JP5457626B2 - 電力単独運転のための検出及び伝達の方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、電力会社向け発電、更に詳細には発電所発電機の「単独運転」に関する。

単独制御は通常、並列送電系統運転から単独モードとして知られる自立運転への移行、及びその後の定常状態単独モード運転を意味する。通常、単独モード運転は、比較的小規模の局所的「構内」負荷をサポートするのに使用される。並列送電系統運転は、外部電力負荷への電力供給の代表的なものである。単独モードへの移行は、連係線遮断器が発電機を外部電力負荷に結合するよう機能する結果として生じ、その間タービンは、局所発電所の電力負荷をサポートするために動作状態が続く。単独モードへの移行中、制御システムは、連係線遮断器を開くように応答し、単独速度制御ガバナが自動的に単独速度設定点毎のシステム周波数を維持することを可能にする。

ガスタービン単独モード運転は通常、２つの段階、すなわち送電系統分離段階と単独ガバナ制御段階とを伴う。送電系統分離段階中、ガスタービンは、負荷遮断を受ける。発電機の突然の負荷喪失は、ガスタービンに過速度条件まで急激に加速させる可能性がある。軸加速及び過速度に対応するために、例えばドループガバナである速度ガバナは急激に燃料を削減して、加速を制限し、ガスタービン発電機の過速度を避けることにより応答する。速度ガバナ応答による燃料の急激な低減により、送電系統分離段階中のタービン動作性が制約される。次の段階中、単独ガバナは、制御を引き継ぎ、周波数を単独速度の設定点に調整する。

発電所は、過渡的な送電系統分離中及びそれ以降に構内電力負荷をサポートするために、電力送電系統からの予期しない切断後に無中断の発電を行うことが求められることが多い。局所設備の電力負荷需要と電力送電系統分離直前の電力送電系統に送出された電力量との間の差異（「正味負荷不均衡」）は、送電系統分離段階中の電気的過渡及びガスタービン発電機応答を決定付ける。正味負荷不均衡が大きい場合、結果として生じるガスタービン発電機の速度及び加速応答はかなり大きなものとなり得る。結果として生じるガスタービン発電機応答は、送電系統分離段階中の局所設備の電力負荷をサポートする能力を決定付けることができる。

従来、電力送電系統との並列運転中にガスタービンを調整する同じドループガバナは、ガスタービンを単独モードに移行させるのに使用される。ドループガバナは、発電機を駆動するガスタービンの燃料コマンドを調節し、電力送電系統の所要の周波数を維持する。送電系統から切断する場合、ドループガバナは、局所負荷の変動の結果として生じる単独周波数の変動に応答する。送電系統運転から単独モード運転への移行中に発生する負荷変動及び周波数変動は、迅速且つ大きな場合がある。この移行中、ドループガバナは、変動に対し完全には応答することができない可能性がある。更に、ドループガバナは、単独モード中の発電機周波数を公称周波数に戻すことができない。プリセット及びトリムアルゴリズムなどの追加機能を従来のドループガバナに付加して、単独ガバナ制御中に公称周波数の補正及び復旧を可能としてきた。

送電系統分離時には、ガスタービン燃料ガバナは、結果として生じる軸加速度に対して燃焼器への燃料を急激に低減させることにより応答する。この加速度は、ガスタービンへの空気流を増大させる。ガスタービン空気流の変動と連動した燃料低減は、ガスタービン乾式低ＮＯｘ運転性設計仕様を超える可能性がある過渡燃焼器燃料／空気混合を生じる。

このような過渡事象を管理するための従来的な方法は、過渡事象中の急激な燃料及び空気の変動をサポートすることができるロバスト燃焼運転モードへ移行させることであった。この従来の方法は、過渡事象中の最大電力単独負荷需要を制限し、場合によっては、施設内での局所的に有意な負荷制限を必要とする。或いは、送電系統分離の前にガスタービン動作の注意深い管理が適用され、この場合、施設運転により施設送出電力が制限され、これによって送電系統切断の瞬間における正味負荷の不均衡が制限される。この従来の方法は、通常運転中にガスタービンによって達成できる最大負荷を制限する可能性がある。

改善された単独モード運転を提供し、単独モードへ移行させるガスタービン制御システムに対する長年にわたる必要性がある。更に、上述のような従来の制御システムの制限の一部又は全ての影響を受けない制御システムに対してもまた長期にわたる必要性がある。
米国特許第７２１１９０６号公報

複数の連結されたガスタービン用の燃料供給回路に対する過渡燃料制御を提供する方法が開発され、本方法は、ガスタービンに対する燃料コマンドにおける急激な変動、及びタービン軸の加速のうちの少なくとも1つの徴候に基づいて過渡送電系統事象を検出する段階と、過渡送電系統事象の徴候があると、少なくとも1つの中間負荷にガスタービンを移行させるようにガスタービン制御装置に指令する段階と、過渡送電系統事象中の燃焼器の安定性を維持するために燃料分割を調整する段階と、予め設定された単独負荷需要信号を使用して連結されたガスタービン発電機間で施設全体の単独負荷需要を配分する段階と、を含む。

複数の連結されたガスタービン用の燃料供給回路に対する過渡燃料制御を提供する他の方法が開発される。本方法は、ガスタービンに対する燃料コマンドの急激な変動、又はタービン軸の加速のうちの少なくとも1つの徴候に基づいて過渡送電系統事象検出する段階と、過渡送電系統事象の結果としてガスタービンを加速する段階と、過渡送電系統事象の徴候があると、少なくとも1つの中間負荷にガスタービンを移行させるようにガスタービン制御装置に指令する段階と、過渡送電系統事象中の燃焼器安定性を維持するために燃焼器燃料分割を調整する段階と、所定の単独負荷需要信号を使用して、連結されたガスタービン発電機間で施設全体の単独負荷需要を配分する段階とを含む。

複数の連結されたガスタービン用の燃料供給回路に対する燃料制御システムが開発された。前記システムは、燃焼器及び制御装置を含むガスタービンと、電力送電系統の状態を監視し、送電系統過渡事象を検知する検出システムと、送電系統過渡事象を示す信号を検出器から受信したときに、過渡燃料制御アルゴリズムを実行するコンピュータを含む制御装置とを備え、アルゴリズムは、以下のステップ、すなわち、ガスタービンの少なくとも１つを中間負荷へ移行させるために制御信号を生成するステップと、過渡送電系統事象中に燃焼器の安定性を維持するために燃焼器燃料分割を調整するステップと予め設定された単独負荷需要信号に基づき、連結されたガスタービン間で単独負荷需要を配分するステップとを実行する。

電力送電系統分離及び単独モード運転への移行を検出するための方法及びシステムが開示される。送電系統分離が検出された場合、本方法及びシステムは、ガスタービン発電機の運転性を維持するように、送電系統分離過渡事象中にあるグループの連結ガスタービンを制御する。過渡の燃料制御の方法及びシステムは、ガスタービンの運転性を強化する。本システムは、従来のガスタービン制御装置上に実装することができ、該ガスタービン制御装置はドループガバナを含むことができる。本システムは、一般に、追加されたソフトウェア制御アルゴリズムを伴う。

図１は、電力会社送電系統１２及び施設内に発電機を備えた製造施設などの局所電力負荷（施設補助装置）１４に接続することができるガスタービン発電機１０を含む、発電機及び負荷システム５の概略図である。発電機を送電系統及び電力負荷に接続する多相電力線については図１では単線で示している。施設は、接続されたガスタービン発電機１０の施設運転をサポートする施設補助装置１４を含むことができる。変圧器は、発電機の出力電圧を施設補助装置及び送電系統に向けた所要の入力電圧に変換する。

遮断器は、発電機１０と送電系統１２との間、及び発電機１０と局所施設補助装置１４との間の接続を確立する。発電機側遮断器２０は、発電機１０を変圧器１６及び１８に結合し、連系線遮断器２２は、昇圧器１６を送電系統１２に結合し、第３の補助装置遮断器２４は、補助変圧器１８を局所施設補助装置負荷１４に結合する。

「単独運転」又は単独モードは、発電機１０からの出力電力が、電力送電系統から分離された場合に発生する。単独モードでは、連系線遮断器２２は開路状態であるが、発電機側遮断器２０及び局所施設補助装置負荷遮断器２４は閉路のままである。単独運転中、ガスタービン発電機１０は、補助変圧器１８を介して局所施設負荷１４流に単独で電力を供給することができる。

電力送電系統に電力を供給する間、ガスタービンは通常、発電機出力電力の所要の電力周波数を維持するためにドループガバナを利用する。発電機１０が、電力送電系統１２に電力を供給している場合、電気周波数の低下は一般に、送電系統１２に供給する発電能力が送電系統に対する負荷需要よりも小さいことを示す。逆にいえば、送電系統１２の電力の周波数が公称周波数よりも高い場合、送電系統に供給される発電能力は負荷需要よりも大きい。

ドループガバナは、例えば定格送電系統周波数である公称送電系統周波数からの電力送電系統周波数の差異に反比例してタービンの電力出力を変化させることにより、送電系統中の周波数変動を吸収する。例えば、送電系統周波数が公称送電系統周波数よりも低下した場合、ドループガバナは、周波数低下を検出し、定格送電系統周波数と実送電系統周波数との間の差異に反比例して電力出力を増大させるようにタービンに指令する。逆にいえば、送電系統周波数が定格送電系統周波数よりも上昇する場合、ドループガバナは、実送電系統周波数と定格送電系統周波数との間の差異を検出し、電力出力を比例的に低下させるようにタービン発電機に指令する。

ガスタービン発電機ガバナのドループ応答は通常、１００％のタービン負荷出力変化を引き起こすのに必要とされる周波数変動百分率を用いて言及される。例えば、４％ドループ応答とは、４％の送電系統周波数変化に伴ってガスタービン負荷出力が１００％変化することを意味する。言い換えれば、４％ドループガバナは、１％の送電系統周波数変化毎にガスタービン出力を２５％修正する。送電系統周波数及びタービン速度は比例関係にある。４％ドループ応答では、タービン軸速度の１％毎の変化は、発電機出力電力を２５％変化させる。

図２は、単独ガバナ制御で利用される従来のドループ制御及び付加的な自動周波数補正アルゴリズムを示している。従来、電力送電系統と並列に動作している間にガスタービンを調整する同じドループガバナ２６はまた、ガスタービンを単独モードへ移行させるのに使用される。ドループガバナは、電力送電系統の所要の周波数を維持するように発電機を駆動するガスタービンの燃料コマンドを調節する。送電系統から切断されると、ドループガバナは、局所施設負荷の変動の結果として生じる単独周波数の変動に応答する。送電系統モードから単独モード運転への移行中に生じる負荷及び周波数の変動は迅速且つ大きな場合がある。この移行中、ドループガバナは、変動に対し完全には応答することができない可能性がある。更に、ドループガバナは、単独モード中の発電機周波数を公称周波数に戻すことができない。プリセット及びトリムアルゴリズムなどの追加機能を従来のドループに付加して、単独ガバナ制御中に公称周波数の補正及び復旧を可能としてきた。

図２は、単独ガバナ制御で利用される付加的な自動周波数補正アルゴリズムを有する従来のドループガバナを示している。ドループガバナ２６は、燃料リミッター３０によって燃焼器用燃料制御装置（図示せず）に適用する燃料コマンド（ＦＳＲ）に変換される燃料コマンド２８を生成するためのコンピュータ制御装置である。ガバナは、速度制御燃料コマンド（ＦＳＲＮ）信号を生成する伝達関数３２を含み、該コマンド信号は、加速燃料制御制限３７及び制御装置内の他の燃料コマンドと共に選択される低値３４である。

送電系統運転中は、電力フィードバック信号（ＭＷフィードバックＭＷＡＴＴ）は、伝達関数を通過し、ドループ調整因子４０によって増倍などが調整される。結果として生じるＤＷＤＲＯＯＰ信号と速度／負荷制御指令信号（ＴＮＲ）との間の差異は、制御指令負荷基準信号（ＴＮＲＬ）として加えられる。ＴＮＲＬ信号及び実速度信号（ＴＨＮ）間の差異は、伝達関数３２に加えられ、速度制御燃料コマンド信号（ＦＳＲＮ）を生成する。

単独制御が可能となる（単独有効）と、速度基準（ＴＮＲＩ）及び軸フィードバック速度（ＴＮＨ）信号の差異は、誤差調整運転により処理され、ランプレート変換によって変換されて、ガバナ設定点機能４２に加えられる入力信号を生成する。入力信号は、自動ガバナ設定点運転をトリガーし、速度／負荷基準制御指令信号（ＴＮＲ）を上下させる。従って、ＴＮＲは、速度設定点に一致するように上下される。

単独ガバナ制御モードにおいて、例えばドループガバナなどのガスタービン速度／負荷ガバナは、具体的には速度制御のために使用される。一方、ガスタービンが送電系統に接続されたときには、速度／負荷ガバナは負荷制御用に使用される。単独モードで稼働している間、ガスタービンドループガバナ２６は、単独速度設定点とシステム周波数との間の差異である単独速度誤差を防ぐように燃料を制御する。速度設定点がシステム周波数と一致しない場合、ドループガバナは、速度誤差を低減する目的で燃料制御信号を最大値又は最小値に調整することになる。従来、単独ガバナ制御下のガスタービンは、単独周波数の低下に応答することが必要であれば、適切なマージンを設けるために９０％能力を越える負荷にすべきではない。追加能力が必要とされる場合、他の発電機器を導入し、ドループガバナ制御下の分離出力単独をサポートする必要がある。

乾式低ＮＯｘ（Dry Low NOx：ＤＬＮ）燃焼システムを備えたガスタービンは通常、複数ノズルの予混合燃焼器を含む燃料供給システムを利用する。ＤＬＮ燃料供給システムの要件は通常、負荷の急激な変動に応答して燃焼器に対し燃料を調整する御装置の能力を制限する。ＤＬＮシステムは、送電系統分離過渡事象中の高い電力負荷需要をサポートする局所施設要件に対する課題がある。産業用ガスタービンは、一般的に、希薄予混合燃焼器設計を利用して、水又は蒸気などの希釈剤を使用することなく低ＮＯｘエミッションを達成する。希薄予混合燃焼は、燃焼器フレームゾーンの上流側で燃料及び空気を予混合し、ピークフレーム温度及びＮＯｘ生成も同様に低く維持するための燃料の希薄燃焼限界近傍での運転を伴う。希薄予混合燃焼器設計は、多くの場合、乾式低ＮＯｘ燃焼器（ＤＬＮ）と呼ばれる。希薄予混合燃焼及びガスタービン動作範囲にわたって生じる広範な燃空比に固有の安定性の問題を扱うために、ＤＮＬ燃焼器は通常、個々に又はサブグループ毎に燃料が供給される各燃焼室中に複数の燃料ノズルを有する。ガスタービン燃料システムは、各燃焼室毎の各グループのノズルに供給するための個別制御回路を有する。制御システムは、タービン動作範囲にわたり各回路に対して燃料流量（燃料分割）を変化させ、フレーム安定性、低エミッション、及び許容可能な燃焼器寿命を維持することになる。

図３及び図４は、ＤＬＮ燃焼器４５を備えたガスタービン用の燃料ノズルグループ４３及び燃料回路構成４４を示す概略図である。ＤＬＮ燃焼器は、３つのノズルグループＰＭ１、ＰＭ２及びＰＭ３に配列された６本の燃料ノズル４６を有することができる。各グループに供給する燃料回路は、例えばＰＭ１回路がＰＭ１ノズルに供給するように同様の記号表示で言及される。燃料回路は、速度／負荷バルブ（ＳＲＶ）、各ノズルグループ用のガス制御バルブ（ＧＣＶ）及び４次マニフォールド（Ｑ）、ケーシング及び予混合マニフォールド用のガス制御バルブ（ＧＣＶ４）を含むことができる。燃料回路は、タービン動作範囲の異なる部分にわたりＯＮ及びＯＦＦに切り替えることができる。燃焼モードは、特定の燃料回路のセットがアクティブである（例えば燃料が供給されている）時点を示すのに使用される。

図５は、産業用ガスタービン用の従来の例示的なＤＬＮ燃焼器４５におけるモード指定を示す。図６は、ＤＬＮ燃焼器を点火から全負荷へ、並びに全負荷から運転停止への移行における従来のモードシーケンスを示す。各動作モードにおいて、アクティブ燃料回路の１つが、通常アンカー回路として指定される。アンカー回路は、その特定のモード範囲全体で適切な燃焼失火マージンを維持するために優先的に燃料が供給される。アンカー回路により供給されたノズルでのロバストフレームは、遙かに希薄なレベルで稼働することができる燃焼室中の残りの燃料供給ノズルをパイロットすることにより燃焼器全体の安定性を保証する。多くのＤＬＮ燃焼器設計で使用される本モード及びアンカー回路ストラテジにおいても、大きなガスタービン負荷過渡事象には、依然としてフレーム安定性の維持に関するガスタービン燃料制御システムに対する問題がある。

大きな過渡事象を管理するための従来の方法は、過渡事象中の急激な燃料及び空気変動をサポートすることができるロバスト燃焼動作モードへの移行するものであった。この従来の方法は、過渡事象中の最大電力単独負荷需要を制限し、場合によっては、局所的に施設内での有意な負荷制限を必要とする。

単独モードに対する予想電力需要が、従来方法を使用して達成可能な最大負荷を越える場合、送電系統分離／負荷遮断段階中のガスタービン燃焼器安定性を改善するために代替の方法が必要とされる。これらの代替の方法は、送電系統分離過渡事象中及び単独モード動作中のより高い施設単独負荷をサポートする必要がある。初期施設単独負荷需要が標準的な単独負荷遮断最大限界を超える場合に、単独モードへの移行中の部分的な負荷遮断を可能とする新規の過渡燃料制御アルゴリズムが必要とされる。過渡燃料制御アルゴリズムは、非単独モードなどの通常運転動作中のガスタービン発電機の出力を制限することができる動作上の制限を追加することが必要とすべきではない。

本明細書で開示される新規の方法及びシステムは、高い施設単独負荷における送電系統分離及び単独モード運転に対する統合された解決策を提供する。本方法及びシステムは、電力を生成する大型ガスタービンに好適である。本方法及びシステムは、単独モードへの計画外の移行に応答してガスタービン発電機を制御するように呼び出すことができる。

ガスタービン燃料システムを管理するためのストラテジが、通常のガスタービン発電運転に影響を与えることなく送電系統分離及び単独運転への移行期間中のガスタービン動作性を維持するために開発されてきた。

過渡燃料制御アルゴリズムは、３つの主要な要素を含むことができる。

（Ａ）過渡事象検出：過渡事象モードは、燃料コマンドにおける迅速な変動又はタービン軸の加速のいずれかによる過渡送電系統事象の検出後に開始される。過渡送電系統事象を検出すると、過渡燃料制御アルゴリズムが起動される。検出アルゴリズムが、送電系統分離中の中間負荷運転へのガスタービンの移行を指令する単独モード負荷分割及び単独燃焼モード選択アルゴリズムと同時に使用される。

（Ｂ）過渡燃料制御及び燃焼モード選択：過渡燃料制御アルゴリズムは、燃焼器燃料分割及びモード間移行点を調整し、過渡送電系統事象中の所定の燃焼器安定性を維持する。定常的にモード移行及び燃料分割を規定するタービンパラメータは、大きな過渡事象中に十分迅速に応答することができないので、他のより高速のパラメータを用いて、大きな過渡事象が検出された場合にモード移行及び燃料分割を優先的にバイアスすることになる。例えば、過渡燃料制御アルゴリズムは、１つの回路（アンカー回路）への燃料を引き上げて、単独ガバナ制御への移行中の燃焼器失火マージンを増大させるようにする。

（Ｃ）単独負荷割当：需要先に提供される単独負荷需要信号は、連結ガスタービン発電機間で全単独負荷需要を自動的に配分する負荷割当アルゴリズムにおいて処理される。配分された負荷需要は、過渡事象全体にわたり適切な目標ＤＬＮ燃焼モードを選択する際に使用され、ガスタービン速度／負荷基準指令（ＴＮＲ）に事前配置するのに使用される。

図７は、過渡燃料制御アルゴリズムの例示的な汎用シーケンスフロー５０を表している。本アルゴリズムは、電力過渡事象の適時の検出、過渡事象に対する反応、及び電気的過渡事象に続く燃料管理を通じて、計画外の送電系統分離事象中の発電の偶発的な損失の危険性を軽減する。更に、本アルゴリズムは、施設が依然として送電系統に接続されている間に電力送電システム事象がガスタービン発電機に影響を及ぼすガスタービン動作性を改善する。過渡燃料制御アルゴリズムは、送電系統接続状態に関係なく事象を検出して応答し、燃焼器ロバスト性が改善されるようにガスタービンへの燃料を再配分する。再安定化後、本制御アルゴリズムは、公称設定及び燃料分配を復元し、定常状態運転を再度確立する。

連系線検出ができない場合に遮断器の「遠隔検出」を可能にするために、追加の措置が過渡燃料制御アルゴリズム５０に組み込まれる。遠隔検出は、物理的機械速度、軸加速度、又はその両方の監視に基づいて送電系統分離が示されたときに応答するように調整される。遠隔検出は燃料システム応答をトリガーし、単独運転を検出するための２次的手段を提供する。遠隔検出は、ガスタービンの軸を監視する加速度計又は速度計を含むことができる。

シーケンス５０は、ステップ５２で送電系統負荷の急激な損失のような送電システム事象によって開始することができ、ステップ５４で速度／加速過渡事象を生じることができる。送電システム事象中、制御装置は、遠隔連系線遮断器２２が切り替えられたかどうかを判断する５６。遠隔連系線遮断器が位置が変わると（Ｙｅｓ）、制御装置は、負荷遮断シーケンス５８を開始し、次いで、単独モードが選択されたかどうかを判断する６０。選択されていない場合、ＦＳＮＬに対する通常負荷遮断シーケンスがイネーブルになり６２、燃焼器は、負荷遮断モード（例えばモード１）で運転され、燃料が移送（例えば低減）されて、全速無負荷（ＦＳＮＬ）でガスタービンを維持する。負荷遮断モードが解除されると６４、ユニットは通常ドループ制御６６に移行する。

ステップ５６において、送電システム事象が発生したときに連系線遮断器が切り替えられていない（Ｎｏ）（発電機出力が電力送電系統に接続されたままであることを示す）場合には、ガスタービンは、加速することにより発電機周波数及び／又は電力を変化させることができる。速度及び加速度の変化が顕著である場合、過渡事象検出イネーブル６８がトリガーされることになる。遠隔連系線遮断器が位置を変更した５６（Ｙｅｓ）か、又は過渡事象検出イネーブルがトリガーされた（Ｙｅｓ）場合、アンカー燃料回路過渡分割調整７０は、公称オンラインスケジュールに対する分割調整を適用する。

図９は、アンカー回路燃料分割調整７０を説明している。アンカー回路燃料分割（点線）は、過渡事象中の燃焼器安定性の維持を助けるように調整される。過渡事象開始モード中、アンカー回路燃料分割は、初期負荷遮断過渡中のアンカー回路燃料流量が、先行事象の燃料流量以上であるように先行事象公称分割から調整される。制御装置が過渡事象開始を完了したと判断すると、アンカー回路燃料分割は、過渡事象回復モード中に公称分割プラスあるオフセット量まで戻ることが許可される。最終的に、過渡事象期間が完了し機械が定常状態に安定化したことを制御装置が判断すると、アンカー燃料分割は、過渡バイアスが除去された公称分割設定まで戻る。

過渡燃料制御分割調整は、大きく且つ急激な過渡事象中の燃焼燃料回路への燃料分配を管理する。分割調整は、外乱の大きさを考慮して代表的な予定入力とは関係なく指令されたときに、オンラインスケジュールとは異なるようにすることができる。代表的な燃料分割アルゴリズムは、過渡動作及び過渡事象中のガス流路要素からの放熱に起因して遅延するので、このことが必要となる。

全ての運転状態の間、制御装置は、予め備えられた適切な目標ガバナ設定点８０（図７）及びシーケンス５０中に利用される燃焼モード８２を計算する。制御装置は、送電系統から分離されたときに（ステップ５６、Ｙｅｓ）、単独負荷８６への移行、及び計算された目標負荷及び燃焼モードに対する負荷遮断を実行する。単独負荷８６への移行は、予め備えられた単独負荷指令アルゴリズム７８を利用する。単独負荷指令アルゴリズムは、入力としてリード／ラグユニット状態７６及び施設制御システム７４からの単独負荷需要信号を使用する。リード／ラグユニット状態７６は、正規化パラメータとして周囲条件を使用してフィルタ処理済みユニットＭＷＡＴＴ出力信号を正規化するユニット正規化負荷７２のアクティブ計算によって判断される。リードユニット状態は、一般に、最高出力を有する連結発電機に対して与えられる。次いで、施設制御システムからの単独負荷需要並びにユニットリード／ラグ状態は、図８に示されている単独負荷指令アルゴリズムにおいて処理される。負荷遮断モードが解除され８８、アンカー燃料回路過渡分割調整７０が完了すると、ユニットは単独ガバナ制御９０に移行する。

単一の電力システムで複数の発電能力が存在する場合、ステップ７６で、リードタービン及びラグタービンを宣言する必要がある。上述のように、リードユニット状態は、一般に、最高出力を有する連結発電機に対して与えられる。リードタービンは、負荷遮断段階中に連結ユニット間の負荷分割を決定付けることになる。リードガスタービンは、初期負荷遮断段階中に担う全施設単独運転負荷の初期割合を計算する。次いで、ラグタービンは、リードガスタービンが負わない残りの施設単独負荷に対して負荷遮断するよう指令される。従って、リードタービン負荷コマンドが、施設負荷需要全体に等しい場合、ラグタービンはＦＳＮＬに遮断させるように指令される。リードガスタービン及びラグガスタービンがそれぞれの負荷指令への移行を処理する十分な能力を有することを確保するために、追加の措置が取られる。リードガスタービン及びラグガスタービンのいずれかが、その能力を超えるように指令された場合、単独負荷障害検出８４により構内電力への移行がトリガーされることになる。このリード／ラグタービン制御により、各発電タービンに対する独立した速度検出が存在することに起因する振動を複数のガスタービン制御が確実に起こさないようにすることができる。リード状態及びラグ状態がなく、各タービン用の各ガバナが検出した事象に反応する場合、システム動特性は、検出した事象に対する互いの反応に各タービンが応答し、その結果振動を引き起こす可能性を示している。

図８は、単独運転中の２つのガスタービン（ユニット１及びユニット２）に対して単独負荷を管理するための例示的な新規の制御アルゴリズムである。図９に示されるアルゴリズムは、単独負荷分割機能である。本アルゴリズムは、予め定義されたスケジュールに従って２つの連結されたガスタービン間で単独負荷需要を分割し、負荷遮断ステージ中に各ガスタービン上で見られる燃焼過渡事象を管理するのを助ける。負荷分割機能はまた、連結されたガスタービンが能力の９０％を超える負荷に対応しようとするのを阻止し、適切な周波数応答マージンが維持されるようにするのに役立つ。本アルゴリズムは、送電系統独立負荷レベル（全単独施設負荷の割合における）に応じた各ユニットに好ましいガスタービン単独負荷分割を求める。図９は、高単独負荷に対する負荷遮断中の最適運転を考慮した複数ガスタービンの好ましい負荷割当を表す。本図は、目標ＤＬＮ運転モード及び燃焼システム能力を考慮して、最もロバストな方法でガスタービン間に予め設定された単独負荷を分割するのに利用される。表中に認められたケースを表２及び図１０〜３３と共に以下で説明する。

図８は、２基ガスタービンユニットシステムを示しているが、アルゴリズムは、本明細書の開示事項及び産業用ガスタービン電力負荷技術における通常技術を使用して、２基よりも多くのガスタービンユニットシステムに発展させることができる。

試験は、ＧＥモデル７ＦＡ＋ｅ産業用ガスタービン発電機の制御システムにおいて実装されたような、図７及び図８と関連して上述された過渡燃料制御アルゴリズムを使用したリアルタイム統合シミュレーションでＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＧＥ）ガスタービンＭｒａｋ ＶＩエンジン制御ソフトウェアを使用して実施された。シミュレーションケースは、送電系統分離に応答し、且つ単独モード用制御アルゴリズムを調整するための過渡燃料制御アルゴリズムの能力及び限界を明らかにするよう行われた。単独運転シミュレーションは、送電系統独立負荷及び周囲条件の範囲にわたり能力を検証するのに使用された。これらの条件が、表１に要約されている。

シミュレーションケースは、設計条件を表す幾つかの主要条件において単独運転機能を明らかにする。これらのケースを表２に掲げる。

表２において、ケース１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは、あるガスタービン発電機（ユニット１）が全電力単独負荷需要に対する電力を供給し、且つ第２の発電機（ユニット２）が全速無負荷（ＦＳＮＬ）条件にオフラインで遮断される３つの周囲条件での単独負荷条件を表す。ケース２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、電力単独負荷需要が２基ガスタービン発電機（ユニット１及びユニット２）間で分割される単独負荷条件を表す。これら６つのケース（１Ａから１Ｃ及び２Ａから２Ｃ）は、電力施設で発生する可能性が高く、且つ速度及び燃焼器安定性を制御するためのケースを表す負荷段階を対象とする。ケース３は、各ケースが単独負荷機能に対して低下することを示した図８に示されている単独負荷分割機能を使用して２基のガスタービン発電機をオンラインに留まらせる最低負荷を表す。

ケース４は、ガスタービン負荷の１０％までの段階を表す。本ケースは、蒸気側性能を評価するための重要な設計条件である。ガスタービン排気条件は、全てのケースに対して適用される。

表３は、提示された全てのケースに対する速度応答及び失火マージン性能をまとめている。速度応答は、全てのケースにおいて設計範囲内で良好であるとみなされる。

データは、各シミュレーションケース中に取り込まれたが、幾つかの主要な機械パラメータが、図１０から３２で示されたチャートに表示されている。チャートに含まれるパラメータは、表４で定義される。

ケース１Ａ（図１０から図１２）：本条件は、周囲温度３０°Ｆにおける８５ＭＷ単独負荷への基本負荷である。ケース１Ａは、両ユニットが例えば送電系統に対する基本負荷などの基本負荷で始まる。３０°Ｆにおいて、基本負荷は約１８５ＭＷである。目標単独負荷は、予め８５ＭＷに設定されている。図１０において、負荷は、最初に約０．３秒間４２．５ｍｗまで低下し、その後８５ＭＷに上昇する。これは、単独負荷分割機能（図６における９０）が、第１のユニットによって担うべき８５ＭＷ負荷を要求し、そのため第２のユニットがオフラインで遮断されるためである。第２のユニットがオフラインで遮断されるまでに短い遅延があるので、８５ＭＷ負荷は、一時的に両ユニットによって予想通り各々４２．５ＭＷが共用される。

負荷低下時において、速度（ＴＮＨ）は、最大値１０３．５％まで急激に上昇した後、１００％に向かって減衰する。単独遷移状態中の最高速度の設計目標値は１０８％である。参考として、典型的な全負荷遮断は約１０６％の過速度をもたらすことになり、過速度遮断レベルは１１０％に設定される。図７に示されるケースの間、低速度はほとんど見られない。単独過渡状態までの段階中の最低速度の設計目標値は９８％である。低周波数遮断レベルは９４％に設定される。

速度及び加速度の増大に応答して、制御システムは、第２のチャートにおいてＦＳＲで示される全燃料流量の実質的な減少を指令する。ＦＳＲは、８０％から約２４％の最小限度まで低下する。ＦＳＲが最小レベルから約４５％に増大すると、第２のより小さな速度移行が生じる。

過渡燃料制御アルゴリズムの機能は、４つのガス燃料回路の燃料流量を示す図１１に示されている。ＰＭ２及びＰＭ３燃料ノズル並びに４次回路に対する流量（Ｗ）は急激に減少されるが、ＰＭ１回路に対する流量（Ｗ）は増大している。ＰＭ１流量は、過渡事象を通じてＰＭ１ノズルでの超安定燃焼を維持するように調整される。過渡事象が進むと、個々の燃料流量は、漸次的にこれらの通常の安定運転レベルに戻される。燃焼器のフレーム安定性が適切であるかどうかを評価するために、燃焼器失火マージン量が各ケースについて計算される。ケース１Ａの場合、過渡事象中の平均失火マージンは２６％であり、最小失火マージンは１８％である。参考までに、燃焼モード６における通常の安定状態運転での失火マージンは約７％である。単独過渡事象への段階中に失火マージンのかなりの増大が達成される。最小失火マージンに対する設計目標値は２０％であり、従って、ケース１Ａは所要よりも僅かに少ない失火マージンを有する。過渡燃料制御アルゴリズムでの追加調整によって、全ての条件に対して最小失火マージン２０％が達成されることは十分に予想される。

ガスタービン排気質量流及び温度の傾向は、図１２に示されている。機械条件における最大変動は、過渡事象の最初の１０〜１５秒で発生していることが分かる。

ケース１Ｂ（図１３〜図１５）：このシミュレーションは、８５ＭＷ単独負荷及び８６°Ｆ雰囲気に対する基本負荷からの移行を目的とするものである。ケース１Ｂにおいては、目標単独負荷は８５ＭＷであり、周囲温度は８６°Ｆである。８６°Ｆにおいて、基本負荷は約１５５ＭＷであり、ケース１Ｂに対する負荷段階変動は、ケース１Ａに対するものよりも小さい。図１３においては、第２のユニットのオフライン遮断における遅延に起因して、ケース１Ａと同様に４２．５ＭＷまでの同じ初期段階が生じる。ケース１Ｂでの最高速度は１０２．５％であり、低速度状態はほとんどない。速度及び他のタービン条件の傾向（図１５参照）は、ケース１Ａに類似しているが、振幅はより小さい。一般則として、負荷段階が小さいほど、大部分の他のタービンパラメータの公称値からの偏位は小さい。平均及び最小の燃焼器失火マージンはそれぞれ２９％及び２５％であり、設計目標値２０％よりも十分上廻る。

ケース１Ｃ（図１６から図１８）：シミュレーションでは、周囲温度１２０°Ｆにおける基本負荷から８５ＭＷ単独負荷への移行を仮定する。ケース１Ｃにおいて、目標単独負荷は８５ＭＷであり、周囲温度は１２０°Ｆである。１２０°Ｆにおいて、基本負荷は、負荷段階がケース１Ａ及び１Ｂにおけるよりも小さくなるように約１３０ＭＷである。４２．５ＭＷまでの初期段階は、（ケース１Ａ及び１Ｂの場合と同様に）第２のユニットのオフライン遮断の遅延に起因して発生する。ケース１Ｃの最高速度は１０１．６％であリ、低速度はほとんどない。速度及び他のタービンパラメータにおける傾向は、ケース１Ａ及び１Ｂに類似しているが、振幅はより小さい。平均及び最小の燃焼器失火マージンは、それぞれ２９％及び２４％である。

ケース２Ａ（図１９から図２１）は、周囲温度３０°Ｋにおける１８０ＭＷ単独負荷に対する基本負荷のシミュレーションである。ケース２Ａは、両ユニットが３０°Ｆの周囲温度における基本負荷から始まる。目標単独負荷は、１８０ＭＷ負荷に予め設定される。単独負荷分割機能は、両ユニットによって担うべき１８０ＭＷ負荷を要求し、各々９０ＭＷで運転する。両ユニットはオンラインのままであり、基本負荷（およそ１８５ＭＷ）から９０ＭＷへの同一の過渡事象を生じる。ケース２Ａにおける最高速度は１０３．６％であり、最低速度は９９．７％である。これは、一方のユニットだけが１１８ＭＷから８５ＭＷに進むケース１Ａの速度傾向に近く、２つのユニットが同一の負荷変動を生じる場合には互いに独立して動作することになる予想を裏付けるものである。他のタービンパラメータの傾向もまた、ケース１Ａに類似している。ケース２Ａに対する平均及び最小燃焼失火マージンは、それぞれ２７％及び２１％である。

ケース２Ｂ（図２２から２４）は、周囲温度８６°Ｆにおける１８０ＭＷ単独負荷への基本負荷のシミュレーションである。ケース２Ａの場合と同様、両ガスタービンユニットは、単独負荷においてオンラインを維持し、基本負荷（およそ１５５ＭＷ）から９０ＭＷへの同一の過渡状態を生じる。ケース２Ｂにおける最高速度は１０２．５％であり、最低速度は９９．９％である。他のタービンパラメータにおける傾向は、ケース２Ａに類似しているが、振幅は小さい。ケース２Ｂに対する平均及び最小燃焼器失火マージンは、それぞれ３０％及び２４％である。

ケース２Ｃ（図２５から２７）は、１２０°Ｆの周囲温度における１８０ＭＷ単独負荷への基本負荷のシミュレーションである。ケース２Ａ及び２Ｂの場合と同様、両ガスタービンユニットは単独モードにおいてオンラインを維持し、基本負荷（およそ１３０ＭＷ）から９０ＭＷへの同一の過渡状態を生じる。ケース２Ｃにおける最高速度は１０１．５％であり、最低速度は９９．９％である。他のタービンパラメータにおける傾向はケース２Ａ及び２Ｂに類似しているが、振幅はより小さい。ケース２Ｃに対する平均及び最小燃焼器失火マージンは、それぞれ２９％及び２３％である。

ケース３（図２８から図３０）は、８６°Ｆの周囲温度における基本負荷から１４０ＭＷ単独負荷への移行のシミュレーションである。ケース３においては、目標単独負荷は１４０ＭＷであり、周囲温度は８６°Ｆである。１４０ＭＷの負荷は、単独負荷分割機能が２つのユニットを使用して負荷をサポートする最低負荷に近い。両ユニットはオンラインを維持し、基本負荷（１５７ＭＷ）から７０ＭＷへの同一の過渡状態を生じる。ケース３における最高速度は１０３．２％であり、最低速度は９９．９％である。他のタービンパラメータにおける傾向は、これまでの全てのケースに類似している。ケース３における平均及び最小燃焼器失火マージンは、それぞれ２７％及び２１％である。

ケース４（図３１から図３３）は、８６°Ｆの周囲温度における基本負荷から３２ＭＷ単独負荷への移行のシミュレーションである。ケース４は、８６°Ｆの周囲温度における正に１６ＭＷの単独負荷への中間段階を含む。負荷分割機能は、この負荷を一方のユニットを用いてサポートし、第２のユニットはＦＳＮＬに遮断する。更に、負荷は、標準単独機能が使用されるほど十分に低い。

ケース４における負荷段階（およそ１５５ＭＷから１６ＭＷ）は、他のいずれのケースよりも大きく、予想通り達成偏位がより大きい。ケース４における最高速度は１０５．２％であり、最低速度は９９．２％である。他のタービンパラメータの傾向は、他のケースとは幾分異なる。標準単独機能が固有モード及び燃料供給ストラテジを利用するので、燃料システム応答は、予想通り異なっている。ケース４における平均及び最小燃焼器失火マージンは、それぞれ５５％及び４７％である。

現在最も実用的で好ましい実施形態とみなされるものと共に本発明を説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定さるものではなく、逆に、添付の請求項の精神及び範囲に含まれる様々な修正及び均等構成を対象とすることが意図される点を理解すべきである。

図１は、ガスタービン発電機を含む発電機及び負荷システムの概略図。 図２は、単独モード運転に適応した従来のドループガバナの運転を示す機能図のフローチャート。 乾式低窒素酸化物（ＤＬＮ）燃焼器を備えるガスタービン用の従来の燃料ノズルグループ及び従来の燃料回路構成を示す概略図。 乾式低窒素酸化物（ＤＬＮ）燃焼器を備えるガスタービン用の従来の燃料ノズルグループ及び従来の燃料回路構成を示す概略図。 産業用ガスタービンの従来の例示的なＤＬＮ燃焼器のモード表示。 ＤＬＮ燃焼器を点火から全負荷まで、並びに全負荷から運転停止まで移行させるモードシーケンス。 複数のユニットを単独モードへ移行させるのに使用される新規の単独制御機能。 複数のユニットを単独モードへ移行させるための新規の負荷分割技術のグラフ。 大きな過渡事象中に燃焼器性能を高めるのに使用される新規のアンカー燃料回路分割調整アルゴリズムを示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。 ガスタービンが基本負荷から単独モードに移行するときの、図９に示された方法で実行するように適合された制御装置のシミュレーション性能を示す図。

符号の説明

５２ 送電事象
５４ 速度／加速度過渡事象
６４ 負荷遮断解除
７２ ユニット正規化負荷
７４ 単独負荷需要
７６ リード／ラグ状態
８４ 単独負荷障害検出
８６ 単独負荷への移行

Claims (8)

1. 第１のガスタービンを含む複数の連結されたガスタービン用の燃料供給回路に対する過渡燃料制御の方法であって、
   第１のガスタービンに対する燃料コマンドにおける急激な変動及び第１のガスタービンのタービン軸の加速のうちの少なくとも１つの徴候に基づいて過渡送電系統事象を検出する段階と、
   前記第１のガスタービンの発電機出力と送電系統とが分離されているか否かを検出する段階と、
   前記過渡送電系統事象が検出され、かつ送電系統が分離されている場合には、連結されたガスタービンのうちの少なくとも１つを少なくとも１つの中間負荷に移行させるようにガスタービン制御装置に指令する段階と、
   前記過渡送電系統事象が検出され、かつ送電系統が分離されていない場合には、前記過渡送電系統事象中の燃焼器安定性を維持するために、連結されたガスタービンのうちの少なくとも１つの燃焼器燃料分割を調整し、予め設定された単独負荷需要信号を使用して、連結されたガスタービン発電機間で単独負荷需要を配分する段階と、
   を含む方法。
2. 連結されたガスタービンのうちの少なくとも１つのタービンの燃料回路の１つに対する燃料分割が増大されるように調整することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記配分された負荷需要を使用して前記過渡送電系統事象全体にわたって目標ＤＬＮ燃焼器モードを選択する段階を更に含む請求項１または２に記載の方法。
4. 前記過渡送電系統事象を検出する段階が、第１のガスタービンの速度状態の遠隔検出を含む請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 配分段階が、少なくとも１つのガスタービンに対して無負荷を適用する段階を含む請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 配分段階が、連結された複数のガスタービン間で単独負荷需要を共用する段階を含む請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 送電系統が分離されているか否かを検出する段階が、連系線遮断器の変化を感知する段階を含む請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記過渡送電系統事象が、電力送電系統と、前記複数の連結されたガスタービンの少なくとも１つによって各々が駆動される１つ又はそれ以上の発電機との間の接続を維持する段階を含む請求項１から７のいずれかに記載の方法。
   

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