JPH0932583A - 発電設備の速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 タービンの起動停止の過程の回転数保持の際
に、振動共振点を避けて運転して機器の損傷を低減する
こと。 【構成】 振動検出器４２からの信号増加を検出した場
合、回転数保持信号を受ける前の振動検出器４２からの
信号の回転数に対する変化傾向を元に、振動が減少する
方向の回転軸の回転速度を上昇または下降させるバイア
スを加えるバイアス設定回路４４を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、タービンおよび発電機
とを一軸上に配置してなる回転軸の振動を抑制する発電
設備の速度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来のコンバインドサイクル発
電設備の構成を示す系統図である。この図８は、一軸型
のコンバインドサイクル発電設備の例である。タービン
制御装置５は、燃料調節弁６を開閉することにより燃焼
器７への燃料の供給を制御している。燃焼器７で発生し
たエネルギーによりガスタービン１が回転する。このガ
スタービン１での仕事を終えた排ガスは排熱回収ボイラ
８をとおり煙突９から排出される。排熱回収ボイラ８内
に設けられた熱交換器１０で高温の排ガスと熱交換した
蒸気は、タービン制御装置５で制御される蒸気加減弁１
１をとおり、蒸気タービン２へ送られる。蒸気タービン
２で仕事をした蒸気は、復水器１２、給水ポンプ１３を
経て再び排熱回収ボイラ８へ送られる。ガスタービン
１、蒸気タービン２、と一軸上に配置された発電機１４
は、発生した電力を電力系統１５に伝えている。

【０００３】ガスタービン１、蒸気タービン２、および
発電機１４で構成される回転軸は、通常運転に際しては
発電機１４が電力系統１５に接続されているので、定格
回転速度にて運転されるが、プラントの停止状態からの
起動、あるいは通常運転状態からの停止に際しては、回
転数の上昇あるいは下降をする必要がある。

【０００４】回転数の制御は、タービン制御装置５によ
り、ガスタービンの着火前にあっては、補助動力として
用いられる図示しない電動機や電動機として用いられる
発電機１４のトルクを調節し、またガスタービン着火後
にあっては、これらの補助動力の調節、またはガスター
ビン１の燃料調節弁６を調節する。

【０００５】ところで、一般に回転機はその構成要素の
固有振動数に応じて特定の回転数において共振現象を起
こし、そのような状態を継続すると、場合によっては回
転機の損傷を招来する可能性もある。このような事態に
至らないために、回転体を支える軸受部１６に振動計測
のための検出器を設け、振動の発生状況を監視すると共
に、起動・停止の過程にあっては、特に必要のある場合
を除いて連続的に回転数を上昇、あるいは下降せしめ、
持続的な共振現象が発生しないように配慮される。

【０００６】しかしながら、コンバインドサイクルプラ
ントでは、例えばガスタービンの着火前の排気ダクト、
排熱回収ボイラ、煙突等の残留ガスのパージの際や、排
熱回収ボイラからの蒸気発生を持つためのいわゆるウォ
ーミングの際など、運転の過程で回転数を定格回転数以
下で保持せざるを得ない状況も発生する。

【０００７】一方、軸系の振動の発生モード、すなわち
回転体の各部分毎の振動の発生しやすい回転数は、回転
体の各部分の固有振動の解析結果から設計的にある程度
特定できるが、コンバインドサイクル発電設備では、ガ
スタービン、蒸気タービン、発電機という異なった性格
の機械が一つの軸に結合されており、起動時にはその前
の運転状態等の差異により必ずしも一定のパターンでの
振動発生があるとは限らない。特に回転数の低い領域で
はこのような不確定要素が多い。このため、前述したよ
うな運転の過程での定格速度以下での回転数保持の必要
性がある場合には、基本的にはあらかじめ設計上の共振
点を避ける回転数での保持を行なうが、様々な要因から
予期せぬ振動の増加を招来し、著しい場合は回転体に損
傷を与えるような事態に至る可能性もある。

【０００８】このような問題点の解決のために、従来
は、例えば特開平６−１８５３１１に示されているよう
に、保持回転数の上下にゆっくりと回転数を変動させて
固有振動数での共振現象が持続するのを回避する方法等
がとられる事がある。

【０００９】図９は、このような方法をガスタービン着
火後のガスタービンによる回転数制御域において実施す
るよう構成したタービン制御装置５の燃料調節弁６の制
御部分のブロック構成図である。

【００１０】通常の起動・停止あるいは負荷運転中の回
転体の速度・負荷制御の主体となるガスタービンの燃料
投入指令ａは、ガス温度制御２１、起動・停止時回転数
制御部２２、そしてガバナフリー機能を実現する速度負
荷制御部２３の制御指令の内で最も低い指令値が低値優
先回路１４で選択される。燃料投入指令ａは、関数発生
器２５で開度指令に変換され、偏差演算器２６でＬＶＤ
Ｔ（バルブ開度検出器）２７との偏差がとられ、この結
果、燃料調節弁６の開度が決定される。

【００１１】起動・停止時回転数制御部２２は、様々な
プラント条件を接点２９で入力して回転数保持などを判
定するとともに、回転数検出器２８からガスタービン１
の回転数を入力している。この起動・停止時回転数設定
部２２は、起動停止回転数設定部３０、波状信号発生回
路３１、加算器３２、偏差演算器３３、および微分積分
器３４を備えている。

【００１２】波状信号発生回路３１は、回転数が定格以
下の速度で保持される時、起動・停止時回転数設定部２
２が発生する回転数の設定値に加算器３２で重畳させる
形で、定められた範囲、変化率で回転数を増減させるた
めの信号を発生させる。

【００１３】この信号が加わることにより、起動・停止
時の定格回転数以下の速度での回転数保持の際に、燃料
を増減させることにより回転軸の回転数を僅かに増減さ
せ、固定した回転数による速度保持に際して発生する可
能性が高くなる振動の異常共振減少を回避しようとする
ものである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法は、共振現象が発生する可能性のある回転数が、その
回転数変動の範囲に含まれる場合、短時間とはいえ共振
現象が発生する可能性があり、回転数の増減の繰り返し
により、このような状態が繰り返される可能性があるた
め、回転体のためには必ずしも適切な方法とは言えな
い。

【００１５】また、例えば、ガスタービンの排気による
排熱回収ボイラの昇温のための回転数保持のような場合
は、上記公知例に示されるような方法では、回転数の増
加・減少のために燃料の増加・減少が行われ、排気ガス
により排熱回収ボイラに入る熱量が周期的に増減するた
め、結果的に排熱回収ボイラの熱収支が変動し、排熱回
収ボイラのドラムレベルや温度制御系などへの大きな外
乱になることも考えられる。

【００１６】このように、従来の発電設備の速度制御装
置では、起動過程等における定格回転数以下での速度保
持の際に、回転数の増減に伴なうので、回転体の共振点
を何度も上下に通過して回転体への機械的な損傷を与え
る可能性が有り、また、ガスタービンが点火されている
状態では排熱回収ボイラへの入熱の外乱となる等の問題
がある。

【００１７】本発明の目的は、起動停止の過程において
必要となる回転数保持の際に、振動共振点を避けて運転
して機器の損傷を低減し、あるいはガスタービン排気ガ
スが導入される排熱回収ボイラへの外乱の発生を極力回
避できる発電設備の速度制御装置を得ることにある。

【００１８】また、本発明の別の目的は、排気ダクト、
排熱回収ボイラ、煙突等のガスパージを適切な時間で終
了させることのできる発電設備の速度制御装置を得るこ
とにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明においては、タービンおよび発電機
とを一軸上に配置してなる回転軸と、この回転軸の振動
を検出する振動検出器と、定格回転数以下で回転数保持
信号が出力されている場合であって、前記振動検出器か
らの信号増加を検出した場合、前記回転数保持信号を受
ける前の前記振動検出器からの信号の回転数に対する変
化傾向を元に、振動が減少する方向の正または負のバイ
アスを判定し、前記回転軸の回転速度を上昇または下降
させるバイアスを加えるバイアス設定手段とを備えるこ
とを特徴とする発電設備の速度制御装置を提供する。

【００２０】また、請求項２の発明においては、タービ
ンおよび発電機とを一軸上に配置してなる回転軸と、こ
の回転軸の振動を検出する振動検出器と、この振動検出
器の回転数に対する振動のパターンを記憶している速度
振動特性記憶部と、定格回転数以下で回転数保持信号が
出力されている場合であって、前記振動検出器からの信
号増加を検出した場合、前記速度振動特性記憶部のパタ
ーンを元に、振動が減少する方向の正または負のバイア
スを判定し、前記回転軸の回転速度を上昇または下降さ
せるバイアスを加えるバイアス設定手段とを備えること
を特徴とする発電設備の速度制御装置を提供する。

【００２１】また、請求項３の発明においては、回転数
の保持の目的が燃焼ガスへの点火の前の排気ダクト、排
熱回収ボイラ、煙突等のガスパージである場合に、パー
ジ時間となる回転数保持信号を回転数の変化に応じて増
減するパージ時間設定手段を備えることを特徴とする請
求項１または２記載の発電設備の速度制御装置を提供す
る。

【００２２】

【作用】請求項１のように構成された装置においては、
バイアス設定手段で振動検出器からの振動が増加した場
合、信号の回転数に対する変化傾向を元に、振動が減少
する方向の回転数を判定し、保持中の回転数にバイアス
を加えて、回転速度を上昇あるいは下降させる。

【００２３】請求項２のように構成された装置において
は、速度振動特性記憶部で過去の振動のパターンを記憶
し、バイアス設定手段で振動検出器からの振動が増加し
た場合、過去の振動パターンを元に、振動が減少する方
向の回転数を判定し、保持中の回転数にバイアスを加え
て、回転速度を上昇あるいは下降させる。請求項３のよ
うに構成された装置においては、パージ時間設定手段で
増減した回転数に応じて、パージ時間を設定して適切な
パージ時間となるようにする。

【００２４】

【実施例】以下、図１から図７を参照して、本発明の実
施例を説明する。この実施例の特徴は、コンバインドサ
イクル発電設備の回転軸（回転体）の起動・停止時の速
度制御を司るガス、蒸気のタービン制御装置において、
回転体の軸受振動に関するプロセス状態を取り込み、そ
の絶対値あるいは変化傾向の監視によって回転体の振動
が増加する傾向を示したとき、それまでの振動変化傾
向、または過去の振動変化傾向等をもとに保持回転数を
変化させ、その結果として回転体への振動増加によるダ
メージの発生を防止し、かつ、前述の従来技術にあるよ
うな速度の周期的な増減に伴う、排熱回収ボイラへの熱
入力の増減による系の不安定挙動の発生を抑止すること
にある。

【００２５】図１は、本発明の一実施例であって、ガス
タービン着火後のガスタービンによる回転数制御域にお
いて実施するよう構成した図８におけるタービン制御装
置５の燃料調節弁６の制御部分のブロック構成図であ
る。

【００２６】図９の構成と同様の構成については、同一
の符号を付し、その作用の説明を省略する。 プラント
の起動停止時の制御の中心となる起動・停止時回転数制
御部４１は、回転軸の軸受に取り付けられた振動検出器
４２からの振動信号ｂと、回転数検出器２８からの回転
数信号と、回転数保持などを判定する様々なプラント条
件の接点４３とを入力している。

【００２７】プラントの起動停止時の制御の中心となる
起動・停止時回転数制御部４１には、振動信号ｂを入力
する回転数バイアス設定回路４４が設けられている。回
転数バイアス設定回路４４は、起動停止回転数設定部４
５によって定格回転数以下の回転数で保持されている場
合、振動検出器４２からの信号増加を検出した場合（す
なわち、いずれかの軸受の振動があらかじめ定められた
値を越えるか、または増大傾向を示した場合）、起動停
止回転数設定部４５から出力される回転数設定信号ｃに
対して増加、または減少させるような回転数バイアス信
号ｄを発生せしめ、これによって起動・停止時回転数制
御部４１の出力信号を増加または減少させて、振動の発
生傾向を抑える方向に回転数を変化させ、その結果とし
て軸受振動を減少させることができる。

【００２８】図２は回転数バイアス設定回路４４のブロ
ック構成図である。振動検出器４２の出力は回転数バイ
アス設定回路４１に入力されると、振動変化傾向記憶部
５１にて回転数保持前の振動の変化傾向が、各軸受け毎
に記憶更新される。振動変化傾向記憶部５１は、起動停
止回転数設定部４５からの回転数保持の信号により、記
憶の更新を止める。

【００２９】振動異常兆候判断部５２は、振動検出器４
２の信号を入力することにより、振動の絶対値あるいは
時間に対する振動の変化傾向をとらえて、振動が増大方
向にあると判断された時には、回転数増減判定部５３に
信号ｅを送る。

【００３０】回転数増減判定部５３は、信号ｅを受ける
と、振動変化傾向記憶部５１に記憶されている速度保持
前の振動変化傾向を参照して、振動が減少する方向を判
断して回転数の増加あるいは減少方向の判断を下し、回
転数バイアス出力部５４に増／減種別指令信号ｆを発す
る。

【００３１】図３は、縦軸に振動の振幅をとった場合の
振動検出器４２の出力のグラフである。このグラフを用
いて、回転数増減判定部５３の判断の一例を説明する。

【００３２】振動異常兆候判断部５２は、時間ｋ１で回
転数保持信号を受ける前の、回転数に対する振幅の傾向
を記憶している。図３の例では、回転数が増加する方向
に対し、振動は減少する傾向にあると判断できる。した
がって、この様な傾向を示している場合、回転数増減判
定部５３は、回転数「増」の指令信号ｆを出力する。

【００３３】また、もし時間ｋ２で回転数保持信号を受
けた場合は、回転数増減判定部５３は、回転数「減」の
指令信号ｆを出力する。回転数バイアス出力部５４は、
各軸受けの振動異常兆候信号ｅの論理和信号ｇを受ける
と、増／減種別指令信号ｆの種別を見て、バイアス信号
ｄをランプ状の変化をもって出力する。

【００３４】図４は、回転数バイアス出力部５４から出
力されるバイアスの一例のグラフである。バイアス量が
プラスの場合、図中実線ｙ１のように、時間ｔ２までバ
イアス信号ｄは、ランプ状に増加しながら出力され、あ
らかじめ決められたバイアス量に達すると、一定の出力
になる。バイアス量がマイナスの場合も同様にｙ２のよ
うに出力される。

【００３５】他の出力例として、バイアスを出力した結
果、振動異常兆候信号ｅが無くなり、論理和信号ｇが回
転数バイアス出力部５４に入力されなくなった時点で、
バイアスを一定に保つようにしてもよい。例えば、図中
ｔ１で振動異常兆候信号ｅが無くなった場合、図中点線
で示すｙ３，ｙ４のように、時間ｔ２以後はバイアスを
増加せず、一定に出力するようにしてもよい。

【００３６】回転数バイアス出力部５４からの出力は、
回転数の保持状態が終了した時には、ランプ状にバイア
スを減少させ、バイアス無しの状態まで持っていく。バ
イアス信号ｄは、起動停止回転数設定部４５からの保持
回転数の設定値ｃと加算器５５で加算される。その後、
図１に示す偏差演算器５６で実回転数との偏差がとら
れ、微分積分器５７を経て低値選択回路２４に出力され
る。

【００３７】図５は、他の実施例である回転数バイアス
設定回路６０のブロック図である。振動検出器４２から
の振動信号は速度振動特性記憶部６１に入力され、起動
・停止時の速度と振動の関係が保存される。保存の方法
は、毎回の起動毎、あるいは定検終了時等の特定の起動
時、自動的または人為的に、一回のデータとしてあるい
は複数回の平均値として等色々な方法が考えられる。こ
の様にして記憶されたデータは、図３に示したグラフの
0rpmから3,000rpmの振幅形状が記憶されることになる。

【００３８】このようにして記憶された速度振動特性記
憶データを元に、回転数保持時に振動異常兆候判断部５
２で異常兆候が検知された場合に、その回転数における
振動・速度特性を参照して、回転数増減判断部６２にて
回転数を増加させるべきか減少させるべきかを判断し、
回転数バイアス出力部５４に増／減種別指令信号ｆを発
する。以下の動作は上記実施例と同様である。

【００３９】なお、これらの実施例で回転数増減判定部
５３，６２は、信号ｅを受けてから信号変化傾向記憶部
５１、あるいは速度振動特性記憶部６１を参照し、信号
ｆを出力しているが、常に信号ｆを出力し続ける構成に
してもよい。

【００４０】また、これらの実施例の回転数バイアス設
定回路４１，６２は、ガスタービン着火後の燃料による
回転数制御に適用した例を示しているが、回転数バイア
ス設定回路４１，６２は、電動機、あるいは発電機を電
動機として用いたガスタービン起動の際の回転数制御に
対しても同様に適用することができる。

【００４１】図６は、本発明を電動機に適用した実施例
である起動・停止時回転数制御部７１のブロック図であ
る。電動機７３の制御信号へ変換するための関数発生器
７２を使用する以外は、上述の実施例の構成、作用と同
様であるので、上述の実施例と同一の符号を付してその
説明を省略する。

【００４２】ところで、ガスタービン起動に際しての、
煙道、排熱回収ボイラ、煙突等のガスパージを行なう場
合の定格回転数以下での回転数制御の場合は、一定量の
空気をこれらパージの必要な部分に送り込むことが必要
となる。したがって、回転数バイアス設定回路４４，６
０にて回転数を変動させた場合、回転数の増減によって
単位時間当たりの送風量が変化する。これを補償するた
め、起動停止回転数設定部４５において、振動発生によ
って設定された回転数バイアス量に応じて回転数保持時
間を変更するよう構成することもできる。

【００４３】すなわち、起動停止回転数設定部４５に、
バイアス出力ｄを入力させ、バイアス量に応じて、回転
数保持時間を変更する。図７は、パージ時間（回転数保
持時間）とバイアス量との関係を示すグラフである。バ
イアス量が正の場合は回転数保持時間を短くし、バイア
ス量が負の場合は回転数保持時間を長くする。

【００４４】以上説明したように、このように構成され
た発電設備の速度制御装置にあっては、プラントの起動
・停止時に、定格速度以外の回転数で保持する必要のあ
る場合、万一、軸受の振動の増加傾向が認められた場合
にも、自動的に回転数を軸受振動が減少する方向に変更
することができ、しかもその変化は一過性のため、回転
体の異常振動による損傷を回避するだけでなく、ガスタ
ービン出口に設けられている排熱回収ボイラに対して
も、継続的な入熱の変動を避けることができ、プラント
全体に対して最適な起動・停止速度制御を提供すること
ができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、起動停止の過程におい
て必要となる回転数保持の際に、振動共振点を避けて運
転できるので、機器の損傷を低減し、あるいはガスター
ビン排気ガスが導入される排熱回収ボイラへの外乱の発
生を低減できる。また、排気ダクト、排熱回収ボイラ、
煙突等のガスパージを適切な時間で終了させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の発電設備の速度制御装置のブロック
図。

【図２】一実施例の回転数バイアス設定回路のブロック
図。

【図３】一実施例の縦軸に振動の振幅をとった場合の振
動検出器の出力のグラフ。

【図４】回転数バイアス出力部から出力されるバイアス
のグラフ。

【図５】他の実施例の回転数バイアス設定回路のブロッ
ク図。

【図６】他の実施例の起動・停止時回転数制御部のブロ
ック図。

【図７】他の実施例のパージ時間とバイアス量との関係
を示すグラフ。

【図８】従来のコンバインドサイクル発電設備の構成を
示す系統図。

【図９】従来のタービン制御装置の燃料調節弁の制御部
分のブロック構成図。

【符号の説明】

１…ガスタービン、２…蒸気タービン、５…タービン制
御装置、６…燃料調節弁、８…排熱回収ボイラ、９…煙
突、１４…発電機、１６…軸受部、２２，４１，７１…
起動・停止時回転数制御部、２８…回転数検出器、３
０，４５…起動停止回転数設定部、４２…振動検出器、
４４，６０…回転数バイアス設定部、５１…振動変化傾
向記憶部、５２…振動異常兆候判断部、５３，６２…回
転数バイアス判断部、５４…回転数バイアス出力部、６
１…速度振動特性記憶部、７３…電動機。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービンおよび発電機とを一軸上に配置
   してなる回転軸と、 この回転軸の振動を検出する振動検出器と、 定格回転数以下で回転数保持信号が出力されている場合
   であって、前記振動検出器からの信号増加を検出した場
   合、前記回転数保持信号を受ける前の前記振動検出器か
   らの信号の回転数に対する変化傾向を元に、振動が減少
   する方向の正または負のバイアスを判定し、前記回転軸
   の回転速度を上昇または下降させるバイアスを加えるバ
   イアス設定手段と、 を備えることを特徴とする発電設備の速度制御装置。
2. 【請求項２】 タービンおよび発電機とを一軸上に配置
   してなる回転軸と、 この回転軸の振動を検出する振動検出器と、 この振動検出器の回転数に対する振動のパターンを記憶
   している速度振動特性記憶部と、 定格回転数以下で回転数保持信号が出力されている場合
   であって、前記振動検出器からの信号増加を検出した場
   合、前記速度振動特性記憶部のパターンを元に、振動が
   減少する方向の正または負のバイアスを判定し、前記回
   転軸の回転速度を上昇または下降させるバイアスを加え
   るバイアス設定手段と、 を備えることを特徴とする発電設備の速度制御装置。
3. 【請求項３】 回転数の保持の目的が燃焼ガスへの点火
   の前の排気ダクト、排熱回収ボイラ、煙突等のガスパー
   ジである場合に、パージ時間となる回転数保持信号を回
   転数の変化に応じて増減するパージ時間設定手段を備え
   ることを特徴とする請求項１または２記載の発電設備の
   速度制御装置。