JPWO2013069123A1 - ガスタービン発電プラントの制御装置 - Google Patents

Abstract

燃焼用空気を加圧する圧縮機１と、前記圧縮機１に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁１３を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置３と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器２と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機１及び発電機７０を駆動するタービン４と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁１３と、前記圧縮機１に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼１１とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、前記発電機７０の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器２での燃空比上昇を補償する燃空比補正指令信号を演算し、該燃空比補正指令信号に基づいて、前記圧縮機入口内翼１１の開度又は／及び前記噴霧流量調節弁１３の開度を制御する制御手段２４とを備えた。

Description

本発明は、圧縮機、燃焼器、タービン及び発電機を備えたガスタービン発電プラントの制御装置に関する。

ガスタービン発電プラントは、燃焼用空気を加圧する圧縮機と、加圧された燃焼用空気とガスタービン燃料（以下燃料）とを混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生する燃焼器と、燃焼ガスを用いて圧縮機及び発電機を駆動するタービンとを備えている。

このようなガスタービン発電プラントにおける燃料制御方式として、燃焼器内で生じる窒素酸化物の排出量を低減するために、空気と燃料を予め混合して燃焼する予混合燃焼方式が採用されている。予混合燃焼方式は、燃焼器を複数のバーナと燃料系統とで構成し、これらバーナと燃料系統によって、燃焼器の予混合燃焼部分を複数に分割し、運転負荷に応じて燃焼部分を増減するものである。負荷上昇時には、燃料流量の増加に応じて使用燃料系統と燃焼部分を減らす方法（燃焼切換）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、ガスタービン発電プラントの出力・効率の向上を図るために、燃焼用空気に液滴を噴霧する吸気噴霧装置を圧縮機入口に設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。吸気噴霧装置の制御方法として、ガスタービン発電プラントの定格運転後に吸気噴霧装置への水の供給を開始し、負荷を下げる場合には、吸気噴霧装置で噴霧する水量を下げるものが開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平１１−３４３８６９号公報 特開平９−２３６０２４号公報 特開２００６−２２６２９３号公報

負荷降下時の燃焼切換においては、燃料流量の減少に伴って、燃料流量を分配する燃料系統が低減されるため、使用燃料系統の１本当たりに供給されている燃料流量は増加することになる。このため、燃焼切換時には、燃料流量と空気流量の比（燃空比）が上昇し、燃焼状態が不安定となりNOx濃度が上昇することが知られている。

負荷降下時の燃焼切換に伴う燃空比上昇について図９〜図１２を用いて説明する。図９は従来のガスタービン発電プラントの発電機負荷（上段）と燃料流量（下段）の変化、図１０は従来のガスタービン発電プラントの燃焼器を構成するバーナの配置断面、図１１は従来のガスタービン発電プラントにおけるガスタービン負荷に対するバーナ毎の燃料流量特性、図１２は従来のガスタービン発電プラントにおける負荷降下時の燃焼切換に伴う燃料流量（上段）と燃空比（下段）の変化を示す特性図である。

図９に示すように、ガスタービン発電プラントにおいては、発電機の負荷降下に伴い、負荷降下開始時刻Tslと負荷降下終了時刻Tflの間において、燃焼器に供給する燃料流量が低減する。

燃焼器は、図１０に示すように複数のバーナ（図中a、b1、b2、b3、b4）で構成されており、各バーナはそれぞれの燃料供給系統から燃料を供給されている。ガスタービン発電プラントの定格運転時には、全ての燃料供給系統を使用して全てのバーナを着火して燃焼を維持する。定格運転から負荷降下する際には、燃料流量の減少に伴って使用する燃料供給系統を減らすと共に、複数のバーナを順次消火していく。このような一連の動作を燃焼切換と呼ぶ。具体的には、例えば図１０の左側から右側に示すように、バーナa、b1、b2、b3、b4が点火している状態から、b4、b3、b2、b1、aの順にバーナを順次消火していくと共に使用燃料供給系統を減らしていく。

このような負荷降下時の燃焼切換においては、図１１に示すように、全燃料流量の減少と共に、燃料流量を分配する燃料系統（使用燃料供給系統）を減らしていく。このため、使用燃料系統の１本当たりに供給される燃料流量は増大することになる。この燃焼切換時の燃料流量と燃空比（燃料流量と空気流量の比）の変化を示したものが図１２である。燃料流量の挙動を上段に、燃空比の挙動を下段に示している。図１２に示すように燃焼切換（図中の時刻Tsw）の直後に燃料流量と燃空比がステップ的に上昇する。このような現象は燃焼を不安定化させてNOx濃度を高める。

一方、上述した吸気噴霧装置は、負荷降下により噴霧する水量が減少するため、燃焼切換の際には、すでに噴霧水量が無しの状態、又は微少量の状態にあり、上述した燃焼切換時の燃焼不安定化を改善する制御手段は備えていなかった。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、吸気噴霧装置を作動中の状態において、発電機の負荷降下の際の燃焼切換時の燃空比を安定に維持することにより、燃焼安定化と低NOx化を実現させるものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、燃焼用空気を加圧する圧縮機と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機及び発電機を駆動するタービンと、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、前記燃焼器への燃料流量指令値を演算する燃料流量制御手段と、前記発電機の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器での燃空比上昇を補償する燃空比補正指令信号を演算し、該燃空比補正指令信号に基づいて、前記圧縮機入口内翼の開度又は／及び前記噴霧流量調節弁の開度を制御する制御手段とを備えたものとする。

また、第２の発明は、燃焼用空気を加圧する圧縮機と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機及び発電機を駆動するタービンと、前記燃焼器に供給される燃料流量を計測する燃料流量計と、前記圧縮機に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計と、前記噴霧装置に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計と、大気の温度や湿度などを計測する大気条件検出器と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、前記燃焼器への燃料流量指令値を演算する燃料流量制御手段と、前記圧縮機への空気流量指令値を演算する空気流量制御手段と、前記空気流量計と前記燃料流量計と前記噴霧流量計と前記大気条件検出器の各計測値と前記燃料流量指令値と前記空気流量指令値とを取り込み、前記発電機の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器での燃空比上昇を補償する噴霧流量補正指令値と該噴霧流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記噴霧流量補正指令値を付加した噴霧流量指令値に基づいて前記噴霧流量調節弁の開度を制御する噴霧流量制御手段とを備えたものとする。

更に、第３の発明は、燃焼用空気を加圧する圧縮機と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流れに噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機及び発電機を駆動するタービンと、前記燃焼器に供給される燃料流量を計測する燃料流量計と、前記圧縮機に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計と、前記噴霧装置に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計と、大気の温度や湿度などを計測する大気条件検出器と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、前記燃焼器への燃料流量指令値を演算する燃料流量制御手段と、前記噴霧装置への噴霧流量指令値を演算する噴霧流量制御手段と、前記空気流量計と前記燃料流量計と前記噴霧流量計と前記大気条件検出器の各計測値と前記燃料流量指令値と前記噴霧流量指令値とを取り込み、前記発電機の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器での燃空比上昇を補償する空気流量補正指令値と該空気流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記空気流量補正指令値を付加した空気流量指令値に基づいて前記圧縮機入口内翼の開度を制御する空気流量制御手段とを備えたものとする。

また、第４の発明は、燃焼用空気を加圧する圧縮機と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機及び発電機を駆動するタービンと、前記燃焼器に供給される燃料流量を計測する燃料流量計と、前記圧縮機に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計と、前記噴霧装置に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計と、大気の温度や湿度などを計測する大気条件検出器と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁と、前記圧縮機に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、前記燃焼器への燃料流量指令値を演算する燃料流量制御手段と、前記圧縮機への空気流量指令値を演算する空気流量制御手段と、前記空気流量計と前記燃料流量計と前記噴霧流量計と前記大気条件検出器の各計測値と前記燃料流量指令値と前記空気流量指令値とを取り込み、前記発電機の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器での燃空比上昇を補償する噴霧流量補正指令値と該噴霧流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記噴霧流量補正指令値を付加した噴霧流量指令値に基づいて前記噴霧流量調節弁の開度を制御する噴霧流量制御手段とを備え、前記空気流量制御手段は、前記空気流量計と前記燃料流量計と前記噴霧流量計と前記大気条件検出器の各計測値と前記燃料流量指令値と前記噴霧流量指令値とを取り込み、前記発電機の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器での燃空比上昇を補償する空気流量補正指令値と該空気流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記空気流量補正指令値を付加した空気流量指令値に基づいて前記圧縮機入口内翼の開度を制御するものとする。

本発明によれば、燃焼切換による燃空比の変動を先行的に補償するように吸気噴霧量又は／及び空気流量を制御するので、燃焼切換時の不安定燃焼を抑制できる。この結果、ガスタービン発電プラントの負荷降下時の燃焼安定化と低NOx化とが図れる。

本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン発電プラントを示すシステム構成図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態の処理フローを示すフローチャート図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態における燃料流量指令信号の特性を示す特性図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態における噴霧流量指令信号（上段）、噴霧流量（中段）、及び燃空比（下段）の変化を示す特性図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態を備えたガスタービン発電プラントを示すシステム構成図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態の処理フローを示すフローチャート図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態における空気流量指令信号（上段）、空気流量（中段）、及び燃空比（下段）の変化を示す特性図である。 本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第３の実施の形態における噴霧流量（上段）、及び燃空比（下段）の変化を示す特性図である。 従来のガスタービン発電プラントの負荷降下時における発電機負荷（上段）、及び燃料流量（下段）の変化を示す特性図である。 従来のガスタービン発電プラントの燃焼器を構成するバーナの配置断面図である。 従来のガスタービン発電プラントにおけるガスタービン負荷に対するバーナ毎の燃料流量を示す特性図である。 従来のガスタービン発電プラントの負荷降下時の燃焼切換における燃料流量（上段）及び燃空比（下段）の変化を示す特性図である。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン発電プラントを示すシステム構成図、図２は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態の処理フローを示すフローチャート図、図３は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態における燃料流量指令信号の特性を示す特性図、図４は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態における燃料流量指令信号（上段）、噴霧流量（中段）、及び燃空比（下段）の変化を示す特性図である。
図１において、ガスタービン発電プラントは、燃焼用空気を加圧する圧縮機１と、燃焼用空気と燃料を混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生する燃焼器２と、燃焼ガスを用いて圧縮機１及び発電機７０を駆動するタービン４と、圧縮機１に吸込まれる空気の流れに液滴を噴霧する吸気噴霧装置３とにより、大略構成されている。

圧縮機１に吸込まれる空気流量は圧縮機入口内翼１１により調節され、燃焼器２に供給される燃料流量は燃料流量調節弁１２により調節され、吸気噴霧装置３から空気の流れに噴霧される噴霧流量は噴霧流量調節弁１３により調節される。これらの調節装置１１，１２，１３は制御装置２４からの指令信号によりそれぞれ制御されている。

本実施の形態は、ガスタービン発電プラントの負荷降下に際して、発電機７０の出力を下げ（発電機７０の負荷降下という）、燃焼器２に供給する燃料流量が低減したときに発生する燃焼切換時の燃焼器２内の燃空比を安定に維持するために、燃焼切換前に噴霧流量を増加させるように噴霧流量調節弁１３を制御する制御装置２４を備えている。

制御装置２４は、吸込空気流量を算出して空気流量指令信号Uigv３１及び４１として出力する空気流量制御回路２１と、燃料流量を算出して燃料流量指令信号Ucmb３２及び４２として出力する燃料流量制御回路２２と、噴霧流量を算出して噴霧流量指令信号Uwac３３として出力する噴霧流量制御回路２３とを備えている。

噴霧流量制御回路２３は、図１に示すように、入力として、圧縮機１に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計５１の検知信号と、燃焼器２に供給される燃料流量を計測する燃料流量計５２の検知信号と、吸気噴霧装置３から噴霧される噴霧流量を計測する噴霧流量計５３の検知信号と、大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器５４の検知信号と、空気流量制御回路２１から出力される空気流量指令信号Uigv４１と、燃料流量制御回路２２から出力される燃料流量指令信号Ucmb４２とのうち少なくとも１つ以上を受ける。但し、噴霧流量の計算に使用できるものであれば、その信号を用いてもよい。また、噴霧流量制御回路２３は、出力として噴霧流量調節弁１３に入力される噴霧流量指令信号Uwac３３を生成する。なお、空気流量計５１は、空気流量を直接計測するものだけではなく、例えば圧力に基づいて空気流量を計算するものなど、空気流量を特定できるものであればよい。

空気流量制御回路２１と燃料流量制御回路２２は、入力として、空気流量計５１の検知信号と、燃料流量計５２の検知信号と、噴霧流量計５３の検知信号と、大気条件検出器５４の検知信号と、空気流量指令信号Uigv３１と、燃料流量指令信号Ucmb３２と、噴霧流量指令信号Uwac３３と、圧縮機１の回転数と、ガスタービン４の負荷とのうち少なくとも一つ以上を受け、ガスタービン発電プラントの負荷降下時の状態量の変化に基づいて、空気流量制御回路２１は空気流量を計算して、燃料流量制御回路２２は燃料流量を計算して、出力として、空気流量制御回路２１は空気流量指令信号Uigv３１と４１、燃料流量制御回路２２は燃料流量指令信号Ucmb３２と４２を生成する。

空気流量指令信号Uigv３１は空気流量制御回路２１から圧縮機入口内翼１１の操作端に出力され、この圧縮機入口内翼１１の開度を変化させることで、空気流量が制御されている。燃料流量指令信号Ucmb３２は燃料流量制御回路２２から燃料流量調節弁１２に出力され、この燃料流量調節弁１２の開度を変化させることで、燃料流量が制御されている。噴霧流量指令信号Uwac３３は噴霧流量制御回路２３から噴霧流量調節弁１３に出力され、この噴霧流量調節弁１３の開度を変化させることで、噴霧流量が制御されている。

ガスタービン発電プラントの負荷降下時において、噴霧流量制御回路２３は、大気の状態やガスタービンプラントの状態量に応じて、噴霧流量を決定し、噴霧流量指令信号Uwac３３を噴霧流量調節弁１３に出力する。この際、燃焼切換時刻よりも一定時間前から燃焼切換が完了するまでの間は、燃焼切換に伴う燃空比上昇を先行的に補償する噴霧流量（以下、補償噴霧流量）を決定し、噴霧流量指令信号Uwac３３として出力するのが本発明の第１の実施の形態の特徴である。ここで、前記一定時間とは、噴霧流量変化が燃空比に影響を与えるまでの時間である。

次に、噴霧流量制御回路２３の動作機構を図２〜図４を用いて説明する。
図２において、まず、ステップＳ１０１でガスタービン発電プラントが負荷降下時であるか否かを判断する。判断方法としては、例えば、空気流量計５１の検知信号または空気流量指令信号Uigv３１、あるいは、燃料流量計５２の検知信号または燃料流量指令信号Ucmb３２等をモニタし、これらの信号が、時間の経過と共に低下していればガスタービン発電プラントは負荷降下時であると判断する方法がある。この判断方法以外に、公知のガスタービン発電プラントの負荷降下の判断方法であっても良い。ガスタービン発電プラントが負荷降下時であると判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップＳ１０２へ進み、負荷降下時以外と判断されれば、ＮＯと判断されてステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０２では、現在の時刻と燃焼切換が行われると予測される時刻Tswとの時間差が演算され、この時間差が噴霧流量変化によって燃空比に影響を与えるまでの時間ΔTwacより大きいか否かが判断される。つまり、現在時刻が燃空比補償制御を開始するのに好ましい時刻（燃空比補償制御開始時刻）Tsw-ΔTwacより前か否かが判断される。

噴霧流量変化によって燃空比に影響を与えるまでの時間ΔTwacは、予め実験・計算などに基づいて定めた値である。例えば、時間ΔTwacを液滴が吸気噴霧装置３から噴霧されてから、燃焼器２の入口に到達するまでの時間とすると、吸気噴霧装置３から噴霧された液滴の量と、燃焼器２の入口に到達した液滴の量を実測または計算し、変化の遅れから定めることができる。吸気噴霧装置３から噴霧された液滴の量は、噴霧流量計５３により計測される噴霧流量であり、燃焼器２の入口に到達した液滴の量は、燃焼器２への供給空気流量から圧縮機１の吸込空気流量を差し引いた流量とする。燃焼器２への供給空気流量は、燃焼器２の空気入口に設けられた流量計（図では省略）により計測される値であり、圧縮機１の吸込空気流量は、空気流量計５１により計測される値である。

燃空比補償制御開始時刻Tsw-ΔTwacは、燃料流量指令信号Ucmb３２、または、燃料流量計５２の検知信号、または、空気流量指令信号Uigv３１、または、空気流量計５１の検知信号、発電機の負荷に基づいて特定される時刻である。

燃空比補償制御開始時刻Tsw-ΔTwacの算出方法を図３を用いて説明する。図３は燃料流量指令信号Ucmb３２の時系列の変化を示す。燃料流量指令信号Ucmbは負荷降下に従って時間とともに低下して行き、時刻Tswの時にCcmbに到達し、燃焼切換が開始される。
（１）時刻Tsw-ΔTwacにおける燃料流量指令信号Ucmbは、燃料流量指令信号Ucmb３２の単位時間当たりの変化量をdUcmb/dTとすれば、Ccmb＋ΔTwac×dUcmb/dTと近似できる。ここで、Ccmbは予め定めたシーケンスないしルールに従って定められた値である。
（２）したがって、条件Ucmb＝Ccmb＋ΔTwac×dUcmb/dTが満たされた場合、現在の時刻が時刻Tsw-ΔTwacであると判断する。

図２に戻り、ステップＳ１０２で現在時刻が燃焼切換予測時刻TswよりもΔTwac以上前であると判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップＳ１０３へ進み、現在時刻が燃焼切換予測時刻TswよりもΔTwac以上前でないと判断されれば、ＮＯと判断されてステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０３では、燃焼切換予測時刻Tswに起こると予想される燃空比上昇を補償する噴霧流量を算出し、噴霧流量指令信号Uwac３３として出力する。燃空比上昇を補償する噴霧流量の決定方法としては、図４の中段の噴霧流量の変化に示すように、時刻Tsw-ΔTwacでの噴霧流量Qwac0に対し、付加量ΔQwacを増加した噴霧流量を補償噴霧流量とするとよい。

付加量ΔQwacは、実験や計算などに基づいて予め定められたものである。具体的には、例えば、図１２に示すように、燃焼切換時刻Tswにおいて、使用燃料流量供給系統の１本当たりの燃料流量がQf1からQf2に増加され、燃空比がN1からN2に上昇する場合、付加量ΔQwacは、燃料流量を用いてΔQwac = (Qf2-Qf1)/Qf1×Qa、あるいは、燃空比を用いてΔQwac = (N2-N1)/N1×Qaで算出することができる。ここで、Qaは、燃焼切換時刻Tsw、または、時刻Tsw-ΔTwacでの燃焼器２への供給空気流量である。

この式の根拠を以下に説明する。燃焼切換直前の燃空比はN1=Qf1/Qaであり、従来の燃焼切換直後の燃空比はN2=Qf2/Qaとなる。ここで、空気流量をQa＋ΔQwacと補償し、燃焼切換直後の燃空比を燃焼切換直前と同等の値N1に保つようにするためには、Qf1/Qa = Qf2/(Qa＋ΔQwac) を満たす必要がある。この式を変形するとΔQwac = (Qf2-Qf1)/Qf1×Qaが導出され、N2=Qf2/QaとN1=Qf1/Qaを代入して燃空比で表すと、ΔQwac = (N2-N1)/N1×Qaが導出される。

なお、補償噴霧流量の決定方法としては、噴霧流量Qwac0を予め定めた割合で増加した噴霧流量を補償噴霧流量とする方法もあり、このように予め定められた手順に従って決定された値であっても、燃焼切換時の燃空比上昇を補償する量であればよい。

ステップＳ１０４では、燃焼切換が完了したか否かを判断する。燃焼切換完了判断方法としては、燃焼切換開始から予め定めた一定時間が経過したら燃焼切換が完了したと判断する方法や、排気温度または排気流量が予め定めた値に達したら燃焼切換が完了したと判断する方法等がある。あるいはその他、公知の燃焼切換完了の検知方法であればどのような方法でも良い。燃焼切換が完了したと判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップＳ１０５へ進み、燃焼切換が完了していないと判断されれば、ＮＯと判断されてステップＳ１０３へ戻る。

ステップＳ１０５では、噴霧流量が所望噴霧流量になるように追従制御する。所望噴霧流量とは、例えば、燃焼用空気が予め定めた湿度になるために要する噴霧流量、または、予め定めた噴霧流量と空気流量の割合になるために要する噴霧流量など、その時の運転目的に必要になる噴霧流量である。燃焼用空気が予め定めた湿度になるために要する噴霧流量は、具体的には、例えば、予め定めた湿度になるための水蒸気量と、大気中の水蒸気量の差である。これらの値は、空気流量と、湿度に基づいて計算される。また、空気流量は、空気流量計５１の検知信号または空気流量指令信号Uigv３１に基づいて計算され、湿度は大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器５４の検知信号に基づいて計算される。

予め定めた噴霧流量と空気流量の割合になるために要する噴霧流量は、具体的には、例えば、予め定めた噴霧流量と空気流量の割合に空気流量を乗じた値である。空気流量は、空気流量計５１の検知信号または空気流量指令信号Uigv３１に基づいて計算される。

そして、噴霧流量計５３より計測された噴霧流量に基づいて、噴霧流量が所望噴霧流量に追従するように、P制御、またはPI制御、またはPID制御が実行される。追従制御する方法は、噴霧流量が所望噴霧流量より多い場合はより少ない量を噴霧するような噴霧流量指令信号Uwac３３を出力し、その逆の場合はより多い量を噴霧するような噴霧流量指令信号Uwac３３を出力するような方法であれば、公知のどのような方法でもよい。

噴霧流量制御回路２３を、以上述べた図２のフローチャートのように動作させた場合の、噴霧流量指令信号Uwac３３と、吸気噴霧装置３からの噴霧流量と、燃焼器２の燃空比の推移を、図４を用いて説明する。

噴霧流量調節弁１３は、図４の上段に示すように、負荷下降開始から時刻Tsw-ΔTwacまでの間、所望噴霧流量に追従制御され、その後、燃焼切換完了時刻Tcomまでの間は、噴霧流量を増加させるように燃空比補償制御され，燃焼切換完了時刻Tcomの後に、再び所望噴霧流量に追従制御される。

この際、噴霧流量は図４の中段に示すように、時刻Tsw-ΔTwacに到達した後に、Qwac0からQwac0＋ΔQwacに増加され、これにより燃焼用空気流量が増加し、燃空比が図４の下段の実線のように低下する。ここでの燃空比の低下は、空気流量が従来の空気流量より増加したことによって生じる。その後、時刻Tswにおいて燃焼切換により燃空比が上昇する。この際に、燃焼切換の発生時刻の前から予め燃空比を低下させる制御を行うことにより、従来の燃焼切換時に起こる燃空比上昇の態様（図４の下段の破線で表示）が、図４の下段の実線で表示する態様のように変更し、燃空比の上昇量を抑制できる。

上述した本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第１の実施の形態によれば、燃空比の変動を先行的に補償するように吸気噴霧量を制御するので、燃焼切換時の不安定燃焼を抑制できる。この結果、ガスタービン発電プラントの負荷降下時の燃焼安定化と低NOx化とが図れる。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図５は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態を備えたガスタービン発電プラントを示すシステム構成図、図６は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態の処理フローを示すフローチャート図、図７は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施の形態における空気流量指令信号（上段）、空気流量（中段）、及び燃空比（下段）の変化を示す特性図である。図５〜図７において、図１〜図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明のガスタービン発電プラントの第１の実施の形態においては、ガスタービン発電プラントの負荷降下時の燃焼安定化と低NOx化のために、燃焼切換の前に噴霧流量を増加させるように噴霧流量調節弁１３を制御する制御装置２４を備えている。これに対し、第２の実施形態においては、燃焼切換の前に空気流量を増加させるように圧縮機入口内翼１１の開度を制御する制御装置２４を備えている点が異なる。その他のガスタービン発電プラントを構成する設備等は第１の実施形態と同一である。

より具体的には、第１の実施の形態と比較して、制御装置２４の中にある噴霧流量制御回路２３と空気流量制御回路２１の動作が異なる。第１の実施の形態においては、噴霧流量を用いて燃空比を補償制御したが、第２の実施の形態においては、空気流量を用いて燃空比を補償制御する。このため、燃空比補償に使う各種信号が、図１では噴霧流量制御回路２３に入力されていたのに対して、図５では空気流量制御回路２１に入力されている。

本実施の形態において、噴霧流量制御回路２３は、噴霧流量が所望噴霧流量に追従するような噴霧流量指令信号Uwac３３を出力している。

空気流量制御回路２１は、図５に示すように、入力として、圧縮機１に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計５１の検知信号と、燃焼器２に供給される燃料流量を計測する燃料流量計５２の検知信号と、吸気噴霧装置３から噴霧される噴霧流量を計測する噴霧流量計５３の検知信号と、大気の温度や湿度や圧力などを計測する大気条件検出器５４の検知信号と、燃料流量制御回路２２から出力される燃料流量指令信号Ucmb６２と、噴霧流量制御回路２３から出力される噴霧流量指令信号Uwac６３とのうち少なくとも一つ以上を受ける。但し、空気流量の計算に使用できる信号であれば、他の信号御を用いてもよい。また、空気流量制御回路２１は、出力として、圧縮機入口内翼１１に入力される空気流量指令信号Uigv３１を生成する。

ガスタービン発電プラントの負荷降下において、空気流量制御回路２１は、予め定めた条件を満たす空気流量が圧縮機１に吸込されるように、圧縮機入口内翼１１の開度を決め、空気流量指令信号Uigv３１として出力する。この際、燃焼切換時刻よりも一定時間前から燃焼切換が完了するまでの間、燃焼切換に伴う燃空比上昇を先行的に補償する空気流量を決定し、空気流量指令信号Uigv３１として出力するのが本発明の第２の実施の形態の特徴である。ここで、前記一定時間とは、空気流量変化が燃空比に影響を与えるまでの時間である。

次に、空気流量制御回路２１の動作機構を図５〜図７を用いて説明する。
空気流量制御回路２１のフローは、第１の実施の形態における噴霧流量制御回路２３のフローと比較して、操作対象が噴霧流量ではなく吸込空気流量であることが異なるが、内部動作の論理は同様である。
図６において、まず、ステップＳ２０１でガスタービン発電プラントが負荷降下時であるか否かを判断する。第１の実施の形態と同様の判断方法で判断する。ガスタービン発電プラントが負荷降下時であると判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップＳ２０２へ進み、負荷降下時以外と判断されれば、ＮＯと判断されてステップＳ２０５へ進む。

ステップＳ２０２では、現在の時刻と燃焼切換が行われると予測される時刻Tswとの時間差が演算され、この時間差が圧縮機入口内翼１１の開度の変化が燃空比に影響を与えるまでの時間ΔTigvより大きいか否かが判断される。つまり、現在時刻が燃空比補償制御を開始するのに好ましい時刻（燃空比補償制御開始時刻）Tsw-ΔTigvより前か否かが判断される。現在時刻が燃焼切換予測時刻TswよりもΔTigv以上前であると判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップＳ２０３へ進み、現在時刻が燃焼切換予測時刻TswよりもΔTigv上前でないと判断されれば、ＮＯと判断されてステップＳ２０５へ進む。

ステップＳ２０３では、燃焼切換予測時刻Tswに起こると予想される燃空比上昇を補償する空気流量を算出し、空気流量指令信号Uigv３１として出力している。燃空比上昇を補償する空気流量の決定方法としては、図７の中段の空気流量の特性図に示すように、時刻Tsw-ΔTigvでの空気流量Qigv0に対し、実験・計算などにより予め定めた補償空気流量ΔQigvを増加させた空気流量を算出するか、あるいは、空気流量Qigv0を予め定めた割合で増加させた空気流量を算出させても良い。

ステップＳ２０４では、燃焼切換が完了したか否かを判断する。第１の実施の形態と同様の判断方法で判断する。燃焼切換が完了したと判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップＳ２０５へ進み、燃焼切換が完了していないと判断されれば、ＮＯと判断されてステップＳ２０３へ戻る。

ステップＳ２０５では、空気流量を所望空気流量に追従制御させる。所望空気流量とは、例えば、予め定めた燃空比になるために要する空気流量、または、予め定めたガスタービン負荷との関係を満たすために要する空気流量であって、その決定方法は、起動時の空気流量を定める公知の任意の方法でよい。

空気流量制御回路２１を、以上述べた図６のフローチャート図のように動作させた場合の、空気流量指令信号Uigv３１と、圧縮機１に吸込まれる空気流量と、燃焼器２の燃空比の推移を、図７を用いて説明する。

圧縮機入口内翼１１は、図７の上段に示すように、ガスタービン発電プラントが負荷降下を開始してから時刻Tsw-ΔTigvまでは、所望空気流量に追従制御され、その後、燃焼切換完了時刻Tcomまでの間は、燃空比補償制御をされ、燃焼切換完了時刻Tcomの後に、再びステップＳ２０５により所望空気流量に追従制御される。

その際、空気流量は、図７の中段に示すように、時刻Tsw-ΔTigvに到達後、Qigv0からQigv0＋ΔQigvに増加され、これにより燃焼用空気流量が増加し、燃空比が図７の下段の実線のように低下する。ここでの燃空比の低下は、空気流量が従来の空気流量よりも増加したことによるものである。その後、時刻Tswにおいて燃焼切換により燃空比は上昇する。この際に、燃焼切換の発生時刻の前から予め燃空比を低下させる制御を行うことにより、従来の燃焼切換時に起こる燃空比上昇の態様（図７の下段の破線で表示）が、図７の下段の実線で表示する態様のように変更させることができ、燃空比上昇量を抑制できる。

このように、空気流量制御回路２１を、以上述べた図６のフローチャート図のように動作させると、噴霧流量制御回路２３を図２のフローチャート図のように動作させた第１の実施の形態の場合と同様の効果を得られる。本実施例は、特に、噴霧流量の制御がある操作範囲を超えては使用できないような場合に有効である。

上述した本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第２の実施形態によれば、燃空比の変動を先行的に補償するように空気流量を制御するので、燃焼切換時の不安定燃焼を抑制できる。この結果、ガスタービン発電プラント負荷降下時の燃焼安定化と低NOx化とが図れる。

また、適用するガスタービン発電プラントにおいて、噴霧流量の制御範囲が限定されていて、ある操作範囲を超えて使用できないような場合にも対応可能となり、上述した効果を奏することができる。

＜第３の実施の形態＞
以下、本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図８は本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第３の実施の形態における空気流量指令信号（上段）、及び燃空比（下段）の変化を示す特性図である。図８において、図１〜図７に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
本発明のガスタービン発電プラントの第３の実施の形態は、第１の実施の形態と第２の実施の形態を組み合わせたものであって、ガスタービン発電プラントの負荷降下時の燃焼安定化と低NOx化のために、燃焼切換の前に噴霧流量を増加させるように噴霧流量調節弁１３を制御し、燃焼切換の前に空気流量を増加させるように圧縮機入口内翼１１の開度を制御する制御装置２４を備えている。その他のガスタービン発電プラントを構成する設備等は第１の実施の形態と同一である。

本実施の形態における燃焼器２に供給される燃焼用空気流量と、燃焼器２の燃空比の推移を、図８を用いて説明する。

負荷降下開始から時刻Tsw-ΔTwacまで、噴霧流量調節弁１３は所望噴霧流量に追従制御され、圧縮機入口内翼１１は所望噴霧流量に追従制御される。その後、時刻Tsw-ΔTigvまでの間、噴霧流量調節弁１３は燃空比補償制御され、一方で、圧縮機入口内翼１１は所望噴霧流量への追従制御が続く。その後、時刻Tcomまでの間、噴霧流量調節弁１３と圧縮機入口内翼１１はそれぞれ燃空比補償制御される。時刻Tcomの後に、再び、噴霧流量調節弁１３は所望噴霧流量追従制御され、圧縮機入口内翼１１は所望噴霧流量追従制御される。

この際、燃焼用空気流量は、図８の上段の実線のように、負荷降下開始から時刻Tsw-ΔTwacまで、所望噴霧流量と所望空気流量の和の値になる。そして続く時刻Tsw-ΔTwacから時刻Tsw-ΔTigvまでの間は増加し、時刻Tsw-ΔTigvの直後にさらに大きく増加する。これは、時刻Tsw-ΔTwacから時刻Tsw-ΔTigvまでの間には、噴霧流量調節弁１３だけで燃焼用空気流量を増加させるが、時刻Tsw-ΔTigvから時刻Tcomまでの間には、噴霧流量調節弁１３と圧縮機入口内翼１１の両方によって燃焼用空気流量を増加させるためである。時刻Tcomの後、燃焼用空気流量は、所望噴霧流量と所望空気流量の和の値に追従していく。

燃空比の推移は、図８の下段の実線のように、負荷降下開始から時刻Tsw-ΔTwacまで、従来の場合（点線で表示）と同等である。そして、時刻Tsw-ΔTwacから時刻Tsw-ΔTigvまでの間に低下し、時刻Tsw-ΔTigvの直後にさらに大きく低下する。これは、上述の燃焼量用空気流量の変化によるものである。その後、燃空比は、時刻Tswにおいて燃焼切換により上昇する。

このように、噴霧流量調整機能と空気流量調整機能を同時に持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムは、噴霧流量調整機能のみを持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステム（図８の下段の破線で表示）や空気流量調整機能のみを持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムと比較して、燃焼用空気流量の増加幅をΔQigv+ΔQwacとより大幅に変化できるので、補償可能な燃空比の範囲が広くなる。また、燃焼用空気流量の変化の応答性も向上でき、燃空比補償制御の際に短時間で燃空比を低下でき、燃空比が低い状態になっている時間を短縮できる。

なお、図８はΔTwacがΔTigvよりも長い場合の例であり、両者の大小関係が逆の場合でも、噴霧流量調整機能と空気流量調整機能を同時に持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムが、噴霧流量調整機能のみを持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムや空気流量調整機能のみを持つ制御装置２４を備えたガスタービンシステムと比較して、補償可能な燃空比の範囲が広くなることと、燃焼用空気流量の変化の応答性も向上できること、燃空比補償制御の際に短時間で燃空比を低下できることと、燃空比が低い状態になっている時間を短縮できることには変わりはない。

上述した本発明のガスタービン発電プラントの制御装置の第３の実施の形態によれば、上述した第１及び第２の実施の形態と同様な効果を得ることができるとともに、補償可能な燃空比の範囲を広くすることができる。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ 吸気噴霧装置
４ タービン
１１ 圧縮機入口内翼
１２ 燃料流量調節弁
１３ 噴霧流量調節弁
２１ 空気流量制御回路
２２ 燃料流量制御回路
２３ 噴霧流量制御回路
２４ 制御装置
３１ 空気流量指令信号
３２ 燃料流量指令信号
３３ 噴霧流量指令信号
４１ 空気流量指令信号
４２ 燃料流量指令信号
５１ 空気流量計
５２ 燃料流量計
５３ 噴霧流量計
５４ 大気条件検出器
６２ 燃料流量指令信号
６３ 噴霧流量指令信号
７０ 発電機

Claims (4)

1. 燃焼用空気を加圧する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁（１３）を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置（３）と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器（２）と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機（１）及び発電機（７０）を駆動するタービン（４）と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁（１３）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼（１１）とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、
   前記燃焼器（２）への燃料流量指令値（３２）を演算する燃料流量制御手段（２２）と、
   前記発電機（７０）の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器（２）での燃空比上昇を補償する燃空比補正指令信号を演算し、該燃空比補正指令信号に基づいて、前記圧縮機入口内翼（１１）の開度又は／及び前記噴霧流量調節弁（１３）の開度を制御する制御手段（２４）とを備えた
   ことを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
2. 燃焼用空気を加圧する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁（１３）を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置（３）と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器（２）と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機（１）及び発電機（７０）を駆動するタービン（４）と、前記燃焼器（２）に供給される燃料流量を計測する燃料流量計（５２）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計（５１）と、前記噴霧装置（３）に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計（５３）と、大気の温度や湿度などを計測する大気条件検出器（５４）と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁（１３）とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、
   前記燃焼器（２）への燃料流量指令値（３２）を演算する燃料流量制御手段（２２）と、
   前記圧縮機（１）への空気流量指令値（３１）を演算する空気流量制御手段（２１）と、
   前記空気流量計（５１）と前記燃料流量計（５２）と前記噴霧流量計（５３）と前記大気条件検出器（５４）の各計測値と前記燃料流量指令値（３２）と前記空気流量指令値（３１）とを取り込み、前記発電機（７０）の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器（２）での燃空比上昇を補償する噴霧流量補正指令値と該噴霧流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記噴霧流量補正指令値を付加した噴霧流量指令値（３３）に基づいて前記噴霧流量調節弁（１３）の開度を制御する噴霧流量制御手段（２３）とを備えた
   ことを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
3. 燃焼用空気を加圧する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流れに噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置（３）と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器（２）と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機（１）及び発電機（７０）を駆動するタービン（４）と、前記燃焼器（２）に供給される燃料流量を計測する燃料流量計（５２）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計（５１）と、前記噴霧装置（３）に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計（５３）と、大気の温度や湿度などを計測する大気条件検出器（５４）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼（１１）とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、
   前記燃焼器（２）への燃料流量指令値（３２）を演算する燃料流量制御手段（２２）と、
   前記噴霧装置（３）への噴霧流量指令値（３３）を演算する噴霧流量制御手段（２３）と、
   前記空気流量計（５１）と前記燃料流量計（５２）と前記噴霧流量計（５３）と前記大気条件検出器（５４）の各計測値と前記燃料流量指令値（３２）と前記噴霧流量指令値（３３）とを取り込み、前記発電機（７０）の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器（２）での燃空比上昇を補償する空気流量補正指令値と該空気流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記空気流量補正指令値を付加した空気流量指令値（３１）に基づいて前記圧縮機入口内翼（１１）の開度を制御する空気流量制御手段（２１）とを備えた
   ことを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
4. 燃焼用空気を加圧する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流れに噴霧流量調節弁（１３）を介して供給された噴霧水の液滴を噴霧する吸気噴霧装置（３）と、前記燃焼用空気を燃料と混合・燃焼して高温の燃焼ガスを発生させ、運転中に燃焼切換えを行う燃焼器（２）と、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮機（１）及び発電機（７０）を駆動するタービン（４）と、前記燃焼器（２）に供給される燃料流量を計測する燃料流量計（５２）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気流量を計測する空気流量計（５１）と、前記噴霧装置（３）に供給される前記噴霧水の流量を計測する噴霧流量計（５３）と、大気の温度や湿度などを計測する大気条件検出器（５４）と、前記噴霧水の流量を制御する噴霧流量調節弁（１３）と、前記圧縮機（１）に吸込まれる空気の流量を制御する圧縮機入口内翼（１１）とを備えたガスタービン発電プラントの制御装置であって、
   前記燃焼器（２）への燃料流量指令値（３２）を演算する燃料流量制御手段（２２）と、
   前記圧縮機（１）への空気流量指令値（３１）を演算する空気流量制御手段（２１）と、
   前記空気流量計（５１）と前記燃料流量計（５２）と前記噴霧流量計（５３）と前記大気条件検出器（５４）の各計測値と前記燃料流量指令値（３２）と前記空気流量指令値（３１）とを取り込み、前記発電機（７０）の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器（２）での燃空比上昇を補償する噴霧流量補正指令値と該噴霧流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記噴霧流量補正指令値を付加した噴霧流量指令値（３３）に基づいて前記噴霧流量調節弁（１３）の開度を制御する噴霧流量制御手段（２３）とを備え、
   前記空気流量制御手段（２１）は、前記空気流量計（５１）と前記燃料流量計（５２）と前記噴霧流量計（５３）と前記大気条件検出器（５４）の各計測値と前記燃料流量指令値（３２）と前記噴霧流量指令値（３３）とを取り込み、前記発電機（７０）の負荷降下の際の燃焼切換え時に発生する前記燃焼器（２）での燃空比上昇を補償する空気流量補正指令値と該空気流量補正指令値による制御開始時刻を演算し、前記制御開始時刻から前記空気流量補正指令値を付加した空気流量指令値（３１）に基づいて前記圧縮機入口内翼（１１）の開度を制御する
   ことを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。

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