JP2018135859A - ガスタービン制御装置、ガスタービンプラントおよびガスタービン制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスタービン制御装置が、ガスタービンへの燃料流量を用いた物理モデルである第一モデルに基づくタービン入口温度推定値である第一温度を推定する第一推定部と、前記ガスタービンの排ガス温度を用いた物理モデルである第二モデルに基づくタービン入口温度推定値である第二温度を推定する第二推定部と、前記第二温度に基づいて前記第一温度を補正してタービン入口温度推定値を算出する補正部と、を備える。
【選択図】図3
Description
図1は、第一実施形態に係るガスタービンプラントの機能構成を示す概略ブロック図である。図1に示すように、ガスタービンプラント1は、プラント本体100と、ガスタービン制御装置200とを備える。
以下では、ガスタービンプラント1がガスタービン発電プラントである場合を例に説明する。但し、ガスタービンプラント1は、ガスタービン発電プラントに限らず、ガスタービンを備えたプラントであればよい。
プラント本体100は、ガスタービン制御装置200の制御に従って動作して回転力を生成し、生成した回転力で発電を行う。
ガスタービン110は、燃料ガスを燃焼させて回転力を生成する。
圧縮機112は、空気(大気)を取り込んで圧縮する。圧縮機112による圧縮空気は車室113を経由して燃焼器114へ流入する。圧縮機112の空気吸入口には入口案内翼111が設けられている。入口案内翼111は、ガスタービン制御装置200の制御に従って入口案内翼111自らの翼開度を調整することで、圧縮機112への吸気量を調整する。
タービン115と圧縮機112と発電機120とは回転軸116によって接続されている。回転軸116がタービン115から圧縮機112へ回転力を伝達し、圧縮機112は、タービン115からの回転力で空気の圧縮を行う。また、回転軸116がタービン115から発電機120で回転力を伝達し、発電機120は、タービン115からの回転力で発電する。
ガスタービン制御装置200は、例えばEWS(Engineering WorkStation)又はPLC(Programmable Logic Controller)を用いて構成される。
通信部210は、他の機器と通信を行う。特に、通信部210は、プラント本体100に設けられた各センサからセンサデータを受信する。また、通信部210は、プラント本体100の各部に対して制御信号を送信する。
表示部230は、例えば表示盤又は液晶パネル等の表示画面、或いはこれらの組み合わせ等の表示装置を備え、各種情報を表示する。
記憶部280は、ガスタービン制御装置200が備える記憶デバイスを用いて構成され、各種情報を記憶する。
第一推定部291は、第一温度を推定する。ここでいう第一温度は、第一モデルに基づくタービン入口温度推定値である。ここでいう第一モデルは、ガスタービンへの燃料流量を用いた物理モデルである。ここでいうガスタービンへの燃料流量を用いた物理モデルとは、ガスタービンへの燃料流量の入力を受けて物理量を計算するモデルである。第一モデルとして公知のモデルを用いることができる。
ガスタービン制御装置200における物理モデルのデータ形式は、特定の形式に限定されない。例えば、物理モデルが関数又は方程式など数式の形で示されていてもよいし、入力と出力との対応関係を示す表形式で示されていてもよい。
第一推定部291が、第一モデルとして、燃焼器における熱収支を示す物理モデルを用いるようにしてもよい。例えば、第一推定部291が、特開2005−240608号公報に記載の式(1)で示されるモデルを用いるようにしてもよい。
Vcbは、タービンの車室〜尾筒の容積[m3]を示す。
γ4は、燃焼ガス比重[kg/m3]を示す。
T4は、推定対象であるタービン入口温度[℃]を示す。
tは、時間[sec]を示す。
cPfは、燃料比熱[kcal/kg℃]を示す。
G’fは、遅れ補償された燃料流量計測値[kg/s]を示す。
T’fは、遅れ補償された燃料温度計測値[℃]を示す。
cP3は、車室比熱[kcal/kg℃]を示す。
G’3は、遅れ補償された燃焼器流入空気流量計測値[kg/s]を示す。G’3として計算値を用いるようにしてもよい。
T’3は、遅れ補償された車室温度計測値[℃]を示す。
ηは、燃焼器の熱効率[kcal/kg]を示す。
Hfは、発熱量[kcal/kg]を示す。
G’4は、遅れ補償されたタービン入口燃焼ガス流量[kg/s]を示す。G’4=G’3+G’fである。
η及びVcbは設計値であり、設計段階で算出される。
ここで、タービンの仕事Wtは、式(2)のように示される。
タービンでの熱落差ΔHは、式(3)のように示される。
式(2)及び式(3)から、式(4)を得られる。
式(5)及び式(6)より、式(7)を得られる。
また、第二推定部292が、式(7)のタービン通過流量Gtとして測定値を用いるようにしてもよいし計算値を用いるようにしてもよい。また、第二推定部292は、タービン出口のエンタルピーH2Tを公知のエンタルピー算出方法に基づいて算出する。
補正部293が、第一温度と第二温度との割合に基づいて決定された補正係数を用いて第一温度を補正するようにしてもよい。例えば、補正部293が、式(9)に基づいて補正係数Xを算出するようにしてもよい。
T1Ttは、第二温度を示す。T1Tfは、第一温度を示す。
X’は、補正係数Xの過去値を示す。例えば、1演算周期前の補正係数Xの値をX’の値として用いるようにしてもよい。
式(9)の「T1Tt/T1Tf」に示されるように、補正係数Xは、第一温度と第二温度との割合に基づいて決定された補正係数の例に該当する。
補正部293は、式(10)に示されるように、補正係数Xを用いて第一温度を補正する。
式(10)の「X」に式(9)を代入すると、式(11)のように示される。
ガスタービンの状態が変化する過渡時には、第一温度T1Tfの項(「(1−α)×X’×T1tf」)によって第二温度T1Ttのみの場合よりも応答性の良いタービン入口温度推定値T1Teを得られる。
また、ガスタービンの状態が一定である静定時には、第二温度T1Ttの項(「α××T1tt」)によって第一温度T1Tfのみの場合よりも精度の高いタービン入口温度推定値T1Teを得られる。
図4は、発電機出力を用いたヒートバランスモデルに基づくタービン入口温度推定値の第一例を示すグラフである。図4では、タービン負荷上昇時における発電機出力を用いたヒートバランスモデルに基づくタービン入口温度推定値の例を示している。
図4の横軸は時間を示す。縦軸は、温度を示す。
これに対し、上記のようにガスタービン制御装置200では、燃料流量に基づく第一温度T1Tfをタービン入口温度推定値T1Teに反映させることで、発電機出力を用いたヒートバランスモデルに基づいてタービン入口温度を推定する場合よりも高い応答性を得られる。この点で、ガスタービン制御装置200では、発電機出力を用いたヒートバランスモデルに基づくタービン入口温度の推定の場合よりも、過渡時においても高精度にタービン入口温度を推定することができる。
図5の横軸は時間を示す。縦軸は、温度を示す。
線L21は、タービン入口温度の実際値の例を示す。線L22は、発電機出力を用いたヒートバランスモデルに基づくタービン入口温度推定値の例を示す。
実際のタービン入口温度と大きく異なるタービン入口温度推定値を用いてガスタービンの制御を行った場合、失火によるトリップや、燃焼振動による燃焼器の損傷などが生じる可能性がある。
例えば、補正部293が式(12)に基づいてタービン入口温度推定値T1Teを推定するようにしてもよい。
図6は、関数LAGの値の例を示すグラフである。図6は、関数LAGへの入力値が時間に関して一定である場合の、関数LAGの値を示している。
図6の例のように、関数LAGの出力値は時間経過に応じて入力値に近づいていく。なお、式(12)において、関数LAGに代えて、時間経過に応じて出力値が入力値に近づく他の関数を用いるようにしてもよい。後述する式(13)についても同様である。
また、式(12)では、過渡時には、関数LAGの値の変化に遅れが生じ、第一温度T1Tfの変化がタービン入口温度推定値T1Teに反映される。これにより、過渡時におけるタービン入口温度推定値T1Teの応答性を確保できる。
このように、補正部293が式(12)を用いてタービン入口温度推定値T1Teを推定することで、タービン入口温度の推定について応答性を確保し、かつ、推定精度を高めることができる。
また、式(13)では、過渡時には、関数LAGの値の変化に遅れが生じ、第一温度T1Tfの変化がタービン入口温度推定値T1Teに反映される。これにより、過渡時におけるタービン入口温度推定値T1Teの応答性を確保できる。
このように、補正部293が式(13)を用いてタービン入口温度推定値T1Teを推定することで、タービン入口温度の推定について応答性を確保し、かつ、推定精度を高めることができる。
また、式(14)では、過渡時には、関数LAGの値の変化に遅れが生じ、第一温度T1Tfの変化がタービン入口温度推定値T1Teに反映される。これにより、過渡時におけるタービン入口温度推定値T1Teの応答性を確保できる。
このように、補正部293が式(14)を用いてタービン入口温度推定値T1Teを推定することで、タービン入口温度の推定について応答性を確保し、かつ、推定精度を高めることができる。
式(15)では、静定時には、関数LAGの値が第二温度T1Ttを第一温度T1Tfで除算した値(「T1Tt/T1Tf」)となり、タービン入口温度推定値T1Teは、第二温度T1Ttと等しくなる。これにより、静定時におけるタービン入口温度推定値T1Teをより高精度に推定することができる。
また、式(15)では、過渡時には、関数LAGの値の変化に遅れが生じ、第一温度T1Tfの変化がタービン入口温度推定値T1Teに反映される。これにより、過渡時におけるタービン入口温度推定値T1Teの応答性を確保できる。
このように、補正部293が式(15)を用いてタービン入口温度推定値T1Teを推定することで、タービン入口温度の推定について応答性を確保し、かつ、推定精度を高めることができる。
図7の例で、第一推定部291は、第一モデルを用いて第一温度を算出する(ステップS111)。また、第二推定部292は、第二モデルを用いて第二温度を算出する(ステップS121)。第一推定部291及び第二推定部292が、ステップS111における処理とステップS121における処理とを並列実行するようにしてもよいし、逐次的に実行するようにしてもよい。
補正部293は、ステップS111で得られた第一温度を、ステップS121で得られた第二温度に基づいて補正する(ステップS131)。
ステップS131の後、図7の処理を終了する。
ガスタービン制御装置200では、燃料流量に基づく第一温度T1Tfを用いる点で、タービン入口温度推定値T1Teの応答性を確保できる。また、ガスタービン制御装置200では、排ガス温度に基づく第二温度T1Ttを用いる点で、タービン入口温度推定値T1Teを高精度に推定することができる。
このように、ガスタービン制御装置200によれば、タービン入口温度の推定について応答性を確保し、かつ、推定精度を高めることができる。
これにより、ガスタービン制御装置200によれば、上記のように、タービン入口温度の推定について応答性を確保し、かつ、推定精度を高めることができる。また、ガスタービン制御装置200によれば、上記のように、静定時と過渡時とで処理を切り替える必要がなく、処理の切替に伴う推定値の急変を回避することができる。また、静定時か過渡時かの判定を行う必要がない点、および、処理の切替を行う必要がない点で、制御部290の負荷が軽くて済む。
ガスタービン制御装置が、第一モデルへの入力となる推定値に対して補正を行うようにしてもよい。第二実施形態ではこの点について説明する。
図8は、第二実施形態に係るガスタービン制御装置の機能構成を示す概略ブロック図である。図3に示すように、ガスタービン制御装置300は、通信部210と、操作入力部220と、表示部230と、記憶部280と、制御部390とを備える。制御部390は、第一推定部291と、第二推定部292と、補正部293と、入力値補正部394とを備える。
図8の各部のうち、図3の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号(210、220、230、280、291、292、293)を付して説明を省略する。ガスタービン制御装置300は、制御装置390が、入力値補正部394を備える点でガスタービン制御装置200の場合と異なる。それ以外は、ガスタービン制御装置200の場合と同様である。図1の構成で、ガスタービン制御装置200に代えてガスタービン制御装置300を用いることができる。
ここで、第一モデルへの入力となる値のうち、燃料流量及び空気流量など計算で求める値は、実際の値に対して誤差を含んでいる可能性がある。タービン入口温度の場合と同様、これら第一モデルへの入力についても、静定時に関しては第二モデルの計算過程で得られる値がより精度が高いと考えられる。
そこで、入力値補正部394は、タービン入口温度の補正について説明したのと同様、第一モデルへの入力となる値についても、第二モデルの計算過程で得られる値を静定時に関して反映させる補正を行う。
これにより、ガスタービン制御装置300では、タービン入口温度の推定精度を更に高めることができる。
図9の例で、入力値補正部394は、第一モデルへの入力となる推定値のうち少なくとも1つに対して、第二モデルを用いた計算で得られた推定値を用いた補正を行う(ステップS211)。
ステップS212、S221、S231は、それぞれ図7のステップS111、S121、S131と同様である。
ステップS231の後、図9の処理を終了する。
これにより、ガスタービン制御装置300では、タービン入口温度の推定精度を更に高めることができる。
ここで、第一モデルを用いた第一温度の計算は、繰り返し計算を必要とせず処理負荷が比較的軽いことが期待される。
そこで、制御装置とは別に第二推定部292の処理を実行するためのコンピュータを用意し、このコンピュータが計算する第二温度を補正部293に取り込むようにしてもよい。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
100 プラント本体
110 ガスタービン
111 入口案内翼
112 圧縮機
113 車室
114 燃焼器
115 タービン
116 回転軸
120 発電機
200、300 ガスタービン制御装置
210 通信部
220 操作入力部
230 表示部
280 記憶部
290、390 制御部
291 第一推定部
292 第二推定部
293 補正部
394 入力値補正部
Claims (5)
- ガスタービンへの燃料流量を用いた物理モデルである第一モデルに基づくタービン入口温度推定値である第一温度を推定する第一推定部と、
前記ガスタービンの排ガス温度を用いた物理モデルである第二モデルに基づくタービン入口温度推定値である第二温度を推定する第二推定部と、
前記第二温度に基づいて前記第一温度を補正してタービン入口温度推定値を算出する補正部と、
を備えるガスタービン制御装置。 - 前記第一推定部は、燃焼器における熱収支を示す前記第一モデルに基づいて前記第一温度を推定し、
前記第二推定部は、前記ガスタービンの排ガス温度を用いたヒートバランスを示す前記第二モデルに基づいて前記第二温度を推定し、
前記補正部は、前記第一温度と前記第二温度との割合に基づいて決定された補正係数を用いて前記第一温度を補正する、
請求項1に記載のガスタービン制御装置。 - 前記第一モデルへの入力となる推定値のうち少なくとも1つに対して、前記第二モデルを用いた計算で得られた推定値を用いた補正を行う入力値補正部を備える、
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。 - 請求項1から3の何れか一項に記載のガスタービン制御装置を備えるガスタービンプラント。
- ガスタービンへの燃料流量を用いた物理モデルである第一モデルに基づくタービン入口温度推定値である第一温度を推定し、
前記ガスタービンの排ガス温度を用いた物理モデルである第二モデルに基づくタービン入口温度推定値である第二温度を推定し、
前記第二温度に基づいて前記第一温度を補正してタービン入口温度推定値を算出する、
ガスタービン制御方法。
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