JP2001263087A - ガスタービン制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス化複合発電プラントにおいて、供給可能
な窒素を最大限活用し、ガスタービンの出力増強と窒素
コンプレッサのモータ動力の低減を実現するガスタービ
ン制御装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、空気分離装置１で生成され窒
素コンプレッサ２を介して圧縮された窒素の流量を検出
する窒素流量検出器４と、ガスタービン燃焼器６へ注入
される窒素流量を制御する窒素流量制御弁５と、あらか
じめ設定された窒素注入関数１０をもとに求めた目標窒
素流量値に対してプラス方向のバイアスを加算するバイ
アス加算回路１４と、このバイアス窒素流量を加えた演
算値を新たな窒素流量目標値として窒素流量検出器４の
出力値と比較演算する加減演算器８と、加減演算器８の
出力をもとに窒素流量制御弁５へ開度調節指令を出力す
るコントローラ７とを設けることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電プラント等の
燃焼器に注入する窒素ガスの流量制御を行うガスタービ
ン制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの燃焼器で発生する窒素酸
化物（ＮＯｘ）には、燃料中にアンモニアが分解される
ことにより生成されるフューエルＮＯｘと、燃焼温度の
高温化により空気が分解されて発生するサーマルＮＯｘ
の二種類がある。これらのＮＯｘは、下流の脱硝装置で
除去されるが最終的には大気に放出されるため、ＮＯｘ
の発生量を抑制するよう公害対策や環境対策等の社会的
な要望も高まっている。これらＮＯｘのうち前者のフュ
ーエルＮＯｘは、燃料ガスが燃焼器に入る前に水中を通
過させるなどして、燃料ガス中のアンモニアを水に溶か
して除去する方法が採用されている。後者のサーマルＮ
Ｏｘは、いくつかの除去方法があるが、ここでは窒素
（または蒸気）を燃焼器へ注入して燃焼の平均発熱量を
下げる方法について説明する。

【０００３】サーマルＮＯｘの生成メカニズムはZeldov
ichメカニズムとして知られており、ある仮定のもとで
は 燃焼温度が高くなるほど発生量が増える傾向があ
る。燃焼器での燃焼時の理論燃焼温度は、燃料ガスの発
熱量に依存する。一般に、ＮＯｘは２０００℃程度以上
で発生すると言われており、１０００ｋｃａｌ程度の熱
量のガスではサーマルＮＯｘの発生量は少ないが、燃焼
温度の高い中・高カロリーガスではサーマルＮＯｘの発
生が多い。このため、中・高カロリーガスの場合は、窒
素（または蒸気）を燃焼器へ注入して燃料の平均発熱量
を下げることにより、サーマルＮＯｘの発生を低減させ
る。この方法は、タービンに流れる燃焼ガス流量を増加
させ、ガスタービン出力を増加させるという付随的なメ
リットも持っている。

【０００４】ここで、図６、図７を参照しながら従来の
ガスタービン制御装置における窒素流量の制御方法を説
明する。

【０００５】図６は、従来のガスタービン制御装置の概
略構成図である。一台の窒素コンプレッサ２で二台のガ
スタービンの燃焼器へ窒素を供給する場合の例を示すも
のであり、 空気分離装置１、窒素コンプレッサ２、窒
素流量計、窒素流量制御弁５、ガスタービン燃焼器６の
主要機器より構成される。

【０００６】空気分離装置１では、酸素と窒素が生成さ
れるが、酸素はガス化炉のガス化剤として使用され、窒
素は、ガスタービン燃焼器６へ注入される。空気分離装
置１で生成される窒素は窒素コンプレッサ２へ送られ、
昇圧される。昇圧された窒素は、窒素流量制御弁５を経
てガスタービン燃焼器６へ注入される。

【０００７】注入される窒素の流量は窒素流量制御弁５
で流量調節されるが、窒素流量の目標値はあらかじめ設
定された窒素注入関数１０で求められる。この関数は、
燃料ガス流量の関数で与えらる。この目標値は加減演算
器８で窒素流量計４から検出される実際の窒素流量と比
較され、その偏差に応じてコントローラ７が動作する。
これにより窒素流量制御弁５の流量が調節される。

【０００８】一方、窒素コンプレッサ２では、ガスター
ビン入口の窒素圧力を一定とするように入口ガイドベー
ン１２の開度を操作する。ガスタービン入口の窒素圧力
は圧力検出器３で検出され窒素コンプレッサ２の制御装
置にフィードバックされる。圧力検出器３で検出された
窒素圧力は加減演算器８へ送られ、目標値９との偏差が
演算される。その偏差に応じて、コントローラ７が動作
し、その出力信号により窒素コンプレッサ２の入口ガイ
ドベーン１２の開度が調節される。

【０００９】図７は、窒素注入関数１０の例を図示した
ものであり、ガスタービン出口でのＮＯｘ濃度が規定
値、例えば２０ｐｐｍｄ（１６％Ｏ₂換算）を確保する
のに必要な窒素流量を燃料ガス流量の関数として表した
図である。必要な窒素流量は燃料ガス流量に比例してお
り、その窒素流量と燃料ガス流量の比率は、図７では約
１．５である。この比率は燃焼器の性能と試運転時のＮ
Ｏｘ排出量により調整、設定される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このようなガスタービ
ン制御装置では、窒素コンプレッサ２はガスタービン入
口で規定される圧力を維持するように運転され、ガスタ
ービン側の窒素流量制御弁５は、窒素流量の目標値とな
るように中間開度で流量制御をしている。従って、この
制御弁の前後には常に圧力損失が存在するため、窒素コ
ンプレッサ２はこの圧損分を考慮して、窒素コンプレッ
サ２のモータを駆動させる必要がある。

【００１１】しかし、ガス化複合プラントのように酸素
の副産物として窒素が生成されるような場合、ガスター
ビンが排ガスＮＯｘを規制値以下に維持するために必要
な窒素流量よりも充分多い窒素が生成される。そのた
め、ＮＯｘの低減のためだけでなく、ガスタービンの出
力を増加させるためにも出来るだけ多くの窒素をガスタ
ービンに供給することが望まれる。すなわち、窒素流量
制御弁５の開度をできるだけ大きく開いて運用すること
が望まれる。

【００１２】また、消費電力を最小限にするために、窒
素コンプレッサ２のモータ動力を低減させることが望ま
れる。そのためには、ガスタービンの窒素流量制御弁５
の開度は出来るだけ大きく開くようにして、この弁の前
後差圧を最小にして窒素コンプレッサ２の二次側の圧力
を下げる必要がある。

【００１３】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、窒素流量制御弁の開度をほぼ全開にする
ことによって、供給される窒素を可能な限り受け入れガ
スタービンの出力を増加させるとともに、窒素流量制御
弁前後の圧力損失を低下させ窒素コンプレッサのモータ
動力を低減させるガスタービン制御装置を提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明においては、ガス化複合発電プラン
トのガスタービン燃焼器へ注入される窒素流量を制御す
るガスタービン制御装置において、空気分離装置で生成
され窒素コンプレッサを介して圧縮された窒素の流量を
検出する窒素流量検出器と、ガスタービン燃焼器へ注入
される窒素流量を制御する窒素流量制御弁と、あらかじ
め設定された窒素注入関数をもとに求めた目標窒素流量
値に対してプラス方向のバイアスを加算するバイアス加
算回路と、このバイアス加算回路により目標窒素流量値
にバイアス窒素流量を加えた演算値を新たな窒素流量目
標値として窒素流量検出器の出力値と比較演算する加減
演算器と、加減演算器の出力をもとに窒素流量制御弁へ
開度調節指令を出力するコントローラとを設けることを
特徴とする。

【００１５】また、請求項２の発明においては、請求項
１記載のガスタービン制御装置において、新たに設定さ
れた窒素流量目標値とガスタービン燃焼器が許容する最
大窒素流量信号とを比較し、低いほうの値を選択して加
減演算器に出力する低値優先回路を設けたことを特徴と
する。

【００１６】また、請求項３の発明においては、ガス化
複合発電プラントのガスタービン燃焼器へ注入される窒
素流量を制御するガスタービン制御装置において、空気
分離装置で生成され窒素コンプレッサを介して圧縮され
た窒素の流量を検出する窒素流量検出器と、ガスタービ
ン燃焼器へ注入される窒素流量を制御する窒素流量制御
弁と、あらかじめ設定された窒素注入関数をもとに求め
た目標窒素流量値と窒素流量検出器の出力値を比較演算
する加減演算器と、加減演算器の出力をもとに窒素流量
制御弁へ開度調節指令を出力するコントローラと、窒素
流量検出器の出力信号がガスタービン燃焼器の許容する
最少窒素流量を下回った場合に、ガスタービンの燃料を
ガス燃料から他の補助燃料へ切り替えるインターロック
回路とを設けることを特徴とする。

【００１７】また、請求項４の発明においては、請求項
３記載のガスタービン制御装置において、インターロッ
ク回路は、窒素流量検出器の出力信号とガスタービンの
許容する最少窒素流量とを比較する比較器と、窒素流量
検出器の出力信号が最少窒素流量を下回った場合にその
継続時間を確認するタイマと、他の補助燃料への切り替
え指令を出力する接点回路から構成されることを特徴と
する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の第
１の実施の形態について説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施の形態に係るガスタ
ービン制御装置の概略構成図であり、図６に示す従来の
技術と同一構成には同一符号を付し、説明は省略する。
図１において、ガスタービン制御装置は、空気分離装置
１、窒素コンプレッサ２、窒素流量計４、窒素流量制御
弁５、ガスタービン燃焼器６の主要機器より構成され
る。ガスタービン燃焼器６へ注入される窒素の流量は窒
素流量制御弁５で流量調節されるが、その流量調節は、
バイアス設定器１４、加減演算器８、コントローラ７で
構成される制御回路によって行われる。また、ガスター
ビン入口の窒素圧力を一定に保つように窒素コンプレッ
サ２の入口ガイドベーン１２は開度調節されるが、その
開度調節は、圧力検出器３、加減演算器８’、コントロ
ーラ７’で構成される制御回路によって行われる。

【００２０】次に、本実施の形態のガスタービン制御装
置の動作を説明する。

【００２１】空気分離装置１では、酸素と窒素が生成さ
れるが、酸素はガス化炉のガス化剤として使用され、窒
素は、ガスタービン燃焼器６へ注入される。空気分離装
置１で生成される窒素は窒素コンプレッサ２へ送られ、
ここでガスタービン側の窒素関連弁類の圧損と配管の圧
損に打ち勝つだけの高い圧力まで昇圧される。昇圧され
た窒素は、空気止め弁（図示せず）、窒素流量制御弁５
を経てガスタービン燃焼器６へ注入される。

【００２２】注入される窒素の流量は窒素流量制御弁５
で流量調節されるが、窒素流量の目標値はあらかじめ設
定された窒素注入関数１０で与えられる。この関数は、
燃料ガス流量の関数で与えられ、燃料ガス流量の信号１
１に応じて、窒素流量の目標値が決定される。この目標
窒素流量値は、バイアス設定器１４によりプラス方向の
バイアスが加算され、このバイアス窒素流量を加えた演
算値を新たな窒素流量目標値とする。この新たな窒素流
量目標値は加減演算器へ送られ、ここで、窒素流量計４
から検出される実際の窒素流量と比較される。その偏差
に応じてコントローラ７が動作し、このコントローラか
らの出力信号により窒素流量制御弁５の開度が調節され
る。これにより、ガスタービン燃焼器６に流れる窒素流
量が、新たな目標値となるように流量調節される。

【００２３】図２は、新たな窒素流量の目標値を求める
ときの詳細を示す図である。あらかじめ設定された窒素
注入関数１０は目標値カーブａで示し、この窒素注入関
数１０で与えられた目標値にバイアス値を加算すること
によって得られる新たな窒素目標値は目標値カーブｂで
示している。例えば、燃料ガス流量信号がＸ１であると
き、バイアスを加算する前の目標値は目標カーブａのＸ
１に相当する窒素流量Ｙ１であるが、バイアス設定器１
４によってバイアス値を加算したために新たな目標値は
目標値カーブｂのＸ１に相当する窒素流量、すなわちＹ
２となる。この新たな目標値Ｙ２は図１ではＰ点におけ
る信号のことである。

【００２４】このように、あらかじめ設定された窒素流
量の目標値にバイアス値を加算し、窒素流量の目標値を
大きくすることによって、窒素コンプレッサ２での圧力
設定値が同じ場合、バイアス値を加えないときと比べて
窒素流量制御弁５の開度をより大きく開くことができ、
窒素流量制御弁５の圧力損失もその分だけ低減すること
ができる。窒素コンプレッサ２のモータ動力を最小限に
するためには、窒素流量制御弁５の開度をさらに大きく
し全開にすればよいが、そのためには、窒素コンプレッ
サ２の圧力設定値を低下させるか、または、加算するバ
イアス値を増加させればよい。

【００２５】図３は、本発明の第２の実施の形態に係る
ガスタービン制御装置の概略構成図である。なお、図１
に示す構成と同一または相当部分には、同一符号を付し
てその説明は省略する。図３に示す構成が図１に示す構
成と異なる点は、バイアス設定器１４と加減演算器８の
間に低値優先回路１３を設けた点である。

【００２６】次に、本実施の形態のガスタービン制御装
置の動作について説明する。空気分離装置１で生成され
る窒素は窒素流量制御弁５で流量調節され、ガスタービ
ン燃焼器６へ注入される。窒素流量の目標値は、第１の
実施の形態の場合と同様にして、バイアス窒素流量を加
えた演算値を新たな窒素流量目標値として用いる。そし
て、この新たな目標値は、ガスタービン燃焼器６が許容
する最大窒素流量と比較するために、低値優先回路１３
へ送られる。この低値優先回路１３は、新たな窒素流量
目標値がガスタービン燃焼器６の許容する最大窒素流量
より大きい場合には、低いほうの値、すなわち最大窒素
流量を選択するものである。これは、窒素流量の目標値
が最大窒素流量を超えることがないようにするために設
けたものである。

【００２７】このように目標値を制限するのは、最大窒
素流量がガスタービンのノズルの飲み込み流量によって
決められ、万が一、この最大窒素流量を超えるとノズル
入口の燃焼ガスの圧力が上昇して、ガスタービン圧縮機
のサージングなどの重大故障につながる可能性があるか
らである。また、ガスタービンのトルクリミットを超え
ることがないようタービン出力を制限する必要があり、
そのために最大窒素流量を制限することもある。このよ
うにして低値優先回路１３で得られた値は、図３のＱ点
における信号のことであるが、新たな目標値として加減
演算器８へ送られ、実際の窒素流量との偏差に応じて窒
素流量制御弁５の開度調節が行われる。

【００２８】例えば、窒素流量制御弁５を全開で運用し
た場合、中間開度で運用した場合に比べて、窒素コンプ
レッサ２の出口の圧力を約１５％程度低下させることが
できる。図４に、バイアス値と最大窒素流量設定値によ
り作られる新たな目標値カーブを示す。バイアス値を変
えずにそのまま加算していった場合に、ガスタービンが
負荷上昇して燃料ガス流量が多くなると、目標値カーブ
ｂは最大窒素流量を示す直線と交差することになる。こ
の交差する点をＣ点とすると、Ｃ点を境にして燃料ガス
流量の値が大きい場合には、低値優先回路１３で最大窒
素流量の値が選択され、この値を新たな窒素流量の目標
値として採用される。

【００２９】このようにして、低値優先回路１３によ
り、目標値は常に最大窒素流量を超えることのないよう
に設定できるので、ガスタービン圧縮機のサージング、
ガスタービンのトルクリミット逸脱などを防止すること
でき、高信頼性を確保することができる。

【００３０】図５は、本発明の第３の実施の形態に係る
ガスタービン制御装置において、ガスタービンの燃料を
ガス燃料から他の補助燃料へ切替えるインターロック回
路を示す図である。このインターロック回路は、主に窒
素流量計４、比較器１５、タイマ１６、切り替え接点回
路で構成される。

【００３１】次に、このインターロック回路の動作につ
いて説明する。窒素流量計４で検出される実際の窒素流
量は比較器１５に入力され、ここで設定された最小窒素
流量値と比較される。そして、比較器１５の出力信号は
タイマ１６へ送られ、実際の窒素流量が最小窒素流量よ
りも小さい状態が所定の時間継続した場合、切り替え指
令接点１７は閉じられ、ガスタービンの燃料をガス燃料
から他の補助燃料へ切替える切り替え指令信号１８が出
力される。

【００３２】窒素流量が少ない原因は、窒素コンプレッ
サ２の不調、または、ガスタービン以外で窒素を大量に
消費する必要があってガスタービン燃焼器に供給される
窒素が足りなくなった場合などが考えられる。このよう
に、窒素の供給能力が低下した場合には、窒素流量制御
弁５を全開にしたとしても目標の窒素流量は確保できな
い。窒素流量が少ないとＮＯｘの大量発生が懸念される
ため、燃料をガス燃料から灯油等の補助燃料へ切替え
て、窒素流量を増加させる必要がある。

【００３３】たとえば、最大窒素流量の約１／７程度を
最小窒素流量と設定する。最小窒素流量は、図４中の直
線で表わされる。窒素流量計４で検出した窒素流量がこ
の最小窒素流量を下回ったときに、上述のような燃料の
切り替え操作が行われる。

【００３４】このようにして、インターロック回路によ
り、窒素の供給量が低下したときに使用する燃料をガス
燃料から灯油等の補助燃料へ切替えることができるの
で、目標の窒素流量を維持することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガスター
ビン制御装置においては、供給可能な窒素を最大限活用
し、ガスタービンの出力を増加させ窒素コンプレッサの
モータ動力を低減させることができる。また、低値優先
回路により、ガスタービン圧縮機のサージングやガスタ
ービンのトルクリミット逸脱等を防止し、高信頼性を確
保することができる。さらに、インターロック回路によ
り、窒素の供給量が低下したときに使用する燃料を補助
燃料へ切替えることができるので、目標の窒素流量を維
持し、ＮＯｘの大量発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン
制御装置の概略構成図

【図２】図１に示すガスタービン制御装置で新たな窒素
流量目標値を求める方法を説明する図

【図３】本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン
制御装置の概略構成図

【図４】図３に示すガスタービン制御装置で新たな窒素
流量目標値を求める方法を説明する図

【図５】本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン
制御装置のインターロック回路を示す図

【図６】従来のガスタービン制御装置の概略構成図

【図７】図６に示す窒素注入関数の詳細図

【符号の説明】

１…空気分離装置、２…窒素コンプレッサ、３…圧力検
出器、４…窒素流量計、５…窒素流量制御弁、６…ガス
タービン燃焼器、７，７’…コントローラ、８，８’…
加減演算器、９…窒素圧力目標値、１０…窒素注入関
数、１１…燃料ガス流量信号、１２…入口ガイドベー
ン、１３…低値優先回路、１４…バイアス設定器、１５
…比較器、１６…タイマ、１７…補助燃料への切替え指
令接点、１８…補助燃料への切替え指令

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス化複合発電プラントのガスタービン
   燃焼器へ注入される窒素流量を制御するガスタービン制
   御装置において、空気分離装置で生成され窒素コンプレ
   ッサを介して圧縮された窒素の流量を検出する窒素流量
   検出器と、前記ガスタービン燃焼器へ注入される窒素流
   量を制御する窒素流量制御弁と、あらかじめ設定された
   窒素注入関数をもとに求めた目標窒素流量値に対してプ
   ラス方向のバイアスを加算するバイアス加算回路と、こ
   のバイアス加算回路により前記目標窒素流量値にバイア
   ス窒素流量を加えた演算値を新たな窒素流量目標値とし
   て前記窒素流量検出器の出力値と比較演算する加減演算
   器と、この加減演算器の出力をもとに前記窒素流量制御
   弁へ開度調節指令を出力するコントローラとを設けるこ
   とを特徴としたガスタービン制御装置
2. 【請求項２】 請求項１記載のガスタービン制御装置に
   おいて、新たに設定された前記窒素流量目標値と前記ガ
   スタービン燃焼器が許容する最大窒素流量信号とを比較
   し、低いほうの値を選択して上記加減演算器に出力する
   低値優先回路を設けたことを特徴としたガスタービン制
   御装置
3. 【請求項３】 ガス化複合発電プラントのガスタービン
   燃焼器へ注入される窒素流量を制御するガスタービン制
   御装置において、空気分離装置で生成され窒素コンプレ
   ッサを介して圧縮された窒素の流量を検出する窒素流量
   検出器と、前記ガスタービン燃焼器へ注入される窒素流
   量を制御する窒素流量制御弁と、あらかじめ設定された
   窒素注入関数をもとに求めた目標窒素流量値と前記窒素
   流量検出器の出力値を比較演算する加減演算器と、この
   加減演算器の出力をもとに前記窒素流量制御弁へ開度調
   節指令を出力するコントローラと、前記窒素流量検出器
   の出力信号が前記ガスタービン燃焼器の許容する最少窒
   素流量を下回った場合に、前記ガスタービンの燃料をガ
   ス燃料から他の補助燃料へ切り替えるインターロック回
   路とを設けることを特徴としたガスタービン制御装置
4. 【請求項４】 請求項３記載のガスタービン制御装置に
   おいて、上記インターロック回路は、上記窒素流量検出
   器の出力信号と上記ガスタービンの許容する最少窒素流
   量とを比較する比較器と、前記窒素流量検出器の出力信
   号が前記最少窒素流量を下回った場合にその継続時間を
   確認するタイマと、他の補助燃料への切り替え指令を出
   力する接点回路から構成されることを特徴とするガスタ
   ービン制御装置