JP2013174162A - 制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮器から出力される空気の圧力を安定させること。
【解決手段】ガスタービンの動作に関する情報に基づいて、ガスタービンの圧縮器が出力する圧縮空気の圧力の目標値を設定し、圧縮空気の圧力の実測値と目標値とに基づいて、圧縮器の入口案内翼の角度を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンへ導入する空気の量を制御する技術に関する。

ガスタービンのシステムでは、軸流圧縮器（以下、単に「圧縮器」という。）を用いて待機から吸い込んだ空気を圧縮し、圧縮された空気を燃焼やローター及び制翼の冷却などに用いている。一般的に、圧縮器に導入される空気流量は、圧縮器入口に設置されている入口案内翼（Inlet Guide Vane：ＩＧＶ）の角度で決まる。ＩＧＶは、ガスタービン出力と排ガス温度とに基づいて決定される（特許文献１参照）。

図５は、従来のガスタービンシステム９のシステム構成を示す図である。ガスタービンシステム９は、軸９００、ＩＧＶ９０１、ＧＥＮ９０２、圧縮器９０３、車室９０４、燃焼器９０５、タービン９０６、排ガスセンサ９０７、制御装置９０８を備える。
軸９００は、タービン９０６の回転をＧＥＮ９０２に伝達する軸である。ＩＧＶ９０１は、制御装置９０８による制御にしたがって角度を変え、圧縮器９０３に導入される空気の量を調節する。ＧＥＮ９０２は、発電機であり、軸９００の回転に伴って電力を生成する。圧縮器９０３は、ＩＧＶ９０１を介して導入された空気を圧縮し、圧縮空気を出力する。車室９０４は、圧縮器９０３によって生成された圧縮空気を燃焼器９０５へ出力する。

燃焼器９０５は、車室９０４を介して導入された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼することによって燃焼ガスをタービン９０６へ出力する。タービン９０６は、燃焼ガスによって回転する。タービン９０６の回転に用いられた燃焼ガスは、排ガスとして排気される。排ガスセンサ９０７は、排ガスの温度を計測し、計測結果（排ガス温度）を制御装置９０８に出力する。制御装置９０８は、ガスタービン出力及び排ガス温度に基づいて、ＩＧＶ９０１の角度を制御する。

図６は、従来のガスタービンシステム９における制御装置９０８の機能構成を示す概略ブロック図である。制御装置９０８は、第一関数発生器９１１、乗算器９１２、第二関数発生器９１３、第三関数発生器９１４、加算器９１５、角度調節器９１６を備える。第一関数発生器９１１は、現在の吸気条件の関数として第一補正係数を算出する。乗算器９１２は、ガスタービン出力（ＧＴ出力）に第一補正係数を乗じることによって、吸気条件補正のＧＴ出力を算出する。第二関数発生器９１３は、吸気条件補正のＧＴ出力の関数としてＩＧＶ角度目標値を算出する。

第三関数発生器９１４は、現在の排ガス温度の関数として第二補正係数を算出する。加算器９１５は、ＩＧＶ角度目標値と第二補正係数とを加算し、排ガス温度補正のＩＧＶ角度目標値を算出する。角度調節器９１６は、排ガス温度補正のＩＧＶ角度目標値に基づいてＩＧＶ９０１の角度を調節する。

特許第４６９９１３０号公報

しかしながら、ＩＧＣＣ（Integrated coal Gasification Combined Cycle）など、圧縮空気の一部を抽気するシステムでは、抽気量の変動が外乱となってしまう。そのため、燃焼や冷却を行う系統において空気流量を確保できないという問題があった。また、圧縮器から出力される空気の圧力が不安定となり、サージング等の問題も懸念されていた。
上記事情に鑑み、本発明は、圧縮器から出力される空気の圧力を安定させるための技術の提供を目的としている。

本発明の一態様は、ガスタービンの動作に関する情報に基づいて、前記ガスタービンの圧縮器が出力する圧縮空気の圧力の目標値を設定する目標値設定部と、前記圧縮空気の圧力の実測値と前記目標値とに基づいて、前記圧縮器の入口案内翼の角度を制御する角度制御部と、を備える制御装置である。

本発明の一態様は、上記の制御装置であって、吸気条件に基づいて、前記目標値を補正する補正部をさらに備え、前記角度制御部は、前記実測値と、前記補正部によって補正された前記目標値と、に基づいて前記角度を制御する。

本発明の一態様は、ガスタービンの動作に関する情報に基づいて、前記ガスタービンの圧縮器が出力する圧縮空気の圧力の目標値を設定する目標値設定ステップと、前記圧縮空気の圧力の実測値と前記目標値とに基づいて、前記圧縮器の入口案内翼の角度を制御する角度制御ステップと、を有する制御方法である。

本発明により、圧縮器から出力される空気の圧力を安定させることが可能となる。

本発明の一実施形態におけるガスタービンシステム１のシステム構成を示す図である。 制御装置の第一実施形態の機能構成を示す概略ブロック図である。 制御装置の第二実施形態の機能構成を示す概略ブロック図である。 制御装置の第三実施形態の機能構成を示す概略ブロック図である。 従来のガスタービンシステムのシステム構成を示す図である。 従来のガスタービンシステムにおける制御装置の機能構成を示す概略ブロック図である。

図１は、本発明の一実施形態におけるガスタービンシステム１のシステム構成を示す図である。ガスタービンシステム１は、軸１００、ＩＧＶ１０１、ＧＥＮ１０２、圧縮器１０３、車室１０４、燃焼器１０５、タービン１０６、圧力センサ２０、排ガスセンサ２１、大気センサ２２、軸センサ２３、制御装置３０を備える。

軸１００は、タービン１０６の回転をＧＥＮ１０２に伝達する軸である。ＩＧＶ１０１は、制御装置３０による制御にしたがって角度を変え、圧縮器１０３に導入される空気の量を調節する。ＧＥＮ１０２は、発電機であり、軸１００の回転に伴って電力を生成する。圧縮器１０３は、ＩＧＶ１０１を介して導入された空気を圧縮し、圧縮空気を出力する。圧力センサ２０は、例えば圧縮器１０３の出口付近に設置される。圧力センサ２０は、圧縮器１０３によって出力される圧縮空気の圧力を計測し、計測結果（圧縮空気圧力）を制御装置３０に出力する。車室１０４は、圧縮器１０３によって出力された圧縮空気を燃焼器１０５へ出力する。

燃焼器１０５は、車室１０４を介して導入された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼することによって燃焼ガスをタービン９０６へ出力する。タービン１０６は、燃焼ガスによって回転する。タービン１０６の回転に用いられた燃焼ガスは、排ガスとして排気される。排ガスセンサ２１は、排ガスの温度を計測し、計測結果（排ガス温度）を制御装置３０に出力する。

大気センサ２２は、吸気条件を計測し、計測結果を制御装置３０に出力する。吸気条件とは、例えば大気圧、圧縮器１０３に取り込まれる空気の温度（以下、単に「温度」という。）、圧縮器１０３に取り込まれる空気の湿度（以下、単に「湿度」という。）、などである。吸気条件は、一つの値であっても良いし、複数の値の組合せであっても良い。軸センサ２３は、軸１００の回転数を計測し、計測結果（軸回転数）を制御装置３０に出力する。

制御装置３０は、圧縮空気圧力、排ガス温度、吸気条件、軸回転数に基づいて、ＩＧＶ１０１の角度を制御する。制御装置３０の具体的な構成として、複数の具体例（実施形態１〜３）がある。以下、各実施形態について説明する。

［第一実施形態］
図２は、制御装置３０の第一実施形態（制御装置３０ａ）の機能構成を示す概略ブロック図である。制御装置３０ａは、第一関数発生器３０１、乗算器３０２、第二関数発生器３０３、第三関数発生器３０４、加算器３０５、減算器３０６、ＰＩ制御器３０７、角度調節器３０８を備える。制御装置３０ａは、圧縮空気圧力、排ガス温度、吸気条件に基づいて、ＩＧＶ１０１の角度を制御する。

第一関数発生器３０１は、現在の吸気条件の関数として第一補正係数を算出する。第一関数発生器３０１は、例えば吸気条件と第一補正係数とを対応付けたテーブルを予め記憶していても良い。この場合、第一関数発生器３０１は、現在の吸気条件に対応する第一補正係数をテーブルから読み出し、出力する。

第一関数発生器３０１は、温度が高いほどＧＴ出力目標値を下げるような第一補正係数を出力し、温度が低いほどＧＴ出力目標値を上げるような第一補正係数を出力する。第一関数発生器３０１は、大気圧が高いほどＧＴ出力目標値を下げるような第一補正係数を出力し、大気圧が低いほどＧＴ出力目標値を上げるような第一補正係数を出力する。第一関数発生器３０１は、湿度が高いほどＧＴ出力目標値を下げるような第一補正係数を出力し、湿度が低いほどＧＴ出力目標値を上げるような第一補正係数を出力する。

乗算器３０２は、ガスタービン出力の目標値（ＧＴ出力目標値）に第一補正係数を乗じることによって、吸気条件補正のＧＴ出力目標値を算出する。ＧＴ出力目標値は、ガスタービンシステム１の管理者によって設定されても良いし、ガスタービンシステム１が備える機能によって自動的に設定されても良い。

第二関数発生器３０３は、吸気条件補正のＧＴ出力目標値の関数として圧縮空気圧力目標値を算出する。第二関数発生器３０３は、例えば吸気条件補正のＧＴ出力目標値と圧縮空気圧力目標値とを対応付けたテーブルを予め記憶していても良い。この場合、第二関数発生器３０３は、吸気条件補正のＧＴ出力目標値に対応する圧縮空気圧力目標値をテーブルから読み出し、出力する。

第二関数発生器３０３は、吸気条件補正のＧＴ出力目標値が高いほど高い圧縮空気圧力目標値を出力し、吸気条件補正のＧＴ出力目標値が低いほど低い圧縮空気圧力目標値を出力する。

第三関数発生器３０４は、現在の排ガス温度の関数として第二補正係数を算出する。第三関数発生器３０４は、例えば排ガス温度と第二補正係数とを対応付けたテーブルを予め記憶していても良い。この場合、第三関数発生器３０４は、現在の排ガス温度に対応する第二補正係数をテーブルから読み出し、出力する。

第三関数発生器３０４は、排ガス温度が高いほど吸気条件補正のＧＴ出力目標値が高くなるような（ＩＧＶ１０１がより広く開くような）第二補正係数を出力し、排ガス温度が低いほど吸気条件補正のＧＴ出力目標値が低くなるような（ＩＧＶ１０１がより狭く閉じるような）第二補正係数を出力する。

加算器３０５は、圧縮空気圧力目標値と第二補正係数とを加算し、排ガス温度補正の圧縮空気圧力目標値を算出する。
減算器３０６は、排ガス温度補正の圧縮空気圧力目標値から、圧縮空気圧力の実測値を減算し、減算結果（差分値）をＰＩ制御器３０７に出力する。

ＰＩ制御器３０７は、差分値に基づいてＰＩ制御を行い、ＩＧＶ１０１の角度の変化量及び変化方向を決定する。ＰＩ制御器３０７は、差分値が正の値である場合には、その絶対値が大きいほどＩＧＶ１０１を開いて空気量が多くなるようにＩＧＶ１０１の角度の変化量及び変化方向を決定する。一方、ＰＩ制御器３０７は、差分値が負の値である場合には、その絶対値が大きいほどＩＧＶ１０１を閉じて空気量が少なくなるようにＩＧＶ１０１の角度の変化量及び変化方向を決定する。
角度調節器３０８は、ＰＩ制御器３０７によって決定されたＩＧＶ１０１の角度の変化量及び変化方法にしたがって、ＩＧＶ１０１の角度を調節する。

このように構成された制御装置３０ａは、圧縮器１０３によって圧縮された空気の圧力（例えば、圧縮器１０３の出口付近における圧縮空気の圧力）に基づいてＩＧＶ１０１の角度を制御する。そのため、圧縮器１０３から出力される空気の圧力を安定させることが可能となる。
また、制御装置３０ａは、吸気条件に基づいてＩＧＶ１０１の角度を制御する。そのため、吸気条件の変化に対しても圧縮空気の圧力を安定させることが可能となる。

＜変形例＞
圧力センサ２０は、圧縮器１０３によって圧縮されて出力される空気（圧縮空気）の圧力を測定できればどのように構成されても良い。例えば、圧力センサ２０は、図１に示すように圧縮器１０３の出口付近に設置されても良いし、車室１０４に設置されても良い。
制御装置３０は、排ガス温度を制御に用い無くとも良い。すなわち、制御装置３０は、第三関数発生器３０４及び加算器３０５を備えなくとも良い。
制御装置３０は、圧縮空気の圧力に代えて、圧縮空気の圧力と大気の圧力との比（圧力比）に基づいて制御を行っても良い。この場合、制御装置３０は以下のように構成される。

第二関数発生器３０３は、吸気条件補正のＧＴ出力目標値の関数として圧力比の目標値（圧力比目標値）を算出する。第二関数発生器３０３は、例えば吸気条件補正のＧＴ出力目標値と圧力比目標値とを対応付けたテーブルを予め記憶していても良い。この場合、第二関数発生器３０３は、吸気条件補正のＧＴ出力目標値に対応する圧力比目標値をテーブルから読み出し、出力する。第二関数発生器３０３は、吸気条件補正のＧＴ出力目標値が高いほど高い圧力比目標値を出力し、吸気条件補正のＧＴ出力目標値が低いほど低い圧力比目標値を出力する。この場合、“圧力比＝圧縮空気の圧力／大気の圧力”である。
減算器３０６は、排ガス温度補正の圧力比目標値から、圧力比の実測値を減算し、減算結果（差分値）をＰＩ制御器３０７に出力する。
このように圧力比に基づいて制御を行う制御装置３０によっても、圧縮空気の圧力に基づいて制御を行う制御装置３０と同様の効果を得ることができる。

［第二実施形態］
図３は、制御装置３０の第二実施形態（制御装置３０ｂ）の機能構成を示す概略ブロック図である。制御装置３０ｂは、第一関数発生器３０１、乗算器３０２、第二関数発生器３０３、第三関数発生器３０４、加算器３０５、第四関数発生器３１１、第二乗算器３１２、減算器３１３、ＰＩ制御器３０７、角度調節器３０８を備える。制御装置３０ｂは、圧縮空気圧力、排ガス温度、吸気条件に基づいて、ＩＧＶ１０１の角度を制御する。

第一関数発生器３０１、乗算器３０２、第二関数発生器３０３、第三関数発生器３０４、加算器３０５、ＰＩ制御器３０７、角度調節器３０８は第一実施形態と同様の処理を行う。以下、第一実施形態にはない構成である第四関数発生器３１１、第二乗算器３１２、減算器３１３について説明する。

第四関数発生器３１１は、現在の軸回転数の関数として第三補正係数を算出する。第四関数発生器３１１は、例えば軸回転数と第三補正係数とを対応付けたテーブルを予め記憶していても良い。この場合、第四関数発生器３１１は、現在の軸回転数に対応する第三補正係数をテーブルから読み出し、出力する。

第四関数発生器３１１は、軸回転数が高いほど排ガス温度補正の圧縮空気圧力目標値を下げるような第三補正係数を出力し、軸回転数が低いほど排ガス温度補正の圧縮空気圧力目標値を上げるような第三補正係数を出力する。
第二乗算器３１２は、排ガス温度補正の圧縮空気圧力目標値に第三補正係数を乗じることによって、回転数補正の圧縮空気圧力目標値を算出する。

減算器３１３は、回転数補正の圧縮空気圧力目標値から、圧縮空気圧力の実測値を減算し、減算結果（差分値）をＰＩ制御器３０７に出力する。
ＰＩ制御器３０７は、差分値に基づいてＰＩ制御を行い、ＩＧＶ１０１の角度の変化量及び変化方向を決定する。角度調節器３０８は、ＰＩ制御器３０７によって決定されたＩＧＶ１０１の角度の変化量及び変化方法にしたがって、ＩＧＶ１０１の角度を調節する。

このように構成された制御装置３０ｂは、軸１００の回転数に基づいてＩＧＶ１０１の角度を制御する。そのため、軸１００の回転数の変化に対しても圧縮空気の圧力を安定させることが可能となる。
また、制御装置３０ｂでは、第一実施形態の制御装置３０ａと同様の効果を得ることができる。

＜変形例＞
第二実施形態の制御装置３０ｂは、第一実施形態の制御装置３０ａと同様に変形して構成されても良い。

［第三実施形態］
図４は、制御装置３０の第三実施形態（制御装置３０ｃ）の機能構成を示す概略ブロック図である。制御装置３０ｃは、第一関数発生器３０１、乗算器３０２、第二関数発生器３０３、第三関数発生器３０４、加算器３０５、減算器３０６、ＰＩ制御器３０７、第五関数発生器４０１、第三乗算器４０２、第六関数発生器４０３、第七関数発生器４０４、第二加算器４０５、角度調節器３２１を備える。

第一関数発生器３０１、乗算器３０２、第二関数発生器３０３、第三関数発生器３０４、加算器３０５、減算器３０６、ＰＩ制御器３０７は第一実施形態と同様の処理を行う。以下、第一実施形態にはない構成である第五関数発生器４０１、第三乗算器４０２、第六関数発生器４０３、第七関数発生器４０４、第二加算器４０５、角度調節器３２１について説明する。

第五関数発生器４０１は、現在の吸気条件の関数として第五補正係数を算出する。第三乗算器４０２は、ガスタービン出力（ＧＴ出力）に第五補正係数を乗じることによって、吸気条件補正のＧＴ出力を算出する。第六関数発生器４０３は、吸気条件補正のＧＴ出力の関数としてＩＧＶ角度目標値を算出する。

第七関数発生器４０４は、現在の排ガス温度の関数として第七補正係数を算出する。第二加算器４０５は、ＩＧＶ角度目標値と第七補正係数とを加算し、排ガス温度補正のＩＧＶ角度目標値を算出する。

角度調節器３２１は、ガスタービンシステム１において圧縮空気の一部を抽気する場合には、ＰＩ制御器３０７から出力される情報に基づいてＩＧＶ１０１の角度を制御する。一方、ガスタービンシステム１において圧縮空気の一部を抽気しない場合には、角度調節器３２１は、第二加算器４０５から出力される情報に基づいてＩＧＶ１０１の角度を制御する。

このように構成された第三実施形態の制御装置３０ｃでは、抽気の有無に応じてＩＧＶ１０１を制御することが可能となる。例えば、通常構成のＧＴＣＣ（ガスタービンコンバインドサイクル発電）のように抽気が行われない場合には、より簡易な構成でＩＧＶ１０１を制御することが可能となる。一方、ＩＧＣＣのように抽気が行われる場合には、圧縮空気の圧力に基づいた制御を行うことで、圧縮空気の圧力を安定させることが可能となる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…ガスタービンシステム， １００…軸， １０１…ＩＧＶ， １０２…ＧＥＮ， １０３…圧縮器， １０４…車室， １０５…燃焼器， １０６…タービン， ２０…圧力センサ， ２１…排ガスセンサ， ２２…大気センサ， ２３…軸センサ， ３０…制御装置， ３０１…第一関数発生器（補正部）， ３０２…乗算器（補正部）， ３０３…第二関数発生器（目標値設定部）， ３０４…第三関数発生器， ３０５…加算器， ３０６…減算器（角度制御部）， ３０７…ＰＩ制御器（角度制御部）， ３０８…角度調節器（角度制御部）， ３１１…第四関数発生器， ３１２…第二乗算器， ３１３…減算器， ４０１…第五関数発生器， ４０２…第三乗算器， ４０３…第六関数発生器， ４０４…第七関数発生器， ４０５…第二加算器， ３２１…角度調節器

Claims (3)

1. ガスタービンの動作に関する情報に基づいて、前記ガスタービンの圧縮器が出力する圧縮空気の圧力の目標値を設定する目標値設定部と、
   前記圧縮空気の圧力の実測値と前記目標値とに基づいて、前記圧縮器の入口案内翼の角度を制御する角度制御部と、
   を備える制御装置。
2. 吸気条件に基づいて、前記目標値を補正する補正部をさらに備え、
   前記角度制御部は、前記実測値と、前記補正部によって補正された前記目標値と、に基づいて前記角度を制御する、請求項１に記載の制御装置。
3. ガスタービンの動作に関する情報に基づいて、前記ガスタービンの圧縮器が出力する圧縮空気の圧力の目標値を設定する目標値設定ステップと、
   前記圧縮空気の圧力の実測値と前記目標値とに基づいて、前記圧縮器の入口案内翼の角度を制御する角度制御ステップと、
   を有する制御方法。

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