JP2007071144A - 燃料流量制御装置及び発電システム並びに燃料流量制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ガスタービンの運転状態並びに温度状態に関する状態量を入力信号として取得し、これらの入力信号に基づいて燃焼器2に供給する燃料流量を制御するための燃料流量指令を演算する演算部19と、演算部19により求められた燃料流量指令を燃料流量上限値以下とする第2の選択回路15とを備え、燃料流量上限値がガスタービン3の入口温度を予め設定されている上限温度以下とする燃料流量値に設定されている燃料流量制御装置を提供する。
【選択図】 図1
Description
特許文献1には、タービンの回転速度を所望の回転速度に維持するための第1の燃料量、ガスタービンの排ガス温度を所望の排ガス温度に維持するための第2の燃料量、及びタービンの入口温度が所定の最大温度に達しないように加速を制限するための第3の燃料量をそれぞれ算出し、更に、第3の燃料量においては、熱交換器の出口空気温度により修正を施す。そして、燃焼器に供給する燃料流量を、これら第1の燃料量、第2の燃料量、及び修正後の第3の燃料量のうち最も少ない燃料量に制御する技術が開示されている。
即ち、従来のシステムにおいては、最初は上記タービンの回転速度もしくは発電機出力指令に基づく燃料量による制御が行われ、その後、ガスタービン出力がベース負荷(定格出力点)付近まで上昇すると、排ガス温度等の温度に基づく制御に移行して、定格出力点で整定する。しかしながら、温度制御においては、応答性の遅れから過渡的にガスタービン出力が定格出力点からオーバーシュートしてしまうことがあり、これに伴い、ガスタービン入口温度のオーバーシュートが発生していた。
本発明は、空気を圧縮して出力する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気と燃料配管を経て供給される燃料とを混合燃焼し、燃焼ガスを出力する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機とを備えるガスタービンにおいて、前記燃焼器に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御装置であって、前記ガスタービンの運転状態並びに温度状態に関する状態量を入力信号として取得し、これらの入力信号に基づいて前記燃焼器に供給する燃料流量を制御するための燃料流量指令を演算する演算手段と、前記演算手段により求められた前記燃料流量指令を燃料流量上限値以下とする調整手段とを備え、前記燃料流量上限値が前記タービンの入口温度を予め設定されている上限温度以下とする燃料流量値に設定されている燃料流量制御装置を提供する。
上記タービン入口温度とは、燃焼器の出口とタービン入口との間であって、タービン流入前の温度をいう。
上記排ガス温度は、例えば、排ガスボイラ(HRSG)の入口付近の温度である。
これにより、発電効率等を更に向上させることができる。
〔第1の実施形態〕
図1は、本発明の第1の実施形態に係る発電システムの全体概略構成を示すブロック図である。
ガスタービン3を通った排気ガスは、排気ダクトを経て蒸気タービン(図示略)等へ送られ、排気ガスのエネルギーが活用される。
圧縮機1へ空気を供給する空気配管には、空気流量を調整するための空気流量調節弁(以下「IGV調整弁」という。)6が設けられている。
演算部19は、ガスタービンの運転状態並びに温度状態に関する状態量を入力信号として取得し、これらの入力信号に基づいて燃焼器2に供給する燃料流量を制御するための燃料流量指令を演算するものである。上記運転状態に関する状態量としては、例えば、発電機4の出力、ガスタービン3の回転速度又は回転数等が一例として挙げられる。また、温度状態に関する状態量としては、例えば、排ガス温度、ブレードパス温度等が一例として挙げられる。
負荷制御器11は、発電機出力、買電制御値等を入力信号として取得し、発電機出力を目標値に一致させるように燃料流量を制御する負荷制御信号を算出する。以下、この負荷制御信号をLDCSOと記す。例えば、負荷制御器11は、発電機出力と目標出力とを比較し、比例積分(PI)演算を行い、この結果をLDCSOとして出力する。
一方、図7乃至図10に、本実施形態に係る発電システムにおいて、発電機出力を約100%から約50%まで低下させ、再び100%に向かって上昇させた場合の燃料流量指令の変化、ガスタービン出力の変化、燃料流量指令の変化、及びガスタービン入口温度の変化をそれぞれ示す。
更に、図11は、発電機出力を約100%から約50%まで低下させ、再び100%に向かって上昇させた場合の従来の発電システムと本実施形態に係る発電システムの燃料流量指令の変化を比較可能に示した図である。図12は、発電機出力を約100%から約50%まで低下させ、再び100%に向かって上昇させた場合の従来の発電システムと本実施形態に係る発電システムのタービン入口温度の変化を比較可能に示した図である。
一方、本実施形態に係る発電システムでは、図7及び図9に示すように、燃料流量指令を燃料流量上限値以下に抑制することから、図8に示すようにガスタービン出力においてもオーバーシュートは発生せず、また、図10に示すようにタービン入口温度のオーバーシュートも発生していない。
一方、本実施形態に係る発電システムでは、図11に実線で示すように、燃料流量指令を短時間で燃料流量上限値まで上昇させることができるので、図12に実線で示すようにタービン入口温度を短時間で温度上限値付近まで上昇させることが可能となる。これにより、起動時間短縮を図ることが可能となり、発電効率を向上させることができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る発電システムについて説明する。本実施形態に係る発電システムが上記第1の実施形態と異なる点は、図13に示すように、燃料流量制御装置が燃料流量上限値αをIGV調整弁6の開度に応じて補正する補正回路16aを更に備え、この補正回路16aにより補正された後の燃料流量上限値α1を用いて第2の選択回路15による低値制御が行われる点である。
以下、本実施形態の燃料流量制御装置について、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
なお、上記関数発生器22aは、例えば、圧縮機1に供給される空気流量が減少するほど、燃焼器2に供給する燃料流量が減少するように設定された関数を有している。これは、圧縮機1に供給される空気流量が減少すると、ガスタービン3の入口温度が上昇するため、この温度上昇を下げる必要があるからである。
次に、本発明の第3の実施形態に係る発電システムについて説明する。本実施形態に係る発電システムが上述の第2の実施形態と異なる点は、図14に示すように、補正回路16aに代わって、大気温度に応じて燃料流量上限値αを補正する補正回路16bを備える点である。
以下、本実施形態の燃料流量制御装置について、上記第2の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
補正回路16bにおいて、減算器21には、大気温度に関する情報、例えば、圧縮機1の入口温度が入力される。減算器21は、この大気温度と予め設定されている大気温度設定値との差分を求め、関数発生器22bに出力する。関数発生器22bは、減算器21からの出力信号に基づいて所定の補正量(定数)を発生させ、後段の乗算器23に出力する。乗算器23は、予め設定されている燃料流量上限値αに関数発生器22bからの補正量を乗算し、補正後の上限値α2を第2の選択回路15へ出力する。
なお、上記関数発生器22bは、例えば、大気温度が上昇するほど、燃焼器2に供給する燃料流量が減少するように設定された関数を有している。これは、大気温度が上昇すると、空気密度が下がり圧縮機を通過する空気流量が減少し、ガスタービン3の入口温度が上昇する。このため、温度上昇を下げる必要があるからである。
次に、本発明の第4の実施形態に係る発電システムについて説明する。本実施形態に係る発電システムが上述の第2の実施形態と異なる点は、図15に示すように、補正回路16aに代わって、燃焼器2(図1参照)に供給される燃料ガス温度に応じて燃料流量上限値αを補正する補正回路16cを備える点である。
以下、本実施形態の燃料流量制御装置について、上記第2の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
補正回路16cにおいて、減算器21には、燃料ガス温度が入力される。減算器21は、この燃料ガス温度と予め設定されている燃料ガス温度設定値との差分を求め、関数発生器22cに出力する。関数発生器22cは、減算器21からの出力信号に基づいて所定の補正量(定数)を発生させ、後段の乗算器23に出力する。乗算器23は、予め設定されている燃料流量上限値αに関数発生器22cからの補正量を乗算し、補正後の上限値α3を第2の選択回路15へ出力する。
なお、上記関数発生器22cは、例えば、燃料ガス温度が低下するほど、燃焼器2に供給する燃料流量が減少するように設定された関数を備えている。これは、燃料ガス温度が低いと、燃焼器2に燃料ガスが供給されやすくなり、燃焼器2内の温度が上昇するため、ガスタービン3の入口温度が上昇する。このため、この温度上昇を下げる必要があるからである。
次に、本発明の第5の実施形態に係る発電システムについて説明する。本実施形態に係る発電システムが上述の第2の実施形態と異なる点は、図17に示すように、補正回路16aに代わって、設定回路17aを備える点である。
以下、本実施形態の燃料流量制御装置について、上記第2の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
出力端子P4からは、設定回路17aにより設定された燃料流量上限値LMTが出力される。この燃料流量上限値LMTは、第2の選択回路15へ供給されるとともに、入力端子P3にフィードバックされる。
入力端子P1には、第1の選択回路14により選択されたCSOが入力され、入力端子P2には、EXCSOが入力される。
設定回路17aは、図18に示すように、減算器31、偏差モニタ32、オンディレイタイマ33、切替回路34を備えている。
減算器31には、第1の選択回路14にて選択されたCSO及びEXCSOが入力される。減算器31は、「CSO−EXCSO」を算出し、その算出結果を偏差モニタ32に出力する。偏差モニタ32は、該算出結果が「0」以上であった場合、つまり、CSOがEXCSO以上であった場合にオン信号をオンディレイタイマ33に出力する。一方、入力信号が「0」未満であった場合、つまり、CSOがEXCSO未満であった場合にオフ信号をオンディレイタイマ33に出力する。オンディレイタイマ33は、入力信号がオン信号であった場合には、その入力信号が入力されてから所定時間βが経過した後に、切替回路34にオン信号を出力する。なお、オンディレイタイマ33は、入力信号がオフ信号であった場合には、時間遅れなくオフ信号を切替回路34に出力する。
切替回路34は、入力端子P13に入力されるオンディレイタイマ33からの信号がオン信号の場合に、入力端子P12に入力されるEXCSOを出力端子P14から出力する。一方、入力端子P13に入力される信号がオフ信号の場合には、入力端子P11に入力される信号を出力端子P14から出力する。
第2の選択回路15は、第1の選択回路14により選択されたCSOを燃料流量上限値LMT以下とする低値制御を行い、低値制御後のCSOを燃料流量指令として出力する。
次に、本発明の第6の実施形態に係る発電システムについて説明する。本実施形態に係る発電システムが、上述の第5の実施形態と異なる点は、上記設定回路17aに代わって、設定回路17bを備える点である。
以下、本実施形態の燃料流量制御装置について、上記第5の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
出力端子P4からは、設定回路17bにより設定された燃料流量上限値LMTが出力される。この燃料流量上限値LMTは、第2の選択回路15(図17参照)へ供給されるとともに、入力端子P3にフィードバックされる。
入力端子P1には、第1の選択回路14(図17参照)により選択されたCSOが入力され、入力端子P2には、EXCSOが入力される。
第1の上限値設定回路40は、減算器31、偏差モニタ32、オンディレイタイマ33、及び切替回路34を備えている。なお、この第1の上限値設定回路40の動作は、上述した第5の実施形態に係る設定回路17aと略同じである。
また、第2の上限値設定回路41は、減算器35、偏差モニタ36、オンディレイタイマ37、及び切替回路38を備えている。
オンディレイタイマ33は、入力信号がオン信号であった場合に、その入力信号が入力されてから所定時間βの経過後に、オン信号を切替回路34に出力する。なお、入力信号がオフ信号であった場合には、時間遅れなくオフ信号を切替回路34に出力する。
切替回路34は、入力端子P13の入力信号がオン信号の場合には、入力端子P12に入力されるEXCSOを信号C1として出力端子P14から出力する。一方、入力端子P13に入力される信号がオフ信号の場合には、入力端子P11に入力される信号、つまり、現在の燃料流量上限値LMTを信号C1として出力端子P14から出力する。
切替回路38は、入力端子P23にオン信号が入力された場合には、入力端子P22に入力されるCSOを出力端子P24から出力する。一方、入力端子P23にオフ信号が入力された場合には、入力端子P21に入力される信号、つまり、第1の上限値設定回路40の切替回路34から出力される信号C1を出力端子P24から出力する。
第2の選択回路15は、第1の選択回路14により選択されたCSOを燃料流量上限値LMT以下とする低値制御を行い、低値制御後のCSOを燃料流量指令として出力する。
減算器35は、「CSO−C1」の算出結果を差分モニタ36に出力する。ここで、時刻T1におけるCSOはLDCSOであり、時刻T1直前における燃料流量上限値LMT以上であるから、算出結果は「0」以上となり、偏差モニタ36からオンディレイタイマ37にオン信号が出力される。これにより、時刻T1(図20参照)から所定時間γ経過後に、オンディレイタイマ37からオン信号が切替回路38に出力されることとなる。
時刻T4において、燃料流量上限値LMTは、EXCSOに更新される。
時刻T4以降は、第1の選択回路14によりCSOとしてEXCSO以外の制御信号が選択されるまで、燃料流量上限値LMTがEXCSOに一致するように更新される。
なお、上述した実施形態では、燃料流量制御装置としてハードウェアによる処理を前提としていたが、このような構成に限定される必要はない。例えば、各入力信号に基づいて別途ソフトウェアにて処理する構成も可能である。この場合、燃料流量制御装置は、CPU、RAM等の主記憶装置、上記処理の全て或いは一部を実現させるためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、CPUが上記記憶媒体に記録されているプログラムを読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述の燃料流量制御装置と同様の処理を実現させる。
ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
2 燃焼器
3 ガスタービン
4 発電機
10 発電システム
11 負荷制御器
12 ガバナ制御器
13 温度制御器
14 選択回路
15 リミッタ回路
16a乃至16d 補正回路
17a、17b 設定回路
19 演算部
20 燃料流量制御装置
21 減算器
22a乃至22d 関数発生器
23 乗算器
31、35 減算器
32、36 差分モニタ
33、37 オンディレイタイマ
34、38 切替回路
40 第1の上限値設定回路
41 第2の上限値設定回路
Claims (11)
- 空気を圧縮して出力する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気と燃料配管を経て供給される燃料とを混合燃焼し、燃焼ガスを出力する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機とを備えるガスタービンにおいて、前記燃焼器に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御装置であって、
前記ガスタービンの運転状態並びに温度状態に関する状態量を入力信号として取得し、これらの入力信号に基づいて前記燃焼器に供給する燃料流量を制御するための燃料流量指令を演算する演算手段と、
前記演算手段により求められた前記燃料流量指令を燃料流量上限値以下とする調整手段と
を備え、
前記燃料流量上限値が前記タービンの入口温度を予め設定されている上限温度以下とする燃料流量値に設定されている燃料流量制御装置。 - 圧縮機に供給する空気供給量に基づいて前記燃料流量上限値を補正する補正手段を備える請求項1に記載の燃料流量制御装置。
- 大気温度に基づいて前記燃料流量上限値を補正する補正手段を備える請求項1に記載の燃料流量制御装置。
- 前記燃料配管を経て前記燃焼器に供給する燃料ガスの温度に基づいて前記燃料流量上限値を補正する補正手段を備える請求項1に記載の燃料流量制御装置。
- 前記燃料配管を経て前記燃焼器に供給する燃料ガスの発熱量に基づいて前記燃料流量上限値を補正する補正手段を備える請求項1に記載の燃料流量制御装置。
- 前記演算手段により求められる前記燃料流量指令の挙動に基づいて、前記燃料流量上限値を設定する設定手段を備える請求項1に記載の燃料流量制御装置。
- 前記演算手段は、
前記発電機の出力を目標値に一致させるように燃料流量を制御する負荷制御信号を算出する負荷制御手段と、
前記タービンの排ガス温度が排ガス温度上限値を超えないように燃料流量を制御する排ガス温度制御信号を算出する排ガス温度制御手段と、
前記タービンのブレードパス温度がブレードパス温度上限値を超えないように燃料流量を制御するブレードパス温度制御信号を算出するブレードパス温度制御手段と、
前記負荷制御信号、排ガス温度制御信号、及びブレードパス温度制御信号のうち、最も低い値の制御信号を前記燃料流量指令として選択する選択手段と
を備える請求項1から請求項6のいずれかの項に記載の燃料流量制御装置。 - 前記設定手段は、前記選択手段により前記排ガス温度制御信号が前記燃料流量指令として選択されている状態が所定時間継続した場合に、前記燃料流量上限値を前記排ガス温度制御信号と一致させるように更新し、前記選択手段により前記燃料流量指令として選択される信号が前記排ガス温度制御信号から他の制御信号に切り替わった場合に、その切替の際に設定されている燃料流量上限値を維持する請求項7に記載の燃料流量制御装置。
- 前記設定手段は、前記選択手段により前記排ガス温度制御信号が前記燃料流量指令として選択されている状態が所定の時間継続した場合に、前記燃料流量上限値を前記排ガス温度制御信号と一致させるように更新し、前記選択手段により前記燃料流量指令として選択される信号が前記排ガス温度制御信号から他の制御信号に切り替わった場合に、その切替の際に設定されている燃料流量上限値を維持し、この維持状態が所定の時間継続した場合に、前記燃料流量上限値を現在の前記燃料流量指令に更新する請求項7に記載の燃料流量制御装置。
- 空気を圧縮して出力する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気と燃料配管を経て供給される燃料とを混合燃焼し、燃焼ガスを出力する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機とを備えるガスタービンと、
前記燃焼器に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御装置と
を備える発電システムであって、
前記燃料流量制御装置は、
前記ガスタービンの運転状態並びに温度状態に関する状態量を入力信号として取得し、これらの入力信号に基づいて前記燃焼器に供給する燃料流量を制御するための燃料流量指令を演算する演算手段と、
前記演算手段により求められた前記燃料流量指令を燃料流量上限値以下とする調整手段と
を備え、
前記燃料流量上限値が前記タービンの入口温度を予め設定されている上限温度以下とする燃料流量値に設定されている発電システム。 - 空気を圧縮して出力する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気と燃料配管を経て供給される燃料とを混合燃焼し、燃焼ガスを出力する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機とを備えるガスタービンにおいて、前記燃焼器に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御方法であって、
前記ガスタービンの運転状態並びに温度状態に関する状態量を入力信号として取得し、これらの入力信号に基づいて前記燃焼器に供給する燃料流量を制御するための燃料流量指令を演算する演算過程と、
前記燃料流量指令を、前記タービンの入口温度を予め設定されている上限温度以下とする燃料流量値に設定されている燃料流量上限値以下とする調整過程と
を具備する燃料流量制御方法。
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