(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンから予め定められた電圧が得られるようにガスタービンの作動を制御するガスタービン出力制御装置において、前記ガスタービンの出口温度に基づいて前記ガスタービンが出力可能な最大の出力を算出する最大出力算出手段と、前記ガスタービンの出力を該算出された最大の出力より小さく維持するガスタービン出力制限手段とを具備することを特徴とするガスタービン出力制御装置。
【請求項２】
前記予め定められた電圧と前記ガスタービンから得られている電圧との差に基づいて前記ガスタービンが出力すべき第一の出力を算出し、前記最大の出力と前記ガスタービンから出力されている第二の出力との差に基づいて前記ガスタービンが出力すべき出力を算出するガスタービン出力算出手段と、前記ガスタービンから得られている電圧が前記予め定められた電圧より低いときに前記第一の出力と前記第二の出力とを比較するガスタービン出力比較手段と、前記第一の出力および前記第二の出力のうち小さいほうの出力にガスタービンの出力を制御するガスタービン出力制御手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン出力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン出力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力を得るために発電機を駆動するためのガスタービンが知られている。ガスタービンではその出力が大きくなり、ガスタービンの温度が或る温度を越えるとその熱により故障する可能性がある。したがってガスタービンが出力可能な出力には限界がある。そこで特開平８−２１２６４号のガスタービン出力制御装置ではガスタービンに接続された発電機を冷却するための冷却水の温度に基づいてガスタービンが出力可能な出力の最大値（以下、最大出力）を算出し、ガスタービンの出力が最大出力を越えないように制御している。ここでは冷却水の温度が低いほどガスタービンに吸入される空気（以下、吸入空気）の温度が低く、ガスタービンの温度も低いと判断し、最大出力が高く算出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら吸入空気の温度が等しい場合でもガスタービン内での燃焼温度はガスタービンに供給される燃料の量やガスタービンの回転数により異なる。したがって吸入空気の温度はガスタービンの温度に正確には対応しない。このため冷却水の温度に基づいて吸入空気の温度を推定し、冷却水の温度に基づいて算出される最大出力はガスタービンが実際に出力可能な出力に対応せず、ガスタービンの故障を十分に防止することができない。したがって本発明の目的はガスタービンの作動温度を許容温度内に確実に維持し、ガスタービンの故障を十分に防止することにある。なお出口温度とはガスタービンから排出される排気ガスの温度に相当する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために一番目の発明によれば、ガスタービンから予め定められた電圧が得られるようにガスタービンの作動を制御するガスタービン出力制御装置において、前記ガスタービンの出口温度に基づいて前記ガスタービンが出力可能な最大の出力を算出する最大出力算出手段と、前記ガスタービンの出力を該算出された最大の出力より小さく維持するガスタービン出力制限手段とを具備する。すなわちガスタービンの出力がガスタービンの出口温度に基づいて算出された最大の出力より小さく維持される。
【０００５】
上記課題を解決するために二番目の発明によれば、一番目の発明において、前記予め定められた電圧と前記ガスタービンから得られている電圧との差に基づいて前記ガスタービンが出力すべき第一の出力を算出し、前記最大の出力と前記ガスタービンから出力されている出力との差に基づいて前記ガスタービンが出力すべき第二の出力を算出するガスタービン出力算出手段と、前記ガスタービンから得られている電圧が前記予め定められた電圧より低いときに前記第一の出力と前記第二の出力とを比較するガスタービン出力比較手段と、前記第一の出力および前記第二の出力のうち小さいほうの出力にガスタービンの出力を制御するガスタービン出力制御手段とを具備する。すなわちガスタービンから得られる電圧を上げるべきときにガスタービンが出力すべき出力を予め定められた電圧および現在の電圧ならびに最大の出力および現在の出力に基づいて算出し、小さいほうの出力にガスタービンの出力を維持する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１には第一実施形態のガスタービン出力制御装置を備えたガスタービンシステムが示されている。図１において１はガスタービン（ＧＴ）を示す。ガスタービン１には磁石型発電機（ＰＭＧ）２が接続される。発電機２はガスタービン１により駆動せしめられ、三相交流電力を発生する。発電機２には整流器（ＲＥＣ）３が接続される。整流器３は発電機２から受けた交流電力を直流電力に変換する。整流器３にはインバータ（ＩＮＶ）４が接続される。インバータ４は整流器３から受けた直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ４には第一実施形態では三つの負荷体（Ｌｏａｄ１〜３）５、６、７がそれぞれスイッチ８、９、１０を介して接続される。
【０００７】
第一実施形態のガスタービン出力制御装置はガスタービン１から出力される出力（以下、ガスタービン出力）を制御するためのガスタービンコントローラ（ＧＴＣ）１１とインバータ４から出力される電圧を制御するためのインバータ４コントローラ（ＩＮＶＣ）とを具備する。ガスタービンコントローラ（以下、ＧＴコントローラ）１１は後述するようにガスタービン１およびインバータ４から信号を受信し、ガスタービン１およびインバータコントローラ（以下、ＩＮＶコントローラ）１２に制御信号を送信する。一方、ＩＮＶコントローラ１２はインバータ４およびＧＴコントローラ１１から信号を受信し、インバータ４に制御信号を送信する。
【０００８】
次に第一実施形態のガスタービン出力制御装置の作動の概略を説明する。第一実施形態ではＧＴコントローラ１１はガスタービン１の始動後からガスタービン１の回転数（以下、ガスタービン回転数）が予め定められた回転数になるまでインバータ４から電力が出力されることを禁止するための制御信号をＩＮＶコントローラ１２に送信する。ガスタービン回転数が予め定められた回転数に達するとインバータ４から電力が出力されることを許可するための制御信号をＩＮＶコントローラ１２に送信する。またＧＴコントローラ１１はガスタービン回転数が予め定められた回転数に達した後はガスタービン回転数が予め定められた回転数に維持されるようにガスタービン１に供給される燃料の量（以下、燃料供給量）を制御する。
【０００９】
一方、ＩＮＶコントローラ１２はインバータ４から出力される電圧（以下、インバータ出力電圧）が予め定められた電圧になるようにインバータ４の作動を制御する。例えばインバータ４に接続される負荷体の数が増えるとインバータ出力電圧が下がる傾向があるのでＩＮＶコントローラ１２はインバータ４を制御してインバータ出力電圧が予め定められた電圧に維持されるようにする。さらにインバータ４に接続される負荷体の数が増え、インバータ４がインバータ出力電圧を予め定められた電圧に維持するように制御されると、ガスタービン１にかかる負荷が大きくなり、ガスタービン回転数が下がる傾向があるので、ＧＴコントローラ１１は燃料供給量を増大してガスタービン回転数が予め定められた回転数に維持されるようにする。こうしてインバータ４にかかる負荷に係わらずインバータ出力電圧が予め定められた電圧に維持され、ガスタービン回転数が予め定められた回転数に維持される。
【００１０】
次に第一実施形態のガスタービン出力制御装置の作動の概略を説明する。第一実施形態ではガスタービン１から排出される排気ガスの温度（以下、排気温度）に基づいてガスタービン１が出力可能な出力の最大値（以下、最大出力）を予め定められた間隔で算出する。なお排気温度が低いほどガスタービンの温度が低く、したがって最大出力が大きい。ガスタービン出力が最大出力を越えるとガスタービンの故障の原因となる可能性があるので、第一実施形態ではガスタービン回転数を予め定められた回転数に維持するために燃料供給量を増大すべきであっても、ガスタービン出力が最大出力を越えてしまうときにはガスタービン出力が最大出力を越えないような量に燃料供給量を制限する。もちろんこのときインバータ出力電圧は予め定められた電圧より低くなり、ガスタービン回転数が予め定められた回転数に維持される。こうして第一実施形態では排気温度に基づいてガスタービン出力が最大出力を越えないにように制御され、ガスタービン回転数が予め定められた回転数に維持される。
【００１１】
さらに第一実施形態ではインバータ４に接続される負荷体の数が減り、インバータ出力電圧が予め定められた電圧より高くなる傾向がある場合、現在の出力電圧と予め定められた電圧との差に基づいて少なくすべき燃料供給量（以下、第一減少量）を算出すると共に現在のガスタービン出力と最大出力との差に基づいて少なくすべき燃料供給量（以下、第二減少量）を算出する。ここで第一減少量と第二減少量のうち大きいほうの減少量だけ燃料供給量を少なくする。したがって第一実施形態ではガスタービン出力を下げるべきときに確実にガスタービン出力が最大出力より低く下げられる。このためガスタービンの故障が確実に防止される。
【００１２】
次に第一実施形態のガスタービン出力制御装置の作動の詳細を説明する。まず図２のフローチャートを参照してガスタービンの最大出力の算出を説明する。ステップＳ１０では今回のルーチン時における排気温度Ｔ１と、今回のルーチン時におけるガスタービン回転数ＮＥ１と、今回のルーチン時におけるガスタービン出力Ｐｄｃとを読み込む。なおガスタービン出力Ｐｄｃはインバータ出力電圧およびインバータ出力電流に基づいて算出される。
【００１３】
次にステップＳ１２において総温度差ＴＤＴが下記の数式１に基づいて算出され、総回転数差ＴＤＮが下記の数式２に基づいて算出される。
【数１】
0003716637.tif 000002
【数２】
0003716637.tif 000003
【００１４】
こうして過去１０回のルーチンの間における排気温度の変化の総量と過去１０回のルーチンにおける回転数の変化の総量とが算出される。
【００１５】
次にステップＳ１４において総温度差ＴＤＴの絶対値｜ＴＤＴ｜が予め定められた温度差ＫＫより小さい（｜ＴＤＴ｜＜ＫＫ）か否かが判別される。｜ＴＤＴ｜＜ＫＫであるときには過去１０回のルーチンの間における排気温度の変化は考えられうる変化の範囲内にあり、排気温度を検出するためのセンサの検出異常または検出誤差等によるものではないと判断し、ステップＳ１６に進む。一方、｜ＴＤＴ｜≧ＫＫであるときには過去１０回のルーチンの間における排気温度の変化は考えられない変化であり、センサの検出異常または検出誤差等によるものの可能性があると判断し、今回のルーチンではガスタービンの最大出力を算出せずにステップＳ２０に進む。
【００１６】
ステップＳ１６では総回転数差ＴＤＮの絶対値が予め定められた温度差ＫＮより小さい（｜ＴＤＮ｜＜ＫＮ）か否かが判別される。｜ＴＤＮ｜＜ＫＮであるときには過去１０回のルーチンの間におけるガスタービン回転数の変化は考えられうる変化の範囲内にあり、ガスタービン回転数を検出するためのセンサの検出異常または検出誤差等によるものではないと判断し、ステップＳ１８に進む。一方、｜ＴＤＮ｜≧ＫＮであるときには過去１０回のルーチンの間におけるガスタービン回転数の変化は考えられない変化であり、センサの検出異常または検出誤差等によるものの可能性があると判断し、今回のルーチンではガスタービンの最大出力を算出せずにステップＳ２０に進む。
【００１７】
ステップＳ１８ではガスタービン１の最大出力Ｐｄｃｍａｘが式Ｐｄｃ＋ｆ（Ｔｍａｘ−Ｔ１）に従って算出され、ステップＳ２０に進む。ここでＴｍａｘはガスタービンが耐えうる温度（以下、耐用温度）であり、ｆ（Ｔｍａｘ−Ｔ１）はガスタービン温度が耐用温度に達しない範囲で増大できる最大のガスタービン出力である。
【００１８】
ステップＳ２０では次回のルーチンの準備として、８回前のルーチン時における排気温度Ｔ９をＴ１０に入力し、７回前のルーチン時における排気温度Ｔ８をＴ９に入力し、順次、同様の処理をし、最後に今回のルーチン時における排気温度Ｔ１をＴ２に入力し、ステップＳ２２に進む。
【００１９】
ステップＳ２２では次回のルーチンの準備として、８回前のルーチン時におけるガスタービン回転数ＮＥ９をＮＥ１０に入力し、７回前のルーチン時におけるガスタービン回転数ＮＥ８をＮＥ９に入力し、順次、同様の処理をし、最後に今回のルーチン時におけるガスタービン回転数ＮＥ１をＮＥ２に入力し、処理を終了する。
【００２０】
次に図３のフローチャートを参照してＩＮＶコントローラにおけるガスタービン出力制御信号の算出を説明する。ステップＳ１００では図２のステップＳ１８で算出されたガスタービン１の最大出力Ｐｄｃｍａｘと、今回のルーチン時におけるガスタービン出力Ｐｄｃと、今回のルーチン時におけるインバータ出力電圧Ｖａｃをが読み込まれる。
【００２１】
次にステップＳ１０２においてガスタービン出力Ｐｄｃに基づいて算出される制御値補正量（以下、出力ベース補正量）ΔＤＦ（Ｐ）が式Ｋ１×（Ｐｄｃｍａｘ−Ｐｄｃ）に従って算出され、インバータ出力電圧Ｖａｃに基づいて算出される制御値補正量（以下、電圧ベース補正量）ΔＤＦ（Ｖ）が式Ｋ２×（Ｖａｃｓｅｔ−Ｖａｃ）に従って算出される。ここでＶａｃｓｅｔはインバータ４から出力されるべき予め定められた電圧であり、Ｋ１は最大出力と今回のルーチン時におけるガスタービン出力との差を出力ベース補正量に換算するための係数であり、Ｋ２は予め定められた電圧と今回のルーチン時におけるインバータ出力電圧との差を電圧ベース補正量に換算するための係数である。
【００２２】
次にステップＳ１０４においてガスタービン出力Ｐｄｃが最大出力Ｐｄｃｍａｘより小さい（Ｐｄｃ＜Ｐｄｃｍａｘ）か否かが判別される。Ｐｄｃ＜ＰｄｃｍａｘであるときにはステップＳ１０６に進み、インバータ出力電圧Ｖａｃが予め定められた電圧Ｖａｃｓｅｔより低い（Ｖａｃ＜Ｖａｃｓｅｔ）か否かが判別される。Ｖａｃ＜Ｖａｃｓｅｔであるときにはインバータ出力電圧を予め定められた出力電圧まで上げる必要があると判断し、ステップＳ１０８に進む。ところでインバータ出力電圧を上げた場合にガスタービン出力が最大出力を越えてしまう可能性がある。そこで第一実施形態ではステップＳ１０８において電圧ベース補正量ΔＤＦ（Ｖ）が出力ベース補正量ΔＤＦ（Ｐ）より大きい（ΔＤＦ（Ｖ）＞ΔＤＦ（Ｐ））か否かを判別し、ΔＤＦ（Ｖ）＞ΔＤＦ（Ｐ）であるときには制御値補正量ΔＤＦに電圧ベース補正量ΔＤＦ（Ｖ）を入力してステップＳ１１２において式ＤＦn-1 ＋ΔＤＦに従って算出される今回のルーチン時における制御値ＤＦｎに従ってＩＮＶコントローラ１２がインバータ出力電圧を制御すると、ガスタービン出力が最大出力を越えてしまう可能性があると判断し、ステップＳ１１０において制御値補正量ΔＤＦに出力ベース補正量ΔＤＦ（Ｐ）が入力される。一方、ステップＳ１０８においてΔＤＦ（Ｖ）≦ΔＤＦ（Ｐ）であるときには制御値補正量ΔＤＦに電圧ベース補正量ΔＤＦ（Ｖ）を入力してステップＳ１１２において式ＤＦn-1 ＋ΔＤＦに従って算出される今回のルーチン時における制御値ＤＦｎに従ってＩＮＶコントローラ１２がインバータ出力電圧を制御しても、ガスタービン出力が最大出力を越えることはないと判断し、ステップＳ１１６において制御値補正量ΔＤＦに電圧ベース補正量ΔＤＦ（Ｖ）が入力される。
【００２３】
一方、ステップＳ１０６においてＶａｃ≧Ｖａｃｓｅｔであるときにはインバータ出力電圧を予め定められた出力電圧まで下げる必要があると判断し、ステップＳ１１６に進んで制御値補正量ΔＤＦに電圧ベース補正量ΔＤＦ（Ｖ）が入力され、ステップＳ１１２に進む。このときステップＳ１１２において算出される今回のルーチン時における制御値ＤＦｎは、インバータ出力電圧を予め定められた出力電圧に補正する電圧ベース補正量ΔＤＦ（Ｖ）であるので、ＩＮＶコントローラ１２はこのＤＦｎに従ってインバータ出力電圧が予め定められた出力電圧に維持されるようにインバータ出力電圧を制御する。なおこの場合には既にステップＳ１０４においてガスタービン出力が最大出力より低いため、インバータ出力電圧が予め定められた出力電圧に維持されるようにインバータ出力電圧を制御しても、ガスタービン出力が最大出力を越えることはない。
【００２４】
一方、ステップＳ１０４においてＰｄｃ≧Ｐｄｃｍａｘであるときにはガスタービン出力Ｐｄｃを最大出力まで下げるべきと判断し、ステップＳ１１０に進んで制御値補正値ΔＤＦに出力ベース補正量ΔＤＦ（Ｐ）を入力し、ステップＳ１１２に進む。このときステップＳ１１２において算出される今回のルーチン時における制御値ＤＦｎは、ガスタービン出力を最大出力に補正する出力ベース補正量ΔＤＦ（Ｐ）であるので、ＩＮＶコントローラ１２はこのＤＦｎに従ってガスタービン出力が最大出力に維持されるようにインバータ出力電圧を制御する。
【００２５】
ステップＳ１１４では次回のルーチンに備えて今回のルーチン時における制御値ＤＦｎをＤＦn-1 に入力し、処理を終了する。
【００２６】
次に本発明の第二実施形態を説明する。第二実施形態では第一実施形態の三つの負荷体の代わりに一つの負荷体１３がインバータ４に接続されている。第二実施形態の負荷体１３は種々の条件に応じて異なる電圧をインバータ４に要求する。したがって第二実施形態では原則的にガスタービン出力が最大出力になるようにガスタービン１の作動を制御する。しかしながら最大出力が非常に小さいときにはガスタービン回転数が非常に小さくなり、ガスタービン１の作動が安定しない。そこで最大出力が予め定められた出力より小さいときにはガスタービン出力が予め定められた出力になるようにガスタービン１を制御する。こうして負荷体が要求する電圧を確実に且つ素早く供給することができる。
【００２７】
次に第二実施形態のガスタービン出力制御装置の作動を詳細に説明する。なおガスタービン最大出力算出は図２のフローチャートと同じであるので説明は省略する。図３のフローチャートは第二実施形態におけるガスタービン出力制御値算出を示している。まずステップＳ２００において図２のステップＳ１８において算出された最大出力Ｐｄｃｍａｘが読み込まれる。
【００２８】
次にステップＳ２０２において最大出力Ｐｄｃｍａｘが予め定められた出力Ｐｄｃ０より大きい（Ｐｄｃｍａｘ＞Ｐｄｃ０）か否かが判別される。Ｐｄｃｍａｘ＞Ｐｄｃ０であるときにはステップＳ２０４に進んで最大出力Ｐｄｃｍａｘに基づいて算出される制御値補正量ΔＤＦ（Ｐｄｃｍａｘ）が式Ｋ１×（Ｐｄｃｍａｘ−Ｐｄｃ）に従って算出され、ステップＳ２０６に進む。この場合、ステップＳ２０６において式ＤＦn-1 ＋ΔＤＦに従って算出される今回のルーチン時における制御値ＤＦｎによりＩＮＶコントローラ１２はガスタービン出力が最大出力に維持されるようにインバータ出力電圧を制御する。
【００２９】
一方、ステップＳ２０２においてＰｄｃｍａｘ≦Ｐｄｃ０であるときにはステップＳ２１０に進んで出力Ｐｄｃ０に基づいて算出される制御値補正量ΔＤＦ（Ｐｄｃ０）が式Ｋ１×（Ｐｄｃ０−Ｐｄｃ）に従って算出され、ステップＳ２０６に進む。この場合、ステップＳ２０６において式ＤＦn-1 ＋ΔＤＦに従って算出される今回のルーチン時における制御値ＤＦｎによりＩＮＶコントローラ１２はガスタービン出力が最大出力より高い予め定められた出力に維持されるようにインバータ出力電圧を制御する。
【００３０】
ステップＳ２０８では次回のルーチンに備えて今回のルーチン時における制御値ＤＦｎをＤＦn-1 に入力し、処理を終了する。
【００３１】
【発明の効果】
一番目および二番目の発明によればガスタービンの出力がガスタービンの出口温度に基づいて算出された最大の出力より小さく維持される。ガスタービンの出口温度はガスタービンの温度に正確に対応する。したがってガスタービンの出力をガスタービン出口温度に基づいて算出された最大の出力より小さく維持することによりガスタービンの温度が許容できる最大の温度を越えることが防止される。こうして熱によるガスタービンの故障が防止される。
【００３２】
二番目の発明によればガスタービンから得られる電圧を上げるべきときにガスタービンが出力すべき出力が予め定められた電圧および現在の電圧ならびに最大の出力および現在の出力に基づいて算出され、小さいほうの出力にガスタービンの出力が維持される。このため電圧を上げたときにガスタービンの出力が最大の出力を越えてしまう可能性を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態のガスタービンシステムを示した図である。
【図２】第一実施形態のガスタービン最大出力算出を示すフローチャートである。
【図３】第一実施形態のガスタービン出力制御値算出を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第二実施形態のガスタービンシステムを示した図である。
【図５】第二実施形態のガスタービン出力制御値算出を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…ガスタービン
２…発電機
３…整流器
４…インバータ
５、６、７、１３…負荷体
１１…ガスタービンコントローラ
１２…インバータコントローラ
【図１】
0003716637.tif 000004
【図２】
0003716637.tif 000005
【図３】
0003716637.tif 000006
【図４】
0003716637.tif 000007
【図５】
0003716637.tif 000008