JP6223847B2 - ガスタービンの制御装置、ガスタービン、及びガスタービンの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの制御装置、ガスタービン、及びガスタービンの制御方法に関するものである。

一般に、発電所等で用いられているガスタービンは、圧縮機において圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼させ、この結果得られる高温高圧の燃焼ガスをタービンに導いて出力を取出している。図１１に、このガスタービンの基本的な構成を示す。ガスタービン１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０３及びタービン１０１を備えている。燃焼器１０３には、圧縮機１０２で圧縮された空気並びに、負荷に応じて開度調整される燃料流量調整弁１０５により流量調整された燃料ガスが供給される。燃焼器１０３において、燃焼された高温の燃焼ガスはタービン１０１へ供給され膨張し、タービン１０１を駆動する。この駆動力は発電機１５０に伝達されて発電が行われるとともに、圧縮機１０２に伝達されることにより圧縮機を駆動する。
なお、１軸型複合サイクル発電プラントの場合には、ガスタービン１００、発電機１５０及び蒸気タービン１６０のそれぞれの回転軸が一体に結合されている。

また、圧縮機１０２の第１段の翼の前側には入口案内翼（Inlet Guide Vane：ＩＧＶ）１０４が設けられている。この入口案内翼１０４は、圧縮機入り口の案内翼の開度を操作することにより、圧縮機１０２の動翼との間を流れて燃焼器１０３へ流入する空気量を変化させ、ガスタービン１００の排ガス温度を目標値に制御するためのものである。吸気は入口案内翼１０４により周方向の速度が与えられ圧縮機１０２に導入される。圧縮機１０２では、導入された空気は多段の動翼と静翼とを通ってエネルギーが与えられて圧力が上昇する。

なお、入口案内翼１０４は、周方向に多数枚設けられた可動翼がそれぞれ可動可能に支持されて構成され、運転制御装置１１０からの駆動信号によってアクチュエータが作動してこれら可動翼が可動されて、吸気流量、燃焼温度を調整している。

より具体的には、運転制御装置１１０は、入口案内翼１０４のアクチュエータへのＩＧＶ開度指令を生成するために、図１２に示すような構成を備えている。すなわち、乗算器１１、テーブル関数器（ＦＸ１）１２、リミッタ１３、補正関数器（ＦＸ２）１４及び制限関数器（ＦＸ３）１５を備えた構成である。基本的に、発電機出力（ＧＴ出力）に応じて、図１３（ａ）に示すような関数に従ってＩＧＶ開度を設定する。そして、補正関数器（ＦＸ２）１４により図１３（ｂ）に示すような圧縮機入口温度に対応した関係に基づきＧＴ出力補正係数Ｋ２を生成して、乗算器１１でＧＴ出力にこの補正係数Ｋ２を掛け合わせることで、テーブル関数を参照するＧＴ出力値を補正している。また、制限関数器（ＦＸ３）１５により図１３（ｃ）に示すような圧縮機入口温度に対応した関係に基づきＩＧＶ最大開度Ｍ１を生成して、リミッタ１３により、テーブル関数器（ＦＸ１）１２で生成されたＩＧＶ開度がＩＧＶ最大開度Ｍ１を超えないように制限している。

また図１１に示すような構成では、タービン１０１の回転軸と発電機１５０とが連結されているため、系統周波数の変動に応じて発電設備の負荷も変動することになる。例えば、系統周波数か低下した場合には回転数も降下することになり、規定の回転数を維持するために、ガスタービン発電設備では、供給燃料量を増加する必要がある。このように周波数変動に対応した運転制御を行う先行技術としては、例えば、特許文献１や特許文献２が開示されている。特許文献１には、系統周波数の異常が検出されたとき、通常制御と相違した系統周波数の回復を主体とした制御に切り替える技術が示されている。また、特許文献２には、系統周波数の変化率が制限内となるように調整するガバナフリー制御の手法が示されている。

特開２００４−２７８４８号公報 特開２００３−２３９７６３号公報

近年、海外や国内でも部分負荷の性能向上に関する要求が高まっている。
部分負荷で周波数が低下した場合の調定率に従った負荷上昇に対して、或いは負荷増加指令に対して、従来技術では、ガスタービン１００は燃料を増加させるが、一方で燃焼温度（タービン入口温度）の上昇による機器損傷といった機器保護の観点から温調動作するため、所望の負荷が得られないことが懸念される。

つまり、図１４（ａ）に示すような系統周波数の低下に対して、ガスタービン１００の入口案内翼１０４の開度を変化させず（図１４（ｂ）参照）、燃料制御によってのみ対応すると、図１４（ｃ）に示すような軸出力についてのＧｒｉｄ Ｃｏｄｅ要求レスポンスを満足させるためには、図１４（ｅ）に示すように、タービン入口温度のオーバシュート制限値を超えて機器保護の制約をも超える可能性があった。

また一方で、機器保護の観点からタービン入口温度のオーバシュートを許容しない場合には、図１４（ｃ）に示す軸出力についてのＧｒｉｄ Ｃｏｄｅ要求レスポンスを満足させることができない可能性があった。特に、ガスタービン１００と蒸気タービン１６０が同軸の１軸型複合サイクル発電プラントの場合には、図１４（ｄ）に示すように、蒸気タービン１６０の出力（ＳＴ出力）の増加が遅れるため、Ｇｒｉｄ Ｃｏｄｅで規定された軸出力を満足するためには、蒸気タービン１６０の出力不足をガスタービン１００の過負荷運転で補う必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガスタービンの運転状態に係らず、タービン入口温度を上げることなく出力の上昇を可能とする、ガスタービンの制御装置、ガスタービン、及びガスタービンの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガスタービンの制御装置、ガスタービン、及びガスタービンの制御方法は以下の手段を採用する。

本発明の第一態様に係るガスタービンの制御装置は、前段に入口案内翼を備える圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給して該燃焼器で発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するガスタービンの制御装置であって、部分負荷で前記ガスタービンが運転された状態で、前記ガスタービンの出力を増加させる場合に、ＩＧＶ先行開フラグを有効とするＩＧＶ制御フラグ生成手段と、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、タービン入口温度低下による熱落差以上に前記圧縮機の吸気流量が増加して、タービン出力が増加するように、前記入口案内翼の開度をそれまでに比べて開くように設定する入口案内翼開度設定手段と、を備え、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効とされた場合に、前記入口案内翼の開度に応じて前記燃焼器に供給する燃料流量を増加させる。

本構成によれば、ガスタービンの出力を増加させる場合に、ＩＧＶ制御フラグ生成手段によってＩＧＶ先行開フラグが有効とされる。
ＩＧＶ先行開フラグが有効とされると、入口案内翼の開度をそれまでに比べて開くように、入口案内翼開度設定手段によって設定される。

タービン入口温度は燃空比（燃料量／燃焼空気量の比）に比例することから、入口案内翼が開く方向に開度を変化させれば、圧縮機の吸気流量は増加し燃焼空気量が増加するので、燃空比、即ちタービン入口温度は低下する。
また、「タービン出力＝タービン通過流量×タービン熱落差×効率」の関係があり、入口案内翼が開く方向に開度を変化させれば、圧縮機の吸気流量が増加してタービン通過流量も増加するので、タービン入口温度低下による熱落差以上にタービン通過流量の増大が寄与すれば発電機の出力は増加することになる。
従って、ガスタービンの運転状態に係らず、タービン入口温度を上げることなく出力の上昇を可能とする。

上記第一態様では、ＩＧＶ制御フラグ生成手段が、系統周波数が所定閾値以下又は前記ガスタービンの出力増加が要求された場合に、ＩＧＶ先行開フラグを有効としてもよい。

本構成によれば、ガスタービンの運転状態に係らず、タービン入口温度を上げることなく出力の上昇を可能とする。

上記第一態様では、前記入口案内翼開度設定手段は、圧縮機の動力の増加よりも、タービン出力の増加の方が速くなるように、入口案内翼の開度の変化率が設定されることが好ましい。

本構成によれば、入口案内翼を開くことによる圧縮機動力の増加に伴うガスタービン出力（発電出力）の一時的な減少を抑制できる。

上記第一態様では、温調設定を車室圧力に応じて設定する温度制御手段を備え、前記温度制御手段が、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、前記入口案内翼の開度の変化率を算出して該変化率に応じた補正量を算出し、前記温調設定を補正する第１補正手段を有することが好ましい。

本構成によれば、排ガス温度設定値又はブレードパス温度設定値の追従性を速めて、温度設定の逃がしを過渡的に速くできるため、系統周波数の変動に対する負荷即応性を向上させることができる。

上記第一態様では、温調設定を車室圧力に応じて設定する温度制御手段を備え、前記温度制御手段が、前記温調設定に基づく目標値と計測したブレードパス温度又は排ガス温度との偏差に基づき比例積分制御を行って前記タービンのブレードパス温度設定値又は排ガス温度設定値を生成するＰＩ制御手段を有し、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、該ＰＩ制御手段における制御パラメータを予め設定された値に設定することが好ましい。

本構成によれば、ブレードパス温度設定値又は排ガス温度設定値の動きを速めることができ、系統周波数の変動に対する負荷即応性を向上させることができる。

上記第一態様では、温調設定を車室圧力に応じて設定する温度制御手段を備え、前記温度制御手段は、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、前記入口案内翼の開度の変化率を算出して該変化率に応じた補正量を算出し、前記温調設定に基づき生成した前記タービンのブレードパス温度設定値又は排ガス温度設定値を補正する第２補正手段を有することが好ましい。

本構成によれば、ブレードパス温度設定値又は排ガス温度設定値の動きを直接的に先行させ、より追従性を速めて、温度設定の逃がしを過渡的に速くでき、系統周波数の変動に対する負荷即応性を向上させることができる。

上記第一態様では、前記ＩＧＶ制御フラグ生成手段が、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効から無効に切り替わるとき、一定の遅延を持たせて該ＩＧＶ先行開フラグを無効とすることが好ましい。

本構成によれば、入口案内翼の開閉動作が頻繁に発生する事を防止する事ができる。

上記第一態様では、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効とされた場合に、前記入口案内翼の開度に応じて燃料流量を増加させることが好ましい。

本構成によれば、入口案内翼の開度が開き気味になることによる空気流量の増加に応じて燃料流量を増加させることができるので、タービン入口温度の過度な低下を防ぐことができる。

本発明の第二態様に係るガスタービンは、前段に入口案内翼を備える圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気と燃料とが供給され、燃焼ガスを発生する燃焼器と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスによって回転するタービンと、前記タービンの回転によって駆動する発電機と、上記記載の制御装置と、を備える。

本発明の第三態様に係るガスタービンの制御方法は、前段に入口案内翼を備える圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給して該燃焼器で発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するガスタービンの制御方法であって、部分負荷で前記ガスタービンが運転された状態で、前記ガスタービンの出力を増加させる場合に、ＩＧＶ先行開フラグを有効とするＩＧＶ制御フラグ有効ステップと、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、タービン入口温度低下による熱落差以上に前記圧縮機の吸気流量が増加して、タービン出力が増加するように、前記入口案内翼の開度をそれまでに比べて開くように設定する入口案内翼開度設定ステップと、を有し、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効とされた場合に、前記入口案内翼の開度に応じて前記燃焼器に供給する燃料流量を増加させる。

本発明によれば、ガスタービンの運転状態に係らず、タービン入口温度を上げることなく出力の上昇を可能とする、という優れた効果を有する。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンの構成図である。 本発明の第１実施形態に係るＩＧＶ制御フラグ生成部の構成図である。 本発明の第１実施形態に係るＩＧＶ制御部の構成図である。 入口案内翼を急峻に開いた場合における、圧縮機動力、タービン出力、ＧＴ出力の時間変化の例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る温度制御部の温調設定を生成する部分の構成図である。 本発明の第２実施形態に係る温調設定の切り替えを説明する説明図である。 本発明の第３実施形態に係る温度制御部におけるブレードパス温度制御部の構成図である。 本発明の第４実施形態に係る温度制御部におけるブレードパス温度制御部の構成図である。 本発明の第５実施形態に係るＩＧＶ制御フラグ生成部の構成図である。 本発明の本第６実施形態に係る燃料制御部の構成図である。 従来例におけるガスタービンの構成図である。 従来例におけるＩＧＶ制御部の構成図である。 従来例におけるＩＧＶ制御部の各種関数器が持つ関数を説明する説明図である。 従来例において系統周波数が低下したときの各種緒量のタイムチャートである。

以下、本発明のガスタービンの制御装置及び制御方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るガスタービンの制御装置及び制御方法について説明する。

図１は、本第１実施形態に係るガスタービン１００の構成図である。
図１において、ガスタービン１００は圧縮機１０２、燃焼器１０３及びタービン１０１を備える。圧縮機１０２で圧縮された空気、及び燃料流量調整弁１０５により流量調節された燃料は、燃焼器１０３に供給され、ここで混合・燃焼されることにより高圧の燃焼ガスが生成される。高温の燃焼ガスはタービン１０１に供給され、膨張することによりタービン１０１を駆動する。この駆動力は発電機１５０に伝達されて発電が行われるとともに、圧縮機１０２に伝達されることにより圧縮機１０２を駆動する。
燃料流量調整弁１０５は、運転制御装置１１０の燃料制御部１１２からの制御信号１１８によって作動される。この燃料流量調整弁１０５は、上述したように燃料ガスの燃料流量を制御することにより、負荷、さらには排ガス温度を調整している。なお、１軸型複合サイクル発電プラントの場合には、ガスタービン１００、発電機１５０及び蒸気タービン１６０のそれぞれの回転軸が一体に結合されている。

圧縮機１０２の第１段の翼の前側には入口案内翼（Inlet Guide Vane：ＩＧＶ）１０４が設けられている。吸気は入口案内翼１０４により周方向の速度が与えられ圧縮機１０２に導入される。圧縮機１０２では導入された空気は多段の動翼と静翼とを通ってエネルギーが与えられて圧力が上昇する。また、入口案内翼１０４は、周方向に多数枚設けられた可動翼がそれぞれ回動可能に支持されて構成され、運転制御装置１１０のＩＧＶ制御部１１３からのＩＧＶ開度指令によって入口案内翼１０４のアクチュエータが作動してこれら可動翼が可動させられ、吸気流量、燃焼温度を調整している。

タービン１０１の最終段部には最終段のブレードを通過したガスの温度を検出するブレードパス温度検出器１２３が設けられる。また、該ブレードパス温度検出器１２３の配置位置より下流側の排気通路には排ガスの温度を検出する排ガス温度検出器１２４が設けられている。また、吸気状態を検出する吸気状態検出器１２１が設けられ、吸気温度と吸気圧力が検出されている。燃焼器１０３の車室内の圧力が車室内圧力センサ１２２によって検出されている。さらに、タービン１０１の負荷状態を検出するために発電機出力センサ（図示せず）が設けられている。

そして、これらブレードパス温度検出器１２３、排ガス温度検出器１２４、吸気状態検出器１２１、車室内圧力センサ１２２及び発電機出力センサによって検出された検出信号が運転制御装置１１０に入力される。この運転制御装置１１０は、燃料の供給制御を行う燃料制御部１１２と、ブレードパス温度制御及び排ガス温度制御を行う温度制御部１１４と、入口案内翼１０４の開度制御を行うＩＧＶ制御部１１３と、ＩＧＶ先行開フラグ（ＩＧＶ先行開信号）を生成するＩＧＶ制御フラグ生成部１１５とを備えている。

図２は、ＩＧＶ制御フラグ生成部１１５の構成図である。
ＩＧＶ制御フラグ生成部１１５は、ガスタービン１００の出力を増加させる場合に、ＩＧＶ先行開フラグを有効とする。
例えば、ＩＧＶ制御フラグ生成部１１５は、系統周波数が所定閾値α以下となって周波数低信号が入力された場合、又は、ガスタービン１００の出力増加を要求する出力増要求信号が入力された場合に、ＯＲゲート３によりＩＧＶ先行開フラグを有効として生成する。なお、系統周波数が所定閾値α以下の場合、系統周波数を上昇させるためにガスタービン１００は出力増加を行うこととなる。

次に、ＩＧＶ制御部１１３は図３に示すように構成されている。

図３において、乗算器１１、テーブル関数器（ＦＸ１）１２、リミッタ１３、補正関数器（ＦＸ２）１４及び制限関数器（ＦＸ３）１５は、従来（図１２参照）と同様の構成である。本第１実施形態に係るＩＧＶ制御部１１３では、この従来のＩＧＶ開度指令に対して、ＩＧＶ先行開フラグに基づく加算量を加える構成と、ＩＧＶ開度の変化率を制限する構成が付加されている。なお、本第１実施形態に係るＩＧＶ制御部１１３では、ＧＴ出力の値がフィルタ１０を介して乗算器１１に入力される。

加算量を加える構成では、信号発生器（ＳＧ１）１７及び（ＳＧ２）１８をＩＧＶ先行開フラグに応じて信号切換器１９で切り換え、レートリミッタ２０を介して、加算器１６で通常運転時におけるＩＧＶ開度指令に加算している。

これにより、ＩＧＶ先行開フラグが有効とされた場合に、入口案内翼１０４の開度がそれまでに比べて開くように設定される。
例えば、信号発生器（ＳＧ１）１７に「０」を、信号発生器（ＳＧ２）１８に所定値を設定しておき、ＩＧＶ先行開フラグが有効になったときには、通常運転時のＩＧＶ開度指令に信号発生器（ＳＧ２）１８の所定値を加算して、入口案内翼１０４の開度が通常よりも開くようにしている。

また、ＩＧＶ開度の変化率を制限する構成は、信号発生器（ＳＧ３）２３及び（ＳＧ４）２４を、負荷遮断フラグに応じて信号切換器２５で切り換え、これを変化率制限器２１に供給してＩＧＶ開度の変化率制限値を変える構成である。ここで、信号発生器（ＳＧ３）２３には通常時の変化率制限値（例えば、４００［％／分］）が、また信号発生器（ＳＧ４）２４には負荷遮断時の変化率制限値（例えば、３０００［％／分］）が、それぞれ設定されている。

次に、本第１実施形態に係るガスタービン１００の運転制御装置１１０による運転制御について説明する。
部分負荷でガスタービン１００が運転された状態で、系統周波数が所定閾値α以下となった場合、又は、部分負荷でガスタービン１００が運転された状態で、ガスタービン１００の出力増加が要求された場合には、ＩＧＶ制御フラグ生成部１１５でＩＧＶ先行開フラグが有効とされる。

これを受けてＩＧＶ制御部１１３では、入口案内翼１０４の開度がそれまでに比べて開くように設定され、入口案内翼１０４の開度は通常に比べて開き気味となる。

一般に、タービン入口温度は燃空比（燃料量／燃焼空気量の比）に比例することから、入口案内翼１０４が開く方向にＩＧＶ開度を変化させれば、圧縮機１０２の吸気流量は増加し、燃焼空気量が増加するので、燃空比、即ちタービン入口温度は低下する。
すなわち、ＩＧＶ先行開フラグが有効とされると、入口案内翼１０４は、通常設定に比べて開き気味とされことで、圧縮機１０２の吸気流量が通常の設定より増加する。これにより、ガスタービン１００は、タービン入口温度を通常より下げ気味で運転ができるので、風量の増加によりタービン出力を増加できる。例えば、入口案内翼１０４の開度を１０〜２０％増加させ、風量を定格流量よりも５％〜１０％増加させる。
具体的には、「タービン出力＝タービン通過流量×タービン熱落差×効率」の関係があり、入口案内翼１０４が開く方向にＩＧＶ開度を変化させれば、圧縮機１０２の吸気流量が増加してタービン通過流量も増加する。このため、タービン入口温度低下による熱落差以上にタービン通過流量の増大が寄与すれば、発電機１５０の出力は増加することになる。
また、圧縮機１０２の吸気流量が増加してタービン入口温度を低下するので、燃焼器１０３へより多くの燃料投入が可能となり、燃料投入によってもタービン出力を増加できる。

なお、入口案内翼１０４を開くと圧縮機１０２の吸気流量が増加するため、圧縮機１０２の動力が増加する。このため、図４の例に示すように、入口案内翼１０４を急峻に開くと、圧縮機１０２の動力がタービン出力の増加よりも速く増加し、その結果ＧＴ出力（発電機出力）が一時的に減少する可能性がある。
このため、レートリミッタ２０では、圧縮機１０２の動力の増加よりも、タービン出力の増加の方が速くなるように、変化率が設定されている。これにより、入口案内翼１０４を開くことによる圧縮機１０２の動力の増加に伴うＧＴ出力の一時的な減少を抑制できる。

以上説明したように、本第１実施形態に係るガスタービン１００の運転制御装置１１０は、系統周波数が所定閾値α以下又はガスタービン１００の出力増加が要求された場合に、ＩＧＶ先行開フラグを有効とし、ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、入口案内翼１０４の開度をそれまでに比べて開くように設定する。
従って、ガスタービン１００の運転状態に係らず、タービン入口温度を上げることなく出力の上昇が可能とされる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。

なお、本第２実施形態に係るガスタービン１００及びＩＧＶ制御部１１３の構成は第１実施形態と同様であり、各構成要素の説明を省略する。

ガスタービン１００は、運転制御装置１１０が備える燃料制御部１１２からの制御信号１１８により燃料流量調整弁１０５の開度制御を行って、燃料流量制御によって負荷調整を行っている。この燃料制御部１１２では、ブレードパス温度制御におけるブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯ、排ガス温度制御における排ガス温度設定値ＥＸＣＳＯ、ガバナ制御におけるガバナ設定値ＧＶＣＳＯ、又はロードリミット制御におけるロードリミット設定値ＬＤＣＳＯに基づき、これらの内の最も低い値のものを燃料流量調整弁１０５に対する最終的な制御信号１１８として使用している。

温度制御部１１４ブレードパス温度制御では、ブレードパス温度（タービン１０１最終段直後の排気ガス温度）を計測し、これと温調設定に基づく目標値とを比較し、比例積分（ＰＩ）制御によりブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯを生成する。また、排ガス温度制御では、排ガス温度（タービン１０１最終段よりも後流の排気ダクトでの排気ガス温度）を計測し、これと温調設定に基づく目標値とを比較し、比例積分（ＰＩ）制御により排ガス温度設定値ＥＸＣＳＯを生成する。

図５は第２実施形態の温度制御部１１４における温調設定（排ガス温調設定）ＥＸＲＥＦを生成する部分の構成図である。

図５において、温度制御部１１４の温調設定ＥＸＲＥＦを生成する部分は、関数器（ＦＸ１１）３１、加算器２１０と、先行信号生成部２００とを備える。
関数器（ＦＸ１１）３１は、通常運転時における車室圧力と温調設定との関係を示す関数が設定されている。つまり、入口案内翼１０４の開度指令値ＩＧＶが例えば０［度］以上の通常運転時には関数器（ＦＸ１１）３１に基づく温調設定ＥＸＲＥＦが生成される。

また、先行信号生成部２００は、１次遅れフィルタ２０２，２０３、減算器２０４、関数器（ＦＸ１６）２０５、関数器（ＦＸ１５）２０１、乗算器２０６及びレートリミッタ２０７を備えた構成である。１次遅れフィルタ２０２，２０３は、１個（例えば２０２のみ）でも３個でもかまわない。減算器２０４、１次遅れフィルタ２０２，２０３は、変化率を算出するものであり、変化率を検出する仕組みであれば、この構成に限定するものではない。

先行信号生成部２００では、まず、減算器２０４によりＩＧＶ開度指令値と１次遅れフィルタ２０２，２０３で遅延した信号と遅延していない信号との偏差を求め、この偏差をＩＧＶ開度指令値の変化率（擬似微分値）として得る。そして、関数器（ＦＸ１６）２０５において、このＩＧＶ開度指令値の変化率の大きさ（擬似微分値）に応じて温調設定ＥＸＲＥＦへの補正量（先行信号）を設定する。

また、関数器（ＦＸ１５）２０１は、先行信号生成部２００の作動範囲を入口案内翼１０４の開度が所定範囲にある場合のみとするものであり、例えば、関数ＦＸ１５として、ＩＧＶ開度が部分負荷時の開度範囲を「１」とし、全開時を「０」とするような関数を使用し、これを乗算器２０６で掛け合わせることにより、ガスタービン１００が部分負荷で運転している状態でのみ先行信号生成部２００による補正（先行信号）を有効とすることができる。

また、レートリミッタ２０７は、得られる温調設定ＥＸＲＥＦへの補正量、即ち先行信号の時間変化率を制限するもので、該レートリミッタ２０７を介した補正量が加算器２１０により加算され、温調設定ＥＸＲＥＦとして生成される。

このときの温調設定ＥＸＲＥＦの時間的推移は図６（ａ）のＴ１に示すようになるが、実際のブレードパス温度又は排ガス温度は、温度の計測遅れがあるので図６（ａ）のＴ０に示すようにゆっくりとした変化となる。そこで、本第２実施形態では、図６（ｂ）に示すような先行信号生成部２００による補正量（先行信号）を加算することにより、温調設定ＥＸＲＥＦの時間的推移を図６（ａ）のＴ２に示すようにし、実際のブレードパス温度又は排ガス温度の追従性をより速くなるようにしている。

このように、本第２実施形態では、先行信号生成部２００（第１補正手段）により、入口案内翼１０４の開度の変化率を算出して該変化率に応じた補正量を算出し、温調設定ＥＸＲＥＦを補正するので、ブレードパス温度設定値や排ガス温度設定値の追従性を速めて、温度設定の逃がしを過渡的に速くでき、系統周波数の変動に対する負荷即応性を向上させることができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について説明する。

図７は第３実施形態に係る温度制御部１１４におけるブレードパス温度制御部の構成図であり、温調設定ＥＸＲＥＦを生成する部分については、第２実施形態に係る構成を使用するものとして省略する。なお、本第３実施形態に係るガスタービン１００及びＩＧＶ制御部１１３の構成は第１実施形態と同様であり、各構成要素の説明を省略する。

図７において、本第３実施形態に係る温度制御部１１４が備えるブレードパス温度制御部は、信号発生器（ＳＧ１５）３０１，（ＳＧ１６）３０３，（ＳＧ１７）３０８，（ＳＧ１８）３０９，（ＳＧ１９）３１１及び（ＳＧ２０）３１２、信号切換器３１０及び３１３、加算器３０２、減算器３０５及び３０６、低値選択器３０４、並びにＰＩ制御器３０７を備えた構成である。

加算器３０２で温調設定ＥＸＲＥＦに所定値ＳＧ１５を加算した値と、所定値ＳＧ１６との間でより低値となる値を低値選択器３０４により選択してこれを目標値ＢＰＲＥＦとし、該目標値ＢＰＲＥＦとブレードパス温度検出器１２３からのブレードパス温度計測値ＢＰＴとの偏差を減算器３０５により求め、該偏差に基づく比例積分制御をＰＩ制御器３０７により行ってブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯを生成する。
ＰＩ制御器３０７における上限値は、減算器３０５による偏差と待機値ＲＣＳＯとの偏差としている。また、本第３実施形態に係るブレードパス温度制御部は、ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、ＰＩ制御３０７における制御パラメータを予め設定された値に設定する点に特徴があるが、ここでは、比例ゲイン及び時定数をＩＧＶ先行開フラグに応じて切替設定している。

すなわち、比例ゲインは、信号発生器（ＳＧ１７）３０８及び（ＳＧ１８）３０９をＩＧＶ先行開フラグに応じて信号切換器３１０で切り換えて生成する。ここで、信号発生器（ＳＧ１７）３０８には通常時の比例ゲインが設定され、信号発生器（ＳＧ１８）３０９にはＩＧＶ先行開時の比例ゲインが設定されている。また、時定数は、信号発生器（ＳＧ１９）３１１及び（ＳＧ２０）３１２をＩＧＶ先行開フラグに応じて信号切換器３１３で切り換えて生成する。ここで、信号発生器（ＳＧ１９）３１１には通常時の時定数が設定され、また信号発生器（ＳＧ２０）３１２にはＩＧＶ先行開時の時定数が設定されている。なお、安定性の観点からは比例ゲイン及び時定数をより小さい値とすることが良いが、系統周波数が所定閾値α以下又はガスタービン１００の出力増加が要求された場合は、緊急性があり追従性を優先することとして、比例ゲイン及び時定数を通常時よりも大きい値とするのが望ましい。

このように、本第３実施形態に係る温度制御部１１４におけるブレードパス温度制御部（排ガス制御部も同様）では、温調設定ＥＸＲＥＦに基づく目標値ＢＰＲＥＦと計測したブレードパス温度ＢＰＴとの偏差に基づきＰＩ制御器３０７による比例積分制御を行ってタービン１０１のブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯを生成するが、ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、ＰＩ制御器３０７における制御パラメータ（比例ゲイン及び時定数）を予め設定された値に設定するので、ブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯの動きを先行して速めることができ、系統周波数の変動や負荷増加時に対する負荷即応性を向上させることができる。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態について説明する。
次に、本発明の第４実施形態に係るガスタービン１００の運転制御装置１１０について説明する。
図８は、本第４実施形態の温度制御部１１４に係るブレードパス温度制御部の構成図であり、温調設定ＥＸＲＥＦを生成する部分については、第２実施形態に係る構成を使用するものとして省略する。なお、本第４実施形態に係るガスタービン１００及びＩＧＶ制御部１１３の構成は第１実施形態と同様であり、各構成要素の説明を省略する。

図８において、本第４実施形態に係る温度制御部１１４が備えるブレードパス温度制御部は、信号発生器（ＳＧ１５）３０１及び（ＳＧ１６）３０３と、加算器３０２及び４１０と、減算器３０５及び３０６と、低値選択器３０４と、ＰＩ制御器３０７と、先行信号生成部４００とを備えた構成である。

加算器３０２で温調設定ＥＸＲＥＦに所定値ＳＧ１５を加算した値と、所定値ＳＧ１６との間でより低値となる値を低値選択器３０４により選択してこれを目標値ＢＰＲＥＦとし、該目標値ＢＰＲＥＦとブレードパス温度検出器１２３からのブレードパス温度計測値ＢＰＴとの偏差を減算器３０５により求め、該偏差に基づく比例積分制御をＰＩ制御器３０７により行ってブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯを生成する。なお、ＰＩ制御器３０７における上限値は、減算器３０５による偏差と待機値ＲＣＳＯとの偏差としている。

本第４実施形態の温度制御部１１４におけるブレードパス温度制御部は、入口案内翼１０４の開度の変化率を算出して該変化率に応じた補正量を算出し、温調設定ＥＸＲＥＦに基づき生成したブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯを補正する先行信号生成部４００（第２補正手段）を付加した点に特徴がある。先行信号生成部４００は、１次遅れフィルタ４０２，４０３、減算器４０４、関数器（ＦＸ１８）４０５、関数器（ＦＸ１７）４０１、乗算器４０６及びレートリミッタ４０７を備えた構成である。１次遅れフィルタは、１個でも３個でも良い。減算器２０４、１次遅れフィルタ２０２，２０３は、変化率を算出するものであり、変化率を検出する仕組みであれば、この構成に限定するものではない。

先行信号生成部４００では、まず、減算器４０４によりＩＧＶ開度指令値を１次遅れフィルタ４０２，４０３で遅延した信号と遅延していない信号との偏差を求め、この偏差をＩＧＶ開度指令値の変化率（擬似微分値）として得る。そして、関数器（ＦＸ１８）４０５において、このＩＧＶ開度指令値の変化率の大きさ（擬似微分値）に応じてブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯへの補正量（先行信号）を設定する。

また、関数器（ＦＸ１７）４０１は、先行信号生成部４００の作動範囲を入口案内翼１０４の開度が所定範囲にある場合のみとするものであり、例えば、関数ＦＸ１７として、ＩＧＶ開度が部分負荷時の開度範囲を「１」とし、全開時を「０」とするような関数を使用し、これを乗算器３０６で掛け合わせることにより、ガスタービン１００が部分負荷で運転している状態でのみ先行信号生成部４００による補正（先行信号）を有効とすることができる。

また、レートリミッタ４０７は、ブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯへの補正量、即ち先行信号の時間変化率を制限するもので、該レートリミッタ４０７を介した補正量が加算器４１０により加算され、ブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯとして生成される。

このように、本実施形態では、先行信号生成部４００（第２補正手段）により、入口案内翼１０４の開度の変化率を算出して該変化率に応じた補正量を算出し、ブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯに直接補正量（先行信号）を加算して補正するので、ブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯの動きを直接的に先行させ、より追従性を速めて、温度設定の逃がしを過渡的に速くでき、系統周波数の変動や負荷増加時に対する負荷即応性を向上させることができる。

〔第５実施形態〕
次に、第５実施形態に係るガスタービン１００の運転制御装置１１０について説明する。
ここで、図９は本第５実施形態に係るＩＧＶ制御フラグ生成部１１５の構成図である。また、ガスタービン１００の運転制御装置１１０の全体構成は上述した第１実施形態〜第４実施形態と同様であり、各構成要素の説明を省略する。

本第５実施形態に係るＩＧＶ制御フラグ生成部１１５は、第１実施形態と同様に、系統周波数が所定閾値α以下又はガスタービン１００の出力増加が要求された場合に、ＩＧＶ先行開フラグを有効とするが、図９に示すように、ＯＲゲート３の出力にオフディレイ５が付加された構成となっている。

このオフディレイ５により、ＩＧＶ先行開フラグが有効から無効に切り替わるとき、一定の遅延を持たせてＩＧＶ先行開フラグを無効とすることができる。なお、オフディレイ５による遅延時間は、例えばボイラ時定数程度であり、例えば５分から１０分である。

ここで、系統周波数が変動していない場合であっても、負荷上昇時には蒸気タービン１６０の出力（ＳＴ出力）の遅れと、発電機１５０出力の温調運転による上限とから、ＧＴＣＣでは負荷上昇時に高負荷において負荷即応性（追従性）が悪い状況となっていた。このため、入口案内翼１０４をＩＧＶ先行開フラグで一定量開動作させる事で負荷追従性を高めたが、条件（所望負荷到達）が成立すれば即座に閉動作され、入口案内翼１０４の開閉動作が頻繁に発生することで、性能及び部品寿命の観点から頻繁に発生する事を防止する必要がある。
そこで、本第５実施形態では、ＩＧＶ制御フラグ生成部１１５にオフディレイ５を付加することによって、負荷上昇中に周波数定信号又は出力増要求信号がオフとなった後でも一定期間、ＩＧＶ先行開フラグが有効に保持される。
これにより、性能及び部品寿命の観点から、入口案内翼１０４の開閉動作が頻繁に発生する事を防止する事ができる。

〔第６実施形態〕
次に、第６実施形態に係るガスタービン１００の運転制御装置１１０について説明する。
ここで、図１０は本第６実施形態に係る燃料制御部１１２の構成図である。また、ガスタービン１００の運転制御装置１１０の全体構成は上述した第１実施形態〜第５実施形態と同様であり、各構成要素の説明を省略する。

本第６実施形態に係る燃料制御部１１２は、ＩＧＶ先行開フラグが有効とされた場合に、入口案内翼１０４の開度に応じて燃料流量を増加させる。

燃料制御部１１２は、低値選択部１３０から出力されたＣＳＯを補正するＣＳＯ補正部１３１を備える。

低値選択部１３０は、一例として、ガバナ設定値ＧＶＣＳＯ、ロードリミット設定値ＬＤＣＳＯ、ブレードパス温度設定値ＢＰＣＳＯ、排ガス温度設定値ＥＸＣＳＯが入力され、このうちから最小のＣＳＯを出力する。

ＣＳＯ補正部１３１は、信号発生器（ＳＧ１）１７、信号発生器（ＳＧ２）１８と、信号切換器１９と、レートリミッタ２０と、補正関数器（ＦＸ２０）１３６と、加算器１３７とを備えている。
信号発生器（ＳＧ１）１７は、例えば０とされる第１信号を発生し、信号発生器（ＳＧ２）１８は、所定値を示す第２信号を発生し、信号切換器１９は、信号発生器（ＳＧ１）１７と信号発生器（ＳＧ２）１８とをＩＧＶ先行開フラグが有効か無効かに応じて切り替える。レートリミッタ２０は、信号切換器１９からの信号の時間変化率を制限し、補正関数器（ＦＸ２０）１３６は、ＩＧＶ先行開フラグで設定された空気流量の増加に応じた燃料流量（ＣＳＯ）の補正値を算出する。加算器１３７は、低値選択部１３０から出力されたＣＳＯに補正関数器（ＦＸ２０）１３６から出力された補正値を加算し、補正後のＣＳＯとして出力する。

このような構成により、ＩＧＶ先行開フラグが無効な場合には、信号切換器１９により信号発生器（ＳＧ１）１７の第１信号が選択され、第１信号に応じた補正値が低値選択部１３０から出力されたＣＳＯに加算される。このとき、第１信号は「０」に設定されているので、ＩＧＶ先行開フラグが無効な場合には、低値選択部１３０によって選択されたＣＳＯが補正後のＣＳＯとしてそのまま出力される。
一方、ＩＧＶ先行開フラグが有効な場合には、信号切換器１９により信号発生器（ＳＧ２）１８の第２信号が選択され、第２信号に応じた補正値が低値選択部１３０から出力されたＣＳＯに加算される。これにより、ＩＧＶ先行開フラグが有効な場合には、低値選択部１３０によって選択されたＣＳＯに補正値が加算され、補正後のＣＳＯとして出力される。これにより、ＩＧＶ先行開フラグが有効とされた場合に、燃焼器１０３へ供給される燃料流量が増加する。

なお、待機値ＲＣＳＯは、加算器１３７から出力されたＣＳＯに信号発生器（ＳＧ３２）１３８から出力される値が加算器１３９によって加算され、信号発生器（ＳＧ３３）１４０から出力される変化率（低下レート）によるレートリミッタ１４１を介して算出される。

入口案内翼１０４が全開でない場合に負荷を増加させる場合、負荷追従性を向上させるために、入口案内翼１０４の開度を通常より開け気味とすることにより、タービン入口温度が過度に低下することが懸念される。本第６実施形態に係るガスタービン１００の運転制御装置１１０では、入口案内翼１０４の開度が開き気味になることによる空気流量の増加に応じて燃料流量を増加させることができるので、タービン入口温度の過度な低下を防ぐことができる。

以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１００ ガスタービン
１０１ タービン
１０２ 圧縮機
１０３ 燃焼器
１０４ 入口案内翼
１０５ 燃料流量調整弁
１１０ 運転制御装置
１１２ 燃料制御部
１１３ ＩＧＶ制御部
１１４ 温度制御部
１１５ ＩＧＶ制御フラグ生成部
１５０ 発電機

Claims (9)

1. 前段に入口案内翼を備える圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給して該燃焼器で発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するガスタービンの制御装置であって、
   部分負荷で前記ガスタービンが運転された状態で、前記ガスタービンの出力を増加させる場合に、ＩＧＶ先行開フラグを有効とするＩＧＶ制御フラグ生成手段と、
   前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、タービン入口温度低下による熱落差以上に前記圧縮機の吸気流量が増加して、タービン出力が増加するように、前記入口案内翼の開度をそれまでに比べて開くように設定する入口案内翼開度設定手段と、
   を備え、
   前記ＩＧＶ先行開フラグが有効とされた場合に、前記入口案内翼の開度に応じて前記燃焼器に供給する燃料流量を増加させるガスタービンの制御装置。
2. 前記ＩＧＶ制御フラグ生成手段は、系統周波数が所定閾値以下又は前記ガスタービンの出力増加が要求された場合に、前記ＩＧＶ先行開フラグを有効とする請求項１記載のガスタービンの制御装置。
3. 前記入口案内翼開度設定手段は、前記圧縮機の動力の増加よりも、タービン出力の増加の方が速くなるように、前記入口案内翼の開度の変化率が設定される請求項１又は請求項２記載のガスタービンの制御装置。
4. 温調設定を車室圧力に応じて設定する温度制御手段を備え、
   前記温度制御手段は、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、前記入口案内翼の開度の変化率を算出して該変化率に応じた補正量を算出し、前記温調設定を補正する第１補正手段を有する請求項１から請求項３の何れか１項記載のガスタービンの制御装置。
5. 温調設定を車室圧力に応じて設定する温度制御手段を備え、
   前記温度制御手段は、前記温調設定に基づく目標値と計測したブレードパス温度又は排ガス温度との偏差に基づき比例積分制御を行って前記タービンのブレードパス温度設定値又は排ガス温度設定値を生成するＰＩ制御手段を有し、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、該ＰＩ制御手段における制御パラメータを予め設定された値に設定する請求項１から請求項４の何れか１項記載のガスタービンの制御装置。
6. 温調設定を車室圧力に応じて設定する温度制御手段を備え、
   前記温度制御手段は、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、前記入口案内翼の開度の変化率を算出して該変化率に応じた補正量を算出し、前記温調設定に基づき生成した前記タービンのブレードパス温度設定値又は排ガス温度設定値を補正する第２補正手段を有する請求項１から請求項５の何れか１項記載のガスタービンの制御装置。
7. 前記ＩＧＶ制御フラグ生成手段は、前記ＩＧＶ先行開フラグが有効から無効に切り替わるとき、一定の遅延を持たせて該ＩＧＶ先行開フラグを無効とする請求項１から請求項６の何れか１項記載のガスタービンの制御装置。
8. 前段に入口案内翼を備える圧縮機と、
   前記圧縮機からの圧縮空気と燃料とが供給され、燃焼ガスを発生する燃焼器と、
   前記燃焼器で発生する燃焼ガスによって回転するタービンと、
   前記タービンの回転によって駆動する発電機と、
   請求項１から請求項７の何れか１項に記載の制御装置と、
   を備えるガスタービン。
9. 前段に入口案内翼を備える圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給して該燃焼器で発生する燃焼ガスによってタービンを回転させて発電機を駆動するガスタービンの制御方法であって、
   部分負荷で前記ガスタービンが運転された状態で、前記ガスタービンの出力を増加させる場合に、ＩＧＶ先行開フラグを有効とするＩＧＶ制御フラグ有効ステップと、
   前記ＩＧＶ先行開フラグが有効の場合に、タービン入口温度低下による熱落差以上に前記圧縮機の吸気流量が増加して、タービン出力が増加するように、前記入口案内翼の開度をそれまでに比べて開くように設定する入口案内翼開度設定ステップと、
   を有し、
   前記ＩＧＶ先行開フラグが有効とされた場合に、前記入口案内翼の開度に応じて前記燃焼器に供給する燃料流量を増加させるガスタービンの制御方法。

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