(57)【要約】  本発明は、ガスタービン（１２）と、該ガスタービン（１２）によって直接駆動され、作動周波数を有する交流電流を生成するジェネレータ（１８）とから構成されるタービン系統（１１）を備えた発電設備（１０）の作動方法に関する。ジェネレータ（１８）の出力側は、所定の商用周波数（Ｆ）を有する商用電源網（２１）に接続されており、ジェネレータ（１８）と商用電源網（２１）との間に、前記作動周波数と前記商用周波数（Ｆ）とを結合解除する電子的な結合解除装置（２７）が配置されており、商用周波数の変化が長く継続する場合、ガスタービン（１２）の機械的または空気力学的回転数を一定に維持し、ガスタービン（１２）の出力を遅滞なく適合させる。
2010518321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１２）と、該ガスタービン（１２）によって直接駆動され、作動周波数を有する交流電流を生成するジェネレータ（１８）とから構成されるタービン系統（１１）を備えた発電設備（１０）の作動方法であって、
前記ジェネレータ（１８）の出力側は、所定の商用周波数（Ｆ）を有する商用電源網（２１）に接続されており、
前記ジェネレータ（１８）と前記商用電源網（２１）との間に、前記作動周波数と前記商用周波数（Ｆ）とを結合解除する電子的な結合解除装置（２７）が配置されている作動方法において、
前記商用周波数の変化が長く継続する場合、前記ガスタービン（１２）の機械的または空気力学的回転数を一定に維持し、前記ガスタービン（１２）の出力を遅滞なく適合させる、
ことを特徴とする作動方法。
【請求項２】
１００ＭＷを超える出力を有するガスタービン（１２）を使用し、
前記電子的な結合解除装置（２７）として、マトリクスインバータの形態のインバータを使用する、請求項１記載の作動方法。
【請求項３】
前記作動周波数は、前記商用周波数ないしは第２の作動周波数と格段に異なる、請求項１または２記載の作動方法。
【請求項４】
前記商用周波数ないしは作動周波数は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである、請求項３記載の作動方法。
【請求項５】
前記ガスタービン（１２）として、連続燃焼方式のガスタービンを使用する、請求項１から4までのいずれか１項記載の作動方法。
【請求項６】
前記マトリクスインバータは、（ｍ×ｎ）行列で配置された複数の制御可能な双方向スイッチ（３２）を有しており、
前記双方向スイッチ（３２）は調整回路（３１）によって制御されてｍ個の入力側とｎ個の出力側とを選択的に接続し、ただしｍ＞ｎであり、
前記入力側を流れる電流の正負符号を検出するための第１の手段（３４）と、該入力側の相互間の電圧の正負符号を検出するための第２の手段（３３）とが設けられており、
前記第１の手段（３４）と第２の手段（３３）とは信号線路（３８）によって前記調整回路（３１）に作用接続されている、請求項２記載の作動方法。
【請求項７】
前記電子的結合解除装置（２７）によって、前記商用周波数の変動時の排気ピークを回避する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
予測される不足周波数現象の前に、前記ガスタービン（１２）の回転数（ｎｍｅｃｈ）を上げる、請求項１記載の方法。
【請求項９】
予測される不足周波数現象の前に、前記ガスタービン（１２）の回転数（ｎｍｅｃｈ）を下げる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記ガスタービン（１２）の回転数適合調整の間、発電所出力を一定に維持する、請求項８または９記載の作動方法。
【請求項１１】
前記発電所出力を、タービン入口温度（Ｔｈｏｔ）の適合調整および／または前記ガスタービン（１２）の位置調整可能なコンプレッサ翼（４２）の位置の適合調整によって一定に維持する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記発電所出力を、予測される不足周波数現象の前に一定に維持し、不足周波数の場合には、正規化出力を越えて上げる、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電技術の分野に関し、請求項１の上位概念に記載された発電設備の作動方法に関する。
【０００２】
従来技術
出力が１００ＭＷを超える領域内にある次のような大規模な発電設備、すなわち、発電ジェネレータがガスタービンおよび／または蒸気タービンによって駆動制御され、生成された電力を、所定の商用周波数（たとえば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を有する商用電源網に供給する大規模な発電設備では通常、タービンの（機械的または空気力学的な）回転数と商用周波数との間が固定的に結合されている。このような発電設備では、ジェネレータの出力側は接続部を介して、周波数結合するように商用電源網に接続される。また、ジェネレータはタービンによって直接（単軸設備）、回転数結合するように駆動されるか、または機械的な伝動装置を介して、回転数結合するように駆動される。図２および図３に、発電設備のこのような構成が非常に簡単に示されている。伝動装置では、商用周波数とタービンとの間に固定的な変速比のみを実現することができる。また、本来のガスタービンから偏差する回転数で運転することができる有効タービンによってジェネレータが駆動される構成も考えられる。
【０００３】
図１に、ジェネレータ１８に結合されたガスタービン１２によって電流を生成して商用電源網２１に供給する公知の形式の発電設備１０’が非常に簡略化されて示されている。ガスタービン１２とジェネレータ１８とは共通のシャフト１９によって接続されており、単軸タービン系統１１を構成する。非常に簡単な事例では、ガスタービンはコンプレッサ１３を有し、該コンプレッサ１３は空気流入口１６を介して燃焼用空気を吸引して圧縮する。コンプレッサ１３は、相互に前後に接続された複数の部分コンプレッサから構成することができる。このような複数の部分コンプレッサは上昇した圧力レベルで作動し、場合によっては、圧縮された空気を中間冷却することができる。コンプレッサ１３で圧縮された燃焼用空気は燃焼室１５内に到達する。この燃焼室１５内には、燃料供給部１７を介して液体燃料（たとえば油）または気体状燃料（たとえば天然ガス）が噴入され、燃焼用空気を消費して燃焼される。
【０００４】
燃焼室１５から流出した高温ガスは後続のタービン１４内で作業出力で膨張され、コンプレッサ１３と、フランジ結合されたジェネレータ１８とを駆動する。タービンから流出する際には未だ比較的高温である排ガスは、さらに付加的に、後続の廃熱蒸気生成器２３を通って送られる。これによって別個の水‐蒸気循環路２５において蒸気タービン２４を作動させるための蒸気が生成される。このような組み合わせは、複合発電所と称される。このような複合発電所では、蒸気タービン２４をジェネレータ１８に、該タービン１４に対向する側で結合することができる。蒸気タービン２４はまた、固有のジェネレータを駆動することもできる。
【０００５】
図１の単軸設備では、ガスタービン１２の回転数とジェネレータ１８で生成される次のような交流電圧の周波数との比、すなわち、商用電源網２１の商用周波数に等しくなければならない交流電圧の周波数との比は固定的である。現在慣用されており１００ＭＷを超える出力の大型のガスタービンユニットでは、６０Ｈｚのジェネレータ周波数ないしは商用周波数には、３６００ｒｐｍのガスタービン（たとえば同出願人のガスタービンＧＴ２４）の回転数が対応し、５０Ｈｚのジェネレータ周波数には、３０００ｒｐｍの回転数（たとえば同出願人のガスタービンＧＴ２６）が対応する。
【０００６】
ガスタービン１２の回転数とジェネレータ周波数ないしは商用周波数との間で異なる比を実現しなければならない場合、図２の発電設備１０’’では基本的に、ガスタービン１２のシャフト１９とジェネレータ１８との間に（タービン系統１１’）機械的な伝動装置２６を介挿することができる。この伝動装置２６は通常、減速伝動装置として構成されることにより、より高い回転数かつより小型のガスタービン１２を実現することができる。しかし耐性上の理由から、このような機械的伝動装置２６は最大１３０ＭＷまでの電力でしか使用することができない。また、ガスタービン１機あたり１００ＭＷを超えるこのような大きな出力と高い効率とは、とりわけ比較的低速で回転する単軸機によって実現される。
【０００７】
タービン回転数と商用周波数との間の結合が固定的であることにより、以下の欠点が生じる。
・限られた条件でのみ、商用電源網で安定的に運転を行うことができる。
・ガスタービン流入温度の上昇により、タービンで出力が急激に降下したり、商用周波数を支えるためのダイナミック調整時に熱的負荷および機械的負荷が高くなってしまう。
・商用周波数ないしは負荷に依存しない発電設備の出力調整を行うことができない。
・商用周波数ないしは負荷に依存しない発電設備の効率適応化を行うことができない。
・商用周波数ないしは負荷に依存しない発電設備の部分負荷最適化を行うことができない。
・ガスタービンのエミッション調整を、限られた条件でしか行えない。
・従来は、発電所は不足周波数の場合、とりわけ電力を損失していた。適切な追従制御によって不足出力を補償して初めて、発電所は能動的に出力上昇によって商用電源網を支えることができる。その逆に、発電所は過周波数の場合、とりわけ電力を上昇する。適切な追従制御によってこの電力の上昇を補償して初めて、発電所は能動的に出力低下によって商用電源網を支えることができる。
・周波数が変動すると過渡的現象が発生する。
○不足周波数の場合、まず第一に吸引質量流が低減される。このことにより、（燃料質量流が最初は一定である場合）オーバーファイアリングが発生し、通常はその後に短時間で、調整回路介入によってアンダーファイアリングが発生する。
○同様に、過周波数の場合にはアンダーファイアリングが発生し、その後にオーバーファイアリングが発生する。
○このような過渡的現象によって寿命が短くなり、エミッション（オーバーファイアリングの場合にはＮＯｘ、アンダーファイアリングの場合にはＣＯ）が増加してしまう。
○周波数支持のために、不足周波数のもとでは、高温ガス温度が上昇され、これによって、構成部分の寿命が短くなる、並びにＮＯｘエミッションが高まるという欠点が生じる。
【０００８】
ＵＳ‐Ａ‐５６９４０２６から、減速伝動装置を有さない単軸タービンジェネレータセットが公知である。この単軸タービンジェネレータセットでは、ジェネレータの出力側と商用電源網との間にスタティックなインバータが配置され、これによって、ジェネレータによって生成された交流電圧周波数が商用電源網の周波数に変換される。ガスタービンの始動時にはジェネレータは、商用電源網からスタティックなインバータを介してエネルギーが供給されるモータとして使用される。
【０００９】
ＵＳ‐Ｂ２‐６９７９９１４から、ガスタービンとジェネレータとから成る単軸構成の発電設備が公知である。この発電設備でも、ジェネレータ出力側と商用電源網との間にインバータが設けられており、これによって、ジェネレータによって生成された交流電圧が商用周波数に適合される。
【００１０】
L.J.J Offringa, L.J.J. 等による『A 1600 kW IGBT converter with interphase transformer for high speed gas turbine power plants』（Proc. IEEE - IAS Conf. 2000. 4, ２０００年１０月８〜１２日、ローマ、２０００）第２２４３〜２２４８頁から、高速回転ガスタービン（１８０００ｒｐｍ）を備え出力電力が比較的低い（１６００ｋＷ）発電設備が公知である。この発電設備では、ジェネレータと商用電源網との間の周波数結合はインバータによって行われる。
【００１１】
しかし、商用周波数をサポートするための特別な調整コンセプトおよび動作コンセプトは、これらの印刷物には記載されていない。
【００１２】
発明の詳細な説明
本発明の課題は、過渡的現象を回避し、殊に、少ない排気および設備コンポーネントの長い寿命を特徴とする、周波数分離された発電設備の作動方法を提供することである。
【００１３】
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載された構成全体によって解決される。
本発明の方法で重要なのは、商用周波数の変化が長く続く場合に、ガスタービンの機械的または空気力学的な回転数を一定に保ち、遅滞なくガスタービンの出力を整合させることである。例えば、数秒内または数十秒内の発電所のトリップまたは大きな負荷のスイッチオフ等によって生じる突発的な商用周波数変化とは異なり、商用周波数の変化が長く継続する場合には、商用周波数が、準静的に、長い時間期間にわたって低い周波数で作動される現象として理解される。通常、このような関連においては長いく継続する変化とは、３０秒を超える時間をいう。このような変化はまた、最大で数分維持されることもあり、特別な事例では数時間維持されることもある。
【００１４】
本発明の１つの実施形態では、出力が１００ＭＷを超えるガスタービンを使用し、電子的な結合解除装置として、マトリクスインバータの形態のインバータを使用する。
【００１５】
別の実施形態では、作動周波数は商用周波数ないしは第２の周波数と格段に異なる。ここで殊に、商用周波数ないしは作動周波数は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。一般的にこのような構成では、商用周波数と作動周波数とが格段に異なるということは、５％を超える偏差で偏差することを意味する。５０Ｈｚの発電所を６０Ｈｚの商用電源網で使用するためには、また、６０Ｈｚの発電所を５０Ｈｚの商用電源網で使用するためには、２０％のオーダの差を期しなければならない。低速運転する大型機に適用する場合には、この偏差は１００％を格段に超えることもある。
【００１６】
有利にはガスタービンとして、連続燃焼方式のガスタービンも使用される。
【００１７】
さらに有利には、使用されるマトリクスインバータが、（ｍ×ｎ）行列で配置された、複数の制御可能な双方向スイッチを有し、該双方向スイッチは調整回路によって調整されて、ｍ個の入力側とｎ個の出力側とを選択的に接続し、ただしｍ＞ｎであり、前記入力側を流れる電流の正負符号を検出するための第１の手段と、該入力側の相互間の電圧の正負符号を検出するための第２の手段とが設けられており、前記第１の手段と第２の手段とは前記調整回路に作用接続されている。双方向スイッチは１つの部品から構成することもでき、また、複数の部品から構成することもできる。たとえば、導通方向が相互に逆である２つの逆並列のサイリスタを、制御可能な双方向スイッチとして使用することができる。電流の正負符号を検出するための手段は、たとえば電流測定器とすることができ、電圧の正負符号を検出するための手段はたとえば電圧測定器とすることができる。択一的にたとえば、正負符号のみを出力するバイナリセンサを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガスタービンと単軸タービン系統とを有する、従来技術の発電設備の非常に簡単な回路図
【図２】ガスタービンと機械的な伝動装置とを有する、従来技術の発電設備の非常に簡単な回路図
【図３】本発明を実現するのに用いられる、ガスタービンと電子的な結合解除装置とを備えた発電設備の非常に簡単な回路図
【図４】電子的な結合解除装置として図４の設備で使用できる、マトリクスインバータの内部構成の一例
【図５】本発明による方法を実施するための、図４と同様の設備装置
【図６】固定的な連結の場合の不足周波数現象
【図７】電子的な連結解除を伴う不足周波数現象
【図８】電子的な連結解除が行われ不足周波数の発生が予測される場合の不足周波数現象以下で実施例に基づき、図面に関連して本発明を詳しく説明する。
【００１９】
本発明の実施形態
図３に、ガスタービンと電子的な結合解除装置とを備えた発電設備を非常に簡単に示す回路図である。これは、本発明の方法を実施するのに適している。発電設備１０は、コンプレッサ１３を備えた連続燃焼方式のガスタービン１２を有し、このガスタービン１２では、第１の燃焼室１５が第１の燃料供給部１７を介して第１の燃料によって高温ガスを生成し、該高温ガスは第１のタービン１４ａ内で膨張された後に第２の燃焼室１５’内へ導かれ、第２の燃料供給部１７’を介して第２の燃料によって、該高温ガスが中間過熱され、第２のタービン１４ｂ内で膨張される。効率上特に有利な連続燃焼の代わりに、単段燃焼が実施されるように構成することもできる。この設備の他の部分は、図１または図２中の同一の参照番号を有する部分に相応する。
【００２０】
ジェネレータ１８はガスタービン１２のシャフト１９に直接フランジ結合されている。このことにより、ジェネレータ１８はガスタービン１２と等しい回転数で回転する。
しかし、ジェネレータ１８の出力側と商用電源網２１との間には電子的な結合解除装置１７が配置されており、該電子的な結合解除装置１７によって、ジェネレータ１８で生成される作動周波数ないしはガスタービン１２の回転数と、商用電源網の所定の商用周波数とが分離される。
【００２１】
電子的な結合解除装置２７は‐損失電力を制限するために‐有利には、直流電流中間回路を有さないマトリクスインバータとして構成されている。ＥＰ‐Ａ２‐１９９７９４に、駆動制御方式から特に低損失で動作するこのようなマトリクスインバータの構成および作用が記載されている。ＥＰ‐Ａ１‐１５６１２７３、ＤＥ‐Ａ１‐１０２００４０１６４５３、ＤＥ‐Ａ１‐１０２００４０１６４６３およびＤＥ‐Ａ１‐１０２００４０１６４６４に、このようなマトリクスインバータに関するさらなる詳細が記載されている。図４に、入力相数が６であり出力相数が３であるマトリクスインバータの基本回路図が示されている。マトリクスインバータ（２７）は時間的順序で、ソースであるジェネレータ１８の６相Ｇ１〜Ｇ６を負荷３０の３相Ｌ１〜Ｌ３に接続する。そのために必要なパワーセクション２９は、逆並列接続されたサイリスタの形態の１８個の双方向スイッチ３２を有する（一般的には、入力相数／ソース相数がｍであり出力相数／負荷相数がｎである場合、スイッチ数はｍ×ｎとなる）。スイッチ３２は（６×３）行列で配置される。スイッチ３２を駆動制御するために制御部または調整回路３１が設けられており、この制御部または調整回路３１はクロック発生器２８からタイミング信号（クロック周波数）を受け取る。スイッチ３２のスイッチング状態（ＯＮ，ＯＦＦ）は監視され、そのつど第１の信号線路３６を介して調整回路３１へ通知される。スイッチ３２は調整回路３１によって、そのつど制御線路３５を介して駆動制御される。
【００２２】
ジェネレータ１８の個々の相Ｇ１〜Ｇ６にそれぞれ電流測定装置３４が配置されており、これらの電流測定装置３４は相電流の正負符号を、第２の信号線路３７を介して調整回路３１へ通知する。さらに、ジェネレータ１８の相Ｇ１〜Ｇ６の相互間に電圧測定装置３３が配置されており、これらの電圧測定装置３３はそれぞれの相間差電圧の正負符号を、第３の信号線路３８を介して調整回路３１に通知する。マトリクスインバータの動作の流れの詳細に関しては、上記の刊行物を参照されたい。
【００２３】
とりわけ上記の形式のマトリクスインバータの形態で構成された結合解除装置２７によって電子的な結合解除の以下の利点が得られる：
・商用電源網２１の商用周波数を、幅広い商用周波数領域において支えることができる。固定的な周波数結合の場合、商用周波数の５〜６％の領域で商用周波数を支えることができるのに対し、電子的な結合解除によって、最大２０％までの領域において支えることができる。
・周辺条件（たとえば入口温度）に依存して作動最適値（出力、効率）を適合することができる。
・出力を上昇することができる。
・効率を改善することができる。
・負荷変動時のフレキシビリティとタービンの寿命とを改善することができる。
・さらに一定の回転数でタービンを運転させることができる。回転数を支えるための手段によって必要とされて従来発生していた付加的な熱的負荷または機械的負荷が除去される。
・エミッション値を改善することができる。可変の回転数の自由度が増加することにより、より高い回転数またはより低い回転数で所望の出力を発生させることができる。このことには、ＣＯ２およびＮＯｘのエミッションの影響の作用によりタービン入口温度が低くなるか高くなることが関連する。とりわけ、周波数を支える場合にエミッションの上昇を回避することができる。
【００２４】
本発明において、発電設備においてタービン系統、すなわちタービンおよびジェネレータを商用周波数に依存せずに所望の（設計）回転数で安定的に作動させることができるこのような有利な手段により、送電網の安定化が支援される。周波数の急激な降下時には発電所は、通常の商用周波数で出力される電力を維持するか、ないしは理想的には、より高い電力を送電網へ出力できる必要がある。従来の発電システムは、このことを保証できる程度は限られていた。商用周波数の低下は、商用周波数に固定的に結合されたシステムでは、タービンおよびジェネレータにおいて不所望の回転数低下となってしまい、その他の作動パラメータが一定である場合、出力される電力が低下してしまう。この場合、ガスタービンシステムの応答は、燃料供給量の著しい上昇となり、このことによってタービン内の高温ガス温度が高くなる。ひいてはこのことによって、タービンの寿命が著しく短縮され、設備の作動コストが上昇する。このような作動フェーズでは、ＮＯｘの形態の有害物質排出量も格段に上昇する。それゆえ、商用周波数降下時の出力上昇を大きく制限する２つの限界、すなわち寿命およびエミッションがすでに定義される。第３の側面として、機械的適合性が重要となる。６％を超える大きな周波数降下により、発電設備は遮断される。というのも、発電設備は機械的に、相応に低減された回転数で動作することができないからだ。
【００２５】
商用周波数結合解除が行われるシステムの場合、上記すべての欠点が解消される。最小許容周波数変動に関しては制限は存在しない。というのも、タービン系統には顕著な回転数変動が発生しないからである。それゆえ、有害物質の増加および寿命へのダメージも発生しない。
【００２６】
商用周波数に依存しない発電システムの別のポジティブな側面は、設備を異なる現場条件により良好に適合できることである。既述の商用電源網安定性は、現場に決定的に依存する重要な側面である。
【００２７】
この他にこれは殊に、種々異なる周辺環境、例えば外気温、空気湿度や発電所の動作状態に影響を与える燃料組成でもある。商用周波数に依存しない回転数調整の自由度がさらに増大することにより、実際の周辺条件に相応してそのつど最適化された作動条件を得ることができる。このようにして、効率改善または出力上昇も実現することができる。
【００２８】
上記のように、ガスタービンを商用周波数ないしは接続された負荷の作動周波数から周波数的に結合解除することにより、ガスタービンの作動を改善することができる。
ガスタービンはすべての作動領域において、商用周波数ないしは負荷の作動周波数に依存せずに、空気力学的な設計回転数に可能な限り近くで作動されることにより、パフォーマンスすなわち効率および出力が最適化されるようにする。
【００２９】
図５に、本発明による作動方法のために構成された発電設備１０の簡略図が示されている。ガスタービン１２およびジェネレータ１８を有するタービン系統１１は、図４に示されたタービン系統１１に相応する。このことは、電子的な結合解除装置２７と、接続された商用電源網２１とにも当てはまる。商用電源網２１は一般的な給電網とすることができ、また、鉄道送電網とすることもできる。相応の水／蒸気循環路を有する実施可能な付加的な蒸気タービンを図示するのは、スペースの都合により省略した。ガスタービン１２を制御または調整するためには、少なくとも、位置調整可能なコンプレッサ翼列４２がコンプレッサ１３の入口で使用され、かつ、燃焼室１５，１５’への燃料供給部１７ないしは１７’内で調整弁４０および４１が使用される。相応の制御信号は、個々で使用されるかまたは選択可能な組み合わせで使用される所定の入口パラメータに応じて、制御部または調整部３９から到来する。使用可能なパラメータに、空気流入口１６に配置された第１の測定値センサ４３によって測定されるコンプレッサ入口温度がある。別の使用可能なパラメータに、第２の測定値センサ４４ないしは第３の測定値センサ４５によってコンプレッサの出口で測定されるコンプレッサ終端温度およびコンプレッサ終端圧がある。コンプレッサ１３からガスタービン１２の熱負荷される部品までの冷却空気供給部５０に配置された別の測定値センサ４６が、冷却空気の圧力および／または温度および／または流量を測定する。前記ガスタービン１２の熱負荷される部品は、たとえば両タービン１４ａおよび１４ｂに設けられた部品である。第２の燃焼室内の圧力を測定するために、別の測定値センサ４７を該第２の燃焼室１５’に配置することができる。ガスタービン１２の回転数をたとえばジェネレータ１８で取り出し、測定線路４８を介して制御部３９へ入力することができる。商用電源網２１において商用周波数を測定するために、商用周波数センサ４９を設けることができる。
【００３０】
このような構成によって調整部３９は、ガスタービン１２の空気力学的または機械的な回転数が商用電源網２１の商用周波数によって異なって影響されることなく、該回転数を一定値に調整することができる。
【００３１】
ガスタービン１２と商用電源網２１とが完全に分離されると、該ガスタービン１２において、たとえば燃料質量流およびコンプレッサ翼列の位置等の相応のパラメータを介して、ガスタービン回転数の調整を行うことができる。択一的にたとえば、ガスタービンの調整部３９において計算された目標回転数５１を結合解除装置２７の調整回路３１へ伝送し、ジェネレータを介して回転数をガスタービン１２に強制することによっても、回転数の調整を行うことができる。ジェネレータ１８は結合解除装置２７を介して、ガスタービン１２と比較して準静的な商用電源網２１に抗して支えられ、商用電源網Ｆとガスタービンの機械的回転数ｎｍｅｃｈとの周波数比の調整によって回転数ｎｍｅｃｈを制御する。結合解除装置２７はこの場合、ガスタービンの機械的回転数ｎｍｅｃｈと商用周波数Ｆとの間の変速比が調整される可変伝動装置として動作する。
【００３２】
本発明では、ガスタービンは商用周波数変動時には、空気力学的設計回転数による商用周波数に依存しないで作動する。このようなコンセプトによって、ガスタービンの作動特性および寿命消費における以下の点で改善がなされる。
・従来は、発電所は不足周波数の場合、とりわけ電力を損失していた；適切な追従制御によって過少出力を補償して初めて、発電所は能動的に出力上昇によって商用電源網を支えることができる。その逆に、発電所は過周波数の場合、とりわけ電力を上昇する。適切な追従制御によってこの電力の上昇を補償して初めて、発電所は能動的に出力低下によって商用電源網を支えることができる。
・このような遅延はこのような新たなコンセプトの場合には無くなり、発電所を目下の負荷点から迅速に活負荷し、周波数を保護する。
・周波数変動時の過渡的現象の低減
○不足周波数の場合、まず第一に吸引質量流が低減される。このことにより、（燃料質量流が最初は一定である場合）オーバーファイアリングが発生し、通常はその後に短時間で、調整回路介入によってアンダーファイアリングが発生する。
○同様に、過周波数の場合にはアンダーファイアリングが発生し、その後にオーバーファイアリングが発生する。
○この新たな商用周波数に依存した作動コンセプトによって、このような過渡的現象が回避され、これによって寿命消費が低減され、設計回転数への過渡的作動時に強制的に生じる排気（オーバーファイアリング時のＮＯｘおよびアンダーファイアリング時のＣＯ）が回避される。
【００３３】
図６から８には、長く継続する不足周波数現象の例が概略的に示されている。これらを５０Ｈｚの商用電源網２１の場合で説明するが、６０Ｈｚの商用電源網２１にも、他の設計周波数を有する商用電源網２１にも同様に当てはまる。これらは類似していることから、当業者であれば過周波数現象に対する相応のコンセプトも理解することができる。妨害信号、商用周波数Ｆの高周波の小さな変動またはノイズは無視できる程度であり、これらの図には示されていない。
【００３４】
図６には、商用電源網２１とガスタービン１２との間の固定的な結合を有する従来の設備に対する、長く継続する不足周波数現象の経過特性が概略的に示されている。ガスタービン１２は時間Ｔ２まで、全負荷および設計回転数で作動される。時間Ｔ２とＴ３との間で、商用周波数Ｆは５０Ｈｚから４９Ｈｚに下降する。商用電源網２１と固定的に結合されている場合には、相応に、設計回転数によって正規化されている、ガスタービンの回転数ｎｍｅｃｈが１００％から９８％に低減する。回転数低減時に、自由になる、シャフト系統の運動学的エネルギーを考慮しなければ、回転数ｎｍｅｃｈに比例して、ガスタービンの相対的な出力Ｐｒｅｌが低減する。ここでＰｒｅｌは１００％の回転数のもとで、全負荷出力に関する相対的な出力Ｐｒｅｌである。ガスタービン１２の調整が、回転数降下に伴って低下する吸気質量流に起因して、高温ガス温度の上昇を阻止していると仮定すると、高温ガス温度Ｔｈｏｔはまずは一定に維持される。これはこの例ではまずは、短い遅延を伴って、回転数によって生じる出力降下への調整３９の応答として上昇する。全負荷高温ガス温度の１００．４％まで高温ガス温度Ｔｈｏｔが上昇することによって、出力降下は部分的に補償され、ガスタービン（１２）はこの例では、長い不足周波数現象の間、相対出力Ｐｒｅｌの９９％で、正規化された機械的回転数ｎｍｅｃｈの９８％のみで作動される。
【００３５】
商用周波数Ｆが再び上昇し始める時点Ｔ４から、相応に、正規化された機械的回転数ｎｍｅｃｈが上昇し、その結果、ガスタービン１２の相対出力ｎｍｅｃｈも低減する。Ｔ４とＴ５の間の商用周波数の上昇の間、ガスタービンの相対出力Ｐｒｅｌ、周波数保護のために商用電源網２１によって要求される出力を越え、相応に、設計温度時に正規全負荷作動の時点Ｔ５まで高温ガス温度Ｔｈｏｔが再び低減される。
【００３６】
高温ガス温度Ｔｈｏｔは、商用周波数ＦがＴ４とＴ５との間で再び自身の正規値５０Ｈｚまで低減されると、自身の設計値まで低減される。全負荷値を越えて高温ガス温度Ｔｈｏｔが上昇するのに伴って、寿命消費が高まる。商用電源網要求に応じて、周波数保護用の出力供給と寿命消費との間で妥協が得られる。
【００３７】
図７は、不足周波数現象が長く継続している間の作動パラメータの経過特性を、商用電源網２１とガスタービン１２との間に電子的な結合解除部を有する設備に対する例に基づいて概略的に示している。この場合には、５０Ｈｚの商用周波数Ｆが４９Ｈｚに降下しているのにもかかわらず、ガスタービン１２の正規化された機械的回転数ｎｍｅｃｈは１００％に維持されている。これに相応して、相対的な出力Ｐｒｅｌおよびガスタービン１２の高温ガス温度Ｔｈｏｔは、Ｔ２直後の不足周波数現象開始時に、先ずは一定に維持される。商用周波数Ｆの重大な低減に対する反応として、調整回路が反応し、高温ガス温度Ｔｈｏｔを上げ、これによってガスタービンの相対的な出力Ｐｒｅｌも上昇する。このような例では、Ｔｈｏｔが１００．４％に上がることによって、ガスタービン出力の下降のみが回避されるのではなく、商用電源網２１での全負荷出力の１０１％の相対的出力Ｐｒｅｌが出力される。時点Ｔ４から商用周波数Ｆが回復し、その結果、時点Ｔ５で再び正規化された全負荷作動に達するまで、相対的出力Ｐｒｅｌおよび相応にＴｈｏｔが低減される。
【００３８】
図８には、電子結合解除部を伴う、予測される不足周波数現象の経過特性が概略的に示されている。この例ではオペレータに対して、たとえば比較的大型の発電所が商用電源網２１から遮断されること、または比較的大型の負荷が商用電源網２１に投入されること等のイベントが間近に迫っていること、周波数の急激な降下が生じることが報告される。このことに相応して、オペレータは時点Ｔ０でガスタービン１２のスタンバイモードを選択する。ここで不足周波数現象の発生に備えるため、ガスタービン１２の機械的回転数ｎｍｅｃｈが上昇し、時点Ｔ１でたとえば１０１．５％に達する。負荷を設計完全負荷に一定に維持するためには、上昇された回転数ｎｍｅｃｈに相応して高温ガス温度Ｔｈｏｔが低減される。その際には、設計回転数１００％および設計高温ガス温度で作動するのとは異なり、場合によっては効率勾配の急激な降下を甘受する。
【００３９】
時点Ｔ２で、予測された不足周波数現象の発生が開始する。ガスタービン回転数ｎｍｅｃｈと商用周波数Ｆとが分離されていることにより、ガスタービン１２をさらに、上昇された回転数ｎｍｅｃｈで作動させることができる。ここで、時点Ｔ０と時点Ｔ１との間の回転数ｎｍｅｃｈの上昇時に行われた高温ガス温度Ｔｈｏｔの降下に相応して、高温ガス温度Ｔｈｏｔは出力上昇のために完全負荷値まで上昇される。その結果として、ガスタービンは設計高温ガス温度で、上昇された回転数ｎｍｅｃｈで作動され、この例では周波数を支えるために、完全負荷出力を超える正規化出力を出力することができる。この正規化された出力は、この例では約１００．８％である。このことは、周波数を支えるために通常なされる寿命の急激な降下を甘受することなく実現することができる。時点Ｔ４から商用周波数Ｆは回復し、その結果、時点Ｔ５で再び正規化された全負荷作動に達するまで、相対的出力Ｐｒｅｌおよび相応に回転数ｎｍｅｃｈが低減される。
【００４０】
組み合わされた発電所での使用の場合、発電所出力が、予期される不足周波数現象の前に、Ｔ１〜Ｔ２の期間において発電所出力が一定に保持されるべきであることが考慮されるべきであり、場合によってはガスタービン出力Ｐｒｅｌが上げられなければならい。回転数ｎｍｅｃｈを上げることによって、質量流ひいては圧力比がタービンを介して上げられる。さらに、ガスタービンの高温ガス温度が下げられる。両者とも、タービン出口温度の低下を結果として有する。これは、排気ガス質量流が上昇したのにもかかわらず、蒸気タービンの出力にネガティブに作用する。
【００４１】
図６および図７に示されている例のように、不足周波数現象の間、さらに周波数保護のために通常は甘受される寿命低減のもとで、高温ガス温度Ｔｈｏｔが設計値を超えて高くなるならば、ガスタービンの出力Ｐｒｅｌはさらに全負荷値を超えて高くなるだろう。ガスタービンの作動状態およびガスタービン１２の作動コンセプトに応じて、回転数上昇に伴う出力増大の補償が、Ｔｈｏｔではなく、別の調整パラメータ（例えば、位置調節可能なコンプレッサ翼４２の調整パラメータ）を介して、または調整パラメータの組み合わせを介して実現される。図示された相対的な出力Ｐｒｅｌは、準静的作動時の出力に関する。シャフト系統の回転数変化時に生じるような動的な出力成分は考慮されない。
【００４２】
連続燃焼方式のガスタービン１２にも、同様の運転コンセプトを実施することができる。その際には基本的に、２つの燃焼室１５、１５’のＴｈｏｔを調整のために使用するか、または１つの燃焼室１５，１５’のＴｈｏｔのみを変えることができる。その際には、運転コンセプトおよび作動点に応じて、別のパラメータとの組み合わせも実施することもできる。
【００４３】
例えば質量流、コンプレッサ圧、コンプレッサ出口温度、冷却空気温度および圧力等の別のプロセスパラメータ、ならびに排ガス温度は、当業者に公知のように、選択された運転コンセプトに依存して変化する。
【００４４】
回転数ｎｍｅｃｈおよび高温ガス温度Ｔｈｏｔがガスタービン出力Ｐｒｅｌに及ぼす影響の関係、ならびに調整部のダイナミックなフローは、ガスタービン１２の構成形態と、実装される調整回路と、調整パラメータとに大きく依存する。たとえば、連続燃焼方式のガスタービン１２において第２の燃焼室１５’の高温ガス温度Ｔｈｏｔの影響は、第１の燃焼室１５の影響より格段に高い。ガスタービン１２の設計基準、例えば機械的、空気力学的要件および冷却要件、並びに供給電源網要件等に依存して、ガスタービン１２の運転コンセプトを図中の実施例に相応して最適化することができる。その際には、運転コンセプトは図中の実施例に限定されることはなく、当業者によって要件に応じて組み合わせたり拡張したりすることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０，１０’，１０’’  発電設備、  １１，１１’  タービン系統、１２  ガスタービン、  １３  コンプレッサ、  １４，１４ａ，１４ｂ  タービン、  １５，１５’  燃焼室、  １６  空気流入口、  １７，１７’  燃料供給部、  １８  ジェネレータ、  １９  シャフト、  ２０  商用電源網接続部（周波数結合）、  ２１  商用電源網、  ２２  排ガス排出口、  ２３  廃熱蒸気生成器、  ２４  蒸気タービン、  ２５  水‐蒸気循環路、  ２６  伝動装置（機械的）、  ２７  結合解除装置、  ２８  クロック発生器、  ２９  パワーセクション、  ３０  負荷、  ３１  調整回路、  ３２  スイッチ（双方向）、  ３３  電圧測定装置、  ３４  電流測定装置、  ３５  制御線路、  ３６〜３８  信号線路、  ３９  調整部、  ４０，４１  制御弁、  ４２  位置調整可能なコンプレッサ翼、  ４３〜４７  測定値センサ、  ４８  測定線路（回転数）、  ４９  商用周波数センサ、  ５０  冷却空気供給部、  ５１  ジェネレータ目標回転数、  Ｔｈｏｔ  ガスタービンのタービン入口前の高温ガス温度、  Ｐｒｅｌ  ガスタービンの相対的出力
ｎｍｅｃｈ  ガスタービンの正規化された機械的回転数、  Ｆ  商用周波数、単位Ｈｚ、  Ｔ０  ガスタービン回転数ｎｍｅｃｈの上昇の開始の時点、  Ｔ１  ガスタービン回転数ｎｍｅｃｈが上昇した時点、  Ｔ２  商用周波数低下が開始する時点、  Ｔ３  商用周波数低下が低下した時点、  Ｔ４  商用周波数の上昇が開始する時点、  Ｔ５  商用周波数が再び正規値に達する時点、  Ｇ１〜Ｇ６  相（ジェネレータ）、  Ｌ１〜Ｌ６  相（負荷）
【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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【国際調査報告】
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