JP3752568B2 - ガスタービン燃料加熱システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温流体と低温流体との間で熱交換を行う熱交換システムに係わり、特に、ガスタービンプラントの熱交換器において給水を熱源とし、燃料を加熱するガスタービン燃料加熱システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料加熱器の技術として、従来より、燃料を加熱し、ガスタービンの効率を上げることが知られている。燃料加熱ガスタービンプラントの一例を図12に示す。図12は、従来のガスタービン燃料加熱システムを用いたコンバインドサイクルプラントの例である。ガスタービンは、空気圧縮機3と燃焼器4およびタービン5から構成され、吸気系統12から吸気した空気は、空気圧縮機3で圧縮され、燃料系統101から燃料を供給され、燃焼器4で圧縮空気と燃料が混合・燃焼してタービン5で仕事をし、高温の排気ガスとしてガスタービンの外に排出される。排気ガス13は、排熱回収ボイラ6に導かれ、排熱回収ボイラ給水系統10より給水され、蒸発ドラム7で蒸気を発生する。発生した蒸気は蒸気系統11で蒸気タービンに導かれ、ガスタービンとともに発電機1を回転させ、電気出力を発生する。蒸気タービン2で仕事をした蒸気は復水器8に回収され、排熱回収ボイラ給水系統10より再び排熱回収ボイラ10に供給される。
燃料を加熱する熱交換器100は、空気圧縮機3、燃焼器4およびタービン5から構成されるガスタービンに燃料を供給する燃料系統101上の燃焼器4の前に設置される。熱交換器100には燃料加熱システム給水系統102を設置し、排熱回収ボイラ給水系統10の排熱回収ボイラ6で予熱された高温水を抽出し、この高温水を熱源として燃料を加熱する。ガスタービンの燃料を加熱した後の水は復水器8に回収される。
また、燃料加熱ガスタービンプラントについて、特開平8−35435号公報に記載があり、燃料を加熱し、ガスタービンの効率を上げることが記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術は、交換熱量が大きく、熱交換する流体の流量が少ない熱交換器の場合、伝熱面積が大きくなり、熱交換器の熱容量が大きくなるために、熱交換器内部での高温流体と低温流体の流速が下がり、燃料温度の制御性が悪くなる、という問題があった。特に、負荷急変、負荷遮断により燃料流量が急激に低下した場合には、熱交換器の熱容量が大きいため、燃料温度が急激に上昇する等の制御上の問題があった。
例えば、従来の燃料加熱システムでは、図9に示すように、負荷遮断時のように燃料流量が急激に低下する場合は、図11の実線で示すように、給水流量が大きく変動し、図10の実線で示すように、燃料温度は急激に変動して燃料温度の変動のピーク値はガスタービンによって決定する許容変動範囲を超えてしまっていた。
【0004】
本発明の課題は、交換熱量が大きく、熱交換する流体が少ない熱交換器に対して、加熱後の燃料温度の急激な変動を抑制し、制御性を向上させるガスタービン燃料加熱システムを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、燃料系統に熱交換器をバイパスする燃料バイパス系統を設置し、燃料バイパス系統にバイパス流量調節弁を設けると共に、熱交換器の給水系統に給水流量調節弁を設け、バイパス流量調節弁と給水流量調節弁を制御し、熱交換後の燃料温度を制御する燃料温度制御装置を設け、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が遮断された場合、負荷が急激に低下した場合または燃料系統の燃料流量が急激に低下した場合に、バイパス流量調節弁を予め設定された時間強制的に開し、給水流量調節弁を予め設定された規定開度まで強制的に閉し、その後予め設定された時間バイパス流量調節弁を制御して加熱後の燃料温度を制御する。
また、熱交換器入口で合流する温度の異なる複数の給水系統を設置し、熱交換器入口の給水温度を制御する給水温度調節弁を各々に設けると共に、熱交換器出口の給水系統に給水流量調節弁を設け、給水流量調節弁と給水温度調節弁を独立に制御し、熱交換後の燃料温度を制御する燃料温度制御装置を設け、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が遮断された場合、負荷が急激に低下した場合または燃料系統の燃料流量が急激に低下した場合に、複数の給水系統に設けた給水温度調節弁をそれぞれ予め設定された時間、予め設定された規定開度に制御し、その後それぞれ給水温度調節弁を制御することによって、熱交換後の燃料温度を予め設定された温度に制御する。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施形態を図面を用いて具体的に説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるガスタービン燃料加熱システムを示す。図1において、図12と同一符号は同一対称であり、熱交換器100は燃料を加熱し、ガスタービン燃料系統101はガスタービンに燃料を供給し、燃料加熱システム給水系統102は排熱回収ボイラ6(図12)で予熱された高温水を抽出し、この高温水を熱源として燃料を加熱する。
熱交換器100の入口側に燃料流量検出器121を設置し、燃料流量を検出する。燃料系統101の熱交換器100をバイパスする燃料バイパス系統103を設ける。燃料バイパス系統103の燃料と熱交換器100で加熱された燃料との合流点に燃料温度検出器123を設置し、合流後の燃料温度を検出する。燃料流量検出器121で検出された燃料流量と、燃料温度検出器123で検出された燃料温度信号と、ガスタービンの負荷遮断の信号141、負荷急変の信号142とを燃料温度制御装置130に入力し、演算処理して、熱交換器100の後に設置した給水流量制御弁111の弁開度およびバイパス系統103に設置したバイパス流量調節弁113を制御する。
【0007】
図2は、本実施形態の燃料温度制御装置130の詳細構成であり、図1の系統の制御方法の具体的な例として、通常のガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷変化、負荷遮断、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が急激に低下した場合(負荷急変)および燃料流量が急激に低下した場合について、説明する。
通常のガスタービンの負荷変化の場合、ガスタービンの機種によって決定されるガスタービン最大負荷変化率時の燃料流量変化率を規定値Aとすると、燃料系統101の燃料流量検出器121で検出された燃料流量とt秒前の燃料流量とから単位時間当たりの変化率を演算器155により演算し、演算した変化率が演算器156において規定値A以下であり、ガスタービンから負荷遮断の信号141または負荷急変の信号142が入力されない場合、熱交換後の温度検出器123で検出された燃料温度と予め設定した温度γ℃を開度演算器(HHは上限値、LLは下限値)131において比較演算し、発信された開度信号によって熱交換後の燃料温度が予め設定した温度γ℃になるように給水流量調節弁111を制御する。この時、開度演算器135によりバイパス流量調節弁113は全閉である。
【0008】
次に、ガスタービンまたはコンバインドサイクルにおいて負荷遮断が行われた場合、燃料温度制御装置130は負荷遮断141の信号を受信し、図3に示すように、開度演算器133は給水流量調節弁111を最小開度α%まで閉し、開度演算器135は燃料側のバイパス流量調節弁113に対する全閉信号を解除し、開度演算器134はバイパス流量調節弁113を規定開度β%まで開するようにバイパス流量調節弁113に対して開度信号を発する。また、負荷遮断の信号141を受信したと同時にタイマー136、137、138が作動する。タイマー137は作動後T1秒時間が経過した後、開度演算器134のバイパス流量調節弁113に対する規定開度β%の信号を解除する。規定開度β%の信号が解除された後、開度演算器(HHは上限値、LLは下限値)132において温度検出器123で検出された燃料温度と予め設定した温度γ℃を比較演算し、発信された開度信号によってバイパス流量調節弁113は設定温度γ℃になるように燃料温度を制御する。タイマー136はT2秒の後、給水流量調節弁111に対する最小開度α%の信号を解除し、給水流量調節弁111は開度演算器131による制御に戻る。開度演算器138はタイマー138がT2秒経過後、再びバイパス流量調節弁113を全閉状態に制御する。
負荷急変の場合も、燃料温度制御装置130は負荷遮断142の信号を受信し、図2に示すように、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【0009】
ここで、バイパス流量調節弁113を開している時間T1秒は、個々の熱交換器の容量によって決定される値であり、熱交換後の燃料温度の変動のピーク値を許容範囲内に抑えられる時間である。開度β%は、ガスタービンまたはプラントの負荷遮断が起こる直前のガスタービン負荷からなる関数であり、ガスタービンの負荷が大きければ大きい程、つまり燃料流量が多ければ多い程βの値は小さくなる。T2秒は、個々の熱交換器の容量および給水流量調節弁111の容量によって決定される値であり、バイパス流量調節弁113を制御せずに給水流量調節弁111によってのみ燃料温度を制御した場合であっても、熱交換後の燃料温度を許容変動範囲以内に制御が可能となる時間である。開度α%は、個々の給水流量調節弁固有の値であり、流量制御が可能な最低限の開度である。
【0010】
次に、燃料流量が急激に低下した場合には、燃料流量が変化するt秒前の流量と演算器155で比較し、さらに演算器156で規定値A以下であるかを比較する。燃料流量の変化率が規定値A以下の場合は通常の負荷変化であり、流量変化率が規定値A以上の場合には、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【0011】
ここで、従来の燃料バイパス系統103がない燃料加熱システムの場合を考える。例えば、ガスタービンまたはコンバインドサイクルにおいて負荷遮断が起こった場合、燃料流量検出器121で検出される燃料流量121は、図9に示すように、急激に減少し、熱交換後の燃料温度検出器123で検出される燃料温度は、図10の実線で示すように、急激に上昇して、燃料温度制御装置130は給水流量調節弁111を閉し、図11に示すように、給水流量が減少する。給水流量が減少しても、熱交換器100は熱容量が大きいため、給水側から燃料側に熱が伝わり、燃料温度検出器123で検出される燃料温度は急速に給水温度近傍まで上昇する。一方、本発明による燃料加熱システムでは、燃料温度が急速に上昇しても、熱交換器100の後で燃料バイパス系統103の燃料つまり熱交換前の低温の燃料と混合され、燃料温度の上昇を図10の点線で示すように抑制する。したがって、従来の熱交換システムと比較すると、燃料温度の変動が抑制され、また、燃料温度の変動が静定する時間も短縮される効果がある。
【0012】
図4は、本発明の他の実施形態を示す。図1の実施形態と異なる点は、熱源としてそれぞれ異なる温度を有する給水系統を2系統設置する点である。
図4において、燃料加熱システム給水系統102として、給水温度調節弁114を設置した給水系統104と、給水温度調節弁115を設置した給水系統105を設け、給水系統105は給水系統104より低温の給水を行う。燃料温度制御装置130は、燃料流量検出器121で検出された燃料流量と、燃料温度検出器123で検出された燃料温度信号と、ガスタービンの負荷遮断の信号141、負荷急変の信号142とを入力し、演算処理して、熱交換器100の後に設置した給水流量制御弁111の弁開度、給水系統104の給水温度調節弁114および給水系統105の給水温度調節弁115を制御する。
なお、燃料加熱システム給水系統102として、給水系統を2つ以上の複数設けてもよいことは云うまでもない。
【0013】
図5は、本実施形態の燃料温度制御装置130の詳細構成であり、図4の系統の制御方法の具体的な例として、通常のガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷変化、負荷遮断、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が急激に低下した場合(負荷急変)および燃料流量が急激に低下した場合について、説明する。
通常の負荷変化の場合は、開度演算器152によって給水温度調節弁114を全開制御し、開度演算器154によって給水温度調節弁115を全閉制御し、図1の系統の場合と同様の制御を行う。
【0014】
次に、ガスタービンまたはコンバインドサイクルにおいて負荷遮断が行われた場合、燃料温度制御装置130は負荷遮断141の信号を受信し、図6に示すように、開度演算器131は、給水流量調節弁111の開度を演算し、開度信号を発信するが、開度演算器133は、負荷遮断信号141の受信と同時に開度演算器131の信号を解除し、給水流量調節弁111を最小開度α%まで閉する。開度演算器152は給水温度調節弁114を全閉し、開度演算器154は給水温度調節弁115を全開する。また、負荷遮断の信号141を受信したと同時にタイマー146が作動する。タイマー146が作動後T1秒経過後は、給水温度調節弁114および給水温度調節弁115の開度が変化している最中も給水流量調節弁111のみの制御で燃料温度の制御が可能な最大の開度変化率で、給水温度調節弁114は全開に、給水温度調節弁115は全閉に、復帰し、開度演算器133の最小開度α%の信号は解除され、通常の給水流量調節弁111による燃料温度制御に復帰する。
負荷急変の場合も、燃料温度制御装置130は負荷遮断142の信号を受信し、図5に示すように、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【0015】
次に、燃料流量が急激に低下した場合には、図1の系統の場合と同様に、燃料流量が変化するt秒前の流量と演算器155で比較し、さらに演算器156で規定値A以下であるかを比較する。燃料流量の変化率が規定値A以下の場合は通常の負荷変化であり、流量変化率が規定値A以上の場合には、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【0016】
本実施形態では、燃料温度検出器123で検出される燃料温度は、給水温度以上には上昇しないので、燃料温度の上昇幅を抑制し、変動幅を許容変動範囲内とすることができる。従来の熱交換システムと比較すると、図1の実施形態と同様に、燃料温度の変動が抑制され、燃料温度の変動が静定する時間も短縮される効果がある。
【0017】
図7は、図4の実施形態の他の燃料温度制御装置130の詳細構成であり、図4の系統の給水温度調節弁114、115を最適な開度に制御する例である。図5に示す制御方法と異なる点は、図5に示す方法が給水温度調節弁114、115を全開または全閉のみに制御していた点に対し、給水温度調節弁114、115をそれぞれ中間開度にも制御する様にした点である。具体的な例として、ガスタービンにおいて負荷遮断または負荷急変が行われた場合および燃料流量が急激に低下した場合について説明する。
負荷遮断が行われた場合、燃料温度制御装置130は負荷遮断141の信号を受信し、図8に示すように、開度演算器131は、給水流量調節弁111の開度を演算し、開度信号を発信するが、開度演算器133は負荷遮断信号141の受信と同時に開度演算器131の信号を解除し、給水流量調節弁111を最小開度α%まで閉する。開度演算器(HHは上限値、LLは下限値)151および開度演算器(HHは上限値、LLは下限値)153はそれぞれ給水温度調節弁114と給水温度調節弁115の開度を演算し開度信号を発信するが、開度演算器152は開度演算器151の信号を解除し、給水温度調節弁114を全閉し、開度演算器154は開度演算器153の信号を解除し、給水温度調節弁115を全開する。
負荷遮断の信号141を受信したと同時にタイマー146、147が作動する。タイマー146は、作動後T1秒時間が経過した後、開度演算器152の給水温度調節弁114に対する全閉信号を解除し、開度演算器154の給水温度調節弁115に対する全開信号を解除する。T1秒経過後は、開度演算器133によって、給水流量調節弁111の開度は最小開度α%に制御されたまま、開度演算器151と開度演算器153によってそれぞれ給水温度調節弁114と給水温度調節弁115の開度を演算し、給水温度調節弁114と給水温度調節弁115によって燃料温度検出器123によって検出される燃料温度を設定値γ℃に制御する。ここで、開度演算器152による全閉信号が解除され、また、開度演算器154による全開信号が解除されたとしても、条件によっては開度演算器151により給水温度調節弁114は全閉に、開度演算器153により給水温度調節弁115は全開を維持するように制御される場合もある。タイマー147がT3秒経過後、開度演算器133は最小開度α%の信号を解除し、開度演算器131は給水流量調節弁111を制御し、開度演算器151は給水温度調節弁114を制御し、開度演算器156は給水温度調節弁115を制御して、燃料温度検出器123によって検出される燃料温度が設定値γ℃になるように制御する。
この場合、T3は熱交換器100の容量によって決定される値であり、燃料温度の変動が小さくなり、通常の制御に戻すことが可能となる時間である。
負荷急変の場合も、燃料温度制御装置130は負荷遮断142の信号を受信し、図7に示すように、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【0018】
次に、燃料流量が急激に低下した場合には、図1の系統の場合と同様に、燃料流量が変化するt秒前の流量と演算器155で比較し、さらに演算器156で規定値A以下であるかを比較する。燃料流量の変化率が規定値A以下の場合は通常の負荷変化であり、流量変化率が規定値A以上の場合には、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【0019】
本実施形態は、この制御方法を採用することにより、図5に示す制御方法に比べて、通常の制御に復帰する場合、給水温度調節弁114、115の開度変化幅が小さいために、燃料温度の変動がさらに小さくなり、また、燃料温度の変動が静定する時間もさらに短縮される効果がある。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料系統の熱交換器をバイパスする燃料バイパス系統を設けることにより、また、熱源として燃料加熱システム給水系統にそれぞれ異なる温度を有する給水系統を複数系統設置することにより、ガスタービンが負荷遮断した場合、負荷が急激に低下した場合または燃料流量が急激に低下した場合でも、加熱後の燃料温度の急激な変動を抑制することができ、また、燃料温度の変動が静定するまでの時間も短縮することができる。
この結果、交換熱量が大きく、熱交換する流体が少ない熱交換器に対しての制御性を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態によるガスタービン燃料加熱システム
【図2】本発明の一実施形態による燃料温度制御装置の詳細構成と制御流れ図
【図3】本発明の給水流量調節弁、バイパス流量調節弁の開度状態説明図
【図4】本発明の他の実施形態
【図5】本発明の他の実施形態による燃料温度制御装置の詳細構成と制御流れ図
【図6】本発明の給水流量調節弁、給水温度調節弁の開度状態説明図
【図7】本発明の他の実施形態による他の燃料温度制御装置の詳細構成と制御流れ図
【図8】本発明の給水流量調節弁、給水温度調節弁の開度状態説明図
【図9】時間に対する燃料流量の変化を示す図
【図10】時間に対する燃料温度の変化を示す図
【図11】時間に対する給水流量の変化を示す図
【図12】従来の燃料加熱ガスタービンプラントの概略系統図
【符号の説明】
1…発電機、2…蒸気タービン、3…空気圧縮機、4…燃焼器、5…ガスタービン、6排熱回収ボイラ、7…蒸発ドラム、8…復水器、9…燃料加熱システム、10…排熱回収ボイラ給水系統、11…蒸気系統、12…ガスタービン吸気系統、13…排ガス系統、100…熱交換器、101…ガスタービン燃料系統、102…燃料加熱システム給水系統、103…熱交換器バイパス系統、111…給水流量調節弁、113…バイパス流量調節弁、114、115…給水温度調節弁、121…燃料流量検出器、123…燃料温度検出器、130…燃料温度制御装置、131、132、133、134、135、151、152、153、154、…開度演算器、155、156…演算器、136、137、138、146、147…タイマー、141…負荷遮断信号、142…負荷急変信号
Claims (4)
- ガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスで蒸気を発生する排熱回収ボイラと、前記ガスタービンに供給する燃料系統の燃料を加熱する熱交換器と、前記熱交換器の熱源として前記排熱回収ボイラの発生蒸気を前記熱交換器の給水系統として利用するガスタービン燃料加熱システムにおいて、前記熱交換器をバイパスする燃料バイパス系統を設置し、前記熱交換器によって加熱された後の燃料系統と燃料バイパス系統との合流後の燃料温度と、前記燃料系統の燃料流量と、前記ガスタービンの負荷信号を入力して演算処理する燃料温度制御装置を設け、前記燃料温度制御装置からの信号に基づいて前記燃料バイパス系統に設けたバイパス流量調節弁および前記給水系統に設けた給水流量調節弁の開度を制御し、熱交換後の燃料温度を予め設定された設定温度に制御することを特徴とするガスタービン燃料加熱システム。
- 請求項1において、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が遮断された場合、負荷が急激に低下した場合または燃料系統の燃料流量が急激に低下した場合に、前記バイパス流量調節弁を予め設定された時間強制的に開し、前記給水流量調節弁を予め設定された規定開度まで強制的に閉し、その後予め設定された時間前記バイパス流量調節弁を制御して加熱後の燃料温度を制御することを特徴とするガスタービン燃料加熱システム。
- ガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスで蒸気を発生する排熱回収ボイラと、前記ガスタービンに供給する燃料系統の燃料を加熱する熱交換器と、前記熱交換器の熱源として前記排熱回収ボイラの発生蒸気を前記熱交換器の給水系統として利用するガスタービン燃料加熱システムにおいて、前記熱交換器の給水系統として、前記熱交換器入口で合流するそれぞれ異なる温度を有する給水系統を複数設置し、前記熱交換器によって加熱された後の燃料温度と、前記燃料系統の燃料流量と、前記ガスタービンの負荷信号を入力して演算処理する燃料温度制御装置を設け、前記燃料温度制御装置からの信号に基づいて前記熱交換器出口の前記給水系統に設けた給水流量調節弁の開度に加えて前記複数の給水系統にそれぞれ設けた給水温度調節弁の開度を独立に制御し、熱交換後の燃料温度を予め設定された設定温度に制御することを特徴とするガスタービン燃料加熱システム。
- 請求項3において、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が遮断された場合、負荷が急激に低下した場合または燃料系統の燃料流量が急激に低下した場合に、前記複数の給水系統に設けた給水温度調節弁をそれぞれ予め設定された時間、予め設定された規定開度に制御し、その後それぞれ前記給水温度調節弁を制御することによって、熱交換後の燃料温度を予め設定された温度に制御することを特徴とするガスタービン燃料加熱システム。
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1999
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