(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸い込んだ空気を圧縮機により圧縮して圧縮空気とし、燃焼器から供給された燃料と前記圧縮空気とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成し、生成した前記燃焼ガスによりタービンを作動させてロータを回転させ、前記タービンを作動させた前記燃焼ガスを排気ガスとして排出するシステムの制御装置において、
前記圧縮機は、吸気側に設けられる開度を調整可能な入口案内翼を有し、
前記システムの負荷に応じて規定される排気ガス温度の上限温度である温調線に沿って、前記入口案内翼の開度を制御する温調制御を実行しており、
前記開度は、前記システムの出力要求値に基づいて設定され、
前記システムの実出力値と前記出力要求値とを比較して高値を選択し、
前記開度は、高値として選択された前記実出力値または前記出力要求値に基づいて設定されることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記システムの前記負荷が下降する負荷下げ時において、前記出力要求値に基づく前記開度の設定を、遅らせて設定する遅れ制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
燃料指令値に基づいて、前記燃焼器から供給される前記燃料の供給量を制御する燃料制御を実行しており、
前記開度は、前記燃料指令値に基づいて生成される前記出力要求値に基づいて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記システムの前記負荷が上昇する負荷上げ時において、前記出力要求値に基づいて設定される前記開度よりも大きな開度となるように設定する先行開度制御を実行することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項５】
吸い込んだ空気を圧縮して、圧縮空気とする圧縮機と、
前記圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器と、
生成された前記燃焼ガスによって作動するタービンと、
請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項６】
吸い込んだ空気を圧縮機により圧縮して圧縮空気とし、燃焼器から供給された燃料と前記圧縮空気とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成し、生成した前記燃焼ガスによりタービンを作動させてロータを回転させ、前記タービンを作動させた前記燃焼ガスを排気ガスとして排出するシステムの制御方法において、
前記圧縮機は、吸気側に設けられる開度を調整可能な入口案内翼を有し、
前記システムの負荷に応じて規定される排気ガス温度の上限温度である温調線に沿って、前記入口案内翼の開度を制御する温調制御を実行しており、
前記開度は、前記システムの出力要求値に基づいて設定され、
前記システムの実出力値と前記出力要求値とを比較して高値を選択し、
前記開度は、高値として選択された前記実出力値または前記出力要求値に基づいて設定されることを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温調制御を実行するガスタービン等のシステムの制御装置、システム及び制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成されている。そして、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）を得て、この燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。タービンを駆動させた燃焼ガスは、タービンの排気側から排気ガスとして排出される。
【０００３】
このようなガスタービンを制御する制御装置は、圧縮機に取り込む空気量及び燃料の供給量等を調整して、燃焼ガスが流入するタービンのタービン入口温度が予め設定された上限温度を超えないように、ガスタービンの運転を制御する温調制御を実行している。これは、ガスタービンの性能は、タービン入口温度が高いほど性能（仕事効率）が高くなる一方で、タービン入口温度を高くし過ぎると、タービン入口周りの高温部品が熱負荷に耐えることが困難となるからである。具体的に、温調制御では、タービンからの排気ガス温度が、ガスタービンの負荷（発電機出力）や圧力比等のガスタービン状態量に応じて規定される排気ガス温度の上限温度である温調線を超えないように、ガスタービンの運転が制御される。ここで、温調線は、ガスタービンの負荷が大きくなるほど、排気ガス温度の上限温度が低くなる一方で、ガスタービンの負荷が小さくなるほど、排気ガス温度の上限温度が高くなる関数として規定されている。
【０００４】
温調制御を行うガスタービンの制御装置としては、下記特許文献１，２に記載されたものがある。特許文献１のガスタービンの運転制御装置では、圧縮機の吸気側に入口案内翼が設けられ、入口案内翼の開度を、発電機の出力値に対する入口案内翼の開度の関係に基づいて、発電機出力センサからの発電機出力によって入口案内翼の開度を設定している。また、特許文献２のガスタービンの入口案内翼制御装置は、圧縮機の吸気側に入口案内翼が設けられ、吸気温度補正後の発電機出力（ガスタービン出力）に対応する入口案内翼の開度を設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−７５５７８号公報
【特許文献２】特開２００７−４０１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、入口案内翼の開度は、ガスタービン出力（実出力）に基づいて設定される。このため、例えば、ガスタービンの負荷が大きくなる負荷上げ時において、目標とするガスタービンの要求出力値となるようにガスタービン出力を制御する場合、ガスタービンの制御装置は、要求出力値とガスタービン出力との偏差に基づいて燃料の供給量を増大させる。燃料の供給量を増大させると、ガスタービンの出力が増大することから、制御装置は、ガスタービンの出力の増大に伴って、入口案内翼の開度を大きくする。従って、負荷上げ時には、燃料の供給量が多くなり易くなることから、燃空比（燃料の供給量／吸気量）が高めに推移し、これにより、燃空比に比例してタービン入口温度及び排ガス温度も高めに推移する。
【０００７】
ところで、ガスタービンは、負荷に応じた運転が行われており、具体的に、全負荷運転と、部分負荷運転とが行われている。通常、全負荷運転を行う場合、ガスタービンの性能を発揮すべく、タービン入口温度が上限温度付近に達するように温調制御が実行される。この温調制御では、具体的に、全負荷運転時における排気ガス温度が、温調線付近となるように、ガスタービンの運転が制御される。
【０００８】
一方で、部分負荷運転においては、負荷変動に対するガスタービン出力の応答性を確保すべく、温調制御が実行されない。つまり、ガスタービンは、排気ガス温度が温調線の上限温度によって制限されないように、温調線の上限温度よりも低い排気ガス温度で負荷制御される。
【０００９】
そして、近年では、部分負荷運転においても、ガスタービンの性能を向上させるべく、タービン入口温度が上限温度付近に達するように温調制御が実行される場合がある。具体的に、温調制御では、部分負荷運転時における排気ガス温度が、温調線付近となるように、ガスタービンの運転が制御される。
【００１０】
しかしながら、部分負荷運転時において、排気ガス温度が温調線付近となるように温調制御する場合、ガスタービンへの負荷が変動すると、排気ガス温度が温調線により制限されてしまう可能性がある。これは、上記したように負荷上げ時において燃空比が高めに推移することで、タービン入口温度及び排ガス温度も高めに推移するからである。このため、ガスタービンは、負荷変動に応じてガスタービン出力を調整することが困難となる場合がある。
【００１１】
また、部分負荷運転時において、排気ガス温度が温調線付近となるように温調制御する場合、負荷変動等の外乱によって、空気取入口から取り込まれる空気の吸入量が減少することがある。この場合、排気ガス温度が上昇することから、温調制御では、ガスタービンの負荷を小さくする、いわゆる負荷転落が生じてしまう。つまり、温調線は、ガスタービンの負荷が小さくなるほど、排気ガス温度の上限温度が高くなることから、温調制御では、排気ガス温度が上昇すると、排気ガス温度の上限温度を高くすべく、ガスタービンの負荷を小さくする。このとき、空気の吸入量は、入口案内翼の開度で調整され、入口案内翼の開度は、ガスタービン出力に基づいて設定される。このため、温調制御では、ガスタービンの負荷が低下してガスタービン出力が小さくなると、入口案内翼の開度を閉じることで空気の吸入量を減らす制御が行われ、これにより、再び排気ガス温度が上昇してしまうことから、継続してガスタービンの負荷が下降してしまう。
【００１２】
そこで、本発明は、部分負荷運転時におけるガスタービン等のシステムの性能を向上させつつ、負荷変動時における温調制御を好適に実行することができる制御装置、システム及び制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の制御装置は、吸い込んだ空気を圧縮機により圧縮して圧縮空気とし、燃焼器から供給された燃料と前記圧縮空気とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成し、生成した前記燃焼ガスによりタービンを作動させてロータを回転させ、前記タービンを作動させた前記燃焼ガスを排気ガスとして排出するシステムの制御装置において、前記圧縮機は、吸気側に設けられる開度を調整可能な入口案内翼を有し、前記システムの負荷に応じて規定される排気ガス温度の上限温度である温調線に沿って、前記入口案内翼の開度を制御する温調制御を実行しており、前記開度は、前記システムの出力要求値に基づいて設定されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の制御方法は、吸い込んだ空気を圧縮機により圧縮して圧縮空気とし、燃焼器から供給された燃料と前記圧縮空気とを混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成し、生成した前記燃焼ガスによりタービンを作動させ、前記タービンを作動させた前記燃焼ガスを排気ガスとして排出するシステムの制御方法において、前記圧縮機は、吸気側に設けられる開度を調整可能な入口案内翼を有し、前記システムの負荷に応じて規定される排気ガス温度の上限温度である温調線に沿って、前記入口案内翼の開度を制御する温調制御を実行しており、前記開度は、前記システムの出力要求値に基づいて設定されることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、システムの出力要求値に基づいて、入口案内翼の開度を設定することができる。このため、システムの負荷上げ時において、燃料の供給量が増大する前に、入口案内翼の開度を大きくすることができる。よって、システムの出力に基づいて入口案内翼の開度を設定する場合に比して、燃空比を低く推移させることができる。これにより、タービン入口温度及び排気ガス温度の上昇を抑制できることから、部分負荷運転時における負荷上げ時において、排気ガス温度が上限温度に掛かって、システムの出力が制限されたり、負荷転落が生じたりすることを抑制することができる。このように、部分負荷運転時において、負荷変動に応じて温調線に沿ってシステムの出力を変更することが容易となり、また、温調線に沿って部分負荷運転できることから、部分負荷運転時においてシステムを定格性能で運転することができる。なお、定格性能とは、発電機からガスタービン等のシステムに所定の負荷が与えられたときに、ガスタービンの仕事効率が最適となる性能である。また、システムとしては、発電を行うガスタービンの他、ガスエンジンシステム等に適用することが可能である。
【００１６】
また、前記ロータの回転数が予め設定された設定回転数となるようなガバナ設定値に基づいて、前記システムの出力を制御するガバナ制御を実行しており、前記出力要求値は、前記ガバナ制御時において、前記ガバナ設定値とし、前記開度は、前記ガバナ設定値に基づいて設定されることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、ガバナ制御時において、ガバナ設定値に基づいて、入口案内翼の開度を設定することができる。このため、ガバナ制御時においても、システムの負荷上げ時において、燃空比を低く推移させることができる。
【００１８】
また、前記システムの実出力値と前記出力要求値とを比較して高値を選択し、前記開度は、高値として選択された前記実出力値または前記出力要求値に基づいて設定されることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、負荷上げ時においては、システムの出力要求値が高くなることから、出力要求値に基づいて入口案内翼の開度が設定される。一方で、負荷下げ時において、システムの実出力値（システムの出力）が高くなることから、システムの出力に基づいて入口案内翼の開度が設定される。このため、負荷上げ時において、燃空比を低く推移させることができるだけでなく、負荷下げ時においても、燃空比を低く推移させることができる。つまり、負荷下げ時においては、システムの実出力値がシステムの出力要求値よりも高くなることで、燃料の供給量が減少した後に、入口案内翼の開度が小さくなる。このように、負荷上げ時及び負荷下げ時において、タービン入口温度及び排気ガス温度の上昇を抑制できることから、排気ガス温度が上限温度に掛かって、システムの出力が制限されることを抑制することができる。
【００２０】
また、前記システムの前記負荷が下降する負荷下げ時において、前記出力要求値に基づく前記開度の設定を、遅らせて設定する遅れ制御を実行することが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、負荷下げ時において、開度の設定を遅らせることができる。このため、負荷下げ時においては、燃料の供給量が減少した後に、入口案内翼の開度が小さくなるように遅れて設定することができる。このように、負荷下げ時において、タービン入口温度及び排気ガス温度の上昇を抑制できることから、排気ガス温度が上限温度に掛かって、システムの出力が制限されることを抑制することができる。
【００２２】
また、燃料指令値に基づいて、前記燃焼器から供給される前記燃料の供給量を制御する燃料制御を実行しており、前記開度は、前記燃料指令値に基づいて生成される前記出力要求値に基づいて設定されることが好ましい。
【００２３】
この構成によれば、燃料指令値に基づいて、入口案内翼の開度を設定することができる。このため、システムの負荷上げ時において、燃料の供給量が増大する前に、入口案内翼の開度を大きくすることができる。よって、システムの出力に基づいて入口案内翼の開度を設定する場合に比して、燃空比を低く推移させることができる。
【００２４】
また、前記システムの前記負荷が上昇する負荷上げ時において、前記出力要求値に基づいて設定される前記開度よりも大きな開度となるように設定する先行開度制御を実行することが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、負荷変化量が大きい場合、負荷上げに伴って、温調線の上限温度が速く低下する。この場合、排気ガス温度が遅れて低下することで、排気ガス温度が上限温度に制限され、これにより、システムの出力を変化させることが困難となる。このため、負荷上げ時における負荷変化量が大きい場合、入口案内翼の開度をより大きな開度となるように先行開度制御を実行することで、温調線の上限温度よりも低くなるように、排気ガス温度を低下させることができる。よって、排気ガス温度が温調線に制限されることなく、システムの出力を好適に変化させることができる。なお、負荷変動の変化量が大きいときは、例えば、システムとしてガスタービンを適用した場合、ガスタービンの急速起動運転時または発電機の周波数変動時である。
【００２６】
本発明のシステムは、吸い込んだ空気を圧縮して、圧縮空気とする圧縮機と、前記圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器と、生成された前記燃焼ガスによって作動するタービンと、上記の制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００２７】
この構成によれば、部分負荷運転時における性能を高くすることができ、また、負荷変動に対する温調制御を好適に実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、実施例１のガスタービンを表す模式図である。
【図２】図２は、ガスタービンの負荷に応じて排気ガスの上限温度が変化する温調線を示すグラフである。
【図３】図３は、制御装置の制御に関するブロック図である。
【図４】図４は、実施例１の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。
【図５】図５は、実施例２の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。
【図６】図６は、実施例３の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。
【図７】図７は、実施例４の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。
【図８】図８は、実施例５の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。
【図９】図９は、実施例６の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせることも可能である。
【実施例１】
【００３０】
図１は、実施例１のガスタービンを表す模式図である。図２は、ガスタービンの負荷に応じて排気ガスの上限温度が変化する温調線を示すグラフである。図３は、制御装置の制御に関するブロック図である。図４は、実施例１の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。
【００３１】
実施例１のガスタービン（システム）１は、図１に示すように、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３とにより構成されている。圧縮機１１、燃焼器１２およびタービン１３の中心部には、ロータ１８が貫通して配置され、圧縮機１１とタービン１３とは、ロータ１８により一体回転可能に連結されている。このガスタービン１は、制御装置１４によって制御されている。また、ガスタービン１には、発電機１５が連結されており、発電可能となっている。
【００３２】
圧縮機１１は、空気取入口から取り込んだ空気Ａを圧縮して圧縮空気Ａ１とする。この圧縮機１１には、空気取入口から取り込む空気Ａの吸気量を調整する入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet  Guide  Vane）２２が配設される。入口案内翼２２は、その開度が調整されることで、空気Ａの吸気量が調整される。具体的に、入口案内翼２２は、複数の翼本体２２ａと、複数の翼本体２２ａの翼角度を変更するためのＩＧＶ作動部２２ｂとを有し、ＩＧＶ作動部２２ｂにより翼本体２２ａの翼角度が調整されることで、入口案内翼２２の開度が調整され、空気Ａの吸気量を調整する。入口案内翼２２は、その開度が大きくなると、空気Ａの吸気量が多くなり、圧縮機１１の圧力比が増加する。一方で、入口案内翼２２は、その開度が小さくなることで、空気Ａの吸気量が少なくなり、圧縮機１１の圧力比が低下する。
【００３３】
燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気Ａ１に対して燃料Ｆを供給し、圧縮空気Ａ１と燃料Ｆとを混合して燃焼することで、燃焼ガスを生成する。タービン１３は、燃焼器１２で生成された燃焼ガスによって回転する。
【００３４】
ロータ１８は、軸方向の両端部が図示しない軸受部により回転自在に支持されており、軸心を中心として回転自在に設けられている。そして、ロータ１８の圧縮機１１側の端部には、発電機１５の駆動軸が連結されている。発電機１５は、タービン１３と同軸上に設けられ、タービン１３が回転することで発電することができる。
【００３５】
従って、圧縮機１１の空気取入口から取り込まれた空気Ａは、入口案内翼２２を経て圧縮機１１の内部を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気Ａ１となる。この圧縮空気Ａ１に対して燃焼器１２から燃料Ｆが供給され、圧縮空気Ａ１と燃料Ｆとが混合され燃焼することで、高温・高圧の燃焼ガスが生成される。そして、燃焼器１２で生成された高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３の内部を通過することにより、タービン１３を作動（回転）させてロータ１８を駆動回転し、このロータ１８に連結された発電機１５を駆動する。これにより、ロータ１８に連結された発電機１５は、回転駆動されることで発電を行う。一方、タービン１３を駆動した燃焼ガスは、排気ガスとして大気に放出される。
【００３６】
このようなガスタービン１は、その運転が制御装置１４によって制御されている。具体的に、制御装置１４は、ガスタービン１の負荷（発電機１５の出力）に応じて、ガスタービン１の運転を制御しており、具体的に、ガスタービン１の部分負荷運転と、全負荷運転とを行っている。全負荷運転は、ガスタービン出力が定格出力となる運転である。部分負荷運転は、ガスタービン出力が定格出力よりも小さい出力となる運転である。
【００３７】
また、制御装置１４は、部分負荷運転時及び全負荷運転時において、圧縮機１１に取り込む空気Ａの吸気量、及び燃焼器１２から供給する燃料Ｆの燃料供給量等を調整して、燃焼ガスが流入するタービン１３のタービン入口温度が予め設定された上限温度を超えないように、温調制御を実行している。
【００３８】
制御装置１４は、圧縮機１１に取り込む空気量（吸気量）を調整すべく、入口案内翼２２を作動させるＩＧＶ作動部２２ｂを制御するＩＧＶ制御を実行している。制御装置１４は、ＩＧＶ作動部２２ｂを制御することで、入口案内翼２２の開度を変更し、圧縮機１１に取り込む空気Ａの吸気量を調整する。具体的に、制御装置１４は、全負荷運転時において、入口案内翼２２の開度が定格開度となるように制御する。定格開度は、ガスタービン出力が定格出力となるときの開度である。また、制御装置１４は、入口案内翼２２の開度を定格開度よりも大きい超開状態となるように制御可能となっている。
【００３９】
また、制御装置１４は、燃料Ｆの供給量を調整すべく、燃焼器１２へ向けて燃料Ｆを供給する燃料供給ライン３４に設けられる燃料調整弁３５を制御する燃料制御を実行している。制御装置１４は、燃料調整弁３５を制御することで、圧縮空気Ａ１に対して供給（噴射）する燃料Ｆの供給量を調整する。
【００４０】
さらに、制御装置１４には、圧力計５１及び排気ガス温度計５２等の計測器が接続されている。圧力計５１は、圧縮機１１から燃焼器１２に向けて圧縮空気Ａ１が流通するライン、具体的には、燃焼器１２の車室内部に設けられ、圧縮空気Ａ１の圧力（車室圧力）を計測する。排気ガス温度計５２は、タービン１３から排出される排気ガスが流通するラインに設けられ、排気ガスの温度を計測している。具体的に、排気ガス温度計５２は、排気ガスの流れ方向の上流側に設けられるブレードパス温度計５２ａと、ブレードパス温度計５２ａの下流側に設けられる排気部温度計５２ｂとを含んで構成されている。
【００４１】
そして、制御装置１４は、各計測器５１，５２等の計測結果に基づいて、入口案内翼２２及び燃料調整弁３５等を制御することで、下記する温調線Ｔに沿う温調制御を実行する。ここで、温調制御では、図２に示す温調線Ｔが用いられている。温調線Ｔは、ガスタービン負荷に応じて規定される排気ガスの上限温度である。つまり、図２のグラフは、その横軸が、ガスタービン負荷となっており、その縦軸が、排気ガス温度となっている。なお、温調線Ｔは、排気ガス温度と圧縮機１１の圧力比とで規定される関数となっている。このため、制御装置１４は、圧力計５１の計測結果に基づいて、圧縮機１１の圧力比を導出し、導出された圧力比から、温調線Ｔに基づいて、排気ガスの上限温度を導出する。
【００４２】
図２に示すように、温調線Ｔは、ガスタービン負荷（より具体的には、圧力比）が大きくなるにつれて排気ガス温度が低下するラインとなっている。この温調線Ｔは、所定のガスタービン負荷におけるガスタービン１の性能が定格性能となるように、ガスタービン負荷に応じた排気ガスの上限温度に設定されている。このため、排気ガスの上限温度は、タービン入口温度が予め設定された上限温度を超えないような温度となっている。なお、定格性能とは、発電機１５からガスタービン１に所定の負荷が与えられたときに、ガスタービン１の仕事効率が最適となる性能である。
【００４３】
この温調線Ｔは、部分負荷運転または全負荷運転の整定時において、排気ガス温度計５２により計測された排気ガス温度（排気ガス計測温度）が、温調線Ｔの上限温度となるラインとなっている。つまり、制御装置１４は、排気ガス計測温度が、排気ガスの上限温度となるように、ガスタービン１の運転をフィードバック制御（例えば、ＰＩ制御）している。
【００４４】
ここで、図２には、入口案内翼２２が定格開度となるＩＧＶ定格角度ラインＬ１が図示されている。このため、温調線ＴとＩＧＶ定格角度ラインＬ１とが交差する交差点におけるガスタービン負荷が、ガスタービン１の全負荷となる交差点（定格点Ｐ）であり、また、定格点Ｐのガスタービン負荷に応じたガスタービン出力が、ガスタービン１の定格出力となっている。
【００４５】
また、図２には、排気ガス温度の制限値となる排気ガス温度制限ラインＬ２が図示されている。排気ガス温度制限ラインＬ２は、タービン１３の排気側に配置される部材が熱負荷に耐え得ることが可能な温度となっている。制御装置１４は、排気ガス温度制限ラインＬ２に掛からないように、ガスタービン１の運転を制御する。
【００４６】
ここで、図３を参照して、制御装置１４による燃料制御及びＩＧＶ制御について具体的に説明する。制御装置１４は、ＡＬＲ制御部６１と、ロードリミット制御部６２と、ガバナ制御部６３と、温度リミット制御部６４と、燃料リミット制御部６５と、低値選択部６６と、燃料制御部６７と、ＩＧＶ制御部６８とを有している。
【００４７】
ＡＬＲ（Automatic Load dispatching Regulator）制御部６１は、ガスタービン１の出力デマンド（出力要求値）が入力され、入力された出力デマンドに基づいて、負荷制御（ＡＬＲ制御）を行うための負荷制御値を生成している。そして、ＡＬＲ制御部６１は、生成した負荷制御値を、ロードリミット制御部６２と、ガバナ制御部６３へ向けて出力する。また、詳細は後述するが、ＡＬＲ制御部６１は、負荷制御値をＩＧＶ制御部６８へ向けて出力する。
【００４８】
ロードリミット制御部６２は、ＡＬＲ制御部６１から負荷制御値が入力され、また、ガスタービン１の実出力値としてのガスタービン出力が入力される。ロードリミット制御部６２は、ガスタービン出力が出力デマンドとなるように、負荷制御値とガスタービン出力（実出力値）との偏差に基づいて、燃焼器１２に供給される燃料Ｆの供給量（燃料流量）を指令する燃料指令値を生成する。そして、ロードリミット制御部６２は、生成された燃料指令値を、低値選択部６６へ向けて出力する。
【００４９】
ガバナ制御部６３は、ＡＬＲ制御部６１から負荷制御値が入力され、また、ガスタービン出力と、ロータ１８の回転数が入力される。ガバナ制御部６３は、ロータ１８の回転数が予め設定された設定回転数となるように、負荷制御値、ガスタービン出力及び回転数に基づいて、燃料指令値を生成する。そして、ガバナ制御部６３は、生成された燃料指令値を、低値選択部６６へ向けて出力する。
【００５０】
温度リミット制御部６４は、排気ガス温度計５２により計測された排気ガス計測温度と、圧力計５１により計測された圧縮機１１の車室内部における圧力（車室圧力）とが入力される。温度リミット制御部６４は、排気ガス計測温度が、図２に示す排気ガス温度制限ラインＬ２に掛からないように、排気ガス計測温度と車室圧力とに基づいて、燃料指令値を生成する。そして、温度リミット制御部６４は、生成された燃料指令値を、低値選択部６６へ向けて出力する。
【００５１】
燃料リミット制御部６５は、ガスタービン出力と、ロータ１８の回転数と、車室圧力とが入力される。燃料リミット制御部６５は、燃焼器１２への燃料Ｆの供給量が、予め設定された制限供給量を超えないように、ガスタービン出力、ロータ１８の回転数及び車室圧力に基づいて、燃料指令値を生成する。そして、燃料リミット制御部６５は、生成された燃料指令値を、低値選択部６６へ向けて出力する。
【００５２】
低値選択部６６は、ロードリミット制御部６２、ガバナ制御部６３、温度リミット制御部６４及び燃料リミット制御部６５から入力された燃料指令値のうち、最も低い値となる燃料指令値を選択する。そして、低値選択部６６は、選択された低値となる燃料指令値を、燃料制御部６７へ向けて出力する。
【００５３】
燃料制御部６７は、低値選択部６６から燃料指令値が入力され、入力された燃料指令値に基づいて、燃料調整弁３５を制御する。
【００５４】
ＩＧＶ制御部６８は、ＡＬＲ制御部６１から負荷制御値が入力され、また、圧縮機１１に取り込まれる空気Ａの吸気温度と、排気ガス計測温度と、車室圧力とが入力される。ＩＧＶ制御部６８は、これらの入力値に基づいて、入口案内翼２２の開度を制御するＩＧＶ開度指令値を生成する。そして、ＩＧＶ制御部６８は、生成されたＩＧＶ開度指令値を、ＩＧＶ作動部２２ｂへ向けて出力する。
【００５５】
次に、図４を参照し、ＩＧＶ制御部６８について説明する。ＩＧＶ制御部６８は、減算器７１と、ＰＩ制御器７２と、制御器７３と、加算器７４とを含む構成となっている。上記したように、ＩＧＶ制御部６８には、負荷制御値と、排気ガス計測温度とが入力される。なお、ＩＧＶ制御部６８には、吸気温度及び車室圧力も入力され、この入力値に応じて入口案内翼２２の開度が制御されるが、以下では、説明を簡単にするために、吸気温度及び車室圧力に関する説明は省略する。
【００５６】
減算器７１は、排気ガス計測温度と、温調線Ｔの上限温度との偏差Δを生成し、生成した偏差Δを、ＰＩ制御器７２に出力する。ＰＩ制御器７２は、偏差Δがゼロとなるような、ＩＧＶ開度指令値を生成する。制御器７３は、出力デマンドとＩＧＶ開度とを対応付けた関数に基づいて、入力された負荷制御値に対応する出力デマンドから、ＩＧＶ開度指令値を生成する。加算器７４は、ＰＩ制御器７２で生成されたＩＧＶ開度指令値と、制御器７３で生成されたＩＧＶ開度指令値とを加算して、ＩＧＶ作動部２２ｂに出力する。なお、実施例１ではＰＩ制御器を用いたが、これに限定されず、フィードバック制御器であればよい。
【００５７】
このように構成された制御装置１４は、温調制御を実行することで、ＩＧＶ制御部６８により入口案内翼２２の開度が制御される。具体的に、ガスタービン１は、部分負荷運転時において、制御装置１４によって温調線Ｔ上に沿って温調制御が実行されている状態から、ガスタービン負荷を上昇させる負荷上げ運転を実行する。この場合、制御装置１４は、先ず、負荷上げに応じた出力デマンドを設定する。制御装置１４は、出力デマンドを設定すると、この出力デマンドを、ＡＬＲ制御部６１を介して、ロードリミット制御部６２、ガバナ制御部６３及びＩＧＶ制御部６８へ向けて出力する。
【００５８】
ＩＧＶ制御部６８は、出力デマンドに対応する負荷制御値に基づいてＩＧＶ開度指令値を導出し、導出したＩＧＶ開度指令値に基づいて、入口案内翼２２の開度を制御する。つまり、ＩＧＶ制御部６８は、負荷上げ時において、出力デマンドに基づいて、入口案内翼２２の開度が大きくなるように制御する。
【００５９】
一方で、燃料制御部６７は、ロードリミット制御部６２及びガバナ制御部６３によって出力デマンドに対応する負荷制御値及びガスタービン出力に基づく燃料指令値が導出された後、低値選択部６６において選択された低値の燃料指令値に基づいて、燃料調整弁３５を制御する。つまり、燃料制御部６７は、負荷上げ時において、出力デマンド及びガスタービン出力に基づいて、燃料Ｆの供給量が増大するように、燃料調整弁３５を制御する。
【００６０】
このため、制御装置１４は、出力デマンドに基づいてＩＧＶ制御部６８により入口案内翼２２の開度を制御できることから、出力デマンドに基づくＩＧＶ制御を、ガスタービン出力に基づくＩＧＶ制御に比して、先行して制御することができる。つまり、ガスタービン出力は、実出力値であることから、ガスタービン出力に基づくＩＧＶ制御では、燃料Ｆの燃焼後に、入口案内翼２２の開度が制御されるため、燃空比が高めに推移する。一方で、出力デマンドに基づくＩＧＶ制御では、燃料の燃焼前に、入口案内翼２２の開度が制御されるため、燃空比を低めに推移させることができる。
【００６１】
以上のように、実施例１によれば、ガスタービン１の出力要求値（出力デマンド）に基づいて、入口案内翼２２の開度を設定することができる。このため、ガスタービン１の負荷上げ時において、燃料の供給量が増大する前に、入口案内翼２２の開度を大きくすることができる。よって、ガスタービン出力に基づいて入口案内翼２２の開度を設定する場合に比して、燃空比を低く推移させることができる。これにより、タービン入口温度及び排気ガス温度の上昇を抑制できることから、部分負荷運転時における負荷上げ時において、排気ガス温度が上限温度に掛かって、ガスタービン出力が制限されたり、負荷転落が生じたりすることを抑制することができる。このように、部分負荷運転時において、負荷変動に応じて温調線Ｔに沿ってガスタービン出力を変更することが容易となり、また、温調線Ｔに沿って部分負荷運転できることから、部分負荷運転時においてガスタービン１を定格性能で運転することができる。なお、実施例１では、システムとして、発電を行うガスタービン１に適用したが、ガスエンジンシステム等に適用してもよい。
【実施例２】
【００６２】
次に、図５を参照して、実施例２に係る制御装置１００について説明する。図５は、実施例２の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。なお、実施例２では、重複した記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例２では、ガバナ制御時において、入口案内翼２２の開度を、出力デマンドに対応するガバナ設定値に基づいて設定している。
【００６３】
実施例２の制御装置１００は、図３に示す実施例１の制御装置１４と同様に、ロードリミット制御部６２と、ガバナ制御部６３とを有している。この制御装置１００は、運転状況に応じて、ロードリミット制御部６２によるガスタービン１の運転制御と、ガバナ制御部６３に基づくガスタービン１の運転制御とを選択的に実行している。具体的に、ロードリミット制御部６２は、ガスタービン出力が出力デマンドに応じた出力となるように、ガスタービン出力を制御する。つまり、ロードリミット制御部６２は、負荷制御値に応じた出力デマンドと、ガスタービン出力との偏差がゼロとなるように、ガスタービン出力を制御する。これに対し、ガバナ制御部６３は、ロータ１８の回転数が、出力デマンドに応じて設定された設定回転数（ガバナ設定値）となるように、ガスタービン出力を制御する。つまり、ガバナ制御部６３は、出力デマンドとなる負荷制御値に応じた設定回転数と、ロータ１８の回転数との偏差がゼロとなるように、ガスタービン出力を制御する。このため、ロードリミット制御部６２では、ガスタービン出力が一定となるように制御されるのに対し、ガバナ制御部６３では、回転数が一定となるように制御される。
【００６４】
実施例２のＩＧＶ制御部１０１は、ガスタービン１がロードリミット制御される場合、実施例１と同様に、出力デマンドに基づいてＩＧＶ開度指令値を生成し、一方で、ガスタービン１がガバナ制御される場合、設定回転数に基づいてＩＧＶ開度指令値を生成する。具体的に、ＩＧＶ制御部１０１は、減算器７１と、ＰＩ制御器７２と、制御器７３と、加算器７４と、切替制御器１０５とを含む構成となっている。なお、減算器７１、ＰＩ制御器７２、制御器７３及び加算器７４は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。
【００６５】
切替制御器１０５は、出力デマンドに対応する負荷制御値（図５では、単に出力デマンドと図示している）と、出力デマンドに対応する設定回転数とが入力される。また、切替制御器１０５は、ロードリミット制御とガバナ制御とを切り替える切替信号が入力される。切替制御器１０５は、入力される切替信号に基づいて、制御器７３に出力する出力値を、負荷制御値または設定回転数（ガバナ設定値）に選択的に切り替える。なお、制御器７３は、実施例１と同様に、出力デマンドとＩＧＶ開度とを対応付けた関数に基づいて、入力された負荷制御値に対応する出力デマンドから、ＩＧＶ開度指令値を生成し、また、設定回転数とＩＧＶ開度とを対応付けた関数に基づいて、入力された設定回転数から、ＩＧＶ開度指令値を生成する。
【００６６】
以上のように、実施例２によれば、ＩＧＶ制御部１０１は、ガバナ制御時において、ガバナ設定値に基づいて、入口案内翼２２の開度を設定することができる。このため、ガバナ制御時においても、ガスタービン１の負荷上げ時において、燃料の供給量が増大する前に、入口案内翼２２の開度を大きくすることができ、燃空比を低く推移させることができる。
【実施例３】
【００６７】
次に、図６を参照して、実施例３に係る制御装置１１０について説明する。図６は、実施例３の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。なお、実施例３でも、重複した記載を避けるべく、実施例１及び２と異なる部分について説明し、実施例１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例３では、出力デマンドまたはガスタービン出力の一方を選択し、選択した出力デマンドまたはガスタービン出力に基づいて、入口案内翼２２の開度を設定している。以下では、実施例２の制御装置１００の構成に基づいて、実施例３の制御装置１１０を説明する。
【００６８】
図６に示すように、実施例３の制御装置１１０において、ＩＧＶ制御部１１１は、減算器７１と、ＰＩ制御器７２と、制御器７３と、加算器７４と、切替制御器１０５と、高値選択部１１５とを含む構成となっている。なお、減算器７１、ＰＩ制御器７２、制御器７３、加算器７４及び切替制御器１０５は、実施例２と同様であるため、説明を省略する。
【００６９】
高値選択部１１５は、切替制御器１０５から出力デマンドまたは設定回転数が入力され、また、ガスタービン出力が入力される。高値選択部１１５は、出力デマンドまたは設定回転数と、ガスタービン出力とを比較し、高い値となる制御値を選択する。そして、高値選択部１１５は、選択した高値となる制御値を、制御器７３に向けて出力する。
【００７０】
このように構成された制御装置１１０によって制御されるガスタービン１は、部分負荷運転時において、制御装置１１０によって温調線Ｔ上に沿って温調制御が実行されている状態から、ガスタービン負荷を上昇させる負荷上げ運転を実行する。この場合、制御装置１１０は、先ず、負荷上げに応じた出力デマンドを設定し、出力デマンドに基づいて燃料の供給量を増大させることから、ガスタービン出力は、燃料の燃焼後に増大する。このため、ガスタービン出力は、出力デマンドよりも低値となることから、ＩＧＶ制御部１１１の高値選択部１１５では、出力デマンドが高値と判定される。よって、制御装置１１０は、実施例１と同様に、負荷上げ時において、ＩＧＶ制御部１１１により出力デマンドに基づいて入口案内翼２２の開度を設定することで、燃料の供給量の増大に先行して、入口案内翼２２の開度を開くことにより、燃空比を低めに推移させることができる。
【００７１】
一方で、ガスタービン１は、部分負荷運転時において、制御装置１１０によって温調線Ｔ上に沿って温調制御が実行されている状態から、ガスタービン負荷を下降させる負荷下げ運転を実行する。この場合、制御装置１１０は、先ず、負荷下げに応じた出力デマンドを設定し、出力デマンドに基づいて燃料の供給量を減少させることから、ガスタービン出力は、燃料の燃焼後に減少する。このため、ガスタービン出力は、出力デマンドよりも高値となることから、ＩＧＶ制御部１１１の高値選択部１１５では、ガスタービン出力が高値と判定される。よって、制御装置１１０は、負荷下げ時において、ＩＧＶ制御部１１１によりガスタービン出力に基づいて入口案内翼２２の開度を設定することで、燃料の供給量の減少に後行して、入口案内翼２２の開度を閉じることにより、燃空比を低めに推移させることができる。
【００７２】
以上のように、実施例３によれば、負荷上げ時において、燃空比を低く推移させることができるだけでなく、負荷下げ時においても、燃空比を低く推移させることができる。このため、負荷上げ時及び負荷下げ時において、タービン入口温度及び排気ガス温度の上昇を抑制できることから、排気ガス温度が上限温度に掛かって、ガスタービン出力が制限されることを抑制することができる。
【実施例４】
【００７３】
次に、図７を参照して、実施例４に係る制御装置１２０について説明する。図７は、実施例４の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。なお、実施例４でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から３と異なる部分について説明し、実施例１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例４では、負荷下げ時において、入口案内翼２２の開度を遅らせて設定している。以下では、実施例２の制御装置１００の構成に基づいて、実施例４の制御装置１２０を説明する。
【００７４】
図７に示すように、実施例４の制御装置１２０において、ＩＧＶ制御部１２１は、減算器７１と、ＰＩ制御器７２と、制御器７３と、加算器７４と、切替制御器１０５と、遅延制御器１２５とを含む構成となっている。なお、減算器７１、ＰＩ制御器７２、制御器７３、加算器７４及び切替制御器１０５は、実施例２と同様であるため、説明を省略する。
【００７５】
遅延制御器１２５は、切替制御器１０５から出力デマンドまたは設定回転数が入力される。遅延制御器１２５は、ガスタービン１の負荷下げ運転時において出力される負荷下げ信号が入力される。遅延制御器１２５は、負荷下げ信号が入力されない場合、すなわち、ガスタービン１が負荷上げ運転または負荷整定時における運転を行う場合、切替制御器１０５から入力される制御値を、時間遅延なく、制御器７３に出力する。一方で、遅延制御器１２５は、負荷下げ信号が入力される場合、すなわち、ガスタービン１が負荷下げ運転を行う場合、切替制御器１０５から入力される制御値を、時間遅延させて、制御器７３に出力する。
【００７６】
このように構成された制御装置１２０によって制御されるガスタービン１は、部分負荷運転時において、制御装置１２０によって温調線Ｔ上に沿って温調制御が実行されている状態から、ガスタービン負荷を下降させる負荷下げ運転を実行する。この場合、制御装置１２０は、負荷下げに応じた出力デマンドを設定し、出力デマンドに基づいて燃料の供給量を減少させることから、ガスタービン出力は、燃料の燃焼後に減少する。制御装置１２０は、負荷下げ時において、ＩＧＶ制御部１２１の遅延制御器１２５により、入口案内翼２２の開度を遅延させて設定することにより、燃料の供給量の減少に後行して、入口案内翼２２の開度を閉じることで、燃空比を低めに推移させることができる。つまり、遅延制御器１２５は、入口案内翼２２の開度が、燃料の供給量の減少に後行して設定されるように、切替制御器１０５から入力される制御値を遅らせて制御器７３に出力させる。
【００７７】
以上のように、実施例４によれば、負荷上げ時において、燃空比を低く推移させることができるだけでなく、負荷下げ時においても、燃空比を低く推移させることができる。このため、負荷上げ時及び負荷下げ時において、タービン入口温度及び排気ガス温度の上昇を抑制できることから、排気ガス温度が上限温度に掛かって、ガスタービン出力が制限されることを抑制することができる。
【実施例５】
【００７８】
次に、図８を参照して、実施例５に係る制御装置１３０について説明する。図８は、実施例５の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。なお、実施例５でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から４と異なる部分について説明し、実施例１から４と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例５では、燃料指令値から導出した出力デマンドに基づいて、入口案内翼２２の開度を設定している。以下では、実施例１の制御装置１４の構成に基づいて、実施例５の制御装置１３０を説明する。
【００７９】
図８に示すように、制御装置１３０のＩＧＶ制御部１３１は、減算器７１と、ＰＩ制御器７２と、第１の制御器７３と、加算器７４と、第２の制御器１３５とを含む構成となっている。なお、減算器７１、ＰＩ制御器７２、第１の制御器７３及び加算器７４は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。
【００８０】
第２の制御器１３５は、低値選択部６６から出力された燃料指令値が入力される。第２の制御器１３５は、燃料指令値と出力デマンドとを対応付けた関数に基づいて、入力された燃料指令値から、出力デマンドを生成し、生成した出力デマンドを第１の制御器７３へ向けて出力する。
【００８１】
以上のように、実施例５によれば、燃料指令値に基づいて、入口案内翼２２の開度を設定することができる。このため、ガスタービン１の負荷上げ時において、燃料の供給量が増大する前に、入口案内翼２２の開度を大きくすることができる。よって、ガスタービン出力に基づいて入口案内翼２２の開度を設定する場合に比して、燃空比を低く推移させることができる。
【実施例６】
【００８２】
次に、図９を参照して、実施例６に係る制御装置１４０について説明する。図９は、実施例６の制御装置のＩＧＶ制御に関する説明図である。なお、実施例６でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から５と異なる部分について説明し、実施例１から５と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例６では、入口案内翼２２の開度が先行して開くＩＧＶ先行開度指令値を、加算器７４に入力している。以下では、実施例１の制御装置１４の構成に基づいて、実施例６の制御装置１４０を説明する。
【００８３】
図９に示すように、制御装置１４０のＩＧＶ制御部１４１において、加算器７４は、ＰＩ制御器７２で生成されたＩＧＶ開度指令値と、制御器７３で生成されたＩＧＶ開度指令値と、ＩＧＶ先行開度指令値とが入力される。ここで、ＩＧＶ先行開度指令値は、ガスタービン１の負荷変動の変化量が大きい場合、入口案内翼２２の開度を、出力デマンドに対応する開度よりも大きな開度とするための指令値である。なお、ＩＧＶ先行開度指令値については、従来の入口案内翼２２の先行開度設定を適用してもよく、特に限定されない。そして、加算器７４は、ＩＧＶ先行開度指令値を加算した加算後のＩＧＶ開度指令値を、ＩＧＶ作動部２２ｂへ向けて出力する。
【００８４】
以上のように、実施例６によれば、負荷変化量が大きい場合、負荷上げに伴って、温調線Ｔの上限温度が速く低下する。この場合、排気ガス温度が遅れて低下することで、排気ガス温度が上限温度に制限され、これにより、ガスタービン出力を変化させることが困難となる。このため、ＩＧＶ制御部１４１は、負荷上げ時における負荷変化量が大きい場合、入口案内翼２２の開度をより大きな開度となるように先行開度制御を実行することで、温調線Ｔの上限温度よりも低くなるように、排気ガス温度を低下させることができる。よって、排気ガス温度が温調線Ｔに制限されることなく、ガスタービン出力を好適に変化させることができる。なお、負荷変動の変化量が大きいときは、例えば、ガスタービン１の急速起動運転時または発電機１５の周波数変動時である。
【符号の説明】
【００８５】
１  ガスタービン
１１  圧縮機
１２  燃焼器
１３  タービン
１４  制御装置
１５  発電機
１８  ロータ
２２  入口案内翼
２２ａ  翼本体
２２ｂ  ＩＧＶ作動部
３４  燃料供給ライン
３５  燃料調整弁
５１  圧力計
５２  排気ガス温度計
５２ａ  ブレードパス温度計
５２ｂ  排気部温度計
６１  ＡＬＲ制御部
６２  ロードリミット制御部
６３  ガバナ制御部
６４  温度リミット制御部
６５  燃料リミット制御部
６６  低値選択部
６７  燃料制御部
６８  ＩＧＶ制御部
７１  減算器
７２  ＰＩ制御器
７３  制御器
７４  加算器
１００  制御装置（実施例２）
１０１  ＩＧＶ制御部（実施例２）
１０５  切替制御器
１１０  制御装置（実施例３）
１１１  ＩＧＶ制御部（実施例３）
１１５  高値選択部
１２０  制御装置（実施例４）
１２１  ＩＧＶ制御部（実施例４）
１２５  遅延制御器
１３０  制御装置（実施例５）
１３１  ＩＧＶ制御部（実施例５）
１４０  制御装置（実施例６）
１４１  ＩＧＶ制御部（実施例６）
Ａ  空気
Ｆ  燃料
Ａ１  圧縮空気
Ｔ  温調線
Ｌ１  ＩＧＶ定格角度ライン
Ｌ２  排気ガス温度制限ライン
Ｐ  定格点
【図１】
0006335720.tif 000002
【図２】
0006335720.tif 000003
【図３】
0006335720.tif 000004
【図４】
0006335720.tif 000005
【図５】
0006335720.tif 000006
【図６】
0006335720.tif 000007
【図７】
0006335720.tif 000008
【図８】
0006335720.tif 000009
【図９】
0006335720.tif 000010