JP4709687B2

JP4709687B2 - ガスタービンの燃料ガスカロリー制御装置

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Publication number: JP4709687B2
Application number: JP2006125316A
Authority: JP
Inventors: 昭彦齋藤; 隆園田; 康嗣高田; 浩史田邉
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007297945A

Description

本発明は、ガスタービンの燃料ガスカロリー制御装置に関するものである。

高炉ガスを主燃料とするガスタービン発電システムにおいては、高炉の操業状態により、発生ガスカロリーが大きく変動し、これにより、ガスタービンの発電出力が変動する。特に、ガスカロリーの変動が大きいときには、不安定燃焼や失火に至る場合もある。そのため、システムの運転の安定化を図るために、燃焼ガスカロリーを測定し、ガスカロリーを一定にするよう添加ガス量をフィードバック調整するものや、ガスタービン発電出力を一定にするよう添加ガス量を調整する方法が用いられている。

しかし、前者の方法は、制御手段にガスカロリー測定手段やガス洗浄手段を含み、１分以上の応答時間を必要とするため、フィードバックゲインを上げて制御を行うことができず、変動抑制能力が不十分であるといった問題がある。
また、後者の方法は、ガスタービン発電出力を参照してガス流量を調整する出力リミット制御を使用している場合やガス流量が大幅に変化する負荷変更時にはガス流量調整手段とガスカロリー一定制御手段とが干渉して制御手段全体がハンチングを起こし、常時使用することが困難であるといった問題がある。更に、高炉での送風開始時等に突変するガスカロリー変動に対しては、添加ガス混合器からガスタービン本体までの無駄時間によって、十分な変動抑制制御が困難となり、急激なガスカロリーの低下による不安定燃焼や失火に対する抑制が十分ではない。

そこで、このような問題を解決するべく、例えば、特許文献１には、上流配管にカロリー計を設け、事前にカロリー変動を捉えて添加ガス流量を調整する燃料ガスカロリー制御技術が提案されている。
特開平２００４−１９０６３２号公報

上記特許文献１による燃焼ガスカロリー制御技術によれば、ガスタービンの運転時には、常時、高い応答性を有し、大幅なガスカロリー外乱に対しても十分な抑制を行うことが可能となる。
しかしながら、上記燃料ガスカロリー制御技術を用いたとしても、カロリー変動幅が大きく、カロリー変動が早い場合には、燃料ガスのカロリー変動をガスタービンの許容する範囲内に制御するのは、以前として困難となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガスタービンへ供給する燃料ガスのカロリーをガスタービンの許容範囲内に確実に抑制できるとともに、カロリー変動の少ない良質な燃料ガスを供給することのできる燃料ガスカロリー制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料ガスカロリー制御装置は以下の手段を採用する。
本発明は、ガスタービンに供給する燃料ガスのカロリーを調整するカロリー制御装置であって、前記燃料ガスを前記ガスタービンへ供給する燃料ガス配管に設けられ、前記燃料ガスと第一の添加ガスとを混合して、前記燃料ガスのカロリーを目標カロリーに近づける第一の混合器と、前記燃料ガス配管において第一の混合器の下流側に設けられ、前記第一の混合器にて混合された混合ガスと第二の添加ガスとを混合して、前記混合ガスのカロリー変動を緩和させる第二の混合器と、前記第一の混合器に供給する前記第一の添加ガスの流量を調整する第一制御手段と、前記第二の混合器に供給する前記第二の添加ガスの流量を調整する第二制御手段とを備え、前記第一制御手段は、前記燃料ガスのカロリーに基づいて前記第一の添加ガスの流量を調整する第一のフィードフォワード制御手段を備え、前記第二制御手段は、前記第二の混合器に流入する混合ガスのカロリーに基づいて、前記第二の添加ガスの流量を調整する第二のフィードフォワード制御手段を備え、前記混合ガスのカロリーと、前記混合ガスの流量と温度とに基づいて算出された前記混合ガスの流速と、前記混合ガスのカロリーの計測後から前記第二の混合器までの前記混合ガスの通過時間とにより、前記第二の添加ガスの流量を調整する燃料ガスカロリー制御装置を提供する。

このような構成によれば、第一の混合器には、燃料ガス配管を介して燃料ガスが流入するとともに、燃料ガスのカロリーを調整する第一の添加ガスが流入し、燃料ガスと第一の添加ガスとが混合されることにより、燃料ガスのカロリーが目標値に近づけられる。第一の混合器にて混合された混合ガスは、第二の混合器に流入し、更に第二の添加ガスと混合されることにより、カロリー変動が緩和される。第二の混合器にて混合された混合ガスは、燃料ガス配管を通じてガスタービンへ送られる。
このように、１系統の燃料ガス配管に２つの混合器を設け、最初の混合器では、燃料ガスのカロリーを目標値に近づけ、次の混合器においてカロリー変動を緩和するという２段階の制御を行うこととしたので、カロリー変動幅が大きく、カロリー変動速度が早い燃料ガスに対しても、十分な制御性を確保することが可能となる。これにより、燃料ガスのカロリー変動をガスタービンの許容する範囲内に確実に制御することができる。
また、第一制御手段においては、燃料ガスのカロリーに基づくフィードフォワード制御が第一のフィードフォワード制御手段により行われるので、燃料ガスのカロリーを目標値に近づけることができる。また、第二制御手段においては、混合ガスのカロリーに基づくフィードフォワード制御が第二のフィードフォワード制御手段により行われるので、混合ガスのカロリー変動を緩和させることができる。カロリーの計測には、例えば、カロリーメータを採用することが可能である。
また、カロリーメータ等のカロリー計測手段から第二の混合器までの間の混合ガスの通過時間を算出し、この通過時間を用いて、第二の添加ガスの流量を調整するので、第二の添加ガスの流量制御の精度を向上させることができる。

また、本発明は、ガスタービンに供給する燃料ガスのカロリーを調整するカロリー制御装置であって、前記燃料ガスを前記ガスタービンへ供給する燃料ガス配管に設けられ、前記燃料ガスと第一の添加ガスとを混合して、前記燃料ガスのカロリーを目標カロリーに近づける第一の混合器と、前記燃料ガス配管において第一の混合器の下流側に設けられ、前記第一の混合器にて混合された混合ガスと第二の添加ガスとを混合して、前記混合ガスのカロリー変動を緩和させる第二の混合器と、前記第一の混合器に供給する前記第一の添加ガスの流量を調整する第一制御手段と、前記第二の混合器に供給する前記第二の添加ガスの流量を調整する第二制御手段とを備え、前記第一制御手段は、前記燃料ガスのカロリーに基づいて前記第一の添加ガスの流量を調整する第一のフィードフォワード制御手段を備え、前記第二制御手段は、前記第二の混合器に流入する混合ガスのカロリーに基づいて、前記第二の添加ガスの流量を調整する第二のフィードフォワード制御手段を備え、該第二のフィードフォワード制御手段が、前記第一の混合器と前記第二の混合器との間に介在する全ての構成要素あるいはその一部の制御モデルを用いて、前記第二の混合器に流入される混合ガスのカロリーを推定するカロリー推定手段を有し、前記カロリー推定手段によって推定されたカロリーを用いて前記第二の添加ガスの流量を調整する燃料ガスカロリー制御装置を提供する。

このような構成によれば、１系統の燃料ガス配管に２つの混合器を設け、最初の混合器では、燃料ガスのカロリーを目標値に近づけ、次の混合器においてカロリー変動を緩和するという２段階の制御を行うこととしたので、カロリー変動幅が大きく、カロリー変動速度が早い燃料ガスに対しても、十分な制御性を確保することが可能となる。これにより、燃料ガスのカロリー変動をガスタービンの許容する範囲内に確実に制御することができる。
また、第一制御手段においては、燃料ガスのカロリーに基づくフィードフォワード制御が第一のフィードフォワード制御手段により行われるので、燃料ガスのカロリーを目標値に近づけることができる。また、第二制御手段においては、混合ガスのカロリーに基づくフィードフォワード制御が第二のフィードフォワード制御手段により行われるので、混合ガスのカロリー変動を緩和させることができる。カロリーの計測には、例えば、カロリーメータを採用することが可能である。
また、前記第二のフィードフォワード制御手段が第二の混合器に流入される混合ガスのカロリーを推定するカロリー推定手段を備えるので、第二の混合器に流入される混合ガスのカロリーを速やかに取得することが可能となる。
例えば、第二の混合器に流入される混合ガスのカロリーを実測していたのでは、フィードバック制御に大きな時間遅れが生じてしまい、許容範囲を超える制御誤差が生じてしまうような場合であっても、本発明によれば、実測値を用いずに、推定値を用いるので、上記時間遅れの問題を解消でき、制御誤差を許容範囲内に抑制することが可能となる。

上記燃料ガスカロリー制御装置において、前記第二制御手段が、前記ガスタービンの入口部の混合ガスのカロリーに基づいて前記第二の添加ガスの流量を調整する第二のフィードバック制御手段を備えることとしても良い。
このような構成によれば、第二制御手段は、ガスタービンの入口部での混合ガスのカロリーに基づいてフィードバック制御を行う第二のフィードバック制御手段を更に備えるので、第二のフィードフォワード制御手段による制御誤差を、第二のフィードバック制御手段により補正することができる。これにより、燃料ガスのカロリー制御の精度向上を図ることができる。

上記燃料ガスカロリー制御装置において、前記第一制御手段および前記第二制御手段の少なくともいずれか一方が、位相進み補償手段を備えることとしても良い。
このような構成によれば、燃料ガスのカロリー値を計測するカロリーメータ等のカロリー計測手段による計測遅れのうち、一次遅れ特性を補償することができる。
位相進み補償手段は、例えば、第一または第二のフィードフォワード制御手段、および第二のフィードバック制御手段の少なくともいずれか一方の入力側に設けられている。

上記燃料ガスカロリー制御装置において、前記第一制御手段および前記第二制御手段の少なくともいずれか一方が、微分回路を備えることとしても良い。
このような構成によれば、制御性、特に即応性の改善を図ることができる。換言すると、ステップ的なカロリー変動が生じた場合の追従性を改善することができる。
微分回路は、例えば、フィードフォワード制御手段およびフィードバック制御手段の少なくともいずれか一方の入力側に設けられている。
なお、上記微分回路による微分制御を不完全微分としてもよい。これにより、ノイズを低減させることができる。

本発明によれば、ガスタービンへ供給する燃料ガスのカロリーをガスタービンの許容範囲内に確実に抑制できるとともに、カロリー変動の少ない良質な燃料ガスを供給することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１を用いて説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置１０の概略構成図である。
燃料ガスカロリー制御装置１０は、ガスタービンに供給する燃料ガスのカロリーを調整するカロリー制御装置であり、第一の混合器１、第二の混合器２、第一制御部１０１（第一制御手段）、および第二制御部１０２（第二制御手段）を主な構成要素として備えている。

上記第一の混合器１および第二の混合器２は、燃料ガスをガスタービン（図示せず）へ供給する燃料ガス配管１４に設けられている。
第一の混合器１は、燃料ガス配管１４において第二の混合器２の上流側に配置されており、燃料ガス配管１４の上流側に設けられているガスホルダー６から供給される燃料ガスとガスホルダー３０から供給される第一の添加ガスとを混合して、燃料ガスのカロリーを目標カロリーに近づける。第一の添加ガスを第一の混合器１に供給するガス供給路には、第一の添加ガスの流量を調整するための制御弁２０が設けられている。

第二の混合器２は、第一の混合器１から流出された混合ガスとガスホルダー３１から供給される第二の添加ガスとを混合して、混合ガスのカロリー変動を緩和させる。第二の添加ガスを第二の混合器２に供給するガス供給路には、第二の添加ガスの流量を調整するための制御弁２１が設けられている。
第二の混合器２から流出された混合ガスは、燃料ガス配管１４を通じて、第二の混合器の下流側に設けられているガスタービンへ供給される。

上記燃料ガス配管１４において、第一の混合器１と第二の混合器２との間には、ミキシングタンク４が設けられている。このミキシングタンク４は、第一の混合器１から流出した混合ガスの高周波のカロリー変動を緩和させるものである。
燃料ガス配管１４において、第一の混合器１の上流側、ミキシングタンク４と第二の混合器２との間、および第二の混合器２の下流側には、ガスカロリーを測定するためのカロリーメータ１１、１２、１３がそれぞれ設けられている。

上記第一制御部１０１は、第一の混合器１に供給する第一の添加ガスの流量を調整するべく、上記制御弁２０に制御量を与える制御装置であり、第一のフィードフォワード制御部１１１（第一のフィードフォワード制御手段）と、補正部１１２とを備えている。
上記第一のフィードフォワード制御部１１１は、第一の関数部２２と、第二の関数部２４と、乗算器２６とを備えて構成されている。

第一の関数部２２は、上記カロリーメータ１１によって測定された燃料ガスのカロリーを入力情報として取得し、所定の関数式に基づいて演算処理を行い、この演算結果を乗算器２６へと出力する。また、第二の関数部２４は、ガスタービンの燃料物流信号１６を入力情報として取得し、所定の関数式に基づいて演算処理を行い、この演算結果を乗算器２６へと出力する。乗算器２６は、上記第一および第二の関数部２２、２４による演算結果を入力情報として受け付け、これらを乗算して、この乗算結果を第一のフィードフォワード制御部１１１の制御量として、補正部１１２へ出力する。

上記補正部１１２は、第三の関数部３２と、第四の関数部３４と、乗算器３６と、乗算器２８とを備えて構成されている。
第三の関数部３２は、上記制御弁２０の上流側および下流側に設置された差圧計３８により測定された圧力値を入力情報として取得し、所定の関数式に基づいて演算処理を行い、この演算結果を乗算器３６へと出力する。また、第四の関数部３４は、制御弁２０の上流側に設置された温度計４０により測定された温度を入力情報として取得し、所定の関数式に基づいて演算処理を行い、この演算結果を乗算器３６へと出力する。

乗算器３６は、上記第三および第四の関数部３２、３４による演算結果を入力情報として受け付け、これらを乗算して、この乗算結果を補正信号として乗算器２８へ出力する。
乗算器２８は、上述した第一のフィードフォワード制御部１１１の乗算器２６から送られた乗算結果を入力情報として受け付け、これに上記乗算器３６からの補正信号を乗算することにより、制御弁２０への開度指令値を生成し、これを第一制御部１０１の制御量として制御弁２０に出力する。

制御弁２０は、上記第一制御部１０１から出力された制御量に基づいて、弁の開閉を調節する。これにより、ガスホルダー３０から流出される第一の添加ガスの流量は、第一制御部１０１からの制御量に応じて調整され、第一の混合器１へ送られることとなる。
ここで、ガスホルダー３０は、カロリーを増熱させるために用いられる発熱量の高い増熱ガスを貯蔵する増熱ガスタンクと、カロリーを減熱させるために用いられる発熱量の低い、例えば、カロリーがゼロの減熱ガス（例えば、窒素）を貯蔵する減熱ガスタンクとを備えており、第一の混合器１に流入される燃料ガスのカロリーに応じて、上記増熱ガスまたは減熱ガスを第一の添加ガスとして流出する。

第二制御部１０２は、第二の混合器２に供給する第二の添加ガスの流量を調整するべく、上記制御弁２１に制御量を与える制御装置であり、第二のフィードフォワード制御部１１４（第二のフィードフォワード制御手段）と、第二のフィードバック制御部１１５（第二のフィードバック制御手段）と、加算器４４と、補正部１１２、乗算器２８とを備えている。
ここで、第二のフィードフォワード制御部１１４ならびに補正部１１２の構成は、第一のフィードフォワード制御部１１１、補正部１１２の構成と同じである。

第二のフィードバック制御部１１５は、第五の関数部４２を備えて構成されている。
第五の関数部４２は、上記カロリーメータ１３によって測定された混合ガスのカロリーを入力情報として取得し、所定の関数式に基づいて演算処理を行い、この演算結果を加算器４４へ出力する。加算器４４は、第二のフィードフォワード制御部１１４から出力された制御量と、第二のフィードバック制御部１１５から出力された制御量とを加算し、この加算結果を乗算器２８に出力する。乗算器２８は、補正部１１２からの補正値と加算器４４からの制御量とを乗算することにより、制御弁２１への開度指令値を生成し、これを第二制御部１０２の制御量として制御弁２１に与える。

制御弁２１は、上記第二制御部１０２から出力された制御量に基づいて弁の開閉を調節する。これにより、ガスホルダー３１から流出される第二の添加ガスの流量は、第二制御部１０２からの制御量に応じて調整され、第二の混合器２へ送られることとなる。
ここで、ガスホルダー３１は、増熱ガスを貯蔵する増熱ガスタンクと、減熱ガスを貯蔵する減熱ガスタンクとを備えており、第二の混合器２に流入される燃料ガスのカロリーに応じて、上記増熱ガスまたは減熱ガスを第二の添加ガスとして流出する。

次に、上述した本実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置１０の作用について説明する。
まず、ガスホルダー６から第一の混合器１に流入する燃料ガスのカロリーが、カロリーメータ１１により計測され、この計測値が第一のフィードフォワード制御部１１１に入力される。
第一のフィードフォワード制御部１１１に入力された上記計測値は、第一の関数部２２で演算処理されて、乗算器２６へと送られる。乗算器２６では、第一の関数部２２からの演算結果と第二の関数部２４で演算処理されたガスタービンの燃料物流信号１６の演算結果とが乗算されることにより、第一のフィードフォワード制御部１１１の制御量が生成され、この制御量が乗算器２８に出力される。

一方、補正部１１２では、制御弁２０の上流側および下流側の差圧が差圧計３８により測定され、この差圧に基づく第一の補正量が第三の関数部３２によって算出される。また、制御弁２０の上流側の温度が温度計４０によって測定され、この温度に基づく第二の補正量が第四の関数部３４により算出される。これら第一および第二の補正量は、乗算器３６により乗算され、補正量として乗算器２８に出力される。

乗算器２８では、上述した第一のフィードフォワード制御部１１１からの制御量と補正部１１２からの補正量とが乗算されることにより、温度補償などが施され、第一制御部１０１の最終的な制御量が制御弁２０へ出力される。
これにより、制御弁２０の弁開度が第一制御部１０１からの制御量に基づいて調整される。この結果、ガスホルダー３０から流出される第一の添加ガスは、制御弁２０により、その流量が調整されて、第一の混合器１へと送られる。

第一の混合器１では、ガスホルダー６からの燃料ガスと第一の添加ガスとが混合されることにより、燃料ガスのカロリーが目標値に近づくように調節されて第一の混合器１から流出する。第一の混合器１から流出した混合ガスは、燃料ガス配管１４を通じてミキシングタンク４へ流入し、ここで、カロリー変動が緩和される。
ミキシングタンク４にて、カロリー変動が緩和された混合ガスは、燃料ガス配管１４を通じて第二の混合器２へ流入する。このとき、第二の混合器２に流入する混合ガスのカロリーは、カロリーメータ１２によって計測され、この計測値が第二制御部１０２の第二のフィードフォワード制御部１１４へ出力される。

第二のフィードフォワード制御部１１４に入力された上記計測値は、第六の関数部２３で演算処理され、乗算器２７へと送られる。この演算結果は、第七の関数部２５で演算処理されたガスタービンの燃料物流信号１６の演算結果と乗算され、乗算結果が第二のフィードフォワード制御部１１４の制御量として加算器４４へ出力される。加算器４４では、第二のフィードフォワード制御部１１４の制御量と、後述する第二のフィードバック制御部１１５の制御量とが加算され、加算後の制御量が乗算器２８に出力される。

乗算器２８では、加算器４４からの制御量に、補正部１１２からの補正量が乗算されることにより、温度補償などが施され、第二制御部１０２の最終的な制御量が制御弁２１へ出力される。
これにより、制御弁２１の弁開度が第二制御部１０２からの制御量に基づいて調整される。この結果、ガスホルダー３１から流出される第二の添加ガスは、制御弁２１により、その流量が調整されて、第二の混合器２へと送られる。

第二の混合器２では、ミキシングタンク４から混合ガスと第二の添加ガスとが混合されることにより、混合ガスのカロリー変動が緩和されてカロリー変動の少ない良質な混合ガスが燃料ガス配管１４を通じてガスタービンへと供給される。
このとき、第二の混合器２から流出された混合ガスのカロリーは、カロリーメータ１３により計測され、この計測値が第二のフィードバック制御部１１５に出力される。フィードバック制御部１１５では、この計測値が目標値に近づくように制御量が第五の関数部４２で演算処理され、この制御量が上述した加算器４４へ出力されて、上述したような制御が行われることとなる。

なお、上述した本発明に係る燃料ガスカロリー制御装置１０を用いた場合の燃料ガスのカロリー変動の変化を図２、図３に示す。
図２、図３において、（ａ）及び（ｂ）は、第一の混合器１での状態を示し、（ｃ）は、ミキシングタンク４での状態を示し、（ｄ）は、第二の混合器２での状態を示している。
また、横軸は時間を示し、縦軸はカロリーを示している。なお、横軸の上部の横線は、カロリーの目標値を示している。

図２に示すように、カロリー変動の最小値が目標値以上である燃料ガスに対しては、第一の混合器１及び第二の混合器２において、それぞれ減熱ガスを注入にして、カロリー変動を目標値に仕上げることができる。
また、図３に示すように、カロリー変動幅が極端に大きく、目標値を上下に跨いで変動する燃料ガスに対しては、第一の混合器１には増熱ガスを注入してカロリー変動の最小値が目標値以上になるように増熱させ、第二の混合器２には減熱ガスを注入して、目標カロリーに仕上げることが可能となる。
このように、本発明に係る燃料ガスカロリー制御装置１０によれば、燃料ガスの種類に合わせて配管設備を２系統用意する必要がなく、１系統の燃料ガス配管１４で増熱および減熱によるカロリー変動の制御が可能となる。

以上説明したしたように、第一実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置１０によれば、第一の混合器１には、燃料ガス配管１４を介して燃料ガスが流入するとともに、燃料ガスのカロリーを調整する第一の添加ガスが流入し、燃料ガスと第一の添加ガスとが混合されることにより、燃料ガスのカロリーが目標値に近づけられる。第一の混合器１にて混合された混合ガスは、第二の混合器２に流入し、更に第二の添加ガスと混合されることにより、カロリー変動が緩和される。第二の混合器２にて混合された混合ガスは、燃料ガス配管１４を通じてガスタービンへ送られる。

このように、１系統の燃料ガス配管１４に２つの混合器を設け、第一の混合器１では、燃料ガスのカロリーを目標値に近づけ、第二の混合器２においてカロリー変動を緩和するという２段階の制御を行うこととしたので、カロリー変動幅が大きく、カロリー変動速度が早い燃料ガスに対しても、十分な制御性を確保することが可能となる。これにより、燃料ガスのカロリー変動をガスタービンの許容する範囲内に確実に制御することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を用いて説明する。
図４は、本実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の第二制御部１０３の概略構成図である。本実施形態の燃料ガスカロリー制御装置が第一実施形態と異なる点は、第二制御部１０３が位相補償部６０、６１を更に備えている点である。
以下、本実施形態の燃料ガスカロリー制御装置について、第一実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図４に示すように、第二制御部１０３において、第二のフィードフォワード制御部１１４の入力側には、位相補償部６０が設けられている。位相補償部６０は、上述のカロリーメータ１２によって測定された燃料ガスのカロリーを入力情報として取得し、このカロリーの位相補償を行い、補償後の測定値を第五の関数部２３へと出力する。これにより、第五の関数部２３では、位相補償部６０によって位相補償がなされた測定値を用いた演算処理が行われることとなる。

また、第二制御部１０３において、第二のフィードバック制御部１１５の入力側には、位相補償部６１が設けられている。位相補償部６１は、上述のカロリーメータ１３によって測定された燃料ガスのカロリーを入力情報として取得し、このカロリーの位相補償を行い、補償後の測定値を第七の関数部４２へと出力する。これにより、第七の関数部４２では、位相補償部６１によって位相補償がなされた測定値を用いた演算処理が行われることとなる。

以上説明したように、第二実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置によれば、第二のフィードフォワード制御部１１４および第二のフィードバック制御部１１５の入力側に位相補償部６０、６１を備えるので、カロリーメータ１２、１３の計測遅れを調整することが可能となる。

ここで、図５にカロリーメータ１２、１３の動作特性の一例を示す。
同図において、横軸は時間を示し、縦軸はカロリーを示している。また、実線は実際のカロリーを示し、破線はカロリーメータにより計測されるカロリーを示している。この図に示すように、測定対象である燃料ガスのカロリーがステップ的に変化した場合、カロリーメータ１２、１３によるカロリーの計測には遅れが生ずる。この遅れは、無駄時間と一次遅れとからなる。

本実施形態に係る位相補償部６０、６１は、このようなカロリーメータの計測遅れのうち、一次遅れの分を補償することが可能となる。これにより、実際のカロリーに近い値を用いたフィードフォワード制御およびフィードバック制御を行うことができるので、第二の混合器２に注入する第二の添加ガスの流量制御の精度を更に高めることが可能となる。

なお、上記実施形態において、第二制御部１０３に位相補償部６０、６１を設ける場合について説明したが、第一制御部１０１における同様の位置に位相補償部を設けることとしても良い。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図６を用いて説明する。
図６は、本実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の第二制御部１０４の概略構成図である。
本実施形態の燃料ガスカロリー制御装置が第二実施形態と異なる点は、第二制御部１０４が、第二のフィードフォワード制御部１１４と並列に接続される微分回路５０を備えている点である。
以下、本実施形態の燃料ガスカロリー制御装置について、第一実施形態および第二実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図６に示すように、第二制御部１０４において、第二のフィードフォワード制御部１１４と並列して微分回路５０が設けられている。微分回路５０は、不感帯５２と、微分要素部５４と、加算器５６とを備えて構成されている。

上記不感帯５２は、上述の位相補償部６０による補償後の測定値を入力情報として取得し、所定の関数式に基づいて演算処理を行い、この演算結果を微分要素部５４へと出力する。微分要素部５４は、不感帯５２から送られる演算結果を入力情報として取得し、微分要素による関数式に基づいて演算処理を行い、この演算結果を加算器５６へと出力する。加算器５６は、乗算器２７から送られる第二のフィードフォワード制御部１１４による制御量を入力情報として受け付け、これに上記微分要素部５４から送られる演算結果を加算することにより、この加算結果を第二のフィードバック制御部１１５の加算器４４へと出力する。

以上説明したしたように、第三実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置によれば、第二制御部１０４において、第二のフィードフォワード制御部１１４と並列して、微分回路５０が設けられているので、制御性、特に、即応性の改善を図ることができる。例えば、燃料ガスにステップ的なカロリー変動が生じた場合の追従性を改善することができる。
これにより、第二の混合器２に注入する第二の添加ガスの流量制御の精度を更に高めることが可能となる。

なお、上記実施形態において、第二制御部１０４に微分回路５０を設ける場合について説明したが、第一制御部１０１における同様の位置に微分回路５０を更に設けることとしても良い。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図７を用いて説明する。
例えば、図７に示すように、ミキシングタンク４と第二の混合器２との間の距離Ｌが短い場合、実際のカロリーと計測によるカロリーとの間には、図８に示すような誤差の関係が生じる。図８において、細い実線Xは、カロリーメータ１２が設置されている箇所の実際のカロリー、破線Yは、カロリーメータ１２により計測されるカロリー、および太い実線Zは、第二の混合器２での実際のカロリーを示す。

このように、ミキシングタンク４と第二の混合器２との間の距離Ｌが短い場合、カロリーメータ１２が設置されている燃料ガス配管１４のＡ点（図７参照）から第二の混合器２まで燃料ガスが移動する通過時間Ｔ１が、カロリーメータ１２による計測遅れＴ２よりも短くなってしまい、大きな計測誤差が生ずるという問題がある。
本実施形態では、上述のように、通過時間Ｔ１が計測遅れＴ２よりも短くなってしまう場合に利用されて好適な燃料ガスカロリー制御装置を提供する。

図７は、本実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の概略構成図である。
本実施形態の燃料ガスカロリー制御装置が第一実施形態と異なる点は、第二制御部１０７において、第二のフィードフォワード制御部１２６の構成が異なる点である。
以下、本実施形態の燃料ガスカロリー制御装置について、第一実施形態および第二実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。なお、図７では、第一実施形態と同様の構成である第一制御部１０６については、その記載を省略している。

本実施形態の第二制御部１０７において、第二のフィードフォワード制御部１２６は、第一の混合器１と第二の混合器２との間に介在する全ての構成要素あるいはその一部の制御モデルを用いて、第二の混合器２に流入される混合ガスのカロリーを推定するカロリー推定部８０を備えており、このカロリー推定部８０によって推定されたカロリーを用いて、第二の添加ガスの流量を調整する。
本実施形態では、カロリー推定部８０は、ミキシングタンク４の制御モデルを有しており、ミキシングタンク４の入口部における燃料ガスのカロリーを入力情報として用いて、第二の混合器２に流入される混合ガス、ここでは、カロリーメータ１２の設置位置Ａにおけるカロリーを推定する。

カロリー推定部８０が備える制御モデルは、例えば、以下の式（１）、（２）にて与えられる。
q_out＝（１−Ｒ）・q_in＋Ｒ・q_tank ・・・（１）
m・dq_tank／dt＝q_in・Ｇ_in−q_out・Ｇ_out−q_out（Ｇ_in−Ｇ_out）・・・（２）

上記（１）式において、q_inはミキシングタンク４入口のカロリー、q_outはミキシングタンク４出口のカロリー、q_tankはミキシングタンク４内部のカロリー、Ｒはミキシングタンク４の混合率、Ｇ_inはミキシングタンク４入口の混合ガスの流量、Ｇ_outはミキシングタンク４出口の混合ガスの流量である。

上記ミキシングタンク４入り口の流量Ｇ_inは、以下の（３）式により算出できる。
Ｇ_in＝Ｇ₀＋Ｇ₁ （３）
上記（３）式において、Ｇ₀はカロリーメータ１１による燃料ガスの流量、Ｇ₁は制御弁２０から注入される第一の添加ガスの流量である。ここで、第一の添加ガスの流量Ｇ₁は、制御弁２０の弁開度Ｌ₁、制御弁２０の制御の前後の差圧、制御弁２０の制御前の温度などから算出可能であり、また、計測値を用いることとしても良い。
また、上記ミキシングタンク４入り口の流量Ｇ_inは、計測値を用いることとしても良い。

また、上記（２）式において、ミキシングタンク４出口の流量Ｇ_outは、ミキシングタンク４入口の流量Ｇ_inと等しいものとしてもよいし、計測値を使用することとしても良い。なお、ミキシングタンク４の圧力Pおよび温度Ｔがほぼ一定であれば、ミキシングタンク４の保有重量mをミキシングタンク４の容積Ｖと、ガス定数Ｒ_ｇより求まる一定値m＝ＰＶ／Ｒ_ｇＴとすることも可能である。

カロリー推定部８０は、上記（１）、（２）式に基づいて、ミキシングタンク４出口のカロリーq_outを得ると、このq_outを第八の関数部８２へ出力する。第八の関数部８２は、このカロリー推定値を入力情報として取得すると、所定の関数式に基づいて演算処理を行うことにより、制御弁２１への開度指令値を得、これを第二制御部１０７の制御量として制御弁２１へ出力する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置によれば、カロリーメータ１２による測定値を用いず、カロリー推定部８０によりミキシングタンク４の出口の混合ガスのカロリーを推定するので、第二の混合器２に流入される混合ガスのカロリーを速やかに取得することが可能となる。

これにより、例えば、第二の混合器２に流入される混合ガスのカロリーを実測していたのでは、フィードバック制御に大きな時間遅れが生じてしまい、許容範囲を超える制御誤差が生じてしまうような場合であっても、上記時間遅れの問題を解消でき、制御誤差を許容範囲内に抑制することが可能となる。
さらに、本実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置によれば、カロリーメータ１２を設ける必要がないので、コストの低減を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、カロリーメータ１２を設置しておき、燃料ガスの流動遅れや計測遅れが生じる場合に、カロリー推定部８０によるカロリー推定値に基づいて第二制御を行うこととしてもよい。

［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について、図９を用いて説明する。
上述の第四実施形態では、ミキシングタンク４と第二の混合器２との間の距離Ｌが短い場合について説明したが、逆に、この距離Ｌが長い場合には、図８に示したカロリーメータ１２により計測されるカロリーと第二の混合器２での実際のカロリーとの関係が逆転し、通過時間Ｔ１が、カロリーメータ１２による計測遅れＴ２よりも長くなり、やはり大きな計測誤差が生ずるという問題がある。
本実施形態では、上述のように、通過時間Ｔ１が計測遅れＴ２よりも長くなってしまう場合に利用されて好適な燃料ガスカロリー制御装置を提供する。

図９は、本実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の第二制御部１０５の概略構成図である。
本実施形態の燃料ガスカロリー制御装置が第一実施形態と異なる点は、第二制御部１０５において、第二のフィードフォワード制御部１２４の構成が異なる点である。
以下、本実施形態の燃料ガスカロリー制御装置について、第一実施形態および第二実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

本実施形態に係る第二のフィードフォワード制御部１２４は、時間調整部７０を更に備えて構成されている。この時間調整部７０は、流量計７２と、温度計７３と、通過時間算出部７４と、減算器７６と、乗算器７８とを備えて構成されている。
流量計７２と温度計７３は、カロリーメータ１２とともにミキシングタンク４出口に設置されており、ミキシングタンク４出口の混合ガスの流量と温度とを測定する。

通過時間算出部７４は、流量計７２と温度計７３とによって測定された混合ガスの流量と温度から流速を算出し、この流速とミキシングタンク４から第二の混合器２までの距離Ｌとを用いて配管長Ｌ間を流れる混合ガスの通過時間Ｔｆを算出し、この通過時間Ｔｆを減算器７６へ出力する。

減算器７６は、通過時間算出部７４から送られた混合ガスの通過時間Ｔｆを入力情報として受け付け、これをカロリーメータ１２の計測むだ時間Ｔｃから差引いて、この減算結果をむだ時間として、乗算器７８へと送出する。
乗算器７８は、上述したように、第一の関数部２２から送られる演算結果を入力情報として受け付け、これに上記減算器７６からの減算結果を乗算することにより、この乗算結果を第二のフィードフォワード制御部１２４の制御量として、第二のフィードバック制御部１２３の加算器４４へと出力する。

以上説明したしたように、第五実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置によれば、カロリーメータ１２から第二の混合器２までの配管長さが十分長いことにより、混合ガスの通過時間Ｔ１がカロリーメータ１２の計測遅れ時間Ｔ２より長い場合に生じる測定誤差を低減させることができる。

具体的には、混合ガスの流量と温度とから混合ガスの流速を算出し、この流速を用いてカロリーメータ１２から第二の混合器２までの混合ガスの通過時間を算出する。そして、この通過時間に基づいて、第二のフィードフォワード制御部１２４からの制御信号を補正するので、カロリーメータ１２の計測遅れ時間Ｔ２と混合ガスの通過時間Ｔ１とを一致させることが可能となる。これにより、第二の混合器２における実際のカロリーとカロリーメータ１２による計測値との間に生じる誤差を解消させることが可能となり、第二のフィードフォワード制御部１２４における制御誤差を低減させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の第一実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の概略構成図である。本発明の第一実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置を用いた場合の燃料ガスのカロリー変動の変化を示した図である。本発明の第一実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置を用いた場合の燃料ガスのカロリー変動の変化を示した図である。本発明の第二実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の第二制御部の概略構成図である。本発明の第二実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置に用いるカロリーメータの動作特性の一例を示した図である。本発明の第三実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の第二制御部の概略構成図である。本発明の第四実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の概略構成図である。カロリーメータの動作特性を示した図である。本発明の第五実施形態に係る燃料ガスカロリー制御装置の第二制御部の概略構成図である。

符号の説明

１第一の混合器
２第二の混合器
１０燃料ガスカロリー制御装置
１４燃料ガス配管

Claims

ガスタービンに供給する燃料ガスのカロリーを調整するカロリー制御装置であって、
前記燃料ガスを前記ガスタービンへ供給する燃料ガス配管に設けられ、前記燃料ガスと第一の添加ガスとを混合して、前記燃料ガスのカロリーを目標カロリーに近づける第一の混合器と、
前記燃料ガス配管において第一の混合器の下流側に設けられ、前記第一の混合器にて混合された混合ガスと第二の添加ガスとを混合して、前記混合ガスのカロリー変動を緩和させる第二の混合器と、
前記第一の混合器に供給する前記第一の添加ガスの流量を調整する第一制御手段と、
前記第二の混合器に供給する前記第二の添加ガスの流量を調整する第二制御手段とを備え、
前記第一制御手段は、前記燃料ガスのカロリーに基づいて前記第一の添加ガスの流量を調整する第一のフィードフォワード制御手段を備え、
前記第二制御手段は、前記第二の混合器に流入する混合ガスのカロリーに基づいて、前記第二の添加ガスの流量を調整する第二のフィードフォワード制御手段を備え、前記混合ガスのカロリーと、前記混合ガスの流量と温度とに基づいて算出された前記混合ガスの流速と、前記混合ガスのカロリーの計測後から前記第二の混合器までの前記混合ガスの通過時間とにより、前記第二の添加ガスの流量を調整する燃料ガスカロリー制御装置。
ガスタービンに供給する燃料ガスのカロリーを調整するカロリー制御装置であって、
前記燃料ガスを前記ガスタービンへ供給する燃料ガス配管に設けられ、前記燃料ガスと第一の添加ガスとを混合して、前記燃料ガスのカロリーを目標カロリーに近づける第一の混合器と、
前記燃料ガス配管において第一の混合器の下流側に設けられ、前記第一の混合器にて混合された混合ガスと第二の添加ガスとを混合して、前記混合ガスのカロリー変動を緩和させる第二の混合器と、
前記第一の混合器に供給する前記第一の添加ガスの流量を調整する第一制御手段と、
前記第二の混合器に供給する前記第二の添加ガスの流量を調整する第二制御手段とを備え、
前記第一制御手段は、前記燃料ガスのカロリーに基づいて前記第一の添加ガスの流量を調整する第一のフィードフォワード制御手段を備え、
前記第二制御手段は、前記第二の混合器に流入する混合ガスのカロリーに基づいて、前記第二の添加ガスの流量を調整する第二のフィードフォワード制御手段を備え、
該第二のフィードフォワード制御手段が、前記第一の混合器と前記第二の混合器との間に介在する全ての構成要素あるいはその一部の制御モデルを用いて、前記第二の混合器に流入される混合ガスのカロリーを推定するカロリー推定手段を有し、前記カロリー推定手段によって推定されたカロリーを用いて前記第二の添加ガスの流量を調整する燃料ガスカロリー制御装置。
前記第二制御手段は、前記ガスタービンの入口部の混合ガスのカロリーに基づいて前記第二の添加ガスの流量を調整する第二のフィードバック制御手段を備える請求項１または請求項２に記載の燃料ガスカロリー制御装置。
前記第一制御手段および前記第二制御手段の少なくともいずれか一方は、位相進み補償手段を備えている請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料ガスカロリー制御装置。
前記第一制御手段および前記第二制御手段の少なくともいずれか一方は、微分回路を備えている請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料ガスカロリー制御装置。