JPH04143425A - ガスタービン制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は例えば、液体燃料とガス燃料等の複数系統の燃
料を切替使用して発電を行なうガスタービン制御装置に
おいて、特に安定した燃料切替制御を行ない得るように
したガスタービン制御装置に関する。

（従来の技術） 従来から、例えばガス燃料と灯油燃料等の２系統の燃料
を切替えて発電を行なうガスタービン発電機が実用に供
されているが、近年の石炭ガス化コンバインドサイクル
、高炉ガス利用のガスタービン等の進展に伴ない、その
重要性、特に燃料切替時の温度、負荷の安定制御性が再
認識されてきている。ここで、石炭ガス化コンバインド
サイクルにおいて、ガスタービン発電機が２系統の燃料
を使用する必要性は次のような理由によるものである。

（ａ）安全性 石炭ガスは、水素、−酸化炭素を多く含む中カロリーま
たは低カロリーのガスであり、ガスタービンの起動初期
からこの石炭ガスを使用することは、失火時の爆発性エ
アリ・ソチのガスの滞留の問題がある。また、停止時に
燃料制御弁のリークがあった場合にも、爆発性のガスが
滞留することになり、危険である。さらに、着火性につ
いてもカロリー、性状の安定しない石炭ガスは好ましく
ない。従って、起動停止時には必ず液体燃料を使用し、
安全運転に到達した後にガス燃料に切替える操作が必要
である。この場合、停止時には石炭ガスから液体燃料に
切替えた後に起動する。

（ｂ）運転性 石炭ガス化プロセスは多くの所内補機を有し、石炭ガス
を発生させるまでの開所内勤力を確保する面からも、プ
ラント起動時に石炭ガス以外の液体燃料を使用すること
が必要である。また、プラントの耐力という面からも、
石炭ガス化プロセスの異常時にプラントを全停すること
なく、石炭ガス以外の燃料に切替えて発電を継続できる
ことは、系統運用上からも好ましいことである。

第４図はガスタービンおよびその制御装置の一般的な構
成例を示したものである。第４図において、ガスタービ
ン系は圧縮機１と、燃焼器２、制御対象としてのガスタ
ービン３と、発電機４から構成されている。つまり、圧
縮機１で大気より吸入した空気を圧縮して燃焼器２に送
り、この燃焼器２内で圧縮空気をガス燃料側の燃料制御
弁５または液体燃料側の燃料制御弁９により制御されて
送られてくる燃料と混合して高温の、燃焼ガスを得、さ
らにこの燃焼ガスをガスタービン３に導入し、タービン
軸を回転させて発電機４を駆動するようになっている。

一方、上述のガス燃料側の燃料制御弁５または液体燃料
側の燃料制御弁９は、ガスタービン制御装置１１により
調節制御される。このガスタービン制御装置１１は、負
荷制御系１２、速度負荷制御部１３、起動制御部１４、
排気温度制御部１５等の制御回路と、低値優先回路１６
と、液体燃料またはガス燃料を切替選択する燃料切替回
路１０とから構成されている。つまり、負荷制御部１２
は発電機出力検出器８からの出力信号を入力して目標と
する発電機出力となるように制御信号を速度負荷制御部
１３へ出力し、この制御信号に速度負荷制御部１３の定
格回転数運転時での調速制御信号を加算し、燃料制御弁
開度指令信号Ａを出力する。また、起動制御部１４は起
動時における着火、着火検出後の暖機、そして暖機後の
昇速制御信号をタービン軸回転数検出器７からの回転数
信号の関数として与え、無負荷定格回転数に到達するま
での燃料制御を行なうべく燃料制御弁開度指令信号Ｂを
出力する。さらに、排気温度制御部１５は、タービン排
気温度検出器６からの信号を入力してタービン排気温度
が温度上昇する際の制限制御を行なうべく燃料制御弁開
度指令信号Ｃを出力する。

また、上述の各燃料制御弁開度指令信号Ａ、Ｂ。

Ｃは低値優先回路１６に入力され、これらの中から最小
値のものが選択されて燃料制御弁開度指令信号りとして
出力する。なお、ここで起動制御部１４からの出力信号
は起動時のみ出力されるので、燃料切替時には出力信号
Ｂは存在しない。従って、燃料切替時には負荷制御部１
２からの出力信号Ａと、排ガス温度制御部１５からの信
号Ｃのうちの路１６からの燃料制御弁開度指令信号りを
入力して燃料制御弁５または９に対する開度信号Ｅ、　
Ｆを選択的に出力する燃料切替回路であり、燃料切替時
には開度信号Ｅ、Ｆを調節して、液体燃料からガス燃料
またはガス燃料から液体燃料への燃料の切替を実行する
制御機能を有している。

次に第５図は上述の燃料切替回路１０の詳細な構成例を
示したものである。第５図において、燃料切替回路１０
は上述した上位制御回路からの燃料制御弁開度指令信号
りに定数Ｋを掛けて、液体燃料側の燃料制御弁９への開
度信号Ｅを出力する乗算器１７と、この乗算器１７から
の出力信号ＤＸＫを上述の燃料制御弁開度指令信号りか
ら減算してガス燃料側の燃料制御弁５への開度信号Ｆを
出力する減算器１８とより構成されている。

ここで、Ｋはガス燃料か液体燃料かの比率を決めるもの
で、ガス燃料のみでガスタービンを駆動しているときは
に−０であり、液体燃料のみでガスタービンを駆動して
いるときは、Ｋ−１である。

また、燃料を切替える時、例えばガス燃料から液体燃料
に切替える場合はＫを１から０に変化させればよい。

第６図は、液体燃料１００％からガス燃料１００％への
切替時における各燃料制御弁５．９の開度および発電機
出力（ＫＷ）の変化を示したものである。第６図に示す
ように、時間の経過とともにＫが１から０に変化し、そ
れに従って各制御弁開度Ｅ、Ｆが変化し、切替完了時（
Ｋ−０）にはガス燃料制御弁５の開度Ｆは開度Ｄ′とな
り、液体燃料制御弁９の開度Ｅは全閉となり、液体燃料
からガス燃料への切替が完了する。ここで、燃料切替前
の燃料制御弁開度指令りか燃料切替後にはＤ′となって
いるが、これは燃料切替の間に常に負荷制御が働き、ガ
ス発熱量の設計値よりのずれを補正して発電機出力を設
定値に合せるべく、常に燃料制御弁開度指令信号りが変
化しているためで、Ｄ’＞Ｄはすなわちガス発熱量が設
計値よりも低かった場合である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このようなガスタービン制御装置におい
て、前述した燃料切替手段では次のような問題点がある
。

従来の燃料切替は、速度負荷制御部１３を使用して行わ
れるが、この速度負荷制御部１３は負荷制御の他に電力
系統の周波数安定化のためのガバナーフリー機能を有し
ている。即ち、速度負荷制御部１３は負荷制御部１２か
らの負荷変化指令に対し、系統周波数（ガスタービン回
転数）の偏差の調定率制御分を加味して燃料制御弁開度
指令を出力している。従って、系統周波数が安定してい
る電力系統の場合は問題ないが、常に周波数が変動する
ような場合はこの影響か燃料制御弁開度信号に重畳され
、燃料切替時の変動要因となる。

例えば、・調定率４％で、０．１Ｈｚ（定格５０Ｈｚ）
の偏差では、５％の負荷変動を生じることになる。第６
図の信号の微少な変動はこのガバナフリーの影響を示し
ている。

低カロリーガスで更にガス発熱量、ガス圧力が安定しな
い場合は更に変動を助長することになる。

また、この変動分は燃料切替負荷を下げる場合の障害に
もなる。なお、燃料切替負荷を下げることは起動時のガ
ス消費の経済性向上、起動時間短縮にもつながる重要な
要素である。

以上のような従来の燃料切替制御手段では、制御回路は
簡単であるが、前述したように低発熱量で、且つ圧力変
動のあるガス燃料に対しては適切なものではない。

本発明は上述したような問題点を解決するためになされ
たもので、その目的は複数系統の燃料を切替える場合の
運転の安定性を向上し、高信頼で、且つ経済性の高いガ
スタービン制御装置を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、圧縮機、この圧縮
器で圧縮された大気が与えられると共に種類の異なる第
１の燃料、第２の燃料が供給されるとこれらの燃料を燃
焼する燃焼器、この燃焼器により供給される前記第１の
燃料および第２の燃料を制御する第１の燃料制御弁およ
び第２の燃料制御弁とを備え、前記燃焼器により燃焼し
たガスにより発電機を回転駆動して発電を行なうガスタ
ービンにおいて、前記ガスタービンの実負荷相当信号を
フィードバック信号として入力し、目標とする発電機出
力となるように負荷制御信号を出力する負荷制御部と、
この負荷制御部から負荷制御信号を受けるとこの負荷制
御信号に系統周波数またはこれに相当する信号によるガ
バナフリー信号を重畳して第１の燃料制御弁開度指令信
号を出力する速度負荷制御部と、前記負荷制御部から負
荷制御信号を受けると第２の燃料制御弁開度指令信号を
出力する負荷制限制御部と、前記ガスタービンの排気温
度相当信号をフィードバック信号として入力し、目標と
する排気温度となるように温度制御信号を出力する排気
温度制御部と、前記速度負荷制御部、または負荷制限制
御部、排気温度制御部からの各信号のうちの最小値の信
号を燃料制御弁、第２の燃料制御弁に対する第１の開度
信号。

第２の開度信号を選択的に出力して、第１の燃料から第
２の燃料または第２の燃料から第１の燃料の切替を行な
う燃料切替回路と、前記第１および第２の燃料の切替開
始前の信号が入力されるとその出力により前記負荷制限
制御部を選択して該負荷制限制御部に前記負荷制御部か
らの負荷制御信号を与えると共に前記速度負荷制御部に
対して前記最小値の信号によりトラッキングさせるトラ
ッキング回路を形成し、前記第１および第２の燃料の切
替開始後の信号が入力されるとその出力により前記速度
負荷制御部を選択して該速度負荷制御部に前記負荷制御
部からの負荷制御信号を与えると共に前記速度負荷制御
部に対して前記最小値の信号によりトラッキングさせる
トラッキング回路を形成する切替制御部とから構成した
ものである。

（作用） このような構成のガスタービン制御装置において、速度
負荷制御部が選択された燃料切替開始前の状態にあると
き、切替制御部により負荷制限制御部に切替られると、
速度負荷制御部から負荷制限制御部の出力信号と温度制
御部の出力信号の低値信号が燃料切替回路に与えられる
。この負荷制限制御部の出力信号は系統周波数（タービ
ン実速度と同じ）による調定率制御の影響を受けないス
ムーズな信号のため、第１の燃料制御弁、第２の燃料制
御弁に与えられる信号もスムーズな信号であり、その後
の切替は安定して行なわれる。燃料切替が完了すると切
替制御部からの切替信号により負荷制限制御部から速度
負荷制御部の出力信号に切替えられ、燃料切替開始前の
状態に戻る。

この場合、速度負荷制御部から負荷制限制御部への切替
え、負荷制限制御部から速度負荷制御部への切替え時点
においてはいずれもトラッキング回路により燃料切替回
路に与えられる低値の信号にトラッキングさせているの
で、切替後の燃料制御を安定に行なうことが可能である
。

従って、このような切替方式を採用すれば、ガバナフリ
ー制御による影響を受けない負荷制限制御部より出力さ
れる燃料制御指令により燃料切替制御が行なわれるので
、燃料切替時の制御の安定性を向上させることができ、
信頼性の高いガスタービンの制御が可能である。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明によるガスタービン制御装置の概略構成
例を示すブロック図である。本実施例では、第１図に示
すように従来の制御系の負荷制御部１２、速度負荷制御
部１３、起動制御部１４および温度制御部１５に加え、
負荷制御部１２からの信号を受けて燃料弁開度指令信号
を出力する負荷制限制御部１９と、速度負荷制御部１３
と負荷制限制御部１９の何れかに切替える切替制御部２
０とを備えたものである。この場合、負荷制限制御部１
９は速度負荷制御部１３のように系統周波数（ガスター
ビン回転数）に起因するガバナーフリー信号を重畳しな
い構成となっている。

ここで、上記制御装置の各制御部の構成の詳細を第２図
により説明する。

第２図において、負荷制御部１２は発電機の実出力（Ｍ
Ｗ）と設定値との偏差を求める加算器１２ａと、この加
算器１２ａから出力される偏差に応じた制御信号を出力
するコントローラ１２ｂとから構成されている。速度負
荷制御部１３は負荷制御部１２から負荷制御指令を受け
ると基幹信号を作成する速度負荷制御器１３ａと、この
速度負荷制御器１３ａの出力信号に加算器１３ｂにより
求められた速度設定値と実速度との偏差を、加算器１３
ｃで加算して入力され、燃料制御弁開度指令信号を出力
する調定率制御器１３ｄと、速度負荷制御部１３の非選
択時に速度負荷制御器１３ａに低値優先回路１６の出力
信号にバイアス値αを加算器１３ｅにより加算したトラ
ッキング信号を入力するトラッキング回路とから構成さ
れている。負荷制限制御部１９は負荷制御部１２から負
荷制御指令を受けると燃料制御弁開度指令信号を作成す
る負荷制限制御器１９ａと、負荷制限制御部１９の非選
択時に負荷制限制御器１９ａを低値優先選択回路１６の
出力信号にバイアス値βを加算器１９ｂにより加算した
トラッキング信号を入力するトラッキング回路とから構
成されている。切替制御部２０は燃料切替開始前に負荷
制限制御部１９を選択とし、速度負荷制御部１３を非選
択とする信号を８カする第１のリレー回路２０ａと、燃
料切替終了後に再度速度負荷制御部１３を選択とし、負
荷制限制御部１９を非選択とする信号を出力する第２の
リレー回路２０ｂとから構成され、これら第１のリレー
回路２０ａ１第２のリレー回路２０ｂは燃料選択指令Ｓ
１により第１のリレー回路２０ａか復帰動作し、燃料選
択指令Ｓ２により第２のリレー回路２０ｂが復帰動作す
ることにより、速度負荷制御部１３と負荷制限制御部１
９との切替が可能になっている。

なお、第２図において、起動制御部１４、温度制御部１
５、低値優先回路１６および燃料切替回路１０の各機能
は従来と同様なので、ここではその説明を省略する。

次に上記のように構成されたガスタービン制御装置の作
用を第３図に示す燃料切替の過程における制御関連信号
の変化状態図を参照しながら説明する。

先ず、第２図において、燃料切替前は燃料選択指令Ｓ２
により第１のリレー回路２０ａのリレーＲ１が励磁状態
にあるので、速度負荷制御部１３のリレー接点Ｒ１−１
，Ｒ１−２は閉、Ｒ１−３は開の状態にあり、負荷制御
部１２の出力が制御信号として選択されている。この時
、負荷制限制御部１９のリレー接点Ｒ２−１，Ｒ２−２
は開で、Ｒ２−３が閉状態にあり、負荷制限制御器１９
ａに低値選択回路１６の出力信号にバイアスβを加算し
た値がトラッキング信号として与えられている。この状
況は第３図では負荷制限制御使用開始前の速度負荷制御
中の部分で燃料制御弁開度指令信号Ｄ　（−Ｅ）がガバ
ナフリー制御のため、若干変動している。

次に燃料゛選択指令Ｓ１により第２のリレー回路２０ｂ
のリレーＲ２が励磁されると、第１のリレー回路２０ａ
のリレーＲ１の出力接点Ｒ１−１゜Ｒ１−２が開となり
、Ｒ２−１，Ｒ２−２が閉となり、負荷制御部１２の出
力信号が速度負荷制御部１３から負荷制限制御部１９に
切替えられて入力する。同時に出力接点Ｒ２−３は開と
なりＲ１−３が閉となるので、非選択となった速度負荷
制御器１３ａには低値選択回路１６の出力信号にバイア
ス値αが加算された信号が与えられ、速度負荷制御器１
３ａはこの値にトラッキングする。

この状況は第３図に制御切替中という名称で説明してい
る。そして、制御切替が完了すると負荷制限制御部１９
の出力信号が燃料制御に使われることになり、第３図に
示すように燃料切替完了までは安定した信号（即ち、ガ
バナフリーの影響を受けない信号）が燃料制御弁開度信
号として低値選択回路１６に与えられることになる。

その後の燃料切替は従来技術の項で記載した用役と同様
に行なわれる。そして、燃料切替か終二すると、燃料選
択切替指令Ｓ２を切替制御部２〔の第１のリレー回路２
０ａに与えてリレーＲ１４励磁することにより、負荷制
限制御部１９からｊ度負荷制御部１３へ切替が行なわれ
、燃料制御Ｃ：燃料切替前の速度負荷制御部１３の制御
に戻る。

以上のように発熱量の異なったまたは設計条Ｃよりずれ
た発熱量であっても、任意の負荷にお（て液体燃料から
ガス燃料またはガス燃料から液Ｑ燃料への燃料切替を安
定に、しかも安全に実施Ｊることかできる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるも（ではなく
、次のようにしても実施できるもので決る。

（ａ）上記実施例では、ガス燃料と液体燃料の２系統の
燃料の場合を述べたが、この２種類の燃ｒの性状は特に
問われるものではない。

（ｂ）上記実施例では、本発明をガス燃料と液書燃料の
２系統の燃料に適用した場合を述べたが、これに限らず
２系統以上の３系統、４系統の燃料の場合でも、燃料切
替回路の追加で対応可能である。

（ｃ）上記実施例では、燃料切替時の負荷指令値は一定
と考えたが、本発明は特に負荷が一定でなくても負荷変
化中でも適用可能であり、また燃料圧力が変動している
時でも片方の燃料制御系が正確に制御される程度の変動
であれば適用することが可能である。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で種々変形
して実施することができるものである。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、複数系統の燃料を切
替える場合における負荷制御系、温度制御系への外乱を
なくして安定した燃料切替を行なうことができる極めて
信頼性の高いガスタービン制御装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービン制御装置の一実施例
の概略構成を示すブロック図、第２図は同実施例におけ
る制御装置の内部構成を詳細に示す回路図、第３図は同
実施例における燃料切替の状況を制御信号関連信号の変
化として示す作用説明図、第４図は従来の一般的なガス
タービンおよびその制御装置の一例を示す構成説明図、
第５図は第４図における燃料切替回路の構成例を示すブ
ロック図、第６図は従来の燃料切替時の作用説明図であ
る。 １・・・圧縮器、２・・・燃焼器、３・・・タービン、
４・・・発電機、５．９・・・燃料制御弁、６・・・温
度検出器、７・・・速度検出器、１０・・・燃料切替回
路、１１・・・ガスタービン制御装置、１２・・・負荷
制御部、１３・・・速度負荷制御部、１３ａ・・・速度
負荷制御器、１３　ｂ　、　　１３　ｃ　、　　１３　
ｅ−・−加算器、１３　ｄ　・・・調定率制御器、１４
・・・起動制御部、１５・・・温度制御部、１６・・・
低値選択回路、１７−・・乗算器、１８・・・減算器、
１９・・・負荷制限制御部、１９ａ・・・負荷制限制御
器、１９ｂ・・・加算器、２０・・・切替制御部、２０
ａ・・・第１のリレー回路、２０ｂ・・・第２のリ レー回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧縮機、この圧縮器で圧縮された大気が与えられると共
   に種類の異なる第１の燃料、第２の燃料が供給されると
   これらの燃料を燃焼する燃焼器、この燃焼器により供給
   される前記第１の燃料および第２の燃料を制御する第１
   の燃料制御弁および第２の燃料制御弁とを備え、前記燃
   焼器により燃焼したガスにより発電機を回転駆動して発
   電を行なうガスタービンにおいて、 前記ガスタービンの実負荷相当信号をフィードバック信
   号として入力し、目標とする発電機出力となるように負
   荷制御信号を出力する負荷制御部と、この負荷制御部か
   ら負荷制御信号を受けるとこの負荷制御信号に系統周波
   数またはこれに相当する信号によるガバナフリー信号を
   重畳して第１の燃料制御弁開度指令信号を出力する速度
   負荷制御部と、前記負荷制御部から負荷制御信号を受け
   ると第２の燃料制御弁開度指令信号を出力する負荷制限
   制御部と、前記ガスタービンの排気温度相当信号をフィ
   ードバック信号として入力し、目標とする排気温度とな
   るように温度制御信号を出力する排気温度制御部と、前
   記速度負荷制御部、または負荷制限制御部、排気温度制
   御部からの各信号のうちの最小値の信号を燃料制御弁、
   第２の燃料制御弁に対する第１の開度信号、第２の開度
   信号を選択的に出力して、第１の燃料から第２の燃料ま
   たは第２の燃料から第１の燃料の切替を行なう燃料切替
   回路と、前記第１および第２の燃料の切替開始前の信号
   が入力されるとその出力により前記負荷制限制御部を選
   択して該負荷制限制御部に前記負荷制御部からの負荷制
   御信号を与えると共に前記速度負荷制御部に対して前記
   最小値の信号によりトラッキングさせるトラッキング回
   路を形成し、前記第１および第２の燃料の切替開始後の
   信号が入力されるとその出力により前記速度負荷制御部
   を選択して該速度負荷制御部に前記負荷制御部からの負
   荷制御信号を与えると共に前記速度負荷制御部に対して
   前記最小値の信号によりトラッキングさせるトラッキン
   グ回路を形成する切替制御部とから構成したことを特徴
   とするガスタービン制御装置。