JP5905119B2 - 煙道ガス再循環を用いるガスタービン発電装置におけるガス成分制御 - Google Patents
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Description
本発明は、排気ガス再循環を用いるガスタービン発電装置の動作方法、および、当該方法を実施するためのガスタービン発電装置に関する。
排気ガスの再循環は、基本的に、ガスタービンにおける非常に広範な用途に用いることができる。すなわち、たとえば、排気ガス再循環はＮＯｘ排出量（窒素酸化物排出量）の低減のために、または、放出する必要のある排気ガス流の低減のために提案されている。ガスタービンの排気ガス再循環において、排気ガスの大部分は、全体の排気ガス流から分けられ、典型的には冷却および浄化の後に、ガスタービンまたはコンプレッサの吸込質量流に供給され、再循環された排気ガス流は外気と混合され、その後この混合物がコンプレッサに供給される。
排気ガス再循環によれば、排気ガス中の二酸化炭素濃度を増大させることができ、すなわち、二酸化炭素除去を有する発電装置の電力損失および効率低下を有利に低減させることができる。
排気ガス再循環は、ガスタービンの吸込ガス中の酸素濃度を低減し、これにより、ＮＯｘ排出量を低減する目的においても提案されている。
ターボ機械の排気ガス再循環流の制御方法がたとえばＵＳ７５３６２５２Ｂ１に記載されており、これにおいて、排気ガスは、排気ガス再循環システムを介してターボ機械の吸込に再循環される。この方法では、排気ガス流の１つの成分の濃度が、排気ガスの再循環比を変えることによって調整される。ここで、排気ガスの再循環比は、ターボ機械の吸込流に対する再循環された排気ガス流の比として定義される。
排気ガスシステムの管継手、再循環線、廃熱ボイラおよび排気ガス線の容積が大きいために、単純なフィードバック制御システムでは遅く、不正確である。
本発明の課題は、作用媒体の少なくとも１つの成分の含有率が制御される、排気ガス再循環を用いるガスタービン発電装置の信頼性ある動作方法を提供することである。本発明は、さらに、当該方法の実施に適したガスタービン発電装置に関する。
ガスタービン発電装置は、ガスタービンと、廃熱回収蒸気タービンと、ガスタービン発電装置の排気ガスの、ガスタービンの吸込流への再循環のための第１の排気ガス流と、環境放出のための第２の排気ガス流とに分ける排気ガスディバイダと、排気ガス再冷器と、を備えている。ガスタービン自体は、典型的には、調整可能なコンプレッサ導翼を備えたコンプレッサと、１つまたは複数の燃焼室と、１つまたは複数のタービンとを備えている。排気ガスディバイダが第１の排気ガス流を制御するための制御要素として設計されているか、または、ガスタービンに排気ガスを通流させる再循環線に制御要素が設けられている。再循環流の制御のための制御要素は、たとえば、フラップまたはバルブである。しかし、たとえば、調整式ブロワであってもよい。
排気ガス再循環を用いるガスタービン発電装置の動作方法の一実施形態では、第１のステップで、ガスタービンの動作状態に従って、ガスタービンの吸込ガスおよび／または排気ガスの１つの成分の目標濃度が決定される。第２のステップで、上記成分の濃度における目標値／実際値の偏差に従って、制御要素の位置が調整される。ここで、ガスタービンの燃焼室内の燃焼処理の関連する動作変数に関する閉ループ制御の目標値と、目標濃度のフィードフォワード制御値と、目標濃度の補正値とから、上記１つの成分の目標濃度が決定される。
「吸込ガス」とは、燃焼前のガスタービン処理において用いられるガスを意味する。実際には、たとえば、コンプレッサ吸込ガスが吸込ガスとして用いられ、そのガス組成を用いて制御が行われる。流体、たとえば中間冷却および補力のための水がコンプレッサに供給されなければ、コンプレッサ内のガス組成は変化しない。流体が供給された場合、ガス組成の変化は物質収支によって決定できる。コンプレッサ吸込ガスの代わりとして、たとえば、コンプレッサから放出された冷却空気流またはコンプレッサ出口ガス流の１つの成分の濃度を用いることができる。
「出口ガス」とは、燃焼後のガスタービン処理で用いられるガスを意味する。実際には、たとえば、排気ガスが出口ガスとして用いられ、そのガス組成を用いて制御が行われる。流体、たとえば過熱戻し器からの漏洩流または燃焼処理の後に分けられた冷却空気がタービンに供給されなければ、タービン内のガス組成は変化しない。流体が供給された場合、ガス組成の変化は必要に応じて物質収支によって決定できる。排気ガスの代わりとして、たとえば、燃焼室出口における高温ガスの１つの成分の濃度を用いることができる。
ガスタービンの吸込ガスおよび／または出口ガスの１つの成分の濃度は、燃焼に関連する少なくとも１つの動作変数を目標範囲、たとえば、許容範囲または最適範囲に維持するように制御される。一実施形態では、ガスタービン負荷制御、燃焼室脈動、ＮＯｘ排出量、未燃炭化水素（ＵＨＣ）、ガスタービンの吸込ガスおよび／もしくは出口ガスの１つの成分の測定濃度、または、燃料中の水素炭素比に従って、閉ループ制御において、ガスタービンの吸込ガスおよび／または出口ガスの１つの成分の目標濃度が決定される。この場合、１つの成分とはたとえば酸素または二酸化炭素である。
再循環線またはダクトにおけるフラップ、バルブまたは調整式ブロワを用いた直接制御に加えて、再循環流を間接的に制御することもできる。たとえば、制御要素、すなわち、排気ガスディバイダにおける圧力に作用するバルブ、フラップまたはブロワを、排気ガスディバイダの下流の排気ガス線に設けることができる。再循環される排気ガス流は、排気ガスディバイダにおける圧力とともに増大し、排気ガスディバイダによって間接的に制御しうる。
ガスタービンの吸込ガスおよび出口ガスの１つの成分の濃度は、閉ループ制御によって制御できる。しかし、吸込線、排気ガス線、再循環線および廃熱ボイラのむだ時間と容積の大きさに起因して、このフィードバック制御は遅く、比較的不正確であり、安全率を多く取らなければならない。
１つの成分の濃度を制御する目的は、典型的には、この濃度をできる限り正確に、処理が特に有利に行われる目標値に近づけることである。
ＮＯｘ低減のための排気ガスの再循環の場合、たとえば、吸込ガス中の酸素濃度または出口ガスの残留酸素濃度はできる限り正確に制御しなければならない。一方で、過大な酸素濃度は、再循環の正の効果を低下させる、すなわち、高酸素濃度は局所的な強い燃焼を生じさせ、複数の温度ピーク、すなわち、ガスタービンからのＮＯｘ排出量の増大が生じることを意味する。他方、過小な酸素濃度の場合には、不完全燃焼のリスクがあり、これは、ＣＯ（一酸化炭素）排出量およびＵＨＣ（未燃炭化水素）排出量の増大につながる。
排気ガスからのＣＯ２（二酸化炭素）除去を伴う処理における排気ガスの再循環の場合、一方では、効果的な除去処理を可能とするため、排気ガス中のＣＯ２濃度をできるだけ高く維持する必要がある。他方では、吸込ガス中の酸素濃度は、ＣＯ２濃度の増加につれて低下し、これは不完全燃焼を生じさせうる。
したがって、良好な処理のためには、できる限り高速にかつ正確に目標変数に追従させることが有利である。このために、ガスタービンの動作状態およびガスタービンの動作状態の一時的変化に依存して、目標変数のフィードフォワード制御値を形成することによって、目標変数を形成する制御ループを補足する。フィードフォワード制御値は、計算、シミュレーションまたはテストの結果であり、特定の動作状態または一時的変化について決定されたものである。しかし、実際には、システムの挙動はモデルまたは理想化された計算から外れるものであり、したがって、フィードフォワード制御は典型的には直接最適な結果に至らない。フィードバック制御をシステムにおける実際の結果に適合させ、かつ、その挙動に適合させるため、第３の値、すなわち、目標変数の補正値がさらに決定される。
１つの成分の目標濃度は、全３つの値、すなわち、制御ループの目標濃度、フィードフォワード制御の目標濃度および目標濃度の補正値から決定される。
典型的には、目標濃度は、単純に、制御ループの目標濃度、フィードフォワード制御の目標濃度および目標濃度の補正値の和である。
しかし、目標濃度は、たとえば、平均または加重平均として決定されても良い。
本方法の一実施形態では、制御要素のための閉ループ制御の目標値と、制御要素の目標値のフィードフォワード制御値と、制御要素の目標値の補正値とから、制御要素の目標値が決定される。制御要素の目標値は、たとえば、フラップ位置またはバルブ位置である。調整式ブロワを用いる場合、制御要素の目標値は、たとえば、この種のブロワの回転速度または導翼位置である。
本方法の別の実施形態では、制御要素の目標値は、閉ループ制御において、以下の測定される変数、すなわち、排気ガス再循環比、コンプレッサの吸込質量流量、外気質量流量、排気ガス質量流量、ガスタービンの吸込ガスの１つの成分の濃度および／またはガスタービンの出口ガス中の１つの成分の濃度のうちの少なくとも１つに従って、決定される。
本方法の一実施形態では、フィードフォワード制御値および／または補正値は、１つまたは複数のマトリクスの計数値として保存され、これらの値の間で補間が行われる。
さらに、たとえば、目標濃度のフィードフォワード制御に関する作用特性が予め決定される。実際のシステムおよび動作状態への適合のために、この作用特性はたとえば目標濃度の補正値を用いて適合される。
したがって、制御要素の目標濃度のフィードフォワード制御に関する作用特性は、予め決定可能であり、この作用特性は、たとえば、目標値の補正値の分ずらされる。
単純なずらしに加えて、別の実施形態では、目標濃度および／または制御要素の目標値のフィードフォワード制御に関する作用特性の傾きが、目標濃度の補正値および／または目標値の補正値を用いて適合される。
別の実施形態では、目標濃度および／または制御要素の目標値のフィードフォワード制御に関する作用特性の形状は、目標濃度の補正値および／または目標値の補正値を用いて適合される。
本方法の一実施形態では、本方法はたとえば低ＮＯｘ燃焼を制御するために用いられ、ガスタービンの吸込ガスの酸素濃度、ガスタービンの出口ガスの酸素濃度または吸込ガスの酸素濃度およびガスタービンの出口ガスの酸素濃度が、制御変数として用いられる。
本方法の一実施形態では、本方法はたとえば後のＣＯ２除去を用いて動作するときに用いられ、吸込ガスのＣＯ２濃度、ガスタービンの出口ガスのＣＯ２濃度、または、ガスタービンの吸込ガスのＣＯ２濃度と出口ガスのＣＯ２濃度が制御変数として用いられる。
ＣＯ２濃度は酸素濃度にほぼ逆比例するため、これらの濃度は、制御を目的として、実質的に可逆的に、または、組み合わせて用いることができる。
本方法の別の実施形態によれば、排気ガス流は廃熱ボイラを通され、この中でその利用可能な熱が除去される。
本方法の一実施形態によれば、環境へ放出するために、第２の排気ガス流を二酸化炭素除去システムに供給してもよい。この二酸化炭素除去システムでは、二酸化炭素は排気ガスから分離され、他の使用のために取り除かれる、低二酸化炭素の排気ガスは環境に放出される。
上記方法に加えて、本発明は、排気ガス再循環を用いるガスタービン発電装置を提供し、該ガスタービン発電装置は、ガスタービンと、制御器と、廃熱回収蒸気タービンと、ガスタービン発電装置の排気ガスを、ガスタービンの吸込流への再循環のための第１の排気ガス流と、環境放出のための第２の排気ガス流とに分ける排気ガスディバイダと、第１の排気ガス流を制御するための制御要素と、排気ガス再冷器とを備えている。ここで、該ガスタービン発電装置は、制御器が、ガスタービンの吸込ガスおよび／または廃棄ガス中の１つの成分の目標濃度を決定するための３つの制御器レベルを有していることを特徴としている。
一実施形態では、上記コントローラレベルは以下のものである：
１．目標濃度に関する閉ループ制御
２．目標濃度に関するフィードフォワード制御
３．ガスタービン発電装置の実際の動作挙動に従って、フィードフォワード制御の目標値を補正するフィードバック回路
１．目標濃度に関する閉ループ制御
２．目標濃度に関するフィードフォワード制御
３．ガスタービン発電装置の実際の動作挙動に従って、フィードフォワード制御の目標値を補正するフィードバック回路
ガスタービン発電装置の一実施形態では、ガスタービン発電装置の制御器は、目標濃度を決定するためのブロックと、制御要素の目標位置を決定するための後続のブロックと、を有している。ここで、制御要素の目標位置を決定するためのブロックは、目標濃度を決定するためのブロックの出力信号に対して接続されている。さらに、ガスタービン発電装置は、ガスタービン発電装置の動作パラメタの少なくとも１つの測定手段を有している。さらに、ガスタービン発電装置は燃料成分のオンライン測定手段を有しており、当該測定手段は、制御器に接続されている。
ガスタービン発電装置の別の実施形態では、ガスタービン発電装置は、制御器に接続された、燃焼室内の脈動測定手段を有している。
良好なフィードフォワード制御のために、全体の動作範囲および起こりうる一時的変化をカバーする、最大限包括的な動作状態のマトリクスを制御器に保存することが有利である。特に、種々の環境条件、すなわち環境温度、環境圧、相対環境湿度、種々の負荷点、すなわち、無負荷、部分負荷、全負荷、に関する目標値が定められるべきである。フィードフォワード制御は、さらに有利には、コンプレッサ吸込質量流量または調整式吸込翼、高温ガス温度、タービン吸込温度または等価な温度、出口ガスの組成、再循環ガスの組成、および、燃焼ガスの組成に依存する。
一時的変化の制御のため、負荷勾配への依存性が特に考慮されるべきであり、典型的に遅い標準的な負荷勾配に関する値、高速な負荷勾配に関する値、非常に高い勾配を伴う緊急解放に関する値、部分負荷および全負荷に関する値が予め決定されるべきである。さらに、サポートが頻繁な場合における動作に関する値を予め決定することができる。
制御器は特定の目標をガスタービンの実際の挙動と比較し、補正値によって差分を補償するので、特に、測定の困難な吸込ガス流および排気ガス流の比較的不正確な測定を用いて、高速かつ正確な制御を実現できる。ガスタービンの特定の目標と実際の挙動との間の継続的な比較によって、さらに、エージング効果の補償、たとえば、汚れによるコンプレッサの吸込流における低下を補償できる。
説明した全ての利点は、それぞれ示した組み合わせだけでなく、本発明の範囲内で、他の組み合わせでまたは独立に用いることができる。たとえば、コンプレッサの吸込流への排気ガスの再循環の代わりに、発電装置は、外気および再循環排気ガスのためのコンプレッサを有してもよく、外気または再循環ガスが燃焼または部分燃焼の後でのみ適切に処理に供給されても良い。
コンプレッサ吸込ガスの測定の代わりに、コンプレッサ内またはコンプレッサ出口における測定をさらに行っても良い。ガスの組成は、典型的には、物質、たとえば中間冷却のための水がコンプレッサ内に供給されない限り、コンプレッサ内では不変である。付加的な流体がコンプレッサ吸込ガスに加えてコンプレッサに供給されると、出口における組成は物質収支によって近似できる。
種々の閉ループ制御器、たとえば、二位置制御器、比例制御器、積分またはＩＰ制御器が、１つの成分の濃度のための制御ループを実現し、制御要素を実現するために、当業者に知られている。
本発明の好適な実施形態について以下図面を参照して説明するが、これは例示のみのためであり、限定と解釈されるべきではない。
図１は、本発明にかかるガスタービン発電装置３８の基本的構成要素を概略的に示す。ガスタービン６はコンプレッサ１を備えており、コンプレッサ中で圧縮された燃焼空気は燃焼室４に供給され、燃焼のために燃料５と共に用いられる。燃焼ガスは、次いでタービン７内で膨張する。タービン７内で生成される有用なエネルギーは次いで、たとえば、同一シャフトに設けられた第１の発電機２５によって電気エネルギーに変換される。
タービン７から生じる高温排気ガス８中に残存するエネルギーの最適な利用のため、排気ガスは廃熱回収蒸気タービン（ＨＲＳＧ）９で用いられて、蒸気タービン１３または他のシステムのための生蒸気３０を生成する。蒸気タービン１３で生成される有用なエネルギーは、たとえば、同一シャフトに設けられた第２の発電機２６によって電気エネルギーに変換される。この例では、蒸気循環路は、凝縮器１４および給水線１６を有する形で簡単に表されている。種々の圧力段階、給水ポンプなどは、本発明の対象ではないため、示してない。
廃熱回収蒸気タービン９の下流では、排気ガスディバイダ２９において、廃熱回収蒸気タービン９からの排気ガスが、第１の部分排気ガス流２１と第２の部分排気ガス流２０とに分けられる。第１の部分排気ガス流２１は、ガスタービン６の吸込線に再循環され、そこで環境空気２と混合される。第２の部分排気ガス流２は、再循環されず、煙道３２を介して環境に放出される。排気ガス線の圧力損失を克服するため、そして、排気ガス流の分離を制御する別の手段として、排気ガスブロワ１１または調整式排気ガスブロワ１１が任意選択的に設けられている。
再循環を伴う動作において、再循環された排気ガス流２１は、凝縮器に適合可能な排気ガス再冷器２７において環境温度よりやや上（典型的には５℃〜２０℃上）に冷却される。再循環流２１のためのブースタまたは排気ガスブロワ１１を、この排気ガス再冷器２７の下流に設けても良い。再循環された排気ガス流２１は、コンプレッサ吸込３を介して吸込流としてガスタービン６に混合物が供給される前に、環境空気２と混合される。
図示の例では、排気ガスディバイダ２９は、再循環質量流量または再循環比を制御可能とする制御要素として実現されている。排気ガスディバイダ２９の目標位置および実際の位置についての制御器３９とのデータ交換は信号線２８を介して行われる。測定手段４０によって、引き込まれた環境空気２の吸込状態、たとえば温度、圧力、湿度、質量流量、空気組成および特に酸素濃度または二酸化炭素濃度が決定される。測定手段４１によって、コンプレッサ１への吸込ガス３の吸込状態たとえば温度、圧力、湿度、質量流量、ガス組成および特に酸素濃度または二酸化炭素濃度が決定される。
測定手段４２、４３によって、燃焼室４の吸込および出口状態たとえば、量、ガス組成および特に酸素濃度および二酸化炭素濃度が決定される。
測定手段４６〜４９によって、ガスタービン６の排気ガス状態およびガスタービンの種々のガス流における状態たとえば量、ガス組成、および特に酸素濃度および二酸化炭素濃度が決定される。
さらに、測定装置５０によって、燃焼室脈動を決定することができる。
測定値は信号線３７を介して制御部３９に送られる。わかりやすくするため、従来の他の信号線、センサおよび制御要素は、本発明の本質に影響しないため、示していない。しかし、本方法の実施形態に依存して、これらのものはたとえば物質収支および熱収支によって測定された値を間接的に決定するまたは検証するために必要である。
第１のステップで、制御器は、少なくとも１つの測定値に従って、ガスタービンの排気ガス流８のまたは吸込ガス３の少なくとも１つの成分についての目標濃度Ｃｃを決定する。第２のステップで、制御器は、目標濃度Ｃｃに従って排気ガスディバイダ２９の位置の目標値を決定する。
絶対目標位置の代わりに、制御器は、排気ガスディバイダ２９の位置についての目標値における変化を決定し、相対的な変化を用いて制御を実行してもよい。さらに、実際の位置を目標位置の決定において考慮しても良い。
図１の例は、単一の燃焼室４を有するガスタービン６を示す。本発明は、たとえば、ＥＰ０７１８４７０によって知られる、連続燃焼式のガスタービンに限定されること無く用いることができる。図２において、連続燃焼式の排気ガス再循環を用いるガスタービン発電装置３８の例が概略的に示されている。このガスタービンにおいて、第１の燃焼室４の後には高圧タービン３３が続いている。第２の燃焼室３４において、より多くの燃料５が高圧タービン３３の出口ガスに供給され、これは一部膨張し、これにより仕事を生成し、燃焼される。第２の燃焼室３４の高温の燃焼ガスは、低圧タービン３５中でさらに膨張し、これにより仕事を生成する。廃熱の使用および再循環は、図１の例示的実施形態と同様のやり方で実現される。再循環流の制御および閉鎖のため、制御要素３６が排気ガスディバイダ２９の他に設けられており、これは非調整式の設計のものであってもよい。この制御要素３６も同様に信号線２８によって制御器３９に接続されている。
第１の燃焼室４の吸込および出口の状態は、測定手段４２および４３を用いて決定され、第２の燃焼室３４の吸込および出口の状態は、測定手段４４および４５を用いて決定される。第１の燃焼室５０のための脈動測定手段に加えて、第２の燃焼室５１のための脈動測定手段が示されている。
図３はさらに、図１に基づいた、二酸化炭素除去システム１８を示す。第２の部分排気ガス流２０は、再循環されず、典型的にはさらに排気ガス再冷器２３で冷却され、二酸化炭素除去システム１８に供給される。低二酸化炭素の排気ガス２２は、二酸化炭素除去システム１８から煙道３２を介して環境に放出される。二酸化炭素除去システム１８および排気ガス線の圧力損失を克服するため、排気ガスブロワ１０を設けても良い。二酸化炭素除去システム１８で除去された二酸化炭素３１は典型的にはコンプレッサ（図示せず）において圧縮され、貯蔵または他の処理のために除かれる。二酸化炭素除去システム１８には、蒸気抽出システム１５を介して蒸気タービン１３から分けられた蒸気、典型的には中圧または低圧の蒸気が供給される。蒸気は二酸化炭素除去システム１８でエネルギーを放出した後、蒸気循環路に戻される。図示の例では、蒸気は凝縮され、凝縮物再循環線１７を介して給水に供給される。
第２の部分排気ガス流２０は、バイパスフラップまたはバルブ１２を有する排気ガスバイパスを介して、排気ガスバイパス流２４としての煙道３２に直接供給されてもよい。
図１に示される例示的実施形態の他に、図３に示される例の排気ガス再循環システムはさらに再循環流を制御するための別個の制御要素３６を有する。
図４は、例示的な制御ループを概略的に示す。ガスタービン発電装置３８の測定値４０〜５１は、制御器３９に送られる。第１のブロック３９ａにおいて、１つのガス成分の濃度の目標値Ｃｃが、測定値４０〜５１を考慮して、閉ループ制御のガス成分の濃度の目標値Ｃｃｌ、１つのガス成分の目標濃度のフィードフォワード制御値Ｃｍａｐおよびガス成分の目標濃度の補正値Ｃｃｏｒから決定される。
第２のブロック３９ｂにおいて、制御要素の目標値Ｒｃが、測定値４０〜５１および１つのガス成分の濃度の目標値Ｃｃを考慮して、閉ループ制御の制御要素の目標値Ｒｃｌ、制御要素の目標値のフィードフォワード制御値Ｒｍａｐおよび制御要素の目標値の補正値Ｒｃｏｒから決定される。
１ コンプレッサ
２ 環境空気
３ コンプレッサ吸込ガス
４ 第１の燃焼室
５ 燃料
６ ガスタービン
７ タービン
８ ガスタービンの高温排気ガス
９ 廃熱回収蒸気タービン（ＨＲＳＧ）
１０ （二酸化炭素除去システムまたは煙道に向かう）第２の部分排気ガス流用の排気ガスブロワ
１１ 第１の部分排気ガス流用の排気ガスブロワ（排気ガス再循環）
１２ バイパスフラップまたはバルブ
１３ 蒸気タービン
１４ 凝縮器
１５ 二酸化炭素除去システム用の抽気システム
１６ 給水線
１７ 凝縮液再循環線
１８ 二酸化炭素除去システム
１９ 廃熱回収蒸気タービンからの排気ガス
２０ 第２の部分排気ガス流（二酸化炭素除去システムへの排気ガス線）
２１ 第１の排気ガス流（排気ガス再循環）
２２ 低二酸化炭素排気ガス
２３ （第２の部分排気ガス流用の）排気ガス再冷器
２４ 煙道への排気ガスバイパス流
２５ 第１の発電機
２６ 第２の発電機
２７ （第１の部分排気ガス流用の）排気ガス再冷器
２８ 制御要素（２９、３６）への信号線
２９ 排気ガスディバイダ
３０ 生蒸気
３１ 除去された二酸化炭素
３２ 煙道
３３ 高圧タービン
３４ 第２の燃焼室
３５ 低圧タービン
３６ 制御要素
３７ 信号線
３８ ガスタービン発電装置
３９ 制御器
４０〜４９ 測定手段
５０ 第１の燃焼室の脈動測定手段
５１ 第２の燃焼室の脈動測定手段
Ｃｃ １つのガス成分の濃度の目標値
Ｃｃｌ 制御ループの１つのガス成分の濃度の目標値
Ｃｍａｐ １つのガス成分の目標濃度のフィードフォワード制御値
Ｃｃｏｒ １つのガス成分の目標濃度の補正値
Ｒｃ 制御要素の目標値
Ｒｃｌ 閉ループ制御における制御要素の目標値
Ｒｍａｐ 制御要素のフィードフォワード制御値
Ｒｃｏｒ 制御要素の補正値
２ 環境空気
３ コンプレッサ吸込ガス
４ 第１の燃焼室
５ 燃料
６ ガスタービン
７ タービン
８ ガスタービンの高温排気ガス
９ 廃熱回収蒸気タービン（ＨＲＳＧ）
１０ （二酸化炭素除去システムまたは煙道に向かう）第２の部分排気ガス流用の排気ガスブロワ
１１ 第１の部分排気ガス流用の排気ガスブロワ（排気ガス再循環）
１２ バイパスフラップまたはバルブ
１３ 蒸気タービン
１４ 凝縮器
１５ 二酸化炭素除去システム用の抽気システム
１６ 給水線
１７ 凝縮液再循環線
１８ 二酸化炭素除去システム
１９ 廃熱回収蒸気タービンからの排気ガス
２０ 第２の部分排気ガス流（二酸化炭素除去システムへの排気ガス線）
２１ 第１の排気ガス流（排気ガス再循環）
２２ 低二酸化炭素排気ガス
２３ （第２の部分排気ガス流用の）排気ガス再冷器
２４ 煙道への排気ガスバイパス流
２５ 第１の発電機
２６ 第２の発電機
２７ （第１の部分排気ガス流用の）排気ガス再冷器
２８ 制御要素（２９、３６）への信号線
２９ 排気ガスディバイダ
３０ 生蒸気
３１ 除去された二酸化炭素
３２ 煙道
３３ 高圧タービン
３４ 第２の燃焼室
３５ 低圧タービン
３６ 制御要素
３７ 信号線
３８ ガスタービン発電装置
３９ 制御器
４０〜４９ 測定手段
５０ 第１の燃焼室の脈動測定手段
５１ 第２の燃焼室の脈動測定手段
Ｃｃ １つのガス成分の濃度の目標値
Ｃｃｌ 制御ループの１つのガス成分の濃度の目標値
Ｃｍａｐ １つのガス成分の目標濃度のフィードフォワード制御値
Ｃｃｏｒ １つのガス成分の目標濃度の補正値
Ｒｃ 制御要素の目標値
Ｒｃｌ 閉ループ制御における制御要素の目標値
Ｒｍａｐ 制御要素のフィードフォワード制御値
Ｒｃｏｒ 制御要素の補正値
Claims (15)
- 排気ガス再循環を用いるガスタービン発電装置（３８）の動作方法であって、
前記ガスタービン発電装置は、
ガスタービン（６）と、
制御器（３９）と、
廃熱回収蒸気タービン（９）と、
前記ガスタービン発電装置の排気ガス（８、１９）を、前記ガスタービン（６）の吸込流への再循環のための第１の部分排気ガス流（２１）と、環境放出のための第２の部分排気ガス流（２０、２４）とに分ける排気ガスディバイダ（２９）と、
前記第１の排気ガス流（２１）を制御するための制御要素（１１、２９）と、
排気ガス再冷器（２７）と、
を備えており、
第１のステップで、前記ガスタービン（６）の動作状態に従って、前記ガスタービンの吸込ガス（３）および／または排気ガス（８、１９、２０、２１、２４）の１つの成分の目標濃度（Ｃｃ）を決定し、
第２のステップで、前記成分の濃度における目標値／実際値の偏差に従って、前記制御要素（１１、２９）の位置を調整する
方法において、
前記ガスタービン（６）における燃焼に関連する動作変数に関する制御ループからの１つのガス成分の濃度の目標値（Ｃｃｌ）と、前記ガス成分の目標濃度のフィードフォワード制御値（Ｃｍａｐ）と、前記ガス成分の目標濃度の補正値（Ｃｃｏｒ）との和を計算することにより、または、前記目標値（Ｃ ｃｌ ）、フィードフォワード制御値（Ｃ ｍａｐ ）および補正値（Ｃ ｃｏｒ ）の平均または加重平均として、前記１つの成分の目標濃度（Ｃｃ）を決定し、
但し、前記補正値（Ｃ ｃｏｒ ）は、前記ガスタービン発電装置の実際の動作挙動に従って前記フィードフォワード制御値（Ｃ ｍａｐ ）を補正することにより得られ、
前記フィードフォワード制御値（Ｃ ｍａｐ ）は、計算、シミュレーションまたはテストの結果であり、一時的変化について決定されたものである、
ことを特徴とする方法。 - 前記ガスタービン（６）における燃焼に関連する以下の動作変数、すなわち、燃焼室脈動、ＮＯｘ排出量、未燃炭化水素（ＵＨＣ）、前記吸込ガス（３）および／もしくは前記ガスタービンの排気ガス（８、１９、２０、２１、２４）の前記１つの成分の測定濃度、および／または、燃料（５）中の水素炭素比、のうちの１つまたは複数に従って、閉ループ制御において、前記ガスタービン（６）の前記吸込ガス（３）および／または前記排気ガス（８、１９、２０、２１、２４）の前記１つの成分の目標濃度（Ｃｃｌ）を決定する、請求項１記載の方法。
- 前記制御要素（１１、２９）のための閉ループ制御の目標値（Ｒｃｌ）と、前記再循環された第１の排気ガス流の制御のための制御要素の目標値のフィードフォワード制御値（Ｒｍａｐ）と、前記制御要素（１１、２９）の目標値の補正値（Ｒｃｏｒ）とから、前記制御要素の目標値（Ｒｃ）を決定する、請求項１または２記載の方法。
- 排気ガス再循環比と、前記コンプレッサ（３）の吸込流と、環境空気流（２）と、排気ガス流（８、１９、２０、２１、２４）と、のうちの１つまたは複数に従って、前記閉ループ制御において、前記制御要素の目標値（Ｒｃｌ）を決定する、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
- 前記目標濃度のフィードフォワード制御値（Ｃｍａｐ）と前記制御要素の目標値のフィードフォワード制御値（Ｒｍａｐ）の少なくともいずれか１つ、および／または、前記目標濃度の補正値（Ｃｃｏｒ）と前記制御要素の目標値の補正値（Ｒｃｏｒ）の少なくともいずれか１つを、マトリクスの計数値として保存し、当該値の間で補間を実行する、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
- 前記目標濃度のフィードフォワード制御値（Ｃｍａｐ）および／または前記制御要素の目標値のフィードフォワード制御値（Ｒｍａｐ）に関する作用特性を予め決定し、前記目標濃度の補正値（Ｃｃｏｒ）の分、および／または、前記目標値の補正値（Ｒｃｏｒ）の分、前記作用特性をずらす、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
- 前記目標濃度のフィードフォワード制御値（Ｃｍａｐ）および／または前記制御要素の目標値のフィードフォワード制御値（Ｒｍａｐ）に関する作用特性の傾きを、前記目標濃度の補正値（Ｃｃｏｒ）および／または前記目標値の補正値（Ｒｃｏｒ）を用いて適合させる、請求項６記載の方法。
- 前記目標濃度のフィードフォワード制御値（Ｃｍａｐ）および／または前記制御要素の目標値のフィードフォワード制御値（Ｒｍａｐ）に関する作用特性の形状を、前記目標濃度の補正値（Ｃｃｏｒ）および／または前記目標値の補正値（Ｒｃｏｒ）を用いて適合させる、請求項６または７記載の方法。
- 前記目標濃度の補正値（Ｃｃｏｒ）および／または前記制御要素の前記目標値の補正値（Ｒｃｏｒ）を、過去の制御偏差に従って形成する、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
- 前記吸込ガス（３）および／または前記ガスタービンの排気ガス（８、１９、２０、２１、２４）のＣＯ２濃度および／または酸素濃度を、制御変数として用いる、請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
- 前記排気ガス流（８）を廃熱回収蒸気タービン（９）に通し、前記廃熱回収蒸気タービンにおいて前記排気ガス流（８）の使用可能な熱を除去する、請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
- 環境への放出前に、第２の排気ガス流（２０）を二酸化炭素除去システム（１８）に供給し、前記二酸化炭素除去システム（１８）から低二酸化炭素の排気ガス（２２）を環境に放出し、二酸化炭素（３１）を他の使用のために取り除く、請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。
- 排気ガス再循環を用いるガスタービン発電装置（３８）であって、
ガスタービン（６）と、
制御器（３９）と、
廃熱回収蒸気タービン（９）と、
前記ガスタービン発電装置（３８）の排気ガス（１９）を、前記ガスタービン（６）の吸込流への再循環のための第１の排気ガス流（２１）と、環境放出のための第２の排気ガス流（２０）とに分ける排気ガスディバイダ（２９）と、
前記第１の排気ガス流（２１）を制御するための制御要素（１１、２９）と、
排気ガス再冷器（２７）と、
吸込ガス（３）および／または高温の作用ガスおよび／または前記ガスタービンの排気ガス（８、１９、２０、２１、２４）の１つの成分の濃度を測定するための少なくとも１つのセンサ（４０、４１、…、４９）と、
を備えるガスタービン発電装置（３８）において、
前記制御器（３９）は、前記１つの成分の目標濃度（Ｃｃ）を決定するための３つの制御器レベルを有しており、
第１の前記制御器レベルは、前記１つの成分の目標濃度（Ｃｃ）に関する閉ループ制御を含んでおり、
第２の前記制御器レベルは、前記１つの成分の目標濃度（Ｃｃ）に関するフィードフォワード制御を含んでおり、
第３の前記制御器レベルはフィードバック回路を含んでおり、該フィードバック回路は、前記ガスタービン発電装置の実際の動作挙動に従って、フィードフォワード制御の目標値を補正し、
前記制御器（３９）は、前記ガスタービン（６）における燃焼に関連する動作変数に関する制御ループからの１つのガス成分の濃度の目標値（Ｃ ｃｌ ）、前記ガス成分の目標濃度のフィードフォワード制御値（Ｃ ｍａｐ ）、および、前記ガス成分の目標濃度の補正値（Ｃ ｃｏｒ ）の和を計算することにより、または、前記目標値（Ｃ ｃｌ ）、フィードフォワード制御値（Ｃ ｍａｐ ）および補正値（Ｃ ｃｏｒ ）の平均または加重平均として、前記１つの成分の目標濃度（Ｃ ｃ ）を決定し、
前記フィードフォワード制御値（Ｃ ｍａｐ ）は、計算、シミュレーションまたはテストの結果であり、一時的変化について決定されたものである、
ことを特徴とするガスタービン発電装置（３８）。 - 前記制御器（３９）は、目標濃度（Ｃｃ）を決定するためのブロックと、前記制御要素（１１、２９）の目標位置（Ｒｃ）を決定するための後続のブロックと、を有しており、
前記制御要素（１１、２９）の目標位置（Ｒｃ）を決定するためのブロックは、前記目標濃度（Ｃｃ）を決定するためのブロックの出力信号に対して接続されており、
前記制御要素（１１、２９）の目標位置（Ｒｃ）を決定するためのブロックは、前記ガスタービン発電装置（３８）の動作パラメタの少なくとも１つの測定手段（４１、４２、…、４９）、および／または、燃料成分のオンライン測定手段を有しており、当該測定手段は、前記制御器（３９）に接続されている、
請求項１３記載のガスタービン発電装置（３８）。 - 前記ガスタービン発電装置（３８）は、前記制御器（３９）に接続された、燃焼室（４、３４）内の脈動測定手段（５０、５１）を有している、請求項１３または１４記載の前記ガスタービン発電装置（３８）。
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| EP11194242 | 2011-12-19 | ||
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