JP4119909B2 - ガスタービンの燃焼制御装置 - Google Patents
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Description
(2) ガスタービン入口燃焼ガス温度が一定の運転状態であっても、燃料ガス温度が変わると、燃料ガスの密度が変わるため、CSOが変化して、パイロット比やトップハット比なども変化してしまう。例えば図42に燃料ガス温度の変化に対するガスタービン入口燃焼ガス温度TITとCSOの関係を例示するように燃料ガス温度が変わると、ガスタービン入口燃焼ガス温度TITとCSOの関係がずれる。そして、CSOがずれればPLCSOやTHCSOなどもずれて、パイロット比やトップハット比などもずれてしまう。
(3) ガスタービン入口燃焼ガス温度が一定の運転状態であっても、圧縮機の能力の低下などによりガスタービン性能が劣化すると、CSOやMW/FX(Pcs)が変化して、パイロット比、トップハット比、燃焼器バイパス弁開度なども変化してしまう。
(4) ガスタービン入口燃焼ガス温度が一定の運転状態であっても、燃料ガスの性状(燃料ガスの発熱量)が変わると、CSOが変化して、パイロット比、トップハット比なども変化してしまう。例えば図43に燃料ガス発熱量の変化に対するガスタービン出力(発電機出力)とCSOとの関係を例示するように燃料ガスの発熱量が変わると、発電機出力(ガスタービン出力とCSOの関係がずれてしまう。CSOがずれればPLCSOやTHCSOなどもずれて、パイロット比やトップハット比などもずれてしまう。
(5) また、パイロット比などと、BYCSOとでは制御パラメータが異なる。
前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度とに基づいて、第1のガスタービン入口燃焼ガス温度に対応する第1ガスタービン出力を算出する第1ガスタービン出力算出手段と、
前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度とに基づいて、前記第1のガスタービン入口燃焼ガス温度よりも高温の第2のガスタービン入口燃焼ガス温度に対応する第2ガスタービン出力を算出する第2ガスタービン出力算出手段と、
前記第1ガスタービン出力算出手段で算出した前記第1ガスタービン出力と、前記第2ガスタービン出力算出手段で算出した前記第2ガスタービン出力と、前記ガスタービンの出力とに基づいて、直線補間により、燃焼ガス温度を無次元化した燃焼負荷指令値を算出する燃焼負荷指令算出手段とを備え、
この燃焼負荷指令算出手段で算出した前記燃焼負荷指令値に基づいて、前記複数種類の燃料ノズルのそれぞれへ供給する燃料の比率を決定し、これらの燃料の比率に基づいて前記燃料流量調節弁の開度を制御することにより前記複数種類の燃料ノズルへの燃料供給量を制御することを特徴とする。
前記ガスタービンには、前記燃焼器に対する圧縮空気のバイパス量を調整する燃焼器バイパス弁が装備されており、
前記燃焼負荷指令算出手段で算出した前記燃焼負荷指令値に基づいて、前記燃焼器バイパス弁の開度を制御することにより前記圧縮空気のバイパス量を制御することを特徴とする。
前記ガスタービンは前記燃焼器及び前記ガスタービン本体に対して圧縮空気をバイパスするガスタービンバイパス手段を有しており、
前記第1ガスタービン出力算出手段では、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記圧縮機の全圧縮空気量と前記ガスタービンバイパス手段による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とに基づいて、前記第1ガスタービン出力を算出し、
前記第2ガスタービン出力算出手段では、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記タービンバイパス比とに基づいて、前記第2ガスタービン出力を算出することを特徴とする。
前記第1ガスタービン出力算出手段では、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記圧縮機の吸気圧力と標準大気圧との比である大気圧比とに基づいて、前記第1ガスタービン出力を算出、又は、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記タービンバイパス比と、前記大気圧比とに基づいて、前記第1ガスタービン出力を算出し、
前記第2ガスタービン出力算出手段では、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記大気圧比とに基づいて、前記第2ガスタービン出力を算出、又は、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記タービンバイパス比と、前記大気圧比とに基づいて、前記第2ガスタービン出力を算出することを特徴とする。
前記燃料の比率を、前記圧縮機の吸気温度に基づいて補正する吸気温度補正手段を備えたことを特徴とする。
前記吸気温度補正手段では、前記燃焼負荷指令値に応じて吸気温度補正量を調整することを特徴とする。
前記第2ガスタービン出力算出手段は、前記第2のガスタービン入口燃焼ガス温度である最高燃焼ガス温度に対応する第2ガスタービン出力を算出するものであり、
前記ガスタービン本体から排出される排ガスの温度と前記圧縮機の圧力比とに基づいてガスタービン入口燃焼ガス温度が前記最高燃焼ガス温度に達したと判断した後、前記第2ガスタービン出力算出手段で算出された前記第2ガスタービン出力と、前記ガスタービンの出力とを比較して、前記第2ガスタービン出力を前記ガスタービンの出力に一致させるように補正する学習手段を備えたことを特徴とする。
前記燃焼負荷指令算出手段で算出した燃焼負荷指令値と、燃焼負荷指令値と燃料の比率との関数とに基づいて、前記複数種類の燃料ノズルのそれぞれへ供給する燃料の比率を求める燃料比率設定手段と、
前記複数種類の燃料ノズルに供給する全燃料流量に比例する全燃料流量指令値と、前記燃料の比率とに基づいて、前記複数種類の燃料ノズルのそれぞれへ供給する燃料流量に比例する燃料流量指令値を求める燃料流量指令設定手段と、
この燃料流量指令設定手段で設定した前記燃料流量指令値と、燃料流量指令値と燃料流量との関数とに基づいて、前記複数種類の燃料ノズルのそれぞれへ供給する前記燃料流量を求める燃料流量設定手段と、
この燃料流量設定手段で設定した前記燃料流量と、燃料温度と、前記燃料流量調節弁の前圧及び後圧とに基づき、Cv値計算式から、前記燃料流量調節弁のCv値を求めるCv値設定手段と、
このCv値設定手段で設定したCv値と、Cv値と燃料流量調節弁開度との関数に基づいて、燃料流量調節弁開度指令値を求める燃料流量調節弁開度指令設定手段とを備え、
この燃料流量調節弁開度指令値設定手段で設定した前記燃料流量調節弁開度指令値に基づいて、前記燃料流量調節弁の開度を制御することにより前記複数種類の燃料ノズルへの燃料供給量を制御することを特徴とする。
前記燃料温度を計測する燃料温度計の異常が発生したときには、この異常発生時よりも一定時間前の前記燃料温度の計測値を前記燃料温度として用いる燃料温度補正手段を備えたことを特徴とする。
前記燃料温度補正手段は、第1の一次遅れ演算手段と、この第1一次遅れ演算手段の一次遅れ時定数よりも小さい一次遅れ時定数を有する第2の一次遅れ演算手段とを有し、前記燃料温度に対して前記第1の一次遅れ演算手段と前記第2の一次遅れ演算手段とで一次遅れ演算をして、これらの演算結果の何れか小さいほうの値を前記燃料温度として用いることを特徴とする。
前記燃料流量設定手段で設定した前記燃料流量から得られる前記燃料ノズルの燃料流量と、前記燃料ノズルのCv値と、燃料温度と、前記燃料ノズルの後圧とに基づき、前記燃料ノズルの前圧の算出式から、前記燃料ノズルの前圧に相当する前記燃料流量調節弁の後圧を算出する圧力算出手段を有し、
前記燃料流量調節弁の後圧を計測する圧力計の異常が発生したときには、この圧力算出手段で算出した圧力を、前記燃料流量調節弁の後圧として用いる圧力補正手段を備えたことを特徴とする。
前記圧力算出手段で算出された前記燃料流量調節弁の後圧と実測値の前記燃料流量調節弁の後圧とを比較して、前記後圧の計算値が前記後圧の実測値に一致するように前記燃料ノズルのCv値を補正する学習手段を備えたことを特徴とする。
まず、図1〜図3に基づき、ガスタービンの構成について説明する。図1に示すように、ガスタービン1はガスタービン本体2と、複数の燃焼器3と、回転軸がガスタービン本体1の回転軸に結合された圧縮機4とを有してなるものであり、このガスタービン1に発電機5を備えてガスタービン発電設備が構成されている。発電機5の回転軸もガスタービン本体1の回転軸に結合されている。
パイロット比、トップハット比、メイン比及び燃焼器バイパス弁開度を、本来の思想であるガスタービン入口燃焼ガス温度TITの関数とするため、ガスタービン入口燃焼ガス温度TITを無次元化したCLCSOを制御パラメータとする。このためCLCSOを算出する。図6に示すようにCLCSOはガスタービン入口燃焼ガス温度TITと比例関係にあるとする(CLCSO∝TIT)。なお、図示例ではガスタービン入口燃焼ガス温度TITが、第1のガスタービン入口燃焼ガス温度としての700℃であるときに対応するCLCSOを0%、ガスタービン入口燃焼ガス温度TITが、前記第1のガスタービン入口燃焼ガス温度よりも高温の第2のガスタービン入口燃焼ガス温度としての1500℃であるときに対応するCLCSOを100%としている。なお、CLCSOを算出するための基準となる第1のガスタービン入口燃焼ガス温度と第2のガスタービン入口燃焼ガス温度は、700℃と1500℃に限定するものではなく、適宜、設定することができる。
続いて、上記のCLCSOに基づいて各弁の開度指令値を求めるまでの処理について説明する。
以上のように、本実施の形態例のガスタービン燃焼制御装置41によれば、IGV開度と吸気温度と大気圧比とに基づいて700℃MWと1500℃MWを算出し、これと実測値の発電機出力(ガスタービン)とに基づいて、直線補間により、ガスタービン入口燃焼ガス温度を無次元化したCLCSOを算出し、このCLCSOに基づいて決定する各燃料ガスの比率(パイロット比、トップハット比、メイン比)に基づいてパイロット燃料流量調節弁19、トップハット燃料流量調節弁21及びメイン燃料流量調節弁17の開度を制御することにより各燃料ノズル(パイロットノズル25、トップハットノズル27、メインノズル26)への燃料供給量を制御するため、本来の思想どおりガスタービン入口燃焼ガス温度に基づく制御が可能となり、吸気温度、燃料ガス温度及び燃焼ガス性状が変化しても、また、ガスタービン1の性能が劣化しても、CLCSOと各燃料ガスの比率(パイロット比、トップハット比、メイン比)との関係、即ち、燃料ガス温度と各燃料ガスの比率(パイロット比、トップハット比、メイン比)との関係を保つことができる。このため、従来よりも適切な燃焼制御を行うことができる。
2 ガスタービン本体
3 燃焼器
4 圧縮機
5 発電機
6 IGV
7 アクチュエータ
8 燃焼器バイパス弁
9 タービンバイパスライン
10 タービンバイパス弁
11 燃料供給ライン
12 メイン燃料供給ライン
13 パイロット燃料供給ライン
14 トップハット燃料供給ライン
15 燃料止め弁
16 メイン燃料圧力調節弁
17 メイン燃料流量調節弁
18 パイロット燃料圧力調節弁
19 パイロット燃料流量調節弁
20 トップハット燃料圧力調節弁
21 トップハット燃料流量調節弁
22 メインマニホールド
23 パイロットマニホールド
24 トップハットマニホールド
25 パイロットノズル
26 メインノズル
27 トップハットノズル
28 内筒
29 外筒
31 燃焼器パイパスライン
32 タービンバイパスライン
41 ガスタービン燃焼制御装置
51,52 関数発生器
53,54 除算器
55,56 乗算器
57,58 減算器
59 除算器
60 レート設定器
61 シグナルジェネレータ
62 学習回路
63 減算器(偏差演算器)
64 PI制御器
65 LOWリミッタ
66 乗算器
67 低値選択器
68 シグナルジェネレータ
71,72,73 関数発生器
74 乗算器
75 除算器
81,82,83 関数発生器
84 除算器
85 減算器
86 乗算器
91,92,93 関数発生器
94 乗算器
95 除算器
96 乗算器
101,102,103 関数発生器
104 乗算器
105,106,107 関数発生器
109 乗算器
110 関数発生器
111 加算器
112 減算器
113,114 関数発生器
115 乗算器
116 関数発生器
120 燃料ガス温度補正ロジック
121 低値選択器
122 むだ時間設定器
123 切替器
124,125 一次遅れ演算器
126 低値選択器
127 レート付き切替器
128 シグナルジェネレータ
130,140,150 マニホールド圧力補正ロジック
161 切替器
162 変化レート設定器
163 マニホールド圧力算出ロジック
164 乗算器
165 シグナルジェネレータ
166 学習回路
167 関数発生器
168 乗算器
169 除算器
170 シグナルジェネレータ
171,172 乗算器
173 加算器
174 シグナルジェネレータ
175 乗算器
176 加算器
177 ルーター
178 シグナルジェネレータ
179 乗算器
180 チョーク判定器
181 切替器
182 減算器(偏差演算器)
183 PI制御器
PW 電力計
Ta 吸気温度計
Tf 燃料ガス温度計
Th 排ガス温度計
FX1 吸気流量計
FX2 タービンバイパス流量計
PX1 メインマニホールド圧力計
PX2 パイロットマニホールド圧力計
PX3 トップハットマニホールド圧力計
PX4 吸気圧力計
PX5 車室圧力計
PDX1 メイン燃料差圧計
PDX2 パイロット燃料差圧計
PDX3 トップハット燃料差圧計
Claims (7)
- ガスタービン本体と、複数種類の燃料ノズルを有する燃焼器と、入口案内翼を備えた圧縮機と、前記複数種類の燃料ノズルへの燃料供給量をそれぞれ調整する複数の燃料流量調節弁とを有するガスタービンに装備され、前記燃料流量調節弁の開度を制御することによって前記複数種類の燃料ノズルへの燃料供給量を制御するガスタービンの燃焼制御装置において、
前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度とに基づいて、第1のガスタービン入口燃焼ガス温度に対応する第1ガスタービン出力を算出する第1ガスタービン出力算出手段と、
前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度とに基づいて、第1のガスタービン入口燃焼ガス温度よりも高温の第2のガスタービン入口燃焼ガス温度に対応する第2ガスタービン出力を算出する第2ガスタービン出力算出手段と、
前記第1ガスタービン出力算出手段で算出した前記第1ガスタービン出力と、前記第2ガスタービン出力算出手段で算出した前記第2ガスタービン出力と、前記ガスタービンの出力とに基づいて、直線補間により、ガスタービン入口燃焼ガス温度を無次元化した燃焼負荷指令値を算出する燃焼負荷指令算出手段とを備え、
この燃焼負荷指令算出手段で算出した前記燃焼負荷指令値に基づいて、前記複数種類の燃料ノズルのそれぞれへ供給する燃料の比率を決定し、これらの燃料の比率に基づいて前記燃料流量調節弁の開度を制御することにより前記複数種類の燃料ノズルへの燃料供給量を制御することを特徴とするガスタービンの燃焼制御装置。 - 請求項1に記載のガスタービンの燃焼制御装置において、
前記ガスタービンには、前記燃焼器に対する圧縮空気のバイパス量を調整する燃焼器バイパス弁が装備されており、
前記燃焼負荷指令算出手段で算出した前記燃焼負荷指令値に基づいて、前記燃焼器バイパス弁の開度を制御することにより前記圧縮空気のバイパス量を制御することを特徴とするガスタービンの燃焼制御装置。 - 請求項1又は2に記載のガスタービンの燃焼制御装置において、
前記ガスタービンは前記燃焼器及び前記ガスタービン本体に対して圧縮空気をバイパスするガスタービンバイパス手段を有しており、
前記第1ガスタービン出力算出手段では、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記圧縮機の全圧縮空気量と前記ガスタービンバイパス手段による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とに基づいて、前記第1ガスタービン出力を算出し、
前記第2ガスタービン出力算出手段では、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記タービンバイパス比とに基づいて、前記第2ガスタービン出力を算出することを特徴とするガスタービンの燃焼制御装置。 - 請求項1,2又は3に記載のガスタービンの燃焼制御装置において、
前記第1ガスタービン出力算出手段では、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記圧縮機の吸気圧力と標準大気圧との比である大気圧比とに基づいて、前記第1ガスタービン出力を算出、又は、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記タービンバイパス比と、前記大気圧比とに基づいて、前記第1ガスタービン出力を算出し、
前記第2ガスタービン出力算出手段では、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記大気圧比とに基づいて、前記第2ガスタービン出力を算出、又は、前記圧縮機の吸気温度と、前記入口案内翼の開度と、前記タービンバイパス比と、前記大気圧比とに基づいて、前記第2ガスタービン出力を算出することを特徴とするガスタービンの燃焼制御装置。 - 請求項1,2,3又は4に記載のガスタービンの燃焼制御装置において、
前記燃料の比率を、前記圧縮機の吸気温度に基づいて補正する吸気温度補正手段を備えたことを特徴とするガスタービンの燃焼制御装置。 - 請求項5に記載のガスタービンの燃焼制御装置において、
前記吸気温度補正手段では、前記燃焼負荷指令値に応じて吸気温度補正量を調整することを特徴とするガスタービンの燃焼制御装置。 - 請求項1,2,3,4,5又は6に記載のガスタービンの燃焼制御装置において、
前記第2ガスタービン出力算出手段は、前記第2のガスタービン入口燃焼ガス温度である最高燃焼ガス温度に対応する第2ガスタービン出力を算出するものであり、
前記ガスタービン本体から排出される排ガスの温度と前記圧縮機の圧力比とに基づいてガスタービン入口燃焼ガス温度が前記最高燃焼ガス温度に達したと判断した後、前記第2ガスタービン出力算出手段で算出された前記第2ガスタービン出力と、前記ガスタービンの出力とを比較して、前記第2ガスタービン出力を前記ガスタービンの出力に一致させるように補正する学習手段を備えたことを特徴とするガスタービンの燃焼制御装置。
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