JPH09189242A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガスタービンの燃料供給装置において、燃焼器
での燃空比の偏差を小さくする。 【解決手段】主管１と複数の支管２と主管入口配管３か
らなる流量供給配管に、各配管の流量計７，８と、燃焼
器の空気流路５の流量計９と、支管２の途中の流量調整
弁６と、各流量計の出力をもとに流量調整弁の開度操作
を行う演算器１０とコントローラ１１とからなる。コン
トローラ１１では、負荷変化率に応じたＰＩゲインを設
定する手段を設ける。また、負荷変化率が大きくなった
場合に対応するように、演算器１０に最適化演算器を組
み合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの運
転状態に応じて、回転軸の同心円上に複数個配置されて
いる燃焼器に供給する燃料流量を調整し、燃料と空気の
質量比である燃空比の偏差を小さくする制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近の大容量発電用のガスタービン燃焼
器では、ＮＯｘ発生量低減のため、予混合燃焼方式を用
いている。予混合燃焼は、通常の拡散燃焼に比べて安定
燃焼範囲が大幅に狭いため、燃料量と空気量との比であ
る燃空比を高精度で制御する必要がある。そのため、供
給される燃料量に偏差が生じると、負荷変動時に失火・
逆火が発生する可能性がある。

【０００３】従来のガスタービン燃料供給は、ＬＮＧの
パイプラインから圧力調節弁と流量調節弁を通り、マニ
ホールド（本発明では、主管に相当）へ導入され、分岐
管（本発明では、支管に相当）により各燃焼器内の燃料
ノズルへと導かれる。燃料流量は主管入口の前記流量調
節弁によって制御するだけであり、各支管での流量制御
は成されていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そのため、起動から部
分負荷までは主管入口に近い支管出口の燃料流量が、主
管入口から離れた支管出口の燃料流量より多く、定格時
では主管入口から離れた支管出口の燃料流量が、主管入
口に近い支管出口の燃料流量より多くなる。例えば定格
時において最大値と最小値で数％のオーダの偏差を生じ
るという公知の問題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、１本以上の
支管途中に流量調整弁と、前記調整弁をガスタービンの
運転状態に応じて制御する手段とを設けた。また、部分
負荷運用時には、負荷変化率に対応して前記コントロー
ラ内のＰＩ制御系ゲインの数値を変化させる関数発生器
を設けた。さらに、各支管出口での流量偏差を算出する
演算器に、非線形最適化演算器を付加した。

【０００６】上記の手段により、起動から部分負荷まで
は主管入口に近い支管出口の燃料流量を小さく、主管入
口から離れた支管の出口の燃料流量を多くできる。定格
時では主管入口から離れた支管出口の燃料流量を小さ
く、主管入口に近い支管の出口の燃料流量を多くでき
る。また、部分負荷運用時において、負荷変化率に応じ
た調整弁の開度変化ができる。さらに、調整弁開度の目
標値演算時間を、短縮できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を説明す
る。

【０００８】図１は、本発明の請求項１を模式図化した
ものである。実際のガスタービンでは、各支管２出口に
各々燃焼器４が設置されている。

【０００９】図１は、主管１と、複数の支管２と、主管
１の入口配管３と、燃焼器４と、燃焼器４の空気流路５
と、支管２の途中に流量調節弁６と、入口配管３の流量
計７と、支管２の流量計８と、空気流路５の流量計９
と、支管２出口の流量偏差を算出する演算器１０と、流
量調整弁６の開度を調整するコントローラ１１とから構
成されている。

【００１０】燃料は、入口配管３より主管１へ流入し、
支管２によって燃焼器４へ導かれる。その際、支管２の
途中に設置した流量調整弁６によって、燃焼器４への流
入流量を調整する。

【００１１】一方、燃焼用の空気は、圧縮機によって昇
圧された後、空気流路５を通り、燃焼器４へ導かれる。

【００１２】次に、本発明による図１に示した燃料流量
制御装置の操作方法を、図２を用いて説明する。

【００１３】起動から部分負荷時までは、入口配管３か
らの燃料流量が徐々に大きくなるため、支管２出口流量
は入口に近いほど大きい。

【００１４】図２は、演算器１０及びコントローラ１１
の内部を示したものである。入口配管３の流量計７の出
力をもとに、演算器１２により支管２の出口流量を算出
する。演算器１２の出力と、空気流路５の流量計９の出
力との比、即ち燃空比を演算器１３により算出する。支
管２の流量計８の出力と演算器１２の差分、即ち支管２
の出口流量の計算値と実測値との偏差流量を減算器１９
により算出し、演算器１３と１９の出力を加算器１４に
より算出することにより、演算器１２の燃料流量の補正
を行う。加算器１４の出力を演算器１５に入力し、燃空
比の補正を行う。補正した後の各燃焼器４での燃空比の
偏差を減少するため、入口配管３に近い方の流量調整弁
６の開度を小さくする指令を、演算器１５より出力す
る。

【００１５】一方、燃料流量指令値ＦＦＤを関数発生器
１８に入力し、現在の運転条件における燃空比の安定運
用範囲を出力する。演算器１６では演算器１５及び１８
の出力を入力し、現在の運転状態と安定運用範囲との裕
度を判定し、裕度に対応した流量調整弁６の開度を出力
する。演算器１６の出力と、流量調整弁６の開度との差
分を減算器１７により算出する。コントローラ１１には
ＰＩコントローラ２０が内包されており、減算器１７の
出力が０となるように流量調整弁６の開度変化を出力
し、燃空比が安定運用範囲内から出ないような開度変化
率を設定したレートリミッタ２１を介して、入口配管３
に近い方の流量調整弁６の開度を小さくする操作を行
う。

【００１６】定格時には、入口配管３からの燃料流量が
一定のため、支管２の出口流量は入口から遠いほど大き
い。

【００１７】入口配管３の流量計７の出力をもとに、演
算器１２により支管２の出口流量を算出する。演算器１
２の出力と、空気流路５の流量計９の出力との比、即ち
燃空比を演算器１３により算出する。支管２の流量計８
の出力と演算器１２の差分、即ち支管２の出口流量の計
算値と実測値との偏差流量を減算器１９により算出し、
演算器１３と１９の出力を加算器１４により算出するこ
とにより、演算器１２の燃料流量の補正を行う。加算器
１４の出力を演算器１５に入力し、前出の燃空比の補正
を行う。補正した後の各燃焼器４での燃空比の偏差を減
少するため、入口配管３より遠い方の流量調整弁６の開
度を小さくする指令を、演算器１５より出力する。

【００１８】一方、燃料流量指令値ＦＦＤを関数発生器
１８に入力し、現在の運転条件における燃空比の安定運
用範囲を出力する。演算器１６では演算器１５及び１８
の出力を入力し、現在の運転状態と安定運用範囲との裕
度を判定し、裕度に対応した流量調整弁６の開度を出力
する。演算器１６の出力と、流量調整弁６の開度との差
分を減算器１７により算出する。コントローラ１１には
ＰＩコントローラ２０が内包されており、減算器１７の
出力が０となるように流量調整弁６の開度変化を出力
し、燃空比が安定運用範囲内から出ないような開度変化
率を設定したレートリミッタ２１を介して、入口配管３
より遠い方の流量調整弁６の開度を小さくする。

【００１９】起動から部分負荷時までの運用では、流量
調整弁６の開度変化率を負荷変化率に応じて操作する必
要がある。そこで、図３を用いて負荷変化率対応時の流
量調整弁６の操作手段を説明する。

【００２０】図３は、コントローラ１１内のＰＩコント
ローラ２０とレートリミッタ２１の内部を示したもので
ある。ＰＩコントローラ２０では、燃料流量指令ＦＦＤ
を入力とし、遅れ時間要素２２の出力との差分、即ち負
荷変化率を減算器２３により算出し、出力を基にＰゲイ
ン及びＩゲインを関数発生器２４及び２５より出力す
る。演算器１０の出力と関数発生器２４の乗算値、即ち
Ｐ成分を乗算器２６で算出する。同時に演算器１０を入
力とする積分器２９の出力と関数発生器２５の乗算値、
即ちＩ成分を乗算器２７で算出する。乗算器２６及び２
７の出力を加算器２８にて加算し、ＰＩコントローラを
構成する。加算器２８の出力は、レートリミッタ２１を
介して流量調整弁６の開度を操作する。

【００２１】減算器２３の出力である負荷変化率が大き
い場合は、関数発生器２４及び２５の出力値が大きくな
るように設定し、流量調整弁６の開度変化率が大きくな
るように操作する。逆に、減算器２３の出力が小さい場
合は、関数発生器２４及び２５の出力値が小さくなるよ
う設定し、流量調整弁６の開度変化率が小さくなるよう
に操作する。

【００２２】負荷変化率が通常の場合よりも大きくなっ
た場合は、演算器１０の演算速度を大きくする手段が必
要となる。そこで、図４を用いて負荷変化率増加時の演
算器１０の演算速度増大手段を説明する。

【００２３】図４は、演算器１０に最適化手段を付加し
た例を示している。流量調整弁６の開度をパラメータと
して、演算器１０の出力を非線形最適化手法を内包した
最適化演算器３０に入力する。最適化演算器３０では燃
焼器４での燃空比を評価関数として、算出値の偏差が許
容値以下になるまで、演算器１０に入力される流量調整
弁６の目標開度を山上り法によりチューニングする。演
算器１０の出力が許容値を満足したら、流量調整弁６の
実開度と最適化演算器３０との差分を減算器３１により
算出し、コントローラ１１へ出力する。

【００２４】入口配管３の曲率により、出口流量が大き
くなる支管２の場所が変動する。そのため、予め配管３
の形状をもとに、起動から部分負荷時までと定格時での
支管２の出口流量の分布を検討し、操作する燃料調整弁
６を適宜変える。例えば、図１において、入口配管３の
曲率が大きくなるにつれて、出口流量の大きい支管２の
場所は入口の対角よりも右の方へシフトする。そのた
め、対角よりも右側の燃料調整弁６を前述の方法により
操作するようにする。

【００２５】

【発明の効果】以上の操作方法により、起動から部分負
荷時までは、入口配管３に近い支管２に設置した流量調
整弁６の開度を小さく操作し、各支管２出口の燃焼器４
での燃空比偏差を小さくする。また、定格時には、入口
配管３から遠い支管２に設置した流量調整弁６の開度を
小さく操作し、各支管２出口の燃焼器４での燃空比偏差
を小さくする。

【００２６】起動から部分負荷時までの運用において、
流量調整弁６の開度変化率を負荷変化率に応じて変える
ことにより、各燃焼器での燃空比を安定運用範囲内に保
持しながら燃料流量を操作することができる。

【００２７】負荷変化率が通常の場合よりも大きくなっ
た場合は、演算器１０の演算速度を大きくする手段によ
り、短時間で燃料調整弁６の目標開度を算出し、調整す
ることができる。

【００２８】更に本発明では、前述の流量調整弁６を各
支管２全管に設置するのではなく、例えば図１の様に支
管２が６本の場合は、入口配管３の両隣２本と対角側２
本の支管２に設置し、４個の流量調整弁６を操作するこ
とにより、流量調整弁６を設置していない残りの２本の
支管２の出口流量を調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の説明図。

【図２】制御部分の内容の説明図。

【図３】負荷変化率対応のための制御系の内容の説明
図。

【図４】制御系に最適化手段を付加した内容の説明図。

【符号の説明】

１…主管、２…支管、３…主管入口配管、４…燃焼器、
５…空気流路、６…流量調整弁、７，８，９…流量計、
１０…演算器、１１…コントローラ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主管と複数の支管から成るガスタービンの
   燃料供給配管において、一管以上の前記支管の途中に流
   量調節弁と、前記主管及び支管内の流量を計測する装置
   と、前記装置の出力をもとに各支管出口での流量偏差を
   算出する演算器と、ガスタービンの燃焼器入口の空気流
   量を計測する装置と、前記演算器出力と空気流量との比
   の偏差を最小値とするように前記支管途中に設けた流量
   調整弁の開度を調整するコントローラとを設けることを
   特徴とする流量制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、部分負荷運用時には、
   負荷変化率に対応して前記コントローラ内のＰＩ制御系
   ゲインの数値を変化させる関数発生器を設ける流量制御
   装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記各支管出口での流
   量偏差を算出する演算器に、非線形最適化演算器を付加
   する流量制御装置。
4. 【請求項４】請求項１の前記燃焼器入口空気流量計測装
   置として、熱線流速計を前記調整弁を設置した支管出口
   の燃焼器内空気流路に設ける流量制御装置。
5. 【請求項５】請求項１において、前記主管入口配管の曲
   率に応じて前記調整弁の位置を変えて設置する流量制御
   装置。