JP2005240608A - ガスタービン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンを一旦停止した後に再起動しても、タービン入口温度を正確に推定する。
【解決手段】 タービン入口温度推定機能部３０は、燃焼器の熱効率等を物理モデル式に適用することにより、タービン入口温度を推定する。停止していたタービンを再起動する場合に低負荷運転を行い、この低負荷運転時の熱効率η_L’を熱効率算出機能部６０にて求める。熱効率補正機能部４０は、前回運転における低負荷運転時の効率η_Lと今回運転における低負荷運転時の熱効率η_L’との比を、前回の熱効率特性に乗算して、今回の熱効率特性を得る。そして、負荷に応じて、今回の熱効率特性から求めた熱効率η’をタービン入口温度推定機能部３０に送り、タービン入口温度推定機能部３０は熱効率η’を用いてタービン入口温度を推定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービン制御装置に関するものであり、ガスタービンを一旦停止させてから再起動するときにおいても、正確にガスタービン入口温度を推定することができるようにしたものである。

発電所などで稼動するガスタービンは、コンプレッサにより圧縮した空気とガス燃料が燃焼器に供給され、燃焼器での燃焼に伴う高温の燃焼ガスを利用してタービンを回転させる。タービンの回転軸の周りには、コンプレッサ用の動翼とタービン用の動翼とが設けられ、燃焼器から供給される高温燃焼ガスによりタービン用動翼が回転する。また、図４に示すように、燃焼器では、メインの燃料が供給される燃料ノズル１０３とパイロット燃料が供給されるパイロットノズルとが燃焼器内筒１０４内に設けられ、圧縮機から吐出される空気１１１と燃料とを混合して燃焼し、燃焼器尾筒１０５からタービンに燃焼ガスを流出する。

図４は、燃焼器の構成例を示す図である。燃焼器は、空気と予混合されたメイン燃料と予混合されないパイロット燃料とがそれぞれ供給される燃料ノズル１０３及びパイロットノズルと、メイン燃料と混合される圧縮空気がコンプレッサから供給される圧縮空気吐出口と、燃焼により火炎が発生する燃焼器内筒１０４と、燃焼ガスをタービンに送り出す燃焼器外筒１０６と、バイパス弁１０８とを有する。

ガスタービンの制御は、ガスタービンの構成要素である、圧縮機、燃焼器、タービン、及び発電機の各々異なる特性上の要求を満足させる必要がある。このため、図５に示すように、次の各制御回路を並列的に働かせ、これら各制御回路の出力のうち最小信号を選択する手法によって、相互に関連し合う各状態変数の保護制御の要求を同時に満足させて、且つ、最も効率的な運転が行えるようにしている。

図５に示すように、（ａ）回転数に基づく速度ガバナ制御回路２０１、（ｂ）発電機出力に基づくロードリミッタ制御回路２０２、（ｃ）排ガス温度及び燃焼器圧力に基づくタービン温度リミット制御回路２０３、（ｄ）燃焼器圧力に基づく燃料リミット制御回路２０４、の全制御回路２０１〜２０４の出力のうち、最小信号をミニマムセレクタ回路２０５で選択し、その選択した信号を制御出力ＣＳＯ（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｏｕｔｐｕｔ：燃料制御信号）とし、このＣＳＯを基に燃料供給量の制御を行う。

タービン温度リミット制御回路２０３は、タービン入口温度を設計値以内とするための排ガス温度制御を行うものである。

ガスタービン制御では、昇負荷及びＭＷ（メガワット：タービン出力）／周波数の急減等による燃料制御信号ＣＳＯ増加時には、タービン入口温度Ｔ１Ｔが設計許容値を超過（オーバーシュート）する恐れがある。

現状は、燃焼器内が高温／高圧／高速流のため、タービン入口温度Ｔ１Ｔが直接計測不能であるので、代わりに、排ガス温度、ブレードパス温度を使用し、オーバーシュート防止を行っている。ここで、ブレードパス温度とは、図６に示すように、タービンを通過した直後の高温ガスの温度であり、排ガス温度とは、それよりも下流側での排ガスの温度であり、タービン入口温度Ｔ１Ｔとは、タービンに入る直前のガスの温度である。

しかし、上記のように、排ガス温度、ブレードパス温度を用いてタービン入口温度Ｔ１Ｔを制御する方法では、燃料投入からの応答、計測遅れが大きいことから、温調リミット制御（タービン入口温度Ｔ１Ｔが設計許容値を超過しないようにする制御）の設定値は、遅れを考慮に入れた保守的な値（遅れを考慮した安全率を組み込んだ値）となっている。これにより、昇負荷速度が制限される。

実開平５−７９４２号公報には、次のタービン入口温度リミット制御回路が記載されている。ガスタービンの排ガス温度を計る温度計、燃焼器圧力を計る圧力計、燃焼器に供給する蒸気の量を計る蒸気投入量計、圧力計の出力を受け予め設定されたタービン入口温度に対応するタービン出口温度リミット信号を発生する第１の関数発生器、蒸気投入量計の出力を受け温度バイアスを出力する第２の関数発生器、温度計、圧力計、及び関数発生器の出力を受けタービンリミット制御信号を出力する出力制御手段を設けるものである。

特開２００１−３２９８５５公報には、次のガスタービンのタービン入口温度予測方法が記載されている。ガスタービンの出口温度Ａと吸入空気温度Ｂと回転数ＮによりパラメータＰを構成し、計測した出口温度Ａと吸入空気温度Ｂと回転数Ｎを代入したパラメータＰの値と校正時のみ計測したタービン入口温度からタービン入口温度をパラメータＰの関数で表し、この関数によりタービン入口温度を算出する。

かかる現状において、従来計測不可能であったタービン入口温度Ｔ１Ｔが予測できることが望まれている。また、経年劣化などプラントの性状が変化した場合にも、タービン入口温度Ｔ１Ｔの算出に必要なパラメータ（熱効率を含む）を正確に更新できることが望まれている。また、その更新はオンラインで自動更新でき、調整を必要としないことが望まれている。また、タービン入口温度Ｔ１Ｔの定常値を常に補正できることが望まれている。更に、機器保護の優先のために犠牲になっていた昇負荷速度を改善できることが望まれている。

そこで本願出願人は、従来計測不可能であったタービン入口温度Ｔ１Ｔが予測でき、経年劣化などプラントの性状が変化した場合にも、タービン入口温度Ｔ１Ｔの算出に必要なパラメータ（熱効率を含む）を正確に更新でき、機器保護の優先のために犠牲になっていた昇負荷速度を改善できるガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法を先に開発して特許出願した（特開２００３−２９３７９５号公報）。

＜すでに出願した発明の内容＞
ここで、すでに出願した発明（特願２００２−１０２９８４：特開２００３−２９３７９５）の内容を説明しておく。

図７に示すように、すでに出願した発明の実施形態では、既設計測点（車室温度Ｔ₃、燃料温度Ｔ_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃、燃料流量Ｇ_f）および燃焼器熱効率ηより、タービン入口温度Ｔ₄（またはＴ１Ｔともいう）を応答遅れなく推定する。

図７に示すように、実施形態は、遅れ補償機能部２０と、Ｔ１Ｔ（タービン入口温度）推定機能部３０とを有している。

遅れ補償機能部２０は、位相進み要素を有しており、その位相進み要素を用いて、既設のセンサから入力した既設計測点（車室温度Ｔ₃、燃料温度Ｔ_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃、燃料流量Ｇ_f）の遅れ補償を行い、その遅れ補償を行ってなる値Ｔ₃’、Ｔ_f’、Ｇ₃’、Ｇ_f’をＴ１Ｔ推定機能部３０に出力する。

遅れ補償機能部２０の補償式は、Ｋ（１＋αＴｓ）／（１＋Ｔｓ）である。ただし、α＞１である。既設のセンサによる計測値である、車室温度Ｔ₃、燃料温度Ｔ_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃、燃料流量Ｇ_fに対して、それぞれ遅れ補償を行ったものが、Ｔ₃’、Ｔ_f’、Ｇ₃’、Ｇ_f’である。

Ｔ１Ｔ推定機能部３０は、燃焼器に流入する状態量と、物理モデル（物理量）からＴ１Ｔの動的挙動を推定する。Ｔ１Ｔ推定機能部３０は、燃焼器熱効率ηと、遅れ補償機能部２０から出力された値（Ｔ₃’、Ｔ_f’、Ｇ₃’、Ｇ_f’）を入力して、Ｔ１Ｔ（Ｔ₄）を推定する。

具体的には、燃焼器の熱収支式（１）にてＴ₄を計算する。

上式で燃焼器は、図８のようにモデル化した。図８は、燃焼器モデル化要素を示している。車室１０２は、図４の車室１０２に対応しており、尾筒１０５は、図４の尾筒１０５に対応している。

熱収支式（１）は、図８の燃焼器コントロールボリューム（以下ＣＣＶ）１０の熱収支により求まるが、以下に各項の説明を記す。以下の式（２）は、上記式（１）に説明の便宜のために符号を付したものである。

単位時間あたりＣＣＶ１０に流入する熱量は、項［２］（燃料）と、項［３］（空気）である。ＣＣＶ１０内での燃料発熱量は項［４］であり、流入燃料流量Ｇ_fと燃料のカロリーＨ_f、燃料の効率ηにより求まる。ＣＣＶ１０からの流出熱量は、燃焼後の燃焼ガス（排気ガス）の持つ熱量項［５］である（Ｇ₄＝Ｇ₃＋Ｇ_f）。よって、ＣＣＶ１０内の温度変化（項［１］）は、以上の熱の流入・流出より式（１）（＝式（２））で表される。

入力変数を図９に示す。計測信号（車室温度Ｔ₃、燃料温度Ｔ_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃、燃料流量Ｇ_f）には、計測器の検出遅れを位相進み要素で補償する。これにより、従来の排ガス温度からＴ１Ｔを予測する場合に比べ応答性に優れ、実際のＴ１Ｔと同等の速応性を有する推定が可能になる。

なお、図９に示すように、式（１）によりＴ１Ｔ計算を行うときに用いる入出力変数は、以下の通りである。
Ｔ₃：車室温度［℃］
Ｔ_f：燃料温度［℃］
Ｔ₄：タービン入口温度［℃］
Ｇ₃：燃焼器流入空気流量［ｋｇ／ｓ］
Ｇ_f：燃料流量［ｋｇ／ｓ］
Ｇ₄：タービン入口燃焼ガス流量［ｋｇ／ｓ］
ｃ_p3：車室比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ℃］
ｃ_pf：燃料比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ℃］
ｃ_p4：燃焼ガス比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ℃］
Ｈ_f：発熱量［ｋｃａｌ／ｋｇ］
η：燃焼器の熱効率［ｋｃａｌ／ｋｇ］
Ｖ_cb：車室〜尾筒容積［ｍ³］
γ₄：燃焼ガス比重［ｋｇ／ｍ³］
ｔ：時間［ｓｅｃ］

Ｔ₃、Ｔ_f、及びＧ_fは、計測値であり、遅れ補償する。Ｇ₃は、計測値であり、遅れ補償する、もしくは算出する。Ｔ₄＝Ｔ１Ｔである。
Ｇ₄＝Ｇ₃＋Ｇ_fである。
ｃ_p3、ｃ_pf、ｃ_p4、Ｈ_f、γ₄は、物性値である。
ηは、設計値であり設計段階で算出する。
Ｖ_cbは、設計値である。

実施形態では、単位時間あたりにＣＣＶ（燃焼器自身を含む燃焼器の周辺部）１０に流入する熱量（項［２］及び［３］）と、ＣＣＶ１０内での発熱量（項［４］）と、ＣＣＶ１０から流出する熱量（項［５］）の熱収支と、ＣＣＶ１０内での温度変化（項［１］）との関係に基づいて、Ｔ₄を演算により求める。

実施形態によれば、従来計測不可能であったタービン入口温度Ｔ１Ｔが予測可能となる。

特開２００３−２９３７９５

ところで、本出願人が先に出願した発明（特願２００２−１０２９８４）を基に検討を加えたところ、更に改良すべき点が発見された。つまり、ガスタービンが一旦停止した後に、再び起動するとき（ガスタービン負荷がゼロの状態から定格運転になるまでの間）における、タービン入口温度の推定値の精度をより向上させる必要があるという課題を発見した。

このように再起動時における、タービン入口温度の推定値の精度が十分でない理由は、ガスタービン停止中における、(1)燃料発熱量の変化、(2)機器の熱損失等に起因して、熱効率ηが変化することにある。つまり、タービン入口温度を推定するために必要な熱効率ηは、ガスタービン停止中の諸量変化に伴い変化してしまうのである。

図１０は、従来のかかる不具合を説明するものである。従来ではガスタービンが停止する直前（１００％定格運転時）の熱効率ηを記憶している。ガスタービンの停止中に、機器の温度低下や燃料性状の変化があった場合には、ガスタービンを再起動する際（ガスタービン負荷上昇時）において、前回運転時における停止直前（１００％定格運転時）の熱効率ηをそのまま用いるので、タービン入口温度推定機能部が推定したタービン入口温度が、実際の温度からずれる可能性があった。つまり、従来技術では、ガスタービンの停止前の熱効率ηを用いて起動するため、起動後に負荷上昇し定格領域に達した際における、ガスタービン入口温度の推定値精度を確保することができなかった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、ガスタービンを一旦停止させた後に、ガスタービン負荷をゼロから定格負荷にまで昇負荷させていく際において、熱効率を補正し、起動後の昇負荷時のタービン入口温度の推定精度を向上させることができるガスタービン制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、ガスタービンの燃焼器自身を含む燃焼器の周辺部に流入する熱量と、前記燃焼器の周辺部内での発熱量と、前記燃焼器の周辺部から流出する熱量の熱収支と、前記燃焼器の周辺部内での温度変化と、前記燃焼器の熱効率との関係に基づいて、タービンの入口温度を推定するタービン入口温度推定機能部と、
一旦停止した後に再起動したガスタービンが予め設定した低負荷で運転する低負荷運転時に、タービン出口情報を基に、前記低負荷運転時におけるタービン入口温度を算出するタービン入口温度算出機能部と、
車室温度Ｔ₃，燃料温度Ｔ_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃，燃料流量Ｇ_fと、前記タービン入口温度算出機能部にて算出したタービン入口温度を用いて、前記低負荷運転時における熱効率η’_Lを求める熱効率算出機能部と、
前回のガスタービン運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率である熱効率特性を記憶していると共に、前記熱効率算出機能部にて算出した今回のガスタービンの前記低負荷運転時における熱効率η’_Lと、前回のガスタービンの前記低負荷運転時の熱効率η_Lより今回の熱効率特性を求め、今回の熱効率特性から、今回のガスタービンの各負荷に応じた熱効率を出力する熱効率補正機能部とを有し、
前記タービン入口温度推定機能部は、前記熱効率補正機能部から出力される熱効率を用いてタービン入口温度を推定することを特徴とする。

また本発明は、タービンの入口温度をＴ₄、燃焼器の周辺部に流入する空気流量Ｇ₃の計測遅れを補償した値をＧ’₃、燃料流量Ｇ_fの計測遅れを補償した値をＧ’_f、燃料温度Ｔ_fの計測遅れを補償した値をＴ’_f、前記燃焼器の周辺部における空気の流入部の温度Ｔ₃の計測遅れを補償した値をＴ’₃、前記流入部の比熱をｃ_p3、燃料の発熱量をＨ_f、前記燃焼器の熱効率をη、燃焼ガス比熱をｃ_p4、前記燃焼器の周辺部の容積をＶ_cb、燃焼ガス比重をγ₄、燃料比熱をｃ_pf、前記タービンの入口の燃焼ガス流量をＧ₄、時間をｔとしたとき、下記式（１）に基づいて、前記タービンの入口温度Ｔ₄を推定するタービン入口温度推定機能部と、
一旦停止した後に再起動したガスタービンが予め設定した低負荷で運転する低負荷運転時に、タービン出口情報を基に、前記低負荷運転時におけるタービン入口温度を算出するタービン入口温度算出機能部と、
車室温度Ｔ₃の計測遅れを補償した値Ｔ’₃，燃料温度Ｔ_fの計測遅れを補償した値Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃の計測遅れを補償した値Ｇ’₃，燃料流量Ｇ_fの計測遅れを補償した値Ｇ’_fと、前記タービン入口温度算出機能部にて算出したタービン入口温度を用いて、前記低負荷運転時における熱効率η’_Lを求める熱効率算出機能部と、
前回のガスタービン運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率である熱効率特性を記憶していると共に、前記熱効率算出機能部にて算出した今回のガスタービンの前記低負荷運転時における熱効率η’_Lと、前回のガスタービンの前記低負荷運転時の熱効率η_Lより今回の熱効率特性を求め、今回の熱効率特性から、今回のガスタービンの各負荷に応じた熱効率を出力する熱効率補正機能部とを有し、
前記タービン入口温度推定機能部は、前記熱効率補正機能部から出力される熱効率を用いてタービン入口温度を推定することを特徴とする。

また本発明は、前記タービン入口温度算出機能部で用いる前記タービン出口情報は、排ガス温度、またはブレードパス温度、または発電機出力／車室圧力であることを特徴とする。

また本発明は、ガスタービンの燃焼器自身を含む燃焼器の周辺部に流入する熱量と、前記燃焼器の周辺部内での発熱量と、前記燃焼器の周辺部から流出する熱量の熱収支と、前記燃焼器の周辺部内での温度変化と、前記燃焼器の熱効率との関係に基づいて、タービンの入口温度を推定するタービン入口温度推定機能部と、
燃焼器流入諸量ごとに、ガスタービンの停止時間に応じて燃焼器流入諸量と補正量との関係を示す補正マップを有しており、ガスタービンの停止時間が入力されると、停止時間に応じた補正量を出力する特性変化マップ機能部と、
前回のガスタービン運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率である熱効率特性を記憶していると共に、前記特性変化マップ機能部から出力された補正量により前回のガスタービン運転時の熱効率特性を補正して今回の熱効率特性を求め、今回の熱効率特性から、今回のガスタービンの各負荷に応じた熱効率を出力する熱効率補正機能部とを有し、
前記タービン入口温度推定機能部は、前記熱効率補正機能部から出力される熱効率を用いてタービン入口温度を推定することを特徴とする。

また本発明は、タービンの入口温度をＴ₄、燃焼器の周辺部に流入する空気流量Ｇ₃の計測遅れを補償した値をＧ’₃、燃料流量Ｇ_fの計測遅れを補償した値をＧ’_f、燃料温度Ｔ_fの計測遅れを補償した値をＴ’_f、前記燃焼器の周辺部における空気の流入部の温度Ｔ₃の計測遅れを補償した値をＴ’₃、前記流入部の比熱をｃ_p3、燃料の発熱量をＨ_f、前記燃焼器の熱効率をη、燃焼ガス比熱をｃ_p4、前記燃焼器の周辺部の容積をＶ_cb、燃焼ガス比重をγ₄、燃料比熱をｃ_pf、前記タービンの入口の燃焼ガス流量をＧ₄、時間をｔとしたとき、下記式（１）に基づいて、前記タービンの入口温度Ｔ₄を推定するタービン入口温度推定機能部と、
燃焼器流入諸量である、車室温度Ｔ₃の計測遅れを補償した値Ｔ’₃，燃料温度Ｔ_fの計測遅れを補償した値Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃の計測遅れを補償した値Ｇ’₃，燃料流量Ｇ_fの計測遅れを補償した値Ｇ’_f、ごとに、ガスタービンの停止時間に応じて燃焼器流入量と補正量との関係を示す補正マップを有しており、ガスタービンの停止時間が入力されると、停止時間に応じた補正量を出力する特性変化マップ機能部と、
前回のガスタービン運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率である熱効率特性を記憶していると共に、前記特性変化マップ機能部から出力された補正量により前回のガスタービン運転時の熱効率特性を補正して今回の熱効率特性を求め、今回の熱効率特性から、今回のガスタービンの各負荷に応じた熱効率を出力する熱効率補正機能部とを有し、
前記タービン入口温度推定機能部は、前記熱効率補正機能部から出力される熱効率を用いてタービン入口温度を推定することを特徴とするガスタービン制御装置。

本発明によれば、ガスタービンを一旦停止させて、このガスタービンの停止中に、機器の温度低下や燃料性状の変化があった場合であっても、再起動するときには、再起動時の低負荷運転時において、熱効率を今回の（再起動時）の状態合わせた最適な熱効率に補正し、補正した熱効率を用いてガスタービン入口温度を推定するため、正確にガスタービン入口温度を推定することができる。

本発明を実施するための最良の形態では、図３に示すように、前回のガスタービン運転中における（つまり停止直前）の熱効率特性を記憶しておく。そしてガスタービンを一旦停止し、その後に再起動するときには、ガスタービンを起動後に低負荷運転状態を所定期間にわたり維持し、この期間においてスチームタービンを起動する。更に、この低負荷運転状態において、前回のガスタービンの低負荷運転時の熱効率と、今回のガスタービンの低負荷運転時の熱効率とを比較し、比較結果を基に、前回の熱効率特性を補正し、補正した熱効率特性を、今回の運転時の熱効率特性として用いて、タービン入口温度を推定する。このように低負荷運転時に熱効率特性を補正するため、ガスタービン負荷が上昇したときにおいても、タービン入口温度の推定を正確に行うことができる。

図１は本発明の実施例１にかかるガスタービン制御装置を示すブロック図である。この実施例１は、ガスタービンを一旦停止させた後に、ガスタービン負荷をゼロから定格負荷にまで昇負荷させていく際において、熱効率を補正し、起動後の昇負荷時のタービン入口温度の推定精度を向上させるものである。

なお、本実施例１にかかるガスタービン制御装置は、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせたコンバインドサイクルプラントに適用するものである。このコンバインドサイクルプラントでは、起動する場合には、最初にガスタービンのみを起動し、ガスタービンの負荷が予め決めた低負荷（例えば定格運転負荷の２５％）になったときに、ガスタービンを所定期間だけ低負荷運転状態（例えば定格運転負荷の２５％）に維持し、この期間に蒸気タービンの起動を開始する。そして蒸気タービンが起動したら、ガスタービン及び蒸気タービンの出力を共に増加させて定格運転状態にまでもっていく。

実施例１のガスタービン制御装置は、図１に示すように、遅れ補償機能部２０と、タービン入口温度推定機能部３０と、熱効率補正機能部４０と、タービン入口温度算出機能部５０と、熱効率算出機能部６０とで構成されている。

このうち、遅れ補償機能部２０と、タービン入口温度推定機能部３０は、図７に示す従来のものと同じ機能を果たすものである。ただし、タービン入口温度推定機能部３０にて用いる熱効率は、従来技術ではガスタービンの停止前の熱効率ηを用いていたが、本実施例では熱効率補正機能部４０により補正した熱効率η’を用いる。

遅れ補償機能部２０は、車室温度Ｔ₃，燃料温度Ｔ_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃、燃料流量Ｇ_fの計測遅れを位相進み要素で補償し、遅れ補償した車室温度Ｔ’₃，燃料温度Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ’₃、燃料流量Ｇ’_fを、タービン入口温度推定機能部３０及び熱効率算出機能部６０に出力する。

ガスタービンを一旦停止させた後に、ガスタービン負荷をゼロから昇負荷していく際に、蒸気タービンを起動させるため、ガスタービン負荷を一定期間だけ予め決めた低負荷運転状態（本例では定格運転負荷の２５％）に維持している期間において、タービン入口温度算出機能部５０は、タービン出口情報を基に、この低負荷運転時（２５％負荷運転時）におけるタービン入口温度Ｔ₄を算出する。

タービン入口温度算出機能部５０において、タービン入口温度Ｔ₄を算出する回路は、従来からある既存の回路を採用することができる。タービン入口温度Ｔ₄を算出する手法としては、次のようないくつかの手法がある。

（１）第１の手法では、タービン出口の排ガス温度から、低負荷運転時（２５％負荷運転時）におけるタービン入口温度Ｔ₄を算出する。算出の方法は、予め決めた関数により演算したり、予め設定した対応マップ（タービン出口排ガス温度とタービン入口温度Ｔ₄との関係を示す対応マップ）により算出したりする。この手法では、排ガス温度からタービン入口温度Ｔ₄を算出するので、信頼性よくタービン入口温度Ｔ₄を算出することができる。ひいては、熱効率補正機能部４０にて求める熱効率を信頼性よく求めることができる。

（２）第２の手法では、タービン出口のブレードパス温度から、低負荷運転時（２５％負荷運転時）におけるタービン入口温度Ｔ₄を算出する。算出の方法は、予め決めた関数により演算したり、予め設定した対応マップ（ブレードパス温度とタービン入口温度Ｔ₄との関係を示す対応マップ）により算出したりする。この手法では、応答性の速いブレードパス温度を用いることにより、迅速にタービン入口温度Ｔ₄を算出することができる。ひいては、熱効率補正機能部４０にて求める熱効率を高速に求めることができる。

（３）第３の手法では、燃焼器部分の車室圧力と発電機出力から、低負荷運転時（２５％負荷運転時）におけるタービン入口温度Ｔ₄を算出する。算出の方法は、予め決めた関数により演算する。この手法では、応答性の向上と精度の向上が期待できる。ひいては、熱効率補正機能部４０にて求める熱効率の、応答性の向上と精度の向上が期待できる。

なお上記第１から第３の手法を任意に組み合わせて、タービン入口温度Ｔ₄を算出することもできる。

熱効率算出機能部６０は、タービン入口温度算出機能部５０にて算出した、低負荷運転時（２５％負荷運転時）におけるタービン入口温度Ｔ₄と、遅れ補償機能部２０から出力される遅れ補償した車室温度Ｔ’₃，燃料温度Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ’₃、燃料流量Ｇ’_fを、次式（３）に適用することにより、低負荷運転時（２５％負荷運転時）における熱効率η’_Lを求める。なお式（３）は、式（１）から求めたものである。

熱効率補正機能部４０は、前回のガスタービンを起動して定格運転したときにおける、各ガスタービン負荷に応じた熱効率を記憶している。図中では、点線の特性が、前回運転時の熱効率特性である。なお、この熱効率補正機能部４０は、ガスタービンの負荷がどの程度になっているかを、燃料制御信号ＣＳＯにより求めているが、他の信号をもとに、ガスタービン負荷を検出するようにしてもよい。

熱効率補正機能部４０は、熱効率算出部６０から、今回の起動時での低負荷運転時（２５％負荷運転時）における熱効率η’_Lが入力されると、この熱効率η’_Lと、前回の起動時での低負荷運転時（２５％負荷運転時）における熱効率η_Lとの比η’_L／η_Lを求める。更に、熱効率補正機能部４０は、前回運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率特性（点線で示す特性）に、比η’_L／η_Lを乗算することにより、今回の運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率特性（実線で示す特性：負荷ゼロから定格負荷までの各負荷に対応する熱効率）を求める。つまり、熱効率補正機能部４０は、ガスタービン起動直後の低負荷運転中に、熱効率を補正した今回の熱効率特性（実線で示す特性）を求める。

この熱効率補正機能部４０は、運転負荷が上昇していったら、今回の運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率特性（実線で示す特性）を参照して、各負荷に応じた熱効率η’を、タービン入口温度推定機能部３０に出力する。

タービン入口温度推定機能部３０は、遅れ補償機能部２０から出力される遅れ補償した車室温度Ｔ’₃，燃料温度Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ’₃、燃料流量Ｇ’_fと、熱効率補正機能部４０から出力された各負荷に応じた熱効率η’を、式（４）に適用することにより、タービン入口温度を推定する。なお、式（４）は、式（１）における熱効率ηを、熱効率η’に置き換えたものである。

このタービン入口温度推定機能部３０で演算する式（４）に用いる熱効率η’は、今回の運転時における各ガスタービン負荷に応じた最適な熱効率であるため、ガスタービン起動後における各負荷において、ガスタービン入口温度の推定を精度よく行うことができる。

図２は本発明の実施例２にかかるガスタービン制御装置を示すブロック図である。この実施例２は、ガスタービンを一旦停止させた後に、ガスタービン負荷をゼロから定格負荷にまで昇負荷させていく際において、タービンの停止時間を考慮して熱効率を補正し、起動後の昇負荷時のタービン入口温度の推定精度を向上させるものである。

なお、本実施例２にかかるガスタービン制御装置は、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせたコンバインドサイクルプラントのみならず、ガスタービン単体の発電プラントにも適用することができる。

実施例２のガスタービン制御装置は、図２に示すように、遅れ補償機能部２０と、タービン入口温度推定機能部３０と、熱効率補正機能部４０と、特性変化マップ機能部７０とで構成されている。

このうち、遅れ補償機能部２０と、タービン入口温度推定機能部３０は、図１に示す実施例１のものと同様である。つまり、遅れ補償機能部２０は、車室温度Ｔ₃，燃料温度Ｔ_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃、燃料流量Ｇ_fの計測遅れを位相進み要素で補償し、遅れ補償した車室温度Ｔ’₃，燃料温度Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ’₃、燃料流量Ｇ’_fを、タービン入口温度推定機能部３０及び特性変化マップ機能部７０に出力する。また、入口温度推定機能部３０は、熱効率補正機能部４０により補正した熱効率η’を用いて、前述した式（４）を用いて、タービン入口温度を推定する。

特性変化マップ機能部７０は、燃焼器流入諸量、具体的には、遅れ補償した車室温度Ｔ’₃，燃料温度Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ’₃、燃料流量Ｇ’_fごとに、ガスタービンの停止時間に応じた、各燃焼器流入諸量と補正量βとの関係を示す補正マップを有している。

この特性変化マップ機能部７０に、タービンの停止時間（即ち前回のガスタービンの運転を停止した時点から、今回のガスタービンの運転を開始した時点までの時間）が入力されると、特性変化マップ機能部７０は、補正マップを参照することにより、停止時間に応じて、各燃焼器流入諸量ごとの補正量を求め、求めた補正量を、例えば平均演算することにより、補正量βを求める。この求めた補正量βは熱効率補正機能部４０に送られる。

熱効率補正機能部４０は、前回のガスタービンを起動して定格運転したときにおける、各ガスタービン負荷に応じた熱効率を記憶している。図中では、点線の特性が、前回運転時の熱効率特性である。なお、この熱効率補正機能部４０は、ガスタービンの負荷がどの程度になっているかを、燃料制御信号ＣＳＯにより求めているが、他の信号をもとに、ガスタービン負荷を検出するようにしてもよい。

熱効率補正機能部４０は、特性変化マップ機能部７０から、今回の停止時間に応じた補正量βが入力されると、前回運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率特性（点線で示す特性）に、補正量βを乗算することにより、今回の運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率特性（実線で示す特性：負荷ゼロから定格負荷までの各負荷に対応する熱効率）を求める。つまり、熱効率補正機能部４０は、タービンの停止時間に応じて、熱効率を補正した今回の熱効率特性（実線で示す特性）を求める。

この熱効率補正機能部４０は、運転負荷が上昇していったら、今回の運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率特性（実線で示す特性）を参照して、各負荷に応じた熱効率η’を、タービン入口温度推定機能部３０に出力する。

タービン入口温度推定機能部３０は、遅れ補償機能部２０から出力される遅れ補償した車室温度Ｔ’₃，燃料温度Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ’₃、燃料流量Ｇ’_fと、熱効率補正機能部４０から出力された各負荷に応じた熱効率η’を、前述した式（４）に適用することにより、タービン入口温度を推定する。

このタービン入口温度推定機能部３０で演算する式（４）に用いる熱効率η’は、タービンの停止時間に応じて補正をすることにより、今回の運転時における各ガスタービン負荷に応じた最適な熱効率となっているため、ガスタービン起動後における各負荷において、ガスタービン入口温度の推定を精度よく行うことができる。

本発明は、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせたコンバインドサイクルプラントや、ガスタービン単体のプラントにおいて、ガスタービンの入口温度を、正確かつ迅速に推定する場合に、適用可能である。

本発明の実施例１にかかるガスタービン制御装置を示すブロック図である。 本発明の実施例２にかかるガスタービン制御装置を示すブロック図である。 本発明を実施するための最良の形態を示す説明図である。 燃焼器を示す構成図である。 ガスタービン制御回路を示す回路図である。 タービン入口温度、排ガス温度、ブレードパス温度を示す説明図である。 先に出願したガスタービン制御装置を示すブロック図である。 燃焼器をモデル化したモデル図である。 入力変数を示す説明図である。 従来技術の問題点を示す説明図である。

符号の説明

１０ 燃焼器コントロールボリューム
２０ 遅れ補償機能部
３０ タービン入口温度推定機能部
４０ 熱効率補正機能部
５０ タービン入口温度算出機能部
６０ 熱効率算出機能部
７０ 特性変化マップ機能部

Claims (5)

1. ガスタービンの燃焼器自身を含む燃焼器の周辺部に流入する熱量と、前記燃焼器の周辺部内での発熱量と、前記燃焼器の周辺部から流出する熱量の熱収支と、前記燃焼器の周辺部内での温度変化と、前記燃焼器の熱効率との関係に基づいて、タービンの入口温度を推定するタービン入口温度推定機能部と、
   一旦停止した後に再起動したガスタービンが予め設定した低負荷で運転する低負荷運転時に、タービン出口情報を基に、前記低負荷運転時におけるタービン入口温度を算出するタービン入口温度算出機能部と、
   車室温度Ｔ₃，燃料温度Ｔ_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃，燃料流量Ｇ_fと、前記タービン入口温度算出機能部にて算出したタービン入口温度を用いて、前記低負荷運転時における熱効率η’_Lを求める熱効率算出機能部と、
   前回のガスタービン運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率である熱効率特性を記憶していると共に、前記熱効率算出機能部にて算出した今回のガスタービンの前記低負荷運転時における熱効率η’_Lと、前回のガスタービンの前記低負荷運転時の熱効率η_Lより今回の熱効率特性を求め、今回の熱効率特性から、今回のガスタービンの各負荷に応じた熱効率を出力する熱効率補正機能部とを有し、
   前記タービン入口温度推定機能部は、前記熱効率補正機能部から出力される熱効率を用いてタービン入口温度を推定することを特徴とするガスタービン制御装置。
2. タービンの入口温度をＴ₄、燃焼器の周辺部に流入する空気流量Ｇ₃の計測遅れを補償した値をＧ’₃、燃料流量Ｇ_fの計測遅れを補償した値をＧ’_f、燃料温度Ｔ_fの計測遅れを補償した値をＴ’_f、前記燃焼器の周辺部における空気の流入部の温度Ｔ₃の計測遅れを補償した値をＴ’₃、前記流入部の比熱をｃ_p3、燃料の発熱量をＨ_f、前記燃焼器の熱効率をη、燃焼ガス比熱をｃ_p4、前記燃焼器の周辺部の容積をＶ_cb、燃焼ガス比重をγ₄、燃料比熱をｃ_pf、前記タービンの入口の燃焼ガス流量をＧ₄、時間をｔとしたとき、下記式（１）に基づいて、前記タービンの入口温度Ｔ₄を推定するタービン入口温度推定機能部と、
   一旦停止した後に再起動したガスタービンが予め設定した低負荷で運転する低負荷運転時に、タービン出口情報を基に、前記低負荷運転時におけるタービン入口温度を算出するタービン入口温度算出機能部と、
   車室温度Ｔ₃の計測遅れを補償した値Ｔ’₃，燃料温度Ｔ_fの計測遅れを補償した値Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃の計測遅れを補償した値Ｇ’₃，燃料流量Ｇ_fの計測遅れを補償した値Ｇ’_fと、前記タービン入口温度算出機能部にて算出したタービン入口温度を用いて、前記低負荷運転時における熱効率η’_Lを求める熱効率算出機能部と、
   前回のガスタービン運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率である熱効率特性を記憶していると共に、前記熱効率算出機能部にて算出した今回のガスタービンの前記低負荷運転時における熱効率η’_Lと、前回のガスタービンの前記低負荷運転時の熱効率η_Lより今回の熱効率特性を求め、今回の熱効率特性から、今回のガスタービンの各負荷に応じた熱効率を出力する熱効率補正機能部とを有し、
   前記タービン入口温度推定機能部は、前記熱効率補正機能部から出力される熱効率を用いてタービン入口温度を推定することを特徴とするガスタービン制御装置。
   

   
3. 請求項１又は請求項２において、前記タービン入口温度算出機能部で用いる前記タービン出口情報は、排ガス温度、またはブレードパス温度、または発電機出力／車室圧力であることを特徴とするガスタービン制御装置。
   
4. ガスタービンの燃焼器自身を含む燃焼器の周辺部に流入する熱量と、前記燃焼器の周辺部内での発熱量と、前記燃焼器の周辺部から流出する熱量の熱収支と、前記燃焼器の周辺部内での温度変化と、前記燃焼器の熱効率との関係に基づいて、タービンの入口温度を推定するタービン入口温度推定機能部と、
   燃焼器流入諸量ごとに、ガスタービンの停止時間に応じて燃焼器流入諸量と補正量との関係を示す補正マップを有しており、ガスタービンの停止時間が入力されると、停止時間に応じた補正量を出力する特性変化マップ機能部と、
   前回のガスタービン運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率である熱効率特性を記憶していると共に、前記特性変化マップ機能部から出力された補正量により前回のガスタービン運転時の熱効率特性を補正して今回の熱効率特性を求め、今回の熱効率特性から、今回のガスタービンの各負荷に応じた熱効率を出力する熱効率補正機能部とを有し、
   前記タービン入口温度推定機能部は、前記熱効率補正機能部から出力される熱効率を用いてタービン入口温度を推定することを特徴とするガスタービン制御装置。
5. タービンの入口温度をＴ₄、燃焼器の周辺部に流入する空気流量Ｇ₃の計測遅れを補償した値をＧ’₃、燃料流量Ｇ_fの計測遅れを補償した値をＧ’_f、燃料温度Ｔ_fの計測遅れを補償した値をＴ’_f、前記燃焼器の周辺部における空気の流入部の温度Ｔ₃の計測遅れを補償した値をＴ’₃、前記流入部の比熱をｃ_p3、燃料の発熱量をＨ_f、前記燃焼器の熱効率をη、燃焼ガス比熱をｃ_p4、前記燃焼器の周辺部の容積をＶ_cb、燃焼ガス比重をγ₄、燃料比熱をｃ_pf、前記タービンの入口の燃焼ガス流量をＧ₄、時間をｔとしたとき、下記式（１）に基づいて、前記タービンの入口温度Ｔ₄を推定するタービン入口温度推定機能部と、
   燃焼器流入諸量である、車室温度Ｔ₃の計測遅れを補償した値Ｔ’₃，燃料温度Ｔ_fの計測遅れを補償した値Ｔ’_f、燃焼器流入空気流量Ｇ₃の計測遅れを補償した値Ｇ’₃，燃料流量Ｇ_fの計測遅れを補償した値Ｇ’_f、ごとに、ガスタービンの停止時間に応じて燃焼器流入量と補正量との関係を示す補正マップを有しており、ガスタービンの停止時間が入力されると、停止時間に応じた補正量を出力する特性変化マップ機能部と、
   前回のガスタービン運転時における各ガスタービン負荷に応じた熱効率である熱効率特性を記憶していると共に、前記特性変化マップ機能部から出力された補正量により前回のガスタービン運転時の熱効率特性を補正して今回の熱効率特性を求め、今回の熱効率特性から、今回のガスタービンの各負荷に応じた熱効率を出力する熱効率補正機能部とを有し、
   前記タービン入口温度推定機能部は、前記熱効率補正機能部から出力される熱効率を用いてタービン入口温度を推定することを特徴とするガスタービン制御装置。
   

   

   
   

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