(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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部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
【図１】
0003684208.tif 000002
【図２】
0003684208.tif 000003
【図３】
0003684208.tif 000004
【図４】
0003684208.tif 000005
【図５】
0003684208.tif 000006
【図６】
0003684208.tif 000007
【図７】
0003684208.tif 000008
【図８】
0003684208.tif 000009
【図９】
0003684208.tif 000010
【図１０】
0003684208.tif 000011
【図１１】
0003684208.tif 000012
【図１２】
0003684208.tif 000013
【図１３】
0003684208.tif 000014
【図１４】
0003684208.tif 000015
【図１５】
0003684208.tif 000016
【図１６】
0003684208.tif 000017
【図１７】
0003684208.tif 000018
【図１８】
0003684208.tif 000019
【図１９】
0003684208.tif 000020
【図２０】
0003684208.tif 000021
【図２１】
0003684208.tif 000022
【図２２】
0003684208.tif 000023
【図２３】
0003684208.tif 000024
【図２４】
0003684208.tif 000025
【図２５】
0003684208.tif 000026
【図２６】
0003684208.tif 000027
【図２７】
0003684208.tif 000028
【図２８】
0003684208.tif 000029
【図２９】
0003684208.tif 000030
【図３０】
0003684208.tif 000031
【図３１】
0003684208.tif 000032
【図３２】
0003684208.tif 000033
【図３３】
0003684208.tif 000034
【図３４】
0003684208.tif 000035
【図３５】
0003684208.tif 000036
【図３６】
0003684208.tif 000037
【図３７】
0003684208.tif 000038
【図３８】
0003684208.tif 000039
【図３９】
0003684208.tif 000040
【図４０】
0003684208.tif 000041
【図４１】
0003684208.tif 000042