JP2003148170A

JP2003148170A - 発電プラントの負荷制御方法

Info

Publication number: JP2003148170A
Application number: JP2002256523A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Kawamura; 英之河村; Toshihiko Harashima; 敏彦原嶋; Masae Takahashi; 正衛高橋; Takeshi Ishida; 武司石田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2003-05-21
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: JP3872406B2

Abstract

(57)【要約】【課題】系統周波数の変動に起因して発電設備に発生す
る熱応力や不安定挙動の抑制と、系統周波数の安定化を
ともに実現する。【解決手段】燃焼器１、タービン３を有するガスタービ
ンと、ガスタービンと軸接続された発電機５を具備する
発電プラントに対し、系統周波数の変動に応じて中給か
ら指示される発電指令値１０１ｄと発電電力１０２ｄの
偏差を基にガバナ指令値１０３ｄを求め、指令値１０３
ｄと軸速度１０４ｄの偏差に応じて調定率（Ｒ）分に対
応した燃料指令値１０７ｄを求める調速負荷制御部１０
０に、燃料指令値１０７ｄの変化を制限する燃料指令制
限器（ＬＩＭ）１０７を設けた。制限器（ＬＩＭ）１０
７は、ガスタービンの熱応力や不安定燃焼を抑制するよ
うに変化率の制限値を設定され、燃料指令値１０７の変
化を制限値以内に押える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は火力発電プラントの
負荷制御に係わり、特にガスタービンの燃料流量を調節
して負荷制御を行うプラントの調速負荷制御方式に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】火力発電プラントは中央給電所からの発
電指令値に応じて、発電設備であるガスタービンの燃料
流量を制御、あるいは蒸気タービンの蒸気流量を制御す
る。この場合、系統周波数（東日本で５０Ｈｚ、西日本
で６０Ｈｚ）を安定させるため、調定率と言われる系統
寄与率に応じて、速度信号による発電量の調整を行い系
統周波数を安定させる。すなわち、系統の総負荷量の変
動に応じて変動する系統周波数の情報から、例えばガス
タービンの燃焼器に供給する燃料流量を系統寄与率に基
づいて制御し、系統周波数を安定させる。これは、調速
負荷制御あるいはガバナフリー制御と呼ばれている。

【０００３】例えば、調定率５％の発電設備で１００％
速度が５０Ｈｚであるとき、５％の速度である２．５Ｈ
ｚ当りの発電定格出力１００％分の燃料を、元の燃料流
量指令値に上乗せして調速負荷制御を行う。実際の系統
周波数は定格近辺では相対的に安定しているので、周波
数変動１％以下となるのが普通である。

【０００４】図１０に示すように、調速負荷制御におけ
る系統周波数と燃料流量の関係は、仮に１％の周波数変
動があると、上記のように５％当り１００％負荷調整と
なるため、１％に対しては定格の２０％の燃料流量を元
の指令値に加／減することになる。また、調速負荷制御
の機能は系統周波数の安定化と共に、系統事故等により
タービンの回転数が急上昇した場合に燃料を絞り込むの
で、タービンあるいは発電機の過速度防止の働きも持っ
ている。調定率５％のプラントの場合、５％に対して１
００％負荷分の燃料流量を回転速度に応じて操作するた
め、過速度が１０５％になった時点で、瞬時に負荷出力
指令は０％となり、逆に１０５％を超える軸速度となっ
た時点で、出力的には負の値、つまり回転数にブレーキ
をかける働きとなる。

【０００５】一方、ガスタービン発電プラントは燃料と
圧縮空気を燃焼器に供給し、その燃焼ガスによってガス
タービンを駆動する。このとき調速負荷制御を行なう
と、系統周波数のわずかな変動に対して上述のように高
ゲインの燃料流量調節を行う。高ゲインによる燃料指令
値の変化が急激ないし頻繁になると、燃焼器の燃空比が
急変して燃焼不安定となり失火や逆火の原因となる。ま
た、燃料の供給量が増大して上限値を超える温度上昇や
熱応力が発生すると、ガスタービンの熱ストレスが増大
し、蓄積される。この熱ストレスは燃焼器やタービンブ
レードなど、機械設備の劣化の主要因となり、設備の寿
命が短くなる。

【０００６】この対策として、例えば特開平８−２１８
８９７号では、ガスタービンの排ガス温度に上限値を設
定するとともに調速負荷制御の燃料供給指令にゲタをは
かせて、この上限値との温度差が零に近づくと温度負荷
制御を優先し、ガスタービンの負荷一定制御を行なう。
これにより、過大な熱ストレスを抑制するガスタービン
制御方式を提案している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の火力発電プラン
トにおけるガスタービン制御は、上述した調速負荷制御
や温度負荷制御の外に起動制御、停止制御、加速度制限
制御、ロードリミッタなどの制御出力を組み合わせ、運
転パターンやプラント状態に応じて低値となる制御信号
を選択して負荷制御を行なっている。

【０００８】しかしながら、ガスタービンの定格負荷近
傍の運転では燃焼ガス温度が上限値に近づくため、引用
例のような制御方式では温度負荷制御が選択されて調速
負荷制御が機能しないため、系統の発電計画に基づいて
設定されている調停率を事実上維持できなくなる。一
方、温度負荷制御が選択されない部分負荷運転時にはガ
バナフリーとなるが、その制御指令の変化による燃焼不
安定を解消することができず、特に低Ｎｏｘ燃焼器のよ
うな燃空比制御の難しい設備では問題が多い。なお、上
述の熱ストレスの発生は特にタービンブレードに集中
し、蒸気流量の変動による蒸気タービンの場合にも同様
な問題がある。

【０００９】このように、従来の火力発電プラントでは
熱応力による寿命低下や燃焼不安定を重視して温度負荷
制御を行なうと、系統の負荷変動に起因する周波数変動
を押さえることができない。一方、系統が不安定な場合
に系統の調停率を維持しようとする調速負荷制御を行な
うと、系統側が不安定な場合は負荷指令の変動も大きく
なるため、熱ストレスや燃焼不安定を増大させてしまう
というように、相反する問題点を抱えている。

【００１０】本発明の目的は、上記した従来の技術の問
題点を克服し、調速負荷制御による系統寄与を維持しつ
つ設備の長寿命化、燃焼の安定化を可能にする火力発電
プラントの負荷制御方法及び装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、軸結されたタービンと発電機を持つ発電プラント
に対し、系統周波数の変動に応じて中給から指示される
発電指令値（ＭＷ指令）、発電電力や軸速度の計測値及
び所定の調停率（系統寄与率）とから調速負荷制御信号
を求めて、系統周波数を安定化するようにタービンの負
荷制御を行なう発電プラントの負荷制御方法において、
前記調速負荷制御信号にその変化を制限する負荷制限関
数を乗じて求めた操作指令値により、前記タービンの負
荷制御を行なうことを特徴とする。

【００１２】前記タービンが燃焼器を具備するガスター
ビンの場合、前記操作指令値は燃料供給量であり、前記
負荷制限関数はガスタービンの熱応力及び不安定燃焼の
少なくとも一方を抑制するように設定する。また、前記
タービンが蒸気タービンの場合、前記操作指令値は蒸気
供給量であり、前記負荷制限関数は蒸気タービンの熱応
力を抑制するように設定する。

【００１３】また、前記負荷制限関数は、系統寄与率に
対して機械的イナーシャーなどから実効的に定まる有効
寄与率に応じて設定する。そして、有効寄与率と熱応力
の限界値あるいは燃焼安定度の兼ね合いから、シミュレ
ーション等により最適な制限値が設定される。

【００１４】前記負荷制限関数は、前記調速負荷制御信
号の変化率を制限する係数、または前記調速負荷制御信
号の信号値に応じてその変化率を可変制限する関数によ
り設定する。あるいは、一時遅れなどの時定数によって
もよい。

【００１５】さらに、本発明は定格速度の所定範囲内で
定格負荷ないし部分負荷の運転を行なう通常時には、前
記負荷制限関数を乗じた前記操作指令値により前記ター
ビンの負荷制御を行なう。一方、前記軸速度が前記所定
範囲の上限を超える過速度時は、前記負荷制限関数によ
る制限をしない前の調速負荷制御信号、つまりガバナフ
リー制御信号を選択して前記タービンの負荷制御を行な
うことを特徴とする。

【００１６】これにより、通常の定格運転またはその近
傍で、定格近傍の系統周波数のときは燃料指令値の急激
な変化を制限して燃焼不良や熱ストレスを回避し、軸速
度（系統周波数）が過速度時（例えば、定格の１１０％
超）は燃料供給を急速に絞り込んでプラントの過回転を
抑制することができる。

【００１７】本発明の作用を原理的に説明する。火力発
電プラントのガバナフリー制御信号は系統周波数の変化
に高ゲインで追従してタービン負荷を制御し、系統周波
数の安定化に努めている。系統の周波数変動は系統上の
負荷の総量の変化分を意味し、発電設備がガスタービン
の場合、燃料流量指令値の変動分は主として系統の周波
数変動の値による。しかし、実測値によるとタービンな
ど機械設備が追従できる系統周波数の変化には限界があ
り、ある変化レート以上では調速負荷の働きを伸長する
ことなく発電設備に負担をかけ、熱応力や不安定燃焼を
引き起こす要因となっている。

【００１８】本発明はこの点に着目してなされたもの
で、調速負荷制御信号の変化を発電設備の追従可能な範
囲に制限することで、タービンの熱応力や不安定燃焼の
発生を抑制するとともに、定格負荷ないし部分負荷の運
転で常時、ガバナフリー制御を機能させている。このガ
バナフリーの制限の指標の一つとして、有効寄与率があ
る。

【００１９】図２に、系統寄与率及び燃焼安定度と負荷
制限係数の関係を示す。ガバナフリー制御信号に乗ずる
負荷制限係数が０％（変化率が０）から、制限係数が１
００％（制限なし）まで、理論的な系統寄与率は図示の
実線のように０％〜１００％となる。また、燃焼の安定
度は一般には変化が小さいほど安定するから、制限値が
０％（負荷一定制御）で最も高く、制限値１００％に向
かって低下する。同様に、ストレスとなる熱応力も負荷
変化が小さいほど低下する。

【００２０】仮りに、±１％の系統周波数変化が０．５
％／秒の変動率で発生すると、発電設備の機械的イナー
シャーなどから実際の系統寄与率は点線のように鈍化
し、図示の例では制限値７０％と制限値１００％の有効
寄与率に大差がない。つまり、ガバナフリー制御信号の
変化率に制限を加えない場合も、７０％制限を加えた場
合も、周波数変化を安定させる機能に実質的な差がない
ことになる。

【００２１】したがって、変化率を７０％に制限するリ
ミッタを介して調速負荷制御信号を出力して系統寄与率
を維持する一方で、変化率を７０％に制限した分だけ燃
焼不良や熱ストレスを抑制低減できる。この結果、運転
熱特性の向上により、定格負荷ないしその近傍での調速
負荷制御が可能になる。

【００２２】以上のように、本発明によればガバナフリ
ー制御に対する簡単な追加で常時その機能を発揮させ、
発電設備として系統寄与率を維持しながら（あるいは実
質的に向上させながら）、設備の長寿命化や燃焼の安定
化をはかることができる。

【００２３】また、上述の制限機能を付加した場合、調
速負荷制御機能が持っている過速度緩和機能が低下する
が、過速度時に制限機能を解除するかまたは制限機能の
ない従来型の調速負荷制御機能を併用することで、フェ
イルセーフな運転が可能になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。図３に本発明
を適用する火力発電プラントの構成を示す。本発電プラ
ントは負荷制御の対象となる燃焼器１と圧縮器２とター
ビン３を持つガスタービンと、１軸に構成される発電機
５からなる。ＬＮＧタンクからの燃料は燃料流量調節弁
４により調節され、圧縮器２からの空気とともに燃焼器
１に供給され、その燃焼ガスによってタービン３に回転
トルクを発生させる。タービン３からの排気は排熱回収
ボイラにより熱回収され、煙突より排気される。

【００２５】圧縮器２を介して燃焼器１に供給される空
気はＩＧＶ弁６より取り込まれる。ガスタービン制御で
は、圧縮機２が定格速度において常に一定負荷となるた
め、ＩＧＶ弁６も一定開度となる。一方、ガスタービン
制御装置１０による負荷制御信号によって燃料流量弁４
を制御し、燃料供給量の制御が行なわれる。一般に、燃
料流量弁の応答性はＩＧＶ弁より１桁以上も高い。ま
た、発電機５に具備する発電電力センサ７、軸速度セン
サ８、タービン３に具備する排ガス温度センサ９でそれ
ぞれ検出し、検出信号をガスタービン制御装置１０に送
る。

【００２６】図１に、一実施例によるガスタービン制御
装置の構成を示す。ガスタービンの燃焼器１の燃料流量
弁４に送られる燃料指令値１０ｄは、調速負荷制御部１
００及び他の制御負荷部２００の指令値に対する低値選
択部（ＬＳ）３００の選択により与えられる。

【００２７】他の制御部２００は、起動時に有効（指令
値が最小となる）となる起動制御部２００−１、停止時
に有効となる停止制御部２００−２、速度変動が上限
（１１０％）を越えた場合に有効となり過速度を回避さ
せる加速制限制御部２００−３、発電指令値（ＭＷ指
令）が所定範囲外となったときに有効となり負荷の上下
限を抑制する負荷制限制御部（ロードリミッタ）２００
−４、拝ガス温度が上限値を越えた場合に有効となり、
燃料供給を所定量にして排ガス温度を低下させ発電設備
を保護する排ガス温度制御部２００−５を有し、これら
は従来と同様の構成である。

【００２８】調速負荷制御部１００は、中央給電司令所
などから指示される発電指令値１０１ｄと発電電力セン
サ７からのＭＷ値１０２ｄとの偏差を求める加算器１０
１、正負に一定値以上の偏差値を求めるモニタリレー
（ＭＲ）１０２、ＭＲの出力に応じて予め設定されてい
る一定の変化レートにより負荷設定値１０３ｄを生成す
るアナログメモリ（ＡＭ）１０３と、負荷設定値１０３
ｄと発電機速度センサ８からの速度信号１０４ｄとの偏
差を求める加算器１０４と、この偏差値に調停率（Ｒ）
の逆数をかける乗算器１０５と、この乗算器出力に無負
荷オフセット値である定格無負荷燃料指令値（ＦＳＮ
Ｌ）１０５ｄを加算して燃料流量指令値１０６ｄを出力
する加算器１０６と、燃料流量指令値１０６ｄの急激な
変化を抑制して調速負荷制御指令１００ｄを出力する燃
料指令制限器１０７から構成されている。

【００２９】上記で、アナログメモリ１０３に設定され
る変化率には負荷信号の速度成分への変換を含み、この
速度成分で表わした負荷設定値１０３ｄはガバナ設定値
と呼ばれる。このガバナ設定値１０３ｄと軸速度１０４
ｄの偏差信号（ガバナフリー制御信号）１０５ｄを、燃
料指令値へ重畳することをガバナフリー制御と呼んでい
る。つまり、常に変動する負荷の総量を速度の変化とし
て捉え、その速度変動を抑制することで系統周波数の変
動を安定させる働きをする。この速度偏差に調停率Ｒの
逆数であるガバナゲインを乗じ、調停率に応じた負荷制
御を行なう。

【００３０】例えば、調定率が５％の場合、１／Ｒは１
／０．０５となる。したがって、定格に対し５％の速度
増が発生した時に、プラントの１００％定格の燃料流量
を元の負荷設定値に対して重畳して２００％の燃料を供
給し、反対に５％の速度減が発生すると０％の燃料供給
となる（オフセットのＦＳＮＬのみとなる）。

【００３１】次に、本調速負荷制御部１００の特徴をな
している燃料指令制限器１０７の構成と動作を説明す
る。

【００３２】図４に、燃料指令制限器の一実施例を示
す。燃料指令制限器１０７は、従来のガバナフリー制御
信号である燃料流量指令値１０７ｄと変化率制限後の前
回値１０６ｄ’(１００ｄ)との差分に一定ゲインＫを掛
ける乗算器１１１と、その乗算結果の変化率を上限・下
限設定値で制限するリミッタ（ＬＩＭ）１１２と、制限
後の偏差値を前回値に積算する積分回路１１３から構成
されている。

【００３３】これにより、燃料流量指令値１０６ｄの変
化率がＬＩＭ１１２の上限（上昇変化率の制限値）／下
限（下降変化率の制限値）以下の場合は、燃料流量指令
値１０６ｄがそのまま出力される。また、変化率が上限
／下限を超える場合は設定された変化率制限値に押さえ
られた指令値１００ｄとなる。変化率の制限値は、例え
ばガスタービンの熱動特性による熱応力や燃空比の制約
と、系統寄与率の兼ね合いから設定される。

【００３４】図７に、調速負荷制御によるプラントの挙
動を示す。（イ）は系統周波数、（ロ）は燃料指令、
（ハ）はガスタービンの熱応力の変化を示す。同図
（ａ）の挙動は、燃料指令制限器１０７を具備しない従
来型の調速負荷制御の例で、速度が定格１００％に対し
て１％の範囲で変動する場合を示す。

【００３５】調定率５％のプラントは、１％の速度変動
に対しては２０％の燃料指令を重畳させるので、（ａ）
の速度（系統周波数）変動に追従して（ｂ）の燃料指令
値１０７ｄとなる。このとき、ガスタービンの熱応力は
燃料指令値、系統周波数の変動に応じた傾向を示し、
（ｃ）のように燃料指令値の変化の大きいところで大き
な熱応力を発生し、設備仕様に基づいて設定される熱応
力限界値を超過することがある。

【００３６】従来のガスタービン制御システムの調速負
荷制御では、熱応力がその限界値を越えても特に対策し
ないのが普通であり、発生した熱応力値の監視のみを行
い、観測された応力値のフィードバックにより寿命計算
など主機の耐久力を計算するにとどまっていた。あるい
は、従来技術に引用したように、調速負荷制御から排ガ
ス温度制御による負荷一定制御に切り替え、熱応力が限
界値以下となるように制御していた。

【００３７】図７（ｂ）は本実施例によるプラントの挙
動を示し、調速負荷制御部１００に燃料指令制限器１０
７を設けた場合である。（ａ）の速度変化を同じとし
て、（ｂ）の燃料指令１００ｄが実線のように変化す
る。ここで、一点鎖線はＬＩＭ１０７による変化率制限
値を示している。燃料指令１００ｄはその変化率が制限
値内に押えられているので、従来の指令値１０７ｄ（点
線）より変化が緩やかになる。この結果、（ｃ）のよう
に、熱応力はその限界値以下に抑制することができる。

【００３８】なお、図示では燃料指令の変化率制限の効
果を熱応力の抑制の例で示したが、燃空比の急変による
燃焼不安定の回避に対しても、直接的な効果をもたらす
ことは言うまでもない。さらに、発電プラント全体の働
きとしては、速度（系統周波数）の変動分に対するガバ
ナフリー制御としての働きを保っている。ちなみに、Ｌ
ＩＭ１０７の変化率制限値が図２に示した有効寄与率の
範囲内であれば、ガバナフリー制御に対するＬＩＭ１０
７の制限の影響は実質的には存在しない。

【００３９】図５に、燃料指令制限器の他の実施例を示
す。図４との相違は、リミッタ１１２の上限・下限設定
値を一定値とせず、燃料流量指令値に対する関数値とす
るための関数発生器ＦＧ(１)、ＦＧ(２)を設けた点にあ
る。図５（ｂ），（ｃ）に、上限用の関数発生器ＦＧ
(１)と下限用のＦＧ(２)について、燃料流量指令と制限
値の関係の一例を示す。

【００４０】これにより、燃料流量指令値の変化率だけ
でなく、ガバナフリー制御によって重畳される燃料流量
指令値の絶対値をも考慮している。つまり、燃料指令値
が大きいときには上昇・下降設定値を下げることで変化
率をさらに押さえ、逆に燃料指令値が小さいときには上
昇・下降設定値を上げることで変化率の制限を緩める。
この結果、熱応力や燃焼不安定の発生しやすい高負荷運
転の範囲において制限値を大きくできるので、過大な熱
応力や燃焼不安定の発生を回避しながら、定格負荷近傍
でのガバナフリー性能をいくぶん低下させながらも維持
し、系統への周波数安定化機能を確保することができ
る。

【００４１】図６に、燃料指令制限器のさらに他の実施
例を示す。本実施例の燃料指令制限器１０７は、図５
（ｂ）のＦＧ(１)、ＦＧ(２)の関数発生器の入力に、燃
焼器燃焼モード、燃料流量指令値、中給発電指令値、燃
焼温度などの１つまたは複数を取り込むもので、燃焼器
状態などに応じたよりきめ細かな制限を実現できる。

【００４２】さらに、燃料流量指令値の変化率に加え、
燃料流量絶対値の制限を行なうＬＩＭ１１４を設け、そ
の上限値（正側の最大値）及び下限値（負側の最大値）
を設している。ＬＩＭ１１４の上限値や下限値はプラン
ト側の状態による最適なパラメータ値が選択される。

【００４３】以上のように、本実施形態の発電プラント
の負荷制御装置によれば、調速負荷制御による燃料流量
指令値に対しその変化率または変化率と絶対値を制限す
る機能を設けているので、指令値の急激な変化による燃
焼不安定や過大な熱応力の発生を抑制でき、調速機能を
維持しながらガスタービンの安定運転や長寿命化をはか
る効果がある。

【００４４】なお、理論的には燃料流量指令値の変化を
制限する分だけ系統寄与度が低下することになるが、機
械的イナーシャなどを考慮した有効寄与率との兼ね合い
で制限すれば、調速機能の実質的な低下は少ない。

【００４５】また、従来は燃料流量指令値の変化が大き
いと、定格負荷近傍では熱応力をもたらす限界温度値を
超えたり燃焼不安定になることが多く、これを回避する
ためには調速負荷制御を中断して温度負荷制御に切り替
える必要があった。しかし、本実施例によれば部分負荷
はもちろん、定格負荷ないしその近傍での調速負荷制御
が可能になり、実質的な系統寄与度を向上できる効果が
ある。

【００４６】次に、本発明による発電プラント負荷制御
装置の他の実施形態を説明する。発電機に接続される系
統負荷が急減した場合、運転モードが正常なときは燃料
流量指令値による供給量と負荷のバランスが取れている
ので、軸の回転速度は定格近辺で安定に制御される。し
かし、系統事故などにより負荷が急減した場合は、燃料
流量指令値と負荷のバランスが崩れるため、タービン回
転速度が急上昇する。

【００４７】調速負荷制御機能はタービン速度を安定さ
せる制御であるから、タービンが過速度状態になった場
合に燃料を絞り込む働きをする。一般に、タービンの設
計としては定格の１１０％速度まではタービンブレード
が遠心力等の応力に耐えられるように設計され、このス
ピードを超える前にすみやかに停止させる必要がある。
この際、機械的な緊急停止よりも、燃料を絞り込んで停
止させる方が設備寿命の上で望ましい。

【００４８】ところで、図１に示した調速負荷制御部１
００は燃料指令１００ｄの急激な変化を制限しているの
で、過速度時の減速機能が十分に働かなくなる。図８
（ａ）に、この場合の系統事故発生時のプラントの挙動
を示す。系統事故発生直後より（イ）速度が急増する。
このとき、（ロ）燃料流量指令値が制限前の指令値１０
６ｄ（点線）から制限後の指令値１００ｄ（実線）に変
化するので、燃料の絞り込みが遅れて軸の回転速度が過
速度限界（一般的には１１０％）を超えてしまう。した
がって、調速負荷制御装置からの燃料指令は通常時には
変化率を制限し、過速時には制限しないことが望まし
い。

【００４９】図９に、本実施形態によるガスタービン制
御装置の構成を示す。本ガスタービン制御装置１０は、
通常運転時に燃料流量指令値の変化を制限する図１と同
じ調速負荷制御部１００と、過速時に燃料を絞り込んで
減速するバックアップ用調速器１５０を併せ持ってい
る。

【００５０】バックアップ用調速器１５０は、ＡＭ１０
３からの負荷設定値１０３ｄに信号発生器（ＳＧ）１５
１からの補正用信号を付加した値と軸速度１０４ｄの偏
差によりガバナフリー制御信号を演算する加算器１５２
と、この制御信号にガバナゲイン（１／Ｒ）を掛ける乗
算器１５３と、無負荷オフセットのＦＳＮＬ１０５ｄを
付加する加算器１５４と、通常時には過速度用調速器１
５０の燃料流量指令１５０ｄが調速負荷制御部１００の
指令値より高値となるように、待機用オフセット値を付
加する加算器１５５から構成されている。

【００５１】図８（ｂ）はバックアップ調速器を設置し
たプラントの挙動を示している。（イ）の速度変化は、
同図（ａ）の場合と同じで、系統事故発生時点から急増
する。（ロ）の燃料流量指令値は、事故発生前には調速
負荷制御部１００からの指令値１００ｄとなる。このと
き、バックアップ調速器１５０の指令値１５０ｄは待機
用オフセットだけ高く設定されるので、低値選択回路３
００により選択されることはない。事故発生後は指令値
１５０ｄが急減するのに対し、指令値１００ｄは変化率
制限により緩やかに低下する。このため、１５０ｄ＜１
００ｄとなるタイミングで、バックアップ調速器１５０
の指令値１５０ｄが選択され、燃料を急速に絞り込む。
この結果、（イ）のように速度が急減速され、過速度限
界への超過を回避できる。

【００５２】なお、図９ではバックアップ調速器１５０
を別置したが、図１の調速負荷制御部１００の燃料指令
制限器１０７にバイパスを設け、一定速度以上で制限器
１０７とバイパスの切り替えを行なうようにしてもよ
い。

【００５３】図１１に、本実施例による系統周波数と燃
料流量の挙動を示す。系統周波数が５０ＨZの±１％以
内で変化している通常時は、燃料流量は調速負荷制御部
１００の指令値１００ｄに従って実線のように変化す
る。このとき、バックアップ調速器１５０の指令値１５
０ｄは、指令値１００ｄより＋２０％増しとし、指令値
１００ｄの上側となるようにして待機させている。１％
以上の過速時において１５０ｄ＜１００ｄになると、燃
料流量は指令値１５０ｄに従う。ちなみに、＋５％過速
の場合、指令値１５０ｄは定格１００％分の絞り込みと
なるので、実際の燃料流量はオフセット値２０％に向け
て急速に絞り込まれる。

【００５４】以上、本発明による火力発電プラントの負
荷制御装置を、発電設備にガスタービンを利用する例で
説明したが、これに限られるものではない。例えば、コ
ンバインド・ガスタービンプラントにおいて後段のボイ
ラの熱応力を制限する調速器や、蒸気タービンの熱応力
を制限する調速器などとしても適用可能である。これら
の場合、負荷制御指令は蒸気流量とすればよい。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、調速負荷制御信号の変
化を、その変化率や値について制限した操作指令値でタ
ービン負荷制御を行なうので、調速負荷制御を維持しな
がら発電設備の熱ストレスや燃焼不良を回避できる効果
がある。

【００５６】この効果に加えて、定格負荷近傍での調速
負荷制御が可能になり、系統寄与率を実質的に向上でき
る。

【００５７】さらに、通常時に調速負荷制御信号の変化
を制限し、過速時に制限を解除するので、ガバナフリー
制御が本来有している絞り込み作用を発揮でき、プラン
トをフェイルセーフに運転できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１による発電プラント制御シ
ステムの構成図。

【図２】本発明の負荷指令値の制限の一指標となる有効
寄与率の概念を示す説明図。

【図３】本発明を適用する発電プラントの一例（ガスタ
ービン方式）を示す構成図。

【図４】燃料指令制限器の一実施例を示す構成図。

【図５】燃料指令制限器の他の実施例の構成と制限特性
を示す説明図。

【図６】燃料指令制限器のさらに他の実施例を示す構成
図。

【図７】従来の制御と実施形態１の制御によるプラント
挙動を示すタイムチャート。

【図８】実施形態１及び２の制御による速度と燃料指令
の挙動を示すタイムチャート。

【図９】本発明の実施形態２による発電プラント制御シ
ステムの構成図。

【図１０】従来の調速負荷制御における系統周波数と調
停率分の燃料流量の関係を示す変化パターン図。

【図１１】実施形態２（実施形態１も含む）調速負荷制
御における系統周波数と調停率分の燃料流量の関係を示
す変化パターン図。

【符号の説明】

１…燃焼器、２…圧縮器、３…タービン、４…燃料流量
弁、５…発電機、６…ＩＧＶ弁、７…発電電力センサ、
８…軸速度センサ、９…排ガス温度センサ、１０…ガス
タービン制御装置、１００…提調速負荷制御部、１０
１，１０４，１０６…加算器、１０２…モニターリレー
（ＭＲ）、１０３…アナログメモリ（ＡＭ）、１０５…
乗算器、１０７…燃料指令制限器（ＬＩＭ）、１１１…
乗算器、１１２，１１４…ＬＩＭ、１１３…積分器、１
５０…バックアップ調速器、１５２，１５４，１５５…
加算器、１５３…乗算器、２００…他の制御部、２００
−１…起動制御部、２００−２…停止制御部、２００−
３…加速制限制御部、２００−４…負荷制限制御部、２
００−５…排ガス温度制御部、３００…低値選択部（Ｌ
Ｓ）、１０ｄ…燃料指令値、１００ｄ…調速負荷制御指
令、１５０ｄ…バックアップ調速器の燃料指令値、１０
１ｄ…発電指令値（負荷デマンド）、１０２ｄ…発電電
力（ＭＷ）、１０３ｄ…負荷設定値（ガバナ指令値）、
１０４ｄ…軸速度、１０５ｄ…ガバナフリー制御信号、
１０６ｄ…ＦＳＮＬ、１０７ｄ…燃料流量指令値。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年９月４日（２００２．９．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】発電プラントの負荷制御方法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｄ 17/00 Ｆ０１Ｄ 17/00 Ｑ 17/20 17/20 ＤＦ０２Ｃ 9/46 Ｆ０２Ｃ 9/46 (72)発明者高橋正衛茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者石田武司茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内Ｆターム(参考） 3G071 AB01 BA02 BA04 BA09 BA11 BA22 BA31 CA09 DA05 FA01 FA02 FA05 GA01 GA04 GA05 GA06 HA01 HA02 HA04 JA03 JA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸接続されたタービンと発電機を備える
発電プラントに対し、系統周波数の変動に応じて指示さ
れる発電指令値、発電電力や軸速度の計測値及び所定の
調停率とから調速負荷制御信号を求めて、系統周波数を
安定化するようにタービンの負荷制御を行なう発電プラ
ントの負荷制御方法において、前記調速負荷制御信号にその変化を制限する負荷制限関
数を乗じて求めた操作指令値により、前記タービンの負
荷制御を行なうことを特徴とする発電プラントの負荷制
御方法。
【請求項２】請求項１において、前記タービンが燃焼器を具備するガスタービンの場合、
前記操作指令値は燃料供給量であり、前記負荷制限関数
はガスタービンの熱応力及び不安定燃焼の少なくとも一
方を抑制するように設定することを特徴とする発電プラ
ントの負荷制御方法。
【請求項３】請求項１において、前記タービンが蒸気タービンの場合、前記操作指令値は
蒸気供給量であり、前記負荷制限関数は蒸気タービンの
熱応力を抑制するように設定することを特徴とする発電
プラントの負荷制御方法。
【請求項４】請求項１、２または３において、前記負荷制限関数は、前記調速負荷制御信号の変化率を
制限する係数、または前記調速負荷制御信号の信号値に
応じてその変化率を可変制限する関数により設定するこ
とを特徴とする発電プラントの負荷制御方法。
【請求項５】請求項１、２、３または４において、前記負荷制限関数は、発電設備の所定の系統寄与率に対
し機械的イナーシャーなどから実効的に定まる有効寄与
率に応じて設定することを特徴とする発電プラントの負
荷制御方法。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、定格速度の所定範囲で定格負荷ないし部分負荷運転を行
なう通常時は、前記負荷制限関数を乗じた前記操作指令
値により前記タービンの負荷制御を行ない、前記軸速度が前記所定範囲の上限を超える過速度時は、
前記調速負荷制御信号により前記タービンの負荷制御を
行なうことを特徴とする発電プラントの負荷制御方法。
【請求項７】燃料供給弁、燃焼器、タービンを有する
ガスタービンと、タービンと軸接続された発電機を具備
する発電プラントに対し、系統周波数の変動に応じて中
給から指示される発電指令値（ＭＷ指令）と発電電力と
の偏差を基にガバナ指令値を求め、このガバナ指令値と
軸速度の偏差に応じて調定率分の燃料指令値を求める調
速負荷制御手段を設け、系統周波数を安定化するように
ガスタービンの負荷制御を行なう発電プラントの負荷制
御装置において、前記調速負荷制御手段に燃料指令制限手段を設け、前記
ガスタービンの熱応力や不安定燃焼を抑制するように前
記燃料指令値の変化を制限するようにしたことを特徴と
する発電プラントの負荷制御装置。
【請求項８】請求項７において、前記燃料指令制限手段は、前記燃料指令値の変化率を一
定係数以内に制限する固定型リミッタ、前記燃料指令値
の変化率を所定入力を変数とする関数値以内に制限する
関数型リミッタとして構成したことを特徴とする発電プ
ラントの負荷制御装置。
【請求項９】請求項８において、前記所定入力として前記燃料指令値を用いることを特徴
とする発電プラントの負荷制御装置。
【請求項１０】請求項８または９において、前記燃料指令制限手段は、前記燃料指令値の変化率の制
限後に値を制限するリミッタを付加したことを特徴とす
る発電プラントの負荷制御装置。
【請求項１１】請求項８、９または１０において、前記ガバナ指令値と軸速度の偏差に応じて前期調停率分
の燃料流量指令値を求め、その燃料流量指令値にオフセ
ット値を付加し、通常時は前記燃料指令制限手段からの
第１の燃料指令値を上回るようにして第２の燃料指令値
とするバックアップ用調速手段と、前記第１の燃料指令
値と第２の燃料指令値の小さい方を選択する低値選択手
段を設け、通常時は変化を制限した前記第１の燃料指令値により、
加速時は変化を制限しない前記第２の燃料指令値により
負荷制御を行なうことを特徴とする発電プラントの負荷
制御装置。