JP2017505403A - ガスタービンを部分負荷で動作させる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、制御器（２７）を有するガスタービンの部分負荷動作を制御する方法に関しており、制御器（２７）の負荷設定点（ＬＳＰ）は、最小負荷設定点（ＬＳＰｍｉｎ）よりも高いかこれに等しい。最小負荷設定点（ＬＳＰｍｉｎ）は、高温ガス温度モデル（５７）に基づいて計算した高温ガス温度（ＴＨＧ）に依存する。

Description

本発明は、ＣＯ放出を制限値以下に維持しながらガスタービンを部分負荷で動作させる方法に関する。本発明はさらに、このような方法を実行するように構成されたガスタービンに関する。

本開示の背景
再生可能エネルギは、留まることなくますます多くのエネルギ生産の割合を占めるようになっている。この結果、従来の電力プラントを一層フレキシブルに動作させる必要がある。したがって比率すなわちベースロードの比率を、最小放出に適合する負荷に低下させることは、従来のガス燃焼電力プラントにとって重要な機能なのである。ＣＯ放出は、ガスタービンの低負荷動作を制限する判定基準である。なぜならばＣＯ放出は、一般的に電力減少に伴う燃焼温度の低下と共に急速に増大するからである。

ガスタービンの動作範囲をより低い負荷範囲に拡張しかつＣＯ放出が適合するように維持するためにはさまざまな手段がある。しかしながらいずれの手段についても低負荷限界があり、これを下回ると、指定されたＣＯ放出全限度を越えてしまう。所定の負荷におけるＣＯ放出は、周囲条件、燃料組成、燃料温度およびエンジンの経年変化と共に変化するため一定ではない。

従来の動作法において、最小負荷は、ＣＯ放出についての諸要件が満たされる箇所に設定されている。（この明細書において以下「ＣＯ最小負荷」と称される）エンジン動作コンセプトにおけるこのような最小負荷とは、ＣＯ放出が制限を越える負荷に対して所定のマージンを伴った相対的な負荷設定のことをいう。

このマージンに起因して、動作範囲は縮小され、これによってガスタービンの収益力が低減してしまう。

ＣＯ最小負荷を制御するための考えられ得る別のコンセプトは、ＣＯフィードバック制御器を使用することである。このコンセプトにより、一層のフレキシビリティが得られるが、約３〜５分のＣＯ信号の測定遅延に起因して障害も大きくなる。このＣＯフィードバック制御器では、高速のレスポンスと安定性との間でトレードオフを行わなければならない。

本開示の概要
本発明の目的は、収益力を増大させ、低い部分負荷で、ＣＯ放出基準に適合してガスタービンを動作させる方法を提供することである。

この目的は、請求項１およびその従属請求項に記載した方法によって達成される。

本発明の方法には、代表的な高温ガス温度ＴＨＧを計算することと、フィードバック制御器を用いて負荷制御の最小負荷設定点を調整することによって最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎを上回るようにこの代表的な高温ガス温度ＴＨＧを維持することとが含まれている。このフィードバック制御器は、高温ガス温度ＴＨＧが、最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎよりも低い場合には最小負荷設定点を上げ、逆にこのフィードバック制御器は、高温ガス温度ＴＨＧが、最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎよりも高い場合には最小負荷設定点を下げる。

択一的な実施形態によれば、高温ガス温度と最低高温ガス温度との間の差分が負になる場合、制御器により、少なくとも１つのバーナがオフにされ、および／または、燃料ステージングパラメタが調整される。この制御器は、高温ガス温度と最低高温ガス温度と間の差分が閾値を上回った場合、少なくとも１つのバーナをオンにする、および／または、燃料ステージングパラメタを再調整する。この閾値は、ステージングパラメタを再調整するかまたはバーナをオンにした後、ＣＯ放出が依然として最小許容ＣＯ放出を下回っていることが保証されるように十分大きく選択することができる。

燃料ステージングにおける調整は、異なる複数のバーナへの燃料供給の変更、または１つのバーナ内の異なる複数の燃料噴射位置またはシステムへの燃料供給への移行であってよい。燃料ステージングにおける調整は、例えば、異なる複数のバーナ段間での燃料の分割、異なる複数のバーナ群間での燃料の分割、異なる複数の燃焼器段間での燃料の分割、異なる複数の燃料器間での燃料の分割、または異なる複数のバーナ間での燃料の分割の調整によって実現される。燃料ステージングパラメタを調整することにより、与えられた動作条件におけるＣＯ放出に対してクリティカルなバーナまたはバーナ区画にはより多くの燃料を供給することができ、その一方で、クリティカルでないバーナまたはバーナ区画への燃料供給が低減される。これによって全体的なＣＯ放出を低減することができる。

再調整は、高温ガス温度が再び十分に高くなった場合に実行することができる。この関連において再調整とは、例えば、上記の調整中に実行された燃料配分の変更の逆であってよい。

バーナのオンオフおよび／またはステージングパラメタの変更は、最小負荷の増大もしくは減少とは独立して、または、最小負荷の増大もしくは減少と組み合わせて行うことができる。一実施形態によれば、最小負荷に到達する前に、まず少なくとも１つのバーナがオフにされ、および／または、ステージングパラメタが変更され、つぎに最小負荷が増大または減少される。

同時または順次に適応型の制御アルゴリズムが適用されて、単一の制御パラメタである最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎが調整されるが、この調整は、適切な動作条件（例えば、ＣＯ最小負荷動作点における安定状態動作）において、かつ、（冗長な複数のＣＯ測定値および測定値遅延時間についての）有効であることが示された測定入力値においてのみ行われる。冗長なＣＯ測定は、上記の方法およびシステムの信頼性を改善することができ、また測定した複数のＣＯ値による適応型の制御を含み得る。

上記の高温ガス温度ＴＨＧおよび最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎパラメタおよび適応型制御のコンセプトは、ＣＯ最小負荷を調整するためだけではなく、個別のバーナのオフまたはバーナ群のオフのような、部分負荷におけるＣＯ放出に影響を及ぼす他の手段を調整するためにも、または、既に実行された別の燃料再配分手段にも使用することができる。（例えば、内部的なバーナ燃料の分配が再調整される「ＥＶステージング」、バーナのグルーピング、または、異なる連続するステージ間での、又は、燃焼器間での燃料の再配分）。

別の利点については、図面に関連して詳しく説明する。

多段燃焼を備えたガスタービンを示す図である。 多段燃焼を備えたガスタービンの第２燃焼器の断面図である。 ガスタービンの高温ガス温度ＴＨＧに依存してＣＯ放出を示す線図である。 本発明による方法のブロック図である。 高温ガス温度ＴＨＧの下限を再設定する適応型アルゴリズムを示す図である。 適応型アルゴリズムが高温ガス温度ＴＨＧおよびＣＯ放出に与える影響を示す図である。

以下では添付の概略図を使用し、本発明、その特質およびその利点を一層詳しく説明する。

実施例
図１には、ここで説明している方法を実現するのに有効な、多段燃焼を有するガスタービンの例が示されている。本発明による方法は、このタイプのガスタービンだけに応用されるのではなく、例えば多段型でない燃焼器を備えた別の任意のタイプのガスタービンまたは多段燃焼に応用することが可能である。

このガスタービンには圧縮機１と、第１燃焼器４と、第１タービン７と、第２燃焼器１５と、第２タービン１２とが含まれている。一般的にこのガスタービンには発電機１９が含まれており、この発電機は、圧縮機１において、このガスタービンのシャフト１８に連結されている。

燃料、すなわちガスまたは油は、燃料供給部５を介して第１燃焼器４内に導入され、圧縮機１内で圧縮された空気と混合され、１つまたは幾つかの（図１に示していない）バーナにおいて燃焼される。バーナおよび第１燃焼器４を出た高温ガス６の一部は、後続の第１タービン７において膨張されて仕事を行う。

負荷の増大によって第２燃焼器１５が動作しはじめると直ちに、燃料供給部１０を介し、付加的な燃料が、第２燃焼器１５の複数のバーナ９内の部分的に膨張したガス８に加えられて第２燃焼器１５で燃焼する。高温ガス１１は、後続の第２タービン１２において膨張されて仕事を行う。排気ガス１３は有益には、複合サイクル電力プラントの排熱ボイラまたは別の排熱応用に供給することが可能である。

吸入質量流を制御するため、圧縮機１は、少なくとも１列の可変入口案内翼１４を有する。

寒い日に周囲空気の高い相対湿度によって吸入空気２の温度を上げられるようにするため、制御弁２５および氷結防止管路２６が設けられており、この制御弁および管路を通して圧縮空気３の一部を吸入空気２に加えることができる。

圧縮空気３の一部は、高圧冷却空気２２として取り出されて、高圧冷却空気冷却器３５を介して再冷却され、冷却空気２２として第１燃焼器４（冷却空気管路は図示されていない）および第１タービンに供給される。高圧タービン７に供給される高圧冷却空気２２の質量流は、この例において、高圧冷却空気制御弁２１によって制御することが可能である。高圧冷却空気２２の一部は、いわゆる搬送空気２４として第２燃焼器１５の複数のバーナ９のバーナランスに供給される。搬送空気２４の質量流は、搬送空気制御弁１７によって制御することが可能である。

一部の空気は、部分的に圧縮されて圧縮機１から取り出され、低圧冷却空気冷却器３６を介して再冷却されて、冷却空気２３として第２燃焼器１５および第２タービン１２に供給される。冷却空気２３の質量流は、この例において冷却空気制御弁１６によって制御可能である。

燃焼器４および１５は、例えば図２において第２燃焼器１５の例で示したように多くの個別バーナ９を備えたアニュラ型燃焼器として構成されている。これらのバーナ９のそれぞれには燃料分配システムおよび燃料供給部１０を介して燃料が供給される。この例において燃料分配システムは、主燃料環３０と、全体的な燃料質量流を制御する制御弁２８と、対応する８個のバーナ９を停止する８個のオンオフ弁３７とを有する。

主制御器２７は、別の複数のコンポーネントの中でもとりわけ、ガスタービンの出力または負荷を制御する可変入口案内翼１４と、燃料供給部５および１０とに接続されている。主制御器２７と、可変入口案内翼１４と、燃料供給部５および１０とを接続する信号線路には参照符号２９が付されている。

個別のオンオフ弁３７を閉鎖することにより、個別バーナ９への燃料供給は停止され、動作している残りのバーナ９に配分される。結果として、動作中のバーナ９の燃空当量比λは減少して高温ガス温度が上昇する。

第１燃焼器４の動作しているバーナおよび第２燃焼器１５の動作しているバーナ９のそれぞれにより、明らかに高温排気ガスが形成される。

本発明については、第１燃焼器４のバーナの出口における高温ガス６、または第２燃焼器１５のバーナの出口における高温ガス１１のいずれかの温度が、高温ガス温度ＴＨＧと称される。局所的な高温ガス温度ＴＨＧは、動作している複数のバーナ間で異なり得ることは明らかである。これらの局所的な違いを考慮するように、計算される高温ガス温度ＴＨＧを調整することができる。この調整に対し、計算される高温ガス温度ＴＨＧを以下の少なくとも１つのパラメタに依存して調整することができる。すなわち、
・ 動作中のバーナの個数
・ 異なる複数のバーナ段間での燃料の分割
・ 異なる複数のバーナ群間での燃料の分割
・ 異なる複数の燃焼器段間での燃料の分割
・ 異なる複数の燃焼器間での燃料の分割
・ 異なる複数のバーナ間での燃料の分割
に依存して調整することができる。

上で述べたように本発明による方法は、このタイプのガスタービンだけではなく、例えば多段型でない燃焼器を備えた別の任意のタイプのガスタービンまたは多段型燃焼に応用することが可能である。

予混合燃焼に対しては、図３に示したように高温ガス温度ＴＨＧが低くなるのにつれてほぼ指数関数的にＣＯが増大することが知られている。図３のＹ軸は、対数目盛を使用しているため、図３の線３９はおおよそ直線的である。

最大許容ＣＯ放出ＣＯ_ｍａｘおよび最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎによって区切られている矩形領域４１は、ガスタービンの動作範囲である。最大許容ＣＯ放出ＣＯ_ｍａｘは、超過してはならない限度である。

図３に示した例示的な関数に基づき、以下の式を使用してＣＯ放出を近似することができる。すなわち、
ＣＯ ＝ η・ｅ^-γＴＨＧ （ａ）
であり、ただしγおよびηは、特定のガスタービンのＣＯ放出特性に最善に適合するように経験的に求めることが可能な定数である。

逆にすると、最大許容ＣＯ放出値ＣＯ_ｍａｘに対し、高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎの下限を、
ＴＨＧｍｉｎ ＝ log(ＣＯｍａｘ／η)^−γ （ｂ）
によって近似することができる。

通常の条件下では、ガスタービンの負荷は主に、少なくとも１つの燃焼器４、１５への燃料質量流および／または可変入口案内翼１４の位置を制御することによって制御される。

ガスタービンの動作についての詳細は、欧州特許出願公開第２６０００６３号明細書に記載されており、その内容は引用によってこの明細書に組み込まれるものとする。通常の制御方式は、当業者には公知であるため、詳細には説明しない。

図４には、規制に準拠しかつ有利には低ＣＯ放出、低負荷でガスタービンを動作させるための、本発明によるＣＯ最小負荷制御の一部が示されている。これは、ガスタービンの通常動作または負荷制御によっては、許容されない高ＣＯ放出に結び付いてしまい得るケースに起動されるモデルベースの制御である。本発明によるＣＯ最小負荷制御は、主制御器２７（図１を参照されたい）に組み込むことが可能であるかまたは別個の制御器であってよい。

図４に示した本発明による制御方法は、組成がオンラインで測定されかつこれに対応してモデルの高温ガス温度ＴＨＧ計算式を補正するのに使用されるのであれば、周囲条件の変化、送電網周波数の変動、動作コンセプト（ＶＩＧＶ位置）およびウォッベ指数による燃料ガス組成の変化、または低発熱量変化に対してロバストである。しかしながら、ＣＯモデルが真のＣＯ値から偏差し得るケースがあり、これらのケースは、高温ガス温度ＴＨＧだけでなくＣＯに関連する燃焼動力学に影響を与える燃料組成の変化（例えば点火遅延時間に与えるＣ２＋の作用）、（例えば異なる空気分配に結び付く）ガスタービンハードウェアの経年変化、極端な諸条件または動作モードおよび／または誤った入力信号または入力信号の欠落などであり、高温ガス温度ＴＨＧの、上記のモデルベースの決定の結果が不正確になってしまう。

これらのケースは、ガスタービンの排気ガスにおいて測定したＣＯによるフィードバックループを介して取り扱われる。図５に示したこのコンセプトにより、ＣＯ放出をＣＯｍａｘ限度値以下に維持しかつヒステリシスを有する範囲に留まるようにするために限界のＴＨＧ_ｍｉｎを更新しかつ補正する適応型アルゴリズムが導入される。

図４に示したモデルベースのＣＯ最小負荷制御および図５に示した適応型アルゴリズムは、同時または順次に実行することが可能である。

図４に示した本発明によるＣＯ最小負荷制御にはスイッチ４３が含まれている。主制御器２７の通常の負荷制御下では（すなわち本発明によるＣＯ最小負荷制御が動作していない）、スイッチ４３は、図４に示した位置にある。

スイッチ４３は、ガスタービンが低負荷動作点（ＣＯ最小負荷状態とも称される）に達すると、ガスタービン制御の主制御器２７からのバイナリ信号４５によって起動される。

動作する個別バーナの個数を減らした動作に対しては、動作するバーナの最小個数に到達すると、本発明のＣＯ最小負荷制御は、バイナリ信号４５によって動作状態に設定され、ＣＯ最小負荷制御器に対する基準として、ガスタービンの実際電力出力ＡＰ_０を読み出す。

ガスタービン負荷設定点（ＬＳＰ；［ＭＷ］）は、ＣＯ最小負荷制御が動作している場合、計算した高温ガス温度ＴＨＧに基づき、ＣＯ最小負荷制御器によって制御される。

図１および２で説明したガスタービンの場合、負荷制御器２７は、すべての燃料制御弁２８、３７と、可変入口案内翼（ＶＩＧＶ）位置とを調整し、つねに有効である通常の運用コンセプトにしたがって負荷設定点（ＬＳＰ；［ＭＷ］）を追従する。本発明によるＣＯ最小負荷制御が動作している場合、ＣＯ最小負荷制御器により、負荷設定点（ＬＳＰ）が調整される。

ＣＯ最小負荷制御器は、例えば、第２燃焼器１５の高温ガス温度ＴＨＧが、あらかじめ設定した最小レベルＴＨＧ_ｍｉｎ（図３を参照されたい）に到達した場合、起動される。別のタイプのガスタービンに対しては、本発明によるＣＯ最小負荷制御を起動および停止するために異なる判定基準を適用してよい。当業者は、ガスタービンのタイプ毎に適切な判定基準を選択してよい。

ここで図４の右側に示した負荷制御の終わりないしは結果からはじめると、最大最小制限器４７の出力ＬＳＰｍｉｎが示されていることがわかる。

最大最小制限器４７に入る入力ＬＳＰは、主制御器２７によって供給される。最大最小制限器４７は、主制御器２７の負荷制御の負荷設定点Ｌｏａｄ_ＳＰの上限および下限を設定する。制限器４７のこれらの設定点限度値を、最大値に対してはＬＳＰｍａｘ、また最小値に対してはＬＳＰｍｉｎと略記する。

最大最小制限器４７に入りかつガスタービンの負荷制御２７の一部である負荷設定点（Ｌｏａｄ_ＳＰ）は、制限器４７によって設定される限度値ＬＳＰｍａｘおよびＬＳＰｍｉｎ内に維持しなければならない。制限器４７によって保証されるのは、負荷設定点Ｌｏａｄ_ｓｐが最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎを下回らず、かつ、最大負荷設定点ＬＳＰｍａｘを上回らないことである。

制限器４７の出力はＬＳＰｌｉｍと称され、ガスタービンに供給され、このガスタービンが、時間の関数である、対応する実際電力ＡＰ(ｔ)を形成する。

本発明によると、最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎは、ガスタービンの瞬時の状態に適合され、これによってこのガスタービンを低い高温ガス温度ＴＨＧで動作させて、上記の制限ＣＯ_ｍａｘ（図３を参照されたい）に適合したＣＯ放出を形成することができる。

図４からわかるように、最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎは、２つの負荷５３および５５［ＭＷ］から導出される。ボックス４９においてこれらの２つの負荷５３および５５を加算することにより、最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎが形成される。

上述したように通常動作条件下では、負荷スイッチ４３は、第１位置（矢印４４ａを参照されたい）にあり、その結果、ボックス４９への第１入力５３は、例えば５ＭＷの、ガスタービン最小負荷ＧＴ_{ｍｉｎ ｌｏａｄ}の「固定の」値になる。

時点（ｔ＝Ｔ_０）にスイッチ４３は、主制御器２７からのバイナリ信号４５によって動かされ、このスイッチ４３内の矢印４４は、第２位置に達する（点線の矢印４４ｂを参照されたい）。この結果、ボックス４９への第１入力５３は、もはや「固定の」値ではなくなる。

時点（ｔ＝Ｔ_０）には、この時点（ｔ＝Ｔ_０）におけるガスタービンの実際の負荷に近い実際電力ＡＰ(ｔ)［ＭＷ］が取り入れられ、基準負荷値［ＭＷ］として格納され、これがボックス４９に対する入力として使用される。いかなる状況下においても確実に、制限器４７の最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎが高くなりすぎることがないようにするため、実際電力ＡＰ_０（ＡＰ(ｔ)｜ｔ＝Ｔ_０）からオフセット値［ＭＷ］が減算され、結果的に得られる値が基準値として使用される。この減算はボックス５１で行われる。一般的にこのオフセットは、実際電力の１〜５％の範囲内にある。

このオフセットは、最小負荷制御器が動作している場合に、負荷設定点の意図しない突然の任意の増大を回避するために使用可能である。

ボックス５１の出力（ＡＰ_０−オフセット［ＭＷ］）は、スイッチ４３への第１入力［ＭＷ］であり、つぎにこの第１入力が、第１入力５３としてボックス４９に供給される。

一例を挙げる。固定値ＧＴ_{ｍｉｎ ｌｏａｄ}を５ＭＷとする。信号４５によってスイッチ４３が起動された時点（ｔ＝Ｔ_０）における実際電力ＡＰを１１０ＭＷとする。上記のオフセットを３ＭＷとすると、ボックス４９への第１入力５３は、スイッチ４３を起動した後、１１０ＭＷ−３ＭＷ＝１０７ＭＷである。

ボックス４９への第２入力５５は、高温ガス温度モデル５７と、有利にはＰＩ制御器である制御器５９とから導出される。制御器５９は、高温ガス温度ＴＨＧをＴＨＧｍｉｎに等しい状態のままにするため、基準値に関連して最小負荷を調整する。

高温ガス温度モデル５７は、１つ以上のモデル方程式および複数の入力値に基づいて、ガスタービンの、動作している複数のバーナ９の実際の高温ガス温度ＴＨＧを計算するかまたはこれを求める。

高温ガス温度モデル５７に対する入力データは図４に示されており、符号の説明の欄に簡単に説明されている。

本発明の方法によれば、実際の高温ガス温度ＴＨＧは、センサによってではなく、高温ガス温度モデル５７を用いて遅延なく求められる。一実施形態において、モデル５７の出力は、燃料質量流、燃料組成、ガスタービンの燃焼器への空気質量流および／または冷却空気質量流に依存する。さらに、計算される代表的な高温ガス温度ＴＨＧは、複数のバーナまたは複数の燃焼器またはこれらの複数の段または複数の群の間における、変数ｂ_Ｓによって表される燃料配分に依存する。ガスタービン応用に対するモデルをさらに簡略化するため、空気質量流が、ロータ速度ｎと、可変入口案内翼（ＶＩＧＶ）の位置と、周囲条件とに依存すると仮定する。これらの仮定に基づけば、瞬時の高温ガス温度ＴＨＧ(ｔ)は以下の変数に依存する、すなわち、
THG = f(n, T_amb, p_amb, h_amb, VIGV, m_r, m_f, WI, LHV, b_S,γ) （１）
とすることが可能である。

より詳細またはより簡単な別のモデルも適用可能である。

ＴＨＧモデル５７の出力ＴＨＧは、減算素子６１において高温ガス温度の最小限度値ＴＨＧｍｉｎと比較される。

高温ガス温度の最小限度値ＴＨＧｍｉｎと、計算した高温ガス温度ＴＨＧとの間の差分６３は、（ＰＩ）制御器５９に転送される。

温度差分［Ｋ］であるこの差分６３に基づき、制御器５９は負荷［ＭＷ］を計算し、この負荷がボックス４９の第２入力５５になる。

上述のように入力５５と５３とを加算することにより、最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎが形成される。この最小負荷設定点は、実際の高温ガス温度ＴＨＧに依存する、制限器４７の下限である。最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎは、ＴＨＧモデル５７のリアルタイムに利用可能な結果ＴＨＧを使用する制御器５９によって連続的に制御される。このことが意味するのは、いかなる時間遅延もなしに、低い高温ガス温度においてＣＯ放出要求が満たされるように最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎが連続して適合されることである。

スイッチ４３がその指示位置（矢印４４ａおよび４４ｂを参照されたい）を変更する毎に、第１入力５３は、ほぼ確実に階段状に変化する。なぜならば上に示した例を参照すると、値ＧＴ_{ｍｉｎ ｌｏａｄ}は５ＭＷ、時点ｔ＝Ｔ_０における実際電力ＡＰは１１０ＭＷ、またオフセットは３ＭＷとすることができ、この結果、入力５３は、時点ｔ＝Ｔ_０において５ＭＷから１０７ＭＷに変化するからである。

本発明によるＣＯ最小負荷制御は、とりわけ実際電力ＡＰ（ｔ＝Ｔ_０）と、ＴＨＧモデル５７によって求められる実際の高温ガス温度ＴＨＧとに従属する。

結果的に、制限器４７の入力である最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎは、ガスタービンの動作および複数の周囲状況に適合される。これにより、最小負荷設定点ＬＳＰｍｉｎをさらに下げることができ、結果的に、ＣＯ_ｍａｘ限度値（図３を参照されたい）を上回るＣＯ放出を形成することなく、高温ガス温度ＴＨＧをさらに下げることができる。

本発明による高温ガス温度モデル５７は、燃料の変更、ガスタービンの経年変化などのようなありとあらゆる考えられ得る影響を正確に計算しない幾らか簡略化したモデルを使用している。この結果、（例えば１時間よりも長い）長期間にわたる燃料の変化、ガスタービンの経年変化などに起因して、ＴＨＧモデル５７のさまざまな結果（ＴＨＧ）は、正確さが損なわれ得る。

ガスタービンのこれらの長期間の変化を補償し、これらの変化にＴＨＧモデル５７を適合させるため、高温ガス温度ＴＨＧを調整する適応型アルゴリズムが図５に示されている。

図５は、図４に基づいており、本発明による方法の適応部分に焦点を絞ったものである。

一般的にはガスタービンの負荷が軽減されると、高温ガス温度ＴＨＧは下がる。したがってＣＯ放出は、負荷レベルＬＳＰｍｉｎにおいて、指定されたＣＯ値を上回ることになる。上述のようにこの負荷レベルは、周囲条件、ガス組成、ガス温度の変数であり、また運用コンセプトにも関連している。

簡略化されたモデル５７を使用したＣＯ最小負荷制御は、長期間にわたって、また複数の条件の変化の下では所要の精度を得ることができない。

したがって本発明によるＣＯ最小負荷制御は、最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎを調整することにより、ガスタービンの排気ガス１３において測定されるＣＯ放出ＣＯ_ＥＭを最大許容ＣＯ放出ＣＯｍａｘ以下に維持するフィードバック制御器６７を使用する。

図５のボックス６５は、例えば減算素子５１および６１、（ＰＩ）制御器５９、スイッチ４３およびボックス４９のような、図４のＣＯ最小負荷制御コンポーネントのうちのいくつかを表している。

上で説明したように、ＣＯ最小負荷制御の結果、制限器４７の限定された負荷設定点ＬＳＰｌｉｍが制御される。ガスタービンの実際電力ＡＰの他にこのガスタービンのＣＯ放出は、１つ以上の適切なセンサ（図示せず）によって測定される。例えばいくつかのセンサの結果を比較することによってこれらのセンサの信号の妥当性が検査されると直ちに、これらのセンサの出力信号ＣＯ_ＥＭが、フィードバック制御器６７に供給されて最大許容ＣＯ放出ＣＯ_ｍａｘと比較される。

手短に述べると、フィードバック制御器６７は、ガスタービンの最小負荷（スイッチ４３の入力（ＧＴ_{ｍｉｎ ｌｏａｄ}）を参照されたい）におけるＣＯ放出が、最大許容ＣＯ放出ＣＯｍａｘ（図３を参照されたい）よりも大きい場合、出力を階段状に変化させて準アナログ的な仕方では変化させない離散積分器６９を介して、ＣＯ最小負荷制御器６５の目標高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎを増大させる。

フィードバック制御器６７は、ガスタービンの最小負荷におけるＣＯ放出が、ＣＯｍａｘ限度値（図３を参照されたい）よりも低い場合、ＣＯ最小負荷制御器の最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎを下げる。変化の回数を低減するため、フィードバック制御器６７にはヒステリシスが組み込まれている。

ＣＯ最小負荷制御が、本発明による適応型アルゴリズムを使用して安定状態に達すると、ＣＯ放出は、最大許容ＣＯ放出ＣＯ_ｍａｘ（図３を参照されたい）を下回る。

このことが意味するのは、本発明による方法により、高速のモデルベースのＣＯ最小負荷制御と、モデル５７の閉ループ制御とが組み合わされて、複数の条件が変化した場合であってもモデル５７の精度が保たれるようにされるということである。

図６には、本発明による適応型アルゴリズムが高温ガス温度ＴＨＧに与える影響が示されており、ここでは図３に基づくＣＯモデルのＣＯ放出が、最初のものからドリフトしている。最初のモデルは、図６において第１の線７１によって表されている。

例えば、燃料ガスの正味発熱量ＬＨＶが未知でありかつそれが時間と共に変化する場合、結果的に得られる高温ガス温度ＴＨＧはドリフトすることになる。同じ高温ガス温度ＴＨＧにおいて、ＣＯモデルを校正した燃料ガスのＬＨＶよりも現在の燃料ガスのＬＨＶが低いと仮定すると、ＣＯ放出は、この低いＬＨＶに起因して、すなわち燃焼器４または１５への熱入力が低いことに起因して一層高くなる。

このＣＯモデルは、第１の線７１から第２の線７３にドリフトする。この結果、一定の最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎにおいて、ＣＯ放出は、点ＡからＢに上昇するが、このことは、Ｂが最大ＣＯ放出限度値ＣＯｍａｘを上回っているため、許容することはできない。図５で説明した適応型アルゴリズムは、結果的に得られるＣＯ放出が再度ＣＯｍａｘに（点ＢからＣに）戻るまで、最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎを増大させる。

ＣＯ最小負荷制御器がその安定状態に到達すると直ちに、ＣＯ放出は、最大許容ＣＯ放出ＣＯｍａｘ付近になり、最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎは、新しい最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎ^＊に接近する。このことが意味するのは、複数の条件が変化した場合であっても、ガスタービンのＣＯ放出を、最大許容ＣＯ放出ＣＯｍａｘを上回ることなく、最低限に可能な高温ガス温度で運転できることである。

上述したように応答時間が極めて遅いという特徴を有する簡略化されたＣＯフィードバックループに関していうと、上記のコンセプトは、ＣＯ最小負荷制御が極めて高速になり得るという利点を有する。なぜならば、例えば緩慢なプロセスであるタービンまたは燃料の挙動がドリフトする場合、最低高温ガス温度ＴＨＧｍｉｎに対する目標値だけが漸進的に調整されるからである。

１ 圧縮機、 ２ 吸入空気、 ３ 圧縮空気、 ４ 第１燃焼器、 ５ 燃料供給部、 ７ 第１タービン、 ９ バーナ、 １０ 燃料供給部、 １２ 第２タービン、 １３ 排気ガス、 １４ 可変入口案内翼、 １５ 第２燃焼器、 １７ 搬送空気制御弁、 １８ ガスタービンの軸、 １９ 発電機、 ２１ 冷却空気制御弁、 ２２、２３ 冷却空気、 ２４ 搬送空気、 ２５ 制御弁、 ２６ 氷結防止管路、 ２７ 主制御器、 ２９ 信号線路、 ３０ 主燃料環、 ３５ 冷却空気冷却器、 ３７ 個別オン／オフ弁、 ４３ スイッチ、 ４４ａ、ｂ 矢印、 ４５ バイナリ信号、 ４７ 制限器、 ４９ ボックス、 ５１ ボックス、 ５３、５５ 負荷［ＭＷ］、 ＡＰ 実際電力、 ５７ 高温ガス温度モデル、 ５９ （ＰＩ）制御器、 ６１ 減算素子、 ６３ 入力（温度差分［Ｋ］）、 ６５ ボックス、 ６７ フィードバック制御器、 ６９ 離散積分器、 ３９、７１、７３ 線、 ＣＯｍａｘ 最大許容ＣＯ放出、 ＣＯＥＭ 測定したＣＯ放出、 ＴＨＧｍｉｎ 最低高温ガス温度、 ＬＳＰ 負荷設定点、 ＬＳＰｍｉｎ 最小負荷設定点、 ＬＳＰｍａｘ 最大負荷設定点、 ＬＳＰｌｉｍ 制限された負荷設定点、 ｎ ロータ速度、 Ｔａｍｂ 周囲温度、 ｐａｍｂ 周囲圧力、 ｈａｍｂ 周囲湿度、 ＶＩＧＶ 可変入口案内翼位置、 ｍ_ｒ （燃焼器への）空気分割比、 ｍ_ｆ 燃料質量流、 ＷＩ 燃料ウォッベ指数、 ＬＨＶ 燃料低発熱量、 ｂ_ｓ バーナ燃料段比、 γ 冷却空気漏れ減少率、 λ 燃空当量比

Claims (15)

1. 制御器（２７）を有するガスタービンの部分負荷動作を制御する方法において、
   前記制御器（２７）の負荷設定点（ＬＳＰ）は、最小負荷設定点（ＬＳＰｍｉｎ）よりも高いかこれに等しく、
   当該最小負荷設定点（ＬＳＰｍｉｎ）は、高温ガス温度モデル（５７）に基づいて計算した高温ガス温度（ＴＨＧ）に依存する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記高温ガス温度（ＴＨＧ）から、最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）を減算し、前記高温ガス温度（ＴＨＧ）と、前記最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）との間の差分（６３）を制御器（５９）への入力として使用し、
   前記差分（６３）が負になる場合、当該制御器（５９）により、少なくとも１つのバーナをオフにし、および／または、燃料ステージングパラメタを調整し、
   前記差分（６３）が閾値を上回る場合、前記制御器（５９）により、少なくとも１つのバーナをオンにし、および／または、燃料ステージングパラメタを再調整する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記高温ガス温度（ＴＨＧ）から、最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）を減算し、前記高温ガス温度（ＴＨＧ）と、前記最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）との間の差分（６３）を、制御器（５９）への入力として使用し、当該制御器（５９）により、前記高温ガス温度（ＴＨＧ）と、前記最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）との間の前記差分（６３）に基づいて差分負荷（５５）を求める、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記方法を動作させる時点（ｔ＝Ｔ_０）における前記ガスタービンの実際電力ＡＰ_０［ＭＷ］に基づいて第１目標負荷（５３）を形成する、
   請求項１または３に記載の方法。
5. 前記最小負荷設定点（ＬＳＰｍｉｎ）は、前記第１目標負荷（５３）と前記差分負荷（５５）との和に等しい、
   請求項３を引用する請求項４に記載の方法。
6. 前記第１目標負荷（５３）は、前記ガスタービンの前記実際電力（ＡＰ_０）からオフセットを減算したものに等しい、
   請求項３を引用する請求項４に記載の方法。
7. 前記高温ガス温度モデル（５７）は、以下の少なくとも１つの入力に依存する、すなわち、
   ｎ ロータ速度
   Ｔａｍｂ 周囲温度
   ｐａｍｂ 周囲圧力
   ｈａｍｂ 周囲湿度
   ＶＩＧＶ 可変入口案内翼位置
   ｍ_ｒ （燃焼器への）空気分割比
   ｍ_ｆ 燃料質量流
   ＷＩ 燃料ウォッベ指数
   ＬＨＶ 燃料低発熱量
   ｂ_ｓ バナー燃料段比
   γ 冷却空気漏れ減少率
   の少なくとも１つに依存する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）を、前記ガスタービンの排気ガス（１３）のＣＯ放出（ＣＯ_ＥＭ）と、最大許容ＣＯ放出（ＣＯｍａｘ）とを比較することによって調整する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ＣＯ放出（ＣＯ_ＥＭ）が前記最大許容ＣＯ放出（ＣＯｍａｘ）よりも多い場合に、前記最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）を上げる、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記ＣＯ放出（ＣＯ_ＥＭ）が前記最大許容ＣＯ放出（ＣＯｍａｘ）よりも少ない場合に、前記最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）を下げる、
    請求項８または９に記載の方法。
11. あらかじめ定めた動作判定基準に到達した場合には、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法を動作させる、方法。
12. 前記あらかじめ定めた動作判定基準には、実際の前記高温ガス温度ＴＨＧと、あらかじめ定めた最低高温ガス温度（ＴＨＧｍｉｎ）とを比較することが含まれている、
    請求項１１に記載の方法。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法にしたがって動作することを特徴とする、ガスタービンの制御器。
14. 制御器を備えたガスタービンであって、前記制御器（２７）は、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法にしたがって動作することを特徴とする、ガスタービン。
15. 前記ガスタービンは、少なくとも１つの燃焼器（４、１５）と、少なくとも１つの圧縮機（１）と、少なくとも１つのタービン（７、１２）とを有する、
    請求項１４に記載のガスタービン。

Images