JP4554440B2 - ガス化複合発電設備およびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ガス化設備と複合発電設備とを統合したガス化複合発電設備およびその制御方法に関する。
近年、ガス化設備と複合発電設備（ガスタービンとスチームタービンの組み合わせ）とを統合したガス化複合発電設備として、ＩＧＣＣ（Integrated Gasification Combined Cycle）が注目されている。このＩＧＣＣでは、ガスタービンの燃料となる残渣油、石炭等の原料に含まれる重金属、硫黄等を合成ガスの製造過程でほぼ除去し、天然ガスと同等のクリーンな燃料ガスとして用いるため、環境負荷を低減できることから、環境にやさしい次世代の発電設備として高く評価されている。
一般に、この種のシステムでは、残渣油、石炭等の原料をガス化炉にてガス化し、その後、ガス処理設備にて有害物質を除去してクリーンな燃料ガスに変換し、この燃料ガスを用いてガスタービンにて発電している。
そして、このようなシステムでは、その制御方式として、発電設備側の要求に対して必要な量の燃料ガスを製造すべくガス化炉を制御し、この製造した燃料ガスにガスタービンを追従させるガス化炉リード方式、発電負荷の要求に対して必要な量の発電をさせるべくガスタービンを制御し、このガスタービンの運転に必要な合成ガスをガス化炉から供給させるタービンリード方式があるが、最近では、発電負荷要求の変動に対して俊敏に追従させるべく、ガス化炉リード方式及びタービンリード方式を組み合わせてガス化炉をフィードフォワード制御する協調制御方式が採用されている。
ここで、協調制御方式について説明する。
図３に示すように、ガス化複合発電設備は、燃料をガス化するガス化プロセス部１と、ガス化プロセス部１からの燃料ガスによりガスタービンにて発電する複合発電プロセス部２とを有している。
また、ガス化プロセス部１への燃料の供給管に設けられた燃料制御弁３には、ガス圧設定器４から設定値が送られるガス化プロセスコントローラ５が接続され、燃料制御弁３は、ガス化プロセスコントローラ５からの制御信号に基づいて制御される。ガス化プロセスコントローラ５は、ガス化プロセス部１におけるガス圧を検出するガス圧力検出器６からの検出信号とガス圧設定器４からの設定値とから制御値を演算し、燃料制御弁３へ制御信号を出力する。
また、複合発電プロセス部２へのガスの供給管に設けられたガス制御弁７には、発電負荷設定器８からの設定値が送られる発電プロセスコントローラ９が接続され、ガス制御弁７は、発電プロセスコントローラ９からの制御信号に基づいて制御される。発電プロセスコントローラ９は、複合発電プロセス部２における発電出力を検出する発電出力検出器１０からの検出信号と発電負荷設定器８からの設定値とから制御値を演算し、ガス制御弁７へ制御信号を出力する。
そして、上記のガス化複合発電設備において、協調制御方式を行う場合は、フィードフォワード演算器１１を設け、このフィードフォワード演算器１１へ発電負荷設定器８からの設定値を送信し、このフィードフォワード演算器１１から燃料制御弁３へフィードフォワード制御信号を送信する。これにより、ガス化プロセス部１への燃料の供給量が、発電負荷要求の変動に対応して増減される。
つまり、この協調制御方式では、ガス化プロセス部１のガス化炉におけるガス化を、発電負荷要求の変動に対して迅速に追従させることが可能である。
なお、この種の制御の先行技術文献としては、以下のものがある。
特開２００２−１２９９１０号公報 特開平７−２３４７０１号公報 特許第２６８５３４１号公報 特開平１１−２１０４１２号公報
上記のようなガス化複合発電設備は、定期的に運転を停止して設備の点検を行う必要がある。そして、ガス化複合発電設備の全体を運転停止するシャットダウンメンテナンスの場合もあるが、電力の安定供給の立場から、複合発電設備は連続して運転し、ガス化設備のみを停止する場合がある。
その際、ガス化設備を１ユニットしか有していないガス化複合発電設備の場合には、ガス化設備で製造する燃料ガスに代えて灯油など補助燃料を発電設備へ供給することになる。
燃料ガスから補助燃料に切り替える場合、複合発電設備を連続運転しながら、燃料は、連続的にガス化設備で製造する燃料ガスから補助燃料に切り替えるという高度な燃料切替技術が要求される。また、この逆に補助燃料から燃料ガスに切り替える場合もあり、同様に高度な燃料切替技術が必要になる。
上記燃料切替に際しては、複合発電設備を安定して運転する、すなわち、安定して確実に電力を供給することは当然であるが、複合発電設備に燃料ガスを供給するガス化設備に大きな負荷を与えることもなく安定した運転をすることが要求される。さらに、この燃料切替運転に要する所要時間の短縮化への要求も、経済的な視点から大きな要素である。さらにまた、燃料ガスの環境への燃焼放出を必要最小限にすることは、エネルギーの節約と環境負荷への最小化という視点で要求される問題である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料切替に際し、複合発電設備だけでなく、ガス化設備を含めた設備全体を安定して運転することができるガス化複合発電設備を提供することを目的としている。
特にガス化設備に大きな負担を強いることなく燃料切替が可能なガス化複合発電設備を提供することを目的としている。
また、燃料切替を短時間で実施可能とするとともに、フレアガスの放出を必要最小限にして環境にもやさしいガス化複合発電設備を提供することを目的としている。
さらに燃料切替に際しての運転制御方法を提供することを目的としている。
本発明のガス化複合発電設備は、ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え、上記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービンを回転させることにより上記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備であって、発電負荷要求に応じた発電出力になるよう複合発電設備を制御する発電負荷制御系と、発電負荷要求に応じた量の燃料ガスを製造するよう上記ガス化設備を制御するガス化炉負荷制御系と、燃料ガスに替えて補助燃料を供給可能な補助燃料供給手段と、燃料ガスの供給ラインに接続され、燃料ガスの圧力が設定圧力以上になったら燃料ガスをフレアとして燃焼放出するフレアスタックと、上記フレアスタックから放出するフレア量を制御するフレア弁とその制御系とを備え、上記ガス化複合発電設備は、燃料ガスから補助燃料へおよび補助燃料から燃料ガスへの燃料切り替え運転を可能とし、上記燃料切り替え運転時の上記フレア弁の制御系は、上記ガス化設備が有する無駄時間及び制御の遅れを補償する無駄時間補償回路を有し、上記ガス化設備の運転を制御する上記ガス化炉負荷制御系は、上記フレア弁への要求開度を先行信号として取り込むことを特徴とする。
また、本発明は、上記フレア弁の制御系が、この制御系が有する上記無駄時間補償回路を経由する制御信号を有効または無効に切り換える切り換え手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明の制御方法は、ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え、上記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービンを回転させることにより上記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備の制御方法であって、発電負荷要求に応じた発電出力になるよう複合発電設備を制御する発電負荷制御系と、発電負荷要求に応じた量の燃料ガスを製造するよう上記ガス化設備を制御するガス化炉負荷制御系と、燃料ガスに替えて補助燃料を供給可能な補助燃料供給手段と、燃料ガスの供給ラインに接続され、燃料ガスの圧力が設定圧力以上になったら燃料ガスをフレアとして燃焼放出するフレアスタックと、上記フレアスタックから放出するフレア量を制御するフレア弁とその制御系と、を備え、上記ガス化複合発電設備は、燃料ガスから補助燃料へおよび補助燃料から燃料ガスへの燃料切り替え運転を可能とし、上記燃料切り替え運転の時には、上記フレア弁を、上記ガス化設備が有する無駄時間及び制御の遅れを補償した信号により制御するとともに、上記ガス化設備の運転を制御する前記ガス化炉負荷制御系に上記フレア弁への要求開度を先行信号として送信することを特徴とする。
また、本発明は、上記燃料切り替え運転において、燃料ガスから補助燃料への燃料切り替え運転（Ａ）が、
（１）通常運転Ａ１：ガス化設備で製造する燃料ガスのガス圧力を制御する制御系の信号 に発電負荷制御系からの信号を加算してガス化炉負荷制御系に送信してガス化設備 を運転するとともに、発電負荷要求に応じてガス化設備を運転して製造される燃料 ガスの全量を複合発電設備に供給するよう、フレアスタックのフレア弁をフレア弁 用ガス圧力制御系信号により自動モードで運転する工程、
（２）切替運転Ａ２：フレア弁用ガス圧力制御系を自動モードから手動モードに切り替え 、フレア弁を前記ガス化設備が有する無駄時間および制御の遅れを補償した信号に より制御するとともに、フレア弁への要求開度信号をガス化炉負荷制御系に先行信号として送り、ガス化設備の運転負荷をゼロフレアからミニマムフレアのレベルに徐々に 上げて運転する工程、
（３）切替運転Ａ３−１：ガス化炉負荷制御系へのガス圧力制御系と発電負荷制御系との 加算信号、およびフレア弁への要求開度信号の送信を解除してガス化炉負荷制御系の負荷 を一定とするとともに、フレア弁用ガス圧力制御系の制御を自動モードに戻し、無 駄時間および制御の遅れを補償した信号を解除し、フレア弁をフレア弁用ガス圧力 制御系と発電負荷制御系の信号とを加算した信号により制御して運転する工程、
（４）切替運転Ａ３−２：フレア弁の制御は前記切替運転工程Ａ３−１と同じ状態を継続 し、複合発電設備に燃料ガスと補助燃料との合計量が発電負荷要求に応じた相当量 になるように供給しながら、燃料ガスを１００％から徐々にゼロに、一方補助燃料 をゼロから徐々に１００％になるように燃料を切り替えて運転する工程
（５）切替運転Ａ４：燃料ガスを補助燃料に１００％切り替えた後、フレア弁の制御を発 電負荷制御系からの信号を解除してフレア弁用ガス圧力制御系からの信号のみで実行する以外は切替運転工程Ａ３−２と同様に運転し、所定時間経過にガス化設備 の運転を停止する運転する工程、
の各工程を有することを特徴とする。
また、本発明は、上記燃料切り替え運転において、補助燃料から燃料ガスへの燃料切り替え運転（Ｂ）が、
（１）補助燃料運転Ｂ１：補助燃料を複合発電設備の発電負荷要求に応じた相当量を供給 する一方、燃料ガスに切替可能なように予めガス化設備を立ち上げて負荷一定で運転しておき、フレア弁はフレア弁用ガス圧力制御系からの信号のみで制御する工程、
（２）切替運転Ｂ２−１：フレア弁の制御をフレア弁用ガス圧力制御系からの信号に発電 負荷制御系からの信号を加算して制御する以外は上記補助燃料運転Ｂ１と同様 に運転する工程、
（３）切替運転Ｂ２−２：フレア弁とガス化設備の制御は前記切替運転工程Ｂ２−１と同じ状態を継続し、複合発電設備に補助燃料と燃料ガスとの合計量が発電負荷要 求に応じた相当量になるように供給しながら、補助燃料を１００％から徐々にゼロ に、一方燃料ガスをゼロから徐々に１００％になるように燃料を切り替えて運転する工程、
（４）切替運転Ｂ３：燃料ガス１００％に切り替えた後、フレア弁の制御系を自動モードから手動モードに切り替え、ガス化炉負荷制御を発電負荷制御系からの信号とガス化炉用ガス圧力制御系 からの信号を加算した信号を受けて運転する工程、
（５）切替運転Ｂ４：ガス化炉負荷制御系に、フレア弁への要求開度信号を先行信号として送る とともに、フレア弁の制御を前記ガス化設備が有する無駄時間および制御の遅れを補償した信号により制御する以外は前記切替運転工程Ｂ３を継続して運転する工程 、
（６）切替運転Ｂ５（定常運転）：ガス化炉用ガス圧力制御系の信号と発電負荷制御系か らの信号を加算してガス化炉負荷制御系に送信してガス化設備を運転し、ガス化設備を発電負荷要求に応じた状態で定常運転して製造される燃料ガスの全量を複合発電設備に供給するとともに、フレアスタックのフレア弁をフレア弁用ガス圧力制御信号により自動モードで運転する工程、
の各工程を有することを特徴とする。
本発明のガス化複合発電設備によれば、燃料切り替え運転時のフレア弁の制御系に、ガス化設備が有する無駄時間および制御の遅れを補償する無駄時間補償回路を有することにより、フレア弁の過度の開度操作を防ぐことができ、安定したガス圧力を確保できる。また、ガス化設備全体を制御するガス化炉制御系に上記フレア弁への要求開度を先行信号として取り込むようにしたので、フレア弁開度操作時のガス化設備の負荷追従性を改善することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
まず、本発明の実施形態が適応される基準となる協調制御方式が適応されたガス化複合発電設備について説明する。
図１は、図３により原理を示した協調制御方式が適応されたガス化複合発電設備のより具体的な構成を示すもので、その構成を本実施形態との比較例として説明する。
図に示すように、このガス化複合発電設備２１は、空気分離装置２２、ガス化炉２３、ガス処理設備２４及び複合発電設備２５を備えている。
空気分離装置２２は、送り込まれた空気を、酸素と窒素に分離する。この空気分離装置２２によって分離された酸素は、酸素圧縮機２６により加圧されてガス化炉２３へ送られ、窒素は、窒素圧縮機２７により加圧されて複合発電設備２５へ送られる。
ガス化炉２３には、残渣油、石炭などの燃料原料及び複合発電設備２５からの蒸気が供給される。そして、このガス化炉２３は、酸素、燃料原料及び蒸気から水素及び一酸化炭素を主成分とする粗燃料ガスを製造する。この粗燃料ガスは、ガス処理設備２４へ送られ、このガス処理設備２４にて、脱塵，脱硫により精製した燃料ガスとし、この燃料ガスが複合発電設備２５へ送られる。
複合発電設備２５は、ガスタービン、スチームタービン及び発電機を備えている。ガスタービンには、窒素圧縮機２７からの窒素が混合されて所定の濃度に調整されたガス処理設備２４からの燃料ガスが供給される。そして、このガスタービンは、供給される燃料ガスを燃焼させてタービンを回転させる。このガスタービンからの排気は、ボイラへ送られ、ボイラでは、排気熱と燃料の燃焼熱により蒸気を発生させ、その蒸気をスチームタービンに送り込む。これにより、スチームタービンは、供給される蒸気をタービンの回転という運動エネルギに変換する。そして、これらガスタービン及びスチームタービンによって発電機が駆動されて発電が行われる。なお、この複合発電設備２５には、図示しない供給ラインから灯油などの補助燃料が供給可能とされており、ガスタービンは、燃料ガスによる運転あるいは補助燃料による運転が可能とされている。
また、複合発電設備２５へ燃料ガスを供給する燃料ガスラインには、フレアスタック２８が接続されている。このフレアスタック２８は、なんらかの原因により、燃料ガスラインのガス圧が規定圧力以上となった際に、ガスを放出して圧力上昇を抑制することを目的として、燃料ガスをフレアリングするものである。
そして、上記ガス化複合発電設備２１には、ガス化炉２３への燃料原料の供給ライン、酸素の供給ライン及び蒸気の供給ラインに、それぞれ制御弁３１、３２、３３が設けられ、ガス化炉２３への燃料原料、酸素及び蒸気の供給量が調節可能とされている。なお、流量制御手段として、制御弁を用いた場合について説明するが、この制御弁に代えて、例えば、燃料供給ポンプ、送風機等の機器の駆動モータの回転数を制御することにより流量を制御する場合も含むものとする。
また、複合発電設備２５への燃料ガスの供給ライン及び窒素の供給ラインにも、それぞれ制御弁３４、３６が設けられ、複合発電設備２３への燃料ガス及び窒素の供給量が調節可能とされている。
さらに、フレアスタック２８につながる燃料ガスの分岐ラインにも制御弁３７が設けられ、フレアスタック２８への燃料ガスの流量が調節可能とされている。
次に、上記ガス化複合発電設備２１の制御系について説明する。
このガス化複合発電設備２１は、空気分離装置負荷コントローラ４１、ガス化炉負荷コントローラ４２及び発電負荷コントローラ４３を備えている。
空気分離装置負荷コントローラ４１は、空気分離装置２２へ制御信号を出力して制御する。
ガス化炉負荷コントローラ４２は、燃料原料の供給ライン、酸素の供給ライン及び蒸気の供給ラインに設けられた制御弁３１、３２、３３へ制御信号を出力し、これら制御弁３１、３２、３３を制御する。また、ガス化炉負荷コントローラ４２は、酸素供給ラインの制御弁３２へ送信する制御信号を空気分離装置負荷コントローラ４１にも送信する。
発電負荷コントローラ４３には、発電負荷設定器４４から設定値が送信される。また、この発電負荷コントローラ４３には、複合発電設備２５における発電出力を検出する発電出力検出器４５から発電出力の検出データが送信される。発電負荷コントローラ４３は、燃料ガス供給ラインの制御弁３４及び窒素供給ラインの制御弁３６へ制御信号を出力し、これら制御弁３４、３６を制御する。つまり、発電負荷コントローラ４３は、発電出力を被制御変数として複合発電設備２５を制御している。
また、この発電負荷コントローラ４３は、加算器６１、６２を介してガス化炉負荷コントローラ４２及び窒素圧縮機コントローラ５２にも制御信号を出力する。
酸素圧縮機２６には、酸素圧縮機コントローラ５１が設けられ、この酸素圧縮機コントローラ５１には、酸素圧縮機コントローラ設定器５３から設定値が送信される。また、酸素圧縮機コントローラ５１には、ガス化炉２３への酸素の供給ラインにおける圧力あるいは流量を検出する検出器５５から検出データが送信される。そして、この酸素圧縮機コントローラ５１は、酸素圧縮機コントローラ設定器５３からの設定値及び検出器５５からの検出データに基づいて、酸素圧縮機２６にフィードバック制御信号を出力し、酸素圧縮機２６を制御する。これにより、酸素圧縮機２６は、下流圧力あるいは流量を被制御変数として制御される。
窒素圧縮機２７には、窒素圧縮機コントローラ５２が設けられ、この窒素圧縮機コントローラ５２には、窒素圧縮機コントローラ設定器５４から設定値が送信される。また、窒素圧縮機コントローラ５２には、複合発電設備２５への窒素の供給ラインにおける圧力または流量を検出する検出器５６から加算器６２を介して検出データが送信される。そして、この窒素圧縮機コントローラ５２は、窒素圧縮機コントローラ設定器５４からの設定値及び検出器５６からの検出データと発電負荷コントローラ４３からの制御信号との加算値に基づいて、窒素圧縮機２７に制御信号を出力し、窒素圧縮機２７を制御する。これにより、窒素圧縮機２７は、下流圧力あるいは流量を被制御変数として制御される。なお、上記酸素圧縮機２６および窒素圧縮機２７の制御は、負荷の情況に応じて圧力制御または流量制御のいずれかに切り換えられるものである。
また、複合発電設備２５へ燃料ガスを供給する燃料ガスラインには、燃料ガスの圧力を検出するガス圧力検出器５７が設けられ、このガス圧力検出器５７からの検出データが、ガス化炉用ガス圧力コントローラ５８及びフレア弁用ガス圧力コントローラ５９へそれぞれ送信される。
ガス化炉用ガス圧力コントローラ５８は、加算器６１へ制御信号を出力する。これにより、ガス化炉負荷コントローラ４２には、ガス化炉用ガス圧力コントローラ５８及び発電負荷コントローラ４３からの制御信号が加算器６１にて加算されて送信される。つまり、ガス化炉２３は、ガス処理設備２４の下流側における燃料ガスのガス圧力を被制御変数として制御される。
また、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９は、フレアスタック２８への分岐ラインの制御弁３７へ制御信号を出力し、この制御弁３７を制御する。ここで、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９は、ガス化炉用ガス圧力コントローラ５８よりも圧力設定値が少し高くされている。これにより、通常運転時に、分岐ラインの制御弁３７は閉じているが、ガス圧力検出器５７の検出値がフレア弁用ガス圧力コントローラ５９の設定値を越えた場合には、分岐ラインの制御弁３７が開かれてフレアスタック２８にてフレアリングするようになっている。
そして、上記ガス化複合発電設備２１では、発電負荷設定器４４からの設定値に基づく発電負荷コントローラ４３からの制御信号が、フィードフォワード制御信号として、加算器６１を介してガス化炉負荷コントローラ４２へ送信される。これにより、ガス化炉負荷コントローラ４２は、フィードフォワード制御信号が加算された信号に基づいて、ガス化炉２３への燃料原料、酸素及び蒸気の供給ラインの制御弁３１、３２、３３を制御するとともに、空気分離装置負荷コントローラ４１へ制御信号を送信して空気分離装置２２を制御する。これにより、ガス化炉２３及びガス処理設備２４による燃料ガスの製造量が、発電負荷要求の変動に対応して増減される。
つまり、この比較例における協調制御を適用したガス化複合発電設備２１では、ガス化炉２３及びガス処理設備２４からなるガス化設備における燃料ガスの製造量を、発電負荷要求の一定の範囲の変動に対して迅速に追従させることができる。
また、このガス化複合発電設備２１では、発電負荷設定器４４からの設定値に基づく発電負荷コントローラ４３からの制御信号が、フィードフォワード制御信号として、加算器６２を介して窒素圧縮機コントローラ５２にも送信される。これにより、窒素圧縮機２７による複合発電設備２５への窒素の供給量が、発電負荷要求の変動に対応して迅速に追従されて増減される。
ここで、上記比較例のガス化複合発電設備２１では、発電負荷要求の変動に対応してガス化炉２３及びガス処理設備２４による燃料ガスの製造量を増減させるフィードフォワード制御を行うが、ガス化炉２３及びガス処理設備２４による燃料ガスの製造設備には、燃料ガスが前記ガス化設備から発電設備に供給される間に無駄時間及び制御の遅れが存在する。
ここで、無駄時間とは、プロセスやシステムに命令（信号）が入力されてから、その結果が全く現れない時間であり、より正確には、図４に示す通りである。
すなわち、（ａ）に示すように、制御出力（操作変数）が瞬時に立ち上がって出力された場合であっても、一般に被制御変数の挙動は（ｂ）に示すような遅れ特性を持っており、さらに、無駄時間が存在すると、実際の被制御変数の挙動は（ｃ）に示すように多くの遅れを生じることになる。本発明においては、図４（ｃ）に示すような無駄時間と制御の遅れの両方が存在する場合の補償を実行するものである。
このため、本実施形態では、図２に示すように、前記図１の協調制御方式に加えて上記で説明した無断時間及び制御の遅れを補償する無駄時間補償回路を備えている。すなわち、ガス圧力検出器５７とガス化用ガス圧力コントローラ５８との間に無駄時間補償回路７１を組み込んだ構成となっている。
そして、この無駄時間補償回路７１によって、発電負荷要求に応じて製造される燃料ガスの増減を圧力の上昇または減少として検知し、その偏差が大きくてもさも偏差が小さいように操作量を小さくする疑似信号をガス化炉用ガス圧力コントローラ５８に出力するものである。
これにより、発電負荷要求の変動が大きい場合にも、ガス化炉２３における燃料ガスの製造量を安定させることができ、発電負荷要求の変動に対する追従性をさらに向上させることができる。
また、上記フィードフォワード制御により、発電負荷要求の変動に対応してガス化炉２３及びガス処理設備２４による燃料ガスの製造量を増減させる場合、燃料ガスに必要となる酸素の供給量も増減させる必要が生じる。
このため、本実施形態では、酸素圧縮機コントローラ５１からの制御信号にガス化炉負荷コントローラ４２からの制御信号を加算して酸素圧縮機２６へ送信する加算器７２を設けている。これにより、発電負荷コントローラ４３からのフィードフォワード制御信号に基づいて送信されたガス化炉負荷コントローラ４２からの制御信号がフィードフォワード信号として酸素圧縮機コントローラ５１からの制御信号に加算され、その制御信号にて酸素圧縮機２６が制御される。
つまり、ガス化炉２３における燃料ガスの製造量の増減に対して酸素圧縮機２６を俊敏に制御し、特に、ガス化炉２３内の温度変化に大きく影響を与える酸素の供給量を、ガス化炉２３及びガス処理設備２４からなるガス化設備の負荷に応じて安定して供給することができる。
また、ガス化炉２３及びガス処理設備２４からなるガス化設備における燃料ガスの製造に必要な酸素の供給量を、ガス化炉２３及びガス処理設備２４からなるガス化設備の負荷に応じてさらに安定して供給することができる。
尚、上記の実施形態では、この発電システム専用の空気分離装置を設けて、この空気分離装置から酸素あるいは窒素の供給量を制御する構成としたが、他の設備と共用すべく設けられた空気分離装置から必要な酸素あるいは窒素の供給を受けるための流量制御手段を制御するようにしてもよい。
また、上記ガス化複合発電設備２１の制御系では、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９から制御弁３７への制御信号の送信ラインに加算器７４が設けられ、この加算器７４には、発電負荷コントローラ４３からフィードフォワード制御信号が送信され、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９からの制御信号に指令値が加算されて制御弁３７へ送信される。
また、ガス化複合発電設備２１の制御系は、複数のＯＮ・ＯＦＦスイッチであるスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、切り替えスイッチであるスイッチＳＷ５及びフレア弁無駄時間補償回路７３を備えている。
スイッチＳＷ１は、発電負荷コントローラ４３から加算器６１への制御信号の送信ラインに設けられ、スイッチＳＷ２は、加算器６１からガス化炉負荷コントローラ４２への制御信号の送信ラインに設けられている。スイッチＳＷ３は、発電負荷コントローラ４３から加算器７４への制御信号の送信ラインに設けられている。フレア弁用ガス圧力コントローラ５９から制御弁３７への制御信号の送信ラインの途中には、加算器６１へつながる送信ラインが設けられ、スイッチＳＷ４は、この送信ラインに設けられている。
フレア弁無駄時間補償回路７３は、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９から制御弁３７への制御信号の送信ラインに並設されており、このフレア弁無駄時間補償回路７３は、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９から制御信号が入力され、この制御信号を演算処理して制御弁３７へ送信する。スイッチＳＷ５には、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９から加算器７４を介して制御弁３７へ送信される制御信号の送信ラインとフレア弁無駄時間補償回路７３から制御弁３７へ送信される制御信号の送信ラインとが接続されており、これらの送信ラインのいずれか一方からの制御信号を制御弁３７へ択一的に送信する。スイッチＳＷ５は、ａ側あるいはｂ側のいずれかに切り替えられ、ａ側の場合は、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９から加算器７４を介して送信される制御信号を制御弁３７へ送信し、ｂ側の場合は、フレア弁無駄時間補償回路７３からの制御信号を制御弁３７へ送信する。
また、発電負荷コントローラ４３は、複合発電設備２５へ灯油などの補助燃料を供給する供給ラインに設けられた制御弁４０に制御信号を送信し、この制御弁４０を制御する。なお、この制御弁４０は、燃料ガスによる通常運転時には閉ざされている。
そして、上記ガス化複合発電設備２１では、燃料ガスによる通常運転時は、表１に示すように、ＳＷパターンがパターン０のとき、スイッチＳＷ１、２をＯＮ、スイッチＳＷ３、４をＯＦＦ、スイッチＳＷ５をａ側とされることにより、前述したフィードフォワード制御による運転が行われる。
Figure 0004554440
ここで、ガス化複合発電設備２１では、残渣油、石炭スラリー等の原料のガス化を行うガス化炉２３に設けられたバーナを定期的に交換する必要があり、この場合、ガス化設備を一時的に停止させることとなる。
したがって、ガス化複合発電設備２１では、このガス化設備を停止させる際に、複合発電設備２５のガスタービンへの燃料を、ガス化設備からの燃料ガスから灯油などの補助燃料に切り替え、バーナ交換後は、補助燃料からガス化設備からの燃料ガスに切り替えて戻すこととなる。
次に、上記実施形態のガス化複合発電設備２１における複合発電設備２５への燃料の切り替えについて表１を参照しながら説明する。
（燃料ガスから補助燃料への切り替え）
（１）まず、パターン０の通常運転の状態から、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９を自動モードから手動モードに切り替える。さらに、スイッチＳＷ４をＯＮ、スイッチＳＷ５をａ側からｂ側に切り替え、パターン１の燃料切替（１）の運転状態とする。
ここで、上記自動モードと手動モードについて説明する。
自動モードは、図５（ａ）に示したように、ＰＩＤ制御などの制御機能を有するコントローラに対して、圧力などのプロセス値が入力され、このプロセス値と予めコントローラに設定された設定値との偏差から自動演算してコントローラの出力値を調節弁の開度設定値とするように制御する方法であり、一般的なコントローラ制御方法である。
一方、手動モードとは、図５（ｂ）に示したように、自動モードのコントローラの出力値を採用せず、コントローラ以外からの設定値、例えば人が制御システム端末から直接入力した任意の値や、別途用意されたプログラムの演算等で求められた任意の値を直接調節弁の開度として、調節弁を動作させる方法である。
（２）この状態にて、手動モードのフレア弁用圧力コントローラ５９によって、制御弁３７を通常運転時の全閉状態から徐々に開き、フレアスタック２８にてフレアリングを行わせる。
このとき、ガス化炉２３の負荷をフレアリング量の分だけ上昇させる必要が生じる。ここで、スイッチＳＷ４がＯＮであることより、制御弁３７への開度指令である制御信号がフィードフォワード制御信号として加算器６１にて加算されてガス化炉負荷コントローラ４２へ送信される。これにより、ガス化炉２３では、フレアスタック２８におけるフレアリング量の分の負荷が先行して上昇される。
また、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９からの制御信号は、ガス化炉２３及びガス処理設備２４などからなるガス化設備に存在する無駄時間や制御遅れがフレア弁無駄時間補償回路７３によって補償され、スイッチＳＷ５を介して制御弁３７へ送られる。これにより、制御弁３７がむやみに早く開いて燃料ガスの圧力の急激な降下を引き起こすような状況を確実に防ぐことができ、常に安定した状態で制御弁３７の開操作が行われる。
（３）制御弁３７がある一定開度まで開かれると、スイッチＳＷ１、２、４がＯＦＦされ、スイッチＳＷ３がＯＮされ、さらにスイッチＳＷ５がａ側に切り替えられ、パターン２の燃料切替（２）の運転状態となる。また、同時に、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９を手動モードから自動モードに切り替える。
これにより、発電負荷コントローラ４３及びガス化炉用ガス圧力コントローラ５８からの制御信号がガス化炉負荷コントローラ４２へ送信されなくなり、ガス化炉２３及びガス処理設備２４などからなるガス化設備における負荷を一定として制御される。
また、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９からの開度指令である制御信号は、ＯＮ状態のスイッチＳＷ３を介して送信される発電負荷コントローラ４３からのフィードフォワード制御信号が加算され、開度指令として制御弁３７へ送信される。
即ち、制御弁３７には、発電負荷コントローラ４３からフィードフォワード制御信号として送信される。
これにより、制御弁３７は、後述の燃料切り替え時における複合発電設備２５への燃料ガスの流量指令に対して瞬時に追従して開度が調整される。
（４）発電負荷コントローラ４３からの制御信号により、燃料ガス供給ラインの制御弁３４、窒素供給ラインの制御弁３６及び補助燃料の供給ラインの制御弁４０が制御され、燃料ガスと補助燃料とが切り替えられる。
ここで、発電負荷コントローラ４３からの制御信号である燃料ガス流量指令値が徐々に小さな値となり、燃料ガス供給ラインの制御弁３４が徐々に閉じられる。また、これと同時に、燃料ガスの圧力上昇を回避するために、分岐ラインの制御弁３７の開度が徐々に大きくされ、最終的には、ガス化設備で製造される燃料ガスの全量がフレアスタック２８にてフレアリングされる。そして、制御弁４０の開度が大きくされて燃料ガスが補助燃料に切り替えられる。
（５）燃料ガスの全量がフレアスタック２８にてフレアリングされた状態にて、スイッチＳＷ３をＯＦＦとすることにより、パターン３の燃料切替（３）の運転状態とされる。これにより、発電負荷コントローラ４３からのフィードフォワード制御信号がフレア弁用ガス圧力コントローラ５９からの制御信号に加算されなくなる。
このように、燃料ガスから補助燃料への切り替えを行う場合は、フレアリングなしの状態（ゼロフレア）からフレアリング状態を作り出すため、まず、ある一定開度まで、手動モードでフレアスタック２８の制御弁３７を開き、その後、複合発電設備２５への燃料ガス供給ラインの制御弁３４を絞っていくと同時にフレアスタック２８の制御弁３７を徐々に開き、最後に全量フレアリングの状態とする。
（補助燃料から燃料ガスへの切り替え）
（１）スイッチＳＷ１〜４がＯＦＦとされ、スイッチＳＷ５がａ側とされているパターン３の燃料切替（３）の一定負荷での運転状態、つまり、発電負荷コントローラ４３からのフィードフォワード制御信号が自動モードのフレア弁用ガス圧力コントローラ５９からの制御信号に加算されずに制御弁３７へ直接送信されて制御弁３７が制御され、燃料ガスのガス圧が制御された運転状態からスイッチＳＷ３をＯＮにし、パターン２の燃料切替（２）の運転状態とする。
これにより、発電負荷コントローラ４３からのフィードフォワード制御信号が自動モードのフレア弁用ガス圧力コントローラ５９からの制御信号に加算され、発電負荷要求に応じて制御弁３７の俊敏な制御が可能とされる。
（２）次いで、発電負荷コントローラ４３からの制御信号により、燃料ガス供給ラインの制御弁３４、窒素供給ラインの制御弁３６及び補助燃料の供給ラインの制御弁４０が制御され、補助燃料と燃料ガスとが切り替えられる。
そして、燃料の切り替えを行うことにより、燃料ガス供給ラインの制御弁３４の開度が徐々に開かれると、フレアスタック２８の制御弁３７は、燃料ガスの圧力を一定に保つために徐々に閉鎖されていく。
（３）複合発電設備２５のガスタービンが燃料切り替え負荷に到達する所定の流量まで、燃料ガスの製造量を増加させ、少量の燃料ガスがフレアスタック２８からフレアリングされる。なお、この時点において、少量の燃料ガスがフレアスタック２８からフレアリングするようにガス化炉２３の負荷が設定されている。
（４）次に、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９を自動モードから手動モードに切り替えるとともに、スイッチＳＷ１、２をＯＮし、スイッチＳＷ３をＯＦＦすることにより、パターン０の通常運転状態とする。
これにより、ガス化炉２３及びガス処理設備２４などからなるガス化設備は、フレアスタック２８からフレアリングを伴った負荷制御の状態とされる。
（５）この状態にて、手動モードのフレア弁用ガス圧力コントローラ５９によって、制御弁３７の開度を徐々に絞って最終的に全閉とし、フレアスタック２８からのフレアリングのないゼロフレアの状態とする。
このとき、ガス化設備は、発電負荷コントローラ４３からのフィードフォワード制御信号を受けて負荷制御を行う。これにより、燃料ガスが安定したガス圧力に維持される。
（６）フレアスタック２８からのフレアリングのないゼロフレア状態となった時点で、フレア弁用ガス圧力コントローラ５９を手動モードから自動モードに切り替えて、完全な通常運転状態とする。
なお、このときの制御弁３７へ送信する制御信号である設定値は、ガス化炉用ガス圧力コントローラ５８の設定値よりも少し高い値とされており、燃料ガスの圧力が異常に上昇したとしても、フレアスタック２８にて緊急フレアリングが行われる状態としておく。
このように、補助燃料から、全量をフレアリングしている燃料ガスへ切り替えを行う場合は、燃料の切り替えにより複合発電設備２５のガスタービンに燃料ガスを供給するにつれて徐々にフレアリング量を減少させ、最終的にフレアスタック２８の制御弁３７を手動モードで全閉して、ゼロフレア状態とする。
このように、上記実施形態に係るガス化複合発電設備２１によれば、燃料ガスから補助燃料へ切り替える際に、ガス化炉２３及びガス処理設備２４などからなるガス化設備からの燃料ガスの圧力に応じて、燃料ガスの供給ラインに設けたフレアスタック２８の制御弁３７の開度を制御し、複合発電設備２５へ供給していた燃料ガスがフレアスタック２８から全てフレアリングされる状態まで徐々にフレアリングさせる制御系を備えたので、燃料ガスを無駄にフレアスタック２８から放出させることなく、複合発電設備２５への燃料ガスの供給を円滑に停止させて補助燃料へ切り替えることができる。これにより、燃料ガスから補助燃料への切替に際して、ガス化設備へ過大な負荷を与えることなく発電設備を安定して運転することができ、しかも、所要時間を短縮するとともに、燃料ガスの環境への燃焼放出を必要最小限にすることができる。
また、補助燃料から燃料ガスへ切り替える際には、ガス化設備からの燃料ガスの圧力に応じて、フレアスタック２８の制御弁３７の開度を制御し、フレアスタック２８から全てフレアリングさせていた燃料ガスがフレアリングされなくなるまで、徐々にフレアリングを絞る制御系を備えたので、燃料ガスを無駄にフレアスタック２８から放出させることなく、複合発電設備２５へ燃料ガスを円滑に供給して、補助燃料から燃料ガスへ切り替えることができる。これにより、補助燃料から燃料ガスへの切替に際して、ガス化設備へ過大な負荷を与えることなく発電設備を安定して運転することができ、しかも、所要時間を短縮するとともに、燃料ガスの環境への燃焼放出を必要最小限にすることができる。
さらに、ガス化設備からの燃料ガスの圧力に応じてフレアスタック２８の制御弁３７へ送信する制御信号に対して、ガス化設備に存在する無駄時間及び制御遅れを補償するフレア弁無駄時間補償回路７３を備えたので、複合発電設備２５における燃料の切り替え時にてガス化設備の無駄時間及び制御遅れによりフレアスタック２８の制御弁３７の過度の開度操作を防ぐことにより、安定したガス圧力を確保して、燃料ガスが無駄にフレアスタック２８から放出されるような不具合をなくすことができる。また、ガス化設備全体を制御するガス化炉制御系にフレア弁への要求開度を先行信号として取り込むことにしたので、フレア弁開度操作時の負荷追従性を向上させることができる。
協調制御方式が適応されたガス化複合発電設備の比較例を説明する回路図である。 実施形態に係るガス化複合発電設備を説明する回路図である。 従来のガス化複合発電設備を説明する回路図である。 操作変数および被制御変数と無駄時間との関係を示す図である。 本発明における制御の自動モードと手動モードを説明するための図である。
符号の説明
２１ ガス化複合発電設備
２３ ガス化炉（ガス化設備）
２４ ガス処理設備（ガス化設備）
２５ 複合発電設備
２８ フレアスタック
３４、３７ 制御弁
４２ ガス化炉負荷コントローラ（制御系）
４３ 発電負荷コントローラ（制御系）
５８ ガス化炉用ガス圧力コントローラ（制御系）
５９ フレア弁用ガス圧力コントローラ（制御系）
７３ フレア弁無駄時間補償回路


Claims (5)

  1. ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービンを回転させることにより前記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備であって、
    発電負荷要求に応じた発電出力になるよう複合発電設備を制御する発電負荷制御系と、
    発電負荷要求に応じた量の燃料ガスを製造するよう前記ガス化設備を制御するガス化炉負荷制御系と、
    燃料ガスに替えて補助燃料を供給可能な補助燃料供給手段と、
    燃料ガスの供給ラインに接続され、燃料ガスの圧力が設定圧力以上になった場合に燃料ガスをフレアとして燃焼放出するフレアスタックと、
    前記フレアスタックから放出するフレア量を制御するフレア弁とその制御系と、
    を備え、
    このガス化複合発電設備は、燃料ガスから補助燃料へおよび補助燃料から燃料ガスへの燃料切り替え運転を可能とし、
    前記燃料切り替え運転時の前記フレア弁の制御系は、前記ガス化設備が有する無駄時間及び制御の遅れを補償する無駄時間補償回路を有し、また、前記ガス化設備の運転を制御する前記ガス化炉負荷制御系は、前記フレア弁への要求開度を先行信号として取り込むことを特徴とするガス化複合発電設備。
  2. 前記フレア弁の制御系は、その制御系が有する前記無駄時間補償回路を経由する制御信号を有効または無効に切り換える切り換え手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のガス化複合発電設備。
  3. ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービンを回転させることにより前記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備の制御方法であって、
    発電負荷要求に応じた発電出力になるよう複合発電設備を制御する発電負荷制御系と、
    発電負荷要求に応じた量の燃料ガスを製造するよう前記ガス化設備を制御するガス化炉負荷制御系と、
    燃料ガスに替えて補助燃料を供給可能な補助燃料供給手段と、
    燃料ガスの供給ラインに接続され、燃料ガスの圧力が設定圧力以上になった場合に燃料ガスをフレアとして燃焼放出するフレアスタックと、
    前記フレアスタックから放出するフレア量を制御するフレア弁とその制御系と、
    を備え、
    このガス化複合発電設備は、燃料ガスから補助燃料へおよび補助燃料から燃料ガスへの燃料切り替え運転を可能とし、
    前記燃料切り替え運転の時には、前記フレア弁を、前記ガス化設備が有する無駄時間及び制御の遅れを補償した信号により制御するとともに、前記ガス化設備の運転を制御する前記ガス化炉負荷制御系に前記フレア弁への要求開度を先行信号として送信することを特徴とするガス化複合発電設備の制御方法。
  4. 上記燃料切り替え運転において、燃料ガスから補助燃料への燃料切り替え運転（Ａ）は、
    （１）通常運転Ａ１：ガス化設備で製造する燃料ガスのガス圧力を制御する制御系の信号に発電負荷制御系からの信号を加算してガス化炉負荷制御系に送信してガス化設備を運転するとともに、発電負荷要求に応じてガス化設備を運転して製造される燃料ガスの全量を複合発電設備に供給するよう、フレアスタックのフレア弁をフレア弁用ガス圧力制御系信号により自動モードで運転する工程、
    （２）切替運転Ａ２：フレア弁用ガス圧力制御系を自動モードから手動モードに切り替え、フレア弁を前記ガス化設備が有する無駄時間および制御の遅れを補償した信号により制御するとともに、フレア弁への要求開度信号をガス化炉負荷制御系に先行信号として送り、ガス化設備の運転負荷をゼロフレアからミニマムフレアのレベルに徐々に上げて運転する工程、
    （３）切替運転Ａ３−１：ガス化炉負荷制御系へのガス圧力制御系と発電負荷制御系との加算信号、およびフレア弁への要求開度信号の送信を解除してガス化炉負荷制御系の負荷を一定とするとともに、フレア弁用ガス圧力制御系の制御を自動モードに戻し、無駄時間および制御の遅れを補償した信号を解除し、フレア弁をフレア弁用ガス圧力制御系と発電負荷制御系の信号とを加算した信号により制御して運転する工程、
    （４）切替運転Ａ３−２：フレア弁の制御は前記切替運転工程Ａ３−１と同じ状態を継続し、複合発電設備に燃料ガスと補助燃料との合計量が発電負荷要求に応じた相当量になるように供給しながら、燃料ガスを１００％から徐々にゼロに、一方補助燃料をゼロから徐々に１００％になるように燃料を切り替えて運転する工程
    （５）切替運転Ａ４：燃料ガスを補助燃料に１００％切り替えた後、フレア弁の制御を発電負荷制御系からの信号を解除してフレア弁用ガス圧力制御系からの信号のみで実行する以外は切替運転工程Ａ３−２と同様に運転し、所定時間経過後にガス化設備の運転を停止する運転する工程、
    の各工程を有することを特徴とする請求項３に記載のガス化複合発電設備の制御方法。
  5. 上記燃料切り替え運転において、補助燃料から燃料ガスへの燃料切り替え運転（Ｂ）は、
    （１）補助燃料運転Ｂ１：補助燃料を複合発電設備の発電負荷要求に応じた相当量を供給する一方、燃料ガスに切替可能なように予めガス化設備を立ち上げて負荷一定で運転しておき、フレア弁はフレア弁用ガス圧力制御系からの信号のみで制御する工程、
    （２）切替運転Ｂ２−１：フレア弁の制御をフレア弁用ガス圧力制御系からの信号に発電負荷制御系からの信号を加算して制御する以外は上記補助燃料運転Ｂ１と同様に運転する工程、
    （３）切替運転Ｂ２−２：フレア弁とガス化設備の制御は前記切替運転工程Ｂ２−１と同じ状態を継続し、複合発電設備に補助燃料と燃料ガスとの合計量が発電負荷要求に応じた相当量になるように供給しながら、補助燃料を１００％から徐々にゼロに、一方燃料ガスをゼロから徐々に１００％になるように燃料を切り替えて運転する工程、
    （４）切替運転Ｂ３：燃料ガス１００％に切り替えた後、フレア弁の制御系を自動モードから手動モードに切り替え、ガス化炉負荷制御を発電負荷制御系からの信号とガス化炉用ガス圧力制御系からの信号を加算した信号を受けて運転する工程、
    （５）切替運転Ｂ４：ガス化炉負荷制御系に、フレア弁への要求開度信号を先行信号として送るとともに、フレア弁の制御を前記ガス化設備が有する無駄時間および制御の遅れを補償した信号により制御する以外は前記切替運転工程Ｂ３を継続して運転する工程、
    （６）切替運転Ｂ５（定常運転）：ガス化炉用ガス圧力制御系の信号と発電負荷制御系からの信号を加算してガス化炉負荷制御系に送信してガス化設備を運転し、ガス化設備を発電負荷要求に応じた状態で定常運転して製造される燃料ガスの全量を複合発電設備に供給するとともに、フレアスタックのフレア弁をフレア弁用ガス圧力制御信号により自動モードで運転する工程、
    の各工程を有することを特徴とする請求項３に記載のガス化複合発電設備の制御方法。
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