JP2011247159A - デュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御及びガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】気体燃料及び液体燃料を切替える際に生じる一時的な燃料不足により、ガスタービン出力が低減または不安定になる出力変動を防止または抑制し、滑らかな燃料切替えを可能にしたデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御を提供する。
【解決手段】気体燃料及び液体燃料のいずれか一方の燃料を選択切替えして運転可能なデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御において、一方の燃料から他方の燃料に切替えるにあたり、切替えて使用される側の燃料の流量変動が所定値よりも大きくなった時には切替えレートを遅くし、流量変動が小さくなった時には切替えレートを速くするように、燃料切替えの指令値である気体燃料流量比指令値ＭＦＲまたは液体燃料流量比指令値ＳＦＲの補正を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体燃料及び液体燃料を用いて運転可能なデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御及びガスタービンプラントに係り、特に、気体燃料及び液体燃料のいずれか一方から他方へ切替えて使用する際の制御方法に関する。

従来、通常使用する天然ガス等の気体燃料に加えて、石油系等の液体燃料による運転も可能なデュアル燃料ガスタービンプラントがある。このようなデュアル燃料ガスタービンプラントは、気体燃料及び液体燃料を常に同時燃焼させるものではなく、たとえば気体燃料を選択して燃焼させているときには液体燃料の供給を停止するというように、いずれか一方の燃料供給系に選択切替えして燃焼させる。
このように、気体燃料及び液体燃料よりなる２種類の燃料供給系統を備えたデュアル燃料ガスタービンプラントのデュアル燃料供給系統は、たとえば図１０に示すように構成されている。

図１０のデュアル燃料供給系統において、一方の気体燃料は、ガス流量計１、圧力調節弁２、流量調節弁（制御兼遮断弁）３を経て、各燃焼器のデュアル燃料ノズル４から噴射される。なお、図中の符号５は、停止時に燃料供給系統内に残留した気体燃料を大気へ放出する大気放出弁である。
他方の液体燃料は、ストレーナ６、流量計７、燃料ポンプ８、ストレーナ９、流量調節弁（制御兼遮断弁）１０及びマニホルド（フローデバイダ）１１を経て、デュアル燃料ノズル４から噴射される。噴射圧力の調節は、圧力調節弁１２のバイパス制御によって行われ、マニホルド１１は、各燃料ノズルの噴射量を均一にする機能を有している。なお、図中の符号１３は停止時に燃料供給系統内に残留した液体燃料を排出回収するためのマニホルドドレン弁、１４は逆止弁である。

上述したデュアル燃料供給系統において、供給する燃料を切替える場合には、二つの流量調節弁３，１０に対し、たとえば図１１に示すように、図示しないデュアル燃料ガスタービンプラントの制御部より一定（線形）のレートで開閉制御する制御信号を与えて開度を変化させる。
図示の制御信号は、気体燃料側の流量調整弁３を全開から全閉にして気体燃料を止め、液体燃料側の流量調整弁１０を全閉から全開して液体燃料に切替えるものである。

また、下記の特許文献１には、ガスタービン燃焼ハードウエアの過度な摩耗及び損傷を防止するように、気体燃料タイプを用いた運転及び液体燃料タイプを用いた運転間の移行の速度を制御する方法が開示されている。

特開２００８−１６３９３９号公報

上述した従来の燃料切替え制御において、燃料の切替え初期には、たとえば気体燃料を燃料として運転する気体燃料使用モードから、液体燃料を燃料として運転する液体燃料運転モードに切替える場合、切替えられる側となる液体燃料の燃料供給系統に設置された流量調整弁１０を開くことで液体燃料が流れ始める。しかし、切替え初期には、マニホルド１１に液体燃料を充填する時間が必要になるため、デュアル燃料ノズル４から液体燃料を流出させるまでには時間遅れを生じることとなる。
一方、液体燃料がデュアル燃料ノズル４から流出するまでの時間遅れは、この間に他方の気体燃料側の燃料供給系統に設置された流量調整弁３が絞られているため、燃料不足によって一時的にガスタービンプラントの出力（ガスタービン出力）を減少させる原因となる。

すなわち、気体燃料使用モードから液体燃料運転モードに移行する際には、図１１に示すように、一般的には液体燃料をランプ速度で増加させ、かつ、この増加に応じて気体燃料をランプ速度で減少させているため、このような移行期間においては、ガスタービンプラントに低流量の気体燃料を供給する燃料不足の状態が継続する。移行期間における低流量状態の継続は、流量調整弁３，１０の制御性能を劣化させる原因となり、ガスタービン出力は変動幅が大きくなって不安定になる。

たとえば、液体燃料から気体燃料に移行する間、ガスタービンプラントの燃焼器には低流量の気体燃料が供給される。このため、移行期間中のガスタービン出力は低下し、しかも、気体燃料の流量調節弁３は、所定の制御レンジから外れることによって不正確な動作をする可能性もあるため、ガスタービン出力は不安定になる。
また、上述した移行期間においては、燃焼効率の低下に伴い、ＮＯｘ等の環境に悪影響を及ぼすガスが発生するという問題もある。
なお、液体燃料使用モードから気体燃料運転モードに移行する際においても、同様の問題が生じる。

このように、気体燃料の制御信号及び液体燃料の制御信号を一定のレートで切替える制御方法では、燃料切替えの移行期間中に生じる燃料不足に起因して、ガスタービン出力の低下及び不安定化を阻止することは困難であった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、気体燃料及び液体燃料を切替える際に生じる一時的な燃料不足により、ガスタービン出力が低減または不安定になる出力変動を防止または抑制し、滑らかな燃料切替えを可能にしたデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御、そして、デュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御を行うことができるガスタービンプラントを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御は、気体燃料及び液体燃料のいずれか一方の燃料を選択切替えして運転可能なデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御において、一方の燃料から他方の燃料に切替えるにあたり、切替えて使用される側の燃料の流量変動が所定値よりも大きくなった時には切替えレートを遅くし、前記流量変動が小さくなった時には切替えレートを速くするように、燃料切替えの指令値である燃料流量比指令値の補正を行うことを特徴とする。

このようなデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御によれば、一方の燃料から他方の燃料に切替えるにあたり、切替えて使用される側の燃料の流量変動が所定値よりも大きくなった時には切替えレートを遅くし、流量変動が小さくなった時には切替えレートを速くするように、燃料切替えの指令値である燃料流量比指令値の補正を行うようにしたので、燃料を切替える移行期間において、ガスタービン出力の低下や不安定化を防止または抑制できる。

上記の発明において、前記燃料流量比指令値の補正は、前記燃料流量比指令値の過渡的変化量に応じて算出される補正量を加算してなされることが好ましい。
また、上記の発明において、前記補正は、排ガスから求められる計測値の燃焼効率に応じて算出される補正量を加算してなされることが好ましい。
また、上記の発明において、前記補正は、指令信号から求められる燃焼効率に応じて算出される補正量を加算してなされることが好ましい。この場合の前記指令信号は、燃料流量指令信号及び空気流量指令信号から算出される燃空比が好適である。

上記の発明において、前記補正は、ガスタービン出力のフィードバック信号とガスタービン出力設定との偏差に応じて算出される補正量を加算してなされることが好ましい。
また、上記の発明において、前記補正は、燃料切替えの指令値である前記燃料流量比指令値の過渡的変化量と、ガスタービン出力のフィードバック信号とガスタービン出力との偏差とに応じて算出される補正量を加算してなされることが好ましい。

上記の発明においては、前記切替えられて使用される側の燃料供給開始時期より他方の燃料供給低減開始時期を遅らせることが望ましい。すなわち、新たに使用する側の燃料供給を開始する時期（流量調節弁を開き始める時期）については、これまで使用してきた燃料供給量の低減を開始する時期（流量調節弁を絞り始める時期）より遅らせることが望ましい。

本発明のガスタービンプラントは、空気を導入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される空気により気体燃料及び液体燃料のいずれか一方の燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するデュアル燃料焚きの燃焼器と、前記燃焼器から燃焼ガスの供給を受けるタービンとを具備し、前記燃焼器の燃料ノズルに燃料を供給するデュアル燃料供給系が、請求項１から８のいずれかに記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御を行う制御部を備えていることを特徴とする。

このようなガスタービンプラントによれば、燃焼器の燃料ノズルに燃料を供給するデュアル燃料供給系が、請求項１から８のいずれかに記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御を行う制御部を備えているので、燃料を切替える移行期間において、ガスタービン出力の低下や不安定化を防止または抑制できる。

上述した本発明によれば、気体燃料及び液体燃料を使用可能なデュアル燃料ガスタービンプラントにおいて、使用する燃料を一方から他方へ切替える際に生じる一時的な燃料不足により、ガスタービン出力が低減または不安定になる出力変動を防止または抑制し、滑らかな燃料切替えが可能になる。
また、燃料切替えに要する時間を短縮できるため、燃焼に伴うＮＯｘ等の有害ガス発生量を低減することも可能になる。

本発明に係るデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御について、一実施形態として燃料切替え時の移行期間に制御部が実施する燃料切替制御の一例を示す制御ブロック図である。 補正を加えた燃料切替えを示す説明図であり、横軸の時間と縦軸のタービン出力及び燃料流量比との関係が示されている。 図１に示した制御部の補正信号生成部において、（ａ）はガスタービン出力に応じた修正量の関数ＦＸ１を示す図、（ｂ）は信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の流れに関する説明図である。 デュアル燃料ガスタービンプラントの概略構成を示すブロック図である。 補正信号生成部における補正の第１変形例を示す制御ブロック図である。 補正信号生成部における補正の第２変形例を示す制御ブロック図である。 補正信号生成部における補正の第３変形例を示す制御ブロック図である。 補正信号生成部における補正の第４変形例を示す制御ブロック図である。 補正信号生成部における補正の第５変形例を示す制御ブロック図である。 気体燃料及び液体燃料よりなる２種類の燃料供給系統を備えたデュアル燃料ガスタービンプラントのデュアル燃料供給系統図である。 従来の燃料切替え制御において、気体燃料／液体燃料の燃料割合（％）及びガスタービン出力の時間に対する変化を示す説明図である。

以下、本発明に係るデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図４は、複数の燃料を使用可能なデュアル燃料ガスタービンプラント（以下、「ガスタービンプラント」と呼ぶ）ＧＴの概略構成を示すブロック図であり、気体燃料または液体燃料のいずれか一方を選択して燃焼する燃焼器Ｆと、燃焼器Ｆから供給された燃焼ガスを膨張させて回転するタービンＴと、空気を圧縮する圧縮機Ｃとを主な構成要素として備え、制御部２０により各種の運転制御が行われている。

また、燃焼器Ｆの内部には、パイロットノズル（不図示）と、パイロットノズルの外周に間隔をおいて配置される複数のメインノズル（不図示）とが設けられている。
この場合のパイロットノズル及びメインノズルは、気体燃料及び液体燃料のいずれか一方を選択切替えして燃焼させるデュアル燃料ノズル（以下、「ノズル」と呼ぶ）であり、圧力調節弁２及び流量調節弁３を備えた気体燃料供給系ＦＧ及び圧力調節弁１２及び流量調節弁１０を備えた液体燃料供給系ＦＬに接続されている。

ガスタービンプラントＧＴの制御部２０は、上述した気体燃料の流量調節弁３及び液体燃料の流量調節弁１０に関する開度制御を行う機能を有しており、いずれか一方を全閉にして他方の開度制御をすることで、使用する燃料の選択切替えも行っている。すなわち、使用しない燃料系統の流量調節弁を閉じ、使用する燃料系統の燃料調節弁の開度制御により燃料供給量を調整する。
以下では、気体燃料または液体燃料のいずれか一方から他方へ選択切替えする制御部２０の燃料切替え制御について、特に、燃料切替え時の移行期間における燃料切替制御について説明する。

図１に示す制御ブロック図は、燃料切替え時の移行期間において、制御部２０が実施する燃料切替制御の一例を示している。
図示の燃料切替制御において、制御部２０は、一方の燃料から他方の燃料に切替えるにあたり、切替えられて使用される側の燃料の流量変動が所定値よりも大きくなったときには切替えレートを遅くし、反対に流量変動が小さくなったときには切替えレートを速くする。

すなわち、制御部２０は、取得した気体燃料流量比指令値ＭＦＲを出力する気体燃料制御部３０と、取得した液体燃料流量比指令値ＳＦＲを出力する液体燃料制御部４０とを備えており、さらに、気体燃料制御部３０及び液体燃料制御部４０には、燃料切替え時の移行期間に切替えレートを補正するため、それぞれに補正信号生成部５０Ｍ，５０Ｓが設けられている。
一方の補正信号生成部５０Ｍは、気体燃料の切替えレートを補正する気体燃料流量比補正量を算出し、他方の補正信号生成部５０Ｓは、液体燃料の切替えレートを補正する液体燃料流量比補正量を算出する。すなわち、一方の補正信号生成部５０Ｍは、液体燃料から気体燃料に切替える移行期間に用いられて気体燃料流量比補正量を算出し、他方の補正信号生成部５０Ｓは、気体燃料から液体燃料に切替える移行期間に用いられて液体燃料流量比補正量を算出する。

気体燃料制御部３０は、気体燃料に対する燃料指令である気体燃料流量比指令値ＭＦＲを設定する気体燃料制御部３１を備え、液体燃料制御部４０は、液体燃料に対する燃料指令である液体燃料流量指令値ＳＦＲを設定する液体燃料制御部４１を備えている。
気体燃料制御部３０が設定する気体燃料流量比指令値ＭＦＲ及び液体燃料制御部４０が設定する液体燃料流量指令値ＳＦＲは、いずれも燃料切替えの切替え指令値としても使用される。

液体燃料から気体燃料に切替える移行期間の場合、補正信号生成部５０Ｍで算出された気体燃料流量比補正量は、加算器３２において気体燃料制御部３１で設定した気体燃料流量比指令値ＭＦＲに加算され、気体燃料流量比（補正値）ＭＦＲ′が設定される。この気体燃料流量比ＭＦＲ′は、変換レート制限器３３及びタイムディレー３４を介することにより、最終的な気体燃料流量指令信号ＭＦＲ″として流量調節弁３に出力される。同様にして、気体燃料から液体燃料に切替える移行期間の場合、補正信号生成部５０Ｓで算出された液体燃料流量比補正量は、加算器３２で液体燃料流量比指令値ＳＦＲに加算され、液体燃料流量比（補正値）ＳＦＲ′が設定される。この液体燃料流量比ＳＦＲ′は、変換レート制限器４３及びタイムディレー４４を介することにより、最終的な液体燃料流量指令信号ＳＦＲ″として流量調節弁１０に出力される。

ここで、上述した気体燃料流量比指令値ＭＦＲ及び液体燃料流量比指令値ＳＦＲについて説明する。
図１に示した制御ブロック図には、一例として液体燃料から気体燃料に切替える場合の移行期間における燃料切替制御が示されているが、逆の燃料切替え（気体燃料から液体燃料に切替える）にも同様に適用可能である。

すなわち、液体燃料から気体燃料に燃料を切替える場合、気体燃料制御部３１が設定する気体燃料流量比指令値ＭＦＲは時間と共に上昇（増加）して直線的に大きくなり、液体燃料制御部４１が設定する液体燃料流量比指令値ＳＦＲは時間と共に下降（減少）して直線的に小さくなる。この場合、液体燃料と気体燃料との移行期間における分担率は、たとえば液体燃料が１００％から０％まで一定の割合で減少するように設定され、かつ、気体燃料が０％から１００％まで一定の割合で増加するように設定されている。
なお、気体燃料から液体燃料に燃料を切替える場合、液体燃料制御部４１が設定する液体燃料流量比指令値ＳＦＲは時間と共に上昇（増加）して直線的に大きくなり、気体燃料制御部３１が設定する気体燃料流量比指令値ＭＦＲは時間と共に下降（減少）して直線的に小さくなる。

補正信号生成部５０Ｍは、気体燃料流量比指令値ＭＦＲまたは液体燃料流量比指令値ＳＦＲとその一次遅れとの偏差を求める不完全微分部５１、不完全微分部５１からの出力Ｓ１を関数ＦＸ２に基づいて処理する第２関数器５２、気体燃料流量比指令値ＭＦＲまたは液体燃料流量比指令値ＳＦＲを関数ＦＸ３に基づいて処理する第３関数器５３、第２関数器５２の出力と第３関数器５３の出力とを乗算する第１乗算器５４、ガスタービンプラントＧＴの運転制御に関するパラメータ（ガスタービン出力デマンド信号）を関数ＦＸ１に基づいて処理する第１関数器５５に加えて、第１関数器５５の出力と第１乗算器５４の出力Ｓ３とを乗算することにより、気体燃料補正量を生成して出力する第２乗算器５６を備えている。

同様に、補正信号生成部５０Ｓは、気体燃料流量比指令値ＭＦＲまたは液体燃料流量比指令値ＳＦＲとその一次遅れとの偏差を求める不完全微分部５１、不完全微分部５１からの出力Ｓ１を関数ＦＸ２に基づいて処理する第２関数器５２、気体燃料流量比指令値ＭＦＲまたは液体燃料流量比指令値ＳＦＲを関数ＦＸ３に基づいて処理する第３関数器５３、第２関数器５２の出力と第３関数器５３の出力とを乗算する第１乗算器５４、ガスタービンプラントＧＴの運転制御に関するパラメータ（ガスタービン出力デマンド信号）を関数ＦＸ１に基づいて処理する第１関数器５５に加えて、第１関数器５５の出力と第１乗算器５４の出力Ｓ３とを乗算することにより、液体燃料補正量を生成して出力する第２乗算器５６を備えている。

上述した補正信号生成部５０Ｍ、５０Ｓにおいて、第２関数器５２が備える関数ＦＸ２及び第３関数器５３が備える関数ＦＸ３は、いずれも不完全微分部５１では成形できない補正量の微調整を行うものである。
また、第１関数器５５が備える関数ＦＸ１は、たとえば図３（ａ）に示されるように、ガスタービンプラントＧＴの出力が低いときは高い調整量を設定し、ガスタービンの出力が高いときは低い調整量を設定して出力する。すなわち、ガスタービンプラントＧＴの出力が低いときほど、大きな調整量が出力されるように設定されている。
なお、図３（ｂ）には、上述した不完全微分部５１の出力Ｓ１、第１乗算器５４の出力Ｓ２及び第２乗算器５６の出力Ｓ３の一例が示されている。

このようにして補正信号生成部５０Ｍ、５０Ｓで得られる補正量は、新たに切替えて使用する燃料の種類に応じて何れか一方が算出され、気体燃料制御部３０の加算器３２または液体燃料制御部４０の加算器４２に出力される。
この結果、加算器３２，４２では、気体燃料流量比指令値ＭＦＲ及び液体燃料流量比指令値ＳＦＲにそれぞれの補正量が加算されることにより、補正前より大きな気体燃料流量比（補正値）ＭＦＲ′及び液体燃料流量比（補正値）ＳＦＲ′が設定される。この後、設定された気体燃料流量比（補正値）ＭＦＲ′及び液体燃料流量比（補正値）ＳＦＲ′は、変換レート制限器３３，４３及びタイムディレー３４，４４を介することにより、最終的な気体燃料流量指令信号ＭＦＲ″及び液体燃料流量指令信号ＳＦＲ″が生成されて流量調節弁３，１０に出力され、これらの指令信号に基づいた開度制御が実施される。

従って、液体燃料から気体燃料に切替える場合の移行期間では、たとえば図２に示すように、燃料切替えの切替え指令値である気体燃料流量比指令値ＭＦＲまたは液体燃料流量比指令値ＳＦＲの過渡的な変化量に応じて算出された補正量が加算された非線形の大きな気体燃料流量比ＭＦＲ′に調整される。このため、流量調節弁３の開度は、補正のない気体燃料流量比ＭＦＲに基づくものより大きくなり、流量調節弁３を通ってノズル４に供給される気体燃料の量は増加する。すなわち、補正信号生成部５０Ｍから出力される気体流量補正量の加算により補正された気体燃料流量比ＭＦＲ′に基づいて制御される流量調節弁３の開度は、単に気体燃料流量比ＭＦＲに基づいて制御される流量調節弁３の開度よりも大きくなるので、燃焼器Ｆのノズル４に供給される気体燃料量が補正により増加し、燃焼器Ｆにおける燃焼効率の低下を抑制することが可能となる。

このように、上述したデュアル燃料ガスタービンプラントＧＴの燃料切替制御によれば、一方の燃料（たとえば液体燃料）から他方の燃料（たとえば気体燃料）に切替える場合、切替えて使用される側の燃料（たとえば気体燃料）の流量変動が所定値よりも大きくなった時には切替えレートを遅くし、流量変動が小さくなった時には切替えレートを速くするように、燃料切替えの指令値である燃料流量比指令値の補正を行い、燃料を切替える移行期間におけるガスタービン出力の低下や不安定化を防止または抑制している。
このため、燃料切替え時に設定するランプ速度を増し、すなわち、気体燃料制御部３１や液体燃料制御部４１が設定する気体燃料流量比指令値ＭＦＲ及び液体燃料流量指令値ＳＦＲの傾斜について、時間と共に０％から１００％まで上昇（増加）する変化や１００％から０％まで下降（減少）する変化の角度を大きく設定し、燃料切替えに要する時間を短縮することも可能になる。

上述した実施形態では、切替えて使用される新たな燃料について、流量変動の発生や流量変動の量が、燃料切替えの切替え指令値である気体燃料流量比指令値ＭＦＲまたは液体燃料流量比指令値ＳＦＲの過渡的な変化量に応じて算出される。すなわち、補正信号生成部５０Ｍ、５０Ｓにおいては、気体燃料流量比指令値ＭＦＲまたは液体燃料流量比指令値ＳＦＲとその一次遅れとの偏差を求める不完全微分部５１が偏差から流量変動及び補正量の発生を検知し、不完全微分部５１が補正量を作るとともに、第１関数器５５にてガスタービン出力の落ち込み量等に応じて補正量の効かせ具合を調整（落ち込むほどゲインを高くする）するなどして気体燃料流量比補正量を算出する。

また、上述した制御部２０は、補正後の気体燃料流量比ＭＦＲ′及び液体燃料流量比ＳＦＲ′が変換レート制限器３３，４３及びタイムディレー３４，４４を介して最終的な気体燃料流量指令信号ＭＦＲ″及び液体燃料流量指令信号ＳＦＲ″となるので、たとえば図２に示すように、気体燃料（切替えられて使用される側）の燃料供給開始時期より液体燃料の燃料供給低減開始時期を遅らせることができる。
すなわち、気体燃料の燃料供給を開始する時期（流量調節弁３を開き始める時期）については、これまで使用してきた液体燃料側で燃料供給量の低減を開始する時期（流量調節弁１０を絞り始める時期）より遅らせることにより、補正信号生成部５０Ｍ、５０Ｓによる補正をより効果的に行い、ガスタービン出力の低下や不安定化をより確実に防止または抑制することができる。

ところで、上述した制御部２０の補正信号生成部５０Ｍ，５０Ｓについては、燃料流量比指令値ＭＦＲ，ＳＦＲの過渡的変化量に応じて算出される補正量の加算に代えて、以下に説明する各変形例により算出される補正量を加算するようにしてもよい。この場合、気体燃料から液体燃料に変更する場合について説明するが、逆に変更する場合にも適用可能なことはいうまでもない。
なお、以下に説明する変形例は、液体燃料流量比指令値ＳＦＲ側の補正量を算出して加算を行う補正であるが、液体を気体と読み替えればそのまま気体燃料流量指令値ＭＦＲ側の補正となる。

図５に示す第１変形例の補正は、ガスタービンプラントＧＴの排ガスから求められる計測値の燃焼効率に応じて算出される補正量を加算してなされる。
すなわち、液体燃料制御部４０に設けた補正信号生成部５０Ｓａは、燃焼効率が低い時は高い補正量を設定し、燃焼効率が高い時は補正量を低く設定するような関数ＦＸ４に基づいて処理する第４関数器５７を備えている。この第４関数器５７には、燃焼状態を表す排ガスから求めた燃焼効率の計測値が入力される。

このような制御にすれば、入力された燃焼効率に基づいて第４関数器５７が燃焼効率の悪化を補う液体燃料流量比補正量を設定し、加算器４２に入力する。加算器４２に入力された液体燃料流量比補正量は、液体燃料制御部４１から入力される液体燃料流量比指令値ＳＦＲに加算され、燃焼効率に基づいて補正された液体燃料流量比ＳＦＲ′が変換レート制限器４３に出力される。
この液体燃料流量比ＳＦＲ′は、タイムディレー４４を経て最終的な液体燃料流量比指令信号ＳＦＲ″となり、流量調節弁１０の開度制御に用いられる。従って、燃焼効率の低下に伴い、ガスタービン出力が低下することを防止できる。

また、図６に示す第２変形例の補正は、指令信号から求められる燃焼効率に応じて算出される補正量を加算してなされる。
すなわち、液体燃料制御部４０に設けた補正信号生成部５０Ｓｂは、燃料流量指令信号及び空気流量指令信号から算出される燃空比が指令信号として使用される。指令信号となる燃空比は、液体燃料流量比指令値及び空気流量指令信号を除算器５８に入力することにより算出される。この場合の燃空比は、空燃比の逆数として表され、たとえば以下に示すように、燃料流量を空気流量で除算することで求められる。
燃空比＝燃料流量／空気流量
なお、上述した空気流量指令信号の具体例としては、圧縮機Ｃのインレットガイドベーン（ＩＧＶ）開度等がある。

指令信号の燃空比は第５関数器５９に入力され、燃空比に応じた燃焼効率を算出する。すなわち、第５関数器５９は、燃空比及び燃焼効率の関係を定めたマップの関数ＦＸ５を備えている。
第５関数器５９で算出された燃焼効率は、第６関数器６０に入力される。この第６関数器６０は、燃焼効率が低い時は高い補正量を設定し、かつ、燃焼効率が高い時は補正量を低く設定する関数ＦＸ６に基づいて処理し、燃焼効率の悪化を補う液体燃料流量比補正量を作成する。

このような制御にすれば、燃空比から算出された燃焼効率に基づいて第６関数器６０が燃焼効率の悪化を補う液体燃料流量比補正量を設定し、加算器４２に入力する。加算器４２に入力された液体燃料流量比補正量は、液体燃料制御部４１から入力される液体燃料流量比指令値ＳＦＲに加算され、上述した第１変形例と同様に、燃焼効率に基づいて補正された液体燃料流量比ＳＦＲ′が変換レート制限器４３に出力される。
従って、第２変形例の補正制御は、上述した第１変形例と同様の作用効果を得ることができる。しかも、第２変形例では、燃空比から算出した燃焼効率を使用するので、排ガスから求めた計測値を使用する場合と比較して補正に要する時間を短縮し、実状に応じて瞬時の補正を行うことができる。

次に、図７に示す第３変形例の補正は、ガスタービン出力のフィードバック信号とガスタービン出力設定との偏差に応じて算出される補正量を加算してなされる。
すなわち、液体燃料制御部４０に設けた補正信号生成部５０Ｓｃは、実際のガスタービン出力とガスタービン出力設定との偏差を算出する減算器６１と、減算器６１で算出した偏差に応じて補正量を設定する関数ＦＸ７を設けた第７関数器６１とを備えている。

第７関数器６１の関数ＦＸ７は、ガスタービン出力の偏差が大きくなるほど補正量を大きく設定するものであり、従って、実際のガスタービン出力が設定値より低い分、液体燃料流量比ＳＦＲ′を補正して液体燃料の供給量を増し、ガスタービン出力の低下を防止することができる。

次に、図８に示す第４変形例の補正は、第３変形例と同様に、ガスタービン出力のフィードバック信号とガスタービン出力設定との偏差に応じて算出される補正量を加算してなされる。
すなわち、液体燃料制御部４０に設けた補正信号生成部５０Ｓｄは、実際のガスタービン出力とガスタービン出力設定との偏差を算出する減算器６１と、減算器６１の出力をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御器６２とを採用している。換言すれば、第４変形例の場合、第３変形例の第７関数器６１に代えてＰＩＤ制御器６２を採用したものである。

ＰＩＤ制御器６２は、ガスタービン出力の偏差が大きくなるほど補正量を大きく設定するＰＩＤ制御（比例＋積分＋微分動作）を実施するので、ガスタービン出力に関する制御性を向上させることが可能となる。すなわち、ガスタービン出力のフィードバック信号を使用するため、制御性が向上し、しかも、燃焼効率、プラント個体差及びその他のばらつきに対してロバストであり、さらに、異なった負荷変化レートや切替え負荷帯にも対応可能である。

次に、図９に示す第５変形例の補正は、燃料切替えの指令値である燃料流量比指令値の過渡的変化量と、ガスタービン出力のフィードバック信号とガスタービン出力との偏差とに応じて算出される補正量を加算してなされる。
すなわち、液体燃料制御部４０に設けた補正信号生成部５０Ｓｅは、上述した第４変形例を図１の実施形態に追加し、ＰＩＤ制御器６２で算出した液体燃料流量比補正量を第２乗算器５６に入力し、第１乗算器５４の出力と乗算して最終的な液体燃料流量比補正量を加算器４２に出力する。

このようにすれば、上述した実施形態及び第５変形例の作用効果に加えて、パラメータ制御を行う際には、パラメータの調整が容易になる。また、切替え指令値である流量比指令値の過渡的な変化量を用いたので、上位のガスタービン出力制御系との干渉を防ぐことができ、より確実な補正制御が可能になる。

このように、上述した本実施形態及び変形例によれば、気体燃料及び液体燃料を使用可能なデュアル燃料ガスタービンプラントＧＴにおいて、使用する燃料を一方から他方へ切替える際に生じる一時的な燃料不足により、ガスタービン出力が低減または不安定になる出力変動を防止または抑制し、滑らかな燃料切替えが可能になる。また、燃料切替えに要する時間を短縮できるため、燃焼に伴うＮＯｘ等の有害ガス発生量を低減することも可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

３，１０ 流量調節弁（制御兼遮断弁）
４ デュアル燃料ノズル
２０ 制御部
３０ 気体燃料制御部
４０ 液体燃料制御部
５０Ｍ，５０Ｓ，５０Ｓａ〜５０Ｓｅ 補正信号生成部
ＧＴ デュアル燃料ガスタービンプラント
Ｆ 燃焼器
Ｔ タービン
Ｃ 圧縮機

Claims (9)

1. 気体燃料及び液体燃料のいずれか一方の燃料を選択切替えして運転可能なデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御において、
   一方の燃料から他方の燃料に切替えるにあたり、切替えて使用される側の燃料の流量変動が所定値よりも大きくなった時には切替えレートを遅くし、前記流量変動が小さくなった時には切替えレートを速くするように、燃料切替えの指令値である燃料流量比指令値の補正を行うことを特徴とするデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御。
2. 前記燃料流量比指令値の補正は、前記燃料流量比指令値の過渡的変化量に応じて算出される補正量を加算してなされることを特徴とする請求項１に記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御。
3. 前記補正は、排ガスから求められる計測値の燃焼効率に応じて算出される補正量を加算してなされることを特徴とする請求項１に記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御。
4. 前記補正は、指令信号から求められる燃焼効率に応じて算出される補正量を加算してなされることを特徴とする請求項１に記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御。
5. 前記指令信号は、燃料流量指令信号及び空気流量指令信号から算出される燃空比であることを特徴とする請求項４に記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御。
6. 前記補正は、ガスタービン出力のフィードバック信号とガスタービン出力設定との偏差に応じて算出される補正量を加算してなされることを特徴とする請求項１に記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御。
7. 前記補正は、燃料切替えの指令値である前記燃料流量比指令値の過渡的変化量と、ガスタービン出力のフィードバック信号とガスタービン出力との偏差とに応じて算出される補正量を加算してなされることを特徴とする請求項１に記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御。
8. 前記切替えられて使用される側の燃料供給開始時期より他方の燃料供給低減開始時期を遅らせることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御。
9. 空気を導入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される空気により気体燃料及び液体燃料のいずれか一方の燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するデュアル燃料焚きの燃焼器と、前記燃焼器から燃焼ガスの供給を受けるタービンとを具備し、
   前記燃焼器の燃料ノズルに燃料を供給するデュアル燃料供給系が、請求項１から８のいずれかに記載のデュアル燃料ガスタービンプラントの燃料切替制御を行う制御部を備えていることを特徴とするガスタービンプラント。
   

Images