JPH0160658B2

JPH0160658B2 -

Info

Publication number: JPH0160658B2
Application number: JP58074174A
Authority: JP
Inventors: Richaado Uesukotsuto Kaamito
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1982-04-30
Filing date: 1983-04-28
Publication date: 1989-12-25
Also published as: JPS58192927A; US4470257A; CA1188733A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、一般的には発電電力網に接続し、そ
の電力網のブースタ（補助）発電ユニツトとして
使用されている燃焼タービン（ガスタービン）の
ための速度−負荷制御に関し、具体的には電力網
の発電電力レベル及び周波数に及ぼす影響を最小
にした状態でガバナフリー運転モードと定速度運
転モードとを切換えできる燃焼タービン用の制御
装置に関する。

従来技術発電に供されている発電機用蒸気タービン及び
燃焼タービンの速度−負荷特性を制御する基本的
なモードとして、定速度運転モードと、ガバナフ
リー運転モードの２つのモードがある。定速度運
転モードで作動する制御装置は、タービン発電負
荷と無関係にタービンの速度を一定に維持し、ガ
バナフリー運転モードで作動する制御装置はター
ビン速度をタービン発電機の電力レベルの関数と
して制御する。

運転モードの特性は第４図に示すように定速度
運転モードでは、周波数すなわち速度を一定に保
つよう燃焼タービンへの燃料を制御するのに対
し、ガバナフリー運転制御モードでは周波数が低
下するに従い電力レベルが増加するよう燃料を制
御する。

単一の発電網に電力を供給するための典型的な
発電システム（第３図に例示）には、ガバナフリ
ー運転モードと定速度運転モードの両方で作動す
る制御装置を有するタービンを含ませることがで
きる。このようなシステムは、発電電力を一定周
波数に維持するための定速度運転モードで作動す
る主発電ユニツトと、ガバナフリー運転モードで
作動する１つ以上のブースタ（補助）発電ユニツ
トを備えているのが普通である。この構成では、
定速度運転モード制御装置が速度を一定に維持で
きるように、ガバナフリー運転モードで運転され
るブースタ発電ユニツトを調整して主発電ユニツ
トと負荷とを分担している。ブースタ発電ユニツ
トは、あたかも機械的に連結されているかのよう
に主発電ユニツトは電力網と電力周波数が同一と
なるため発電機が電気的に同期し相互にロツクさ
れているのでブースタ発電ユニツトの速度は主発
電ユニツトの一定速度によつて固定される。電力
網の周波数を一定に保つためには、主発電ユニツ
トを定速度運転モードにすることが望ましいが２
台以上の発電ユニツトを定速度運転モードにする
と、各ユニツトの制御装置の速度基準信号（第４
図のＡ点に対応する値）の誤差により１台は最大
出力、１台は最低出力となり協調のとれた運転を
することができないため、２台目以後のブースタ
発電ユニツトはガバナフリー運転としなければな
らない。このブースタ発電ユニツトは速度基準信
号を増減することにより第４図のＢ点に相当する
ように主発電ユニツトにより定められた周波数の
下で電力レベルを自由に増減できる。

ブースタ発電ユニツトの負荷レベルは、これら
ユニツトを駆動するタービンへの燃料供給量を調
整することによつて制御できる。一般に、ガバナ
フリー運転モードで運転されているタービンへの
燃料を増加すればブースタ発電ユニツトの負荷が
増加する。例えば、所定の発電網が主発電ユニツ
トと、これと並列運転されている単一のブースタ
発電ユニツトによつて給電されているとする。主
発電ユニツトは定速度運転モードで制御され、ブ
ースタ発電ユニツトはガバナフリー運転モードで
制御されている。これら発電ユニツトは定常状態
にあつて負荷を等しく分担しているとする。

このような状況下でブースタ発電ユニツトへの
燃料供給量を増加すれば、速度が増加しようとす
るが、ブースタ発電ユニツトは主発電ユニツトと
調和してロツクされているため速度を増加できな
い。その結果、ブースタ発電ユニツトは余分の電
力を発電することになる。所定発電網の発電電力
レベルが一定であれば、ブースタ発電ユニツトの
余分の電力レベルにより発電網全体の周波数、即
ち、速度が増加することになる。

しかしながら、主発電ユニツトを制御する定速
度運転モード制御装置は、速度が一定に維持され
るように燃料供給量を減少させて負荷損失を補償
するので、ブースタ発電ユニツトへの燃料供給量
を増加すれば、負荷は主発電ユニツトからブース
タ発電ユニツトへ転換されかつ主発電ユニツトへ
の燃料供給量が減少することになる。

このような発電システムの運転に際しては、ガ
バナフリー運転モードから定速度運転モード又は
その逆に運転モードを切換えたい場合がある。こ
れは、例えば保守又は検査のため主発電ユニツト
を運転停止させなければならない場合、送電網の
孤立した個所へ送電するためブースタ発電ユニツ
トを主発電ユニツトとして運転しなければならな
い場合に生ずる。このような場合、発電システム
の電力レベルに生じる変動を最小にしてガバナフ
リーから定速度運転モードへ又は定速度運転モー
ドからガバナフリー運転モードへ切換えることが
望ましい。第５図に定速度運転モードの速度・負
荷制御装置を、第６図にガバナフリー運転モード
の速度・負荷制御装置を示す。これらの図の速度
基準信号が第４図のＡ点に相当する。

米国特許第3620010号には、発電ユニツトの制
御をガバナフリー運転モードと定速度運転モード
との間で切換えるためのシステムが開示されてい
る。この特許のシステムは２つの制御モードの切
換えに有効であるが、発電出力信号の変動を最小
にすることはほとんどできないし、切換えに成功
するには操作員が広範囲に種々の調整をしなけれ
ばならなかつた。

例えば、定速度モードからガバナフリーモード
へ運転切換えを行う場合を考える。一般的な定速
度運転モード制御装置は、速度フイードバツクル
ープを有する比例積分（PI）制御装置を含み、
定速度運転モードからガバナフリーモードへ切換
えるには電力（又は負荷）フイードバツク信号と
定速度運転モード制御装置の速度基準信号とを代
数的に加算しなければならない。このことは、２
つの制御モードには基本的な構造上の差異がある
ことを意味する。例えば、ガバナフリー運転モー
ドで、第４図のＢ点で運転している場合、速度基
準信号はA′点に相当する値となつているため、
そのまま定速度運転モードに切り換えるとタービ
ンへの燃料が増加し、最大電力であるＣ点及び
C′点の運転点へ移つてしまう。定速度運転モード
でＢ点で運転している場合、基準速度信号はＡ点
に相当する値となつているため、そのままガバナ
フリー運転モードにすると、タービンへの燃料が
減少し最小電力である運転点Ａへ移つてしまう。
上記米国特許のシステムでは第６図の電力フイー
ドバツク信号をスイツチで入切することによつて
モード切換を行つて電力フイードバツク信号を加
算接合点に送つている。このシステムの過渡現象
は、電力フイードバツク信号レベルを予め調整す
ることによつて最小にし、並列接続された発電ユ
ニツトへ即座に負荷移動するのを防止している。
その後、負荷移動は操作員がフイードバツク信号
レベルを調整することにより行なわれるが、全発
電システムの電力レベル及び周波数への制御モー
ド切換の影響を最小限にする試みはなされていな
い。

従つて、発電電力レベル及び発電電力周波数を
ほぼ一定に維持した状態で発電ユニツトの制御モ
ードをガバナフリー運転モードと定速度運転モー
ドとの間で切換えるための全自動システムを提供
する上での問題を解決するような公知の従来技術
は未だない。

発明の目的本発明は、上記の従来技術の欠点を克服するこ
とを目的としてなされたもので、本発明に係る制
御装置では、ガバナフリー運転モードと定速度運
転モードとの切換を自動的に発電電力レベル及び
周波数を変動させることなく実現した発電用燃焼
タービンを運転する。

発明の構成上記目的を達成するために本発明によれば、一定周波数及び一定電力レベルで発電するよう
作動する燃焼タービン用制御装置において：運転開始時又は急激な負荷喪失時にタービンの
回転速度の変化率を制限する加速度制御装置；駆
動ガス及びタービン構成部品の温度を制限する温
度制御装置；及び、タービンの回転速度及び電気
的負荷を制限する速度・負荷制御装置；を備え、該速度・負荷制御装置が、出力信号を発生する比例積分制御装置と、該比例積分制御装置への複数の入力信号を発生
して、前記比例積分制御装置が定速度運転制御モ
ード及びガバナフリー運転制御モードのいずれか
を選択できるようにする入力信号発生手段であつ
て、前記複数の入力信号を発生するために、ター
ビンの回転速度に比例した大きさで第１極性の第
１フイードバツク信号を発生する手段、発電され
た電力のレベルに比例した大きさで第１極性の第
２フイードバツク信号を発生する手段、及びター
ビンの所望速度に比例した大きさで第２極性の基
準信号を発生する手段を含む前記入力信号発生手
段と、前記比例積分制御装置の内外へ送られる前記フ
イードバツク信号の一つを漸次増減して定速度運
転制御モードとガバナフリー運転制御モードとを
切換える手段と、前記フイードバツク信号の一つを切換開始時の
値にサンプル・ホールドし、そのサンプル・ホー
ルドした値と切換中の前記フイードバツク信号と
を比較して前記比例積分制御装置への入力信号を
増減することにより定速度運転制御モードからガ
バナフリー運転制御モードへの切換時に発電され
た電力の周波数と電力レベルを制御する手段と、
を備えた燃焼タービン用制御装置が提供される。

すなわち、本発明の制御装置は比例積分制御
（PI）装置を含み、この制御装置には定速度運転
モード又はガバナフリー運転モードのいずれかで
本制御装置を選択的に作動させるための複数の入
力信号が与えられる。この定速度運転モードとガ
バナフリー運転モードとの切換は制御装置へのフ
イードバツク信号の一つの大きさを次第に増減す
ることによつて行なわれる。このように一方の運
転モードから他方の運転モードに漸次切換えるこ
とにより入力信号をスイツチの入切により投入／
しや断した場合に発生するような好ましくない過
渡現象の発生が防止される。更に、定速度運転モ
ードよりガバナフリー運転モードに切り換わる時
に電力レベルが変動しないように自動的に速度基
準信号を増減するための手段が設けられている。

実施例以下、添付図面に示された本発明の好ましい実
施例に沿つて、本発明を詳しく説明する。

第１図において、概略的に図示された一軸燃焼
タービン１０は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、
負荷である発電機１８を駆動するよう接続された
タービン１６とから成る。圧縮機１２の入口２０
に流入した空気は、ノズル２２より噴入された燃
料の燃焼を維持する。加熱された排ガスは、分散
配置された熱電対２６を通つてタービンの出口２
４より排出される。燃料ポンプ２８は、燃料制御
装置３０によつて設定される流量に従つてノズル
２２に燃料を送る。燃料制御装置３０は、電気入
力信号に従い出力を発生するサーボ制御装置を含
むことができ、この用途に適した市販の装置は
種々存在しているので、その具体的内容は本発明
にとつて重要ではない。

燃焼タービンの一般的な制御装置（システム）
は、３つの主な副装置（サブシステム）、すなわ
ち速度・負荷制御装置３４と、加速度制御装置３
６と、温度制御装置３８とから成つている。これ
ら３つの副装置はタービン系統中において適当に
配置されたトランスジユーサから入力信号を受け
る。これらの副装置については第１図に一般的に
図示してあるが、タービン制御副装置と操作盤と
の接続については第１図に示されていない。副装
置３４，３６及び３８の各々は、米国特許第
3520133号に開示されているような信号選択ゲー
ト４０へ印加される出力信号を発生する。上記特
許では、信号選択ゲートは、燃料制御装置３０へ
の入力信号を発生するためゲートへ印加されるア
ナログ信号のうち最小のものを選択する低レベル
値ゲートで構成されている。

速度・負荷制御装置３４は、タービンの電力レ
ベルを表示するプラントの電力計（メガワツトメ
ータ）４２からの電力フイードバツク信号６０
と、タービンの回転速度即ち周波数を表示する速
度計（タコメータ）４４からの速度フイードバツ
ク信号５４と、を入力する。第２図に本発明に従
つて構成された速度・負荷制御装置の詳細を示
す。

速度フイードバツク信号３４は、当業者に周知
のPI（比例積分）制御装置５０を含む。この速
度・負荷制御装置３４が定速度運転モードで作動
すると、PI制御装置５０のまわりで単一の速度
フイードバツクループが作動する。速度計４４
（第１図）は、実際のタービン速度を表示するフ
イードバツク信号５４を発生し、この速度フイー
ドバツク信号５４は、PI制御装置５０で速度基
準信号５６と比較される。速度基準信号５６の信
号源はブロツク５５で一般的に示してあるが、こ
の信号は操作員が調整するアナログ信号、マイク
ロコンピユータ又は又はマイクロコンピユータと
操作員の両者で自動的に調整される信号である。
PI制御装置５０は、燃料制御装置３０（第１図）
に接続された制御出力信号５８を調整し、速度フ
イードバツク信号５４が速度基準信号５６に一致
するまで燃料供給量を変える。

速度フイードバツクループの他に、速度・負荷
制御装置３４がガバナフリー運転モードで作動し
ていると、電力フイードバツク信号６０は、速度
基準信号５６に代数的に加算される。ガバナフリ
ー運転制御モードでは、PI制御装置５０は、速
度基準信号５６と電力フイードバツク信号６０と
の加算値が速度フイードバツク信号５４に一致す
るまでその出力信号５８を調整する。

本発明によれば、速度・負荷制御装置３４は、
出力電力レベル及び周波数に与える影響を最小限
にしたままガバナフリー運転モードと定速度運転
モードとを自動的に切換えるように構成されてい
る。タイマー装置すなわちクロツク回路６２は２
進アツプ／ダウンカウンタ６４へクロツク信号を
発生する。このカウンタの出力端子は、乗算用
Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）コンバータ６６へ
接続され、電力フイードバツク信号６０はＤ／Ａ
コンバータ６６の基準電圧入力端子に印加され
る。カウンタ６４の出力端子のすべてが「０」に
なると、Ｄ／Ａコンバータ６６の出力信号が
「０」Ｖとなる。カウンタ６４の出力信号がすべ
て「１」（フルスケール）になると、Ｄ／Ａコン
バータ６６の出力は電力フイードバツク信号６０
のレベルと等しくなる。いかなる時点において
も、Ｄ／Ａコンバータ６６の出力レベル対電力フ
イードバツク信号６０の比は、カウンタ６４の出
力値対カウンタ６４のフルスケール値の比に等し
くなる。

クロツク回路６２、カウンタ６４、及びＤ／Ａ
コンバータ６６を組合わせることにより、PI制
御装置５０に、又はこれから電力フイードバツク
信号を徐々に導入又は引離しを行ない、ガバナフ
リー運転モードと定速度運転モードとの間で速
度・負荷制御装置３４を徐々に切換えできる。

例えば、PI制御装置５０がガバナフリー運転
制御モードで作動していると仮定する。カウンタ
６４の出力は、Ｄ／Ａコンバータ６６が閉じたス
イツチのように作動し、その出力が電力フイード
バツク信号６０のレベルに等しくなるように、フ
ルスケールになつている。このカウンタ６４が所
定速度でフルスケール（全「１」）から「０」へ
カウントダウンすると、PI制御装置５０へ印加
される電力フイードバツク信号６０のレベルは次
第に低下する。カウンタ６４の出力が「０」にな
ると、電力フイードバツクループは開となり、
PI制御装置５０は定速度運転モードで作動する。

このプロセスを逆にすれば、PI制御装置５０
はガバナフリー運転制御モードに復帰できる。即
ち、カウンタ６４が「０」からフルスケールまで
クロツクされると、電力フイードバツク信号６０
は次第にPI制御装置５０へ導入され、その結果、
定速度運転モードからガバナフリー運転モードへ
切換えられる。

一般的な発電ユニツトは、定速度運転モードで
作動する主発電ユニツトと、ガバナフリー運転モ
ードで作動する１つ以上のブースタ発電ユニツト
とで構成できる。

ブースタ発電ユニツトを主発電ユニツトの状態
に切換える際（一方の機械をガバナフリー運転モ
ードから定速度運転モードへ切換えるとともに他
方の機械を定速度運転モードからガバナフリー運
転モードに切換える際）は、この切換作業の電力
出力レベル及び周波数に与える影響を最小限にす
ることが好ましい。

従つて、この目的のために速度及び負荷制御装
置３４が設けられている。この速度・負荷制御装
置３４には、定速度運転モードからガバナフリー
運転モードに切換える時に作動する装置が設けら
れている。電力レベルが維持されれば、ほとんど
の電気的なシステムは短期間の間一定周波数を維
持する。従つて、この速度・負荷制御装置３４
は、サンプル・ホールド回路７０と比較器７２を
含み、これらは互いに協働して速度基準信号５６
のレベルを調整して電力出力を一定に維持すると
同時に電力フイードバツク信号６０を徐々にPI
制御装置５０へ導く。定速度運転モードからガバ
ナフリー運転モードへの切換えが開始された瞬間
に、サンプル・ホールド回路７０は電力フイード
バツク信号６０のレベルを記憶する。こうしてサ
ンプリングされた信号、及び電力フイードバツク
信号は、基準制御部７４に接続された比較器７２
によつて連続して比較される。速度基準信号５６
のレベルはタービンの電力出力レベルを一定に維
持するのに必要なだけ基準制御部７４で増減され
る。このため、切換時の信号周波数の変動が最小
限となる。切換終了時にそれまでガバナフリー運
転モードで運転されていたブースタ発電ユニツト
は定速度運転モードとなつて周波数を一定にす
る。

発明の効果このように、本発明は燃焼タービンの速度・負
荷制御モードにおける定速度運転モードと、ガバ
ナフリー運転モードとの切換えを徐々に行うため
の手段を提供するものであり、PI制御装置５０
への、またはこれからの電力フイードバツク信号
６０を漸次増減（ランプ動作）することにより、
一方の制御モードから他方の制御モードへステツ
プ状に切換えられることにより生じるシステムの
過渡現象が防止される。切換時に電力レベルを一
定に維持するよう速度基準信号レベルを調整する
本発明では、周波数の変動が最小限に抑えられる
ので、発電網の変動も減少される。更に本発明に
よれば、これら特性を自動的に提供するので、個
人差によつて生じるバラツキが回避できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る燃焼タービン用制御装
置のブロツク図、第２図は本発明第１図の制御装
置に用いられる速度・負荷制御装置のブロツク
図、第３図は発電電力網を説明するための概略
図、第４図は速度・負荷制御装置を説明するため
の図、第５図は定速度運転モードのブロツク図、
第６図はガバナフリー運転モードのブロツク図で
ある。１６……タービン、１８……負荷であるタービ
ン発電機、３０……燃料制御装置、３４……速
度・負荷制御装置、３６……加速度制御装置、３
８……温度制御装置、４２……電力計、４４……
速度計、５０……PI制御装置、５５……速度基
準信号源、６２……クロツク回路、６４……カウ
ンタ、６６……Ｄ／Ａコンバータ、７０……サン
プル・ホールド回路、７２……比較器、７４……
基準制御部。なお、各図中、同一符号は同一又は
相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１一定周波数及び一定電力レベルで発電するよ
う作動する燃焼タービン用制御装置において：運転開始時又は急激な負荷喪失時にタービンの
回転速度の変化率を制限する加速度制御装置；駆
動ガス及びタービン構成部品の温度を制限する温
度制御装置；及び、タービンの回転速度及び電気
的負荷を制限する速度・負荷制御装置；を備え、該速度・負荷制御装置が、出力信号を発生する比例積分制御装置と、該比例積分制御装置への複数の入力信号を発生
して、前記比例積分制御装置が定速度運転制御モ
ード及びガバナフリー運転制御モードのいずれか
を選択できるようにする入力信号発生手段であつ
て、前記複数の入力信号を発生するために、ター
ビンの回転速度に比例した大きさで第１極性の第
１フイードバツク信号を発生する手段、発電され
た電力のレベルに比例した大きさで第１極性の第
２フイードバツク信号を発生する手段、及びター
ビンの所望速度に比例した大きさで第２極性の基
準信号を発生する手段を含む前記入力信号発生手
段と、前記比例積分制御装置の内外へ送られる前記フ
イードバツク信号の一つを漸次増減して定速度運
転制御モードとガバナフリー運転制御モードとを
切換える手段と、前記フイードバツク信号の一つを切換開始時の
値にサンプル・ホールドし、そのサンプル・ホー
ルドした値と切換中の前記フイードバツク信号と
を比較して前記比例積分制御装置への入力信号を
増減することにより定速度運転制御モードからガ
バナフリー運転制御モードへの切換時に発電され
た電力の周波数と電力レベルを制御する手段と、
を備えた燃焼タービン用制御装置。２前記漸次増減する手段が、前記基準信号と前
記第２フイードバツク信号を加算し且つこの加算
信号を前記比例積分制御装置への入力信号として
発生する加算接合部と、前記第２フイードバツク
信号及び前記加算接合部に接続されており、前記
加算接合部の内外へ送られる前記第２フイードバ
ツク信号の大きさを次第に増減する乗算用デジタ
ル−アナログコンバータと、該コンバータに接続
され０とフルスケール出力との間でカウントを行
うカウンタと、該カウンタに接続され該カウンタ
をクロツク動作させるクロツク回路とを含み、前
記加算接合部における前記第２フイードバツク信
号の大きさと前記コンバータにおける前記第２フ
イードバツク信号の大きさとの比が、その時の前
記カウンタのカウント状態と前記カウンタのフル
スケール状態との比に等しく、前記第２フイード
バツク信号があるとき前記ガバナフリー運転制御
モードを生じさせ、前記第２フイードバツク信号
がないとき前記定速度運転制御モードを生じさせ
る特許請求の範囲第１項記載の燃焼タービン用制
御装置。３前記周波数及び電力レベル制御手段が、前記
定速度運転制御モードから前記ガバナフリー運転
制御モードへの切換開始時に前記第２フイードバ
ツク信号の大きさをサンプル・ホールドする手段
と、前記サンプル・ホールド手段及び前記第２フ
イードバツク信号に接続されており、サンプリン
グされた大きさとその時の前記第２フイードバツ
ク信号の大きさを比較し、その比較値を表示する
出力信号を発生する手段と、前記比較手段の出力
信号に応答して前記基準信号の大きさを調整し発
電させる電力レベルを一定に維持する手段と、を
含んでいる特許請求の範囲第２項記載の燃焼ター
ビン用制御装置。