JP6314226B2 - 多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法 - Google Patents

多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6314226B2
JP6314226B2 JP2016528699A JP2016528699A JP6314226B2 JP 6314226 B2 JP6314226 B2 JP 6314226B2 JP 2016528699 A JP2016528699 A JP 2016528699A JP 2016528699 A JP2016528699 A JP 2016528699A JP 6314226 B2 JP6314226 B2 JP 6314226B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas turbine
generator
gas
turbine
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2016528699A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2015193979A1 (ja
Inventor
尚弘 楠見
尚弘 楠見
日野　徳昭
徳昭 日野
コーテット アウン
コーテット アウン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Publication of JPWO2015193979A1 publication Critical patent/JPWO2015193979A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6314226B2 publication Critical patent/JP6314226B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/28—Regulating systems responsive to plant or ambient parameters, e.g. temperature, pressure, rotor speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/04—Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants
    • F02C7/057—Control or regulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/36—Power transmission arrangements between the different shafts of the gas turbine plant, or between the gas-turbine plant and the power user
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/32—Application in turbines in gas turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/335—Output power or torque
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Description

本発明は、多軸ガスタービンをモータ駆動により可変速としたガスタービン装置に関する。
火力発電プラントには、主に化石燃料から燃焼によって取り出された燃焼熱をもとに発電機器を駆動させて発電するが、燃料や発電機器の組合せでさまざまな装置がある。例えば、石炭や重油などをボイラで燃焼し、その燃焼熱で蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動させ発電する装置、大気を圧縮機で圧縮し燃焼器にて燃料と圧縮空気を混合燃焼させ、その燃焼空気により、ガスタービンを駆動させて発電するガスタービン発電装置や、ガスタービンで燃焼した排ガスを利用し、排熱回収ボイラにて蒸気を発生させ、その蒸気にて蒸気タービンを駆動させるコンバインドサイクル発電装置がある。
ガスタービンは、夏場など大気温度が高い場合、大気の空気密度が低いことから圧縮機で取り込み圧縮した空気の質量流量が下がるため、出力が低下する。また、運転年数が経過すると経年劣化により出力が低下する。
特許第4513936号公報
特許文献１では、経年劣化による出力低下を解決するために燃料流量を回転数偏差によるゲイン修正で補正することで出力低下分を補う制御方法が記載されている。
ガスタービンは前述したように、大気温度が高くなると取り込み空気の質量流量が低下する。そのため、相対的に燃料の比率が高くなるため排気温度が通常よりも高くなる。スタービンは材料の観点から排気温度の上限値が設定されており、これを超えるような燃料流量の増加が出来ない。また、通常運転時に加えて負荷を急速に遮断する負荷遮断時に発電機側の回転数上昇が脱調しない範囲内となるよう制限が設けられている。特許文献１に記載されている方法では、回転数偏差による燃料流量制御では例えば大気温度が高い場合、より排気温度の制限に達しやすくなる。また、回転数を上げると負荷遮断時の過回転で上限回転数との裕度が減少するため安全性が損なわれる。
本発明の目的は、上述の問題を解決すべくガスタービン、特に、多軸ガスタービンの圧縮機側をモータ駆動で可変速としたシステムにて、圧縮機軸へのモータトルク入力で取り込み空気の質量流量を増加させ、大気温度あるいは経年劣化で低下した出力を回復する。また、負荷遮断時に過回転となる場合には、発電機側の余剰エネルギー分を圧縮機側に移動させ圧縮機回転数で吸収することで安全性を損なうことがない。以上のような装置および制御方法を提供することにある。
上記目的は、ガスタービン圧縮機と、ガスタービン燃焼器と、前記ガスタービン圧縮機を回転駆動させる第１タービンを備えたガスジェネレータと、前記ガスジェネレータと機械的に分離され、前記ガスジェネレータの排出ガスにより回転駆動する第２タービンと主発電機を備えたパワータービンを備えた多軸ガスタービンと、前記ガスジェネレータに接続された副電動機・発電機と、前記副電動機・発電機を制御する周波数変換器と、前記ガスタービン燃焼器に投入される燃料流量により出力を調整する燃料流量制御手段と、前記燃料流量の変化量を制限する制限手段と、要求負荷に対する出力負荷に応じて前記ガスタービン圧縮機の駆動負荷を決定し、前記周波数変換器により、前記副電動機・発電機を制御する制御装置を備えた多軸可変速ガスタービン装置において、前記制御装置は、要求負荷から出力負荷を差し引くことにより前記ガスタービン圧縮機の駆動負荷を決定することによって達成される。
本発明による多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法では、部分負荷運転時にモータトルクを加えることで圧縮機動力を回復させるため、部分負荷効率が向上する。また、コンバインドサイクルプラントの構成では、圧縮機側に接続したモータを発電機とすることで負荷をかけると部分負荷時での排気温度が高くなりプラント全体の効率が向上する。
本発明の１実施形態による２軸ガスタービン発電装置である。 本発明の１実施形態による２軸式ガスタービンの作動パターンの例である。 本発明の１実施形態による多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法を実現する装置を示す説明図である。 本発明の１実施形態による多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法の中の運転情報データベース６００に記憶される運転データの態様を示す説明図である。 本発明の１実施形態による制御部での発電指令を生成するフローチャート図である。 本発明の１実施形態による制御部のフローチャートにおけるガスタービン発電装置の特性を補足説明する図である。 本発明の１実施形態による制御部のフローチャートにおける大気温度に対するM/Gへの負荷指令を設定するステップを補足説明する図である。 本発明の１実施形態による制御部のフローチャートにおける部分負荷時のM/Gへの負荷指令を設定するステップを補足説明する図である。 本発明の１実施形態による画像表示装置に表示される初期画面である。 本発明の１実施形態による画像表示装置に表示される運転状態を表示する画面である。 本発明の１実施形態による画像表示装置に表示される計測信号、関連情報、設定条件の表示設定画面である。 本発明の１実施形態による画像表示装置に表示される各種情報のトレンドグラフである。
以下、最良の実施形態による多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る２軸ガスタービン発電装置の主要装置を説明する図である。２軸式ガスタービン２７は、ガスジェネレータ１５とパワータービン１６、ＧＴ制御装置７ａ、周波数変換機１０を含むように構成される。
パワータービン１６は、低圧タービン２ｂおよび低圧タービン軸１２ｂおよび発電機５を含むように構成される。発電用の場合、電力周波数を略一定とするために、パワータービン１６は略一定の回転数で回転し、発電機５を略一定の回転数で駆動する。発電機５で発電された電力は電力ケーブルを経て電力需要家へと送電される。
ガスジェネレータ１５は、圧縮機１、燃焼器２０、高圧タービン２ａ、副電動機・発電機６、ガスジェネレータ軸１２ａを含むように構成される。
ガスジェネレータ１５は、パワータービン１６とは機械的に分離された構造となっている。そのため、パワータービンと異なる回転数で回転駆動することが可能である。
圧縮機１は、大気を吸気し圧縮し圧縮空気２１を生成する。また、圧縮機１の取り込み口には、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内翼）９が備えられている。ＩＧＶ９は自身が回転することで、圧縮機１の開口面積を変化させる。その開度を変更することで圧縮機１へ流入する空気の量を変化させることができる。
また、圧縮機１へ流入する空気の量は、ガスジェネレータ１５の回転数によっても調整することが可能である。
燃焼器２０は、圧縮機１により生成された圧縮空気２１と燃料をバーナ１８において混合燃焼させて燃焼ガス２２を生成する。燃焼ガス２２は燃焼器ライナ１９を経てまず、高圧タービン２ａへ流入する。バーナ１８で燃焼される燃料は燃料配管に設けられた燃料流量制御弁８によって調整される。
高圧タービン２ａは、高温高圧の燃焼ガス２２のエネルギーにより回転力を得る。回転力はガスジェネレータ軸１１を通じて圧縮機１へ伝わり、圧縮機１を回転駆動する。燃焼ガス２２は高圧タービン２ａにおいてエネルギーの一部を抽出された後にパワータービン１６の低圧タービン２ｂへ流入する。低圧タービン２ｂは、燃焼ガス２２のエネルギーにより回転力を得て、その回転力を、低圧タービン軸１２ｂを通じて発電機５へ伝え、発電機５を回転駆動する。低圧タービンを通過した燃焼ガス２２は、排気１４として排出される。
また、圧縮機１で圧縮された空気の一部はタービン冷却空気２３として抽気され、燃焼器２０を経ずに高圧タービン２ａや低圧タービン２ｂへ供給される。冷却空気２３の一部は、タービン２を構成する静翼２４と動翼２５の冷却に使用される。
また、高圧タービン軸１２ａに接続された副電動機・発電機６は、周波数変換器１０を介して電力系統に接続されており、電力系統と電力を授受することで、高圧タービン軸の動作を調整することができる。具体的には、周波数変換器１０により電力を供給することで副電動機・発電機６はモータとして動作し、高圧タービン軸１２ａにエネルギーを供給する。逆に周波数変換器１０により電力を抽出することで副電動機・発電機６は発電機として動作し、高圧タービン軸１２ａのエネルギーを減じることができる。
制御器７ａは、高圧タービン回転数検出器２６ａによって検出される高圧タービン回転数、低圧タービン回転数検出器２６ｂによって検出される低圧タービン回転数、出力指令（ＭＷＤ）を含む入力を受け付け、燃料流量制御弁８を制御するＦＦＤ信号、ＩＧＶ９の開度を制御するＣＩＧＶ信号、周波数変換機１０の出力電力を制御するＩＭＷＤ信号を含む信号を送出するように動作する。制御装置７は各種保護機能を有するように構成しても良い。
本実施例による技術の要点は、燃料流量の制御による出力制御に加え、例えば出力を増加させたいときは、高圧タービン軸１２ａの回転数を低下させ、軸の回転エネルギーを電力として放出し、出力を低下させたいときは、高圧タービン軸１２ａの回転数を上昇させ電力を軸の回転エネルギーとして貯蔵することができるように構成したことである。燃料流量によらない出力変化手段により、熱疲労などに起因する寿命低下を避けつつ高い出力変化速度を得ることができる。
さらに、本実施例による周波数変換機１０は小さな容量とすることができる。本実施例による２軸ガスタービンでは、出力の大部分を担う低圧タービンは定速回転をする。周波数変換器１０を要するのは、可変速運転をする高圧タービン側のみであり、このことから周波数変換機１０の容量を小さくすることができる。例えば、燃料流量による出力変化に加え、ガスタービン定格出力の１０％に相当する出力を変化させたい場合は、定格出力の１０％の容量の周波数変換器１０を用いることで対応できる。これにより周波数変換器１０のコストを低減することが可能である。
以下、上記技術を実現するための２軸ガスタービン２７の動作について説明する。
２軸ガスタービンでは高圧タービン２ａで回収されるエネルギーと圧縮機１で消費されるエネルギーが等しくなるようなバランス調整制御が行われる。一般的にこの制御手法として、ガスジェネレータ回転数の変更や、ＩＧＶ９の開度調整による圧縮機吸い込み空気流量の変更が挙げられる。例えば、回転数が設定値よりも高いときは、ＩＧＶ９の開度を増加させ、圧縮機吸い込み空気流量を増やすことで、圧縮機１の消費動力が増え、回転数が低下する。逆に、ＩＧＶ９の開度を減少させることで、ガスジェネレータ１５の回転数を増加させることができる。
燃料流量による出力変化においては、２軸ガスタービン２７は以下の動作をする。ＧＴ出力指令（ＭＷＤ）に応じて、ＧＴ制御装置７ａは燃料流量指令（ＦＦＤ）を燃料流量制御弁８へ送出し、必要な燃料を燃焼器２０へ供給し、発電機５の出力と低圧タービン２ｂでの回収エネルギーをバランスさせる。これによりパワータービン１６の回転数は略一定に制御される。さらにこのとき、高圧タービン２ａで回収されるエネルギーと、圧縮機１の駆動に必要なエネルギーをバランスさせ、ガスジェネレータ１５の回転数が好適となるように、ＧＴ制御装置７ａはＩＧＶ９の開度を制御する。このようにガスジェネレータ１５の回転数は出力に対し一意に決められるのではなく、変更が可能である。
本実施例によるガスタービンの動作を、図２を用いて需要が増加する場合について説明する。左側列が従来技術によるガスタービンにおいて需要変動が小さい場合、中央列が従来技術において需要変動が大きかった場合、右側列が本実施例によるガスタービンにおいて需要変動が大きかった場合の動作を表す。
従来技術によるガスタービンにおいて需要変動が小さい場合は、燃料流量による出力制御により需要の変動を吸収可能であるが、需要変動が大きくなった場合、出力変化が追いつかずに出力不足となり、低圧タービン軸１２ｂの回転数が低下し系統の周波数も合わせて低下する。
本実施例によるガスタービンでは、周波数変換機１０を用いて、燃料流量による出力変化での不足分を副電動機・発電機６より抽出する。燃料流量による制御だけでは電力が不足するが、本構成により、高圧タービン軸１２ａの回転数が低下し、回転エネルギーが電力へと変換されることで不足分が補填される。このとき、ＩＧＶ９の開度は、低下した回転数において圧縮機１の動力と、高圧タービン２ａの回収動力がバランスするように決定される。また、高圧タービン軸１２ａの出力周波数は、周波数変換機１０により周波数が基準周波数へと変換される。こうすることで、需要の急変時にも系統の周波数を安定化させることができる。ここで、周波数変換機１０としては、公知のインバータ/コンバータなどを利用することができる。
圧縮機１の動力と、高圧タービン２ａの回収動力がバランスするように構成するとき、具体的には、回転数が低下した場合は、ＩＧＶ９を開き、回転数が上昇したときは、ＩＧＶ９を閉じるように動作させたとき、圧縮機１の吸い込み空気流量は略一定となる。ここで、一般にＩＧＶ９を開くと圧縮機１の効率は向上する。この時、例えば出力増加時に回転数を低下させると、圧縮機効率が向上し、圧縮機１の吐出空気温度が低下し、さらに圧縮機１の駆動動力も低下する。そのため、燃料増加による出力増加に加え、圧縮機１の駆動動力減少分も出力が増加する。さらに、吐出空気温度の低下により、燃焼ガス２２の温度も低下するため、出力変化に伴うガス温度変化を小さくすることができ信頼性を向上することができる。逆に、回転数を増加させると、圧縮機効率が低下し、圧縮機１の吐出空気温度が増加し、さらに圧縮機１の駆動動力も増加する。そのため、燃焼減少による出力低下に加え、圧縮機１の駆動動力増加分も出力が減少する。さらに、吐出空気温度の増加により、燃焼ガス２２の温度も増加するため、出力変化に伴うガス温度変化を小さくすることができ信頼性を向上することができる。このような有益な相乗効果を得ることができる。
また、圧縮機の設計において、回転数低下時に圧縮機効率が上昇し、回転数上昇時に圧縮機効率が低下するように動作点を設定しておいても良い。こうすることで、上記と同様の有益な相乗効果を得ることができる。
以上は、回転数変化によるエネルギーの増減について説明した。特に風力発電や太陽光発電といった再生可能エネルギーは出力変化が大きくこれらを連携した系統では出力変化による系統周波数の変動が大きい。このような変動は増加と減少が比較的交互に発生するものであり回転数の増減で対応可能である。
一方、大気温度が高い場合や経年劣化によって出力が低下しているときは定常的に高圧タービン側に接続された副電動機・発電機よりトルクを加えて圧縮機での取り込み空気の質量流量を増加させる。実際には、出力低下の要因を経年劣化分と大気温度による低下分を明確に区分けすることは難しい。そこで、ＭＷＤに対する実出力との偏差分を副電動機・発電機へのトルク指令にすることで出力低下を補うとする。制御装置と組み合わせた事例について次で説明する。
図３は、可変速である２軸ガスタービン発電装置と制御装置との組合せを示したものである。
２軸ガスタービン発電装置１００は、制御装置２００からの制御信号１５０を受けて所望の状態に制御される。２軸ガスタービン発電装置１００の各部の状態量は計測信号１４０として制御装置２００に取り込まれる。
制御装置２００は、ガスタービン発電装置からの計測信号１４０をもとに、発電要求に対し適切な運転状態となるよう各種操作端を操作することで制御する。
制御部５００では、計測信号１４０をもとに適切な制御信号１３０を出力する。この制御信号に基づいて２軸ガスタービンの空気量や燃料流量が操作され出力を制御する。また、周波数変換器の制御信号についても同様である。これら制御装置内で生成した信号や情報は、必要に応じて、保守ツール９１０にも出力される。制御信号を求めるアルゴリズムについては、後述にて、詳しく説明する。
２軸ガスタービン発電装置１００に関わるユーザは、キーボード９０１とマウス９０２で構成される入力装置９００、及び画像表示装置９５０に接続されている支援ツール９１０を用いることにより、ガスタービン発電装置１００に関する様々な情報を見ることが可能である。また、制御装置２００内の情報にアクセスすることができる。
支援ツール９１０は、外部入力インターフェイス９２０、データ送受信処理部９３０、外部出力インターフェイス９４０で構成される。
入力装置９００で生成した入力信号８００は、外部入力インターフェイス９２０を介して支援ツール９１０に取り込まれる。また、制御装置２００内からの情報についても、同様に外部入力インターフェイス９２０にて取り込まれる。データ送受信処理部９３０では、ユーザからの入力信号８００の情報に従って、入力信号８０１を処理し、出力信号８０２として外部出力インターフェイス９４０に送信する。出力信号８０３は、画像表示装置９５０に表示される。
以下では、運転情報データベース６００に格納されている計測信号について説明する。２軸ガスタービン発電装置から得られる計測信号の情報について説明する。図４はそれぞれ運転情報データベース６００に保存されている情報の態様を説明する図である。図４のように、２軸ガスタービン発電設備で計測した情報が、計測器毎に各計測時刻と共に保存される。PID番号とは、運転情報データベース６００に格納されているデータを容易に活用できるよう各計測値に割り付けられた固有の番号である。その下にあるアルファベットは、被計測対象を示す記号である。例えば、流量値F、温度値T、圧力値P、発電出力値E、濃度値Dである。尚、図４では１秒周期でデータを保存しているが、データ収集のサンプリング周期は対象となる２軸ガスタービン発電設備によって異なる。
次に、２軸ガスタービン発電装置への出力指令、つまり、２軸ガスタービンに与えるＭＷＤと周波数変換器に与えるＩＭＷＤのモデル計算について説明する。２軸ガスタービン２７の動特性を表現するモデルを予め設定する。これは圧力や流量のマスバランスを基本とする動特性モデルを用いるのが一般的であるが、ニューラルネットワークに代表される統計学習によるモデル化も可能である。２軸ガスタービンの動特性モデルには、該当ガスタービンの最大負荷変化率が設定されている。ただし、２軸ガスタービンは機械的要素による遅れが生じるため、入力した負荷の変化パターンに対し、出力が遅れる。そのため、２軸ガスタービン２７からの出力値そのものでは相殺漏れが発生する。これを先の動特性モデルを用いて計算する。この場合、動特性モデルを設定した最大負荷変化率以内で負荷追従させるが、このときの出力がそのまま２軸ガスタービンへのＭＷＤとなる。相殺漏れ分は周波数変換器に与えるＩＭＷＤとなる。
また、大気温度あるいは経年劣化による出力低下分を補うためのＩＭＷＤについて説明する。ＭＷＤに対するガスタービンの実出力値との偏差をＩＭＷＤとする。図５にて制御部５００でのＭＷＤおよびＩＭＷＤ生成に関する動作をフローチャートで示す。
始めにステップ５０１では、負荷遮断時か否かを判定する。負荷遮断でなく通常運転時であればステップ５０２へ、負荷遮断時であればステップ５０６へ進む。ステップ５０２では、中給指令に応じたガスタービンへのＭＷＤを設定する。ステップ５０３では、現在、ガスタービンから出力されている出力をＭＷＤから差し引く。ステップ５０４では、差し引いた分をＩＭＷＤとする。ステップ５０５によりＭＷＤとＩＭＷＤを２軸ガスタービン発電装置に制御信号として送信し、ＭＷＤに加えてＩＭＷＤにてモータ駆動によるガスタービンへのトルク入力で出力低下分を補うよう燃料および空気流量を調整する。
負荷遮断時であるステップ５０６以降について順次説明する。ステップ５０６では、低圧側ガスタービンの回転数をもとに、予め安全保護の観点から設定された回転数の上限値との偏差を求める。ステップ５０７は高圧側ガスタービンの回転数をもとに、圧縮機の安全保護の観点から設定された上限回転数との偏差を求める。これが余剰エネルギーの吸収量となる。ステップ５０８で低圧側の回転数が負荷遮断によって上昇し、偏差が小さくなり設定値Ａよりも小さくなるとその余剰エネルギーを高圧側ガスタービンに送信する。ステップ５０９では受け取ったエネルギーにより圧縮機側の回転数が上昇するため前述したように吸収量に達するまで余剰エネルギーを吸収し低圧側ガスタービンの回転数上昇を抑制する。
本実施例における２軸ガスタービン発電装置では、圧縮機側に接続された副電動機・発電機６（以下、M/G）に電気を供給あるいは負荷をかけることでモータと発電の役割をする。電気を供給し圧縮機をアシストすることで大気温度が高い場合でも出力を向上させることができる。これを図６に示す。ある大気温度の場合、M/G入力指令が０、つまり通常の２軸ガスタービンでは発電出力が100%から下がる。しかし電気を供給すると(軸の右方向)圧縮機の駆動力が増し、IGV開度が全開となっていてもさらに取り込む空気量を増加させるため、質量流量が増加し出力を増加させることができる。ただし、無限に増加できるわけではなく、増加による燃料投入で燃焼温度が上昇し、制限温度になると燃料投入が絞られるため逆に低下する。
発電効率も同様である。図７に示すように、定格負荷以外の部分負荷で運転すると効率は低下する。圧縮機は定格点でもっとも効率が良いよう設計されているからである。これをM/Gに電気を供給すると(軸の右方向)圧縮機の動作点が定格点に近づくため、圧縮機の効率が上昇する。したがって、ステップ５０５では、大気温度と経年劣化の状態と部分負荷の状態においてそれぞれが最適となるようM/Gへのアシスト量を決定する。具体的には、アシスト量増加に対する発電出力の増加量と発電効率の増加量を合計した値が最大となるアシスト量で決定する。ただし、合計値に限定するものではない。どちらか一方が最大となるアシスト量を選択してもよい。
次に、ユーザが支援ツール９１０を用いて、画像表示装置９５０に計測信号１２０、制御信号１３０、設定値、運転情報データベース６００の情報を表示させる方法について説明する。
図９〜図１２は、画像表示装置９５０に表示される画面の実施例である。ユーザは、キーボード９０１、マウス９０２を用いてこれら画面の空欄となっている箇所にパラメータ値を入力するなどの操作を実行する。
図９は、画像表示装置９５０に表示される初期画面である。ユーザは、運転状態表示ボタン９５１、トレンド表示ボタン９５２、の中から必要なボタンを選択し、マウス９０２を用いてカーソル９５３を移動させ、マウス９０２をクリックすることにより所望の画面を表示させる。
図１０は、運転状態表示の画面である。図９において運転状態表示ボタン９５１をクリックすることにより、図１０の画面が表示される。
系統情報表示欄９６１では、ユーザは、画像表示装置９５０に表示させたい時間を時刻入力欄９６２に入力する。表示ボタン９６３をクリックすることにより、表示欄に、その時間での各種状態を表示する。具体的には、現在、計測している箇所の温度や圧力などの状態量などの機器の状態を表示する。特性状態表示９６４では、図５で示したフローチャートでの判定設定値の状態を示している。設定条件９６５では、図５で示したフローチャートの各種条件を表示する。
図１０において、戻るボタン９６８をクリックすることにより、図９の画面に戻ることができる。
図１１は、トレンドを画像表示装置９５０に表示させるための設定画面である。図９においてトレンド表示ボタン９５２をクリックすることにより、図１１の画面が表示される。計測信号表示欄９８１では、ユーザは、画像表示装置９５０に表示させたい計測信号、あるいは操作信号を入力欄９８１に、そのレンジ（上限/下限）と共に入力する。また、表示させたい時間を時刻入力欄９８２に入力する。
表示ボタン９６３をクリックすることにより、図１２のようにトレンドグラフが画像表示装置９５０に表示される。図１２の戻るボタン９９１をクリックすることにより、図１１の画面に戻る。
図１１において、戻るボタン９８９をクリックすることにより、図９の画面に戻ることができる。
全ての実施形態において、データベースは、制御装置内に含める形式で説明したが、データベースは個別装置としても良い。
また、実施例１では、２軸ガスタービンのみの発電装置を示しているが、ガスタービンの排熱を利用し、その熱交換で蒸気を発生することで蒸気タービンを駆動しそれによって発電するコンバインドサイクル発電装置にも同様に適用することができる。
１ 圧縮機
２ タービン
２ａ 高圧タービン
２ｂ 低圧タービン
５ 発電機
６ 副電動機・発電機
７ ＧＴ制御装置
７ａ ＧＴ制御装置
７ｂ ＧＴ制御装置
８ 燃料流量制御弁
９ ＩＧＶ
１０ 周波数変換器
１２ タービン軸
１２ａ ガスジェネレータ軸
１２ｂ パワータービン軸
１４ 排気
１５ ガスジェネレータ
１６ パワータービン
１７ １軸式ガスタービン
１８ 燃焼バーナ
１９ 燃焼器ライナ
２０ 燃焼器
２１ 圧縮空気
２２ 燃焼ガス
２３ 冷却空気
２４ 静翼
２５ 動翼
２６ 回転数検出器
２６ａ 高圧タービン回転数検出器
２６ｂ 低圧タービン回転数検出器
２７ ２軸式ガスタービン
３０ 風力発電設備
３１ 風力発電機
１００ ガスタービン発電装置
２００ 制御装置
５００ 制御部
６００ 運転情報データベース
９００ 入力装置
９０１ キーボード
９０２ マウス
９１０ 支援ツール
９２０ 外部入力インターフェイス
９３０ データ送受信処理部
９４０ 外部出力インターフェイス
９５０ 画像表示装置

Claims (4)

  1. ガスタービン圧縮機と、ガスタービン燃焼器と、前記ガスタービン圧縮機を回転駆動させる第１タービンを備えたガスジェネレータと、前記ガスジェネレータと機械的に分離され、前記ガスジェネレータの排出ガスにより回転駆動する第２タービンと主発電機を備えたパワータービンを備えた多軸ガスタービンと、
    前記ガスジェネレータに接続された副電動機・発電機と、
    前記副電動機・発電機を制御する周波数変換器と、
    前記ガスタービン燃焼器に投入される燃料流量により出力を調整する燃料流量制御手段と、
    前記燃料流量の変化量を制限する制限手段と、
    要求負荷に対する出力負荷に応じて前記ガスタービン圧縮機の駆動負荷を決定し、前記周波数変換器により、前記副電動機・発電機を制御する制御装置を備えた多軸可変速ガスタービン装置において、
    前記制御装置は、要求負荷から出力負荷を差し引くことにより前記ガスタービン圧縮機の駆動負荷を決定することを特徴とする多軸可変速ガスタービン装置。
  2. ガスタービン圧縮機と、ガスタービン燃焼器と、前記ガスタービン圧縮機を回転駆動させる第１タービンを備えたガスジェネレータと、前記ガスジェネレータと機械的に分離され、前記ガスジェネレータの排出ガスにより回転駆動する第２タービンと主発電機を備えたパワータービンを備えた多軸ガスタービンと、
    前記ガスジェネレータに接続された副電動機・発電機と、
    前記副電動機・発電機を制御する周波数変換器と、
    前記ガスタービン燃焼器に投入される燃料流量により出力を調整する燃料流量制御手段と、前記燃料流量の変化量を制限する制限手段と、
    負荷遮断時の余剰エネルギーを前記ガスタービン圧縮機に送るよう制御する制御装置を備えた多軸可変速ガスタービン装置において、
    前記制御装置は、前記パワータービン側の回転数と上限回転数との偏差に閾値を設け、前記閾値を越えた分に相当する余剰エネルギーを前記圧縮機側に送ることを特徴とする多軸可変速ガスタービン装置。
  3. ガスタービン圧縮機と、ガスタービン燃焼器と、前記ガスタービン圧縮機を回転駆動させる第１タービンを備えたガスジェネレータと、前記ガスジェネレータと機械的に分離され、前記ガスジェネレータの排出ガスにより回転駆動する第２タービンと主発電機を備えたパワータービンを備えた多軸ガスタービンと、
    前記ガスジェネレータに接続された副電動機・発電機と、
    前記副電動機・発電機を制御する周波数変換器と、
    前記ガスタービン燃焼器に投入される燃料流量により出力を調整する燃料流量制御手段と、前記燃料流量の変化量を制限する制限手段と、
    負荷遮断時の余剰エネルギーを前記ガスタービン圧縮機に送るよう制御する制御装置を備えた多軸可変速ガスタービン装置において、
    前記制御装置は、前記圧縮機側の回転数と前記圧縮機の上限回転数との偏差を計算し、その偏差に応じた分の余剰エネルギーを前記パワータービン側から送ることを特徴とする多軸可変速ガスタービン装置。
  4. ガスタービン圧縮機と、ガスタービン燃焼器と、前記ガスタービン圧縮機を回転駆動させる第１タービンを備えたガスジェネレータと、前記ガスジェネレータと機械的に分離され、前記ガスジェネレータの排出ガスにより回転駆動する第２タービンと主発電機を備えたパワータービンを備えた多軸ガスタービンと、
    前記ガスジェネレータに接続された副電動機・発電機と、
    前記副電動機・発電機を制御する周波数変換器と、
    前記ガスタービン燃焼器に投入される燃料流量により出力を調整する燃料流量制御手段と、
    前記燃料流量の変化量を制限する制限手段と、
    要求負荷に対する出力負荷に応じて前記ガスタービン圧縮機の駆動負荷を決定し、前記周波数変換器により、前記副電動機・発電機を制御する制御装置を備えた多軸可変速ガスタービン装置の制御方法において、
    前記制御装置は、要求負荷から出力負荷を差し引くことにより前記ガスタービン圧縮機の駆動負荷を決定することを特徴とする多軸可変速ガスタービン装置の制御方法。
JP2016528699A 2014-06-18 2014-06-18 多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法 Expired - Fee Related JP6314226B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2014/066084 WO2015193979A1 (ja) 2014-06-18 2014-06-18 多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2015193979A1 JPWO2015193979A1 (ja) 2017-04-20
JP6314226B2 true JP6314226B2 (ja) 2018-04-18

Family

ID=54935011

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016528699A Expired - Fee Related JP6314226B2 (ja) 2014-06-18 2014-06-18 多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10184406B2 (ja)
JP (1) JP6314226B2 (ja)
WO (1) WO2015193979A1 (ja)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10094297B2 (en) * 2014-09-09 2018-10-09 Hitachi, Ltd. Power generation system and power generation method
JP6364363B2 (ja) * 2015-02-23 2018-07-25 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ２軸式ガスタービン及びその制御装置と制御方法
JP6786233B2 (ja) * 2016-03-22 2020-11-18 三菱パワー株式会社 ガスタービンの特性評価装置及びガスタービンの特性評価方法
US10483887B2 (en) 2017-08-11 2019-11-19 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Gas turbine generator temperature DC to DC converter control system
US10476417B2 (en) * 2017-08-11 2019-11-12 Rolls-Royce North American Technologies Inc. Gas turbine generator torque DC to DC converter control system
US10491145B2 (en) 2017-08-11 2019-11-26 Rolls-Royce North American Technologies Inc. Gas turbine generator speed DC to DC converter control system
JP6976191B2 (ja) * 2018-02-22 2021-12-08 三菱パワー株式会社 二軸ガスタービン発電設備、その制御装置、及びその制御方法
CN110173308B (zh) * 2019-05-09 2022-05-24 岭澳核电有限公司 一种核电站汽轮机的一次调频控制方法及其装置
CN110344945B (zh) * 2019-07-25 2021-10-01 中国航发沈阳发动机研究所 一种甩负荷控制方法及系统
US11428171B2 (en) * 2019-12-06 2022-08-30 General Electric Company Electric machine assistance for multi-spool turbomachine operation and control
CN111255575A (zh) * 2020-03-13 2020-06-09 东方日立(成都)电控设备有限公司 一种用于大容量燃气轮机的调速系统及调速方法
JP2023039696A (ja) * 2021-09-09 2023-03-22 本田技研工業株式会社 航空機の推進システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5301499A (en) * 1990-06-28 1994-04-12 General Electric Company Overspeed anticipation and control system for single shaft combined cycle gas and steam turbine unit
JP4513936B2 (ja) 2000-06-20 2010-07-28 株式会社Ｉｈｉ ガスタービンの燃料流量制御方法
US6931856B2 (en) 2003-09-12 2005-08-23 Mes International, Inc. Multi-spool turbogenerator system and control method
US7188475B2 (en) * 2003-12-18 2007-03-13 Honeywell International, Inc. Starting and controlling speed of a two spool gas turbine engine
WO2007140730A1 (de) * 2006-06-10 2007-12-13 Mtu Aero Engines Gmbh Gasturbine sowie verfahren zum betreiben einer gasturbine
JP2010025069A (ja) * 2008-07-24 2010-02-04 Hitachi Ltd ２軸式ガスタービンシステムの制御装置
US9869249B2 (en) * 2012-01-31 2018-01-16 United Technologies Corporation Speed sensor probe location in gas turbine engine
JP5828515B2 (ja) * 2012-02-28 2015-12-09 一般財団法人電力中央研究所 発電設備の運転支援装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20170138272A1 (en) 2017-05-18
US10184406B2 (en) 2019-01-22
WO2015193979A1 (ja) 2015-12-23
JPWO2015193979A1 (ja) 2017-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6314226B2 (ja) 多軸可変速ガスタービン装置およびその制御方法
JP6248124B2 (ja) 再生可能エネルギー対応ガスタービンおよびその制御方法
US10094297B2 (en) Power generation system and power generation method
US8352148B2 (en) System for controlling input profiles of combined cycle power generation system
EP2410154B1 (en) Systems and methods for controlling the startup of a gas turbine
US8370100B2 (en) Method for determining when to perform a test of an overspeed protection system of a powerplant machine
US9003809B2 (en) Power generation system and methods for monitoring operation of same
EP3396137B1 (en) Gas turbine system and method of controlling the same
US20110110760A1 (en) Method and system for increasing an efficiency of a pressurized machine
EP2339148A2 (en) Method and system for controlling a fuel flow to a turbomachine
EP3064746A1 (en) Systems and methods for turbine system operation in low ambient temperatures
EP2647811B1 (en) Gas turbine control device and power generation system
US9500136B2 (en) Systems and methods for generating variable ramp rates for turbomachinery
JP5953424B2 (ja) ガスタービン発電システム
EP2508720B1 (en) Method for controlling a power plant and system for increasing the operational flexibility of a power plant
JP4908465B2 (ja) コンバインド制御装置
JP4981509B2 (ja) 複合発電プラント蒸気タービンの運転制御装置
US11585281B2 (en) Device for controlling gas turbine, gas turbine facility, method for controlling gas turbine, and program for controlling gas turbine
JP2018017196A (ja) ガスタービン発電装置の制御装置、ガスタービン発電装置の制御方法およびガスタービン発電装置

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20170111

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20170113

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170822

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20171012

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180227

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180326

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6314226

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees