JP5550592B2 - Gas turbine control device - Google Patents

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Description

本発明は、特に、燃焼振動の低減やＮＯｘ発生量の減少を可能とするガスタービンの制御装置に関するものである。   In particular, the present invention relates to a gas turbine control device that can reduce combustion vibration and NOx generation.

発電用のガスタービンの高出力化や高効率化を図る上で、排ガス性能を向上することが必要となり、希薄燃焼運転を安定的に行うために多種多様の工夫がなされている。   In order to increase the output and efficiency of the gas turbine for power generation, it is necessary to improve the exhaust gas performance, and various ideas have been made to stably perform the lean combustion operation.

例えば、特許文献１に記載されたガスタービンエンジン希薄吹消回避のための方法および装置では、燃焼器缶ごとに燃焼センサや火炎検知センサなどの信号によりで燃焼状態を監視し、失火する可能性をアルゴリズムにより評価し、失火可能性の限界信号と比較し、この限界信号を上回るようであれば、失火防止確率を引き下げるようしている。具体的には、失火防止、即ち、失火可能性を減ずるためにフィードバック制御装置により燃料量の増加、空気量の減少、流入空気温度の上昇、燃焼器缶への燃料分配の変更などを行い、制御信号と合わせてガスタービンの制御装置を操作している。そして、この変更により失火可能性が目標とする限界値を下回れば、そこで変更を終了する。これにより、燃焼器が失火する可能性を防ぎ、安定に運用することが可能になる。   For example, in the method and apparatus for avoiding lean blow-off of a gas turbine engine described in Patent Document 1, the combustion state is monitored by a signal from a combustion sensor, a flame detection sensor, or the like for each combustor can, and the possibility of misfire is detected. It is evaluated by an algorithm, compared with a limit signal of the possibility of misfire, and if the limit signal is exceeded, the misfire prevention probability is lowered. Specifically, in order to prevent misfire, that is, to reduce the possibility of misfire, the feedback control device increases the fuel amount, reduces the air amount, raises the inflow air temperature, changes the fuel distribution to the combustor can, etc. The control device of the gas turbine is operated together with the control signal. If the possibility of misfire falls below the target limit value due to this change, the change ends. Thereby, it is possible to prevent the combustor from misfiring and to operate stably.

特開２００６−０７０８９８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-070898

上述した従来のガスタービンの制御装置では、失火可能性を減ずるために、燃料量の増加、空気量の減少、流入空気温度の上昇、燃焼器缶への燃料分配の変更などを行っていることから、燃焼器は、燃焼温度が上昇すると共に、ＮＯｘの発生量が増加してしまうという問題がある。   In the conventional gas turbine control device described above, in order to reduce the possibility of misfire, the fuel amount is increased, the air amount is decreased, the inflow air temperature is increased, and the fuel distribution to the combustor can is changed. Therefore, the combustor has a problem that the amount of NOx generated increases as the combustion temperature rises.

本発明は、上述した課題を解決するものであり、ＮＯｘの発生量を低減すると共に安定燃焼を可能とするガスタービンの制御装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a gas turbine control device that reduces the amount of NOx generated and enables stable combustion.

上記の目的を達成するための本発明のガスタービンの制御装置は、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、負荷要求に基づいて燃料量を設定する燃料量設定部と、設定された燃料量とＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値と現在のＮＯｘ発生量及び燃焼振動に基づいて安定燃空比を設定する安定燃空比設定部と、設定された燃空比に基づいて前記燃焼器へ燃料及び空気を供給するための制御弁の開度を調整する制御弁駆動部と、前記ガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換えるＮＯｘ発生量モデル化部と、を備えることを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, a control device for a gas turbine according to the present invention supplies a combustion power to compressed air compressed by a compressor and burns it, and supplies the generated combustion gas to the turbine to rotate the power. A fuel amount setting unit that sets a fuel amount based on a load request, a set fuel amount, a NOx generation amount upper limit value, a combustion vibration upper limit value, a current NOx generation amount, and a combustion vibration A stable fuel / air ratio setting unit for setting a stable fuel / air ratio, a control valve driving unit for adjusting the opening of a control valve for supplying fuel and air to the combustor based on the set fuel / air ratio, And a NOx generation amount modeling unit that replaces a model value obtained by modeling the NOx generation amount based on an operation amount and a state amount of the gas turbine as a current NOx generation amount.

従って、ＮＯｘ発生量モデル化部がガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として推定することで、安定燃空比設定部は、適正な現在のＮＯｘ発生量を考慮して安定燃空比を設定することが可能となり、燃料量の増加、空気量の減少、流入空気温度の上昇などを行うことなく、ＮＯｘの発生量を低減することができると共に、安定燃焼を可能とすることができる。   Therefore, the NOx generation amount modeling unit estimates the model value obtained by modeling the NOx generation amount based on the operation amount and state quantity of the gas turbine as the current NOx generation amount, so that the stable fuel-air ratio setting unit is It is possible to set the stable fuel-air ratio in consideration of the current NOx generation amount, and reduce the NOx generation amount without increasing the fuel amount, decreasing the air amount, raising the inflow air temperature, etc. And stable combustion is possible.

本発明のガスタービンの制御装置では、ＮＯｘ発生量モデル化部は、ＮＯｘセンサが検出した検出値と、前記燃焼器の操作量、前記燃焼器の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定することを特徴としている。   In the gas turbine control device of the present invention, the NOx generation amount modeling unit constructs a mathematical model based on the detected value detected by the NOx sensor, the operation amount of the combustor, the state amount of the combustor, and the coefficient parameter. The current NOx generation amount is estimated based on this mathematical model.

従って、現在のＮＯｘ発生量を高精度に推定することができる。   Therefore, the current NOx generation amount can be estimated with high accuracy.

本発明のガスタービンの制御装置では、前記ＮＯｘ発生量モデル化部は、燃空比が下がる方向には相対的にゲインを大きくし、燃空比が上がる方向には相対的にゲインを小さく設定することを特徴としている。   In the gas turbine control device of the present invention, the NOx generation amount modeling unit sets a relatively large gain in a direction in which the fuel / air ratio decreases and a relatively small gain in a direction in which the fuel / air ratio increases. It is characterized by doing.

従って、低ＮＯｘと安定燃焼を可能な限り両立させることができ、また、正常燃焼範囲を一時的に逸脱しても、正常範囲に燃焼ポイントを戻すことで、不要なトリップ回数を低減でき、ガスタービンの寿命を延ばすことができる。   Therefore, it is possible to achieve both low NOx and stable combustion as much as possible, and even if temporarily deviating from the normal combustion range, the number of unnecessary trips can be reduced by returning the combustion point to the normal range. The lifetime of the turbine can be extended.

本発明のガスタービンの制御装置によれば、ガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として推定するＮＯｘ発生量モデル化部を設け、安定燃空比設定部が適正な現在のＮＯｘ発生量を考慮して安定燃空比を設定するので、ＮＯｘの発生量を低減することができると共に、安定燃焼を可能とすることができる。   According to the control device for a gas turbine of the present invention, a NOx generation amount modeling unit that estimates a model value obtained by modeling the NOx generation amount based on the operation amount and the state amount of the gas turbine as the current NOx generation amount is provided. Since the stable fuel / air ratio setting unit sets the stable fuel / air ratio in consideration of an appropriate current NOx generation amount, it is possible to reduce the NOx generation amount and to enable stable combustion.

図１は、本発明の一実施例に係るガスタービンの制御装置を表す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a control device for a gas turbine according to an embodiment of the present invention. 図２は、本実施例のガスタービンの制御装置による制御ブロックを表す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a control block by the gas turbine control device of this embodiment. 図３は、燃空比に対するＮＯｘ発生量と燃焼振動を表すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the NOx generation amount and combustion vibration with respect to the fuel-air ratio.

以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの制御装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。   Exemplary embodiments of a control apparatus for a gas turbine according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this Example, Moreover, when there exists multiple Example, what comprises combining each Example is also included.

図１は、本発明の一実施例に係るガスタービンの制御装置を表す概略構成図、図２は、本実施例のガスタービンの制御装置による制御ブロックを表す概略図、図３は、燃空比に対するＮＯｘ発生量と燃焼振動を表すグラフである。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a control device for a gas turbine according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a control block by the control device for a gas turbine according to the present embodiment, and FIG. It is a graph showing the NOx generation amount and combustion vibration with respect to ratio.

実施例１のガスタービンの制御装置において、図１に示すように、ガスタービン設備１１は、圧縮機１２、燃焼器１３、タービン１４を有しており、圧縮機１２とタービン１４とが回転軸１５により連結されている。圧縮機１２は、大気取込ライン１６が接続されており、この大気取込ライン１６に入口案内弁１７が設けられている。   In the gas turbine control apparatus according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, the gas turbine equipment 11 includes a compressor 12, a combustor 13, and a turbine 14, and the compressor 12 and the turbine 14 are rotating shafts. 15 are connected. An air intake line 16 is connected to the compressor 12, and an inlet guide valve 17 is provided in the air intake line 16.

燃焼器１３は、圧縮機１２から圧縮空気供給ライン１８が接続されると共に、タービン１４に向けて燃焼ガス供給ライン１９が接続されている。また、圧縮空気供給ライン１８と燃焼ガス供給ライン１９との間には、燃焼器１３をバイパスするバイパスライン２０が設けられ、このバイパスライン２０に燃焼器バイパス制御弁２１が設けられている。   In the combustor 13, a compressed air supply line 18 is connected from the compressor 12, and a combustion gas supply line 19 is connected to the turbine 14. A bypass line 20 that bypasses the combustor 13 is provided between the compressed air supply line 18 and the combustion gas supply line 19, and a combustor bypass control valve 21 is provided in the bypass line 20.

また、燃焼器１３は、燃料ガス供給ライン２２から分岐したメイン燃料供給ライン２３と、パイロット燃料供給ライン２４が接続されており、メイン燃料供給ライン２３にメイン燃料流量制御弁２５が設けられ、パイロット燃料供給ライン２４にパイロット燃料流量制御弁２６が設けられている。   The combustor 13 is connected to a main fuel supply line 23 branched from the fuel gas supply line 22 and a pilot fuel supply line 24. The main fuel supply line 23 is provided with a main fuel flow rate control valve 25, and the pilot A pilot fuel flow control valve 26 is provided in the fuel supply line 24.

タービン１４は、回転軸２７を介して発電機２８が連結されている。また、タービン１４は、排ガスライン２９が接続されている。   The turbine 14 is connected to a generator 28 via a rotating shaft 27. Further, the turbine 14 is connected to an exhaust gas line 29.

また、燃焼器１３は、燃焼ガスの圧力（内圧変動）を検出する圧力センサ３１が設けられ、タービン１４は、排ガスにおけるＮＯｘ量を検出するＮＯｘセンサ３２が設けられている。制御装置３３は、圧力センサ３１とＮＯｘセンサ３２の検出結果が入力され、これらに基づいて入口案内弁１７、燃焼器バイパス制御弁２１、メイン燃料流量制御弁２５、パイロット燃料流量制御弁２６の開度を調整可能となっている。   Further, the combustor 13 is provided with a pressure sensor 31 for detecting the pressure (internal pressure fluctuation) of the combustion gas, and the turbine 14 is provided with a NOx sensor 32 for detecting the NOx amount in the exhaust gas. The control device 33 receives the detection results of the pressure sensor 31 and the NOx sensor 32, and based on these, the inlet guide valve 17, the combustor bypass control valve 21, the main fuel flow control valve 25, and the pilot fuel flow control valve 26 are opened. The degree can be adjusted.

なお、制御装置３３は、図示しないセンサが検出した吸気温度、吸気圧力、吸気流量、圧縮機出口温度、圧縮機出口圧力、燃料流量、メイン燃料流量、パイロット燃料流量、燃料温度、燃料圧力、排ガス温度、入口案内弁開度、燃焼器バイパス制御弁開度、メイン燃料流量制御弁開度、パイロット燃料流量制御弁開度が入力されており、燃焼ガスの圧力や排ガスにおけるＮＯｘ量に加えて、これらの検出結果に基づいて各種弁１７，２１，２５，２６の開度を調整可能としてもよい。   The controller 33 detects the intake air temperature, the intake air pressure, the intake air flow rate, the compressor outlet temperature, the compressor outlet pressure, the fuel flow rate, the main fuel flow rate, the pilot fuel flow rate, the fuel temperature, the fuel pressure, and the exhaust gas detected by a sensor (not shown). Temperature, inlet guide valve opening, combustor bypass control valve opening, main fuel flow control valve opening, pilot fuel flow control valve opening are input, in addition to combustion gas pressure and NOx amount in exhaust gas, Based on these detection results, the opening degree of the various valves 17, 21, 25, 26 may be adjustable.

従って、燃焼器１３では、圧縮機１２から供給された圧縮空気と供給された燃料ガスとを混合して燃焼し、タービン１４にて、発生した燃焼ガスにより回転軸２７を回転することで発電機２８を駆動し、発電を行うことができる。   Therefore, in the combustor 13, the compressed air supplied from the compressor 12 and the supplied fuel gas are mixed and burned, and the turbine 14 rotates the rotating shaft 27 with the generated combustion gas, thereby generating the generator. 28 can be driven to generate electricity.

このようなガスタービン設備１１にて、制御装置３３は、図２に示すように、燃料量設定部４１と安定燃空比設定部４２と制御弁駆動部４３と周波数分析部４４とＮＯｘ発生量モデル化部４５とデータベース４６とを有している。   In such a gas turbine equipment 11, the control device 33, as shown in FIG. 2, has a fuel amount setting unit 41, a stable fuel / air ratio setting unit 42, a control valve drive unit 43, a frequency analysis unit 44, and a NOx generation amount. A modeling unit 45 and a database 46 are included.

燃料量設定部４１は、ガスタービン設備１１が要求する負荷要求と、発電機２８の出力に基づいて燃焼器１３に供給する燃料ガス量（燃料量）を設定するものである。この場合、燃料量設定部４１は、負荷要求や発電機出力だけでなく、燃料組成や大気温度、燃焼器１３の経年変化などに応じて必要燃料量が決定される。安定燃空比設定部４２は、燃料量設定部４１により設定された燃料量と、予め設定されたＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値と、現在のＮＯｘ発生量及び燃焼振動に基づいて安定燃空比を設定するものである。このＮＯｘ発生量上限値とは、排ガス規制値として規定された値であり、燃焼振動上限値とは、設計上で規定される上限値であって、周波数帯ごとに設定される。   The fuel amount setting unit 41 sets the amount of fuel gas (fuel amount) supplied to the combustor 13 based on the load request required by the gas turbine equipment 11 and the output of the generator 28. In this case, the fuel amount setting unit 41 determines the required fuel amount not only according to the load request and the generator output, but also according to the fuel composition, the atmospheric temperature, the aging of the combustor 13, and the like. The stable fuel / air ratio setting unit 42 is stabilized based on the fuel amount set by the fuel amount setting unit 41, the preset NOx generation amount upper limit value and the combustion vibration upper limit value, and the current NOx generation amount and combustion vibration. It sets the fuel-air ratio. The NOx generation amount upper limit value is a value defined as an exhaust gas regulation value, and the combustion vibration upper limit value is an upper limit value defined by design and is set for each frequency band.

この場合、安定燃空比決定部４２は、例えば、図３に表すグラフに基づいて安定燃空比を設定する。このグラフは、モデルまたは実機試験にて、所定の負荷一定条件のもとで、燃空比とＮＯｘ発生量、燃空比と燃焼振動の関係を表したものである。但し、大気温度や燃料組成などの影響を受けるため、所定の幅を考慮したグラフとなっており、これらのばらつきを考慮にして安定燃焼可能な領域が設定されている。例えば、この安定燃焼領域は、Ｆｕｚｚｙ数として設定してもよく、微小時間の一時的な安定領域逸脱は可能とする。   In this case, the stable fuel / air ratio determining unit 42 sets the stable fuel / air ratio based on the graph shown in FIG. 3, for example. This graph represents the relationship between the fuel / air ratio and the amount of NOx generated, and the fuel / air ratio and combustion vibration under a predetermined constant load condition in a model or actual machine test. However, since it is affected by atmospheric temperature, fuel composition, etc., the graph takes into account a predetermined range, and a region where stable combustion is possible is set in consideration of these variations. For example, the stable combustion region may be set as a Fuzzy number, and a temporary deviation from the stable region in a minute time is possible.

即ち、図３に示すように、燃空比の上昇（燃料に対する空気の割合が増加）に伴って、ＮＯｘ発生量Ｎは減少する一方、燃焼振動Ｐは増加するように、ＮＯｘ発生量Ｎと燃焼振動Ｐは相反する傾向を示す。このとき、ＮＯｘ発生量Ｎや燃焼振動Ｐは、燃料組成、大気温度、燃焼器１３の経年変化などに応じてＮ１−Ｎ２、Ｐ１−Ｐ２の間で変動し、この間に余裕値Ｎａ，Ｐａが設定されている。従って、ＮＯｘ発生量上限値Ｎｍａｘ及び燃焼振動上限値Ｐｍａｘが設定されていることから、ＮＯｘ発生量Ｎ及び燃焼振動ＰがＮ１，Ｐ１上にあるとき、安定燃焼領域Ｓ１が規定される。一方、ＮＯｘ発生量Ｎ及び燃焼振動ＰがＮ２，Ｐ２上にあるとき、安定燃焼領域Ｓ２が規定される。従って、安定燃空比決定部４２は、安定燃焼領域Ｓ１，Ｓ２が設定されている状態で、ＮＯｘ発生量Ｎと燃焼振動Ｐが最適値となるように燃空比を設定する。 That is, as shown in FIG. 3, as the fuel-air ratio increases (the ratio of air to fuel increases), the NOx generation amount N decreases while the combustion vibration P increases so that the NOx generation amount N The combustion vibration P shows a tendency to conflict. At this time, the NOx generation amount N and the combustion vibration P fluctuate between N 1 -N 2 and P 1 -P 2 according to the fuel composition, the atmospheric temperature, the aging of the combustor 13, and the like, and a margin value therebetween. Na and Pa are set. Accordingly, since the NOx generation amount upper limit value Nmax and the combustion vibration upper limit value Pmax are set, when the NOx generation amount N and the combustion vibration P are on N 1 and P 1 , the stable combustion region S 1 is defined. . On the other hand, when the NOx generation amount N and the combustion vibration P are on N 2 and P 2 , the stable combustion region S 2 is defined. Therefore, the stable fuel / air ratio determining unit 42 sets the fuel / air ratio so that the NOx generation amount N and the combustion vibration P are optimum values in a state where the stable combustion regions S 1 and S 2 are set.

制御弁駆動部４３は、安定燃空比決定部４２により設定された燃空比に基づいて燃焼器１３へ燃料及び空気を供給するための制御弁１７，２１，２５，２６の開度を調整するものである。   The control valve drive unit 43 adjusts the opening degree of the control valves 17, 21, 25, 26 for supplying fuel and air to the combustor 13 based on the fuel / air ratio set by the stable fuel / air ratio determination unit 42. To do.

周波数分析部４４は、圧力センサ３１の検出結果をＦＦＴ分析し、複数の周波数帯、例えば、低周波数帯、中周波数帯、高周波数帯、高高周波数帯のように区分けし、周波数帯ごとに管理値を設定する。   The frequency analysis unit 44 performs an FFT analysis on the detection result of the pressure sensor 31, and divides it into a plurality of frequency bands, for example, a low frequency band, a medium frequency band, a high frequency band, and a high and high frequency band, for each frequency band. Set the management value.

発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２の検出結果をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換えるものである。即ち、ＮＯｘ発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２が検出した検出値と、燃焼器１３の操作量、燃焼器１３の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定するものである。   The generation amount modeling unit 45 replaces the model value obtained by modeling the detection result of the NOx sensor 32 as the current NOx generation amount. That is, the NOx generation amount modeling unit 45 constructs a mathematical model based on the detected value detected by the NOx sensor 32, the operation amount of the combustor 13, the state amount of the combustor 13, and the coefficient parameter. Based on this, the current NOx generation amount is estimated.

また、データベース４６は、ガスタービン設備や気象データなどを時系列的に格納するものであり、周波数分析部４４及び発生量モデル化部４５に対して、各種のデータを出力する。   The database 46 stores gas turbine equipment, weather data, and the like in time series, and outputs various data to the frequency analysis unit 44 and the generation amount modeling unit 45.

具体的に説明すると、発生量モデル化部４５は、図２に示すように、ＮＯｘ排出量を数式モデル化するものである。即ち、発生量モデル化部４５は、ＮＯｘ排出量特性を把握するものであって、データベースに格納された気象データなどを用いて、ＮＯｘ排出量を説明する数式モデルを構築する。例えば、下式で表されるような重回帰モデルでＮＯｘ排出量をモデル化する。   More specifically, as shown in FIG. 2, the generation amount modeling unit 45 converts the NOx emission amount into a mathematical model. That is, the generation amount modeling unit 45 grasps the NOx emission amount characteristic, and constructs a mathematical model for explaining the NOx emission amount using weather data stored in the database. For example, the NOx emission amount is modeled by a multiple regression model represented by the following equation.

Ｙ＝ａ０＋ａ１１×Ｘ１１＋ａ１２×Ｘ１２＋・・・＋ａ１ｎ×Ｘ１ｎ
＋ａ２１×Ｘ２１＋ａ２２×Ｘ２２…＋ａ２ｍ×Ｘ２ｍ
ここで、Ｙは、ＮＯｘ値（次の予測ＮＯｘ値）、Ｘ１１は、操作量１の値、Ｘ１２は、操作量２の値であり、最初の添え字１が操作量を示し、後の添え字が操作量番号を示す。
また、Ｘ１ｎは、操作量ｎの値、Ｘ２１は、操作できない状態量１の値、Ｘ２２は、操作できない状態量２の値であり、最初の添え字２が操作できない状態変数を示し、後の添え字が変数番号を示す。
更に、Ｘ２ｍは、操作できない状態量ｍの値である。 Y = a0 + a11 × X11 + a12 × X12 +... + A1n × X1n
+ A21 * X21 + a22 * X22 ... + a2m * X2m
Here, Y is the NOx value (next predicted NOx value), X11 is the value of the manipulated variable 1, X12 is the value of the manipulated variable 2, the first subscript 1 indicates the manipulated variable, and the subsequent suffix The letter indicates the manipulated variable number.
X1n is the value of the manipulated variable n, X21 is the value of the incapable state quantity 1, X22 is the inoperable state quantity 2, and the first subscript 2 indicates a state variable that cannot be manipulated. The subscript indicates the variable number.
Further, X2m is a value of the state quantity m that cannot be operated.

この発生量モデル化部４５は、データベースに時刻ごとに整理して格納されたＮＯｘ排出量、操作量、操作できない状態量を用いて上式の係数パラメータａ１ｉ、ａ２ｊを求めて出力する。係数パラメータの解法には、例えば最小二乗法が用いられる。これにより、ＮＯｘセンサ値の予測推定が可能になる。   The generation amount modeling unit 45 obtains and outputs the coefficient parameters a1i and a2j of the above equation using the NOx emission amount, the operation amount, and the state amount that cannot be operated, which are stored in the database by time. For example, the least square method is used as a method for solving the coefficient parameter. This makes it possible to predict and estimate the NOx sensor value.

また、ＮＯxの操作量としては、入口案内弁１７、燃焼器バイパス制御弁２１、メイン燃料流量制御弁２５、パイロット燃料流量制御弁２６の開度、操作できない状態量としては、負荷、吸気温度、吸気圧力、吸気流量、燃料温度、燃料圧力などである。これらのモデルのパラメータは、試運転調整時などのデータを利用して行う。負荷帯ごとにこれらのパラメータを設定し、負荷に応じて切り替える。   Further, the operation amount of NOx includes the opening degree of the inlet guide valve 17, the combustor bypass control valve 21, the main fuel flow control valve 25, and the pilot fuel flow control valve 26, and the state amounts that cannot be operated include the load, the intake air temperature, Intake pressure, intake flow rate, fuel temperature, fuel pressure, etc. The parameters of these models are obtained by using data such as during trial run adjustment. Set these parameters for each load zone and switch according to the load.

一般的に、ＮＯｘセンサは、応答が１０秒前後程度と遅いことから、モデル化したＮＯｘ発生量を用いる。一方、圧力センサは、応答が１秒程度と速いことから、検出値（センサ信号）をＦＦＴ分析して燃焼振動を得ることができる。この燃焼振動は、一時的に安定領域を超えても直ちに燃空比制御により安定領域に戻すことが可能である。一方、ＮＯｘ値は、時定数が長いため、規制値を超えた場合制御が燃焼振動より難しい。   In general, a NOx sensor uses a modeled NOx generation amount because the response is as slow as about 10 seconds. On the other hand, since the pressure sensor has a fast response of about 1 second, combustion analysis can be obtained by FFT analysis of the detected value (sensor signal). Even if the combustion vibration temporarily exceeds the stable region, it can be immediately returned to the stable region by the fuel-air ratio control. On the other hand, since the NOx value has a long time constant, if it exceeds the regulation value, the control is more difficult than the combustion vibration.

従って、ＮＯｘ発生量の上限値の規制を守るように、燃焼振動側をマイナーループとして制御する。このとき、ＮＯｘ発生量の検出値は、応答性が良くないことから、モデルから計算した値を使用する。このとき、燃空比が下がる方向（燃焼振動が危険な領域へあがる方向）には、相対的にゲインを大きくし、燃空比が上がる方向（ＮＯｘ発生量が増える方向）には相対的にゲインを小さく設定する。ここで、相対的にゲインを大きく、または、相対的にゲインを小さくするとは、ＮＯｘ発生量（モデル値）が時系列で変化するとき、その増減量に対するゲインの大きさを表しており、その中心値（平均値など）に対する大きさである。その結果、低ＮＯｘと安定燃焼を可能な限り両立させることができる。また、正常燃焼範囲を一時的に逸脱しても、正常範囲に燃焼ポイントを戻すことで、不要なトリップ回数を低減でき、ガスタービンの寿命を延ばすことができる。   Therefore, the combustion vibration side is controlled as a minor loop so as to observe the restriction on the upper limit value of the NOx generation amount. At this time, since the responsiveness is not good, the value calculated from the model is used as the detected value of the NOx generation amount. At this time, the gain is relatively increased in the direction in which the fuel-air ratio decreases (the direction in which combustion vibrations rise to a dangerous region), and the gain increases relatively in the direction in which the fuel-air ratio increases (the amount of NOx generation increases). Set the gain smaller. Here, when the gain is relatively large or relatively small, when the NOx generation amount (model value) changes in time series, it represents the magnitude of the gain with respect to the increase / decrease amount. This is the size with respect to the center value (average value, etc.). As a result, both low NOx and stable combustion can be achieved as much as possible. Even if the normal combustion range is temporarily deviated, returning the combustion point to the normal range can reduce the number of unnecessary trips and extend the life of the gas turbine.

ここで、図１及び図２に基づいてガスタービンの具体的な制御について説明する。   Here, specific control of the gas turbine will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

燃料量設定部４１は、ガスタービン設備１１が要求する負荷要求と、発電機２８の出力に基づいて燃焼器１３に供給する燃料ガス量を設定する。安定燃空比設定部４２は、燃料量設定部４１により設定された燃料量と、ＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値に基づいて安定燃空比を設定する。ここで、安定燃空比設定部４２は、図３に表すグラフに基づいて、ＮＯｘ発生量Ｎと燃焼振動Ｐが最適値となるように、燃空比を安定燃焼領域Ｓ１，Ｓ２内で設定する。そして、制御弁駆動部４３は、安定燃空比決定部４２により設定された燃空比に基づいて入口案内弁１７、燃焼器バイパス制御弁２１、メイン燃料流量制御弁２５、パイロット燃料流量制御弁２６の開度を調整し、燃焼器１３へ供給する燃料ガス量及び空気量を調整する。すると、ガスタービン設備１１が適正に稼動する。 The fuel amount setting unit 41 sets the fuel gas amount to be supplied to the combustor 13 based on the load request required by the gas turbine equipment 11 and the output of the generator 28. The stable fuel / air ratio setting unit 42 sets the stable fuel / air ratio based on the fuel amount set by the fuel amount setting unit 41, the NOx generation amount upper limit value, and the combustion vibration upper limit value. Here, the stable fuel / air ratio setting unit 42 sets the fuel / air ratio in the stable combustion regions S 1 and S 2 so that the NOx generation amount N and the combustion vibration P become optimum values based on the graph shown in FIG. Set with. Then, the control valve driving unit 43 is based on the fuel / air ratio set by the stable fuel / air ratio determining unit 42, and the inlet guide valve 17, the combustor bypass control valve 21, the main fuel flow control valve 25, the pilot fuel flow control valve 26 is adjusted to adjust the amount of fuel gas and the amount of air supplied to the combustor 13. Then, the gas turbine equipment 11 operates properly.

このとき、圧力センサ３１は、燃焼ガスの圧力（内圧変動）を検出し、ＮＯｘセンサ３２は、排ガスにおけるＮＯｘ量を検出する。周波数分析部４４は、この圧力センサ３１の検出値をＦＦＴ分析し、複数の周波数帯ごとに管理値を設定する。そして、この現在の燃焼振動と燃焼振動上限値とを比較し、現在の燃焼振動と燃焼振動上限値との偏差を安定燃空比設定部４２に出力する。すると、安定燃空比設定部４２は、その偏差に基づいて安定燃空比を補正する。   At this time, the pressure sensor 31 detects the pressure of the combustion gas (internal pressure fluctuation), and the NOx sensor 32 detects the NOx amount in the exhaust gas. The frequency analysis unit 44 performs FFT analysis on the detection value of the pressure sensor 31 and sets a management value for each of a plurality of frequency bands. Then, the current combustion vibration and the combustion vibration upper limit value are compared, and the deviation between the current combustion vibration and the combustion vibration upper limit value is output to the stable fuel-air ratio setting unit 42. Then, the stable fuel / air ratio setting unit 42 corrects the stable fuel / air ratio based on the deviation.

一方、発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２の検出結果をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換える。即ち、ＮＯｘ発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２が検出した検出値、燃焼器１３の操作量、燃焼器１３の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定する。そして、推定したＮＯｘ発生量とＮＯｘ発生量上限値とを比較し、現在のＮＯｘ発生量とＮＯｘ発生量上限値との偏差を安定燃空比設定部４２に出力する。すると、安定燃空比設定部４２は、その偏差に基づいて安定燃空比を補正する。   On the other hand, the generation amount modeling unit 45 replaces the model value obtained by modeling the detection result of the NOx sensor 32 with the current NOx generation amount. That is, the NOx generation amount modeling unit 45 constructs a mathematical model based on the detected value detected by the NOx sensor 32, the operation amount of the combustor 13, the state amount of the combustor 13, and the coefficient parameter, and based on this mathematical model. To estimate the current NOx generation amount. Then, the estimated NOx generation amount is compared with the NOx generation amount upper limit value, and the deviation between the current NOx generation amount and the NOx generation amount upper limit value is output to the stable fuel-air ratio setting unit 42. Then, the stable fuel / air ratio setting unit 42 corrects the stable fuel / air ratio based on the deviation.

即ち、安定燃空比設定部４２は、現在の燃焼振動と燃焼振動上限値との偏差と、現在のＮＯｘ発生量とＮＯｘ発生量上限値との偏差とに基づいて、現在の燃焼振動が燃焼振動上限値を超えないように、また、現在のＮＯｘ発生量がＮＯｘ発生量上限値を超えないように、安定空燃比を補正する。   In other words, the stable fuel-air ratio setting unit 42 combusts the current combustion vibration based on the deviation between the current combustion vibration and the combustion vibration upper limit value and the difference between the current NOx generation amount and the NOx generation amount upper limit value. The stable air-fuel ratio is corrected so that the vibration upper limit value is not exceeded and the current NOx generation amount does not exceed the NOx generation amount upper limit value.

このように本実施例のガスタービンの制御装置にあっては、圧縮機１２で圧縮した圧縮空気に燃焼器１３で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービン１４に供給することで回転動力を得るガスタービン設備１１を構成し、このガスタービン設備１１を制御する制御装置３３として、負荷要求に基づいて燃料量を設定する燃料量設定部４１と、設定された燃料量とＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値と現在のＮＯｘ発生量及び燃焼振動に基づいて安定燃空比を設定する安定燃空比設定部４２と、設定された燃空比に基づいて燃焼器１３へ燃料及び空気を供給するための制御弁の開度を調整する制御弁駆動部４３と、ガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換えるＮＯｘ発生量モデル化部４５とを設けている。   As described above, in the gas turbine control apparatus according to the present embodiment, fuel is supplied to the compressed air compressed by the compressor 12 by the combustor 13 and burned, and the generated combustion gas is supplied to the turbine 14. As a control device 33 that configures the gas turbine equipment 11 for obtaining rotational power and controls the gas turbine equipment 11, a fuel amount setting unit 41 that sets a fuel amount based on a load request, a set fuel amount and NOx generation A stable fuel-air ratio setting unit 42 that sets a stable fuel-air ratio based on the amount upper limit value and combustion vibration upper limit value, the current NOx generation amount and combustion vibration, and fuel to the combustor 13 based on the set fuel-air ratio. And a control valve drive unit 43 for adjusting the opening of the control valve for supplying air, and a model value obtained by modeling the NOx generation amount based on the operation amount and the state amount of the gas turbine are set as the current NOx generation amount. A NOx generation amount modeling section 45 is provided to replace.

従って、ＮＯｘ発生量モデル化部４５がガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として推定することで、安定燃空比設定部４２は、適正な現在のＮＯｘ発生量を考慮して安定燃空比を設定することが可能となり、燃料量の増加、空気量の減少、流入空気温度の上昇などを行うことなく、ＮＯｘの発生量を低減することができると共に、安定燃焼を可能とすることができる。   Accordingly, the NOx generation amount modeling unit 45 estimates the model value obtained by modeling the NOx generation amount based on the operation amount and state amount of the gas turbine as the current NOx generation amount, so that the stable fuel-air ratio setting unit 42 It is possible to set the stable fuel-air ratio in consideration of the appropriate current NOx generation amount, and to reduce the NOx generation amount without increasing the fuel amount, decreasing the air amount, raising the inflow air temperature, etc. In addition to being able to reduce, stable combustion can be enabled.

また、本実施例のガスタービンの制御装置では、ＮＯｘ発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２が検出した検出値と、燃焼器１３の操作量、燃焼器１３の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定している。従って、現在のＮＯｘ発生量を高精度に推定することができる。   In the gas turbine control device of this embodiment, the NOx generation amount modeling unit 45 is based on the detected value detected by the NOx sensor 32, the operation amount of the combustor 13, the state amount of the combustor 13, and the coefficient parameter. Thus, a mathematical model is constructed, and the current NOx generation amount is estimated based on this mathematical model. Therefore, the current NOx generation amount can be estimated with high accuracy.

また、本実施例のガスタービンの制御装置では、ＮＯｘ発生量モデル化部４５は、燃空比が下がる方向には相対的にゲインを大きくし、燃空比が上がる方向には相対的にゲインを小さく設定することを特徴としている。従って、低ＮＯｘと安定燃焼を可能な限り両立させることができ、また、正常燃焼範囲を一時的に逸脱しても、正常範囲に燃焼ポイントを戻すことで、不要なトリップ回数を低減でき、ガスタービンの寿命を延ばすことができる。   Further, in the gas turbine control device of the present embodiment, the NOx generation amount modeling unit 45 relatively increases the gain in the direction in which the fuel / air ratio decreases, and relatively increases in the direction in which the fuel / air ratio increases. Is set to be small. Therefore, it is possible to achieve both low NOx and stable combustion as much as possible, and even if temporarily deviating from the normal combustion range, the number of unnecessary trips can be reduced by returning the combustion point to the normal range. The lifetime of the turbine can be extended.

１１ ガスタービン設備
１２ 圧縮機
１３ 燃焼器
１４ タービン
１７ 入口案内制御弁
２１ 燃焼器バイパス制御弁
２５ メイン燃料流量制御弁
２６ パイロット燃料流量制御
２８ 発電機
３１ 圧力センサ
３２ ＮＯｘセンサ
３３ 制御装置
４１ 燃料量決定部
４２ 安定燃空比決定部
４３ 制御弁駆動部
４４ 周波数分析部
４５ ＮＯｘ発生量モデル化部
４６ データベース DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Gas turbine equipment 12 Compressor 13 Combustor 14 Turbine 17 Inlet guide control valve 21 Combustor bypass control valve 25 Main fuel flow control valve 26 Pilot fuel flow control 28 Generator 31 Pressure sensor 32 NOx sensor 33 Controller 41 Fuel amount determination Unit 42 Stable fuel-air ratio determination unit 43 Control valve drive unit 44 Frequency analysis unit 45 NOx generation amount modeling unit 46 Database

Claims (3)

圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、
負荷要求に基づいて燃料量を設定する燃料量設定部と、
設定された燃料量とＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値と現在のＮＯｘ発生量及び燃焼振動に基づいて安定燃空比を設定する安定燃空比設定部と、
設定された燃空比に基づいて前記燃焼器へ燃料及び空気を供給するための制御弁の開度を調整する制御弁駆動部と、
前記ガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換えるＮＯｘ発生量モデル化部と、
を備えることを特徴とするガスタービンの制御装置。 In a gas turbine that obtains rotational power by supplying fuel to compressed air compressed by a compressor and burning it with a combustor and supplying the generated combustion gas to the turbine,
A fuel amount setting unit for setting a fuel amount based on a load request;
A stable fuel / air ratio setting unit for setting a stable fuel / air ratio based on the set fuel amount, the NOx generation amount upper limit value and the combustion vibration upper limit value, and the current NOx generation amount and combustion vibration;
A control valve drive unit that adjusts the opening of a control valve for supplying fuel and air to the combustor based on a set fuel-air ratio;
A NOx generation amount modeling unit that replaces a model value obtained by modeling the NOx generation amount based on the operation amount and the state amount of the gas turbine as a current NOx generation amount;
A control device for a gas turbine, comprising: ＮＯｘ発生量モデル化部は、ＮＯｘセンサが検出した検出値と、前記燃焼器の操作量、前記燃焼器の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの制御装置。   The NOx generation amount modeling unit constructs a mathematical model based on the detected value detected by the NOx sensor, the operation amount of the combustor, the state amount of the combustor, and the coefficient parameter, and based on this mathematical model, The control device for a gas turbine according to claim 1, wherein the NOx generation amount is estimated. 前記ＮＯｘ発生量モデル化部は、燃空比が下がる方向には相対的にゲインを大きくし、燃空比が上がる方向には相対的にゲインを小さく設定することを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンの制御装置。
The NOx generation amount modeling unit sets the gain relatively large in the direction in which the fuel-air ratio decreases and sets the gain relatively small in the direction in which the fuel-air ratio increases. The control apparatus of the gas turbine of 2.
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