(57)【要約】【課題】冷却空気系統に流通する冷却空気の温度を速やかに制御すること。【解決手段】圧縮機と、燃料と圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、タービンにより回転駆動される発電機と、圧縮機から圧縮空気の一部を抽出して冷却空気を生成するＴＣＡクーラ８を有する冷却空気系統の主系統と、主系統から分岐してタービン側に接続させる冷却空気系統のバイパス系統と、冷却空気の流量を調整する流量調整部９とを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、発電機の出力値に基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する冷却空気の流量が流量目標値となるように流量調整部９をフィードフォワード制御により調整する制御装置１０を備える。【選択図】図１
2014084824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統のうち前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記圧縮空気を冷却する冷却手段を有する前記冷却空気系統の主系統と、前記主系統から分岐して前記冷却手段を介さず前記タービン側に接続させる前記冷却空気系統のバイパス系統と、前記圧縮空気の流量を調整する流量調整手段とを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、
前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却手段を流通する前記圧縮空気の流量が流量目標値となるように前記流量調整手段をフィードフォワード制御により調整する第１制御手段と
を具備するガスタービン運転制御装置。
【請求項２】
前記冷却空気系統における、前記冷却手段の下流側に設けられる前記冷却空気の温度を計測する温度計測手段により計測された冷却空気計測値と、前記冷却手段の下流側における前記冷却空気の温度目標値との偏差を抑制するよう前記流量調整手段をフィードバック制御により調整する第２制御手段を具備する請求項１に記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項３】
前記タービンが、前記発電機と接続されていない状態において、
前記第１制御手段は、前記タービンが発電した動力を前記発電機に伝達する回転軸の回転数または全燃料流量指令値に基づいて、前記冷却手段を流通する前記圧縮空気の流量が流量目標値となるように前記流量調整手段をフィードフォワード制御により調整する請求項１または請求項２に記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項４】
前記流量調整手段は、前記ガスタービンの前記主系統または前記バイパス系統のうち、少なくともいずれか一方に設けられる請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項５】
前記ガスタービンは、前記圧縮空気を冷却する可変速ファンを有している場合に、
前記第１制御手段は、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように前記可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整する請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項６】
前記ガスタービンは、前記圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンを有している場合に、
前記第１制御手段は、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように、稼働させる前記固定速ファンの個数を調整し、フィードフォワード制御する請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項７】
前記可変速ファン及び前記固定速ファンは、前記主系統または前記バイパス系統のうち、少なくともいずれか一方に設けられる請求項５または請求項６に記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項８】
圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、前記圧縮空気を冷却する可変速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、
前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように前記可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整する第１制御手段と
を具備するガスタービン運転制御装置。
【請求項９】
圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、前記圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、
前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように、稼働させる前記固定速ファンの個数を調整し、フィードフォワード制御する第１制御手段を具備するガスタービン運転制御装置。
【請求項１０】
前記第１制御手段は、前記発電機の出力値と、前記発電機の１次遅れの出力値との差に基づいて、前記冷却手段を流通する前記圧縮空気の流量が前記流量目標値となるように前記流量調整手段をフィードフォワード制御により調整する請求項２から請求項９のいずれかに記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項１１】
前記ガスタービンは、前記圧縮空気を冷却する可変速ファンを有している場合に、
前記第１制御手段は、前記発電機の出力値と、前記発電機の１次遅れの出力値との差に基づいて、前記冷却空気の温度が前記温度目標値となるように前記可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整する請求項２から請求項９のいずれかに記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項１２】
前記ガスタービンは、前記圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンを有している場合に、
前記第１制御手段は、前記発電機の出力値と、前記発電機の１次遅れの出力値との差に基づいて、前記冷却空気の温度が前記温度目標値となるように前記固定速ファンの調整し、フィードフォワード制御する請求項２から請求項９のいずれかに記載のガスタービン運転制御装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載のガスタービン運転制御装置を備えるガスタービン。
【請求項１４】
圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統のうち前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記圧縮空気を冷却する冷却手段を有する冷却空気系統の主系統と、前記主系統から分岐して前記冷却手段を介さず前記タービン側に接続させる前記冷却空気系統のバイパス系統と、前記圧縮空気の流量を調整する流量調整手段とを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御方法であって、
前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却手段を流通する前記圧縮空気の流量が流量目標値となるように前記流量調整手段をフィードフォワード制御により調整するガスタービン運転制御方法。
【請求項１５】
圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、前記圧縮空気を冷却する可変速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御方法であって、
前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように前記可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整するガスタービン運転制御方法。
【請求項１６】
圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、前記圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御方法であって、
前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように、稼働させる前記固定速ファンの個数を調整し、フィードフォワード制御するガスタービン運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン運転制御装置及びその方法並びにそれを備えたガスタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、圧縮機により圧縮された圧縮空気を燃焼器に導き、圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温ガスを発生させ、タービンにおいて高温ガスのエネルギを回転駆動力に変換し、回転駆動力の一部を用いて圧縮機を駆動している。そして、圧縮空気の一部は、タービンのタービン動翼およびタービン静翼を冷却する冷却空気や、タービン動翼およびタービン静翼の間のシール空気として抽気されている。
【０００３】
従来、冷却空気温度の制御方法では、圧縮機から、冷却するタービンロータまでの冷却空気が流通する冷却空気系統を、冷却器を備える主系統と、主系統から分岐し圧縮機からタービロータとの間を冷却器を介さずに接続するバイパス系統とに分け、バイパス系統側に冷却空気の流量を調整する流量調整弁を備え、予め設定しておいた冷却空気温度目標値と実際に流通する冷却空気の温度とをＰＩ制御することにより流量調整弁の開度を調整して、冷却空気がバイパスされる流量を調整して、主系統の冷却器に流通する冷却空気流量を調整していた（例えば、下記特許文献１参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２１３２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、こうした予め定められた冷却空気温度目標値を用いて制御する従来の方法では、熱電対による温度の計測値を得るのに測定遅れが生じるため、速やかな制御ができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷却空気系統に流通する冷却空気の温度を速やかに制御できるガスタービン運転制御装置及びその方法並びにそれを備えたガスタービン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】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統のうち前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記圧縮空気を冷却する冷却手段を有する冷却空気系統の主系統と、前記主系統から分岐して前記冷却手段を介さず前記タービン側に接続させる前記冷却空気系統のバイパス系統と、前記圧縮空気の流量を調整する流量調整手段とを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却手段を流通する前記圧縮空気の流量が流量目標値となるように前記流量調整手段をフィードフォワード制御により調整する第１制御手段とを具備するガスタービン運転制御装置を提供する。
【０００８】
このような構成によれば、圧縮機と、燃料と圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、タービンにより回転駆動される発電機と、タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統のうち圧縮機から圧縮空気の一部を抽出して圧縮空気を冷却する冷却手段を有する冷却空気系統の主系統と、主系統から分岐して冷却手段を介さずタービン側に接続させる冷却空気系統のバイパス系統と、圧縮空気の流量を調整する流量調整手段とを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、発電機の出力値に基づいて、フィードフォワード制御し、冷却手段を流通する圧縮空気の流量が流量目標値となるように調整されることにより、冷却空気が所望の温度に調整される。ここで、発電機の出力とは、例えば、ガスタービン出力、ガスタービンのデマンド値、全燃料流量指令値（ＣＳＯ：Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｏｕｔｐｕｔ）、タービン入口温度、発電機出力を含む。
冷却手段を流通した後の圧縮空気（冷却空気）の温度を熱電対により測定し、その測定値が所望の温度になるようにフィードバック制御する場合と比較して、本発明はフィードフォワード制御するので、熱電対による計測遅れによる制御の遅れがなくなり、速やかな制御ができる。
なお、タービン側の冷却に用いられる空気を冷却空気と呼び、特に圧縮機から抽出されてから冷却空気系統の分岐が合流するまでの区間に流通する空気を圧縮空気と呼ぶこととするが、冷却空気と圧縮空気とは共通の媒体を示す。
【０００９】
上記ガスタービン運転制御装置は、前記冷却空気系統における、前記冷却手段の下流側に設けられる前記冷却空気の温度を計測する温度計測手段により計測された冷却空気計測値と、前記冷却手段の下流側における前記冷却空気の温度目標値との偏差を抑制するよう前記流量調整手段をフィードバック制御により調整する第２制御手段を具備することとしてもよい。
【００１０】
計測される冷却空気計測値と温度目標値との偏差を抑制するよう制御されることにより、外乱などの発生に対する補正機能を有することになる。また、冷却手段の下流側は、冷却手段よりタービン側であることを示す。
【００１１】
上記ガスタービン運転制御装置は、前記タービンが、前記発電機と接続されていない状態において、前記第１制御手段は、前記タービンが発電した動力を前記発電機に伝達する回転軸の回転数または全燃料流量指令値に基づいて、前記冷却手段を流通する前記圧縮空気の流量が流量目標値となるように前記流量調整手段をフィードフォワード制御により調整することが好ましい。
【００１２】
ガスタービンの昇速時などの、タービンと発電機とが電気的に接続されていない状態における発電機の出力値が得られない期間においても、冷却空気の温度を調整して適切に保つことができる。
【００１３】
上記ガスタービン運転制御装置は、前記流量調整手段が、前記ガスタービンの前記主系統または前記バイパス系統のうち、少なくともいずれか一方に設けられることが好ましい。
【００１４】
流量調整手段を主系統に設け、開度を全閉にした場合には、圧縮空気を冷却手段側に流通させず、完全にバイパス系統に流通させるので、タービン入口側における冷却空気の温度を、圧縮機の出口温度と略等しい温度にでき、タービン側でより高温な冷却空気を得ることができる。一方、流量調整手段を主系統に設け、開度を全閉にしている状態で、流量調整手段が故障した場合には、圧縮空気を冷却手段に流通させることができなくなるので、定格運転時に十分な翼冷却が得られない虞がある。これに対し、流量調整手段をバイパス系統に設けることにより、流量調整手段が故障した場合であっても、冷却手段を流通させる圧縮空気が得られなくなる事態を防ぐことができる。また、流量調整手段が、主系統に設けられる場合は、冷却手段より上流側に設けられていてもよいし、下流側に設けられていてもよい。なお、冷却手段より上流側とは、圧縮機側であることを示す。
【００１５】
前記ガスタービンは、前記圧縮空気を冷却する可変速ファンを有している場合に、上記ガスタービン運転制御装置の前記第１制御手段は、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように前記可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整することとしてもよい。
【００１６】
ガスタービンが圧縮空気を冷却する可変速ファンを有している場合に、可変速ファンの回転数を調整することにより、冷却空気の温度が温度目標値となるように簡便に調整できる。
【００１７】
前記ガスタービンは、前記圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンを有している場合に、上記ガスタービン運転制御装置の前記第１制御手段は、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように、稼働させる前記固定速ファンの個数を調整し、フィードフォワード制御することとしてもよい。
【００１８】
ガスタービンが圧縮空気を冷却する固定速ファンを複数有している場合には、稼働させる固定速ファンの個数を調整することにより冷却空気の温度が温度目標値となるように簡便に調整できる。
【００１９】
上記ガスタービン運転制御装置において、前記可変速ファン及び前記固定速ファンは、前記主系統または前記バイパス系統のうち、少なくともいずれか一方に設けられることとしてもよい。
【００２０】
可変速ファン及び固定速ファンは、主系統またはバイパス系統のうち少なくともいずれか一方に設けられればよく、適宜選定できる。
【００２１】
本発明は、圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、前記圧縮空気を冷却する可変速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように前記可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整する第１制御手段を具備するガスタービン運転制御装置を提供する。
【００２２】
このような構成によれば、圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、タービンにより回転駆動される発電機と、圧縮機から圧縮空気の一部を抽出してタービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、圧縮空気を冷却する可変速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、発電機の出力値に基づいて、可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御し、冷却空気の温度が温度目標値となるように調整される。ここで、発電機の出力とは、例えば、ガスタービン出力、ガスタービンのデマンド値、全燃料流量指令値（ＣＳＯ：Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｏｕｔｐｕｔ）、タービン入口温度、発電機出力を含む。
これにより、冷却手段を流通した後の冷却空気の温度を熱電対により測定し、その測定値が所望の温度になるようにフィードバック制御する場合と比較して、本発明は、圧縮空気を冷却する可変速ファンをフィードフォワード制御するので、熱電対による計測遅れによる制御の遅れがなくなり、速やかな制御ができる。
【００２３】
本発明は、圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、前記圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように、稼働させる前記固定速ファンの個数を調整し、フィードフォワード制御する第１制御手段を具備するガスタービン運転制御装置を提供する。
【００２４】
このような構成によれば、圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、タービンにより回転駆動される発電機と、圧縮機から圧縮空気の一部を抽出してタービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御装置であって、発電機の出力値に基づいて、固定速ファンの稼働させる個数を調整してフィードフォワード制御し、冷却空気の温度が温度目標値となるように制御される。ここで、発電機の出力とは、例えば、ガスタービン出力、ガスタービンのデマンド値、全燃料流量指令値（ＣＳＯ：Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｏｕｔｐｕｔ）、タービン入口温度、発電機出力を含む。
これにより、冷却手段を流通した後の冷却空気の温度を熱電対により測定し、その測定値が所望の温度になるようにフィードバック制御する場合と比較して、本発明はフィードフォワード制御するので、熱電対による計測遅れによる制御の遅れがなくなり、速やかな制御ができる。
【００２５】
上記ガスタービン運転制御装置の前記第１制御手段は、前記発電機の出力値と、前記発電機の１次遅れの出力値との差に基づいて、前記冷却手段を流通する前記圧縮空気の流量が前記流量目標値となるように前記流量調整手段をフィードフォワード制御により調整することとしてもよい。
【００２６】
発電機の出力と１次遅れ（過去）の出力値との差である変化量に応じて、流量調整手段をフィードフォワード制御するので、フィードバック制御で調整しきれない急激な変化に対しても、追従性が向上される。
【００２７】
上記ガスタービン運転制御装置は、前記ガスタービンは、前記圧縮空気を冷却する可変速ファンを有している場合に、上記ガスタービン運転制御装置の前記第１制御手段は、前記発電機の出力値と、前記発電機の１次遅れの出力値との差に基づいて、前記冷却空気の温度が前記温度目標値となるように前記可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整することとしてもよい。
【００２８】
発電機の出力と１次遅れ（過去）の出力値との差である変化量に応じて、可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御するので、フィードバック制御で調整しきれない急激な変化に対しても、追従性が向上される。
【００２９】
上記ガスタービン運転制御装置は、前記ガスタービンは、前記圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンを有している場合に、上記ガスタービン運転制御装置の前記第１制御手段は、前記発電機の出力値と、前記発電機の１次遅れの出力値との差に基づいて、前記冷却空気の温度が前記温度目標値となるように前記固定速ファンの個数を調整し、フィードフォワード制御することとしてもよい。
【００３０】
発電機の出力と１次遅れ（過去）の出力値との差である変化量に応じて、固定速ファンの稼働個数を調整し、フィードフォワード制御するので、フィードバック制御で調整しきれない急激な変化に対しても、追従性が向上される。
【００３１】
本発明は、上記いずれかに記載のガスタービン運転制御装置を備えるガスタービンを提供する。
【００３２】
本発明は、圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統のうち前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記圧縮空気を冷却する冷却手段を有する冷却空気系統の主系統と、前記主系統から分岐して前記冷却手段を介さず前記タービン側に接続させる前記冷却空気系統のバイパス系統と、前記圧縮空気の流量を調整する流量調整手段とを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御方法であって、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却手段を流通する前記圧縮空気の流量が流量目標値となるように前記流量調整手段をフィードフォワード制御により調整するガスタービン運転制御方法を提供する。
【００３３】
本発明は、圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、前記圧縮空気を冷却する可変速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御方法であって、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように前記可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整するガスタービン運転制御方法を提供する。
【００３４】
本発明は、圧縮機と、燃料と前記圧縮機によって圧縮された空気である圧縮空気との燃焼によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路である冷却空気系統と、前記圧縮空気を冷却する複数の固定速ファンとを具備するガスタービンに適用されるガスタービン運転制御方法であって、前記発電機の出力値に基づいて、前記冷却空気の温度が温度目標値となるように、稼働させる前記固定速ファンの個数を調整し、フィードフォワード制御するガスタービン運転制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は、冷却空気系統に流通する冷却空気の温度を速やかに制御できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成の一例を示した図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るガスタービン運転制御装置の機能ブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るガスタービン運転制御装置の機能ブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成の一例を示した図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成の一例を示した図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係るガスタービン運転制御装置の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に、本発明に係るガスタービン運転制御装置及びその方法並びにそれを備えたガスタービンの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３８】
〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態に係るガスタービンプラント１００の概略構成を示した図である。本実施形態においては、圧縮機１から抽出される圧縮空気の温度及び流量が略一定である場合を想定して説明することとするが、これに限定されない。また、圧縮機１から圧縮空気が抽出されてから冷却空気系統の分岐が合流するまでの区間で流通する空気を圧縮空気と呼び、合流後においてタービン側の冷却に用いられる空気を冷却空気と呼ぶが、共通の媒体を示している。
図１に示されるように、本実施形態に係るガスタービンプラント１００は、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、車室４、発電機５、温度計測部（温度計測手段）６、回転軸（タービンロータ）７、ＴＣＡクーラ（Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ａｉｒ  ｃｏｏｌｅｒ）（冷却手段）８、流量調整部９、及び制御装置（ガスタービン運転制御装置）１０を備えている。
【００３９】
圧縮機１の下流側は２つの経路に分岐されており、それぞれの経路には燃焼器２またはＴＣＡクーラ８が備えられている。燃焼器２の下流側にはタービン３が備えられている。
冷却空気系統１１は、タービン３側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路のうち、圧縮機１の途中から圧縮空気の一部を抽出して圧縮空気を冷却するＴＣＡクーラ８を有する主系統１２と、主系統１２の途中から分岐してＴＣＡクーラ８を介さずタービン３側に接続させるバイパス系統１３とに分けられている。また、冷却空気系統１１は、回転軸７に接続され、冷却空気系統１１を流通した冷却空気（圧縮空気）を、回転軸７に供給する。
【００４０】
圧縮機１の下流側の他の経路においては、圧縮機１は、吸入した空気を圧縮し、車室４を介して燃焼器２に供給する。圧縮機１は、タービン３とともに回転軸７に設けられ、タービン３により回転駆動される。燃焼器２は、車室４を介して圧縮機１から供給された圧縮空気と燃料ガスとを混合させ、高温の燃焼排ガスを生成し、タービン３に供給する。
タービン３は、圧縮機１によって圧縮された空気である圧縮空気と燃焼器２で生成された燃焼排ガスとから回転駆動力を取り出し、駆動力を出力する。出力された回転駆動力は、同軸上に接続されている発電機５に伝達されて発電機５を発電させ、タービン３と同軸に接続されている圧縮機１に伝達されて圧縮機１を駆動させる。
【００４１】
温度計測部６は、主系統１２とバイパス系統１３との合流点より下流側のタービン２側の冷却空気系統の経路上に設けられ、冷却空気の温度を計測する。
ＴＣＡクーラ８は、圧縮機１及びタービン３の回転軸７とそれぞれ接続されており、圧縮空気の一部を流通させ、圧縮空気を冷却水により冷却して、圧縮空気を冷却する。
流量調整部９は、ＴＣＡクーラ８に流入させる圧縮空気の流量を調整する。また、流量調整部９は、制御装置１０から取得する開度指令値に基づいて、開閉弁の開閉状態が調整され、圧縮空気の流量が調整される。例えば、流量調整部９は、全閉状態にされると、圧縮機１から抽気された圧縮空気は、バイパス系統１３を流通されず、全て主系統１２に流通される。
【００４２】
なお、本実施形態においては、流量調整部９がバイパス系統１３に設けられる場合を例に挙げて説明するが、これに限定されず、流量調整部９は、主系統１２またはバイパス系統１３のいずれか一方に設けられていればよい。なお、流量調整部９がバイパス系統１３に設けられることにより、主系統１２側に設けられる場合と比較して、例えば、流量調整部９を全閉にしている状態で故障した場合に、ＴＣＡクーラ８側に圧縮空気を流通させることができず定格運転時に十分な翼冷却が得られないという事態を防ぐことができる。
【００４３】
制御装置１０は、第１制御部（第１制御手段）３０と第２制御部（第２制御手段）４０とを具備する。具体的に、制御装置１０の制御について図２を用いて説明する。
第１制御部３０は、発電機５の出力値に基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量が流量目標値となるように流量調整部９をフィードフォワード制御により調整する。具体的には、第１制御部３０は、第１指令値決定部３１を備えている。第１指令値決定部３１は、取得した発電機５の出力値に対して、ＴＣＡクーラ８を流通させる圧縮空気の流量を流量目標値とするような流量調整部９の開度を決定する第１対応情報（例えば、ガスタービン３の出力が高い場合には、回転軸７を冷却する冷却空気の温度を低くする必要があるので、冷却空気（圧縮空気）を増やすように、バイパス側に設けられた流量調整部９の開度を閉めるような関数、マップ等）を備えており、この第１対応情報に基づいて決定される第１開度指令値を加算部４３に出力する。
【００４４】
このように、第１制御部３０は、発電機５の出力値に基づいて先行的に流量調整部９を制御（フィードフォワード制御）する第１開度指令値を出力する。発電機５の出力値とは、例えば、ガスタービン出力、ガスタービンのデマンド値、全燃料流量指令値（ＣＳＯ：Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｏｕｔｐｕｔ）、タービン入口温度、発電機出力そのものを含む。
【００４５】
第２制御部４０は、冷却空気系統１１における、ＴＣＡクーラ８の下流側に設けられる冷却空気の温度を計測する温度計測部６により計測された冷却空気計測値と、ＴＣＡクーラ８の下流側における冷却空気の温度目標値との偏差を抑制するよう流量調整部９をフィードバック制御により調整する。具体的には、第２制御部４０は、減算器４１及びＰＩＤ制御器４２を備えている。減算器４１は、冷却空気の温度目標値と、温度計測部６から計測された冷却空気の冷却空気計測値との差を算出し、ＰＩＤ制御器４２に出力する。ＰＩＤ制御器４２は、減算器４１から取得した差の情報に基づいて、冷却空気の温度が温度目標値に追従するようにＰＩＤ演算によって制御量（流量調整部９の開度制御量）を算出し、その制御量を第２開度指令値として加算器４３に出力する。
【００４６】
このように、第２制御部４０は、温度計測部６における冷却空気計測値と温度目標値とを比較し、比較結果に基づいて制御（フィードバック制御）する第２開度指令値を出力する。
加算器４３は、第２制御部４０から取得した第２開度指令値と、第１制御部３０から取得した第１開度指令値とに基づいて、流量調整部９の開度である開度指令値を決定する。
このように、制御装置１０は、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて流量調整部９を調整することにより、温度計測部６による冷却空気の温度計測遅れをなくし、速やかな制御ができる。
【００４７】
次に、本実施形態に係るガスタービンプラント１００の作用について、図１及び図２を用いて説明する。
空気Ａが圧縮機１に供給され、圧縮機１において圧縮された圧縮空気は、車室４を介して燃焼器２に供給される。また、圧縮機１において圧縮された圧縮空気は、回転軸７を冷却する冷却空気として冷却空気系統に流入される。
【００４８】
第１制御部３０において、発電機５の出力値が入力されると、第１対応情報に基づいて、発電機５の出力値に応じた、流量目標値の流量の圧縮空気をＴＣＡクーラ８に流通させるための流量調整部９の開度情報が、第１開度指令値として決定され、加算部４３に出力される。また、第２制御部４０において、ＴＣＡクーラ８の下流側に設けられる温度計測部６により計測された冷却空気計測値と、冷却空気の温度目標値との差を低減させるようにＰＩＤ制御する流量調整部９の制御量が算出され、第２開度指令値として出力される。
第１開度指令値と第２開度指令値との加算によって、流量調整部９の開度指令値が決定され、出力される。
【００４９】
バイパス系統１３に設けられる流量調整部９は、取得した開度指令値に基づいた開度に制御される。そうすると、圧縮機１から抽出された圧縮空気は、流量調整部９を流通するバイパス系統１３側の圧縮空気と、流量調整部９を介さずにＴＣＡクーラ８側を流通する圧縮空気とに分けられる。バイパス系統１３を流通する圧縮空気は、冷却されずにバイパス系統１３と主系統１２との合流点側に放出され、主系統１２を流通する圧縮空気は、ＴＣＡクーラ８により冷却され、バイパス系統１３と主系統１２との合流点側に放出される。主系統１２で冷却された圧縮空気と、バイパス系統１３を流通した圧縮空気との合流後の冷却空気は、温度計測部６により温度が計測される。温度計測部６において計測された冷却空気の温度計測値は制御装置１０に出力され、第２制御部４０に入力される。
冷却空気は、回転軸７に供給され、回転軸７を冷却する。
【００５０】
以上説明してきたように、本実施形態に係るガスタービン運転制御装置（制御装置）１０及びその方法並びにそれを備えたガスタービンプラント１００によれば、発電機５の出力値に基づいてＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量が流量目標値となるようにフィードフォワード制御され調整されるとともに、ＴＣＡクーラ８の下流側における温度計測部６の冷却空気計測値と冷却空気の温度目標値との差が抑制されるようにフィードバック制御される。このように、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせることにより、温度差をフィードバック制御するだけの場合と比較して、フィードバック制御により補正しつつ、温度計測部６（熱電対）による計測遅れによる制御の遅れがなくなり、速やかな制御ができる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係るガスタービン運転制御装置及びその方法並びにそれを備えたガスタービンプラントについて図１および図３を用いて説明する。本実施形態に係るガスタービンプラントは、第１の実施形態における構成に加え、ガスタービンの昇速時など発電機がタービンと電気的に接続されていない場合を含む点で、上述の第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態に係るガスタービンプラントについて、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００５２】
第１制御部３０は、昇速時などのように、タービン３が発電機５と電気的に接続されていない状態において、タービン３が発電した動力を発電機５に伝達する回転軸７の回転数または全燃料流量指令値ＣＳＯに基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量が流量目標値となるように流量調整部９をフィードフォワード制御により調整する。
【００５３】
具体的に、図３を用いて本実施形態に係る制御装置１０ａについて説明する。
第１制御部３０は、第１指令値決定部３１，３２，３３、加算器３４を備えている。
第１指令値決定部３１は、発電機５の出力値に基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量を流量目標値とするような流量調整部９の開度を決定する第１対応情報が備えられており、タービン３と発電機５とが電気的に接続されている場合に、発電機５の出力値（或いは、ガスタービンデマンド値）が入力されると、第１対応情報に基づいて第１開度指令値ａを決定し、出力する。
【００５４】
第１指令値決定部３２は、回転軸７の軸回転数に基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量を流量目標値とするような流量調整部９の開度を決定する第２対応情報が備えられており、タービン３と発電機５とが電気的に接続されていない状態である場合に、回転軸７の軸回転数の情報が入力されると、第２対応情報に基づいて、第１開度指令値ｂを決定し、出力する。
加算器３４は、発電機５とタービン３との電気的接続状態に応じて、第１指令値決定部３１から取得した流量調整部９の第１開度指令値ａ，ｂのいずれか一方を選択し、加算器４３に出力する。
このように、軸回転数を勘案した補正を加えることにより、昇速時の冷却空気温度を最適に保つことができる。
【００５５】
第１指令値決定部３３は、全燃料流量指令値ＣＳＯに基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量を流量目標値にするような流量調整部９の開度を決定する第３対応情報が備えられており、発電機出力及び軸回転数の情報の使用時以外において全燃料流量指令値ＣＳＯが入力された場合に、第３対応情報に基づいて、第１開度指令値ｃを決定し、加算器４３に出力する。
このように、第１制御部３０は、使用する信号に応じて、第１指令値決定部３１，３２による第１開度指令値ａまたはｂを用いるか、第１指令値決定部３３による第１開度指令値ｃを用いるかが決定される。
【００５６】
これにより、ガスタービンの昇速時においても、回転軸７を冷却する冷却空気の温度を所望の値に保つことができる。
【００５７】
〔変形例〕
なお、本実施形態においては、発電機出力及び軸回転数の情報の使用時以外においては、全燃料流量指令値ＣＳＯが入力された場合を想定して説明していたが、これに限定されない。例えば、第１指令値決定部３３は、タービン３の入口温度に基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量を流量目標値にするような流量調整部９の開度を決定する第４対応情報が備えられており、発電機出力及び軸回転数の情報の使用時以外において、タービン３の入口温度の情報が入力された場合には、第４対応情報に基づいて、第１開度指令値ｄを決定し、加算器４３に出力する。
具体的には、タービン３の入口温度は、直接計測することができないため、タービン３から排出される排ガスなどのタービン入口温度を代表する値から推定されるタービン入口温度に基づいて、流量調整部９の第１開度指令値ｄが決定される。
【００５８】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係るガスタービン運転制御装置及びその方法並びにそれを備えたガスタービンプラントについて図４を用いて説明する。
本実施形態に係るガスタービンプラントは、流量調整部９が主系統１２に設けられている点で、上述の第１の実施形態、第２の実施形態と異なる。以下、本実施形態に係るガスタービンプラント２０について、第１の実施形態、第２の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００５９】
図４に示されるように、冷却空気系統１１の主系統１２には、流量調整部９とＴＣＡクーラ８が設けられている。冷却空気系統１１のバイパス系統１３は、圧縮機１から抽出された圧縮空気をバイパスさせる流路とされている。また、図４において、流量調整部９の配置位置は、ＴＣＡクーラ８の上流側（圧縮機１側）とされているが、これに限定されず、ＴＣＡクーラ８の下流側（タービン３側）であってもよいこととする。
【００６０】
上述した第１の実施形態および第２の実施形態のように、バイパス系統１３側に流量調整部９を設け、流量調整部９の開度を全開にした場合には、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気は、分岐系統の圧損の関係により決まるため、ＴＣＡクーラ８を流通させる圧縮空気の流量を完全になくすことはできなかった。また、急速起動時等、圧縮空気の温度を低下させることなく、ガスタービン冷却空気として供給したい場合（例えば、熱応力の緩和）は、ＴＣＡクーラ８側の流量をできるだけ少なくし、バイパス系統１３側の空気を供給することが望ましい。
【００６１】
そこで、本実施形態のように、ＴＣＡクーラ８の上流側または下流側に流量調整部９を設け、流量調整部９を全閉状態にすることにより、ＴＣＡクーラ８側には圧縮空気を流通させず、バイパス系統１３に圧縮空気を流通させることにより、バイパス系統１３側に流量調整部９を設けた場合と比較して、さらに高温な冷却空気を回転軸７側に供給することができる。
さらに、第２の実施形態で説明したように、ガスタービンの昇速時を勘案した制御装置１０と組み合わせることにより、より高い温度まで昇速時の冷却空気温度を制御することができる。
【００６２】
また、本実施形態のように主系統１２に流量調整部９を設けている場合では、制御装置１０ｂは、流量調整部９を開く方向に制御することで主系統１２に流通させる圧縮空気を増加させる、流量調整部９を閉じる方向に制御することでバイパス系統１３に流通させる圧縮空気を増加させる。
【００６３】
このように、ＴＣＡクーラ８が設けられる主系統１２に流量調整部９を設けることにより、圧縮機１の出口温度そのものを冷却空気の温度とすることができる。
【００６４】
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態に係るガスタービン運転制御装置及びその方法並びにそれを備えたガスタービンプラントについて図５を用いて説明する。
本実施形態に係るガスタービンプラントは、可変速ファンを設ける点で、上述の第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態と異なる。以下、本実施形態に係るガスタービンプラント２０について、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００６５】
冷却空気系統１１は、圧縮機１から圧縮空気の一部を抽出してタービン３側の冷却に用いられる冷却空気の流通経路とする。本実施形態においては、上述した第１から第３の実施形態のように冷却空気系統１１を主系統１２とバイパス系統１３とに分けられていてもよいし、分けられていなくてもよい。図５において、バイパス系統側１３が点線で示されているのは、本実施形態がバイパス系統１３の有無に関係しないことを示している。なお、主系統１２とバイパス系統１３とに分けられている場合には、少なくともいずれか一方に可変速ファン１４が設けられていればよい。
【００６６】
本実施形態に係るガスタービンプラント２０は、冷却空気系統１１の近傍に圧縮空気を冷却する可変速ファン１４を備えている。可変速ファン１４は、例えば、ラジエータ式のＴＣＡクーラであり、ファンが可変速（例えば、インバータ式）である。可変速ファン１４は、回転数を制御されることにより、冷却水（低温側流体）の温度を制御できる。これにより、第１から第３の実施形態で用いていた流量調整部９を不要とすることができる。
【００６７】
また、第１制御部３０は、発電機５の出力値に基づいて、冷却空気の温度が温度目標値となるように可変速ファンの回転数をフィードフォワード制御により調整する。具体的には、第１制御部３０は、発電機５の出力値に対して、冷却空気の温度が温度目標値となるようにする可変速ファンの回転数を決定する第５対応情報を備えており、発電機５の出力値を取得すると、第５対応情報に基づいて、可変速ファンの回転数を決定する。
【００６８】
このように、ガスタービンが圧縮空気を冷却する可変速ファンを有している場合に、可変速ファンの回転数を調整することにより、冷却空気の温度が温度目標値となるように簡便に調整できる。
【００６９】
〔変形例〕
なお、本実施形態においては、冷却空気の冷却に可変速ファンを用いていたが、これに限定されず、複数の固定速ファンを設け、適宜回転させる固定速ファンの個数を調整する（例えば、３つの固定速ファンを設けておき、２つの固定速ファンのみを稼働させるなど）ことにより、ファンによって得られる冷却効果に強弱を持たせることとしてもよい。
【００７０】
〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態に係るガスタービン運転制御装置及びその方法並びにそれを備えたガスタービンプラントについて図６を用いて説明する。
本実施形態に係るガスタービンプラントは、フィードフォワード制御をする場合に、１次遅れの要素を勘案する点で、上述した第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態、第４の実施形態と異なる。以下、本実施形態に係るガスタービンプラント２０について、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態、第４の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００７１】
図６は、本実施形態に係る制御装置１０ｄの機能ブロック図を示している。ここでは、第２の実施形態で説明したように、ガスタービンが昇速時の場合と定格運転時の場合との両方に対応可能なケースを一例として示しているが、これに限定されず、例えば、定格運転時の場合だけの制御であっても適用できる。また、冷却手段として、ＴＣＡクーラ８による冷却水冷却の場合を例に挙げるが、可変速ファンおよび複数の固定速ファンであってもよい。
【００７２】
第１制御部３０は、発電機５の出力値と、発電機５の１次遅れの出力値との差に基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量が流量目標値となるように流量調整部９をフィードフォワード制御により調整する。具体的には、図６に示されるように、第１制御部３０は、減算器３５，３７、第１指令値決定部３６，３８、および加算器３９を備えている。
減算器５は、発電機５の出力値とその１次遅れの出力値との差を算出し、第１指令値決定部３６に出力する。
第１指令値決定部３６は、発電機５の出力値の差Ａの情報に対して、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量を流量目標値にするような第１開度指令値ａを決定する第６対応情報を備えており、取得した差Ａの情報と第６対応情報に基づいて、流量調整部９の第１開度指令値ａを決定し、加算器３９に出力する。例えば、第６対応情報は、差分Ａが出力増加を示す場合には、冷却空気の温度を低くする必要があるので、流量調整部９の開度を閉める方向に制御する対応情報（関数、マップ等）とすることが好ましい。
【００７３】
減算器３７は、回転軸７の軸回転数と、その１次遅れの軸回転数との差Ｂを算出し、第１指令値決定部３８に出力する。
第１指令値決定部３８は、回転軸７の軸回転数に基づいて、ＴＣＡクーラ８を流通する圧縮空気の流量を流量目標値にするような流量調整部９の開度を決定する第７対応情報が備えられており、取得した差Ｂの情報と第７対応情報に基づいて、第１開度指令値ｂを決定し、加算器３９に出力する。
加算器３９は、入力される信号に応じて、第１指令値決定部３６からの第１開度指令値ａを用いるか、第１指令値決定部３８からの第１開度指令値ｂを用いるかを決定し、加算器４３に出力する。
【００７４】
１次遅れとの差Ａ，Ｂは、測定信号の変化量が大きいほど増大する性質があり、その差Ａ，Ｂに応じて開度を決定する対応情報を設けているので、各パラメータの急変に対し、追従性のよいフィードフォワード制御が可能となる。このように、本実施形態においては、フィードバック制御する第１制御部３０が、補正の役割を果たしている。
このように、１次遅れ（過去）の出力値との差である変化量に応じて、流量調整部９をフィードフォワード制御するので、フィードバック制御で調整しきれない急激な変化に対しても、追従性が向上される。
【符号の説明】
【００７５】
６  温度計測部
８  ＴＣＡクーラ
９  流量調整部
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  制御装置
３０  第１制御部
４０  第２制御部
１００  ガスタービンプラント
【図１】
2014084824.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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