JP2021095854A - 蒸気注入ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃料流量の変化を抑えつつ高い出力変化率に対応し、ＮＯｘ発生量の増加、高温部品の寿命減少、燃焼安定性の低下、消炎等を抑制する。【解決手段】ガスタービンと、排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気を燃焼器に導く蒸気配管と、蒸気配管に設けられた蒸気流量調整弁と、前記ガスタービンの出力を測定する出力センサＳ１と、前記蒸気流量調整弁の開度を制御するコントローラとを備え、前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を前記燃焼器に注入する蒸気注入ガスタービンにおいて、前記出力センサＳ１で測定された前記ガスタービンの測定出力と、前記ガスタービンに対する要求出力Ｗｒとに基づき、前記蒸気流量調整弁により前記燃焼器への注入蒸気流量を制御して前記要求出力Ｗｒに前記測定出力を近付ける。【選択図】図２

Description

本発明は蒸気注入ガスタービンに関し、特にガスタービンの排熱から生成した蒸気の一部又は全部をガスタービンに注入して発電出力を増加させることで熱電比を変更することができる蒸気注入ガスタービンに係る。

ガスタービンから排出されるＮＯｘの低減方法として、ガスタービンの排気ガスの熱エネルギーで蒸気を生成し、生成した蒸気をガスタービンの燃焼器に注入することで火炎温度を下げ、サーマルＮＯｘの生成を抑制することが知られている。ガスタービンの出力を増加させることを目的として、生成した蒸気を燃焼器に注入するシステムも知られている。

特許文献１には、目標出力の増減に応じて燃焼器への注入蒸気量を変えることで、タービン入口温度をほぼ一定に保つ蒸気注入ガスタービンが開示されている。

特表開１０−５０４６３０号公報

近年、電力需給のバランスを調整するためにガスタービンが用いられることがある。太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギーの導入が進みつつある現在、蒸気注入ガスタービンの出力変化率の向上が強く求められている。

しかし、蒸気発生量が変化するスピードは、燃料流量が変化するスピードに比べて遅い。そのため、蒸気注入ガスタービンの出力変化率を大きくしようとすると、一般には燃料流量を大きく変化させる必要がある。要求出力の急増に伴って燃料流量が過大になると、ＮＯｘ発生量の増加、メタル温度上昇による高温部品の寿命減少等につながる。反対に、要求出力の急減に伴って燃料流量が過少になると、燃焼安定性の低下や消炎等のリスクが高まる。

本発明の目的は、燃料流量の変化を抑えつつ高い出力変化率に対応することができ、ＮＯｘ発生量の増加、高温部品の寿命減少、燃焼安定性の低下、消炎等を抑制することができる蒸気注入ガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、前記圧縮機から導入される圧縮空気と共に燃料を燃焼させる燃焼器、及び前記燃焼器から導入された燃焼ガスで駆動されるタービンを含んで構成されたガスタービンと、前記タービンの排気ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気を前記燃焼器に導く蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられた蒸気流量調整弁と、前記ガスタービンの出力を測定する出力センサと、前記蒸気流量調整弁の開度を制御するコントローラとを備え、前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を前記燃焼器に注入する蒸気注入ガスタービンにおいて、前記コントローラは、前記出力センサで測定された前記ガスタービンの測定出力と、前記ガスタービンに対する要求出力とを入力し、前記蒸気流量調整弁により前記燃焼器への注入蒸気流量を制御して前記要求出力に前記測定出力を近付けることを特徴とする蒸気注入ガスタービンを提供する。

本発明によれば、燃料流量の変化を抑えつつ高い出力変化率に対応することができ、ＮＯｘ発生量の増加、高温部品の寿命減少、燃焼安定性の低下、消炎等を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の蒸気注入ガスタービンを含んで構成した熱電可変型コジェネレーションシステムの全体構成の一例を表す模式図 本発明の第１実施形態の蒸気注入ガスタービンに備えられたコントローラによる注入蒸気流量の制御ロジックの一例を表すブロック線図 本発明の第１実施形態におけるガスタービンの測定出力と蒸気流量制御弁の基本開度との関係のデータを表すグラフ 本発明の第１実施形態における測定出力及び要求出力の差分と基本開度に関する補正係数との関係のデータを表すグラフ 本発明の第２実施形態の蒸気注入ガスタービンに備えられたコントローラによる注入蒸気流量の制御ロジックの一例を表すブロック線図 本発明の第２実施形態における測定出力及び要求出力の差分と基本開度に関する補正係数との関係のデータを表すグラフ 本発明の第１実施形態との比較のために従来の注入蒸気流量の一制御ロジックを表すブロック線図 本発明の第２実施形態との比較のために従来の注入蒸気流量の他の制御ロジックを表すブロック線図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
−蒸気注入ガスタービン−
図１は本発明の第１実施形態の蒸気注入ガスタービンを含んで構成した熱電可変型コジェネレーションシステムの全体構成の一例を表す模式図である。同図に示したシステムは、蒸気注入ガスタービン１を含んで構成されている。蒸気注入ガスタービン１は、ガスタービン１０、蒸気供給系統４０及びコントローラ５０を含んで構成されている。蒸気注入ガスタービン１は排熱回収ボイラ４１で生成した蒸気Ｓの一部又は全部を燃焼器１２に注入して高効率化を図っており、電力需給のバランスを調整する役割も担っている。

−ガスタービン−
ガスタービン１０は、圧縮機１１、燃焼器１２及びタービン１３を含んで構成されている。圧縮機１１は、大気圧の空気（外気）ａ１を吸い込んで圧縮し、高圧の圧縮空気ａ２を生成する。タービン１２の回転動力が所定値以上に上昇するまでの間、圧縮機１１は起動用モータ（不図示）で駆動される。圧縮機１１には、空気ａ１の取入れ口に入口案内翼（ＩＧＶ）１１ａが備わっており、入口案内翼１１ａの開度を調整することで空気ａ１の吸い込み量が調整される。燃焼器１２は、圧縮機１１から導入される圧縮空気ａ２と共に燃料ｆを燃焼させて燃焼ガスｇを生成する。燃焼器１２の構成は後述する。

燃焼器１２で生成された燃焼ガスｇはタービン１３に導入される。タービン１３は燃焼器１２で生成された燃焼ガスｇで駆動される。圧縮機１１のロータとタービン１３のロータは軸１０ａを介して連結している。圧縮機１１及びタービン１３の一方（本実施形態ではタービン１３）は軸１０ｂを介して発電機１４と連結している。タービン１３の回転動力により圧縮機１１及び発電機１４が駆動される。

蒸気注入ガスタービン１にはガスタービンの出力を測定する出力センサＳ１が設けられており、出力センサＳ１で測定された出力がコントローラ５０に入力されるようになっている。出力センサＳ１は発電量検出器（例えば電力計）であり、ガスタービン１０の出力として発電量［ＭＷ］を測定する。

燃焼器１２は、燃焼器ケーシング１６及び燃焼器カバー１７で包囲されている。図１では燃焼器１２を１つのみ図示してあるが、ガスタービン１０の外郭であるタービンケーシング１８の外周部に周方向に複数（例えば６つ）設けられている。各燃焼器１２は、燃焼器ライナ（燃焼器内筒）２１、尾筒（インピンジメントスリーブ）２２、燃焼器ケーシング１６、蒸気注入ポート２３、及び燃料ノズル２４を含んで構成されている。

燃焼器ライナ２１は、内部に燃焼室を形成する円筒状の部材であり、圧縮空気ａ２と燃焼ガスｇとを隔てる役割を果たす。燃焼ガスｇの流れ方向における燃焼器ライナ２１の下流側の端部（図１中の右端）は尾筒２２の上流側の端部（同図中の左端）に挿し込まれている。尾筒２２は、燃焼器ライナ２１とタービン１３とを接続し、燃焼ガスｇをタービン１３に導く役割を果たす。尾筒２２はタービン１３に向かって断面積が小さくなる筒状の部材である。これら燃焼器ライナ２１及び尾筒２２は上記燃焼器ケーシング１６で包囲されている。燃焼器ケーシング１６は筒状の部材であり、一端がタービンケーシング１８に連結されている。燃焼器ケーシング１６の他端は上記燃焼器カバー１７で塞がれている。蒸気注入ポート２３は、燃焼器ケーシング１６に少なくとも１つ設けられている。この蒸気注入ポート２３には、蒸気配管Ｐ１を介して排熱回収ボイラ４１が接続されている。

燃料ノズル２４は、燃焼器ライナ２１の内側の燃焼室に燃料ｆを噴射するものであり、燃焼ガスｇの流れ方向において燃焼室の上流側の部分に燃焼噴射孔が臨むように燃焼器カバー１７に取り付けられている。燃料ノズル２４には燃料ｆを供給する燃料配管が接続している。燃料配管には燃料流量調整弁Ｖｆが設けられており、燃料流量調整弁Ｖｆの開度を調整することで燃料ノズル２４への燃料供給流量を調整しガスタービン１０の出力を変化させることができる。燃料流量調整弁Ｖｆの開度（燃料噴射量）は、ガスタービン１０の起動運転の完了後には例えば測定出力Ｗｍが要求出力Ｗｒに近付くように別途制御される。燃料流量調整弁Ｖｆは例えばコントローラ５０からの指令信号により制御される。また、燃料配管には、この燃料配管を流れる燃料ｆの流量を測定する流量センサＳ２が設けられており、流量センサＳ２で測定された燃料流量がコントローラ５０に入力されるようになっている。

燃焼器ケーシング１６と燃焼器ライナ２１との間には円筒状のライナフロースリーブ２６が介在する。このライナフロースリーブ２６は燃焼器ライナ２１と同心状に配置されており、燃焼器ケーシング１６に取り付けられている。燃焼ガスｇの流れ方向におけるライナフロースリーブ２６の上流側の端部は燃焼器カバー１７に接触し燃焼器カバー１７で塞がれており、下流側の端部は開口している。また尾筒２２と燃焼器ライナ２１との間には筒状の尾筒フロースリーブ２７が介在する。燃焼ガスｇの流れ方向におけるライナフロースリーブ２６の下流側の端部は尾筒フロースリーブ２７の上流側の端部に挿し込まれている。

圧縮機１１から吐出された圧縮空気ａ２は、タービンケーシング１８の内部において尾筒２２と尾筒フロースリーブ２７との間の環状の流路に流入して燃焼ガスｇの流れと逆方向に流れ、その際に尾筒２２を外側から冷却する。その後、この圧縮空気ａ２はライナフロースリーブ２６と燃焼器ライナ２１との間の環状の流路に流入し、燃焼器ライナ２１の外周面に沿って燃焼ガスｇの流れと逆方向に流れる際に燃焼器ライナ２１を外側から冷却する。

圧縮空気ａ２の一部は燃焼器ライナ２１の周壁面に設けられた複数の冷却孔（不図示）から燃焼器ライナ２１の内側へ冷却空気ａ３として流入し、燃焼器ライナ２１の内周面のフィルム冷却に使用される。圧縮空気ａ２の別の一部は、燃焼器ライナ２１の周壁に設けられた複数の希釈孔３１から燃焼器ライナ２１の内側へ希釈空気ａ４として流入し、燃焼ガスｇと共に尾筒２２を介してタービン１３に供給される。燃焼ガスｇの流れ方向において希釈孔３１は火炎帯の形成領域よりも下流側に位置する。

圧縮空気ａ２の更に別の一部は、燃焼器ライナ２１の周壁に設けられた複数の燃焼孔３２から燃焼器ライナ２１の内側へ二次燃焼空気ａ５として流入し、燃焼空気ａ６と燃焼反応しきれなかった燃料ｆの燃焼に使用される。残りの圧縮空気ａ２は、燃料ノズル２４の外周に設けた旋回器３３から主たる燃焼空気ａ６として燃焼器ライナ２１の内部に流入し、燃料ノズル２４から噴出される燃料ｆの燃焼に使用される。燃焼空気ａ６や二次燃焼空気ａ５と燃料ｆとの燃焼反応により生成された燃焼ガスｇは、冷却空気ａ３や希釈空気ａ４と混合してタービン１３へと送られる。タービン１３を駆動した燃焼ガスｇ等は低圧の排気ガスｅとしてタービン１３から排出され、排熱回収ボイラ４１に供給され、排熱回収ボイラ４１において熱を回収されて排出される。

−蒸気供給系統−
蒸気供給系統４０は、排熱回収ボイラ４１、蒸気配管系統Ｐ及び蒸気流量調整弁Ｖｓ１−Ｖｓ３を含んで構成されている。

排熱回収ボイラ４１は、給水加熱器４２、ボイラ４３及び蒸気過熱器４４を含んで構成され、タービン１３の排気ガスｅを熱源として給水を加熱して蒸気ｓを発生させる。排熱回収ボイラ４１で生成された蒸気ｓは蒸気配管系統Ｐを介して蒸気消費設備Ｘ等に供給され、蒸気消費設備Ｘ等で使用される。蒸気消費設備Ｘは熱源として蒸気ｓを必要とする工場等の設備である。

蒸気配管系統Ｐは、蒸気配管Ｐ１−Ｐ３を含んで構成されている。蒸気配管Ｐ１は、排熱回収ボイラ４１で発生した蒸気ｓを燃焼器１２に導く燃焼器１２への蒸気注入用の配管であり、燃焼器１２の蒸気注入ポート２３と排熱回収ボイラ４１の蒸気出口とを接続している。前述したライナフロースリーブ２６の周壁には蒸気注入孔２８が周方向に複数設けられており、注入ポート２３から燃焼器１２に注入された蒸気ｓは各蒸気注入孔２８を介してライナフロースリーブ２６の内部に流入する。複数の蒸気注入孔２８の全部又は一部は、少なくとも１つの上記希釈孔３１と対向している。

蒸気配管Ｐ１には蒸気流量調整弁Ｖｓ１が設けられており、蒸気流量調整弁Ｖｓ１の開度を調整することで燃焼器１２への蒸気注入流量を調整しガスタービン１０の出力を変化させることができる。蒸気流量調整弁Ｖｓ１はコントローラ５０からの指令信号により制御される。また、蒸気配管Ｐ１には、排熱回収ボイラ４１で発生した（蒸気配管Ｐ１を流れる）蒸気ｓの圧力を測定する圧力センサＳ３が設けられており、圧力センサＳ３による測定蒸気圧力がコントローラ５０に入力されるようになっている。蒸気配管Ｐ１にはまた、蒸気配管Ｐ１を流れる蒸気ｓの温度を測定する温度センサＳ４が設けられており、温度センサＳ４による測定蒸気温度もコントローラ５０に入力される。

蒸気配管Ｐ２は、排熱回収ボイラ４１で発生した蒸気ｓを蒸気消費設備Ｘに供給するプロセス蒸気送気用の配管であり、蒸気配管Ｐ１から分岐して蒸気消費設備Ｘまで延びている。蒸気配管Ｐ２には蒸気流量調整弁Ｖｓ２が設けられており、蒸気流量調整弁Ｖｓ２の開度を調整することで蒸気消費設備Ｘへの蒸気送気流量を調整することができる。蒸気流量調整弁Ｖｓ２はコントローラ５０からの指令信号により制御される。

蒸気配管Ｐ３は、排熱回収ボイラ４１で発生した蒸気ｓを大気に放出するための配管であり、蒸気配管Ｐ１から分岐して延び、先端は開放されている。蒸気配管Ｐ３には蒸気流量調整弁Ｖｓ３が設けられており、蒸気流量調整弁Ｖｓ３の開度を調整することで蒸気放出流量を調整したり蒸気放出を止めたりすることができる。蒸気流量調整弁Ｖｓ３はコントローラ５０からの指令信号により制御される。

排熱回収ボイラ４１で発生した蒸気ｓは蒸気配管Ｐ２を介して蒸気消費設備Ｘに供給される。排熱回収ボイラ４１による蒸気発生量が蒸気消費設備Ｘで必要な蒸気流量以上になったら、余剰の蒸気ｓの一部又は全部が蒸気配管Ｐ１を介してガスタービン１０の燃焼器１２に注入される。燃焼器１２に流入された蒸気ｓは、まず燃焼器ケーシング１６とライナフロースリーブ２６の間の環状の空間に導かれ、蒸気注入孔２８を介してライナフロースリーブ２６の内側に流入する。ライナフロースリーブ２６の内部に流入した蒸気ｓの大部分は希釈孔３１を通って燃焼器ライナ２１の内側に流入し、燃焼ガスｇの流れ方向において火炎帯の下流側で燃焼ガスｇや希釈空気ａ４に合流する。

希釈孔３１を通過する蒸気ｓは燃焼後の燃焼ガスｇや希釈空気ａ４と混ざり合うため火炎帯には直接影響しない。希釈孔３１から燃焼室に蒸気を供給することで、燃焼安定性に影響を及ぼすことなく、燃焼器１２からタービン１３に供給される作動流体の流量を増加させてガスタービン１０の出力を向上させることができる。また、蒸気ｓを混合するので、その分だけ燃料ｆの供給流量を増加させることもできるため、タービン入口温度が同一の条件下であれば蒸気ｓを燃焼器１２に注入しない場合に比べて出力や効率を向上させることができる。図１に示した熱電可変コジェネレーションシステムでは、こうして燃焼器１２に蒸気ｓを注入することで、ガスタービン１０の出力を増加させて熱電比を変化させることができる。

また、タービン１３へ流入する燃焼ガスｇの温度が蒸気ｓにより低下する。そのため、ガスタービン出力が同一の条件下では、蒸気ｓを燃焼器１２に注入しない場合に比べて、尾筒２２やタービン１３の構成要素のメタル温度を下げることができ、ガスタービン１０の信頼性や寿命も向上する。

希釈孔３１を通過しなかった残りの蒸気ｓは、ライナフロースリーブ２６と燃焼器ライナ２１との間の環状の流路を流れる圧縮空気ａ２に混ざって燃焼ガスｇの流れ方向における上流側に流れる。この蒸気ｓは、旋回器３３を介して燃焼空気ａ６と共に燃焼室に流入し、火炎帯の温度を下げて低ＮＯｘ化に寄与する。

−コントローラ−
図２はコントローラ５０による注入蒸気流量の制御ロジックの一例を表すブロック線図である。図３はガスタービンの測定出力と蒸気流量制御弁の基本開度との関係のデータを表すグラフである。図４は測定出力及び要求出力の差分と基本開度に関する補正係数との関係のデータを表すグラフである。

コントローラ５０は、蒸気流量調整弁Ｖｓ１の開度を制御するコンピュータであり、蒸気流量調整弁Ｖｓ１の制御機能の他、熱電可変型コジェネレーションシステムの全体を制御する機能を備えていても良い。コントローラ５０にはメモリやＣＰＵが備わっている。メモリには蒸気流量調整弁Ｖｓ１の制御プログラムやこの制御プログラムの実行に必要なデータ等が記憶されており、コントローラ５０はメモリに格納された制御プログラムやデータをＣＰＵにロードして蒸気流量調整弁Ｖｓ１の開度制御を実行する。

具体的には、コントローラ５０は、演算器５１、減算器５２、演算器５３及び積算器５４を含んで構成されている。演算器５１、減算器５２、演算器５３及び積算器５４は１つ又は複数のＣＰＵで構成されている。

・演算器５１
コントローラ５０は、出力センサＳ１で測定されたガスタービン１０の測定出力Ｗｍに比例して蒸気流量調整弁Ｖｓ１の基本開度Ｃｖ０を演算するようにプログラムされている。コントローラ５０のメモリには測定出力Ｗｍと基本開度Ｃｖ０との関係（図３）を規定したデータが記憶されており、出力センサＳ１から入力された測定出力Ｗｍに応じた基本開度Ｃｖ０が図３のデータに基づいて演算器５１で演算される。図３では、基本開度Ｃｖ０は、測定出力Ｗｍが第１設定値Ｗ１未満であれば０、測定出力Ｗｍが第１設定値Ｗ１以上で第２設定値Ｗ２未満であれば測定出力Ｗｍに比例して増し、測定出力Ｗｍが第２設定値Ｗ２以上であれば上限値（一定）になるように規定してある。蒸気流量調整弁Ｖｓ１の基本開度Ｃｖ０の演算値は、測定出力Ｗｍが増加すればこれに比例して大きくなり、測定出力Ｗｍが減少すればこれに比例して小さくなる。

・減算器５２
減算器５２は、ガスタービン１０に対する要求出力Ｗｒと測定出力Ｗｍとを入力し、測定出力Ｗｍと要求出力Ｗｒとの差分である出力差分Ｗｄを演算する。出力差分Ｗｄは測定出力Ｗｍ（＞０）から要求出力Ｗｒ（＞０）を差し引いた値であり、測定出力Ｗｍが要求出力Ｗｒよりも大きければ正の値となり、測定出力Ｗｍが要求出力Ｗｒよりも小さければ負の値となる。また、要求出力Ｗｒはガスタービン１０に現在要求されている出力である。例えば蒸気注入ガスタービン１を運用する発電施設の管理制御装置（不図示）により中央給電指令所からの指令値に応じて演算された、ガスタービン１０に要求される出力（例えば発電量）が要求出力Ｗｒの一例である。中央給電指令所は、例えば蒸気注入ガスタービン１を運用する発電施設が属する管轄区域において総発電量を管理して各発電施設に発電指令をする施設である。例えば同一管轄区域内に再生可能エネルギー発電設備が接続されている場合、再生可能エネルギーによる発電量が急減した場合にはガスタービン１０に対する要求出力Ｗｒが急増し得る。そのため、コントローラ５０に入力される要求出力Ｗｒ、ひいては減算器５２で演算される出力差分Ｗｄは急変し得る。

・演算器５３
演算器５３では、減算器５２で演算された出力差分Ｗｄから、図４に表したデータに基づいて、蒸気流量調整弁Ｖｓ１の指令開度Ｃｖを演算するための補正係数αが演算される。出力差分Ｗｄと補正係数αとの関係（図４）を規定したデータはコントローラ５０のメモリに記憶されている。補正係数αは、要求出力Ｗｒよりも測定出力Ｗｍが大きいほど小さくなり、要求出力Ｗｒよりも測定出力Ｗｍが小さいほど大きくなるように規定されている。ｄ１＜ｄ２＜０＜ｄ３＜ｄ４（ｄ１−ｄ４はいずれも設定値）として、図４の具体例を説明する。まず、出力差分Ｗｄがｄ１未満であれば補正係数αは最大値αｍａｘ（＞１）であり、出力差分Ｗｄがｄ１以上ｄ２未満であれば出力差分Ｗｄの増加に伴って補正係数αは最大値αｍａｘから１まで単調に減少する。出力差分Ｗｄがｄ２以上ｄ３未満であれば、補正係数αは１となる。出力差分Ｗｄがｄ３以上ｄ４未満であれば出力差分Ｗｄの増加に伴って補正係数αは１から最小値αｍｉｎ（０＜αｍｉｎ＜１）まで単調に減少し、出力差分Ｗｄがｄ４以上であれば補正係数αは最小値αｍｉｎとなる。このようなデータを用いて演算器５３では出力差分Ｗｄから補正係数αが演算される。

・積算器５４
積算器５４では、演算器５１で演算された基本開度Ｃｖ０に演算器５３で演算された補正係数αが乗算され、基本開度Ｃｖ０を補正係数αで補正した値が蒸気流量調整弁Ｖｓ１の指令開度Ｃｖとして演算される。指令開度Ｃｖはコントローラ５０においてアナログ信号（例えば電圧信号）に変換され、この信号が蒸気流量調整弁Ｖｓ１に入力される。これによって蒸気流量調整弁Ｖｓ１の開度が調整されて燃焼器１２への注入蒸気流量が制御される。

以上の通り、本実施形態においては、演算した補正係数αを乗じて基本開度Ｃｖ０を補正する。要求出力Ｗｒに対して測定出力Ｗｍが大きい場合、出力差分Ｗｄ（出力差分Ｗｄの絶対値）が大きいほど基本開度Ｃｖ０に対して指令開度Ｃｖが大きな割合で減少する。その結果、出力差分Ｗｄが大きいほど、燃焼器１２への注入蒸気流量が測定出力Ｗｍに比例した値に対して大きな割合で減少する。これによりガスタービン１０の出力の時間当たりの減少率が大きくなり、短時間で要求出力Ｗｒに測定出力Ｗｍが近づく。

反対に、要求出力Ｗｒに対して測定出力Ｗｍが小さい場合、出力差分Ｗｄが小さい（出力差分Ｗｄの絶対値が大きい）ほど基本開度Ｃｖ０に対して指令開度Ｃｖが大きな割合で増加する。その結果、出力差分Ｗｄが小さいほど、燃焼器１２への注入蒸気流量が測定出力Ｗｍに比例した値に対して大きな割合で増加する。これによりガスタービン１０の出力の時間当たりの増加率が大きくなり、短時間で要求出力Ｗｒに測定出力Ｗｍが近づく。

−比較例１−
図７は本実施形態との比較のために従来の注入蒸気流量の一制御ロジックを表すブロック線図である。本比較例は図２のコントローラ５０から減算器５２、演算器５３及び積算器５４を省略したものに相当する。この比較例では、測定出力に比例した指令開度（基本開度Ｃｖ０に相当）が演算器で演算され、発電量に比例して燃焼器への注入蒸気流量が増減する。そのためガスタービンに投入される燃料のエネルギーと蒸気のエネルギーの比が常に同程度に維持され、燃料を節約しつつ発電量を増加させることができ、発電効率を向上させることができる。また、一般に燃料投入量と共に増加する傾向にあるＮＯｘ排出量の抑制効果も得られる。

しかし、蒸気注入ガスタービンにおいて燃料流量の変化速度に比べて蒸気発生量の変化速度が遅いため、比較例のように単純に出力に応じて注入蒸気流量を増減させるだけではガスタービンの出力変化率が制限される。そのため、ガスタービンに対する要求出力の急変に対応することが困難である。

−効果−
本実施形態においては、例えば要求出力Ｗｒが急増（出力差分Ｗｄが急増）した場合、燃焼器への注入蒸気流量が一時的に比較例よりも大きな変化率で増加する。そのため、ガスタービン１０の出力を迅速に増加させて要求出力Ｗｒの変化に対する応答性を向上させることができ、注入蒸気流量の増加に伴う出力上昇の分だけ燃料流量の増加を抑制できる。出力差分Ｗｄの減少に伴って補正係数αは１に戻るので、出力差分Ｗｄの大きさが一定以下になれば注入蒸気流量は通常の値（本実施形態では測定出力Ｗｍに比例した値）に復帰する。また、燃料流量が過大になることが抑えられるため、ＮＯｘ発生量の増加、メタル温度上昇による高温部品の寿命減少等も抑制することができる。勿論、要求出力Ｗｒが急減（出力差分Ｗｄが急減）した場合も、燃料流量の変化を抑えつつ応答良くガスタービン１０の出力を下げることができる。燃料流量が過少になることが抑制できるので、燃焼安定性の低下や消炎等のリスクも抑えられる。

以上の通り、本実施形態によれば、燃料流量の変化を抑えつつ高い出力変化率に対応することができ、ＮＯｘ発生量の増加、高温部品の寿命減少、燃焼安定性の低下、消炎等を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
−特徴−
図５は本発明の第２実施形態の蒸気注入ガスタービンに備えられたコントローラによる注入蒸気流量の制御ロジックの一例を表すブロック線図であり、第１実施形態の図２に対応している。図６は本発明の第２実施形態における測定出力及び要求出力の差分と基本開度に関する補正係数との関係のデータを表すグラフであり、第１実施形態の図４に対応している。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、蒸気流量調整弁Ｖｓ１を制御することで予め設定された目標蒸気圧力Ｐｔ（一定値）に圧力センサＳ３による測定蒸気圧力Ｐｍを近付けるようにコントローラ５０がプログラムされている点である。この点（具体的には図５及び図６を用いて後で説明するコントローラ５０の機能）を除き、本実施形態は適用対象を含めて第１実施形態と同様である。

目標蒸気圧力Ｐｔは予め設定された値であり、例えばコントローラ５０のメモリに記憶されている。つまり、本実施形態では排熱回収ボイラ４１で発生する蒸気ｓの圧力を一定に維持する観点で燃料流量調整弁Ｖｆや蒸気流量調整弁Ｖｓ１が制御される。特に図示していないが、燃料流量（燃料流量調整弁Ｖｆの開度）は、本実施形態では例えば測定蒸気圧力Ｐｍが目標蒸気圧力Ｐｔに近付くように別途制御されている。

コントローラ５０には第１実施形態と同じくコンピュータが用いられている。本実施形態のコントローラ５０は、減算器５２、演算器５５、積算器５６及び演算器５７を含んで構成されている。減算器５２、演算器５５、積算器５６及び演算器５７は１つ又は複数のＣＰＵで構成されている。

・減算器５２
減算器５２は、第１実施形態と同様のものであり、ガスタービン１０に対する要求出力Ｗｒと測定出力Ｗｍとを入力し、測定出力Ｗｍと要求出力Ｗｒとの差分である出力差分Ｗｄを演算する。要求出力Ｗｒ、測定出力Ｗｍ、出力差分Ｗｄはいずれも第１実施形態で説明したものと同義である。

・演算器５５
演算器５５では、減算器５２で演算された出力差分Ｗｄから、図６に表したデータに基づいて、蒸気流量調整弁Ｖｓ１の指令開度Ｃｖを演算するための目標蒸気圧力Ｐｔの補正係数βが演算される。出力差分Ｗｄと補正係数βとの関係（図６）を規定したデータはコントローラ５０のメモリに記憶されている。補正係数βは、要求出力Ｗｒよりも測定出力Ｗｍが大きいほど大きくなり、要求出力Ｗｒよりも測定出力Ｗｍが小さいほど小さくなるように規定されている。ｄ５＜ｄ６＜０＜ｄ７＜ｄ８（ｄ５−ｄ８はいずれも設定値）として、図６の具体例を説明する。まず、出力差分Ｗｄがｄ５未満であれば補正係数βは最小値βｍｉｎ（０＜βｍｉｎ＜１）で一定であり、出力差分Ｗｄがｄ５以上ｄ６未満であれば出力差分Ｗｄの増加に伴って補正係数βは最小値βｍｉｎから１まで単調に増加する。出力差分Ｗｄがｄ６以上ｄ７未満であれば、補正係数βは１となる。出力差分Ｗｄがｄ７以上ｄ８未満であれば出力差分Ｗｄの増加に伴って補正係数βは１から最大値βｍａｘ（＞１）まで単調に増加し、出力差分Ｗｄがｄ８以上であれば補正係数βは最大値βｍａｘで一定となる。このようなデータを用いて演算器５５では出力差分Ｗｄから補正係数βが演算される。

・積算器５６
積算器５６では、メモリに記憶された目標蒸気圧力Ｐｔに演算器５５で演算された補正係数βが乗算され、これにより補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’が演算される（Ｐｔ’＝Ｐｔ×β）。出力差分Ｗｄが正の値であれば、出力差分Ｗｄの絶対値が大きいほど補正係数β（＞１）が大きくなる。従って、要求出力Ｗｒの上昇率が大きいほど、補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’はメモリに記憶された目標蒸気圧力Ｐｔよりも大きな値となる。出力差分Ｗｄが負の値であれば、出力差分Ｗｄの絶対値が大きいほど補正係数β（＜１）が小さくなる。従って、要求出力Ｗｒの減少率が大きいほど、補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’はメモリに記憶された目標蒸気圧力Ｐｔよりも小さな値となる。出力差分Ｗｄの大きさが小さく（ｄ６≦Ｗｄ＜ｄ７）補正係数βが１の場合、補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’はメモリに記憶された目標蒸気圧力Ｐｔに等しくなる（つまり目標蒸気圧力は補正されない）。

・演算器５７
演算器５７では、圧力センサＳ３による測定蒸気圧力Ｐｍと、積算器５６で演算された補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’とに基づいて、蒸気流量調整弁Ｖｓ１の指令開度Ｃｖが演算される。指令開度Ｃｖはコントローラ５０においてアナログ信号（例えば電圧信号）に変換され、この信号が蒸気流量調整弁Ｖｓ１に入力されることによって蒸気流量調整弁Ｖｓ１の開度が調整されて燃焼器１２への注入蒸気流量が制御される。具体的には、演算器５７は、測定蒸気圧力Ｐｍが目標蒸気圧力Ｐｔに等しくなるように蒸気流量調整弁Ｖｓ１の開度をフィードバック制御する。

例えば要求出力Ｗｒが急増して出力差分Ｗｄの値が０を下回った場合、出力差分Ｗｄに応じて補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’の値を下げ、注入蒸気流量を増やして蒸気配管系統Ｐの内部蒸気の使用量を増やし測定蒸気圧力Ｐｍを下げる。反対に要求出力Ｗｒが急減して出力差分Ｗｄの値が０を上回った場合、出力差分Ｗｄに応じて補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’の値を上げ、注入蒸気流量を減らして蒸気配管系統Ｐの内部蒸気の使用量を減らし測定蒸気圧力Ｐｍを上げる。

本実施形態では、要求出力Ｗｒに対して測定出力Ｗｍが大きい場合、出力差分Ｗｄ（出力差分Ｗｄの絶対値）が大きいほど目標蒸気圧力Ｐｔに対して補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’が大きな割合で上昇する。その結果、出力差分Ｗｄが大きいほど、測定蒸気圧力Ｐｍを常時一定に制御する（目標蒸気圧力Ｐｔに一致させる）場合に比べて大きな割合で燃焼器１２への注入蒸気流量が減少する。これによりガスタービン１０の出力の時間当たりの減少率が大きくなり、短時間で要求出力Ｗｒに測定出力Ｗｍが近づく。

反対に、要求出力Ｗｒに対して測定出力Ｗｍが小さい場合、出力差分Ｗｄが小さい（出力差分Ｗｄの絶対値が大きい）ほど目標蒸気圧力Ｐｔに対して補正後の目標蒸気圧力Ｐｔ’が大きな割合で低下する。その結果、出力差分Ｗｄが小さいほど、測定蒸気圧力Ｐｍを常時一定に制御する（目標蒸気圧力Ｐｔに一致させる）場合に比べて大きな割合で燃焼器１２への注入蒸気流量が増加する。これによりガスタービン１０の出力の時間当たりの増加率が大きくなり、短時間で要求出力Ｗｒに測定出力Ｗｍが近づく。

−比較例２−
図８は本実施形態との比較のために従来の注入蒸気流量の他の制御ロジックを表すブロック線図である。本比較例は図５のコントローラ５０から減算器５２、演算器５５及び積算器５６を省略したものに相当する。この比較例では、測定蒸気圧力と目標蒸気圧力（一定値）が演算器に入力され、目標蒸気圧力に測定蒸気圧力が一致するように燃焼器への注入蒸気流量がフィードバック制御される。排熱回収ボイラで発生した蒸気のうち蒸気消費設備で使用されなかった余剰蒸気の全部をガスタービンに注入することができ、燃料を節約しつつ発電量を増加させ、発電効率を向上させることができる。蒸気消費設備で必要とする蒸気量が増加した場合には、ガスタービンへの注入蒸気流入を減らすことで対応できる。

しかし、図８の例では、例えば要求出力が上昇して燃料流量が増加しても、目標蒸気圧力が変化しないため排熱回収ボイラにおける発生蒸気量が増加して測定蒸気圧力が上昇し始めるまで燃焼器への蒸気注入量は増加しない。また、ガスタービンへの蒸気注入量は発生蒸気量の増加分しか増加しない。そのため、ガスタービンに対する要求出力の急変に対応することは難しい。

−効果−
本実施形態においても、上記の通り、要求出力Ｗｒが急増すれば、出力差分Ｗｄに応じて目標蒸気圧力が下がって燃焼器１２への注入蒸気流量が一時的に大きな変化率で増加する。要求出力Ｗｒが急減すれば、出力差分Ｗｄに応じて目標蒸気圧力が上がって燃焼器１２への注入蒸気流量が一時的に大きな変化率で減少する。よって、第１実施形態と同様、燃料流量の変化を抑えつつ高い出力変化率に対応することができ、ＮＯｘ発生量の増加、高温部品の寿命減少、燃焼安定性の低下、消炎等を抑制することができる。

（変形例）
以上の２つの実施形態では、ガスタービン１０の出力を測定するセンサとして出力センサＳ１（例えば電力計）を用いた場合を例に挙げて説明したが、ガスタービン１０の出力は燃料流量から求めることができる。そのため、流量センサＳ２を出力センサとして測定出力Ｗｍの測定手段として用いることもできる。その他、特に図示していないが、ガスタービン１０の回転数を測定する回転数センサ、燃料流量調整弁Ｖｆの開度を測定する開度計、燃料流量調整弁Ｖｆへの指令信号を測定する電流計又は電圧計等も出力センサとして用いることができる。

１…蒸気注入ガスタービン、１０…ガスタービン、１１…圧縮機、１２…燃焼器、１３…タービン、４１…排熱回収ボイラ、５０…コントローラ、ａ２…圧縮空気、Ｃｖ０…基本開度、ｆ…燃料、ｇ…燃焼ガス、Ｐ１…蒸気配管、Ｐｍ…測定蒸気圧力、Ｐｔ…目標蒸気圧力、ｓ…蒸気、Ｓ１…出力センサ、Ｓ２…流量センサ（出力センサ）、Ｓ３…圧力センサ、Ｖｓ１…蒸気流量調整弁、Ｗｄ…出力差分（測定出力と要求出力との差分）、Ｗｍ…測定出力、Ｗｒ…要求出力、α，β…補正係数

Claims (4)

1. 圧縮機、前記圧縮機から導入される圧縮空気と共に燃料を燃焼させる燃焼器、及び前記燃焼器から導入された燃焼ガスで駆動されるタービンを含んで構成されたガスタービンと、
   前記タービンの排気ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラで発生した蒸気を前記燃焼器に導く蒸気配管と、
   前記蒸気配管に設けられた蒸気流量調整弁と、
   前記ガスタービンの出力を測定する出力センサと、
   前記蒸気流量調整弁の開度を制御するコントローラとを備え、
   前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を前記燃焼器に注入する蒸気注入ガスタービンにおいて、
   前記コントローラは、前記出力センサで測定された前記ガスタービンの測定出力と、前記ガスタービンに対する要求出力とを入力し、前記蒸気流量調整弁により前記燃焼器への注入蒸気流量を制御して前記要求出力に前記測定出力を近付けることを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
2. 請求項１の蒸気注入ガスタービンにおいて、前記コントローラが、前記要求出力に対して前記測定出力が大きいほど大きな割合で前記注入蒸気流量を減少させ、前記要求出力に対して前記測定出力が小さいほど大きな割合で前記注入蒸気流量を増加させることを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
3. 請求項１の蒸気注入ガスタービンにおいて、前記コントローラが、
   前記測定出力に比例して前記蒸気流量調整弁の基本開度を演算するようにプログラムされていて、
   前記要求出力よりも前記測定出力が大きいほど小さくなり、前記要求出力よりも前記測定出力が小さいほど大きくなる補正係数のデータを記憶しており、
   前記測定出力と前記要求出力との差分から前記データに基づいて補正係数を演算し、
   演算した補正係数を乗じて前記基本開度を補正することで、前記要求出力に対して前記測定出力が大きいほど前記注入蒸気流量を前記測定出力に比例した値に対して大きな割合で減少させ、前記要求出力に対して前記測定出力が小さいほど前記注入蒸気流量を前記測定出力に比例した値に対して大きな割合で増加させることを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
4. 請求項１の蒸気注入ガスタービンにおいて、
   前記排熱回収ボイラで発生した蒸気の圧力を測定し前記コントローラに測定蒸気圧力を出力する圧力センサを更に備え、
   前記コントローラが、
   前記蒸気流量調整弁を制御することで予め設定された目標蒸気圧力に前記測定蒸気圧力を近付けるようにプログラムされていて、
   前記要求出力よりも前記測定出力が大きいほど大きくなり、前記要求出力よりも前記測定出力が小さいほど小さくなる補正係数のデータを記憶しており、
   前記測定出力と前記要求出力との差分から前記データに基づいて補正係数を演算し、
   演算した補正係数を乗じ、前記要求出力に対して前記測定出力が大きいほど前記目標蒸気圧力を大きくすることにより前記注入蒸気流量を減少させ、前記要求出力に対して前記測定出力が小さいほど前記目標蒸気圧力を小さくすることにより前記注入蒸気流量を増加させることを特徴とする蒸気注入ガスタービン。

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