JPS6321013B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は中間冷却器を有する２軸型レヒートガ
スタービン発電機の制御装置に関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕

近年ガスタービンも高効率運転を行うために高
温高圧化が図られている。この一環として第１図
に示すような２軸型レヒートガスタービンが注目
されている。これは発電機駆動用の低圧軸とこの
低圧軸に供給すべきガスを発生するための高圧軸
との２軸からなるもので、低圧軸の排ガスは中間
冷却器を介して高圧軸に循環され、この中間冷却
器は例えばボイラ等と組合わされてコンバインド
サイクルを構成し熱効率を最大限に高めるように
構成されている。

この構成を説明する。

発電機９を直結する低圧軸系は、高圧ガスター
ビン５の出口から発生ガスをガスダクトを通して
中圧タービン６に受入れ軸駆動動力を得る。この
出口ガスとこの出口ガスに途中で混入された冷却
空気等を低圧燃焼器（再燃器ともいう）７に与え
且つこの燃焼器７中に燃料を噴射して燃焼ガスを
得、低圧タービン８を駆動して低圧軸の駆動動力
を発生し排気装置２１から排気する。この駆動動
力の一部を消費して低圧圧縮機１が回転され、吸
気装置２０から大気を吸入して圧縮した空気を中
間冷却器２を通して所定の温度に冷却した上で高
圧軸系の高圧圧縮機３へ送気する。この高圧軸系
はガス発生器として機能する高圧圧縮機３、高圧
燃焼器４および高圧タービン５で構成されてい
る。高低圧軸の軸端には、電動機を有する起動装
置１０，１１が増速歯車装置を介して結合されて
いる。

このような本体機器の付属装置として、各機器
の制御操作端は、高圧燃焼器４の燃料流量制御弁
１４、低圧燃焼器７の燃料流量制御弁１５、低圧
圧縮機全段可変静翼操作器１３、同出口放風弁１
２が設けられている。その他に起動時、順序を追
つて操作するシーケンス制御のうち高圧系起動装
置の伝達トルクを予め設定されたプログラムにし
たがつてトルクを制御する設定器を投入するため
の切換スイツチ、高圧圧縮機の起動時サージング
領域をさけて作動させるべく全開していた抽気放
風弁を十分安全な領域まで起動させた後に全閉指
令を与える回転数比較器等から全体が構成されて
いる。

これにより高効率なガスタービン発電が可能と
なる。

しかしながら、このような２軸型レヒートガス
タービンはこれを制御することが難しく、充分実
用に耐え得る制御装置は提供されていないのが現
状である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、安全確実で再現性のある起動
制御特性を有し、且つ高効率で負荷運転を行い得
る２軸型レヒートガスタービン制御装置を提供す
ることである。

〔発明の概要〕

この目的達成のため、本発明では、起動装置に
より高低圧軸を回転昇速した上で、高圧燃焼器次
いで低圧燃焼器を着火して両燃焼器の燃料制御弁
を最小開度まで絞り込み、しかる後高圧軸の速度
を監視しつつ昇速制御し、次いで低圧軸のタービ
ン出口温度を監視しつつ昇速制御して所定速度に
達したところで発電機の系統併入を行い、この後
高圧軸は負荷変動に応じて、また低圧軸はタービ
ン出口温度に応じて制御を行うような装置を提供
するものである。

以下第２図乃至第１０図を参照して本発明を実
施例につき説明する。

第２図は本発明に係る２軸型レヒートガスター
ビン制御装置の構成を示すブロツク線図である。
この図において一点鎖線で囲んで示した弁開度制
御部１６，１８，１９および翼開度制御部１７は
第１図に示されたものと同一要素である。これら
制御部は何れも弁または翼の開度検出部６５，６
０，３１，４９、復調部６６，６１，２２，５
０、加減算部６７，６２，２３，３４およびサー
ボ増幅部６４，５９，３０，４８からなり、弁ま
たは翼の開度設定部６３，５８もしくは位置設定
部２９，３３の出力に応じて弁または翼の開度制
御を行う。

これら各設定部に対して第２図の左側に示した
各要素から制御信号が与えられて各弁または翼の
開度制御が行われる。この制御動作を起動から負
荷運転に至るまで順序にしたがつて説明する。

高低圧軸が各別に起動装置により回転上昇され
着火に必要な空気流量が得られる着火回転数にな
ると、図示しない起動停止シーケンシヤル制御装
置からの着火開度指令により、まず高圧燃焼器側
の燃料制御弁１４に対し着火燃料設定部７８から
の着火流量設定値信号が切換スイツチ７６を介し
て与えられる。

高圧燃焼器着火後、別の着火開度指令により、
同様に低圧燃焼器側の燃料制御弁１５に対し着火
燃料設定部７９からの着火流量設定値信号が切換
スイツチ３２を介して与えられる。

高低圧燃料制御弁１４，１５はそれぞれシーケ
ンシヤル制御装置から最終着火指令から所定時間
経過後に指令に基き、切換スイツチ７６，３２を
介して各弁１４，１５に対し最小燃料流量を得る
べく最小開度燃料流量設定値信号が付与される。

これにより高圧燃焼器４がまず着火され10缶の
燃焼器の火移り時間経過後に燃料制御弁１４が最
小開度まで絞り込まれる。同様に低圧燃焼器７も
12缶の燃焼器の火移り時間経過後に最小開度まで
燃料制御弁１５が絞り込まれる。

この後所定時間が経過すると、速度設定部４６
に初期設定値として高圧軸実回転数を与える。こ
れと同時に加速度設定部４０の出力を速度設定部
４６に与える。これ以後、速度設定部４６では高
圧軸実速度／加速度目標設定曲線にしたがい速度
目標値を演算し切換スイツチ７７を介して加減算
部４３に与える。加減算部４３は速度目標値と速
度検出部４２から実速度信号との偏差を出し速度
制御部４１に与える。

この制御部４１の出力により後述する低値選択
部３９および切換スイツチ７６を介して昇速制御
信号相当の要求高圧燃料流量信号として弁１４用
の位置設定部３３に入力が与えられる。

同様にして低圧燃焼器７の燃料制御弁１５が最
小開度まで絞り込まれた後所定時間が経つと低圧
タービン８の出口温度制御が行われる。これには
まず低圧タービン出口温度設定部２４により目標
温度設定値が与えられ、この設定値が加減算部２
７において出口温度検出部２６の実ガス温度検出
値と突き合わされ、両者の偏差が出口温度制御部
２５に入力される。

この制御部２５の出力により後述する低値選択
部２８および切換スイツチ３２を介して低圧ター
ビン出口温度制御信号相当の要求低圧燃料流量と
して弁１５用の位置設定部２９へ入力される。

このような制御の結果、低圧軸回転数は上昇す
る。低圧軸速度制御のため速度設定部５１から一
定設定値が与えられ速度検出部５３からの検出値
と加減算部５４において突き合わされて偏差が取
出され速度制御部５２に入力される。

一方、負荷設定部６８からの設定値は加減算部
７１に与えられて発電機出力検出部７０の実出力
検出値と突き合わされ負荷偏差が取出され比例積
分動作する負荷制御部６９に入力される。この負
荷制御部６９の出力はガバナ自動／手動選択スイ
ツチ７３が自動のときに加算器５５，７５に与え
られる。

このスイツチ７３はタービン起動時は手動選択
され、手動負荷設定部７４はゼロ設定される。自
動選択されるのは後述する発電機同期併入後の負
荷制御時である。

いま起動時であると手動負荷設定部７４から加
算器５５，７５に与えられる信号はゼロであるか
ら、加算器５５の出力は速度制御部５２の出力で
あり、また加算器７５の出力は負荷バイアス設定
部７２の出力でありともに低値選択部５６に与え
られる。負荷バイアス設定部７２は正負の100％
信号レンジが設定可能であり、このとき正の100
％バイアスを設定しておくとする。これにより低
値選択部５６への上記２入力は起動時に大きな値
をとる。

一方、低値選択部５６の第３入力として初期設
定部５７により上記２入力より小さな値を初期設
定として与えれば、低値選択部５６からは初期設
定値が出力される。この初期設定値は定格速度近
辺で高圧燃焼器燃料制御を高圧軸速度制御から低
圧軸速度制御へ確実に切替えるように決められ
る。切替え後はこの初期値設定部５７からの低値
選択部５６への入力は解除される。

次いで発電機を電力系統に同期併入させるため
発電機（低圧軸）速度を系統周波数に揃える。こ
のために図示しない揃速制御装置から手動負荷設
定部７４に揃速制御指令が与えられる。

低圧軸速度は定格速度たとえば3000rpmを保持
する必要があり、このため速度制御部５２から加
減算部５５へ制御出力が入力され、一方揃速制御
指令が手動負荷設定部７４を介し加減算部５５へ
加算され、加減算部５５ではそれらの重畳信号を
形成する。加減算部５５の出力が１つの入力とし
て与えられる低値選択部５６ではもう１つの入力
である負荷バイアス設定部７２からのバイアス設
定値が最大に設定されているため速度制御部５２
側からの信号が低値選択部５６，３９を通して高
圧燃料流量制御系へ与えられ揃速制御が行われ
る。

このとき他の同期併入条件を含めて条件が確立
すれば図示しない自動同期装置により発電機は電
力系統へ同期併入される。

同期併入後、ガバナ自動／手動選択スイツチ７
３がガバナ自動選択され負荷設定部６８に目標負
荷が設定されることにより負荷上算制御が行われ
る。すなわち実負荷検出部７０の検出値が加減算
部７１で目標負荷と突き合わされ負荷偏差信号と
して負荷制御部６９へ入力されて負荷制御信号が
出力される。この信号は速度制御用信号と加算さ
れ、前述のように高圧燃料流量制御が行われる。

このとき高圧低値選択部３９の他の２入力との
関係は次の通りである。いま仮にこれら２入力は
低値選択部３９で選択されていないとすると、こ
のうち積分要素を含む高圧タービン入口温度制御
部３６は低値選択部３９の出力に追従させ積分要
素が飽和することを防止する。これと共に加減算
部３８の出力の制御偏差が負側に反転したとき連
続的に低値選択部３９で制御信号が切換えられ
る。同様に、もう１つの高圧タービン速度制御部
４１は積分要素が含まれないので低値選択部３９
の出力に追従させないが最小制御出力になると連
続的に切換えられる。このとき、他の制御出力は
この選択された制御出力に追従させ次の制御系統
の切換えに備える。

一方低圧燃焼器燃料流量制御系２９，１９は起
動時に引続き負荷上昇時も連続的に低圧タービン
出口温度制御系２４，２５，２６，２７により低
値選択部２８を通して要求燃料流量設定が与えら
れる。ただし例外的場合として他方の負荷相当主
制御信号（低値選択部５６の出力）が選択される
ことがある。これは発電機負荷遮断時に低圧軸速
度が過大になり過渡的に負荷相当主制御信号が負
側の信号になつた場合である。

このように負荷上昇時に高圧側燃料、低圧側燃
料が制御されるとき、低圧圧縮機出口放風弁１２
および低圧圧縮機可変静翼により主空気流量が負
荷上昇と共に連続的に増加するように負荷相当主
制御信号による制御が行われる。

第３図および第４図はこの制御を行うための弁
開度設定部６３および翼開度設定部５８のプログ
ラム設定内容を示したものである。すなわち負荷
相当主制御信号が無負荷相当までは低圧圧縮機出
口放風弁開度85％、低圧圧縮機可変静翼開度11゜
とし、無負荷相当から負荷相当主制御信号30％ま
では出口放風弁開度を85％から０％まで直線的に
変え、可変静翼開度は11％のまま、その後負荷相
当主制御信号100％までは出口放風弁開度は０％
のままで可変静翼開度を100％まで直線的に変え
る。

第５図は高圧タービン速度バイアス設定部４４
のプログラム設定内容を示したもので、実負荷30
％までは直線的に増加し、30％乃至100％まで100
％近くの一定バイアス値となる特性を有する。

第６図は高圧タービン加速度設定部４０のプロ
グラム設定内容を示したもので、高圧タービン実
回転数が約3500rpmまでは6.7〔rpm／sec〕で一定
加速し、3500rpm〜4000rpmは4.8〔rpm／sec〕ま
で直線的に減少し、4000rpm〜6300rpmでは4.8
〔rpm／sec〕一定、その後7000rpmで加速０とな
るように設定されている。したがつて概ね３段階
に加速度が変化する。

第７図は低圧タービン出口温度設定部２４のプ
ログラム設定内容を示したもので、高圧タービン
実回転数が4000rpmまでは450℃とし、4000rpm
〜5400rpmで607℃まで直線的に上昇し、それ以
上の回転数では607℃一定とする。

第８図は高圧タービン入口ガス温度設定部３５
のプログラム設定内容を示したもので、低負荷領
域では1000℃一定とし負荷相当主制御信号が10数
％〜30％の範囲は直線的に上昇し、30％以上は
1300℃一定となるようにする。

第９図および第１０図は高圧燃焼器および低圧
燃焼器の各燃料制御弁弁開度設定特性を示したも
ので、第９図の特性は位置設定部３３に、第１０
の特性は同じく２９に、弁開度と燃料流量の非線
形特性補正関数として設定されている。なお、弁
の数は一つとして説明したが、弁のレンジアビリ
テイー等により各系統２弁とするような変形は勿
論可能である。

本発明は上述のように、ガス発生器としての高
圧軸とこのガス発生器からのガスを利用して発電
機を駆動する低圧軸とからなる２軸型レヒートガ
スタービンを制御するにつき、起動時は高圧軸を
加速度設定スケジユールにしたがつて速度制御
し、低圧軸はタービン出口温度を目標として低圧
燃焼器の燃料制御を行うようにしたため、円滑か
つ迅速に起動を行うことができ、また負荷運転時
に低圧圧縮機可変静翼により主空気流量を連続制
御するようにしたため、部分負荷特性としても高
効率運転制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用対象である２軸型レヒー
トガスタービンの構成を示す図、第２図は本発明
に係る装置の構成を示すブロツク線図、第３図乃
至第１０図は第２図の装置におけるいくつかの主
要要素の制御特性の説明図である。 １……低圧圧縮機、２……中間冷却器、３……
高圧圧縮機、４……高圧燃焼器、５……高圧ター
ビン、６……中圧タービン、７……再燃器、８…
…低圧タービン、９……発電機、１０……低圧起
動装置、１１……高圧起動装置、１２……低圧圧
縮機出口放風弁、１３……低圧圧縮機可変静翼操
作器、１４……高圧燃料流量制御弁、１５……再
燃燃料流量制御弁、１６……１２弁開度（位置）
制御部、１７……低圧圧縮機可変静翼開度（位
置）制御部、１８……高圧燃料流量制御弁開度
（位置）制御部、１９……再燃々料流量制御弁開
度（位置）制御部、２０……吸気装置、２１……
排気装置、２２……１５弁開度検出器用復調部、
２３……１９の加減算部、２４……低圧タービン
出口温度設定部、２５……低圧タービン出口温度
制御部、２６……低圧タービン出口温度検出部、
２７……同加減算部、２８……再燃器低値選択
部、２９……１９用位置設定部、３０……１５弁
用サーボ増幅部、３１……１５弁用サーボ弁と開
度検出器、３２……切換スイツチ、３３……１８
用位置設定部、３４……１８の加減算部、３５…
…高圧タービン入口温度設定部、３６……同温度
制御部、３７……同温度演算検出部、３８……同
加減算部、３９……高圧燃焼器低値選択部、４０
……高圧タービン加速度設定部、４１……高圧タ
ービン速度制御部、４２……同速度検出部、４３
……同加減算部、４４……同速度バイアス設定
部、４５……同加算部、４６……同速度設定部、
４７……同定格速度一定設定部、４８……１４弁
用サーボ増幅部、４９……１４弁用サーボ弁と開
度検出器、５０……１４弁開度検出器用復調部、
５１……低圧タービン定格速度一定設定部、５２
……低圧タービン速度制御部、５３……同速度検
出部、５４……同加減算部、５５……同加算部、
５６……同速度・負荷低値選択部、５７……低圧
軸速度切替、初期値設定部、５８……低圧圧縮機
可変静翼開度設定部、５９……１３用サーボ増幅
部、６０……１３用サーボ弁と開度検出器、６１
……１３用開度検出用復調部、６２……１７の加
減算部、６３……低圧圧縮機出口放風弁開度設定
部、６４……１２弁用サーボ増幅部、６５……１
２弁用サーボ弁と開度検出器、６６……１２弁開
度検出器用復調部、６７……１６の加減算部、６
８……負荷設定部、６９……負荷制御部、７０…
…発電機出力（実負荷）検出部、７１……負荷制
御部加減算部、７２……負荷バイアス設定部、７
３……ガバナ自動／手動選択スイツチ、７４……
手動負荷設定部、７５……負荷バイアス設定用加
算部、７６……切換スイツチ、７７……切換スイ
ツチ、７８……高圧燃焼器着火燃料設定部、７９
……再燃器着火燃料設定部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガス発生器としての高圧軸、前記ガス発生器
   からのガスを利用して負荷を駆動すると共に圧縮
   機を駆動して圧縮空気を形成する低圧軸、前記低
   圧軸からの圧縮空気を冷却して前記高圧軸に与え
   る中間冷却器を有する２軸型レヒートガスタービ
   ンと、 このガスタービンの実負荷が所定値に達するま
   では漸増しその後一定値となる設定信号を与える
   第１の装置、前記実負荷が所定値に達するまでは
   低温でその後より高温の一定値となる設定信号を
   与える第２の装置、前記高圧軸の実回転数に基き
   低速域では高率で高速域では低率となり所定速度
   到達時に０となる加速設定信号を与える第３の装
   置を有し、前記第１乃至第３の装置からの設定信
   号に基き燃料制御を行う高圧軸制御系と、 初期値設定信号に続いて負荷相当主制御信号が
   与えられることにより前記低圧軸における圧縮機
   の出口放風弁開度および可変静翼開度を制御する
   第１の装置、前記高圧軸の実回転数低速域では低
   温で高速域では高温に前記低圧軸のタービン出口
   温度を保つような設定信号を与える第２の装置、
   前記第１および第２の装置からの設定信号に基き
   燃料制御を行う低圧軸制御系とをそなえた２軸型
   レヒートガスタービンの制御装置。