燃气轮机发电系统及其运行控制方法

专利名称：燃气轮机发电系统及其运行控制方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机发电系统及其运行控制方法。更详细地说，涉及具备对提供 给燃气轮机的热量气体进行压縮用的热量气体压縮机的燃气轮机发电系统、以及在燃 气轮机发电系统中，例如在负载切断等负载急剧减小时，用于防止燃气轮机超过规定 的转速的燃气轮机发电系统的运行控制方法。
背景技术：
燃气轮机发电比火力锅炉发电效率高，而且二氧化碳排出量少，因此，作为环保 型发电设备其使用例在增加。另一方面，在作为基础工业的钢铁行业中，产生例如高 炉气体(记为BFG，即Blast Furnace Gas)、转炉气体(LDG)等低卡路里副产品气 体。近年来，在燃气轮机中，借助于技术的提高，已经能够燃烧这样的低卡路里副产 品气体。使用其作为燃气轮机的燃料进行发电的事例不断增加。
图9 图11表示将上述低卡路里的副产品气体作为燃气轮机的燃料使用的燃气轮 机发电系统的设备配置的例子。图9的发电系统101和图10的发电系统102都是利用 燃气轮机104来的动力进行发电的。图11的发电系统103在设置燃气轮机104的同时 也设置蒸汽轮机105，是利用104和105两者的动力进行发电的复合发电系统。三种 发电系统101、 102、 103中都附设有用于对燃料气体进行压縮的燃料气体压縮机106。 这是因为，为了使用低卡路里的副产品气体作为燃料，有必要大大增加燃料气体的供 给量而且需要压縮为高浓度，使其具有燃气轮机所需要的卡路里值。
图10的发电系统102和图11的发电系统103两者都在来自燃气轮机104的旋转 驱动轴110上隔着变速齿轮111连接燃料气体压縮机106。
在燃气轮机104上，设置燃烧用的空气的压縮用的空气压縮机107和燃烧器108， 而且连接发电机109。燃烧器108上连接从空气压缩机107提供压缩空气的压缩空气 配管112和从燃料气体压縮机106提供燃料气体的燃料气体供给配管113。在燃料气 体供给配管113上设置流量控制阀114。燃料气体压縮机106、空气压縮机107、以及 发电机109连接于同一轴上以便能够利用燃气轮机104进行驱动。而且在图11的复合 发电系统103中，蒸汽轮机105也同轴连接于发电机109。
这样，在以低卡路里气体作为燃料使用的发电系统中，需要大容量的燃料气体压 縮机106。而且由于是大容量的设备，所以利用燃气轮机104的动力驱动燃料气体压縮机106。由于采用这样的设备配置，需要每一系统进行设计(特别是轴的设计)，
建造周期长而且建造成本高是不可避免的。
另一方面，在使用天然气等通常的燃料的燃气轮机发电系统的情况下，燃料气体 (天然气)是高卡路里的，因此通常不需要大容量的燃料气体压縮机，采用小容量的 燃料气体压縮机即可。在这种情况下，燃料气体压縮机不与燃气轮机连接，而独立设 置，通常利用中小型电动机驱动。而且在燃料气体的压力大的情况下不需要燃料气体 压縮机。
图12和图13表示以上述天然气作为燃气轮机的燃料的燃气轮机发电系统的设备 配置的例子。图12的发电系统115是利用燃气轮机104来的动力进行发电的系统，图 13的发电系统116是燃气轮机104与蒸汽轮机105并设的复合发电系统。如图所示， 发电系统115、 116都没有设置燃料气体压縮机，燃料气体(天然气)直接由供给源对 燃烧器108提供。对与图9 图11的燃气轮机发电系统的设备相同的设备标以相同的 符号并省略其说明。采用这样的设备配置的燃烧天然气(以天然气为燃料的意思)的 燃气轮机发电系统在设计时特别容易进行轴的设计。而且在新建造系统的情况下也可 以采取沿用大致标准的已有的设计，而只对其稍作修改的方法。
近年来，随着作为占发电系统的运行成本的大部分的燃料的天然气价格等的上升， 希望废弃燃烧天然气的燃气轮机发电系统，建造燃烧副产品气体(低卡路里气体)的 燃气轮机发电系统，或将已有的燃烧天然气的燃气轮机发电系统改造为燃烧低卡路里 气体的燃气轮机发电系统的用户在增加。但是如上所述，向来以低卡路里气体为燃料 的发电系统需要大容量的燃料气体压縮机，需要对每一系统进行设计(特别是轴的设 计)，不可避免会造成建造周期的延长和系统建造的高成本化。
又，即使是以这样的低卡路里气体作为燃料的燃气轮机发电系统，也与使用天然 气等高卡路里燃料的燃气轮机发电系统一样，要求在负载切断等负载急剧减小的情况 发生时，能够抑制燃气轮机的过速(转速的过度上升)，同时不跳闸地握持规定的转 速，并且维持转速可控制的状态。
例如在燃气轮机以额定负载运行时，送电系统或燃气轮机发电系统中发生的某种 原因造成负载被切断的情况下，燃气轮机一旦从负载解列(st印out)，就在瞬间就会 陷入过速状态。检测装置一旦检测出这样的情况，为了减少燃料供应量，就迅速减小 燃料供给系统的流量控制阀的开度，抑制燃气轮机的过速。负载切断的检测根据发电 机的输出信号或燃气轮机的转速信号等的输入进行。然后，流量控制阀实施闭阀动作， 将阀门关闭到确保为了避免燃烧器熄灭，也为了在无负载状态下维持额定转速所需要 的燃料最小流量所需要的开度。该流量控制阀的开度控制在对例如燃气轮机的转速、 发电机输出、燃气轮机的废气温度、空气压縮机的入口压力和出口压力等表示运行状 态的量进行监视的同时进行。关于这样的负载切断时的控制在许多文献中有公开(参照例如日本特开平8 — 165934号公报、日本特开2002—138856号公报、以及日本特开 2002 — 227610号公报)。
在以高卡路里的天然气为燃料的燃气轮机的情况下，燃料供给量比较少，因此该 燃料气体供给配管以及流量控制阀的口径小。从而，利用流量控制阀进行控制不那么 难。但是在以低卡路里气体作为燃料使用的燃气轮机发电系统的情况下，这种负载急 剧减小时的运行控制不容易。由于燃料气体是低卡路里气体，对燃气轮机的燃料供给 量大，使用大口径的燃料气体供给配管。从而，不得不选择大直径的流量控制阀，能 够作为流量控制用的阀门形式受到限定。如果采用这样的流量控制阀，则与天然气用 的流量控制阀不同，在负载切断时需要的小流量状态对电流减小稳定的控制是困难的。 从而，与发生负载切断同时稳定地减少燃气轮机输入的热量并维持输入的热量是困难 的。而且由于热量的卡路里值低，要一边防止熄火一边有效地抑制燃气轮机的过速是 困难的。
因此已有的将低卡路里气体作为热燃料的燃气轮机发电系统将燃料气体压縮机与 燃气轮机连接在同一轴上。在这种情况下，燃气轮机、燃料气体压縮机、以及发电机 构成的发电机列的旋转体全体的惯性力矩也大。

发明内容
本发明是为解决这样的存在问题而作出的，其目的在于，通过借用已有的使用天 然气等高卡路里燃料的燃气轮机发电系统，提供设计和制造容易的燃烧低卡路里燃料 的燃气轮机发电系统。也就是说，提供新制造是容易，而且也容易通过改造已有的燃 烧高卡路里气体的燃气轮机发电系统得到的燃烧低卡路里气体的燃气轮机发电系统。 而且在这样的燃烧低卡路里气体的燃气轮机发电系统中发生负载切断等负载急剧降低 的情况时，能够容易地抑制燃气轮机的转速上升的燃气轮机的运行控制方法。
本发明的燃气轮机发电系统，具备燃气轮机、可传递旋转力地连接于该燃气轮机 的发电机、用于对提供给所述燃气轮机的燃料气体进行压縮的燃料气体压縮机、驱动 该燃料气体压縮机用的电动机、从所述发电机对所述电动机提供电力用的第1驱动用 馈电线、以及控制燃气轮机的运行用的系统控制装置。
如果采用燃气轮机发电系统，己有的以天然气等高卡路里气体为燃料的燃气轮机 发电系统的设备配置可以沿用。从而，新的轴设计就不需要或变得容易。其结果是， 设计制造变得容易，能够縮短建造周期和降低系统建造成本。而且即使是发生负载切 断等外部负载急剧减小的情况时也由于以燃料气体压縮机用的电动机的消耗功率作为 负载，不会发生已有技术那样的燃气轮机负载极端下降的情况。其结果是，燃气轮机 的转速的上升预先得到抑制，因此容易进行燃气轮机的转速控制。
可以形成如下所述的结构，即除了来自发电机的第1驱动用馈电线外，还具备从所述发电机以外的电源对所述电动机提供电力用的第2驱动用馈电线，所述系统控制 装置形成能够对从所述第2驱动用馈电线向所述电动机进行的馈电和从所述第1驱动 用馈电线对所述电动机进行的馈电进行切换的结构。
在所述第2驱动用馈电线上设置用于启动所述电动机的，具有固定型频率变换器 的电动机启动装置。利用这样的结构，即使是在第2驱动用馈电线和上述发电机两个 供电系统中电气相位和电压互不相同的情况下，也能够启动电动机而不发生问题。
可以把所述第1驱动用馈电线连接于所述第2驱动用馈电线的电动机与电动机启 动装置之间的部分。
可以将所述第1驱动用馈电线连接于第2驱动用馈电线；所述电动机启动装置连 接于第2驱动用馈电线的与第1驱动用馈电线的连接部与电动机之间的部分。如果采 用这样的结构，则通过控制从发电机提供给电动机的电气频率，能够调节燃料气体压 縮机的气体压縮率。
可以设置为从所述发电机向外部送出电力，同时对所述燃气轮机进行驱动，从外 部对发电机提供电力用的发电机母线，在该发电机母线上连接所述第2驱动用馈电线。 如果采用这样的结构，则可以减少应该设置第2驱动用馈电线的设备的数目，因此能 够降低设备成本和维修保养成本，因此是理想的。
本发明的燃气轮机发电系统的运行控制方法，是具备燃气轮机、可传递旋转力地 连接于该燃气轮机的发电机、用于对提供给所述燃气轮机的燃料气体进行压縮的燃料 气体压縮机、驱动该燃料气体压縮机用的电动机、对所述电动机提供电力用的电力供 给线的燃气轮机发电系统的运行控制方法，所述燃料气体压縮机启动时，从所述电力 供给线对所述电动机馈电，在所述燃气轮机运行时，从所述发电机对所述电动机馈电。
如果采用本方法，则即使是负载切断等燃气轮机的外部负载急剧减小时，也和上 面所述相同，容易控制燃气轮机的转速。
在所述燃气轮机的负载急剧减小时，通过改变所述燃料气体压縮机的运行条件以 调节电动机的负载，更加容易控制燃气轮机的转速。
在燃气轮机的负载急剧减小时，使燃气轮机的输入热量减小，同时能够如上所述 改变燃料气体压縮机的运行条件。
如果采用本发明，则能够建造燃烧低卡路里气体的燃气轮机发电系统，而且沿用 已经形成标准设计的燃烧高卡路里气体天然气等的燃气轮机发电系统的设备配置，因 此新的轴设计就不需要或容易实施。从而，设计制造变得容易，而且能够縮短建造周 期并且降低系统的建造成本。而且在这样的燃烧低卡路里气体的燃气轮机发电系统中， 发生负载切断等负载急剧降低的情况时，能够容易地抑制燃气轮机的转速上升。
本发明的上述的或更多的内容从参照附图进行的下述说明能够清楚了解到。


图1是包含本发明的燃气轮机发电系统的一实施形态的燃气轮机发电系统的一个 例子的大概系统图。
图2是表示本发明的燃气轮机发电系统的电气系统的一个例子的系统图，表示运
动开始之前的状态。
图3是图2的系统图，表示该燃气轮机发电系统的通常运行状态。
图4是图2的系统图，表示该燃气轮机发电系统的负载切断时的状态。
图5是表示本发明的燃气轮机发电系统的电气系统的另一例子的系统图，表示运
行开始之前的状态。
图6是图5的系统图，表示该燃气轮机发电系统的通常运行状态。
图7是图5的系统图，表示该燃气轮机发电系统的负载切断时的状态。
图8 (a)是表示燃气轮机的负载切断时的负载变化的曲线图，(b)是表示负载
切断时由输入热量控制产生的燃气轮机的转速变化的曲线图，(c)是表示对应于负载
的切断进行控制的流量控制阀的开度变化的曲线图。
图9是表示已有的具备燃烧低卡路里气体的燃气轮机的发电系统的一个例子的系统图。
图10是表示已有的具备燃烧低卡路里气体的燃气轮机的发电系统的另一个例子 的系统图。
图11是表示已有的具备燃烧低卡路里气体的燃气轮机的发电系统的再一个例子 的系统图。
图12是表示已有的具备燃烧天然气的燃气轮机的发电系统的一个例子的系统图。 图13是表示已有的具备燃烧天然气的燃气轮机的发电系统的另一个例子的系统图。
具体实施例方式
下面参照上述附图对本发明的燃气轮机发电系统以及燃气轮机的运行控制方法的 实施形态进行说明。
图1是包含本发明的燃气轮机发电系统的一实施形态的燃气轮机发电系统1的大 概系统图。该燃气轮机发电系统1 (以下也简称"发电系统1")使用的燃气轮机2 的燃料是作为气体发生源的高炉S发生的低卡路里的副产品气体(低卡路里气体)BGF。 而且具备燃烧器3、对燃烧器3提供燃料气体的燃料气体供给配管4、对燃料气体进行 压縮用的燃料气体压縮机5、对燃烧器3提供压縮空气的空气压縮机6以及发电机7。 上述燃料气体供给配管4从气体发生源S经燃料气体压縮机5连接到燃烧器3。在燃 料气体供给配管4的燃料气体压縮机5与燃烧器3之间的部分设置流量控制阀10。本发电系统1通常运行时，系统控制装置70将例如发电机7的输出值、燃气轮机 2的转速、空气压縮机6的出入口压力、燃气轮机2的废气温度等作为输入信号，根 据其变动控制流量控制阀的开度，向燃气轮机2输入热量。
空气压縮机6和发电机7与燃气轮机2同轴连接，以便利用燃气轮机2的旋转轴 2a进行驱动。上述设备配置与已有的燃烧天然气的燃气轮机发电系统相同。因此系统 的设计和制造容易进行。而且与燃烧天然气的燃气轮机发电系统不同，如上所述在热 低卡路里气体的本燃气轮机发电系统1设置有大容量的燃料气体压縮机5。该燃料气 体压縮机5不与燃气轮机2同轴连结，而是独立设置。这一点是本发明的特征之一。 从而，在配设大容量热量气体压縮机5时，不需要新的轴设计。这也便于设计和制造。 独立配置的燃料气体压縮机5不是利用燃气轮机2驱动，而是利用其专用的电动机9 驱动。而且如下所述，对该电动机9，由发电厂内部的馈电配线(母线)供电，同时 从上述发电机7也能够供电。这一点也是本系统l的特征。
图2是表示为驱动上述发电系统1中燃气轮机2和燃料气体压縮机5，从发电机7 提供电力用的电气系统。系统控制装置70的图示省略。在该发电厂设置从发电机向外 部提供电力时等使用的第1母线11和对燃料气体压縮机5的电动机9提供电力时等使 用的第2母线12。
该第1母线11和发电机7之间设置发电机母线13。发电机母线13用于从发电机 7将电力发送到第1母线11，也使用于燃气轮机2启动时从第1母线11向发电机7 供电。又在发电机母线13设置启动时使用的遮断器14a和切断负载时使用的遮断器 14e。在发电机母线13上还设置具备燃气轮机2用的启动装置15的旁路母线15a以将 该遮断器14a旁路。也在该旁路母线15a上设置遮断器14b，也设置断路器14f。上述 启动装置15是将发电机7作为同步电动机使用，用于启动燃气轮机2的装置。该启动 装置15也可以使用例如静止型频率变换器。
在发电机7与燃料气体压縮机5用的电动机9之间设置第1驱动用馈电线16，在 第2母线12与上述电动机9之间设置第2驱动用馈电线17。两条馈电线16、 17上都 设置遮断器14c、 14d。第1驱动用馈电线16是在燃气轮机2运行时从发电机7向电 动机9供电，驱动燃料气体压縮机5用的母线。第2驱动用馈电线17是在燃气轮机2 启动时第2母线12向电动机9供电，驱动燃料气体压縮机5用的母线。在该第2驱动 用馈电线17上设置启动电动机9用的电动机启动装置18。该电动机启动装置18采用 静止型频率变换器，因此即使是第2母线12来的电和发电机7来的电的相位和电压互 不相同的情况下，也能够启动电动机9而不发生问题。这一点也是本系统的特征之一。 在各驱动用馈电线16、 17、发电机母线13以及旁路母线15a上的适当的地方设置变 压器8。
下面参照图2对利用系统控制装置70实施的燃气轮机发电系统1的运行控制进行
9说明。在运行开始之前，全部配线上的遮断器14a、 14b、 14c、 14d、 14e以及断路器14f断开。也就是切断供电。而且为了启动燃气轮机2，遮断器14e以及旁路母线15a上的遮断器14b和断路器14f闭合。于是，启动装置15改变频率对发电机7供电，以此使发电机7作为同步电动机旋转，使燃气轮机2旋转。这时，作为启动时的燃料暂时对燃气轮机的燃烧器3提供天然气NG等，因此燃气轮机2启动。
接着，上述旁路母线15a上的遮断器14b以及断路器14f断开，启动装置15结束其作用。另一方面，发电机母线13上的遮断器14a闭合，发电机7发生的电力向第1母线11输送，向发电厂内部和外部的用户点配电。接着，第2驱动用馈电线17上的遮断器14d闭合，从第2母线12向电动机启动装置18供电。于是，该电动机启动装置18驱动燃料气体压縮机5用的电动机9直到达到额定速度。借助于电动机9的旋转启动燃料气体压縮机5。
接着，如图3所示，电动机启动装置18使第2母线12来的电和发电机7发生的电的相位和电压同步。第1驱动用馈电线16上的遮断器14c闭合，从发电机7对电动机9供电。第2驱动用馈电线17上的遮断器14d断开，从第2母线2对电动机启动装置18的供电停止。也就是说，对电动机9的供电路径从第2驱动用馈电线17切换为第1驱动用馈电线16。通过从发电机7对电动机9正常供电，燃料气体压縮机5转为正常运行。而且对燃烧器3通过燃料气体供给配管4提供燃料气体(低卡路里气体)，燃气轮机2开始通常的运行。这时提供给启动用的天然气停止供给。
下面对作为燃气轮机2的负载急剧减小的一个例子的负载切断试验的运行控制进行说明。有义务借助于负载切断试验确认在工业用的燃气轮机发电系统中，在额定负载运行时发生负载切断的情况下，调速装置能够起作用，以使燃气轮机不超过允许的最大转速(通常是负载运行时的额定转速的110%)。确认调速装置的功能不存在问题后才允许进行操作。所谓调速装置包含例如调节燃料气体供给配管上的流量控制阀的开度的系统控制装置等。
在负载切断试验中，如图4所示，突然将负载切断用的遮断器14e断开，切断燃气轮机2的外部负载，而其他电气系统维持通常运行状态。也就是说，发电机7继续对燃料气体压縮机5用的电动机9进行供电。另一方面，燃气轮机2在瞬间与负载解列，但是迄今为止为维持额定运行提供的输入热量不能够在瞬间减少。剩余份额的输入热量产生上述旋转体的加速转矩使燃气轮机2加速，转速上升。即使是在这样的情况下，也必须急剧减少输入热量以使燃气轮机2的转速不超过允许的最大转速。
在已有的燃烧天然气的燃气轮机的情况下，与负载切断同时，实际上负载变成0，因此剩余份额的输入热量是很大的。另一方面，在本发系统1的情况下，即使是负载切断，发电机7还是对燃料气体压縮机5用的电动机9正常供电，因此即使是外部负载被切断，实质上的负载不为0。只是成为额定负载的例如20 40%。与不从发电机对电动机供电的己有的燃气轮机相比，燃气轮机2的转速的上升得到与其相应的抑制。从而，不必急剧减少而且极端减少燃料气体的供给量。也就是说，即使是大口径的流量控制阀IO，也容易对其进行控制，容易进行燃气轮机2的转速控制。
而且如果上述电动机9消耗的动力大，则负载急剧减小时燃气轮机2的残余负载变大。从而，利用这种情况，在负载急剧减小时改变燃料气体压縮机5的运行条件，这样能够更容易地控制燃气轮机2的转速。
燃料气体压縮机通常使用轴流式压縮机。本实施形态的上述燃料气体压縮机5也采用轴流式压縮机，通过改变其流体入口侧的导向叶片的倾斜角，调整燃料气体的压力。
在图2 图4所示的电气系统中，燃气轮机2启动用的电力供给与发电机7对外部的电力供给所使用的第1母线11和燃料气体压縮机用的电动机9的启动用的电力供给所使用的第2母线12属于不同的系统。但是如图5所示，也可以利用单一的系统(母线)ll实现两个电力供给。
与图2对比可知，在图5所示的系统中，没有设置第2母线12。通过把第2驱动用馈电线17连接于发电机母线13，从第1母线11通过发电机母线13和第2驱动用馈电线17,对燃料气体压縮机用的电动机9提供启动用的电力。连接第2驱动用馈电线17的发电机母线13的部分是旁路母线15a的连接点与变压器8之间。当然不限定于该位置。利用这样的结构，能够减少遮断器14d和变压器8的数目，母线也只要一根即可。与图2 图4所示的电气系统的不同点只有上面所述的部分，其他结构相同，因此对相同的构件标以相同的符号，省略其说明。
下面，图6表示使用于与图2和图5所示的电气系统不同的设备配置的电气系统。该电气系统也是用于驱动上述燃气轮机发电系统1的燃气轮机2和燃料气体压縮机5，以及用于从发电机7提供电力电气系统。图6是表示全部配线上的遮断器14a、 14b、14c、 14d、 14e以及断路器14f断开的，运行开始之前的状态。也就是供电被切断的状态。图2和图5所示的电气系统中，从发电机7到燃料气体压縮机用的电动机9的第1驱动用馈电线16连接于第2驱动用馈电线17的该电动机9与其启动装置18之间的部分。但是，在图6的电气系统中，上述第1驱动用馈电线16连接于第2驱动用馈电线17的电动机启动装置18的上游侧(电动机启动装置18的第2母线12—侧)。
如果采用这样的结构，则在本发电系统实施通常运行时，能够利用该电动机启动装置18改变燃料气体压縮机5的转速(电动机9的转速)。这是因为，如上所述，该电动机启动装置18采用静止型频率变换器，因此可以利用其功能改变电动机9的转速。在这种情况下，燃料气体压縮机5也可以采用上述带有导向叶片的轴流式压縮机，但是利用电动机启动装置18能够调整气体压縮率，因此也可以采用离心压縮机。
下面参照图6对系统控制装置70实施的燃气轮机发电系统1的运行控制进行说明。在采用图6的电气系统的情况下，与利用图2的电气系统的情况相比，电动机9 启动之后从发电机7对电动机9供电的状态下的运行控制互不相同。也就是说，在图 6的电气系统中也是使第2母线12来的电气与发电机7发生的电的相位和电压同步， 而且将对电动机9供电的路径从第2驱动用馈电线17切换为第1驱动用馈电线16。 但是，从发电机7向电动机9的供电通过具有频率变换功能的电动机启动装置18进行， 因此可以利用电动机启动装置18的频率变换作用，改变电动机9的转速。借助于这样 的结构，即使是燃料气体压縮机5不具备流体压力变更功能(导向叶片等)，也能够 借助于电动机启动装置18的控制改变燃料气体压縮机5压縮气体的气体压縮率。当然， 用带导向叶片的轴流式压縮机也没有问题
图7也表示能够从发电机7通过电动机启动装置18对电动机9供电的电气系统。 与图6对比可知，图7所示的电气系统中没有设置母线12。通过将第2驱动用馈电线 17连接于发电机母线13,从第1母线11通过发电机母线13以及第2驱动用馈电线 17提供燃料气体压縮机用的电动机9启动用的电力。连接第2驱动用馈电线17的发 电机母线13的部分是旁路母线15a的连接点与变压器8之间。当然不限定于该位置。 利用这样的结构，能够节省遮断器14d与变压器8，母线也只要一根即可。与图6所 示的电气系统的不同点只有以上所述的部分，其他结构与图6所示的电气系统相同， 因此对相同的构件标以相同的符号，省略其说明。
下面参照图8对上述运行可知的效果进行说明。
图8 (a)表示负载切断时的燃气轮机2的负载变化，横轴表示时间，纵轴表示燃 气轮机负载(％) ， 100%表示额定负载。负载切断之前以100%额定负载运行(图中 AO所示)，负载切断后阶梯状降低到Al点所示的，上述电动机9消耗的动力份额的 负载(例如30%)。在不由发电机对燃料气体压縮机用的电动机供电的类型的燃气轮 机的情况下，阶梯状降低到A2点所示的0X，这种情况为比较而表示于图中。
图8 (b)表示伴随负载的切断产生的燃气轮机的转速上升、以及利用流量控制阀 IO等进行输入热量控制(图8 (c)所示)以对转速的上升进行抑制时燃气轮机2的转 速变化。横轴与上述图8 (a)和下述图8 (c)对应，表示时间。纵轴表示燃气轮机的 转速，以额定负载运行时的额定转速Nrat.为100%时的转速的比例用百分率表示。
图8 (b)中的曲线B1例示负载切断后的燃气轮机2的转速的上升没有受到抑制， 超过最大允许转速(额定转速的110%的值)Nmax.的情况。为了比较，曲线B2例示 不从发电机对燃料气体压縮机用的电动机供电的类型的燃气轮机中，负载切断后的转 速的上升没有受到抑制，超过最大允许转速(额定转速的110%的值)Nmax.的情况。 对于相同的输入热量，本实施形态的燃气轮机2的转速(Bl)较比较例的转速(B2) 低。这是由于燃料气体压縮机用的电动机9的消耗动力作为负载存在。曲线B3表示在 本实施形态的燃气轮机2中，按照负载切断时下述图8 (c)的燃料流量减少曲线Cl进行控制时的转速变化。
图8 (c)表示燃气轮机2的负载切断时抑制燃气轮机2的转速上升用的流量控制 阀10的开度变化。横轴与上述图8 (a)和图8 (b)对应，表示时间。纵轴表示流量 控制阀10的开度(％)，但是也可以看作与燃料流量相同。
图8 (c)中的实线表示的曲线Cl是负载断开时为减少燃气轮机的输入热量以避 免燃气轮机2的转速超过允许的最大转速Nmax.(图8 (b))所需要的闭阀曲线，是 热量流量减少曲线。另一方面， 一点锁线表示的曲线C2是比较用的曲线，例示不从发 电机向燃料气体压縮机用的电动机供电的类型的燃气轮机中，为使燃气轮机的转速不 超过允许的最大转速Nraax.(图8 (b))所需要的闭阀曲线。
在负载切断之前以流量控制阀IO的额定开度(100%) Urat.、即能够实现该燃气 轮机2的额定输入热量的燃料流量(额定燃料流量)Qrat.运行。负载切断之后减小控 制阀10的开度，而且使其不低于保持燃料流量不低于能够维持燃气轮机的无负载额定 转速所需要的最小流量(Qmin.)的小开度(被称为所需要的最小开度)Umin,。所需 要的最小流量Qmin.是为确保不达到燃烧器3的熄火界限所需要的最小输入热量而设 定的燃料流量。但是在本实施形态的发电系统1中，负载切断之后电动机9的消耗动 力作为负载存在，因此能够实现相对于所需要的最小开度Umin.尚且保持余裕的开度
(参照曲线Cl和Umin.之差)。另一方面，在不从发电机对燃料气体压縮机用的电动 机供电的类型的燃气轮机的情况下，有必要使流量控制阀的开度接近必要的最小开度
(参照曲线C2)。
从这些燃料流量减少曲线(Cl、 C2)的比较可知，本实施形态的燃气轮机发电系 统1中，不必像比较例的系统那样减小流量控制阀10的开度。这是因为，由于燃料气 体压縮机用的电动机9的消耗动力作为负载存在，需要相当数量的燃料。换句话说， 意味着本实施形态的燃气轮机发电系统1中，对负载切断时的燃气轮机2的转速进行 控制时，能够进行控制，使得流量控制阀能够实现相对于燃烧器3的熄火极限具有余 裕的流量。
以上，如图8 (a) 图8 (c)所示，由于负载切断，燃气轮机2的负载从图8 (a) 中AO点的100%阶梯状降低到Al点的0%时，本实施形态的系统控制装置70为了抑 制燃气轮机2的转速的急剧上升，使流量控制阀10的开度为比所需要的最小开度Uniin. 大的有余裕的开度(图8 (c)的曲线C1)。这样一来，燃气轮机2输入的热量减少， 其结果是，从负载解列，转速开始急剧上升的燃气轮机借助于输入热量减少结果实现 的控制效果，防止超过允许的最大转速Nmax.，减速到额定转速Nrat.附近(图8 (b) 的曲线B3)。
系统控制装置70为了检测出燃气轮机2的负载急剧减小的情况，可以采用例如公 知的有功负载不平衡检测方法。当然不限于这样的方法。如果可能，也可以从燃气轮
13机的转速信号、燃料气体压縮机的出口压力信号、负载遮断器来的遮断信号等检测负 载急剧降低的情况。
而且在检测出负载急剧降低后系统控制装置70对流量控制阀10的开闭动作进行 控制时，可以以额定转速Nrad.作为目标值，对实际燃气轮机转速进行反馈控制。而 且还可以对其他燃气轮机运动状态量进行反馈控制。也可以根据燃气轮机的额定负载 运行模拟将负载急剧降低后的事件模式化的控制阀的开闭控制。将从该模拟结果得到 的关于负载急剧角度时的控制阀的开度等的数据预先设定于系统控制装置中。于是就 能够在真的负载急剧降低时选择预先设定的数据执行。而且也可以用通过实际操作运 行得到的实际数据(包括负载切断时的数据)将模拟数据的一部分或全部置换掉。也 就是说，也可以利用实际运行数据修正根据模拟结果预先设定的数据后使用。
这样，在该系统控制装置70，存储执行上述控制所需要的运算处理的程序和预先 设定数据，装备暂时存储运行中的数据和数值等的RAM以及按照上述程序进行运算处 理的CPU。
系统控制装置70如上所述对燃气轮机运行的全部动作进行控制。也就是说，系统 控制装置70管辖启动(包括启动准备、清洗、点火、同步投入、冷启动、热启动)、 额定负载运行、部分负载运行、停止、降温、负载切断等各种运行模式。
在以上说明的实施形态中，例示只利用燃气轮机发电的系统，但是并不限于此。 例如也可以是在发电机上连接燃气轮机同时也同轴连接蒸汽轮机的复合发电系统。因 为可以沿用已有的燃烧高卡路里气体的燃气轮机发电系统的设备配置。
在以上说明的实施形态中，例示所使用的低卡路里副产品气体为BFG (高炉气)， 但是并不限于此。低卡路里气体包括转炉气(LDG)、直接还原铁发生的副产品气体 (FINEX气体或COREX气体)、熔融还原炼铁法发生的副产品气体。而且还包括炼铁 领域以外的低卡路里气体，例如煤层中包含的煤层气体(COG) 、 GTL (气体液化)工 艺中发生的尾气、从油砂炼油的油精制工艺中伴随发生的副产品气体、垃圾热分解发 生的气体、包括生垃圾的一般废弃物在其掩埋的地方发酵、分解的过程中发生的可燃 性垃圾对气体、以及使其他类似的原料发生化学反应而伴随发生的副产品气体等低卡 路里气体等。当然除了单一的上述气体外，也可以是上述多种不同的气体的混合气体。
又，本发明不限于上述实施形态，在不超出本发明的趣旨的范围内，其结构可以 变更、追加或删除。
工业应用性
本发明的燃气轮机发电系统形成能够从连接于燃气轮机的发电机对燃料气体压縮 机的电动机供电的的结构，因此在负载急剧减小的情况下不会像已有技术那样负载大 大下降，因此其后对燃气轮机的转速控制容易 行。从而，适合例如带有进行负载切 断试验的义务的燃气轮机发电设备。
权利要求
1.一种燃气轮机发电系统，其特征在于，具备燃气轮机、可传递旋转力地连接于该燃气轮机的发电机、用于对提供给所述燃气轮机的燃料气体进行压缩的燃料气体压缩机、驱动该燃料气体压缩机用的电动机、从所述发电机对所述电动机提供电力用的第1驱动用馈电线、以及控制燃气轮机的运行用的系统控制装置。
2. 根据权利要求l所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，除了来自所述发电机的第l驱动用馈电线外，还具备从所述发电机以外的电源对所述电动机提供电力用的第2驱动用馈电线，所述系统控制装置形成能够对从所述第2驱动用馈电线向所述电动机进行的馈电 和从所述第1驱动用馈电线对所述电动机进行的馈电进行切换的结构。
3. 根据权利要求2所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，在所述第2驱动用馈 电线上设置用于启动所述电动机的，具有固定型频率变换器的电动机启动装置。
4. 根据权利要求3所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述第l驱动用馈电 线连接于所述第2驱动用馈电线的电动机与电动机启动装置之间的部分。
5. 根据权利要求3所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述第l驱动用馈电 线连接于第2驱动用馈电线；所述电动机启动装置连接于第2驱动用馈电线的与第1 驱动用馈电线的连接部与电动机之间的部分。
6. 根据权利要求2所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，设置为从所述发电机 向外部送出电力，同时对所述燃气轮机进行驱动，从外部对发电机提供电力用的发电 机母线，在该发电机母线上连接所述第2驱动用馈电线。
7. —种燃气轮机发电系统的运行控制方法，是具备燃气轮机、可传递旋转力地连 接于该燃气轮机的发电机、用于对提供给所述燃气轮机的燃料气体进行压縮的燃料气 体压縮机、驱动该燃料气体压縮机用的电动机、对所述电动机提供电力用的电力供给 线的燃气轮机发电系统的运行控制方法，其特征在于，所述燃料气体压縮机驱动时，从所述电力供给线对所述电动机馈电，在所述燃气 轮机运行时，从所述发电机对所述电动机馈电。
8. 根据权利要求7所述的燃气轮机发电系统的运行控制方法，其特征在于，在所 述燃气轮机的负载急剧减小时，通过改变所述燃料气体压縮机的运行条件以调节电动 机的负载。
9. 根据权利要求8所述的燃气轮机发电系统的运行控制方法，其特征在于，在所 述燃气轮机的负载急剧减小时，使燃气轮机的输入热量减小。
全文摘要
本发明是在燃气轮机的负载急剧减小时，能够容易地抑制燃气轮机的转速上升的燃气轮机发电系统，这种系统具备燃气轮机(2)、可传递旋转力地连接于燃气轮机(2)的发电机(7)、用于对提供给所述燃气轮机(2)的燃料气体进行压缩的燃料气体压缩机(5)、驱动该燃料气体压缩机(5)用的电动机(9)、从所述发电机(7)对所述电动机(9)提供电力用的第1驱动用馈电线(16)、以及控制燃气轮机(2)的运行用的系统控制装置。
文档编号H02P9/04GK101680365SQ20088000711
公开日2010年3月24日 申请日期2008年2月18日 优先权日2007年3月8日
发明者佐香正明, 大田秀明, 谏山靖生, 长谷川善幸 申请人:川崎成套设备股份有限公司