JP5473610B2 - 発電装置および発電装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
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。
・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。
・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。
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。
以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。
・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CO2およびNOx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。
・周囲温度Tambが低いときに機械的回転数nmech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Tamb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Tamb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Tamb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Tambに対する補正曲線が改善され、特に周囲温度Tamb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Tamb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。
n*=nmech(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。
n*=nmech(p/√TK1)
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nmech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nmechが最適な空気力学的回転数noptに達した時点の設計温度TK1dから圧縮器流入温度TK1が上昇するにつれて機械的回転数nmechも増大し、機械的回転数の上方限界値nmaxにいたる。同様に、圧縮器流入温度TK1が低下するとこれにともなって機械的回転数nmechも低下し、機械的回転数の下方限界値nmin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nmechは一定に保持される。
Claims (15)
- 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(nmech)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(nmech)または空気力学的回転数を、該機械的回転数(nmech)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。 - 前記変換比は制御可能である、請求項1記載の発電装置。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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(nmech)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(nmech)または空気力学的回転数を、該機械的回転数(nmech)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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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TK1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。
- 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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