(57)【要約】圧縮空気エネルギー貯蔵発電所内に配置されているタービンの運転方法が、開ループ制御によって空気の流量を制御する。この制御は、下のタービン回転数範囲内で使用される。より高いタービン回転数範囲内のタービンの回転数は、閉ループ制御によって制御される。開ループ制御による制御は、空気流入弁によって空気の流量を制御してタービンの回転数を任意に発生させる。閉ループ制御による制御は、回転数制御装置によってタービンの回転数を制御する。回転数制限値が、この回転数制御装置に作用する。この回転数制限値は、その時の空気の流量及びベンチレーションの計算に一致して算定される。タービンのベンチレーション又は回転子の動特性に関して臨界であるタービンの回転数値に到達した場合、回転数制御装置が、固定周波数コンバータを起動させる。
2005520086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を貯蔵する貯槽を有する圧縮空気エネルギー貯蔵システム内に配置されているタービンの運転方法において、この場合、このタービンは、空気膨張タービン，ガスタービン，発電機及び固定周波数コンバータ（"static frequency converter"−ＳＦＣ）を有し、このタービンは、単一の軸に連結して配置されていて、この場合、さらにこのシステムは、空気の流量を貯槽から空気膨張タービンに送る空気流入管，この空気流入管内に配置されている空気流入弁，空気膨張タービンから燃焼室に敷設されかつこの燃焼室からガスタービンに敷設されている別の管及び燃料を燃焼室に送る燃料管を有し、この場合、燃料流入弁が、燃料管内に配置されていて、この場合、タービンのこの運転方法は以下から実施される：
空気流入弁を調整することによって空気膨張タービンに対する空気の流量を制御し、この場合、空気の流量が、第１タービン回転数範囲内で開ループ制御によって制御され、タービンの回転数が、空気の流量速度にしたがって任意に調整でき、この空気の流量速度は、空気流入弁の調整から生じ、
第１タービン回転数範囲よりも大きい第２タービン回転数範囲内では、タービンの回転数が、閉ループ制御によってその時の空気の流量に一致して制御され、このその時の空気の流量は、空気流入弁の位置から生じる運転方法。
【請求項２】
タービンの回転数が、第２タービン回転数範囲内で回転数制御装置によって制限されていて、タービンの回転数がタービン内のベンチレーション効果に対して臨界である所定の回転数範囲に到達した場合、この回転数制御装置は、固定周波数コンバータ（ＳＦＣ）に作用する請求項１に記載のタービンの運転方法。
【請求項３】
閉ループ制御による制御時は、タービンの回転数が、回転数制御装置によって制限されていて、タービンの回転数が、回転数制御装置がＳＦＣを起動させるタービン回転数制限値を超えた場合、回転数制限値が、この回転数制御装置に作用し、この回転数制御値が、ベンチレーションの計算によってその時の空気の流量の関数として算定される請求項２に記載の空気膨張タービンの運転方法。
【請求項４】
臨界回転数範囲の下限値に到達する時に、臨界回転数範囲の上限値に到達するまで、回転数参照値が臨界回転数範囲の上限値に上昇し、空気の必要な上の流速のランプ制御が起動されることによって、臨界回転数範囲が、始動運転の間に迅速に進行される請求項３に記載のタービンの運転方法。
【請求項５】
空気の流量が、始動の間及び給電網との同期の直前に一定に保持され、タービンの回転数が、ＳＦＣの起動によって制御される請求項３に記載のタービンの運転方法。
【請求項６】
下の回転数範囲は、タービンの回転数を有し、ＳＦＣは、このタービンの回転数に対して又は最大タービン駆動回転数の約40％まで起動され得ない請求項１に記載のタービンの運転方法。
【請求項７】
タービンの制御される出力減少を可能にするため、ＳＦＣが起動される請求項１又は２に記載の空気膨張タービンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気エネルギー貯蔵（"compressed air energy storage" −発電所  ＣＡＥＳ）内に配置されているガスタービンの運転方法、特にこのようなタービンの制御される運転及び出力減少に対する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１中に示したような圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）発電所は、圧縮空気用の貯槽（"cavern"−Ｃ）を有する。この貯層は、一軸膨張タービンを運転させるために使用される。この一軸膨張タービンは、燃焼室（"combustion chamber"−ＣＣ）を従えた空気膨張タービン（"air expansion turbine" −ＡＴ）から構成される。さらにガスタービン（ＧＴ）を有する。このガスタービン（ＧＴ）は、定格運転の間に固定連結された発電機（Ｇ）を給電網に同期して動かす。
【０００３】
タービンの回転数及び出力は、一般に弁、特に空気流入部の空気流入弁（"air inlet valves"−ＡＶ）及び燃焼室の燃料流入弁（"fuel inlet valves" −ＦＶ）の並列制御によって制御される。以下の説明は、図１中で概略的に示したようなＣＡＥＳ発電所及びＣＡＥＳ発電所の別の実施の形態に関する。これらの実施の形態は、例えば追加の燃焼室を有するＣＡＥＳ発電所である。この追加の燃焼室は、空気タービン（ＡＴ）の前方に配置されているか又は空気タービン前方にある貯槽の加圧空気を予備加熱するための熱交換機の前方に配置されている。
【０００４】
一軸タービンは、停止又は回転動作から同期化される。そのため、回転数が、開ループ制御又は閉ループ制御によって制御されている。ＣＡＥＳ発電所は、この運転過程の一部のために固定周波数コンバータ（"static frequency converter"−ＳＦＣ）をさらに有する。この固定周波数コンバータは、発電機／給電網・遮断開閉器（Ｓ）に対して並列に配置されている。発電機が同期するまで、ＳＦＣの電気制動トルクがタービンの駆動トルクに逆らって作用する。これは、給電網（"mains" −Ｍ）の分離に続く惰走過程の短縮にも使用され得る。タービンの同期後の電力が、従来の方法で発電機によって給電網に出力される。
【０００５】
タービンの運転は、多数のステップを有する：
−貯槽から空気流入弁を流れる予備加熱された空気を使用してタービン及び燃焼室を洗浄し、
−空気流入弁によって送風速度を低減して燃焼室に着火し、
−ガスタービンの流入温度及びタービンの排気ガス中の有毒成分のような所定の操作値が保持される間、燃焼室の燃料の流速の制御と並行に送風速度を制御することによって、タービンを加速させる。このステップでは、このタービンに固有の重要な動作パラメータが考慮される。これらの重要な動作パラメータは、例えば高い回転数や起こりうる臨界回転数範囲時の不十分な流速に起因したベンチレーション効果によるガスタービンの高出力段階の機械的な負荷である。
−定格回転数及び最小負荷での運転時にタービンを給電網に同期させる。
【０００６】
一定の回転数での出力運転は、ガスタービンの流入温度及びガスタービンの排気ガス中の有毒要素の量に対する所定の限界値が考慮される間に電力の出力を制御することによって実施される。燃焼に関して適切な運転過程に対しては、空気の流量及びガス燃料の流量が、所定の参照値である。これらの参照値は、電力と温度に依存し、空気流入弁及び燃料流入弁の位置制御値によって得られる。設備の出力が、給電網の分離後に制動機としてのＳＦＣによって減少される。その結果、タービンが臨界回転数範囲を迅速に通過し、惰走時間も短くなる。
【０００７】
この種類のタービンの運転の間に発生する特別な問題は、比較的少ない空気流量によって加速されるタービンがガスタービンの高出力段階での不十分な体積流量に起因したベンチレーション効果を起こしうる回転数にすぐに到達してしまう点である。ベンチレーションは、羽根の周りの不完全な空気の流れによって引き起こされる。この空気の流れは、普通でない機械的な負荷を羽根にもたらす。さらに、主にアンチトルクが欠如しているために、この種類のタービンは、回転数に関して「外部から影響されない」傾向にある。この理由から、回転数に関して制御される動作は、特に制動トルクだけによって可能である。この場合、この制動トルクは、発電機でＳＦＣによって電気的に生成される。（蒸気タービンやガスタービンのような別のタービン設備では、蒸気タービン内の長い羽根のベンチレーション又はガスタービン用のコンプレッサによって提供される制動機構が存在する）。従来の技術では、空気の流量が運転の間に与えられ得る。回転数が、駆動と制動との間の均衡によって正確に制御される。駆動（空気の流入）又は制動（ＳＦＣ）又は駆動及び制動が、制御手段として使用され得るので、この種類の回転数制御は、制御の観点から疑問がある。
【０００８】
空気膨張タービン内の特に空気の流量に起因した高出力段階中のベンチレーションを阻止するためには、一般に空気の流量及びタービンの回転数が関数的に関連していることが必要である。制御される各回転数の調整は、実際の制動トルクに依存して空気の特別な流量を必要とする。制動トルクが僅かな場合、ベンチレーションが発生しうる程度に、空気の流速が僅かになりうる。換言すると：ベンチレーションを起こす特定の最大回転数が、空気の各流速に対してある。回転数が運転の間に制御変数として選択され、制動トルクが非常に小さい場合、制御できないベンチレーションが容易に発生しうる。回転数を調整するため、ベンチレーションを阻止するため、空気の流量又はＳＦＣの制動トルク又は空気の流量及びＳＦＣの制動トルクを変えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この説明した従来の技術から鑑みて、本発明の課題は、特にタービンの運転及び出力減少に対してＣＡＥＳ発電所内に配置されているタービンの運転方法を提供することにある。この方法は、特にＳＦＣ以外に制動機構を持たないタービンの駆動に適する。
【００１０】
本発明の特別な課題は、回転数制御に対する変数の選択時に一義的である方法を提供することにある。本発明のもう１つの課題は、タービンの回転数を制御することにある。空気膨張タービン内の回転数に関連するベンチレーション効果及び外部から影響されない状態が、この制御によって回避される。
【００１１】
本発明によれば、ＣＡＥＳ発電所内に配置されているタービンの運転方法が、異なるタービン回転数範囲で適用される２つの異なる概念に基づく。下のタービン回転数範囲内では、空気の流量だけが、開ループ制御によって制御される。その後、タービンの回転数が任意に発生しうる。特にこの下の回転数範囲に対する方法は、時間及び／又はタービンの起こりうる各動作状態要求の関数としての空気流入弁を調整することによって空気膨張タービンに対する空気の流量を制御する。これらの要求は、タービン，熱交換器，加熱，洗浄，加速等のようなＣＡＥＳ設備の該当する駆動概念に一致する。上のタービン回転数範囲では、タービンの回転数が、閉ループ制御によって制御される。この場合、タービンの回転数が、回転数制御装置によって制御される。この回転数制御装置は、固定周波数コンバータ（ＳＦＣ）上で作用する。タービンの回転数は、必要な場合は例えば所定の回転数範囲に到達したときにＳＦＣによって制限される。この所定の回転数範囲は、ベンチレーション効果又は回転子の動特性に関して重要である。閉ループ制御による制御の場合、タービンの回転数が、その時の空気の流速に一致して制限されている。この空気の流速は、空気流入弁の位置から生じる。空気の流れが、タービンの回転子を加速する大きい駆動トルクを発生させるので、タービンの回転数が、ＳＦＣの可変な制動トルクを起こす回転数制御装置によって制限されている。
【００１２】
本発明の方法は、特に図１に関連して説明した種類のＣＡＥＳ発電所内に配置されている膨張タービンの運転時に使用可能である。洗浄，着火，加速及び設備の同期に必要である空気の流量が、空気流入弁によって調整され、タービンの回転数の範囲に応じて開ループ制御又は閉ループ制御によって制御される。
【００１３】
下のタービン回転数範囲では、回転数が、空気の流量に一致する。この空気の流量は、空気流入弁の調整から生じる。ベンチレーション効果が発生しうる上のタービン回転数範囲では、回転数が、必要なときだけに回転数制御装置によって制限される。回転数参照値又はタービン回転数目標値が、回転数制御装置上で作用する。この回転数参照値又はタービン回転数目標値は、特定の回転数目標値及び回転数制限値によって決定される。回転数制限値ｎlim は、実際の空気の流速ｆ（ｍA ）の関数を使用するベンチレーションの計算によって算定される。この回転数制限値ｎlim は、空気の所定の流量に対して許されているタービンの回転数である。この所定の流量の場合、ベンチレーションが発生しない。タービンの実際の回転数が、回転数参照値又は回転数制限値よりも大きい傾向にある場合、回転数制御装置が、ＳＦＣによって制動トルクを起動させる。この制動トルクは、所定の空気流量に基づいて駆動トルクに対して逆に作用する。
【００１４】
本発明の方法のもう１つの側面では、回転数制御部が、臨界回転数範囲を迅速に進行するための手続きを有する。膨張タービンの運転の間にこの臨界回転数範囲の下限値に到達した場合、制御回路が、回転数参照値をこの臨界回転数範囲の上限値に即座に上げる。次いで、タービンの軸の回転数参照値が上がるまで、必要な空気の上の流速のランプ制御が起動する。
【００１５】
方法のもう１つの側面では、タービンの回転子の回転数が給電網に同期する直前に、回転数がＳＦＣだけによって制御される。空気の流量が、この時点に対して一定に保持される。そして回転数が、ＳＦＣの制動トルクを減少制御することによって同期回転数に上昇する。
【００１６】
同期時点にある制動トルクが、タービン最小負荷に物理的に変換される。その値が、後の制動手続き用に記憶され得る。
【００１７】
さらに本発明の方法は、空気膨張タービンの出力減少の制御で使用可能である。この図では、タービンの軸の回転数が、任意の惰走に対して安全である回転数に下がるまで、ＳＦＣが回転数制御装置によって起動される。給電網を分離した後に、タービンが加速しうる。このことは、設備の過回転及び故障の恐れを招きうる。このような過回転を阻止するため、ＳＦＣが、回転数制御装置によって起動される。その制動トルクが、タービンの回転数を任意の惰走に対応する低い値に低下する。一般にこの値は、最大駆動回転数の約 40-50％である。次いでＳＦＣが停止する。そして回転数が、最初に上述した回転数範囲内で任意に発生し得る。（この第１回転数範囲内では、ＳＦＣが、電気的な理由から起動されない。）運転方法のこの使用の側面では、タービン設備が新たに着火される前に、このタービン設備はタービンの出力減少後に停止される。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この課題は、請求項１に記載の運転方法によって解決される。
【００１９】
本発明の運転方法は、この運転方法が使用されるタービンの回転数に依存する。上述した下のタービン回転数範囲は、最大駆動回転数の約40％までの回転数を有する。この回転数範囲内では、ＳＦＣが、電気的な理由（発電機の起動）から作動できない。このことは、例えば洗浄の間である。タービンの回転子の回転数のこの範囲内では、空気の流入弁によって調整される空気の流量が、上述した洗浄規準の開ループ制御による制御によって調整される。そして得られたタービンの回転数が任意に発生しうる。この回転数範囲内では、一般に潜在的なベンチレーション効果がない。
【００２０】
上述した上の回転数範囲は、最大駆動回転数の約40％より上の回転数を有する。この回転数範囲では、ＳＦＣが起動され得る。この上の回転数範囲内では、空気の流量が、図２中に示された回路配置に一致して制御される。
【００２１】
図２は、３つのユニットを有する回転数制御回路配置を図式で示す：ユニットＡは、タービンの回転数ｎを制御する。ユニットＢは、空気流入位置ｙA によって空気の流れを制御して出力導管を制御する。ユニットＣは、燃料供給ｙF を制御して燃焼室（ＣＣ）の温度を制御する。
【００２２】
ユニットＡは、特に本発明の運転方法を可能にする回路配置の機能を示す。ユニットＢ及びＣはそれぞれ、既存の運転システムで使用されるような回路配置の機能を示す。これらのユニットは、主に本発明の方法と互換性がある。
【００２３】
回転数制御回路配置用のユニットＡは、２つの異なるタービン回転数値、回転数ｎi ，ｎs を有する。回転数ｎi は、タービンの回転子の回転数である。回転数ｎs は、回転数の目標値である。閉ループ制御による制御の場合、実際の回転数ｎi が、回転数の目標値ｎi と比較される。この実施の回転数ｎi がこの回転数の目標値を超えた場合、ＰＩ回転数制御装置がＳＦＣの制動トルクｙSFC を発生させる。回転数の目標値ｎspは、特定の目標回転数ｎs の下の値（ＭＩＮ値）及び回転数の制限値ｎlim によって決定される。この制限値ｎlim 自体は、空気流入弁によって与えられている実際の空気の流量の関数ｆ（ｍA ）にしたがってベンチレーションを計算することによって算定される。
【００２４】
空気の流量の値ｍA は、一般に回転数に依存する成分ｍAnと負荷に依存する成分ｍAPとの合計である。運転過程の間のｍAPは零（無作動）に等しいので、回転数制限関数ｆ（ｍA ）は、ｍAnだけによって制御される。
【００２５】
関数ｆ（ｍA ）は、最大許容回転数、ベンチレーション効果が発生しない所定の空気の流量ｍA に対する回転数制限値ｎlim を出力する。ｎlim の値は、最大回転数でもある。この最大回転数は、回転数の目標値ｎSPに与えられる。したがって、ベンチレーション効果の発生が、この制御方法によってほとんど阻止される。ＳＦＣは、タービンの回転子の最大回転数ｎlim を超えないように作動する。
【００２６】
本発明の方法は、タービンの運転の間に臨界回転数範囲(kritischer Drehzahlbereich)を迅速に進行する工程を有する。このような臨界回転数範囲ｎcritは、回転数目標値ｎSPの決定中は保持されている。この方法では、臨界回転数範囲が、回転数ランプ関数にしたがって進行される。このような臨界回転数範囲は、空気タービンに対してもガスタービンの回転子に対しても回転子に依存する。これらの臨界回転数範囲はそれぞれ、その固有の特性臨界回転数範囲を有し、関連して別の臨界回転数範囲を有する。
【００２７】
このような臨界回転数範囲内では、ＳＦＣが既に起動している場合、（ＭＩＮ関数で与えられ、図２中に示されている）所定の参照値が制限値として使用されるので、最初にＳＦＣのトルクが制御値に低減され得る。その結果、タービンの軸が加速する。このことは、その時の空気の流速に依存する上限の回転数にまだ達していない間は中断する。その後、空気の流量が上昇することによって、回転数が制御されて上昇する。必要ならば、回転数制御装置がＳＦＣを制動として起動させ、ベンチレーションの阻止に寄与する。この工程は、最終的に臨界回転数範囲の上限値で終了する。これに基づいて、定格運転工程が再び開始する。
【００２８】
タービン最終回転数が、例えば同期に対する回転数の95％に近づく場合、空気の流れが停止する。その一方で、ＳＦＣの制動トルクが低下することによって、タービンの回転数が再び 100％に上昇する。
【００２９】
ユニットＢは、空気膨張タービン（ＡＴ）の主制御弁（"main control valves" −ＭＣＶ）及び安全弁（"bypass valves" −ＢＹＰ）を調整するための駆動信号ｙA を算定する方法を図式で示す。この方法は、従来の技術の一部であり、ユニットＡ内で実行される方法と互換性がある。流入弁の制御信号の算定中に流入する空気の流量ｍA の値は、出力に関連する空気の流れｍAP及び回転数に関連する空気の流れｍAnによって算定される。この空気の流れｍAPは、目標の空気の流れｍS に直接関係がある。負荷に関連する空気の流量ｍAPは、その他のパラメータに加えて周波数Δｆ内の変動によって決定される。この周波数Δｆは、実際の給電網の周波数と通常の又は定格の給電網の周波数との差である。例えば実際の給電網を下げる場合、タービンの出力が、空気の流量ｍAPの制御及び適切な弁制御によって上昇する。
【００３０】
ユニットＣは、閉ループ制御で燃焼室（ＣＣ）に応じたガスタービン流入温度の動的な増幅制御用の燃料弁の位置ｙF を計算する。このユニットＣは、ユニットＡの方法と互換性がある従来の技術の一般的な回路配置を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ＣＡＥＳ発電所の概略図である。このＣＡＥＳ発電所では、空気膨張タービンが、本発明の方法によって運転され得る。
【図２】本発明の運転方法で使用される制御回路配置の概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
ＡＴ  膨張タービン
ＣＣ  燃焼室
ＧＴ  ガスタービン
ＦＶ  燃料流入タービン
ＡＶ  空気流入弁
ＦＶ  燃料流入弁
Ｃ  貯槽
Ｇ  発電機
Ｓ  スイッチ
Ｍ  給電網
ＳＦＣ  固定周波数コンバータ
【図１】
2005520086.tif 000003
【図２】
2005520086.tif 000004
【国際調査報告】
2005520086.tif 000005
2005520086.tif 000006
2005520086.tif 000007
2005520086.tif 000008
2005520086.tif 000009
2005520086.tif 000010