JP2010037999A - コンバインド制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切替発生器により調節弁開度モデルを利用し、プラント全体を起動しなくとも調節弁の開度フィードバック信号を採りいれた実機による機能確認試験を行う。
【解決手段】コンバインド制御装置１１から調節弁への出力信号１３Ｓを用いてシミュレータ１２で模擬する調節弁開度モデル１４と、タービン回転数モデル／発電機電力モデル１８による演算をシミュレータ機能部１２の中で構成し、調節弁開度モデル１４の出力は、調節弁に出力する操作指令１３Ｓから開度を模擬した信号１４Ｓと、実機の調節弁からの実開度を入力した信号９Ｓとを切替える切替発生器１５を設けることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばコンバインド発電プラント用ガスタービンや、コンバインド産業用ガスタービン等が備える調節弁を制御するコンバインド制御装置に関し、特にシミュレータ機能を利用して実機の調節弁の動作確認を行う技術に関する。

従来、コンバインド発電プラント用ガスタービンや、コンバインド産業用ガスタービン等が備える調節弁の実動作試験を行う際には、燃料となるガスや油を使用することによりプラントの起動過程、定格出力状態、停止過程とあらゆる運転状況に適応した弁調整を行う必要がある。その際、プラント運転中に使用する燃料消費を抑える低減策として試験時間短縮が提案されている。

例えばガスタービンにおける調節弁は燃料ガス圧力調節弁、燃料ガス流量調節弁などがあるが、燃料を供給するラインとは別に、制御油供給ラインによって油圧駆動にて動作が可能である。これに着目すると、プラント全体を運転させなくても制御油供給ラインのみ運転すれば調節弁の機能確認試験が実現できる。

このような調節弁の実動作試験をスムーズに進行するにあたり、調節弁の開度モデルを利用した試験を行う方法がある。調節弁を動作させる調節弁開度演算器は、調節弁開度モデルとの組合せによって実現が可能であるが、調節弁開度モデルと調節弁開度演算器の切替手法も提案されている。
特開２００１−３１８７１６号公報 特開平１１−３２４６１１号公報

特許文献１などに記載された従来の手法では、調節弁開度モデルと制御装置の中で構成される調節弁開度演算器の切替元となる切替発生器が別の試験装置から行われている。この従来の手法では、現地試験の際に調節弁開度モデルと制御装置の中で構成する調節弁開度演算器を切替する上で、切替発生器を備えた試験装置と制御装置との組み合わせを必要とするため、現地にて再現する工数が掛かる問題があった。

また、切替発生器によって調節弁開度モデルと調節弁開度演算器を切替することにより、現地試験における機能確認試験を行う方法が採られている。しかし、切替発生器により調節弁開度モデルを使用中とした場合、調節弁開度演算器である実回路の健全性を確認することは可能となるが、調節弁の実動作となる開度フィードバック信号の確認ができない問題があった。

特許文献２に記載された手法についても、同様の問題があった。即ち、調節弁の制御をシミュレーションする技術についての記載が特許文献２に記載されているが、特許文献２に記載された技術では、シミュレーション中は外部出力を阻止するようにしてあり、弁の制御装置単独でのシミュレーションしかできず、実際に調節弁が設置された現地での、その調節弁の設置状況を考慮した正確なシミュレーションは不可能であった。

本発明の目的は、切替発生器により調節弁開度モデルを使用中とすることで、プラント全体を起動しなくとも調節弁の開度フィードバック信号を採りいれることにより、調節弁の静特性及び動特性の確認が実現できることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、調節弁を制御するコンバインド制御装置において、調節弁への出力信号を用いて模擬する調節弁開度モデルと、その調節弁開度モデルによる演算に基づいて、タービン回転数モデル及び発電機電力モデルを組合せしたものをシミュレータ機能部で構成し、このシミュレータ機能部をコンバインド制御装置の中に組み込むようにした。
この場合、調節弁開度モデルの出力は、調節弁に出力する操作指令から開度を模擬した信号と、実機の調節弁の実開度となるフィードバックを入力した信号とを切替える切替発生器により切替える構成とする。

本発明によれば、調節弁開度モデル、タービン回転数モデル及び発電機電力モデルを内蔵するシミュレータ機能部と実機の調節弁を操作する調節弁開度演算器、それらを切替える切替発生器が一つの装置の中で組み込まれているので、現地にて新たに組み合わせるために必要な工数が掛からない。そして試験を行う準備が整えば、コンバインド制御装置の中の切替発生器により、調節弁開度モデルを使用中または除外中とすることで、調節弁への操作指令による開度フィードバック信号を取り入れた実回路の機能確認ができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態の例を、添付図面を参照しながら説明するが、本発明は以下に説明する例に限定されるものではない。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施の形態に係わるコンバインド発電プラント設備で、コンバインド制御装置との関係を示す全体構成図であり、図２は、調節弁制御回路を示す構成図であり、図３は、調節弁の制御系統システムを示す全体構成図であり、図４は、シミュレータ内部で演算する構成図を示である。

図１は本発明の一実施形態例に係わるコンバインド制御装置の全体構成を示す構成図である。本実施の形態のコンバインド制御装置１１で制御されるコンバインド発電プラント設備は、調節弁１００によって燃料流量を制御し、燃焼器１へ燃料が供給される。そして、空気圧縮機２で圧縮された空気と混合させて燃焼し、高温高圧のガスを発生させてガスタービン３を回転させる。ガスタービン３からの排気は排熱回収ボイラ４に導かれ、その熱回収した余剰熱により蒸気を発生させ蒸気タービン５にて動翼を回転することにより連結された発電機６を駆動させる。

コンバインド制御装置１１は、燃料流量を調節する機構として設けられた調節弁１００を、調節弁開度演算器１３からの操作指令１３Ｓにより調節弁を動作させ、調節弁開度検出器９により、調節弁１００の開閉状態をフィードバック信号９Ｓとしてシミュレータ機能部１２に入力させる構成としてある。同時に操作指令１３Ｓは、シミュレータ機能部１２内の調節弁開度モデル１４にも供給して入力させる。
シミュレータ機能部１２は、調節弁開度モデル１４とタービン回転数及び発電機電力モデル１８とを備えて、それぞれのモデル１４，１８での演算処理で、調節弁開度演算器１３からの操作指令１３Ｓに対応した調節弁開度やタービン回転数及び発電機電力を得る構成としてある。

本実施の形態のコンバインド制御装置１１に組み込まれたシミュレータ機能部１２は、操作指令１３Ｓを調節弁開度モデル１４に入力し、その中で模擬した調節弁開度模擬信号１４Ｓを出力する。そして、調節弁開度フィードバック信号９Ｓと、調節弁開度模擬信号１４Ｓの何れかを選択して使用する第１切替器１６が設けられている。第１切替器１６での切替えを制御する手段として、コンバインド制御装置１１が第１切替発生器１５を備えており、その第１切替発生器１５からの指令で、第１切替器１６での選択が行われる。

コンバインド制御装置１１に設けられた第１切替発生器１５にて調節弁開度モデル１４を使用中にすると、調節弁開度演算器１３からの操作指令１３Ｓに基づいて、調節弁開度モデル１４で得られた調節弁開度模擬信号１４Ｓが、第１切替器１６で選ばれる。
また、第１切替発生器１５にて調節弁開度モデル１４を除外中にすると、実機の調節弁１００の調整状態に基づいて出力される調節弁開度フィードバック信号９Ｓが選ばれる。
第１切替器１６で選ばれた切替後信号１６Ｓは、タービン回転数及び発電機電力モデル１８に入力される。

また、コンバインド制御装置１１は、調節弁開度／タービン回転数／発電機電力演算器１７を備える。この調節弁開度／タービン回転数／発電機電力演算器１７は、速度ピックアップ７で検出されるタービン回転数信号７Ｓと、発電機電力変換器８で検出される電力信号８Ｓを入力し、発電機電力に相当する出力信号１７Ｓを得る。
シミュレータ機能部１２では、その出力信号１７Ｓと、タービン回転数及び発電機電力モデル１８からの出力信号１８Ｓとのいずれか一方を、第２切替発生器１９で選択し、その選択された信号Ｓ２０を、調節弁開度演算器１３に供給し、操作指令１３Ｓを得る。
第２切替器２０での切替えを制御する手段として、コンバインド制御装置１１が第２切替発生器１９を備えており、その第２切替発生器１９からの指令で、第２切替器２０での選択が行われる。

コンバインド制御装置１１に設けられた第２切替発生器１９にてタービン回転数及び発電機電力モデル１８を使用中とすると、タービン回転数及び発電機電力モデル１８からの出力信号１８Ｓが第２切替器２０で選ばれ、切替後信号２０Ｓとして調節弁開度演算器１３に出力される。
また、第２切替発生器１９にて、タービン回転数及び発電機電力モデル１８を除外中にすると、実機の調節弁開度／タービン回転数／発電機電力に基づいた調節弁開度／タービン回転数／発電機電力演算器１７からの出力信号１７Ｓが選ばれ、切替後信号２０Ｓとして調節弁開度演算器１３に出力される。

このように構成したことで、シミュレーション試験を実施する際に工場内にて試験をする場合は、第１切替発生器１５及び第２切替発生器１９の両方とも使用中とすることにより、先行して調節弁実回路の健全性を確認し調整することが可能となる。
現地にて調節弁の実動作試験のみ実施する場合は、第２切替発生器１９を使用中としたまま第１切替発生器１５のみ除外中とすることにより、調節弁のチューニング設定による弁の微調整を容易に行うことができる。
プラント全体を運転する場合は、第１切替発生器１５及び第２切替発生器１９の両方とも除外中とする。
これらの３パターンの制御が切替発生器１５，１９による選択で実現できるため、試験内容に適応した機能確認試験を確実に行える。

次に、図２に示した、本発明の一実施の形態例に係わる調節弁制御回路の構成について説明する。
図２の例は、燃料ガス流量を制御する燃料ガス流量調節弁に適用した例であり、油圧駆動させる場合は、制御油供給ラインのポンプ１０２を運転させ、調節弁１００の油圧を確保した状態で試験を行う。燃料ガスの供給路には、調節弁１００とは別に遮断弁１０１が設けてある。

コンバインド制御装置１１が備える調節弁開度演算器１３は、燃料指令設定器２１と、補正演算器２２と、比較演算器２３とを備える。
燃料指令設定器２１では、起動制御と、速度制御と、温度制御との３制御状態の中から最小燃料指令として一つを選択し、補正演算器２２にて補正した後、燃料流量指令２２Ｓを開度指令として比較演算器２３に入力する。
比較演算器２３で得た操作指令１３Ｓは、実機の調節弁１００へ供給すると同時に、シミュレータ機能部１２の調節弁開度モデル１４にも供給する。

本実施の形態においては、第１切替発生器１５で使用中としている場合、調節弁開度モデル１４内に設けた積分演算器２４により処理を行い、調節弁開度模擬信号１４Ｓの切替後信号１６Ｓと補正演算器２２の出力信号２２Ｓとを比較演算器２３で比較して演算する。逆に第１切替発生器１５で除外中としている場合は、実際の調節弁開度フィードバック信号９Ｓによる切替後信号１６Ｓと補正演算器２２の出力信号２２Ｓとを比較演算器２３で比較して演算する。

このように、プラント全体を起動しなくても、制御油供給ラインを運転することで調節弁の動作の確認ができ、しかも、開度フィードバック信号９Ｓを採り入れることで、静特性及び動特性の確認も可能となるため調節弁動作の確認試験を短時間で行える。

次に、図３に示した、本発明の一実施の形態例に係わる調節弁の制御系統システムを示す全体構成について説明する。
図３の例は、燃料ガス流量を制御する燃料ガス流量調節弁に適用した例であり、油圧駆動させる場合は、制御油供給ラインのポンプを運転させ、調節弁の油圧を確保した状態で試験を行う。

調節弁１００の制御系統システム回路は、負荷指令設定器３１と、比較演算器２３と、上下限判定器３２と、速度／負荷設定器３３と、低値選択器３４と、調節弁開度演算器１３とから構成され、順に接続してあり、調節弁開度演算器１３の出力により調節弁１００を調節する。
また、シミュレータ機能部１２内には調節弁開度モデル１４と、タービン回転数モデル１８Ａと、発電機電力モデル１８Ｂとを備えており、実回路とシミュレータを組み合わせた確認試験を２つの切替発生器１５，１９により使い分けすることで、試験内容に適応した調節弁の機能確認試験を確実に行える。
図３では、タービン回転数／発電機電力モデル１８は、タービン回転数モデル１８Ａと発電機電力モデル１８Ｂとに分けてあり、タービン回転数モデル１８Ａはタービン回転数を算出して、第２切替器２０の一方の切替器２０Ａに供給する。切替器２０Ａは、タービン回転数モデル１８Ａで算出されたタービン回転数と、実機のタービン回転数との選択を行う。発電機電力モデル１８Ｂは発電機電力を算出して、第２切替器２０の他方の切替器２０Ｂに供給する。切替器２０Ｂは、発電機電力モデル１８Ｂで算出された発電機電力と、実機の発電機電力との選択を行う。

本実施の形態においては、第１切替発生器１５と第２切替発生器１９の２つの切替発生器を備えている。試験方法としては３パターンあり、それぞれステップ分けして進めることが可能である。
まず、ステップ１として、第１切替発生器１５及び第２切替発生器１９何れも使用中の場合は、現場機器からの信号は除外されるので制御装置内の確認試験が行える。
ステップ２は、第２切替発生器１９は使用中のままで、第１切替発生器１５のみ除外すると調節弁開度フィードバック信号９Ｓが取り込まれ、実機の動作状態を取り入れた実回路の機能確認ができる。
最後にステップ３として、第１切替発生器１５、第２切替発生器１９の何れも除外中とした場合は、現場機器からの信号を取り入れることによりプラント全体の起動過程、定格出力状態、停止過程とあらゆる運転状況に適応した弁調整の機能確認が可能となる。

このように、３パターン存在する切替方法をステップ分けすることで、スムーズに試験を進めることができるので現地にて調節弁の調整が容易に行える。

図４は、図３に示したシミュレータ機能部１２の詳細を示している。シミュレータ機能部１２の中には、調節弁開度モデル１４と、タービン回転数モデル／発電機電力モデル１８と、第１切替器１６と、第２切替器２０とを備える。
調節弁開度モデル１４は、積分演算器２４を備えている。また、タービン回転数モデル／発電機電力モデル１８は、ゲイン制御器４１と、乗算器４２と、関数発生器４３と、積分演算器２４とを備えている。

タービン回転数モデル／発電機電力モデル１８の中では、燃料流量模擬信号４２Ｓを作成している。まず、調節弁開度演算器から出力される操作指令１３Ｓを、積分演算器２４を経て第１切替器１６に入力させる。第１切替器１６は、調整弁開度モデル１４の出力信号と調節弁開度フィードバック信号９Ｓの何れかを選択した信号を出力し、ゲイン設定器４１にて調整をする。
そしてゲイン設定器４１の出力と、燃料流量指令２２Ｓを乗算器４２に供給して、燃料流量模擬信号４２Ｓを得る。この燃料流量模擬信号４２Ｓの値は、ゲイン設定器４１により任意に調整が可能であるため、定格無負荷運転時と定格負荷運転時のベースとなる燃料流量指令値を設定できる。

また、タービン回転数モデル／発電機電力モデル１８にて作成した燃料流量模擬信号４２Ｓは、一方の関数発生器４３によりタービン回転数の値に置換処理し、積分演算器２４を経てタービン回転数模擬信号１８ＡＳを作成する。また、燃料流量模擬信号４２Ｓは、他方の関数発生器４３により発電機電力の値に置換処理し、積分演算器２４を経て発電機電力模擬信号１８ＢＳを作成する。

このように、シミュレータ機能部１２では、調節弁開度モデル１４、タービン回転数モデル／発電機電力モデル１８の中で実回路と同等の機能を図る目的で模擬回路を構成している。このシミュレータ機能部１２はコンバインド制御装置１１の中で共存しており、１つとして既に組み込まれていることを特徴としている。

以上説明したように、本実施の形態によれば、調節弁開度モデル、タービン回転数モデル及び発電機電力モデルを内蔵するシミュレータ機能部と実機の調節弁を操作する調節弁開度演算器、それらを切替える切替発生器が一つの装置の中で組み込まれているので現地にて新たに組み合わせるための工数が掛からない。そして試験を行う準備が整えば、コンバインド制御装置の中の切替発生器により、調節弁開度モデルを使用中または、除外中とすることで、調節弁への操作指令による開度フィードバック信号を取り入れた実回路の機能確認ができるため、適切な試験が行える。

近年のコンバインド発電プラント用ガスタービンや産業用ガスタービンは急速起動による定格回転まで上げるまでの起動時間が短いことから、需要が多い。ゆえに短納期、現地における試運転試験も短時間であることから、正確な機能確認試験が求められている。この発明により柔軟且つ迅速に対応できることから今後の有効活用が期待される。

なお、上述した実施の形態の例では、燃料にガスを使用した燃料流量調節弁に係わる調節弁の機能確認試験を説明したが、油を適用した場合についても同様に構成できる。

また、本発明は上述した実施の形態の例に限定されるものではなく、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることは勿論である。

本発明の一実施の形態例に係わるコンバインド発電プラント設備とコンバインド制御装置との関係を示す全体構成図である。 一実施の形態例のコンバインド制御装置の調節弁の制御回路を示す構成図である。 一実施の形態例のコンバインド制御装置の制御系統システムを示す全体構成図である。 一実施の形態例のコンバインド制御装置のシミュレータ内部の構成図である。

符号の説明

１…燃焼器、２…空気圧縮機、３…ガスタービン、４…排熱回収ボイラ、５…蒸気タービン、６…発電機、７…速度ピックアップ、８…発電機電力変換器、９…調節弁開度検出器、１１…コンバインド制御装置、１２…シミュレータ機能部、１３…調節弁開度演算器、１４…調節弁開度モデル、１５…第１切替発生器、１６…第１切替器、１７…調節弁開度／タービン回転数／発電機電力演算器、１８…タービン回転数／発電機電力モデル、１８Ａ…タービン回転数モデル、１８Ｂ…発電機電力モデル、１９…第２切替発生器、２０，２０Ａ，２０Ｂ…第２切替器、２１…燃料指令設定器、２２…補正演算器、２３…比較演算器、２４…積分演算器、３１…負荷指令設定器、３２…上下限判定器、３３…速度／負荷設定器、３４…低値選択器、４１…ゲイン設定器、４２…乗算器、４３…関数発生器、１００…調整弁、１０１…遮断弁、１０２…ポンプ

Claims (4)

1. コンバインド発電プラントの燃料配管に設けられた調節弁を制御するコンバインド制御装置において、
   前記調節弁への出力信号を用いて調節弁の開度を模擬する調節弁開度モデルと、前記調節弁開度モデルによる演算に基づいてタービン回転数及び発電機電力を算出するタービン回転数モデル及び発電機電力モデルとを備えたシミュレータ機能部を組み込み、
   前記シミュレータ機能部が備える前記調節弁開度モデルで得た前記調節弁の開度を模擬した信号と、実機の前記調節弁からの実開度の信号とを切替える切替発生器を備え、
   前記調整弁への出力信号を用いた前記調整弁の調整と、前記調整弁への出力信号を用いた前記シミュレータ機能部によるシミュレーションとの双方が行えるようにしたことを特徴とするコンバインド制御装置。
2. 前記シミュレータ機能部が備える前記タービン回転数モデル及び発電機電力モデルで得たタービン回転数及び発電機電力の信号と、実機のタービン回転数及び発電機電力を入力した信号とを切替える切替発生器を備えたことを特徴とする請求項１記載のコンバインド制御装置。
3. 前記シミュレータ機能部が備える前記調節弁開度モデルは、実機の調節弁の実開度を燃料流量模擬信号に変換する機能を備えたことを特徴とする請求項１記載のコンバインド制御装置。
4. 前記シミュレータ機能部が備える前記タービン回転数モデル及び発電機電力モデルは、前記燃料流量模擬信号よりタービン回転数及び発電機電力を演算することを特徴とする請求項３記載のコンバインド制御装置。

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