弁制御装置、ガスタービン、及び弁制御方法
【課題】ガスタービンの負荷が低減した場合に、タービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減する、ことを目的とする。
【解決手段】弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯを出力するＧＶＣＳＯ演算部５０と、ガスタービンの負荷が低減してタービンの回転数が上昇した状態で、弁開度を第１開度まで小さくし、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数となった場合に、第２開度に達するまで、時間変化を伴って弁開度を大きくするＭＩＮＣＳＯを出力するＭＩＮＣＳＯ演算部５４と、を備える。さらに、弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯ演算部５０から出力されたＧＶＣＳＯとＭＩＮＣＳＯ演算部５４から出力されたＭＩＮＣＳＯのうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、燃料制御弁４２へ出力する選択部５６を備える。
【解決手段】弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯを出力するＧＶＣＳＯ演算部５０と、ガスタービンの負荷が低減してタービンの回転数が上昇した状態で、弁開度を第１開度まで小さくし、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数となった場合に、第２開度に達するまで、時間変化を伴って弁開度を大きくするＭＩＮＣＳＯを出力するＭＩＮＣＳＯ演算部５４と、を備える。さらに、弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯ演算部５０から出力されたＧＶＣＳＯとＭＩＮＣＳＯ演算部５４から出力されたＭＩＮＣＳＯのうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、燃料制御弁４２へ出力する選択部５６を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁制御装置、ガスタービン、及び弁制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの運転が行われている間にガスタービンの負荷が低減すると、急激にタービンの回転数が上昇する場合がある。そこで、一般的なガスタービンの制御システムでは、ガスタービンの回転数があらかじめ設定された上限値を超過した場合にガスタービンを非常停止させるインターロックが備えられている。このため、ガスタービンの負荷が低減した場合にタービンの回転数の上昇を許容値内に抑えることは、ガスタービンの運用効率を向上させるために重要である。
【０００３】
特許文献１には、発電用タービンの回転数の制御システムに関する技術が記載されており、第一の制御回路には、回転数の目標値と現在値との差に関係する偏差信号が供給され、負荷低減の際に偏差信号に関連してタービンの回転数制御に用いられる制御要素に閉成信号を供給し、負荷低減が発生した際のタービンの非常停止を回避させる技術が記載されている。すなわち、特許文献１に記載の技術では、ガスタービンの負荷が低減した直後に燃料制御弁等の制御要素に予め設定した最小値を出力することでタービンの回転数の上昇を抑制し、その後タービンの回転数が低下し目標値を下回った場合に、フィードバック制御系により目標値への追従制御を行う。特許文献１に記載の技術は、負荷低減直後のタービンの回転数のオーバーシュートを低減するだけでなく、アンダーシュートに関しても対処可能である点で有効な技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０７３９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ガスタービンの回転数のアンダーシュート防止用のフィードバック制御系が機能するのは、ガスタービンの回転数が目標値を下回った後である。また、フィーバック制御系自体の制御動作遅れも考えると、アンダーシュート量の低減には限度があり、整定時間も長くなる。さらに、フィードバック制御系では、試運転時に制御系設定値（比例ゲイン・積分時間）を決めようとしても、ガスタービンを不安定にさせる危険のために十分なパラメータスタディを行うことが出来ず困難を伴う。
【０００６】
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、ガスタービンの負荷が低減した場合に、ガスタービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減できる、弁制御装置、ガスタービン、及び弁制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の弁制御装置、ガスタービン、及び弁制御方法は以下の手段を採用する。
【０００８】
本発明の第一態様に係る弁制御装置は、燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器、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、及び前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、前記燃料制御弁の開度を制御する弁制御装置であって、前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した場合に、前記燃料制御弁の開度を小さくし、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする。
【０００９】
本構成によれば、弁制御装置は、燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器からの燃焼ガスにより駆動するタービン、及び燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、燃料制御弁の開度を制御する。
【００１０】
ガスタービンの運転中に負荷が下降すると、急激にタービンの回転数が上昇する。このタービンの回転数の上昇を低減させるためには、燃焼器へ供給する燃料の流量を減少させる必要がある。
そこで、弁制御装置は、ガスタービンの負荷が低減してタービンの回転数が上昇した場合に、燃料制御弁の開度を小さくする。これにより、タービンへ供給される燃焼ガスの供給が抑制されるので、タービンの回転数のオーバーシュートが低減される。
【００１１】
そして、弁制御装置は、上昇したタービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って燃料制御弁の開度を大きくする。タービンの回転数が上記所定回転数となった場合に、燃料制御弁の開度を大きくするということは、タービンの回転数が定格回転数より高い状態で燃料の供給量を上昇させることである。すなわち、タービンの回転数が定格回転数に達する前に、燃料が燃焼器へ先行的に供給されることとなる。これにより、タービンに対する燃焼ガスの供給量が少なすぎることが抑制されるため、タービンの回転数のアンダーシュート量が低減される。
【００１２】
また、タービンの回転数が所定回転数となった場合に燃料制御弁の開度を大きくすることは、フィードバックを伴う制御ではないため、タービンを不安定にするような試験運転を必要としないので、より安全なタービンの制御が実現される。
【００１３】
以上のことから、本構成は、ガスタービンの負荷が低減した場合に、タービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減できる。
【００１４】
上記第一態様では、前記タービンの回転数を目標値と一致させるための燃料の流量に応じて、前記燃料制御弁の開度を変化させる第１開度指令値を出力する第１開度指令値出力手段と、前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した状態で、前記燃料制御弁の開度を第１開度まで小さくし、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて前記所定回転数となった場合に、前記ガスタービンの無負荷運転において前記第１開度指令値で示される開度よりも小さな第２開度に達するまで、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする第２開度指令値を出力する第２開度指令値出力手段と、前記第１開度指令値出力手段から出力された前記第１開度指令値と前記第２開度指令値出力手段から出力された前記第２開度指令値のうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、前記燃料制御弁へ出力する選択手段と、を備えることが好ましい。
【００１５】
本構成によれば、第１開度指令値出力手段によって、タービンの回転数を目標値と一致させるための燃料の流量に応じて、燃料制御弁の開度を変化させる第１開度指令値が出力される。第１開度指令値が作用することにより、タービンの回転数が目標値となるように制御されるので、ガスタービンの負荷が低減してもタービンの回転数のオーバーシュートが低減される。ところが、急激なタービンの回転数の上昇が生じると、第１開度指令値は、燃料の流量を急激に低減させることとなるため、タービンの回転数にアンダーシュートが発生する。
【００１６】
そこで、第２開度指令値出力手段によって、第１開度指令値出力手段から出力される第１開度指令値とは異なる第２開度指令値が出力される。そして、選択手段によって、第１開度指令値出力手段から出力された第１開度指令値と第２開度指令値出力手段から出力された第２開度指令値とのうち、より大きな開度を示している指令値が選択され、燃料制御弁へ出力される。
【００１７】
第２開度指令値出力手段は、ガスタービンの負荷が低減してタービンの回転数が上昇した状態で、燃料制御弁の開度を第１開度まで小さくする第２開度指令値を出力する。第１開度は、例えば燃料制御弁の最小開度である。この第２開度指令値は、第１開度指令値と同様にタービンの回転数のオーバーシュートを低減させることとなる。
【００１８】
そして、第２開度指令値出力手段は、上昇したタービンの回転数が下降に転じて所定回転数となった場合に、ガスタービンの無負荷運転において第１開度指令値で示される開度よりも小さな第２開度に達するまで、時間変化を伴って燃料制御弁の開度を大きくする第２開度指令値を出力する。第１開度指令値は、タービンの回転数を目標値と一致させるための指令値であるため、時間遅れが生じ、第１開度指令値による燃料制御弁の制御では、アンダーシュートの低減量には限度がある。しかし、第２開度指令値は、タービンの回転数が定格回転数に達する前に、燃料を先行的に燃焼器へ供給するように燃料制御弁を制御することとなる。すなわち、第２開度指令値は、第１開度指令値よりも先行的に燃料制御弁の開度を大きくするので、第１開度指令値により示される開度よりも大きくなるので、選択手段によって、第２開度指令値が選択されて燃料制御弁へ出力される。これにより、燃焼器への燃料の供給量が少なすぎることが抑制されるため、タービンの回転数のアンダーシュート量が低減される。
【００１９】
さらに、第２開度は、ガスタービンの負荷運転において第１開度指令値で示される開度よりも小さな開度である。このことは、第２開度指令値に基づく燃料制御弁の開度では、タービンの回転数が定格回転数に達する燃料を燃焼器へ供給できないことを意味する。一方、第１開度指令値は、タービンの回転数と目標値とが一致するように燃料制御弁の開度を大きくするので、目標値を定格回転数とすることで、タービンの回転数を定格回転数にできる。すなわち、第２開度指令値が、第１開度指令値よりも先行的に燃料制御弁の開度を大きくしても、何れ第１開度指令値により示される燃料制御弁の開度の方が大きくなり、選択手段によって第１開度指令値が燃料制御弁へ出力されることとなる。これにより、第１開度指令値によって、タービンの回転数が定格回転数で整定されることとなる。
【００２０】
以上のことから、本構成は、ガスタービンの負荷が低減した場合に、タービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減でき、かつ変動したタービンの回転数を短時間で整定できる。
【００２１】
上記第一態様では、前記タービンの回転数を逐次記憶する記憶手段を備え、前記第２開度指令値出力手段が、前記記憶手段に記憶された前記タービンの回転数に基づいて、前記タービンの回転数の増減を判断することが好ましい。
【００２２】
本構成によれば、記憶手段に記憶されたタービンの回転数に基づいて、タービンの回転数の増減が判断されるので、簡易な構成でタービンの回転数の変化を検知できる。
【００２３】
上記第一態様では、前記第２開度指令値出力手段が、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて前記所定回転数となった場合に、前記燃料制御弁の開度の上昇率が前記タービンの回転数の変動率に応じて変化する前記第２開度指令値を出力することが好ましい。
【００２４】
本構成によれば、タービンの回転数が下降した後に燃焼器へ供給される燃料がタービンの回転数の変動率に応じて変化するので、アンダーシュート量の低減及び整定時間の短縮ができる。
【００２５】
上記第一態様では、前記第２開度指令値出力手段が、前記第２開度を示す第２開度指令値を、前記燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定することが好ましい。
【００２６】
本構成によれば、第２開度が燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定されるため、燃料制御弁に対する開度指令値が第２開度指令値から第１開度指令値に選択されるタイミングが該パラメータによって変化することとなる。なお、燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータは、大気温度や燃料温度等である。このように本構成は、開度指令値が第２開度指令値から第１開度指令値に選択されるタイミングが、燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに応じてより適正なタイミングに変化することとなるので、アンダーシュート量の低減及び整定時間の短縮ができる。
【００２７】
上記第一態様では、前記第２開度指令値出力手段が、少なくとも前記燃焼器が失火しない燃料を前記燃焼器へ供給する前記第１開度を示す第２開度指令値を、前記タービンの出力の変化に基づいて決定することが好ましい。
【００２８】
本構成によれば、燃焼器の失火を防ぐと共に、タービンの回転数のオーバーシュート量及びアンダーシュート量を精度良く制御できる。
【００２９】
上記第一態様では、前記第２開度指令値出力手段が、前記第１開度を示す第２開度指令値を、負荷が低減する前の前記タービンの出力、負荷が低減する前後のタービンの出力の差分、及び負荷が低減した後の前記タービンの出力に基づいて、決定することが好ましい。
【００３０】
本構成によれば、タービンの回転数のオーバーシュート量及びアンダーシュート量をより精度良く制御できる。
【００３１】
本発明の第二態様に係るガスタービンは、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、前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁と、上記記載の弁制御装置と、を備える。
【００３２】
本発明の第三態様に係る弁制御方法は、燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器、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、及び前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、前記燃料制御弁の開度を制御する弁制御方法であって、前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した状態で、前記燃料制御弁の開度を小さくする第１工程と、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする第２工程と、を含む。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、ガスタービンの負荷が低減した場合に、タービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減できる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービンプラントの構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るガスタービンの負荷が低減し、急激にタービンの回転数が上昇した場合における、弁制御装置によって制御される燃料制御弁の開度の変化を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る弁制御装置の機能を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るガスタービンの負荷が低減し、急激にタービンの回転数が上昇した場合における、ＭＩＮＣＳＯ及びＧＶＣＳＯの変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る弁制御装置が備えるＭＩＮＣＳＯ演算部の機能を示す機能ブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るガスタービンの負荷が低減し、急激にタービンの回転数が上昇した場合における、ＭＩＮＣＳＯ及びＧＶＣＳＯの変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第３実施形態に係る弁制御装置が備えるＭＩＮＣＳＯ演算部の機能を示す機能ブロック図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部におけるＭＩＮＣＳＯ最小値を決定する機能を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、本発明に係る弁制御装置、ガスタービン、及び弁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。
【００３６】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
【００３７】
図１は、第１実施形態に係るガスタービンプラント１０の全体構成図である。ガスタービンプラント１０は、ガスタービン１２及び発電機１４を備える。
【００３８】
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入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。
【００３９】
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、ガスタービン１２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。
【００４０】
なお、タービン２４、圧縮機２０、及び発電機１４は、回転軸２６によって連結され、タービン２４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１４に伝達される。そして、発電機１４は、タービン２４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。
【００４１】
また、燃焼器２２には、ノズル３６が設けられている。ノズル３６には、燃料制御弁４２で流量が調整された燃料が供給される。そして、燃焼器２２は、ノズル３６から供給された燃料を、圧縮空気を用いて燃焼させる。
【００４２】
燃料制御弁４２の開度は、弁制御装置４４によって制御される。
弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン２４の回転数（以下、「タービン回転数」という。）が上昇した場合に、燃料制御弁４２の開度（以下、「弁開度」という。）を小さくする。そして、弁制御装置４４は、上昇したタービン回転数が下降に転じて定格回転数に達する間の所定回転数（以下、「基準回転数」という。）となった場合に、時間変化を伴って弁開度を大きくする。
【００４３】
図２は、ガスタービン１２の負荷が低減し、急激にタービン２４の回転数が上昇した場合における、弁制御装置４４によって制御される弁開度の変化を示すグラフである。
【００４４】
図２に示されるように、ガスタービン１２の負荷が下降したタイミングがＴＡである。タービン２４の運転中に負荷が下降すると、急激にタービン回転数が上昇する。このタービン回転数の上昇を低減させるためには、燃焼器２２へ供給する燃料の流量を減少させる必要がある。そこで、弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した場合に、弁開度を一例として最小開度まで小さくする。これにより、タービン２４へ供給される燃焼ガスの供給が抑制されるので、タービン回転数のオーバーシュートが低減される。
【００４５】
そして、弁制御装置４４は、上昇したタービン回転数が最大回転数ωMAXに達し、下降に転じて定格回転数ωRに達する前の基準回転数ωSとなったタイミングＴＢで、時間変化を伴って弁開度を大きくする。タービン回転数が基準回転数ωSとなった場合に、弁開度を大きくするということは、タービン回転数が定格回転数ωRより高い状態で燃料の供給量を上昇させることである。すなわち、タービン回転数が定格回転数ωRに達する前に、燃料が燃焼器２２へ先行的に供給されることとなる。これにより、タービン２４に対する燃焼ガスの供給量が少なすぎることが抑制されるため、タービン回転数のアンダーシュート量が低減される。
なお、最大回転数ωMAXは、タービン２４を停止させる必要が生じるタービン回転数よりも低いタービン回転数である。
【００４６】
また、タービン回転数が基準回転数ωSとなった場合に弁開度を大きくすることは、フィードバックを伴う制御ではないため、タービン２４を不安定にするような試験運転を必要としないので、より安全なタービン２４の制御が実現される。
【００４７】
図３は、第１実施形態に係る弁制御装置４４の機能を示す機能ブロック図である。
弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯ演算部５０、記憶部５２、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４、及び選択部５６を備える。
【００４８】
ＧＶＣＳＯ演算部５０は、タービン回転数を目標値（以下、「回転数目標値」という。）と一致させるための燃料の流量に応じて、弁開度を変化させる第１開度指令値（以下、「ＧＶＣＳＯ」という。）を出力する。
【００４９】
詳細には、ＧＶＣＳＯ演算部５０は、減算部６０及び乗算部６２を備える。
減算部６０は、タービン回転数の回転数目標値及びタービン回転数が入力され、回転数目標値からタービン回転数を減算する。乗算部６２は、減算部６０から出力された減算値に比例ゲインを乗算し、乗算結果をＧＶＣＳＯとして出力する。このように、ＧＶＣＳＯ演算部５０は、フィードバックによりＧＶＣＳＯを演算することとなる。なお、ＧＶＣＳＯが上昇すると弁開度も大きくなり、ＧＶＣＳＯが下降すると弁開度も小さくなる。
【００５０】
記憶部５２は、タービン回転数を逐次記憶する。
【００５１】
ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、記憶部５２に記憶されたタービン回転数に基づいて、タービン回転数の増減を判断する。具体的には、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、タービン回転数の現在値が入力されると共に、記憶部５２から出力されたタービン回転数、すなわち所定時間前のタービン回転数が入力されることとなるので、これらのタービン回転数を比較（微分値又は差分値を算出）することによって、タービン回転数の増減を判断する。
【００５２】
そして、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した状態で、弁開度を第１開度まで小さくする第２開度指令値（以下、「ＭＩＮＣＳＯ」という。）を出力する。なお、ＭＩＮＣＳＯが上昇すると弁開度も大きくなり、ＭＩＮＣＳＯが下降すると弁開度も小さくなる。
さらに、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数ωSとなった場合に、第２開度に達するまで、時間変化を伴って燃料制御弁の開度を大きくするＭＩＮＣＳＯを出力する。すなわち、第１開度はＭＩＮＣＳＯの最小値であり、第２開度はＭＩＮＣＳＯの最大値である。また、基準回転数ωSは予め設定されている。
【００５３】
選択部５６は、ＧＶＣＳＯ演算部５０から出力されたＧＶＣＳＯとＭＩＮＣＳＯ演算部５４から出力されたＭＩＮＣＳＯのうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、燃料制御弁４２へ出力する。
【００５４】
なお、本第１実施形態では、ＭＩＮＣＳＯ及びＧＶＣＳＯが上昇すると弁開度も大きくなる。
【００５５】
次に、図４を参照して、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した場合に出力されるＧＶＣＳＯ及びＭＩＮＣＳＯについて説明する。
【００５６】
ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇すると、ＧＶＣＳＯ演算部５０によって、弁開度を小さくするためのＧＶＣＳＯが出力される。ＧＶＣＳＯの作用により、タービン回転数が回転数目標値となるように制御されるので、ガスタービン１２の負荷が低減してもタービン回転数のオーバーシュートが低減される。ところが、急激なタービン回転数の上昇が生じると、ＧＶＣＳＯは、燃料の流量を急激に低減させることとなるため、タービン回転数にアンダーシュートが発生する。
【００５７】
一方、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した状態で、弁開度を第１開度Ｄ１まで小さくするＭＩＮＣＳＯを出力する。なお、第１開度Ｄ１は、例えば燃料制御弁４２の最小開度である。このＭＩＮＣＳＯは、ＧＶＣＳＯと同様にタービン回転数のオーバーシュートを低減させることとなる。
【００５８】
そして、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数ωSとなった場合に、第２開度Ｄ２に達するまで、時間変化を伴って弁開度を大きくするＭＩＮＣＳＯを出力する。すなわち、タービン回転数が基準回転数ωSとなったタイミングＴＢで、ＭＩＮＣＳＯで示される弁開度が上昇する。
【００５９】
ＧＶＣＳＯは、タービン回転数を回転数目標値と一致させるためにフィードバックにより演算される指令値であるため、時間遅れが生じ、ＧＶＣＳＯによる燃料制御弁４２の制御では、アンダーシュートの低減量には限度がある。しかし、ＭＩＮＣＳＯは、上述のように、タービン回転数が定格回転数ωRに達する前に、燃料を先行的に燃焼器２２へ供給するように燃料制御弁４２を制御することとなる。すなわち、ＭＩＮＣＳＯは、ＧＶＣＳＯよりも先行的に燃料制御弁４２の弁開度を大きくするので、ＧＶＣＳＯよりも大きくなり、選択部５６によって、ＭＩＮＣＳＯが選択されて燃料制御弁４２へ出力される。これにより、燃焼器２２への燃料の供給量が少なすぎることが抑制されるため、タービン回転数のアンダーシュート量が低減される。
【００６０】
なお、図４に示される基準回転数ωSは一例であり、基準回転数ωSは上昇したタービンの回転数が下降に転じて定格回転数ωRに達する前であればよく、例えば最大回転数ωMAXを基準回転数ωSとしてもよい。また、ＭＩＮＣＳＯは、第２開度Ｄ２に達するまで直線状に徐々に大きくなるが、これに限らず、例えば、第２開度Ｄ２に達するまで曲線状に徐々に大きくなるとしてもよいし、ＭＩＮＣＳＯは、第２開度Ｄ２に達するまで段階的に徐々に大きくなるとしてもよい。
【００６１】
また、第２開度Ｄ２は、ガスタービン１２の無負荷運転においてＣＬＣＳＯで示される開度よりも小さな開度である。このことは、ＭＩＮＣＳＯで示される弁開度では、タービン回転数が定格回転数ωRに達する燃料を燃焼器２２へ供給できないことを意味する。一方、ＧＶＣＳＯは、タービン回転数と回転数目標値とが一致するように弁開度を大きくするので、回転数目標値を定格回転数ωRとすることで、タービン回転数を定格回転数ωRにできる。すなわち、ＭＩＮＣＳＯが、ＧＶＣＳＯよりも先行的に弁開度を大きくしても、何れＭＩＮＣＳＯよりもＧＶＣＳＯの方が大きくなり、選択部５６によってＧＶＣＳＯが選択され、燃料制御弁４２へ出力されることとなる。これにより、ＧＶＣＳＯによって、タービン回転数が定格回転数ωRで整定されることとなる。
【００６２】
すなわち、図４に示されるように、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇したタイミングＴＡから、ＭＩＮＣＳＯで示される弁開度とＧＶＣＳＯで示される弁開度の大きさが逆転するタイミングＴＣまで、選択部５６は、ＭＩＮＣＳＯを選択し、燃料制御弁４２へ出力する。そして、タイミングＴＢからは、選択部５６は、ＧＶＣＳＯを選択し、燃料制御弁４２へ出力するので、燃料制御弁４２は、タービン回転数と回転数目標値とに基づいてフィードバック制御されることとなる。
【００６３】
なお、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇しても、ＧＶＣＳＯで示される弁開度がＭＩＮＣＳＯで示される弁開度よりも小さくならない限り、ＭＩＮＣＳＯで燃料制御弁４２が制御されることはない。
【００６４】
以上説明したように、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器２２からの燃焼ガスにより駆動するタービン２４、及び燃焼器２２へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁４２を備えたガスタービン２４に設けられ、弁開度を制御する。弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した場合に、弁開度を小さくし、上昇したタービン回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の基準回転数となった場合に、時間変化を伴って燃料制御弁４２の開度を大きくする。
【００６５】
従って、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減した場合に、タービン回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減できる。
【００６６】
また、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯを出力するＧＶＣＳＯ演算部５０と、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン２４の回転数が上昇した状態で、弁開度を第１開度まで小さくし、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数となった場合に、第２開度に達するまで、時間変化を伴って弁開度を大きくするＭＩＮＣＳＯを出力するＭＩＮＣＳＯ演算部５４と、を備える。さらに、弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯ演算部５０から出力されたＧＶＣＳＯとＭＩＮＣＳＯ演算部５４から出力されたＭＩＮＣＳＯのうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、燃料制御弁４２へ出力する選択部５６を備える。
【００６７】
従って、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減した場合に、タービン回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減でき、かつ変動したタービン回転数を短時間で整定できる。
【００６８】
また、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、記憶部５２に記憶されたタービン回転数に基づいて、タービン回転数の増減が判断するので、簡易な構成でタービン回転数の変化を検知できる。
【００６９】
〔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。
【００７０】
なお、本第２実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成は、図１に示す第１実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成と同様であるので説明を省略する。
【００７１】
本第２実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数となった場合に、弁開度の上昇率がタービン回転数の変動率（下降率）に応じて変化するＭＩＮＣＳＯを出力する。
【００７２】
図５は、本第２実施形態に係る弁制御装置４４が備えるＭＩＮＣＳＯ演算部５４の機能を示す機能ブロック図である。
【００７３】
ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）７０、回転数変動率演算部７２、ＭＩＮＣＳＯ上昇率演算部７４、及び信号生成部７６を備える。
【００７４】
ＬＰＦ７０は、タービン回転数の現在値が入力され、ノイズ成分を除去した後のタービン回転数を回転数変動率演算部７２へ出力する。
【００７５】
図６を参照して、回転数変動率演算部７２及びＭＩＮＣＳＯ上昇率演算部７４について説明する。
【００７６】
回転数変動率演算部７２は、下記（１）式に示すように、最大回転数ωMAXが基準回転数ωSに変化するまでに要した時間ΔＴ１に基づいて、タービン回転数の変動率（以下、「回転数変動率」という。）ｎを算出する。しかし、これに限らず、タービン回転数に対する微分処理（又は差分処理）等、他の処理方法により回転数変動率ｎを算出してもよい。
【数１】
【００７７】
ＭＩＮＣＳＯ上昇率演算部７４は、下記（２）式に示すように、回転数変動率演算部７２によって算出された回転数変動率ｎに基づいて、ＭＩＮＣＳＯ上昇率ｍを算出する。
【数２】
（２）式におけるＫは予め定められた定数である。また、ΔＭＩＮＣＳＯは、第１開度Ｄ１と第２開度Ｄ２との差であるため固定値である。そのため、ＭＩＮＣＳＯ上昇率ｍを算出することは、第１開度Ｄ１から第２開度Ｄ２へ弁開度を変化させるために要する時間ΔＴ２を算出することとなる。
【００７８】
信号生成部７６は、ＭＩＮＣＳＯ上昇率演算部７４で算出されたＭＩＮＣＳＯ上昇率ｍを用いて、第２開度Ｄ２を示すＭＩＮＣＳＯ最大値となるまで、時間変化を伴うＭＩＮＣＳＯを生成し、燃料制御弁４２へ出力する。
【００７９】
これにより、回転数変動率ｎが大きいと、より速い時間で弁開度が、第１開度Ｄ１から第２開度Ｄ２へ変化するので、第２開度Ｄ２に応じた燃料が短時間で燃焼器２２へ供給される。すなわち、タービン回転数の下降率が大きいと、アンダーシュート量も大きくなると考えられるので、アンダーシュート量を減らし、整定時間を短縮するために、燃料制御弁４２は短時間で燃料を供給することとなる。
【００８０】
以上説明したように、本第２実施形態に係る弁制御装置４４は、タービン回転数が下降した後に燃焼器２２へ供給される燃料がタービン回転数の変動率に応じて変化するので、アンダーシュート量の低減及び整定時間の短縮ができる。
【００８１】
〔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。
【００８２】
なお、本第３実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成は、図１に示す第１実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成と同様であるので説明を省略する。
【００８３】
本第３実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、第２開度を示すＭＩＮＣＳＯの最大値を、燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定する。
【００８４】
図７は、本第３実施形態に係る弁制御装置４４が備えるＭＩＮＣＳＯ演算部５４の機能を示す機能ブロック図である。なお、図７における図５と同一の構成部分については図５と同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００８５】
本第３実施形態に係る弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯ整定値演算部８０及びＭＩＮＣＳＯ最大値演算部８２を備える。
【００８６】
ＧＶＣＳＯ整定値演算部８０は、タービン回転数を整定させるためのＧＶＣＳＯを算出する。具体的には、ＧＶＣＳＯ整定値演算部８０は、整定させたい目標となる整定目標タービン回転数、燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいてＧＶＣＳＯを算出する。
燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータとは、例えば、大気温度や燃料温度等である。そして、例えば、ＧＶＣＳＯは、整定目標タービン回転数に応じた値に設定され、大気温度が高いほど空気の密度が低くなるためＧＶＣＳＯは高く設定され、燃料温度が高いほど燃料の密度が低くなるためＧＶＣＳＯは高く設定される。上記パラメータとして、燃料カロリー及び燃料供給圧力等を用いてもよい。
【００８７】
ＭＩＮＣＳＯ最大値演算部８２は、ＧＶＣＳＯ整定値演算部８０から出力されたＧＶＣＳＯに、予め定められた係数を乗算することによってＭＩＮＣＳＯ最大値を算出し、信号生成部７６へ出力する。なお、該係数は、ＭＩＮＣＳＯがＧＶＣＳＯを超えないように１未満とされている。
【００８８】
そして、信号生成部７６は、ＭＩＮＣＳＯ最大値演算部８２で算出されたＭＩＮＣＳＯ最大値となるまで、時間変化を伴うＭＩＮＣＳＯを生成し、燃料制御弁４２へ出力する。
【００８９】
以上説明したように、本第３実施形態に係る弁制御装置４４は、第２開度を示すＭＩＮＣＳＯ最大値を燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定するため、燃料制御弁４２に対する開度指令値がＭＩＮＣＳＯからＧＶＣＳＯに選択されるタイミングが該パラメータによって変化することとなる。従って、燃料制御弁４２に対する開度指令値がＭＩＮＣＳＯからＧＶＣＳＯに選択されるタイミングが、燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに応じてより適正なタイミングに変化することとなるので、本第３実施形態に係る弁制御装置４４は、アンダーシュート量の低減及び整定時間の短縮ができる。
【００９０】
〔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。
【００９１】
なお、本第４実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成は、図１に示す第１実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成と同様であるので説明を省略する。
【００９２】
本第４実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、少なくとも燃焼器２２が失火しない燃料を燃焼器２２へ供給する第１開度を示すＭＩＮＣＳＯ最小値を、タービン２４の出力（以下、「タービン出力」という。）の変化に基づいて決定する。なお、本第４実施形態では、ＭＩＮＣＳＯ最小値は、負荷が低減する前のタービン出力、負荷が低減する前後のタービン出力の差分、及び負荷が低減した後のタービン出力に基づいて、決定される。
【００９３】
図８は、本第４実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４におけるＭＩＮＣＳＯ最小値を決定する機能を示す機能ブロック図である。
【００９４】
本第４実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、出力変化導出部９０、ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａ，９２Ｂ，９２Ｃ、及びＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４を備える。
【００９５】
出力変化導出部９０は、タービン出力値が逐次入力される。そして、入力されたタービン出力値の時間変化に基づいて、負荷が低減する前のタービン出力値（以下、「負荷低減前出力値」という。）、負荷が低減する前後のタービン出力値の差分（以下、「出力変化値」という。）、及び負荷が低減した後のタービン出力値（以下、「負荷低減後出力値」という。）を導出する。
そして、出力変化導出部９０は、負荷低減前出力値をＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａへ出力し、出力変化値をＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｂへ出力し、負荷低減後出力値をＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｃへ出力する。
【００９６】
ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａは、入力された負荷低減前出力値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を出力する。なお、ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａは、負荷低減前出力値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値を示すテーブル情報Ａを記憶している。ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａは、テーブル情報Ａに基づいて入力された負荷低減前出力値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４へ出力する。
【００９７】
負荷低減前出力値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値とする理由を以下に述べる。
まず、ガスタービン１２の負荷が急激に低減することに伴って燃料制御弁４２の開度を小さくしても、燃料制御弁４２から燃焼器２２へ至るまでの配管内に燃料が残留している。このため、残留した燃料によって燃焼ガスが生成され、タービン２４の回転が持続し、タービン回転数が上昇する。
【００９８】
そして、負荷が低減する前のタービン出力値が大きいほど、残留した燃料が多くなるため、負荷低減前出力値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値とし、燃焼器２２へ供給される燃料をより少なくし、タービン２４の回転数のオーバーシュートを抑制する。
【００９９】
ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｂは、入力された出力変化値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を出力する。なお、ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９４は、出力変化値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値を示すテーブル情報Ｂを記憶している。ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｂは、テーブル情報Ｂに基づいて出力変化値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４へ出力する。
【０１００】
出力変化値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値とする理由は、上述した理由と同様であり、出力変化値が大きいほど、残留した燃料が低減した負荷に比較して多くなるためである。
【０１０１】
ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｃは、入力された負荷低減後出力値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を出力する。なお、ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｃは、負荷低減後出力値が大きいほど大きなＭＩＮＣＳＯ最小値を示すテーブル情報を記憶している。ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｃは、テーブル情報Ｃに基づいて負荷低減後出力値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４へ出力する。
【０１０２】
負荷低減後出力値が大きいほど大きなＭＩＮＣＳＯ最小値とする理由は、タービン出力を維持するためである。
【０１０３】
ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４は、入力された３つのＭＩＮＣＳＯ最小値を比較し、最も小さいＭＩＮＣＳＯ最小値を選択し、ＭＩＮＣＳＯ最小値として出力する。最も小さいＭＩＮＣＳＯ最小値を選択する理由は、タービン２４に対する安全を考慮し、タービン回転数の上昇を抑制するためである。このため、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４は、入力された３つのＭＩＮＣＳＯ最小値を比較し、最も大きなＭＩＮＣＳＯ最小値を選択してもよいし、２番目に小さなＭＩＮＣＳＯ最小値を選択しもよい。
【０１０４】
なお、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４は、少なくとも燃焼器２２が失火しない燃料を燃焼器２２へ供給する第１開度を示す最小ＭＩＮＣＳＯを記憶している。そして、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４は、選択したＭＩＮＣＳＯ最小値が、最小ＭＩＮＣＳＯよりも小さい場合は、選択したＭＩＮＣＳＯ最小値に替えて、最小ＭＩＮＣＳＯをＭＩＮＣＳＯ最小値として出力する。
【０１０５】
以上説明したように、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、少なくとも燃焼器２２が失火しない燃料を燃焼器２２へ供給するＭＩＮＣＳＯ最小値を、タービン出力の変化に基づいて決定するので、燃焼器の失火を防ぐと共に、タービンの回転数のオーバーシュート量及びアンダーシュート量を精度良く制御できる。
【０１０６】
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。
【０１０７】
例えば、上記各実施形態では、弁開度を示す開度指令値であるＭＩＮＣＳＯ及びＧＶＣＳＯが上昇すると弁開度も大きくな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、開度指令値が下降すると弁開度が大きくなる形態としてもよい。この形態の場合、例えば、開度指令値が０のときの弁開度を１００％とし、開度指令値が１００のときの弁開度を０％とする。
【符号の説明】
【０１０８】
１２ ガスタービン
２２ 燃焼器
２４ タービン
４２ 燃料制御弁
４４ 弁制御装置
５０ ＧＶＣＳＯ演算部
５２ 記憶部
５４ ＭＩＮＣＳＯ演算部
５６ 選択部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁制御装置、ガスタービン、及び弁制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの運転が行われている間にガスタービンの負荷が低減すると、急激にタービンの回転数が上昇する場合がある。そこで、一般的なガスタービンの制御システムでは、ガスタービンの回転数があらかじめ設定された上限値を超過した場合にガスタービンを非常停止させるインターロックが備えられている。このため、ガスタービンの負荷が低減した場合にタービンの回転数の上昇を許容値内に抑えることは、ガスタービンの運用効率を向上させるために重要である。
【０００３】
特許文献１には、発電用タービンの回転数の制御システムに関する技術が記載されており、第一の制御回路には、回転数の目標値と現在値との差に関係する偏差信号が供給され、負荷低減の際に偏差信号に関連してタービンの回転数制御に用いられる制御要素に閉成信号を供給し、負荷低減が発生した際のタービンの非常停止を回避させる技術が記載されている。すなわち、特許文献１に記載の技術では、ガスタービンの負荷が低減した直後に燃料制御弁等の制御要素に予め設定した最小値を出力することでタービンの回転数の上昇を抑制し、その後タービンの回転数が低下し目標値を下回った場合に、フィードバック制御系により目標値への追従制御を行う。特許文献１に記載の技術は、負荷低減直後のタービンの回転数のオーバーシュートを低減するだけでなく、アンダーシュートに関しても対処可能である点で有効な技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０７３９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ガスタービンの回転数のアンダーシュート防止用のフィードバック制御系が機能するのは、ガスタービンの回転数が目標値を下回った後である。また、フィーバック制御系自体の制御動作遅れも考えると、アンダーシュート量の低減には限度があり、整定時間も長くなる。さらに、フィードバック制御系では、試運転時に制御系設定値（比例ゲイン・積分時間）を決めようとしても、ガスタービンを不安定にさせる危険のために十分なパラメータスタディを行うことが出来ず困難を伴う。
【０００６】
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、ガスタービンの負荷が低減した場合に、ガスタービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減できる、弁制御装置、ガスタービン、及び弁制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の弁制御装置、ガスタービン、及び弁制御方法は以下の手段を採用する。
【０００８】
本発明の第一態様に係る弁制御装置は、燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器、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、及び前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、前記燃料制御弁の開度を制御する弁制御装置であって、前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した場合に、前記燃料制御弁の開度を小さくし、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする。
【０００９】
本構成によれば、弁制御装置は、燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器からの燃焼ガスにより駆動するタービン、及び燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、燃料制御弁の開度を制御する。
【００１０】
ガスタービンの運転中に負荷が下降すると、急激にタービンの回転数が上昇する。このタービンの回転数の上昇を低減させるためには、燃焼器へ供給する燃料の流量を減少させる必要がある。
そこで、弁制御装置は、ガスタービンの負荷が低減してタービンの回転数が上昇した場合に、燃料制御弁の開度を小さくする。これにより、タービンへ供給される燃焼ガスの供給が抑制されるので、タービンの回転数のオーバーシュートが低減される。
【００１１】
そして、弁制御装置は、上昇したタービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って燃料制御弁の開度を大きくする。タービンの回転数が上記所定回転数となった場合に、燃料制御弁の開度を大きくするということは、タービンの回転数が定格回転数より高い状態で燃料の供給量を上昇させることである。すなわち、タービンの回転数が定格回転数に達する前に、燃料が燃焼器へ先行的に供給されることとなる。これにより、タービンに対する燃焼ガスの供給量が少なすぎることが抑制されるため、タービンの回転数のアンダーシュート量が低減される。
【００１２】
また、タービンの回転数が所定回転数となった場合に燃料制御弁の開度を大きくすることは、フィードバックを伴う制御ではないため、タービンを不安定にするような試験運転を必要としないので、より安全なタービンの制御が実現される。
【００１３】
以上のことから、本構成は、ガスタービンの負荷が低減した場合に、タービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減できる。
【００１４】
上記第一態様では、前記タービンの回転数を目標値と一致させるための燃料の流量に応じて、前記燃料制御弁の開度を変化させる第１開度指令値を出力する第１開度指令値出力手段と、前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した状態で、前記燃料制御弁の開度を第１開度まで小さくし、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて前記所定回転数となった場合に、前記ガスタービンの無負荷運転において前記第１開度指令値で示される開度よりも小さな第２開度に達するまで、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする第２開度指令値を出力する第２開度指令値出力手段と、前記第１開度指令値出力手段から出力された前記第１開度指令値と前記第２開度指令値出力手段から出力された前記第２開度指令値のうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、前記燃料制御弁へ出力する選択手段と、を備えることが好ましい。
【００１５】
本構成によれば、第１開度指令値出力手段によって、タービンの回転数を目標値と一致させるための燃料の流量に応じて、燃料制御弁の開度を変化させる第１開度指令値が出力される。第１開度指令値が作用することにより、タービンの回転数が目標値となるように制御されるので、ガスタービンの負荷が低減してもタービンの回転数のオーバーシュートが低減される。ところが、急激なタービンの回転数の上昇が生じると、第１開度指令値は、燃料の流量を急激に低減させることとなるため、タービンの回転数にアンダーシュートが発生する。
【００１６】
そこで、第２開度指令値出力手段によって、第１開度指令値出力手段から出力される第１開度指令値とは異なる第２開度指令値が出力される。そして、選択手段によって、第１開度指令値出力手段から出力された第１開度指令値と第２開度指令値出力手段から出力された第２開度指令値とのうち、より大きな開度を示している指令値が選択され、燃料制御弁へ出力される。
【００１７】
第２開度指令値出力手段は、ガスタービンの負荷が低減してタービンの回転数が上昇した状態で、燃料制御弁の開度を第１開度まで小さくする第２開度指令値を出力する。第１開度は、例えば燃料制御弁の最小開度である。この第２開度指令値は、第１開度指令値と同様にタービンの回転数のオーバーシュートを低減させることとなる。
【００１８】
そして、第２開度指令値出力手段は、上昇したタービンの回転数が下降に転じて所定回転数となった場合に、ガスタービンの無負荷運転において第１開度指令値で示される開度よりも小さな第２開度に達するまで、時間変化を伴って燃料制御弁の開度を大きくする第２開度指令値を出力する。第１開度指令値は、タービンの回転数を目標値と一致させるための指令値であるため、時間遅れが生じ、第１開度指令値による燃料制御弁の制御では、アンダーシュートの低減量には限度がある。しかし、第２開度指令値は、タービンの回転数が定格回転数に達する前に、燃料を先行的に燃焼器へ供給するように燃料制御弁を制御することとなる。すなわち、第２開度指令値は、第１開度指令値よりも先行的に燃料制御弁の開度を大きくするので、第１開度指令値により示される開度よりも大きくなるので、選択手段によって、第２開度指令値が選択されて燃料制御弁へ出力される。これにより、燃焼器への燃料の供給量が少なすぎることが抑制されるため、タービンの回転数のアンダーシュート量が低減される。
【００１９】
さらに、第２開度は、ガスタービンの負荷運転において第１開度指令値で示される開度よりも小さな開度である。このことは、第２開度指令値に基づく燃料制御弁の開度では、タービンの回転数が定格回転数に達する燃料を燃焼器へ供給できないことを意味する。一方、第１開度指令値は、タービンの回転数と目標値とが一致するように燃料制御弁の開度を大きくするので、目標値を定格回転数とすることで、タービンの回転数を定格回転数にできる。すなわち、第２開度指令値が、第１開度指令値よりも先行的に燃料制御弁の開度を大きくしても、何れ第１開度指令値により示される燃料制御弁の開度の方が大きくなり、選択手段によって第１開度指令値が燃料制御弁へ出力されることとなる。これにより、第１開度指令値によって、タービンの回転数が定格回転数で整定されることとなる。
【００２０】
以上のことから、本構成は、ガスタービンの負荷が低減した場合に、タービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減でき、かつ変動したタービンの回転数を短時間で整定できる。
【００２１】
上記第一態様では、前記タービンの回転数を逐次記憶する記憶手段を備え、前記第２開度指令値出力手段が、前記記憶手段に記憶された前記タービンの回転数に基づいて、前記タービンの回転数の増減を判断することが好ましい。
【００２２】
本構成によれば、記憶手段に記憶されたタービンの回転数に基づいて、タービンの回転数の増減が判断されるので、簡易な構成でタービンの回転数の変化を検知できる。
【００２３】
上記第一態様では、前記第２開度指令値出力手段が、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて前記所定回転数となった場合に、前記燃料制御弁の開度の上昇率が前記タービンの回転数の変動率に応じて変化する前記第２開度指令値を出力することが好ましい。
【００２４】
本構成によれば、タービンの回転数が下降した後に燃焼器へ供給される燃料がタービンの回転数の変動率に応じて変化するので、アンダーシュート量の低減及び整定時間の短縮ができる。
【００２５】
上記第一態様では、前記第２開度指令値出力手段が、前記第２開度を示す第２開度指令値を、前記燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定することが好ましい。
【００２６】
本構成によれば、第２開度が燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定されるため、燃料制御弁に対する開度指令値が第２開度指令値から第１開度指令値に選択されるタイミングが該パラメータによって変化することとなる。なお、燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータは、大気温度や燃料温度等である。このように本構成は、開度指令値が第２開度指令値から第１開度指令値に選択されるタイミングが、燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに応じてより適正なタイミングに変化することとなるので、アンダーシュート量の低減及び整定時間の短縮ができる。
【００２７】
上記第一態様では、前記第２開度指令値出力手段が、少なくとも前記燃焼器が失火しない燃料を前記燃焼器へ供給する前記第１開度を示す第２開度指令値を、前記タービンの出力の変化に基づいて決定することが好ましい。
【００２８】
本構成によれば、燃焼器の失火を防ぐと共に、タービンの回転数のオーバーシュート量及びアンダーシュート量を精度良く制御できる。
【００２９】
上記第一態様では、前記第２開度指令値出力手段が、前記第１開度を示す第２開度指令値を、負荷が低減する前の前記タービンの出力、負荷が低減する前後のタービンの出力の差分、及び負荷が低減した後の前記タービンの出力に基づいて、決定することが好ましい。
【００３０】
本構成によれば、タービンの回転数のオーバーシュート量及びアンダーシュート量をより精度良く制御できる。
【００３１】
本発明の第二態様に係るガスタービンは、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、前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁と、上記記載の弁制御装置と、を備える。
【００３２】
本発明の第三態様に係る弁制御方法は、燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器、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、及び前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、前記燃料制御弁の開度を制御する弁制御方法であって、前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した状態で、前記燃料制御弁の開度を小さくする第１工程と、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする第２工程と、を含む。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、ガスタービンの負荷が低減した場合に、タービンの回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減できる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービンプラントの構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るガスタービンの負荷が低減し、急激にタービンの回転数が上昇した場合における、弁制御装置によって制御される燃料制御弁の開度の変化を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る弁制御装置の機能を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るガスタービンの負荷が低減し、急激にタービンの回転数が上昇した場合における、ＭＩＮＣＳＯ及びＧＶＣＳＯの変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る弁制御装置が備えるＭＩＮＣＳＯ演算部の機能を示す機能ブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るガスタービンの負荷が低減し、急激にタービンの回転数が上昇した場合における、ＭＩＮＣＳＯ及びＧＶＣＳＯの変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第３実施形態に係る弁制御装置が備えるＭＩＮＣＳＯ演算部の機能を示す機能ブロック図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部におけるＭＩＮＣＳＯ最小値を決定する機能を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、本発明に係る弁制御装置、ガスタービン、及び弁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。
【００３６】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
【００３７】
図１は、第１実施形態に係るガスタービンプラント１０の全体構成図である。ガスタービンプラント１０は、ガスタービン１２及び発電機１４を備える。
【００３８】
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入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。
【００３９】
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、ガスタービン１２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。
【００４０】
なお、タービン２４、圧縮機２０、及び発電機１４は、回転軸２６によって連結され、タービン２４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１４に伝達される。そして、発電機１４は、タービン２４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。
【００４１】
また、燃焼器２２には、ノズル３６が設けられている。ノズル３６には、燃料制御弁４２で流量が調整された燃料が供給される。そして、燃焼器２２は、ノズル３６から供給された燃料を、圧縮空気を用いて燃焼させる。
【００４２】
燃料制御弁４２の開度は、弁制御装置４４によって制御される。
弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン２４の回転数（以下、「タービン回転数」という。）が上昇した場合に、燃料制御弁４２の開度（以下、「弁開度」という。）を小さくする。そして、弁制御装置４４は、上昇したタービン回転数が下降に転じて定格回転数に達する間の所定回転数（以下、「基準回転数」という。）となった場合に、時間変化を伴って弁開度を大きくする。
【００４３】
図２は、ガスタービン１２の負荷が低減し、急激にタービン２４の回転数が上昇した場合における、弁制御装置４４によって制御される弁開度の変化を示すグラフである。
【００４４】
図２に示されるように、ガスタービン１２の負荷が下降したタイミングがＴＡである。タービン２４の運転中に負荷が下降すると、急激にタービン回転数が上昇する。このタービン回転数の上昇を低減させるためには、燃焼器２２へ供給する燃料の流量を減少させる必要がある。そこで、弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した場合に、弁開度を一例として最小開度まで小さくする。これにより、タービン２４へ供給される燃焼ガスの供給が抑制されるので、タービン回転数のオーバーシュートが低減される。
【００４５】
そして、弁制御装置４４は、上昇したタービン回転数が最大回転数ωMAXに達し、下降に転じて定格回転数ωRに達する前の基準回転数ωSとなったタイミングＴＢで、時間変化を伴って弁開度を大きくする。タービン回転数が基準回転数ωSとなった場合に、弁開度を大きくするということは、タービン回転数が定格回転数ωRより高い状態で燃料の供給量を上昇させることである。すなわち、タービン回転数が定格回転数ωRに達する前に、燃料が燃焼器２２へ先行的に供給されることとなる。これにより、タービン２４に対する燃焼ガスの供給量が少なすぎることが抑制されるため、タービン回転数のアンダーシュート量が低減される。
なお、最大回転数ωMAXは、タービン２４を停止させる必要が生じるタービン回転数よりも低いタービン回転数である。
【００４６】
また、タービン回転数が基準回転数ωSとなった場合に弁開度を大きくすることは、フィードバックを伴う制御ではないため、タービン２４を不安定にするような試験運転を必要としないので、より安全なタービン２４の制御が実現される。
【００４７】
図３は、第１実施形態に係る弁制御装置４４の機能を示す機能ブロック図である。
弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯ演算部５０、記憶部５２、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４、及び選択部５６を備える。
【００４８】
ＧＶＣＳＯ演算部５０は、タービン回転数を目標値（以下、「回転数目標値」という。）と一致させるための燃料の流量に応じて、弁開度を変化させる第１開度指令値（以下、「ＧＶＣＳＯ」という。）を出力する。
【００４９】
詳細には、ＧＶＣＳＯ演算部５０は、減算部６０及び乗算部６２を備える。
減算部６０は、タービン回転数の回転数目標値及びタービン回転数が入力され、回転数目標値からタービン回転数を減算する。乗算部６２は、減算部６０から出力された減算値に比例ゲインを乗算し、乗算結果をＧＶＣＳＯとして出力する。このように、ＧＶＣＳＯ演算部５０は、フィードバックによりＧＶＣＳＯを演算することとなる。なお、ＧＶＣＳＯが上昇すると弁開度も大きくなり、ＧＶＣＳＯが下降すると弁開度も小さくなる。
【００５０】
記憶部５２は、タービン回転数を逐次記憶する。
【００５１】
ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、記憶部５２に記憶されたタービン回転数に基づいて、タービン回転数の増減を判断する。具体的には、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、タービン回転数の現在値が入力されると共に、記憶部５２から出力されたタービン回転数、すなわち所定時間前のタービン回転数が入力されることとなるので、これらのタービン回転数を比較（微分値又は差分値を算出）することによって、タービン回転数の増減を判断する。
【００５２】
そして、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した状態で、弁開度を第１開度まで小さくする第２開度指令値（以下、「ＭＩＮＣＳＯ」という。）を出力する。なお、ＭＩＮＣＳＯが上昇すると弁開度も大きくなり、ＭＩＮＣＳＯが下降すると弁開度も小さくなる。
さらに、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数ωSとなった場合に、第２開度に達するまで、時間変化を伴って燃料制御弁の開度を大きくするＭＩＮＣＳＯを出力する。すなわち、第１開度はＭＩＮＣＳＯの最小値であり、第２開度はＭＩＮＣＳＯの最大値である。また、基準回転数ωSは予め設定されている。
【００５３】
選択部５６は、ＧＶＣＳＯ演算部５０から出力されたＧＶＣＳＯとＭＩＮＣＳＯ演算部５４から出力されたＭＩＮＣＳＯのうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、燃料制御弁４２へ出力する。
【００５４】
なお、本第１実施形態では、ＭＩＮＣＳＯ及びＧＶＣＳＯが上昇すると弁開度も大きくなる。
【００５５】
次に、図４を参照して、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した場合に出力されるＧＶＣＳＯ及びＭＩＮＣＳＯについて説明する。
【００５６】
ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇すると、ＧＶＣＳＯ演算部５０によって、弁開度を小さくするためのＧＶＣＳＯが出力される。ＧＶＣＳＯの作用により、タービン回転数が回転数目標値となるように制御されるので、ガスタービン１２の負荷が低減してもタービン回転数のオーバーシュートが低減される。ところが、急激なタービン回転数の上昇が生じると、ＧＶＣＳＯは、燃料の流量を急激に低減させることとなるため、タービン回転数にアンダーシュートが発生する。
【００５７】
一方、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した状態で、弁開度を第１開度Ｄ１まで小さくするＭＩＮＣＳＯを出力する。なお、第１開度Ｄ１は、例えば燃料制御弁４２の最小開度である。このＭＩＮＣＳＯは、ＧＶＣＳＯと同様にタービン回転数のオーバーシュートを低減させることとなる。
【００５８】
そして、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数ωSとなった場合に、第２開度Ｄ２に達するまで、時間変化を伴って弁開度を大きくするＭＩＮＣＳＯを出力する。すなわち、タービン回転数が基準回転数ωSとなったタイミングＴＢで、ＭＩＮＣＳＯで示される弁開度が上昇する。
【００５９】
ＧＶＣＳＯは、タービン回転数を回転数目標値と一致させるためにフィードバックにより演算される指令値であるため、時間遅れが生じ、ＧＶＣＳＯによる燃料制御弁４２の制御では、アンダーシュートの低減量には限度がある。しかし、ＭＩＮＣＳＯは、上述のように、タービン回転数が定格回転数ωRに達する前に、燃料を先行的に燃焼器２２へ供給するように燃料制御弁４２を制御することとなる。すなわち、ＭＩＮＣＳＯは、ＧＶＣＳＯよりも先行的に燃料制御弁４２の弁開度を大きくするので、ＧＶＣＳＯよりも大きくなり、選択部５６によって、ＭＩＮＣＳＯが選択されて燃料制御弁４２へ出力される。これにより、燃焼器２２への燃料の供給量が少なすぎることが抑制されるため、タービン回転数のアンダーシュート量が低減される。
【００６０】
なお、図４に示される基準回転数ωSは一例であり、基準回転数ωSは上昇したタービンの回転数が下降に転じて定格回転数ωRに達する前であればよく、例えば最大回転数ωMAXを基準回転数ωSとしてもよい。また、ＭＩＮＣＳＯは、第２開度Ｄ２に達するまで直線状に徐々に大きくなるが、これに限らず、例えば、第２開度Ｄ２に達するまで曲線状に徐々に大きくなるとしてもよいし、ＭＩＮＣＳＯは、第２開度Ｄ２に達するまで段階的に徐々に大きくなるとしてもよい。
【００６１】
また、第２開度Ｄ２は、ガスタービン１２の無負荷運転においてＣＬＣＳＯで示される開度よりも小さな開度である。このことは、ＭＩＮＣＳＯで示される弁開度では、タービン回転数が定格回転数ωRに達する燃料を燃焼器２２へ供給できないことを意味する。一方、ＧＶＣＳＯは、タービン回転数と回転数目標値とが一致するように弁開度を大きくするので、回転数目標値を定格回転数ωRとすることで、タービン回転数を定格回転数ωRにできる。すなわち、ＭＩＮＣＳＯが、ＧＶＣＳＯよりも先行的に弁開度を大きくしても、何れＭＩＮＣＳＯよりもＧＶＣＳＯの方が大きくなり、選択部５６によってＧＶＣＳＯが選択され、燃料制御弁４２へ出力されることとなる。これにより、ＧＶＣＳＯによって、タービン回転数が定格回転数ωRで整定されることとなる。
【００６２】
すなわち、図４に示されるように、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇したタイミングＴＡから、ＭＩＮＣＳＯで示される弁開度とＧＶＣＳＯで示される弁開度の大きさが逆転するタイミングＴＣまで、選択部５６は、ＭＩＮＣＳＯを選択し、燃料制御弁４２へ出力する。そして、タイミングＴＢからは、選択部５６は、ＧＶＣＳＯを選択し、燃料制御弁４２へ出力するので、燃料制御弁４２は、タービン回転数と回転数目標値とに基づいてフィードバック制御されることとなる。
【００６３】
なお、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇しても、ＧＶＣＳＯで示される弁開度がＭＩＮＣＳＯで示される弁開度よりも小さくならない限り、ＭＩＮＣＳＯで燃料制御弁４２が制御されることはない。
【００６４】
以上説明したように、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器２２からの燃焼ガスにより駆動するタービン２４、及び燃焼器２２へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁４２を備えたガスタービン２４に設けられ、弁開度を制御する。弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン回転数が上昇した場合に、弁開度を小さくし、上昇したタービン回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の基準回転数となった場合に、時間変化を伴って燃料制御弁４２の開度を大きくする。
【００６５】
従って、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減した場合に、タービン回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減できる。
【００６６】
また、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯを出力するＧＶＣＳＯ演算部５０と、ガスタービン１２の負荷が低減してタービン２４の回転数が上昇した状態で、弁開度を第１開度まで小さくし、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数となった場合に、第２開度に達するまで、時間変化を伴って弁開度を大きくするＭＩＮＣＳＯを出力するＭＩＮＣＳＯ演算部５４と、を備える。さらに、弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯ演算部５０から出力されたＧＶＣＳＯとＭＩＮＣＳＯ演算部５４から出力されたＭＩＮＣＳＯのうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、燃料制御弁４２へ出力する選択部５６を備える。
【００６７】
従って、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、ガスタービン１２の負荷が低減した場合に、タービン回転数のオーバーシュート及びアンダーシュートをより安全に低減でき、かつ変動したタービン回転数を短時間で整定できる。
【００６８】
また、本第１実施形態に係る弁制御装置４４は、記憶部５２に記憶されたタービン回転数に基づいて、タービン回転数の増減が判断するので、簡易な構成でタービン回転数の変化を検知できる。
【００６９】
〔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。
【００７０】
なお、本第２実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成は、図１に示す第１実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成と同様であるので説明を省略する。
【００７１】
本第２実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、上昇したタービン回転数が下降に転じて基準回転数となった場合に、弁開度の上昇率がタービン回転数の変動率（下降率）に応じて変化するＭＩＮＣＳＯを出力する。
【００７２】
図５は、本第２実施形態に係る弁制御装置４４が備えるＭＩＮＣＳＯ演算部５４の機能を示す機能ブロック図である。
【００７３】
ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）７０、回転数変動率演算部７２、ＭＩＮＣＳＯ上昇率演算部７４、及び信号生成部７６を備える。
【００７４】
ＬＰＦ７０は、タービン回転数の現在値が入力され、ノイズ成分を除去した後のタービン回転数を回転数変動率演算部７２へ出力する。
【００７５】
図６を参照して、回転数変動率演算部７２及びＭＩＮＣＳＯ上昇率演算部７４について説明する。
【００７６】
回転数変動率演算部７２は、下記（１）式に示すように、最大回転数ωMAXが基準回転数ωSに変化するまでに要した時間ΔＴ１に基づいて、タービン回転数の変動率（以下、「回転数変動率」という。）ｎを算出する。しかし、これに限らず、タービン回転数に対する微分処理（又は差分処理）等、他の処理方法により回転数変動率ｎを算出してもよい。
【数１】
【００７７】
ＭＩＮＣＳＯ上昇率演算部７４は、下記（２）式に示すように、回転数変動率演算部７２によって算出された回転数変動率ｎに基づいて、ＭＩＮＣＳＯ上昇率ｍを算出する。
【数２】
（２）式におけるＫは予め定められた定数である。また、ΔＭＩＮＣＳＯは、第１開度Ｄ１と第２開度Ｄ２との差であるため固定値である。そのため、ＭＩＮＣＳＯ上昇率ｍを算出することは、第１開度Ｄ１から第２開度Ｄ２へ弁開度を変化させるために要する時間ΔＴ２を算出することとなる。
【００７８】
信号生成部７６は、ＭＩＮＣＳＯ上昇率演算部７４で算出されたＭＩＮＣＳＯ上昇率ｍを用いて、第２開度Ｄ２を示すＭＩＮＣＳＯ最大値となるまで、時間変化を伴うＭＩＮＣＳＯを生成し、燃料制御弁４２へ出力する。
【００７９】
これにより、回転数変動率ｎが大きいと、より速い時間で弁開度が、第１開度Ｄ１から第２開度Ｄ２へ変化するので、第２開度Ｄ２に応じた燃料が短時間で燃焼器２２へ供給される。すなわち、タービン回転数の下降率が大きいと、アンダーシュート量も大きくなると考えられるので、アンダーシュート量を減らし、整定時間を短縮するために、燃料制御弁４２は短時間で燃料を供給することとなる。
【００８０】
以上説明したように、本第２実施形態に係る弁制御装置４４は、タービン回転数が下降した後に燃焼器２２へ供給される燃料がタービン回転数の変動率に応じて変化するので、アンダーシュート量の低減及び整定時間の短縮ができる。
【００８１】
〔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。
【００８２】
なお、本第３実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成は、図１に示す第１実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成と同様であるので説明を省略する。
【００８３】
本第３実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、第２開度を示すＭＩＮＣＳＯの最大値を、燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定する。
【００８４】
図７は、本第３実施形態に係る弁制御装置４４が備えるＭＩＮＣＳＯ演算部５４の機能を示す機能ブロック図である。なお、図７における図５と同一の構成部分については図５と同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００８５】
本第３実施形態に係る弁制御装置４４は、ＧＶＣＳＯ整定値演算部８０及びＭＩＮＣＳＯ最大値演算部８２を備える。
【００８６】
ＧＶＣＳＯ整定値演算部８０は、タービン回転数を整定させるためのＧＶＣＳＯを算出する。具体的には、ＧＶＣＳＯ整定値演算部８０は、整定させたい目標となる整定目標タービン回転数、燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいてＧＶＣＳＯを算出する。
燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータとは、例えば、大気温度や燃料温度等である。そして、例えば、ＧＶＣＳＯは、整定目標タービン回転数に応じた値に設定され、大気温度が高いほど空気の密度が低くなるためＧＶＣＳＯは高く設定され、燃料温度が高いほど燃料の密度が低くなるためＧＶＣＳＯは高く設定される。上記パラメータとして、燃料カロリー及び燃料供給圧力等を用いてもよい。
【００８７】
ＭＩＮＣＳＯ最大値演算部８２は、ＧＶＣＳＯ整定値演算部８０から出力されたＧＶＣＳＯに、予め定められた係数を乗算することによってＭＩＮＣＳＯ最大値を算出し、信号生成部７６へ出力する。なお、該係数は、ＭＩＮＣＳＯがＧＶＣＳＯを超えないように１未満とされている。
【００８８】
そして、信号生成部７６は、ＭＩＮＣＳＯ最大値演算部８２で算出されたＭＩＮＣＳＯ最大値となるまで、時間変化を伴うＭＩＮＣＳＯを生成し、燃料制御弁４２へ出力する。
【００８９】
以上説明したように、本第３実施形態に係る弁制御装置４４は、第２開度を示すＭＩＮＣＳＯ最大値を燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定するため、燃料制御弁４２に対する開度指令値がＭＩＮＣＳＯからＧＶＣＳＯに選択されるタイミングが該パラメータによって変化することとなる。従って、燃料制御弁４２に対する開度指令値がＭＩＮＣＳＯからＧＶＣＳＯに選択されるタイミングが、燃焼器２２における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに応じてより適正なタイミングに変化することとなるので、本第３実施形態に係る弁制御装置４４は、アンダーシュート量の低減及び整定時間の短縮ができる。
【００９０】
〔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。
【００９１】
なお、本第４実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成は、図１に示す第１実施形態に係るガスタービンプラント１０及び弁制御装置４４の構成と同様であるので説明を省略する。
【００９２】
本第４実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、少なくとも燃焼器２２が失火しない燃料を燃焼器２２へ供給する第１開度を示すＭＩＮＣＳＯ最小値を、タービン２４の出力（以下、「タービン出力」という。）の変化に基づいて決定する。なお、本第４実施形態では、ＭＩＮＣＳＯ最小値は、負荷が低減する前のタービン出力、負荷が低減する前後のタービン出力の差分、及び負荷が低減した後のタービン出力に基づいて、決定される。
【００９３】
図８は、本第４実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４におけるＭＩＮＣＳＯ最小値を決定する機能を示す機能ブロック図である。
【００９４】
本第４実施形態に係るＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、出力変化導出部９０、ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａ，９２Ｂ，９２Ｃ、及びＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４を備える。
【００９５】
出力変化導出部９０は、タービン出力値が逐次入力される。そして、入力されたタービン出力値の時間変化に基づいて、負荷が低減する前のタービン出力値（以下、「負荷低減前出力値」という。）、負荷が低減する前後のタービン出力値の差分（以下、「出力変化値」という。）、及び負荷が低減した後のタービン出力値（以下、「負荷低減後出力値」という。）を導出する。
そして、出力変化導出部９０は、負荷低減前出力値をＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａへ出力し、出力変化値をＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｂへ出力し、負荷低減後出力値をＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｃへ出力する。
【００９６】
ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａは、入力された負荷低減前出力値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を出力する。なお、ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａは、負荷低減前出力値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値を示すテーブル情報Ａを記憶している。ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ａは、テーブル情報Ａに基づいて入力された負荷低減前出力値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４へ出力する。
【００９７】
負荷低減前出力値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値とする理由を以下に述べる。
まず、ガスタービン１２の負荷が急激に低減することに伴って燃料制御弁４２の開度を小さくしても、燃料制御弁４２から燃焼器２２へ至るまでの配管内に燃料が残留している。このため、残留した燃料によって燃焼ガスが生成され、タービン２４の回転が持続し、タービン回転数が上昇する。
【００９８】
そして、負荷が低減する前のタービン出力値が大きいほど、残留した燃料が多くなるため、負荷低減前出力値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値とし、燃焼器２２へ供給される燃料をより少なくし、タービン２４の回転数のオーバーシュートを抑制する。
【００９９】
ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｂは、入力された出力変化値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を出力する。なお、ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９４は、出力変化値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値を示すテーブル情報Ｂを記憶している。ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｂは、テーブル情報Ｂに基づいて出力変化値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４へ出力する。
【０１００】
出力変化値が大きいほど小さなＭＩＮＣＳＯ最小値とする理由は、上述した理由と同様であり、出力変化値が大きいほど、残留した燃料が低減した負荷に比較して多くなるためである。
【０１０１】
ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｃは、入力された負荷低減後出力値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を出力する。なお、ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｃは、負荷低減後出力値が大きいほど大きなＭＩＮＣＳＯ最小値を示すテーブル情報を記憶している。ＭＩＮＣＳＯ最小値出力部９２Ｃは、テーブル情報Ｃに基づいて負荷低減後出力値に対応するＭＩＮＣＳＯ最小値を、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４へ出力する。
【０１０２】
負荷低減後出力値が大きいほど大きなＭＩＮＣＳＯ最小値とする理由は、タービン出力を維持するためである。
【０１０３】
ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４は、入力された３つのＭＩＮＣＳＯ最小値を比較し、最も小さいＭＩＮＣＳＯ最小値を選択し、ＭＩＮＣＳＯ最小値として出力する。最も小さいＭＩＮＣＳＯ最小値を選択する理由は、タービン２４に対する安全を考慮し、タービン回転数の上昇を抑制するためである。このため、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４は、入力された３つのＭＩＮＣＳＯ最小値を比較し、最も大きなＭＩＮＣＳＯ最小値を選択してもよいし、２番目に小さなＭＩＮＣＳＯ最小値を選択しもよい。
【０１０４】
なお、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４は、少なくとも燃焼器２２が失火しない燃料を燃焼器２２へ供給する第１開度を示す最小ＭＩＮＣＳＯを記憶している。そして、ＭＩＮＣＳＯ最小値選択部９４は、選択したＭＩＮＣＳＯ最小値が、最小ＭＩＮＣＳＯよりも小さい場合は、選択したＭＩＮＣＳＯ最小値に替えて、最小ＭＩＮＣＳＯをＭＩＮＣＳＯ最小値として出力する。
【０１０５】
以上説明したように、ＭＩＮＣＳＯ演算部５４は、少なくとも燃焼器２２が失火しない燃料を燃焼器２２へ供給するＭＩＮＣＳＯ最小値を、タービン出力の変化に基づいて決定するので、燃焼器の失火を防ぐと共に、タービンの回転数のオーバーシュート量及びアンダーシュート量を精度良く制御できる。
【０１０６】
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。
【０１０７】
例えば、上記各実施形態では、弁開度を示す開度指令値であるＭＩＮＣＳＯ及びＧＶＣＳＯが上昇すると弁開度も大きくな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、開度指令値が下降すると弁開度が大きくなる形態としてもよい。この形態の場合、例えば、開度指令値が０のときの弁開度を１００％とし、開度指令値が１００のときの弁開度を０％とする。
【符号の説明】
【０１０８】
１２ ガスタービン
２２ 燃焼器
２４ タービン
４２ 燃料制御弁
４４ 弁制御装置
５０ ＧＶＣＳＯ演算部
５２ 記憶部
５４ ＭＩＮＣＳＯ演算部
５６ 選択部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器、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、及び前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、前記燃料制御弁の開度を制御する弁制御装置であって、
前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した場合に、前記燃料制御弁の開度を小さくし、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする弁制御装置。
【請求項２】
前記タービンの回転数を目標値と一致させるための燃料の流量に応じて、前記燃料制御弁の開度を変化させる第１開度指令値を出力する第１開度指令値出力手段と、
前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した状態で、前記燃料制御弁の開度を第１開度まで小さくし、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて前記所定回転数となった場合に、前記ガスタービンの無負荷運転において前記第１開度指令値で示される開度よりも小さな第２開度に達するまで、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする第２開度指令値を出力する第２開度指令値出力手段と、
前記第１開度指令値出力手段から出力された前記第１開度指令値と前記第２開度指令値出力手段から出力された前記第２開度指令値のうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、前記燃料制御弁へ出力する選択手段と、
を備えた請求項１記載の弁制御装置。
【請求項３】
前記タービンの回転数を逐次記憶する記憶手段を備え、
前記第２開度指令値出力手段は、前記記憶手段に記憶された前記タービンの回転数に基づいて、前記タービンの回転数の増減を判断する請求項２記載の弁制御装置。
【請求項４】
前記第２開度指令値出力手段は、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて前記所定回転数となった場合に、前記燃料制御弁の開度の上昇率が前記タービンの回転数の変動率に応じて変化する前記第２開度指令値を出力する請求項１又は請求項２記載の弁制御装置。
【請求項５】
前記第２開度指令値出力手段は、前記第２開度を示す第２開度指令値を、前記燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定する請求項２から請求項４の何れか１項記載の弁制御装置。
【請求項６】
前記第２開度指令値出力手段は、少なくとも前記燃焼器が失火しない燃料を前記燃焼器へ供給する前記第１開度を示す第２開度指令値を、前記タービンの出力の変化に基づいて決定する請求項２から請求項５の何れか１項記載の弁制御装置。
【請求項７】
前記第２開度指令値出力手段は、前記第１開度を示す第２開度指令値を、負荷が低減する前の前記タービンの出力、負荷が低減する前後のタービンの出力の差分、及び負荷が低減した後の前記タービンの出力に基づいて、決定する請求項６記載の弁制御装置。
【請求項８】
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、
前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁と、
請求項１から請求項７の何れか１項に記載の弁制御装置と、
を備えたガスタービン。
【請求項９】
燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器、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、及び前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、前記燃料制御弁の開度を制御する弁制御方法であって、
前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した状態で、前記燃料制御弁の開度を小さくする第１工程と、
上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする第２工程と、
を含む弁制御方法。
【請求項１】
燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器、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、及び前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、前記燃料制御弁の開度を制御する弁制御装置であって、
前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した場合に、前記燃料制御弁の開度を小さくし、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする弁制御装置。
【請求項２】
前記タービンの回転数を目標値と一致させるための燃料の流量に応じて、前記燃料制御弁の開度を変化させる第１開度指令値を出力する第１開度指令値出力手段と、
前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した状態で、前記燃料制御弁の開度を第１開度まで小さくし、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて前記所定回転数となった場合に、前記ガスタービンの無負荷運転において前記第１開度指令値で示される開度よりも小さな第２開度に達するまで、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする第２開度指令値を出力する第２開度指令値出力手段と、
前記第１開度指令値出力手段から出力された前記第１開度指令値と前記第２開度指令値出力手段から出力された前記第２開度指令値のうち、より大きな開度を示している指令値を選択し、前記燃料制御弁へ出力する選択手段と、
を備えた請求項１記載の弁制御装置。
【請求項３】
前記タービンの回転数を逐次記憶する記憶手段を備え、
前記第２開度指令値出力手段は、前記記憶手段に記憶された前記タービンの回転数に基づいて、前記タービンの回転数の増減を判断する請求項２記載の弁制御装置。
【請求項４】
前記第２開度指令値出力手段は、上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて前記所定回転数となった場合に、前記燃料制御弁の開度の上昇率が前記タービンの回転数の変動率に応じて変化する前記第２開度指令値を出力する請求項１又は請求項２記載の弁制御装置。
【請求項５】
前記第２開度指令値出力手段は、前記第２開度を示す第２開度指令値を、前記燃焼器における燃焼状態に影響を及ぼすパラメータに基づいて決定する請求項２から請求項４の何れか１項記載の弁制御装置。
【請求項６】
前記第２開度指令値出力手段は、少なくとも前記燃焼器が失火しない燃料を前記燃焼器へ供給する前記第１開度を示す第２開度指令値を、前記タービンの出力の変化に基づいて決定する請求項２から請求項５の何れか１項記載の弁制御装置。
【請求項７】
前記第２開度指令値出力手段は、前記第１開度を示す第２開度指令値を、負荷が低減する前の前記タービンの出力、負荷が低減する前後のタービンの出力の差分、及び負荷が低減した後の前記タービンの出力に基づいて、決定する請求項６記載の弁制御装置。
【請求項８】
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、
前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁と、
請求項１から請求項７の何れか１項に記載の弁制御装置と、
を備えたガスタービン。
【請求項９】
燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器、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、及び前記燃焼器へ供給する燃料の流量を制御する燃料制御弁を備えたガスタービンに設けられ、前記燃料制御弁の開度を制御する弁制御方法であって、
前記ガスタービンの負荷が低減して前記タービンの回転数が上昇した状態で、前記燃料制御弁の開度を小さくする第１工程と、
上昇した前記タービンの回転数が下降に転じて定格回転数に達する前の所定回転数となった場合に、時間変化を伴って前記燃料制御弁の開度を大きくする第２工程と、
を含む弁制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１１３１５４（Ｐ２０１３−１１３１５４Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８０２１（Ｐ２０１１−２５８０２１）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
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