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JP3684208B2 - ガスタービン制御装置 - Google Patents

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JP3684208B2
JP3684208B2 JP2002144099A JP2002144099A JP3684208B2 JP 3684208 B2 JP3684208 B2 JP 3684208B2 JP 2002144099 A JP2002144099 A JP 2002144099A JP 2002144099 A JP2002144099 A JP 2002144099A JP 3684208 B2 JP3684208 B2 JP 3684208B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、系統周波数が負荷の脱落や発電機の緊急な停止により通常の運転周波数から短時間で増加や減少した場合に発生するガスタービンの不安定な運転状態を避けて、火力発電所の主要な電源であるガスタービンの不安定な運転から最悪の停止を防止して電力系統の過渡時周波数安定化に寄与するガスタービン制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、ガスタービン発電プラントは、燃料と圧縮空気とを燃焼器に供給し、燃焼器で燃焼したガスをガスタービンに供給してガスタービンを駆動するようにしたものである。図36に、ガスタービン発電プラントの構成図を示す。
【0003】
ガスタービン100は空気圧縮機2と燃焼器4とタービン7とから構成される。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、その圧縮空気は空気流路3を通って燃焼器4に入り燃料の燃焼用空気として使用される。一方、燃料制御弁5を介して供給された燃料は、燃料バーナー6から燃焼器4に入り、ここで燃焼して高温高圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはタービン7に入り、ガスタービン軸8を回転させ、同軸に結合されている発電機9を回転させて発電機出力を得る。タービン7から排出された排ガスは、煙突に抜けていくか、あるいはコンバインドサイクル発電プラントの場合は、排熱回収ボイラの熱源として使用された後、同様に煙突に抜けていく。
【0004】
ガスタービン制御装置10は、軸端歯車11に近接して取り付けられた速度検出器12から得たガスタービン速度N、空気圧縮機2の入口部に設けられた入口空気圧力検出器103から得た圧縮機入口空気圧力PX1、空気圧縮機2の出口に設けられた吐出空気圧力検出器13から得た圧縮機吐出空気圧力PX2、タービン出口に設けられた排ガス温度検出器14から得た排ガス温度TX4及び発電機出力検出器15から得た発電機出力MW等に基づいて、燃料制御信号FREFを燃料制御弁5に与えて燃料流量を調節している。
【0005】
図37に、ガスタービン制御装置10のブロック図の一例を示す。ガスタービン制御装置10は、ガスタービン100の速度とガスタービン100に連結された発電機9の負荷を制御するための速度負荷制御部16と、ガスタービン100の燃焼ガス温度を所定上限値に制御するための燃焼ガス温度制御部18と、速度負荷制御部16からの速度負荷制御信号FNと燃焼ガス温度制御部18からの排ガス温度制御信号FTとのうち小さい方を選択し燃料制御信号として出力する燃料制御信号選択部17とを備えている。本図に示す燃焼ガス温度制御部18は燃焼ガス温度を直接制御せず、タービン7から排出される排ガス温度TX4を制御することにより、間接的に燃焼ガス温度を制御している。
【0006】
ガスタービン100の起動は、図示を省略している起動制御部にて燃料流量を調節して定格回転数まで昇速される。この時点では燃料流量が少ないので、燃焼ガス温度は低い。したがって、速度負荷制御部16からの速度負荷制御信号FNは燃焼ガス温度制御部18からの排ガス温度制御信号FTより小さいので、燃料制御信号選択部17では速度負荷制御信号FNが燃料制御信号FREFとして選択されている。つまり、起動制御部にて定格回転数まで昇速されたガスタービンは、速度負荷制御部16にて定格回転数で保持されることになる。
【0007】
速度負荷制御部16は、ガスタービン100に連結された発電機8が無負荷であるときにはガスタービン100を定格回転数に維持し、電力系統に並入されたときは発電機9が負荷設定器24に設定された設定値を出力するように制御するものである。すなわち、速度設定器19には初期値として定格回転数が設定されており、ガスタービン100の回転数Nとの速度偏差NEが減算器20で演算される。その速度偏差NEは比例制御器21で比例演算され、信号発生器22からの無負荷定格速度バイアス信号が加算されて速度負荷制御信号FNとして出力される。無負荷定格速度バイアス信号は、無負荷状態のガスタービン100や発電機9を定格回転数に維持するために必要な燃料流量に相当する信号である。
【0008】
この状態で、発電機9が電力系統に並入されると、発電機9は系統周波数と同期して回転することになり負荷運転となる。負荷運転状態では、発電機出力MWと負荷設定器24の負荷設定値との発電機出力偏差MWEが減算器25で演算され、発電機出力偏差MWEが負であるときは、比較器26がスイッチ27をオンし、発電機出力偏差MWEが正であるときは、比較器29がスイッチ30をオンする。
【0009】
つまり、発電機出力偏差MWEが負であるときは、信号発生器28に設定された正の値が速度設定器19に入力される。速度設定器19は積分特性を持っており、その正の値に対応した変化率で速度設定器19の設定値を増加させ、発電機出力偏差MWEが零になるように速度負荷制御信号FNを変化させる。同様に、発電機出力偏差MWEが正であるときは、信号発生器31に設定された負の値に対応した変化率で速度設定器19の設定値を減少させ、発電機出力偏差MWEが零になるように速度負荷制御信号FNを変化させる。
【0010】
発電機9が電力系統に並入され、負荷を徐々に取り始める状態では発電機出力偏差MWEが負である状態であるので、比較器26がスイッチ27をオンし、信号発生器28に設定された正の値に対応した変化率で速度設定器19の設定値を増加させている状態である。これによって、発電機出力MWが徐々に増加していく。そうすると、排ガス温度TX4が徐々に上昇していくので、燃焼ガス温度制御部18からの排ガス温度制御信号FTが徐々に小さくなっていく。
【0011】
燃料流量が増加していくにつれ、排ガス温度TX4が上昇し、排ガス温度偏差TEが徐々に減少する。やがて、排ガス温度TX4が所定上限値TXR4に達すると、排ガス温度偏差TEは零となる。また、排ガス温度TX4がこの所定上限値TXR4を越えると、排ガス温度偏差TEは負となり、警報を発生したり、ガスタービン100をトリップさせたりする。排ガス温度制御信号FTが減少することにより、排ガス温度制御信号FTの値の方が速度負荷制御信号FNの値よりも低くなって、燃料制御信号選択部17では速度負荷制御信号FNに代わって排ガス温度制御信号FTが燃料制御信号FREFとなって燃料流量を調節してガスタービン100の排ガス温度TX4を所定上限値TXR4に一致するように制御する。
【0012】
燃焼ガス温度制御部18は、関数発生器32で空気圧縮機の圧力比PX2/PX1の関数として定まる所定の上限値TXR4を算出し、タービン7の排ガス温度TX4が上限値TXR4となるように制御する。
【0013】
図37に示すガスタービン制御装置10を用いたガスタービン100の状態量の変化を図38、図39、図40に示す。図38に示すように、発電機出力MWが増加するにつれ、燃料流量GFXは発電機出力MWに比例して増加する。発電機出力MWが時点t1に達するまでは、入口案内翼制御部により入口案内翼1の角度を一定に保つことにより圧縮機空気流量GAXを一定に保ち、発電機出力MWが時点t1から時点t3に増加するにつれて、入口案内翼制御部により入口案内翼1の角度を次第に大きくすることにより、空気圧縮機の空気流量GAXを図示のように増加させる。発電機出力MWが増加するにつれて、空気圧縮機の圧力比PX2/PX1は図示のように次第に増加する。
【0014】
図39に示すように、発電機出力MWが増加するにつれて、燃焼ガス温度TX3が増加し、発電機出力MWが時点t2に達した時点で燃焼ガス温度TX3は上限値TXR3まで上昇する。発電機出力MWが時点t1に達するまで圧縮機空気流量GAXを一定に保つ理由は、燃焼ガス温度TX3をなるべく早く上昇させ、ガスタービンの熱効率を高めるためである。発電機出力が時点t2から時点t3に増加しても燃焼ガス温度TX3は上限値TXR3以下に保たれる。発電機出力MWが増加するにつれて排ガス温度TX4も増加し、発電機出力MWが時点t1に達した時点で排ガス温度TX4は上限値TXR4まで上昇する。発電機出力MWが時点t1から時点t2に増加しても、入口案内翼制御部により入口案内翼1の角度を増大させ圧縮機空気流量GAXを増加させる効果と、燃焼ガス温度制御部の燃料制御とにより、排ガス温度TX4は上限値TXR4に保たれる。発電機出力MWが時点t2から時点t3に増加する間、燃焼ガス温度TX3を一定に保つと、排ガス温度TX4は図示のように直線的に減少する。
【0015】
図40に関数発生器32の特性を示す。空気圧縮機の入口空気圧力PX1と吐出空気圧力PX2とから圧力比PX2/PX1を算出し、圧力比PX2/PX1の関数として図中に実線で示す排ガス温度上限値TXR4を発生する。燃焼ガス温度制御部で排ガス温度TX4を上限値TXR4以下に制御することは、図39に示すように、燃焼ガス温度TX3を所定の上限値TXR3以下に保つことと等価である。図40の点線は排ガス温度の警報値あるいはガスタービン100のトリップ値を示している。
【0016】
燃焼ガス上限値TXR3の決定法について、図41を用いて説明する。図41に、燃焼ガス温度TX3とガスタービンを構成する高温部品に使用される材料の長時間クリープ強度との関係を示す。高温部品の温度は燃焼ガス温度に比例して増減するので、この比例定数をCとして図中に示している。燃焼ガス温度が増加するにつれて材料の長時間クリープ強度が低下する。高温部品の破損を防ぐには、材料のクリープ強度が高温部品に発生する最大応力以下とならないように燃焼ガス温度を制限する必要がある。
【0017】
図41では一例として、10万時間クリープ強度を限界強度とした場合の限界温度をTXR3で示している。このTXR3を燃焼ガス上限温度として採用すれば、ガスタービンの高温部品を10万時間交換せずに使用することができる。排ガス温度の上限値TXR4は、図38と図39に示すTXR3とTXR4及びPX2/PX1の関係から定めることができる。このように、従来のガスタービン制御装置では、ガスタービンの高温部品を長時間交換しないで使用できる燃焼ガス温度範囲でガスタービンを運転できるようにしている。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来のガスタービン制御装置10では、電力系統に周波数変動があると、速度負荷制御部16は比例制御器21の高い比例ゲインを介して、系統周波数を回復させる方向に大きく応動するので、燃料流量が大きく変動し、ガスタービン100の排ガス温度TX4が大きく変動することがある。
【0019】
特に、ガスタービン排ガス温度TX4が所定上限値TXR4の近傍で運転されている場合に、系統周波数が変動すると、速度負荷制御部16の動作はガスタービン燃料・空気制御・燃焼ガス温度制御に大きな外乱を与える。たとえば、系統周波数が上昇した場合には、ガスタービン速度Nも上昇する。速度負荷制御部16は、これを修正する方向に動作するので、速度負荷制御信号FNはその直前の値から減少し、速度負荷制御信号FNの方が排ガス温度制御信号FTよりも低くなって、燃料制御信号選択部17では速度負荷制御信号FNが選択され、燃料流量が絞られる。これにより、燃料流量が減少し、それに伴いガスタービン100の排ガス温度TX4が数秒の遅れをもって低下する。
【0020】
この状態で、系統周波数が急に回復すると、ガスタービン速度Nも定格回転数まで急に低下する。この場合のガスタービン速度Nの検出遅れは無視できるほど小さいので、速度負荷制御信号FNは急上昇することになる。燃料制御信号選択部17は、この状態では速度負荷制御信号FNを燃料制御信号FREFとして選択しているので、速度負荷制御信号FNの変化は燃料流量の変化となり、燃料流量は急増する。これは、ガスタービン速度Nの検出遅れは無視できるほど小さいのに対し、ガスタービン100の排ガス温度TX4の検出遅れは数秒あることから、燃料流量の急増に応じた排ガス温度TX4の上昇が遅れるためである。
【0021】
したがって、燃料流量の急増により、排ガス温度TX4が所定上限値TXR4に到達した時点ではすでに過剰な燃料流量が投入されていることになる。また、その時点で、燃料制御信号選択部17は燃料制御信号FREFとして速度負荷制御信号FNから排ガス温度制御信号FTに切り替えて、燃料流量を減少させることになるが、既に、過剰に燃料流量が投入されているので、排ガス温度TX4は上昇を続けることになる。
【0022】
ガスタービン効率運用上の理由から、ガスタービン100の燃焼ガス温度TX3を極力高い温度で運転するため、所定上限値TXR4と排ガス温度TX4の警報値やガスタービンのトリップ値は近接しているので、このような場合には更なる温度上昇がガスタービントリップにつながるという不都合が発生することもある。また、逆に、ガスタービン100の排ガス温度TX4が所定上限値TXR4より若干低い温度であって、燃料制御信号FREFとして速度負荷制御信号FNが選択されている状態で発電機出力MWを制御しているときに、系統周波数が急に下降した場合においても、速度負荷制御信号FNが急上昇するので、前述の場合と同様な不都合が発生する。
【0023】
1996年にマレーシアで起きた大規模停電事故では、基幹系送電連係線のトリップに端を発しコンバインドサイクルならびにガスタービン発電機が連鎖的に脱落している。プラントが高負荷運転時に系統周波数の低下に対して不安定となったことを示している。また、高負荷時には入口空気案内翼の限界から増加させる空気流量は小さい。一方、ガスタービン排ガス温度が上昇し、限界を超えるとプラントがトリップするために燃料も増加させることが出来ない。
【0024】
取り入れる空気の流量は、ガスタービンの回転速度の関数であり、系統周波数が低下すると空気の流量も減少する。そのために、ガスタービン排ガス温度の制限から燃料の増加に制限がある。系統周波数が低下するほどコンバインドサイクルプラントの出力も減少し、系統周波数がますます低下することになり大規模停電が発生することになる(電気学会論文誌「周波数低下時のコンバインドサイクルプラントの動特性」T.IEE Japan、Vol.122−B、No3.2002)、電気学会2002年度全国大会「コンバインドサイクルプラントを含む電力系統の動特性」、論文番号6−070)。
【0025】
ここで、電力系統と並列運転中の発電機が脱落するか、揚水機や誘導電動機のような負荷が起動すると系統周波数が低下する。これとは逆に、負荷が急に脱落した場合には系統周波数は上昇する。コンバインドサイクルがトリップするような大幅な系統周波数変動時には、系統の負荷遮断や運転中の発電機の出力を調整して系統周波数の安定化を図るように制御する。発電機の出力を減少させるような応答は非常に早いが、出力を増加させる為には排熱回収ボイラの出力を増加させる必要がありプラントの特性に依存して数十秒程度かかる。従って、ガスタービンはこの時間運転を継続し、できる限り大きな出力で運転できるような機能を持たせることが必要である。
【0026】
本発明の目的は、ガスタービン高温部品の材料強度を高温部品の最大応力以下とすることなく、系統周波数が過渡的に変動する場合に系統周波数の安定化に寄与できるガスタービン制御装置を得ることである。
【0027】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前 記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器とを備え、前記系統異常検出器が動作したときは前記速度負荷制御信号が前記燃料制御信号選択部で選択されるようになし、前記速度負荷制御信号により燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにしたことを特徴とする。
【0028】
請求項1の発明では系統周波数変動が生じた場合、系統異常検出器からの指令に従い、燃焼ガス温度制御部の燃焼ガス温度制御信号が速度負荷制御の速度負荷制御信号より所定量だけ高くなるようにすることにより燃焼ガス温度制御部の動作を停止させて速度負荷制御信号を優先選択するようにしたので、系統周波数変動に対して燃焼ガス温度制限を受けることなく速度負荷制御は系統周波数変動に応動しながら系統周波数の回復を図ることができる。系統周波数が回復すると通常運転における制御回路に復旧して燃焼ガス温度制御が使用可能となるようにした。
【0029】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記速度負荷制御信号が前記燃料制御信号選択部で選択されるようになし、前記速度負荷制御信号により燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにするとともに、前記所定時間が経過した後は前記排ガス温度制御信号が前記燃料制御信号選択部で燃料制御信号として選択されて前記排ガス温度が前記制限値を超えないように燃料制御弁を制御できるようにしたことを特徴とする。
【0030】
請求項2の発明では系統周波数変動が生じたとき、系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ上記請求項1で記載したようにして燃焼ガス温度制御部の動作を停止するようにしたので、この所定時間の間に系統周波数の回復を図り、所定時間経過後に通常運転における制御回路に復旧して燃焼ガス温度制御が使用可能となるようにした。
【0031】
請求項3の発明は、入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器とを備え、前記燃焼ガス温度制御部は、前記燃焼器の排ガス温度の制限値として常用制限値と常用制限値より温度の高い非常用制限値とを有し、前記系統異常検出器が不動作のときは前記燃焼器の排ガス温度が常用制限値を超えないように前記燃料制御信号選択部にて排ガス温度制御信号を燃料制御信号として選択して燃料制御弁を制御し、前記系統異常検出器が動作したときは前記燃焼器の排ガス温度が非常用 制限値を超えないように前記燃料制御信号選択部にて排ガス温度制御信号を燃料制御信号として選択して燃料制御弁を制御するようにして、前記系統異常検出器が動作したときには不動作のときよりも燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにしたことを特徴とする。
【0032】
請求項3の発明では系統周波数変動が生じた場合、系統異常検出器からの指令に従い常用燃焼ガス温度制御から非常用燃焼ガス温度制御に切り替え、制限値をより高い燃焼ガス温度に設定したので、できる限り排ガス温度制限にかからないようにしながらガスタービン出力制御(速度負荷制御)で極力系統周波数の安定化を図るようにした。
【0033】
請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記燃焼器の排ガス温度の常用制限値及び非常用制限値は前記空気圧縮機の圧力比の関数として設定されることを特徴とする。
【0034】
請求項4の発明では燃焼ガス温度を直接検出せず排ガス温度を検出することで、常用燃焼ガス温度制御及び非常用燃焼ガス温度制御における温度検出の信頼性を高めた。
【0035】
請求項5の発明は、請求項3の発明において、燃焼ガス温度制御部は、前記燃焼器の排ガス温度に代えて前記燃焼器の燃焼ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための燃焼ガス温度制御信号を出力し、前記燃料制御信号選択部は前記速度負荷制御信号と前記燃焼ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力し、前記燃焼ガス温度制御部は、前記燃焼器の燃焼ガス温度の制限値として常用制限値と常用制限値より温度の高い非常用制限値とを有し、前記系統異常検出器が系統周波数の異常を検出しないとき前記燃焼器の燃焼ガス温度が常用制限値を超えないように前記燃料制御信号選択部にて燃焼ガス温度制御信号を燃料制御信号として選択して燃料制御弁を制御するようにして、前記系統異常検出器が動作したときには不動作のときよりも燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにしたことを特徴とする。
【0036】
請求項5の発明では燃焼ガス温度を直接検出することで、常用燃焼ガス温度制御及び非常用燃焼ガス温度制御における制御応答性を高めた。
【0037】
請求項6の発明は、請求項3の発明において、前記燃焼器の燃焼ガス温度は燃焼ガス温度検出器で検出された燃焼ガス温度、または、前記空気圧縮機の空気流量と前記空気圧縮機の吐出空気温度と燃料流量とから算出された燃焼ガス温度を用いることを特徴とする。
【0038】
請求項6の発明では燃焼ガス温度を直接検出せずに検出した圧縮機空気流量と圧縮機吐出空気温度と燃料流量とから燃焼ガス温度を算出することにより、常用燃焼ガス温度制御と非常用燃焼ガス温度制御における温度検出の信頼性を高めると共に制御応答性を高めた。
【0039】
請求項7の発明は、請求項5または請求項6の発明において、前記燃焼ガス温度の常用制限値は、前記ガスタービンを長時間運転した場合の燃料コストと高温部品交換コストの和が最少となるような燃焼ガス温度とすることを特徴とする。
【0040】
請求項7の発明では常用燃焼ガス温度制御の常用制限値をガスタービンの燃料コストと高温部品交換コストの和が最小となる条件から定めることにより、最も経済的な条件でガスタービンを長時間運転できるようにした。
【0041】
請求項8の発明は、請求項5または請求項6の発明において、前記ガスタービンを構成する高温部品に使用されている材料の短時間許容クリープ強度から定まる燃焼ガスの上限 温度をTa、前記高温部品材料の許容耐力から定まる燃焼ガスの上限温度をTb、前記高温部品を被服する遮熱コーティグの許容上限温度に相当する燃焼ガス温度をTc、前記空気圧縮機のサージ限界から定まる上限の燃焼ガス温度をTdとするとき、Ta、Tb、Tc、Tdのいずれかもしくはそれらのうちの最小値とすることを特徴とする。
【0042】
請求項8の発明では非常用燃焼ガス温度制御の非常用制限値を高温部品材料の短時間強度から定まる上限燃焼ガス温度と空気圧縮機のサージ限界から定まる上限燃焼ガス温度を考慮して定めることにより、高温部品の健全性と空気圧縮機の安定性を保った上で系統周波数の安定化を図るようにした。
【0043】
請求項9の発明は、請求項3乃至請求項8のいずれか1項の発明において、前記燃焼ガス温度制御部は、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記非常用制限値に基づき燃料制御弁を制御し燃料流量を増加させることにとにより系統周波数を回復させるようにするとともに、前記所定時間が経過した後は前記常用制限値に基づき燃料制御弁を制御するようにしたことを特徴とする。
【0044】
請求項9の発明では系統周波数変動が生じたとき、タイマーを設けて系統周波数が回復すると期待される時間だけ非常用燃焼ガス温度制御に切り替えるようにしたので、この所定時間の間に系統周波数の回復を図り、所定時間経過後に通常運転における制御回路に復旧して常用燃焼ガス温度制御が使用可能となるようにした。
【0045】
請求項10の発明は、入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器と、前記入口案内翼の角度の制限値として常用制限値と常用制限値よりも前記空気圧縮機に大きな空気流量を供給できる非常用制限値とを有して前記入口案内翼の角度を制御する入口案内翼制御部とを備え、前記系統異常検出器が動作したときは常用制限値から非常用制限値に切り替えるようにして、前記系統異常検出器が動作したときには不動作のときよりも前記空気圧縮機の空気流量を増加させて排ガス温度の上昇を抑制し燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにしたことを特徴とする。
【0046】
請求項10の発明では系統周波数変動が生じた場合、系統異常検出器からの指令に従い常用入口案内翼制御から非常用入口案内翼制御に切り替え、入口案内翼の上限角度をより高い値に変更してガスタービンの出力を増加させ、ガスタービン出力制御(速度負荷制御)で系統周波数の安定化を図るようにした。
【0047】
請求項11の発明は、請求項10の発明において、前記入口案内翼の角度の常用制限値は、前記空気圧縮機の圧縮機効率が最大となる条件より定め、前記入口案内翼の角度の非常用制限値は、前記空気圧縮機の空気流量が最大となる条件より定めたことを特徴とする。
【0048】
請求項11の発明では、常用入口案内翼制御で制御する入口案内翼の上限角度を圧縮機効率が最大となる条件より定めることにより最も経済的な条件でガスタービンを長時間運転できるようにし、非常用入口案内翼制御で制御される入口案内翼の上限角度を空気圧縮機の空気流量が最大となる条件より定めることによりガスタービンの出力を増加させガスタービン出力制御(速度負荷制御)で系統周波数の安定化を図るようにした。
【0049】
請求項12の発明は、請求項10の発明において、前記入口案内翼制御部は、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記非常用制限値に基づき前記入口案内翼を制御し前記空気圧縮機の空気流量を増加させて排ガス温度の上昇を抑制し燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるとともに、前記所定時間が経過した後は前記常用制限値に基づき前記入口案内翼を制御するようにしたことを特徴とする。
【0050】
請求項12の発明では系統周波数変動が生じたとき、系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ非常用入口案内翼制御に切り替えるようにしたので、この所定時間の間に系統周波数の回復を図り、所定時間経過後に通常運転における制御回路に復旧して常用入口案内翼制御が使用可能となるようにした。
【0051】
請求項13の発明は、入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器と、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記速度負荷制御信号の変化率を制限した信号を前記燃料制御信号選択部に出力する変化率制限器とを備え、燃料流量の急変を抑制するようにしてガス温度高トリップあるいは燃焼器火炎喪失トリップを防止することを特徴とする。
【0052】
請求項13の発明では系統周波数変動が生じた場合、速度負荷制御に設けた変化率制限器により系統周波数が安定するまでの時間の間は、系統周波数に応動して変動する速度負荷制御信号の変化率を制限する。その結果燃料流量変化、燃焼ガス温度変化及び排ガス温度変化の突変、行き過ぎを抑制することができるのでガス温度高トリップや失火(燃焼器火炎喪失)トリップのような状況に陥ることを防止することができる。
【0053】
請求項14の発明は、入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス 温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器と、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記燃料制御信号の変化率を制限する変化率制限器とを備え、燃料流量の急変を抑制するようにして燃焼器火炎喪失トリップを防止するようにしたことを特徴とする。
【0054】
請求項14の発明では系統周波数が上昇した場合、燃料制御指令が急速に絞り込まれて失火することがないように、速度負荷制御あるいは燃料制御指令に設けた変化率制限器により、燃料制御指令信号の変化率を制限するようにした。系統周波数が上昇すると空気圧縮機吐出空気圧力すなわち燃焼器内圧が高くなるので燃焼器への燃料の供給が抑えられる。それに燃料急減が重なって失火に至ることを防止する。
【0055】
請求項15の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記系統異常検出器は、ガスタービン排ガス温度が系統周波数に対応づけて定められたガスタービン排ガス温度制限値を超えた場合に動作するようにしたことを特徴とする。
【0056】
請求項15の発明では系統周波数に応じて通常運転されるべきガスタービンの排ガス温度または燃焼ガス温度及び短時間運転許容排ガス温度または燃焼ガス温度を設定し、排ガス温度TX4または燃焼ガス温度と設定された制限値が比較される。ここでは排ガス温度の場合を例として説明する。燃焼ガス温度の場合についても、排ガス温度を燃焼ガス温度に置き換えれば同様に実施できる。排ガス温度TX4が通常運転排ガス温度制限値を越えたときには、同じ系統につながっている他プラントへ発電機出力増加指令を出すとともに、系統周波数異常としてガスタービン制御装置の燃焼ガス温度制御を停止する指令として作用させる。つまり系統周波数が下がったことに応じて速度負荷制御が燃料を増加し発電機出力を増加させる動作を優先させて、排ガス温度TX4の値の増加に伴い燃料流量を制限しようとする燃焼ガス温度制御を停止させるようにし系統周波数の回復を図る。排ガス温度TX4が更に高くなり短時間運転許容排ガス温度制限値を越えて所定時間経過したときにはガスタービン保護のために燃焼ガス温度制御停止を解除して燃焼ガス温度制御を生かすように作用させる。また系統周波数が所定周波数以上で系統周波数の変化率が所定変化率以上となって系統周波数が復旧したと見なしうる状態が検出されたときにも燃焼ガス温度制御停止を解除して燃焼ガス温度制御を生かすように作用させる。
【0057】
請求項16の発明は、請求項1乃至請求項14項のいずれか1項の発明において、前記系統異常検出器は、前記発電機の電圧低下または前記発電機の電流の急激な増加を検出したときには、系統周波数異常検出器の動作が阻止されるようにしたことを特徴とする。
【0058】
請求項16の発明では、系統周波数が所定の系統周波数以下に低下したときには、系統事故時に短時間の現象として現れる発電機電圧の低下あるいは発電機電流の急激な増加を検出し、その場合には系統事故とみなして、系統周波数異常と判定しないようにする。したがって、系統周波数異常に伴う動作が誤って行われることを回避できる。
【0059】
請求項17の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記系統異常検出器が動作している時間がガスタービン排ガス温度と系統周波数とに基づいて定めた許容運転時間を超えたときに、系統異常検出器の動作が阻止されるようにしたことを特徴とする。
【0060】
請求項17の発明では系統周波数fと排ガス温度TX4の値から耐量時間を与える関数を設けている。系統周波数が所定周波数以下に降下した場合には系統周波数異常としてガスタービン制御装置では燃焼ガス温度制御を停止させるようにする。そして系統周波数に応じて速度負荷制御により燃料流量を増加させて発電機出力を増加させる動作を優先させる。耐量時間が経過するとガスタービン保護のために燃焼ガス温度制御停止を解除して燃焼ガス温度制御を生かすように作用させる。
【0061】
請求項18の発明は、請求項1乃至14項のいずれか1項の発明において、前記系統異常検出器は、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱したことと、前記電力系統に接続されている発電機が脱落したこととから動作するようにして系統周波数異常の検出信頼度を高めたことを特徴とする。
【0062】
請求項18の発明では、系統周波数が所定の系統周波数以下に降下したことと、系統に接続されている所定の発電機の遮断器が開放したことを検出して成る発電機脱落信号を組合せて系統周波数異常信号を出力するように系統周波数異常検出器を構成することにより系統周波数異常の検出信頼度を高めた。
【0063】
請求項19の発明は、請求項1乃至14項のいずれか1項の発明において、前記系統異常検出器は、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱したことと、前記電力系統から一部の電力系統が分離されたこととから動作するようにして系統周波数異常の検出信頼度を高めたことを特徴とする。
【0064】
請求項19の発明では、系統周波数が所定の系統周波数以下に降下したことと、系統全体の一部が切り離されたことを検出する系統分離信号を組合せることにより系統周波数異常の検出信頼度を高めた。
【0065】
請求項20の発明は、請求項1乃至14項のいずれか1項の発明において、前記系統異常検出器は、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱したことと、発電機出力の増加変化率が所定を超えたことまたは発電機出力の減少変化率が所定を下回ったこととから動作するようにして系統周波数異常の検出信頼度を高めたことを特徴とする。
【0066】
請求項20の発明では、系統周波数が所定の系統周波数以下に降下したことと、発電機負荷の変化率が所定値を越えたという条件を組合せることにより系統周波数異常の検出信頼度を高めた。
【0067】
請求項21の発明は、請求項1乃至14項のいずれか1項の発明において、前記系統異常検出器は、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱したことと、前記電力系統に接続されている発電機が脱落したことと、発電機出力の増加変化率が所定を超えたことまたは発電機出力の減少変化率が所定を下回ったこととから動作するようにして系統周波数異常の検出信頼度を高めたことを特徴とする。
【0068】
請求項21の発明では、系統周波数が所定の系統周波数以下に降下したことと、発電機脱落信号と、発電機負荷の変化率が所定値を越えたという条件とを組合せることにより系統周波数異常の検出信頼度を高めた。
【0069】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。従来技術と同一の装置には同一の符号を付し説明を省略する。
【0070】
図1は、本発明に係わるガスタービン制御装置の一例を示すもので、ガスタービン100は空気圧縮機2と燃焼器4とタービン7とから構成される。圧縮機2の空気入口部に設けられた入口案内翼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、その圧縮空気は空気流路3を通って燃焼器4に入り燃料の燃焼用空気として使用される。一方、燃料制御弁5を介して供給された燃料は、燃料バーナー6から燃焼器4に入り、ここで燃焼して高温高圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはタービン7に入り、ガスタービン軸8を回転させ、同軸に結合されている発電機9を回転させて発電機出力を得る。
【0071】
タービン7から排出された排ガスは、煙突に抜けていくか、あるいはコンバインドサイクル発電プラントの場合は、排熱回収ボイラの熱源として使用された後、同様に煙突に抜けていく。ガスタービン軸8の軸端に速度検出用歯車11と、その近傍に速度検出器12を設ける。入口案内翼1の角度を変えるための入口案内翼駆動装置101と入口案内翼1の角度を検出する角度検出器102を設ける。空気圧縮機2の空気入口部に入口空気圧力検出器103と空気流量検出器104を設ける。空気圧縮機2の出口部に吐出空気圧力検出器13と吐出空気温度検出器105を設ける。燃焼器4の出口部に燃焼ガス温度検出器106を設ける。タービン7の出口部に排ガス温度検出器14を設ける。燃料供給配管に燃料流量検出器107を設ける。発電機9の出力を検出する発電機出力検出器15を設ける。
【0072】
ガスタービン制御装置10は、速度検出器12から得たガスタービン速度N、角度検出器102から得た入口案内翼角度AX、入口空気圧力検出器103から得た圧縮機入口空気圧力PX1、空気流量検出器104から得た圧縮機空気流量GAX、吐出空気圧力検出器13から得た圧縮機吐出空気圧力PX2、吐出空気温度検出器105から得た圧縮機吐出空気温度TX2、燃焼ガス温度検出器106から得た燃焼ガス温度TX3、排ガス温度検出器14から得た排ガス温度TX4、燃料流量検出器107から得た燃料流量GFX及び発電機出力検出器15から得た発電機出力MW等に基づいて、燃料制御信号FREFを燃料制御弁5に与えて燃料流量を調節し、入口案内翼制御信号AREFを入口案内翼駆動装置101に与えて入口案内翼1の角度を調節する。
【0073】
図2は本発明の第1の実施の形態を示すブロック構成図である。図37に示した従来例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。この第1の実施の形態は図37に示した従来例に対し、設定値S1を与える信号発生器35と、速度負荷制御信号FNと信号S1を加算する加算器36と、加算器36の出力信号から排ガス温度制御信号FTを減算する加減算器37と、加減算器37の出力信号と信号TEのいずれかを選択するスイッチ38と、スイッチ38の選択方向を決める系統異常検出器39とが追加されて設けられている。
【0074】
図2におけるスイッチ38は系統異常検出器39が系統周波数(商用周波数)fの低下を検出してスイッチ38が動作し、その結果、加減算器37の出力信号が比例積分制御器34に入力される状態が図示されている。系統周波数fが定格周波数より低下して系統周波数異常として系統異常検出器が動作すると、図2に図示のように排ガス温度制御信号FTを速度負荷制御信号FNに所定の正極性の設定値S1を加算した信号すなわち加算器36の出力信号に一致するように比例積分制御器34の値が調節される。つまり排ガス温度制御信号FTは速度負荷制御信号FNより設定値S1だけ大きい値に調節される。
【0075】
今、ガスタービン制御装置が燃料制御信号選択部17において速度負荷制御信号FNが排ガス温度制御信号FTよりも低値で燃料制御信号FREFとして選択されている状態にあるとする。この状態において系統周波数fが低下すると、発電機9が電力系統に接続されている状態では、系統周波数fの値とガスタービン速度Nの値は等しいので、ガスタービン速度Nが低下するに応じて速度負荷制御信号FN及び燃料制御信号FREFが増加して燃料流量を増加させる。またガスタービン速度Nが低下すると空気圧縮機2が吐出する燃焼用空気流量が減少するので発電機出力MWが低下する一方、燃料流量/空気流量の比が大きくなり燃焼ガス温度TX3及びガスタービン排ガス温度TX4が上昇する。
【0076】
従来技術の図37の例では、このような状況下では排ガス温度TX4の上昇を抑えるために排ガス温度制御信号FTが減少して、燃料制御信号FREFは速度負荷制御信号FNから排ガス温度制御信号FTに切り換るように動作するので燃料流量をそれ以上に増加させることはできない。本発明の図2では、排ガス温度制御信号FTは系統異常検出器39の指令により速度負荷制御信号FNより設定値S1だけ値が高くなるように調節されるので、系統周波数fすなわちガスタービン速度Nの低下に応じて速度負荷制御信号FNつまり燃料制御信号FREFが増加して燃料流量が増加する。
【0077】
従って、発電機出力MWを増加させて系統周波数fの上昇つまり系統周波数fの定格周波数への回復を図ることができる。また、燃焼ガス温度制御部の動作の停止とは、排ガス温度制御信号FTが燃料制御信号FREFとして選択されないようにすることを指しており、第1の実施の形態では排ガス温度制御信号FTが速度負荷制御信号FNより設定値S1だけ値を高くする構成例を示したが、この構成にのみ限定されるものではない。
【0078】
次に本発明の第2の実施の形態を説明する。図3は本発明の第2の実施の形態のブロック構成図である。第1の実施の形態と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。この第2の実施の形態は図2に示した第1の実施の形態に対し、タイマー40を追加して設けている。このタイマーは系統周波数fが系統全体の特徴から定格周波数に回復すると期待される時間が設定されている。系統周波数fが低下し系統異常検出器39が系統周波数異常として動作してから、上記タイマー設定時間だけスイッチ38は図3に図示の位置に選択され、その設定時間が経過すると、その系統の系統周波数fが回復していると期待される場合はスイッチ38を復旧させて信号TEが比例積分制御器34に入力されて通常の燃焼ガス温度制御が生きることができるようにする。つまり、これにより極力すみやかにガスタービンを保護するための燃焼ガス温度制御機能を通常の構成に戻すことができる。
【0079】
図4に本発明によるガスタービン制御装置10の第3の実施の形態を示す。燃焼ガス温度制御部18を関数発生器32と関数発生器41とスイッチ42と減算器33と比例積分制御器34とで図示のように構成する。関数発生器32は圧縮機入口空気圧PX1と圧縮機吐出空気圧PX2を入力し、圧力比PX2/PX1の関数として常用制限値TXR4aを出力する。関数発生器41は圧縮機入口空気圧PX1と圧縮機吐出空気圧PX2を入力し、圧力比PX2/PX1の関数として非常用制限値TXR4bを出力する。系統異常検出器39が作動しない場合は、スイッチ42を関数発生器32側に接続し、系統異常検出器39が作動した場合は、スイッチ42を関数発生器41側に接続する。タイマー40を設け、系統異常検出器39が作動してから所定の時間が経過した後、系統異常検出器39の信号を遮断し、スイッチ42を関数発生器32側に接続する。関数発生器32または関数発生器41からの制限値TXR4と排ガス温度TX4を減算器33に入力して温度偏差TEを出力し、これを比例積分制御器34に入力して燃焼ガス温度制御信号FTを出力し、燃焼ガス温度制御信号FTを燃料制御信号選択部17に入力する構成とする。
【0080】
図4に示すガスタービン制御装置10を用いたガスタービン100の状態量の変化を図5、図6、図7に示す。図5に示すように、発電機出力MWが増加するにつれ、燃料流量GFXは発電機出力MWに比例して増加する。発電機出力MWが時点t1に達するまでは、入口案内翼駆動装置101により入口案内翼1の角度を一定に保つことにより圧縮機空気流量GAXを一定に保ち、発電機出力MWが時点t1から時点t3に増加するにつれて、入口案内翼駆動装置101により入口案内翼1の角度を次第に大きくすることにより、空気圧縮機の空気流量GAXを図示のように増加させる。発電機出力MWが増加するにつれて、空気圧縮機の圧力比PX2/PX1は図示のように次第に増加する。
【0081】
図6に示すように、発電機出力MWが増加するにつれて、燃焼ガス温度TX3が増加し、発電機出力MWが時点t2に達した時点で燃焼ガス温度TX3は制限値TXR3aまで上昇する。発電機出力MWが時点t1に達するまで圧縮機空気流量GAXを一定に保つ理由は、燃焼ガス温度TX3をなるべく早く上昇させ、ガスタービンの熱効率を高めるためである。発電機出力が時点t2から時点t3に増加しても燃焼ガス温度TX3は制限値TXR3a以下に保たれる。発電機出力MWが増加するにつれて排ガス温度TX4も増加し、発電機出力MWが時点t1に達した時点で排ガス温度TX4は常用制限値TXR4aまで上昇する。発電機出力MWが時点t1から時点t2に増加しても、入口案内翼駆動装置101により入口案内翼1の角度を増大させ圧縮機空気流量GAXを増加させる効果と、燃焼ガス温度制御部の燃料制御とにより、排ガス温度TX4は常用制限値TXR4a以下に保たれる。発電機出力MWが時点t2から時点t3に増加する間、燃焼ガス温度TX3を一定に保つと、排ガス温度TX4は図示のように直線的に減少する。
【0082】
図7に関数発生器32及び関数発生器41の特性を示す。関数発生器32は空気圧縮機の圧力比PX2/PX1の関数として図中に点線で示す常用制限値TXR4aを発生する。燃焼ガス温度制御部で排ガス温度TX4を常用制限値TXR4a以下に制御することは、図6に示すように、燃焼ガス温度TX3を所定の制限値TXR3a以下に保つことと等価である。関数発生器41は空気圧縮機の圧力比PX2/PX1の関数として図中に破線で示す非常用制限値TXR4bを発生する。常用燃焼ガス温度制御状態では常用制限値TXR4aによって燃焼ガス温度がTXR3a以下に制限されるため、発電機出力を時点t3以上に増加することができない。系統異常検出器39が作動した場合にスイッチ42を関数発生器41側に切り替え非常用燃焼ガス温度制御状態とし、非常用制限値をTXR4bとし燃焼ガス温度をTXR3bまで高め、発電機出力を時点t4まで増加可能とすることにより、系統周波数の回復を容易にする。
【0083】
本実施の形態に示す入口案内翼1は、発電機出力MWが時点t3の状態で最大角度となるように設定してあり、発電機出力MWを時点t3から時点t4まで増加する間は角度を一定に保っている。そのため、図5に示すように、発電機出力が時点t3から時点t4へ増加する間、空気圧縮機の空気流量GAXは一定に保たれる。
【0084】
図8に本発明によるガスタービン制御装置10の第4の実施の形態を示す。燃焼ガス温度制御部18を温度設定器111と温度設定器112とスイッチ42と減算器33と比例積分制御器34とで図示のように構成する。温度設定器111は常用上限値TXR3aを、温度設定器112は非常用上限値TXR3bを発生する。系統異常検出器39が作動しない場合は、スイッチ42を温度設定器111側に接続し、系統異常検出器39が作動した場合は、スイッチ42を温度設定器112側に接続する。タイマー40を設け、系統異常検出器39が作動してから所定の時間が経過した後、系統異常検出器39の信号を遮断し、スイッチ42を温度設定器111側に接続する。温度設定器111または温度設定器112からの制限値TXR3と燃焼ガス温度TX3を減算器33に入力して温度偏差TEを出力し、これを比例積分制御器34に入力して燃料ガス温度制御信号FTを出力し、燃料ガス温度制御信号FTを燃料制御信号選択部17に入力する構成とする。本実施の形態では排ガス温度ではなく直接検出した燃焼ガス温度を燃料制御に用いるため、制御応答性が高い。
【0085】
図9に本発明によるガスタービン制御装置10の第5の実施の形態を示す。燃焼ガス温度制御部18を温度設定器111と温度設定器112スイッチ42と減算器33と比例積分制御器34とで図示のように構成し、温度設定器111は常用上限値TXR3aを、温度設定器112は非常用上限値TXR3bを発生し、系統異常検出器39が作動しない場合は、スイッチ42を温度設定器111側に接続し、系統異常検出器39が作動した場合は、スイッチ42を温度設定器112側に接続し、タイマー40を設け、系統異常検出器39が作動してから所定の時間が経過した後、系統異常検出器39の信号を遮断し、スイッチ42を温度設定器111側に接続することは図8に示す実施の形態と同一である。更に演算器113を設け、圧縮機空気流量GAXと圧縮機吐出空気温度TX2と燃料流量GFXを入力して演算器113で燃焼ガス温度TX3を算出する。演算器113は、Cpを空気の比熱、Qを燃料の発熱量とするとき、次式で燃焼ガス温度TX3を計算する。
【0086】
TX3=TX2+Q*GFX/(GAX*Cp)
温度設定器111または温度設定器112からの制限値TXR3と演算器113からの燃焼ガス温度TX3を減算器33に入力して温度偏差TEを出力し、これを比例積分制御器34に入力して燃料ガス温度制御信号FTを出力し、燃料ガス温度制御信号FTを燃料制御信号選択部17に入力する構成とする。本実施の形態では、直接燃焼ガス温度を検出せずに他の計測値から燃焼ガス温度を算出するので温度検出の信頼性が高く、制御応答性も高い。
【0087】
図8及び図9に示すガスタービン制御装置10を用いたガスタービンの状態量の変化を図10、図11に示す。図10に示すように、発電機出力MWが増加するにつれ、燃料流量GFXは発電機出力MWに比例して増加する。発電機出力MWが時点t1に達するまでは、入口案内翼駆動装置101により入口案内翼1の角度を一定に保つことにより圧縮機空気流量GAXを一定に保ち、発電機出力MWが時点t1から時点t3に増加するにつれて、入口案内翼駆動装置101により入口案内翼1の角度を次第に大きくすることにより、空気圧縮機の空気流量GAXを図示のように増加させる。
【0088】
図11に示すように、発電機出力MWが増加するにつれて、燃焼ガス温度TX3が増加し、発電機出力MWが時点t1に達した時点で燃焼ガス温度TX3は破線で図示の常用制限値TXR3aまで上昇する。発電機出力MWが時点t1から時点t3に増加しても、入口案内翼駆動装置101により入口案内翼1の角度を増大させ圧縮機空気流量GAXを増加させる効果と、燃焼ガス温度制御部の燃料制御とにより、燃焼ガス温度TX3は常用制限値TXR3a以下に保たれる。温度発生器111は常用制限値TXR3aを発生し、温度発生器112は非常用制限値TXR3bを発生する。常用燃焼ガス温度制御状態では常用制限値TXR3aによって燃焼ガス温度がTXR3a以下に制限されるため、発電機出力を時点t3以上に増加することができない。系統異常検出器39が作動した場合にスイッチ42を関数発生器112側に切り替え非常用燃焼ガス温度制御状態とし、非常用制限値をTXR3bとし燃焼ガス温度をTXR3bまで高め、発電機出力を時点t4まで増加可能とすることにより、系統周波数の回復を容易にする。
【0089】
本実施の形態に示す入口案内翼1は、発電機出力MWが時点t3の状態で最大角度となるように設定してあり、発電機出力MWを時点t3から時点t4まで増加する間は角度を一定に保っている。そのため、図10に示すように、発電機出力が時点t3から時点t4へ増加する間、空気圧縮機の空気流量GAXは一定に保たれる。
【0090】
図12に本発明によるガスタービン制御装置10の第6の実施の形態を示す。燃焼ガス温度制御部18を関数発生器32と減算器33aと温度設定器112と演算器113と減算器33bとスイッチ42と比例積分制御器34とで図示のように構成する。関数発生器32は圧縮機入口空気圧PX1と圧縮機吐出空気圧PX2を入力し、圧力比PX2/PX1の関数として常用制限値TXR4aを出力する。関数発生器32からの常用制限値TXR4aと排ガス温度TX4を減算器33aに入力し温度偏差TEaを発生する。温度設定器112は非常用制限値TXR3bを発生する。演算器113は圧縮機空気流量GAXと圧縮機吐出空気温度TX2と燃料流量GFXとから燃焼ガス温度TX3を算出する。温度設定器112からの非常用上限値TXR3bと演算器113からの燃焼ガス温度TX3を減算器33bに入力し温度偏差TEbを出力する。
【0091】
系統異常検出器39が作動しない場合は、スイッチ42を減算器33a側に接続し、系統異常検出器39が作動した場合は、スイッチ42を減算器33b側に接続する。タイマー40を設け、系統異常検出器39が作動してから所定の時間が経過した後、系統異常検出器39の信号を遮断し、スイッチ42を減算器33a側に接続する。減算器33aからの温度偏差TEaまたは減算器33bからの温度偏差TEbを比例積分制御器34に入力して燃料ガス温度制御信号FTを出力し、燃料ガス温度制御信号FTを燃料制御信号選択部17に入力する構成とする。本実施の形態では、常用燃焼ガス温度制御には排ガス温度を使用しているため温度検出の信頼性が高く、非常用燃焼ガス温度制御に算出した燃焼ガス温度を使用しているため制御応答性が高い。
【0092】
本発明による常用燃焼ガス温度制御部の常用制限値TXR3aの決定法について、本発明の第7の実施の形態として、図13、図14、図15を用いて説明する。図13に、燃焼ガス温度TX3とガスタービンを構成する高温部品に使用される材料のクリープ強度との関係を示す。高温部品の温度は燃焼ガス温度に比例して増減するので、この比例定数をCとして図中に示している。燃焼ガス温度が増加するにつれて材料のクリープ強度が低下する。高温部品の破損を防ぐには、材料のクリープ強度が高温部品に発生する最大応力以下とならないように燃焼ガス温度を制限する必要がある。
【0093】
図13では一例として、10万時間クリープ強度を限界強度とした場合の上限燃焼ガス温度をTαで、1万時間クリープ強度を限界強度とした場合の上限燃焼ガス温度をTβで示している。10万時間クリープ強度を限界強度として用いる場合にはガスタービンの運転時間が10万時間を経過した後で高温部品を交換すれば良いが、1万時間クリープ強度を限界強度として用いる場合には1万時間毎に高温部品を交換する必要があり、高温部品の交換コストが増大する。図中には燃焼ガス温度と通年で平均した高温部品の交換コストも示してある。
【0094】
図14に燃焼ガス温度TX3とガスタービン熱効率及び通年で平均した燃料コストの関係を示す。燃焼ガス温度が増加するにつれガスタービンの熱効率が向上するため、燃料コストが低減する。図15に、燃焼ガス温度TX3と上記高温部品交換コストと上記燃料コストの関係を示す。高温部品交換コストと燃料コストの和が最小となる燃焼ガス温度を常用制限値TRX3として決定する。このようにして燃焼ガス温度の制限値を定めればガスタービンを最も経済的に長期運用することができる。
【0095】
次に、本発明による非常用ガス温度制御装置の非常用制限値TXR3bの決定法について、本発明の第8の実施の形態として説明する。系統周波数が異常な状態での運転は一般に短時間であるため、ガスタービンの高温部品を構成する材料の短時間強度と空気圧縮機のサージ限界とから非常用制限温度TXR3bを決定する。図16に燃焼ガス温度TX3とガスタービンを構成する高温部品に使用される材料の短時間強度との関係を示す。材料の短時間強度として短時間クリープ強度と耐力を示してある。燃焼ガス温度TX3が増加するにつれて材料の短時間強度が低下する。高温部品の破損を防ぐには、材料の短時間強度が高温部品に発生する最大応力以下とならないように燃焼ガス温度を制限する必要がある。短時間クリープ強度(本実施の形態では100時間クリープ強度)から定まる上限温度をTa、耐力から定まる上限温度をTbとする。多くの場合、ガスタービン高温部品の表面には遮熱コーティングが施される。遮熱コーティングを限界温度以上に加熱すると材料が燒結してしまい、遮熱機能が低下するのみでなく、高温部品の表面から剥がれてしまう。遮熱コーティングから定まる上限温度をTcとする。燃焼ガス温度が増加すると、空気圧縮機の圧力比PX2/PX1は次式で変化する。但しKは比例定数である。
【0096】
PX2/PX1=K*GAX(TX3)1/2
周知のように空気圧縮機の圧力比が過大となるとサージが発生し空気圧縮機を破損する危険があるため、これを防止する必要がある。空気圧縮機のサージ限界から定まる上限温度をTdとする。非常用制限温度TXR3bを次式で決定する。
【0097】
TXR3b=min(Ta、Tb、Tc、Td)
このようにして非常用制限値TXR3bを定めれば、非常用燃焼ガス温度制御部でガスタービンを運転しても、高温部品の健全性を確保でき、空気圧縮機のサージも回避できる。
【0098】
図17に本発明によるガスタービン制御装置10の第9の実施の形態を示す。入口案内翼制御部114を関数発生器115と、常用リミッター116と、非常用リミッター117と、減算器118と、スイッチ42と比例積分制御器119とで図示のように構成する。関数発生器115へ発電機出力MWを入力し、MWの関数として入口案内翼角度制御値AXRを出力する。入口案内翼角度制御値AXRは常用リミッター116で上限値がAXRaに制限され、入口案内翼角度制御値AXRは非常用リミッター117で上限値がAXRbに制限される。系統異常検出器39が作動しない場合は、スイッチ42を常用リミッター116側に接続し、系統異常検出器39が作動した場合は、スイッチ42を非常用リミッター117側に接続する。タイマー40を設け、系統異常検出器39が作動してから所定の時間が経過した後、系統異常検出器39の信号を遮断し、スイッチ42を常用リミッター116側に接続する。常用リミッター116または非常用リミッター117からの入口案内翼角度制御値AXRと入口案内翼角度AXを減算器118に入力し角度偏差AEを出力し、これを比例積分制御器119に入力して入口案内翼角度制御信号AREFとして、入口案内翼の角度を制御する構成とする。
【0099】
図17に示すガスタービン制御装置10を用いたガスタービンの状態量の変化を図18、図19に示す。図18に示すように、発電機出力MWが増加するにつれ、燃料流量GFXは発電機出力MWに比例して増加する。発電機出力MWが時点t1に達するまでは、入口案内翼制御部114により入口案内翼1の角度を一定に保つことにより圧縮機空気流量GAXを一定に保ち、発電機出力MWが時点t1から時点t3に増加するにつれて、入口案内翼制御部114により入口案内翼1の角度を次第に大きくすることにより、空気圧縮機の空気流量GAXを図示のように増加させる。
【0100】
図19に示すように、発電機出力MWが増加するにつれて、燃焼ガス温度TX3が増加し、発電機出力MWが時点t1に達した時点で燃焼ガス温度TX3は上限値TXR3まで上昇する。発電機出力MWが時点t1から時点t3に増加しても、入口案内翼制御部114により入口案内翼1の角度を増大させ圧縮機空気流量GAXを増加させる効果と、燃焼ガス温度制御部の燃料制御とにより、燃焼ガス温度TX3は上限値TXR3以下に保たれる。常用入口案内翼制御状態では、常用リミッター116により入口案内翼の角度がAXRa以下に制限され、その結果圧縮機空気流量が図中に示すGAXa以下に制限されるため、発電機出力を時点t3以上に増加することができない。系統異常検出器39が作動した場合にスイッチ42を非常用リミッター117側に切り替え非常用入口案内翼制御状態とし、入口案内翼角度の上限値をAXRaからAXRbまで高め、圧縮機空気流量を図中に示すGAXbまで増加可能とし、発電機出力を時点t4まで増加可能とすることにより、系統周波数の回復を容易に行うことができる。本実施の形態では、発電機出力MWを時点t3から時点t4まで増加させるために燃料GFXを図18に示すように増加しても、圧縮機空気流量GAXが増加するため、図19に示すように、燃焼ガス温度は上限値TXR3以下に保たれる。
【0101】
本発明による入口案内翼制御部の常用リミッター116の上限値AXRaと非常用リミッター117の上限値AXRbの決定法について、図20を用いて説明する。図20は入口案内翼角度AXと圧縮機効率ηcと圧縮機空気流量GAXの関係を示す。本発明では圧縮機効率ηcが最大となる入口案内翼角度を常用リミッター116の上限値AXRaとする。これにより通常時は空気圧縮機を最大の効率で運転することができる。本発明では圧縮機空気流量GAXが最大となる入口案内翼角度を非常用リミッター117の上限値AXRbとする。これにより系統周波数に異常が生じた場合、空気圧縮機の空気流量GAXを増加することによりガスタービンの出力MWを増加することが可能となり、周波数回復のためのガスタービン制御を容易に行うことができる。
【0102】
次に本発明の第10の実施の形態を説明する。図21は本発明の第10の実施の形態のブロック構成図である。図37に示した従来例と同一要素には同一符号を付し、その説明は省略する。この第10の実施の形態は図37に示した従来例に対し、変化率制限器43及びスイッチ44を追加して設けている。系統異常検出器39が動作するとスイッチ44が図示のように開き速度負荷制御信号FNは変化率制限器43を介して燃料制御信号選択部17に入力されるようにしている。タイマー40に設定された時間すなわち系統周波数が回復すると期待される時間が経過するとスイッチ44が閉じて変化率制限器43をバイパスするようにしている。
【0103】
図21において系統異常検出器39は、系統周波数が正常に電力系統が運用される所定周波数範囲を逸脱した場合に動作するもので、たとえば系統周波数が所定系統周波数以下にまで降下したときに動作する。系統周波数fすなわちガスタービン速度が変動すると速度負荷制御信号FNが速度変化の比例倍だけ変動する。その変動は燃料流量の変動をもたらし、空気圧縮機吐出空気流量の変動とあいまって燃料流量/燃焼用空気流量の比の変動となって燃焼ガス温度TX3とガスタービン排ガス温度TX4の変動を招き、系統周波数fが降下する方向の変動の場合には速度負荷制御信号FNの増方向への変化すなわち燃料流量増方向への変化が排ガス温度制御信号FTにより制限されて燃料流量は排ガス温度制御信号FTにより制御されるように切り換える
【0104】
このように系統異常検出器39が動作した場合には、速度負荷制御により急激で大きな燃料流量変化を与えると、燃料流量変化に遅れて排ガス温度変化が現れ、過渡的に排ガス温度TX4が警報値あるいは保護用制限値を越えてガスタービンがトリップする可能性があるので変化率制限器43により燃料流量制御信号FREFの変化率すなわち燃料流量の変化率を制限することが適切である。逆に系統周波数fが上昇する方向の変動の場合には燃料流量/燃焼用空気流量の比の値が小さくなり、燃料流量減方向への急激な変化がガスタービンの火炎喪失を招かないようにするためには、変化率制限器43により燃料流量制御信号FREFの変化率すなわち燃料流量の変化率を制限することが好適である。変化率制限器が上下限制限器を備えている場合には同時にその下限制限値をガスタービン火炎喪失を防止できる燃料流量に設定しておけば、燃料流量の変化率を制限するとともに燃料流量を下限制限値にとどめ、火炎喪失方向(燃料流量減少方向)への行き過ぎを防止することができる。
【0105】
このように構成したので、燃料流量変化、燃焼ガス温度変化及び排ガス温度変化の突変、行き過ぎを抑制できるのでガス温度高トリップや失火(燃焼器火炎喪失)トリップのような状況に陥ることを防止することができる。図21においては変化率制限器43とスイッチ44を分けて図示したが、スイッチ44の機能を備えた変化率制限器であれば変化率制限器43ひとつで変化率制限器とスイッチの機能を併せ持つ同等機能を実現することができる。また変化率制限器43のみで変化率制限値を切換えることにより同等機能を実現することもできる。系統周波数が回復すると期待される時間が経過するとタイマーはOFFして通常運転におけるガスタービン制御装置の構成に復旧される。
【0106】
次に、本発明の第11の実施の形態を説明する。図22は本発明の第11の実施の形態のブロック構成図である。図37に示した従来技術の実施の形態と同一要素には同一符号を付し、その説明を省略する。この第11の実施の形態は図37に示した従来技術の例に対し、所定の系統周波数設定値S2を与える信号発生器45、比較器46から成る系統異常検出器39、及び系統異常検出器39の出力信号が成立したときに図のように回路を開くスイッチ44及び変化率制限器43を追加して設けている。電力系統が正常に運用される範囲を逸脱するような系統周波数変動が生じた場合、すなわち図22において系統周波数fが所定系統周波数設定値S2よりも高くなり系統異常検出器39が動作するようなことが起こると、従来技術では、系統周波数fが上昇する方向に転じたときに、速度負荷制御信号FNは急激に減少し燃料流量を絞り燃焼器4の火炎が喪失することが起こり得る。
【0107】
図22の本発明の実施の形態ではこのような状態のとき、すなわち系統異常検出器39が成立して出力信号がONすると、スイッチ44を開いて速度負荷制御信号FNが変化率制限器43を介して燃料制御信号選択部17に入力される。変化率制限器43は燃料流量の急減変化率を制限して燃焼器4の火炎喪失を回避するように働く。系統周波数fが上昇方向に転じると、すなわちガスタービン速度Nが上昇すると空気圧縮機吐出空気流量が増加し、一方、燃料流量は減少する方向に制御されるので、燃料流量/燃焼用空気流量の比が小さくなっていて、燃焼器4の火炎は通常運転状態に比べて消えやすい状態にあるので、過渡的な燃料流量減方向の突変に対して変化率制限器43は火炎喪失回避のために効果的に動作する。系統周波数fが回復するとスイッチ44が閉じて変化率制限器43はバイパスされて通常運転における速度負荷制御回路に復旧される。また第10の実施の形態の図21で説明したように、図22においても同様に、変化率制限器が上下限制限器を備えている場合には同時にその下限制限値をガスタービン火炎喪失を防止できる燃料流量に設定しておけば、燃料流量の変化率を制限するとともに燃料流量を下限制限値にとどめ、火炎喪失方向(燃料流量減少方向)への行き過ぎを防止することができる。また第10の実施の形態の図21において説明したことと同様に、図22においてもスイッチ44の図示を省略し、変化率制限器43のみで同等機能を実現することができる。
【0108】
次に本発明の第12の実施の形態を説明する。図23は本発明の第12の実施の形態のブロック構成図である。図22の第11の実施の形態との相違は、図22の第11の実施の形態では変化率制限器43及びスイッチ44を速度負荷制御信号FNに対して制限をかけるように挿入していたのに対し、図23の第6の実施の形態では変化率制限器48及びスイッチ49を燃料制御信号FREFに対して制限をかけるように挿入した点である。第10の実施の形態と第11の実施の形態は、挿入箇所の相違だけで、燃料流量の急減変化率を制限して燃焼器4の火炎喪失を回避するように働く機能は同じである。また第10および第11の実施の形態と同様に、変化率制限器が上下限制限器を備えている場合には同時にその下限制限値をガスタービン火炎喪失を防止できる燃料流量に設定しておけば、燃料流量の変化率を制限するとともに燃料流量を下限制限値にとどめ、火炎喪失方向(燃料流量減少方向)への行き過ぎを防止することができる。また第10の実施の形態の図21、第11の実施の形態の図22で説明したことと同様に、図23においてもスイッチ49の図示を省略し、変化率制限器48のみで同等機能を実現することができる。
【0109】
また、燃料制御系の制御定数を切換える手段は上記実施の形態で説明したように燃料制御指令の制御定数を切換えるものであれば速度負荷制御部にあってもよいし、その下流の燃料制御部にあってもよい。制御定数を切換えるとは、燃料制御指令の動きを変更する手段に切換えること、燃料制御指令の動きを制限する設定値の大きさを切換えること等を指す。
【0110】
次に本発明の第13の実施の形態を説明する。図24は本発明の第13の実施の形態 おける系統異常検出器39の一例を示すブロック構成図である。関数発生器73と関数発生器74は系統周波数fに対応して図25に図示のガスタービン排ガス温度制限値を与える関数発生器である。図24は排ガス温度TX4を監視するために関数発生器73及び関数発生器74で排ガス温度制限値が定められるが、排ガス温度の代わりに燃焼ガス温度を適用してもよい。そのときは、燃焼ガス温度TX3を監視するために関数発生器73及び関数発生器74で燃焼ガス温度制限値が定められる。
【0111】
ここでは排ガス温度の場合について説明する。ある系統周波数fに対応する通常運転の排ガス温度制限値と排ガス温度TX4が比較器75で比較され排ガス温度TX4の方が高いと判定されると、同じ電力系統につながっている他プラントへの発電機出力増指令を出すとともに、系統周波数異常として系統異常検出器を動作させて、燃焼ガス温度制御部の停止を指令する。そして排ガス温度TX4が更に上昇して関数発生器74で与えられる短時間許容運転の排ガス温度制限値を越えたことを比較器76が判定し、タイマー77の設定時間が経過すると、NOTロジック78の出力信号は零となりANDロジック86の出力信号である系統周波数異常信号をOFFさせる。
【0112】
図26はある電力系統につながる発電機の脱落等の何らかの原因で系統周波数fが低下してから回復していくまでの系統周波数fの時間的な経過を図示したものである。このように系統周波数fが信号発生器83の所定の設定値S3を越えたことが比較器82により判定され、また系統周波数fを変化率演算器79で求めた変化率信号が信号発生器81の所定設定値S4より上回ったことが比較器80により判定される。系統周波数がこのように回復し通常運転における制御装置の状態に復旧させてよいと見なし得る場合に、この2つの判定のANDロジック84が成立し、NOTロジック85の出力信号はOFFとなって系統周波数異常信号をOFFさせる。
【0113】
次に本発明の第14の実施の形態を説明する。図27は本発明の第14の実施の形態における系統異常検出器39の一例を示すブロック構成図である。発電機電圧VGと信号発生器50の所定の発電機電圧設定値S5が比較器51で比較される。また、発電機電流IGの変化率が変化率演算器52で演算されて、信号発生器53の所定設定値S6と比較器54で比較される。そして発電機電圧VGが所定設定値S5以下に低下したとき、あるいは、発電機電流IGの変化率が所定設定値S6を越えたときにはORロジック55の論理和が成立するのでNOTロジック56の出力はOFFとなる。系統周波数fが信号発生器130の与える所定系統周波数設定値S10よりも低下したときに、比較器131の動作信号とNOTロジック56の出力信号をANDロジック57で論理積を演算するように構成したので、ORロジック55が成立したとき、すなわちNOTロジック56の出力がOFFしたときは、系統事故により短時間、一過的な系統周波数低下が検出されたものと判定し、ANDロジック57の出力信号である系統周波数異常信号はOFFさせる。このようにして短時間現象である系統事故時に系統異常検出器が誤って動作することを防止できるようにし、系統周波数異常の検出信頼度を高めた。
【0114】
次に本発明の第15の実施の形態を説明する。図28は本発明の第15の実施の形態における系統異常検出器39の一例を示すブロック構成図である。関数発生器89は系統周波数fと排ガス温度TX4に基づいてガスタービンの耐量時間を与えるものである。排ガス温度の代わりに燃焼ガス温度を適用することができるが、そのときは関数発生器89は系統周波数fと燃焼ガス温度TX3に基づいてガスタービンの耐量時間が定められる。
【0115】
排ガス温度の場合について、図29にその関係が図示されている。図29において、横軸の系統周波数fが与えられ、次に排ガス温度の値が与えられる。その排ガス温度の値がカーブAの温度に合致するならカーブA上の点として縦軸の耐量時間の値を読み取ればよいし、排ガス温度TX4の値がカーブAの温度とカーブBの温度の中間の温度であれば、補間法により縦軸の耐量時間を得ることができる。このようにして得られた耐量時間を関数発生器89は出力する。燃焼ガス温度を適用した場合についても、図29におけるカーブA、カーブBを燃焼ガス温度用に定めれば燃焼ガス温度に対しても適用できる。
【0116】
ここでは排ガス温度の場合について説明する。系統周波数fと信号発生器87の所定の設定値S7が比較器88で比較されて、系統周波数fが設定値S7以下であると判定されるとANDロジック93により系統周波数異常として検出される。系統周波数fが設定値S7以下に低下した時点からカウンター90は経過時間をカウントする。上記耐量時間と上記経過時間が比較器91で比較される。経過時間が耐量時間を越えたことが比較器91で判定されるとNOTロジック92の出力がOFFするのでANDロジック93の出力信号すなわち系統周波数異常信号はOFFし、ガスタービン制御装置では系統周波数異常信号がOFFしたことで、ガスタービンを保護するために、停止させていた燃焼ガス温度制御を生かすことができるようにされる。
【0117】
次に本発明の第16の実施の形態を説明する。図30は本発明の第16の実施の形態における系統異常検出器39の一例を示すブロック構成図である。第14の実施の形態で図27において構成された、系統周波数fと所定系統周波数設定値S10を比較する比較器131の出力信号と発電機脱落信号との論理積を作るANDロジック62により系統周波数異常信号を構成した実施の形態が図30である。発電機遮断器A、B、…Nの各遮断器開路信号に所定時間の間だけON信号を出力するタイマー58、59、60を通して得られた各信号の論路和を作るORロジック61により発電機脱落信号を構成している。
【0118】
ここで系統の説明のために、通常設置される変圧器等の機器の記載を本発明の説明用として便宜上省略し簡略化した系統の説明図を図31に示す。図31において、本発明のガスタービン制御装置10aは従来技術として説明したガスタービン制御装置10を含むものであり、発電機9を制御している。発電機9は発電機遮断器94を介して系統97につながる負荷に電力を送る。他のプラントの発電機9a、9b、・・・9nも同様に各発電機遮断器94a、94b、…94nを介して系統97に電力を送っている。図27で説明した発電機電圧VGと発電機電流IGは代表して記載した検出器95より得ている。図22以降の説明で使用した系統周波数fは図31の検出器96より得ている。発電機遮断器94a、94b、…94nの開閉状態がガスタービン制御装置10aに入力されている。図30における発電機遮断器A開の信号は図31における発電機遮断器94aから得る。発電機遮断器B開、発電機遮断器N開の信号も同様に図31における発電機遮断器94b、94nから得る。
【0119】
系統周波数fが変動して系統異常検出器が系統周波数異常を検出する現象を生起させた原因として、系統に接続されている発電機の脱落があり得るので、その確かさが高い系統では図30に示したように発電機脱落すなわち発電機遮断器が開いて系統に電力を供給できなくなった状態を検出し、その発電機脱落信号を、系統周波数fが所定系統周波数設定値S10以下に低下したことを判定する比較器131の出力信号と組合せて使用することにより系統周波数異常の検出信頼度を高めることができる。
【0120】
タイマー58、59、60は系統周波数異常現象を生起させた原因としての発電機脱落を検出するために設けたもので、発電機が脱落してから遅れて系統周波数が低下するまでの想定される時間がタイマーに設定されていて、その時間だけタイマーがON信号を出力するようにしている。なお、発電機脱落信号として本実施の形態では発電機遮断器から直接その開閉状態を示す信号をガスタービン制御装置に入力するように構成したが、それに代わる発電機脱落状態を意味する信号を他の制御装置からガスタービン制御装置に入力するようにしてもよい。
【0121】
次に本発明の第17の実施の形態を説明する。図32は本発明の第17の実施の形態を説明するブロック構成図である。第14の実施の形態で図27において構成された、系統周波数fと所定系統周波数設定値S10を比較する比較器131の出力信号と系統分離信号63との論理積を作るANDロジック64により系統周波数異常信号を構成した実施の形態が図32である。系統分離信号63を説明するための系統説明図が図33である。
【0122】
図33において、ガスタービン制御装置10bは従来技術として説明したガスタービン制御装置10及び本発明のタービン制御装置10aを含むものであり、発電機9を制御している。図31に示した実施の形態と同一要素には同一符号を付し、その説明を省略する。この図33の実施の形態は図31で示した実施の形態に対し、電力系統97とは別の電力系統97a、電力系統97aに接続されている発電機9p、…9r、各発電機遮断器94p、…94r、電力系統97aの負荷、遮断器98、98a及び主電力系統99を追加して設けている。系統97と系統97aとは遮断器98及び遮断器98aを介して主系統99で接続されている。
【0123】
したがって系統97a側の理由で遮断器98aが開いた場合には主系統99における電力の需給関係に大きな変動が生じるので検出器96により検出される系統周波数fが大きく変動することになる。そのときには系統分離信号63として図33における遮断器98aの開閉状態をガスタービン制御装置10bに入力して使用する。同様に図33における遮断器98が開いた場合についても系統周波数fは大きく変動することになるので、そのときには系統分離信号63として図33における遮断器98の開閉状態をガスタービン制御装置10bに入力して使用する。
【0124】
系統周波数fが変動して系統異常検出器が系統周波数異常を検出する現象を生起させた原因として、系統に接続されている系統の分離があり得るので、その確かさが高い系統では、図32に示したように系統間の連絡遮断器が開いて系統分離が発生した状態を検出し、その系統分離信号を、系統周波数fが所定系統周波数設定値S10以下に低下したことを判定する比較器131の出力信号と組合せて使用することにより、系統周波数異常の検出信頼度を高めることができる。なお、系統分離信号として本実施の形態では系統間の連絡遮断器から直接その開閉状態を示す信号をガスタービン制御装置に入力するように構成したが、それに代わる系統分離状態を意味する信号を他の制御装置からガスタービン制御装置に入力するようにしてもよい。図32もまた系統異常検出器39の構成の実施の形態を示すものである。
【0125】
次に本発明の第18の実施の形態を説明する。図34は本発明の第18の実施の形態における系統異常検出器39の一例を示すブロック構成図である。第14の実施の形態で図27において構成された、系統周波数fと所定系統周波数設定値S10を比較する比較器131の出力信号と負荷増加/減少信号との論理積を作るANDロジック71により系統周波数異常信号を構成した実施の形態が図34である。上記負荷増加/減少信号は次のように構成される。
【0126】
発電機負荷MWの変化率が変化率演算器65により求められる。得られた発電機負荷変化率と信号発生器66の所定設定値S8が比較器67により比較され発電機負荷変化率が所定設定値S8を越えると比較器67は負荷増加としてON信号を出力する。また発電機負荷変化率は信号発生器68の所定設定値S9と比較器69により比較され発電機負荷変化率が所定設定値S9を下回ると比較器69は負荷減少としてON信号を出力する。これら負荷増加信号と負荷減少信号の論理和がORロジック70により求められて負荷増加/減少信号が得られる。系統周波数異常の事象が発生したときに生じる負荷増加/減少状態を示す信号を系統周波数fが所定系統周波数設定値S10以下に低下したことを判定する比較器131の出力信号と組合せることにより系統周波数異常の検出信頼度を高めることができる。
【0127】
次に本発明の第19の実施の形態を説明する。図35は本発明の第19の実施の形態における系統異常検出器39の一例を示すブロック構成図である。第14の実施の形態で図27において構成された、系統周波数fと所定系統周波数設定値S10を比較する比較器131の出力信号と、第16の実施の形態で図30において構成された発電機脱落信号と、第18の実施の形態で図34において構成された負荷増加/減少信号との論理積を作るANDロジック72により系統周波数異常信号を構成した実施の形態が図35である。系統周波数fが変動して系統異常検出器が系統周波数異常を検出する現象を生起させた原因としての発電機脱落信号、及び系統周波数異常の事象が発生したときに生じる負荷増加/減少状態を示す信号を、系統周波数fが所定系統周波数設定値S10以下に低下したことを判定する比較器131の出力信号と組合せることにより系統周波数異常の検出信頼度を高めることができる。
【0128】
以上、本発明はガスタービンと発電機が同軸上に結合されたプラントに対して実施した例を説明したが、蒸気タービンが追加されて同じ同軸上に結合されたプラントに対しても適用できる。また燃料は気体燃料であっても液体燃料であってもよい。液体燃料の場合は、一般に燃料ポンプ吐出口と燃焼器の間の燃料バイパス配管に設けた燃料制御弁により、燃料ポンプから吐出された燃料流量のうち燃料ポンプ入口側にバイパスさせる燃料バイパス流量を制御することにより、燃焼器に供給する燃料流量を制御している。本発明はこのような液体燃料の燃料系統にも適用できる。
【0129】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、系統周波数変動が生じた場合、燃焼ガス温度制限を受けることなく系統周波数変動に応動しながら系統周波数の回復を図ることができる。そして系統周波数が回復すると通常運転における制御回路に復旧して燃焼ガス温度制御が使用できる。
【0130】
請求項2の発明によれば、系統周波数変動が生じた場合、燃焼ガス温度制限を受けることなく所定時間の間に系統周波数の回復を図り、所定時間経過後に通常運転における制御回路に復旧して燃焼ガス温度制御が使用できる。
【0131】
請求項3の発明によれば、系統周波数変動が生じた場合、系統異常検出器からの指令に従い常用燃焼ガス温度制御から非常用燃焼ガス温度制御に切り替え、制限値をより高い燃焼ガス温度に設定したので、ガスタービン出力を増加することができ、ガスタービンの出力制御(速度負荷制御)で系統周波数の安定化を図ることができる。
【0132】
請求項4の発明によれば、直接検出した燃焼ガス温度ではなく排ガス温度を燃焼ガス温度制御に用いるので、常用燃焼ガス温度制御部及び非常用燃焼ガス温度制御部における温度検出の信頼性を高められ、確実に系統周波数の安定化を図ることができる。
【0133】
請求項5の発明によれば、直接検出した燃焼ガス温度を燃焼ガス温度制御に用いるので、特に早い応答時間が必要となる非常用燃焼ガス温度制御部の制御応答性を高められ、短時間内に系統周波数の安定化を図ることができる。
【0134】
請求項6の発明によれば、燃焼ガス温度ではなく圧縮機空気流量と圧縮機吐出空気温度と燃料流量とから算出した燃焼ガス温度を燃焼ガス温度制御に用いているので、常用燃焼ガス温度制御部と非常用燃焼ガス温度制御部における温度検出の信頼性を高めると共に制御応答性も高めることができ、確実かつ短時間内に系統周波数の安定化を図ることができる。
【0135】
請求項7の発明によれば、常用燃焼ガス温度制御部の制限値をガスタービンの燃料コストと高温部品交換コストの和が最小となる条件から定めているため、最も経済的な条件でガスタービンを長時間運転することができる。
【0136】
請求項8の発明によれば、非常用燃焼ガス温度制御部の非常用制限値を高温部品材料の短時間強度から定まる上限燃焼ガス温度と空気圧縮機のサージ限界から定まる上限燃焼ガス温度を考慮して定めることにより、高温部品の健全性と空気圧縮機の安定性を保った上で系統周波数の安定化を図ることができる。
【0137】
請求項9の発明によれば、系統周波数変動が生じたとき、タイマーを設けて系統周波数が回復すると期待される時間だけ非常用燃焼ガス温度制御部に切り替えるようにしたので、この所定時間の間に系統周波数の回復を図り、所定時間経過後に通常運転における制御回路に復旧して常用燃焼ガス温度制御でガスタービンを運転することができる。
【0138】
請求項10の発明によれば、系統周波数変動が生じた場合、系統異常検出器からの指令に従い常用入口案内翼制御から非常用入口案内翼制御に切り替え、入口案内翼の上限角度をより高い値に変更してガスタービンの出力を増加することができ、ガスタービンの出力制御(速度負荷制御)で系統周波数の安定化を図ることができる。
【0139】
請求項11の発明によれば、常用入口案内翼制御部で制御する入口案内翼の上限角度を圧縮機効率が最大となる条件より定めたため、最も経済的な条件でガスタービンを長時間運転でき、非常用入口案内翼制御部で制御される入口案内翼の上限角度を空気圧縮機の空気流量が最大となる条件より定めたため、系統周波数以上時にガスタービンの出力を増加させるkとができ、ガスタービンの出力制御(速度負荷制御)で系統周波数の安定化を図ることができる。
【0140】
請求項12の発明によれば、系統周波数変動が生じたとき、タイマーを設けて系統周波数が回復すると期待される時間だけ非常用入口案内翼制御部に切り替えるようにしたので、この所定時間の間に系統周波数の回復を図り、所定時間経過後に通常運転における制御回路に復旧して常用入口案内翼制御でガスタービンを運転することができる。
【0141】
請求項13の発明によれば、系統周波数が所定系統周波数の範囲を逸脱し系統異常検出器が動作した場合に、速度制御系に変化率制限器を設けることにより速度制御系の制御定数を変更するようにしたので、一過性の燃料流量変化の突変を抑制することができ、その結果、燃焼ガス温度高、排ガス温度高あるいはガスタービンの火炎喪失を防止することができる。
【0142】
請求項14の発明によれば、系統周波数が上昇し系統異常検出器が動作した場合は、速度負荷制御部あるいはその下流の燃料制御部に変化率制限器を設けることにより燃料制御系の制御定数を変更するようにしたので一過性の燃料流量の急激な絞込みに対してもガスタービンの火炎喪失を防止することができる。
【0143】
請求項15の発明によれば、系統周波数が低下することに応じて燃焼ガス温度制御を停止させて、発電機出力を増加させることにより系統周波数の回復を図り、さらに短時間運転許容排ガス温度制限値または燃焼ガス温度制限値を越えて排ガス温度または燃焼ガス温度が上昇した場合には燃焼ガス温度制御の停止を解除して燃焼ガス温度制御を生かすことのできる系統異常検出器を提供できる。
【0144】
請求項16の発明によれば、短時間現象である系統事故時に不要な動作をしないように、系統周波数が所定系統周波数以下に低下したことと、発電機電圧が低下したことや発電機電流が増加したこととを組合せて系統周波数異常信号を構成するようにしたので、系統事故時にも誤って動作することのない系統異常検出器を提供できる。
【0145】
請求項17の発明によれば、系統周波数と排ガス温度または燃焼ガス温度の値から耐量時間を与えるようにしたので、系統周波数が所定周波数以下に低下した場合には燃焼ガス温度制御を停止させるようにし、さらに耐量時間が経過したときにはガスタービン保護のために燃焼ガス温度制御停止を解除して燃焼ガス温度制御を生かすことのできる系統異常検出器を提供することができる。
【0146】
請求項18の発明によれば、系統周波数が所定系統周波数以下に低下したことと、同時に系統に接続されている所定の発電機の遮断器が開放したことを検出して成る発電機脱落信号を組合せて系統周波数異常信号を出力するように系統異常検出器を構成したので検出信頼度の高い系統異常検出器を提供することができる。
【0147】
請求項19の発明によれば、系統周波数が所定系統周波数以下に低下したことと、同時に系統全体の一部が切り離されたことを検出する系統分離信号を組合せて系統周波数異常信号を出力するように系統異常検出器を構成したので検出信頼度の高い系統異常検出器を提供することができる。
【0148】
請求項20の発明によれば、系統周波数が所定系統周波数以下に低下したことと、同時に発電機負荷の変化率が所定値を越えたという条件を組合せて系統周波数異常信号を出力するように系統異常検出器を構成したので検出信頼度の高い系統異常検出器を提供することができる。
【0149】
請求項21の発明によれば、系統周波数が所定系統周波数以下に低下したことと、同時に発電機脱落信号と発電機負荷変化率が所定値を越えたという条件を組合せて系統周波数異常信号を出力するように系統異常検出器を構成したので検出信頼度の高い系統周波数異常検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のガスタービン制御装置とガスタービン発電プラントの構成図。
【図2】 本発明の第1の実施の形態を示すブロック構成図。
【図3】 本発明の第2の実施の形態を示すブロック構成図。
【図4】 本発明の第3の実施の形態を示すブロック構成図。
【図5】 本発明の第3の実施の形態でガスタービン状態量(圧縮機空気流量等)の変化を説明する特性図。
【図6】 本発明の第3の実施の形態でガスタービン状態量(燃焼ガス温度等)の変化を説明する特性図。
【図7】 本発明の第3の実施の形態でガスタービン状態量(排ガス温度等)の変化を説明する特性図。
【図8】 本発明の第4の実施の形態を示すブロック構成図。
【図9】 本発明の第5の実施の形態を示すブロック構成図。
【図10】 本発明の第4の実施の形態及び第5の実施の形態でガスタービン状態量(圧縮機空気流量等)の変化を説明する特性図。
【図11】 本発明の第4の実施の形態及び第5の実施の形態でガスタービン状態量(燃焼ガス温度等)の変化を説明する特性図。
【図12】 本発明の第6の実施の形態を示すブロック構成図。
【図13】 本発明の第7の実施の形態で常用制限値の決定法を説明する図であり、燃焼ガス温度とガスタービンを構成する高温部品に使用される材料のクリープ強度との関係図。
【図14】 本発明の第7の実施の形態で常用制限値の決定法を説明する図であり、燃焼ガス温度とガスタービン熱効率及び通年で平均した燃料コストの関係図。
【図15】 本発明の第7の実施の形態で常用制限値の決定法を説明する図であり、燃焼ガス温度と高温部品交換コスト及び燃料コストの関係図。
【図16】 本発明の第8の実施の形態で非常用制限値の決定法を説明する図であり、燃焼ガス温度とガスタービンを構成する高温部品に使用される材料の短時間強度との関係図。
【図17】 本発明の第9の実施の形態を示すブロック構成図。
【図18】 本発明の第9の実施の形態でガスタービン状態量(圧縮機空気流量等)の変化を説明する特性図。
【図19】 本発明の第9の実施の形態でガスタービン状態量(燃焼ガス温度等)の変化を説明する特性図。
【図20】 本発明の第9の実施の形態で常用リミッタと非常用リミッタの上限値決定法を説明する特性図。
【図21】 本発明の第10の実施の形態を示すブロック構成図。
【図22】 本発明の第11の実施の形態を示すブロック構成図。
【図23】 本発明の第12の実施の形態を示すブロック構成図。
【図24】 本発明の第13の実施の形態を示すブロック構成図。
【図25】 本発明の第13の実施の形態で系統周波数に対応する排ガス温度設定値を演算する関数発生器の特性図。
【図26】 本発明の第13の実施の形態で系統周波数が低下してから回復するまでの変化を示す特性図。
【図27】 本発明の第14の実施の形態を示すブロック構成図。
【図28】 本発明の第15の実施の形態を示すブロック構成図。
【図29】 本発明の第15の実施の形態で系統周波数及び排ガス温度からガスタービン運転耐量時間を演算する関数発生器の特性図。
【図30】 本発明の第16の実施の形態を示すブロック構成図。
【図31】 本発明の第16の実施の形態で電力系統と他プラントの発電機との関係を示す説明図。
【図32】 本発明の第17の実施の形態を示すブロック構成図。
【図33】 本発明の第17の実施の形態で電力系統における系統分離を説明する説明図。
【図34】 本発明の第18の実施の形態を示すブロック構成図。
【図35】 本発明の第19の実施の形態を示すブロック構成図。
【図36】 従来例のガスタービン制御装置とガスタービン発電プラントの構成図。
【図37】 従来例のガスタービン制御装置のブロック構成図。
【図38】 従来例におけるガスタービン状態量(圧縮機空気流量等)の変化を説明する特性図。
【図39】 従来例におけるガスタービン状態量(燃焼ガス温度等)の変化を説明する特性図。
【図40】 従来例におけるガスタービン状態量(排ガス温度等)の変化を説明する特性図。
【図41】 従来例における燃焼ガス温度上限値の決定法を説明する説明図。
【符号の説明】
1…入口案内翼、2…空気圧縮機、3…空気流路、4…燃焼器、5…燃料制御弁、6…燃料バーナー、7…タービン、8…ガスタービン軸、9…発電機、10…ガスタービン制御装置、11…軸端歯車、12…速度検出器、13…空気圧縮機吐出空気圧力検出器、14…排ガス温度検出器、15…発電機出力検出器、16…速度負荷制御部、17…燃料制御信号選択部、18…燃焼ガス温度制御部、19…速度設定器、20…減算器、21…比例制御器、22…信号発生器、23…加算器、24…負荷設定器、25…減算器、26…比較器、27…スイッチ、28…信号発生器、29…比較器、30…スイッチ、31…信号発生器、32…関数発生器、33…減算器、34…比例積分制御器、35…信号発生器、36…加算器、37…加減算器、38…スイッチ、39…系統異常検出器、40…タイマー、41…関数発生器、42…スイッチ、43…変化率制限器、44…スイッチ、45…信号発生器、46…比較器、48…変化率制限器、49…スイッチ、50…信号発生器、51…比較器、52…変化率演算器、53…信号発生器、54…比較器、55…ORロジック、56…NOTロジック、57…ANDロジック、58…タイマー、59…タイマー、60…タイマー、61…ORロジック、62…ANDロジック、63…系統分離信号、64…ANDロジック、65…変化率演算器、66…信号発生器、67…比較器、68…信号発生器、69…比較器、70…ORロジック、71…ANDロジック、72…ANDロジック、73…関数発生器、74…関数発生器、75…比較器、76…比較器、77…タイマー、78…NOTロジック、79…変化率演算器、80…比較器、81…信号発生器、82…比較器、83…信号発生器、84…ANDロジック、85…NOTロジック、86…ANDロジック、87…信号発生器、88…比較器、89…関数発生器、90…カウンター、91…比較器、92…NOTロジック、93…ANDロジック、94…発電機遮断器、95…発電機電圧・電流検出器、96…系統周波数検出器、97…電力系統、98…遮断器、99…電力系統、100…ガスタービン、101…入口案内翼駆動装置、102…角度検出器、103…入口空気圧力検出器、104…空気流量検出器、105…吐出空気温度検出器、106…燃焼ガス温度検出器、107…燃料流量検出器、111…温度設定器、112…温度設定器、113…関数発生器、114…入口案内翼制御部、115…関数発生器、116…常用リミッター、117…非常用リミッター、118…減算器、119…比例積分制御器、130…信号発生器、131…比較器

Claims (21)

  1. 入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器とを備え、前記系統異常検出器が動作したときは前記速度負荷制御信号が前記燃料制御信号選択部で選択されるようになし、前記速度負荷制御信号により燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  2. 請求項1に記載のガスタービン制御装置において、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記速度負荷制御信号が前記燃料制御信号選択部で選択されるようになし、前記速度負荷制御信号により燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにするとともに、前記所定時間が経過した後は前記排ガス温度制御信号が前記燃料制御信号選択部で燃料制御信号として選択されて前記排ガス温度が前記制限値を超えないように燃料制御弁を制御できるようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  3. 入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器とを備え、前記燃焼ガス温度制御部は、前記燃焼器の排ガス温度の制限値として常用制限値と常用制限値より温度の高い非常用制限値とを有し、前記系統異常検出器が不動作のときは前記燃焼器の排ガス温度が常用制限値を超えないように前記燃料制御信号選択部にて排ガス温度制御信号を燃料制御信号として選択して燃料制御弁を制御し、前記系統異常検出器が動作したときは前記燃焼器の排ガス温度が非常用制限値を超えないように前記燃料制御信号選択部にて排ガス温度制御信号を燃料制御信号として選択して燃料制御弁を制御するようにして、前記系統異常検出器が動作したときには不動作のときよりも燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  4. 請求項3に記載のガスタービン制御装置において、前記燃焼器の排ガス温度の常用制限値及び非常用制限値は前記空気圧縮機の圧力比の関数として設定されることを特徴とするガスタービン制御装置。
  5. 請求項3に記載のガスタービン制御装置において、燃焼ガス温度制御部は、前記燃焼器の排ガス温度に代えて前記燃焼器の燃焼ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための燃焼ガス温度制御信号を出力し、前記燃料制御信号選択部は前記速度負荷制御信号と前記燃焼ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力し、前記燃焼ガス温度制御部は、前記燃焼器の燃焼ガス温度の制限値として常用制限値と常用制限値より温度の高い非常用制限値とを有し、前記系統異常検出器が系統周波数の異常を検出しないとき前記燃焼器の燃焼ガス温度が常用制限値を超えないように前記燃料制御信号選択部にて燃焼ガス温度制御信号を燃料制御信号として選択して燃料制御弁を制御するようにして、前記系統異常検出器が動作したときには不動作のときよりも燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  6. 請求項5に記載のガスタービン制御装置において、前記燃焼器の燃焼ガス温度は燃焼ガス温度検出器で検出された燃焼ガス温度、または、前記空気圧縮機の空気流量と前記空気圧縮機の吐出空気温度と燃料流量とから算出された燃焼ガス温度を用いることを特徴とするガスタービン制御装置。
  7. 請求項5または請求項6に記載のガスタービン制御装置において、前記燃焼ガス温度の常用制限値は、前記ガスタービンを長時間運転した場合の燃料コストと高温部品交換コストの和が最少となるような燃焼ガス温度とすることを特徴とするガスタービン制御装置。
  8. 請求項5または請求項6に記載のガスタービン制御装置において、前記燃焼ガス温度の非常用制限値は、前記ガスタービンを構成する高温部品に使用されている材料の短時間許容クリープ強度から定まる燃焼ガスの上限温度をTa、前記高温部品材料の許容耐力から定まる燃焼ガスの上限温度をTb、前記高温部品を被服する遮熱コーティグの許容上限温度に相当する燃焼ガス温度をTc、前記空気圧縮機のサージ限界から定まる上限の燃焼ガス温度をTdとするとき、Ta、Tb、Tc、Tdのいずれかもしくはそれらのうちの最小値とすることを特徴とするガスタービン制御装置。
  9. 請求項3乃至請求項8のいずれか1項に記載のガスタービン制御装置において、前記燃焼ガス温度制御部は、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記非常用制限値に基づき燃料制御弁を制御し燃料流量を増加させることにとにより系統周波数を回復させるようにするとともに、前記所定時間が経過した後は前記常用制限値に基づき燃料制御弁を制御するようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  10. 入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記 速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器と、前記入口案内翼の角度の制限値として常用制限値と常用制限値よりも前記空気圧縮機に大きな空気流量を供給できる非常用制限値とを有して前記入口案内翼の角度を制御する入口案内翼制御部とを備え、前記系統異常検出器が動作したときは常用制限値から非常用制限値に切り替えるようにして、前記系統異常検出器が動作したときには不動作のときよりも前記空気圧縮機の空気流量を増加させて排ガス温度の上昇を抑制し燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  11. 請求項10に記載のガスタービン制御装置において、前記入口案内翼の角度の常用制限値は、前記空気圧縮機の圧縮機効率が最大となる条件より定め、前記入口案内翼の角度の非常用制限値は、前記空気圧縮機の空気流量が最大となる条件より定めたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  12. 請求項10に記載のガスタービン制御装置において、前記入口案内翼制御部は、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記非常用制限値に基づき前記入口案内翼を制御し前記空気圧縮機の空気流量を増加させて排ガス温度の上昇を抑制し燃料流量を増加させることにより系統周波数を回復させるとともに、前記所定時間が経過した後は前記常用制限値に基づき前記入口案内翼を制御するようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  13. 入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器と、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記速度負荷制御信号の変化率を制限した信号を前記燃料制御信号選択部に出力する変化率制限器とを備え、燃料流量の急変を抑制するようにしてガス温度高トリップあるいは燃焼器火炎喪失トリップを防止することを特徴とするガスタービン制御装置。
  14. 入口案内翼を備えた空気圧縮機と、前記空気圧縮機からの吐出空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを受け入れ前記空気圧縮機と発電機とを駆動するタービンとから成るガスタービンを制御するガスタービン制御装置において、前記発電機の発電機出力を検出する発電機出力検出器と、前記ガスタービンの回転数を検出する速度検出器と、前記発電機出力検出器で検出した発電機出力および前記速度検出器で検出したガスタービン回転数がそれぞれの設定値になるように燃料制御弁を制御するための速度負荷制御信号を出力する速度負荷制御部と、前記燃焼器の排ガス温度を検出する排ガス温度検出器と、前記排ガス温度検出器で検出された排ガス温度が制限値を超えないように燃料制御弁を制御するための排ガス温度制御信号を出力する燃焼ガス温度制御部と、前記 速度負荷制御信号と前記排ガス温度制御信号とのうち燃料流量を小さくする方を選択し燃料制御信号として前記燃焼器へ燃料流量を供給する燃料制御弁に出力する燃料制御信号選択部と、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱した場合に動作する系統異常検出器と、前記系統異常検出器が動作したときは系統周波数が回復すると期待される所定時間だけ前記燃料制御信号の変化率を制限する変化率制限器とを備え、燃料流量の急変を抑制するようにして燃焼器火炎喪失トリップを防止するようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  15. 請求項1または請求項2に記載のガスタービン制御装置において、前記系統異常検出器は、ガスタービン排ガス温度が系統周波数に対応づけて定められたガスタービン排ガス温度制限値を超えた場合に動作するようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  16. 請求項1乃至請求項14項のいずれか1項に記載のガスタービン制御装置において、前記系統異常検出器は、前記発電機の電圧低下または前記発電機の電流の急激な増加を検出したときには、系統周波数異常検出器の動作が阻止されるようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  17. 請求項1または請求項2に記載のガスタービン制御装置において、前記系統異常検出器が動作している時間がガスタービン排ガス温度と系統周波数とに基づいて定めた許容運転時間を超えたときに、系統異常検出器の動作が阻止されるようにしたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  18. 請求項1乃至14項のいずれか1項に記載のガスタービン制御装置において、前記系統異常検出器は、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱したことと、前記電力系統に接続されている発電機が脱落したこととから動作するようにして系統周波数異常の検出信頼度を高めたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  19. 請求項1乃至14項のいずれか1項に記載のガスタービン制御装置において、前記系統異常検出器は、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱したことと、前記電力系統から一部の電力系統が分離されたこととから動作するようにして系統周波数異常の検出信頼度を高めたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  20. 請求項1乃至14項のいずれか1項に記載のガスタービン制御装置において、前記系統異常検出器は、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱したことと、発電機出力の増加変化率が所定を超えたことまたは発電機出力の減少変化率が所定を下回ったこととから動作するようにして系統周波数異常の検出信頼度を高めたことを特徴とするガスタービン制御装置。
  21. 請求項1乃至14項のいずれか1項に記載のガスタービン制御装置において、前記系統異常検出器は、電力系統の系統周波数が正常に運用される範囲以下に逸脱したことと、前記電力系統に接続されている発電機が脱落したことと、発電機出力の増加変化率が所定を超えたことまたは発電機出力の減少変化率が所定を下回ったこととから動作するようにして系統周波数異常の検出信頼度を高めたことを特徴とするガスタービン制御装置。
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