WO2006038629A1 - ガス化複合発電設備、その制御方法、燃料ガスの製造方法 - Google Patents

Abstract

　本発明は、燃料ガスを製造するガス化炉２３を備えたガス化設備で製造された燃料ガスによってガスタービンを回転させて発電する複合発電設備２５において、発電負荷要求に応じ、複合発電設備２５にて必要となる燃料ガスをガス化設備にて製造させるべく、ガス化設備をフィードフォワード制御する制御に加え、燃料ガスが前記ガス化設備から複合発電設備に供給される間に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する無駄時間補償回路７１を設け、ガス化設備をゼロフレア運転する。 　また、ガス化設備に存在する無駄時間及び制御の遅れに基づいて複合発電設備２５への発電負荷要求を遅らせて複合発電設備２５を一定の遅れをもって追従運転させる無駄時間補償回路４６を設けている。

Description

明 細 書

ガス化複合発電設備、その制御方法、燃料ガスの製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、ガス化設備と複合発電設備とを統合したガス化複合発電設備、その制 御方法、および燃料ガスの製造方法に関する。

本願は、 2004年 10月 5日に日本国特許庁に出願された特願 2004— 292846号 、及び同日同庁に出願された特願 2004— 292847号に基づき優先権を主張し、そ の内容をここに援用する。

背景技術

[0002] 近年、ガス化設備と複合発電設備 (ガスタービンとスチームタービンの組み合わせ） とを統合したガス化複合発電設備として、 IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle)が注目されている。この IGCCでは、ガスタービンの燃料となる残渣油、石炭 等の原料に含まれる重金属、硫黄等を合成ガスの製造過程でほぼ除去し、天然ガス と同等のクリーンな燃料ガスとして用いるため、環境負荷を低減できることから、環境 にやさ Uヽ次世代の発電設備として高く評価されて!ヽる。

一般に、この種のシステムでは、残渣油、石炭等の原料をガス化炉にてガス化し、 その後、ガス処理設備にて有害物質を除去してクリーンな燃料ガスに変換し、この燃 料ガスを用いてガスタービンにて発電して 、る。

[0003] そして、このようなシステムでは、その制御方式として、発電設備側の要求に対して 必要な量の燃料ガスを製造すべくガス化炉を制御し、この製造した燃料ガスにガスタ 一ビンを追従させるガス化炉リード方式、発電負荷の要求に対して必要な量の発電 をさせるベくガスタービンを制御し、このガスタービンの運転に必要な合成ガスをガス 化炉カも供給させるタービンリード方式があるが、最近では、発電負荷要求の変動に 対して俊敏に追従させるベぐガス化炉リード方式及びタービンリード方式を組み合 わせてガス化炉をフィードフォワード制御する協調制御方式が採用されて 、る。

[0004] ここで、協調制御方式について説明する。

図 3に示すように、ガス化複合発電設備は、燃料をガス化するガス化プロセス部 1と 、ガス化プロセス部 1からの燃料ガスによりガスタービンにて発電する複合発電プロセ ス部 2とを有している。

また、ガス化プロセス部 1への燃料の供給管に設けられた燃料制御弁 3には、ガス 圧設定器 4カゝら設定値が送られるガス化プロセスコントローラ 5が接続され、燃料制御 弁 3は、ガス化プロセスコントローラ 5からの制御信号に基づいて制御される。ガス化 プロセスコントローラ 5は、ガス化プロセス部 1におけるガス圧を検出するガス圧力検 出器 6からの検出信号とガス圧設定器 4力もの設定値とから制御値を演算し、燃料制 御弁 3へ制御信号を出力する。

また、複合発電プロセス部 2へのガスの供給管に設けられたガス制御弁 7には、発 電負荷設定器 8からの設定値が送られる発電プロセスコントローラ 9が接続され、ガス 制御弁 7は、発電プロセスコントローラ 9からの制御信号に基づいて制御される。発電 プロセスコントローラ 9は、複合発電プロセス部 2における発電出力を検出する発電出 力検出器 10からの検出信号と発電負荷設定器 8からの設定値とから制御値を演算し 、ガス制御弁 7へ制御信号を出力する。

[0005] そして、上記のガス化複合発電設備にお!、て、協調制御方式を行う場合は、フィー ドフォワード演算器 11を設け、このフィードフォワード演算器 11へ発電負荷設定器 8 からの設定値を送信し、このフィードフォワード演算器 11から燃料制御弁 3へフィード フォワード制御信号を送信する。これにより、ガス化プロセス部 1への燃料の供給量が 、発電負荷要求の変動に対応して増減される。

[0006] つまり、この協調制御方式では、ガス化プロセス部 1のガス化炉におけるガス化を、 発電負荷要求の変動に対して迅速に追従させることが可能である。

なお、この種の制御の先行技術文献としては、例えば、特開 2002— 129910号公 報、特開平 7— 234701号公報、特許第 2685341号公報、特開平 11— 210412号 公報がある。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 上記のように、フィードフォワード制御を行うと、ガス化プロセス部 1のガス化炉にお けるガス化を、発電負荷要求の変動に対する追従性を向上させることができるが、ガ ス化プロセス部 1のガス化炉には、無駄時間及び制御の遅れが存在する。したがって

、例えば、発電負荷要求の変動が一定以上に大きくなると、特に、無駄時間の存在 により燃料ガス圧力の増減の検出が遅れ、その後の燃料ガスの製造量が極端に増 減するなどして、発電負荷要求の変動に対する追従性が悪くなつてしまう。

具体的には、発電負荷の要求が急に減少した場合、燃料ガスの消費量が減るのに 対し供給量は急には減らないので燃料ガスが余剰になる。その際、余剰の燃料ガス の圧力が一定以上になると、フレアスタックから燃料ガスを燃焼して放出する力、予備 タンクなどへ放出して圧力の異常上昇を防ぐ対応をする必要がある。フレアスタックか ら燃料ガスを燃焼放出する場合、単なる経済的な損失だけでなぐ新たな環境負荷 を発生させる問題点を有することになる。また、予備タンクを設ける場合には設備費 やスペースの増加が必要となりコスト増となる。

一方、発電負荷の要求が急に増加し燃料ガスの供給が間に合わずに圧力が一定 以下に低下した場合には、タービンの出力は増加せず逆に低下することになる。そし て圧力の低下が一定以上となるとタービントリップによる停止信号が出され、発電停 止の事態を招くこととなる。

上記の如く発電負荷要求の変動に対する追従性が悪いと、ガス化複合発電設備と しての運転信頼性に大きな影響を与えることになり、特に発電停止などにより連続運 転ができなくなれば経済的に膨大な損失を蒙ることとなる。

[0008] 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発電負荷要求の変動が大きい場合 でも、ガス化設備における燃料ガスの製造量を安定させることができ、発電負荷要求 の変動に対する追従性をさらに向上させることが可能なガス化複合発電設備を提供 することを目的としている。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明のガス化複合発電設備は、ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを 燃料とする複合発電設備とを備え、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いて ガスタービンおよびスチームタービンを回転させることにより前記複合発電設備にて 発電を行うガス化複合発電設備であって、前記複合発電設備への発電負荷要求に 応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃料ガスを前記ガス化設備にて製造させる ベぐ前記ガス化設備をフィードフォワード制御する制御系を備え、該制御系は、前 記フィードフォワード制御に加え、燃料ガスが前記ガス化設備力も複合発電設備に 供給される間に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する無駄時間補償回路を 組み込んだことを特徴とする。

また前記制御系は、前記ガス化設備における燃料ガスの製造に必要な酸素の供給 量を前記ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じて追従させるベぐ前 記ガス化設備へ酸素を圧縮して送る圧縮機をフィードフォワード制御することを特徴 とする。

また前記制御系は、前記ガス化設備における燃料ガスの製造に必要な酸素の供給 量を前記ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じて追従させるベぐ空 気から酸素を分離して前記ガス化設備へ酸素を供給する空気分離装置をフィードフ ォワード制御することを特徴とする。

[0010] また、本発明のガス化複合発電設備の制御方法は、ガス化設備と該ガス化設備に より製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え、前記ガス化設備にて製造した 燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービンを回転させることにより前記複 合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備の制御方法にぉ 、て、前記複合発 電設備への発電負荷要求に応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃料ガスを前記 ガス化設備にて製造させるベぐ前記ガス化設備を構成する機器へ前記燃料ガスの 製造量を増減させるフィードフォワード信号を出力する工程と、前記フィードフォヮ一 ド信号の出力に加え、燃料ガスが前記ガス化設備から複合発電設備に供給される間 に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する疑似信号を出力する工程とを実行 することにより、ゼロフレア運転できるように制御することを特徴とする。

また前記ゼロフレア運転が、発電負荷要求の変動割合が 1分間に 3%以下であるこ とを特徴とする。

[0011] また、本発明の燃料ガスの製造方法は、複合発電設備に供給される燃料ガスの製 造方法において、前記複合発電設備への発電負荷要求に応じ、前記複合発電設備 で必要な量の燃料ガスを製造するガス化設備を構成する機器へ前記燃料ガスの製 造量を増減させるためのフィードフォワード信号を出力する工程と、前記フィードフォ ワード信号の出力に加え、燃料ガスが前記ガス化設備から複合発電設備に供給され る間に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する疑似信号を出力する工程とを 実行することを特徴とする。

[0012] 本発明のガス化複合発電設備は、ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを 燃料とする複合発電設備とを備え、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いて ガスタービンおよびスチームタービンを回転させることにより前記複合発電設備にて 発電を行うガス化複合発電設備であって、前記複合発電設備への発電負荷要求に 応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃料ガスを前記ガス化設備にて製造させる ベぐ前記ガス化設備をフィードフォワード制御する制御系を備え、該制御系は、前 記ガス化設備に存在する無駄時間及び制御の遅れに基づいて前記複合発電設備 への発電負荷要求を遅らせて前記複合発電設備を一定の遅れをもって追従運転さ せる無駄時間補償回路を備えたことを特徴とする。

[0013] また、本発明は、前記制御系が、さらに前記無駄時間補償回路により追従運転され る前記複合発電設備にて必要とされる燃料ガスの流量の変動と実際の燃料ガスの流 量の変動との差異に基づ!/ヽて、前記ガス化設備へ送信されるフィードフォワード制御 のための設定値を補正する燃料ガス流量変化量補償回路を備えたことを特徴とする

[0014] 本発明の制御方法は、ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする 複合発電設備とを備え、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービ ンおよびスチームタービンを回転させることにより前記複合発電設備にて発電を行う ガス化複合発電設備の制御方法であって、前記複合発電設備への発電負荷要求に 応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃料ガスを前記ガス化設備にて製造させる ベく、前記ガス化設備を構成する機器へ前記燃料ガスの製造量を増減させるフィー ドフォワード信号を出力する工程と、

前記ガス化設備に存在する無駄時間及び制御の遅れを想定して前記複合発電設 備への発電負荷要求を遅らせ、前記複合発電設備を一定の遅れをもって追従運転 させるように複合発電設備に疑似信号を出力する工程とを実行することにより、ゼロフ レア運転できるように制御することを特徴とする。 また、前記複合発電設備にて必要とされる燃料ガスの流量の変動と実際の燃料ガ スの流量の変動との差異に基づ！/、て、前記ガス化設備へ送信されるフィードフォヮ一 ド制御のための設定値を補正する工程を備えたことを特徴とする。

発明の効果

[0015] 本発明のガス化複合発電設備によれば、フィードフォワード制御によるガス化設備 力もの燃料ガスの実際の増減に先立って、燃料ガスの増減を示す疑似信号を出力 することにより、ガス化設備に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する無駄時 間補償回路を制御系に設けたので、特に、発電負荷要求の変動が大きい場合でも、 ガス化設備における燃料ガスの製造量を安定させることができ、発電負荷要求の変 動に対する追従性をさらに向上させることができる。特に、発電負荷変動が 1分間に 3 %以下である場合には、余剰ガス吸収のためのバッファとしてのタンクなどの設備を 用いることなぐガス化設備をゼロフレア運転することができる。

[0016] また、本発明によれば、制御系が、ガス化設備における燃料ガスの製造に必要な 酸素の供給量を、ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じて追従させる ベぐガス化設備へ酸素を圧縮して送る圧縮機をフィードフォワード制御するので、ガ ス化設備への酸素の供給量を、ガス化設備の負荷に応じて安定して供給することが できる。

[0017] さらに、本発明によれば、制御系が、ガス化設備における燃料ガスの製造に必要な 酸素の供給量を、ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じて空気力 酸 素を分離させて追従させるベく、空気から酸素を分離する空気分離装置をフィードフ ォワード制御するので、ガス化設備への酸素の供給量を、ガス化設備の負荷に応じ てさらに安定して供給することができる。

[0018] 本発明のガス化複合発電設備によれば、ガス化設備に存在する無駄時間及び制 御の遅れに基づいて複合発電設備への発電負荷要求を遅らせて複合発電設備を 一定の遅れをもって追従運転させる無駄時間補償回路を制御系に設けたので、発 電負荷要求の変動が大きい場合にも、ガス化設備を発電負荷要求に応じてフィード フォワード制御するとともに、フィードフォワード制御されるガス化設備に対して、その 無駄時間及び制御遅れを考慮して複合発電設備を一定の遅れをもって確実に安定 追従させて運転させることができ、発電負荷要求の変動に対する追従性をさらに向 上させることができる。特に、発電負荷変動が 1分間に 3%以下である場合には、余 剰ガス吸収のためのバッファとしてのタンクなどの設備を用いることなぐガス化設備 をゼロフレア運転することができる。

[0019] また、本発明によれば、無駄時間補償回路により追従運転される複合発電設備に て必要とされる燃料ガスの流量の変動と実際の燃料ガス流量の変動との差異に基づ V、て、ガス化設備のフィードフォワード制御のための設定値を補正する燃料ガス流量 変化量補償回路を設けたので、ガス化設備力ゝらの燃料ガスと複合発電設備にて必要 とされる燃料ガスとの流量差を極力抑えることができ、複合発電設備の安定運転を図 ることがでさる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]従来の協調制御方式が適応されたガス化複合発電設備の比較例を説明する 回路図である。

[図 2]本発明の第 1の実施形態に係るガス化複合発電設備を説明する回路図である [図 3]従来のガス化複合発電設備を説明する回路図である。

[図 4A]信号が入力された場合、瞬時に立ち上がって出力された制御出力 (操作変数 )を示す図である。

圆 4B]信号が入力された場合、遅れ特性によって出力された制御出力 (操作変数） を示す図である。

[図 4C]信号が入力された場合、遅れ特性に加えて無駄時間の存在によって出力さ れた制御出力 (操作変数)を示す図である。

[図 5]本発明の第 2の実施形態に係るガス化複合発電設備を説明する回路図である 符号の説明

[0021] 21 :ガス化複合発電設備 22 :空気分離装置

23：ガス化炉 (ガス化設備） 24：ガス処理設備 (ガス化設備）

25：複合発電設備 26：酸素圧縮機 (圧縮機） 41：空気分離装置負荷コントローラ (制御系）

42：ガス化炉負荷コントローラ (制御系）

43：発電負荷コントローラ (制御系）

46：ガス化プラント無駄時間補償回路 (無駄時間補償回路）

47：燃料ガス流量変化量補償回路

71 :無駄時間補償回路

発明を実施するための最良の形態

[0022] 以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明の実施形態が適応される基準となる協調制御方式が適応されたガス 化複合発電設備について説明する。

図 1は、従来の協調制御方式が適応されたガス化複合発電設備を説明する回路図 である。図 3は、従来のガス化複合発電設備を説明する回路図である。図 1は、図 3 により原理を示した協調制御方式が適応されたガス化複合発電設備のより具体的な 構成を示すもので、その構成を本願実施形態との比較例として説明する。

図に示すように、このガス化複合発電設備 21は、空気分離装置 22、ガス化炉 23、 ガス処理設備 24及び複合発電設備 25を備えて ヽる。

空気分離装置 22は、送り込まれた空気を、酸素と窒素に分離する。この空気分離 装置 22によって分離された酸素は、酸素圧縮機 26により加圧されてガス化炉 23へ 送られ、窒素は、窒素圧縮機 27により加圧されて複合発電設備 25へ送られる。

[0023] ガス化炉 23には、残渣油、石炭などの燃料原料及び複合発電設備 25からの蒸気 が供給される。そして、このガス化炉 23は、酸素、燃料原料及び蒸気から水素及び 一酸化炭素を主成分とする粗燃料ガスを製造する。この粗燃料ガスは、ガス処理設 備 24へ送られ、このガス処理設備 24にて、脱塵、脱硫等により精製した燃料ガスとし 、この燃料ガスが複合発電設備 25へ送られる。

[0024] 複合発電設備 25は、ガスタービン、スチームタービン及び発電機を備えて 、る。ガ スタービンには、窒素圧縮機 27からの窒素が混合されて所定の濃度に調整されたガ ス処理設備 24からの燃料ガスが供給される。そして、このガスタービンは、供給され る燃料ガスを燃焼させてタービンを回転させる。このガスタービン力もの排気は、ボイ ラへ送られ、ボイラでは、排気熱と燃料の燃焼熱により蒸気を発生させ、その蒸気を スチームタービンに送り込む。これにより、スチームタービンは、供給される蒸気をタ 一ビンの回転という運動エネルギに変換する。そして、これらガスタービン及びスチー ムタービンによって発電機が駆動されて発電が行われる。なお、この複合発電設備 2 5には、図示しない供給ライン力 灯油などの補助燃料が供給可能とされており、ガ スタービンは、燃料ガスによる運転あるいは補助燃料による運転が可能とされている

[0025] また、複合発電設備 25へ燃料ガスを供給する燃料ガスラインには、フレアスタック 2 8が接続されている。このフレアスタック 28は、なんらかの原因により、燃料ガスライン のガス圧が規定圧力以上となった際に、ガスを放出して圧力上昇を抑制することを目 的として、燃料ガスをフレアリングするものである。

そして、上記ガス化複合発電設備 21には、ガス化炉 23への燃料原料の供給ライン 、酸素の供給ライン及び蒸気の供給ラインに、それぞれ制御弁 31、 32、 33が設けら れ、ガス化炉 23への燃料原料、酸素及び蒸気の供給量が調節可能とされている。な お、流量制御手段として、制御弁を用いた場合について説明する力 この制御弁に 代えて、例えば、燃料供給ポンプ、送風機等の機器の駆動モータの回転数を制御す ることにより流量を制御する場合も含むものとする。

[0026] また、複合発電設備 25への燃料ガスの供給ライン及び窒素の供給ラインにも、そ れぞれ制御弁 34、 36が設けられ、複合発電設備 23への燃料ガス及び窒素の供給 量が調節可能とされている。

さらに、フレアスタック 28につながる燃料ガスの分岐ラインにも制御弁 37が設けられ 、フレアスタック 28への燃料ガスの流量が調節可能とされて 、る。

[0027] 次に、上記ガス化複合発電設備 21の制御系について説明する。

このガス化複合発電設備 21は、空気分離装置負荷コントローラ 41、ガス化炉負荷 コントローラ 42及び発電負荷コントローラ 43を備えて 、る。

空気分離装置負荷コントローラ 41は、空気分離装置 22へ制御信号を出力して制 御する。

ガス化炉負荷コントローラ 42は、燃料原料の供給ライン、酸素の供給ライン及び蒸 気の供給ラインに設けられた制御弁 31、 32、 33へ制御信号を出力し、これら制御弁 31、 32、 33を制御する。また、ガス化炉負荷コントローラ 42は、酸素供給ラインの制 御弁 32へ送信する制御信号を空気分離装置負荷コントローラ 41にも送信する。

[0028] 発電負荷コントローラ 43には、発電負荷設定器 44から設定値が送信される。また、 この発電負荷コントローラ 43には、複合発電設備 25における発電出力を検出する発 電出力検出器 45から、発電出力の検出データが送信される。発電負荷コントローラ 4 3は、燃料ガス供給ラインの制御弁 34及び窒素供給ラインの制御弁 36へ制御信号 を出力し、これら制御弁 34、 36を制御する。つまり、発電負荷コントローラ 43は、発 電出力を被制御変数として複合発電設備 25を制御している。

また、この発電負荷コントローラ 43は、加算器 61、 62を介してガス化炉負荷コント口 ーラ 42及び窒素圧縮機コントローラ 52にも制御信号を出力する。

[0029] 酸素圧縮機 26には、酸素圧縮機コントローラ 51が設けられ、この酸素圧縮機コント ローラ 51には、酸素圧縮機コントローラ設定器 53から設定値が送信される。また、酸 素圧縮機コントローラ 51には、ガス化炉 23への酸素の供給ラインにおける圧力ある いは流量を検出する検出器 55から検出データが送信される。そして、この酸素圧縮 機コントローラ 51は、酸素圧縮機コントローラ設定器 53からの設定値及び検出器 55 力もの検出データに基づいて、酸素圧縮機 26にフィードバック制御信号を出力し、 酸素圧縮機 26を制御する。これにより、酸素圧縮機 26は、下流圧力あるいは流量を 被制御変数として制御される。

[0030] 窒素圧縮機 27には、窒素圧縮機コントローラ 52が設けられ、この窒素圧縮機コント ローラ 52には、窒素圧縮機コントローラ設定器 54から設定値が送信される。また、窒 素圧縮機コントローラ 52には、複合発電設備 25への窒素の供給ラインにおける圧力 または流量を検出する検出器 56から加算器 62を介して検出データが送信される。そ して、この窒素圧縮機コントローラ 52は、窒素圧縮機コントローラ設定器 54からの設 定値及び検出器 56からの検出データと発電負荷コントローラ 43からの制御信号との 加算値に基づいて、窒素圧縮機 27に制御信号を出力し、窒素圧縮機 27を制御する 。これにより、窒素圧縮機 27は、下流圧力あるいは流量を被制御変数として制御され る。なお、上記酸素圧縮機 26および窒素圧縮機 27の制御は、負荷の情況に応じて 圧力制御または流量制御のいずれかに切り換えられるものである。

[0031] また、複合発電設備 25へ燃料ガスを供給する燃料ガスラインには、燃料ガスの圧 力を検出するガス圧力検出器 57が設けられ、このガス圧力検出器 57からの検出デ 一タカ ガス化炉用ガス圧力コントローラ 58及びフレア用ガス圧力コントローラ 59へ それぞれ送信される。

ガス化炉用ガス圧力コントローラ 58は、加算器 61へ制御信号を出力する。これによ り、ガス化炉負荷コントローラ 42には、ガス化炉用ガス圧力コントローラ 58及び発電 負荷コントローラ 43からの制御信号が加算器 61にて加算されて送信される。つまり、 ガス化炉 23は、ガス処理設備 24の下流側における燃料ガスのガス圧力を被制御変 数として制御される。

また、フレア用ガス圧力コントローラ 59は、フレアスタック 28への分岐ラインの制御 弁 37へ制御信号を出力し、この制御弁 37を制御する。ここで、フレア用ガス圧力コン トローラ 59は、ガス化炉用ガス圧力コントローラ 58よりも圧力設定値が少し高くされて いる。これにより、通常運転時に、分岐ラインの制御弁 37が閉じている力 ガス圧力 検出器 57の検出値がフレア用ガス圧力コントローラ 59の設定値を超えた場合には、 分岐ラインの制御弁 37が開かれ、フレアスタック 28にてフレアリングするようになって いる。

[0032] そして、上記ガス化複合発電設備 21では、発電負荷設定器 44からの設定値に基 づく発電負荷コントローラ 43からの制御信号力 フィードフォワード制御信号として、 加算器 61を介してガス化炉負荷コントローラ 42へ送信される。これにより、ガス化炉 負荷コントローラ 42は、フィードフォワード制御信号が加算された信号に基づいて、 ガス化炉 23への燃料原料、酸素及び蒸気の供給ラインの制御弁 31、 32、 33を制御 するとともに、空気分離装置負荷コントローラ 41へ制御信号を送信して空気分離装 置 22を制御する。これにより、ガス化炉 23及びガス処理設備 24による燃料ガスの製 造量が、発電負荷要求の変動に対応して増減される。

[0033] つまり、この比較例における協調制御を適用したガス化複合発電設備 21では、ガ ス化炉 23及びガス処理設備 24からなるガス化設備における燃料ガスの製造量を、 発電負荷要求の一定の範囲の変動に対して迅速に追従させることができる。 また、このガス化複合発電設備 21では、発電負荷設定器 44からの設定値に基づく 発電負荷コントローラ 43からの制御信号力 フィードフォワード制御信号として、加算 器 62を介して窒素圧縮機コントローラ 52にも送信される。これにより、窒素圧縮機 27 による複合発電設備 25への窒素の供給量が、発電負荷要求の変動に対応して迅速 に追従されて増減される。

[0034] ここで、上記比較例のガス化複合発電設備 21では、発電負荷要求の変動に対応し てガス化炉 23及びガス処理設備 24による燃料ガスの製造量を増減させるフィードフ ォワード制御を行うが、ガス化炉 23及びガス処理設備 24による燃料ガスの製造設備 には、燃料ガスが前記ガス化設備から発電設備に供給される間に無駄時間及び制 御の遅れが存在する。

ここで無駄時間とは、プロセスやシステムに命令 (信号）が入力されてから、その結 果が全く現れない時間であり、より正確には、図 4A—図 4Cに示す通りである。

すなわち、図 4Aに示すように、制御出力（操作変数)が瞬時に立ち上がって出力さ れた場合であっても、一般に被制御変数の挙動は図 4Bに示すような遅れ特性を持 つており、さらに、無駄時間が存在すると、実際の被制御変数の挙動は図 4Cに示す ように多くの遅れを生じることとなる。本発明においては、図 4Cに示すような無駄時間 と制御の遅れの両方が存在する場合の補償を実行するものである。

[0035] 図 2は、本発明の第 1の実施形態によるガス化複合発電設備 21を示す。ガス化複 合発電設備 21は、前記図 1の協調制御方式に加えて上記で説明した無駄時間及び 制御の遅れを補償する無駄時間補償回路を備えている。すなわち、ガス圧力検出器 57とガス化炉用ガス圧力コントローラ 58との間に無駄時間補償回路 71を組み込ん だ構成となっている。

そして、この無駄時間補償回路 71によって、発電負荷要求に応じて製造されるは 燃料ガスの増減を圧力の上昇または減少として検知し、その偏差が大きくてもさも偏 差が小さいように操作量を小さくする疑似信号をガス化炉用ガス圧力コントローラ 58 に出力するものである。

これにより、発電負荷要求の変動が大きい場合にも、ガス化炉 23における燃料ガス の製造量を安定させることができ、発電負荷要求の変動に対する追従性をさらに向 上させることができる。

[0036] また、上記フィードフォワード制御により、発電負荷要求の変動に対応してガス化炉 23及びガス処理設備 24による燃料ガスの製造量を増減させる場合、燃料ガスに必 要となる酸素の供給量も増減させる必要が生じる。

このため、本実施形態では、酸素圧縮機コントローラ 51からの制御信号にガス化炉 負荷コントローラ 42からの制御信号を加算して酸素圧縮機 26へ送信する加算器 72 を設けている。これにより、発電負荷コントローラ 43からのフィードフォワード制御信号 に基づいて送信されたガス化炉負荷コントローラ 42からの制御信号がフィードフォヮ ード信号として酸素圧縮機コントローラ 51からの制御信号に加算され、その制御信 号にて酸素圧縮機 26が制御される。

つまり、ガス化炉 23における燃料ガスの製造量の増減に対して酸素圧縮機 26を俊 敏に制御し、特に、ガス化炉 23内の温度変化に大きく影響を与える酸素の供給量を 、ガス化炉 23及びガス処理設備 24からなるガス化設備の負荷に応じて安定して供 給することができる。

また、ガス化炉 23及びガス処理設備 24からなるガス化設備における燃料ガスの製 造に必要な酸素の供給量を、ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じ て空気力 酸素を分離させて追従させるベぐ空気分離装置 22をフィードフォワード 制御するので、酸素の供給量を、ガス化炉 23及びガス処理設備 24からなるガス化設 備の負荷に応じてさらに安定して供給することができる。

尚、上記の実施形態では、この発電システム専用の空気分離装置を設けて、この 空気分離装置力も酸素あるいは窒素の供給量を制御する構成としたが、他の設備と 共用すべく設けられた空気分離装置力も必要な酸素あるいは窒素の供給を受けるた めの流量制御手段を制御するようにしてもょ 、。

[0037] 実施例

以下、比較例と実施例により本発明を具体的に説明する。

比較例 1

図 1のガス化複合発電設備を運転、すなわち、ガス化設備へのフィードフォワード 制御を含む協調制御方式で運転した場合、発電負荷変動が 1分間に 1. 0%であると 、ガス圧力検出器 57の圧力変動幅は、設定値の ±0. 023MPaの変動であった。 また、同じ設備において、発電負荷変動が 1分間に 3. 0%になると、ガス圧力検出 器の圧力変動幅が、設定値の ±0. 093MPaであった。

実施例 1

図 2のガス化複合発電設備を運転、すなわち、図 1の協調制御に加え、無駄時間 補償回路 71を組み込み、酸素圧縮機 26をフィードフォワード制御した場合、発電負 荷変動が 1分間に 1. 0%で、ガス圧力検出器 57の圧力変動幅は、設定値の ±0. 0 13MPaであった。また、同じ設備において、発電負荷変動が 1分間に 3. 0%になつ ても、ガス圧力検出器の圧力変動幅が、設定値の ±0. 053MPaであった。

実施例 2

上記実施例 1において、酸素圧縮機 26の制御を図 1と同様な検出器 55の検出値 力ものフィードバック制御とした以外は同様に制御した場合、発電負荷変動が 1分間 に 1. 0%であると、ガス圧力検出器 57の圧力変動幅は、設定値の ±0. 017MPaの 変動であった。また同じ設備において、発電負荷変動が 1分間に 3. 0%になると、ガ ス圧力検出器の圧力変動幅が、設定値の ±0. 063MPaであった。

上記の比較例と実施例から、本発明においては、無駄時間補償回路を組み込むこ とにより、発電負荷変動が 1分間に 3%程度であっても、燃料ガスの供給圧力の変動 幅を大幅に小さくすることができ、ガス化複合発電設備としては極めて安定して連続 運転ができることとなる。

また、酸素圧縮機のフィードフォワード制御を併せて実施することによりその効果は より確実となることがわカゝる。

また、上記のように発電負荷変動における追従性がよいということは、フレアスタック から燃料ガスを燃焼放出しなくてもよいということであり、特に上記の例で示したように 発電負荷変動が 1分間に 3%程度以下である場合には、ゼロフレア、すなわち、フレ ァガスとしてフレアスタック力 燃料ガスを燃焼放出しな 、運転を可能とし、経済的な 損失だけでなぐ環境にも優しいガス化複合発電設備を提供するものである。

また、発電負荷要求の変動が大きいと、特に、無駄時間の存在により燃料ガスの増 減の検出が遅れ、その後の燃料ガスの製造量が極端に増減するなどして、発電負荷 要求の変動に対する追従性が悪くなる。

[0039] 図 5は、本発明の第 2の実施形態に係るガス化複合発電設備を説明する回路図で ある。発電負荷要求の変動に対する追従性が悪くなるため、本実施形態では、図 5 に示すように、図 1の協調制御方式に加えて、上記で説明した無駄時間および制御 の遅れを想定して複合発電設備への発電負荷要求を遅延させ、複合発電設備を一 定の遅れをもって追従運転させる無駄時間補償回路を備えている。すなわち、発電 負荷コントローラ 43と発電負荷設定器 44との間には、ガス化プラント無駄時間補償 回路 46を設けている。

このガス化プラント無駄時間補償回路 46は、発電負荷設定器 44からの設定値の 変化に対する燃料ガスの圧力への影響及びガス圧力コントローラ 58の出力の変化 に対する燃料ガスの圧力への影響を含む動的モデルを用いたもので、発電負荷設 定器 44からの設定値に対してガス化炉 23及びガス処理設備 24などカゝらなるガス化 設備における無駄時間を補償するものである。そして、このガス化プラント無駄時間 補償回路 46により、複合発電設備 25は、その運転が意図的に遅らせられ、発電負 荷設定器 44からの発電負荷の設定値に対して、常にある一定の遅れをもって安定 追従する。

[0040] このように、上記ガス化複合発電設備 21によれば、発電負荷要求の変動が大きい 場合にも、ガス化炉 23及びガス処理設備 24などカゝらなるガス化設備を発電負荷要 求に応じてフィードフォワード制御するとともに、フィードフォワード制御されるガス化 設備に対して、その無駄時間及び制御遅れを考慮して複合発電設備 25を一定の遅 れをもって確実に安定追従させて運転させることができ、発電負荷要求の変動に対 する追従性をさらに向上させることができる。

[0041] また、上記ガス化複合発電設備 21は、ガス化プラント無駄時間補償回路 46による 発電負荷の設定値の意図的な遅れ及び複合発電設備 25にて必要とされる燃料ガス の流量の変動と実際の燃料ガス流量の変動との差異を補償するために、燃料ガス流 量変化量補償回路 47を備えている。そして、この燃料ガス流量変化量補償回路 47 は、発電負荷設定器 44からガス化炉負荷コントローラ 42へ送信される発電負荷の設 定値に加算器 63にて補正値を加算し、このフィードフォワード制御信号として送信さ れる発電負荷の設定値を補正するようになって 、る。

このように、ガス化プラント無駄時間補償回路 46により追従運転される複合発電設 備 25にて必要とされる燃料ガスの流量の変動と実際の燃料ガス流量の変動との差 異に基づいて、ガス化炉負荷コントローラ 42へ送信されるフィードフォワード制御の ための設定値を補正する燃料ガス流量変化量補償回路 47を設けたので、ガス化炉 23及びガス処理設備 24など力もなるガス化設備力もの燃料ガスと複合発電設備 25 にて必要とされる燃料ガスとの流量差を極力抑えることができ、複合発電設備 25の 安定運転を図ることができる。

[0042] また、上記フィードフォワード制御により、発電負荷要求の変動に対応してガス化炉 23及びガス処理設備 24による燃料ガスの製造量を増減させる場合、燃料ガスに必 要となる酸素の供給量も増減させる必要が生じる。

このため、本実施形態では、酸素圧縮機コントローラ 51からの制御信号にガス化炉 負荷コントローラ 42からの制御信号を加算して酸素圧縮機 26へ送信する加算器 72 を設けている。これにより、発電負荷コントローラ 43からのフィードフォワード制御信号 に基づいて送信されたガス化炉負荷コントローラ 42からの制御信号がフィードフォヮ ード信号として酸素圧縮機コントローラ 51からの制御信号に加算され、その制御信 号にて酸素圧縮機 26が制御される。

[0043] つまり、ガス化炉 23における燃料ガスの製造量の増減に対して酸素圧縮機 26を俊 敏に制御し、特に、ガス化炉 23内の温度変化に大きく影響を与える酸素の供給量を 、ガス化炉 23及びガス処理設備 24からなるガス化設備の負荷に応じて安定して供 給することができる。

また、ガス化炉 23及びガス処理設備 24からなるガス化設備における燃料ガスの製 造に必要な酸素の供給量を、ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じ て空気力 酸素を分離させて追従させるベぐ空気分離装置 22をフィードフォワード 制御するので、酸素の供給量を、ガス化炉 23及びガス処理設備 24からなるガス化設 備の負荷に応じてさらに安定して供給することができる。

産業上の利用可能性

[0044] 本発明は、ガス化設備における燃料ガスの製造量を安定させ、また、発電負荷要 求の変動に対する追従性を向上させるようなガス化複合発電設備に適用することが できる。

Claims

請求の範囲

[1] ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え

、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービ ンを回転させることにより前記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備で あって、

前記複合発電設備への発電負荷要求に応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃 料ガスを前記ガス化設備にて製造させるベぐ前記ガス化設備をフィードフォワード 制御する制御系を備え、

該制御系は、前記フィードフォワード制御に加え、燃料ガスが前記ガス化設備から 複合発電設備に供給される間に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する無駄 時間補償回路を組み込んだことを特徴とするガス化複合発電設備。

[2] 前記制御系は、前記ガス化設備における燃料ガスの製造に必要な酸素の供給量 を前記ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じて追従させるベぐ前記 ガス化設備へ酸素を圧縮して送る圧縮機をフィードフォワード制御することを特徴と する請求項 1に記載のガス化複合発電設備。

[3] 前記制御系は、前記ガス化設備における燃料ガスの製造に必要な酸素の供給量 を前記ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じて追従させるベぐ空気 から酸素を分離して前記ガス化設備へ酸素を供給する空気分離装置をフィードフォ ワード制御することを特徴とする請求項 2に記載のガス化複合発電設備。

[4] ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え 、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービ ンを回転させることにより前記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備の 制御方法において、

前記複合発電設備への発電負荷要求に応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃 料ガスを前記ガス化設備にて製造させるベぐ前記ガス化設備を構成する機器へ前 記燃料ガスの製造量を増減させるフィードフォワード信号を出力する工程と、 前記フィードフォワード信号の出力に加え、燃料ガスが前記ガス化設備力も複合発 電設備に供給される間に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する疑似信号を 出力する工程と、を実行することにより、ゼロフレア運転できるように制御することを特 徴とするガス化複合発電設備の制御方法。

[5] 前記ゼロフレア運転が、発電付加要求の変動割合が 1分間に 3%以下である請求 項 4に記載のガス化複合発電設備の制御方法。

[6] 複合発電設備に供給される燃料ガスの製造方法にお!ヽて、

前記複合発電設備への発電負荷要求に応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃 料ガスを製造するガス化設備を構成する機器へ前記燃料ガスの製造量を増減させる ためのフィードフォワード信号を出力する工程と、

前記フィードフォワード信号の出力に加え、燃料ガスが前記ガス化設備力も複合発 電設備に供給される間に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する疑似信号を 出力する工程と、を実行することを特徴とする燃料ガスの製造方法。

[7] ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え

、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービ ンを回転させることにより前記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備で あって、

前記複合発電設備への発電負荷要求に応じ、前記複合発電設備にて必要となる 燃料ガスを前記ガス化設備にて製造させるベぐ前記ガス化設備をフィードフォヮ一 ド制御する制御系を備え、

該制御系は、前記ガス化設備に存在する無駄時間及び制御の遅れを想定して前 記複合発電設備への発電負荷要求を遅延させ、前記複合発電設備を一定の遅れを もって追従運転させる無駄時間補償回路を備えたことを特徴とするガス化複合発電 設備。

[8] 前記制御系は、さらに前記無駄時間補償回路により追従運転される前記複合発電 設備にて必要とされる燃料ガスの流量の変動と実際の燃料ガスの流量の変動との差 異に基づ 、て、前記ガス化設備へ送信されるフィードフォワード制御のための設定値 を補正する燃料ガス流量変化量補償回路を備えたことを特徴とする請求項 7に記載 のガス化複合発電設備。

[9] 前記制御系は、前記ガス化設備における燃料ガスの製造に必要な酸素の供給量 を前記ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じて追従させるベぐ前記 ガス化設備へ酸素を圧縮して送る圧縮機をフィードフォワード制御することを特徴と する請求項 7または請求項 8に記載のガス化複合発電設備。

[10] 前記制御系は、前記ガス化設備における燃料ガスの製造に必要な酸素の供給量 を前記ガス化設備における燃料ガスの製造量の増減に応じて追従させるベぐ空気 から酸素を分離して前記ガス化設備へ供給する空気分離装置をフィードフォワード 制御することを特徴とする請求項 9に記載のガス化複合発電設備。

[11] ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え 、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービ ンを回転させることにより前記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備の 制御方法であって、

前記複合発電設備への発電負荷要求に応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃 料ガスを前記ガス化設備にて製造させるベぐ前記ガス化設備を構成する機器へ前 記燃料ガスの製造量を増減させるフィードフォワード信号を出力する工程と、 前記ガス化設備に存在する無駄時間及び制御の遅れを想定して前記複合発電設 備への発電負荷要求を遅らせ、前記複合発電設備を一定の遅れをもって追従運転 させるように複合発電設備に疑似信号を出力する工程と、を実行することにより、ゼロ フレア運転できるように制御することを特徴とするガス化複合発電設備の制御方法。

[12] さらに前記複合発電設備にて必要とされる燃料ガスの流量の変動と実際の燃料ガ スの流量の変動との差異に基づ！/、て、前記ガス化設備へ送信されるフィードフォヮ一 ド制御のための設定値を補正する工程を備えた請求項 11記載のガス化複合発電設 備の制御方法。

[13] ガス化設備と該ガス化設備により製造したガスを燃料とする複合発電設備とを備え 、前記ガス化設備にて製造した燃料ガスを用いてガスタービンおよびスチームタービ ンを回転させることにより前記複合発電設備にて発電を行うガス化複合発電設備で あって、

前記複合発電設備への発電負荷要求に応じ、前記複合発電設備で必要な量の燃 料ガスを前記ガス化設備にて製造させるベぐ前記ガス化設備をフィードフォワード 制御する制御系と、

前記フィードフォワード制御に加えた、燃料ガスが前記ガス化設備から複合発電設 備に供給される間に存在する無駄時間及び制御の遅れを補償する無駄時間補償回 路及び Z又は

前記ガス化設備に存在する無駄時間及び制御の遅れを想定して前記複合発電設 備への発電負荷要求を遅延させ、前記複合発電設備を一定の遅れをもって追従運 転させる無駄時間補償回路を備えたことを特徴とするガス化複合発電設備。

所定の原料カゝらガスを製造するガス化設備と該ガス化設備カゝら供給されるガスを燃 料とする複合発電設備とを有するガス化複合発電設備において、

前記ガス化設備に接続され、前記ガス化設備の負荷を制御する第 1の制御器と、 前記複合発電設備に接続され、外から発電負荷要求に応じて前記複合発電設備 の負荷を制御する第 2の制御器と、

前記第 1の制御器及び第 2の制御器からの信号に応答して、前記ガス化設備への 原料の供給を制御するフィードフォワード制御装置とを備え、更に、

前記第 1の制御器及び第 2の制御器力 の信号に対する前記ガス化設備の応答の 遅れを補償する第 1の無駄時間補償回路と、前記ガス化設備の応答の遅れに基づ いて前記複合発電設備の応答に一定の遅れを与える第 2の無駄時間補償回路との うち少なくとも一つを備えることを特徴とするガス化複合発電設備。