JP5640227B2 - ガスタービン発電プラントの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、燃焼器、タービン及び発電機を備えたガスタービン発電プラントの制御装置に関する。

ガスタービン発電プラントは、燃焼用空気を加圧する圧縮機と、加圧された燃焼用空気とガスタービン燃料（以下燃料）とを混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生する燃焼器と、燃焼ガスを用いて圧縮機及び発電機を駆動するタービンとを備えている。

このようなガスタービン発電プラントにおける燃料制御方式として、燃焼器内で生じる窒素酸化物の排出量を低減するために、空気と燃料を予め混合して燃焼する予混合燃焼方式が採用されている。予混合燃焼方式は、燃焼器を複数のバーナと燃料系統とで構成し、これらバーナと燃料系統によって、燃焼器の予混合燃焼部分を複数に分割し、運転負荷に応じて燃焼部分を増減するものである。具体的には、起動時には、１つの燃料系統を使用して１部のバーナで燃料を燃焼させ、その後、燃料流量の増加に伴い、使用燃料系統を増やすと共に、未着火バーナに順次点火することで、燃焼部分を増加させる方法（燃焼切換）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、ガスタービン発電プラントの出力・効率の向上を図るために、燃焼用空気に液滴を噴霧する吸気噴霧装置を圧縮機入口に設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。燃焼用空気に液滴を噴霧すると、空気温度の低下や空気流量の増加により出力の向上が図れるが、液滴噴霧の始動直後には燃空比が低下するため、燃焼器における失火のリスクが高くなる。このため、吸気噴霧装置の始動は、ガスタービン発電プラントが定格運転に移行した後に行われている（例えば、特許文献３，４参照）。

特開平１１−３４３８６９号公報 特開平９−２３６０２４号公報 特開平１１−７２０２９号公報 特表２００５−５１１９４７号公報

起動時の燃焼切換においては、燃料流量の増加に伴って、燃料流量を分配する新たな燃料系統が追加されるため、元の使用燃料系統に供給されている燃料流量は減少することになる。このため、燃焼切換時には、燃料流量と空気流量の比（燃空比）が低下し、燃焼状態が不安定となり燃焼器における失火のリスクが高くなるということが知られている。

起動時の燃焼切換に伴う燃空比低下について図９〜図１２を用いて説明する。図９は従来のガスタービン発電プラントの回転数特性（上段）、発電機負荷特性（中段）、及び燃料流量特性（下段）をそれぞれ示す特性図、図１０は従来のガスタービン発電プラントの燃焼器を構成するバーナの配置を示す断面図、図１１は従来のガスタービン発電プラントにおけるガスタービン負荷に対するバーナ毎の燃料流量を示す特性図、図１２は従来のガスタービン発電プラントにおける燃焼切換時の燃料流量特性（上段）及び燃空比特性（下段）を示す特性図である。

図９に示すように、ガスタービン発電プラントにおいては、回転数が上昇し定格回転数（図中の時刻Tn）に到達した後に、発電機の負荷を上昇させて定格運転（図中の時刻Tf）に移行する。定格回転数到達時刻Tnと定格運転移行時刻Tfの間において、発電機の負荷の上昇に伴い、燃焼器に供給する燃料流量が増加する。

燃焼器は、図１０に示すように複数のバーナ（図中a、b1、b2、b3、b4）で構成されていて、各バーナはそれぞれの燃料供給系統から燃料を供給されている。ガスタービン発電プラントの起動時には、１つの燃料供給系統を使用して１部のバーナを着火して燃焼を行う。その後、燃料流量の増加に伴って使用する燃料供給系統を増やすと共に、未着火バーナを順次点火していく。このような一連の動作を燃焼切換と呼ぶ。具体的には、例えば図１０の左側から右側に示すように、[a]→[a、b1]→[a、b1、b2]→[a、b1〜b3]→[a、b1〜b4]の順に未着火バーナを順次点火していくと共に使用燃料供給系統を増加させていく。

このような起動時の燃焼切換においては、図１１に示すように、全燃料流量の増加と共に、燃料流量を分配する燃料系統（使用燃料供給系統）が追加されていく。このため、元の使用燃料系統に供給されている燃料流量は減少することになる。この燃焼切換時の燃料流量の特性と燃料流量と空気流量の比（燃空比）の特性とを詳細に示したものが図１２である。燃焼切換によって、元の使用燃料系統における燃料流量の挙動を上段に示し、燃空比の挙動を下段に示している。図１２に示すように燃焼切換（図中の時刻Tsw）の直後に燃料流量と燃空比が突変的に低下する。このような現象は失火の原因になる場合がある。

一方、上述したように、吸気噴霧装置を設けることによって、ガスタービン発電プラントの出力・効率の向上は図れるが、吸気噴霧装置の始動による燃焼器失火のリスクを避けるために、吸気噴霧装置の始動を定格運転移行後とするため、ガスタービン発電プラント全体の起動時間が長くなってしまうという問題があった。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、吸気噴霧装置を始動した状態において、燃焼切換時の燃空比を安定に維持できると共に、ガスタービン発電プラント全体の起動時間を短縮することができるガスタービン発電プラントの制御装置を提供するものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、燃焼用空気を加圧する圧縮機と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機及び発電機を駆動するタービンと、前記燃焼器に供給される燃料流量を計測する燃料流量計と、前記圧縮機に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計と、前記噴霧装置に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計と、大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、前記燃焼器への燃料流量指令値を演算する燃料流量制御手段と、前記圧縮機への空気流量指令値を演算する空気流量制御手段と、前記空気流量計と前記燃料流量計と前記噴霧流量計と前記大気条件検出器の各計測値と前記燃料流量指令値と前記空気流量指令値とを取り込み、前記燃焼切換え時に発生する前記燃焼器での燃空比低下を補償する噴霧流量補正指令値と該噴霧流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記燃焼切換えの発生前から前記吸気噴霧装置を始動させ、前記制御開始時刻から前記噴霧流量補正指令値を付加した噴霧流量指令値に基づいて前記噴霧流量調節弁の開度を制御する噴霧流量制御手段とを備えたものとする。

また、第２の発明は、燃焼用空気を加圧する圧縮機と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機及び発電機を駆動するタービンと、前記燃焼器に供給される燃料流量を計測する燃料流量計と、前記圧縮機に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計と、前記噴霧装置に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計と、大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、前記燃焼器への燃料流量指令値を演算する燃料流量制御手段と、前記圧縮機への空気流量指令値を演算する空気流量制御手段と、前記空気流量計と前記燃料流量計と前記噴霧流量計と前記大気条件検出器の各計測値と前記燃料流量指令値と前記空気流量指令値とを取り込み、前記燃焼切換え時に発生する前記燃焼器での燃空比低下を補償する噴霧流量補正指令値と該噴霧流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記燃焼切換えの発生前から前記吸気噴霧装置を始動させ、前記制御開始時刻から前記噴霧流量補正指令値を付加した噴霧流量指令値に基づいて前記噴霧流量調節弁の開度を制御する噴霧流量制御手段とを備え、前記空気流量制御手段は、前記空気流量計と前記燃料流量計と前記噴霧流量計と前記大気条件検出器の各計測値と前記燃料流量指令値と前記噴霧流量指令値とを取り込み、前記燃焼切換え時に発生する前記燃焼器での燃空比低下を補償する空気流量補正指令値と該空気流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記空気流量補正指令値を付加した空気流量指令値に基づいて前記圧縮機入口内翼の開度を制御するものとする。

本発明によれば、燃焼切換による燃空比の変動を先行的に補償するように吸気噴霧量又は／及び空気流量を制御するので、燃焼切換時の不安定燃焼を抑制し、失火を予防することができる。この結果、ガスタービン発電プラントの起動の安定化が図れる。また、ガスタービンの定格回転数到達後速やかに吸気噴霧装置が始動可能となるので、ガスタービン発電プラント全体の起動時間の短縮が可能となる。

本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン発電プラントを示すシステム構成図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態の処理フローを示すフローチャート図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態における噴霧流量指令信号の特性を示す特性図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態における燃料流量指令信号特性（上段）、噴霧流量特性（中段）、及び燃空比特性（下段）を示す特性図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態を備えたガスタービン発電プラントを示すシステム構成図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態の処理フローを示すフローチャート図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態における空気流量指令信号特性（上段）、空気流量特性（中段）、及び燃空比特性（下段）を示す特性図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第３の実施の形態における空気流量指令信号特性（上段）、及び燃空比特性（下段）を示す特性図である。 従来のガスタービン発電プラントの回転数特性（上段）、発電機負荷特性（中段）、及び燃料流量特性（下段）を示す特性図である。 従来のガスタービン発電プラントの燃焼器を構成するバーナの配置を示す断面図である。 従来のガスタービン発電プラントにおけるガスタービン負荷に対するバーナ毎の燃料流量を示す特性図である。 従来のガスタービン発電プラントにおける燃焼切換時の燃料流量特性（上段）及び燃空比特性（下段）を示す特性図である。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン発電プラントを示すシステム構成図、図２は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態の処理フローを示すフローチャート図、図３は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態における噴霧流量指令信号の特性を示す特性図、図４は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態における燃料流量指令信号特性（上段）、噴霧流量特性（中段）、及び燃空比特性（下段）を示す特性図である。
図１において、ガスタービン発電プラントは、燃焼用空気を加圧する圧縮機１と、燃焼用空気と燃料を混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生する燃焼器２と、燃焼ガスを用いて圧縮機１及び図示しない発電機を駆動するタービン４と、圧縮機１に吸込まれる空気の流れに液滴を噴霧する吸気噴霧装置３とにより、大略構成されている。

圧縮機１に吸込まれる空気流量は圧縮機入口内翼１１により調節され、燃焼器２に供給される燃料流量は燃料流量調節弁１２により調節され、吸気噴霧装置３から空気の流れに噴霧される噴霧流量は噴霧流量調節弁１３により調節される。これらの調節装置１１，１２，１３は制御装置２４からの指令信号によりそれぞれ制御されている。

本実施の形態においては、ガスタービン発電プラントの起動時間の短縮と燃空比補償のために、燃焼切換の前に吸気噴霧装置３からの液滴噴霧を始動させると共に、燃焼切換の前に噴霧流量を減少させるように噴霧流量調節弁１３を制御する制御装置２４を備えている。

制御装置２４は、吸込空気流量を算出して空気流量指令信号Uigv３１及び４１として出力する空気流量制御回路２１と、燃料流量を算出して燃料流量指令信号Ucmb３２及び４２として出力する燃料流量制御回路２２と、噴霧流量を算出して噴霧流量指令信号Uwac３３として出力する噴霧流量制御回路２３とを備えている。

噴霧流量制御回路２３は、図１に示すように、入力として、圧縮機１に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計５１の検知信号と、燃焼器２に供給される燃料流量を計測する燃料流量計５２の検知信号と、吸気噴霧装置３から噴霧される噴霧流量を計測する噴霧流量計５３の検知信号と、大気の温度や湿度や圧力など（何れか一つ又はそれらの組合わせ）を計測する大気条件検出器５４の検知信号と、空気流量制御回路２１から出力される空気流量指令信号Uigv４１と、燃料流量制御回路２２から出力される燃料流量指令信号Ucmb４２とのうち少なくとも１つ以上を受ける。但し、噴霧流量の計算に使用できるものであれば、その信号であってもよい。また、噴霧流量制御回路２３は、出力として噴霧流量調節弁１３へ入力される噴霧流量指令信号Uwac３３を生成する。なお、空気流量計５１は、空気流量を直接計測するものだけではなく、例えば圧力に基づいて空気流量を計算するものなど、空気流量を特定できるものであればよい。

空気流量制御回路２１と燃料流量制御回路２２は、入力として、空気流量計５１の検知信号と、燃料流量計５２の検知信号と、噴霧流量計５３の検知信号と、大気条件検出器５４の検知信号と、空気流量指令信号Uigv３１と、燃料流量指令信号Ucmb３２と、噴霧流量指令信号Uwac３３と、圧縮機１の回転数と、ガスタービン４の負荷とのうち少なくとも一つ以上を受け、ガスタービン発電プラントの起動時の状態量の変化に基づいて、空気流量制御回路２１は空気流量を計算して、燃料流量制御回路２２は燃料流量を計算して、出力として、空気流量制御回路２１は空気流量指令信号Uigv３１と４１、燃料流量制御回路２２は燃料流量指令信号Ucmb３２と４２を生成する。

空気流量指令信号Uigv３１は空気流量制御回路２１から圧縮機入口内翼１１に出力され、この圧縮機入口内翼１１の開度を変化させることで、空気流量が制御されている。燃料流量指令信号Ucmb３２は燃料流量制御回路２２から燃料流量調節弁１２に出力され、この燃料流量調節弁１２の開度を変化させることで、燃料流量が制御されている。噴霧流量指令信号Uwac３３は噴霧流量制御回路２３から噴霧流量調節弁１３に出力され、この噴霧流量調節弁１３の開度を変化させることで、噴霧流量が制御されている。

ガスタービン発電プラントの起動時における、噴霧流量制御回路２３の動作の特徴について、図９と図１２とを用いて説明する。
（１）吸気噴霧装置３と噴霧流量調節弁１３との始動指令と、吸気噴霧装置３からの液滴噴霧開始指令とを、定格運転への移行（図９の時刻Tf）に先立つ負荷上昇時の燃焼切換（図１２の時刻Tsw）の前の時点で出力する。液滴噴霧の開始指令は、燃焼器２の点火、ガスタービンの起動装置の離脱、圧縮機１の回転数の危険速度領域などを超えた後に、またはこのような動作時刻が既知である場合にはこれらの動作の間に出力する。
（２）液滴噴霧開始後は、大気の状態やガスタービンプラントの起動時の状態量に応じて、噴霧流量を決定し、噴霧流量指令信号Uwac３３を噴霧流量調節弁１３に出力する。
（３）燃焼切換時刻よりも一定時間前から燃焼切換が完了するまでの間は、燃焼切換に伴う燃空比低下を先行的に補償する噴霧流量（以下、補償噴霧流量）を決定し、噴霧流量指令信号Uwac３３として出力する。ここで、前記一定時間とは、噴霧流量変化が燃空比に影響を与えるまでの時間である。

次に、噴霧流量制御回路２３の内部動作の詳細について、図２乃至図４を用いて説明する。
図２において、まず、ステップ（Ｓ１０１）でガスタービン発電プラントが起動時であるか否かを判断する。判断方法としては、例えば、空気流量計５１の検知信号または空気流量指令信号Uigv３１、あるいは、燃料流量計５２の検知信号または燃料流量指令信号Ucmb３２等をモニタし、これらの信号が、時間の経過と共に増加していればガスタービン発電プラントは起動時である判断する方法が挙げられる。この判断方法以外に、公知のガスタービン発電プラントの起動判断方法であっても良い。ガスタービン発電プラントが起動時であると判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップ（Ｓ１０２）へ進み、起動時以外と判断されれば、ＮＯと判断されてステップ（Ｓ１０５）へ進む。

ステップ（Ｓ１０２）では、現在の時刻と燃焼切換が行われると予測される時刻Tswとの時間差が演算され、この時間差が噴霧流量変化によって燃空比に影響を与えるまでの時間∂Twacより大きいか否かが判断される。つまり、現在時刻がTsw-∂Twacより前か否かが判断される。

噴霧流量変化によって燃空比に影響を与えるまでの時間∂Twacは、予め実験・計算などに基づいて定めた値である。具体的に、例えば、液滴が吸気噴霧装置３から噴霧されてから、燃焼器入口に到達するまでの時間のずれである。燃焼器入口に到達した液滴の量は、燃焼器２への供給空気流量から圧縮機１の吸込空気流量を差し引いた流量とする。吸気噴霧装置３から噴霧される液滴の量は、噴霧流量計５３により計測される噴霧流量であり、燃焼器２への供給空気流量は、燃焼器２の空気入口に設けられた流量計（図では省略）により計測される値であり、圧縮機１の吸込空気流量は、空気流量計５１により計測される値である。このように、これらの値は、ガスタービン発電システムの実測値であるが、計測不可能の場合には、ガスタービン発電システムを模擬した計算モデルから計算してもよい。また、このような時間のずれは、特に、噴霧流量調節弁１３にステップ信号を入力した場合の噴霧流量と燃焼器２への供給空気流量と圧縮機１の吸込空気流量の実測値または計算値から、精度よく定めることができる。

時刻Tsw-∂Twacは、燃料流量指令信号Ucmb３２、または、燃料流量計５２の検知信号、または、空気流量指令信号Uigv３１、または、空気流量計５１の検知信号、発電機の負荷に基づいて特定される値である。

ここで、図３を用いてこの算出方法を説明する。図３は燃料流量指令信号Ucmb３２の時系列の特性を示していて、例えば、燃料流量指令信号Ucmbが増加していき、Ccmbに到達した時刻Tswに燃焼切換が開始される。
（１）ここで、時刻Tsw-∂Twacは、条件Ucmb = Ccmb - ∂Twac×dUcmb/dTが満たされるような時刻である。ここで、Ccmbは、予め定めたシーケンスないしルールに従って定められた値であり、dUcmb/dTは燃料流量指令信号Ucmb３２の単位時間当たりの変化量である。
（２）そして、Ucmb= Ccmb - ∂Twac×dUcmb/dT である場合、現在の時刻が時刻Tsw-∂Twacであると判断する。

図２に戻り、ステップ（Ｓ１０２）で現在時刻が燃焼切換予測時刻Tswよりも∂Twac以上前であると判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップ（Ｓ１０３）へ進み、現在時刻が燃焼切換予測時刻Tswよりも∂Twac以上前でないと判断されれば、ＮＯと判断されてステップ（Ｓ１０５）へ進む。

ステップ（Ｓ１０３）では、燃焼切換予測時刻Tswに起こると予想される燃空比低下を補償する噴霧流量を算出し、噴霧流量指令信号Uwac３３として出力している。燃空比低下を補償する噴霧流量の決定方法としては、図４の中段の噴霧流量の特性図に示すように、時刻Tsw-∂Twacでの噴霧流量Qwac0に対し、削減量を∂Qwac減少した噴霧流量を補償噴霧流量とするとよい。

削減量∂Qwacは、実験や計算などに基づいて予め定められたものである。具体的には、例えば、図１２に示すように、燃焼切換時刻Tswにおいて、使用燃料流量供給系統の一本当たりの燃料流量がQf1からQf2に減少され、燃空比がN1からN2に低下する場合、削減量∂Qwacは、燃料流量を用いて∂Qwac = (Qf1-Qf2)/Qf1×Qa、あるいは、燃空比を用いて∂Qwac = (N1-N2)/N1×Qaで算出することができる。ここで、Qaは、燃焼切換時刻Tswでの燃焼器への供給空気流量、または、時刻Tsw-∂Twacでの燃焼器への供給空気流量である。燃焼切換直前の燃空比はN1=Qf1/Qaであり、従来の燃焼切換直後の燃空比はN2=Qf2/Qaである。ここで、空気流量をQa-∂Qwacと補償して、燃焼切換直後の燃空比を、燃焼切換直前と同等の値N1に保つようにするためには、Qf1/Qa = Qf2/(Qa-∂Qwac) を満たす必要がある。この式を変形すると∂Qwac = (Qf1-Qf2)/Qf1×Qaが導出され、N2=Qf2/QaとN1=Qf1/Qaを代入して燃空比で表すと、∂Qwac = (N1-N2)/N1×Qaが導出される。

また、補償噴霧流量の決定方法としては、噴霧流量Qwac0を予め定めた割合で減少した噴霧流量を補償噴霧流量とする方法もあり、このように予め定められた手順に従って決定された値であっても、燃焼切換時の燃空比低下を補償する量であればよい。

ステップ（Ｓ１０４）では、燃焼切換が完了したか否かを判断する。燃焼切換完了判断方法としては、燃焼切換開始から予め定めた一定時間が経過したら燃焼切換が完了したと判断する方法や、排気温度または排気流量が予め定めた値に達したら燃焼切換が完了したと判断する方法等が挙げられる。あるいはその他、公知の燃焼切換完了の検知方法であればどのような方法でも良い。燃焼切換が完了したと判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップ（Ｓ１０５）へ進み、燃焼切換が完了していないと判断されれば、ＮＯと判断されてステップ（Ｓ１０３）へ戻る。

ステップ（Ｓ１０５）では、噴霧流量が所望噴霧流量になるように追従制御する。所望噴霧流量とは、例えば、燃焼用空気が予め定めた湿度になるために要する噴霧流量、または、予め定めた噴霧流量と空気流量の割合になるために要する噴霧流量など、その時の運転に必要な噴霧流量である。燃焼用空気が予め定めた湿度になるために要する噴霧流量は、具体的には、例えば、予め定めた湿度になるための水蒸気量と、大気中の水蒸気量の差である。これらの値は、空気流量と、湿度に基づいて計算される。また、空気流量は、空気流量計５１の検知信号または空気流量指令信号Uigv３１に基づいて計算され、湿度は大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器５４の検知信号に基づいて計算される。

予め定めた噴霧流量と空気流量の割合になるために要する噴霧流量は、具体的には、例えば、予め定めた噴霧流量と空気流量の割合に空気流量を乗じた値である。空気流量は、空気流量計５１の検知信号または空気流量指令信号Uigv３１に基づいて計算される。

そして、噴霧流量計５３より計測された噴霧流量に基づいて、噴霧流量が所望噴霧流量に追従するように、P制御、またはPI制御、またはPID制御が実行される。追従制御する方法は、噴霧流量が所望噴霧流量より多い場合はより少ない量を噴霧するような噴霧流量指令信号Uwac３３を出力し、その逆の場合はより多い量を噴霧するような噴霧流量指令信号Uwac３３を出力するような方法であれば、公知のどのような方法でもよい。

噴霧流量制御回路２３を、以上述べた図２のフローチャートのように動作させた場合の、噴霧流量指令信号Uwac３３と、吸気噴霧装置３からの噴霧流量と、燃焼器２の燃空比の推移を、図４を用いて説明する。

噴霧流量調節弁１３は、図４の上段に示すように、始動してから時刻Tsw-∂Twacまでの間、所望噴霧流量に追従制御され、その後、燃焼切換完了時刻Tcomまでの間は、噴霧流量を低減するように燃空比補償制御され，燃焼切換完了時刻Tcomの後に、再び所望噴霧流量に追従制御される。

この際、噴霧流量は図４の中段に示すように、時刻Tsw-∂Twacに到達した後に、Qwac0からQwac0-∂Qwacに減少し、これにより燃焼用空気流量は減少して、燃空比が図４の下段の実線のように上昇する。ここでの燃空比の上昇は、空気流量が従来の空気流量より減少したことによって生じる。その後、時刻Tswにおいて燃焼切換により燃空比が低下する。このように、燃焼切換の発生時刻の前から予め燃空比を上昇させる制御を行うことにより、従来の燃焼切換時に起こる燃空比低下の態様（図４の下段の一点鎖線で表示する）を、図４の下段の実線で表示する態様のように変更させることができ、燃空比低下を抑制することができる。

この結果、失火が予防でき、ガスタービン発電プラントの起動が安定化する。さらに、ガスタービンが定格運転に移行する前に吸気噴霧装置を始動することにより、プラント全体の起動時間が短縮可能となる。

上述した本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態によれば、燃空比の変動を先行的に補償するように吸気噴霧量を制御するので、燃焼切換時の不安定燃焼を抑制し、失火を予防することができる。この結果、ガスタービン発電プラントの起動の安定化が図れる。また、ガスタービンの定格回転数到達後速やかに吸気噴霧装置が始動可能となるので、ガスタービン発電プラント全体の起動時間の短縮が可能となる。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図５は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態を備えたガスタービン発電プラントを示すシステム構成図、図６は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態の処理フローを示すフローチャート図、図７は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態における空気流量指令信号特性（上段）、空気流量特性（中段）、及び燃空比特性（下段）を示す特性図である。図５乃至図７において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
本発明のガスタービン発電プラントの第１の実施の形態においては、ガスタービン発電プラントの起動時間の短縮と燃空比補償のために、燃焼切換の前に吸気噴霧装置３からの液滴噴霧を始動させると共に、燃焼切換の前に噴霧流量を減少させるように噴霧流量調節弁１３を制御する制御装置２４を備えている。これに対し、第２の実施の形態においては、燃焼切換の前に吸気噴霧装置３からの液滴噴霧を始動させると共に、燃焼切換の前に空気流量を減少させるように圧縮機入口内翼１１の開度を制御する制御装置２４を備えている点が異なる。その他のガスタービン発電プラントを構成する設備等は第１の実施の形態と同一である。

より具体的には、第１の実施の形態と比較して、制御装置２４の中にある噴霧流量制御回路２３と空気流量制御回路２１の動作が異なる。第１の実施の形態においては、噴霧流量を用いて燃空比を補償制御したが、第２の実施の形態においては、空気流量を用いて燃空比を補償制御する。このため、燃空比補償に使う各種信号が、図１では噴霧流量制御回路２３に入力されていたのに対して、図５では空気流量制御回路２１に入力されている。

本実施の形態において、噴霧流量制御回路２３は、噴霧流量が所望噴霧流量に追従するような噴霧流量指令信号Uwac３３を出力している。

空気流量制御回路２１は、図５に示すように、入力として、圧縮機１に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計５１の検知信号と、燃焼器２に供給される燃料流量を計測する燃料流量計５２の検知信号と、吸気噴霧装置３から噴霧される噴霧流量を計測する噴霧流量計５３の検知信号と、大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器５４の検知信号と、燃料流量制御回路２２から出力される燃料流量指令信号Ucmb６２と、噴霧流量制御回路２３から出力される噴霧流量指令信号Uwac６３とのうち少なくとも一つ以上を受ける。但し、空気流量の計算に使用できるものであればどのような信号でもよい。また、空気流量制御回路２１は、出力として、圧縮機入口内翼１１へ入力される空気流量指令信号Uigv３１を生成する。

ガスタービン発電プラントの起動時において、空気流量制御回路２１は、予め定めた条件を満たす空気流量が圧縮機１に吸込されるように、圧縮機入口内翼１１の開度を決め、空気流量指令信号Uigv３１として出力する。また、燃焼切換時刻よりも一定時間前から燃焼切換が完了するまでの間、燃焼切換に伴う燃空比低下を先行的に補償する空気流量を決定し、空気流量指令信号Uigv３１として出力する。ここで、前記一定時間とは、空気流量変化が燃空比に影響を与えるまでの時間である。

次に、空気流量制御回路２１の内部動作の詳細について、図５乃至図７用いて説明する。空気流量制御回路２１のフローは、第１の実施の形態における噴霧流量制御回路２３のフローと比較して、操作対象が噴霧流量ではなく吸込空気流量であることが異なるが、内部動作の論理は同様である。
図６において、まず、ステップ（Ｓ２０１）でガスタービン発電プラントが起動時であるか否かを判断する。第１の実施の形態と同様の判断方法で判断する。ガスタービン発電プラントが起動時であると判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップ（Ｓ２０２）へ進み、起動時以外と判断されれば、ＮＯと判断されてステップ（Ｓ２０５）へ進む。

ステップ（Ｓ２０２）では、現在の時刻と燃焼切換が行われると予測される時刻Tswとの時間差が演算され、この時間差が圧縮機入口内翼１１の開度の変化が燃空比に影響を与えるまでの時間∂Tigvより大きいか否かが判断される。つまり、現在時刻がTsw-∂Tigvより前か否かが判断される。現在時刻が燃焼切換予測時刻Tswよりも∂Tigv以上前であると判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップ（Ｓ２０３）へ進み、現在時刻が燃焼切換予測時刻Tswよりも∂Tigv上前でないと判断されれば、ＮＯと判断されてステップ（Ｓ２０５）へ進む。

ステップ（Ｓ２０３）では、燃焼切換予測時刻Tswに起こると予想される燃空比低下を補償する空気流量を算出し、空気流量指令信号Uigv３１として出力している。燃空比低下を補償する空気流量の決定方法としては、図７の中段の空気流量の特性図に示すように、時刻Tsw-∂Tigvでの空気流量Qigv1に対し、実験・計算などにより予め定めた補償空気流量∂Qigvを減少させた空気流量を算出するか、あるいは、空気流量Qigv1を予め定めた割合で減少させた空気流量を算出させても良い。

ステップ（Ｓ２０４）では、燃焼切換が完了したか否かを判断する。第１の実施の形態と同様の判断方法で判断する。燃焼切換が完了したと判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップ（Ｓ２０５）へ進み、燃焼切換が完了していないと判断されれば、ＮＯと判断されてステップ（Ｓ２０３）へ戻る。

ステップ（Ｓ２０５）では、空気流量を所望空気流量に追従制御させる。所望空気流量とは、例えば、予め定めた燃空比になるために要する空気流量、または、予め定めたガスタービン負荷との関係を満たすために要する空気流量であって、その決定方法は、起動時の空気流量を定める公知の任意の方法でよい。

空気流量制御回路２１を、以上述べた図６フローチャートのように動作させた場合の、空気流量指令信号Uigv３１と、圧縮機１に吸込まれる空気流量と、燃焼器２の燃空比の推移を、図７を用いて説明する。

圧縮機入口内翼１１は、図７の上段に示すように、ガスタービン発電プラントが起動してから時刻Tsw-∂Tigvまでは、所望空気流量に追従制御され、その後、燃焼切換完了時刻Tcomまでの間は、燃空比補償制御をされ、燃焼切換完了時刻Tcomの後に、再び処理２０５により所望空気流量に追従制御される。

その際、空気流量は、図７の中段に示すように、時刻Tsw-∂Tigvに到達後、空気流量をQigv0からQigv0-∂Qigvに減少し、これにより燃焼用空気流量が減少して、燃空比が図７の下段の実線のように上昇する。ここでの燃空比の上昇は、空気流量が従来の空気流量よりも減少したことによるものである。その後、時刻Tswにおいて燃焼切換により燃空比は低下する。このように、燃焼切換の発生時刻の前から予め燃空比を上昇させる制御を行うことにより、従来の燃焼切換時に起こる燃空比低下の態様（図７の下段の一点鎖線で表示する）を、図７の下段の実線で表示する態様のように変更させることができ、燃空比低下を抑制することができる。

このように、空気流量制御回路２１を、以上述べた図６のフローチャートのように動作させると、噴霧流量制御回路２３を図２のフローチャートのように動作させた第１の実施の形態の場合と同様の効果を得られる。本実施例は、特に、噴霧流量の制御がある操作範囲を超えては使用できないような場合に有効である。

上述した本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態によれば、燃空比の変動を先行的に補償するように空気流量を制御するので、燃焼切換時の不安定燃焼を抑制し、失火を予防することができる。この結果、ガスタービン発電プラントの起動の安定化が図れる。また、ガスタービンの定格回転数到達後速やかに吸気噴霧装置が始動可能となるので、ガスタービン発電プラント全体の起動時間の短縮が可能となる。

また、適用するガスタービン発電プラントにおいて、噴霧流量の制御範囲が限定されていて、ある操作範囲を超えて使用できないような場合にも対応可能となり、上述した効果を奏することができる。

＜第３の実施の形態＞
以下、本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図８は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第３の実施の形態における空気流量指令信号特性（上段）、及び燃空比特性（下段）を示す特性図である。図８において、図１乃至図７に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
本発明のガスタービン発電プラントの第３の実施の形態は、第１の実施の形態と第２の実施の形態を組み合わせたものであって、ガスタービン発電プラントの起動時間の短縮と燃空比補償のために、燃焼切換の前に吸気噴霧装置３からの液滴噴霧を始動させると共に、燃焼切換の前に噴霧流量を減少させるように噴霧流量調節弁１３を制御し、燃焼切換の前に空気流量を減少させるように圧縮機入口内翼１１の開度を制御する制御装置２４を備えている。その他のガスタービン発電プラントを構成する設備等は第１の実施の形態と同一である。

本実施の形態における燃焼器２に供給される燃焼用空気流量と、燃焼器２の燃空比の推移を、図８を用いて説明する。

起動から時刻Tsw-∂Twacまで、噴霧流量調節弁１３は所望噴霧流量に追従制御され、圧縮機入口内翼１１は所望噴霧流量に追従制御される。その後、時刻Tsw-∂Tigvまでの間、噴霧流量調節弁１３は燃空比補償制御され、一方で、圧縮機入口内翼１１は所望噴霧流量への追従制御が続く。その後、時刻Tcomまでの間、噴霧流量調節弁１３と圧縮機入口内翼１１はそれぞれ燃空比補償制御される。時刻Tcomの後に、再び、噴霧流量調節弁１３は所望噴霧流量追従制御され、圧縮機入口内翼１１は所望噴霧流量追従制御される。

この際、燃焼用空気流量は、図８の上段の実線のように、起動から時刻Tsw-∂Twacまで、所望噴霧流量と所望空気流量の和の値になる。そして続く時刻Tsw-∂Twacから時刻Tsw-∂Tigvまでの間は低減し、時刻Tsw-∂Tigvの直後にさらに大きく低減する。これは、時刻Tsw-∂Twacから時刻Tsw-∂Tigvまでの間には、噴霧流量調節弁１３だけで燃焼用空気流量を減少させるが、時刻Tsw-∂Tigvから時刻Tcomまでの間には、噴霧流量調節弁１３と圧縮機入口内翼１１の両方によって燃焼用空気流量を減少させるためである。時刻Tcomの後、燃焼用空気流量は、所望噴霧流量と所望空気流量の和の値に追従していく。

燃空比の推移は、図８の下段の実線のように、起動から時刻Tsw-∂Twacまで、従来の場合（一点鎖線で表示する）と同等である。そして、時刻Tsw-∂Twacから時刻Tsw-∂Tigvまでの間に上昇し、時刻Tsw-∂Tigvの直後にさらに大きく上昇する。これは、上述の燃焼量用空気流量の変化によるものである。その後、燃空比は、時刻Tswにおいて燃焼切換により低下する。

このように、噴霧流量調整機能と空気流量調整機能を同時に持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムは、噴霧流量調整機能のみ持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステム（図８の下段の点線で表示する）や空気流量調整機能のみ持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムと比較して、燃焼用空気流量の削減幅を∂Qigv+∂Qwacとより大幅に変化できるので、補償可能な燃空比の範囲が広くなる。また、燃焼用空気流量の変化の応答性も向上でき、燃空比補償制御の際に短時間で燃空比を増加でき、燃空比が高い状態になっている時間を短縮できる。

なお、図８は∂Twacが∂Tigvよりも長い場合の例であり、両者の大小関係が逆の場合でも、噴霧流量調整機能と空気流量調整機能を同時に持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムが、噴霧流量調整機能のみ持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムや空気流量調整機能のみ持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムと比較して、補償可能な燃空比の範囲が広くなることと、燃焼用空気流量の変化の応答性も向上できること、燃空比補償制御の際に短時間で燃空比を増加できることと、燃空比が高い状態になっている時間を短縮できることには変わりはない。

上述した本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第３の実施の形態によれば、上述した第１及び第２の実施の形態と同様な効果を得ることができるとともに、補償可能な燃空比の範囲を広くすることができる。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ 吸気噴霧装置
４ タービン
１１ 圧縮機入口内翼
１２ 燃料流量調節弁
１３ 噴霧流量調節弁
２１ 空気流量制御回路
２２ 燃料流量制御回路
２３ 噴霧流量制御回路
２４ 制御装置
３１ 空気流量指令信号
３２ 燃料流量指令信号
３３ 噴霧流量指令信号
４１ 空気流量指令信号
４２ 燃料流量指令信号
５１ 空気流量計
５２ 燃料流量計
５３ 噴霧流量計
５４ 大気条件検出器
６２ 燃料流量指令信号
６３ 噴霧流量指令信号

Claims (2)

1. 燃焼用空気を加圧する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁（１３）を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置（３）と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器（２）と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機（１）及び発電機を駆動するタービン（４）と、前記燃焼器（２）に供給される燃料流量を計測する燃料流量計（５２）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計（５１）と、前記噴霧装置（３）に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計（５３）と、大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器（５４）と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁（１３）とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、
   前記燃焼器（２）への燃料流量指令値（３２）を演算する燃料流量制御手段（２２）と、
   前記圧縮機（１）への空気流量指令値（３１）を演算する空気流量制御手段（２１）と、
   前記空気流量計（５１）と前記燃料流量計（５２）と前記噴霧流量計（５３）と前記大気条件検出器（５４）の各計測値と前記燃料流量指令値（３２）と前記空気流量指令値（３１）とを取り込み、前記燃焼切換え時に発生する前記燃焼器（２）での燃空比低下を補償する噴霧流量補正指令値と該噴霧流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記燃焼切換えの発生前から前記吸気噴霧装置（３）を始動させ、前記制御開始時刻から前記噴霧流量補正指令値を付加した噴霧流量指令値（３３）に基づいて前記噴霧流量調節弁（１３）の開度を制御する噴霧流量制御手段（２３）とを備えた
   ことを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
2. 燃焼用空気を加圧する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁（１３）を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置（３）と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器（２）と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機（１）及び発電機を駆動するタービン（４）と、前記燃焼器（２）に供給される燃料流量を計測する燃料流量計（５２）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計（５１）と、前記噴霧装置（３）に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計（５３）と、大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器（５４）と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁（１３）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼（１１）とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、
   前記燃焼器（２）への燃料流量指令値（３２）を演算する燃料流量制御手段（２２）と、
   前記圧縮機（１）への空気流量指令値（３１）を演算する空気流量制御手段（２１）と、
   前記空気流量計（５１）と前記燃料流量計（５２）と前記噴霧流量計（５３）と前記大気条件検出器（５４）の各計測値と前記燃料流量指令値（３２）と前記空気流量指令値（３１）とを取り込み、前記燃焼切換え時に発生する前記燃焼器（２）での燃空比低下を補償する噴霧流量補正指令値と該噴霧流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記燃焼切換えの発生前から前記吸気噴霧装置（３）を始動させ、前記制御開始時刻から前記噴霧流量補正指令値を付加した噴霧流量指令値（３３）に基づいて前記噴霧流量調節弁（１３）の開度を制御する噴霧流量制御手段（２３）とを備え、
   前記空気流量制御手段（２１）は、前記空気流量計（５１）と前記燃料流量計（５２）と前記噴霧流量計（５３）と前記大気条件検出器（５４）の各計測値と前記燃料流量指令値（３２）と前記噴霧流量指令値（３３）とを取り込み、前記燃焼切換え時に発生する前記燃焼器（２）での燃空比低下を補償する空気流量補正指令値と該空気流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記空気流量補正指令値を付加した空気流量指令値（３１）に基づいて前記圧縮機入口内翼（１１）の開度を制御する
   ことを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。

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