JP4284698B2 - ガスタービンへの噴射蒸気流量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに水蒸気を噴射するガスタービンコージェネレーションプラントにおける噴射蒸気流量の制御方法に関する。

図４は、ガスタービンに水蒸気を噴射するガスタービンコージェネレーションプラントの模式図である。この図に示すように、ガスタービンコージェネレーションプラントにおいて、タービンの高温排ガスからボイラ等で水蒸気（以下、単に蒸気という）を発生させ、この蒸気をタービン内に噴射してエンジン出力を増加させることが行われる。

すなわち、コージェネレーションプラントにおける蒸気の使用形態には、（１）工場等のユーティリティとしての蒸気送気、（２）蒸気タービンでの発電、（３）ガスタービンへの直接噴射、（４）放蒸として大気中に放出するなどがある。
しかし、（１）のユーティリティとしての使用は、冬季など暖房のため需要の高い場合は良いが、夏季になると需要が減る。（２）の場合は復水器などの設備が必要であり、発電容量の大きい場合は有利であるが、小さい場合はメリットがない。（４）は蒸気を作っても捨てるだけとなる。従って、（３）のガスタービンへの直接噴射が、蒸気のエネルギーを回収できる点で最も優れている。
なお、ガスタービンへの蒸気噴射に関しては、例えば、特許文献１が開示されている。

特許文献１の「ガスタービンの制御装置」は、ＮＯｘの低減と燃焼効率の向上を図るものであり、図５に示すように、燃料分配制御手段９は、総合燃料流量指令を乗算器９ａと減算器９ｂとに入力し、乗算器９ａで発電機出力を入力とする関数発生器９ｃの出力との乗算を行い、第１燃料制御弁５ａの第１燃料制御弁開度指令信号を求め、減算器９ｂは第１燃料制御弁５ｂの第２燃料制御弁開度指令信号を求める。蒸気噴射制御手段１０は、第１燃料制御弁開度指令信号を関数発生器１０ａへ入力し、蒸気噴射流量設定値を求め、蒸気噴射流量設定値と実測蒸気噴射流量との偏差を減算器１０ｄによって求め、ＰＩＤ演算器１０ｅから出力される信号を蒸気噴射制御弁開度指令信号として、第１燃料制御弁開度指令信号と蒸気噴射制御弁開度指令信号とを所定の比率とするものである。

特開平１０−１２７０９８号公報

上述した従来のガスタービンコージェネレーションプラントにおいて、従来は、タービン入口温度から制限される蒸気流量の目標値を、本来噴射できる限界よりはるかに少ない流量に制限していた。その結果、蒸気需要が少ない場合は大気中に大量の蒸気を放蒸（放出）しており、熱効率が低下するばかりでなく、騒音が発生するなどの不具合が発生していた。

また、この問題を解決するために、タービン入口温度から蒸気噴射可能量を算出しこの計算量を噴射する場合、蒸気噴射の実流量が噴射可能量を超えてしまい失火等が発生する問題点があった。
特に蒸気噴射開始時においては、蒸気噴射可能量の変化が大きく、かつ蒸気流量センサの応答性が悪いことから、蒸気流量の制御を行う場合に目標流量に対して、実流量のフィードバック量が時間的に遅れてしまい、見かけ上、流量変化が大きくなってしまい、蒸気流量制御弁の開度が過大となり、燃焼器背圧が高くなりすぎ、失火したり、ボイラ側から本来流せる蒸気流量をかなりオーバーし、ボイラドラム圧力が低下したりする不具合が発生していた。

なお、蒸気噴射開始時に蒸気噴射可能量の変化が大きい理由は、次のように考えられる。
ガスタービンへの蒸気噴射は出力が十分大きくなってから噴射している。これは、蒸気の圧力が十分高く、かつ出力が高いということは燃料流量が多いため蒸気も十分に発生できるようになっているからである。この状態では、タービン入口温度がかなり高いため、目標蒸気流量（蒸気噴射可能量）も大きくなっている。これは蒸気制御演算部にとっては、ステップ入力が入ったものと同様のこととなり、蒸気流量の変化が大きくなる。

一方、蒸気流量計の応答性は、通常検出遅れが１０秒程度のものを使用しており、蒸気流量の変化が遅れて制御装置に入力されることになる。このため、目標値との偏差に応じて制御量（制御弁開度）を計算している場合、応答遅れにより偏差が大きい状態が続き、積分値が蓄積するため、オーバーシュートの原因となる。

言い換えれば、従来は、タービン入口温度から計算される蒸気噴射可能量を蒸気流量目標値とすると、特に、蒸気噴射開始時に、蒸気噴射と共にタービン入口温度が低下しかつ蒸気流量計の応答性が悪いためため、蒸気流量目標値が過剰となり、失火、その他の問題が発生することがあった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、蒸気噴射開始時に、失火、その他の問題を引き起こすことなく、ガスタービンに噴射可能な十分大きな蒸気流量目標値を設定することができ、これにより、熱効率を向上させ、騒音を低減することができる噴射蒸気流量の制御方法を提供することにある。

参考例によれば、ガスタービンの高温排ガスで水蒸気を発生させこの水蒸気をガスタービンに噴射するガスタービンへの噴射蒸気流量制御方法であって、
噴射時のタービン入口温度から蒸気流量目標値を計算し、
蒸気噴射に伴ってタービン入口温度が下がり、これにより蒸気流量目標値が下がる値を予測し、その分、あらかじめ蒸気流量目標値を減少させておき、
かつ蒸気流量目標値のレートリミッターを設け、変化率を小さな値に抑えて流量計の時間遅れを補償する、ことを特徴とするガスタービンへの噴射蒸気流量制御方法が提供される。

本発明によれば、蒸気流量目標値発生関数により、タービン入口温度Ｔからガスタービンへの噴射蒸気流量目標値Ｗを演算し、
蒸気流量目標値補正値発生関数により、ガスタービン入口温度Ｔから前記噴射蒸気流量目標値Ｗよりも低い１次補正蒸気流量Ｗ１を設定し、
蒸気流量補正比率発生関数により、噴射開始時に１又は１より小さい値であり、所定の時間の経過により０又は０より大きい値まで漸減する補正比率αを発生させ、
蒸気流量補正比率掛算器により、前記１次補正蒸気流量Ｗ１に補正比率αを掛けた２次補正蒸気流量Ｗ２を演算し、
蒸気流量目標値減算器により、前記噴射蒸気流量目標値Ｗから２次補正蒸気流量Ｗ２を減算して蒸気流量目標値を演算し、
蒸気流量目標値レートリミッタにより、蒸気流量目標値の変化率を制限した３次補正蒸気流量Ｗ３を設定し、
蒸気流量偏差演算器により、３次補正蒸気流量Ｗ３と実流量との蒸気流量偏差ΔＷを計算し、
蒸気流量制御演算器により、蒸気流量偏差ΔＷから、比例・積分制御により蒸気流量制御弁の開度を計算し、制御弁に対して開度信号を出力する、ことを特徴とするガスタービンへの噴射蒸気流量制御方法が提供される。

上記本発明の方法によれば、タービン入口温度から蒸気流量の補正値Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を求める。蒸気を噴射していくと、蒸気が低温のためタービン入口温度が下がる。噴射開始時のタービン入口温度Ｔから計算された蒸気流量Ｗだけを目標値にすると、蒸気噴射に伴ってタービン入口温度が下がることになり、結果的に蒸気流量目標値Ｗが過多となる。これを防止するため、あらかじめタービン入口温度から、蒸気流量が下がる値を予測し、あらかじめ蒸気流量の目標値Ｗ１を減少させておく。このようにすると、噴射を開始してからあらかじめ到達すべき蒸気流量の目標値が定まることになり、実際に噴射する流量以上にオーバーシュートすることが防止できる。

また、このように蒸気流量の目標値Ｗ１が正しく設定できたとしても、実際には、蒸気流量計により計測する蒸気流量の応答が遅いため、蒸気流量の目標値Ｗ１とフィードバック流量Ｗａの偏差を基にして演算される蒸気流量制御弁の開度が本来必要な開度より多めになってしまい、実際にガスタービンに噴射される流量が多くなることになる。このため蒸気流量目標値Ｗ１を計算した後で、偏差を求める前に目標流量の変化量を制限するため、レートリミッターを設け、噴射開始においては、変化率を小さな値に抑えて流量計の時間遅れを補償するようにした。これにより、蒸気流量の過多に起因する流量不安定さを避けることが可能となる。

なお、レートリミッターとは、制御演算において、偏差が大きい場合、大きな制御量が計算されてしまい、制御弁への開度指令が急に大きな値とある。そこで、この出力の変化を緩やかにして、制御弁が急激に動作しないように変化率を制限することを行う演算である。

従って、本発明の方法により、以下の効果が得られる。
（１） 蒸気噴射の開始のとき蒸気流量フィードバック制御においても蒸気流量制御弁の開度が過大とならないため、ガスタービンが失火しない。
（２） 蒸気流量目標値の変化にレートリミッタを入れることにより流量の増加側は制御弁の開速度が制限されるため失火しにくく、ボイラー系統に及ぼす変化が少ない。
（３） 蒸気流量目標値の変化のレートリミッタで閉側はリミッタを効かせていないので、ガスタービンの出力の急変などで、急速に蒸気流量を引き下げる場合には支障がでない。
（４） 蒸気流量目標値の変化を緩やかにしているので、蒸気流量計の応答の遅いものでも安定な制御が可能となる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明のガスタービンへの噴射蒸気流量の制御方法を示すブロック図であり、 図２は、図１の各関数の一例を示す模式図である。

図１に示すように、本発明の方法は、ステップＳ１〜Ｓ１１からなる。

ステップＳ１において、蒸気流量目標値発生関数によりタービン入口温度Ｔからガスタービンへの噴射蒸気流量目標値Ｗを演算する。この噴射蒸気流量目標値Ｗは、タービン入口温度Ｔが維持される限りで噴射可能な蒸気流量を演算する。この噴射蒸気流量目標値Ｗは例えば図２（Ａ）のようになる。

ステップＳ２において、蒸気流量目標値補正値発生関数により、ガスタービン入口温度Ｔから前記噴射蒸気流量目標値Ｗよりも低い１次補正蒸気流量Ｗ１を設定する。ガスタービンに蒸気を噴射する際は、蒸気温度が低いためガスタービン入口温度Ｔが下がるので、噴射蒸気流量目標値Ｗよりも低い補正値（１次補正蒸気流量Ｗ１）を設定する。この１次補正蒸気流量Ｗ１は例えば図２（Ｂ）のようになる。

ステップＳ３において、タイマーにより、蒸気噴射開始指令でタイマーをスタートさせて、時間に依存した関数発生の基とする。
ステップＳ４において、蒸気流量補正比率発生関数により、噴射開始時に１又は１より小さい値であり、所定の時間の経過により０又は０より大きい値まで漸減する補正比率αを発生させる。この補正比率αは例えば図２（Ｃ）のようになる。すなわち、ステップＳ２で補正量を計算するが噴射開始時はあらかじめ大きく減算しておき、時間の経過と共にこの補正量を減少させ、最終的にはステップＳ１で計算した蒸気流量目標値にする。

ステップＳ５において、蒸気流量補正比率掛算器により、１次補正蒸気流量Ｗ１に補正比率αを掛けた２次補正蒸気流量Ｗ２を演算する。言い換えれば、蒸気流量補正量（１次補正蒸気流量Ｗ１）と時間に依存する比率αを掛け算し、噴射蒸気流量の補正量（２次補正蒸気流量Ｗ２）を計算する。

ステップＳ６において、変化率選択信号発生器により、レートリミッターでの変化率を変更するためのトリガー信号を発生する。
ステップＳ７において、変化率選択器により、レートリミッタで、蒸気噴射開始時は蒸気流量の目標値の変化率を抑え、滑らかな噴き出しを実現する。所定の時間経過後は迅速に追従させるため大きな変化率を選択する。

ステップＳ８において、蒸気流量目標値減算器により、噴射蒸気流量目標値Ｗから２次補正蒸気流量Ｗ２を減算して蒸気流量目標値の変化率を演算する。すなわち、ステップＳ１で計算した蒸気流量目標値Ｗから２次補正蒸気流量Ｗ２を引き算する。

ステップＳ９において、蒸気流量目標値レートリミッタにより、蒸気流量目標値の変化率を制限した３次補正蒸気流量Ｗ３を設定する。すなわち、蒸気流量目標値の変化率を制限することにより、蒸気流量制御演算での積分の飽和を避け、また、蒸気流量制御弁の動作速度を制限することにより、蒸気噴射系を安定させる。この変化率制限は、蒸気流量が増加する方向にのみ効かせ、減少側には効かせない。この変化率は例えば図２（Ｄ）のようになる。

ステップＳ１０において、蒸気流量偏差演算器により、３次補正蒸気流量Ｗ３と実流量Ｗａとの蒸気流量偏差ΔＷを計算する。
ステップＳ１１において、蒸気流量制御演算器により、蒸気流量偏差ΔＷから、比例・積分制御により蒸気流量制御弁３の開度を計算し、制御弁３に対して開度信号を出力する。
なお、図１において、蒸気流量計２は、実際に流れている実蒸気流量Ｗａを計測するセンサであり、蒸気流量制御弁３は、ボイラからの蒸気の流量を制御する弁である。

図３は、本発明の実施例を示す図である。この図において、（Ａ）は本発明の実施例、（Ｂ）は従来例である。また各図において、横軸は蒸気噴射開始からの経過時間（秒）、左側縦軸は、細線で示すタービン入口温度Ｔ（℃）、右側縦軸は、噴射蒸気流量目標値Ｗと実蒸気流量Ｗａである。

図３（Ｂ）の従来例では、破線で囲むＡ領域において、噴射蒸気流量目標値Ｗより実蒸気流量Ｗａが多くなっており、タービン入口温度Ｔが急低下していることがわかる。これは、噴射蒸気流量目標値Ｗが急減していることからも、一部失火しているためである。また、実蒸気流量Ｗａの変化が蒸気噴射開始初期にΔｔで示す両矢印分遅れていることがわかる。これは、蒸気流量計１２の応答の遅れによるものと考えられる。

これに対して図３（Ａ）の本発明では、噴射蒸気流量目標値Ｗよりも実蒸気流量Ｗａは常に低くなっており、失火が防止されているのがわかる。なおこの例は、初期の設定のため、実蒸気流量Ｗａが上下に変動（ハンチング）しているが、これは設定を最適化することで容易に低減することができる。

上述したように、本発明の方法は、ガスタービンへの蒸気噴射開始時の蒸気流量目標値をガスタービン入口温度より求めた値に対して、蒸気噴射によりタービン入口温度が変化することを予測して補正値を計算すること、蒸気流量計の応答遅れを補正量および、蒸気流量目標値の変化率を制限することにより、滑らかかな蒸気噴射開始を実現するものであり、以下の効果が得られる。
（１） 蒸気噴射の開始のとき蒸気流量フィードバック制御においても蒸気流量制御弁の開度が過大とならないため、ガスタービンが失火しない。
（２） 蒸気流量目標値の変化にレートリミッタを入れることにより流量の増加側は制御弁の開速度が制限されるため失火しにくく、ボイラー系統に及ぼす変化が少ない。
（３） 蒸気流量目標値の変化のレートリミッタで閉側はリミッタを効かせていないので、ガスタービンの出力の急変などで、急速に蒸気流量を引き下げる場合には支障がでない。
（４） 蒸気流量目標値の変化を緩やかにしているので、蒸気流量計の応答の遅いものでも安定な制御が可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の一実施形態のブロック図である。 図１の各関数の一例を示す図である。 本発明の実施例を示す図である。 ガスタービンに水蒸気を噴射するガスタービンコージェネレーションプラントの模式図である。 特許文献１の「ガスタービンの制御装置」の模式図である。

符号の説明

２ 蒸気流量計
３ 蒸気流量制御弁

Claims (1)

1. 蒸気流量目標値発生関数により、タービン入口温度Ｔからガスタービンへの噴射蒸気流量目標値Ｗを演算し、
   蒸気流量目標値補正値発生関数により、ガスタービン入口温度Ｔから前記噴射蒸気流量目標値Ｗよりも低い１次補正蒸気流量Ｗ１を設定し、
   蒸気流量補正比率発生関数により、噴射開始時に１又は１より小さい値であり、所定の時間の経過により０又は０より大きい値まで漸減する補正比率αを発生させ、
   蒸気流量補正比率掛算器により、前記１次補正蒸気流量Ｗ１に補正比率αを掛けた２次補正蒸気流量Ｗ２を演算し、
   蒸気流量目標値減算器により、前記噴射蒸気流量目標値Ｗから２次補正蒸気流量Ｗ２を減算して蒸気流量目標値を演算し、
   蒸気流量目標値レートリミッタにより、蒸気流量目標値の変化率を制限した３次補正蒸気流量Ｗ３を設定し、
   蒸気流量偏差演算器により、３次補正蒸気流量Ｗ３と実流量との蒸気流量偏差ΔＷを計算し、
   蒸気流量制御演算器により、蒸気流量偏差ΔＷから、比例・積分制御により蒸気流量制御弁の開度を計算し、制御弁に対して開度信号を出力する、ことを特徴とするガスタービンへの噴射蒸気流量制御方法。

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