JP3792915B2 - ガスタ−ビン制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントのガスタービン制御装置に係り、特にガスタービンプラント高温部品の過温度からの保護を図りつつ、好適なガスタービン制御を行えるようにしたガスタービン制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２１は、従来のガスタービンプラントの一例を示す概略構成図である。図２１において、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る。その圧縮された吐出空気は空気流路３を通り燃焼器４に入り、燃料の燃焼用空気として使用される。燃焼器４は、ガスタービン軸９を中心として環状に複数台設けられているが、ここでは便宜上、そのうち１台だけを図示している。
【０００３】
一方、燃料圧力制御弁５により圧力制御された燃料は、その燃料配管の下流の燃料流量制御弁６を介して、その燃料配管の先の燃料ノズル７から燃焼器４に送給され、燃焼器４の器内で燃焼して高温高圧ガスとなる。
【０００４】
燃料圧力制御弁５と燃料流量制御弁６の間の燃料配管には燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力を検出する第１圧力検出器１８が設けられている。燃焼器４の器内の高温高圧の燃焼ガスは、ガスタービン８に送給されてガスタービン軸９を回転させ、同軸に結合されている発電機１０より発電機出力を得る。
【０００５】
ガスタービン８から排出された排ガスは、煙突にぬけていくか、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で利用された後煙突に抜けていく。
【０００６】
ガスタービン制御装置１１は、軸端歯車１２に近接して取り付けられた速度検出器１３から得たガスタービン速度Ｎ、空気圧縮機２の吐出空気流路に設けられた吐出空気圧力検出器１５から得る吐出空気圧力ＰＣＤ、燃焼器４の器内の火炎を検出する火炎検知器１４から得る火炎検知信号ＦＬＭ、燃料圧力制御弁５の弁開度検出器１６から得る燃料圧力制御弁開度ＬＰ、燃料流量制御弁６の弁開度検出器１７から得る燃料流量制御弁開度ＬＦ、第１圧力検出器１８から得る燃料圧力ＰＦ、ガスタービン排ガス温度検出器１９から得る排ガス温度ＴＸ、発電機出力検出器２０から得る発電機出力等の諸信号を入力している。
【０００７】
それら諸信号に基づいて、ガスタービン制御装置１１は、燃料圧力制御信号ＰＲＥＦおよび燃料流量制御信号ＦＲＥＦを、燃料圧力制御弁５および撚料流量制御弁６に与えて燃料流量を調節する。
【０００８】
また、ガスタービン制御装置１１は、点火器２１に着火指令ＦＬＸを与えて燃料ノズル７から噴射された燃料を着火させて燃焼器４の器内に高温高圧の燃焼ガスを発生させる。さらに、ガスタービン制御装置１１は、入口空気案内翼制御信号ＩＲＥＦを入口空気案内翼１に与えて、空気圧縮機２の入口空気流量を調節している。
【０００９】
図２２はガスタービン制御装置１１の構成を示すブロック図である。ガスタービン制御装置１１はガスタービン速度Ｎに基づいて決められた燃料圧力設定値に、燃料圧力制御弁５の２次側燃料圧力ＰＦ、すなわち燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力ＰＦを制御する燃料圧力制御部４７と、燃料圧力制御部４７の与える燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦに燃料圧力制御弁開度ＬＰを制御するために燃料圧力制御弁５に制御信号ＰＲＥＦを与える制御部を備えている。
【００１０】
また、ガスタービン８の起動時に起動制御信号ＳＲＦを与えて燃料流量を調節し、ガスタービン速度Ｎを定格速度まで昇速する起動制御部２２を備えている。さらに、ガスタービン速度Ｎと発電機出力ＭＷを制御するための速度負荷制御部２３を備えている。また、ガスタービン排ガス温度ＴＸを所定上限値に制御するための排ガス温度制御部２４を備えている。
【００１１】
また、起動制御部２２が与える起動制御信号ＳＲＦと、速度負荷制御部２３が与える速度負荷制御信号ＮＲＦと、排ガス温度制御部２４が与える排ガス温度制御信号ＴＲＦとのうち小さい方を選択し、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦとして出力する燃料流量制御信号選択回路２５を備えている。
【００１２】
さらに、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦに燃料流量制御弁開度ＬＦを制御するために燃料流量制御弁６に制御信号ＦＲＥＦを与える制御部を備えている。ガスタービン８の起動では、図２１にて図示を省略している起動モータおよびトルクコンバータによりガスタービン軸９に起動トルクが与えられてガスタービン８が回転する。ガスタービン８を所定パージ時間の間、パージ速度で回転させることにより、燃焼器４より下流の燃焼ガス流路の残留燃料をパージした後、所定ガスタービン速度まで速度降下させる。
【００１３】
所定ガスタービン速度にて着火操作に入る時点から燃料供給が開始される。その時点までは燃料圧力制御弁５と燃料流量制御弁６は全閉している。ガスタービン速度Ｎが起動モータおよびトルクコンバータにより着火速度に達すると、まず燃料圧力制御部４７では、ガスタービン速度Ｎの関数として関数発生器２６により得られた燃料圧力設定ＰＲに燃料圧力ＰＦを制御しようとする。
【００１４】
関数発生器２６の特性は図２３に示す。ガスタービン速度Ｎの上昇に従い燃料圧力設定ＰＲが上昇する特性にしてある。燃料圧力制御偏差ＰＥか減算器２７で演算され、制御偏差ＰＥを入力として比例積分制御器２８は燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦを与える。開度指令ＰＲＦと燃料圧力制御弁開度ＬＰの開度制御偏差ＬＰＥが減算器２９により演算され、開度制御偏差ＬＰＥに応じた制御信号ＰＲＥＦが燃料圧力制御弁５を動作させる。このようにして燃料圧力制御弁５が開き、燃料圧力ＰＦは燃料圧力設定ＰＲに制御される。
【００１５】
この制御動作の開始は、着火速度到達のタイミングで発せられる着火指令により行われるが、起動制御部２２では同じ着火指令によりスイッチ３０が閉路し、信号発生器３１の着火開度設定値がスイッチ３０を介して変化率制限器３２に送られる。
【００１６】
このとき（スイッチ３０が閉路した時）は、着火開度設定がそのまま変化率制限器３２を通過し起動制御信号ＳＲＦとなる。この時点では速度負荷制御信号ＮＲＦおよび排ガス温度制御信号ＴＲＦよりも起動制御信号ＳＲＦの方が小さいので、燃料流量制御信号選択回路２５で選択され、その結果、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦが着火開度設定となる。
【００１７】
減算器３３により開度指令ＦＲＦと燃料流量制御弁開度ＬＦの開度制御偏差ＬＦＥが演算され、開度制御偏差ＬＦＥに応じた制御信号ＦＲＥＦが燃料流量制御弁６を動作させる。このようにして、燃料流量制御弁６の開度ＬＦが着火開度設定に制御される。
【００１８】
また同時に、同じ着火指令により、図２１で図示した点火器２１に火花を発生させると燃焼器４内で燃焼が開始する。そして火炎検知器１４により火炎が検知されると、燃焼の安定化を図るため数秒の時間経過後に起動制御部２２のスイッチ３４がガスタービン暖機指令により閉路すると共にスイッチ３０が開路し、信号発生器３５の暖機開度設定値がスイッチ３４を介して変化率制限器３２に送られる。この時も暖機開度設定がそのまま変化率制限器３２を通過し起動制御信号ＳＲＦとなる。このようにして、起動制御信号ＳＲＦは、火炎検知とともに、大きな着火開度設定値から小さな暖機開度設定値に切り換わる。
【００１９】
そして、着火時と同様にして燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦが暖機開度設定値となり、燃料流量制御弁開度ＬＦを暖機開度に制御する。所定時間の間、燃料流量制御弁開度ＬＦを暖機開度設定値に保存してガスタービン８を暖機する。暖機が完了すると、起動制御部２２のスイッチ３６が閉路すると共にスイッチ３４が開路し、信号発生器３７の起動上限設定値がスイッチ３６を介して変化率制限器３２に送られる。
【００２０】
この時は、変化率制限器３２は所定変化率で起動制御信号ＳＲＦを起動上限設定値まで増加させていき、ガスタービン８を定格速度に向けて速度上昇させる。
【００２１】
この間の起動制御信号ＳＲＦの変化を図２４に示す。時刻ｔ１で着火指令により着火開度設定値となる。時刻ｔ２で火炎が検知されると、燃焼安定化のため数秒経過後、暖機開度設定値まで燃料流量が絞られる。時刻ｔ３でガスタービン暖機が完了すると所定変化率で起動制御信号ＳＲＦは起動上限設定値まで増加していく。
【００２２】
この間の燃料流量制御弁の１次側燃料圧力ＰＦは、図２３で示すように、ガスタービン速度Ｎの上昇と共に燃料圧力が上昇するように制御されている。
【００２３】
また一方、燃焼器４に空気圧縮機２より送給される燃焼用空気の流量調節は入口空気案内翼１により行われている。図示しない入口空気案内翼制御回路は、ガスタービン速度の上昇に応じて入口空気案内翼角度指令ＩＲＥＦを増加させることにより、燃焼用空気流量を増加させていく。
【００２４】
このようにして、燃料と空気流量が増加するに従い、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤおよび燃焼器器内圧力も上昇してゆき、ガスタービン速度Ｎが上昇し、やがてガスタービン定格速度近くに達する。
【００２５】
図２２における速度負荷設定器３８には、ガスタービン昇速中はガスタービン定格速度制御のための初期値が設定されている。ガスタービン速度Ｎが上昇するに従い、減算器３９で得られる、速度負荷設定ＮＲとガスタービン速度Ｎの制御偏差ＮＥが小さくなっていく。この制御偏差ＮＥを比例制御器４０に通して得られる信号が速度負荷制御信号ＮＲＦとなる。
【００２６】
この速度負荷制御信号ＮＲＦは、ガスタービン定格速度近くに起動制御信号ＳＲＦよリ小さくなるので、燃料流量制御信号選択回路２５の選択する燃料流量制御信号ＦＲＦは、起動制御信号ＳＲＦから速度負荷制御信号ＮＲＦに切り換わる。こうして、ガスタービン速度Ｎは速度負荷制御信号ＮＲＦにより定格速度に制御される。すみやかに発電機１０は電力系統に併入され、以降ガスタービン速度Ｎは系統周波数に同期するようになる。
【００２７】
次に、負荷指令設定器４１の負荷（発電機出力）指令ＭＷＤが外部の装置の増加操作により増加していくと、減算器４２の与える、負荷指令ＭＷＤと負荷（発電機出力）ＭＷの偏差ＭＷＥが正の極性となり、上下限制限器４３を介して速度負荷設定器３８に、この正の偏差信号が与えられる。速度負荷設定器３８は積分器として動作するので、この正の入力信号に応じて速度負荷設定ＮＲが上昇する。
【００２８】
ガスタービン速度Ｎは系統周波数に等しいので、速度負荷設定ＮＲの上昇に従い、速度負荷制御信号ＮＲＦおよび燃料流量制御信号ＦＲＦが増加し、燃焼器４に送給される燃料流量が増加する。燃料流量が増加すると、ガスタービン排ガス温度ＴＸが上昇する。
【００２９】
排ガス温度ＴＸが上昇すると、図示しない入口空気案内翼制御回路により入口空気案内翼角度指令ＩＲＥＦは入口空気案内翼を更に開いていく方向に制御して、空気流量を増加させる。
【００３０】
このようにして、燃料流量、空気流量が増加すると、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤ、燃焼器器内圧力、燃焼器器内燃焼ガス温度、負荷ＭＷが増加する。
【００３１】
ところで、排ガス温度制御部２４は、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤの関数として、関数発生器４４により与えられる排ガス温度上限値ＴＲに排ガス温度ＴＸを制御するものである。発電機出力ＭＷをいっぱいまで高くしていくと、入口空気案内翼角度は上限となり、やがて排ガス温度ＴＸは排ガス温度上限値ＴＲに達するので、減算器４５で演算された制御偏差ＴＥが負となり、比例積分制御器４６の値、すなわち排ガス温度制御信号ＴＲＦが減少し、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦが速度負荷制御信号ＮＲＦから排ガス温度制御信号ＴＲＦに切換る。
【００３２】
関数発生器４４の特性を図２５に示す。図２５において、併記してあるカーブＴＡは排ガス温度高警報設定値、カーブＴＴは排ガス温度高トリップ設定値であり、この両者はガスタービンを過温度から保護しようとするものである。
【００３３】
図２５における排ガス温度上限値ＴＲが、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤの上昇と共に右下がりになっているのは、ガスタービン効率が高くなっていくからで、燃焼器器内燃焼ガス温度およびガスタービン入口ガス温度を高温部品材料および高温部品冷却性能から決まる所定の計容温度で運転するためには、ガスタービン排ガス温度ＴＸを図示のように制御しなければならないことを示している。
【００３４】
次に本発明に関する従来技術の特徴的な内容を補足説明する。着火時には、燃空比が着火条件を満足するように、比較的多い燃料流量が燃焼器４に供給される。そして着火すると排ガス温度ＴＸは相当高温まで上昇する。火炎検知後は燃焼の安定化を図るため、数秒の時間経過後に燃料流量制御弁開度ＬＦを着火開度から暖機開度まで絞る。
【００３５】
排ガス温度検出器１９は、周囲の金属ダクト等の温度の影響を大きく受けると、共に熱電対そのものの検出遅れがある。そのため実際の排ガス流そのものの温度に比べて着火時の排ガス温度ＴＸは低めになり、且つ時間遅れをもって現れる。
【００３６】
ガスタービン保護のための過温度の検出は、図２５に示すように排ガス温度ＴＸにより行っているが究極の目的は燃焼器４及びガスタービン８の入口の高温部品を過温度の燃焼ガスから保護しようとするものであるから、保護動作は速やかに且つ正確に行うことが不可欠である。
【００３７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のガスタービン制御装置では、着火操作時に過大の燃料流量が供給された場合には、ガスタービン排ガス温度の検出遅れがあるので、十分なガスタービンプラン卜保護が困難であるという不適合があった。
【００３８】
また、高負荷運転域では、ガスタービン排ガスの温度制御が行われているものの、排ガス温度制御の上限設定値と排ガス温度高警報設定値および排ガス温度高トリップ設定値の間に余裕が少ないため、燃料圧力制御弁の上流側で燃料圧力変動が発生した場合に相当量の燃料流量が供給されると、ガスタービン排ガス温度の検出遅れがあるので、すみやかに燃料流量を絞ってガスタービントリップを回避することおよび十分なガスタービンプラント保護が困難であるという不適合があった。
【００３９】
本発明の目的は、ガスタービンプラントにおける高温部品の過温度からの保護を図りつつ、好適なガスタービン制御を行えるガスタービン制御装置を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を実現するため、請求項１に対応する発明は、空気圧縮機と共に同軸上に結合されるガスタービンと、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料配管を経て送給される燃料とを混合燃焼して前記ガスタービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、この燃焼器の入口側燃料配管に配置される燃料流量制御弁および燃料ノズルと、前記燃料流量制御弁の１次側燃料配管に配置された燃料圧力制御弁と、前記燃料流量制御弁の１次側燃料圧力を検出する第１圧力検出器とを備え、前記燃料圧力制御弁により前記燃料流量制御弁の１次側燃料圧力を制御すると共に、前記燃料流量制御弁により前記燃焼器に送給される燃料流量を制御するガスタービン制御装置において、前記燃料流量制御弁の開度に基づいて前記燃料圧力制御弁の開度制限値を与え、前記燃焼器の着火操作中に前記燃料圧力制御弁の開度が前記開度制限値を越えたことによりガスタービントリップとするようにしたガスタービン制御装置である。
【００４１】
請求項１に対応する発明によれば、着火操作中の燃料流量制御弁開度が何らかの異常により着火開度設定値を大きく越えた場合には、ガスタービン排ガス温度検出によらずとも、燃料流量過大とみなし燃焼前にすみやかにガスタービントリップとし、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護することができる。逆に、着火操作中の燃料流量制御弁開度が着火開度設定値を越える程度が小さい場合には、ガスタービントリップを回避し、着火操作を続行することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細を説明する。
【００４３】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明によるガスタービン制御装置の第１の実施の形態の要部のみを示すブロック図であり、これは概略、図２１に示すガスタービンプラントのガスタービン制御装置１１を次のように構成したものである。
【００４４】
ガスタービンプラントの構成は、前述したように空気圧縮機２と共に同軸上に結合されるガスタービン８と、空気圧縮機２からの吐出空気と燃料配管を経て送給される燃料とを混合燃焼してガスタービン８に燃焼ガスを送給する燃焼器４と、燃焼器４の入口側燃料配管に配置される燃料流量制御弁６および燃料ノズル７と、燃料流量制御弁６の１次側燃料配管に配置された燃料圧力制御弁５と、燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力を検出する第１圧力検出器１８とを備え、燃料圧力制御弁５により燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力を制御すると共に、燃料流量制御弁６により燃焼器４に送給される燃料流量を制御するガスタービン制御装置１１を備えている。
【００４５】
このような構成のものにおいて、本実施形態は、燃料流量制御弁６の開度に基づいて燃料圧力制御弁５の開度制限値を与え、燃焼器４の着火操作中に燃料圧力制御弁５の開度が開度制限値を越えたことによりガスタービントリップとするようにしたガスタービン制御装置である。
【００４６】
これについて、図１〜図３を参照して説明する。図１において、関数発生器４８は燃料流量制御弁開度ＬＦに対応した燃料圧力制御弁開度制限値を与えるもので、その特性を図２に示す。図２におけるＬＦ１は燃料流量制御弁６の着火開度設定値である。ＬＦ２は燃料流量制御弁全開値である。
【００４７】
図１の燃料圧力制御弁開度制限値と燃料圧力制御弁開度ＬＰが比較器４９により比較され、燃料圧力制御弁開度ＬＰが開度制限値を越えると比較器４９がＯＮ信号（“１”）を出力する。火炎検知信号ＦＬＭがＯＦＦ信号（未着火：“０”）の時、その否定器５０のＯＮ信号と比較器４９のＯＮ信号のＡＮＤ（論理積回路）５１によりガスタービントリップ指令を送出することにより、燃料送給を遮断する。
【００４８】
図３は図２の関数発生器４８の特性を説明する図である。図３において、燃料流量制御弁開度ＬＦが計画通りの着火開度設定に保持された場合は、燃料圧力制御弁開度ＬＰは燃料圧力制御によりＡ点で示される開度となる。
【００４９】
ところが、何らかの異常により、燃料流量制御弁開度ＬＦが全開値となった場合、燃料流量制御弁の１次側燃料圧力は低下するので、燃料圧力制御は燃料圧力設定値に燃料圧力を制御しようとして燃料圧力制御弁開度を増加させＢ点で示される開度に制御されるので、過大な燃料流量が燃焼器４に送給されることになる。
【００５０】
このようなケースにおいて、燃料流量を適正に維持するためには燃料流量は燃料圧力と燃料流量制御弁開度の積に比例することから、図３の破線で示したように燃料圧力制御弁開度ＬＰをＣ点まで絞り燃料圧力を下げる必要がある。
【００５１】
このような観点から、着火操作中の燃料圧力制御弁開度制限値をＤ点とＥ点で結ぶ一点鎖線で与える。図２における傾斜線部（ＬＦ１とＬＦ２の間）は図３における一点鎖線に相当する。
【００５２】
このようにしたので、着火操作中の燃料流量制御弁開度が何らかの異常により着火開度設定値を大きく越えた場合には、燃料圧力制御弁開度制限値が低くなるので、燃料流量過大としてすみやかに燃焼前にガスタービントリップ指令を出力させることができるので、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護することができる。
【００５３】
逆に、着火操作中の燃料流量制御弁開度が着火開度設定値を越える程度が小さい場合には、燃料圧力制御弁開度制限値は比較的に高くなるので、不必要なガスタービントリップを回避し、着火操作を続行することができる。
【００５４】
＜第２の実施の形態＞
図４は本実施の形態によるガスタービン制御装置の第２の実施の形態の要部のみを示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【００５５】
図４において、関数発生器５２は燃料流量制御弁開度ＬＦに対応した圧力制限値ＰＲＬを与えるもので、その特性を図５に示す。図５におけるＬＦ１は燃料流量制御弁の着火開度設定値である。ＬＦ２は燃料流量制御弁全開値である。圧力制限値ＰＲＬと図２１の関数発生器２６の出力である燃料圧力設定値ＰＲのうち小さい方の信号が低値選択回路５３で選択され、新たな燃料圧力設定値ＰＲ１として出力する。なお、圧力設定器を構成している関数発生器２６の燃料圧力設定値ＰＲは、図２３に示すようにガスタービン速度Ｎの上昇に従い燃料圧力設定値ＰＲが上昇する特性となっている。
【００５６】
スイッチ５４は着火操作中は図示のように燃料圧力設定値ＰＲ１を選択し、火炎検知後、ガスタービン暖機操作に移ると、燃料圧力設定値ＰＲ側を選択し、別の新たな燃料圧力設定値ＰＲ２が得られるようにしている。
【００５７】
関数発生器５２を図５のような形状の特性にしている理由は、第１の実施の形態において図３を使って説明した理由に同等である。着火操作中の燃料流量制御弁開度が着火開度設定値を越えるに応じ、燃料圧力ＰＦを減少させるようにして適止な燃料流量を燃焼器に送給するようにしている。
【００５８】
このようにしたので、着火操作中の燃料流量制御弁開度が何らかの異常により着火開度設定値を大きく越えることがあっても、燃料圧力を絞ることにより適正な燃料流量を燃焼器に送給することができる。それゆえ、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護しながら、ガスタービン制御を続行することができる。
【００５９】
＜第３の実施の形態＞
図６はガスタービン制御装置の第３の実施の形態の要部のみを示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６０】
図６において、関数発生器５５は図２１の燃料流量制御弁開度ＬＦに対応した燃料圧力制御弁間度制限値ＰＲＦＬを与えるもので、その特性を図７に示す。図７におけるＬＦ１は燃料流量制御弁の着火開度設定値である。ＬＦ２は燃料流量制御弁全開値である。
【００６１】
燃料圧力制御弁開度制限値ＰＲＦＬと燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦのうち小さい方の信号が低値選択回路５６で選択され、新たな燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦ１として出力する。
【００６２】
スイッチ５７は着火操作中は図示のように開度指令ＰＲＦ１を選択し、火炎検知後、ガスタービン暖機操作に移ると、開度指令ＰＲＦ側を選択し、別の新たな開度指令ＰＲＦ２が得られるようにしている。
【００６３】
関数発生器５５を図７のような形状の特性にしている理由は、第１の実施の形態において、図３を使って説明した理由と同等である。着火操作中の燃料流量制御弁開度が着火開度設定値を越えるに応じ、燃料圧力制御弁開度指令を減少させるようにして適正な燃料流量を燃焼器に送給するようにしている。
【００６４】
このようにしたので、着火操作中の燃料流量制御弁開度が何らかの異常により着火開度設定値を大きく越えることがあっても、燃料圧力制御弁開度を絞ることにより適正な燃料流量を燃焼器に送給することができる。それゆえ、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護しながら、ガスタービン制御を続行することができる。
【００６５】
＜第４の実施の形態＞
図８は本発明によるガスタービン制御装置の第４の実施の形態を示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６６】
図８における関数発生器５８は図２２における信号発生器３１に代えて新たに設けたもので、関数発生器５８の入力は燃料圧力制御偏差ＰＥと接続される。図８において関数発生器５８は燃料圧力制御偏差ＰＥに対応した着火開度設定値ＬＦＸを与えるもので、その特性を図９に示す。
【００６７】
着火指令によりスイッチ３０が閉路すると、着火開度設定値ＬＦＸが燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦとなって、燃料流量制御弁開度ＬＦを制御する。燃料圧力制御が不調で燃料圧力ＰＦが圧力設定値を大きくオーバーシュートした場合、圧力制御偏差ＰＥは負極性となり、図９の関数発生器５８により燃料流量制御弁着火開度設定値は圧力制御偏差ＰＥの大きさに応じて減少するようにしている。
【００６８】
このようにしたので、着火操作中の燃料圧力制御が不調となつて燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力が圧力設定値を大きく越えることがあっても、燃料流量制御弁着火開度を修正することにより、適正な燃料流量を燃焼器４に送給することができる。それゆえ、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護しながら、ガスタービン制御を続行することができる。
【００６９】
＜第５の実施の形態＞
図１０は本発明にガスタービン制御装置の第５の実施の形態を示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７０】
ガスタービンパージ速度にて所定時間の間、燃焼器４より下流の燃焼ガス流路の残留燃料をパージするとパージ完了となリ、トルクコンバータによりガスタービン着火速度までガスタービン速度を降下させる。この時点では、燃料圧力制御弁５、燃料流量制御弁６ともに全閉している。
【００７１】
ガスタービン８が着火速度に到達し、図１０におけるＡＮＤ（論理積回路）５９の論理積が成立すると、まず、着火指令として図２２におけるスイッチ３０が閉路し、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦが着火開度設定値となり、燃料流量制御弁開度ＬＦは着火開度に制御される。そして、ガスタービントリップ後の停止過程における途中起動のケースのように、燃料圧力制御弁５と燃料流量制御弁６の間に高圧の燃料が残留している場合は、その残留燃料は着火開度の燃料流量制御弁６の下流に放出される。
【００７２】
そして、残留燃料が放出されたとみなし得る所定時間がタイマ−６０により経過した時点から燃料圧力制御弁５による燃料圧力制御を開始すると共に図２１における信号ＦＬＸをオンし、点火器２１に火花を発生させて燃焼を開始させる。
【００７３】
前述のように、残留燃料を放出した後に燃料圧力制御を開始するのは次の理由による。
【００７４】
図２２における燃料圧力制御部４７の制御器は比例槓分制御器２８であり、一般には、燃料圧力制御を開始するまでは図示しない回路により比例積分制御器２８の出力信号は強制的に零としており、燃料圧力制御弁５も全閉している。
【００７５】
また、比例積分制御器２８の入力側も、常時、ガスタービン速度Ｎおよび燃料圧力ＰＦを入力して、燃料圧力制御開始時点の前後の制御の連続性を図るようにしている。
【００７６】
ところが、燃料圧力制御開始時点におけるガスタービン速度Ｎから決まる燃料圧力設定値ＰＲに比べ残留燃料の燃料圧力が大きい場合には、圧力制御偏差ＰＥが負極性となるので、燃料圧力制御開始前は比例積分制御器２８の比例要素は負極性の値となる。
【００７７】
一方、比例積分制御器２８の積分要素は、燃料圧力制御開始前は、比例要素と積分要素の和が零になるように動作しているので、積分要素は正極性の値となる。
【００７８】
従って、特に残留燃料の燃料圧力が高い場合には、燃料圧力制御開始時点の積分要素は大きな正極性の値となる。この状態から、従来のように、同時に燃料圧力制御弁５と燃料流量制御弁６の制御を開始すると、両弁５，６の間の燃料配管の燃料圧力ＰＦは、まず残留燃料が放出されて燃料圧力ＰＦが急速に降下する現象が現れるので、燃料圧力ＰＦが急速に降下する現象が現れるので、燃料圧力ＰＦの圧力降下分だけ圧力制御偏差ＰＥが増加し、比例要索の値を急増させる。
【００７９】
その結果、比例要素と積分要素の和である燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦは相当に大きな値となって燃料圧力制御弁５は大きく急開し、燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力を急上昇させて、燃焼器４に過大な燃料流量を送給することになる。前述のように残留燃料を燃料圧力制御開始前に放出しておけば、この現象を回避することができる。
【００８０】
以上述べた第５の実施形態によれば、過大な燃料流量を燃焼器４に送給することなく、好適な着火操作とガスタービン制御を行うことができる。
【００８１】
＜第６の実施の形態＞
図１１は本発明によるガスタービン制御装置の第６の実施の形態の一部を示すブロック図である。ここでは、図２１、図２２および図１０と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８２】
図１１において、燃料圧力ＰＦは信号発生器６１の与える無圧に相当する設定値と比較器６２で比較され、燃料圧力ＰＦがこの設定値以下になると比較器６２は残留燃料放出完了とみなしてＯＮ信号を出力する。ＡＮＤ５９の出力および比較器６２の出力がともに成立するとＡＮＤ（論理積回路）６３により燃料圧力制御を開始すると共に点火器２１にスパーク指令を出して燃焼を開始する。
【００８３】
第５の実施の形態では、残留燃料放出完了に必要な放出時間を図１０のタイマ−６０で設定していたのに対し、この第６の実施の形態では、直接燃料圧力を見ることにより残留燃料放出完了を判定するようにしている。その作用、効果は前述した第５の実施の形態と同等であるが、本実施形態はタイマー６０による遅延を使用しないので、残留燃料がない場合にはガスタービン着火速度に到達後、直ちに燃焼に移行することができる。
【００８４】
以上述べた第６の実施形態によれば、過大な燃料流量を燃焼器に送給することなく、好適な着火操作とガスタービン制御を行うことができる。
【００８５】
＜第７の実施の形態＞
図１２は本発明によるガスタービン制御装置の第７の実施の形態を示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８６】
図１２において、関数発生器６４の入力側は、図２２の圧力制御偏差ＰＥに接続される。関数発生器６４は燃料圧力制御部４７の圧力制御偏差ＰＥに対応した積分入力加算信号ＰＥＡを与えるもので、その特性を図１３に示す。
【００８７】
この積分入力加算信号ＰＥＡは比例積分制御器４６の積分要累４６ａの入力として温度制御偏差ＴＥと共に加算器４６ｂにて加算される。温度制御偏差ＴＥを比例要素４６ｃに通して得られた信号と積分要素４６ａの出力信号が加算器４６ｄにて加算されて、比例積分制御器４６の出力信号としてガスタービン排ガス温度制御信号ＴＲＦが得られる。
【００８８】
排ガス温度制御信号ＴＲＦが低値として燃料流量制御信号選択回路２５にて選択されているときには、燃料流量制御弁６は排ガス温度ＴＸを、排ガス温度上限値ＴＲを目標として制御中である。
【００８９】
このような高負荷運転域で運転中に燃料圧力制御弁５の１次側の燃料圧力が何らかの上流側の異常により燃料圧力高方向に大きく変動した場合、燃料流量制御弁６の１次側の燃料圧力も高い方向に変動する。
【００９０】
そして、燃料圧力制御弁５は圧力制御偏差ＰＥが負極性方向に大きくなるに応じて燃料流量を絞るように動作するが十分に絞りきれないので、図１３に示すように圧力制御偏差ＰＥが負極性方向にデッドバンドを越えて大きくなった場合には積分入力加算信号ＰＥＡに所定の負極性の値を与えて図１２に示すように比例積分制御器４６の積分要素４６ａの値を減少させる。
【００９１】
それにより、検出遅れのある排ガス温度ＴＸが上昇する前に燃料流量制御弁開度を絞るように制御して燃料流量を減少させることができるので、ガスタービンプラントの過温度による損傷を回避しつつ、好適なガスタービン制御を続行することができる。
【００９２】
＜第８の実施の形態＞
図１４は本発明によるガスタービン制御装置の第８の実施の形態を示すブロック図である。図２１、図２２および図１２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００９３】
図１４において、変化率演算器６５は排ガス温度ＴＸを入力として排ガス温度変化率ｄ（ＴＸ）／ｄｔを出力する。
【００９４】
そして関数発生器６６は図１５に示すように、入力の排ガス温度変化率が正極性のときのみ、そのまま出力として通過させ、負極性のときには零を出力する。関数発生器６６で得られた排ガス温度高方向の排ガス温度変化率ｄ（ＴＸ）／ｄｔは、信号発生器６７の与える係数と乗算器６８にて乗算され、そのあと現在の排ガス温度ＴＸと加算器６９にて加算し、予測排ガス温度ＴＸＰを得る。
【００９５】
この予測排ガス温度ＴＸＰは、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤを入力として関数発生器７０により与えられる図２５の排ガス温度高警報設定値ＴＡあるいは排ガス温度高トリップ設定値ＴＴと比較器７１にて比較される。
【００９６】
ここで、関数発生器７０の出力信号は、排ガス温度高警報設定値ＴＡあるいは排ガス温度高トリップ設定値ＴＴのいずれかであってもよく、いずれか一方の設定値が適用される。比較器７１での比較の結果、予測排ガス温度ＴＸＰが設定値より大きいときには、比較器７１は図１４において点線で示すようにスイッチ７２を閉路し、信号発生器７３の与える負極性の所定の積分入力加算信号ＴＸＡを比例積分制御器４６の積分要素４６ａの入力信号として、温度制御偏差ＴＥとともに加算し、排ガス温度制御信号ＴＲＦを減少させて燃料流量を減少させる。
【００９７】
このように第８の実施の形態によれば、高負荷域におけるガスタービン排ガス温度制御中に、排ガス温度が高方向の高い温度変化率を示して、排ガス温度高警報設定値あるいは排ガス温度高トリップ設定値を越えると予測できる場合には、事前に燃料流量を減少させることができるので、ガスタービンプラントの過温度
による損傷を回避しつつ、好適なガスタービン制御を続行することができる。
【００９８】
＜第９の実施の形態＞
図１６は本発明のガスタービン制御装置の第９の実施の形態を示すブロック図である。図２１、図２２および図１４と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００９９】
図１６において、関数発生器７０が与える排ガス温度高警報設定値ＴＡ、あるいは排ガス温度高トリップ設定値ＴＴと、予測排ガス温度ＴＸＰとの温度差が減算器７４にて演算される。
【０１００】
そして、図１７で図示された関数発生器７５により正極性の信号が、上記温度差に対応して得られ、その信号を比例積分制御器４６の積分要素４６ａの入力信号として加算される。従つて、予測排ガス温度が排ガス温度高警報設定値ＴＡあるいは排ガス温度高トリップ設定値ＴＴを越えると、該越えた温度分の大きさに応じて排ガス温度制御信号ＴＲＦを減少させることができるので、より温度上昇抑制効果が大きい。
【０１０１】
以上述べた第９の実施の形態によれば、高負荷域におけるガスタービン排ガス温度制御中に、排ガス温度が高方向の高い温度変化率を示して、排ガス温度高警報設定値あるいは排ガス温度高トリップ設定値を越えると予測できる場合には、事前に燃料流量を減少させることができるので、ガスタービンプラントの過温度による損傷を回避しつつ、好適なガスタービン制御を続行することができる。
【０１０２】
＜第１０の実施の形態＞
図１８および図１９は本発明によるガスタービン制御装置の第１０の実施の形態の概略構成を示す図である。図２１と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【０１０３】
図１８と図２１の相違点は、燃料流量制御弁６と燃料ノズル７の間の燃料配管に第２圧力検出器７６を設け燃料圧力ＰＦＢを得るようにした点である。
【０１０４】
図１９において、燃料流量制御弁の２次側燃料の燃料圧力ＰＦＢが、信号発生器７７の所定設定値を越えると比較器７８がＯＮ信号を出力する。そして、火炎検知信号ＦＬＭの否定器７９がＯＮすなわち未着火のときＡＮＤ（論理積回路）８０が成立し、タービントリップ指令を出力して燃料送給を遮断するようにしている。
【０１０５】
一般に燃料ノズルを通過する燃料流量Ｑは
Ｑ＝Ｃ×Ａ×（Ｐ一ＰＣＤ×Ｋ）1/2
で与えられる。
【０１０６】
ここで、Ｃは流量係数、Ａは燃料ノズル開口部面積、Ｐは燃料ノズル入口側燃料圧力、ＰＣＤは空気圧縮機吐出空気圧力、Ｋは係数であり、ＰＣＤ×Ｋは燃料ノズル出口側燃料圧力である。
【０１０７】
従って、着火操作時の空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤが一定とみなすことができれば、燃料流量Ｑの制限流量が与えられると、燃料圧力Ｐの制限値が決まる。
【０１０８】
図１９では、その燃料圧力制限値を信号発生器７３が圧力設定値として与え、燃料圧力ＰＦＢが圧力設定値を越えると燃料流量過大としてガスタービントリップとするようにしている。
【０１０９】
尚、図１９では火炎検知されると直ちに燃料圧力ＰＦＢの監視を停止するようにしているが、少なくとも着火操作中は監視を必要とし、火炎検知後も、通常運転中における燃料圧力ＰＦＢが圧力設定値を越えない負荷域までなら監視を続行してもよい。
【０１１０】
以上述べた第１０の実施の形態によれば、燃料圧力制御弁開度の機械的変位が小さくて精度よく着火時の開度制限値を設定することが困難な場合においても、燃料流量制御弁の２次側の燃料圧力により燃料流量過大を検出することができるので、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護することができると共に、不必要なガスタービントリップを回避することができる。
【０１１１】
＜第１１の実施の形態＞
図１８は本発明によるガスタービン制御装置の第１１の実施の形態の概略構成を示す図であり、図２０は本発明によるガスタービン制御装置の第１１の実施の形態を示すブロック図である。
【０１１２】
図２１および図１９と同一部分および相当する部分には同一符号を付し，てその説明を劣略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。図２０において、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤと信号発生器８１の係数Ｋが乗算器８２にて乗算され、その結果ＰＣＤ×Ｋを得る。減算器８３にて燃料圧力ＰＦＢとＰＣＤ×Ｋの圧力差を得る。この圧力差と信号発生器８４の所定設定値ＤＰが比較器８５にて比較され、未着火の条件のもとで、圧力差が設定値ＤＰを越えると燃料流量過大としてガスタービントリップ指令を出力し燃料送給を遮断する。前述の燃料流量Ｑの関係式は次のように変形できる。
【０１１３】
Ｐ−ＰＣＤ×Ｋ＝［Ｑ／（Ｃ×Ａ）］2
着火操作時の着火タイミンダが一定せず空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤを変数として燃料流量過大の監視をする必要のあるケースにおいては、図２０の実施の形態を適用できる。設定値ＤＰは前述の式の［Ｑ／（Ｃ×Ａ）］2 に相当する。
【０１１４】
従って、燃料圧力制御弁開度の機械的変位が小さくて精度よく着火時の開度制限値を設定することが困難な場合においても、また、ガスタービン着火タイミングが変更される場合においでも、燃料流量制御弁の２次側の燃料圧力と空気圧縮機吐出空気圧力に基づいて燃料流量過大を検出することができるので、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護することができると共に、不必要なガスタービントリップを回避することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、ガスタービンプラントにおける高温部品の過温度からの保護を図りつつ、好適なガスタービン制御を行えるガスタービン制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のガスタービン制御装置の第１の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図２】 図１の実施の形態における燃料流量制御弁開度と燃料圧力制御弁開度制限値の特性を示す関係図。
【図３】 図１の実施の形態における関数発生器の特性を示す関係図。
【図４】 本発明のガスタービン制御装置の第２の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図５】 本発明のガスタービン制御装置の第２の実施の形態に関する圧力制限値と燃料流量制御弁開度の特性を示す関係図。
【図６】 本発明のガスタービン制御装置の第３の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図７】 本発明のガスタービン制御装置の第３の実施の形態に関する燃料圧力制御弁開度制限値と燃料流量制御弁開度の特性を示す関係図。
【図８】 本発明のガスタービン制御装置の第４の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図９】 本発明のガスタービン制御装置の第４の実施の形態に関する燃料圧力制御偏差と着火開度設定値の特性を示す関係図。
【図１０】 本発明のガスタービン制御装置の第５の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１１】 本発明のガスタービン制御装置の第６の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１２】 本発明のガスタービン制御装置の第７の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１３】 本発明のガスタービン制御装置の第７の実施の形態に関する圧力制御偏差と積分入力加算信号の特性を示す関係図。
【図１４】 本発明のガスタービン制御装置の第８の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１５】 本発明のガスタービン制御装置の第８の実施の形態に関する関数発生器の特性を示す関係図。
【図１６】 本発明のガスタービン制御装置の第９の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１７】 本発明のガスタービン制御装置の第９の実施の形態に関する関数発生器の特性を示す関係図。
【図１８】 本発明のガスタービン制御装置の第１０の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１９】 本発明のガスタービン制御装置の第１１の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図２０】 本発明のガスタービン制御装置の第１１の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図２１】 従来のガスタービンプラントの第１の例を示す概略構成図。
【図２２】 図２１のガスタービン制御装置の第１の例を示すブロック図。
【図２３】 図２１のガスタービン制御装置に関する関数発生器の特性を示す関係図。
【図２４】 図２１のガスタービン制御装置に関する起動制御信号の変化を示す関係図。
【図２５】 図２１のガスタービン制御装置に関する関数発生器の特性を示す関係図。
【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…燃料圧力制御弁、６…燃料流路、７…燃料ノズル、８…ガスタービン、９…ガスタービン軸、１０…発電機、１１…ガスタービン制御装置、１２…軸端歯車、１３…速度検出器、１４…火炎検知器、１５…吐出空気圧力検出器、１６…弁開度検出器、１７…弁開度検出器、１８…第１圧力検出器、１９…ガスタービン排ガス温度検出器、２０…発電機出力検出器、２１…点火器、２２…起動制御部、２３…速度負荷制御部、２４…排ガス温度制御部、２５…燃料流量制御信号選択回路、２６…関数発生器、２７…減算器、２８…比例積分制御器、２９…減算器、３０…スイッチ、３１…信号発生器、３２…変化率制限器、３３…減算器、３４…スイッチ、３５…信号発生器、３６…スイッチ、３７…信号発生器、３８…速度負荷設定器、３９…減算器、４０…比例制御器、４１…負荷指令設定器、４２…減算器、４３…上下制限器、４４…関数発生器、４５…減算器、４６…比例積分制御器、４７…燃料圧力制御部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントのガスタービン制御装置に係り、特にガスタービンプラント高温部品の過温度からの保護を図りつつ、好適なガスタービン制御を行えるようにしたガスタービン制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２１は、従来のガスタービンプラントの一例を示す概略構成図である。図２１において、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る。その圧縮された吐出空気は空気流路３を通り燃焼器４に入り、燃料の燃焼用空気として使用される。燃焼器４は、ガスタービン軸９を中心として環状に複数台設けられているが、ここでは便宜上、そのうち１台だけを図示している。
【０００３】
一方、燃料圧力制御弁５により圧力制御された燃料は、その燃料配管の下流の燃料流量制御弁６を介して、その燃料配管の先の燃料ノズル７から燃焼器４に送給され、燃焼器４の器内で燃焼して高温高圧ガスとなる。
【０００４】
燃料圧力制御弁５と燃料流量制御弁６の間の燃料配管には燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力を検出する第１圧力検出器１８が設けられている。燃焼器４の器内の高温高圧の燃焼ガスは、ガスタービン８に送給されてガスタービン軸９を回転させ、同軸に結合されている発電機１０より発電機出力を得る。
【０００５】
ガスタービン８から排出された排ガスは、煙突にぬけていくか、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で利用された後煙突に抜けていく。
【０００６】
ガスタービン制御装置１１は、軸端歯車１２に近接して取り付けられた速度検出器１３から得たガスタービン速度Ｎ、空気圧縮機２の吐出空気流路に設けられた吐出空気圧力検出器１５から得る吐出空気圧力ＰＣＤ、燃焼器４の器内の火炎を検出する火炎検知器１４から得る火炎検知信号ＦＬＭ、燃料圧力制御弁５の弁開度検出器１６から得る燃料圧力制御弁開度ＬＰ、燃料流量制御弁６の弁開度検出器１７から得る燃料流量制御弁開度ＬＦ、第１圧力検出器１８から得る燃料圧力ＰＦ、ガスタービン排ガス温度検出器１９から得る排ガス温度ＴＸ、発電機出力検出器２０から得る発電機出力等の諸信号を入力している。
【０００７】
それら諸信号に基づいて、ガスタービン制御装置１１は、燃料圧力制御信号ＰＲＥＦおよび燃料流量制御信号ＦＲＥＦを、燃料圧力制御弁５および撚料流量制御弁６に与えて燃料流量を調節する。
【０００８】
また、ガスタービン制御装置１１は、点火器２１に着火指令ＦＬＸを与えて燃料ノズル７から噴射された燃料を着火させて燃焼器４の器内に高温高圧の燃焼ガスを発生させる。さらに、ガスタービン制御装置１１は、入口空気案内翼制御信号ＩＲＥＦを入口空気案内翼１に与えて、空気圧縮機２の入口空気流量を調節している。
【０００９】
図２２はガスタービン制御装置１１の構成を示すブロック図である。ガスタービン制御装置１１はガスタービン速度Ｎに基づいて決められた燃料圧力設定値に、燃料圧力制御弁５の２次側燃料圧力ＰＦ、すなわち燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力ＰＦを制御する燃料圧力制御部４７と、燃料圧力制御部４７の与える燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦに燃料圧力制御弁開度ＬＰを制御するために燃料圧力制御弁５に制御信号ＰＲＥＦを与える制御部を備えている。
【００１０】
また、ガスタービン８の起動時に起動制御信号ＳＲＦを与えて燃料流量を調節し、ガスタービン速度Ｎを定格速度まで昇速する起動制御部２２を備えている。さらに、ガスタービン速度Ｎと発電機出力ＭＷを制御するための速度負荷制御部２３を備えている。また、ガスタービン排ガス温度ＴＸを所定上限値に制御するための排ガス温度制御部２４を備えている。
【００１１】
また、起動制御部２２が与える起動制御信号ＳＲＦと、速度負荷制御部２３が与える速度負荷制御信号ＮＲＦと、排ガス温度制御部２４が与える排ガス温度制御信号ＴＲＦとのうち小さい方を選択し、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦとして出力する燃料流量制御信号選択回路２５を備えている。
【００１２】
さらに、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦに燃料流量制御弁開度ＬＦを制御するために燃料流量制御弁６に制御信号ＦＲＥＦを与える制御部を備えている。ガスタービン８の起動では、図２１にて図示を省略している起動モータおよびトルクコンバータによりガスタービン軸９に起動トルクが与えられてガスタービン８が回転する。ガスタービン８を所定パージ時間の間、パージ速度で回転させることにより、燃焼器４より下流の燃焼ガス流路の残留燃料をパージした後、所定ガスタービン速度まで速度降下させる。
【００１３】
所定ガスタービン速度にて着火操作に入る時点から燃料供給が開始される。その時点までは燃料圧力制御弁５と燃料流量制御弁６は全閉している。ガスタービン速度Ｎが起動モータおよびトルクコンバータにより着火速度に達すると、まず燃料圧力制御部４７では、ガスタービン速度Ｎの関数として関数発生器２６により得られた燃料圧力設定ＰＲに燃料圧力ＰＦを制御しようとする。
【００１４】
関数発生器２６の特性は図２３に示す。ガスタービン速度Ｎの上昇に従い燃料圧力設定ＰＲが上昇する特性にしてある。燃料圧力制御偏差ＰＥか減算器２７で演算され、制御偏差ＰＥを入力として比例積分制御器２８は燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦを与える。開度指令ＰＲＦと燃料圧力制御弁開度ＬＰの開度制御偏差ＬＰＥが減算器２９により演算され、開度制御偏差ＬＰＥに応じた制御信号ＰＲＥＦが燃料圧力制御弁５を動作させる。このようにして燃料圧力制御弁５が開き、燃料圧力ＰＦは燃料圧力設定ＰＲに制御される。
【００１５】
この制御動作の開始は、着火速度到達のタイミングで発せられる着火指令により行われるが、起動制御部２２では同じ着火指令によりスイッチ３０が閉路し、信号発生器３１の着火開度設定値がスイッチ３０を介して変化率制限器３２に送られる。
【００１６】
このとき（スイッチ３０が閉路した時）は、着火開度設定がそのまま変化率制限器３２を通過し起動制御信号ＳＲＦとなる。この時点では速度負荷制御信号ＮＲＦおよび排ガス温度制御信号ＴＲＦよりも起動制御信号ＳＲＦの方が小さいので、燃料流量制御信号選択回路２５で選択され、その結果、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦが着火開度設定となる。
【００１７】
減算器３３により開度指令ＦＲＦと燃料流量制御弁開度ＬＦの開度制御偏差ＬＦＥが演算され、開度制御偏差ＬＦＥに応じた制御信号ＦＲＥＦが燃料流量制御弁６を動作させる。このようにして、燃料流量制御弁６の開度ＬＦが着火開度設定に制御される。
【００１８】
また同時に、同じ着火指令により、図２１で図示した点火器２１に火花を発生させると燃焼器４内で燃焼が開始する。そして火炎検知器１４により火炎が検知されると、燃焼の安定化を図るため数秒の時間経過後に起動制御部２２のスイッチ３４がガスタービン暖機指令により閉路すると共にスイッチ３０が開路し、信号発生器３５の暖機開度設定値がスイッチ３４を介して変化率制限器３２に送られる。この時も暖機開度設定がそのまま変化率制限器３２を通過し起動制御信号ＳＲＦとなる。このようにして、起動制御信号ＳＲＦは、火炎検知とともに、大きな着火開度設定値から小さな暖機開度設定値に切り換わる。
【００１９】
そして、着火時と同様にして燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦが暖機開度設定値となり、燃料流量制御弁開度ＬＦを暖機開度に制御する。所定時間の間、燃料流量制御弁開度ＬＦを暖機開度設定値に保存してガスタービン８を暖機する。暖機が完了すると、起動制御部２２のスイッチ３６が閉路すると共にスイッチ３４が開路し、信号発生器３７の起動上限設定値がスイッチ３６を介して変化率制限器３２に送られる。
【００２０】
この時は、変化率制限器３２は所定変化率で起動制御信号ＳＲＦを起動上限設定値まで増加させていき、ガスタービン８を定格速度に向けて速度上昇させる。
【００２１】
この間の起動制御信号ＳＲＦの変化を図２４に示す。時刻ｔ１で着火指令により着火開度設定値となる。時刻ｔ２で火炎が検知されると、燃焼安定化のため数秒経過後、暖機開度設定値まで燃料流量が絞られる。時刻ｔ３でガスタービン暖機が完了すると所定変化率で起動制御信号ＳＲＦは起動上限設定値まで増加していく。
【００２２】
この間の燃料流量制御弁の１次側燃料圧力ＰＦは、図２３で示すように、ガスタービン速度Ｎの上昇と共に燃料圧力が上昇するように制御されている。
【００２３】
また一方、燃焼器４に空気圧縮機２より送給される燃焼用空気の流量調節は入口空気案内翼１により行われている。図示しない入口空気案内翼制御回路は、ガスタービン速度の上昇に応じて入口空気案内翼角度指令ＩＲＥＦを増加させることにより、燃焼用空気流量を増加させていく。
【００２４】
このようにして、燃料と空気流量が増加するに従い、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤおよび燃焼器器内圧力も上昇してゆき、ガスタービン速度Ｎが上昇し、やがてガスタービン定格速度近くに達する。
【００２５】
図２２における速度負荷設定器３８には、ガスタービン昇速中はガスタービン定格速度制御のための初期値が設定されている。ガスタービン速度Ｎが上昇するに従い、減算器３９で得られる、速度負荷設定ＮＲとガスタービン速度Ｎの制御偏差ＮＥが小さくなっていく。この制御偏差ＮＥを比例制御器４０に通して得られる信号が速度負荷制御信号ＮＲＦとなる。
【００２６】
この速度負荷制御信号ＮＲＦは、ガスタービン定格速度近くに起動制御信号ＳＲＦよリ小さくなるので、燃料流量制御信号選択回路２５の選択する燃料流量制御信号ＦＲＦは、起動制御信号ＳＲＦから速度負荷制御信号ＮＲＦに切り換わる。こうして、ガスタービン速度Ｎは速度負荷制御信号ＮＲＦにより定格速度に制御される。すみやかに発電機１０は電力系統に併入され、以降ガスタービン速度Ｎは系統周波数に同期するようになる。
【００２７】
次に、負荷指令設定器４１の負荷（発電機出力）指令ＭＷＤが外部の装置の増加操作により増加していくと、減算器４２の与える、負荷指令ＭＷＤと負荷（発電機出力）ＭＷの偏差ＭＷＥが正の極性となり、上下限制限器４３を介して速度負荷設定器３８に、この正の偏差信号が与えられる。速度負荷設定器３８は積分器として動作するので、この正の入力信号に応じて速度負荷設定ＮＲが上昇する。
【００２８】
ガスタービン速度Ｎは系統周波数に等しいので、速度負荷設定ＮＲの上昇に従い、速度負荷制御信号ＮＲＦおよび燃料流量制御信号ＦＲＦが増加し、燃焼器４に送給される燃料流量が増加する。燃料流量が増加すると、ガスタービン排ガス温度ＴＸが上昇する。
【００２９】
排ガス温度ＴＸが上昇すると、図示しない入口空気案内翼制御回路により入口空気案内翼角度指令ＩＲＥＦは入口空気案内翼を更に開いていく方向に制御して、空気流量を増加させる。
【００３０】
このようにして、燃料流量、空気流量が増加すると、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤ、燃焼器器内圧力、燃焼器器内燃焼ガス温度、負荷ＭＷが増加する。
【００３１】
ところで、排ガス温度制御部２４は、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤの関数として、関数発生器４４により与えられる排ガス温度上限値ＴＲに排ガス温度ＴＸを制御するものである。発電機出力ＭＷをいっぱいまで高くしていくと、入口空気案内翼角度は上限となり、やがて排ガス温度ＴＸは排ガス温度上限値ＴＲに達するので、減算器４５で演算された制御偏差ＴＥが負となり、比例積分制御器４６の値、すなわち排ガス温度制御信号ＴＲＦが減少し、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦが速度負荷制御信号ＮＲＦから排ガス温度制御信号ＴＲＦに切換る。
【００３２】
関数発生器４４の特性を図２５に示す。図２５において、併記してあるカーブＴＡは排ガス温度高警報設定値、カーブＴＴは排ガス温度高トリップ設定値であり、この両者はガスタービンを過温度から保護しようとするものである。
【００３３】
図２５における排ガス温度上限値ＴＲが、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤの上昇と共に右下がりになっているのは、ガスタービン効率が高くなっていくからで、燃焼器器内燃焼ガス温度およびガスタービン入口ガス温度を高温部品材料および高温部品冷却性能から決まる所定の計容温度で運転するためには、ガスタービン排ガス温度ＴＸを図示のように制御しなければならないことを示している。
【００３４】
次に本発明に関する従来技術の特徴的な内容を補足説明する。着火時には、燃空比が着火条件を満足するように、比較的多い燃料流量が燃焼器４に供給される。そして着火すると排ガス温度ＴＸは相当高温まで上昇する。火炎検知後は燃焼の安定化を図るため、数秒の時間経過後に燃料流量制御弁開度ＬＦを着火開度から暖機開度まで絞る。
【００３５】
排ガス温度検出器１９は、周囲の金属ダクト等の温度の影響を大きく受けると、共に熱電対そのものの検出遅れがある。そのため実際の排ガス流そのものの温度に比べて着火時の排ガス温度ＴＸは低めになり、且つ時間遅れをもって現れる。
【００３６】
ガスタービン保護のための過温度の検出は、図２５に示すように排ガス温度ＴＸにより行っているが究極の目的は燃焼器４及びガスタービン８の入口の高温部品を過温度の燃焼ガスから保護しようとするものであるから、保護動作は速やかに且つ正確に行うことが不可欠である。
【００３７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のガスタービン制御装置では、着火操作時に過大の燃料流量が供給された場合には、ガスタービン排ガス温度の検出遅れがあるので、十分なガスタービンプラン卜保護が困難であるという不適合があった。
【００３８】
また、高負荷運転域では、ガスタービン排ガスの温度制御が行われているものの、排ガス温度制御の上限設定値と排ガス温度高警報設定値および排ガス温度高トリップ設定値の間に余裕が少ないため、燃料圧力制御弁の上流側で燃料圧力変動が発生した場合に相当量の燃料流量が供給されると、ガスタービン排ガス温度の検出遅れがあるので、すみやかに燃料流量を絞ってガスタービントリップを回避することおよび十分なガスタービンプラント保護が困難であるという不適合があった。
【００３９】
本発明の目的は、ガスタービンプラントにおける高温部品の過温度からの保護を図りつつ、好適なガスタービン制御を行えるガスタービン制御装置を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を実現するため、請求項１に対応する発明は、空気圧縮機と共に同軸上に結合されるガスタービンと、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料配管を経て送給される燃料とを混合燃焼して前記ガスタービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、この燃焼器の入口側燃料配管に配置される燃料流量制御弁および燃料ノズルと、前記燃料流量制御弁の１次側燃料配管に配置された燃料圧力制御弁と、前記燃料流量制御弁の１次側燃料圧力を検出する第１圧力検出器とを備え、前記燃料圧力制御弁により前記燃料流量制御弁の１次側燃料圧力を制御すると共に、前記燃料流量制御弁により前記燃焼器に送給される燃料流量を制御するガスタービン制御装置において、前記燃料流量制御弁の開度に基づいて前記燃料圧力制御弁の開度制限値を与え、前記燃焼器の着火操作中に前記燃料圧力制御弁の開度が前記開度制限値を越えたことによりガスタービントリップとするようにしたガスタービン制御装置である。
【００４１】
請求項１に対応する発明によれば、着火操作中の燃料流量制御弁開度が何らかの異常により着火開度設定値を大きく越えた場合には、ガスタービン排ガス温度検出によらずとも、燃料流量過大とみなし燃焼前にすみやかにガスタービントリップとし、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護することができる。逆に、着火操作中の燃料流量制御弁開度が着火開度設定値を越える程度が小さい場合には、ガスタービントリップを回避し、着火操作を続行することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細を説明する。
【００４３】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明によるガスタービン制御装置の第１の実施の形態の要部のみを示すブロック図であり、これは概略、図２１に示すガスタービンプラントのガスタービン制御装置１１を次のように構成したものである。
【００４４】
ガスタービンプラントの構成は、前述したように空気圧縮機２と共に同軸上に結合されるガスタービン８と、空気圧縮機２からの吐出空気と燃料配管を経て送給される燃料とを混合燃焼してガスタービン８に燃焼ガスを送給する燃焼器４と、燃焼器４の入口側燃料配管に配置される燃料流量制御弁６および燃料ノズル７と、燃料流量制御弁６の１次側燃料配管に配置された燃料圧力制御弁５と、燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力を検出する第１圧力検出器１８とを備え、燃料圧力制御弁５により燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力を制御すると共に、燃料流量制御弁６により燃焼器４に送給される燃料流量を制御するガスタービン制御装置１１を備えている。
【００４５】
このような構成のものにおいて、本実施形態は、燃料流量制御弁６の開度に基づいて燃料圧力制御弁５の開度制限値を与え、燃焼器４の着火操作中に燃料圧力制御弁５の開度が開度制限値を越えたことによりガスタービントリップとするようにしたガスタービン制御装置である。
【００４６】
これについて、図１〜図３を参照して説明する。図１において、関数発生器４８は燃料流量制御弁開度ＬＦに対応した燃料圧力制御弁開度制限値を与えるもので、その特性を図２に示す。図２におけるＬＦ１は燃料流量制御弁６の着火開度設定値である。ＬＦ２は燃料流量制御弁全開値である。
【００４７】
図１の燃料圧力制御弁開度制限値と燃料圧力制御弁開度ＬＰが比較器４９により比較され、燃料圧力制御弁開度ＬＰが開度制限値を越えると比較器４９がＯＮ信号（“１”）を出力する。火炎検知信号ＦＬＭがＯＦＦ信号（未着火：“０”）の時、その否定器５０のＯＮ信号と比較器４９のＯＮ信号のＡＮＤ（論理積回路）５１によりガスタービントリップ指令を送出することにより、燃料送給を遮断する。
【００４８】
図３は図２の関数発生器４８の特性を説明する図である。図３において、燃料流量制御弁開度ＬＦが計画通りの着火開度設定に保持された場合は、燃料圧力制御弁開度ＬＰは燃料圧力制御によりＡ点で示される開度となる。
【００４９】
ところが、何らかの異常により、燃料流量制御弁開度ＬＦが全開値となった場合、燃料流量制御弁の１次側燃料圧力は低下するので、燃料圧力制御は燃料圧力設定値に燃料圧力を制御しようとして燃料圧力制御弁開度を増加させＢ点で示される開度に制御されるので、過大な燃料流量が燃焼器４に送給されることになる。
【００５０】
このようなケースにおいて、燃料流量を適正に維持するためには燃料流量は燃料圧力と燃料流量制御弁開度の積に比例することから、図３の破線で示したように燃料圧力制御弁開度ＬＰをＣ点まで絞り燃料圧力を下げる必要がある。
【００５１】
このような観点から、着火操作中の燃料圧力制御弁開度制限値をＤ点とＥ点で結ぶ一点鎖線で与える。図２における傾斜線部（ＬＦ１とＬＦ２の間）は図３における一点鎖線に相当する。
【００５２】
このようにしたので、着火操作中の燃料流量制御弁開度が何らかの異常により着火開度設定値を大きく越えた場合には、燃料圧力制御弁開度制限値が低くなるので、燃料流量過大としてすみやかに燃焼前にガスタービントリップ指令を出力させることができるので、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護することができる。
【００５３】
逆に、着火操作中の燃料流量制御弁開度が着火開度設定値を越える程度が小さい場合には、燃料圧力制御弁開度制限値は比較的に高くなるので、不必要なガスタービントリップを回避し、着火操作を続行することができる。
【００５４】
＜第２の実施の形態＞
図４は本実施の形態によるガスタービン制御装置の第２の実施の形態の要部のみを示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【００５５】
図４において、関数発生器５２は燃料流量制御弁開度ＬＦに対応した圧力制限値ＰＲＬを与えるもので、その特性を図５に示す。図５におけるＬＦ１は燃料流量制御弁の着火開度設定値である。ＬＦ２は燃料流量制御弁全開値である。圧力制限値ＰＲＬと図２１の関数発生器２６の出力である燃料圧力設定値ＰＲのうち小さい方の信号が低値選択回路５３で選択され、新たな燃料圧力設定値ＰＲ１として出力する。なお、圧力設定器を構成している関数発生器２６の燃料圧力設定値ＰＲは、図２３に示すようにガスタービン速度Ｎの上昇に従い燃料圧力設定値ＰＲが上昇する特性となっている。
【００５６】
スイッチ５４は着火操作中は図示のように燃料圧力設定値ＰＲ１を選択し、火炎検知後、ガスタービン暖機操作に移ると、燃料圧力設定値ＰＲ側を選択し、別の新たな燃料圧力設定値ＰＲ２が得られるようにしている。
【００５７】
関数発生器５２を図５のような形状の特性にしている理由は、第１の実施の形態において図３を使って説明した理由に同等である。着火操作中の燃料流量制御弁開度が着火開度設定値を越えるに応じ、燃料圧力ＰＦを減少させるようにして適止な燃料流量を燃焼器に送給するようにしている。
【００５８】
このようにしたので、着火操作中の燃料流量制御弁開度が何らかの異常により着火開度設定値を大きく越えることがあっても、燃料圧力を絞ることにより適正な燃料流量を燃焼器に送給することができる。それゆえ、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護しながら、ガスタービン制御を続行することができる。
【００５９】
＜第３の実施の形態＞
図６はガスタービン制御装置の第３の実施の形態の要部のみを示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６０】
図６において、関数発生器５５は図２１の燃料流量制御弁開度ＬＦに対応した燃料圧力制御弁間度制限値ＰＲＦＬを与えるもので、その特性を図７に示す。図７におけるＬＦ１は燃料流量制御弁の着火開度設定値である。ＬＦ２は燃料流量制御弁全開値である。
【００６１】
燃料圧力制御弁開度制限値ＰＲＦＬと燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦのうち小さい方の信号が低値選択回路５６で選択され、新たな燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦ１として出力する。
【００６２】
スイッチ５７は着火操作中は図示のように開度指令ＰＲＦ１を選択し、火炎検知後、ガスタービン暖機操作に移ると、開度指令ＰＲＦ側を選択し、別の新たな開度指令ＰＲＦ２が得られるようにしている。
【００６３】
関数発生器５５を図７のような形状の特性にしている理由は、第１の実施の形態において、図３を使って説明した理由と同等である。着火操作中の燃料流量制御弁開度が着火開度設定値を越えるに応じ、燃料圧力制御弁開度指令を減少させるようにして適正な燃料流量を燃焼器に送給するようにしている。
【００６４】
このようにしたので、着火操作中の燃料流量制御弁開度が何らかの異常により着火開度設定値を大きく越えることがあっても、燃料圧力制御弁開度を絞ることにより適正な燃料流量を燃焼器に送給することができる。それゆえ、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護しながら、ガスタービン制御を続行することができる。
【００６５】
＜第４の実施の形態＞
図８は本発明によるガスタービン制御装置の第４の実施の形態を示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６６】
図８における関数発生器５８は図２２における信号発生器３１に代えて新たに設けたもので、関数発生器５８の入力は燃料圧力制御偏差ＰＥと接続される。図８において関数発生器５８は燃料圧力制御偏差ＰＥに対応した着火開度設定値ＬＦＸを与えるもので、その特性を図９に示す。
【００６７】
着火指令によりスイッチ３０が閉路すると、着火開度設定値ＬＦＸが燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦとなって、燃料流量制御弁開度ＬＦを制御する。燃料圧力制御が不調で燃料圧力ＰＦが圧力設定値を大きくオーバーシュートした場合、圧力制御偏差ＰＥは負極性となり、図９の関数発生器５８により燃料流量制御弁着火開度設定値は圧力制御偏差ＰＥの大きさに応じて減少するようにしている。
【００６８】
このようにしたので、着火操作中の燃料圧力制御が不調となつて燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力が圧力設定値を大きく越えることがあっても、燃料流量制御弁着火開度を修正することにより、適正な燃料流量を燃焼器４に送給することができる。それゆえ、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護しながら、ガスタービン制御を続行することができる。
【００６９】
＜第５の実施の形態＞
図１０は本発明にガスタービン制御装置の第５の実施の形態を示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７０】
ガスタービンパージ速度にて所定時間の間、燃焼器４より下流の燃焼ガス流路の残留燃料をパージするとパージ完了となリ、トルクコンバータによりガスタービン着火速度までガスタービン速度を降下させる。この時点では、燃料圧力制御弁５、燃料流量制御弁６ともに全閉している。
【００７１】
ガスタービン８が着火速度に到達し、図１０におけるＡＮＤ（論理積回路）５９の論理積が成立すると、まず、着火指令として図２２におけるスイッチ３０が閉路し、燃料流量制御弁開度指令ＦＲＦが着火開度設定値となり、燃料流量制御弁開度ＬＦは着火開度に制御される。そして、ガスタービントリップ後の停止過程における途中起動のケースのように、燃料圧力制御弁５と燃料流量制御弁６の間に高圧の燃料が残留している場合は、その残留燃料は着火開度の燃料流量制御弁６の下流に放出される。
【００７２】
そして、残留燃料が放出されたとみなし得る所定時間がタイマ−６０により経過した時点から燃料圧力制御弁５による燃料圧力制御を開始すると共に図２１における信号ＦＬＸをオンし、点火器２１に火花を発生させて燃焼を開始させる。
【００７３】
前述のように、残留燃料を放出した後に燃料圧力制御を開始するのは次の理由による。
【００７４】
図２２における燃料圧力制御部４７の制御器は比例槓分制御器２８であり、一般には、燃料圧力制御を開始するまでは図示しない回路により比例積分制御器２８の出力信号は強制的に零としており、燃料圧力制御弁５も全閉している。
【００７５】
また、比例積分制御器２８の入力側も、常時、ガスタービン速度Ｎおよび燃料圧力ＰＦを入力して、燃料圧力制御開始時点の前後の制御の連続性を図るようにしている。
【００７６】
ところが、燃料圧力制御開始時点におけるガスタービン速度Ｎから決まる燃料圧力設定値ＰＲに比べ残留燃料の燃料圧力が大きい場合には、圧力制御偏差ＰＥが負極性となるので、燃料圧力制御開始前は比例積分制御器２８の比例要素は負極性の値となる。
【００７７】
一方、比例積分制御器２８の積分要素は、燃料圧力制御開始前は、比例要素と積分要素の和が零になるように動作しているので、積分要素は正極性の値となる。
【００７８】
従って、特に残留燃料の燃料圧力が高い場合には、燃料圧力制御開始時点の積分要素は大きな正極性の値となる。この状態から、従来のように、同時に燃料圧力制御弁５と燃料流量制御弁６の制御を開始すると、両弁５，６の間の燃料配管の燃料圧力ＰＦは、まず残留燃料が放出されて燃料圧力ＰＦが急速に降下する現象が現れるので、燃料圧力ＰＦが急速に降下する現象が現れるので、燃料圧力ＰＦの圧力降下分だけ圧力制御偏差ＰＥが増加し、比例要索の値を急増させる。
【００７９】
その結果、比例要素と積分要素の和である燃料圧力制御弁開度指令ＰＲＦは相当に大きな値となって燃料圧力制御弁５は大きく急開し、燃料流量制御弁６の１次側燃料圧力を急上昇させて、燃焼器４に過大な燃料流量を送給することになる。前述のように残留燃料を燃料圧力制御開始前に放出しておけば、この現象を回避することができる。
【００８０】
以上述べた第５の実施形態によれば、過大な燃料流量を燃焼器４に送給することなく、好適な着火操作とガスタービン制御を行うことができる。
【００８１】
＜第６の実施の形態＞
図１１は本発明によるガスタービン制御装置の第６の実施の形態の一部を示すブロック図である。ここでは、図２１、図２２および図１０と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８２】
図１１において、燃料圧力ＰＦは信号発生器６１の与える無圧に相当する設定値と比較器６２で比較され、燃料圧力ＰＦがこの設定値以下になると比較器６２は残留燃料放出完了とみなしてＯＮ信号を出力する。ＡＮＤ５９の出力および比較器６２の出力がともに成立するとＡＮＤ（論理積回路）６３により燃料圧力制御を開始すると共に点火器２１にスパーク指令を出して燃焼を開始する。
【００８３】
第５の実施の形態では、残留燃料放出完了に必要な放出時間を図１０のタイマ−６０で設定していたのに対し、この第６の実施の形態では、直接燃料圧力を見ることにより残留燃料放出完了を判定するようにしている。その作用、効果は前述した第５の実施の形態と同等であるが、本実施形態はタイマー６０による遅延を使用しないので、残留燃料がない場合にはガスタービン着火速度に到達後、直ちに燃焼に移行することができる。
【００８４】
以上述べた第６の実施形態によれば、過大な燃料流量を燃焼器に送給することなく、好適な着火操作とガスタービン制御を行うことができる。
【００８５】
＜第７の実施の形態＞
図１２は本発明によるガスタービン制御装置の第７の実施の形態を示すブロック図である。図２１および図２２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８６】
図１２において、関数発生器６４の入力側は、図２２の圧力制御偏差ＰＥに接続される。関数発生器６４は燃料圧力制御部４７の圧力制御偏差ＰＥに対応した積分入力加算信号ＰＥＡを与えるもので、その特性を図１３に示す。
【００８７】
この積分入力加算信号ＰＥＡは比例積分制御器４６の積分要累４６ａの入力として温度制御偏差ＴＥと共に加算器４６ｂにて加算される。温度制御偏差ＴＥを比例要素４６ｃに通して得られた信号と積分要素４６ａの出力信号が加算器４６ｄにて加算されて、比例積分制御器４６の出力信号としてガスタービン排ガス温度制御信号ＴＲＦが得られる。
【００８８】
排ガス温度制御信号ＴＲＦが低値として燃料流量制御信号選択回路２５にて選択されているときには、燃料流量制御弁６は排ガス温度ＴＸを、排ガス温度上限値ＴＲを目標として制御中である。
【００８９】
このような高負荷運転域で運転中に燃料圧力制御弁５の１次側の燃料圧力が何らかの上流側の異常により燃料圧力高方向に大きく変動した場合、燃料流量制御弁６の１次側の燃料圧力も高い方向に変動する。
【００９０】
そして、燃料圧力制御弁５は圧力制御偏差ＰＥが負極性方向に大きくなるに応じて燃料流量を絞るように動作するが十分に絞りきれないので、図１３に示すように圧力制御偏差ＰＥが負極性方向にデッドバンドを越えて大きくなった場合には積分入力加算信号ＰＥＡに所定の負極性の値を与えて図１２に示すように比例積分制御器４６の積分要素４６ａの値を減少させる。
【００９１】
それにより、検出遅れのある排ガス温度ＴＸが上昇する前に燃料流量制御弁開度を絞るように制御して燃料流量を減少させることができるので、ガスタービンプラントの過温度による損傷を回避しつつ、好適なガスタービン制御を続行することができる。
【００９２】
＜第８の実施の形態＞
図１４は本発明によるガスタービン制御装置の第８の実施の形態を示すブロック図である。図２１、図２２および図１２と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００９３】
図１４において、変化率演算器６５は排ガス温度ＴＸを入力として排ガス温度変化率ｄ（ＴＸ）／ｄｔを出力する。
【００９４】
そして関数発生器６６は図１５に示すように、入力の排ガス温度変化率が正極性のときのみ、そのまま出力として通過させ、負極性のときには零を出力する。関数発生器６６で得られた排ガス温度高方向の排ガス温度変化率ｄ（ＴＸ）／ｄｔは、信号発生器６７の与える係数と乗算器６８にて乗算され、そのあと現在の排ガス温度ＴＸと加算器６９にて加算し、予測排ガス温度ＴＸＰを得る。
【００９５】
この予測排ガス温度ＴＸＰは、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤを入力として関数発生器７０により与えられる図２５の排ガス温度高警報設定値ＴＡあるいは排ガス温度高トリップ設定値ＴＴと比較器７１にて比較される。
【００９６】
ここで、関数発生器７０の出力信号は、排ガス温度高警報設定値ＴＡあるいは排ガス温度高トリップ設定値ＴＴのいずれかであってもよく、いずれか一方の設定値が適用される。比較器７１での比較の結果、予測排ガス温度ＴＸＰが設定値より大きいときには、比較器７１は図１４において点線で示すようにスイッチ７２を閉路し、信号発生器７３の与える負極性の所定の積分入力加算信号ＴＸＡを比例積分制御器４６の積分要素４６ａの入力信号として、温度制御偏差ＴＥとともに加算し、排ガス温度制御信号ＴＲＦを減少させて燃料流量を減少させる。
【００９７】
このように第８の実施の形態によれば、高負荷域におけるガスタービン排ガス温度制御中に、排ガス温度が高方向の高い温度変化率を示して、排ガス温度高警報設定値あるいは排ガス温度高トリップ設定値を越えると予測できる場合には、事前に燃料流量を減少させることができるので、ガスタービンプラントの過温度
による損傷を回避しつつ、好適なガスタービン制御を続行することができる。
【００９８】
＜第９の実施の形態＞
図１６は本発明のガスタービン制御装置の第９の実施の形態を示すブロック図である。図２１、図２２および図１４と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００９９】
図１６において、関数発生器７０が与える排ガス温度高警報設定値ＴＡ、あるいは排ガス温度高トリップ設定値ＴＴと、予測排ガス温度ＴＸＰとの温度差が減算器７４にて演算される。
【０１００】
そして、図１７で図示された関数発生器７５により正極性の信号が、上記温度差に対応して得られ、その信号を比例積分制御器４６の積分要素４６ａの入力信号として加算される。従つて、予測排ガス温度が排ガス温度高警報設定値ＴＡあるいは排ガス温度高トリップ設定値ＴＴを越えると、該越えた温度分の大きさに応じて排ガス温度制御信号ＴＲＦを減少させることができるので、より温度上昇抑制効果が大きい。
【０１０１】
以上述べた第９の実施の形態によれば、高負荷域におけるガスタービン排ガス温度制御中に、排ガス温度が高方向の高い温度変化率を示して、排ガス温度高警報設定値あるいは排ガス温度高トリップ設定値を越えると予測できる場合には、事前に燃料流量を減少させることができるので、ガスタービンプラントの過温度による損傷を回避しつつ、好適なガスタービン制御を続行することができる。
【０１０２】
＜第１０の実施の形態＞
図１８および図１９は本発明によるガスタービン制御装置の第１０の実施の形態の概略構成を示す図である。図２１と同一部分および相当する部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【０１０３】
図１８と図２１の相違点は、燃料流量制御弁６と燃料ノズル７の間の燃料配管に第２圧力検出器７６を設け燃料圧力ＰＦＢを得るようにした点である。
【０１０４】
図１９において、燃料流量制御弁の２次側燃料の燃料圧力ＰＦＢが、信号発生器７７の所定設定値を越えると比較器７８がＯＮ信号を出力する。そして、火炎検知信号ＦＬＭの否定器７９がＯＮすなわち未着火のときＡＮＤ（論理積回路）８０が成立し、タービントリップ指令を出力して燃料送給を遮断するようにしている。
【０１０５】
一般に燃料ノズルを通過する燃料流量Ｑは
Ｑ＝Ｃ×Ａ×（Ｐ一ＰＣＤ×Ｋ）1/2
で与えられる。
【０１０６】
ここで、Ｃは流量係数、Ａは燃料ノズル開口部面積、Ｐは燃料ノズル入口側燃料圧力、ＰＣＤは空気圧縮機吐出空気圧力、Ｋは係数であり、ＰＣＤ×Ｋは燃料ノズル出口側燃料圧力である。
【０１０７】
従って、着火操作時の空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤが一定とみなすことができれば、燃料流量Ｑの制限流量が与えられると、燃料圧力Ｐの制限値が決まる。
【０１０８】
図１９では、その燃料圧力制限値を信号発生器７３が圧力設定値として与え、燃料圧力ＰＦＢが圧力設定値を越えると燃料流量過大としてガスタービントリップとするようにしている。
【０１０９】
尚、図１９では火炎検知されると直ちに燃料圧力ＰＦＢの監視を停止するようにしているが、少なくとも着火操作中は監視を必要とし、火炎検知後も、通常運転中における燃料圧力ＰＦＢが圧力設定値を越えない負荷域までなら監視を続行してもよい。
【０１１０】
以上述べた第１０の実施の形態によれば、燃料圧力制御弁開度の機械的変位が小さくて精度よく着火時の開度制限値を設定することが困難な場合においても、燃料流量制御弁の２次側の燃料圧力により燃料流量過大を検出することができるので、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護することができると共に、不必要なガスタービントリップを回避することができる。
【０１１１】
＜第１１の実施の形態＞
図１８は本発明によるガスタービン制御装置の第１１の実施の形態の概略構成を示す図であり、図２０は本発明によるガスタービン制御装置の第１１の実施の形態を示すブロック図である。
【０１１２】
図２１および図１９と同一部分および相当する部分には同一符号を付し，てその説明を劣略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。図２０において、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤと信号発生器８１の係数Ｋが乗算器８２にて乗算され、その結果ＰＣＤ×Ｋを得る。減算器８３にて燃料圧力ＰＦＢとＰＣＤ×Ｋの圧力差を得る。この圧力差と信号発生器８４の所定設定値ＤＰが比較器８５にて比較され、未着火の条件のもとで、圧力差が設定値ＤＰを越えると燃料流量過大としてガスタービントリップ指令を出力し燃料送給を遮断する。前述の燃料流量Ｑの関係式は次のように変形できる。
【０１１３】
Ｐ−ＰＣＤ×Ｋ＝［Ｑ／（Ｃ×Ａ）］2
着火操作時の着火タイミンダが一定せず空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤを変数として燃料流量過大の監視をする必要のあるケースにおいては、図２０の実施の形態を適用できる。設定値ＤＰは前述の式の［Ｑ／（Ｃ×Ａ）］2 に相当する。
【０１１４】
従って、燃料圧力制御弁開度の機械的変位が小さくて精度よく着火時の開度制限値を設定することが困難な場合においても、また、ガスタービン着火タイミングが変更される場合においでも、燃料流量制御弁の２次側の燃料圧力と空気圧縮機吐出空気圧力に基づいて燃料流量過大を検出することができるので、ガスタービンプラントを過温度による損傷から保護することができると共に、不必要なガスタービントリップを回避することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、ガスタービンプラントにおける高温部品の過温度からの保護を図りつつ、好適なガスタービン制御を行えるガスタービン制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のガスタービン制御装置の第１の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図２】 図１の実施の形態における燃料流量制御弁開度と燃料圧力制御弁開度制限値の特性を示す関係図。
【図３】 図１の実施の形態における関数発生器の特性を示す関係図。
【図４】 本発明のガスタービン制御装置の第２の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図５】 本発明のガスタービン制御装置の第２の実施の形態に関する圧力制限値と燃料流量制御弁開度の特性を示す関係図。
【図６】 本発明のガスタービン制御装置の第３の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図７】 本発明のガスタービン制御装置の第３の実施の形態に関する燃料圧力制御弁開度制限値と燃料流量制御弁開度の特性を示す関係図。
【図８】 本発明のガスタービン制御装置の第４の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図９】 本発明のガスタービン制御装置の第４の実施の形態に関する燃料圧力制御偏差と着火開度設定値の特性を示す関係図。
【図１０】 本発明のガスタービン制御装置の第５の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１１】 本発明のガスタービン制御装置の第６の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１２】 本発明のガスタービン制御装置の第７の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１３】 本発明のガスタービン制御装置の第７の実施の形態に関する圧力制御偏差と積分入力加算信号の特性を示す関係図。
【図１４】 本発明のガスタービン制御装置の第８の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１５】 本発明のガスタービン制御装置の第８の実施の形態に関する関数発生器の特性を示す関係図。
【図１６】 本発明のガスタービン制御装置の第９の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１７】 本発明のガスタービン制御装置の第９の実施の形態に関する関数発生器の特性を示す関係図。
【図１８】 本発明のガスタービン制御装置の第１０の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図１９】 本発明のガスタービン制御装置の第１１の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図２０】 本発明のガスタービン制御装置の第１１の実施の形態の要部のみを示すブロック図。
【図２１】 従来のガスタービンプラントの第１の例を示す概略構成図。
【図２２】 図２１のガスタービン制御装置の第１の例を示すブロック図。
【図２３】 図２１のガスタービン制御装置に関する関数発生器の特性を示す関係図。
【図２４】 図２１のガスタービン制御装置に関する起動制御信号の変化を示す関係図。
【図２５】 図２１のガスタービン制御装置に関する関数発生器の特性を示す関係図。
【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…燃料圧力制御弁、６…燃料流路、７…燃料ノズル、８…ガスタービン、９…ガスタービン軸、１０…発電機、１１…ガスタービン制御装置、１２…軸端歯車、１３…速度検出器、１４…火炎検知器、１５…吐出空気圧力検出器、１６…弁開度検出器、１７…弁開度検出器、１８…第１圧力検出器、１９…ガスタービン排ガス温度検出器、２０…発電機出力検出器、２１…点火器、２２…起動制御部、２３…速度負荷制御部、２４…排ガス温度制御部、２５…燃料流量制御信号選択回路、２６…関数発生器、２７…減算器、２８…比例積分制御器、２９…減算器、３０…スイッチ、３１…信号発生器、３２…変化率制限器、３３…減算器、３４…スイッチ、３５…信号発生器、３６…スイッチ、３７…信号発生器、３８…速度負荷設定器、３９…減算器、４０…比例制御器、４１…負荷指令設定器、４２…減算器、４３…上下制限器、４４…関数発生器、４５…減算器、４６…比例積分制御器、４７…燃料圧力制御部。
Claims (1)
- 空気圧縮機と共に同軸上に結合されるガスタービンと、
前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料配管を経て送給される燃料とを混合燃焼して前記ガスタービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、
この燃焼器の入口側燃料配管に配置される燃料流量制御弁および燃料ノズルと、
前記燃料流量制御弁の１次側燃料配管に配置された燃料圧力制御弁と、
前記燃料流量制御弁の１次側燃料圧力を検出する第１圧力検出器とを備え、
前記燃料圧力制御弁により前記燃料流量制御弁の１次側燃料圧力を制御すると共に、前記燃料流量制御弁により前記燃焼器に送給される燃料流量を制御するガスタービン制御装置において、
前記燃料流量制御弁の開度に基づいて前記燃料圧力制御弁の開度制限値を与え、前記燃焼器の着火操作中に前記燃料圧力制御弁の開度が前記開度制限値を越えたことによりガスタービントリップとするようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
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