JP5951885B2 - ガスタービン設備 - Google Patents

Description

本発明はガスタービン設備に関する。

燃焼器に対する燃料流量と圧縮機の吸気流量により発電出力を一定に制御するガスタービン設備が知られている（特許文献１等参照）。

特開２００１−１２３８５２号公報

風力発電や太陽光発電といった再生可能エネルギーは天候等によって大きく発電出力が変動するため、再生可能エネルギーの大量導入に伴って、電力系統の系統周波数の不安定化が懸念されている。系統周波数の安定のためには、再生可能エネルギーの変動を吸収しつつ電力需要に合わせて発電し電力系統に電力を供給しなければならない。したがって、タービン出力指令に対する応答性の向上が急務である。

しかし、タービン出力は一般に燃料流量により制御されるため、燃料流量の制御に対して応答遅れがある。加えて、例えばタービン出力の制御の際に燃料流量が変化すれば燃焼ガス温度も変化するが、燃焼ガスの温度が急変すると燃焼ガスに晒される高温部品の温度分布が不均一になって熱応力が増大してしまう。過度な熱応力は高温部品の熱疲労、ひいては破損を招来し得る。この例を含め、信頼性の観点から燃料流量等によるタービン出力の制御には幾つかの制約がある。そのため、ガスタービン設備では燃料流量等の制限や応答遅れによりタービン出力指令の急激な変化に対応しきれない恐れがある。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、タービン出力指令に対する応答性を向上させることができるガスタービン設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービン設備のタービン軸に流体継手を介して電動機を連結する。

本発明によれば、タービン出力指令に対する応答性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン設備に備えられたガスタービン制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン設備に備えられたガスタービン制御装置による電動機の制御手順を表すフローチャートである。 電動モータのトルク印加による発電出力の挙動等を表した図である。 本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン設備に備えられたガスタービン制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン設備に備えられたガスタービン制御装置による油量調整弁の制御手順を表すフローチャートである。 本発明の第４の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。 本発明の第５の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。 本発明の第６の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。 本発明の第６の実施の形態に係るガスタービン設備に備えられたガスタービン制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第６の実施の形態に係るガスタービン設備に備えられたガスタービン制御装置による油量調整弁の制御手順を表すフローチャートである。

以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施の形態）
１−１．ガスタービン設備
図１は本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。

図１に示したガスタービン設備は、ガスタービン１００、発電機１１１、及び電動機１１４を備えている。ガスタービン１００は、圧縮機１０３、燃焼器１０５、及びタービン１０９を備えている。ガスタービン１００としては１軸式のガスタービンを例示しているが、２軸式のガスタービンであっても良い。

圧縮機１０３は、空気を吸い込んで圧縮し圧縮空気１０４を生成し、生成した圧縮空気１０４を燃焼器１０５に供給する。また、圧縮機１０３の空気取り込み口には、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内翼）１０２が備えられている。ＩＧＶ１０２は複数備わったベーン（不図示）を回転させて圧縮機１０３の空気取り込み口の開口面積を変化させることで、圧縮機１０３へ流入する空気量を変化させる。

燃焼器１０５は、圧縮機１０３からの圧縮空気１０４を燃料１０７とともに燃焼し、燃焼ガス１０８を生成する。燃焼ガス１０８で燃焼する燃料１０７の流量は燃料配管に設けられた燃料調整弁１０６によって調整される。

タービン１０９は、燃焼器１０５からの燃焼ガス１０８により駆動する（タービン軸１１０の回転動力を得る）。タービン１０９で得られた回転動力は、タービン軸１１０を介して圧縮機１０３及び発電機１１１に伝達される。タービン１０９でエネルギーを回収された燃焼ガス１０８は排気１１２として排出される。

発電機１１１は、ガスタービン１００のタービン軸１１０に接続されていて、タービン１０９で得られた回転動力によって駆動して交流電力を発生させる。発電機１１１の出力周波数の変動を抑制するため、１軸式のガスタービン１００は電力系統１１３の系統周波数に応じた設定回転数を目標にして回転し、発電出力を上げる場合は燃料流量を増やしてタービン出力（トルク）を増加させ、その分だけ発電機１１１の負荷（固定子に流す電流等）を大きくする。発電出力を下げる場合は燃料流量を減らしてタービン出力を減少させ、その分だけ発電機１１１の負荷を小さくする。発電機１１１の発電出力は、電力ケーブルを経て電力系統１１３に送られる。

電動機１１４は、タービン負荷運転中にタービン軸１１０に回転動力を与えタービン出力を変更するアシストモータとして備わっている。電動機１１４は、発電機１１１よりも小容量の比較的小型のもので良い。電動機１１４の動力源は電力系統１１３からの電力でも良いし、発電機１１１による発電出力の一部、その他プラント内の電源設備から供給される電力でも良い。また、発電機としても駆動する電動発電機を電動機１１４に用いることもできる。この場合の電動機１１４の発電出力は、必要に応じて周波数を制御した上で電力系統１１３に供給しても良いし、プラント内の各種設備の動力源として使用しても良い。この電動機１１４の動作は、後の実施の形態のように制御装置による自動運転でも良いが、本実施の形態の場合は操作者による手動運転であっても良い。

また、電動機１１４の回転軸（電動機軸）１１５は、流体継手１１６を介してタービン軸１１０に連結されている。電動機軸１１５はタービン軸１１０と機械的に切り離されていて、流体継手１１６の内部に充填された制御油を介してタービン軸１１０との間でトルクを伝達する。

なお、図１ではタービン軸１１０のタービン１０９側の軸端に発電機１１１を、圧縮機１０３側の軸端に電動機１１４を連結した構成を例示したが、この配置は逆でも構わない。すなわち、タービン軸１１０のタービン１０９側の軸端に電動機１１４を、圧縮機１０３側の軸端に発電機１１１を連結した構成であっても良い。但し、この場合でも電動機軸１１５は流体継手１１６を介してタービン軸１１０に連結する。

１−２．効果
（１）応答性の向上
電動機１１４のトルクは印加電圧により制御できるので、燃料流量や吸気流量を制御してタービン出力を調整する場合に比べて応答性が良い。したがって、本実施の形態によれば、例えばタービン負荷運転中にタービン出力指令（以下、ＭＷＤという）が急激に上昇し燃料流量によるタービン出力の制御では応答遅れ又は機械保護のための制限によって需要上昇にタービン出力を追従させられないような場合、電動機１１４をモータ駆動してタービン軸１１０にトルクを付加することにより、タービン出力をＭＷＤの急増に追従させることができる。また、電動機１１４に電動発電機を用いれば、ＭＷＤが急激に低下して燃料流量によるタービン出力の制御では応答遅れ又は機械保護のための制限によって需要低下にタービン出力を追従させられないような場合、電動機１１４を発電機駆動してタービン軸１１０のトルクの一部を電気エネルギーに変換することにより、タービン出力をＭＷＤの急減に追従させることができる。したがって、本実施の形態によれば、ＭＷＤに対するタービン出力の応答性を向上させることができる。

なお、燃料流量等によるタービン出力の調整でＭＷＤの変動に追従できるような場合には、電動機１１４はモータ駆動も発電機駆動もする必要はなく、無負荷運転（空転）するようにしておけば良い。クラッチを介して電動機軸１１５を切り離せるようにした場合には、不使用時にはタービン軸１１０から切り離すようにしても良い。また、ＭＷＤの急増に対する応答性のみを改善できれば足りる場合には、電動機１１４に発電機機能は必要ない。

（２）信頼性の確保
ここで、本実施の形態では、上記電動機１１４の駆動時に負荷運転中のタービン軸１１０に外的に継続してトルクを付加することとなる。したがって、電動機軸１１５が印加するトルクによって加減速するタービン軸１１０にはねじり応力が作用する。加えて、例えば再生可能エネルギー発電装置が電力系統１１３を介して接続される場合には、電力系統１１３の周波数の変動を抑制するために、電力需要の変動に加えて再生可能エネルギー発電装置の発電出力の変動に応じて発電出力を調整する必要があるので、電動機１１４がタービン軸１１０に印加するトルクの変動も激化し得る。特に電動機１１４に電動発電機を用いた場合には、電動機１１４がタービン軸１１０に印加するトルクが正負逆転する。これらの場合には、タービン軸１１０に作用するねじり応力に脈動が生じ、タービン軸１１０が過度に疲労し得る。タービン軸１１０の素材や形状等の変更によってタービン軸１１０の強度を向上させることはできるが、設備費用の高騰に繋がり得る。更には、タービン軸１１０の強度上の制限から電動機１１４の印加トルクが大きく制約され、単にタービン軸１１０に電動機軸１１５を連結したというだけではタービン出力の制御のために電動機１１４の能力を十分に発揮させられない恐れがある。

この点に配慮して、本実施の形態では、流体継手１１６を介して電動機軸１１５をタービン軸１１０に連結した。流体継手１１６の内部では、電動機軸１１５とタービン軸１１０は機械構造的に切り離されていて、電動機１１４の印加するトルクは流体継手１１６に充填された制御油の流体運動に変換された後、タービン軸１１０に伝達される。これにより、電動機１１４の印加トルクの変動に伴ってタービン軸１１０に作用するねじり応力を抑制することができる。また、タービン軸１１０に作用するトルク成分の細かな脈動は減衰する。この点もねじり応力の抑制に貢献する。

また、流体継手１１６の内部で電動機軸１１５とタービン軸１１０は切り離されているので、電動機軸１１５とタービン軸１１０の回転数のずれが許容される。これにより、電動機軸１１５とタービン軸１１０の回転数偏差が生じる場合にもねじり応力を抑制することができる。

（３）効率向上
電動機軸１１５とタービン軸１１０の回転数偏差が許容されるので、高効率なシステムを構築することができる。例えば、電動機１１４及びガスタービン１００の最高効率回転数が異なる場合、電動機１１４及びガスタービン１００をそれぞれ異なる最高効率回転数で運転することができる。

（４）発電機容量の抑制
一般に流体継手は、伝達するトルクが大きくなるほど、トルク伝達効率が低下して運転中の制御油温度の管理が難しくなり、制御油の温度によって性能変化が大きくなることが知られている。それに対し、本実施の形態の場合、電動機１１４は比較的小容量、例えば発電機１１１の数％程度の容量のもので一定の効果が見込めるため、電動機軸１１５とタービン軸１１０との間で伝達されるトルクを抑制することができ、良好なトルク伝達効率を確保することができる。仮に発電機１１１の回転軸をタービン軸１１０に連結するのに流体継手を用いた場合、本実施の形態に比べて伝達トルクが著しく大きいためトルク伝達効率も大きく低下する。

（第２の実施の形態）
２−１．ガスタービン設備
図２は本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。本実施の形態において第１の実施の形態と同様のものについては同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は電動機１１４を自動運転するための具体的構成例を示すものである。同図に示したガスタービン設備は、計測器２０１，２０２及びガスタービン制御装置２０３を図１のガスタービン設備に付加した構成である。計測器２０１はガスタービン設備の発電出力を、計測器２０２はタービン軸１１０の回転数をそれぞれ計測してガスタービン制御装置２０３に出力する。ガスタービン制御装置２０３は、これら計測器２０１，２０２の計測信号とともに外部（例えば上位の制御装置）からの発電出力指令（ＭＷＤ）２０４を入力信号とし、これら入力信号を基にＩＧＶ１０２、燃料調整弁１０６、発電機１１１及び電動機１１４を制御する。他のハード構成は第１の実施の形態と同様である。

２−２．制御装置
図３は図２のガスタービン制御装置２０３の機能ブロック図である。

同図に示したように、ガスタービン制御装置２０３には、入力部２０３ａ、記憶装置２０３ｂ、燃料流量制御装置２０３ｃ、吸気流量制御装置２０３ｄ、発電機制御装置２０３ｅ、電動機制御装置２０３ｆ、及び出力部２０３ｇが備わっている。入力部２０３ａは、計測器２０１で計測された発電出力、計測器２０２で計測されたタービン回転数、及びＭＷＤ２０４を入力信号として入力し、適宜デジタル信号化する。記憶装置２０３ｂは、入力部２０３ａを介して入力された入力信号、各種制御に必要なプログラムや閾値、各種演算値を記憶する複数の領域を含んでいる。燃料流量制御装置２０３ｃは、ＭＷＤ２０４に応じた燃料流量を演算し燃料調整弁１０６への開度制御信号２０５を生成する。開度制御信号２０５は、例えば発電出力の計測値をＭＷＤ２０４に近付けるような値として演算される。吸気流量制御装置２０３ｄはＩＧＶ１０２への開度制御信号２０６を生成する。開度制御信号２０６は、例えばタービン回転数の計測値を基に圧縮機１０３の吸気流量を一定に保つような値として演算される。発電機制御装置２０３ｅは発電機１１１への負荷制御信号２０８を生成する。負荷制御信号２０８は、例えばタービン回転数の計測値を基にタービン回転数を設定回転数に近付ける値として演算される。電動機制御装置２０３ｆは必要に応じて電動機１１４へのトルク制御信号２０７を生成する。

２−３．制御手順
図４はガスタービン制御装置２０３による電動機１１４の制御手順を表すフローチャートである。ガスタービン制御装置２０３はタービン負荷運転中に繰り返し同図の手順を実行する。

・ステップＳ１０１
図４の手順を開始すると、ガスタービン制御装置２０３は、まず微分演算によってＭＷＤ２０４の変化率（時間変化）を演算し、演算した変化率（絶対値）が制限値以上か否かを判定する。この制限値は、例えば燃料流量制御で追従し得る発電出力の最大変化率（又は余裕を見てそれよりも低めに設定した値）を用いることができる。ＭＷＤ２０４の変化率が制限値を下回っていれば、ガスタービン制御装置２０３は図４の手順を終了する。燃料流量制御で発電出力をＭＷＤ２０４に追従させられ場合は電動機１１４によるアシストは不要なためである。ＭＷＤ２０４の変化率が制限値以上であれば、ガスタービン制御装置２０３はステップＳ１０２に手順を移す。

・ステップＳ１０２，Ｓ１０３
ＭＷＤ２０４の変化率が制限値以上である場合、ガスタービン制御装置２０３は、電動機制御装置２０３ｆによって電動機１１４に対するトルク制御信号２０７を演算し（ステップＳ１０２）、出力部２０３ｇを介して電動機１１４に出力する（ステップＳ１０３）。トルク制御信号２０７は、例えばＭＷＤ２０４に応じたタービン出力の変化率と制限値（燃料流量制御によるタービン出力の変化率）の差分を基に、トルクの不足分を補うようなモータ駆動指令値として生成される。電動機１１４が電動発電機の場合は、トルクの余剰分を電気エネルギーとして回収するような発電機駆動指令値として生成される。

・ステップＳ１０４，Ｓ１０５
電動機１１４にトルク制御信号２０７を出力したら、ガスタービン制御装置２０３は、ＭＷＤ２０４の変化率が上記制限値を下回ったか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ＭＷＤ２０４の変化率が依然として制限値以上であれば、継続して電動機１１４によりタービン軸１１０にトルクを印加する必要があるため、ガスタービン制御装置２０３はステップＳ１０２に手順を戻す。ＭＷＤ２０４の変化率が制限値を下回っていれば、電動機１１４によるトルク印加の必要がなくなるため、ガスタービン制御装置２０３は、電動機制御装置２０３ｆによってトルク制御信号２０７を所定割合で減じてトルク印加を解除し（ステップＳ１０５）、図４の手順を終了する。

２−４．効果
本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。この点について図を用いて説明する。

図５は電動モータ１１４のトルク印加による発電出力の挙動等を表した図である。

ガスタービン１００に同図の１段目に示すＭＷＤ２０４が推移したとする。ＭＷＤ２０４は時刻ａ及びｂに大きな変化率で増加している。２段目に示す発電機１１１の出力を見ると、電動機１１４を使用しない場合は時刻ａ及びｂのＭＷＤ２０４の急変に追従しきれていない（点線参照）。それに対し、３段目に示したように時刻ａ及びｂで電動機１１４によって一時的にタービン軸１１０にトルクを印加することで発電出力の応答性が向上し、ＭＷＤ２０４に発電出力が良好に追従している（２段目の実線参照）。

但し、電動機１１４によるトルク印加によりタービン軸１１０にねじり応力が発生し得ることは既に述べた。４段目には、この例の通り電動機１１４によりトルクを印加する場合に、流体継手１１６を介して電動機軸１１５を連結したタービン軸１１０に発生するねじり応力（実線参照）、及び電動機軸１１５を機械的に（剛的に）連結したタービン軸１１０に発生し得るねじり応力（点線参照）の各シミュレーション結果を示している。シミュレーション結果を見ても分かる通り、タービン軸１１０のねじり応力は、通常の継手を介して電動機軸１１５を機械的に連結した場合に比べて、流体継手１１６を介して連結することによって抑えられる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態が前述した各実施の形態と相違する点は、流体継手１１６に充填する油量を制御して電動機軸１１５とタービン軸１１０との間のトルク伝達効率を制御する点である。

３−１．ガスタービン設備
図６は本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。本実施の形態における説明済みの実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

同図に示したガスタービン設備は油量調整弁４０１を備えている。この油量調整弁４０１は、流体継手１１６に充填する供給源（不図示）からの制御油の油量を調整する制御弁である。油量調整弁４０１の開度はガスタービン制御装置２０３Ａにより制御される。その他のハード構成は第２の実施の形態に係るガスタービン設備（図２参照）と同様としてある。

３−２．制御装置
図７はガスタービン制御装置２０３Ａの機能ブロック図である。本実施の形態における説明済みの実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

図７に示したガスタービン制御装置２０３Ａは、油量制御装置２０３ｈを含んでいる。油量制御装置２０３ｈは、計測器２０１で計測した発電出力とＭＷＤ２０４との偏差に応じて油量調整弁４０１を制御して流体継手１１６のトルク伝達効率を変化させる機能を果たす。ガスタービン制御装置２０３Ａの他の機能部の構成及び機能については、第２の実施の形態におけるガスタービン制御装置２０３（図３参照）と同様としてある。

３−３．制御手順
図８はガスタービン制御装置２０３Ａによる油量調整弁４０１の制御手順を表すフローチャートである。ガスタービン制御装置２０３Ａはタービン負荷運転中に油量制御装置２０３ｈによって繰り返し同図の手順を実行する。

・ステップＳ２０１
図８の手順を開始すると、油量制御装置２０３ｈは、モード信号を基に油量調整弁４０１の自動制御モードの設定がＯＮか否かを判定し（ステップＳ２０１）、設定がＯＦＦの場合には油量調整弁４０１内における制御油の目標圧力を設定値に設定する（ステップＳ２０７）。設定がＯＮの場合には、油量制御装置２０３ｈはステップＳ２０１からステップＳ２０２に手順を移す。モード信号は、ガスタービン制御装置２０３の操作盤（不図示）等から操作者の操作に応じて入力される信号である。

・ステップＳ２０２，Ｓ２０３
設定がＯＮの場合、油量制御装置２０３ｈは、微分演算処理等によってＭＷＤ２０４の変化率（時間変化）を演算し、演算した変化率（絶対値）が制限値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。この手順は電動機１１４の制御手順におけるステップＳ１０１（図４参照）と同様である。ＭＷＤ変化率が制限値を下回っていれば、油量制御装置２０３ｈは、ステップＳ２０７に手順を移す。ＭＷＤ変化率が制限値以上であれば、油量制御装置２０３ｈは、計測器２０１の計測値とＭＷＤ２０４との偏差（ＭＷＤ２０４に対する発電出力の過不足）を演算して（ステップＳ２０３）ステップＳ２０４に手順を移す。

・ステップＳ２０４，Ｓ２０５
発電出力の過不足を演算したら、油量制御装置２０３ｈは、過不足（絶対値）が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２０４）。閾値は記憶装置２０３ｂに記憶された設定値である。過不足が閾値以下であれば、油量制御装置２０３ｈは、ステップＳ２０７に手順を移す。過不足が制限値を超えていれば、油量制御装置２０３ｈは、過不足の大きさを基に油量調整弁４０１の内部の制御油の目標圧力を演算する。例えば発電出力の過不足が大きいほど設定圧力に対して目標圧力を高く設定する。

・ステップＳ２０６
ステップＳ２０５又はＳ２０７で油量調整弁４０１の制御油の目標圧力を設定したら、油量制御装置２０３ｈは、目標圧力に応じた開度制御信号４０２を生成し、油量調整弁４０１に出力して図８の手順を終了する。

３−４．効果
本実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様の効果に加え、次の効果が得られる。

ここで、流体継手１１６は、内部の制御油の充填量が多い（圧力が高い）程トルク伝達率が高くなる。反対に、制御油の充填量が少ない（圧力が低い）程トルク伝達率が下がり、タービン軸１１０と電動機軸１１５の回転数の許容偏差が大きくなる。そこで、本実施の形態では図８の手順をタービン負荷運転中に繰り返し実行する。すなわち、ＭＷＤ２０４に対する発電出力の追従性を向上させたい場合には流体継手１１６の制御油圧力を上げる。具体的には、油量調整弁４０１が流体継手１１６からの制御油の排出管路に設けられている場合には、油量調整弁４０１の開度を小さくする開度制御信号４０２を生成し出力する。反対に油量調整弁４０１が流体継手１１６への制御油の供給管路に設けられている場合には、油量調整弁４０１の開度を大きくする開度制御信号４０２を生成し出力する。また、タービン軸１１０のねじり応力やその脈動を抑えたい場合、或いはタービン軸１１０と電動機軸１１５の回転数の許容偏差を広く確保したい場合には流体継手１１６の制御油圧力を下げる。制御油の圧力を下げる手順は制御油の圧力を上げる手順と逆の手順である。

なお、ＭＷＤ２０４の変化率が小さく電動機１１４でターンビン軸１１０にトルクを印加しなくてもＭＷＤ２０４に発電出力を追従させられる場合、又はＭＷＤ２０４に対する発電出力の過不足が少ない場合には、目標圧力を設定値（例えば予め定めた最低値又はゼロ）に設定して流体継手１１６の内部の制御油を減少又は完全に排出させる。その際の油量調整弁４０１の操作手順は流体継手１１６の制御油の圧力を下げる場合と同じ手順である。

従って、本実施の形態によれば、電動機１１４とタービン軸１１０との間のトルク伝達効率を制御することにより、状況に応じて例えばＭＷＤ２０４に対する発電出力の追従性能をより高めたりタービン軸１１０のねじり応力をより抑制したりすることができる。また、必要に応じて制御油の圧力を下げてタービン軸１１０と電動機軸１１５の回転数の許容偏差を大きくすることで、電動機１１４を低速運転又は停止させることもでき、経済性も向上する。

なお、本実施の形態ではＭＷＤ２０４の変化率等に応じて油量調整弁４０１を自動調整する場合を例に挙げて説明したが、ガスタービン発電設備の運転状況に応じて操作者が手動操作により油量調整弁４０１の開度を調整する構成とすることもできる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態が前述した各実施の形態と相違する点は、異なる回転数で回転し得る複数のタービンを含んでいる点である。本実施の形態では２軸式ガスタービンを採用した場合を例示している。

図９は本発明の第４の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。本実施の形態における説明済みの実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

同図に示したように、本実施の形態におけるガスタービン１００Ａは高圧タービン１０９ａと低圧タービン１０９ｂの２つのタービンを備えている。高圧タービン１０９ａと低圧タービン１０９ｂは互いのタービン軸１１０ａ，１１０ｂが切り離されていて、互いに異なる回転数で回転し得る。高圧タービン１０９ａは、タービン軸１１０ａを介して圧縮機１０３と連結されていて、圧縮機１０３及び燃焼器１０５とともにガスジェネレータを構成する。電動機１１４は、流体継手１１６を介してガスジェネレータのタービン軸１１０ａに連結されている。低圧タービン１０９ｂはタービン軸１１０ｂを介して発電機１１１と連結されていて、発電機１１１の発電出力を生み出すパワータービンの役割を果たす。高圧タービン１０９ａの排気１１２ａは低圧タービン１０９ｂの作動ガスとなり、低圧タービン１０９ｂに回転動力を与えて排気１１２ｂとして排出される。また、タービン軸１１０ａ，１１０ｂが異なる回転数で回転し得るので、タービン回転数を計測する計測器２０２ａ，２０２ｂがタービン軸１１０ａ，１１０ｂのそれぞれに設けられている。計測器２０２ａ，２０２ｂで計測したタービン回転数はガスタービン制御装置２０３に入力される。

その他のハード構成は第２の実施の形態に係るガスタービン設備（図２参照）と同様としてある。なお、本実施の形態では圧縮機１０３を分割構造としていないが、圧縮機１０３を分割して別々のタービン軸に連結したスプール式の構成にとする場合もある。

ここで、一般に圧縮機は回転数により圧力、温度、流量、効率等の運転特性が変化するところ、１軸式のガスタービンでは圧縮機の回転数がタービン軸の回転数に一致するので、圧縮機の運転特性はタービン回転数に依存する。それに対し、本実施の形態の場合、圧縮機１０３を連結したガスジェネレータのタービン軸１１０ａは、パワータービンのタービン軸１１０ｂと切り離されているので、パワータービンの回転数と無関係に回転数を選択することができる。従って、圧縮機１０３の効率が良好な運転条件となる回転数を設定し、例えば計測器２０２ａで計測されたガスジェネレータの回転数と設定回転数との偏差が閾値（設定値）を超えるような場合に電動機１１４のトルク印加によってガスジェネレータの回転数を設定回転数に近付けるようにすることで、ガスタービン設備の効率を向上させることができる。電動機１１４に電動発電機を用いれば、印加トルクを正負逆転させることができるので、圧縮機１０３の回転数は上昇側のみでなく下降側にも調整できる。

２軸式のガスタービン１００Ａにおいても、電動機１１４を連結した場合におけるタービン軸１１０ａのねじり応力に関連する課題は生じ得るので、流体継手１１６を介して電動機軸１１５をタービン軸１１０ａに連結することが有意義である。流体継手１１６を介して電動機軸１１５を連結することによって、タービン軸１１０ａに生じるねじり応力やトルク脈動を抑え、タービン軸１１０ａの回転数の選択幅を拡大することができる。圧縮機１０３の効率が良くなる回転数は大気条件やＭＷＤ２０４によって異なるので、回転数の選択幅が広がることで圧縮機１０３の性能を十分に発揮させ得る。

なお、２軸式のガスタービン１００Ａに発明を適用した場合の特有の効果を先行して説明したが、本実施の形態によれば、前述した各実施の形態と共通する効果を得ることもできる。例えば、発電機１１１の発電出力の一部で電動機１１４を駆動する構成とすれば、ＭＷＤ２０４の急減に発電出力が追従できないような場合には、電動機１１４によって発電機１１１の発電出力の一部をガスジェネレータの回転エネルギーに変換することで、電力系統１１３に送る発電出力をＭＷＤ２０４の急減に追従させることができる。さらに、電動機１１４に電動発電機を用いれば、ＭＷＤ２０４が急増した場合には、電動機１１４を発電機として駆動し、ガスジェネレータの回転動力を一部電気エネルギーに変換して発電機１１１の発電出力を補填することによって、電力系統１１３に送る発電出力をＭＷＤ２０４の急増に追従させることができる。

（第５の実施の形態）
図１０は本発明の第５の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。本実施の形態における説明済みの実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は第４の実施の形態の一具体例である。図１０に示したガスタービン設備では、パワータービンの発電機１１１と電動機１１４ａとの間にインバータ６０２が介在している。電動機１１４ａは電動発電機であり、流体継手１１６を介してガスジェネレータのタービン軸１１０ａに連結されるとともに、回路６０３を介してインバータ６０２に接続している。インバータ６０２は、発電機１１１を電力系統１１３に接続する送電線に回路６０１を介して接続している。回路６０１、インバータ６０２及び回路６０３を介して発電機１１１と電動機１１４ａとを接続した構成である。また、圧縮機１０３の入口には、大気温度、大気圧、大気湿度を計測してガスタービン制御装置２０３Ｂにそれぞれ出力する計測器６０５−６０７が設けられている。

なお、本実施の形態のガスタービン設備には、油量調整弁４０１が備わっているが、油量調整弁４０１の構成や制御態様は第３の実施の形態（図６−図８参照）と同様である。その他のハード構成は第４の実施の形態に係るガスタービン設備（図９参照）と同様としてある。

図１０の構成によれば、回路６０１、インバータ６０２及び回路６０３を介して発電機１１１の発電出力の一部を受けて電動機１１４ａを電動機として駆動することができる。また、電動機１１４ａを発電機として駆動することでガスジェネレータの一部の回転動力を電気エネルギーに変換して回路６０３、インバータ６０２及び回路６０１を介して発電機１１１の出力に補填することができる。電動機１１４ａの運転モード（発電機モード／電動機モード）や発電負荷及び電動機負荷はインバータ６０２により制御される。インバータ６０２は、ガスタービン制御装置２０３Ｂの電動機制御装置２０３ｆ（図３又は図７参照）からの制御信号６０４に従って電動機１１４ａを制御する。制御信号６０４は、計測器６０５−６０７で計測された大気温度、大気圧及び大気湿度、計測器２０２ａ，２０２ｂで計測されたタービン回転数、計測器２０１で計測された発電出力、及びＭＷＤ２０４を引数として演算される。例えば、各引数の組み合わせと制御信号６０４とのテーブルを作成しておけば、各入力信号を基に制御信号６０４を生成することができる。また、各引数を変数とする関数で制御信号６０４を表し、各入力信号を基に制御信号６０４を生成することもできる。排気１１２ｂの温度等も制御信号６０４を算出するための引数として用いることができる。制御信号６０４はこれらの例に限定されず、他の方法で演算するようにしても良い。

このような構成によって必要に応じてタービン軸１１０ａにトルクを印加し、ＭＷＤ２０４の急変に追従して電力系統１１３に送る発電出力を変化させることができる。また、状況に応じて圧縮機１０３の回転数を制御して効率の最適化を図ることもできる。そして、その際のタービン軸１１０ａのねじり応力やトルク脈動が流体継手１１６によって抑えられるので、発電出力の追従制御を良好に実現することができる。構成的に共通する説明済みの実施の形態と同様の効果も勿論得られる。

（第６の実施の形態）
第６の実施の形態が前述した各実施の形態と相違する点は、再生可能エネルギー発電装置を備えている点である。

６−１．ガスタービン設備
図１１は本発明の第６の実施の形態に係るガスタービン設備の概略図である。本実施の形態における説明済みの実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

同図に示したガスタービン設備は、風力発電装置７０１、及び計測器７０２，７０３を備えている。風力発電装置７０１は、発電機１１１を電力系統１１３に接続する送電線に接続していて、発電機１１１とともに電力系統１１３に送電する。計測器７０２，７０３は、風力発電装置７０１で電気エネルギーに変換される再生可能エネルギーである自然風の風向及び風速をそれぞれ計測しガスタービン制御装置２０３Ｃへ出力する。これら計測器７０２，７０３は風力発電装置７０１の風上となり得る所定の地点（複数ポイントでも良い）に設置されている。また、ガスタービン制御装置２０３Ｃには、電力計（不図示）により計測された風力発電装置７０１の発電出力７０４も入力される。

その他のハード構成については、第５の実施の形態（図１０参照）と同様とすることができる。また、本実施の形態では再生可能エネルギーを利用した発電装置として風力発電装置７０１を用いた場合を例示したが、これに限定されず太陽光発電装置や波力発電装置等の他の再生可能エネルギー発電装置、又はこれらを組み合わせた再生可能エネルギー発電システムで代替することもできる。例えば太陽光発電装置を用いる場合、計測器７０２，７０３に日照計等を用いることができる。また、再生可能エネルギー発電装置の発電出力変動の予測に利用できる信号をガスタービン制御装置２０３Ｃに供給する意味では、気象情報の提供機関からの気象情報を受信する受信装置等を計測器７０２，７０３に用いることもできる。

６−２．制御装置
図１２はガスタービン制御装置２０３Ｃの機能ブロック図である。本実施の形態における説明済みの実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

図１２に示したガスタービン制御装置２０３Ｃは、出力予測装置２０３ｉを含んでいる。出力予測装置２０３ｉは、計測器７０２，７０３で計測された風向及び風速を引数として風力発電装置７０１の発電出力変動を予測する。例えば、計測器７０２，７０３で計測される風向及び風速、並びに風力発電装置７０１の設定時間後の発電出力のデータを予め採取し、計測される風向及び風速の組み合わせと設定時間後の風力発電出力の関係をテーブル化しておけば、テーブルに従って計測器７０２，７０３の計測値を基に設定時間後の風力発電出力を予測することができる。したがって、設定時間後の風力発電出力の予測値と風力発電出力７０４との差を演算することで、風力発電装置７０１の現在の風力発電出力７０４に対する設定時間後の風力発電出力の変動幅の予測値を演算することができる。計測される風向及び風速を基に風力発電装置７０１の特性の物理モデルで設定時間後の風力発電出力を予測し、風力発電出力の変動を予測することもできる。

本実施の形態において、燃料流量制御装置２０３ｃは、前の各実施の形態と同様に計測器２０１で計測したガスタービン設備の発電出力がＭＷＤ２０４に近付くように燃料流量を演算し開度制御信号２０５を燃料調整弁１０６に出力する。発電機制御装置２０３ｅは、パワータービンの出力トルク（燃料流量）に応じてパワータービンの回転数の変化を抑制するように発電機１１１の負荷を制御する。電動機制御装置２０３ｆは、燃料流量制御ではＭＷＤ２０４に発電出力が追従しない場合にインバータ６０２に指令を与えて電動機１１４を制御し、発電出力の過不足を吸収する（図８と同様の手順）。そして、吸気流量制御装置２０３ｄは、圧縮機１０３の吸気流量の変動を抑制するようにＩＧＶ１０２に開度制御信号２０６を出力する。これらの制御によってＭＷＤ２０４に対して発電出力が追従する。

このとき、本実施の形態のガスタービン制御装置２０３Ｃは、出力予測装置２０３ｉで演算した風力発電装置７０１の発電出力変動の予測値が設定値を超えた場合、油量制御装置２０３ｈによって当該予測値を基に油量調整弁４０１を制御して流体継手１１６のトルク伝達効率を制御する（図１３参照）。

６−３．制御手順
図１３はガスタービン制御装置２０３Ｃによる油量調整弁４０１の制御手順を表すフローチャートである。ガスタービン制御装置２０３Ｃは、油量制御装置２０３ｈによりタービン負荷運転中に繰り返し同図の手順を実行する。

・ステップＳ３０１−Ｓ３０４，Ｓ３０７−Ｓ３０９
ステップＳ３０１−Ｓ３０４，Ｓ３０７−Ｓ３０９の手順は第３の実施の形態で説明したステップＳ２０１−Ｓ２０７の手順（図８参照）と同様である。異なる点は、ステップＳ３０４，Ｓ３０７の間にステップＳ３０５，Ｓ３０６が追加され、更にステップＳ３０６，Ｓ３０８の間にステップＳ３１０が追加されている点である。

・ステップＳ３０５，Ｓ３０６，Ｓ３１０
ＭＷＤ２０４に対する発電出力の偏差が閾値を超えている場合（ステップＳ３０４）、油量制御装置２０３ｈは、出力予測装置２０３ｉで風力発電出力の変動を予測する（ステップＳ３０５）。風力発電出力変動の予測値を演算したら、油量制御装置２０３ｈは、予測値（絶対値）が閾値（設定値）以下であるか否かを判定し（ステップＳ３０６）、予測値が閾値以下であれば図８のステップＳ２０５と同じ要領で現在の発電出力のＭＷＤ２０４との偏差に応じて流体継手１１６に充填する制御油の目標圧力を設定する（ステップＳ３０７）。予測値が閾値を超えて入れば、油量制御装置２０３ｈは、予測値を基に流体継手１１６に充填する制御油の目標圧力を設定する（ステップＳ３１０）。例えば、風力発電出力の変動の予測値が閾値を超えていて、将来（設定時間後に）風力発電出力の変動に伴ってＭＷＤ２０４に対する発電出力の大幅な過不足が生じ得る場合には、更なる追従性の向上を目指して流体継手１１６の制御油の目標圧力を上げる。例えば、現在の発電出力（計測器２０１の計測値）のＭＷＤ２０４との偏差（相対値）に風力発電出力７０４の現在値に対する設定時間後の予測値の偏差（相対値）を加算した値（絶対値）を基に目標圧力を設定する。

・ステップＳ３０８
前述した通りステップＳ３０８は第３の実施の形態で説明したステップＳ２０６の手順（図８参照）と同様の手順である。すなわち、ステップＳ３０７，Ｓ３０９又はＳ３１０で油量調整弁４０１の制御油の目標圧力を設定したら、油量制御装置２０３ｈは、目標圧力に応じた開度制御信号４０２を生成し、油量調整弁４０１に出力して図１３の手順を終了する。

上記で説明した以外のガスタービン制御装置２０３Ｃの機能部の構成及び機能については、第３の実施の形態のガスタービン制御装置２０３Ａ（図７参照）と同様とする。

６−４．効果
本実施の形態によれば、第５の実施の形態と同様の効果に加え、次の効果が得られる。

計測器２０１で計測される発電出力には気象状況により大きく変動し得る風力発電出力７０４が含まれているため、ＭＷＤ２０４との偏差もそれだけ激しく変化し得る。そのため、ガスタービン制御装置２０３Ｃによる電動機１１４ａによる印加トルクの変動も激化し得る。本実施の形態によれば、ＭＷＤ２０４に対する発電出力の偏差に風力発電出力の変動を加味して流体継手１１６のトルク伝達効率を制御することにより、風力発電出力の変動を包含した発電出力のＭＷＤ２０４に対する過不足の急変に備え、そして柔軟に対応することができる。勿論、状況に応じてタービン軸１１０ａのねじり応力の低減と経済性を高めた運転も可能である。

なお、本実施の形態では第３の実施の形態の油量調整弁４０１の制御手順を包含する制御態様を例に挙げて説明したが、発電出力のＭＷＤ２０４との偏差とは無関係に、単に風力発電出力の予測変動幅が閾値を超えているか否かで油量調整弁４０１の開度を増減させる制御とすることもできる。例えば、風力発電出力の予測変動幅が閾値を超えていれば現在よりも流体継手１１６の内部圧力を上げるように、閾値以下であれば流体継手１１６の内部圧力を下げるように、開度制御信号４０２を生成することもできる。

（その他）
本発明の技術的範囲は以上の実施の形態の態様に限定されるものではなく、種々の変形例が含まれ得る。例えば、前述した各実施の形態に備わった構成要素は全てが必須のものではなく、発明の要部ではない要素は適宜省略可能である。また、各実施の形態の構成要素は、機能や役割が共通する他の要素で代替することができる。また、各実施の形態は相互に又は部分的に組み合わせ可能である。

１０３ 圧縮機
１０４ 圧縮空気
１０５ 燃焼器
１０７ 燃料
１０８ 燃焼ガス
１０９ タービン
１０９ａ 高圧タービン
１０９ｂ 低圧タービン
１１０，１１０ａ タービン軸
１１１ 発電機
１１４，１１４ａ 電動機
１１６ 流体継手
２０１ 計測器
２０３ｆ 電動機制御装置
２０３ｈ 油量制御装置
２０３ｉ 出力予測装置
２０４ ＭＷＤ（ガスタービン出力指令）
４０１ 油量調整弁
６０２ インバータ
７０１ 風力発電装置（再生可能エネルギー発電装置）
７０２，７０３ 計測器

Claims (9)

1. 空気を吸い込んで圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動するタービンと、
   タービン軸にトルクを印加する電動機と、
   前記タービン軸及び前記電動機を連結する流体継手と、
   燃料流量制御による変化率の制限値を超えてタービン出力を変化させる場合にタービン出力指令に応じたタービン出力の変化率と前記制限値との差分を基に前記電動機を制御して前記タービン軸にトルクを印加する電動機制御装置と
   を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
2. 請求項１のガスタービン設備において、前記電動機が電動発電機であることを特徴とするガスタービン設備。
3. 請求項１のガスタービン設備において、前記流体継手に充填する油量を調整する油量調整弁を備えていることを特徴とするガスタービン設備。
4. 請求項３のガスタービン設備において、
   タービン軸に連結した発電機と、
   前記発電機の発電出力を計測する計測器と、
   前記計測器で計測した発電出力とガスタービン出力指令との偏差に応じて前記油量調整弁を制御して前記流体継手のトルク伝達効率を変化させる油量制御装置と
   を備えていることを特徴とする前記ガスタービン設備。
5. 請求項４のガスタービン設備において、
   前記発電機に接続された再生可能エネルギー発電装置と、
   前記再生可能エネルギー発電装置の発電出力を予測する出力予測装置とを備え、
   前記油量制御装置が、前記出力予測装置による予測値が設定値を超えた場合に前記予測値を基に前記油量調整弁を制御することを特徴とする前記ガスタービン設備。
6. 請求項５のガスタービン設備において、
   前記再生可能エネルギー発電装置は風力発電装置であり、
   前記出力予測装置は、風速計で測定した風速を基に前記再生可能エネルギー発電装置の発電出力を予測する
   ことを特徴とするガスタービン設備。
7. 請求項１−６のいずれかのガスタービン設備において、異なる回転数で回転し得る複数のタービンを含むことを特徴とする前記ガスタービン設備。
8. 請求項７のガスタービン設備において、前記電動機は、前記流体継手を介してガスジェネレータのタービン軸に連結されていることを特徴とするガスタービン設備。
9. 請求項８のガスタービン設備において、パワータービンの発電機と前記電動機との間に介在するインバータを備えていることを特徴とする前記ガスタービン設備。

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