(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの吸気冷却システムの異常を検知する異常検知手段と、
吸気冷却システムの異常検知時に、ガスタービンの燃料流量を瞬時に予め設定した設定燃料流量値に低下させる燃料流量瞬時低下手段を具備し、
前記燃料流量瞬時低下手段は、
ガスタービンの回転速度を制御するためのガバナ設定値を現状の値からそれより低い予め設定したガバナ設定値に瞬時に切り換えるガバナ設定値瞬時切換手段と、
吸気冷却システムの異常検知時に、燃料圧力調節弁の開度を燃料量低下後に整定される開度に先行して設定する燃料圧力調節弁開度先行設定手段と、
吸気冷却システムの異常検知時に、空気圧縮機のガイドベーン開度を異常検知時の開度に維持あるいはそれより開側に制御するガイドベーン開度制御手段を含み、
前記異常検知手段は、吸気冷却用冷媒を送る稼働すべきポンプが停止したとき、あるいは、冷媒流量の指令値と実際の冷媒流量との偏差が予め設定した偏差範囲を越えたとき、あるいは、実際の冷媒流量が予め設定した設定冷媒流量値より低下したときに、吸気冷却システムが異常であると検知する
ことを特徴とするガスタービン保護装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン保護装置において、
前記設定燃料流量値は、大気温度の関数で算出される負荷であってタービン入口温度が予め設定した設定温度を越えない負荷に基づく値であることを特徴とするガスタービン保護装置。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービン保護装置において、
前記ガバナ設定値は、大気温度の関数で算出される値であることを特徴とするガスタービン保護装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のガスタービン保護装置において、
前記異常検知手段は、吸気冷却用冷媒を送る稼働すべきポンプが複数台ある場合、そのうち同時に２台のポンプが停止したとき、ガスタービン吸気冷却システムが異常であると検知することを特徴とするガスタービン保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン（ＧＴ）の吸気冷却システムの異常を検知してガスタービンを保護するガスタービン保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンには、大気温度が高くなると、吸入空気の密度が低下することから、タービン出力が低下するという特性がある。そのため、ガスタービン発電設備では、大気温度が高い高温季節、特に昼間の電力需要ピーク時に発電出力を増加する対策として、ガスタービンの吸入空気を水等の冷媒で冷却して空気密度を高めるシステム（以下、吸気冷却システム）により、大気温度上昇による発電出力の低下を補うことが考えられている。
【０００３】
吸入空気は冷却後に空気圧縮機で圧縮され、燃焼器に送られる。燃焼器には、燃料圧力調節弁と燃料流量調節弁を順に通して燃料が供給される。燃焼器で燃料が燃焼してできる燃焼ガスがタービンを回転する。ガスタービン発電設備では、タービンにより発電機が駆動される。タービンの排ガスをボイラー等に供給して排熱エネルギの回収を図ることも行われる。
【０００４】
燃料流量は燃料流量調節弁で制御される。その際、燃料流量調節弁より上流側の燃料圧力調節弁が、燃料流量調節弁の出入口間の差圧が設定差圧となるように、比例積分（ＰＩ）制御される。
【０００５】
燃料流量の制御には、負荷制御、ガバナ制御、ブレードパス温度制御及び排ガス温度制御がある。
【０００６】
負荷制御では、発電機出力等の負荷に応じて、比例積分（ＰＩ）制御により燃料流量調節弁の開度を制御する。
【０００７】
ガバナ制御では、発電機等の回転速度を所定速度に維持するように、比例（Ｐ）制御により燃料流量調節弁の開度を制御する。
【０００８】
ブレードパス温度制御及び排ガス温度制御は、タービン入口ガス温度が所定の温度（大容量ガスタービンでは例えば１３５０°Ｃ）を越えないようにするための温度制御である。
【０００９】
ブレードパス温度制御では、タービン最終段直後の排気ガス温度（ブレードパス温度と呼ばれる）を計測し、これが設定温度（以下、ブレードパス温度設定値）となるように、比例積分（ＰＩ）制御により燃料流量を制御する。
【００１０】
排ガス温度制御では、タービン最終段よりも後流の排気ダクトでの排気ガス温度（単に、排ガス温度と呼ばれる）を計測し、これが設定温度（以下、排ガス温度設定値）となるように、比例積分（ＰＩ）制御により燃料流量を制御する。
【００１１】
ブレードパス温度設定値は、排ガス温度設定値に、温度計測位置からくる熱落差を考慮したバイアス値（以下、ＢＰＴバイアス）を加えた値として、設定される。ＢＰＴバイアスは、例えば数°Ｃから数１０°Ｃ程度とされる。
【００１２】
負荷制御、ガバナ制御、ブレードパス温度制御及び排ガス温度制御における各開度指令のうち、最も小さい開度指令によって、燃料流量調節弁の開度が制御される。
【００１３】
部分負荷では、タービン入口ガス温度をなるべく高くして排熱エネルギの利用効率を向上させるように、空気圧縮機の可変ガイドベーンが閉じ勝手に制御される。
【００１４】
このガイドベーン開度制御では、負荷が所定負荷（所定の部分負荷）以下の場合は負荷に応じて閉側から全開へ変化し、且つ、所定負荷以上の場合は常に全開となるような制御線が用いられる。制御線における所定負荷は、空気圧縮機入口での吸気温度（吸気冷却システムの運転中は冷却後の吸気温度）を計測し、その計測温度が高いほど低負荷側にシフトされる。
【００１５】
一方、ガスタービン保護のためのランバックシステムとして、負荷が徐々に降下するように燃料流量を徐々に減少させるシステムがあり、負荷降下レートによって、通常負荷ランバック（ガスタービン定格出力の５％／分レート程度の通常負荷変化レート）と、急速負荷ランバック（ガスタービン定格出力の１００％／分レート程度の急速負荷変化レート）が知られている。いずれのランバックにおいても、比例積分（ＰＩ）制御により燃料流量調節弁の開度が制御される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
吸気冷却システムの運用中は、発電出力増加等のためガスタービンの負荷を上げているので、吸気冷却システムに異常が生じると、吸気温度が上昇して燃焼ガス温度が急上昇するため、ガスタービンに悪影響を及ぼし、故障する恐れがある。
【００１７】
そこで、吸気冷却システムの異常を検知して、燃焼ガス温度の急上昇を防止する必要がある。
【００１８】
この場合、ガスタービンをトリップ（停止）させたり、発電機を解列（負荷遮断）することが考えられる。しかし、これでは発電が行われなくなるから、吸気冷却の主目的が高温季節での発電出力増加対策であることを考えると得策ではない。
【００１９】
従って、本発明の第１の課題は、吸気冷却システム異常時に、ガスタービンをトリップ（停止）させたり、発電機を解列（負荷遮断）することなく、ガスタービンの故障を確実に回避することである。これは、燃料流量を低下させることにより達成でき、発電の継続が可能である。
【００２０】
この場合、冷媒が水の場合は吸気冷却システム異常時の吸気温度の上昇は例えば５°Ｃ程度であるから、通常負荷ランバックや急速負荷ランバック程度の緩やかな負荷降下レートでも良い。
【００２１】
しかし、気体を液化したもの等、水よりも冷却効果が高い冷媒の場合は、吸気冷却システム異常時に吸気温度の上昇が数１０度Ｃにもなるから、燃焼ガス温度が瞬時に急上昇する。
【００２２】
従って、本発明の第２の課題は、燃焼ガス温度の瞬時の急上昇を防止するように、急速負荷ランバックよりも更に高い負荷降下レートで、燃料流量を瞬時に低下させることである。
【００２３】
この場合、燃料圧力調節弁のＰＩ制御による制御遅れがあるため、燃焼ガス温度の急上昇を防止するには、燃料流量を大幅に低下させる必要がある。しかし、これでは大きな負荷減少を伴い、発電出力の大幅な低下につながる。
【００２４】
従って、本発明の第３の課題は、燃料流量低下時の負荷減少を極力少なくすることである。
【００２５】
更に、部分負荷の場合は、吸気冷却システム異常時に燃料流量を低下させると、燃焼ガス温度が一時的に上昇することがある。
【００２６】
これは、燃料流量低下によって負荷が減少すると同時に空気圧縮機入口での吸気温度が上昇するが、この吸気温度を計測する温度センサに応答遅れがあるため、計測値が真の吸気温度になるまでの間は、ガイドベーンが閉じ勝手の制御により吸気冷却システム異常時点の開度よりも閉側に操作され、燃焼ガス温度が上昇してしまうからである。
【００２７】
従って、本発明の第４の課題は、燃料流量低下による負荷減少に伴う、部分負荷における燃焼ガス温度の上昇を防止することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、
ガスタービンの吸気冷却システムの異常を検知する異常検知手段と、
吸気冷却システムの異常検知時に、ガスタービンの燃料流量を瞬時に予め設定した設定燃料流量値に低下させる燃料流量瞬時低下手段を具備し、
前記燃料流量瞬時低下手段は、
ガスタービンの回転速度を制御するためのガバナ設定値を現状の値からそれより低い予め設定したガバナ設定値に瞬時に切り換えるガバナ設定値瞬時切換手段と、
吸気冷却システムの異常検知時に、燃料圧力調節弁の開度を燃料量低下後に整定される開度に先行して設定する燃料圧力調節弁開度先行設定手段と、
吸気冷却システムの異常検知時に、空気圧縮機のガイドベーン開度を異常検知時の開度に維持あるいはそれより開側に制御するガイドベーン開度制御手段を含み、
前記異常検知手段は、吸気冷却用冷媒を送る稼働すべきポンプが停止したとき、あるいは、冷媒流量の指令値と実際の冷媒流量との偏差が予め設定した偏差範囲を越えたとき、あるいは、実際の冷媒流量が予め設定した設定冷媒流量値より低下したときに、吸気冷却システムが異常であると検知する
ことを特徴とする。
この場合、前記設定燃料流量値は、大気温度の関数で算出される負荷であってタービン入口温度が予め設定した設定温度を越えない負荷に基づく値であることを特徴とし、
前記ガバナ設定値は、大気温度の関数で算出される値であることを特徴とし、
前記異常検知手段は、吸気冷却用冷媒を送る稼働すべきポンプが複数台ある場合、そのうち同時に２台のポンプが停止したとき、ガスタービン吸気冷却システムが異常であると検知することを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態例を説明する。
【００３８】
図１に、ガスタービン発電設備の概要を示す。図１中、１はガスタービンの吸気室、２は吸気フィルタ、３は吸気ダクト、４は空気圧縮機、５は燃焼器、６は燃料圧力調節弁、７は燃料流量調節弁、８はタービン、９は発電機、１０は冷媒補給管、１１はポンプ、１２は冷媒配管、１３はノズルである。空気圧縮機４、タービン８及び発電機９は互いに連結されている。
【００３９】
大気は、吸気室１にその入口の吸気フィルタ２を通して取り込まれ、空気圧縮機４により圧縮された後、燃焼室５に送られて燃料を燃焼する。燃焼器５には燃料圧力調節弁６と燃料流量調節弁７を順に通して燃料が供給される。燃焼器５で生じる燃焼ガスがタービン８を回転し、タービン８が発電機９を駆動する。
【００４０】
水等の冷媒は、冷媒補給管１０を介してポンプ１１に与えられ、ポンプ１１で加圧されて冷媒配管１２を通し吸気室１に送られる。吸気室１では、冷媒配管１２に設けたノズル１３から冷媒が噴霧され、吸入空気を冷却する。
【００４１】
冷媒流量（噴霧流量）は、ガスタービン制御装置（図示省略）から与えられる冷媒流量指令値に応じて、ポンプ制御装置（図示省略）により調整される。
【００４２】
図１において、１４はガスタービン保護装置であり、ポンプ停止センサ１５、冷媒流量センサ１６、大気温度センサ１７、差圧センサ１８、及び、吸気温度センサ１９が接続されている。
【００４３】
また、ガスタービン保護装置１４には、燃料圧力調節弁６、燃料流量調節弁７、及び、空気圧縮機４の可変ガイドベーンを開閉駆動するアクチュエータ２０が接続されている。
【００４４】
ポンプ停止センサ１５はポンプ１１の停止を検知するセンサであり、冷媒流量センサ１６はポンプ１１に流入あるいは流出する実際の冷媒流量（実流量）を検知するセンサであり、大気温度センサ１７は吸気室１に取り込まれる空気の温度を検知するセンサであり、吸気温度センサ１９は空気圧縮機４に取り込まれる空気（吸気冷却システムの運転中は冷却後の空気）の温度を検知するセンサであり、差圧センサ１９は燃料流量調節弁７の出入口の差圧を検知するセンサであ。
【００４５】
ガスタービン保護装置１４は、吸気冷却システム異常検知手段２１、燃料流量瞬時低下手段２２、燃料圧力調節弁開度先行設定手段２３、及び、ガイドベーン開度制御手段２４を備える。
【００４６】
図２に吸気冷却システム異常検知手段２１の構成例を示す。この例では、ポンプ停止センサ１５の出力、冷媒流量センサ１６の出力、及び、冷媒流量の指令値を用い、ポンプ１１が停止したとき、あるいは、冷媒流量の指令値と実流量との偏差が所定範囲を越えたとき、あるいは、冷媒の実流量が所定の判定基準値より低下したときに、ガスタービンの吸気冷却システムが異常であると判定する。
【００４７】
ポンプ停止センサ１５としては、ポンプ１１の吐出圧低下、回転速度低下、あるいは、ポンプ電源オフ等に基づいてポンプ１１の停止を検知するものが使用できる。
【００４８】
冷媒流量センサ１６としては、冷媒補給管１０中の流量、ポンプ１１の吐出流量、あるいは、冷媒配管１２の流量等に基づいて単位時間当たりの冷媒実流量を検知するものが使用できる。
【００４９】
冷媒流量の指令値と実流量との偏差を基に吸気冷却システムの異常を検知する場合、本例では、［冷媒実流量＜冷媒流量指令値−任意の所定値］が成立する場合に異常であると判定することにしている。もっとも、［冷媒実流量＞冷媒流量指令値＋任意の所定値］の場合も異常であると判定しても良い。
【００５０】
図３に示すように、ポンプ１１を複数台備える吸気冷却システムでは、冷媒は、共通の冷媒補給管１０を介して各ポンプ１１に与えられ、各ポンプ１１で加圧されてそれぞれに接続された冷媒配管１２を通して吸気室１に送られる。吸気室１では、各冷媒配管１２に設けたノズル１３から冷媒が噴霧される。この場合、冷媒流量の調整は、冷媒流量指令値に応じて、ポンプ１１の稼働台数を制御することにより行われることがある。
【００５１】
このように吸気冷却システムがポンプ１１を複数台備える場合は、稼働すべき複数のポンプ１１のうち、同時に２台以上のポンプが停止したときに、吸気冷却システムが異常であると判定するようにしても良い。これにより吸気冷却システムの異常を確実に検知できる。
【００５２】
また、ポンプ１１が複数台ある場合は、冷媒流量センサ１６としては、共通の冷媒補給管１０中の流量、全ポンプ１１の総吐出流量、あるいは、全冷媒配管１２の総流量等に基づいて単位時間当たりの冷媒実流量を検知するものを使用できる。
【００５３】
吸気冷却システム異常検知手段２１は吸気冷却システムが異常であると判定した場合に、吸気冷却システム異常時のランバック要求２１ａ（信号状態は”１”）を燃料流量瞬時低下手段２２、燃料圧力調節弁開度先行設定手段２３、及び、ガイドベーン開度制御手段２４に与える。
【００５４】
図４に燃料流量瞬時低下手段２２の一例としてガバナ制御回路を利用し、ガバナ設定値を瞬時に切り換えるものを示す。図４中、２５はアンド回路、２６はセットリセット回路（プリップフロップ回路、以下ＳＲ回路）、２７はシングルショットタイマ（以下、ＳＳ回路）、２８は減算器、２９は下限モニタ、３０はノット回路、３１は減算器、３２は下限モニタ、３３はアンド回路、３４は時限タイマ、３５はオア回路、３６はノット回路、３７は加算器、３８は調整用アナログ信号発生器、３９はアナログ信号切換器、４０はダミー用アナログ信号発生器、４１はアナログメモリ、４２は加算器、４３は減算器、４４はガバナゲイン器（比例制御器）である。
【００５５】
アンド回路２５、ＳＲ回路（セットリセット回路）２６、減算器２８、下限モニタ２９及びノット回路３０により、吸気冷却システム異常時のランバック指令２６ａ（信号状態は”１”）が生成される。
【００５６】
減算器２８は、実際の負荷である発電機出力（タービン軸出力に相当）を表す実負荷信号４５と、予め定めたランバック許可負荷を表すランバック許可負荷信号４６を入力し、その差（実際の負荷−ランバック許可負荷）を求めて下限モニタ２９に出力する。下限モニタ２９は［実際の負荷−ランバック許可負荷］が０以上の場合にその出力を”０”とし、０未満の場合に”１”として、ノット回路３０に与える。
【００５７】
アンド回路２５は、吸気冷却システム異常時のランバック要求２１ａと、ノット回路３０の出力を入力し、両者がともに”１”であるときＳＲ回路２６をセットする。ＳＲ回路２６はセットされることにより、ランバック指令２６ａを出力する。
【００５８】
従って、吸気冷却システムが異常であり、且つ、実際の負荷がランバック許容負荷以上である場合に、ランバック指令２６ａが出力される。ランバック指令２６ａは、後述するように、オア回路３５の出力が”１”になることにより、リセットされる。
【００５９】
ランバック指令２６ａが出力されると、ガバナ制御が”入”になり、負荷制御は”切”になる。
【００６０】
ランバック指令２６ａにより、ガバナ設定値が瞬時に切り換えられ、所定期間維持される。
【００６１】
これは、ＳＳ回路（シングルショットタイマ）２７、加算器３７、調整用アナログ信号発生器３８、アナログ信号切換器３９、ダミー用アナログ信号発生器４０及びアナログメモリ４１により、達成される。
【００６２】
即ち、ランバック指令２６ａが出力されると、ＳＳ回路２７がトリガされ、例えば０．２秒間だけ”１”となるパルス信号２７ａをアナログ信号切換器３９及びアナログメモリ４１に出力する。
【００６３】
加算器３７は、ガバナ設定におけるランバック目標値（本例では可変値）を表すアナログ信号（以下、ランバック目標信号）４７と、アナログ信号発生器３８が発生するマイナスの調整値を表す調整用アナログ信号３８ａを入力し、その和（ランバック目標値＋調整値（マイナスの値））を表す信号（以下、調整ランバック目標信号）３７ａをアナログ信号切換器３９に出力する。また、アナログ信号発生器４０は値０を表すダミー用アナログ信号４０ａを発生し、アナログ信号切換器３９に出力する。
【００６４】
アナログ信号切換器３９は調整ランバック目標信号３７ａとダミー用アナログ信号４０ａのうち、ランバック指令２６ａが出ていない間、並びに、パルス信号２７ａが”０”の間は、値が０のダミー用信号４０ａを出力し、ランバック指令２６ａが出ると、出力信号を調整ランバック目標信号３７ａ（その値は［ランバック目標値＋調整値］）に瞬時に切り換え、パルス信号２７ａが”１”になっている間これを出力する。アナログ信号切換器３９の出力は、アナログメモリ４１に与えられる。
【００６５】
アナログ信号切換器３９の出力切り換えに要する時間は極めて短く、ミリ秒以下である。
【００６６】
ここで、調整用アナログ信号３８ａはランバック目標値を微調整するために用いられるものであり、ガスタービン発電設備等のシステムのチューニング時にマイナスの適宜な値に調整され、固定される。
【００６７】
ダミー用アナログ信号４０ａは、単に、アナログ信号切換器３９が２つの入力を必要とするという特性を持っているために設けたものである。
【００６８】
アナログメモリ４１は負荷制御追従信号４８と、アナログ信号切換器３９からの入力信号のうち、ランバック指令２６ａが出ていない間、並びに、パルス信号２７ａが”０”の間は、負荷制御追従信号４８を出力し、ランバック指令２６ａが出ると、出力信号をアナログ信号切換器３９からの入力信号（具体的には、調整ランバック目標信号３７ａのみ）に瞬時に切り換え、パルス信号２７ａが”１”になっている間これを出力する。アナログメモリ４１の出力信号はガバナ設定値ＳＰＳＥＴを表す。
【００６９】
アナログメモリ４１の出力切り換えに要する時間も極めて短く、ミリ秒以下である。
【００７０】
負荷制御追従信号４８は、負荷制御時に、ガバナ制御を負荷制御に自動追従させるために与えられる信号であり、例えば負荷制御信号の１０５％程度の信号とされる。
【００７１】
以上により、ランバック指令２６ａが出ると、アナログメモリ４１の出力が負荷制御追従信号４８から瞬時に調整ランバック目標信号３７ａに切り換わるため、ガバナ設定値ＳＰＳＥＴは〔ランバック目標値＋調整値〕に瞬時に切り換わり、例えば０．２秒間保持される。
【００７２】
加算器４２、減算器４３及びガバナゲイン器（比例制御器）４４により、タービンの回転速度が定格速度となるように、燃料流量が制御される。
【００７３】
加算器４２はガバナ設定値ＳＰＳＥＴに定格速度バイアス信号４９及び初負荷バイアス信号５０を加算し、その加算結果を減算器４３に出力する。
【００７４】
減算器４３は加算器４２の出力信号からタービンの回転速度を表す回転速度信号５１を減算し、その結果をガバナゲイン器（比例制御器）４４に出力する。
【００７５】
ガバナゲイン器４４は入力信号に係数Ｋを乗じ、その結果をガバナ制御信号ＧＶＣＳＯとして出力する。
【００７６】
従って、ガバナ制御においては、通常は負荷制御に自動追従するように燃料流量調節弁７を比例制御により開閉してタービン回転速度を定格速度に維持するが、吸気冷却システムが異常であり、且つ、実際の負荷がランバック許容負荷以上である場合は、瞬時にガバナ設定値を［ランバック目標値＋調整値］に切り換えて、例えば０．２秒間、燃料量調節弁７を比例制御により絞り、負荷を低下させる。
【００７７】
この場合、ガバナ制御では燃料流量調節弁７を比例制御すること、並びに、アナログ信号切換器３９及びアナログメモリ４１の出力切り換え時間がともに極めて短いことから、燃料流量は瞬時に低下する。
【００７８】
例えば、ガスタービン定格出力の50％／５０ミリ秒（＝６００００％／分レート）という超高速負荷変化レートで、燃料流量を低下させることが十分可能である。
【００７９】
このように、ガスタービン吸気冷却システムの異常時に、瞬時に燃料流量を低下できるから、燃焼ガス温度の急上昇を抑えてガスタービン故障を確実に回避することができ、且つ、発電を継続することができる。
【００８０】
図５に示すように、ガバナ制御信号ＧＶＣＳＯはローセレクタ５２に入力される。
【００８１】
ローセレクタ５２は、ガバナ制御信号ＧＶＣＳＯと、負荷制御信号ＬＤＣＳＯと、ブレードパス温度制御信号ＢＰＣＳＯと、排ガス温度制御信号ＥＸＣＳＯとのうち、最も小さい値の信号を選択して、これを燃料流量調節弁７に対する開度制御信号ＣＳＯとして出力する。
【００８２】
図６に、ガバナ設定におけるランバック目標値の生成回路例を示す。この例の回路は、減算器５３と、関数生成器５４と、減算器５５と、ローセレクタ５６から構成される。
【００８３】
減算器５３は実際の運転出力を表す信号５７と、第１の所定値を表す第１所定値信号５８を入力して、その差（実際の運転出力−第１の所定値）を求め、ローセレクタ５６に出力する。
【００８４】
関数生成器５４は大気温度センサ１７で検出された大気温度を表す大気温度信号１７ａを入力して、ガスタービン入口温度が所定の定格温度を越えない範囲で、大気温度に応じた最大許容負荷を算出し、その信号５４ａを減算器５５に出力する。
【００８５】
減算器４８は大気温度に応じた最大許容負荷信号５４ａと、第２の所定値を表す第２所定値信号５９を入力して、その差（大気温度に応じた最大許容負荷−第２の所定値）を求め、ローセレクタ５６に出力する。
【００８６】
ローセレクタ５６は２つの入力信号から、［実際の運転出力−第１の所定値］と、［大気温度に応じた最大許容負荷−第２の所定値］のうち、小さい値を選択し、これをガバナ設定のランバック目標値とする。
【００８７】
例えば、３００ＭＷクラスのガスタービン発電設備では、第１の所定値は２５ＭＷとされ、第２の所定値は［大気温度に応じた最大許容負荷−第２の所定値］が２１０ＭＷ前後となるような値とされる。
【００８８】
従って、この例では、実際の運転出力が例えば２１０ＭＷ以上と比較的大きい場合は、［大気温度に応じた最大許容負荷−第２の所定値］がガバナ設定のランバック目標値とされ、実際の運転出力が例えば２１０ＭＷ未満と比較的小さい場合は、［実際の運転出力−第１の所定値］がガバナ設定におけるランバック目標値とされる。
【００８９】
次に、ランバック指令２６ａのリセットについて一例を説明する。ランバック指令２６ａのリセットは、図4 における減算器３１、下限モニタ３２、アンド回路３３、時限タイマ３４、オア回路３５及びノット回路３６により，達成される。
【００９０】
図４において、減算器３１は、アナログメモリ４１から出力されるガバナ設定値ＳＰＳＥＴと、ガバナ設定におけるランバック目標値を入力し、その差（ガバナ設定値ＳＰＳＥＴ−ランバック目標値）を求めて下限モニタ３２に出力する。下限モニタ３２は［ガバナ設定値ＳＰＳＥＴ−ランバック目標値］が０以上の場合にその出力を”０”とし、０未満の場合に”１”として、アンド回路３３に与える。
【００９１】
アンド回路３３には下限モニタ３２の出力に加えて、冷媒の実流量が規定値以下であることを表す信号、及び、下限モニタ２９の出力（前述したランバック指令２６ａのセット参照）が入力される。
【００９２】
ここでいう規定値とは、吸気冷却システムの異常検知後、冷媒の実流量が十分に減少したことを確認するための値である。
【００９３】
下限モニタ２９は先に説明したように、［実際の負荷−ランバック許可負荷］が０以上の場合にその出力を”０”とし、０未満の場合に”１”とする。
【００９４】
この場合、実際の負荷はランバック指令２６ａ後直ちに（例えば０．２秒間で）ランバック許可負荷未満となり、且つ、ガバナ設定値ＳＰＳＥＴもランバック指令２６ａ後直ちにランバック目標値以上となり、しかも、冷媒の実流量はランバック指令２６ａ後しばらくすれば規定値以下になるから、アンド回路３３の出力はしばらくすれば”１”になる。
【００９５】
アンド回路３３の出力は例えば３０秒の時限タイマ３４を通して、オア回路３５に出力される。時限タイマ３４はランバック指令２６ａのリセットまでに時間的余裕を持たせるために用いており、アンド回路３３の出力が”１”になってから例えば３０秒後に時限タイマ３４の出力が”１”になる。
【００９６】
オア回路３５には、ガスタービンが発電機に並列されていない場合、言い換えれば、ガスタービンが発電機から解列された場合に"１"となる信号が与えられる。この信号は、発電機がガスタービンに並列されている場合に"１"となる発電機並列信号６０をノット回路３６に通すことにより得られる。
【００９７】
オア回路３５の”１”出力がＳＲ回路２６をリセットする。
【００９８】
以上より、発電機がガスタービンに並列されていることを条件に、吸気冷却システムが異常であり、且つ、実際の負荷がランバック許容負荷以上である場合に、ランバック指令２６ａが出力される。
【００９９】
また、ランバック指令２６ａが出力された後、発電機がガスタービンから解列された場合、あるいは、実際の負荷がランバック許可負荷未満となり、且つ、ガバナ設定値ＳＰＳＥＴがランバック目標値（調整ランバック目標値−調整値（マイナスの値））以上となり、且つ、冷媒の実流量が規定値以下となった場合に、ランバック指令２６ａがリセットされる。
【０１００】
図７に、燃料圧力調節弁開度先行設定手段２３の構成例を示す。
【０１０１】
図７において、６は燃料圧力調節弁、７は燃料流量調節弁、１８は差圧センサ、６１は減算器、６２は比例積分（ＰＩ）制御器、６３はシングルショットタイマ（以下、ＳＳ回路）、６４はアナログ信号切換器、６５は関数発生器である。６６〜６８はアナログ信号発生器であり、それぞれ全閉用アナログ開度信号、停止時の圧抜き用アナログ開度信号、着火用アナログ開度信号を発生する。６９〜７０はアナログ信号切換器である。
【０１０２】
燃料流量調節弁７は、図５に示したローセレクタ５２から出力される制御信号ＣＳＯにより、その弁開度が制御される。
【０１０３】
その際、基本的には、燃料流量調節弁７の出入口間の差圧を差圧センサ１８で計測し、差圧の計測値が差圧設定値に一致するように、上流側に設けた燃料圧力調節弁６の開度をＰＩ制御器６２がＰＩ制御する。即ち、減算器６１に差圧計測信号１８ａと差圧設定信号７１が入力され、その差（差圧計測値−差圧設定値）が０となるように、ＰＩ制御器６２が燃料圧力調節弁６に開度指令を与えて開度制御を行う。
【０１０４】
従って、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ破線で示すように、ガバナ設定値が瞬時に低い値に切り換わり、燃料流量調整弁７が瞬時に絞られても、燃料圧力調節弁６がＰＩ制御のために遅れて開かれるため、燃料流量調整弁７の差圧は遅れて下がり、従って、燃料流量が遅れて低下することになり、負荷の低下も遅れる。
【０１０５】
このように燃料圧力調節弁６の開閉に制御遅れがある場合、燃焼ガス温度の急上昇を防止するには、ガバナ設定値が瞬時に大幅に低い値に切り換えて燃料流量を大幅に低下させる必要がある。しかし、これは大きな負荷減少７２を伴うから、発電出力の大幅な低下につながる。
【０１０６】
本例では、係る問題点をＰＩ制御器６２、ＳＳ回路６３、アナログ信号切換器６４及び関数発生器６５により解決する。
【０１０７】
本例で用いるＰＩ制御器６２には、外部からアナログ開度信号を入力するための外部信号入力端子６２ａと、開度指令を外部からのアナログ開度信号に応じた値に瞬時に切り換えるための制御端子６２ｂが備えられている。制御端子６２ｂが”１”のときは、ＰＩ制御器６２は本来のＰＩ動作はせず、開度指令を外部からのアナログ開度信号に応じた値に瞬時に切り換える。
【０１０８】
ＳＳ回路（シングルショットタイマ）６３は、図４のＳＲ回路２６が出力するランバック指令２６ａが”１”になったときにトリガされ、例えば３秒以下の所定期間だけ”１”となるパルス信号６３ａを発生し、ＰＩ制御器６２の制御端子６２ｂ及びアナログ信号切換器６４に与える。
【０１０９】
アナログ信号切換器６４は、ＳＳ回路６３からのパルス信号６３ａに応じて、関数発生器６５の出力とアナログ信号切換器６９の出力を切り換え、ＰＩ制御器６２の外部信号入力端子６２ａに与える。具体的には、パルス信号６３ａが”１”の間は、関数発生器６５の出力を外部信号入力端子６２ａに与え、”０”の間は、アナログ信号切換器６９の出力を外部信号入力端子６２ａに与える。
【０１１０】
関数発生器６５は、図５に示したローセレクタ５２が出力する燃料流量調節弁７に対する弁開度制御信号ＣＳＯを入力し、所定の関数に基づき、同制御信号ＣＳＯに対して整定されるであろう燃料圧力調節弁６の開度を表すアナログ整定開度信号６５ａを、アナログ信号切換器６４に出力する。
【０１１１】
この関数は、実験等により、予め定められる。
【０１１２】
吸気冷却システム異常のランバック時には、燃料流量調節弁７の弁開度制御信号ＣＳＯはガバナ設定のランバック目標値に対応する開度（ＧＶＣＳＯ）になるから、関数発生器６５が発生するアナログ整定開度信号６５ａは、この燃料流量調節弁開度に対応する燃料圧力調節弁６の開度を表す。
【０１１３】
従って、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ実線で示すように、ランバック指令２６ａが"１"になって、ガバナ設定値が瞬時に低い値に切り換わり、燃料流量調整弁７が瞬時に絞られると、燃料圧力調節弁６はＰＩ制御されず、もしＰＩ制御されたらならば燃料流量低下後に整定されるであろう開度に瞬時に切り換わる。つまり、パルス信号６３ａが"１"の間は燃料圧力調節弁６の開度が燃料流量低下後に整定される開度に先行して設定され、その後、ＰＩ制御が行われる。結局、燃料流量調整弁７の差圧は一定のままとなり、燃料流量は瞬時に低下し、負荷も瞬時に低下する。従って、燃焼ガス温度の急上昇を小さな負荷減少７３で確実に防止でき、発電出力低下が軽減する。
【０１１４】
なお、図示しない適宜な切換制御信号をアナログ切換器６９、７０に与えることにより、全閉時には全閉用アナログ開度信号６６を、停止時には圧抜き用アナログ開度信号６７を、着火時には着火用アナログ開度信号６８を選択してＰＩ制御器６２の外部信号入力端子６２ａに与える。
【０１１５】
これらの場合は、ランバック指令２６ａが”０”であるから、ＰＩ制御器６２は外部信号に基づいてＰＩ動作する。
【０１１６】
次に、図９に、ガイドベーン開度制御手段２４の構成例を示す。
【０１１７】
図９において、２０は空気圧縮機の可変ガイドベーン駆動用アクチュエータ、７４は開度制御器、７５は関数発生器、７６は加算器、７７は関数発生器、７８はアナログ信号切換器である。
【０１１８】
開度制御器７４は、図１０に示すようなガイドベーン開度制御線を用い、実際の負荷と空気圧縮機入口での吸気温度（吸気冷却システムの運転中は冷却後の吸気温度）に対応するガイドベーン開度となるように、アクチュエータ２０を制御する。
【０１１９】
その基本的な目的は、部分負荷では、空気圧縮機の可変ガイドベーンを閉じ勝手に制御して、タービン入口ガス温度をそれだけ高くし、排熱エネルギの利用効率を向上させることである。
【０１２０】
このガイドベーン開度制御線は、前述したように、負荷が所定負荷（所定の部分負荷）以下の場合は負荷に応じて全閉から全開へ変化し、且つ、所定負荷以上の場合は常に全開となるような制御線であり、且つ、所定負荷は空気圧縮機入口での吸気温度が高いほど低負荷側にシフトされる。
【０１２１】
具体的には、関数発生器７５は吸気温度センサ１９で計測した空気圧縮機入り口の冷却後の吸気温度を表す吸気温度信号１９ａを入力し、所定の関数に基づいて、負荷シフト量（冷却された吸気の温度に対応する所定負荷のシフト量）を求め、加算器７６に出力する。この関数は実験等により予め定められる。
【０１２２】
加算器７６は、実際の負荷を表す実運転出力信号５７と、関数発生器７５からの負荷シフト量を表す負荷シフト信号７５ａを入力し、その和（実際の負荷＋吸気温度に対応する負荷シフト量）を表す信号を関数発生器７７に出力する。
【０１２３】
関数発生器７７は、加算器７６から与えられる［実際の負荷＋吸気温度に対応する負荷シフト量］に対応するガイドベーン開度を表すガイドベーン開度信号７７ａを、ガイドベーン開度制御線に対応する所定の関数に基づいて求める。
【０１２４】
しかし、ガイドベーン開度信号７７ａをそのまま開度制御器７４に与えると、前述したように、吸気冷却システム異常時の燃料量低下に伴う負荷低下により、燃焼ガス温度が一時的に上昇することがある。
【０１２５】
即ち、図１０に示すように、ガイドベーンが制御線上の或る開度７９に制御されているときに、燃料流量低下によって負荷が減少すると、同時に空気圧縮機入口での吸気温度が上昇するが、この吸気温度を計測する吸気温度センサ１９に応答遅れがあるため、計測値が真の吸気温度になるまでの間は、ガイドベーンが閉じ勝手の制御により吸気冷却システム異常時点の開度７９よりも閉側の開度８０に操作され、燃焼ガス温度が上昇する。
【０１２６】
本例では、係る問題点をアナログ信号切換器７８を用いて、吸気冷却システム異常時に、ガイドベーン開度をその異常検知時の値に維持することにより、解決している。
【０１２７】
具体的には、関数発生器７７が出力するガイドベーン開度信号７７ａ［実際の負荷＋吸気温度に対応する負荷シフト量］をアナログ信号切換器７８の一方に入力とするとともに、アナログ信号切換器７８の出力信号を同アナログ信号切換器７８の他方の入力に戻し、アナログ信号切換器７８をＳＲ回路２６が出力するランバック指令２６ａで制御するようにしている。
【０１２８】
そして、開度制御器７４は、アナログ信号切換器７８からのガイドベーン開度信号７８ａに基づいてアクチュエータ２０を制御する。
【０１２９】
これにより、アナログ信号切換器７８は、ランバック指令２６ａが”０”の間は関数発生器７７のガイドベーン開度信号７７ａをそのまま開度制御器７４に与えるが、ランバック指令２６ａが”１”になると、その時点の信号を開度制御器７４に与え続ける。
【０１３０】
従って、部分負荷の場合に、ガスタービン吸気冷却システム異常により燃料流量を低下して負荷が減少しても、吸気温度センサ１９の応答遅れにかかわらず、ガイドベーン開度は図１０に示す異常検知時点の開度７９に維持されることになり、燃焼ガス温度の上昇が防止される。図１１に、タービン入口温度上昇の防止効果を示す。
【０１３１】
他の例として、アナログ信号切換器７８の出力信号７８ａを戻す代わりに、ガイドベーン全開を表す全開信号８１をアナログ信号切換器７８の他の入力に与える等により、吸気冷却システム異常時に、ガイドベーン開度を異常検知時の開度７９より大きい開側に制御するようにしても良い。
【０１３２】
上述した実施形態例では、アナログ信号切換器を利用し、関数発生や各種の制御を全てアナログ信号処理により行っているように説明したが、各種信号切換器を始め、信号発生器、関数発生器、各種制御器等、全てあるいは一部の信号処理器がディジタル機器であっても良い。
【０１３３】
また、上述した実施形態例は、ガスタービンの吸気冷却システム異常に燃料流量を瞬時に低下させるものであるが、その応用として、種々の目的のために、燃料圧力調節弁６のＰＩ制御による制御遅れに影響されずに、瞬時に燃料流量量を低下あるいは増加させたい場合に適用することができる。
【０１３４】
例えば、図４において、ＳＳ回路２７にはランバック指令２６ａに代えて、目的に合った燃料低下または増加の変更指令を与え、アナログメモリ４１には調整ランバック目標信号３７ａに代えて、燃料の低下または増加に合ったガバナ設定目標信号を与え、また、図７において、ＳＳ回路６３にはランバック指令２６ａに代えて、目的に合った燃料変更指令を与える。
【０１３５】
その際、関数発生器６５が発生するアナログ整定開度信号６５ａは、燃料低下時にはガバナ設定値切換後に整定される開側の開度を表し、燃料増加時にはガバナ設定値切換後に整定される閉側の開度を表すことになる。
【０１３６】
従って、種々の目的のために燃料流量を低下あるいは増加させたい場合は、ガバナ設定値が現状の値からそれより低いまたは高い所定の設定値に瞬時に切り換わり、その時、燃料圧力調節弁６の開度がガバナ設定値切換後に整定される開度に先行して設定されるので、ガバナ設定値を所望の燃料流量に対応する設定値に定めることにより、燃料圧力調節弁６のＰＩ制御による制御遅れに影響されず、瞬時に燃料流量が低下あるいは増加する。
【０１３７】
【発明の効果】
本発明のガスタービン保護装置は、ガスタービンの吸気冷却システムの異常を検知する異常検知手段と、吸気冷却システムの異常検知時に、ガスタービンの燃料流量を瞬時に予め設定した設定燃料流量値に低下させる燃料流量瞬時低下手段を具備するので、水等の冷媒を用いたガスタービン吸気冷却システムに異常が発生して吸気温度が急上昇しても、燃焼ガス温度の上昇を防止してガスタービンの故障を確実に回避することができ、且つ、ガスタービンの運転を継続するこができる。従って、ガスタービン発電設備の場合は、発電を継続しながら、ガスタービンの故障を回避することができる。
【０１３８】
本発明のガスタービン保護装置は、前記設定燃料流量値が、大気温度の関数で算出される負荷であってタービン入口温度が予め設定した設定温度を越えない負荷に基づく値であるので、大気温度が変動してもガスタービンの故障を確実に回避することができる。
【０１３９】
本発明のガスタービン保護装置は、前記燃料流量瞬時低下手段が、ガスタービンの回転速度を制御するためのガバナ設定値を現状の値からそれより低い予め設定したガバナ設定値に瞬時に切り換えるガバナ設定値瞬時切換手段を含むので、水よりも冷却効果が高い冷媒を用いたガスタービン吸気冷却システムに異常が発生して、燃焼ガス温度の瞬時の急上昇を効果的に防止することができる。
【０１４０】
本発明のガスタービン保護装置は、前記ガバナ設定値が、大気温度の関数で算出される値であるので、大気温度が変動してもガスタービンの故障を確実に回避することができる。
【０１４１】
本発明のガスタービン保護装置は、前記燃料瞬時低下手段が、吸気冷却システムの異常検知時に、燃料圧力調節弁の開度を燃料量低下後に整定される開度に先行して設定する燃料圧力調節弁開度先行設定手段を含むので、燃料圧力調節弁のＰＩ制御による制御遅れに伴う燃焼ガス温度の上昇を防止することができる。これにより、燃焼ガス温度の上昇を防止するために燃料流量を大幅に低下する必要がなくなるから、燃料低下時の負荷減少を少なく抑えることができる。
【０１４２】
本発明のガスタービン保護装置は、前記燃料流量瞬時低下手段が、吸気冷却システムの異常検知時に、空気圧縮機のガイドベーン開度を異常検知時の開度に維持あるいはそれより開側に制御するガイドベーン開度制御手段を含むので、部分負荷運転時に吸気冷却システムに異常が発生した場合に、空気圧縮機入口での吸気温度を計測する吸気温度センサに応答遅れがあっても、燃料流量低下時の負荷減少に伴う燃焼ガス温度の上昇を防止することができる。これにより、燃料量を大幅に低下する必要がなくなり、燃料流量低下時の負荷減少を少なく抑えることができる。
【０１４３】
本発明のガスタービン保護装置は、前記異常検知手段は吸気冷却用冷媒を送る稼働すべきポンプが停止したとき、あるいは、冷媒流量の指令値と実際の冷媒流量との偏差が予め設定した偏差範囲を越えたとき、あるいは、実際の冷媒流量が予め設定した設定冷媒流量値より低下したときに、吸気冷却システムが異常であると検知するので、吸気冷却システムの異常を確実に検知することができる。
【０１４４】
本発明のガスタービン保護装置は、吸気冷却用冷媒を送る稼働すべきポンプが複数台ある場合、そのうち同時に２台のポンプが停止したとき、吸気冷却システムが異常であると検知するので、吸気冷却システムの異常を確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係るガスタービン発電設備の概要を示す図。
【図２】吸気冷却システム異常検知手段の構成例を示す図。
【図３】冷媒を送るポンプが複数台用いられる例を示す図。
【図４】燃料流量瞬時低下手段の構成例を示す図。
【図５】制御信号選択用のローセレクタを示す図。
【図６】ガバナ設定におけるランバック目標値の生成回路例を示す図。
【図７】燃料圧力調節弁開度先行設定手段の構成例を示す図。
【図８】燃料圧力調節弁開度先行設定手段の動作を示す図。
【図９】ガイドベーン開度制御手段の構成例を示す図。
【図１０】ガイドベーン開度制御線の例を示す図。
【図１１】ガイドベーン開度維持によるタービン入口温度上昇の防止効果を示す図。
【符号の説明】
１  吸気室
２  吸気フィルタ
３  吸気ダクト
４  空気圧縮機
５  燃焼器
６  燃料圧力調節弁
７  燃料流量調節弁
８  タービン
９  発電機
１０  冷媒補給管
１１  ポンプ
１２  冷媒配管
１３  ノズル
１４  ガスタービン保護装置
１５  ポンプ停止センサ
１６  冷媒流量センサ
１７  大気温度センサ
１７ａ  大気温度信号
１８  差圧センサ
１８ａ  差圧計測信号
１９  吸気温度センサ
１９ａ  吸気温度信号
２０  ガイドベーン駆動用アクチュエータ
２１  吸気冷却システム異常検知手段
２１ａ  吸気冷却システム異常時のランバック要求
２２  燃料流量瞬時低下手段
２３  燃料圧力調節弁開度先行設定手段
２４  ガイドベーン開度制御手段
２５  アンド回路
２６  セットリセット回路（ＳＲ回路）
２６ａ  ランバック指令
２７  シングルショットタイマ（ＳＳ回路）
２７ａ  パルス信号（ＳＳ回路２７の出力パルス）
２８  減算器
２９  下限モニタ
３０  ノット回路
３１  減算器
３２  下限モニタ
３３  アンド回路
３４  時限タイマ
３５  オア回路
３６  ノット回路
３７  加算器
３７ａ  調整ランバック目標信号
３８  調整用アナログ信号発生器
３８ａ  調整用アナログ信号
３９  アナログ信号切換器
４０  ダミー用アナログ信号発生器
４０ａ  ダミー用アナログ信号
４１  アナログメモリ
４２  加算器
４３  減算器
４４  ガバナゲイン器（比例制御器）
４５  実負荷信号
４６  ランバック許可負荷信号
４７  ランバック目標信号
４８  負荷制御追従信号
４９  定格速度バイアス信号
５０  初負荷バイアス信号
５１  回転速度信号
５２  ローセレクタ
５３  減算器
５４  関数生成器
５４ａ  大気温度に応じた最大許容負荷信号
５５  減算器
５６  ローセレクタ
５７  実運転出力信号
５８  第１所定値信号
５９  第２所定値信号
６０  発電機並列信号
６１  減算器
６２  比例積分（ＰＩ）制御器
６２ａ  外部信号入力端子
６２ｂ  制御端子
６３  シングルショットタイマ（ＳＳ回路）
６３ａ  パルス信号（ＳＳ回路６３の出力パルス）
６４  アナログ信号切換器
６５  関数発生器
６５ａ  アナログ整定開度信号
６６  全閉用アナログ開度信号発生器
６７  圧抜き用アナログ開度信号発生器
６８  着火用アナログ開度信号発生器
６９  アナログ信号切換器
７０  アナログ信号切換器
７１  差圧設定信号
７２  大きな負荷減少
７３  小さな負荷減少
７４  開度制御器
７５  関数発生器
７５ａ  負荷シフト信号
７６  加算器
７７  関数発生器
７７ａ  ガイドベーン開度信号
７８  アナログ信号切換器
７８ａ  ガイドベーン開度信号
７９  吸気冷却システム異常時点のガイドベーン開度
８０  閉側のガイドベーン開度開度
８１  ガイドベーン全開信号
ＳＰＳＥＴ  ガバナ設定値
ＣＳＯ  燃料流量調節弁開度制御信号
ＧＶＣＳＯ  ガバナ制御信号
ＬＤＣＳＯ  負荷制御信号
ＢＰＣＳＯ  ブレードパス温度制御信号
ＥＸＣＳＯ  排ガス温度制御信号
【図１】
0004610717.tif 000002
【図２】
0004610717.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004610717.tif 000005
【図５】
0004610717.tif 000006
【図６】
0004610717.tif 000007
【図７】
0004610717.tif 000008
【図８】
0004610717.tif 000009
【図９】
0004610717.tif 000010
【図１０】
0004610717.tif 000011
【図１１】
0004610717.tif 000012