JP2011231739A - ガスタービン発電設備およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン発電設備の圧縮機入口空気が所望の相対湿度になるように制御する。
【解決手段】ガスタービン発電設備は、空気を吸入して圧縮する圧縮機１と、圧縮機１に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システム２と、圧縮機１によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器３と、回転駆動されて発電を行う発電機５と、燃焼器３で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して圧縮機１および発電機５を駆動するガスタービン４と、圧縮機１に吸入される空気の相対湿度をを所定の相対湿度目標値に近づけるように冷却水の流量を制御する制御装置７と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸気中に冷却水を噴霧することにより吸気を冷却する吸気冷却システムを持つガスタービン発電設備、およびその運転方法に関する。

ガスタービンを用いた発電設備は火力発電設備の主要な方式の一つであり、国内外で広く使用されている。夏の気温が特に高い地域では気温の高い時期に消費電力量が多くなるので、これに合わせて気温の高い時期に発電量を多くする必要がある。ところが、気温の上昇によって空気密度が低下することにより、ガスタービン発電設備および複合発電設備の最大発電量が低下する。この特性は発電事業者にとって望ましくない。そこで、気温が高い時に吸気温度を低下させることにより、最大発電量の低下を防止する方法が提案されている。特に事業用発電設備で有効とされている方法が、吸気中に冷却水を噴霧することにより吸気温度を低下させる吸気冷却システムである（たとえば、特許文献１ないし特許文献３を参照）。

ガスタービン吸気冷却システムでは、ガスタービンの吸気中に冷却水を噴霧して、その気化熱によって圧縮機入口空気を冷却する。これによりガスタービンに、より多量の燃料を供給することを可能とし、ガスタービン出力増加に寄与するシステムである。

理論的には圧縮機入口空気が相対湿度１００％になるまで冷却水を噴霧すれば最大の冷却効果が得られる。実際的には相対湿度１００％では気化しない冷却水が発生するリスクがあるため、相対湿度１００％の代わりに、ある適切な飽和に近い相対湿度となるように冷却水を噴霧することになる。

特許第２９８００９５号公報 特許第４２８５７８１号公報 特許第４１６０２８９号公報

以下、説明の便宜上、ある適切な飽和に近い湿度は相対湿度９５％であるとして説明する。相対湿度９５％を実現するために必要な冷却水流量の具体的な計算方法は知られておらず、その計算は単純ではない。たとえば噴霧する前の空気の湿度と温度を計測し、これらに基づき圧縮機入口空気が相対湿度９５％になる冷却水流量Ｘを算出してこれを噴霧したとしても、噴霧した結果により圧縮機入口空気は冷却されて温度が低下するので、流量Ｘはもはや相対湿度９５％を実現する流量ではない。すなわち冷却され温度低下した空気に対して冷却水流量Ｘは過剰であり、圧縮機入口空気の相対湿度は目標の９５％を超えて、場合によっては相対湿度１００％あるいはそれ以上の流量が噴霧される。そしてその結果、気化しない冷却水が多量に圧縮機内に流入して圧縮機の翼等にダメージを与える可能性がある。

特許文献１に開示された技術では、相対湿度が１００％以上となり水滴が吸気されるリスクについて考慮されておらず、したがって適正な冷却水量について定量的な技術は提供されていない。この特許文献１では湿度１００％以上になるよう過剰に冷却水を噴霧し、この結果蒸発していない水が液滴状態で圧縮機内へ導入され、圧縮機内で液滴が蒸発する方式が提案されている。

この従来技術を使用すると、圧縮機内での気体流量バランスが設計点と大きく異なる場合があり、流体機械の不安定現象であるサージ現象が発生しやすくなる。また気化しない冷却水が圧縮機内に流入すると、圧縮機の翼等にダメージを与える可能性がある。なぜならば、通常、圧縮機およびタービンは気体のみを流す流体機械として設計されており、液滴が直接機械の表面に接触することは想定していない設計になっているためである。これらの結果、吸気冷却で過剰な冷却水を供給するならば、流体機械としての圧縮機の設計を全面的に見直して機械を改修する必要が生ずる。

特許文献２では、ガスタービン吸気冷却システムに他の機械プロセスを組み合わせることにより、ガスタービンの出力増加を図る提案が行われている。こうした方式は、特定の運転条件での出力増加には効果があるが、実プラントでの運転が複雑になりすぎ、各種制約により運転可能条件が制限されること、さらに新たに機械設備全体のバランス計算をやり直す必要があり構成機械の増加により保守が難しくなることなど、課題が多く実用化が難しいのが現状である。

特許文献３では、ガスタービン吸気冷却システムに加える冷却水流量について制御するという提案がなされている。しかし制御するという記述があるのみで具体的な説明や計算式や制御手法などは示されていない。この特許文献３のみによって、適切な冷却水流量を実現することは困難である。

本発明は、ガスタービン発電設備の圧縮機入口空気が所望の相対湿度になるように制御することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン発電設備は、空気を吸入して圧縮する圧縮機と、この圧縮機に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システムと、前記圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、回転駆動されて発電を行う発電機と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して前記圧縮機および前記発電機を駆動するガスタービンと、前記圧縮機に吸入される空気の相対湿度を所定の相対湿度目標値に近づけるように前記冷却水の流量を制御する制御装置と、を有する。

また、本発明に係るガスタービン発電設備の運転方法は、空気を吸入して圧縮する圧縮機と、この圧縮機に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システムと、前記圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、回転駆動されて発電を行う発電機と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して前記圧縮機および前記発電機を駆動するガスタービンと、を有するガスタービン発電設備の運転方法において、前記圧縮機に吸入される空気の相対湿度を所定の相対湿度目標値に近づけるように前記冷却水の流量を制御すること、を特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン発電設備の圧縮機入口空気が所望の相対湿度になるように制御できる。

本発明に係るガスタービン発電設備の第１の実施形態の全体構成を示す模式図である。 本発明に係るガスタービン発電設備の第１の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 本発明に係るガスタービン発電設備の第２の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 本発明に係るガスタービン発電設備の第３の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 本発明に係るガスタービン発電設備の第４の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 本発明に係るガスタービン発電設備の第５の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 本発明に係るガスタービン発電設備の第６の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 本発明に係るガスタービン発電設備の第７の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 本発明に係るガスタービン発電設備の第８の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。

以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

ここで説明する実施形態では、ガスタービンの吸気冷却システムで、冷却水流量は相対湿度を１００％以下の所定値（たとえば９５％）に近い値に制御し、圧縮機入り口前で冷却水がすべて気化するようにするものである。相対湿度１００％ないしはそれに近い状態は、大雨時に発生する高湿度の大気条件と同等であり、吸気冷却システムを持たない既存のガスタービン発電設備の機械設計バランスを崩すことなく適用でき、したがって、ほぼすべての従来型ガスタービンに適用可能である。

個別の実施形態について説明するに先立って、実施形態の説明全体に共通する事項を記載する。

まず、プロセス量はすべて理想的に計測できるものと仮定し、各プロセス量は計測値であるとして記載する。計測値が得られない場合であっても、他の計測可能なプロセス量および制御信号などの情報を用いて推定計算値が得られ計測値として代用可能である場合については、同等の技術が適用できるのは言うまでもない。

また、実施形態の説明ではＳＩ単位系を用いる。すなわち、質量はｋｇ、圧力はＭＰａ、温度はＫ、時間はｓ、質量流量はｋｇ／ｓ、エネルギーはｋＪ、エンタルピーはｋＪ／ｋｇ、比熱はｋＪ／ｋｇ／Ｋ、また絶対湿度としては重量絶対湿度ｋｇ／ｋｇ、相対湿度はｐｕ（ｐｅｒ ｕｎｉｔ）、分子量はｇ／ｍｏｌを、それぞれ使用する。水の分子量は１８．０１５２８ ｇ／ｍｏｌ、空気の分子量は２８．９６６ ｇ／ｍｏｌが使用されることが多いが、ここでは記載の容易さのために、それぞれ１８と２９を使用する。各単位は変換式を適切に用いることにより任意の単位体系に変換できるので、本発明の内容は、使用する単位系に依存しない。

さらに以下の説明では、プロセス量はつぎのルールに従って記述する。それぞれのプロセス量ごとにつぎの記号を使用する。すなわち、圧力ｐ、温度Ｔ、気体および液体の質量流量Ｍ、絶対湿度ｚ、相対湿度ｒ、比熱Ｃｐ、エンタルピーｈ、単位時間当たりのエネルギー流量Ｅを使用する。圧力は単位として使用されるＰａと区別するために小文字ｐを用いる。

またこれらの記号に続けて、ｓを添えるときは蒸気を、ｗを添えるときは水を、ｄを添えるときは乾燥空気を、ａを添えるときは空気と水蒸気を含む気体全体表現し、これらが飽和状態であるときは＊を付け、空気か蒸気か水かについて説明が不要な場合はこれを省略する。

さらに続けて、１を添えたときには吸気入口すなわち吸気ダクト内でまだ冷却水を加える前の空気または蒸気の状態を示し、２を添えたときには圧縮機入口すなわち吸気ダクト内で冷却水を加えた後に圧縮機に吸気される直前の状態を示し、３を添えたときには添加される冷却水の状態を示す。

エネルギーについては温度２７３．１５Ｋを基準にして０とし、そこからの変化分を用いる。

以上のルールに従ったプロセス量の具体的な例を示せば、吸気入口の圧力ｐａ１、吸気入口の乾燥空気の分圧ｐｄ１、吸気入口の水蒸気分圧ｐｓ１、吸気入口の乾燥空気の質量流量Ｍｄ１、吸気入口の水蒸気の質量流量Ｍｓ１、吸気入口温度Ｔ１、吸気入口の相対湿度ｒ１、吸気入口の絶対湿度ｚ１、圧縮機入口の圧力ｐａ２、圧縮機入口の温度Ｔ２、圧縮機入口の絶対湿度ｚ２、冷却水の温度Ｔ３、冷却水の質量流量Ｍｗ３、乾燥空気の比熱Ｃｐｄ、蒸気の比熱Ｃｐｓおよび水の比熱Ｃｐｗなどという表記を使用する。

プロセス量ではなく演算の結果として得られる値としては、相対湿度の目標値Ｑ１、冷却水流量目標値Ｑ２、冷却水流量操作量Ｑ３、ＰＩ制御の出力Ｑ４、中間変数Ｑ５、冷却水流量上限値Ｑ６という表記を用いる。

なお、以下の各実施形態の説明で、共通の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は本発明に係るガスタービン発電設備の第１の実施形態の全体構成を示す模式図である。図２は図１のガスタービン発電設備における制御装置７の構成を示す制御ブロック図である。図１に示すように、実施形態におけるガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機１と、この圧縮機１の吸気中に冷却水を噴霧することにより吸気温度を低下させる吸気冷却システム２と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して圧縮機１および発電機５を駆動するガスタービン４と、を有する。

吸気冷却システム２は、冷却水タンク１１と、冷却水タンク１１から水を送り出すポンプ１２と、冷却水流量を調節するための調節弁１３と、吸気中に冷却水を噴霧するためのグリッド１４と、これらを接続するための配管とを有する。

さらに、冷却水流量を調整する演算を行う制御装置７が設けられている。また、各種プロセス量計測器２０、２１、２２が配置され、プロセス量計測器２０、２１、２２の出力は制御装置７に入力され、これにより、ポンプ１２の回転速度や調節弁１３の開閉制御に用いられる。ここで、プロセス量計測器２０、２１、２２の出力であるプロセス量としては、たとえば、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１、圧縮機入口温度Ｔ２、圧縮機入口の相対湿度ｒ２、冷却水流量Ｍｗ３などが含まれる。

なお、図１に示す構成は、後述する他の実施形態でも共通である。

第１の実施形態では、図２に示すように、制御装置７には、プロセス量の一つである圧縮機入口の相対湿度ｒ２とともに相対湿度の目標値Ｑ１が入力される。制御装置７では、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を目標値Ｑ１と一致させるような制御演算が行われ、冷却水流量操作量Ｑ３が出力される。

第１の実施形態では、各種プロセス量として具体的に、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を用い、制御演算としてはＰＩ制御器（比例積分制御器）３０を用いる。

制御装置７は減算器４０を備え、減算器４０によって、圧縮機入口の相対湿度ｒ２と相対湿度の目標値Ｑ１の偏差が計算される。この偏差はＰＩ制御器３０に入力されて冷却水操作量Ｑ３が調整され、ｒ２とＱ１が一致した状態が達成される。ここで、「一致」とは、実際には、目標値をはさむ所定の幅の領域内に入ることを言う。以下の説明でも同様である。

［第２の実施形態］
つぎに、第２の実施形態について、図３を用いて説明する。図３はこの第２の実施形態のガスタービン発電設備における制御装置７の構成を示す制御ブロック図である。図１の構成はこの実施形態でも共通である。

第２の実施形態では、各種プロセス量として具体的に、圧縮機入口の相対湿度ｒ２と、冷却水流量Ｍｗ３を用い、制御演算としては２個のＰＩ制御器３１、３２を用いる。

まず、第１の減算器４０によって、相対湿度の目標値Ｑ１と圧縮機入口の相対湿度ｒ２の偏差が演算され、第１のＰＩ制御器３１がこの偏差を解消するように、冷却水流量目標値Ｑ２を増減する。つぎに、第２の減算器４２によって、この冷却水流量目標値Ｑ２と冷却水流量Ｍｗ３との偏差が演算され、その偏差を解消するように第２のＰＩ制御器３２が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

この第２の実施形態により、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。

なお、第１の実施形態に比べて第２の実施形態は、冷却水流量の目標値Ｑ２と実測値Ｍｗ３の比較が陽に行われているので、制御目的が達成されない場合の原因把握が容易となるメリットがある。また、第２のＰＩ制御器３２により、第１のＰＩ制御器３１から見た制御対象の非線形性が抑制されて線形系に近い応答となるので、第１のＰＩ制御器３１にてより一層性能の良い制御を実現することができる。

［第３の実施形態］
つぎに、第３の実施形態について、図４を用いて説明する。図４はこの第３の実施形態のガスタービン発電設備における制御装置７の構成を示す制御ブロック図である。図１の構成はこの実施形態でも共通である。

第３の実施形態では、制御演算として、１個のＰＩ制御器３３と１個の非線形性補償関数演算器３４を用いる。

まず、減算器４０によって、相対湿度の目標値Ｑ１と圧縮機入口の相対湿度ｒ２の偏差が演算され、第１のＰＩ制御器３３がこの偏差を解消するように、ＰＩ出力Ｑ４を増減する。この信号を、非線形性補償関数ｆ（ｘ）の演算を行う非線形性補償関数演算器３４に入力し、冷却水流量操作量Ｑ３を得る。

この第３の実施形態により、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。

なお、第２の実施形態に比べて第３の実施形態は、第２のＰＩ制御器３２の代わりに非線形性補償関数演算器３４を用いることにより、第１のＰＩ制御器３３から見た制御対象の非線形性が抑制されて線形系に近い応答となり、第２の実施形態と同様に、第１のＰＩ制御器３３にて、より一層性能の良い制御を実現することができる。

［第４の実施形態］
つぎに、第４の実施形態について、図５を用いて説明する。図５はこの第４の実施形態のガスタービン発電設備における制御装置７の構成を示す制御ブロック図である。図１の構成はこの実施形態でも共通である。

第４の実施形態の制御装置７の構成では、第１ないし第３の実施形態で使用している圧縮機入口の相対湿度ｒ２が直接計測できない場合に、他のプロセス量と相対湿度の目標値Ｑ１とを用いて冷却水流量目標値Ｑ２を算出する冷却水流量目標値計算部３５と、これにより得られた冷却水流量目標値Ｑ２と実際の冷却水流量Ｍｗ３との偏差を解消するためのＰＩ制御器３６とを有している。

第４の実施形態では、各種プロセス量としてガスタービンを用いた発電プラントで一般的に計測されているか、すでに算出されている下記の値を用いる。すなわち、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１、圧縮機入口温度Ｔ２を用いる。これ以外の値は、以下の計算により算出した値を用いる。

冷却水流量目標値計算部３５は、各制御周期ごとに以下の収束計算を行い、冷却水流量目標値Ｑ２を算出する。

初めに、圧縮機入口温度計算値Ｔｒ２の初期値を設定する（ステップＳ１）。最初に計算を開始する際には、Ｔｒ２＝Ｔ１またはＴｒ２＝Ｔ２とし、２回目以降は、前回の収束計算で得られたＴｒ２を用いる。

つぎに、ｒ１≧Ｑ１が成立するかどうかを判定する（ステップＳ２）。

ステップＳ２でＹｅｓの場合は、Ｑ２＝０として（ステップＳ３）、終了する。

ステップＳ２でＮｏの場合は、以下の計算（１−１）〜（１−１１）を順次行う（ステップＳ４）。

（１−１） 吸気温度Ｔ１における飽和蒸気圧力ｐｓ１ｆを得る。

ｐｓ１ｆ＝ｆ１（Ｔ１）
ここで、ｆ１は飽和水蒸気圧力と温度の関係を表す関数である。

（１−２） 相対湿度ｒ１の時の水蒸気分圧ｐｓ１を次式で求める。

ｐｓ１＝ｒ１×ｐｓ１ｆ
（１−３） 吸気に含まれている水蒸気の流量Ｍｓ１を次式で求める。

Ｍｓ１＝１８／２９×ｐｓ１／（ｐａ１−ｐｓ１）×Ｍｄ１
（１−４） 吸気が持っているエネルギー流量Ｅ１を次式で求める。

Ｅ１＝Ｃｐｄ×（Ｔ１−２７３．１５）×Ｍｄ１＋Ｃｐｓ×（Ｔ１−２７３．１５）×Ｍｓ１
（１−５） 温度Ｔｒ２の飽和水蒸気分圧ｐｓ２ｆを計算する。

ｐｓ２ｆ＝ｆ１（Ｔｒ２）
ここで、ｆ１は飽和水蒸気圧力と温度の関係を表す関数である。

（１−６） 相対湿度がＱ１となるのに足りない水蒸気分圧ｄｐｓ２を計算する。あらかじめ吸気中に含まれていた水蒸気分圧は、温度がＴ１からＴ２に変化するのに伴って、ｐｓ１からＴ２／Ｔ１×ｐｓ１に変化する。よってｄｐｓ２は次式で求められる。

ｄｐｓ２＝Ｑ１×ｐｓ２ｆ−Ｔｒ２／Ｔ１×ｐｓ１
（１−７） ｄｐｓ２に相当する給水流量Ｑｒ２を次式で求める。

Ｑｒ２＝Ｔ１／Ｔｒ２×ｄｐｓ２／ｐｓ１×Ｍｓ１
（１−８） 流量Ｑｒ２の冷却水が持ち込むエネルギー流量Ｅ３を次式によって求める。

Ｅ３＝Ｃｐｗ×（Ｔ３−２７３．１５）×Ｑｒ２
（１−９） 冷却水１ｋｇが温度Ｔｒ２で蒸発するときに必要なエンタルピーｄＨを次式によって求める。

ｄＨ＝ｈ２（ｐｓ２ｆ，Ｔｒ２）−ｈ１（ｐｓ２ｆ，Ｔｒ２）
ここで、ｈ１（ｐ，Ｔ）は、圧力ｐ、温度Ｔの水のエンタルピーを計算するための関数を示し、ｈ２（ｐ，Ｔ）は、温度Ｔの水蒸気のエンタルピーを計算するための関数を示す。

（１−１０） 圧縮機入口のエネルギー流量Ｅ２を次式によって求める。

Ｅ２＝Ｃｐｄ×（Ｔ２−２７３．１５）＋Ｍｄ１＋Ｃｐｓ×（Ｔ２−２７３．１５）×（Ｍｓ１＋Ｑｒ２）＋ｄＨ×Ｑｒ２
（１−１１） エネルギー保存則より、Ｅ１＋Ｅ３＝Ｅ２となるはずであり、これはＴｒ２の値が適切なときに成立する。そこで、エネルギー流量のアンバランス値ｄＥをつぎの式により計算する。

ｄＥ＝Ｅ１＋Ｅ３−Ｅ２
つぎに、以上説明したステップＳ４の（１−１）〜（１−１１）の計算の結果として得られたｄＥについて、｜ｄＥ｜≦ｅｐｓかどうかを判定する（ステップＳ５）。

ステップＳ５でＹｅｓの場合は、Ｑ２＝Ｑｒ２として（ステップＳ６）、終了する。

ステップＳ５でＮｏの場合は、
Ｔｒ２＝Ｔｒ２＋α×ｄＥ
として（ステップＳ７）、前記ステップＳ４に戻る。

以上の処理において、αは収束計算を安定に行うために用いる係数であり、使用する単位系によって値は大きく変化する。いま用いている単位系では、概ねα＝０．０００１から０．０００３で良好な収束性を得る。

以上説明したように、冷却水流量目標値計算部３５は、各制御周期ごとに冷却水流量目標値Ｑ２を算出する。

つぎに、減算器４２によって、上述の算出された冷却水流量目標値Ｑ２から、実際に計測された冷却水流量Ｍｗ３を減算し、その偏差を解消するようにＰＩ制御器３６が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

このようにして、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。

［第５の実施形態］
つぎに、第５の実施形態について、図６を用いて説明する。図６はこの第５の実施形態のガスタービン発電設備における制御装置７の構成を示す制御ブロック図である。図１の構成はこの実施形態でも共通である。

この第５の実施形態は第４の実施形態（図５）の変形であって、第４の実施形態の冷却水流量目標値計算部３５におけるステップＳ４がステップＳ１４で置き換えられており、他の部分は第４の実施形態と同様である。

ステップＳ１４では以下の計算（２−１）〜（２−１３）を順次行う。

（２−１） 吸気温度Ｔ１における飽和蒸気圧力ｐｓ１ｆを得る。

ｐｓ１ｆ＝ｆ１（Ｔ１）
ここでｆ１は、飽和水蒸気圧力と温度の関係を表す関数である。

（２−２） 相対湿度ｒ１の時の水蒸気分圧ｐｓ１を次式で求める。

ｐｓ１＝ｒ１×ｐｓ１ｆ
（２−３） 吸気に含まれている水蒸気の流量Ｍｓ１を次式で求める。

Ｍｓ１＝１８／２９×ｐｓ１／（ｐａ１−ｐｓ１）×Ｍｄ１
（２−４） 吸気の絶対湿度ｚ１を次式で求める。

ｚ１＝Ｍｓ１／Ｍｄ１
（２−５） 吸気が持っているエネルギー流量Ｅ１を次式で求める。

Ｅ１＝Ｃｐｄ×（Ｔ１−２７３．１５）×Ｍｄ１＋Ｃｐｓ×（Ｔ１−２７３．１５）×Ｍｓ１
（２−６） 温度Ｔｒ２の飽和水蒸気分圧ｐｓ２ｆを計算する。

ｐｓ２ｆ＝ｆ１（Ｔｒ２）
ここでｆ１は、飽和水蒸気圧力と温度の関係を表す関数である。

（２−７） 圧縮機入口の水蒸気分圧がＱ１×ｐｓ２ｆとなるときの絶対湿度ｚ２を次式で求める。

ｚ２＝１８／２９×Ｑ１×ｐｓ２ｆ／ｐｄ２＝１８／２９×Ｑ１×ｐｓ２ｆ×Ｔ１／Ｔｒ２／（ｐａ１−ｐｓ１）
（２−８） よって、圧縮機入口の水蒸気分圧がＱ１×ｐｓ２ｆとなるのに加えるべき絶対湿度ｄｚ２を次式で求める。

ｄｚ２＝１８／２９×Ｑ１×ｐｓ２ｆ×Ｔ１／Ｔｒ２／（ｐａ１−ｐｓ１）−ｚ１
＝１８／２９×Ｑ１×ｐｓ２ｆ×Ｔ１／Ｔｒ２／（ｐａ１−ｐｓ１）−Ｍｓ１／Ｍｄ１
（２−９） ｄｚ２に相当する給水流量Ｑｒ２を次式で求める。

Ｑｒ２＝ｄｚ２×Ｍｄ１＝１８／２９×Ｑ１×ｐｓ２ｆ×Ｔ１／Ｔｒ２／（ｐａ１−ｐｓ１）×Ｍｄ１−Ｍｓ１
（２−１０） 流量Ｑｒ２の冷却水が持ち込むエネルギー流量Ｅ３を次式によって求める。

Ｅ３＝Ｃｐｗ×（Ｔ３−２７３．１５）×Ｑｒ２
（２−１１） 冷却水１ｋｇが温度Ｔｒ２で蒸発するときに必要なエンタルピーｄＨを次式によって求める。

ｄＨ＝ｈ２（ｐｓ２ｆ，Ｔｒ２）−ｈ１（ｐｓ２ｆ，Ｔｒ２）
ここで、ｈ１（ｐ，Ｔ）は、圧力ｐ、温度Ｔの水のエンタルピーを計算するための関数を示し、ｈ２（ｐ，Ｔ）は、温度Ｔの水蒸気のエンタルピーを計算するための関数を示す。

（２−１２） 圧縮機入口のエネルギー流量Ｅ２を次式によって求める。

Ｅ２＝Ｃｐｄ×（Ｔ２−２７３．１５）＋Ｍｄ１＋Ｃｐｓ×（Ｔ２−２７３．１５）×（Ｍｓ１＋Ｑｒ２）＋ｄＨ×Ｑｒ２
（２−１３）エネルギー保存則より、Ｅ１＋Ｅ３＝Ｅ２となるはずであり、これはＴｒ２の値が適切なときに成立する。そこで、エネルギー流量のアンバランス値ｄＥをつぎの式により計算する。

ｄＥ＝Ｅ１＋Ｅ３−Ｅ２
上記に示したステップＳ１４の計算処理（２−１）〜（２−１３）を含め、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７により、収束計算を行う。

ステップＳ７において、αは収束計算を安定に行うために用いる係数であるのは、第４の実施形態と同様である。使用する単位系によってαの値は大きく変化する。いま用いている単位系では、概ねα＝０．０００１から０．０００３で良好な収束性を得るのも、第４の実施形態で記載したものと同様である。

以上により、算出された冷却水流量目標値Ｑ２に対して、冷却水流量Ｍｗ３との偏差が演算され、その偏差を解消するようにＰＩ制御器が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

このようにして、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。

［第６の実施形態］
つぎに、第６の実施形態について、図７を用いて説明する。図７はこの第６の実施形態のガスタービン発電設備における制御装置７の構成を示す制御ブロック図である。図１の構成はこの実施形態でも共通である。

この第６の実施形態は第４の実施形態（図５）の変形であって、第４の実施形態の冷却水流量目標値計算部３５が、冷却水流量目標値計算部４５に置き換えられている。他の部分の構成は第４の実施形態と同様である。この第６の実施形態における冷却水流量目標値計算部４５は、関数計算部４６および乗算器４７を有し、収束計算は行わない。

冷却水流量目標値計算部４５は、各制御周期ごとに以下の計算を行い、冷却水流量目標値Ｑ２を算出する。

まず関数計算部４６で、相対湿度の目標値Ｑ１と吸気圧力ｐａ１と吸気温度Ｔ１と吸気の相対湿度ｒ１と冷却水温度Ｔ３とを用いて、次式により中間変数Ｑ５を算出する。

Ｑ５ ＝ ａ１×ｐａ１×ｐａ１＋ａ２×Ｔ１×Ｔ１＋ａ３×ｒ１×ｒ１
＋ａ４×Ｔ３×Ｔ３＋ａ５×Ｑ１×Ｑ１＋ａ６×ｐａ１×Ｔ１
＋ａ７×ｐａ１×ｒ１＋ａ８×ｐａ１×Ｔ３＋ａ９×ｐａ１×Ｑ１
＋ａ１０×Ｔ１×ｒ１＋ａ１１×Ｔ１×Ｔ３＋ａ１２×Ｔ１×Ｑ１
＋ａ１３×ｒ１×Ｔ３＋ａ１４×ｒ１×Ｑ１＋ａ１５×Ｔ３×Ｑ１
＋ａ１６×ｐａ１＋ａ１７×Ｔ１＋ａ１８×ｒ１＋ａ１９×Ｔ３
＋ａ２０×Ｑ１＋ａ２１
ここに示す例では、Ｑ５を算出するための関数として、Ｑ１と各プロセス量の２次までの多項式で表現した場合を示しているが、関数の形は三角関数や対数関数や有理式や３次以上の多項式やこれらの組み合わせなどが使用可能である。関数の係数ａ１〜ａ２１の各値は、十分多数の入力条件に対して、第４の実施形態（図５）の収束計算をあらかじめ解いて、最小二乗法などによりあらかじめ決定することができる。

関数計算部４６で算出された中間変数Ｑ５に対して、乗算器４７で乾燥空気流量Ｍｄ１を掛ける。これにより、冷却水流量目標値Ｑ２を計算することができる。

以上により算出された冷却水流量目標値Ｑ２に対して、減算器４２で、冷却水流量Ｍｗ３との偏差が演算され、その偏差を解消するようにＰＩ制御器３６が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

このようにして、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。この実施形態では、収束計算をあらかじめ解いて、最小二乗法などによって係数をあらかじめ決定することにより、オンライン制御における計算負荷を軽くすることができ、高速での計算処理が可能である。

［第７の実施形態］
つぎに、第７の実施形態について、図８を用いて説明する。図８はこの第７の実施形態のガスタービン発電設備における制御装置７の構成を示す制御ブロック図である。図１の構成はこの実施形態でも共通である。

この第７の実施形態は第６の実施形態（図５）の変形であって、第６の実施形態の冷却水流量目標値計算部４５が、冷却水流量目標値計算部４８に置き換えられている。他の部分の構成は第６の実施形態と同様である。冷却水流量目標値計算部４８は、収束計算を行わない点で第６の実施形態と同様であるが、第６の実施形態の乗算器４７に相当するものを有していない。

冷却水流量目標値計算部４８は、各制御周期ごとに以下の計算を行い、冷却水流量目標値Ｑ２を算出する。

まず冷却水流量目標値計算部４８で、相対湿度の目標値Ｑ１、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１を用いて、次式により冷却水流量目標値Ｑ２を算出する。

Ｑ２ ＝ ｂ１×ｐａ１×ｐａ１＋ｂ２×Ｔ１×Ｔ１＋ｂ３×ｒ１×ｒ１
＋ｂ４×Ｔ３×Ｔ３＋ｂ５×Ｑ１×Ｑ１＋ｂ６×Ｍｄ１×Ｍｄ１
＋ｂ７×ｐａ１×Ｔ１＋ｂ８×ｐａ１×ｒ１＋ｂ９×ｐａ１×Ｔ３
＋ｂ１０×ｐａ１×Ｑ１＋ｂ１１×ｐａ１×Ｍｄ１＋ｂ１２×Ｔ１×ｒ１
＋ｂ１３×Ｔ１×Ｔ３＋ｂ１４×Ｔ１×Ｑ１＋ｂ１５×Ｔ１×Ｍｄ１
＋ｂ１６×ｒ１×Ｔ３＋ｂ１７×ｒ１×Ｑ１＋ｂ１８×ｒ１×Ｍｄ１
＋ｂ１９×Ｔ３×Ｑ１＋ｂ２０×Ｔ３×Ｍｄ１＋ｂ２１×Ｑ１×Ｍｄ１
＋ｂ２２×ｐａ１＋ｂ２３×Ｔ１＋ｂ２４×ｒ１＋ｂ２５×Ｔ３
＋ｂ２６×Ｑ１＋ｂ２７×Ｍｄ１＋ｂ２８
ここに示す例では、Ｑ２を算出するための関数として、Ｑ１と各プロセス量の２次までの多項式で表現した場合を示しているが、関数の形は三角関数や対数関数や有理式や３次以上の多項式やこれらの組み合わせなどが使用可能である。関数の係数ｂ１〜ｂ２８の各値は、十分多数の入力条件に対して第４の実施形態の収束計算をあらかじめ解いて、最小二乗法などによりあらかじめ決定することができる。

以上により算出された冷却水流量目標値Ｑ２に対して、冷却水流量Ｍｗ３との偏差が演算され、その偏差を解消するようにＰＩ制御器が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

このようにして、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。この実施形態では、第６の実施形態と同様に、収束計算をあらかじめ解いて、最小二乗法などによって係数をあらかじめ決定することにより、オンライン制御における計算負荷を軽くすることができ、高速での計算処理が可能である。

［第８の実施形態］
つぎに、第８の実施形態について、図９を用いて説明する。図９はこの第８の実施形態のガスタービン発電設備における制御装置７の構成を示す制御ブロック図である。図１の構成はこの実施形態でも共通である。

この第８の実施形態は第２の実施形態（図３）の変形であって、プロセス量として、圧縮機入口の相対湿度ｒ２と冷却水流量Ｍｗ３を用い、制御演算として２個のＰＩ制御器３１、３２を用いることは、第２の実施形態と共通である。

第２の実施形態と同様に、まず、第１の減算器４０によって、相対湿度の目標値Ｑ１と圧縮機入口の相対湿度ｒ２の偏差が演算され、第１のＰＩ制御器３１がこの偏差を解消するように、冷却水流量目標値Ｑ２を増減する。つぎに、第２の減算器４２によって、この冷却水流量目標値Ｑ２と冷却水流量Ｍｗ３との偏差が演算され、その偏差を解消するように第２のＰＩ制御器３２が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

第８の実施形態の制御装置７では、冷却水流量上限計算部５０が含まれている点が第２の実施形態と異なる。

冷却水流量上限計算部５０は、第１のＰＩ制御器３１の出力であるＱ２に対して冷却水上限制限値Ｑ６を与える。冷却水流量上限値計算部５０は、第４ないし第７の実施形態（図５ないし図８）のいずれかに示されている冷却水流量目標値計算部３５、４５、４８のいずれかと同等の計算を行い、その結果を冷却水流量上限値Ｑ６として出力する。

本実施形態によれば、冷却水流量上限計算部５０を設けてＰＩ制御器３１にあらかじめ上限値制限を設けることにより、何らかの理由により圧縮機入口の相対湿度ｒ２の計測値に異常が生じた場合でも、制御動作が異常にならないようにすることができる。

ガスタービン吸気冷却システムでは、過剰な冷却水注入は可能な限り避けたいものである。本実施形態では、冷却水流量の上限値を算出し設定する。これにより、相対湿度の目標値Ｑ１を実現するような冷却水流量上限値がＰＩ制御器の出力信号を制限するので、冷却水の過剰な注入をより一層避けつつ相対湿度の目標値Ｑ１と圧縮機入口の相対湿度ｒ２との偏差を解消するような冷却水流量目標値Ｑ２が演算される。

以上により算出された冷却水流量目標値Ｑ２に対して、冷却水流量Ｍｗ３との偏差が演算され、その偏差を解消するように第２のＰＩ制御器３２が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

このようにして、冷却水の過剰な注入をより一層避けつつ圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらによって限定されるものではない。

たとえば、上記実施形態の説明では、相対湿度の目標値Ｑ１と圧縮機入口の相対湿度ｒ１の偏差、または、冷却水流量目標値Ｑ２と冷却水流量Ｍｗ３との偏差の、いずれか片方ないしは両方の偏差を解消するために、便宜上、ＰＩ制御器を用いるものとして説明した。しかし、他のフィードバック制御器をＰＩ制御器の代わりに使用可能である。たとえば、ＰＩＤ（比例積分微分）制御器や積分制御器などである。また、微分方程式や差分方程式を用いて制御ゲインを算出するフィードバック制御器を用いることも容易であり、たとえば最適レギュレータやＨ無限大制御器やモデル予測制御器などを利用することもできる。また、フィードバック制御の性能を改善するためにフィードフォワード制御と組み合わせることもできる。

つぎに、フィードバック制御に必要なプロセス量が得られない場合に、フィードフォワード制御を行うこともできる。第４〜第７の実施形態（図５〜図８）は、フィードバック信号が得られない場合にはフィードフォワード制御のみとして実現することが可能である。

また、第８の実施形態（図９）では、第２の実施形態（図３）の制御装置をベースにして、それに冷却水流量上限計算部５０とその周辺構造を追加するものとしたが、第１または第３の実施形態の制御装置をベースにして、それに冷却水流量上限計算部５０とその周辺構造を追加することも可能である。

さらに、上記実施形態では、吸気および圧縮機入口の相対湿度が実測できる場合について説明した。しかし、相対湿度の代わりに絶対湿度や比較湿度など、他の湿度に関する情報が得られる場合でも、適切なプロセス量を用いることにより相互に換算が可能であり、上記実施形態と同様の制御演算が可能である。

さらに、上記実施形態中で使用している乾燥空気および水蒸気および冷却水の比熱は、一般的にはそれぞれの温度と圧力の関数である。上記実施形態で説明した系については、ほぼ一定値を取るので、定数として説明したが、これを一般化して、比熱を各部分の温度および圧力の関数として表現することもできる。

また、上記実施形態で、プロセス量はプロセス量計測器で直接実測できることを想定したが、他の実測データに基いて計算によって求めてもよい。またその際の計算は、プロセス量計測器で行なうこともできるし、制御装置７またはその他の計算器で行なうこともできる。

１ 圧縮機
２ 吸気冷却システム
３ 燃焼器
４ ガスタービン
５ 発電機
６ 吸気ダクト
７ 制御装置
１１ 冷却水タンク
１２ ポンプ
１３ 調節弁
１４ グリッド
２０、２１、２２ プロセス量計測器
３０、３１、３２、３３ ＰＩ制御器（比例積分制御器）
３４ 非線形性補償関数演算器
３５ 冷却水流量目標値計算部
３６ ＰＩ制御器
４０、４２ 減算器
４５ 冷却水流量目標値計算部
４６ 関数計算部
４７ 乗算器
４８ 冷却水流量目標値計算部
５０ 冷却水流量上限計算部

Claims (11)

1. 空気を吸入して圧縮する圧縮機と、
   この圧縮機に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システムと、
   前記圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、
   回転駆動されて発電を行う発電機と、
   前記燃焼器で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して前記圧縮機および前記発電機を駆動するガスタービンと、
   前記圧縮機に吸入される空気の相対湿度を所定の相対湿度目標値に近づけるように前記冷却水の流量を制御する制御装置と、
   を有するガスタービン発電設備。
2. 前記吸気冷却システムの運転状況を示すプロセス量を直接または間接に計測するプロセス量計測部を有し、
   前記制御装置は、前記プロセス量計測部で直接または間接に計測されたプロセス量に基いて、前記相対湿度目標値に対応する冷却水流量目標値を算出する冷却水流量目標値計算部を有し、この冷却水流量目標値を目標値として前記冷却水流量を制御すること、を特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電設備。
3. 前記圧縮機に吸入される空気の相対湿度を直接または間接に計測する相対湿度計測部を備え、
   前記制御装置は、前記相対湿度計測部で計測された相対湿度と前記相対湿度目標値との偏差に基いて前記冷却水流量の操作量を算出する制御器を含むこと、を特徴とする請求項２に記載のガスタービン発電設備。
4. 前記圧縮機に吸入される空気の相対湿度を直接または間接に計測する相対湿度計測部を備え、
   前記プロセス量計測部は前記冷却水の流量を計測する流量計測部を含み、
   前記制御装置は、前記相対湿度計測部で計測された相対湿度と前記相対湿度目標値との偏差に基いて前記冷却水流量の目標値を算出する第１の制御器と、前記冷却水流量の目標値と前記流量計測部で計測された流量との偏差に基いて前記冷却水流量の操作量を算出する第２の制御器と、を含むこと、を特徴とする請求項２に記載のガスタービン発電設備。
5. 前記圧縮機に吸入される空気の相対湿度を直接または間接に計測する相対湿度計測部を備え、
   前記制御装置は、前記相対湿度計測部で計測された相対湿度と前記相対湿度目標値との偏差に基いて比例処理する比例要素を含む第１の制御器と、前記第１の制御器の出力に基いて非線形補償を行って前記冷却水流量の操作量を算出する非線形補償関数演算器とを含むこと、を特徴とする請求項２に記載のガスタービン発電設備。
6. 前記制御器は、比例積分制御器、比例積分微分制御器、積分制御器のうちのいずれかであること、を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載のガスタービン発電設備。
7. 前記プロセス量は、前記吸気冷却システムで前記圧縮機に吸入されるよりも上流側で前記冷却水が噴霧されるよりも上流側の空気の圧力、温度、相対湿度および質量流量と、圧縮機に吸入されるよりも上流側で前記冷却水が噴霧されるよりも下流側の空気の温度と、前記冷却水の温度と、を含むこと、を特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか一項に記載のガスタービン発電設備。
8. 前記冷却水流量目標値計算部は、前記プロセス量計測部で直接または間接に計測されたプロセス量に基いて、収束計算を行なうことにより冷却水流量目標値を計算すること、を特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか一項に記載のガスタービン発電設備。
9. 前記冷却水流量目標値計算部は、前記プロセス量計測部で直接または間接に計測されたプロセス量に基いて、あらかじめ設定された関数計算式を用いて冷却水流量目標値を計算すること、を特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか一項に記載のガスタービン発電設備。
10. 前記制御装置は、前記プロセス量計測部で直接または間接に計測されたプロセス量に基いて、前記相対湿度目標値に対応する冷却水流量上限値を算出する冷却水流量上限値計算部を有し、この冷却水流量上限値を上限値として前記冷却水流量を制御すること、を特徴とする請求項２ないし請求項９のいずれか一項に記載のガスタービン発電設備。
11. 空気を吸入して圧縮する圧縮機と、この圧縮機に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システムと、前記圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、回転駆動されて発電を行う発電機と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して前記圧縮機および前記発電機を駆動するガスタービンと、を有するガスタービン発電設備の運転方法において、
    前記圧縮機に吸入される空気の相対湿度を所定の相対湿度目標値に近づけるように前記冷却水の流量を制御すること、を特徴とするガスタービン発電設備の運転方法。

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