[发明专利]燃气轮机的控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机的控制系统及控制方法。更详细地说，涉及在燃气轮机发电设备中，例如发生负载断开等负载急剧下降的情况时，为了防止燃气轮机超过规定的转速，能够对进入燃气轮机的热量迅速进行控制的燃气轮机控制系统和燃气轮机控制方法。

背景技术

在制铁领域中，例如采用高炉方法生产生铁的情况下，从高炉中产生低发热量的副产品气体炉顶气(即高炉瓦斯(Blast Furnace Gas)，以下简称为BFG)。近年来，在燃气轮机中，由于技术的提高，能够燃烧像这种BFG那样低发热量的副产品气体，将其用作燃气轮机的燃料进行发电的事例不断增加。另一方面，除了高炉法以外，也研究出了直接还原铁法和熔融还原铁法等新的制铁工艺，从这样的新工艺也产生副产品气体。不管是哪一种制铁工艺，产生的副产品气体都是所谓低发热量气体，而且所产生的气体的特性(气体组成和发热量)因设备和操作内容而不同。即使是同一设备，也相应于各原料的特性和反应过程，时时刻刻发生变化，并不是一定的。能够适应于这样的副产品气体的有效使用的燃烧方式有待开发。

不仅是将这样的发热量值变动的低发热量副产品气体(以下称为低卡路里气体)作为燃料的燃气轮机发电设备，使用天然气等通常的燃料的燃气轮机发电设备中，在负载断开等负载急剧下降这样的事态发生时，也有必要进行控制以抑制燃气轮机的过速(转速的过度上升)，同时在不跳闸的情况下维持必要的最小输出。例如在燃气轮机以额定负载运行时，输电系统或燃气轮机发电设备由于某种原因而造成与负载断开时，在瞬间，燃气轮机陷入过速状态。控制装置一旦检测出这种情况，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。负载断开的检测根据发电机的输出信号和燃气轮机的转速信号等输入来进行。

而且，减小流量控制阀的开度应以避免燃烧器熄火，同时在无负载状态下以维持额定转速所需要的最小燃料所需的最小流量得到确保的程度为止。该流量控制阀的开度控制是在对例如燃气轮机的转速、发电机的输出、燃气轮机的废气温度、空气压缩机的入口压力和出口压力等运行状态量进行监视的情况下进行的。这种对负载断开时的控制，公开于日本专利特开平8-165934号公报、特开2002-138856号公报、以及特开2002-227610号公报。

又，根据燃气轮机的类型的不同，也可以同时使用在负载急剧减少时将燃气轮机的入口导向翼打开的手段，以此使压缩机驱动动力增大，以增大旋转轴的制动效果，抑制燃气轮机的过速。

但是，将上述低卡路里气体作为燃料使用的燃气轮机发电设备，在该负载急剧减小时进行运行控制并非容易。由于燃料气体是低卡路里气体，对燃气轮机的供应量大，因此使用大口径的燃料气体供给配管。其结果是，流量控制阀的口径也大，因此开闭行程也大，关闭阀门需要较长时间。从而，难以与负载断开的发生同时使进入燃气轮机的热量急剧减小，不能期待燃气轮机的过速能够得到有效抑制。

而且如上所述，低卡路里气体其发热量时时刻刻都在变动，因此如果使流量控制阀的控制增益提高(提高响应特性)，则对发热量变动的外部干扰反应敏感，流量控制阀可能会产生振荡。为了避免这样的事态，对控制增益进行设定使流量控制阀的响应性降低。这种事情进一步阻碍流量控制阀的迅速关闭，是难以使进入燃气轮机的热量迅速减少的主要原因。

又，在以低卡路里气体为燃料的燃气轮机发电设备中，在燃料气体供给通路上设置对低卡路里气体进行压缩用的燃料压缩机。该燃料压缩机往往与燃气轮机同轴连接。在这种情况下，构成燃气轮机、燃料压缩机、以及发电机的发电机列的整个旋转体的转动惯量大。而且由于随着负载断开而陷入过速状态，因此即使是与负载断开同时，开始关闭通往燃气轮机的燃料供给线的流量调整阀，也不能期望能够迅速制动，难以抑制包括燃气轮机的发电机列的转速的上升。

在企业用燃气轮机发电设备中，有义务利用负载切断试验确认在发生负载断开的情况下，调速装置能够起作用使燃气轮机不超过负载运行时的额定转速的110％。然后在调速装置的功能得到确认后，设备的运行操作才能得到许可。因此在以发热量值高而且稳定的天然气等为燃料的燃气轮机发电设备中，为了在负载断开时能够抑制燃气轮机的过速使其不超过规定范围，在机器结构上和控制上下了各种工夫。这些工夫还不能够有效抑制以发热量不断变动的低卡路里气体为燃料的燃气轮机发电设备在负载断开时的过速情况的发生。

发明内容