JP5473610B2 - 発電装置および発電装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置の技術分野に属する。本発明は、特に、ガスタービンと電源とのあいだに周波数変換を行う電子分離装置を備えた発電装置およびこうした発電装置の駆動方法に関する。

従来技術
１００Ｍｗを超える領域の電力を形成する大規模な発電装置では、電流を形成するジェネレータがガスタービンおよび／または蒸気タービンによって駆動され、形成された電力が所定の電源周波数、例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで電源へ供給される。こうした発電装置では、通常、タービンの機械的回転数と電源周波数とが固定に結合されている。ジェネレータの出力は電源線路を介して周波数固定で電源へ接続されており、ジェネレータは直接にまたは機械的伝動装置を介して回転数の結合された状態で、タービンによって駆動される。発電装置のこうしたコンフィグレーションは図２、図３に概略的に示してある。伝動装置によれば、電源周波数とタービンの回転数とのあいだの変換比は固定にしか実現できない。ただし、本来のガスタービンとは異なる回転数を有する有効タービンによってジェネレータを駆動するという手段も考えられる。

図２には、ガスタービン１２およびこれに結合されたジェネレータ１８によって電流を形成して電源２１へ供給する、公知の発電装置１０’の概略図が示されている。ガスタービン１２およびジェネレータ１８は共通のシャフト１９によって接続されており、シングルシャフトタービントレイン１１を形成している。最も簡単なケースでは、ガスタービンは空気流入口１６を介して燃焼空気を吸入して圧縮する圧縮器１３を有している。圧縮器１３は、連続して接続される複数の部分圧縮器と場合によりそれらの中間に設けられる冷却器とから成る、順次に圧力レベルを増大させる構造であってもよい。圧縮器１３において圧縮された燃焼空気は燃焼室１５へ達し、燃料供給口１７を介して液体状（例えば石油）または気体状（例えば天然ガス）の燃料が噴射され、燃焼空気と混合されて燃焼される。

燃焼室１５で発生する高温のガスは、後置されたタービン１４において膨張して作業力となり、圧縮器１３ひいてはこれに結合されたジェネレータ１８を駆動する。タービンからの出口での排気ガスは付加的に後続する廃熱蒸気形成器２３へ供給され、別個の水蒸気循環路２５において蒸気タービン２４の駆動のための蒸気が形成される。このようにタービンを組み合わせた装置をコンビネーション発電装置と称する。蒸気タービン２４はここではタービン１４の反対側でジェネレータ１８に結合されている。ただし蒸気タービン２４が固有のジェネレータを駆動する構造も可能である。

図２のシングルシャフトタービントレインでは、ガスタービン１２の回転数が、ジェネレータ１８で形成される交流電圧の周波数ひいては電源２１の電源周波数に対して、固定の比を有さなければならない。１００ＭＷを超える出力のこんにちの大規模発電装置では、ジェネレータ周波数ないし電源周波数６０Ｈｚはガスタービン（例えば本出願人によるガスタービンＧＴ２４）の回転数３６００回転／ｍｉｎに対応し、ジェネレータ周波数ないし電源周波数５０Ｈｚはガスタービン（例えば本出願人によるガスタービンＧＴ２６）の回転数３０００回転／ｍｉｎに対応する。

ガスタービン１２の回転数とジェネレータ周波数ないし電源周波数との比を変更したい場合には、図３に示されているように、発電装置１０"のタービントレイン１１’において、基本的にガスタービン１２のシャフト１９とジェネレータ１８とのあいだに減速ギヤとして構成された機械的伝動装置２６を挿入し、小さい構造で高い回転数を得ることができるようにする。ただし、このような機械的伝動装置２６は耐性の問題から１００ＭＷより小さい出力の発電装置にしか使えない。他方、１タービン当たり１００ＭＷを超える大きな出力を効率よく獲得したい場合には、緩慢に回転するシングルシャフトタービントレインによって達成するほうが有利である。

ここで、図１に示されている状況を検討する。１００ＭＷを超える出力を得るには、５０Ｈｚ用の３０００回転／ｍｉｎのシングルシャフトタービントレイン（ＧＴ２６）あるいは６０Ｈｚ用の３６００回転／ｍｉｎのシングルシャフトタービントレイン（ＧＴ２４）の固定の回転数に合わせて設計するのが最適である。これについては、F.Joos et al., Field experience with the sequential combustion system of the GT24/GT26 gas turbine family, ABB Review no.5, 1998の１２頁〜２０頁を参照されたい。周波数１００Ｈｚ以上、出力１００ＭＷまでであれば、ほぼ任意の交流電圧周波数を形成可能な有効タービンまたは伝動装置を備えたコンフィグレーションか、あるいは、マルチシャフトタービントレインのコンフィグレーションを用いることができる。その例は図１にハッチング領域によって示されている。周波数とガスタービンの出力との関係は曲線Ａで、周波数と効率ηとの関係は曲線Ｂで示されている。高い効率の大きな出力は低い回転数で得られるが、そうするための手段は限られている。

当該の手段の製造コストを低減するために、米国公開第５５２０５１２号明細書において、種々の電源周波数に対して少なくともタービンの各部を同様に構成することが提案されている。しかし、このようにしても、ガスタービンの回転数と電源周波数とのあいだは不変かつ剛性に結合されている。

米国特許第６６２８００５号明細書には設定された回転数を有するタービンおよびジェネレータから成るシングルシャフト装置が記載されており、異なる電源周波数５０Ｈｚ，６０Ｈｚに対して利用可能である。２つの電源周波数の中間のジェネレータ周波数、例えば５５Ｈｚが選択され、電源周波数に応じて周波数差分器により５Ｈｚが加算または減算される。しかしここでも剛性の結合が行われている。

既存のタービン部品を備えた発電装置のコンセプトに対して、タービン回転数と電源周波数とが剛性に結合されていると、次のような欠点が生じる。すなわち、
・電源の安定動作が制限される
・タービン流入温度の上昇により電源周波数の支援のためにダイナミック制御を行うと、熱負荷および機械的負荷がきわめて高くなり、タービンの出力が損なわれる
・迅速な過渡特性によって負荷が増大する
・電源周波数から独立した出力の制御が不可能である
・電源周波数から独立した効率の最適化が不可能である
・電源周波数から独立した部分負荷の最適化が不可能である
・ガスタービンの放出量の制御が制限される
ことなどである。

新たに開発される部品を備えた既存の発電装置のコンセプトにおいても、タービン回転数と電源周波数とが剛性に結合されていると、次のような欠点が生じる。すなわち、
・周波数から独立した制御を行う場合、圧縮器およびタービンを最適点で動作するように設計できない
・電源周波数５０Ｈｚないし６０Ｈｚ用に設計されるガスタービンおよび蒸気タービンにつき、所望の出力を定めると必然的にコストが最適化されなくなる。これは、設定回転数により、空気力学的限界値または機械的限界値が回転数変動のあったときの相互調整を可能にする最適化を阻害するからである
・電源周波数への結合が設定されているためにタービンの出力が制限される（図１の曲線Ａを参照）
・ガスタービンを可変の周囲条件に適応させることができない
ことなどである。

米国公開第５６９４０２６号明細書からは、伝動装置を有さないシングルシャフトタービンジェネレータが公知である。ここではジェネレータの出力側と電源とのあいだに静的な周波数変換器が配置されており、これによってジェネレータで形成された交流電圧の周波数が電源周波数へ変換されるのである。ガスタービンの始動時にはジェネレータはモータとして利用され、電源から静的な周波数変換器を介してエネルギがガスタービンへ供給される。ここでの周波数変換器はインダクタンスによって形成される直流電流中間回路を有する。

米国特許第６９７９９１４号明細書からは、ジェネレータの出力側と電源との間に変換器を有するシングルシャフトトレインを備えた発電装置が公知である。ここではジェネレータで形成された交流電圧の周波数が電源周波数へ適合化される。ここでも周波数変換器は直流電圧中間回路を有する。

L.J.J.Offringa, et al., "A 1600kW IGBT converter with interphase transformer for high speed gas turbine power plants", Proc.IEEE, IAS Conf., 2000.4., 8-12, Oct.2000, Romeの2243頁〜2248頁には、１８０００回転／ｍｉｎで高速回転するガスタービンを備え、１６００ｋＷの比較的小さな出力を形成する発電装置が記載されている。この場合にもジェネレータと電源とのあいだに直流電圧中間回路を備えた変換器が配置され、周波数分離が行われている。

ジェネレータの出力側と電源とのあいだを周波数変換器によって分離する公知の発電装置には、変換器の直流電流中間回路または直流電圧中間回路が大きな電力損失を有するという欠点が存在する。当該の電力損失は、出力１００ＭＷを超えるシングルシャフトタービントレインを備えた発電装置において、効率の改善によって得られる利得分を相殺してしまう。

発明の開示
本発明の課題は、公知の発電装置の欠点を回避でき、特に、高い効率とフレキシブルな駆動とを両立できる発電装置ないし発電装置の駆動方法を実現することである。

本発明は、電子装置を介して、周波数の点で、ガスタービンおよびジェネレータのセットを電源から分離することを基本的な着想としている。当該の電子装置は例えばマトリクス変換器として構成される。これにより、ガスタービンは設計時にも駆動時にも種々の境界条件に合わせて最適に調整され、効率が低下しない。

駆動周波数と出力（曲線Ａ）ないし効率（曲線Ｂ）との関係を示すグラフである。 シングルシャフトタービントレインを備えた従来技術の発電装置のブロック図である。 ガスタービンおよび機械的伝動装置を備えた従来技術の発電装置のブロック図である。 ガスタービンおよび電子分離装置を備えた本発明の発電装置のブロック図である。 本発明の発電装置内で電子分離装置として用いられるマトリクス変換器の構造を示す図である。 本発明の発電装置の制御部の実施例を示す図である。 下方の回転数限界値と圧縮器流入温度との関係を示すグラフである。 圧縮器効率と空気力学的回転数との関係を示すグラフである。 圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１に関する空気力学的回転数ｎ^＊および機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈの制御を示す図である。 冷却空気システムに対する圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１と正規化された冷却空気圧力比π_ｃｏｏｌないし正規化された冷却空気流量ｍ_ｃｏｏｌとの関係を示すグラフである。

本発明の実施形態によれば、駆動周波数は電源周波数と明確に異なっており、特に駆動周波数は電源周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚよりも小さい。有利な実施形態によれば、電源周波数は６０Ｈｚであり、駆動周波数は５０Ｈｚである。

ただし、駆動周波数が電源周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚより大きくてもよい。特に、電源周波数が５０Ｈｚ，駆動周波数が６０Ｈｚであってもよい。

本発明の或る実施形態によれば、マトリクス変換器は、ｍ×ｎマトリクスに配置された制御可能な複数の双方向スイッチを有している。当該の双方向スイッチは制御回路によって制御され、ｍ個の入力側が選択的にｎ個の出力側へ接続され、ここでｍ＞ｎである。さらに、各入力側の電流の符号を求める第１の手段と各入力側間の電圧の符号を求める第２の手段とが設けられており、この第１の手段および第２の手段は制御回路へ接続されている。双方向スイッチは１つの素子であってもよいし、複数の素子から成っていてもよい。例えば反対の導通方向を有する２つの反平行のサイリスタを制御可能な双方向スイッチとして用いることができる。電流または電圧の符号を求める手段は例えば電流測定回路または電圧測定回路である。これに代えて、例えば、符号のみを出力するバイナリセンサを利用することもできる。

本発明の別の実施形態によれば、電子分離装置は可変の電子伝動装置として用いられる。これにより電源に接続されたガスタービンの回転数制御の信頼性が高まる。可変の電子伝動装置は例えばマトリクス変換器によって実現される。

回転数制御は、目標回転数が可変の電子伝動装置へ伝送され、ジェネレータを介して当該の回転数がガスタービンへ強制的に供給されることにより行われる。ジェネレータは、可変の電子伝動装置によって、ガスタービンに比べればほとんど静的と云える電源に対して支持されており、機械的回転数とガスタービンの電源周波数とのあいだの周波数比の制御によって目標回転数を供給するからである。

本発明の別の実施形態によれば、ガスタービンの回転数と可変の電子伝動装置の電源周波数との変換比は１より小さい。特に有利には当該の変換比は例えば５／６である。

ただし、ガスタービンの回転数と可変の電子伝動装置の電源周波数との変換比は１より大きくてもよい。特に当該の変換比は例えば６／５であってよい。

別の実施形態として、設計変換比を中心としたフレキシブルな回転数制御を行うこともできる。

目標回転数は設計条件および駆動条件に基づいて定められる。これは、例えば、閉ループ制御、すなわち、ガスタービンから可変の電子伝動装置の制御回路へ目標回転数が伝達されることにより定められる。目標回転数を定めるには、個別の制御回路を用いてもよいし、コンビネーション発電装置のガスタービンおよび蒸気タービンを協調制御する上位のユニットコントローラを用いてもよい。

本発明は、電源からの電子分離装置を備えた発電装置での駆動に適したタービンにも関連している。

シーケンシャル燃焼を行うガスタービンを備えた発電装置に本発明の駆動方法を適用すれば、高い効率と低い放出量値とが得られる。

本発明の実施例
以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。

図４には、本発明の実施例によるガスタービンおよび電子分離装置を備えた発電装置の概略図が示されている。発電装置１０はガスタービン１２を有しており、このガスタービン１２は圧縮器１３およびシーケンシャル燃焼部を有している。シーケンシャル燃焼部では、第１の燃焼室１５において第１の燃料が第１の燃料供給口１７から供給されて第１の高温ガスが形成され、この第１の高温ガスが第１のタービン１４ａで膨張し、第２の燃焼室１５’へ送出される。第２の燃焼室１５’では第２の燃料が第２の燃料供給口１７’から供給されて第２の高温ガスが形成され、この第２の高温ガスが第２のタービン１４ｂで膨張する。こうしたシーケンシャル燃焼部は効率の点で特に有利であるが、これに代えて、単段の燃焼部を用いることもできる。発電装置１０の他の要素は図２，図３の要素と同様である。

ジェネレータ１８はガスタービン１２のシャフト１９に直接に結合されている。このため、ジェネレータ１８は基本的にはガスタービン１２と同じ回転数で回転するが、ここではジェネレータ１８の出力と電源２１とのあいだに電子分離装置または可変の電子伝動装置２７が配置されており、ガスタービン１２の回転数ないしジェネレータ１８で形成された駆動周波数と設定された電源周波数とが分離される。こうして、ガスタービン１２の機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈの制御が可能となる。

電子分離装置または可変の電子伝動装置２７は、損失出力を制限するために、有利には、直流電流中間回路を有さないマトリクス変換器として構成される。駆動による損失の特に小さいマトリクス変換器の構造および動作は、欧州公開第１１９９７９４号明細書に説明されている。他のマトリクス変換器として、欧州公開第１５６１２７３号明細書、独国公開第１０２００４０１６４５３号明細書、独国公開第１０２００４０１６４６３号明細書、独国公開第１０２００４０１６４６４号明細書などに記載されているものが挙げられる。図５には６個の入力相と３個の出力相とを備えたマトリクス変換器の回路図が示されている。当該のマトリクス変換器２７は、時間の経過にしたがって、ソースであるジェネレータ１８の６個の相Ｇ１〜Ｇ６を負荷３０の３つの相Ｌ１〜Ｌ３へ接続する。このために負荷３０のユニット２９は、反平行に接続された複数のサイリスタの形態の１８個の双方向スイッチ３２を有している。一般的にはｍ個の入力相とｎ個の出力相に対してｍ×ｎ個のスイッチが設けられる。つまり、双方向スイッチ３２は６×３マトリクスの形態で配置される。双方向スイッチ３２の駆動に対して制御回路３１が設けられており、この制御回路３１はクロック発生器２８からクロック周波数としての時間信号を受け取る。双方向スイッチ３２の切換状態（オンオフ）が監視され、第１の信号線路３６を介して制御回路３１へ報告される。各双方向スイッチ３２は制御線路３５を介して制御回路３１によって駆動される。

ジェネレータ１８の個々の相Ｇ１〜Ｇ６には１つずつ電流測定装置３４が配置されており、この電流測定装置３４から相電流の符号が第２の信号線路３７を介して制御回路３１へ報告される。さらに、ジェネレータの各相Ｇ１〜Ｇ６のあいだには電圧測定装置３３が配置され、この電圧測定装置３３からそのつどの相電圧差の符号が第３の信号線路３８を介して制御回路３１へ報告される。マトリクス変換器の動作の詳細については上掲の文献を参照されたい。

ジェネレータ１８の出力側と電源２１とのあいだの純粋な周波数分離手段に代えて、分離装置を可変の電子伝動装置２７として構成してもよい。これにより、ジェネレータ１８を介して制御されるガスタービンは電源周波数Ｆから独立した駆動周波数ないし回転数ｎ_ｍｅｃｈを強制的に送出する。可変の電子伝動装置２７の変換比Ｘは目標回転数５１および実際の電源周波数Ｆに基づいて定められる。

特にマトリクス変換器の形態の可変の電子伝動装置または分離装置２７により、次のような利点が得られる。
・周波数が剛性に結合される場合、ガスタービンの駆動は電源周波数に対する偏差が５％〜６％となる範囲でしか可能でないが、こうした実用にとって不利な制限が排除される。
・電源周波数が広い範囲で支援される。周波数が剛性に結合される場合にはガスタービンの駆動は電源周波数に対する偏差が５％〜６％となる範囲でしか可能でないのに対して、電子的な分離が行われると１０％よりはるかに大きい範囲での駆動が可能である。
・出力ないし効率の最適値が流入温度などの周囲条件に応じて適合化される。
・出力が増大される。
・効率が高まる。
・負荷変動に対するフレキシビリティないしタービンの長い耐用期間が得られる。また、タービンの回転数がいっそう安定化される。これまで回転数支援措置により必然的に発生していた熱的負荷または機械的負荷が低減あるいは消去される。
・放出量が改善される。可変の回転数の付加的な自由度により、高回転数においても低回転数においても所望の出力が得られる。ガスタービンが駆動機構である場合、低いタービン流入温度または高いタービン流入温度はＣＯ_２およびＮＯ_ｘの放出を調整する効果を有する。特に、周波数支援制御のケースで高い放出量が回避される。
・周波数を分離するかまたは周波数比を可変とすることにより、発電装置の大きさが所望の出力に対して最小となるにもかかわらず、回転数を電源周波数から独立に制御する際に付加的な自由度が得られる。例えば３３００回転／ｍｉｎのタービンを３０００回転／ｍｉｎのタービンよりも格段に小さく構成できる。これにより構造コストが低減される。
・周波数を分離するかまたは周波数比を可変とすることにより、発電装置の出力領域において、従来の駆動機構技術では不可能であった構造を実現することができる。例えば、２４００回転／ｍｉｎのタービンの出力を３０００回転／ｍｉｎのタービンの出力に比べて約６０％増大することができる。

ガスタービンを電源周波数ないし負荷の駆動周波数から独立に駆動することにより、設計の最適化が図られる。なぜなら、従来のガスタービンの設計の際には設計外モードに対して大きなマージンを取らなければならなかったからである。主な利点として次のようなものが挙げられる。
・周囲温度Ｔ_ａｍｂが低いときに機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈが低減されることにより、タービン部品での最適な効率、および、圧縮器およびタービンにおける圧力比のオフセットなしに、低い圧縮器終端圧が得られる。ケーシング、空気冷却器および外部管路が極端な周囲温度Ｔ_ａｍｂに対するマージンの低減された状態で最適化される。最大燃料圧が低減され、相応に燃料分配システムＦＤＳの設計マージンや気体状燃料に対する圧縮器への要求も低減される。
・一定の低減された回転数から、基本負荷において、圧縮機の出口およびタービンの出口での速度が等しくなる。このため、最適化されたディフューザの設計が行われる。
・圧縮器での圧力上昇のオフセットが生じない。冷却空気を供給するための圧力比が周囲温度Ｔ_ａｍｂに全く依存しないかまたはほとんど依存しないので、周囲温度Ｔ_ａｍｂのときの冷却空気圧力比のばらつきに対するマージンを冷却空気系に組み入れる必要がない。相応に設計条件に応じて、ガスタービンの効率および出力が最適化される。また、付加的に周囲温度Ｔ_ａｍｂに対する補正曲線が改善され、特に周囲温度Ｔ_ａｍｂが高いときに不要に多くの冷却空気が用いられない。
・周囲温度Ｔ_ａｍｂにおけるシャフトのストロークの変動が小さいので、小さい軸受を設ければ足りる。これによりコストが節約され、軸受ないし潤滑剤系での損失出力も小さくなる。この点からも効率ないし出力が改善される。

本発明のタービンおよびジェネレータから成るタービントレインによれば、発電装置の内部で電源周波数から独立に所望の回転数で安定に駆動を行うことによって、電流源の安定化が支援される。周波数の急変があったとき、発電装置では、少なくとも通常の電源周波数で送出される出力を維持しなければならないし、理想的にはいっそう高い出力を送出できることが望ましい。しかし、これまでの発電装置では、このことは制限された範囲でしか保証されていなかった。電源周波数の低下は、電源周波数に固定に結合されたシステムにおいては、望ましくない回転数の低下としてガスタービンないしジェネレータへ作用するからである。タービントレインから回転数遅延によって力学的エネルギが電源へ供給される短い時間の後、出力は低下する。この場合に、ガスタービンシステムは空気吸入を低下させ、燃料供給を増大させるので、タービン内の気体の温度がいっそう高まる。こうした事態はタービンの耐用期間をいちじるしく短縮し、発電装置の駆動コストを増大させる。また、こうしたフェーズではＮＯ_ｘなどの障害物質の放出量も格段に増大する。したがって、電源周波数が低下したときの出力の増大を強く制限するために、耐用期間と放出量との点での２つの限界値が定義されている。さらに別の観点からすると、機械的慣性ないし空気力学的慣性も重要な役割を果たしている。６％を超える大きな周波数低下は発電装置の遮断をまねくことがある。これは、発電装置が相応に低減された回転数によって駆動可能なように機械的に構成されていないからである。空気力学的回転数が低く
ｎ^＊＝ｎ_ｍｅｃｈ（ｐ／√ｋＴ）
であるとき、駆動はさらに圧縮器のサージ限界値により制限される。このことについては図７を参照されたい。図７では、Ｃは機械的回転数の限界値であり、Ｄは負荷脱離であり、Ｅは圧縮器のサージ保護値である。

システムが電源周波数から分離されているかまたは制御可能な周波数比を有する場合、上述した欠点のすべてが回避される。この場合、タービントレインを電源周波数に追従させなくて済むため、許容される最小電源周波数に関する制限もなくなる。したがって、障害物質量の増大や耐用期間の短縮も生じない。

電源の安定化のほか、この種の発電装置は、各動作点、特に部分負荷の動作点において、出力または効率の最適化も可能である。動作点に基づいて適切な回転数制御を行うことにより、機械的な許容限界の内部で、タービン効率を増大して放出量ないし燃料を節約するか、または、ピーク負荷をカバーして発電装置のフレキシビリティを高め、出力を増大することができる。

電源周波数から独立した発電装置のさらなる利点は、発電装置を種々の立地条件に適合させることができるということである。前述した電源の安定性は立地条件に応じて定まる重要なポイントの１つである。そのほか、特に、外気温、空気圧（特にチャージレベルに起因する空気圧）、空気湿度および燃料組成など、発電装置の駆動状態に影響する種々の周囲条件が挙げられる。独立した回転数制御にともなう付加的な自由度により、その時点での実際の周囲条件にしたがって、最適な動作条件が形成される。この場合にも効率の改善または出力の増大が達成される。

例えば、機械的回転数が圧縮器流入温度に反比例するように制御され、ガスタービン１２の空気力学的回転数が一定に保持される。当該の制御において空気力学的回転数と圧縮器の流入圧との依存関係が考慮されない場合、発電装置の立地点に応じた平均周囲圧とタービンの設計圧との差が機械的基準回転数の補正により考慮される。補正された機械的基準回転数に基づいて、ガスタービン１２の目標回転数が圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１の平方根に比例するように制御される。

空気力学的回転数を計算する際に圧力が考慮される場合にも、基準回転数の補正は有利である。発電装置のチャージレベルが大きく、相応に周囲圧が低いときには、制御部３９により、補正なしで目標回転数５１をつねに許容最大回転数として計算することができる。ただしこのようにすると、電源周波数の分離あるいは周波数比の可変制御から得られた利点が再び失われてしまう。したがって、フレキシブルな駆動の可能な基準回転数を選択するのが有利である。

さらに、例えば、使用される燃焼ガスに応じて基準回転数を補正すると有利である。ガスタービンの設計仕様、例えばＩＳＯメタン用のガスタービンの仕様に基づいて、燃焼ガスの熱量値が低下すると、燃焼ガス流量が増大し、燃焼室圧および圧縮器終端圧が上昇する。これを補償するには、基準回転数が燃焼ガスの熱量値に反比例して低減されるように制御を行う。このことは例えば合成ガスの燃焼の際に特に重要である。

生産ラインの立地点に関して、新たな技術での効率改善の能力は、典型的にはタービンにおいて３％（係数）のオーダーにある。所定の立地点における出力レベルの上昇は１０％を超え、電源周波数の制限はほとんどない。

上述した特徴はすべて既存のタービンに適用することができる。また、ガスタービンの回転数が電源周波数によって制限されないため、ガスタービンの動作を最適化する種々の手段が実現される。

さらに、本発明によれば、タービン部品、圧縮器およびタービンを新たな境界条件によって設計することができる。これまでは、定置式のガスタービンであっても、安全領域として約±１０％低減された回転数の最小動作領域を考慮しなければならなかったが、本発明によれば、ガスタービンが電源周波数の変動に起因する機械的回転数の変動に耐えうることが保証される。また、流入温度の変化も比１／（Ｔ_{Ｅｉｎｔｒｉｔｔ}）^１／２によって低減された回転数において考慮されてカバーされる。最適な運転コンセプトに応じて必要な回転数領域を制限する場合、圧縮器およびタービンブレードを新たに設計することにより、効率および出力の向上が達成される。

選択手段として、電源周波数に対するフレキシビリティを活用するために、これまで実現不可能であった回転数領域のタービンおよびジェネレータを開発することが挙げられる。回転数を、例えば４５Ｈｚの電源周波数に対して低減することにより、いっそう大きな発電装置が実現される。

タービンに伝動装置を接続することができない場所で、電源周波数を超える回転数領域が生じる場合にも、出力が所定の電源周波数のもとでの限界出力を下回っているかぎり、コンパクトかつ低コストなガスタービンを構成する手段が得られる。同様に、ジェネレータは有利には、高い回転数によってコンパクトに形成することができる。

さらなる選択手段として、今日のタービンでは、伝動装置を省略し、ジェネレータをタービン終端回転数に合わせて設計することもできる。この場合ジェネレータをコンパクトかつ低コストに構成可能である。

図６には本発明の駆動方法に適した発電装置１０の概略図が示されている。ガスタービン１２およびジェネレータ１８を備えたタービントレイン１１は図４のタービントレインに相応する。また、可変の電子伝動装置または電子分離装置２７、ならびに、これに接続される電源２１についても図４のものに相応する。電源２１は一般的な給電電源であってもレール式の電流源であってもよい。電源２１に代えて、工業用の駆動機構または天然ガス液化装置の圧縮器などの負荷を接続することもできる。付加的に相応の水蒸気循環回路を備えた蒸気タービンを設けることも可能であるが、ここではスペースの都合で省略してある。

ガスタービン１２を制御するために、圧縮器１３の入力側で少なくとも一連の調整可能な圧縮器ブレード４２が用いられ、また、制御弁４０，４１が燃焼室１５，１５’の燃料供給口１７，１７’において用いられる。相応の制御信号は、制御部３９によって、個々にまたは任意に組み合わせて用いられる所定の入力パラメータにしたがって形成される。ここでの入力パラメータは空気流入口１６に配置された第１の測定値ピックアップ４３によって測定される圧縮器流入温度である。他の入力パラメータとして、圧縮器の出力側の第２ないし第３の測定値ピックアップ４４，４５によって測定される圧縮器終端温度および圧縮器終端圧も挙げられる。第４の測定値ピックアップ４６は圧縮器１３から熱負荷のかかるガスタービン１４ａ，１４ｂへいたる冷却空気供給部５０に配置され、冷却空気の圧力、冷却空気の温度、および／または、冷却空気の流量を測定することができる。第５の測定値ピックアップ４７は第２の燃焼室１５’に配置され、燃焼室圧を測定する。ガスタービン１２の回転数は例えばジェネレータ１８で取り出され、測定線路４８を介して制御部３９へ入力される。電源周波数の測定は電源周波数ピックアップ４９によって行われる。さらに、目標出力ＺＬの値も制御部３９へ入力される。

制御部３９は、電源を分離しつつ、ガスタービン１２およびジェネレータの空気力学的回転数または機械的回転数を１つまたは複数のパラメータに応じて制御する。その際に回転数は電源２１の電源周波数Ｆの影響を受けることはない。

これに代えて、制御部３９で計算された目標回転数５１を可変の電子伝動装置２７の制御回路３１へ伝送し、ジェネレータを介してガスタービンへ目標回転数５１を強制的に供給することにより、回転数制御を行ってもよい。ジェネレータ１８は、可変の電子伝動装置２７を介して、ガスタービンに比べるとほとんど静的と云える電源２１に対して支援され、電源周波数Ｆと機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈとのあいだの周波数比の制御により目標回転数５１を供給される。ほぼ静的な電源２１とは、回転数の変化またはガスタービンから電源へ送出される出力の変化に起因する電源周波数Ｆの変化が、制御過程において無視できるほど小さく、容易に補償できることを意味する。特に、供給されたガスタービン回転数が適合化されると、電源周波数Ｆの変化分は１オーダー小さくなる。ふつう電源周波数Ｆの変化分は電源ノイズにまぎれて測定できないので、これはきわめて有利である。

図７には従来注意しなければならなかった圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１と正規化最小回転数との関係が示されている。ガスタービン１２は、負荷脱離Ｄによる最小回転数の下方超過に対して保護される。このグラフには機械的回転数の限界値Ｃおよび圧縮器サージ保護値Ｅも示されている。

本発明では、ガスタービン１２をほぼ静的な電源２１によって駆動することのできる絶対回転数領域が低回転数へ向かって拡大されることにより、ガスタービンのフレキシビリティと動作領域とのさらなる改善が達成される。

静的な動作に対して、従来のガスタービンでは、固有振動数、例えばブレードの固有振動数での励振により、機械的回転数は下方へ向かって制限されていた。固有振動数での励振が生じる回転数領域は過渡的なものであり、ガスタービンの速度増大時または速度低減時において、ガスタービン１２が電源２１に同期しているあいだ発生する。固有振動数での励振をもたらす回転数を中心として、ガスタービンを静的に駆動することのできない阻止領域が存在する。ガスタービンの駆動周波数を下回る阻止領域の上方端は従来の装置で云えば機械的回転数の限界値Ｃである。しかし、本発明において電源周波数とガスタービン回転数とを分離して制御することにより、ガスタービンが電源へ出力を送出しているあいだ、一時的に阻止領域を通過し、この阻止領域を下回る回転数においてもガスタービンを駆動することができる。電子分離装置または可変の電子伝動装置による駆動においても、電子装置からジェネレータを介してシャフトトレインへ所定の周波数の励振を作用させることができる。シャフト１９、ブレードまたはシャフトトレインの他の部品で臨界的な固有振動が発生する場合、こうした周波数を回避しなければならない。阻止領域はガスタービンの制御部に記録しておくとよい。励振は電子装置に応じて変化するので、有利な実施例では、阻止領域は可変の電子伝動装置の制御回路３１内に記憶される。目標回転数５１が当該の阻止領域内にある場合、制御回路３１は阻止領域の上方ないし下方で現在の値よりも僅かに高い値ないし僅かに低い値への補正を行い、補正された値にしたがって電子伝動装置を制御する。

負荷脱離による低い回転数での圧縮器のサージ保護値Ｅとして注意すべき回転数限界値Ｃが図７に示されており、これは、一方ではガスタービンの駆動領域をあまり制限してはならず、他方では効率を最適化するために圧縮器をサージ限界値の近傍で駆動すべきであるという２つの対立する要求の妥協点から得られる。設計回転数ｎ_ｄからサージ限界値ｎ_Ｓまでの差Δｎは駆動中に得られる圧縮器効率η_ｃｏｍｐに影響し、その関係が図８に示されている。圧縮器効率の最大値η_ｏｐｔはサージ限界値ｎ_Ｓの僅かに上方の最適な空気力学的回転数ｎ_ｏｐｔで得られる。当該の回転数では、最適な回転数ｎ_ｏｐｔからサージ限界値ｎ_Ｓまでの差Δｎ_ｍｅｃｈを保持しなければならないので従来のガスタービン１２を設計条件で駆動することはできない。このため、設計回転数ｎ_ｄでは圧縮器効率η_{ｃｏｍｐｄ}が低下する。

制御可能な回転数を有するガスタービンを新たに設計する場合、設計回転数ｎ_ｄからサージ限界値ｎ_Ｓまでの差Δｎの小さい圧縮器を設計し、最適な回転数ｎ_ｏｐｔの近傍で駆動することができる。これは、圧縮器流入温度の変化に起因する空気力学的回転数の変化が機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈの制御によって補償されるからである。また、電源周波数Ｆの変化に対するマージンが低減され、ほぼゼロとなる。こうして、圧縮器１３の効率ひいては発電装置全体の効率が改善される。

制御部３９が機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈを圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１の関数として制御する様子が図９に示されている。機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈは圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１に比例して増大され、空気力学的回転数
ｎ^＊＝ｎ_ｍｅｃｈ（ｐ／√Ｔ_Ｋ１）
が一定に保持される。また、圧力または温度などの機械的限界値に到達した場合に機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈを一定に制御することもできる。具体的には、機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈが最適な空気力学的回転数ｎ_ｏｐｔに達した時点の設計温度Ｔ_Ｋ１ｄから圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１が上昇するにつれて機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈも増大し、機械的回転数の上方限界値ｎ_ｍａｘにいたる。同様に、圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１が低下するとこれにともなって機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈも低下し、機械的回転数の下方限界値ｎ_ｍｉｎにいたる。限界値に到達した後は、この実施例では、機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈは一定に保持される。

図１０には、圧縮器の中央部から供給される冷却空気５０の正規化された圧力比π_ｃｏｏｌおよび正規化された流量ｍ_ｃｏｏｌと圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１との関係が示されている。冷却空気が圧縮器の終端から取り出されるため必然的に圧縮器流出圧を有する場合とは異なり、冷却空気が圧縮器から取り出される場合には、全ての駆動状態に応じて一定の圧力比を保証することができない。これは、駆動条件に応じて圧縮器内の圧力低下が変動するためである。このことは、最小の冷却空気圧力比のもとで必要な最小の冷却空気量ｍ_{ｃｏｏｌｄ}が供給されるように、冷却空気システムの設計時に考慮される。

従来のガスタービンでは、圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１が増大するにつれて冷却空気の正規化された圧力比π_ｃｏｏｌおよび正規化された流量ｍ_ｃｏｏｌが増大する。このためＩＳＯ条件においても冷却空気の消費量ｍ_ｃｏｏｌが高まり、圧縮器流入温度のさらなる上昇や効率損失が発生する。機械的回転数ｎ_ｍｅｃｈが増大すると冷却空気の正規化された圧力比π_ｃｏｏｌおよび正規化された流量ｍ_ｃｏｏｌが低下する。逆に、機械的回転数が低下すると、冷却空気の正規化された圧力比π_ｃｏｏｌおよび正規化された流量ｍ_ｃｏｏｌは増大する。したがって、回転数を制御することにより、圧縮器流入温度Ｔ_Ｋ１から独立に設計条件に合わせて冷却空気圧力比を制御して、設計値を保持することができる。

１０，１０’，１０" 発電装置、 １１，１１’ タービントレイン、 １２ ガスタービン、 １３ 圧縮器、 １４；１４ａ，１４ｂ タービン、 １５，１５’ 燃焼室、 １６ 空気流入口、 １７，１７’ 燃料供給口、 １８ ジェネレータ、 １９ シャフト、 ２０ 電源接続線路（周波数結合部）、 ２１ 電源、 ２２ 排気口、 ２３ 冷却蒸気形成器、 ２４ 蒸気タービン、 ２５ 水蒸気循環路、 ２６ 機械的伝動装置、 ２７ 分離装置または可変の伝動装置、 ２８ クロック発生器、 ２９ ユニット、 ３０ 負荷、 ３１ 制御回路、 ３２ 双方向スイッチ、 ３３ 電圧測定装置、 ３４ 電流測定装置、 ３５〜３８ 信号線路、 ３９ 制御部、 ４０，４１ 制御弁、 ４２ 調整可能な圧縮器ガイドベーン、 ４３〜４７ 測定値ピックアップ、 ４８ 回転数測定線路、 ４９ 電源周波数ピックアップ、 ５０ 冷却空気供給部、５１ ジェネレータ目標回転数、 Ｇ１〜Ｇ６ ジェネレータ相、 Ｌ１〜Ｌ３ 負荷相、 ｆ 回転周波数、 Ｐ 電力、 Ａ，Ｂ 曲線、 ＺＬ 目標出力、 Ｔ_ｋ１ 圧縮器流入温度、 Ｔ_ｋ１ｄ 設計条件のもとでの圧縮器流入温度、 ｎ^＊ 空気力学的回転数、 ｎ_ｍｅｃｈ 機械的回転数、 ｎ_{ｍｅｃｈｄ} 設計条件のもとでの機械的回転数、 ｎ_ｍｉｎ 機械的回転数の最小値、 ｎ_ｍａｘ 機械的回転数の最大値、 ｎ_ｄ 従来の圧縮器の空気力学的設計回転数、 ｎ_ｏｐｔ 最適な空気力学的回転数、 ｍ_ｃｏｏｌ 正規化された冷却空気消費量、 ｍ_{ｃｏｏｌｄ} 設計条件のもとでの正規化された冷却空気消費量、 π_ｃｏｏｌ 正規化された冷却空気圧力比、 π_{ｃｏｏｌｄ} 正規化された冷却空気圧力比、 η_ｃｏｍｐ 圧縮器効率、 η_{ｃｏｍｐｄ} 従来の設計条件のもとでの圧縮器効率、 η_ｏｐｔ 最適な圧縮器効率、 Δｎ サージ限界値に対する差

Claims (15)

1. ガスタービン（１２）と、該ガスタービンによって直接に駆動され、所定の駆動周波数の交流電流を形成するジェネレータ（１８）とから成るタービントレイン（１１）を有しており、
   前記ジェネレータの出力が接続され、所定の電源周波数（Ｆ）を有する電源（２１）が設けられており、該電源と前記ジェネレータとのあいだに可変の電子伝動装置（２７）が配置されている、
   発電装置（１０）において、
   前記可変の電子伝動装置は前記ジェネレータを介して機械的回転数（ｎ_ｍｅｃｈ）と前記電源周波数との所定の変換比（Ｘ）により所定の回転数を送出し、前記ガスタービン（１２）の前記機械的回転数（ｎ_ｍｅｃｈ）または空気力学的回転数を、該機械的回転数（ｎ_ｍｅｃｈ）と電源周波数（Ｆ）との変換比（Ｘ）によって制御する
   ことを特徴とする発電装置。
2. 前記変換比は制御可能である、請求項１記載の発電装置。
3. 前記変換比は６０Ｈｚ対５０Ｈｚから所定の設計値だけ制御された値であるか、あるいは、５０Ｈｚ対６０Ｈｚから所定の設計値だけ制御された値である、請求項１記載の発電装置。
4. 前記可変の電子伝動装置はマトリクス変換器である、請求項１から３までのいずれか１項記載の発電装置。
5. 前記マトリクス変換器は、ｍ×ｎマトリクスで配置された制御可能な複数の双方向スイッチ（３２）を有しており、該双方向スイッチは制御回路（３１）によって制御されてｍ個の入力側を選択的にｎ個の出力側へ接続するものであり、ここでｍ＞ｎであり、入力側の電流の符号を求める第１の手段（３４）と各入力側間の電圧の符号を求める第２の手段（３３）とが設けられており、該第１の手段および該第２の手段は信号線路（３８）を介して前記制御回路へ接続されている、請求項４記載の発電装置。
6. ガスタービン（１２）と、該ガスタービンによって直接に駆動され、所定の駆動周波数の交流電流を形成するジェネレータ（１８）とから成るタービントレイン（１１）を有しており、
   前記ジェネレータの出力が接続され、所定の電源周波数（Ｆ）を有する電源（２１）が設けられており、該電源と前記ジェネレータとのあいだに可変の電子伝動装置（２７）が配置されている、
   発電装置（１０）の駆動方法において、
   前記可変の電子伝動装置は前記ジェネレータを介して機械的回転数（ｎ_ｍｅｃｈ）と前記電源周波数との所定の変換比（Ｘ）により所定の回転数を送出し、
   前記ガスタービン（１２）の前記機械的回転数（ｎ_ｍｅｃｈ）または空気力学的回転数を、該機械的回転数（ｎ_ｍｅｃｈ）と電源周波数（Ｆ）との変換比（Ｘ）によって制御する
   ことを特徴とする発電装置の駆動方法。
7. 前記機械的回転数または前記空気力学的回転数を一定の値へ制御する、請求項６記載の発電装置の駆動方法。
8. 前記機械的回転数または前記空気力学的回転数を、当該の発電装置の１つまたは複数のパラメータの関数として制御する、請求項６記載の発電装置の駆動方法。
9. 前記ガスタービンは燃焼空気を圧縮する圧縮器（１３）を有しており、該圧縮器の終端圧を測定し、該終端圧の関数として前記機械的回転数または前記空気力学的回転数を制御する、および／または、該圧縮器の終端温度を測定し、該終端温度の関数として前記機械的回転数または前記空気力学的回転数を制御する、請求項８記載の発電装置の駆動方法。
10. 前記ガスタービンの駆動に対して目標出力（ＺＬ）を設定し、該目標出力の関数として前記機械的回転数または前記空気力学的回転数を制御する、請求項８記載の発電装置の駆動方法。
11. 前記電源周波数ないし第２の駆動周波数を測定し、該電源周波数ないし該第２の駆動周波数の関数として前記機械的回転数または前記空気力学的回転数を制御する、請求項８記載の発電装置の駆動方法。
12. 前記ガスタービンは燃焼空気を圧縮する圧縮器（１３）を有しており、前記ガスタービンの部品を冷却するために前記圧縮器から冷却空気が取り出され、該冷却空気の供給条件、例えば該冷却空気の圧力、温度および／または空気量の関数として、前記機械的回転数または前記空気力学的回転数を制御する、請求項８記載の発電装置の駆動方法。
13. 前記機械的回転数または前記空気力学的回転数を、前記ガスタービンの選択されたユニットの許容温度または許容放出量の関数として制御する、請求項８記載の発電装置の駆動方法。
14. 前記ガスタービンは燃焼空気を圧縮する圧縮器（１３）を有しており、前記機械的回転数を当該圧縮器の流入温度Ｔ_Ｋ１の平方根および／または流入圧力に対して比例制御して、前記空気力学的回転数を前記機械的回転数の許容領域内の一定の値に維持し、機械的限界値またはその他の限界値、例えば所定の圧力または所定の温度が達成されるとただちに前記機械的回転数を一定の値へ制御する、請求項８記載の発電装置の駆動方法。
15. 前記機械的回転数が所定の阻止領域内にある場合、目標回転数（５１）を前記阻止領域外の所定の値へ補正する、請求項６から１４までのいずれか１項記載の発電装置の駆動方法。

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