JPH0719456A - コンバインドサイクル発電プラントの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】発電出力の目標値に対する追従性の改善を図る
と共に、ガス圧力の目標値からの偏差を小さくすること
にある。 【構成】石炭をガス化，精製し、これをガスタービンの
燃料として供給して発電を行い、さらにガスタービンの
排ガスによる熱を用いて蒸気を発生させ、これを蒸気タ
ービンに供給して発電を行うコンバインド発電プラント
で、ガス化炉及びガスタービンの制御装置に操作量を与
えるプラント制御装置において、発電プラント２７の動
特性のモデルを用いてそれまでの運転状態から推定され
る発電出力とガス圧力の将来に渡る予測値を計算する予
測モデル部２９を設け、この予測モデル部の予測値を用
いて前記ガス化炉及びガスタービンの制御装置に与える
操作量を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石炭ガス化コンバイン
ドサイクル発電プラントにおいて、特に発電出力及び発
生ガス圧力を制御する制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭ガス化コンバインドサイクル発電プ
ラントでは、石炭をガス化，精製し、これをガスタービ
ンの燃料として発電に用い、さらにガスタービンの排ガ
スによる熱を用いて蒸気を発生し、これを蒸気タービン
での発電に用いている。

【０００３】図３はかかる石炭ガス化コンバインドサイ
クル発電プラントの系統構成の一例を示すものである。
図３において、ガス化炉３には酸化剤が酸化剤流量調節
弁１を介して供給されると共に、石炭が石炭流量制御装
置３を介して供給され、このガス化炉３でガス化，精製
されたガスはガス冷却器４を通してガス精製設備５に蓄
えられる。

【０００４】このガス精製設備５に蓄えられたガスは、
ガスタービン制御弁６を通して燃焼器７に供給され、こ
こで圧縮機８から供給される空気により燃焼させ、その
とき生じる高温高圧の膨脹したガスによりガスタービン
９を駆動して発電機１０により発電を行う。このガスタ
ービン９から排気される排ガスは排熱回収蒸気発生器１
２を通して外部に排出される。

【０００５】一方、この排熱回収蒸気発生器１２には、
ガス冷却器４との間を循環するドラム１１の循環水から
発生した蒸気が供給され、この蒸気をさらに前述した排
ガスによる熱により加熱した後、蒸気タービン制御弁１
４を通して蒸気タービン１５に供給することで蒸気ター
ビン１５を駆動して発電機１６により発電を行う。

【０００６】この蒸気タービン１５から排気された蒸気
は復水器１７により復水され、ガス冷却器ドラム１１に
戻されると共に、排熱回収蒸気発生器１２を通してドラ
ム１３に供給される。このドラム１３に蓄えられている
水は排熱回収蒸気発生器１２との間を循環させることで
蒸気を発生させ、この蒸気を前述したドラム１１から送
られてくる蒸気と合流させて蒸気タービン１５に供給さ
れる。

【０００７】このような構成の石炭ガス化コンバインド
サイクル発電プラントにおいて、発電出力及び発生ガス
圧力を制御するには、プラント制御装置１８に発電出力
目標値１９と発電機１０，１６の発電出力及びガス精製
設備５に蓄えられているガス圧力を入力し、その制御指
令をそれぞれ独立したガス化炉制御装置２０及びガスタ
ービン制御装置２１に与え、発電出力の安定な電力供給
のために発電出力目標値と発電出力との間に偏差がない
ように調整し、また石炭からガス化されたガスの圧力は
プラントの安定な運用の指標としてある圧力に調整して
いる。

【０００８】この場合、上記プラント制御装置１８にお
いて、制御量としては発電出力、ガス圧力であり、操作
量としてはガス化炉への石炭の供給を調整するガス化炉
制御装置２０への制御指令と、ガスタービンでのガス燃
料消費量を調整するガスタービン制御装置２１への制御
指令となる。

【０００９】ところで、プラント制御装置１８よりガス
化炉制御装置２０及びガスタービン制御装置２１に制御
指令を与える場合、操作量と制御量との組合せとして次
の二通りがある。

【００１０】（１）発電出力−ガスタービン制御装置、
ガス圧力−ガス化炉制御装置 （２）発電出力−ガス化炉制御装置、ガス圧力−ガスタ
ービン制御装置 上記（１）の組合せのものは、発電出力とその目標値を
見ておいてそれらの量による制御演算の結果をガスター
ビン制御装置に送り、ガスタービンで消費する燃料の量
を変えることにより、ガスタービンと上記タービンで発
生する発電出力を操作する。このときガスタービンで消
費するガスの量が変わるので、プラントの発生ガス量と
消費ガス量とに不均衡が生じてガスの圧力が変わる。こ
のため、ガス圧力の目標値と検出されたプラントのガス
圧力の値から制御演算を行い、ガス化炉制御装置での発
生ガス量を調整することでガス圧力を目標値に保つ。

【００１１】図４はかかるプラント制御装置１８の構成
例を示すブロック図で、発電機１０，１６の発電出力が
入力される加算器２３及びこの加算器２３の加算出力と
発電出力目標値１９とが入力され、両者の間に偏差が生
じないような制御指令をガスタービン制御装置２１に与
える比例積分コントローラ２４と、ガス圧力測定値２２
とガス圧力目標値２６とが入力され、両者の間に偏差が
生じないような制御指令をガス化炉制御装置２０に与え
る比例積分コントローラ２５とから構成されている。

【００１２】また、上記（２）の組合せのものは、発電
出力の変化時にまず発電出力の制御演算結果をガス化炉
制御装置に送り、ガス化炉で発生するガス量を変化させ
る。ガス圧力制御の演算結果はガスタービン制御装置に
送られ、ガスタービンで消費するガス量を変えることで
ガス圧力を一定に保つ。このため、ガスタービンで消費
する燃料流量が変わるため、発電出力も変化する。

【００１３】このように何ずれの制御方式においても、
ガスの圧力と発電出力は独立して制御するように構成さ
れ、またガスの圧力と発電出力は制御周期時点でのプラ
ントからの計測値のみが用いられている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなプ
ラント制御装置では、石炭ガス化発電プラントのガス化
システムを構成する設備自体が大きなガス相の体積を持
っているため、ガス消費量を変えても圧力が変化するま
でに大きな時間遅れがあり、また圧力制御についてはフ
ィードバック制御の安定性の悪いシステムとなってい
る。

【００１５】また、圧力の変化が遅いので、上記（２）
の制御方式では発電出力の目標値変化に対する追従性が
悪くなる。また、ガス化炉では石炭と酸化剤の適正な供
給のための制御が行われるが、石炭の供給についても速
い応答性が得られないため、プラント制御装置から見る
と大きな時間遅れを持った系となっており、フィードバ
ック制御の安定性が悪く、追従性も悪いシステムであ
る。

【００１６】さらに、プラントの発電出力とガス圧力が
独立に制御されているため、発電出力を変化させるには
必ずガスの圧力に外乱を与えることになる。

【００１７】本発明は、このようなプラントの持つ過渡
時の大きな時間送れに対するフィードバック制御の安定
性の向上と発電出力の追従性の向上、発電出力変更時の
ガス圧力への外乱の抑制を改善することができるコンバ
インドサイクル発電プラントの制御装置を提供すること
を目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、石炭をガス化，精製し、これをガスタービ
ンの燃料として供給して発電を行い、さらにガスタービ
ンの排ガスによる熱を用いて蒸気を発生させ、これを蒸
気タービンに供給して発電を行うコンバインド発電プラ
ントで、ガス化炉及びガスタービンの制御装置に操作量
を与えるプラント制御装置において、発電プラントの動
特性のモデルを用いてそれまでの運転状態から推定され
る発電出力とガス圧力の将来に渡る予測値を計算する予
測モデル部を設け、この予測モデル部の予測値を用いて
前記ガス化炉及びガスタービンの制御装置に与える操作
量を決定するようにしたものである。

【００１９】また、発電出力及びガス圧力の両方、ある
いは一方でも将来の目標値が与えられる場合には、この
将来の目標値と推定された予測値を用いて操作量を決定
するようにしたものである。

【００２０】

【作用】このような構成のコンバインドサイクル発電プ
ラントの制御装置にあっては、予測モデル部で演算され
た予測値を用いることで、時間遅れのある制御対象に対
して時間遅れを考慮した操作量を得ることが可能とな
る。例えば、現時刻で操作量を変化させたときの制御量
の変化は、時間送れ分だけ遅れて出力となって現れるの
で、時間遅れ分の将来の予測値が現時刻の操作量変化に
対する制御量の変化と見なせる。この予測値を用いるこ
とで、現時刻の上方を用いて時間遅れを考慮した制御を
実行することができる。

【００２１】また、発電出力の将来の目標値を用いるこ
とで、将来の目標値と将来の予測された発電出力の偏差
が推定できるので、予めこの予測された偏差が小さくな
るような制御信号を作ることができる。

【００２２】さらに、発電出力を変化差せる時のガス圧
力の変動を予測することで、予めこの変動を抑えるよう
な制御信号を作ることができる。

【００２３】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

【００２４】図１は本発明によるコンバインドサイクル
発電プラントの制御装置の構成例を示すブロック図であ
る。図１に示すようにプラント制御装置２８は、石炭ガ
ス化コンバインド発電プラント２７からの発電出力及び
ガス圧力の計測信号とプラント２７に与える制御信号を
入力してプラントの発電出力とガス圧力の将来の振舞い
を演算する予測モデル部２９と、この予測モデル部２９
で演算された予測信号と発電出力目標値１９との偏差信
号から制御信号を求めてプラント２７及び予測モデル部
２９に与える制御演算器３０から構成するもので、本制
御装置２８はデイジタル制御装置として実現される。

【００２５】上記予測モデル部２９は、一種の動特性シ
ミュレータであって、制御周期毎にこれまでのプラント
２７に送られていた制御信号の時系列データとプラント
からの現時刻までの発電出力とガス圧力の時系列データ
からプラント２７のこれからの動きを予測するものであ
るが、この予測モデル部２９には実機プラントの動特性
を近似しているので、その予測値には誤差がある。

【００２６】したがって、予測値の計算において、モデ
ルの将来の振舞はこれまでの出力と入力と将来予想され
る入力から計算されるが、現時刻までのモデルの出力は
計算値であって誤差がある。この誤差をもったデータで
予測計算を行うと、誤差が累積して行く。このため、将
来のプラントの出力についての計算に用いる現時刻まで
のプラントの出力値としてはモデルの計算値を用いず
に、実機プラントの出力データを用いてモデルで計算さ
れる予測値の修正を行う。この修正を制御周期毎に行う
ことでモデルによるプラント出力の予測誤差をより小さ
くする。

【００２７】次に上記のように構成されたコンバインド
サイクル発電プラントの制御装置のさようを述べる。

【００２８】まず、プラントのガス圧力制御について説
明する。石炭ガス化プラントのガス生成を行う設備は、
図３に示すようにガス化炉３からガス冷却器４、ガス精
製設備５までの大きな体積を持つため、制御信号の変化
に対してプラントから計測される信号は先の時間になっ
て制御信号の影響を受けて現れてくる。

【００２９】一般に制御信号の計算は、制御信号の変化
による被制御量の変化に時間遅れが少ない、すなわち位
相の遅れが小さいほど、安定性や制御性の良いものが得
られる。このためにガス圧力の制御についても将来のプ
ラントの予測値があたかもプラントからの信号のように
見なして制御を行うことで、時間遅れを小さくでき、制
御性を向上させることができる。

【００３０】図２にこのような制御の動きを示す。図２
（ａ）は予測値を用いて制御を行うもので、制御の効果
が現れてくるまでの信号を予測し、この予測値を用いて
制御信号の計算を行う。図２（ｂ）は現時刻の信号を用
いて制御信号の計算を行うもので、制御信号を変化させ
てもガスの圧力はすぐには変化しないため、変化の起こ
り始める時間まで制御信号を増加させ続ける。このた
め、ガス圧力の上昇の行き過ぎが大きくなり、さらにそ
こで制御信号を減らし始めてもガス圧力はすぐには低下
しない。

【００３１】このように予測モデル２９を用いることに
より、ガス圧力の制御性を向上させることができる。こ
れはガス化炉制御装置２０に圧力制御の制御信号を与え
る場合でも、ガスタービン制御装置２１に圧力制御の制
御信号を与える場合でも同様である。

【００３２】この場合、予測値を用いた制御信号の計算
は、従来よく用いられている比例積分制御による計算で
あってもよく、またいわゆる現代制御理論で言われてい
る最適レギュレータ等による設計でもよく、特にその計
算方法が限定されるものではない。

【００３３】また、発電出力の変更をガス化炉制御装置
２０を操作してガスの発生量を変え、ガスタービン制御
装置２１でガス圧力を制御するような制御方式の場合に
は、これまでに述べた方式により、ガス化炉制御装置２
０の制御信号の変化により将来のガス圧力の変化を予測
して実際にガスの圧力が変化する前からガスタービンで
消費するガスの量を変えることで、発電出力の変更要求
に対して追従性のよい制御が行える。

【００３４】さらに、将来に渡る発電出力の目標値が分
かる場合には、将来に渡る発電出力の目標値と予測モデ
ルから推定される予測値との将来に渡る誤差を予測し、
これを小さくするようにさらに早くから制御信号を作る
ことができるので、追従性を向上させることができる。

【００３５】この場合においても、制御信号の計算は特
に限定されない。これらのガス圧力と発電出力につい
て、同時に両方の変化を予測するモデルも構築できる。
この予測モデルを用いることで、上述したガス圧力、発
電出力の予測制御を同時に行うことができる。

【００３６】以上説明した予測計算、制御信号の計算を
制御周期毎に行うことで、予測モデルでの予測値の修正
を行い、またそれに応じた制御信号の計算が行われるの
で、実際のプラントにおいて出会うかも知れない予測さ
れない外乱によるプラント出力変動に対しても対応させ
ることができる。また、予測されない目標値の変化に対
しても同様に対応させることができる。

【００３７】さらに、制御信号の計算については、将来
に渡るプラント出力の予測値を推定しているので、将来
に渡る予測信号列と目標値信号列との偏差を二乗して加
えた量が最小となるような制御信号を作ることができ
る。また、このとき制御の安定性を考慮して制御信号の
大きさに制限をかけて最小化を行うことで、制御信号を
作ることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、石炭
ガス化コンバインドサイクル発電プラントの発電出力と
ガス圧力の変化についての将来の予測値を制御信号の計
算に用いることができるので、発電出力の目標値に対す
る追従性の改善を図ることができると共に、ガス圧力の
目標値からの偏差を小さくできるコンバインドサイクル
発電プラントの制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるコンバインドサイクル発電プラン
トの制御装置の一実施例を示すブロック図。

【図２】同実施例において、予測信号を用いることでガ
ス圧力の応答性を説明するための特性図。

【図３】石炭ガス化コンバインドサイクル発電プラント
の構成説明図。

【図４】従来のコンバインドサイクル発電プラントの制
御装置の一例を示すブロック図。

【符号の説明】 １９……目標値、２０……ガス化炉制御装置、２１……
ガスタービン制御装置、２７……プラント、２９……予
測モデル部、３０……制御演算器。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石炭をガス化，精製し、これをガスター
   ビンの燃料として供給して発電を行い、さらにガスター
   ビンの排ガスによる熱を用いて蒸気を発生させ、これを
   蒸気タービンに供給して発電を行うコンバインド発電プ
   ラントで、ガス化炉及びガスタービンの制御装置に操作
   量を与えるプラント制御装置において、発電プラントの
   動特性のモデルを用いてそれまでの運転状態から推定さ
   れる発電出力とガス圧力の将来に渡る予測値を計算する
   予測モデル部を設け、この予測モデル部の予測値を用い
   て前記ガス化炉及びガスタービンの制御装置に与える操
   作量を決定するようにしたことを特徴とするコンバイン
   ドサイクル発電プラントの制御装置。
2. 【請求項２】 予測モデル部の予測計算に実機のプロセ
   ス値を用いて予測値の修正を行うことを特徴とする請求
   項１に記載のコンバインドサイクル発電プラントの制御
   装置。
3. 【請求項３】 操作量はプラントの将来の発電出力の目
   標値又はガス圧力の目標値の少なくとも一方が与えられ
   るとき、発電出力の予想値又はガス圧力の予想値の少な
   くとも一方との将来に渡る偏差が最小となるように決定
   されることを特徴とする請求項１に記載のコンバインド
   サイクル発電プラントの制御装置。
4. 【請求項４】 予測値の計算と操作量の決定は、制御周
   期毎に予測値を用いて行われることを特徴とする請求項
   ３に記載のコンバインドサイクル発電プラントの制御装
   置。
5. 【請求項５】 操作量は発電出力の偏差、ガス圧力の偏
   差、操作量の変化分それぞれについて二乗の和の将来に
   渡る総和が最小になるように決定されることを特徴とす
   る請求項３又は請求項４の何ずれか一方に記載のコンバ
   インドサイクル発電プラントの制御装置。