ガスタービン発電システム及びその運転方法
【課題】低コストかつコンパクトなシステム構成で、停電時に迅速に負荷設備に電力を供給することができるガスタービン発電システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】商用電力系統２と接続される交流母線３と、交流母線３に断続可能に接続されたガスタービン発電装置４と、交流母線３に接続された負荷設備５と、交流母線３に断続可能に接続されて商用電力系統２からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置６と、交流母線３に接続されてガスタービン発電装置４に圧縮燃料ガスＣＦを供給する電動式の燃料ガス圧縮機７と制御装置８を備え、制御装置８は、商用電力系統２の停電時に、小容量発電装置６と交流母線３とを接続して、小容量発電装置６から交流母線３を介して負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力を供給し、負荷設備５を作動させるとともに燃料ガス圧縮機７を作動させてガスタービン発電装置４を起動する。
【解決手段】商用電力系統２と接続される交流母線３と、交流母線３に断続可能に接続されたガスタービン発電装置４と、交流母線３に接続された負荷設備５と、交流母線３に断続可能に接続されて商用電力系統２からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置６と、交流母線３に接続されてガスタービン発電装置４に圧縮燃料ガスＣＦを供給する電動式の燃料ガス圧縮機７と制御装置８を備え、制御装置８は、商用電力系統２の停電時に、小容量発電装置６と交流母線３とを接続して、小容量発電装置６から交流母線３を介して負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力を供給し、負荷設備５を作動させるとともに燃料ガス圧縮機７を作動させてガスタービン発電装置４を起動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用電力系統と接続される交流母線と、前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービン発電システムとして、例えば、特許文献１には、商用電力系統と接続される交流母線と、その交流母線に接続されたガスタービン発電装置および負荷設備と、そのガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機とを備えたガスタービン発電システムが開示されており、定常時にはガスタービン発電装置および商用電力系統から負荷設備に電力を供給し、停電時にはガスタービン発電装置から負荷設備に電力を供給するガスタービン発電システムが開示されている。
【０００３】
このガスタービン発電システムでは、交流母線と燃料ガス圧縮機を接続する電力供給ラインに予備電源としてのＵＰＳ（無停電電源）が設けられており、商用電力系統およびガスタービン発電機からの給電が停止したときには、このＵＰＳから燃料ガス圧縮機に電力が供給されるように構成されている。したがって、停電が起こった場合でも燃料ガス圧縮機への給電が確保されるので、ガスタービン発電装置の起動動作および運転継続を行うことができるとされる。
【０００４】
また、交流母線から負荷設備に電力を供給する電力供給ラインにもＵＰＳが接続されており、商用電力系統およびガスタービン発電機からの給電が停止したときには、このＵＰＳから負荷設備に電力が供給されるようになっている。したがって、停電が起こって商用電力系統およびガスタービン発電装置のいずれからも電力の供給が途絶えた場合であっても、負荷設備に電力を供給し続けることができるとされる。
【０００５】
上記のような構成に代えて、図６に示すガスタービン発電システムが構築されている。このガスタービン発電システムは、商用電力系統３２に接続される交流母線３３と、交流母線３３に接続されたガスタービン発電装置３４および負荷設備３５と、交流母線３３に電力供給線３３ａによって接続されたガスタービン発電装置３４に圧縮燃料ガスＣＦを供給する燃料ガス圧縮機３７とを備えている。
このガスタービン発電システムには、停電時に電力を燃料ガス圧縮機３７に供給する非常用発電機３８が備えられており、停電時に燃料ガス圧縮機３７の電気的な接続を電力供給線３３ａから非常用発電機３８に切り替える電力供給切換スイッチ３６が設けられている。
【０００６】
そして、停電時に交流母線３３を介して商用電力系統３２と接続される電力供給線３３ａから燃料ガス圧縮機３７への電力供給が途絶えると、電力供給切換スイッチ３６によって燃料ガス圧縮機３７の接続先を電力供給線３３ａから非常用発電機３８に切り替えられる。これにより、停電時においても燃料ガス圧縮機３７へ電力が供給されて、ガスタービン発電装置３４を起動させて、その発電電力を負荷設備３５に供給することができるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１３１６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示のガスタービン発電システムにおいては、停電時に燃料ガス圧縮機を働かせるための専用のＵＰＳ、即ち、交流母線と燃料ガス圧縮機とを接続する電力供給ラインに燃料ガス圧縮機専用のＵＰＳを必要とする。従って、このガスタービン発電システムでは、実質的に、このＵＰＳから負荷設備に電力の供給を行うことは、考慮されていない。
【０００９】
一方、図６に示すガスタービン発電システムでは、停電時に、電力供給切換スイッチ３６によって燃料ガス圧縮機３７の接続先を電力供給線３３ａから非常用発電機３８に切り替えて、燃料ガス圧縮機３７に電力を供給して、燃料ガス圧縮機３７を作動させることができるが、非常用発電機３８から交流母線３３に接続されている負荷設備３５には電力を供給可能に構成されておらず、停電時に迅速に負荷設備に電力を供給することができないという問題がある。
【００１０】
それに加えて、停電が回復したときに、ガス圧縮機３７の接続先を、電力供給切換スイッチ３６によって非常用発電機３８から電力供給線３３ａに切り替える場合において、その切換操作時には、ガス圧縮機３７へ電力が供給されない状態となって、圧縮ガス燃料がガスタービン発電装置３４に供給されなくなり、ガスタービン発電装置３４が停止することとなる。そのため、この切換操作中は、負荷設備への電力供給を一時的に停止せざるをえないという問題があった。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストかつコンパクトなシステム構成とされて、停電時に迅速に負荷設備に電力を供給することができるガスタービン発電システム及びその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明に係るガスタービン発電システムは、
商用電力系統と接続される交流母線と、
前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システムであって、その特徴構成は、
前記交流母線に断続可能に接続されて前記商用電力系統からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置と、前記交流母線に接続されて前記ガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機と、
前記交流母線と前記商用電力系統、前記ガスタービン発電装置および前記小容量発電装置との接続状態と、前記ガスタービン発電装置、前記小容量発電装置および前記燃料ガス圧縮機の運転状態とを制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記商用電力系統の停電時に、前記小容量発電装置と前記交流母線とを接続して、前記小容量発電装置から前記交流母線を介して少なくとも前記燃料ガス圧縮機に電力を供給し、当該燃料ガス圧縮機を作動させて前記ガスタービン発電装置に前記圧縮燃料ガスを供給して前記ガスタービン発電装置を起動する点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、商用電力系統と接続された交流母線に、電力供給なしに起動可能な小容量発電装置が設けられ、制御装置が、商用電力系統の停電時に、小容量発電装置と交流母線とを接続して、小容量発電装置から交流母線を介して少なくとも燃料ガス圧縮機に電力を供給するので、商用電力系統からの電力の供給が受けられない停電時においても、小容量発電装置を起動して、この小容量発電装置により発電された電力を、同じく交流母線に接続された電動式の燃料ガス圧縮機に供給することができる。従って、停電時においても迅速に燃料ガス圧縮機を作動させてガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給してガスタービン発電装置を起動することができる。また、単一の小容量発電装置を交流母線に接続して設けるだけで、当該小容量発電装置の容量が許容する構成を採用しておくと、交流母線に接続された燃料ガス圧縮機と負荷設備との両方に電力を供給することができるので、システムを低コストかつコンパクトに構成することができる。
【００１４】
本発明に係るガスタービン発電システムの更なる特徴構成は、
前記小容量発電装置は前記ガスタービン発電装置よりも小さい発電容量とされ、
前記制御装置は、前記ガスタービン発電装置の起動後に、前記小容量発電装置が接続された前記交流母線に前記ガスタービン発電装置を同期投入して、前記小容量発電装置を前記交流母線から切断し、前記ガスタービン発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する点にある。
【００１５】
上記特徴構成によれば、制御装置は、ガスタービン発電装置を小容量発電装置が接続された前記交流母線に同期投入するので、ガスタービン発電装置によって発電された電力を少なくとも燃料ガス圧縮機に供給することができる。また、制御装置は小容量発電装置を交流母線から切断するので、ガスタービン発電装置と小容量発電装置との同期ずれによってガスタービン発電システムの状態が不安定な状態となることを防止することができるとともに、交流母線に接続されている発電装置を、ガスタービン発電装置よりも小さい発電容量とされる小容量発電装置から発電容量の大きいガスタービン発電装置に変更して、少なくとも燃料ガス圧縮機により多くの電力を供給することができる。
【００１６】
本発明に係るガスタービン発電システムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記商用電力系統の停電回復時に、前記ガスタービン発電装置が接続された前記交流母線の電圧位相を前記商用電力系統の電圧位相に同期させた状態で、前記交流母線と前記商用電力系統とを接続し、前記小容量発電装置を前記商用電力系統と接続された前記交流母線に同期投入する点にある。
【００１７】
上記特徴構成によれば、制御装置は、商用電力系統の停電回復時に、ガスタービン発電装置が接続された交流母線の電圧位相を商用電力系統の電圧位相に同期させた状態で、交流母線と商用電力系統とを接続するので、ガスタービン発電装置を停止することなく負荷設備への電力供給を維持したまま、容易にガスタービン発電装置が接続されている交流母線を商用電力系統と接続することができる。これにより、ガスタービン発電装置に加えて商用電力系統からも負荷設備および燃料ガス圧縮機に電力を供給することが可能となる。また、制御装置は、小容量発電装置を商用電力系統と接続された交流母線に同期投入するので、ガスタービン発電装置および商用電力系統から供給される電力に加えて、小容量発電装置によって発電される電力も負荷設備および燃料ガス圧縮機に供給することができる。
【００１８】
上記目的を達成するための本発明に係るガスタービン発電システムの運転方法は、
商用電力系統と接続される交流母線と、
前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システムの運転方法であって、
前記交流母線に断続可能に接続されて前記商用電力系統からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置と、前記交流母線に接続されて前記ガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機とを備え、
前記商用電力系統の停電時に前記ガスタービン発電装置を起動するにあたり、前記交流母線から前記商用電力系統と前記ガスタービン発電装置とを切断する交流母線切断工程と、前記小容量発電装置を起動する小容量発電装置起動工程と、前記小容量発電装置を前記交流母線に接続して電力を少なくとも前記燃料ガス圧縮機に供給する小容量発電装置接続工程と、前記燃料ガス圧縮機を作動させて前記ガスタービン発電装置に前記圧縮燃料ガスを供給する圧縮ガス供給工程と、供給された前記圧縮燃料ガスによって前記ガスタービン発電装置を起動するガスタービン発電装置起動工程とを備えた点にある。
【００１９】
上記特徴構成によれば、上述の本発明に係るガスタービン発電システムと同様に、停電時においても、交流母線に接続される小容量発電装置を起動して、その発電電力を同じく交流母線に接続された燃料ガス圧縮機および負荷設備に供給することができる。従って、停電時においても迅速に少なくとも燃料ガス圧縮機を作動させてガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給してガスタービン発電装置を起動することができる。
【００２０】
本発明に係るガスタービン発電システムの運転方法の更なる特徴構成は、
前記ガスタービン発電装置起動工程の後に、前記小容量発電装置が接続された前記交流母線に前記ガスタービン発電装置を同期投入するガスタービン発電装置同期投入工程と、前記小容量発電装置を前記交流母線から切断する小容量発電装置切断工程とを備え、前記ガスタービン発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する点にある。
【００２１】
上記特徴構成によれば、上述の本発明に係るガスタービン発電システムと同様に、ガスタービン発電装置と小容量発電装置との同期ずれによってガスタービン発電システムの状態が不安定な状態となることを防止することができるとともに、交流母線に接続されている発電装置を小容量発電装置から発電容量の大きいガスタービン発電装置に変更して、少なくとも燃料ガス圧縮機により多くの電力を供給することができる。
【００２２】
本発明に係るガスタービン発電システムの運転方法の更なる特徴構成は、
前記商用電力系統の停電回復時に、前記ガスタービン発電装置が接続された前記交流母線の電圧位相を前記商用電力系統に電圧位相に同期させた状態として、前記商用電力系統と前記交流母線とを接続する系統接続工程と、前記小容量発電装置を前記商用電力系統と接続されている前記交流母線に同期投入する小容量発電装置同期投入工程とを備え、
前記商用電力系統、前記ガスタービン発電装置および前記小容量発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する点にある。
【００２３】
上記特徴構成によれば、上述の本発明に係るガスタービン発電システムと同様に、ガスタービン発電装置を停止することなく負荷設備への電力供給を維持したまま、容易にガスタービン発電装置が接続されている交流母線を商用電力系統と接続することができ、ガスタービン発電装置に加えて商用電力系統からも負荷設備および燃料ガス圧縮機に電力を供給することができる。そして、小容量発電装置をさらに同期投入することで、ガスタービン発電装置、商用電力系統および小容量発電装置から負荷設備および燃料ガス圧縮機に電力を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ガスタービン発電システムの構成図である。
【図２】ガスタービン発電装置の構成図（ａ）とガスエンジン発電装置の構成図（ｂ）である。
【図３】ガスタービン発電装置の起動時の状態を示す図である。
【図４】ガスタービン発電装置を交流母線に接続した状態を示す図である。
【図５】交流母線を商用電力系統に接続した状態を示す図である。
【図６】従来のガスタービン発電システムの構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係るガスタービン発電システムの実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るガスタービン発電システム１の概略図である。
図１に示すように、ガスタービン発電システム１は、商用電力系統２と遮断器９により接続される交流母線３と、交流母線３に遮断器１０により断続可能に接続された発電容量が大容量のガスタービン発電装置４と、交流母線３に接続された負荷設備５と、交流母線３に遮断器１１により断続可能に接続されて商用電力系統２からの電力供給なしに起動可能なガスエンジン発電装置６（小容量発電装置に相当）と、交流母線３に接続されてガスタービン発電装置４に圧縮燃料ガスＣＦを供給する電動式の燃料ガス圧縮機７が設けられている。
この燃料ガス圧縮機７には、燃料ガス供給源１２から燃料ガスＦが供給されるように構成されて、燃料ガス圧縮機７によって圧縮された圧縮燃料ガスＣＦが、圧縮燃料ガス供給路１３を介してガスタービン発電装置４に供給されるように構成されている。
【００２６】
また、交流母線３と商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６（小容量発電装置の一例）との接続状態を制御する制御装置８が設けられている。具体的には図１に示すように、交流母線３と商用電力系統２とは遮断器９によって断続自在に構成され、交流母線３とガスタービン発電装置４とは遮断器１０によって断続自在に構成され、交流母線３とガスエンジン発電装置６とは遮断器１１によって断続自在に構成されている。これらの遮断器９、１０、１１は、閉状態としたときには電気的に接続された状態となり、開状態としたときには電気的に切断された状態となるものであり、制御装置８によって開閉状態が制御されている。さらに、制御装置８は、ガスタービン発電装置４、ガスエンジン発電装置６および燃料ガス圧縮機７の運転状態についても制御するように構成されている。
この例では、交流母線３と負荷設備５（重要負荷設備：定常的な電力供給が望まれる負荷）とが常時接続されている例を示しており、ガスエンジン発電装置６で、負荷設備５（重要負荷設備）と燃料ガス圧縮機７に必要とされる電力を賄えるものとして、以下説明する。
同図には図示していないが、負荷設備（一般負荷設備：一時的に電力供給が断たれても問題のない負荷）は、前記遮断器９と商用電力系統２との間に接続されている。
【００２７】
そして、この制御装置８は、図示しないバッテリーに接続されているので、停電時においても動作することができる。従って、制御装置８は、商用電力系統２の停電時に、ガスエンジン発電装置６を起動して、ガスエンジン発電装置６と交流母線３とを遮断器１１を閉状態として接続して、ガスエンジン発電装置６から交流母線３を介して負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力を供給できるように構成されている。これにより、負荷設備５を作動させることができるとともに、燃料ガス圧縮機７を作動させてガスタービン発電装置４に圧縮燃料ガスＣＦを供給してガスタービン発電装置４を起動するように構成されている。
【００２８】
以下に図２（ａ）に基づいてガスタービン発電装置４について説明する。
ガスタービン発電装置４は、空気を圧縮する空気圧縮機４ａと、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器４ｂと、燃焼器４ｂにおいて発生した燃焼ガスを受けて高速で回転する複数の回転翼を有するタービン４ｃと、タービン４ｃの回転により発電を行うガスタービン発電機４ｄとで構成されて、このタービン４ｃ、空気圧縮機４ａ、及びガスタービン発電機４ｄは、回転軸４ｅを介して同軸上に配置されており、回転軸４ｅは、図示しない軸受により回転自在に支持されている。これにより、タービン４ｃ、空気圧縮機４ａ、及びガスタービン発電機４ｄは一体に回転するようになっている。
このように、ガスタービン発電装置４が構成され、空気圧縮機４ａから吐出された圧縮空気が燃焼器４ｂに導入され、ここで燃料ガス圧縮機７から供給される圧縮燃料ガスＣＦと混合される。この混合気が燃焼器４ｂの内部で燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスが発生する。そして、燃焼器４ｂにおける燃焼により発生した燃焼ガスを受けてタービン４ｃが高速で回転し、タービン４ｃと回転軸４ｅによって連結されたガスタービン発電機４ｄ及び空気圧縮機４ａが高速で回転駆動され、ガスタービン発電機４ｄにて交流電力が生成されるとともに、空気圧縮機４ａから圧縮空気は燃焼器４ｂに向けて吐出される。なお、燃料ガスＦとしては、都市ガスや天然ガスなどが用いられる。
【００２９】
そして、ガスタービン発電機４ｄはタービン４ｃと回転軸４ｅによって結合されて駆動されると共に、励磁装置４ｆが設けられた構造とされ、この励磁装置４ｆにより界磁電流を制御可能に構成された同期発電機であり、これによって発電される電力は遮断器１０を介して交流母線３に供給されるように構成されている。
【００３０】
また、図２（ｂ）に基づいてガスエンジン発電装置６について説明する。
ガスエンジン発電装置６は、ガスエンジン６ａとそのガスエンジン６ａの出力軸に接続されたガスエンジン発電機６ｂ（小容量発電機に相当）から構成されている。そして、ガスエンジン発電機６ｂは、励磁装置６ｃにより界磁電流を供給されるように構成された同期発電機であり、ガスエンジン発電機６ｂで発電される電力は遮断器１１を介して交流母線３に供給されるように構成されている。また、ガスエンジン６ａの始動はバッテリー６ｄから電力が供給されることにより行なわれるので、ガスエンジン発電装置６は商用電力系統２またはその他の外部電源からの電力の供給なしに起動させることができる。
【００３１】
次に、図１にもどって、制御装置８について説明する。
遮断器１０のガスタービン発電装置４側の端部には、ガスタービン発電機４ｄで発電される電力を計測する電力計測器（図示せず）が設置され、一方、遮断器１０の交流母線３側の端部には、交流母線３に供給されている電力を計測する電力計測器（図示せず）が設置されている。また、これら遮断器１０のそれぞれの端部に設けられた電力計測器の計測結果は、制御装置８に入力され、制御装置８は、その入力された計測結果から、遮断器１０のそれぞれの端部における電力の電圧、更にはその周波数及び位相を検出することができるように構成されている。
また、同様に遮断器９、１１の両端部にも、それぞれの端部の電力の電圧、更にはその周波数及び位相を検出することができる電力計測器が設けられており、それらの電力計測器の計測結果は、制御装置８に入力されるように構成されている。
【００３２】
そして、制御装置８は、遮断器１０において、ガスタービン発電装置４側に設けられた電力計測器で計測される発電電力の電圧を交流母線３が有する電力の電圧と略同じものとするように、ガスタービン発電機４ｄの励磁装置４ｆに流れる電流を制御する自動電圧調整装置（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ、ＡＶＲ）としての機能を備えている。
また、同様に、制御装置８は、遮断器９において、交流母線３側に設けられた電力計測器で計測される供給電力の電圧を商用電力系統２側が有する電力の電圧と略同じものとなるように、ガスタービン発電機４ｄの励磁装置４ｆに流れる電流を制御する機能、および、遮断器１１において、ガスエンジン発電装置６側に設けられた電力計測器で計測される発電電力の電圧を交流母線３側が有する電力の電圧と略同じ電圧値とするように、ガスエンジン発電機６ｂの励磁装置６ｃに流れる電流を制御する機能を備えている。
【００３３】
さらに、制御装置８は、上述のように遮断器１０の両端部の電圧を略同じ電圧値とした状態で、電力計測器によって測定された遮断器１０のガスタービン発電装置４側の端部の位相と、交流母線３側の端部の位相とが略一致した時に、遮断器１０を閉状態として電気的にガスタービン発電装置４と交流母線３とを接続状態とする同期投入を行う同期投入機能を備えている。
また、同様に、制御装置８は、電力計測器によって測定された遮断器１１の両端部の電力の位相が略一致した時に、遮断器１１を閉状態としてガスエンジン発電装置６と交流母線３を電気的に接続状態とする同期投入を行う機能、および、電力計測器によって測定された遮断器９の両端部の電力の位相が略一致した時に、遮断器９を閉状態として商用電力系統２と交流母線３を電気的に接続状態とする同期投入を行う機能を備えている。
【００３４】
次に、本実施形態における停電が発生したときのガスタービン発電システム１の運転方法について説明する。停電が発生すると、電力負荷や周波数の変動が発生して、ガスタービン発電装置４が停止することがある。また、ガスタービン発電装置４が停止しているときに停電が起こる場合もある。このような場合において、ガスタービン発電装置４を起動して自立運転を開始する方法を以下に示す。
【００３５】
まず、図１に示すように、商用電力系統２の停電時にガスタービン発電装置４を起動するにあたり、制御装置８は、遮断器９、遮断器１０および遮断器１１を開状態として、交流母線３から商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６とを電気的に切断する（交流母線切断工程）。そして、バッテリー６ｄから供給される電力によりガスエンジン発電装置６を起動する（ガスエンジン発電装置起動工程）。
次に、図３に示すように、ガスエンジン発電装置６を、遮断器１１を閉じて交流母線３に接続して、ガスエンジン発電装置６における発電電力を負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に供給する（ガスエンジン発電装置接続工程）。そして、燃料ガス圧縮機７を作動させてガスタービン発電装置４に圧縮燃料ガスＣＦを供給して（圧縮ガス供給工程）、その供給された圧縮燃料ガスＣＦによってガスタービン発電装置４を起動する（ガスタービン発電装置起動工程）。これにより、商用電力系統２の停電時において負荷設備５を作動させるとともに、ガスタービン発電システム１を起動することができる。
【００３６】
上記ガスエンジン発電装置接続工程では、ガスエンジン発電装置６から出力される電力の電圧が確立された後、負荷設備５および燃料ガス圧縮機７を電気的に接続する。この状態では、交流母線３は商用電力系統２から切断されており、ガスエンジン発電装置６による発電電力が負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に供給される。ここで、ガスエンジン発電装置６の発電電力を負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に供給するにあたり、制御装置８はガスエンジン発電装置６を電圧制御方式による制御を行なっている。電圧制御方式とは、予め設定された電圧および周波数を維持するように制御しつつ、負荷設備５および燃料ガス圧縮機７の容量によって決定される電流をガスエンジン発電装置６から出力する制御方式である。
【００３７】
さらに、図４に示すように、制御装置８は、ガスタービン発電装置起動工程の後に、ガスエンジン発電装置６が接続された交流母線３にガスタービン発電装置４を同期投入して（ガスタービン発電装置同期投入工程）、その後に、ガスエンジン発電装置６を交流母線３から切断する（ガスエンジン発電装置切断工程）。これにより、ガスタービン発電装置４から負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力が供給される。
【００３８】
ここで、ガスエンジン発電装置６が接続された交流母線３にガスタービン発電装置４が同期投入されると（ガスタービン発電装置同期投入工程）、交流母線３においてガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６によって電力が供給される並行運転の状態となる。この並行運転の状態において、両発電装置４、６の周波数が異なるときは，発電装置４、６間に同期化力が働き、位相を一致させようとするが、回転軸を含む回転部の慣性の大きさによっては同期化力が周期的に変動して電力の動揺を繰り返す乱調が発生する。そして、この動揺が著しくなると同期はずれを生じて，両発電装置４、６が互いに正常に運転できなくなる。
【００３９】
そこで、本実施形態においては、ガスタービン発電装置４よりも小さい発電容量とされるガスエンジン発電装置６を交流母線３から切断する（ガスエンジン発電装置切断工程）ことで、発電容量の大きいガスタービン発電装置４の発電状態を維持して十分な電力を負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に供給するとともに、乱調や同期はずれを予防して安定した発電状態を維持することができる。これによって、ガスタービン発電装置４が商用電力系統２と切断された状態で運転される自立運転状態となる。
【００４０】
次に、ガスタービン発電装置４が自立運転状態とされる時に商用電力系統２の停電が回復したときのガスタービン発電システム１の動作について図５に基づいて説明する。
【００４１】
制御装置８は、商用電力系統２の停電回復時に、ガスタービン発電装置４が接続された交流母線３の電圧位相を商用電力系統２の電圧位相に同期させた状態として、商用電力系統２と交流母線３とを接続し（系統接続工程）、その後に、ガスエンジン発電装置６（小容量発電装置）を商用電力系統２と接続されている交流母線３に同期投入する（小容量発電装置同期投入工程）。これにより、商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６から負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力を供給することができる。
【００４２】
上記系統接続工程においては、ガスタービン発電装置４が接続された交流母線３の電圧位相を制御装置８によって励磁装置４ｆに供給する電流の制御を行なって商用電力系統２の電圧位相に同期させた状態として、商用電力系統２と交流母線３とを遮断器１０を閉状態として接続する。
このように、商用電力系統２と交流母線３とが接続されると、ガスタービン発電装置４の発電電力の周波数及び電圧は、巨大容量の商用電力系統２の供給電力の周波数及び電圧で決定されるので、制御装置８による励磁装置４ｆに供給する電流の制御は、同期発電機であるガスタービン発電機４ｄの無効電力および有効電力の制御に切り替えられる。これにより、出力電力の電圧、周波数、および位相を、商用電力系統２から供給される電力の電圧、周波数、および位相にそれぞれ同期させつつ、設定された出力電力を維持するように電流値が制御される。
【００４３】
さらに、上記小容量発電装置同期投入工程において、ガスエンジン発電装置６の電圧位相を制御装置８によって励磁装置６ｃに供給する電流の制御を行なって商用電力系統２が接続されている交流母線３の電圧位相に同期させた状態として、ガスエンジン発電装置６と交流母線３とを遮断器１１を閉状態として接続される。接続後は、ガスエンジン発電装置６は、上述のガスタービン発電機４ｄと同様に、無効電力および有効電力の制御に切り替えられる。これにより、商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６から負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力を供給することができる。
【００４４】
また、商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６が接続された状態では、商用電力系統２から電力が燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に供給されると同時に、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６からも燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に電力が供給される。このような場合、制御装置８は、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６からの発電電力は、商用電力系統２に逆流しないように制御する必要がある。したがって、制御装置８は、商用電力系統２からの受電量に応じて決定された出力電力設定値を維持するように出力電力の電流値を制御する。
【００４５】
このように、本ガスタービン発電システム１においては、商用電力系統２の停電時において、ガスエンジン発電装置６を起動させて燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に迅速に電力を供給することができ、さらに、ガスタービン発電装置４を起動させることで十分な電力を燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に供給することができる。また、停電が回復したときにおいても、燃料ガス圧縮機７および負荷設備５への電力供給を維持したまま商用電力系統２と交流母線３を接続して燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に商用電力系統２から電力が供給される停電前の状態に容易に復帰することができる。
【００４６】
〔別実施形態〕
上記実施形態では、小容量発電装置であるガスエンジン発電装置６が、重要負荷である負荷設備５と燃料ガス圧縮機３７との両方を働かせるのに、十分な容量を有する場合に関して説明した。しかしながら、本願の目的は、ガスタービン発電設備４を起動するのに必要となる燃料ガス圧縮機７が運転できれば良いため、例えば、重要負荷に関してもその運転に優先順位を設けておき、或は、停止時間に余裕を持たせておき、ガスエンジン発電装置６から交流母線３を介して、燃料ガス圧縮機７に電力の供給が行える構成となっていれば良い。
一方、ガスエンジン発電装置６の起動時には、起動時にかかる負荷でできるだけ低下させる意味から、負荷設備５（重要負荷の一部又は全部）および燃料ガス圧縮機７を交流母線３から電気的に切り離した状態としておくことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上説明したように、低コストかつコンパクトなシステム構成とされて、停電時に迅速に負荷設備に電力を供給することができるガスタービン発電システム及びその運転方法を提供することができた。
【符号の説明】
【００４８】
１ ガスタービン発電システム
２ 商用電力系統
３ 交流母線
４ ガスタービン発電装置
５ 負荷設備
６ 小容量発電装置
７ 燃料ガス圧縮機
８ 制御装置
ＣＦ 圧縮燃料ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用電力系統と接続される交流母線と、前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービン発電システムとして、例えば、特許文献１には、商用電力系統と接続される交流母線と、その交流母線に接続されたガスタービン発電装置および負荷設備と、そのガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機とを備えたガスタービン発電システムが開示されており、定常時にはガスタービン発電装置および商用電力系統から負荷設備に電力を供給し、停電時にはガスタービン発電装置から負荷設備に電力を供給するガスタービン発電システムが開示されている。
【０００３】
このガスタービン発電システムでは、交流母線と燃料ガス圧縮機を接続する電力供給ラインに予備電源としてのＵＰＳ（無停電電源）が設けられており、商用電力系統およびガスタービン発電機からの給電が停止したときには、このＵＰＳから燃料ガス圧縮機に電力が供給されるように構成されている。したがって、停電が起こった場合でも燃料ガス圧縮機への給電が確保されるので、ガスタービン発電装置の起動動作および運転継続を行うことができるとされる。
【０００４】
また、交流母線から負荷設備に電力を供給する電力供給ラインにもＵＰＳが接続されており、商用電力系統およびガスタービン発電機からの給電が停止したときには、このＵＰＳから負荷設備に電力が供給されるようになっている。したがって、停電が起こって商用電力系統およびガスタービン発電装置のいずれからも電力の供給が途絶えた場合であっても、負荷設備に電力を供給し続けることができるとされる。
【０００５】
上記のような構成に代えて、図６に示すガスタービン発電システムが構築されている。このガスタービン発電システムは、商用電力系統３２に接続される交流母線３３と、交流母線３３に接続されたガスタービン発電装置３４および負荷設備３５と、交流母線３３に電力供給線３３ａによって接続されたガスタービン発電装置３４に圧縮燃料ガスＣＦを供給する燃料ガス圧縮機３７とを備えている。
このガスタービン発電システムには、停電時に電力を燃料ガス圧縮機３７に供給する非常用発電機３８が備えられており、停電時に燃料ガス圧縮機３７の電気的な接続を電力供給線３３ａから非常用発電機３８に切り替える電力供給切換スイッチ３６が設けられている。
【０００６】
そして、停電時に交流母線３３を介して商用電力系統３２と接続される電力供給線３３ａから燃料ガス圧縮機３７への電力供給が途絶えると、電力供給切換スイッチ３６によって燃料ガス圧縮機３７の接続先を電力供給線３３ａから非常用発電機３８に切り替えられる。これにより、停電時においても燃料ガス圧縮機３７へ電力が供給されて、ガスタービン発電装置３４を起動させて、その発電電力を負荷設備３５に供給することができるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１３１６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示のガスタービン発電システムにおいては、停電時に燃料ガス圧縮機を働かせるための専用のＵＰＳ、即ち、交流母線と燃料ガス圧縮機とを接続する電力供給ラインに燃料ガス圧縮機専用のＵＰＳを必要とする。従って、このガスタービン発電システムでは、実質的に、このＵＰＳから負荷設備に電力の供給を行うことは、考慮されていない。
【０００９】
一方、図６に示すガスタービン発電システムでは、停電時に、電力供給切換スイッチ３６によって燃料ガス圧縮機３７の接続先を電力供給線３３ａから非常用発電機３８に切り替えて、燃料ガス圧縮機３７に電力を供給して、燃料ガス圧縮機３７を作動させることができるが、非常用発電機３８から交流母線３３に接続されている負荷設備３５には電力を供給可能に構成されておらず、停電時に迅速に負荷設備に電力を供給することができないという問題がある。
【００１０】
それに加えて、停電が回復したときに、ガス圧縮機３７の接続先を、電力供給切換スイッチ３６によって非常用発電機３８から電力供給線３３ａに切り替える場合において、その切換操作時には、ガス圧縮機３７へ電力が供給されない状態となって、圧縮ガス燃料がガスタービン発電装置３４に供給されなくなり、ガスタービン発電装置３４が停止することとなる。そのため、この切換操作中は、負荷設備への電力供給を一時的に停止せざるをえないという問題があった。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストかつコンパクトなシステム構成とされて、停電時に迅速に負荷設備に電力を供給することができるガスタービン発電システム及びその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明に係るガスタービン発電システムは、
商用電力系統と接続される交流母線と、
前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システムであって、その特徴構成は、
前記交流母線に断続可能に接続されて前記商用電力系統からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置と、前記交流母線に接続されて前記ガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機と、
前記交流母線と前記商用電力系統、前記ガスタービン発電装置および前記小容量発電装置との接続状態と、前記ガスタービン発電装置、前記小容量発電装置および前記燃料ガス圧縮機の運転状態とを制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記商用電力系統の停電時に、前記小容量発電装置と前記交流母線とを接続して、前記小容量発電装置から前記交流母線を介して少なくとも前記燃料ガス圧縮機に電力を供給し、当該燃料ガス圧縮機を作動させて前記ガスタービン発電装置に前記圧縮燃料ガスを供給して前記ガスタービン発電装置を起動する点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、商用電力系統と接続された交流母線に、電力供給なしに起動可能な小容量発電装置が設けられ、制御装置が、商用電力系統の停電時に、小容量発電装置と交流母線とを接続して、小容量発電装置から交流母線を介して少なくとも燃料ガス圧縮機に電力を供給するので、商用電力系統からの電力の供給が受けられない停電時においても、小容量発電装置を起動して、この小容量発電装置により発電された電力を、同じく交流母線に接続された電動式の燃料ガス圧縮機に供給することができる。従って、停電時においても迅速に燃料ガス圧縮機を作動させてガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給してガスタービン発電装置を起動することができる。また、単一の小容量発電装置を交流母線に接続して設けるだけで、当該小容量発電装置の容量が許容する構成を採用しておくと、交流母線に接続された燃料ガス圧縮機と負荷設備との両方に電力を供給することができるので、システムを低コストかつコンパクトに構成することができる。
【００１４】
本発明に係るガスタービン発電システムの更なる特徴構成は、
前記小容量発電装置は前記ガスタービン発電装置よりも小さい発電容量とされ、
前記制御装置は、前記ガスタービン発電装置の起動後に、前記小容量発電装置が接続された前記交流母線に前記ガスタービン発電装置を同期投入して、前記小容量発電装置を前記交流母線から切断し、前記ガスタービン発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する点にある。
【００１５】
上記特徴構成によれば、制御装置は、ガスタービン発電装置を小容量発電装置が接続された前記交流母線に同期投入するので、ガスタービン発電装置によって発電された電力を少なくとも燃料ガス圧縮機に供給することができる。また、制御装置は小容量発電装置を交流母線から切断するので、ガスタービン発電装置と小容量発電装置との同期ずれによってガスタービン発電システムの状態が不安定な状態となることを防止することができるとともに、交流母線に接続されている発電装置を、ガスタービン発電装置よりも小さい発電容量とされる小容量発電装置から発電容量の大きいガスタービン発電装置に変更して、少なくとも燃料ガス圧縮機により多くの電力を供給することができる。
【００１６】
本発明に係るガスタービン発電システムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記商用電力系統の停電回復時に、前記ガスタービン発電装置が接続された前記交流母線の電圧位相を前記商用電力系統の電圧位相に同期させた状態で、前記交流母線と前記商用電力系統とを接続し、前記小容量発電装置を前記商用電力系統と接続された前記交流母線に同期投入する点にある。
【００１７】
上記特徴構成によれば、制御装置は、商用電力系統の停電回復時に、ガスタービン発電装置が接続された交流母線の電圧位相を商用電力系統の電圧位相に同期させた状態で、交流母線と商用電力系統とを接続するので、ガスタービン発電装置を停止することなく負荷設備への電力供給を維持したまま、容易にガスタービン発電装置が接続されている交流母線を商用電力系統と接続することができる。これにより、ガスタービン発電装置に加えて商用電力系統からも負荷設備および燃料ガス圧縮機に電力を供給することが可能となる。また、制御装置は、小容量発電装置を商用電力系統と接続された交流母線に同期投入するので、ガスタービン発電装置および商用電力系統から供給される電力に加えて、小容量発電装置によって発電される電力も負荷設備および燃料ガス圧縮機に供給することができる。
【００１８】
上記目的を達成するための本発明に係るガスタービン発電システムの運転方法は、
商用電力系統と接続される交流母線と、
前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システムの運転方法であって、
前記交流母線に断続可能に接続されて前記商用電力系統からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置と、前記交流母線に接続されて前記ガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機とを備え、
前記商用電力系統の停電時に前記ガスタービン発電装置を起動するにあたり、前記交流母線から前記商用電力系統と前記ガスタービン発電装置とを切断する交流母線切断工程と、前記小容量発電装置を起動する小容量発電装置起動工程と、前記小容量発電装置を前記交流母線に接続して電力を少なくとも前記燃料ガス圧縮機に供給する小容量発電装置接続工程と、前記燃料ガス圧縮機を作動させて前記ガスタービン発電装置に前記圧縮燃料ガスを供給する圧縮ガス供給工程と、供給された前記圧縮燃料ガスによって前記ガスタービン発電装置を起動するガスタービン発電装置起動工程とを備えた点にある。
【００１９】
上記特徴構成によれば、上述の本発明に係るガスタービン発電システムと同様に、停電時においても、交流母線に接続される小容量発電装置を起動して、その発電電力を同じく交流母線に接続された燃料ガス圧縮機および負荷設備に供給することができる。従って、停電時においても迅速に少なくとも燃料ガス圧縮機を作動させてガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給してガスタービン発電装置を起動することができる。
【００２０】
本発明に係るガスタービン発電システムの運転方法の更なる特徴構成は、
前記ガスタービン発電装置起動工程の後に、前記小容量発電装置が接続された前記交流母線に前記ガスタービン発電装置を同期投入するガスタービン発電装置同期投入工程と、前記小容量発電装置を前記交流母線から切断する小容量発電装置切断工程とを備え、前記ガスタービン発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する点にある。
【００２１】
上記特徴構成によれば、上述の本発明に係るガスタービン発電システムと同様に、ガスタービン発電装置と小容量発電装置との同期ずれによってガスタービン発電システムの状態が不安定な状態となることを防止することができるとともに、交流母線に接続されている発電装置を小容量発電装置から発電容量の大きいガスタービン発電装置に変更して、少なくとも燃料ガス圧縮機により多くの電力を供給することができる。
【００２２】
本発明に係るガスタービン発電システムの運転方法の更なる特徴構成は、
前記商用電力系統の停電回復時に、前記ガスタービン発電装置が接続された前記交流母線の電圧位相を前記商用電力系統に電圧位相に同期させた状態として、前記商用電力系統と前記交流母線とを接続する系統接続工程と、前記小容量発電装置を前記商用電力系統と接続されている前記交流母線に同期投入する小容量発電装置同期投入工程とを備え、
前記商用電力系統、前記ガスタービン発電装置および前記小容量発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する点にある。
【００２３】
上記特徴構成によれば、上述の本発明に係るガスタービン発電システムと同様に、ガスタービン発電装置を停止することなく負荷設備への電力供給を維持したまま、容易にガスタービン発電装置が接続されている交流母線を商用電力系統と接続することができ、ガスタービン発電装置に加えて商用電力系統からも負荷設備および燃料ガス圧縮機に電力を供給することができる。そして、小容量発電装置をさらに同期投入することで、ガスタービン発電装置、商用電力系統および小容量発電装置から負荷設備および燃料ガス圧縮機に電力を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ガスタービン発電システムの構成図である。
【図２】ガスタービン発電装置の構成図（ａ）とガスエンジン発電装置の構成図（ｂ）である。
【図３】ガスタービン発電装置の起動時の状態を示す図である。
【図４】ガスタービン発電装置を交流母線に接続した状態を示す図である。
【図５】交流母線を商用電力系統に接続した状態を示す図である。
【図６】従来のガスタービン発電システムの構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係るガスタービン発電システムの実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るガスタービン発電システム１の概略図である。
図１に示すように、ガスタービン発電システム１は、商用電力系統２と遮断器９により接続される交流母線３と、交流母線３に遮断器１０により断続可能に接続された発電容量が大容量のガスタービン発電装置４と、交流母線３に接続された負荷設備５と、交流母線３に遮断器１１により断続可能に接続されて商用電力系統２からの電力供給なしに起動可能なガスエンジン発電装置６（小容量発電装置に相当）と、交流母線３に接続されてガスタービン発電装置４に圧縮燃料ガスＣＦを供給する電動式の燃料ガス圧縮機７が設けられている。
この燃料ガス圧縮機７には、燃料ガス供給源１２から燃料ガスＦが供給されるように構成されて、燃料ガス圧縮機７によって圧縮された圧縮燃料ガスＣＦが、圧縮燃料ガス供給路１３を介してガスタービン発電装置４に供給されるように構成されている。
【００２６】
また、交流母線３と商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６（小容量発電装置の一例）との接続状態を制御する制御装置８が設けられている。具体的には図１に示すように、交流母線３と商用電力系統２とは遮断器９によって断続自在に構成され、交流母線３とガスタービン発電装置４とは遮断器１０によって断続自在に構成され、交流母線３とガスエンジン発電装置６とは遮断器１１によって断続自在に構成されている。これらの遮断器９、１０、１１は、閉状態としたときには電気的に接続された状態となり、開状態としたときには電気的に切断された状態となるものであり、制御装置８によって開閉状態が制御されている。さらに、制御装置８は、ガスタービン発電装置４、ガスエンジン発電装置６および燃料ガス圧縮機７の運転状態についても制御するように構成されている。
この例では、交流母線３と負荷設備５（重要負荷設備：定常的な電力供給が望まれる負荷）とが常時接続されている例を示しており、ガスエンジン発電装置６で、負荷設備５（重要負荷設備）と燃料ガス圧縮機７に必要とされる電力を賄えるものとして、以下説明する。
同図には図示していないが、負荷設備（一般負荷設備：一時的に電力供給が断たれても問題のない負荷）は、前記遮断器９と商用電力系統２との間に接続されている。
【００２７】
そして、この制御装置８は、図示しないバッテリーに接続されているので、停電時においても動作することができる。従って、制御装置８は、商用電力系統２の停電時に、ガスエンジン発電装置６を起動して、ガスエンジン発電装置６と交流母線３とを遮断器１１を閉状態として接続して、ガスエンジン発電装置６から交流母線３を介して負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力を供給できるように構成されている。これにより、負荷設備５を作動させることができるとともに、燃料ガス圧縮機７を作動させてガスタービン発電装置４に圧縮燃料ガスＣＦを供給してガスタービン発電装置４を起動するように構成されている。
【００２８】
以下に図２（ａ）に基づいてガスタービン発電装置４について説明する。
ガスタービン発電装置４は、空気を圧縮する空気圧縮機４ａと、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器４ｂと、燃焼器４ｂにおいて発生した燃焼ガスを受けて高速で回転する複数の回転翼を有するタービン４ｃと、タービン４ｃの回転により発電を行うガスタービン発電機４ｄとで構成されて、このタービン４ｃ、空気圧縮機４ａ、及びガスタービン発電機４ｄは、回転軸４ｅを介して同軸上に配置されており、回転軸４ｅは、図示しない軸受により回転自在に支持されている。これにより、タービン４ｃ、空気圧縮機４ａ、及びガスタービン発電機４ｄは一体に回転するようになっている。
このように、ガスタービン発電装置４が構成され、空気圧縮機４ａから吐出された圧縮空気が燃焼器４ｂに導入され、ここで燃料ガス圧縮機７から供給される圧縮燃料ガスＣＦと混合される。この混合気が燃焼器４ｂの内部で燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスが発生する。そして、燃焼器４ｂにおける燃焼により発生した燃焼ガスを受けてタービン４ｃが高速で回転し、タービン４ｃと回転軸４ｅによって連結されたガスタービン発電機４ｄ及び空気圧縮機４ａが高速で回転駆動され、ガスタービン発電機４ｄにて交流電力が生成されるとともに、空気圧縮機４ａから圧縮空気は燃焼器４ｂに向けて吐出される。なお、燃料ガスＦとしては、都市ガスや天然ガスなどが用いられる。
【００２９】
そして、ガスタービン発電機４ｄはタービン４ｃと回転軸４ｅによって結合されて駆動されると共に、励磁装置４ｆが設けられた構造とされ、この励磁装置４ｆにより界磁電流を制御可能に構成された同期発電機であり、これによって発電される電力は遮断器１０を介して交流母線３に供給されるように構成されている。
【００３０】
また、図２（ｂ）に基づいてガスエンジン発電装置６について説明する。
ガスエンジン発電装置６は、ガスエンジン６ａとそのガスエンジン６ａの出力軸に接続されたガスエンジン発電機６ｂ（小容量発電機に相当）から構成されている。そして、ガスエンジン発電機６ｂは、励磁装置６ｃにより界磁電流を供給されるように構成された同期発電機であり、ガスエンジン発電機６ｂで発電される電力は遮断器１１を介して交流母線３に供給されるように構成されている。また、ガスエンジン６ａの始動はバッテリー６ｄから電力が供給されることにより行なわれるので、ガスエンジン発電装置６は商用電力系統２またはその他の外部電源からの電力の供給なしに起動させることができる。
【００３１】
次に、図１にもどって、制御装置８について説明する。
遮断器１０のガスタービン発電装置４側の端部には、ガスタービン発電機４ｄで発電される電力を計測する電力計測器（図示せず）が設置され、一方、遮断器１０の交流母線３側の端部には、交流母線３に供給されている電力を計測する電力計測器（図示せず）が設置されている。また、これら遮断器１０のそれぞれの端部に設けられた電力計測器の計測結果は、制御装置８に入力され、制御装置８は、その入力された計測結果から、遮断器１０のそれぞれの端部における電力の電圧、更にはその周波数及び位相を検出することができるように構成されている。
また、同様に遮断器９、１１の両端部にも、それぞれの端部の電力の電圧、更にはその周波数及び位相を検出することができる電力計測器が設けられており、それらの電力計測器の計測結果は、制御装置８に入力されるように構成されている。
【００３２】
そして、制御装置８は、遮断器１０において、ガスタービン発電装置４側に設けられた電力計測器で計測される発電電力の電圧を交流母線３が有する電力の電圧と略同じものとするように、ガスタービン発電機４ｄの励磁装置４ｆに流れる電流を制御する自動電圧調整装置（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ、ＡＶＲ）としての機能を備えている。
また、同様に、制御装置８は、遮断器９において、交流母線３側に設けられた電力計測器で計測される供給電力の電圧を商用電力系統２側が有する電力の電圧と略同じものとなるように、ガスタービン発電機４ｄの励磁装置４ｆに流れる電流を制御する機能、および、遮断器１１において、ガスエンジン発電装置６側に設けられた電力計測器で計測される発電電力の電圧を交流母線３側が有する電力の電圧と略同じ電圧値とするように、ガスエンジン発電機６ｂの励磁装置６ｃに流れる電流を制御する機能を備えている。
【００３３】
さらに、制御装置８は、上述のように遮断器１０の両端部の電圧を略同じ電圧値とした状態で、電力計測器によって測定された遮断器１０のガスタービン発電装置４側の端部の位相と、交流母線３側の端部の位相とが略一致した時に、遮断器１０を閉状態として電気的にガスタービン発電装置４と交流母線３とを接続状態とする同期投入を行う同期投入機能を備えている。
また、同様に、制御装置８は、電力計測器によって測定された遮断器１１の両端部の電力の位相が略一致した時に、遮断器１１を閉状態としてガスエンジン発電装置６と交流母線３を電気的に接続状態とする同期投入を行う機能、および、電力計測器によって測定された遮断器９の両端部の電力の位相が略一致した時に、遮断器９を閉状態として商用電力系統２と交流母線３を電気的に接続状態とする同期投入を行う機能を備えている。
【００３４】
次に、本実施形態における停電が発生したときのガスタービン発電システム１の運転方法について説明する。停電が発生すると、電力負荷や周波数の変動が発生して、ガスタービン発電装置４が停止することがある。また、ガスタービン発電装置４が停止しているときに停電が起こる場合もある。このような場合において、ガスタービン発電装置４を起動して自立運転を開始する方法を以下に示す。
【００３５】
まず、図１に示すように、商用電力系統２の停電時にガスタービン発電装置４を起動するにあたり、制御装置８は、遮断器９、遮断器１０および遮断器１１を開状態として、交流母線３から商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６とを電気的に切断する（交流母線切断工程）。そして、バッテリー６ｄから供給される電力によりガスエンジン発電装置６を起動する（ガスエンジン発電装置起動工程）。
次に、図３に示すように、ガスエンジン発電装置６を、遮断器１１を閉じて交流母線３に接続して、ガスエンジン発電装置６における発電電力を負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に供給する（ガスエンジン発電装置接続工程）。そして、燃料ガス圧縮機７を作動させてガスタービン発電装置４に圧縮燃料ガスＣＦを供給して（圧縮ガス供給工程）、その供給された圧縮燃料ガスＣＦによってガスタービン発電装置４を起動する（ガスタービン発電装置起動工程）。これにより、商用電力系統２の停電時において負荷設備５を作動させるとともに、ガスタービン発電システム１を起動することができる。
【００３６】
上記ガスエンジン発電装置接続工程では、ガスエンジン発電装置６から出力される電力の電圧が確立された後、負荷設備５および燃料ガス圧縮機７を電気的に接続する。この状態では、交流母線３は商用電力系統２から切断されており、ガスエンジン発電装置６による発電電力が負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に供給される。ここで、ガスエンジン発電装置６の発電電力を負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に供給するにあたり、制御装置８はガスエンジン発電装置６を電圧制御方式による制御を行なっている。電圧制御方式とは、予め設定された電圧および周波数を維持するように制御しつつ、負荷設備５および燃料ガス圧縮機７の容量によって決定される電流をガスエンジン発電装置６から出力する制御方式である。
【００３７】
さらに、図４に示すように、制御装置８は、ガスタービン発電装置起動工程の後に、ガスエンジン発電装置６が接続された交流母線３にガスタービン発電装置４を同期投入して（ガスタービン発電装置同期投入工程）、その後に、ガスエンジン発電装置６を交流母線３から切断する（ガスエンジン発電装置切断工程）。これにより、ガスタービン発電装置４から負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力が供給される。
【００３８】
ここで、ガスエンジン発電装置６が接続された交流母線３にガスタービン発電装置４が同期投入されると（ガスタービン発電装置同期投入工程）、交流母線３においてガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６によって電力が供給される並行運転の状態となる。この並行運転の状態において、両発電装置４、６の周波数が異なるときは，発電装置４、６間に同期化力が働き、位相を一致させようとするが、回転軸を含む回転部の慣性の大きさによっては同期化力が周期的に変動して電力の動揺を繰り返す乱調が発生する。そして、この動揺が著しくなると同期はずれを生じて，両発電装置４、６が互いに正常に運転できなくなる。
【００３９】
そこで、本実施形態においては、ガスタービン発電装置４よりも小さい発電容量とされるガスエンジン発電装置６を交流母線３から切断する（ガスエンジン発電装置切断工程）ことで、発電容量の大きいガスタービン発電装置４の発電状態を維持して十分な電力を負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に供給するとともに、乱調や同期はずれを予防して安定した発電状態を維持することができる。これによって、ガスタービン発電装置４が商用電力系統２と切断された状態で運転される自立運転状態となる。
【００４０】
次に、ガスタービン発電装置４が自立運転状態とされる時に商用電力系統２の停電が回復したときのガスタービン発電システム１の動作について図５に基づいて説明する。
【００４１】
制御装置８は、商用電力系統２の停電回復時に、ガスタービン発電装置４が接続された交流母線３の電圧位相を商用電力系統２の電圧位相に同期させた状態として、商用電力系統２と交流母線３とを接続し（系統接続工程）、その後に、ガスエンジン発電装置６（小容量発電装置）を商用電力系統２と接続されている交流母線３に同期投入する（小容量発電装置同期投入工程）。これにより、商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６から負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力を供給することができる。
【００４２】
上記系統接続工程においては、ガスタービン発電装置４が接続された交流母線３の電圧位相を制御装置８によって励磁装置４ｆに供給する電流の制御を行なって商用電力系統２の電圧位相に同期させた状態として、商用電力系統２と交流母線３とを遮断器１０を閉状態として接続する。
このように、商用電力系統２と交流母線３とが接続されると、ガスタービン発電装置４の発電電力の周波数及び電圧は、巨大容量の商用電力系統２の供給電力の周波数及び電圧で決定されるので、制御装置８による励磁装置４ｆに供給する電流の制御は、同期発電機であるガスタービン発電機４ｄの無効電力および有効電力の制御に切り替えられる。これにより、出力電力の電圧、周波数、および位相を、商用電力系統２から供給される電力の電圧、周波数、および位相にそれぞれ同期させつつ、設定された出力電力を維持するように電流値が制御される。
【００４３】
さらに、上記小容量発電装置同期投入工程において、ガスエンジン発電装置６の電圧位相を制御装置８によって励磁装置６ｃに供給する電流の制御を行なって商用電力系統２が接続されている交流母線３の電圧位相に同期させた状態として、ガスエンジン発電装置６と交流母線３とを遮断器１１を閉状態として接続される。接続後は、ガスエンジン発電装置６は、上述のガスタービン発電機４ｄと同様に、無効電力および有効電力の制御に切り替えられる。これにより、商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６から負荷設備５および燃料ガス圧縮機７に電力を供給することができる。
【００４４】
また、商用電力系統２、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６が接続された状態では、商用電力系統２から電力が燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に供給されると同時に、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６からも燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に電力が供給される。このような場合、制御装置８は、ガスタービン発電装置４およびガスエンジン発電装置６からの発電電力は、商用電力系統２に逆流しないように制御する必要がある。したがって、制御装置８は、商用電力系統２からの受電量に応じて決定された出力電力設定値を維持するように出力電力の電流値を制御する。
【００４５】
このように、本ガスタービン発電システム１においては、商用電力系統２の停電時において、ガスエンジン発電装置６を起動させて燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に迅速に電力を供給することができ、さらに、ガスタービン発電装置４を起動させることで十分な電力を燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に供給することができる。また、停電が回復したときにおいても、燃料ガス圧縮機７および負荷設備５への電力供給を維持したまま商用電力系統２と交流母線３を接続して燃料ガス圧縮機７および負荷設備５に商用電力系統２から電力が供給される停電前の状態に容易に復帰することができる。
【００４６】
〔別実施形態〕
上記実施形態では、小容量発電装置であるガスエンジン発電装置６が、重要負荷である負荷設備５と燃料ガス圧縮機３７との両方を働かせるのに、十分な容量を有する場合に関して説明した。しかしながら、本願の目的は、ガスタービン発電設備４を起動するのに必要となる燃料ガス圧縮機７が運転できれば良いため、例えば、重要負荷に関してもその運転に優先順位を設けておき、或は、停止時間に余裕を持たせておき、ガスエンジン発電装置６から交流母線３を介して、燃料ガス圧縮機７に電力の供給が行える構成となっていれば良い。
一方、ガスエンジン発電装置６の起動時には、起動時にかかる負荷でできるだけ低下させる意味から、負荷設備５（重要負荷の一部又は全部）および燃料ガス圧縮機７を交流母線３から電気的に切り離した状態としておくことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上説明したように、低コストかつコンパクトなシステム構成とされて、停電時に迅速に負荷設備に電力を供給することができるガスタービン発電システム及びその運転方法を提供することができた。
【符号の説明】
【００４８】
１ ガスタービン発電システム
２ 商用電力系統
３ 交流母線
４ ガスタービン発電装置
５ 負荷設備
６ 小容量発電装置
７ 燃料ガス圧縮機
８ 制御装置
ＣＦ 圧縮燃料ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電力系統と接続される交流母線と、
前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システムであって、
前記交流母線に断続可能に接続されて前記商用電力系統からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置と、前記交流母線に接続されて前記ガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機と、
前記交流母線と前記商用電力系統、前記ガスタービン発電装置および前記小容量発電装置との接続状態と、前記ガスタービン発電装置、前記小容量発電装置および前記燃料ガス圧縮機の運転状態とを制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記商用電力系統の停電時に、前記小容量発電装置と前記交流母線とを接続して、前記小容量発電装置から前記交流母線を介して少なくとも前記燃料ガス圧縮機に電力を供給し、当該燃料ガス圧縮機を作動させて前記ガスタービン発電装置に前記圧縮燃料ガスを供給して前記ガスタービン発電装置を起動するガスタービン発電システム。
【請求項２】
前記小容量発電装置は前記ガスタービン発電装置よりも小さい発電容量とされ、
前記制御装置は、前記ガスタービン発電装置の起動後に、前記小容量発電装置が接続された前記交流母線に前記ガスタービン発電装置を同期投入して、前記小容量発電装置を前記交流母線から切断し、前記ガスタービン発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する請求項１記載のガスタービン発電システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記商用電力系統の停電回復時に、前記ガスタービン発電装置が接続された前記交流母線の電圧位相を前記商用電力系統の電圧位相に同期させた状態で、前記交流母線と前記商用電力系統とを接続し、前記小容量発電装置を前記商用電力系統と接続された前記交流母線に同期投入する請求項２に記載のガスタービン発電システム。
【請求項４】
商用電力系統と接続される交流母線と、
前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システムの運転方法であって、
前記交流母線に断続可能に接続されて前記商用電力系統からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置と、前記交流母線に接続されて前記ガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機とを備え、
前記商用電力系統の停電時に前記ガスタービン発電装置を起動するにあたり、前記交流母線から前記商用電力系統と前記ガスタービン発電装置とを切断する交流母線切断工程と、前記小容量発電装置を起動する小容量発電装置起動工程と、前記小容量発電装置を前記交流母線に接続して電力を少なくとも前記燃料ガス圧縮機に供給する小容量発電装置接続工程と、前記燃料ガス圧縮機を作動させて前記ガスタービン発電装置に前記圧縮燃料ガスを供給する圧縮ガス供給工程と、供給された前記圧縮燃料ガスによって前記ガスタービン発電装置を起動するガスタービン発電装置起動工程とを備えたガスタービン発電システムの運転方法。
【請求項５】
前記ガスタービン発電装置起動工程の後に、前記小容量発電装置が接続された前記交流母線に前記ガスタービン発電装置を同期投入するガスタービン発電装置同期投入工程と、前記小容量発電装置を前記交流母線から切断する小容量発電装置切断工程とを備え、前記ガスタービン発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する請求項４に記載のガスタービン発電システムの運転方法。
【請求項６】
前記商用電力系統の停電回復時に、前記ガスタービン発電装置が接続された前記交流母線の電圧位相を前記商用電力系統に電圧位相に同期させた状態として、前記商用電力系統と前記交流母線とを接続する系統接続工程と、前記小容量発電装置を前記商用電力系統と接続されている前記交流母線に同期投入する小容量発電装置同期投入工程とを備え、
前記商用電力系統、前記ガスタービン発電装置および前記小容量発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する請求項５に記載のガスタービン発電システムの運転方法。
【請求項１】
商用電力系統と接続される交流母線と、
前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システムであって、
前記交流母線に断続可能に接続されて前記商用電力系統からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置と、前記交流母線に接続されて前記ガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機と、
前記交流母線と前記商用電力系統、前記ガスタービン発電装置および前記小容量発電装置との接続状態と、前記ガスタービン発電装置、前記小容量発電装置および前記燃料ガス圧縮機の運転状態とを制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記商用電力系統の停電時に、前記小容量発電装置と前記交流母線とを接続して、前記小容量発電装置から前記交流母線を介して少なくとも前記燃料ガス圧縮機に電力を供給し、当該燃料ガス圧縮機を作動させて前記ガスタービン発電装置に前記圧縮燃料ガスを供給して前記ガスタービン発電装置を起動するガスタービン発電システム。
【請求項２】
前記小容量発電装置は前記ガスタービン発電装置よりも小さい発電容量とされ、
前記制御装置は、前記ガスタービン発電装置の起動後に、前記小容量発電装置が接続された前記交流母線に前記ガスタービン発電装置を同期投入して、前記小容量発電装置を前記交流母線から切断し、前記ガスタービン発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する請求項１記載のガスタービン発電システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記商用電力系統の停電回復時に、前記ガスタービン発電装置が接続された前記交流母線の電圧位相を前記商用電力系統の電圧位相に同期させた状態で、前記交流母線と前記商用電力系統とを接続し、前記小容量発電装置を前記商用電力系統と接続された前記交流母線に同期投入する請求項２に記載のガスタービン発電システム。
【請求項４】
商用電力系統と接続される交流母線と、
前記交流母線に断続可能に接続されたガスタービン発電装置と、前記交流母線に接続された負荷設備とを備えたガスタービン発電システムの運転方法であって、
前記交流母線に断続可能に接続されて前記商用電力系統からの電力供給なしに起動可能な小容量発電装置と、前記交流母線に接続されて前記ガスタービン発電装置に圧縮燃料ガスを供給する電動式の燃料ガス圧縮機とを備え、
前記商用電力系統の停電時に前記ガスタービン発電装置を起動するにあたり、前記交流母線から前記商用電力系統と前記ガスタービン発電装置とを切断する交流母線切断工程と、前記小容量発電装置を起動する小容量発電装置起動工程と、前記小容量発電装置を前記交流母線に接続して電力を少なくとも前記燃料ガス圧縮機に供給する小容量発電装置接続工程と、前記燃料ガス圧縮機を作動させて前記ガスタービン発電装置に前記圧縮燃料ガスを供給する圧縮ガス供給工程と、供給された前記圧縮燃料ガスによって前記ガスタービン発電装置を起動するガスタービン発電装置起動工程とを備えたガスタービン発電システムの運転方法。
【請求項５】
前記ガスタービン発電装置起動工程の後に、前記小容量発電装置が接続された前記交流母線に前記ガスタービン発電装置を同期投入するガスタービン発電装置同期投入工程と、前記小容量発電装置を前記交流母線から切断する小容量発電装置切断工程とを備え、前記ガスタービン発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する請求項４に記載のガスタービン発電システムの運転方法。
【請求項６】
前記商用電力系統の停電回復時に、前記ガスタービン発電装置が接続された前記交流母線の電圧位相を前記商用電力系統に電圧位相に同期させた状態として、前記商用電力系統と前記交流母線とを接続する系統接続工程と、前記小容量発電装置を前記商用電力系統と接続されている前記交流母線に同期投入する小容量発電装置同期投入工程とを備え、
前記商用電力系統、前記ガスタービン発電装置および前記小容量発電装置から前記負荷設備および前記燃料ガス圧縮機に電力を供給する請求項５に記載のガスタービン発電システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１０８４１０（Ｐ２０１３−１０８４１０Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５３１５５（Ｐ２０１１−２５３１５５）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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