JP2018017196A - Control device of gas turbine generator, control method of gas turbine generator, and gas turbine generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービン発電装置の制御装置、ガスタービン発電装置の制御方法およびガスタービン発電装置に関する。 The present invention relates to a control device for a gas turbine power generation device, a control method for the gas turbine power generation device, and a gas turbine power generation device.
発電出力の予測が不確実で、出力変動の大きい風力発電、太陽光発電など再生可能エネルギー発電の普及に伴い、電力系統全体の不安定化が懸念されている。この問題を解決するには、再生可能エネルギー発電の出力に応じて、従来の火力発電機の出力を変化させ、合計した発電出力を平準化することが必要になる。火力発電の中でも、ガスタービン発電は石炭火力発電よりも起動時間が短く、負荷変化率も大きく取れるため、再生可能エネルギーの出力変動を平準化できると期待されている。 The prediction of power generation output is uncertain, and with the widespread use of renewable energy power generation such as wind power generation and solar power generation with large output fluctuations, there is concern about destabilization of the entire power system. In order to solve this problem, it is necessary to change the output of the conventional thermal power generator according to the output of the renewable energy power generation, and level the total power generation output. Among thermal power generation, gas turbine power generation is expected to be able to level out fluctuations in the output of renewable energy because the startup time is shorter than that of coal thermal power generation and the load change rate can be increased.
特許文献1には、負荷変動への追従性の高い発電システムとして、2軸式ガスタービン発電システムの例が開示されている。2軸式ガスタービン発電システムは、燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、燃焼器に圧縮空気を送る圧縮機と、高圧タービンおよび圧縮機が取り付けられた第1の回転軸と、その第1の回転軸に取り付けられた電動機と、高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、低圧タービンによって駆動される発電機と、低圧タービンおよび発電機が取り付けられた第2の回転軸と、を備えて構成される。
このような2軸式ガスタービン発電システムでは、負荷変動に合わせるための出力指令を受け取ると、ガスタービン本体の発電機は、その指令値に応じた電力を発電しようとする。しかしながら、出力指令値の変化が速い場合には、発電機が発電する電力が出力指令値に追従できるとは限らない。そこで、2軸式ガスタービン発電システムの制御装置は、前記出力指令を受け取ると、燃焼ガスを燃焼して高圧タービンを駆動してから低圧タービン駆動するまでの遅れ時間を考慮したとき、その出力指令に追従できない発電機の出力量を計算する。そして、この出力量を、第1の回転軸に取り付けられた電動機に対する出力として指令する。こうして、発電機の出力と電動機の出力とを合計した出力により、負荷変動への追従が可能となる。 In such a two-shaft gas turbine power generation system, when an output command for adjusting to load fluctuations is received, the generator of the gas turbine main body tries to generate electric power according to the command value. However, when the change in the output command value is fast, the electric power generated by the generator cannot always follow the output command value. Therefore, when the control device of the two-shaft gas turbine power generation system receives the output command, it takes into account the delay time from combustion of the combustion gas to driving the high pressure turbine to driving the low pressure turbine. Calculate the output of the generator that cannot follow. Then, this output amount is commanded as an output to the electric motor attached to the first rotating shaft. In this way, it is possible to follow the load fluctuation by the output obtained by adding the output of the generator and the output of the electric motor.
特許文献2には、発電システムではないが、リアルタイム推定モデルを用いて燃料・空気の比率を一定に制御するガスタービン制御システムの例が提案されている。
電力系統の電力を平準化するためには、発電機出力を高速に変化させる必要がある。特許文献1に示されている二軸式ガスタービン発電システムでは、ガスタービン本体の発電機が追従できない出力量は電動機の出力によって補償される。その結果、二軸式ガスタービン発電システムの出力は、電力系統における負荷への高速追従が可能となっている。
In order to level the power of the power system, it is necessary to change the generator output at high speed. In the two-shaft gas turbine power generation system disclosed in
ところで、電動機の動作により圧縮機における空気の流量が変化し、燃焼器内での燃料と空気の比率が適正範囲を超えると、燃焼温度が高くなり、ガスタービン本体からの出力が制限される可能性がある。 By the way, if the flow rate of air in the compressor changes due to the operation of the electric motor and the ratio of fuel to air in the combustor exceeds the appropriate range, the combustion temperature becomes high and the output from the gas turbine body can be limited. There is sex.
一方で、電力系統を運用する発電業者は、再生可能エネルギー発電の増加に伴い、自らの火力発電機の効率低下による利益の低下を懸念する。そのため、再生可能エネルギー発電の変動に高速に追従することができるとともに、発電機の効率を考慮した発電システムおよびその制御技術の開発が近々の課題となっている。 On the other hand, power producers who operate electric power systems are concerned about a decline in profits due to a decrease in the efficiency of their thermal power generators as renewable power generation increases. Therefore, it is possible to follow the fluctuation of the renewable energy power generation at high speed, and the development of a power generation system and its control technology in consideration of the efficiency of the generator has become an issue in the near future.
本発明は、以上のような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電の高速負荷追従性能を確保した上で、発電効率を向上させることが可能なガスタービン発電装置の制御装置、ガスタービン発電装置の制御方法およびガスタービン発電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above, and the object thereof is a gas turbine power generator capable of improving power generation efficiency while ensuring high-speed load following performance of power generation. It is providing the control apparatus of this, the control method of a gas turbine power generator, and a gas turbine power generator.
本発明は、空気を加圧して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるとともに第1の回転軸を介して前記圧縮機を駆動する高圧ガスタービンと、前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービンと、第2の回転軸に取り付けられ、前記第2の回転軸を介して前記低圧ガスタービンにより駆動されて発電する発電機と、前記第1の回転軸を介して前記圧縮機の回転をアシストするとともに、前記発電機とは別に発電する電動機と、前記電動機および前記発電機に電気的に接続され、前記電動機と前記発電機との間での電力の授受および周波数変換を行う周波数変換器と、を備えてなるガスタービン発電装置に適用されるガスタービン発電装置の制御装置であって、
入力装置を介して運転管理者が設定する運転モードの入力を受付け、前記ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定部と、電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの前記発電機および前記電動機それぞれの出力電力と、前記ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、前記運転モード設定部で設定された運転モードに適合するとともに、前記発電指令値に追従する前記発電機の新たな出力電力である第1の配分電力と前記電動機の新たな出力電力である第2の配分電力とを含んでなる配分電力の組を計算する配分電力計算部と、前記計算された配分電力の組に含まれる前記第1の配分電力および前記第2の配分電力を、前記発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力部と、を有することを特徴とする。
The present invention is driven by a compressor that pressurizes air to generate compressed air, a combustor that mixes and burns the compressed air and fuel, and a combustion gas obtained by the combustor, and a first one. A high-pressure gas turbine that drives the compressor via a rotary shaft of the gas turbine, a low-pressure gas turbine that is driven by combustion gas after driving the high-pressure gas turbine, a second rotary shaft, and the second rotary shaft A generator that is driven by the low-pressure gas turbine through a rotating shaft to generate electric power, an electric motor that assists the rotation of the compressor through the first rotating shaft, and that generates electric power separately from the generator; And a frequency converter that is electrically connected to the electric motor and the generator and performs power transfer and frequency conversion between the electric motor and the electric generator. A control apparatus for turbines power generator,
The operation mode setting unit that receives the operation mode input set by the operation manager via the input device, sets the operation mode of the gas turbine power generation device, the power generation command value that follows the load of the power system, and Based on the output power of each of the generator and the motor and a model for estimating the internal state in the gas turbine power generator, the operation mode set by the operation mode setting unit is met and the power generation command value is set. A distributed power calculating unit that calculates a set of distributed power including a first distributed power that is a new output power of the generator that follows and a second distributed power that is a new output power of the motor; The first distribution power and the second distribution power included in the calculated distribution power set are set as the power to be generated by the generator and the motor, respectively. Characterized in that it and a control command output section that command to.
本発明によれば、発電の高速負荷追従性能を確保した上で、発電効率を向上させることが可能なガスタービン発電装置の制御装置、ガスタービン発電装置の制御方法およびガスタービン発電装置が提供される。 According to the present invention, there are provided a control device for a gas turbine power generation device, a control method for the gas turbine power generation device, and a gas turbine power generation device capable of improving power generation efficiency while ensuring high-speed load following performance of power generation. The
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to a common component and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置1の構成の例を模式的に示した図である。図1に示すように、ガスタービン発電装置1は、電動機ドライブシステム2と、二軸式ガスタービン3と、電動機ドライブシステム2および二軸式ガスタービン3を制御する制御装置4と、二軸式ガスタービン3によって駆動される発電機5と、を含んで構成される。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the configuration of a gas
ここで、発電機5によって発電される電力は、外部の電力系統6に供給されるとともに、電動機ドライブシステム2に供給される。また、電動機ドライブシステム2は、発電機5からの電力の供給を受ける一方、適宜、制御装置4からの指令に従って、電動機202で発電した電力を電力系統6へ供給する。以下、電動機ドライブシステム2、二軸式ガスタービン3および制御装置4について、図1に加え図2〜図5を参照しながら詳しく説明する。
Here, the electric power generated by the
図2は、本発明の実施形態に係る電動機ドライブシステム2の構成の例を模式的に示した図である。図1および図2に示すように、電動機ドライブシステム2は、周波数変換器201と、電動機202と、電動機出力制御装置203と、を含んで構成される。
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the configuration of the electric
周波数変換器201は、回転軸311に取り付けられた電動機202の出力方向を制御するとともに、電力の周波数や電圧を変換する機能を有する。図2に示すように、周波数変換器201は、一対の交流直流変換回路2010,2011と、これら2つの交流直流変換回路2010,2011の間に挟まれ、直流コンデンサ2013などで構成される直流回路部2012と、を含んで構成される。なお、交流直流変換回路2010,2011は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)やダイオードなどによって構成されている。
The
電動機出力制御装置203は、制御装置4から出力される電動機出力指令を受け取ると、周波数変換器201からそのときの電動機202の駆動周波数を取得し、所定の演算に従って電動機202の新たな駆動周波数を計算する。周波数変換器201は、この新たな駆動周波数を用いて電動機202を駆動する。そして、その駆動により、電動機202の回転速度が遅くなった場合には、電動機202は、電力を発電する発電機として機能し、また、電動機202の回転速度が速くなった場合には、電動機202は、電力を消費する電動機として機能する。
When the motor
電動機ドライブシステム2は、以上のように電動機202の出力(ただし、発電機として機能するとき、正の数で表し、電動機として機能するとき、負の数で表す)を変化させることができる。従って、発電機5から電力系統6へ供給される電力は、電動機202の出力によって増加させることも、また、減少させることもできる。この電動機202の出力変化は、二軸式ガスタービン3で駆動される発電機5の出力変化に比べると大幅な高速化が可能である。そのため、電力系統6の負荷が急激に変化しても、電力系統6へは安定した電力を供給することが可能になる。
As described above, the electric
図3は、本発明の実施形態に係る二軸式ガスタービン3の構成の例を模式的に示した図である。図1および図3に示すように、二軸式ガスタービン3は、空気を圧縮する圧縮機301と、燃料を圧縮した空気と混合して燃焼する燃焼器302と、高圧タービン303と、低圧タービン304と、ガスタービン制御装置305と、を備えて構成される。このとき、高圧タービン303は、燃焼器302で燃料を燃焼して得られた燃焼ガスから動力を得、低圧タービン304は、高圧タービン303から排出された燃焼ガスから動力を得る。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of the configuration of the two-
高圧タービン303および圧縮機301は、いずれも回転軸311に取り付けられており、回転軸311の回転とともに回転する。さらに、回転軸311には、電動機202が取り付けられており、電動機202は、電動機出力制御装置203からの指令に基づき、回転軸311の回転駆動をアシストするとともに、回転軸311の回転エネルギーの一部を電力に変換する。また、低圧タービン304および発電機5は、回転軸311とは別の回転軸312に取り付けられており、回転軸312を中心に回転する。
The high-
ガスタービン制御装置305は、制御装置4から出力されるガスタービン出力指令に基づき、圧縮機301に供給する空気の量および燃焼器302に供給する燃料の量を制御し、発電機5の出力をガスタービン出力指令に追従させる。なお、二軸式ガスタービン3の出力、すなわち、発電機5の出力は、ガスタービン制御装置305が燃焼器302に投入する燃料の量を変更してから、その燃焼ガスで高圧タービン303を駆動し、さらに低圧タービン304を駆動するまでの時間遅れを生じる。制御装置4から出力されるガスタービン出力指令は、この時間遅れを考慮して計算される。
The gas
また、二軸式ガスタービン3の制御では、通常、次の3箇所で流量、圧力、温度のバランスが取られる。すなわち、(a)圧縮機301の入口Aからその出口B(または、燃焼器302の入口)までの空気流量、圧力、温度、(b)高圧タービン303の入口C(または、燃焼器302の出口)からその出口(または、低圧タービン入口D)までの燃焼ガス流量、圧力、温度、および(c)低圧タービン304の出口Eの排気ガスの流量、圧力、温度。
In the control of the two-
また、二軸式ガスタービン3の制御では、タービン内の温度制限や排気ガスの環境規制値が制御上の大きな制約となる。ガスタービン制御装置305は、これらの制約に適合するよう、主として圧縮機301の入口における空気流量および燃料の量を制御し、二軸式ガスタービン3の運転条件を適正範囲に収めることができる。
Further, in the control of the two-
図4は、本発明の実施形態に係る制御装置4の機能構成の例を示した図である。制御装置4は、電動機ドライブシステム2および二軸式ガスタービン3の運転状況と種々の設定情報とに基づき、電動機ドライブシステム2および二軸式ガスタービン3のそれぞれが出力すべき電力を計算し、その計算結果を電動機出力指令およびガスタービン出力指令として出力する。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of the control device 4 according to the embodiment of the present invention. The control device 4 calculates the electric power that each of the
図4に示すように、制御装置4は、計測データ取得部401、運転状態表示部402、運転モード設定部403、配分電力計算部404、制御指令出力部405、情報記憶部411などの機能ブロックを含んで構成される。また、制御装置4には、液晶表示装置などの表示装置421とキーボードやマウスなどの入力装置422が付属する。
As illustrated in FIG. 4, the control device 4 includes functional blocks such as a measurement
ここで、計測データ取得部401は、図示しない計測器などで計測される電動機202の電動機出力値、発電機5の出力値(すなわち、ガスタービン出力値)、上位システムから与えられる発電指令値などのデータを取得し、その取得したデータを情報記憶部411に蓄積する。運転状態表示部402は、情報記憶部411に蓄積された電動機202の出力値、ガスタービン出力値、発電指令値やこれらに関連するデータの時間推移状況グラフなどを表示装置421に表示し、ガスタービン発電装置1の運転状況として運転管理者に知らせる。運転モード設定部403は、ガスタービン発電装置1における運転モードを設定する。本実施形態では、運転モードとして、後記するように、効率優先モードと負荷追従優先モードを有する。
Here, the measurement
配分電力計算部404は、ガスタービン発電装置1が出力する電力を前記発電指令値に追従させるべく、電動機ドライブシステム2への出力指令(電動機出力指令)および二軸式ガスタービン3への出力指令(ガスタービン出力指令)を計算する。つまり、配分電力計算部404は、指示された発電指令値を、発電機5の出力電力と電動機202の出力電力とでどのような配分で分担して実現するかを計算する。本実施形態では、これらの出力指令を計算するために、二軸式ガスタービン3の動特性を記述したモデルを用いる。なお、このモデルは、数式で表されていてもよく、コンピュータのシミュレーション言語などで記述されていてもよい。
The distributed
制御指令出力部405は、配分電力計算部404で計算された電動機出力指令およびガスタービン出力指令を、それぞれ電動機出力制御装置203(図2参照)およびガスタービン制御装置305(図3参照)に出力する。
The control
以上のような機能構成を有する制御装置4は、図示しない演算処理装置と記憶装置(半導体メモリ、ハードディスク装置など)とを備えた一般的なコンピュータによって実現することができる。その場合、計測データ取得部401、運転状態表示部402、運転モード設定部403、配分電力計算部404、制御指令出力部405などの機能ブロックは、前記演算処理装置が前記記憶装置に予め格納された所定のプログラムを実行することによって具現化される。また、情報記憶部411は、記憶装置の一部の記憶領域によって具現化される。
The control device 4 having the functional configuration as described above can be realized by a general computer including an arithmetic processing device (not shown) and a storage device (semiconductor memory, hard disk device, etc.). In that case, the arithmetic processing unit is stored in the storage device in advance for functional blocks such as the measurement
図5は、運転モード設定部403により表示装置421に表示される運転モード設定画面4211の例を示した図である。本実施形態では、運転モードとして発電効率優先モードおよび負荷追従優先モードが想定されている。発電効率優先モードでは、配分電力計算部404(図4参照)は、電力系統6の負荷の変動への追従性を多少犠牲にしても、発電効率を最大にするような電動機出力指令およびガスタービン出力指令を算出する。また、負荷追従優先モードでは、発電効率を多少犠牲にしても、負荷の変動への追従性(負荷応答性能)を最大にするような電動機出力指令およびガスタービン出力指令を算出する。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an operation
図5に示すように、運転モード設定画面4211には、運転モードを選択するラジオボタンが表示されるとともに、それぞれの運転モードで使用されるパラメータを設定するためのデータ入力ボックスが表示される。ちなみに、図5の例では、運転モードとして、発電効率優先モードおよび負荷追従優先モードが表示され、ここでは、発電効率優先モードのラジオボタンが選択されている。
As shown in FIG. 5, the operation
また、図5の例では、発電効率優先モードのパラメータとして、例えば、運転管理者が希望する発電効率最小値を設定するデータ入力ボックスが表示されている。同様に、負荷追従優先モードでは、運転管理者が希望する負荷応答性能を設定するデータ入力ボックスが表示されている。ただし、ラジオボタンで選択されていない運転モードについてのデータ入力ボックスの表示は省略されてもよい。 In the example of FIG. 5, for example, a data input box for setting a minimum power generation efficiency value desired by the operation manager is displayed as a parameter of the power generation efficiency priority mode. Similarly, in the load following priority mode, a data input box for setting the load response performance desired by the operation manager is displayed. However, the display of the data input box for the operation mode not selected with the radio button may be omitted.
なお、本実施形態では、発電効率(効率)とは、定格時の発電出力に対するそれぞれの条件で動作しているときの発電出力を%表示したものをいう。また、負荷応答性能は、例えば、単位時間に変化し得る電力量で表わされる数値(出力時間変化率)であるとする。 In the present embodiment, the power generation efficiency (efficiency) refers to the power generation output expressed in% when operating under the respective conditions with respect to the power generation output at the rated time. Further, it is assumed that the load response performance is a numerical value (output time change rate) represented by, for example, an electric energy that can change per unit time.
図6は、配分電力計算部404によって実行される発電効率優先モードでの配分電力計算処理の処理フローの例を示した図である。配分電力計算部404は、電力系統6の負荷の変動を監視している監視センタなどの上位システムから指令される発電指令値に追従するための電力を、発電機5と電動機202とでどのように分担して発電すべきかをリアルタイムで計算する。具体的には、配分電力計算部404は、指令された発電指令値に応じて、発電機5すなわち二軸式ガスタービン3への出力指令値(ガスタービン出力指令)、および、電動機202すなわち電動機ドライブシステム2への出力指令値(電動機出力指令)を計算する。なお、この計算には、情報記憶部411に事前に格納されている二軸式ガスタービン3の動特性モデルが用いられる。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a processing flow of the distributed power calculation process in the power generation efficiency priority mode executed by the distributed
図6に示すように、配分電力計算部404は、まず、二軸式ガスタービン3の定格出力などスペックに関するパラメータや、周囲温度などの環境パラメータに、適宜、値を設定してモデルを初期化する(ステップS10)。次に、配分電力計算部404は、ガスタービン発電装置1への発電指令値の入力を受け付け、さらに、そのときのガスタービン出力値および電動機出力値を取得し、ガスタービン発電装置1として必要な出力変化分を計算する(ステップS11)。なお、ガスタービン出力値および電動機出力値は、いずれも所定の計測装置によって計測される計測値である。
As shown in FIG. 6, the distributed
次に、配分電力計算部404は、ステップS11で計算されたガスタービン発電装置1として必要な出力変化分に対して、電動機202のアシストで調整可能な範囲で、適宜、電動機202の出力値の変化分および発電機5の出力値の変化分を定める。すなわち、配分電力計算部404は、発電機5が出力すべき電力(以下、第1の配分電力という)と電動機202が出力すべき電力(以下、第2の配分電力という)とからなる配分電力の組を複数組作成する(ステップS12)。ここで、電動機202のアシストで調整可能な範囲とは、電動機202の出力限界をいう。
Next, the distributed
次に、配分電力計算部404は、ステップS12で作成した配分電力の組それぞれについて、電動機202のアシストによるガスタービン発電装置1の内部状態の変化量を計算する(ステップS13)。
Next, the distributed
電動機202のアシストにより回転軸311の回転速度が変化すると、高圧タービン303や低圧タービン304などにおける流量や圧力が変化し、ガスタービン発電装置1の内部状態が変化する。こうして変化した後の内部状態は、ステップS12でいう電動機202のアシストで調整可能な範囲内でなければならない。内部状態として、例えば、高圧タービン303や低圧タービン304の温度や、廃棄ガスの有害物質の排出量がある。これらは、ガスタービンが安全に、かつ、環境規制を満たしながら運転するための制約条件である。
When the rotation speed of the
そこで、配分電力計算部404は、電動機202のアシストにより変化した変化後のガスタービン発電装置1の内部状態が所定の制約条件を満足しているか否かを判定する(ステップS14)。上述したように、所定の制約条件とは、ステップS12でいう電動機202のアシストで調整可能な範囲、高圧タービン303や低圧タービン304の温度制限値、排気ガスの環境規制値などをいう。
Therefore, the distributed
ステップS14の判定で、変化後のガスタービン発電装置1の内部状態が所定の制約条件を満足していない場合には(ステップS14でNo)、配分電力計算部404は、ステップS12へ戻って、配分電力の組を再度作成する。なお、配分電力の組を再度作成するのは、前記制約条件を満足していない場合の配分電力の組だけでよい。
If it is determined in step S14 that the internal state of the gas
一方、変化後のガスタービン発電装置1の内部状態が所定の制約条件を満足している場合には(ステップS14でYes)、配分電力計算部404は、前記作成された配分電力の組それぞれについての発電効率を算出し、その中から、発電効率が最大となる配分電力の組を選択する(ステップS15)。なお、発電効率としては、例えば、ガスタービン発電装置1の定格出力に対する発電機5が発電すべき電力(第1の配分電力)の比の値を用いることができる。あるいは、ガスタービン発電装置1の定格出力から第1の配分電力を差し引いた値であってもよい。
On the other hand, when the internal state of the gas turbine
次に、配分電力計算部404は、前記選択された配電電力の組に含まれる第1の配分電力および第2の配分電力を、ガスタービン出力指令および電動機出力指令として、制御指令出力部405を介してガスタービン制御装置305および電動機出力制御装置203へそれぞれ出力する(ステップS16)。
Next, the distribution
次に、配分電力計算部404は、運転モードが変更されたか否か、または、ガスタービン発電装置1の運転が停止されたか否かを判定する(ステップS17)。その判定の結果、運転モードが変更されず、また、ガスタービン発電装置1の運転が停止されていない場合には(ステップS17でNo)、配分電力計算部404は、ステップS11に戻って、ステップS11以下の処理を繰り返し実行する。一方、運転モードが変更されたか、または、ガスタービン発電装置1の運転が停止された場合には(ステップS17でYes)、配分電力計算部404は、図6の出力配分計算処理を終了する。
Next, the distributed
図7は、配分電力計算部404によって実行される負荷追従優先モードでの出力配分計算処理の処理フローの例を示した図である。図7に示した出力配分計算処理の処理フローでは、発電効率よりも負荷追従の応答性能が優先される。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a processing flow of output distribution calculation processing in the load following priority mode executed by the distribution
図7に示すように、配分電力計算部404は、まず、二軸式ガスタービン3の定格出力などスペックに関するパラメータや、周囲温度などの環境パラメータに、適宜、値を設定してモデルを初期化する(ステップS20)。次に、配分電力計算部404は、ガスタービン発電装置1への発電指令値の入力を受け付け、さらに、そのときのガスタービン出力値および電動機出力値を取得し、ガスタービン発電装置1として必要な出力変化分を計算する(ステップS21)。なお、ガスタービン出力値および電動機出力値は、いずれも所定の計測装置によって計測される計測値である。
As shown in FIG. 7, the distributed
次に、配分電力計算部404は、ステップS11で計算されたガスタービン発電装置1として必要な出力変化分に対して、電動機202のアシストで調整可能な範囲で、適宜、電動機202の出力値の変化分および発電機5の出力値の変化分を定める。すなわち、配分電力計算部404は、発電機5が出力すべき電力(第1の配分電力)と電動機202が出力すべき電力(第2の配分電力)とからなる配分電力の組を複数組作成する(ステップS22)。
Next, the distributed
次に、配分電力計算部404は、ステップS22で作成した配分電力の組それぞれについて、電動機202のアシストによるガスタービン発電装置1の内部状態の変化量を計算する(ステップS23)。
Next, the distributed
次に、配分電力計算部404は、電動機202のアシストにより変化した変化後のガスタービン発電装置1の内部状態が所定の制約条件を満足しているか否かを判定する(ステップS24)。ここで、所定の制約条件とは、ステップS22でいう電動機202のアシストで調整可能な範囲、高圧タービン303や低圧タービン304の温度制限値、排気ガス温度の環境規制値などをいう。
Next, the distributed
ステップS24の判定で、変化後のガスタービン発電装置1の内部状態が所定の制約条件を満足していない場合には(ステップS24でNo)、配分電力計算部404は、ステップS22へ戻って、配分電力の組を再度作成する。なお、配分電力の組を再度作成するのは、前記制約条件を満足していない場合の配分電力の組だけでよい。
If it is determined in step S24 that the internal state of the gas
一方、変化後のガスタービン発電装置1の内部状態が所定の制約条件を満足している場合には(ステップS24でYes)、配分電力計算部404は、前記作成された配分電力の組それぞれについての負荷追従性能値を算出し、その中から、負荷追従性能値が最大となる配分電力の組を選択する(ステップS25)。なお、負荷追従性能値としては、例えば、発電機5が発電すべき電力(第1の配分電力)と発電機5が発電すべき電力(第2の配分電力)との合計値と発電指令値との差分量の逆数などを用いることができる。
On the other hand, when the internal state of the gas turbine
次に、配分電力計算部404は、前記選択された配電電力の組に含まれる第1の配分電力および第2の配分電力を、ガスタービン出力指令および電動機出力指令として、制御指令出力部405を介してガスタービン制御装置305および電動機出力制御装置203へそれぞれ出力する(ステップS26)。
Next, the distribution
次に、配分電力計算部404は、運転モードが変更されたか否か、または、ガスタービン発電装置1の運転が停止されたか否かを判定する(ステップS27)。その判定の結果、運転モードが変更されず、また、ガスタービン発電装置1の運転が停止されていない場合には(ステップS27でNo)、配分電力計算部404は、ステップS11に戻って、ステップS21以下の処理を繰り返し実行する。一方、運転モードが変更されたか、または、ガスタービン発電装置1の運転が停止された場合には(ステップS27でYes)、配分電力計算部404は、図7の出力配分計算処理を終了する。
Next, the distributed
なお、図7に示した負荷追従優先モードでの出力配分計算処理の処理フローは、図6に示した効率優先モードでの出力配分計算処理の処理フローとほとんど同じであり、実質的には、ステップS25だけが図6のステップS15と相違しているだけである。 The processing flow of the output distribution calculation process in the load follow priority mode shown in FIG. 7 is almost the same as the processing flow of the output distribution calculation process in the efficiency priority mode shown in FIG. Only step S25 is different from step S15 of FIG.
以上、本発明の実施形態によれば、ガスタービン発電装置1の制御装置4は、上位システムなどから電力系統6の負荷に応じた発電指令値を受けたときには、予め準備した二軸式ガスタービン3の動特性モデルを用いて、その発電指令値に追従したガスタービン出力指令および電動機出力指令をリアルタイムで計算し、その計算結果を、ガスタービン制御装置305および電動機出力制御装置203へ出力する。また、運転モード設定部403で発電効率優先モードが設定された場合には、前記ガスタービン出力指令および電動機出力指令の計算では、電力系統6の負荷への高速追従性能よりも発電効率を優先する。よって、本発明の実施形態に係るガスタービン発電装置1では、発電の負荷追従性能を確保した上で、発電効率を向上させることができる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, when the control device 4 of the gas turbine
本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。 The present invention is not limited to the embodiments and modifications described above, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments and modifications have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. In addition, a part of the configuration of an embodiment or modification can be replaced with the configuration of another embodiment or modification, and the configuration of another embodiment or modification can be replaced with another embodiment or modification. It is also possible to add the following configuration. In addition, with respect to a part of the configuration of each embodiment or modification, the configuration included in another embodiment or modification may be added, deleted, or replaced.
1 ガスタービン発電装置
2 電動機ドライブシステム
3 二軸式ガスタービン
4 制御装置
5 発電機
6 電力系統
201 周波数変換器
202 電動機
203 電動機出力制御装置
301 圧縮機
302 燃焼器
303 高圧タービン(高圧ガスタービン)
304 低圧タービン(低圧ガスタービン)
305 ガスタービン制御装置
311 回転軸(第1の回転軸)
312 回転軸(第2の回転軸)
401 計測データ取得部
402 運転状態表示部
403 運転モード設定部
404 配分電力計算部
405 制御指令出力部
411 記憶部
421 表示装置
422 入力装置
2010,2011 交流直流変換回路
2012 直流回路部
2013 直流コンデンサ
4211 運転モード設定画面
DESCRIPTION OF
304 Low pressure turbine (low pressure gas turbine)
305 Gas
312 Rotation axis (second rotation axis)
401 measurement
Claims (8)
入力装置を介して運転管理者が設定する運転モードの入力を受付け、前記ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定部と、
電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの前記発電機および前記電動機それぞれの出力電力と、前記ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、前記運転モード設定部で設定された運転モードに適合するとともに、前記発電指令値に追従する前記発電機の新たな出力電力である第1の配分電力と前記電動機の新たな出力電力である第2の配分電力とを含んでなる配分電力の組を計算する配分電力計算部と、
前記計算された配分電力の組に含まれる前記第1の配分電力および前記第2の配分電力を、前記発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力部と、
を有すること
を特徴とするガスタービン発電装置の制御装置。 A compressor that compresses air to generate compressed air; a combustor that mixes and compresses the compressed air and fuel; and a first rotating shaft that is driven by the combustion gas obtained by the combustor. A high-pressure gas turbine that drives the compressor via the high-pressure gas turbine, a low-pressure gas turbine that is driven by the combustion gas after driving the high-pressure gas turbine, and a second rotary shaft, An electric generator driven by the low-pressure gas turbine to generate electric power, an electric motor that assists rotation of the compressor via the first rotating shaft and generates electric power separately from the electric generator, the electric motor, and the electric power generation A gas turbine applied to a gas turbine power generation apparatus, comprising: a frequency converter that is electrically connected to a motor and includes a frequency converter that performs power transfer and frequency conversion between the motor and the generator. The control apparatus of the power plant,
An operation mode setting unit that receives an input of an operation mode set by an operation manager via an input device and sets an operation mode of the gas turbine power generation device;
Based on the power generation command value following the load of the power system, the output power of each of the generator and the motor at that time, and the model for estimating the internal state in the gas turbine power generator, the operation mode setting unit A first distribution power that is a new output power of the generator that conforms to the set operation mode and follows the power generation command value, and a second distribution power that is a new output power of the motor are included. A distributed power calculation unit for calculating a set of distributed power consisting of:
A control command output unit that commands the first distributed power and the second distributed power included in the calculated set of distributed power to the generator and the motor as power to be generated respectively;
A control device for a gas turbine power generator, comprising:
前記第1の配分電力と前記第2の配分電力とからなる配分電力の組を複数組作成し、
前記配分電力の組それぞれについて前記第2の配分電力による前記電動機の動作が前記ガスタービン発電装置の少なくとも1つの状態に及ぼす変化量を、前記モデルを用いて推定し、
前記推定した変化量が前記ガスタービン発電装置のハードウエアによって定まる制約条件を満たしているか否かを判定し、
前記制約条件を満たしていると判定された前記配分電力の組の中から、前記運転モード設定部で設定された運転モードに適合する前記配分電力の組を1つ選択し、
前記選択した配分電力の組に含まれる前記第1の配分電力および前記第2の配分電力をもって、前記配分電力計算部での計算で得られる前記第1の配分電力および前記第2の配分電力とすること
を特徴とする請求項1に記載のガスタービン発電装置の制御装置。 The allocated power calculator is
Creating a plurality of sets of distributed power composed of the first distributed power and the second distributed power;
Estimating, using the model, the amount of change that the operation of the electric motor by the second distribution power has on at least one state of the gas turbine power generation device for each set of the distribution power,
Determining whether the estimated amount of change satisfies a constraint condition determined by hardware of the gas turbine power generation device;
From the set of distributed power determined to satisfy the constraint condition, one set of the distributed power that matches the operation mode set in the operation mode setting unit is selected.
The first distributed power and the second distributed power obtained by the calculation in the distributed power calculation unit using the first distributed power and the second distributed power included in the selected distributed power set; The control device for a gas turbine power generator according to claim 1.
前記制約条件を満たしていないと判定された前記配分電力の組については、その配分電力の組に含まれる前記第1の配分電力および前記第2の配分電力を作成し直すこと
を特徴とする請求項2に記載のガスタービン発電装置の制御装置。 The allocated power calculator is
For the set of distributed power determined not to satisfy the constraint condition, the first distributed power and the second distributed power included in the set of distributed power are recreated. Item 3. A control device for a gas turbine power generator according to Item 2.
発電効率を優先する発電効率優先モードおよび負荷追従を優先する負荷追従優先モードの少なくとも一方を含んだ複数の運転モードの中から1つを選択する運転モード設定画面を表示装置に表示すること
を特徴とする請求項2に記載のガスタービン発電装置の制御装置。 The operation mode setting unit is
An operation mode setting screen for selecting one of a plurality of operation modes including at least one of a power generation efficiency priority mode that prioritizes power generation efficiency and a load tracking priority mode that prioritizes load following is displayed on the display device. The control device for a gas turbine power generator according to claim 2.
前記運転モード設定部で前記発電効率優先モードが設定された場合には、前記制約条件を満たしていると判定された前記配分電力の組の中から、前記発電機の発電定格値に最も近い前記第1の配分電力を有する前記配分電力の組を選択すること
を特徴とする請求項4に記載のガスタービン発電装置の制御装置。 The allocated power calculator is
When the power generation efficiency priority mode is set by the operation mode setting unit, the set closest to the power generation rated value of the generator from the set of distributed power determined to satisfy the constraint condition The control device for a gas turbine power generator according to claim 4, wherein the set of the distributed power having the first distributed power is selected.
前記運転モード設定部で前記負荷追従優先モードが設定された場合には、前記制約条件を満たしていると判定された前記配分電力の組の中から、前記第1の配分電力と前記第2の配分電力との合計が前記発電指令値に最も近い値となる前記第1の配分電力と前記第2の配分電力とを有する前記配分電力の組を選択すること
を特徴とする請求項4に記載のガスタービン発電装置の制御装置。 The allocated power calculator is
When the load follow priority mode is set by the operation mode setting unit, the first distributed power and the second power are selected from the set of the distributed power determined to satisfy the constraint condition. 5. The set of the distributed power having the first distributed power and the second distributed power that is the sum of the distributed power and the value closest to the power generation command value is selected. Control device for gas turbine power generator.
前記制御装置は、
入力装置を介して運転管理者が設定する運転モードの入力を受付け、前記ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定ステップと、
電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの前記発電機および前記電動機それぞれの出力電力と、前記ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、前記運転モード設定ステップで設定された運転モードに適合するとともに、前記発電指令値に追従する前記発電機の新たな出力電力である第1の配分電力と前記電動機の新たな出力電力である第2の配分電力とを含んでなる配分電力の組を計算する配分電力計算ステップと、
前記計算された配分電力の組に含まれる前記第1の配分電力および前記第2の配分電力を、前記発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力ステップと、
を実行すること
を特徴とするガスタービン発電装置の制御方法。 A compressor that compresses air to generate compressed air; a combustor that mixes and compresses the compressed air and fuel; and a first rotating shaft that is driven by the combustion gas obtained by the combustor. A high-pressure gas turbine that drives the compressor via the high-pressure gas turbine, a low-pressure gas turbine that is driven by the combustion gas after driving the high-pressure gas turbine, and a second rotary shaft, An electric generator driven by the low-pressure gas turbine to generate electric power, an electric motor that assists rotation of the compressor via the first rotating shaft and generates electric power separately from the electric generator, the electric motor, and the electric power generation A frequency converter that is electrically connected to a machine and performs power transfer and frequency conversion between the motor and the generator; and a control device that controls the generator and the motor. Comprising a method for controlling a gas turbine power generation device applied to a gas turbine power generation system,
The controller is
An operation mode setting step for receiving an input of an operation mode set by an operation manager via an input device and setting an operation mode of the gas turbine power generation device;
Based on the power generation command value following the load of the power system, the output power of each of the generator and the motor at that time, and the model for estimating the internal state in the gas turbine power generator, the operation mode setting step A first distribution power that is a new output power of the generator that conforms to the set operation mode and follows the power generation command value, and a second distribution power that is a new output power of the motor are included. A distributed power calculation step for calculating a set of distributed power consisting of:
A control command output step for instructing the generator and the motor as the power to be generated by each of the first distributed power and the second distributed power included in the set of calculated distributed power;
The control method of the gas turbine power generator characterized by performing these.
前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器で得られた燃焼ガスにより駆動されるとともに第1の回転軸を介して前記圧縮機を駆動する高圧ガスタービンと、
前記高圧ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスにより駆動される低圧ガスタービンと、
第2の回転軸に取り付けられ、前記第2の回転軸を介して前記低圧ガスタービンにより駆動されて発電する発電機と、
前記第1の回転軸を介して前記圧縮機の回転をアシストするとともに、前記発電機とは別に発電する電動機と、
前記電動機および前記発電機に電気的に接続され、前記電動機と前記発電機との間での電力の授受および周波数変換を行う周波数変換器と、
前記発電機および前記電動機を制御する制御装置と、
を備えたガスタービン発電装置であって、
前記制御装置は、
入力装置を介して運転管理者が設定する運転モードの入力を受付け、前記ガスタービン発電装置の運転モードを設定する運転モード設定部と、
電力系統の負荷に追従した発電指令値と、そのときの前記発電機および前記電動機それぞれの出力電力と、前記ガスタービン発電装置内の内部状態を推定するモデルとに基づき、前記運転モード設定部で設定された運転モードに適合するとともに、前記発電指令値に追従する前記発電機の新たな出力電力である第1の配分電力と前記電動機の新たな出力電力である第2の配分電力とを含んでなる配分電力の組を計算する配分電力計算部と、
前記計算された配分電力の組に含まれる前記第1の配分電力および前記第2の配分電力を、前記発電機および前記電動機に対し、それぞれが発電すべき電力として指令する制御指令出力部と、
を有すること
を特徴とするガスタービン発電装置。 A compressor that compresses air to generate compressed air;
A combustor that mixes and burns the compressed air and fuel;
A high pressure gas turbine driven by the combustion gas obtained in the combustor and driving the compressor via a first rotating shaft;
A low pressure gas turbine driven by combustion gas after driving the high pressure gas turbine;
A generator attached to a second rotating shaft and driven by the low-pressure gas turbine through the second rotating shaft to generate electricity;
An electric motor that assists the rotation of the compressor via the first rotating shaft and generates power separately from the generator;
A frequency converter that is electrically connected to the motor and the generator, and performs power transfer and frequency conversion between the motor and the generator;
A control device for controlling the generator and the electric motor;
A gas turbine power generator comprising:
The controller is
An operation mode setting unit that receives an input of an operation mode set by an operation manager via an input device and sets an operation mode of the gas turbine power generation device;
Based on the power generation command value following the load of the power system, the output power of each of the generator and the motor at that time, and the model for estimating the internal state in the gas turbine power generator, the operation mode setting unit A first distribution power that is a new output power of the generator that conforms to the set operation mode and follows the power generation command value, and a second distribution power that is a new output power of the motor are included. A distributed power calculation unit for calculating a set of distributed power consisting of:
A control command output unit that commands the first distributed power and the second distributed power included in the calculated set of distributed power to the generator and the motor as power to be generated respectively;
A gas turbine power generator characterized by comprising:
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