JP2011085105A

JP2011085105A - ガスタービン制御装置及び発電システム

Info

Publication number: JP2011085105A
Application number: JP2009240384A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Saito; 昭彦齋藤; Takashi Sonoda; 隆園田; Masato Honda; 正人本多; Shigeki Wakamatsu; 繁樹若松
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-04-28

Abstract

【課題】負荷遮断や所内単独等のように負荷が急減する事象が発生した場合でも、燃焼器における燃焼を確実に維持すること。
【解決手段】燃焼器に供給される燃料のパイロット比を取得する第１情報取得部１２１と、燃焼器に供給される空気流量を取得する第２情報取得部１２２と、燃焼器における燃焼状態の安定性で決まるパイロット比と燃空比との関係が示された燃焼維持限界情報を有し、第１情報取得部１２１によって取得されたパイロット比に対応する燃空比を燃焼維持限界情報から取得し、該燃空比を目標燃空比として出力する目標燃空比取得部１２３と、目標燃空比と第２情報取得部１２２によって取得された空気流量とを用いて、最低燃料指令を決定する指令作成部１２４とを備える最低燃料指令設定部１２を具備するガスタービン制御装置を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービン制御装置及び発電システムに関するものである。

従来、発電所等で使用されるガスタービンでは、圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、燃焼器における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、発電を行っている。

このようなガスタービンでは、負荷遮断や所内単独といった負荷が急減する事象が発生した場合、燃焼器への燃料を絞ることにより回転速度の上昇を抑制するとともに、圧縮機に流入する空気量を減少させる制御を行っている。
しかしながら、燃焼器に供給する燃料を絞りすぎてしまうと、燃焼器における燃空比がくずれ、燃空比が設計値から逸脱してしまうことが懸念される。また、燃空比が設計値から逸脱してしまうと、燃焼が不安定となり、最悪の場合、失火が発生してしまう可能性がある。
このような最悪の事態を防止するために、従来は、安定した燃焼が維持できる程度の所定の最低燃料指令値を設定しておき、常に、燃料指令を最低燃料指令値以上とする制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１４８１７３号公報

しかしながら、従来のガスタービンでは、上記最低燃料指令値は固定値として与えられていたため、燃焼器の燃焼状態等によっては必ずしも好ましい値に設定されない場合があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、負荷遮断や所内単独等のように負荷が急減する事象が発生した場合でも、燃焼器における燃焼を確実に維持することのできるガスタービン制御装置及び発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、圧縮機と、前記圧縮機から出力された圧縮空気と燃料流路からの燃料とが供給される燃焼器と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスによって回転させられるタービンと、該タービンの回転により発電する発電機とを備えるガスタービンに適用可能なガスタービン制御装置であって、前記燃焼器の燃焼を維持するために必要な最低燃料指令を設定する最低燃料指令設定手段を備え、前記最低燃料指令設定手段は、前記燃焼器に供給される燃料流量に関するパラメータを取得する第１情報取得手段と、前記燃焼器に供給される空気流量に関するパラメータを取得する第２情報取得手段と、前記燃焼器における燃焼状態の安定性で決まるパイロット比と燃空比との関係が示された燃焼維持限界情報を有し、前記第１情報取得手段によって取得された前記燃料流量に関するパラメータに対応する燃空比を前記燃焼維持限界情報から取得し、該燃空比を目標燃空比として出力する目標燃空比取得手段と、前記目標燃空比と前記第２情報取得手段によって取得された前記空気流量に関するパラメータとを用いて、前記最低燃料指令を決定する指令作成手段とを具備するガスタービン制御装置を提供する。

上記構成によれば、燃焼器における燃焼状態の安定性で決まる、パイロット比と燃空比との関係が示された燃焼維持限界情報を予め用意しておき、この燃焼維持限界情報から現在の燃焼器におけるパイロット比に応じた燃空比を取得し、この燃空比から最低燃料指令を設定するので、燃焼器における燃焼状態に応じて最低燃料指令を動的に変化させることができる。これにより、燃焼器に供給する燃料流量の下限制御に燃焼器の燃焼状態を反映させることができ、燃焼器における燃焼を維持するために最低限必要となる燃料ガスを確実に燃焼器に供給することができる。この結果、負荷遮断や所内単独等のように負荷が急減する事象が発生した場合でも、燃焼器における燃焼を確実に維持することができる。

上記ガスタービン制御装置において、前記燃焼器には、拡散燃焼用のパイロットノズルと予混合用のメインノズルとが設けられており、前記燃料流量に関するパラメータとして前記パイロット比を用いてもよい。

パイロットノズルとメインノズルとを備えており、予混合燃焼と拡散燃焼とを切り替え可能な燃焼器を適用しているガスタービンにあっては、燃焼器における燃焼状態を把握するのに燃空比だけでは不十分となる。これは、例えば、燃空比が同じであっても予混合燃焼と拡散燃焼との割合によって燃焼状態が変化するからである。このような場合でも、上記構成によれば、パイロット比に基づいて燃焼を維持するのに理想的な燃空比を決定し、この燃空比から最低燃料指令を設定するので、燃空比だけを用いて最低燃料指令を設定する場合と比べて、最低燃料指令にそのときの燃焼器の燃焼状態をより反映させることができる。これにより、最低燃料指令をより適切な値に設定することが可能となる。

上記ガスタービン制御装置において、燃料ガスの発熱量、供給圧力、温度等の燃料側条件及び前記燃焼器に供給される空気の温度、湿度等の空気側条件の少なくともいずれかに応じて前記燃焼維持限界情報を補正することとしてもよい。

このように、燃料側条件、空気側条件に応じて燃焼維持限界情報を補正することにより、ガスタービンの運転条件による影響を反映させることが可能となり、より高い精度で燃焼制御を行うことが可能となる。

上記ガスタービン制御装置は、前記指令作成手段によって決定された前記最低燃料指令に対して上下限制限をかける上下限制限手段と、前記上下限制限手段から出力された最低燃料指令からノイズを低減するノイズ低減手段とを更に備えていてもよい。

このように、上下限制限手段を設けることにより、最低燃料指令が異常な値に設定されることを防止することが可能となり、また、ノイズ低減手段を設けることにより、最低燃料指令の変動を抑制することが可能となる。

本発明は、ガスタービンと、上記いずれかのガスタービン制御装置を備える発電システムを提供する。
発電システムは、ガスタービン及び上記ガスタービン制御装置を備えていればよく、例えば、ガスタービンと蒸気タービンとを備えるガスタービンコンバインドサイクル発電システム（ＧＴＣＣ：Gas Turbine Combined Cycle）や石炭ガス化複合発電システム（ＩＧＣＣ：Integrated Gasification Combined Cycle）であってもよい。

本発明によれば、負荷遮断や所内単独等のように負荷が急減する事象が発生した場合でも、燃焼器における燃焼を確実に維持することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示した図である。燃焼器に設けられているメインノズル及びパイロットノズルの一例を示した図である。本発明の一実施形態に係るガスタービン制御装置が備える燃料流量制御部の概略構成を示した図である。本発明の一実施形態に係る最低燃料指令設定部の概略構成を示した図である。燃焼維持限界情報の一例を示した図である。本発明の一実施形態に係る最低燃料指令設定部の変形例を示した図である。

以下、本発明の一実施形態に係るガスタービン制御装置および発電システムについて、図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示した図である。
図１に示すように、発電システムは、ガスタービン１０とガスタービン制御装置２０とを備えている。
ガスタービン１０は、タービン１０１、圧縮機１０２、及び燃焼器１０３を主な構成として備えている。圧縮機１０２において圧縮された圧縮空気は、燃焼器１０３に供給されるようになっている。また、燃焼器１０３には、燃料流路から燃料ガスが供給される。

燃焼器１０３に供給された圧縮空気と燃料ガスとは混合して燃焼され、高温の燃焼ガスが発生する。この高温の燃焼ガスによってタービン１０１が回転され、この回転が同軸上に接続されている発電機１０５に伝達されることにより、発電機１０５が発電する。なお、タービン１０１と同軸に圧縮機１０２も接続されており、タービン１０１の回転により圧縮機１０２も駆動するような構成とされている。

上記燃焼器１０３には、図２に示されるように、パイロットノズル５１と、パイロットノズル５１の外周に間隔をあけて配置される複数のメインノズル５２とが設けられている。パイロットノズル５１は拡散燃焼に用いられ、メインノズル５２は予混合燃焼に用いられる。これらノズルの切り替えが行われることにより、燃焼切り替えが行われる。
また、燃焼器１０３には、図１に示されるように、メインノズルに燃料ガスを供給する第１燃料流路１０６と、パイロットノズルに燃料ガスを供給する第２燃料流路１０７とが接続されている。第１燃料流路１０６および第２燃料流路１０７には、燃料ガスの流量を調整するための第１流量調節弁１０８および第２流量調節弁１０９がそれぞれ設けられている。

圧縮機１０２の吸気側には、圧縮機１０２の吸気量（吸入空気量）を調整するための入口案内翼１０４が設けられている。第１流量調節弁１０８及び第２流量調節弁１０９の開度並びに入口案内翼１０４の角度は、ガスタービン制御装置２０により制御される。
また、第１燃料流路１０６及び第２燃料流路１０７には、これら流路を流れる燃料ガスの流量を計測するための流量センサ１１０、１１１がそれぞれ設けられている。同様に、入口案内翼１０４の周辺には、圧縮機１０２へ吸入される空気流量を計測するための流量センサ１１２が設けられている。これらセンサの出力は、ガスタービン制御装置２０へ出力され、上記第１流量調節弁１０８及び第２流量調節弁１０９の弁開度制御並びに入口案内翼１０４の角度制御に使用される。

ガスタービン制御装置２０は、燃焼器１０３に供給される燃料流量を決定する燃料流量制御部２１と、燃焼器１０３に供給される圧縮空気流量を決定する空気流量制御部２２とを備えている。

図３は、ガスタービン制御装置２０の概略構成を示したブロック図である。図３に示すように、ガスタービン制御装置２０において、燃料流量制御部２１は、ＣＳＯ演算部１１、最低燃料指令設定部１２、高値選択部１３、及び燃料弁開度決定部１４を主な構成として備えている。

ＣＳＯ演算部１１には、図示を省略した各種制御部によって算出された負荷制御信号ＬＤＣＳＯ、ガバナ制御信号ＧＶＣＳＯ、ブレードパス温度制御信号ＢＰＣＳＯ、及び排ガス制御信号ＥＸＣＳＯが入力される。
負荷制御信号ＬＤＣＳＯは、発電機出力を発電機出力指令に一致させるように燃料流量を制御するための制御信号であり、ガバナ制御信号ＧＶＣＳＯは、タービン１０１の回転速度又は回転数を目標値に一致させるように燃料流量を制御するための制御信号であり、ブレードパス温度制御信号ＢＰＣＳＯはタービン１０１のブレードパス温度ＢＰＴ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ための制御信号であり、排ガス制御信号ＥＸＣＳＯは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ための制御信号である。なお、これらの制御信号については、公知の技術であり、例えば、特開２００７−０７１１４４号公報に開示されている。
ＣＳＯ演算部１１は、入力された各種制御信号のうち、最も低値の制御信号を選択し、これを燃料流量指令ＣＳＯとして高値選択部１３に出力する。

最低燃料指令設定部１２は、現在の燃焼器の燃焼状態に応じて動的に最低燃料指令を設定し、設定した最低燃料指令を高値選択部１３に出力する。なお、最低燃料指令設定部１２は、本発明の主な特徴部分であり、詳細については後述する。

高値選択部１３は、燃料流量指令ＣＳＯおよび最低燃料指令のうち値の大きい方を選択し、これを新たな燃料流量指令ＣＳＯ´として燃料弁開度決定部１４に出力する。
燃料弁開度決定部１４は、例えば、燃焼負荷指令値ＣＬＣＳＯとパイロット比とが関連付けられた情報（例えば、関数やマップ）を有しており、この情報から図示しない別の制御回路によって求められた現在の燃焼負荷指令値ＣＬＣＳＯに対応するパイロット比を取得する。なお、燃焼負荷指令値ＣＬＣＳＯは、ガスタービン入口温度に比例する値であり、例えば、特開２００７−７７８６７号公報に開示されている。

燃料弁開度決定部１４は、パイロット比を取得すると、このパイロット比を燃料流量指令ＣＳＯ´に乗ずることにより、パイロット流量指令を得る。また、燃料弁開度決定部１４は、上記パイロット比と算出したパイロット流量指令とを以下の（１）式に与えることにより、メイン流量指令を算出する。

Ｐ＝Ｆｐ／（Ｆｐ＋Ｆｍ）（１）

上記（１）式において、Ｐはパイロット比、Ｆｐはパイロット流量、Ｆｍはメイン流量である。

このようにして、パイロット流量指令およびメイン流量指令を得ると、これらの流量指令から弁開度をそれぞれ求め、第１流量調節弁１０８及び第２流量調節弁１０９を駆動する図示しない駆動回路に対して弁開度をそれぞれ出力する。

次に、本発明の主な特徴部分である最低燃料指令設定部１２について説明する。
最低燃料指令決定部１２は、図４に示されるように、第１情報取得部１２１、第２情報取得部１２２、目標燃空比取得部１２３、及び指令作成部１２４を備えている。
第１情報取得部１２１は、燃焼器１０３に供給される燃料流量に関するパラメータを取得する。具体的には、第１情報取得部１２１は、流量センサ１１０により計測された第１燃料流路１０６を流れる燃料ガスの流量（以下「メイン流量」という。）、流量センサ１１１により計測された第２燃料流路１０７を流れる燃料ガスの流量（以下「パイロット流量」という。）とを入力情報として取得し、これらの情報からパイロット比を求め、これを目標燃空比取得部１２３に出力する。なお、パイロット比Ｐは、上記（１）式で求められる。

第２情報取得部１２２は、燃焼器１０３に供給される空気流量に関するパラメータを取得する。具体的には、第２情報取得部１２２は、流量センサ１１２により計測される圧縮機１０２の吸気流量を燃焼器１０３に供給される空気流量とみなして、指令作成部１２４に出力する。

目標燃空比取得部１２３は、燃焼器１０３における燃焼状態の安定性で決まる、パイロット比と燃空比との関係が示された燃焼維持限界情報を有している。図５に燃焼維持限界情報の一例を示す。図５において、横軸はパイロット比、縦軸は燃空比である。図５に示されている曲線は、燃焼を維持させるためのパイロット比と燃空比との限界バランスを示しており、例えば、曲線の上側は燃焼維持領域、曲線の下側は燃焼不安定領域（換言すると、確実な燃焼を維持できない領域）を示している。

目標燃空比取得部１２３は、第１情報取得部１２１から入力されたパイロット比に対応する燃空比を図５に示した燃焼維持限界情報から取得し、取得した燃空比を目標燃空比として指令作成部１２４に出力する。
指令作成部１２４は、目標燃空比取得部１２３から出力された目標燃空比に、第２情報取得部１２２によって取得された空気流量を乗じることで、目標燃空比に対応する燃料量を計算し、これを最低燃料指令として出力する。
これにより、最低燃料指令が図３に示した高値選択部１３に与えられることとなる。

次に、上述した最低燃料指令設定部１２の作用について説明する。
まず、図１に示したガスタービン１０において、第１燃料流路１０６を通じてメインノズルに供給されるメイン流量が流量センサ１１０によって計測され、第２燃料流路１０７を通じてパイロットノズルに供給されるパイロット流量が流量センサ１１１によって計測されて第１情報取得部１２１に与えられる。また、圧縮機１０２に供給される空気流量が流量センサ１１２によって計測されて第２情報取得部１２２に与えられる。

第１情報取得部１２１において、メイン流量及びパイロット流量からパイロット比が算出され、目標燃空比取得部１２３に出力される。目標燃空比取得部１２３では、図５に示した燃焼維持限界情報からパイロット比に対応する燃空比が求められ、この燃空比が目標燃空比として指令作成部１２４に出力される。
指令作成部１２４では、第２情報取得部１２２を介して入力された空気流量と目標燃空比取得部１２３から入力された目標燃空比とが乗算されることにより、目標燃空比に対する燃料量が計算され、この値が最低燃料指令として図３に示した高値選択部１３に出力される。

以上説明してきたように、本実施形態に係る発電システム及びガスタービン制御装置によれば、燃焼器１０３における燃焼状態の安定性で決まる、パイロット比と燃空比との関係が示された燃焼維持限界情報を予め用意しておき、この燃焼維持限界情報から現在の燃焼器におけるパイロット比に応じた燃空比を取得し、この燃空比から最低燃料指令を設定するので、燃焼器における燃焼状態に応じて最低燃料指令を動的に変化させることができる。これにより、燃焼器１０３に供給する燃料流量の下限制御に燃焼器１０３の燃焼状態を反映させることができ、燃焼器１０３における安定した燃焼を確実に維持することが可能となる。

また、特に、予混合燃焼と拡散燃焼とを切り替え可能な燃焼器を適用しているガスタービンにあっては、燃焼器における燃焼状態を把握するのに燃空比だけでは不十分となる。これは、例えば、燃空比が同じであっても予混合燃焼と拡散燃焼との割合によって燃焼状態が変化するからである。本実施形態では、上述のように、パイロット比に基づいて、燃焼を維持するのに理想的な燃空比を決定し、この燃空比から最低燃料指令を設定するので、燃空比だけを用いて最低燃料指令を設定する場合と比べて最低燃料指令をより適切な値に設定することが可能となる。これにより、例えば、燃焼を維持するのに必要とされる燃料量ぎりぎりのラインで燃料供給を行うことも可能となり、燃焼器における失火を確実に防止しながら、燃焼器へ供給する燃料ガスの流量の低減を実現することが可能となる。

〔変形例１〕
上記実施形態では、燃焼器１０３に供給される燃料流量に関するパラメータとして、パイロット比を用いていたが、これに代えて、例えば、パイロット流量（流速）、メイン流量（流速）等を用いることとしてもよい。
また、燃焼器１０３に供給される空気流量に関するパラメータとして、流量センサ１１２によって計測された計測値を用いていたが、これに代えて、圧縮機１０２の入口案内翼の角度から演算によって空気流量を得てもよいし、また、圧縮機１０２と燃焼器１０３との間の空気流量を計測して、この計測値を用いることとしてもよい。
また、上述のように、計測値を用いるのに代えて、指令値を使用することとしてもよい。例えば、パイロット比であれば、上述した燃料弁開度決定部１４において設定されるパイロット比を使用すればよい。このように、計測値ではなく、指令値を用いることで、操作端の遅れや計測器の遅れを排除することができる。

〔変形例２〕
上記実施形態において、燃料ガスの発熱量、供給圧力、温度等の燃料側条件及び燃焼器１０３に供給される空気の温度、湿度等の空気側条件の少なくともいずれかに応じて燃焼維持限界情報を補正することとしてもよい。
このように、燃料側条件、空気側条件に応じて燃焼維持限界情報を補正することにより、ガスタービンの運転条件による影響を反映させることが可能となり、より高い精度で燃焼制御を行うことが可能となる。

〔変形例３〕
図６に示すように、図４に示した最低燃料指令設定部１２の構成に加えて、指令作成部１２４によって決定された前記最低燃料指令に対して上下限制限をかける上下限制限部１２５と、上下限制限部１２５から出力された最低燃料指令からノイズを低減するノイズフィルタ（ノイズ低減手段）１２６とを更に設けることとしてもよい。
このように、上下限制限部１２５を設けることにより、最低燃料指令が異常な値に設定されることを防止することが可能となり、また、ノイズフィルタ１２６を設けることにより、最低燃料指令の変動を抑制することが可能となる。

１０ガスタービン
１１ＣＳＯ演算部
１２，１２´ 最低燃料指令設定部
１３高値選択部
１４燃料弁開度決定部
２０ガスタービン制御装置
２１燃料流量制御部
２２空気流量制御部
１０１タービン
１０２圧縮機
１０３燃焼器
１０４入口案内翼
１０５発電機
１０６第１流量流路
１０７第２流量流路
１０８第１流量調節弁
１０９第２流量調節弁
１１０，１１１，１１２流量センサ
１２１第１情報取得部
１２２第２情報取得部
１２３目標燃空比取得部
１２４指令作成部
１２５上下限制限部
１２６ノイズフィルタ

Claims

圧縮機と、前記圧縮機から出力された圧縮空気と燃料流路からの燃料とが供給される燃焼器と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスによって回転させられるタービンと、該タービンの回転により発電する発電機とを備えるガスタービンに適用可能なガスタービン制御装置であって、
前記燃焼器の燃焼を維持するために必要な最低燃料指令を設定する最低燃料指令設定手段を備え、
前記最低燃料指令設定手段は、
前記燃焼器に供給される燃料流量に関するパラメータを取得する第１情報取得手段と、
前記燃焼器に供給される空気流量に関するパラメータを取得する第２情報取得手段と、
前記燃焼器における燃焼状態の安定性で決まるパイロット比と燃空比との関係が示された燃焼維持限界情報を有し、前記第１情報取得手段によって取得された前記燃料流量に関するパラメータに対応する燃空比を前記燃焼維持限界情報から取得し、該燃空比を目標燃空比として出力する目標燃空比取得手段と、
前記目標燃空比と前記第２情報取得手段によって取得された前記空気流量に関するパラメータとを用いて、前記最低燃料指令を決定する指令作成手段と
を具備するガスタービン制御装置。
前記燃焼器には、拡散燃焼用のパイロットノズルと予混合用のメインノズルとが設けられており、
前記燃料流量に関するパラメータとして前記パイロット比を用いる請求項１に記載のガスタービン制御装置。
燃料ガスの発熱量、供給圧力、温度等の燃料側条件及び前記燃焼器に供給される空気の温度、湿度等の空気側条件の少なくともいずれかに応じて前記燃焼維持限界情報を補正する請求項２に記載のガスタービン制御装置。
前記指令作成手段によって決定された前記最低燃料指令に対して上下限制限をかける上下限制限手段と、
前記上下限制限手段から出力された最低燃料指令からノイズを低減するノイズ低減手段と
を具備する請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスタービン制御装置。
ガスタービンと、
請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービン制御装置と
を備える発電システム。