JP3869490B2 - ガスタービン群の作動の際の主制御量の調整設定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実質的に１つの圧縮機と、少なくとも１つの燃焼室と、少なくとも１つのタービンと、１つの発電機とから成るガスタービン群の作動の際に主制御量を調整設定するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの作動の際に主制御量を調整設定するためのこの形式の方法は公知である。制御量として例えば、出力または回転数を使用することができる。制御システムとして例えば３つの主制御量が使用される。主制御量として出力を使用する場合、第１の制御器は、要求される出力に相応して燃焼室に対する燃料質量流を調整設定する出力制御器である。第２の制御器は、要求されるタービン流入温度に相応して燃焼室に対する燃料質量流を調整設定する出力制御器である。第３の制御器は同様に、要求されるタービン流入温度に相応して圧縮機における案内羽根位置を調整設定するタービン流入温度制御器である。
【０００３】
主制御量に無関係に、第１および第２の制御器は同じ調整部材、即ち燃料質量流に影響を及ぼす。これにより、一方が燃料質量流を絞り、他方がそれを拡げようとする、２つの制御器が相互に干渉し合う状況が生じ得る。
【０００４】
第２および第３の制御器は、同じ出力量（タービン流入温度）に依存している。これにより、相互干渉および制御器の不安定化が生じる。
【０００５】
このような状況を回避するために、複雑な論理回路が必要である。更に、制御システムは制御温度に過敏に反応し、このために制御器の調整設定が非常に難しくなる。
【０００６】
【発明が解決すべき課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のガスタービン群の作動の際に主制御量を調整設定するための方法において、簡単で、迅速でかつ確実な制御を可能にすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によれば、目標値を測定値と比較しかつその結果生じる主制御差を管理部を介してヒエラルキーに少なくとも２つのカスケードに分配し、それぞれのカスケードは実質的に主制御量制御器と、後置接続された、それぞれの量調整部材に作用する量制御器とから構成されているようにしたことによって解決される。
【０００８】
本発明の利点はとりわけ次の点にある。即ち、その都度必要とされる主制御差、例えば出力差または回転数差を管理部によってカスケードに分配することによって、 カスケード間の影響が排除されることである。これにより任意の数のカスケードが許容される。カスケードにおける主制御量制御器および量制御器の順次切換によって、量制御器は常時制御準備状態にある。これにより、ガスタービン群における限界値の超過による過負荷が回避される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説明する。
【００１０】
図には、本発明の理解のために重要なエレメントしか示されていない。同一のエレメントには別の図面でも同一の参照番号が付されている。タービン流入温度は以下、ＴＩＴ（turbine inlet temperature）と簡略に表す。
【００１１】
図１に図示のガスタービン群は実質的に、軸４２を介して相互に連結されている圧縮機４０、タービン４１および発電機と、燃焼室４３とから成っている。圧縮機４０において、空気が空気取り入れ部４４を介して吸入されかつ圧縮される。圧縮機には図示されていない、移動調整可能な案内羽根が存在している。この案内羽根の移動調整によって、空気取り入れ部４４を介して吸入される空気質量流が調整設定される。圧縮された空気は燃焼室４３にガイドされ、燃焼空気は燃料４５に供給されかつ燃料空気混合気が燃焼される。燃料４５の量によって実質的に、生じる煙道ガスの温度が影響を受ける。煙道ガスはタービンに供給され、そこで煙道ガスは膨張されかつ煙道ガスのエネルギーの一部は回転エネルギーに変換される。この回転エネルギーは軸４２を介して発電機４６の駆動のために使用される。なお熱い排ガスは排ガス導管４７を介して放出される。排ガスの熱エネルギーは引き続き利用されるか、もしくは図示されていない、水蒸気を生成するための排熱蒸気発生器において利用することができる。
【００１２】
ガスタービン群の上方に、制御部が略示されている。主制御量として、以下、ガスタービン群の出力が使用されるものとする。加算点２において、要求される出力目標値３と出力測定値４との間の出力差が検出される。出力差５は出力管理部１において処理されかつカスケード分配される。出力成分１３は出力温度カスケード９に分配されかつ出力成分２２は出力圧力カスケード１８に分配される。
【００１３】
出力温度カスケード９において出力成分１３は出力制御器６に入力されかつそこでタービン流入温度(ＴＩＴ）変化１０に変換される。ＴＩＴ変化１０は加算点７においてＴＩＴ基準値１１およびＴＩＴ測定値１２とともに処理されかつ温度制御器８に入力される。ＴＩＴ基準値１１は単にガスタービンを始動するために必要でありかつそれ自体は任意である。というのはこの基準値はＴＩＴ変化１０によって補償することができるからである。温度制御器８において、入力された温度は調整部材に対する信号、即ち燃料質量流調整設定量１４に変換される。燃料質量流調整設定量１４を介して、所望のＴＩＴ、ひいては出力を実現するために必要である燃料４５の量が調整設定される。
【００１４】
出力圧力カスケード１８において、出力成分２２は出力制御器１５に入力されかつそこで圧力変化１９に変換される。圧力変化１９は加算点１６において圧力基準値２０および圧力測定値２１とともに処理されかつ圧力制御器１７に入力される。圧力基準値２０は単にガスタービン群を始動するために必要でありかつそれ自体は任意である。というのはこの基準値は圧力変化１９によって補償することができるからである。圧力制御器１７において、入力された圧力は案内羽根調整設定量２３に対する信号に変換される。
【００１５】
それぞれのガスタービン群の制御のために、作動概念からのキーデータとしての最小および最大の作動量が必要である。これらの量は、例えばヨーロッパ特許出願公開第０６４６７０５号公報（第５頁および第３図）から公知である。その場合その都度の作動概念から、例えば最大ＴＩＴおよび最小ＴＩＴを導出することができる。
【００１６】
従って出力制御器６の制御領域は、作動概念からのＴＩＴ限界値によって決められている。出力制御器６は、最大ＴＩＴおよび最小ＴＩＴ並びにＴＩＴ基準値１１によって決定されるＴＩＴ変化１０（ΔＴＩＴ）を出力する。
【００１７】
ΔＴＩＴ_minimal ＝ ＴＩＴ_minimal − ＴＩＴ_Referenz
ΔＴＩＴ_maximal ＝ ＴＩＴ_maximal − ＴＩＴ_Referenz
従って、最大のＴＩＴ変化１０は、作動概念に相応した最大ＴＩＴマイナスＴＩＴ基準値１１から生じる。それから最大のＴＩＴ変化１０から、出力管理部１が出力温度カスケード９に送出することができる最大の出力成分１３が計算される。これにより、出力管理部１ではいつでも、それぞれの出力カスケード９，１８の出力ポテンシャル（最大出力マイナスその時点での出力）が既知である。
【００１８】
上述の手法と同じことが出力制御器１５においても行われる。その場合そこでは制御領域が、可能な案内羽根調整設定によって決められている。これにより同様に、最大の圧力変化および最小の圧力変化１９、並びに最大の出力成分および最小の出力成分２２が決定される。
【００１９】
出力管理部１による出力差５の、出力カスケード９および１９への分配は、オーバフローの原理に基づいている。出力が比較的高い目標値３の入力によって高められるべきであれば、例えば出力差５は出力管理部１によって最初、出力温度カスケード９に送出される。このカスケードが比較的高い出力をもはや導くことができない、即ち温度カスケード９の最大ＴＩＴおよび最大出力に達している場合、出力差５の残りの成分は出力圧力カスケード１８に送出される。このことは勿論、順次にではなくて、同時に行われる。というのは、カスケード９，１８のその都度の出力成分は出力管理部１ではわかっているからである。
【００２０】
出力管理部１による出力差の分配は、勿論、リターン原理によって行うこともできる。迅速な制御では、例えば要求される出力は最初、異なった出力カスケード９，１８に均等に分配される。出力レベルが保持されれば、出力は出力カスケード９または１８の一方から取り出されかつ他方の出力カスケード９または１８に送出される。このことは、その都度、出力ポテンシャルが利用され、従ってＴＩＴまたは圧力の最大値に達するまでの間、行われる。
【００２１】
図２には、シーケンシャルな燃焼が行われるガスタービン群が図示されている。それは実質的に、圧縮機４０、第１の燃焼室４３Ａを有する第１のタービン４１Ａ、第２の燃焼室４３Ｂを有する第２のタービン４１Ｂおよび発電機４６から成っている。圧縮機４０において圧縮された空気は第１の燃焼室４３Ａに案内される。そこで燃焼空気は燃料４５Ａに供給されかつ燃料空気混合気が燃焼される。生じた煙道ガスは第１のタービン４１Ａに案内され、そこでそれは部分的に膨張され、エネルギーとなって軸４２に送出される。煙道ガスは第２の燃焼室４３Ｂに案内され、そこで燃料４５Ｂに供給されかつ燃料排ガス混合気が燃焼される。生じた煙道ガスは第２のタービン４１Ｂに案内され、そこでそれは膨張されかつ煙道ガスのエネルギーの一部が回転エネルギーに変換される。この回転エネルギーは軸４２を介して発電機４２の駆動のために使用される。まだ熱い排ガスは排ガス導管４７を介して放出される。
【００２２】
ここでは制御のために、３つのカスケード、即ち第１の出力温度カスケード９Ａ、第２の出力温度カスケード９Ｂ並びに出力圧力カスケード１８が使用される。その際カスケード９Ａ，９Ｂ，１８の制御は、図１において説明したの全く同じように行われる。作動概念は勿論、 ガスタービン群のシーケンシャルな燃焼に整合されなければならない。
【００２３】
出力管理部１は、出力差５が３つの出力カスケード９Ａ，９Ｂ，１８に分配されるように、整合される。有利には、シーケンシャルな燃焼が行われるガスタービンにおけるオーバフロー原理を用いてまず、第１の出力温度カスケード９Ａの出力ポテンシャルが利用される。燃料質量流調整設定量１４Ａを用いて、ＴＩＴ測定値１２Ａが最大ＴＩＴに制御される。その後、第２の出力温度カスケード９Ｂの出力ポテンシャルが、引き続いて出力圧力カスケード１８の出力ポテンシャルが利用される。
【００２４】
勿論本発明は、図示の、説明してきた実施例に制限されない。出力は、択一的な主制御量、例えば回転数または周波数（例えばセパレートネットワークのおける）によって置換することができる。ＴＩＴ測定値１２は、それが非常に高いタービン流入温度において測定技術的な理由から検出することができない場合、タービン流出温度および圧力から計算により求めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービン群の制御の原理を説明する略図である。
【図２】シーケンシャルな燃焼が行われるガスタービン群の制御の原理を説明する略図である。
【符号の説明】
１ 出力管理部、
２ 出力の加算点
３ 出力の目標値
４ 出力の測定値
５ 出力差
６ 出力制御器、
７ ＴＩＴの加算点、
８ 温度制御器、
９，９Ａ，９Ｂ 出力温度カスケード、
１０ ＴＩＴ変化、
１１，１１Ａ，１１Ｂ ＴＩＴ基準値
１２，１２Ａ，１２Ｂ ＴＩＴ測定値
１３，１３Ａ，１３Ｂ 出力成分、
１４，１４Ａ，１４Ｂ 燃料質量流調整設定量もしくは調整設定部材
１５ 出力制御器、
１６ 圧力の加算点
１７ 圧力制御器
１８ 出力圧力カスケード、
１９ 圧力変化、
２０ 圧力基準値
２１ 圧力測定値
２２ 出力成分、
２３ 案内羽根調整設定量もしくは調整設定部材
４０ 圧縮機、
４１，４１Ａ，４１Ｂ タービン、
４２ 軸、
４３，４３Ａ，４３Ｂ 燃焼室、
４４ 空気取り入れ部、
４５，４５Ａ，４５Ｂ 燃料、
４６ 発電機、
４７ 排ガス導管

Claims (12)

1. 実質的に１つの圧縮機（４０）と、少なくとも１つの燃焼室（４３）と、少なくとも１つのタービン（４１）と、１つの発電機（４６）とから成るガスタービン群の作動の際に主制御量を調整設定するための方法において、
   目標値（３）を測定値（４）と比較しかつその結果生じる主制御差（５）を管理部（１）を介してヒエラルキーに少なくとも２つのカスケード（９，１８）に分配し、それぞれのカスケード（９，１８）は実質的に主制御量制御器（６，１５）と、後置接続された、それぞれの量調整部材（１４，２３）に作用する量制御器（８，１７）とから構成されている
   ことを特徴とする方法。
2. 主制御量として出力を使用する
   請求項１記載の方法。
3. 主制御量として回転数を使用する
   請求項１記載の方法。
4. 実質的に、主制御量制御器（６）と、温度制御器（８）とから成る少なくとも１つの温度カスケード（９）を使用する
   請求項２または３記載の方法。
5. 温度制御器（８）の調整部材として、燃料質量流調整設定部（１４）を使用する
   請求項４記載の方法。
6. 実質的に、主制御量制御器（１５）と、圧力制御器（１７）とから成る少なくとも１つの圧力カスケード（１８）を使用する
   請求項２または３記載の方法。
7. 圧力制御器（８）の調整部材として、前記圧縮機（４０）における案内羽根調整設定部（２３）を使用する
   請求項６記載の方法。
8. 複数のカスケード（９，１８）の場合、前記管理部（１）は、第１のカスケード（９，１８）のポテンシャルを完全に利用しかつそれから次いで別のカスケード（１８，９）のその都度のポテンシャルを利用する
   請求項２または３記載の方法。
9. 最初に、温度カスケード（９）のポテンシャルを完全に利用する
   請求項８記載の方法。
10. 第１の燃焼室（４３Ａ）を有するシーケンシャル燃焼の場合、最初に、所属の第１の温度カスケード（９Ａ）のポテンシャルを完全に利用する
    請求項８記載の方法。
11. 結果生じる主制御差（５）を管理部（１）により少なくとも２つのカスケード（９，１８）に割り当てるに際し、前記主制御差（５）の少なくとも２つの出力部分（１３，２２）を同時に少なくとも２つのカスケード（９，１８）に供給する
    請求項２または３記載の方法。
12. 主制御量の目標値（３）と測定値（４）との間の主制御差（５）を、実質的に主制御量制御器（６，１５）と、後置接続されている、ガスタービン群のそれぞれの量調整部材（１４，２３）に作用する量制御器（８，１７）とから成っている少なくとも２つのカスケード（９，１８）に割り当てるための管理部（１）。

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