JPH076413B2 - ガスタ−ビン制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービン制御装置に係り、特にガスタービ
ン燃焼器へと実燃料流量の検出値をフィードバックさ
せ、この検出値と設定燃料流量との差を積分要素により
積分して実燃料流量を制御するガスタービン制御装置に
関する。

（従来の技術） 一般にガスタービンプラントには、大気中から吸入した
空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から圧縮空気に混
合された燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生
した燃焼ガスにより回転駆動されるガスタービンと、こ
のガスタービンから伝達される回転力により発電を行な
う発電機とが備えられる。

そして、このように構成されるガスタービンプラントを
制御するガスタービン制御装置は、各構成要素の制御の
集約となっているが、ガスタービンプラントは制御技術
的に見て難しい制御対象である。

例えば、ガスタービンに流入する燃焼ガスの温度は、タ
ービン翼金属が許容しうる使用限界温度に非常に近い温
度となるため、その燃焼ガスの温度の上昇をある値で制
限し、かつ正確に温度を制限する必要がある。また、回
転速度の制御も昇速時とか負荷運転時にも厳密に行う必
要がある。さらに、着火動作時においては、燃焼器への
流入空気量と投入する燃料量の比（空燃比）を最適値と
すべく燃料量の制御を行なわなければならない。

ガスタービン制御装置においては、このようなガスター
ビンプラント側の種々の要求を満足するために、複数の
制御系が下限制限制御系として備えられる一方、これら
各制御系を機能的に分別するための選択回路が備えら
れ、これらの制御系および選択回路により燃焼器への燃
料供給流量が制御されるようになっている。

さらに、ガスタービンプラントおよびそのガスタービン
プラントに組み込まれるガスタービン制御装置につい
て、図面を参照して説明する。

第３図は一般的なガスタービンプラントの構成図であ
る。

ガスタービンプラントには圧縮機１が備えられ、大気中
からこの圧縮機１に流入した空気は、この圧縮機１によ
り圧縮された後、燃焼器２に送り込まれる。燃焼器２に
送り込まれた圧縮空気は燃料と混合されて混合気とな
り、この混合気が燃焼して高温の燃焼ガスとなる。この
燃焼ガスはガスタービン３に送り込まれてガスタービン
３を回転駆動させ、その回転力がタービン軸４を介して
発電機５へ伝達されて発電が行なわれる。

また、上記タービン軸４の回転力は歯車装置６を介して
燃料ポンプ７に伝達され、この燃料ポンプ７が駆動され
ることにより、前記燃焼器２へ液体燃料が供給されるよ
うになっている。そして、この燃料供給流量の制御は、
ガスタービン制御装置８からのフィードバック弁開度指
令ａによりフィードバック制御弁９の開度を調節し、燃
料ポンプ７の吐出側の燃料の一部を燃料ポンプ７の入口
側へ戻すことによって行なわれる。制御された燃料供給
流量は、燃料流量検出器10により検出され、その燃料流
量検出信号ｂが前記ガスタービン制御装置８へフィード
バックされるようになっている。

第４図は上記ガスタービンプラントに組み込まれるガス
タービン制御装置８を示す構成図である。

ガスタービン制御装置８は、各種指令制御系13、低値優
先回路14、減算器15、積分要素16、加算器17、比例要素
18から構成される。

前記下限制限制御系としての指令制御系13には、目標と
する発電機出力および回転数となるように負荷・調速制
御信号ｃを出力する負荷・調速制御系20と、燃焼ガスの
ガスタービン入口温度を設定値以下に抑える燃焼ガス温
度制限信号ｄを出力する燃焼ガス温度制御系21と、着火
後に回転数を定格回転数まで昇速させる起動制御信号ｅ
を出力する起動制御系22と、着火時に着火に適した燃料
を供給すべく着火時燃料設定信号ｆを出力する着火制御
系23とが備えられる。

上記各信号c,d,e,fは、各指令制御系20,21,22,23の特性
により、ガスタービンの運転状態に応じて出力され、選
択回路としての低値優先回路14に入力される。この低値
優先回路14では複数の信号の中の最小値が選択され、そ
の最小値の信号が燃料流量指令信号ｇとして出力され
る。

この燃料流量指令信号ｇは減算器15で前記燃料流量検出
器10からフィードバックされた燃料流量検出信号ｂと減
算され、その偏差が偏差信号ｈとして出力される。この
偏差信号ｈは積分要素16と加算器17とに入力され、積分
要素16では偏差信号ｈが予め設定された積分時定数のも
とに積分されてから積分要素出力ｉとして出力される。
この積分要素出力ｉは前記加算器17で偏差信号ｈと加算
された後、その加算信号ｊが比例要素18で予め設定され
た比例定数と掛け合わされ、その後この比例要素18から
前記フィードバック制御弁９へフィードバック弁開度指
令ａが出力されるようになっている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記の制御回路のうち着火制御系23に着
目した場合、次のような不具合が生ずる。

すなわち、着火制御系23から出力される着火時燃料設定
信号ｆはステップ関数的にその燃料流量指令を行うのに
対し、積分要素16、比例要素18等から構成される比例・
積分制御系から出力されるフィードバック弁開度指令ａ
は制御理論上からステップ関数的に変化しない。例え
ば、比例・積分制御系の入力がステップ的に増加する
と、出力側で同等の出力を得るように比例定数、積分時
定数が調整されている場合、すなわち入力に対して出力
に遅れを生じさせないようにした場合には、出力として
のフィードバック弁開度指令ａがオーバーシュート動作
を示す現象が生じる。

上記ついて、さらに図面を参照して説明する。

第５図は、時間軸上の設定燃料流量、実燃料流量、実回
転数の変化を示す図である。

第５図において時間軸上のＡ点において、回転数が値ｘ
の着火速度到達により値ｙの燃料流量指令信号ｇを出力
しても、フィードバック弁開度指令ａはステップ的に変
化しない。そして燃料が液体燃料であるからフィードバ
ック制御弁９の開度に対して一義的に燃料流量が決定さ
れ、結局実燃料流量はＢ→Ｃ→Ｄのようになだらかに上
昇する。

また、着火後は空燃比を小さくし、吹消限界（それ以上
絞ったら失火する限界）近くで、タービンケーシング、
タービン動静翼等の暖機運転を行うために、時間軸Ｅ点
において値ｚの燃料流量指令信号ｇを出力すると、実燃
料量の軌跡は時間軸上のＦ点までＤ→Ｇ→Ｈのようにな
だらかに下降する。

実燃料流量は、このようになだらかに上昇または下降
し、燃料流量指令信号ｇに対してオーバシュート（値ｙ
より上側部分）およびアンダシュート（値ｚより下側部
分）動作を示す。

これらのオーバシュートおよびアンダシュート動作は、
本体側において次のような不具合を発生させる。

すなわち、着火動作は空気と燃料と比率により決定され
る着火点があり、この着火点以外の空燃比での着火動作
は着火失敗の原因となる。また着火後のアンダシュート
動作は、吹消限界以下迄の絞り込みのおそれがあり、失
火の原因となる。

上記の着火失敗を防止するために、着火要求燃料量に到
達する。Δｔ間を考慮して、予めＡ点よりもΔｔ秒前の
Ｉ点において着火開始動作を行った場合においても、前
記オーバシュート、アンダシュート動作の解決にはなら
ず、着火動作時の実燃料流量の設定燃料流量に対する追
従性が悪いという不具合を解消することはできない。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、着火時
および着火後における設定燃料流量の変化に対する実燃
料流量の追従性を向上させ、着火失敗、着火後の失火を
防止してガスタービンプラントを安定的に運転すること
が可能なガスタービン制御装置を提供することを目的と
する。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明はガスタービン燃焼器への実燃料流量の検出値を
フィードバックさせ、この検出値と設定燃料流量との差
を積分要素により積分して実燃料流量を制御するガスタ
ービン制御装置において、着火時および着火後、設定燃
料流量を得るべく前記積分要素の出力の値を強制的に設
定するとともに、設定燃料流量に達した後はその積分要
素の出力の値を制限する積分要素出力制御装置が備えら
れたものである。

（作用） まず、着火時に積分要素出力制御装置により積分要素出
力が着火時設定燃料流量を得るべく強制的に設定され
る。実燃料流量が着火時設定燃料流量に達した後は、積
分要素出力制御装置により積分要素出力が制限され、実
燃料流量が着火時設定燃料流量以下に制限される。

その後着火動作が行なわれ、着火確認後は積分要素出力
制御装置により積分要素出力が着火後設定燃料流量を得
るべ強制的にに設定される。

実燃料流量が着火後設定燃料流量に達した後は、積分要
素出力制御装置により積分要素出力が制限され、実燃料
流量が着火後設定燃料流量以上に制限される。

このように、積分要素出力制御装置により実燃料流量が
設定燃料流量に追従せしめられるから、実燃料流量にオ
ーバシュート、アンダシュート動作が生じることはな
く、着火失敗、着火後の失火が防止される。

（実施例） 本発明に係るガスタービン制御装置の一実施例を図面を
参照して説明する。

従来のガスタービン制御装置８と同一の部分については
同一の符号を付して説明を省略する。

ガスタービン制御装置29には、第１図に示すように積分
要素出力ｉを制御する積分要素出力制御装置30が備えら
れ、この積分要素出力制御装置30には着火後制御系31、
片持性要素32,33および減算器34,35が備えられる。そし
て、着火制御系31には着火時流量設定器36、着火後流量
設定器37、切替器38〜42、過飽和防止用設定器43、過減
算防止用設定器44および減算器45,46が備えられる。

上記着火時流量設定器36は着火を行なう際に着火時流量
設定信号ｌを出力し、また、着火後流量設定器37は着火
確認後に着火後流量設定信号ｍを出力するようになって
いる。

また、前記切替器38〜42は予め設定された順序で各接点
50〜64の切替動作を行なうようになっている。

すなわち、ガスタービン起動前においては切替器38は接
点50と接点51、切替器39は接点53と接点54、切替器40は
接点57と接点58、切替器41は接点60と接点61、切替器42
は接点62と接点63がそれぞれ導通状態となっている。

そして、まずガスタービン回転数が所定の回転数に達し
たときに、切替器40が動作して接点57と接点56が導通状
態となり、着火時流量設定器36から出力された着火時流
量設定信号ｌが各接点50,51,53,54,56,57を通って流
れ、前記減算器45に入力される。

次に、実燃料流量が着火時設定流量に達したときに、切
替器38が動作して、接点50と接点52が導通状態となり、
着火時流量設定器36から出力された着火時流量設定信号
ｌが各接点50,52,61,60,62,63を通って流れ、前記減算
器46に入力される。

その後、着火が確認されたときに、切替器41が動作し
て、接点59と接点60が導通状態となり、着火後流量設定
器37から出力された着火後流量設定信号ｍが各接点59,6
0,62,63を通って流れ、減算器46に入力される。

さらに、実燃料流量が着火後設定流量に達したときに、
切替器39および切替器42が動作して、接点54と接点55、
接点63と接点64がそれぞれ導通状態となり、着火後流量
設定器37から出力された着火後流量設定信号ｍが各接点
55,54,56,57を通って流れ、前記減算器45に入力される
ようになっている。

前記減算器45は、着火時流量設定信号ｌまたは着火後流
量設定信号ｍを入力し、前記積分要素出力ｉとの間で減
算を行ない、減算後の偏差信号ｎを片持性要素32へ出力
する。また減算器46も同様に着火時流量設定信号ｌまた
は着火後流量設定信号ｍを入力し、積分要素出力ｉとの
間で減算を行なった後に、減算後の偏差信号ｏを片持性
要素を33へ出力するようになっている。

片持性要素32は入力した偏差信号ｎが負の値である場合
にのみ一次関数で入力と同等の出力を行う。また、片持
性要素33は入力した偏差信号ｏが正の値である場合にの
み一時関数で入力と同等の出力を行うようになってい
る。

そして、前記減算器34は上記片持性要素32からの偏差信
号ｎと、前記減算器15から減算器35を介して入力した偏
差信号ｈとの減算を行ない、減算後の偏差信号ｐを積分
要素16へ出力する。また、減算器35は片持性要素33から
の偏差信号ｏと、前記減算器15からの偏差信号ｈとの減
算を行ない、減算後の偏差信号ｇを減算器34を介して積
分要素16へ出力するようになっている。

さらに前記過減算防止用設定器45は接点58と接点57とが
導通状態であるときに積分要素出力ｉの過減算を防止す
るようになっており、前記過飽和防止用設定器43は接点
63と接点64とが導通状態であるときに積分要素出力ｉの
過飽和を防止するようになっている。

次に上記実施例の作用いついて第２図を参照しながら説
明する。

まず、起動用の電動機等によりタービン軸４が回転さ
せ、所定の回転数ｘに達したときに、すなわち時間軸上
のＡ点において、着火時流量設定器36から着火時流量設
定信号ｌが出力されるとともに、切替器40が動作して接
点57と接点56とが導通状態になる。そして、上記着火時
流量設定信号ｌが各接点50,51,53,54,56,57を通って流
れ、減算器45に入力される。

この減算器45には積分要素出力ｉも入力されるが、この
場合、積分要素出力ｉの値は０であるから、着火時流量
設定信号ｌはそのまま負の値となって片持性要素32を通
り、減算器34に入力されて減算後、積分要素16に入力さ
れる。そのため、積分要素16は積分要素出力ｉが着火時
流量設定信号ｌと同じ値になるまで積分動作を行なう。
このように、積分要素出力ｉが着火時流量設定信号ｌの
値に強制的に設定されるため、実燃料流量は急激に上昇
して着火時設定流量に達する。

実燃料流量が着火設定流量に達したとき、すなわち時間
軸上のＫ点において、切替器38が動作して接点50と接点
52が導通状態となり、着火時流量設定器36から出力され
た着火時流量設定信号ｌは各接点50,52,61,60,62,63を
通って減算器46に入力される。この減算器46で着火時流
量設定信号ｌと積分要素出力ｉとの減算がされ、積分要
素出力ｉが着火時流量設定信号ｌよりも大きくなる場合
にのみ、その偏差信号ｏが正の信号として片持性要素33
を通って減算器35に出力される。

この減算器35に入力された偏差信号ｏは、この減算器35
で偏差信号ｈと減算された後、減算器34を介して積分要
素16に入力される。そのため、積分要素16は着火時流量
設定信号ｌを超える積分要素出力ｉを出力することがで
きず、積分要素出力ｉは着火時流量設定信号ｌ以下に制
限される。その結果、実燃料流量は着火時設定流量以下
に抑えられ、オーバシュート動作が防止される。

その後着火動作が行なわれ、着火が確認されたときに、
すなわち時間軸上のＬ点において、着火後流量設定器37
から着火後流量設定信号ｍが出力されるとともに、切替
器41が動作して接点59と接点60が導通状態となって、着
火後流量設定信号ｍが各接点59,60,62,63を通って流
れ、減算器46に入力される。

この場合着火後流量設定信号ｍよりも積分要素出力ｉが
大きいから、その偏差信号ｏは正の信号として片持性要
素を通り、減算器35,34を介して積分要素16に入力され
る。そのため積分要素16は積分要素出力ｉが着火後流量
設定信号ｍと同じ値になるまで積分動作を行なう。この
ように、積分要素出力ｉが着火流量設定信号ｍの値に強
制的に設定されるため、実燃料流量は急激に下降して着
火後設定流量に達する。

実燃料流量が着火後設定流量に達したとき、すなわち時
間軸上のＭ点において、切替器39と切替器42が動作して
接点55と接点54、接点63と接点64がそれぞれ導通状態と
なり、着火後設定流量信号ｍは各接点55,54,56,57を通
って流れて減算器45に入力される。そして、減算器45で
着火後設定流量信号ｍと積分要素出力ｉとの減算がなさ
れ、積分要素出力ｉが小さくなる場合にのみ、その偏差
信号ｎが負の信号として減算器34に入力される。偏差し
号ｎはこの減算器34で減算された後、積分要素16に入力
される。

そのため、積分要素16は着火後流量設定信号ｍよりも小
さい積分要素出力ｉを出力することができず、積分要素
出力ｉは着火後流量設定信号ｍ以上に制限される。その
結果、実燃料流量は着火後設定流量以上に制限され、ア
ンダシュート動作が防止される。

そうして、着火後設定流量の状態で暖機運転がなされ、
暖機終了後（Ｎ点以後）は起動制御系22からの起動信号
ｅにより設定燃料流量が序々に増加され、それに伴って
実燃料流量も上昇していく。

上記実施例においては、積分要素出力制御装置30により
積分要素出力ｉが制御されることにより、設定燃料流量
がステップ的に変化する場合でも、実燃料流量もほぼス
テップ的に追従させることが可能となる。そのため、実
燃料流量にオーバシュート、アンダシュート動作が生じ
ることはなく、着火失敗、着火後の失火が防止され、ガ
スタービンプラントを極めて安定的に運転することが可
能になる。

〔発明の効果〕

本発明に係るガスタービン制御装置は、着火時および着
火後に設定燃料流量を得るべく積分要素の出力の値を強
制的に設定するととともに、設定燃料流量に達した後は
その積分要素の出力の値を制限する積分要素出力制御装
置が備えられたから、実燃料流量を設定燃料流量の変化
にほぼ追従させることが可能になる。

したがって、実燃料流量にオーバシュート、アンダシュ
ート動作が生じることはなく、着火失敗、着火後の失火
が防止され、ガスタービンプラントを極めて安定的に運
転することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガスタービン制御装置の一実施例
を示す図、第２図は上記実施例による時間軸上の設定燃
料流量、実燃料流量、実回転数の変化を示す図、第３図
は一般的なガスタービンプラントの構成図、第４図は一
般的なガスタービンプラントに組み込まれる従来のガス
タービン制御装置を示す図、第５図は従来のガスタービ
ン制御装置による時間軸上の設定燃料流量、実燃料流
量、実回転数の変化を示す図である。 13……指令制御系、14……低値優先回路、16……積分要
素、18……比例要素、29……ガスタービン制御装置、30
……積分要素出力制御装置、31……着火制御系、32,33
……片持性要素、36……着火時流量設定器、37……着火
後流量設定器、38,39,40,41,42……切替器、ａ……フィ
ードバック弁開度指令、ｂ……燃料流量検出信号、ｉ…
…積分要素出力。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービン燃焼器への実燃料流量の検出
   値をフィードバックさせ、この検出値と設定燃料流量と
   の差を積分要素により積分して実燃料流量を制御するガ
   スタービン制御装置において、着火時および着火後に、
   設定燃料流量を得るべく前記積分要素の出力の値を強制
   的に設定するとともに、設定燃料流量に達した後はその
   積分要素の出力の値を制限する積分要素出力制御装置が
   備えられたことを特徴とするガスタービン制御装置。