TWI320071B - - Google Patents

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、I 320071 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種燃氣渦輪機之控制系統及控制方 法。更詳細而言，係關於一種燃氣渦輪機之控制系統及燃 氣渦輪機之控制方法，在燃氣渦輪機發電設備中，當產生 例如負荷阻斷等急速負荷降低時，可迅速控制燃氣渦輪機 進熱量以防止燃氣渦輪機超過既定旋轉數。 【先前技術】 在製鐵領域中，例如以高爐法生產銑鐵之情形，爐頂 氣（Blast FUrnace Gas，記為BFG)會自高爐以低熱量副生氣 體的形式產生。近年來’於燃氣渦輪機中，隨著技術的提 升，BGF等低熱量副生氣體的燃燒變得可能，使用為燃氣 渦輪機燃料來發電的事例正在增加。另一方面，除了高爐 法以外’直接還原鐵法、溶融還原鐵法等新的製鐵程序亦 在開發中，此新的程序亦會產生副生氣體。不論是何種製 鐵程序，所產生之副生氣體均為低熱量氣體，又，其特性（氣 體組成、熱量）會因設備、操作内容而不同。即使是同一設 備亦會依各原料之特性、反應過程而時時刻刻產生變化， 而並非一定。因此期待開發一種亦可適用於此種副生氣體 之有效利用之燃燒方式。 =僅是前述以熱量值變動之低熱量副生氣體（以下稱為 低熱置氣體）為燃料之燃氣渦輪機發電設備，即使是使用天 然氣等-般燃料之燃氣渦輪機發電設備，當產生負荷阻斷 1320071 等負荷急速降低之事態時，必須以抑制燃氣渦輪機之超速 (旋轉數過度上升）、且避免跳機而能維持必要最小輸出的 方式來進行控制。例如，當燃氣渦輪機於額定負荷下進行 運轉中’由於輸電系統、燃氣渦輪機發電設備所引起之某 種原因產生負荷阻斷而自負荷解列，燃氣渦輪機會瞬間陷 入超速狀態。若控制裝置偵測到此狀況，會急速減少燃料 供應系統的流量控制閥之開度以抑制燃氣渦輪機之超速。 負荷阻斷之偵測係藉由發電機之輸出訊號、燃氣渦輪機之 紅轉數訊號等之輸入來進行。 此外，流量控制閥之閉閥動作會進行到可避免燃燒器 失火、並確保燃料之必要最小流量（在無負荷狀態下用以維 持額疋旋轉數）之開度為止。此流量控制閥之開度控制，係 邊監測例如燃氣渦輪機旋轉數、發電機輸出、燃氣渦輪機 之排氣溫度、空氣壓縮機之入口壓力及出口壓力等運轉狀 態量邊進行。前述負荷阻斷時之控制，已揭示於日本特開 平8-165934號公報、日本特開2〇〇2_138856號公報、及日 本特開2002-227610號公報。 又’依燃氣渴輪機之類型不同，亦有#負荷急速降低 時併用使燃、氣渦輪機之入口引導葉片進行開啟動作之機 構，藉此增大壓縮機驅動動力，使旋轉轴之制動效果增大 來抑制燃氣渦輪機之超速。 θ 然而，將上述低熱量氣體使用為燃料之燃氣渦輪機發 電設備中，此負荷急速降低時之運轉控制並不容易。由於 燃氣為低熱量’因此為了增加對燃氣渦輪機之供應量，採 .1320071 用大口徑之燃氣供應配管。其結果，由於流量控制閥之口 徑亦變大，開閉距離會變大，閉閥需要較長時間。因此， 要在：荷阻斷產生的同時急速減少對燃氣渦輪機之進熱量 並不谷易，無法期待燃氣渦輪機之有效超速抑制。 再者由於如刖述般低熱量氣體之熱量時時刻刻在變 動，因此若提高流量控制閥之控制增益（提高應答性），則 會敏感的反應熱量變動之干擾，流量控制間可能會產生擺 #動（hunting)。為了避免上述事態，進行流量控制閥之應答 性變低之控制增益的設定。此會進一步阻礙流量控制闕之 心速的閉閥動作’成為使急速減少燃氣渦輪機進熱量變得 困難之主要原因。 又，以低熱量氣體為燃料之燃氣渦輪機發電設備中， 於燃氣供應通路設置有用以壓縮低熱量氣體之燃料壓縮 機。此燃料壓縮機與燃氣渦輪機以同軸狀連結之情形較 多。此時，燃氣渦輪機、燃料壓縮機、及發電機所構成之 • 發電機列旋轉體整體之慣性動量變大。再者，由於伴隨負 荷阻斷而陷入超速狀態，因此即使與負荷阻斷同時開始燃 氣渦輪機之燃料供應線的流量調整閥之閉閥動作，亦無法 期待急速的制動，難以抑制包含燃氣渦輪機之發電機列旋 轉數的上升。 事業用燃氣渦輪機發電設備被課以下述義務：以負荷 阻斷試驗來確認當產生負荷阻斷時調速裝置可發揮功能使 燃氣渴輪機不致超過負荷運轉時之額定旋轉數的11〇0/〇β 再者’確認調速裝置之功能後才允許操作。因此，以熱量 8 J320071 值n且穩定之天然氣等為燃料之燃氣渦輪機發電設備中， 在機器構成方面及控制方面施加各種改良，以抑制負荷阻 斷時燃氣渴輪機之超速來避免超過規定範圍。上述改良， 在以熱量不斷變動之低熱量氣體為燃料之燃氣渦輪機發電 «又備中，當負荷阻斷時，無法有效抑制燃氣渦輪機之超速。 【發明内容】 φ 本發明係用以解決上述課題而構成，其目的在於提供 一種燃氣渦輪機之控制系統及燃氣渴輪機之控制方法，該 燃孔渦輪機之控制系統，當燃氣渦輪機發電設備產生負荷 阻斷等負何急速降低時，即使該設備使用低熱量氣體為燃 料亦可輕易抑制燃氣渦輪機之旋轉數上升。 —本發明之燃氣渦輪機控制系統，係當燃氣渦輪機之負 荷急速降低時抑制燃氣渦輪機之旋轉數上升，其具備：、 燃料μ里控制閥，係配置於將燃氣供應至燃氣渦輪機 馨之燃氣供應通路’用以調節燃氣之流量； 減熱用*1體供應裝置，用以將減熱用氣體供應至燃氣 供應通路；以及 系統控制裝置； 該系統控制裝置，係當偵測出燃氣渦輪機之負荷急速 降低時，控制燃料流量控制閥之開度’並控制減熱用氣體 -應裝置所進仃之減熱用氣體供應動作，以降低燃氣 機之進熱量。 如上述，由於當燃氣渦輪機之負荷急速降低時，除了 *1320071 控制燃料流量控制閥之開纟以外亦進行將;咸熱用氣體供應 至燃料之動作以降低燃氣渦輪機之進熱量，故即使使用低 熱量氣體為燃料亦可有效抑制燃氣渦輪機之旋轉數上升。 該系統控制裝置所進行之控制，當運轉令之燃氣渦輪 機之負荷急速（例如大致階梯狀）降低到既定值時，使燃料 机里控制閥閉閥至不致低於事先設定之必要最小開度，且 為了避免燃氣渦輪機之旋轉數超過既定值，自減熱用氣體 φ 供應裝置供應必要之減熱用氣體。 如上述，藉由將減熱用氣體加入燃料中，可邊確保防 止燃氣渦輪機跳機所需最小燃料流量邊減少進熱量，以抑 制燃氣渦輪機之旋轉數上升而避免超過既定旋轉數。 該系統控制裝置以檢測出之燃氣渦輪機旋轉數為反饋 輪入汛號，以燃氣渦輪機之旋轉數不超過既定值之方式對 來自減熱用氣體供應裝置之減熱用氣體之供應量進行反饋 控制。 統控制裝置將運轉中燃氣渴輪機之負荷急速下降 至既疋值之過程的現象模式化並將依該模式所進行之減 熱用氣體供應控制及燃料流量控制闕之開度控制之模擬結 果加以記憶； 該系統控制裝置，係當運轉中燃氣渦輪機之負荷急速 I降至既定值時，依據該模擬結果選擇預設之控制模絲 Λ彳亍。 上述燃氣渴輪機控制系統進一步具備用以對燃氣供應 供應風氣之氯氣供應裝置、及用以檢測燃氣中氫濃度 10 •1320071 之氫濃度檢測裝置；該系統控制裝置，係依據氫濃度之檢 測結果來控制氫氣供應裝置所進行之氫氣供應動作。 當燃氣渴輪機之負荷急速降低時，即使燃氣渦輪機之 進熱1急速降低之情形，藉由將必要量之燃燒速度快且起 火火焰維持性佳之氫氣供應至燃氣，可避免燃氣渦輪機著 火維持燃燒器中穩定之燃燒。又，供應之氫氣之純度並無 特別限定，惟純度若愈高則即使是少量其起火火焰維持性 亦良好。 本發明之燃氣满輪機之控制方法，係當燃氣渦輪機之 負荷急速降低時抑制燃氣渦輪機旋轉數上升； 當债測到燃氣渦輪機之負荷急速降低時，具備下述步 驟： 燃料流量調節步驟，藉由控制燃料流量控制閥之開度 (配置在對燃氣渦輪機供應燃氣之燃氣供應通路）來調節 燃氣之流量；以及 減熱用氣體供應步驟，用以對燃氣供應通路供應減熱 用氣體； 進行該等步驟以降低燃氣渦輪機之進熱量。 虽運轉中燃氣渦輪機之負荷急速（例如大致階梯狀）降 低到既定值時； 於該燃料流量調節步驟中，使燃料流量控制閥閉閥至 不致低於事先設定之必要最小開度以減少燃料流量； 於該減熱用氣體供應製程中，為了避免燃氣渦輪機之 旋轉數超過既定值而將必要之減熱用氣髏供應至燃氣供應 1320071 通路》 氣渦輪機穩 上述必要最小開度，係用以確保可維持婵 定燃燒之必要燃料流量的閥開度。 依據本發明， 負荷急速降低時， 數上升。 當燃氣渦輪機發電設備產 可迅速且有效地抑制燃氣 生負荷阻斷等 渦輪機之旋轉 I 【實施方式】 5參照附加圖式說明本發明之燃氣渴輪機控制系統及燃 氧渦輪機之控制方法的實施形態。 ‘”、 圖1係概要顯示包含本發明燃氣渴輪機控制系統之一 實施形態之燃氣渴輪機發電設備1之系統圖。此概氣 機發電設備i(以下簡稱為發電設備1}之一例，係具備^ 氣供應配管3，用以將直接還原鐵設備等氣體產生源s所 產生之熱量值不斷變動之低熱量副生氣體（低熱量氣體）作 •為燃料供應至燃氣渦輪機2 ;用以壓縮低熱量氣體之燃料 壓縮機4;用以將減熱用氣體供應至燃氣供應配管3之減 熱用氣體供應裝置5;用以將氫氣供應至燃氣供應配管3 之氫氣供應裝置6;用以將所供應之減熱用氣體及氫氣分 別與低熱量氣體混合之混合器7。混合器7亦可分別配置 成為減熱用氣體混合用及氫氣混合用。又，視需要亦可將 用以抑制低熱量氣體之熱量變動的緩衝槽等裝置設置於燃 氣供應配管3上。 此發電設備1中’由於設置有壓力較做為燃氣供應之 12 •1320071

低熱量氣體高之減熱用氣體及氯氣之供應源ΐ5、η，故減 熱用氣體供應裝置5、氣氣供應裝置6、及MUM

置於燃氣供應配管3之揪钮麻“A .，，、枓壓縮機4的下游側。燃料壓縮 機4之構成亦可為與烬翁 “，、軋渦輪機2同軸狀連結並藉由燃氣 渦輪機2來驅動，或，亦·〜 ^ 亦了為與燃氣渦輪機2分開配置， 藉由額外配置之馬達來驅動。 再者’設置有系統控制…〇,用以控制燃㈣輪 機發電設備i之通常運轉及控制當產生負荷阻斷等負荷条 速降低時之燃氣渦輪機的動作。於燃氣供應配管3之燃氣 :輪機燃燒器8的上游側設置有燃料流量控制閥”以下簡 稱為控制閥）。以符號i!所表示者為空氣壓縮機，以符號 η所表示者為發電機。又，於㈣供應配管3之混合器7 的上游側設置有用以測量燃氣中氫濃度之氫濃度計13及 用=測量低熱量氣體之流量的燃料流量計14。若氫氣純度 愈间則即使少量亦具有良好之起火火焰維持性，但實際 ^ ’所供應之氫氣無須為純氫。又’此處係將上述低熱量 氣體定義為發熱量在約12MJ/Nm3以下之氣體。 上述減熱用氣體供應裝置5,係當燃氣渦輪機發電設 備1產生負荷阻斷等負荷急速降低時，為迅速降低燃氣滿 輪機2之進熱量，用以於低熱量氣體中混合減熱用氣體而 設置。此減熱用氣趙供應裝置5具有：減熱用氣體供應源 自該，熱用氣體供應源15連接至混合器7之減熱用 氣體供應f 16、設置於減熱用氣體供應管16之減熱用氣 體流量計17及流量控制閥18。減熱用氣體在進入混合器 13 •1320071 於依=之壓力’係以可迅速供應必要量的方式設定為高 :低…里氣體之壓力。為了達到此㈣，亦可視需要設置 、蓄壓容器等。當負荷急速降低時供應減熱用氣 -之，’、.，、、用虱體供應裝1 5的控制，係將上述燃料流量控 制閥9朝閉閥方向控制且藉由系統控制裝i ι〇所進行。 此點將於後面詳述。 /咸熱用氣體可使用廢棄氮、氦、二氧化碳等惰性氣體、 空氣、燃燒廢氣等。空氣可自取之不盡的大氣中直接抽引 來使用，又，燃燒廢氣在上述燃氣渦輪機2中亦會產生， ^例如可將其时錢，*論何者操作成本⑼為廉價。 田使用工乳、燃燒廢氣等含有氧之氣體時，將該減熱用氣 體與低熱量氣體混合後’以該混合氣體（燃氣）不致達到可 燃極限的方式邊監測氧濃度邊進行運轉控制。 .廢棄氮含有大量Nr另一方面，可燃性氣體則不含。 廢棄氮係自各種製鐵程序中所使用之製氧裝置以副產物的 形式產生、逸散之氮，以及於製氧裝置所併設之製氮裝置 所製造之氮當中’含有微量排出氧之氮。不論何種氮一般 均以廢棄氮的形式逸散於大氣中。此種廢棄氮具有氮氣 95〜98%左右且氧2〜5%左右之氣體組成，從低熱量氣體之 可燃極限的觀點來看亦屬於安全的減熱用氣體。只要將此 等大量廢棄之氮加以回收作為減熱用氣體使用，則操作成 本可變得極為廉價。 又，由於只要是熱量較燃氣低之氣體即可作為減熱用 氣體來使用，故例如將焦爐氣（C0G)、轉爐氣（LDG)作為燃 1320071 氣使用之情形，亦可將熱量較此等氣體低之高爐氣（卿） 作為減熱用氣體來使用。然而，較佳為，使用前述可辦成 分含量極低之廢棄氮等方法，具有較佳之減熱效果。又， 除了以上所說明之氣趙以外亦可採用水蒸氣做為減熱U 體。 當本發電設備1之通常運轉時’系統控制裝置10以例 如發電機12之輸出值、燃氣渦輪機2之旋轉數、空氣壓 縮機11之出人口壓力、燃氣渦輪機2之排氣溫度等做為 輸入訊號，依據其變動進行燃氣满輪機進熱的方式來控制 燃料流量控制閥9之開度。 又，燃料之低熱量氣體如前述般其熱量值會變動。為 了在此熱量變動下亦能維持燃氣渦輪機穩定進熱量，系統 控制裝置1〇亦有藉由適當的前饋控制或反饋控制來控制 燃料流量控 9之開度之情形。然而，若對應於熱量值 變動、發電機輸出之變動來開閉燃料流量控制冑9，則由 於燃料流量控制閥9可能會伴隨些微的熱量變動而產生擺 動，故無法增大控制增益。亦即，使用低熱量氣體之情形， 不能提高燃料流量控_ 9之應答性，一般其控制增益設 定較小。再者，由於供應低熱量氣體之燃氣供應配管3之 管徑大’故必須增大燃料流量控制閥9之口徑。 基於則述理由’當負荷阻斷時即使瞬間減少燃氣渦輪 機進熱量之情形’亦不期望燃料流量控 9之迅速的開 閉動作因此纟發電設備1之系統控制裝置^ 〇除了燃 料流量控㈣9之„動作料，亦於燃氣中混合減熱用、 15 •1320071 氣體，藉此，有效進行燃氣渦輪機2之進熱量控制。 又，為了降低燃氣渦輪機之進熱量，如習知技術般僅 以燃料流量控制閥9之扭入來對應之情形，閥開度必須要 非常小。此時，由於燃料流量不足而於燃燒器產生逆火等， 燃燒可能變得不穩定。然而，本發電設備丨即使藉由上述 般減熱用氣體亦能進行進熱量控制，故燃料流量控制閥9 可維持在用以確保穩定燃燒所需之最小流量之開度。如此 • 一來，藉由燃料流量控制閥9之扭入與減熱用氣體之混合 的相乘效果，燃氣渦輪機可在無跳機的狀況下將燃氣渦輪 機進熱量穩定且迅速地自額定負荷運轉狀態移到額定無負 荷運轉狀態。 燃料流量控制閥9伴隨減熱用氣體之供應進行閉閥動 作’但在達到上述必要最小開度之時刻停止閉閥動作。此 時’若需要進熱量進一步減少，可在不低於失火極限的範 園内持續供應減熱用氣體。 % 參照圖2說明如上說明之本發電設備1之負荷阻斷時 之燃料流量控制閥9之控制、減熱用氣體供應裝置5之控 制、及該等所造成之燃氣渦輪機旋轉數之變化。 當產生負荷阻斷時，燃氣渦輪機瞬間自負荷解列，在 此之前用以維持額定運轉所供應之進熱量並不能瞬間減 少°過剩之進熱量會產生加速轉矩使燃氣渦輪機加速造成 旋轉數上升。即使在此種情形，亦必須以燃氣渦輪機旋轉 數不致超過容許最大旋轉數Rmax的方式急速減少進熱 量。 16 •1320071 圖2(a)係表示負荷阻斷時 化，表示時間，縱轴表二"_ 2的負荷變 負荷阻斷前伟：：氣渴輪機負荷(%)，直到 為〇〇/〇。 疋負何運轉，於負荷阻斷後成 於制！ 表示燃氣渦輪機2之負荷阻斷時之燃料流量

的開度變化。橫抽與上述圖2⑷對應表示時間。 示控制闕之_，但亦可等同視為燃料流量。 =到負荷阻斷前以控制9之額定開度（刚、 以可成為後述燃氣涡輪機2之額定進熱量出如（圖 流量（額定燃料流量細·來運轉。負荷阻斷後 /朗9 „至燃料流量成為可維持燃氣渦輪機之無負 何額定旋轉數之必要悬小沭旦r . 要取】流里（Q_·)之小開度（稱為必要 朿小開度）ODmin.。必尊是小户|八· 义要被小机$ Qmin•，係用以確保燃燒 器"不產生所謂逆火之範圍的燃氣流速、及確保不致達 :後述失火極限之必要最小進熱4 HImin所設定之燃料流 量0 圖2(b)中之一點鍵線之曲線B1，係當產生負荷阻斷 時，減少燃氣渦輪機進熱量以避免燃氣渦輪機旋轉數超過 容許最大值Rmax.(圖2⑷)所需要之閉閥曲線係燃料流 量減少曲線。將其稱為理想曲線B1。另—方面以實線所 表示之曲線B2係本實施形態之控制閥9之實際閉閥曲線。 如前述，此係表示由於控制閥9之口徑大，又，控制增益 設定較小’故無法迅速進行閉閥。 •圖2(c)及圖2(d)係表示當負荷阻斷時燃氣渦輪機每單 17 •1320071 位時間進熱量之變化。圖2(c)係表示僅藉由控制間9之閉 閥動作所致進熱量的減少，2⑷係表㈣由控制閥9之 閉閥動作及減熱用氣體之供應所致進熱量的減少。橫軸與 上述圖2(b)對應表示時間。縱轴係表示燃氣渦輪機每單位 2間進熱量。直到負荷阻斷之前，以該燃氣渴輪機2所設 疋之額疋進熱1 HIrat.來運轉，於負荷阻斷後則以不致低 於燃氣渦輪機失火極限範圍之進熱量來運轉。 籲 圖2(c)中點鍵線之曲線C1，係表示沿著前述理想閉 閥曲線B1(圖2(b))閉閥時，燃氣渦輪機進熱量減少之狀態。 此係當產生負荷阻斷時，為避免燃氣渦輪機旋轉數超過容 §午最大值Rmax·(圖2(e))所需要之燃氣渦輪機進熱量減少 曲線。將此稱為理想曲線C1。另一方面，以實線表示之曲 線C 2係伴卩近無法迅速閉閥之控制閥9的閉閥之實際進熱 量減少曲線。 圖2(d)中之一點鏈線之曲線j)2，係表示與前述圖2(c) φ 中實際進熱量減少曲線C2相同者，故省略其說明。另一 方面’實際曲線D1，係沿著圖2(b)中實際閉閥曲線B2來 關閉控制閥9、且從減熱用氣體供應裝置5對燃氣供應減 熱用氣體，藉此’使燃氣渴輪機2進熱量迅速降低之情形 的曲線。此係表示本實施形態中控制之一例之曲線。 觀察曲線D1 ’相較於僅藉由控制閥9閉閥所得之進熱 量降低曲線D2 ’除了降低速度快以外，進熱量最低值亦變 低（從dl點到d2點出現低越）。此係為與圖2(c)中理想進 熱量降低曲線C1 一致而設定減熱用氣體供應之控制增益 Ί320071 之情形下所產生者。此低越可提升燃氣渦輪機旋轉數之上 升抑制效果。當然，此時不能低於為了防止該燃氡渦輪機 2失火所設定之必要最小進熱量（失火極限）Hlmin.。從以上 可知，由曲線C1與曲線C2所圍繞之斜線部分係藉由供應 減熱用氣體而降低之進熱量。 圖2(e)係表示圖2(c)與圖2(d)所示之進熱量控制下之 燃氣渦輪機旋轉數變化。橫轴係與上述圖2(c)及圖2(d)對 _ 應表示時間。縱軸係以百分比來表示以額定負荷運轉時之 額定旋轉數Rrat.為100%時，燃氣渦輪機旋轉數之旋轉數 的比例。 圖中之曲線E2 ’係表示負荷阻斷後之燃氣渦輪機旋轉 數未能有效抑制而超過容許最大旋轉數（額定旋轉數之 11 〇%之值）Rmax.之情形。此係如圖2(b)之曲線B2所說明 般’由於口徑、增益設定等造成控制閥9無法急速閉閥， 導致燃氣渦輪機進熱量未適當減少之情形（圖2(c)之曲線C2 _ 及圖2(d)之曲線D2)所產生者。另一方面，曲線E1係表示 藉由組合圖2(d)中所示之減熱用氣體之供應，使燃氣渦輪 機2進熱量沿著曲線D1迅速降低，旋轉數上升獲得適當 抑制之情形。此時燃氣渦輪機旋轉數未超過容許最大旋轉 數 Rmax.。 以上，如圖2(a)〜圖2(e)所示，當燃氣渦輪機2之負荷 因負荷阻斷而從圖2(a)中之100%的A1點以階梯狀降低至 〇%的A2點時’本實施形態之系統控制裝置1 〇為了抑制燃 氣滿輪機2旋轉數急速上升而使控制閥9閉閥至必要最小

A 19 ,1320071 開度ODmin.(圖2(b)之曲線B2)，且從減熱用氣體供應裝 置5對燃氣供應減熱用氣體。如此一來，燃氣渴輪機2進 熱量迅速減少（圖2(d)之曲線D1)。其結果，自負荷解列而 旋轉數開始急速上升之燃氣渦輪機，會由於進熱量降低結 果之制動效果而防止超過容許最大旋轉數Rmax，減速至 額定旋轉數Rrat·附近（圖2(e)之曲線E1)。 系統控制裝置1 〇用來偵測燃氣渦輪機2之負荷急速降 低之方法，可採用例如以往公知之動力負載失衡偵測之方 法。當然並不限定於該方法》亦可從燃氣渦輪機之旋轉數 訊號、燃料壓縮機之出口壓力訊號、來自負荷阻斷器之阻 斷訊號等來偵測負荷急速降低。 此外’當偵測負荷急速降低後系統控制裝置1〇對控 制閥9之閉閥動作及減熱用氣體供應裝置5之動作進行控 制時’能以額定旋轉數Rrad.為目標冑，對實際燃氣渦輪 機旋轉數進行反饋控制。再者，亦可對其他燃氣渦輪機運 轉狀態量進行反饋控制。又’亦可模擬減熱用氣體供應控 制及控制閥之閉閥控制（將燃氣渦輪機自額定負荷運轉到負 荷急速降低後之狀況模式化）。自該模擬結果所得到之負荷 急速降低時之控制開度、對應此開度之減熱用氣體供應 量、及供應時點等資料係預設於控制裝置10«此外，可於 實際之負荷急速降低時選擇預設資料來實行。又，經過實 際操作運轉所得之實際資料（亦包含負荷阻斷時之資料）亦 可與模擬資料之-部分或全部進行取代來使用。亦即，亦 可將模擬結果之預設資料以實際運轉資料來修正使用。

A 20 <1320071 如上述，於系統控制裝置10安裝有CPU，其儲存了 進行上述控制所需要之運算處理的程式、預設資料，依循 暫時圮憶運轉中資料、數值等之RAM、上述程式來進行運 系統控制裝置10如前述般控制燃氣渦輪機運轉之全 動作。亦即系統控制裝置丨〇掌控啟動（包含啟動準備、

/月洗、點火、同步放入、冷開機、暖開機）、額定負荷運轉、 邛刀負荷運轉、停止、冷卻、負荷阻斷等各種運轉模式。 此處省略負荷阻斷以外之模式之說明。尤其在負荷阻斷模 式中，除了燃料流量控制閥9之動作控制及其他控制對象 之控制外，亦藉由於燃氣中混合減熱用氣體來實現迅速之 進熱量降低，此為本燃氣渦輪機控制系統之特徵。 若產生負荷阻斷造成系統控制裝置10之運轉模式變 成負荷阻斷模式，K統控制裝i 1G對減熱用氣體供應 才曰示減熱用氣體之必要供應流量及供應時間等。必 要供應流量、供應時間係以預設資料的形式來記憶。此時， 亦可例如將減熱用氣體流㈣17之測量結果作為反饋訊 號'控制流量控制閥18之開閉動作以達成目標供應流 量。右考慮到需要在短時間内供應既定量之減熱用氣體， 則亦可縮小減熱用氣體供應管16與流量控制閥18之口徑 而增加設置支數及設置個數。 其次’說明氫氣供應裝置 起火火焰維持性佳，故即使當 時亦能維持穩定的燃燒。因此 6。氫氣由於燃燒速度快、 燃氣渦輪機進熱量大幅降低 ’氫氣供應裝置6，係為了

A 21 J320071 於燃氣中％合風氣以保持燃氣滿輪機2之燃燒器8中火焰 所設置者。因此，此氫氣供應裝置6有助於防止負荷急速 降低時之進熱量降低所致之燃氣渦輪機失火。氫氣供應裝 置6具有氫氣供應源丨9、自該氫氣供應源！ $連接至混合

器7之氫氣供應管20、設置於氫氣供應管2〇之氫氣流量 計21 =流量控制閥22。當氫氣使用非純氫之高純度氮氣 時，於氳氣供應管2〇事先設置氫濃度計（未圖示）。 系統控制裝置10在燃氣渦輪機負荷急速降低而使對 燃氣渴輪冑2供應之燃氣的熱量值及流量急速降低時，如 下述般控制氫氣供應。亦即，從燃氣供應配管3之氫浪度 汁B的檢測結果、減熱用氣體相對於低熱量氣體之混合 比例由燃料流量計14所檢測出之燃氣流量等算出必要 之氫孔供應$ ’以維持用以保持火焰而事先設定之燃燒器 8中燃氣的氫氣必要含有率。再者，邊監控氫氣流量計21 邊控制机量控制閥22之開閉動作。所供應之氫氣係藉由

混合器7來與低熱量氣體混合。 圖係表示其他燃氟渦輪機發電設備31»此發電設備 31由於叹置有較低壓之減㈣氣體供應源&氫氣供應 源19，故減熱用氣體供應裝置 器7係設置於燃氣供應配管3 他構成則與圖1所示發電設備 5、氫氣供應裝置6及混合 之燃料壓縮機4上游侧。其 1同樣，故對同一構成部附 力同樣符號以省略其說明。此燃氣渦輪機發電設備 系統控制裝置1G於負荷急速降低時進行與前述圖 電設備1同樣的控制。 31之 1之發 22 •1320071

在以上說明之實施形態中’例示藉由直接還原製鐵法 所產生之副生氣體作為使用的低熱量氣體，惟並不限定於 此。低熱量氣體包含：高爐氣（BFG)、轉爐氣（Ldg)、石炭 層所含之石炭層氣（Coal mine gas ’以CMG表示）、熔融還 原製鐵法所產生之副生氣體、於GTL(Gas_to_Liquid :流體 化）程序中所產生之尾氣（Tail gas)、伴隨從油沙精製油程序 所產生之副生氣體、垃圾熱分解所產生之氣體、包含廚餘 之般廢棄物於掩埋地在發酵、分解過程_所產生之可燃 甲貌氣體（Landfill gas)、及伴隨其他類似原料進行化學反 應所產生之副生氣體等低熱量氣體等。當然，上述氣體可 単獨使用，惟亦包含由複數不同種類氣體混合所得之氣 體。又，不限於低熱量氣體，亦可適用於以熱量值變動之 氣體為燃氣渦輪機用燃料來供應之設備。 依燃氣特性之不同，尤其是熱量變動顯著之情形亦 可設置熱量變動抑制裝置（採用抑制熱量變動之緩衝槽、控 制機構）’提南負荷阻斷時之控制效果。 以上說明之燃氣渦輪機控制系統，係以燃氣渴輪機用 燃氣為低熱量氣體者為例，惟並不限定於此，亦可為將高 熱量氣體做為燃料者。當以高熱量氣體做為燃料時一般 於燃氣渦輪機之負 制閥來進行燃氣渦輪機進熱 天然氣、丙烧、丁烧等烴氣 之混合氣體等高熱量氣體時 制閥之口徑較低熱量氣體用 荷急速降低時亦能輕易藉由燃料流量控 量控制。其理由在於，當使用 、COG、COG與其他副生氣鱧 ，可使燃氣配管、燃料流量控 者為小。其結果，閉閥距離變 23 1320071 短，可迅速應答。再者，只要含熱量值之氣體性質穩定， 則無須將燃料流量控制閥之控制增益設定較小。又，由於 無須具備燃料壓縮機，相對地旋轉體之慣性動量不會增 大。其結果，即使當負荷急速降低時亦可將燃料流量控^ 間迅速閉閥至必要最小開度。然而，即使使用高熱量氣體 之情形，亦有可能因對運轉後之燃氣渦輪機追加設置各種 機器造成慣性動量增大，而必須進行控制增益之再設定。 •即使在此種情形，只要設置減熱用氣體供應裝置，藉由使 其發揮燃氣渦輪機進熱量之減少作用，則無須變更、改造 燃料流量控制閥，可輕易且確實地補足負荷阻斷動作。 基於刚述内容，對於本發明所屬技術領域中具有通常 知識者而言，應可了解本發明可進行各種變形、及具有各 種實施形態。因此，應理解上述說明係依循圖式敘述者， 上述說明之目的在於能使本發明所屬技術領域中具有通常 知識者實施本發明。以上說明之構成、功能内容只要未 i►違反本發明精神，實質上可進行各種變形來實施，應理解 該等係屬於本發明之範圍。 本發明之燃氣渦輪機控制系統，係藉由於燃氣中混合 減熱用氣體來輕易實現僅以燃料流量控制閥之扭入所無法 達成之部分（亦即進熱量減少p上述燃氣渦輪機控制系統， 可於燃氣渦輪機發電設備無須進行大幅設計變更的情況下 適用之。 【圖式簡單說明】 24 1320071 圖1係概要顯示包含本發明燃氣渦輪機控制系統之一 實施形態之燃氣渦輪機發電設備之一例之系統圖。 圖2(a)係顯示當燃氣渦輪機負荷阻斷時之負荷變化圖 表，圖2(b)係顯示對應於負荷阻斷所控制之燃料流量控制 閥之開度變化圖表，圖2(c)係顯示該燃料流量控制閥之開 度變化所造成之燃氣渦輪機進熱量之變化圖表，圖2(d)係 顯示上述燃料流量控制閥之開度變化及減熱用氣體之供應 所造成之燃氣渦輪機進熱量之變化圖表，圖2(e)係顯示該 燃氣渴輪機進熱量變化所產生之燃氣渦輪機旋轉數變化之 圖表。 圖3係概要顯示包含本發明燃氣渦輪機控制系統之一 實施形態之燃氣渦輪機發電設備之另一例之系統圖。 【主要元件符號說明】 1 燃氣渦輪機發電設備 2 燃氣渦輪機 3 燃氣供應配管 4 燃料壓縮機 5 減熱用氣體供應裝置 6 氫氣供應裝置 7 混合器 8 燃氣渴輪機燃燒器 9 燃料流量控制閥 10 系統控制裝置 25 空氣壓縮機 發電機 氫漠度計 燃料流量計 減熱用氣體供應源 減熱用氣體供應管 減熱用氣體流量計 流量控制閥 氮氣供應源 氫氣供應管 氮氣流量計 流量控制閥 燃氣渦輪機發電設備 氣體產生源 26

Claims (1)

1320071 十、申請專利範面： 1. 一種燃氣渦輪機控制系統，係當燃氣渦輪機之負荷 急速降低時抑制燃氣渦輪機之旋轉數上升，其特徵在於， 係具備： 燃料流量控制閥，係配置於將燃氣供應至燃氣渦輪機 之燃氣供應通路’用以調節燃氣之流量； 減熱用氣體供應裝置，用以將減熱用氣體供應至燃氣 供應通路；以及 系統控制裂置； .該系統控制裝置，係當偵測出燃氣渦輪機之負荷急速 降低時，控制燃料流量控制閥之開度，並控制減熱用氣體 …心裝置所進行之減熱用氣體供應動作，μ降低燃氣滿輪 機之進熱量。 2. 如申凊專利範圍第丨項之燃氣渦輪機控制系統其 中，該:系統控制裝置所進行之控制，當運轉中之燃氣渴輪 機之負荷急速降低到既定值時’使燃料流量控制閥閉閥至 不致低於事先設定之必要最小開《，且為了避免燃氣滿輪 機疋轉數超過既疋值，自減熱用氣體供應裝置供應必要 之減熱用氣體。 3. 如申請專利範圍帛2項之燃氣渦輪機控制系統其 中，該系統控制裝置以檢測出之燃氣祕機旋轉數為反饋 輸入訊號，以燃氣渦輪機之旋轉數不超過既定值之方式對 來自減熱用氣體供應裝置之㈣用氣體之供應量進行反饋 控制。 27 1320071 4 ·如申請專利範圍第2項之燃氣渦輪機控制系統，其 中，該系統控制裝置將運轉中燃氣渦輪機之負荷急速下降 至既定值之過程的現象模式化，並將依該模式所進行之減 熱用氣體供應控制及燃料流量控制間之開度控制之模擬纤 果加以記憶； 該系統控制裝置，係當運轉中燃氣渦輪機之負荷急速 下降至既定值時，依據該模擬結果選擇預設之控制模式來 實行。 5. 如申請專利範圍第1項之燃氣渦輪機控制系統，其 進一步具備用以對該燃氣供應通路供應氫氣之氫氣供應裝 置、及用以檢測燃氣中氫濃度之氫濃度檢測裝置； 該系統控制裝置，係依據氫濃度之檢測結果來控制氫 氣供應裝置所進行之氫氣供應動作。 6. —種燃氣渦輪機之控制方法，# $ vwn辆偶 < <工π乃古，係當燃氣渦輪機之負 荷急速降低時抑制燃氣渦輪機旋轉數上升，其特徵在於： • 當偵測到燃氣渦輪機之負荷急速降低時，具備下述步 驟： 燃料流量調節步驟，藉由控制燃料流量控制間之開度 (配置在對燃_輪機供應燃氣之燃氣供應通路）來調節 燃氣之流量；以及 減熱用氣體供應步驟，用以對燃氣供應通路供應減熱 用氣體； 進行該等步驟以降低燃氣渦輪機之進熱量。 7. 如申請專利範圍第6項之烬顏、兄 概轧渦輪機之控制方法， 28 1320071 其中，當運轉中燃氣渦輪機之負荷急速降低到既定值時； 於該燃料流量調節步驟中，使燃料流量控制閥閉閥至 不致低於事先設定之必要最小開度以減少燃料流量； 於該減熱用氣體供應製程中，為了避免燃氣渦輪機之 旋轉數超過既定值而將必要之減熱用氣體供應至燃氣供應 通路。 •十一、圖式： 如次頁

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