、スイッチ６２を開きスイッチ６３を閉じる。逆のときはスイッチ６２を閉じスイッチ６３を開く。
【００７９】
この第４の実施例を適用した場合の運転チャートを図１４に示す。負荷制限制御信号ＦＬＬは速度負荷制御信号ＦＮに自動追従している。時刻ｔ１にて排ガス温度偏差ＴＥが切換基準偏差より小さくなると、スイッチ６３が閉じられ余裕値が小さい信号発生器６１側に切り換える。第２の実施例における系統周波数が変動した場合の特性図を示す図９からも分かるように、負荷制限制御信号ＦＬＬをできるだけ速度負荷制御信号ＦＮに近付けた位置に自動追従させると、速度負荷制御信号ＦＮが急上昇したときの負荷制限制御信号ＦＬＬによる頭打ちを早い時点で行えるので、過剰な燃料供給の抑止の効果が大きい。一方、排ガス温度ＴＸが比較的低い域では排ガス温度の過温度に対する余裕があるので、通常の若干量の周波数変動に対しては速度負荷制御信号ＦＮが応動できるように、余裕値をやや大きくしておくことが望ましい。
【００８０】
以上のように、この第４の実施例によれば、低負荷時の排ガス温度の過温度に対する余裕がある場合には、大きい余裕値を選択して負荷制限制御信号ＦＬＬによる制限を緩和し、高負荷時の排ガス温度の過温度に対する余裕がない場合には、小さい余裕値を選択して負荷制限制御信号ＦＬＬによる制限をきき易くするので、適切な排ガス温度制御が可能となる。
【００８１】
図１５に、本発明の第５の実施例を示す。この第５の実施例は、第２の実施例に対し、負荷制限追従制御部５０の余裕値を排ガス温度偏差ＴＥに基づいて可変としたものであり、排ガス温度偏差ＴＥが大きいときは余裕値を大きくし、排ガス温度偏差ＴＥが小さいときは余裕値を小さくする。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００８２】
この第５の実施例では、図５に示した信号発生器５２に代えて、排ガス温度偏差ＴＥが大きいときは大きい余裕値を出力し排ガス温度偏差ＴＥが小さくなるにつれて小さい余裕値を出力する関数発生器６５が使用される。関数発生器１６の特性を図１６に示す。排ガス温度制御部１８の温度偏差ＴＥを入力として関数発生器６５は、図１６に図示される特性曲線にしたがって余裕値を出力し、加算器５３に与える。
【００８３】
図１６において、横軸の排ガス温度偏差ＴＥが零の点は、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに等しいときである。したがって、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに近づく状態とは、横軸の上で左向き即ち排ガス温度偏差ＴＥが負の方向に向かって移行している状態を意味している。図１６中の排ガス温度偏差ＴＥＡは、目安として排ガス温度の高警報値とすることができる。このように、排ガス温度偏差ＴＥが零の点から若干遠い域では余裕を残し、排ガス温度偏差ＴＥが零に近付くに従い、急激に余裕値設定を減らすようにしている。
【００８４】
この第５の実施例によれば、速度負荷制御信号ＦＮの系統周波数変動に対する応動を確保しながら、排ガス温度偏差ＴＥが零の近辺では過剰な燃料供給を負荷制限制御信号ＦＬＬにより充分に抑止できるという効果がある。
【００８５】
本発明の第６の実施例を図１７に示す。この第６の実施例は、第２の実施例に対し、負荷制限追従制御部５０に、負荷制限制御部３５から出力される負荷制限制御信号ＦＬＬの所定レートを変化させる手段を設けたものである。そして、排ガス温度ＴＸが低いときは大きいレートを選択し、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲの近傍では小さいレートを選択するようにしている。この所定レートを変化させる手段は、第１の追従レートを設定するための信号発生器６６とスイッチ６８、及び第２の追従レートを設定するための信号発生器６７とスイッチ６９とから構成され、負荷制限追従制御部５０の上限リミッタ５４の設定値を低負荷時と高負荷時とで切り替えるようにしたものである。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００８６】
この第６の実施例では、上限リミッタ５４の上限設定値を外部から与えられるようにする。信号発生器６６は第１の追従レート設定値を与えるものであり、また、信号発生器６７は第２の追従レート設定値を与えるものである。そして、スイッチ６８とスイッチ６９の動作条件は、負荷制限追従制御部５０での余裕値の切替え条件を示す図１３と同等のロジックで得るようにしている。排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲの近傍のときには、スイッチ６８を開きスイッチ６９を閉じるようにする。逆のときは、スイッチ６８を閉じスイッチ６９を開くようにする。すなわち、排ガス温度ＴＸが比較的低い領域では、スイッチ６８が閉じスイッチ６９が開くので、信号発生器６６の第１の追従レート設定値がスイッチ６８を介して上限リミッタ５４の上限設定値として与えられる。また、排ガス温度が所定上限値ＴＸＲの近傍のときには、スイッチ６８を開きスイッチ６９を閉じるので、信号発生器６７の第２の追従レート設定値がスイッチ６９を介して上限リミッタ５４の上限設定値として与えられる。
【００８７】
低負荷域から中高負荷域にかけては、負荷上昇と負荷降下の運用上の負荷変化率等から第１の追従レートはあまり小さくすることは出来ない。一方、排ガス温度ＴＸの高い所定上限値ＴＸＲの近傍では、排ガス温度ＴＸの過温度を回避しながら極力高い排ガス温度に保持して効率の高い運転をすることが目標とされる。従って、負荷制限追従制御部５０の追従レートを小さくすることにより過剰な燃料量の供給を抑止できる。前述した第２の実施例で系統周波数が変動した場合の特性を示す図９を参照すれば、系統周波数ＦＱが回復したときに、速度負荷制御信号ＦＮの急上昇による燃料制御信号ＦＲＥＦの急上昇を負荷制限制御信号ＦＬＬが抑制している様子が分かる。そして、増方向の追従レートをさらに小さくすれば、燃料流量急増の抑制はより早い時点に行われ、その小さい追従レートにしたがって燃料流量の増加はより緩やかに行われるので、過剰な燃料量の供給は抑止できる。
【００８８】
このように、この第６の実施例によれば、排ガス温度ＴＸの高い所定上限値ＴＸＲの近傍で運転されている状態で系統周波数が変動した場合、負荷制限制御信号ＦＬＬは小さい追従レートにしたがって出力されるので、燃料流量の増加はより緩やかに行われる。これにより過剰な燃料量の供給を抑制できる。
【００８９】
次に、本発明の第７の実施例を図１８に示す。この第７の実施例は、上述の第６の実施例と同様に第２の実施例に対し、負荷制限追従制御部５０に、負荷制限制御部３５から出力される負荷制限制御信号ＦＬＬの所定レートを変化させる手段を設けたものであり、その所定のレートを排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに近づくに従い小さくなるようにしものである。この第７の実施例における所定レートを変化させる手段は、排ガス温度偏差ＴＥに基づいて可変の設定値を出力する関数発生器７０で構成され、負荷制限追従制御部５０の上限リミッタ５４の設定値を排ガス温度偏差ＴＥに基づいて可変としたものである。図５に示した第２の実施例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００９０】
すなわち、この第７の実施例では、排ガス温度偏差ＴＥに基づいて可変の設定値を出力する関数発生器７０が使用される。関数発生器７０は、排ガス温度制御部１８の温度偏差ＴＥを入力として上限リミッタ５４の可変設定値を出力し、追従レート設定値として上限リミッタ５４に出力する。この追従レート設定値は上限リミッタ５４の上限設定値となる。図１９に関数発生器７０の特性図を示す。
【００９１】
図１９において、横軸の排ガス温度偏差ＴＥが零の点は、図１６の場合と同様に、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに等しいときである。したがって、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに近づく状態とは、横軸の上で左向き即ち排ガス温度偏差ＴＥが負の方向に向かって移行している状態を意味している。図１６中の排ガス温度偏差ＴＥＡは、目安として排ガス温度の高警報値とすることができる。このように、排ガス温度偏差ＴＥが零の点から若干遠い域では追従レート設定値は余り小さくしないで、排ガス温度偏差ＴＥが零に近付くに従い急激に追従レート設定値を小さくするようにしている。
【００９２】
この第７の実施例によれば、速度負荷制御信号ＦＮの系統周波数変動に対する応動を確保しながら、排ガス温度偏差ＴＥが零の近辺では、過剰な燃料供給を負荷制限制御信号ＦＬＬにより充分に抑止できるという効果がある。
【００９３】
図２０は、本発明の第８の実施例のブロック構成図である。この第８の実施例は、速度負荷制御部１６の速度負荷制御信号ＦＮの増方向変化率制限値を発生する関数発生器７２と、この関数発生器７２からの増方向変化率制限値に基づき速度負荷制御信号ＦＮに制限をかける増方向変化率制限リミッタ７１とを設けたものである。この場合の増方向変化率制限値は排ガス温度偏差ＴＥに基づいて定められる。すなわち、排ガス温度偏差ＴＥが大きいときは制限値も大きくし、小さいときは小さくする。これにより、排ガス温度が所定上限値の近傍であるときは、速度負荷制御信号の増方向変化率を制限する。
【００９４】
増方向変化率リミッタ７１は加算器２３と燃料制御信号選択部１７との間に設けられ、加算器２３の出力信号の変化率が増方向変化率制限値より小さいときは、その信号をそのまま通し、大きいときは増方向変化率制限値に制限される。その増方向変化率制限値は関数発生器７２により得られ、関数発生器７２は排ガス温度偏差ＴＥを入力として、図２１に示すような出力を増方向変化率リミッタ７１に与える。
【００９５】
図２１において、横軸の排ガス温度偏差ＴＥが零の点は、図１６の場合と同様に、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに等しいときである。したがって、排ガス温度ＴＸが所定上限値ＴＸＲに近づく状態とは、横軸の上で左向き即ち排ガス温度偏差ＴＥが負の方向に向かって移行している状態を意味している。図１６中の排ガス温度偏差ＴＥＡは、目安として排ガス温度の高警報値とすることができる。ここで、排ガス温度偏差ＴＸが大きいときは、増方向変化率制限値として大きな値が設定されているので、増方向変化率リミッタ７１は変化率リミッタとして動作しない。つまり制限を加えずに信号を通す。排ガス温度偏差ＴＥが零の近傍に達すると増方向変化率制限値が急激に小さくなり増方向変化率リミッタ７１は動作する。つまり、制限を加えることなる。
【００９６】
この第８の実施例の特性を図２２に示す。系統周波数ＦＱの回復時の速度負荷制御信号ＦＮの変化を、前述の第２の実施例で速度負荷制御信号が急上昇した場合の特性を示す図９と比較してみると、排ガス温度偏差ＴＥが零に近付いたときの速度負荷制御信号ＦＮの変化が緩やかになっており、図９の例に比べ燃料制御信号すなわち燃料流量の過剰な供給が良好に抑制されていることが分かる。
【００９７】
このように、第８の実施例によれば、排ガス温度偏差ＴＥが零近傍であるときに、系統周波数の変動があったときは、速度負荷制御信号ＦＮの変化が緩やかになるので、燃料流量の過剰な供給が抑制され、ガスタービンに過大な熱ストレスを与えることがなくなる。
【００９８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ガスタービンの負荷上昇運転からガスタービンの排ガス温度制御運転への移行に際してスムーズに切換わり、いずれの運転領域においても、系統周波数変動に応動しつつ、燃料流量や発電機出力等の諸量の突変を抑制することができる。また、ガスタービンの排ガス温度を所定上限値に制御して効率の高い運転を維持しつつ、過剰な燃料供給を抑制することができる。したがって、系統周波数の変動による燃料過剰投入が避けられ、過温度によるガスタービントリップを回避することができ、電力供給信頼度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック構成図
【図２】本発明の第１の実施例の運転チャートを示す特性図
【図３】本発明の第１の実施例で系統周波数が急上昇した場合の特性を示す特性図
【図４】本発明の第１の実施例で排ガス温度制御信号が急上昇した場合の特性を示す特性図
【図５】本発明の第２の実施例を示すブロック構成図
【図６】本発明の第２の実施例の運転チャートを示す説明図
【図７】本発明の第２の実施例における速度負荷追従部の軌道条件の説明図
【図８】本発明の第２の実施例で速度負荷制御信号が急上昇した場合の特性図
【図９】本発明の第２の実施例で系統周波数が変動した場合の特性図
【図１０】本発明の第３の実施例のブロック構成図
【図１１】本発明の第３の実施例で系統周波数が変動した場合の特性図
【図１２】本発明の第４の実施例を示すブロック構成図
【図１３】本発明の第４の実施例における負荷制限追従制御部の余裕値の切換え条件の説明図
【図１４】第４の実施例の運転チャートを示す説明図
【図１５】本発明の第５の実施例を示すブロック構成図
【図１６】本発明の第５の実施例における関数発生器の特性図
【図１７】本発明の第６の実施例のブロック構成図
【図１８】本発明の第７の実施例のブロック構成図
【図１９】本発明の第７の実施例における関数発生器の特性図
【図２０】本発明の第８の実施例のブロック構成図
【図２１】本発明の第８の実施例における関数発生器の特性図
【図２２】本発明の第８の実施例で系統周波数が変動した場合の特性図
【図２３】ガスタービン発電プラントの構成図
【図２４】従来例のブロック構成図
【図２５】排ガス温度の所定上限値を演算する関数発生器の特性曲線の説明図
【符号の説明】
１ 入口空気案内翼
２ 空気圧縮機
３ 空気流路
４ 燃焼器
５ 燃料制御弁
６ 燃料バーナー
７ ガスタービン
８ ガスタービン軸
９ 発電機
１０ ガスタービン制御装置
１１ 軸端歯車
１２ 速度検出器
１３ 空気圧縮機吐出空気圧力検出器
１４ 排ガス温度検出器
１５ 発電機出力検出器
１６ 速度負荷制御部
１７ 燃料制御信号選択部
１８ 排ガス温度制御部
１９ 速度設定器
２０ 減算器
２１ 比例制御器
２２ 信号発生器
２３ 加算器
２４ 負荷設定器
２５ 減算器
２６ 比較器
２７ スイッチ
２８ 信号発生器
２９ 比較器
３０ スイッチ
３１ 信号発生器
３２ 関数発生器
３３ 減算器
３４ 比例積分制御器
３５ 負荷制限制御部
３６ 負荷制限器
３７ スイッチ
３８ 信号発生器
３９ スイッチ
４０ 信号発生器
４１ 低値選択部
４２ 速度負荷追従部
４３ 関数発生器
４４ 減算器
４５ 加算器
４６ 上限リミッタ
４７ 下限リミッタ
４８ スイッチ
４９ 加算器
５０ 負荷制限追従制御部
５１ 減算器
５２ 信号発生器
５３ 加算器
５４ 上限リミッタ
５５ 下限リミッタ
５６ スイッチ
５７ 加算器
５８ 比較器
５９ 低値選択部
６０ 信号発生器
６１ 信号発生器
６２ スイッチ
６３ スイッチ
６４ 比較器
６５ 関数発生器
６６ 信号発生器
６７ 信号発生器
６８ スイッチ
６９ スイッチ
７０ 関数発生器
７１ 変化率リミッタ
７２ 関数発生器
Claims (8)
- ガスタービンの排ガス温度が所定上限値になるように制御するための排ガス温度制御信号を出力する排ガス温度制御部と、前記ガスタービンの速度と前記ガスタービンに連結された発電機の負荷とが速度設定器に設定された設定値になるように速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部とを備え、前記排ガス温度制御信号と前記速度負荷制御信号とのうち小さい方に基づいて前記ガスタービンへの燃料流量を調節するようにしたガスタービン制御装置において、前記発電機の負荷を制限するための負荷制限制御信号を所定のレートで出力する負荷制限制御部と、前記排ガス温度制御信号と前記速度負荷制御信号と前記負荷制限制御信号とのうち最も小さい信号を選択し前記ガスタービンへの燃料流量を調節するための燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部と、前記排ガス温度制御信号と前記負荷制限制御信号とのうち小さい方を選択する低値選択部と、前記速度負荷制御信号が前記低値選択部で選択された信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための速度負荷追従制御部とを備えたことを特徴とするガスタービン制御装置。
- ガスタービンの排ガス温度が所定上限値になるように制御するための排ガス温度制御信号を出力する排ガス温度制御部と、前記ガスタービンの速度と前記ガスタービンに連結された発電機の負荷とが速度設定器に設定された設定値になるように速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部とを備え、前記排ガス温度制御信号と前記速度負荷制御信号とのうち小さい方に基づいて前記ガスタービンへの燃料流量を調節するようにしたガスタービン制御装置において、前記発電機の負荷を制限するための負荷制限制御信号を所定のレートで出力する負荷制限制御部と、前記排ガス温度制御信号と前記速度負荷制御信号と前記負荷制限制御信号とのうち最も小さい信号を選択し前記ガスタービンへの燃料流量を調節するための燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部と、前記燃料制御信号選択部で前記排ガス温度制御信号が選択されているときは前記速度負荷制御信号が前記排ガス温度制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための速度負荷追従制御部と、前記負荷制限制御信号が前記速度負荷制御信号より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するための負荷制限追従制御部とを備えたことを特徴とするガスタービン制御装置。
- 前記負荷制限追従制御部は、前記負荷制限制御信号が、前記速度負荷制御信号又は前記排ガス温度温度制御信号のうち小さい方より所定の余裕値だけ高くなるように追従制御するようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン制御装置。
- 前記負荷制限追従制御部は、前記発電機の負荷が低負荷時には大きい余裕値を選択し、高負荷時には小さい余裕値を選択するようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン制御装置。
- 前記負荷制限追従制御部は、前記所定の余裕値を前記排ガス温度が前記所定上限値に近づくに従い小さくなるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン制御装置。
- 前記負荷制限追従制御部に、前記負荷制限制御部の前記所定レートを変化させる手段を設け、前記排ガス温度が低いときは大きいレートを選択し、前記排ガス温度が前記所定上限値近傍では小さいレートを選択するようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン制御装置。
- 前記負荷制限追従制御部に、前記負荷制限制御部の前記所定レートを変化させる手段を設け、前記所定のレートを前記排ガス温度が前記所定上限値に近づくに従い小さくなるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン制御装置。
- 前記排ガス温度が前記所定上限値の近傍であるときは、前記速度負荷制御信号の増方向変化率を制限する変化率制限器を設けたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン制御装置。
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| JP05199795A JP3540422B2 (ja) | 1995-02-17 | 1995-02-17 | ガスタービン制御装置 |
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-
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