JPS5948294B2 - 二軸ガスタ−ビンの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱交換器付の二軸ガスター ビンの急加減速の
大きさに比例しでバリアプルベーンの開度を調節する制
御装置に関する。

熱交換器付一軸ガスタービンとその制御装置は、第１図
のように構成され、また、制御装置内の漬けの流れは、
第２図に示すようになる。

第１図および第２図の各要素の参照符号と部分各称を次
に記す。

１・・・・・・コンプル・ツーす、２・・・・・・ガ゛
スゼネタービン２・・・・・・力゛スセ゛イ、ター ビ
ン′、３・・・・・・バ［ツータービン、 ４・・・・・・熱交換器、 ５・・・・・・燃焼器、 ６・・・・・・燃料調整弁、 ７・・・・・・燃料調整弁駆動機構、 ８・・・・・・燃和Ｆポンフ゛、 ９・・・・・・バリアプルベーン、 １０・・・・・・バリアプルベーン駆動機構、１１・・
・・・・負荷、 １２・・・・・・アクセルペダル、 １３・・・・・・ガスゼイ・タービン目標回転数の設定
暑眠１４・・・・・・ガスゼイ、タービン回転数検出器
、１５・・・・・・パワータービン回転数検出器、１６
・・・・・・ガスゼネタービン人ロガス温度検出器、１
７． １８・・・・・・コンバータ、 １９・・・・・・燃料バリアプルベーン制御装置、２０
、２１・・・・・・周波数−電圧変換器、２２、２５．
３２ ３５．３７．３８・・・・・・比較器、２３・・
・・・・ガスゼネ回転数ガバナ、２４・・・・・・係数
器、 ２６・・・・・・パワータービンのオーバスピード。

プロテクタ、 ２７・・・・・・関数発生器（定常運転時燃料計画線）
、２８・・・・・・関数発生器（加速時最大燃料線）、
２９・・・・・・関数発生器（定常運転時ガスゼネ人口
温度計画線）、 ３０、４２．４６・・・・・・加算器、 ３１・・・・・・温度プロテクタ、 ３３・・・・・・Ｐ動作調節器、 ３４・・・・・・位相進み補償回路、 ３６・・・・・・ＰＩ動作調節器、 ３９・・・・・・急加減速時バリアプルベーン開度調節
器、４０・・・・・・バリアプルベーン開度判定器、４
１・・・・・・最小値選択回路、 ４３・・・・・・吹き消え防止燃料流量設定器、４４・
・・・・・最大値選択回路、 ４４・・・・・・ガスゼネ入口温度余裕量設定器。

次に、第１図および第２図の中で用いた記号の意味を以
下に記す。

Ｎ６＊：定常運転時ガスゼネ回転数目標値、Ｎ６．
設計点におけるガスゼネ回転数、Ｎ６：ガスゼネ回転
数測定値、 Ｎ−：定常運転時パワータービン回転数目標値、ＮＰ：
設計点におけるパワータービン回転数、Ｎ、：パワータ
ービン回転数測定値、 Ｔ７ＲＥＦ ：定常運転時ガスゼネ人口温度目標値、
Ｔ７：ガスゼネ人口温度測定値、 Ｔ７ＭＯＤ ：位相進み補償後のガスゼネ入口温度測
定値、 Ｔ７ｍａＸ ：タービン材料の耐久限界温度、ΔＴ
：ガスゼネ人口温度余裕量、 ■ＮｍａＸ：急加速時バリアプルベーン開度、ＶＮｍｉ
ｎ ：急減速時バリアプルベーン開度、Ｒ６：バリア
プルベーン開度（設計点開度からの変化分）、 ｎＧｍａＸ ：バリアプルベーン開度上限値、＃Ｇｍ１
ｎ ：バリアプルベーン開度下限値、ＧｆＲ□ ：定常
運転時燃料計画流量、 ΔＧｆ：燃料流量変化分、 ΔＧｆｍａＸ ：燃料流量変化分の最大値（オーバヒー
ト、サージングの防止）、 Ｇｆｍ、ｎ：急減速時の吹き消え防止のための燃料流量
、 第２図の制御装置は、車両用ガスタービン向きとして、
次の機能を具備する。

（１）低燃費を維持できるように決定した燃料計画線」
−で、定常時の運転を行う。

（２）急加減速性能を向−１−させる。

（３）過大な燃料投入による材料のオーバヒートの防止
、およびパワーのアンバランスによる同転部のオーバス
ピードの防止。

上記１〜３の機能をすべて満たすため、燃料流量は第２
図に示したＧｆＲＥ）、線をはさむ最大燃料線（Ｇｒｍ
ａＸ線）と最小燃料線（Ｇｆｍｉｎ線）の範囲にあって
、設計点基準にして、α％のドループで比例制御される
。

なお、ＧｒｍａＸ線は、急加速時におけるオーバヒ−１
・あるいはサージング防止を意図し、ｃ、ｍ＋Ｘ線は急
速時の吹き消え防止のための空燃比維持を意図して設定
した線である。

急加減速時には、調節器３９はオン−オフ的に一定角度
（ＶＮｍａＸまたはＶＮｍｉｎ）でバリアプルベーンを
開閉させるが、調節器３９の不感帯の幅２Δは適当な値
に設定するものとする。

なお、Δは急加減速の判定基準となるものである。

ＰＩ調節器３６は、定常運転時用に設けたものである。

加算器４６とバリアプルベーン開度判定器４０より構成
されるフィードバックループは、バリアプルベーン開度
信号・Ｗ６を上限値Δｖｃｍａｘ、下限値ＩＶＧｍ＋。

の範囲内に押えるためのリミッタ機能を果す。

なお、判定器４０は、バリアプルベーン開度ｌＶ６が上
限値’Ｖｃｍａｘまたは下限値Δｖ６ｍｉｎを超過した
時、超過分に比例した信号を出力する。

この時の判定器４０の比例ゲインをＫＥとする。

更にバリアプルベーン開度Δ■６が増加し、加算器４６
に過大な信号が加わって、調節器３６が動作範囲を超過
するのを防止するため、出力信号の上下限値ΔＶＥ、−
Δ■ｏを設定しである。

オーバヒート防止については、ガスゼネ回転数Ｎ６によ
り定まる定常運転時ガスゼネ入口温度目標値Ｔ７ＲＥＦ
にさらに余裕分ΔＴを上積みした線の上限を材料の耐久
限界温度で切り、ガスゼネ入口温度の測定値下７Ｎ、。

１．がこの設定線を越える量に比例しで燃料流量を減少
させることで行う。

なお、コンバータ１乙 １８はそれぞれ、制御装置内の
信号をそれぞれ、燃料調整弁駆動機成７およびバリアプ
ルベーン駆動機構１０の操作信号に変換するためのもの
である。

第１図で示した、熱交換器付二軸ガスタービンの急加減
速時の運転について、従来は第２図の調節器３９により
バリアプルベーン９をオン−オフ的に一定角度（ＶＮｍ
ａＸまたはｖＮｍｉｌｌ）で開閉さゼる方法が考えられ
ていた。

この方法によると、特に急加速時に第３図に示すような
振動現象を引き起こし、制御対象となるガスタービンの
特性によってはリミットサイクルになることもあり得る
ので、運転状態が不安定となる。

これは、急加速指令（Ｎ、”−ＮＣ：＞Δ）により、バ
リアプルベーン９が急激に開かれると同時に燃料の投入
が始まり、ガスゼイ・人口温度が上昇する、−７一方、
ガスゼイ・タービン２は、流入する燃焼ガス温度の上昇
により、回転速度を増していくが、慣性モーメントがあ
るため息速には回転速度は上昇しない。

ガスゼネタービン２の回転数Ｎ、の上昇とともに、定常
運転時用のバリアプルベーン開度調節器３６の効果があ
られれ、バリアプルベーン９の開度■６はしだいに減少
していく。

ガスゼネ回転数■６の増加にともない、ガスゼネ回転数
の偏差（Ｎ６”−Ｎ６）はしだいに減少し、ついには、
ＮＣ，”−Ｎ６−Δとなる６つと同時に、調節器３９の
出力はゼロとなり、バリアプルベーン９は急激に閉じら
れる。

バリアプルベーン９が閉じられることによりガスゼネタ
ービン２は減速状態に入り、再びガスゼネ回転数の偏差
Ｎ６”−Ｎ、。

〉Δの状態になので調節器３９の出力はＶＮｍａＸとな
り、ガスゼネタービン２は再加速状態に入る。

ガスゼネタービン２の再力目速の結果、ガスゼイ・回転
数の偏差（Ｎ６”−Ｎ６）が減少し、Ｎ、、” −Ｎ６
＜Δとなり、再び減速状態に陥る。

このようにしてガスゼネタービン２は加速、減速状態を
繰り返すため、不安定な運転状態に陥り、また、バリア
プルベーン９の開度の変動のため、パワータービン３の
出力Ｉ・ルクも変動する欠点があった。

二軸ガスタービンの制御装置としては７急力目減速時に
、ハンチング現象（バリアプルベーン９の開度、ガスゼ
ネタービン２の同転数、パワータービン３の出力トルク
など）を生ず゛ることなく、すみやかにガスゼネ回転数
Ｎ６その目標値Ｎ６″′に追従させる必要がある。

本発明はこのような考えのもとになされたもので、従来
、急加減速時のバリアプルベーン９の開度の調節にオン
−オフ的動作の調節器３９を使用していたのを、不感帯
付比例動作の調節器４７に置き換えで急加減速の大きさ
を反映した連続的な制御を行い、ガスゼネ回転数の偏差
（Ｎ、、、、”−ＮＧ）が減少してＮＧ＊−Ｎ６＝＝−
Δとなったときにハンチング現象を起こすことなく、す
みやかにガスゼネ同転数Ｎ６をその目標値Ｎ♂に追従さ
せるようにしたことを要旨とするもので゛ある。

次に本発明の具体的実施例について添付図面を参照して
詳細に説明する、９ 第２図において、比較器３８、急加減速時バリアプルベ
ーン開度調節器３９、比較器３７より構成される信号経
路を第４図の回路に置き換えた制御装置が、本発明の構
造である。

なお、第４図は改良箇所をわかりやすくさせるために周
辺の要素も含む。

また、各要素の名称は次の４７．４８以外、第１，２図
のものと共通である。

４７・・・・・・急力［１減速時バリアプルベーン開度
調節器、４８・・・・・・比例ゲイン設定器、 ここで調節器４７の不感帯の幅２Δ、比例調節部のゲイ
ン、Ｉ−下限値、比例ゲイン設定器４８のゲインは適当
に設定するものとする。

調節器４７は、ガスゼネ回転数の偏差（Ｎ、”−Ｎ６）
と急加減速判定基準（Δ）との大小により、急加減速時
には、急加減速の大きさくｌ Ｎ６”−Ｎ６１−Δ）に
応じたバリアプルベーンの開度を指示し１．ｈ［ＪＩＪ
ゲイン設定器４８は前記調節器４７の出力を調節する。

また、ＩＮ６＊−Ｎ１．ｌ＜Δのときは、調節器４７の
出力はゼロである。

いま、ガスタービンが定常時に運転されでいる時に、急
加速のため７′クセルベダル１２が急激に踏み込まれ、
そのまま保持された状態を考える。

すなわち、設定器１３はアクセルペダル１２に連動して
作動するので、設定器１３の出力Ｎ６＊はステップ状に
変化することになる。

この結果、ガスゼネ回転数の偏差（Ｎ、”−ＮＧ）は、
Ｎ６＊−Ｎ６＞Δとなるので、調節器４７は、急加速の
大きさくＩＮ６＊−Ｎ６１−Δ）に比例してバリアプル
ベーンの開度を指示する信号ＶＮ’を出力する。

調節器４７の出力ＶＮ’は比例ゲイン設定器４８により
ゲイン調整された後、信号■、として比較器３７に入力
される。

信号■、の加算分だけ、比較器３７の出力Δ■６が増加
するため、バリアプルベーン９が開かれる。

一方燃料制御系統においても、Ｎ６”Ｎ６＞Ｏとなるた
め、追加投入すべき燃料流量が、ガバナ２３により演算
され、燃料器５に供給される燃料流量が増加するととも
に、ガスゼネ人「」温度Ｔ７が上昇しでいく。

ガスゼネタービン２ば、流入する燃燃ガス温度の上昇に
より、同転速度を増していくが、慣性モーメントがある
ため急速には同転速度は増加しない。

ガスゼネタービン２の回転数Ｎ６の上昇とともに、ガス
ゼネ回転数の偏差（Ｎ６” 、−Ｎ、）はしだいに減少
し、それにつれて調節器４７の出力■、′ は調節器４
７の設定線上に沿って変化するので、従来のオン−オフ
式調節器３９の場合にみられた、バリアプルベーン９の
急閉動作は生じない。

調節器４７の出力はゲイン設定器４８を介して比較器３
７に人力され、定常運転時用の調節器３６の出力と総合
されるため、ガスゼネ回転数の偏差（Ｎ６” −ＮＧ）
の減少とともに連続的に、定常運転時（ＩＮ６”−Ｎ６
１＜Δ）のバリアプルベーン開度の調節動作に移行する
ことができる。

以上、本発明による制御装置の急加速時における制御動
作について述べたが、急減速時における制御動作も同様
にして行われる。

次に、定常運転時は、調節器４７の出力はゼロなので、
バリアプルベーン９の開度の調節は、調節器３６によっ
てのみ行われる。

いま、ガスゼネ入口温度の測定値（位相進み補償した結
果）Ｔ７ＭＯＤが、ガスゼネ入「−１温度計画値Ｔ７Ｒ
ＥＦより低い場合を考える。

比較器３５の出力は正となり、加算暑熱６を介して調節
器３６に入力される。

なお、加算＠討６のもう一方の入力信号は、比較器３７
の出力Δｖ６が一ト下限値の範囲内にあればゼロである
。

調節器３６により比例積分調節され、出力信号■□は増
加する。

調節器３６の出力■１は比較器３７の（−）側端子に人
力されるため、比較器３７の出力Δ■６は減少する。

このため、コンバータ１８、バリアプルベーン駆動機構
１０を介してバリアプルベーン９は閉じる方向に操作さ
れる。

バリアプルベーン９の開度が減少すると、ガスゼネター
ビン２を通過する燃焼ガスの流量が減少するため、ガス
ゼネ人口温度Ｔ７は上昇する。

逆にＴ７ＭＯＤ＞Ｔ７ＲＥＦの場合は、調節器３６の出
力■１は減少し、バリアプルベーン９の開度を増加させ
る方向に作用し、ガスゼネ入口温度Ｔ７は下降する。

ここで、バリアプルベーン開度判定器４０と加算器４６
から構成されているフィードバックループのΔ■６に対
するリミッタ機能について説明するいま、Δ■６が上限
値ΔＶＧｍａＸを越えたとすると、開度判定器４０は、
Δ■６の上限値からの超過分 （Δ■６−ΔＶｃｍａｘ
） に比例した正のフィードバック量を加算器４６に
入力する。

この結果、調節器３６の人力値が増加し、比例積分調節
された出力■□も増加するので、結局、比較器３７の出
力Δ■６は−Ｌ限値を超過した分だけ減少し、Δ■６は
上限値Δｖｃｍａ、ｘど押えられる。

ただし、厳密にいうとΔ■６は」−限値Δｖｃｍａｘを
わずかに越えた値で押さえられるが、これは、判定器４
０のゲイン、調節器３６のゲイン、積分時間によって定
まる。

っ本発明装置によると定常運転時バリアプルベーン開度
調節器とは別に、急加減速時用の不感帯付き比例調節動
作のバリアプルベーン開度調節器を設けて、両調節器の
出力を加算した結果で、バリアプルベーンの開度を変更
することにより、急加減速の大きさに比例したバリアプ
ルベーンの開度調節が行えるようになり、また、ガスゼ
ネ回転数の偏差が小さくなったときに、バリアプルベー
ンの開度なとガスタービン各部のバンチング現象を伴う
ことなく、連続的に定常運転時の制御動作に移行するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の二軸ガスタービンの制御装置を示す系統
図、第２図は同制御装置内の信号の流れを示す系統図、
第３図は急加減速時に引き起こす振動現象を示す図表、
第４図は本発明装置の要部構成を示す系統図、第５図は
本発明装置による急加減速時のバンチングを起こさない
ことを示す図表である。 １・・・・・・コンプレッサ、２・・・・・・ガスゼネ
タービン、３・・・・・・パワータービン、４・・・・
・・熱交換器、５・・・・・・燃焼器、６・・・・・・
燃料調整弁、７・・・・・・燃料調整弁駆動機構、８・
・・・・・燃料ポンプ、９・・・・・・バリアプルベー
ン、１０・・・・・・バリアプルベーン駆動機構、１１
・・・・・・・・・・・・負荷、１２・・・・・・アク
セルペダル、１３・・・・・・ガスゼネタービン目標回
転数の設定器、１４・・・・・・ガスゼネタービン回転
数検出器、１５・・・・・・パワータービン回転数検出
器、１６・・・・・・ガスゼネタービン人［」ガス温度
検出器、１乙１８・・・・・・コンバータ、１９・・・
・・・燃料バリアブルベーン制御装置、２０．２１・・
・・・・周波数−電圧変換器、２２．２５．３２．３５
．３７．３８・・・・・・比較器、２３・・・・・・ガ
スゼネ回転数ガバナ、２４・・・・・・係数器、２６・
・・・・・パワータービンのオーバースピード・プロテ
クタ、２７・・・・・・関数発生器（定常運転時燃料計
画線）、２８・・・・・・関数発生器（加速時最大燃料
線）、２９・・・・・・関数発生器（定常運転時ガスゼ
ネ人口温度計画線）、３０；・・４２、４６・・・・・
・加算器、３１・・・・・・温度プロテクタ、３３・・
・・・・Ｐ動作調整器、３４・・・・・・位相進み補償
回路、３６・・・・・・ＰＩ動作調節器、３９・・・・
・・急加減速時バリアプルベーン開度調節器、４０・・
・・・・バリアプルベーン開度判定器、４１・・・・・
・最小値選択回路、４３・・・・・・吹き消え防止燃料
流量設定器、４４・・・・・・最大値選択回路、４５・
・・・・・ガスゼネ入口温度余裕量設定器、４７・・・
・・・急加減速時バリアプルベーン開度調節器、４８・
・・・・・比例ゲイン設定器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 熱交換器付二軸ガスタービン′の制御装置にお・い
   で、勝湖１速＋１．％：のみｔ、ａ減速の大きさに比例
   ［−７でバリアプルベーンの開度を指示する信号を発生
   し７ｅ、加減速をｆＪＮ進させる回路と、定常運転時、
   ガスゼイ・タービン回転数によって定まるガスゼイ、入
   ［１温度計画値を［１標値とし、ガスゼネ人［１温度の
   測定値を制御量として、両者の偏差荀比例積分調節して
   バリアプルベーンの開度の指示信号を発生し燃費向Ｆ１
   を図る回路と、上記両回路の出力を加算し、バリアプル
   ベーンの開度を指示する信号を発生する回路と、この回
   路の出力が−」−下限の範囲内にあるか否かを判定し、
   限界値を越えたときは、上記比例積分調節してバリアプ
   ルベーンの開度の指示信号を発生する回路の比例積分調
   節器の入力部に、トｄ過分に比例したフィードバック信
   壮を送出することにより、上記両回路の出力を力目算し
   、バリアプルベーンの開度を指示する信号を発生する回
   路の出力に制限を加える回路とよりなり、急力［１減速
   時、急加減速の大きさに比例したバリアプルベーン開度
   の調節を行なっで力［１減速を促進させ、土だ、ガスゼ
   イ・回転数力劾［１減速目標に近づきガスゼイ・回転数
   の偏差が小さくなるに一つれて急加減速のためのバリア
   プルベーン開度を連続的に変化させることによって、バ
   リアプルベーンの開度が不安定動作を起こすことなく連
   続的に定常運転時の制御動作に移行できるようにした二
   軸ガスタービンの制御装置。