JPH06315298A - ガスタービン起動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ガスタービン13を低速回転で長時間運転しなけ
ればならない低回転数保持運転時においても、その駆動
源である同期発電機11のロータの健全性を維持する事の
出来るガスタービン起動装置18を得る事にある。 【構成】ガスタービン13に直結された同期発電機11に可
変周波数の電源を供給し同期発電機11を静止状態から所
定の回転数領域までの間で電動機運転するための静止形
起動装置24と、この静止形起動装置24に電源を供給する
ための電源変圧器26の二次側に設けられたガスタービン
13の起動運転の時には静止形起動装置24に高圧電源を供
給するための高圧タップ27A と、電源変圧器26の二次側
に設けられガスタービン13の低回転数保持運転の時には
静止形起動装置24に低圧電源を供給するための低圧タッ
プ27B とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンと同期発
電機とを一軸で直結したガスタービン発電設備のガスタ
ービン起動装置に係わり、特にガスタービンを起動する
にあたり同期発電機を同期電動機として低周波起動する
ガスタービン起動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン発電設備としては、ガスタ
ービンと同期発電機とを一軸で直結したものや、ガスタ
ービンと同期発電機とを一軸で直結したものにさらに蒸
気タービンを直結したいわゆるコンバインドサイクル発
電プラントなどがある。

【０００３】このようなガスタービン発電設備における
ガスタービンの起動時にあっては、外部からガスタービ
ンを駆動する必要がある。これは、ガスタービンに直結
された空気圧縮機を起動しガスタービンの運転に必要な
空気量を確保するためである。したがって、ガスタービ
ンに燃料が供給され自力で回転できるようになると、外
部からの駆動力は不要となる。

【０００４】そこで、ガスタービンの起動時にあって
は、起動用の電動機を設けトルクコンバータを介して機
械的に起動する可変回転数起動、あるいは、ガスタービ
ンに直結された同期発電機を同期電動機として電気的に
起動する低周波起動等が用いられている。

【０００５】近年のパワーエレクトロニクスの発達によ
り、ガスタービン起動装置もこれまでのトルクコンバー
タによる機械的な可変回転数起動から、サイリスタを用
いた静止形起動装置が用いられるようになってきた。

【０００６】この静止形起動装置はコンバータとインバ
ータとから構成され、電力系統から電源変圧器を介して
得られた定格周波数の交流をコンバータで一旦直流に変
圧し、変換された直流をインバータで任意の周波数の交
流に変換し同期発電機を同期電動機として低周波起動す
るようにしたものである。

【０００７】一般に、静止形起動装置は、揚水発電所の
発電電動機の起動や、高炉ブロアの起動などに用いられ
ているが、この場合の起動特性は図２に示すように、同
期電動機の停止状態から定格回転数まで一定加速で起動
するものである。これに対し、ガスタービンの起動は、
図３に示すような起動特性であり、図２に示すような一
定加速で起動するものではない。

【０００８】すなわち、まず、静止形起動装置で同期発
電機を電動機として停止状態（時点t1）から定格回転数
の30〜40％まで立ち上げ（時点t2）、ここでその回転数
を保持してシャフトパージ運転を行う。シャフトパージ
運転はガスタービン内に滞留するガスを排気するための
運転であり、通常、約10分間程度の運転である。そし
て、シャフトパージ運転の終了で一旦静止形起動装置を
停止し（時点t3）回転数が定格回転数の14％まで降下し
たところで、ガスタービン自体を起動する（時点t4）。
ガスタービン自体の起動は、ガスタービンに燃料を供給
し、燃焼させる事により行われる。この場合、ガスター
ビンだけではトルクが不足するので、静止形起動装置も
併せて運転する。ガスタービンの回転数が定格回転数の
70〜90％になると（時点t5）、静止形起動装置の運転を
停止し、ガスタービンのみで定格回転数まで昇速する。
定格回転数となると（時点t6）、同期発電機の電力系統
への同期併入が行われ、発電運転となる。

【０００９】発電運転の継続後、同期発電機を電力系統
から解列する場合には、燃料の燃焼を停止し無負荷運転
にしてから解列する（時点t7）。ガスタービンの回転数
が降下したところで（時点t8）、ガスタービンが高温で
ある事からクールダウン運転を行う。そして、クールダ
ウン運転が終了すると（時点t9）、ターニング運転を行
う。これらクールダウン運転やターニング運転はターニ
ングモータで行う。

【００１０】一方、空気圧縮機の翼の洗浄のためにコン
プレッサ水洗運転を静止形起動装置で行っている。今、
時点t10 でコンプレッサ水洗運転が開始されたとする
と、ガスタービンがコンプレッサ水洗運転に必要な回転
数になった時点t11 以降、その回転数で保持される。こ
の場合のガスタービンの回転数はシャフトパージ運転時
の回転数よりもさらに低速であり、通常40分から60分間
運転される。

【００１１】このように、ガスタービンの起動特性は線
形性ではなく、静止形起動装置は低速回転領域で比較的
長い時間運転される特性を持っている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
静止形起動装置で得られた任意の周波数の交流には高調
波が含まれている事から、この高調波の影響で同期発電
機のロータが加熱することがある。特に、低速回転の場
合には同期発電機に供給する電力も少なく、静止形起動
装置での電力変換時に含まれる高調波も多くなる。

【００１３】すなわち、ガスタービンを低速回転で長時
間運転しなければならない低回転数保持運転、例えば図
３でのコンプレッサ水洗運転の際に特に問題となる。

【００１４】低速回転時は、静止形起動装置からの高調
波により、ガスタービンの駆動源である同期発電機のロ
ータ表面に誘導電流が誘起される。ロータ表面には合成
バランス用クロススロットや界磁コイルを収納するスロ
ット等の加工がされているため、誘導電流は局部に集中
して流れ加熱を引き起こす。また、低速回転時は同期発
電機のロータファンの冷却能力が殆ど無いため、一層加
熱が促進される。

【００１５】また、コイルスロットにはコイル脱出防止
用の楔がある、低速回転時には遠心力が不足し不完全接
触状態になっているため、楔部とスロット鉄心間または
楔間に電流が流れ、接触状態が変化するとアーク放電の
おそれがある。このような状態が長く続くと、材料の局
部温度が上昇し、破壊し易くなる。

【００１６】従って、本発明の目的は、ガスタービンを
低速回転しなければならない低回点数保持運転時におい
ても、その駆動源である同期発電機のロータの健全性を
維持することのできるガスタービン起動装置を得る事に
ある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のガスタービン起
動装置は、ガスタービンに直結された同期発電機に可変
周波数の電源を供給し同期発電機を静止状態から所定の
回転数領域までの間で電動機運転するための静止形起動
装置と、一次側は電力系統に接続され一方二次側は静止
形起動装置に接続され静止形起動装置に電源を供給する
ための電源変圧器と、電源変圧器の二次側に設けられた
ガスタービンの起動運転の時には静止形起動装置に高圧
電源を供給するための高圧タップと、電源変圧器の二次
側に設けられたガスタービンの低回点数保持運転の時に
は静止形起動装置に低圧電源を供給するための低圧タッ
プとを備えた事を特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明のガスタービン起動装置は、ガスタービ
ンの低回転数保持運転の時には電源電圧が低圧となるの
で、静止形起動装置での電力変換の際に生じる高調波が
少なくなり、ガスタービンの駆動源である同期発電機の
ロータの加熱が低減され、同期発電機のロータの健全性
が確保できる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１を参照して説
明する。図１は本発明の一実施例に係わるガスタービン
起動装置を、ガスタービン発電設備としての一軸形コン
バインド発電プラントに適用した系統構成図である。

【００２０】同期発電機11には、空気圧縮機12、ガスタ
ービン13、及び蒸気タービン14が一軸に直結されてい
る。同期発電機11の端子は主変圧器15及び主遮断機16を
介して電力系統17に接続される。ガスタービン13の起動
時においては主遮断機16は開しており、同期発電機11は
電力系統17から解列している。

【００２１】一方、同期発電機11の端子は、本発明のガ
スタービン起動装置18が断路器19を介して接続されてい
る。本発明のガスタービン起動装置18は、インバータ2
0、コンバータ21、交流リアクトル22、直流リアクトル2
3からなる静止形起動装置24と、電力系統17から電源遮
断機25を介して静止形起動装置24に電源を供給するため
の電源変圧器26と、高圧タップ27A と、低圧タップ27B
とから構成されている。

【００２２】電源変圧器26の一次側に入る電力系統から
の交流電力は、高圧タップ27A または低圧タップ27B を
介して、静止形起動装置24のコンバータ21で一旦直流電
力に変換され、ここで変換される。そして、ガスタービ
ン13に直結された同期発電機11に可変周波数の電源を供
給する。これにより、同期発電機11を静止状態から所定
の回転数領域までの間で電動機運転する。ここで、直流
リアクトル23はコンバータ21で変換された直流電力を平
滑化するためのものであり、交流リアクトル22はインバ
ータ20で変換された交流電力に含まれるリプルを除去す
るためのものである。

【００２３】また、電源変圧器26の二次側に設けられた
高圧タップ27A は、ガスタービン13の起動運転の時に選
択され、静止形起動装置24に高圧電源を供給する。一
方、低圧タップ27B は、ガスタービン13の定格回転数保
持運転の時に選択され、静止形起動装置24に低圧電源を
供給する。

【００２４】いま、同期発電機11は電力系統17から解列
しており、ガスタービン13は停止しているとする。この
状態では、主遮断器16や電源遮断器25は開している。こ
の状態でガスタービン13を本発明のガスタービン起動装
置18を用いて起動する場合を考える。

【００２５】まず、断路器19を閉し、高圧タップ27A を
閉する。本発明では、ガスタービンの起動運転の時に
は、静止形起動装置24に高圧電源を供給して起動するよ
うにしているので、高圧タップ27A を選択する。これ
は、ガスタービン13の起動時には起動のためのトルクが
必要で比較的大きな電力を必要とし、低速回転での運転
時間が比較的短いからである。

【００２６】断路器19及び高圧タップ27A を閉した後、
次に、電源遮断機25を閉する。これによって、電源変圧
器26から高圧タップ27A を介して静止形起動装置24のコ
ンバータ21に電源変圧器26二次側の電圧が印加される。
コンバータ21では、電源変圧器26から供給される交流電
力を、同期発電機11が静止状態から回転し始めるのに必
要なトルクに見合った直流電力に変換する。この場合の
始動トルクは、同期発電機11に直結されたガスタービン
13、蒸気タービン14、空気圧縮器12を回転始動させるの
に必要なトルクであり、消費電力は比較的小さい。した
がって、コンバータ21で変換された直流電流電圧は小さ
く比較的多くのリプルが含まれている。このリプルは直
流リアクトル23で平滑される。

【００２７】コンバータ21で変換された直流電力は、イ
ンバータ20で交流電力に変換される。この始動時の交流
電力は、同期発電機11に直結されたガスタービン13、蒸
気タービン14、空気圧縮器12を回転始動させる程度のも
のであり、周波数は零から徐々に上昇している可変周波
数である。同期発電機11が回転し始めると、その加速の
ための電力が必要となる。したがって、周波数の上昇に
つれて静止形起動装置24から供給される電力は大きくな
る。

【００２８】同期発電機11が始動すると、図３に示した
ような特性で、最終的には同期発電機11の定格周波数近
傍まで、静止形起動装置24が運転される。

【００２９】すなわち、同期発電機11を電動機として停
止状態から定格回転数の30〜40％まで立ちあげ、ここで
その回転数を保持してシャフトパージ運転を行う。そし
て、シャフトパージ運転の終了で一旦静止形起動装置24
を停止し回転数が定格回転数の14％まで降下したところ
で、ガスタービン13自体を起動する。ガスタービン13自
体の起動は、ガスタービン13に燃料を供給し、燃焼させ
る事により行われる。この場合、ガスタービン13だけで
は回転上昇のためのトルクが不足するので、静止形起動
装置24も併せて運転する。ガスタービン13の回転数が定
格回転数の70〜90％になると、静止形起動装置24の運転
を停止し、ガスタービン13のみで定格回転数まで昇速す
る。

【００３０】静止形起動装置24の停止は、コンバータ21
及びインバータ20の運転を停止した後、電源遮断機25を
開し、断路機19を開する事によって行う。

【００３１】ガスタービン13のトルクにより同期発電機
11が定格回転数まで昇速されると、同期発電機11の電力
系統17への同期併入が行われ、発電運転となる。

【００３２】このようなガスタービン13の起動運転時に
はシャフトパージ運転のように低速回転による運転領域
があるが、この運転は比較的短時間であるので、静止形
起動装置24で得られた可変周波数の交流電力に含まれる
高調波の影響は許容できる。したがって、本発明では、
ガスタービン13の起動運転の時には、上述のように静止
形起動装置24に高圧電源を供給して起動する。

【００３３】一方、本発明では、ガスタービン13の低回
転数保持運転、たとえばコンプレッサ水洗運転の時には
静止形起動装置24に低圧電源を供給して運転する。

【００３４】いま、ガスタービン13の起動運転の時と同
様に、同期発電機11は電力系統から解列しており、ガス
タービン13は停止しているとする。この状態では、主遮
断器16や電源遮断器25は開している。この状態でガスタ
ービン13を本発明のガスタービン起動装置18を用いてガ
スタービン13の低回転数保持運転、たとえば、コンプレ
ッサ水洗運転する場合を考える。

【００３５】この場合も、ガスタービン13の起動運転の
時と同様に、まず、断路器19を閉する。そして、低圧タ
ップ27B を閉する。本発明では、ガスタービン13の低回
転数保持運転の時には静止形起動装置24に低圧電源を供
給して起動するようにしているので、低圧タップ27B を
選択する。これは、コンプレッサ水洗運転時のように、
ガスタービン13の低回転保持運転の場合はその運転のた
めのトルクは比較的小さいので消費する電力は小さく、
また、低速回転での運転時間もシャフトパージ運転と比
べて長いからである。

【００３６】断路器19および低圧タップ27B を閉した
後、次に、電源遮断路器25を閉する。これによって、電
源変圧器26から低圧タップ27B を開して静止形起動装置
24のコンバータ21に電源変圧器26二次側の電圧が印加さ
れる。二次側の電圧は、低圧タップ27B からの低圧電源
であるから、ガスタービン13の起動時の電圧より低い電
圧である。

【００３７】コンバータ21では、電源変圧器26から供給
される低圧の交流電力を、同期発電機11が静止状態から
回転し始めるのに必要なトルクに見合った直流電力に変
化する。この場合、電源変圧器26から供給される電源電
圧が低圧である事から、直流に変換する際にそこに含ま
れる高調波は少なくなる。すなわち、同期発電機11に直
結されたガスタービン13、蒸気タービン14、空気圧縮器
12を回転始動させるのに必要なトルクを得るに当たり、
そこに含まれる高調波は少なくなる。したがって、コン
バータ21で変換された直流電流電圧は小さいが、電源変
圧器26の二次電圧も低いので、含まれるリプルは少なく
なる。また、このリプルは直流リアクトル23で平滑され
る。

【００３８】コンバータ21で変換された直流電力は、イ
ンバータ20で交流電力に変換される。そして、コンプレ
ッサ水洗運転に必要な低回転数での低速運転される。

【００３９】このように、本発明においては、ガスター
ビン13の定格回転数までの起動にあっては、低速回転運
転領域での運転時間が比較的短く、この起動運転には比
較的大きいトルクを必要とする事から、高圧タップ27A
を選択して起動する。一方、コンプレッサ水洗運転のよ
うに低速回転運転を長時間にわたって行う場合には、低
圧タップを選択して起動し運転する。したがって、長時
間の低速回転運転時に発生する高調波による同期発電機
のロータの加熱が防止できる。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のガスタービ
ン起動装置によれば、ガスタービンの起動運転の時には
静止形起動装置に高圧電源を供給し、ガスタービンの低
回転数保持運転の時には電源電圧が低圧となり、静止形
起動装置での電力変換の際に生じる高調波が少なくな
る。このことから、ガスタービンの駆動源である同期発
電機のロータの加熱が低減され、同期発電機のロータの
健全性が確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図構成図。

【図２】静止形起動装置を用いて揚水発電所の発電電動
機を起動する場合の起動特性図。

【図３】静止形起動装置を用いてガスタービンを起動す
る場合の起動特性図。

【符号の説明】

11…同期発電機 13…ガスタービン 17…電力系統 18…ガスタービン起動装置 24…静止形起動装置 26…電源変圧器 27A …高圧タップ 27B …低圧タップ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンと同期発電機とを一軸で直結
   したガスタービン発電設備の前記ガスタービンを起動す
   るにあたり前記同期発電機を同期電動機として静止形起
   動装置を用いて起動するガスタービン起動装置におい
   て、前記ガスタービンに直結された同期発電機に可変周
   波数の電源を供給し前記同期発電機を静止状態から所定
   の回転数領域までの間で電動機運転するための静止形起
   動装置と、一次側は電力系統に接続され一方二次側は前
   記静止形起動装置に接続され前記静止形起動装置に電源
   を供給するための電源変圧器と、前記電源変圧器の二次
   側に設けられ前記ガスタービンの起動運転のときには前
   記静止形起動装置に高圧電源を供給するための高圧タッ
   プと、前記電源変圧器の二次側に設けられ前記ガスター
   ビンの低回転数保持運転のときには前記静止形起動装置
   に低圧電源を供給するための低圧タップとを備えた事を
   特徴とするガスタービン起動装置。