JP2004124851A

JP2004124851A - ガスタービンプラントおよびガスタービンの燃料供給方法

Info

Publication number: JP2004124851A
Application number: JP2002291210A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Fujii; 藤井　健太郎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】燃料発熱量が変動してもタービン出力の変動を回避することができるガスタービンプラントおよびガスタービンの燃料供給方法を提供すること。
【解決手段】ガスタービン３と、該ガスタービン３に供給される燃料量を調整する燃料流量制御弁９とを備えたガスタービンプラントにおいて、ガスタービン３に供給される燃料の発熱量を測定する発熱量測定装置２０と、この発熱量測定装置２０により測定された燃料の発熱量が変動しても、燃料流量制御弁９の弁開度を補正してガスタービン入熱量を発熱量が変動する前の値に維持補正する演算装置２３とを備えている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電設備等に用いられるガスタービンプラントおよびガスタービンの燃料供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示したものは、一軸型コンバインドプラント（ガスタービンプラント）の概略構成図である。
図示の一軸型コンバインドプラントにおいて、１は大気を吸入して圧縮する圧縮機、２は燃料が供給されると共に圧縮機１から圧縮された空気が燃焼用空気として供給される燃焼器、３は燃焼器２にて発生した燃焼ガスが導入されることにより回転するガスタービン、４はガスタービン３と連結した蒸気タービン、および５は発電機である。
以上のガスタービン３，圧縮機１，蒸気タービン４，発電機５が互いに連結軸６で連結されている。
【０００３】
蒸気タービン４の駆動源は、排熱回収ボイラ８からの蒸気である。排熱回収ボイラ８は、ガスタービン３から排出される高温の排気ガスから熱を回収して蒸気を生成し、生成された蒸気を蒸気タービン４に導入する装置である。符号７は復水器であり、蒸気タービン４から排出された蒸気が導入され、該蒸気を凝縮させて排熱回収ボイラ８に戻す装置である。
符号９は燃料流量制御弁であり、燃焼器２への燃料供給量を調節する装置である。この燃料流量制御弁９は、コントローラ１０によって制御される（従来の燃料供給方法の一例については、下記特許文献１を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１８７２７１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ガスタービンの出力制御は「計画した出力（計画ＭＷ信号）」と「実際に発生した出力（実ＭＷ信号）」との偏差からコントローラ１０が燃料流量指令信号を出力し、これを変換装置１１により弁開度信号に変換して燃料流量制御弁９を制御することにより燃焼器２に供給する燃料流量を増減してガスタービン出力を「計画した出力」に制御している。
この制御方法では、発熱量が変動する燃料（例えば石炭ガス化ガス、高炉ガス、残さ油のガス化ガスなど）を用いている場合、燃料発熱量が変動すると、先ずガスタービン出力が一時的に変動し、次いでコントローラ１０が働き、計画した出力に戻すことになる。この結果、ガスタービン３の出力が一時的に急変し、ガスタービン火炎の吹き消えやガスタービンのタービン入口温度が異状に高くなる不具合、及び送電系統への変動などのトラブルが発生するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、燃料発熱量が変動してもタービン出力の変動が最小となる制御をすることができるガスタービンプラントおよびガスタービンの燃料供給方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のガスタービンプラントは、ガスタービンと、該ガスタービンに供給される燃料量を調整する燃料流量制御弁とを備えたガスタービンプラントにおいて、前記ガスタービンに供給される燃料の発熱量を燃焼器上流で測定する発熱量測定装置と、該発熱量測定装置により測定された燃料の発熱量が変化した場合、前記燃料流量制御弁の弁開度を補正してガスタービン入熱量を燃料の発熱量が変化する前の値に補正する補正装置とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
この発明においては、燃料の発熱量を燃焼器上流で測定し、それに応じて燃料流量制御弁の弁開度を補正するため、燃料の発熱量が変動してもガスタービンの出力を燃料の発熱量変動前の値に保つことができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスタービンプラントにおいて、前記発熱量測定装置が、前記燃料流量制御弁よりも上流に配置され、燃料の成分に基づいて燃料の発熱量を測定するよう構成され、該発熱量測定装置により発熱量が測定された燃料が前記燃料流量制御弁を通過して燃焼器に流入するまでの間、前記補正装置による前記燃料流量制御弁の補正を遅延させる遅れ補償装置が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
この発明においては、発熱量が測定された燃料が下流の燃料流量制御弁を通過し燃焼器に流入するまでの間のタイムラグを考慮して燃料流量制御弁が制御される。したがって、正確なタイミングでガスタービン入熱量を発熱量変動以前の値に保つ制御を行うことができる。なお、燃料の発熱量の測定開始から燃料流量制御弁の弁開度が補正されるまでの時間の算出は、発熱量が測定された燃料が燃料流量調節弁を経由して燃焼器に到達するまでの時間と、燃料の発熱量を測定するために必要とされる算出時間との差により行われる。
【００１１】
請求項３にガスタービンの燃料供給方法は、ガスタービンに供給される燃料の発熱量を燃焼器上流で測定し、該燃料の発熱量が変化した場合、燃料流量を補正してガスタービン入熱量を燃料の発熱量が変化する前の値に補正することを特徴とする。
【００１２】
この発明においては、燃料の発熱量を上流で測定し、それに応じて燃料流量を補正するため、燃料の発熱量が変動してもそれに対応してガスタービンの出力を燃料発熱量変動前の値に保つことができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のガスタービンの燃料供給方法において、燃料流量を調節する燃料流量制御弁よりも上流において燃料の発熱量を測定し、該発熱量が測定された燃料が前記燃料流量制御弁を通過して燃焼器に流入する際に該燃料流量制御弁を補正してガスタービン入熱量を燃料の発熱量が変化する前の値に補正することを特徴とする。
【００１４】
この発明においては、発熱量が測定された燃料が下流の燃料流量制御弁を経由し燃焼器に流入するまで間のタイムラグを考慮して燃料流量制御弁が制御される。したがって、正確なタイミングでガスタービン入熱量を燃料の発熱量変動前の値に保つ制御を行うことができる。なお、燃料の発熱量の測定開始から燃料流量制御弁の弁開度が補正されるまでの時間の算出は、発熱量が測定された燃料が燃料流量制御弁を経由して燃焼器に到達するまでの時間と、燃料の発熱量を測定するために必要とされる算出時間との差により行われる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、従来と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
基本的に、ガスタービンの出力制御は従来と変わらず、「計画した出力（計画ＭＷ信号）」と「実際に発生した出力（実ＭＷ信号）」との偏差からコントローラ１０が燃料流量指令信号出力し、これを変換装置１１により弁開度信号に変換して燃料流量制御弁９を制御することにより、燃焼器２に供給する燃料流量を増減してガスタービン出力を「計画した出力」に制御する。
【００１６】
図１において、符号２０は燃料の発熱量を測定する発熱量測定装置である。この発熱量測定装置２０は、燃料ガスに含まれるＣＯとＣＯ２との比から燃焼した場合の発熱量をリアルタイムに算出する装置である。なお、発熱量を算出することができればこの方式に限定されないのは言うまでもない。
発熱量測定装置２０の信号は、遅れ補償装置２４に入力され、後述の遅れ時間遅れて出力され、演算装置２３に入力される。
演算装置２３の基本的な機能は除算器であり、コントローラ１０の出力を遅れ補償装置２４の出力で除算し、変換装置１１に商を与える働きをする。結果としてコントローラ１０の出力に対し、燃料発熱量による補正することが出来る。　符号２５は燃料流量制御弁９を経てガスタービン３に供給される燃料量の流量を測定する流量計である。
【００１７】
次に、上記本実施形態の動作について説明する。
ガスタービンの出力制御は、「計画した出力（計画ＭＷ信号）」と「実際に発生した出力（実ＭＷ信号）」との偏差（図示省略）からコントローラ１０が燃料流量指令信号出力し、これを変換装置１１により弁開度信号に変換して燃料流量制御弁９を制御することにより燃焼器２に供給する燃料流量を増減してガスタービン出力を「計画した出力」に制御する。本発明では、コントローラ１０と変換装置１１間に演算装置２３を挿入し、燃料の発熱量変動に対する補正を以下に記述のごとく実施している。
【００１８】
燃料は、燃料流量制御弁（燃料流量調節弁）９を経てガスタービン３に供給されている。燃料流量制御弁９の開度と燃料流量との関係は、図２のような関係となっている。図２のごとく、燃料流量制御弁開度と燃料流量が比例関係にあれば、変換装置１１は不要となるが、通常は比例せずに曲線となるので、変換装置１１を設けるものとしている。
燃料のＣＯ／ＣＯ２比が発熱量測定装置２０にて検出され、この比から燃料の発熱量が算出される。
【００１９】
発熱量測定装置２０の信号は、遅れ補償装置２４に入力され、後述の遅れ時間遅れて出力され、演算装置２３に入力される。
演算装置２３の基本的な機能は除算器であり、コントローラ１０の出力を遅れ補償装置２４の出力で除算し、変換装置１１に商を与える働きをする。例えば、図３に示すように、燃料発熱量が発熱量ｋ０であったものがｋ１に変動した場合、燃料流量をｋ０／ｋ１倍となるよう補正すればガスタービンの入熱量は変化しないこととなる。すなわち発熱量変動前の発熱量が１．０（ｋ０）で変動後の発熱量が０．９（ｋ１）と１０％低下した場合、ガスタービンに到達する燃料流量をｋ０／ｋ１倍（１．０／０．９倍）にすれば、補正量は１．１１となり、ガスタービン入熱量は一定となり出力もまた一定となる。したがって、図４に示したように、流量をｋ０／ｋ１倍に上げるために弁開度を開く補正が行われる。結果としてコントローラ１０の出力にたいし燃料発熱量による補正することが出来る。
【００２０】
遅れ補償装置２４においては、発熱量測定装置２０により測定された燃料が、図１のＡ点（燃料の発熱量が測定された点）から燃料流量制御弁９を経て燃焼器２に到達する時間から、発熱量測定装置２０において発熱量算出と燃料流量制御弁９の動作に要する時間Δｔが引かれた時間だけ遅延される。すなわち、燃料流量をＦとすると、
遅延時間＝（Ａ点から燃料流量制御弁９を経て燃焼器２までの配管容積）／Ｆ−Δｔ
の遅れが遅れ補償装置２４で与えられる。遅延時間の補正は詳細記述省略した。
したがって燃料流量制御弁９にて流量調節される燃料は、発熱量測定装置２０で発熱量が測定された燃料である。そして燃料流量制御弁９においてガスタービン入熱量が燃料発熱量変化前の値となるように弁開度が補正される。
【００２１】
このように、燃料の発熱量が変化しても燃料流量制御弁９が補正されることによって、ガスタービン入熱量が燃料発熱量変化前の値を維持するよう制御される。したがって、ガスタービンの出力の変化は回避できる。
【００２２】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
上述のガスタービンは燃料の圧力が燃焼器２の圧力より十分高い場合であるが、高炉ガス等燃料圧力が低い場合には以下の構成が採用される。
図５において、符号３０は軸流式のガスコンプレッサであり、可変静翼が設けられ吐出流量が調整可能な構成となっている。可変静翼は単段の場合と複数段の場合があるが、以下　ＶＶ３４と称する。ＶＶ３４の動作速度は遅くガスタービンの燃料制御が遅れることとなるが、この対策として、再循環制御弁３２が設けられ、高い動作速度でガスコンプレッサ３０吐出ガスの一部をガス冷却器３１を経由してガスコンプレッサ３０の入り口へ再循環させる方式を採用している。
以上の如くこのガスタービンでは燃料ガスの流量制御をＶＶ３４と再循環制御弁３２とで調整する構成となっている。
【００２３】
コントローラ１０からの信号は演算装置２３により燃料の発熱量が補正され信号分配演算装置３３に入力され、ＶＶ３４及び再循環制御弁３２への指令信号を出力する。すなわちＶＶ３４と再循環制御弁３２とが図１の実施例の燃料流量制御弁９に相当することとなる。
この結果、上記実施形態と同様にガスコンプレッサ３０の上流側で検出された燃料の発熱量に基づいて燃料ガス流量が制御されることで、ガスタービン３への入熱量が燃料の発熱量変動前の値を維持する。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
燃料の発熱量を測定し、それに応じて燃料流量を補正するため、燃料の発熱量が変動してもガスタービンの出力の変動を回避する事が出来る。
また、発熱量が測定された燃料が下流の燃料流量制御弁まで流れてくる間のタイムラグを組み込み燃料流量制御弁が制御される。したがって、正確なタイミングでガスタービン入熱量を常に維持する制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態（第１の実施形態）として示したガスタービンプラントの構成を示したブロック図である。
【図２】燃料流量制御弁と燃料流量との関係を示した図である。
【図３】燃料発熱量と燃料流量補正係数との関係を示した図である。
【図４】燃料流量と燃料流量制御弁開度との関係を示した図である。
【図５】ガスタービンプラントの他の実施形態（第２の実施形態）を示す概略構成図である。
【図６】従来のガスタービンプラントの概略構成図である。
【符号の説明】
１　　空気圧縮機
２　　燃焼器
３　　ガスタービン
９　　燃料流量制御弁（燃料流量調節弁）
１０　コントローラ
１１　変換装置
２０　発熱量測定装置
２３　演算装置（除算器）
２４　遅れ補償装置
２５　燃料流量計
３０　ガスコンプレッサ
３１　ガス冷却器
３２　再循環制御弁
３３　分配演算装置
３４　ＶＶ（可変静翼制御機構）

Claims

ガスタービンと、該ガスタービンに供給される燃料量を調整する燃料流量制御弁とを備えたガスタービンプラントにおいて、
前記ガスタービンに供給される燃料の発熱量を燃焼器上流で測定する発熱量測定装置と、
該発熱量測定装置により測定された燃料の発熱量が変化した場合、前記燃料流量制御弁の弁開度を補正してガスタービン入熱量を燃料の発熱量が変化する前の値に維持する補正装置とを備えていることを特徴とするガスタービンプラント。
請求項１に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記発熱量測定装置は、前記燃料流量制御弁よりも上流に配置され、燃料の成分に基づいて燃料の発熱量を測定するよう構成され、該発熱量測定装置により発熱量が測定された燃料が前記燃料流量制御弁を通過して燃焼器に流入するまでの間、前記補正装置による前記燃料流量制御弁の補正を遅延させる遅れ補償装置が設けられていることを特徴とするガスタービンプラント。
ガスタービンに供給される燃料の発熱量を燃焼器上流で測定し、該燃料の発熱量が変化した場合、燃料流量を補正してガスタービン入熱量を燃料の発熱量が変化する前の値に補正することを特徴とするガスタービンの燃料供給方法。
請求項３に記載のガスタービンの燃料供給方法において、
燃料流量を調節する燃料流量制御弁よりも上流において燃料の発熱量を測定し、
該発熱量が測定された燃料が前記燃料流量制御弁を通過して燃焼器に流入する際に該燃料流量制御弁を補正してガスタービン入熱量を燃料の発熱量が変化する前の値に補正することを特徴とするガスタービンの燃料供給方法。