JP3479672B2 - ガスタービンの制御方法および制御装置 - Google Patents
ガスタービンの制御方法および制御装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンの制御
方法および制御装置に関する。さらに詳しくは、ドライ
方式によりＮＯｘ発生量を抑制しながら、ガスタービン
の運転状態が常に最適とできるガスタービンの制御方法
および制御装置に関する。
方法および制御装置に関する。さらに詳しくは、ドライ
方式によりＮＯｘ発生量を抑制しながら、ガスタービン
の運転状態が常に最適とできるガスタービンの制御方法
および制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の環境問題の高まりにより、各種有
害物質の排出規制が強化されてきている。かかる状況下
にあって、ガスタービンにおいてもＮＯｘ排出量の規制
が強化されてきている。この規制強化に対処すべく、ガ
スタービンでは、燃焼室に対して蒸気噴射や水噴射し、
それにより燃焼温度を低減してＮＯｘの発生量を低減す
る、いわゆるウェット方式が多く採用されている。
害物質の排出規制が強化されてきている。かかる状況下
にあって、ガスタービンにおいてもＮＯｘ排出量の規制
が強化されてきている。この規制強化に対処すべく、ガ
スタービンでは、燃焼室に対して蒸気噴射や水噴射し、
それにより燃焼温度を低減してＮＯｘの発生量を低減す
る、いわゆるウェット方式が多く採用されている。
【０００３】しかしながら、ウェット方式においては、
ガスタービンに蒸気や水を供給しなければならないの
で、蒸気供給設備や給水設備が必要となり、設備コスト
の増大およびランニング・コストの増大を招来するとい
う問題がある。また、これらの設備動力は当該発電プラ
ントの出力によって賄われることになるため、これによ
り発電プラント全体の効率が低下するという問題もあ
る。
ガスタービンに蒸気や水を供給しなければならないの
で、蒸気供給設備や給水設備が必要となり、設備コスト
の増大およびランニング・コストの増大を招来するとい
う問題がある。また、これらの設備動力は当該発電プラ
ントの出力によって賄われることになるため、これによ
り発電プラント全体の効率が低下するという問題もあ
る。
【０００４】そこで、蒸気噴射や水噴射を行なわずにＮ
Ｏｘの発生量を低減する、いわゆるドライ方式の研究お
よび実用化の検討がなされている。
Ｏｘの発生量を低減する、いわゆるドライ方式の研究お
よび実用化の検討がなされている。
【０００５】例えば、特開昭６１−４３２２３号公報に
は、空燃比が一定範囲となるように、圧縮機の可変静翼
の角度を変化させて、部分負荷時においても有害物質の
排出量を低減させる環境対策型ガスタービンが提案され
ている。
は、空燃比が一定範囲となるように、圧縮機の可変静翼
の角度を変化させて、部分負荷時においても有害物質の
排出量を低減させる環境対策型ガスタービンが提案され
ている。
【０００６】特開平５−１０６４６９号公報には、設定
された目標回転数が一定値以下のときに、圧縮機の可変
案内翼の角度を制御し、燃焼器の入口温度を所定温度に
保持することにより低ＮＯｘ燃焼を可能とするガスター
ビンの制御装置が提案されている。
された目標回転数が一定値以下のときに、圧縮機の可変
案内翼の角度を制御し、燃焼器の入口温度を所定温度に
保持することにより低ＮＯｘ燃焼を可能とするガスター
ビンの制御装置が提案されている。
【０００７】特開平５−１８７２６７号公報には、圧縮
機から吐出される空気の一部を圧縮機入口上流に循環抽
気させ、かつ圧縮機の可変案内翼の角度を前記抽気ライ
ンに設けられた抽気弁と連動操作することにより、低Ｎ
Ｏｘ化を図り、かつコンバインド・サイクルの効率を向
上させるコンバインド・サイクル用ガスタービン制御装
置が提案されている。
機から吐出される空気の一部を圧縮機入口上流に循環抽
気させ、かつ圧縮機の可変案内翼の角度を前記抽気ライ
ンに設けられた抽気弁と連動操作することにより、低Ｎ
Ｏｘ化を図り、かつコンバインド・サイクルの効率を向
上させるコンバインド・サイクル用ガスタービン制御装
置が提案されている。
【０００８】しかしながら、特開昭６１−４３２２３号
公報および特開平５−１０６４６９号公報の提案に係る
ものは、ガスタービンの部分負荷時における低ＮＯｘを
目的としたものであり、ガスタービンの全体的な効率の
向上を図るという視点に欠けるとともに、空気の温度や
湿度の変化が考慮されていないという問題もある。
公報および特開平５−１０６４６９号公報の提案に係る
ものは、ガスタービンの部分負荷時における低ＮＯｘを
目的としたものであり、ガスタービンの全体的な効率の
向上を図るという視点に欠けるとともに、空気の温度や
湿度の変化が考慮されていないという問題もある。
【０００９】また、特開平５−１８７２６７号公報の提
案に係るものは、コンバインド・サイクルの全体的な効
率の向上を図るという点には配慮がなされているが、前
記と同様に空気の温度や湿度の変化が考慮されていない
という問題がある。
案に係るものは、コンバインド・サイクルの全体的な効
率の向上を図るという点には配慮がなされているが、前
記と同様に空気の温度や湿度の変化が考慮されていない
という問題がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来技
術の課題に鑑みなされたものであって、空気の温度や湿
度が変化してもガスタービンを最適な状態で稼動させな
がら、ＮＯｘ排出量を抑制できるガスタービンの制御方
法および制御装置を提供することを目的としている。
術の課題に鑑みなされたものであって、空気の温度や湿
度が変化してもガスタービンを最適な状態で稼動させな
がら、ＮＯｘ排出量を抑制できるガスタービンの制御方
法および制御装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明のガスタービンの
制御方法の第１形態は、可変入口翼を有するガスタービ
ンの制御方法であって、フィードバック制御により要求
出力と発電出力との差を解消させる燃料制御弁開度指令
値を生成し、前記燃料制御弁開度指令値により前記燃料
制御弁の開度を調節し、ＮＯｘの発生を抑制しながらガ
スタービンの運転状態が最適となるように、要求出力と
空気温度と空気湿度とを少なくとも入力とする最適化制
御処理により燃焼器の燃空比を最適とする可変入口翼角
度指令値を生成し、前記可変入口翼角度指令値により前
記可変入口翼の角度を調節することを特徴とする。
制御方法の第１形態は、可変入口翼を有するガスタービ
ンの制御方法であって、フィードバック制御により要求
出力と発電出力との差を解消させる燃料制御弁開度指令
値を生成し、前記燃料制御弁開度指令値により前記燃料
制御弁の開度を調節し、ＮＯｘの発生を抑制しながらガ
スタービンの運転状態が最適となるように、要求出力と
空気温度と空気湿度とを少なくとも入力とする最適化制
御処理により燃焼器の燃空比を最適とする可変入口翼角
度指令値を生成し、前記可変入口翼角度指令値により前
記可変入口翼の角度を調節することを特徴とする。
【００１２】
【００１３】 また、本発明のガスタービンの制御方法
の第２形態は、可変入口翼を有するガスタービンの制御
方法であって、フィードバック制御により要求出力と発
電出力との差を解消させる第１の燃料制御弁開度指令値
を生成し、前記第１の燃料制御弁開度指令値により前記
燃料制御弁の開度を調節し、ＮＯｘの発生を抑制しなが
らガスタービンの運転状態が最適となるように、要求出
力と空気温度と空気湿度とを少なくとも入力とする最適
化制御処理により、燃焼器の燃空比を最適とする燃料流
量指令値および第１の可変入口翼角度指令値を生成し、
前記燃料流量指令値に対応した第２の燃料制御弁開度指
令値を生成し、前記第１の燃料制御弁開度指令値と前記
第２の燃料制御弁開度指令値との差を解消させる第２の
可変入口翼角度指令値を生成し、前記第１の可変入口翼
角度指令値を前記第２の可変入口翼角度指令値により補
正し、その補正された可変入口翼角度指令値により前記
可変入口翼の角度を調節することを特徴とする。
の第２形態は、可変入口翼を有するガスタービンの制御
方法であって、フィードバック制御により要求出力と発
電出力との差を解消させる第１の燃料制御弁開度指令値
を生成し、前記第１の燃料制御弁開度指令値により前記
燃料制御弁の開度を調節し、ＮＯｘの発生を抑制しなが
らガスタービンの運転状態が最適となるように、要求出
力と空気温度と空気湿度とを少なくとも入力とする最適
化制御処理により、燃焼器の燃空比を最適とする燃料流
量指令値および第１の可変入口翼角度指令値を生成し、
前記燃料流量指令値に対応した第２の燃料制御弁開度指
令値を生成し、前記第１の燃料制御弁開度指令値と前記
第２の燃料制御弁開度指令値との差を解消させる第２の
可変入口翼角度指令値を生成し、前記第１の可変入口翼
角度指令値を前記第２の可変入口翼角度指令値により補
正し、その補正された可変入口翼角度指令値により前記
可変入口翼の角度を調節することを特徴とする。
【００１４】 その場合、第１の燃料制御弁開度指令値
による燃料制御弁の開度調節と、補正された可変入口翼
角度指令値による可変入口翼の角度調節とが干渉しない
ように第２の可変入口翼角度指令値を生成する。例え
ば、第２の可変入口翼角度指令値の生成がフィードバッ
ク制御を含む制御によりなされ、該フィードバック制御
に関するゲインを小さくしたり、あるいは第２の可変入
口翼角度指令値の生成が応答を遅くしたりして、前記燃
料制御弁と前記可変入口翼とを制御する。
による燃料制御弁の開度調節と、補正された可変入口翼
角度指令値による可変入口翼の角度調節とが干渉しない
ように第２の可変入口翼角度指令値を生成する。例え
ば、第２の可変入口翼角度指令値の生成がフィードバッ
ク制御を含む制御によりなされ、該フィードバック制御
に関するゲインを小さくしたり、あるいは第２の可変入
口翼角度指令値の生成が応答を遅くしたりして、前記燃
料制御弁と前記可変入口翼とを制御する。
【００１５】 一方、本発明のガスタービンの制御装置
の第１形態は、可変入口翼を有するガスタービンの制御
装置であって、前記制御装置がフィードバック制御部と
最適化制御部とを備え、前記フィードバック制御部によ
り要求出力と発電出力との差に基づいて、その差を解消
する燃料制御弁開度指令値が生成され、前記最適化制御
部により、少なくとも要求出力と空気温度と空気湿度と
を用いて、ＮＯｘの発生を抑制しながらガスタービンの
運転状態が最適となるように、燃焼器の燃空比を最適と
する可変入口翼角度指令値が生成され、前記燃料制御弁
開度指令値により燃料制御弁の開度が調節され、かつ前
記可変入口翼角度指令値により前記可変入口翼の角度が
調節されてなることを特徴とする。
の第１形態は、可変入口翼を有するガスタービンの制御
装置であって、前記制御装置がフィードバック制御部と
最適化制御部とを備え、前記フィードバック制御部によ
り要求出力と発電出力との差に基づいて、その差を解消
する燃料制御弁開度指令値が生成され、前記最適化制御
部により、少なくとも要求出力と空気温度と空気湿度と
を用いて、ＮＯｘの発生を抑制しながらガスタービンの
運転状態が最適となるように、燃焼器の燃空比を最適と
する可変入口翼角度指令値が生成され、前記燃料制御弁
開度指令値により燃料制御弁の開度が調節され、かつ前
記可変入口翼角度指令値により前記可変入口翼の角度が
調節されてなることを特徴とする。
【００１６】 また、本発明のガスタービンの制御装置
の第２形態は、可変入口翼を有するガスタービンの制御
装置であって、前記制御装置がフィードバック制御部と
最適化制御部と燃空比補正制御部とを備え、前記フィー
ドバック制御部により要求出力と発電出力との差に基づ
いて、その差を解消する第１の燃料制御弁開度指令値が
生成され、前記最適化制御部により、少なくとも要求出
力と空気温度と空気湿度とを用いてＮＯｘの発生を抑制
しながらガスタービンの運転状態が最適となるように、
燃焼器の燃空比を最適とする燃料流量指令値および第１
の可変入口翼角度指令値が生成され、前記燃空比補正制
御部により、前記燃料流量指令値に対応した第２の燃料
制御弁開度指令値が生成され、前記第２の燃料制御弁開
度指令値と前記第１の燃料制御弁開度と差を解消する第
２の可変入口翼角度指令値が生成され、前記第２の可変
入口翼角度指令値により前記第１の可変入口翼角度指令
値が補正され、前記第１の燃料制御弁開度指令値により
燃料制御弁の開度が調節され、かつ前記補正された可変
入口翼角度指令値により可変入口翼の角度が調節されて
なることを特徴とする。
の第２形態は、可変入口翼を有するガスタービンの制御
装置であって、前記制御装置がフィードバック制御部と
最適化制御部と燃空比補正制御部とを備え、前記フィー
ドバック制御部により要求出力と発電出力との差に基づ
いて、その差を解消する第１の燃料制御弁開度指令値が
生成され、前記最適化制御部により、少なくとも要求出
力と空気温度と空気湿度とを用いてＮＯｘの発生を抑制
しながらガスタービンの運転状態が最適となるように、
燃焼器の燃空比を最適とする燃料流量指令値および第１
の可変入口翼角度指令値が生成され、前記燃空比補正制
御部により、前記燃料流量指令値に対応した第２の燃料
制御弁開度指令値が生成され、前記第２の燃料制御弁開
度指令値と前記第１の燃料制御弁開度と差を解消する第
２の可変入口翼角度指令値が生成され、前記第２の可変
入口翼角度指令値により前記第１の可変入口翼角度指令
値が補正され、前記第１の燃料制御弁開度指令値により
燃料制御弁の開度が調節され、かつ前記補正された可変
入口翼角度指令値により可変入口翼の角度が調節されて
なることを特徴とする。
【００１７】本発明のガスタービンの制御装置の第２形
態においては、前記燃空比補正制御部が一次遅れ手段を
有してなるのが好ましい。
態においては、前記燃空比補正制御部が一次遅れ手段を
有してなるのが好ましい。
【００１８】しかして、前記ガスタービンの制御装置は
ガスタービン設備に搭載される。
ガスタービン設備に搭載される。
【００１９】
【作用】本発明は前記の如く構成されているので、空気
温度や湿度などの外的条件変化に対して、ＮＯｘの発生
を抑制しながらガスタービンを常に最適な運転状態で稼
働させることができる。
温度や湿度などの外的条件変化に対して、ＮＯｘの発生
を抑制しながらガスタービンを常に最適な運転状態で稼
働させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる
実施形態のみに限定されるものではない。
発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる
実施形態のみに限定されるものではない。
【００２１】本発明の一実施形態に係るガスタービンの
制御方法が適用されるガスタービン発電設備を図１にブ
ロック図で示す。なお、図１において、１は圧縮機、２
は燃焼器、３はパワータービン、４は発電機、５は燃料
流量制御弁、６は可変入口翼、７は可変入口翼アクチュ
エータ、Ｈはガスタービン発電設備をそれぞれ示す。
制御方法が適用されるガスタービン発電設備を図１にブ
ロック図で示す。なお、図１において、１は圧縮機、２
は燃焼器、３はパワータービン、４は発電機、５は燃料
流量制御弁、６は可変入口翼、７は可変入口翼アクチュ
エータ、Ｈはガスタービン発電設備をそれぞれ示す。
【００２２】圧縮機１における空気流量Ｇc、圧縮機動
力Ｗcの基礎式は、以下のように表わされるのが知られ
ている。
力Ｗcの基礎式は、以下のように表わされるのが知られ
ている。
【００２３】
Ｇc＝Ｋcmp1・ｆcmpMB（πc，Ａv，Ｔ2） （１）
Ｗc＝Ｋcmp2・ｆcmpEB（πc，Ａv，Ｔ2） （２）
【００２４】また、パワータービン３における燃焼ガス
流量Ｇt、パワータービン動力Ｗtの基礎式は、以下のよ
うに表されるのが知られている。
流量Ｇt、パワータービン動力Ｗtの基礎式は、以下のよ
うに表されるのが知られている。
【００２５】
Ｇt＝Ｋtbn1・ｆtbnMB（πt，Ｔ4） （３）
Ｗt＝Ｋtbn2・ｆtbnEB（πt，Ｔ4） （４）
【００２６】なお、圧縮機入口の圧力損失、燃焼器にお
ける圧力損失、およびタービン出口の圧力損失が微小で
あるとすれば、圧縮機入口圧力：Ｐ2＝タービン出口圧
力：Ｐ5＝標準大気圧力（一定）、および圧縮機出口圧
力：Ｐ3＝タービン入口圧力：Ｐ4となり、式（１）〜式
（４）におけるπc、πtはすべて圧縮比πに置き換える
ことができる。以下、πc＝πt＝πとして説明する。
ける圧力損失、およびタービン出口の圧力損失が微小で
あるとすれば、圧縮機入口圧力：Ｐ2＝タービン出口圧
力：Ｐ5＝標準大気圧力（一定）、および圧縮機出口圧
力：Ｐ3＝タービン入口圧力：Ｐ4となり、式（１）〜式
（４）におけるπc、πtはすべて圧縮比πに置き換える
ことができる。以下、πc＝πt＝πとして説明する。
【００２７】また、ガスタービンにおいては以下のマス
バランスおよびエネルギーバランスが成り立つ。
バランスおよびエネルギーバランスが成り立つ。
【００２８】
Ｇc＋Ｗf＝Ｇt （５）
ＷL＝Ｗt−Ｗc （６）
【００２９】以上の関係より、下記式（７），（８）が
得られる。
得られる。
【００３０】
Wf=Ktbn1・ftbnMB（π，T4）-Kcmp1・fcmpMB（π，Av，T2） （７）
WL=Ktbn2・ftbnEB（π，T4）-Kcmp2・fcmpEB（π，Av，T2） （８）
さらに、燃焼器２の出口温度Ｔ4は、下記式（９）で表
されるのが知られている。
されるのが知られている。
【００３１】
Ｔ4＝ｆT4（π，Ａv，Ｔ2，Ｗf） （９）
ここに、
【００３２】
【数１】
【００３３】さらにまた、ＮＯｘ発生量を表す特性式と
して、一般的に下記式（１０）が知られている。
して、一般的に下記式（１０）が知られている。
【００３４】
【数２】
【００３５】前記式（１０）中、Ｔ３およびＧcはπ、
Ａv、Ｔ2の関数で表されることが知られているところか
ら、前記式（１０）は下記式（１１）のように変形でき
る。 ＮＯｘ＝Ｋ’NOx・ｆNOx（π，Ａv，Ｔ2，Ｗf） （１１）
Ａv、Ｔ2の関数で表されることが知られているところか
ら、前記式（１０）は下記式（１１）のように変形でき
る。 ＮＯｘ＝Ｋ’NOx・ｆNOx（π，Ａv，Ｔ2，Ｗf） （１１）
【００３６】これらのことより、ガスタービンの動作特
性およびＮＯｘ発生量は式（７）、（８）、（９）およ
び（１１）で表されるのが理解される。
性およびＮＯｘ発生量は式（７）、（８）、（９）およ
び（１１）で表されるのが理解される。
【００３７】いま、Ｔ2，ｘが測定されあるいは推定可
能とされ、またＷLが条件として与えられれば、ガスタ
ービンを最適な効率で稼動させながらＮＯｘの発生量を
低減するという課題は、Ｗf、Ａv、π、Ｔ4を未知変数
とする連立方程式の解集合を求める問題に帰着される。
能とされ、またＷLが条件として与えられれば、ガスタ
ービンを最適な効率で稼動させながらＮＯｘの発生量を
低減するという課題は、Ｗf、Ａv、π、Ｔ4を未知変数
とする連立方程式の解集合を求める問題に帰着される。
【００３８】したがって、ＮＯｘ発生量を規定値以内に
抑え、かつガスタービンを最適な運転状態、例えば効率
を最大限とするには、燃料流量Ｗfを最小とするような
評価関数Ｃとして、下記式（１２）のようなものを選定
し、 Ｃ＝Ｗf／ＷL （１２） 式（７）、（８）、（９）および（１１）を等式制約条
件とし、かつ下記式（１３）の不等式制約条件を満足す
るようなＷf、Ａvの解を逐次二次計画法（ＳＱＰ）など
の非線形計画法により求めればよい。
抑え、かつガスタービンを最適な運転状態、例えば効率
を最大限とするには、燃料流量Ｗfを最小とするような
評価関数Ｃとして、下記式（１２）のようなものを選定
し、 Ｃ＝Ｗf／ＷL （１２） 式（７）、（８）、（９）および（１１）を等式制約条
件とし、かつ下記式（１３）の不等式制約条件を満足す
るようなＷf、Ａvの解を逐次二次計画法（ＳＱＰ）など
の非線形計画法により求めればよい。
【００３９】
ＮＯｘ≦ｆNOxmax （１３）
【００４０】なお、実際のガスタービンでは、個々の操
作量や状態量に対する制限、例えば燃料流量Ｗfに対す
る制限、可変入口翼角度Ａvに対する制限、パワーター
ビン入口温度Ｔ4に対する制限が存在するが、これらに
ついては、以下のような不等式制約条件を追加すること
により対処できる。
作量や状態量に対する制限、例えば燃料流量Ｗfに対す
る制限、可変入口翼角度Ａvに対する制限、パワーター
ビン入口温度Ｔ4に対する制限が存在するが、これらに
ついては、以下のような不等式制約条件を追加すること
により対処できる。
【００４１】
燃料流量Ｗf：ｆWfmin≦Ｗf≦ｆWfmax （１４）
可変入口翼角度Ａv：ｆAvmin≦Ａv≦ｆAvmax （１５）
パワータービン入口温度Ｔ4：Ｔ4≦ｆT4max （１６）
【００４２】このように、この実施形態によれば、ＮＯ
ｘの発生を抑制しながら、ガスタービンを最適な運転状
態とできる最適な燃空比により稼働させることができ
る。
ｘの発生を抑制しながら、ガスタービンを最適な運転状
態とできる最適な燃空比により稼働させることができ
る。
【００４３】
【実施例】以下、より具体的な実施例により本発明を詳
細に説明する。
細に説明する。
【００４４】実施例１
本発明の実施例１に係るガスタービンの制御方法が適用
されているガスタービンを図２にブロック図で示す。図
２において、符号１０は制御装置を示す。なお、図２に
おいて、図１と同一の符号を付したものは同一または類
似の構成要素を示す。
されているガスタービンを図２にブロック図で示す。図
２において、符号１０は制御装置を示す。なお、図２に
おいて、図１と同一の符号を付したものは同一または類
似の構成要素を示す。
【００４５】制御装置１０は、ＰＩ制御部２０と最適化
制御部３０とを備えてなるものとされる。
制御部３０とを備えてなるものとされる。
【００４６】ＰＩ制御部２０は、従来のガスタービンの
制御装置におけるＰＩ制御部と同様に、フィードバック
制御により燃料制御弁の開度を制御するものとされる。
すなわち、要求出力ＷLDと発電出力ＷLGとの差を解消す
る燃料流量Ｗfを供給する燃料制御弁の開度指令値を出
力するように構成されている。
制御装置におけるＰＩ制御部と同様に、フィードバック
制御により燃料制御弁の開度を制御するものとされる。
すなわち、要求出力ＷLDと発電出力ＷLGとの差を解消す
る燃料流量Ｗfを供給する燃料制御弁の開度指令値を出
力するように構成されている。
【００４７】ＰＩ制御部２０をこのように構成するの
は、次のような理由による。
は、次のような理由による。
【００４８】 ガスタービン制御における基本的な目的
が、負荷出力あるいは回転数を設定値に対して偏差なく
制御することにあるが、最適化制御部３０のみによりガ
スタービンの制御を行った場合、その最適化制御に使用
されるガスタービンモデルのモデル化誤差により、最適
化制御部３０で算出される燃料制御弁開度指令値による
燃料流量では負荷出力あるいは回転数に若干の偏差が生
ずるおそれがある。また、最適化計算は繰り返し計算で
あるため一般的に計算に時間がかかるので、制御の応答
が遅くなるという特性を有している。これに対し、燃料
流量の制御は負荷変動の急変にも追従しなければならな
いため、速い応答性が要求される。そこで、ガスタービ
ン制御における基本的な目的を満足させかつ速い応答性
も確保するため、従来と同様にＰＩ制御部２０を設ける
ようにしたものである。
が、負荷出力あるいは回転数を設定値に対して偏差なく
制御することにあるが、最適化制御部３０のみによりガ
スタービンの制御を行った場合、その最適化制御に使用
されるガスタービンモデルのモデル化誤差により、最適
化制御部３０で算出される燃料制御弁開度指令値による
燃料流量では負荷出力あるいは回転数に若干の偏差が生
ずるおそれがある。また、最適化計算は繰り返し計算で
あるため一般的に計算に時間がかかるので、制御の応答
が遅くなるという特性を有している。これに対し、燃料
流量の制御は負荷変動の急変にも追従しなければならな
いため、速い応答性が要求される。そこで、ガスタービ
ン制御における基本的な目的を満足させかつ速い応答性
も確保するため、従来と同様にＰＩ制御部２０を設ける
ようにしたものである。
【００４９】最適化制御部３０は、要求出力ＷLD、空気
温度Ｔ2、空気湿度ｘに基づいて、可変入口翼角度Ａvの
指令値（可変入口翼角度指令値）を出力するようされて
いる。
温度Ｔ2、空気湿度ｘに基づいて、可変入口翼角度Ａvの
指令値（可変入口翼角度指令値）を出力するようされて
いる。
【００５０】次に、図４を参照しながら、最適化制御部
３０における最適化処理について説明する。
３０における最適化処理について説明する。
【００５１】ガスタービンモデル特性式により等式制約
条件が設定される。具体的には、前記式（７）のマスバ
ランス式、前記式（８）のエネルギバランス式、前記式
（９）の燃焼器特性式、前記式（１１）のＮＯｘ発生特
性式により、等式制約条件が設定される。また、ガスタ
ービン運用条件制約式により不等式制約条件が設定され
る。具体的には、前記式（１３）のＮＯｘ発生量制約
式、前記式（１４）の燃料制御弁操作範囲制約式、前記
式（１５）の可変入口翼操作範囲制約式、前記式（１
６）のガスタービン入口温度制約式などにより、不等式
制約条件が設定される。そして、前記等式制約条件およ
び不等式制約条件により、ガスタービンの運転状態を最
適に制御しながらＮＯｘの発生を抑制できる最適化問題
（非線形形最適化問題）が設定される。
条件が設定される。具体的には、前記式（７）のマスバ
ランス式、前記式（８）のエネルギバランス式、前記式
（９）の燃焼器特性式、前記式（１１）のＮＯｘ発生特
性式により、等式制約条件が設定される。また、ガスタ
ービン運用条件制約式により不等式制約条件が設定され
る。具体的には、前記式（１３）のＮＯｘ発生量制約
式、前記式（１４）の燃料制御弁操作範囲制約式、前記
式（１５）の可変入口翼操作範囲制約式、前記式（１
６）のガスタービン入口温度制約式などにより、不等式
制約条件が設定される。そして、前記等式制約条件およ
び不等式制約条件により、ガスタービンの運転状態を最
適に制御しながらＮＯｘの発生を抑制できる最適化問題
（非線形形最適化問題）が設定される。
【００５２】この最適化問題に対して、空気温度Ｔ2や
空気湿度ｘなどのプロセス量として計測または推定可能
な物理量を数値データとして与え、また負荷などの運転
条件、動作流体物性値、ガスタービン特性パラメータな
どの各種定数およびパラメータを数値データとして与
え、ついで逐次二次計画法などの非線形最適化計画法を
適用することにより、ガスタービンの運転条件を最適化
する可変入口翼角度および燃料流量が算出される。
空気湿度ｘなどのプロセス量として計測または推定可能
な物理量を数値データとして与え、また負荷などの運転
条件、動作流体物性値、ガスタービン特性パラメータな
どの各種定数およびパラメータを数値データとして与
え、ついで逐次二次計画法などの非線形最適化計画法を
適用することにより、ガスタービンの運転条件を最適化
する可変入口翼角度および燃料流量が算出される。
【００５３】ただし、この実施例１では燃料流量は、従
来の制御と同様にＰＩ制御により制御されているので、
最適化制御部３０からは算出された可変入口翼角度に基
づく可変入口翼角度指令値のみが出力される。
来の制御と同様にＰＩ制御により制御されているので、
最適化制御部３０からは算出された可変入口翼角度に基
づく可変入口翼角度指令値のみが出力される。
【００５４】しかして、この最適化制御部３０から出力
された可変入口翼角度指令値により、可変入口翼アクチ
ュエータ７が駆動されて可変入口翼６が最適な角度に制
御される。
された可変入口翼角度指令値により、可変入口翼アクチ
ュエータ７が駆動されて可変入口翼６が最適な角度に制
御される。
【００５５】このように、この実施例１においては、燃
料流量の制御をＰＩ制御部２０により行い、また可変入
口翼の制御を最適化制御部３０により行っているので、
空気温度や湿度などの外的条件の変化にかかわらず、ガ
スタービンを最適な運転状態で稼動させながらＮＯｘの
発生量を抑制できる。
料流量の制御をＰＩ制御部２０により行い、また可変入
口翼の制御を最適化制御部３０により行っているので、
空気温度や湿度などの外的条件の変化にかかわらず、ガ
スタービンを最適な運転状態で稼動させながらＮＯｘの
発生量を抑制できる。
【００５６】実施例２
本発明の実施例２に係るガスタービンの制御方法が適用
されているガスタービンを図３にブロック図で示す。こ
の実施例２は実施例１を改変してなるものである。図３
において、符号４０は燃空比補正制御部を示す。なお、
図３において、図２と同一の符号を付したものは同一ま
たは類似の構成要素を示す。
されているガスタービンを図３にブロック図で示す。こ
の実施例２は実施例１を改変してなるものである。図３
において、符号４０は燃空比補正制御部を示す。なお、
図３において、図２と同一の符号を付したものは同一ま
たは類似の構成要素を示す。
【００５７】制御装置１０は、ＰＩ制御部２０と最適化
制御部３０と燃空比補正制御部４０とを備えてなるもの
とされる。
制御部３０と燃空比補正制御部４０とを備えてなるもの
とされる。
【００５８】この燃空比補正制御部４０を設けるのは次
のような理由による。
のような理由による。
【００５９】実施例１においては、ＰＩ制御部２０から
の燃料制御弁開度指令値により燃料制御弁を制御してい
るため、最適化制御部３０において利用されているガス
タービンモデルにモデル化誤差があった場合、最適化制
御部３０により算出された燃料流量Ｗfoptと、ＰＩ制御
部２０からの燃料制御弁開度指令値に対応した燃料流量
Ｗfとの間に誤差が生ずることとなる。そのため、最適
化制御部３０からの可変入口翼角度指令値と燃料制御弁
開度指令値とを用いてガスタービンを制御した場合、最
適化制御部３０において本来制御しようとしていた燃空
比（燃料と空気との比率：燃料／空気）からずれること
になる。このずれを解消するため、この実施例２では、
ＰＩ制御部２０からの燃料制御弁開度指令値と、最適化
制御部３０により算出された燃料流量Ｗfoptに対応した
燃料制御弁開度指令値との差により最適化制御部３０か
らの可変入口翼角度指令値を補正するようにしている。
の燃料制御弁開度指令値により燃料制御弁を制御してい
るため、最適化制御部３０において利用されているガス
タービンモデルにモデル化誤差があった場合、最適化制
御部３０により算出された燃料流量Ｗfoptと、ＰＩ制御
部２０からの燃料制御弁開度指令値に対応した燃料流量
Ｗfとの間に誤差が生ずることとなる。そのため、最適
化制御部３０からの可変入口翼角度指令値と燃料制御弁
開度指令値とを用いてガスタービンを制御した場合、最
適化制御部３０において本来制御しようとしていた燃空
比（燃料と空気との比率：燃料／空気）からずれること
になる。このずれを解消するため、この実施例２では、
ＰＩ制御部２０からの燃料制御弁開度指令値と、最適化
制御部３０により算出された燃料流量Ｗfoptに対応した
燃料制御弁開度指令値との差により最適化制御部３０か
らの可変入口翼角度指令値を補正するようにしている。
【００６０】そのため、燃空比補正制御部４０は、ＰＩ
制御部２０からの燃料制御弁開度指令値（以下、第１開
度指令値という）と、最適化制御部３０からの燃料流量
に対応した燃料制御弁開度指令値（以下、第２開度指令
値という）との差を解消する可変入口翼角度指令値（以
下、第２角度指令値という）を生成し、その第２角度指
令値を最適化制御部３０からの可変入口翼角度指令値
（以下、第１角度指令値という）に加算して補正し、し
かる後その補正後の値を可変入口翼開度指令値（以下、
補正後角度指令値という）として出力するようにされて
いる。例えば、第１開度指令値と第２開度指令値との差
がプラス、つまり燃料流量が多い場合には、可変入口翼
アクチュエータに供給される可変翼角度指令値を第１角
度指令値より大きくして、燃空比を適正なものとするよ
うにされている。
制御部２０からの燃料制御弁開度指令値（以下、第１開
度指令値という）と、最適化制御部３０からの燃料流量
に対応した燃料制御弁開度指令値（以下、第２開度指令
値という）との差を解消する可変入口翼角度指令値（以
下、第２角度指令値という）を生成し、その第２角度指
令値を最適化制御部３０からの可変入口翼角度指令値
（以下、第１角度指令値という）に加算して補正し、し
かる後その補正後の値を可変入口翼開度指令値（以下、
補正後角度指令値という）として出力するようにされて
いる。例えば、第１開度指令値と第２開度指令値との差
がプラス、つまり燃料流量が多い場合には、可変入口翼
アクチュエータに供給される可変翼角度指令値を第１角
度指令値より大きくして、燃空比を適正なものとするよ
うにされている。
【００６１】燃空比補正制御部４０は、具体的には、最
適化制御部３０からの燃料流量Ｗfo ptを燃料制御弁開度
に変換する燃料流量／弁開度変換手段４１と、ＰＩ制御
器４２と、一次遅れ手段４３とを備えてなるものとされ
る。この一次遅れ手段４３は、ＰＩ制御部２０による燃
料制御弁５の制御と、燃空比補正制御部４０による可変
入口翼６の制御が干渉するのを防止するために設けられ
ているものであって、これにより燃空比補正制御部４０
による可変入口翼の制御が緩やかなものとなる。また、
同様の理由によりＰＩ制御器４２のゲインも小さめに設
定されている。例えば、燃空比補正制御部４０のＰＩ制
御器４２のゲインは、燃料制御を行うＰＩ制御部２０の
ゲインに対して、比例ゲインは数分の１から十数分の１
程度とされ、積分時間は数倍から十数倍とされている。
適化制御部３０からの燃料流量Ｗfo ptを燃料制御弁開度
に変換する燃料流量／弁開度変換手段４１と、ＰＩ制御
器４２と、一次遅れ手段４３とを備えてなるものとされ
る。この一次遅れ手段４３は、ＰＩ制御部２０による燃
料制御弁５の制御と、燃空比補正制御部４０による可変
入口翼６の制御が干渉するのを防止するために設けられ
ているものであって、これにより燃空比補正制御部４０
による可変入口翼の制御が緩やかなものとなる。また、
同様の理由によりＰＩ制御器４２のゲインも小さめに設
定されている。例えば、燃空比補正制御部４０のＰＩ制
御器４２のゲインは、燃料制御を行うＰＩ制御部２０の
ゲインに対して、比例ゲインは数分の１から十数分の１
程度とされ、積分時間は数倍から十数倍とされている。
【００６２】なお、燃空比補正制御部４０のＰＩ調節器
４２のゲインを小さめに設定することと、一次遅れ手段
４３を設けることは、ともに制御をゆるやかにするため
のものであり、これらの双方の手段を併用してもよい
し、いずれか片方の手段のみを用いてもよい。
４２のゲインを小さめに設定することと、一次遅れ手段
４３を設けることは、ともに制御をゆるやかにするため
のものであり、これらの双方の手段を併用してもよい
し、いずれか片方の手段のみを用いてもよい。
【００６３】このように、この実施例２によれば、最適
化制御部３０にモデル化誤差があってもこの誤差を吸収
してガスタービンを制御できるという実施例１では得ら
れない効果も得られる。
化制御部３０にモデル化誤差があってもこの誤差を吸収
してガスタービンを制御できるという実施例１では得ら
れない効果も得られる。
【００６４】以上、本発明を実施形態および実施例に基
づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および
実施例のみに限定されるものではなく、種々改変が可能
である。例えば、実施形態および実施例ではガスタービ
ンは発電用に用いられているが、推進用のものとされて
もよい。ただし、その場合は要求出力および発電出力に
代えて要求回転数および実際回転数が用いられる。
づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および
実施例のみに限定されるものではなく、種々改変が可能
である。例えば、実施形態および実施例ではガスタービ
ンは発電用に用いられているが、推進用のものとされて
もよい。ただし、その場合は要求出力および発電出力に
代えて要求回転数および実際回転数が用いられる。
【００６５】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のガスター
ビンの制御方法および制御装置によれば、空気温度や湿
度などの外的条件の変化にかかわらずに、ＮＯｘの発生
を抑制しながら、ガスタービンを常に最適な運転状態で
稼働させることができるという優れた効果が得られる。
ビンの制御方法および制御装置によれば、空気温度や湿
度などの外的条件の変化にかかわらずに、ＮＯｘの発生
を抑制しながら、ガスタービンを常に最適な運転状態で
稼働させることができるという優れた効果が得られる。
【図１】本発明のガスタービンの制御方法で適用される
ガスタービン発電設備のブロック図である。
ガスタービン発電設備のブロック図である。
【図２】本発明の実施例１のガスタービンの制御方法が
適用されているガスタービン発電設備のブロック図であ
る。
適用されているガスタービン発電設備のブロック図であ
る。
【図３】本発明の実施例２のガスタービンの制御方法が
適用されているガスタービン発電設備のブロック図であ
る。
適用されているガスタービン発電設備のブロック図であ
る。
【図４】本発明の実施例１および実施例２における最適
化制御の構成を示すブロック図である。
化制御の構成を示すブロック図である。
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ パワータービン
４ 発電機
５ 燃料制御弁
６ 可変入口翼
７ 可変入口翼アクチュエータ
１０ 制御装置
２０ ＰＩ制御部
３０ 最適化制御部
４０ 燃空比補正制御部
４１ 燃料流量／弁開度変換手段
４２ ＰＩ制御器
４３ 一次遅れ手段
Ｈ ガスタービン発電設備
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 杉本 隆雄
明石市川崎町１番１号 川崎重工業株式
会社 明石工場内
(72)発明者 永井 勝史
明石市川崎町１番１号 川崎重工業株式
会社 明石工場内
(72)発明者 梶田 眞市
明石市川崎町１番１号 川崎重工業株式
会社 明石工場内
(72)発明者 木村 武清
明石市川崎町１番１号 川崎重工業株式
会社 明石工場内
(56)参考文献 特開 平６−257425（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−272361（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−224689（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−43223（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−171834（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−45734（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F02C 1/00 - 9/58
F23R 3/00 - 7/00
Claims (9)
- 【請求項１】 可変入口翼を有するガスタービンの制御
方法であって、フィードバック制御により要求出力と発電出力との差を
解消させる燃料制御弁開度指令値を生成し、前記燃料制
御弁開度指令値により前記燃料制御弁の開度を調節し、 ＮＯｘの発生を抑制しながらガスタービンの運転状態が
最適となるように、要求出力と空気温度と空気湿度とを
少なくとも入力とする最適化制御処理により燃焼器の燃
空比を最適とする可変入口翼角度指令値を生成し、前記
可変入口翼角度指令値により前記可変入口翼の角度を調
節することを特徴とするガスタービンの制御方法。 - 【請求項２】 可変入口翼を有するガスタービンの制御
方法であって、 フィードバック制御により要求出力と発電出力との差を
解消させる第１の燃料制御弁開度指令値を生成し、 前記第１の燃料制御弁開度指令値により前記燃料制御弁
の開度を調節し、 ＮＯｘの発生を抑制しながらガスタービンの運転状態が
最適となるように、要求出力と空気温度と空気湿度とを
少なくとも入力とする 最適化制御処理により、燃焼器の
燃空比を最適とする燃料流量指令値および第１の可変入
口翼角度指令値を生成し、 前記燃料流量指令値に対応した第２の燃料制御弁開度指
令値を生成し、 前記第１の 燃料制御弁開度指令値と前記第２の燃料制御
弁開度指令値との差を解消させる第２の可変入口翼角度
指令値を生成し、 前記第１の可変入口翼角度指令値を前記第２の可変入口
翼角度指令値により 補正し、その補正された可変入口翼
角度指令値により前記可変入口翼の角度を調節すること
を特徴とするガスタービンの制御方法。 - 【請求項３】 第１の燃料制御弁開度指令値による燃料
制御弁の開度調節と、補正された可変入口翼角度指令値
による可変入口翼の角度調節とが干渉しないように、第
２の可変入口翼角度指令値を生成することを特徴とする
請求項２記載のガスタービンの制御方法。 - 【請求項４】 第２の可変入口翼角度指令値の生成がフ
ィードバック制御を含む制御によりなされ、該フィード
バック制御に関するゲインが小さくされていることを特
徴とする請求項３記載のガスタービンの制御方法。 - 【請求項５】 第２の可変入口翼角度指令値の生成が応
答を遅くしてなされることを特徴とする請求項３記載の
ガスタービンの制御方法。 - 【請求項６】 可変入口翼を有するガスタービンの制御
装置であって、前記制御装置がフィードバック制御部と
最適化制御部とを備え、 前記フィードバック制御部により要求出力と発電出力と
の差に基づいて、その差を解消する燃料制御弁開度指令
値が生成され、 前記最適化制御部により、少なくとも要求出力と空気温
度と空気湿度とを用いて、ＮＯｘの発生を抑制しながら
ガスタービンの運転状態が最適となるように、燃焼器の
燃空比を最適とする可変入口翼角度指令値が生成され、 前記燃料制御弁開度指令値により燃料制御弁の開度が 調
節され、かつ前記可変入口翼角度指令値により前記可変
入口翼の角度が調節されてなることを特徴とするガスタ
ービンの制御装置。 - 【請求項７】 可変入口翼を有するガスタービンの制御
装置であって、前記制御装置がフィードバック制御部と
最適化制御部と燃空比補正制御部とを備え、 前記フィードバック制御部により要求出力と発電出力と
の差に基づいて、その差を解消する第１の燃料制御弁開
度指令値が生成され、 前記最適化制御部により、少なくとも要求出力と空気温
度と空気湿度とを用いてＮＯｘの発生を抑制しながらガ
スタービンの運転状態が最適となるように、燃焼器の燃
空比を最適とする燃料流量指令値および第１の可変入口
翼角度指令値が生成され、 前記燃空比補正制御部により、 前記燃料流量指令値に対応した第２の燃料制御弁開度指
令値が生成され、 前記第２の燃料制御弁開度指令値と前記第１の燃料制御
弁開度と差を解消す る第２の可変入口翼角度指令値が生
成され、 前記第２の可変入口翼角度指令値により前記第１の 可変
入口翼角度指令値が補正され、 前記第１の燃料制御弁開度指令値により燃料制御弁の開
度が調節され、かつ前記補正された可変入口翼角度指令
値により可変入口翼の角度が調節されてなる ことを特徴
とするガスタービンの制御装置。 - 【請求項８】 前記燃空比補正制御部が一次遅れ手段を
有してなることを特徴とする請求項７記載のガスタービ
ンの制御装置。 - 【請求項９】 請求項６ないし請求項８のいずれか一項
に記載のガスタービンの制御装置を備えてなることを特
徴とするガスタービン設備。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37361799A JP3479672B2 (ja) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | ガスタービンの制御方法および制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37361799A JP3479672B2 (ja) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | ガスタービンの制御方法および制御装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001193480A JP2001193480A (ja) | 2001-07-17 |
| JP3479672B2 true JP3479672B2 (ja) | 2003-12-15 |
Family
ID=18502471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP37361799A Expired - Fee Related JP3479672B2 (ja) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | ガスタービンの制御方法および制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP6427841B2 (ja) * | 2015-08-25 | 2018-11-28 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 燃料制御装置、燃焼器、ガスタービン、制御方法及びプログラム |
| JP6652853B2 (ja) * | 2016-02-12 | 2020-02-26 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | ガスタービン制御装置、制御方法、プログラム |
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| KR102452608B1 (ko) * | 2021-03-04 | 2022-10-07 | 인하대학교 산학협력단 | 인공지능을 기반으로 하는 가스 터빈 제어 방법 및 그 장치 |
| CN115539221A (zh) * | 2022-11-09 | 2022-12-30 | 华瑞（江苏）燃机服务有限公司 | 燃气轮机NOx闭环控制方法、系统 |
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- 1999-12-28 JP JP37361799A patent/JP3479672B2/ja not_active Expired - Fee Related
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