JP5523412B2 - ガスタービンの燃料制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料油と燃料ガスを切り替えて燃焼運転を行うデュアル燃料焚きガスタービンの燃料制御装置に係り、特にガスタービン無負荷運転時における切替を安定に行うことに関する。

燃料油と燃料ガスを切り替えて燃焼運転を行うデュアル燃料焚きガスタービンとしては、例えば特許文献１、特許文献２に開示されたものがある。これらのガスタービンでは、燃料油の供給配管に燃料油流量調節弁を設け、燃料ガスの供給配管に燃料ガス流量調節弁を設けている。そのうえで、一方の流量調節弁を閉止し、他方の流量調節弁を開放することで燃料油と燃料ガスを切り替えて燃焼運転を実施している。

またデュアル燃料焚きガスタービンでは、燃料ガス供給配管の燃料ガス流量調節弁の上流側に、圧力トランスミッターと燃料ガス圧力調節弁を設けている。そして、燃料油から燃料ガスに切替えて使用する場合には、圧力トランスミッターで検出した実測圧力と、別途設定された圧力指令値の偏差がなくなるように、燃料ガス供給系統の燃料ガス圧力調節弁の開度を制御している。

特許文献１と特許文献２には、上記のガスタービンを用いて発電機を駆動する負荷運転時において、燃料油から燃料ガスに切り替えた際の燃料ガスの圧力を調節する燃料ガス圧力調節弁の制御システムが開示されている。

このうち特許文献１では、燃料ガス圧力調節弁の制御システムに、ゲインの異なる２つのＰＩコントローラを設置している。そして、通常運転時には高いゲインのＰＩコントローラを使用し、燃料切り替え中の燃料ガス低流量域では低いゲインのＰＩコントローラを使用するという使い分けにより、燃料ガス圧力制御弁の制御を行っている。

また特許文献２は、燃料油から燃料ガスへ燃料を切り替える際の燃料ガス圧力調節弁のハンチング現象に伴う燃料ガス圧力の変動防止と、ガスタービン負荷の変動抑制を可能とするシンプルな構成の燃料ガス圧力制御システムを示している。

特開平１１−２３６８２５号公報 特開２００７−２０５２２４号公報

上記したデュアル燃料焚きガスタービンの燃料ガス圧力調節弁の制御システムでは、PIコントローラは、一定負荷以上の通常負荷運転における燃料ガス圧力調節弁の開度制御に合わせた設定がなされて制御を行っている。従って、前記特許文献１、特許文献２に記載されている燃料ガス圧力調整弁の制御によれば、一定負荷以上の通常負荷運転において、燃料ガス圧力調節弁にハンチング現象が発生することは抑制できる。

然しながら、これらの制御システムのPIコントローラの設定は、負荷運転時の開度制御に適合するように設定されているので、無負荷運転時の燃料切り替えを行うときに特性を発揮できるものになっていない。特に燃料切替初期の燃料ガス流量調節弁の低開度域においては、ガス流量と制御信号のゲインや時間遅れとがマッチしなくなり、ハンチング動作を起こし、制御不能となる。

この点に関し、例えば特許文献１の制御システムにより無負荷運転時の燃料ガス圧力調節弁プレフィル時制御を行うと、燃料ガス流量調節弁の低開度域であるため、制御線を超えた圧力が、逃げる場がないため上昇を続け、燃料ガス圧力調節弁が全閉まで動作することで、ハンチングを抑えられない。

また、特許文献２に記載されている燃料ガス圧力調整弁の制御装置による無負荷運転時の燃料ガス圧力調節弁プレフィル時制御では、燃料ガス流量調節弁の低開度域であるため、燃料ガス圧力定格圧力に相当する燃料ガス圧力調整弁の規定開度は不定であることから、規定開度での燃料ガス圧力は定格値には定まらず、規定開度制御解除し、燃料ガス圧力に戻した時点での燃料流量調節弁前段の燃料ガス圧力と圧力指令値との偏差により燃料ガス圧力弁がハンチングを起こす。

以上のことから本発明の目的は、ガスタービン発電機無負荷運転中に燃料油と燃料ガスを切り替える時の燃料ガス圧力制御弁の制御において、燃料油から燃料ガスへ燃料を切り替えた際に燃料ガスの圧力を調節する燃料ガス流量調節弁の前段の燃料ガス圧力の変動防止とガスタービン速度の変動抑制を可能とするガスタービンの燃料制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明においては、燃料ガスの流量を調節する燃料ガス流量調節弁とその前段に設けられ前段圧力を調整する燃料ガス圧力調節弁を有し、ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、燃料油の流量を調節する燃料油流量調節弁を有し、ガスタービンに燃料油を供給する燃料油供給系統を備え、ガスタービンの無負荷運転時に燃料油による燃焼運転から燃料ガスによる燃焼運転に切り替えるためのガスタービンの燃料制御装置において、前段圧力と圧力設定値の偏差に基づいて燃料ガス圧力調節弁に開度指令を出力する圧力制御コントローラ、圧力制御コントローラの積分定数を燃料油と燃料ガスの分配状態に応じた大きさに設定する積分定数設定器を備える。

また、積分定数設定器により、ガス燃料プレフィル運転時と、それ以外の運転時とで積分定数を変更して、プレフィル運転時に燃料ガス圧力調節弁が頻繁に弁開度制御されることを阻止する。

上記課題を解決するために本発明においては、燃料ガスの流量を調節する燃料ガス流量調節弁とその前段に設けられ前段圧力を調整する燃料ガス圧力調節弁を有し、ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、燃料油の流量を調節する燃料油流量調節弁を有し、ガスタービンに燃料油を供給する燃料油供給系統を備え、ガスタービンの無負荷運転時に燃料油による燃焼運転から燃料ガスによる燃焼運転に切り替えるためのガスタービンの燃料制御装置において、前段圧力と圧力設定値の偏差に基づいて燃料ガス圧力調節弁に開度指令を出力する圧力制御コントローラ、燃料指令を燃料油量と燃料ガス量に分配して、燃料油流量調節弁と燃料ガス流量調節弁の開度指令とする燃料指令分配回路、圧力制御コントローラに開度指令下限値を設定する開度指令下限設定器、圧力制御コントローラの積分定数を燃料油と燃料ガスの分配状態に応じた大きさに設定する積分定数設定器を備える。

本発明によれば、発電機無負荷運転時に、燃料油と燃料ガスとを切り替えて燃焼させてガスタービンを運転するデュアル燃料焚きガスタービンでの燃料ガス流量調節弁前段の燃料ガス圧力を調整する燃料ガス圧力調節弁の制御において、燃料油から燃料ガスへ燃料を切り替えた際に燃料ガスの圧力を調節する燃料ガス圧力調節弁の前段の燃料ガス圧力の変動防止とガスタービン速度の変動抑制を可能とする。

本発明の一実施例であるデュアル燃料焚きガスタービン設備に適用される燃料ガス調節弁制御システムの一例を示す制御ロジック図。

以下、図面を用いて、本発明のガスタービンの燃料制御装置について説明する。

本発明の一実施例であるデュアル燃料焚きガスタービン設備に適用されるガスタービンの燃料制御装置の一例を、図１を参照して説明する。

図１において、１１は燃料ガス供給配管２１に設けられた燃料ガス圧力調節弁であり、１２は同じく燃料ガス流量調節弁である。燃料ガス供給配管２１では、上流側の燃料ガス圧力調節弁１１で圧力調整を行い、下流の燃料ガス流量調節弁１２で、ガスタービン（図示せず）に与える燃料ガス２１ａの流量を決定する。なお、燃料ガス供給配管２１には圧力トランスミッター１４が設置されている。また、燃料油供給配管２２に設けられた燃料油流量調節弁１３を調整してガスタービン（図示せず）に与える燃料油２２ａの流量を決定する。

ガスタービン制御システム１７は、ガスタービン速度信号Ｓ、発電機負荷信号Ｌ、燃料選択指令１a、圧力トランスミッター１４からの圧力信号１４aを入力し、前述した調節弁（１１，１２，１３）を制御する。これらの入力信号をどのように用いて、どの調節弁を操作するのかは、使用する燃料の種別或いはガスタービンの（負荷或いは無負荷の）運転状態により適宜変更して実施される。

このうち、燃料油２２ａを燃料として使用している場合には、以下のようにされる。この場合、ガスタービン制御システム１７は、タービン速度信号Ｓと発電機負荷信号Ｌを燃料指令演算回路２に導入して、目標のタービン速度と発電機負荷を実現するに必要な燃料油の量を演算し燃料指令を得る。燃料指令は、燃料指令分配回路５における演算により、燃料油配管２２に設置した燃料油の流量を調節する燃料油流量調節弁１３の開度指令信号１３ａとされる。燃料油流量調節弁１３は、開度指令信号１３ａにより制御されて、ガスタービン速度、負荷に応じた燃料油２２ａの流量が得られる。

なお、この状態では燃料ガス供給配管２１上の燃料ガス圧力調節弁１１、燃料ガス流量調節弁１２の一方または双方は閉止状態にある。ガスタービン制御システム１７の上記説明した以外の回路部分は機能していない。

次に燃料ガス２１ａを燃料として使用している場合には、以下のようにされる。この場合、ガスタービン制御システム１７は、燃料ガス供給配管２１上の燃料ガス圧力調節弁１１と、燃料ガス流量調節弁１２の開度を制御する。このうち、燃料ガス流量調節弁１２の開度制御は、上記した燃料油流量調節弁１３の開度指令信号１３ａを得る手順と同様にして実行される。

参考までに記述すると、以下のようである。この場合、タービン速度信号Ｓと発電機負荷信号Ｌを燃料指令演算回路２に導入して、目標のタービン速度と発電機負荷を実現するに必要な燃料ガスの量を演算し燃料指令を得る。燃料指令は、燃料指令分配回路５における演算により、燃料ガス配管２１に設置した燃料ガスの流量を調節する燃料ガス流量調節弁１２の開度指令信号１２ａとされる。燃料ガス流量調節弁１２は、開度指令信号１２ａにより制御されて、ガスタービン速度、負荷に応じた燃料ガス２１ａの流量が得られる。

燃料ガス供給配管２１上の燃料ガス圧力調節弁１１の開度は、以下のようにして求められる。まず、燃料ガス圧力設定器４にガスタービン速度信号Ｓが導入され、ここで圧力設定値１６aに変換される。圧力設定値１６aは、例えばガスタービン速度信号Ｓを横軸とする関数発生器１６により求められる。圧力設定値１６aは、ガスタービン速度信号Ｓに比例して求められる。なお、ここでは、無負荷運転時を想定しているためにガスタービン速度信号Ｓのみを入力して圧力設定値１６aを算出しているが、負荷運転状態で燃料ガス２１ａを燃料として使用する場合には、さらに発電機負荷信号Ｌも加味した関数発生器１６とするのがよい。

圧力設定値１６aは、減算器７において圧力トランスミッター１４からの圧力信号１４aと減算され、圧力偏差信号７aが求められる。圧力偏差信号７aは、さらにＰＩコントローラ８において燃料ガス圧力調節弁１１の開度指令信号１１ａに変換される。

燃料ガス２１ａを燃料として使用している場合には、このようにして燃料ガス流量調節弁１２は、開度指令信号１２ａにより制御されて、ガスタービン速度に応じた燃料ガス２１ａの流量が得られる。また、ガスタービン速度信号Ｓに対応した圧力設定値１６aとすべく、燃料ガス圧力調節弁１１が制御される。

なお、この状態では燃料油供給配管２２上の燃料油流量調節弁１３は閉止状態にある。このため、ガスタービン制御システム１７の上記説明した以外の回路部分は機能していない。

本発明では、上記した燃料油による制御から燃料ガスによる制御に安定に切り替える。従って、切替前の状態では燃料油流量調節弁１３が開度制御されており、切替進行状態では燃料油流量調節弁１３と燃料ガス圧力調節弁１１と燃料ガス流量調節弁１２が制御され、切替後には燃料ガス圧力調節弁１１と燃料ガス流量調節弁１２による制御が実行される。

燃料ガス制御と、切替え中と、燃料油制御の３つの制御モードは、燃料選択指令１aにより選定される。燃料選択指令１aは、例えば燃料油制御モードのときに「１」、燃料ガス制御モードのときに「０」とすると、切替え中には「１」から「０」の間で変化する信号とされる。

切替状態になったときに、燃料指令分配回路５は燃料指令演算回路２から得た燃料指令を燃料選択指令１aの大きさに応じて、燃料油で負担する分と燃料ガスで負担する分に分配する。この場合に燃料指令は、ガスタービンが必要とする燃焼カロリーであるが、ガスと油では単位重量あたりのカロリーが相違している。このためここでは、カロリーを分配比率で分配した上で、かつこの分配カロリーをガスと油が負担する為の流量に換算し、各流量調節弁１２，１３に対する開度信号１２a，１３aとしている。

また、燃料指令分配回路５は燃料選択指令１aの大きさに応じて、現在の運転状態を把握し、３種類の状態信号を発生する。第１の状態信号５aはガス燃料プレフィル帯識別信号であり、燃料油制御モードから、燃料ガス制御モードに切り替わった直後の状態で出力する。これは例えば燃料選択指令１aが、「０」から「０．０２」程度の大きさのときにガス燃料プレフィル帯と判断して識別信号５aをガス燃料プレフィル帯用積分時定数設定器６に与える。

本発明では、ガス圧力を目標値に制御する燃料ガス圧力調節弁１１のＰＩコントローラ８は、長短２種類の積分時定数を有しており、ガス燃料プレフィル帯用積分時定数設定器６からの信号によりその時定数を長い値に変更設定する。

無負荷運転時の燃料ガス圧力調節弁プレフィル時は、燃料ガス流量調節弁１２の低開度域である。そのため、制御線を超えた圧力の逃げ場がないため上昇を続け、燃料ガス圧力調節弁１１が全閉まで動作してしまう。このハンチングを抑えるために、本発明では燃料ガス圧力調節弁１１が俊敏に応答しないように、ＰＩコントローラ８の感度を下げて運用する。圧力の変動が発生しても、燃料ガス圧力調節弁１１が直ちには開度変更しないので、燃料ガス流量調節弁１２の低開度域であっても、適切な量の燃料ガスが安定して確保できる。

第２の状態信号５ｂは、燃料比率切替帯もしくはガス燃料比率１００％識別信号であり、ガス燃料プレフィル帯脱却後、燃料ガス制御モードになった状態までの期間の状態で出力する。これは例えば燃料選択指令１aが、「０．０２」から「１」の大きさのときに燃料比率切替帯もしくはガス燃料比率１００％と判断して識別信号５ｂを積分時定数設定器３に与える。

ガス圧力を目標値に制御する燃料ガス圧力調節弁１１のＰＩコントローラ８は、高低２種類の積分時定数を有していることを先に説明したが、積分時定数設定器３は、識別信号５ｂを受けてその時定数を短い値に変更設定する。つまり、この状態では十分な量の燃料ガスを安定に供給することが可能であるので、時定数を短い値に変更設定し、時間遅れの少ない、俊敏な応答とする。これは、燃料ガスによる通常運転時の積分時定数に戻した運用を実施することである。

なお、本発明は要するに燃料ガス圧力調節弁プレフィル時は、頻繁な弁開度制御を阻止する目的のものであり、このために先の例では積分定数のうち積分時定数を大きい値にすることで制御感度を鈍くして運用していた。従って、同様のことは、この期間内に積分定数のうち積分ゲインを小さな値にすることでも同様の効果を達成できる。

第３の状態信号５ｃは、ガス燃料不使用帯識別信号である。この状態は、燃料選択指令１aが、「１」のときにガス燃料不使用帯（燃料油による燃焼状態）と判断して識別信号５ｃを燃料ガス圧力調節弁全閉指令器１０に与える。燃料ガス圧力調節弁全閉指令器１０の出力１０aは、ＰＩコントローラ８の出力１１aに優先して燃料ガス圧力調節弁１１の開度を決定し、これを全閉とする。

なおＰＩコントローラ８は、燃料ガス圧力調節弁１１の弁開度を制御して燃料ガスの圧力を調節するコントローラであるが、コントローラ８の設定条件として、開度指令下限設定器９から開度指令下限設定値９aが設定されている。

１ａ：燃料選択指令
２：燃料指令演算回路
３：積分定数設定器
４：燃料ガス圧力設定器
５：燃料指令分配回路
５ａ：ガス燃料プレフィル帯識別信号
５ｂ：燃料比率切替帯もしくはガス燃料比率１００％識別信号
５ｃ：ガス燃料不使用帯識別信号
６：ガス燃料プレフィル帯用積分定数設定器
７：減算器
７ａ：圧力偏差信号
８：ＰＩコントローラ
９：開度指令加減設定器
９ａ：開度指令下限設定値
１０：燃料ガス圧力調節弁全閉指令器
１０ａ：燃料ガス圧力調節弁全閉指令信号
１１：燃料ガス圧力調節弁
１１ａ：燃料ガス圧力調節弁開度指令信号
１２：燃料ガス流量調節弁
１２ａ：燃料ガス流量調節弁開度指令信号
１３：燃料油流量調節弁
１３ａ：燃料油流量調節弁開度指令信号
１４：圧力トランスミッター
１４a：圧力信号
１６：関数発生器
１７：ガスタービン制御システム
２１：燃料ガス供給配管
２１ａ：燃料ガス
２２：燃料油供給配管
２２ａ：燃料油
S:タービン速度信号
L：発電機負荷信号

Claims (4)

1. 燃料ガスの流量を調節する燃料ガス流量調節弁とその前段に設けられ前段圧力を調整する燃料ガス圧力調節弁を有し、ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、燃料油の流量を調節する燃料油流量調節弁を有し、前記ガスタービンに燃料油を供給する燃料油供給系統を備え、前記ガスタービンの無負荷運転時に燃料油による燃焼運転から燃料ガスによる燃焼運転に切り替えるためのガスタービンの燃料制御装置において、
   前記前段圧力と圧力設定値の偏差に基づいて前記燃料ガス圧力調節弁に開度指令を出力する圧力制御コントローラ、該圧力制御コントローラの積分定数を燃料油と燃料ガスの分配状態に応じた大きさに設定する積分定数設定器を備えることを特徴とするガスタービンの燃料制御装置。
2. 請求項１に記載のガスタービンの燃料制御装置において、
   積分定数設定器により、ガス燃料プレフィル運転時と、それ以外の運転時とで前記積分定数を変更して、プレフィル運転時に燃料ガス圧力調節弁が頻繁に弁開度制御されることを阻止することを特徴とするガスタービンの燃料制御装置。
3. 燃料ガスの流量を調節する燃料ガス流量調節弁とその前段に設けられ前段圧力を調整する燃料ガス圧力調節弁を有し、ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、燃料油の流量を調節する燃料油流量調節弁を有し、前記ガスタービンに燃料油を供給する燃料油供給系統を備え、前記ガスタービンの無負荷運転時に燃料油による燃焼運転から燃料ガスによる燃焼運転に切り替えるためのガスタービンの燃料制御装置において、
   前記前段圧力と圧力設定値の偏差に基づいて前記燃料ガス圧力調節弁に開度指令を出力する圧力制御コントローラ、燃料指令を燃料油量と燃料ガス量に分配して、前記燃料油流量調節弁と燃料ガス流量調節弁の開度指令とする燃料指令分配回路、前記圧力制御コントローラに開度指令下限値を設定する開度指令下限設定器、前記圧力制御コントローラの積分定数を燃料油と燃料ガスの分配状態に応じた大きさに設定する積分定数設定器を備えることを特徴とするガスタービンの燃料制御装置。
4. 請求項３に記載のガスタービンの燃料制御装置において、
   積分定数設定器により、ガス燃料プレフィル運転時と、それ以外の運転時とで前記積分定数を変更して、プレフィル運転時に燃料ガス圧力調節弁が頻繁に弁開度制御されることを阻止することを特徴とするガスタービンの燃料制御装置。

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