JP6288501B2 - 制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、石炭ガス化複合発電システムの制御装置及び制御方法に関する。
石炭ガス化複合発電システム（ＩＧＣＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ）は、石炭、バイオマス、石油残渣油などの炭素水素起源燃料をガス化して得られる可燃性ガスを燃料とする発電装置である。ＩＧＣＣは、それらの可燃性ガスを燃料とするガスタービンと、ガスタービンの排熱を回収して得られる蒸気により運転する蒸気タービンとを備える。ＩＧＣＣは、さらにガスタービン及び蒸気タービンと同軸又は多軸にて構成された発電機を備え、ガスタービン及び蒸気タービンによって発電機を駆動し発電する。
以下、図１を用いてＩＧＣＣの構成について説明する。図１は、ＩＧＣＣの構成図の一例である。石炭供給設備１は、原炭を粉砕し、微粉炭をガス化炉２に供給する。空気分離装置１０は、大気を吸入し、窒素と酸素に分離し、それらをガス化炉２に供給する。また、空気昇圧機１１は、空気を吸入し、圧縮してガス化炉２へ供給する。空気分離装置１０から供給される窒素は、石炭・チャー搬送に用いられる。また、空気分離装置１０から供給される酸素と、空気昇圧機１１から供給される圧縮空気は、石炭のガス化に用いられる。ガス化炉２は、石炭を燃焼させ、燃料ガスを発生させる。燃料ガスは、高温フィルタ３へ送られる。高温フィルタ３はチャーを回収する。燃料ガスは、さらにガス精製設備４へ送られ、硫黄化合物・窒素化合物などが取り除かれる。精製された燃料ガスは、ガスタービンガバナ１４によって流量を制御しながら、ガスタービンの燃焼器５へ供給される。ガスタービンは、ガスタービン圧縮機７から吸入した大気と燃料ガスを燃焼させ、ガスタービン６を稼働する。ＨＲＳＧ１２は、ガスタービンの排熱を回収して蒸気を生成し、その蒸気を蒸気タービン８に供給する。蒸気タービン８は、供給された蒸気によって稼働する。蒸気生成時の排ガスは、煙突１３から廃棄される。ガスタービン６と蒸気タービン８の軸は、発電機９に連結され、発電機９を駆動し、発電を行う。
以下、図１を用いてＩＧＣＣの構成について説明する。図１は、ＩＧＣＣの構成図の一例である。石炭供給設備１は、原炭を粉砕し、微粉炭をガス化炉２に供給する。空気分離装置１０は、大気を吸入し、窒素と酸素に分離し、それらをガス化炉２に供給する。また、空気昇圧機１１は、空気を吸入し、圧縮してガス化炉２へ供給する。空気分離装置１０から供給される窒素は、石炭・チャー搬送に用いられる。また、空気分離装置１０から供給される酸素と、空気昇圧機１１から供給される圧縮空気は、石炭のガス化に用いられる。ガス化炉２は、石炭を燃焼させ、燃料ガスを発生させる。燃料ガスは、高温フィルタ３へ送られる。高温フィルタ３はチャーを回収する。燃料ガスは、さらにガス精製設備４へ送られ、硫黄化合物・窒素化合物などが取り除かれる。精製された燃料ガスは、ガスタービンガバナ１４によって流量を制御しながら、ガスタービンの燃焼器５へ供給される。ガスタービンは、ガスタービン圧縮機７から吸入した大気と燃料ガスを燃焼させ、ガスタービン６を稼働する。ＨＲＳＧ１２は、ガスタービンの排熱を回収して蒸気を生成し、その蒸気を蒸気タービン８に供給する。蒸気タービン８は、供給された蒸気によって稼働する。蒸気生成時の排ガスは、煙突１３から廃棄される。ガスタービン６と蒸気タービン８の軸は、発電機９に連結され、発電機９を駆動し、発電を行う。
制御装置５０は、石炭ガス化複合発電装置の出力を制御する。以下、図６を用いて、従来の出力制御について説明する。図６は、従来のＩＧＣＣの出力制御系統の一例を示す図である。制御装置５０は、要求負荷に従って、発電機出力指令（ＭＷＤ）を決定する（Ｓ１００）。次に制御装置５０は、所定の方法で測定した発電機９の出力値（Ｓ１０１）と、発電機出力指令との偏差を算出する（Ｓ１０２）。制御装置５０は、この偏差を補正するＧＴ制御（Ｓ１０３）を行い、ガスタービンガバナ（「ＧＴ ＧＯＶ」）１４の開度を調整する（Ｓ１０４）。
また、制御装置５０は、上記の処理（Ｓ１００〜Ｓ１０４）と並行して、発電機出力指令に基づいて、ベースガス化炉入力指令（ＧＩＤ０）（Ｓ１０８）と、システムガス圧力の設定値とを算出する。発電機出力指令からシステムガス圧力の設定値を算出するには関数ＦＸを用いる（Ｓ１０９）。
また、制御装置５０は、圧力計１５が測定したシステムガス圧力の実測値（Ｓ１１０）を取得し、システムガス圧力の設定値との偏差を算出する（Ｓ１１１）。制御装置５０は、算出した圧力偏差に基づいて、ガス化炉２へ投入する石炭と、空気と、酸素の流量を示すガス化炉入力指令補正を算出する（Ｓ１１２）。制御装置５０は、これらベースガス化炉入力指令と、ガス化炉入力指令補正とを加算し（Ｓ１１３）、ガス化炉入力指令（ＧＩＤ）を求める（Ｓ１１４）。制御装置５０は、このガス化炉入力指令から石炭流量指令（Ｓ１１５）と、空気流量指令（Ｓ１１６）と、酸素流量指令（Ｓ１１７）とを算出し、ガス化炉２へ投入する石炭、酸素、空気を制御する。このように、制御装置５０は、Ｓ１１１で算出した圧力偏差を補正するようなガス化炉入力指令補正を用いることでＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御等によるフィードバック制御を行っている。
また、制御装置５０は、上記の処理（Ｓ１００〜Ｓ１０４）と並行して、発電機出力指令に基づいて、ベースガス化炉入力指令（ＧＩＤ０）（Ｓ１０８）と、システムガス圧力の設定値とを算出する。発電機出力指令からシステムガス圧力の設定値を算出するには関数ＦＸを用いる（Ｓ１０９）。
また、制御装置５０は、圧力計１５が測定したシステムガス圧力の実測値（Ｓ１１０）を取得し、システムガス圧力の設定値との偏差を算出する（Ｓ１１１）。制御装置５０は、算出した圧力偏差に基づいて、ガス化炉２へ投入する石炭と、空気と、酸素の流量を示すガス化炉入力指令補正を算出する（Ｓ１１２）。制御装置５０は、これらベースガス化炉入力指令と、ガス化炉入力指令補正とを加算し（Ｓ１１３）、ガス化炉入力指令（ＧＩＤ）を求める（Ｓ１１４）。制御装置５０は、このガス化炉入力指令から石炭流量指令（Ｓ１１５）と、空気流量指令（Ｓ１１６）と、酸素流量指令（Ｓ１１７）とを算出し、ガス化炉２へ投入する石炭、酸素、空気を制御する。このように、制御装置５０は、Ｓ１１１で算出した圧力偏差を補正するようなガス化炉入力指令補正を用いることでＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御等によるフィードバック制御を行っている。
この出力制御において、負荷が一定で発電量が整定している場合、ガス化炉入力指令補正の値は、大気温度等の外乱を補償する為の変動以外は、ほぼゼロである。一方、負荷変化時においては、制御装置５０は、発電機出力指令の時間的な変化に一致するようガスタービンガバナ１４の開度を調整し、発電機９の出力を制御する。その場合、ガス化炉入力指令補正は、出力の変化による圧力変動を抑えるような値となる。このときガス化炉入力指令(ＧＩＤ)は、発電機出力指令により決まるベースガス化炉入力指令(ＧＩＤ０)と、負荷変化によって生じる圧力偏差を補償するガス化炉入力指令補正との和として与えられる。
また、特許文献１には、負荷変化を円滑に行うべくガス化炉２の運転状態を促進させるための値であるガス化炉入力加速指令「ＧＩＲ」を、ガス化炉入力指令に加えて出力制御を行う技術について開示がある。
また、特許文献１には、負荷変化を円滑に行うべくガス化炉２の運転状態を促進させるための値であるガス化炉入力加速指令「ＧＩＲ」を、ガス化炉入力指令に加えて出力制御を行う技術について開示がある。
ところで、一般的にコンバインドプラントにおける負荷変化時には、蒸気タービンの出力応答に遅れが生じる。そして、そのような場面では、ガスタービンの出力を、発電機出力指令の変化率よりも早く変化させて、蒸気タービンの出力を補い、コンバインドプラントの出力を発電機出力指令に追従させる制御が行われる。このとき、このガスタービンの動作がシステムガス圧力の変動を引き起こす恐れがある。
ＩＧＣＣにおいては、このようなガスタービンの動作に加え、負荷変化に応じて、ガスタービン燃料圧力設定値及びガスタービン燃料消費量（発熱量に依存）が変動する為、システムガス圧力が大きく変動してしまう恐れがある。
このシステムガス圧力の変動を、フィードバック制御によって整定（設定した運転状態を継続して保持していること）させる場合（Ｓ１１２）、整定までに時間を要しがちになる問題がある。また、フィードバック制御のゲインを大きくしすぎると、整定時には微小な外乱に対しても過度な応答を示す要因となり、プラントの安定を損ねる恐れがある。
ＩＧＣＣにおいては、このようなガスタービンの動作に加え、負荷変化に応じて、ガスタービン燃料圧力設定値及びガスタービン燃料消費量（発熱量に依存）が変動する為、システムガス圧力が大きく変動してしまう恐れがある。
このシステムガス圧力の変動を、フィードバック制御によって整定（設定した運転状態を継続して保持していること）させる場合（Ｓ１１２）、整定までに時間を要しがちになる問題がある。また、フィードバック制御のゲインを大きくしすぎると、整定時には微小な外乱に対しても過度な応答を示す要因となり、プラントの安定を損ねる恐れがある。
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる制御装置、制御方法を提供することを目的としている。
本発明の発電システムの制御装置は、燃料供給装置が燃料の元から燃料を生成し、生成した前記燃料を前記燃料供給装置の出口側に設けられた第一の動力源の前段機構を介して前記第一の動力源に供給し、前記第一の動力源が前記燃料を燃焼して稼働することにより発電を行う発電システムの制御装置であって、前記前段機構における負荷変化前に設定された前記燃料の圧力と、前記前段機構における負荷変化後の設定された前記燃料の圧力との圧力差に基づいて、当該圧力差を補い前記負荷変化後の設定された前記燃料の圧力に変更するための前記前段機構における燃料容量を特定し、前記燃料供給装置に対する前記燃料の元の供給量を調整するための指令値であって特定した前記燃料容量の調整を加速して行う燃料供給加速指令値を用いて前記燃料供給装置に対して出力する前記燃料の元の供給量の指令値である燃料供給指令値を算出する。
本発明の発電システムの制御装置によれば、燃料容量の調整を加速して行う燃料供給加速指令値を用いて前記燃料供給装置に対して出力する燃料供給指令値を算出することで急激な負荷変化に対応することができる。
また、本発明の発電システムの制御装置は、前記第一の動力源よりも出力応答の遅い第二の動力源を備え、第一の動力源と第二の動力源により発電を行う発電システムの制御装置であって、前記発電システムに対する出力指令値から前記第二の動力源の出力値を減じた前記第一の動力源に対する出力指令値に基づいて算出したベース燃料供給指令値と、前記燃料供給加速指令値とを加算した前記燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力することを特徴とする。
本発明の発電システムの制御装置によれば、発電システムに対する出力指令値から第二の動力源の出力値を減じて得た第一の動力源に対する出力指令値に基づくベース燃料供給指令値と、燃料供給加速指令値とを加算した燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力することで第一の動力源（例えば、ガスタービン）よりも出力応答の遅い第二の動力源（例えば、蒸気タービン）の応答遅れに対応することができる。
また、本発明の発電システムの制御装置は、前記発電システムに対する出力指令値に基づいて算出したベース燃料供給指令値と、負荷変化における前記第一の動力源による前記前段機構の前記燃料の圧力変動に対して入力する前記燃料の元の供給量を調整するための指令値である出力加速指令値と前記燃料供給加速指令値とに基づいて算出した発電システム加速指令値と、を加算した燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力することを特徴とする。
本発明の発電システムの制御装置によれば、蒸気タービンの負荷変化への追従が遅い応答を考慮する必要がない。
また、本発明の発電システムの制御装置は、前記ベース燃料供給指令値を大気温度によって補正することを特徴とする。
本発明の発電システムの制御装置によれば、大気温度の変化にも対応することができる。
また、本発明の発電システムの制御方法は、燃料供給装置が燃料の元から燃料を生成し、生成した前記燃料を前記燃料供給装置の出口側に設けられた第一の動力源の前段機構を介して前記第一の動力源に供給し、前記第一の動力源が前記燃料を燃焼して駆動することにより発電を行う発電システムを、前記前段機構における負荷変化前に設定された前記燃料の圧力と、前記前段機構における負荷変化後の設定された前記燃料の圧力との圧力差に基づいて、前記圧力差を補い前記負荷変化後の設定された前記燃料の圧力に変更するための前記前段機構における燃料容量を特定し、前記燃料供給装置に対する前記燃料の元の供給量を調整するための指令値であって、特定した前記燃料容量の調整を加速して行う燃料供給加速指令値を用いて前記燃料供給装置に対して出力する前記燃料の元の供給量の指令値である燃料供給指令値を算出することによって制御することを特徴とする。
また、本発明の発電システムの制御方法は、前記第一の動力源よりも出力応答の遅い第二の動力源を備え、第一の動力源と第二の動力源により発電を行う発電システムを、前記発電システムに対する出力指令値から前記第二の動力源の出力値を減じた前記第一の動力源に対する出力指令値に基づいて算出したベース燃料供給指令値と、前記燃料供給加速指令値とを加算した前記燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力することを特徴とする。
また、本発明の発電システムの制御方法は、前記発電システムに対する出力指令値に基づいて算出したベース燃料供給指令値と、負荷変化における前記第一の動力源による前記前段機構の前記燃料の圧力変動に対して入力する前記燃料の元の供給量を調整するための指令値である出力加速指令値と前記燃料供給加速指令値とに基づいて算出した発電システム加速指令値と、を加算した燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力することを特徴とする。
また、本発明の発電システムの制御方法は、前記ベース燃料供給指令値を大気温度によって補正することを特徴とする。
本発明によれば、発電プラント全体の圧力・温度バランスを調整し、負荷変化に対しても、発電プラント全体の安定した運転が可能である。
＜第一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態によるＩＧＣＣの出力制御について図１〜３を参照して説明する。ＩＧＣＣの構成は、図１を用いて説明した内容と同じである。本実施形態の発電システム（ＩＧＣＣ）は、燃料を燃焼して稼働する第一の動力源（ガスタービン）と、第一の動力源よりも出力応答の遅い第二の動力源（蒸気タービン）とを備え、それらにより発電機を駆動し発電を行う発電システムである。本実施形態は、制御装置５０が燃料供給装置（ガス化炉）に供給する石炭、酸素、空気などの燃料供給量を示すガス化炉入力指令（ＧＩＤ）を決定する方法に関する。
図２は、本実施形態におけるＩＧＣＣの出力制御の一例を示す図である。
図２を用いて、本実施形態における制御装置５０が行う出力制御について説明する。
制御装置５０は、負荷の要求を取得し、負荷に応じた発電機出力指令値（ＭＷＤ）を決定する（Ｓ１００）。制御装置５０は、例えば発電機９に備えられた出力計で測定した発電機９の出力値を取得し（Ｓ１０１）、発電機出力指令と発電機９の出力値との偏差を計算する（Ｓ１０２）。次に制御装置５０は、発電機９の出力が発電機出力指令と一致するようにガスタービン制御を行う（Ｓ１０３）。具体的には、計算した出力値の偏差を補正するためのガスタービンガバナ（「ＧＴ ＧＯＶ」）１４の開度を決定し、その値によって、ガスタービンガバナ１４を制御する（Ｓ１０４）。これにより、制御装置５０は、燃焼器５に供給する燃料を調整し、発電機９の出力を制御する。ガスタービンガバナ開度は、例えば出力値の偏差とガスタービンガバナ開度とを対応付けたテーブルが予め制御装置５０が備える記憶部（図示せず）に記録されていて、その値を読み出して決定してもよい。
以下、本発明の一実施形態によるＩＧＣＣの出力制御について図１〜３を参照して説明する。ＩＧＣＣの構成は、図１を用いて説明した内容と同じである。本実施形態の発電システム（ＩＧＣＣ）は、燃料を燃焼して稼働する第一の動力源（ガスタービン）と、第一の動力源よりも出力応答の遅い第二の動力源（蒸気タービン）とを備え、それらにより発電機を駆動し発電を行う発電システムである。本実施形態は、制御装置５０が燃料供給装置（ガス化炉）に供給する石炭、酸素、空気などの燃料供給量を示すガス化炉入力指令（ＧＩＤ）を決定する方法に関する。
図２は、本実施形態におけるＩＧＣＣの出力制御の一例を示す図である。
図２を用いて、本実施形態における制御装置５０が行う出力制御について説明する。
制御装置５０は、負荷の要求を取得し、負荷に応じた発電機出力指令値（ＭＷＤ）を決定する（Ｓ１００）。制御装置５０は、例えば発電機９に備えられた出力計で測定した発電機９の出力値を取得し（Ｓ１０１）、発電機出力指令と発電機９の出力値との偏差を計算する（Ｓ１０２）。次に制御装置５０は、発電機９の出力が発電機出力指令と一致するようにガスタービン制御を行う（Ｓ１０３）。具体的には、計算した出力値の偏差を補正するためのガスタービンガバナ（「ＧＴ ＧＯＶ」）１４の開度を決定し、その値によって、ガスタービンガバナ１４を制御する（Ｓ１０４）。これにより、制御装置５０は、燃焼器５に供給する燃料を調整し、発電機９の出力を制御する。ガスタービンガバナ開度は、例えば出力値の偏差とガスタービンガバナ開度とを対応付けたテーブルが予め制御装置５０が備える記憶部（図示せず）に記録されていて、その値を読み出して決定してもよい。
また、制御装置５０は、発電機出力指令に応じた負荷変化後のシステムガス圧力の設定値を、関数ＦＸによって求める。次に、制御装置５０は、負荷変化前のシステムガス圧力設定値と負荷変化後のシステムガス圧力設定値との差を算出する。なお、負荷変化前のシステムガス圧力設定値は、制御装置５０が、予め記憶部に記録してあり、その値を読み込むものとする。そして、制御装置５０は、算出した差に応じたガス化炉入力加速指令（ＧＩＲ）を決定する（Ｓ１０５）。ガス化炉入力加速指令を求めるには、ガス圧力差とガス化炉入力加速指令（ＧＩＲ）が予め対応付けられて記憶部に記録されており、制御装置５０は、この値を記憶部から読み込んで求めてもよいし、読み込んだ値を用いて補間計算によって求めてもよい。なお、システムガス圧力とは、ガス化炉２の出口側のガス管系統における燃料ガスの圧力である。また、システムガスとは燃料ガスである。本実施形態では、ガスタービンの前段機構（ガス管系統）での負荷変化前における設定された燃料ガスの圧力と、負荷変化後における設定された燃料ガスの圧力との圧力差や圧力比に基づいて、負荷変化後における設定された燃料ガスの圧力を保つための必要燃料容量を特定する。そして、この必要燃料容量を補うためのガス化炉入力加速指令を算出し、この値を考慮して燃料の供給量を決定する。「設定された燃料ガスの圧力」は、シミュレーションなどにより算出した計画値でもよいし、実機により測定し求めた値でもよい。また、この燃料容量を考慮したガス化炉入力加速指令については、後に図３を用いて説明する。
また、制御装置５０は、所定の方法で測定した蒸気タービンの出力値を取得し（Ｓ１０６）、発電機出力指令との差分を算出する（Ｓ１０７）。蒸気タービンの出力値は、例えば蒸気タービンの出入口における圧力、温度、流量を測定し、計算によって求めてもよい。算出した差分は、ガスタービンに対する出力指令（ＧＴ＿ＭＷＤ、ガスタービン出力指令）である。続いて制御装置５０は、ガスタービン出力指令に基づいて、ベースガス化炉入力指令（ＧＩＤ０）を決定する（Ｓ１０８）。ベースガス化炉入力指令は、予めガスタービン出力指令に対応したベースガス化炉入力指令が記憶部に記録されていて、制御装置５０が、ガスタービン出力指令を用いて対応するベースガス化炉入力指令を読み出して決定してもよいし、読み出した値から補間計算を行って算出して決定してもよい。
また、制御装置５０は、発電機出力指令に応じて決定するシステムガス圧力の設定値を、関数ＦＸ（Ｓ１０９）を用いて決定する。また、制御装置５０は、圧力計１５で測定した圧力（システムガス圧力）を取得する（Ｓ１１０）。そして、制御装置５０は、システムガス圧力設定値とシステムガス圧力との偏差を計算する（Ｓ１１１）。制御装置５０は、計算した偏差に基づいて、システムガス圧力制御を行うガス化炉入力指令補正を算出する（Ｓ１１２）。なお、ガス化炉入力指令補正の算出にはＰＩ制御などのフィードバック制御の方法を用いる。
最終的に制御装置５０は、ガス化炉入力加速指令（ＧＩＲ）と、ベースガス化炉入力指令（ＧＩＤ０）と、ガス化炉入力指令補正とを合計する（Ｓ１１３）。この合計した値が、ガス化炉入力指令（ＧＩＤ）である（Ｓ１１４）。制御装置５０は、合計したガス化炉入力指令に基づいて石炭流量指令（Ｓ１１５）、空気流量指令（Ｓ１１６）、酸素流量指令（Ｓ１１７）の各値を算出し、各制御点に対して出力する。なお、ガス化炉入力指令（ＧＩＤ）とは、ガス化炉への投入物質の流量を決める為の指標であり、ＧＩＤを各物質毎に設定された関数に用いて、燃料流量（例えば石炭）及び酸化剤流量（例えば、空気、酸素）を算出するものである。
次に、上記の処理のＳ１０５で決定したガス化炉入力加速指令について説明する。
図３は、負荷上昇時の負荷変化前後のシステムガス圧力の差によるシステムガス保有量の違いについて説明するための図である。
まず、左図は、負荷変化前のガス管系統（前段機構）の圧力がａであるときのシステムガスの体積を示している。右図は、負荷上昇時に、符号２１が示す体積分のシステムガスを追加してシステムガス圧力をｂに上昇させたときの、負荷上昇前からガス管系統に存在していたシステムガスの体積を示している。このとき、元々ガス管系統内に存在したシステムガスの体積は、ａ／ｂとなる（符号２２）。従来は、負荷上昇時にシステムガスの体積が圧縮されることを特に意識せずに、発電機出力指令に応じたベースガス化炉入力指令（Ｓ１０８）をベースとして、システムガス圧力の測定値と設定値との偏差を補正するようなフィードバック制御（Ｓ１１２）を行っていた。その為、発電機の出力値が整定するまでに時間を要していた。
本実施形態では、例えば、図３の例の場合、符号２１が示す体積分のシステムガスを補償する指令値を予め加味したガス化炉入力加速指令（Ｓ１０５）を用いてフィードフォワード制御を行う。そのため、システムガス圧力の設定値とシステムガス圧力の測定値との偏差を小さくすることができ、システムガス圧力の変動を整定するまでの時間を短縮できるという効果が得られる。それにより、負荷変化に対しても発電プラント全体の安定した運転が可能となる。
なお、このときのガス化炉入力加速指令は、ガスタービンの前段機構、つまり圧力計１５が備えられたガス化炉２の出口側のガス管系統における、負荷変化前後の燃料ガスの圧力差に基づく、燃料ガスの体積差を考慮したガス化炉入力加速指令（ＧＩＲ）である。このガス化炉入力加速指令は、シミュレーション及び実機での試運転によって調整して決定される。
図３は、負荷上昇時の負荷変化前後のシステムガス圧力の差によるシステムガス保有量の違いについて説明するための図である。
まず、左図は、負荷変化前のガス管系統（前段機構）の圧力がａであるときのシステムガスの体積を示している。右図は、負荷上昇時に、符号２１が示す体積分のシステムガスを追加してシステムガス圧力をｂに上昇させたときの、負荷上昇前からガス管系統に存在していたシステムガスの体積を示している。このとき、元々ガス管系統内に存在したシステムガスの体積は、ａ／ｂとなる（符号２２）。従来は、負荷上昇時にシステムガスの体積が圧縮されることを特に意識せずに、発電機出力指令に応じたベースガス化炉入力指令（Ｓ１０８）をベースとして、システムガス圧力の測定値と設定値との偏差を補正するようなフィードバック制御（Ｓ１１２）を行っていた。その為、発電機の出力値が整定するまでに時間を要していた。
本実施形態では、例えば、図３の例の場合、符号２１が示す体積分のシステムガスを補償する指令値を予め加味したガス化炉入力加速指令（Ｓ１０５）を用いてフィードフォワード制御を行う。そのため、システムガス圧力の設定値とシステムガス圧力の測定値との偏差を小さくすることができ、システムガス圧力の変動を整定するまでの時間を短縮できるという効果が得られる。それにより、負荷変化に対しても発電プラント全体の安定した運転が可能となる。
なお、このときのガス化炉入力加速指令は、ガスタービンの前段機構、つまり圧力計１５が備えられたガス化炉２の出口側のガス管系統における、負荷変化前後の燃料ガスの圧力差に基づく、燃料ガスの体積差を考慮したガス化炉入力加速指令（ＧＩＲ）である。このガス化炉入力加速指令は、シミュレーション及び実機での試運転によって調整して決定される。
＜第二実施形態＞
なお、第一実施形態では、図２において発電機出力指令から蒸気タービンの出力分を減算してガスタービンに対する出力指令値を算出したが、ベースガス化炉入力指令をガスタービン出力指令に基づいて決定するのではなく、発電機出力指令に基づいて決定する方法（第二実施形態）も考えられる。図４を用いて第二実施形態について説明する。図４は、本発明に係る第二実施形態におけるＩＧＣＣの出力制御の一例を示す図である。本実施形態では、上述のとおり、ベースガス化炉入力指令を発電機出力指令に基づいて決定する（Ｓ１０８）。その為、本実施形態のガス化炉入力加速指令には、図３を用いて説明した圧力変化による燃料ガスの体積の変化だけではなく、ガスタービンの動作の加速によるシステムガス圧力の変動を補償する値を加える。ＩＧＣＣにおいては、蒸気タービンの遅い出力応答を補償し、プラントの出力を発電機出力指令に追従させるため、ガスタービンの動作を加速させるが、その際、ガスタービンの動作がシステムガス圧力の変動を引き起こす恐れがある。本実施形態におけるガス化炉入力加速指令には、このシステムガス圧力の変動を抑えるために入力する指令値である出力加速指令値と、第一実施形態におけるガス化炉入力加速指令とに基づいて算出した値（発電システム加速指令値）を用いる。この出力加速指令値は、ガスタービンの動作によって引き起こされるシステムガス圧力の変動を抑えるための指令値であってシミュレーション及び実機での試運転によって調整して決定される。
なお、ガスタービンの動作の加速分とは、以下の説明におけるαのことをいう。プラント全体の負荷変化として発電機出力指令がＸ％／ｍｉｎで変化するとした場合、ガスタービンと蒸気タービンの負荷変化率もＸ％／ｍｉｎで変化しようとする。但し、蒸気タービンの出力は、蒸気への熱伝達等により応答に遅れが発生する。この遅れ具合をα％／ｍｉｎとすると、蒸気タービンの負荷変化率は、Ｘ−α％／ｍｉｎとなる。このときプラント全体の発電機出力指令の変化率に合わせる為、ガスタービンの負荷変化率を、Ｘ＋α％／ｍｉｎとする。
本実施形態によれば、第一実施形態でのガス化炉入力加速指令に加え、更にガスタービン動作の加速を考慮したガス化炉入力加速指令を用いることで、出力応答の遅い蒸気タービンがプラントに含まれる場合でも、負荷変化時のシステムガス圧力の変動を抑制することができる。それにより、負荷変化に対しても発電プラント全体の安定した運転が可能となる。
なお、第一実施形態では、図２において発電機出力指令から蒸気タービンの出力分を減算してガスタービンに対する出力指令値を算出したが、ベースガス化炉入力指令をガスタービン出力指令に基づいて決定するのではなく、発電機出力指令に基づいて決定する方法（第二実施形態）も考えられる。図４を用いて第二実施形態について説明する。図４は、本発明に係る第二実施形態におけるＩＧＣＣの出力制御の一例を示す図である。本実施形態では、上述のとおり、ベースガス化炉入力指令を発電機出力指令に基づいて決定する（Ｓ１０８）。その為、本実施形態のガス化炉入力加速指令には、図３を用いて説明した圧力変化による燃料ガスの体積の変化だけではなく、ガスタービンの動作の加速によるシステムガス圧力の変動を補償する値を加える。ＩＧＣＣにおいては、蒸気タービンの遅い出力応答を補償し、プラントの出力を発電機出力指令に追従させるため、ガスタービンの動作を加速させるが、その際、ガスタービンの動作がシステムガス圧力の変動を引き起こす恐れがある。本実施形態におけるガス化炉入力加速指令には、このシステムガス圧力の変動を抑えるために入力する指令値である出力加速指令値と、第一実施形態におけるガス化炉入力加速指令とに基づいて算出した値（発電システム加速指令値）を用いる。この出力加速指令値は、ガスタービンの動作によって引き起こされるシステムガス圧力の変動を抑えるための指令値であってシミュレーション及び実機での試運転によって調整して決定される。
なお、ガスタービンの動作の加速分とは、以下の説明におけるαのことをいう。プラント全体の負荷変化として発電機出力指令がＸ％／ｍｉｎで変化するとした場合、ガスタービンと蒸気タービンの負荷変化率もＸ％／ｍｉｎで変化しようとする。但し、蒸気タービンの出力は、蒸気への熱伝達等により応答に遅れが発生する。この遅れ具合をα％／ｍｉｎとすると、蒸気タービンの負荷変化率は、Ｘ−α％／ｍｉｎとなる。このときプラント全体の発電機出力指令の変化率に合わせる為、ガスタービンの負荷変化率を、Ｘ＋α％／ｍｉｎとする。
本実施形態によれば、第一実施形態でのガス化炉入力加速指令に加え、更にガスタービン動作の加速を考慮したガス化炉入力加速指令を用いることで、出力応答の遅い蒸気タービンがプラントに含まれる場合でも、負荷変化時のシステムガス圧力の変動を抑制することができる。それにより、負荷変化に対しても発電プラント全体の安定した運転が可能となる。
＜第三実施形態＞
以下、本発明の第三実施形態による出力制御を、図５を参照して説明する。
図５は、本発明に係る第三実施形態におけるＩＧＣＣの出力制御の一例を示す図である。
図５は、第三実施形態における処理のうち、第一実施形態と異なる処理を行う部分だけを抽出した図である。図に含まれていない処理については図２と同じである。
制御装置５０は、要求負荷に応じて発電機出力指令を決定する（Ｓ１００）。そして、蒸気タービンの出力値を取得して発電機出力指令から蒸気タービンの出力値を減算してガスタービン出力指令（ＧＴ＿ＭＷＤ）を算出する（Ｓ１０７）。次に制御装置５０は、ガスタービン圧縮機７の近傍に備えられた温度計から大気温度を取得する。次に制御装置５０は、記憶部に予め記録された大気温度ごとのベースガス化炉入力指令と、ガスタービン出力指令との相関を示す関数やテーブルなどを用いて、取得した大気温度とガスタービン出力指令を条件に、大気温度補正を行ったベースガス化炉入力指令「ＧＩＤ０ Ｔｘ」を算出する。以降の処理については第一実施形態と同様である。つまり本実施形態では、大気温度補正を行ったベースガス化炉入力指令「ＧＩＤ０ Ｔｘ」と、ガス化炉入力加速指令と、システムガス圧力補正値とを加算してガス化炉入力指令を算出する。
以下、本発明の第三実施形態による出力制御を、図５を参照して説明する。
図５は、本発明に係る第三実施形態におけるＩＧＣＣの出力制御の一例を示す図である。
図５は、第三実施形態における処理のうち、第一実施形態と異なる処理を行う部分だけを抽出した図である。図に含まれていない処理については図２と同じである。
制御装置５０は、要求負荷に応じて発電機出力指令を決定する（Ｓ１００）。そして、蒸気タービンの出力値を取得して発電機出力指令から蒸気タービンの出力値を減算してガスタービン出力指令（ＧＴ＿ＭＷＤ）を算出する（Ｓ１０７）。次に制御装置５０は、ガスタービン圧縮機７の近傍に備えられた温度計から大気温度を取得する。次に制御装置５０は、記憶部に予め記録された大気温度ごとのベースガス化炉入力指令と、ガスタービン出力指令との相関を示す関数やテーブルなどを用いて、取得した大気温度とガスタービン出力指令を条件に、大気温度補正を行ったベースガス化炉入力指令「ＧＩＤ０ Ｔｘ」を算出する。以降の処理については第一実施形態と同様である。つまり本実施形態では、大気温度補正を行ったベースガス化炉入力指令「ＧＩＤ０ Ｔｘ」と、ガス化炉入力加速指令と、システムガス圧力補正値とを加算してガス化炉入力指令を算出する。
本実施形態によれば、ベースガス化炉入力指令を大気温度に応じて補正することで、大気温度補正を行った石炭流量指令値、空気流量指令値、酸素流量指令値を算出することができる。それにより、第一実施形態の効果に加え、大気温度の影響を受けず発電プラント全体を安定して運転することができる。本実施形態は、第一実施形態及び第二実施形態と組み合わせることが可能である。
なお、ガスタービンは、第一の動力源の一例である。また、システムガス圧力は、前段機構における負荷変化前に設定された燃料の圧力の一例である。また、ガス化炉は、燃料を第一の動力源へ供給する燃料供給装置の一例である。また、蒸気タービンは、出力応答の遅い第二の動力源の一例である。また、ガス化炉入力指令は、燃料供給指令値の一例である。また、ベース燃料供給指令値は、ベース燃料供給指令値の一例である。また、ガス化炉入力加速指令は、燃料供給加速指令値の一例である。
なお上述の制御装置５０は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した制御装置５０における各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
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よい。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、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、例えば本発明に係る制御装置は、ガス化炉、ガスタービンを含むＰｏｌｙ−ＧｅｎｅｒａｔｉｏｎやＩＧＦＣ（石炭ガス化燃料電池複合発電）等のプラントにおいて適用可能である。また、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。
１・・・石炭供給設備
２・・・ガス化炉
３・・・高温フィルタ
４・・・ガス精製設備
５・・・燃焼器
６・・・ガスタービン
７・・・ガスタービン圧縮機
８・・・蒸気タービン
９・・・発電機
１０・・・空気分離装置
１１・・・空気昇圧機
１２・・・ＨＲＳＧ
１３・・・煙突
１４・・・ガスタービンガバナ
１５・・・圧力計
２・・・ガス化炉
３・・・高温フィルタ
４・・・ガス精製設備
５・・・燃焼器
６・・・ガスタービン
７・・・ガスタービン圧縮機
８・・・蒸気タービン
９・・・発電機
１０・・・空気分離装置
１１・・・空気昇圧機
１２・・・ＨＲＳＧ
１３・・・煙突
１４・・・ガスタービンガバナ
１５・・・圧力計
Claims (8)
- 燃料供給装置が燃料の元から燃料を生成し、生成した前記燃料を前記燃料供給装置の出口側に設けられた第一の動力源の前段機構を介して前記第一の動力源に供給し、前記第一の動力源が前記燃料を燃焼して稼働することにより発電を行う発電システムの制御装置であって、
前記前段機構における負荷変化前に設定された前記燃料の圧力と、前記前段機構における負荷変化後の設定された前記燃料の圧力との圧力差に基づいて、当該圧力差を補い前記負荷変化後の設定された前記燃料の圧力に変更するための前記前段機構における燃料容量を特定し、前記燃料供給装置に対する前記燃料の元の供給量を調整するための指令値であって特定した前記燃料容量の調整を加速して行う燃料供給加速指令値を用いて前記燃料供給装置に対して出力する前記燃料の元の供給量の指令値である燃料供給指令値を算出する
ことを特徴とする発電システムの制御装置。 - 前記第一の動力源よりも出力応答の遅い第二の動力源を備え、第一の動力源と第二の動力源により発電を行う発電システムの制御装置であって、
前記発電システムに対する出力指令値から前記第二の動力源の出力値を減じた前記第一の動力源に対する出力指令値に基づいて算出したベース燃料供給指令値と、前記燃料供給加速指令値とを加算した前記燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電システムの制御装置。 - 前記発電システムに対する出力指令値に基づいて算出したベース燃料供給指令値と、負荷変化における前記第一の動力源による前記前段機構の前記燃料の圧力変動に対して入力する前記燃料の元の供給量を調整するための指令値である出力加速指令値と前記燃料供給加速指令値とに基づいて算出した発電システム加速指令値と、を加算した燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力する
ことを特徴とする請求項２に記載の発電システムの制御装置。 - 前記ベース燃料供給指令値を大気温度によって補正する
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の発電システムの制御装置。 - 燃料供給装置が燃料の元から燃料を生成し、生成した前記燃料を前記燃料供給装置の出口側に設けられた第一の動力源の前段機構を介して前記第一の動力源に供給し、前記第一の動力源が前記燃料を燃焼して駆動することにより発電を行う発電システムを、
前記前段機構における負荷変化前に設定された前記燃料の圧力と、前記前段機構における負荷変化後の設定された前記燃料の圧力との圧力差に基づいて、前記圧力差を補い前記負荷変化後の設定された前記燃料の圧力に変更するための前記前段機構における燃料容量を特定し、前記燃料供給装置に対する前記燃料の元の供給量を調整するための指令値であって、特定した前記燃料容量の調整を加速して行う燃料供給加速指令値を用いて前記燃料供給装置に対して出力する前記燃料の元の供給量の指令値である燃料供給指令値を算出する
ことによって制御することを特徴とする発電システムの制御方法。 - 前記第一の動力源よりも出力応答の遅い第二の動力源を備え、第一の動力源と第二の動力源により発電を行う発電システムを、
前記発電システムに対する出力指令値から前記第二の動力源の出力値を減じた前記第一の動力源に対する出力指令値に基づいて算出したベース燃料供給指令値と、前記燃料供給加速指令値とを加算した前記燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力する
ことを特徴とする請求項５に記載の発電システムの制御方法。 - 前記発電システムに対する出力指令値に基づいて算出したベース燃料供給指令値と、負荷変化における前記第一の動力源による前記前段機構の前記燃料の圧力変動に対して入力する前記燃料の元の供給量を調整するための指令値である出力加速指令値と前記燃料供給加速指令値とに基づいて算出した発電システム加速指令値と、を加算した燃料供給指令値を算出して前記燃料供給装置に出力する
ことを特徴とする請求項６に記載の発電システムの制御方法。 - 前記ベース燃料供給指令値を大気温度によって補正する
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の発電システムの制御方法。
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