(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機への吸込空気量を調整する案内翼を備え、速度を定格速度に制御して運転されるガスタービンにおいて、前記ガスタービンの実速度を検出する速度検出器と、前記速度検出器における実速度検出値が前記定格速度を超える場合に前記実速度検出値に応じて前記入口案内翼の開信号を出力する関数発生器と、この関数発生器からの前記入口案内翼の開信号に基づいて前記入口案内翼を駆動する制御装置とを備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
圧縮機の吐出部とタービンの排気部との間に接続され、圧縮空気を抽出する管路と、この管路に設けられ、負荷遮断の際に開となって前記圧縮空気をタービンの排気部に流す制御弁とを備えたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、発電等に用いられるガスタービンシステムあるいはコンバインドサイクルシステムにおいて、負荷遮断等の過渡時に生じる過速度割合を低減させるガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電所の事故により電力供給を長期に停止することは社会的影響度が高く、またタービンの暴走のような事態では大規模な火災，設備損傷を引き起こすため、発電所はどのような状態に遭遇しても健全な状態を保持できる信頼性の高い設備が要求される。例えば落雷等により送電系統上の事故が発生した場合において、瞬時に発電所は送電系統と切り離され、電力供給を瞬断（負荷遮断）し送電系統を保護する。そのためタービンおよび発電機は速度を抑え込む送電系統の負荷より解除され、暴走しようとするが発電所内の過速低減装置にて速度の過速を低減し、無負荷定格速度にて保持のうえ送電系統回復後早急に電力供給を開始しなければならない。
【０００３】
図９はガスタービンまたはコンバインドサイクルシステムにおける設備の構成を示す。ガスタービンは圧縮機１，燃焼器２およびタービン３より構成され（コンバインドサイクルではさらに蒸気タービン４が同一軸上に結合される）、発電機５を駆動する。
【０００４】
ガスタービンは入口案内翼６にて吸込空気量を制御し、また燃料制御弁７にて燃料投入量を制御し運転される。また、速度は速度検出器８にて検出された速度信号で制御され、圧縮機吐出空気圧力は圧縮機吐出圧力検出器９から検出された信号で制御され、さらに、タービン排出ガス温度は排ガス温度検出器１０で検出された信号で制御される。
【０００５】
図１０は従来のガスタービン過速度低減装置の内容を示す。図１０の上部の図は、速度が過速した場合に燃料制御弁７を絞り込み、投入燃料流量を低減し、速度を定格速度に制御するガバナ制御内容を示す。また図１０の下部の図は、入口案内翼６の制御内容を示す。
【０００６】
速度検出器８にて検出されたタービン実速度信号（ＴＮＨ）は減算器１１にて制御設定値であるタービン定格速度信号（Ｎset）と比較され、実速度と定格速度が異なる場合にその差である速度増分が信号（ΔＮ）として求められる。関数発生器１２では速度増分信号（ΔＮ）より燃料制御弁開度増分信号（ΔＦＳＲ）が発生し、加算器１３にてこの（ΔＦＳＲ）が現状の燃料制御弁開度（ＧＣＶ）に加算された燃料制御弁開度指令信号（ＦＳＲ）が発生し燃料制御弁７が駆動する。
【０００７】
一方、圧縮機吐出圧力検出器９にて検出された圧縮機吐出圧力信号（ＰＣＤ）は関数発生器１４にて排ガス温度設定値（Ｔset）が求められ、排ガス温度検出器１０にて検出された実測排ガス温度信号（Ｔex）からの差分を減算器１５にて算出し、温度増分が信号（ΔＴ）として求められる。関数発生器１６では温度増分信号（ΔＴ）より入口案内翼開度増分信号（ΔＩＧＶ）が発生し、加算器１７にてこの（ΔＩＧＶ）が現状のＩＧＶ開度（ＩＧＶ）に加算され、中間値選択器１８にてＩＧＶ最大設定開度（ＩＧＶmax）からＩＧＶ最小設定開度（ＩＧＶmin）の範囲内でＩＧＶ設定開度（ＩＧＶset）となり、この信号によって入口案内翼開度指令信号（ＩＧＶ）が発生し入口案内翼６が駆動する。負荷遮断時においては、発電所は送電系統と切り離されガスタービンの速度は急上昇し、このとき、燃料制御弁７を徐々に閉めることにより、圧縮機吐出圧力が低下し、また排ガス温度が低下する。圧縮機吐出圧力信号（ＰＣＤ）が低下することにより排ガス温度設定値（Ｔset）は高い値に保持され、一方実測排ガス温度（Ｔex）が低下することにより温度増分信号（ΔＦ）は負の値となり、入口案内翼開度増分信号（ΔＩＧＶ）が負の値となり入口案内翼６を徐々に閉めることとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
負荷遮断時においては、発電所は送電系統と切り離されガスタービンの速度は急上昇する。このとき、燃料制御弁７を瞬時に絞り込み、投入エネルギーを瞬時に減少させることが望まれるが、従来の過速度低減装置では、タービン速度を速度検出器８にて検出し、定格速度との差分により燃料制御弁７を徐々に止めることとなる。つまり従来技術では負荷遮断発生から燃料制御弁７を無負荷定格速度相当まで絞り込む動作に時間がかかるため、その間に投入される燃料（エネルギー）量によって速度が上昇し易いという問題があった。
【０００９】
また、従来の過速度低減装置では、負荷遮断時に入口案内翼６を徐々に閉めるようにしているが、入口案内翼６を閉めることは、圧縮機１での空気流量が減少することを意味し、圧縮に必要となる動力が低減し速度がなかなか低下しないこととなり、高速度の状態が長時間保持されるという問題がある。コンバインドサイクルにて、さらに蒸気タービン４等の駆動機が追加される場合は、さらに上述した問題点が顕著となり、また近年のガスタービン高温化技術の進歩を考慮した場合、機器容量の増加に比較し駆動エネルギの増加量が大きく、小容量設備にて大きな動力を発生することとなり、現状の技術では負荷遮断時の速度上昇を低減することは不可能となってくる。
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、速度上昇値を低減し、また早期に定格速度まで復帰させることができるガスタービンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービンは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、圧縮機への吸込空気量を調整する案内翼を備え、速度を定格速度に制御して運転されるガスタービンにおいて、前記ガスタービンの実速度を検出する速度検出器と、前記速度検出器における実速度検出値が前記定格速度を超える場合に前記実速度検出値に応じて前記入口案内翼の開信号を出力する関数発生器と、この関数発生器からの前記入口案内翼の開信号に基づいて前記入口案内翼を駆動する制御装置とを備えたものである。
【００１２】
また、本発明に係るガスタービンは、請求項２に記載したように、圧縮機の吐出部とタービンの排気部との間に接続され、圧縮空気を抽出する管路と、この管路に設けられ、負荷遮断の際に開となって前記圧縮空気をタービンの排気部に流す制御弁とを備えたものである。
【００１３】
【作用】
請求項１に記載のガスタービンにおいては、速度検出器により速度上昇が検知されると、その上昇関数により関数発生器から入口案内翼の開信号が出力され、吸込空気量が増加して圧縮機駆動動力が増大する。このため軸の制動力が増加し、上記した速度を早期に定格速度まで低減させることが可能となる。
【００１４】
また、請求項２に記載のガスタービンにおいては、負荷遮断の際に、管路上の制御弁が開となり、圧縮機の吐出部から圧縮空気が抽出されてタービンの排出部に流される。このため、圧縮機を通ずる空気量が増大して軸の制動力が増加し、上昇した速度を、より早期に定格速度まで低減させることが可能となる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を図面を参照して説明する。なお、本発明の重複を避けるため、従来と同一箇所は同一符号を付して示し、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
図１は、本発明の第１実施例に係るガスタービンを示すもので、図中、符号８は速度検出器であり、この速度検出器８からのタービン実速度信号（ＴＮＨ）は、タービン実速度と速度設定（ＩＧＶ）との関係をもつ関数発生器２１に入力され、この関数発生器２１からは、入口案内翼設定値信号（ＩＧＶn：速度設定ＩＧＶ）が出力されるようになっている。そして、この入口案内翼設定値信号（ＩＧＶn）は、従来の入口案内翼制御装置の中間値選択器１８からの入口案内翼設定値信号とともに高値選択器２２に入力されるようになっており、この高値選択器２２から出力されるＩＧＶ設定開度（ＩＧＶset）により入口案内翼６が開度制御されるようになっている。
【００１７】
前記関数発生器２１におけるタービン実速度（ＴＮＨ）と速度設定ＩＧＶ（ＩＧＶn）との関係は、例えば１０２％の速度までは最低値（最低入口案内翼開度）とし、それ以上では一次関数にて設定値を上昇させ、１０６％以上にて最大値（最大入口案内翼開度）となるように設定されている。
【００１８】
次に、本実施例の作用について説明する。
【００１９】
負荷遮断が生じて速度が上昇すると、速度検出器８で検出されたタービン実速度信号（ＴＮＨ）が増加し、関数発生器２１から出力される速度設定ＩＧＶ信号値は増加し、１０６％の速度を超えた場合には最大値となる。
【００２０】
一方、従来の入口案内翼制御装置の中間値選択器１８から出力される信号値は低下していくため、高値選択器２２では、関数発生器２１からの速度設定ＩＧＶ信号値が選択されて入口案内翼が全開となり、軸の制動力が最大となって速度上昇量が低減する。
【００２１】
速度が低下して１０６％以下となれば、関数発生器２１からの速度設定ＩＧＶ信号値が速度に比例して低下するため、入口案内翼６が閉操作となり、１０２％速度以下では速度設定ＩＧＶ信号が最低となり、本来の無負荷定格速度相当開度に戻る。
【００２２】
本実施例の効果を図２を参照し説明する。図中、横軸は負荷遮断後の経過時間を示し、上部は入口案内翼の開度，また下部は速度の変化を示す。
【００２３】
図中破線は従来技術における現象例で、実線は本発明の実施例での効果を示す。従来技術では負荷遮断後、排ガス温度が低減し設定値との差分が増加することにより入口案内翼開度が閉操作に移行し数秒後、遂には最低開度となる。一方、本発明によれば速度上昇に従い入口案内翼開度が開操作に移行し１０６％以上にて全開となりこの速度以上では全開が保持される。このため下部の図にて示すように速度のピーク値が低減され、またより早く定格速度に戻すことが可能となる。
【００２４】
図６は、ガスタービンの第１の参考例を示すもので、以下これについて説明する。
【００２５】
図６において、符号５は発電機であり、この発電機５からの発電機出力（Load）は、発電機出力（Load）と標準ＧＣＶ開度（ＧＣＶs）との関係を持つ関数発生器３１に入力されるようになっている。この関数発生器３１から出力される標準ＧＣＶ開度信号（ＧＣＶs）は、演算器３２に入力されてＧＣＶ実開度（ＧＣＶ）との差分（ΔＧＣＶ）が求められ、この差分（ΔＧＣＶ）は、比較器３３においてＧＣＶ開度逸脱許容量（Ｋ）と比較されるようになっている。そして、この比較器３３からの出力信号ａは、信号発生器３４に入力されるようになっている。
【００２６】
この信号発生器３４には、また、最大値（１００％）の信号ｂおよび無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL）が入力されるようになっており、この信号発生器３４は、前記差分（ΔＧＣＶ）がＧＣＶ開度逸脱許容量（Ｋ）を逸脱している場合には無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL）を、また逸脱していない場合には、最大値（１００％）を、出力信号ｄとして出力するようになっている。そして、この出力信号ｄは、従来のガバナ制御装置の加算器１３からの出力信号とともに低値選択器３５に入力され、この低値選択器３５から出力されるＧＣＶ開度指令（ＦＳＲ）により燃料制御弁７が開度制御されるようになっている。
【００２７】
前記関数発生器３１における発電機出力（Load）と標準ＧＣＶ開度（ＧＣＶs）との関係は、例えば右上がりの一次関数として設定されている。
【００２８】
次に、本実施例の作用について説明する。
【００２９】
負荷遮断が生じれば、発電機出力（Load）はゼロとなり、関数発生器３１からの標準ＧＣＶ開度信号（ＧＣＶs）は最小値となる。一方、ＧＣＶ実開度（ＧＣＶ）は負荷遮断前の大きな値であるため、ＧＣＶ開度逸脱許容量（Ｋ）を超えることとなり、低値選択器３５への入力値は瞬時に無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL）となり、燃料制御弁７は急閉操作を開始し、ＧＣＶ実開度（ＧＣＶ）は関数発生器３１での最小値（ＦＳＲNL）となる。これにより、ＧＣＶ開度逸脱量（ΔＧＣＶ）はＧＣＶ開度逸脱許容量（Ｋ）以下となり、低値選択器３５への入力値は最大値となり、低値選択器３５にて従来のガバナ制御での信号値が採用されるようになっている。
【００３０】
図７は、ガスタービンの第２の参考例を示すもので、以下これについて説明する。
【００３１】
図７において、符号４１は発電機遮断器であり、この発電機遮断器４１の開，閉操作は、検出器４２で検出され、発電機遮断器４１が開操作（負荷遮断）された場合には、検出器４２から信号ｅが出力されるようになっている。そして、この信号ｅは信号発生器４３に入力され、信号発生器４３からは、信号ｅが入力された場合にワンショットだけＯＮとなる信号ａが出力されるようになっている。
【００３２】
この信号ａは、最大値（１００％）の信号ｂおよび無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL）の信号ｃとともに信号発生器４４に入力されるようになっており、この信号発生器４４からは、前記信号ａがＯＦＦのときには最大値（１００％）が、またＯＮのときには無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL）が出力信号ｄとして出力されるようになっている。そして、この出力信号ｄは、従来のガバナ制御装置の加算器１３からの出力信号とともに、低値選択器４５に入力され、この低値選択器４５から出力されるＧＣＶ開度指令（ＦＳＲ）により開度制御されるようになっている。
【００３３】
前記無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL）の信号ｃは、ＧＣＶ実開度（ＧＣＶ）とともに信号発生器４６に入力されるようになっており、この信号発生器４６からの出力信号ｆは、信号保持回路４７に入力されるようになっている。そしてこれにより、前記信号発生器４４が無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL）を発生した場合に、ＧＣＶ実開度（ＧＣＶ）が信号ｃと同一になるまで信号が保持されるようになっている。
【００３４】
次に、本実施例の作用について説明する。
【００３５】
発電機遮断器１６が開動作（負荷遮断）すると、低値選択器４５への入力値は瞬時に無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL)となり、燃料制御弁７は急閉操作を開始し、ＧＣＶ実開度（ＧＣＶ）は無負荷定格速度相当ＧＣＶ開度指令値（ＦＳＲNL）となる。これにより信号発生器４４から低値選択器４５への入力値は最大値となり、低値選択器４５にて従来のガバナ制御での信号値が採用されるようになる。
【００３６】
前記第１の参考例および前記第２の参考例の効果を図８を参照して説明する。図中、横軸は負荷遮断後の経過時間を示し、上部は燃料制御弁の開度、また下部は速度の変化を示す。
【００３７】
図中破線は従来技術における効果で、実線は本発明の実施例での効果を示す。従来技術では負荷遮断後、速度が上昇することにより燃料制御弁７が閉操作に移行し数秒後、遂には最低開度となる。一方、本実施例によれば、速度上昇を待たずに燃料制御弁７が瞬時に閉操作に移行する。このため、ガスタービンに投入されるエネルギーは従来技術に比較し低減（図中の斜線領域に相当する燃料が低減）する。このため、下部の図にて示すように速度の上昇が低減され、ピーク速度も低下する。
【００３８】
図３および図４は、本発明の第２実施例を示すもので、以下これについて説明する。
【００３９】
図３において、符号５１は圧縮機１の吐出部とタービン３の排気部とを結ぶ管路であり、この管路５１には制御弁５２が設けられ、この制御弁５２は、図４に示すように、タービン実速度信号（ＴＮＨ）を入力とする関数発生器５３により制御されるようになっている。
【００４０】
この関数発生器５３は、タービン実速度（ＴＮＨ）と制御弁開度との関係を有しており、その関係は、１０２％の速度までは全閉とし、それ以上では一次関数にて弁開度を増加させ、１０６％以上にて全開となるように設定されている。
【００４１】
なお、その他の構成については、前記第１実施例と同一の構成であるのでその説明を省略する。
【００４２】
次に、本実施例の作用について説明する。
【００４３】
負荷遮断が生じて速度が上昇すれば、速度検出器８にて検出されたタービン実速度信号（ＴＮＨ）が増加し、１０２％速度を超えると関数発生器５３の信号に従って制御弁５２が開き、圧縮機吐出空気がタービン排気側へ流れる。また１０２％速度以下では制御弁５２は全閉となる。
【００４４】
本実施例の効果を図５を参照して説明する。図中、横軸は負荷遮断後の経過時間を示し、上部は入口案内翼の開度、また下部は速度の変化を示す。図中、破線は従来技術における現象例での、また実線は前記第１実施例での、さらに一点鎖線は本実施例での効果を示す。
【００４５】
負荷遮断後、本実施例によれば速度上昇に従い制御弁５２が開操作に移行し、タービンの発生エネルギーが低減するため、下部の図にて示すように速度のピーク値が低減され、またより早く定格速度に戻すことが可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１によれば、速度検出器により速度上昇が検知されると、その上昇関数により関数発生器から入口案内翼の開信号を出力するようにしているので、吸込空気流量が増加して圧縮機駆動動力を増大させることができる。このため、軸の制動力が増加し、上昇した速度を早期に定格速度まで低減させることができる。
【００４７】
本発明の請求項２によれば、負荷遮断の際に、管路上の制御弁を開とし、圧縮機の吐出部から圧縮空気を抽出してタービンの排出部に流すようにしているので、圧縮機を通ずる空気量が増大して軸の制動力が増加し、上昇した速度を、より早期に定格速度まで低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例に係るガスタービンを示すブロック図。
【図２】  図１の装置の効果を従来装置と比較して示すグラフ。
【図３】  本発明の第２実施例に係るガスタービンを示す構成図。
【図４】  図３に示す装置のブロック図。
【図５】  図３の装置の効果を図１の装置および従来装置と比較して示すグラフ。
【図６】  ガスタービンの第１の参考例を示すブロック図。
【図７】  ガスタービンの第２の参考例を示すブロック図。
【図８】  図６および図７の装置の効果を従来装置と比較して示すグラフ。
【図９】  ガスタービンあるいはコンバインドサイクルシステムにおける設備を示す構成図。
【図１０】  従来のガスタービンを示すブロック図。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  蒸気タービン
５  発電機
６  入口案内翼
７  燃料制御弁
８  速度検出器
９  圧縮機吐出圧力検出器
１０  排ガス温度検出器
１１，１５  減算器
１２，１４，１６，２１，３１，５３  関数発生器
１３，１７  加算器
１８  中間値選択器
２２  高値選択器
３２  演算器
３３  比較器
３４，４３，４４，４６  信号発生器
３５，４５  低値選択器
４１  発電機遮断器
４２  検出器
４７  信号保持回路
５１  管路
５２  制御弁
【図１】
0003703872.tif 000002
【図２】
0003703872.tif 000003
【図３】
0003703872.tif 000004
【図４】
0003703872.tif 000005
【図５】
0003703872.tif 000006
【図６】
0003703872.tif 000007
【図７】
0003703872.tif 000008
【図８】
0003703872.tif 000009
【図９】
0003703872.tif 000010
【図１０】
0003703872.tif 000011