KR101704326B1 - 연료 가스 칼로리 추정 장치, 연료 가스 칼로리 추정 방법 및 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 - Google Patents

연료 가스 칼로리 추정 장치, 연료 가스 칼로리 추정 방법 및 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 Download PDF

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Abstract

이 연료 가스 칼로리 추정 장치는, 가스 터빈의 연소기에 유입되는 연료 가스 유량을 취득하는 연료 가스 유량 취득부와, 상기 가스 터빈의 상태량을 취득하는 상태량 취득부와, 상기 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 기억하는 기억부와, 상기 연료 가스 유량과, 상기 상태량과, 상기 상태량에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행하는 연료 가스 칼로리 연산부를 구비한다.

Description

연료 가스 칼로리 추정 장치, 연료 가스 칼로리 추정 방법 및 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체{FUEL GAS CALORIE ESTIMATION DEVICE, FUEL GAS CALORIE ESTIMATION METHOD, AND COMPUTER READABLE STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 연료 가스 칼로리 추정 장치, 연료 가스 칼로리 추정 방법 및 프로그램에 관한 것이다.
본원은, 2013년 2월 15일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 2013-028356호에 근거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
용광로 가스(Blast Furnace Gas; BFG) 연소용 가스 터빈에서는, 가스 터빈에 투입하는 연료로서 BFG를 이용하고 있다. 이 BFG는, 제철의 과정에 있어서 용광로에서 발생하는 부생 가스이다. 이로 인하여, BFG의 가스 칼로리는 제철소 내에 있는 용광로 등의 운전 상황에 따라 크게 변화하여, 가스 터빈 본체의 거동에도 영향을 주는 경우가 있다.
예를 들면, BFG의 칼로리가 급증하면 가스 터빈이 과부하(오버로드)가 되고, 반대로 칼로리가 급감한 경우에는 실화(失火)할 우려가 있다. 과부하나 실화는 가스 터빈 본체의 긴급 정지를 발생시킬 수 있는 심각한 현상이기 때문에, 가능한 한 미연에 방지해야 한다. 이것은, BFG 연소용 가스 터빈과 같이 가스 칼로리가 급격하게 변동하는 가스를 이용하는 플랜트에 공통의 과제이다. 다만, BFG 연소용 가스 터빈 설비 이외에는, 석탄 가스화 복합 발전(Integrated coal Gasification Combined Cycle; IGCC) 등에 있어서 가스 칼로리의 변동이 발생할 수 있다.
가스 칼로리의 변동이 발생하더라도 가스 터빈 본체를 계속해서 운전시키기 위하여, 증열 가스 또는 감열 가스를 BFG 등 원래의 가스에 혼합하여 칼로리 변동을 저감시키는 방법이 일반적으로 이용되고 있다. 구체적으로는, 칼로리 미터를 이용하여 혼합 가스 또는 원래의 가스의 칼로리를 측정하고, 칼로리의 변동분을 없애도록 증열 가스 또는 감열 가스의 혼합량을 제어하는 방법이 일반적으로 이용되고 있다.
그러나, 칼로리 미터는 일반적으로 60초 정도 등 분 단위 오더의 다대한 계측 지연을 가진다. 이로 인하여, 가스 칼로리의 급변의 검출이 지연되는 경우가 있다. 칼로리의 급변의 제어가 지연되면, 증열 가스나 감열 가스의 혼합량의 제어가 유효하게 기능하지 않고, 과부하나 실화를 방지할 수 없을 우려가 있다.
이에 대하여, 가스 칼로리의 급변을 검출하여 과부하나 실화를 방지하기 위한 몇 가지 방법이 제안되고 있다.
예를 들면, 특허 문헌 1에 기재된, 용광로 가스 전연(專燃)식 가스 터빈의 제어 방법에서는, 용광로 가스 연소용 가스 터빈의 운전에 있어서, 발전기의 출력에 따라, 연소기의 연료용 용광로 가스 중에 N2 등의 감열용 희석 가스 혹은 LPG 등의 증열용 부화 가스 중 어느 것을 첨가하여 가스 터빈 출력이 일정해지도록 제어한다.
이로써, 특허 문헌 1에 기재된, 용광로 가스 전연식 가스 터빈의 제어 방법에서는, 전연식이기 때문에 불가피하게 일어나는 용광로 가스 칼로리 변동에 기인하는 가스 터빈의 출력 변동을 극복하여 발전 출력을 일정하게 할 수 있다고 되어 있다.
그러나, 특허 문헌 1에 기재된, 용광로 가스 전연식 가스 터빈의 제어 방법에서는, 발전기의 출력에 따라 가스 칼로리를 제어하기 때문에, 발전 출력에 근거하는 터빈 본체의 제어와, 발전 출력에 근거하는 가스 칼로리의 제어가 간섭할 가능성이 있다. 또, 특허 문헌 1에 기재된, 용광로 가스 전연식 가스 터빈의 제어 방법에서는, 가스 칼로리의 제어에 관하여 가스 칼로리 자체의 값은 무시하고 있다. 이 점에 있어서, 가스 칼로리의 급변에 의한 과부하나 실화에 대한 근본적 대책이 마련되어 있지 않았다.
이에 대하여, 특허 문헌 2에서는, 발전 출력(P)과 가스 유량(Q)으로부터, P=ηHQ로 나타나는 관계에 근거하여 가스 칼로리(H)를 추정하는 수법을 제안하고 있다. 단, η는 효율(발전 효율)을 나타낸다.
이 수법에서는, 발전 출력과 연료 가스 유량 및 발전 효율에 의하여, 가스 칼로리를 추정한다. 이로써, 특허 문헌 2에 기재된 수법에서는, 칼로리 미터를 이용하는 종래의 방법에 비하여, 가스 전달계 및 가스 세정계에서의 불필요한 시간이나 시정수의 대폭적인 단축이 가능해져, 신속한 제어를 실현할 수 있다.
또, 특허 문헌 2에 기재된 수법을 이용하면, 가스 칼로리에 근거하여 가스 칼로리의 제어를 행할 수 있어, 터빈 본체의 제어와 가스 칼로리의 제어의 간섭을 회피할 수 있다. 또한, 특허 문헌 2에 기재된 수법을 이용하면, 가스 칼로리에 근거하여 가스 칼로리의 제어를 행할 수 있어, 이 점에 있어서, 가스 칼로리의 급변에 의한 과부하나 실화에 대한 근본적 대책을 강구할 수 있다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 공개 특허 공보 평 9-317499호
(특허 문헌 2) 일본 특허 공보 제 3905829호
특허 문헌 2에 기재된 수법에서는, 가스 칼로리의 추정 정밀도는 발전 효율의 정밀도에 의존한다. 발전 효율의 정밀도를 높여(즉, 얻어지는 발전 효율의 값과 실제값의 차를 작게 하여), 가스 칼로리를 보다 정밀도 좋게 추정할 수 있는 것이 요망된다.
본 발명은, 발전 효율의 정밀도를 높여, 가스 칼로리를 보다 정밀도 좋게 추정할 수 있는 연료 가스 칼로리 추정 장치, 연료 가스 칼로리 추정 방법 및 프로그램을 제공한다.
본 발명의 제 1 양태에 의하면, 연료 가스 칼로리 추정 장치는, 가스 터빈의 연소기에 유입되는 연료 가스 유량을 취득하는 연료 가스 유량 취득부와, 상기 가스 터빈의 상태량을 취득하는 상태량 취득부와, 상기 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 기억하는 기억부와, 상기 연료 가스 유량과, 상기 상태량과, 상기 상태량에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행하는 연료 가스 칼로리 연산부를 구비한다.
상기 서술한 연료 가스 칼로리 추정 장치가, 연료 가스 칼로리 측정값을 취득하는 칼로리 측정값 취득부와, 상기 연료 가스 칼로리 측정값과 상기 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기의 대소를 판정하여, 상기 연료 가스 칼로리 측정값과 상기 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작다고 판정한 타이밍에 있어서의 상기 연료 가스 칼로리 측정값 및 상기 상태량에 근거하여, 당해 상태량에 대응하는 상기 발전 효율을 갱신하는 효율 갱신부를 구비하도록 해도 된다.
상기 효율 갱신부가, 상기 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기의 대소를 판정하여, 상기 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 상기 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정하면, 당해 기간의 개시시를, 상기 연료 가스 칼로리 측정값과 상기 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작은 타이밍으로 하여 검출하도록 해도 된다.
상기 효율 갱신부가, 상기 발전 효율을, 당해 발전 효율의 과거값을 반영시킨 값으로 갱신하도록 해도 된다.
상기 효율 갱신부가, 상기 연료 가스 칼로리의 실제값과 상기 연료 가스 칼로리 측정값의 정상 편차의 상기 발전 효율에 대한 영향을 없애는 보정을 행하도록 해도 된다.
또, 본 발명의 제 2 양태에 의하면, 연료 가스 칼로리 추정 방법은, 가스 터빈의 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 기억하는 기억부를 구비하는 연료 가스 칼로리 추정 장치의 연료 가스 칼로리 추정 방법으로서, 상기 가스 터빈의 연소기에 유입되는 연료 가스 유량을 취득하는 연료 가스 유량 취득 스텝과, 상기 가스 터빈의 상태량을 취득하는 상태량 취득 스텝과, 상기 연료 가스 유량과, 상기 상태량과, 상기 상태량에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행하는 연료 가스 칼로리 연산 스텝을 포함한다.
또, 본 발명의 제 3 양태에 의하면, 프로그램은, 가스 터빈의 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 기억하는 기억부를 구비하는 연료 가스 칼로리 추정 장치로서의 컴퓨터에, 상기 가스 터빈의 연소기에 유입되는 연료 가스 유량을 취득하는 연료 가스 유량 취득 스텝과, 상기 가스 터빈의 상태량을 취득하는 상태량 취득 스텝과, 상기 연료 가스 유량과, 상기 상태량과, 상기 상태량에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행하는 연료 가스 칼로리 연산 스텝을 실행시키기 위한 프로그램이다.
상기한 연료 가스 칼로리 추정 장치, 연료 가스 칼로리 추정 방법 및 프로그램에 의하면, 발전 효율의 정밀도를 높여, 가스 칼로리를 보다 정밀도 좋게 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 발전 시스템의 설비 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 동 실시 형태에 있어서의 가스 터빈 발전 설비의 기기 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 동 실시 형태에 있어서의 연료 가스 칼로리 추정 장치의 기능 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
도 4는 동 실시 형태에 있어서의 연료 가스 칼로리 연산부에 의한 연료 가스 칼로리의 추정예를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 형태에 있어서의 연료 가스 칼로리 추정 장치의 기능 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
도 6은 동 실시 형태에 있어서의 효율 갱신부가, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정하는 예를 나타내는 그래프이다.
도 7은 동 실시 형태에 있어서의 효율 갱신부가 행하는 효율 보정 계수의 갱신의 예를 나타내는 설명도이다.
도 8은 동 실시 형태에 있어서, 효율 갱신부가 효율 보정 계수를 갱신하는 처리의 순서를 나타내는 플로차트이다.
이하, 발명의 실시 형태에 대하여 설명하지만, 이하의 실시 형태는 청구 범위에 관한 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 실시 형태 중에서 설명되어 있는 특징의 조합 전부가 발명의 해결 수단에 필수라고는 한정할 수 없다.
<제 1 실시 형태>
도 1은, 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 발전 시스템의 설비 구성을 나타내는 개략 구성도이다. 동 도면에 있어서, 발전 시스템(1)은, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)와, 제어 장치(800)와, 가스 터빈 발전 설비(900)를 구비한다.
가스 터빈 발전 설비(900)는, 제철의 과정에 있어서 용광로에서 발생하는 부생 가스인 용광로 가스(Blast Furnace Gas; BFG)를 주연료로 하여 발전을 행한다.
도 2는, 가스 터빈 발전 설비(900)의 기기 구성을 나타내는 개략 구성도이다. 동 도면에 있어서, 가스 터빈 발전 설비(900)는, BFG 모관(911)과, N2(질소) 가스 공급 밸브(921)와, COG(Cokes Oven Gas, 코크스로 가스) 공급 밸브(922)와, 혼합기(931)와, 전기 집진기(Electrostatic Precipitator; EP)(932)와, 가스 압축기(933)와, 바이패스 밸브(934)와, 가스 냉각기(935)와, 가스 터빈(940)과, 배열 회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator; HRSG)(951)와, 연돌(952)과, 증기 터빈(961)과, 복수기(962)와, 복수 펌프(963)와, 발전기(971)와, 증속 기어(972)와, 칼로리 미터(991)와, 유량계(992)와, 전력계(993)를 구비한다. 가스 터빈(940)은, 필터(941)와, 공기 압축기(942)와, 연소기(943)와, 가스 터빈 본체(944)와, 로터(rotor, 회전축)(945)를 구비한다.
BFG 모관(911)은, 용광로에서 발생한 BFG를 가스 터빈 발전 설비(900)로 공급하기 위한 배관이다. N2 가스 공급 밸브(921)는, 감열 가스인 N2 가스의 공급 유무 및 공급량을 조정하기 위한 밸브이다. COG 공급 밸브(922)는, 증열 가스인 COG의 공급 유무 및 공급량을 조정하기 위한 밸브이다.
혼합기(931)는, BFG 모관(911)으로부터의 BFG에, 당해 BFG의 칼로리에 따라 공급되는 N2 가스나 COG를 혼합한다.
여기에서, BFG에 N2 가스를 첨가함으로써, 가스 칼로리가 감소(따라서, 감열)한다. 한편, BFG에 COG를 첨가함으로써, 가스 칼로리가 증가(따라서, 증열)한다. 따라서, BFG 모관(911)으로부터의 BFG의 칼로리에 따라, N2 가스 공급 밸브(921)나 COG 공급 밸브(922)가 N2 가스나 COG의 공급 유무 및 공급량을 조정하고, 혼합기(931)가, 공급된 N2 가스나 COG를 BFG에 첨가함으로써, 가스 칼로리의 변동을 저감시킬 수 있다.
다만, 이하에서는, 혼합기(931) 통과 후의 가스(따라서, N2 가스나 COG의 공급이 있는 경우에는, 이들 가스가 첨가된 BFG)를 "연료 가스"라고 칭한다.
전기 집진기(932)는, 연료 가스에 포함되는 더스트 등을 집진하여 제거하는 장치이다.
가스 압축기(933)는, 전기 집진기(932)가 출력한 연료 가스를 압축하여 연소기(943)로 도입한다.
바이패스 밸브(934)는, 가스 압축기(933)가 출력한 연료 가스 중, 잉여 가스로서 혼합기(931)의 출구측으로 되돌리는 가스의 유량을 조정한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 가스 압축기(933)의 출구는, 연소기(943)의 입구측으로 접속됨과 함께, 가스 냉각기(935)를 통하여 혼합기(931)의 출구측으로 접속(바이패스)되어 있다. 바이패스 밸브(934)는, 가스 압축기(933)가 압축한 연료 가스의 일부를 바이패스 경로로 흐르게 함으로써, 연소기(943)로 공급하는 연료 가스의 유량을 조정한다.
가스 냉각기(935)는, 바이패스 밸브(934)가 출력한 잉여 가스를 냉각한다. 바이패스 밸브(934)가 출력하는 잉여 가스는, 가스 압축기(933)에 의한 압축으로 고온이 되어 있다. 따라서, 가스 냉각기(935)는, 바이패스 밸브로부터의 잉여 가스를 냉각한 후, 혼합기(931)의 출구측으로 되돌린다.
가스 터빈(940)은, 가스 압축기(933)로부터의 연료 가스를 연소시켜 회전력을 생성한다.
필터(941)는, 공기 압축기(942)의 입구측에 마련되어, 공기 압축기가 흡입하는 공기(외기)로부터 먼지 등을 제거한다.
공기 압축기(942)는, 필터(941)를 통하여 흡입하는 공기를 압축하고, 얻어진 압축 공기를 연소기(943)로 출력한다.
연소기(943)는, 가스 압축기(933)로부터의 연료 가스와 공기 압축기로부터의 압축 공기를 혼합하고 연소시켜, 얻어진 고온의 연소 가스를 가스 터빈 본체(944)로 출력한다.
가스 터빈 본체(944)는, 로터(945)에 의하여 회전 가능하게 지지되어 있으며, 연소기(943)로부터의 연소 가스에 의하여 가스 터빈 본체(944) 스스로가 회전함으로써, 증기 터빈(961)과 함께 로터(945)를 회전시킨다.
로터(945)는, 가스 터빈 본체(944)나 증기 터빈(961)으로부터의 회전력을 공기 압축기(942)와 발전기(971)와 증속 기어(972)로 전달한다.
배열 회수 보일러(951)는, 가스 터빈 본체(944)가 배기한 연소 가스(배기가스)의 열을 이용하여 증기(고압 증기)를 생성하고, 얻어진 고압 증기를 증기 터빈(961)으로 공급한다. 또, 배열 회수 보일러(951)는, 증기 터빈(961)이 배출한 증기를 재가열하고, 저압 증기로서 증기 터빈(961)으로 공급한다.
연돌(952)은, 배열 회수 보일러(951)가 배기한 연소 가스를 대기 중으로 방출한다.
증기 터빈(961)은, 로터(945)에 의하여 회전 가능하게 지지되어 있으며, 배열 회수 보일러(951)로부터의 증기(고압 증기 및 저압 증기)에 의하여 증기 터빈(961) 스스로가 회전함으로써, 가스 터빈 본체(944)와 함께 로터(945)를 회전시킨다.
복수기(962)는, 증기 터빈(961)으로부터 배기된 증기를 냉각하여 물(복수)로 되돌린다.
복수 펌프(963)는, 복수기(962)로부터의 복수를 배열 회수 보일러(951)로 송출한다. 당해 복수는, 배열 회수 보일러(951)에서 가열되어 고압 증기가 된다.
발전기(971)는, 로터(945)에 의하여 전달되는, 가스 터빈 본체(944)나 증기 터빈(961)으로부터의 회전력을 이용하여 발전한다.
증속 기어(972)는, 로터(945)에 의하여 전달되는, 가스 터빈 본체(944)나 증기 터빈(961)으로부터의 회전력을, 증속하여 가스 압축기(933)로 전달한다.
칼로리 미터(991)는, 연료 가스의 칼로리를 측정한다.
유량계(992)는, 연소기(943)에 유입되는 연료 가스 유량을 측정한다.
전력계(993)는, 발전기(971)의 발전 출력(전력)을 측정한다. 전력계(993)가 측정하는 발전 출력은, 가스 터빈(940)이 생성하는 회전력과 상관이 있으며, 가스 터빈의 상태량의 일례에 해당한다.
연료 가스 칼로리 추정 장치(100)는, 유량계(992)가 측정하는 연료 가스 유량과, 전력계(993)가 측정하는 발전기(971)의 발전 출력에 근거하여, 연료 가스 칼로리를 추정한다. 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)는, 예를 들면 컴퓨터로 구성된다.
도 3은, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)의 기능 구성을 나타내는 개략 블록도이다. 동 도면에 있어서, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)는, 상태량 취득부(111)와, 연료 가스 유량 취득부(112)와, 기억부(121)와, 연료 가스 칼로리 연산부(131)와, 연산 결과 출력부(141)를 구비한다.
상태량 취득부(111)는, 전력계(993)가 측정하는 발전기(971)의 발전 출력을 취득한다.
연료 가스 유량 취득부(112)는, 유량계(992)가 측정하는 연료 가스 유량을 취득한다.
기억부(121)는, 발전기(971)의 발전 출력에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율 등, 각종 데이터를 기억한다. 기억부(121)는, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)가 구비하는 기억 디바이스를 이용하여 구성된다.
연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 상태량 취득부(111)가 취득하는 발전 출력과, 연료 가스 유량 취득부(112)가 취득하는 연료 가스 유량과, 발전 출력에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행한다. 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 예를 들면, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)가 구비하는 CPU(Central Processing Unit, 중앙 처리 장치)가, 기억부(121)가 기억하는 프로그램을 읽어내어 실행하는 것으로 구성된다.
연산 결과 출력부(141)는, 연료 가스 칼로리 연산부(131)가 산출한 연료 가스 칼로리를 제어 장치(800)로 송신한다.
상태량 취득부(111)와 연료 가스 유량 취득부(112)와 연산 결과 출력부(141)는, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)가 구비하는 통신 회로를 이용하여 구성된다.
여기에서, 발전기(971)의 발전 출력을 P[킬로와트(KW)]로 하고, 연료 가스 칼로리를 H[킬로줄 퍼 뉴튼 입방미터(KJ/N㎥)]로 하며, 연료 가스 유량을 Q[뉴튼 입방미터 퍼 초(N㎥/s)]로 하면, 식 (1)의 관계가 성립된다고 생각된다.
[수학식 1]
Figure 112015055797845-pct00001
단, η(P)는 발전 효율(이하, 간단히 "효율"이라고 칭함)을 나타내고, 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015055797845-pct00002
단, η0(P)는, 가스 터빈 설계 단계에서 도출되는 효율(이하, "초기 효율"이라고 칭함)을 나타낸다. 또, kη(P)는, 효율 보정 계수(효율의 보정 계수)를 나타낸다. 예를 들면, 보정의 필요가 없는 경우, kη(P)=1이 된다.
식 (1)과 식 (2)로부터, 식 (3)이 얻어진다.
[수학식 3]
Figure 112015055797845-pct00003
따라서, 기억부(121)가 초기 효율(η0(P)) 및 효율 보정 계수(kη(P))를 기억해 두고, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 식 (3)에 근거하여 연료 가스 칼로리(H)를 산출함으로써, 연료 가스 칼로리(H)를 추정한다.
도 4는, 연료 가스 칼로리 연산부(131)에 의한 연료 가스 칼로리의 추정예를 나타내는 그래프이다. 동 도면의 가로축은 시각을 나타내고, 세로축은 칼로리를 나타낸다. 또, 선(L11)은, 연료 가스 칼로리의 실제의 값(이하, "실제값"이라고 칭함)을 나타낸다. 선(L12)은, 칼로리 미터(991)에 의한 연료 가스 칼로리의 측정값을 나타낸다. 선(L13)은, 연료 가스 칼로리 연산부(131)에 의한 연료 가스 칼로리의 추정값을 나타낸다.
도 4의 예에 있어서, 시각(T11)까지는, 연료 가스 칼로리의 실제값(선(L11))이 설정값으로 대략 일정하게 되어 있으며, 칼로리 미터(991)에 의한 측정값(선(L12)), 연료 가스 칼로리 연산부(131)에 의한 추정값(선(L13)) 모두, 실제값에 가까운 값을 나타내고 있다.
한편, 시각(T11) 이후에는, 연료 가스 칼로리의 실제값(선(L11))이 감소하고 있다. 이에 대하여, 연료 가스 칼로리의 측정값(선(L12))은, 칼로리 미터(991)의 응답 지연에 의하여 실제값과의 차가 발생하고 있다. 예를 들면, 시각(T12)에서는, 도면 중에 화살표로 나타내는 차가 발생하고 있다.
한편, 연료 가스 칼로리의 추정값(선(L13))은, 연료 가스 칼로리의 변동에 대한 응답이 빠른 발전 출력을, 응답이 빠른 전력계로 측정한 값을 이용하여 추정을 행함으로써, 실제값에 추종하여 변화하고 있다.
다만, 연료 가스 칼로리 연산부(131)가 연료 가스 칼로리의 추정에 이용하는 상태량은, 발전기(971)의 발전 출력에 한정되지 않는다. 예를 들면, 연료 가스 칼로리 연산부(131)가, 가스 터빈 본체(944)의 배기 가스 온도, 또는, 가스 터빈 본체(944)의 회전수 등, 발전 출력 이외의, 가스 터빈(940)의 상태량을 이용하도록 해도 된다.
예를 들면, 가스 터빈 본체(944)의 배기 가스 온도를 T[켈빈(K)]로 하여, 연료 가스 칼로리 연산부(131)가, 식 (4)에 근거하여 연료 가스 칼로리를 추정하도록 해도 된다.
[수학식 4]
Figure 112015055797845-pct00004
단, η2 0(T)는, 배기 가스 온도에 관하여 가스 터빈 설계 단계에서 도출되는 효율을 나타낸다. 또, k2 η(T)는, 당해 효율(η2 0(T))에 대한 효율 보정 계수를 나타낸다.
도 1로 되돌아와, 제어 장치(800)는, 가스 터빈 발전 설비(900)의 각 부를 제어한다. 특히, 제어 장치(800)는, 가스 터빈 발전 설비(900)의 운전자가 설정하는 발전 출력 목표에 따라, 가스 터빈(940)이나 증기 터빈(961)의 부하를 제어한다. 또, 제어 장치(800)는, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)가 산출하는 연료 가스 칼로리에 근거하여, 연료 가스 칼로리가 일정해지도록 N2 가스 공급 밸브(921)와 COG 공급 밸브(922)를 제어한다.
이상과 같이, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 가스 터빈(940)의 상태량에 근거하여 연료 가스 칼로리를 추정한다. 이로써 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 연료 가스 칼로리의 변동에 따라 신속한 응답으로 연료 가스 칼로리를 추정할 수 있다. 따라서, 제어 장치(800)는, 연료 가스 칼로리 연산부(131)의 추정 결과를 이용하여, 신속하게 가스 터빈 발전 설비(900)의 제어를 행할 수 있다. 또한, 제어 장치(800)는, 연료 가스 칼로리 연산부(131)의 추정 결과를 이용함으로써, 가스 칼로리에 근거하여 가스 칼로리의 제어를 행할 수 있어, 터빈 본체의 제어와 가스 칼로리의 제어의 간섭을 회피할 수 있다. 또, 제어 장치(800)는, 연료 가스 칼로리 연산부(131)의 추정 결과를 이용함으로써, 가스 칼로리에 근거하여 가스 칼로리의 제어를 행할 수 있으며, 이 점에 있어서, 가스 칼로리의 급변에 의한 과부하나 실화에 대한 근본적 대책을 강구할 수 있다.
또한, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 연료 가스 칼로리를 추정할 때, 가스 터빈(940)의 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 이용한다.
여기에서, 설계 단계에서 도출할 수 있는 효율과 실기(實機)의 효율이 완전하게 일치한다고는 한정할 수 없고, 또한, 효율은 경년이나 대기 온도 변동에 의하여 서서히 변화한다. 그리고, 효율은, 발전 출력(부하대(負荷帶)) 등 가스 터빈의 상태량에 따라 상이한 값이 된다.
이에 대하여, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 설계 단계에서 도출된 효율(η0(P))에 효율 보정 계수(kη(P))를 승산하여 상태량(본 실시 형태에서는 발전 출력)마다 세밀하게 조정된, 보다 정확한 효율을 이용하여 연료 가스 칼로리의 추정을 행할 수 있다. 이 점에 있어서, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 발전 효율의 정밀도를 높여, 가스 칼로리를 보다 정밀도 좋게 추정할 수 있으며, 또, 가스 터빈(940)의 경년 변화나, 대기 온도 등 환경의 변화에도 대응 가능하다. 그리고, 제어 장치(800)는, 연료 가스 칼로리 연산부(131)의 추정 결과를 이용하여 연료 가스 칼로리의 제어를 행함으로써, 가스 칼로리의 급변에 의한 과부하나 실화의 가능성을, 보다 저감시킬 수 있다.
또, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 가스 터빈(940)의 배기 가스 온도 또는 회전수 등, 발전 출력 이외의 가스 터빈(940)의 상태량을 이용하여 연료 가스 칼로리를 추정할 수 있다.
다만, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)는, 도 2의 예에 한정되지 않고 다양한 가스 터빈의 연료 가스 칼로리를 추정 가능하다. 예를 들면, BFG 연소용 가스 터빈에 한정되지 않고, 석탄 가스화 복합 발전(Integrated coal Gasification Combined Cycle; IGCC) 등, 연료 가스 칼로리가 변동할 수 있는 다양한 가스 터빈의 설비에 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)를 이용할 수 있다. 또, 콤바인드 사이클 발전 설비에 한정되지 않고 가스 터빈 단일체의 발전 설비에도 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)를 이용할 수 있다. 또, 콤바인드 사이클 발전 설비의 경우에도, 1축 콤바인드 사이클에 한정되지 않는다. 또, 증기 터빈의 단수도 2단에 한정되지 않고, 1단이어도 되고, 3단 또는 그 이상이어도 된다. 나아가서는, 동력용의 가스 터빈 등, 발전 용도 이외의 다양한 가스 터빈에도 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)를 이용할 수 있다.
또, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100)가 추정하는 연료 가스 칼로리를, 운전자에 대한 표시, 혹은, 기록 등, 가스 터빈 발전 설비(900)의 제어 이외의 용도에 이용하도록 해도 된다.
또, 제 1 실시 형태에서는, 가스 터빈 발전 설비(900)가 칼로리 미터를 구비하고 있지 않아도 된다.
<제 2 실시 형태>
본 실시 형태에서는, 도 1의 연료 가스 칼로리 추정 장치(100) 대신에, 도 5에 나타내는 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)를 이용한다. 제어 장치(800)나 가스 터빈 발전 설비(900)에 대해서는, 제 1 실시 형태의 경우와 마찬가지이다.
도 5는, 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)의 기능 구성을 나타내는 개략 블록도이다. 동 도면에 있어서, 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)는, 상태량 취득부(111)와, 연료 가스 유량 취득부(112)와, 기억부(121)와, 연료 가스 칼로리 연산부(131)와, 연산 결과 출력부(141)와, 칼로리 측정값 취득부(213)와, 효율 갱신부(251)를 구비한다.
동 도면에 있어서, 도 3의 각 부에 대응하여 동일한 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호(111, 112, 121, 131, 141)를 붙여 설명을 생략한다.
연료 가스 칼로리 추정 장치(200)는, 유량계(992)(도 1)가 측정하는 연료 가스 유량과, 전력계(993)가 측정하는 발전기(971)의 발전 출력에 근거하여, 연료 가스 칼로리를 추정한다. 그리고, 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)는, 칼로리 미터(991)가 측정하는 연료 가스 칼로리에 근거하여, 효율 보정 계수의 갱신을 행한다. 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)는, 예를 들면 컴퓨터로 구성된다.
칼로리 측정값 취득부(213)는, 칼로리 미터(991)가 측정하는 연료 가스 칼로리 측정값을 취득한다.
효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기의 대소를 판정한다. 그리고, 효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작다고 판정한 타이밍에 있어서의 연료 가스 칼로리 측정값 및 가스 터빈(940)의 상태량에 근거하여, 당해 상태량에 대응하는 발전 효율을 갱신한다.
구체적으로는, 효율 갱신부(251)는, 칼로리 미터(991)에 의한 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기의 대소를 판정한다. 더 구체적으로는, 효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작은 것을 판정하기 위한 소정의 판정 기준을 만족한다고 판정하면, 당해 기간의 개시시를, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작은 타이밍으로 하여 검출한다.
이 판정 기준이 만족되는 제 1 예로서, 후술하는 바와 같이, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에서의, 연료 가스 칼로리 측정값의 분산이 소정의 임계값 이하인 것을 들 수 있다. 또한, 이 판정 기준이 만족되는 제 2 예로서, 후술하는 바와 같이, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에서의, 연료 가스 칼로리 측정값과 설정값의 차이의 크기가 소정의 임계값 이하인 것을 들 수 있다.
도 6은, 효율 갱신부(251)가, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정하는 예를 나타내는 그래프이다. 동 도면의 가로축은 시각을 나타내고, 세로축은, 칼로리를 나타낸다. 또, 선(L21)은, 연료 가스 칼로리의 실제값을 나타낸다. 선(L22)은, 칼로리 미터(991)에 의한 연료 가스 칼로리의 측정값을 나타낸다.
또, 시각(T212)은, 현재 시각을 나타낸다. 시간(T221)은, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간을 나타내고 있으며, 당해 시간(T221)의 개시시에 연료 가스 칼로리의 실제값(선(L21))이 감소하기 시작하고 있는 것에 반하여, 연료 가스 칼로리 측정값(선(L22))은, 시간(T221)의 종료시에 감소하기 시작하고 있다. 시각(T211)은, 현재 시각(시각(T212))보다, 시간(T221)으로 나타나는 응답 지연 시간 이상 과거의 시각을 나타낸다.
도 6의 예에서는, 시각(T211)으로부터 시각(T212)까지의 시간은, 연료 가스 칼로리 측정값(선(L22))이 설정값으로 대략 일정하게 되어 있다.
효율 갱신부(251)는, 예를 들면, 시각(T211)으로부터 시각(T212)까지, 샘플링 시간마다 칼로리 측정값 취득부(213)를 통하여, 칼로리 미터(991)가 측정하는 연료 가스 칼로리 측정값을 취득한다. 그리고, 효율 갱신부(251)는, 얻어진 연료 가스 칼로리 측정값의 분산을 산출하고, 얻어진 분산이 소정의 임계값 이하인지 아닌지를 판정한다. 분산이 임계값 이하인 것을 검출한 경우, 효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정한다.
다만, 효율 갱신부(251)가, 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기를 평가하는 방법은, 분산을 이용하는 방법에 한정되지 않는다. 예를 들면, 효율 갱신부(251)가, 평가 대상의 기간(도 6의 예에서는 시각(T211)으로부터 시각(T212)까지)의 각 샘플링 시각에 있어서, 연료 가스 칼로리 측정값과 설정값의 차의 크기를 산출하도록 해도 된다. 그리고, 어느 샘플링 시각에 있어서도 차의 크기가 소정의 임계값 이하인 것을 검출한 경우에, 효율 갱신부(251)가, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정하도록 해도 된다.
도 6의 예에 있어서, 시각(T211)으로부터 시각(T212)까지의 시간은, 연료 가스 칼로리 측정값(선(L22))이 대략 일정하게 되어 있다(변동의 크기가 작다). 이것으로부터, 적어도 시각(T211)에 있어서는, 연료 가스 칼로리 측정값(선(L22))이 실제값(선(L21))에 동일하다고 간주할 수 있다.
따라서, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정한 효율 갱신부(251)는, 시각(T211)에 있어서의 연료 가스 칼로리 측정값에 근거하여, 당해 시각(T211)에 있어서의 발전 출력에 따른 효율 보정 계수를 갱신한다. 구체적으로는, 효율 갱신부(251)는, 시각(T211)에 있어서의, 칼로리 미터(991)의 연료 가스 칼로리 측정값과, 유량계(992)의 연료 가스 유량 측정값과, 전력계(993)의 발전 출력 측정값을, 식 (5)에 나타나는 관계에 적용하여, 효율 보정 계수의 참조 신호(교사 신호)(kr η(P))를 얻는다.
[수학식 5]
Figure 112015055797845-pct00005
단, P는 발전 출력을 나타낸다. Q는 연료 가스 유량을 나타낸다. Hs는, 연료 가스 칼로리 측정값을 나타낸다. η0(P)는, 설계 단계에서 도출된 효율의, 발전 출력(P)에 대응하는 값을 나타낸다.
그리고, 효율 갱신부(251)는, 시각(T211)에 있어서의 발전 출력(P)에 대응하는 효율 보정 계수(kη(P))를, 얻어진 효율 보정 계수의 참조 신호(kr η(P))로 치환한다.
예를 들면, 기억부(121)가, 발전기(971)의 발전 출력(부하대)을 분할한 구간마다, 발전 출력에 따른 효율 보정 계수를 기억해 둔다. 그리고, 효율 갱신부(251)는, 기억부(121)가 기억하고 있는 효율 보정 계수 중, 연료 가스 칼로리의 측정값이 실제값과 동일하다고 간주할 수 있는 시각으로서 검출한 시각(도 6의 예에서는 시각(T211). 이하, "참조 시각"이라고 칭함)에 있어서의 발전 출력에 대응하는 효율 보정 계수를, 효율 보정 계수의 참조 신호로 치환한다.
도 7은, 효율 갱신부(251)가 행하는 효율 보정 계수의 갱신의 예를 나타내는 설명도이다. 동 도면의 가로축은 발전 출력을 나타내고, 세로축은 효율 보정 계수를 나타낸다.
도 7의 예에서는, 참조 시각에 있어서의 발전 출력(P)의 측정값이 P2에 대응하고 있으며, 효율 갱신부(251)는, 발전 출력(P2)의 효율 보정 계수(kη(P2))를, 얻어진 효율 보정 계수의 참조 신호(kr η(P))로 치환한다.
다음으로, 도 8을 참조하여 효율 갱신부(251)의 동작에 대하여 설명한다.
도 8은, 효율 갱신부(251)가 효율 보정 계수를 갱신하는 처리의 순서를 나타내는 플로차트이다. 효율 갱신부(251)는, 예를 들면, 소정 주기마다 동 도면의 처리를 행한다.
도 8의 처리에 있어서, 효율 갱신부(251)는, 먼저, 칼로리 미터(991)의 응답 지연 시간 이상의 시간으로서 설정되어 있는 소정 시간동안, 샘플링 시간마다, 칼로리 측정값 취득부(213)를 통하여, 칼로리 미터(991)가 측정하는 연료 가스 칼로리 측정값을 취득한다(스텝 S101).
그리고, 효율 갱신부(251)는, 얻어진 연료 가스 칼로리 측정값의 분산을 산출하고(스텝 S102), 얻어진 분산이 소정의 임계값 이하인지 아닌지를 판정한다(스텝 S103).
분산이 임계값보다 크다고 판정한 경우(스텝 S103: NO), 스텝 S101로 되돌아간다.
한편, 분산이 임계값 이하라고 판정한 경우(스텝 S103: YES), 효율 갱신부(251)는, 효율 보정 계수의 참조 신호(kr η(P))를 산출한다(스텝 S104). 그리고, 효율 갱신부(251)는, 기억부(121)가 기억하고 있는 효율 보정 계수 중, 참조 시각에 있어서의 발전 출력에 대응하는 효율 보정 계수를, 효율 보정 계수의 참조 신호로 치환한다(스텝 S105).
그 후, 도 8의 처리를 종료한다.
이상과 같이, 효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기의 대소를 판정하여, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작다고 판정한 타이밍에 있어서의 연료 가스 칼로리 측정값 및 터빈 상태량에 근거하여, 터빈 상태량에 대응하는 발전 효율을 갱신한다.
이로써, 효율 갱신부(251)는, 효율 보정 계수를 발전 출력마다 세밀하게 갱신할 수 있고, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 당해 효율 보정 계수를 이용하여, 보다 정밀도 좋게 연료 가스 칼로리를 산출할 수 있다.
또, 효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작다고 판정한 타이밍에 있어서 효율 보정 계수를 갱신함으로써, 연료 가스 칼로리 측정값을 이용하여 간단하게, 또한, 보다 정밀도 좋게 효율 보정 계수의 갱신을 행할 수 있다.
또, 효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기의 대소를 판정하여, 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정하면, 당해 기간의 개시시를, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작은 타이밍으로 하여 검출한다.
이와 같이, 효율 보정 계수를 상시 갱신하는 것이 아니라, 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정한 경우에 갱신을 행함으로써, 효율 갱신부(251)는, 효율 보정 계수를 정밀도 좋게 갱신할 수 있다. 따라서, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 당해 효율 보정 계수를 이용하여, 보다 정밀도 좋게 연료 가스 칼로리를 산출할 수 있다.
다만, 연료 가스 칼로리 연산부(131)가 연료 가스 칼로리의 추정에 이용하는 상태량과 마찬가지로, 효율 갱신부(251)가 효율 보정 계수의 갱신에 이용하는 상태량은, 발전기(971)의 발전 출력에 한정되지 않는다. 예를 들면, 효율 갱신부(251)가, 가스 터빈 본체(944)의 배기 가스 온도, 또는, 가스 터빈 본체(944)의 회전수 등, 발전 출력 이외의, 가스 터빈(940)의 상태량을 이용하도록 해도 된다.
또한, 연료 가스 칼로리 연산부(131)가 이용하는 상태량과 효율 갱신부(251)가 이용하는 상태량은, 동일한 상태량이어도 되고, 다른 상태량이어도 된다.
다만, 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)는, 도 2의 예에 한정되지 않고 다양한 가스 터빈의 연료 가스 칼로리를 추정 가능하다. 예를 들면, BFG 연소용 가스 터빈에 한정되지 않고, 석탄 가스화 복합 발전 등, 연료 가스 칼로리가 변동할 수 있는 다양한 가스 터빈의 설비에 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)를 이용할 수 있다. 또, 콤바인드 사이클 발전 설비에 한정되지 않고 가스 터빈 단일체의 발전 설비에도 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)를 이용할 수 있다. 또, 콤바인드 사이클 발전 설비의 경우에도, 1축 콤바인드 사이클에 한정되지 않는다. 또, 증기 터빈의 단수도 2단에 한정되지 않고, 1단이어도 되고, 3단 또는 그 이상이어도 된다. 나아가서는, 동력용의 가스 터빈 등, 발전 용도 이외의 다양한 가스 터빈에도 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)를 이용할 수 있다.
또, 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)가 추정하는 연료 가스 칼로리를, 운전자에 대한 표시, 혹은, 기록 등, 가스 터빈 발전 설비(900)의 제어 이외의 용도에 이용하도록 해도 된다.
다만, 기억부(121)가 효율 보정 계수를 기억하는 형식은, 도 7을 참조하여 설명한 바와 같은, 발전 출력과 효율 보정 계수를 대응지어 기억하는 형식(예를 들어 테이블 형식)에 한정되지 않는다.
예를 들면, 기억부(121)가, 발전 출력과 효율 보정 계수의 관계를 나타내는 근사 곡선을 기억하도록 해도 된다. 이 경우, 효율 갱신부(251)는, 당해 근사 곡선의 파라미터(예를 들면 다항식에 있어서의 각 항의 계수)를, 예를 들면 최소 이승법 등에 의하여 구함으로써, 효율 보정 계수를 갱신할 수 있다.
다만, 효율 갱신부(251)가, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작은 타이밍을 검출하는 방법은, 연료 가스 칼로리 측정값 변동이 작은 기간을 검출하는 방법에 한정되지 않는다.
예를 들면, 효율 갱신부(251)가, 연료 가스 칼로리 연산부(131)가 산출하는 연료 가스 칼로리 추정값의 변동의 대소를 판정하여, 당해 변동의 크기가 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 작은 기간을 검출하도록 해도 된다. 그리고, 효율 갱신부(251)가, 검출한 기간의 종료 시각을, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작은 타이밍으로 하여 검출하도록 해도 된다.
다만, 효율 갱신부(251)가, 효율 보정 계수가 아닌, 효율을 직접 갱신하도록 해도 된다. 즉, 기억부(121)가, 발전 출력에 따른 효율(η(P))을 기억해 두고, 참조 시각에 있어서의 연료 가스 칼로리 측정값에 근거하여, 당해 시각에 있어서의 발전 출력에 따른 효율을 갱신하도록 해도 된다.
구체적으로는, 효율 갱신부(251)는, 참조 시각에 있어서의, 칼로리 미터(991)의 연료 가스 칼로리 측정값과, 유량계(992)의 연료 가스 유량 측정값과, 전력계(993)의 발전 출력 측정값을, 식 (6)에 나타나는 관계에 적용하여, 효율의 참조 신호(ηr(P))를 얻는다.
[수학식 6]
Figure 112015055797845-pct00006
단, P는 발전 출력을 나타낸다. Q는 연료 가스 유량을 나타낸다. Hs는, 연료 가스 칼로리 측정값을 나타낸다.
그리고, 효율 갱신부(251)는, 참조 시각에 있어서의 발전 출력(P)에 대응하는 효율(η(P))을 얻어진 효율의 참조 신호(ηr(P))로 치환한다.
상기 서술한 기억부(121)가 효율 보정 계수를 기억하는 형식과 마찬가지로, 기억부(121)가 효율을 기억하는 형식으로서 다양한 형식을 이용할 수 있다. 예를 들면, 기억부(121)가, 발전 출력과 효율을 대응지어(예를 들면 테이블 형식으로) 기억하도록 해도 된다. 혹은, 기억부(121)가, 발전 출력과 효율의 관계를 나타내는 근사 곡선을 기억하도록 해도 된다.
발전 출력과 효율의 관계를 나타내는 근사 곡선의 일례로서, 기억부(121)가, 식 (7)에 나타내는 3차식을 기억용으로 해도 된다.
[수학식 7]
Figure 112015055797845-pct00007
단, x는, 예를 들면 발전 출력 등, 터빈의 상태량을 나타낸다. a0, a1, a2, a3은, 각각 계수를 나타낸다. y(x)는, 효율의 근사값을 나타낸다. 또, 식 (7)에 있어서, 위 첨자의 숫자는 지수를 나타낸다.
기억부(121)는, 예를 들면, 식 (8)에 나타내는 계수 벡터 a(명세서의 기재에 있어서, 벡터나 행렬을 나타내는 굵은 글자 표기를 생략함)를 기억함으로써, 식 (7)의 근사 곡선을 기억한다.
[수학식 8]
Figure 112015055797845-pct00008
구체적으로는, 기억부(121)는, 먼저, 최소 이승법 등의 방법을 이용하여 미리 구해진, 계수 벡터 a의 초기값(예를 들면, 설계 단계에 있어서의 효율을 근사하는 계수 벡터)을 기억해 둔다. 그리고, 효율 갱신부(251)는, 계수 벡터 a를 참조 신호(ηr(P))에 근거하여 갱신한다. 예를 들면, 효율 갱신부(251)는, LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여, 식 (9)에 근거하여, 계수 벡터 a를 갱신한다.
[수학식 9]
Figure 112015055797845-pct00009
단, anew, aold는, 각각, 갱신 후, 갱신 전의 계수 벡터를 나타낸다. 벡터 P는, 식 (10)에 나타나는, 발전 출력(P)에 근거하는 벡터이다. α는, 상수를 나타낸다.
[수학식 10]
Figure 112015055797845-pct00010
단, 식 (10)에 있어서, 위 첨자의 숫자는 지수를 나타낸다.
효율 갱신부(251)가, LMS 알고리즘을 이용하여 효율의 갱신을 행함으로써, 효율(의 추정값)의 급준한 변동을 피할 수 있다. 효율의 실제값은 가스 터빈(940)의 경년 변화나 대기 온도 등의 변화에 따라 서서히 변동하는 것이며, 급준하게는 변동하지 않을 것이다. 따라서, 효율 갱신부(251)가, 효율의 급준한 변동을 피함으로써, 실제값에 가까운 효율을 얻을 수 있는 것이 기대된다.
효율 갱신부(251)가, 효율의 갱신을 행하는 경우에도, 효율 보정 계수의 갱신을 행하는 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
구체적으로는, 이로써, 효율 갱신부(251)는, 효율을 발전 출력마다 세밀하게 갱신할 수 있고, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 당해 효율을 이용하여, 보다 정밀도 좋게 연료 가스 칼로리를 산출할 수 있다.
또, 효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리 측정값과 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작다고 판정한 타이밍에 있어서 효율을 갱신함으로써, 연료 가스 칼로리 측정값을 이용하여 간단하게, 또한, 보다 정밀도 좋게 효율의 갱신을 행할 수 있다.
또, 효율을 상시 갱신하는 것이 아니라, 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작다고 판정한 경우에 갱신을 행함으로써, 효율 갱신부(251)는, 효율을 정밀도 좋게 갱신할 수 있다. 따라서, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 당해 효율을 이용하여, 보다 정밀도 좋게 연료 가스 칼로리를 산출할 수 있다.
다만, 효율 갱신부(251)가, 효율을, 당해 효율의 과거값을 반영시킨 값으로 갱신하도록 해도 된다. 예를 들면, 효율 갱신부(251)는, 망각 계수 β(β는, 0<β1의 상수)를 이용하여, 식 (11)에 근거하여 효율 보정 계수를 갱신함으로써, 효율 보정 계수의 급준한 변동을 억제한다.
[수학식 11]
Figure 112015055797845-pct00011
망각 계수 β의 값이 1에 가까울수록 현재의 정보의 영향이 커진다. 반대로, 망각 계수 β의 값이 0에 가까울수록 과거의 효율 보정 계수의 영향이 커진다. 망각 계수 β의 값은, 예를 들면, 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)의 유저가 설정한다.
다만, 효율 갱신부(251)가, 효율을, 당해 효율의 과거값을 반영시킨 값으로 갱신하는 방법은, 망각 계수를 이용하는 방법에 한정되지 않는다. 예를 들면, 효율 갱신부(251)가, 효율 보정 계수의 참조 신호(kr η(P))에 적분 필터를 적용하여 1차 지연을 발생시키고, 1차 지연이 발생한 참조 신호를 이용하여 기억부(121)가 기억하는 효율 보정 계수를 갱신하도록 해도 된다.
이상과 같이, 효율 갱신부(251)는, 효율을, 당해 효율의 과거값을 반영시킨 값으로 갱신한다. 이로써, 효율 갱신부(251)는, 효율 보정 계수의 급준한 변동을 억제할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 효율의 실제값은 급준하게는 변동하지 않을 것이며, 효율 보정 계수의 실제값도 급준하게는 변동하지 않을 것이다. 따라서, 효율 갱신부(251)가, 효율의 급준한 변동을 피함으로써, 실제값에 가까운 효율 보정 계수를 얻을 수 있는 것이 기대된다. 그리고, 당해 효율 보정 계수를 이용함으로써, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 연료 가스 칼로리 추정값을 정밀도 좋게 구할 수 있다.
다만, 효율 갱신부(251)가, 연료 가스 칼로리의 실제값과 연료 가스 칼로리 측정값의 정상 편차의 효율에 대한 영향을 없애는 보정을 행하도록 해도 된다.
여기에서, 칼로리 미터(991)가 측정하는 연료 가스 칼로리 측정값에, 실제값에 대한 정상 편차(오프셋)가 포함되어 있는 경우, 효율 갱신부(251)가 연료 가스 칼로리 측정값에 근거하여 갱신하는 효율 보정 계수 또는 효율에도 정상 편차가 포함될 수 있다. 따라서, 효율 갱신부(251)가, 식 (12)에 나타내는 계수 jη와 같이, 정상 편차를 보정하는 계수를 생성하도록 해도 된다.
[수학식 12]
Figure 112015055797845-pct00012
단, F(s)는, 예를 들면 시정수 T[초(sec)]의 1차 지연계 1/(Ts+1)과 같은 필터를 나타낸다. 또, 1/s는, 적분 작용소(s는 미분 작용소)를 나타낸다.
효율 갱신부(251)는, jηkη(P)를 새로운 효율 보정 계수로 할 수 있다. 예를 들면, 효율 갱신부(251)는, 효율 보정 계수의 참조 신호(kr η(P))에 대하여, 기억부(121)가 기억하는 효율 보정 계수 중 발전 출력(P)에 대응하는 효율 보정 계수를, jηkr η(P)로 갱신할 수 있다.
혹은, 효율 갱신부(251)가 효율의 갱신을 행하는 경우, 기억부(121)가 기억하는 효율 중 발전 출력(P)에 대응하는 효율을, jηη(P)로 갱신할 수 있다.
다만, 식 (12)에 나타내는 연료 가스 칼로리(H)의 실제값은, 통상 얻을 수 없다. 따라서, 효율 갱신부(251)는, 예를 들면, 발전 출력의 목표값과 발전 출력의 측정값의 편차에 근거하여 계수 jη를 취득한다.
여기에서, 연료 가스 칼로리의 실제값과 측정값의 정상 편차가, 연료 가스 칼로리 추정 장치(200)가 출력하는 연료 가스 칼로리 추정값에 영향을 미치면, 제어 장치(800)가 당해 연료 가스 칼로리 추정값을 이용하여 행하는 발전 출력의 제어에도 영향이 발생한다. 즉, 연료 가스 칼로리의 실제값과 측정값의 정상 편차가, 발전 출력의 목표값과 측정값의 편차로 나타난다.
따라서, 효율 갱신부(251)는, 예를 들면, 발전 출력의 목표값과 발전 출력의 측정값의 편차에 근거하여, 연료 가스 칼로리의 실제값과 측정값의 정상 편차에 따른 계수 jη를 취득한다.
이상과 같이, 효율 갱신부(251)는, 연료 가스 칼로리의 실제값과 연료 가스 칼로리 측정값의 정상 편차의 효율에 대한 영향을 없애는 보정을 행한다.
이로써, 효율 갱신부(251)는, 효율의 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다. 그리고, 당해 효율을 이용함으로써, 연료 가스 칼로리 연산부(131)는, 연료 가스 칼로리 추정값의 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
다만, 연료 가스 칼로리 추정 장치(100 또는 200)의 전부 또는 일부의 기능을 실현하기 위한 프로그램을 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록하고, 이 기록 매체에 기록된 프로그램을 컴퓨터 시스템에 판독하게 하여, 실행함으로써 각 부의 처리를 행해도 된다. 다만, 여기에서 말하는 "컴퓨터 시스템"이란, OS나 주변 기기 등의 하드웨어를 포함하는 것으로 한다.
또, "컴퓨터 시스템"은, WWW 시스템을 이용하고 있는 경우라면, 홈페이지 제공 환경(혹은 표시 환경)도 포함하는 것으로 한다.
또, "컴퓨터 판독 가능한 기록 매체"란, 플렉시블 디스크, 광자기 디스크, ROM, CD-ROM 등의 가반 매체, 컴퓨터 시스템에 내장되는 하드 디스크 등의 기억 장치를 말한다. 또한, "컴퓨터 판독 가능한 기록 매체"란, 인터넷 등의 네트워크나 전화 회선 등의 통신 회선을 통하여 프로그램을 송신하는 경우의 통신선과 같이, 단시간동안, 동적으로 프로그램을 유지하는 것, 그 경우의 서버나 클라이언트가 되는 컴퓨터 시스템 내부의 휘발성 메모리와 같이, 일정 시간 프로그램을 유지하고 있는 것도 포함하는 것으로 한다. 또 상기 프로그램은, 상기 서술한 기능의 일부를 실현하기 위한 것이어도 되고, 또한 상기 서술한 기능을 컴퓨터 시스템에 이미 기록되어 있는 프로그램과의 조합으로 실현할 수 있는 것이어도 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명했지만, 구체적인 구성은 이 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 설계 변경 등도 포함된다.
(산업상이용가능성)
본 발명은, 가스 터빈의 연소기에 유입되는 연료 가스 유량을 취득하는 연료 가스 유량 취득부와, 상기 가스 터빈의 상태량을 취득하는 상태량 취득부와, 상기 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 기억하는 기억부와, 상기 연료 가스 유량과, 상기 상태량과, 상기 상태량에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행하는 연료 가스 칼로리 연산부를 구비하는 연료 가스 칼로리 추정 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 발전 효율의 정밀도를 높여, 가스 칼로리를 보다 정밀도 좋게 추정할 수 있다.
1 : 발전 시스템
100, 200 : 연료 가스 칼로리 추정 장치
111 : 상태량 취득부
112 : 연료 가스 유량 취득부
121 : 기억부
131 : 연료 가스 칼로리 연산부
141 : 연산 결과 출력부
213 : 칼로리 측정값 취득부
251 : 효율 갱신부
800 : 제어 장치
900 : 가스 터빈 발전 설비

Claims (7)

  1. 가스 터빈의 연소기에 유입되는 연료 가스 유량을 취득하는 연료 가스 유량 취득부와,
    상기 가스 터빈의 상태량을 취득하는 상태량 취득부와,
    상기 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 기억하는 기억부와,
    상기 연료 가스 유량과, 상기 상태량과, 상기 상태량에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행하는 연료 가스 칼로리 연산부
    를 구비하는 연료 가스 칼로리 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연료 가스 칼로리 측정값을 취득하는 칼로리 측정값 취득부와,
    상기 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기의 대소를 판정하여, 상기 연료 가스 칼로리 측정값의 응답 지연 시간 이상의 기간에 걸쳐 상기 연료 가스 칼로리 측정값 변동의 크기가 작은 것을 판정하기 위한 소정의 판정 기준을 만족한다고 판정하면, 당해 기간의 개시시를, 상기 연료 가스 칼로리 측정값과 상기 연료 가스 칼로리의 실제값의 차의 크기가 작은 타이밍으로 하여 검출하고, 검출한 타이밍에 있어서의 상기 연료 가스 칼로리 측정값 및 상기 상태량에 근거하여, 당해 상태량에 대응하는 상기 발전 효율을 갱신하는 효율 갱신부
    를 구비하는 연료 가스 칼로리 추정 장치.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 효율 갱신부는, 상기 발전 효율을, 당해 발전 효율의 과거값을 반영시킨 값으로 갱신하는 연료 가스 칼로리 추정 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 효율 갱신부는, 상기 연료 가스 칼로리의 실제값과 상기 연료 가스 칼로리 측정값의 정상 편차의 상기 발전 효율에 대한 영향을 없애는 보정을 행하는 연료 가스 칼로리 추정 장치.
  6. 가스 터빈의 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 기억하는 기억부를 구비하는 연료 가스 칼로리 추정 장치의 연료 가스 칼로리 추정 방법으로서,
    상기 가스 터빈의 연소기에 유입되는 연료 가스 유량을 취득하는 연료 가스 유량 취득 스텝과,
    상기 가스 터빈의 상태량을 취득하는 상태량 취득 스텝과,
    상기 연료 가스 유량과, 상기 상태량과, 상기 상태량에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행하는 연료 가스 칼로리 연산 스텝
    을 포함하는 연료 가스 칼로리 추정 방법.
  7. 가스 터빈의 상태량에 대응지어진 효율 보정 계수를 포함하는 발전 효율을 기억하는 기억부를 구비하는 연료 가스 칼로리 추정 장치로서의 컴퓨터에,
    상기 가스 터빈의 연소기에 유입되는 연료 가스 유량을 취득하는 연료 가스 유량 취득 스텝과,
    상기 가스 터빈의 상태량을 취득하는 상태량 취득 스텝과,
    상기 연료 가스 유량과, 상기 상태량과, 상기 상태량에 따른 효율 보정 계수로부터 얻어지는 발전 효율에 근거하여 연료 가스 칼로리 연산을 행하는 연료 가스 칼로리 연산 스텝
    을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체.
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