JP5595221B2 - 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。

燃焼器によって生成された燃焼ガスにより、タービンを回転駆動させるガスタービンにおいて、燃焼器には、所定の空気流量及び燃料流量で燃料が供給されている。
ここで、燃料の組成が変化すると、燃焼器に燃焼振動が発生する場合があった。そこで、安定燃焼を維持するために、特許文献１には、目標負荷に対応して設定された燃料流量又は空気流量の設定値に対して、圧縮機入口の吸気温度を検出し、この検出値に基づいて該設定値の補正量を設定する第２の関数発生器を設け、第３の関数発生器で、第２の関数発生器で設定された補正量を目標負荷を加味して修正した修正補正量を演算し、燃料流量又は空気流量の設定値を補正する技術が開示されている。

特開２０１０−１２７２４２号公報

また、タービンの駆動力によって発電する発電機が備えられ、発電機で発電した電力を商用電力系統へ供給するプラントにおいて、商用電力系統の周波数（系統周波数）が変動した場合、プラントの負荷を増減させることで、系統周波数を一定に維持しようとする補償機能を有するものがある。

しかしながら、系統周波数の変動が大きく、上記プラントの負荷の変化速度が速い場合には、ガスタービンの各種状態量に遅れが生じ、ガスタービンを構成する機器に破損が生じる場合がある。
特に、燃焼器においては、各燃料系統の吸気流量及び各燃料系統への燃料配分が適切でないと、燃焼振動が発生し、破損する場合がある。具体的には、ガスタービンの燃焼器は、例えば、パイロットノズルから供給されたパイロット燃料と圧縮空気とを混合させて燃焼させると共に、メインノズルから供給されたメイン燃料と圧縮空気とを混合させて燃焼させるが、プラントの負荷の変化速度が速いと、各燃料系統の燃料比の設定（例えば、メイン比の計画値、パイロット比の計画値）の変化率が大きくなり、燃料系統の制御が追従できず、実際の燃料比が計画値の通りとならない場合があった。

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、商用電力系統の周波数の変動に応じて負荷を変動させる場合であっても、実際の燃料比と燃料比の計画値とのずれを抑制することができ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。

すなわち、本発明に係るガスタービンの制御装置は、パイロット燃料流量、メイン燃料流量、又はトップハット燃料流量と全燃料流量との予め定められた流量比で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンの駆動力によって発電し、商用電力系統へ電力を供給する発電機と、を備えたガスタービンの制御装置であって、タービン入口の燃焼ガス温度を示す値を出力する出力手段と、前記商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、前記燃焼ガス温度を示す値に応じた前記流量比の計画値である通常計画値に基づいて、前記出力手段によって出力された前記燃焼ガス温度に応じた補償量を用いて補償した補償計画値を導出する導出手段と、前記導出手段によって導出された前記補償計画値で燃料が前記燃焼器に供給されるように燃料の流量を制御する流量制御手段と、を備える。

本発明によれば、ガスタービンは、パイロット燃料流量、メイン燃料流量、又はトップハット燃料流量と全燃料流量との予め定められた流量比で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼ガスにより駆動するタービンと、タービンの駆動力によって発電し、商用電力系統へ電力を供給する発電機と、を備えている。
さらに、出力手段によって、タービン入口の燃焼ガス温度を示す値が出力される。なお、出力手段は、タービン入口の燃焼ガス温度を示す値として、該燃焼ガス温度を無次元化した燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）を出力してもよい。燃焼負荷指令値は、大気温度、圧縮機の入口案内翼の開度、及びガスタービンの出力値に基づいた決定されるものであり、タービン入口の燃焼ガス温度と比例関係にある。
そして、商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、導出手段によって、燃焼ガス温度に応じた流量比の計画値である通常計画値に基づいて、出力手段によって出力された燃焼ガス温度を示す値に応じた補償量を用いて補償した補償計画値が導出される。

商用電力系統の周波数に変動が生じると、ガスタービンは、該変動に応じて負荷を増減させることで、発電量を変化させ、周波数を一定に維持しようとする。
しかし、周波数の変動が大きく、負荷の変化速度が速い場合は、ガスタービンの各種状態量に遅れ（計画値に対するずれ）が生じ、燃焼器に破損が生じる場合がある。そこで、タービン入口の燃焼ガス温度は、ガスタービンの負荷の増減に応じて変化するので、上記状態量の遅れを抑制するために、導出手段は、燃焼ガス温度を示す値に応じて、通常計画値を補償した補償計画値を導出する。これによって、補償計画値には、実際の状態量と通常計画値とのずれが加味されることとなる。
導出手段によって補償計画値が導出されると、流量制御手段は、補償計画値で燃料が燃焼器に供給されるように燃料の流量を制御する。

このように、商用電力系統の周波数の変動が生じた場合に、通常計画値を補償した補償計画値で燃料の流量を制御するので、本発明は、商用電力系統の周波数の変動に応じて負荷を変動させる場合であっても、実際の燃料比と燃料比の計画値とのずれを抑制することができる。

また、本発明のガスタービンの制御装置は、前記導出手段が、前記商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、前記出力手段によって出力された前記燃焼ガス温度を示す値の変化量に応じて、前記補償量が補正された前記補償計画値を導出する。
本発明によれば、商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、出力手段によって出力された燃焼ガス温度を示す値の変化量に応じて、補償計画値の補償量が補正されるので、実際の燃料比と燃料比の計画値とのずれをより抑制することができる。

また、本発明のガスタービンの制御装置は、前記導出手段が、実際に前記燃焼器に供給される燃料の前記流量比と前記通常計画値との差に基づいて、前記補償計画値を補正する。
本発明によれば、実際に燃焼器に供給される燃料の流量比と通常計画値との差に基づいて、補償計画値が補正されるので、実際の燃料比と燃料比の計画値とのずれをより抑制することができる。

また、本発明のガスタービンの制御装置は、パイロット燃料流量、メイン燃料流量、又はトップハット燃料流量と全燃料流量との流量比を調整する流量調整弁と、燃料の圧力を調整する圧力調整弁と、前記商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、該周波数の変動に伴う前記流量調整弁前後の圧力差の変動を抑制するように前記圧力調整弁を制御する差圧制御手段と、を備える。
本発明によれば、商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、差圧制御手段によって、該周波数の変動に伴う流量調整弁前後の圧力差の変動を抑制するように圧力調整弁が制御されるので、実際の燃料比と燃料比の計画値とのずれをより抑制することができる。

また、本発明に係るガスタービンは、上記記載のガスタービンの制御装置と、前記制御装置によって導出された前記補償計画値で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンの駆動力によって発電し、商用電力系統へ電力を供給する発電機と、を備える。
本発明によれば、商用電力系統の周波数の変動が生じた場合に、通常計画値を補償した補償計画値で燃料の流量を制御するので、本発明は、商用電力系統の周波数の変動に応じて負荷を変動させる場合であっても、実際の燃料比と燃料比の計画値とのずれを抑制することができる。

また、本発明に係るガスタービンの制御方法は、パイロット燃料流量、メイン燃料流量、又はトップハット燃料流量と全燃料流量との予め定められた流量比で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンの駆動力によって発電し、商用電力系統へ電力を供給する発電機と、を備えたガスタービンの制御方法であって、タービン入口の燃焼ガス温度を示す値を出力する第１工程と、前記商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、前記燃焼ガス温度に応じた前記流量比の計画値である通常計画値に基づいて、前記第１工程によって出力された前記燃焼ガス温度を示す値に応じた補償量を用いて補償した補償計画値を導出する第２工程と、前記第２工程によって導出された前記補償計画値で燃料が前記燃焼器に供給されるように燃料の流量を制御する第３工程と、を含む。
本発明によれば、商用電力系統の周波数の変動が生じた場合に、通常計画値を補償した補償計画値で燃料の流量を制御するので、本発明は、商用電力系統の周波数の変動に応じて負荷を変動させる場合であっても、実際の燃料比と燃料比の計画値とのずれを抑制することができる。

本発明によれば、商用電力系統の周波数の変動に応じて負荷を変動させる場合であっても、実際の燃料比と燃料比の計画値とのずれを抑制することができる、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ＧＴＣＣプラントの全体構成図である。 系統周波数が低下した場合のＧＴＣＣプラントの状態量の時間変化を示す図であり、（Ａ）は系統周波数が低下した場合を示す図であり、（Ｂ）は系統周波数が低下した場合における発電機の出力の時間変化を示す図であり、（Ｃ）は系統周波数が低下した場合における燃料比の時間変化を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る系統周波数変動処理の流れを示す機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る系統周波数変動処理の効果の説明に要する図である。 本発明の第２実施形態に係る系統周波数変動処理の流れを示す機能ブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る系統周波数変動処理の流れを示す機能ブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る系統周波数変動処理の流れを示す機能ブロック図である。 本発明の第５実施形態に係る差圧制御処理の流れを示す機能ブロック図である。

以下に、本発明に係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の一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、第１実施形態に係るガスタービンコンバインドサイクルプラント（以下、「ＧＴＣＣプラント」という。）１０の全体構成図である。ＧＴＣＣプラント１０は、ガスタービン１２、蒸気タービン１４、並びに発電機１６を備える。

ガスタービン１２は、圧縮機２０、燃焼器２２、及びタービン２４を備える。
圧縮機２０は、回転軸２６により駆動されることで、空気取込口から取り込まれた空気を圧縮して圧縮空気を生成する。燃焼器２２は、圧縮機２０から車室２８へ導入された圧縮空気に燃料を噴射して高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。タービン２４は、燃焼器２２で発生した燃焼ガスによって回転駆動する。
車室２８と燃焼器２２との間にはバイパス管３０が設けられており、バイパス管３０は、タービン２４の負荷変動により燃焼器２２内の空気が不足する状態になった場合に、燃焼器バイパス弁３２が開かれると車室２８内の空気を燃焼器２２内に導入する流路となる。また、圧縮機２０とタービン２４との間には、圧縮機２０からタービン２４へ冷却用の空気を導入させるための抽気管３４が設けられている。

蒸気タービン１４は、タービン２４の排ガスから熱回収して蒸気を発生させ、該蒸気によって回転駆動する。

なお、タービン２４、蒸気タービン１４、圧縮機２０、及び発電機１６は、回転軸２６によって連結され、タービン２４及び蒸気タービン１４に生じる回転駆動力は、回転軸２６によって圧縮機２０及び発電機１６に伝達される。そして、発電機１６は、タービン２４及び蒸気タービン１４の回転駆動力によって発電し、発電した電力を商用電力系統へ供給する。

また、燃焼器２２には、パイロットノズル３６及びメインノズル３８が設けられている。メインノズル３８は、パイロットノズル３６を取り囲むように複数（例えば８本、図示省略）設けられている。パイロットノズル３６には、圧力調整弁４０Ａで流量調整弁４２Ａ前後の差圧が調整され、流量調整弁４２Ａで流量が調整されたパイロット燃料が供給される。一方、メインノズル３８には圧力調整弁４０Ｂで流量調整弁４２Ｂ前後の差圧が調整され、流量調整弁４２Ｂで流量が調整されたメイン燃料が供給される。
そして、燃焼器２２は、パイロットノズル３６から供給されたパイロット燃料と圧縮空気とを混合させて燃焼させると共に、メインノズル３８から供給されたメイン燃料と圧縮空気とを混合させて燃焼させる。

なお、全燃料流量（本第１実施形態ではパイロット燃料流量とメイン燃料流量との和）に対するパイロット燃料流量の比であるパイロット比（以下、「ＰＬ比」という。）には、予め計画値（以下、「ＰＬ比計画値」という。）が設定されている。そして、燃料制御部４４は、ＰＬ比計画値に基づいて、流量調整弁４２Ａ及び流量調整弁４２Ｂの開度を制御すると共に、パイロット燃料の流量調整弁４２Ａ及びメイン燃料の流量調整弁４２Ｂ前後の差圧が所定の値となるように圧力調整弁４０Ａ及び圧力調整弁４０Ｂを制御する。なお、全燃料流量に対するメイン燃料流量の比を、メイン比（以下、「Ｍ比」という。）という。

ここで、本第１実施形態に係るＰＬ比計画値は、タービン２４入口の燃焼ガス温度を無次元化した燃焼負荷指令値（以下、「ＣＬＣＳＯ」という。）に対して設定されている。ＣＬＣＳＯは、大気温度、圧縮機２０の入口案内翼の開度、及びタービン２４の出力値に基づいて導出される値であり、タービン２４入口の燃焼ガス温度と比例関係にある。なお、ＣＬＣＳＯについては、特開２００７−７７８６６号公報、特開２００７−７７８６７号公報、及び特開２００７−３０９２７９号公報に記載されているため、その詳細を省略する。

また、ＧＴＣＣプラント１０は、商用電力系統の周波数（以下、「系統周波数」という。）が変動した場合、ＧＴＣＣプラント１０の負荷を増減させることで、系統周波数を一定に維持しようとする補償機能を有する。
例えば、図２（Ａ）に示されるように、系統周波数が上昇すると、図２（Ｂ）に示されるように発電機１６の出力を低下させることによって、商用電力系統への電力供給量を低下させ、上昇した系統周波数を低下させる。

しかしながら、系統周波数の変動が大きく、ＧＴＣＣプラント１０の負荷の変化速度が速い場合は、ガスタービン１２の各種状態量に遅れが生じ、ガスタービン１２を構成する機器に破損が生じる場合がある。
特に、燃焼器２２においては、パイロット燃料及びメイン燃料等の各燃料系統の吸気流量及び各燃料系統への燃料配分が適切でないと、燃焼振動が発生し、破損する場合がある。具体的には、燃焼器２２は、パイロットノズル３６から供給されたパイロット燃料と圧縮空気とを混合させて燃焼させると共に、メインノズル３８から供給されたメイン燃料と圧縮空気とを混合させて燃焼させる。しかし、図２（Ｃ）に示されるように、ＧＴＣＣプラント１０の負荷の変化速度が速いと、各燃料系統の燃料分配比の設定（Ｍ比及びＰＬ比比の計画値）の変化率が大きくなり、燃料系統の制御が追従できず、実際の燃料比（実燃料比）が計画値の通りとならない場合があった。

そこで、タービン２４入口の燃焼ガス温度は、ガスタービン１２の負荷の増減に応じて変化することを利用して、本第１実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０では、系統周波数に変動が生じた場合、上記状態量の遅れを抑制するために、燃焼ガス温度を示すＣＬＣＳＯに応じたＰＬ比の計画値に基づいて、該ＣＬＣＳＯに応じた補償量を用いて補償したＰＬ比計画値を導出し、該補償したＰＬ比計画値でパイロット燃料が燃焼器２２に供給されるように燃料の流量を制御する処理（以下、「系統周波数変動処理」という。）を行う。

図３は、本第１実施形態に係る燃料制御部４４で行われる系統周波数変動処理の流れを示す機能ブロック図である。

燃料制御部４４は、通常ＰＬ比計画値出力部５０、周波数変動検知部５２、及びＣＬＣＳＯ出力部５４を備える。

通常ＰＬ比計画値出力部５０は、現在のＣＬＣＳＯに応じて通常運転（系統周波数変動処理を行わない場合の運転）を行った場合における、ＰＬ比計画値（以下、「通常ＰＬ比計画値」という。）を出力する。

周波数変動検知部５２は、系統周波数が変動したか否かを検知し、系統周波数が変動したことを検知した場合は、系統周波数の変動を検知したことを示す変動検知信号（Ｈｉｇｈ信号）を、例えば、フラグを立てることにより、出力する。なお、周波数変動検知部５２によって、系統周波数の変動が検知されていない場合は、変動検知信号は出力されない（Ｌｏｗ信号が出力される）。

ＣＬＣＳＯ出力部５４は、大気温度、圧縮機２０の入口案内翼の開度、及びタービン２４の出力値に基づいて導出された燃焼ガス温度を示す値であるＣＬＣＳＯを出力する。ＣＬＣＳＯ出力部５４から出力されたＣＬＣＳＯは、第１補償量決定部５６Ａ及び第２補償量決定部５６Ｂに入力される。

第１補償量決定部５６Ａは、ＣＬＣＳＯの大きさに応じて負荷を上げるためのＰＬ比計画値の補償量を決定する。
また、第２補償量決定部５６Ｂは、ＣＬＣＳＯの大きさに応じて負荷を下げるためのＰＬ比計画値の補償量を決定する。
なお、本第１実施形態に係る第１補償量決定部５６Ａ及び第２補償量決定部５６Ｂは、ＣＬＣＳＯの大きさと補償量との関係を示した関数（ＰＬ比計画値補償量関数）を記憶し、該関数を用いて補償量を決定する。しかし、これに限らず、第１補償量決定部５６Ａ及び第２補償量決定部５６Ｂは、例えば、ＣＬＣＳＯの大きさに応じた補償量を示したテーブルデータを予め記憶し、入力されたＣＬＣＳＯの大きさに応じた補償量を該テーブルデータから抽出することで、補償量を決定してもよい。第１補償量決定部５６Ａ及び第２補償量決定部５６Ｂによって決定された補償量は、スイッチ部５８へ出力される。

さらに、ＣＬＣＳＯ出力部５４から出力されたＣＬＣＳＯは、ＣＬＣＳＯ記憶部６０及び偏差算出部６２に入力される。
ＣＬＣＳＯ記憶部６０は、ＣＬＣＳＯ出力部５４から出力されたＣＬＣＳＯを記憶し、記憶したＣＬＣＳＯを予め定められた時間後（時定数ｔ秒後）に偏差算出部６２へ出力する。
偏差算出部６２は、ＣＬＣＳＯ出力部５４から出力されたＣＬＣＳＯをＣＬＣＳＯ記憶部６０から出力されたＣＬＣＳＯで減算する。すなわち、偏差算出部６２は、上記予め定められた時間前のＣＬＣＳＯに対する現在のＣＬＣＳＯの変化をＣＬＣＳＯの変化量として検知することとなる。そして、偏差算出部６２は、算出したＣＬＣＳＯの変化量を比較部６４Ａ及び比較部６４Ｂへ出力する。

比較部６４Ａは、偏差算出部６２から入力された変化量と０（零）とを比較する。すなわち、比較部６４ＡによってＣＬＣＳＯの変化量が‘正’であるか‘負’であるかが判定される。比較部６４Ａは、ＣＬＣＳＯの変化量が‘正’である場合、スイッチ部５８へオン信号（Ｈｉｇｈ信号）を出力し、ＣＬＣＳＯの変化量が‘負’である場合、スイッチ部５８へオフ信号（Ｌｏｗ信号）を出力する。

なお、ＣＬＣＳＯの変化量が‘正’である場合とは、ＣＬＣＳＯすなわちタービン２４入口の燃焼温度が上昇している場合であり、このような場合はＧＴＣＣプラント１０の負荷を上昇させている場合である。そして、ＧＴＣＣプラント１０の負荷を上昇させる場合とは、系統周波数が低下しているので、商用電力系統へ供給する電力量を増加させている場合である。
一方、ＣＬＣＳＯの変化量が‘負’である場合とは、ＣＬＣＳＯすなわちタービン２４入口の燃焼温度が下降している場合であり、このような場合はＧＴＣＣプラント１０の負荷を下降させている場合である。そして、ＧＴＣＣプラント１０の負荷を下降させる場合とは、系統周波数が上昇しているので、商用電力系統へ供給する電力を減少させている場合である。

スイッチ部５８は、比較部６４Ａからオン信号が入力されると、乗算部７２へ第１補償量決定部５４Ａから入力された補償量を出力し、比較部６４Ａからオフ信号が入力されると、乗算部７２へ第２補償量決定部５６Ｂから入力された補償量を出力する。

一方、比較部６４Ｂは、偏差算出部６２から入力された変化量と予め定められた閾値（下限値及び上限値）とを比較し、該変化量が下限値として予め定められた閾値を超える場合、及び該変化量が上限値として予め定められた閾値を超える場合に、ＣＬＣＳＯが閾値を超えて変化していることを示すＣＬＣＳＯ閾値超過信号（Ｈｉｇｈ信号）をＡＮＤゲート６６へ出力する。なお、比較部６４Ｂは、偏差算出部６２から入力された変化量が、上記閾値の下限値及び上限値の間である場合は、Ｌｏｗ信号をＡＮＤゲート６６へ出力する。
ＡＮＤゲート６６は、周波数変動検知部５２から出力された変動検知信号が入力され、かつ比較部６４Ｂから出力されたＣＬＣＳＯ閾値超過信号が入力されると、オン信号をスイッチ部６８へ出力する。

スイッチ部６８がオフからオンとされると、変化率出力部７０から、予め定められた時間当たりの増加率（ＲＩ）が乗算部７２へ出力される。
乗算部７２は、スイッチ部５８から出力された補償量、及び変化率出力部７０から出力された増加率が入力され、該補償量に該増加率を乗算し、乗算後の補償量を加算部７４へ出力する。
加算部７４は、乗算部７２から出力された補償量と、通常ＰＬ比計画値出力部５０から出力された通常運転ＰＬ比計画値とを加算することによって、通常ＰＬ比計画値に基づいた補償ＰＬ比計画値を導出し、加算後のＰＬ比計画値（以下、「補償ＰＬ比計画値」という。）を流量制御部７６へ出力する。
すなわち、変化率出力部７０から出力された増加率とは、スイッチ部５８から出力された補償量を、時間の経過と共に０（零）から該補償量へ徐々に増加させて加算部７４へ出力させるための値であり、ＰＬ比計画値が、通常ＰＬ比計画値から補償ＰＬ比計画値へ不連続に変化することを防止するものである。

また、本第１実施形態では、第１補償量決定部５６Ａ、第２補償量決定部５６Ｂ、スイッチ部５８、比較部６４Ａ、変化率出力部７０、乗算部７２、及び加算部７４が、系統周波数に変動が生じた場合に、ＣＬＣＳＯに応じて、通常ＰＬ比計画値を補償した補償ＰＬ比計画値を導出する導出部７８を構成することとなる。

そして、流量制御部７６は、加算部７４から出力された補償ＰＬ比計画値に基づいて、流量調整弁４２Ａ及び流量調整弁４２Ｂの開度を制御することによって、導出部７８によって導出された補償ＰＬ比計画値でパイロット燃料が燃焼器２２に供給されるように燃料の流量を制御する。

一方、周波数変動検知部５２から出力されている変動検知信号の停止（Ｌｏｗ信号の出力）、及び比較部６４Ｂから出力されているＣＬＣＳＯ閾値超過信号の停止（Ｌｏｗ信号の出力）の少なくとも何れか一方が行われると、ＡＮＤゲート６６は、スイッチ部６８をオンからオフとするオフ信号をスイッチ部６８へ出力する。
スイッチ部６８がオンからオフとされると、変化率出力部７０から予め定められた時間当たりの減少率（ＲＤ）が乗算部７２へ出力され、乗算部７２に入力された補償量に乗算される。すなわち、変化率出力部７０から出力された減少率とは、スイッチ部５８から出力された補償量を、時間の経過と共に該補償量から０（零）に徐々へ減少させて加算部７４へ出力させるための値であり、ＰＬ比計画値が、補償ＰＬ比計画値から通常ＰＬ比計画値へ不連続に変化することを防止するものである。

なお、周波数変動検知部５２で系統周波数の変動が検知されていない場合や、比較部６４ＢでＣＬＣＳＯの変化量が予め定められた閾値を超えない場合は、ＡＮＤゲート６６からオフ信号が出力される。そのため、変化率出力部７０からは０（零）が出力され、その結果、乗算部７２から出力される信号も０（零）となるため、加算部７４によって、通常運転のＰＬ比計画値に加算される補償量は、０（零）となり、ＰＬ比計画値の補償は行われない。

図４は、本第１実施形態に係る系統周波数変動処理を行った場合の、ＰＬ比の時間変化を示したグラフの一例である。図４において、実線は、実際のＰＬ比であり、破線が補償ＰＬ比計画値、一点鎖線が通常ＰＬ比計画値である。また、図４の例は、系統周波数が上昇し、ＧＴＣＣプラント１０の負荷を下降させた場合を示しており、本第１実施形態に係る系統周波数変動処理を行うことによって、実際のＰＬ比を、通常ＰＬ比計画値に略一致させることができるようになる。このように、補償ＰＬ比計画値には、実際のＰＬ比と通常ＰＬ比計画値とのずれが加味されることとなるため、本第１実施形態に係るガスタービン１２は、補償ＰＬ比計画値を用いてＰＬ比を制御することによって、実際のＰＬ比と通常ＰＬ比計画値とのずれを抑制することができる。
なお、系統周波数が低下した場合には、補償ＰＬ比計画値を通常ＰＬ比計画値よりも下げることによって、実際のＰＬ比を通常ＰＬ比計画値に略一致させることができるようになる。
すなわち、本第１実施形態に係る導出部７８は、系統周波数が低下した場合、通常ＰＬ比計画値に比較して高い補償ＰＬ比計画値を導出し、系統周波数が増加した場合、通常ＰＬ比計画値に比較して低い補償ＰＬ比計画値を導出する。

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１２の燃料制御部４４は、系統周波数に変動が生じた場合に、ＣＬＣＳＯに応じた通常ＰＬ比計画値に基づいて、ＣＬＣＳＯに応じた補償量を用いて補償した補償ＰＬ比計画値を導出し、該補償ＰＬ比計画値で燃料が燃焼器に供給されるように燃料の流量を制御する。これによって、系統周波数の変動に応じて負荷を変動させる場合であっても、実際のＰＬ比と燃料比の通常ＰＬ比計画値とのずれを抑制することができる。

〔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ＧＴＣＣプラント１０の構成は、図１に示される第１実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成と同様であるので説明を省略する。
図５は、本第２実施形態に係る燃料制御部４４で行われる系統周波数変動処理の流れを示す機能ブロック図である。なお、図５における図２と同一の構成部分については図２と同一の符号を付して、その説明を省略する。

本第２実施形態に係る燃料制御部４４は、系統周波数に変動が生じた場合に、ＣＬＣＳＯの変化量に応じて、補償量が補正された補償計画値を導出する。

具体的には、本第２実施形態に係る燃料制御部４４の導出部７８は、補正係数出力部８０及び乗算部８２を備えている。

補正係数出力部８０は、偏差算出部６２から出力されたＣＬＣＳＯの変化量が入力され、該変化量に応じた補正係数を乗算部８２へ出力する。
なお、本第２実施形態に係る補正係数出力部８０は、ＣＬＣＳＯの変化量と補正係数との関係を示した関数を記憶し、該関数を用いて補償係数を決定する。しかし、これに限らず、補正係数出力部８０は、例えば、ＣＬＣＳＯの変化量に応じた補正係数を示したテーブルデータを予め記憶し、入力されたＣＬＣＳＯの変化量に応じた補正係数を該テーブルデータから抽出することで、補正係数を決定してもよい。なお、本第２実施形態では、一例として、ＣＬＣＳＯの変化量が大きいほど補正係数が大きくなる。

そして、乗算部８２には、スイッチ部５８から出力された補償量、及び補正係数出力部８０から出力された補正係数が入力され、該補償量に該補正係数を乗算し、乗算後の補償量を乗算部７２へ出力する。

本第２実施形態に係る乗算部７２は、乗算部８２から出力された補正係数が乗算された補償量、及び変化率出力部７０から出力された増加率が入力され、該補償量に該増加率を乗算し、乗算した補償量を加算部７４へ出力する。

以上説明したように、本第２実施形態に係るガスタービン１２の燃料制御部４４は、系統周波数に変動が生じた場合に、ＣＬＣＳＯ出力部５４によって出力されたＣＬＣＳＯの変化量に応じて、補償ＰＬ比計画値の補償量を補正するので、実際のＰＬ比とＰＬ比計画値とのずれをより抑制することができる。

なお、本第２実施形態では、変化量として、ＣＬＣＳＯ出力部５４から出力されたＣＬＣＳＯをＣＬＣＳＯ記憶部６０から出力されたＣＬＣＳＯで減算した値を用いたが、これに限らず、ＣＬＣＳＯ出力部５４から出力されたＣＬＣＳＯをＣＬＣＳＯ記憶部６０から出力されたＣＬＣＳＯで除算した値（変化率）を用い、該変化率に応じた補正係数を決定してもよい。

〔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。
なお、本第３実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成は、図１に示される第１実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成と同様であるので説明を省略する。
図６は、本第３実施形態に係る燃料制御部４４で行われる系統周波数変動処理の流れを示す機能ブロック図である。なお、図６における図３と同一の構成部分については図３と同一の符号を付して、その説明を省略する。

本第３実施形態に係る燃料制御部４４は、実際に燃焼器２２に供給される燃料のＰＬ比と通常ＰＬ計画値との差に基づいて、補償ＰＬ比計画値を補正する。

具体的には、本第３実施形態に係る燃料制御部４４の導出部７８は、実ＰＬ比出力部９０、偏差算出部９２、補償器９４、及び乗算部９６を備えている。

実ＰＬ比出力部９０は、実際に燃焼器２２に供給される燃料のＰＬ比（以下、「実ＰＬ比」という。）を偏差算出部９２へ出力する。

偏差算出部９２は、実ＰＬ比出力部９０から出力された実ＰＬ比、及び通常ＰＬ比計画値出力部５０から出力された通常ＰＬ比とが入力され、これらの差分を補償器９４へ出力する。

補償器９４は、偏差算出部９２から出力された差分に、比例（ｐｒｏｐｏｔｉｏｎａｌ）動作、積分（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）動作、微分（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）動作を施して、操作量を生成し、乗算部９６へ出力する。なお、本第３実施形態に係る補償器９４は、上記のようにＰＩＤ補償器として動作するが、これに限らず、ＰＩ補償器及びＰ補償器等として動作してもよい。

乗算部９６は、補償器９４から出力された操作量、及び変化率出力部７０から出力された増加率又は減少率が入力され、該操作量に該増加率又は減少率を乗算し、乗算後の操作量を加算部７４へ出力する。

加算部７４は、乗算部７２から出力された補償量と、通常ＰＬ比計画値出力部５０から出力された通常運転ＰＬ比計画値とを加算して補償ＰＬ比計画値を算出し、該補償ＰＬ比計画値に乗算部９６から出力された操作量を加算して算出された補償ＰＬ比計画値を流量制御部７６へ出力する。
これによって、本第３実施形態に係る系統周波数変動処理は、補償ＰＬ比計画値を実ＰＬ比でフィードバック制御することとなる。

以上説明したように、本第３実施形態に係るガスタービン１２の燃料制御部４４は、実際に燃焼器２２に供給されるパイロット燃料のＰＬ比と通常ＰＬ比計画値との差に基づいて、補償計画値を補正するので、実際のＰＬ比とＰＬ比計画値とのずれをより抑制することができる。

〔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。
なお、本第４実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成は、図１に示される第１実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成と同様であるので説明を省略する。
図７は、本第４実施形態に係る燃料制御部４４で行われる系統周波数変動処理の流れを示す機能ブロック図である。
なお、本第４実施形態に係る系統周波数変動処理は、第２実施形態に係る系統周波数変動処理に第３実施形態に係る系統周波数変動処理の実ＰＬ比出力部９０、偏差算出部９２、補償器９４、乗算部９６を追加したものである。そのため、図７における図５及び図６と同一の構成部分については図５及び図６と同一の符号を付して、その説明を省略する。
この構成により、本第４実施形態に係るガスタービン１２の燃料制御部４４は、実際のＰＬ比とＰＬ比計画値とのずれをより抑制することができる。

〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態について説明する。
なお、本第５実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成は、図１に示される第１実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成と同様であるので説明を省略する。

通常ＰＬ比計画値と実ＰＬ比とにズレ（遅れ）が生じる原因の一つとして、パイロット燃料に対応している流量調整弁４２Ａ前後の圧力差（以下、「弁間差圧」という。）が変動することが挙げられる。具体的には、流量調整弁４２Ａの弁間差圧が減少すれば、パイロット燃料の実際の流量は目標流量より少なくなり、弁間差圧が増加すれば、パイロット燃料の実際の流量は目標流量より多くなるため、弁間差圧を一定とすることで、通常ＰＬ比計画値と実ＰＬ比とのズレを小さくすることができる。

そこで、本第５実施形態では、系統周波数に変動が生じた場合に、系統周波数の変動に伴う流量調整弁４２Ａの弁間差圧の変動を抑制するように圧力調整弁４０Ａを制御する差圧制御処理を行う。

図８は、系統周波数変動処理と共に行われる差圧制御処理の流れを示す機能ブロック図である。
本第５実施形態に係る燃料制御部４４は、差圧制御部１００を備える。
そして、差圧制御部１００は、通常時制御部１０２Ａ及び周波数変動時制御部１０２Ｂを備える。

通常時制御部１０２Ａは、系統周波数に変動が生じていない場合に、流量調整弁４２Ａの弁間差圧を制御するためのものである。
通常時制御部１０２Ａは、流調弁間差圧出力部１０４、差圧設定値出力部１０６、偏差算出部１０８、及びＰＩ制御器１１０Ａを備える。

流調弁間差圧出力部１０４は、不図示の圧力計で検出された流量調整弁４２Ａの弁間差圧の検出値を偏差算出部１０８へ出力する。

差圧設定値出力部１０６は、予め設定されている流量調整弁４２Ａの弁間差圧の設定値を偏差算出部１０８へ出力する。

偏差算出部１０８は、入力された弁間差圧の設定値を入力された弁間差圧の検出値で減算し、減算により得られた差分ｘをＰＩ制御器１１０Ａ、及び後述するＰＩ制御器１１０Ｂへ出力する。

ＰＩ制御器１１０Ａは、入力された差分ｘをゲインＫ１及び積分定数Ｔ１でＰＩ制御し、その出力を圧力調整弁４０Ａに対する弁の開度指令値（以下、「圧調弁開度指令値」という。）として出力する。そして、燃料制御部４４は、出力された圧調弁開度指令値に基づいて、圧力調整弁４０Ａの弁の開度を制御する。なお、ＰＩ制御器１１０Ａで演算された圧調開度指令値は、ＰＩ制御器１１０Ｂにも入力される。また、ＰＩ制御器１１０Ｂで演算された圧調弁開度指令値もＰＩ制御器１１０Ａに入力される。

一方、周波数変動時制御部１０２Ｂは、系統周波数に変動が生じた場合に、流量調整弁４２Ａの弁間差圧を制御するためのものである。
周波数変動時制御部１０２Ｂは、周波数変動検知部１１２及びＣＬＣＳＯ出力部１１４を備える。

周波数変動検知部１１２は、系統周波数が変動したか否かを検知し、系統周波数が変動したことを検知した場合は、系統周波数の変動を示す変動検知信号（Ｈｉｇｈ信号）を、例えば、フラグを立てることにより、ＡＮＤゲート１１６へ出力する。なお、周波数変動検知部１１２によって、系統周波数の変動が検知されていない場合は、変動検知信号は出力されない（Ｌｏｗ信号がＡＮＤゲート１１６へ出力される）。

ＣＬＣＳＯ出力部１１４は、大気温度、圧縮機２０の入口案内翼の開度、及びタービン２４の出力値に基づいて導出されたＣＬＣＳＯを、ＣＬＣＳＯ記憶部１１８及び偏差算出部１２０へ出力する。

ＣＬＣＳＯ記憶部１１８は、ＣＬＣＳＯ出力部１１４から出力されたＣＬＣＳＯの値を記憶し、記憶したＣＬＣＳＯを予め定められた時間後（時定数ｔ秒後）に偏差算出部１２０へ出力する。

偏差算出部１２０は、ＣＬＣＳＯ出力部１１４から出力されたＣＬＣＳＯをＣＬＣＳＯ記憶部６０から出力されたＣＬＣＳＯで減算する。すなわち、偏差算出部１２０は、上記予め定められた時間前のＣＬＣＳＯに対する現在のＣＬＣＳＯの変化をＣＬＣＳＯの変化量として検知することとなる。そして、偏差算出部１２０は、検知したＣＬＣＳＯの変化量を比較部１２２へ出力する。

比較部１２２は、偏差算出部１２０から入力された変化量と予め定められた閾値（下限値及び上限値）とを比較し、該変化量が下限値として予め定められた閾値を超える場合、及び該変化量が上限値として予め定められた閾値を超える場合に、ＣＬＣＳＯが閾値を超えて変化していることを示すＣＬＣＳＯ閾値超過信号（Ｈｉｇｈ信号）をＡＮＤゲート１１６へ出力する。なお、比較部１２２は、偏差算出部１２０から入力された変化量が、上記閾値の下限値及び上限値の間である場合は、Ｌｏｗ信号をＡＮＤゲート１１６へ出力する。

ＡＮＤゲート１１６は、周波数変動検知部１１２から出力された変動検知信号が入力され、かつ比較部１２２から出力されたＣＬＣＳＯ閾値超過信号が入力されるとオン信号を出力し、変動検知信号及びＣＬＣＳＯ閾値超過信号の少なくとも何れか一方が入力されないと、オフ信号を出力する。

ＡＮＤゲート１１６から出力される信号（オン信号及びオフ信号）は、ＰＩ制御器１１０Ａ、及びＮＯＴゲート１２４を介してＰＩ制御器１１０Ｂへ入力される。

ＰＩ制御器１１０Ａは、ＡＮＤゲート１１６からオン信号が入力される場合、ＰＩ制御器１１０Ａが備える不図示のトラッキングスイッチがオンとなり、自身は圧調弁開度指令値の演算をすることなく、ＰＩ制御器１１０Ｂから入力される圧調弁開度指令値をそのまま出力する。一方、ＡＮＤゲート１１６からオフ信号がＰＩ制御器１１０Ａへ入力される場合、ＰＩ制御器１１０Ａは、自身が演算した圧調弁開度指令値を出力する。

ＰＩ制御器１１０Ｂは、通常時制御部１０２Ａの偏差算出部１０８から入力された差分ｘをゲインＫ２及び積分定数Ｔ２でＰＩ制御し、圧調弁開度指令値として出力する。
そして、ＡＮＤゲート１１６がオン信号を出力する場合、該オン信号は、ＮＯＴゲート１２４へ入力されるためオフ信号となってＰＩ制御器１１０Ｂへ入力し、該オフ信号によってＰＩ制御器１１０Ｂが備える不図示のトラッキングスイッチがオフとなり、ＰＩ制御器１１０Ｂは圧調弁開度指令値の演算を行い、上述したように、ＰＩ制御器１１０Ａを介して圧調弁開度指令値を出力することとなる。
一方、ＡＮＤゲート１１６がオフ信号を出力する場合、該オフ信号は、ＮＯＴゲート１２４へ入力されるためオン信号となってＰＩ制御器１１０Ｂへ入力し、該オン信号によってＰＩ制御器１１０Ｂが備える不図示のトラッキングスイッチがオンとなり、これにより、ＰＩ制御器１１０Ｂは、圧調弁開度指令値の演算を行われないこととなる。

すなわち、系統周波数の変動が生じ、ＣＬＣＳＯの変化が閾値を超えた場合に、ＰＩ制御部１１０ＡからＰＩ制御部１１０Ｂへの切り替えが行われ、ＰＩ制御部１１０Ｂで演算された圧調弁開度指令値によって圧力調整弁４０Ａが制御される。
なお、ＰＩ制御部１１０Ａによる制御量よりもＰＩ制御部１１０Ｂによる制御量の方が高くなるように、ゲインＫ１，Ｋ２及び積分定数Ｔ１，Ｔ２は定められている。これにより、系統周波数の変動が生じ、ＣＬＣＳＯの変化が閾値を超えた場合に、圧力調整弁４０Ａの制御性が高められ、流量調整弁４２Ａの弁間差圧の変動を抑制することができる。
また、ＰＩ制御器１１０ＡからＰＩ制御器１１０Ｂへ入力される圧調弁開度指令値は、ＰＩ制御器１１０ＡからＰＩ制御器１１０Ｂへの切り替えが生じた場合に、ＰＩ制御器１１０Ｂによる制御の初期値として用いられる。これにより、ＰＩ制御器１１０ＡからＰＩ制御器１１０Ｂへの切り替えが生じた場合に、圧調弁開度指令値が連続性なく急激に変化することを防ぐことができる。

以上説明したように、本第５実施形態に係るガスタービン１２の燃料制御部４４は、系統周波数に変動が生じた場合に、差圧制御部１００によって、系統周波数の変動に伴う流量調整弁４２Ａ前後の圧力差の変動を抑制するように圧力調整弁４０Ａを制御するので、実際のＰＬ比とＰＬ比計画値とのずれをより抑制することができる。

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または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、本発明をＧＴＣＣプラント１０に適用する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、蒸気タービン１４を備えない、ガスタービンプラントに適用する形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、燃料流量比としてＰＬ比計画値を補償する場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、全燃料流量に対するメイン燃料流量の比であるメイン比の計画値を補償する形態としてもよい。また、全燃料流量をパイロット燃料流量、メイン燃料流量、及びトップハット燃料流量との和とし、全燃料流量に対するトップハット燃料流量の比であるトップハット比の計画値を補償する形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、タービン２４入口の燃焼ガス温度を示す値としてＣＬＣＳＯを用いる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、燃焼ガス温度を示す値として、燃焼ガス温度の実測値、又は燃焼ガス温度を模擬した他の値を用いてもよい。

１０ ＧＴＣＣプラント
１２ ガスタービン
１６ 発電機
２２ 燃焼器
２４ タービン
４０Ａ 圧力調整弁
４２Ａ 流量調整弁
４４ 燃料制御部
５４ ＣＬＣＳＯ出力部
６２ 偏差算出部
７６ 流量制御部
７８ 導出部

Claims (6)

1. パイロット燃料流量、メイン燃料流量、又はトップハット燃料流量と全燃料流量との予め定められた流量比で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンの駆動力によって発電し、商用電力系統へ電力を供給する発電機と、を備えたガスタービンの制御装置であって、
   タービン入口の燃焼ガス温度を示す値を出力する出力手段と、
   前記商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、前記燃焼ガス温度を示す値に応じた前記流量比の計画値である通常計画値に基づいて、前記出力手段によって出力された前記燃焼ガス温度に応じた補償量を用いて補償した補償計画値を導出する導出手段と、
   前記導出手段によって導出された前記補償計画値で燃料が前記燃焼器に供給されるように燃料の流量を制御する流量制御手段と、
   を備えたガスタービンの制御装置。
2. 前記導出手段は、前記商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、前記出力手段によって出力された前記燃焼ガス温度を示す値の変化量に応じて、前記補償量が補正された前記補償計画値を導出する請求項１記載のガスタービンの制御装置。
3. 前記導出手段は、実際に前記燃焼器に供給される燃料の前記流量比と前記通常計画値との差に基づいて、前記補償計画値を補正する請求項１又は請求項２記載のガスタービンの制御装置。
4. パイロット燃料流量、メイン燃料流量、又はトップハット燃料流量と全燃料流量との流量比を調整する流量調整弁と、
   燃料の圧力を調整する圧力調整弁と、
   前記商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、該周波数の変動に伴う前記流量調整弁前後の圧力差の変動を抑制するように前記圧力調整弁を制御する差圧制御手段と、
   を備える請求項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. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載のガスタービンの制御装置と、
   前記制御装置によって導出された前記補償計画値で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器によって生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、
   前記タービンの駆動力によって発電し、商用電力系統へ電力を供給する発電機と、
   を備えたガスタービン。
6. パイロット燃料流量、メイン燃料流量、又はトップハット燃料流量と全燃料流量との予め定められた流量比で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンと、前記タービンの駆動力によって発電し、商用電力系統へ電力を供給する発電機と、を備えたガスタービンの制御方法であって、
   タービン入口の燃焼ガス温度を示す値を出力する第１工程と、
   前記商用電力系統の周波数に変動が生じた場合に、前記燃焼ガス温度に応じた前記流量比の計画値である通常計画値に基づいて、前記第１工程によって出力された前記燃焼ガス温度を示す値に応じた補償量を用いて補償した補償計画値を導出する第２工程と、
   前記第２工程によって導出された前記補償計画値で燃料が前記燃焼器に供給されるように燃料の流量を制御する第３工程と、
   を含むガスタービンの制御方法。

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