JPH0787797A - ガスタービン発電装置とその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】実用上、温度が変化する領域において、ガスタ
ービン発電装置の出力を極力一定に保つことができる可
変速ガスタービン発電装置を提供する。 【構成】ガスタービンにより駆動される発電機を可変速
発電機とし、その二次巻線を交流励磁することにより、
一次巻線の周波数としては系統周波数を維持したまま、
二次巻線の回転速度を可変とする。 【効果】圧縮機の吸気量（重量流量）を温度変化によら
ず極力一定に保つことができ、従って大気温度の変化に
伴う発電機の出力の変化を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン発電装置
とその運転方法に係り、特に、ガスタービン発電装置が
有するガスタービンと発電機とを接続する軸の回転速度
を、任意に変更して運転できる可変速ガスタービン発電
装置とその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン発電装置は、大気として存
在する空気を吸い込み圧縮するコンプレッサと、このコ
ンプレッサで圧縮された空気と燃料とを用いて燃焼を行
う燃焼器と、この燃焼器で生成された燃焼空気で駆動す
るガスタービンと、発電機とを具備する。そして、一つ
の軸で結合されたガスタービンにより、コンプレッサと
発電機とを駆動する。

【０００３】このようなガスタービン発電装置において
は、発電機は電力系統に結合されて運用される。こうし
たことから、発電機は通常は同期機が採用される。従っ
て、ガスタービン発電装置における発電機の軸の回転数
は、系統周波数に比例するものである。つまり、発電機
の軸の回転数が変化(例えば３０００rpmから３１００rp
m)すると系統周波数も変化（例えば５０Ｈｚから５２Ｈ
ｚへ）する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービン発電装置
は、コンプレッサにより空気を取り入れ圧縮して用いて
いる。従って、取り入れる空気の温度が変化すると、ガ
スタービン発電装置の発電出力が変化してしまうという
問題がある。つまり、取り入れる空気（大気）が高温で
あるほど、前記発電出力が減少するという特性がある。
例えば、大気温度４℃の時に定格出力を出すことができ
るガスタービン発電装置は、大気温度４０℃の時には定
格出力が９０％以下に低下してしまう。この理由は、コ
ンプレッサが取り入れる空気の量、いわゆる吸気量（重
量流量）が、その空気の温度が上昇することにより、減
少することに起因する。

【０００５】以上のことから、本発明は、大気温度が変
化したとしても、ガスタービン発電装置の出力をほぼ一
定に保つことができる可変速ガスタービン発電装置とそ
の運転方法を提供することを目的とする。

【０００６】更に、本発明は、何らかの理由でコンプレ
ッサの軸の回転数が変化する場合においても、発電機の
系統周波数をほぼ一定に保つことができる可変速ガスタ
ービン発電装置とその運転方法を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガスタービン
により駆動される発電機を可変速発電機とし、その発電
機の二次巻線を交流励磁する。これにより、一次巻線か
ら出力される周波数を系統周波数として維持したまま、
二次巻線の回転数を変化させることができる。そして、
二次巻線の回転数を大気温度に応じて変化させる。尚、
本発明において、一次巻線は固定子であり、二次巻線は
回転子であることが好ましい。

【０００８】本発明の可変速ガスタービン発電装置は、
空気を取り入れて圧縮するコンプレッサと、コンプレッ
サで圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、燃焼
器からの燃焼ガスで駆動するガスタービンと、一次巻線
が電力系統に接続され二次巻線が交流励磁される発電機
とを有する。

【０００９】通常のガスタービン発電装置は、コンプレ
ッサから供給される空気が一定の場合、つまり一定の回
転数でコンプレッサの軸が回転していた場合、大気温度
が上昇すると大気の体積流量が増加する反面、その重量
流量が減少し、ガスタービン発電装置の電気出力は低下
する。燃焼器は燃空比をほぼ一定にして燃焼する。つま
り燃焼器は、空気の重量流量が減少した分だけ燃料も減
少させて、燃焼するため、電気出力の低下を招く。この
電気出力の低下を防ぐために、供給する空気の量を増加
させるようにコンプレッサの軸の回転数を上げると、こ
のコンプレッサと連動して作動する発電機の軸の回転数
も上昇し、発電機から出力される系統周波数を一定に維
持できなくなってしまう。本発明は、こうした問題点を
解決することができ、コンプレッサの軸の回転数が悪化
した場合であっても、電気出力の低下を防ぎ、系統周波
数をほぼ一定に維持する。

【００１０】本発明は、三相交流を用いて励磁される一
次巻線（固定子）と二次巻線（回転子）とを有する発電
機を用いることによって、発電機の軸の（機械的）回転
速度が変化したとしても、発電機から出力される（電気
的）周波数はほぼ一定とできる。この発電機は、例え、
回転子が機械的に静止していたとしても、交流励磁電流
の周波数（固定子側磁界の回転数）を可変とすることが
できるため、本発明の効果を達成する。

【００１１】また、系統（所定）周波数が変化する要因
としては、大気温度が変化する場合の他、負荷要求信号
に基づきプラントの出力負荷を変動させる場合等も考え
られるが、更に、例えば、系統からの外乱（落雷等によ
る負荷遮断）等も考えられる。

【００１２】例えば、落雷等によって、負荷遮断をよぎ
なくされた場合のガスタービン発電装置の運転状態を説
明する。

【００１３】ガスタービンと発電電動機（発電機）と
が、同軸で結合するガスタービン発電装置においては、
次の関係式が成立する。

【００１４】

【数１】

【００１５】ここで、Ｉ_w は、発電機の慣性効果、Ｔ_IW
はガスタービン側に発生するトルク（エネルギ）、Ｔ_OW
は発電機側に発生するトルク（エネルギ）を示すもので
ある。

【００１６】一方、系統周波数の上昇や下降が生じる電
力系統側の挙動については、次の関係式が成立する。

【００１７】

【数２】

【００１８】ここで、Ｉ_S は電力系統側の慣性効果Ｔ_OS
は、電力系統全体から出力消費される総トルク（エネル
ギ）Ｔ_ISは電力系統全体に入力される総トルク（エネル
ギ）を示すものである。尚、(1）式に示すＴ_OWは、Ｔ_IS
の一要素である。

【００１９】こうした運転状態において、落雷等の負荷
遮断が生じると、Ｔ_OSが急減し、ｗ_S が増加する。これ
は系統周波数が上昇することを意味する。本発明では、
サイクロコンバータ等の交流励磁装置を操作し、電気的
にＴ_OWを減少させ、電気出力を減少させるように制御
し、ｗ（機械的な軸の回転数）の増加を抑制する。つま
り、交流励磁装置の交流励磁電流の大きさと位相とを調
整することによって、例えば燃焼器に供給される燃料量
を絞る等のガスタービン側の操作を関係なく、電気側の
入力及び力率を制御できる。これにより、応答性の速い
制御が可能となる。本発明は、こうした様々な要因によ
る変化に対応するものである。

【００２０】そして、ガスタービン及び発電機が、同一
の軸で結合される。同一の軸とは、一つの軸との意味で
あり、ガスタービン及び発電機のそれぞれの軸がカップ
リングされたものでも良い。

【００２１】更に、可変速ガスタービン発電装置は、燃
焼器に供給される燃料の量を負荷要求信号に応じて定め
て制御する燃料制御装置と、負荷要求信号と大気温度と
に応じて前記発電機の交流励磁量を調整する励磁制御装
置と、を有することを特徴とする。

【００２２】大気温度に応じて交流励磁量を調整すると
は、大気温度を連続的に測定し、温度と交流励磁量との
関係を示すテーブルを参照して、交流励磁量を制御する
ことを意味する。他には、所定の温度幅、例えば２０〜
２５℃の間の温度変化であれば、その温度範囲内の上限
値（２５℃）における交流励磁量（軸の回転数）に設定
し制御することを意味する。尚、テーブルは、所定の温
度間隔、例えば０.５〜１.０℃の間隔で作成することが
好ましい。

【００２３】更に、発電機の二次巻線は、その巻線を交
流励磁する交流励磁装置に接続されることが望ましい。

【００２４】また、本発明は、燃料制御装置で求められ
た燃料の量と大気温度とに応じて発電機の交流励磁量を
調整することも可能である。

【００２５】更にまた、大気温度に基づいて発電機の交
流励磁量を調整すると共に、軸の回転速度を制御するこ
とが好ましい。

【００２６】一方、本発明の可変速ガスタービン発電装
置の運転方法は、コンプレッサで大気を取り入れ圧縮
し、この圧縮された空気と燃料とを燃焼器で燃焼し、こ
の燃焼されたガスを用いてガスタービンを駆動し、ガス
タービンと一つの軸で結合された発電機を駆動する。

【００２７】そして、発電機に対する励磁周波数を大気
の温度に応じて可変にすることを特徴とする。

【００２８】更に、発電機の出力を大気温度の変動によ
らずほぼ一定の運転計画を立案するときには、大気の温
度が上昇（下降）した場合、軸の回転速度を高く（低
く）することが好ましい。

【００２９】また更に、大気の温度が高いときよりも低
いときの方が、二次巻線の交流励磁量を小さく設定する
ことが好ましい。そして、発電機の磁界の回転速度を、
ガスタービンの出力変動に応じて可変にすることも可能
であり、大気の温度が上昇した場合には、発電機の出力
周波数をほぼ一定とするように、発電機に対する励磁周
波数を制御することも可能である。

【００３０】発電装置には、更に、ガスタービンの排出
ガスの排熱を利用して蒸気を発生させ、蒸気タービンを
駆動させるものがある。蒸気タービンを駆動させること
によって、発電機を駆動し発電する。本発明のガスター
ビン発電装置とこうした蒸気タービン発電装置とを組み
合わせたコンバインドサイクルプラントを構成すること
によって、更に負荷変化を急速に行うことができ、発電
効率を高くすることができる。

【００３１】更に、本発明のコンバインドサイクルプラ
ントは、燃焼ガスで駆動するガスタービンと、ガスター
ビンと一つの軸で結合された一次巻線が電力系統に接続
され二次巻線が交流励磁される発電機と、ガスタービン
の排ガスと熱交換するボイラ（排熱回収ボイラ）と、ボ
イラから発生した蒸気で駆動する蒸気タービンと、を有
する。そして、中央給電指令所等からこのプラントが設
置される発電所等に要求される負荷要求信号と燃焼ガス
を発生させるために使用される空気の温度（大気温度）
とに基づいて、発電機の交流励磁量を調整することを特
徴とする。

【００３２】

【作用】本発明は、コンプレッサに取り入れられる空気
の温度を一つのパラメータとして用い、発電機の二次巻
線の回転数を制御する。そして、一次巻線から出力され
る周波数（系統周波数）を維持する。

【００３３】従って、二次巻線の回転数を大気の温度に
応じて変化させることによって、コンプレッサに取り入
れられる空気（大気）の温度が変化しても、その空気の
吸気量（重量流量）は極力一定に保つことができる。

【００３４】これにより、大気の温度の変化に伴う発電
機の出力の変化を抑制し、極力一定に保つことができ
る。

【００３５】ガスタービンは、通常、その燃焼器に導入
される空気と燃料との比（空燃比）をほぼ一定に制御し
て運転される。こうした運転のもと、要求負荷に変動が
生じた場合には、燃焼器に導入される燃料量と空気量と
が変化する。本発明では、軸の機械的回転数を制御する
ことにより、コンプレッサに取り入れられる空気量を変
化させる。その際、系統周波数に変動を与えずに運転す
るために発電機の二次巻線に与える交流励磁量を制御す
る。

【００３６】つまり、本発明は大気の温度の変化とはほ
とんど関係なく、要求に応じた望ましい出力を提供でき
るようにするためのものであり、例えば、大気温度が上
昇した場合には空気の体積流量が増し、重量流量が減
る。そこで、圧縮機の回転数を上げ空気量を増加させる
必要がある。これに追随して燃料量も増加する。これは
燃空比を一定にしようとするためである。これによって
圧縮機の軸の回転数と連動して変化する発電機から出力
される周波数が上昇してしまう。このため発電機の二次
巻線に滑り周波数を与え、見かけ上の周波数を減じる。

【００３７】また、要求負荷が変化した場合にも、空気
と燃料とを制御する必要が有り同様の作用を利用するこ
ととなる。

【００３８】

【実施例】図１は、本発明の可変速ガスタービン発電装
置の一実施例を示している。

【００３９】ガスタービン発電装置は、大気を吸気して
圧縮するコンプレッサ１と、このコンプレッサ１で生成
される圧縮空気と燃料とを用いて燃焼を行う燃焼器２
と、この燃焼器２で生成される燃焼空気で駆動されるガ
スタービン３と、可変速発電機５を具備する。

【００４０】そして、一つの軸で結合されたガスタービ
ン３により、コンプレッサ１と可変速発電機５とを駆動
する。また、４は燃焼器２へ燃料を供給する燃料供給装
置、１８は電力系統、９は発電機５を交流励磁する交流
励磁装置である。

【００４１】演算装置８は、可変速ガスタービン発電装
置を運転するために、中央給電指令所等からの負荷要求
信号Ｐｄと、大気温度検出器で検出した大気温度Ｔとを
入力信号として用いる。そして、燃料量の目標値Ｆｄと
発電機５（この発電機は回転速度を変化させることが可
能な可変速発電機である。）の二次巻線の交流励磁量の
目標値Ｅｄを決定する。

【００４２】燃料制御装置６は、燃料量の目標値Ｆｄを
入力信号として用い、燃焼器２に供給する燃料量を所定
の値とするため、燃料供給装置４の開度を制御する。

【００４３】また、励磁制御装置７は、交流励磁量の目
標値Ｅｄを入力信号として用い、発電機５の交流励磁
量、例えば、その位相や大きさを所定値とするため交流
励磁装置９を制御する。なお、この交流励磁装置９は周
波数を変換する装置であって、三相交流励磁を行うもの
である。交流励磁装置９としては、具体的に、サイクロ
コンバータやＧＴＯ素子を用いた変換装置を利用するこ
とができる。

【００４４】次に、本発明において使用される可変速発
電機の概略構成を図２を用いて説明する。この回転速度
を変化させることができる発電機（可変速発電機）５
は、夜間電力を使用して水を上方に組み上げ発電する可
変速揚水発電装置において使用される発電機と基本的に
同じ構成のものである。

【００４５】図２において、可変速発電機５は、電力系
統１８に接続される一次巻線１５と、ガスタービンの軸
に結合されて回転する二次巻線１６とを備える。二次巻
線１６は、交流励磁装置９により可変周波数で励磁され
る。なお、６は燃料制御装置である。

【００４６】交流励磁装置９は、一方端を電力系統１８
等の電源に接続される。この電源から得られた交流を、
適正な大きさと位相とを有する三相交流に変換し、可変
周波数や可変電圧として出力する。この出力により二次
巻線１６が三相交流励磁される。

【００４７】可変速発電機５において、一次巻線１５の
周波数は電力系統１８の周波数ｆｏであり、発電機の軸
の回転数に比例する周波数をｆｍ、二次巻線１６の励磁
周波数１７をｆｅとすると、これらの間には、 ｆｏ＝ｆｍ＋ｆｅ の関係が成立する。ここで一次巻線の周波数ｆｏは固定
子側磁界の回転速度であり、周波数ｆｍは回転子の機械
的な回転速度である。更に、励磁周波数ｆｅは交流励磁
により磁界が回転子上を移動する速度であって、ｆｍに
対して同方向（軸の回転数が低速の場合、基準となる大
気温度以下の場合）の時には正の値を、ｆｍに対して逆
方向(軸の回転数が高速の場合、基準となる大気温度以
上の場合)の時には負の値を示す。更に、励磁電流（交
流励磁量）の位相を１８０°変化させることによって、
その方向を反転させることができる。

【００４８】通常、ｆｏは一定であり、ｆｅを変化させ
制御することにより、結果的には、ｆｍが変化する。こ
のことは、二次巻線１６の励磁周波数ｆｅを変化させる
ことにより、ガスタービン３の機械的回転速度を変化さ
せることができ、これはコンプレッサ１の吸気量を制御
できることを意味する。

【００４９】つまり、例えば、大気温度の上昇に伴いコ
ンプレッサの軸の機械的回転速度を上昇させる必要が生
じた場合、通常ではこの軸の回転数の上昇に連動して、
発電機の軸の回転数も上昇する。その結果として系統周
波数も上昇するが、この系統周波数の上昇は、電力の質
の安定性の上からも好ましくない。そこで、軸の回転数
（ｆｍ）が上昇しても、系統周波数（ｆｏ）が一定とな
るように、励磁周波数（ｆｅ）を制御する。このように
回転子側の磁界が回転子上を移動する速度に相当する周
波数で交流励磁することにより、固定子側と回転子側と
の磁界の速度を一致させ、系統と同期させ、安定な運転
を行うことができる。

【００５０】本発明は、こうした原理を利用してなされ
たものである。

【００５１】本発明は、大気の温度が変化した際でも、
発電機からの出力を一定に制御することを実現するもの
である。

【００５２】図２に示される演算装置８は、発電機から
の出力を一定に制御するため、燃料量の目標値Ｆｄと可
変速発電機の二次巻線１６の交流励磁量の目標値Ｅｄを
決定する。

【００５３】ここで、ガスタービンの出力と大気温度と
の関係について図３を用いて説明する。図３は、横軸に
大気温度、縦軸にガスタービンの出力を示している。ガ
スタービンの出力１１８は大気温度により変化し、大気
温度が高温であるほどガスタービンの出力は低下する。
ガスタービンは、通常、一定の回転速度で運転されてお
り、コンプレッサに吸い込まれる空気（吸入空気）の体
積流量は一定である。しかし、ガスタービンの出力に関
係するのは、吸入空気の重量流量である。重量流量は体
積流量に温度の関数である密度を乗じて求まるものであ
る。つまり、高温状態では空気の密度が低下し、この結
果、重量流量が低下し、ガスタービンの出力も低下する
ことになる。

【００５４】このような関係があるために、公に示して
いるガスタービンの出力（公称認可出力）は、通常、常
温付近の特定温度の出力で定義されている（図３に示し
た事例では摂氏４度）。従って、通常のガスタービンは
夏場に公称許可出力を出せなかった。これに対し、本発
明では、ガスタービンの回転速度を変化させて運転し、
特性１２０のように、大気温度が高温（低温）であるほ
どガスタービンの回転数を上げる（下げる）ように大気
温度に応じて、回転速度を変化させて運用する。このと
きには、空気の重量流量を一定にすることができ、特性
１１９のように、ガスタービンの出力を大気温度の変化
に関係無く一定に運用することができる。このように、
ガスタービンは回転速度を変化させて運転（可変速運
転）をすることが良策ではある。しかし、電力系統に接
続されて運用される同期発電機では、回転速度を変化さ
せて運転（可変速運転）或いは周波数を変化させて運転
（可変周波数運転）することはできないので、可変速発
電機を採用して周波数を一定とする。

【００５５】図３に示される特性１１９を実現し、ガス
タービンの出力を大気温度の変化に関係無く、ほぼ一定
にするために、図２に示される演算装置８は、２組の関
数発生器８１及び８２を有する。

【００５６】このうち、燃料量（燃料流量）の目標値Ｆ
ｄを定める関数発生器８２は、負荷要求信号Ｐｄを入力
信号とする。負荷要求信号と燃料量の目標値とがほぼ比
例的な関係を有することから、燃料量の目標値Ｆｄを求
める。なお、燃料量の目標値Ｆｄは、従来の燃料量の制
御装置における算出手法をほぼ変更することなく採用す
ることができる。

【００５７】可変速発電機の二次巻線１６の交流励磁量
の目標値Ｅｄは、負荷要求信号Ｐｄと大気温度Ｔとを入
力信号として決定される。交流励磁量の目標値Ｅｄは、
例えば、可変速発電機５が実現する回転速度である。

【００５８】例えば、大気温度が摂氏４度の場合には、
特性ｂのように、負荷要求信号Ｐｄ＝０のときに、定格
周波数５０（Ｈｚ）に相当する回転速度とする。負荷要
求信号Ｐｄの増大／減少に伴い、回転速度を高く／低く
するような指令を与える。

【００５９】また、大気温度が高い場合には、特性ａの
ように、特性ｂを上方に移動させ、回転速度（回転数）
を設定するよう指令を与える。

【００６０】また、大気温度が低い場合には、特性ｃの
ように、特性ｂを下方に移動させ、回転速度（回転数）
を設定するよう指令を与える。

【００６１】励磁制御装置７は、交流励磁量の目標値Ｅ
ｄ（回転速度の目標値）を入力信号とする。この目標値
を実現するため可変速発電機５のすべり周波数を制御す
る。例えば、前記の式において、電力系統の周波数ｆｏ
は、定格（系統）周波数の５０（Ｈｚ）に定まってい
る。回転速度の目標値Ｅｄは、可変速発電機５の軸の回
転速度に相当する周波数ｆｍである。これが、５５（Ｈ
ｚ）相当であるときには、二次巻線の励磁周波数（すべ
り周波数）ｆｅを、マイナス５（Ｈｚ）とするように、
二次巻線の交流励磁量を制御する。ここでマイナスと
は、磁束の方向が逆であることを意味している。

【００６２】なお、二次巻線１６の三相交流励磁量は、
交流励磁装置９により決定される。そして、負荷要求信
号Ｐｄとして有効電力を調整するときには三相交流励磁
量の位相角を調整すれば良く、負荷要求指令Ｐｄとして
無効電力を調整するときには三相交流励磁量の大きさを
調整すれば良い。

【００６３】以上のような制御を行うことにより、ガス
タービンは、所定の負荷要求信号Ｐｄに沿った燃料量を
投入されて燃焼を行う。更に、大気温度の変化を考慮し
た回転速度で、発電機の軸に連結するコンプレッサの軸
が回転することにより、負荷要求指令Ｐｄに沿った重量
流量の大気を取り入れることができる。

【００６４】この結果、所望の電気出力を得ることがで
き、発電機としては一定の周波数を実現できる。

【００６５】図４は、本発明のほかの実施例を示してい
る。この実施例では、演算装置８内に示される関数発生
器８３の構成が図２のものとは相違する。関数発生器８
２は負荷要求指令Ｐｄから燃料量の目標値Ｆｄを求め
る。更に、関数発生器８３は、燃料量の目標値Ｆｄと大
気温度Ｔとをパラメータとして、交流励磁量の目標値Ｅ
ｄを求める。なお、この目標値の信号の作成手法は、適
宜に選択され採用できる。図４に示されるその他の符号
は、図２に示される符号と同様の意味である。その理由
を図５及び図６を用いて説明する。図５は、横軸にコン
プレッサの空気流量（重量流量）、縦軸にコンプレッサ
の入口と出口との圧力比を示したものである。図６は、
横軸に負荷、左縦軸に空気流量（重量流量）、右縦軸に
ガスタ−ビンの入口温度を示したものである。

【００６６】図５において、コンプレッサの性能を示す
一つの指標であるコンプレッサの内部効率２２は、定格
動作点Ｐをほぼ中心とした楕円形の等高線で示されてい
る。つまり、点Ｐより外側に向かうにつれて内部効率は
０.８５，０.８，０.７５ と減少する。コンプレッサの
状態変化に対して、効率の変化が最も小さい方向を結ん
だ線は、作動線２４と呼ばれる。この作動線２４上では
コンプレッサの効率が最も高く、かつ、コンプレッサが
安定に動作する。

【００６７】従来の方法に基づいたコンプレッサから供
給される空気流量を減少させるような（部分負荷）運転
では、コンプレッサの軸の回転数は一定に保たれるた
め、例えば、入力案内弁を絞る操作が行われる。つまり
空気流量の低下（Ｗ₁→Ｗ₂）に伴うコンプレッサの動作
点は、軸の機械的回転数が一定である等回転数線２１上
を上方（点Ｐ→点Ｑ）に移動することになる。この方向
は、コンプレッサの内部効率２２の低下する勾配が、最
も大きい方向である。

【００６８】また、この時、コンプレッサの動作点は、
負荷の低減と共にコンプレッサの安定限界を与えるサー
ジ線２３に近接する。コンプレッサが吸入する空気流量
は、等回転数線２１とサージ線２３とが交わる点Ｑにお
ける空気流量Ｗ₂ （図６に示される空気流量）以下には
下げられない。一方、燃焼に必要かつ十分な量の空気流
量は、負荷の低減と共に減少する。このため点Ｑよりも
低い負荷では、コンプレッサが吸入する空気の一部しか
燃焼に寄与しない。残りの空気は温められないまま、燃
焼ガスと混合することになる。

【００６９】この結果、ガスタ−ビンの入口における燃
焼ガスの温度は低下し、ガスタービンの熱効率は低下す
る。燃焼に寄与する空気の割合は、負荷が低いほど低下
するので、ガスタービンの熱効率は負荷の低下と共に急
速に低下することになる。つまり、軸の回転数を一定に
しつつ、空気流量を減少させることは、内部効率の急激
な低下を招くと共に、コンプレッサのサージング現象発
生限界までしか、空気流量の低減を図ることができな
い。

【００７０】本実施例においては、軸の機械的回転数を
可変として運転することができため、空気流量を減少さ
せる場合（Ｗ₁→Ｗ₂）であっても、作動線２４に添って
（点Ｐ→点Ｒ）運転することができる。この作動線２４
に添って運転することによって内部効率が急減すること
もなく又はサージ線２３に近接することなく、所望の空
気流量まで減少させることができる。

【００７１】図６は上記関係を明確に示す特性図であ
る。図６の特性２５，３５（実線）に示すように、ガス
タービンの入口における燃焼ガスの温度は、負荷が上昇
すると共に上昇し、負荷が７５〜８０％程度以上のとき
１３００℃程度でほぼ一定となる（実線３５）。また、
空気流量は、負荷が７５〜８０％程度以下のときＷ₂ 程
度でほぼ一定であり、負荷が７５〜８０％程度以上のと
きＷ₁ 程度まで上昇する（実線２５）。これに対して、
図６の特性２６，３６（点線）に示すように、本発明を
用いることによって、ガスタービンの入口における燃焼
ガスの温度は、負荷の変化に対しても１３００℃程度で
ほぼ一定とすることができる（点線３６）。また、空気
流量は、負荷の変動に伴なって、変化させることができ
る（点線２６）。

【００７２】本発明は、演算装置８の関数発生器８１
（８３）の特性に基づいて、コンプレッサの軸の回転数
を減少させ、空気流量を減じる。従って、図５に示され
る動作点Ｒは、ほぼ作動線２４に沿って移動する。この
ため、コンプレッサの内部効率が高く維持できる。この
他、コンプレッサが吸入する空気流量の制約がないた
め、低い負荷領域においても、燃料流量に対して過不足
ない空気流量を取り入れることができる。

【００７３】この結果、図６の特性２６（点線）に示す
ように、低い負荷領域（部分負荷領域）においても、ガ
スタービンの入口における燃焼ガスの温度が低下せず、
ガスタービンの熱効率を高い負荷領域におけるそれとほ
ぼ同等に維持できる。つまり、広い負荷領域において、
つまり、部分負荷時においても常に定格値近傍の高い熱
効率を保持することができる。

【００７４】以上のように、本実施例に示すガスタ−ビ
ン発電設備においては、効率の良い設備が達成できる。

【００７５】又、本発明をコンバインドサイクルプラン
トに用いることも可能である。

【００７６】図７にコンバインドサイクルプラントの構
成図を示す。主機はガスタービン設備，蒸気タービン設
備，発電機よりなり、図７に示す実施例ではこれら３者
が１つの軸上に直結されている例を示すが、ガスタービ
ン設備と蒸気タービン設備とが各々別個に発電機を有す
る多軸型であっても良い。

【００７７】コンプレッサで吸引された空気５７は圧縮
され燃焼器２で高温高圧ガスとなりガスタービン３に流
入する。ここで熱エネルギの一部が仕事に変換され発電
機５で電気エネルギに変換される。ガスタービン３から
の排気ガス５５は排熱回収ボイラ５１にて給水５３を加
熱し、蒸気５４を発生する。この蒸気５４は蒸気タービ
ン５２に導かれて仕事をし、発電機５で電気エネルギに
変換される。仕事を終えた蒸気は復水器５６で水に戻
り、給水５３として再び排熱回収ボイラ５１に供給され
る。排熱回収ボイラ５１を出た排ガス５７は煙突に導か
れる。このように、コンバイドサイクルプラントではガ
スタービン設備と蒸気タービン設備とを組み合わせて発
電するので熱効率が高い。

【００７８】尚、図中示された他の符号は、図１に用い
られたものと同様であり、その作用もほぼ同等のもので
ある。

【００７９】軸が定速回転する従来のガスタービン設備
と蒸気タービン設備と組み合わせたコンバインドサイク
ルプラント（システム）は、部分負荷による運転の時に
効率が低下するという問題点がある。しかし、本発明を
採用することにより、効率が低下する割合（幅）を小さ
くできるという効果を有する。

【００８０】さらに本発明のガスタービン発電装置は、
設備として有する能力を夏場においても冬場と同様に発
揮することができる。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば、実用上、温度が変化す
る領域において、ガスタービン発電装置の出力を極力一
定に保つことができる。また、部分負荷時の運転におけ
る熱効率を高く保持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図。

【図２】図１の演算装置と可変速発電機とを詳細に示す
図。

【図３】本発明の原理説明図。

【図４】図２の実施例の変形例を示す図。

【図５】本発明に基づく部分負荷における運転時のコン
プレッサ効率の特性を示す図。

【図６】負荷と空気流量またはガスタービン入口温度と
の関係を示す図。

【図７】本発明を用いたコンバインドサイクルプラント
の構成を示す図。

【符号の説明】

１…コンプレッサ、２…燃焼器、３…ガスタービン、４
…燃料供給装置、５…可変速発電機、６…燃料制御装
置、７…励磁制御装置、８…演算装置、９…交流励磁装
置、１８…電力系統、Ｐｄ…負荷要求信号、Ｔ…大気温
度。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気を取り入れて圧縮するコンプレッサ
   と、前記コンプレッサで圧縮された空気と燃料とを燃焼
   する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動するガ
   スタービンと、前記ガスタービンと一つの軸で結合され
   た発電機とを有するガスタービン発電装置において、 前記発電機の一次巻線が電力系統に接続されると共にそ
   の二次巻線が交流励磁されることを特徴とするガスター
   ビン発電装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のガスタービン発電装置にお
   いて、 前記燃焼器に供給される燃料の量を負荷要求信号に基づ
   いて定めて制御する燃料制御装置と、負荷要求信号と大
   気温度とに基づいて前記発電機の交流励磁量を調整する
   励磁制御装置と、を備えるガスタービン発電装置。
3. 【請求項３】請求項１記載のガスタービン発電装置にお
   いて、 前記発電機の二次巻線を交流励磁する交流励磁装置を備
   えるガスタービン発電装置。
4. 【請求項４】空気を取り入れて圧縮するコンプレッサ
   と、前記コンプレッサで圧縮された空気と燃料とを燃焼
   する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動するガ
   スタービンと、前記ガスタービンと一つの軸で結合され
   た発電機とを有するガスタービン発電装置において、 前記発電機の一次巻線が電力系統に接続され、その二次
   巻線が交流励磁装置に接続されると共に、前記燃焼器に
   供給される燃料の量を負荷要求信号に基づいて定めて制
   御する燃料制御装置と、前記燃料制御装置で求められた
   燃料の量と大気温度とに基づいて前記発電機の交流励磁
   量を調整する励磁制御装置と、を備えるガスタービン発
   電装置。
5. 【請求項５】空気を取り入れて圧縮するコンプレッサ
   と、前記コンプレッサで圧縮された空気と燃料とを燃焼
   する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動するガ
   スタービンと、一次巻線が電力系統に接続され二次巻線
   が交流励磁される発電機とを有し、前記ガスタービン及
   び前記発電機が、一つの軸で結合された可変速ガスター
   ビン発電装置であって、 前記大気温度に基づいて、前記発電機の交流励磁量を調
   整すると共に、前記軸の回転速度を制御する可変速ガス
   タービン発電装置。
6. 【請求項６】コンプレッサで大気を取り入れ圧縮し、こ
   の圧縮された空気と燃料とを燃焼器で燃焼し、この燃焼
   されたガスを用いてガスタービンを駆動し、前記ガスタ
   ービンと一つの軸で結合された発電機を駆動するガスタ
   ービン発電装置の運転方法において、 前記発電機に対する励磁周波数を、大気の温度に応じて
   可変にすることを特徴とするガスタービン発電装置の運
   転方法。
7. 【請求項７】コンプレッサで大気を取り入れ圧縮し、こ
   の圧縮された空気と燃料とを燃焼器で燃焼し、この燃焼
   されたガスを用いてガスタービンを駆動し、前記ガスタ
   ービンと一つの軸で結合された発電機を駆動するガスタ
   ービン発電装置の運転方法において、 前記発電機の磁界の回転速度を、前記ガスタービンの出
   力変動に応じて可変にすることを特徴とするガスタービ
   ン発電装置の運転方法。
8. 【請求項８】コンプレッサで大気を取り入れ圧縮し、こ
   の圧縮された空気と燃料とを燃焼器で燃焼し、この燃焼
   されたガスを用いてガスタービンを駆動し、前記ガスタ
   ービンと一つの軸で結合された発電機を駆動するガスタ
   ービン発電装置の運転方法において、 大気の温度が変動した場合にも、前記発電機の出力周波
   数をほぼ一定とするように、前記発電機に対する励磁周
   波数を制御することを特徴とするガスタービン発電装置
   の運転方法。
9. 【請求項９】コンプレッサで大気を取り入れ圧縮し、こ
   の圧縮された空気と燃料とを燃焼器で燃焼し、この燃焼
   されたガスを用いてガスタービンを駆動し、前記ガスタ
   ービンと一つの軸で結合され、一次巻線が電力系統に接
   続され二次巻線が交流励磁される発電機を駆動する可変
   速ガスタービン発電装置の運転方法であって、 前記ガスタービンの出力がほぼ一定の場合に、前記大気
   の温度が高いときよりも低いときの方が、前記二次巻線
   の交流励磁量を小さく設定することを特徴とする可変速
   ガスタービン発電装置の運転方法。
10. 【請求項１０】燃焼ガスで駆動するガスタービンと、前
    記ガスタービンと一つの軸で結合され、一次巻線が電力
    系統に接続され二次巻線が交流励磁される発電機と、前
    記ガスタービンの排ガスと熱交換するボイラと、前記ボ
    イラから発生した蒸気で駆動する蒸気タービンと、を有
    するコンバインドサイクルプラント。
11. 【請求項１１】請求項１０記載のコンバインドサイクル
    プラントにおいて、負荷要求信号と大気温度とに基づい
    て前記発電機の交流励磁量を調整することを特徴とする
    コンバインドサイクルプラント。
12. 【請求項１２】空気を取り入れて圧縮するコンプレッサ
    と、前記コンプレッサで圧縮された空気と燃料とを燃焼
    する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動するガ
    スタービンと、前記ガスタービンと一つの軸で結合され
    た発電機とを有するガスタービン発電装置において、前
    記軸の回転数が変化した場合であっても、前記発電機か
    らの系統周波数をほぼ一定にする手段を有することを特
    徴とするガスタービン発電装置。