JP2005307861A - 高湿分ガスタービン発電プラント，制御装置，プログラム及び記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】
湿分の安定した加湿空気をガスタービンに供給してプラントを安定して運転することにある。
【解決手段】
本発明の高湿分ガスタービンプラントは、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、装置内に封入した充填材に水を噴霧し、前記充填材表面上での気液接触により前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する増湿塔とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントであって、
前記圧縮機で圧縮された空気の一部を直接前記増湿塔出口へと導くバイパス配管と、前記バイパス配管にスプレ噴霧による加湿手段を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンに供給する気体を加湿し、出力及び効率向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントと当該発電プラントの制御方法に関する。

ガスタービンに供給する気体（空気）に水分を注入して加湿し、出力及び効率の向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントには、既設ガスタービン発電プラントの設備更新、あるいはコジェネ向け発電プラントとしての新規導入のニーズを受けて、従来ガスタービン発電プラントに匹敵する負荷追従性が求められている。一般的な高湿分ガスタービン発電プラントの設備系統を図６に従って説明する。

ガスタービン燃焼に使用する空気は、圧縮機２で加圧された後、加湿・昇温されたのち燃焼器３に投入する。加湿された空気をここでは加湿空気と呼ぶ。空気の加湿方法としては、濡壁塔或いは増湿塔８による加湿と、配管９へのスプレ噴霧による直接加湿の方法が知られている。

増湿塔８あるいは配管９へのスプレ噴霧により増湿した加湿空気は配管９を経て低温側再生熱交換器１１及び高温側再生熱交換器１２に導かれ、加熱される。低温側再生熱交換器１１及び高温側再生熱交換器１２の熱源はガスタービンからの排気ガスである。加熱された加湿空気は配管１３を経て燃焼器３に供給する。

一方、燃料ポンプ５で加圧した燃料は、先に得られた加湿空気と混合して燃焼器３で燃焼する。燃料及び加湿空気の燃焼により発生する燃焼ガスは、ガスタービン１を駆動した後煙道１４を経てタービン外へ排気する。タービン外に排気された燃焼ガス(燃焼排ガス)の熱エネルギーの一部は高温側再生熱交換器１２及び低温側再生熱交換器１１で回収し、加湿空気の加熱に用いられる。また、燃焼排ガス中の水分は水回収装置１５で回収する。本図では、水回収の方式として煙道に水を噴霧し、ガス中の水分を凝集，落下させて回収する方式となっている。水分回収後の燃焼排ガスは煙突１６を用いて大気に放風する。

ガスタービン１で得られた駆動力はシャフト２０を通じて圧縮機２及び発電機４に伝えられる。駆動力の一部は圧縮機２において空気の加圧に用いられる。また、発電機４で駆動力を電力に変換する。

なお、水回収装置１５及び増湿塔８の底部から回収した水は、水回収タンク１８に貯蔵し、水回収装置１５への噴霧水あるいは増湿塔８への加湿水として再利用する。煙突１６から大気へ放風された水分は、補給水ポンプ１７によって補われる。

高湿分ガスタービン発電プラントの出力である発電量ＭＷは、燃料流量調整弁６の開閉により制御する。一方、空気への加湿量は増湿塔８への加湿水量、あるいは配管９へのスプレ加湿量を調整弁１０あるいは調整弁２４で制御する。

加湿水の絶対湿度は燃料流量，空気流量が過渡的に変化する負荷変化時において大幅に変動し、発電量ＭＷあるいはタービン排気温度Ｔｘの変動要因となる。そのため、プラントの負荷追従性及び機器への熱ストレスの影響を考慮すると、空気中の絶対湿度の変動は最小限に抑えることが望ましい。特に絶対湿度の過渡的な低下は、負荷上げ時においては発電量ＭＷ及びタービン排気温度Ｔｘの過渡的な上昇の原因となることから、負荷変化中の絶対湿度の低下を抑制してプラントを安定に運転する必要がある。

負荷変化時に加湿空気の湿度を安定に制御する方式として、特許文献１に高湿分ガスタービンを負荷運転する際のスプレ加湿量及びバイパス配管の制御方式が述べられている。本制御方式は、負荷変化時における増湿塔の絶対湿度の遅れに着目し、プラント負荷上昇時にはスプレへの加湿量を増量し、プラント負荷を降下する場合には増湿塔をバイパスする配管への空気流量を制御してプラント負荷変化を開始する方式を提案している。
上記特許文献１に記載された高湿分ガスタービン発電プラントあるいはプラント制御装置は、負荷上昇時の加湿空気の応答遅れを増湿塔出口に設置したスプレによって補償しているが、スプレによって噴霧される液滴が確実に蒸発するという条件さえ満たすならば、上記文献に見られるように必ずしも増湿塔出口にスプレを設置するものではない。さらに、負荷変化時における増湿塔の絶対湿度の遅れを補償する場合、負荷変化時にスプレから噴霧される加湿量は増湿塔における蒸発量に比較すると少量であり、高湿分ガスタービン発電プラントにおいて上記文献に記載のプラント構成が最適であるとは限らない。

さらに、上記特許文献１に記載された高湿分ガスタービン発電プラントあるいはプラント制御装置は、負荷降下時における加湿空気中の絶対湿度の一時的な上昇を、増湿塔をバイパスする流量弁を開方向とすることにより補償しているが、大規模発電プラントにおいて主配管に流量調整弁を設置することは装置の制約上困難である。主配管の流量を制御する方法としては、ダンパの設置などが代案として考えられるが、ダンパによる流量制御は一般に応答が遅いことから、負荷降下時に発生する加湿空気の絶対湿度の変動を精度よく制御するのは難しい。

特開２０００−２３０４３２

本発明が解決しようとする課題は、湿分の安定した加湿空気をガスタービンに供給してプラントを安定して運転することにある。

本発明の高湿分ガスタービンプラントは、高湿分ガスタービン発電プラント圧縮機で圧縮された空気の一部を直接増湿塔出口へと導くバイパス配管と、前記バイパス配管にスプレ噴霧による加湿手段を備えたことを特徴とする。

また、高湿分ガスタービンプラントの制御装置は、スプレ噴霧による加湿手段のスプレ加湿水量の基準値を、燃料流量弁開度指令と加湿手段のスプレ加湿水量の基準値の関係を予め定めたスプレ水量基準値設定関数に基づいて、燃料流量弁開度指令から求める機能を有する制御装置としたことを特徴とする。

また、高湿分ガスタービンプラントの制御装置は、増湿塔の出口の加湿水量について、前記増湿塔で加湿された空気とスプレ噴霧による加湿手段で加湿された空気の合流地点までの遅れを補正して加湿水量の推定値を求め、前記加湿水量の推定値とスプレ加湿水量の基準値からスプレ加湿水量の目標値を求め、前記スプレ加湿水量の目標値に基づいて、スプレ加湿水量と増湿塔への水供給量をそれぞれ計算する機能を有することを特徴とする。

また、高湿分ガスタービンプラントの増湿塔は、増湿塔出口にスプレ噴霧による加湿手段を備え、空気流れ方向に沿ってスプレ水を噴霧することを特徴とする。

本発明によれば、過渡状態における湿分の不足量を、圧縮機出口に設置したバイパス配管から導かれる圧縮空気に噴霧し、バイパス配管内で完全蒸発したのちに増湿塔からの加湿空気と混合するので、湿分の安定した加湿空気をガスタービンに供給してプラントを安定して運転することが可能となる。

さらに、本発明によれば、一定運転及び負荷変化運転時における加湿空気の湿分添加を主として増湿塔が担当し、過渡状態における湿分の不足量をスプレが担当するので、燃焼器における燃焼条件が安定し、再生熱交換器の熱負荷を最小としてプラントを安全に運転することが可能となる。

さらに、本発明によれば、増湿塔とスプレの両方の加湿水量を合わせて考慮したスプレ加湿水量の目標値に基づいてスプレ加湿水量と増湿塔への水供給量をそれぞれ計算するので、圧縮機と燃焼器の間で増湿塔とスプレを並列に配置しても、加湿空気が合流することを加味して加湿水量の制御を行うことができる。

さらに、本発明の増湿塔は、増湿塔内に設置したスプレノズルからスプレ水を噴霧することにより、負荷運転などの過渡状態における増湿塔の加湿性能の低下を防止するので、フラッディングなどの異常発生時においても常に加湿空気の品質を維持することが可能な増湿塔が提供できる。

本発明の高湿分ガスタービンプラントの制御装置は、増湿塔出口における加湿空気の絶対湿度を推定し、定常運転時及び負荷運転時の低温再生熱交換器入口の加湿空気の絶対湿度が目標値に一致するようスプレ加湿量を一定制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明による制御装置を高湿分ガスタービン発電プラントへ適用した場合の第１の実施例を図１に示す。

図１の高湿分ガスタービン発電プラントは、増湿塔８の入口にダンパ２６を設置し、ダンパ２６から増湿塔８をバイパスする増湿塔バイパス配管２７を追加設置する。また、増湿塔バイパス配管２７に加湿水を投入して空気を加湿する。増湿塔８への加湿水流量は調整弁１０で、また配管１３への加湿水流量は調整弁１９で制御する。調整弁１０の開度指令Ｃwat及び調整弁１９の開度指令Ｃsprはそれぞれ制御装置３０で計算する。このとき、調整弁１９の開度指令は増湿塔出口の温度Ｔto，圧力Ｐto及び増湿塔入口の空気流量Ｇtiから決定する。増湿塔８及び配管１３に供給する加湿水は水回収タンク１８に貯留した水を用い、給水ポンプ２１で昇圧した後それぞれの配管に供給する。増湿塔８の底部に貯留したドレンは、配管２２からポンプ２３を用いて抜き出し、水回収タンク１８に還流する。

バイパス配管にスプレを投入するメリットとしては、加湿空気中の湿分の安定性が高い点が挙げられる。増湿塔からの加湿空気にスプレ噴霧を行う従来の高湿分ガスタービンプラントの増湿方法では、スプレから噴霧した液滴が増湿塔出口からの液滴と接触した場合により大きな液滴へと成長する場合がある。このとき、液滴は配管内で凝縮してドレンを生じるため、全体としての増湿性能が低下する場合がある。本発明ではスプレでの加湿を増湿塔による加湿と別配管とすることにより、過渡的な湿分変動を最小限に抑えてより安定した加湿が可能となる。つまり、圧縮機２と燃焼器３の間で、増湿塔８と調整弁１９によるスプレを並列に配置することで、加湿されていない状態の圧縮された空気に対して、増湿塔８と調整弁１９によりそれぞれ加湿することができるものである。

前記プラントで負荷を上昇する場合、制御装置３０は発電量指令ＭＷＤの上昇に対して発電出力ＭＷが追従するよう燃料流量調整弁６の開度信号Ｃgovを増加する。Ｃgov増加により燃焼器３への燃料流量が増加し、ガスタービン１の出力が上昇する。ガスタービン１の出力はシャフト２０を通じて発電機４を駆動し、発電量ＭＷが上昇する。さらに圧縮機２の負荷が上昇するため、圧縮機２の出口空気流量，増湿塔８の入口空気流量Ｇti，増湿塔８の出口空気流量，低温側再生熱交換器１１の入口及び出口加湿空気流量，高温側再生熱交換器１２の入口及び出口空気流量が増加してプラント全体の負荷が上昇する。

なお、本発明においてダンパ２６の開度信号Ｃdmp は負荷に応じてプログラム的に変化し、フィードバック制御を実施しない。これは、ＣdmpとＣsprとの間の干渉を防止するためのものである。Ｃdmp の変化によっても加湿空気中の絶対湿度は変動するが、本発明では加湿空気中の絶対湿度をＣspr が制御する。このとき、圧力計測点Ｐto及び温度計測点Ｔtoは増湿塔８の下流、増湿塔バイパス配管２７との合流部よりも上流に設置し、スプレ噴霧による温度・圧力の変動をＣsprが検出しない構成とする。

なお、従来ガスタービンプラントでは圧縮機出口が燃焼器入口に直結する構成となることから、燃料流量の増加と圧縮機出口空気流量の増加のタイミングはほぼ同時である。そのため、燃料と空気の混合比（燃空比）は負荷運転中もほぼ安定である。

これに対して、従来の高湿分ガスタービンプラントでは、圧縮機出口に増湿塔，再生熱交換器などが体積要素を有することから、燃料流量の増加に対して加湿空気流量の増加タイミングは遅れる傾向にある。また、増湿塔内における加湿水の蒸発遅れによって、加湿空気中の水分についてはさらに遅れる傾向にある。

加湿空気流量の遅れ、あるいは加湿空気中の水分の遅れは、タービン排気温度Ｔｘとして観測が可能である。燃空比が増大した場合、あるいは加湿空気中の水分が低下した場合には、タービン排気温度Ｔｘは計画値に対して上昇の傾向を示す。

そこで、本発明の高湿分ガスタービン制御装置３０は、負荷上昇中の加湿空気中の水分の低下に対し増湿塔バイパス配管２７へのスプレ噴霧を用いてこれを補償する。

本実施例による高湿分ガスタービンプラント運転制御結果を図４を用いて説明する。図４は、高湿分ガスタービンプラントの負荷を上昇させた場合の各プロセス量のトレンドグラフである。図において破線（Ａ）は従来のプラント特性、実線（Ｂ）は本発明を適用した場合のプラント特性を示す。

図では、中給からの発電量指令ＭＷＤを５０％から１００％へと増加している。制御装置は発電量ＭＷがＭＷＤに追従するよう燃料流量Ｇfuelを増加する。

負荷上昇時に増湿塔入口空気流量Ｇtiが増加すると、増湿塔出口における乾き空気の成分量が増湿塔からの加湿水蒸発量に先行して過渡的に増加する。増湿塔内部での加湿水蒸発が負荷に対して遅れた結果、再生熱交換器入口における加湿空気の絶対湿度ｘｔｏは一時的に低下する。図中ｘｔｏ(Ａ)が従来高湿分ガスタービンプラントにおける増湿塔出口絶対湿度、ｘｔｏ(Ｂ)が本発明による高湿分ガスタービンプラントの増湿塔出口絶対湿度である。従来プラントの制御装置では配管１３への加湿水量Ｇspr(Ａ) を制御するが、負荷変化開始時における湿分の蒸発量の遅れを補償することはできない。そのため、負荷変化後一定時間後には加湿空気中の絶対湿度が回復するが、前述の温度，圧力等の要因、また空気量の過渡的な変動により加湿水の蒸発量の増加は空気流量の増加に対して遅れることから、加湿空気の絶対湿度ｘｔｏ(Ａ)は過渡的に低下し、発電量指令ＭＷＤに対して発電出力ＭＷが遅れる特性となる。

これに対して本発明の高湿分ガスタービンプラントでは、増湿塔８への加湿水量Ｇwatおよび配管１３への加湿水量Ｇspr0をベースとして、前記加湿水量Ｇspr0を修正するよう増湿塔バイパス配管２７への加湿水量Ｇspr(Ｂ) を一時的に増減することにより、加湿空気の絶対湿度ｘｔｏ(Ｂ)の過渡的な低下を抑える。

発電量指令ＭＷＤ及び燃料流量Ｇfuel(Ａ)に伴う加湿空気絶対湿度の一時的な低下は、タービン排気温度Ｔｘ及び発電量ＭＷの過渡的な温度変動（位相の遅れ）として観測される。増湿塔出口加湿空気絶対湿度の過渡的な低下を受け、従来高湿分ガスタービンプラントでは燃焼温度が過渡的に上昇する。図中では、燃焼温度の上昇をタービン排気温度
Ｔｘ(Ａ)の過渡的な上昇として観測している。また、タービン排気温度Ｔｘ(Ａ)の上昇に対して制御装置は、燃料流量Ｇfuel(Ａ)を低く抑えることから、増湿塔入口空気流量
Ｇti(Ａ)，発電量ＭＷ(Ａ)を含むプラント全体の位相が遅れている。

これに対して本発明を適用した高湿分ガスタービンプラントでは、増湿塔バイパス配管２７へのスプレ噴霧量をＧspr(Ｂ) の通り制御して、加湿空気絶対湿度の過渡的な低下を抑制する。その結果負荷変化時の燃空比（燃料流量，加湿空気中の空気量，水分量）が安定し、負荷上昇時の発電量ＭＷ(Ｂ)，タービン排気温度Ｔｘ(Ｂ)を安定に制御可能となる。

負荷降下時は、負荷上昇時の逆の特性が見られ、再生熱交換器入口の絶対湿度ｘｔｏが増加し、加湿空気は一時的に過飽和状態となる。ただし、増湿塔８の内部の充填物と過飽和の加湿空気の接触により加湿空気中の水分の一部が回収されることから絶対湿度ｘｔｏの変動幅は低下幅よりも小さいと予想される。従来の高湿分ガスタービンプラントでは、蒸発量の遅れにともなう再生熱交換器入口の絶対湿度の上昇を補償することができないため、タービン排気温度が位相遅れを伴って低下する、これに対して本発明による制御装置では、再生熱交換器入口絶対湿度ｘｔｏの過渡的な増加に対してスプレ加湿水流量
Ｇspr(Ｂ)を減量して絶対湿度を安定に制御する。

本発明を適用した高湿分ガスタービンプラントでは、定常状態においてもスプレから加湿水を一定量噴霧しており、負荷降下時にスプレ加湿水流量Ｇspr を減量して再生熱交換器入口絶対湿度ｘｔｏの過渡的な低下に対応する。定常時における加湿水のスプレ水量基準値Ｇspr0は燃焼器入口における加湿空気の絶対湿度，加湿水を完全に蒸発させるために必要となる配管径，配管長から求められる。定常時の加湿水の噴霧量が負荷降下時におけるプラントの制御マージンとなる。

次に、高湿分ガスタービンプラント制御装置３０の実施例を図２に示す。

図２において、制御装置３０は従来ガスタービン制御回路４０を含む。従来ガスタービン制御回路４０は、減算器４１において発電量指令ＭＷＤと発電量ＭＷとの差ＤＭＷを求め、ＤＭＷが０になるよう制御器４２において燃料流量調整弁開度指令Ｃgov1を計算する。また排ガス温度設定関数４４では圧縮機出口圧力Ｐcdからタービン排気温度制限値TxDを計算し、減算器４５において前記ＴｘＤとタービン排気温度Ｔｘとの差ＤＴｘを求める。さらに、前記ＤＴｘが０となるよう制御器４６において燃料流量調整弁開度指令Ｃgov2を計算する。低値選択４３では前記Ｃgov1と前記Ｃgov2を比較し、２種類の信号のうち低い値を燃料流量調整弁開度指令Ｃgovとして燃料流量調整弁６を制御する。

次に、本発明の加湿水流量の計算方法について説明する。加湿水量はプラントの負荷に対応するため、加湿水量設定関数３２では燃料流量弁開度指令Ｃgov から増湿塔に噴霧する加湿水量の計画値ＧwatDを計算する。なお、加湿水量設定関数３２の入力は、燃料流量の計測値Ｇfuelとしても良い。算術演算器３３では現在の加湿水量Ｇwat ，計画値ＧwatD，加湿水量バイアスＧwatBから、加湿水量偏差ＤＧwatを計算する。また、前記ＤＧwatが０となるよう制御器３４で加湿水流量弁開度指令Ｃwatを計算する。

加湿水量バイアスＧwatBは、経年変化などによって増湿塔内の蒸発量が変化した際に、その変化量を補正値として加算するものである。ＧwatBについては後述する。

スプレ水量設定手段３１では、増湿塔入口空気流量Ｇti，増湿塔出口加湿空気圧力Ｐto，増湿塔加湿空気出口温度Ｔtoを計測し、増湿塔出口加湿空気の湿度を目標絶対湿度
φsprDとするために必要な配管１３におけるスプレ加湿水量の推定値ＧsprDを計算する。スプレ水量設定手段３１の構成については後述する。

スプレ水量基準値設定関数３８により、燃料流量弁開度指令Ｃgov からスプレ加湿水量の基準値Ｇspr0を求める。このスプレ水量基準値設定関数３８は、タービン排気温度Ｔｘを観察しながら、増湿塔の調整弁１０の開度指令Ｃwat 及びスプレの調整弁１９の開度指令Ｃsprを調整し、最適な加湿水量となる値を実験により求めて、燃料流量弁開度指令
Ｃgovとスプレ加湿水量の基準値Ｇspr0 の対応関係を、予め定めた設計情報として記憶したものである。この予め求めた対応関係から、燃料流量弁開度指令Ｃgov に対応するスプレ加湿水量の基準値Ｇspr0を求めることができる。また、算術演算器３５では、前記
Ｇspr0と前記ＧsprDからスプレ加湿水量の目標流量を計算し、さらに現在のスプレの加湿水量Ｇsprを減じてスプレ加湿水量の偏差ＤＧsprを求める。さらに、前記ＤＧspr が０となるよう制御器３７において加湿水流量弁開度指令Csprを計算する。

さらに、本発明では、ＤＧspr が０となるよう制御器３６を用いて加湿水量バイアス
ＧwatB を計算する。制御器３６は一定運転時におけるスプレからの加湿水量が０となるよう調整するもので、経年変化などによる増湿塔性能の劣化を補償する機能をもつ。制御器３６の感度は制御器３７と比較して感度を低く設定し、ＣwatとＣsprの干渉を回避している。

スプレ水量設定手段３１の実施例を図３に示す。

増湿塔出口における加湿空気を一定湿度に制御するためには、増湿塔出口に湿度計を設置する方法が最も簡便であるが、配管内の湿分の計測遅れ及び配管内の質分分布を考慮するとより安定かつ高精度な計測手段が必要となる。そこで、スプレ水量設定手段３１では、湿度計を用いず増湿塔出口湿度を制御する構成とすることもできる。

加湿空気エンタルピ計算手段３１１では、増湿塔出口加湿空気圧力Ｐto，増湿塔出口加湿空気温度Ｔto 及び絶対湿度目標値ｘsprDを入力し、加湿空気エンタルピ目標値ＨtoDを計算する。加湿空気のエンタルピは乾燥空気エンタルピと蒸気エンタルピの密度による加重平均で次式で表される。

ここで、ａｉｒ，ｓｔｍはそれぞれ乾燥空気と蒸気を表す添字である。乾燥空気エンタルピＨ_air，乾燥空気密度ρ_airは増湿塔出口加湿空気圧力Ｐtoの空気分圧及び加湿空気温度Ｔtoから数表を用いて求められる、蒸気エンタルピＨ_stm，蒸気密度ρ_stmは増湿塔出口加湿空気圧力Ｐtoの蒸気分圧及び加湿空気温度Ｔtoから蒸気表を用いて求められる。これらの計算方法は化学工学便覧（丸善），蒸気表（日本機械学会編）などに詳しいためここでは省略する。

加湿空気エンタルピ計算手段３１２では、増湿塔出口加湿空気圧力Ｐto，増湿塔出口加湿空気温度Ｔto及び絶対湿度推定値ｘ′を入力し、加湿空気エンタルピ推定値Ｈto′を計算する。エンタルピの計算方法は加湿空気エンタルピ計算手段３１１と同様とする。減算器３１３では、加湿空気エンタルピ目標値ＨtoD と加湿空気エンタルピ推定値Ｈto′とから加湿空気エンタルピ誤差ＤＨtoを計算する。

絶対湿度推定値ｘ′は積分器３１４において加湿空気エンタルピ誤差ＤＨtoが０となるよう絶対湿度推定値ｘ′の前回値を逐次修正したものである。加湿空気中の水分が蒸気である場合、加湿空気エンタルピに対して絶対湿度ｘは一意に求まる。そのため、加湿空気エンタルピ誤差ＤＨtoが０に近似した場合の絶対湿度推定値ｘ′は絶対湿度の真値ｘに一致する。絶対湿度推定値ｘ′に増湿塔入口空気流量Ｇtiを乗じた値が増湿塔出口における加湿水量の推定値ＧsprD′である。本実施例では、加湿水量の推定値ＧsprD′について増湿塔８の出口からスプレまでの湿分の無駄時間又は遅れを遅れ要素３１６で補正し、増湿塔８で加湿された空気とスプレで加湿された空気の合流地点における加湿水量のＧsprDを推定した。図１で説明すると、配管９と増湿塔バイパス配管２７の合流地点まで、増湿塔８の出口における加湿水量の推定値を遅れ要素３１６で補正したものである。この湿分の無駄時間又は遅れを考慮することは、増湿塔出口から合流地点までの配管が長い場合に特に効果がある。

上記実施例では、増湿塔出口の加湿水量の推定値ＧsprD′を用いたが、増湿塔出口に湿度計を設置した場合は、増湿塔出口の絶対湿度と増湿塔入口空気流量Ｇtiから増湿塔出口における加湿流量を乗じることで、増湿塔出口における加湿水量ＧsprD′を計算することもできる。

なお、本実施例では増湿塔出口における絶対湿度目標値を一定としたが、プラント負荷一定運転時においても補助スプレからの加湿水流量を常時噴霧する構成として、増湿塔出口における絶対湿度目標値を任意に制御してもよい。

上記実施例の様に、増湿塔とスプレの両方の加湿水量を合わせて考慮したスプレ加湿水量の目標値に基づいてスプレ加湿水量と増湿塔への水供給量をそれぞれ計算するので、圧縮機と燃焼器の間で増湿塔とスプレを並列に配置しても、加湿空気が合流することを加味して加湿水量の制御を行うことができ、湿分の安定した加湿空気をガスタービンに供給できる。

本発明の第２の実施例を図５に示す。本実施例では、増湿塔８上部に配管８５を設置し、スプレノズル８７によって加湿空気に補助的に湿分を増湿する構成とした。

増湿塔の加湿噴霧性能が低下する原因としては、先に述べた空気増量時における絶対湿度の過渡的な低下のほか、増湿塔内におけるフラッディング現象による過渡的，定常的な性能低下が考えられる。本実施例では、増湿塔上部に、空気の流れ方向に沿って加湿水を噴霧するスプレを設置し、このスプレを用いて過渡的，定常的な性能の低下を補償する。

図５において、圧縮機出口からの空気８８は、配管７に設けた開口部８０から増湿塔８の内部に流入する。前記開口部８０から増湿塔８内部へと流入した空気は、充填材８３の内部を通過した後、配管１３を経て加湿空気９２として下流側の機器へと流出する。

このとき、増湿塔内の空気には加湿水９０及び加湿水９１によって湿分が添加される。加湿水９１は配管８４を経てスプレノズル８６から充填材８３に向けて噴霧される。加湿水９１は充填材８３の表面に水膜を形成しつつ重力方向に流下する一方、水膜界面において一部が空気中に蒸発する。充填材８３は加湿水と空気との接触面積を増大し、界面における加湿水の蒸発を促進する効果がある。

本実施例では、塔の上部にスプレノズル８７を設け、増湿塔における絶対湿度の変動をスプレノズル８７からの加湿水噴霧で補償することにより、低温側再生熱交換器入口における加湿空気の絶対湿度を安定に制御する。スプレノズル８７のスプレ水流量及びスプレノズル８６からの噴霧水流量は、実施例１と同様に制御装置３０を用いて制御可能である。先に述べたスプレ水量設定手段３１では加湿空気の絶対湿度の推定に増湿塔出口の圧力Ｐto及び温度Ｔtoを用いたが、本実施例ではスプレ噴霧により増湿塔出口の温度が変動することから、スプレ噴霧の影響がより小さいと考えられる低温側再生熱交換器１１入口、あるいは低温側再生熱交換器１１出口の圧力及び温度を計測してスプレ水量設定手段３１の入力とする。

本実施例では、スプレノズル８７及びスプレノズル８６を接して設置し、スプレノズル８７を上に、スプレノズル８６を下に向ける構成としている。これは、スプレノズル８７から噴霧された液滴を増湿塔上部の空間を利用して拡散・蒸発させるためである。また、同時にスプレノズルを近接して設置することにより、水配管，操作端などを集約して配置し、系統を簡素化する効果もある。この様に、増湿塔出口側にスプレ噴霧による加湿手段を備え、気体の流れ方向に水を噴霧することにより、増湿塔出口側の空間を利用して噴霧された液滴を拡散・蒸発させることができる。

これに対して、スプレノズル８７及び配管８５を充填材８３の下部に設置する構成も考えられるが、この方法は充填材内部の圧力損失，増湿塔内の水流量が増大するためフラッディング現象の原因となる可能性がある。スプレノズル８７を充填材８３の下部に設置する場合には、スプレ水流量及び圧力損失を監視し、これらの計測値がフラッディング条件に入らないよう加湿水量に上限を設定する。フラッディング条件を回避するための加湿水量の上限に関しては、(社)化学工学会編 実用化学装置設計ガイド(１９９１)pp２１０−２１２に詳しい。本図書では、加湿水量及び加湿空気量からフラッディング条件を回避するための塔仕様（塔径，塔高）を求めているが、塔仕様が既に決定されている場合には、本図書に記載の式から加湿水量を逆算することによって加湿水量の上限値を決定する。

スプレノズル８７を塔の上部に設置する構成ではフラッディングが発生しないほか、増湿塔出口における加湿空気の絶対湿度を飽和，過飽和を含む任意の条件としてプラントが運用可能である。

上記実施の形態で説明した制御装置は、コンピュータ及びプログラムによって実現することができる。そのプログラムをコンピュータによる読み取り可能な記憶媒体に記憶して提供することが可能である。また、そのプログラムを、ネットワークを通じて提供することも可能である。

本発明の第１の実施例における高湿分ガスタービンプラント。 本発明の第１の実施例における高湿分ガスタービンプラント制御装置の制御ブロック図。 本発明の第１の実施例における高湿分ガスタービンプラント制御装置の制御ブロック図。 本発明の第１の実施例における高湿分ガスタービンプラントの運転特性。 本発明の第２の実施例における増湿塔の構造図。 従来技術の高湿分ガスタービンプラントを説明する図。

符号の説明

１…ガスタービン、２…圧縮機、３…燃焼器、４…発電機、５…燃料ポンプ、６…燃料流量調整弁、７，９，１３，２２，８４，８５…配管、８…増湿塔、１０，１９，２４…調整弁、１１…低温側再生熱交換器、１２…高温側再生熱交換器、１４…煙道、１５…水回収装置、１６…煙突、１７…補給水ポンプ、１８…水回収タンク、２０…シャフト、
２１…給水ポンプ、２３…ポンプ、２６…ダンパ、２７…増湿塔バイパス配管、３０…制御装置、３１…スプレ水量設定手段、３２…加湿水量設定関数、３３，３５…算術演算器、３４，３６，３７，４２，４６…制御器、３８…スプレ水量基準値設定関数、４０…ガスタービン制御回路、４１，４５，３１３…減算器、４３…低値選択、４４…排ガス温度設定関数、８０…開口部、８１…加湿水ドレン、８２…塔脚、８３…充填材、８６，８７…スプレノズル、８８…空気、８９…ドレン水、９０，９１…加湿水、９２…加湿空気、３１１，３１２…加湿空気エンタルピ計算手段、３１４…積分器、３１６…遅れ要素。

Claims (7)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、装置内に封入した充填材に水を噴霧し、前記充填材表面上での気液接触により前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する増湿塔とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントであって、
   前記圧縮機で圧縮された空気の一部を直接前記増湿塔出口へと導くバイパス配管と、前記バイパス配管にスプレ噴霧による加湿手段を備えたことを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
2. 請求項１に記載の高湿分ガスタービン発電プラントであって、
   前記スプレ噴霧による加湿手段のスプレ加湿水量の基準値を、燃料流量弁開度指令と加湿手段のスプレ加湿水量の基準値の関係を予め定めたスプレ水量基準値設定関数に基づいて、燃料流量弁開度指令から求める機能を有する制御装置を有することを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
3. 請求項２に記載の高湿分ガスタービン発電プラントであって、
   前記制御装置は、前記増湿塔の出口の加湿水量について、前記増湿塔で加湿された空気と前記スプレ噴霧による加湿手段で加湿された空気の合流地点までの遅れを補正して加湿水量の推定値を求め、前記加湿水量の推定値と前記スプレ加湿水量の基準値からスプレ加湿水量の目標値を求め、前記スプレ加湿水量の目標値に基づいて、スプレ加湿水量と増湿塔への水供給量をそれぞれ計算する機能を有することを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
4. 請求項１に記載の高湿分ガスタービン発電プラントであって、
   前記増湿塔は、増湿塔出口側にスプレ噴霧による加湿手段を備え、気体の流れ方向に水を噴霧することを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
5. 高湿分ガスタービン発電プラントを制御する制御装置において、
   圧縮機で圧縮された空気の一部を直接増湿塔出口へと導くバイパス配管に備えられたスプレ噴霧による加湿手段のスプレ加湿水量の基準値を、燃料流量弁開度指令と加湿手段のスプレ加湿水量の基準値の関係を予め定めたスプレ水量基準値設定関数に基づいて、燃料流量弁開度指令から求めるスプレ水量基準値設定関数を備えた制御装置。
6. コンピュータに、圧縮機で圧縮された空気の一部を直接増湿塔出口へと導くバイパス配管に備えられたスプレ噴霧による加湿手段のスプレ加湿水量の基準値を、燃料流量弁開度指令と加湿手段のスプレ加湿水量の基準値の関係を予め定めたスプレ水量基準値設定関数に基づいて、燃料流量弁開度指令から求めさせるためのプログラム。
7. コンピュータに、圧縮機で圧縮された空気の一部を直接増湿塔出口へと導くバイパス配管に備えられたスプレ噴霧による加湿手段のスプレ加湿水量の基準値を、燃料流量弁開度指令と加湿手段のスプレ加湿水量の基準値の関係を予め定めたスプレ水量基準値設定関数に基づいて、燃料流量弁開度指令から求めさせるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
   

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