(57)【要約】【課題】負荷に応じて回転数を低減することで燃費性能を向上しつつ、軸振動現象などの不具合発生を効果的に回避する。【解決手段】１軸式ガスタービンの運転制御装置は、発電機の負荷状態に基づいて運転モードを選択し、当該運転モードに基づいてタービンを制御する。第１運転モードは第１回転数帯にタービンの回転数を維持し、第２運転モードは第１回転数帯より低回転側に設定される第２回転数帯に回転数を維持する。第２回転数帯は、第１非選択回転数帯を介して第１回転数帯より低回転側に設定される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、前記燃焼器によって発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するように構成され、前記圧縮機及び前記発電機と共通の回転軸に接続された１軸式ガスタービンの運転制御装置であって、
前記発電機の負荷状態を判定する負荷状態判定部と、
前記負荷状態判定部の判定結果に基づいて、第１回転数帯に前記タービンの回転数を維持する第１運転モードと、前記第１回転数帯より第１非選択回転数帯を介して低回転側に設定される第２回転数帯に前記回転数を維持する第２運転モードとを選択可能に構成された運転モード選択部と、
前記運転モード選択部で選択された運転モードに基づいて、前記タービンを制御する制御部と、
を備える、１軸式ガスタービンの運転制御装置。
【請求項２】
前記負荷状態判定部は、前記発電機に対して設定される目標負荷率、及び、前記発電機の有効負荷率に基づいて前記負荷状態を判定する、請求項１に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
【請求項３】
前記負荷状態判定部は、所定時間内に（ｉ）〜（ｉｉｉ）のいずれかを満たす場合、前記負荷状態を第１負荷状態であると判定し、
前記運転モード選択部は、前記負荷状態が前記第１負荷状態であると判定された場合、前記第１運転モードを選択する、請求項２に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
（ｉ）前記目標負荷率が第１閾値より大きい。
（ｉｉ）前記有効負荷率が第２閾値より大きい。
（ｉｉｉ）前記目標負荷率及び前記有効負荷率の差分が第３閾値より大きく、且つ、前記目標負荷率が前記有効負荷率以上である。
【請求項４】
前記負荷状態判定部は、所定時間にわたって（ｉｖ）〜（ｖｉ）を満たす場合、前記負荷状態を第２負荷状態であると判定し、
前記運転モード選択部は、前記負荷状態が前記第２負荷状態であると判定された場合、前記第２運転モードを選択する、請求項２又は３に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
（ｉｖ）前記目標負荷率が第１閾値以下である。
（ｖ）前記有効負荷率が第２閾値以下である。
（ｖｉ）前記目標負荷率及び前記有効負荷率の差分が第３の閾値以下であるか、あるいは、前記目標負荷率が前記有効負荷率未満である。
【請求項５】
前記制御部は、前記第１運転モード及び前記第２運転モードにおいて、
前記圧縮機の前段に設けられた入口案内翼の開度、及び、前記燃料の流量を調整することによって前記タービンの出力を制御するとともに、
前記発電機の出力周波数を系統周波数に変換するための電力変換装置の出力を制御することにより前記タービンの回転数を制御する、請求項１から４のいずれか一項に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
【請求項６】
前記第１非選択回転数帯は、前記タービンが有するタービン翼の固有振動数を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
【請求項７】
前記運転モード選択部は、前記第２回転数帯より第２非選択回転数帯を介して低回転側に設定される第３回転数帯に前記回転数を維持する第３運転モードを選択可能に構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
【請求項８】
前記負荷状態判定部は、所定時間にわたって（ｖｉｉ）及び（ｖｉｉｉ）を満たす場合、前記負荷状態を第３負荷状態であると判定し、
前記運転モード選択部は、前記負荷状態が前記第３負荷状態であると判定された場合、前記第３運転モードを選択する、請求項７に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
（ｖｉｉ）前記目標負荷率が第４閾値以下である。
（ｖｉｉｉ）前記有効負荷率が第５閾値以下である。
【請求項９】
前記制御部は、前記第３運転モードにおいて、
前記圧縮機の前段に設けられた入口案内翼の開度、前記燃料の流量、及び、前記圧縮機の抽気弁の開度を調整することによって前記タービンの出力を制御するとともに、
前記発電機の出力周波数を系統周波数に変換するための電力変換装置を制御することにより前記タービンの回転数を制御する、請求項７又は８に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
【請求項１０】
前記第２非選択回転数帯は、前記タービンが有するタービン翼の固有振動数を含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の１軸式ガスタービンの運転制御装置。
【請求項１１】
圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、前記燃焼器によって発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するように構成され、前記圧縮機及び前記発電機と共通の回転軸に接続された１軸式ガスタービンの運転制御方法であって、
前記発電機の負荷状態を判定する工程と、
前記負荷状態の判定結果に基づいて、第１回転数帯に前記タービンの回転数を維持する第１運転モードと、前記第１回転数帯より第１非選択回転数帯を介して低回転側に設定される第２回転数帯に前記回転数を維持する第２運転モードとから、運転モードを選択する工程と、
前記運転モードに基づいて、前記タービンを制御する工程と、
を備える、１軸式ガスタービンの運転制御方法。
【請求項１２】
圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、前記燃焼器によって発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するように構成され、前記圧縮機及び前記発電機と共通の回転軸に接続された１軸式ガスタービンを運転制御するためのプログラムであって、コンピュータに、
前記発電機の負荷状態を判定する工程と、
前記負荷状態の判定結果に基づいて、第１回転数帯に前記タービンの回転数を維持する第１運転モードと、前記第１回転数帯より第１非選択回転数帯を介して低回転側に設定される第２回転数帯に前記回転数を維持する第２運転モードとから、運転モードを選択する工程と、
前記運転モードに基づいて、前記タービンを制御する工程と、
を実行させる、プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、１軸式ガスタービンの運転制御装置、運転制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、燃焼器によって発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するガスタービンが知られている。この種のガスタービンとして、タービンの回転軸が圧縮機及び発電機と共通の回転軸に接続される１軸式ガスタービンがある。従来の１軸式ガスタービンは、発電機の出力周波数を系統周波数に同期させるために、回転数が一定に維持されるように制御される。このような１軸式ガスタービンの一定回転数は、負荷の大きさに関わらず、圧縮機の安定的な動作を確保するとともに、タービンの排ガス性状（例えば排ガスに含まれるＮＯｘ濃度など）を基準以下とするために、圧縮機の風量をある程度確保可能な値に設定される。そのため、定格負荷より負荷が小さな部分負荷や無負荷では、熱効率が低下し、燃料消費量が多くなってしまう傾向がある。
【０００３】
特許文献１には、発電機として可変速発電機又はインバータ制御発電機を用いることによって、１軸式ガスタービンの回転数を負荷の大きさに応じて可変制御することが記載されている。この文献では、負荷が低下した部分負荷や無負荷時に、回転数を低下させることで熱効率を向上させ、燃料消費量を低減することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６７７５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように回転数が一定に維持される従来の１軸式ガスタービンでは、通常、定格運転条件においてタービンに生じる加振周波数が、タービン翼が本質的に有する固有振動数に一致しないように設計される。しかしながら、上記特許文献１のように回転数を負荷に応じて可変制御した場合、タービンに生じる加振周波数が変化することで固有振動数に一致し、共振現象を招き、不具合が生じる可能性がある。
またインバータ制御発電機のように発電周波数を系統周波数に変換するための電気回路を採用する場合、電気回路の特性に基づく軸振動現象（例えば、発電機に生じる軸のねじり振動現象であり、大容量のコンバータを有する電力系統との相互作用により生じるＳＳＴＩ（Ｓｕｂ−Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）など）を起こす可能性もある。
【０００６】
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、負荷に応じて回転数を低減することで燃費性能を向上しつつ、軸振動現象などの不具合発生を効果的に回避可能な１軸式ガスタービンの運転制御装置、運転制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る１軸式ガスタービンの運転制御装置は上記課題を解決するために、
圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、前記燃焼器によって発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するように構成され、前記圧縮機及び前記発電機と共通の回転軸に接続された１軸式ガスタービンの運転制御装置であって、
前記発電機の負荷状態を判定する負荷状態判定部と、
前記負荷状態判定部の判定結果に基づいて、第１回転数帯に前記タービンの回転数を維持する第１運転モードと、前記第１回転数帯より第１非選択回転数帯を介して低回転側に設定される第２回転数帯に前記回転数を維持する第２運転モードとを選択可能に構成された運転モード選択部と、
前記運転モード選択部で選択された運転モードに基づいて、前記タービンを制御する制御部と、
を備える。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、発電機の負荷状態に基づいて運転モードが選択され、当該選択された運転モードに従った回転数制御が行われる。各運転モードでは、タービンの回転数が各回転数帯に維持されることで、略一定回転数制御が行われる。特に第２運転モードでは、第１運転モードに比べて低回転側の回転数帯を有するため、発電機の負荷状態に応じて燃料消費量の低減が可能となる。
また第１運転モードに対応する第１回転数帯及び第２運転モードに対応する第２回転数帯の間には第１非選択回転数帯が設定される。そのため、例えばタービン翼の固有周波数や電気回路に起因する軸振動に対応する好ましくない回転数を第１非選択回転数帯に含むように設定することで、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、好ましくない回転数における運転を回避し、不具合発生を効果的に防止できる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記負荷状態判定部は、前記発電機に対して設定される目標負荷率、及び、前記発電機の有効負荷率に基づいて前記負荷状態を判定する。
【００１０】
上記（２）の構成によれば、運転モードの選択基準となる負荷状態は、電力需要側の負荷指標である目標負荷率と、供給側の負荷指標である有効負荷率とに基づいて算出される。このように算出される負荷状態を採用することで、発電機の負荷を的確に評価できる。
【００１１】
（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、
前記負荷状態判定部は、所定時間内に（ｉ）〜（ｉｉｉ）のいずれかを満たす場合、前記負荷状態を第１負荷状態であると判定し、
前記運転モード選択部は、前記負荷状態が前記第１負荷状態であると判定された場合、前記第１運転モードを選択する。
（ｉ）前記目標負荷率が第１閾値より大きい。
（ｉｉ）前記有効負荷率が第２閾値より大きい。
（ｉｉｉ）前記目標負荷率及び前記有効負荷率の差分が第３閾値より大きく、且つ、前記目標負荷率が前記有効負荷率以上である。
【００１２】
上記（３）の構成によれば、上記基準によって発電機の負荷状態が第１負荷状態にあると判定された場合には、第１運転モードに従った制御が実施される。
【００１３】
（４）幾つかの実施形態では上記（２）又は（３）の構成において、
前記負荷状態判定部は、所定時間にわたって（ｉｖ）〜（ｖｉ）を満たす場合、前記負荷状態を第２負荷状態であると判定し、
前記運転モード選択部は、前記負荷状態が前記第２負荷状態であると判定された場合、前記第２運転モードを選択する。
（ｉｖ）前記目標負荷率が第１閾値以下である。
（ｖ）前記有効負荷率が第２閾値以下である。
（ｖｉ）前記目標負荷率及び前記有効負荷率の差分が第３の閾値以下であるか、あるいは、前記目標負荷率が前記有効負荷率未満である。
【００１４】
上記（４）の構成によれば、上記基準によって発電機の負荷状態が第２負荷状態にあると判定された場合には、第２運転モードに従った制御が実施される。第２運転モードでは第１運転モードに比べて回転数帯が低回転側に設定されるため、タービンの回転数を第２回転数帯に維持した略一定回転数制御のもと、燃料消費量を効果的に低減できる。
【００１５】
（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（４）のいずれか一構成において、
前記制御部は、前記第１運転モード及び前記第２運転モードにおいて、
前記圧縮機の前段に設けられた入口案内翼の開度、及び、前記燃料の流量を調整することによって前記タービンの出力を制御するとともに、
前記発電機の出力周波数を系統周波数に変換するための電力変換装置の出力を制御することにより前記タービンの回転数を制御する。
【００１６】
上記（５）の構成によれば、第１運転モード及び第２運転モードでは、入口案内翼の開度及び燃料の流量を制御パラメータとしてタービンの出力制御がなされるともに、電力変換装置の出力を制御パラメータとしてタービンの回転数制御がなされる。これにより発電機に対する発電要求を満たしつつ、回転数を略一定に維持する協調制御を好適に実現できる。
【００１７】
（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、
前記第１非選択回転数帯は、前記タービンが有するタービン翼の固有振動数を含む。
【００１８】
上記（６）の構成によれば、タービン翼の固有周波数を第１非選択回転数帯に含むように設定することで、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、タービン翼の固有周波数における運転を回避し、タービン翼の破損のような不具合発生を効果的に防止できる。
【００１９】
（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、
前記運転モード選択部は、前記第２回転数帯より第２非選択回転数帯を介して低回転側に設定される第３回転数帯に前記回転数を維持する第３運転モードを選択可能に構成される。
【００２０】
上記（７）の構成によれば、前述の第１運転モード及び第２運転モードに加えて、第３運転モードが選択可能となる。第３運転モードではタービンの回転数が第３回転数帯に維持されることで略一定回転数制御が行われる。第３回転数帯は、第２回転数帯より更に低回転側に設定されるため、発電機の負荷状態に応じて燃料消費量をより低減することができる。
また第２運転モードに対応する第２回転数帯及び第３運転モードに対応する第３回転数帯の間には第２非選択回転数帯が設定される。そのため、例えばタービン翼の固有周波数や電気回路に起因する軸振動に対応する好ましくない回転数を第２非選択回転数帯に含むように設定することで、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、好ましくない回転数における運転を回避し、不具合発生を効果的に防止できる。
【００２１】
（８）幾つかの実施形態では上記（７）の構成において、
前記負荷状態判定部は、所定時間にわたって（ｖｉｉ）及び（ｖｉｉｉ）を満たす場合、前記負荷状態を第３負荷状態であると判定し、
前記運転モード選択部は、前記負荷状態が前記第３負荷状態であると判定された場合、前記第３運転モードを選択する。
（ｖｉｉ）前記目標負荷率が第４閾値以下である。
（ｖｉｉｉ）前記有効負荷率が第５閾値以下である。
【００２２】
上記（８）の構成によれば、上記基準によって発電機の負荷状態が第３負荷状態にあると判定された場合には、第３運転モードに従った制御が実施される。第３運転モードでは第２運転モードに比べて回転数帯が更に低回転側に設定されるため、タービンの回転数を第３回転数帯に維持した略一定回転数制御のもと、燃料消費量をより効果的に低減できる。
【００２３】
（９）幾つかの実施形態では上記（７）又は（８）の構成において、
前記制御部は、前記第３運転モードにおいて、
前記圧縮機の前段に設けられた入口案内翼の開度、前記燃料の流量、及び、前記圧縮機の抽気弁の開度を調整することによって前記タービンの出力を制御するとともに、
前記発電機の出力周波数を系統周波数に変換するための電力変換装置を制御することにより前記タービンの回転数を制御する。
【００２４】
上記（９）の構成によれば、第３運転モードでは、入口案内翼の開度、燃料の流量及び抽気弁の開度を制御パラメータとしてタービンの出力制御がなされるともに、電力変換装置の出力を制御パラメータとしてタービンの回転数制御がなされる。これにより発電機に対する発電要求を満たしつつ、回転数を略一定に維持する協調制御を好適に実現できる。
【００２５】
（１０）幾つかの実施形態では上記（７）から（９）のいずれか一構成において、
前記第２非選択回転数帯は、前記タービンが有するタービン翼の固有振動数を含む。
【００２６】
上記（１０）の構成によれば、タービン翼の固有周波数を第２非選択回転数帯に含むように設定することで、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、タービン翼の固有周波数における運転を回避し、タービン翼の破損のような不具合発生を効果的に防止できる。
【００２７】
（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る１軸式ガスタービンの運転制御方法は上記課題を解決するために、
圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、前記燃焼器によって発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するように構成され、前記圧縮機及び前記発電機と共通の回転軸に接続された１軸式ガスタービンの運転制御方法であって、
前記発電機の負荷状態を判定する工程と、
前記負荷状態の判定結果に基づいて、第１回転数帯に前記タービンの回転数を維持する第１運転モードと、前記第１回転数帯より第１非選択回転数帯を介して低回転側に設定される第２回転数帯に前記回転数を維持する第２運転モードとから、運転モードを選択する工程と、
前記運転モードに基づいて、前記タービンを制御する工程と、
を備える。
【００２８】
上記（１１）の構成によれば、発電機の負荷状態に基づいて運転モードが選択され、当該選択された運転モードに従った回転数制御が行われる。各運転モードでは、タービンの回転数が各回転数帯に維持されることで、略一定回転数制御が行われる。特に第２運転モードでは、第１運転モードに比べて低回転側の回転数帯を有するため、発電機の負荷状態に応じて燃料消費量の低減が可能となる。
また第１運転モードに対応する第１回転数帯及び第２運転モードに対応する第２回転数帯の間には第１非選択回転数帯が設定される。そのため、例えばタービン翼の固有周波数や電気回路に起因する軸振動に対応する好ましくない回転数を第１非選択回転数帯に含むように設定することで、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、好ましくない回転数における運転を回避し、不具合発生を効果的に防止できる。
【００２９】
（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係るプログラムは上記課題を解決するために、
圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、前記燃焼器によって発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するように構成され、前記圧縮機及び前記発電機と共通の回転軸に接続された１軸式ガスタービンを運転制御するためのプログラムであって、コンピュータに、
前記発電機の負荷状態を判定する工程と、
前記負荷状態の判定結果に基づいて、第１回転数帯に前記タービンの回転数を維持する第１運転モードと、前記第１回転数帯より第１非選択回転数帯を介して低回転側に設定される第２回転数帯に前記回転数を維持する第２運転モードとから、運転モードを選択する工程と、
前記運転モードに基づいて、前記タービンを制御する工程と、
を実行させる。
【００３０】
上記（１２）のプログラムによれば、発電機の負荷状態に基づいて運転モードが選択され、当該選択された運転モードに従った回転数制御が行われる。各運転モードでは、タービンの回転数が各回転数帯に維持されることで、略一定回転数制御が行われる。特に第２運転モードでは、第１運転モードに比べて低回転側の回転数帯を有するため、発電機の負荷状態に応じて燃料消費量の低減が可能となる。
また第１運転モードに対応する第１回転数帯及び第２運転モードに対応する第２回転数帯の間には第１非選択回転数帯が設定される。そのため、例えばタービン翼の固有周波数や電気回路に起因する軸振動に対応する好ましくない回転数を第１非選択回転数帯に含むように設定することで、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、好ましくない回転数における運転を回避し、不具合発生を効果的に防止できる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、負荷に応じて回転数を低減することで燃費性能を向上しつつ、軸振動現象などの不具合発生を効果的に回避可能な１軸式ガスタービンの運転制御装置、運転制御方法及びプログラムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの全体構成を示す模式図である。
【図２Ａ】図１の制御装置のハードウェア構成の一例を示す概略構成図である。
【図２Ｂ】図１の制御装置のハードウェア構成の他の例を示す概略構成図である。
【図３】図１の負荷状態判定部の内部構成を示すブロック図である。
【図４】目標負荷率及び有効負荷率に対する負荷状態の分布例である。
【図５】第１〜第３運転モードにおける回転数特性を示すグラフである。
【図６】図１の制御部の内部構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの運転制御方法を工程毎に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３４】
図１は本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービン１００の全体構成を示す模式図である。ガスタービン１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、発電機１０８及び電力変換装置１１０を備える。吸気は圧縮機１０２によって圧縮され、燃料流量調整弁１１２から供給される燃料と混合されて燃焼器１０４で燃焼される。燃料流量調整弁１１２は、制御装置１５０からの制御信号（燃料制御信号）に基づいて作動することで、燃焼器１０４に対する燃料流量が制御可能に構成されている。
【００３５】
燃焼器１０４で生じた高温の燃焼ガスは、タービン１０６で膨張することにより動力を発生させる。タービン１０６の動力の一部は圧縮機１０２を駆動し、残りの動力は負荷である発電機１０８を駆動する。尚、圧縮機１０２、タービン１０６及び発電機１０８の回転軸はそれぞれ一体的に結合されており、ガスタービン１００は１軸式ガスタービンである。
【００３６】
発電機１０８から出力される交流電力は、電力変換装置１１０を介して電力系統１４０に供給される。後述するように、ガスタービン１００（圧縮機１０２、タービン１０６及び発電機１０８）の回転数は可変であるため、発電機１０８から出力される電力周波数は、一般的に、電力系統１４０が有する系統周波数（例えば５０Ｈｚや６０Ｈｚの商用周波数）と異なるが、電力変換装置１１０によって系統周波数に変換される。このような電力変換装置１１０による系統電力への変換は、制御装置１５０からの制御信号（電力変換制御信号）に基づいて実施される。
【００３７】
尚、電力変換装置１１０に含まれる電気回路は、例えばコンバータ回路又はインバータ回路を含む。例えば、上記のように発電機１０８の電力周波数を系統周波数に交流変換する場合には電力変換装置１１０は、発電機１０８から出力される交流電力を直流電力に変換するためのコンバータ回路と、コンバータ回路から出力される直流電力を系統周波数を有する交流電力に変換するためのインバータ回路とを含む。また発電機１０８の出力電力を直流送電する場合（電力系統１４０が直流送電路である場合）には、電力変換装置１１０は、発電機１０８から出力される交流電力を直流電力に変換するためのコンバータ回路を含む。
【００３８】
また圧縮機１０２の第１段の翼の前段には、入口案内翼１１４（ＩＧＶ：ＩｎＬｅｔＧｕｉｄｅ  Ｖａｎｅ）が設けられている。吸気は入口案内翼１１４によって周方向の速度が与えられ、圧縮機１０２に導入される。圧縮機１０２では、導入された空気は多段の動翼と静翼との間を通ってエネルギが与えられることにより圧力が上昇する。また入口案内翼１１４は、周方向に多数枚設けられた可動翼（不図示）がそれぞれ回動可能に支持されて構成される。入口案内翼１１４を構成する各可動翼は、制御装置１５０からの制御信号（ＩＧＶ制御信号）によって作動するアクチュエータ（不図示）により駆動される。
【００３９】
またガスタービン１００が起動又は昇速中に圧縮機１０２内でサージングが発生しないように、任意の回転数にて圧縮機１０２の昇圧途中の一部空気を抽気してタービン１０６にバイパスする抽気弁１１５が設けられている。抽気弁１１５は、制御装置１５０からの制御信号（抽気弁制御信号）に基づいて作動することで、圧縮機１０２からの抽気流量が制御可能に構成されている。
【００４０】
タービン１０６の最終段部には最終段ブレードを通過した燃焼ガスの温度を検出するためのブレードパス温度検出器１１６が設けられる。またブレードパス温度検出器１１６の下流側の排ガス通路には、排ガスの温度を検出するための排ガス温度検出器１１８が設けられる。また吸気の温度及び圧力を検出するための吸気状態検出部１２０が設けられる。また燃焼器１０４の車室内の圧力を検出するための車室内圧力センサ１２２が設けられる。またタービン１０６の出力を検出するための出力センサ１２４が設けられる。
【００４１】
ブレードパス温度検出器１１６、排ガス温度検出器１１８、吸気状態検出部１２０、車室内圧力センサ１２２及び出力センサ１２４の各検出結果は、制御装置１５０に入力される。制御装置１５０は、これら入力信号に基づく制御信号をガスタービン１００の各要素に出力することにより制御を実施する。具体的には制御装置１５０は、燃料制御信号を送信することによって燃料流量調整弁１１２を制御し、電力変換制御信号を送信することによって電力変換装置１１０を制御し、ＩＧＶ制御信号を送信することによって入口案内翼１１４の開度を制御し、抽気弁制御信号を送信することによって抽気弁１１５の開度を制御する。
【００４２】
制御装置１５０は、コンピュータで構成されていてもよい。ここで図２Ａ〜図２Ｂは、図１の制御装置１５０のハードウェア構成を示す概略構成図である。例えば、図２Ａに示すように、制御装置１５０は、ＣＰＵ１１（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ１２（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ１３（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ１４（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）、入力Ｉ／Ｆ１５、および出力Ｉ／Ｆ１６を含み、これらがバス１７を介して互いに接続されて構成される。
尚、制御装置１５０のハードウェア構成は上記に限定されず、制御回路と記憶装置との組み合わせにより構成されても良い。
【００４３】
また、図２Ｂに示すように、クラウド１ｃや記憶媒体１ｄに、制御装置１５０の機能を実現するためのプログラム（運転条件決定プログラム）を格納しておいてもよい。そして制御装置１５０は、例えば４Ｇ、５Ｇ回線通信器やＷｉ−Ｆｉ（登録商標）等の無線ＬＡＮ通信器のような外部通信器１８を備え、ＣＰＵ１１が外部通信器１８を介してクラウド１ｃからプログラムを読み込み、ＲＡＭ１２にロードして実行してもよい。また制御装置１５０は、記憶媒体１ｄのデータを読み取るためのドライバ１９を備え、ＣＰＵ１１が記憶媒体１ｄからプログラムを読み込み、ＲＡＭ１２にロードして実行してもよい。記憶媒体１ｄの種類は問わず、例えばＳＤカード、ＵＳＢメモリ、外付け  ＨＤＤ等、プログラムの容量に応じた様々な記憶媒体１ｄを用いることができる。
【００４４】
このようなハードウェア構成を有する制御装置１５０は、図１に示す機能ブロックに相当する構成を有する。すなわち、制御装置１５０は、負荷状態判定部１５２、運転モード選択部１５４及び制御部１５６を備える。
【００４５】
負荷状態判定部１５２は、発電機１０８の負荷状態を判定する。負荷状態の判定は、例えば、発電機１０８に対して設定される目標負荷率Ｌｔ、及び、発電機１０８の有効負荷率Ｌｅに基づいて行われる。目標負荷率Ｌｔは外部から取得される出力デマンド情報（将来的な発電機の出力に対する需用量）に基づいて算出され、有効負荷率Ｌｅは出力センサ１２４の検出値を取得することにより算出される。
【００４６】
ここで図３及び図４を参照して、負荷状態判定部１５２における負荷状態の判定手法について詳しく説明する。図３は図１の負荷状態判定部１５２の内部構成を示すブロック図であり、図４は目標負荷率Ｌｔ及び有効負荷率Ｌｅに対する負荷状態の分布例である。この例では、発電機１０８の負荷状態は、負荷状態判定部１５２で算出される目標負荷率Ｌｔ及び有効負荷率Ｌｅに基づいて、第１負荷状態、第２負荷状態あるいは第３負荷状態のいずれであるかが判定される。
【００４７】
図３に示すように、負荷状態判定部１５２は、目標負荷率算出部１５８と、有効負荷率算出部１６０と、タイムカウンタ１６２と、差分算出部１６４と、判定部１６６と、を備える。
【００４８】
目標負荷率算出部１５８は、外部から出力デマンド情報を取得し、当該出力デマンド情報に基づいて目標負荷率Ｌｔを算出する。有効負荷率算出部１６０は、出力センサ１２４の検出値を取得し、当該検出値に基づいて有効負荷率Ｌｅを算出する。タイムカウンタ１６２は、時間を計測する。差分算出部１６４は、目標負荷率算出部１５８で算出された目標負荷率Ｌｔと、有効負荷率算出部１６０で算出された有効負荷率Ｌｅとの差分ΔＬを算出する。判定部１６６は、目標負荷率算出部１５８、有効負荷率算出部１６０、タイムカウンタ１６２及び差分算出部１６４から入力される各情報を用いて発電機１０８の負荷状態が、第１負荷状態、第２負荷状態あるいは第３負荷状態のいずれであるかを判定する。
【００４９】
図４では、第１負荷状態、第２負荷状態及び第３負荷状態の分布例が示されている。この例では、判定部１６６は以下に説明する条件に従って、発電機１０８の負荷状態が、第１負荷状態、第２負荷状態あるいは第３負荷状態のいずれであるかを判定する。
【００５０】
まず所定時間にわたって以下の２つの条件を満たす場合、判定部１６６は、発電機１０８の負荷状態が第２負荷状態であると判定する。
・目標負荷率Ｌｔ及び有効負荷率Ｌｅがそれぞれ閾値Ｌｔ１、Ｌｅ１以下である。
・前記目標負荷率及び前記有効負荷率の差分ΔＬが第３の閾値ΔＬ１以下であるか、あるいは、目標負荷率Ｌｔが有効負荷率Ｌｅ未満である。
尚、所定時間は例えば１分程度に設定するとよい。
【００５１】
また所定時間にわたって以下の条件を満たす場合、判定部１６６は、発電機１０８の負荷状態が第３負荷状態であると判定する。
・目標負荷率Ｌｔ及び有効負荷率Ｌｅがそれぞれ閾値Ｌｔ２、Ｌｅ２以下である（但し閾値Ｌｔ２は閾値Ｌｔ１より小さく、且つ、閾値Ｌｅ２は閾値Ｌｅ１より小さい）。
【００５２】
また上記条件に基づいて発電機１０８の負荷状態が第２負荷状態でも第３負荷状態でもないと判定された場合には、判定部１６６は、発電機１０８の負荷状態が第１負荷状態であると判定する。
尚、上記では第１負荷状態を消極的条件に基づいて判定しているが、積極的条件に基づいて判定してもよい。すなわち所定時間内に以下のいずれかの条件を満たした場合、判定部１６６は、発電機１０８の負荷状態が第１負荷状態であると判定してもよい。
・目標負荷率Ｌｔ又は有効負荷率Ｌｅがそれぞれ閾値Ｌｔ１、Ｌｅ１より大きい。
・前記目標負荷率及び前記有効負荷率の差分ΔＬが第３閾値ΔＬ１より大きく、且つ、目標負荷率Ｌｔが有効負荷率Ｌｅ以上である。
【００５３】
上述した図４に示す各負荷状態を定性的に説明すると、第２負荷状態は部分負荷状態が所定時間継続している状態に対応し、第３負荷状態はタービン１０６の発停止時を含む無負荷状態近傍に対応し、第１負荷状態は第２負荷状態及び第３負荷状態を除き、且つ、定格負荷状態を含む広い負荷状態に対応する。簡潔に述べると、第１負荷状態、第２負荷状態及び第３負荷状態の順に、発電機１０８の負荷が小さくなる傾向がある。
【００５４】
図１に戻って、運転モード選択部１５４は、負荷状態判定部１５２の判定結果に基づいて運転モードを選択する。運転モード選択部１５４によって選択可能な運転モードは予め複数用意され、発電機１０８の負荷状態に応じて選択される。本実施形態では、図４を参照して前述した第１負荷状態、第２負荷状態及び第３負荷状態にそれぞれ対応する第１運転モード、第２運転モード及び第３運転モードが用意される。すなわち、負荷状態判定部１５２で発電機１０８の負荷状態が第１負荷状態であると判定された場合、運転モード選択部１５４は第１運転モードを選択する。また負荷状態判定部１５２で発電機１０８の負荷状態が第２負荷状態であると判定された場合、運転モード選択部１５４は第２運転モードを選択する。また負荷状態判定部１５２で発電機１０８の負荷状態が第３負荷状態であると判定された場合、運転モード選択部１５４は第３運転モードを選択する。
【００５５】
ここで図５は第１〜第３運転モードにおける回転数特性を示すグラフである。尚、図５の縦軸に示す回転数率は、定格回転数に対する回転数の比率である。
【００５６】
第１運転モードは、第１回転数帯Ｂ１にタービン１０６の回転数を維持する運転モードである。第１回転数帯Ｂ１は、定格回転数Ｒｅ１（＝１００％）を含む回転数帯であり、定格回転数Ｒｅ１を基準に許容範囲±ΔＲｅ１によって規定される。すなわち第１運転モードでは、タービン１０６の回転数は定格回転数Ｒｅ１に略一定制御されてもよいし、許容範囲±Ｒｅ１内で変動してもよい。許容範囲±ΔＲｅ１は、例えば、定格回転数Ｒｅ１に対して±３％である。
【００５７】
第２運転モードは、第２回転数帯Ｂ２に回転数を維持する運転モードである。第２回転数帯Ｂ２は、第１回転数帯Ｂ１より低回転側に設定される回転数帯であり、中心回転数Ｒｅ２を基準に許容範囲±ΔＲｅ２によって規定される。すなわち第２運転モードでは、タービン１０６の回転数は中心回転数Ｒｅ２に略一定制御されてもよいし、許容範囲±Ｒｅ２内で変動してもよい。許容範囲±ΔＲｅ２は、例えば、中心回転数Ｒｅ２に対して±３％である。
【００５８】
また第２回転数帯Ｂ２は、第１回転数帯Ｂ１に対して第１非選択回転数帯ＮＢ１を介して低回転側に設定される。すなわち第１回転数帯Ｂ１は第２回転数帯Ｂ２とオーバーラップせず、それらの間に第１非選択回転数帯ＮＢ１が存在する。第１非選択回転数帯ＮＢ１は、例えばタービン翼の固有周波数や電力変換装置１１０に含まれる電気回路に起因する軸振動のような好ましくない回転数を含むように設定される。これにより、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、好ましくない回転数における運転を回避し、不具合発生を効果的に防止できる。
【００５９】
第３運転モードは、第３回転数帯Ｂ３に回転数を維持する運転モードである。第３回転数帯Ｂ３は、第２回転数帯Ｂ２より低回転側に設定される回転数帯であり、中心回転数Ｒｅ３を基準に許容範囲±ΔＲｅ３によって規定される。すなわち第３運転モードでは、タービン１０６の回転数は中心回転数Ｒｅ３に略一定制御されてもよいし、許容範囲±Ｒｅ３内で変動してもよい。許容範囲±ΔＲｅ３は、例えば、中心回転数Ｒｅ３に対して±３％である。
【００６０】
また第３回転数帯Ｂ３は、第２回転数帯Ｂ２に対して第２非選択回転数帯ＮＢ２を介して低回転側に設定される。すなわち第２回転数帯Ｂ２は第３回転数帯Ｂ３とオーバーラップせず、それらの間に第２非選択回転数帯ＮＢ２が存在する。第２非選択回転数帯ＮＢ２は、例えばタービン翼の固有周波数や電力変換装置１１０に含まれる電気回路に起因する軸振動のような好ましくない回転数を含むように設定される。これにより、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、好ましくない回転数における運転を回避し、不具合発生を効果的に防止できる。
【００６１】
図１に戻って制御部１５６は、運転モード選択部１５４で選択された運転モードに基づいてタービンを制御する。図６は図１の制御部１５６の内部構成を示すブロック図である。制御部１５６は、ＡＬＲ制御部１６８と、ロードリミット制御部１７０と、ガバナ制御部１７２と、温度リミット制御部１７４と、燃料リミット制御部１７６と、低値選択部１７８と、ＩＧＶ制御部１８０と、抽気弁制御部１８２と、電力変換制御部１８４と、を備える。
【００６２】
ＡＬＲ制御部１６８は、外部から供給される出力デマンド情報に基づいて目標負荷率Ｌｔを算出する。ロードリミット制御部１７０では、ＡＬＲ制御部１６８から入力される目標負荷率Ｌｔが、予め仕様に応じて予め設定された制限値となるような燃料流量指令信号を出力する。
【００６３】
またガバナ制御部１７２は、回転数が所定の制限値となるための燃料流量指令信号を出力する。本実施形態では、運転モード選択部１５４で選択された運転モードに対応する運転モード情報がガバナ制御部１７２に入力され、各運転モードに対応する回転体帯に回転数を維持するために必要な燃料流量司令信号が生成される。
【００６４】
温度リミット制御部１７４は、ガスタービン１００の各部の温度（例えばブレードパス温度検出器１１６、排ガス温度検出器１１８、吸気状態検出部１２０によって検出される温度）が、予め仕様に基づいて設定された制限値となるような燃料流量指令信号を出力する。
【００６５】
燃料リミット制御部１７６は、燃料流量が予め仕様に基づいて設定された制限値となるような燃料流量指令信号を出力する。
【００６６】
低値選択部１７８は、ロードリミット制御部１７０、ガバナ制御部１７２、温度リミット制御部１７４、燃料リミット制御部１７６から出力された各燃料流量司令信号のうち最も小さな燃料流量を示すものを、燃料制御信号として選択して出力する。低値選択部１７８から出力された燃料制御信号は、燃料流量調整弁１１２に入力されることで、各運転モードに対応する燃料流量制御が実施される。
【００６７】
ＩＧＶ制御部１８０は、発電機１０８の出力（出力センサ１２４の検出値）、吸気温度（吸気状態検出部１２０の検出値）、圧縮機１０２の車室圧力（車室内圧力センサ１２２の検出値）、排ガス温度（排ガス温度検出器１１８の検出値）、及び、運転モード情報（運転モード選択部１５４の出力信号）に基づいて、ＩＧＶ制御信号を算出して出力する。ＩＧＶ制御部１８０から出力されたＩＧＶ制御信号は、入口案内翼１１４に入力されることで、入口案内翼１１４の開度調整が行われる。このようにＩＧＶ制御部１８０には、運転モード選択部１５４で選択された運転モードに対応する運転モード情報が入力されることにより、各運転モードに対応して入口案内翼１１４の開度制御が実施されるように構成されている。
【００６８】
抽気弁制御部１８２は、回転数、及び、運転モード情報（運転モード選択部１５４の出力信号）に基づいて、抽気弁制御信号を算出して出力する。このように抽気弁制御部１８２には、運転モード選択部１５４で選択された運転モードに対応する運転モード情報が入力されることにより、各運転モードに対応して抽気弁１１５の制御が実施されるように構成されている。
【００６９】
電力変換制御部１８４は、ＡＬＲ制御部１６８から入力される目標負荷率Ｌｔ（より具体的には目標負荷率Ｌｔに対応する目標回転数）、回転数、運転モード情報（運転モード選択部１５４の出力信号）に基づいて、電力変換制御信号を算出して出力する。このように電力変換制御部１８４には、運転モード選択部１５４で選択された運転モードに対応する運転モード情報が入力されることにより、各運転モードに対応して電力変換装置１１０の制御が実施されるように構成されている。
【００７０】
上述したように燃料制御信号、ＩＧＶ制御信号、抽気弁制御信号及び電力変換制御信号は、運転モード選択部１５４で選択された運転モードの種類に応じて生成される。すなわち燃料制御信号、ＩＧＶ制御信号、抽気弁制御信号及び電力変換制御信号にそれぞれ対応する制御パラメータである燃料流量、入口案内翼１１４の開度、抽気弁１１５の開度、電力変換装置１１０の出力は、運転モードの種類に応じて制御される。
【００７１】
本実施形態では、運転モード選択部１５４で第１運転モード又は第２運転モードが選択された場合、制御部１５６は、入口案内翼１１４の開度、及び、燃料流量を制御パラメータとして選択し、これらを調整することによってタービン出力を制御する。また発電機１０８の出力周波数を系統周波数に変換するための電力変換装置１１０の出力を制御パラメータとして選択し、これを制御することによりタービン１０６の回転数を制御する（すなわち第１運転モードが選択された場合には第１回転数帯Ｂ１に維持されるように略一定回転数制御を行い、第２運転モードが選択された場合には第２回転体Ｂ２に維持されるように略一定回転数制御を行う）。
【００７２】
また運転モード選択部１５４で第３運転モードが選択された場合、制御部１５６は、入口案内翼１１４の開度、燃料流量に加えて、圧縮機１０２の抽気弁１１５の開度を制御パラメータとして選択し、これらを調整することによってタービン出力を制御する。また発電機１０８の出力周波数を系統周波数に変換するための電力変換装置１１０の出力を制御パラメータとして選択し、これを制御することによりタービン１０６の回転数を制御する（第３運転モードが選択された場合には第３回転数帯Ｂ３に維持されるように略一定回転数制御を行う）。
【００７３】
続いて上記構成を有する制御装置１５０によって実施される運転制御方法について説明する。図７は本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービン１００の運転制御方法を工程毎に示すフローチャートである。
【００７４】
まず制御装置１５０のうち負荷状態判定部１５２は、目的負荷率Ｌｔ及び有効負荷率Ｌｅを取得する（ステップＳ１）。上述したように目的負荷率Ｌｔは外部から取得される目標デマンド情報に基づいて算出され、有効負荷率Ｌｅは出力センサ１２４の検出値に基づいて算出される。
【００７５】
続いて負荷状態判定部１５２はステップＳ１で取得された目的負荷率Ｌｔ及び有効負荷率Ｌｅに基づいて発電機１０８の負荷状態を判定する（ステップＳ２）。発電機１０８の負荷状態が取り得る第１負荷状態〜第３負荷状態は、図４に示すように、目的負荷率Ｌｔ及び有効負荷率Ｌｅに基づいてマップとして予め規定されており、ステップＳ１で取得した目的負荷率Ｌｔ及び有効負荷率Ｌｅを当該マップに照合することにより、発電機１０８の負荷状態が第１負荷状態〜第３負荷状態のいずれであるかが判定される。
【００７６】
続いて運転モード選択部１５４は、ステップＳ２で判定した負荷状態に対応する運転モードを選択する（ステップＳ３）。運転モード選択部１５４が選択し得る運転モードは、図５に示すように、第１負荷状態〜第３負荷状態にそれぞれ対応する第１運転モード〜第３運転モードとして予め規定されている。
【００７７】
続いて制御部１５６は、ステップＳ３で選択された運転モードに従ってガスタービン１００を制御する（ステップＳ４）。これによりガスタービン１００の回転数は、図５に示される各運転モードの回転数帯に維持される。各運転モードでは、タービンの回転数が各回転数帯に維持されることで、略一定回転数制御が行われるが、第１運転モード、第２運転モードあるいは第３運転モードの順に回転数帯が低回転側にあるため、発電機の負荷状態に応じて、これらの運転モードを切り替えることで、燃料消費量の低減が可能となる。
【００７８】
また第１運転モードに対応する第１回転数帯Ｂ１及び第２運転モードに対応する第２回転数帯Ｂ２の間にある第１非選択回転数帯ＮＢ１、並びに、第２運転モードに対応する第２回転数帯Ｂ２及び第３運転モードに対応する第３回転数帯Ｂ３の間にある第２非選択回転数帯ＮＢ２がある。そのため、例えばタービン翼の固有周波数や電気回路に起因する軸振動に対応する好ましくない回転数を第１非選択回転数帯ＮＢ１又は第２非選択回転数帯ＮＢ２に含むように設定することで、負荷状態に応じて複数の運転モードを切り替えながらも、好ましくない回転数における運転を回避し、不具合発生を効果的に防止できる。
【００７９】
以上説明したように上述の実施形態によれば、負荷に応じて回転数を低減することで燃費性能を向上しつつ、軸振動現象などの不具合発生を効果的に回避可能な１軸式ガスタービンの運転制御装置、運転制御方法及びプログラムを提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の少なくとも一実施形態は、１軸式ガスタービンの運転制御装置、運転制御方法及びプログラムに利用可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１００  ガスタービン
１０２  圧縮機
１０４  燃焼器
１０６  タービン
１０８  発電機
１１０  電力変換装置
１１２  燃料流量調整弁
１１４  入口案内翼
１１５  抽気弁
１１６  ブレードパス温度検出器
１１８  排ガス温度検出器
１２０  吸気状態検出部
１２２  車室内圧力センサ
１２４  出力センサ
１４０  電力系統
１５０  制御装置
１５２  負荷状態判定部
１５４  運転モード選択部
１５６  制御部
１５８  目標負荷率算出部
１６０  有効負荷率算出部
１６２  タイムカウンタ
１６４  差分算出部
１６６  判定部
１６８  ＡＬＲ制御部
１７０  ロードリミット制御部
１７２  ガバナ制御部
１７４  温度リミット制御部
１７６  燃料リミット制御部
１７８  低値選択部
１８０  ＩＧＶ制御部
１８２  抽気弁制御部
１８４  電力変換制御部
【図１】
2020165323.tif 000003
【図２Ａ】
2020165323.tif 000004
【図２Ｂ】
2020165323.tif 000005
【図３】
2020165323.tif 000006
【図４】
2020165323.tif 000007
【図５】
2020165323.tif 000008
【図６】
2020165323.tif 000009
【図７】
2020165323.tif 000010