JP3790512B2

JP3790512B2 - ガスタービン発電プラント及びその制御方法，並びにガスタービン制御装置

Info

Publication number: JP3790512B2
Application number: JP2002341700A
Authority: JP
Inventors: 聡史田中; 浩三外山; 純雄豊福
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP2004176582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，ガスタービン発電プラントに関し，特に，発電機の出力に応答してガスタービンを好適に制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電プラントの一種として，ガスタービン発電プラントが広く使用されている。ガスタービン発電プラントは，ガスタービンと同期発電機とを含んで構成される。ガスタービンは，燃料を燃焼して同期発電機を駆動し，同期発電機は，電力系統に電力を供給する。このようなガスタービン発電プラントは，例えば，特許文献１に開示されている。
【０００３】
ガスタービン発電プラントでは，一般に，ガスタービンのパイロット比と燃空比とが，同期発電機が発生する有効電力を基にして制御される。ここでパイロット比とは，燃焼器のパイロット燃焼器に供給される燃料と，メイン燃焼器に供給される燃料との比であり，燃空比とは，燃焼器で行われる燃焼に供される燃料と空気との比である。パイロット比と燃空比とは，該ガスタービンに要求される出力トルクに基づいて，最適に調整される必要がある。しかし，ガスタービンに要求される出力トルクは，直接に測定することはできない。そこで，一般には，ガスタービンに要求される出力トルクを示す指標である有効電力を基にして，燃焼器に供給される燃料の流量及び燃空比が制御される。
【０００４】
この有効電力は，力率によって依存する量である。一般に，電力系統の力率は，１．０に近くなるように制御され，無効電力の発生が抑制されている。しかし，電力系統に何らかの異常が発生したときには，電力系統の力率が急激に減少し，したがって，有効電力も急激に減少する。
【０００５】
電力系統の力率が１．０の近くに一定に保たれている場合には，有効電力の増減は，概ね，ガスタービンに要求される出力トルクの増減に一致対応する。したがって，この場合には，パイロット比及び燃空比は有効電力に基づいて最適に制御可能である。
【０００６】
しかし，何らかの原因により，電力系統の力率が急激に変化する場合には，有効電力を基にしたパイロット比及び燃空比の制御は，最適であるとはいえない。何故なら，ガスタービンは，有効電力を発生するためのトルクに加えて，無効電力を発生するためのトルクを発生することを要求されるためである。有効電力を発生するためのトルクのみならず無効電力を発生するためのトルクが要求されるのは，同期発電機の下記の作用による。電力系統の力率が１．０から減少されると，同期発電機から系統に無効電力が放出され，同期発電機の運転点は遅相運転領域に移動する。運転点が遅相運転領域に移動すると，直軸反作用によって界磁が弱められ，同期発電機の出力電圧が降下する。同期発電機の出力電圧が降下すると，同期発電機の自動電圧調整器（Automatic Voltage Regulator）は，出力電圧の降下を補償するために，界磁電流を増加する。一方，回転界磁型の同期発電機の回転子にかかるトルクは，界磁電流が大きいほど大きい性質を有する。界磁電流の増加によるトルクの増加が，無効電力を発生するためのトルクの増加に相当する。このため，ガスタービンに要求される出力トルクは，電力系統の力率が減少して有効電力が減少しても，大きくは変化しない。同様に，電力系統の力率が増加しても，ガスタービンに要求される出力トルクは，大きくは変化しない。
【０００７】
このように，電力系統の力率が変化しても，パイロット比及び燃空比を大きく変化させる必要はない。しかし，有効電力に基づくパイロット比及び燃空比の制御が行われている場合には，電力系統の力率が急激に変化したときにパイロット比及び燃空比が不必要に急変され，パイロット比及び燃空比が，不適切に制御されることになる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２１８６５７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合との両方において，ガスタービンを最適に制御できるガスタービン発電プラントを提供することにある。
本発明の他の目的は，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合との両方において，ガスタービンのパイロット比を最適に制御できるガスタービン発電プラントを提供することにある。
本発明の更に他の目的は，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合との両方において，ガスタービンの燃空比を最適に制御できるガスタービン発電プラントを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために，本発明は，下記構成を採用する。該構成に含まれる技術的要素には，［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにするために，［発明の実施の形態］で使用される番号・符号が付記されている。但し、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
本発明によるガスタービン発電プラントは，ガスタービン（１）と，ガスタービン（１）によって駆動される同期発電機（２）と，同期発電機（２）が発生する皮相電力（Ｐａ）を同定する皮相電力同定器（８，１１）と，皮相電力（Ｐａ）に応答してガスタービン（１）を制御する制御器（９）とを備えている。皮相電力（Ｐａ）は，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合とのいずれの場合において，ガスタービン（１）に要求される出力トルクを好適に示す指標となる。したがって，皮相電力（Ｐａ）に応答してガスタービン（１）を制御することにより，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合とのいずれの場合においても，ガスタービン（１）を最適に制御することが可能である。
【００１２】
ガスタービン（１）の燃焼器（１ａ）がパイロット燃焼器（図示されない）とメイン燃焼器（図示されない）とを含む場合，制御器（９）は，該パイロット燃焼器に供給される燃料の流量と該メイン燃焼器に供給される燃料の流量との比であるパイロット比（ｒ）を，皮相電力（Ｐａ）に基づいて制御することが好ましい。この場合，制御器（９）は，皮相電力（Ｐａ）が減少するとパイロット比（ｒ）が増加するようにパイロット比（ｒ）を決定し，皮相電力（Ｐａ）が増加するとパイロット比（ｒ）が減少するようにパイロット比（ｒ）を決定することが好ましい。
【００１３】
制御器（９）は，ガスタービン（１）の燃空比を皮相電力（Ｐａ）に基づいて制御することが好ましい。この場合，制御器（９）は，皮相電力（Ｐａ）が減少すると燃空比が増加するように燃空比を決定することが好ましい。
【００１４】
制御器（９）は，ガスタービン（１）の圧縮機（図示されない）の入口案内翼（図示されない）の開度と，燃焼器（１ａ）のバイパス弁（図示されない）の開度を制御することにより，燃空比を制御することが好ましい。
【００１５】
本発明によるガスタービン発電プラント制御方法は，ガスタービン（１）と，前記ガスタービン（１）によって駆動される同期発電機（２）とを含むガスタービン発電プラントに適用される。当該ガスタービン発電プラント制御方法は，
同期発電機（２）が発生する皮相電力（Ｐａ）を同定するステップと，
皮相電力（Ｐａ）に応答して前記ガスタービン（１）を制御するステップとを備えている。皮相電力（Ｐａ）に応答してガスタービン（１）を制御することにより，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合とのいずれの場合においても，ガスタービン（１）を最適に制御することが可能である。
【００１６】
本発明によるガスタービン制御装置（９）は，同期発電機（２）を駆動するガスタービン（１）を制御するために使用される。当該ガスタービン制御装置（９）は，同期発電機（２）が発生する皮相電力（Ｐａ）を同定する皮相電力同定手段（１１）と，皮相電力（Ｐａ）に応答してガスタービン（１）を制御する制御手段（１２〜２２）とを備えている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明によるガスタービン発電プラントの実施の一形態では，図１に示されているように，ガスタービン１が発電機２とともに設けられている。
【００１８】
ガスタービン１は，乾式低ＮＯｘ燃焼器１ａを含む。燃焼器１ａは，拡散炎による燃焼を行うパイロット燃焼器と，予混合炎による燃焼を行うメイン燃焼器（いずれも図示されない）とを含む。パイロット燃焼器が発生する拡散炎によって，予混合炎の燃焼が安定化され，燃焼器１ａの燃焼状態が最適化されている。該パイロット燃焼器には，パイロット燃料制御弁３を介して燃料が供給され，パイロット燃焼器に供給される燃料の流量は，パイロット燃料制御弁３によって制御される。一方，該メイン燃焼器には，メイン燃料制御弁４を介して燃料が供給され，メイン燃焼器に供給される燃料の流量は，メイン燃料制御弁４によって制御される。燃焼器１ａには，更に，メイン燃焼器が発生する燃焼ガスに，圧縮機が発生する圧縮空気を混合するバイパス弁（図示されない）が設けられる。バイパス弁によって燃焼ガスに圧縮空気が混合されることにより，燃焼ガスの温度が低下され，ＮＯｘの発生量が抑制される。
【００１９】
ガスタービン１のタービン軸は，発電機２の回転子に接合され，発電機２はガスタービン１によって駆動される。発電機２は，回転界磁型の同期発電機である。発電機２は，それが出力する出力電圧が一定になるように界磁電流を制御する自動電圧調整器（図示されない）が設けられている。発電機２は，ガスタービン１に駆動されて発生した電気を，電力線５を介して電力系統に出力する。
【００２０】
発電機２から電力系統に電気を送る電力線５には，電圧トランス（ＶＴ）６とカレントトランス（ＣＴ）７とが接続されている。電圧トランス６及びカレントトランス７は，電力トランスデューサー８に接続されている。電力トランスデューサー８は，電圧トランス６及びカレントトランス７の出力から，発電機２が出力する有効電力及び無効電力を算出する。
【００２１】
ガスタービン１，パイロット燃料制御弁３，メイン燃料制御弁４，及び電力トランスデューサー８は，制御装置９に接続され，ガスタービン１の制御は制御装置９によって行われる。制御装置９は，電力トランスデューサー８によって算出された有効電力及び無効電力に基づいて，発電機２が発生する電気の皮相電力を算出する。更に制御装置９は，該皮相電力に応答して，パイロット燃料制御弁３の開度と，メイン燃料制御弁４の開度と，ガスタービン１の圧縮機の入口に設けられた入口案内翼（ＩＧＶ）の開度と，燃焼器１ａのバイパス弁の開度を制御する。
【００２２】
図１の一点鎖線で囲まれた領域は，制御装置９のファンクションブロックダイアグラムを示している。制御装置９の動作は，皮相電力計算ロジック１１，パイロット比演算ロジック１２，燃焼器バイパス弁演算ロジック１３，ＩＧＶ開度指令演算ロジック１４，力率演算ロジック１５，最大出力演算ロジック１６，低値選択ロジック１７，減算ロジック１８，ＣＳＯ演算ロジック１９，乗算ロジック２０，減算ロジック２１，及び乗算ロジック２２によって表現される。
【００２３】
制御装置９は，電力トランスデューサー８が算出する有効電力Ｐ及び無効電力Ｐｒに基づいて，発電機２が出力する電気の皮相電力Ｐａを算出する（皮相電力計算ロジック１１）。
【００２４】
更に制御装置９は，皮相電力Ｐａに基づいて，パイロット比ｒを決定する（パイロット比演算ロジック１２）。パイロット比ｒは，皮相電力Ｐａが減少されると増加され，皮相電力Ｐａが増加されると減少される。後述されるように，パイロット燃料制御弁３及びメイン燃料制御弁４の開度は，燃焼器１ａのパイロット燃焼器に供給される燃料の流量とメイン燃焼器に供給される燃料の流量との比が，決定されたパイロット比ｒに一致するように制御される。
【００２５】
更に制御装置９は，燃焼器１ａのバイパス弁の開度を指示するバイパス弁開度指令ＣＳＯ_Ｂと，ＩＧＶの開度を指示するＩＧＶ開度指令ＣＳＯ_ＩＧＶとを生成する（燃焼器バイパス弁演算ロジック１３，及びＩＶＧ開度指令演算ロジック１４）。燃焼器１ａのバイパス弁は，ＩＧＶ開度指令ＣＳＯ_ＩＧＶに指示されている開度に設定され，ガスタービン１の圧縮機のＩＧＶは，ＩＧＶ開度指令ＣＳＯ_ＩＧＶに指示されている開度に設定される。
【００２６】
ＩＧＶ開度指令ＣＳＯ_ＩＧＶとバイパス弁開度指令ＣＳＯ_Ｂとにより，燃焼器１ａの燃空比が調整される。より具体的には，皮相電力Ｐａが減少すると，ＩＧＶ開度指令ＣＳＯ_ＩＧＶが増加され，且つ，バイパス弁開度指令ＣＳＯ_Ｂが減少される。ＩＧＶ開度指令ＣＳＯ_ＩＧＶが増加されると，燃焼器１ａに供給される圧縮空気の流量が増加される。更に，バイパス弁開度指令ＣＳＯ_Ｂが減少されることにより，燃焼器１ａに供給される圧縮空気のうち，パイロット燃焼器及びメイン燃焼器に供給される圧縮空気の割合が増加される。これらの作用により，皮相電力Ｐａが減少すると燃空比が増加される。逆に，皮相電力Ｐａが増加すると，ＩＧＶ開度指令ＣＳＯ_ＩＧＶは減少され，且つ，バイパス弁開度指令ＣＳＯ_Ｂが増加される。これにより，皮相電力Ｐａが増加すると，燃空比は減少される。
【００２７】
更に，制御装置９は，皮相電力Ｐａと有効電力Ｐとに基づいて，パイロット燃料制御弁３の開度を指示するパイロット燃料制御弁開度指令ＣＳＯ_Ｐと，メイン燃料制御弁４の開度を指示するメイン燃料制御弁開度指令ＣＳＯ_Ｍとを生成する。より詳細には，制御装置９は，皮相電力Ｐａと有効電力Ｐとに基づいて，力率ｃｏｓθを算出し（力率演算ロジック１５），力率ｃｏｓθと大気温度Ｔとを用いて発電機２が最大に出力可能な最大出力電力Ｐｍａｘを算出する（最大出力演算ロジック１６）。制御装置９は，外部から与えられる発電機要求出力Ｐ_ＲＱと，上記の最大出力電力Ｐｍａｘとのうちの小さい方を発電機出力指令Ｐ^＊として採用する（低値選択ロジック１７）。制御装置９は，発電機出力指令Ｐ^＊と有効電力Ｐとの差分ΔＰを算出し（減算ロジック１８），差分ΔＰに基づいて開度指令ＣＳＯを算出する（ＣＳＯ演算ロジック１９）。差分ΔＰに基づく開度指令ＣＳＯの算出は，典型的には，比例制御，比例積分制御によって行われる。制御装置９は，開度指令ＣＳＯに，パイロット比ｒを乗じることにより，パイロット燃料制御弁開度指令ＣＳＯ_Ｐを生成する（乗算ロジック２０）。更に制御装置９は，下記式：
ＣＳＯ_Ｍ＝（１−ｒ）・ＣＳＯ，
により，メイン燃料制御弁開度指令ＣＳＯ_Ｍを生成する（減算ロジック２１，乗算ロジック２２）。このようにパイロット燃料制御弁開度指令ＣＳＯ_Ｐとメイン燃料制御弁開度指令ＣＳＯ_Ｍとを決定することにより，燃焼器１ａのパイロット燃焼器に供給される燃料の流量と，メイン燃焼器に供給される燃料の流量との比は，決定されたパイロット比ｒに一致される。
【００２８】
かかる制御により，電力系統の力率が１．０の近傍にほぼ一定に維持されている場合と，力率が変化する場合との両方に場合において，パイロット比と燃空比とを最適に制御することが可能である。
【００２９】
力率が１．０の近傍にほぼ一定に維持されている場合における有効電力Ｐの減少は，ガスタービン１に要求される出力トルクが減少することを意味する。力率が１．０の近傍にほぼ一定に維持されている場合，有効電力Ｐが減少すると皮相電力Ｐａも減少する。上記の制御方法では，皮相電力Ｐａの減少に応答してパイロット比及び燃空比は増加され，出力トルクの減少に対応してパイロット比及び燃空比が最適に制御される。
【００３０】
同様に，力率が１．０の近傍にほぼ一定に維持されている場合における有効電力Ｐの増加は，ガスタービン１に要求される出力トルクが増加することを意味する。力率が１．０の近傍にほぼ一定に維持されている場合，有効電力Ｐが増加すると皮相電力Ｐａも増加する。上記の制御方法では，皮相電力Ｐａの増加に応答してパイロット比及び燃空比は減少され，出力トルクの増加に対応してパイロット比及び燃空比が最適に制御される。
【００３１】
一方，電力系統の力率が減少することによって有効電力Ｐが減少しても，この減少は，無効電力Ｐｒの増加を伴うため，ガスタービン１に要求される出力トルクはほぼ増減しない。この場合，皮相電力Ｐａは，ほぼ変化しない。上記の制御方法では，皮相電力Ｐａが変化しないため，パイロット比及び燃空比も変化せずに一定に保たれ，パイロット比及び燃空比が最適に制御される。
【００３２】
同様に，電力系統の力率が増加することによって有効電力Ｐが増加しても，この減少は，無効電力Ｐｒの減少を伴うため，ガスタービン１に要求される出力トルクはほぼ増減しない。この場合，皮相電力Ｐａは，ほぼ変化しない。上記の制御方法では，皮相電力Ｐａが変化しないため，パイロット比及び燃空比も変化せずに一定に保たれ，パイロット比及び燃空比が最適に制御される。
【００３３】
このように，本実施の形態では，電力系統の力率の変化の有無に応答してパイロット比及び燃空比が最適に制御される。
【００３４】
【発明の効果】
本発明により，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合との両方において，ガスタービンを最適に制御できるガスタービン発電プラントが提供される。
また，本発明により，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合との両方において，ガスタービンのパイロット比を最適に制御できるガスタービン発電プラントが提供される。
また，本発明により，電力系統の力率が一定に保たれる場合と変化する場合との両方において，ガスタービンの燃空比を最適に制御できるガスタービン発電プラントが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるガスタービン発電プラントの実施の一形態を示す。
【符号の説明】
１：ガスタービン
２：発電機
３：パイロット燃料制御弁
４：メイン燃料制御弁
５：電力線
６：電圧トランス
７：カレントトランス
８：電力トランスデューサー
９：制御装置
１１：皮相電力計算ロジック
１２：パイロット比演算ロジック
１３：燃焼器バイパス弁演算ロジック
１４：ＩＧＶ開度指令演算ロジック
１５：力率演算ロジック
１６：最大出力演算ロジック
１７：低値選択ロジック
１８：減算ロジック
１９：ＣＳＯ演算ロジック
２０：乗算ロジック
２１：減算ロジック
２２：乗算ロジック

Claims

ガスタービンと，
前記ガスタービンによって駆動される同期発電機と，
前記同期発電機が発生する皮相電力を同定する皮相電力同定器と，
前記皮相電力に応答して前記ガスタービンを制御する制御器
とを備え、
前記ガスタービンの燃焼器は，
パイロット燃焼器と，
メイン燃焼器
とを含み，
前記制御器は，前記皮相電力に基づいて，前記パイロット燃焼器に供給される燃料の流量と前記メイン燃焼器に供給される燃料の流量との比であるパイロット比を前記皮相電力が減少すると前記パイロット比が増加するように制御する
ガスタービン発電プラント。
ガスタービンと，
前記ガスタービンによって駆動される同期発電機と，
前記同期発電機が発生する皮相電力を同定する皮相電力同定器と，
前記ガスタービンの燃空比を前記皮相電力に基づいて制御する制御器
とを備え，
前記制御器は，前記皮相電力が減少すると前記燃空比が増加するように前記燃空比を決定する
ガスタービン発電プラント。
請求項２に記載のガスタービン発電プラントにおいて，
前記制御器は，前記ガスタービンの圧縮機の入口案内翼の開度と，前記燃焼器のバイパス弁の開度を制御することにより，前記燃空比を制御する
ガスタービン発電プラント。
燃焼器がパイロット燃焼器とメイン燃焼器とを含むガスタービンと，前記ガスタービンによって駆動される同期発電機とを含むガスタービン発電プラントの制御方法であって，
前記同期発電機が発生する皮相電力を同定するステップと，
前記皮相電力に応答して前記ガスタービンを制御するステップ
とを備え，
前記ガスタービンを制御するステップは，前記皮相電力に基づいて，前記パイロット燃焼器に供給される燃料の流量と前記メイン燃焼器に供給される燃料の流量との比であるパイロット比を前記皮相電力が減少すると前記パイロット比が増加するように制御するステップを含む
ガスタービン発電プラントの制御方法。
ガスタービンと，前記ガスタービンによって駆動される同期発電機とを含むガスタービン発電プラントの制御方法であって，
前記同期発電機が発生する皮相電力を同定するステップと，
前記皮相電力に基づいて前記ガスタービンの燃空比を制御するステップ
とを備え，
前記ガスタービンの燃空比を制御するステップでは，前記皮相電力が減少すると前記燃空比が増加するように前記燃空比が決定される
ガスタービン発電プラントの制御方法。
燃焼器がパイロット燃焼器とメイン燃焼器とを含み、且つ、同期発電機を駆動するガスタービンを制御するガスタービン制御装置であって，
前記同期発電機が発生する皮相電力を同定する皮相電力同定手段と，
前記皮相電力に応答して前記ガスタービンを制御する制御手段
とを備え，
前記制御手段は、前記皮相電力に基づいて，前記パイロット燃焼器に供給される燃料の流量と前記メイン燃焼器に供給される燃料の流量との比であるパイロット比を前記皮相電力が減少すると前記パイロット比が増加するように制御する
ガスタービン制御装置。
同期発電機を駆動するガスタービンを制御するガスタービン制御装置であって，
前記同期発電機が発生する皮相電力を同定する皮相電力同定手段と，
前記皮相電力に応答して前記ガスタービンを制御する制御手段
とを備え，
前記制御手段は，前記皮相電力が減少すると前記燃空比が増加するように前記燃空比を決定する
ガスタービン制御装置。