JP4326317B2

JP4326317B2 - ガスタービン制御装置

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Publication number: JP4326317B2
Application number: JP2003412870A
Authority: JP
Inventors: 文倫藤井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: US20050131616A1; US7260466B2; JP2005171873A; DE102004058404A1; DE102004058404B4; CN1626783A

Description

本発明は発電機を回転駆動するタービンの機械出力を演算するためのタービン機械出力演算装置を備えたガスタービン制御装置に関する。

ガスタービンにおける低ＮＯｘ燃焼器の制御においては、前記燃焼器に供給する燃焼空気量と燃料量との比（燃空比）を所定の範囲に保つ必要があり、そのためには前記燃料量を正確且つ高速に検知する必要がある。

そこで、従来より、ガスタービン制御装置によるガスタービンの燃空比制御では、ガスタービン機械出力を燃料量を表す指標としており、その計測に発電機出力（発電機有効電力）を使用している。即ち、下式の関係を利用し、燃料量を代表する信号として発電機出力を使用している。これは、燃料量を計測する流量計に比較して、発電機出力を計測する電力変換器（発電機有効電力計）には、高精度・高速検知・高信頼性（多重化も容易）という特徴が有るからである。
燃料量＝ガスタービン投入エネルギー量＝ガスタービン機械出力＝発電機出力

なお、特許文献１にはガスタービン回転数信号を用いた２軸ガスタービンの加速度制御方式の例が開示されている。

特公平７−１１１１４８号公報

上記のようにガスタービン機械出力の計測に発電機有効電力計を用いる場合、ガスタービンが一定回転数で回転している通常の安定運転状態では、ガスタービン機械出力が全て発電機出力に変換されるため、下式の関係が成立するので問題はない。
ガスタービン機械出力＝発電機出力（発電機有効電力）

ところが、一般的に、燃焼器に供給される燃料量がほぼ一定で発電機が一定出力で運転されていても、発電機が接続されている電力系統の擾乱等（送電系統の切替え等）が生じたときには、電力系統の電流変動が発生して有効電力・無効電力・力率が変動する。即ち、電力系統の擾乱等の発生時には、電力系統側が電力を安定して受け取れない状態となり、過渡的に上式の関係が崩れる。このような状態ではガスタービン機械出力の全部は発電機出力に変換されず、発電機出力に変換されないガスタービン機械出力の一部がガスタービンの回転エネルギーに変換されるため、結果としてガスタービン回転数が変化することになる。従って、このような過渡時には燃空比制御が最適な状態からずれるため、燃焼器において燃焼振動が発生する等の問題が生じる。燃焼振動の発生は燃焼器の失火や破損などの原因となる。

従って本発明は上記の事情に鑑み、電力系統の擾乱等により発電機出力が変動してガスタービン回転数が変動する過渡的な状態においても、ガスタービン機械出力をより正確に求めることができて、燃焼器の燃空比を適正な範囲に保つことができるタービン機械出力演算装置を備えたガスタービン制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明のタービン制御装置は、発電機を回転駆動するタービンの機械出力を演算するタービン機械出力演算装置であって、発電機出力計測手段によって計測される前記発電機の出力Ｐｅ［Ｗ］と、タービン回転数計測手段によって計測される前記タービンの回転数Ｎ［ｒｐｍ］と、前記タービンの慣性モーメントＪ［ｋｇ・ｍ ² ］とに基づき、次式、

によって、前記タービンの機械出力を演算するタービン機械出力演算装置と、
負荷設定値と、前記発電機出力計測手段によって計測される発電機出力とに基づいて、燃焼器へ供給する燃料量を制御する燃料量制御手段と、
前記タービン機械出力演算装置で演算されたガスタービン機械出力に基づいて、前記燃焼器へ供給する燃焼空気量を制御する燃焼空気量制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明のタービン制御装置に備えたタービン機械出力演算装置によれば、単に発電機出力だけを用いるのではなく、上式の演算を行うことより、即ち、タービン回転数の変動に基づいて補正することより、タービン機械出力を求めるため、電力系統の擾乱等により発電機出力が変動してガスタービン回転数が変動する過渡的な状態においても、より正確にタービン機械出力を求めることができる。

本発明のガスタービン制御装置によれば、このタービン機械出力演算装置と、負荷設定値と前記発電機出力計測手段によって計測される発電機出力とに基づいて燃焼器へ供給する燃料量を制御する燃料量制御手段と、前記タービン機械出力演算装置で演算されたガスタービン機械出力に基づいて前記燃焼器へ供給する燃焼空気量を制御する燃焼空気量制御手段とを備えたことにより、電力系統の擾乱等により電力変換器で計測される発電機有効電力が変動し、ガスタービン回転数が変動する過渡的な状態においても、ガスタービン機械出力演算装置によって求められる正確なガスタービン機械出力に基づいて燃焼空気量を制御することができるため、燃焼器の燃空比を適正な範囲に保つことができる。従って、燃焼器における燃焼振動の発生等を低減することができて、燃焼が安定するため、ガスタービンの運用性を向上させると共に寿命消費を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るタービン機械出力演算装置を備えた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１に示すように、ガスタービン装置１はガスタービン２と、燃焼器３と、圧縮機４と、発電機５と、これらを制御するためのガスタービン制御装置２０とを有している。

燃焼器３はガスタービン２の上流側に配置され、ガスタービン２と圧縮機４との間に介在されている。ガスタービン２の回転軸と圧縮機４の回転軸と発電機５の回転軸１０は連結されており、ガスタービン２によって圧縮機４と発電機５とが回転駆動されるようになっている。

燃焼器３には燃料制御弁６が接続されており、この燃料制御弁６の開度調整によって、図示しない燃料供給装置から燃焼器３へ供給される燃料量が調整される。圧縮機４にはインレットガイドベーン（可変翼）７が装備されており、このインレットガイドベーン７の開度調整によって圧縮機４の吸気量を調整することにより、圧縮機４から燃焼器３へ供給する圧縮空気量を調整することができる。また、燃料器３の上流側（圧縮機側）から下流側（ガスタービン側）へと通じる燃焼器バイパスライン８には燃焼器バイバス弁９が設けられており、この燃焼器バイバス弁９の開度調整によっても、圧縮機４から燃焼器３へ供給する圧縮空気量を調整することができる。

燃焼器３では燃料供給装置から供給される燃料を圧縮機４から供給される圧縮空気と混合して燃焼することにより燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスによってガスタービン２が回転する。その結果、圧縮機４はガスタービン２により回転駆動されて圧縮空気を生成し、発電機５はガスタービン２により回転駆動されて発電し、この発電電力を発電機５が接続されている図示しない電力系統に送出する。

また、ガスタービン２の回転数は、タービン回転数計測手段としてのガスタービン回転数計１１によって計測されるようになっており、発電機５の出力（発電機有効電力）は、発電機出力計測手段としての発電機有効電力計１２によって計測されるようになっている。

一方、ガスタービン制御装置２０は、燃料量制御手段としての燃料量制御装置２３と、燃焼空気量制御部２１とを有している。そして、燃焼空気量制御部２１には、ガスタービン機械出力演算装置２２と、燃焼空気量制御手段としての燃焼空気量制御装置２６とが設けられている。なお、ガスタービン制御装置２０を構成する各装置は、コンピュータのソフトウエアで構成してもよく、ハードウエアで構成してもよい。

燃料量制御装置２３では、発電機出力（発電機有効電力）の目標値である負荷設定値と、発電機有効電力計１２によって計測される電機出力（発電機有効電力）とに基づいて、燃焼器３へ供給する燃料量を制御する。

詳述すると、燃料量制御装置２３は偏差演算装置２４と負荷制御装置２５とを有している。偏差演算装置２４では、負荷設定値と、発電機有効電力計１２によって計測される発電機出力（発電機有効電力）との偏差を演算して求める。負荷制御装置２５では、例えばＰＩＤ制御などを行うことにより、偏差演算装置２４で求めた偏差に応じた燃料量制御信号を、燃料制御弁６へ出力する。その結果、この燃料量制御信号により、燃料制御弁６の開度が制御されて、燃料供給装置から燃焼器３へ供給される燃料量が制御される。かくして、燃焼器３へ供給される燃料量が負荷設定値に応じた量となり、発電機出力が負荷設定値に等しくなる。

そして、ガスタービン機械出力演算装置２２では、発電機有効電力計１２によって計測される発電機出力（発電機有効電力）Ｐｅと、ガスタービン回転数計測計１１によって計測されるガスタービン回転数Ｎと、ガスタービン２の慣性モーメントＪとに基づき、次の（１）式によって、ガスタービン２の機械出力Ｐを演算する。

この（１）式は回転体の運動方程式に基づくものである。即ち、回転体の運動方程式である（２）式より、ガスタービン機械出力Ｐの式である（３）式が得られ、また、（３）式におけるガスタービン２の角速度ωは（４）式よって与えられる。従って、（４）式を（３）式に代入すれば、上記（１）式が得られる。

図１に基づいて具体的に説明すると、ガスタービン機械出力演算装置２２は回転数補正演算装置２７と加算装置２８とを有している。回転数補正演算装置２７では、次の（５）式の演算をする。（５）式は上記（１）式における右辺の第２項に相当する式であり、（５）式におけるＫは（６）式によって与えられる定数である。加算装置２８では、回転数補正演算装置２７における（５）式の演算結果と、発電機有効電力計１２で計測される発電機出力（発電機有効電力）Ｐｅとを加算して（即ち（１）式を演算して）、ガスタービン機械出力Ｐを求め、これを弁開度制御装置２６へ出力する。

燃焼空気量制御装置２６は、ガスタービン機械出力演算装置２２で演算されたガスタービン機械出力に基づいて、燃焼器３へ供給する燃焼空気量を制御する。

詳述すると、燃焼空気量制御装置２６は第１の弁開度テーブル２９と第２の弁開度テーブル３０とを有している。第１の弁開度テーブル２９は、ガスタービン機械出力Ｐ（図中の横軸）と、インレットガイドベーン７の開度（図中の縦軸）との関係を表すテーブルであり、計算や試験によって予め設定されたものである。第２の弁開度テーブル３０は、ガスタービン機械出力Ｐ（図中の横軸）と、燃焼器バイバス弁９の開度（図中の縦軸）との関係を表すテーブルであり、計算や試験によって予め設定されたものである。即ち、ここではガスタービン機械出力Ｐを、燃焼器３に供給された燃料量を表す指標としているため、第１の弁開度テーブル２９は燃料量とインレットガイドベーン開度（即ち燃焼空気量）との関係を表すテーブルとなり、第２の弁開度テーブル３０は燃料量と燃焼器バイバス弁開度（即ち燃焼空気量）との関係を表すテーブルとなっている。

従って、第１の弁開度テーブル２９ではガスタービン機械出力Ｐ（燃料量）に応じたインレットガイドベーン開度信号を出力し、インレットガイドベーン４は、このインレットガイドベーン開度信号に基づいて開度調整される。また、第２の弁開度テーブル３０で、ガスタービン機械出力Ｐ（燃料量）に応じた燃焼器バイバス弁開度信号を出力し、燃焼器バイバス弁９は、この燃焼器バイバス弁開度信号に基づいて開度調整される。かくして、燃焼器３に供給される燃焼空気量（圧縮空気量）が、燃焼器３に供給される燃料量に応じた最適な量となるため、燃料量と燃焼空気量との比（燃空比）が所定の範囲内に保たれる。なお、図示例では負荷（ガスタービン機械出力）が大きいときには、主にインレットガイドベーン７の開度調整によって燃焼空気量を調整し、負荷（ガスタービン機械出力）が下がってきたとには、燃焼器バイバス弁９の開度調整も行うことによって、燃焼空気量を調整するようになっている。

以上のように、本実施の形態のガスタービン機械出力演算装置２２によれば、単に発電機有効電力Ｐｅだけを用いるのではなく、上記（１）式の演算を行うことより、即ち、ガスタービン回転数Ｎの変動に基づいて補正することより（上記（５）式参照）、ガスタービン機械出力Ｐを求めるため、電力系統の擾乱等により発電機有効電力が変動してガスタービン回転数Ｎが変動する過渡的な状態においても、より正確にガスタービン機械出力Ｐを求めることができる。

そして、本実施の形態のガスタービン制御装置２０によれば、このガスタービン機械出力演算装置２２と、負荷設定値と発電機有効電力計１２によって計測される発電機出力（発電機有効電力）とに基づいて燃焼器３へ供給する燃料量を制御する燃料量制御装置２３と、タービン機械出力演算装置２２で演算されたガスタービン機械出力Ｐに基づいて燃焼器３へ供給する燃焼空気量を制御する燃焼空気量制御装置２６とを備えたことにより、電力系統の擾乱等により発電機有効電力計１２で計測される発電機有効電力が変動し、ガスタービン回転数Ｎが変動する過渡的な状態においても、ガスタービン機械出力演算装置２２によって求められる正確なガスタービン機械出力Ｐに基づいて燃焼空気量を制御することができるため、燃焼器３の燃空比を適正な範囲に保つことができる。従って、燃焼器３における燃焼振動等の発生を低減することができて、燃焼が安定するため、ガスタービン２の運用性を向上させると共に寿命消費を低減することができる。

本発明はタービン機械出力演算装置を備えたガスタービン制御装置に関するものであり、電力系統の擾乱等により発電機出力が変動してガスタービン回転数が変動する過渡的な状態においても、より正確にガスタービン機械出力を求めて、燃焼器の燃焼の安定化を図る場合に適用して有用なものである。

本発明の実施の形態に係るタービン機械出力演算装置を備えたガスタービン制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ガスタービン装置
２ガスタービン
３燃焼器
４圧縮機
５発電機
６燃料制御弁
７インレットガイドベーン
８燃焼器バイパスライン
９燃焼器バイバス弁
１０回転軸
１１ガスタービン回転数計
１２発電機有効電力計
２０ガスタービン制御装置
２１燃焼空気量制御部
２２ガスタービン機械出力演算装置
２３燃料量制御装置
２４偏差演算装置
２５負荷制御装置
２６燃焼空気量制御装置
２７回転数補正演算装置
２８加算装置
２９第１の弁開度テーブル
３０第２の弁開度テーブル

Claims

発電機を回転駆動するタービンの機械出力を演算するタービン機械出力演算装置であって、発電機出力計測手段によって計測される前記発電機の出力Ｐｅ［Ｗ］と、タービン回転数計測手段によって計測される前記タービンの回転数Ｎ［ｒｐｍ］と、前記タービンの慣性モーメントＪ［ｋｇ・ｍ ² ］とに基づき、次式、

によって、前記タービンの機械出力を演算するタービン機械出力演算装置と、
負荷設定値と、前記発電機出力計測手段によって計測される発電機出力とに基づいて、燃焼器へ供給する燃料量を制御する燃料量制御手段と、
前記タービン機械出力演算装置で演算されたガスタービン機械出力に基づいて、前記燃焼器へ供給する燃焼空気量を制御する燃焼空気量制御手段と、
を備えたことを特徴とするガスタービン制御装置。