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