JP6461525B2 - 蒸気温度制御装置、蒸気温度制御方法、および発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蒸気温度制御装置、蒸気温度制御方法、および発電システムに関する。

発電システムは、蒸気タービンを駆動する蒸気の蒸気温度の制御用に、第１過熱器と、第１過熱器の下流に設置された減温器と、減温器の下流に設置された第２過熱器とを備える場合がある。この場合、発電システムは、第１過熱器で蒸気を過熱し、過熱された蒸気を減温器で冷却し、冷却された蒸気を第２過熱器で再び過熱することで、蒸気温度を目標値に制御する。蒸気を２回の過熱の間に冷却することには、蒸気温度の制御性を高める効果や、蒸気温度が高くなり過ぎることを防ぎやすいという効果がある。

蒸気温度の制御に関しては、いくつかの方法が知られている。例えば、減温器の動作を負荷変動に先行して制御する方法や、過熱器の入口蒸気温度と出口蒸気温度とをそれぞれ燃料流量制御ループと減温器により制御する方法が知られている。さらには、蒸気温度を複数の減温器で制御する方法や、蒸気が過熱器を通過する際に生じる無駄時間をスミス法で補償する方法が知られている。

特許第３７０９２６３号公報 特許第４４５３８５８号公報 特許第４１３１８５９号公報 特開２０１３−４０６９５号公報

しかしながら、第１過熱器、減温器、および第２過熱器を備える発電システムにおいては、第２過熱器の熱源の状態が急激に変化すると、熱源の状態の変化と第２過熱器による蒸気の過熱とのタイムラグにより、蒸気温度が目標値からずれてしまう。例えば、コンバインドサイクル型の火力発電システムの排熱回収ボイラにおいて、排ガス温度が急激に変化する場合や、従来型の火力発電システムのボイラにおいて、ボイラ出力が急激に変化する場合に、蒸気温度が目標値からずれるおそれがある。同様に、第２過熱器で過熱される蒸気の状態が急激に変化した場合にも、蒸気温度が目標値からずれるおそれがある。これらの場合、蒸気を２回の過熱の間に冷却するにもかかわらず、蒸気温度が高くなり過ぎる可能性がある。

そこで、本発明は、減温器の下流に設けられた過熱器の状態の変化に伴い、蒸気温度が高くなり過ぎることを抑制することが可能な蒸気温度制御装置、蒸気温度制御方法、および発電システムを提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、蒸気温度制御装置は、過熱器で過熱される蒸気に関する測定値である１つ以上の第１測定値と、前記過熱器の熱源に関する測定値である１つ以上の第２測定値とを受信する受信部を備える。さらに、前記装置は、前記第１および第２測定値に基づいて、前記過熱器に前記蒸気を供給する減温器の動作を制御する制御部を備える。

第１実施形態の発電システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態の発電システムの動作を説明するための図である。 第１実施形態の比較例の発電システムの動作を説明するための図である。 第１実施形態の変形例の発電システムの動作を説明するための図である。 第１実施形態の第２過熱器の構成を示す模式図である。 第１実施形態の熱交換量の予測値の算出方法を示すフローチャートである。 第１実施形態の発電システムの利点を説明するためのグラフである。 第２実施形態の発電システムの動作を説明するための図である。 第２実施形態の第２過熱器の構成を示す模式図である。 第２実施形態の発電システムの利点を説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の発電システムの構成を示す模式図である。図１の発電システムは、排熱回収方式によるコンバインドサイクル型の火力発電システムである。

図１の発電システムは、ガスタービン１と、圧縮機２と、第１発電機３と、排ガス配管４と、排熱回収ボイラ５と、ドラム１１と、下降管１２と、蒸発器１３と、第１蒸気配管１４と、第１過熱器１５と、減温器１６と、第２蒸気配管１７と、第２過熱器１８と、減温器バルブ１９と、制御装置２０と、主蒸気配管２１と、主蒸気弁２２と、バイパス配管２３と、バイパス弁２４と、蒸気タービン２５と、第２発電機２６とを備えている。制御装置２０は、受信部および制御部を備える蒸気温度制御装置の例である。

図１の発電システムはさらに、排ガス配管４上に設けられた流量計３１_Ｆおよび温度計３１_Ｔと、ドラム１１に設けられた圧力計３２_Ｐと、第１蒸気配管１４上に設けられた温度計３３_Ｔと、第２蒸気配管１７上に設けられた温度計３４_Ｔと、主蒸気配管２１上に設けられた流量計３５_Ｆ、温度計３５_Ｔ、および圧力計３５_Ｐと、蒸気タービン２５用の回転数計測器３６と、第２発電機２６用の電気出力計測器３７とを備えている。

図１の発電システムでは、圧縮機２により圧縮された空気によりガスタービン１が回転し、この回転を利用して第１発電機３が発電を行う。ガスタービン１から排出された排ガスは、排ガス配管４を介して排熱回収ボイラ５に送られる。排熱回収ボイラ５に送られた排ガスは、第２過熱器１８、第１過熱器１５、蒸発器１３の順でその熱が利用され、排熱回収ボイラ５から排出される。

一方、ドラム１１内の水は、下降管１２を介して排熱回収ボイラ５内の蒸発器１３に送られ、蒸発器１３内で排ガスの熱により加熱されることで、飽和水蒸気となる。この蒸気は、第１蒸気配管１４を介して排熱回収ボイラ５内の第１過熱器１５に送られ、第１過熱器１５で過熱された後、減温器１６で冷却される。減温器１６で冷却された蒸気は、第２蒸気配管１７を介して排熱回収ボイラ５内の第２過熱器１８に送られ、第２過熱器１８で再び過熱される。制御装置２０は、蒸気冷却用の水を減温器１６に供給するための減温器バルブ１９の開度を調整して、減温器１６での蒸気の冷却量を調整することで、第２過熱器１８の出口蒸気温度を目標値に制御することができる。

第２過熱器１８で過熱された蒸気（主蒸気）は、主蒸気配管２１を介して蒸気タービン２５に送られる。図１の発電システムでは、蒸気タービン２５が主蒸気により回転し、この回転を利用して第２発電機２６が発電を行う。バイパス配管２３は、蒸気タービン２５の上流で主蒸気配管２１から分岐している。主蒸気配管２１の主蒸気流量は、主蒸気配管２１上の主蒸気弁２２の開度が制御装置２０により調整されることで、目標値に制御される。また、蒸気タービン２５の入口蒸気圧力は、バイパス配管２３上のバイパス弁２４の開度が制御装置２０により調整されることで、目標値に制御される。

制御装置２０は、主蒸気配管２１の主蒸気流量の調整により、蒸気タービン２５の回転数を制御し、これにより第２発電機２６の電気出力を制御する。なお、蒸気タービン２５の回転数は、回転数計測器３６により計測され、第２発電機２６の電気出力は、電気出力計測器３７により計測される。

図２は、第１実施形態の発電システムの動作を説明するための図である。図２は、上述の減温器１６、第２蒸気配管１７、第２過熱器１８、減温器バルブ１９、制御装置２０、主蒸気配管２１等を示している。

本実施形態の制御装置２０は、第１ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御部４１と、第２ＰＩＤ制御部４２と、熱交換量予測部４３と、入口蒸気温度設定部４４と、第３ＰＩＤ制御部４５と、開度選択部４６とを備えている。

また、本実施形態の第２過熱器１８は、第１から第ｎ（ｎは２以上の整数）の熱交換器１８_１〜１８_ｎで構成されていると考えられる。第１から第ｎの熱交換器１８_１〜１８_ｎの各々は、蒸気と排ガスとの間の熱交換を行う。その結果、排ガスから蒸気に熱が移動することで、蒸気が加熱され、排ガスが冷却される。

よって、第２過熱器１８の出口での排ガスの温度（出口排ガス温度）は、第２過熱器１８の入口での排ガスの温度（入口排ガス温度）よりも低下する。第２過熱器１８の入口排ガス温度は、排ガス配管４上の温度計３１_Ｔにより測定される。また、第２過熱器１８の出口排ガス温度は、第２過熱器１８内での蒸気と排ガスとの熱交換により決まる。なお、第２過熱器１８内の排ガスの流量は、排ガス配管４上の流量計３１_Ｆにより測定される。

一方、第２過熱器１８の出口での蒸気の温度（出口蒸気温度）は、第２過熱器１８の入口での蒸気の温度（入口蒸気温度）よりも上昇する。第２過熱器１８の入口蒸気温度は、第２蒸気配管１７上の温度計３４_Ｔにより測定される。また、第２過熱器１８の出口蒸気温度は、主蒸気配管２１上の温度計３５_Ｔにより測定される。第２過熱器１８の出口蒸気温度は、第２過熱器１８内での蒸気と排ガスとの熱交換により決まる。なお、第２過熱器１８内の蒸気の流量は、主蒸気配管２１上の流量計３５_Ｆにより測定される。

第２過熱器１８の出口蒸気温度は、第１から第ｎの熱交換器１８_１〜１８_ｎ等の金属部分を保護するために、所定の温度以下に制御する必要がある。一方、第２過熱器１８の出口蒸気温度が高いほど、第２発電機２６の発電効率は高くなる。そのため、第２過熱器１８の出口蒸気温度は、高温で一定値に維持されることが望ましい。

減温器１６は、蒸気に液相の水を加えることで、蒸気を冷却する。本実施形態の発電システムは、減温器１６による蒸気の温度低下と、第２過熱器１８による蒸気の温度上昇とのバランスにより、第２過熱器１８の出口蒸気温度を制御する。第２蒸気配管１７上の温度計３４_Ｔは、減温器１６により冷却された後かつ第２過熱器１８により加熱される前の蒸気の温度を測定する。

第２過熱器１８の出口蒸気温度は、減温器１６での蒸気の冷却量を調整することで制御される。また、減温器１６での蒸気の冷却量は、減温器１６で蒸気に加える水の量により制御される。よって、第２過熱器１８の出口蒸気温度は、減温器１６に水を供給する配管に設けられた減温器バルブ１９の開度を調整することで制御可能である。

減温器バルブ１９の開度が増加すると、減温器１６で蒸気に加える水の流量（スプレー流量）が増加し、第２過熱器１８の出口蒸気温度が低下する。一方、減温器バルブ１９の開度が減少すると、減温器１６で蒸気に加える水の流量が減少し、第２過熱器１８の出口蒸気温度が上昇する。

制御装置２０は、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚを含む開度指令を出力する。この開度指令は減温器バルブ１９に供給され、その結果、減温器バルブ１９の開度が指令値Ｚに調整される。

（１）第１実施形態の制御装置２０の動作
以下、図２および図３を参照し、本実施形態の制御装置２０が指令値Ｚを決定する手順を、比較例の制御装置２０が指令値Ｚを決定する手順と比較して説明する。図３は、第１実施形態の比較例の発電システムの動作を説明するための図である。

比較例の制御装置２０（図３参照）は、以下の手順で開度の指令値Ｚを決定する。

まず、第１ＰＩＤ制御部４１は、第２過熱器１８の出口蒸気温度の測定値ｔｏを温度計３５_Ｔから受信する。次に、第１ＰＩＤ制御部４１は、第２過熱器１８の出口蒸気温度の測定値ｔｏを、予め設定された第２過熱器１８の出口蒸気温度の目標値ｔｏ_０と比較する。そして、第１ＰＩＤ制御部４１は、測定値ｔｏが目標値ｔｏ_０に近付くように、第２過熱器１８の入口蒸気温度の目標値ｔｉ_０を決定する。

次に、第２ＰＩＤ制御部４２は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉを温度計３４_Ｔから受信する。次に、第２ＰＩＤ制御部４２は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉを、第１ＰＩＤ制御部４１により決定された第２過熱器１８の入口蒸気温度の目標値ｔｉ_０と比較する。そして、第２ＰＩＤ制御部４２は、測定値ｔｉが目標値ｔｉ_０に近付くように、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚを決定する。

指令値Ｚは、制御装置２０から減温器バルブ１９に出力される。その結果、第２過熱器１８の出口蒸気温度が目標値ｔｏ_０に制御される。

比較例の制御装置２０は、第２過熱器１８に入力される蒸気や排ガスの温度や流量が緩やかに変化する場合には正常に動作する。しかしながら、比較例の制御装置２０は、第２過熱器１８に入力される蒸気や排ガスの温度や流量が急激に変化する場合には、第２過熱器１８の出口蒸気温度を目標値ｔｏ_０に維持することが難しい。理由は、減温器１６の出口から第２過熱器１８の出口までの距離は一般に長いため、減温器１６での蒸気温度の低下が第２過熱器１８の出口蒸気温度に影響するまでに長い時間を要するためである。

一方、本実施形態の制御装置２０（図２参照）は、以下の手順で開度の指令値Ｚを決定する。

まず、第１ＰＩＤ制御部４１は、比較例と同様に、第２過熱器１８の出口蒸気温度の測定値ｔｏおよび目標値ｔｏ_０に基づいて、第２過熱器１８の入口蒸気温度の目標値ｔｉ_０を決定する。次に、第２ＰＩＤ制御部４２も、比較例と同様に、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉおよび目標値ｔｉ_０に基づいて、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚ_１を決定する。本実施形態の指令値Ｚ_１は、比較例の指令値Ｚと同様の値である。

一方、熱交換量予測部４３は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉと、第２過熱器１８内の蒸気流量の測定値ｆと、第２過熱器１８の入口排ガス温度の測定値Ｔｉと、第２過熱器１８内の排ガス流量の測定値Ｆとをそれぞれ、温度計３４_Ｔ、流量計３５_Ｆ、温度計３１_Ｔ、および流量計３１_Ｆから受信する。測定値ｔｉ、ｆは、１つ以上の第１測定値の例である。測定値Ｔｉ、Ｆは、１つ以上の第２測定値の例である。

次に、熱交換量予測部４３は、測定値ｔｉ、ｆ、Ｔｉ、Ｆに基づいて、これらの測定値が定常値である場合の熱交換量を予測する。その結果、これらの測定値が定常値である場合に関し、第２過熱器１８内での蒸気と排ガスとの熱交換量の予測値Ｑが算出される。予測値Ｑは、１つ以上の予測値の例である。

次に、入口蒸気温度設定部４４は、熱交換量の予測値Ｑに基づいて、第２過熱器１８の入口蒸気温度の設定値ｔｉ_Ｓを算出する。入口蒸気温度の目標値ｔｉ_０は、第２過熱器１８の出口蒸気温度が測定値ｔｏである場合に、出口蒸気温度を目標値ｔｏ_０に近付けるための値である。これに対し、入口蒸気温度の設定値ｔｉ_Ｓは、熱交換量が予測値Ｑである場合に、出口蒸気温度を予測値ｔｏ_Ｆ（後述）に近付けるための値である。

次に、第３ＰＩＤ制御部４５は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉを、入口蒸気温度設定部４４により決定された第２過熱器１８の入口蒸気温度の設定値ｔｉ_Ｓと比較する。そして、第３ＰＩＤ制御部４５は、測定値ｔｉが設定値ｔｉ_Ｓに近付くように、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚ_２を決定する。

次に、開度選択部４６は、指令値Ｚ_１と指令値Ｚ_２とに基づいて、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚを決定する。具体的には、開度選択部４６は、指令値Ｚ_１、Ｚ_２から大きい方の指令値を選択し、大きい方の指令値を指令値Ｚに決定する。

指令値Ｚは、制御装置２０から減温器バルブ１９に出力される。その結果、第２過熱器１８の出口蒸気温度が目標値ｔｏ_０または予測値ｔｏ_Ｆに制御される。

なお、減温器バルブ１９の開度が増加すると、減温器１６のスプレー流量が増加し、第２過熱器１８の出口蒸気温度が低下する。よって、指令値Ｚ_１、Ｚ_２から大きい方の指令値を選択することは、第２過熱器１８の出口蒸気温度がより低下する指令値を選択することに相当する。別言すると、指令値Ｚ_１、Ｚ_２から大きい方の指令値を選択することは、第２過熱器１８の出口蒸気温度を目標値ｔｏ_０と予測値ｔｏ_Ｆの小さい方に制御することに相当する。

図４は、第１実施形態の変形例の発電システムの動作を説明するための図である。

図４の制御装置２０は、第３ＰＩＤ制御部４５および開度選択部４６の代わりに、温度選択部４７を備えている。

本変形例の制御装置２０は、以下の手順で開度の指令値Ｚを決定する。

まず、第１ＰＩＤ制御部４１は、第２過熱器１８の出口蒸気温度の測定値ｔｏと目標値ｔｏ_０とに基づいて、第２過熱器１８の入口蒸気温度の目標値ｔｉ_０を決定する。

一方、熱交換量予測部４３は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉと、第２過熱器１８内の蒸気流量の測定値ｆと、第２過熱器１８の入口排ガス温度の測定値Ｔｉと、第２過熱器１８内の排ガス流量の測定値Ｆとに基づいて、これらの測定値が定常値である場合の熱交換量の予測値Ｑを算出する。

次に、入口蒸気温度設定部４４は、熱交換量の予測値Ｑに基づいて、第２過熱器１８の入口蒸気温度の設定値ｔｉ_Ｓを算出する。

次に、温度選択部４７は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の目標値ｔｉ_０と設定値ｔｉ_Ｓから小さい方の値ｔｉ_ＳＳを選択する。

次に、第２ＰＩＤ制御部４２は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉと選択値ｔｉ_０Ｓとに基づいて、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚを決定する。

このように、第１実施形態においては、目標値ｔｉ_０と設定値ｔｉ_Ｓからそれぞれ指令値Ｚ_１、Ｚ_２を算出し、指令値Ｚ_１、Ｚ_２の大きい方を指令値Ｚに決定する。一方、本変形例においては、目標値ｔｉ_０と設定値ｔｉ_Ｓの小さい方の値ｔｉ_ＳＳを選択し、選択値ｔｉ_ＳＳから指令値Ｚを決定する。本変形例によれば、第１実施形態とは異なる手順で、第１実施形態と同様の指令値Ｚを算出することが可能となる。

（２）第１実施形態の熱交換量の予測値Ｑ
次に、図５を参照し、本実施形態の熱交換量の予測値Ｑについて詳細に説明する。

図５は、第１実施形態の第２過熱器１８の構成を示す模式図である。

図５は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉ［℃］と、第２過熱器１８の入口排ガス温度の測定値Ｔｉ［℃］と、第２過熱器１８内の蒸気流量の測定値ｆ［ｋｇ／ｓ］と、第２過熱器１８内の排ガス流量の測定値Ｆ［ｋｇ／ｓ］とを示している。

図５はさらに、第２過熱器１８の出口蒸気温度の予測値ｔｏ_Ｆ［℃］と、第２過熱器１８の出口排ガス温度の予測値Ｔｏ_Ｆ［℃］と、第２過熱器１８内での蒸気と排ガスとの熱交換量の予測値Ｑ［ｋＷ］とを示している。

第２過熱器１８の入口蒸気温度の設定値ｔｉ_Ｓ［℃］は、次の式（１）で与えられる。

ｔｉ_Ｓ＝ｔｏ_Ｆ−Ｑ／ｃ／ｆ ・・・（１）
ただし、符号ｃ［ｋＪ／℃／ｋｇ］は蒸気の比熱を表す。式（１）から分かるように、入口蒸気温度の設定値ｔｉ_Ｓは、熱交換量が予測値Ｑである場合に、出口蒸気温度を予測値ｔｏ_Ｆに近付けるための値である。

図６は、第１実施形態の熱交換量の予測値Ｑの算出方法を示すフローチャートである。

まず、制御装置２０は、第２過熱器１８内での蒸気と排ガスとの熱交換量Ｑ_１［ｋＷ］を仮定する（ステップＳ１）。次に、制御装置２０は、出口蒸気温度の予測値ｔｏ_Ｆ［℃］と、出口排ガス温度の予測値Ｔｏ_Ｆ［℃］とを仮定する（ステップＳ２）。出口蒸気温度の予測値ｔｏ_Ｆ［℃］と、出口排ガス温度の予測値Ｔｏ_Ｆはそれぞれ、次の式（２）、（３）で表される。
ｔｏ_Ｆ＝ｔｉ_Ｓ＋Ｑ_１／ｃ／ｆ ・・・（２）
Ｔｏ_Ｆ＝Ｔｉ−Ｑ_１／Ｃ／Ｆ ・・・（３）
ただし、符号Ｃ［ｋＪ／℃／ｋｇ］は排ガスの比熱を表す。

次に、制御装置２０は、第２過熱器１８の伝熱係数ｈ［ｋＷ／℃］を計算する（ステップＳ３）。本実施形態においては、伝熱係数ｈは一定値であると想定する。次に、制御装置２０は、蒸気の収熱量Ｑ_２［ｋＷ］を計算する（ステップＳ４）。収熱量Ｑ_２は、次の式（４）で表される。
Ｑ_２＝ｈ｛（Ｔｉ−ｔｏ_Ｆ）−（Ｔｏ_Ｆ−ｔｉ_Ｓ）｝
／ｌｏｇ｛（Ｔｉ−ｔｏ_Ｆ）／（Ｔｏ_Ｆ−ｔｉ_Ｓ）｝ ・・・（４）

ここで、予測値ｔｏ_Ｆ、Ｔｏ_Ｆの仮定が正しければ、エネルギー保存則より熱交換量Ｑ_１と収熱量Ｑ_２は一致する。そこで、制御部２０は、熱交換量Ｑ_１と収熱量Ｑ_２との差の絶対値を確認する（ステップＳ５）。

制御装置２０は、上記の絶対値が閾値εよりも大きい場合には、熱交換量Ｑ_１［ｋＷ］を修正する（ステップＳ６）。制御装置２０はさらに、出口蒸気温度の予測値ｔｏ_Ｆと、出口排ガス温度の予測値Ｔｏ_Ｆとを修正する（ステップＳ７）。制御部２０はその後、修正された熱交換量Ｑ_１および予測値ｔｏ_Ｆ、Ｔｏ_Ｆを用いてステップＳ３〜Ｓ５を繰り返す。

一方、制御装置２０は、上記の絶対値が閾値εよりも小さい場合には、ステップＳ３で計算された熱交換量Ｑ_１（またはステップＳ４で計算された収熱量Ｑ_２）を、熱交換量の予測値Ｑに決定する。さらに、制御装置２０は、最終的な予測値ｔｏ_Ｆ、Ｔｏ_Ｆをそれぞれ、出口蒸気温度の予測値ｔｏ_Ｆと、出口排ガス温度の予測値Ｔｏ_Ｆに決定する。その後、制御装置２０は、式（１）に予測値Ｑ、ｔｏ_Ｆを代入して、入口蒸気温度の設定値ｔｉ_Ｓを計算する。予測値Ｑ、ｔｏ_Ｆは、１つ以上の予測値の例である。

図７は、第１実施形態の発電システムの利点を説明するためのグラフである。

図７(ａ)から図７(ｅ)はそれぞれ、入口排ガス温度の測定値Ｔｉ、排ガス流量の測定値Ｆ、出口蒸気温度の測定値ｔｏ、蒸気流量の測定値ｆ、開度の指令値Ｚの時間変化を示している。図７(ｅ)の開度の指令値Ｚは、減温器１６のスプレー流量に対応する。

図７(ａ)は、入口排ガス温度が時間ｔ_１に第１温度Ｔａから第２温度Ｔｂにステップ状に上昇した様子を示している。

図７(ｃ)と図７(ｅ)の曲線Ｃ_１はそれぞれ、本実施形態または比較例の発電システムにおいて、制御装置２０が動作しない場合の出口蒸気温度と開度を示す。この場合、減温器１６のスプレー流量は変化しない（図７(ｅ)）。一方、出口蒸気温度は、入口排ガス温度の上昇に遅れて上昇し、一定値で安定する（図７(ｃ)）。これは、入口排ガス温度が上昇したことにより、熱交換量が増加し、出口蒸気温度が上昇したことを示している。

図７(ｃ)と図７(ｅ)の曲線Ｃ_２はそれぞれ、比較例の発電システムの制御装置２０が動作する場合の出口蒸気温度と開度を示す。この場合、入口排ガス温度の上昇に伴い、減温器１６のスプレー流量が増加する（図７(ｅ)）。しかしながら、比較例における出口蒸気温度の制御は、出口蒸気温度の測定値ｔｏを目標値ｔｏ_０に近付け、入口蒸気温度の測定値ｔｉを目標値ｔｉ_０に近付けるフィードバック制御であるため、出口蒸気温度が変化し始めてからスプレー流量が徐々に増加する。そのため、比較例では、入口排ガス温度の変化に対する出口蒸気温度の応答が遅くなる傾向がある（図７(ｃ)）。

図７(ｃ)と図７(ｅ)の曲線Ｃ_３はそれぞれ、本実施形態の発電システムの制御装置２０が動作する場合の出口蒸気温度と開度を示す。本実施形態における出口蒸気温度の制御では、比較例と同様のフィードバック制御だけでなく、フィードフォワード制御も採用している。具体的には、本実施形態における出口蒸気温度の制御では、熱交換量や出口蒸気温度の変化を予測し、これらの予測を反映した入口蒸気温度の設定値ｔｉ_Ｓを算出し、入口蒸気温度の測定値ｔｉを設定値ｔｉ_Ｓに近付けるフィードフォワード制御を採用しているため、スプレー流量が速やかに増加する（図７(ｅ)）。そのため、本実施形態では、入口排ガス温度の変化に対する出口蒸気温度の応答が速くなる傾向がある（図７(ｃ)）。

本実施形態によれば、第２過熱器１８の状態の急激な変化に伴い、スプレー流量を急峻に増加させることが可能となり、その結果、この際の出口蒸気温度の測定値ｔｏの上昇幅を小さく抑えることが可能となる（図７(ｃ)）。すなわち、本実施形態によれば、第２過熱器１８の出口蒸気温度が高くなり過ぎることを抑制することが可能となる。

また、本実施形態においては、フィードフォワード制御と共に、比較例と同様のフィードバック制御も採用している。よって、本実施形態のスプレー流量は、第２過熱器１８の状態の変化の影響が収束すると、比較例のスプレー流量とほぼ同じとなる（図７(ｅ)）。図７(ｅ)は、曲線Ｃ_２、Ｃ_３の開度の指令値Ｚが共にＺｂに収束する様子を示している。

なお、出口蒸気温度の応答の遅れは、蒸気が第２過熱器１８の通過に要する時間により決まる応答の遅れと、制御装置２０の制御性能により決まる応答の遅れとの合計値で与えられる。前者は、スプレー流量を増加させてから、その影響が出口蒸気温度に及ぶまでの時間に相当する。図７の時間ｔ_２−ｔ_１は、この時間に相当する。よって、図７(ｃ)の曲線Ｃ_１〜Ｃ_３は、時間ｔ_１〜ｔ_２では同じ挙動を示し、時間ｔ_２以降は異なる挙動を示す。

また、本実施形態において、時間ｔ_１〜ｔ_２の出口蒸気温度の上昇は、例えばスプレー流量を過渡的に変化させて抑制してもよい。本実施形態の制御装置２０は、指令値Ｚ_１、Ｚ_２の大きい方を指令値Ｚとして選択することで、スプレー流量を過渡的に変化させることが可能である。

以上のように、本実施形態の制御装置２０は、第２過熱器１８で過熱される蒸気に関する測定値である１つ以上の第１測定値と、第２過熱器１８の熱源に関する測定値である１つ以上の第２測定値とに基づいて、減温器１６の動作を制御する。具体的には、本実施形態の制御装置２０は、入口蒸気温度の測定値ｔｉ、蒸気流量の測定値ｆ、入口排ガス温度の測定値ｔｏ、および排ガス流量の測定値Ｆに基づいて、減温器１６の動作を制御する。

よって、本実施形態によれば、これらの測定値に基づいて、熱交換量の予測値Ｑなどの予測値を算出することができ、この予測値に基づいて、第２過熱器１８の状態の変化に迅速に対応して減温器１６の動作を制御することができる。

よって、本実施形態によれば、減温器１６の下流に設けられた第２過熱器１８の状態の変化に伴い、第２過熱器１８の出口蒸気温度が高くなり過ぎることを抑制することが可能となる。

なお、本実施形態の制御装置２０は、コンバインドサイクル型の火力発電システムだけでなく、従来型の火力発電システムにも適用可能である。この場合、制御装置２０は、排ガスに関する測定値や予測値を利用する代わりに、従来型の火力発電システムのボイラの燃焼や燃焼ガスに関する測定値や予測値を利用する。このような測定値や予測値の例としては、燃焼の投入量や消費量の測定値や予測値、燃焼ガスの生成量の測定値や予測値などが挙げられる。これらの測定値と予測値はそれぞれ、１つ以上の第２測定値と１つ以上の予測値の例である。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態の発電システムの動作を説明するための図である。本実施形態の発電システムの構成において、第１実施形態の発電システムと同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図８は、図２と同様に、減温器１６、第２蒸気配管１７、第２過熱器１８、減温器バルブ１９、制御装置２０、主蒸気配管２１等を示している。本実施形態の制御装置２０は、第１ＰＩＤ制御部４１と、第２ＰＩＤ制御部４２と、第３ＰＩＤ制御部４５と、開度選択部４６と、温度予測部４８と、ホールド部４９と、差分器５０とを備えている。

第１実施形態の比較例で説明したように、減温器１６の出口から第２過熱器１８の出口までの距離は一般に長いため、減温器１６での蒸気温度の低下が第２過熱器１８の出口蒸気温度に影響するまでには長い時間がかかる。また、第２過熱器１８内の外乱が第２過熱器１８の出口蒸気温度に影響するまでにも長い時間がかかる。これらが、第２過熱器１８の出口蒸気温度を一定に制御することが難しい要因である。

そこで、本実施形態では、第２過熱器１８を通過中の蒸気の温度の予測値ｔｍと、第２過熱器１８を通過中の排ガスの温度の予測値Ｔｍとを取り扱うことにする。そして、本実施形態の制御装置２０は、第２過熱器１８を通過中の蒸気の温度の予測値ｔｍを算出し、予測値ｔｍに基づいて減温器１６の動作を制御する。予測値ｔｍは、１つ以上の予測値の例である。

本実施形態では、第ｋの熱交換器１８_ｋと第ｋ＋１の熱交換器１８_ｋ＋１との間に、仮想的な温度計（仮想温度計）３８_Ｔ、３９_Ｔが設置されていると想定する。ｋは１からｎ−１の整数であり、図８ではｋ＝１である。仮想温度計３８_Ｔ、３９_Ｔはそれぞれ、この位置の蒸気と排ガスの温度を測定すると想定される。制御装置２０は、仮想温度計３８_Ｔによる蒸気の温度の測定値が予測値ｔｍであると予想し、仮想温度計３９_Ｔによる排ガスの温度の測定値が予測値Ｔｍであると予想する。予測値ｔｍは、減温器１６の開度の指令値Ｚを算出するために使用される。

本実施形態の制御装置２０は、以下の手順で開度の指令値を算出する。

まず、第１ＰＩＤ制御部４１は、第２過熱器１８の出口蒸気温度の測定値ｔｏと目標値ｔｏ_０とに基づいて、第２過熱器１８の入口蒸気温度の目標値ｔｉ_０を決定する。次に、第２ＰＩＤ制御部４２は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉと目標値ｔｉ_０とに基づいて、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚ_１を決定する。

一方、温度予測部４８は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉと、第２過熱器１８内の蒸気流量の測定値ｆと、第２過熱器１８の入口排ガス温度の測定値Ｔｉと、第２過熱器１８内の排ガス流量の測定値Ｆとをそれぞれ、温度計３４_Ｔ、流量計３５_Ｆ、温度計３１_Ｔ、および流量計３１_Ｆから受信する。また、温度予測部４８は、第２過熱器１８の出口排ガス温度の予測値Ｔｏ_Ｆを、例えば図６の方法で予測する。

次に、温度予測部４８は、測定値ｔｉ、ｆ、Ｆと予測値Ｔｏ_Ｆとに基づいて、これらの値が定常値である場合に関し、第２過熱器１８を通過中の蒸気の温度の予測値ｔｍを算出する。温度予測部４８は、この予測値ｔｍをホールド部４９と差分器５０とに出力する。

ホールド部４９は、温度予測部４８からの予測値ｔｍをホールドする。差分器５０は、温度予測部４８から出力された現在の予測値ｔｍと、ホールド部４９にホールドされている以前の予測値ｔｍとの差Δｔｍを算出し、この差Δｔｍを第３ＰＩＤ制御部４５に出力する。

第３ＰＩＤ制御部４５は、この差Δｔｍから、第２過熱器１８を通過中の蒸気の温度変化の傾向を把握することができる。そして、第３ＰＩＤ制御部４５は、この差Δｔｍが０に復帰するように、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚ_３を決定する。

次に、開度選択部４６は、指令値Ｚ_１と指令値Ｚ_３とに基づいて、減温器バルブ１９の開度の指令値Ｚを決定する。具体的には、開度選択部４６は、指令値Ｚ_１、Ｚ_３から大きい方の指令値を選択し、大きい方の指令値を指令値Ｚに決定する。指令値Ｚは、制御装置２０から減温器バルブ１９に出力される。

図９は、第２実施形態の第２過熱器１８の構成を示す模式図である。

図９は、第２過熱器１８の入口蒸気温度の測定値ｔｉ［℃］と、第２過熱器１８の入口排ガス温度の測定値Ｔｉ［℃］と、第２過熱器１８内の蒸気流量の測定値ｆ［ｋｇ／ｓ］と、第２過熱器１８内の排ガス流量の測定値Ｆ［ｋｇ／ｓ］とを示している。

図９はさらに、第２過熱器１８の出口蒸気温度の予測値ｔｏ_Ｆ［℃］と、第２過熱器１８の出口排ガス温度の予測値Ｔｏ_Ｆ［℃］と、第２過熱器１８を通過中の蒸気の温度の予測値ｔｍ［℃］と、第２過熱器１８を通過中の排ガスの温度の予測値Ｔｍ［℃］とを示している。

図９はさらに、第１の熱交換器１８_１から第ｋの熱交換器１８_ｋまでの蒸気と排ガスとの熱交換量の予測値Ｑｍ［ｋＷ］を示している。

これらの測定値や予測値の関係は、次の式（５）〜（７）で与えられる。
Ｑｍ＝（Ｔｍ−Ｔｏ_Ｆ）×Ｃ×Ｆ ・・・（５）
Ｑｍ＝（ｔｍ−ｔｉ）×ｃ×ｆ ・・・（６）
Ｑｍ＝ｈ’｛（Ｔｍ＋Ｔｏ_Ｆ）／２−（ｔｍ＋ｔｉ）／２｝ ・・・（７）
ただし、ｈ’は、第１の熱交換器１８_１から第ｋの熱交換器１８_ｋまでの伝熱係数［ｋＷ／℃］を表す。

式（５）〜（７）の右辺において、未知数はＴｍとｔｍである。そこで、これらの式を連立すると、Ｔｍとｔｍはそれぞれ次の式（８）、（９）で与えられる。
Ｔｍ＝Ａ（ｈ’，Ｃ，Ｆ，ｃ，ｆ，Ｔｏ_Ｆ，ｔｉ） ・・・（８）
ｔｍ＝Ｂ（ｈ’，Ｃ，Ｆ，ｃ，ｆ，Ｔｏ_Ｆ，ｔｉ） ・・・（９）
ただし、Ａ、Ｂは関数を表す。

式（９）により、第２過熱器１８を通過中の蒸気の温度の予測値ｔｍは、測定値ｔｉ、ｆ、Ｆと予測値Ｔｏ_Ｆから算出できることが分かる。よって、温度予測部４８は、測定値ｔｉ、ｆ、Ｆと予測値Ｔｏ_Ｆとに基づいて、予測値ｔｍを算出する。

図１０は、第２実施形態の発電システムの利点を説明するためのグラフである。

図１０(ａ)から図１０(ｅ)はそれぞれ、入口排ガス温度の測定値Ｔｉ、排ガス流量の測定値Ｆ、出口蒸気温度の測定値ｔｏ、蒸気流量の測定値ｆ、開度の指令値Ｚの時間変化を示している。図１０(ｅ)の開度の指令値Ｚは、減温器１６のスプレー流量に対応する。

図１０(ｄ)は、蒸気流量が時間ｔ_３に第１流量ｆａから第２流量ｆｂにステップ状に減少した様子を示している。図１０(ｃ)と図１０(ｅ)の曲線Ｃ_１はそれぞれ、図３の比較例の制御装置２０が動作する場合の出口蒸気温度と開度を示す。図１０(ｃ)と図１０(ｅ)の曲線Ｃ_２はそれぞれ、図８の本実施形態の制御装置２０が動作する場合の出口蒸気温度と開度を示す。

比較例と本実施形態において、蒸気流量が減少すると、蒸気の単位流量あたりの収熱が増加するため、出口蒸気温度は上昇する。ただし、第２過熱器１８において応答の遅れがあるため、蒸気流量が減少してから出口蒸気温度が上昇するまでに一定の時間がかかる。図１０(ｃ)は、比較例と本実施形態において、蒸気流量が時間ｔ_３から減少し、出口蒸気温度が時間ｔ_４から上昇する様子を示している。

比較例の制御装置２０は、出口蒸気温度の測定値ｔｏが増加すると、開度を増加させてスプレー流量を増加させる。よって、比較例のスプレー流量は、時間ｔ_４から増加し始める（図１０(ｅ)）。

これに対し、本実施形態の制御装置２０は、第２過熱器１８を通過中の蒸気の温度の予測値ｔｍが増加すると、開度を増加させてスプレー流量を増加させる。すなわち、本実施形態の制御装置２０は、出口蒸気温度の測定値ｔｏが増加する前から、スプレー流量を増加させる。よって、本実施形態のスプレー流量は、時間ｔ_４より前から増加し始める（図１０(ｅ)）。

よって、本実施形態によれば、出口蒸気温度の測定値ｔｏの上昇幅を小さく抑えることが可能となる（図１０(ｃ)）。すなわち、本実施形態によれば、第２過熱器１８の出口蒸気温度が高くなり過ぎることを抑制することが可能となる。

以上のように、本実施形態の制御装置２０は、第２過熱器１８で過熱される蒸気に関する測定値である１つ以上の第１測定値と、第２過熱器１８の熱源に関する測定値である１つ以上の第２測定値とに基づいて、減温器１６の動作を制御する。

よって、本実施形態によれば、これらの測定値に基づいて、第２過熱器１８を通過中の蒸気の温度の予測値ｔｍなどの予測値を算出することができ、この予測値に基づいて、第２過熱器１８の状態の変化に迅速に対応して減温器１６の動作を制御することができる。

よって、本実施形態によれば、減温器１６の下流に設けられた第２過熱器１８の状態の変化に伴い、第２過熱器１８の出口蒸気温度が高くなり過ぎることを抑制することが可能となる。

なお、本実施形態の制御装置２０は、第１実施形態の制御装置２０と同様に、コンバインドサイクル型の火力発電システムだけでなく、従来型の火力発電システムにも適用可能である。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法、およびシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法、およびシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：ガスタービン、２：圧縮機、３：第１発電機、
４：排ガス配管、５：排熱回収ボイラ、
１１：ドラム、１２：下降管、１３：蒸発器、
１４：第１蒸気配管、１５：第１過熱器、１６：減温器、
１７：第２蒸気配管、１８：第２過熱器、１９：減温器バルブ、２０：制御装置、
２１：主蒸気配管、２２：主蒸気弁、２３：バイパス配管、２４：バイパス弁、
２５：蒸気タービン、２６：第２発電機、
３１_Ｆ、３５_Ｆ：流量計、３１_Ｔ、３３_Ｔ、３４_Ｔ、３５_Ｔ：温度計、
３２_Ｐ、３５_Ｐ：圧力計、３６：回転数計測器、
３７：電気出力計測器、３８_Ｔ、３９_Ｔ：仮想温度計、
４１：第１ＰＩＤ制御部、４２：第２ＰＩＤ制御部、４３：熱交換量予測部、
４４：入口蒸気温度設定部、４５：第３ＰＩＤ制御部、４６：開度選択部、
４７：温度選択部、４８：温度予測部、４９：ホールド部、５０：差分器

Claims (7)

1. 過熱器で過熱される蒸気に関する測定値であって、前記蒸気の温度および流量の測定値の少なくともいずれかを含む１つ以上の第１測定値と、前記過熱器の熱源に関する測定値であって、前記過熱器に供給される排ガスの温度および流量の測定値の少なくともいずれかを含む１つ以上の第２測定値とを受信する受信部と、
   前記第１および第２測定値に基づいて、前記蒸気または前記排ガスに関する１つ以上の予測値を算出し、前記１つ以上の予測値に基づいて、前記過熱器に前記蒸気を供給する減温器の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記過熱器の出口での前記蒸気の温度である出口蒸気温度の測定値および目標値に基づいて、前記過熱器の入口での前記蒸気の温度である入口蒸気温度の目標値を決定する第１制御部と、
   前記第１および第２測定値に基づいて前記１つ以上の予測値を算出する第２制御部と、
   前記入口蒸気温度の目標値と、前記１つ以上の予測値とに基づいて、前記減温器用のバルブの開度を算出し、前記開度を含む開度指令を出力することで前記減温器の動作を制御する第３制御部と、
   を備える蒸気温度制御装置。
2. 前記第１測定値は、前記過熱器の入口での前記蒸気の温度である前記入口蒸気温度の測定値と、前記蒸気の流量の測定値とを含み、
   前記第２測定値は、前記過熱器の入口での前記排ガスの温度である入口排ガス温度の測定値と、前記排ガスの流量の測定値とを含む、
   請求項１に記載の蒸気温度制御装置。
3. 前記第３制御部は、
   前記入口蒸気温度の目標値に基づいて前記開度を算出する第１開度制御部と、
   前記１つ以上の予測値とに基づいて前記開度を算出する第２開度制御部と、
   前記第１開度制御部により算出された前記開度と、前記第２開度制御部により算出された前記開度のいずれかの開度を選択し、選択した前記開度を含む前記開度指令を出力することで前記減温器の動作を制御する第３開度制御部と、
   を備える請求項１または２に記載の蒸気温度制御装置。
4. 前記１つ以上の予測値は、前記過熱器を通過中の前記蒸気の温度の予測値を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸気温度制御装置。
5. 過熱器で過熱される蒸気に関する測定値であって、前記蒸気の温度の測定値と、前記蒸気の流量の測定値の少なくともいずれかを含む１つ以上の第１測定値と、前記過熱器の熱源に関する測定値であって、前記過熱器に供給される排ガスの温度の測定値と、前記排ガスの流量の測定値と、前記過熱器の熱源であるボイラの燃料に関する測定値と、前記ボイラの燃焼ガスに関する測定値の少なくともいずれかを含む１つ以上の第２測定値とを受信する受信部と、
   前記第１および第２測定値に基づいて、前記蒸気、前記排ガス、前記燃料、または前記燃焼ガスに関する１つ以上の予測値を算出し、前記１つ以上の予測値に基づいて、前記過熱器に前記蒸気を供給する減温器の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記過熱器の出口での前記蒸気の温度である出口蒸気温度の測定値および目標値に基づいて、前記過熱器の入口での前記蒸気の温度である入口蒸気温度の目標値を決定する第１制御部と、
   前記第１および第２測定値に基づいて前記１つ以上の予測値を算出する第２制御部と、
   前記入口蒸気温度の目標値と、前記１つ以上の予測値とに基づいて、前記減温器用のバルブの開度を算出し、前記開度を含む開度指令を出力することで前記減温器の動作を制御する第３制御部と、
   を備える蒸気温度制御装置。
6. 過熱器で過熱される蒸気に関する測定値であって、前記蒸気の温度および流量の測定値の少なくともいずれかを含む１つ以上の第１測定値と、前記過熱器の熱源に関する測定値であって、前記過熱器に供給される排ガスの温度および流量の測定値の少なくともいずれかを含む１つ以上の第２測定値とを受信し、
   前記第１および第２測定値に基づいて、前記蒸気または前記排ガスに関する１つ以上の予測値を算出し、前記１つ以上の予測値に基づいて、前記過熱器に前記蒸気を供給する減温器の動作を制御する、
   ことを含み、
   前記減温器の動作の制御は、
   前記過熱器の出口での前記蒸気の温度である出口蒸気温度の測定値および目標値に基づいて、前記過熱器の入口での前記蒸気の温度である入口蒸気温度の目標値を決定し、
   前記第１および第２測定値に基づいて前記１つ以上の予測値を算出し、
   前記入口蒸気温度の目標値と、前記１つ以上の予測値とに基づいて、前記減温器用のバルブの開度を算出し、前記開度を含む開度指令を出力することで前記減温器の動作を制御する、
   ことを含む蒸気温度制御方法。
7. 蒸気を冷却する減温器と、
   前記減温器により冷却された前記蒸気を過熱する過熱器と、
   前記過熱器で過熱される蒸気に関する測定値であって、前記蒸気の温度および流量の測定値の少なくともいずれかを含む１つ以上の第１測定値と、前記過熱器の熱源に関する測定値であって、前記過熱器に供給される排ガスの温度および流量の測定値の少なくともいずれかを含む１つ以上の第２測定値とに基づいて、前記蒸気または前記排ガスに関する１つ以上の予測値を算出し、前記１つ以上の予測値に基づいて、前記減温器の動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記過熱器の出口での前記蒸気の温度である出口蒸気温度の測定値および目標値に基づいて、前記過熱器の入口での前記蒸気の温度である入口蒸気温度の目標値を決定する第１制御部と、
   前記第１および第２測定値に基づいて前記１つ以上の予測値を算出する第２制御部と、
   前記入口蒸気温度の目標値と、前記１つ以上の予測値とに基づいて、前記減温器用のバルブの開度を算出し、前記開度を含む開度指令を出力することで前記減温器の動作を制御する第３制御部と、
   を備える発電システム。

Images