JP2007002768A - 高湿分ガスタービンシステム、その制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明が解決しようとする課題は、白煙防止時における発電側通常運転への影響を抑制して白煙防止が可能な高湿分ガスタービンシステムを提供することにある。
【解決手段】
上記課題を解決するため、本発明の高湿分ガスタービンシステムは、給水加熱器の出口の水を取水する出口側の取水装置と、出口側の取水装置で取水した水で排気ガスを加熱する排気ガス再加熱器とを有する。燃焼器，再生熱交換器等の発電側主要機器のガス下流側にある給水加熱器の出口の水で排気ガスを再加熱するものである。
【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の白煙防止方法及び運転制御方法に関する。

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（以下高湿分ガスタービンシステム）は、従来ガスタービン発電プラントに比して高効率であること、またガスエンジン，ディーゼルエンジンなどに比して窒素酸化物などの排出量を低く運転可能であることから、工場向け小規模発電、あるいは熱電併給（コジェネ）用途としての利用が期待されている。プラント運転効率の向上はエネルギー消費量の削減に寄与する。また、結果的には運用利益という面で重要である。また、これらプラントは従来の火力発電プラントと異なって商業地域や住民の生活地域に近接した場所に設置する場合が多いため、環境・景観への配慮も重要な課題の一つである。

上で述べたプラントの運用上の課題の一つに、煙突からの排気が白く観測される現象
（白煙の発生）がある。

白煙の発生は従来のガスタービンシステムでも見られるが、排気ガス中に水分を多く含む高湿分ガスタービンシステムでは白煙が生じやすい。白煙の主成分は水分であり有害な物質は含まれないが、本システムを商業地域や住民の生活地域に近接した場所に設置する場合には、地域の景観に配慮し、なるべく白煙を抑えて運転することが望ましい。

特許文献１には、排ガスを加熱する技術として、増湿装置から排出された余剰水により、燃焼排ガスを加熱する排ガス再熱器を備えたガスタービン発電設備が記載されている。これは燃焼排ガスの圧力損失を低減して、発電出力又は発電効率の向上を目的としており、白煙防止については記載されていない。

ＷＯ００−２５００９（要約等）

本発明が解決しようとする課題は、白煙防止時における発電側通常運転への影響を抑制して白煙防止が可能な高湿分ガスタービンシステムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の高湿分ガスタービンシステムは、給水加熱器の出口の水を取水する出口側の取水装置と、出口側の取水装置で取水した水で排気ガスを加熱する排気ガス再加熱器とを有する。燃焼器，再生熱交換器等の発電側主要機器のガス下流側にある給水加熱器の出口の水で排気ガスを再加熱するものである。

白煙防止時における発電側通常運転への影響を抑制して白煙防止が可能である。

本発明の高湿分ガスタービンシステムは、煙突から放出する排ガスを加熱する熱交換器（排ガス再加熱器）を設け、排ガス再加熱器への加湿水の取水口をエコノマイザ（給水加熱器）の出口側に設けた。以下図を用いて説明する。

本発明の高湿分ガスタービンシステムの第１の実施例を図１に示す。

高湿分ガスタービンシステムでは、燃焼器３に供給する空気を圧縮機２で加圧した後、配管７および空気冷却器３２を経て増湿塔８で加湿し、配管９を経て再生熱交換器１１で昇温したのち、配管１３を経て燃焼用空気とする。

空気冷却器３２は、増湿塔８に供給する圧縮空気の温度を下げる装置である。本装置は、前記圧縮器で昇温・昇圧された圧縮空気が増湿塔内部に流入した際、塔内を流下する加湿水との気液接触により加湿水が沸騰・蒸発するのを防止するもので、加湿量の急激な増加を防止する。図において、圧縮空気から回収した熱量は、増湿塔８に供給する加湿水の予熱に用いる。なお、高湿分ガスタービンシステムとして前記空気冷却器３２を取外した構成も考えられ、この場合には圧縮器からの高温・高圧の空気を直接増湿塔に導く構成となる。

増湿塔８は、塔内に封入された充填物を介して圧縮空気に湿分を添加する装置である。塔上部から散布した加湿水は充填物表面上を流下しながら、気液接触により圧縮空気を飽和点まで加湿する。加湿された圧縮空気をここでは加湿空気と呼ぶ。なお、本図には記載されていないが、配管内に直接加湿水を噴射して圧縮空気を加湿する方式もある。

再生熱交換器１１では、増湿塔８にて得られた加湿空気をガスタービン１の排気ガスで加熱する。これにより加湿空気はタービン排気温度付近まで上昇し、再生熱交換器１１出口において加湿空気内の湿分は完全に蒸発する。

燃焼器３では、再生熱交換器１１で得られた加湿空気すなわち燃焼用空気と、燃料ポンプ５で加圧した燃料とを混合・燃焼する。燃料流量は燃料流量調整弁６で制御する。燃焼器３で得られた燃焼ガスは、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（タービン排気ガス）の熱エネルギーの一部は再生熱交換器１１で回収し、加湿空気の加熱に用いる。さらに、再生熱交換器１１の排気熱から、熱エネルギーの一部をエコノマイザ１２（給水加熱器）で回収する。エコノマイザ１２で回収した熱量は増湿塔に供給する加湿水の加温に用いる。加湿水はエコノマイザ１２及び前記空気冷却器３２でそれぞれ加温された後、増湿塔に供給される。増湿塔に供給する加湿水は、増湿塔循環水ポンプ２４を用いてエコノマイザ１２と増湿塔８とを循環する構成と、空気冷却器用循環水ポンプ３１を用いて空気冷却器３２と増湿塔８とを循環する構成とし、加湿水が不足した場合には補給水ポンプ２３を用いて水回収装置１５の底部等から補給する。

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において空気の圧縮・加圧に用いられる。また、発電機４では駆動力を電力に変換する。

一方、タービン排気ガス中の水分は水回収装置１５で回収する。水回収は煙道に水を散布し、ガス中の水分を凝集，落下させて回収する方式である。底部にはタンク相当の液溜まりを設け、給水ポンプ２２と調整弁１０で増湿塔８に供給するほか、水ポンプ２１で水を水配管１９を通して水回収装置１５の上方から散布する。効果的にガス中の水分を捕集するため、水回収装置から散布する水は冷却用熱交換器２５で冷却する。水分回収後の排気ガスは煙突２７を用いて大気に放風する。このとき、気温・湿度などの大気条件によっては排気ガス中の水分が大気中で凝集するため、煙突出口で白煙が生ずる場合がある。水回収装置１５の出口に排ガス再加熱器１６を設置し、前記水回収装置１５で水回収した排ガスを前記排ガス再加熱器１６を用いて再加熱する。排ガスの加熱源には空気加湿用の加湿水を用いる。

本実施例の白煙防止方法について説明する。通常運転時には、エコノマイザ１２出口側の加湿水を排ガス再加熱器１６へと導かず、エコノマイザ１２の出口の水を増湿塔へ供給する。白煙防止時には、エコノマイザ１２出口側の加湿水を排ガス再加熱器１６へと導く構成とした。エコノマイザ１２出口側の水を排ガス再加熱器１６へと導く配管流路とゲート弁３０を、給水加熱器の出口の水を取水する出口側の取水装置として用いた。通常運転時の加湿水流路は、増湿塔８底部液溜まりから増湿塔循環水ポンプ２４，エコノマイザ
１２，増湿塔８頂部に至る循環系となる。加湿水の一部は圧縮空気を加湿し、残りの加湿水は増湿塔下部に貯留する。これに対して白煙防止時における給水管路は、増湿塔８底部液溜まりから増湿塔循環水ポンプ２４，エコノマイザ１２，ゲート弁３０，排ガス再加熱器１６，増湿塔８頂部に至る循環系となる。

次に、図２の白煙の発生と防止効果の図を用いて、説明する。

図２(ｉ)は、白煙の発生を説明する図である。ここでは、大気温度，相対湿度をＩＳＯ条件と仮定した場合の高湿分ガスタービンシステムの排気ガスの温度・湿度特性を図示している。通常運転かつ定格運転（１００％負荷運転）時において、煙突出口における排ガス温度を点（ａ）と仮定した場合、排ガスは大気に拡散する過程で図中の線（Ａ）に沿って温度・湿度が低下し、大気温度（点（ａ）′）に至ると考えられる。このとき、空気中の湿分の飽和線は線（Ｓ）で表される。線（Ａ）と線（Ｓ）が交差した場合に大気中の湿分が凝集して白煙が生ずるが、図２（ｉ）においては線（Ａ）と線（Ｓ）が交差していないため、白煙は発生しない。

図２（ii）は、白煙発生の防止効果を説明する説明図である。ここでは、冬季など大気温度がＩＳＯ条件に比して低く、かつ、相対湿度がＩＳＯ条件であった場合の高湿分ガスタービンシステムの排気ガスの温度・湿度特性を図示している。通常運転かつ定格運転時の排ガスを点（ｂ）とした場合、この排ガスが大気条件（ｂ′）にまで拡散する過程で図中の線（Ｂ）が飽和線（Ｓ）と交差しており、煙突出口で白煙が生じている。運転監視員が目視で白煙発生を確認した場合に、ゲート弁３０を操作することにより、図２（ii）の点（ｃ）へ向かって排気ガス温度を上昇させて白煙を防止する。本実施例による高湿分ガスタービンシステムでは、白煙が生じた場合にエコノマイザ出口の加湿水を排ガス再加熱器へと導くことにより、排ガス温度を点（ｃ）まで加熱する。排ガスは線（Ｃ）を通って点（ｂ′）まで冷却されるが、このとき線（Ｃ）と線（Ｓ）は交差しておらず、白煙の発生が抑制されることとなる。

本実施例の白煙防止方法について説明する。通常運転時にはゲート弁３０を開放せず、白煙防止時にはゲート弁３０を開放して、エコノマイザ１２出口側の加湿水を排ガス再加熱器１６へと導く構成とした。取水ルートは次の様になる。通常運転時の加湿水流路は、増湿塔８底部液溜まりから増湿塔循環水ポンプ２４，エコノマイザ１２、を経て増湿塔８頂部に至る循環系となる。加湿水の一部は圧縮空気を加湿し、残りの加湿水は増湿塔下部に貯留する。これに対して白煙防止時における給水管路は、増湿塔８底部液溜まりから増湿塔循環水ポンプ２４，エコノマイザ１２，ゲート弁３０，排ガス再加熱器１６を経て増湿塔８頂部に至る循環系となる。

本実施例について、プラント運転特性を説明する説明図を図８に示す。図８を用いて、制御方法の考え方を説明する。横軸に排ガス再加熱器出口温度を、縦軸に発電端効率を表している。排ガス再加熱器出口温度が上昇するにつれて発電端効率は低下の傾向を示し、通常運転時の特性は線分Ｄ上にあると考えられる。このとき、ゲート弁３０による制御範囲は排ガス再加熱器流量が最大となる点（Ｍｘ１）までであり、通常運転の構成では排ガス再加熱器出口ガス温度をこれ以上加熱し、白煙を防止することは難しい。

一方、白煙防止時の特性は線分Ｅ上にあり、ゲート弁３０による制御範囲は排ガス再加熱器流量が最小となる点（Ｍｎ２）までとなる。白煙防止用制御手段１００は、線分Ｄと線分Ｅの二つの運転特性でプラントを制御して運転することにより、白煙が防止される範囲内で発電端効率が最大となる運転ポイントを設定することが可能となる。

なお、線分Ｄと線分Ｅは一部が重なっており、通常運転と白煙防止運転で、同じ発電端効率特性を示す場合が存在する。これにより、大気温度，湿度などが変動した場合に、各プラントの運転範囲に余裕を持たせることが可能となる。また、配管の切り替えを最小限とし、プラント運用時の外乱を最小にできる。

ここで、本実施例とは別の白煙の発生を防止する高湿分ガスタービンシステムを説明すると、煙道へのバイパスライン設置による排気ガス再加熱方式と、加湿量調整による白煙防止方式が挙げられる。

煙道へのバイパスライン設置による排気ガス再加熱方式は、煙道の任意の位置に煙突へのバイパスラインを設置し、高温排ガスの一部を煙突に導いて排気ガスを再加熱することにより、白煙発生を防止する方式である。排気ガスの再加熱に高温の燃焼排ガスを用いている為、タービンの出力が変動すると考えられる。また、この高温の燃焼排ガスはタービン出口、あるいは煙道の途中から取出すことから、バイパスライン及びバイパスラインへのガス流量を制御するためのダンパ及びそれらを制御するためのアクチュエータは煙道内のガス温度に対応した機器仕様（耐熱仕様）とする必要がある。

加湿量調整による白煙防止方式は、制御装置に燃焼器への噴霧加湿量を切り替える手段を設け、白煙発生時と非発生時で空気への加湿量を変更することにより排気ガス中の水分量を制御し、白煙発生を防止する方式である。白煙発生時には加湿噴霧量を低下させることにより白煙を抑制するが、加湿噴霧量の低下により燃焼器入口の質量流量が低下する。そのため、煙道へのバイパスライン設置による排気ガス再加熱方式と同様にタービンの出力が変動すると考えられる。

本実施例の高湿分ガスタービンシステムでは、排ガスを再加熱するための熱源に、エコノマイザ（給水加熱器）で回収した熱量を用いることにより、白煙防止時における発電側通常運転への影響を抑制して白煙防止が可能である。本システムにおいてエコノマイザは、燃焼器，再生熱交換器などの主要機器のガス側下流に位置するため、煙道へのバイパスライン設置による排気ガス再加熱方式による白煙防止方式とは異なり、タービン出力変動を抑制することができる。また、圧縮空気への加湿量を変更する加湿量調整による白煙防止方式とも異なり、加湿装置への給水の熱を用いるので、タービン出力変動を抑制することができる。また、加湿水の配管はガス煙道に比べて設計・製作が容易であることから、燃焼ガスをバイパスしてガスを再加熱する方式に比べて簡便な構成で白煙を防止可能である。

本実施例の高湿分ガスタービンシステムを制御する制御方法により、エコノマイザ出口側の取水手段を制御して、排気ガス再加熱器への水の供給を制御することにより、タービン出力への変動を抑制し白煙を防止することができる。

高湿分ガスタービンシステムの第２の実施例を図３に示す。実施例１と同様のものには同一の符号を付したので説明を省略する。

図３（ｉ）は、本実施例の高湿分ガスタービンシステムを示す図である。本実施例の高湿分ガスタービンシステムは、図１の高湿分ガスタービンシステムへ更に、白煙防止用制御手段１００，排気ガス温度計測装置３３，外気温計測装置３４を設けた。排気ガス温度計測装置３３は、水回収装置１５により湿度を低下させ、排気ガス再加熱器を通過した排気ガスの温度を測定するものである。ここでは一例として煙突に設置している。外気温計測装置３４は、排気ガスの影響がない場所に設置し、外気の温度を測定するものである。

白煙防止用制御手段１００は、排気ガス温度計測装置３３で計測された排気ガス温度
Ｔｘと、外気温計測装置３４で計測された外気温度Ｔａを受信し、ゲート弁３０へ弁開度信号Ｃｖを送信する。図２（ii）で説明した様に、温度を上昇させれば白煙発生は防止できる。図２（ii）の関係を利用して、白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘを求めて各弁を制御することができる。

また、排気ガス温度計測装置３３は、水回収装置１５により湿度を低下させ、排気ガス再加熱器を通過した排気ガスの温度を測定するものである。ここでは一例として煙突に設置している。外気温計測装置３４は、排気ガスの影響がない場所に設置し、外気の温度を測定するものである。

効率運転方式における弁の操作手順を説明する。効率運転方式では、排ガス再加熱器にエコノマイザ出口側の水を通水しないことにより、エコノマイザの回収熱量及び増湿塔の熱量を排ガス再加熱器から系外に放出しないことからプラントの熱効率は最大となる。

白煙防止用制御手段１００は、目標となる排気ガス温度を求め、排気ガス温度計測装置３３で現在の排気ガス温度を監視し、白煙が発生しない温度よりも低いときは、エコノマイザ出口側の高い温度の水を用いて排ガスを再加熱し、白煙が発生しない温度より高いときは、ゲート弁３０を制御して増湿塔からの低い温度の水を用いて排ガスを再加熱する。

白煙防止用制御手段１００の処理を図３（ii）に示し説明する。白煙防止用制御装置
１００の目標排ガス温度算出手段１１０は、外気温度Ｔａと排気ガス温度Ｔｘの関係から、白煙が発生しない目標排気ガス温度Ｔｘｔを算出する。この目標排気ガス温度の算出について図４を用いて説明する。

図４は各計測装置で計測された白煙に関連するデータを示す図である。図４（ｉ）は、計測されたデータと、予め大気湿度と排気ガス温度を所定の値に設定する図である。図４（ｉ）の様に、予め大気湿度と排気ガス温度を所定の値に設定すると図２で示した様に白煙発生の横軸が確定する。湿度の所定の値は過去の運転実績や実験データ，解析データ等で求めることができる。白煙が発生する外気温度Ｔａと排気ガス温度Ｔｘの関係を図４
（ｉ）の様に記憶装置に保持しておいて、大気温度Ｔａがｄ１の場合には対応する排気ガス温度Ｔｘはｂ１であるから、白煙が発生しない様に予め定めた値αを差し引いた排気ガス温度ｂ１−αを白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘｔとして求めることができる。尚、白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘｔは、白煙が発生する排気ガス温度Ｔｘから白煙が発生しない温度αを差し引く方法の他、図４（ii）の白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘｔを予め記憶する図の様に、測定した大気温度Ｔａに対応して、白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘｔを予め記憶装置に記憶しておく方法でも良い。これらの様に、大気温度Ｔａに基づいて白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘｔを算出する。

白煙防止用制御手段１００の減算器１１１は、目標排ガス温度算出手段１１０で白煙が発生しない目標となる排気ガス温度Ｔｘｔを求め、排気ガス温度計測装置３３で現在の排気ガス温度Ｔｘを監視し、この排気ガス温度Ｔｘｔから排気ガス温度Ｔｘを減算して目標温度との差ΔＴを求める。

白煙防止用制御手段１００の制御器１１２は弁の運転方法として弁開度信号を各弁に出力する。制御器１１２は、通常運転から白煙防止運転へと変更する場合にはゲート弁３０を開ける弁開度信号を出力し、排ガス再加熱器１６を給水系統に供給する。白煙防止運転から通常運転とする場合には、逆の手順で弁を操作して切り替える。制御器１１２は、現在の排気ガス温度Ｔｘが白煙が発生しない目標排ガス温度Ｔｘｔよりも低いときは（ΔＴが正）、エコノマイザ出口側の高い温度の水を用いて排ガスを再加熱する必要がある。よって、制御器１１２はゲート弁３０を開くため弁開度信号Ｃｖとして開度１００を出力する。現在の排気ガス温度Ｔｘが白煙が発生しない目標排気ガス温度Ｔｘｔより高いときは（ΔＴが負）、エコノマイザ入口側の低い温度の水を用いて排ガスを再加熱するので、制御器１１２はゲート弁３０を閉じるため弁開度信号Ｃｖへ開度０を出力する。

この様に、測定された大気温度Ｔａに基づいて、排気ガス中の湿度が飽和湿度に達しない煙突出口における排気ガス温度Ｔｘとなるよう、ゲート弁３０（出口側の取水装置）を用いて制御する。これにより、タービン出力への変動を抑制し白煙を防止しつつ熱効率を高めることができる。

尚、より厳密に白煙発生を判定するには、排気ガス湿度Ｈｘと大気湿度Ｈａを予めある所定値に設定せず、排気ガス湿度Ｈｘを計測する排気ガス湿度計と大気湿度Ｈａを計測する排気ガス温度計を設けることで、図４(iii) の排気ガスと大気温度の温度計測値と湿度計測値を示す図の様に、排気ガス湿度Ｈｘ，排気ガス温度Ｔｘ，大気湿度Ｈａ，大気温度Ｔａの現在の値に基づいて排気ガスが飽和するかどうかが判定できる。そして、図４(ix)の白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘｔを予め記憶する図の様に、測定した大気温度Ｔａ，排気ガス湿度Ｈｘ，大気湿度Ｈａに対応して、白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘｔを予め記憶装置に記憶しておく方法でゲート弁３０を制御することもできる。これにより、より精度の高い排ガス再加熱器の温度を調節が可能となり、プラント熱効率を高めることができる。

白煙防止用制御手段１００による制御方法の考え方は実施例１で説明した図８と同じである。

この様に、測定された大気温度Ｔａに基づいて、排気ガス中の湿度が飽和湿度に達しない煙突出口における排気ガス温度Ｔｘとなるよう、ゲート弁３０（出口側の取水装置）によって排気ガス再加熱器に入れるか否か取水を制御する。これにより、発電側通常運転への影響（タービン出力への変動）を抑制を抑制して白煙を防止しつつ熱効率を高めることができる。

高湿分ガスタービンシステムの第３の実施例を図５に示す。実施例１や２と同様のものには同一の符号を付したので説明を省略する。

本実施例の高湿分ガスタービンシステムは、図５（ｉ）に示す様に、エコノマイザ１２入口側の水を排ガス再加熱器３６へと導く配管流路とゲート弁２８を設けた。ゲート弁
３０はエコノマイザ１２の出口側の水を排ガス再加熱器１６へ導く弁であるので、出口側の取水装置であり、ゲート弁２８はエコノマイザ１２の入口側の水を排ガス再加熱器１６へ導く弁であるので、入口側の取水装置である。また、取水装置を切り替える切替装置として、三方弁２６と三方弁２９を設けた。

本実施例の白煙防止方法について説明する。通常運転時にはエコノマイザ１２入口側の加湿水を排ガス再加熱器１６へと導く構成とし、白煙防止時にはエコノマイザ１２出口側の加湿水を排ガス再加熱器１６へと導く構成とし、流路の切り替えに三方弁２６，三方弁２９を用いた。取水ルートは次の様になる。通常運転時の加湿水流路は、増湿塔８底部液溜まりから増湿塔循環水ポンプ２４，排ガス再加熱器へ給水する三方弁２６（エコノマイザ１２入口側），排ガス再加熱器１６，ゲート弁２８，エコノマイザ１２，増湿塔へ給水する三方弁２９（エコノマイザ１２出口側）を経て増湿塔８頂部に至る循環系となる。加湿水の一部は圧縮空気を加湿し、残りの加湿水は増湿塔下部に貯留する。これに対して白煙防止時における給水管路は、増湿塔８底部液溜まりから増湿塔循環水ポンプ２４，エコノマイザ側へ給水する三方弁２６（エコノマイザ１２入口側），エコノマイザ１２，排ガス再加熱器側へ給水する三方弁２９（エコノマイザ１２出口側），排ガス再加熱器１６，ゲート弁３０を経て増湿塔８頂部に至る循環系となる。三方弁２６，三方弁２９，ゲート弁２８，ゲート弁３０の開き方によっては、エコノマイザ１２の入口側と出口側の流路が、ゲート弁２８とゲート弁３０を通りエコノマイザ１２を通らないバイパスルートや、三方弁２６と２９との間を通りエコノマイザ１２を通らないバイパスルートができるので、エコノマイザ１２のバイパスルートを作らない様に運転する必要がある。

また、本実施例の高湿分ガスタービンシステムの白煙防止用制御手段１００は、排気ガス温度計測装置３３で計測された排気ガス温度Ｔｘと、外気温計測装置３４で計測された外気温度Ｔａを受信し、ゲート弁２８とゲート弁３０へ弁開度信号ＣｖＨとＣｖＬを送信し、三方弁２６と２９に切替信号を送信する。図２（ii）で説明した様に、温度を上昇させれば白煙発生は防止できる。図２（ii）の関係を利用して、白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘを求めて各弁を制御することができる。

弁の運転方法について図６，図７で説明した後、白煙防止用制御手段１００の処理を図５（ii）に示しそれぞれ説明する。

運転方法を図６に示す。通常運転時には三方弁２６を排ガス再加熱器方向とするとともにゲート弁２８を開き、エコノマイザ入口における給水を排ガス再加熱器に通水する。通常運転から白煙防止運転へと切り替える場合には三方弁２６をエコノマイザ方向へと切り替え、その後ゲート弁２８を閉じて排ガス再加熱器１６を一時的に給水系統から隔離する。次に、ゲート弁３０を開き、三方弁２９を排ガス再加熱器１６の方向に切り替えて排ガス再加熱器に通水する。白煙防止運転から通常運転とする場合には、逆の手順で弁を操作して切り替える。

効率運転方式における弁の操作手順を図７に示す。効率運転では、排ガス再加熱器にエコノマイザ入口側及び出口側両方の水を通水しないことにより、エコノマイザの回収熱量及び増湿塔の熱量を排ガス再加熱器から系外に放出しないことからプラントの熱効率は最大となる。

白煙防止用制御手段１００は、目標となる排気ガス温度を求め、排気ガス温度計測装置３３で現在の排気ガス温度を監視し、白煙が発生しない温度よりも低いときは、エコノマイザ出口側の高い温度の水を用いて排ガスを再加熱し、白煙が発生しない温度より高いときは、エコノマイザ入口側の低い温度の水を用いて排ガスを再加熱する。制御出力先が、三方弁２６，三方弁２９，ゲート弁２８，ゲート弁３０であり、図６や図７で説明した順序で制御する。

図５（ii）の白煙防止用制御手段１００の処理を説明する。白煙防止用制御手段１００の目標排ガス温度算出手段１１０と、減算器１１１は、実施例２と同様であり、制御器
１１２とトレードオフ関数１１３を設けた。

白煙防止用制御手段１００の制御器１１２は図６や図７の弁の運転方法で弁開度信号と弁切替信号を各弁に出力する。制御器１１２は、通常運転から白煙防止運転へと切り替える場合には三方弁２６へエコノマイザ方向へと切り替える信号を出力し、その後ゲート弁２８を閉じる弁開度信号を出力し、排ガス再加熱器１６を一時的に給水系統から隔離する。次に、ゲート弁３０を開く弁開度信号を出力し、三方弁２９を排ガス再加熱器１６方向に切り替える信号を出力して、排ガス再加熱器に通水する。白煙防止運転から通常運転とする場合には、逆の手順で弁を操作して切り替える。制御器１１２は、現在の排気ガス温度Ｔｘが白煙が発生しない目標排ガス温度Ｔｘｔよりも低い（ΔＴが正）ときは、エコノマイザ出口側の高い温度の水を用いて排ガスを再加熱する必要がある。よって、制御器
１１２はゲート弁３０を開くため弁開度信号ＣｖＨへ開度１００を出力する。上述した様に、弁開度信号を別々に出力しても良いが、トレードオフ関数１１３を用いて各ゲート弁を制御することもできる。トレードオフ関数１１３は入力と出力の関係がトレードオフとなる様に変換する関数であり、ＣｖＬ弁開度算出手段である。この弁開度信号ＣｖＨはトレードオフ関数１１３に入力され、ゲート弁２８への弁開度信号ＣｖＬを算出し、開度０を出力する。現在の排気ガス温度Ｔｘが白煙が発生しない目標排気ガス温度Ｔｘｔより高いときは（ΔＴが負）、エコノマイザ入口側の低い温度の水を用いて排ガスを再加熱するので、制御器１１２はゲート弁３０を閉じるため弁開度信号ＣｖＨへ開度０を出力する。この弁開度信号ＣｖＨはトレードオフ関数１１３に入力され、ゲート弁２８への弁解度信号ＣｖＬを算出し、開度１００を出力する。また、弁切替信号を三方弁２６と２９へ出力する。

この様に、測定された大気温度Ｔａに基づいて、排気ガス中の湿度が飽和湿度に達しない煙突出口における排気ガス温度Ｔｘとなるよう、ゲート弁３０（出口側の取水装置）とゲート弁２８（入口側の取水装置）を三方弁２６と三方弁２９を用いて切り替えて制御する。これにより、タービン出力への変動を抑制し白煙を防止しつつ熱効率を高めることができる。

尚、より厳密に白煙発生を判定するには、排気ガス湿度Ｈｘと大気湿度Ｈａを予めある所定値に設定せず、排気ガス湿度Ｈｘを計測する排気ガス湿度計と大気湿度Ｈａを計測する排気ガス温度計を設けることで、図４(iii) の様に、排気ガス湿度Ｈｘ，排気ガス温度Ｔｘ，大気湿度Ｈａ，大気温度Ｔａの現在の値に基づいて排気ガスが飽和するかどうかが判定できる。そして、図４（ix）の様に、測定した大気温度Ｔａ，排気ガス湿度Ｈｘ，大気湿度Ｈａに対応して、白煙が発生しない排気ガス温度Ｔｘｔを予め記憶装置に記憶しておく方法でゲート弁３０とゲート弁２８を制御することができる。これにより、より精度の高い排ガス再加熱器の温度を調節が可能となり、プラント熱効率を高めることができる。

白煙防止用制御手段１００による制御方法の考え方は実施例１で説明した図８と同じである。

この様に、測定された大気温度Ｔａに基づいて、排気ガス中の湿度が飽和湿度に達しない煙突出口における排気ガス温度Ｔｘとなるよう、ゲート弁３０（出口側の取水装置）とゲート弁２８（入口側の取水装置）を切り替えて制御する。これにより、発電側通常運転への影響を抑制して白煙を防止しつつ熱効率を高めることができる。

本実施例では、タービン出力への変動を抑制し白煙を防止しつつ熱効率を高めることができる。また、エコノマイザ１２の入口側取水配管と出口側取水配管が排ガス再加熱器への途中で合流しているので排ガス再加熱器を小型化できる。

高湿分ガスタービンシステムの第４の実施例を図９に示す。実施例１〜３と同様のものには同一の符号を付したので説明を省略する。

本実施例の高湿分ガスタービンシステムは、図９（ｉ）に示す様に、実施例３の高湿分ガスタービンシステムの三方弁２６と２９を中間開度が設定可能な三方弁３８，三方弁
３９へ変更し、エコノマイザ出口側の配管にエコノマイザ出口側取水ポンプ３５を設け、エコノマイザ１２の入口側から排ガス再加熱器１６を通ってエコノマイザ１２出口側への配管に逆止弁４０〜４３を設けた。この中間開度が設定可能な三方弁を用いて、入口側の低温の水と、出口側の高温の水の配分を調整する。これにより排ガス再加熱器に投入する加湿水の温度を制御することができる。

エコノマイザ１２をバイパスするルートがあると抵抗の大きいエコノマイザ１２を通らずにバイパスルートを通るので、逆止弁４０〜４３を設けている。また、エコノマイザ
１２の入口側の圧力の方が出口側の圧力より高いので、エコノマイザ出口側取水ポンプ
３５により出口側から排ガス再加熱器１６へ水を供給する。

本実施例における高湿分ガスタービンシステムの白煙防止用制御装置をフローチャートで図１０に示す。高湿分ガスタービンシステムの白煙防止用制御手段１００は、中間開度が設定可能な三方弁３８及び三方弁３９を用いて排ガス再加熱器への加湿水量を連続的に制御するもので、排ガスの発生有無及びシステム効率を考慮してプラントを最適に運転することを目的とする。

条件判定手段１０１は、現在の高湿分ガスタービンプラントの運転状態を判定する。通常運転時には条件判定手段１０２，白煙防止時には条件判定手段１０３を実行する。条件判定手段１０２又は条件判定手段１０３を実行せずに、後述する白煙判定手段１０６又は白煙判定手段１０７へ処理を移すこともできる。

条件判定手段１０２は、通常運転時における三方弁３８の運転状態を判定する。通常運転時において排ガス再加熱器１６への加湿水流量が最大、すなわち三方弁３８において加湿水がほぼ全量排ガス再加熱器側に投入されている場合には、排ガス再加熱器１６における排ガスの加熱量が不足していると判定し、制御手段１０４において、運転を白煙防止運転へと切り替える。このとき、先に述べた図６や図７の運転手順の様に三方弁３８，ゲート弁２８，三方弁３９，ゲート弁３０を切り替えることができる。また、弁切り替えの後、白煙判定手段１０７を実行する。三方弁３８において加湿水の一部が排ガス再加熱器側、一部がエコノマイザ側へと分配されている場合には、白煙判定手段１０６を実行する。

白煙判定手段１０６は、通常運転における白煙の発生有無を検出するものである。大気温度及び排ガス再加熱器出口ガス温度を計測し、大気温度−ガス温度がなす直線と、飽和線との交点の有無を判定する。制御手段１０８では、白煙が発生した場合には、排ガス再加熱器１６側への流量を増加させるよう三方弁３８を制御して白煙の発生を防止する。白煙が発生しない場合には、エコノマイザ１２側への流量を増加させるよう三方弁３８を制御し、プラント熱効率を高める。白煙判定手段１０６の処理を実行せず、通常運転の制御手段１０８へ処理を移すこともできる。

条件判定手段１０３は、通常運転時における三方弁３９の運転状態を判定する。白煙防止運転時において排ガス再加熱器１６への加湿水流量が最大、すなわち三方弁３９において加湿水がほぼ全量排ガス再加熱器側に投入されている場合には、排ガス再加熱器１６における排ガスの加熱量が過多であると判定し、制御手段１０５において、運転を通常運転へと切り替える。このとき、先に述べた図６や図７の運転手順の様に三方弁３８，ゲート弁２８，三方弁３９，ゲート弁３０を切り替えることができる。また、弁切り替えの後、白煙判定手段１０６を実行する。三方弁２６において加湿水の一部が排ガス再加熱器側、一部がエコノマイザ側へと分配されている場合には、白煙判定手段１０７を実行する。白煙判定手段１０７の処理を実行せず、白煙防止運転の制御手段１０９へ処理を移すこともできる。

白煙判定手段１０７は、白煙防止運転における白煙の発生有無を検出するものである。大気温度及び排ガス再加熱器出口ガス温度を計測し、大気−ガス温度がなす直線と、飽和線との交点の有無を判定する。

白煙防止運転の制御手段１０９では、白煙判定手段１０７の処理を行い、白煙が発生を判定した場合には、排ガス再加熱器１６側への流量を増加させるよう三方弁３９を制御して白煙の発生を防止する。白煙判定手段１０７の処理を行い、白煙が発生しない場合には、増湿塔８側への流量を増加させるよう三方弁３９を制御し、プラント熱効率を高める。

また、白煙判定手段１０７の処理を行わず、白煙防止運転の制御手段１０９により白煙が発生しない目標温度に基づいた取水量制御を行うことができる。白煙防止運転の制御手段は図９（ii）の白煙防止用制御手段１００の処理を行う。実施例３と異なるのは、目標排ガス温度Ｔｘｔに排ガス温度Ｔｘを追従させるため、制御器１１２により高温水流量を算出し、弁開度関数１１４により流量を弁開度に変換し、制御器１１２によりエコノマイザ出口側取水ポンプ３５へポンプＯＮ信号が出力されている点である。制御器１１２は、偏差を減少させ、排ガス温度を安定させる為の比例積分関数を有し、この比例積分関数に偏差ΔＴを入力し、目標排ガス温度へ近づける為に必要な高温水流量を算出する。この比例積分関数はプラント設備や制御を含めたシステム全体によって異なるので、予め過去の運転実績を用いた実験や、シミュレーション等で求める。白煙が発生しない温度より高いときは、効率を上げる為、エコノマイザ出口側の高い温度の水の配分を減らし、エコノマイザ入口側の低い温度の水の配分を増やして排ガスを再加熱する。

本実施例の高湿分ガスタービンシステムでは、エコノマイザ１２の入口側と出口側の流量配分を決定するので、排ガス再加熱器に投入する加湿水の温度を制御することができる。よって常に効率的なプラント運用が可能となる。

以上に述べた各実施例は、運転員が煙突からの白煙を確認した後、通常運転と白煙防止運転を選択しても良いし、制御装置において図２（ii）に示す飽和線（Ｓ）及び現在の排気温度と大気温度とを結ぶ線（ｉ）に交点が存在するかどうかを判定する手段を備え、さらに、交点が存在した場合に弁を自動的に白煙防止運転へと切り替える手段を備えても良い。

上記各実施例は、排ガス再加熱器を給水経路から完全に隔離し、排ガス再加熱器に加湿水を通水しない運転を効率運転方式として、先に述べた通常運転方式及び白煙防止運転方式と切り替えて運転してもよい。

上記各実施例で、配管の圧力又は抵抗により水が流れ難い場合は、適宜ポンプを備えて流すことで対応することができる。

上記実施例では、エコノマイザ前後における流路の切り替えあるいは制御に三方弁を用いたが、分岐直後の配管にそれぞれ流量調整弁を設置し、それら弁の操作により流路を切り替えあるいは制御しても良い。流量調整弁と切替三方弁を用いるより、中間開度が設定可能な三方弁を用いた方が制御順序を考慮せず制御が簡便である。

また、上記実施例では排ガスの加熱源としてエコノマイザ前後の加湿水を用いたが、圧縮空気に関係する再生熱交換器１１と空気冷却器３２の様な発電の主要機器に影響するものとは異なる他の熱交換器前後の加湿水を用いてもよい。

第１の実施例における高湿分ガスタービンプラント。 白煙の発生と防止効果の図。 本発明の第２の実施例における高湿分ガスタービンプラント及び制御装置。 各計測装置で計測された白煙に関連するデータを示す図。 本発明の第３の実施例における高湿分ガスタービンプラント及び制御装置。 第３の実施例における弁操作方法。 第３の実施例におけるもう一つの弁操作方法。 本発明におけるプラント運転特性を説明する説明図。 本発明の第４の実施例における高湿分ガスタービンプラント及び制御装置。 本発明の第４の実施例における高湿分ガスタービンプラントの制御装置のフローチャート。

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…配管、８…増湿塔、１０…調整弁、１１…再生熱交換器、
１２…エコノマイザ（給水加熱器）、１４…煙道、１５…水回収装置、１６…排ガス再加熱器、１９…水配管、２０…シャフト、２１…水ポンプ、２２…給水ポンプ、２３…補給水ポンプ、２４…増湿塔循環水ポンプ、２５…冷却用熱交換器、２６，２９…三方弁、
２７…煙突、２８，３０…ゲート弁、３１…空気冷却器用循環水ポンプ、３２…空気冷却器、３３…排気ガス温度計測装置、３４…外気温計測装置、３５…エコノマイザ出口側取水ポンプ、３８，３９…中間開度が設定可能な三方弁、４０〜４３…逆止弁、１００…白煙防止用制御手段、１０１，１０２，１０３…条件判定手段、１０４，１０５，１０８，１０９…制御手段、１０６，１０７…白煙判定手段、１１０…目標排ガス温度算出手段、１１１…減算器、１１２…制御器、１１３…トレードオフ関数、１１４…弁開度関数。

Claims (14)

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、該タービンから排出された排気ガスと前記圧縮機から燃焼器に供給される圧縮空気とを熱交換する再生熱交換器と、前記圧縮空気を加湿する加湿手段と、前記加湿手段へ供給する水と前記再生熱交換器により熱交換した排気ガスとを熱交換する給水加熱器と、前記給水加熱器で加熱された前記排気ガスから水分を回収する水回収装置と、前記給水加熱器の出口の水を取水する出口側の取水装置と、前記出口側の取水装置で取水した前記給水加熱器の出口の水で前記水回収装置からの前記排気ガスを加熱する排気ガス再加熱器とを有することを特徴とする高湿分ガスタービンシステム。
2. 請求項１に記載の高湿分ガスタービンシステムにおいて、前記給水加熱器の入口の水を取水する入口側の取水装置と、前記出口側の取水装置と前記入口側の取水装置を切り替える切替装置を有することを特徴とする高湿分ガスタービンシステム。
3. 請求項２に記載の高湿分ガスタービンにおいて、前記切替装置は、前記加湿手段からの水を、前記入口側の取水装置から取水せず前記給水加熱器の入口に供給し、前記給水加熱器の出口の水を、前記出口側の取水装置から取水せず、前記加湿手段に供給するように切り替える切替装置であることを特徴とする高湿分ガスタービンシステム。
4. 請求項１に記載の高湿分ガスタービンシステムにおいて、前記給水加熱器の入口の水を取水する入口側の取水装置と、前記出口側の取水装置及び前記入口側の取水装置からの取水量の配分を変更する取水量配分調整装置とを備えたことを特徴とする高湿分ガスタービンシステム。
5. 請求項４に記載の高湿分ガスタービンシステムにおいて、前記取水量配分調整装置は、中間開度が設定可能な三方弁であることを特徴とする高湿分ガスタービンシステム。
6. 請求項１に記載の高湿分ガスタービンシステムにおいて、前記出口側の取水手段を制御して、前記排気ガス再加熱器への水の供給を制御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システム。
7. 請求項２に記載の高湿分ガスタービンシステムにおいて、大気温度と前記排気ガス再加熱器を通過した排気ガス温度を測定する手段を有し、前記測定された大気温度および前記測定された排気ガス温度に基づいて、前記大気温度で前記排気ガス中の湿度が飽和湿度に達しない排気ガス温度となるよう、前記入口側の取水装置の取水から前記出口側の取水装置の取水へ前記切替手段を切り替える制御装置を備えることを特徴とする高湿分ガスタービンシステム。
8. 請求項４に記載の高湿分ガスタービンシステムにおいて、大気温度と前記排気ガス再加熱器を通過した排気ガス温度を測定する手段を有し、前記測定された大気温度および前記測定された排気ガス温度に基づいて、前記水回収装置を通過した前記排気ガス中の湿度が飽和湿度に達しない排気ガス温度となるように前記取水量配分調整装置を制御する制御装置を備えることを特徴とする高湿分ガスタービンシステム。
9. 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、該タービンから排出された排気ガスと前記圧縮機から燃焼器に供給される圧縮空気とを熱交換する再生熱交換器と、前記圧縮空気を加湿する加湿手段と、前記加湿手段へ供給する水と前記再生熱交換器により熱交換した排気ガスとを熱交換する給水加熱器と、前記給水加熱器で加熱された前記排気ガスから水分を回収する水回収装置と、前記給水加熱器の出口の水を取水する出口側の取水装置と、前記出口側の取水装置で取水した前記給水加熱器の出口の水で前記水回収装置からの前記排気ガスを加熱する排気ガス再加熱器とを備える高湿分ガスタービンシステムを制御する制御装置であって、前記出口側の取水手段を制御して、前記排気ガス再加熱器への水の供給を制御することを特徴とする高湿分ガスタービンシステムの制御装置。
10. 請求項９に記載の制御装置において、前記高湿分ガスタービンシステムは、前記給水加熱器の入口の水を取水する入口側の取水装置と、前記出口側の取水装置と前記入口側の取水装置を切り替える切替装置と、大気温度と前記排気ガス再加熱器を通過した排気ガス温度を測定する手段とを有し、前記測定された大気温度および前記測定された排気ガス温度に基づいて、前記大気温度で前記排気ガス中の湿度が飽和湿度に達しない排気ガス温度となるよう、前記入口側の取水装置の取水から前記出口側の取水装置の取水へ前記切替手段を切り替えることを特徴とする高湿分ガスタービンシステムの制御装置。
11. 請求項９に記載の制御装置において、前記高湿分ガスタービンシステムは、前記給水加熱器の入口の水を取水する入口側の取水装置と、前記出口側の取水装置及び前記入口側の取水装置からの取水量の配分を変更する取水量配分調整装置と、大気温度と前記排気ガス再加熱器を通過した排気ガス温度を測定する手段とを備え、前記測定された大気温度および前記測定された排気ガス温度に基づいて、前記水回収装置を通過した前記排気ガス中の湿度が飽和湿度に達しない排気ガス温度となるように前記取水量配分調整装置を制御することを特徴とする高湿分ガスタービンシステムの制御装置。
12. 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、該タービンから排出された排気ガスと前記圧縮機から燃焼器に供給される圧縮空気とを熱交換する再生熱交換器と、前記圧縮空気を加湿する加湿手段と、前記加湿手段へ供給する水と前記再生熱交換器により熱交換した排気ガスとを熱交換する給水加熱器と、前記給水加熱器で加熱された前記排気ガスから水分を回収する水回収装置と、前記給水加熱器の出口の水を取水する出口側の取水装置と、前記水回収装置からの前記排気ガスを加熱する排気ガス再加熱器とを備える高湿分ガスタービンシステムを制御する制御方法であって、前記出口側の取水手段を制御して、前記排気ガス再加熱器への水の供給を制御することを特徴とする高湿分ガスタービンシステムの制御方法。
13. 請求項１２に記載の高湿分ガスタービンシステムの制御方法において、
    前記高湿分ガスタービンシステムは、前記給水加熱器の入口の水を取水する入口側の取水装置と、前記出口側の取水装置と前記入口側の取水装置を切り替える切替装置とを備え、前記切替装置により、前記入口側の取水装置の取水から前記出口側の取水装置の取水へ切り替えることを特徴とする高湿分ガスタービンシステムの制御方法。
14. 請求項１２に記載の高湿分ガスタービンシステムの制御方法において、
    前記高湿分ガスタービンシステムは、前記給水加熱器の入口の水を取水する入口側の取水装置と、前記出口側の取水装置及び前記入口側の取水装置からの取水量の配分を変更する取水量配分調整装置とを有し、前記取水量配分調整装置により、前記出口側の取水装置及び前記入口側の取水装置の取水量の配分を変更することを特徴とする高湿分ガスタービンシステムの制御方法。
    

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