阅读说明：本技术 双轴燃气轮机发电设备、其控制装置及控制方法 (Double-shaft gas turbine power generation equipment, control device and control method thereof ) 是由 高桥一雄 永渕尚之 于 2019-02-22 设计创作，主要内容包括：双轴燃气轮机发电设备的控制装置(100)具备：基本输出运算部(110),其求出与要求输出(Pd)对应的基本输出指令值(Pb)；成分分离部(120),其将基本输出指令值(Pb)分离为高频成分(Ph)和低频成分(Pl)；开度指令输出部(151),其基于低频成分(Pl),求出燃料调节阀(15)的开度,并将开度指令(FVd)向燃料调节阀(15)输出；基本输送接收电量运算部(130),其基于高频成分(Ph),求出感应电动机与外部系统之间的电力的基本输送接收电量(Ib)；以及输送接收电力指令输出部(152),其将表示与基本输送接收电量(Ib)对应的输送接收电量的输送接收电力指令(INVd)向频率转换器(24)输出。(A control device (100) for a two-shaft gas turbine power plant is provided with: a basic output calculation unit (110) that obtains a basic output command value (Pb) corresponding to the requested output (Pd); a component separation unit (120) that separates the basic output command value (Pb) into a high-frequency component (Ph) and a low-frequency component (Pl); an opening command output unit (151) that obtains the opening of the fuel control valve (15) on the basis of the low-frequency component (Pl) and outputs an opening command (FVd) to the fuel control valve (15); a basic transmission/reception power calculation unit (130) that obtains a basic transmission/reception power (Ib) of electric power between the induction motor and an external system, based on the high-frequency component (Ph); and a transmission/reception power command output unit (152) that outputs a transmission/reception power command (INVd) indicating a transmission/reception power amount corresponding to the basic transmission/reception power amount (Ib) to the frequency converter (24).)

双轴燃气轮机发电设备、其控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及具备双轴燃气轮机和发电机的双轴燃气轮机发电设备、其控制装置及控制方法。

本申请基于在2018年2月22日向日本申请的特愿2018-029633号而主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

作为双轴燃气轮机发电设备，例如有以下的专利文献1所记载的设备。该双轴燃气轮机发电设备具备双轴燃气轮机、发电机、电动机、以及频率转换器。

双轴燃气轮机具备：压缩机，其压缩空气而生成压缩空气；燃烧器，其使燃料在压缩空气中燃烧而生成燃烧气体；高压涡轮，其通过燃烧气体进行驱动；以及低压涡轮，其通过从高压涡轮排出的废气进行驱动。高压涡轮的转子与压缩机转子彼此机械地连结。另外，低压涡轮的转子与发电机的转子彼此机械地连结。其中，高压涡轮的转子与低压涡轮的转子不机械地连结。

在针对双轴燃气轮机发电设备的要求输出急剧增加的情况下，有时即使增加向燃烧器供给的燃料的流量来提高发电机的输出，也无法使发电机输出追随要求输出的急剧增加。为此，在专利文献1所记载的技术中，暂时将电动机用作发电机，利用由电动机发电产生的电力，通过来自电动机的输出来弥补发电机输出相对于要求输出的不足的量。另外，在针对双轴燃气轮机发电设备的要求输出急剧减少的情况下，有时即使减少向燃烧器供给的燃料的流量而降低发电机的输出，也无法使发电机输出追随要求输出的急剧减少。为此，在专利文献1所记载的技术中，将发电机输出相对于要求输出的剩余的量经由外部系统提供给电动机。

如上所述，在专利文献1所记载的双轴燃气轮机设备中，能够提高针对要求输出的急剧变化的输出响应性。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：专利第5953424号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在双轴燃气轮机发电设备中，期望在如以上那样确保输出响应性的同时，也降低构成双轴燃气轮机发电设备的设备的寿命消耗。

为此，本发明的目的在于，提供一种在确保要求输出急剧变化时的输出响应性的同时也能够降低构成双轴燃气轮机发电设备的设备的寿命消耗的技术。

用于解决课题的方案

作为用于实现上述目的发明的一个实施方式的双轴燃气轮机发电设备具备：

压缩机，其具有压缩机转子，通过所述压缩机转子的旋转对空气进行压缩而生成压缩空气；燃烧器，其使燃料在所述压缩空气中燃烧而生成燃烧气体；燃料调节阀，其对向所述燃烧器供给的燃料的流量进行调节；高压涡轮，其具有与所述压缩机转子机械地连结的高压涡轮转子，所述高压涡轮转子通过所述燃烧气体而旋转；低压涡轮，其具有不与所述高压涡轮转子连结的低压涡轮转子，所述低压涡轮转子通过从所述高压涡轮排出的所述燃烧气体而旋转；发电机，其通过所述低压涡轮转子的旋转而进行发电，且与流动交流电力的外部系统电连接；感应电动机，其具有与所述压缩机转子机械地连结的电动机转子，以与所述发电机并联的方式与所述外部系统电连接，且相对于所述外部系统输送接收电力；频率转换器，其以电连接关系设置于所述感应电动机与所述外部系统之间，对所述感应电动机与所述外部系统之间的电力的输送接收进行控制，并且在向外部系统侧输送来自所述感应电动机的电力时，将来自所述感应电动机的电力的频率转换为所述外部系统的频率，在接收来自所述外部系统侧的电力并向所述感应电动机供给时，将来自所述外部系统的电力的频率转换为所述感应电动机的频率；以及控制装置。

所述控制装置具备：基本输出运算部，其求出对应于来自外部的要求输出与向所述外部系统的实际的输出即实际输出的偏差的基本输出指令值；成分分离部，其将所述基本输出指令值分离为高频成分和低频成分；开度指令输出部，其基于所述基本输出指令值的所述低频成分，求出所述燃料调节阀的开度，并将表示所述开度的开度指令向所述燃料调节阀输出；基本输送接收电量运算部，其基于所述基本输出指令值的所述高频成分，求出所述感应电动机与所述外部系统之间的电力的基本输送接收电量；以及输送接收电力指令输出部，其根据所述基本输送接收电量，生成表示所述感应电动机与所述外部系统之间的电力的输送接收电量的输送接收电力指令，并将所述输送接收电力指令向所述频率转换器输出。

在本方案中，关于要求输出中的高频成分，换言之，关于要求输出的急剧变化，通过感应电动机相对于外部系统的输送接收电力来应对。另外，在本方案中，关于要求输出中的低频成分，换言之，关于要求输出的相对平缓变化，通过伴随双轴燃气轮机的驱动的来自发电机的输出来应对。

假设在确定燃料调节阀的开度的输出指令值中不仅包含低频成分，还包含高频成分。在该情况下，燃料调节阀根据高频成分的输出指令值，反复进行急剧的开度变更。由此，消耗此时的燃料调节阀的寿命。

另一方面，在本方案中，由于在确定燃料调节阀的开度的输出指令值中不包含高频成分，因此燃料调节阀不会反复进行急剧的阀开度的变更。因此，在本方案中，能够降低燃料调节阀的寿命消耗。其中，在本方案中，在燃料调节阀的开度调节中，无法应对要求输出的急剧变化。但是，在本方案中，如前所述，专门通过由感应电动机进行的输送接收电力来应对要求输出的急剧变化。而且，从要求输出变化起到通过由感应电动机进行的输送接收电力而相对于外部系统的输送接收电量变化为止的时间，与从要求输出变化起到通过燃料流量变化而发电机的发电量变化为止的时间相比极短。因此，在本方案中，能够确保对要求输出的急剧变化的输出响应性。本方案的频率转换器根据输出指令值的高频成分，反复进行用于输送接收电量的急剧变更的急剧动作。但是，由于该频率转换器的动作为电气动作，因此无论该动作是急剧还是平缓，频率转换器的寿命几乎都不被消耗。

在此，在所述控制装置中，也可以是，所述基本输送接收电量运算部具有：利用率运算器，其使用所述高压涡轮的实际的转速即实际转速与成分利用率的预先确定的关系，求出与所述实际转速对应的成分利用率；利用高频成分运算器，其求出将所述高频成分乘以所述成分利用率而得到的值作为利用高频成分；以及基本输送接收电量输出器，其将所述利用高频成分转换为所述基本输送接收电量并输出。

在针对频率转换器的输送接收电力指令所示的输送接收电量变化时，感应电动机的转速变化。电动机转子与压缩机转子机械地连结，因此在感应电动机的转速变化时，压缩机的转速也随之变化。在压缩机的转速变化时，输送到燃烧器的压缩空气的流量变化。

在本方案中，由于基于要求输出中的低频成分确定向燃烧器供给的燃料流量，因此即使控制装置接收到急剧变化的要求输出，燃料流量也只是平缓地变化。另一方面，在本方案中，基于要求输出中的高频成分而感应电动机和压缩机的转速必然确定，因此在控制装置接收到急剧变化的要求输出时，向燃烧器输送的压缩空气的流量急剧变化。因此，在本方案中，在控制装置接收到急剧变化的要求输出的情况下，供给到燃烧器的燃料流量与压缩空气流量之比即燃空比有时会偏离目标燃空比。

即，如前面说明的一个实施方式和本方案那样，在基于要求输出中的低频成分来确定燃料调节阀的开度，且基于要求输出中的高频成分来确定感应电动机的输送接收电量时，存在燃空比偏离目标燃空比而在燃烧器内燃料无法稳定燃烧的情况。

但是，在高压涡轮的转速为额定转速时，可稳定燃烧的燃空比区域的宽度被设定为最宽。随着高压涡轮的转速变得大于额定转速，并且随着高压涡轮的转速变得小于额定转速，可稳定燃烧的燃空比区域的宽度逐渐变窄。因此，假设在高压涡轮的转速为额定转速附近的转速的情况下，即使燃空比偏离目标燃空比也能够稳定燃烧的可能性高。但是，随着高压涡轮的转速变得大于额定转速，以及随着变得小于额定转速，能够稳定燃烧的可能性降低。

因此，在本方案中，基本输送接收电量运算部在使用基本输出指令值的高频成分来求出基本输送接收电量时，根据高压涡轮的转速来改变高频成分的利用率。其结果是，在本方案中，能够抑制在可稳定燃烧的燃空比的宽度窄的区域中的实际的燃空比相对于目标燃空比的偏差。

另外，在具有所述利用率运算器的所述控制装置中，也可以是，在所述预先确定的关系中，所述高压涡轮的所述实际转速比包括所述高压涡轮的额定转速在内的中间转速区域低时以及比该中间转速区域高时的成分利用率小于所述实际转速为所述额定转速时的成分利用率。

另外，在以上的任一方案的控制装置中，也可以是，所述成分分离部具有：低通滤波器，其仅输出所述基本输出指令值中的所述低频成分；以及减法器，其将从所述基本输出指令值减去所述低频成分而得到的值作为所述高频成分输出。

另外，在以上的任一方案的所述控制装置中，也可以是，所述双轴燃气轮机发电设备的控制装置还具备求出与输送接收电力转速比对应的限制输送接收电量的限制输送接收电量运算部，该输送接收电力转速比是所述基本输送接收电量与所述高压涡轮的实际的转速即实际转速之比。在该情况下，也可以是，所述限制输送接收电量运算部使所述限制输送接收电量的变化相对于所述输送接收电力转速比的变化具有相关性，在所述输送接收电力转速比处于预先确定的第一输送接收电力转速比与比所述第一输送接收电力转速比小的第二输送接收电力转速比之间的中间比区间时，求出与所述输送接收电力转速比对应的输送接收电量作为所述限制输送接收电量，在所述输送接收电力转速比处于所述输送接收电力转速比大于所述第一输送接收电力转速比的大比区间、以及所述输送接收电力转速比小于所述第二输送接收电力转速比的小比区间时，求出与输送接收电力转速比对应、且相对于所述输送接收电力转速比的变化量的输送接收电量的变化量比所述中间比区间小的输送接收电量作为所述限制输送接收电量。在该情况下，所述输送接收电力指令输出部生成表示所述限制输送接收电量的输送接收电力指令，并将所述输送接收电力指令向所述频率转换器输出。

在本方案中，在限制输送接收电量运算部求出限制输送接收电量时，在输送接收电力转速比处于大比区间和小比区间的情况下，求出与中间比区间相比，相对于输送接收电力转速比的变化而输送接收电量的变化较小的输送接收电量作为限制输送接收电量。其结果是，在本方案中，能够抑制可稳定燃烧的燃空比的宽度窄的区域中的实际的燃空比相对于目标燃空比的偏差。

作为用于实现上述目的的发明的一个实施方式的双轴燃气轮机发电设备的控制方法是针对以下的双轴燃气轮机发电设备的控制方法。

该双轴燃气轮机发电设备具备：压缩机，其具有压缩机转子，通过所述压缩机转子的旋转对空气进行压缩而生成压缩空气；燃烧器，其使燃料在所述压缩空气中燃烧而生成燃烧气体；燃料调节阀，其对向所述燃烧器供给的燃料的流量进行调节；高压涡轮，其具有与所述压缩机转子机械地连结的高压涡轮转子，所述高压涡轮转子通过所述燃烧气体而旋转；低压涡轮，其具有不与所述高压涡轮转子连结的低压涡轮转子，所述低压涡轮转子通过从所述高压涡轮排出的所述燃烧气体而旋转；发电机，其通过所述低压涡轮转子的旋转而进行发电，且与流动交流电力的外部系统电连接；感应电动机，其具有与所述压缩机转子机械地连结的电动机转子，以与所述发电机并联的方式与所述外部系统电连接，且相对于所述外部系统输送接收电力；以及频率转换器，其以电连接关系设置于所述感应电动机与所述外部系统之间，对所述感应电动机与所述外部系统之间的电力的输送接收进行控制，并且在向外部系统侧输送来自所述感应电动机的电力时，将来自所述感应电动机的电力的频率转换为所述外部系统的频率，在接收并向所述感应电动机供给来自所述外部系统侧的电力时，将来自所述外部系统的电力的频率转换为所述感应电动机的频率。

在该控制方法中执行：基本输出运算工序，在该基本输出运算工序中，求出对应于来自外部的要求输出与向所述外部系统的实际的输出即实际输出的偏差的基本输出指令值；成分分配工序，在该成分分配工序中，将所述基本输出指令值分割为高频成分和低频成分；开度指令输出工序，在该开度指令输出工序中，基于所述基本输出指令值的所述低频成分，求出所述燃料调节阀的开度，并将表示所述开度的开度指令向所述燃料调节阀输出；基本输送接收电量运算工序，在该基本输送接收电量运算工序中，基于所述基本输出指令值的所述高频成分，求出所述感应电动机与所述外部系统之间的电力的基本输送接收电量；以及输送接收电力指令输出工序，在该输送接收电力指令输出工序中，根据所述基本输送接收电量，生成表示所述感应电动机与所述外部系统之间的电力的输送接收电量的输送接收电力指令，并将所述输送接收电力指令向所述频率转换器输出。

在此，在所述控制方法中，也可以是，所述基本输送接收电量运算工序包括：利用率运算工序，在该利用率运算工序中，使用所述高压涡轮的转速与成分利用率的预先确定的关系，求出与所述高压涡轮的实际的转速即实际转速对应的成分利用率；利用高频成分运算工序，在该利用高频成分运算工序中，求出将所述高频成分乘以所述成分利用率而得到的值作为利用高频成分；以及基本输送接收电量输出工序，在该基本输送接收电量输出工序中，将所述利用高频成分转换为所述基本输送接收电量Ib并输出。

另外，在包括所述利用率运算工序的控制方法中，也可以是，在所述预先确定的关系中，所述高压涡轮的所述实际转速比包括所述高压涡轮的额定转速在内的中间转速区域低时以及比该中间转速区域高时的成分利用率小于所述实际转速为所述额定转速时的成分利用率。

另外，在以上的任一所述控制方法中，也可以是，所述成分分配工序包括：低通工序，在该低通工序中，仅输出所述基本输出指令值的所述低频成分；以及减法工序，在该减法工序中，将所述基本输出指令值与所述低频成分之差作为所述高频成分输出。

另外，在以上的任一所述控制方法中，也可以是，还执行求出与输送接收电力转速比对应的限制输送接收电量的限制输送接收电量运算工序，该输送接收电力转速比是所述基本输送接收电量与所述高压涡轮的实际的转速即实际转速之比，在所述限制输送接收电量运算工序中，使所述限制输送接收电量的变化相对于所述输送接收电力转速比的变化具有相关性，在所述输送接收电力转速比处于预先确定的第一输送接收电力转速比与比所述第一输送接收电力转速比小的第二输送接收电力转速比之间的中间比区间时，求出与所述输送接收电力转速比对应的输送接收电量作为所述限制输送接收电量，在所述输送接收电力转速比处于所述输送接收电力转速比大于所述第一输送接收电力转速比的大比区间、以及所述输送接收电力转速比小于所述第二输送接收电力转速比的小比区间时，求出与输送接收电力转速比对应、且相对于所述输送接收电力转速比的变化量的输送接收电量的变化量比所述中间比区间小的输送接收电量作为所述限制输送接收电量，在所述输送接收电力指令输出工序中，生成表示所述限制输送接收电量的输送接收电力指令，并将所述输送接收电力指令向所述频率转换器输出。

发明效果

根据本发明的一个实施方式，能够在确保要求输出急剧变化时的输出响应性的同时，降低设备的寿命消耗。

附图说明

图1是本发明的一实施方式中的双轴燃气轮机发电设备的系统图。

图2是本发明的一实施方式中的控制装置的功能框图。

图3是用于说明本发明的一实施方式中的函数F1的说明图。

图4是本发明的一实施方式中的成分分离部的功能框图。

图5是用于说明本发明的一实施方式中的函数F2的说明图。

图6是用于说明本发明的一实施方式中的函数F3的说明图。

图7是用于说明本发明的一实施方式中的函数F4的说明图。

图8是用于说明本发明的一实施方式中的函数F5的说明图。

图9是示出本发明的一实施方式中的控制装置的动作的流程图。

图10是示出可稳定燃烧的燃空比区域R的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的双轴燃气轮机发电设备的一实施方式进行详细说明。

如图1所示，本实施方式的双轴燃气轮机发电设备具备双轴燃气轮机10、发电机21、感应电动机22、对感应电动机22与外部系统1之间的电力的输送接收进行控制的频率转换器24、以及控制装置100。

双轴燃气轮机10具备对空气A进行压缩而生成压缩空气的压缩机11、使燃料F在压缩空气中燃烧而生成燃烧气体的燃烧器12、调节向燃烧器12供给的燃料F的流量的燃料调节阀15、利用来自燃烧器12的燃烧气体进行驱动的高压涡轮13、以及利用从高压涡轮13排出的燃烧气体进行驱动的低压涡轮14。

压缩机11具有以第一轴线A1为中心进行旋转的压缩机转子11r、以及覆盖该压缩机转子11r的压缩机外壳11c。在压缩机外壳形成有吸入空气的进气口以及喷出压缩空气的喷出口。压缩机还具有对吸入至压缩机外壳的空气的流量进行调节的入口导流叶片装置(IGV装置)11i。该IGV装置11i具有配置于压缩机外壳11c内的进气口侧的叶片11iv、以及使该叶片11iv驱动的驱动机11id。

高压涡轮13具有以第一轴线A1为中心进行旋转的高压涡轮转子13r、以及覆盖该高压涡轮转子13r的高压涡轮外壳13c。压缩机转子11r和高压涡轮转子13r均位于第一轴线A1上，通过彼此连结而构成第一转子17。低压涡轮14具有以第二轴线A2为中心进行旋转的低压涡轮转子14r、以及覆盖低压涡轮转子14r的低压涡轮外壳14c。燃烧器12通过燃料管线16与燃料供给源连接。在该燃料管线16上设置有燃料调节阀15。

感应电动机22具有与压缩机转子11r机械地连结的电动机转子22r、以及覆盖电动机转子22r的电动机外壳22c。电动机转子22r随着压缩机转子11r的旋转而旋转。前述高压涡轮13的额定转速例如为6500rpm。因此，压缩机11和感应电动机22的额定转速例如也为6500rpm。需要说明的是，压缩机转子11r和电动机转子22r也可以经由减速器连结。在该情况下，若减速器的减速比例如为2，则例如高压涡轮13和压缩机11的额定转速为6500rpm，感应电动机22的额定转速为3250rpm(＝6500rpm÷2)。

发电机21具有以第二轴线A2为中心进行旋转的发电机转子21r、以及覆盖发电机转子21r的发电机外壳21c。该发电机21为同步发电机。发电机转子21r和低压涡轮转子14r均位于第二轴线A2上，通过彼此机械地连结而构成第二转子18。发电机21的额定转速例如为3000rpm或3600rpm。因此，低压涡轮14的额定转速例如也为3000rpm或3600rpm。第二转子18不与第一转子17连结。因此，第二转子18能够独立于第一转子17的旋转来进行旋转。

发电机21通过主电力路径31与外部系统1电连接。在该主电力路径31设置有变压器32和断路器33。感应电动机22以与发电机21并联的方式通过副电力路径34与外部系统1电连接。在该副电力路径34设置有频率转换器24、变压器35及断路器36。变压器35和断路器36设置于比频率转换器24靠外部系统1侧的位置。

频率转换器24在向外部系统1侧输送来自感应电动机22的电力时，将来自感应电动机22的电力的频率转换为外部系统1的频率。另外，该频率转换器24在接收来自外部系统1侧的电力并将其向感应电动机22供给时，将外部系统1的电力的频率转换为感应电动机22的频率。因此，感应电动机22担负作为使第一转子17旋转的电动机的功能和作为发电机的功能。

在感应电动机22设置有检测该感应电动机22的转速的第一转速计41。该第一转速计41通过检测感应电动机22的转速，从而也对压缩机11的转速和高压涡轮13的转速进行检测。在发电机21设置有检测该发电机21的转速的第二转速计42。该第二转速计42通过检测发电机21的转速，从而也对低压涡轮14的转速进行检测。在主电力路径31设置有对通过此处的电力、换言之从双轴燃气轮机发电设备向外部系统1的输出进行检测的输出计43。

如图2所示，控制装置100具有基本输出运算部110、成分分离部120、基本输送接收电量运算部130、限制输送接收电量运算部140、开度指令输出部151、输送接收电力指令输出部152、以及IGV指令输出部153。

基本输出运算部110求出对应于来自外部的要求输出Pd于向外部系统1的实际的输出即实际输出Pr的输出偏差ΔP的基本输出指令值Pb。该基本输出运算部110具有输出偏差运算器111、目标转速发生器112、转速偏差运算器113、转换器114、以及加法器115。输出偏差运算器111求出来自外部的要求输出Pd与向外部系统1的实际的输出即实际输出Pr的输出偏差ΔP(＝Pd-Pr)。实际输出Pr是由输出计43检测出的输出。目标转速发生器112产生后述的通常运转模式时的低压涡轮14的目标转速NLt。转速偏差运算器113求出目标转速NLt与由第二转速计42检测出的低压涡轮14的转速NLr的转速偏差ΔN(＝NLt-NLr)。转换器114使用函数F1将该转速偏差ΔN转换为输出修正值Pc。加法器115将输出偏差ΔP与输出修正值Pc相加，并将该相加后的值作为基本输出指令值Pb输出。

如图3所示，函数F1是将转速偏差ΔN转换为输出修正值Pc的函数。该函数F1基本上是使输出修正值Pc的变化相对于转速偏差ΔN的变化具有正相关性的函数。在使用该函数F1的情况下，在转速偏差ΔN为0时，输出修正值Pc为0。在转速偏差ΔN为负值时，输出修正值Pc也为负值。另外，在转速偏差ΔN为正值时，输出修正值Pc也为正值。在此，在转速偏差ΔN大于0的第一转速偏差ΔN1与小于0的第二转速偏差ΔN2的中间偏差区间中，输出修正值Pc相对于转速偏差ΔN的变化线性地变化。另一方面，在转速偏差ΔN大于第一转速偏差ΔN1的大偏差区间中，与转速偏差ΔN的变化无关地，输出修正值Pc维持转速偏差ΔN为第一转速偏差ΔN1时的输出修正值Pc。另外，在转速偏差ΔN小于第二转速偏差ΔN2的小偏差区间中，与转速偏差ΔN的变化无关地，输出修正值Pc维持转速偏差ΔN为第二转速偏差ΔN2时的输出修正值Pc。

成分分离部120将基本输出指令值Pb分离为高频成分Ph和低频成分Pl。该成分分离部120具有低通滤波器121和减法器122。如图4所示，低通滤波器121仅输出基本输出指令值Pb中的低频成分Pl。减法器122将从基本输出指令值Pb减去低频成分Pl而得到的值作为高频成分Ph输出。

基本输送接收电量运算部130基于基本输出指令值Pb的高频成分Ph，求出感应电动机22与外部系统1之间的电力的基本输送接收电量Ib。如图2所示，该基本输送接收电量运算部130具有利用率运算器131、利用高频成分运算器132、以及基本输送接收电量输出器133。利用率运算器131使用函数F2求出与高压涡轮13的实际的转速即实际转速NHr对应的成分利用率ur。需要说明的是，高压涡轮13的实际的转速与由第一转速计41检测出的感应电动机22的转速相等。另外，也可以不设置该利用率运算器131。利用高频成分运算器132是乘法器，对高频成分Ph乘以成分利用率ur，并将该相乘后的值作为利用高频成分Phu输出。基本输送接收电量输出器133使用函数F3将利用高频成分Phu转换为基本输送接收电量Ib，并输出该基本输送接收电量Ib。

如图5所示，函数F2是表示高压涡轮13的实际的转速即实际转速NHr与成分利用率ur的关系的函数。在使用该函数F2的情况下，实际转速NHr为高压涡轮13的额定转速NHn(例如，6500rpm)时，成为最大的成分利用率ur“1”。在使用该函数F2的情况下，随着实际转速NHr相比于额定转速NHn变大，成分利用率ur变小。另外，在使用该函数F2的情况下，随着实际转速NHr相对于额定转速NHn变小，成分利用率ur变小。在使用该函数F2的情况下，无论实际转速NHr是大于额定转速NHn的值还是小于额定转速NHn的值，在接近额定转速NHn的值下，成分利用率ur均是极其接近“1”的值。

如图6所示，函数F3是将利用高频成分Phu转换为基本输送接收电量Ib的函数。该函数F3基本上是使基本输送接收电量Ib的变化相对于利用高频成分Phu的变化具有负相关性的函数。在使用该函数F3的情况下，在利用高频成分Phu为0时，基本输送接收电量Ib为0。在利用高频成分Phu为负值时，基本输送接收电量Ib为正值。另外，在利用高频成分Phu为正值时，基本输送接收电量Ib为负值。在输送接收电量为正值的情况下，感应电动机22作为发电机21发挥功能，来自感应电动机22的电力被供给到外部系统1。另一方面，在输送接收电量为负值的情况下，感应电动机22作为电动机发挥功能，从外部系统1向感应电动机22供给电力。在此，在利用高频成分Phu的值大于0的第一利用高频成分值Phu1与小于0的第二利用高频成分值Phu2的中间区间中，基本输送接收电量Ib相对于利用高频成分Phu的变化线性地变化。另一方面，在利用高频成分Phu大于第一利用高频成分值Phu1的大区间中，与利用高频成分Phu的变化无关地，基本输送接收电量Ib维持利用高频成分Phu为第一利用高频成分值Phu1时的基本输送接收电量Ib。另外，在利用高频成分Phu小于第二利用高频成分值Phu2的小区间中，与利用高频成分Phu的变化无关地，基本输送接收电量Ib维持利用高频成分Phu为第二利用高频成分值Phu2时的基本输送接收电量Ib。这样，在大区间和小区间中不使基本输送接收电量Ib变化是为了不脱离感应电动机22的容量而保护感应电动机22。

限制输送接收电量运算部140求出与输送接收电力转速比Ib/NHr对应的限制输送接收电量Ir，该输送接收电力转速比Ib/NHr是基本输送接收电量Ib与高压涡轮13的实际的转速即实际转速NHr之比。该限制输送接收电量运算部140具有输送接收电力转速比运算器141和限制输送接收电量输出器142。输送接收电力转速比运算器141是除法器，将基本输送接收电量Ib除以实际转速NHr，并将该除后的值作为输送接收电力转速比Ib/NHr输出。即，输送接收电力转速比Ib/NHr是将基本输送接收电量Ib除以实际转速NHr而得到的值。限制输送接收电量输出器142使用函数F4求出与输送接收电力转速比Ib/NHr对应的限制输送接收电量Ir，并输出该限制输送接收电量Ir。

如图7所示，函数F4是将输送接收电力转速比Ib/NHr转换为限制输送接收电量Ir的函数。该函数F4是使限制输送接收电量Ir的变化相对于输送接收电力转速比Ib/NHr的变化具有正相关性的函数。在使用该函数F4的情况下，在输送接收电力转速比Ib/NHr为0时，限制输送接收电量Ir为0。在输送接收电力转速比Ib/NHr为负值时，限制输送接收电量Ir也为负值。另外，在输送接收电力转速比Ib/NHr为正值时，限制输送接收电量Ir也为正值。在此，在输送接收电力转速比Ib/NHr大于0的第一输送接收电力转速比Ib/NHr1与小于0的第二输送接收电力转速比Ib/NHr2之间的中间比区间中，限制输送接收电量Ir相对于输送接收电力转速比Ib/NHr的变化线性地变化。另外，在输送接收电力转速比Ib/NHr处于大于第一输送接收电力转速比Ib/NHr1的大比区间、以及输送接收电力转速比Ib/NHr小于第二输送接收电力转速比Ib/NHr2的小比区间时，虽然限制输送接收电量Ir相对于输送接收电力转速比Ib/NHr的变化线性地变化，但是相对于输送接收电力转速比Ib/NHr的变化量，限制输送接收电量Ir的变化量较小。即，关于函数F4，在大比区间和小比区间中，与中间比区间相比，限制输送接收电量Ir的变化相对于输送接收电力转速比Ib/NHr的变化变缓。

开度指令输出部151求出燃料调节阀15的开度，并将表示该开度的开度指令FVd向燃料调节阀15输出。开度指令输出部151基于基本输出指令值Pb的低频成分Pl，求出燃料调节阀15的开度。开度指令输出部151具有表示基本输出指令值Pb与得到对应于该基本输出指令值Pb的燃料流量的燃料调节阀15的开度的关系的函数。开度指令输出部151使用该函数，求出与从成分分离部120输出的基本输出指令值Pb的低频成分Pl的值对应的开度。

输送接收电力指令输出部152生成表示感应电动机22与外部系统1之间的电力的输送接收电量的输送接收电力指令INVd，并将该输送接收电力指令INVd向频率转换器24输出。输送接收电力指令输出部152生成表示从限制输送接收电量运算部140输出的限制输送接收电量Ir的输送接收电力指令INVd。

IGV指令输出部153生成表示IGV装置11i中的叶片11iv的开度的IGV指令IGVd，并将该IGV指令IGVd向IGV装置11i的驱动机11id输出。IGV指令输出部153具有表示基本输出指令值Pb的低频成分Pl与得到对应于该低频成分Pl的进气量的叶片11iv的开度的关系的函数F5。如图8所示，该函数F5是使开度Vp的变化相对于低频成分Pl的变化具有正相关性的函数。IGV指令输出部153使用该函数F5，求出与从成分分离部120输出的基本输出指令值Pb的低频成分Pl的值对应的叶片11iv的开度Vp。

以上说明的控制装置100由计算机构成。因此，以上说明的控制装置100的各功能结构均由计算机的输入输出接口、进行各种运算的CPU、以及保存有CPU执行的程序的存储器等构成。

需要说明的是，以上说明的控制装置100的各功能结构是使双轴燃气轮机10通常运转时的通常运转模式下的功能结构。因此，该控制装置100另外具备使双轴燃气轮机10起动时的起动模式下的功能结构。本实施方式的特征在于通常运转模式下的双轴燃气轮机10的控制及动作，因此省略该起动模式下的功能结构的说明。

接着，对以上说明的双轴燃气轮机发电设备的动作进行说明。

如图1所示，双轴燃气轮机10的压缩机11压缩空气A，并将压缩后的空气A向燃烧器12供给。除了被压缩的空气A之外，燃料F也被供给到燃烧器12。在燃烧器12内，燃料F在被压缩的空气A中燃烧而生成高温高压的燃烧气体。该燃烧气体从燃烧器12被输送到高压涡轮外壳13c内，使高压涡轮转子13r旋转。在该高压涡轮13产生的旋转驱动力用于压缩机转子11r的旋转。使高压涡轮转子13r的燃烧气体从高压涡轮外壳13c排出，流入到低压涡轮外壳14c内。该燃烧气体使低压涡轮转子14r旋转。通过该低压涡轮转子14r的旋转，与该低压涡轮转子14r连结的发电机转子21r也进行旋转。其结果是，发电机21进行发电。来自发电机21的电力经由主电力路径31向外部系统1输送。

在向控制装置100输入起动指令时，例如以预先确定的起动方式控制频率转换器24，直至双轴燃气轮机10转移至通常运转模式为止。另外，控制装置100例如以预先确定的起动方式控制燃料调节阀15的开度，直至双轴燃气轮机10转移至通常运转模式为止。

具体而言，控制装置100使频率转换器24从外部系统1接收电力，并使频率转换器24向感应电动机22输送该电力。此时，频率转换器24按照来自控制装置100的指示，逐渐提高向感应电动机22输送的电力的频率。其结果是，双轴燃气轮机10的第一转子17开始旋转，该第一转子17的转速逐渐升高。在第一转子17的转速成为规定的转速以上时，控制装置100将燃料调节阀15打开，逐渐增大该燃料调节阀15的开度。其结果是，开始向燃烧器12的燃料供给，向燃烧器12的燃料供给量逐渐增加。此时，由于压缩机转子11r也以规定的转速以上的转速进行旋转，因此，压缩机11压缩空气A，并将压缩空气向燃烧器12供给。随着压缩机转子11r的转速升高，该压缩空气的压力升高，并且向燃烧器12供给的压缩空气的流量也增加。在燃烧器12内，燃料F在压缩空气中燃烧，并生成高温高压的燃烧气体。该燃烧气体从燃烧器12被输送到高压涡轮外壳13c内，并使高压涡轮转子13r旋转。在该高压涡轮13产生的旋转驱动力用于压缩机转子11r的旋转。使高压涡轮转子13r旋转后的燃烧气体从高压涡轮外壳13c排出，流入到低压涡轮外壳14c内。该燃烧气体使低压涡轮转子14r旋转。

随着燃料供给量的增加，燃烧器12中的燃烧气体的产生量增加，在高压涡轮转子13r的转速升高时，包括高压涡轮转子13r和压缩机转子11r在内的第一转子17能够自行旋转。在成为该状态时，结束从外部系统1向感应电动机22的电力供给。然后，燃料供给量也会增加，第一转子17及第二转子18的转速进一步升高。在第二转子18的转速、即低压涡轮转子14r的转速和发电机转子21r的转速例如达到3000rpm时，断路器33关闭，发电机21并入到外部系统1中。

其结果是，向外部系统1输送由发电机转子21r的旋转产生的电力。

在发电机21并入到外部系统1中时，双轴燃气轮机10的起动模式结束，转移至通常运转模式。如上所说明的那样，感应电动机22在起动模式时专门作为电动机发挥功能。

在通常运转模式下，控制装置100基本上根据来自外部的要求输出Pd等来控制频率转换器24、燃料调节阀15、IGV装置11i。

以下，根据图9所示的流程图对通常运转模式下的控制装置100的动作进行说明。

基本输出运算部110求出与来自外部的要求输出Pd等对应的基本输出指令值Pb(S1：基本输出运算工序)。在基本输出运算工序(S1)中，输出偏差运算器111求出来自外部的要求输出Pd与由输出计43检测出的向外部系统1的实际输出Pr的输出偏差ΔP(＝Pd-Pr)。在基本输出运算工序(S1)中，转速偏差运算器113求出目标转速发生器112产生的目标转速NLt与由第二转速计42检测出的低压涡轮14的转速NLr的转速偏差ΔN(＝NLt-NLr)。转换器114使用利用图3所说明过的函数F1，将该转速偏差ΔN转换为输出修正值Pc。加法器115将输出偏差ΔP与输出修正值Pc相加，并将该相加后的值作为基本输出指令值Pb输出。

成分分离部120将基本输出指令值Pb分离为高频成分Ph和低频成分Pl(S2：成分分离工序)。在该成分分离工序(S2)中，如使用图4所说明过的那样，低通滤波器121仅输出基本输出指令值Pb中的低频成分Pl(S2a：低通工序)。并且，在该成分分离工序(S2)中，减法器122从基本输出指令值Pb减去低频成分Pl，并将该相减后的值作为高频成分Ph输出(S2b：减法工序)。

基本输送接收电量运算部130基于基本输出指令值Pb的高频成分Ph，求出感应电动机22与外部系统1之间的电力的基本输送接收电量Ib(S3：基本输送接收电量运算工序)。在该基本输送接收电量运算工序(S3)中，利用率运算器131使用利用图5所说明过的函数F2，求出与由第一转速计41检测出的高压涡轮13的实际转速NHr对应的成分利用率ur(S3a：利用率运算工序)。在基本输送接收电量运算工序(S3)中，利用高频成分运算器132将基本输出指令值Pb的高频成分Ph乘以成分利用率ur，并将该相乘后的值作为利用高频成分Phu输出(S3b：利用高频成分运算工序)。在基本输送接收电量运算工序(S3)中，基本输送接收电量输出器133使用利用图6所说明过的函数F3，将利用高频成分Phu转换为基本输送接收电量Ib，并输出该基本输送接收电量Ib(S3c：基本输送接收电量输出工序)。

限制输送接收电量运算部140求出与输送接收电力转速比Ib/NHr对应的限制输送接收电量Ir(S4：限制输送接收电量运算工序)。在该限制输送接收电量运算工序(S4)中，输送接收电力转速比运算器141将基本输送接收电量Ib除以由第一转速计41检测出的高压涡轮13的实际转速NHr，将该相除后的值作为输送接收电力转速比Ib/NHr输出。限制输送接收电量输出器142使用利用图7所说明过的函数F4，求出与基输送接收电力转速比Ib/NHr对应的限制输送接收电量Ir，并输出该限制输送接收电量Ir。

输送接收电力指令输出部152生成表示从限制输送接收电量运算部140输出的限制输送接收电量Ir的输送接收电力指令INVd，并将该输送接收电力指令INVd向频率转换器24输出(S5：输送接收电力指令输出工序)。

频率转换器24在接收到输送接收电力指令INVd时，将通过频率转换器24的输送接收电量设为输送接收电力指令INVd所示的输送接收电量。假设在输送接收电力指令INVd所示的输送接收电量为正值的情况下，频率转换器24将来自感应电动机22的电力向外部系统1输送。也就是说，在该情况下，感应电动机22向外部系统1输送电力。另外，假设在输送接收电力指令INVd所示的输送接收电量为负值的情况下，频率转换器24将来自外部系统1的电力向感应电动机22供给。也就是说，在该情况下，感应电动机22接收来自外部系统1的电力。

开度指令输出部151使用利用图8所说明过的函数F5，基于基本输出指令值Pb的低频成分Pl，求出燃料调节阀15的开度Vp，并将表示该开度Vp的开度指令FVd向燃料调节阀15输出(S6：开度指令输出工序)。

燃料调节阀15在接收到开度指令FVd时，将燃料调节阀15的开度设为开度指令FVd所示的开度。其结果是，供给到燃烧器12的燃料F的流量成为与基本输出指令值Pb的低频成分Pl对应的燃料流量。其结果是，来自双轴燃气轮机10的输出、也就是说来自发电机21的输出成为与基本输出指令值Pb的低频成分Pl对应的输出。

IGV指令输出部153生成表示IGV装置11i中的叶片11iv的开度的IGV指令IGVd，并将该IGV指令IGVd向IGV装置11i的驱动机11id输出。驱动机11id在接收到该IGV指令IGVd时，将IGV装置11i的叶片11iv的开度设为IGV指令IGVd所示的开度。其结果是，压缩机11吸入的空气A的流量成为与基本输出指令值Pb的低频成分Pl对应的空气流量。

在本实施方式中，关于基于要求输出Pd计算出的基本输出指令值Pb的高频成分Ph，换言之，关于要求输出Pd的急剧变化，通过感应电动机22相对于外部系统1的输送接收电力来应对。另外，在本实施方式中，关于基于要求输出Pd计算出的基本输出指令值Pb的低频成分Pl，换言之，关于要求输出Pd的相对平缓变化，通过伴随双轴燃气轮机10的驱动的来自发电机21的输出来应对。

假设没有成分分离部120，即确定燃料调节阀15的开度的输出指令值不仅包含低频成分Pl，还包含高频成分Ph。在该情况下，燃料调节阀15根据输出指令值的高频成分Ph反复进行急剧的开度变更。因此，该情况下的燃料调节阀15的寿命消耗降低。

但是，在本实施方式中，由于在确定燃料调节阀15的开度的输出指令值中不包含高频成分Ph，因此燃料调节阀15不会反复进行急剧的开度变更。因此，在本实施方式中，能够降低燃料调节阀15的寿命消耗。其中，在本实施方式中，无法通过燃料调节阀15的开度调节来应对要求输出Pd的急剧变化。但是，在本实施方式中，如前所述，专门通过由感应电动机22进行的输送接收电力来应对要求输出Pd的急剧变化。而且，与从要求输出Pd变化起到由于燃料流量变化而发电机21的发电量变化为止的时间相比，从要求输出Pd变化起到通过由感应电动机22进行的输送接收电力而相对于外部系统1的输送接收电量变化为止的时间极短。也就是说，与发电机21的发电量相对于要求输出Pd的变化的变化响应性相比，由感应电动机22进行的输送接收电量相对于要求输出Pd的变化的变化响应性极高。因此，在本实施方式中，能够确保对要求输出Pd的急剧变化的输出响应性。本实施方式的频率转换器24根据输出指令值的高频成分Ph，由于输送接收电量的急剧变更而反复进行急剧的动作。但是，由于该频率转换器24的动作为电气动作，因此无论该动作急剧还是平缓，频率转换器24的寿命几乎都不会被消耗。

如上所述，在本实施方式中，能够在确保对要求输出Pd的急剧变化的输出响应性的同时，也降低燃料调节阀15的寿命消耗。

然而，感应电动机22的转速根据针对频率转换器24的输送接收电力指令INVd所示的输送接收电量而变化。由于电动机转子22r与压缩机转子11r机械地连结，因此在感应电动机22的转速变化时，压缩机11的转速也随之变化，向燃烧器12输送的压缩空气的流量变化。

在本实施方式中，由于基于要求输出Pd中的低频成分Pl确定向燃烧器12供给的燃料流量，因此即使控制装置100接收到急剧变化的要求输出Pd，燃料流量也只是平缓地变化。另一方面，在本实施方式中，基于要求输出Pd中的高频成分Ph而感应电动机22和压缩机11的转速必然确定，因此在控制装置100接收到急剧变化的要求输出Pd时，被输送到燃烧器12的压缩空气的流量急剧变化。因此，在本实施方式中，在控制装置100接收到急剧变化的要求输出Pd的情况下，被供给到燃烧器12的燃料流量与压缩空气流量之比即燃空比F/A有时会偏离目标燃空比。

即，如本实施方式那样，在基于要求输出Pd中的低频成分Pl确定燃料调节阀15的开度，并基于要求输出Pd中的高频成分Ph确定感应电动机22的输送接收电量时，产生燃空比F/A偏离目标燃空比而在燃烧器12内燃料无法稳定燃烧的情况。

如图10所示，在高压涡轮13的转速NHr为额定转速NHn时，可稳定燃烧的燃空比区域R的宽度最宽。随着高压涡轮13的转速NHr相对于额定转速NHn变大，并且随着高压涡轮13的转速NHr相对于额定转速NHn变小，可稳定燃烧的燃空比区域R的宽度逐渐变窄。这是因为，将高压涡轮13以额定转速NHn旋转的情况为基准，设计了高压涡轮13、燃烧器12。

如上所述，可稳定燃烧的燃空比区域R的宽度随着高压涡轮13的转速NHr的变化而变化。因此，假设在高压涡轮13的转速NHr为额定转速NHn附近的转速的情况下，即使燃空比F/A偏离目标燃空比，能够稳定燃烧的可能性也高。但是，随着高压涡轮13的转速NHr相对于额定转速NHn变大，以及相对于额定转速NHn变小，能够稳定燃烧的可能性降低。

为此，在本实施方式中，在基本输送接收电量运算部130使用基本输出指令值Pb的高频成分Ph来求出基本输送接收电量Ib时，使用函数F2，在高压涡轮13的转速NHr为额定转速NHn时，使高频成分Ph的利用率ur为最大的1，随着高压涡轮13的转速NHr相对于额定转速NHn变大、以及随着相对于额定转速NHn变小，高频成分Ph的利用率ur减小。其结果是，在本实施方式中，能够抑制能够稳定燃烧的燃空比区域R的宽度窄的、高压涡轮13的转速NHr高于额定转速NHn的区域或高压涡轮13的转速NHr低于额定转速NHn的区域中的实际的燃空比F/A相对于目标燃空比的偏差。

如前所述，输送接收电力转速比Ib/NHr是将基本输送接收电量Ib除以高压涡轮13的转速NHr而得到的值。因此，在基本输送接收电量Ib恒定的情况下，当高压涡轮13的转速NHr变高时，输送接收电力转速比Ib/NHr变小，当高压涡轮13的转速NHr变低时，输送接收电力转速比Ib/NHr变大。

在本实施方式中，在限制输送接收电量运算部140求出限制输送接收电量Ir时，使用函数F4，在输送接收电力转速比Ib/NHr处于大比区间和小比区间的情况下，求出与中间比区间相比，相对于输送接收电力转速比Ib/NHr的变化而输送接收电量的变化小的输送接收电量作为限制输送接收电量Ir。因此，在本实施方式中，在高压涡轮13的转速NHr比中间比区间低的大比区间、或该转速NHr比中间比区间高的小比区间中，相对于转速NHr的变化而输送接收电量的变化小的输送接收电量成为限制输送接收电量Ir。其结果是，在本实施方式中，从该观点出发，也能够抑制可稳定燃烧的燃空比区域R的宽度窄的区域中的实际的燃空比F/A相对于目标燃空比的偏差。

因此，在本实施方式中，基于要求输出Pd中的低频成分Pl，确定燃料调节阀15的开度，基于要求输出Pd中的高频成分Ph，确定感应电动机22的输送接收电量，因此即使燃空比F/A偏离目标燃空比，也能够使燃料在燃烧器12内稳定燃烧。

如上所述，在本实施方式中，能够在确保对要求输出Pd的急剧变化的输出响应性的同时，也降低燃料调节阀15的寿命消耗，并且能够实现燃料的稳定燃烧。

产业上的可利用性

根据本发明的一个实施方式，能够在确保要求输出急剧变化时的输出响应性的同时，也降低设备的寿命消耗。

附图标记说明：

1...外部系统；

10...双轴燃气轮机；

11...压缩机；

11c...压缩机外壳；

11r...压缩机转子；

11i...IGV装置；

11iv...叶片；

11id...驱动机；

12...燃烧器；

13...高压涡轮；

13c...高压涡轮外壳；

13r...高压涡轮转子；

14...低压涡轮；

14c...低压涡轮外壳；

14r...低压涡轮转子；

15...燃料调节阀；

16...燃料管线；

17...第一转子；

18...第二转子；

21...发电机；

21c...发电机外壳；

21r...发电机转子；

22...感应电动机；

22c...电动机外壳；

22r...电动机转子；

24...频率转换器；

31...主电力路径；

32、35...变压器；

33、36...断路器；

34...副电力路径；

41...第一转速计；

42...第二转速计；

43...输出计；

100...控制装置；

110...基本输出运算部；

111...输出偏差运算器；

112...目标转速发生器；

113...转速偏差运算器；

114...转换器；

115...加法器；

120...成分分离部；

121...低通滤波器；

122...减法器；

130...基本输送接收电量运算部；

131...利用率运算器；

132...利用高频成分运算器；

133...基本输送接收电量输出器；

140...限制输送接收电量运算部；

141...输送接收电力转速比运算器；

142...限制输送接收电量输出器；

151...开度指令输出部；

152...输送接收电力指令输出部；

153...IGV指令输出部；

A...空气；

F...燃料；

F/A...燃空比；

A1...第一轴线；

A2...第二轴线；

NHr...高压涡轮的转速(实际转速)；

NLr...低压涡轮的转速(实际转速)；

NLt...低压涡轮的目标转速；

ΔN...转速偏差；

Pd...要求输出；

Pr...实际输出；

Pc...输出修正值；

ΔP...输出偏差；

Pb...基本输出指令值；

Ph...基本输出指令值的高频成分；

Phu...利用高频成分；

Pl...基本输出指令值的低频成分；

Ib...基本输送接收电量；

Ib/NHr...输送接收电力转速比；

Ir...限制输送接收电量；

IGVd...IGV指令；

INVd...输送接收电力指令；

FVd...开度指令；

R...可稳定燃烧的燃空比区域。