(57)【要約】【課題】要求出力が急変した場合の出力応答性を確保しつつも、二軸ガスタービン発電設備を構成する機器の寿命消費を低減する。【解決手段】二軸ガスタービン発電設備の制御装置１００は、要求出力Ｐｄに応じた基本出力指令値Ｐｂを求める基本出力演算部１１０と、基本出力指令値Ｐｂを高周波成分Ｐｈと低周波成分Ｐｌとに分ける成分分離部１２０と、低周波成分Ｐｌに基づいて、燃料調節弁１５の開度を求めて開度指令ＦＶｄを燃料調節弁１５に出力する開度指令出力部１５１と、高周波成分Ｐｈに基づいて、誘導モータと外部系統との間での電力の基本送受電量Ｉｂを求める基本送受電量演算部１３０と、基本送受電量Ｉｂに応じて、送受電量を示す送受電指令ＩＮＶｄを作成し、送受電指令ＩＮＶｄを周波数変換器２４に出力する送受電指令出力部１５２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機ロータを有し、前記圧縮機ロータの回転で空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器に供給する燃料の流量を調節する燃料調節弁と、
前記圧縮機ロータと機械的に連結されている高圧タービンロータを有し、前記燃焼ガスで前記高圧タービンロータが回転する高圧タービンと、
前記高圧タービンロータに連結されていない低圧タービンロータを有し、前記高圧タービンから排気された前記燃焼ガスで前記低圧タービンロータが回転する低圧タービンと、
前記低圧タービンロータの回転で発電し、交流電力が流れる外部系統と電気的に接続されている発電機と、
前記圧縮ロータと機械的に連結されているモータロータを有し、前記発電機と並列に前記外部系統と電気的に接続され、前記外部系統に対して電力を送受電する誘導モータと、
電気的接続関係で前記誘導モータと前記外部系統との間に設けられて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の送受電を制御すると共に、前記誘導モータからの電力を外部系統側へ送電させる際には、前記誘導モータからの電力の周波数を前記外部系統の周波数に変換し、前記外部系統側からの電力を受電して前記誘導モータに供給させる際には、前記外部系統からの電力の周波数を前記誘導モータの周波数に変換する周波数変換器と、
を備える二軸ガスタービン発電設備の制御装置において、
外部からの要求出力と前記外部系統への実際の出力である実出力との偏差に応じた基本出力指令値を求める基本出力演算部と、
前記基本出力指令値を高周波成分と低周波成分とに分ける成分分離部と、
前記基本出力指令値の前記低周波成分に基づいて、前記燃料調節弁の開度を求め、前記開度を示す開度指令を前記燃料調節弁に出力する開度指令出力部と、
前記基本出力指令値の前記高周波成分に基づいて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の基本送受電量を求める基本送受電量演算部と、
前記基本送受電量に応じて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の送受電量を示す送受電指令を作成し、前記送受電指令を前記周波数変換器に出力する送受電指令出力部と、
を備える二軸ガスタービン発電設備の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の二軸ガスタービン発電設備の制御装置において、
前記基本送受電量演算部は、前記高圧タービンの実際の回転数である実回転数と成分利用率との予め定められた関係を用いて、前記実回転数に応じた成分利用率を求める利用率演算器と、前記高周波成分に前記成分利用率を掛けた値を利用高周波成分として求める利用高周波成分演算器と、前記利用高周波成分を前記基本送受電量に変換して出力する基本送受電量出力器と、を有する、
二軸ガスタービン発電設備の制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の二軸ガスタービン発電設備の制御装置において、
前記予め定められた関係は、前記高圧タービンの前記実回転数が前記高圧タービンの定格回転数を含む中間回転数域より低いとき及び高いときの成分利用率が、前記実回転数が前記定格回転数のときの成分利用率より小さい、
二軸ガスタービン発電設備の制御装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の二軸ガスタービン発電設備の制御装置において、
前記成分分離部は、前記基本出力指令値中の前記低周波成分のみを出力するローパスフィルタと、前記基本出力指令値から前記低周波成分を減算した値を前記高周波成分として出力する減算器と、有する、
二軸ガスタービン発電設備の制御装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の二軸ガスタービン発電設備の制御装置において、
さらに、前記基本送受電量と前記高圧タービンの実際の回転数である実回転数との比である送受電・回転数比に応じた制限送受電量を求める制限送受電量演算部を備え、
前記制限送受電量演算部は、前記送受電・回転数比の変化に対して前記制限送受電量の変化に相関性を持たせ、前記送受電・回転数比が予め定めた第一送受電・回転数比と前記第一送受電・回転数比よりも小さい第二送受電・回転数比との間の中間比区間では、前記送受電・回転数比に応じた送受電量を前記制限送受電量として求め、前記送受電・回転数比が前記第一送受電・回転数比より大きい大比区間及び前記第二送受電・回転数比より小さい小比区間では、送受電・回転数比に応じた送受電量であって、前記送受電・回転数比の変化量に対する送受電量の変化量が前記中間比区間より小さい送受電量を前記制限送受電量として求め、
前記送受電指令出力部は、前記制限送受電量を示す送受電指令を作成し、前記送受電指令を前記周波数変換器に出力する、
二軸ガスタービン発電設備の制御装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置と、
前記圧縮機と、
前記燃焼器と、
前記燃料調節弁と、
前記高圧タービンと、
前記低圧タービンと、
前記発電機と、
前記誘導モータと、
前記周波数変換器と、
を備える二軸ガスタービン発電設備。
【請求項７】
圧縮機ロータを有し、前記圧縮機ロータの回転で空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器に供給する燃料の流量を調節する燃料調節弁と、
前記圧縮機ロータと機械的に連結されている高圧タービンロータを有し、前記燃焼ガスで前記高圧タービンロータが回転する高圧タービンと、
前記高圧タービンロータに連結されていない低圧タービンロータを有し、前記高圧タービンから排気された前記燃焼ガスで前記低圧タービンロータが回転する低圧タービンと、
前記低圧タービンロータの回転で発電し、交流電力が流れる外部系統と電気的に接続されている発電機と、
前記圧縮ロータと機械的に連結されているモータロータを有し、前記発電機と並列に前記外部系統と電気的に接続され、前記外部系統に対して電力を送受電する誘導モータと、
電気的接続関係で前記誘導モータと前記外部系統との間に設けられて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の送受電を制御すると共に、前記誘導モータからの電力を外部系統側へ送電させる際には、前記誘導モータからの電力の周波数を前記外部系統の周波数に変換し、前記外部系統側からの電力を受電して前記誘導モータに供給させる際には、前記外部系統からの電力の周波数を前記誘導モータの周波数に変換する周波数変換器と、
を備える二軸ガスタービン発電設備の制御方法において、
外部からの要求出力と前記外部系統への実際の出力である実出力との偏差に応じた基本出力指令値を求める基本出力演算工程と、
前記基本出力指令値を高周波成分と低周波成分とに振り分ける成分分配工程と、
前記基本出力指令値の前記低周波成分に基づいて、前記燃料調節弁の開度を求め、前記開度を示す開度指令を前記燃料調節弁に出力する開度指令出力工程と、
前記基本出力指令値の前記高周波成分に基づいて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の基本送受電量を求める基本送受電量演算工程と、
前記基本送受電量に応じて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の送受電量を示す送受電指令を作成し、前記送受電指令を前記周波数変換器に出力する送受電指令出力工程と、
を実行する二軸ガスタービン発電設備の制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の二軸ガスタービン発電設備の制御方法において、
前記基本送受電量演算工程は、前記高圧タービンの回転数と成分利用率との予め定められた関係を用いて、前記高圧タービンの実際の回転数である実回転数に応じた成分利用率を求める利用率演算工程と、前記高周波成分に前記成分利用率を掛けた値を利用高周波成分として求める利用高周波成分演算工程と、前記利用高周波成分を前記基本送受電量に変換して出力する基本送受電量出力工程と、を含む、
二軸ガスタービン発電設備の制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載の二軸ガスタービン発電設備の制御方法において、
前記予め定められた関係は、前記高圧タービンの前記実回転数が前記高圧タービンの定格回転数を含む中間回転数域より低いとき及び高いときの成分利用率が、前記実回転数が前記定格回転数のときの成分利用率より小さい、
二軸ガスタービン発電設備の制御方法。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか一項に記載の二軸ガスタービン発電設備の制御方法において、
前記成分分配工程は、前記基本出力指令値の前記低周波成分のみを出力するローパス工程と、前記基本出力指令値と前記低周波成分との差を前記高周波成分として出力する減算工程と、含む、
二軸ガスタービン発電設備の制御方法。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか一項に記載の二軸ガスタービン発電設備の制御方法において、
さらに、前記基本送受電量と前記高圧タービンの実際の回転数である実回転数との比である送受電・回転数比に応じた制限送受電量を求める制限送受電量演算工程を実行し、
前記制限送受電量演算工程では、前記送受電・回転数比の変化に対して前記制限送受電量の変化に相関性を持たせ、前記送受電・回転数比が予め定めた第一送受電・回転数比と前記第一送受電・回転数比よりも小さい第二送受電・回転数比との間の中間比区間では、前記送受電・回転数比に応じた送受電量を前記制限送受電量として求め、前記送受電・回転数比が前記第一送受電・回転数比より大きい大比区間及び前記第二送受電・回転数比より小さい小比区間では、送受電・回転数比に応じた送受電量であって、前記送受電・回転数比の変化量に対する送受電量の変化量が前記中間比区間より小さい送受電量を前記制限送受電量として求め、
前記送受電指令出力工程では、前記制限送受電量を示す送受電指令を作成し、前記送受電指令を前記周波数変換器に出力する、
二軸ガスタービン発電設備の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二軸ガスタービンと発電機とを備える二軸ガスタービン発電設備、その制御装置、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二軸ガスタービン発電設備としては、例えば、以下の特許文献１に記載されている設備がある。この二軸ガスタービン発電設備は、二軸ガスタービンと、発電機と、モータと、周波数変換器と、を備える。
【０００３】
二軸ガスタービンは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスで駆動する高圧タービンと、高圧タービンから排気された排気ガスで駆動する低圧タービンと、を備える。高圧タービンのロータと圧縮機ロータと互いに機械的に連結されている。また、低圧タービンのロータと発電機のロータとは、互いに機械的に連結されている。但し、高圧タービンのロータと低圧タービンのロータとは、機械的に連結されていない。
【０００４】
二軸ガスタービン発電設備に対する要求出力が急激に増加した場合、燃焼器に供給する燃料の流量を増加させて、発電機の出力を高めても、要求出力の急増に対して発電機出力が追従できない場合がある。そこで、特許文献１に記載の技術では、モータを一時的に発電機として利用し、モータで発電された電力で、要求出力に対する発電機出力の不足分をモータからの出力で補う。また、二軸ガスタービン発電設備に対する要求出力が急激に減少した場合、燃焼器に供給する燃料の流量を減少させて、発電機の出力を低めても、要求出力の急減に対して発電機出力が追従できない場合がある。そこで、特許文献１に記載の技術では、要求出力に対する発電機出力の余剰分を、外部系統を介してモータに与える。
【０００５】
以上のように、特許文献１に記載の二軸ガスタービン設備では、要求出力の急変に対する出力応答性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５９５３４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
二軸ガスタービン発電設備では、以上のように出力応答性を確保しつつも、二軸ガスタービン発電設備を構成する機器の寿命消費を低減することが望まれている。
【０００８】
そこで、本発明は、要求出力が急変した場合の出力応答性を確保しつつも、二軸ガスタービン発電設備を構成する機器の寿命消費を低減することができる技術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】
【０００９】
上記目的を達成するための発明に係る一態様としての二軸ガスタービン発電設備は、
圧縮機ロータを有し、前記圧縮機ロータの回転で空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器に供給する燃料の流量を調節する燃料調節弁と、前記圧縮機ロータと機械的に連結されている高圧タービンロータを有し、前記燃焼ガスで前記高圧タービンロータが回転する高圧タービンと、前記高圧タービンロータに連結されていない低圧タービンロータを有し、前記高圧タービンから排気された前記燃焼ガスで前記低圧タービンロータが回転する低圧タービンと、前記低圧タービンロータの回転で発電し、交流電力が流れる外部系統と電気的に接続されている発電機と、前記圧縮ロータと機械的に連結されているモータロータを有し、前記発電機と並列に前記外部系統と電気的に接続され、前記外部系統に対して電力を送受電する誘導モータと、電気的接続関係で前記誘導モータと前記外部系統との間に設けられて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の送受電を制御すると共に、前記誘導モータからの電力を外部系統側へ送電させる際には、前記誘導モータからの電力の周波数を前記外部系統の周波数に変換し、前記外部系統側からの電力を受電して前記誘導モータに供給させる際には、前記外部系統からの電力の周波数を前記誘導モータの周波数に変換する周波数変換器と、制御装置と、を備える。
前記制御装置は、外部からの要求出力と前記外部系統への実際の出力である実出力との偏差に応じた基本出力指令値を求める基本出力演算部と、前記基本出力指令値を高周波成分と低周波成分とに分ける成分分離部と、前記基本出力指令値の前記低周波成分に基づいて、前記燃料調節弁の開度を求め、前記開度を示す開度指令を前記燃料調節弁に出力する開度指令出力部と、前記基本出力指令値の前記高周波成分に基づいて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の基本送受電量を求める基本送受電量演算部と、前記基本送受電量に応じて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の送受電量を示す送受電指令を作成し、前記送受電指令を前記周波数変換器に出力する送受電指令出力部と、を備える。
【００１０】
本態様では、要求出力中の高周波成分に関して、言い換えると、急激な要求出力の変化に関して、外部系統に対する誘導モータの送受電で対応する。また、本態様では、要求出力中の低周波成分に関して、言い換えると、相対的に緩やかな要求出力の変化に関して、二軸ガスタービンの駆動に伴う発電機からの出力で対応する。
【００１１】
仮に、燃料調節弁の開度を定める出力指令値に低周波成分のみならず高周波成分も含まれているとする。この場合、燃料調節弁は、高周波成分の出力指令値に応じて、急激な開度の変更を繰り返すことになる。これにより、この場合の燃料調節弁の寿命が消費される。
【００１２】
一方、本態様では、燃料調節弁の開度を定める出力指令値に高周波成分が含まれていないため、燃料調節弁は、急激な弁開度の変更を繰り返すことがない。よって、本態様では、燃料調節弁の寿命消費を低減することができる。但し、本態様では、燃料調節弁の開度調節では、急激な要求出力の変化に対応できない。しかしながら、本態様では、前述したように、急激な要求出力の変化を専ら誘導モータによる送受電で対応する。しかも、要求出力が変化してから、誘導モータによる送受電で外部系統に対する送受電量が変化するまでの時間は、要求出力が変化してから、燃料流量が変化することで発電機の発電量が変化するまでの時間よりも極めて短い。このため、本態様では、急激な要求出力の変化に対する出力応答性を確保することができる。本態様の周波数変換器は、出力指令値の高周波成分に応じて、急激な送受電量の変更ための急激な動作を繰り返す。しかしながら、この周波数変換器の動作は電気的動作であるため、この動作が急激であっても緩やかであっても、周波数変換器の寿命はほとんど消費されない。
【００１３】
ここで、前記制御装置において、前記基本送受電量演算部は、前記高圧タービンの実際の回転数である実回転数と成分利用率との予め定められた関係を用いて、前記実回転数に応じた成分利用率を求める利用率演算器と、前記高周波成分に前記成分利用率を掛けた値を利用高周波成分として求める利用高周波成分演算器と、前記利用高周波成分を前記基本送受電量に変換して出力する基本送受電量出力器と、を有してもよい。
【００１４】
周波数変換器に対する送受電指令が示す送受電量が変化すると、誘導モータの回転数が変化する。モータロータは、圧縮機ロータと機械的に連結されているため、誘導モータの回転数が変化すると、これに伴って、圧縮機の回転数も変化する。圧縮機の回転数が変化すると、燃焼器に送られる圧縮空気の流量が変化する。
【００１５】
本態様では、要求出力中の低周波成分に基づいて燃焼器に供給される燃料流量が定まるため、急激に変化する要求出力を制御装置が受けても、燃料流量は緩やかに変化するにとどまる。一方、本態様では、要求出力中の高周波成分に基づいて、誘導モータ及び圧縮機の回転数が必然的に定まることになるため、急激に変化する要求出力を制御装置が受けると、燃焼器に送られる圧縮空気の流量が急激に変化する。このため、本態様では、急激に変化する要求出力を制御装置が受けた場合、燃焼器に供給される燃料流量と圧縮空気流量との比である燃空比が、目標燃空比からズレることがある。
【００１６】
すなわち、先に説明した一態様及び本態様のように、要求出力中の低周波成分に基づいて、燃料調節弁の開度を定め、要求出力中の高周波成分に基づいて、誘導モータの送受電量を定めると、燃空比が目標燃空比からズレて、燃焼器内で燃料が安定燃焼できなくなる場合が生じる。
【００１７】
ところで、安定燃焼可能な燃空比領域の幅は、高圧タービンの回転数が定格回転数のときに最も広くなるように設定されている。安定燃焼可能な燃空比領域の幅は、高圧タービンの回転数が定格回転数より大きくなるに連れて、また、高圧タービンの回転数が定格回転数より小さくなるに連れて、次第に狭くなる。このため、仮に、高圧タービンの回転数が定格回転数近傍の回転数である場合には、燃空比が目標燃空比からズレても安定燃焼できる可能性が高い。しかしながら、高圧タービンの回転数が定格回転数よりも大きくなるに連れて、及び定格回転数より小さくなるに連れて、安定燃焼できる可能性が低くなる。
【００１８】
そこで、本態様では、基本送受電量演算部が、基本出力指令値の高周波成分を用いて基本送受電量を求めるにあたり、高圧タービンの回転数に応じて、高周波成分の利用率を変えている。この結果、本態様では、安定燃焼できる燃空比の幅が狭い領域での、目標燃空比に対する実際の燃空比のズレを抑えることができる。
【００１９】
また、前記利用率演算器を有する前記制御装置において、前記予め定められた関係は、前記高圧タービンの前記実回転数が前記高圧タービンの定格回転数を含む中間回転数域より低いとき及び高いときの成分利用率が、前記実回転数が前記定格回転数のときの成分利用率より小さくてもよい。
【００２０】
また、以上のいずれかの態様の制御装置において、前記成分分離部は、前記基本出力指令値中の前記低周波成分のみを出力するローパスフィルタと、前記基本出力指令値から前記低周波成分を減算した値を前記高周波成分として出力する減算器と、有してもよい。
【００２１】
また、以上のいずれかの態様の前記制御装置において、さらに、前記基本送受電量と前記高圧タービンの実際の回転数である実回転数との比である送受電・回転数比に応じた制限送受電量を求める制限送受電量演算部を備えてもよい。この場合、前記制限送受電量演算部は、前記送受電・回転数比の変化に対して前記制限送受電量の変化に相関性を持たせ、前記送受電・回転数比が予め定めた第一送受電・回転数比と前記第一送受電・回転数比よりも小さい第二送受電・回転数比との間の中間比区間では、前記送受電・回転数比に応じた送受電量を前記制限送受電量として求め、前記送受電・回転数比が前記第一送受電・回転数比より大きい大比区間及び前記第二送受電・回転数比より小さい小比区間では、送受電・回転数比に応じた送受電量であって、前記送受電・回転数比の変化量に対する送受電量の変化量が前記中間比区間より小さい送受電量を前記制限送受電量として求めてもよい。この場合、前記送受電指令出力部は、前記制限送受電量を示す送受電指令を作成し、前記送受電指令を前記周波数変換器に出力する。
【００２２】
本態様では、制限送受電量演算部が制限送受電量を求めるにあたり、送受電・回転数比が大比区間及び小比区間の場合には、中間比区間よりも、送受電・回転数比の変化に対して送受電量の変化の小さい送受電量を、制限送受電量として求める。この結果、本態様では、安定燃焼できる燃空比の幅が狭い領域での、目標燃空比に対する実際の燃空比のズレを抑えることができる。
【００２３】
上記目的を達成するための発明に係る一態様としての二軸ガスタービン発電設備の制御方法は、外部からの要求出力と前記外部系統への実際の出力である実出力との偏差に応じた基本出力指令値を求める基本出力演算工程と、前記基本出力指令値を高周波成分と低周波成分とに振り分ける成分分配工程と、前記基本出力指令値の前記低周波成分に基づいて、前記燃料調節弁の開度を求め、前記開度を示す開度指令を前記燃料調節弁に出力する開度指令出力工程と、前記基本出力指令値の前記高周波成分に基づいて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の基本送受電量を求める基本送受電量演算工程と、前記基本送受電量に応じて、前記誘導モータと前記外部系統との間での電力の送受電量を示す送受電指令を作成し、前記送受電指令を前記周波数変換器に出力する送受電指令出力工程と、を実行する。
【００２４】
ここで、前記制御方法において、前記基本送受電量演算工程は、前記高圧タービンの回転数と成分利用率との予め定められた関係を用いて、前記高圧タービンの実際の回転数である実回転数に応じた成分利用率を求める利用率演算工程と、前記高周波成分に前記成分利用率を掛けた値を利用高周波成分として求める利用高周波成分演算工程と、前記利用高周波成分を前記基本送受電量Ｉｂに変換して出力する基本送受電量出力工程と、を含んでもよい。
【００２５】
また、前記利用率演算工程を含む制御方法において、前記予め定められた関係は、前記高圧タービンの前記実回転数が前記高圧タービンの定格回転数を含む中間回転数域より低いとき及び高いときの成分利用率が、前記実回転数が前記定格回転数のときの成分利用率より小さくてもよい。
【００２６】
また、以上のいずれかの前記制御方法において、前記成分分配工程は、前記基本出力指令値の前記低周波成分のみを出力するローパス工程と、前記基本出力指令値と前記低周波成分との差を前記高周波成分として出力する減算工程と、含んでもよい。
【００２７】
また、以上のいずれかの前記制御方法において、さらに、前記基本送受電量と前記高圧タービンの実際の回転数である実回転数との比である送受電・回転数比に応じた制限送受電量を求める制限送受電量演算工程を実行し、前記制限送受電量演算工程では、前記送受電・回転数比の変化に対して前記制限送受電量の変化に相関性を持たせ、前記送受電・回転数比が予め定めた第一送受電・回転数比と前記第一送受電・回転数比よりも小さい第二送受電・回転数比との間の中間比区間では、前記送受電・回転数比に応じた送受電量を前記制限送受電量として求め、前記送受電・回転数比が前記第一送受電・回転数比より大きい大比区間及び前記第二送受電・回転数比より小さい小比区間では、送受電・回転数比に応じた送受電量であって、前記送受電・回転数比の変化量に対する送受電量の変化量が前記中間比区間より小さい送受電量を前記制限送受電量として求め、前記送受電指令出力工程では、前記制限送受電量を示す送受電指令を作成し、前記送受電指令を前記周波数変換器に出力してもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の一態様によれば、要求出力が急変した場合の出力応答性を確保しつつも、機器の寿命消費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る一実施形態における二軸ガスタービン発電設備の系統図である。
【図２】本発明に係る一実施形態における制御装置の機能ブロック図である。
【図３】本発明に係る一実施形態における関数Ｆ１を説明するための説明図である。
【図４】本発明に係る一実施形態における成分分離部の機能ブロック図である。
【図５】本発明に係る一実施形態における関数Ｆ２を説明するための説明図である。
【図６】本発明に係る一実施形態における関数Ｆ３を説明するための説明図である。
【図７】本発明に係る一実施形態における関数Ｆ４を説明するための説明図である。
【図８】本発明に係る一実施形態における関数Ｆ５を説明するための説明図である。
【図９】本発明に係る一実施形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図１０】安定燃焼可能な燃空比領域Ｒを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明に係る二軸ガスタービン発電設備の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
本実施形態の二軸ガスタービン発電設備は、図１に示すように、二軸ガスタービン１０と、発電機２１と、誘導モータ２２と、誘導モータ２２と外部系統１との間での電力の送受電を制御する周波数変換器２４と、制御装置１００と、を備える。
【００３２】
二軸ガスタービン１０は、空気Ａを圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１１と、圧縮空気中で燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、燃焼器１２に供給する燃料Ｆの流量を調節する燃料調節弁１５と、燃焼器１２からの燃焼ガスで駆動する高圧タービン１３と、高圧タービン１３から排気された燃焼ガスで駆動する低圧タービン１４と、を備える。
【００３３】
圧縮機１１は、第一軸線Ａ１を中心として回転する圧縮機ロータ１１ｒと、この圧縮機ロータ１１ｒを覆う圧縮機ケーシング１１ｃと、を有する。圧縮機ケーシングには、空気を吸い込む吸気口と、圧縮空気を吐出する吐出口とが形成されている。圧縮機は、さらに、圧縮機ケーシングに吸い込まれる空気の流量を調節するインレットガイドベーン装置（ＩＧＶ装置）１１ｉを有する。このＩＧＶ装置１１ｉは、圧縮機ケーシング１１ｃ内の吸気口側に配置されているベーン１１ｉｖと、このベーン１１ｉｖを駆動させる駆動機１１ｉｄと、を有する。
【００３４】
高圧タービン１３は、第一軸線Ａ１を中心として回転する高圧タービンロータ１３ｒと、この高圧タービンロータ１３ｒを覆う高圧タービンケーシング１３ｃと、を有する。圧縮機ロータ１１ｒ及び高圧タービンロータ１３ｒは、いずれも、第一軸線Ａ１上に位置し、互いに連結されて第一ロータ１７を構成する。低圧タービン１４は、第二軸線Ａ２を中心として回転する低圧タービンロータ１４ｒと、低圧タービンロータ１４ｒを覆う低圧タービンケーシング１４ｃと、を有する。燃焼器１２は、燃料供給源と燃料ライン１６で接続されている。この燃料ライン１６には、燃料調節弁１５が設けられている。
【００３５】
誘導モータ２２は、圧縮機ロータ１１ｒと機械的に連結されているモータロータ２２ｒと、モータロータ２２ｒを覆うモータケーシング２２ｃと、を有する。モータロータ２２ｒは、圧縮機ロータ１１ｒの回転に伴って回転する。前述の高圧タービン１３の定格回転数は、例えば、６５００ｒｐｍである。よって、圧縮機１１及び誘導モータ２２の定格回転数も、例えば、６５００ｒｐｍである。なお、圧縮機ロータ１１ｒとモータロータ２２ｒとは、減速機を介して、連結されていてもよい。この場合、減速機の減速比が例えば２であるとすると、高圧タービン１３及び圧縮機１１の定格回転数が、例えば、６５００ｒｐｍで、誘導モータ２２の定格回転数が３２５０ｒｐｍ（＝６５００ｒｐｍ÷２）である。
【００３６】
発電機２１は、第二軸線Ａ２を中心として回転する発電機ロータ２１ｒと、発電機ロータ２１ｒを覆う発電機ケーシング２１ｃと、を有する。この発電機２１は、同期発電機である。発電機ロータ２１ｒ及び低圧タービンロータ１４ｒは、いずれも、第二軸線Ａ２上に位置し、互いに機械的に連結されて、第二ロータ１８を構成する。発電機２１の定格回転速度は、例えば、３０００ｒｐｍ又は３６００ｒｐｍである。よって、低圧タービン１４の定格回転数も、例えば、３０００ｒｐｍ又は３６００ｒｐｍである。第二ロータ１８は、第一ロータ１７に連結されていない。このため、第二ロータ１８は、第一ロータ１７の回転とは独立して回転することが可能である。
【００３７】
発電機２１は、主電力経路３１により外部系統１と電気的に接続されている。この主電力経路３１には、変圧器３２及び遮断器３３が設けられている。誘導モータ２２は、発電機２１と並列に、副電力経路３４により外部系統１と電気的に接続されている。この副電力経路３４には、周波数変換器２４、変圧器３５及び遮断器３６が設けられている。変圧器３５及び遮断器３６は、周波数変換器２４よりも外部系統１側に設けられている。
【００３８】
周波数変換器２４は、誘導モータ２２からの電力を外部系統１側へ送電させる際、誘導モータ２２からの電力の周波数を外部系統１の周波数に変換する。また、この周波数変換器２４は、外部系統１側からの電力を受電して誘導モータ２２に供給させる際、外部系統１の電力の周波数を誘導モータ２２の周波数に変換する。よって、誘導モータ２２は、第一ロータ１７を回転させるモータとしての機能と、発電機としての機能とを担っている。
【００３９】
誘導モータ２２には、この誘導モータ２２の回転数を検知する第一回転数計４１が設けられている。この第一回転数計４１は、誘導モータ２２の回転数を検知することで、圧縮機１１の回転数及び高圧タービン１３の回転数も検知することになる。発電機２１には、この発電機２１の回転数を検知する第二回転数計４２が設けられている。この第二回転数計４２は、発電機２１の回転数を検知することで、低圧タービン１４の回転数も検知することになる。主電力経路３１には、ここを通る電力、言い換えると、二軸ガスタービン発電設備から外部系統１への出力を検知する出力計４３が設けられている。
【００４０】
制御装置１００は、図２に示すように、基本出力演算部１１０と、成分分離部１２０と、基本送受電量演算部１３０と、制限送受電量演算部１４０と、開度指令出力部１５１と、送受電指令出力部１５２と、ＩＧＶ指令出力部１５３と、を有する。
【００４１】
基本出力演算部１１０は、外部からの要求出力Ｐｄと外部系統１への実際の出力である実出力Ｐｒとの出力偏差ΔＰに応じた基本出力指令値Ｐｂを求める。この基本出力演算部１１０は、出力偏差演算器１１１と、目標回転数発生器１１２と、回転数偏差演算器１１３と、変換器１１４と、加算器１１５と、を有する。出力偏差演算器１１１は、外部からの要求出力Ｐｄと外部系統１への実際の出力である実出力Ｐｒとの出力偏差ΔＰ（＝Ｐｄ−Ｐｒ）を求める。実出力Ｐｒは、出力計４３で検知された出力である。目標回転数発生器１１２は、後述の通常運転モード時における低圧タービン１４の目標回転数ＮＬｔを発生する。回転数偏差演算器１１３は、目標回転数ＮＬｔと第二回転数計４２で検知された低圧タービン１４の回転数ＮＬｒとの回転数偏差ΔＮ（＝ＮＬｔ−ＮＬｒ）を求める。変換器１１４は、関数Ｆ１を用いて、この回転数偏差ΔＮを出力補正値Ｐｃに変換する。加算器１１５は、出力偏差ΔＰと出力補正値Ｐｃとを加算し、この値を基本出力指令値Ｐｂとして出力する。
【００４２】
関数Ｆ１は、図３に示すように、回転数偏差ΔＮを出力補正値Ｐｃに変換する関数である。この関数Ｆ１は、基本的に、回転数偏差ΔＮの変化に対して出力補正値Ｐｃの変化に正の相関性を持たせた関数である。この関数Ｆ１を用いた場合、回転数偏差ΔＮが０のとき、出力補正値Ｐｃは０になる。回転数偏差ΔＮが負の値のとき、出力補正値Ｐｃも負の値になる。また、回転数偏差ΔＮが正の値のとき、出力補正値Ｐｃも正の値になる。ここで、回転数偏差ΔＮが、０より大きな第一回転数偏差ΔＮ１と０より小さな第二回転数偏差ΔＮ２との中間偏差区間では、回転数偏差ΔＮの変化に対して出力補正値Ｐｃがリニアに変化する。一方、回転数偏差ΔＮが第一回転数偏差ΔＮ１より大きい大偏差区間では、回転数偏差ΔＮの変化に関わらず、出力補正値Ｐｃは回転数偏差ΔＮが第一回転数偏差ΔＮ１のときの出力補正値Ｐｃを維持する。また、回転数偏差ΔＮが第二回転数偏差ΔＮ２より小さい小偏差区間では、回転数偏差ΔＮの変化に関わらず、出力補正値Ｐｃは回転数偏差ΔＮが第二回転数偏差ΔＮ２のときの出力補正値Ｐｃを維持する。
【００４３】
成分分離部１２０は、基本出力指令値Ｐｂを高周波成分Ｐｈと低周波成分Ｐｌとに分ける。この成分分離部１２０は、ローパスフィルタ１２１と、減算器１２２と、を有する。ローパスフィルタ１２１は、図４に示すように、基本出力指令値Ｐｂ中の低周波成分Ｐｌのみを出力する。減算器１２２は、基本出力指令値Ｐｂから低周波成分Ｐｌを減算した値を高周波成分Ｐｈとして出力する。
【００４４】
基本送受電量演算部１３０は、基本出力指令値Ｐｂの高周波成分Ｐｈに基づいて、誘導モータ２２と外部系統１との間での電力の基本送受電量Ｉｂを求める。この基本送受電量演算部１３０は、図２に示すように、利用率演算器１３１と、利用高周波成分演算器１３２と、基本送受電量出力器１３３と、を有する。利用率演算器１３１は、関数Ｆ２を用いて、高圧タービン１３の実際の回転数である実回転数ＮＨｒに応じた成分利用率ｕｒを求める。なお、高圧タービン１３の実際の回転数は、第一回転数計４１で検知された誘導モータ２２の回転数と等しい。また、この利用率演算器１３１はなくてもよい。利用高周波成分演算器１３２は、乗算器であり、高周波成分Ｐｈに成分利用率ｕｒを掛け、この値を利用高周波成分Ｐｈｕとして出力する。基本送受電量出力器１３３は、関数Ｆ３を用いて、利用高周波成分Ｐｈｕを基本送受電量Ｉｂに変換して、この基本送受電量Ｉｂを出力する。
【００４５】
関数Ｆ２は、図５に示すように、高圧タービン１３の実際の回転数である実回転数ＮＨｒと成分利用率ｕｒとの関係を示す関数である。この関数Ｆ２を用いた場合、実回転数ＮＨｒが高圧タービン１３の定格回転数ＮＨｎ（例えば、６５００ｒｐｍ）が最大の成分利用率ｕｒ「１」になる。この関数Ｆ２を用いた場合、実回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎより大きくなるに連れて成分利用率ｕｒが小さくなる。また、この関数Ｆ２を用いた場合、実回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎより小さくなるに連れて成分利用率ｕｒが小さくなる。この関数Ｆ２を用いた場合、実回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎより大きい値でも小さい値でも、定格回転数ＮＨｎに近い値では、成分利用率ｕｒが極めて「１」に近い値になる。
【００４６】
関数Ｆ３は、図６に示すように、利用高周波成分Ｐｈｕを基本送受電量Ｉｂに変換する関数である。この関数Ｆ３は、基本的に、利用高周波成分Ｐｈｕの変化に対して基本送受電量Ｉｂの変化に負の相関性を持たせた関数である。この関数Ｆ３を用いた場合、利用高周波成分Ｐｈｕが０のとき、基本送受電量Ｉｂは０になる。利用高周波成分Ｐｈｕが負の値のとき、基本送受電量Ｉｂが正の値になる。また、利用高周波成分Ｐｈｕが正の値のとき、基本送受電量Ｉｂが負の値になる。送受電量が正の値の場合は、誘導モータ２２が発電機２１として機能し、誘導モータ２２からの電力が外部系統１に供給される場合である。一方、送受電量が負の値の場合は、誘導モータ２２がモータとして機能し、外部系統１から電力が誘導モータ２２に供給される場合である。ここで、利用高周波成分Ｐｈｕの値が、０より大きな第一利用高周波成分値Ｐｈｕ１と０より小さな第二利用高周波成分値Ｐｈｕ２との中間区間では、利用高周波成分Ｐｈｕの変化に対して基本送受電量Ｉｂがリニアに変化する。一方、利用高周波成分Ｐｈｕが第一利用高周波成分値Ｐｈｕ１より大きい大区間では、利用高周波成分Ｐｈｕの変化に関わらず、基本送受電量Ｉｂは利用高周波成分Ｐｈｕが第一利用高周波成分値Ｐｈｕ１のときの基本送受電量Ｉｂを維持する。また、利用高周波成分Ｐｈｕが第二利用高周波成分値Ｐｈｕ２より小さい小区間では、利用高周波成分Ｐｈｕの変化に関わらず、基本送受電量Ｉｂは利用高周波成分Ｐｈｕが第二回利用高周波成分Ｐｈｕ値のときの基本送受電量Ｉｂを維持する。このように、大区間及び小区間で、基本送受電量Ｉｂを変化させないのは、誘導モータ２２の容量から逸脱しないようにして、誘導モータ２２を保護するためである。
【００４７】
制限送受電量演算部１４０は、基本送受電量Ｉｂと高圧タービン１３の実際の回転数である実回転数ＮＨｒとの比である送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒに応じた制限送受電量Ｉｒを求める。この制限送受電量演算部１４０は、送受電・回転数比演算器１４１と、制限送受電量出力器１４２と、を有する。送受電・回転数比演算器１４１は、除算器であり、基本送受電量Ｉｂを実回転数ＮＨｒで割って、この値を送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒとして出力する。すなわち、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒは、基本送受電量Ｉｂを実回転数ＮＨｒで割った値である。制限送受電量出力器１４２は、関数Ｆ４を用いて、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒに応じた制限送受電量Ｉｒを求め、この制限送受電量Ｉｒを出力する。
【００４８】
関数Ｆ４は、図７に示すように、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒを制限送受電量Ｉｒに変換する関数である。この関数Ｆ４は、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒの変化に対して制限送受電量Ｉｒの変化に正の相関性を持たせた関数である。この関数Ｆ４を用いた場合、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒが０のとき、制限送受電量Ｉｒは０になる。送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒが負の値のとき、制限送受電量Ｉｒも負の値になる。また、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒが正の値のとき、制限送受電量Ｉｒも正の値になる。ここで、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒが、０より大きな第一送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒ１と０より小さな第二送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒ２との間の中間比区間では、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒの変化に対して制限送受電量Ｉｒがリニアに変化する。また、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒが第一送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒ１より大きい大比区間、及び送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒが第二送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒ２より小さい小比区間では、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒの変化に対して制限送受電量Ｉｒがリニアに変化するものの、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒの変化量に対して制限送受電量Ｉｒの変化量は小さい。すなわち、関数Ｆ４は、大比区間及び小比区間では、中間比区間よりも、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒの変化に対して制限送受電量Ｉｒの変化を鈍している。
【００４９】
開度指令出力部１５１は、燃料調節弁１５の開度を求め、この開度を示す開度指令ＦＶｄを燃料調節弁１５に出力する。開度指令出力部１５１は、基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌに基づいて、燃料調節弁１５の開度を求める。開度指令出力部１５１は、基本出力指令値Ｐｂと、この基本出力指令値Ｐｂに対応する燃料流量が得られる燃料調節弁１５の開度との関係を示す関数を持っている。開度指令出力部１５１は、この関数を用いて、成分分離部１２０から出力された基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌの値に対応する開度を求める。
【００５０】
送受電指令出力部１５２は、誘導モータ２２と外部系統１との間での電力の送受電量を示す送受電指令ＩＮＶｄを作成し、この送受電指令ＩＮＶｄを周波数変換器２４に出力する。送受電指令出力部１５２は、制限送受電量演算部１４０から出力された制限送受電量Ｉｒを示す送受電指令ＩＮＶｄを作成する。
【００５１】
ＩＧＶ指令出力部１５３は、ＩＧＶ装置１１ｉにおけるベーン１１ｉｖの開度を示すＩＧＶ指令ＩＧＶｄを作成し、このＩＧＶ指令ＩＧＶｄをＩＧＶ装置１１ｉの駆動機１１ｉｄに出力する。ＩＧＶ指令出力部１５３は、基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌと、この低周波成分Ｐｌに対応する吸気量が得られるベーン１１ｉｖの開度との関係を示す関数Ｆ５を持っている。この関数Ｆ５は、図８に示すように、低周波成分Ｐｌの変化に対して開度Ｖｐの変化に正の相関性を持たせた関数である。ＩＧＶ指令出力部１５３は、この関数Ｆ５を用いて、成分分離部１２０から出力された基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌの値に対応するベーン１１ｉｖの開度Ｖｐを求める。
【００５２】
以上で説明した制御装置１００は、コンピュータで構成される。従って、以上で説明した制御装置１００の各機能構成は、いずれも、コンピュータの入出力インタフェースと、各種演算を行うＣＰＵと、ＣＰＵが実行するプログラムが格納されているメモリ等で構成される。
【００５３】
なお、以上で説明した制御装置１００の各機能構成は、二軸ガスタービン１０を通常運転するときの通常運転モードでの機能構成である。このため、この制御装置１００は、二軸ガスタービン１０を起動させるときの起動モードでの機能構成を別途備えている。本実施形態は、通常運転モードにおける二軸ガスタービン１０の制御及び動作に特徴があるため、この起動モードでの機能構成の説明に関しては、省略する。
【００５４】
次に、以上で説明した二軸ガスタービン発電設備の動作について説明する。
【００５５】
図１に示すように、二軸ガスタービン１０の圧縮機１１は、空気Ａを圧縮し、圧縮した空気Ａを燃焼器１２に供給する。燃焼器１２には、圧縮された空気Ａの他、燃料Ｆも供給される。燃焼器１２内では、圧縮された空気Ａ中で燃料Ｆが燃焼して、高温高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、燃焼器１２から高圧タービンケーシング１３ｃ内に送られ、高圧タービンロータ１３ｒを回転させる。この高圧タービン１３で発生した回転駆動力は、圧縮機ロータ１１ｒの回転に利用される。高圧タービンロータ１３ｒを回転させた燃焼ガスは、高圧タービンケーシング１３ｃから排気され、低圧タービンケーシング１４ｃ内に流入する。この燃焼ガスは、低圧タービンロータ１４ｒを回転させる。この低圧タービンロータ１４ｒの回転で、この低圧タービンロータ１４ｒと連結されている発電機ロータ２１ｒも回転する。この結果、発電機２１は発電する。発電機２１からの電力は、主電力経路３１を経て、外部系統１に送られる。
【００５６】
制御装置１００に起動指令が入力されると、二軸ガスタービン１０が通常運転モードに移行するまで、例えば、予め定められた起動パターンで、周波数変換器２４を制御する。また、制御装置１００は、二軸ガスタービン１０が通常運転モードに移行するまで、例えば、予め定められた起動パターンで、燃料調節弁１５の開度を制御する。
【００５７】
具体的に、制御装置１００は、周波数変換器２４に、外部系統１から電力を受電させ、この電力を誘導モータ２２に送らせる。この際、周波数変換器２４は、制御装置１００からの指示に従い、誘導モータ２２に送る電力の周波数を徐々に上げる。この結果、二軸ガスタービン１０の第一ロータ１７が回転し始め、この第一ロータ１７の回転速度が徐々に高まる。第一ロータ１７の回転速度が所定の回転速度以上になると、制御装置１００は、燃料調節弁１５を開け、この燃料調節弁１５の開度を徐々に大きくする。この結果、燃焼器１２への燃料供給が開始され、燃焼器１２への燃料供給量が次第に増加する。この際、圧縮機ロータ１１ｒも所定の回転速度以上で回転しているため、圧縮機１１は、空気Ａを圧縮し、圧縮空気を燃焼器１２に供給する。圧縮機ロータ１１ｒの回転速度の高まりに伴って、この圧縮空気に圧力が高まると共に、燃焼器１２に供給される圧縮空気の流量も増加する。燃焼器１２内では、圧縮空気中で燃料Ｆが燃焼して、高温高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、燃焼器１２から高圧タービンケーシング１３ｃ内に送られ、高圧タービンロータ１３ｒを回転させる。この高圧タービン１３で発生した回転駆動力は、圧縮機ロータ１１ｒの回転に利用される。高圧タービンロータ１３ｒを回転させた燃焼ガスは、高圧タービンケーシング１３ｃから排気され、低圧タービンケーシング１４ｃ内に流入する。この燃焼ガスは、低圧タービンロータ１４ｒを回転させる。
【００５８】
燃料供給量の増加に伴って、燃焼器１２での燃焼ガスの発生量が増加し、高圧タービンロータ１３ｒの回転速度が高まると、高圧タービンロータ１３ｒ及び圧縮機ロータ１１ｒを含む第一ロータ１７が自立回転できるようになる。この状態になると、外部系統１から誘導モータ２２への電力供給が終了する。その後も、燃料供給量が増加し、第一ロータ１７及び第二ロータ１８の回転速度がさらに高まる。第二ロータ１８の回転速度、すなわち、低圧タービンロータ１４ｒの回転速度及び発電機ロータ２１ｒの回転速度が、例えば、３０００ｒｐｍに達すると、遮断器３３が閉じ、発電機２１が外部系統１に併入される。この結果、発電機ロータ２１ｒの回転で発生した電力は、外部系統１へ送られる。
【００５９】
発電機２１が外部系統１に併入されると、二軸ガスタービン１０の起動モードが終了し、通常運転モードに移行する。誘導モータ２２は、以上で説明したように、起動モード時、専らモータとして機能する。
【００６０】
通常運転モードでは、制御装置１００は、基本的に、外部からの要求出力Ｐｄ等に応じて、周波数変換器２４、燃料調節弁１５、ＩＧＶ装置１１ｉを制御する。
【００６１】
以下、通常運転モードにおける制御装置１００の動作について、図９に示すフローチャートに従って説明する。
【００６２】
基本出力演算部１１０は、外部からの要求出力Ｐｄ等に応じた基本出力指令値Ｐｂを求める（Ｓ１：基本出力演算工程）。基本出力演算工程（Ｓ１）では、出力偏差演算器１１１が、外部からの要求出力Ｐｄと出力計４３で検知された外部系統１への実出力Ｐｒとの出力偏差ΔＰ（＝Ｐｄ−Ｐｒ）を求める。基本出力演算工程（Ｓ１）では、回転数偏差演算器１１３が、目標回転数発生器１１２が発生した目標回転数ＮＬｔと第二回転数計４２で検知された低圧タービン１４の回転数ＮＬｒとの回転数偏差ΔＮ（＝ＮＬｔ−ＮＬｒ）を求める。変換器１１４は、図３を用いて前述した関数Ｆ１を用いて、この回転数偏差ΔＮを出力補正値Ｐｃに変換する。加算器１１５は、出力偏差ΔＰと出力補正値Ｐｃとを加算し、この値を基本出力指令値Ｐｂとして出力する。
【００６３】
成分分離部１２０は、基本出力指令値Ｐｂを高周波成分Ｐｈと低周波成分Ｐｌとに分ける（Ｓ２：成分分離工程）。この成分分離工程（Ｓ２）では、図４を用いて前述したように、ローパスフィルタ１２１が基本出力指令値Ｐｂ中の低周波成分Ｐｌのみを出力する（Ｓ２ａ：ローパス工程）。さらに、この成分分離工程（Ｓ２）では、減算器１２２が、基本出力指令値Ｐｂから低周波成分Ｐｌを減算し、この値を高周波成分Ｐｈとして出力する（Ｓ２ｂ：減算工程）。
【００６４】
基本送受電量演算部１３０は、基本出力指令値Ｐｂの高周波成分Ｐｈに基づいて、誘導モータ２２と外部系統１との間での電力の基本送受電量Ｉｂを求める（Ｓ３：基本送受電量演算工程）。この基本送受電量演算工程（Ｓ３）では、利用率演算器１３１が、図５を用いて前述した関数Ｆ２を用いて、第一回転数計４１で検知された高圧タービン１３の実回転数ＮＨｒに応じた成分利用率ｕｒを求める（Ｓ３ａ：利用率演算工程）。基本送受電量演算工程（Ｓ３）では、利用高周波成分演算器１３２が、基本出力指令値Ｐｂの高周波成分Ｐｈに成分利用率ｕｒを掛け、この値を利用高周波成分Ｐｈｕとして出力する（Ｓ３ｂ：利用高周波成分演算工程）。基本送受電量演算工程（Ｓ３）では、基本送受電量出力器１３３が、図６を用いて前述した関数Ｆ３を用いて、利用高周波成分Ｐｈｕを基本送受電量Ｉｂに変換し、この基本送受電量Ｉｂを出力する（Ｓ３ｃ：基本送受電量出力工程）。
【００６５】
制限送受電量演算部１４０は、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒに応じた制限送受電量Ｉｒを求める（Ｓ４：制限送受電量演算工程）。この制限送受電量演算工程（Ｓ４）では、
送受電・回転数比演算器１４１が基本送受電量Ｉｂを第一回転数計４１で検知された高圧タービン１３の実回転数ＮＨｒで割って、この値を送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒとして出力する。制限送受電量出力器１４２は、図７を用いて前述した関数Ｆ４を用いて、基送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒに応じた制限送受電量Ｉｒを求め、この制限送受電量Ｉｒを出力する。
【００６６】
送受電指令出力部１５２は、制限送受電量演算部１４０から出力された制限送受電量Ｉｒを示す送受電指令ＩＮＶｄを作成し、この送受電指令ＩＮＶｄを周波数変換器２４に出力する（Ｓ５：送受電指令出力工程）。
【００６７】
周波数変換器２４は、送受電指令ＩＮＶｄを受けると、周波数変換器２４を通る送受電量を送受電指令ＩＮＶｄが示す送受電量にする。仮に、送受電指令ＩＮＶｄが示す送受電量が正の値の場合、周波数変換器２４は、誘導モータ２２からの電力を外部系統１に送る。つまり、この場合、誘導モータ２２が外部系統１へ電力を送電する。また、仮に、送受電指令ＩＮＶｄが示す送受電量が負の値の場合、周波数変換器２４は、外部系統１からの電力を誘導モータ２２に供給する。つまり、この場合、外部系統１からの電力を誘導モータ２２が受電する。
【００６８】
開度指令出力部１５１は、図８を用いて説明した関数Ｆ５を用いて、基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌに基づき、燃料調節弁１５の開度Ｖｐを求め、この開度Ｖｐを示す開度指令ＦＶｄを燃料調節弁１５に出力する（Ｓ６：開度指令出力工程）。
【００６９】
燃料調節弁１５は、開度指令ＦＶｄを受けると、燃料調節弁１５の開度を開度指令ＦＶｄが示す開度にする。この結果、燃焼器１２に供給される燃料Ｆの流量は、基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌに対応する燃料流量になる。この結果、二軸ガスタービン１０からの出力、つまり発電機２１からの出力は、基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌに対応した出力になる。
【００７０】
ＩＧＶ指令出力部１５３は、ＩＧＶ装置１１ｉにおけるベーン１１ｉｖの開度を示すＩＧＶ指令ＩＧＶｄを作成し、このＩＧＶ指令ＩＧＶｄをＩＧＶ装置１１ｉの駆動機１１ｉｄに出力する。駆動機１１ｉｄは、このＩＧＶ指令ＩＧＶｄを受けると、ＩＧＶ装置１１ｉのベーン１１ｉｖの開度をＩＧＶ指令ＩＧＶｄが示す開度にする。この結果、圧縮機１１が吸い込む空気Ａの流量は、基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌに対応する空気流量になる。
【００７１】
本実施形態では、要求出力Ｐｄに基づいて算出された基本出力指令値Ｐｂの高周波成分Ｐｈに関して、言い換えると、急激な要求出力Ｐｄの変化に関して、外部系統１に対する誘導モータ２２の送受電で対応する。また、本実施形態では、要求出力Ｐｄに基づいて算出された基本出力指令値Ｐｂの低周波成分Ｐｌに関して、言い換えると、相対的に緩やかな要求出力Ｐｄの変化に関して、二軸ガスタービン１０の駆動に伴う発電機２１からの出力で対応する。
【００７２】
仮に、成分分離部１２０がない、すなわち燃料調節弁１５の開度を定める出力指令値に低周波成分Ｐｌのみならず高周波成分Ｐｈも含まれているとする。この場合、燃料調節弁１５は、出力指令値の高周波成分Ｐｈに応じて、急激な開度の変更を繰り返すことになる。よって、この場合の燃料調節弁１５の寿命消費が低減する。
【００７３】
しかし、本実施形態では、燃料調節弁１５の開度を定める出力指令値に高周波成分Ｐｈが含まれていないため、燃料調節弁１５は、急激な開度の変更を繰り返すことがない。よって、本実施形態では、燃料調節弁１５の寿命消費を低減させることができる。但し、本実施形態では、燃料調節弁１５の開度調節で、急激な要求出力Ｐｄの変化に対応できない。しかしながら、本実施形態では、前述したように、急激な要求出力Ｐｄの変化を専ら誘導モータ２２による送受電で対応する。しかも、要求出力Ｐｄが変化してから、誘導モータ２２による送受電で外部系統１に対する送受電量が変化するまでの時間は、要求出力Ｐｄが変化してから、燃料流量が変化することで発電機２１の発電量が変化するまでの時間よりも極めて短い。つまり、要求出力Ｐｄの変化に対する誘導モータ２２による送受電量の変化応答性は、要求出力Ｐｄの変化に対する発電機２１の発電量の変化応答性より極めて高い。このため、本実施形態では、急激な要求出力Ｐｄの変化に対する出力応答性を確保することができる。本実施形態の周波数変換器２４は、出力指令値の高周波成分Ｐｈに応じて、急激な送受電量の変更のために急激な動作を繰り返す。しかしながら、この周波数変換器２４の動作は電気的動作であるため、この動作が急激であっても緩やかであっても、周波数変換器２４の寿命は、ほとんど消費されない。
【００７４】
以上のように、本実施形態では、急激な要求出力Ｐｄの変化に対する出力応答性を確保しつつも、燃料調節弁１５の寿命消費を低減することができる。
【００７５】
ところで、周波数変換器２４に対する送受電指令ＩＮＶｄが示す送受電量によって、誘導モータ２２の回転数は変化する。モータロータ２２ｒは、圧縮機ロータ１１ｒと機械的に連結されているため、誘導モータ２２の回転数が変化すると、これに伴って、圧縮機１１の回転数も変化し、燃焼器１２に送られる圧縮空気の流量が変化する。
【００７６】
本実施形態では、要求出力Ｐｄ中の低周波成分Ｐｌに基づいて燃焼器１２に供給される燃料流量が定まるため、急激に変化する要求出力Ｐｄを制御装置１００が受けても、燃料流量は緩やかに変化するにとどまる。一方、本実施形態では、要求出力Ｐｄ中の高周波成分Ｐｈに基づいて、誘導モータ２２及び圧縮機１１の回転数が必然的に定まることになるため、急激に変化する要求出力Ｐｄを制御装置１００が受けると、燃焼器１２に送られる圧縮空気の流量が急激に変化する。このため、本実施形態では、急激に変化する要求出力Ｐｄを制御装置１００が受けた場合、燃焼器１２に供給される燃料流量と圧縮空気流量との比である燃空比Ｆ／Ａが、目標燃空比からズレることがある。
【００７７】
すなわち、本実施形態のように、要求出力Ｐｄ中の低周波成分Ｐｌに基づいて、燃料調節弁１５の開度を定め、要求出力Ｐｄ中の高周波成分Ｐｈに基づいて、誘導モータ２２の送受電量を定めると、燃空比Ｆ／Ａが目標燃空比からズレて、燃焼器１２内で燃料が安定燃焼できなくなる場合が生じる。
【００７８】
図１０に示すように、安定燃焼可能な燃空比領域Ｒの幅は、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎのときに最も広くなる。安定燃焼可能な燃空比領域Ｒの幅は、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎより大きくなるに連れて、さらに、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎより小さくに連れて、次第に狭くなる。これは、高圧タービン１３が定格回転数ＮＨｎで回転することを基準にして、高圧タービン１３や燃焼器１２が設計されていることに一因する。
【００７９】
以上のように、安定燃焼可能な燃空比領域Ｒの幅は、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒの変化に伴って変化する。このため、仮に、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎ近傍の回転数である場合には、燃空比Ｆ／Ａが目標燃空比からズレても安定燃焼できる可能性が高い。しかしながら、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎよりも大きくなるに連れて、及び定格回転数ＮＨｎより小さくなるに連れて、安定燃焼できる可能性が低くなる。
【００８０】
そこで、本実施形態では、基本送受電量演算部１３０が、基本出力指令値Ｐｂの高周波成分Ｐｈを用いて基本送受電量Ｉｂを求めるにあたり、関数Ｆ２を用いて、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎのときに高周波成分Ｐｈの利用率ｕｒを最大の１にし、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎより大きくなるに連れて、及び定格回転数ＮＨｎより小さくなるに連れて、高周波成分Ｐｈの利用率ｕｒを小さくしている。この結果、本実施形態では、安定燃焼できる燃空比領域Ｒの幅が狭い、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが定格回転数ＮＨｎより高い領域や定格回転数ＮＨｎより低い領域での、目標燃空比に対する実際の燃空比Ｆ／Ａのズレを抑えることができる。
【００８１】
前述したように、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒは、基本送受電量Ｉｂを高圧タービン１３の回転数ＮＨｒで割った値である。このため、基本送受電量Ｉｂが一定の場合、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが高くなると、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒは小さくなり、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが低くなると、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒは大きくなる。
【００８２】
本実施形態では、制限送受電量演算部１４０が制限送受電量Ｉｒを求めるにあたり、関数Ｆ４を用いて、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒが大比区間及び小比区間の場合には、中間比区間よりも、送受電・回転数比Ｉｂ／ＮＨｒの変化に対して送受電量の変化の小さい送受電量を、制限送受電量Ｉｒとして求めている。よって、本実施形態では、中間比区間よりも、高圧タービン１３の回転数ＮＨｒが低い大比区間又はこの回転数ＮＨｒが高い小比区間では、回転数ＮＨｒの変化に対して送受電量の変化の小さい送受電量が制限送受電量Ｉｒになる。この結果、本実施形態では、この観点からも、安定燃焼できる燃空比領域Ｒの幅が狭い領域での、目標燃空比に対する実際の燃空比Ｆ／Ａのズレを抑えることができる。
【００８３】
従って、本実施形態では、要求出力Ｐｄ中の低周波成分Ｐｌに基づいて、燃料調節弁１５の開度を定め、要求出力Ｐｄ中の高周波成分Ｐｈに基づいて、誘導モータ２２の送受電量を定めているので、燃空比Ｆ／Ａが目標燃空比からズレたとしても、燃焼器１２内で燃料を安定燃焼させることができる。
【００８４】
以上のように、本実施形態では、急激な要求出力Ｐｄの変化に対する出力応答性を確保しつつも、燃料調節弁１５の寿命消費を低減することができると共に、燃料の安定燃焼を図ることができる。
【符号の説明】
【００８５】
１：外部系統
１０：二軸ガスタービン
１１：圧縮機
１１ｃ：圧縮機ケーシング
１１ｒ：圧縮機ロータ
１１ｉ：ＩＧＶ装置
１１ｉｖ：ベーン
１１ｉｄ：駆動機
１２：燃焼器
１３：高圧タービン
１３ｃ：高圧タービンケーシング
１３ｒ：高圧タービンロータ
１４：低圧タービン
１４ｃ：低圧タービンケーシング
１４ｒ：低圧タービンロータ
１５：燃料調節弁
１６：燃料ライン
１７：第一ロータ
１８：第二ロータ
２１：発電機
２１ｃ：発電機ケーシング
２１ｒ：発電機ロータ
２２：誘導モータ
２２ｃ：モータケーシング
２２ｒ：モータロータ
２４：周波数変換器
３１：主電力経路
３２,３５：変圧器
３３,３６：遮断器
３４：副電力経路
４１：第一回転数計
４２：第二回転数計
４３：出力計
１００：制御装置
１１０：基本出力演算部
１１１：出力偏差演算器
１１２：目標回転数発生器
１１３：回転数偏差演算器
１１４：変換器
１１５：加算器
１２０：成分分離部
１２１：ローパスフィルタ
１２２：減算器
１３０：基本送受電量演算部
１３１：利用率演算器
１３２：利用高周波成分演算器
１３３：基本送受電量出力器
１４０：制限送受電量演算部
１４１：送受電・回転数比演算器
１４２：制限送受電量出力器
１５１：開度指令出力部
１５２：送受電指令出力部
１５３：ＩＧＶ指令出力部
Ａ：空気
Ｆ：燃料
Ｆ／Ａ：燃空比
Ａ１：第一軸線
Ａ２：第二軸線
ＮＨｒ：高圧タービンの回転数（実回転数）
ＮＬｒ：低圧タービンの回転数（実回転数）
ＮＬｔ：低圧タービンの目標回転数
ΔＮ：回転数偏差
Ｐｄ：要求出力
Ｐｒ：実出力
Ｐｃ：出力補正値
ΔＰ：出力偏差
Ｐｂ：基本出力指令値
Ｐｈ：基本出力指令値の高周波成分
Ｐｈｕ：利用高周波成分
Ｐｌ：基本出力指令値の低周波成分
Ｉｂ：基本送受電量
Ｉｂ／ＮＨｒ：送受電・回転数比
Ｉｒ：制限送受電量
ＩＧＶｄ：ＩＧＶ指令
ＩＮＶｄ：送受電指令
ＦＶｄ：開度指令
Ｒ：安定燃焼可能な燃空比領域
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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