JPH07503296A - ガスタービン制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービン制御 技術分野 本発明は、整流器が連結された発電器を駆動するガスタービンのパワーを制御す る方法、および装置に関するものである。

本装置は、整流器に連結された電圧制御信号な直流電圧回路網を有する。

スタービンを使用することが知られている。しかし、要求される電力パワー量が 変動する場合には、ガスタービンは、部分負荷において効率が大幅に低下し、同 時に、排気ガス内の環境に有害な成分が増加するという欠点を存している。これ ら欠点は、ガスタービンの入り口温度を均一な高い値に維持、制御することによ り回避され得ることもまた知られている。かくて、圧縮器の案内羽根の方向が、 タービンの入り口温度かほぼ一定に維持されるように、負荷要求に応じて決めら れるようになった装置が示唆された（ベルギーロイヤルアカデミー公報：５ｅシ リーズ、Ｔ　ｏｍ　ＸＬ　Ｉ、１９５５．　Ｊａｕｍｏｔｔｅ、　Ａ：　Ｒｅｇ ｕｒａｔｉｏｎ　ａ　ｖｉｔｅｓｓｅ　ｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍａｘｉ ｍｕｍ　ｃｏｎｓｔａｎｔｅｓ　ｄｅｓ　ｔｕｒｂｉｎｅｓ　ａ　ｇａｚ　ｅｎ 　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｕuｅｒｔ　ａ ｕｎｅ　Ｉｉｇｎｅ　ｄ’ａｒｂｒｅ）。この示唆された解決方法は、ガスター ビンにより駆動される発電器が、固定の交流電圧回路網に連結されており、従っ てガスタービンの速度がその周波数に拘束されるという事実のため機械的に複雑 な設計になっている。

従って、ガスタービンの速度変動が許されている場合には特に、機械的に一層簡 単な解決法が望まれる。

本発明の概要 本発明の目的は、上記序論部分に述べた種類の方法にして、特に静止固定部をも つガスタービンにおいて、高い効率と最小の有害排気ガス放出とを維持しつつパ ワーを制御することが可能な方法と、この方法を実行するための装置を提供する ことである。

本発明によれば、上記目的は、ガスタービンへの燃料供給を、ガスタービンの入 り口温度が少なくとも本質的には設定値に対応するように制御することにより、 また、制御可能な電圧をもつ直流電圧回路網を整流器に連結することにより達成 される。直流電圧回路網の電圧を変化させることにより、ガスタービンのパワー が制御され得る。

本発明の池の有利な点は、以下の説明と請求の範囲とから明らかになるだろう。

図面の簡単な説明 本発明は、付図を参照して実施例を記述することにより一層詳細に説明されよう 。

第１図は、本発明の１実施例をブロック図の形態で示す。

第２図は、入り口温度が一定な場合の、ガスタービンの出力パワーとガスタービ ンの速度との間の関係を示す。

第３図は、本発明の他の実施例をブロック図の形態で示す。

第４図は、第３図の実施例において、ガスタービンのパワーの所望の値を形成す る１方法をブロック図の形態で示す。

好適実施例の説明 以下の説明は本発明の方法と装置の両方に関する。

第１図は、圧縮器１１とタービン１２とを有する１軸がスタービンユニットｌを 示す。永久磁石式３相同期発電器２がガスタービンユニットの軸に直接連結され ており、発電器の端子に整流器３が連結されている。制御可能な電圧Ｕをもつ直 流電圧回路ｍ４と負荷対象５とが整流器の直流電圧側に連結されている。ガスタ ービンはパワーＰを発送し、負荷対象５はパワーＰＬを供給される。ガスタービ ンの入り口温度Ｔは既知の方法により熱電対を用いて検知され、制御部６内に配 置された第１比較手段６１において、設定値ＴＲと比較される。この設定値と、 入り口温度の現在値との間の差に依存して、第１比較手段が第１出力信号Ｆを形 成し、該信号が選択器６２を介して、ガスタービンに燃料を供給するシステム（ 本システムは図示せず）へ送られ、既知の方法で、燃料供給が第１出力信号Ｆの 大きさに依存するようにシステムを作動させている。選択器６２は、第１＄；Ｉ Ｉ御倍信号、または、以下説明するように最低燃料供給を表す第２制御信号ＦＮ かを選択するようになっている。第１比較手段を、入り口温度が上昇した場合燃 料供給が減少するように構成することにより、ガスタービンの入り口温度は、設 定値ＴＲに少なくともほぼ対応する値になろう。入り口温度一定な場合の、ガス タービンにより生成されるパワーとガスタービンの速度との間の関係が第２図に 示されており、水平軸上に速度Ｎが定格速度のパーセンテージとしてプロットさ れ、垂直軸上にパワーＰが定格パワーのパーセンテージとしてプロットされてい る。

発電器２は交流電圧ＵＧを発生させ、該電圧の周波数と振幅とは速度Ｎに依存し ている。交流電圧は整流器３へ供給され、該整流器はその出口に、交流電圧ＵＧ に比例する振幅をもつ整流器電圧を現出させる。電流は、直流電圧回路網４の電 圧Ｕが整流器電圧の無負荷値よりも小さい場合にだけ整流器を通って流れ得る。

電流の振幅は、交流電圧と直流電圧回路網の電圧との間の差と、発電器と整流器 のインピーダンスとにより決まり、また、整流器を通り伝達されるパワーは、該 電流と直流電圧回路網の電圧との積により決まる。このパワーが、ガスタービン により生成されるパワーより大きい場合には、ガスタービンの速度が減少し、交 流電圧が減少し、従って、直流電圧回路網の電圧が少なくとも一時的に不変に維 持されておれば、整流器を通って伝達されるパワーもまた減少する。ガスタービ ンの速度が、第２図の関係に従って生成されたパワーが整流器を通り伝達される パワーに対応する速度値にまで減少したとき、静止の作動点が達成される。もし 逆に、整流器を通り伝達されるパワーか、ガスタービンにより生成されるパワー よりも小さい場合には、ガスタービンの速度が増加し、交流電圧が増大し、従っ て、直流電圧回路網の電圧が少なくとも一時的に不変に維持されておれば、整流 器を通って伝達されるパワーもまた増加する。ガスタービンの速度が、第２図の 関係に従って生成されたパワーが整流器を通り伝達されるパワーに対応する速度 値にまで増加したとき、静止の作動点が達成される。静止の作動点に基づいて、 直流紐回路網の電圧を減少させることにより、整流器を通り伝達されるパワーは 、過渡期において増加し、それにより上述したように、ガスタービンの速度従っ てガスタービンにより生成されるパワーが減少する、また逆に、直流電圧回路網 の電圧を増加させることにより、整流器を通り伝達されるパワーは、過渡期にお いて減少し、それにより上述したように、ガスタービンの速度従ってガスタービ ンにより生成されるパワーが増加する。

ガスタービンの入り口温度を少なくともほぼ一定な値に維持することにより、そ のパワーは直流電圧回路網の電圧Ｕを変化させることにより制御可能である。

かくして、ガスタービンの速度は、第２図に示す関係に従って変動し、このこと は、直流電圧回路網の電圧Ｕと、ガスタービンにより生成されるパワーとの間に 、定格速度の４０〜１００％の大きさのオーダの実際的速度範囲にわたって少な くともほぼ直線形の関係が支配していることを証明している。

直流電圧回路網は、その電圧Ｕを電圧制御信号ＵＲｓに依存して変化させるよう になっている。このことは、所望のパワーＰＲの参照値を、制御部６内の調整手 段６３に供給することにより構成されており、該調整手段の出力信号は直流電圧 回路網へ供給されている。

プラント故障の場合にガスタービンの速度が許容最大速度を越えることを防止す るために、速度を監視することが通常要求される。速度が成る既知の方法により 、ここでは発電器により生成される交流電圧ＵＧの周波数を計測することによ快 検知され、制御部６内に配置された第２比較手段６４内において設定値ＮＲＭと 比較される。第２比較手段６４は、速度Ｎが設定値ＮＲＭを越えたとき、速度Ｎ と設定値ＮＲＭとの間の差に依存して第２制御信号ＦＮを形成し、該第２制御信 号を選択器６２に供給するようになっている。

本発明のを利な実施例の一つが第３図に示されており、ガスタービンにより生成 されたパワーが乗り物を推進するシステムの一部になっている適用例である。

発電器により生成される電圧と電流の波形状を整流器を通して改良する目的で、 蓄電器バンクをもつフィルタ２１が発電器２の交流電圧端子に連結され、リップ ル除去リアクター３１が整流器内に配置されている。明示すれば、整流器の１方 向作用はダイオード３２により特徴づけられている。直流電圧回路網４は容量性 要素４１と、パルス式制御装置４２１により制御可能な直流電圧変換器４２と、 例えば鉛またはニッケルカドミウム型の蓄電池４３とを有している。直流電圧変 換器は、既知の方法で、蓄電池電圧ＵＡを容量性要素を通して、供給電圧制御信 号ＵＲｓに依存する電圧Ｕに変換するようになっている。直流電圧変換器内に既 知の方法で、電圧を制御する電圧制御器４２２と、該電圧制御器に続いて、直流 電圧変換器を通る電流ＩＡを制御する電流制画器４２３とを収容していることが 有利である。かくして、直流電圧変換器を通り容量性要素４１へと流れる電流に 依存する電圧Ｕの変化率が簡単な方法で、電流制御器に対する参照値を構成する 電圧制御器４２２からの出力信号の大きさを制限することにより制限され得る。

電流ＩＡと電圧Ｕとは電流計測装置４４１と電圧計測装置４４２とにより検知さ れる。

負荷対象５は、直流電圧回路ｊ１！１４に連結された変換器５１と、変換器の交 流電圧側に連結され、概略だけを図示した乗り物５３を駆動するモータ５２とを 有している。変換器に供給されるパワーＰＬは、変換器に供給される所望のパワ ーＰＬＲの参照値により制御される。１実施例においては、蓄電池電圧ＵＡは１ ２０ｖであり、直流電圧変換器は上限４２０Ｖまての電圧Ｕを発送し、ガスター ビンの最大速度は９００００ｒ、ｐ、ｍ、であり、該速度においてガスタービン は４０ｋｗのパワーを発送する。

第１比較手段６１は、比例、積分、微分の少なくとも一つの特性を備えた制御器 として設計されており、入り口温度の設定値ＴＲはガスタービンの設計に基づい て固定されている。しかし、ガスタービンの利用可能パワーを短時間増加させる ために、設定値ＴＲを一時的に増加させ得るように制御部を構成することが有利 である。ガスタービンにより生成されたパワーＰは、整流器を通る電流Ｉｔと直 流電圧回路網の電圧Ｕとを、計測装置７を用いて計測することにより検知される 。ガスタービンのパワーＰを正確に制御するために、検知されたパワーの値が制 御部６内に配置された第３比較手段６３１へ帰還され、所望のパワーＰＲの参照 値と比較される。第３比較手段は、比例、積分、微分の少なくとも一つの特性を 備えた制御器として設計されることが有利であり、所望パワーＰＲと計測パワー Ｐとの間の差に依存して、第３制御信号ＰＵＲｓを生成するようになっている。

第３図に示すように、第３制御信号を、パワーＰと電圧Ｕとの間の所定の関係を 形成する第１作用形成手段６３２へ供給し、該第１作用形成手段の出力信号を直 流電圧変換器４２に供給するように構成することが、必要とまでは言わぬまでも 有利である。パワーＰと電圧Ｕとの間の関係は、ガスタービン、発電器、整流器 、および直流電圧回路網の所与の設計に基づいて決められる。または、第３制御 信号ＰＵＲｓが直流電圧変換器に直接供給されてもよい。第３比較手段は、第３ 制御イＪ号ＰＵＲｓと、従ってまた電圧制御信号ＵＲｓとの変化率を制限するた め既知の態様で構成された手段６３１１を有している。所望のパワーＰＲの参照 値を変化させることにより、ガスタービンのパワーＰを迅速、正確に制御するこ とが可能である。

直流電圧回路網の電圧Ｕが急速に相当程度低下した場合には、整流器を通る電流 は、電圧低下直後のガスタービンの速度が不変のままであるので、遷移時間の間 、高い値になる。遷移持続時間は、ガスタービンの入り口温度を一定に維持する ためにシステムにより決められる。発電器と整流器とを通る過剰電流のストレス を軽減するために、このシステムを、ガスタービンへの燃料供給を迅速に制限す るガスタービンの速度制御に、一時的に代替することが有利である。本目的のた め、第３制御付号ＰＵＲｓが、パワーＰと速度Ｎとの間の所定の関係を形成する 第２作用形成手段６３３へ供給され、第２作用形成手段からの速度ＮＲＰに対応 する出力信号が、第２比較手段６４に供給される。第２比較手段６４は、速度Ｎ が速度ＮＲＰを超過したとき、速度Ｎと速度ＮＰＲとの間の差に依存して第２制 御信号ＦＮを形成する。この場合、第２比較手段６４を、比例、積分、微分の少 なくとも一つの特性を備えた制御器として構成することが有利である。パワーＰ と速度Ｎとの間の関係は、ガスタービンの所与の設計に基づいて決められる。

第２作用形成手段からの出力信号は、ガスタービンの最大許容速度の設定値ＮＲ Ｍに対応した値に制限される。

ある種のガスタービンに適用されるパワーＰと速度Ｎとの間の関係は、所与の速 度において、パワーが大気温度の上昇に伴って、また、大気圧力の低下に伴って 減少するような態様で大気の圧力Ｐａと大気の温度Ｔａとに依存している。従っ て、ガスタービンをよりよく利用するためには、これらパラメータの計測値に依 存して、第２作用形成手段６３３により形成されるパワーＰと速度Ｎとの間の関 係を修正することが有利である。このことが第３図において、大気圧力Ｐａと大 気温度Ｔａとの計測値を第２作用形成手段６３３に供給することにより示されて いる。

定格パワーの約１５〜２０％の非常に低いパワー出力においては、ガスタービン のタービン部分を横切っての温度低下が減少し、このことは、入り口温度を一定 に制御しているときは、排気ガス温度ＴＥＸが上昇することにつながる。従って 、ガスタービンへの燃料供給をＩＪＰ気ガス温度に依存して制限することが有利 である。排気ガス温度が熱電対により検知され、比例、積分、微分の少なくとも 一つの特性を備えた制御器として設計された第４比較手段６５内において設定値 ＴＥＸＲと比較される。第４比較手段６５は、排気ガス温度ＴＥＸが設定値ＴＥ ＸＲを超過したときに、排気ガス温度ＴＥＸと設定値ＴＥＸＲとの間の差に依存 して、第５制御信号ＦＥＸを形成し、該制御信号を選択器６２に供給する。選択 器６２は、第１制御信号Ｆ、第２制御信号ＦＮ、最低燃料供給に対応する第５制 御信号ＦＥＸを選択するようになっている。

乗り物を推進する上述のシステムは、ガスタービンにより生成されたパワーの所 望部分を負荷対象５と、蓄電池４３を充電するための直流電圧回路網４との双方 に供給することを可能にしている。同様な態様で、パワーが、蓄電池から変換器 ５１へ伝送され、また、変換器をモータ５２からのエネルギーを帰還させるよう に構成することにより、蓄電池はまた乗り物から吸収された機械的エネルギーを 利用して充電され得る。かくて、システムはまた、ガスタービンを遮断した状態 での乗り物の推進を可能にする、この場合には、直流電圧回路網の電圧Ｕが、制 御信号（図示せず）を直流電圧変換器へ供給することにより、最大値に制御され ることが望ましい。必要な場合には、ガスタービンは、直流電圧回路網から供給 される始動変換器（図示せず）により始動される。

第４図は、ガスタービンにより生成されるパワーの所望値ＰＲが、乗り物運転に おける良好な運転特性と、蓄電池内の平坦なエネルギーレベルとを達成する目的 のために、制御部６内に配置された部材を用いて有利な態様で如何に形成されて いるかを図示している。変換器へ供給されるパワーＰＬは計測装置８により検知 され、変換器に供給されるパワーＰＬの走行平均値ＰＬＭを出力信号として生成 するようにされた平均値形成部６５へ供給されており、該走行平均値は所定の時 間にわたり形成されている。この走行平均値ＰＬＭと、変換器への瞬間的所望供 給パワーの参照値ＰＬＲとが、選択器へ供給される信号の最大なものを選択する ようにされた選択器６６へ供給されている。かくて、選択器６６の出力信号が、 ガスタービンにより生成されるパワーの所望値ＰＲを構成することになる。この ようにして、乗り物の平均パワー消費量がガスタービンにより生成され、その際 同時に、該平均パワー消費量を越えるパワー要求が直ちにガスタービンに所望さ れるパワーに影響を与えている。ガスタービンのパワー生成を減少要求に適応さ せるために、ガスタービンに所望されるパワーの現在値ＰＲがさらに検知され、 所定の量ＤＰＲだけ減少されて、タイムラグＴを生成するようにされた遅延部６ ７に供給される。遅延部６７はその出力として、ガスタービンの所望のパワーの 現在値に対応する値ＰＲ’　を生成し、所定の変化率だけ減少させ、値ＰＲ’は 選択器６６へ供給される。

本発明は、図示の実施例に限定されることなく、多数の修正例が本発明の概念の 範囲内で可能である。本発明は、局地的なパワーステーションのような静止設備 に対しても有利に適用されることが可能であり、また、例えば本発明の概念の範 囲内にある直流電圧回路網は、電圧Ｕを変化させ、または交流電圧回路網に連結 された制御可能な整流器を変化させるための既知の装置を備えたフライホイール を有していてもよい。また、発電器は、種々の数の相および（または）磁化シス テムを有して設計されてもよく、パワーは既知の方法で交流として計測されても よい。ガスタービンの速度と排気ガス温度に依存するガスタービンの燃料供給の 制限干渉は、代替として、ガスタービンの入り口温度の設定値ＴＲを対応して制 限することによっても達成され得る。本発明は、静止の固定子部をもつタービン を簡単に制御することを可能にしているが、調整可能な案内羽根をもつガスター ビンを制御することも勿論可能である。制御部６の作用は、プログラムされたマ イクロプロフエツサを用いて有利に達成されるが、また例えばアナログのような 他の要素を全体的または部分的に用いても達成されよう。

ＦＩＧ、　１ Ｐ　［％］ Ｎ　［％１ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．整流器（３）を連結された発電器（２）を駆動するガスタービン（１）によ り生成されるパワーを制御する方法にして、ガスタービン（１）への燃料供給が 、ガスタービンの入り口温度（Ｔ）が設定値（ＴＲ）に少なくともほぼ対応させ られており、整流器（３）に連結された、制御可能な電圧をもつ直流電圧回路網 （４）の電圧（Ｕ）が、パワー（Ｐ）を制御するために変化されることを特徴と する方法。 ２．請求項１に記載された方法において、前記回路網（４）が制御可能な直流電 圧変換器（４２）を有し、前記電圧（Ｕ）が直流電圧変換器（４２）を制御する ことにより変化されることを特徴とする方法。 ３．請求項１または請求項２に記載された方法において、前記電圧（Ｕ）の変化 率が制限されていることを特徴とする方法。 ４．請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された方法において、ガス タービン（１）への燃料供給が、ガスタービン（１）の排気温度（ＴＥＸ）と設 定された排気ガス温度（ＴＥＸＲ）との間の差に依存して制限されていることを 特徴とする方法。 ５．請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された方法において、前記 電圧（Ｕ）が、パワー（Ｐ）と電圧（Ｕ）との間の所定の関係に依存して生成さ れることを特徴とする方法。 ６．請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された方法において、ガス タービン（１）への燃料供給が、ガスタービン（１）の速度（Ｎ）と、パワー（ Ｐ）と速度（Ｎ）との間の所定の関係に依存して生成された速度（ＮＰＲ）との 間の差に依存して制限されていることを特徴とする方法。 ７．請求項６に記載された方法において、パワー（Ｐ）と速度（Ｎ）との間の前 記関係が、大気圧および（または）大気温度の検出値に依存して修正されること を特徴とする方法。 ８．請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された方法において、前記 パワー（Ｐ）が検知され、前記電圧（Ｕ）が、前記パワー（Ｐ）の所望のパワー （ＰＲ）からの偏差に依存して変化されることを特徴とする方法。 ９．請求項８に記載された方法において、ガスタービン（１）のパワーの少なと も一部（ＰＬ）が、整流器（３）に連結された制御可能な変換器（５１）を越え て伝達され、乗り物（５３）を推進するためのモータ（５２）へ供給されており 、ガスタービンの所望のパワー（ＰＲ）が、ａ）変換器（５１）に供給されるパ ワー（ＰＬ）の、所定の時間にわたる走行平均値、 ｂ）変換器（５１）へ供給されるパワー（ＰＬ）の瞬間的所望値（ＰＬＲ）、ｃ ）所定の変化率で減少している、ガスタービンの所望パワーの現在値（ＰＲ）に 対応した値（ＰＲ′） の最大なものとして選択されることを特徴とする方法。 １０．整流器（３）を連結された発電器（２）を駆動するガスタービン（１）に より生成されるパワーを制御する装置にして、該装置が、ガスタービン（１）へ の燃料供給が、ガスタービンの入り口温度（Ｔ）が設定値（ＴＲ）に少なくとも ほぼ対応するように、ガスタービンヘの燃料供給を制御するようにされた制御部 （６）と、整流器（３）に連結され、制御部（６）により生成される電圧制御信 号（ＵＲｓ）に依存して制御可能な電圧をもつ直流電圧回路網（４）とを有する ことを特徴とする装置。 １１．請求項１０に記載された装置において、前記回路網（４）が、前記電圧制 御信号（ＵＲｓ）に依存して制御可能な直流電圧変換器（４２）を有しているこ とを特徴とする装置。 １２．請求項１０または請求項１１に記載された装置において、該装置が、設定 値に対する電圧の変化率を制限するようにされた手段（４４２，６３１１）を有 することを特徴とする装置。 １３．請求項１０から請求項１２までのいずれか１項に記載された装置において 、前記制御部（６）が、ガスタービン（１）の排気ガス温度（ＴＥＸ）と所定の 排気ガス温度（ＴＥＸＲ）との間の差に依存してガスタービン（１）への燃料供 給を制限するようにされていることを特徴とする装置。 １４．請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載された装置において 、前記制御部（６）が、パワー（ｐ）と電圧（Ｕ）との間の所定の関係に依存し て電圧制御信号（ＵＲｓ）を生成するようにされていることを特徴とする装置。 １５．請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載された装置において 、前記制御部（６）が、ガスタービン（１）への燃料供給を、ガスタービン（１ ）の速度（Ｎ）と、パワー（Ｐ）と速度（Ｎ）との間の所定の関係に依存して生 成された速度（ＮＰＲ）との間の差に依存して制限するようにされていることを 特徴とする装置。 １６．請求項１５に記載された装置において、前記制御部（６）が、パワー（Ｐ ）と速度（Ｎ）との間の前記関係を、大気圧（Ｐａ）および（または）大気温度 （Ｔａ）の検出値に依存して修正するようにされていることを特徴とする装置。 １７．請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載された装置において 、前記制御部（６）が、前記パワー（Ｐ）を検知し、前記パワー（Ｐ）の所望の パワー（ＰＲ）からの偏差に依存して前記電圧制御信号（ＵＲｓ）を生成するよ うにされていることを特徴とする装置。 １８．請求項１７に記載された装置において、ガスタービン（１）のパワーの少 なくとも一部（ＰＬ）が、整流器（３）に連帯された制御可能な変換器（５１） を越えて伝達され、乗り物（５３）を推進するためのモータ（５２）へ供給され ており、前記制御部（６）が、ガスタービン（１）の所望パワー（ＰＲ）に対す る参照値を、 ａ）変換器（５１）に供給されるパワー（ＰＬ）の、所定の時間にわたる走行平 均値、 ｂ）変換器（５１）へ供給されるパワー（ＰＬ）の瞬間的所望値（ＰＬＲ）、ｃ ）所定の変化率で減少しているガスタービンの所望パワーの現在値（ＰＲ）に対 応した値（ＰＲ′） の最大なものとして生成するようにされていることを特徴とする装置。