(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用タービンの回転数制御のための制御システムであって、回転数の目標値（Ｗ２）と現在値（Ｗ１）との差に一義的に関係する偏差信号（ｘ）が供給され得るＰＩ調節器（４）を有する１つの制御回路（２）を備え、前記制御回路（２）は回転数制御に用いられる制御要素（３）と接続可能であり、タービンの無負荷運転及び／又は分離運転の際に回転数制御に用いられ、負荷低減の際には前記制御要素（３）に閉成信号を供給するものにおいて、前記制御回路（２）の出力信号は予め与えられ得る最大の出力信号値によって制限され、前記最大の出力信号値を得たとき前記ＰＩ調節器のＩ調節器（６）の出力信号は自動的に零に制限され、前記ＰＩ調節器のＰ調節器（５）の比例定数（Ｋ１）は、所定の最小値の偏差信号（ｘ）があるとき前記ＰＩ調節器のＩ調節器（６）の出力信号（Ｙｉ）が零値をとるように選ばれることを特徴とするタービンの回転数制御システム。
【請求項２】
負荷低減を認識した際に偏差信号（ｘ）の零値へのリセットが行われることを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項３】
前記制御回路（２）に加えて第二の制御回路（７）と修正値回路（８）とを備え、前記修正値回路（８）が前記第一の制御回路（２）及び第二の制御回路（７）に接続され、タービンの無負荷運転及び／又は分離運転の際に前記第二の制御回路（７）の出力信号（ＹＩ）が前記第一の制御回路（２）の出力信号の値へ追従するようになっていることを特徴とする請求項１又は２記載の制御システム。
【請求項４】
タービンの負荷低減の際のタービンの回転数制御のための方法であって、タービンの無負荷運転及び／又は分離運転の際に回転数制御に用いられかつＰＩ調節器（４）を有する１つの制御回路（２）に、タービンの系統運転の間回転数の目標値（Ｗ２）と現在値（Ｗ１）との差に一義的に関係する偏差信号（ｘ）が供給されるものにおいて、前記制御回路（２）の出力信号は予め与えられ得る最大の出力信号値によって制限され、前記最大の出力信号値を得たとき前記ＰＩ調節器のＩ調節器（６）の出力信号は自動的に零に制限され、前記ＰＩ調節器のＰ調節器（５）の比例定数（Ｋ１）は、所定の最小値の偏差信号（ｘ）があるとき前記ＰＩ調節器のＩ調節器（６）の出力信号（Ｙｉ）が零値をとるように選ばれ、その際前記ＰＩ調節器（４）の出力信号（ＹＩ）が回転数制御のための制御要素（３）に供給されることを特徴とするタービンの回転数制御方法。
【請求項５】
制御要素（３）が制御弁であり、前記制御弁は負荷低減の発生後直ちに前記ＰＩ調節器（４）の出力信号により所定の位置に移行し、タービンの回転数（Ｗ１）が同期回転数の値以下に低下するまでの間前記の位置に保持されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
燃料供給量の調整に用いられるガスタービンの制御弁（３）が制御されることを特徴とする請求項４又は５記載の方法。
【請求項７】
蒸気供給量の調整に用いられる蒸気タービンの制御弁（３）が制御されることを特徴とする請求項４又は５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
この発明は、タービンの無負荷運転及び／又は分離運転の際に回転数制御の作用をする制御回路を備えた発電用タービンの回転数の制御システム並びに負荷低減の際のタービンの回転数の制御方法に関する。
タービン、特に発電用のターボセットにおいては、負荷低減の際に、即ち、供給すべき電気出力が減少した際に、非常停止を回避することが運転技術上の理由から屡々必要である。タービンの非常停止は、例えば負荷低減後にタービンの回転数が臨界値、例えば定格回転数の１０％を越えたときに行われる。この回避のために必要な制御技術上の特別な対策は付加的ないわゆる負荷応動機器の使用により実現することができる。このような負荷応動機器は負荷低減の際に直ちに回転数を調整する制御弁の閉鎖を行い、その制御弁を負荷低減の大きさ、即ちタービン及び発電機によって作り出される出力の減少に関係した時間だけ閉鎖しておく。この時間の経過後回転数制御はタービンの回転数調節器によって引き受けられる。この回転数調節器は無負荷運転の間並びに分離運転の間、即ち電気出力が電力系統に供給されない場合に回転数を制御する。電気出力を電力系統に供給している系統運転の間はタービンは発電機に連結され、それによりタービンの回転数は定格回転数（同期回転数）によって固定され、回転数調節器は例えばガスタービンの場合には燃料供給或いは蒸気タービンの場合には蒸気の供給の制御の作用をする。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１２９６６５７号明細書においては蒸気タービンの生蒸気弁のための電気油圧式調節器が記載されている。この生蒸気弁は開度調節器によりその位置に関連して制御される。制御の目標値としては回転数に関係する量或いは出力に関係する量が使われる。負荷低減の際には、即ち、同期発電機が結合系統から急に分離された際には純粋の回転数制御が行われる。このために詳しくは説明されていない負荷応動リレーが使用される。
イギリス特許出願公開第２０１１１２６号明細書には燃料供給弁をＰＩ調節器で制御するガスタービンの制御システムが記載されている。この制御システムはガスタービン設備の純粋な系統運転において有力であり、負荷変動の際にはそれに応じて追従制御を行うように設計されている。このような制御システムは、その積分成分が良質な制御のためには大きい時定数を、これに対してガスタービンの負荷変動に対するできるだけ速い応動のためには小さい時定数を必要とするという矛盾をそれ自体に持っている。負荷変動の際に燃料をフィードバックし、従って燃焼室に流入する燃料の量を減少させる付加的な燃料フィードバック弁を配置する場合でさえ、積分要素の選択された時定数によりタービンの回転数に望ましくない変動が生ずる。燃料量を負荷変動の後に要求される回転数に速やかに適合させること、即ち回転数を要求される一定回転数にできるだけ速やかに設定することは、一定信号に回転数差信号を重ね合わすことにより行われる。これにより積分器の差信号に対する応答が加速される。回転数の制御のために関数発生器に常に回転数差信号が加わっている。関数発生器はそれ故零とは異なる回転数差信号に応じて、回転数の変化を減らし、その結果燃料供給弁を介して供給された燃料量が減少される。
ドイツ連邦共和国特許第２６２７５９１号明細書においては回転数調節器と出力調節器とを備えたタービンの制御装置が開示されている。両調節器は最小値選択回路と接続され、タービンの系統運転の間互いに追従している。この最小値選択回路により回転数調節器或いは出力調節器のその時々の小さい方の値が選択され、弁の制御値を発生する比例要素に導かれる。回転数調節器は、突然の負荷低減が発生した際にそれにより生ずるタービンの回転数の上昇が小さくなるように、特に運転回転数に対して約１％しか上昇しないように設計されている。具体的に説明される唯一の実施例として、比例要素、積分要素及び微分要素を備えた回転数調節器が提示されている。発電機によるタービンの負荷が脱落した際微分要素を介して回転数調節器の出力が直ちに下方に向かって制御され、タービンは設定された回転数に調節される。負荷低減の際に上昇した回転数はそれ故微分要素によって直ちに再び減少される。このために微分要素には信号として直接系統周波数が、比例要素及び積分要素には目標周波数と系統周波数との差が供給される。
この発明の課題は、タービンの負荷低減の際の回転数制御の操作を改善することにある。
この発明によればこの課題は、発電用タービンの回転数制御のための制御システムであって、回転数の目標値と現在値との差に一義的に関係する偏差信号が供給され得るＰＩ調節器を有する１つの制御回路を備え、この制御回路は回転数制御に用いられる制御要素と接続可能であり、タービンの無負荷運転及び／又は分離運転の際に回転数制御に用いられ、負荷低減の際には制御要素に閉成信号を供給するものにおいて、制御回路の出力信号は予め与えられ得る最大の出力信号値によって制限され、この最大の出力信号値を得たときＰＩ調節器のＩ調節器の出力信号は自動的に零に制限され、ＰＩ調節器のＰ調節器の比例定数は、所定の最小値の偏差信号があるときＰＩ調節器のＩ調節器の出力信号が零値をとるように選ばれる制御システムにより解決される。
このような第一の制御回路を備えた制御システムにより、付加的な機器或いは電気回路なしで制御要素を遅滞なく制御することが保証される。これにより負荷低減の場合に生ずる回転数の上昇がタービンの非常停止を起こさない程度の、許容し得る値に制限される。
ＰＩ調節器はタービンの無負荷運転及び／又は分離運転の際の回転数制御に対しても、また制御要素の制御に対しても適している。従ってこの制御要素は負荷低減の後直接閉成信号によって所定の位置にもたらされる。制御要素は負荷低減の大きさによって定まる時間の間この位置に留まり、この時間経過後に第一の制御回路の出力信号の上昇により無負荷運転及び／又は分離運転に必要な位置に制御される。
適当な偏差信号により、積分器は零値にまで下方に積分しこの値にタービンの系統運転の間留まることが達成される。これは、例えば、通常の系統運転の間第一の制御回路はたしかに制御要素を操作しないが、常に零とは異なる偏差信号を受け、これにより第一の制御回路がオーバードライビング状態にあることにより達成される。第一の制御回路の出力信号は所定の最大出力信号値によって制限される。この最大出力信号値はＰ調節器の出力信号によって支配される。Ｐ調節器の比例定数Ｋ１がその場合、この比例定数と偏差信号との積が第一の制御回路の最大出力信号より大きいかこれに等しいように選ばれている場合、Ｉ調節器の出力信号は自動的に零に制限されている。これにより、負荷低減の発生の際第一の制御回路の積分成分が零値を持つことが保証される。偏差信号を同様に零値にリセットすることにより、第一の制御回路は負荷低減の発生の直後に、同様に零値を持つ出力信号を供給する。この「零」出力信号は負荷低減の直後にそれ故制御要素にも加わり、これにより制御要素は遅滞なくその所定の位置を、特に閉成位置をとる。偏差信号は例えば、回転数の目標値が丁度同期回転数の値、即ち系統運転の間及び負荷低減の発生の際回転数の現在値と一致する値にセットされることにより零にされる。
負荷低減の後、即ち発電機の分離してタービンを無負荷運転及び／又は分離運転へ切り換えた後は回転数の制御は第一の制御回路を介して行われる。制御要素が所定の位置、特に閉成位置に留まっている時間は負荷低減の大きさに関係する、特にこれに比例する。第一の制御回路は回転数制御を、所定の目標値、特にタービンの同期回転数が達せられるように行う。負荷低減の後タービンの回転数は同期回転数以上に上昇するが、最大値に達した後に再び低下する。回転数が同期回転数以下に低下すると、直ちに第一の制御回路を介して制御要素の制御、例えば制御弁の改めての開放が行われ、その結果回転数は第一の制御回路のパラメータ及び制御アルゴリズム（ＰＩアルゴリズム）に関連して同期回転数に適合される。
無負荷運転及び／又は分離運転から系統運転への切り換えの際に一定回転数を保証するために、制御システムは、好ましくは、前述の第一の制御回路のほかに第二の制御回路と修正値回路とを備える。修正値回路は第一の制御回路及び第二の制御回路に、無負荷運転及び／又は分離運転の際に第一の制御回路の出力信号の値に第二の制御回路の出力信号が追従されるように接続されている。これにより無負荷運転及び／又は分離運転時の何時でも第一の制御回路及び第二の制御回路の出力信号は一致し、従って系統運転に切り換える際に、系統運転時に第二の制御回路にそして分離運転時に第一の制御回路に接続されている制御要素に同じ出力信号が供給される。
タービンの負荷低減の際のタービンの回転数制御のための方法であって、タービンの無負荷運転及び／又は分離運転の際に回転数制御に用いられかつＰＩ調節器を有する１つの制御回路に、タービンの系統運転の間回転数の目標値と現在値との差に一義的に関係する偏差信号が供給されるものにおいて、制御回路の出力信号は予め与えられ得る最大の出力信号値によって制限され、この最大の出力信号値を得たときＰＩ調節器のＩ調節器の出力信号は自動的に零に制限され、ＰＩ調節器のＰ調節器の比例定数は、所定の最小値の偏差信号があるときＰＩ調節器のＩ調節器の出力信号が零値をとるように選ばれ、その際ＰＩ調節器の出力信号が回転数制御のための制御要素に供給される回転数制御方法によって解決される。
この方法は、ただ１つの制御回路において無負荷運転及び／又は分離運転の際の並びに負荷低減の際の回転数がタービンの非常停止を回避するために使用されるという長所を持っている。ＰＩ調節器のパラメータを適切に選択することによって、系統運転の間第一の制御回路に加わっている偏差信号により第一の制御回路がオーバードライブされ、第一の制御回路の出力信号におけるＩ調節器の成分が零になることが保証される。負荷低減が発生した際、例えば発電機がタービンから切り離され、タービンの制御要素の制御が第一の制御回路に切り換えられかつ偏差信号が同様に零にセットされるとき、第一の制御回路の出力信号はＰ調節器によって与えられる。この調節器は「零」偏差信号が加わっている際同様に零値を持つ出力信号を供給するので、この出力信号によって制御される制御要素は遅滞なく所定の位置に移行する。制御要素は例えば制御弁であり、この弁は零値を持つ入力信号が加わるときに最小の開度位置に移行し、その結果タービンの回転数が最大許容可能な値以下の値に制限される。これにより負荷低減の際には有効にタービンの非常停止が阻止される。
この方法は、ガスタービンにも蒸気タービンにも適している。ガスタービンにおいては第一の制御回路によって制御される制御要素は燃料供給量の調整の作用をする制御弁である。蒸気タービンの場合には制御要素は蒸気供給量の調整の作用をする制御弁である。
図面を参照してタービン回転数の制御システム及び制御方法を詳しく説明する。
図１はこの制御システムの概略構成を示し、図２は回転数の目標値、回転数の現在値並びに回転数制御に用いる制御弁のストロークの時間経過を示す。
図１において系統運転時の並びに負荷低減及び無負荷運転及び／又は分離運転の際のガスタービンの制御システム１が概略的に示されている。制御システム１は、Ｐ調節器５（比例定数Ｋ１）とＩ調節器６からなるＰＩ調節器４を含む第一の制御回路２を備えている。さらに、制御システム１はＰ調節器（比例定数Ｋ２）を持つ第二の制御回路７を備えている。第一の制御回路２と第二の制御回路７とはそれぞれ発電機側の遮断器９に接続され、この遮断器は最小値選択装置１１を介してタービンの回転数制御のための制御要素３に接続されている。第一の制御回路２はさらにその出力側で修正値回路８に接続されている。最小値選択装置１１にはその他に制御要素３の制御を制限する制限信号ＹaMINが加わっている。
ガスタービンの系統運転の間出力制御は第二の制御回路７を介して行われる。遮断器９はこの場合第二の制御回路７を最小値選択装置１１を介して制御要素３に接続する。ガスタービンの回転数はそれ故その同期値にある。出力制御は、第二の制御回路７に回転数の目標値Ｗ２と現在値Ｗ１、即ち同期値との差ｘが導かれるように行われる。この差の値ｘは偏差信号である。偏差信号は第二の制御回路７の他に第一の制御回路２にも、即ち２つの調節器５、６にも導かれる。この偏差信号は第一の制御回路２をオーバードライビング状態に制御し、第一の制御回路２はその制御値ＹＩmaxによって制限されている。Ｐ調節器５及びＩ調節器６のそれぞれの出力信号Ｙp、Ｙiは加算される。その和は第一の制御回路２の出力信号ＹＩを形成している。Ｐ調節器５の比例定数Ｋ１の適切な選択によってＰ調節器５の出力信号Ｙpは丁度第一の制御回路２の制限値ＹＩmaxに一致する。オーバードライビング状態制御及び／又は比例定数Ｋ１の選択によってＩ調節器６はほぼ零に積分しているので、その出力値Ｙiは零になる。第一の制御回路２の出力値ＹＩ＝Ｙp＋Ｙiは丁度ＹＩmaxとなる。系統運転の際には目標値Ｗ２はタービンの所望の出力付与に応じて固定的に設定可能な或いは出力制御システムによって制御可能な値を持っている。この目標値Ｗ２と現在値Ｗ１との差はＰ調節器７により増幅されて制御要素３に導かれる。目標値Ｗ２は負荷低減の際には目標値スイッチ１２を介してタービンの周期回転数に予め定め得る。
負荷低減が起きたときには以下の対策が実行される。
回転数の目標値Ｗ２は同期値にセットされ、これにより現在値Ｗ１と目標値Ｗ２とは一致する。従って、両値の差ｘ、即ち偏差信号は丁度零となる。遮断器９は切り換えられ、第一の制御回路２が制御要素３に接続される。
系統運転の間常に準備している制御回路２はそれ故ガスタービンの回転数制御を引き受ける。負荷低減を認識した直後偏差信号ｘは零値を持っているから、Ｐ調節器５にもＩ調節器６にも零値を持つ入力信号が加わる。Ｐ調節器５の出力信号Ｙpは従って同様に零値を持つ。Ｉ調節器６の出力信号Ｙiは前述したことに基づいていずれにせよ零値を持つ。従って第一の制御回路２の出力信号ＹＩは同様に零値を持つ。この零値は制御要素３に入力信号として送られる。この制御要素３は、ガスタービンの燃料供給を制御する制御弁である。第一の制御回路２の「零」出力信号が加わるとき、制御弁は前もって設定された最小の開度位置に移行する。これにより燃料供給量は急激にガスタービンの運転維持に必要な最小流量に制限される。燃料供給量の急激な制限によりタービンの回転数は短時間しか高い値に上昇せず、その後再び同期値以下に低下する。これについては図２において尺度どおりではないが概略的に示されている。
図２は回転数の目標値Ｗ２、回転数の現在値Ｗ１並びに制御弁３のストロークの時間経過を互いに尺度どおりではなく示している。時点ｔ1までは全ての３つの値は一定であり、この場合回転数の目標値Ｗ２は現在値（同期値）より大きい。時点ｔ1に達すると、即ち負荷低減が起きると、目標値Ｗ２は急激に同期値（この時点で現在値Ｗ１に一致）に低下する。このために目標値スイッチ１２が閉成される。これにより制御弁３のストロークＺは、上述したように、同様に殆ど急激に所定の値に戻る。時点ｔ1の後に回転数Ｗ１は短時間上昇し、急速に再び低下し、時点ｔ2で回転数Ｗ１は同期値を再び下回る。この時点ｔ2まで制御弁３のストロークＺは、第一の制御回路２を介して制御されて所定の最小値に制限されている。回転数の現在値Ｗ１が周期値、即ち目標値Ｗ２を下回った後に、偏差信号ｘは正となり、第一の制御回路２は制御弁３のストロークＺを、回転数が同期値に整定されるように変化させ始める。
第一の制御回路２の出力信号ＹＩは修正値回路８に送られ、その時その中に生成された修正値ｄＷは偏差信号ｘに加算して第二の制御回路７に送られる。この偏差信号ｘは同期回転数に達した（Ｗ１＝Ｗ２）時に零に等しい。修正値回路８はＰ調節器１３を備え、その比例定数は第二の制御回路７のＰ調節器の比例定数Ｋ２の逆数の値１／Ｋ２を持っている。Ｐ調節器１３の出力値は保持要素１４に導かれ、この要素は、系統スイッチ（図示せず）及びタービンの系統運転のための発電機遮断器９が同時に投入されているとき、出力値を維持する。保持要素１４に与えられる保持信号は、それぞれ制御信号１６、１７が系統スイッチ及び発電機遮断器９の位置に応じて供給される論理積素子１５により作られる。これにより第二の制御回路７の出力信号がガスタービンの無負荷運転及び／又は分離運転の間常に第一の制御回路２の出力信号ＹＩの値に保持される。それ故、遮断器９を系統運転に切り換える際、回転数はこの切り換えによって変更されず、特に回転数の跳ね上がりは起きない。
制御システム１、第一の制御回路２、修正値回路８及び第二の制御回路７は電気的或いは電子的構成部品として、また集積回路として及び／又はソフトウェア回路として実現されることは自明である。
この発明は、負荷低減の制御を付加的な負荷低減機器なしで行うことができるという点で優れている。負荷低減の認識後の制御は完全に第一の制御回路によって行われる。この制御回路は無負荷運転及び／又は分離運転中のタービンの回転数制御にも用いられる。この制御回路はＰＩ調節器を備え、その積分成分は通常の系統運転の間零値に抑制される。これは、特に、第一の制御回路が系統運転の間常に、回転数の所定の目標値と現在値との偏差に相当する偏差信号によって制御されることにより達成される。この偏差信号は負荷低減の発生の際零値にセットされるので、第一の制御回路の入力信号及び出力信号も同様に丁度零になる。第一の制御回路の出力信号は、回転数の制御に用いられ零値の出力信号が加わったときに所定の最小制御位置に移行するタービンの制御要素に伝達される。この発明による制御システム及び制御方法により、負荷低減の際にタービンの回転数が確実に非常停止を行わせるであろう臨界値以下に留まることが保証される。
【図１】
0004073956.tif 000002
【図２】
0004073956.tif 000003