JPS6331653B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービン発電機用の制御装置に関
するもので、更に詳しく言えば、変動負荷条件下
で改善された周波数調整を可能にする制御装置に
関する。

蒸気タービンおよびガスタービン発電所におい
てガスタービン発電機を使用することの主たる利
点としては、負荷条件の変化に対しガスタービン
が急速に応答して電力系統の周波数を実質的に一
定に維持し得ることが挙げられる。所望の周波数
変動率（たとえば４％）を達成するためには、系
統周波数の変化に応じ、タービン制御装置が所定
のプログラムに従つてタービンへの燃料流量を変
える必要がある。しかるに残念ながら、系統周波
数の大きな変化をもたらす様な情況下では、ガス
タービンに負荷をかけ又は解除する速度が予めプ
ログラムされているので、系統周波数を所望の調
整範囲内に回復させるまでに望ましくないほど長
い時間を要することがある。

それ故、所定の偏差を越える周波数偏差に対し
てより急速に応答する改良された制御回路を提供
することが本発明の目的の一つである。

また、所望の系統周波数からの偏差の程度に応
じて２重の電力系統周波数調整を行うことも本発
明の目的の一つである。

本発明の制御回路は、簡単に言えば、ガスター
ビン発電機の速度の偏差を感知してタービンの燃
料制御装置に非線形速度制御信号を供給すること
によりタービンの速度を実質的に一定の値にまで
急速に回復するものである。本発明の一実施例に
よれば、実際のタービン速度と速度基準信号との
差を表わす差信号が制限増幅器に印加される。か
かる制限増幅器は所定の限界値を越える差信号を
制限しかつ制限された信号を差信号に加算するこ
とによつて非線形速度制御信号を発生する。その
結果、タービン速度の偏差が所定の限界値を越え
た場合にはタービンへの燃料の供給が加減される
ことになる。

以下、図面を参照しながら本発明を一層詳しく
説明しよう。

第１図はガスタービン１０を略示するもので、
その中には圧縮機１１、燃焼室１２、および発電
機１４を駆動するタービン１３が含まれている。
圧縮機入口に入つた空気が燃焼室１２内に噴射さ
れた燃料の燃焼を支持する結果、高温の排ガスが
タービン１３を通つて放出され、それによりター
ビン軸従つて発電機１４が回転する。発電機１４
によつて発生された電力は遮断器１５を介して配
電系統に接続される。

第１図にはまた、ガスタービン１０を制御する
ためのガスタービン制御装置１７も示されてい
る。ガスタービン制御装置１７の詳細について
は、米国特許第3520133号明細書を参照されたい。
簡単に言えば、制御装置１７は複数の閉ループ制
御回路たとえば温度制御回路１８、速度・負荷制
御回路１９および加速器制御回路２０を含んでい
る。また、起動時に通例見られる様々な現象（た
とえば点火速度の達成や燃焼室内の炎の検出）に
応答する起動制御回路２１も含まれる。これらの
制御回路がそれぞれに関連するパラメータに応じ
て燃料流量信号を発生すると、低値ゲート２５が
最小の燃料流量信号を選択して燃料制御装置３０
に送る。第１図に示される通り、ガスタービン制
御装置１７は速度感知器３２を含んでいる。これ
はタービン軸の速度を感知し、そしてタービン速
度に正比例する大きさを持つた電気信号を発生す
る。かかるタービン速度信号は、図示のごとく、
速度・負荷制御回路１９、加速器制御回路２０お
よび起動制御回路２１への入力として供給され
る。他方、温度制御回路１８には高温の排ガスを
導く排気管３５からの入力が供給される。

制御回路１８〜２１の各々から得られる出力信
号特性は第１図に例示されている通りである。前
述のごとく、低値ゲート２５が最小の燃料流量信
号を選択して燃料制御装置３０に送る。なお、本
発明の主旨はタービンへの燃料流量の制御によつ
て周波数調整を行うことにあるから、タービンの
起動方法や様々な制御ループ間の相互関係につい
てこれ以上述べることはしない。

次に第２図を見ると、速度・負荷制御回路１９
の一実施例が示されている。速度感知器３２から
の速度信号が、演算増幅器４２の入力端子に接続
された入力インピーダンス４１に印加される。同
様に、たとえば外部操作つまみによつて設定され
るような同期速度（すなわち100％速度）を表わ
す電圧V_Rが、演算増幅器４２の同じ入力端子に
接続された第２の入力インピーダンス４３に印加
される。演算増幅器４２の順方向利得は調整可能
であつて、これは帰還インピーダンス４４と入力
インピーダンス４１および４３との比によつて決
定される。演算増幅器４２は比較器として役立つ
わけで、２つの入力信号間の差に比例する大きさ
および方向を持つた出力信号を発生する。以下の
詳細な説明から明らかとなる通り、演算増幅器４
２およびそれに続く演算増幅器４５（所望の利得
に応じて必要な場合も必要でない場合もある）の
総合利得が制御装置の利得を決定し、従つてガス
タービンの垂下特性（すなわちタービン速度が負
荷の増大に伴つて低下する傾向）を規定すること
になる。実際には、演算増幅器４２および４５の
総合利得はたとえば約12に設定すればよい。

演算増幅器４５の出力端子は、後述のごとくに
リミツタとして働く演算増幅器４６の入力端子に
インピーダンス５０を介して接続され、また加算
機能を果す演算増幅器４７の入力端子にインピー
ダンス５８を介して接続されている。演算増幅器
４６は、入力インピーダンス５０および帰還イン
ピーダンス５１に加えて、１対のダイオード５
２、５３およびそれらに対応するバイアス要素５
４，５５を有している。バイアス素子５４，５５
と組合わされたダイオード５２，５３の機能は、
演算増幅器４６からの出力電圧の大きさをバイア
ス素子５４，５５によつて設定された値に制限す
ることである。図示の場合について言えば、演算
増幅器４６の利得はインピーダンス５０および５
１の調整によつて１に設定されている。その結
果、ダイオード５２，５３およびバイアス素子５
４，５５によつて決定された限界値を越えない限
り、演算増幅器４６の出力は実質的に入力の一次
関数となる。上記の限界値を越えると、演算増幅
器４６の出力は一定値に保たれる。

更に第２図に示される通り、演算増幅器４６の
出力端子は演算増幅器４７の入力インピーダンス
６０に接続されている。演算増幅器４７の利得は
帰還インピーダンス６１と入力インピーダンス６
０との比によつて決定される。帰還インピーダン
ス６１の両端には、装置の動作を安定にするため
所望の信号減衰が得られるように設定された時定
数を有する抵抗器−コンデンサ回路網６２が接続
されている。

演算増幅器４７の出力端子はインピーダンス６
６を介して演算増幅器６５の入力端子に接続され
ている。同じ入力端子には、同期速度基準信号
V_Rがインピーダンス６７を介して接続され、ま
た速度感知器３２からの速度信号がインピーダン
ス６８を介して接続されている。同じ入力端子に
はまた、所望の設定速度を表わす速度負荷設定値
信号がインピーダンス６９を介して接続されてい
る。なお、設定値信号についての詳しい説明は前
述の米国特許第3520133号明細書中に見出すこと
ができる。

第３図は、速度・負荷制御回路１９からの出力
電圧特性をタービン軸の速度変化の関数として例
示するものである。たとえば定格速度の99.5〜
100.5％の間では、出力電圧特性は第１の勾配を
持つた電圧信号によつて表わされる。しかるに、
タービン速度がそれらの値の範囲外になると、出
力電圧Ｖは実質的に大きな速度で増大し、従つて
勾配は大きくなる。このような非線形電圧を（第
１図に示されるような）燃料制御装置３０に印加
すれば、所望のタービン速度からのずれに応じて
燃料の供給を加減することができる。第３図に示
されたような非線形電圧特性は、発電機負荷の急
速な変化を補正するためタービン速度を急速に変
化させる場合や系統周波数の変化に応答してター
ビン出力を急速に変化させる場合に特に望ましい
ものである。たとえば、負荷の変化が軽微である
場合（すなわちタービン速度の変化が所定の限界
値より小さい場合）には、燃料制御用の出力電圧
Ｖは遅い速度で変化してタービン速度の変化を補
償する。しかるに、所定の限界値より大きいター
ビン速度の変化が感知された場合には、燃料制御
用の出力電圧Ｖの変化速度は実質的に増大し、従
つてタービン速度の大きな偏差はより急速に補正
されることになる。

第４図は、上記の制御回路が典型的に電力系統
の周波数調整に対してもたらす効果を示すもので
ある。ガスタービンに対する負荷率を50％としか
つ変動率すなわち垂下特性を４％とすれば、本発
明の２重調整を行わない場合、タービン速度が同
期速度の98〜102％の範囲内で変動した時には４
％変動率曲線に従つて補正が行われる。しかるに
本発明装置によれば、たとえば0.5％までの周波
数変化は４％変動率曲線に従つて補正されるのに
対し、0.5％を越える周波数変化は１％変動率曲
線に従つて補正される。それ故、従来のごとく線
形特性を有する制御装置を使用した場合に比べ、
本発明装置を使用した場合にはタービン速度の大
きな偏差がより急速に補正されることが容易に理
解できよう。

当業者にとつては自明の通り、変動率が４％か
ら１％に切換わる転移点は演算増幅器４６の限界
値によつて決定される。同様に、４％および１％
変動率曲線の勾配は速度・負荷制御回路の順方向
利得によつて決定される。言うまでもなく、利得
が高くなるほど出力電圧Ｖの勾配は大きくなり、
従つてガスタービンへの燃料流量の変化も大きく
なる。

以上を要約すれば、負荷条件の変動によつて引
起こされた周波数の変化に対するガスタービンの
応答を実質的に改善する速度・負荷制御回路が本
発明によつて提供されるわけである。

【図面の簡単な説明】

第１図は単一のガスタービン発電機に適用され
た制御装置の機能を示す略図、第２図は第１図の
制御装置の速度制御部分の回路図、第３図は典型
的な非線形燃料制御信号特性を示すグラフ、そし
て第４図は系統周波数の変化をタービン負荷率の
関数として示すグラフである。 図中、１０はガスタービン、１１は圧縮機、１
２は燃焼室、１３はタービン、１４は発電機、１
７はガスタービン制御装置、１９は速度・負荷制
御回路、３０は燃料制御装置、３２は速度感知
器、４２は演算増幅器（比較器）、４５は演算増
幅器、４６は演算増幅器（リミツタ）、４７は演
算増幅器、６５は演算増幅器を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電気的な燃料指令信号に従つてタービンへの
   燃料流量を制御する手段を備えたタービン発電機
   制御装置において、同期速度に比例した基準信号
   と実際のタービン速度に比例した信号との差に比
   例する差信号を求める手段４２、前記差信号が所
   定の限界値以下である場合には前記差信号に比例
   する出力信号を発生しかつ前記差信号が前記限界
   値を越える場合には大きさの制限された信号を発
   生するリミツタ手段４６、前記差信号と前記リミ
   ツタ手段からの出力信号を加算する第１の加算増
   幅器手段４７、および前記第１の加算増幅器の出
   力と実際のタービン速度に比例した前記信号とを
   加算して前記指令信号を発生する第２の加算増幅
   器６５で構成され、もつて前記指令信号により、
   前記出力信号が前記所定の限界値を越える場合に
   は前記出力信号が前記限界値以下である場合より
   も早い速度で燃料を供給できるようにした非線形
   垂下制御回路。 ２ 前記指令信号により、前記所定の限界値以下
   である場合には、前記ガスタービン発電機の無負
   荷状態と全負荷状態との間における速度の変化が
   ４％となるように設定された流量で燃料が供給さ
   れるようにした、特許請求の範囲第１項記載の非
   線形垂下制御回路。 ３ 前記指令信号により、前記所定の限界値を越
   える場合には、前記ガスタービン発電機の無負荷
   状態と全負荷状態との間における速度の変化が１
   ％となるように設定された流量で燃料が供給され
   るようにした、特許請求の範囲第１項記載の非線
   形垂下制御回路。 ４ 差信号を求める前記手段が前記基準信号およ
   び実際のタービン速度に比例した前記信号を入力
   とする演算増幅器から成る、特許請求の範囲第１
   項記載の非線形垂下制御回路。 ５ タービン発電機の速度の偏差を感知して前記
   タービンに非線形燃料制御信号を供給することに
   より前記タービンの速度を調整するための制御回
   路であつて、前記タービン発電機の速度に比例し
   た信号と基準信号との差に比例する大きさおよび
   方向を持つた出力差信号を発生する比較器手段４
   ２、前記出力差信号に応答して、前記出力差信号
   が所定の限界値以下である場合には前記出力差信
   号に比例する増幅器出力信号を発生しかつ前記出
   力差信号が前記所定の限界値を越える場合には制
   限された大きさの信号を発生する増幅器手段４
   ６、並びに前記出力差信号、前記増幅器出力信
   号、および速度に比例した前記信号を加算して前
   記燃料制御信号を発生する手段４７，６５から構
   成され、前記燃料制御信号が、前記所定の限界値
   以下の速度偏差の場合には実質的に一定の第１の
   勾配を有しかつ前記所定の限界値を越える速度偏
   差の場合には前記燃料制御信号が前記第１の勾配
   より実質的に大きい第２の勾配を有することを特
   徴とする制御回路。 ６ 前記増幅器手段が前記所定の限界値を設定す
   るための手段を包含する、特許請求の範囲第５項
   記載の制御回路。 ７ 前記所定の限界値が同期速度からおよそ±５
   ％の速度偏差に相当する、特許請求の範囲第６項
   記載の制御回路。 ８ 前記燃料制御信号を発生する前記手段が、前
   記出力差信号と前記増幅器出力信号とを加算する
   第１の加算手段および前記第１の加算手段の出力
   と速度に比例した前記信号とを加算して前記燃料
   制御信号を発生する第２の加算手段を包含する、
   特許請求の範囲第５項記載の制御回路。 ９ 前記第１の勾配を有する前記燃料制御信号
   は、前記所定の限界値以下のタービン速度偏差に
   対し前記タービンが第１の周波数変動率を呈すよ
   うにする、特許請求の範囲第５項記載の制御回
   路。 １０ 前記第２の勾配を有する前記燃料制御信号
   は、前記タービンが前記第１の周波数変動率より
   小さい第２の周波数変動率を呈するようにする、
   特許請求の範囲第９項記載の制御回路。