专利名称：燃气轮机控制装置及发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机控制装置及发电系统。
背景技术：
在燃气轮机发电设备中，通常，以发电机输出追随电力系统的要求负载的方式控制向燃气轮机的供给燃料量。例如，在专利文献I中，公开了如下的技术:将发电机输出相对于基于电力系统的要求负载而设定的发电机输出设定值(LDSET)的偏差向PI控制器输入，基于该偏差而进行比例积分运算，由此控制燃料控制阀的开度而调整发电机输出，并使发电机输出追随要求负载。在先技术文献专利文献
专利文献I日本特开2010-121598号公报
发明内容
然而，在燃气轮机发电设备中，在试运行时、或负载刚并入之后的低负载时，发电机输出有时会发生波动。然而，以往这种波动的主要原因不明，因此无法确立用于消除发电机输出的波动的有效的方法。本发明鉴于这种情况而作出，其目的在于提供一种在试运行时、负载刚并入之后等那样的比额定负载低的负载区域中，能够抑制发电机输出产生的波动的燃气轮机控制装置及发电系统。为了解决上述课题，本发明采用以下的单元。本发明的第一形态提供一种燃气轮机控制装置，使用在发电设备中，该发电设备具备燃气轮机和至少被传递有燃气轮机的旋转动力而进行发电的发电机，所述燃气轮机控制装置具备第一控制单元，该第一控制单元求出用于使发电机输出追随基于要求负载而决定的发电机输出设定值的第一燃料控制指令，其中，所述第一控制单元具有反馈控制单元，所述反馈控制单元具备:算出发电机输出相对于所述发电机输出设定值的偏差的减法运算单元；设置在比减法运算单元靠控制的后段的比例积分运算单元；及抑制所述发电机或包含该发电机的系统的振幅特性的峰值的峰值抑制单元(第一形态)。为了研究主要在低负载时产生的发电机输出(燃气轮机输出)的波动的原因，而对于发电机以及包含发电机的发电系统分析了频率特性等，如图12所示可知，在振幅特性中的l[Hz]附近表示共振峰值，得到了在发电机的旋转轴激发的固有频率的振动是发电机输出的波动的原因这样的新见解。因此，只要能够抑制该共振峰值，就能够抑制或防止发电机输出的波动。根据本发明的第一形态，在求出用于使发电机输出追随基于要求负载而决定的发电机输出设定值的第一燃料控制指令的第一控制单元中，在第一控制单元具有的反馈控制单元中设置了对发电机或包含发电机的系统的振幅特性的峰值进行抑制的峰值抑制单元。因此，能够抑制发电机输出的波动，从而能够提高控制的稳定性。
在本发明的第一形态中，“燃气轮机输出”是指发电机输出中的仅被传递有燃气轮机的旋转动力而发电的发电电力。即，在具备燃气轮机和蒸汽轮机的燃气轮机组合循环设备(以下称为“GTCC设备”)中，发电机输出是燃气轮机输出与蒸汽轮机输出的总计，但这种情况下的“燃气轮机输出”是指从发电机输出减去蒸汽轮机输出而得到的值。另外，图12所示的振幅特性例如是根据后述的图5所示的GTCC的模型而求出，作为一例，表示将发电机输出设定值分别设为额定的3[%]、50[%]、100[%]时的振幅特性。在本发明的第一形态中，也可以是，所述峰值抑制单元具备设置在所述减法运算单元与所述比例积分运算单元之间并进行将输入信号乘以增益的运算的乘法运算单元；及根据所述燃气轮机输出来调整所述乘法运算单元的增益的第一增益调整单元，所述第一增益调整单元将在比额定负载低的部分负载时赋予的增益设定成小于在额定负载时赋予的增益(第二形态)。根据这种结构，例如，在减法运算单元中求出发电机输出相对于发电机输出设定值的偏差，在乘法运算单元中将该偏差乘以规定的增益，将乘以增益之后的偏差向比例积分运算单元输入。这种情况下，在乘法运算单元中所乘的增益由第一增益调整单元调整成比额定负载低的部分负载时赋予的增益小于额定负载时赋予的增益。在此，如图4所示，在燃气轮机输出小的区域(即，部分负载时)，燃气轮机输出相对于燃料流量的灵敏度高，在该输出区域中，发电机容易激发振动。因此，通过将部分负载时的增益设定得比额定负载时的增益小，而能够防止发电机的振动激发，从而能够抑制发电机输出的波动。在本发明的第二形态中，优选的是，所述第一增益调整单元对应于燃气轮机输出的增加而使所述增益增加(第三形态)。如图4所示，燃气轮机输出越增加而相对于燃料流量的灵敏度越迟钝，控制稳定。因此，根据燃气轮机输出的增加而使增益增加，由此实现控制的稳定化，并能够提高发电机输出向根据要求负载而决定的发电机输出设定值的追随性。在本发明的第二形态或第三形态中，也可以是，所述第一控制单元具备判定所述发电机输出是否产生波动的波动判定单元；及第二增益调整单元，其在由所述波动判定单元判定为产生波动时，使利用所述第一增益调整单元设定的增益减少(第四形态)。根据这种结构，利用波动判定单元判定是否发生波动，在发生波动时，第二增益调整单元使利用第一增益调整单元设定的增益减少，因此能够可靠地消除发电机输出的波动。在本发明的第四形态中，也可以是，所述第二增益调整单元在利用所述波动判定单元判定为未产生波动时，使利用所述第一增益调整单元设定的增益增加(第五形态)。在燃气轮机输出未发生波动时，第二增益调整单元将由第一增益调整单元设定的增益向增加的方向调整，因此能够进一步提高追随性。在本发明的第二形态至第五形态中的任一形态中，也可以是，所述峰值抑制单元还具备将所述振幅特性中的产生峰值的规定的频率以上的信号截止的低通滤波器，将滤波处理后的发电机输出向所述反馈控制单元的所述减法运算单元输出(第六形态)。例如，根据图12所示的振幅特性可知，在I [Hz]附近产生峰值。因此，将利用低通滤波器使至少产生峰值的频率以上的高频成分截止的发电机输出作为输入信号而向减法运算单元输入，由此能够有效地抑制共振峰值。而且，在燃气轮机的输出控制中所需的频率带域为约0.2 [Hz]以下，将燃气轮机的输出控制不需要的频率成分截止，因此不会对输出控制造成影响。另外，在本发明的第一形态中，也可以是，所述峰值抑制单元具有低通滤波器，该低通滤波器被输入有所述发电机输出作为输入信号，并将该输入信号中包含的所述振幅特性中的产生峰值的规定的频率以上的信号截止，经过所述低通滤波器后的发电机输出向所述减法运算单元输入(第七形态)。例如，根据图12所示的振幅特性可知，在I [Hz]附近产生峰值。因此，将利用低通滤波器使至少产生峰值的频率以上的高频成分截止的发电机输出作为输入信号而向减法运算单元输入，由此能够有效地抑制共振峰值。而且，在燃气轮机的输出控制中所需的频率带域为约0.2[Hz]以下，将燃气轮机的输出控制中不需要的频率成分截止，因此不会对输出控制造成影响。在本发明的第一形态中，也可以是，所述峰值抑制单元具有设定有所述发电机的逆特性模型的传递函数的运算单元，将经过该运算单元后的发电机输出向所述减法运算单元输入(第八形态)。根据这种结构，通过经由运算单元，将发电机固有的成分除去，仅保留机械输出的成分。并且，将除去了发电机固有的信息后的机械输出的推定信号作为输入信号向反馈控制单元的减法运算单元输入。如此，通过将成为波动的原因的发电机的特性除去，能够消除图12所示的振幅特性的峰值，从而能够抑制燃气轮机输出的波动。本发明的第九形态提供一种具备燃气轮机和上述任一种燃气轮机控制装置的发电系统(第九形态)。发明效果根据本发明，起到能够抑制在比额定负载低的负载产生的发电机输出的波动这样的效果。
图1是本发明的第一实施方式的燃气轮机组合循环设备的整体结构图。图2是表示图1所示的第一控制部的功能框图的图。图3是表示将燃气轮机输出与增益建立了关系的第一信息的一例的图。图4是表示燃料流量和燃气轮机输出的特性的特性图。图5是表示将GTCC分为四个部位的线性化模型的图。图6是在本发明的第一实施方式的燃气轮机控制装置中，将反馈控制部不具有峰值抑制部时和具有峰值抑制部时的发电机输出及燃气轮机和蒸汽轮机的机械输出的模拟结果进行比较而表示的图。图7是本发明的第二实施方式的燃气轮机控制装置具备的第一控制部的功能框图。图8是表示将图7所示的第一函数部具备的偏差的绝对值与增益建立了关联的表的图。图9是本发明的第三实施方式的燃气轮机控制装置具备的第一控制部的功能框图。
图10是本发明的另一实施方式的燃气轮机控制装置具备的第一控制部的功能框图。图11是本发明的第四实施方式的燃气轮机控制装置具备的第一控制部的功能框图。图12是表示包含发电机的系统的振幅特性的一例的图。
具体实施例方式以下，参照附图，说明本发明的燃气轮机的控制装置及发电系统的实施方式。〔第一实施方式〕以下，参照附图，说明本发明的第一实施方式。图1是第一实施方式的GTCC设备的整体结构图。GTCC设备具备燃气轮机12、蒸汽轮机14、及发电机16。燃气轮机12具备压缩机20、燃烧器22、及涡轮24。压缩机20由旋转轴26驱动，从而对从空气取入口取入的空气进行压缩而生成压缩空气。燃烧器22对从压缩机20向机室28导入的压缩空气喷射燃料而产生高温/高压的燃烧气体。涡轮24利用由燃烧器22产生的燃烧气体进行旋转驱动。在机室28与燃烧器22之间设有旁通管30，在因涡轮24的输出变动而燃烧器22内的空气成为不足的状态的情况下，若燃烧器旁通阀32打开，则旁通管30成为将机室28内的空气向燃烧器22内导入的流路。而且，在压缩机20与涡轮24之间设有用于从压缩机20向涡轮24导入冷却用的空气的抽气管34。从涡轮24的废气进行热回收而产生蒸汽，通过该蒸汽而旋转驱动蒸汽轮机14。涡轮24、蒸汽轮机14、压缩机20、及发电机16由旋转轴26连结，在涡轮24及蒸汽轮机14产生的旋转动力通过旋转轴26而向压缩机20及发电机16传递。并且，发电机16利用涡轮24及蒸汽轮机14的旋转动力进行发电。另外，在燃烧器22连接有供给燃料的燃料供给配管36。由压力调整阀40调整了流量调整阀42前后的差压并由流量调整阀42调整了流量后的燃料向燃料供给配管36供给。燃烧器22将从燃料供给配管36供给的燃料与压缩空气混合而使其燃烧。燃气轮机控制装置44具备流量控制部46和压力控制部48。流量控制部46取得与燃气轮机12的运行状态及温度状态相关的状态量作为输入信号，并基于这些输入信号运算用于控制向燃烧器22供给的燃料流量的燃料流量指令CS0。作为与运行状态相关的状态量，例如，可列举出燃气轮机12的输出、转速作为一例，作为与温度状态相关的状态量，例如可列举出废气温度作为一例。具体而言，流量控制部46除了第一控制部50之外，还具备第二控制部52、第三控制部54等，第一控制部50求出用于使发电机输出追随基于要求负载而决定的发电机输出设定值的第一燃料控制指令，第二控制部52求出用于使燃气轮机12的转速追随规定的转速指令的第二燃料控制指令，第三控制部54求出废气温度不超过规定的废气温度上限值那样的第三燃料控制指令。并且，根据在这些各控制部50、52、54中求出的第一燃料控制指令，参照第三燃料控制指令，决定最终的燃料控制指令CS0。并且，基于该燃料控制指令CSO来控制流量调整阀42的阀开度。
压力控制部48求出用于使向燃烧器22供给的燃料压力与目标燃料压力一致的压力调整阀的控制量。图2是表示上述的燃气轮机控制装置44的流量控制部46的第一控制部50的功能框图的图。如图2所示，第一控制部50具备反馈控制部60，反馈控制部60求出用于使发电机输出追随基于要求负载而决定的发电机输出设定值的第一燃料控制指令。反馈控制部60装入有减法运算部62、PI控制部64、用于抑制在部分负载运行时等产生的发电机输出的波动的峰值抑制部66。峰值抑制部66具有抑制发电机16或包含该发电机16的系统的振幅特性的峰值的功能，具体而言，具备乘法运算部68和对于在乘法运算部68中使用的增益进行调节的第一增益调整部70。在图2中，减法运算部62算出发电机输出相对于发电机输出设定值的偏差。在此，“燃气轮机输出”是指由于涡轮24产生的旋转动力向发电机16传递而发电的发电电力，例如，使用从发电机输出减去蒸汽轮机输出而得到的值。在减法运算部62中算出的偏差向峰值抑制部66的乘法运算部68输入。乘法运算部68将从第一增益调整部70赋予的规定的增益乘以来自减法运算部62的偏差，并将该计算结果向PI控制部64输出。PI控制部64对于来自乘法运算部68的输出结果进行比例积分运算，由此求出第一燃料控制指令，并将求出的第一燃料控制指令输出。该第一燃料控制指令如上述那样向后续的处理交付，使用作为参照该第一燃料控制指令而决定流量调整阀42 (参照图1)的阀开度调整量时的一个要素。如图3所示，第一增益调整部70具有将燃气轮机输出与增益建立了关系的第一信息，根据该第一信息而取得与燃气轮机输出对应的增益。增益以在部分负载时赋予的增益比在额定负载时赋予的增益小的方式设定。部分负载是指比额定负载低的负载，具体而言，是指额定负载的50%以下的负载区域。而且，更优选的是，也可以对应于燃气轮机输出的增加而使增益增加。在此，图4表示燃料流量和燃气轮机输出的特性。在图4中，横轴是燃料流量，纵轴是燃气轮机输出。如图4所示，在燃料流量较小时，燃气轮机输出的倾斜大，随着燃料流量增大，而燃气轮机输出的倾 斜减小。因此，从图4的坐标图可知，燃料流量越小的区域的燃气轮机输出的灵敏度越高，燃气轮机输出(负载)容易变动。因此，在燃气轮机输出相对于燃料流量的灵敏度高的区域中，将增益设定得比额定时低，由此能够提高控制的稳定性，抑制负载的波动。而且，在额定负载或接近额定负载的区域中，输出稳定，因此将增益设定得较闻，实现追随性的提闻。另外，第一增益调整部70的增益通过包含发电机16的系统的线性解析而设定为适当的值。以下，对增益的设定方法进行说明。首先，如图5所示，将GTCC分割为燃气轮机控制装置、燃料系统、燃气轮机及蒸汽轮机、发电机这四个部位，得到各个线性化模型。以下，表示各部位的线性化模型的传递函数的一例。数学式I燃气轮机控制装置(第一控制部):
权利要求
1.一种燃气轮机控制装置，使用在发电设备中，该发电设备具备燃气轮机和至少被传递有燃气轮机的旋转动力而进行发电的发电机，所述燃气轮机控制装置具备第一控制单兀，该第一控制单兀求出用于使发电机输出追随基于要求负载而决定的发电机输出设定值的第一燃料控制指令，其中， 所述第一控制单元具有反馈控制单元， 所述反馈控制单元具备: 算出发电机输出相对于所述发电机输出设定值的偏差的减法运算单元； 设置在比减法运算单元靠控制的后段的比例积分运算单元；及 抑制所述发电机或包含该发电机的系统的振幅特性的峰值的峰值抑制单元。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机控制装置，其中， 所述峰值抑制单元具备: 设置在所述减法运算单元与所述比例积分运算单元之间并进行将输入信号乘以增益的运算的乘法运算单元；及 根据所述燃气轮机输出来调整所述乘法运算单元的增益的第一增益调整单元， 所述第一增益调整单元将在比额定负载低的部分负载时赋予的增益设定成小于在额定负载时赋予的增益。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机控制装置，其中， 所述第一增益调整单元对 应于燃气轮机输出的增加而使所述增益增加。
4.根据权利要求2或3所述的燃气轮机控制装置，其中， 所述第一控制单元具备: 判定所述发电机输出是否产生波动的波动判定单元；及 第二增益调整单元，其在由所述波动判定单元判定为产生波动时，使利用所述第一增益调整单元设定的增益减少。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机控制装置，其中， 所述第二增益调整单元在利用所述波动判定单元判定为未产生波动时，使利用所述第一增益调整单元设定的增益增加。
6.根据权利要求2 5中任一项所述的燃气轮机控制装置，其中， 所述峰值抑制单元还具备将所述振幅特性中的产生峰值的规定的频率以上的信号截止的低通滤波器，将滤波处理后的发电机输出向所述反馈控制单元的所述减法运算单元输出。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机控制装置，其中， 所述峰值抑制单元具有低通滤波器，该低通滤波器被输入有所述发电机输出作为输入信号，并将该输入信号中包含的所述振幅特性中的产生峰值的规定的频率以上的信号截止，经过所述低通滤波器后的发电机输出向所述减法运算单元输入。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机控制装置，其中， 所述峰值抑制单元具有设定有所述发电机的逆特性模型的传递函数的运算单元，将经过该运算单元后的发电机输出向所述减法运算单元输入。
9.一种发电系统，其具备: 燃气轮机；及 权利要求1 8中任一项所述的燃气轮机控制装置。
全文摘要
在试运行时、负载刚并入之后等那样的比额定负载低的负载区域中，抑制发电机输出产生的波动。提供一种燃气轮机控制装置，其使用在发电设备中，该发电设备具备燃气轮机和至少被传递有燃气轮机的旋转动力而进行发电的发电机，所述燃气轮机控制装置具备第一控制部，该第一控制部求出用于使发电机输出追随基于要求负载而决定的发电机输出设定值的第一燃料控制指令，其中，第一控制部具有反馈控制部(60)，反馈控制部(60)具备算出发电机输出相对于发电机输出设定值的偏差的减法运算部(62)；设置在比减法运算部(62)靠控制的后段的PI控制部(64)；及抑制发电机或包含该发电机的系统的振幅特性的峰值的峰值抑制部(66)。
文档编号F01D15/10GK103080504SQ20118004043
公开日2013年5月1日 申请日期2011年11月28日 优先权日2010年11月30日
发明者岸真人, 藤岛泰郎, 园田隆, 平藤耕一郎, 高田康嗣, 藤井文伦 申请人:三菱重工业株式会社