JP2003065069A

JP2003065069A - ガスタービン設備の制御装置

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Publication number: JP2003065069A
Application number: JP2001256365A
Authority: JP
Inventors: Hajime Shimizu; 元清水; Tomohiko Sugimoto; 智彦杉本
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2003-03-05
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP3811033B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低カロリ副生ガスのように燃料発熱量が大き
く変化する燃料を使用すると、制御系へ大きな外乱とし
て作用して発電出力等に変動が生じて設備運用上の大き
な問題となる。【解決手段】空気圧縮機１に供給する空気密度と空気
流量とから空気流量制御装置出力パラメータ関数１０を
設定し、燃焼器２に供給する燃料の発熱量信号とガスタ
ービン３の負荷設定信号とから空気流量パラメータ関数
８を設定し、この空気流量パラメータ関数８から得た必
要空気流量信号に応じて前記空気流量制御装置出力パラ
メータ関数１０により空気流量制御装置４が吸込む空気
流量を調整するようにしてガスタービン制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、ガスタービン設
備におけるガスタービン出力の制御装置に関し、詳しく
は、低カロリ副生ガスを燃料として使用するガスタービ
ン設備の制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、発電等の設備においてガスタ
ービンが用いられており、空気圧縮機で圧縮した空気を
燃焼器で燃料と燃焼させ、その燃焼ガスによってタービ
ンを駆動して発電等を行っている。以下、ガスタービン
発電設備を例に説明する。図８は、この種のガスタービ
ンの出力と燃料の発熱量との関係を示す線図である。図
示するように、燃料の発熱量ａが決まれば、タービン特
性ｂからその燃料によって得られるタービン出力ｃは決
まる。一方、図９のガスタービン出力と空気流量の関係
を示す線図のように、ある温度（例えば、１５度）で所
定密度の空気流量ｄが決まれば、タービン特性ｅからそ
の空気流量（重量流量）によって得られるタービン出力
ｆが決まる。

【０００３】このように、ガスタービンは、燃料の発熱
量と空気流量（重量流量）とによってガスタービン出力
が決まり、このガスタービン出力はガスタービン入口温
度（ガスタービン入口燃焼ガス温度）によって決まる。
そこで、特開昭５７−６８５２６号公報記載のガスター
ビン制御装置では、大気温度と大気圧から求めた空気流
量によって燃焼温度を求め、その燃焼温度が一定となる
ように空気流量を調整している。例えば、図９に示す最
大空気流量ｇと最小空気流量ｈの間で空気流量を調整す
ることによってガスタービン出力ｆを一定に保つように
する。

【０００４】また、ガスタービンを効率良く運転制御す
る目的から、負荷設定値等に応じて相異なるパラメータ
から燃料流量信号及び空気流量信号のふたつを算出して
ガスタービンを制御する方法も採用されている。例え
ば、特開昭５６−７７５２４号公報記載のガスタービン
用制御装置では、ガスタービンの燃焼室に供給する、燃
料の流量を制御する燃料制御信号と、空気の流量を制御
する空気制御信号とを制御することによってガスタービ
ンの温度を略一定に保とうとしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、製鉄
所の高炉ガス等のような特殊な低カロリ副生ガスを燃料
として使用し、かつ高効率でそのエネルギを回収するガ
スタービン複合発電設備や、ガスタービンコ・ジェネ
レーション設備が省エネルギ設備として着目されてい
る。

【０００６】しかしながら、この低カロリ副生ガスは、
図１０の低カロリ副生ガスの発熱量変化の一例を示す線
図のように、その発生メカニズムの関係から、一般に燃
料としての発熱量５１（カロリ）が随時変動しており、
１日の間でも大きく変動している。しかも、大きく突出
するような変動があるとともに日によって異なる変動を
生じる。

【０００７】この低カロリ副生ガスをガスタービン設備
の燃料として使用しようとすると、低カロリであるた
め、通常の燃料を使用する設備に比べて燃料流量を格段
に大きくしないと（例えば、１５倍程度）所望の入熱量
が得られない。そのため、このような燃料で燃料発熱量
が大きく変化（例えば、２０〜３０％程度）した場合に
は、その変化が制御系へ大きな外乱として作用してしま
う。つまり、発電出力や、そのエネルギを回収して発生
させる蒸気出力等に大きな変動が生じて設備運用上の大
きな問題となる。したがって、副生ガスを燃料として使
用するガスタービン設備においては、その発熱量変動に
よってガスタービンの運転状態が大きく変化することを
考慮しなければならない。

【０００８】しかし、燃料の発熱量変動のために、頻繁
に制御装置の再調整を実施するといった保守作業によっ
て運用上の便宜を計ろうとしても、設備の発電出力、排
気ガスを利用した蒸気出力の変動の把握、及びそれを考
慮した運用計画等の検討事項や、蒸気出力の変動を考慮
して附帯設備の仕様決定を行わなければならない、とい
った検討事項が生じ、特に設備能力の評価の困難さ、出
力不足時のバックアップ設備の要否決定といった事項が
設備導入計画時や設備運用時において大きな課題とな
る。

【０００９】なお、このような低カロリ副生ガスを燃料
として用いることについては上述したいずれの従来技術
にも何ら記載も示唆もされていないため、これら従来技
術では低カロリ副生ガスを燃料として安定したガスター
ビン設備の運用を計ることはできない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、前記課題を解決
するために、本願発明は、供給空気流量を調整する空気
流量制御装置を有する空気圧縮機と、該空気圧縮機で圧
縮した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で
発生した燃焼ガスで駆動するガスタービンとを具備し、
前記燃焼器に供給する燃料の発熱量信号と前記ガスター
ビンの負荷設定信号とから空気流量パラメータ関数を設
定し、燃料の発熱量信号に応じて該空気流量パラメータ
関数から得た必要空気流量信号を前記空気流量制御装置
に出力して空気流量を調整するように構成している。こ
のように燃料発熱量をガスタービンの制御パラメータの
ひとつとして用い、燃料の発熱量に応じて空気流量を調
整し、これによって所定発熱量の燃料と所定空気流量と
を燃焼器で燃焼させてタービン入口部分の温度とその通
過流量を略一定に保つように制御するので、低カロリ副
生ガスのように燃料の発熱量が大きく変化するような場
合でも、その燃料発熱量の変化を考慮した制御を加えて
ガスタービンの運転状態変化を制御してガスタービン設
備を運用することができる。

【００１１】また、空気圧縮機に供給する空気密度と空
気流量とから空気流量制御装置出力パラメータ関数を設
定し、空気流量パラメータ関数から得た必要空気流量に
応じて該空気流量制御装置出力パラメータ関数から空気
流量制御装置に空気流量調整信号を出力するように構成
すれば、空気密度が変化しても燃料の発熱量に応じた空
気流量を吸込むように調整し、所定発熱量の燃料と所定
空気流量とを燃焼器で燃焼させてタービン入口部分の温
度とその通過流量を略一定に保つようにガスタービンの
運転状態を制御してガスタービン設備を運用することが
できる。

【００１２】さらに、燃料の発熱量を所定時間単位で平
均化処理する平均発熱量記憶装置と、該燃料の発熱量の
変化速度を演算する発熱量変化速度演算装置とを有し、
該発熱量変化速度演算装置で演算した変化速度が所定値
を超えた場合にはその変化発生前の平均発熱量を発熱量
信号として選択して出力する燃料発熱量演算器を設けれ
ば、燃料の発熱量変動に大きな変化を生じても、その変
化を生じる前の平均発熱量を選択して出力するので、低
カロリ副生ガスのように発熱量に急激な変化を生じるよ
うな場合でも、安定してガスタービン設備を運転するこ
とができる。

【００１３】また、燃料の平均発熱量に応じた最大空気
流量から複数段階の出力最大制限値を設定し、該燃料の
平均発熱量に応じて出力最大制限値の段階を選択するよ
うに構成すれば、燃料の発熱量が時間とともに大きく変
動するような場合でも、その燃料の発熱量変動に応じた
出力最大制限値で制限することができるので、発熱量が
大きく変化しても安定したガスタービンの制御を行うこ
とができる。

【００１４】さらに、空気密度に応じた最大空気流量か
ら複数段階の出力最大制限値を設定し、空気温度と空気
圧力信号とから空気密度を算出する空気密度演算器を設
け、該空気密度演算器が算出した空気密度に応じて出力
最大制限値の段階を選択するように構成すれば、空気密
度の算出値に応じて供給する空気流量の最大制限値を制
限することができるので、空気密度に応じて制限値内の
空気流量を供給することによる安定したガスタービンの
制御を行うことができる。

【００１５】その上、燃料の平均発熱量と空気密度とに
応じた最大空気流量から複数段階の出力最大制限値パラ
メータを設定し、燃料の平均発熱量と空気密度とから該
出力最大制限値パラメータの段階を選択するように構成
すれば、燃料の発熱量変化と空気密度変化とに応じて好
ましい段階の出力最大制限値を選択して安定したガスタ
ービンの制御を行うことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の一実施形態を図
面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を
示すガスタービン設備のブロック図である。図２は低カ
ロリ副生ガスの発熱量変化を平均化した一例を示す線図
であり、図３は本願発明における空気流量パラメータ関
数の一例を示す線図、図４は本願発明における空気流量
制御装置出力パラメータ関数の一例を示す線図である。

【００１７】図１に示すように、空気（大気）を圧縮す
る空気圧縮機１とタービン３とが同軸上に設けられてお
り、空気圧縮機１で圧縮された空気が経路１１から燃焼
器２に供給され、この燃焼器２で燃料と燃焼させられて
発生した燃焼ガスが経路１２からタービン３に供給され
ている。このタービン３の排気ガスは、経路１３から図
示しない蒸気発生器等に供給され、他の機器に利用する
蒸気エネルギー等を発生させている。

【００１８】前記空気圧縮機１には、空気流量可変機構
１４が設けられており、この空気流量可変機構１４は、
空気圧縮機１に吸込まれる空気流量を調整する絞り機構
１５を具備している。この絞り機構１５は、空気圧縮機
１が吸込む空気流量を調整する開閉機構である。この空
気圧縮機１に経路１８から吸込まれる空気は、その圧力
が圧力検出器１６で検出され、温度が温度検出器１７で
検出され、これら圧力と温度が空気密度演算器９に入力
されている。この空気密度演算器９によって、空気の圧
力と温度及び湿度から空気密度が演算されている。この
実施形態では、各検出器１６，１７で検出した値に基づ
いて空気密度演算器９で空気密度を演算しているが、一
定の空気密度の空気を経路１８から供給するようにして
もよい。

【００１９】一方、前記燃焼器２への燃料供給路１９に
は燃料分析計５が設けられており、この燃料分析計５で
供給燃料の組成が分析されている。この燃料分析計５に
よる燃料の分析は、例えば２分程度で分析が可能であ
り、１日の間で発熱量が大きく変化する副生ガスの組成
が、常時、又は一定間隔で分析されている。この燃料分
析計５で分析された燃料の分析結果が燃料発熱量演算器
６に入力されている。この燃料分析計５で分析する低カ
ロリ副生ガスは、図２に細い実線２１で示すように、発
熱量が１日の間に大きく変化するとともに、局部的に大
きく発熱量が変化するようなガスであるため、燃料発熱
量演算器６によって、図２に太い実線２２で示すよう
に、ガスの発熱量が大きく変化して突出するような変動
はカットするとともに、その変動を平均化するようにし
て、その時点の燃料分析結果から燃料発熱量が演算され
ている。

【００２０】また、ガスタービン設備の使用状況等に応
じて、タービン３の負荷を設定するための負荷設定器７
が設けられている。この負荷設定器７は、タービン入口
２０の燃焼ガス温度（この明細書では、ガスタービン入
口温度「設定負荷ＴＩＴ」という）を設定するように構
成されたものであり、予め決められている複数の設定値
から選択するように構成されている。

【００２１】そして、この負荷設定器７で選択された設
定値と、前記燃料発熱量演算器６からの燃料発熱量信号
とが空気流量パラメータ関数８に入力されている。

【００２２】空気流量パラメータ関数８は、図３に示す
ように、横軸に燃料発熱量、縦軸に空気流量が示され、
予め、燃料発熱量とその燃料発熱量によって負荷設定器
７で選択したガスタービン３の設定負荷ＴＩＴを得るた
めの空気流量との関係のパラメータ関数が設定されてお
り、燃料発熱量と設定負荷ＴＩＴが入力されれば、その
設定負荷を得るために必要な空気流量ＧＡＲの信号を出
力するように構成されている。このように、空気流量パ
ラメータ関数８では、ガスタービン入口２０の燃焼ガス
が所定のガスタービン入口温度を得るために、その時の
燃料発熱量で必要な空気流量ＧＡＲが空気流量制御装置
出力パラメータ関数１０へ出力されている。

【００２３】空気流量制御装置出力パラメータ関数１０
は、図４に示すように、横軸に空気密度、縦軸に空気流
量制御装置４における空気流量可変機構１４の絞り機構
１５の開度が示され、予め、前記空気圧縮機１に供給さ
れる実際の空気密度（大気圧力濃度）と、前記空気流量
パラメータ関数８からの空気流量ＧＡＲによって、その
空気密度の状態で必要な空気流量ＧＡＲ（重量流量）を
得ることができる絞り機構１５の開度信号との関係がパ
ラメータ関数として設定されており、空気密度と空気流
量ＧＡＲが入力されれば、その空気流量ＧＡＲを得るた
めに必要な開度信号を出力するように構成されている。
そして、この空気流量制御装置出力パラメータ関数１０
からの信号に基づいて、空気流量可変機構１４の絞り機
構１５の開度が調整される。これにより、設定負荷ＴＩ
Ｔを得るための所定の空気流量（重量流量）が経路１８
から空気圧縮機１に吸込まれる。

【００２４】つまり、その時の燃料発熱量に応じて、負
荷設定器７で選択した設定負荷ＴＩＴを得ることができ
る空気流量となるように前記空気流量パラメータ関数８
で空気流量ＧＡＲが設定され、その空気流量ＧＡＲが得
られるようにその時の空気密度をパラメータとして加え
て空気流量制御装置出力パラメータ関数１０で絞り機構
１５の開度調整が行われる。

【００２５】このようにして燃料の発熱量に応じた空気
流量が設定されると、タービン入口２０部分の燃焼ガス
温度とその通過流量を略一定に保つことができるので、
タービン３の出力を一定に保つことができる。

【００２６】しかも、この操作は、負荷設定器７による
負荷設定のみで、空気流量パラメータ関数８がその時の
燃料発熱量に応じた空気流量ＧＡＲを空気流量制御装置
出力パラメータ関数１０に出力し、この空気流量制御装
置出力パラメータ関数１０がその時の空気密度に応じて
この空気流量ＧＡＲを得ることができる空気流量制御装
置４の絞り機構１５の開度信号を空気流量制御装置４に
出力するので、簡単な操作で空気圧縮機１が吸込む空気
流量の調整が行われてガスタービン３の出力が負荷設定
器７の設定値に保たれる。

【００２７】その上、燃料分析計５による分析結果に基
づいて燃料発熱量演算器６から空気流量パラメータ関数
８に出力する信号により、その時の燃料の発熱量に応じ
て負荷設定器７で設定したガスタービン入口温度となる
ような空気流量が空気流量パラメータ関数８によって求
められるので、燃料の発熱量が時間とともに変化して
も、その時の発熱量に応じて空気圧縮機１に供給する空
気流量を調整することができ、発熱量が大きく変化する
低カロリ副生ガスを使用しても安定したガスタービンの
運転を行うことができる。

【００２８】したがって、低カロリ副生ガスを燃料とし
て用いるガスタービン設備であっても、その燃料の燃料
発熱量をガスタービンの制御パラメータのひとつとして
考慮し、燃料発熱量が大きく変動しても制御装置によっ
てその変動によるガスタービン出力に変動を生じないよ
うに制御できるので、ガスタービン出力を一定にするこ
とによってガスタービン出口温度が一定になり、安定し
たガスタービン設備の運用をすることが可能となる。し
かも、このガスタービン３の排気ガスを利用して、例え
ば工場プロセス蒸気等を発生させる蒸気発生器（図示
略）による蒸気出力を安定化させることができるので、
ガスタービンコ・ジェネレーション設備等の省エネル
ギ設備であっても安定して運用することができる。

【００２９】なお、この実施形態では、空気流量パラメ
ータ関数８と空気流量制御装置出力パラメータ関数１０
の設定値を４本で示しているが、この設定値を可能な限
り細かく段階的に設定することにより、低カロリ副生ガ
スの変動に応じて細かく空気流量を調整することがで
き、タービン３のより変動の小さい運転を行うことがで
きる。この空気流量パラメータ関数８や空気流量制御装
置出力パラメータ関数１０は、ガスタービン設備の仕様
やタービン３の出力等に応じて設定すればよく、この実
施形態に限定されるものではない。

【００３０】図５は本願発明において燃料の平均発熱量
に応じて空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一
例を示す線図である。前記図２に一点鎖線で示すよう
に、大きく変動する燃料の発熱量を所定範囲で平均化し
て平均発熱量２３を設定し、図５に示すように、変動す
る燃料発熱量に応じた最大空気流量ＧＡＲ（ＭＡＸ）に
よるガスタービン入口温度から出力最大制限値ｉ，ｊ，
ｋを段階的に定め、前記平均発熱量２３に応じて好まし
い出力最大制限値ｉ，ｊ，ｋの段階を選択することによ
り、燃料発熱量に大きな変動が生じても、最大空気流量
を超えて過剰な空気が空気圧縮機１に吸込まれることが
ないようにできる。このように出力最大制限値ｉ，ｊ，
ｋを設定するか否かは、燃料の性状や発熱量の変化量等
に応じて決定すればよい。

【００３１】図６は本願発明において空気密度に応じて
空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一例を示す
線図である。図示するように、変動する空気密度に応じ
た最大空気流量ＧＡＲ（ＭＡＸ）によるガスタービン入
口温度から出力最大制限値ｌ，ｍ，ｎを段階的に定め、
空気密度演算器９の算出した空気密度に応じて好ましい
出力最大制限値ｌ，ｍ，ｎの段階を選択することによ
り、空気密度に変動が生じても、最大空気流量を超えて
過剰な空気が空気圧縮機１に吸込まれることがないよう
にできる。このように出力最大制限値ｌ，ｍ，ｎを設定
するか否かは、空気の状態変化等に応じて決定すればよ
い。

【００３２】図７は本願発明において燃料の平均発熱量
と空気密度に応じて空気流量の出力最大制限値を設定す
る場合の一例を示す線図である。図示するように、前記
図５，６に示す燃料の平均発熱量と空気密度とを考慮し
てガスタービン入口温度の出力最大制限値を複数段階の
出力最大制限値パラメータ２４（図では便宜上平面で示
している）として設定し、燃料の平均発熱量ｑと空気密
度ｒに応じて空気流量制御装置４で空気圧縮機１が吸込
む空気流量ＧＡＲの出力最大制限値ｐの段階をこの出力
最大制限値パラメータ２４から選択することにより、燃
料発熱量や空気密度に大きな変動が生じても、空気流量
ＧＡＲが最大空気流量を超えないようにできる。このよ
うに構成すれば、燃料の平均発熱量と空気密度とを考慮
して空気流量制御装置４が吸込む空気流量が最大空気流
量を超えて過剰となることがないようにできる。このよ
うに出力最大制限値パラメータ２４を設定するか否か
は、燃料発熱量や空気密度の状態変化量等に応じて決定
すればよい。

【００３３】なお、上述した実施形態はいずれも一実施
形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々
の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限
定されるものではない。

【００３４】

【発明の効果】本願発明は、以上説明したような形態で
実施され、以下に記載するような効果を奏する。

【００３５】燃料発熱量をガスタービンの制御パラメー
タのひとつとして用いて空気流量を調整するので、燃料
発熱量が大きく変動する低カロリ副生ガスを燃料として
使用した場合でも、その発熱量変動によるガスタービン
運転状態の変化を吸収して、安定したガスタービン設備
の運用を計ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の一実施形態を示すガスタービン設備
のブロック図である。

【図２】低カロリ副生ガスの発熱量変化を平均化した一
例を示す線図である。

【図３】本願発明における空気流量パラメータ関数の一
例を示す線図である。

【図４】本願発明における空気流量制御装置出力パラメ
ータ関数の一例を示す線図である。

【図５】本願発明において燃料の平均発熱量に応じて空
気流量の出力最大制限値を設定する場合の一例を示す線
図である。

【図６】本願発明において空気密度に応じて空気流量の
出力最大制限値を設定する場合の一例を示す線図であ
る。

【図７】本願発明において燃料の平均発熱量と空気密度
に応じて空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一
例を示す線図である。

【図８】従来からのガスタービン設備におけるガスター
ビンの出力と燃料の発熱量との関係を示す線図である。

【図９】従来からのガスタービン設備におけるガスター
ビン出力と空気流量の関係を示す線図である。

【図１０】低カロリ副生ガスの発熱量変化の一例を示す
線図である。

【符号の説明】

１…空気圧縮機２…燃焼器３…ガスタービン４…空気流量制御装置５…燃料分析計６…燃料発熱量演算器７…負荷設定器８…空気流量パラメータ関数９…空気密度演算器１０…空気流量制御装置出力パラメータ関数１１，１２…経路１３…経路１４…空気流量可変機構１５…絞り機構１６…圧力検出器１７…温度検出器１８…経路１９…燃料供給路２０…タービン入口２１，２２…実線２３…平均発熱量２４…出力最大制限値パラメータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】供給空気流量を調整する空気流量制御装
置を有する空気圧縮機と、該空気圧縮機で圧縮した空気
と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生した燃
焼ガスで駆動するガスタービンとを具備し、前記燃焼器
に供給する燃料の発熱量信号と前記ガスタービンの負荷
設定信号とから空気流量パラメータ関数を設定し、燃料
の発熱量信号に応じて該空気流量パラメータ関数から得
た必要空気流量信号を前記空気流量制御装置に出力して
空気流量を調整するように構成したガスタービン設備の
制御装置。
【請求項２】燃料の発熱量を所定時間単位で平均化処
理する平均発熱量記憶装置と、該燃料の発熱量の変化速
度を演算する発熱量変化速度演算装置とを有し、該発熱
量変化速度演算装置で演算した変化速度が所定値を超え
た場合にはその変化発生前の平均発熱量を発熱量信号と
して選択して出力する燃料発熱量演算器を設けたことを
特徴とする請求項１記載のガスタービン設備の制御装
置。
【請求項３】燃料の平均発熱量に応じた最大空気流量
から複数段階の出力最大制限値を設定し、該燃料の平均
発熱量に応じて出力最大制限値の段階を選択するように
構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の
ガスタービン設備の制御装置。
【請求項４】空気密度に応じた最大空気流量から複数
段階の出力最大制限値を設定し、空気温度と空気圧力信
号とから空気密度を算出する空気密度演算器を設け、該
空気密度演算器が算出した空気密度に応じて出力最大制
限値の段階を選択するように構成したことを特徴とする
請求項１又は請求項２記載のガスタービン設備の制御装
置。
【請求項５】請求項３記載の燃料の平均発熱量と請求
項４記載の空気密度とに応じた最大空気流量から複数段
階の出力最大制限値パラメータを設定し、燃料の平均発
熱量と空気密度とから該出力最大制限値パラメータの段
階を選択するように構成したことを特徴とするガスター
ビン設備の制御装置。