双轴式燃气轮机发电系统、燃气轮机系统的控制装置以及控制方法
【专利摘要】提供一种能够抑制因外部气体温度的变化而导致效率降低的双轴式燃气轮机发电系统、燃气轮机系统的控制装置以及控制方法。具备：高压燃气轮机(3H)；连结压缩机(1)和高压燃气轮机的第1旋转轴(4H)；与第1旋转轴(4H)连结的电动机(9)；调整被压缩机1获取的空气的量的调速器(13)；低压燃气轮机(3L)；与低压燃气轮机3L连结的第2旋转轴(4L)；与第2旋转轴连结的同步发电机(7)；对在同步发电机(7)与电动机(9)之间传输的电力的频率进行变换的变频器(10)；和基于对输出到外部系统(50)的电力进行指示的电力输出指令值(18)，对控制变频器(10)的变频器控制装置(11)和调速器(13)进行控制，从而控制双轴式燃气轮机(6)与电动机(9)的总输出控制装置(12)。
【专利说明】双轴式燃气轮机发电系统、燃气轮机系统的控制装置以及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及采用双轴式燃气轮机的双轴式燃气轮机发电系统、控制装置以及燃气轮机系统的控制方法。
【背景技术】
[0002]作为与驱动发电机等的负载的燃气轮机相关的技术，例如在专利文献I (JP特开2010-65636号公报)中公开了具有两个旋转轴的双轴式燃气轮机，其中一个旋转轴连接被燃烧器生成的燃烧气体驱动的高压轮机和将压缩空气发送到燃烧器的压缩机，另一个旋转轴连接通过驱动了高压轮机的燃烧气体被驱动的低压轮机和发电机等负载。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:JP特开2010-65636号公报
【发明内容】
[0006]发明想要解决的课题
[0007]上述现有技术中记载的双轴式燃气轮机能够使对泵或发电机等被驱动机进行驱动的低压轮机和产生该低压轮机的工作气体的气体发生器(压缩机和高压轮机)以不同的转速运转。因此，例如，在被驱动机的转速比燃气轮机侧的额定转速低的情况下，也使压缩机和高压轮机高速旋转，产生低压轮机中的膨胀工作能力更高的工作气体，由此还能实现尚效化。
[0008]但是，在上述现有技术那样的双轴式燃气轮机中，存在高压轮机的温度制约、压缩机的转速下的离心力上的机械制约，有时由于这些制约而产生效率降低的结果。
[0009]S卩，例如，在由压缩机获取的外部气体的温度比设计值高的情况下，空气密度会相对变低。这种情况下，由于燃烧气体对轮机的作用减少，因此转速降低，由于压缩机的空气流量减少，因此燃烧温度上升，高压轮机翼的温度也变高。由于高压轮机中存在温度制约，因此束缚燃料，其结果，输出效率会降低。
[0010]此外，在由压缩机获取的外部气体的温度比设计值低的情况下，空气密度会相对增大。在这种情况下，由于燃烧气体对轮机的作用增加，因此转速上升。由于压缩机中存在转速上的制约，因此束缚燃料，其结果，输出效率会降低。
[0011]本发明正是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够抑制外部气体温度的变化所引起的效率的降低的双轴式燃气轮机发电系统、燃气轮机系统的控制装置以及控制方法。
[0012]用于解决课题的手段
[0013]为了实现上述目的，本发明具备:压缩机，对空气进行加压而生成压缩空气；燃烧器，将上述压缩空气和燃料进行混合并燃烧；高压燃气轮机，通过由上述燃烧器得到的燃烧气体来驱动该高压燃气轮机；第I旋转轴，连结上述压缩机和上述高压燃气轮机；电动机，与上述第I旋转轴连结；调速器，通过调整被上述压缩机获取的空气的量，从而控制上述高压燃气轮机的输出；低压燃气轮机，通过驱动上述高压燃气轮机之后的燃烧气体来驱动该低压燃气轮机；第2旋转轴，与上述低压燃气轮机连结；同步发电机，与上述第2旋转轴连结；变频器，设置于在与外部系统连接的上述同步发电机与上述电动机之间传输电力的电力传输路径上，对所传输的电力的频率进行变换；和控制装置，基于对输出到上述外部系统的电力进行指示的电力输出指令值，对控制上述变频器的变频器控制装置和上述调速器进行控制，从而对上述燃气轮机和上述电动机的总输出进行控制。
[0014]如上所述，由于基于对输出到外部系统的电力进行指示的电力输出指令值，对控制变频器的变频器控制装置和调速器进行控制，从而控制燃气轮机与电动机的总输出，因而能够抑制因外部温度的变化导致效率降低。
[0015]发明效果
[0016]根据本发明，能够抑制因外部温度的变化导致效率降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为示意地表示与第I实施方式相关的双轴式燃气轮机发电系统的整体结构的图。
[0018]图2为示意地表示电动机的结构的图。
[0019]图3为示意地表示变频器的结构的图。
[0020]图4为示意地表示电阻电路的结构的图。
[0021]图5为示意地表示控制装置的通常控制下的双轴式燃气轮机的输出的大气温度特性的图。
[0022]图6为表不同步发电机的输出、电动机的输出与其总输出之间的关系的图。
[0023]图7为作为外部系统的电压异常的一例而表示瞬间电压降的电压的时间变化与输电线(grid cord)的关系的图。
[0024]图8为表示在产生了电压变化时双轴式燃气轮机以及同步发电机的物理量的图。
[0025]图9为表示在产生了电压变化时双轴式燃气轮机以及同步发电机的物理量的图。
[0026]图10为表示产生了电压变化且产生了失调(st印out)时的同步发电机的相位的图。
[0027]图11为示意地表示与第I实施方式的变形例相关的电动机的结构的图。
[0028]图12为示意地表示与第I实施方式的变形例相关的变频器的结构的图。
[0029]图13为示意地表示与第2实施方式相关的双轴式燃气轮机发电系统的整体结构的图。
【具体实施方式】
[0030]<第I实施方式>
[0031]参照附图，对本发明的第I实施方式进行说明。
[0032]图1为示意地表示与本实施方式相关的双轴式燃气轮机发电系统的整体结构的图。此外，图2为不意地表不电动机的图，图3为不意地表不变频器的图，图4为不意地表示电阻电路的结构的图。。
[0033]图1中，本实施方式的双轴式燃气轮机发电系统大致具备:双轴式燃气轮机6 ;与双轴式燃气轮机6连结的电动机9 ;被双轴式燃气轮机6驱动的同步发电机7 ;设置在电力传输路径26上且变换所传输的电力的频率的变频器10，电力传输路径26在连接于外部系统50的同步发电机7与电动机9之间传输电力；和控制双轴式燃气轮机发电系统整体的动作的控制装置12。
[0034]双轴式燃气轮机6具备对所获取的空气(外部气体)加压而生成压缩空气的压缩机I ;混合压缩空气和燃料来进行燃烧的燃烧器2 ;高压燃气轮机3H，通过在燃烧器2中得到的燃烧气体来驱动该高压燃气轮机3H ;连结压缩机I与高压燃气轮机3H的第I旋转轴4H ;通过调整压缩机I获取的空气量来控制高压燃气轮机3H的输出的调速器13 ;低压燃气轮机3L，通过驱动高压燃气轮机3H之后的燃烧气体来驱动该低压燃气轮机3L ;和与低压燃气轮机3L连结的第2旋转轴4L。
[0035]调速器13通过对设置在压缩机I的空气获取口上的流量调整阀、即入口引导翼5 (IGV:Inlet Guide Vane)和燃烧器2的喷射燃料进行控制，从而进行双轴式燃气轮机6的转速以及输出的调整。
[0036]同步发电机7与第2旋转轴4L连结。同步发电机7具有被自动电压调整装置(AVR Automatic Voltage Regulator) 14控制的发电机转子8，通过第2旋转轴4L传输的低压轮机3L的旋转力来驱动发电机转子8。自动电压调整装置14基于来自电压测量装置16(后述)的检测信号，控制来自同步发电机7的输出电压。另外，与低压轮机3L连接的第2旋转轴4L和同步发电机7被机械连接，且该机械连接并未借住齿轮。因此，可始终恒定地控制成低压轮机3L与同步发电机7的转速与外部系统50的频率同步。例如，在同步发电机7为2极且将输出频率设为50Hz的情况下，该转速被恒定控制为βΟΟΟπ?ιΓ1。此外，在同步发电机7为4极且将输出频率设为50Hz的情况下，该转速被恒定控制为ΙδΟΟπ?ιΓ1。同样地，在同步发电机7为2极或者4极且将输出频率设为60Hz的情况下，该转速分别被恒定控制为ISOOmirf1或者3600min
[0037]电动机9与第I旋转轴4H连结。通过由第I旋转轴4H传递的压缩机I以及高压轮机3H的旋转力，驱动电动机9。作为电动机9，采用其负载量比同步发电机7的负载量小的电动机。此外，与压缩机I以及高压轮机3H连接的第I旋转轴4H和电动机9在未经由齿轮的情况下被机械连接。
[0038]如图2所示，电动机9具备定子230和转子250。定子230被收纳于壳体212中。定子230包括固定于壳体的定子铁芯230和固定于定子铁芯230上的定子绕组238。此外，转子250包括轴218、固定于轴218上的转子铁芯252和埋入转子铁芯252中的永磁铁254。
[0039]在壳体212的轴方向两侧(图2的左右方向两侧)设置有尾架(end bracket) 214，轴218经由设置于尾架214的轴承216而被保持为能够旋转。轴218与双轴式燃气轮机6的第I旋转轴4H被机械连接。定子230与转子250被配置成在其间具有间隙222。
[0040]轴218上设置有检测磁铁位置并将检测信号发送到变频器控制装置11 (后述)的磁铁位置检测器224和对轴218的转速进行检测的转速检测器223。此外，由转速检测器223进行的转速的检测可根据由磁铁位置检测器224检测出的磁铁位置来计算出，因此在这种情况下也可以不设置转速检测器223。此外，在进行无传感器的矢量控制时，也可以不设置磁铁位置检测器223。
[0041]压缩机I的额定转速为高速，因此，例如以3600111^1以上的高速驱动与第I旋转轴连接的电动机9。因此，需要与第I旋转轴连接的电动机9是可应对高速旋转的构造。如本实施方式的电动机9那样，在转子250中米用永磁铁254的永磁铁电动机能将转子250设为简单的构造，因此容易取得机械平衡，并能比较容易地应对高速旋转。此外，这种电动机9具有构造坚固且维修简单的优点。
[0042]返回到图1。
[0043]同步发电机7的输出经由变换电压的变压器19A和断路器15而与外部系统50连接，其中，断路器15被设置成能切断来自变压器19A的电力传输。在断路器15与外部系统50之间，具备对外部系统50的电压进行检测的电压测量装置16。电压测量装置16的检测结果被发送到控制装置12、自动电压调整装置14和异常控制装置22(后述)。
[0044]此外，在同步发电机7与变压器19A之间的电力传输路径上，配置有在同步发电机7与变压器19A之间被并联连接、且设有切换装置501的电阻电路21，该切换装置501基于来自异常控制装置22 (后述)的控制信号来切换同步发电机7及变压器19A的连接(换句话说是短路)与切断(换句话说是开路)(参照图4)。电阻电路21具有电阻器502，该电阻器502经由切换装置501而并联连接在同步发电机7与变压器19A之间的电力传输路径上。在通过切换装置501而切断了电阻器502的状态下，电阻电路21不影响同步发电机7与变压器19A之间的电力传输。在通过切换装置501而连接了电阻器502的状态下，电阻电路21消耗同步发电机7与变压器19A之间的电力。
[0045]此外，同步发电机7的输出经由电力传输路径26与电动机9连接。电力传输路径26在变压器19A的同步发电机7侧与电动机9之间传输电力。电力传输路径26上设置有:进行在同步发电机7与电动机9之间被传输的电力的频率变换以及传输方向的切换的变频器10 ;和变换在同步发电机7与变频器10之间传输的电力的电压的变压器19B。
[0046]通过变频器控制装置11控制变频器10。变频器控制装置11基于来自分别在电力传输路径26上的变频器10的同步发电机7侧(即、变压器19A侧)与电动机9侧设置的电流传感器20A、20B的检测信号、来自控制装置12的控制信号和来自异常控制装置22的异常时控制信号，控制变频器10，进行在同步发电机7与电动机9之间被传输的电力的频率变换以及传输方向的切换。变频器控制装置11控制由电动机9经由第I旋转轴而施加到压缩机I的扭矩，从而能对压缩机I进行可变速控制。
[0047]如图3所示，变频器10具备:将外部系统50侧(即同步发电机7侧)的交流电直流化的变换器403 ;将直流化的电力交流化后传输到电动机9侧的变换器402 ;和对变换器403与变换器402之间的电力的变动量进行平滑化的电容器404。此外，变换器402、403分别具有将交流电直流化的功能和将直流电交流化的功能这两种功能。因此，在对电动机9侧的电力进行频率变换后传输到同步发电机7侧的情况下，由变换器402将电动机9侧的交流电直流化，由电容器404对电力的变动量进行平滑化，由变换器403将直流化后的电力交流化后传输到同步发电机7侦U。
[0048]返回到图1。
[0049]控制装置12基于从上位的控制装置(未图示)输出的电力输出指令值18、或者、基于被压缩机I获取且来自测量空气状态(气温、气压、湿度)的外部气体状态测量装置(温度计、气压计、湿度计)17的测量结果和电力输出指令值18，对变频器控制装置11和调速器13进行控制，从而控制双轴式燃气轮机6的输出和电动机9的总输出。
[0050]异常控制装置22根据预定的外部系统50的电压异常的判定基准值(输电线(grid cord):后述)与电压测量装置16的测量结果的比较结果，检测外部系统50中产生的电压异常。在检测到电压异常的情况下，即判定为在外部系统50中产生了电压异常的情况下，异常控制装置22进行控制以使将电阻电路21的切换装置501从切断切换为连接，在其他的情况下，将电阻电路21的切换装置501控制为切断状态。此外，异常控制装置22在检测到外部系统50的电压异常的情况下，将异常时控制信号发送到变频器控制装置11。
[0051]变频器控制装置11在异常控制装置22没有检测到外部系统50的电压异常、即正常时，按照控制装置12的控制(通常时控制:后述)进行动作，在检测到电压异常的异常时，按照异常控制装置22的控制(异常时控制:后述)进行动作。
[0052]在此，对异常控制装置22进行的外部系统50的电压异常判定的处理进行说明。
[0053]图7为作为外部系统50的电压异常的一例而表示瞬间电压降的电压的时间变化与输电线之间的关系的图，纵轴表示外部系统50的系统电压，横轴表示时间。
[0054]图7中，实线201表示输电线，虚线101、102分别表示产生了瞬间电压降时的电压波形的两个例子。
[0055]作为输电线在各时间的数值设定，例如，在欧洲的输电线中，从产生了瞬间电压降的时间t0到时间t2为止大致设定为0.1?0.2sec，时间t0?时间t3大致设定为I秒左右。
[0056]异常控制装置22在例如由于外部系统50的异常而电压如虚线101那样在输电线201的范围内产生了变化的情况下，不会判定为在外部系统50中产生了电压异常。另一方面，异常控制装置22在例如由于外部系统50的异常而电压如虚线102那样与输电线201相交叉(参照时间t2)，在输电线201的范围外发生了变化的情况下，判定为在外部系统50中产生了电压异常，实施异常时控制。
[0057]在此，对如上那样构成的本实施方式的双轴式燃气轮机发电系统中的通常时控制以及异常时控制的详细内容进行说明。
[0058](通常时控制)
[0059]异常控制装置22在没有检测到外部系统50的电压异常、即正常时，控制装置12基于从上位的控制装置(未图示)输出的电力输出指令值18、或者、基于被值压缩机I获取且来自测量空气状态(气温、气压、湿度)的外部气体状态测量装置17的测量结果和电力输出指令值18，对变频器控制装置11和调速器13进行控制，从而控制双轴式燃气轮机6的输出和电动机9的总输出。
[0060]图5为示意地表示控制装置12的通常时控制的双轴式燃气轮机的输出的大气温度特性的图，纵轴表示燃气轮机输出，横轴表示大气温度。此外，所谓大气温度为被压缩机I获取的空气的温度。在图5中，特性线A1、B1表示本实施方式的通常时控制的特性，特性线A2、B2表示不进行本实施方式的通常时控制的比较例的特性。
[0061]控制装置12在大气温度处于设计温度的范围的情况下，经由调速器13对双轴式燃气轮机6的动作进行控制，并且经由变频器控制装置11对变频器10的动作进行控制，并进行控制以使由双轴式燃气轮机6驱动的同步发电机7的输出303与电动机9的输出302的总输出301以电力指令值18实现平衡(参照图6)。此外，在进行了控制以使电动机9对压缩机I进行辅助的情况下，从双轴式燃气轮机6的输出303减去辅助所需的电动机9的输入(输出302的相反方向的供电)而得到的值成为向外部系统50的输出301。此外，在通过电动机9对压缩机I进行了制动的情况下，双轴式燃气轮机6的输出303与来自电动机9的输出302的合计成为向外部系统50的输出。
[0062]在双轴式燃气轮机6中，燃烧机2所产生的燃烧气体的温度越高效率越好，因此，按照如上述那样的额定负载运转时性能最佳、即燃烧气体的温度成为高压轮机3H的构成材料的界限温度的方式，进行设计并进行控制。
[0063]控制装置12在大气温度变得比设计值高的情况下，经由变频器控制装置11控制变频器10的动作，使电动机9产生正方向(与压缩机I的旋转方向相同的方向)的驱动力。此时，通过电动机9，经由第I旋转轴4H而辅助压缩机I的旋转。
[0064]如上那样，在被压缩机I获取的外部气体的温度比设计值高的情况下，空气的密度相对地变低。在这种情况下，由于燃烧气体对轮机的工作减少，因此转速下降，由于压缩机的空气流量减少，因此燃烧温度上升、高压轮机翼的温度也变高。由于高压轮机中存在温度制约，因此在比较例中，束缚燃料，其结果，如特性线A2所示那样输出效率降低。
[0065]与此相对，在本实施方式中，通过电动机9，经由第I旋转轴4H而对压缩机I的旋转进行辅助，从而能够增加对燃烧器供给的空气流量，其结果，能够投入更多的燃料。因此，双轴式燃气轮机6的输出的大气温度特性从特性线A2改善到特性线Al。
[0066]此外，控制装置12在大气温度变得比设计值还低的情况下，经由变频器控制装置11来控制变频器10的动作，使电动机9产生相反方向(与压缩机I的旋转方向相反的方向)的驱动力。此时，通过电动机9，经由第I旋转轴4H来制动压缩机I的旋转。
[0067]如上那样，在被压缩机I获取的外部气体的温度比设计值低的情况下，空气的密度相对地变高。这种情况下，由于燃烧气体对轮机的工作增加，因此转速增大。由于压缩机I中存在转速的制约，因此束缚燃料，其结果，如特性线B2所示那样输出效率降低。
[0068]与此相对，在本实施方式中，通过电动机9，经由第I旋转轴4H来制动压缩机I的旋转，从而能够束缚提供给燃烧器2的空气流量，其结果，能够使燃烧气体的温度上升。因此，双轴式燃气轮机6的输出的大气温度特性从特性线B2改善到特性线BI。
[0069](异常时控制)
[0070]在判定为外部系统50中产生了电压异常的情况下，异常控制装置22进行控制，以将电阻电路21的切换装置501从切断切换到连接，在其他的情况下，将电阻电路21的切换装置501控制为切断状态。此外，异常控制装置22在检测到外部系统50的电压异常的情况下，通过将异常时控制信号发送到变频器控制装置11来控制变频器10，通过控制电动器9的旋转驱动，从而进行控制以使从高压轮机3H经由第I旋转轴4H观察到的电动机9的负荷相对地减少。在判定为外部系统50中产生了电压异常的情况下，异常控制装置22进行控制以使电动机9提供给高压轮机3H的扭矩与电压异常发生前相比增加、或者、使来自高压轮机3H的电动机9的发电量与电压异常发生前相比减少。
[0071]在此，参照图8?图10，对在产生了外部系统50的电压异常时的异常控制装置22的异常时控制更详细地进行说明。
[0072]图8为表示由实线101示出的产生了电压变化时的双轴式燃气轮机6及同步发电机7的物理量的图。
[0073]如图8所示，双轴式燃气轮机6的输出与外部系统50的电压变化无关，大致是恒定值。双轴型燃气轮机6为大型机械装置，根据压缩空气的流量和燃烧气体的温度来决定输出，因此输出变化的时间常数变长。因此，双轴式燃气轮机6不会追随外部系统50中以0.2sec左右的时间产生的急剧的输出变化。此外，通过紧急切断，在I?2秒程度的时间内能将双轴式燃气轮机6的输出设为0(零)，但相反，不能急剧地增加输出。因此，认为没有进行紧急切断时的双轴式燃气轮机6的输出恒定。
[0074]关于同步发电机7的电输出，由于外部系统50的故障而暂时不能发送输出。其结果，在同步发电机7中产生剩余输入。该剩余输入与异常连续时间之积成为同步发电机7中的旋转能量。此外，同步发电机7的旋转加速度由其旋转能量和同步发电机7的惯性决定。因此，异常发生时，在异常连续时间短的情况或同步发电机7的惯性大的情况下，同步发电机的转速的变化变小。而且，如果异常发生时的同步发电机7的加速减少，则使同步发电机7的转子的相位相对于系统频率仅仅超前一点点即可。由于在外部系统50的电压恢复时，有同步化力(synchronizing power)的作用，因而该相位的偏差减少并恢复到原来的状态。
[0075]同步发电机7中的同步化力P可使用同步发电机7的感应电压E、同步电抗Xd、作为端子电压V与感应电压E之间的相位角的负载角O，由以下的(式I)表示。
[0076]P = E'2/ (2*Xd) cos σ...(式 I)
[0077]在此，在外部系统50的电压相位与感应电压E的相位、S卩2极发电机的情况下，负载角σ是发电机转子8的旋转角度自身。根据上述(式I)可知，负载角σ =90°时，同步化力Ρ = 0(零)。同步发电机7在通常运转时以负载角σ >40°运转。因此，由于同步化力的作用(P > O)，因而需要使外部系统50的电压已经从异常恢复时的转子的角度相对于异常前的转子的角度而言处于数十度的范围内。
[0078]由于外部系统50发生了异常时的同步发电机7的加速，转子的相位的偏差超过了上位范围的情况下，同步化力P不工作，因此同步发电机7 —直加速，产生与外部系统50的频率的同步偏差(参照图10)。将该状态称作失调。同步发电机7在失调状态下不能发电。
[0079]图8中，由于发电机相位比π/2小，因此同步发电机7因同步化力P而恢复至异常发生前的同步状态。
[0080]图9为表示由虚线102示出的产生了电压变化时的双轴式燃气轮机6及同步发电机7的物理量的图。
[0081]如上述那样，异常控制装置22在判定为外部系统50中产生了电压异常的情况下，进行控制以使将电阻电路21的切换装置501从切断切换为连接，在其他的情况下，将电阻电路21的切换装置501控制为切断状态。此外，异常控制装置22在检测到外部系统50的电压异常的情况下，通过将异常时控制信号发送到变频器控制装置11来控制变频器10，通过控制电动器9的旋转驱动，进行控制以使从高压轮机3Η经由第I旋转轴4Η观察到的电动机9的负荷相对地减少。异常控制装置22在判定为外部系统50中产生了电压异常的情况下，进行控制以使电动机9提供给高压轮机3Η的扭矩与电压异常发生前相比增加、或者、使来自高压轮机3Η的电动机9的发电量与电压异常发生前相比减小。通常运转时，有时电动机9会对压缩机I进行辅助，也有时电动机9会对压缩机I进行制动。如果在电动机9辅助压缩机I的情况下检测到外部系统50的电压异常，则电动机9增加辅助量，而在辅助量达到上限时保持该辅助量。此外，如果是数秒程度的较短时间则电动机9能够将紧急时态设为条件而发出额定输出的2倍程度，因此能使辅助量瞬间增加。此外，如果在电动机9对压缩机I进行了制动的情况下检测到外部系统50的电压异常，则通过减少电动机9所产生的发电量、或者、切换到压缩机I的辅助，从而与异常发生前的状态相比减少低压轮机3L侧的剩余能量。
[0082]如图9所示，异常控制装置22在判定为外部系统50中产生了电压异常的情况下，从电压异常发生开始延迟t4秒之后，控制电动机9，对压缩机I的旋转进行辅助。即，在时间t4以后，由于以经由电动机9的形式将同步发电机7的输出电力发送到压缩机1，因此在同步发电机7中所产生的剩余输入沿着实线发生变化。此外，由于压缩机I被电动机9辅助，因此转速如实线那样增加。其中，压缩机I的消耗动力为转速的2?3次方，因此难以加速且速度变化少。
[0083]对如上那样构成的本实施方式的效果进行说明。
[0084]双轴式燃气轮机能够使低压轮机和气体发生器(压缩机与高压轮机)以不同的转速运转，其中，低压轮机驱动泵或发电机等被驱动机，气体发生器产生该低压轮机的工作气体。因此，例如，即使在被驱动机的转速比燃气轮机侧的额定转速低的情况下，也能使压缩机与高压轮机高速旋转，通过产生低压轮机中的膨胀工作能力更高的工作气体，从而能够实现尚效化。
[0085]但是，在现有技术中的双轴式燃气轮机中，存在高压轮机的温度制约、压缩机的转速下的离心力上的机械制约，有时会因这些制约而导致效率降低。即，例如，在由压缩机获取的外部气体的温度比设计值高的情况下，空气的密度相对地变低。这种情况下，由于燃烧气体对轮机的工作减少，因此转速下降，由于压缩机的空气流量减小，因此燃烧温度上升、高压轮机翼的温度也变高。由于高压轮机中存在温度制约，因而束缚燃料，其结果，输出效率降低。此外，在由压缩机获取的外部气体的温度比设计值低的情况下，空气的密度相对地变高。在这种情况下，由于燃烧气体对轮机的工作增加，因此转速增大。在压缩机中存在转速下的制约，因此束缚燃料，作为结果，输出效率会降低。
[0086]与此相对，在本实施方式中，构成为，基于对输出到外部系统50的电力进行指示的电力输出指令值18，来控制对变频器10进行控制的变频器控制装置11和调速器13，从而控制双轴式燃气轮机6与电动机9的总输出，能够抑制外部温度的变化所引起的效率的降低。
[0087]此外，现有技术中的双轴式燃气轮机发电系统中，在外部系统发生了异常时，从外部系统断开(切离)双轴式燃气轮机来进行保护。但是，正在发展风力等可再生能量的导入，电力系统整体变得不稳定也被预想到，在如现有技术那样外部系统发生了异常时，如果某一个发电机为了保护自身装置而开始切离，则系统整体的电压降降低相应量，连带地向其他发电机扩大切离，因此担心会产生大规模停电。
[0088]为了应对这种情况，在欧洲或中国，制定了如下标准:在风力发电机或太阳能发电等分散电源中，在异常发生时也要求连续运转(Fault-Ride Through:FRT)功能。将与这种FRT对应的标准称作输电线(grid cord)。即，所谓输电线为对电力系统的稳定负有责任的经营者对发电行业经营者所要求的标准，并且在发电机端的电压进入到该输电线内的情况下，必须将与该系统连结的发电机切离。而且，对集中电源的蒸汽发电机、燃气轮机发电机中也要求这种应对。
[0089]但是，在短路等系统故障时，同步发电机暂时不会将从燃气轮机接收到的能量发送给外部系统。于是，同步发电机的转速利用其间对同步发电机的剩余输入来进行加速，有可能会脱离同步状态、即引起所谓的失调。在失调状态下不能发电，而且如果一旦失调，则直到再次变成能发电为止需要花费几分钟?十分钟的时间，因此不能连续运转。因此，为了确保连续运转功能，需要使同步发电机不产生失调。
[0090]与此相对，在本实施方式中，构成为:异常控制装置22在检测到外部系统50的电压偏离输电线的电压异常的情况下，通过将异常时控制信号发送到变频器控制装置11来控制变频器10，通过控制电动器9的旋转驱动来进行控制，以使从高压轮机3H经由第I旋转轴4H观察到的电动机9的负荷相对地减少。即，构成为在外部系统50发生异常时使与低压轴连结的同步发电机7侧的能量经由电动机9而瞬间移动到压缩机I侧，因此能够抑制同步发电机7的加速所引起的失调的发生，能够提高同步发电机7的同步运转的连续性。
[0091]此外，构成为，异常控制装置22在判定为外部系统50中产生了电压异常的情况下，将电阻电路21的切换装置501从切断切换为连接，因此来自同步发电机7的剩余输出减少，变得不易产生失调。
[0092]此外，能够将在发生了外部系统50的电压异常时所产生的同步发电机7的剩余电力组合电动机9的电力控制和电阻电路21的消耗这两种方法来消耗掉，因此能够减小抑制失调所需的电动机9的负载量以及变频器10的负载量，能够实现成本的削减。
[0093]<第I实施方式的变形例>
[0094]参照附图，对本发明的第I实施方式的变形例进行说明。
[0095]在第I实施方式中，采用了如图2所示的电动机9，但也可采用图11所示的电动机9A来取代。
[0096]图11中，电动机9A具备定子230和转子250。定子230被收纳于壳体212中。定子230包括固定于壳体的定子铁芯230和固定于定子铁芯230的定子绕组238。此外，转子250包括轴218、固定于轴218上的转子铁芯252、埋入到转子铁芯252中的导电性杆255和与导电性杆255电连结的轴承挡圈(end ring)。其他的结构与第I实施方式的电动机9相同。在如上那样构成的本变形例中，也能得到与第I实施方式相同的效果。
[0097]此外，第I实施方式中，如图3所示，针对在外部系统50侧(即同步发电机7侧)与电动机9侧这两侧使用了变频器10的情况进行了说明，其中，变频器10设置了进行交流电的直流化以及直流电的交流化的变换器402、403，但并不限于此，也可代替变频器10而采用图12所示的变频器10A。
[0098]图12中，变频器1A具备:将外部系统50侧(即同步发电机7侧)的交流电直流化的整流器401 ;将直流化的电力交流化后传输到电动机9侧的变换器402 ;和对在变换器403与变换器402之间的电力的变动量进行平滑化的电容器404。在这种情况下，电动机9成为仅具有对压缩机I的辅助功能的结构。整流器401比具有交-直变换和直-交变换这两种功能的变换器403简单，具有能够抑制成本的优点。此外，在电动机9为仅具有相对于压缩机I的制动功能的结构的情况下，也能将外部系统50侧设为变换器402，将电动机9侧设为整流器。
[0099]<第2实施方式>
[0100]参照图13，对本发明的第2实施方式进行说明。图中，对与第I实施方式相同的部件赋予相同的符号，并省略说明。
[0101]第I实施方式中说明了第I旋转轴4H与电动机9以及第2旋转轴4L与同步发电机7在未经由齿轮的情况下机械连接的情况，但在本实施方式中，是经由齿轮而机械连接的情况。
[0102]如图13所示，与低压轮机3L连接的第2旋转轴4L和同步发电机7经由减速器24而被机械连接。此外，与压缩机I以及高压轮机3H连接的第I旋转轴4H和电动机9在不经由减速器23的情况下被机械连接。其他的结构与第I实施方式相同。
[0103]在如上那样构成的本实施方式中，也能得到与第I实施方式相同的效果。
[0104]此外，在双轴式燃气轮机6的压缩机I的转速与电动机9的转速不一致的情况下，为了应对电动机9侧的转速而需要另行准备电动机，存在成本增加的问题。与此相对，在本实施方式中，构成为经由减速器23来连接电动机9和压缩机I，因此电动机9能够使用通用的电动机，能够抑制成本的增加。此外，同样地，构成为经由减速器24而连接同步发电机7和低压轮机3L，因此同步发电机24能够采用通用的同步发电机，能够抑制成本的增加。
[0105]符号说明
[0106]I压缩机
[0107]2燃烧器
[0108]3H，3L燃气轮机
[0109]4H第I旋转轴
[0110]4L第2旋转轴
[0111]5流量调整阀、入口引导翼(IGV)
[0112]6双轴式燃气轮机
[0113]7同步发电机
[0114]8发电机转子
[0115]9,9k 电动机
[0116]10，1A 变频器
[0117]11变频器控制装置
[0118]12控制装置
[0119]13调速器
[0120]14 AVR
[0121]15断路器
[0122]16 电压计
[0123]17外部气体状态测量装置(温度计、气压计、湿度计)
[0124]18电力指令值
[0125]19A，19B 变压器
[0126]20A，20B 电流传感器
[0127]21电阻电路
[0128]22异常控制装置
[0129]23减速器
[0130]24减速器
[0131]26电力传输路径
[0132]50外部系统
[0133]101异常时电压时间变化
[0134]102异常时电压时间变化
[0135]201输电线(grid cord)
[0136]212电动机壳体
[0137]214电动机尾架
[0138]216轴承
[0139]218轴
[0140]222间隙
[0141]223转速检测器
[0142]224磁极位置检测器
[0143]238定子绕组
[0144]230定子
[0145]232定子铁芯
[0146]250转子
[0147]252转子铁芯
[0148]254永磁铁
[0149]255导电性杆
[0150]256轴承挡圈
[0151]401整流器
[0152]402,403变换器(逆变器、转换器)
[0153]404电容器
[0154]501切换装置
[0155]502电阻器
【权利要求】
1.一种双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于，具备: 压缩机(I)，对空气进行加压而生成压缩空气； 燃烧器(2)，将上述压缩空气和燃料进行混合并燃烧； 高压燃气轮机(3H)，通过由上述燃烧器得到的燃烧气体来驱动该高压燃气轮机； 第I旋转轴(4H)，连结上述压缩机和上述高压燃气轮机； 电动机(9)，与上述第I旋转轴连结； 调速器(13)，通过调整被上述压缩机获取的空气的量，从而控制上述高压燃气轮机的输出； 低压燃气轮机(4L)，通过驱动上述高压燃气轮机之后的燃烧气体来驱动该低压燃气轮机； 第2旋转轴(4L)，与上述低压燃气轮机连结； 同步发电机(7)，与上述第2旋转轴连结； 变频器(10)，设置于在与外部系统(50)连接的上述同步发电机与上述电动机之间传输电力的电力传输路径(23)上，对所传输的电力的频率进行变换；和 控制装置(12)，基于对输出到上述外部系统的电力进行指示的电力输出指令值，对控制上述变频器的变频器控制装置(11)和上述调速器进行控制，从而对上述燃气轮机和上述电动机的总输出进行控制。
2.根据权利要求1所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 上述双轴式燃气轮机发电系统还具备:外部气体状态测量装置(17)，测量被上述压缩机(I)获取的空气的状态， 上述控制装置(12)基于上述电力输出指令值和上述外部气体状态测量装置的测量结果，对控制上述变频器的变频器控制装置(11)和调速器进行控制，从而控制上述燃气轮机和上述电动机的总输出。
3.根据权利要求1或2所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于，还具备: 变压器(19A)，对从上述同步发电机(7)输出到上述外部系统(50)的电压进行变换； 断路器(15)，被设置成能够切断经由上述变压器传输到上述外部系统的电力； 电压测量装置(16)，测量上述断路器中的上述外部系统侧的电压；和 异常控制装置(22)，基于预先确定的外部系统的电压异常的基准值与上述电压测量装置的测量结果的比较结果，检测上述外部系统中产生的电压异常，在检测到电压异常的情况下，控制上述变频器控制装置(11)，以使从上述高压轮机(3H)经由上述第I旋转轴(4H)观察到的上述电动机(9)的负荷相对地减少。
4.根据权利要求1或2所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于，还具备: 变压器(19A)，对从上述同步发电机(7)向上述外部系统(50)输出的电力的压力进行变换； 断路器(15)，被设置成能够切断经由上述变压器传输到上述外部系统的电力； 电压测量装置(16)，测量上述断路器中的上述外部系统侧的电压； 电阻电路(21)，被并联连接于上述同步发电机与上述变压器之间，该电阻电路(21)中设置有对上述同步发电机与上述变压器的连接和切断进行切换的切换装置(501);和 异常控制装置(22)，根据预先确定的外部系统的电压异常的基准值和上述电压测量装置的测量结果的比较结果，检测上述外部系统中产生的电压异常，在检测到电压异常的情况下，将上述电阻电路的切换装置从切断切换到连接。
5.根据权利要求3所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 上述双轴式燃气轮机发电系统还具备:电阻电路(21)，被并联连接于上述同步发电机(7)与上述变压器(19A)之间，该电阻电路中设置有对上述同步发电机与上述变压器的连接和切断进行切换的切换装置(501)， 上述异常控制装置(22)在检测到上述外部系统中产生的电压异常的情况下，将上述电阻电路的切换装置从切断切换到连接。
6.根据权利要求1?5中任一项所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 上述电动机(9)具备: 定子(230)，具有定子铁芯(232)和缠绕于该定子铁芯的定子绕组(238);和转子(250)，具有形成了多个磁铁插入孔的转子铁芯(252)和用于形成被保持在上述磁铁插入孔的内部的磁极的多个永磁铁(254)，并被设置成相对于上述定子能够自由旋转。
7.根据权利要求1?5中任一项所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 上述电动机(9)具备: 定子(230)，具有定子铁芯(232)和缠绕于该定子铁芯的定子绕组(238);和转子(250)，设置有形成了多个导电性杆插入孔的转子铁芯(252)和插入到上述导电性杆插入孔的内部且在轴的两端分别通过轴承挡圈电连接的导电性杆(255)。
8.根据权利要求1?7中任一项所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 上述电力变换器(10)具备与上述同步发电机(7)侧和上述电动机(9)侧这两侧连接、且具有将电力从交流变换为直流的功能和从直流变换为交流的功能的变换器(402，403)。
9.根据权利要求1?7中任一项所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 上述电力变换器(10)具备: 变换器(402)，与上述同步发电机(7)侧和上述电动机(9)侧中的一侧连接、且具有将电力从交流变换为直流的功能和从直流变换为交流的功能；和 整流器(401)，与上述同步发电机(7)侧和上述电动机(9)侧中的另一侧连接，并将电力从交流变换为直流。
10.根据权利要求1?9中任一项所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 与上述压缩机(I)连接的上述第I旋转轴(4H)和上述电动机(9)在未经由齿轮的情况下被机械连接。
11.根据权利要求1?10中任一项所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 与上述低压轮机(3L)连接的上述第2旋转轴(4L)和上述同步发电机(7)在未经由齿轮的情况下被机械连接。
12.根据权利要求1?11中任一项所述的双轴式燃气轮机发电系统，其特征在于， 上述电动机(9)的负载量比上述同步发电机(7)的负载量小。
13.—种燃气轮机系统的控制方法，该燃气轮机系统具备:压缩机(I)，对空气进行加压而生成压缩空气；燃烧器(2)，将上述压缩空气和燃料进行混合并燃烧；高压燃气轮机(3H)，通过由上述燃烧器得到的燃烧气体来驱动该高压燃气轮机；第I旋转轴(4H)，连结上述压缩机和上述高压燃气轮机；电动机(9)，与上述第I旋转轴连结；调速器(13)，通过调整被上述压缩机获取的空气的量来控制上述高压燃气轮机的输出；低压燃气轮机(4L)，通过驱动上述高压燃气轮机之后的燃烧气体来驱动该低压燃气轮机；第2旋转轴(4L)，与上述低压燃气轮机连结；同步发电机(7)，与上述第2旋转轴连结；变频器(10)，设置于在与外部系统(50)连接的上述同步发电机与上述电动机之间传输电力的电力传输路径(23)上，对所传输的电力的频率进行变换， 该燃气轮机系统的控制方法的特征在于，包括以下步骤: 基于对输出到上述外部系统的电力进行指示的电力输出指令值，对控制上述变频器的变频器控制装置(11)和上述调速器进行控制，从而对上述燃气轮机和上述电动机的总输出进行控制。
14.根据权利要求13所述的燃气轮机系统的控制方法，其特征在于， 上述燃气轮机系统还具备:变压器(19A)，对从上述同步发电机(7)输出到上述外部系统(50)的电力的压力进行变换；和断路器(15)，被设置成能够切断经由上述变压器传输到上述外部系统的电力，并且上述燃气轮机系统的控制方法还包括: 测量上述断路器中的上述外部系统侧的电压的步骤； 基于预先确定的外部系统的电压异常的基准值与上述电压的测量结果的比较结果，检测上述外部系统中产生的电压异常的步骤；和 在检测到电压异常的情况下，控制上述变频器控制装置(11)，以使从上述高压轮机(3H)经由上述第I旋转轴(4H)观察到的上述电动机(9)的负荷相对地减少。
15.—种燃气轮机系统的控制装置，该燃气轮机系统具备:压缩机(I)，对空气进行加压而生成压缩空气；燃烧器(2)，将上述压缩空气和燃料进行混合并燃烧；高压燃气轮机(3H)，通过由上述燃烧器得到的燃烧气体来驱动该高压燃气轮机；第I旋转轴(4H)，连结上述压缩机和上述高压燃气轮机；电动机(9)，与上述第I旋转轴连结；调速器(13)，通过调整被上述压缩机获取的空气的量来控制上述高压燃气轮机的输出；低压燃气轮机(4L)，通过驱动上述高压燃气轮机之后的燃烧气体来驱动该低压燃气轮机；第2旋转轴(4L)，与上述低压燃气轮机连结；同步发电机(7)，与上述第2旋转轴连结；变频器(10)，设置于在与外部系统(50)连接的上述同步发电机与上述电动机之间传输电力的电力传输路径(23)上，对所传输的电力的频率进行变换， 该燃气轮机系统的控制装置的特征在于， 基于对输出到上述外部系统的电力进行指示的电力输出指令值，对控制上述变频器的变频器控制装置(11)和上述调速器进行控制，从而对上述燃气轮机和上述电动机的总输出进行控制。
16.根据权利要求15所述的燃气轮机系统的控制装置，其特征在于， 上述燃气轮机系统还具备:变压器(19A)，对从上述同步发电机(7)输出到上述外部系统(50)的电力的压力进行变换；断路器(15)，被设置成能够切断经由上述变压器传输到上述外部系统的电力；和电压测量装置(16)，测量上述断路器中的上述外部系统侧的电压， 基于预先确定的外部系统的电压异常的基准值与上述电压测量装置的测量结果的比较结果，检测上述外部系统中产生的电压异常，在检测到电压异常的情况下，控制上述变频器控制装置(11)，以使从上述高压轮机(3H)经由上述第I旋转轴(4H)观察到的上述电动机(9)的负荷相对地减少。
【文档编号】F02C3/10GK104487678SQ201280074831
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2012年8月3日
【发明者】日野德昭, 楠见尚弘, 高桥一雄, 伊藤智道 申请人:株式会社日立制作所