JP2006029162A - ガスタービンの制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの負荷が急激に変動した時にも拡散燃焼用燃料と予混合燃焼用燃料の燃料配分比を最適に保ち燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態を維持することのできるガスタービンの制御装置および制御方法を提供する。
【解決手段】燃焼ガス温度ＴＦを算出する演算器３０と、前記算出された燃焼ガス温度ＴＦを補正してより真値に近い燃焼ガス温度ＴＦＸを出力する燃焼ガス温度補正部５０とを備え、前記補正された燃焼ガス温度ＴＦＸに基づいて燃焼器４へ供給する拡散燃料と予混合燃料の燃料配分比制御を行う構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン燃焼ガス温度に基づいて拡散燃料と予混合燃料の燃料配分比制御を行うガスタービンの制御装置および制御方法に関する。

図１７は、ガスタービン燃焼ガス温度に基づいて拡散燃料と予混合燃料の燃料配分比制御を行うガスタービンを備えた発電プラントの従来例を示す図である。この発電プラントは主な構成要素として、空気圧縮機２と、燃焼器４と、ガスタービン本体４５と、発電機４６と、ガスタービン制御装置１１を備えている。

空気圧縮機入口案内翼１を介して取り入れられた空気は、空気圧縮機２にて高圧空気に圧縮される。その圧縮された吐出空気は空気流路３を通り燃焼器４に入り、燃料の燃焼用空気として使用される。燃焼器４はガスタービンを中心として環状に複数台設けられているが、ここでは便宜上、そのうち１台だけを示している。

一方、図示を省略した燃料圧力制御弁により圧力制御された燃料は、その下流の拡散燃焼用燃料流量制御弁５、第１系統予混合燃焼用燃料流量制御弁６および第２系統予混合燃焼用燃料流量制御弁７を介して、それぞれの燃料配管を経て、拡散燃焼用燃料ノズル８、予混合器を含めて図示した第１系統予混合燃焼用燃料ノズル９および第２系統予混合燃焼用燃料ノズル１０から燃焼器４に送給され、燃焼器４の器内で燃焼して高温高圧の燃焼ガスとなる。

なお、前述のように燃焼器４は複数台設けられているので、拡散燃焼用燃料流量制御弁５、第１系統予混合燃焼用燃料流量制御弁６および第２系統予混合燃焼用燃料流量制御弁７を通過した燃料は、それぞれ、その後に分岐された燃料配管を経て、それぞれ複数台の燃焼器毎に設けられた燃料ノズルに送給されるように燃料系統が構成されている。燃焼器の図示を１台としたので、燃料流量制御弁５，６，７から複数台の各燃料ノズルおよび燃焼器へと分岐される燃料配管についても、便宜上、燃料流量制御弁毎の１本として図示されている。

拡散燃焼用燃料ノズル８から噴射される燃料は、空気中に燃料を噴射して燃やす拡散燃焼と呼ばれる方式の燃焼をする。第１予混合燃焼用燃料ノズル９および第２予混合燃焼用燃料ノズル１０から噴射される燃料は、予混合器において空気と予め混合しておき、燃料濃度が希薄な状態にして燃やす予混合燃焼と呼ばれる方式の燃焼をする。

この高温高圧の燃焼ガスは、ガスタービン本体４５に送給されてガスタービン軸を回転させ、同軸に結合されている発電機４６より発電機出力を得る。ガスタービン本体４５から排出された排ガスは、煙突から排出されるか、あるいは、コンバインドサイクルの場合は、廃熱回収ボイラの熱源として利用された後、煙突に抜けていく。

ガスタービン制御装置１１は、軸端歯車１２に近接して取り付けられた速度検出器１３から得たガスタービン速度Ｎ、空気圧縮機２の入口空気案内翼１の角度ＰＩＧＶ、空気圧縮機２の吐出空気流路に設けられた吐出空気圧力検出器１４から得る吐出空気圧力ＰＣＤ、ガスタービン排ガス温度検出器１５から得る排ガス温度ＴＸ、発電機出力検出器１６から得る発電機出力ＭＷ、空気圧縮機２の空気取入れ口に設けた入口空気温度検出器１７から得る大気温度Ｔ、および入口空気圧力検出器１８から得る大気圧力Ｐ等の各信号を入力している。

これらの各信号に基づいて、ガスタービン制御装置１１は、拡散燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＤ、第１系統予混合燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＰ１および第２系統予混合燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＰ２を生成し、それぞれ拡散燃焼用燃料流量制御弁５、第１系統予混合燃焼用燃料流量制御弁６および第２系統予混合燃焼用燃料流量制御弁７に与えて燃料流量を調節する。

図１８にガスタービン制御装置１１のブロック図を示す。ガスタービン制御装置１１は主な構成要素として、燃焼ガス温度演算器３０と、関数発生器３１，３２，３３と、ガバナ制御器２０と、起動制御器２１と、排ガス温度制御器２２と、負荷制限制御器２３と、低値選択器２４を備えている。

着火操作時および着火以降におけるガスタービン昇速の間、燃料流量制御信号を与えるのが起動制御器２１である。起動時燃料流量制御信号ＦＳＲＳは、起動制御器２１により与えられ、着火操作時以降のガスタービン昇速の間、低値選択器２４において燃料流量制御指令ＦＳＲとして低値選択されている。

燃料流量制御指令ＦＳＲは乗算器４０にて、拡散燃料配分比率関数発生器３１が与える拡散燃料配分比率ＤＲと乗算され、拡散燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＤとなる。この拡散燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＤが拡散燃焼用燃料流量制御弁５への開度指令となり、この拡散燃焼用燃料流量制御弁５を通過した燃料は拡散燃焼用燃料ノズル８より燃焼器４内に噴射され拡散燃焼が行われる。

上述の拡散燃料配分比率ＤＲは次のようにして得られる。すなわち、燃焼器４の器内燃焼ガスの燃焼ガス温度ＴＦは図１８に示すように、排ガス温度ＴＸ、大気圧力Ｐ、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤ、空気圧縮機入口空気案内翼角度ＰＩＧＶ、大気温度Ｔ等から燃焼ガス温度演算器３０により演算される。そして、この燃焼ガス温度ＴＦに基づいて、拡散燃料配分比率関数発生器３１により、図１９（ａ）に示すように拡散燃料配分比率ＤＲが得られる。

同様に、図１９（ｂ），（ｃ）に示すように、燃焼ガス温度ＴＦに基づいて予混合燃料配分比率の中の第１系統予混合燃料配分比率ＰＲ１が得られる。第１系統予混合燃料配分比率ＰＲ１は、ガスタービンの燃焼状態により、パイロット予混合燃焼時の第１系統予混合燃料配分比率関数発生器３２と予混合燃焼時の第１系統予混合燃料配分比率関数発生器３３により得られ、パイロット予混合燃焼時にＯＮするスイッチ３４と予混合燃焼時にＯＮするスイッチ３５により、燃焼状態に見合った第１系統予混合燃料配分比率ＰＲ１が得られる。

図１９（ａ）に示すように燃焼ガス温度ＴＦが低い域では拡散燃料配分比率ＤＲの値は１としてあるので、ガスタービン昇速中から並列、低負荷までは燃料流量制御指令ＦＳＲと拡散燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＤの値は等しい。

また、図１８に示すように設定器３６には「１」が設定してあり、設定された値「１」から減算器３７にて拡散燃料配分比率ＤＲを減算して予混合燃料配分比率ＰＲが得られる。この時の拡散燃料配分比率ＤＲの値は１のため、予混合燃料配分比率ＰＲの値は「０」であり、第１系統予混合燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＰ１を求めるための乗算器３８、４１の結果は「０」となり、第１予混合燃焼用燃料流量制御弁６は全閉の状態にある。同様に、第２系統予混合燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＰ２を求めるための減算器３９と乗算器４２の結果も「０」となり、第２予混合燃焼用燃料流量制御弁７も全閉の状態にある。

拡散燃料配分比率ＤＲと第１予混合燃料配分比率ＰＲ１および燃料流量制御指令ＦＳＲとの各燃料弁への燃料流量制御信号の関係は下記のようになる。
拡散燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＤ＝ＤＲ＊ＦＳＲ
第１系統予混合燃焼用燃料流量制御信号
ＦＳＲＰ１＝（１−ＤＲ）＊ＰＲ１＊ＦＳＲ
第２系統予混合燃焼用燃料流量制御信号
ＦＳＲＰ２＝（１−ＤＲ）−（１−ＤＲ）＊ＰＲ１＊ＦＳＲ

このように、拡散燃料配分比率ＤＲは、燃料流量制御指令ＦＳＲを拡散燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＤに配分するための配分比率を与える数値である。また、第１系統予混合燃料配分比率ＰＲ１は、燃料流量制御指令ＦＳＲを第１系統予混合燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＰ１と第２系統予混合燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＰ２とに配分するための配分比率を与える数値である。

燃焼器４には、拡散燃焼用燃料流量制御弁５と第１系統および第２系統予混合燃焼用燃料流量制御弁６、７を介して、この配分比率で燃料が送給される。従って、拡散燃料配分比率ＤＲが１の間は、燃料流量制御指令ＦＳＲが表す燃料の総量が、拡散燃焼用燃料流量制御信号ＦＳＲＤにより、拡散燃焼用燃料流量制御弁５を通過して燃焼器４に供給され、第１系統および第２系統予混合燃焼用燃料流量制御弁６、７を通して供給される燃料はない。

図１８に示した速度負荷設定器２０ａには、ガスタービン昇速中はガスタービン定格速度制御のための初期値が設定されている。ガスタービン速度Ｎが上昇するに従い、減算器２０ｂで得られる速度負荷設定ＮＲとガスタービン速度Ｎの制御偏差が小さくなっていく。この制御偏差ＮＥが比例演算器２０ｃを通って得られる信号は、バイアス設定器２０ｄの与える所定バイアス信号と加算器２０ｅで加算されて、速度負荷制御信号ＦＳＲＮとなる。

この速度負荷制御信号ＦＳＲＮは、ガスタービン定格速度近くで起動時燃料流量制御信号ＦＳＲＳより小さくなるので、ガスタービンを過温度から保護する排ガス温度制御器２２の出力指令ＦＳＲＴと、系統周波数の変動に影響なく負荷を制御する負荷制限制御器２３の出力指令ＦＳＲＬが入る低値選択器２４により選択される燃料流量制御指令ＦＳＲは、起動時燃料流量制御信号ＦＳＲＳから速度負荷制御信号ＦＳＲＮに切替る。こうしてガスタービン速度Ｎは速度負荷制御信号ＦＳＲＮにより定格速度に制御される。定格速度になると発電機４６は電力系統に併入され、以降ガスタービン速度Ｎは系統周波数に同期するようになる。

次に、負荷（発電機出力）指令ＭＷＤが外部の装置の増加操作により増加していくと、減算器２５の与える負荷指令ＭＷＤと負荷（発電機出力）ＭＷの偏差ＭＷＥが正の極性となり、上下限制限器２６を介して速度負荷設定器２０ａに、この正の偏差信号が与えられる。速度負荷設定器２０ａは積分器として動作するので、この正の入力信号に応じて速度負荷設定ＮＲが上昇する。

ガスタービン速度Ｎは系統周波数に等しいので、速度負荷設定ＮＲの上昇に従い、速度負荷制御信号ＦＳＲＮおよび燃料流量制御指令ＦＳＲが増加し、燃焼器４に供給される燃料流量が増加する。燃料流量が増加すると、ガスタービン排ガス温度ＴＸが上昇する。排ガス温度ＴＸが上昇すると、入口案内翼制御信号ＩＧＶＤは入口案内翼角度ＰＩＧＶを更に開いていく方向に制御して、空気流量を増加させる。このようにして、燃料流量、空気流量が増加すると、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤ、燃焼器器内圧力、燃焼ガス温度ＴＦ、発電機出力ＭＷが増加する。

負荷指令ＭＷＤの増加に応じて発電機出力ＭＷ、燃焼ガス温度ＴＦが増加しパイロット予混合燃焼への切替温度に達すると、図１９（ａ）に示したように、拡散燃料配分比率ＤＲの値を１から低下していくようにしている。すなわち低負荷から中間負荷域に移るに従い、拡散燃焼用燃料流量の比率が低下していき、予混合燃焼用燃料流量の比率を増加させていくようにしている。図１９（ｂ）はパイロット予混合燃焼時の第１系統予混合燃料配分比率ＰＲ１Ｐを示し、図１９（ｃ）は予混合燃焼時の第１系統予混合燃料配分比率ＰＲ１Ｍを示す。

ガスタービンは発電機出力ＭＷと燃焼ガス温度ＴＦの上昇に伴い、燃焼振動を回避しながら３系統の燃料ライン（拡散燃焼用、第１系統予混合燃焼用、第２系統予混合燃焼用）に流れる燃料を適切に配分している。燃焼ガス温度ＴＦにより燃料配分比率が算出され、３つの燃焼状態（拡散燃焼、パイロット予混合燃焼、予混合燃焼）を切替ながら定格負荷に到達する。ガスタービンの通常運用負荷帯では、低ＮＯＸ燃焼を実現する予混合燃焼で運転している。

燃焼器４として窒素酸化物（ＮＯＸ）排出の低減に有利なことで最近多用されている乾式低ＮＯＸ型燃焼器は、拡散燃焼の燃焼状態は安定であるが火炎温度が高いのでＮＯＸが発生しやすいのに対し、予混合燃焼は火炎温度をより低く保てるのでＮＯＸの発生を抑制できるが燃料濃度が希薄なので燃えにくいという特性がある。

そのため、低負荷域から高負荷域にわたって、それぞれの燃焼方式の特長を生かせるように、燃焼器４に供給する燃料をガスタービンの燃焼ガス温度を基準として求めた燃焼モードにより拡散燃焼用と予混合燃焼用に配分し、燃焼状態の安定性を確保しながらＮＯＸ排出量が少なくなるように燃料配分比のスケジュールが決められている。すなわち、燃焼器４に供給される燃料流量の変化により燃焼ガス温度が変化し、燃焼ガス温度が変化すると燃焼ガス温度に基づいて決められる燃料配分比率が変化する。

しかしながら、このような従来のガスタービンでは、ＮＯＸ低減を極限まで進めようとすると、高負荷の通常運転域では必然的に予混合燃焼を行う必要がある。

予混合燃焼器を用いたガスタービンは、燃焼ガス温度に基づいて、各燃料弁の燃料流量配分比率を設定しているが、この燃料弁の燃料流量配分比率はガスタービンの性能（ＮＯＸ低減）と安定運転を行う上で重要な要素となっており、試運転時には必ず燃焼調整を実施して最適な燃料配分比率となるように調整を行っている。

ところが、ガスタービンのＮＯＸ低減を極限まで進めようとすると、ガスタービンが安定燃焼できる燃料流量配分比率の範囲が狭まる傾向にあり、燃料流量配分比率が安定燃焼可能な範囲から少しでも外れるとガスタービンを運転する上で許容値以上の燃焼振動が発生してしまう。

ガスタービンの燃焼調整は負荷制限運転により燃料流量を一定として、ガスタービン燃焼ガス温度が安定した運転状態（静的状態）において実施しているが、通常のガスタービン運用であるガバナフリー運転では、系統周波数の変動により、燃焼器４へ供給される燃料流量が増減し、燃焼ガス温度ＴＦは常に変動（動的状態）している。

このため、急激な周波数変動が生じた場合、すなわちガスタービン速度Ｎが変動した場合、速度負荷設定器２０ａによる設定値ＮＲとガスタービン速度Ｎとの偏差量ＮＥに変化が生じ、速度負荷制御信号ＦＳＲＮが増減し燃焼器４へ供給される燃料は増減する。

この場合、系統周波数上昇時は、速度負荷制御信号ＦＳＲＮは減方向に働き、燃焼器４の燃料を減少させて負荷を減少させる。また、系統周波数低下時は、速度負荷制御信号ＦＳＲＮは増方向に働き、燃焼器４の燃料を増加させて負荷を増加させる。

このように、急激な系統周波数の変動の発生、またはＡＦＣ運転時のような高速な負荷変化指令に伴う、燃焼器４への燃料供給の急激な増減が発生した場合、演算された燃焼ガス温度ＴＦと真の燃焼ガス温度に差が生じてしまう（下記特許文献１参照）。

これは、燃焼ガス温度ＴＦは、前述したように排ガス温度ＴＸ、大気圧力Ｐ、空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤ、空気圧縮機の入口空気案内翼角度ＰＩＧＶ、大気温度Ｔ等から燃焼ガス温度演算器３０により演算されるが、排ガス温度ＴＸに検出遅れがあるためである。

この状態での燃料配分比率でガスタービンを運転すると、燃焼振動が発生して安定した運転ができず、最悪の場合、燃焼器本体に損傷が発生する可能性がある。

予混合燃焼器の安定燃焼の観点からすると系統周波数の変動に影響されずに一定負荷運転ができる負荷制限運転が望ましいが、電力系統の運用面を考慮し、ガスタービンプラントにおいてはガバナフリー運転が一般的である。しかし、ガバナフリー運転では、高負荷運転中に周波数変動が発生すると、前述のような問題が発生する（下記特許文献２参照）。
特開２００４−１０８３１５号公報 特開２００３−１４８１７０号公報

本発明は、ガスタービンの負荷が急激に変動した時にも拡散燃焼用燃料と予混合燃焼用燃料の燃料配分比を最適に保ち燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態を維持することのできるガスタービンの制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明のガスタービンの制御装置は、請求項１に記載のように、燃焼ガス温度を算出する演算器と、前記算出された燃焼ガス温度を補正してより真値に近い燃焼ガス温度を出力する燃焼ガス温度補正部とを備え、前記補正された燃焼ガス温度に基づいて燃焼器へ供給する拡散燃料と予混合燃料の燃料配分比制御を行う構成とする。

本発明のガスタービンの制御方法は、請求項１０に記載のように、燃焼ガス温度に基づいて拡散燃料と予混合燃料の燃料配分比制御を行うガスタービンの制御方法において、燃焼器へ供給する燃料の流量制御指令の変化率を検出し、前記検出された変化率により、または前記検出された変化率とガスタービンによって駆動される発電機の出力により前記燃焼ガス温度を補正する方法とする。

また本発明のガスタービンの制御方法は、請求項１１に記載のように、燃焼ガス温度に基づいて拡散燃料と予混合燃料の流量配分比制御を行うガスタービンの制御方法において、ガスタービン速度の変化率またはガスタービン目標負荷指令の変化率を検出し、前記検出された変化率により前記燃焼ガス温度を補正する方法とする。

本発明によれば、ガスタービンの負荷が急激に変動した時にも拡散燃焼用燃料と予混合燃焼用燃料の燃料配分比を最適に保ち燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態を維持することのできるガスタービンの制御装置および制御方法を提供することができる。

以下、本発明の第１ないし第８の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本実施の形態におけるガスタービン制御装置の構成を示すブロック図である。前記図１８と同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

本実施の形態におけるガスタービン制御装置は、変化率検出器５１と補正信号発生器５２からなる燃焼ガス温度補正部５０を備えている。燃料流量制御指令ＦＳＲの変動量を変化率検出器５１で検出し、検出された変化率を補正信号発生器５２に入力して、補正信号発生器５２にて、演算された燃焼ガス温度ＴＦと真の燃焼ガス温度との誤差を補正するための燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡを算出し、燃焼ガス温度ＴＦを真の燃焼ガス温度になるよう補正する。

すなわち、本実施の形態のガスタービン制御装置では、燃料流量制御指令ＦＳＲの変化率を算出し、この変化率により燃焼ガス温度ＴＦを補正する構成としている。

図２は、本実施の形態における燃焼ガス温度ＴＦおよび燃料流量制御指令ＦＳＲの経時変化を例示する図である。ガスタービン運転中の燃焼ガス温度は燃料流量指令ＦＳＲが一定であれば演算された燃焼ガス温度ＴＦと真の燃焼ガス温度は一致している。ところが、ガスタービン負荷指令ＭＷＤが増加すると、燃料流量制御指令ＦＳＲが増加する。燃料流量制御指令ＦＳＲの増加に伴い空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤ、排ガス温度ＴＸ、空気圧縮機入口空気案内翼角度ＰＩＧＶが増加して、これらの値により演算されている燃焼ガス温度も増加するが、燃焼ガス温度ＴＦは、その演算のパラメータである排ガス温度ＴＸの検出遅れ分だけ真の燃焼ガス温度に達するのが遅れる。この遅れ分ΔＴＦを燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡにより燃焼ガス温度ＴＦに加算して、補正された燃焼ガス温度ＴＦＸを得る。

図３に示すような補正信号を算出する関数で求められた、燃料流量制御指令ＦＳＲの変化率に相当する燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡにより真の燃焼ガス温度を算出することができる。
従って本実施の形態によれば、燃料流量制御指令ＦＳＲの変動に影響されずに真の燃焼ガス温度を算出することができ、拡散燃焼と予混合燃焼の最適な燃料配分比率が保てるので、燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態での運転が可能となる。

（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態のガスタービン制御装置の構成を示すブロック図である。図１８と同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

本実施の形態のガスタービン制御装置においては、変化率検出器５１と補正信号発生器５２と空気圧縮機入口空気案内翼角度ＰＩＧＶを入力とする関数発生器５３とを備えた燃焼ガス温度補正部５０を備えている。補正信号発生器５２によって得られた補正信号ＳＴＦＡに対して、乗算器５４において関数発生器５３の出力信号ＳＴＦＢによる補正を施して燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦを求める。

図５（ａ）は、燃料流量制御指令ＦＳＲと空気圧縮機入口空気案内翼角度ＰＩＧＶと燃焼ガス温度ＴＦの変化の関係を示した図である。燃料流量制御指令ＦＳＲが一定の変化率で増加した場合、空気圧縮機入口案内翼角度ＰＩＧＶが一定であれば、燃焼ガス温度ＴＦも一定の上昇率で上昇するが、空気圧縮機入口案内翼角度ＰＩＧＶが開き始めると燃焼器内に流入する空気流量が増加するため、燃焼ガス温度ＴＦの上昇率は小さくなる。つまり、燃焼ガス温度ＴＦの変化率は全領域で燃料流量制御指令ＦＳＲの変化率に比例しているわけではなく、空気圧縮機入口案内翼角度ＰＩＧＶとも相関関係がある。

そのため、空気圧縮機入口案内翼角度ＰＩＧＶを関数発生器５３に入力し、図５（ｂ）に示すような関数により得られる補正信号ＳＴＦＢを燃料流量指令変化率で得た補正信号ＳＴＦＡに乗算することで燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦを得る。この燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦを燃焼ガス温度ＴＦに加算して、補正された燃焼ガス温度ＴＦＸを得る。

従って、本実施の形態によれば、ガスタービンの無負荷から定格運転までの全領域において、燃料流量制御指令ＦＳＲの変動に影響されずに真の燃焼ガス温度を算出することができ、拡散燃焼と予混合燃焼の最適な燃料配分比率が保てるので、燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態での運転が可能となる。

（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態のガスタービン制御装置の構成を示すブロック図である。図１８と同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

本実施の形態のガスタービン制御装置においては、燃焼ガス温度補正部５０が変化率検出器５１と補正信号発生器５２と発電機出力ＭＷを入力とする関数発生器５５を備えている。補正信号発生器５２によって得られた補正信号ＳＴＦＡに対して、乗算器５４において関数発生器５５の出力信号ＳＴＦＣによる補正を行い、燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦを求める。

図５（ａ）に示したように、燃料流量制御指令ＦＳＲが一定の変化率で増加した場合、ある発電機出力ＭＷまでは、燃焼ガス温度ＴＦも一定の上昇率で上昇するが、一定の発電機出力に達すると燃焼ガス温度ＴＦの上昇率は小さくなる。つまり、燃焼ガス温度ＴＦの変化率は全領域で燃料流量制御指令ＦＳＲの変化率に比例しているわけではなく、発電機出力ＭＷとも相関関係がある。

そのため、発電機出力ＭＷを関数発生器５５に入力し、図７に示すような関数により得られる補正信号ＳＴＦＣを燃料流量制御指令変化率で得た補正信号ＳＴＦＡに乗算することによって燃焼ガス補正信号ＳＴＦを得る。この燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦを燃焼ガス温度ＴＦに加算して、補正された燃焼ガス温度ＴＦＸを得る。

従って、本実施の形態によれば、ガスタービンの無負荷から定格運転までの全領域において、燃料流量制御指令ＦＳＲの変動に影響されずに真の燃焼ガス温度を算出することができ、拡散燃焼と予混合燃焼の最適な燃料配分比率が保てるので、燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態での運転が可能となる。

（第４の実施の形態）
図８は本発明の第４の実施の形態のガスタービン制御装置の構成を示すブロック図である。図１８と同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

本実施の形態のガスタービン制御装置においては、ガスタービン速度Ｎの変動量を変化率検出器５１で検出し、検出された変化率を補正信号発生器５２に入力して、補正信号発生器５２にて、演算された燃焼ガス温度ＴＦと真の燃焼ガス温度との誤差を補正するための燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡを算出し、燃焼ガス温度ＴＦを真の燃焼ガス温度になるよう補正するようにした構成である。すなわち、本実施の形態のガスタービン制御装置では、系統周波数の変動によるガスタービン速度Ｎの変化率を算出し、この変化率により燃焼ガス温度ＴＦを補正する構成としている。

図９は、本実施の形態におけるガスタービン速度Ｎ、速度負荷制御信号ＦＳＲＮ（＝燃料流量制御指令ＦＳＲ）および燃焼ガス温度ＴＦの関係を説明する図である。ガスタービン一定負荷運転中の燃焼ガス温度ＴＦは、ガスタービン速度Ｎが一定であれば演算された燃焼ガス温度ＴＦと真の燃焼ガス温度は一致している。ところが、ガスタービン速度Ｎが増加すると、ガバナ制御器２０はガスタービン速度を規定値に保つために速度負荷制御信号ＦＳＲＮを減少させる。このとき後段の低値選択器２４は速度負荷制御信号ＦＳＲＮが選択されるので燃料流量制御指令ＦＳＲが減少する。

燃料流量制御指令ＦＳＲの減少に伴い空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤ、排ガス温度ＴＸ、空気圧縮機入口空気案内翼角度ＰＩＧＶが減少して、これらの値により演算されている燃焼ガス温度ＴＦも減少する。しかし、燃焼ガス温度ＴＦは、その演算のパラメータである排ガス温度ＴＸの検出遅れ分だけ真の燃焼ガス温度に達するのが遅れる。この遅れ分ΔＴＦを燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡにより燃焼ガス温度ＴＦから減算することによって補正された燃焼ガス温度ＴＦＸを得る。

このようにして、補正信号発生器５２で求められたガスタービン速度Ｎの変化率に相当する燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡにより真の燃焼ガス温度を算出することができる。

従って、本実施の形態によれば、系統周波数の変動に伴うガスタービン速度Ｎの変化に影響されずに真の燃焼ガス温度を算出することができ、拡散燃焼と予混合燃焼の最適な燃料配分比率が保てるので、燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態での運転が可能となる。

（第５の実施の形態）
図１０は本発明の第５の実施の形態のガスタービン制御装置の構成を示すブロック図である。図１８と同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

本実施の形態のガスタービン制御装置においては、ガスタービン負荷指令ＭＷＤの変動量を変化率検出器５１で検出し、検出された変化率を補正信号発生器５２に入力して、補正信号発生器５２にて、演算された燃焼ガス温度ＴＦと真の燃焼ガス温度との誤差を補正するための燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡを算出し、燃焼ガス温度ＴＦを真の燃焼ガス温度になるよう補正するようにした構成である。

すなわち、本実施の形態のガスタービン制御装置では、ガスタービン目標負荷の変化による負荷指令ＭＷＤの変化率を算出し、この変化率により燃焼ガス温度ＴＦを補正する構成としている。

図１１は、本実施の形態におけるガスタービン負荷指令ＭＷＤ、速度負荷制御信号ＦＳＲＮ（＝燃料流量制御指令ＦＳＲ）および燃焼ガス温度ＴＦの関係を説明する図である。ガスタービン運転中の燃焼ガス温度は、負荷指令ＭＷＤと発電機出力ＭＷが一致していれば演算された燃焼ガス温度ＴＦと真の燃焼ガス温度は一致している。ところが、負荷指令ＭＷＤが増加すると、ガバナ制御器２０は発電機出力ＭＷが負荷指令ＭＷＤに一致するまで速度負荷制御信号ＦＳＲＮを増加させる。このとき後段の低値選択器２４は速度負荷制御信号ＦＳＲＮが選択されるので燃料流量制御指令ＦＳＲが増加する。

燃料流量制御指令ＦＳＲの増加に伴い空気圧縮機吐出空気圧力ＰＣＤ、排ガス温度ＴＸ、空気圧縮機入口空気案内翼角度ＰＩＧＶが増加してこれらの値により演算されている燃焼ガス温度ＴＦも増加する。しかし、燃焼ガス温度ＴＦは、その演算のパラメータである排ガス温度ＴＸの検出遅れ分だけ真の燃焼ガス温度に達するのが遅れる。この遅れ分ΔＴＦを燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡにより燃焼ガス温度ＴＦに加算する。

このようにして、補正信号発生器５２で求められたガスタービン負荷指令ＭＷＤの変化率に相当する燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦＡにより真の燃焼ガス温度を算出することができる。

従って、本実施の形態によれば、ＡＦＣ運転時のような負荷指令ＭＷＤの高速な変化に影響されずに真の燃焼ガス温度を算出することができ、拡散燃焼と予混合燃焼の最適な燃料配分比率が保てるので、燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態での運転が可能となる。

（第６の実施の形態）
図１２は本発明の第６の実施の形態のガスタービン制御装置の構成を示すブロック図である。図１８と同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

本実施の形態のガスタービン制御装置は、変化率制限器５６を備え、第１から第５の実施の形態で説明した補正信号発生器５２によって得られる補正信号ＳＴＦＡに対して、変化率制限器５６を介した補正信号ＳＴＦにより燃焼ガス温度ＴＦの補正を行うようにした構成である。

図１３は変化率制限器５６の作用を説明する図であり、図１３（ａ）は燃料流量制御指令ＦＳＲと燃焼ガス温度ＴＦの経時変化を示し図２と同じである。図１３（ｂ）は変化率制限器５６が無い場合の補正された燃焼ガス温度ＴＦＸの経時変化を示す図である。図１３（ｃ）は変化率制限器５６を入れた場合の補正された燃焼ガス温度ＴＦＸの経時変化を示す図である。

変化率制限器５６がないと、図１３（ｂ）に示すように、燃料流量制御指令ＦＳＲの変化開始と終了の過程で燃焼ガス温度補正信号ＳＦＴＡがステップ変化してしまう。これにより、補正された燃焼ガス温度ＴＦＸと各燃料弁の燃料流量配分比率がステップ変化して燃焼振動が発生し不安定燃焼となる可能性がある。

変化率制限器５６を設けると、図１３（ｃ）に示すように、燃料流量制御指令ＦＳＲの変化開始と終了の過程で燃焼ガス温度補正信号ＳＴＦは変化率制限器５６により一定レートで増加、減少する。そのため補正された燃焼ガス温度ＴＦＸと各燃料弁の燃料流量配分比率のステップ変化が無くなる。

従って、本実施の形態によれば、燃料流量制御指令ＦＳＲの変動に影響されずに真の燃焼ガス温度を算出することができ、また、補正信号加算解除後の燃焼ガス温度ＴＦへの移行が安定して行え、拡散燃焼と予混合燃焼の最適な燃料配分比率が保てるので、燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態での運転が可能となる。

（第７の実施の形態）
図１４は本発明の第７の実施の形態のガスタービン制御装置の構成を示すブロック図である。図１８と同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

本実施の形態のガスタービン制御装置においては補正信号ＳＴＦＡを活殺する補正信号オンオフスイッチ５７を備え、第１から第６の実施の形態で説明した補正信号発生器５２によって得られる補正信号ＳＴＦＡを補正信号オンオフスイッチ５７を介して変化率制限器５６に入れ、変化率制限器５６によって始端と終端の変化が抑制された補正信号ＳＴＦで燃焼ガス温度ＴＦの補正を行うようにした構成である。

本実施の形態のガスタービン制御装置では、負荷遮断が発生した直後の燃料流量制御指令ＦＳＲのステップ減に伴う不要な補正信号が加算されることなく燃焼ガス温度を求めることができる。これは、負荷遮断発生直後は燃焼ガス温度に関係なく各燃料弁の燃料配分比率はスケジュール制御されているためである。また、補正回路を常時活かしていると、燃焼ガス温度演算を実施していないガスタービン昇速中において、不要な燃焼ガス温度補正信号が加算されてしまう。

これらを防止するために系統併入前の昇速制御中は補正信号オンオフスイッチ５７をＯＦＦとし、補正回路を除外した状態の燃焼ガス温度を使用する。昇速完了後、燃焼ガス温度計算回路が活きるのと同時に補正信号オンオフスイッチ５７をＯＮとし、補正回路を活かした状態の燃焼ガス温度を用いる。また、負荷遮断発生直後の燃焼状態負荷遮断モード時は補正信号オンオフスイッチ５７をＯＦＦとし、負荷遮断モードが除外されたところで補正信号オンオフスイッチをＯＮし、補正回路を活かした燃焼ガス温度を用いる。

本実施の形態によれば、ガスタービン燃焼ガス温度の補正が必要な運転状態の時だけ補正回路を活かすことで、より安定した燃焼状態での運転が可能となる。

（第８の実施の形態）
図１５は本発明の第８の実施の形態のガスタービン制御装置の要部の構成を示すブロック図である。図１８と同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

本実施の形態のガスタービン制御装置においては、第１から第７の実施の形態で説明した補正信号発生器５２と変化率制限器５６により算出した補正信号ＳＴＦを拡散燃料配分比率関数発生器３１の出力信号に加算器６４で加算し、補正された拡散燃料配分比率ＤＲを得る。また、補正信号発生器６０と変化率制限器６２により算出した補正信号ＳＴＦ１Ｐをパイロット予混合燃焼時第１系統予混合燃料配分比率関数発生器３２の出力信号に加算器６５で加算し、補正されたパイロット予混合燃焼時第１系統予混合燃料流量配分比率ＰＲ１Ｐを得る。また、補正信号発生器６１と変化率制限器６３により算出した補正信号ＳＴＦ１Ｍを予混合燃焼時第１系統予混合燃料配分比率関数発生器３３の出力信号に加算器６６で加算し、補正された予混合燃焼時第１系統予混合燃料流量配分比率ＰＲ１Ｍを得るようにした構成である。

すなわち、本実施の形態のガスタービン制御装置では、系統周波数の変動によるガスタービン速度Ｎの変化率あるいは負荷指令ＭＷＤの変化に伴う燃料流量制御指令ＦＳＲの変化率を算出し、これらの変化率により各燃料弁の燃料配分比率を補正する構成としている。

図１６は、本実施の形態における燃料配分比率の補正動作を説明する図である。図１６に示すように、燃料流量制御指令ＦＳＲが変化した時の燃焼ガス温度Ｘ１と真の燃焼ガス温度Ｘ２との誤差ΔＴＦが発生し、燃焼ガス温度Ｘ１に相当する予混合燃焼時第１系統予混合燃料配分比率Ｙ１と真の燃焼ガス温度Ｘ２に相当する最適な予混合燃焼時第１系統予混合燃料配分比率Ｙ２にΔＰＲ１Ｍの誤差が発生する。この誤差を予混合燃焼時第１系統予混合燃料配分比率補正信号ＳＴＦ１Ｍにより補正を行うことで最適な予混合燃焼時第１系統予混合燃料配分比率Ｙ２を得ることができる。

従って、本実施の形態のガスタービン制御装置では、燃料流量制御指令ＦＳＲの変化率から算出した燃料配分比率補正信号を燃料弁毎に個別に加算でき、部分負荷から定格負荷までの全てのガスタービン燃焼状態において拡散燃焼と予混合燃焼の最適な燃料配分比率が保てるので、燃焼振動の発生がなく安定した燃焼状態での運転が可能となる。

本発明の第１の実施の形態のガスタービンの制御装置の要部の構成および信号の流れを示すブロック図。 燃料流量制御指令および燃焼ガス温度の経時変化を示し、本発明の第１の実施の形態のガスタービンの制御装置の動作を説明する曲線図。 燃焼ガス温度とその補正信号の関係を示し、本発明の第１の実施の形態のガスタービンの制御装置の動作を説明する曲線図。 本発明の第２の実施の形態のガスタービンの制御装置の要部の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第２の実施の形態のガスタービンの制御装置の動作を説明し、（ａ）は発電機出力と燃焼ガス温度、空気圧縮機入口空気案内翼角度および燃料流量制御指令の関係を示す曲線図、（ｂ）は空気圧縮機入口空気案内翼角度と燃料流量補正信号の関係を示す曲線図。 本発明の第３の実施の形態のガスタービンの制御装置の要部の構成および信号の流れを示すブロック図。 発電機出力と燃料流量補正信号の関係を示し、本発明の第３の実施の形態のガスタービンの制御装置の動作を説明する曲線図。 本発明の第４の実施の形態のガスタービンの制御装置の要部の構成および信号の流れを示すブロック図。 ガスタービン速度と速度負荷制御信号および燃焼ガス温度の経時変化を示し、本発明の第４の実施の形態のガスタービンの制御装置の動作を説明する曲線図。 本発明の第５の実施の形態のガスタービンの制御装置の要部の構成および信号の流れを示すブロック図。 ガスタービン負荷指令と速度負荷制御信号および燃焼ガス温度の経時変化を示し、本発明の第５の実施の形態のガスタービンの制御装置の動作を説明する曲線図。 本発明の第６の実施の形態のガスタービンの制御装置の要部の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第６の実施の形態のガスタービンの制御装置の動作を説明し、（ａ）は燃料流量制御指令に対する燃焼ガス温度の経時変化の現象を示す曲線図、（ｂ）は変化率制限器無しの場合を示す曲線図、（ｃ）は変化率制限器有りの場合を示す曲線図。 本発明の第７の実施の形態のガスタービンの制御装置の要部の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第８の実施の形態のガスタービンの制御装置の要部の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第８の実施の形態のガスタービンの制御装置の動作を説明する曲線図。 従来のガスタービンの構成を示す図。 従来のガスタービンの制御装置の構成および信号の流れを示すブロック図。 従来のガスタービンの制御装置の動作を説明する曲線図。

符号の説明

１…空気圧縮機入口案内翼、２…空気圧縮機、３…空気流路、４…燃焼器、５…拡散燃焼用燃料流量制御弁、６…第１系統予混合燃焼用燃料流量制御弁、７…第２系統予混合燃焼用燃料流量制御弁、８…拡散燃焼用燃料ノズル、９…第１系統予混合燃焼用燃料ノズル、１０…第２系統予混合燃焼用燃料ノズル、１１…ガスタービン制御装置、１３…速度検出器、１４…吐出空気圧力検出器、１５…排ガス温度検出器、１６…発電機出力検出器、１７…入口空気温度検出器、１８…入口空気圧力検出器、２０…ガバナ制御器、２１…起動制御器、２２…排ガス温度制御器、２３…負荷制限制御器、２４…低値選択器、２６…上下限制限器、３０…燃焼ガス温度演算器、３１…拡散燃料配分比率関数発生器、３２…パイロット予混合燃焼時の第１系統予混合燃料配分比率関数発生器、３３…予混合燃焼時の第１系統予混合燃料配分比率関数発生器、３４，３５…スイッチ、３６…設定器、４５…ガスタービン本体、４６…発電機、５０…燃焼ガス温度補正部、５１…変化率検出器、５２，６０，６１…補正信号発生器、５３，５５…関数発生器、５６，６２，６３…変化率制限器、５７…補正信号オンオフスイッチ、５８…信号発生器。

Claims (11)

1. 燃焼ガス温度を算出する演算器と、前記算出された燃焼ガス温度を補正してより真値に近い燃焼ガス温度を出力する燃焼ガス温度補正部とを備え、前記補正された燃焼ガス温度に基づいて燃焼器へ供給する拡散燃料と予混合燃料の燃料配分比制御を行うことを特徴とするガスタービンの制御装置。
2. 前記燃焼ガス温度補正部は、燃焼器へ供給する燃料流量制御指令の変化率を検出する検出手段と、前記検出された変化率により燃焼ガス温度補正信号を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの制御装置。
3. 前記燃焼ガス温度補正部は、燃焼器へ供給する燃料流量制御指令の変化率を検出する検出手段と、前記検出された変化率と空気圧縮機入口案内翼角度により燃焼ガス温度補正信号を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの制御装置。
4. 前記燃焼ガス温度補正部は、燃焼器へ供給する燃料流量制御指令の変化率を検出する検出手段と、前記検出された変化率とガスタービンによって駆動される発電機の出力により燃焼ガス温度補正信号を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの制御装置。
5. 前記燃焼ガス温度補正部は、ガスタービン速度の変化率を検出する検出手段と、前記検出された変化率により燃焼ガス温度補正信号を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの制御装置。
6. 前記燃焼ガス温度補正部は、ガスタービン目標負荷指令の変化率を検出する検出手段と、前記検出された変化率により燃焼ガス温度補正信号を出力する手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの制御装置。
7. 前記燃焼ガス温度補正部は、前記燃焼ガス温度補正信号の変化率を制限する変化率制限器を備えていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載のガスタービンの制御装置。
8. 前記燃焼ガス温度補正部は、前記燃焼ガス温度補正信号を活殺する手段を備えていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載のガスタービンの制御装置。
9. 前記燃焼ガス温度補正部は、前記検出された変化率により拡散燃料配分比または予混合燃料配分比の少なくとも一方を補正する補正手段を備えていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載のガスタービンの制御装置。
10. 燃焼ガス温度に基づいて拡散燃料と予混合燃料の燃料配分比制御を行うガスタービンの制御方法において、燃焼器へ供給する燃料の流量制御指令の変化率を検出し、前記検出された変化率により、または前記検出された変化率と空気圧縮機入口案内翼角度により、または前記検出された変化率とガスタービンによって駆動される発電機の出力により前記燃焼ガス温度を補正することを特徴とするガスタービンの制御方法。
11. 燃焼ガス温度に基づいて拡散燃料と予混合燃料の燃料配分比制御を行うガスタービンの制御方法において、ガスタービン速度の変化率またはガスタービン目標負荷指令の変化率を検出し、前記検出された変化率により前記燃焼ガス温度を補正することを特徴とするガスタービンの制御方法。

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