JP6795419B2 - 湿分利用ガスタービン - Google Patents

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Description

本発明は、湿分利用ガスタービンに関する。
ガスタービンの一種に、燃焼用空気に含まれる湿分を増加させて出力や効率を向上させる湿分利用ガスタービンがある（特許文献１等を参照）。
特開２００４−３０８５９６号公報
近年、風力発電や太陽光発電に代表される再生可能エネルギーを用いた発電プラントが増加傾向にある。再生可能エネルギーから得られる発電量は季節、天候等により変動するため、ガスタービン発電プラントを用いて系統電力を安定化させている。再生可能エネルギーの発電量増加に伴い発電量の変動幅も増加しており、ガスタービン発電プラントには、系統電力を安定化させるべく、起動時間の短縮（高速起動）が求められてきている。しかしながら、タービン排ガスの熱を利用して高温の湿分を発生させて、圧縮空気の湿分を増加させる方式の湿分利用ガスタービンにおいては、所定の負荷で湿分の発生を待ってから負荷を上昇させる起動方法では、標準的なガスタービンに比べて、起動時間が長くなる。
また、湿分利用ガスタービンは、標準的なガスタービンに比べて燃焼ガス（タービン入口ガス）の比熱や熱伝達率が大きくなるため、標準的なガスタービンと同様の燃焼温度で運用すると、タービン翼の熱負荷が増加し短寿命化や損傷の発生につながる場合がある。一般的にタービン翼の熱負荷の増加を抑制する方策として、タービンの排気温度が設定値を超えないように制御して、燃焼ガス温度が制限値を超えないようにする方法がある。湿分利用ガスタービンに関して特許文献１では、圧縮空気に湿分を供給する際にタービンの排気温度を計測し、排気温度が所定の最適温度範囲に維持されるように燃料流量を制御している。しかしながら、湿分利用ガスタービンでは、圧縮空気に含まれる湿分量が増加し燃焼ガスに含まれる湿分量が増加すると、燃焼ガスの比熱や熱伝達率も増加し得るため、タービン翼の熱負荷が増加する可能性がある。特許文献１では、燃焼ガスに含まれる湿分量の増加により燃焼ガスの比熱や熱伝達率が増加することについては考慮されていないため、排気温度が所定の最適温度範囲となるよう排気温度制御されていても、燃焼ガスに含まれる湿分量の増加により燃焼ガス温度が制限値を超えてしまい、タービン翼の熱負荷が増加して許容値を超えてしまう可能性がある。
本発明は上記に鑑みてなされたもので、起動時間を短縮しつつ、タービン翼の熱負荷の増加を抑制することができる湿分利用ガスタービンを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る湿分利用ガスタービンは、燃焼ガスに含まれる湿分割合（燃焼ガス湿分割合）を演算（取得）する燃焼ガス湿分割合演算部と、前記燃焼ガス湿分割合と圧力比から前記燃焼ガス湿分割合の増加に応じて排気温度上限値を低く設定する排気温度上限演算部と、排気温度と前記排気温度上限値との差異を演算する排気温度差異演算部とを備え、従来の制御方法における排気温度差異の演算部に前記排気温度差異演算部を用いて燃料供給系統の燃料流量を制御することを特徴とする。
本発明によれば、起動時間を短縮しつつ、タービン翼の熱負荷の増加を抑制することができる湿分利用ガスタービンを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る湿分利用ガスタービン発電プラントの一構成例を表す図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置のブロック図である。 排気温度制御線を示す図である。 本発明の一実施形態に係る湿分利用ガスタービンの燃料流量制御弁を制御する手順を示したフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る湿分利用ガスタービン発電プラントの動作を例示する図である。 本発明の一実施形態に係る湿分利用ガスタービン発電プラントの動作を例示する図である。 本発明の一実施形態に係る湿分利用ガスタービン発電プラントの動作を例示する図である。
＜実施形態＞
（構成）
１．湿分利用ガスタービン発電プラント
図１は、本実施形態に係る湿分利用ガスタービン発電プラントの一構成例を表す図である。図１に示すように、本実施形態に係る湿分利用ガスタービン発電プラント１００は、湿分利用ガスタービン１０１及び負荷機器８を備えている。
湿分利用ガスタービン１０１は、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、加湿装置４、排熱回収装置５及び制御装置７を備えている。
圧縮機１は、タービン３により回転駆動され、吸気系統５２を介して大気から吸い込んだ空気（吸気）１６を圧縮して圧縮空気１７を生成し、圧縮空気系統５３を介して加湿装置４に供給する。吸気系統５２は、圧縮機１の入口部（不図示）に接続している。吸気系統５２には、吸気圧力取得部（圧力計）２３及び吸気流量取得部（流量計）４７が設けられている。吸気圧力取得部２３は、制御装置７と電気的に接続しており、吸気圧力に関する信号（吸気圧力信号）１１を制御装置７に出力する。吸気流量取得部４７は、制御装置７と電気的に接続しており、吸気流量に関する信号（吸気流量信号）４８を制御装置７に出力する。圧縮空気系統５３は、圧縮機１の出口部（不図示）と加湿装置４を接続している。圧縮空気系統５３には、吐出圧力取得部（圧力計）２４が設けられている。吐出圧力取得部２４は、制御装置７と電気的に接続しており、吐出圧力に関する信号（吐出圧力信号）１２を制御装置７に出力する。
加湿装置４は、圧縮機１から供給された圧縮空気１７に排熱回収装置５から供給された湿分１８を供給して加湿空気１９を生成し、燃焼器２に供給する。本実施形態では、加湿装置４として湿分噴射装置を想定しているが、増湿塔等を採用する構成も可能である。
燃焼器２は、加湿装置４から供給された加湿空気１９を、燃料供給系統６０を介して供給された燃料１０と混合して燃焼し、高温の燃焼ガス２０を生成してタービン３に供給する。燃料供給系統６０は、燃料供給源（不図示）と燃焼器２を接続している。燃料供給系統６０は、燃焼器２に燃料を供給する。燃料供給系統６０には、燃料流量制御弁９及び燃料流量取得部（流量計）５８が設けられている。燃料流量制御弁９は、燃焼器２に供給する燃料流量を制御（調整）するものである。本実施形態では、燃料流量制御弁９は、制御装置７と電気的に接続しており、制御装置７から指令信号Ｓ１を入力して開度を調節することにより、燃焼器２に供給する燃料流量を制御する。燃料流量取得部５８は、制御装置７と電気的に接続しており、燃焼器２に供給する燃料流量に関する信号（燃料流量信号）５５を制御装置７に出力する。
タービン３は、燃焼器２から供給された燃焼ガス（タービン入口ガス）２０が膨張することにより回転駆動される。タービン３を駆動した燃焼ガス２０は、タービン排ガス（排気）５１としてタービン３の出口部（不図示）から排出され、排気系統５４を介して排熱回収装置５に供給される。排気系統５４は、タービン３の出口部と排熱回収装置５を接続している。排気系統５４には、排気温度取得部（温度計）２６が設けられている。排気温度取得部２６は、排気５１の温度を取得する。排気温度取得部２６は、制御装置７と電気的に接続しており、排気温度に関する信号（排気温度信号）１４を制御装置７に出力する。
排熱回収装置５は、タービン３の排気５１から熱を回収して高温の湿分（本実施形態では、水蒸気）１８を発生させ、湿分系統５９を介して加湿装置４に供給する。本実施形態では、排熱回収装置５は熱交換器６を備えており、タービン３から供給された排気５１で熱交換器６を加熱し、熱交換器６に供給された水（給水）２２と熱交換することで高温の湿分１８を発生させている。湿分系統５９は、排熱回収装置５（熱交換器６）と加湿装置４を接続している。湿分系統５９には、供給湿分量制御弁５６及び供給湿分量取得部（流量計）２５が設けられている。供給湿分量制御弁５６は、加湿装置４に供給する湿分量（供給湿分量）を制御するものである。供給湿分量制御弁５６は、必ずしも排熱回収装置５と加湿装置４を繋ぐ流路に設ける必要はなく、湿分系統５９のバイパス経路（不図示）上にあっても良い。本実施形態では、供給湿分量制御弁５６は、制御装置７と電気的に接続しており、制御装置７からの指令信号Ｓ２を入力して開度を調節することにより、燃焼器２で安定燃焼などの所定の性能を発揮できるように加湿装置４に供給する湿分量を制御する。供給湿分量取得部２５は、制御装置７と電気的に接続しており、供給湿分量に関する信号（供給湿分量信号）１３を制御装置７に出力する。
負荷機器（本実施形態では、発電機）８は、タービン３と同軸に連結され、タービン３の回転動力を電力に変換する。本実施形態では、圧縮機１、タービン３及び負荷機器８はシャフト２１により相互に連結されており、タービン３で得られた回転動力の一部は圧縮機１を駆動する。負荷機器８は、制御装置７と電気的に接続しており、発電出力に関する信号（発電出力信号）５７を制御装置７に出力する。
２．制御装置
図２は、本実施形態に係る制御装置のブロック図である。制御装置７は、燃焼ガス湿分割合演算部３０で供給湿分量と吸気流量から燃焼ガスに含まれる湿分割合を計算し、排気温度上限演算部３２で、燃焼ガス湿分割合と圧力比から排気温度上限値を設定し、排気温度が上限値以下となるように燃料流量制御弁９の開度を制御するものである。図２に示すように、制御装置７は、燃焼ガス湿分割合演算部３０、排気温度上限演算部３２の他、吸気流量入力部２９、吸気圧力入力部３１、吐出圧力入力部２７、圧力比演算部４１、供給湿分量入力部２８、排気温度入力部３５、排気温度差異演算部３６、発電出力入力部３７、発電出力差異演算部３８、燃料流量指令値演算部４４、燃料流量指令値選択部４５及び制御指令値出力部４６を備えている。
・吸気流量入力部２９
吸気流量入力部２９は、吸気流量取得部４７から出力された吸気流量信号４８を入力する。
・吸気圧力入力部３１
吸気圧力入力部３１は、吸気圧力取得部２３から出力された吸気圧力信号１１を入力する。
・吐出圧力入力部２７
吐出圧力入力部２７は、吐出圧力取得部２４から出力された吐出圧力信号１２を入力する。
・圧力比演算部４１
圧力比演算部４１は、吸気圧力取得部２３及び吐出圧力取得部２４から吸気圧力と吐出圧力を入力し、吐出圧力を吸気圧力で割って、圧縮機１の圧力比を演算（取得）する。
・供給湿分量入力部２８
供給湿分量入力部２８は、供給湿分量取得部２５から出力された供給湿分量信号１３を入力する。
・燃焼ガス湿分割合演算部３０
燃焼ガス湿分割合演算部３０は、供給湿分量入力部２８及び吸気流量入力部２９から供給湿分量及び吸気流量を入力し、入力した供給湿分量及び吸気流量に基づいて、燃焼ガスに含まれる湿分の割合である燃焼ガス湿分割合を取得する。
本実施形態では、燃焼ガス湿分割合演算部３０は、例えば、供給湿分量及び吸気流量に基づいて、式（１）から燃焼ガス湿分割合を演算する。
ｒｗ＝Ｇｗ／（Ｇｉｎ＋Ｇｗ）・・・式（１）
但し、ｒｗ：燃焼ガス湿分割合、Ｇｉｎ：吸気流量、Ｇｗ：供給湿分量である。
・排気温度上限演算部３２
排気温度上限演算部３２では、燃焼ガス湿分割合によって変化する燃焼ガス温度の制限値や、排ガスダクトの温度制約などから予め求めておいた、圧縮機の圧力比に対する排気温度上限値の関数関係に基づき、排気温度上限値を演算（設定）する。設定される排気温度上限値は、例えば以下の式（２）〜式（４）で求められる。
Ｔｘ１＝Ｔｘsup（ｒｗ）・・・式（２）
但し、Ｔｘ１：排気温度の上限値１、Ｔｘsup：燃焼ガス湿分割合を変数とする排気温度上限値関数。排気系統の温度制約により予め定めておく。
Ｔｘ２＝Ｆ（πｃ，ｒｗ）・・・式（３）
但し、Ｔｘ２：排気温度の上限値２、πｃ：圧力比、
Ｆ（πｃ，ｒｗ）：圧力比と燃焼ガス湿分割合を変数とする排気温度上限値関数。燃焼ガス温度の制限値より関数形を予め定めておく。
Ｔｘ＝ｍｉｎ（Ｔｘ１，Ｔｘ２）・・・式（４）
但し、Ｔｘ：排気温度上限値、ｍｉｎ（Ｔｘ１，Ｔｘ２）：Ｔｘ１，Ｔｘ２ の最小値。
続いて排気温度制御線について説明する。図３は、排気温度制御線を示す模式図である。横軸は圧力比、縦軸は排気温度上限値を示している。排気温度制御線は、圧力比に応じた排気温度上限値の推移を示す線である。図３において、実線は、燃焼ガス湿分割合が第１の値（ゼロ、つまり圧縮空気に湿分が供給されていない場合）の排気温度制御線Ｌ１である。一点鎖線は、燃焼ガス湿分割合が第２の値の場合の排気温度制御線Ｌ２で、二点鎖線は、燃焼ガス湿分割合が予め設定された第３の値の場合の排気温度制御線Ｌ３を示している。なお図３は、燃焼ガス湿分割合が、第１の値、第２の値、第３の値の順で増加した場合の模式図を示している。湿分利用ガスタービンでは、圧縮空気に供給する湿分量が増加し燃焼ガス湿分割合が増加すると、燃焼ガスの比熱や熱伝達率も増加し得るため、本実施形態では、燃焼ガス湿分割合の増加に応じて排気温度制御線を変化させて排気温度上限値を設定している。
本実施形態では、排気温度制御線は圧力比に対して連続に定義され、排気温度上限値が圧力比に関係なく一定となる水平部と、排気温度上限値が圧力比の増加に伴い低下する下降部とを有している。図３に示す例では、排気温度制御線Ｌ１は水平部Ｌ１１及び下降部Ｌ１２、排気温度制御線Ｌ２は水平部Ｌ２１及び下降部Ｌ２２、排気温度制御線Ｌ３は水平部Ｌ３１及び下降部Ｌ３２を有している。排気温度制御線の水平部は、タービン排ガスの温度（排気温度）の制約によるものであり、排気温度が過度に高くなる（例えば、タービンの出口部に接続する排気系統を構成する部材の許容温度より高くなる）ことを抑制している。本実施形態では、排気温度制御線の水平部における排気温度上限値は、排気系統を構成する部材の許容温度に対し余裕をもって設定されている。排気温度制御線の下降部は、吐出圧力の増加に伴い排気温度上限値が低下するようにしてあり、燃焼ガス温度が過度に高くなる（例えば、タービン翼の耐熱温度より高くなる）ことを抑制しタービンを保護している。
本実施形態の排気温度制御線では、圧力比がある切替圧力比で水平部から下降部に移行するように設定されている。図３に示す例では、排気温度制御線Ｌ１の切替圧力比はΠｃ１、排気温度制御線Ｌ２の切替圧力比はΠｃ２、排気温度制御線Ｌ３の切替圧力比はΠｃ３で、排気温度制御線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の水平部の排気温度上限値は各々Ｔｘsup１、Ｔｘsup２、Ｔｘsup３である。
・排気温度入力部３５
排気温度入力部３５は、排気温度取得部２６から出力された排気温度信号１４を入力する。
・排気温度差異演算部３６
排気温度差異演算部３６は、排気温度入力部３５が入力した排気温度及び排気温度上限演算部３２で設定された排気温度上限値を入力し、排気温度と排気温度上限値の差異（第１の差異）を演算する。
・発電出力入力部３７
発電出力入力部３７は、負荷機器８から出力された発電出力信号５７を入力する。
・発電出力差異演算部３８
発電出力差異演算部３８は、発電出力入力部３７が入力した発電出力及び中央給電指令所等から要求される発電出力（発電要求量）を入力し、発電出力と発電要求量の差異（第２の差異）を演算する。
・燃料流量指令値演算部４４
燃料流量指令値演算部４４では、排気温度差異演算部３６で演算された第１の差異を入力して第１の燃料流量指令値を計算し、発電出力差異演算部３８で演算された第２の差異を入力して第２の燃料流量指令値を計算し、回転数やその他の運転状態から第３の燃料流量指令値などを演算する。
・燃料流量指令値選択部４５
燃料流量指令値選択部４５は、燃料流量指令値演算部４４で演算された複数の燃料流量指令値から、その最小値を燃料供給系統の燃料流量を制御する燃料流量制御指令値として選択する。
・制御指令値出力部４６
制御指令値出力部４６は、燃料流量指令値選択部４５で選択された燃料流量制御指令値に基づき燃料流量制御弁９の制御指令値を演算し、燃料流量制御弁９に指令信号Ｓ１を出力する。
（動作）
・燃料流量制御弁９の制御手順
本実施形態に係る湿分利用ガスタービンの燃料流量制御弁９を制御する手順について説明する。図４に、本実施形態に係る湿分利用ガスタービンの燃料流量制御弁９を制御する手順をフローチャートで示す。
供給湿分量入力部２８は、供給湿分量取得部２５で取得された供給湿分量を入力する（ステップＢ１）。
吸気流量入力部２９は、吸気流量取得部４７で取得された吸気流量を入力する（ステップＢ２）。
燃焼ガス湿分割合演算部３０は、供給湿分量入力部２８が入力した供給湿分量と吸気流量入力部２９が入力した吸気流量に基づき、燃焼ガス湿分割合を演算する（ステップＢ３）。
吸気圧力入力部３１は、吸気圧力取得部２３で取得された吸気圧力を入力する（ステップＢ４）。
吐出圧力入力部２７は、吐出圧力取得部２４で取得された吐出圧力を入力する（ステップＢ５）。
圧力比演算部４１は、吸気圧力入力部３１で入力された吸気圧力と、吐出圧力入力部２７で入力された吐出圧力から圧力比を演算する（ステップＢ６）。
排気温度上限演算部３２は、燃焼ガス湿分割合演算部３０で演算して得られた燃焼ガス湿分割合と圧力比演算部４１で演算して得られた圧力比に基づき、排気温度上限値を演算する（ステップＢ７）。
排気温度入力部３５は、排気温度取得部２６で取得された排気温度を入力する（ステップＢ８）。
排気温度差異演算部３６は、排気温度入力部３５が入力した排気温度と排気温度上限演算部３２で演算された排気温度上限値に基づき、第１の差異ΔＴを演算する（ステップＢ９）。
発電出力入力部３７は、負荷機器８から発電出力を取得する（ステップＢ１０）。
発電出力差異演算部３８は、発電出力入力部３７が取得した発電出力と発電要求量に基づき、第２の差異ΔＥを演算する（ステップＢ１１）。
続いて、燃料流量指令値演算部４４は、排気温度差異演算部３６で演算された第１の差異を入力して第１の燃料流量指令値を計算し、発電出力差異演算部３８で演算された第２の差異を入力して第２の燃料流量指令値を計算し、回転数やその他の運転状態から第３の燃料流量指令値などを演算する（ステップＢ１２）。
燃料流量指令値選択部４５は、燃料流量指令値演算部４４で演算された複数の燃料流量指令値から、その最小値を燃料供給系統の燃料流量を制御する燃料流量制御指令値として選択する（ステップＢ１３）。
続いて、制御指令値出力部４６は、燃料流量指令値選択部４５で選択した指令値に基づき、指令信号Ｓ１を出力する（ステップＢ１４）。
・湿分利用ガスタービン発電プラント１００の動作
本実施形態に係る湿分利用ガスタービン発電プラント１００の動作について、起動時を例にして説明する。図５〜７は、本実施形態に係る湿分利用ガスタービン発電プラントの動作を例示する図である。図５において、横軸は圧力比、縦軸は排気温度上限値を示し、実線は燃焼ガス湿分割合が第１の値（ゼロ）である場合の排気温度制御線Ｌａ、一点鎖線は燃焼ガス湿分割合が第２の値の場合の排気温度制御線Ｌｂを示している。図６において、横軸は供給湿分量、縦軸は排気温度を示し、実線は供給湿分量の増加に伴う排気温度上限値の推移を示す排気温度上限値推移線Cを示している。図７において、横軸は供給湿分量、縦軸は発電出力を示し、実線は供給湿分量の増加に伴う発電出力の上限値の推移を示す出力上限値推移線D、一点鎖線は起動完了時の目標出力（定格出力など）を示す起動時目標出力線Ｒを示している。出力上限値推移線Dは、各燃焼ガス湿分割合において、排気温度が排気温度上限値となった場合の出力を示している。ここでは、起動時に予め設定した負荷上昇率に従って発電要求量を増加させる制御を想定する。
湿分利用ガスタービン発電プラント１００の起動時は排気温度が低いため、湿分利用ガスタービン発電プラント１００の起動後しばらく（第１の時間ｔ１の間）は湿分が供給されない（つまり、供給湿分量がゼロ）。負荷上昇に伴い排気温度も上昇するが、湿分が供給され始めるより前に排気温度が排気温度制御線Ｌａの排気温度上限値に到達する場合について、図５、図６に示す。第１の時間ｔ１の間、燃料流量制御指令値として、第１の差異ΔＴから演算された第１の燃料流量指令値、第２の差異ΔＥから演算された第２の燃料流量指令値、燃料流量指令値演算部４４で回転数やその他の運転状態から演算された第３の燃料流量指令値の最小値が燃料流量指令値選択部４５で選択される。ここで、排気温度が排気温度制御線Ｌａの排気温度上限値に到達するまでは、排気温度差異演算部３６で演算された第１の差異ΔＴも発電出力差異演算部３８で演算された第２の差異ΔＥも正であるため、第１から第３の燃料流量指令値のどれが選択されるかは状況により異なる。しかし、第１の時間ｔ１の間は起動時の負荷上昇フェーズであるため、第１から第３の燃料流量指令値はいずれも燃料流量を増加させる指令値となる。よって制御指令値出力部４６が、選択された燃料流量制御指令値に基づいて燃料流量制御弁９の開度を増加させる制御指令値を演算し、燃料流量制御弁９に指令信号Ｓ１を出力するため、発電プラントの燃料流量が増加して負荷が上昇する。排気温度が排気温度制御線Ｌａの排気温度上限値に到達すると、第１の差異ΔＴがゼロとなるため、燃料流量指令値選択部４５で排気温度を上昇させないように演算された第１の燃料流量指令値が選択され、排気温度が一定に保たれる。このとき燃料流量が増加しないので、湿分の供給が始まるまで負荷も一定となる。
その後、湿分が供給され始めると、湿分供給量に応じて負荷が上昇すると共に排気温度が低下する。この時、第２の差異ΔＥ（発電出力と発電要求量との差異）が大きいと、湿分供給量の増加による排気温度低下が、負荷上昇で燃料流量が増加することによる排気温度の上昇に相殺される場合がある。この場合、排気温度上限値は燃焼ガス湿分割合の増加に応じて低下するため、第１の差異ΔＴ（排気温度と排気温度上限値との差異）は低下した排気温度上限値から演算されることになり、これを用いた第１の燃料流量指令値が燃料流量指令値選択部４５で選択されて、排気温度が上限値となるように燃料流量が制御され、排気温度が上限値推移線C上を（図６）推移する（第２の時間ｔ２）。このとき出力は出力上限値推移線D上を（図７）推移し、供給湿分量の増加に伴い定格出力等の目標出力に到達する。
目標出力に到達すると、第２の差異ΔＥ（発電出力と発電要求量との差異）がゼロとなるため、これを用いた第２の燃料流量指令値が燃料流量指令値選択部４５で選択されて、発電出力が発電要求量（起動時目標出力）となるように燃料流量が制御される。目標出力到達後に引き続き供給湿分量が増加すると、発電出力は起動時目標出力線Ｒ上に移り、発電出力は一定のまま排気温度が低下し、排気温度制御線Ｌｂより低くなる（図５〜図７：第３の時間ｔ３）。
（効果）
（１）本実施形態では、供給湿分量に依存せずに、予め設定した負荷上昇率に従って変化する発電要求量に追随するように燃料流量指令値を選択し、燃料流量制御弁９を制御している。そのため、所定の部分負荷で保持し、湿分の供給開始を待ってから負荷上昇させる必要がなく、待機時間を省略できるため、起動時間を短縮することができる。また、所定の部分負荷で待機せずに早期に負荷を上昇させるため、排気温度も高温となり、湿分の供給開始時間も早まり、起動時目標出力（定格出力など）への到達時間を早めることができる。
さらに、排気温度上限値に対して供給湿分量の依存性を考慮しなければ、湿分量が少ない運転状態でも湿分量が多い場合に備えて排気温度の上限値を低く設定する必要がある。このため、起動時の負荷上昇で排気温度が低く抑えられ、供給開始までの待機時間が延びる可能性がある。排気温度上限値に対して供給湿分量の依存性を考慮することにより、これを回避できる可能性がある。
（２）本実施形態では、湿分の供給開始以降、燃焼ガス湿分割合に応じて排気温度上限値を低下させているため、低下させた排気温度上限値を超えないように燃料流量指令値を選択し、燃料流量制御弁９を制御している。そのため、圧縮空気に湿分が供給されて燃焼ガスに含まれる湿分量が増加しても、排気温度が上限値を超えることを回避することができ、タービン翼の熱負荷が許容値を超えることを抑制することができる。
以上のことから、本実施形態では、起動時間を短縮しつつ、タービン翼の熱負荷の超過を抑制することができる。
＜その他＞
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態の構成の一部を削除及び置換することも可能である。
上述した実施形態では、湿分利用ガスタービン１０１が加湿装置４を備える構成を例示した。しかしながら、本発明の本質的効果は、起動時間を短縮しつつ、タービン翼の熱負荷の増加を抑制することができる湿分利用ガスタービンを提供することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、加湿装置４の代わりに圧縮機１の吸気１６に湿分を供給する、ＷＡＣ（Ｗａｔｅｒ Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｏｌｉｎｇ）や吸気冷却装置を圧縮機１の入口側に設ける構成としても良い。また、排熱回収装置５で発生させた湿分１８の一部または全部を燃焼器２に供給して加湿空気１９を生成し、燃料１０と混合して燃焼し燃焼ガス２０を生成する構成としても良い。ここで湿分１８の全部を燃焼器２に供給する構成では、加湿装置４の機能を燃焼器２に統合できる。
また、上述した実施形態では、湿分系統５９に設けた流量計２５により供給湿分量を取得する構成を例示した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。例えば、排熱回収装置５で発生させた湿分を湿分噴射装置を介して加湿装置４に供給する場合、湿分噴射装置が備えるバルブの開度に基づき供給湿分量を取得する構成としても良い。また、加湿装置４として増湿塔を備える構成の場合、増湿塔への供給水量と増湿塔からの抜出水量との差分に基づき供給湿分量を取得する構成や増湿塔下部タンクの水位変化と供給水量（または抜出水量）に基づき供給湿分量を取得する構成としても良い。また、燃焼器に供給される圧縮空気の湿分割合を計測器で直接計測する構成としても良い。
また、上述した実施形態では、燃焼ガス湿分割合演算部３０が、供給湿分量及び吸気流量に基づき燃焼ガス湿分割合を取得する構成を例示した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。例えば、燃焼ガス湿分割合演算部３０が、上述した機能に加えて、燃焼器２で燃料の燃焼時に生成される燃焼時生成湿分量を燃料流量から演算し、取得した燃焼時生成湿分量を考慮して燃焼ガス湿分割合を演算するように構成されていても良い。これにより、供給湿分量及び吸気流量のみに基づき燃焼ガス湿分割合を取得する構成に比べて、燃焼ガス湿分割合の精度を向上させることができ、タービン翼の熱負荷の超過をより精度よく抑制することができる。
また、上述した実施形態では、排気温度上限演算部３２が、燃焼ガス湿分割合演算部３０で演算した燃焼ガス湿分割合を入力し、入力した燃焼ガス湿分割合に基づき排気温度上限値を所与の関数を用いて演算する構成を例示した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。例えば、排気温度上限演算部３２が予め排気温度制御線を燃焼ガス湿分割合の所与の範囲毎に設定しており、燃焼ガス湿分割合演算部３０が取得した燃焼ガス湿分割合に応じた排気温度制御線を選択する構成としても良い。
また、上述した実施形態では、排気温度上限演算部３２で排気温度上限値が燃焼ガス湿分割合の関数で演算する構成を例示した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。例えば、排気温度上限演算部３２で排気温度上限値を燃焼ガス湿分割合に拠らないように設定し、燃料流量指令値演算部４４で、第１の差異ΔＴ（排気温度と排気温度上限値との差異）から演算される第１の燃料流量指令値を、燃焼ガス湿分割合に基づいて補正して、第１の燃料流量指令値を演算する構成としても良い。
また、上述した実施形態では、吐出圧力入力部２７が入力した吐出圧力と吸気圧力入力部３１が入力した吸気圧力に基づき、圧力比演算部４１が圧力比を演算する構成を例示した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。例えば、圧力比演算部４１が、吐出圧力を入力する代わりに、圧縮機の回転数と吸気流量取得部４７が取得した吸気流量を入力し、入力した回転数及び吸気流量に基づいて吐出圧力を演算して圧力比を演算する構成としても良い。また、圧力比に換えて吐出圧力を用いる構成としても良い。この場合、排気温度上限値が吐出圧力に対して定義される構成となり、吸気圧力入力部３１や圧力比演算部４１などが必須ではなくなる。
また、上述した実施形態では、燃料流量指令値選択部４５で第１、第２、第３の燃料流量指令値から選択するように記述しているが、第３の燃料流量指令値として記述している回転数やその他の運転状態から演算される燃料流量指令値が複数個に分割されていても良く、これらと第１、第２の燃料流量指令値から燃料供給系統の燃料流量を制御する燃料流量制御指令値を選択する構成としても良い。
また、上述した実施形態では、発電出力と発電要求量の差異に基づき指令値を演算し、燃料流量制御弁９を制御する構成を例示した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。例えば、発電出力の代わりにトルクを取得し、トルクと要求トルクの差異に基づき指令値を演算して、燃料流量制御弁９を制御する構成としても良い。
また、上述した実施形態では、圧縮機１、タービン３及び負荷機器８がシャフト２１により相互に連結された一軸式ガスタービンに本発明を適用した場合を例示した。しかしながら、本発明の適用対象は一軸式ガスタービンに限定されない。例えば、二軸式ガスタービンにも本発明は適用可能である。また、コンバインドサイクル発電システムの排熱回収ボイラで発生する蒸気を流用してガスタービンに蒸気を供給する構成とした場合にも本発明は適用可能である。
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
５ 排熱回収装置
９ 燃料流量制御弁
１０ 燃料
１６ 空気（吸気）
１７ 圧縮空気
１８ 湿分
１９ 加湿空気
２０ 燃焼ガス（タービン入口ガス）
２６ 温度計（排気温度取得部）
３０ 燃焼ガス湿分割合演算部
３２ 排気温度上限演算部
３６ 排気温度差異演算部
３８ 発電出力差異演算部
４４ 燃料流量指令値演算部
４５ 燃料流量指令値選択部（選択部）
４６ 制御指令値出力部（出力部）
６０ 燃料供給系統
１０１ 湿分利用ガスタービン

Claims (10)

  1. 空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、
    前記圧縮機の圧力比を演算する圧力比演算部と、
    前記圧縮機の吸気または前記圧縮機で生成された圧縮空気に湿分を供給する湿分系統と、
    前記吸気または前記圧縮空気に湿分を供給して生成される加湿空気を燃料と混合して燃焼し、燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
    前記燃焼ガスに含まれる湿分割合である燃焼ガス湿分割合を取得する燃焼ガス湿分割合演算部と、
    前記燃焼器に燃料を供給し、燃料流量制御弁が設けられた燃料供給系統と、
    前記燃焼器から供給される燃焼ガスで回転駆動されるタービンと、
    前記タービンを駆動して排出される排気の温度である排気温度を取得する排気温度取得部と、
    前記排気温度の上限値を前記燃焼ガス湿分割合と前記圧力比に応じて演算し、前記燃焼ガス湿分割合の増加に応じて前記排気温度の上限値を低く設定する排気温度上限演算部と、
    前記排気温度上限演算部で演算された排気温度上限値と前記排気温度に基づき演算される燃料流量指令値を用いて前記燃料流量制御弁に指令信号を出力する制御指令値出力部と
    を備えることを特徴とする湿分利用ガスタービン。
  2. 請求項１に記載の湿分利用ガスタービンにおいて、
    前記吸気または前記圧縮空気に供給される湿分の一部または全部を前記燃焼器に供給することを特徴とする湿分利用ガスタービン。
  3. 請求項１又は２に記載の湿分利用ガスタービンにおいて、
    前記排気の熱を回収して湿分を発生させ、湿分系統に湿分を供給する排熱回収装置を備えることを特徴とする湿分利用ガスタービン。
  4. 請求項３に記載の湿分利用ガスタービンにおいて、
    前記排気温度取得部は、前記タービンと前記排熱回収装置を接続する排気系統に設けられた温度計であることを特徴とする湿分利用ガスタービン。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の湿分利用ガスタービンにおいて、
    前記燃焼ガス湿分割合演算部は、湿分系統で供給する湿分量に基づき前記燃焼ガス湿分割合を演算することを特徴とする湿分利用ガスタービン。
  6. 請求項５に記載の湿分利用ガスタービンにおいて、
    前記燃焼ガス湿分割合演算部は、前記燃焼器に供給する燃料流量に基づき前記燃焼器における燃料の燃焼で生成される燃焼時生成湿分量を演算し、演算した燃焼時生成湿分量を考慮して前記燃焼ガス湿分割合を演算することを特徴とする湿分利用ガスタービン。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の湿分利用ガスタービンにおいて、
    排気温度上限演算部が、予め設定した前記燃焼ガス湿分割合と前記圧力比の関数で前記排気温度の上限値を演算することを特徴とする湿分利用ガスタービン。
  8. 空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機の吸気または前記圧縮機から供給された圧縮空気に湿分を供給して生成される加湿空気と燃料とを混合して燃焼し、燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスで回転駆動されるタービンと、前記タービンを駆動して排出される排気の熱を回収して湿分を発生させ、湿分系統に湿分を供給する排熱回収装置と、前記燃焼器に燃料を供給し、燃料流量制御弁が設けられた燃料供給系統と、前記排気の温度である排気温度を取得する排気温度取得部とを備えた湿分利用ガスタービンの制御方法において、
    前記燃焼ガスに含まれる湿分の割合である燃焼ガス湿分割合を取得するステップと、
    前記排気温度の上限値と前記燃焼ガス湿分割合との関係を予め設定しておいて、取得された燃焼ガス湿分割合の増加に応じて前記排気温度の上限値を低く設定するステップと、
    前記排気温度の上限値と前記排気温度取得部で取得した前記排気温度に基づき燃料流量指令値を演算するステップと、
    前記燃料流量指令値を用いて前記燃料流量制御弁に指令信号を出力するステップと
    を備えることを特徴とする湿分利用ガスタービンの制御方法。
  9. 空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機の吸気または前記圧縮機から供給された圧縮空気に湿分の一部を供給して生成される加湿空気と燃料とを混合して燃焼し、かつ湿分の残りも供給して燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスで回転駆動されるタービンと、前記タービンを駆動して排出される排気の熱を回収して湿分を発生させ、湿分系統に湿分を供給する排熱回収装置と、前記燃焼器に燃料を供給し、燃料流量制御弁が設けられた燃料供給系統と、前記排気の温度である排気温度を取得する排気温度取得部とを備えた湿分利用ガスタービンの制御方法において、
    前記燃焼ガスに含まれる湿分の割合である燃焼ガス湿分割合を取得するステップと、
    前記排気温度の上限値と前記燃焼ガス湿分割合との関係を予め設定しておいて、取得された燃焼ガス湿分割合の増加に応じて前記排気温度の上限値を低く設定するステップと、
    前記排気温度の上限値と前記排気温度取得部で取得した前記排気温度に基づき燃料流量指令値を演算するステップと、
    前記燃料流量指令値を用いて前記燃料流量制御弁に指令信号を出力するステップと
    を備えることを特徴とする湿分利用ガスタービンの制御方法。
  10. 空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼し、かつ湿分も供給して燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスで回転駆動されるタービンと、前記タービンを駆動して排出される排気の熱を回収して湿分を発生させ、湿分系統に湿分を供給する排熱回収装置と、前記燃焼器に燃料を供給し、燃料流量制御弁が設けられた燃料供給系統と、前記排気の温度である排気温度を取得する排気温度取得部とを備えた湿分利用ガスタービンの制御方法において、
    前記燃焼ガスに含まれる湿分の割合である燃焼ガス湿分割合を取得するステップと、
    前記排気温度の上限値と前記燃焼ガス湿分割合との関係を予め設定しておいて、取得された燃焼ガス湿分割合の増加に応じて前記排気温度の上限値を低く設定するステップと、
    前記排気温度の上限値と前記排気温度取得部で取得した前記排気温度に基づき燃料流量指令値を演算するステップと、
    前記燃料流量指令値を用いて前記燃料流量制御弁に指令信号を出力するステップと
    を備えることを特徴とする湿分利用ガスタービンの制御方法。
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