JP4427532B2 - ガスタービンの運転制御装置 - Google Patents

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本発明は、圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給して該燃焼器で発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するようにしたガスタービンの運転制御装置に関する発明である。
一般に、発電所等で用いられているガスタービンは、圧縮機において圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼せしめ、得られる高温高圧の燃焼ガスをタービンに導いて出力を取出している。図13に、このガスタービンの基本的な構成を示す。ガスタービン100には、圧縮機102、燃焼器104およびタービン106が備えられ、圧縮機102で圧縮された空気が制御手段110からの制御信号によって作動される燃料流量調整弁112を介して燃焼器104に供給された燃料と混合して燃焼され、高温の燃焼ガスとなってタービン106で膨張する。この燃料流量調整弁112は燃料流量を制御することで求められる負荷を調整している。また、タービン106では、圧縮機102を駆動し、残りの出力で発電機114等の負荷を駆動するようになっている。
また、圧縮機102の第1段の翼の前側には入口案内翼(Inlet Guide Vane:IGV)116が設けられている。吸気はIGV116により周方向の速度が与えられ圧縮機102に導入される。圧縮機102では導入された空気は多段の動翼と静翼とを通ってエネルギーが与えられて圧力が上昇する。また、IGV116は、周方向に多数枚設けられた可動翼がそれぞれ回動可能に支持されて構成され、制御手段110からの駆動信号によってアクチュエータが作動してこれら可動翼が可動せしめられて、吸気流量、燃焼温度を調整している。
以上のように構成されたガスタービンにおいて、従来の運転パターンを図14を参照して説明する。この図14は横軸に燃焼器の車室内圧力(車室圧力)を、縦軸にはタービンの排ガス温度を示し、IGVを全開に近い開度にして排ガス温度を極端に上げることなく負荷上昇を行い、車室圧力の増加とともに排ガス温度が増加していく運転パターンでもって運転し、最後に定格温度調整ライン(以下定格温調ラインという)(図14のラインS1)と干渉するようになっている。
しかし、近年の環境規制強化に伴い、ガスタービンから排出される排ガスにおけるNOx(窒素酸化物)、CO(一酸化炭素)の排出規制がされているなかで、NOx、COの総排出量の低減、また、部分負荷域における性能向上を狙って、IGVを絞りタービン入口温度を上げた運転をするようになっている。
このようなIGVを絞った運転パターンは、図15のA〜Eで示す運転ラインとなる。この運転ラインは本願発明によって達成しようとする運転ラインであるが、問題点を説明するためにここでこの運転ラインの概要について説明する。
まずA点がガスタービンへの負荷投入ポイントでありその後、IGVを全閉または全閉近傍まで絞った状態で負荷上昇を行い、B点でIGVが開きはじめB点〜C点でガスタービン負荷50〜75%ラインとなる。このB点〜C点では排ガス温度が一定となり中間温度調整ライン(以下中間温調ラインという)(図14のラインS2)付近を通る運転となる。C点からD点ではIGVをさらに開きD点で全開となり、負荷を上げていくとE点で定格温調ラインと干渉する。
なお、中間温調ラインとは、ガスタービンの排気系に障害が生じないようにするために排ガス温度の上限を制限するため温度ラインであり予め設定されている。また、定格温調ラインとは、ガスタービンの燃焼器内が定格温度に維持されるための排ガス温度の上限を制限する温度ラインであり予め設定されている。そのため、これら温度調整ラインに干渉すると、保護回路がはたらいて負荷上昇の運転制御が制限をうけてスムーズな負荷上昇を行うことができなくなる虞がある。このため干渉を避ける運転ライン、または運転方法を選択する必要がある。
一方、ガスタービンのIGVを制御する先行技術として、例えば、特開2003−206749号公報(特許文献1)、特開2001−200730号公報(特許文献2)が知られている。この特許文献1には、IGVの開度領域が低い場合には少しの開度変化で吸気流量が大きく変化し、IGVの開度領域が高い場合には少しの開度変化で吸気流量がほとんど変化しないように開度領域によって吸気流量が大きく変化するが、このように開度領域によって吸気流量が大きく変化する場合であっても、出力に対して所定の吸気流量が確保できる運転方法が示されている。
また、特許文献2には、ガスタービン実出力が出力計画値に対して余裕がある場合や、部分負荷運転時の場合に、空気圧縮機入口温度を入力として空気圧縮機に吸入される空気量を制御するIGVの開度上限値を制御する運転方法が示されている。
また、ガスタービンの燃焼器への燃料供給量を制御する先行技術は多数知られており、例えば、特開平11−210496号公報(特許文献3)には、ガスタービンの燃焼器に燃料を送る燃料流量調節弁を備えたガスタービンの燃料供給系統の燃料流量を制御して、ガスタービンの着火性を改善し、暖機運転中の安定燃焼を確保する技術が示されている。
特開2001−200730号公報 特開2003−206749号公報 特開11−210496号公報
しかし、特許文献1、2に示されているIGVの制御方法は、前述のように吸気量を確保する運転方法、またはガスタービン実出力が出力計画値に対して余裕がある場合や、部分負荷運転時の場合にIGVの開度上限値を制限して効率低下を防止しようとする運転方法であり、IGVを全閉または全閉近傍にしてタービン入口温度を上げてガスタービンから排出されるNOx(窒素酸化物)、CO(一酸化炭素)の排出量を改善すること、さらに部分負荷域からの負荷上昇を向上することについては示されてなく、排ガス浄化効果は期待できないものである。
また、特許文献3には、ガスタービンの燃焼器に燃料を送る燃料流量調節弁を制御して燃料量を制御するものであるが、ガスタービンの着火性を改善し、暖機運転中の安定燃焼を確保する技術であり、排ガス浄化向上、さらに負荷上昇をスムーズに行なわせることについては示されていない。
また、前述した図15のような運転ラインによると、排ガス温度の計測器が排ガス温度熱電対によって行われるため、計測器の応答遅れによって、実際にはC点からD点へ移行しているにもかかわらず、見かけ上、即ち計測温度値としては高い値を指すため、C点から矢印Pで示すように定格温調ラインに干渉(G部)してしまう問題がある。
さらに、中高負荷域からの負荷上昇時には、例えば図15のC点(約75%負荷点)からの負荷上昇時には中間温調ラインまたは定格温調ラインと干渉する虞があり、負荷上昇の保証値(例えば、0%→100%を15分で達成する場合)を満足できない虞もある。
そこで、本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、IGVによって吸気を絞りタービンの入口温度を上げた運転パターン、すなわち図15で示すような運転パターンによって運転できるようにすることで、NOx、COの排出規制強化への対応を可能とするとともに、部分負荷領域から負荷上昇を行った際に、排ガス温度計における計測遅れ等の負荷上昇を妨げる要因を解消して部分負荷領域からのスムーズな負荷上昇を可能にするガスタービンの運転制御装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給して該燃焼器で発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するようにしたガスタービンの運転制御装置において、前記圧縮機の前側には入口案内翼が設けられ、予め設定された発電機出力に対する入口案内翼の開度の関係に基づいて前記発電機出力の検出値から前記入口案内翼の開度を設定する入口案内翼開度設定手段と、 排ガス温度導出手段によって導かれた前記タービンの排ガス温度と予め排ガス温度の上限値として設定された排ガス設定温度との偏差に基づいてフィードバック算出される入口案内翼の開度補正量によって前記入口案内翼開度設定手段による入口案内翼開度を補正する第1補正手段と、ガスタービンの負荷変化を算出して負荷上昇時の負荷変化量が大きいほど前記入口案内翼開度を開き方向に補正する開度補正量を算出して前記入口案内翼開度設定手段による入口案内翼開度を補正する第2補正手段と、前記入口案内翼のアクチュエータに前記第1補正手段および第2補正手段よる補正後の開度駆動指令信号を出力する入口案内翼制御手段とを備え、さらに、前記第1補正手段にはガスタービンの負荷上昇時に前記排ガス設定温度を低下させて、前記排ガス温度導出手段による排ガス温度との偏差を小さくせしめる排ガス設定温度補正手段を備えたことを特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、発電機出力値に基づいて設定される入口案内翼(IGV)開度を、排ガス温度による補正手段である第1補正手段と、ガスタービンの負荷変化による補正手段である第2補正手段によって補正してIGV開度を算出するため、IGVによって吸気を絞って中間温調ライン、定格温調ラインに近接した運転パターンを行なっても、これら温度調整ラインを排ガス設定温度とすることで、排ガス温度を温度調整ラインから設定範囲内に維持できると共に、部分負荷領域から負荷上昇を行った際においても、負荷上昇変化を算出して排ガス温度に影響が出る前に早めにIGVを開いて運用することで、排ガス温度を低めに抑えることができる。
以上のように、請求項1に記載の発明によればIGVによって吸気を絞り(全閉またはその近傍)タービンの入口温度を上げた運転パターンが可能になって排ガス浄化効果を達成すると共に、部分負荷領域からのスムーズな負荷上昇を達成することができる。
また、本発明によれば、前記第1補正手段にはガスタービンの負荷上昇時に前記排ガス設定温度を低下させて、前記排ガス温度導出手段による排ガス温度との偏差を小さくせしめる排ガス設定温度補正手段を備えたので、ガスタービンの負荷上昇時に前記偏差を小さくせしめることによって第1補正手段よる補正によってIGVを開く方向にフィードバックが働き、負荷上昇時に第2補正手段によって開方向への補正動作と逆らう方向に作用することが防止されて、IGVの開作動が持続される。
タービンの入口温度が高い状態での負荷変化時においては、排ガス温度計の計測遅れにより定格温調ラインと干渉することが懸念されるが、負荷上昇時にこのように排ガス設定温度を下げることで、IGVを開き方向への補正が可能となり定格温調ラインと干渉することを回避することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のガスタービンの運転制御装置であって、前記第2補正手段は、前記ガスタービンの負荷が中高負荷の範囲にある場合に作動することを特徴とすることを特徴とする。
請求項2に記載の発明によれば、中高負荷の部分負荷域からの負荷上昇の場合に、従来温度調整ラインに干渉して保護回路がはたらいて負荷上昇の運転制御が制限をうけてスムーズな負荷上昇を行うことができなくなる問題が解消され、スムーズな負荷上昇を行うことができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のガスタービンの運転制御装置であって、前記入口翼案内制御手段には、入口案内翼の最小開度を設定する下限値設定手段を有し、該下限値設定手段はタービン入口温度に応じて前記最小開度が設定されることを特徴とする。
請求項3に記載の発明によれば、IGVを絞ってタービンの入口温度を上げた運転パターンで運転しているときに、さらにIGVを絞る方向に制御することは吸気流量の減少につながり、さらにタービンの入口温度を高めることになる。場合によってはガスタービンの損傷につながる虞があるため、さらにIGVを絞ることは避けなければならない。そこで、入口案内翼の最小開度を設定する下限値設定手段を設けて、ガスタービンの損傷等に直接的につながるタービンの入口温度に関する値に基づいて最小開度を設定することで、ガスタービンの損傷につながるようなタービンの入口温度に達することを回避して、IGVを絞ってタービンの入口温度を上げた運転パターンでの運用を可能にする。その結果排ガス浄化効果を確実に達成することが可能になる。
請求項に記載の発明は、請求項1に記載のガスタービンの運転制御装置であって、前記第1補正手段には前記ガスタービンの負荷上昇量が一定値以上のときに該第1補正手段による補正を非作動とするカットオフ制御部を有したことを特徴とする。
請求項に記載の発明によれば、カットオフ制御部によって、前記ガスタービンの負荷上昇量が一定値以上のときに該第1補正手段による排ガス温度による補正を非作動とするため、負荷上昇時の第2補正手段による開方向への補正動作が第1補正手段による補正によって逆方向となるような影響を受けることがなく、IGVの開作動が持続される。その結果請求項4記載の発明と同様にIGVを開き方向への補正が維持され定格温調ラインと干渉することを回避することができる。
請求項に記載の発明は、請求項1に記載のガスタービンの運転制御装置であって、タービンの最終段のブレードを通過した直後のガス温度を検出するブレードパス温度検出手段と該ブレードパス温度検出手段の位置より下流側の排気通路に設置された排ガス温度検出手段とを設け、前記第1補正手段の排ガス温度導出手段は、前記ブレードパス温度検出手段の検出値から前記燃焼器の車室圧力に応じて設定される値を減算した値と前記排ガス温度検出手段からの検出値のうち高温データを採用することを特徴とする。
請求項に記載の発明によれば、ブレードパス温度から作られる排ガス温度をより正確なものとすることができる。
すなわち、従来、ブレードパス温度から一定値を引くことで「プレートパス温度によって作られる排ガス温度」を作っていたが、ガスタービン出力、吸気流量、車室内圧力などによってブレードパス温度と排ガス温度の差は一定ではない。そこで、バイアス値を車室内圧力の関数とすることで、より正確な「プレートパス温度によって作られる排ガス温度」を導くことができる。
請求項に記載の発明は、請求項1に記載のガスタービンの運転制御装置であって、タービンの最終段のブレードを通過した直後のガス温度を検出するブレードパス温度検出手段と該ブレードパス温度検出手段の位置より下流側の排気通路に設置された排ガス温度検出手段とを設け、前記第1補正手段の排ガス温度導出手段は、前記ガスタービンの負荷上昇量が一定以上のときに前記ブレードパス温度検出手段からの検出値が採用されることを特徴とする。
請求項に記載の発明によれば、応答性の速いブレードパス温度検出手段からの算出値を排ガス温度として採用することができ、正しく遅れのない排ガス温度で第1補正手段によるフィードバック制御が可能になる。
すなわち、タービンの入口温度が高い状態での部分負荷から負荷上昇時に、排ガス温度検出手段からの検出値を用いると、排ガス温度検出手段からの検出値は応答性が遅いため、フィードバック制御に遅れが生じ負荷上昇の妨げとなる。そこで、ガスタービンの負荷上昇量を用いて、負荷上昇量が一定以上のときには、排ガス温度検出手段による検出値から所定のバイアス値を減算してブレードパス温度検出手段からの検出が選択されるようにすることによって(高値選択である)、応答性の速いブレードパス温度検出手段からの検出値を排ガス温度として採用することができる。その結果、計測器の応答遅れによって生じる定格温調ラインとの干渉を回避することができる。
本発明によれば、IGVによって吸気を絞りタービンの入口温度を上げた運転パターンとすることで、さらに排ガス温度による燃料制御への移行を抑えて負荷に基づく燃料制御をできるだけ維持するようにすることで、タービン入口温度を上げた運転によってNOx、COの排出規制強化への対応を可能とするとともに、部分負荷領域から負荷上昇を行った際に、排ガス温度計における計測遅れ等の負荷上昇を妨げる要因や排ガス温度に基づく燃焼器への燃料量制御による負荷上昇の遅れを解消して部分負荷領域からのスムーズな負荷上昇を可能にするガスタービンの運転制御装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
参照する図面において、図1は本発明に係るガスタービンの運転制御装置の実施の形態を示す全体構成図である。図2は全体制御ブロック図である。図3は第1の実施の形態に係る詳細な制御ブロック図である。図4は第1の実施の形態における説明図であり、(a)はガスタービンの設定出力を示し、(b)は(a)の出力の擬似微分値を示し、(c)は第1補正手段を有効にする範囲を示し、(d)は第1補正手段の出力ゲインを示す。図5は第3の実施の形態に係る説明図であり、(a)は詳細な制御ブロック図、(b)は車室圧力と排ガス温度との関係を示す。図6は第5の実施の形態に係る説明図である。図7は第6の実施形態の詳細な制御ブロック図である。図8は第7、8の実施の形態に係る制御ブロック図である。図9は第9の実施の形態に係る制御ブロック図である。図10は第10の実施の形態に係る制御ブロック図である。図11は第11の実施の形態に係る制御ブロック図である。図12は第9、10、11の実施の形態の説明図である。
まず、本発明によるガスタービンの制御装置の全体構成を、図1を参照して説明する。図13の構成図と同一の構成要素については同一の符号を付する。
ガスタービン100には、圧縮機102、燃焼器104およびタービン106が備えられ、圧縮機102で圧縮された空気が制御手段2の燃料制御手段4からの制御信号によって作動される燃料流量調整弁112を介して燃焼器104に供給された燃料と混合して燃焼され、高温の燃焼ガスとなってタービン106で膨張する。この燃料流量調整弁112は燃料流量を制御することで求められる負荷、さらには排ガス温度を調整している。
また、タービン106では、圧縮機102を駆動し、残りの出力で発電機114の負荷を駆動するようになっている。
また、圧縮機102の第1段の翼の前側には入口案内翼(Inlet Guide Vane:IGV)116が設けられている。吸気はIGV116により周方向の速度が与えられ圧縮機102に導入される。圧縮機102では導入された空気は多段の動翼と静翼とを通ってエネルギーが与えられて圧力が上昇する。また、IGV116は、周方向に多数枚設けられた可動翼がそれぞれ回動可能に支持されて構成され、制御手段2のIGV制御手段(入口案内翼制御手段)6からの駆動信号によってIGVのアクチュエータが作動してこれら可動翼が可動せしめられて、吸気流量、燃焼温度を調整している。
タービン106の最終段部には最終段のブレードを通過したガスの温度を検出するブレードパス温度検出手段8が設けられ、また、該ブレードパス温度検出手段8の配置位置より下流側の排気通路には排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段10が設けられている。また、吸気状態を検出する吸気状態検出手段12が設けられ、吸気温度と吸気圧力が検出されている。燃焼器104の車室内の圧力が車室内圧力センサ16によって検出されている。さらに、タービン106の負荷状態を検出するために発電機出力センサ18が設けられている。
そして、これらブレードパス温度検出手段8、排ガス温度検出手段10、吸気状態検出手段12、車室内圧力センサ16、および発電機出力センサ18によって検出された検出信号が制御手段2に入力される。この制御手段2は燃料制御手段4とIGV制御手段6とを備え、このIGV制御手段6の制御ブロック図が図2に示すように構成されている。
図2に示すように、IGV制御手段6は、予め設定された発電機114の出力値に対するIGVの開度の関係に基づいて、発電機出力センサ18からの出力によってIGVの開度を設定する入口案内翼開度設定手段20の部分と、ブレードパス温度検出手段8および排ガス温度検出手段10からの検出値を基にして排ガス温度導出手段22によって導かれた排ガス温度11と予め排ガス温度設定手段(図示せず)によって設定された排ガス設定温度13との偏差に基づいて、前記入口案内翼開度設定手段20によって設定された開度を補正する第1補正手段(排ガス温度による補正手段)24の部分と、発電機出力センサ18からの出力19、または発電機出力の目標値から設定されるガスタービン(GT)発電機設定出力42からガスタービンの負荷変化を算出して該負荷上昇時の負荷変化量、または変化率に応じて前記IGV開度を開き方向に加算補正する開度補正量を算出して前記入口案内翼開度設定手段20によって設定された開度を補正する第2補正手段(負荷変化による補正手段)26の部分と、さらに、IGVの最小開度を設定して補正する下限値設定手段28の部分とを有して構成されている。
そして、IGV制御手段6は、入口案内翼開度設定手段20、第1補正手段24、第2補正手段26、さらに下限値設定手段28によって補正されて設定されたIGV開度設定値30をIGVのアクチュエータ32に開度駆動指令信号として出力する。
(第1の実施の形態)
図2に示すように、入口案内翼開度設定手段20の部分では、発電機出力19からIGVのアクチュエータ32の開度駆動指令信号を求めている。
発電機出力センサ18によって検出された発電機出力19を、吸気状態検出手段12によって検出された外気温度21によって補正し、その補正後の出力値を予め定められたガスタービンの出力に対するIGV開度の関係を示す関数Fx2を用いてIGVの開度が設定される。
そして、この関数Fx2によって設定されたIGVの開度を、第1補正手段24、および第2補正手段26によって補正してIGV開度設定値30が算出される。
第1補正手段24は、図2に示すように、ブレードパス温度検出手段8によって検出されたブレードパス温度9と、排ガス温度検出手段10によって検出された排ガス温度11とのうち高温を選択する高値選択器34によって、ブレードパス温度と排ガス温度とのいずれか高い温度が採用され、その採用された温度と、予め設定された排ガス設定温度13との偏差を減算器36で算出して、その偏差は比例積分制御部(PI制御部)38に与えられる。このPI制御部38で偏差に応じたPI値が求められ、その結果が関数Fx2によって設定されたIGV開度設定値に対して補正値として加算器40によって加算される。
なお、排ガス設定温度は、排ガス温度の制限値としての定格温調ライン(図15のラインS1)および中間温調ライン(図15のラインS2)によって設定される温度に相当する温度が設定される。
第2補正手段26は、図3に示すように発電機出力センサ18によって検出された発電機出力19、または発電出力の目標値から設定されるガスタービン(GT)発電機設定出力42を、1次遅れフィルター44、46を通過させ、通過した信号と通過しない信号とを減算器48に与えて偏差を求め、すなわちガスタービン出力の擬似微分値を求める。図4(a)に(GT)発電機設定出力の変化状態を、図4(b)にその擬似微分値を示す。出力ゲイン設定の関数Fx4によって擬似微分値の大きさに応じた出力ゲインを求め、擬似微分値が大きいほど大きい角度補正値を算出するようになっている。図4(d)には、擬似微分値の大きさが一定値以上になるとゲインが大きく変化する特性を示している。
なお、この関数Fx4によって、出力ゲインを任意に調整可能であり、例えば負荷上げのときのように擬似微分値が正のときだけ出力ゲインを出し、負荷下げのように擬似微分値が負のときはゼロとして補正しないようにする設定も可能となる。
また、その開度補正値を有効に出力する範囲をガスタービン出力の所定範囲に絞るために図4(c)に示すような関数Fx5によって範囲が設定され、例えば前記ガスタービンの負荷が中高負荷の範囲にある場合に作動するように設定され、その間だけ補正信号が出力される。
このように設定された補正信号50は加算器51に与えられる。
第2補正手段26によれば、予め設定されたガスタービン出力に対してのIGVの開度設定だけでは、静的な開度設定となり、負荷変化上昇時には遅れ傾向の開度設定となるが、前記のような負荷変化量に応じた補正信号を用いて過渡的な+αをIGV開度設定値に加えることで、負荷上昇時にIGVを開く方向へ制御して排ガス温度を低めに抑えることができる。また、負荷変化が収束するに従い、加えた開度を徐々に減少させ、負荷変化量がゼロの場合には補正を掛けない状態の開度に戻る。なお、負荷の上昇変化について負荷変化量について説明したが、負荷変化率を算出して用いてもよい。他の実施の形態においても同様である。
以上のように第1の実施の形態によれば、発電機出力に基づいて設定されるIGVの開度を、排ガス温度による補正手段である第1補正手段24と、ガスタービンの負荷変化による補正手段である第2補正手段26によって補正してIGV開度を算出するため、IGVによって吸気を絞って中間温調ライン、定格温調ラインに近接した運転パターンを行なっても、これら温度調整ラインを排ガス設定温度とすることで、排ガス温度を温度調整ラインから設定範囲内に維持できると共に、部分負荷領域から負荷上昇を行った際においても、負荷上昇変化を算出して排ガス温度に影響が出る前に早めにIGVを開き方向に制御することで、排ガス温度を低めに抑えることができる。
従って、IGVによって吸気を絞り(全閉またはその近傍)絞りタービンの入口温度を上げた運転パターンが可能になって排ガス浄化効果を達成すると共に、部分負荷領域からのスムーズな負荷上昇を達成することができる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、図2に示すように、関数Fx2によって設定されたIGVの開度に第1補正手段24による補正をかける際に、入口案内翼116の最小開度を下限値設定手段28によって設定し、PI制御部38に与えてフィードバック制御の下限値として用いている。
この下限値設定手段28による下限値の設定は、タービン入口温度に応じて設定されるが、タービン入口温度は実際には計測困難なため、発電機出力センサ18からの出力信号、吸気状態検出手段12からの外気温度、さらに図示しないIGVの開度センサからのIGV開度信号によって、ガスタービン性能マップを用いてタービン入口温度相当の値が算出され、その値が用いられて設定される。なお、下限値設定手段28では、タービン入口温度が上がるに応じて、最小開度が大きくなるように設定されている。
以上のように、第2の実施の形態によれば、IGVによって吸気を絞って中間温調ライン、定格温調ラインに近接した運転パターンを行なっても、タービンの損傷等に直接的につながるタービン入口温度に基づいて入口案内翼の下限値を設定しているため、さらにIGVによって吸気を絞ってタービン入口温度高めてタービン106の損傷等に繋がる虞が回避され、IGVによって吸気を絞りタービンの入口温度を上げて中間温調ライン、定格温調ラインに近接した運転パターンが可能になり、排ガス浄化効果を確実に達成することができる。
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態は、図2に示すように、第1補正手段24の排ガス設定温度13をガスタービンの負荷上昇時に低下せしめる排ガス設定温度補正手段52が設けることに特徴がある。
すなわち、第1補正手段24は、ブレードパス温度9と排ガス温度11とのいずれか高い温度と、予め設定された排ガス設定温度13との偏差に基づいて補正量を求めるため、排ガス設定温度補正手段52によって排ガス設定温度を低下させる補正を行なうことで、IGVを開く方向にフィードバックを働かせるか、またはIGVの閉量を抑えるように働く。
この排ガス設定温度補正手段52は、負荷上昇時の負荷上昇量に応じたバイアス値を設定し、その補正信号53を加算器54に与えて排ガス設定温度を低下させて、低下された設定温度を減算器36に与えている。なお図2中のSG1、SG2は一定信号の入力を示すもので本実施の形態とは関連無い。
排ガス設定温度補正手段52は、図5(a)に示すように、発電機出力センサ18によって検出された出力、または発電機出力の目標値から設定されるガスタービン(GT)発電機設定出力42を、1次遅れフィルター56、58を通過させ、通過した信号と通過しない信号とを減算器60に与えて偏差を求め、すなわちガスタービン出力の擬似微分値を求める。その後、図5(a)に示す出力ゲイン設定関数Fx6によって擬似微分値の大きさに応じた出力ゲインを求め出力するようになっている。擬似微分値が大きくなるに従って大きい減算量となる。
さらに関数Fx7によって、補正値を有効に出力する範囲をガスタービン出力の所定範囲に絞って行うようになっている。以上の擬似微分値の算出方法については前記した第2補正手段26と同様である。
このように排ガス設定温度が補正されて低下された値に設定されるため、図5(b)に示すように定格温調ラインS1がS1'と下方に移動され、それに伴って運転ラインも下方に移動され、運転ラインのC点もC'点となる。下方への移動量は図5(a)に示す擬似微分値の大きさに応じた量、即ち負荷変化量に応じた量となり、負荷変化が大きくなれば移動量も大きくなる。
第3の実施の形態によれば、排ガス設定温度補正手段52による補正によって負荷上昇時にIGVを開く方向にフィードバックが働き、負荷上昇時に第2補正手段26によって開方向への補正動作と逆らう方向に作用することが防止されて、IGVの開作動が持続される。
タービンの入口温度が高い状態での負荷変化時においては、排ガス温度計の計測遅れにより定格温調ラインS1と干渉することが懸念されるが、負荷上昇時にこのように排ガス設定温度を下げることで、IGVを開き方向への補正が可能となり定格温調ラインと干渉することを回避することができる。
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態は、図2に示すように、ガスタービンの負荷上昇量が一定値以上のときに該第1補正手段24による補正を非作動とするカットオフ制御部62を有したことに特徴がある。
このカットオフ制御部62は、ガスタービンの負荷上昇量が一定値以上のときに「1」の信号出力し、一定値より小さいときには「0」ゼロの信号出力するように設定されており、そのカットオフ制御部62からの信号が乗算器64に与えられている。
なお、負荷変化の信号は第2補正手段26に設けられている擬似微分の算出結果を用いてもよい。
第4の実施の形態によれば、カットオフ制御部62によって、ガスタービンの負荷上昇量が一定値以上のときに第1補正手段24による補正を非作動とするため、負荷上昇時の第2補正手段26によるIGVの開方向への補正動作が第1補正手段24による補正によって逆方向となるような影響を受けることがなく、IGVの開作動が持続される。その結果、第3の実施の形態と同様にIGVを開き方向へ補正することが可能となり定格温調ラインS1と干渉することを回避することができる。
(第5の実施の形態)
第5の実施の形態は、図2に示すように、ブレードパス温度9の算出手法に特徴があり、ブレードパス温度検出手段8からの検出値に所定関数Fx1によるバイアス値を減算した値をブレードパス温度として採用するものである。所定の関数Fx1は、図6に示すように、車室内圧力センサ16からの車室圧力17に応じた関数であり、車室圧力が一定値以上になるとバイアス値の補正量を大きくするように設定されている。
このようにブレードパス温度を設定することで、ブレードパス温度から作られる排ガス温度をより正確なものとすることができる。
すなわち、従来、ブレードパス温度から一定値を引くことで「ブレードパス温度によって作られる排ガス温度」を作っていたが、ガスタービン出力、吸気流量、車室内圧力などによってブレードパス温度と排ガス温度の差は一定ではない。そこで、バイアス値を車室圧力17の関数とすることで、より正確な「ブレードパス温度によって作られる排ガス温度」を導くことができる。
(第6の実施の形態)
第6の実施の形態は、図2に示すように、ガスタービンの負荷上昇量が一定以上のときに排ガス温度検出手段10による検出値から所定のバイアス値を減算してブレードパス温度検出手段8からの検出値が採用されるように構成している。
すなわち、第1補正手段24の排ガス温度導出手段22は、ブレードパス温度検出手段8からのブレードパス温度9と排ガス温度検出手段10からの排ガス温度11とのうち高温のデータを採用するように高値選択器34によって制御されているため、ガスタービンの負荷上昇量が一定以上のときに前記排ガス温度検出手段10による排ガス温度11から所定のバイアス値を減算してブレードパス温度検出手段8からのブレードパス温度9が排ガス温度11より高温になるようにして、ブレードパス温度検出手段8からのデータが採用されるように構成されている。減算するバイアス補正値は排ガス温度補正手段69からの補正信号70として加算器72に与えられる。
なお、ガスタービンの負荷上昇量の検出は、図7に示すように、発電機出力センサ18によって検出された出力、または発電出力の目標値から設定されるガスタービン(GT)発電機設定出力42を、1次遅れフィルター74、76を通過させ、通過した信号と通過しない信号とを減算器78に与えて偏差を求め、すなわちガスタービン出力の擬似微分値を求める。その後、図7に示す出力ゲイン設定関数Fx8によって擬似微分値の大きさに応じた出力ゲインを求め出力するようになっている。擬似微分値が大きくなるに従って大きいバイアス量となる。
さらに関数Fx9によって、補正値を有効に出力する範囲をガスタービン出力の所定範囲に絞って行うようになっている。以上の擬似微分値の算出方法については前記した第2補正手段26と同様である。
第6の実施の形態によれば、応答性の速いブレードパス温度検出手段8からの算出値を排ガス温度導出手段22からの排ガス温度として採用することができ、正しく遅れのない排ガス温度で第1補正手段24によるフィードバック制御が可能になる。
すなわち、タービンの入口温度が高い状態での部分負荷から負荷上昇時に、排ガス温度検出手段10からの検出値を用いると、排ガス温度検出手段10からの検出値は応答性が遅いため、フィードバック制御に遅れが生じ負荷上昇の妨げとなる。そこで、ガスタービンの負荷上昇量を用いて、負荷上昇量が一定以上のときには、排ガス温度検出手段10による検出値から所定のバイアス値を減算してブレードパス温度検出手段8からの検出値が選択されるようにすることによって(高値選択である)、応答性の速いブレードパス温度検出手段からの検出値を排ガス温度として採用することができる。その結果、計測器の応答遅れによって生じる定格温調ラインとの干渉を回避することができる。
以上の第1から第6の実施の形態は、IGVの開度を制御して吸気を絞りタービンの入口温度を上げた運転パターンとするとともに、部分負荷領域からのスムーズな負荷上昇を可能にすることを説明したが、以下の第7から第11の実施の形態においては、IGVの開度制御に加えて、さらに燃焼器104への供給燃料量の制御を付加して、タービンの入口温度を上げた運転パターンとするとともにスムーズな負荷上昇を可能にする形態について説明する。
(第7の実施の形態)
図1に示すように、制御手段2には燃料制御手段4を有し、この燃料制御手段4はガスタービンの負荷に基づいて燃焼器104に供給する燃料量を制御する負荷制御部200と、ガスタービンからの排ガス温度に基づいて燃料流量調整弁112への燃料量を制御する排ガス温度制御部202とからなっている。負荷制御部200から出力される燃料制御信号と排ガス温度制御部202から出力される燃料制御信号とは低値選択手段204に入力され、そこで低値の制御信号が選択されて燃料流量調整弁112に出力されるように構成されている。
ガスタービンの負荷上昇時には、計画負荷ラインに沿って上昇するように負荷制御部200からの信号によって燃料量が制御される。すなわち、排ガス温度が中間温調ライン、定格温調ラインに達して干渉するまでは排ガス温度制御部202は働かないように低値選択手段204では負荷制御部200からの信号が選択されるようになっている。
すなわち、負荷上昇をしていくと排ガス温度が高くなり定格温調ラインに干渉する(図15の干渉部G)ことによって、排ガス温度制御部202が働きその保護機能によって燃料量を絞る制御に入り排ガス温度制御部202から低い燃料制御信号が選択されるようになっている。これによって負荷上昇を抑える作用がなされる。
図8を参照して、本実施の形態について説明する。
図8は、排ガス温度制御部202を示すもので、燃料制御信号Rを低値選択手段204へ出力している。
排ガス温度導出手段22によって検出された排ガス温度11と、予め設定された排ガス設定温度13との偏差を減算器206で算出して、その偏差は比例積分制御部(PI制御部)208に与えられる。このPI制御部208で偏差に応じたPI値が求められ、排ガス温度に基づく燃料制御信号が出力される。また、PI制御部208には、トラッキング信号設定部210によって設定されたトラッキング信号TRが与えられる。
このトラッキング信号設定部210は、図1に示す低値選択手段204からの出力信号に対して例えばプラス5%のバイアス値Sを加算してトラッキング信号TRを設定する。
上記PI制御部208には、トラッキング制御手段212からのトラッキングスイッチ信号SWが入力されると、前記した排ガス温度と予め設定された排ガス設定温度との偏差信号Hではなくトラッキング信号TRに追従した燃料制御信号を出力するようになっている。
トラッキング制御手段212には、トラッキング負荷帯検知部214が設けられ、発電機出力センサ18からの出力を基にトラッキングすべき負荷帯にオン信号を出力する。トラッキングする負荷帯は吸気温度に対しする最大負荷(性能計算から算出した負荷)に対しての%で定義し、略70%〜97.5%の負荷帯でオン信号を出力する。
さらに、トラッキング制御手段212には、負荷変化検知部216が設けられ、発電機設定出力または発電機出力センサ18からの出力を基に、負荷変化を検出して、負荷変化量が一定以上(図13(a)ΔW)の場合にはオン信号を出力する。トラッキング負荷帯検知部214および負荷変化検知部216からの出力ラインL1、L2が共にオンのとき、ANDゲート218がオンしてトラッキングスイッチ信号SWを出力する。
負荷変化の検出手法は第3の実施の形態で説明しているように1次遅れフィルター220、222、および減算器224によって擬似微分値を求めることによって行われる。
以上のように構成することで
、トラッキング制御手段212によってガスタービンの負荷上昇時に負荷変化量が一定値以上であって、高負荷域(略70%〜97.5%負荷帯)である場合には、トラッキングスイッチ信号SWをPI制御部208に出力し、トラッキング信号TRに追従した燃料制御信号を出力するようになる。
その結果、トラッキング信号はプラス5%のバイアス値Sを加算しているため、低値選択手段204では選択されないため負荷制御部200の制御が必ず選択されるようになり、排ガス温度制御部202による燃料制御を抑制して前記負荷制御部200による燃料制御を維持せしめられ、温度調整ラインとの干渉をさけて負荷上げを持続することができ、スムーズな負荷上昇を行うことが可能となる。
(第8の実施の形態)
第8の実施の形態は、図8に示すように、タービン入口温度がガスタービンの定格時の温度であるときに前記トラッキング制御手段212の作動を切断して前記負荷制御部200による制御を解除して前記排ガス温度制御部202による制御に移行せしめるトラッキング切断手段226を備えたことを特徴とする。
タービン入口温度は実際には計測困難なため、発電機出力センサ18からの出力信号、吸気状態検出手段12からの外気温度、さらに図示しないIGVの開度センサからのIGV開度信号によって、ガスタービン性能マップを用いてタービン入口温度に相当する温度値が算出される。そして、そのタービン入口温度に相当する温度が、定格時の温度の98%以下でオン信号を、98%より高い温度の時にはオフ信号を出力するトラッキング切断信号出力部228が設けられている。
従って、トラッキング制御手段212によって出力ラインL1、L2が共にオンであっても、トラッキング切断信号出力部228からは、タービン入口温度が定格時の温度の98%より高い温度の時には出力ラインL3にはオフ信号が出力されるため、ANDゲート218がオンせず、トラッキングスイッチ信号SWは切断される。
このため、タービン入口温度がガスタービンの定格時の温度であるときには、本来の機器保護としての排ガス温度による制御を機能させることができるため、ガスタービンの損傷等に繋がる虞を確実に防止することが出来る。
(第9の実施の形態)
第9の実施の形態は、図9に示すように、トラッキング制御手段212には、負荷変化量が低下して一定値より小さくなったときに負荷制御部による制御の解除を所定時間遅延させる遅延手段230を有していることを特徴とする。
この遅延手段230は、負荷変化検知部216からの出力ラインL2への出力信号を一定時間遅らせるオフディレイタイマーによって構成されている。
なお、負荷変化検知部216では負荷変化量でなく負荷の変化率の低下を求めてオフディレイタイマーを設定してもよい(図13(a)のP1部)。
第9の実施の形態によれば、排ガス温度が排ガス設定温度より高い状態で負荷変化量、または負荷変化率が低下して一定値より小さくなった場合、例えば実施の形態では説明していないが、高負荷域で応答性の速いブレードパス温度に基づく制御に移行した際には生じることがある。
このように排ガス温度が排ガス設定温度より高い状態が残っているときに、負荷制御部200による制御がすぐに解除されると、排ガス温度制御部202よる制御に移行する虞があるが、遅延手段230を設けることで、排ガス温度制御部による燃料制御に移行する虞を防止でき、さらなる負荷上げ制御に迅速に対応することができる。
(第10の実施の形態)
第10の実施の形態は、図10に示すように、トラッキング制御手段212には、負荷変化量が一定値より低下しても排ガス温度が排ガス設定温度より高いときには負荷制御部200の制御を解除することを阻止する第1の移行阻止手段232を有していることを特徴とする。
この第1の移行阻止手段232は、排ガス温度導出手段22によって検出された排ガス温度と、予め設定された排ガス設定温度との偏差を減算器234で算出して、その結果を移行阻止検知部236に与えて、該移行阻止検知部236で排ガス温度が排ガス設定温度より高いときに(図13(c)のP2部)、出力ラインL4にオン信号出力する。その結果、負荷変化検知部216からの出力ラインL2への出力がオフであっても、ORゲート240がオンして、トラッキング負荷帯検知部214からの出力ラインL1がオンであれば、トラッキングスイッチ信号SWの出力は維持される。
第10の実施の形態によれば、排ガス温度が排ガス設定温度より高い状態で負荷変化量、または負荷変化率が低下して一定値より小さくなった場合であっても、負荷制御部200による燃料制御を解除することを阻止するため、排ガス温度制御部202による制御に移行する虞を防止でき、さらなる負荷上げ制御に迅速に対応することができる。
(第11の実施の形態)
第11の実施の形態は、図11に示すように、トラッキング制御手段212には、発電機設定出力または発電機出力センサ18からの出力を基に、負荷変化を検出して、負荷変化量、負荷変化率が一定値より低下しても、負荷上げ要求値(デマンド)が発電機設定出力または発電機出力センサ18からの出力より大きいときには(図13(b)のP3)、負荷制御部200の制御を解除することを阻止する第2の移行阻止手段238を有していることを特徴とする。
この第2の移行阻止手段238は、ガスタービンの負荷デマンド239と発電機出力センサ18からの出力または発電機設定出力242との偏差を減算器244で算出して、その結果を移行阻止検知部246に与えて、該移行阻止検知部246で負荷デマンド239が発電機出力または発電機設定出力より高いとき出力ラインL4にオン信号出力する。その結果、負荷変化検知部216から出力ラインL2への出力がオフであっても、ORゲート240がオンして、トラッキング負荷帯検知部214からの出力ラインL1がオンであれば、トラッキングスイッチ信号SWの出力は維持される。
第11の実施の形態によれば、予め設定された目標負荷や操作者の指定した負荷デマンドに発電機出力がまだ達していないときには、前記負荷変化率が前記一定値より低下しても、負荷制御部200による燃料制御を解除することを阻止するため、排ガス温度制御部202による燃料制御に移行する虞を防止でき、さらなる負荷上げ制御に迅速に対応することができる。
本発明によれば、IGVによって吸気を絞りタービンの入口温度を上げた運転パターンとすることで、さらに負荷に基づく燃料制御をできるだけ維持するようにすることで、タービン入口温度を上げた運転によってNOx、COの排出規制強化への対応を可能とするとともに、部分負荷領域から負荷上昇を行った際に、排ガス温度計における計測遅れ等の負荷上昇を妨げる要因や排ガス温度に基づく燃焼器への燃料量制御による負荷上昇の遅れを解消して部分負荷領域からのスムーズな負荷上昇を可能にするので、ガスタービンの運転制御装置に適用されて有益である。
本発明に係るガスタービンの運転制御装置の実施の形態を示す全体構成図である。 全体制御ブロック図である。 第1の実施の形態に係る詳細な制御ブロック図である。 第1の実施の形態における説明図であり、(a)はガスタービンの設定出力を示し、(b)は(a)の出力の擬似微分値を示し、(c)は第1補正手段を有効にする範囲を示し、(d)は第1補正手段の出力ゲインを示す。 第3の実施の形態に係る説明図であり、(a)は詳細な制御ブロック図、(b)は車室圧力と排ガス温度との関係を示す。 第5の実施の形態に係る説明図である。 第6の実施形態の詳細な制御ブロック図である。 第7、8の実施の形態に係る制御ブロック図である。 第9の実施の形態に係る制御ブロック図である。 第10の実施の形態に係る制御ブロック図である。 第11の実施の形態に係る制御ブロック図である。 第9、10、11の実施の形態の説明図である。 ガスタービンの基本構成図である。 従来の運転パターンである。 IGVを絞った運転パターンである。
2 制御手段
4 燃料制御手段
6 IGV制御手段(入口案内翼制御手段)
8 ブレードパス温度検出手段
10 排ガス温度検出手段
20 入口案内翼開度設定手段
22 排ガス温度導出手段
24 第1補正手段
26 第2補正手段
28 下限値設定手段
62 カットオフ制御部
100 ガスタービン
102 圧縮機
104 燃焼器
106 タービン
114 発電機
116 IGV(入口案内翼)
200 負荷制御部
202 排ガス温度制御部
212 トラッキング制御手段
216 負荷変化検知部
226 トラッキング切断手段
230 遅延手段
232 第1の移行阻止手段
238 第2の移行阻止手段

Claims (6)

  1. 圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給して該燃焼器で発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するようにしたガスタービンの運転制御装置において、
    前記圧縮機の前側には入口案内翼が設けられ、予め設定された発電機出力に対する入口案内翼の開度の関係に基づいて前記発電機出力の検出値から前記入口案内翼の開度を設定する入口案内翼開度設定手段と、
    排ガス温度導出手段によって導かれた前記タービンの排ガス温度と予め排ガス温度の上限値として設定された排ガス設定温度との偏差に基づいてフィードバック算出される入口案内翼の開度補正量によって前記入口案内翼開度設定手段による入口案内翼開度を補正する第1補正手段と
    スタービンの負荷変化を算出して負荷上昇時の負荷変化量が大きいほど前記入口案内翼開度を開き方向に補正する開度補正量を算出して前記入口案内翼開度設定手段による入口案内翼開度を補正する第2補正手段と、
    前記入口案内翼のアクチュエータに前記第1補正手段および第2補正手段よる補正後の開度駆動指令信号を出力する入口案内翼制御手段とを備え
    さらに、前記第1補正手段にはガスタービンの負荷上昇時に前記排ガス設定温度を低下させて、前記排ガス温度導出手段による排ガス温度との偏差を小さくせしめる排ガス設定温度補正手段を備えたことを特徴とするガスタービンの運転制御装置。
  2. 前記第2補正手段は、前記ガスタービンの負荷が中高負荷の範囲にある場合に作動することを特徴とする請求項1記載のガスタービンの運転制御装置。
  3. 前記入口翼案内制御手段には、入口案内翼の最小開度を設定する下限値設定手段を有し、該下限値設定手段はタービン入口温度に応じて前記最小開度が設定されることを特徴とする請求項1記載のガスタービンの運転制御装置。
  4. 前記第1補正手段には前記ガスタービンの負荷上昇量が一定値以上のときに該第1補正手段による補正を非作動とするカットオフ制御部を有したことを特徴とする請求項1記載のガスタービンの運転制御装置。
  5. タービンの最終段のブレードを通過した直後のガス温度を検出するブレードパス温度検出手段と該ブレードパス温度検出手段の位置より下流側の排気通路に設置された排ガス温度検出手段とを設け、前記第1補正手段の排ガス温度導出手段は、前記ブレードパス温度検出手段の検出値から前記燃焼器の車室圧力に応じて設定される値を減算した値と前記排ガス温度検出手段からの検出値とのうち高温データを採用することを特徴とする請求項1記載のガスタービンの運転制御装置。
  6. タービンの最終段のブレードを通過した直後のガス温度を検出するブレードパス温度検出手段と該ブレードパス温度検出手段の位置より下流側の排気通路に設置された排ガス温度検出手段とを設け、前記第1補正手段の排ガス温度導出手段は、前記ガスタービンの負荷上昇量が一定以上のときに前記ブレードパス温度検出手段からの検出値が採用されることを特徴とする請求項1記載のガスタービンの運転制御装置。
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