JP5523950B2

JP5523950B2 - 燃料カロリー演算装置および燃料カロリー演算方法

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Publication number: JP5523950B2
Application number: JP2010144160A
Authority: JP
Inventors: 裕介木内; 真人岸; 隆園田; 広毅佐久間
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: JP2012007539A

Description

本発明は、ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求める、燃料カロリー演算装置および燃料カロリー演算方法に関する。

ガスタービン発電プラントやコンバインドサイクル発電プラントに設置されるガスタービンには、燃焼ガスを生成するための燃料のカロリーを一定に保つために、異なる組成の燃料を混合するものがある。
例えば、ＢＦＧ（Blast Furnace Gas、高炉ガス）を主燃料とするＢＦＧ焚き発電プラントでは、高炉の操業状態に応じてＢＦＧのカロリーが変化する。このＢＦＧのカロリーが大幅に低下した場合には不安定燃焼や消焔に至るおそれがあり、カロリーが大幅に上昇した場合には、燃焼振動等によりガスタービンを損傷するおそれがある。そこで、ＢＦＧ焚き発電プラントは、ＢＦＧのカロリーが低下した場合には、ＢＦＧよりも高カロリーであるＣＯＧ（Coke Oven Gas、コークス炉ガス）等を増熱ガスとして添加することにより、燃料のカロリー低下を解消する制御を行う。また、ＢＦＧのカロリーが上昇した場合には、増熱ガスの添加量を減らすことにより、あるいは、窒素（Ｎ_２）ガス等を減熱ガスとして添加することにより、燃料のカロリー上昇を解消する制御を行う。

このような、燃料のカロリー制御を行う発電プラントでは、燃料のカロリーを測定するカロリーメータを設置し、カロリーメータによるカロリー測定値に基づいて、燃料の配合を調節する制御が一般に行われている。
例えば、図１０に示す発電プラント１００１では、燃料混合器１０１３が、ＢＦＧとＣＯＧとを混合して燃料を生成し、生成した燃料を燃焼器１０１４に供給する。燃焼器１０１４は、燃料混合器１０１３から供給される燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスによりガスタービン１０１５を回転させる。また、カロリーメータ１０２１が、燃料混合器１０１３が生成する燃料を抽気し燃焼させて燃料のカロリーを測定し、測定値を制御装置１０２２に出力する。制御装置１０２２は、カロリーメータ１０２１から出力されるカロリー測定値に基づいて、燃料のカロリー制御を行う。具体的には、カロリーメータ１０２１からのカロリー測定値が所定のカロリー設定値よりも小さい場合、制御装置１０２２は、ＣＯＧ供給弁１０１２を開方向に制御して燃料のカロリーを上昇させる。一方、カロリーメータ１０２１からのカロリー測定値が所定のカロリー設定値よりも大きい場合、制御装置１０２２は、ＣＯＧ供給弁１０１２を閉方向に制御して燃料のカロリーを低下させる。また、カロリーメータ１０２１の測定した燃料のカロリーは表示盤に表示される。これにより、発電プラント１００１の運転員は、低カロリー異常を検知してカロリー回復操作またはプラント停止操作を行う、あるいは、高カロリー異常を検知してランバック操作を行うなど、カロリー異常に対応することができる。

また、特許文献１では、汚泥ガスを燃料とするガスタービン発電プラントにおいて、汚泥ガスのカロリーが短期的には安定しているが長期的には変動する場合に、プラント出力に応じて燃料流量を調整する適応制御方法が開示されている。この方法では、カロリーメータを用いずに、汚泥ガスのカロリー変化に対応することができる。

また、特許文献２では、燃料ガス流量と、ガスタービン発電出力と、ガスタービンの発電出力効率と、効率補正係数とを用いて、燃料ガスカロリーを求める技術が開示されている。この方法によれば、燃料ガスカロリーを求める際にカロリーメータを用いる必要がなく、迅速に燃料ガスカロリーを求めることができる。

特開２００２−２５０２３７号公報特開２００４―１９０６３３号公報

しかしながら、カロリーメータは、サンプリング配管の応答遅れや、ガスカロリー測定端にガス伝達系および高炉ガスの洗浄を行うためのガス洗浄系等を含むことにより、通常、カロリーの測定に１分以上の時間を要する。この測定時間により、制御装置による燃料のカロリー制御や、運転員によるカロリー異常対応操作に遅れが生じ、燃料のカロリー変化に対する対処が適切に行われないおそれがある。特に、燃料のカロリーが上昇した場合には、ランバック等、ガスタービンを保護するための制御が遅れてしまうおそれがある。

また、特許文献１の方法は、汚泥ガスの長期的な変化に対応するための制御方法である。このため、異なる組成のガスを混合する発電プラントにこの方法を適用した場合、燃料の短期的な大幅変動に対しては適切な制御が行われないおそれがある。そして、特許文献１の方法では、燃料のカロリーは取得されない。このため、燃料の短期的な大幅変動を、プラント運転員が検知して迅速に対応操作を行うことも期待できない。

また、特許文献２の方法では、燃料ガス流量を計測する流量計や、効率補正係数を求める際に燃料ガスのカロリーを計測するカロリーメータなどの計器が必要となり、構成が複雑になってしまう。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ガスタービンに供給される燃料のカロリーを、より単純な装置構成にて迅速に取得できる燃料カロリー演算装置および燃料カロリー演算方法を提供することにある。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による燃料カロリー演算装置は、入力される制御指令に応じて燃料供給装置がガスタービンの燃焼器に供給する燃料のカロリーを演算する燃料カロリー演算装置であって、前記制御指令に応じてガスタービンから出力され検出される出力値と、予め求められた該ガスタービンの出力と燃料カロリーとの関係を表す相関データとに基づいて、前記制御指令と対応して前記燃料供給装置が供給した燃料のカロリーを演算するカロリー演算部を有することを特徴とする。

また、本発明の一態様による燃料カロリー演算装置は、上述の燃料カロリー演算装置であって、前記カロリー演算部は、前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが予め定められた第１のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第１の出力推定値を求める第１の出力推定部と、前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが前記第１のカロリーよりも低い第２のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第２の出力推定値を求める第２の出力推定部と、前記第１のカロリー及び対応して前記第１の出力推定部で求められた前記第１の出力推定値と、前記第２のカロリー及び対応して前記第２の出力推定部で求められた前記第２の出力推定値と、前記ガスタービンの出力値と、に基づいて前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求めるカロリー推定部と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様による燃料カロリー演算装置は、上述の燃料カロリー演算装置であって、前記第１の出力推定部は、さらに外気温度を取得し、前記外気温度のもとでの前記第１の出力推定値を求め、前記第２の出力推定部は、さらに外気温度を取得し、前記外気温度のもとでの前記第２の出力推定値を求める、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様による燃料カロリー演算装置は、上述の燃料カロリー演算装置であって、前記第１の出力推定部は、さらに燃料温度を取得し、前記燃料温度のもとでの前記第１の出力推定値を求め、前記第２の出力推定部は、さらに燃料温度を取得し、前記燃料温度のもとでの前記第２の出力推定値を求める、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様による燃料カロリー演算装置は、上述の燃料カロリー演算装置であって、前記第１の出力推定部は、さらに外気湿度を取得し、前記外気湿度のもとでの前記第１の出力推定値を求め、前記第２の出力推定部は、さらに外気湿度を取得し、前記外気湿度のもとでの前記第２の出力推定値を求める、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様による燃料カロリー演算装置は、上述の燃料カロリー演算装置であって、前記第１の出力推定部は、前記ガスタービンの性能劣化の程度を示す性能劣化係数をさらに取得し、前記性能劣化係数に基づいて前記第１の出力推定値を求め、前記第２の出力推定部は、前記性能劣化係数をさらに取得し、前記性能劣化係数に基づいて前記第２の出力推定値を求める、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様による燃料カロリー演算方法は、ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求める燃料カロリー演算装置の燃料カロリー演算方法であって、第１の出力推定部が、前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、予め求められた該ガスタービンの出力と燃料カロリーとの関係を表す相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが予め定められた第１のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第１の出力推定値を求める第１の出力推定ステップと、第２の出力推定部が、前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが前記第１のカロリーよりも低い第２のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第２の出力推定値を求める第２の出力推定ステップと、カロリー推定部が、前記第１のカロリー及び対応して前記第１の出力推定部で求められた前記第１の出力推定値と、前記第２のカロリー及び対応して前記第２の出力推定部で求められた前記第２の出力推定値と、前記制御指令に応じてガスタービンから出力され検出される、前記ガスタービンの出力値と、に基づいて前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求めるカロリー推定ステップと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、燃料のカロリーを、より単純な装置構成にて迅速に取得できる。

本発明の一実施形態における発電プラントの構成を示すブロック図である。同実施形態における燃料カロリー演算装置２１の構成を示すブロック図である。同実施形態において、カロリー推定モデル部２１３が有するカロリー推定モデルの例を示す図である。同実施形態の第１の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同実施形態の第２の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同実施形態の第３の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同実施形態の第４の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同実施形態の第５の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同実施形態の第６の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。カロリーメータを備える従来の発電プラントの構成例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態における発電プラントの構成を示すブロック図である。同図において、発電プラント１は、ＢＦＧ供給弁１１と、ＣＯＧ供給弁１２と、燃料混合器１３と、圧縮機１６、燃焼器１４、及びタービン１５を有するガスタービン（Gas Turbine；ＧＴ）１００と、排熱回収ボイラ（Heat Recovery Stem Generator；ＨＲＳＧ）１７と、蒸気タービン（Steam Turbine；ＳＴ）１８と、発電機１９と、燃料カロリー演算装置２１と、制御装置２２とを具備する。
なお、本発明の適用範囲は、同図に示す一軸コンバインドサイクル発電プラントのガスタービンに限らない。本発明は、燃料のカロリーが変化し得る様々なガスタービンに適用できる。

ＢＦＧ供給弁１１は、制御装置２２からの制御信号に応じて開閉し、燃料混合器１３に供給されるＢＦＧの流量を調整する。ＣＯＧ供給弁１２は、制御装置２２からの制御信号に応じて開閉し、燃料混合器１３に供給されるＣＯＧの流量を調整する。
燃料混合器１３は、ＢＦＧとＣＯＧとを混合して燃料を生成し、生成した燃料をガスタービン１００の燃焼器１４に供給する。また、ガスタービン１００の圧縮機１６は、外気を圧縮して圧縮空気を燃焼器１４に供給する。燃焼器１４は、燃料混合器１３から供給される燃料と、圧縮機１６から供給される圧縮空気とを混合させて燃焼させることで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをタービン１５に供給する。タービン１５は、燃焼器１４から供給される燃焼ガスを作動ガスとして回転駆動する。

排熱回収ボイラ１７は、タービン１５からの排ガスにより蒸気を発生させ、発生させた蒸気を蒸気タービン１８に供給する。蒸気タービン１８は、排熱回収ボイラ１７から供給される蒸気により回転駆動する。
発電機１９は、タービン１５および蒸気タービン１８によって回転して発電する。
燃料カロリー演算装置２１は、燃料混合器１３が生成した燃料のカロリーを求める。制御装置２２は、各部の動作制御を行う。特に、制御装置２２は、燃料カロリー演算装置２１から出力されるカロリー推定値に基づいて、ＢＦＧ供給弁１１およびＣＯＧ供給弁１２の弁開度を調整することにより、燃料混合器１３が生成する燃料のカロリーが一定になるよう制御する。

図２は、燃料カロリー演算装置２１の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置２１は、高出力側モデル部（第１の出力推定部）２１１と、低出力側モデル部（第２の出力推定部）２１２と、カロリー推定モデル部２１３とを具備する。
高出力側モデル部２１１は、ある一定カロリー（第１のカロリー。以下では、「高カロリー固定値」と称する）の燃料が供給される場合におけるガスタービン１００の出力である第１の出力推定値を求めるモデルである高出力側モデルを有する。そして、高出力側モデル部２１１は、制御装置２２から出力される制御指令（より詳細には、例えば入口案内翼（Inlet Guide Vane；ＩＧＶ）開度や、燃料流量指令値（Control Signal Output；ＣＳＯ）など、ガスタービン１００の出力に影響する指令値。以下同様）が出力されると、出力された制御指令を高出力側モデルに入力することにより、高カロリー固定値の燃料が供給される場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の第１の出力推定値を求める。

低出力側モデル部２１２は、高カロリー固定値よりも低いある一定カロリー（第２のカロリー。以下では、「低カロリー固定値」と称する）の燃料が供給される場合におけるガスタービン１００の出力である第２の出力推定値を求めるモデルである低出力側モデルを有する。そして、低出力側モデル部２１２は、制御装置２２から制御指令が出力されると、出力された制御指令を低出力側モデルに入力することにより、低カロリー固定値の燃料が供給される場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の第２の出力推定値を求める。

なお、高出力側モデルや、低出力側モデルは、燃料カロリーとガスタービンの出力の相関関係を表すデータで、所定の燃料カロリーに基づいてガスタービン１００の出力推定値を求められるものであればよく、その表現形式は特定のものに限定されない。例えば、発電プラント１の各部の動作を示すオブジェクトを含む物理モデルであってもよいし、制御指令の各値をインデックスとしてガスタービン１００の出力推定値を検索可能な表であってもよいし、制御指令の各値を引数としてガスタービン１００の出力推定値を出力する近似式であってもよい。
また、高出力側モデルや、低出力側モデルの生成方法としては、例えば、ガスタービン１００から得られるデータ（実機データ）に基づいて生成することが考えられる。例えば、モデルのベースを、ガスタービン１００の設計データに基づいて生成しておき、実機データに基づいて、弁の開閉速度等によって生じる個体差を反映させる修正を加えることにより、高出力側モデルおよび低出力側モデルを生成する。
この、高出力側モデルや、低出力側モデルは、それぞれ高カロリー固定値や、低カロリー固定値に特化したモデルなので、特定のカロリーにのみ対応するモデルを構築すればよく、モデル構築者の負担が軽くて済む。また、実機データを収集する最、高出力側モデル用には高カロリー固定値における実機データのみを収集すればよく、低出力側モデル用には低カロリー固定値における実機データのみを収集すればよい。したがって、実機データを収集する際のデータ収集者の負担や、実機データに基づいてモデルを調整する際の調整者の負担が軽くて済む。

カロリー推定モデル部２１３は、高カロリー固定値の燃料が供給される場合におけるガスタービン１００の出力と、低カロリー固定値の燃料が供給される場合におけるガスタービン１００の出力（実機出力）とに基づいて求められ、ガスタービン１００の実際の出力から現在の燃料のカロリーを求めるためのカロリー推定モデルを有する。そして、カロリー推定モデル部２１３は、高出力側モデル部２１１が求めたガスタービン出力推定値と、低出力側モデル部２１２が求めたガスタービン出力推定値と、ガスタービン１００の出力（実機出力）とを取得してカロリー推定モデルに入力することにより、ガスタービン１００（実機）に供給される燃料のカロリーを求める。
ここで、例えば、カロリー推定モデル部２１３は、現在のガスタービン１００の実際の出力を制御装置２２から取得する。すなわち、制御装置２２は、ガスタービン制御のためにガスタービン出力を取得しており、このガスタービン出力をカロリー推定モデル部２１３に出力する。

図３は、カロリー推定モデル部２１３が有するカロリー推定モデルの例を示す図である。同図に示されるカロリー推定モデルでは、燃料のカロリーに対するガスタービン１００の出力特性モデルは、高出力側モデル部２１１が求めた出力推定値に基づく点Ｐ１１と、低出力側モデル部２１２が求めた出力推定値に基づく点Ｐ１２とを直線で結んで得られる。
カロリー推定モデル部２１３は、例えば、同図のカロリー推定モデルを、式（１）にて記憶し、高出力側モデル部２１１が求めたガスタービン出力推定値と、低出力側モデル部２１２が求めたガスタービン出力推定値と、ガスタービン１００の出力（実機出力）とを同式に代入することにより燃料のカロリーを求める。

ここで、Ｃ_Ｈは高カロリー固定値を示し、Ｃ_Ｌは低カロリー固定値を示し、Ｃ_Ｅは燃料のカロリー推定値を示す。また、ＭＷ_Ｈは高出力側モデル部２１１が求めた出力推定値を示し、ＭＷ_Ｌは低出力側モデル部２１２が求めた出力推定値を示し、ＭＷ_Ｐはガスタービン１００の出力を示す。

以上のように、燃料カロリー演算装置２１は、制御指令とガスタービン出力とに基づいて燃料のカロリーを求める。したがって、燃料カロリー演算装置２１は、カロリーメータを用いずに、燃料のカロリーを、ガスタービン１００の制御装置２２から出力される制御指令と、当該制御指令と対応して出力されるガスタービンの実際の出力に基づいて演算により求めることができるので、カロリーメータによる測定時間を必要とせず、燃料のカロリーを迅速に取得できる。また、燃料カロリー演算装置２１が燃料のカロリーを求める際に用いるガスタービン出力および制御指令は、制御装置２２から取得できる。したがって、燃料のカロリーを求めるために、流量計等の計器を新たに設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。

また、カロリー推定モデル部２１３は、高カロリー固定値でのガスタービン出力推定値と、低カロリー固定値でのガスタービン出力推定値と、ガスタービン１００の出力とに基づいて燃料のカロリーを求める。したがって、燃料カロリー演算装置２１は、高カロリー固定値におけるガスタービン出力を求めるための高出力側モデルと、低カロリー固定値におけるガスタービン出力を求めるための低出力側モデルとを具備すればよく、他の燃料カロリーにおけるガスタービン出力を求めるためのモデルを具備する必要がない。これにより、上述したように、モデル構築者の負担が軽くて済み、また、実機データを収集する際のデータ収集者の負担や、実機データに基づいてモデルを調整する際の調整者の負担が軽くて済む。

＜第１の変形例＞
図４は、本実施形態の第１の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置３１は、高出力側モデル部（第１の出力推定部）３１１と、低出力側モデル部（第２の出力推定部）３１２と、カロリー推定モデル部２１３とを具備する。同図において、図２の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号（２１３）を付し、説明を省略する。

高出力側モデル部３１１は、図２の高出力側モデル部２１１と同様、高カロリー固定値の燃料が供給される場合におけるガスタービン１００の出力を求めるためのモデルである高出力側モデルを有する。ただし、高出力側モデル部３１１の有する高出力側モデルは、制御指令に加えて外気温度に基づいてガスタービン出力を求める点で、高出力側モデル部２１１の有する高出力側モデルと異なる。
高出力側モデル部３１１は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、外気温度計による外気温度測定値を取得し、取得した制御指令と外気温度測定値とを高出力側モデルに入力することにより、高カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該外気温度の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。
ここで、例えば、高出力側モデル部３１１は外気温度測定値を制御装置２２から取得する。すなわち、制御装置２２は、プラント制御のために外気温度測定値を取得しており、この外気温度測定値を制御指令とともに高出力側モデル部３１１に出力する。

同様に、低出力側モデル部３１２は、制御指令に加えて外気温度に基づいてガスタービン出力を求めるための低出力側モデルを有する。そして、低出力側モデル部３１２は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、外気温度計による外気温度測定値を取得し、取得した制御指令と外気温度測定値とを低出力側モデルに入力することにより、低カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該外気温度の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。

一般に、ガスタービンの出力に対して、外気温度は外乱要因として作用する。具体的には、外気温度が高いとガスタービンの吸い込む空気密度が低くなり、出力が低下する。
そこで、高出力側モデル部３１１と、低出力側モデル部３１２との各々が、制御指令に加えて外気温度に基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置３１が、より正確に燃料のカロリーを推定できる。
また、ガスタービンの制御装置は、ガスタービンの制御を行う際に外気温度を取得していることが一般的である。したがって、上述のように、燃料カロリー計算装置２１が、制御装置２２から、ガスタービン出力および制御指令に加えて、外気温度も取得できることが期待できるので、新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。

＜第２の変形例＞
図５は、本実施形態の第２の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置４１は、高出力側モデル部（第１の出力推定部）４１１と、低出力側モデル部（第２の出力推定部）４１２と、カロリー推定モデル部２１３とを具備する。同図において、図２の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号（２１３）を付し、説明を省略する。

高出力側モデル部４１１は、制御指令に加えて燃料温度に基づいてガスタービン出力を求めるための高出力側モデルを有する。そして、高出力側モデル部４１１は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、燃料温度計による燃料温度測定値を取得し、取得した制御指令と燃料温度測定値とを高出力側モデルに入力することにより、高カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該燃料温度の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。
ここで、例えば、第１の変形例で説明した外気温度の場合と同様、高出力側モデル部４１１は燃料温度測定値を制御装置２２から取得する。

同様に、低出力側モデル部４１２は、制御指令に加えて燃料温度に基づいてガスタービン出力を求めるための低出力側モデルを有する。そして、低出力側モデル部４１２は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、燃料温度計による燃料温度測定値を取得し、取得した制御指令と燃料温度測定値とを低出力側モデルに入力することにより、低カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該燃料温度の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。

外気温度と同様、燃料も温度が高いと燃料密度が低くなり、ガスタービンの出力に影響する。すなわち、燃料温度はガスタービン出力に対して外乱要因として作用する。
そこで、高出力側モデル部４１１と、低出力側モデル部４１２との各々が、制御指令に加えて燃料温度に基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置４１が、より正確に燃料のカロリーを推定できることが期待できる。
また、ガスタービンの制御装置は、ガスタービンの制御を行う際に燃料温度を取得していることが一般的である。したがって、上述のように、燃料カロリー計算装置２１が、制御装置２２から、ガスタービン出力および制御指令に加えて、燃料温度も取得できることが期待できるので、新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。

＜第３の変形例＞
図６は、本実施形態の第３の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置５１は、高出力側モデル部（第１の出力推定部）５１１と、低出力側モデル部（第２の出力推定部）５１２と、カロリー推定モデル部２１３とを具備する。同図において、図２の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号（２１３）を付し、説明を省略する。

高出力側モデル部５１１は、制御指令に加えて外気湿度に基づいてガスタービン出力を求めるための高出力側モデルを有する。そして、高出力側モデル部５１１は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、湿度計による外気湿度測定値を取得し、取得した制御指令と外気湿度測定値とを高出力側モデルに入力することにより、高カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該湿度の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。
ここで、例えば、第１の変形例で説明した外気温度の場合と同様、高出力側モデル部５１１は外気湿度測定値を制御装置２２から取得する。

同様に、低出力側モデル部５１２は、制御指令に加えて外気湿度に基づいてガスタービン出力を求めるための低出力側モデルを有する。そして、低出力側モデル部５１２は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、湿度計による外気湿度測定値を取得し、取得した制御指令と外気湿度測定値とを低出力側モデルに入力することにより、低カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該湿度の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。

ガスタービンに供給される外気の湿度が高い場合、燃焼ガスを定格温度まで上昇させるためにより多くの燃料カロリーを必要とするため、ガスタービン出力が低下する。すなわち、外気湿度はガスタービン出力に対して外乱要因として作用する。
そこで、高出力側モデル部５１１と、低出力側モデル部５１２との各々が、制御指令に加えて外気湿度に基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置５１が、より正確に燃料のカロリーを推定できることが期待できる。
また、ガスタービンの制御装置は、ガスタービンの制御を行う際に外気湿度を取得していることが一般的である。したがって、上述のように、燃料カロリー計算装置２１が、制御装置２２から、ガスタービン出力および制御指令に加えて、外気湿度も取得できることが期待できるので、新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。

＜第４の変形例＞
図７は、本実施形態の第４の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置６１は、高出力側モデル部（第１の出力推定部）６１１と、低出力側モデル部（第２の出力推定部）６１２と、カロリー推定モデル部２１３とを具備する。同図において、図２の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号（２１３）を付し、説明を省略する。

高出力側モデル部６１１は、制御指令に加えてガスタービン１００の性能劣化係数に基づいてガスタービン出力を求めるための高出力側モデルを有する。そして、高出力側モデル部６１１は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、性能劣化係数を取得し、取得した制御指令と性能劣化係数とを高出力側モデルに入力することにより、高カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該性能劣化の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。
同様に、低出力側モデル部６１２は、制御指令に加えてガスタービン１００の性能劣化係数に基づいてガスタービン出力を求めるための低出力側モデルを有する。そして、低出力側モデル部６１２は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、性能劣化係数を取得し、取得した制御指令と性能劣化係数とを低出力側モデルに入力することにより、低カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該性能劣化の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。

ガスタービン１００の運転時間増加に伴い、圧縮機翼の汚れやタービン翼の汚れなどにより、圧縮機１６やタービン１５の性能劣化が生じ、ガスタービン出力が低下する。すなわち、圧縮機１６やタービン１５の性能劣化は、ガスタービン出力に対して外乱要因として作用する。
そこで、高出力側モデル部６１１と、低出力側モデル部６１２との各々が、制御指令に加えて性能劣化係数に基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置６１が、より正確に燃料のカロリーを推定できることが期待できる。

ここで、高出力側モデル部６１１および低出力側モデル部６１２は、例えば以下により性能劣化係数を取得する。
まず、ガスタービン１００の保守点検員が、ガスタービン１００の運転時間と、圧縮機汚れやタービン性能との関係を示す実機データを測定する。この測定結果に基づいて生成される、ガスタービン１００の運転時間を引数として性能劣化係数を出力する関数を、制御装置２２が記憶しておく。また、制御装置２２は、ガスタービン１００の運転時間を測定し、測定した運転時間を関数に適用して性能劣化係数を算出する。そして、制御装置２２は、算出した性能劣化係数を、高出力側モデル部６１１および低出力側モデル部６１２に出力する。
このように、ガスタービン１００の運転時間に基づいて性能劣化係数を求めることができるので、燃料カロリー演算装置２１や制御装置２２に新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。

＜第５の変形例＞
図８は、本実施形態の第５の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置７１は、高出力側モデル部（第１の出力推定部）７１１と、低出力側モデル部（第２の出力推定部）７１２と、カロリー推定モデル部２１３とを具備する。同図において、図２の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号（２１３）を付し、説明を省略する。

高出力側モデル部７１１は、制御指令に加えて、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、ガスタービン１００の性能劣化係数とに基づいてガスタービン出力を求めるための高出力側モデルを有する。そして、高出力側モデル部７１１は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、性能劣化係数とを取得し、取得した制御指令と、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、性能劣化係数とを高出力側モデルに入力することにより、高カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該外気温度、燃料温度、外気湿度および性能劣化係数の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。
同様に、低出力側モデル部７１２は、制御指令に加えて、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、ガスタービン１００の性能劣化係数とに基づいてガスタービン出力を求めるための高出力側モデルを有する。そして、低出力側モデル部７１２は、制御装置２２から出力される制御指令に加え、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、性能劣化係数とを取得し、取得した制御指令と、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、性能劣化係数とを低出力側モデルに入力することにより、低カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該外気温度、燃料温度、外気湿度および性能劣化係数の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン１００の出力推定値を求める。

上述したように、外気温度や、燃料温度や、外気湿度や、ガスタービン１００の性能劣化は、ガスタービン出力に対して外乱要因として作用する。
そこで、高出力側モデル部７１１と、低出力側モデル部７１２との各々が、制御指令に加えて、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、ガスタービン１００の性能劣化係数とに基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置７１が、より正確に燃料のカロリーを推定できることが期待できる。

＜第６の変形例＞
図９は、本実施形態の第６の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置８１は、ガスタービンモデル部８１１を具備する。
ガスタービンモデル部８１１は、制御指令とガスタービン１００の出力とに基づいて燃料カロリーを求めるためのガスタービンモデルを有する。そして、ガスタービンモデル部８１１は、制御装置２２から出力される制御指令およびガスタービン出力の入力を受け、当該制御指令およびガスタービン出力をガスタービンモデルに適用して燃料カロリーを求める。

ここで、ガスタービンモデルの生成方法としては、例えば、ガスタービン１００から得られるデータ（実機データ）に基づいて生成することが考えられる。例えば、モデルのベースを、ガスタービン１００の設計データに基づいて生成しておき、実機データに基づいて、弁の開閉速度等によって生じる個体差を反映させる修正を加えることにより、ガスタービンモデルを生成する。

以上のように、燃料カロリー演算装置８１は、制御指令とガスタービン出力とに基づいて燃料のカロリーを求める。したがって、燃料カロリー演算装置８１は、カロリーメータを用いずに燃料のカロリーを求めることができるので、カロリーメータによる測定時間を必要とせず、燃料のカロリーを迅速に求めることができる。
また、燃料カロリー演算装置２１は、制御装置２２からガスタービン出力および制御指令を取得できるので、新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。

なお、燃料カロリー演算装置２１〜８１の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

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

本発明は、ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求める、燃料カロリー演算装置および燃料カロリー演算方法に用いて好適である。例えば、異なる組成のガスを混合して燃料のカロリー制御を行う発電プラントにおいて、ガスの配合を調整するために燃料のカロリーを測定する際に、本発明の燃料カロリー演算装置を用いることができる。

１発電プラント
１１ＢＦＧ供給弁
１２ＣＯＧ供給弁
１３燃料混合器
１００ガスタービン
１４燃焼器
１５タービン
１６圧縮機
１７排熱回収ボイラ
１８蒸気タービン
１９発電機
２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１燃料カロリー演算装置
２１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７１１高出力側モデル部
２１２、３１２、４１２、５１２、６１２、７１２低出力側モデル部
２１３カロリー推定モデル部
８１１ガスタービンモデル部
２２制御装置

Claims

入力される制御指令に応じて燃料供給装置がガスタービンの燃焼器に供給する燃料のカロリーを演算する燃料カロリー演算装置であって、
前記制御指令に応じてガスタービンから出力され検出される出力値と、予め求められた該ガスタービンの出力と燃料カロリーとの関係を表す相関データとに基づいて、前記制御指令と対応して前記燃料供給装置が供給した燃料のカロリーを演算するカロリー演算部を有することを特徴とする燃料カロリー演算装置。
前記カロリー演算部は、
前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが予め定められた第１のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第１の出力推定値を求める第１の出力推定部と、
前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが前記第１のカロリーよりも低い第２のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第２の出力推定値を求める第２の出力推定部と、
前記第１のカロリー及び対応して前記第１の出力推定部で求められた前記第１の出力推定値と、前記第２のカロリー及び対応して前記第２の出力推定部で求められた前記第２の出力推定値と、前記ガスタービンの出力値と、に基づいて前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求めるカロリー推定部と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料カロリー演算装置。
前記第１の出力推定部は、さらに外気温度を取得し、前記外気温度のもとでの前記第１の出力推定値を求め、
前記第２の出力推定部は、さらに外気温度を取得し、前記外気温度のもとでの前記第２の出力推定値を求める、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料カロリー演算装置。
前記第１の出力推定部は、さらに燃料温度を取得し、前記燃料温度のもとでの前記第１の出力推定値を求め、
前記第２の出力推定部は、さらに燃料温度を取得し、前記燃料温度のもとでの前記第２の出力推定値を求める、
ことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料カロリー演算装置。
前記第１の出力推定部は、さらに外気湿度を取得し、前記外気湿度のもとでの前記第１の出力推定値を求め、
前記第２の出力推定部は、さらに外気湿度を取得し、前記外気湿度のもとでの前記第２の出力推定値を求める、
ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の燃料カロリー演算装置。
前記第１の出力推定部は、前記ガスタービンの性能劣化の程度を示す性能劣化係数をさらに取得し、前記性能劣化係数に基づいて前記第１の出力推定値を求め、
前記第２の出力推定部は、前記性能劣化係数をさらに取得し、前記性能劣化係数に基づいて前記第２の出力推定値を求める、
ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の燃料カロリー演算装置。
ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求める燃料カロリー演算装置の燃料カロリー演算方法であって、
第１の出力推定部が、前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、予め求められた該ガスタービンの出力と燃料カロリーとの関係を表す相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが予め定められた第１のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第１の出力推定値を求める第１の出力推定ステップと、
第２の出力推定部が、前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが前記第１のカロリーよりも低い第２のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第２の出力推定値を求める第２の出力推定ステップと、
カロリー推定部が、前記第１のカロリー及び対応して前記第１の出力推定部で求められた前記第１の出力推定値と、前記第２のカロリー及び対応して前記第２の出力推定部で求められた前記第２の出力推定値と、前記制御指令に応じてガスタービンから出力され検出される、前記ガスタービンの出力値と、に基づいて前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求めるカロリー推定ステップと、
を具備することを特徴とする燃料カロリー演算方法。