JP4515330B2

JP4515330B2 - 高湿分ガスタービン設備、その制御装置及び制御方法

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Publication number: JP4515330B2
Application number: JP2005157385A
Authority: JP
Inventors: 幸徳片桐; 秀文荒木; 健次佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2025-05-30
Also published as: JP2006329153A

Description

本発明はガスタービン燃焼器で燃焼する圧縮空気を加湿する高湿分ガスタービン設備、その制御装置及び制御方法に関する。

近年、ガスタービン燃焼器で燃焼する圧縮空気を加湿して出力及び効率の向上を図る高湿分ガスタービン設備が提唱され、工場向け小規模発電や熱電併給（コジェネレーション）への利用が期待されている。この高湿分ガスタービン設備は、加湿することで燃焼用空気の体積流量が増加するので従来型のガスタービン設備に比して高効率である。また燃焼用空気の湿分増加により燃焼温度が低下するのでタービン各部の高温化や窒素酸化物等の排出を抑制することもできる。

この種の高湿分ガスタービン設備では、一般に増湿器で加湿した圧縮機からの圧縮空気を再生熱交換器に導き、ここでタービンから排出される排気ガスにより加熱した燃焼用空気を燃料とともに燃焼器で燃焼する。圧縮空気に添加される供給水は、空気冷却器にて圧縮機からの圧縮空気で予熱したものと給水加熱器にてタービンからの排気ガスで予熱したものとをタンクに一旦貯留し、このタンク内の貯留水を増湿器に供給することが知られている（特許文献１等参照）。

特開平１１−２５７０９６号公報

高湿分ガスタービン設備では、燃焼用の圧縮空気を加湿し始めると燃焼温度が低下し、再生熱交換器１１及び給水加熱器１２における排気ガスの熱回収量が変動する。その結果、給水加熱器１２を通過した供給水の温度が低下して一定時間後には増湿器における加湿量が減少し、排気ガス温度が上昇し始める。圧縮空気の加湿開始時や加湿停止時にはこうしたサイクルが繰り返され、ガスタービンを含むシステム全体の温度・圧力・流量・湿度等が周期的に変動し発電量や生産した電気の周波数が長時間不安定となる。そのため、プラントの起動停止に長時間を要し、負荷変化時の負荷追従性を十分に確保することも難しい。小規模設備やコジェネレーションでは日々の電力需要や蒸気需要の変動に応じてプラントを逐次起動停止・負荷変化する必要があることから、負荷変化率の向上や起動停止時間の短縮などの運用効率の向上が求められる。

本発明の目的は、起動停止時の運転状態を短時間で安定させ負荷変化への追従性を向上させることができる高湿分ガスタービン設備、その制御装置及び制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの燃焼器で燃焼する圧縮空気を増湿器で加湿する高湿分ガスタービン設備において、空気冷却器からの供給水を増湿器に供給するか排水するかの割合を変更可能な第１制御弁と、給水加熱器からの供給水を増湿器に供給するか排水するかの割合を変更可能な第２制御弁と、これら第１及び第２制御弁を制御して増湿器での圧縮空気の加湿量を調整する制御装置とを備える。

本発明によれば、増湿器で圧縮空気に添加される供給水の温度を調整し圧縮空気の加湿量を段階的に調整することが混合器でできるので、起動停止時の運転状態を短時間で安定させ負荷変化への追従性を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る高湿分ガスタービンシステムの概略構成を表す回路図である。
本システムは、空気を圧縮する圧縮機２と、この圧縮機２で圧縮された空気（圧縮空気）の少なくとも一部を加湿する増湿器８と、この増湿器８で加湿された圧縮空気を燃料とともに燃焼する燃焼器３と、この燃焼器３で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービン１と、このタービン１から排出された排気ガスと増湿器８から燃焼器３に供給される加湿空気との間で熱交換させる再生熱交換器１１と、増湿器８で圧縮空気を加湿する供給水をタービン１からの排気ガスで予熱する給水加熱器１２と、増湿器８で圧縮空気を加湿する供給水を圧縮機２からの圧縮空気で予熱する空気冷却器３２と、給水加熱器１２で予熱した供給水と空気冷却器３２で予熱した供給水とを混合する混合器２９と、給水加熱器１２を通過した排気ガスの湿分を回収する水回収装置１５と、空気冷却器３２からの供給水が混合器２９と水回収装置１５とに導かれる割合を変更可能な空気冷却器出口三方弁１８と、給水加熱器１２からの供給水が混合器２９と水回収装置１５とに導かれる割合を変更可能な給水加熱器出口三方弁１７と、これら三方弁１７，１８の開度を制御することで増湿器８での圧縮空気の加湿量（湿度）を調整する増湿器制御手段とを備えている。

空気冷却器３２は、圧縮機２で得られた圧縮空気から熱を回収する装置である。空気冷却器３２にて圧縮空気から回収した熱量は増湿器８で噴霧する供給水の予熱に用いられる。またこの空気冷却器３２は、圧縮器２で昇温・昇圧された圧縮空気がそのまま増湿器８の内部に流入した場合に気液接触によって増湿器８の内を流下する供給水が沸騰・蒸発するのを防止するものである。つまり空気冷却器３２によって増湿器８に流入する前に圧縮空気を減温しておくことで増湿器８での圧縮空気の急激な湿度増加を防止する役割を果たす。

給水加熱器１２は、再生熱交換器１１を通過したタービン１からの排気ガスの熱を回収する装置である。給水加熱器１２で回収した排気ガスの熱量は、増湿器８で噴霧する供給水の予熱に用いられる。

給水加熱器１２で加熱された供給水や空気冷却器３２で加熱された供給水は、増湿器８の内部を流下して増湿器８の底部に一旦貯留され、その後ポンプ２４によって増湿器８の下部から空気冷却器３２及び給水加熱器１２へと供給される。空気冷却器３２側に導かれた供給水は空気冷却器出口三方弁１８を介して混合器２９に供給される。給水加熱器１２側に導かれた供給水は給水加熱器出口三方弁１７を介して混合器２９に供給される。これら三方弁１７，１８は、給水加熱器１７又は空気冷却器１８を通過してきた供給水の混合器２９とブロー配管２６とへの送水割合を調整することができる。三方弁１７，１８の開度は増湿器制御装置１０１からの指令により制御される。また、ブロー配管２６に送水された供給水は水回収装置１５に排水される。例えば、増湿器８の停止中は三方弁１７，１８をそれぞれブロー配管２６側に切り換えて供給水を水回収装置１５に排水し、増湿器８の運転中（圧縮空気の加湿時）には三方弁１７，１８をそれぞれ増湿器８側に切り換えて混合器２９に供給する。

混合器２９は空気冷却器３２及び給水加熱器１２からの供給水を混合するもので、空気冷却器３２からの給水管路と給水加熱器１２からの給水管路の単なる流路の合流部である。混合器２９で合流した供給水は、この混合器２９に貯留されることなく増湿器８に供給される。増湿器８は、内部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。増湿器８内の上部から噴霧した供給水は充填物表面上を流下しながら気液接触の作用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。増湿器８の底部の供給水が不足した場合等にはポンプ２２を駆動して水回収装置１５の貯留水から補給する。

増湿器８を出た加湿空気は配管９を介して再生熱交換器１１に導かれ、ここでタービン１からの排気ガスと熱交換することで昇温する。これにより加湿空気はタービン１からの排気ガスの温度程度まで昇温し、再生熱交換器１１を通過することで加湿空気の湿分は完全に蒸発する。そして、再生熱交換器１１を通過した加湿空気（燃焼用空気という）は配管１３を介して燃焼器３に導かれる。

燃焼器３では、再生熱交換器１１で得られた燃焼用空気が燃料ポンプ５で加圧した燃料と混合され燃焼される。燃料流量は燃料流量調整弁制御装置１０２からの指令により燃料流量調整弁６の開度が制御されることで調整される。燃焼ガスの膨張仕事によって得られたタービン１の軸動力はシャフト２０を介して圧縮機２及び発電機４に伝達される。タービン１の軸動力の一部は圧縮機２において空気の加圧に用いられ、その他は発電機４において電力に変換される。そして、タービン１を駆動しタービン１を通過した燃焼ガス（つまり排気ガス）は煙道１４に導かれる。煙道１４に導かれた燃焼ガスの熱エネルギーの一部は前述したように再生熱交換器１１及び給水加熱器１２で回収され、加湿空気の加熱や供給水の予熱に用いられる。再生熱交換器１１及び給水加熱器１２で熱を回収された排気ガスは煙道２８を介して水回収装置１５に導かれる。

タービン１からの排気ガス中の水分は水回収装置１５にて回収される。この水回収装置１５は煙道に水を噴霧して排気ガス中の水分を凝集・落下させて回収する方式である。凝集させた水は水回収装置１５の底部の液溜まりに貯留され、前述したように必要に応じてポンプ２２によって増湿器８に供給される他、ポンプ２１によって汲み上げられて水回収装置１５内にて上方から噴霧される。その際、効果的に排気ガス中の水分を捕集するために、水回収装置１５内で噴霧する水はポンプ２１により汲み上げられる途中で冷却用熱交換器２５により冷却しておく。水回収装置１５で水分を回収された排気ガスは煙突２７を介して大気に放風される。また、水回収装置１５には貯留水が不足しているようであれば図示しない貯水タンク等の水がポンプ２３によって補給される。

ここで、混合器２９の出口には増湿器８に供給する供給水の温度を計測する給水温度検出器３０が設けられている。また、タービン１の出口にはタービン１から排出される排気ガスの温度を計測する排気温度検出器３１が設けられている。排気温度検出器３１の検出結果はガスタービン制御装置１００に出力される。

ガスタービン制御装置１００は中央給電指令所（図示せず）からの負荷要求指令（Unit Demand）ＵＤを受け、負荷要求指令ＵＤにプラント発電出力が追従するように燃料流量指令（Fuel Demand）ＦＤを出力する。この燃料流量指令ＦＤは前述した増湿器制御装置１０１と燃料流量調整弁制御装置１０２とに出力される。その際、本実施形態では、安全保護の目的で前述した排気温度検出器３１により検出されたタービン出口排気温度Ｔｘ（計測値）が設定値を上回った場合、燃料流量指令ＦＤを抑えて温度上昇によるガスタービンの損傷を防止する。また、タービン出口排気温度Ｔｘはガスタービンの性能あるいは運転状態を把握するための指標としても用いられることから本実施形態ではプラントの静定を判定するための基準としても用いられる。

そして、燃料流量調整弁制御装置１０２は燃料流量指令ＦＤに応じた燃料調整弁開度信号１１０を出力し、燃料流量調整弁６の開度を制御する。一方増湿器制御装置１０１はガスタービン制御装置１００からの燃料流量指令ＦＤと給水温度検出器３０からの混合器出口温度Ｔｗとを入力し、これら入力信号に応じて空気冷却器出口三方弁１８に対する空気冷却器出口三方弁開度指令Ｃｖａ及び給水加熱器出口三方弁１７に対する給水加熱器出口三方弁開度指令Ｃｖｂを演算し出力する。

上記のように構成した本実施形態の高湿分ガスタービンプラントを起動するとき、まずポンプ２３を駆動して水回収装置１５の底部に供給水を貯留した後、ポンプ２２を駆動して増湿器８の底部に供給水を導く。次にポンプ２４を駆動し、空気冷却器３２→空気冷却器出口三方弁１８→ブロー配管２６→ポンプ２２→増湿器８の経路又は給水加熱器１２→給水加熱器出口三方弁１７→ブロー配管２６→ポンプ２２→増湿器８の経路で供給水を循環させる。このように供給水を循環させることによって、タービン起動時・負荷運転時の空気冷却器３２及び給水加熱器１２の空焚きを回避するとともに、空気冷却器３２及び給水加熱器１２内の供給水の沸騰（スチーミング現象）を防止する。

次にガスタービンを起動し、圧縮機２→配管７→空気冷却器３２→増湿器８→配管９→再生熱交換器１１→配管１３→燃焼器３の経路で圧縮空気を燃焼器３へと導く。燃焼器３の安定性を考慮し、起動時には空気冷却器３２及び給水加熱器１２への供給水はブロー配管２６から排出し、増湿器８での圧縮空気の加湿はまだ行わない。燃焼器３で発生した燃焼ガスはタービン１を駆動した後、煙道１４→再生熱交換器１１→給水加熱器１２→煙道２８→水回収装置１５を経て煙突２７を介して排出される。

ガスタービンが起動したら、次に増湿器８を起動する。増湿器８の起動時には空気冷却器出口三方弁１８及び給水加熱器出口三方弁１７を適宜混合器２９側に切り換え、混合器２９を介して供給される供給水によって圧縮機２からの圧縮空気を次の手順で加湿し始める。

図２は増湿器制御装置１０１による増湿器８の起動・停止手順の一例を表すフローチャートである。
ステップ２０１では、燃料流量指令ＦＤから増湿器８の起動・停止操作の可否を判定する。つまり、増湿器８の起動・停止の可否を燃焼器３への燃料流量の状態から判定する。例えば、燃料流量指令ＦＤが低い状態で増湿器８を起動した場合、加湿量の増加により燃焼が不安定となる。反対に燃料流量指令ＦＤが高い状態で増湿器８を停止した場合、タービン出口排気温度がトリップ温度まで上昇する。そのためステップ２０１では、こうした不具合が発生しないように、燃料流量指令ＦＤの値が設定値Ａを超えたら増湿器８が駆動状態に、燃料流量指令ＦＤの値が設定値Ｂ（＜Ａ）を下回ったら増湿器８が停止状態になるように、増湿器８の起動・停止操作の可否を判定する（図２中のステップ２０１の図示も参照）。続くステップ２０２ではステップ２０１の判定結果から増湿器８の運転モード（起動又は停止）を判定し、判定の結果、増湿器８を起動する場合はステップ２０３に、増湿器８を停止する場合はステップ２０７に移る。

ステップ２０３では、空気冷却器３２で予熱された供給水の混合器２９への供給割合（この時点では０％とする）が１００％となるように、空気冷却器出口三方弁１８への開度指令Ｃｖａを演算し出力する。これにより増湿器８から燃焼器３に供給される加湿空気の湿分が増加する。このとき、加湿量の増加に伴って燃焼温度が低下しプラントの熱バランスが変動するが、空気冷却器側からの供給水の切り換えによるバランスの変動は一時的なものでありタービン排気温度が低下した後に安定する特性となる。

続くステップ２０４では、排気温度検出器３１で検出されたタービン排気温度Ｔｘ及びガスタービン制御装置１００から伝えられた燃料流量指令ＦＤの変動を一定時間監視し、その変動幅からガスタービンが静定し以降のステップに手順を移せる状態となったかどうかを判定する。静定判定の方法は種々考えられるが、ここでは下記（式１）〜（式３）のように、一定区間内におけるタービン出口排気温度Ｔｘ及び燃料流量指令ＦＤの時系列信号から、タービン出口排気温度Ｔｘ及び燃料流量指令ＦＤのそれぞれの平均値と、タービン出口排気温度Ｔｘ及び燃料流量指令ＦＤの正規化後の分散和とを演算し、これらの演算結果を用いて静定を判定する方法を用いた。

ここで、Ｔは現在時刻、Δｔは計測値Ｔｘ及びＦＤのサンプリング周期、ＮはＴｘ及びＦＤのデータサンプル数である。Ｊはガスタービンが静定したと判定するための指標であり、しきい値以下となった場合にガスタービンが静定したと判定される。しきい値はプラントの出力と増湿器８の容量から求める。

状態が安定してステップ２０４でガスタービンの静定が確認されたら、ステップ２０５に移り、給水加熱器１２で予熱された供給水の混合器２９への供給割合（この時点では０％とする）が１００％となるように、給水加熱器出口三方弁１７への開度指令Ｃｖｂを演算し出力する。これにより増湿器８から燃焼器３に供給される加湿空気の湿分がさらに増加し、圧縮空気の湿度が定格付近まで上昇する。このとき、湿度の上昇によりタービン排気温度、再生熱交換器出口排気温度が変動し、さらに給水温度が変動することにより増湿器８からの加湿空気の湿分量が変動する。したがって、続くステップ２０６に手順を移し、ガスタービンの静定を確認した上で増湿器８の運転状態の切り替えを終了する。ステップ２０６の静定判定はステップ２０４と同様である。

一方、増湿器８の停止手順も起動手順と同じ要領で実施される。すなわち、ステップ２０２で増湿器８の停止が判定されてステップ２０７に手順が移ると、空気冷却器３２からの供給水の混合器２９への供給割合（この時点では１００％）が０％となるように、空気冷却器出口三方弁１８への開度指令Ｃｖａを演算し出力する。これにより増湿器８から燃焼器３に供給される加湿空気の湿分が減少する。続くステップ２０８でガスタービンの静定が確認されたら、ステップ２０９に移り、給水加熱器１２からの供給水の混合器２９への供給割合（この時点では１００％とする）が０％となるように、給水加熱器出口三方弁１７への開度指令Ｃｖｂを演算し出力する。これにより増湿器８から燃焼器３に供給される加湿空気の湿分がさらに減少する。そしてステップ２１０でガスタービンの静定が確認されたら増湿器８の運転状態の切り替えを終了する。ステップ２０８，２１０の静定判定もステップ２０４と同様である。

図３は図２の手順による増湿器８の起動時のタービン出口排気温度Ｔｘの変動を表すグラフである。
空気冷却器出口三方弁１８の開度を０→１００％（ブロー配管から混合器）に切り換える（図２のステップ２０３）と、圧縮空気の加湿量の増加に応じてタービン出口排気温度Ｔｘが低下する。その後、給水加熱器出口三方弁１７の開度Ｃｖｂを０→１００％（ブロー配管から混合器）に切り換える（ステップ２０５）ことでタービン出口排気温度Ｔｘはさらに低下しようとするが、タービン出口排気温度Ｔｘの低下に伴って給水加熱器１２から混合器２９に導かれる供給水の温度が低下するので、増湿器８で噴霧される供給水の混合器出口温度Ｔｗも低下する。そのため圧縮空気の加湿量が低下してタービン出口排気温度Ｔｘが上昇し、Ｔｘは緩やかに変動した後に静定する。

ここで、本実施形態では予熱した供給水を増湿器８へ供給する系統として、空気冷却器３２で予熱する系統と給水加熱器１２で予熱する系統の２系統を用いている。このとき、空気冷却器３２からの熱回収量は圧縮機２からの圧縮空気の温度に依存するが、圧縮空気の温度はタービン１の回転数及び圧縮機２の吐出圧力によってほぼ一意的に定まる。そのため、ガスタービン回転数を制御する負荷運転時では空気冷却器３２からの熱回収量に大きな変動は生じない。よって、空気冷却器３２で加熱した供給水を増湿器８に投入した場合（ステップ２０３）のタービン出口排気温度Ｔｘやタービン入口ガス温度は圧縮空気の加湿開始や加湿停止により変動はするものの比較的短時間で安定する。

これに対して給水加熱器１２からの熱回収量は、再生熱交換器１１の出口における排気ガスの温度に依存する。再生熱交換器１１の出口の排気温度は、再生熱交換器１１における排気ガスから加湿空気への熱移動量、燃焼器３に流入する燃焼用空気の温度及び湿度、燃焼器３への燃料流量、タービン１に流入する燃焼ガス温度、タービン排気温度Ｔｘ等、各部の熱や物質のバランス値によって変化する。そのため、負荷運転時においては、再生熱交換器１１、燃焼器２、タービン１のそれぞれの状態によって給水加熱器１２からの熱回収量が変化し、それに伴って増湿器８に投入する供給水の温度が変化する。増湿器８の出口における圧縮空気の加湿量は給水温度によって変動することから、タービン１、燃焼器３、再生熱交換器１１、給水加熱器１２及び増湿器８の各部における温度、圧力及び流量が長時間周期的に変動し、プラントの運転状態が安定するまでに長時間を要する。

したがって、仮に図２のステップ２０３，２０５の順番を入れ替えたり同時に実行したりする場合には、運転状態が長時間に亘り不安定となる。例として、図２のステップ２０３，２０５を入れ替えて増湿器８の起動時に空気冷却器１８よりも先に給水加熱器１７を操作する場合のタービン出口排気温度Ｔｘの変動を表すグラフを図４に示した。

図４に示すように、給水加熱器出口三方弁１７を先に操作する場合、タービン出口排気温度Ｔｘは圧縮空気の加湿開始に伴って一旦低下するが、その後、供給水の混合器出口温度Ｔｗが低下するため上昇に転じる。こうして上昇と低下を繰り返しつつタービン出口排気温度Ｔｘはいずれ安定に向かうが、空気冷却器３２での過熱と異なり給水加熱器１２での加熱にはタービン出口排気温度Ｔｘが影響するので図２の手順におけるステップ２０３の場合に比べて運転状態が安定するまでに長時間を要する。

給水加熱器出口三方弁１７の操作後に運転状態が安定したら、空気冷却器出口三方弁１８が操作されるが、既に給水加熱器１２からの供給水が混合器２９に導かれるようになっているので、給水加熱器１２での熱回収量に再度変動が生じる。つまり空気冷却器３２からの供給水が増湿器８に供給されることで、燃焼用空気の湿分上昇→タービン出口排気温度Ｔｘの低下→給水加熱器１２による熱回収量減少→増湿器８への供給水の温度低下→燃焼用空気の湿分減少→タービン出口排気温度Ｔｘの上昇・・・というサイクルをその後も繰り返し、ガスタービンが静定状態になるまでに長時間を要する。圧縮空気の加湿停止時も同様である。

また、図５は図２の手順と異なり増湿器８の起動時に空気冷却器１８と給水加熱器１７とを同時操作する場合のタービン出口排気温度Ｔｘの変動を表すグラフである。
図５に示したように、三方弁１７，１８を同時に操作した場合、給水加熱器１２が操作されることで、給水加熱器１２を操作することによる供給水の増加分と空気冷却器３２を操作することによる供給水の増加分が同時にタービン出口排気温度Ｔｘの影響を受けることになる。その結果、圧縮空気の加湿量が急激に増減しタービン出口排気温度Ｔｘの周期変動が大きくなり、運転状態が安定するまでにより長時間を要する。加えて、圧縮空気の加湿量の変動幅が必要以上に大きくなるため、タービン排気温度が定格を超えてトリップ温度に達したり、燃焼器３にて失火したりする等といった不具合も起こり易い。圧縮空気の加湿停止時も同様である。

それに対し、本実施形態では、図２に示した通り、まず、タービン出口排気温度Ｔｘに影響されない空気冷却器３２で予熱した供給水を増湿器８に供給することにより、圧縮空気の加湿開始時における運転状態の不安定化が最小限に抑えられる。そして、その後に給水加熱器１２で予熱した供給水の供給を開始しても、空気冷却器３２で過熱した供給水の添加によりタービン出口排気温度が低下した状態にあるため、給水加熱器１２で予熱した供給水の加熱開始に伴う運転状態の不安定化も最小限に止まる。しかも、空気冷却器３２で予熱した供給水と給水加熱器１２で予熱した供給水は事前に混合器２９で合流しているので、両者の温度の違いによる増湿器８内の噴霧水の温度ムラも生じず、良好な圧縮空気の加湿状態を実現することができる。このように、運転状態の不安定化が最小限となるように順を追って圧縮空気に添加される供給水を増湿器８に供給することにより、圧縮空気の加湿量を段階的に調整することができ、起動停止時の運転状態を短時間で安定させ負荷変化への追従性を向上させることができる。

また、空気冷却器３２で予熱された供給水と給水加熱器１２で予熱された供給水とを増湿器８に供給する前に合流させるに際し、両者を共用のタンクに一旦貯水することも考えられるが、タンク設置のためのスペース及びコストが増加する。それに対し、本実施形態では水回収装置１５の貯水部を有効活用し、空気冷却器３２で予熱した供給水と給水加熱器１２で予熱した供給水とを必要時に混合器２９を介して増湿器８に供給し、供給する必要のないときには水回収装置１５に排水する構成とした。これによりタンク設置のスペース及びコストを節減することができ、供給水の循環による空気冷却器３２と給水加熱器１２の空焚き防止の効果も得られる。

また、増湿器８への供給水の水温制御をする限りにおいては、例えば空気冷却器３２に圧縮空気を流通する配管に流量調整弁を設け、圧縮空気流量を制御することにより空気冷却器３２による供給水の加熱量を調整することも考えられる。しかしこの場合には、流量調整弁を設けることによる圧力損失が加わるため、燃焼器３に供給される燃焼用空気の圧力損失増大につながる。それに対し、本実施形態では、増湿器８への給水温度のみで圧縮空気の加湿量を制御するので、燃焼用空気の圧力損失を最小限に止め、全体として高効率のシステムを構築することが可能となる。

図６は増湿器制御装置１０１による増湿器８の起動・停止手順の他の例を表すフローチャートである。
先の図２の手順では三方弁１７，１８を切換制御する場合を説明したが、三方弁１７，１８は開度調整可能であり、それぞれ混合器２９への給水と水回収装置１５への排水の割合を開度によって調整することができる。図６に示した例はこうした三方弁１７，１８の開度調整機能を活かした手順である。

図６において、ステップ３０１，３０２は図２のステップ２０１，２０２と同様である。ステップ３０２で起動モードが判定されたらステップ３０３に移り、まず空気冷却器出口三方弁１８の開度Ｃｖａを増湿器８側に中間開度ｘ％とし（つまり空気冷却器３２からの供給水のｘ％が混合器２９に流入するようにし）、空気冷却器３２の供給水の一部（ｘ％）を増湿器８に供給する。続くステップ３０４は図２のステップ２０４と同様であり、このステップでガスタービンが静定したことを確認した後、ステップ３０５に手順を移す。

ステップ３０５は図２のステップ２０５と同様であり、給水加熱器出口三方弁１７の開度Ｃｖｂを増湿器側に全開とし（つまり給水加熱器１２からの供給水の１００％が混合器２９に流入するようにし）、給水加熱器１２の供給水を全量増湿器９に供給してステップ３０６に移る。

ステップ３０６では、混合器出口給水温度Ｔｗが目標値に一致するよう空気冷却器出口三方弁１８の開度Ｃｖａをｘ％からｘ’％に補正する。空気冷却器三方弁１８の開度Ｃｖａを補正したら、ステップ３０４と同様の続くステップ３０７でガスタービンの静定を確認する。ガスタービンの静定が確認されたら、ステップ３０８に移って空気冷却器出口三方弁１８の開度Ｃｖａを増湿器側に全開とし（つまり空気冷却器３２からの供給水の１００％が混合器２９に流入するようにし）、増湿器８による加湿開始の手順を終了する。

一方、ステップ３０２で停止モードが判定されたらステップ３０９に移り、空気冷却器出口三方弁１８の開度Ｃｖａを増湿器側１００％から中間開度ｘ％とし（つまり空気冷却器３２からの供給水のｘ％が混合器２９に流入するようにし）、空気冷却器３２の供給水の一部（ｘ％）をブロー配管２６へと排水する。ステップ３０４と同様の続くステップ３１０でガスタービンが静定したことを確認したら続くステップ３１１に移行する。ステップ３１１は図２のステップ２０９と同様の手順であり、給水加熱器出口三方弁１７の開度Ｃｖｂを増湿器側に全閉とし（つまり給水加熱器１２からの供給水の１００％がブロー配管２６に流入するようにし）、給水加熱器１２の供給水の全量を水回収装置１５へと排水する。

続くステップ３１２では、混合器出口給水温度Ｔｗが目標値に一致するよう空気冷却器出口三方弁１８の開度Ｃｖａをｘ％からｘ’％に補正し、続くステップ３１３でステップ３０４と同様にしてガスタービンの静定を確認する。ガスタービンの静定が確認されたら、ステップ３１４に移って空気冷却器出口三方弁１８の開度Ｃｖａを増湿器側に全閉として（つまり空気冷却器３２からの供給水の１００％が水回収装置１５に排水されるようにして）圧縮空気の加湿停止の手順を終了する。

図２の制御手順では、給水加熱器１２からの供給水の全量を増湿器８に注水した際、増湿器８の出口での加湿空気の湿分の増加に伴ってタービン出口排気温度Ｔｘが変動し、さらに給水加熱器１２の給水温度が変動して増湿器８の出口での湿分が変動する。これに対して図６の制御手順では、混合器出口給水温度Ｔｗの変動を監視して空気冷却器出口三方弁１８を開度調整することで混合器出口給水温度Ｔｗを制御し、増湿器８の出口における圧縮空気の湿分変動を抑制する。これにより、図２の制御手順と同様の効果に加え、燃焼器３に供給する圧縮空気の湿分変動がより抑制され、増湿器８の起動・停止をより短時間で完了させることができる。

図７は図６の制御手順による増湿器８の挙動を示している。この図では、図６の制御手順により圧縮空気の加湿を開始した際のタービン出口排気温度Ｔｘ、混合器出口給水温度Ｔｗ、増湿器８の出口における絶対湿度を示してある。
ステップ３０３（図６）の時点では、空気冷却器出口三方弁１８を中間開度ｘ％とした場合、混合器出口給水温度Ｔｗは空気冷却器３２の出口における給水温度に一致する。また、増湿器８での加湿が開始されるので増湿器８の出口湿度が上昇しそれに応じてタービン出口排気温度Ｔｘが低下する。

次に給水加熱器出口三方弁１７をブロー配管２６側から混合器２９側へと切り換え（ステップ３０５）、空気冷却器出口三方弁１８の開度調整によって混合器出口給水温度Ｔｗを制御する（ステップ３０６）。これにより増湿器８の出口湿度は上昇し湿度変化に応じてタービン出口排気温度Ｔｘも変動するが、混合器出口給水温度Ｔｗをほぼ一定に制御した結果、増湿器８の出口における湿度の過渡的な変動は最小限に抑制されガスタービンがより短時間に静定する。そして最後に空気冷却器出口三方弁１８を混合器２９側へと完全に切り替え（ステップ３０８）増湿器８の起動が完了する。

このように、図６の制御手順を実施することにより、混合器出口給水温度Ｔｗの変動を最小限に抑えることができ、増湿器８の起動時における運転状態をより短時間に安定させることができる。増湿器停止時も同様である。

なお、以上においては、ガスタービンの静定判定や三方弁１７，１８・燃料流量調整弁６の制御をタービン排気温度Ｔｘと燃料流量指令ＦＤに基づいて実行したが、これらの他にも例えば発電出力・燃焼機の入口温度・再生熱交換器１１の出口における圧縮空気温度・再生熱交換器１１の出口における排気ガス温度等を用いることも考えられる。

また、図６の制御手順では増湿器起動停止時における混合器出口給水温度Ｔｗを一定に制御するよう空気冷却器出口三方弁１８の開度Ｃｖａを制御したが、混合器出口給水温度Ｔｗの目標温度ＴｗＲを燃料流量指令ＦＤ又は負荷要求指令ＵＤの関数として、ＴｗがＴｗＲに追従するよう制御しても良い。この場合、負荷変化時における増湿器８の特性を任意に制御することによりさらに安定した負荷運用が可能となる。

また、図１に示した回路図では、空気冷却器３２や給水加熱器１２で加熱された供給水の混合器２９と水回収装置１５への供給割合を調整するのに三方弁１７，１８を用いたが、例えば空気冷却器３２（又は給水加熱器１２）から混合器２９と水回収装置１５とに接続する各配管にそれぞれ流量調整弁を設け、これら流量調整弁の開度調整によって同様の制御を行うようにしても良い。この場合も同様の効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る高湿分ガスタービンシステムの概略構成を表す回路図である。増湿器制御装置による増湿器の起動・停止手順の一例を表すフローチャートである。図２の手順による増湿器の起動時のタービン出口排気温度の変動を表すグラフである。増湿器の起動時に空気冷却器よりも先に給水加熱器を操作した場合のタービン出口排気温度の変動を表すグラフである。増湿器の起動時に空気冷却器と給水加熱器とを同時操作する場合のタービン出口排気温度の変動を表すグラフである。増湿器制御装置による増湿器の起動・停止手順の他の例を表すフローチャートである。図６の制御手順による増湿器の挙動を示す図である。

符号の説明

１タービン
２圧縮機
８増湿器
３燃焼器
６燃料流量調整弁
１１再生熱交換器
１２給水加熱器
１５水回収装置
１７給水加熱器出口三方弁
１８空気冷却器出口三方弁
２９混合器
３０給水温度検出器
３１排気温度検出器
３２空気冷却器
１００ガスタービン制御装置
１０１増湿器制御装置
１０２燃料流量調整弁制御装置
Ｔｗ混合器出口給水温度
Ｔｘタービン出口排気温度
ＵＤ負荷要求指令値

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、
この圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿器と、
この増湿器で加湿された圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、
この燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
このタービンから排出された排気ガスと前記増湿器から前記燃焼器に供給される圧縮空気との間で熱交換させる再生熱交換器と、
この再生熱交換器を通過した排気ガスによって前記増湿器で圧縮空気に添加される供給水を予熱する給水加熱器と、
前記圧縮機からの圧縮空気によって前記増湿器で圧縮空気に添加される供給水を予熱する空気冷却器と、
前記給水加熱器で予熱した供給水と前記空気冷却器で予熱した供給水とを合流させる混合器と、
前記給水加熱器を通過した排気ガスの湿分を回収する水回収装置と、
前記空気冷却器からの供給水が前記混合器と前記水回収装置とに導かれる割合を変更可能な第１制御弁と、
前記給水加熱器からの供給水が前記混合器と前記水回収装置とに導かれる割合を変更可能な第２制御弁と、
前記第１及び第２制御弁を制御して前記増湿器での圧縮空気の加湿量を調整する制御装置と
を備えたことを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
請求項１の高湿分ガスタービン設備において、前記制御装置は、
前記増湿器での加湿開始時には、前記第１制御弁を制御して前記空気冷却器からの供給水を前記混合器に供給した後、前記第２制御弁を制御して前記給水加熱器からの供給水を前記混合器に供給し、
前記増湿器での加湿停止時には、前記第１制御弁を制御して前記空気冷却器からの供給水を前記水回収装置に排水した後、前記第２制御弁を制御して前記給水加熱器からの供給水を前記水回収装置に排水する
ことを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
請求項１の高湿分ガスタービン設備において、前記タービンから排出される排気ガスの温度を検出する排気温度検出器を備え、前記制御装置は、この排気温度検出器からの検出信号と入力された負荷要求指令値とを基に前記第１及び第２制御弁を制御することを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
請求項３の高湿分ガスタービン設備において、前記制御装置は、前記第１制御弁の制御後と前記第２制御弁の制御後に前記排気温度検出器の検出信号を監視することで運転状態の静定判定をし、静定が確認された後に手順を移行又は終了することを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
請求項１の高湿分ガスタービン設備において、前記制御装置は、
前記増湿器での加湿開始時には、前記第１制御弁を制御して前記空気冷却器からの供給水の一部を前記混合器に供給した後、前記第２制御弁を制御して前記給水加熱器からの供給水の全量を前記混合器に供給し、さらに前記第１制御弁を制御して前記空気冷却器からの供給水の全量を前記混合器に供給し、
前記増湿器での加湿停止時には、前記第１制御弁を制御して前記空気冷却器からの供給水の一部を前記水回収装置に排水した後、前記第２制御弁を制御して前記給水加熱器からの供給水の全量を前記水回収装置に排水し、さらに前記第１制御弁を制御して前記空気冷却器からの供給水の全量を前記水回収装置に排水する
ことを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
請求項５の高湿分ガスタービン設備において、前記混合器から前記増湿器に供給される供給水の温度を検出する給水温度検出器をさらに備え、前記制御装置は、前記給水温度検出器の検出結果が目標値と一致するような前記第１制御弁への指令信号を演算することを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
請求項１の高湿分ガスタービン設備において、前記混合器は、前記空気冷却器からの給水管路と前記給水加熱器からの給水管路の合流部であることを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
請求項１の高湿分ガスタービン設備において、
前記燃焼器に供給される燃料の流量を調整する燃料流量調整弁と、
前記タービンから排出される排気ガスの温度を検出する排気温度検出器と、
前記混合器から前記増湿器に供給される供給水の温度を検出する給水温度検出器と、
前記排気温度検出器からの検出信号と入力された負荷要求指令値とを基に燃料流量指令値を演算するガスタービン制御装置と、
このガスタービン制御装置からの燃料流量指令値に応じて前記燃料流量調整弁を制御する燃料流量調整弁制御装置とを有し、
前記加湿量を調整する制御装置は、前記ガスタービン制御装置からの燃料流量指令値と前記給水温度検出器からの検出信号に応じて前記第１及び第２制御弁を制御して前記増湿器での圧縮空気の加湿量を調整する増湿器制御装置である
ことを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿器と、この増湿器で加湿された圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、このタービンから排出された排気ガスと前記増湿器から前記燃焼器に供給される圧縮空気との間で熱交換させる再生熱交換器と、この再生熱交換器を通過した排気ガスによって前記増湿器で圧縮空気に添加される供給水を予熱する給水加熱器と、前記圧縮機からの圧縮空気によって前記増湿器で圧縮空気に添加される供給水を予熱する空気冷却器と、前記給水加熱器で予熱した供給水と前記空気冷却器で予熱した供給水とを合流させる混合器と、前記給水加熱器を通過した排気ガスの湿分を回収する水回収装置と、前記空気冷却器からの供給水が前記混合器と前記水回収装置とに導かれる割合を変更可能な第１制御弁と、前記給水加熱器からの供給水が前記混合器と前記水回収装置とに導かれる割合を変更可能な第２制御弁と、前記タービンから排出される排気ガスの温度を検出する排気温度検出器とを備えた高湿分ガスタービン設備に用いられ、前記第１及び第２制御弁を制御して前記増湿器での圧縮空気の加湿量を調整することを特徴とする制御装置。
ガスタービンの燃焼器で燃焼する圧縮空気を増湿器で加湿する高湿分ガスタービン設備の制御方法において、
前記増湿器での圧縮空気の加湿開始時には、圧縮機からの圧縮空気によって予熱された供給水を前記増湿器に供給した後、タービンから排出される排気ガスによって予熱された供給水を前記圧縮空気によって予熱された供給水に合流させて前記増湿器に供給し、
前記増湿器での圧縮空気の加湿停止時には、圧縮機からの圧縮空気によって予熱された供給水の前記増湿器への供給を停止した後、タービンから排出される排気ガスによって予熱された供給水の前記増湿器への供給を停止し、
これにより前記増湿器で圧縮空気に添加される供給水の温度を調整し圧縮空気の加湿量を段階的に調整する
ことを特徴とする高湿分ガスタービン設備の制御方法。