JP2018138771A - ガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】拡散パイロットと予混合パイロットの切替時において大きく変化するＮＯｘに対応した還元剤注入量を制御可能なガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラムを提供することを目的とする。【解決手段】拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロットと予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットとを切り替えて運転する燃焼器４０を備えたガスタービン１００の燃焼排ガスの脱硝を行う脱硝装置７７に対して脱硝反応を行う還元剤を注入して燃焼排ガス中の窒素酸化物の除去を行うガスタービン用脱硝制御装置５０において、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替時に燃焼排ガスの脱硝に用いられる還元剤にバイアス量を加えるバイアス量指令制御部５２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラムに関するものである。

近年、大気放出される燃焼排ガスの環境影響を考慮して、燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）等の低減が求められており、その許容値が環境管理値として規制されている。そのため、ガスタービンの燃焼器にも低ＮＯｘ化の特性が要求されるようになった。これに対し、従来のガスタービンの燃焼器に使用されてきた拡散燃焼方式は、燃焼安定性が高い反面、燃料と酸素とが量論比になる部分に火炎が形成され、火炎温度が断熱火炎温度に近い高温になるため、ＮＯｘの排出濃度が高くなる。そこで、燃焼前に理論空燃比よりも空気の量が過剰な混合ガスを作り、それを燃焼するという希薄予混合燃焼方式が提案された。この方式は火炎温度を抑えた燃焼が可能となるため、低ＮＯｘ化に対して優れている。しかし、希薄混合ガスは燃料濃度が低いので、火炎を保持することが困難である。

そこで、混合ガスとは別にパイロット燃焼バーナを使用し、メインの予混合燃焼バーナとは別の高温の燃焼ガスを作り、そのガスを主燃焼器の希薄混合ガスに吹き込んで安定的に燃焼を行う燃焼器が用いられている。このパイロット燃焼バーナにおいても、拡散燃焼方式と予混合燃焼方式を併用する方式がある。この場合は、燃焼が不安定な起動時には拡散燃焼を行い、ガスタービンが所定の負荷に達したら予混合燃焼に切り替えることにより、起動時における吹き消えを防止することができるとともに、低ＮＯｘ化を実現している。例えば、特許文献１には、パイロットバーナの燃焼方式が自動的に拡散燃焼から予混合燃焼に切り替わることが開示されている。

また、ガスタービンから排出される燃焼排ガスに含まれるＮＯｘを低減除去するために、排熱回収ボイラにおいて脱硝装置が設けられている。脱硝装置とは燃焼排ガスにアンモニア等の還元剤を注入し、ＮＯｘと還元剤を触媒中で反応させ、無害な窒素と水に還元して除去（いわゆる脱硝）する装置である。ここで、脱硝装置で未反応のＮＯｘはそのまま大気中に排出される。そのため、アンモニアなどの還元剤を使用する場合には、その供給量が少なすぎると未反応のＮＯｘが増えることになり、また多すぎると未反応の還元剤が排熱回収ボイラ出口から排出されることになる。このＮＯｘは様々な要因により燃焼排ガスに含まれる量が変化することから、ＮＯｘの量の変化に対応した還元剤の注入量を調節する必要がある。

例えば、特許文献２には、バーナの点消火時にＮＯｘの量が大きく変化することから、アンモニア流量を増減することが開示されている。また、特許文献３には、ガスタービン起動時または停止時においてガスタービンより排出されるＮＯｘの急激な変化を予め予測し、最適なタイミングで還元剤を先行注入することで起動停止時のＮＯｘ濃度を規制値以下とし、また触媒層温度がアンモニア注入限界に満たない場合は、アンモニアの注入量をゼロとすることにより未反応のアンモニアの排出を防ぐことが開示されている。

特開平７−３３２６７２号公報 実開昭６１−８７５１９号公報 特開平５−２３５３８号公報

上述した脱硝装置にて使用する還元剤の注入量は、従来は燃焼排ガス量、脱硝装置入口のＮＯｘ濃度、及びタービン入口の燃焼ガス温度に関連する値を用いて算出していた。
しかし、予混合パイロットバーナを使用（予混合パイロット）してＮＯｘが低下できるようになり、ガスタービンの起動時や停止時に拡散パイロットバーナを使用（拡散パイロット）するにあたり、パイロットバーナを拡散パイロットバーナと予混合パイロットバーナとで切り替える場合、ＮＯｘの排出量が大きく変化するため還元剤もそれに合わせて変動する必要があり、還元剤の注入量が大きく変化する状況にある。
しかしながら、上記特許文献１に開示された発明では、拡散燃焼から予混合燃焼への切替における還元剤注入量の検討がなされておらず、また特許文献２及び３に開示された発明では、拡散燃焼から予混合燃焼への切替についての検討がなされていないため、切替時における還元剤注入の制御遅れが生じてしまうときはＮＯｘ排出量の増加を抑制するため、必要量以上の還元剤の注入を必要として、還元剤の消費量が増加してしまう場合があった。

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、拡散パイロットと予混合パイロットの切替時において大きく変化するＮＯｘに対応した還元剤注入量を制御可能なガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラムは以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係るガスタービン用脱硝制御装置は、拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロットと予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットとを切り替えて運転する燃焼器を備えたガスタービンの燃焼排ガスの脱硝を行う脱硝装置に対して、脱硝反応を行う還元剤を注入する還元剤注入部から前記還元剤を注入して前記燃焼排ガス中の窒素酸化物の除去を行うガスタービン用脱硝制御装置において、前記拡散パイロットと前記予混合パイロットとの切替時に前記燃焼排ガスの脱硝に用いられる前記還元剤にバイアス量を加えるバイアス量指令制御部と、を備える。

拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロット及び予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットの切替を行うガスタービンにおいて、拡散パイロットバーナ使用時の窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」とする）排出量と予混合パイロットバーナ使用時のＮＯｘ排出量とには大きな差がある。そのため、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替時には、ガスタービンの燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度が大きく変化する。燃焼排ガス中のＮＯｘの除去には、アンモニアなどの還元剤の注入が行われることから、ＮＯｘ排出量が大きく変化することにより、還元剤注入量の運用で必要量に適した値との注入量との差が非常に大きくなってしまう。また、各パイロットの切替時には、一時的にＮＯｘ濃度が上昇する。
そこで、本構成では、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替時の一時的なＮＯｘの上昇に対して脱硝に用いられる還元剤流量にバイアス量を加えることとした。
本構成によれば、還元剤注入量の運用で必要量に適した値との注入量との差を小さくし、還元剤消費量の増大を抑えることができ、運用コストを抑えることができる。また、各パイロットの切替に伴うＮＯｘ排出量の変化に追随してＮＯｘと反応するように還元剤を注入するように対応することができ、精度の高い脱硝制御が可能となる。

上記第一態様では、前記バイアス量指令制御部は、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度を計測するＮＯｘ濃度計を備え、計測された脱硝装置入口ＮＯｘ濃度に基づき決定された前記燃焼排ガスの脱硝に用いられる前記還元剤の流量に対し前記バイアス量を加えるとしてもよい。

上記第一態様では、前記ＮＯｘ濃度計は、前記脱硝装置入口ＮＯｘ濃度のレンジ切替機能を具備するとしてもよい。

本構成によれば、ＮＯｘ濃度計は、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替時に脱硝装置入口ＮＯｘ濃度の大きな変化に応じてレンジ切替をすることから、各パイロットの切替時におけるＮＯｘ濃度の大きな変化に対して、高い精度で濃度を計測することができる。

上記第一態様では、さらに、還元剤流量指令制御部を備え、前記還元剤流量指令制御部は、還元剤流量調節弁の開度により前記還元剤の流量を制御するとしてもよい。

上記第一態様では、前記還元剤流量指令制御部は、還元剤流量計により計測された前記還元剤の流量および前記脱硝装置入口ＮＯｘ濃度に基づき前記還元剤流量調節弁の開度を制御し、前記還元剤流量計はコリオリ流量計であるとしてもよい。

上記第一態様では、前記還元剤流量指令制御部は、前記ガスタービンが前記予混合パイロットにて一定の負荷で運転しており、かつ前記脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が第１閾値を下回る状態が所定の時間以上継続した場合、前記還元剤流量調節弁の開度を全閉にするとしてもよい。

ＮＯｘ排出量には、環境管理値のように、環境に影響を及ぼさないように定められた規制値が一般的に設けられている。
本構成では、このＮＯｘ排出量、いいかえると脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が第１閾値（例えば環境管理値）を下回る状態が所定の時間以上継続した場合で、かつガスタービンが予混合パイロットにて一定の負荷で運転中である場合は、還元剤流量調節弁の開度を全閉にし、還元剤の流量をゼロにすることとした。
よって本構成によれば、ＮＯｘ濃度が環境管理値を下回り、還元剤を注入する必要がない状態が維持されている場合に、還元剤流量調節弁の開度を全閉にすることで還元剤を消費しないため、還元剤の消費量を低減し、運用コストを抑えることができる。

上記第一態様では、前記還元剤流量指令制御部は、前記還元剤流量調節弁の開度が全閉でかつ前記脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が前記第１閾値よりも大きい第２閾値を上回る場合、前記還元剤流量調節弁の開度を制御するとしてもよい。

本構成によれば、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が第１閾値を下回り還元剤流量調節弁の開度が全閉とされている時に、第１閾値よりも大きい値である第２閾値を上回ると、還元剤流量調節弁の開度を還元剤流量指令制御部により制御する。すなわち、還元剤流量調節弁を全閉としている状態から通常の脱硝制御へ切り替える場合、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が第１閾値（例えば環境管理値）ではなく、第１閾値にヒステリシスをもたせた第２閾値を上回った場合に通常の脱硝制御へ切り替えるとする。
還元剤流量調節弁の開度を全閉としている期間において、ＮＯｘ濃度の微変動で第１閾値を瞬間的に超える場合があることが想定される。この時、第１閾値を上回った時に通常の脱硝制御へ切り替えるとすると、意図しないＮＯｘ濃度の微小変動で第１閾値より若干量増減したのみで脱硝制御の切替（復帰）が行われてしまうことがある。
よって、第１閾値よりも大きい値である第２閾値を上回ると通常の制御に戻ることとしたため、ＮＯｘ濃度の微変動により制御の切替が行われず、正しく通常の脱硝制御に復帰することが可能となる。

上記第一態様では、前記還元剤流量調節弁は、親子弁により構成されるとしてもよい。

本構成によれば、還元剤流量調節弁は、大流量を調整通過用の親弁と小流量を調整通過用の子弁を並列化した親子弁としたため、各パイロットの切替による還元剤の流量が大きい場合と小さい場合の大きな変化にも十分対応可能な構成とできる。

本発明の第二態様に係るガスタービン複合発電設備は、上述のいずれかに記載のガスタービン用脱硝制御装置と、取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から排出された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から供給された燃焼ガスにより回転するタービンと、前記タービンと同軸上に設けられ前記タービンが回転駆動することで発電する発電機と、を備えたガスタービンと、排熱回収ボイラと、を備える。

本発明の第三態様に係るガスタービン用脱硝制御方法は、ガスタービンの燃焼器の拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロットと予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットとを切り替えるとともに、前記ガスタービンからの燃焼排ガスの脱硝反応を行う還元剤を注入して前記燃焼排ガス中の窒素酸化物の除去を行うガスタービン用脱硝制御方法において、前記拡散パイロットと前記予混合パイロットとの切替時に前記還元剤にバイアス量を加えるバイアス量制御ステップと、を備える。

本発明の第四態様に係るガスタービン用脱硝制御プログラムは、ガスタービンの燃焼器の拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロットと予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットとを切り替えるとともに、前記ガスタービンからの燃焼排ガスの脱硝反応を行う還元剤を注入して前記燃焼排ガス中の窒素酸化物の除去を行うガスタービン用脱硝制御プログラムにおいて、前記拡散パイロットと前記予混合パイロットとの切替時に前記還元剤にバイアス量を加えるバイアス量制御工程と、を備える。

本発明によれば、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替時に、還元剤にバイアス量を加えて、切替時に大きく変化するＮＯｘ排出量に追随するように還元剤注入量を制御し、還元剤消費量を最適化することができる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービン複合発電設備を示した概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係るガスタービンの起動から停止までのガスタービンの負荷、アンモニア流量およびＮＯｘ濃度を示したタイムチャートである。 本発明の第１実施形態に係るガスタービン用脱硝制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るＮＯｘ排出量が減少する場合のＮＯｘ排出量とアンモニア流量との関係を示したグラフである。 本発明の第２実施形態に係るＮＯｘ排出量が増加する場合のＮＯｘ排出量とアンモニア流量との関係を示したグラフである。

以下に、本発明に係るガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１乃至３を用いて説明する。
図１には、本実施形態に係るガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラムの概略構成が示されている。
図１に示されるように、ガスタービン複合発電設備１は、ガスタービン１００、排熱回収ボイラ７０及びガスタービン用脱硝制御装置５０を主な構成として備えている。

ガスタービン１００は、圧縮機２０、燃焼器４０、タービン１０及び発電機３０を備えており、圧縮機２０とタービン１０と発電機３０は、一体回転可能に同軸に連結されている。圧縮機２０は、取り込んだ空気を圧縮する。燃焼器４０は、圧縮機２０から排出された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼し高温・高圧の燃焼ガスを生成する。タービン１０は、燃焼器４０から供給された高温・高圧の燃焼ガスが断熱膨張することにより回転する。発電機３０は、タービン１０と同軸上に設けられており、タービン１０が回転駆動することで発電する。

燃焼器４０は、その内部に拡散パイロットバーナと予混合パイロットバーナとを備えている。拡散パイロットバーナを使用している状態を拡散パイロット、予混合パイロットバーナを使用している状態を予混合パイロットとする。ガスタービン１００が運転している間は、拡散パイロットバーナ及び予混合パイロットバーナのいずれかを使用しており、そのため拡散パイロットと予混合パイロットとの切替が行われる。なお、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替はパイロット切替制御部５１で制御される。
ここで、タービン１０の燃焼排ガス中には、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）などの一般的にＮＯｘで総称される窒素酸化物（以下、ＮＯｘとする。）が含まれている。拡散パイロットの場合は、燃料と酸化剤である圧縮空気が別々に噴出されて混合しながら燃焼していくため、混合過程で燃料濃度にむらが生じる。高濃度領域で燃焼が起こると、その部分が局所的に高温となり、ＮＯｘが多量に排出されＮＯｘ濃度が高くなる。これに対し予混合パイロットの場合は、燃料と酸化剤である圧縮空気が予め混合されているので燃焼による温度上昇は一様となるため、ＮＯｘ排出量は少なくＮＯｘ濃度が低くなるが燃焼の不安定性から燃料流量など使用範囲の制限がある。

排熱回収ボイラ７０は、上部熱交換器７１、下部熱交換器７２、ＮＯｘ濃度計７３及び脱硝装置７７を備えている。タービン１０から排出された燃焼排ガスは排熱回収ボイラ７０に導かれて排熱が回収される。そして燃焼排ガスは排熱回収ボイラ７０で排熱が蒸気などに回収され低温となったガスとなり、排ガスとして大気中に排出される。排熱回収ボイラ７０に導かれるタービン１０の燃焼排ガス中には前述したようにＮＯｘが含まれている。脱硝装置７７は、燃焼排ガスに還元剤注入ノズル（還元剤注入部）７４から還元剤を注入する。本実施形態では例としてアンモニアを還元剤として使用する（以降、アンモニアと表す）。アンモニアを注入し触媒７５を通過させてＮＯｘとアンモニアを触媒中で反応させ無害な窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に還元することで、この燃焼排ガスに含まれるＮＯｘを除去する。ＮＯｘ濃度計７３は、脱硝装置７７入口の燃焼排ガスに含まれるＮＯｘの濃度（窒素酸化物濃度）である脱硝装置入口ＮＯｘ濃度を計測する。
本実施形態では、ＮＯｘ濃度計７３は、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度の大きな変化にも対応可能とするため、レンジ切替機能を備えているとする。

脱硝装置７７において、アンモニアは、還元剤アキュームレータ６１に接続した上述の還元剤注入ノズル７４から注入される。還元剤アキュームレータ６１と還元剤注入ノズル７４とを接続するライン上には、アンモニアの流れに沿って上流から還元剤流量計６２及び還元剤流量調節弁８０が設けられている。本実施形態では、アンモニア流量の変化に対応するため、一例として還元剤流量調節弁８０を親子弁（還元剤流量調節弁８０ａ及び８０ｂを並列化、（還元剤流量調節弁８０ａの調整通過流量を還元剤流量調節弁８０ｂの調整通過流量より大きい））としている。以下の説明において、各還元剤流量調節弁８０を区別する場合は、末尾にａまたはｂのいずれかを付し、各還元剤流量調節弁８０を区別しない場合は、ａまたはｂを省略する。
本実施形態では、還元剤流量計６２は一例としてコリオリ流量計を用いるものとする。

ガスタービン用脱硝制御装置５０は、燃焼器４０から取得した情報に基づき、主にガスタービンの制御を行う。燃焼器４０から取得する情報とは、本実施形態では例えば、タービン１０の入口における燃焼ガス温度を無次元化したパラメータである燃焼負荷指令値（以下、「ＣＬＣＳＯ」という。）、すなわちタービン１０の入口の燃焼ガス温度に比例した値である。ここで、ＣＬＣＳＯは、例えば発電機出力と、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内翼）開度指令値と、吸気温度と、吸気流量とタービンバイパス流量との比であるタービンバイパス比（タービンバイパス流量／吸気流量）と、大気圧と標準大気圧との比である大気圧比（大気圧／標準大気圧）とに基づいて算出される。

またガスタービン用脱硝制御装置５０は、バイアス量指令制御部５２を備える。バイアス量指令制御部５２は、例えばＣＬＣＳＯに基づき、各パイロットにおけるアンモニアのバイアス量の指令を制御する。

またガスタービン用脱硝制御装置５０は、燃焼器４０から取得したＣＬＣＳＯ、ＮＯｘ濃度計７３から取得した脱硝装置入口ＮＯｘ濃度、および還元剤流量計６２から取得したアンモニア流量に基づき、主に脱硝反応の制御を行う。ガスタービン用脱硝制御装置５０は、還元剤流量指令制御部９１を備え、還元剤流量指令制御部９１は、ガスタービン用脱硝制御装置５０が取得した前述の各情報に基づき、還元剤流量調節弁８０の開度の制御によりアンモニア流量の指令を制御する。

ガスタービン用脱硝制御装置５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

次に、本実施形態に係るガスタービン複合発電設備と、これに適用されるガスタービン用脱硝制御装置５０の作用について図２及び３を用いて説明する。
図２には、本発明の第１実施形態に係るガスタービンの起動から停止までのガスタービン負荷、アンモニア流量およびＮＯｘ濃度を示したタイムチャートが示されている。
同図において、縦軸は図の上からガスタービン負荷、アンモニア注入量（流量）、ＮＯｘ濃度の各値を示し、横軸は時間を示す。ガスタービン負荷のタイムチャートにおいて、一点鎖線はガスタービン負荷を示し、破線は拡散パイロット、実線は予混合パイロットのそれぞれの運転状態を示す。

図３には、本発明の第１実施形態に係るガスタービン用脱硝制御装置の作用が機能ブロック図に示されている。
同図におけるＰＬＡは拡散パイロット、ＰＬＢは予混合パイロット、Ｔは切替を示し、還元剤は本実施形態の例ではアンモニアを示す。

図２の時間ｔ０にて、ガスタービン複合発電設備１の起動にあたり、ガスタービン１００の燃焼器４０が着火される。この時、拡散パイロットでガスタービン１００の運転が開始される。前述したように拡散パイロットが使用されている場合はＮＯｘの排出量が多いためにＮＯｘ濃度が高くなるため（図２のＮＯｘ濃度のタイムチャート参照）、ＮＯｘ濃度計７３が検出する脱硝装置入口ＮＯｘ濃度がｎ２まで上昇し、この上昇状況を取得したガスタービン用脱硝制御装置５０の還元剤流量指令制御部９１により還元剤流量調節弁８０に対し、アンモニア流量をＮＯｘ濃度に対応して多くするように還元剤流量調節弁８０の開度を上げる制御が行われる。これにより、図２のアンモニア流量のタイムチャートに示されるように、時間ｔ０の直後にアンモニア流量が急峻に上昇する。

また、図２の時間ｔ０からｔ２までの間は、使用する制御回路として、拡散パイロット用回路を用いてＮＯｘ濃度の高いレベルに対してソフトウエア上での切替を行う。図２の時間ｔ０からｔ２までの間は、図３の還元剤流量指令制御部９１により制御された還元剤流量設定２０６によりアンモニア流量が設定され、切替器２０８において０％が選択されているため加算器２１０において０が加算、つまり還元剤流量指令制御部９１により設定されたアンモニア流量にてアンモニアが還元剤注入ノズル７４から注入される。

拡散パイロットによる運転が一定時間行われた後、図２の時間ｔ１にて拡散パイロットバーナと並列してメインバーナによる運転が開始され、ガスタービン負荷のタイムチャートに示されるようにガスタービン１００の負荷が上昇する。

図２の時間ｔ２において、ガスタービン１００の負荷が例えば５０％に到達すると、時間ｔ３までの間に、拡散パイロットから予混合パイロットへの切替制御が行われる。
具体的には、図３に示されるように、パイロット切替制御部５１が、ＯＲロジック２１１においてＰＬＡ→ＰＬＢ切替中２０２を選択し、還元剤流量調節弁自動２０１（通常「ＯＮ」が選択されている）とＡＮＤロジック２１２にて結合される。
一方、バイアス量指令制御部５２は、ＣＬＣＳＯに基づき、切替器２０７において拡散パイロットの場合のアンモニアのバイアス量であるＰＬＡバイアス量２０４を選択する。
切替器２０８において、ＰＬＡ→ＰＬＢ切替中２０２が選択されていることから、ＰＬＡバイアス量２０４が選択される。還元剤流量指令制御部９１により制御された還元剤流量設定２０６にてアンモニア流量が設定され、加算器２１０においてＰＬＡバイアス量２０４が加算され、アンモニア流量に拡散パイロットの場合のアンモニアのバイアス量が加算された流量となるように還元剤流量調節弁８０の開度が調節される。

これにより、図２の時間ｔ２からｔ３のＮＯｘ濃度のタイムチャートに示されるように、各パイロットの切替時においてＮＯｘ濃度は一時的にｎ３まで上昇するが、これに対応して、アンモニア流量のタイムチャートに示されるようにアンモニア流量はバイアス量が加算されてＮＯｘ濃度の一時的急上昇に遅延することなく一時的に多く注入されることとなる。
以上のように、図２の時間ｔ２からｔ３までの間に用いられた制御回路が、予混合パイロット用回路である。

図２の時間ｔ３において拡散パイロットから予混合パイロットへの切替が終了し、予混合パイロットのみの運転となると、ＮＯｘ濃度のタイムチャートに示されるようにＮＯｘ濃度は急激にｎ１まで減少し、これに伴いアンモニア流量も減少する。ＮＯｘ濃度のｎ１とｎ２とは、本実施形態では例えば１０倍程度の差があり、いわゆる一桁の大差が発生している。また、ガスタービン負荷は１００％まで徐々に上昇する。

図２の時間ｔ４においてガスタービン負荷が１００％に到達すると、ＮＯｘ濃度はほぼ一定の低い値を保ち、これに伴いアンモニア流量もほぼ一定の小流量となる。

図２の時間ｔ５においてガスタービン負荷が１００％から例えば５０％まで徐々に減少すると、ＮＯｘ濃度はさらに減少し、これに伴いアンモニア流量も減少する。

また、図２の時間ｔ３からｔ６までの間は、使用する制御回路として、予混合パイロット用回路を用いて、図３の切替器２０８において０％が選択されているため、加算器２１０において還元剤流量指令制御部９１により設定されたアンモニア流量には０が加算、つまり還元剤流量指令制御部９１により設定されたアンモニア流量にてアンモニアが還元剤注入ノズル７４から注入される。
また、還元剤流量調節弁８０は、通常還元剤流量調節弁８０ａのみ、または還元剤流量調節弁８０ａ及び８０ｂの両方を用いてアンモニア流量を調節しているが、時間ｔ３からｔ６までの間のように流量が少ない場合には、還元剤流量調節弁８０ｂのみを用いる。

図２の時間ｔ６において、ガスタービン１００の負荷が例えば５０％に到達すると、時間ｔ７までの間に、予混合パイロットから拡散パイロットへの切替制御が行われる。
具体的には、図３に示されるように、パイロット切替制御部５１が、ＯＲロジック２１１においてＰＬＢ→ＰＬＡ切替中２０３を選択し、還元剤流量調節弁自動２０１（通常「ＯＮ」が選択されている）とＡＮＤロジック２１２にて結合される。
一方、バイアス量指令制御部５２は、ＣＬＣＳＯに基づき、切替器２０７において予混合パイロットの場合のアンモニアのバイアス量であるＰＬＢバイアス量２０５を選択する。
切替器２０８において、ＰＬＢ→ＰＬＡ切替中２０３が選択されていることから、ＰＬＢバイアス量２０５が選択される。還元剤流量指令制御部９１により制御された還元剤流量設定２０６にてアンモニア流量が設定され、加算器２１０においてＰＬＢバイアス量２０５が加算され、アンモニア流量に予混合パイロットの場合のアンモニアのバイアス量が加算された流量となるように、還元剤流量調節弁８０の開度が調節される。

これにより、図２の時間ｔ６からｔ７のＮＯｘ濃度のタイムチャートに示されるように、各パイロットの切替時においてＮＯｘ濃度は一時的に上昇するが、これに対応して、アンモニア流量のタイムチャートに示されるようにアンモニア流量はバイアス量が加算されて一時的に多く注入されることとなる。 以上のように、図２の時間ｔ６からｔ７までの間に用いられた制御回路が、予混合パイロット用回路である。

図２の時間ｔ７において予混合パイロットから拡散パイロットへの切替が終了し、拡散パイロットのみの運転となると、ＮＯｘ濃度のタイムチャートに示されるようにＮＯｘ濃度はｎ２まで減少し、これに伴いアンモニア流量も減少する。また、ガスタービン負荷は０％まで徐々に減少する。

図２の時間ｔ８においてガスタービン負荷が０％に到達すると、ＮＯｘ濃度も０となり、これに伴いアンモニア流量も０となる。その後、時間ｔ９においてガスタービン複合発電設備１が停止する。

また、図２の時間ｔ７からｔ８までの間は、使用する制御回路として、拡散パイロット用回路を用いて、図３の還元剤流量指令制御部９１により制御された還元剤流量設定２０６によりアンモニア流量が設定され、切替器２０８において０％が選択されているため加算器２１０において０が加算、つまり還元剤流量指令制御部９１により設定されたアンモニア流量にてアンモニアが還元剤注入ノズル７４から注入される。

以上、説明してきたように、本実施形態に係るガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロット及び予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットの切替を行うガスタービン１００において、拡散パイロットバーナ使用時のＮＯｘ排出量と予混合パイロットバーナ使用時のＮＯｘ排出量とには大きな差がある。そのため、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替時には、ガスタービン１００の燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度が大きく変化する。燃焼排ガス中のＮＯｘの除去には、アンモニアの注入が行われることから、ＮＯｘ排出量が大きく変化することにより、アンモニア注入量の制御に遅れが生じると、アンモニア注入量の運用する幅が大きくなってしまい、アンモニアの消費量が必要以上に増加したり、逆にアンモニア不足でＮＯｘが増加するおそれがある。また、各パイロットの切替時には、一時的にＮＯｘ濃度が上昇する。
そこで、本構成では、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替時に脱硝に用いられるアンモニア流量にバイアス量を加えることとした。
本構成によれば、各パイロットの切替に伴うＮＯｘ濃度の変化には、アンモニア流量にバイアス量を加えることで遅延することなく追随するように対応することができ、精度の高い脱硝制御が可能となる。そのため、アンモニア注入量の運用量として必要に適した値と実際の投入量との差が小さくなり、アンモニア消費量を適正化することができる。

また本実施形態によれば、ＮＯｘ濃度計７３は、拡散パイロットと予混合パイロットとの切替時の脱硝装置入口ＮＯｘ濃度の大きな変化に応じてレンジ切替をすることから、各パイロットの切替時におけるＮＯｘ濃度の大きな変化に対して、高い精度で濃度を計測することができる。

また本実施形態によれば、還元剤流量調節弁８０は、大流量を調整通過用の親弁と小流量を調整通過用の子弁を並列化した親子弁としたため、各パイロットの切替によるアンモニアの流量が大きい場合と小さい場合の大きな変化にも十分対応可能な構成とできる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図４及び図５を用いて説明する。
上記した第１実施形態では、環境管理値などのＮＯｘ濃度の閾値についての検討を行わなかったが、本実施形態では、環境管理値などのＮＯｘ濃度の閾値に応じてさらに制御を行うものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付しその説明は省略する。

図２の時間ｔ３からｔ６までの間が予混合パイロットにて運転を行っている場合は、ＮＯｘ濃度のタイムチャートに示されるようにＮＯｘ濃度は非常に小さい値となる。この値は、環境管理値を下回る場合があり、その場合はアンモニアをあえて注入する必要がない。そこで、さらにアンモニアの消費量を抑えるために、次の＜還元剤流量調節弁８０全閉制御の条件＞に挙げられた３つの条件が全て満たされる場合に、還元剤流量指令制御部９１は、還元剤流量調節弁８０を全閉とする制御を行う。
＜還元剤流量調節弁８０全閉制御の条件＞
（１）ガスタービン１００が予混合パイロットにて運転を行っている。
（２）脱硝装置入口ＮＯｘ濃度および排熱回収ボイラ７０の煙突入口におけるＮＯｘ濃度が例えば環境管理値以下の値である第１閾値を下回る状態が所定の時間（例えば１０分〜６０分の適値）以上継続している。
（３）ガスタービン１００の負荷が変化中でない。

図４には、本実施形態に係るＮＯｘ排出量が減少する場合のＮＯｘ濃度と還元剤としての例であるアンモニア流量との関係がグラフに示されている。図４において、縦軸はアンモニア流量、横軸はＮＯｘ濃度である。
還元剤流量調節弁８０は、親子弁とすることで流量の増減に対応しているが、少ない流量に対応した還元剤流量調節弁８０ｂを用いた場合であっても微小流量についてはその制御が困難である。そこで、還元剤流量調節弁８０の制御可能な最小流量でかつ還元剤流量計６２が計測可能な流量をａ１とする。また、アンモニア流量がａ１の場合のＮＯｘ濃度がｎｓである場合、前述の＜還元剤流量調節弁８０全閉制御の条件＞における第１閾値をｎｓ（ｐｐｍ）（ｎｓ≦環境管理値）とする。
また、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度および排熱回収ボイラ７０の煙突入口におけるＮＯｘ濃度がｎｓ以上の場合は、還元剤流量指令制御部９１により設定されたアンモニア流量にて制御される。
＜還元剤流量調節弁８０全閉制御の条件＞の（１）から（３）の全てを満たす状態で、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度および排熱回収ボイラ７０の煙突入口におけるＮＯｘ濃度が第１閾値であるｎｓを下回る状態が所定の時間（例えば１０分〜６０分の適値）以上継続すると、還元剤流量指令制御部９１は還元剤流量調節弁８０を全閉とし、図４に示されるようにアンモニア流量は０とされる。

図５には、本実施形態に係るＮＯｘ発生量が増加する場合のＮＯｘ濃度とアンモニア流量との関係がグラフに示されている。図５において、縦軸はアンモニア流量、横軸はＮＯｘ濃度である。
還元剤流量調節弁８０を全閉としている状態から通常の脱硝制御へ切り替える場合の閾値として前述の第１閾値であるｎｓを用いた場合、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度および排熱回収ボイラ７０の煙突入口におけるＮＯｘ濃度が微変動により瞬間的にｎｓを超えることが想定され、本来通常の脱硝制御に戻すべきタイミングとは異なるタイミングでの意図しないＮＯｘ濃度の微小変動で第１閾値より若干量増減したのみで脱硝制御の復帰となる可能性がある。
そこで、第１閾値ｎｓよりも大きな値である第２閾値ｎｄを設定し、還元剤流量調節弁８０を全閉としている状態から通常の脱硝制御へ切り替える場合の閾値として用いるものとする。第２閾値ｎｄは、ＮＯｘ濃度の変動幅を考慮しＮＯｘ濃度が第１閾値であるｎｓを瞬間的に超えても通常の脱硝制御に戻らないように設定され、例えばｎｓ＋１（ｐｐｍ）が設定されている。
還元剤流量調節弁８０を全閉としている状態で、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度および排熱回収ボイラ７０の煙突入口におけるＮＯｘ濃度が変動し、第１閾値であるｎｓ以上となったとしても、アンモニア流量は０、すなわち還元剤流量調節弁８０は全閉のままとする。
さらに脱硝装置入口ＮＯｘ濃度および排熱回収ボイラ７０の煙突入口におけるＮＯｘ濃度が変動し、第２閾値であるｎｄ以上となった場合に、アンモニア流量を０からａ１、すなわち還元剤流量調節弁８０は還元剤流量指令制御部９１による制御に戻り、通常の脱硝制御が行われる。

以上、説明してきたように、本実施形態に係るガスタービン用脱硝制御装置、ガスタービン複合発電設備、ガスタービン用脱硝制御方法およびガスタービン用脱硝制御プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
ＮＯｘ排出量には、環境管理値のように、環境に影響を及ぼさないように定められた規制値が一般的に設けられている。
本構成では、このＮＯｘ排出量、いいかえると脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が第１閾値（例えば環境管理値）を下回る状態が所定の時間以上継続した場合で、かつガスタービン１００の負荷が変化中でなく予混合パイロットバーナ使用時である場合は、還元剤流量調節弁８０の開度を全閉にし、アンモニアの流量をゼロにすることとした。
よって本構成によれば、ＮＯｘ濃度が環境管理値を下回る状態が維持されていて、アンモニアをあえて注入する必要がない場合に、還元剤流量調節弁８０の開度を全閉にすることでアンモニアの消費量を低減し、運用コストを抑えることができる。

また本実施形態によれば、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が第１閾値を下回り、還元剤流量調節弁８０の開度が全閉とされている時に、第１閾値よりも大きい値である第２閾値を上回ると、還元剤流量調節弁８０の開度を還元剤流量指令制御部９１により制御する。すなわち、還元剤流量調節弁８０を全閉としている状態から通常の脱硝制御へ切り替える場合、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が第１閾値（例えば環境管理値）ではなく、第１閾値にヒステリシスをもたせた第２閾値を上回った場合に通常の脱硝制御へ切り替えるとする。
還元剤流量調節弁８０の開度を全閉としている期間において、ＮＯｘ濃度の微変動で第１閾値を瞬間的に超える場合があることが想定される。この時、第１閾値を上回った時に通常の脱硝制御へ切り替えるとすると、意図しないＮＯｘ濃度の微小変動で第１閾値より若干量増減したのみで脱硝制御の切替（復帰）が行われてしまうことがある。
よって、第１閾値よりも大きい値である第２閾値を上回ると通常の制御に戻ることとしたため、ＮＯｘ濃度の微変動により制御の切替が行われず、正しく通常の脱硝制御に復帰することが可能となる。

１ ガスタービン複合発電設備
１０ タービン
２０ 圧縮機
３０ 発電機
４０ 燃焼器
５０ ガスタービン用脱硝制御装置
５１ パイロット切替制御部
５２ バイアス量指令制御部
６１ 還元剤アキュームレータ
６２ 還元剤流量計
７０ 排熱回収ボイラ
７１ 上部熱交換器
７２ 下部熱交換器
７３ ＮＯｘ濃度計
７４ 還元剤注入ノズル（還元剤注入部）
７５ 触媒
７７ 脱硝装置
８０，８０ａ，８０ｂ 還元剤流量調節弁
９１ 還元剤流量指令制御部
１００ ガスタービン

Claims (11)

1. 拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロットと予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットとを切り替えて運転する燃焼器を備えたガスタービンの燃焼排ガスの脱硝を行う脱硝装置に対して、脱硝反応を行う還元剤を注入する還元剤注入部から前記還元剤を注入して前記燃焼排ガス中の窒素酸化物の除去を行うガスタービン用脱硝制御装置において、
   前記拡散パイロットと前記予混合パイロットとの切替時に前記燃焼排ガスの脱硝に用いられる前記還元剤にバイアス量を加えるバイアス量指令制御部と、
   を備えたガスタービン用脱硝制御装置。
2. 前記バイアス量指令制御部は、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度を計測するＮＯｘ濃度計を備え、計測された脱硝装置入口ＮＯｘ濃度に基づき決定された前記燃焼排ガスの脱硝に用いられる前記還元剤の流量に対し前記バイアス量を加える請求項１に記載のガスタービン用脱硝制御装置。
3. 前記ＮＯｘ濃度計は、前記脱硝装置入口ＮＯｘ濃度のレンジ切替機能を具備する請求項２に記載のガスタービン用脱硝制御装置。
4. さらに、還元剤流量指令制御部を備え、
   前記還元剤流量指令制御部は、還元剤流量調節弁の開度により前記還元剤の流量を制御する請求項２または請求項３に記載のガスタービン用脱硝制御装置。
5. 前記還元剤流量指令制御部は、還元剤流量計により計測された前記還元剤の流量および前記脱硝装置入口ＮＯｘ濃度に基づき前記還元剤流量調節弁の開度を制御し、前記還元剤流量計はコリオリ流量計である請求項４に記載のガスタービン用脱硝制御装置。
6. 前記還元剤流量指令制御部は、前記ガスタービンが前記予混合パイロットにて一定の負荷で運転しており、かつ前記脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が第１閾値を下回る状態が所定の時間以上継続した場合、前記還元剤流量調節弁の開度を全閉にする請求項４または請求項５に記載のガスタービン用脱硝制御装置。
7. 前記還元剤流量指令制御部は、前記還元剤流量調節弁の開度が全閉でかつ前記脱硝装置入口ＮＯｘ濃度が前記第１閾値よりも大きい第２閾値を上回る場合、前記還元剤流量調節弁の開度を制御する請求項６に記載のガスタービン用脱硝制御装置。
8. 前記還元剤流量調節弁は、親子弁により構成される請求項４から請求項７のいずれかに記載のガスタービン用脱硝制御装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載のガスタービン用脱硝制御装置と、取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から排出された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から供給された燃焼ガスにより回転するタービンと、前記タービンと同軸上に設けられ前記タービンが回転駆動することで発電する発電機と、を備えたガスタービンと、
   排熱回収ボイラと、
   を備えたガスタービン複合発電設備。
10. ガスタービンの燃焼器の拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロットと予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットとを切り替えるとともに、前記ガスタービンからの燃焼排ガスの脱硝反応を行う還元剤を注入して前記燃焼排ガス中の窒素酸化物の除去を行うガスタービン用脱硝制御方法において、
    前記拡散パイロットと前記予混合パイロットとの切替時に前記還元剤にバイアス量を加えるバイアス量制御ステップと、
    を備えたガスタービン用脱硝制御方法。
11. ガスタービンの燃焼器の拡散パイロットバーナを用いる拡散パイロットと予混合パイロットバーナを用いる予混合パイロットとを切り替えるとともに、前記ガスタービンからの燃焼排ガスの脱硝反応を行う還元剤を注入して前記燃焼排ガス中の窒素酸化物の除去を行うガスタービン用脱硝制御プログラムにおいて、
    前記拡散パイロットと前記予混合パイロットとの切替時に前記還元剤にバイアス量を加えるバイアス量制御工程と、
    を備えたガスタービン用脱硝制御プログラム。
    

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