JP2006057607A - 高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
燃焼用空気温度が変動した場合にも安定かつ高速にプラントを起動可能な高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置を提供することにある。
【解決手段】
起動速度制御手段３２は、タービン起動時の回転数を制御する制御燃料信号を求め、タービン起動時には、この起動速度制御手段によって求められた制御燃料信号に基づいて、燃焼器３に供給される燃料流量を制御する。燃料修正手段３３は、圧縮空気温度計測手段Ｓ１によって計測された圧縮空気温度Ｔａと目標温度設定手段によって設定された圧縮空気目標温度ＴａＲとから、タービン起動時の燃料流量を修正する燃料流量修正信号を求める。起動速度制御手段３２は、燃料修正手段３３から得られる燃料流量修正信号を用いて燃焼器３に供給される燃料流量を修正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンを供給する気体を加湿し、出力及び効率向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に係り、特に、起動時の制御に好適な高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に関する。

ガスタービンに供給する気体（空気）に水分を注入して加湿し、出力及び効率の向上を図る高湿分ガスタービン発電プラント（高湿分ガスタービンシステム）は、従来ガスタービン発電プラントに比して高効率であること、またガスエンジン，ディーゼルエンジンなどに比して窒素酸化物などの排出量を低く運転可能であることから、工場向け小規模発電、あるいは熱電併給（コジェネ）用途としての利用が期待されている。小規模発電プラントやコジェネレーションでは、工場の稼動時間及び使用電力量に沿った毎昼夜起動停止運転、毎週末起動停止運転が必要であり、高湿分ガスタービン発電プラントにおいても起動停止時間の短縮が求められる。

高湿分ガスタービンシステムは、燃焼用空気として加湿空気を用いる点に特徴がある。増湿塔、再生熱交換器などは従来ガスタービンが具備しない装置であり、これらの機器によって従来ガスタービンシステムとは異なる起動特性が得られる。すなわち、圧縮機で断熱膨張した圧縮空気の熱量は、従来ガスタービンにおいては直接燃焼器へと供給されるのに対し、高湿分ガスタービンプラントでは機器、あるいはそれら機器を接続する配管の予熱に用いられる。その結果、燃焼器へ投入する燃焼用空気の温度，湿度は常に遅れを伴って変化する特性となる。この特性は、プラント全系を冷態から起動する場合に顕著である。

また、高湿分ガスタービンシステムは再生熱交換器において排ガスのもつ熱量の一部を回収する再生サイクルの機能を有するために、再生熱交換器の予熱にも熱量を必要とすること、小型システムでは燃焼用空気あるいはタービン排ガスの熱量に比してタービン本体あるいはケーシングの熱容量が大きいこと等の要因から、起動時の燃焼用空気温度の上昇速度はさらに低く推移する傾向にある。そのため、同規模のガスタービンシステムと比較して起動時間が長く、高速起動停止が難しいという問題があった。

なお、従来ガスタービンにおいて、燃焼用空気の温度を考慮した運転・制御方法としては、特開２０００−１３０７５０号公報に記載のように、燃焼器入口空気及び燃料の性状（温度，圧力）を計測し、燃焼反応中あるいは反応後の燃焼状態（火炎温度，燃空比，窒素酸化物（ＮＯｘ））と、タービン排気ガス温度計測値とから燃焼器に設置した複数バーナ（予混合バーナ，拡散バーナ）における燃空比及び圧縮機入口に設置した案内翼を操作する方式が知られている。

特開２０００−１３０７５０号公報

しかしながら、特開２０００−１３０７５０号公報に記載のものは従来ガスタービンにおける運転制御方法であり、この方式を高湿分ガスタービンシステムに適用した場合には、起動時の燃焼用空気温度の遅れに伴う燃焼状態の変動を検知して燃料の投入量を制御することは可能であるが、燃焼用空気温度の遅れに伴う燃料の過投入や、排気ガス温度の上昇を制御することが困難である。これは、従来ガスタービンにおける燃焼用空気温度及び空気流量が、タービン回転数及び圧縮機前後における空気圧力比によってほぼ一意に決定することを前提としているためである。高湿分ガスタービンシステムは、圧縮機から燃焼器までの間の機器の熱容量によって、圧縮機回転数あるいは圧縮機前後における空気圧力比とほぼ独立に空気温度が変動し、その結果タービン排気温度やタービン回転数が変動する。そのため、従来のガスタービン制御装置あるいは燃焼監視手段では、燃焼用空気温度の変動に対して燃料流量を一意に決定し、タービンを安定かつ高速に起動することが困難であった。

本発明の目的は、燃焼用空気温度が変動した場合にも安定かつ高速にプラントを起動可能な高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えたガスタービン発電プラントを制御するガスタービン発電プラント制御装置であって、前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から得られる圧縮空気の目標温度を計算する手段と、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度と前記圧縮空気の目標温度に基づいて、タービン起動時の出力の制御を補助する制御因子である出力補助制御因子を修正する出力補助制御因子修正信号を計算する手段とを備えようにしたものである。
かかる構成により、燃焼燃焼用空気温度が変動した場合にも安定かつ高速にプラントを起動し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記出力補助制御因子修正信号を計算する手段は、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度と前記圧縮空気の目標温度との偏差から、出力補助制御因子修正信号を計算するようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記高湿分ガスタービン発電プラントは、前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する加湿手段を備え、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度及び湿度から圧縮空気のエンタルピを計算する手段と、前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から圧縮空気のエンタルピ目標値を計算する手段とを有し、前記出力補助制御因子修正信号を計算する手段は、前記圧縮空気のエンタルピと前記エンタルピ目標値との偏差から、前記出力補助制御因子修正信号を計算するようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度は、計測された圧縮空気の温度から燃焼機入口の圧縮空気温度を推定した圧縮空気の温度としたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記出力補助制御因子は、前記タービンの燃料流量であり、前記タービンの回転数が、設定された制御開始回転数以上になると、前記出力補助制御因子修正信号の出力を切替える切替え手段を有するものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、前記出力補助制御因子は、前記タービンを起動する起動モータの回転数としたものである。

（７）また、上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンとを傭えたガスタービン発電プラントを制御する制御装置のガスタービン発電プラント制御方法であって、前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から得られる圧縮空気の目標温度を計算し、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度と前記圧縮空気の目標温度に基づいて、タービン起動時の出力の制御を補助する制御因子である出力補助制御因子を修正する出力補助制御因子修正信号を計算するようにしたものである。
かかる構成により、燃焼燃焼用空気温度が変動した場合にも安定かつ高速にプラントを起動し得るものとなる。

（８）上記（７）において、好ましくは、前記出力補助制御因子修正信号を計算する場合に、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度と前記圧縮空気の目標温度との偏差から、出力補助制御因子修正信号を計算するようにしたものである。

（９）上記（７）において、好ましくは、前記高湿分ガスタービン発電プラントは、前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する加湿手段を傭え、前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から計算される圧縮空気の目標温度と、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度及び湿度から得られる圧縮空気のエンタルピと、前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から得られる圧縮空気のエンタルピ目標値とを計算し、前記出力補助制御因子修正信号を計算する場合に、前記圧縮空気のエンタルピと前記目標エンタルピとの偏差から、前記出力補助制御因子修正信号を計算するようにしたものである。

（１０）上記（７）において、好ましくは、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度は、計測された圧縮空気の温度から燃焼機入口の圧縮空気温度を推定した圧縮空気の温度としたものである。

（１１）上記（７）において、好ましくは、前記出力補助制御因子は、前記タービンの燃料流量であり、前記タービンの回転数が、設定された制御開始回転数以上になると、前記出力補助制御因子修正信号の出力を切替えるようにしたものである。

（１２）上記（７）において、好ましくは、前記出力補助制御因子は、前記タービンを起動する起動モータの回転数としたものである。

本発明によれば、燃焼燃焼用空気温度が変動した場合にも安定かつ高速にプラントを起動可能となる。

以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置が適用される高湿分ガスタービンシステムの設備系統について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置が適用される高湿分ガスタービンシステムの設備系統図である。

高湿分ガスタービンシステムでは、燃焼器３に供給する空気を圧縮機２で加圧した後、配管７を経て増湿塔８で加湿し、配管９を経て再生熱交換器１１で昇温したのち、配管１３を経て燃焼用空気とする。増湿塔８は、塔内に封入された充填物を介して圧縮空気に湿分を添加する装置である。塔上部から噴霧した加湿水は充填物表面上を流下しながら、気液接触により圧縮空気を飽和点まで加湿する。加湿された圧縮空気をここでは加湿空気と呼ぶ。なお、本図には記載されていないが、配管内に直接加湿水を噴射して圧縮空気を加湿する方式もある。

再生熱交換器１１では、増湿塔８にて得られた加湿空気をタービン１の排気ガスで昇温する。熱交換器１１により加湿空気はタービン排気温度付近まで上昇することから、加湿空気内の湿分は完全に蒸発し、空気と乾き蒸気の混合気体となって燃焼器に投入される。
燃焼器３では、再生熱交換器１１で得られた加湿空気すなわち燃焼用空気と、燃料ポンプ５で加圧した燃料とを混合・燃焼する。燃料流量は燃料流量調整弁６で制御する。燃焼器３で得られた燃焼ガスは、ガスタービン１を駆動した後煙道１４を経てタービン外へ排気する。タービン外に排気された燃焼ガス（タービン排気ガス）の熱エネルギーの一部は再生熱交換器１１で回収し、加湿空気の加熱に用いる。また、再生熱交換器１１の排気熱を給水加熱器１２で回収し、増湿塔に供給する加湿水の加温に用いる。増湿塔に供給する加湿水はポンプ２４を用いて給水加熱器１２と増湿塔８とを循環する構成とし、加湿水が不足した場合にはポンプ２２を用いて水回収装置１５から補給する。

タービン排気ガス中の水分は水回収装置１５で回収する。水回収装置１５は、煙道に水を噴霧し、ガス中の水分を凝集、落下させて回収する方式としている。底部にはタンク相当の液溜まりを設け、ポンプ２２で増湿塔８に供給するほか、ポンプ２１で装置１５の上方から噴霧する。効果的にガス中の水分を捕集するため、水回収装置から噴霧する水は冷却用熱交換器２５で冷却する。水分回収後の排気ガスは煙突１６を用いて大気に放風する。

ガスタービン１で得られた駆動力はシャフト２０を通じて圧縮機２及び発電機４に伝えられる。駆動力の一部は圧縮機２において空気の圧縮・加圧に用いられる。また、発電機４で駆動力を電力に変換する。

制御装置３０は、温度検出器Ｓ１によって検出された燃焼器３の入口加湿空気温度Ｔａ，回転数検出器Ｓ２によって検出された発電機４の出力ＭＷ，圧力検出器Ｓ３によって検出された圧縮機２の出口圧力Ｐｃｄ，回転数検出器Ｓ４によって検出されたタービン１の回転数Ｒｘ，温度検出器Ｓ５によって検出されたタービン１の排気ガス温度Ｔｘとに基づいて、燃料流量調整弁６の開度を制御する開度指令Ｃｇｏｖを出力する。制御装置３０の詳細構成については、図２を用いて後述する。

次に、図２を用いて、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

制御装置３０は、点火制御手段３１と、起動速度制御手段３２と、負荷制御手段３４と、排気温度制御手段３５と、最小値選択手段３６と、最大値選択手段３７とに加えて、燃料修正手段３３を備えている。特に、起動速度制御手段３２に対して燃料修正信号Ｇｆａを出力する燃料修正手段３３が、従来のガスタービン制御装置にない、本実施形態の特徴である。

起動時の燃料着火を制御する点火制御手段３１と、タービン起動時の回転数を制御する起動速度制御手段３２と、定格負荷運転時の発電出力を制御する負荷制御手段３４と、燃焼器内のガス温度を監視してタービンの異常燃焼を抑制する排気温度制御手段３５とは、それぞれ制御燃料信号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を求める。最小値選択手段３６は、制御燃料信号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の最小値信号Ｃｍｘを求める。また、最大値選択手段３７は、最小値信号Ｃｍｘと最小燃料信号Ｃ０との最大値信号Ｃｇｏｖを求める。最大値信号Ｃｇｏｖは燃料流量調整弁開度指令に相当し、制御装置３０は、燃料流量調整弁開度指令Ｃｇｏｖに基づき燃料流量調整弁６を操作して、燃焼器３に供給する燃料流量を制御する。

高湿分ガスタービンシステムの起動時には、燃焼器入口加湿空気温度Ｔａが、増湿塔８，再生熱交換器９，配管７，配管９，配管１３などを予熱しながら緩やかに上昇する。そこで、本実施形態の燃料修正手段３３は、起動時、特にタービン回転数を定格まで加速する加速運転時に燃焼器内で不足・余剰となる熱量を推定し、この熱量を燃料で逐次修正することにより、タービン回転数及びタービン排気ガス温度を制御する。

タービンの燃料流量や後述する起動モータの回転数等を出力補助制御因子といい、これは、起動速度制御手段３２によるタービン出力の制御を補助する為の制御因子である。

なお、加速運転時には増湿塔８への加湿水を供給せず、燃焼空気には乾き空気を供給する。これは、起動時の燃焼器内での安定性を確保するためである。起動時の燃焼用空気は大気とほぼ同様の湿分を含むものとする。

次に、図３を用いて、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に用いる起動速度制御手段３２及び燃料修正手段３３の詳細構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に用いる起動速度制御手段３２及び燃料修正手段３３の詳細の構成を示すブロック図である。なお、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。

起動速度制御手段３２において、差演算手段Ｄ１は、タービン回転数Ｒｘと起動速度設定値ＲｘＲとの差から速度偏差ΔＲｘを求める。速度燃料信号比率計算手段４０は、速度偏差ΔＲｘと、無負荷燃料信号ＧｆＮＬと、燃料修正信号Ｇｆａとから、以下の式（１）で表される第１関数を用いて、速度燃料信号比率Ｃｆｋを計算する。

ここで、ΔＲｘｓは速度調定率、ＧｆＢＬはベース負荷信号である。

また、速度燃料信号計算手段４１は、速度燃料信号比率Ｃｆｋとタービン回転数Ｒｘから、以下の式（２）で表される第２関数を用いて、速度燃料信号Ｃ２を計算する。

ここで、ＲｘＢＬはベース回転数である。

燃料修正手段３３を具備しない従来のガスタービン制御装置では、速度燃料信号比率計算手段４０への入力であるＧｆａは「０」であるため、速度燃料信号比率計算手段４０は、タービン回転数偏差ΔＲｘに対して速度燃料信号Ｃ２を決定する比例制御回路に相等しいものである。
なお、起動時において起動速度設定値ＲｘＲはベース回転数まで一定加速度で上昇することから、速度燃料信号Ｃ２もまたタービン回転数偏差に応じて上昇する特性となる。

ここで、図４及び図５を用いて、本実施形態による燃料修正手段３３を用いない場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性について説明する。

図４及び図５は、本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に燃料修正手段３３を用いない場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性図である。

図４は、タービン回転数Ｒｘを起動速度設定値ＲｘＲ に追従するよう運転した場合の燃料流量Ｇｆ（図４（Ａ））と、燃焼用空気温度Ｔａ（図４（Ｂ））と、タービン排気ガス温度Ｔｘ（図４（Ｃ））とを時系列のグラフとして模式的に示している。なお、図４において、点線は計画値を示し、実線が実際の値を示している。また、横軸は時間である。

起動時には、図４（Ａ）に示すように、タービン回転数Ｒｘを起動回転数から定格回転数まで定加速度で加速する。このとき、圧縮機出口空気の熱量の一部は、増湿塔あるいは配管の予熱に用いられることから、図４（Ｃ）に示すように、燃焼用空気温度Ｔａは計画値ＴａＲに対して遅れて上昇する特性となる。また、燃焼用空気温度Ｔａが低くする推移することから、図４（Ｂ）に示すように、加速時の燃料流量Ｇｆは計画値ＧｆＲに対して過投入の状態となり、同時に、図４（Ｃ）に示すように、排気ガス温度Ｔｘも高めに推移する。この特性は、タービン回転数Ｒｘが定格回転数に達した後も同様の傾向を示すことから、時刻ｔ１以降において図４（Ｂ）に示すように、燃料流量Ｇｆは計画値ＧｆＲに対して高めの値で安定する。

しかしながら、タービン回転数に対して遅れて上昇した燃焼用空気温度Ｔａが計画値ＴａＲと一致した場合、タービン排気ガス温度は計画値に対して高い値となる。このような場合、燃料流量Ｇｆを低下させることによってタービン排気温度Ｔｘを押さえることが可能だが、時刻ｔ２において、図４（Ｃ）に示すように、タービン排気温度Ｔｘが排気ガス温度制限値ＴｘＬに到達した場合には、制御装置３０の排気温度制御手段３５の出力である制御燃料信号Ｃ４によって燃料流量が制御されることになるため、図４（Ｂ）に示すように、燃料流量Ｇｆが減少し、図４（Ａ）に示すように、タービン回転数Ｒｘは一時的に低下する。この時点では、まだ、タービン起動は完了していないため、起動時間が長くなる。また、運転条件によってはタービン翼を保護するため、燃料を遮断してタービンを停止するトリップの状態に移行してしまい、タービン起動に失敗する。

図５は、燃料流量Ｇｆに対して上限値ＧｆＬを設定し、燃料流量Ｇｆが設定値ＧｆＬ（本図では定格値）を超過した場合に燃料流量Ｇｆを制限した場合の燃料流量Ｇｆ（図５（Ａ））と、燃焼用空気温度Ｔａ（図５（Ｂ））と、タービン排気ガス温度Ｔｘ（図５（Ｃ））とを時系列のグラフとして模式的に示している。

本図では、燃料流量Ｇｆに対して上限値ＧｆＬを設定することにより、図５（Ａ）に示すように、燃料流量Ｇｆは時刻ｔ１０において上限値ＧｆＬに制限され、燃料の過投入を防いでいる。その結果、図５（Ｃ）に示すように、タービン排気温度Ｔｘは排気ガス温度制限値を下回ったが、燃焼用空気温度が遅れて推移することから定格回転数付近からのタービン回転数変化が緩やかとなり、結果としてタービン起動時間は、設定時の起動時間Ｔ１に対して、実際の起動時間はＴ２と長くなる。

以上述べたように、本実施形態による燃料修正手段３３を用いない場合、燃焼用空気温度の変動に関しては監視・制御する手段を持たないため、燃焼用空気温度の変動する高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した場合、燃料の過投入による排気温度高警報あるいはプラントトリップが発生するほか、起動時間の遅延が発生する。

ここで、再び、図３を用いて、本実施形態による燃料修正手段３３の構成について説明する。燃料修正手段３３の切替前燃料修正信号計算手段４４は、圧縮機出口圧力Ｐｃｄ及びタービン回転数Ｒｘから、燃焼用空気温度目標値ＴａＲを求める。切替前燃料修正信号計算手段４４には、テーブル参照を用いても良いし、熱物質収支の式から目標値を求めるものでも良いものである。差演算手段Ｄ２は、燃焼用空気温度Ｔａと燃焼用空気温度目標値ＴａＲとの差から、空気温度偏差ΔＴａを求める。

空気流量計算手段４５は、圧縮機出口圧力Ｐｃｄ及びタービン回転数Ｒｘから空気流量Ｇａを求める。また、一次遅れ要素手段４９によって、空気流量Ｇｃｄから燃焼用空気流量Ｇａを求める。なお、本実施形態では燃焼用空気流量Ｇａを圧縮機出口圧力Ｐｃｄ及びタービン回転数Ｒｘから推定するが、これはプラントの流量の応答性が温度に比べて速く、また増湿塔などでの流量外乱が小さいことを仮定したためである。圧縮機出口から再生熱交換器までの間に他系統からの気体が合流・分岐する場合、あるいは増湿塔から加湿した空気でタービンを起動する場合には、空気流量Ｇａに合流・分岐分の補正を加える必要がある。再生熱交換器出口に流量計を設置し、燃焼用空気流量Ｇａを直接計測してもよいものである。

切替前燃料修正信号計算手段４２は、空気温度偏差ΔＴａ、燃焼用空気温度Ｔａ、燃焼用空気流量Ｇａから、以下の式（３）で表される第３関数を用いて、切替前燃料修正信号Ｇｆａｋを求める。

ここで、ＨＵｆは燃料の定位発熱量、Ｔｆは燃料温度、Ｃｐｆは燃料の定圧比熱であり、いずれも境界条件である。また、Ｃｐａは空気の定圧比熱を表し、空気温度Ｔａから計算可能である。上述の式（３）は、タービン燃焼器に対する熱量の偏差とタービン熱量との熱収支式を静的に解いたものを表している。起動速度制御手段３２と同様、式（３）も燃焼用空気温度に対する比例制御として表される。また、切り替え前燃料修正信号Ｇｆａｋの変動を考慮し、時定数τの一次遅れとして補正する。

切替機４３及び切替信号出力手段４６は、燃料修正手段３３の出力を切り替えるものであり、この切替により、起動速度制御手段３２との制御の干渉を防止する。切替信号出力手段４６は、タービン回転数Ｒｘと制御開始回転数ＲｘＣを比較し、Ｒｘ＜ＲｘＣの場合には切替機４３に対してデジタル信号０を出力する。またＲｘ≧ＲｘＣの場合には切替機４３に対してデジタル信号１を出力する。切替器４３は切替信号出力手段４６のデジタル信号を入力し、信号が０の場合にはＧｆａ＝０を出力し、また、信号が１の場合には切替前燃料修正信号計算手段４２が出力する燃料修正信号Ｇｆａを出力する。したがって、起動速度制御手段３２は、上述の式（１）において、燃料修正信号Ｇｆａによって修正された速度燃料信号比率Ｃｆｋを求める。このように、切替機４３及び切替信号出力手段４６により、燃料修正手段３３はタービン回転数が制御開始回転数以後に燃料の修正を開始する。

ここで、図６を用いて、本実施形態による燃料修正手段３３を用いた場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性について説明する。

図６は、本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に燃料修正手段３３を用いた場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性図である。図６（Ａ）は燃料流量Ｇｆを示し、図６（Ｂ）は燃焼用空気温度Ｔａを示し、図６（Ｃ）はタービン排気ガス温度Ｔｘを示している。なお、図６において、点線は計画値を示し、実線が実際の値を示している。また、横軸は時間である。

起動・タービン加速時には燃焼用空気温度の遅れを補償するようタービン回転数を制御することから、図６（Ｂ）に示すように、燃料流量Ｇｆは計画値ＧｆＲよりも高めに推移する。時刻ｔ２１において、タービン回転数Ｒｘが制御開始回転数ＲｘＣに到達すると、図３に示した燃料修正手段３３から出力される燃料修正信号Ｇｆａ（図６（Ｂ）の破線）によって、起動速度制御手段３２は、速度燃料比率Ｃｆｋを修正するので、燃料流量Ｇｆは図６（Ｂ）に示すように過投入状態から徐々に低下し、計画値へと安定する。このように、燃料修正信号Ｇｆａによって燃料流量Ｇｆが低下するので、図６（Ｃ）に示すように、タービン排気温度Ｔｘも制限値ＴｘＬにかかることなく低下した後、安定する。

以上説明したように、本実施形態によれば、高湿分ガスタービンシステム起動時の回転数制御の燃料流量を、燃焼用空気温度、圧縮機出口圧力及びタービン回転数の計測値から補正するので、空気温度の変動を考慮してタービン回転数を安定に起動することが可能となる。起動時間は、図６（Ａ）に示す時間Ｔ１であるため、起動時間が長くなることを防止できる。

また、高湿分ガスタービンシステム起動時の回転数制御の燃料流量を、燃焼用空気温度と燃焼用目標温度との偏差から、タービン起動時の燃料流量を修正する燃料流量修正信号を計算し、かつまた燃料流量修正信号の計算手段からの出力を、タービン回転数に応じて切替制御するので、起動時の燃料流量の過投入による高速起動のケースにおいても、定格時のタービン回転数を安定に制御してプラントの起動時間を短縮することが可能となる。

次に、図７を用いて、本発明の第２の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成について説明する。なお、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置が適用される高湿分ガスタービンシステムの設備系統は、図１と同様である。また、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成は、図２と同様である。
図７は、本発明の第２の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に用いる燃料修正手段３３Ａの詳細の構成を示すブロック図である。なお、図１〜図３と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、図３の構成に加えて、空気温度推定手段４７及びガス温度推定手段４８を備えることにより、燃焼用空気温度の計算に燃焼用空気からタービン本体（ケーシング，燃焼器内筒）への放熱或いは予熱と、燃焼器側の火炎の放射伝熱の影響を考慮して空気温度を推定し、燃料流量を制御する。一般的に、燃焼用空気の温度はタービン本体への放熱或いは予熱により再生器出口からさらに低下、あるいは応答が遅れる傾向にある。また、燃焼器側に火炎が存在する場合には、この火炎からの入熱或いはタービン本体からの間接的な入熱も考慮する必要がある。機器の構成、あるいは温度計の設置制限などから、燃焼用空気温度として再生器出口空気温度を用いる場合には、再生器出口から燃焼器入口までの配管における熱収支を推定し、より正確な燃焼用空気の温度を推定する必要がある。

空気温度推定手段４７は、再生器出口から燃焼器入口までの空気配管及びタービン本体の熱収支を、熱収支式により推定するものである。空気温度推定手段４７は、空気流量Ｇａ，燃焼用空気温度（実際には再生器入口空気温度）Ｔａ，大気温度Ｔａｔｍを用いて、再生器出口から燃焼器入口までの空気配管内の熱収支を考慮した修正空気温度Ｔａ’を推定する。修正空気温度Ｔａ’は、以下の式（４）で示す熱収支式を用いて、タービン本体温度Ｔｍ，空気配管質量Ｖａ，修正空気密度ρａ，修正空気比熱Ｃｐａ，タービン本体伝熱面積Ａｍａ，タービン本体熱伝達率αｍａから求められる。

ここで、タービン本体温度Ｔｍは、以下の式（５）で示す熱収支式を用いて、大気温度Ｔａｔｍ，タービン本体質量Ｍｍ，タービン本体比熱容量Ｃｐｍ，タービン本体放熱面積Ａａｔｍｍ，タービン本体放熱熱伝達率αａｔｍｍ，火炎側から見たタービン本体の伝熱面積Ａｇｍ，ステファン・ボルツマン係数σ，ガス温度との火炎温度Ｔｇから求められる。

なお、式（５）は、タービン本体を一点の質量要素として考慮しているが、タービン本体における温度分布を考慮し、複数の質量要素として模擬してもよいものである。

ガス温度推定手段４８は、燃焼器内の火炎温度Ｔｇを燃料流量Ｇｆ，修正空気温度Ｔａ’，圧縮機出口空気流量Ｇｃｄから燃焼計算式を用いて推定したものである。ここで、燃焼器内部の火炎温度Ｔｇは、以下の式（６）を用いて、燃料温度Ｔｆ，燃料比熱Ｃｐｆ，燃料発熱量Ｈｕ，燃焼効率ηから推定される。

以上のようにして、空気温度推定手段４７及びガス温度推定手段４８を用いて、空気温度及びガス温度の推定精度を向上させることにより、燃焼器内部におけるを熱収支を把握し、燃焼器内部への燃料投入量を精度よく補正することが可能となる。これにより起動時、特にタービン回転数が定格に達した際の燃料の過投入を防止し、タービン排ガス温度の急激な上昇及びタービン回転数への影響を抑えることが可能となる。

以上述べたように、本発明では、切替機４３及び関数４６を用いて燃料修正手段３３の出力を切り替えることにより従来タービン制御における加速制御、すなわち回転数制御と本実施形態の空気温度制御の干渉を防止しているが、これは起動時の回転数制御において燃料流量の過投入を可能とし、回転数が定格に達した場合にはこの燃料流量の過投入がプラント起動に対して悪影響を及ぼさないよう燃料流量を下げることを可能とする。起動時の燃料流量の過投入によりプラントの高速起動が可能となることから、プラントの起動時間短縮にも効果がある。

次に、図８を用いて、本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成について説明する。なお、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置が適用される高湿分ガスタービンシステムの設備系統は、図１と同様である。また、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成は、図２と同様である。
図８は、本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に用いる起動速度制御手段３２及び燃料修正手段３３Ｂの詳細の構成を示すブロック図である。なお、図１〜図３と同一符号は、同一部分を示している。

第１及び第２の実施形態における高湿分ガスタービンでは、起動時の燃焼器内の安定性を確保するため、燃焼空気として乾き空気を用い、タービン回転数が定格に到達した後に加湿を開始していた。これに対して、本実施形態の燃料修正手段３３Ｂは、図３に示した燃料修正手段３３の入力に燃焼用空気相対湿度Ｘａを追加し、起動時燃焼用空気に加湿空気を使用可能としている。

燃料修正手段３３Ｂは、圧縮器出口圧力Ｐｃｄ及びタービン回転数Ｒｘから、切替前燃料修正信号計算手段４４を用いて燃焼用空気エンタルピ目標値ＨａＲを求める。切替前燃料修正信号計算手段４４にはテーブル参照を用いても良いし、熱物質収支の式から目標値を求めても良いが、タービンの起動計画から、前記圧縮器出口圧力及びタービン回転数に対し、標準的な起動特性でプラントを起動した場合の加湿空気エンタルピを起動スケジュールとして関数化することが望ましい。

燃焼用空気エンタルピ計算手段５０は、大気温度Ｔａ、燃焼用空気絶対温度ｘａ、圧縮機出口圧力Ｐｃｄから燃焼用空気エンタルピＨａを求める。燃焼用空気エンタルピＨａは乾き空気と蒸気との混合気体と定義し、空気エンタルピＨｓａ、空気密度ρｓａ、蒸気エンタルビＨｓｗ、蒸気密度ρｓｗから、以下の式（７）を用いて求められる。

このとき、空気密度ρｓａ及び空気エンタノレピＨｓａは、圧縮器出口圧力の乾き空気分圧Ｐｓａ、乾き空気の平均分子量Ｍａ、空気の気体定数Ｒ、大気温度Ｔａ、空気比熱Ｃｐａを用いて、以下の式（８），式（９）で計算できる。なお、空気比熱Ｃｐａは大気温度Ｔａの関数として表される。

さらに、蒸気密度ρｓｗ及び蒸気エンタノレピＨｓｗは、圧縮器出口圧力の蒸気分圧Ｐｓｗ、大気温度Ｔａを用いて、蒸気表あるいは近似式から求めることができる。

なお、乾き空気分圧Ｐｓａ、蒸気分圧Ｐｓｗは、圧縮機出口圧力Ｐｃｄお呼び燃焼用空気絶対湿度Ｘａから、以下の式（１０），（１１）でそれぞれ求めることが可能である。

燃焼用空気絶対湿度ｘａの計測点は、燃焼用空気温度Ｔａに近接した場所に設置し、温度と湿度の計測位相差をなるべく小さくすることが望ましいが、計測の容易さなどを考慮して増湿塔以降の任意の位置に計測点を設置しても良い。また、絶対湿度の代わりとして相対湿度を計測し、これを絶対湿度に換算しても良い。 本実施形態では、燃焼用空気エンタルピ目標値ＨａＲと燃焼用空気エンタルピＨａから、燃焼用空気エンタノレピ偏差△Ｈａを求める。また、切替前燃料修正信号計算手段４２において、燃焼用空気エンタノレピ偏差△Ｈａ、燃焼用空気温度Ｔａ、燃焼用空気流量Ｇａから、切替前燃料修正信号Ｇｆａｋを求める。切替前燃料修正信号計算手段４２は、以下の式（１２）を用いる。これ以降における燃料修正手段３３Ｂの動作は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態において、燃料修正手段３３Ｂの出力である燃料修正信号Ｇｆａは、増湿塔・再生熱交換器等の熱容量に起因する起動時の空気温度の応答遅れのほか、湿分の過渡的な変動も補償可能である。そこで、タービン加速中に増湿塔からの加湿を開始することにより、第１，第２の実施形態から起動時間をさらに短縮可能となる。

次に、図９及び図１０を用いて、本発明の第４の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成について説明する。なお、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置が適用される高湿分ガスタービンシステムの設備系統は、図１と同様である。
図９は、本発明の第４の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成を示すブロック図である。図１０は、本発明の第４の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置を用いた場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性図である。図１０（Ａ）は燃料流量Ｇｆを示し、図１０（Ｂ）は燃焼用空気温度Ｔａを示し、図１０（Ｃ）はタービン排気ガス温度Ｔｘを示している。なお、図１０において、点線は計画値を示し、実線が実際の値を示している。また、横軸は時間である。さらに、図９において、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。

第１〜第３の実施形態の高湿分ガスタービンプラントの制御装置では、燃焼用空気温度、圧縮機出口空気圧力及びタービン回転数の計測値からタービン加速時における燃料流量信号（以下、「速度燃料信号」）を修正する手段を備え、燃焼用空気温度の過渡的な遅れによるタービン負荷の低下を燃料流量で補償している。これに対し、本実施形態では、タービン負荷の低下を、タービン起動用の電動機（起動用モータ）で補助するようにしている。

図９に示す実施形態では、モータ制御手段２９は、燃料修正手段３３の出力Ｇｆａを入カし、モータ回転数指令Ｃ５を求める。また、該指令を用いて起動モータ２８を制御する。起動モータ２８はギア２９を介してシャフト２０に接続しており、起動時には燃焼器３にて燃料を燃焼する一方、起動モータ２８を補助的に駆動してタービンを加速する。モータ制御手段２９は、燃料修正信号Ｇｆａにて燃焼器に投入される熱量から、タービン駆動に必要な回転数指令Ｃ５を計算する。

第１〜第３実施形態における燃料修正手段３３，３３Ａ，３３Ｂでは、起動時の燃焼用空気温度の遅れから燃料修正信号Ｇｆａを計算し、該信号を用いて燃料流量を修正した。これに対して本実施形態では、燃料修正信号Ｇｆａによるタービン負荷の増加分を、起動モータの動力とする。

ここで、図１０を用いて、本実施形態における高湿分ガスタービンプラントの起動特性について示す。図１０では起動時に燃料を補助的に投入しないことから、先の実施形態あるいは従来運転に比してタービン排気温度Ｔｘが低く推移する。一方、タービン回転数が定格に到達した後に燃焼用空気温度が定格へと到達することから、燃料修正信号Ｇｆａ（モータ回転数指令Ｃ５）は燃焼用空気温度Ｔａと燃焼用空気温度目標値ＴａＲの差に応じて変動する特性となる。

なお、本実施形態ではタービン排気温度Ｔｘが低く推移することから、信号切換手段４３による燃料修正信号Ｇｆａの切り換えは不要である。

以上説明したように、本実施形態では、起動時の空気温度遅れに起因するタービン負荷の低下を、モータ動力を用いて補償する。そのため、燃料流量を修正してタービン負荷を補償する実施例１から３に対して排気ガス温度を抑えて起動して、より安全にプラントを起動可能となる。ただし、起動モータは定格回転数付近においてもトルクを維持する必要があることから、モータ容量が比較的小さく、また安価である小規模発電プラントに適している。

本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置が適用される高湿分ガスタービンシステムの設備系統図である。 本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に用いる起動速度制御手段３２及び燃料修正手段３３の詳細の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に燃料修正手段３３を用いない場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性図である。 本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に燃料修正手段３３を用いない場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性図である。 本発明の一実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に燃料修正手段３３を用いた場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性図である。 本発明の第２の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に用いる燃料修正手段３３Ａの詳細の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置に用いる起動速度制御手段３２及び燃料修正手段３３Ｂの詳細の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置を用いた場合の高湿分ガスタービンシステムの起動特性図である。

符号の説明

１…ガスタービン
２…圧縮機
３…燃焼器
４…発電機
５…燃料ポンプ
６…燃料流量調整弁
８…増湿塔
１１…再生熱交換器
２７…ギア
２８…起動モータ
２９…モータ制御手段
３０…制御装置
３１…点火制御手段
３２…起動速度制御手段
３３，３３Ａ…燃料修正手段
３４…負荷制御手段
３５…排気温度制御手段
３６…最小値選択手段
３７…最大値選択手段
４０…速度燃料信号比率計算手段
４１…速度燃料信号計算手段
４２…切替前燃料修正信号計算手段
４３…信号切替手段
４４…第４関数手段
４５…第５関数関数
４６…第６関数手段
４７…空気温度推定手段
４８…ガス温度推定手段
４９…一次遅れ要素

Claims (12)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えたガスタービン発電プラントを制御するガスタービン発電プラント制御装置であって、
   前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から得られる圧縮空気の目標温度を計算する手段と、
   前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度と前記圧縮空気の目標温度に基づいて、タービン起動時の出力の制御を補助する制御因子である出力補助制御因子を修正する出力補助制御因子修正信号を計算する手段とを備えたことを特徴とするガスタービン発電プラント制御装置。
2. 請求項１に記載のガスタービン発電プラントの制御装置において、
   前記出力補助制御因子修正信号を計算する手段は、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度と前記圧縮空気の目標温度との偏差から、出力補助制御因子修正信号を計算することを特徴とするガスタービン発電プラント制御装置。
3. 請求項１に記載のガスタービン発電プラントの制御装置において、
   前記高湿分ガスタービン発電プラントは、前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する加湿手段を備え、
   前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度及び湿度から圧縮空気のエンタルピを計算する手段と、
   前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から圧縮空気のエンタルピ目標値を計算する手段とを有し、
   前記出力補助制御因子修正信号を計算する手段は、前記圧縮空気のエンタルピと前記エンタルピ目標値との偏差から、前記出力補助制御因子修正信号を計算することを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラントの制御装置。
4. 請求項１に記載のガスタービン発電プラントの制御装置において、
   前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度は、計測された圧縮空気の温度から燃焼機入口の圧縮空気温度を推定した圧縮空気の温度であることを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
5. 請求項１に記載のガスタービン発電プラントの制御装置において、
   前記出力補助制御因子は、前記タービンの燃料流量であり、
   前記タービンの回転数が、設定された制御開始回転数以上になると、前記出力補助制御因子修正信号の出力を切替える切替え手段を有することを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
6. 請求項１に記載のガスタービン発電プラントの制御装置において、
   前記出力補助制御因子は、前記タービンを起動する起動モータの回転数であることを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
7. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンとを傭えたガスタービン発電プラントを制御する制御装置のガスタービン発電プラント制御方法であって、
   前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から得られる圧縮空気の目標温度を計算し、
   前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度と前記圧縮空気の目標温度に基づいて、タービン起動時の出力の制御を補助する制御因子である出力補助制御因子を修正する出力補助制御因子修正信号を計算することを特徴とするガスタービン発電プラント制御方法。
8. 請求項７に記載のガスタービン発電プラント制御方法において、
   前記出力補助制御因子修正信号を計算する場合に、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度と前記圧縮空気の目標温度との偏差から、出力補助制御因子修正信号を計算することを特徴とするガスタービン発電プラント制御方法。
9. 請求項７に記載のガスタービン発電プラント制御方法において、
   前記高湿分ガスタービン発電プラントは、前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する加湿手段を傭え、
   前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から計算される圧縮空気の目標温度と、前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度及び湿度から得られる圧縮空気のエンタルピと、前記圧縮機の出口圧力及びタービン回転数から得られる圧縮空気のエンタルピ目標値とを計算し、
   前記出力補助制御因子修正信号を計算する場合に、前記圧縮空気のエンタルピと前記目標エンタルピとの偏差から、前記出力補助制御因子修正信号を計算することを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント制御方法。
10. 請求項７に記載のガスタービン発電プラント制御方法において、
    前記圧縮機に流入する圧縮空気の温度は、計測された圧縮空気の温度から燃焼機入口の圧縮空気温度を推定した圧縮空気の温度であることを特徴とするガスタービン発電プラント制御方法。
11. 請求項７に記載のガスタービン発電プヲント制御方法において、
    前記出力補助制御因子は、前記タービンの燃料流量であり、
    前記タービンの回転数が、設定された制御開始回転数以上になると、前記出力補助制御因子修正信号の出力を切替えることを特徴とするガスタービン発電プラント制御方法。
12. 請求項７に記載のガスタービン発電プラント制御方法において、
    前記出力補助制御因子は、前記タービンを起動する起動モータの回転数であることを特徴とするガスタービン発電プラント制御方法。

Images