JP2005036691A - 燃焼温度高速検知装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度検出信号を処理することによって燃焼ガス温度を高速に検知することができる燃焼温度高速検知装置を提供する。
【解決手段】燃焼温度高速検知装置１０に位相進み処理部１１Ａを設けることにより、温度検出信号８の検出遅れを相殺して、燃焼器３の燃焼ガス温度を高速に検知する。更には、燃焼温度高速検知装置１０に、時定数０．２５秒の一次遅れフィルタリング処理部１２、時定数１０秒の位相遅れ処理部１１Ｂ、カットオフ周波数２〜３Ｈｚの温度変化フィルタリング処理部１３、時定数の異なる一次遅れフィルタリング処理部１４Ａ，１４Ｂと高値選択処理部１４Ｃとを備えた外乱フィルタリング処理部１４を設けることにより、よりガスタービン装置１に適した燃焼ガス温度の高速検知を行うことができるようにする。
【選択図】 図２
【解決手段】燃焼温度高速検知装置１０に位相進み処理部１１Ａを設けることにより、温度検出信号８の検出遅れを相殺して、燃焼器３の燃焼ガス温度を高速に検知する。更には、燃焼温度高速検知装置１０に、時定数０．２５秒の一次遅れフィルタリング処理部１２、時定数１０秒の位相遅れ処理部１１Ｂ、カットオフ周波数２〜３Ｈｚの温度変化フィルタリング処理部１３、時定数の異なる一次遅れフィルタリング処理部１４Ａ，１４Ｂと高値選択処理部１４Ｃとを備えた外乱フィルタリング処理部１４を設けることにより、よりガスタービン装置１に適した燃焼ガス温度の高速検知を行うことができるようにする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を、ガスタービン装置に設置した温度検出器の温度検出信号に基づいて高速に検知する燃焼温度高速検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン装置には、ガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を検出するために熱電対を用いた温度検出器が設置されている。そして、ガスタービン装置の温度制御装置では、前記温度検出器の温度検出信号をフィードバックして、前記燃焼器の燃焼ガス温度が所定の温度目標値となるように制御している。
【０００３】
なお、発電プラントにおいて、熱電対を用いた温度検出器により温度検知を行う例としては、例えば［特許文献１］に開示された配管内流体温度測定装置がある。図示は省略するが、［特許文献１］では、原子力発電プラントの蒸気発生器と蒸気タービンとを接続する蒸気配管に熱電対である温度検出素子を接続している。そして、温度検出素子を温度検出器に接続し、温度検出器の出力信号を温度補正装置に入力し、温度補正装置の出力信号を温度監視装置に入力している。温度補正装置では予め測定した配管表面温度と配管内温度の相関、蒸気圧力から求められる飽和蒸気温度及び予め測定した蒸気圧力と配管内温度の相関により配管表面温度を補正して求める。このことによってサーモウェル（温度計保護管）を用いることなく、配管表面に温度検出素子に取り付けて温度を検出することができるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２００１−１８３２３８号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービン装置においても、燃焼ガス温度の検出遅れが問題となっている。燃焼ガス温度を検出するには燃焼ガスが排出される燃焼器出口に温度検出器を設けることが望ましいが、この位置は非常に高温であるため、温度検出器はガスタービンの下流側に配置せざるを得ず、このことが温度検出の遅れにつながっている。そして更には、ガスタービンの下流側でも燃焼ガスは高温且つ高流速であるため、温度検出器の熱電対は保護材に収容されて保護されており、この保護材が燃焼ガス温度の検出遅れの要因となっている。
【０００６】
このため、温度検出信号に基づいて燃焼ガス温度制御を行う場合、速い燃焼温度変化に対応した高速制御が困難である。特に、燃焼温度が高くなり過ぎると燃焼器が破損するおそれがあるため、高側の温度変化に対しては迅速に温度制御をすることが望まれるが、現状では温度検出遅れのために速い温度上昇に対する高速制御が困難な状況にある。そこで、保護材による検出遅れを低減するために保護材の厚さをできるだけ薄くする努力もなされているが、現状ではまだ十分な検出遅れの低減は図れていない。かかる事情から、現在、検出信号処理手法によって、燃焼ガス温度を高速に検知することが検討されている。
【０００７】
従って本発明は上記の事情に鑑み、温度検出信号を処理することによって燃焼ガス温度を高速に検知することができる燃焼温度高速検知装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明の燃焼温度高速検知装置は、ガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を、前記ガスタービン装置に設置した温度検出器の温度検出信号に基づいて検知する燃焼温度高速検知装置であって、前記温度検出器の温度検出遅れ特性に応じて前記温度検出信号を処理することにより、前記燃焼ガス温度を推定する高速検知手段を有することを特徴とする。
【０００９】
また、第２発明の燃焼温度高速検知装置は、第１発明の燃焼温度高速検知装置において、前記高速検知手段は、位相進み処理手段であることを特徴とする。
【００１０】
また、第３発明の燃焼温度高速検知装置は、第２発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号のステップ的な変化を緩和する位相遅れ処理手段を有することを特徴とする。
【００１１】
また、第４発明の燃焼温度高速検知装置は、第２又は第３発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号に乗る高周波の電気的な外乱を前記温度検出信号から除去する一次遅れフィルタリング処理手段を有することを特徴とする。
【００１２】
また、第５発明の燃焼温度高速検知装置は、第２，第３又は第４発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号の高周波成分をカットする温度変化フィルタリング処理手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、第６発明の燃焼温度高速検知装置は、第２，第３，第４又は第５発明の燃焼温度高速検知装置において、時定数の短い第１の一次遅れフィルタリング処理手段と、時定数の長い第２の一次遅れフィルタリング処理手段と、この第１及び第２の一次遅れフィルタリング処理手段の出力値の高い方を選択する高値選択処理手段とを備えた外乱フィルタリング処理手段を有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１（ａ）はガスタービン装置の概略構成図、図１（ｂ）は前記ガスタービン装置に設置された温度検出器の拡大図である。また、図２は本発明の実施の形態に係る燃焼温度高速検知装置の構成図である。
【００１６】
図１（ａ）の概略構成図及び図２の模式図に示すように、ガスタービン装置１はガスタービン２と、複数の燃焼器３と、圧縮機４とを有している。
【００１７】
圧縮機４は回転軸がガスタービン２の回転軸と結合されており、ガスタービン２によって回転駆動されることにより、吸気部５から吸気した空気を圧縮して燃焼器３へ供給する。燃焼器３では、圧縮機４から供給された圧縮空気により、燃料供給装置６から供給された燃料を燃焼する。そして、このときの燃焼ガス（燃焼エネルギー）によってガスタービン２が回転駆動され、このガスタービン２によって前述のように圧縮機４が回転駆動するとともに発電機６が回転駆動されて発電する。
【００１８】
そして、図１及び図２に示すようにガスタービン装置１には、温度検出器８と、燃焼温度高速検知装置１０と、温度制御装置３０とが装備されている。なお、図２では燃焼温度高速検知装置１０及び温度制御装置３０を信号伝達の系統図（ブロック線図）で表しており、図２中のｓはラプラス演算子である。
【００１９】
図１（ａ）に示すように温度検出器８は、燃焼器３の燃焼ガス温度を検出するためにガスタービン２の下流側（燃焼ガス出口側）に配設されている。燃焼ガス温度を検出するには燃焼器３の燃焼ガス出口やガスタービン２の上流側（燃焼ガス入口側）に温度検出器を設置することが望ましいが、これらの位置では燃焼ガス温度が非常に高温（例えば１３００〜１５００℃）であるため、温度検出器を設置することができない。このため、上記のようにガスタービン２の下流側に温度検出器８を設置している。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように温度検出器８は、保護材８ａ内に熱電対８ｂを収容してなるものある。ガスタービン２の下流側でも、まだ燃焼ガスは比較的高温（例えば６００〜８００℃）且つ高流速であるため、熱電対８ｂは保護材８ａに収容されて保護されている。このため、保護材８ａが要因となって温度検出器８には燃焼ガス温度の検出遅れが生じる。図２に示すように温度検出器８の温度検出遅れ特性は、例えば時定数３０秒の一次遅れ（１／（１＋３０ｓ））で表すことができる。
【００２１】
そして、図２に示すように燃焼温度高速検知装置１０の位相進み・遅れ処理部１１には、温度検出器８の温度検出遅れ特性に応じて温度検出器８の温度検出信号Ｔ１を処理することにより燃焼ガス温度を推定するための高速検知手段として、（１＋３０ｓ）の位相進み補償を行う位相進み処理部１１Ａを備えている。この位相進み処理部１１Ａにおいて、微分（ｓ）のゲイン３０は温度検出器８の一次遅れ時定数３０秒に対応して設定されている。
【００２２】
従って、温度検出器８の温度検出信号Ｔ１を、位相進み処理部１１Ａで位相進み処理（１＋３０ｓ）をすることにより、温度検出信号８の一次遅れにおける（１＋３０ｓ）が相殺されて、燃焼器３の燃焼ガス温度が得られる（推定される）。即ち、燃焼ガス温度が高速で検知される。つまり、位相進み処理部１１Ａでは、微分処理により温度検出信号Ｔ１の温度変化を求め、この温度変化にゲイン３０を掛けることによって燃焼ガス温度がどこまで上昇するかを予測することができる。
【００２３】
勿論、保護材８ａの改良などにより、温度検出器８の一次遅れ時定数が３０秒よりも短くなれば（例えば１５秒、２０秒などになれば）、位相進み処理１１Ａの微分（ｓ）のゲインも、この一次遅れ時定数に応じて調整すればよい（例えば１５、２０などにすればよい）
【００２４】
更に、燃焼温度高速検知装置１０には、燃焼温度高速検知装置１０を、よりガスタービン装置１に適したものとするため、位相進み処理部１１Ａの他にも、各種のフィルタリング処理部１１Ｂ，１２，１３，１４を備えている。
【００２５】
一次遅れフィルタリング処理部１２は、温度検出器８の温度検出信号Ｔに乗る高周波の電気的な外乱（ノイズ成分）を温度検出信号Ｔから除去するための一次遅れフィルタリング処理手段として設けられている。例えば高出力のモータが作動しているような場合、この影響により、図３（ａ）に例示するように温度検出器８の温度検出信号（電気信号）Ｔ１（図３中の実線）には定常的に高周波の電気的な外乱（図３中の点線）が乗ることがある。
【００２６】
このため、（１／（１＋０．２５ｓ））の一次遅れフィルタリング処理部１２を設けている。一次遅れフィルタリング処理１２では、電気的な外乱を除去するのに適した時定数（図示例では０．２５秒）が設定されており、図３（ｂ）に例示すように温度検出信号Ｔ１に乗る高周波の電気的外乱（５０℃、２００ｕｓのパルス）を温度検出信号Ｔから除去することができる。勿論、電気的な外乱の特性に応じて一次遅れ時定数を適宜調整してもよい。
【００２７】
位相進み・遅れ処理部１１には、位相遅れ処理部１１Ｂが設けられている。位相遅れ処理部１１Ｂは（１／（１＋１０ｓ））の位相遅れ補償を行うものであり、温度検出器８の温度検出信号Ｔ１のステップ的な変化を緩和するための位相遅れ処理手段として設けられている。位相進み処理部１１Ａでは、図４に実線で例示するような温度検出信号Ｔ１のステップ的な急変（急増、急減）に対して過剰応答（オーバーシュート）するが、このようなステップ的な急変はガスタービン装置１の運用上はあり得ない。即ち、位相進み処理部１１Ａだけを設けた場合、ガスタービン装置１の運用にとっては過剰応答を招き、温度制御が不安定になるおそれがある。
【００２８】
そこで、高速検知の目的とは相反するが、位相遅れ処理部１１Ｂを設けて温度制御の安定化を図っている。一次遅れである位相遅れ処理部１１では、その時定数が温度検出器８の一次遅れ時定数よりも短い値（図示例では１０秒）に設定されており、図４に点線で例示するように温度検出信号Ｔ１のステップ的な変化を緩和して、温度制御を安定化することができる。なお、位相遅れ処理部１１Ｂの一次遅れ時定数は１０秒程度であるため、この程度の位相遅れ処理を行っても、温度検出器８の一次遅れ時定数が３０秒であることから、３倍程度の高速検知が可能であり、所望の高速温度制御には影響しない。
【００２９】
温度変化フィルタリング処理部１３は、温度検出信号８の温度検出信号Ｔ１の高周波成分をカットするための温度変化フィルタリング処理手段として設けられている。つまり、燃焼器３の燃焼ガス温度が２〜３Ｈｚ以上の高周波で変動することは、ガスタービン装置１の運転において通常は考えられない。このため、２〜３Ｈｚ以上の高周波成分をカットする高周波カットフィルタ（ローパスフィルタ）として、温度変化フィルタリング処理部１３が設けられている。即ち、温度変化フィルタリング処理部１３は２次遅れであり、この２次遅れの各定数を図２のように設定することにより、図５のようにカットオフ周波数が２〜３Ｈｚに設定されている。勿論、カットオフ周波数は必ずしも２〜３Ｈｚに限定するものではなく、前記定数の調整により、他の周波数に適宜調整してもよい。
【００３０】
外乱フィルタリング処理部１４は、実際の燃焼ガス温度の変化と外乱との分離（外乱のフィルタリング）と、燃焼ガス温度の変化（増加、減少）に応じて外乱フィルタリング処理の最適化するための外乱フィルタリング処理手段として設けられている。
【００３１】
詳述すると、外乱フィルタリング処理部１４は、比較的短い時定数（図示例では１秒）を有する第１の一次遅れフィルタリング処理手段としての一次遅れフィルタリング処理１４Ａと、比較的長い時定数（図示例では５秒）を有する第２の一次遅れフィルタリング処理手段としての一次遅れフィルタリング処理１４Ｂと、この一次遅れフィルタリング処理部１４Ａ，１４Ｂの出力値の高い方を選択する高値選択処理手段としての高値選択処理部１４ｃとを有している。
【００３２】
例えば、図６（ａ）に実線で示すように温度検出信号Ｔ１が増加した場合には、同図に点線で示す一次遅れフィルタリング処理部１４Ａの出力値のほうが、同図に一点鎖線で示す一次遅れフィルタリング処理部１４Ｂの出力値よりも高くなるため、高値選択処理部１４Ｃでは前者の出力値を選択して出力する。一方、図６（ｂ）に実線で示すように温度検出信号Ｔ１が減少した場合には、同図に点線で示す一次遅れフィルタリング処理部１４Ａの出力値のよりも、同図に一点鎖線で示す一次遅れフィルタリング処理部１４Ｂの出力値のほうが高くなるため、高値選択処理部１４Ｃでは後者の出力値を選択して出力する。
【００３３】
従って、例えば図６（ｃ）に実線で示すように燃焼ガス温度（温度検出信号Ｔ１）が変化した場合、同図に二点鎖線で示すように外乱フィルタリング処理部１４の出力は、温度検出信号Ｔ１が増加したときにはこれに速やかに反応（追従）して増加し、温度検出信号Ｔ１が減少したときにはこれに緩やかに反応（追従）して減少する。
【００３４】
つまり、燃焼ガス温度の高側への変化は低側への変化よりも、ガスタービン装置１にとってクリティカルである。即ち、燃焼温度が高くなり過ぎると燃焼器３が破損するおそれがあるため、特に高側の温度変化に対しては迅速な温度制御が望まれる。そこで、時定数の異なる一次遅れフィルタリング処理部１４Ａ，１４Ｂの出力値の高い方を高値選択処理部１４Ｃで選択することにより、高側への温度変化時には外乱フィルタリング処理を緩やかにしてなるべく温度検出信号Ｔ１の変化を（外乱ではなく）実際の燃焼ガス温度変化として扱うようにしている。一方、低側への温度変化時には外乱フィルタリング処理を強化して燃焼ガス温度を過度に低く判断しないようにしている。このことによって、過剰に燃料供給量を増加させてしまうのを防止することができる。
【００３５】
燃焼温度高速検知装置１０で得られた温度高速検出値Ｔ２は、温度制御装置３０に出力（フィードバック）される。温度制御装置３０では、偏差演算部３１において温度高速検出値Ｔ２と温度目標値Ｔ０との温度偏差ΔＴ（Ｔ０−Ｔ２）を求め、この温度偏差ΔＴに対して比例積分演算部３２で比例積分演算することより、温度制御信号ＴＣを求めて燃料供給装置６へ出力する。温度制御信号ＴＣは、温度高速検出値Ｔ２が温度目標値Ｔ０よりも低ければ燃料供給量の増加要求信号となり、温度高速検出値Ｔ２が温度目標値Ｔ０よりも高ければ燃料供給量の減少要求信号となる。燃料供給装置６では、この温度制御信号ＴＣに基づいて燃焼器３への燃料供給量を制御する。
【００３６】
かくして、燃焼器３の燃焼ガス温度（温度検出値Ｔ１，Ｔ２）が温度目標値Ｔ０となるように制御される。しかも、このときの温度制御は、位相進み処理部１１Ａを有する燃焼温度高速検知装置１０により高速で検知された温度高速検出値Ｔ２に基づいて行われるため、従来に比べて高速な温度制御となる。
【００３７】
しかも、燃焼温度高速検知装置１０には位相進み処理部１１Ａだけでなく、位相遅れ処理部１１Ｂ、一次遅れフィルタリング処理部１２、温度変化フィルタリング処理部１３、外乱フィルタリング処理部１４（一次遅れフィルタリング処理部１４Ａ，１４Ｂ、高値選択処理部１４Ｃ）を備えている。従って、この燃焼温度高速検知装置１０によって求められた温度高速検出値Ｔ２は、ガスタービン装置１の燃焼ガス温度制御により適した温度検出値となる。
【００３８】
なお、ここでは燃焼温度高速検知装置１０の各処理部１１，１２，１３，１４や温度制御装置３０の各演算部３１，３２はソフトウエアによって構成され、マイクロコンピュータによって処理される。勿論、燃焼温度高速検知装置１０の各処理部の順番は任意に変更しても機能は同様であり、例えば位相進み・遅れ処理部１１と外乱フィルタリング処理部１４とを入れ替えてもよい。
【００３９】
ところで、上記では燃焼ガス温度の高速検知を位相進み（位相進み処理部１１Ａ）という簡易で有効な信号処理手法によって実現しているが、必ずしもこれに限定するものではなく、温度検出器８の温度検出遅れ特性に応じて温度検出信号Ｔ１を処理することにより、燃焼ガス温度を推定する高速検知手段であればよい。例えば、温度検出信号Ｔ１と実際の燃焼ガス温度との相関を表す温度マップを予め用意し、この温度マップと温度検出信号Ｔ１とから、燃焼ガス温度を推定して高速に検知するようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明の熱延鋼帯の冷却装置によれば、ガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を、前記ガスタービン装置に設置した温度検出器の温度検出信号に基づいて検知する燃焼温度高速検知装置であって、前記温度検出器の温度検出遅れ特性に応じて前記温度検出信号を処理することにより、前記燃焼ガス温度を推定する高速検知手段を有することを特徴とするため、温度検出器に検出遅れがあっても、燃焼ガス温度を高速検知することができ、これを温度制御に用いれば高速な温度制御を実現することができる。
【００４１】
また、第２発明の燃焼温度高速検知装置は、第１発明の燃焼温度高速検知装置において、前記高速検知手段は、位相進み処理手段であることを特徴とするため、温度検出器に検出遅れがあっても、燃焼ガス温度を高速検知することができ、これを温度制御に用いれば高速な温度制御を実現することができる。位相進み処理手段を適用することにより、簡易で有効な高速検知手段を実現することができる。
【００４２】
また、第３発明の燃焼温度高速検知装置によれば、第２発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号のステップ的な変化を緩和する位相遅れ処理手段を有することを特徴とするため、ガスタービン装置の運用上はあり得ないステップ的な温度変化が緩和されことにより、よりガスタービン装置に適した燃焼ガス温度の高速検知が可能となる。
【００４３】
また、第４発明の燃焼温度高速検知装置によれば、第２又は第３発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号に乗る高周波の電気的な外乱を前記温度検出信号から除去する一次遅れフィルタリング処理手段を有することを特徴とするため、温度検出信号から高周波の電気的な外乱（ノイズ成分）が除去されることにより、よりガスタービン装置に適した燃焼ガスの高速検知が可能となる。
【００４４】
また、第５発明の燃焼温度高速検知装置によれば、第２，第３又は第４発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号の高周波成分をカットする温度変化フィルタリング処理手段を有することを特徴とするため、ガスタービン装置の運転において通常は考えられない高周波の変動成分が温度検出信号からカットされることにより、よりガスタービン装置に適した燃焼ガスの高速検知が可能となる。
【００４５】
また、第６発明の燃焼温度高速検知装置によれば、第２，第３，第４又は第５発明の燃焼温度高速検知装置において、時定数の短い第１の一次遅れフィルタリング処理手段と、時定数の長い第２の一次遅れフィルタリング処理手段と、この第１及び第２の一次遅れフィルタリング処理手段の出力値の高い方を選択する高値選択処理手段とを備えた外乱フィルタリング処理手段を有することを特徴とするため、よりガスタービン装置に適した燃焼ガスの高速検知が可能となる。つまり、高側への温度変化時には外乱フィルタリング処理を緩やかにしてなるべく温度検出信号Ｔ１の変化を（外乱ではなく）実際の燃焼ガス温度変化として扱うようにしているため、燃焼温度が高くなり過ぎることによる燃焼器の破損を防止することができる。一方、低側への温度変化時には外乱フィルタリング処理を強化して燃焼ガス温度を過度に低く判断しないようにしているため、過剰に燃料供給量を増加させてしまうのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はガスタービン装置の概略構成図、図１（ｂ）は前記ガスタービン装置に設置された温度検出器の拡大図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃焼温度高速検知装置の構成図である。
【図３】前記燃焼温度高速検知装置に備えた一次遅れフィルタリング処理部の機能を示す説明図である。
【図４】前記燃焼温度高速検知装置に備えた位相遅れ処理部の機能を示す説明図である。
【図５】前記燃焼温度高速検知装置に備えた温度変化フィルタリング処理の機能を示す説明図である。
【図６】前記燃焼温度高速検知装置に備えた外乱フィルタリング処理部の機能を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン装置
２ ガスタービン
３ 燃焼器
４ 圧縮機
５ 吸気部
６ 燃料供給装置
７ 発電機
８ 温度検出器
８ａ 保護材
８ｂ 熱電対
１０ 燃焼温度高速検知装置
１１ 位相進み・遅れ処理部
１１Ａ 位相進み処理部
１１Ｂ 位相遅れ処理部
１２ 一次遅れフィルタリング処理部
１３ 温度変化フィルタリング処理部
１４ 外乱フィルタリング処理部
１４Ａ 一次遅れフィルタリング処理部
１４Ｂ 一次遅れフィルタリング処理部
１４Ｃ 高値選択処理部
３０ 温度制御装置
３１ 偏差演算部
３２ 比例積分演算部
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を、ガスタービン装置に設置した温度検出器の温度検出信号に基づいて高速に検知する燃焼温度高速検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン装置には、ガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を検出するために熱電対を用いた温度検出器が設置されている。そして、ガスタービン装置の温度制御装置では、前記温度検出器の温度検出信号をフィードバックして、前記燃焼器の燃焼ガス温度が所定の温度目標値となるように制御している。
【０００３】
なお、発電プラントにおいて、熱電対を用いた温度検出器により温度検知を行う例としては、例えば［特許文献１］に開示された配管内流体温度測定装置がある。図示は省略するが、［特許文献１］では、原子力発電プラントの蒸気発生器と蒸気タービンとを接続する蒸気配管に熱電対である温度検出素子を接続している。そして、温度検出素子を温度検出器に接続し、温度検出器の出力信号を温度補正装置に入力し、温度補正装置の出力信号を温度監視装置に入力している。温度補正装置では予め測定した配管表面温度と配管内温度の相関、蒸気圧力から求められる飽和蒸気温度及び予め測定した蒸気圧力と配管内温度の相関により配管表面温度を補正して求める。このことによってサーモウェル（温度計保護管）を用いることなく、配管表面に温度検出素子に取り付けて温度を検出することができるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２００１−１８３２３８号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービン装置においても、燃焼ガス温度の検出遅れが問題となっている。燃焼ガス温度を検出するには燃焼ガスが排出される燃焼器出口に温度検出器を設けることが望ましいが、この位置は非常に高温であるため、温度検出器はガスタービンの下流側に配置せざるを得ず、このことが温度検出の遅れにつながっている。そして更には、ガスタービンの下流側でも燃焼ガスは高温且つ高流速であるため、温度検出器の熱電対は保護材に収容されて保護されており、この保護材が燃焼ガス温度の検出遅れの要因となっている。
【０００６】
このため、温度検出信号に基づいて燃焼ガス温度制御を行う場合、速い燃焼温度変化に対応した高速制御が困難である。特に、燃焼温度が高くなり過ぎると燃焼器が破損するおそれがあるため、高側の温度変化に対しては迅速に温度制御をすることが望まれるが、現状では温度検出遅れのために速い温度上昇に対する高速制御が困難な状況にある。そこで、保護材による検出遅れを低減するために保護材の厚さをできるだけ薄くする努力もなされているが、現状ではまだ十分な検出遅れの低減は図れていない。かかる事情から、現在、検出信号処理手法によって、燃焼ガス温度を高速に検知することが検討されている。
【０００７】
従って本発明は上記の事情に鑑み、温度検出信号を処理することによって燃焼ガス温度を高速に検知することができる燃焼温度高速検知装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明の燃焼温度高速検知装置は、ガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を、前記ガスタービン装置に設置した温度検出器の温度検出信号に基づいて検知する燃焼温度高速検知装置であって、前記温度検出器の温度検出遅れ特性に応じて前記温度検出信号を処理することにより、前記燃焼ガス温度を推定する高速検知手段を有することを特徴とする。
【０００９】
また、第２発明の燃焼温度高速検知装置は、第１発明の燃焼温度高速検知装置において、前記高速検知手段は、位相進み処理手段であることを特徴とする。
【００１０】
また、第３発明の燃焼温度高速検知装置は、第２発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号のステップ的な変化を緩和する位相遅れ処理手段を有することを特徴とする。
【００１１】
また、第４発明の燃焼温度高速検知装置は、第２又は第３発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号に乗る高周波の電気的な外乱を前記温度検出信号から除去する一次遅れフィルタリング処理手段を有することを特徴とする。
【００１２】
また、第５発明の燃焼温度高速検知装置は、第２，第３又は第４発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号の高周波成分をカットする温度変化フィルタリング処理手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、第６発明の燃焼温度高速検知装置は、第２，第３，第４又は第５発明の燃焼温度高速検知装置において、時定数の短い第１の一次遅れフィルタリング処理手段と、時定数の長い第２の一次遅れフィルタリング処理手段と、この第１及び第２の一次遅れフィルタリング処理手段の出力値の高い方を選択する高値選択処理手段とを備えた外乱フィルタリング処理手段を有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１（ａ）はガスタービン装置の概略構成図、図１（ｂ）は前記ガスタービン装置に設置された温度検出器の拡大図である。また、図２は本発明の実施の形態に係る燃焼温度高速検知装置の構成図である。
【００１６】
図１（ａ）の概略構成図及び図２の模式図に示すように、ガスタービン装置１はガスタービン２と、複数の燃焼器３と、圧縮機４とを有している。
【００１７】
圧縮機４は回転軸がガスタービン２の回転軸と結合されており、ガスタービン２によって回転駆動されることにより、吸気部５から吸気した空気を圧縮して燃焼器３へ供給する。燃焼器３では、圧縮機４から供給された圧縮空気により、燃料供給装置６から供給された燃料を燃焼する。そして、このときの燃焼ガス（燃焼エネルギー）によってガスタービン２が回転駆動され、このガスタービン２によって前述のように圧縮機４が回転駆動するとともに発電機６が回転駆動されて発電する。
【００１８】
そして、図１及び図２に示すようにガスタービン装置１には、温度検出器８と、燃焼温度高速検知装置１０と、温度制御装置３０とが装備されている。なお、図２では燃焼温度高速検知装置１０及び温度制御装置３０を信号伝達の系統図（ブロック線図）で表しており、図２中のｓはラプラス演算子である。
【００１９】
図１（ａ）に示すように温度検出器８は、燃焼器３の燃焼ガス温度を検出するためにガスタービン２の下流側（燃焼ガス出口側）に配設されている。燃焼ガス温度を検出するには燃焼器３の燃焼ガス出口やガスタービン２の上流側（燃焼ガス入口側）に温度検出器を設置することが望ましいが、これらの位置では燃焼ガス温度が非常に高温（例えば１３００〜１５００℃）であるため、温度検出器を設置することができない。このため、上記のようにガスタービン２の下流側に温度検出器８を設置している。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように温度検出器８は、保護材８ａ内に熱電対８ｂを収容してなるものある。ガスタービン２の下流側でも、まだ燃焼ガスは比較的高温（例えば６００〜８００℃）且つ高流速であるため、熱電対８ｂは保護材８ａに収容されて保護されている。このため、保護材８ａが要因となって温度検出器８には燃焼ガス温度の検出遅れが生じる。図２に示すように温度検出器８の温度検出遅れ特性は、例えば時定数３０秒の一次遅れ（１／（１＋３０ｓ））で表すことができる。
【００２１】
そして、図２に示すように燃焼温度高速検知装置１０の位相進み・遅れ処理部１１には、温度検出器８の温度検出遅れ特性に応じて温度検出器８の温度検出信号Ｔ１を処理することにより燃焼ガス温度を推定するための高速検知手段として、（１＋３０ｓ）の位相進み補償を行う位相進み処理部１１Ａを備えている。この位相進み処理部１１Ａにおいて、微分（ｓ）のゲイン３０は温度検出器８の一次遅れ時定数３０秒に対応して設定されている。
【００２２】
従って、温度検出器８の温度検出信号Ｔ１を、位相進み処理部１１Ａで位相進み処理（１＋３０ｓ）をすることにより、温度検出信号８の一次遅れにおける（１＋３０ｓ）が相殺されて、燃焼器３の燃焼ガス温度が得られる（推定される）。即ち、燃焼ガス温度が高速で検知される。つまり、位相進み処理部１１Ａでは、微分処理により温度検出信号Ｔ１の温度変化を求め、この温度変化にゲイン３０を掛けることによって燃焼ガス温度がどこまで上昇するかを予測することができる。
【００２３】
勿論、保護材８ａの改良などにより、温度検出器８の一次遅れ時定数が３０秒よりも短くなれば（例えば１５秒、２０秒などになれば）、位相進み処理１１Ａの微分（ｓ）のゲインも、この一次遅れ時定数に応じて調整すればよい（例えば１５、２０などにすればよい）
【００２４】
更に、燃焼温度高速検知装置１０には、燃焼温度高速検知装置１０を、よりガスタービン装置１に適したものとするため、位相進み処理部１１Ａの他にも、各種のフィルタリング処理部１１Ｂ，１２，１３，１４を備えている。
【００２５】
一次遅れフィルタリング処理部１２は、温度検出器８の温度検出信号Ｔに乗る高周波の電気的な外乱（ノイズ成分）を温度検出信号Ｔから除去するための一次遅れフィルタリング処理手段として設けられている。例えば高出力のモータが作動しているような場合、この影響により、図３（ａ）に例示するように温度検出器８の温度検出信号（電気信号）Ｔ１（図３中の実線）には定常的に高周波の電気的な外乱（図３中の点線）が乗ることがある。
【００２６】
このため、（１／（１＋０．２５ｓ））の一次遅れフィルタリング処理部１２を設けている。一次遅れフィルタリング処理１２では、電気的な外乱を除去するのに適した時定数（図示例では０．２５秒）が設定されており、図３（ｂ）に例示すように温度検出信号Ｔ１に乗る高周波の電気的外乱（５０℃、２００ｕｓのパルス）を温度検出信号Ｔから除去することができる。勿論、電気的な外乱の特性に応じて一次遅れ時定数を適宜調整してもよい。
【００２７】
位相進み・遅れ処理部１１には、位相遅れ処理部１１Ｂが設けられている。位相遅れ処理部１１Ｂは（１／（１＋１０ｓ））の位相遅れ補償を行うものであり、温度検出器８の温度検出信号Ｔ１のステップ的な変化を緩和するための位相遅れ処理手段として設けられている。位相進み処理部１１Ａでは、図４に実線で例示するような温度検出信号Ｔ１のステップ的な急変（急増、急減）に対して過剰応答（オーバーシュート）するが、このようなステップ的な急変はガスタービン装置１の運用上はあり得ない。即ち、位相進み処理部１１Ａだけを設けた場合、ガスタービン装置１の運用にとっては過剰応答を招き、温度制御が不安定になるおそれがある。
【００２８】
そこで、高速検知の目的とは相反するが、位相遅れ処理部１１Ｂを設けて温度制御の安定化を図っている。一次遅れである位相遅れ処理部１１では、その時定数が温度検出器８の一次遅れ時定数よりも短い値（図示例では１０秒）に設定されており、図４に点線で例示するように温度検出信号Ｔ１のステップ的な変化を緩和して、温度制御を安定化することができる。なお、位相遅れ処理部１１Ｂの一次遅れ時定数は１０秒程度であるため、この程度の位相遅れ処理を行っても、温度検出器８の一次遅れ時定数が３０秒であることから、３倍程度の高速検知が可能であり、所望の高速温度制御には影響しない。
【００２９】
温度変化フィルタリング処理部１３は、温度検出信号８の温度検出信号Ｔ１の高周波成分をカットするための温度変化フィルタリング処理手段として設けられている。つまり、燃焼器３の燃焼ガス温度が２〜３Ｈｚ以上の高周波で変動することは、ガスタービン装置１の運転において通常は考えられない。このため、２〜３Ｈｚ以上の高周波成分をカットする高周波カットフィルタ（ローパスフィルタ）として、温度変化フィルタリング処理部１３が設けられている。即ち、温度変化フィルタリング処理部１３は２次遅れであり、この２次遅れの各定数を図２のように設定することにより、図５のようにカットオフ周波数が２〜３Ｈｚに設定されている。勿論、カットオフ周波数は必ずしも２〜３Ｈｚに限定するものではなく、前記定数の調整により、他の周波数に適宜調整してもよい。
【００３０】
外乱フィルタリング処理部１４は、実際の燃焼ガス温度の変化と外乱との分離（外乱のフィルタリング）と、燃焼ガス温度の変化（増加、減少）に応じて外乱フィルタリング処理の最適化するための外乱フィルタリング処理手段として設けられている。
【００３１】
詳述すると、外乱フィルタリング処理部１４は、比較的短い時定数（図示例では１秒）を有する第１の一次遅れフィルタリング処理手段としての一次遅れフィルタリング処理１４Ａと、比較的長い時定数（図示例では５秒）を有する第２の一次遅れフィルタリング処理手段としての一次遅れフィルタリング処理１４Ｂと、この一次遅れフィルタリング処理部１４Ａ，１４Ｂの出力値の高い方を選択する高値選択処理手段としての高値選択処理部１４ｃとを有している。
【００３２】
例えば、図６（ａ）に実線で示すように温度検出信号Ｔ１が増加した場合には、同図に点線で示す一次遅れフィルタリング処理部１４Ａの出力値のほうが、同図に一点鎖線で示す一次遅れフィルタリング処理部１４Ｂの出力値よりも高くなるため、高値選択処理部１４Ｃでは前者の出力値を選択して出力する。一方、図６（ｂ）に実線で示すように温度検出信号Ｔ１が減少した場合には、同図に点線で示す一次遅れフィルタリング処理部１４Ａの出力値のよりも、同図に一点鎖線で示す一次遅れフィルタリング処理部１４Ｂの出力値のほうが高くなるため、高値選択処理部１４Ｃでは後者の出力値を選択して出力する。
【００３３】
従って、例えば図６（ｃ）に実線で示すように燃焼ガス温度（温度検出信号Ｔ１）が変化した場合、同図に二点鎖線で示すように外乱フィルタリング処理部１４の出力は、温度検出信号Ｔ１が増加したときにはこれに速やかに反応（追従）して増加し、温度検出信号Ｔ１が減少したときにはこれに緩やかに反応（追従）して減少する。
【００３４】
つまり、燃焼ガス温度の高側への変化は低側への変化よりも、ガスタービン装置１にとってクリティカルである。即ち、燃焼温度が高くなり過ぎると燃焼器３が破損するおそれがあるため、特に高側の温度変化に対しては迅速な温度制御が望まれる。そこで、時定数の異なる一次遅れフィルタリング処理部１４Ａ，１４Ｂの出力値の高い方を高値選択処理部１４Ｃで選択することにより、高側への温度変化時には外乱フィルタリング処理を緩やかにしてなるべく温度検出信号Ｔ１の変化を（外乱ではなく）実際の燃焼ガス温度変化として扱うようにしている。一方、低側への温度変化時には外乱フィルタリング処理を強化して燃焼ガス温度を過度に低く判断しないようにしている。このことによって、過剰に燃料供給量を増加させてしまうのを防止することができる。
【００３５】
燃焼温度高速検知装置１０で得られた温度高速検出値Ｔ２は、温度制御装置３０に出力（フィードバック）される。温度制御装置３０では、偏差演算部３１において温度高速検出値Ｔ２と温度目標値Ｔ０との温度偏差ΔＴ（Ｔ０−Ｔ２）を求め、この温度偏差ΔＴに対して比例積分演算部３２で比例積分演算することより、温度制御信号ＴＣを求めて燃料供給装置６へ出力する。温度制御信号ＴＣは、温度高速検出値Ｔ２が温度目標値Ｔ０よりも低ければ燃料供給量の増加要求信号となり、温度高速検出値Ｔ２が温度目標値Ｔ０よりも高ければ燃料供給量の減少要求信号となる。燃料供給装置６では、この温度制御信号ＴＣに基づいて燃焼器３への燃料供給量を制御する。
【００３６】
かくして、燃焼器３の燃焼ガス温度（温度検出値Ｔ１，Ｔ２）が温度目標値Ｔ０となるように制御される。しかも、このときの温度制御は、位相進み処理部１１Ａを有する燃焼温度高速検知装置１０により高速で検知された温度高速検出値Ｔ２に基づいて行われるため、従来に比べて高速な温度制御となる。
【００３７】
しかも、燃焼温度高速検知装置１０には位相進み処理部１１Ａだけでなく、位相遅れ処理部１１Ｂ、一次遅れフィルタリング処理部１２、温度変化フィルタリング処理部１３、外乱フィルタリング処理部１４（一次遅れフィルタリング処理部１４Ａ，１４Ｂ、高値選択処理部１４Ｃ）を備えている。従って、この燃焼温度高速検知装置１０によって求められた温度高速検出値Ｔ２は、ガスタービン装置１の燃焼ガス温度制御により適した温度検出値となる。
【００３８】
なお、ここでは燃焼温度高速検知装置１０の各処理部１１，１２，１３，１４や温度制御装置３０の各演算部３１，３２はソフトウエアによって構成され、マイクロコンピュータによって処理される。勿論、燃焼温度高速検知装置１０の各処理部の順番は任意に変更しても機能は同様であり、例えば位相進み・遅れ処理部１１と外乱フィルタリング処理部１４とを入れ替えてもよい。
【００３９】
ところで、上記では燃焼ガス温度の高速検知を位相進み（位相進み処理部１１Ａ）という簡易で有効な信号処理手法によって実現しているが、必ずしもこれに限定するものではなく、温度検出器８の温度検出遅れ特性に応じて温度検出信号Ｔ１を処理することにより、燃焼ガス温度を推定する高速検知手段であればよい。例えば、温度検出信号Ｔ１と実際の燃焼ガス温度との相関を表す温度マップを予め用意し、この温度マップと温度検出信号Ｔ１とから、燃焼ガス温度を推定して高速に検知するようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明の熱延鋼帯の冷却装置によれば、ガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を、前記ガスタービン装置に設置した温度検出器の温度検出信号に基づいて検知する燃焼温度高速検知装置であって、前記温度検出器の温度検出遅れ特性に応じて前記温度検出信号を処理することにより、前記燃焼ガス温度を推定する高速検知手段を有することを特徴とするため、温度検出器に検出遅れがあっても、燃焼ガス温度を高速検知することができ、これを温度制御に用いれば高速な温度制御を実現することができる。
【００４１】
また、第２発明の燃焼温度高速検知装置は、第１発明の燃焼温度高速検知装置において、前記高速検知手段は、位相進み処理手段であることを特徴とするため、温度検出器に検出遅れがあっても、燃焼ガス温度を高速検知することができ、これを温度制御に用いれば高速な温度制御を実現することができる。位相進み処理手段を適用することにより、簡易で有効な高速検知手段を実現することができる。
【００４２】
また、第３発明の燃焼温度高速検知装置によれば、第２発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号のステップ的な変化を緩和する位相遅れ処理手段を有することを特徴とするため、ガスタービン装置の運用上はあり得ないステップ的な温度変化が緩和されことにより、よりガスタービン装置に適した燃焼ガス温度の高速検知が可能となる。
【００４３】
また、第４発明の燃焼温度高速検知装置によれば、第２又は第３発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号に乗る高周波の電気的な外乱を前記温度検出信号から除去する一次遅れフィルタリング処理手段を有することを特徴とするため、温度検出信号から高周波の電気的な外乱（ノイズ成分）が除去されることにより、よりガスタービン装置に適した燃焼ガスの高速検知が可能となる。
【００４４】
また、第５発明の燃焼温度高速検知装置によれば、第２，第３又は第４発明の燃焼温度高速検知装置において、前記温度検出信号の高周波成分をカットする温度変化フィルタリング処理手段を有することを特徴とするため、ガスタービン装置の運転において通常は考えられない高周波の変動成分が温度検出信号からカットされることにより、よりガスタービン装置に適した燃焼ガスの高速検知が可能となる。
【００４５】
また、第６発明の燃焼温度高速検知装置によれば、第２，第３，第４又は第５発明の燃焼温度高速検知装置において、時定数の短い第１の一次遅れフィルタリング処理手段と、時定数の長い第２の一次遅れフィルタリング処理手段と、この第１及び第２の一次遅れフィルタリング処理手段の出力値の高い方を選択する高値選択処理手段とを備えた外乱フィルタリング処理手段を有することを特徴とするため、よりガスタービン装置に適した燃焼ガスの高速検知が可能となる。つまり、高側への温度変化時には外乱フィルタリング処理を緩やかにしてなるべく温度検出信号Ｔ１の変化を（外乱ではなく）実際の燃焼ガス温度変化として扱うようにしているため、燃焼温度が高くなり過ぎることによる燃焼器の破損を防止することができる。一方、低側への温度変化時には外乱フィルタリング処理を強化して燃焼ガス温度を過度に低く判断しないようにしているため、過剰に燃料供給量を増加させてしまうのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はガスタービン装置の概略構成図、図１（ｂ）は前記ガスタービン装置に設置された温度検出器の拡大図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃焼温度高速検知装置の構成図である。
【図３】前記燃焼温度高速検知装置に備えた一次遅れフィルタリング処理部の機能を示す説明図である。
【図４】前記燃焼温度高速検知装置に備えた位相遅れ処理部の機能を示す説明図である。
【図５】前記燃焼温度高速検知装置に備えた温度変化フィルタリング処理の機能を示す説明図である。
【図６】前記燃焼温度高速検知装置に備えた外乱フィルタリング処理部の機能を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン装置
２ ガスタービン
３ 燃焼器
４ 圧縮機
５ 吸気部
６ 燃料供給装置
７ 発電機
８ 温度検出器
８ａ 保護材
８ｂ 熱電対
１０ 燃焼温度高速検知装置
１１ 位相進み・遅れ処理部
１１Ａ 位相進み処理部
１１Ｂ 位相遅れ処理部
１２ 一次遅れフィルタリング処理部
１３ 温度変化フィルタリング処理部
１４ 外乱フィルタリング処理部
１４Ａ 一次遅れフィルタリング処理部
１４Ｂ 一次遅れフィルタリング処理部
１４Ｃ 高値選択処理部
３０ 温度制御装置
３１ 偏差演算部
３２ 比例積分演算部
Claims (6)
- ガスタービン装置に備えた燃焼器の燃焼ガス温度を、前記ガスタービン装置に設置した温度検出器の温度検出信号に基づいて検知する燃焼温度高速検知装置であって、
前記温度検出器の温度検出遅れ特性に応じて前記温度検出信号を処理することにより、前記燃焼ガス温度を推定する高速検知手段を有することを特徴とする燃焼温度高速検知装置。 - 請求項１に記載する燃焼温度高速検知装置において、
前記高速検知手段は、位相進み処理手段であることを特徴とする燃焼温度高速検知装置。 - 請求項２に記載する燃焼温度高速検知装置において、
前記温度検出信号のステップ的な変化を緩和する位相遅れ処理手段を有することを特徴とする燃焼温度高速検知装置。 - 請求項２又は３に記載する燃焼温度高速検知装置において、
前記温度検出信号に乗る高周波の電気的な外乱を前記温度検出信号から除去する一次遅れフィルタリング処理手段を有することを特徴とする燃焼温度高速検知装置。 - 請求項２，３又は４に記載する燃焼温度高速検知装置において、
前記温度検出信号の高周波成分をカットする温度変化フィルタリング処理手段を有することを特徴とする燃焼温度高速検知装置。 - 請求項２，３，４又は５に記載する燃焼温度高速検知装置において、
時定数の短い第１の一次遅れフィルタリング処理手段と、時定数の長い第２の一次遅れフィルタリング処理手段と、この第１及び第２の一次遅れフィルタリング処理手段の出力値の高い方を選択する高値選択処理手段とを備えた外乱フィルタリング処理手段を有することを特徴とする燃焼温度高速検知装置。
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