JPWO2014147738A1 - ガスタービン発電システム - Google Patents

Abstract

圧縮機、高圧タービン及び燃焼器を有するガスジェネレータと、低圧タービン及び発電機を有するパワータービンと、ガスジェネレータにより駆動され発電機の電力系統と接続した電動発電機と、ガスタービン出力指令（ＭＷＤ）に応じて燃料流量を制御する燃料流量指令（ＦＦＤ）演算器（１０４）と、燃料流量の変化率を制限する出力変化率リミッター（１０７）と、電動発電機の出力周波数を調整する周波数調整器と、電動発電機の発電負荷を調整する負荷調整器と、ガスタービン出力指令（ＭＷＤ）に応じた燃料流量の変化率が制限値を超えて上昇する場合、ガスタービン出力指令（ＭＷＤ）に応じて電動発電機に発電負荷を与え、制限値で燃料流量を増加させる場合よりも大きな変化率で発電出力を増加させる出力制御器（１０３）と、を備えたことを特徴とする。これにより、電力需要に対する発電出力の応答性を向上させて系統周波数の安定化に寄与することができる。

Description

本発明はガスタービン発電システムに関する。

燃焼器に対する燃料流量と圧縮機の吸気流量により発電出力を一定に制御するガスタービン発電システムが知られている（特許文献１等参照）。

特開２００１−１２３８５２号公報

風力発電や太陽光発電といった再生可能エネルギーは天候等によって大きく発電出力が変動するため、再生可能エネルギーの大量導入に伴って、電力系統の系統周波数の不安定化が懸念されている。系統周波数の安定のためには、再生可能エネルギーの変動を吸収しつつ電力需要に合わせて発電し電力系統に電力を供給しなければならない。したがって、発電システムの電力需要に対する応答性の向上が急務である。

しかし、ガスタービン発電システムの場合、タービン出力、具体的には燃料流量等で発電出力が制御され、燃料流量等の制御に対する発電出力の応答に遅れが生じる場合がある。加えて、例えば発電出力の制御の際に燃料流量が変化すれば燃焼ガス温度も変化するが、燃焼ガスの温度が急変すると燃焼ガスに晒される高温部品の温度分布が不均一になって熱応力が増大してしまう。過度な熱応力は高温部品の熱疲労、ひいては破損を招来し得る。この例を含め、信頼性の観点から燃料流量等によるタービン出力の制御には幾つかの制約がある。そのため、従来のガスタービン発電システムでは燃料流量等の制限や応答遅れにより電力需要の急激な変化に対応しきれない恐れがある。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、電力需要に対する発電出力の応答性を向上させて系統周波数の安定化に寄与することができるガスタービン発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービン出力指令に応じた燃料流量の変化率が制限範囲から外れる場合、発電負荷を制御してタービン回転数の設定を変更し、制限値で燃料流量を変化させる場合よりも大きな変化率で発電出力を変化させる。

本発明によれば、電力需要に対する発電出力の応答性を向上させて系統周波数の安定化に寄与することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン発電システムの概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン発電システムに備えられたガスタービン制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン発電システムに備えられたガスタービン制御装置による出力制御手順を表すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン発電システムの電力需要に対する各種出力の挙動の一例を表した図である。 本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン発電システムに備えられた出力装置による制御画面の一例を表す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン発電システムの概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン発電システムに備えられたガスタービン制御装置による出力制御手順を表すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン発電システムの電力需要に対する各種出力の挙動の一例を表した図である。 本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン発電システムの概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン発電システムに備えられたガスタービン制御装置による出力制御手順を表すフローチャートである。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
１．ガスタービン発電システム
図１は本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン発電システムの概略図である。

図１に示したガスタービン発電システム１００は、ガスタービン１７、発電機５、発電機制御装置１０、及びガスタービン制御装置７を備えている。ガスタービン１７は、１軸式のガスタービンであり、圧縮機１、燃焼器２０、及びタービン２を備えている。

圧縮機１は、大気空気を吸い込んで圧縮し圧縮空気２１を生成し、生成した圧縮空気２１を燃焼器２０に供給する。また、圧縮機１の空気取り込み口には、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内翼）９が備えられている。ＩＧＶ９は複数備わったベーン（不図示）を回転させて圧縮機１の空気取り込み口の開口面積を変化させることで、圧縮機１へ流入する空気量を変化させる。

燃焼器２０は、圧縮機１からの圧縮空気２１をバーナ１８から噴射した燃料と混合させて燃焼し、燃焼ガス２２を生成する。燃焼ガス２２は燃焼器ライナ１９を経てタービン２へ流入する。バーナ１８で燃焼する燃料の流量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。

タービン２は、燃焼器２０からの燃焼ガス２２により駆動する（タービン軸１３の回転動力を得る）。タービン軸１３の回転数は回転数検出器２６で検出され、ガスタービン制御装置７に出力される。タービン２でエネルギーを回収された燃焼ガス２２は排気１４として排出される。また、このタービン２には、圧縮機１で抽気された圧縮空気の一部がタービン冷却空気２３として供給される。タービン冷却空気２３は燃焼器２０をバイパスして圧縮機１からタービン２に直接供給され、タービン２を構成する静翼２４や動翼２５等を冷却する。

発電機５は、ガスタービン１７のタービン軸１３に接続されていて、タービン２で得られた回転動力によって駆動して交流電力を発生させる。

発電機制御装置１０は、発電機５と電力系統との間に設けられていて、負荷調整器１１と周波数調整器１２とを備えている。発電機制御装置１０には、例えばインバータ／コンバータを用いることができる。負荷調整器１１は、発電機５の発電負荷（例えば固定子に流す電流や位相）の大きさを調整する機構である。周波数調整器１２は、発電機５の出力周波数を調整する機構であり、発電機５で得られた交流出力を設定周波数（例えば５０Ｈｚや６０Ｈｚ等の基準周波数）にして出力する。発電機５の出力は発電機制御装置１０を介して波形を整えられて、電力ケーブルを経て電力需要家に送られる。

ガスタービン制御装置７は、各種入力信号を受け、燃料流量制御弁８の開度を制御する燃料流量指令（以下、ＦＦＤという）、ＩＧＶ９の開度を制御する吸気流量指令（以下、ＣＩＧＶという）、発電機制御装置１０の動作を制御する発電機制御指令（以下、ＩＭＷＤという）を含む各種信号を出力する。ガスタービン制御装置７の入力信号には、電力需要に応じたガスタービン出力指令（以下、ＭＷＤという）、回転数検出器２６からのタービン回転数、電力計（不図示）で計測された実際の発電量（以下、ＲＭＷという）、その他図示しない各種検出器からの入力信号（以下、状態量信号という）が含まれる。

２．ガスタービン制御装置
図２はガスタービン制御装置７の機能ブロック図である。

ガスタービン制御装置７には、保護リミッター１０１、回転数リミッター１０２、出力制御器１０３、ＦＦＤ演算器１０４、ロードリミッター１０５、排気温度リミッター１０６、出力変化率リミッター１０７、ＩＧＶ開度演算器１０８、比較器１０９を備えている。また、ガスタービン制御装置７には出力装置１１０が接続されており、発電出力やタービン回転数のトレンド、運転モード等や確認できるようになっている（後述する図５参照）。出力装置１１０は、例えば保守用コンソール等のモニタ装置である。

ＦＦＤ演算器１０４は、ＭＷＤ、タービン回転数、及びＲＭＷを入力し、例えばＲＭＷとＭＷＤの差分等から必要な燃料流量の増加量又は減少量を演算し、これを加味した燃料流量値を比較器１０９に出力する。つまりＭＷＤにＲＭＷが近付くようにＭＷＤに応じて燃料流量を制御してタービン出力、ひいては発電出力を調整する燃料流量制御装置として機能する。

ロードリミッター１０５は、発電設備の認可出力等による最大出力を制限する機能を果たす。したがって、ロードリミッター１０５から比較器１０９には最大出力の制限値（又は余裕を考慮してそれよりも若干低めに設定した値）に応じた燃料流量値が出力される。

排気温度リミッター１０６は、排気１４の最高温度を制限する機能を果たす。したがって、排気温度リミッター１０６から比較器１０９には最高温度の制限値（又は余裕を考慮してそれよりも若干低めに設定した値）に応じた燃料流量値が出力される。

出力変化率リミッター１０７は、ガスタービンの高温部品に発生する熱応力等を考慮してタービン出力の変化率（この場合、燃料流量の変化率）の最大値を制限する機能を果たす。ここで言う変化率は時間当たりのタービン出力の変化をいう。出力変化率リミッター１０７により変化率が制限値を超えないように燃料流量が制御される。例えば、出力変化率リミッター１０７からは、燃料流量の変化率が制限値を超える場合にのみ、現在の値に対して制限の増加率又は減少湿で変化させられる燃料流量値が出力される。

比較器１０９は低値選択器であり、ＦＦＤ演算器１０４、回転数リミッター１０２、排気温度リミッター１０６、及び出力変化率リミッター１０７からの各燃料流量指令値の中から最も低い値を選択し、選択した値をＦＦＤとして燃料流量制御弁８に出力する。

ＩＧＶ開度演算器１０８は、回転数検出器２６からのタービン回転数及びＲＭＷを入力し、これらの値を基にＣＩＧＶを演算しＩＧＶ９に出力する。具体的には、ＩＧＶ開度演算器１０８は、圧縮機１の吸気流量を一定に制御する機能を果たす。

回転数リミッター１０２は、タービン回転数が制限範囲から外れないようにＩＭＷＤを制限する機能を果たす。タービン回転数の上限値及び下限値は、例えば圧縮機１やタービン２の翼の共振、遠心応力の許容値、圧縮機１の旋回失速等を考慮して予め設定されている。回転数リミッター１０２は、回転数検出器２６から入力されたタービン回転数が上限値を超える場合にはタービン回転数の上限値を、その他の場合には下限値を出力制御器１０３に出力する。

保護リミッター１０１は、その他の各種制限であり、温度センサ、圧力センサ、トルクセンサ等（いずれも不図示）の信号（状態量信号）を入力してサージ温度、サージ圧力、軸トルク等の各値が制限範囲から外れないようにタービン回転数を制限する。

出力制御器１０３は、ＭＷＤに応じた燃料流量の変化率が制限範囲内の値であるか否かを判定し、判定に応じてタービン回転数の設定を変更してＩＭＷＤを設定する。本実施の形態では、出力制御器１０３は、ＦＦＤ演算器１０４、ロードリミッター１０５、排気温度リミッター１０６、出力変化率リミッター１０７からの出力を入力し、ＦＦＤ演算器１０４の出力が変化率リミッター１０７等による制限値に納まっているか否かを判定する。本例の場合、ＦＦＤ演算器１０４が出力した燃料流量値が最低値であるか否かで判定できる。ＦＦＤ演算器１０４が出力した燃料流量が制限範囲を逸脱していなければ、出力制御器１０３は、タービン回転数の設定を変更することなくＭＷＤに応じてＩＭＷＤを設定する。ＦＦＤ演算器１０４が出力した燃料流量が制限範囲から逸脱していれば、ＭＷＤの急変に追従して発電機負荷を変化させた場合のタービン回転数を予測演算する。このとき、出力制御器１０３には低値選択器の機能が備わっていて、予測値を保護リミッター１０１及び回転数リミッター１０２によるタービン回転数の制限値と比較し、三者の中から最も低い値を選択する。したがって、予測回転数が制限値以下であれば、出力制御器１０３はタービン回転数の設定を予測値に変更した上でＭＷＤに応じてＩＭＷＤを設定する。予測値がいずれかの制限値を超える場合、タービン回転数の設定は変更せずに制限値に応じてＩＭＷＤを設定する。この場合、制限値が設定値であるためＩＭＷＤも設定値（制限値）となる。出力制御器１０３で上記のように設定されたＩＭＷＤは、発電機制御装置１０に出力される。

３．制御手順
図３はガスタービン制御装置７によるガスタービン発電システムの出力制御手順を表すフローチャートである。

ガスタービン制御装置７は、発電運転中、図３のステップＳ１０１−Ｓ１１１の手順を繰り返し実行する。

・ステップＳ１０１−Ｓ１０７
ガスタービン制御装置７は、図３の手順を開始すると、まず各種信号（状態量信号、回転数、ＭＷＤ、ＲＭＷ）を入力する（ステップＳ１０１）。ガスタービン制御装置７は、続いてＭＷＤを基に演算したＦＦＤの変化率が出力変化率リミッター１０７から出力された制限範囲（下限値から上限値までの範囲）に納まっているか否かを出力制御器１０３で判定する（ステップＳ１０２）。ガスタービン制御装置７は、ＦＦＤの変化率が制限範囲から逸脱していればステップＳ１０８（後述）に手順を移し、制限範囲に納まっていれば、出力制御器１０３でＭＷＤに応じてＩＭＷＤを設定し（ステップＳ１０３）、発電機制御装置１０に出力する（ステップＳ１０４）。続いてタービン回転数と設定回転数との偏差が許容値（設定値）以内であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。偏差が許容値以内であれば、ガスタービン制御装置７は同図の手順を終了し、再び開始する。許容値を超えていれば、ガスタービン制御装置７はＦＦＤ演算器１０４及びＩＧＶ開度演算器１０８でＦＦＤ及びＣＩＧＶを演算し（ステップＳ１０６）、燃料流量制御弁８及びＩＧＶ９にそれぞれＦＦＤ及びＣＩＧＶを出力して燃料流量及び吸気流量を制御する（ステップＳ１０７）。このとき、ＦＦＤ演算器１０４で演算されたＦＦＤがロードリミッター１０５等による制限値を超えていれば、前述した通りＦＦＤは制限される。ステップＳ１０６，Ｓ１０７の手順を実行したら、ガスタービン制御装置７は、ステップＳ１０５に手順を戻し、タービン回転数と設定値との偏差が許容値以下になるまでステップＳ１０６，Ｓ１０７の手順を繰り返す。

ここで、ＩＧＶ９の開度制御について補足する。まず、タービン回転数が低下すると圧縮機１の吸気流量が減少し、同じ燃料流量でも燃空比が上がって燃焼ガス２２の温度が上昇してしまう。よって、ＩＧＶ開度演算器１０８によって吸気流量の変動を抑制するようにＩＧＶ９の開度を制御することが望ましい。圧縮機１の回転数（タービン回転数）が変化しても燃焼ガス２２の温度が一定に保たれ、高い信頼性と出力変化速度を確保できるからである。

具体的には、タービン回転数が低下した場合はＩＧＶ９が開き（開度が大きくなり）、回転数が上昇したときはＩＧＶ９が閉じる（開度が小さくなる）。ＩＧＶ９の開度が大きくなると圧縮機１の効率が向上する。例えば出力増加時にタービン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て圧縮機動力も低下する。この場合、燃料流量によるタービン出力の増加分に圧縮機動力減少によるタービン出力の増加分が加わる。さらに、吐出空気温度の低下によって燃焼ガス２２の温度も低下するため、タービン出力の変化に伴う排気温度の変化が小さくなり信頼性が向上する。反対に、タービン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て圧縮動力も増加する。この場合、燃料流量の減少に加えて圧縮機動力が増加する分だけタービン出力が減少する。さらに、吐出空気温度の上昇によって燃焼ガス２２の温度も上昇するため、タービン出力に伴う排気温度の変化が小さくなり信頼性が向上する。

なお、ＩＧＶ９又はその制御を省略する場合、基準回転数に対して回転数が低下した場合に圧縮機効率が上昇し、基準回転数に対して回転数が上昇した場合に圧縮機効率が低下するように、圧縮機１の動作点を設計することが考えられる。これによっても、上記のＩＧＶ制御と同様の有益な相乗効果が得られ得る。

・ステップＳ１０８−Ｓ１１１
先のステップＳ１０２でＦＦＤ変化率が制限範囲から外れていると判定した場合、ガスタービン制御装置７は、ＭＷＤに応じて発電機負荷を制御した場合のタービン回転数を出力制御器１０３で予測演算する（ステップＳ１０８）。予測演算の方法は限定されないが、例えばＭＷＤの逸脱分（制限値との差分）を発電機負荷で調整した場合における負荷調整後のタービン回転数を演算する。次に、ガスタービン制御装置７は、タービン回転数の予測値を回転数リミッター１０２や保護リミッター１０１の制限値と出力制御器１０３で比較し（ステップＳ１０９）、予測値が制限値以内であれば、タービン回転数の設定を現在の値から予測値に変更した上で（ステップＳ１１０）、前述したステップＳ１０３に手順を移してＭＷＤに応じてＩＭＷＤを設定する。一方、予測値が制限値を超えていてＭＷＤに応じた発電機制御が困難である場合には、出力制御器１０３は、タービン回転数の設定を変更することなく、保護リミッター１０１又は回転数リミッター１０２の制限値に応じてＩＭＷＤを設定し（ステップＳ１１１）、前述したステップＳ１０４に手順を移す。

以上の手順を繰り返し実行することにより、本実施の形態に係るガスタービン発電システム１０では、ＭＷＤに応じた燃料流量及びその変化率が制限範囲内にあって燃料流量制御によりＭＷＤに追従することができる場合には、燃料流量制御によってタービン出力がＭＷＤに応じて制御される。このとき、タービン回転数の設定は変わらないため、負荷調整器１１によって発電機負荷がタービン出力の変化に応じてタービン回転数を維持するように制御され、タービン回転数を維持しつつ燃料流量制御によって発電出力がＭＷＤに追従する。発電出力の周波数は周波数調整器１２により設定値（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に制御される。

一方、ＭＷＤに応じた燃料流量及びその変化率が制限範囲から外れた場合には、ＦＦＤが制限される結果、燃料流量制御のみではＭＷＤに対して発電出力に過不足が生じる。この場合、本実施の形態では、タービン回転数の設定変更による発電出力の制御が試みられ、変更後のタービン回転数の予測値が制限値内であれば一時的にタービン回転数の設定が予測値に変更され、発電負荷の変更によって発電出力がＭＷＤに追従する。例えば、ＭＷＤに応じたＦＦＤの変化率が制限値を超えて上昇する場合、タービン回転数の設定を下げて発電機負荷を増加させることで、制限変化率でＦＦＤを増加させる場合よりも大きな上昇率で発電出力が変化してＭＷＤに追従する。言い換えれば、燃焼ガス２２から回収されるエネルギーに対してタービン軸１３の回転数変化で放出される運動エネルギーが付加され、発電機動力に消費されるエネルギーが一時的に高められる。一方、ＭＷＤに応じたＦＦＤの変化率が制限値を超えて下降する場合、タービン回転数の設定を上げて発電機負荷を減少させることで、制限変化率でＦＦＤを減少させる場合よりも大きな下降率で発電出力が変化してＭＷＤに追従する。言い換えれば、燃焼ガス２２から回収されるエネルギーに対してタービン軸１３の回転数変化に必要な運動エネルギーが減じられ、発電機動力に消費されるエネルギーが一時的に減少する。これによって、燃料流量制御のみで実現できる発電出力の最大の変化率を超える変化率で発電出力がＭＷＤに追従する。図３の手順が繰り返し実行されるうちに、タービン回転数の設定は元の値（設定の発電出力周波数に応じた値）に戻る。この間も発電出力の周波数は周波数調整器１２により設定値に制御される。

４．効果
図４は電力需要に対するガスタービン発電システムの各種出力の挙動の一例を表した図である。この例では需要が増大する場合を例示している。同図において、左列は発電機制御装置１０がない場合であって需要変動が小さいとき、中央列は発電機制御装置１０がない場合であって需要変動が大きいとき、右列は本実施の形態の場合であって需要変動が大きいときを表している。

発電機制御装置１０がなくても、需要変動（ＭＷＤの変化率）が小さければタービン回転数を維持したまま燃料流量によって需要変動に追従できる（左列）。しかし、需要変動に応じて要求される燃料流量の変化率が制限値を超える場合、燃料流量の増加率が制限される結果、電力需要に対して発電出力に不足が生じる。この間、タービン出力の不足によりタービン回転数が維持できなくなり、これに伴って出力周波数も低下する。

それに対し、本実施の形態においては、前述した通り需要変動の急増に対応して出力制御器１０３によってタービン回転数の設定が下げられ、負荷調整器１１によって発電機負荷を調整することでＦＦＤの制限に伴うタービン出力の不足分を補填し、電力需要の急変に発電出力を追従させることができる。タービン回転数は基準とする回転数（点線）よりも低下するが、出力周波数は周波数調整器１２により維持される。

この例は電力需要が急増した場合であるが、本実施の形態は電力需要の急減に対応することもできる。すなわち、タービン出力の制御のみで発電出力を制御する場合、需要変動に応じた燃料流量の減少率が制限値を超える場合、出力制御器１０３でタービン回転数の設定が上げられ、負荷調整器１１によって発電機負荷が下げられる結果、発電出力の過剰分がタービン軸１３の運動エネルギーに還元され、電力需要の急減に発電出力を追従させることができる。タービン回転数は基準回転数（点線）よりも上昇するが、出力周波数は周波数調整器１２により維持される。

このように、本実施の形態によれば、電力需要に対する発電出力の応答性を向上させて系統周波数の安定化に寄与することができる。また、急激な需要変動に対して燃料流量制御によらず発電出力が調整できるので、高温部品の熱疲労等を抑制することができる。

なお、電力需要の急変に対応する設備として蓄電池やフライホイールによる電力貯蔵技術が知られているが、既存のガスタービン発電設備に適用する場合、フライホイールや蓄電池等の大掛かりな設備を新たに設置しなければならずコストが掛かる。また、フライホイールの軸受け損失や充電池の自然放電等によって損失が増加する。それに対し、本実施の形態の場合、これらの場合に比べて既存のガスタービン発電設備に低廉に適用することができ損失も少ない点でメリットが大きい。

５．表示出力
図５は出力装置による制御画面の一例を表す図である。

同図の制御画面には、燃料流量制御のみで出力変動に対応する運転モードであることを示すＦＦＤ単独対応表示部３０１、燃料流量制御に加えてタービン回転数の設定変更を利用して出力変動に対応する運転モードであることを示す回転数変換対応表示部３０２が設けられている。これらの表示により現在の運転モードを確認することができる。また、制御画面にはトレンドグラフ表示部３０３が設けられており、この部分に発電出力（≒ＭＷＤ）の推移３０４、燃料流量制御のみによる（タービン回転数の設定を変更しない場合の）発電出力の推移３０５、及びタービン回転数の推移３０６が表示される。したがって、トレンドグラフ表示部３０３によって管理者等はガスタービン発電システムの動作状態を把握することができる。

（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン発電システムの概略図である。第１の実施の形態と同様の部分には同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のガスタービン発電システム２００が第１の実施の形態のガスタービン発電システム１００と相違する点は、二軸式ガスタービン２７を適用対象としている点である。ガスタービン発電システム２００は、二軸式ガスタービン２７、電動発電機６、ガスタービン制御装置７ａ、発電機制御装置１０等を含んでいる。二軸式ガスタービン２７は、ガスジェネレータ１５、パワータービン１６を含む。

パワータービン１６は、低圧タービン２ｂ及び発電機５を低圧タービン軸１３ｂで連結した構成である。発電出力の周波数の変動を抑制するために、パワータービン１６は基本的に一定回転数で回転する。発電機５の発電出力は電力ケーブルを経て電力需要家に送られる。低圧タービン軸１３ｂには回転数検出器２６ｂが設けられている。

ガスジェネレータ１５は、圧縮機１、燃焼器２０、及び高圧タービン２ａを含んでいる。高圧タービン２ａは、ガスジェネレータ軸１３ａを介して圧縮機１に連結されている。ガスジェネレータ１５は、パワータービン１６とは機械的に軸が分離されているため、パワータービン１６と異なる回転数で回転駆動し得る。ガスジェネレータ軸１３ａには回転数検出器２６ａが設けられている。

高圧タービン２ａは、燃焼器２０からの高温高圧の燃焼ガス２２のエネルギーにより回転動力を得る。高圧タービン２ａの回転動力は、ガスジェネレータ軸１３ａを介して圧縮機１に伝達されて圧縮機１を回転駆動する。燃焼ガス２２はエネルギーの一部が高圧タービン２ａの回転動力に変換された後、パワータービン１６の低圧タービン２ｂに流入する。低圧タービン２ｂは、高圧タービン２ａを駆動した燃焼ガス２２のエネルギーにより回転動力を得る。低圧タービン２ｂの回転動力は、低圧タービン軸１３ｂを介して発電機５に伝達され、発電機５を回転駆動する。低圧タービン２ｂを駆動した燃焼ガス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及び低圧タービン２ｂに供給される。

電動発電機６は、電動機（モータ）にも発電機にもなる装置であり、高圧タービン軸１３ａに連結されている。また、電動発電機６は、発電機制御装置１０を介して発電機５の電力系統に接続していて、電力系統との間で電力を授受することができる。例えば、発電機制御装置１０によって発電機５の発電出力の一部を電動発電機６に供給して電動発電機６を電動機として駆動することで、発電機５の発電出力の一部が高圧タービン軸１３ａの運動エネルギーに還元され、ガスタービン発電システム２００の発電出力が抑えられる。反対に、電動発電機６を発電機として駆動することによって高圧タービン２ａの回転動力の一部を発電出力に変換し、発電機制御装置１０を介して電動発電機６の発電出力を電力系統に送ることによって、ガスタービン発電システム２００の発電出力が増加する。

ガスタービン制御装置７ａは、第１の実施の形態のガスタービン制御装置７（図２参照）と本質的には同様の構成であるが、保護用の制限値が高圧タービン２ａと低圧タービン２ｂのそれぞれを考慮して設定され得る。また、次のフローチャートで説明する手順のうち電動発電機６及び発電機制御装置１０の制御手順は出力制御器１０３（図２参照）が担うこととする。

図７はガスタービン制御装置７ａによるガスタービン発電システムの出力制御手順を表すフローチャートである。

ガスタービン制御装置７ａは、発電運転中、図７のステップＳ２０１−Ｓ２１４の手順を繰り返し実行する。

・ステップＳ２０１−Ｓ２１０
ステップＳ２０１−Ｓ２１０は、ＭＷＤに応じたＦＦＤの変化率が制限範囲内であって高圧タービン２ａの回転数の設定を変更せずに発電出力をＭＷＤに追従させる手順であり、第１の実施の形態のステップＳ１０１−Ｓ１０７（図３参照）に相当する手順である。すなわち、ガスタービン制御装置７ａは、図７の手順を開始すると、まず各種信号（状態量信号、回転数、ＭＷＤ、ＲＭＷ等）を入力し（ステップＳ２０１）、ＭＷＤに応じたＦＦＤの変化率が制限範囲内であるか否かを出力制御器１０３で判定する（ステップＳ２０２）。ガスタービン制御装置７ａは、ＦＦＤの変化率が制限範囲から外れていればステップＳ２１１（後述）に手順を移し、制限範囲内であれば、電動発電機６を駆動する必要がないので、出力制御器１０３でＩＭＷＤをゼロ（ＩＭＷＤ＝０）に設定して（ステップＳ２０３）、発電機制御装置１０に出力する（ステップＳ２０４）。

続いて高圧タービン２ａの回転数と設定回転数との偏差が許容値（設定値）以内であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。偏差が許容値以内であれば、ガスタービン制御装置７ａはステップＳ２０６（後述）に手順を移し、許容値を超えていればＩＧＶ開度演算器１０８でＣＩＧＶを演算し（ステップＳ２０７）、ＩＧＶ９にＣＩＧＶを出力して吸気流量を制御する（ステップＳ２０８）。ステップＳ２０７，Ｓ２０８の手順を実行したら、ガスタービン制御装置７ａは、ステップＳ２０５に手順を戻し、高圧タービン２ａの回転数と設定値との偏差が許容値以下になるまでステップＳ２０７，Ｓ２０８を繰り返す。

高圧タービン２ａの回転数と設定値との偏差が許容値以下になったら、ガスタービン制御装置７ａは、低圧タービン２ｂの回転数と設定回転数との偏差が許容値（設定値）以内であるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。偏差が許容値以内であれば、ガスタービン制御装置７ａは同図の手順を終了し再び開始する。偏差が許容値を超えていれば、ガスタービン制御装置７ａはＦＦＤ演算器１０４でＦＦＤを演算し（ステップＳ２０９）、燃料流量制御弁８にＦＦＤを出力して燃料流量を変更する（ステップＳ２１０）。このとき、ＦＦＤ演算器１０４で演算されたＦＦＤがロードリミッター１０５等による制限値を超えている場合、前述した通りＦＦＤは制限される。ステップＳ２０９，Ｓ２１０の手順を実行したら、ガスタービン制御装置７ａは、ステップＳ２０６に手順を戻し、低圧タービン２ｂの回転数と設定値との偏差が許容値以下になるまでステップＳ２０９，Ｓ２１０を繰り返す。

ここで、ＩＧＶ９の開度制御と燃料流量制御について補足する。まず、二軸式ガスタービン２７では、高圧タービン２ａで得られる回転動力と圧縮機１の消費動力が等しくなるようなバランス調整制御が行われる。この制御は、一般的にガスジェネレータ１５の回転数や圧縮機１の吸気流量の調整による。例えば、ガスジェネレータ１５の回転数が設定値より高い場合、ＩＧＶ９の開度を上げて吸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の回転数を上昇させることができる。

また、二軸式ガスタービン２７では、ＭＷＤに応じたＦＦＤを燃料流量制御弁８へ出力し、発電機５の発電出力に低圧タービン２ｂの回転動力を合わせる。これによりパワータービン１６の回転数はほぼ一定に制御される。このとき、燃焼ガス２２から高圧タービン２ａで回収される回転動力を圧縮機１の消費動力に合わせ、ガスジェネレータ１５の回転数が設定値に近付くように、ガスタービン制御装置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の回転数は発電出力に対し一意に定まらず変更することができる。

・ステップＳ２１１−Ｓ２１４
先のステップＳ２０２でＦＦＤ変化率が制限範囲から外れていると判定した場合、ガスタービン制御装置７ａは、ＭＷＤに応じて電動発電機６を駆動した場合の高圧タービン２ａの回転数を出力制御器１０３で予測演算する（ステップＳ２１１）。予測演算の方法は限定されないが、例えばＭＷＤの逸脱分（制限値との差分）の発電出力を電動発電機６で発電又は消費した結果の高圧タービン２ａの回転数を演算する。次に、ガスタービン制御装置７ａは、高圧タービン２ａの回転数の予測値を回転数リミッター１０２や保護リミッター１０１の制限値と出力制御器１０３で比較し（ステップＳ２１２）、予測値が制限値以内であれば、高圧タービン２ａの回転数の設定を現在の値から予測値に変更し（ステップＳ２１３）、ＭＷＤの逸脱分をＩＭＷＤに設定した上で（ステップＳ２１４）、前述したステップＳ２０４に手順を移す。一方、先のステップＳ２１２で予測値が制限値を超えていて電動発電機６を駆動してもＭＷＤに発電出力を追従させられない場合には、ガスタービン制御装置７ａは、高圧タービン２ａの回転数の設定を経納することなく前述したステップＳ２０３に手順を移す。

以上の手順を繰り返し実行することにより、ＭＷＤに応じた燃料流量及びその変化率が制限範囲内にある場合、電動発電機６を発電機としても電動機としても駆動せず、燃料流量制御により発電出力をＭＷＤに追従させる。低圧タービン２ｂの回転数は変化しないため、発電機５の出力周波数も維持される。

一方、ＭＷＤに応じた燃料流量及びその変化率が制限範囲から外れた場合、ＦＦＤが制限される結果、燃料流量制御のみではＭＷＤに対して発電出力に過不足が生じる。この場合には、高圧タービン２ａの回転数の設定変更による発電出力の制御が試みられ、変更後の高圧タービン２ａの回転数が制限値内の値であれば一時的に高圧タービン２ａの回転数の設定が変更され、電動発電機６による発電又は消費によって発電出力がＭＷＤに追従する。例えば、ＭＷＤに応じたＦＦＤの変化率が制限値を超えて上昇する場合、ガスタービン制御装置７ａにより負荷制御器１１が制御されて電動発電機６に発電負荷が与えられ、制限変化率でＦＦＤを上昇させた場合よりも大きな変化率で発電出力（発電機５と電動発電機６の発電出力の合計）が増加する。一方、ＭＷＤに応じたＦＦＤの変化率が制限値を超えて減少する場合、ガスタービン制御装置７ａにより負荷制御器１１が制御され、発電機５の一部の発電出力が電動発電機６のモータ駆動に用いられてガスジェネレータ１５の運動エネルギーに変換され、制限変化率で燃料流量を減少させた場合よりも大きな変化率で発電出力が減少する。これによって、燃料流量制御のみで実現できる発電出力の最大の変化率を超える変化率で発電出力が変化しＭＷＤに追従する。図７の手順が繰り返し実行されるうちに、高圧タービン２ａの回転数の設定は元の値（設定の発電出力周波数に応じた値）に戻る。電動発電機６から電力系統に補填される出力の周波数は周波数調整器１２により設定値（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に制御される。

本実施の形態においても燃料流量制御によらずに電力需要の急変に迅速に追従して発電出力を制御することができるので、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。その他、本実施の形態の場合、第１の実施の形態に比べて発電機制御装置１０を小容量のものとすることができ、発明の要部を低廉に構成することができる。すなわち、第１の実施の形態ではガスタービン１７の全発電出力を発電機制御装置１０で処理するために発電機制御装置１０にはガスタービン１７の全発電出力と同等の容量が必要となる。それに対し、本実施の形態では出力の大部分を担う低圧タービン２ｂは定速で駆動する。したがって、発電機制御装置１０を要するのは可変速運転をする高圧タービン２ａの側の電動発電機６のみであるため、発電機制御装置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、定格発電出力の１０％に相当する出力を変化させたい場合は、定格発電出力の１０％の容量の発電機制御装置１０を用いれば足りる。

図８は電力需要に対する本実施の形態に係るガスタービン発電システムの各種出力の挙動の一例を表した図である。この例では需要が増大する場合を例示している。同図は第１の実施の形態の図４に対応する図であり、左列は電動発電機６及び発電機制御装置１０がない場合であって需要変動が小さいとき、中央列は電動発電機６及び発電機制御装置１０がない場合であって需要変動が大きいとき、右列は本実施の形態の場合であって需要変動が大きいときを表している。

同図に示したように、電動発電機６及び発電伝時１０がなくても、需要変動が小さければ燃料流量によって発電出力を電力需要に追従させることができるが、大きな需要変動には発電出力を追従させられず、低圧タービン軸１３ｂの回転数が低下して発電出力の周波数も低下してしまう。

それに対し、本実施の形態によれば、発電機制御装置１０により電動発電機６を発電機又はモータとして駆動することで、電力系統とガスジェネレータ１５との間でエネルギーをやり取りし、この場合は電動発電機６を発電機として駆動することで発電出力を補填する。これにより電力需要の急変に発電出力が追従している。このとき、回転動力の一部を電動発電機６で電気エネルギーに変換した分、高圧タービン２ａの回転数は低下するが、電動発電機６の出力周波数は周波数調整器１２で設定値に調整される。また、低圧タービン２ｂは、高圧タービン２ａと独立して回転するので、回転数は変化せず出力周波数も変化しない。したがって、系統周波数も安定を保っている。

図８は電力需要が増える場合を例示しているが、減少する場合も同様である。

（第３の実施の形態）
図９は本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン発電システムの概略図である。既に説明した実施の形態と同様の部分には同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のガスタービン発電システム３００が第２の実施の形態のガスタービン発電システム２００と相違する点は、電力系統に再生可能エネルギー発電装置３０を備えている点である。電力系統に再生可能エネルギー発電装置３０を接続していることから、より大きな発電出力の変動幅が要求される。

同図に示したように、二軸式ガスタービン２７には電力系統を通じて再生可能エネルギー発電装置３０が接続されている。再生可能エネルギー発電装置３０としては、例えば風力発電装置や太陽光発電装置、波力発電装置等の再生可能エネルギーを利用して発電する種々の発電装置が適用され得るが、本実施の形態では風力発電装置を適用した場合を例示する。ガスタービン発電システム３００には、再生可能エネルギー発電装置３０の電力変動予測値を検出する変動予測用の検出器３１、及びこの検出器３１の信号を基に再生可能エネルギー発電装置３０の発電出力の予測値（変動）を演算する予測値演算器３２を備えている。検出器３１は、本実施の形態の場合、風力発電装置の風上の地点に設けた風速計や気象情報の受信装置等を用いることができる。また、太陽光発電装置を用いた場合には、気象情報の受信装置の他、周辺地域に設置した照度計等を検出器３１に用いることができる。予測値演算器３２は再生可能エネルギー発電装置３０の電力変動予測値（以下、ＰＭＷＤという）をガスタービン制御装置７ｂに出力する。

また、ガスタービン制御装置７ｂのＦＦＤ演算器１０４（図２参照）は、ＲＭＷ（実発電量）とともにＰＭＷＤを入力し、ＰＭＷＤに基づいて高圧タービン２ａの回転数を設定し、設定後の回転数となるように燃料流量値やＩＧＶ９の開度を演算する。

図１０はガスタービン制御装置７ｂによるガスタービン発電システムの出力制御手順を表すフローチャートである。

ガスタービン制御装置７ｂは、発電運転中、図１０のステップＳ３０１−Ｓ３１８の手順を繰り返し実行する。但し、同図のステップＳ３０１，Ｓ３０２，Ｓ３０７−Ｓ３１８は、第２の実施の形態のステップＳ２０１−Ｓ２１４とそれぞれ同様である。異なる点は、ステップＳ３０２，Ｓ３０７の間にステップＳ３０３−Ｓ３０６が加わっている点である。以下、ステップＳ３０３−Ｓ３０６について説明する。

・ステップＳ３０３−Ｓ３０６
この手順は、前述したＰＭＷＤに応じて高圧タービン２ａの設定回転数を変更する手順であり、再生可能エネルギー発電装置３０の発電出力の変動予測に応じて高圧タービン２ａの出力の調整代を確保する手順である。具体的には、ガスタービン制御装置７ｂは、まずＰＭＷＤをＦＦＤ演算器１０４に入力し（ステップＳ３０３）、ＦＦＤ演算器１０４でＰＭＷＤを分析する（ステップＳ３０４）。ＰＭＷＤの分析では、ＰＭＷＤの時間変化（変化率）の演算等が行われる。続いて、ガスタービン制御装置７ｂは、ＦＦＤ演算器１０４で待機条件を設定する（ステップＳ３０５）。待機条件とは、再生可能エネルギー発電装置３０の発電出力の変動に備えて確保すべき高圧タービン２ａの回転数の調整代のことである。例えばＰＭＷＤの変化率から今後再生可能エネルギー発電装置３０の発電出力の増大が見込まれる場合には、高圧タービン２ａのタービン出力の下げ代を確保すべく高圧タービン２ａの設定回転数を現状よりも高く設定する。反対に、今後再生可能エネルギー発電装置３０の発電出力の減少が見込まれる場合には、高圧タービン２ａのタービン出力の上げ代を確保すべく高圧タービン２ａの設定回転数を現状よりも低く設定する。以降、変更後の設定回転数を便宜的に待機値という。但し、待機値は、リミッターにより制限されるので、許容される高圧タービン回転数の上限及び下限値を逸脱することはない。そして、ガスタービン制御装置７ｂは、ＦＦＤ演算器１０４で高圧タービン２ａの設定回転数をステップＳ３０５で求めた待機値に変更し（ステップＳ３０６）、前述したステップＳ３０７に手順を移す。

このようにして高圧タービン２ａの設定回転数が変更されると、例えば後のステップＳ３０９，Ｓ３１１，Ｓ３１２で高圧タービン２ａの回転数が設定変更後の回転数に制御される。具体的には、ＩＧＶ９の開度が小さくして圧縮機１の消費動力を減じることで、高圧タービン２ａの回転数が上げられる。反対に、ＩＧＶ９の開度を大きくして圧縮機１の消費動力を増加させることで、高圧タービン２ａの回転数が下げられる。タービン軸の回転数は、燃料流量による出力変化のみで生じることが予測される電力余剰量、タービン軸の慣性モーメント、及び回転数を用いた関数により予測することができる。

本実施の形態によれば、第１及び第２の実施の形態と同様の効果に加え、次の効果が得られる。すなわち、タービン回転動力の電力への変換可能量及び電力のタービン回転動力への変換可能量は、タービン軸の回転数の上限値及び下限値により制限される。したがって、燃料流量による出力調整だけでは需要に追従できない状態が継続し、タービン軸の回転数が上昇又は低下し続けると、タービン回転数が上限値又は下限値に達してしまってそれ以上の出力調整ができなくなってしまう。それに対し、本実施の形態では、再生可能エネルギー発電装置３０の発電出力の変動を予測して予め高圧タービン２ａの設定回転数を調整しておくことで、設定回転数を基準値のまま運用する場合に比べてタービン出力の調整代が広くなるため、再生可能エネルギー発電装置３０の発電出力の変動の吸収代を広く確保することができる。

（その他）
本発明の技術的範囲は以上の実施の形態の態様に限定されるものではなく、種々の変形例が含まれ得る。例えば、前述した各実施の形態に備わった構成要素は全てが必須のものではなく、発明の要部ではない要素は適宜省略可能である。また、各実施の形態の構成要素は、機能や役割が共通する他の要素で代替することができる。また、各実施の形態は相互に又は部分的に組み合わせ可能である。更には、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１ 圧縮機
２ タービン
２ａ 高圧タービ
２ｂ 低圧タービン
５ 発電機
６ 電動発電機
７，７ａ，７ｂ ガスタービン制御装置
１１ 負荷調整器
１２ 周波数調整器
１５ ガスジェネレータ
１６ パワータービン
２０ 燃焼器
３０ 再生可能エネルギー発電装置
３２ 予測値演算器（予測装置）
１００ ガスタービン発電システム
１０３ 出力制御装置
１０４ ＦＦＤ演算器（燃料流量制御装置）
１０７ 出力変化率リミッター（変化率制限装置）
１０８ ＩＧＶ開度演算器（吸気流量制御装置）
１１０ 出力装置
２００ ガスタービン発電システム
３００ ガスタービン発電システム
ＭＷＤ ガスタービン出力指令

上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービン出力指令に応じた燃料流量の変化率が制限範囲から外れる場合、発電負荷を制御してタービン回転数の設定を変更し、制限範囲内の変化率で燃料流量を変化させる場合の発電出力の変化率よりも大きな変化率で発電出力を変化させる。

Claims (8)

1. 連結した圧縮機及び高圧タービン、並びに前記圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼し高圧タービンを駆動する燃焼器を有するガスジェネレータと、
   前記ガスジェネレータを駆動した燃焼ガスで駆動する低圧タービン及び前記低圧タービンに連結した発電機を有するパワータービンと、
   前記ガスジェネレータにより駆動し前記発電機の電力系統と接続した電動発電機と、
   ガスタービン出力指令に応じて前記燃焼器への燃料流量を制御して前記発電機の発電出力を調整する燃料流量制御装置と、
   前記燃料流量制御装置による燃料流量の変化率を制限する変化率制限装置と、
   前記電動発電機の出力周波数を調整する周波数調整器と、
   前記電動発電機の発電負荷を調整する負荷調整器と、
   ガスタービン出力指令に応じた前記燃料流量の変化率が制限値を超えて上昇する場合、前記ガスタービン出力指令に応じて前記負荷制御器を制御して前記電動発電機に発電負荷を与え、前記制限値で燃料流量を増加させる場合よりも大きな変化率で発電出力を増加させる出力制御装置と
   を備えたことを特徴とするガスタービン発電システム。
2. 請求項１のガスタービン発電システムにおいて、
   前記出力制御装置は、ガスタービン出力指令に応じた前記燃料流量の変化率が制限値を超えて下降する場合、前記ガスタービン出力指令を基に前記負荷制御器に指令し、前記発電機の一部の発電出力を前記電動発電機の電動機駆動に用いて前記ガスジェネレータの運動エネルギーに変換し、前記制限値で燃料流量を減少させる場合よりも大きな変化率で発電出力を減少させる
   ことを特徴とするガスタービン発電システム。
3. 請求項１のガスタービン発電システムにおいて、前記圧縮機の吸気流量を維持するように制御する吸気流量制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン発電システム。
4. 請求項１のガスタービン発電システムにおいて、前記圧縮機が、基準回転数よりも低速で回転する場合に効率が上昇し、基準回転数よりも高速で回転する場合に効率が低下するように設計されていることを特徴とするガスタービン発電システム。
5. 吸い込んだ空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動するタービンと、
   前記タービンにより駆動する発電機と、
   ガスタービン出力指令に応じて前記燃焼器への燃料流量を制御して発電出力を調整する燃料流量制御装置と、
   前記燃料流量制御装置による燃料流量の変化率を制限する変化率制限装置と、
   前記発電機の出力周波数を調整する周波数調整器と、
   前記発電機の発電負荷を調整する負荷調整器と、
   ガスタービン出力指令に応じた前記燃料流量の変化率が制限範囲から外れる場合、前記タービンの回転数の設定を変更した上で前記ガスタービン出力指令に応じて前記負荷制御器を制御して発電負荷を制御し、前記制限値で燃料流量を変化させる場合よりも大きな変化率で発電出力を変化させる出力制御装置と
   を備えたことを特徴とするガスタービン発電システム。
6. 請求項１−５のいずれかのガスタービン発電システムにおいて、
   前記電力系統と接続した再生可能エネルギー発電装置と、
   前記再生可能エネルギー発電装置の発電出力の変動を予測する予測装置と、
   前記予測装置による予測値を基に前記再生可能エネルギー発電装置の発電出力の変動を吸収するタービン出力の調整代を広げるガスタービン制御装置と
   を備えたことを特徴とするガスタービン発電システム。
7. 請求項１のガスタービン発電システムにおいて、運転モードを表す表示を含む制御画面を表示する出力装置を備えたことを特徴とするガスタービン発電システム。
8. ガスタービン出力指令に応じた燃料流量の変化率が制限範囲から外れる場合、タービン回転数の設定を変更して発電負荷を制御し、制限値で燃料流量を変化させる場合よりも大きな変化率で発電出力を変化させることを特徴とするガスタービン発電システムの発電出力制御方法。

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