JP2014040783A - ガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法並びに発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】高炉ガスのカロリー変動に起因して発生するガスタービンの過負荷や過温度を比較的容易に、かつ、速やかに定格状態へと移行させることを目的とする。
【解決手段】発電機出力と燃料流量指令ＯＬＣＳＯとが関連付けられた第１情報を用いて、発電機出力に対応する第１燃料流量指令を決定する過負荷抑制部１３と、フィードバック制御により、発電機出力を所定の目標値に追従させるような燃料流量指令ＬＤＣＳＯを決定する出力制御部１１と、少なくとも燃料流量指令ＯＬＣＳＯ及びＬＤＣＳＯを含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択部１４とを具備し、第１情報は、発電機出力が過負荷状態とみなす所定の第１閾値を超える過負荷領域において、燃料流量指令ＯＬＣＳＯが燃料流量指令ＬＤＣＳＯよりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンを用いて発電を行う発電システムに係り、特に、ガスカロリーが変動する高炉ガス焚きガスタービンに適用されるガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法に関するものである。

高炉ガス（BFG：Blast Furnace Gas）焚きガスタービンでは，ガスタービンに投入する燃料として通常の天然ガスではなく、高炉ガスが用いられる。高炉ガスは、製鉄所の副生ガスであり、製鉄所側の母管を介してガスタービンへと供給される。
高炉ガスは、製鉄所内の高炉などの運転状況に応じてガスカロリーが大きく変化することが知られており、ガスタービン本体の挙動にも影響を与えることが懸念されている。

例えば、高炉ガスのカロリーが急増するとガスタービンが過負荷（オーバロード）となり、トリップする可能性がある。また逆に、カロリーが急減した場合は失火の恐れがある。そのため、このような高炉ガスのカロリー変動が発生しても、安定した出力を供給できるようにガスタービンを運転する手法が必要であり、その一つとして、特許文献１に開示される方法が提案されている。
特許文献１には、増熱/減熱ガスを高炉ガスと混合し、ガスタービンへ投入する混合ガスのカロリーが一定となるように制御することが開示されている。

また、従来、ガスタービンの制御方法の一つとして、特許文献２に開示される制御方法が知られている。特許文献２には、発電機出力が目標出力と一致するような負荷制御指令ＬＤＣＳＯ、ブレードパス温度を所定の制限値以下とするためのブレードパス制御指令ＢＰＣＳＯ等を算出し、これら各種制御指令の中から最も低値のものを燃料流量指令ＣＳＯとして選択し、この制御指令ＣＳＯに基づいて燃焼器に投入する燃料ガス量を調整することが開示されている。特許文献２では、負荷制御指令ＬＤＣＳＯ、ブレードパス制御指令ＢＰＣＳＯの算出に、いずれもＰＩＤ制御を用いている。

特開平９−３１７４９９号公報 特開２００７−７１１４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の方法では、カロリーを計測するカロリーメータの計測遅れからフィードバック制御の応答性が悪い。したがって、混合ガスカロリーの急変を防げずに、トリップしてしまうおそれがあった。
また、特許文献２に開示されたガスタービン制御方法によれば、負荷制御指令ＬＤＣＳＯの算出過程におけるＰＩＤ制御の制御ゲインを大きな値に変更することで、過負荷時における応答性を高め、過負荷によるトリップを抑制する効果を高めることが可能となる。しかしながら、このような制御ゲインの調整は非常に難しく、適切な制御ゲインの設定に多大な労力を費やすこととなる。

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、高炉ガスのカロリー変動に起因して発生するガスタービンの過負荷や過温度を比較的容易に、かつ、速やかに定格状態へと移行させることのできるガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法並びに発電システムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンに適用されるガスタービン制御装置であって、発電機出力の測定値を取得する第１取得手段と、前記発電機出力と第１燃料流量指令とが関連付けられた第１情報を用いて、前記第１取得手段によって取得された前記発電機出力の測定値に対応する第１燃料流量指令を決定する過負荷抑制手段と、フィードバック制御により、ガスタービンの出力に関する第２測定項目の第２測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第２燃料流量指令を決定する出力制御手段と、少なくとも前記第１燃料流量指令及び前記第２燃料流量指令を含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択手段とを具備し、前記第１情報は、前記発電機出力が過負荷状態とみなす所定の第１閾値を超える過負荷領域において、前記第１燃料流量指令が前記第２燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御装置である。

このような構成によれば、過負荷抑制手段は、発電機出力と第１燃料流量指令とが関連付けられた第１情報を用いることにより、発電機出力の測定値から直接的に第１燃料流量指令を決定するので、制御ゲインの調整を行うことなく、比較的簡便な処理により、速やかに第１燃料流量指令を得ることができる。
また、第１情報は、過負荷領域において、第１燃料流量指令が第２燃料流量指令よりも小さい値をとるように設定されている。このことから、過負荷状態となった場合には、過負荷抑制手段によって決定された第１燃料流量指令が、低値選択手段によって速やかに選択され、この第１燃料流量指令に基づく燃料投入量の制御が行われることとなる。
従って、過負荷時における燃焼器への燃料投入量をいち早く効果的に低減させることが可能となり、トリップを防止することが可能となる。
また、上記第２測定項目としては、例えば、発電機出力、ガスタービンの回転数、回転速度などが挙げられる。

上記ガスタービン制御装置において、前記第１情報は、前記発電機出力が前記第１閾値未満である領域において、前記第１燃料流量指令が、前記低値選択手段に入力される各前記燃料流量指令の最小値よりも大きな値に設定されていてもよい。

このような構成によれば、過負荷領域以外の領域においては、第１燃料流量指令よりも他の燃料流量指令が優先されるので、その時々の運転状態に応じた最適な燃料流量指令に基づいて燃焼器への燃料投入量を調整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、前記過負荷抑制手段は、前記第１情報を用いて決定された前記第１燃料流量指令を、大気温度に基づく補正値を用いて補正する補正手段を有し、補正後の第１燃料流量指令を前記低値選択手段に出力することとしてもよい。

このような構成によれば、第１燃料流量指令が大気温度に基づいて補正されるので、大気温度の影響による制御誤差を低減させることができる。

上記ガスタービン制御装置は、ガスタービンの温度に関する第３計測項目の第３測定値を取得する第２取得手段と、前記第３計測項目と第３燃料流量指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記取得手段によって取得された前記第３測定値に対応する第３燃料流量指令を決定する過温度抑制手段と、フィードバック制御により、ガスタービンの温度に関する第４測定項目の第４測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第４燃料流量指令を決定する温度制御手段とを有し、前記低値選択手段には、前記第１燃料流量指令及び前記第２燃料流量指令に加えて前記第３燃料流量指令及び前記第４燃料流量指令が入力され、前記第２情報は、前記第３測定値が予め設定されている所定の温度制限値を超える過温度領域において、前記第３燃料流量指令が前記第４燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されていることとしてもよい。

ガスカロリーが上昇した場合、出力（負荷）だけでなく温度も上昇するため、過温度状態となった場合には速やかに温度を低下させる必要がある。
上記構成によれば、過温度抑制手段は、ガスタービンの温度に関する第３測定項目と第３燃料流量指令とが関連付けられた第２情報を用いることにより、第３測定値から直接的に第３燃料流量指令を決定するので、制御ゲインの調整を行うことなく、比較的簡便な処理により速やかに第３燃料流量指令を得ることができる。
また、第２情報は、過温度領域において、第３燃料流量指令が第４燃料流量指令よりも小さい値をとるように設定されている。このことから、過温度状態となった場合には、過温度抑制手段によって決定された第３燃料流量指令が、低値選択手段によって速やかに選択され、この第３燃料流量指令に基づく燃料投入量の制御が行われることとなる。
従って、過温度時における燃焼器への燃料投入量をいち早く効果的に低減させることが可能となる。
上記第３測定項目としては、例えば、ブレードパス温度、排ガス温度などが挙げられる。また、第３測定項目と第４測定項目とは異なっていても良いし、同じであってもよく、同じである場合には同じ測定値（例えば、ブレードパス温度）を用いることができる。

上記ガスタービン制御装置において、前記第２情報は、前記第３測定値が前記温度制限値未満である領域において、前記第３燃料流量指令が、前記低値選択手段に入力される各前記燃料流量指令の最小値よりも大きな値に設定されていてもよい。

このような構成によれば、過温度領域以外の領域においては、第３燃料流量指令よりも他の燃料流量指令が優先されるので、その時々の運転状態に応じた最適な燃料流量指令に基づいて燃焼器への燃料投入量を調整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、前記過温度抑制手段は、前記過負荷領域において、前記温度制御手段から出力される第４燃料流量指令よりも小さな値の第３燃料流量指令を出力することとしてもよい。

燃料ガスのカロリーが上昇した場合、負荷に加えて温度も上昇するが、温度制御は温度センサの計測遅れ等の要因により、負荷制御に比べて応答性が悪いことが知られている。ここで、過負荷が検知された場合、温度についても上昇することが予測され、過負荷検知とともに、温度制御についても先行的に行うことで、温度制御の応答性を向上させることができる。
上記構成によれば、過負荷領域であることが検知された場合に、過温度抑制手段が、第４燃料流量指令よりも小さな値を持つ第３燃料流量指令を出力するので、温度制御を先行的に行うことができ、過温度状態になることを未然に防ぐことを期待できる。

本発明の第２態様は、燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンに適用されるガスタービン制御装置であって、ガスタービンの温度に関する第３計測項目の第３測定値を取得する取得手段と、前記第３計測項目と第３燃料流量指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記取得手段によって取得された前記第３測定値に対応する第３燃料流量指令を決定する過温度抑制手段と、フィードバック制御により、ガスタービンの温度に関する第４測定項目の第４測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第４燃料流量指令を決定する温度制御手段と、少なくとも前記第３燃料流量指令及び前記第４燃料流量指令を含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択手段とを具備し、前記第２情報は、前記第３測定値が予め設定されている所定の温度制限値を超える過温度領域において、前記第３燃料流量指令が前記第４燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御装置である。

このような構成によれば、過温度抑制手段は、ガスタービンの温度に関する第３測定項目と第３燃料流量指令とが関連付けられた第２情報を用いることにより、第３測定値から直接的に第３燃料流量指令を決定するので、制御ゲインの調整を行うことなく、比較的簡便な処理により速やかに第３燃料流量指令を得ることができる。
また、第２情報は、過温度領域において、第３燃料流量指令が第４燃料流量指令よりも小さい値をとるように設定されている。このことから、過温度状態となった場合には、過温度抑制手段によって決定された第３燃料流量指令が、低値選択手段によって速やかに選択され、この第３燃料流量指令に基づく燃料投入量の制御が行われることとなる。
従って、過温度時における燃焼器への燃料投入量をいち早く効果的に低減させることが可能となる。
上記第３測定項目としては、例えば、ブレードパス温度、排ガス温度などが挙げられる。また、第３測定項目と第４測定項目とは異なっていても良いし、同じであってもよく、同じである場合には同じ測定値（例えば、ブレードパス温度）を用いることができる。

本発明の第３態様は、燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンに適用されるガスタービン制御方法であって、発電機出力の測定値を取得する第１取得工程と、前記発電機出力と第１燃料流量指令とが関連付けられた第１情報を用いて、前記発電機出力の測定値に対応する第１燃料流量指令を決定する過負荷抑制工程と、フィードバック制御により、ガスタービンの出力に関する第２測定項目の第２測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第２燃料流量指令を決定する出力制御工程と、少なくとも前記第１燃料流量指令及び前記第２燃料流量指令を含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択工程とを含み、前記第１情報は、前記発電機出力が過負荷状態とみなす所定の第１閾値を超える過負荷領域において、前記第１燃料流量指令が前記第２燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御方法である。

本発明の第４態様は、燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンに適用されるガスタービン制御方法であって、ガスタービンの温度に関する第３計測項目の第３測定値を取得する取得工程と、前記第３計測項目と第３燃料流量指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記第３測定値に対応する第３燃料流量指令を決定する過温度抑制工程と、フィードバック制御により、ガスタービンの温度に関する第４測定項目の第４測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第４燃料流量指令を決定する温度制御工程と、少なくとも前記第３燃料流量指令及び前記第４燃料流量指令を含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択工程とを含み、前記第２情報は、前記第３測定値が予め設定されている所定の温度制限値を超える過温度領域において、前記第３燃料流量指令が前記第４燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御方法である。

本発明の第５態様は、燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンと、上記いずれかのガスタービン制御装置とを具備する発電システムである。

本発明によれば、高炉ガスのカロリー変動に起因するガスタービンのトリップを回避することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンの全体概略構成を示すブロック図である。 図１に示したガスタービン制御装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 第１情報の一例を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る過負荷抑制部による効果を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービン制御装置の過負荷抑制部の一構成例を示した図である。 補正情報の一例を示した図である。 本発明の第３実施形態に係るガスタービン制御装置の機能ブロック図である。 第２情報の一例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る過温度抑制部による効果を示した図である。 本発明の第４実施形態に係るガスタービン制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第５実施形態に係るガスタービン制御装置の機能ブロック図である。 図１１に示した温度先行抑制部の一概略構成を示した図である。 第３情報の一例を示した図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係るガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法並びに発電システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発電システムの全体概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、発電システムは、ガスタービン１と、ガスタービン制御装置１０とを備えている。ガスタービン１は、空気を圧縮して出力する圧縮機２、圧縮機２からの圧縮空気と燃料配管を経て供給される燃料とを混合燃焼し、燃焼ガスを出力する燃焼器３、燃焼器３からの燃焼ガスにより駆動されるタービン４、及びタービン４により駆動される発電機５を備えている。このガスタービン１において、圧縮機２、タービン４、及び発電機５は互いに連結されている。
タービン４を通った排気ガスは、排気ダクトを経て蒸気タービン（図示略）等へ送られ、排気ガスのエネルギーが活用される。

上記燃焼器３の燃料配管には、製鉄所の副生ガスである高炉ガスが供給される。燃料配管には、燃料流量を調整するための燃料流量調整弁６が設けられている。燃料流量調整弁６の開度は、後述のガスタービン制御装置１０により制御される。
圧縮機２へ空気を供給する空気配管には、空気流量を調整するための空気流量調節弁（以下「ＩＧＶ調整弁」という。）７が設けられている。

タービン４の最終段付近には、タービン４の最終段直後の排気ガス温度（以下、「ブレードパス温度」という。）を計測するためのＢＰＴセンサ８が設けられている。また、タービン４の最終段の更に後流側には、タービン４の最終段よりも後流の排気ダクトでの排気ガス温度（以下、「排ガス温度」という。）を計測するためのＥＸＴセンサ９が設けられている。上述したセンサには、例えば、熱電対等が用いられる。ＢＰＴセンサ８、ＥＸＴセンサ９により計測された温度は、ガスタービン制御装置１０に与えられる。

図２は、本実施形態に係るガスタービン制御装置１０が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図２に示すように、ガスタービン制御装置１０は、出力制御部１１、温度制御部１２、過負荷抑制部１３、及び低値選択部１４を備えている。
出力制御部１１は、ガスタービン１の出力に関するパラメータに基づいて燃料流量指令を決定するものである。ここでは、出力制御部１１として、負荷制御部２１及びガバナ制御部２２が設けられている。
負荷制御部２１は、発電機出力、買電制御値等を入力信号として取得し、発電機出力を目標値に一致させるような燃料流量指令ＬＤＣＳＯを決定する。例えば、負荷制御部２１は、発電機出力と目標出力とを比較し、比例積分（ＰＩ）演算を行い、この結果を燃料流量指令ＬＤＣＳＯとして出力する。

ガバナ制御部２２は、タービン４の回転速度又は回転数を入力信号として取得し、タービン４の回転速度又は回転数を目標値に一致させるような燃料流量指令ＧＶＣＳＯを決定する。例えば、ガバナ制御部２２は、タービン４の回転速度、言い換えれば発電機５の回転速度を予め設定されているＧＶ設定値と比較し、比例（Ｐ）演算を行い、この結果を燃料流量指令ＧＶＣＳＯとして出力する。

温度制御部１２は、ガスタービンの温度に関するパラメータに基づいて燃料流量指令を決定するものである。ここでは、温度制御部１２として、ブレードパス温度制御部２３及び排ガス温度制御部２４を備えている。
ブレードパス温度制御部２３は、タービン４のブレードパス温度ＢＰＴを入力信号として取得し、こ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な燃料流量指令ＢＰＣＳＯを決定する。例えば、ブレードパス温度制御部２３は、ブレードパス温度とブレードパス温度設定値とを比較し、比例積分（ＰＩ）演算を行い、この結果を燃料流量指令ＢＰＣＳＯとして出力する。

排ガス温度制御部２４は、排ガス温度ＥＸＴを入力信号として取得し、この排ガス温度ＥＸＴが排ガス温度上限値を超えないような燃料流量指令ＥＸＣＳＯを決定する。例えば、排ガス温度制御部２４は、排ガス温度と排ガス温度設定値とを比較し、比例積分（ＰＩ）演算を行い、この結果を燃料流量指令ＥＸＣＳＯとして出力する。

過負荷抑制部１３は、発電機出力に基づいて、過負荷運転状態から速やかに通常運転に移行させるような燃料流量指令ＯＬＣＳＯを決定する。ここで、発電機出力は、例えば、負荷制御部２１で用いられる発電機出力と同じものを用いることが可能である。
過負荷抑制部１３は、発電機出力と燃料流量指令とが関連付けられた第１情報を用いて、発電機出力の測定値に対応する燃料流量指令ＯＬＣＳＯを決定する。

例えば、第１情報は、発電機出力をパラメータとして含む、燃料流量指令ＯＬＣＳＯを得るための関数式であってもよいし、例えば、発電機出力と燃料流量指令ＯＬＣＳＯとを関連付けたテーブルであってもよい。
図３には、発電機出力と燃料流量指令ＯＬＣＳＯとの関係が示されている。図３に示すように、発電機出力が過負荷状態とみなす所定の第１閾値を超える過負荷領域において、燃料流量指令ＯＬＣＳＯが出力制御部１１から出力される燃料流量指令であるＬＤＣＳＯ、ＧＶＣＳＯよりも小さな値をとるように設定されている。より具体的には、図３に示すように、過負荷領域において、燃料流量指令ＯＬＣＳＯを急激に減少させるような特性とされており、また、その下限値は、ガスカロリーが取り得る最大値を想定し、このガスカロリーの最大値において失火を防ぎうる最小の燃料流量を取得し、この燃料流量に所定のマージンを加えた値に設定されている。

また、図３では、傾きを２段階に変化させている。このように過負荷領域において、発電機出力が第１閾値に近い第１領域における傾きを大きめに設定し、第１領域よりも更に発電機出力が大きい第２領域においては第１領域に比べて傾きを小さく設定することが好ましい。このようにすることで、過負荷に入った直後の第１領域において燃料流量を急激に減少させることが可能となり、速やかに過負荷から定常運転状態に移行させることが可能となる。

また、第１情報において、発電機出力が第１閾値よりも小さい領域においては、燃料流量指令ＯＬＣＳＯは他の制御部が取り得る各燃料流量指令の最小値よりも大きな値に設定されている。すなわち、過負荷領域以外の領域においては、過負荷抑制部１３による燃料流量指令ＯＬＣＳＯが低値選択部１４において選択されないように、燃料流量指令を比較的大きな値に設定することが好ましい。

過負荷抑制部１３によって決定された燃料流量指令ＯＬＣＳＯ、出力制御部１１により決定された燃料流量指令ＬＤＣＳＯ、ＧＶＣＳＯ、及び温度制御部１２により算出された燃料流量指令ＢＰＣＳＯ、ＥＸＣＳＯは、低値選択部１４に出力される。
低値選択部１４は、入力された燃料流量指令のうち、最も低値の燃料流量信号を選択し、これを燃料流量指令ＣＳＯとして出力する。これにより、燃料流量指令ＣＳＯに基づいて燃料流量調整弁６の弁開度が調整され、適切な流量の高炉ガスが燃焼器３へ供給されることとなる。

このようなガスタービン制御装置１０によれば、燃焼器３に供給される高炉ガスのカロリーが高まり、発電機出力が上昇して過負荷状態となると、過負荷抑制部１３からは、燃料流量を急激に下げるような燃料流量指令ＯＬＣＳＯが出力される。この燃料流量指令ＯＬＣＳＯは、低値選択部１４に入力される燃料流量指令のうち最も小さい値となるので、低値選択部１４では、過負荷抑制部１３から出力された燃料流量指令ＯＬＣＳＯが選択される。これにより、この燃料流量指令ＯＬＣＳＯに基づいて燃料流量調整弁６の弁開度が調整されることにより、弁開度が速やかに絞られ、燃焼器３に供給される燃料流量が速やかに減少させられる。

以上説明したように、本実施形態に係るガスタービン及びその制御装置並びにその制御方法によれば、過負荷状態となった場合には、過負荷抑制部１３から出力される燃料流量指令ＯＬＣＳＯが低値選択部１４において選択されることとなるので、燃焼器３に供給する燃料流量を速やかに絞ることが可能となる。これにより、過負荷状態から通常運転状態（定格運転状態）へと速やかに低減させることが可能となる。すなわち、過負荷抑制部１３は、他の制御部のように、ＰＩＤ制御を採用しておらず、発電機出力と燃料流量指令ＯＬＣＳＯとが直接的に関連付けられた第１情報を用いて燃料流量指令ＯＬＣＳＯを決定する。これにより、ＰＩＤ制御を採用して燃料流量指令を決定している他の制御部に比べて、過負荷に対する応答性がよく、速やかに燃料流量を低減させることができる。

図４は、過負荷抑制部１３による効果を示した図である。図４（ａ）はガスカロリーの時間変化を示している。図４（ｂ）は、過負荷抑制部１３を有している場合と有していない場合の発電機出力の変化を比較して示した図であり、実線は過負荷抑制部１３を有している場合、すなわち本実施形態におけるガスタービン制御装置１０による発電機出力変化を示しており、点線は図２に示した構成から過負荷抑制部１３を削除した場合の発電機出力変化を示した図である。
図４からわかるように、過負荷抑制部１３を有している場合には、ガスカロリーが上昇した場合に、過負荷運転状態から定格運転状態へ速やかに移行させることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係るガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法並びに発電システムについて説明する。本実施形態に係るガスタービン制御装置が上述の第１実施形態と異なる点は、図５に示すように、過負荷抑制部１３´が大気温度に応じて燃料流量指令を補正する補正部１６を備える点である。
以下、本実施形態のガスタービン制御装置について、上記第１実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

図５に示すように、本実施形態に係る補正部１６は、大気温度と補正係数とが関連付けられた補正情報（例えば、テーブル、関数式等）を有しており、この補正情報を用いて大気温度に対応する補正係数を決定し、決定した補正係数を用いて燃料流量指令ＯＬＣＳＯを補正する。具体的には、補正部１６は、補正係数を燃料流量指令ＯＬＣＳＯに乗算することにより、燃料流量指令ＯＬＣＳＯを補正する。補正後の燃料流量指令ＯＬＣＳＯ´は、低値選択部１４に出力される。
補正情報は、図６に示すように、例えば、予め設定された基準温度において補正係数が「１」となるように設定され、大気温度が小さくなるほど補正係数が大きくなるように設定されている。

このようなガスタービン制御装置によれば、指令決定部１５によって第１情報（図３参照）が参照されることにより発電機出力に応じた燃料流量指令ＯＬＣＳＯが決定され、この燃料流量指令ＯＬＣＳＯが補正部１６によって、大気温度に応じた補正係数を用いて補正される。補正後の燃料流量指令ＯＬＣＳＯ´は低値選択部１４に出力される。

ガスタービンの定格出力は大気温度に応じて変化するため、大気温度に応じて燃料流量指令ＯＬＣＳＯを補正することにより、大気温度による出力への影響を低減させることが可能となる。これにより、大気温度が変動しても安定したガスタービンの運転を実現することが可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係るガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法並びに発電システムについて説明する。本実施形態に係るガスタービン制御装置が上述の第１実施形態と異なる点は、図７に示すように、過負荷抑制部１３に代えて、過温度抑制部１８を備えている点である。
以下、本実施形態のガスタービン制御装置１０ａについて、上記第１実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

図７に示すように、過温度抑制部１８は、ガスタービンの温度に関する測定項目の測定値、例えば、ブレードパス温度に基づいて、過温度状態から速やかに通常状態に移行させるような燃料流量指令ＯＴＣＳＯを決定する。具体的には、過温度抑制部１８は、ブレードパス温度と燃料流量指令ＯＴＣＳＯとが関連付けられた第２情報を用いて、ブレードパス温度の測定値に対応する燃料流量指令ＯＴＣＳＯを決定する。
なお、ブレードパス温度に代えて、例えば、排ガス温度等を用いることとしてもよい。

例えば、第２情報は、ブレードパス温度をパラメータとして含む、燃料流量指令ＯＴＣＳＯを得るための関数式であってもよいし、例えば、ブレードパス温度と燃料流量指令ＯＴＣＳＯとを関連付けたテーブルであってもよい。
図８には、ブレードパス温度と燃料流量指令ＯＴＣＳＯとの関係が示されている。図８に示すように、ブレードパス温度が予め設定されている所定の温度制限値を超える過温度領域において、燃料流量指令ＯＴＣＳＯが温度制御部１２から出力される燃料流量指令であるＢＰＣＳＯ、ＥＸＣＳＯよりも小さな値をとるように設定されている。

図８では、ブレードパス温度が温度制限値を超える領域において、燃料流量指令ＯＴＣＳＯを減少させる傾きを２段階に変化させている。このように、ブレードパス温度が温度制限値に近い第３領域における傾きを大きめに設定し、第３領域よりも更にブレードパス温度が大きい第４領域においては第３領域に比べて傾きを小さく設定することが好ましい。このようにすることで、過温度に入った直後の第３領域において燃料流量を急激に減少させることが可能となり、速やかに過温度状態を脱することが可能となる。

また、第２情報において、ブレードパス温度が温度制限値よりも小さい領域においては、燃料流量指令ＯＴＣＳＯは他の制御部が取り得る各燃料流量指令の最小値よりも大きな値に設定されている。すなわち、ブレードパス温度が温度制限値よりも小さい領域においては、過温度抑制部１８による燃料流量指令ＯＴＣＳＯが低値選択部１４において選択されないように、燃料流量指令を比較的大きな値に設定しておくことが好ましい。

過温度抑制部１８によって決定された燃料流量指令ＯＴＣＳＯは、出力制御部１１からの燃料流量指令ＬＤＣＳＯ、ＧＶＣＳＯ、及び温度制御部１２からの燃料流量指令ＢＰＣＳＯ、ＥＸＣＳＯとともに低値選択部１４に出力される。低値選択部１４では、入力されたこれらの燃料流量指令のうち、最も値の小さい燃料流量信号が選択され、選択された燃料流量指令ＣＳＯに基づいて燃料流量調整弁６の弁開度が調整されることとなる。これにより、適切な流量の燃料が燃焼器３へ供給される。

以上説明したように、本実施形態に係るガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法並びに発電システムによれば、燃焼器３に供給される高炉ガスのカロリーが高まり、ブレードパス温度が上昇して過温度状態となると、過温度抑制部１８からは、燃料流量を急激に下げるような燃料流量指令ＯＴＣＳＯが出力される。
この燃料流量指令ＯＴＣＳＯは、低値選択部１４に入力される燃料流量指令のうち最も小さい値となるので、低値選択部１４では、過温度抑制部１８から出力された燃料流量指令ＯＴＣＳＯが選択される。これにより、この燃料流量指令ＯＴＣＳＯに基づいて燃料流量調整弁６の弁開度が調整されることにより、弁開度が速やかに絞られ、燃焼器３に供給される燃料流量が速やかに減少させられる。

これにより、ブレードパス温度を温度制限値以下に速やかに戻すことが可能となる。すなわち、過温度抑制部１８は、他の制御部のように、ＰＩＤ制御を採用しておらず、ブレードパス温度と燃料流量指令ＯＴＣＳＯとが直接的に関連付けられた第２情報を用いて燃料流量指令ＯＴＣＳＯを決定する。これにより、ＰＩＤ制御を採用して燃料流量指令を決定している他の制御部に比べて、過温度への応答性が高く、迅速に燃料流量を低減させることができる。

図９は、過温度抑制部１８による効果を示した図である。図９（ａ）はガスカロリーの時間変化を示している。図９（ｂ）は、過温度抑制部１８を有している場合と有していない場合のブレードパス温度の変化を比較して示した図であり、実線は過温度抑制部１８を有している場合、すなわち本実施形態におけるガスタービン制御装置１０ａによるブレードパス温度変化を示しており、点線は図７に示した構成から過温度抑制部１８を削除した場合のブレードパス温度変化を示した図である。
図９からわかるように、過温度抑制部１８を有している場合には、ガスカロリーが上昇した場合に、過温度状態にあるブレードパス温度を温度制限値以下に速やかに移行させることができる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係るガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法並びに発電システムについて説明する。図１０に示すように、本実施形態に係るガスタービン制御装置１０ｂは、上述の第１実施形態に係る過負荷抑制部１３と、第３実施形態に係る過温度抑制部１８の両方を備え持つ構成とされている。このように、過負荷抑制部１３と過温度抑制部１８とを有することにより、ガスカロリーが上昇して過負荷状態や過温度状態になった場合には、速やかに燃料流量を低減させることが可能となる。なお、第１実施形態に係る過負荷抑制部１３に代えて、第２実施形態に係る過負荷抑制部（図５参照）を採用することとしてもよい。

〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態に係るガスタービン制御装置及びガスタービン制御方法並びに発電システムについて説明する。
図１１に示すように、本実施形態に係るガスタービン制御装置１０ｃは、図１０に示した第４実施形態に係るガスタービン制御装置１０ｂの構成に更に加えて、温度先行抑制部２０を備えている。

図１２は、温度先行抑制部２０の一概略構成を示した図である。図１２に示すように、温度先行抑制部２０は、指令決定部３１、条件判定部３２、及び選択部３３を主な構成として備えている。
指令決定部３１は、ブレードパス温度と燃料流量指令Ｆ−ＯＴＣＳＯとが関連付けられた第３情報を有し、該第３情報を用いてブレードパス温度の測定値に対応する燃料流量指令Ｆ−ＯＴＣＳＯを決定する。図１３に、第３情報の一例を示す。図１３に示すように、第３情報は、ブレードパス温度が基準温度よりも小さい値である第２閾値を超えた場合に、燃料流量指令を減少させるような特性とされている。

条件判定部３２は、過負荷状態かつブレードパス温度が温度制限値よりも小さい場合に、オン信号を出力し、いずれか一方の条件を満たさない場合にオフ信号を出力する。
選択部３３は、指令決定部３１からの燃料流量指令Ｆ−ＯＴＣＳＯが入力されるとともに、一定の燃料流量指令（例えば、１００％）が入力され、条件判定部３２からの信号に基づいて出力する燃料流量指令を選択する。具体的には、条件判定部３２からオン信号が入力されている場合に、指令決定部３１からの燃料流量指令Ｆ−ＯＴＣＳＯを出力し、オフ信号が入力されている場合に、一定の燃料流量指令を出力する。

このような構成によれば、過負荷状態かつブレードパス温度が温度制限値よりも小さい場合には、第３情報を用いて決定された燃料流量指令Ｆ−ＯＴＣＳＯが選択部３３によって選択され、低値選択部１４に出力される。ブレードパス温度が温度制限値よりも小さい場合には、過温度抑制部１８から出力される燃料流量指令値は比較的大きな値に設定されている。従って、燃料流量指令Ｆ−ＯＴＣＳＯは、少なくとも燃料流量指令値ＯＴＣＳＯよりは優先的に低値選択部１４によって選択されることとなる。
このように、本実施形態に係るガスタービン制御装置１０ｃによれば、温度先行抑制部２０の作用により、過温度抑制部１８よりも更に早期に燃料流量を低減させることが可能となる。
なお、上述したように温度先行抑制部を設ける代わりに、温度先行抑制部が有する第３情報を過温度抑制部１８が用いる第２情報に組み合わせることにより、１つのテーブル或いは関数式を用いた温度抑制制御を実現することが可能となる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 発電機
６ 燃料流量調整弁
７ 空気流量調節弁
８ ＢＰＴセンサ
９ ＥＸＴセンサ
１０ ガスタービン制御装置
１１ 出力制御部
１２ 温度制御部
１３ 過負荷抑制部
１４ 低値選択部
１５、３１ 指令決定部
１６ 補正部
１８ 過温度抑制部
２０ 温度先行抑制部
２１ 負荷制御部
２２ ガバナ制御部
２３ ブレードパス温度制御部
２４ 排ガス温度制御部
３２ 条件判定部
３３ 選択部

Claims (10)

1. 燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンに適用されるガスタービン制御装置であって、
   発電機出力の測定値を取得する第１取得手段と、
   前記発電機出力と第１燃料流量指令とが関連付けられた第１情報を用いて、前記第１取得手段によって取得された前記発電機出力の測定値に対応する第１燃料流量指令を決定する過負荷抑制手段と、
   フィードバック制御により、ガスタービンの出力に関する第２測定項目の第２測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第２燃料流量指令を決定する出力制御手段と、
   少なくとも前記第１燃料流量指令及び前記第２燃料流量指令を含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択手段と
   を具備し、
   前記第１情報は、前記発電機出力が過負荷状態とみなす所定の第１閾値を超える過負荷領域において、前記第１燃料流量指令が前記第２燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御装置。
2. 前記第１情報は、前記発電機出力が前記第１閾値未満である領域において、前記第１燃料流量指令が、前記低値選択手段に入力される各前記燃料流量指令の最小値よりも大きな値に設定されている請求項１に記載のガスタービン制御装置。
3. 前記過負荷抑制手段は、前記第１情報を用いて決定された前記第１燃料流量指令を、大気温度に基づく補正値を用いて補正する補正手段を有し、補正後の第１燃料流量指令を前記低値選択手段に出力する請求項１または請求項２に記載のガスタービン制御装置。
4. ガスタービンの温度に関する第３計測項目の第３測定値を取得する第２取得手段と、
   前記第３計測項目と第３燃料流量指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記取得手段によって取得された前記第３測定値に対応する第３燃料流量指令を決定する過温度抑制手段と、
   フィードバック制御により、ガスタービンの温度に関する第４測定項目の第４測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第４燃料流量指令を決定する温度制御手段と
   を有し、
   前記低値選択手段には、前記第１燃料流量指令及び前記第２燃料流量指令に加えて前記第３燃料流量指令及び前記第４燃料流量指令が入力され、
   前記第２情報は、前記第３測定値が予め設定されている所定の温度制限値を超える過温度領域において、前記第３燃料流量指令が前記第４燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されている請求項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。
5. 前記第２情報は、前記第３測定値が前記温度制限値未満である領域において、前記第３燃料流量指令が、前記低値選択手段に入力される各前記燃料流量指令の最小値よりも大きな値に設定されている請求項４に記載のガスタービン制御装置。
6. 前記過温度抑制手段は、前記過負荷領域において、前記温度制御手段から出力される第４燃料流量指令よりも小さな値の第３燃料流量指令を出力する請求項４または請求項５に記載のガスタービン制御装置。
7. 燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンに適用されるガスタービン制御装置であって、
   ガスタービンの温度に関する第３計測項目の第３測定値を取得する取得手段と、
   前記第３計測項目と第３燃料流量指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記取得手段によって取得された前記第３測定値に対応する第３燃料流量指令を決定する過温度抑制手段と、
   フィードバック制御により、ガスタービンの温度に関する第４測定項目の第４測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第４燃料流量指令を決定する温度制御手段と、
   少なくとも前記第３燃料流量指令及び前記第４燃料流量指令を含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択手段と
   を具備し、
   前記第２情報は、前記第３測定値が予め設定されている所定の温度制限値を超える過温度領域において、前記第３燃料流量指令が前記第４燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御装置。
8. 燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンに適用されるガスタービン制御方法であって、
   発電機出力の測定値を取得する第１取得工程と、
   前記発電機出力と第１燃料流量指令とが関連付けられた第１情報を用いて、前記発電機出力の測定値に対応する第１燃料流量指令を決定する過負荷抑制工程と、
   フィードバック制御により、ガスタービンの出力に関する第２測定項目の第２測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第２燃料流量指令を決定する出力制御工程と、
   少なくとも前記第１燃料流量指令及び前記第２燃料流量指令を含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択工程と
   を含み、
   前記第１情報は、前記発電機出力が過負荷状態とみなす所定の第１閾値を超える過負荷領域において、前記第１燃料流量指令が前記第２燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御方法。
9. 燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンに適用されるガスタービン制御方法であって、
   ガスタービンの温度に関する第３計測項目の第３測定値を取得する取得工程と、
   前記第３計測項目と第３燃料流量指令とが関連付けられた第２情報を用いて、前記第３測定値に対応する第３燃料流量指令を決定する過温度抑制工程と、
   フィードバック制御により、ガスタービンの温度に関する第４測定項目の第４測定値を、予め設定されている所定の目標値に追従させるような第４燃料流量指令を決定する温度制御工程と、
   少なくとも前記第３燃料流量指令及び前記第４燃料流量指令を含む複数の燃料流量指令が入力され、入力された複数の燃料流量指令のうち最も小さい燃料流量指令を選択する低値選択工程と
   を含み、
   前記第２情報は、前記第３測定値が予め設定されている所定の温度制限値を超える過温度領域において、前記第３燃料流量指令が前記第４燃料流量指令よりも小さな値をとるように設定されているガスタービン制御方法。
10. 燃焼器に投入される燃料ガスのカロリーが変動するガスタービンと、
    請求項１から請求項７のいずれかに記載のガスタービン制御装置と
    を具備する発電システム。

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