(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記ガスタービンに直結した発電機とを備えたガスタービン装置において、
前記エンジンの燃焼排ガス温度を計測するセンサと、前記センサで計測された燃焼排ガス温度が目標温度よりも高い第１の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を低い速度で低減する手段と、前記第１の設定値よりも高い第２の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を高い速度で低減する手段と、前記燃焼排ガス温度が目標温度よりも低い第３の設定値を下回った場合に前記発電機の出力を低い速度で増加する手段とを備えたことを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２】
前記第１の設定値と目標温度との温度差は、前記目標温度と第３の設定値との温度差と略等しいことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。
【請求項３】
前記燃焼排ガス温度が目標温度よりも高い第１の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を低減する速度は、前記燃焼排ガス温度が目標温度よりも低い第３の設定値を下回った場合に前記発電機の出力を増加する速度と略等しいことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。
【請求項４】
空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記ガスタービンに直結した発電機とを備えたガスタービン装置において、
前記エンジンの燃焼排ガス温度を計測し、燃焼排ガス温度が目標温度よりも高い第１の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を低い速度で低減し、前記燃焼排ガス温度がさらに上昇して、前記第１の設定値よりも高い第２の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を高い速度で低減し、前記燃焼排ガス温度が下降して目標温度よりも低い第３の設定値を下回った場合に前記発電機の出力を低い速度で増加することを特徴とするガスタービン装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン装置に係り、特に、ガスタービンエンジンの燃料調節弁を制御する制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン発電装置は、電力を発生する発電機と、発電機を駆動するためのガスタービンエンジンとから基本的に構成される。ガスタービンエンジンは、回転軸を介して回転自在に取り付けられたタービンと、燃焼ガスを発生させるための燃焼器と、燃焼器への燃料供給量を調節する燃料調節弁と、空気を圧縮する空気圧縮機とを備えている。
【０００３】
上述の構成において、燃料調節弁により調整された燃料および空気圧縮機により圧縮された空気は燃焼器に供給され、燃焼器にて圧縮空気と燃料との混合気が形成される。そして、燃焼器において混合気を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスがタービンに供給されることによりタービンが高速で回転するようになっている。回転軸の一端には発電機が取り付けられており、回転軸を介してタービンにより発電機を駆動することで発電が行われる。
【０００４】
このようなガスタービン発電装置においては、燃料調節弁の弁開度の制御により、起動制御あるいは定速運転制御等の各種の運転制御が行われる。例えば、エンジン燃焼排ガス温度を検出して、これが一定の値を超えないように発電電力の調整が行われる。即ち、発電出力の増大はガスタービンエンジンにおける燃焼量の増大に関連し、最大発電出力はガスタービンエンジンにおける許容燃焼排ガス温度により決められる。
【０００５】
エンジン燃焼排ガス温度を許容可能な一定の目標温度に保つための制御は、目標値に対して所定幅の上限値と下限値とを設定する。そして、排ガス温度が上限値に到達すると、発電機出力を下げる制御を行い、排ガス温度が下がり下限値に到達すると、発電機出力を増大する制御を行う。しかしながら、発電機出力の増大または低減の速度が問題であり、この速度を大きくするとハンチングが生じ、エンジン制御系の動作が不安定になるという問題がある。また、発電機出力の増大または低減の速度を小さくすると、所要値に到達するのに時間がかかり、またオーバシュートが大きくなるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、エンジン燃焼排ガス温度のオーバシュートという問題が生ぜず、且つ安定した動作が行えるガスタービン装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、本発明のガスタービン装置は、空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記ガスタービンに直結した発電機とを備えたガスタービン装置において、前記エンジンの燃焼排ガス温度を計測するセンサと、前記センサで計測された燃焼排ガス温度が目標温度よりも高い第１の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を低い速度で低減する手段と、前記第１の設定値よりも高い第２の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を高い速度で低減する手段と、前記燃焼排ガス温度が目標温度よりも低い第３の設定値を下回った場合に前記発電機の出力を低い速度で増加する手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のガスタービン装置の制御方法は、空気と、燃料を混合して燃焼することで、ガスタービンを回転駆動するガスタービンエンジンと、前記ガスタービンに直結した発電機とを備えたガスタービン装置において、前記エンジンの燃焼排ガス温度を計測し、燃焼排ガス温度が目標温度よりも高い第１の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を低い速度で低減し、前記燃焼排ガス温度がさらに上昇して、前記第１の設定値よりも高い第２の設定値を超えた場合に前記発電機の出力を高い速度で低減し、前記燃焼排ガス温度が下降して目標温度よりも低い第３の設定値を下回った場合に前記発電機の出力を低い速度で増加することを特徴とする。
【０００９】
このように構成された本発明によれば、燃焼排ガス温度が目標温度よりも高い第１の設定値を超えた場合に発電機出力を低い速度で低減し、更に第１の設定値よりも高い第２の設定値を超えた場合に発電機の出力を高い速度で低減する。従って、エンジンの燃焼排ガス温度が高い方の第２の設定値を超えた場合には、直ちに燃焼負荷が低減するので、燃焼排ガス温度が急速に低減する。これにより燃焼排ガス温度が目標温度を大幅に超えるオーバシュートという問題が防止される。
【００１０】
また、上記発電機出力が高い速度で低減しても、目標温度以下で第３の設定値を下回った場合には、発電機出力は低い速度で増加する。従って、高い速度で発電機出力を低下させる際に、目標温度よりも低い領域で再び発電機出力を高い速度で上昇させることがない。このため、発電機出力が目標温度を下回った場合には発電機出力は緩やかに増大するように制御され、これに伴いエンジンの燃焼排ガス温度も緩やかに上昇し、燃焼排ガス温度は目標温度を挟んで第１の設定値と第３の設定値との間に収束する。
【００１１】
それ故、燃焼排ガス温度のオーバシュートという問題が生ぜず、安定に燃焼排ガス温度を所定の最大許容値に制御することが可能となる。これにより、燃焼排ガス温度をその許容可能な上限値いっぱいで使用することができるので、ガスタービンエンジンが有する最大の発電出力を取り出すことが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態におけるガスタービン装置は、タービン１と、タービン１に回転駆動されて回転する発電機５と、タービン１に燃焼ガスを供給する燃焼器２と、燃焼器２への燃料の供給量を調節する燃料調節弁１４と、燃焼器２に圧縮空気を供給する空気圧縮機３と、タービン１に供給された後の燃焼ガスの熱を利用して圧縮空気を加温する再生熱交換器４と、タービン１を制御対象とする制御装置１３とを備えている。
【００１４】
タービン１は流体を受けて回転するための複数の回転翼（図示せず）を有し、ケーシング（図示せず）に収納され、回転軸６を介して回転自在に支持されている。空気圧縮機３は回転軸６を介してタービン１により駆動されて空気を圧縮するように構成されている。この空気圧縮機３は配管７を介して燃焼器２に接続されており、空気圧縮機３により圧縮された空気は配管７を通って燃焼器２に供給される。なお、配管７の途中には再生熱交換器４が設置されており、空気圧縮機を出た圧縮空気は、再生熱交換器４により加温された後、燃焼器２に供給されるようになっている。
【００１５】
燃料調節弁１４は、燃焼器２の上流側に配置され、図示しない燃料供給源から供給された燃料は、この燃料調節弁１４を通過した後、燃焼器２に供給される。燃料調節弁１４は、弁の開度が可変に構成され、この弁の開度を操作することにより、燃焼器２への燃料の供給量が調節されるようになっている。
【００１６】
燃焼器２に供給された燃料および圧縮空気は燃焼器２において混合気を形成する。燃焼器２にて図示しない着火プラグにより混合気が着火されて高温・高圧の燃焼ガスが発生する。そして、この燃焼ガスがタービン１に供給されることによりタービン１が高速で回転する。
回転軸６の端部には発電機５が接続されており、回転軸６を介してタービン１により発電機５が高速で回転駆動されることで発電が行われる。
【００１７】
このガスタービン装置には、各種のセンサを備えており、これらの信号に基づいて制御装置１３が燃料調節弁１４の弁開度の制御等を行う。回転センサ１２は、回転軸６の回転速度を検出し、定速運転時にはこの回転速度が一定となるように燃料調節弁の弁開度がフィードバック制御される。また、ガスタービンの燃焼ガスの排出部にはＥＧＴ（Exhaust Gas Temperature）センサ１６を備え、タービンより排出される燃焼排ガスの温度を計測する。そして、この温度が許容可能な目標温度を超えて上昇しないように燃料調節弁１４の制御がおこなわれる。
【００１８】
図２乃至図４は、エンジン燃焼排ガス温度（EGT）と発電機出力との制御例を示す。各図中においてエンジン燃焼排ガス温度（EGT）は実線で示し、発電機出力は点線で示す。また、これらの制御は、例えばガスタービン装置を起動後、ガスタービンの回転速度を所定の運転速度に調整した後に、発電機出力を０から例えば定格出力まで上げていく時に適用される。上述したように発電機出力はガスタービンエンジンの燃焼負荷に比例し、発電機出力が増大するとエンジン燃焼排ガス温度も上昇する。
【００１９】
図２は、比較例として排ガス温度の目標値（TARGET）の上下に設定値（UPPER BAND，LOWER BAND）を備えたものである。この制御装置１３においては、エンジン排ガス温度が上昇して上側設定値（UPPER BAND）に到達すると、発電機出力は所定速度で低減する。そして、排ガス温度が低下して下側設定値（LOWER BAND）に到達すると、発電機出力は所定速度で増加するように設定されている。この例においては、発電機出力を０から例えば定格出力まで上昇させる。この時、排ガス温度（EGT）も略直線状に上昇し、排ガス温度が目標温度（TARGET）を越え、目標温度よりも高い上限設定値（UPPER BAND）に到達すると、制御装置１３がこれを検知して発電機出力を所定速度で低減する。従って、時刻ｔ１以降は発電機出力は低下する。これに伴い排ガス温度も低下していき、目標値（TARGET）を越え、更に下限設定値（LOWER BAND）に到達すると、発電機出力は再び所定の速度で増加する（時刻ｔ２）。そして、再び排ガス温度が上限設定値を超えると、その時点で発電機出力は再び所定速度で低減する（時刻ｔ３）。同様のことが時刻ｔ４においても繰り返される。
【００２０】
このような排ガス温度と発電機出力の制御においては、燃焼排ガス温度（EGT）を目標値（TARGET）の近傍に保つことが可能である。しかしながら、上限設定値及び下限設定値における発電機出力の低減及び増加速度の設定が問題である。発電機出力の低減及び増加速度を高くすると、発電機出力が上限設定値を超えると、発電機出力は直ちに低減し、これにより排ガス温度も直ちに下降する。従って、エンジン燃焼排ガス温度が上限設定値を超えて大幅に上昇するという、いわゆるオーバシュートの問題が防止されるが、燃焼排ガス温度及び発電機出力がハンチングすることとなり、動作が不安定となる問題がある。
【００２１】
一方で、上限設定値及び下限設定値における発電機出力の低減速度及び増加速度を小さく設定すると、発電機出力を０から定格出力近辺まで上昇するに際して、上限設定値を越えても、発電機出力の低減速度が小さいので、熱的な慣性により燃焼排ガス温度は更に緩やかに上昇し続ける。また、燃焼排ガス温度がオーバシュートした後に下降するが、発電機出力の低減速度が緩やかであるので、燃焼排ガス温度の下降速度も緩やかとなる。そして、目標温度以下の下限設定値に到達すると、発電機出力は再び所定速度で増加する。従って、発電機出力の低減及び増加速度を小さくすると、オーバシュートが大きくなり、収束に要する時間が長くなるという問題がある。
【００２２】
図３は、他の比較例を示す。これは図２の上限設定値及び下限設定値をそれぞれ外側設定値（OUTER BAND）と内側設定値（INNER BAND）とに分けて、燃焼排ガス温度が目標温度よりも高い内側設定値を超えた場合に発電機出力を低い速度で低減し、更に燃焼排ガス温度が内側設定値よりも更に高い外側設定値を超えた場合に、発電機出力を高い速度で低減するようにしたものである。同様に、燃焼排ガス温度が目標温度よりも低い内側設定値を超えた場合に発電機出力を低い速度で増加させ、更に低い外側設定値を超えた場合に発電機出力を高い速度で増加させるようにしたものである。
【００２３】
このように上限値及び下限値を内側設定値と外側設定値との２段階とすることにより、図３に示す発電機出力の高い速度と低い速度との両者を兼ね備えた制御が可能となる。即ち、外側設定値では発電機出力が高い速度で低減または上昇するので、燃焼排ガス温度がこの設定値を超えた場合には、直ちに発電機出力が急速に減少または増加する。このため、上限値の外側設定値を大幅に超えたオーバシュートという問題がなくなり、また内側設定値を超えると発電機出力の低減または増加が低い速度で行われるので、これにより動作の安定性が高くなる。しかしながら、このような上限値及び下限値を２段階で設定するとしても、排ガス温度及び発電機出力が、図３に示すように振動するという問題は避けることができない。
【００２４】
図４は、本発明の実施形態の制御を示す。この実施形態においては、燃焼排ガス温度が目標温度（TARGET）よりも高い内側設定値（INNER BAND）を越えた場合に発電機出力を低い速度で低減し、それよりも高い外側設定値（OUTER BAND）を越えた場合に、発電機出力を高い速度で低減し、燃焼排ガス温度が低下していき目標温度よりも低い内側設定値を下回った場合に発電機出力を低い速度で増加するようにしたものである。従って、図３に示す制御方法と比較して、発電機出力が高い速度で増加する下限値の下側設定値を備えていない。
【００２５】
ここで、目標温度と上限値側の内側設定値及び下限値側の内側設定値との間の温度差は略等しいことが好ましい。また、燃焼排ガス温度が上限値の内側設定値を超えたときに発電機出力を低減する速度を目標温度よりも低い下限値の内側設定値を下回った場合に発電機出力を増加する速度と略等しくすることが好ましい。これにより、燃焼排ガス温度を目標温度を中心とした比較的狭い両内側設定値間に収束させることができる。
【００２６】
次に、この制御装置の動作について説明する。発電機出力を例えば０から定格出力近辺まで上げていくとする。発電機出力の上昇に伴い、燃焼排ガス温度も上昇する。燃焼排ガス温度が上限値の内側設定値を超えると、発電機出力は低い速度で低減する（時刻ｔ１）。更に熱的な慣性により燃焼排ガス温度が上昇し、上限値の外側設定値に到達すると（時刻ｔ２）、発電機出力は高い速度で低減する。これにより燃焼排ガス温度のオーバシュートが抑えられ、燃焼排ガス温度は急速に下降に向かう。そして、燃焼排ガス温度が下限値の内側設定値を下回ると、発電機出力は低い速度で増加する。そして、図示はしないが目標温度を中心として、上限値の内側設定値と下限値の内側設定値との間で緩やかに収束する。
【００２７】
従って、この制御装置によれば、燃焼排ガス温度が上限値の外側設定値に到達すると、発電機出力が高い速度で低減するので、燃焼排ガス温度のオーバシュートという問題が防止される。そして、下限値に高い速度で発電機出力を上昇させる外側設定値を備えないので、下限値側からは緩やかに目標温度に向けて燃焼排ガス温度が上昇するように発電機出力が上昇していく。これにより動作の安定性が高められ、且つ燃焼排ガス温度及び発電機出力の振動という問題が防止される。
【００２８】
このような制御装置を備えたガスタービン装置によれば、燃焼排ガス温度をオーバシュートを起こすことなく上限値の外側設定値近辺に抑えることができるので、燃焼排ガス温度目標値を燃焼排ガストリップ温度の近くに設定することができる。この燃焼排ガストリップ温度とは、この温度に燃焼排ガス温度が到達すると、発電機出力がトリップし、その出力を停止する安全のための設定温度である。このように、燃焼排ガス温度をその装置の有する許容最大温度まで目標温度として設定することができるので、その装置の有する最大発電出力を取り出すことが可能となる。また、燃焼排ガス温度のオーバシュートという問題がないので、発電機出力の上昇速度を高く取ることが可能となる。従って、ガスタービン発電装置の起動を短時間で行うことが可能となる。
【００２９】
なお、本発明のガスタービン装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガスタービン装置の有する最大出力を取り出すように燃焼排ガス温度を安定に制御することが可能となる。これにより、燃焼排ガス温度のハンチングが防止され、且つ目標温度への高い収束性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】比較例として、燃焼排ガス温度と発電機出力の関係を示す図であり、図中実線は燃焼排ガス温度を示し、点線は発電機出力を示す。
【図３】更に他の比較例として、燃焼排ガス温度と発電機出力の関係を示す図であり、図中実線は燃焼排ガス温度を示し、点線は発電機出力を示す。
【図４】本発明の実施形態のガスタービン装置の動作を示す図であり、燃焼排ガス温度と発電機出力の関係を示す。尚、図中実線は燃焼排ガス温度を示し、点線は発電機出力を示す。
【符号の説明】
１    タービン
２    燃焼器
３    空気圧縮機
４    再生熱交換器
５    発電機
６    回転軸
７    配管
１２    回転センサ
１３    制御装置
１４    燃料調節弁
１６    ＥＧＴセンサ
【図１】
0003902022.tif 000002
【図２】
0003902022.tif 000003
【図３】
0003902022.tif 000004
【図４】
0003902022.tif 000005