(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱出力を電力に変換するターボ群（１０）の出力の調整方法であって、該ターボ群（１０）は共通の軸（１７）に、熱出力によって駆動されるタービン（１１）と該タービン（１１）によって駆動される、電力（ＰＧ）を電源網（１８）に送出する発電機（１６）とを有しており、該発電機（１６）によって送出される電力（ＰＧ）を求めかつ前記タービン（１１）に対する熱出力（ＰＴ）を前記求められた電力（ＰＧ）に依存して調整する形式の方法において、
付加的に、前記軸（１７）によって消費されるないし送出される運動力（Ｐｋｉｎ）を求め、かつ前記熱出力（ＰＴ）を前記電力（ＰＧ）と前記運動力（Ｐｋｉｎ）との和に応じて調整し、ここで
前記運動力（Ｐｋｉｎ）を求めるために、前記軸（１７）の回転周波数（ｆ）を測定し、かつ該測定された回転周波数（ｆ）から次式
Ｐｋｉｎ＝４π２θｆ（ｄｆ／ｄｔ）（θ＝軸の慣性モーメント）
に従って前記軸（１７）の運動力（Ｐｋｉｎ）を計算し、かつ
調整のための基準となる、前記軸（１７）の慣性モーメントθを検出するために、ターボ群（１０）の定常運転時のある時点で、発電機（１６）を電源網（１８）から切り離すことによって電力（ＰＧ）を零に設定しかつ該時点に存在する、前記軸（１７）の回転周波数（ｆ）および回転加速度ｄｆ／ｄｔを測定し、かつ前記軸（１７）の慣性モーメントθに対する値を、前記式Ｐｋｉｎ＝４π２θｆ（ｄｆ／ｄｔ）に従って計算された運動力Ｐｋｉｎが前記切り離しの時点において測定された電力（ＰＧ）に等しいように選択する
ことを特徴とするターボ群の出力の調整方法。
【請求項２】
前記電力（ＰＧ）と前記運動力（Ｐｋｉｎ）との和を前以て決められた出力値（ＰＣ）と比較しかつ差（ΔＰ）が正であるとき熱出力（ＰＴ）を低減しかつ差（ΔＰ）が負であるとき熱出力（ＰＴ）を高める
請求項１記載のターボ群の出力の調整方法。
【請求項３】
前記タービン（１１）はガスタービン（１５）の部分であり、該ガスタービン（１５）は燃焼空気に対する制御可能な入口（１４）と、燃焼空気を圧縮するための圧縮機（１３）と、燃焼空気が供給されて燃料を燃焼するための燃焼室（１２）と、前記タービン（１１）とを有しており、かつ前記熱出力（ＰＴ）を調整するために、前記制御可能な入口（１４）を介して吸入される質量流量と前記燃料の質量流量（ｄｍｆｃ／ｄｔ）を調整する
請求項１または２記載のターボ群の出力の調整方法。
【請求項４】
前記発電機（１６）から送出される電力（ＰＧ）を求めるために、前記軸（１７）の回転周波数（ｆ）および該軸（１７）に加わる回転モーメントを測定しかつこれらの量から電力（ＰＧ）を計算する
請求項１から３までのいずれか１項記載のターボ群の出力の調整方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法を実施するための装置であって、前記タービン（１１）に対する熱出力（ＰＴ）を調整するための出力調整器（２０）と、ターボ群（１０）の出力を前以て決められた出力値（ＰＣ）と比較しかつ差値（ΔＰ）を制御信号として前記出力調整器（２０）に送出する第１の手段（１９）とを有している形式のものにおいて、
前記軸（１７）の回転周波数（ｆ）を測定するための第２の手段（２５，２５′）が設けられており、かつ前記測定された回転周波数（ｆ）と該回転周波数（ｆ）の時間的な変化ｄｆ／ｄｔから式Ｐｋｉｎ＝４π２θｆ（ｄｆ／ｄｔ）（θ＝前記軸の慣性モーメント）に従って前記軸（１７）の運動力（Ｐｋｉｎ）を求める第３の手段（２６，…，２９）が設けられており、かつ前記発電機（１６）によって送出された電力（ＰＧ）と前記第３の手段（２６，…，２９）によって求められた運動力（Ｐｋｉｎ）とを加算しかつ前記ターボ群（１０）の出力として前記第１の手段（１９）に送出する第４の手段（３０）が設けられている
ことを特徴とするターボ群の出力の調整装置。
【請求項６】
前記第３の手段は、微分素子（２７）と、乗算器（２８）と、調整設定可能な増幅係数を有する増幅器（２９）とを有している
請求項５記載のターボ群の出力の調整装置。
【請求項７】
前記第１の手段は減算器（１９）であり、前記第２の手段は回転周波数発生器（２５，２５′）でありかつ前記第４の手段は加算器（３０）である
請求項５または６記載のターボ群の出力の調整装置。
【請求項８】
請求項１記載の方法を蒸気タービンを有するターボ群に使用する
ことを特徴とする用途。
【請求項９】
請求項１記載の方法をガスタービン（１５）を有するターボ群に使用する
ことを特徴とする用途。
【請求項１０】
請求項１記載の方法を、ガスタービンと該ガスタービンの後ろに配置されている蒸気タービンとを有するターボ群に使用する
ことを特徴とする用途。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電技術の分野に関連する。本発明は、熱出力を電力に変換するターボ群の出力の調整方法であって、該ターボ群は共通の軸に、熱出力によって駆動されるタービンと該タービンによって駆動される、電力を電源網に送出する発電機とを有しており、該発電機によって送出される電力を求めかつ前記タービンに対する熱出力を前記求められた電力に依存して調整する形式の方法に関する。
【０００２】
本発明は更に、本発明の方法を実施するための装置であって、前記タービンに対する熱出力を調整するための出力調整器と、ターボ群の出力を前以て決められた出力値と比較しかつ差値を制御信号として出力調整器に送出する第１の手段とを有している形式のものに関する。
【０００３】
本発明は更に、本発明の方法の種々の用途に関する。
【０００４】
【従来の技術】
ガスタービンの出力を調整する通例の形式および方法は、所属の発電機の出力端子にて送出される電気的な出力（電力）ＰＧを測定し、該測定値を前以て決められた出力値（目標値）ＰＣと比較しかつ結果として得られた差信号Δ＝ＰＧ−ＰＣを制御信号として出力調整器に送出し、出力調整器がガスタービンの熱的な出力（熱出力）を調整することにある。
【０００５】
この種の公知の出力調整器に対する回路の構成例が図１に示されている。ガスタービン１５と発電機１６とから成るターボ群１０の出力が調整される。ガスタービン１５は、本来のタービン１１と、燃焼室１２と、圧縮機１３と、通例位置調整可能な入口の案内羽根(Variable Inlet Guiding Vanes ＶＩＧＶｓ）から成る、燃焼空気用の制御可能な入口１４とを有している。タービン１１と発電機１６は共通の軸１７に装着されている。この軸の回転周波数ｆが回転周波数発生器２５を用いて測定される。発電機１６は、発生された電力ＰＧを電源網１８、普通は３相交流電源網に送出する。発電機１６の電力ＰＧは減算器１９において前以て決められた出力値ＰＣと比較されかつ差ΔＰが出力調整器２０に供給される。出力調整器は制御可能な入口１４を介して圧縮機１３に供給される燃焼空気の量、および燃料室１２に供給される燃料の質量流量ｄｍｆｃ／ｄｔを制御する。
【０００６】
前以て決められる出力値（目標値）ＰＣは、基準出力値Ｐ＊Ｃと補正値ΔＰＣｔとから成る和ＰＣ＝Ｐ＊Ｃ＋ΔＰＣｔから得られるものである。補正値ΔＰＣｔは、測定された回転周波数ｆが回転周波数目標値ｆｃから偏差している場合に減算器２４において形成された差Δｆと前以て決められた特性曲線ΔＰＣ＝Ｋ（Δｆ）とに従って相応の補正値を出力する特性曲線発生器２３から到来する。付加的に、調整信号の変化速度を制限する上昇制限器２１が設けられている。
【０００７】
今や、図１に示されている調整回路が、軸の強い（正または負の）加速度が発生するとき、ガスタービンの場合により生じる危険な挙動を招来することがあることが明らかになった。この場合、ターボ群の測定された（電気的な）出力ＰＧはもはや、燃焼空気および燃料の質量流量によって決められる、ガスタービン１５の発生された熱出力ＰＴに対する尺度ではなく、付加的に、運動力のかなりの成分を含んでいる。測定された出力と発生された熱出力との間に結果的に生じる不一致のために、出力調整が燃焼空気および燃料の質量流量に（それ自体正当でない）変化が加えられることになり、これによりガスタービンそれ自体および／または接続されている電源網の安定性にとって危険なことになりかねない。
【０００８】
更に発電機スイッチが開放されると、発電機において測定される電力ＰＧは零に降下する。というのは、電源網に電力の流れが存在していないからである。この場合も結果的に、測定されスタた出力と発生された熱出力との間に不一致が生じることになり、出力調整部はガービンの熱状態に関して誤った情報を受け取り、このために出力調整器の不都合な挙動を招来することになる。
【０００９】
上述の問題点に対する基本的な原因は、ガスタービンのロータに対して次の出力式を立てると明らかになる：
（１）          ＰＧ＝ＰＴ−Ｐｋｉｎ
上式中、ＰＴはガスタービンの有効熱出力を表しかつ
（２）          Ｐｋｉｎ＝４π２θｆ（ｄｆ／ｄｔ）
は軸の運動力であって、θは軸の慣性モーメント、ｆは軸の回転周波数およびｄｆ／ｄｔは軸の回転周波数の変化（加速度）である。式（１）および（２）から、電気的な出力ＰＧの測定が一般に、ガスタービンにおける熱出力に対する直接的な尺度にはならず、軸における全体の出力に対する尺度でありかつ軸の減速ないし加速の際に送出ないし消費される運動力を含んでいることがわかる。
【００１０】
このことから、出力調整の次の不都合な挙動のパターンが明らかになる：
１．運動力の送出の期間の熱出力の不足供給
この場合、ロータ（軸）は著しく制動される。このことは典型的には、ガスタービンが電源網に同期されており、電源網が周波数の著しい低減を被るときに生じる。この低減の結果として、ロータは大きな値の運動エネルギーを送出し、このために測定される出力ＰＧが突然上昇することになる。目標値ＰＣが大して変化しなければ、出力調整部は熱出力ＰＴを低減して、測定される出力ＰＧが目標値ＰＣにできるだけ近傍に保持されるようにする。しかしこのことはまさに、調整系の誤った応答である。というのは、電源網における周波数低下は所要出力が高められていることの証であるからである。むしろ、出力の余裕を十分に持っているガスタービンは、熱出力を低減するのではなくて高めて、電源網の安定化を支援すべきである。付加的に、運動力の送出に基づくガスタービンの熱出力の不足供給が火炎の消失を来す可能性があり、そうなれば既に存在している、電源網の出力不足に更に拍車をかけることになる。この挙動は全体として電源網の安定性を更に重大に脅かすことになる。
【００１１】
２．負荷投入期間の過剰な熱出力供給
ここで、安定した電源網と同期して一定の速度でかつ所定の出力（例えば１６０ＭＷの熱出力）で回転しているガスタービンの状態を考察する。軸の速度は一定であるので（ｄｆ／ｄｔ＝０；Ｐｋｉｎ＝０）、測定される電力ＰＧは式（１）に従って熱出力ＰＴと同一である。そこで発電機スイッチが開放されると、測定される電気的な出力ＰＧは零に低下する。その結果出力調整器には、熱出力が実際には変わっていない（例えば１６０ＭＷ）にも拘わらず、０ＭＷ出力を表している信号が供給される。これにより出力調整器は誤って、出力目標値によって要求される値だけ熱出力を高めるように振る舞うことになる。これにより理論的には熱出力は出力目標値ＰＣの２倍に高められる可能性がある。発電機スイッチが開放されるや否や、ロータは熱出力ＰＴによって加速される。信号ＰＧの低下およびその結果高められることになる、ガスタービンの熱出力は軸の加速度を一層高め、その結果軸は場合によっては速度の限界領域に達する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上述した欠点を回避しかつ熱出力を、ターボ群およびターボ群の過負荷による電源網の不安定性が確実に回避されるように調整する、ターボ群の出力調整のための方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この課題は、冒頭に述べた形式の方法において、付加的に、軸によって消費されるないし送出される運動力を求め、かつ熱出力を電力と運動力との和に応じて調整することによって解決される。軸の運動力を出力調整に関連付けることによって、殊に負荷投入時および電源網が不安定である場合の、出力調整の不都合な誤った挙動を確実に回避することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の方法の第１の有利な実施の態様は、運動力を求めるために、軸の回転周波数を測定し、かつ該測定された回転周波数とその時間的な変化から式Ｐｋｉｎ＝４π２θｆ（ｄｆ／ｄｔ）（θ＝軸の慣性モーメント）に従って軸の運動力を計算することによって特徴付けられている。これにより、軸上の唯一の回転周波数発生器によって簡単な手法で軸の運動力をいずれの時点においても確実かつ正確に求めることが可能である。
【００１５】
基本的に、電力は発電機の端子において測定することができる。発電機とは独立した、別の形式の測定は、本発明の第２の有利な実施例によれば、発電機から送出される電力を求めるために、軸の回転周波数および軸に加わる回転モーメントを測定しかつこれらの量から電力を計算するという特徴を有している。
【００１６】
軸の運動力を求める際に軸の慣性モーメントθが関係してくる。原則的には慣性モーメントを計算することができまたは経験的に求めることもできる。軸の運動力を求めるための特別簡単な方法は、本発明の別の有利な実施例に記載されているように、調整のための基準となる、軸の慣性モーメントθを検出するために、ターボ群の定常運転時のある時点で、発電機を電源網から切り離すことによって電力を零に設定しかつ該時点に存在する、軸の回転周波数および回転加速度ｄｆ／ｄｔを測定し、かつ軸の慣性モーメントθに対する値を、式Ｐｋｉｎ＝４π２θｆ（ｄｆ／ｄｔ）に従って計算された運動力Ｐｋｉｎが切り離しの時点において測定された電力ＰＧに等しいように選択することによって実現される。
【００１７】
タービンに対する熱出力を調整するための出力調整器と、ターボ群の出力を前以て決められた出力値と比較しかつ差値を制御信号として出力調整器に送出する第１の手段とを有している、本発明の方法を実施するための装置は、軸の回転周波数を測定するための第２の手段が設けられており、かつ測定された回転周波数と該回転周波数の時間的な変化ｄｆ／ｄｔから式Ｐｋｉｎ＝４π２θｆ（ｄｆ／ｄｔ）（θ＝前記軸の慣性モーメント）に従って軸の運動力を求める第３の手段が設けられており、かつ発電機によって送出された電力と第３の手段によって求められた運動力とを加算しかつターボ群の出力として第１の手段に送出する第４の手段が設けられているという特徴を有している。
【００１８】
本発明の装置の有利な実施例によれば、第３の手段は、微分素子と、乗算器と、調整設定可能な増幅係数を有する増幅器とを有している。
【００１９】
本発明によれば、この方法は、蒸気タービンまたはガスタービンを有するターボ群またはガスタービンと該ガスタービンの後ろに配置されている蒸気タービンとを有する組み合わせ発電ユニットに使用される。
【００２０】
本発明のその他の実施の態様は、従属請求項に記載されている。
【００２１】
【実施例】
次に本発明を図示の実施例に付き図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図２には、図１に対応して、本発明の方法の有利な実施例が基礎としている、ガスタービン１５に対する出力調整部が略示されている。部分１１〜１４を有するガスタービン１５、軸１７、電源網１８に接続されている発電機１６およびエレメント１９〜２５から形成されている調整ループは実質的に図１のものと同じであり、それ故に同一の参照符号が付されている。図１に対して次の点が変更されている：発電機１６の測定された電力ＰＧは減算器１９において前以て決められた出力目標値ＰＣと直接比較されるのではなくて、電力ＰＧにまず加算器３０において運動力Ｐｋｉｎが付加加算される。
【００２３】
運動力Ｐｋｉｎは補正回路２６において、軸１７において測定された、軸１７の回転周波数ｆから式（２）に従って計算される。このために測定された回転周波数ｆは２つの入力側を備えている乗算器２８の１つの入力側に供給される。乗算器２８の他方の入力側には、測定された回転周波数ｆから微分素子２７における微分によって導出される、回転周波数ｆの時間的な変化ｄｆ／ｄｔが供給される。それから乗算器２８において計算された、量ｆとｄｆ／ｄｔとから成る積は、増幅係数４π２θを有している増幅器２９において増幅される。それから、同時に補正回路２６の出力側を形成する、増幅器２９の出力側に、量Ｐｋｉｎが現れ、それは加算器３０に送出される。この実施例の補正回路２６は、測定された回転周波数ｆから所望の運動力Ｐｋｉｎを計算するアナログ計算回路であるが、この計算は、入力量がその前に相応にデジタル化されていれば、マイクロプロセッサまたは類似のものを用いて勿論デジタルに行うこともできる。回転周波数ｆの測定は図２では簡単にするために別個の回転周波数発生器２５′を用いて行われる。勿論、この別個の回転周波数発生器２５′を使用せずに、運動力の計算のために回転周波数発生器２５の出力信号を使用することができる。
【００２４】
既述のように、加算器３０において形成された、電力ＰＧと運動力Ｐｋｉｎとの和は減算器１０において前以て決められた出力値ＰＣと比較されかつ、差ΔＰが正の時は熱出力ＰＴが低減され、ないし差ΔＰが負のときは高められる。燃焼空気に対する制御可能な入口１４と、燃焼空気を圧縮するための圧縮機１３と、燃料空気が供給されて燃料を燃焼させるための燃焼室１２と、タービン１１とを有しているガスタービン１５が調整されるとき、熱出力ＰＴの調整のために、吸入される燃焼空気の質量流量および燃料の質量流量ｄｍｆｃ／ｄｔが調整される。
【００２５】
図２の装置において、出力調整のために電力ＰＧは発電機１６の出力端子において直接取り出される。発電機１６におけるこの種の測定を省略しようとする場合は、発電機１６によって送出される電力ＰＧを求めるために、軸１７の回転周波数ｆおよび軸１７に加わる回転モーメントを測定しかつこれらの量から電力ＰＧを計算することができる。これにより例えば、発電機側における絶縁の問題を回避することができる。
【００２６】
運動力の計算のために、例えば増幅器２９の増幅係数を相応に調整設定することができるように、それ自体軸１７の慣性モーメントθの知識が必要である。この間系において、θを経験的に求めることが好適である。このために、ターボ群１０の定常運転中ある時点で、発電機１６と電源網１８との切り離しによって電力ＰＧが零に設定される。この時点に存在する、軸１７の回転周波数ｆおよび回転か速度ｄｆ／ｄｔが測定されかつ例えば補正回路２６に入力される。そこで、軸１７の慣性モーメントθに対する値ないし増幅器２９の増幅係数は、式Ｐｋｉｎ＝４π２θ（ｄｆ／ｄｔ）に従って計算される運動力Ｐｋｉｎないし増幅器２９の出力信号が、切り離しの時点で測定された電力ＰＧと等しいように選択される。切り離しの時点で測定された電力は通例、（この時点で生じている定常状態のために）この時点における熱出力ＰＴに等しい。
【００２７】
この形式の算出法は、電力ＰＧが定常状態において（運動力Ｐｋｉｎ＝０）消失すると熱出力はすべて運動力に変換され、このために軸は加速されることになる（ｄｆ／ｄｔ）という背景に基づいている。それ故に、始まった加速から求めることができる、軸１７の運動力は、切り離しの時点の熱出力ないし電力と等価とみなすことができる、即ちＰＴ＝ＰＧ＝Ｐｋｉｎ＝４π２θｆ（ｄｆ／ｄｔ）。ＰＴないしＰＧ並びにｆおよびｄｆ／ｄｔは既知であるので、これらから慣性モーメントθが求められる。
【００２８】
上述した調整方法は個別ターボ群または複数個のターボ群の組み合わせにも使用される。その際タービンは、説明した例の場合のように、ガスタービンであってよい。しかしそれは蒸気タービンであってもよい。殊に、本発明の方法は、少なくとも１つのガスタービンおよびガスタービンの後ろに接続されている少なくとも１つの蒸気タービンを有する組み合わせ発電ユニットに使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンに対する公知の出力調整のブロック線図である。
【図２】図１に対応しているが、軸の運動力が付加的に考慮される本発明の有利な実施例によるブロック線図である。
【符号の説明】
１０  ターボ群、  １１  タービン、  １２  燃焼室、  １３  圧縮機、  １４  制御可能な入口、  １５  ガスタービン、  １６  発電機、  １７  軸、  １８  電源網、  １９，２４  減算器、  ２０  出力調整器、  ２１  上昇制限器、  ２２，３０  加算器、  ２３  特性曲線発生器、  ２５，２５′  回転周波数発生器  ２６  補正回路、  ２７  微分素子、  ２８  乗算器、  ２９  増幅器
【図１】
0004199856.tif 000002
【図２】
0004199856.tif 000003