JP5951174B2

JP5951174B2 - ターボ冷凍機制御装置、ターボ冷凍機制御方法、ガスタービンプラント、及び、既設ガスタービンプラントの再構築方法

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Publication number: JP5951174B2
Application number: JP2010060953A
Authority: JP
Inventors: 上地　英之; 英之上地; 隆信小室; 誠司澁谷; 園田　隆; 隆園田; 伊藤　栄作; 栄作伊藤; 夏輝川口; 寺崎　正雄; 正雄寺崎; 古賀　淳; 淳古賀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: JP2011033328A

Description

本発明は、ターボ冷凍機の駆動を制御するターボ冷凍機制御装置、ターボ冷凍機制御方法、ガスタービンプラント、及び、既設ガスタービンプラントの再構築方法に関する。

ガスタービンプラントにおけるガスタービンは、一般的に、吸気側の空気温度が上昇すると、出力が下がるという特性をもっている。そのため、ガスタービンはある一定の大気温度の条件下で定格出力点を規定している。

夏季等、設定された大気温度よりも高い温度の大気をガスタービンがそのまま吸入したのでは、タービン出力が大気温度に影響され、出力が不足する場合がある。そこで、大気温度が高い場合には、予め吸気温度を所定温度に冷却させてからガスタービンに吸気させるように、ガスタービン吸気を冷却する熱交換器を配設してガスタービンに低温空気を供給するガスタービンプラントが種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

近年では、熱交換器に供給する冷水を生成するためにターボ冷凍機を備えたガスタービンプラントが提案されている。この際、冷却能力を向上させるために複数のターボ冷凍機が配されることから、ガスタービンプラントは、これらを運転制御するためのターボ冷凍機制御装置もあわせて備えている。

特開平９−１９５７９７号公報

ここで、複数のターボ冷凍機を稼動させる場合、ターボ冷凍機の動力が少なければ、プラント効率が上がることから、動力を最小限に制御するのが好ましい。しかしながら、ターボ冷凍機のＣＯＰ（Coefficient of Performance：成績係数）は、その負荷によって変動するため、特に複数のターボ冷凍機を稼動する場合、各ターボ冷凍機の負荷を個別に制御して最小限の動力で運転するのは難しい。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、最小限の動力で複数のターボ冷凍機を効率よく駆動させることができるターボ冷凍機制御装置、ターボ冷凍機制御方法、及びガスタービンプラントを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るターボ冷凍機制御装置は、負荷と冷凍機動力との関係、負荷と冷凍能力との関係、定格冷凍能力、及び、最適負荷が同一の複数のインバータターボ冷凍機であるターボ冷凍機を制御するターボ冷凍機制御装置であって、取得した対象気体の温度及び湿度情報、並びに、設定された冷却目標温度に基づいて、前記対象気体の現在の温度と前記冷却目標温度との間のエンタルピー差を算出するエンタルピー差演算手段と、前記ターボ冷凍機の成績係数が最大となるときの負荷を最適負荷とし、このときの冷凍能力を最適能力としたとき、前記エンタルピー差と前記最適能力とから、前記対象気体の温度を前記冷却目標温度とするのに必要な前記ターボ冷凍機の稼動台数を算出する稼動台数決定手段と、算出された前記エンタルピー差及び前記稼動台数から、複数の前記ターボ冷凍機の最終稼動台数及びそれぞれに割り当てる最終冷凍機負荷を算出する駆動指令手段と、を備え、前記稼動台数決定手段が、前記エンタルピー差を前記最適負荷時の冷凍能力で除算して、小数点以下の端数が生じたときにはこれを繰上げ処理して前記稼動台数を算出し、前記駆動指令手段は、前記必要冷凍能力が、各前記ターボ冷凍機間で均等となるように、前記エンタルピー差を前記稼動台数で除算して前記必要冷凍能力を求め、前記駆動指令手段が、前記ターボ冷凍機を前記稼動台数にて前記最適負荷よりも低い負荷で運転させるか、又は、前記稼動台数よりも１台少ない台数にて前記最適負荷よりも高い負荷で運転させるかを判断する稼動台数判断手段を備え、前記稼動台数決定手段にて算出された前記稼動台数に基づき算出される冷凍機負荷を第一負荷、前記稼動台数より１台少ない台数に基づき算出される冷凍機負荷を第二負荷とし、前記第一負荷のときの各冷凍機動力を第一動力、前記第二負荷のときの各冷凍機動力を第二動力とするとき、前記稼動台数判断手段が、前記第二動力よりも前記第一動力が小さいときには、前記第一負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数を前記最終稼動台数とし、前記第二動力よりも前記第一動力が大きいときには、さらに前記エンタルピー差と合計冷凍機能力との大小比較に基づき、前記稼動台数よりも１台少ない台数での合計冷凍機能力が前記エンタルピー差よりも小さい場合は、前記第一負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数を前記最終稼動台数とし、前記稼動台数よりも１台少ない台数での合計冷凍機能力が前記エンタルピー差よりも大きい場合は、前記第二負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数よりも１台少ない台数を前記最終稼動台数とすることを特徴とする。

この発明は、複数のインバータターボ冷凍機で冷却すべき対象気体の現在の状態と冷却目標とのエンタルピー差、及びインバータターボ冷凍機の成績係数が最大となるときの冷凍能力から、インバータターボ冷凍機の稼動台数を算出する。そして、この稼動台数から、改めて冷凍機負荷を算出するので、成績係数が最大となる負荷の近傍にて各インバータターボ冷凍機を運転することができる。

また、この発明は、所定の稼動台数で、インバータターボ冷凍機の最適負荷の近傍にて確実に各冷凍機を運転させることができる。

また、この発明は、稼動台数決定手段における端数処理の影響を考慮して、当初算出された稼動台数及びこれよりも１台少ない台数の双方における冷凍機動力の大小比較を行うことによって、より好適な稼動台数及び負荷を算出することができる。

本発明に係るガスタービンプラントは、本発明に係るターボ冷凍機制御装置と、該ターボ冷凍機制御装置にて算出された最終的な稼動台数及び前記最終的な冷凍機負荷に基づき駆動される複数のターボ冷凍機と、これら複数のターボ冷凍機によって冷却された前記対象気体が吸入されるガスタービンと、を備えていることを特徴とする。

これらの発明は、ターボ冷凍機制御装置によってターボ冷凍機を最小限の動力で効率良く駆動させて、対象気体を冷却してガスタービンに吸入させることができる。このため、ターボ冷凍機駆動による損失を最小限に抑えつつ、吸気冷却による出力増大を最大限図ることができ、ガスタービンを効率良く稼動させることができる。

また、本発明に係るガスタービンプラントは、前記ガスタービンの要求出力に基づいて前記冷却目標温度を算出する冷却目標温度設定手段を備えることを特徴とする。

この発明は、冷却目標温度設定手段によってガスタービンの要求出力に基づいて冷却目標温度を算出することで、複数のターボ冷凍機によって冷却された対象気体によってガスタービンで要求どおりの出力を行うことができる。

また、本発明に係るガスタービンプラントは、前記ターボ冷凍機の少なくとも一つが、それぞれ前記対象気体を冷却するための冷水を冷却可能な複数のターボ冷凍ユニットが直列に接続されて構成されていることを特徴とする

この発明は、ターボ冷凍機が、ターボ冷凍ユニットを直列接続して構成していることで、直列接続された複数のターボ冷凍ユニットにより冷水を効果的に冷却して、該冷水により対象気体の冷却を行うことができる。

また、本発明に係るターボ冷凍機の制御方法は、負荷と冷凍機動力との関係、負荷と冷凍能力との関係、定格冷凍能力、及び、最適負荷が同一の複数のインバータターボ冷凍機であるターボ冷凍機を制御するターボ冷凍機の制御方法であって、取得した対象気体の温度及び湿度情報、並びに、設定された冷却目標温度に基づいて、前記対象気体の現在の温度と前記冷却目標温度との間のエンタルピー差を算出するエンタルピー差演算工程と、前記ターボ冷凍機の成績係数が最大となるときの負荷を最適負荷とし、このときの冷凍能力を最適能力としたとき、前記エンタルピー差と前記最適能力とから、前記対象気体の温度を前記冷却目標温度とするのに必要な前記ターボ冷凍機の稼動台数を算出する稼動台数決定工程と、算出された前記エンタルピー差及び前記稼動台数から、複数の前記ターボ冷凍機の最終稼動台数及びそれぞれに割り当てる最終冷凍機負荷を算出する駆動指令工程と、を備え、前記稼動台数決定工程では、前記エンタルピー差を前記最適負荷時の冷凍能力で除算して、小数点以下の端数が生じたときにはこれを繰上げ処理して前記稼動台数を算出し、前記駆動指令工程では、前記必要冷凍能力が、各前記ターボ冷凍機間で均等となるように、前記エンタルピー差を前記稼動台数で除算して前記必要冷凍能力を求め、前記駆動指令工程は、前記ターボ冷凍機を前記稼動台数にて前記最適負荷よりも低い負荷で運転させるか、又は、前記稼動台数よりも１台少ない台数にて前記最適負荷よりも高い負荷で運転させるかを判断する稼動台数判断工程を備え、前記稼動台数決定工程にて算出された前記稼動台数に基づき算出される冷凍機負荷を第一負荷、前記稼動台数より１台少ない台数に基づき算出される冷凍機負荷を第二負荷とし、前記第一負荷のときの各冷凍機動力を第一動力、前記第二負荷のときの各冷凍機動力を第二動力とするとき、前記稼動台数判断工程では、前記第二動力よりも前記第一動力が小さいときには、前記第一負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数を前記最終稼動台数とし、前記第二動力よりも前記第一動力が大きいときには、さらに前記エンタルピー差と合計冷凍機能力との大小比較に基づき、前記稼動台数よりも１台少ない台数での合計冷凍機能力が前記エンタルピー差よりも小さい場合は、前記第一負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数を前記最終稼動台数とし、前記稼動台数よりも１台少ない台数での合計冷凍機能力が前記エンタルピー差よりも大きい場合は、前記第二負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数よりも１台少ない台数を前記最終稼動台数とすることを特徴とする。

また、この発明は、稼動台数決定時における端数処理の影響を考慮して、当初算出された稼動台数及びこれよりも１台少ない台数の双方における冷凍機動力の大小比較を行うことによって、より好適な稼動台数及び負荷を算出することができる。

また、本発明に係る既設ガスタービンプラントの再構築方法は、既設である前記ガスタービンに対して前記ターボ冷凍機及び前記ターボ冷凍機制御装置を追設することで上記ガスタービンプラントを構築することを特徴とする。

この発明は、既設ガスタービンにターボ冷凍機及びターボ冷凍機制御装置を追設するだけで、ガスタービンに吸気される対象気体を冷却して既設ガスタービンプラントの出力増大を図ることができる。

本発明によれば、最小限の動力で複数のターボ冷凍機を効率よく駆動させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るガスタービンプラントの構成を示す概要図である。本発明の第１の実施形態に係るターボ冷凍機制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係るターボ冷凍機制御方法を示すフロー図である。ターボ冷凍機の負荷−成績係数特性を示すグラフである。ターボ冷凍機の負荷−動力特性を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係るガスタービンプラントの構成を示す概要図である。本発明の第２の実施形態に係るターボ冷凍機制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態に係るターボ冷凍機制御方法を示すフロー図である。インバータターボ冷凍機の負荷−成績係数特性を示すグラフである。インバータターボ冷凍機の負荷−動力特性を示すグラフである。本発明の実施形態の変形例に係るガスタービンプラントの構成を示す概要図である。

（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係るガスタービンプラント１は、図１に示すように、圧縮機２ａ、燃焼器２ｂ及びタービン２ｃを有するガスタービン２と、圧縮機２ａに吸気させる空気（対象気体）を所定温度に冷却する冷却用熱交換器３と、冷却用熱交換器３に冷水を供給する複数のターボ冷凍機５と、循環する冷却水から排熱された熱を外部へ放出する放熱用熱交換器６と、ターボ冷凍機５の運転を制御するターボ冷凍機制御装置７と、ガスタービン全体を制御するガスタービン制御装置８と、備えている。

ガスタービン２は、圧縮機２ａによって吸気した空気を圧縮して燃焼器２ｂに供給し、燃焼器２ｂで燃料と混合して燃焼させて燃焼ガスを生成し、これをタービン２ｃ内に供給して、発電機１０による発電を行うことが可能である。タービン２ｃ内を流通した燃焼ガスは、排ガスとして排出される。

冷却用熱交換器３は、複数の同一仕様のターボ冷凍機５から供給された冷水と外気とを熱交換させて外気を所定温度に冷却する。そして、１台の冷却用熱交換器３に対して複数のターボ冷凍機５が並列に接続されている。

ターボ冷凍機５は、冷媒の圧縮−膨張作用によって循環する冷水を所定温度に冷却する。なお、ターボ冷凍機５の構成は、公知のもので構わない。

ターボ冷凍機制御装置７は、図２に示すように、冷却目標温度設定手段１１と、エンタルピー差演算手段１３と、稼働台数決定手段１５と、駆動指令手段１６と、を備えている。このターボ冷凍機制御装置７には、大気温度Ｔ_ａｍｂを測定するとともに、得られた温度情報を比エンタルピー差演算部１３ａに出力する気温測定手段１７と、大気湿度φを測定するとともに、得られた湿度情報を比エンタルピー差演算部１３ａに出力する大気湿度測定手段１８と、が接続されている。

冷却目標温度設定手段１１は、圧縮機２ａに吸気させる際の空気温度を設定するため、ガスタービンの要求出力Ｗ_ＰＲから、圧縮機２ａの入口温度Ｔ_ｉｎを冷却目標温度として算出する。ここで、要求出力Ｗ_ＰＲは、ガスタービン２を制御するガスタービン制御装置８から入力されるものとしても良いし、ターボ冷凍機制御装置７に直接入力する構成としても良い。

エンタルピー差演算手段１３は、大気温度Ｔ_ａｍｂ、冷却目標温度となる入口温度Ｔ_ｉｎ及び大気湿度φから比エンタルピー差Δｈを算出する比エンタルピー差演算部１３ａと、算出されたΔｈと圧縮機２ａの吸気流量Ｑとから、エンタルピー差ΔＨを算出するエンタルピー差演算部１３ｂと、をさらに備えている。エンタルピー差演算部１３ｂによって算出されたΔＨが、複数のターボ冷凍機５によって要求される必要冷凍能力となる。

稼働台数決定手段１５は、算出されたエンタルピー差ΔＨをターボ冷凍機５の定格冷却能力Ｒで除算して、大気温度Ｔ_ａｍｂを冷却目標温度である入口温度Ｔ_ｉｎとするのに必要なターボ冷凍機５の稼動台数Ｎを算出する。

定格冷凍能力Ｒは、稼動台数決定手段１５に直接与えても良いし、稼動台数決定手段１５に記憶させておいても良い。

駆動指令手段１６は、エンタルピー差演算手段１３で算出されたエンタルピー差ΔＨを稼働台数決定手段１５で算出された稼動台数Ｎで除算することで、稼動させる複数のターボ冷凍機５のそれぞれに割り当てる必要冷凍能力Ｒｉを算出する。

次に、本実施形態に係るターボ冷凍機制御装置７の作用について、ターボ冷凍機制御方法とともに説明する。
本実施形態に係るターボ冷凍機制御方法は、図３に示すように、気温・湿度測定工程（Ｓ０１）と、冷却目標温度設定工程（Ｓ０２）と、エンタルピー差演算工程（Ｓ０３）と、稼働台数決定工程（Ｓ０４）と、駆動指令工程（Ｓ０５）と、を備えている。

気温・湿度測定工程（Ｓ０１）では、気温測定手段１７及び大気湿度測定手段１８を用いて、大気の温度及び湿度を測定する。

冷却目標温度設定工程（Ｓ０２）では、冷却目標温度設定手段１１によって、冷却目標温度である、圧縮機２ａの入口温度Ｔ_ｉｎを算出する。入口温度Ｔ_ｉｎの算出にあたっては、例えば、”ＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＴｈｅｏｒｙ５ｔｈＥｄｉｔｉｏｎ”, Ｓａｒａｂａｎａｍｕｔｔｏｏ，ＨＩＨ，ｅｔａｌ．，２００１“等を参照して、要求出力Ｗ_ＰＲから求める。

エンタルピー差演算工程（Ｓ０３）では、＜数１＞に基づき、大気温度Ｔ_ａｍｂ、入口温度Ｔ_ｉｎ及び大気湿度φからΔｈを算出する。

ここで、＜数１＞おいて、関数ｆは、ＮＣ線図（例えば、「徹底マスター空気線図の読み方・使い方」,空気調和・衛生工学会編，１９９８，ｐｐ１６）等を利用すれば求めることができる。

そして、エンタルピー差演算部１３ｂによって、比エンタルピー差Δｈと吸気流量Ｑとの乗算を行い、エンタルピー差ΔＨを算出する。

稼働台数決定工程（Ｓ０４）では、稼働台数決定手段１５によって、＜数２＞を用いてエンタルピー差ΔＨをターボ冷凍機５の定格冷却能力Ｒで除算してターボ冷凍機５の稼動台数Ｎ_ｄ１を算出する。

ここで、＜数２＞を実施した場合、小数点以下の端数が生じる。この端数に対して、次のように処理を行う。
すなわち、＜数２＞で求められる値の整数値を稼動台数として、各ターボ冷凍機５を定格冷却能力Ｒで稼動させたとしても、小数点以下の値の分だけ冷却能力が不足してしまう。そこで、稼動台数決定手段１５では、＜数２＞で求めたＮ_ｄ１の少数点以下の端数を繰り上げて稼動台数Ｎ_ｉ１に決定する。

駆動指令工程（Ｓ０５）では、駆動指令手段１６によって、＜数３＞に基づき、稼動させる複数のターボ冷凍機５のそれぞれに割り当てる必要冷凍能力Ｒｉを算出する。
こうして、得られた必要冷凍能力Ｒｉに基づいて各ターボ冷凍機５を稼動することによって、ターボ冷凍機５の負荷の合計に対して、冷凍機動力の合計が最も小さい状態で所定温度まで冷却された空気を圧縮機２ａに吸入させる。

このターボ冷凍機制御装置７、ターボ冷凍機制御方法、及びガスタービンプラント１によれば、エンタルピー差ΔＨを算出し、これをターボ冷凍機５の定格冷却能力Ｒで除算し、小数点以下の端数を繰り上げることによって、ターボ冷凍機５の最小稼動台数Ｎ_ｉ１を算出することができる。また、算出した稼働台数Ｎ_ｉ１でΔＨを除算することによって、各ターボ冷凍機５の必要冷凍能力Ｒｉを算出することができる。したがって、複数のターボ冷凍機５の負荷を個々に制御する必要なく、最小限の動力で複数のターボ冷凍機５を効率よく駆動させることができる。

特に、稼働台数決定の際、必要冷凍能力がターボ冷凍機５間で均等となるよう演算がなされる。つまり、負荷をターボ冷凍機５に均等に割り振ってすべてのターボ冷凍機５に均等に負荷を負担させる。

ここで、通常、図４に示すように、ターボ冷凍機５は、１台あたりの負荷が増加するにつれてＣＯＰも増加して、１００％の負荷の場合にＣＯＰも最大となる。しかし、その増加の割合は徐々に減少していくという特性を有する。そして、図５に示すように、負荷と−冷凍機動力の関係は、負荷−ＣＯＰの関係と対応して、低負荷では損失等の影響により一定の動力に漸近するのに対し、負荷の増加につれて冷凍機動力も徐々に増加し、一定の比例線に漸近する特性、すなわち効率が一定となる特性を有する。

そのため、１台のターボ冷凍機５は端数分の負荷とし、残りの台数のターボ冷凍機５は１００％の負荷で稼動させても、端数分を担当するターボ冷凍機５については、他のターボ冷凍機５よりも負荷が小さいわりに冷凍機動力が同様には小さくならない。一方、負荷を全ターボ冷凍機に均等に割り振った場合には、上記のように１台のターボ冷凍機５で端数分の負荷を担当させて他のターボ冷凍機５で１００％の負荷で稼動させた場合よりも、１台当りの負荷が低くなるのに、略比例して動力も低減させることとなり、１００％負荷で稼動させた場合とほぼ同等の効率で稼動させることができる。このため、全体としては冷凍機動力の合計を最小にして、最高の若しくはそれに近いＣＯＰにて各ターボ冷凍機５を運転させることができる。

（第２の実施形態）
本発明に係る第２の実施形態について、図６から図１０を参照して説明する。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図６及び図７に示すように、本実施形態に係るガスタービンプラント３０は、複数のターボ冷凍機がインバータターボ冷凍機３１であることと、該インバータターボ冷凍機３１の運転を制御するターボ冷凍機制御装置３２において、稼動台数決定手段３３及び駆動指令手段３４の構成が異なること以外は第１の実施形態と同様の構成である。なお、インバータターボ冷凍機３１の構成は、公知のもので構わない。

稼動台数決定手段３３は、最適能力算出手段３３ａと、稼動台数算出手段３３ｂと、を備えている。最適能力算出手段３３ａは、インバータターボ冷凍機３１のＣＯＰが最大となるときの冷凍機負荷を最適負荷Ｌｈとするとき、この最適負荷Ｌｈと１台分のインバータターボ冷凍機３１の冷凍能力Ｒとの積算から、最適負荷Ｌｈにおけるインバータターボ冷凍機３１の冷凍能力を最適能力Ｒｈとして算出する。稼動台数算出手段３３ｂは、算出されたエンタルピー差ΔＨを最適能力Ｒｈで除算して、大気温度Ｔａｍｂを冷却目標温度である入口温度Ｔｉｎとするのに必要なインバータターボ冷凍機３１の稼動台数を算出する。この際、小数点以下の端数が生じたときにはこれを繰上げ処理して稼動台数Ｎ_ｉ２とする。

定格冷凍能力Ｒ、最適負荷Ｌｈは、最適能力算出手段３３ａに直接与えても良いし、最適能力算出手段３３ａに記憶させておいても良い。

駆動指令手段３４は、稼動台数がＮ_ｉ２又は（Ｎ_ｉ２−１）におけるそれぞれの冷凍機負荷を算出する冷凍機負荷算出手段３４ａと、インバータターボ冷凍機３１を稼動台数Ｎ_ｉ２にて最適負荷Ｌｈよりも低い負荷で運転させるか、又は、稼動台数Ｎ_ｉ２よりも１台少ない（Ｎ_ｉ２−１）台にて最適負荷Ｌｈよりも高い負荷で運転させるかを判断する稼動台数判断手段３４ｂと、を備えている。そして、算出されたエンタルピー差ΔＨ及び稼動台数Ｎ_ｉ２から、複数のインバータターボ冷凍機３１の最終稼動台数及びそれぞれに割り当てる最終冷凍機負荷Ｌｆを算出する。

次に、本実施形態に係るターボ冷凍機制御装置３２の作用について、ターボ冷凍機制御方法とともに説明する。図８は、本実施形態のターボ冷凍機制御方法のフロー図を示している。ここで、気温・湿度測定工程（Ｓ０１）、冷却目標温度設定工程（Ｓ０２）及びエンタルピー差演算工程（Ｓ０３）は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略し、以下稼動台数決定工程（Ｓ１４）及び駆動指令工程（Ｓ１５）について説明する。

稼動台数決定工程（Ｓ１４）では、まず、最適能力算出手段３３ａによって、＜数４＞を用いて最適負荷Ｌｈにおけるインバータターボ冷凍機３１の冷凍能力を最適能力Ｒｈとして算出する。

そして、稼動台数算出手段３３ｂによって、＜数５＞を用いて、大気温度Ｔａｍｂを冷却目標温度である入口温度Ｔｉｎとするのに必要なインバータターボ冷凍機３１の稼動台数Ｎ_ｄ２を暫定的に算出する。

ここで、＜数５＞の処理を実施して小数点以下の端数が生じる場合がある。そこで、駆動指令工程（Ｓ１５）では、この端数に対して、さらに次のように処理を行う。
通常、図９に示すように、インバータターボ冷凍機３１は、１台あたりの負荷が増加するにつれてＣＯＰも増加し、最適負荷Ｌｈとなる負荷を境に再び減少する。一方、図１０に示すように、負荷−冷凍機動力の関係は、低負荷では損失等の影響により一定の負荷に漸近するのに対し、負荷の増加につれて冷却機動力も徐々に増加して最適負荷Ｌｈで一定の比例線に漸近し、さらに負荷が増加するにつれて負荷に対して必要な冷凍機動力の割合が増加していくという特性、すなわち効率が低下していくという特性を有する。

そこで、稼動台数決定手段３３にて算出された稼動台数Ｎ_ｉ２に基づき算出される冷凍機負荷を第一負荷Ｌ_Ｎ、稼動台数Ｎ_ｉ２より１台少ない台数に基づき算出される冷凍機負荷を第二負荷Ｌ_Ｎ−１とし、第一負荷Ｌ_Ｎのときの各冷凍機動力を第一動力Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ）、第二負荷Ｌ_Ｎ−１のときの各冷凍機動力を第二動力Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ−１）とする。そして、駆動指令工程（Ｓ１５）では、冷凍機負荷算出手段３４ａによって、第一負荷Ｌ_Ｎ及び第二負荷Ｌ_Ｎ−１を＜数６＞及び＜数７＞に基づきそれぞれ算出する。

続いて、稼動台数判断手段３４ｂにて、稼動させる複数のインバータターボ冷凍機３１のそれぞれに割り当てる最終稼動台数及び最終冷凍機負荷Ｌｆを算出する。すなわち、Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ）＜Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ−１）のときには、第一負荷Ｌ_Ｎを最終冷凍機負荷Ｌｆとする。一方、Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ）＞Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ−１）のときには、さらにエンタルピー差ΔＨと、（Ｎ_ｉ２−１）台のときの合計冷凍機能力とを大小比較して、ΔＨ＞Ｒ×（Ｎ_ｉ２−１）のときには、第一負荷Ｌ_Ｎを最終冷凍機負荷Ｌｆとし、ΔＨ＜Ｒ×（Ｎ_ｉ２−１）のときには、第二負荷Ｌ_Ｎ−１を最終冷凍機負荷Ｌｆとする。
こうして、得られた最終冷凍機負荷ＬｆにてＮ_ｉ２台若しくは（Ｎ_ｉ２−１）台の各インバータターボ冷凍機３１を稼動することによって、インバータターボ冷凍機３１の負荷の合計に対して、冷凍機動力の合計が最も小さい状態で所定温度まで冷却された空気を圧縮機２ａに吸入させる。

このターボ冷凍機制御装置３２、ターボ冷凍機制御方法、及びガスタービンプラント３０によれば、複数のインバータターボ冷凍機３１で冷却すべき空気の現在の状態と冷却目標とのエンタルピー差ΔＨを、インバータターボ冷凍機３１のＣＯＰが最大となるときの冷凍能力Ｒｈで除算し、小数点以下の端数が生じたときは繰り上げて、インバータターボ冷凍機３１の稼動台数Ｎ_ｉ２を算出する。そして、この稼動台数Ｎ_ｉ２から、改めて冷凍機負荷Ｌｆを算出するので、ＣＯＰが最大となる負荷Ｌｈの近傍にて各インバータターボ冷凍機３１を運転することができる。したがって、複数のインバータターボ冷凍機３１の負荷を個々に制御する必要なく、最小限の動力で複数のインバータターボ冷凍機３１を効率よく駆動させることができる。

特に、稼動台数決定の際、エンタルピー差ΔＨを最適負荷時の冷凍能力Ｒｈで除算して、小数点以下の端数が生じたときには、これを繰上げ処理して稼動台数Ｎ_ｉ２を算出し、インバータターボ冷凍機３１を稼動台数Ｎ_ｉ２にて最適負荷Ｌｈよりも低い負荷で運転させるか、又は、（Ｎ_ｉ２−１）台にて最適負荷Ｌｈよりも高い負荷で運転させるかを判断する。そのため、何れの場合であっても、所定の稼動台数で、インバータターボ冷凍機３１の最適負荷Ｌｈの近傍にて確実に各冷凍機を運転させることができる。

この際、第一動力Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ）が第二動力Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ−１）よりも小さいときには、第一負荷Ｌ_Ｎを最終冷凍機負荷Ｌｆとし、第一動力Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ）が第二動力Ｗ_ｉｎ（Ｌ_Ｎ−１）よりも大きいときには、さらにエンタルピー差ΔＨと稼動台数が（Ｎ_ｉ２−１）台のときの合計冷凍機能力との大小比較に基づき、第一負荷Ｌ_Ｎ又は第二負荷Ｌ_Ｎ−１の何れかを最終冷凍機負荷Ｌｆとする。したがって、より好適な稼動台数及び負荷を算出することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、冷却用熱交換器３には、複数のターボ冷凍機５、３１が並列に接続されているが、これに限らず、複数の冷却用熱交換器３の各々とターボ冷凍機５の各々とが１対１に接続されたものでも構わない。また、ターボ冷凍機は、並列に接続されているものとしたが、これに限られるものではなく、直列に接続しても良い。図１１は、直列接続した場合の変形例のガスタービンプラント４０を示している。この場合には、直列に接続された各ターボ冷凍機をターボ冷凍ユニット４１として、これら直列に接続された複数のターボ冷凍ユニット４１でターボ冷凍機４２が構成されるものとして取り扱えば良い。すなわち、ターボ冷凍機制御装置７（３２）は、各ターボ冷凍ユニット４１に制御信号を出力して稼動制御する一方、インバータ無しの場合には、複数のターボ冷凍ユニット４１で構成されたターボ冷凍機４２全体として、計算により、あるいは、実験により、図４に示す負荷−成績係数特性と、図５に示す負荷−動力特性とを求め、これら求めた特性に基づいて制御を実施すれば良い。また、インバータ有りの場合でも同様に、複数のターボ冷凍ユニット４１で構成されたターボ冷凍機４２全体として、計算により、あるいは、実験により、図９に示す負荷−成績係数特性と、図１０に示す負荷−動力特性とを求め、これら求めた特性に基づいて制御を実施すれば良い。ターボ冷凍ユニット４１を直列接続して構成していることで、直列接続された複数のターボ冷凍ユニット４１により冷水を効果的に冷却して、該冷水により対象気体の冷却をより効果的に行うことができる。なお、本変形例では、全てのターボ冷凍機を、複数のターボ冷凍ユニットによる直列接続構造としたが、これに限るものではなく、一部のターボ冷凍機のみ、複数のターボ冷凍ユニットによる直列接続構造としても良い。

また、本発明は、新設のガスタービンプラントのみ適用される技術ではなく、既設のガスタービンプラントにも適用可能である。すなわち、既設のガスタービンプラントとして、ガスタービン２及びガスタービン制御装置７（３２）が備えられ、場合によってはターボ冷凍機５（３１、４２）が備えられている。そして、ここに新たに同一仕様のターボ冷凍機５（３１、４２）を設置し、ターボ冷凍機５（３１、４２）の設置数を複数にするとともに、各ターボ冷凍機５（３１、４２）を制御するターボ冷凍機制御装置７（３２）を設置する。このようにして、再構築された図１、図６、図１１に示すようなガスタービンプラント１、３０、４０では、既設のガスタービンプラントと比較して、複数のターボ冷凍機５（３１、４２）によって効率的かつ効果的に吸気冷却を行って出力増大を図ることができる。

１、３０、４０ガスタービンプラント
２ガスタービン
５、３１、４２ターボ冷凍機
７、３２ターボ冷凍機制御装置
１３エンタルピー差演算手段
１５、３３稼働台数決定手段
１６、３４駆動指令手段
３１インバータターボ冷凍機（ターボ冷凍機）
３４ｂ稼動台数判断手段
４１ターボ冷凍ユニット

Claims

負荷と冷凍機動力との関係、負荷と冷凍能力との関係、定格冷凍能力、及び、最適負荷が同一の複数のインバータターボ冷凍機であるターボ冷凍機を制御するターボ冷凍機制御装置であって、
取得した対象気体の温度及び湿度情報、並びに、設定された冷却目標温度に基づいて、前記対象気体の現在の温度と前記冷却目標温度との間のエンタルピー差を算出するエンタルピー差演算手段と、
前記ターボ冷凍機の成績係数が最大となるときの負荷を最適負荷とし、このときの冷凍能力を最適能力としたとき、前記エンタルピー差と前記最適能力とから、前記対象気体の温度を前記冷却目標温度とするのに必要な前記ターボ冷凍機の稼動台数を算出する稼動台数決定手段と、
算出された前記エンタルピー差及び前記稼動台数から、複数の前記ターボ冷凍機の最終稼動台数及びそれぞれに割り当てる最終冷凍機負荷を算出する駆動指令手段と、
を備え、
前記稼動台数決定手段が、前記エンタルピー差を前記最適負荷時の冷凍能力で除算して、小数点以下の端数が生じたときにはこれを繰上げ処理して前記稼動台数を算出し、
前記駆動指令手段は、必要冷凍能力が、各前記ターボ冷凍機間で均等となるように、前記エンタルピー差を前記稼動台数で除算して前記必要冷凍能力を求め、
前記駆動指令手段が、前記ターボ冷凍機を前記稼動台数にて前記最適負荷よりも低い負荷で運転させるか、又は、前記稼動台数よりも１台少ない台数にて前記最適負荷よりも高い負荷で運転させるかを判断する稼動台数判断手段を備え、
前記稼動台数決定手段にて算出された前記稼動台数に基づき算出される冷凍機負荷を第一負荷、前記稼動台数より１台少ない台数に基づき算出される冷凍機負荷を第二負荷とし、前記第一負荷のときの各冷凍機動力を第一動力、前記第二負荷のときの各冷凍機動力を第二動力とするとき、
前記稼動台数判断手段が、前記第二動力よりも前記第一動力が小さいときには、前記第一負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数を前記最終稼動台数とし、前記第二動力よりも前記第一動力が大きいときには、さらに前記エンタルピー差と合計冷凍機能力との大小比較に基づき、前記稼動台数よりも１台少ない台数での合計冷凍機能力が前記エンタルピー差よりも小さい場合は、前記第一負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数を前記最終稼動台数とし、前記稼動台数よりも１台少ない台数での合計冷凍機能力が前記エンタルピー差よりも大きい場合は、前記第二負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数よりも１台少ない台数を前記最終稼動台数とすることを特徴とするターボ冷凍機制御装置。
請求項１に記載のターボ冷凍機制御装置と、
該ターボ冷凍機制御装置にて算出された最終的な稼動台数及び前記最終的な冷凍機負荷に基づき駆動される複数のターボ冷凍機と、
これら複数のターボ冷凍機によって冷却された前記対象気体が吸入されるガスタービンと、
を備えていることを特徴とするガスタービンプラント。
前記ガスタービンの要求出力に基づいて前記冷却目標温度を算出する冷却目標温度設定手段を備えることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンプラント。
前記ターボ冷凍機の少なくとも一つが、それぞれ前記対象気体を冷却するための冷水を冷却可能な複数のターボ冷凍ユニットが直列に接続されて構成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガスタービンプラント。
既設である前記ガスタービンに対して前記ターボ冷凍機及び前記ターボ冷凍機制御装置を追設することで請求項２から４の何れか一つに記載のガスタービンプラントを構築することを特徴とする既設ガスタービンプラントの再構築方法。
負荷と冷凍機動力との関係、負荷と冷凍能力との関係、定格冷凍能力、及び、最適負荷が同一の複数のインバータターボ冷凍機であるターボ冷凍機を制御するターボ冷凍機の制御方法であって、
取得した対象気体の温度及び湿度情報、並びに、設定された冷却目標温度に基づいて、前記対象気体の現在の温度と前記冷却目標温度との間のエンタルピー差を算出するエンタルピー差演算工程と、
前記ターボ冷凍機の成績係数が最大となるときの負荷を最適負荷とし、このときの冷凍能力を最適能力としたとき、前記エンタルピー差と前記最適能力とから、前記対象気体の温度を前記冷却目標温度とするのに必要な前記ターボ冷凍機の稼動台数を算出する稼動台数決定工程と、
算出された前記エンタルピー差及び前記稼動台数から、複数の前記ターボ冷凍機の最終稼動台数及びそれぞれに割り当てる最終冷凍機負荷を算出する駆動指令工程と、
を備え、
前記稼動台数決定工程では、前記エンタルピー差を前記最適負荷時の冷凍能力で除算して、小数点以下の端数が生じたときにはこれを繰上げ処理して前記稼動台数を算出し、
前記駆動指令工程では、必要冷凍能力が、各前記ターボ冷凍機間で均等となるように、前記エンタルピー差を前記稼動台数で除算して前記必要冷凍能力を求め、
前記駆動指令工程は、前記ターボ冷凍機を前記稼動台数にて前記最適負荷よりも低い負荷で運転させるか、又は、前記稼動台数よりも１台少ない台数にて前記最適負荷よりも高い負荷で運転させるかを判断する稼動台数判断工程を備え、
前記稼動台数決定工程にて算出された前記稼動台数に基づき算出される冷凍機負荷を第一負荷、前記稼動台数より１台少ない台数に基づき算出される冷凍機負荷を第二負荷とし、前記第一負荷のときの各冷凍機動力を第一動力、前記第二負荷のときの各冷凍機動力を第二動力とするとき、
前記稼動台数判断工程では、前記第二動力よりも前記第一動力が小さいときには、前記第一負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数を前記最終稼動台数とし、前記第二動力よりも前記第一動力が大きいときには、さらに前記エンタルピー差と合計冷凍機能力との大小比較に基づき、前記稼動台数よりも１台少ない台数での合計冷凍機能力が前記エンタルピー差よりも小さい場合は、前記第一負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数を前記最終稼動台数とし、前記稼動台数よりも１台少ない台数での合計冷凍機能力が前記エンタルピー差よりも大きい場合は、前記第二負荷を前記最終冷凍機負荷とし、かつ、前記稼動台数よりも１台少ない台数を前記最終稼動台数とすることを特徴とするターボ冷凍機制御方法。