JP3677536B2

JP3677536B2 - ガスタービン発電制御装置

Info

Publication number: JP3677536B2
Application number: JP30513199A
Authority: JP
Inventors: 尚之永渕; 元昭宇多村; 孝明 ▲クワ▼原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JP2001123852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン発電制御装置に係り、特に、ガスタービンのように大気条件及び運用負荷帯に応じて出力及び熱効率が変動する原動機を用いた発電プラントの出力安定／高効率運転制御の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常のガスタービン発電プラントでは、ガスタービンと発電機とが同一の回転軸で連結されているため、系統周波数からの制約条件により、一定回転数制御を実施している。そのため、燃料制御は主として負荷追従制御となっている。
一方、特開平７−８７７９７号公報には、上記負荷追従制御を回避するため、ガスタービンに連結された発電機を可変速発電機とし、二次巻線を交流励磁することにより、一次巻線の周波数を系統周波数としたまま、二次巻線の回転数、即ちガスタービンの回転数を可変とする技術が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常のガスタービン燃料制御では、回転数一定制御のため、大気条件、特に大気温度の季節変動によって空気密度が異なるため、圧縮機吸込み空気の質量、流量も変動し、結果としてガスタービン出力が同一燃料流量であっても出力が変化するという課題と、部分負荷運用の場合には、熱効率が低下するという課題と、系統周波数が変動した場合には、燃料流量が短時間で急激に変動することによって、燃焼器での燃焼が不安定となるという課題があった。
更に、前述公報では、通常のガスタービンでの回転数・負荷制御について、一義的に中央給電指令所からの負荷指令値によって燃料流量指令値を決定しており、圧縮機入口温度変化及び部分負荷時の燃料流量指令値補正についての記述があるものの、定性的な記述であり、具体的な開示がなされていない。
【０００４】
本発明の課題は、圧縮機入口空気温度、出力要求値及び系統周波数が変動する場合に、ガスタービンの出力を一定に制御し、熱効率の低下を抑制するに好適なガスタービン発電制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、ガスタービンの軸回転数及び燃焼器への燃料供給量を調整する手段と、圧縮機内のサージングの発生領域を回避する手段と、圧縮機入口案内翼開度を調整する手段を設け、圧縮機内のサージングの発生領域を回避する手段には、予め設定されたガスタービンの軸回転数と圧縮機の入口案内翼開度とから求まる圧縮機サージラインを設定し、ガスタービンの軸回転数を調整する手段は、負荷指令値をもとに設定された軸回転数を圧縮機サージラインと圧縮機の吐出空気圧力との比較に基づいて調整することによって、可変速発電機の出力要求値が部分負荷運用となる場合に、圧縮機内のサージングの発生領域を回避しながら、最適熱効率となる運転線上を通るように軸回転数に基づく圧縮機入口案内翼開度を制御する。
ここで、ガスタービンの軸回転数を調整する手段には、各運用負荷帯において最大熱効率となる軸回転数を設定する手段を設ける。
また、ガスタービンの軸回転数を調整する手段は、負荷指令値の変化率または変化幅が設定値以上となった場合に、負荷指令値をもとに設定された軸回転数を出力し、設定値内の場合には定速度運転とする機能を内包する。
また、ガスタービンの軸回転数を調整する手段には、燃焼器の燃空比変動幅が安定燃焼範囲となるように変化率設定器を設ける。
また、圧縮機サージラインと圧縮機の吐出空気圧力との比較結果、その偏差が予め設定した値以上となった場合には、圧縮機の入口空気温度をもとに修正した軸回転数に基づいて圧縮機の抽気弁開度を操作する手段を設ける。
また、系統周波数が変動した場合に、全運用負荷帯にわたって燃焼器への供給燃料流量と圧縮機の入口空気温度をもとに求めた可変速発電機の二次巻線の交流励磁とを協調制御する手段を設ける。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるガスタービン発電制御装置を示す。図１において、ガスタービン発電設備として、空気は、圧縮機入口案内翼１によって流量を調整した後、圧縮機２により高圧に圧縮し、燃焼器３へ供給される。一方、抽気弁８は、ガスタービン４が起動・昇速中に圧縮機２内でサージングが発生しないように、任意の回転数にて圧縮機２の昇圧途中の一部空気を抽気してタービン４へバイパスする。燃料は、燃料流量調整弁６によって流量を調整した後、燃焼器３へ供給される。燃焼器３では、圧縮機２からの高圧空気と燃料流量調整弁６からの燃料とが燃焼反応することにより、高圧・高温の燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービン４において膨張後、系外へ放出される。タービン４では、燃焼ガスの膨張力を回転軸の駆動力に変換し、可変速発電機５を駆動して発電する。
次に、本実施形態の制御装置７への入力信号を説明する。圧縮機２の入口には空気温度検出器９を、出口には吐出空気圧力検出器１０を設ける。タービン４の出口には排気ガス温度検出器１１を、回転軸には回転数検出器１２を設ける。可変速発電機５には出力検出器１３を設ける。各検出器からの出力は、制御装置７に伝送され、その内部において処理後、圧縮機入口案内翼（ＩＧＶ）１、燃料流量調整弁６、抽気弁８の開度信号及び可変速発電機５に内包された二次励磁回転子５−ａの電流指令値に変換される。
【０００７】
次に、図２及び図３を用いて、制御装置７の構成と信号処理について説明する。制御装置７では、プラントへの負荷指令値をもとに各制御操作端の動作指令値を発生する構成となっている。
負荷指令値は３分岐され、第１の信号は減算器１４へ、第２の信号は関数設定器２５へ、第３の信号は微分器３５へ各々伝達される。
第１の信号は、減算器１４にて出力検出器１３の信号との偏差となり、予め試運転等により確認した負荷変化率制約値を設定した変化率設定器１５を介し、プラント負荷の上下限設定器１６へ伝達される。該信号は、更にアナログメモリ１７を介してゲイン１８により負荷偏差を回転数に変換した後、減算器１９により回転数検出器１２からの信号との偏差となり、ＰＩコントローラ２０によって偏差が０となるように出力を調整した後、燃料量制約を設定した上下限設定器２１を介してゲイン２２にて回転数を燃料指令値に変換し、加算器２３に伝達される。該信号は加算器２３において後述する関数設定器３７からの無負荷状態での燃料指令値を加算後、低値選択器２４へ伝達される。
この第１の信号による制御系は、負荷指令値と出力検出器１３の信号との偏差に基づいてガスタービン４の回転数と燃料指令値を決定する通常運転（可変速運転なし）の系を形成する。
第２の信号は、図３に示したプラントの熱効率最大となる目標回転数を設定した関数設定器２５を介して、加算器２６により、後述する上下限設定器４２からの信号と加算後、スイッチ２８に伝達される。このスイッチ２８には、定速度を設定した定数設定器２７の信号が入力されている。また、第３の信号は、微分器３５により、負荷変化率（または、負荷変化幅）を計算した後、ガスタービン４を可変運用とした方が熱効率向上できるしきい値を設定した比較器３６に伝達される。比較器３６では、入力値がしきい値以上となる場合に出力１．０となる。該信号は、後述する論理否定器６２からの信号と共に論理積器６３に伝達される。スイッチ２８では、論理積器６３からの信号により前記２入力を切替え、すなわち、論理積器６３からの信号ｘ１の成立で加算器２６からの入力ｘ１を選択し、減算器２９に信号を伝達する。該信号は、減算器２９により、回転数検出器１２からの信号との差分となり、予め試運転等により確認した回転数変化率制約値即ち燃焼器３の燃空比変動幅が安定燃焼範囲となるように設定した変化率設定器３０を介し、プラント回転数の上下限設定器３１へ伝達される。該信号は、ＰＩコントローラ３２において偏差が０となるように出力を調整した後、ゲイン３３によつて回転数を燃料指令値に変換し、加算器３４に伝達される。該信号は加算器３４にて、後述する関数設定器３７からの無負荷状態での燃料指令値を加算後、低値選択器２４へ伝達される。
スイッチ２８からの信号は、図３に示した回転数を引数とした無負荷燃料指令値を設定した関数設定器３７へ伝送され、前述の各加算器２３及び３４へ伝達される。低値選択器２４へは、前述２信号と同時に通常ガスタービンの主機保護として設定されている排気温度制御信号３８が入力されており、低値選択器２４から燃料流量調整弁６の開度指令信号として出力される。
回転数検出器１２からの信号と圧縮機入口案内翼１の開度信号とは、図３に示した圧縮機２のサージラインを設定した関数設定器３９を介し、減算器４０によって吐出空気圧力検出器１０からの信号との差分となり、アナログメモリ４１へ伝達される。アナログメモリ４１では、回転数の変動バイアスを出力し、バイアスの制約値を設定した上下限設定器４２を介して加算器２６へ信号を伝達する。この第２、３の信号による制御系は、負荷指令値の変化率（または、変化幅）が設定値以上となった場合には、圧縮機２のサージングを回避する回転数に調整し、即ち部分負荷運転（可変速運転）の系を形成し、設定値内の場合には、定速度運転が可能となる系を形成する。
【０００８】
ここで、関数設定器２５は、負荷指令値（即ち、運転負荷）を引数とし、プラント熱効率最大となる回転数を出力とする関数を示す。
関数設定器３７は、回転数を引数とし、ガスタービン無負荷状態での燃料流量指令値を出力とする関数を示す。ガスタービンの燃料制御では、通常初負荷（０％負荷で１００％回転数ＦＳＮＬ：ＦｕｌｌＳｐｅａｄＮｏＬｏｏｄ）から定格負荷の間で負荷と回転数とを調整するように設定されているため、各制御値にＦＳＮＬ成立分の燃料量をゲタバキさせることを目的としている。
関数設定器３９は、予め設定された回転数とＩＧＶ（ＩｎｌｅｔＧｕｉｄｅＶａｎｅ：圧縮機入口案内翼の開度）とを引数とし、圧縮比即ち圧縮機サージライン（圧縮機運転不能ライン）を出力とする関数を示す。
【０００９】
次に、抽気弁８及び可変速発電機５に内包された二次巻線５−ａの制御信号処理について説明する。
回転数検出器１２からの信号と圧縮機入口空気温度検出器９からの信号とは、図３に示した修正回転数演算式を設定した関数設定器４３と、可変速発電機の二次励磁電流を設定した関数設定器４８へ伝達される。関数設定器４３からの信号は３つに分岐され、各々関数設定器４４、５６及び５７へ伝達される。関数設定器４４には、図３に示した修正回転数に対する抽気弁開度が設定されており、該信号はスイッチ４６へ伝達される。スイッチ４６へは抽気弁開度全閉を設定した定数設定器４５からの信号が伝達されており、後述する比較器４７からの信号ｘ１によって出力を切替え、抽気弁８の開度信号ｘ１として出力する。比較器４７には、減算器４０からの信号が伝達されており、圧縮機２のサージラインを吐出空気圧力が超えた場合に１．０を出力する。また、関数設定器４８からの信号はスイッチ５０へ伝達される。スイッチ５０へは、定速度状態の二次励磁電流を設定した定数設定器４９からの信号が伝達されており、系統周波数信号が微分器６０を介して、周波数変動値に対する負荷追従幅を設定した比較器６１からの信号ｘ１によって出力を切替え、二次巻線５−ａの励磁電流目標信号ｘ１として出力する。比較器６１の信号は、更に論理否定器６２へ伝達され、負荷指令値と系統周波数とが同時に変動する場合には、二次巻線５−ａの電流制御を優先させ、ガスタービン４は定速運用とする。
抽気弁８は、圧縮機入口空気温度によって修正された回転数に基づいてその開度が制御され、また、可変速発電機５の二次巻線５−ａの励磁電流は、圧縮機入口空気温度をパラメータとした回転数によって制御される。
【００１０】
ここで、関数設定器４４は、修正回転数（関数設定器４３の式より導出）を引数とし、抽気弁開度を出力する関数を示す。抽気弁が全開した場合でも、全体の圧縮機吐出空気量の数％程度である。
関数設定器４８は、回転数と圧縮機入口空気温度とを引数とし、可変速発電機二次巻線の励磁電流を出力する関数を示す。ガスタービン可変速運転時に、電力系統側の周波数と同期するために必要な二次巻線への電流を調整することを目的とし、同時に大気温度によって変動するガスタービン出力も考慮して協調させるため、入口空気温度も引数とする。
関数設定器５６，５７は、各々修正回転数を引数とし、ＩＧＶ開度を出力とする関数を示す。圧縮機サージラインは、回転数が小さい領域では関数設定器３９のように低くなるため、回転数０（起動）〜９０％程度ではＩＧＶを強制的に調整する必要がある。但し、可変速運転中では、通常の開度設定値のままであると、熱効率が悪くなるため、関数設定器５６のように、保護線（これ以上ＩＧＶ開くとサージングが発生する限界）−α（適当量）に設定した値を用いるようにした。
【００１１】
次に、圧縮機入口案内翼１の制御信号処理について説明する。関数設定器５６及び５７には、各々修正回転数を引数とした圧縮機２のサージラインからα分の裕度を持った圧縮機入口案内翼１の開度設定値と、通常運用時の開度設定値とが設定されており、各出力はスイッチ５８に伝達される。スイッチ５８は、比較器４７からの信号ｘ１により切替えられ、圧縮機吐出空気圧力がサージラインを越えた場合には、関数設定器５７からの信号ｘ１を選択することにより、可変速運用時の開度設定値である関数設定器５６からの信号よりも低い値を低値選択器５９へ伝達する。一方、低値選択器２４からの燃料指令信号と、吐出空気圧力検出器１０からの信号とは、各々図３に示した関数設定器５１、５２を介し、排気温度制御設定値として低値選択器５３に伝達する。低値選択器５３の信号と排気温度検出器１１からの信号とは、減算器５４にて演算後、先行制御付きコントローラであるＰＩＦコントローラ５５によって偏差が０になるように出力を調整した後、低値選択器５９に伝達し、圧縮機入口案内翼１の開度信号として出力する。
【００１２】
ここで、関数設定器５１，５２は、各々負荷指令値及び圧縮機吐出空気圧力とを引数とし、設定排気温度を出力する関数を示す。関数設定器５１，５２の目的は、本体保護のため、燃焼器での燃焼温度を抑えることであり、直接燃焼温度を監視する方が単純であるが、１０００゜Ｃ以上の高温度を長時間、信頼性を保持しながら検出するのは困難であるため、排気温度による制御となる。但し、圧縮機吐出空気圧力がわかれば、タービンでの膨張比と燃料量とから、一義的に燃料温度が求まることから、圧縮機吐出空気圧力による排気温度制御と同じ意味となる。一方の負荷指令値による排気温度制御は、バックアップであり、例えば電力基幹系統への落雷等により、ガスタービンの急激な負荷増加指令が要求された場合に、過剰な燃料投入を抑えるため、排気温度制御値を減少するように設定する。
【００１３】
図４に、本発明の効果を従来方式と対比して示す。
大気温度変化時可変速運転の効果として、図４（ａ）のように、従来方式でのガスタービンでは回転数一定の運用であるため、圧縮機入口空気温度による出力変動があったが、本発明では、設計点より入口温度が低い場合には、回転数を低下し、設計点より入口温度が高い場合には、回転数を増加することにより、入口温度の変化に影響無く、一定出力を実現できる。
部分負荷時可変速運転の効果として、図４（ｂ）のように、従来方式でのガスタービンでは回転数一定の運用であるため、部分負荷運用時の熱効率が低下したが、本発明では、部分負荷時に回転数を低下させることにより、熱効率低下を抑えた運用が実現できる。
燃料量・発電機協調制御の効果として、図４（ｃ）のように、従来方式でのガスタービンでは、系統周波数変動時には周波数に追従するために燃料指令値も変動したが、本発明では、可変速発電機との協調制御により燃料指令値一定の運用が実現できる。
【００１４】
以上、本発明の実施形態の発電機として可変速発電機について説明したが、インバータ制御発電機とガスタービンとを組み合わせた発電設備についても、同様に本発明を適用することができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、従来方式では、ガスタービンの回転数一定の運用であるため、圧縮機入口空気温度による出力変動があったが、本発明によれば、設計点より入口温度が低い場合には、回転数を低下し、設計点より入口温度が高い場合には、回転数を増加することにより、入口温度の変化に影響無く、一定出力を実現することができる。
また、従来方式では、ガスタービンの回転数一定の運用であるため、部分負荷運用時の熱効率が低下したが、本発明によれば、部分負荷時に回転数を低下させることにより、熱効率低下を抑えた運用が実現できる。
また、従来方式のガスタービンでは、系統周波数変動時に周波数に追従するために燃料指令値も変動したが、本発明によれば、可変速発電機との協調制御により燃料指令値一定の運用が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるガスタービン発電制御装置
【図２】本発明の制御装置の構成と信号処理を説明する図
【図３】本発明の制御装置の関数設定値の内容
【図４】本発明の効果を説明する図
【符号の説明】
１…圧縮機入口案内翼、２…圧縮機、３…燃焼器、４…タービン、５…可変速発電機、６…燃料流量調整弁、７…制御装置、８…抽気弁、９…圧縮機入口温度検出器、１０…吐出空気圧力検出器、１１…排気温度検出器、１２…回転数検出器、１３…出力検出器、１４…減算器、１５…変化率制限器、１６…上下限制限器、１７…アナログメモリ、１８…ゲイン、１９…減算器、２０…ＰＩコントローラ、２１…上下限制限器、２２…ゲイン、２３…加算器、２４…低値選択器、２５…関数設定器、２６…加算器、２７…定数設定器、２８…スイッチ、２９…減算器、３０…変化率制限器、３１…上下限制限器、３２…ＰＩコントローラ、３３…ゲイン、３４…加算器、３５…微分器、３６…比較器、３７…関数設定器、３８…排気温度制御信号、３９…関数設定器、４０…減算器、４１…アナログメモリ、４２…上下限制限器、４３…関数設定器、４４…関数設定器、４５…定数設定器、４６…スイッチ、４７…比較器、４８…関数設定器、４９…定数設定器、５０…スイッチ、５１…関数設定器、５２…関数設定器、５３…低値選択器、５４…減算器、５５…ＰＩＦコントローラ、５６…関数設定器、５７…関数設定器、５８…スイッチ、５９…低値選択器、６０…微分器、６１…比較器、６２…論理否定器、６３…論理積器

Claims

ガスタービン圧縮機と、ガスタービン燃焼器と、出力周波数を一定に保ちながら、軸回転数の可変速運転が可能な可変速発電機またはインバータ制御発電機と、ガスタービンとを組み合せたガスタービン発電制御装置において、
前記ガスタービンの軸回転数及び前記燃焼器への燃料供給量を調整する手段と、前記圧縮機内のサージングの発生領域を回避する手段と、前記圧縮機の入口案内翼開度を調整する手段を設け、
前記圧縮機内のサージングの発生領域を回避する手段には、予め設定された前記ガスタービンの軸回転数と前記圧縮機の入口案内翼開度とから求まる圧縮機サージラインを設定し、前記ガスタービンの軸回転数を調整する手段は、負荷指令値をもとに設定された軸回転数を前記圧縮機サージラインと前記圧縮機の吐出空気圧力との比較に基づいて調整することによって、
前記発電機の出力要求値が部分負荷運用となる場合に、前記圧縮機内のサージングの発生領域を回避しながら、最適熱効率となる運転線上を通るように軸回転数に基づく前記圧縮機の入口案内翼開度を制御することを特徴とするガスタービン発電制御装置。
請求項１において、前記ガスタービンの軸回転数を調整する手段には、各運用負荷帯において最大熱効率となる軸回転数を設定する手段を設けることを特徴とするガスタービン発電制御装置。
請求項１において、前記ガスタービンの軸回転数を調整する手段は、前記負荷指令値の変化率または変化幅が設定値以上となった場合に、前記負荷指令値をもとに設定された軸回転数を出力し、前記設定値内の場合には定速度運転とする機能を内包することを特徴とするガスタービン発電制御装置。
請求項１において、前記ガスタービンの軸回転数を調整する手段には、前記燃焼器の燃空比変動幅が安定燃焼範囲となるように変化率設定器を設けることを特徴とするガスタービン発電制御装置。
請求項１において、前記圧縮機サージラインと前記圧縮機の吐出空気圧力との比較結果、その偏差が予め設定した値以上となった場合には、前記圧縮機の入口空気温度をもとに修正した軸回転数に基づいて前記圧縮機の抽気弁開度を操作する手段を設けることを特徴とするガスタービン発電制御装置。
請求項１において、系統周波数が変動した場合に、全運用負荷帯にわたって前記燃焼器への供給燃料流量と前記圧縮機の入口空気温度をもとに求めた前記発電機の二次巻線の交流励磁とを協調制御する手段を設けることを特徴とするガスタービン発電制御装置。