WO2006087803A1

WO2006087803A1 - ガス発熱量制御方法とガス発熱量制御装置

Info

Publication number: WO2006087803A1
Application number: PCT/JP2005/002606
Authority: WO
Inventors: Yujiro Fujisaki; Hideaki Ota; Masaaki Sako
Original assignee: Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-24
Also published as: JP4594376B2; BRPI0519804A2; CN100575789C; CN101115954A; JPWO2006087803A1

Abstract

　発熱量が変動する燃料ガスを、発熱量変動を抑制して安定した燃料ガスとして供給する。　燃焼設備（２）に供給する燃料ガスを、ガス入口（６）とガス出口（７）とが別々に形成されたタンク（５）内で時間差混合することによりこの燃料ガスの発熱量変動を抑制し、この発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を計測し、この計測した発熱量の変動幅が燃焼設備（２）の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記タンク（５）の下流側で燃料ガスを減熱または増熱する。

Description

明細書

ガス発熱量制御方法とガス発熱量制御装置

技術分野

[0001] 本発明はガス発熱量制御方法とガス発熱量制御装置とに関する。さらに詳しくは、燃焼設備の燃料としてのガスが低カロリガスのようにその発熱量が変動する場合、この発熱量変動を抑制することができるガス発熱量制御方法と、そのガス発熱量制御装置に関する。

背景技術

[0002] 製鉄分野において、例えば高炉法で銑鉄を生産する場合、高炉から炉頂ガス（「 Blast Furnace Gas」であり、以下「： BFG」と記す）が副生ガスとして発生する。 BFGの総発熱量は使用したコータスの発熱量の約半分にも達するので、製銑原価低減のために BFGは製鉄所内において多方面に利用されている。 BFGの組成は、二酸化炭素（CO )が 10— 18容積％(以下、単に「％」と示す）、一酸ィ匕炭素（CO)が 22— 30

2

%、窒素（N )が 52— 60%、水素（H )が 0. 5— 4%、メタン (CH )が 0. 5— 3%とさ

2 2 4

れている。

[0003] BFGはこれ以外に煙塵を 2— 10g/Nm³含んでいるので、これを除塵器で 0. Olg /Nm 程度まで除去した後、発熱量 800kcalZNm³程度の燃料ガスとして、熱風炉、コークス炉、加熱炉、ボイラ等に利用されている。

[0004] 近年、ガスタービンにおいても、その技術の向上により低カロリガスの燃焼が可能となり、 BFGをガスタービン燃料として用いて発電する事例が増加している。ここでは、低カロリガスを、その発熱量が約 12MJ/Nm³以下のガスと定義する。低カロリガスとしては、後述するように、高炉ガス (BFG)には限らず、転炉ガス (LDG)などの多種類のガスおよびそれらの混合ガスが含まれる。

[0005] 一方で、近年、高炉法以外の新 U、製鉄プロセス（例えば、 FINEX法や COREX 法等の直接還元鉄法）が開発されつつあり、こうした新プロセス力発生する副生ガスの有効利用に対しても適用できる燃焼方式の開発が待たれて、る。、ずれの製鉄プロセスであれ、発生する副生ガスは低カロリガスであり、その特性 (ガス組成やカロリ）は設備や操業内容によって異なっており、同一設備であっても各原料の特性や反応過程に応じて時々刻々変化し、一定することがな、。

[0006] ここで、この低カロリガスをガスタービンの燃料ガスとして使用する場合の最も重要な特性であるカロリについて見てみると、例えば各ガスタービンは、各々が固有するカロリの許容変動幅の上下限値を有する。もし上限 (例えば、平均カロリ値の約 + 10

%)を超えた場合、つまりカロリ値が急激に高くなつた場合、ガスタービンの燃焼器内での燃焼温度が急激に異常な高温となることがある。これに起因してパーナ部分、タ一ビンの静翼および動翼が損傷を受けて短命化したりする弊害が発生する可能性があり、このような場合はガスタービン設備の経済的な連続運転が困難になる。また、もし下限 (例えば、平均カロリ値の約— 10%)を下まった場合、ガスタービンの出力が不安定になったり、失火トリップの原因になる。この明細書および請求の範囲では、この低カロリガスは燃料ガスに含まれる。

[0007] このようにカロリが増減するカロリ変動とは、燃料ガスの発熱量に係わる物性の変動を意味し、具体的には、容積当り発熱量 (KcalZNm³ )、重量あたり発熱量 (MjZk g)、ゥォッべインデックス（Wobbe Index) (Mj/m³ )などの種々の物性を意味する。この明細書および請求の範囲では、このカロリを発熱量、カロリ変動を発熱量変動ともいう。

[0008] 図 11は従来のガスタービン発電設備の概略を示す配管図である。図示する従来技術は、発熱量変動する燃料ガスの発熱量を増熱や減熱するように構成された例である。図示するように、燃料ガス発生装置 (例えば、高炉） 100において発生する BFG を燃料ガスとしてガスタービン 101 (または火力ボイラ等の燃焼装置）に供給する時、その発熱量を所期の値 (設計前提条件としての平均値、変動幅、変化速度）に維持するために減熱ガスや増熱ガスを混合器 102で混合して、る。このガス混合方法として、燃料ガス供給通路 103の上流側と下流側とにそれぞれ発熱量計測器 104, 105 を設け、カロリ計測器 104の検出信号でフィードフォワード制御を行い、カロリ計測器 105の検出信号でフィードバック制御を行って、る。これらの信号は予めガスタービン 101に応じて設定された所定の設定値 107と比較する制御器 106に入力される。そして、この制御器 106から所定の制御信号が分配器 115を介して減熱用流量調整弁 108または増熱用流量調整弁 113に出力され、減熱ガス供給器 109から供給配管 110を介して混合器 102に減熱ガスが供給されたり、増熱ガス供給器 114から供給配管 110を介して混合器 102に増熱ガスが供給される。なお、 111はガス圧縮機であり、 112は発電機である。

[0009] 図 12は図 11のガスタービン発電設備の各計測点における燃料ガス発熱量変動の一例を示すグラフである。横軸は時間 (秒)を示し、縦軸は燃料ガスの発熱量 (MJZ kg)を示している。図示する二点鎖線は低カロリガス供給通路 103の燃料ガスのカロリ変動を示しており、実線はこの従来技術で制御した場合のシミュレーション結果としての混合器 102の出口におけるカロリ変動を示している。

[0010] 図示するように、燃料ガス発生装置 100から供給される燃料ガスの発熱量は、図中二点鎖線で示すように時間によって不規則に大きく変動する。そして、このオリジナル変動にフィードフォワード制御とフィードバック制御とを行ったとしても、この例の場合、過大な短周期成分や中周期成分を含む燃料ガスの変動に制御系が曝され、制御系が不安定になって制御器のパラメータ設定が困難となり、その結果、状況次第では図示する実線のように発振状態に近い応答となっている。この図では、発熱量が変動する低カロリガスにフィードフォワード制御とフィードバック制御とを行って発振した例を示しており、ガスタービン (燃焼設備)の燃料ガスとして使用できるようなものではない。

[0011] この種の従来技術として、例えば、特許文献 1記載の燃料ガスカロリ制御装置がある。この制御装置において、仮に、低カロリガスのカロリが平均値、変動幅、変化速度において変動を生じながら供給される場合、この変動を抑制するためにはカロリ変動するガスが混合器に達した瞬間に、カロリ値を平均値とするようなガス種で、かつ適正な混合量を選択して混合しなければならない。つまり、カロリ値が平均値以上であれば平均値にするために必要な量の減熱ガスを混合し、カロリ値が平均値以下であれば平均値にするために必要な量の増熱ガスを混合しなければならな、。

[0012] しかし、操作端が混合ガス調整弁だけであるので、ガス混合動作のタイミングがずれると過不足を生じて正確なカロリ変動の抑制が困難となり、燃焼設備に必要なレべルにカロリ値を均一化できない。このため、残余のカロリ値が燃焼設備の許容限界を上回ると燃焼設備の損傷防止のために緊急に運転を停止して低カロリガスを大気放散しなければならず、逆に許容限界を下回ると燃焼設備が失火トリップする場合がある。また、カロリ変動速度が速くなるとガス混合タイミング合せがさらに困難になり、混合器と混合ガス調整弁だけで確実な制御を行うことは難しい。

[0013] また、カロリ変動が短周期でかつ変動幅が大きいと、混合ガス調整弁は大きなスト口ーク動作を繰り返すので、弁損傷や短寿命化のおそれがある。

[0014] さらに、カロリ変動幅が過大になり調整弁が大きなストローク動作を行ってガスを混合させると、ガス圧縮機、入口圧力の変動を引き起し、その結果はガスタービンへの燃料供給系統の大きな外乱となり、ガスタービンの運転の不安定性につながる。

[0015] また、大きくカロリ変動する燃料ガスに比重が異なる窒素ガスゃコークス炉ガス等の異なるガスを混合させた場合、多量のガスの混合は難しぐさらに混合量の変化幅が大き!/ヽので混合直後の短時間内に混合ガスを十分均一化させて燃焼設備に供給することは難しぐこれらの窒素ガスゃコークス炉ガス等が混合ムラとなって存在することとなり、燃焼設備の燃焼室内で燃焼ムラが発生し、安定運転が困難になる。そのため、大きくカロリ変動 (発熱量変動)する低カロリガス等を燃料ガスとして用いることは難しい。

特許文献 1：特開 2004-190632号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0016] 一方、上記したように発熱量が絶えず不規則に変化する低カロリガス等をガスタービン発電設備等の燃焼設備における燃料ガスとして効率良く安定的に連続使用できる技術の開発は、エネルギの有効利用、環境保全、操業コスト低減等の観点力重要視されている。

[0017] しカゝしながら、常に不規則に発熱量変動する低カロリガス等の燃料ガスを燃焼設備にお、て安定して使用するには、発熱量変動の幅を燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内まで抑制しなければならないが、それを実現する効果的な方法がない。

[0018] 本発明はカゝかる課題を解決するためになされたものであり、燃焼設備へ燃料ガスとして供給される低カロリガス等の発熱量変動を抑制することにより、低カロリガス等を安定した発熱量の燃料ガスとして供給できるガス発熱量制御方法と、そのガス発熱量制御装置を提供することを目的として!、る。

課題を解決するための手段

[0019] 上記目的のために本発明のガス発熱量制御方法は、

燃焼設備に供給する燃料ガスを、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンク内で時間差混合することにより該燃料ガスの発熱量変動を抑制し、

該発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を計測し、

該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガスを減熱または増熱するようにしてヽる。

[0020] この方法によれば、ガス入口力タンク内に供給される燃料ガスは、時々刻々と供給される燃料用のガスがタンク内に一時的に貯留されて、その中で時間差混合され、別に形成されたガス出口カゝら排出される。したがって、燃料ガスの発熱量が変動している場合であっても、時間差混合されることにより、その発熱量変動の幅が抑制され、かつ、発熱量変動速度が緩和される。そして、この発熱量変動が抑制された燃料ガスに対して、減熱または増熱してガス発熱量を燃焼設備の許容変動範囲内に調整するので、発熱量変動の調整が容易に可能となる。なお、上記時間差混合とは、連続的に時間遅れでタンク内へ流入してくる燃料ガスが既に流入して滞留している燃料ガスと混合することである。

[0021] また、上記発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測し、

該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードバック制御するようにしてもょ、。

[0022] この明細書および請求の範囲の書類中における「フィードバック制御」は、発熱量計測点の計測値に基く制御を、該計測点の上流側で行うことを!、う。

[0023] 上記発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測し、

該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の下流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御するようにしてもょ、。

[0024] この明細書および請求の範囲の書類中における「フィードフォワード制御」は、発熱量計測点の計測値に基く制御を、該計測点の下流側で行うことをいう。このフィードフォワード制御の一方法として、混合前の燃料ガス発熱量と流量とに基づいて、混合後の発熱量が所期の値となるのに必要な増熱ガス、減熱ガスの混合量を算出し、それを指令値として与える方法がある力他の方法でもよい。

[0025] さらに、上記タンクと燃料ガス供給通路の減熱または増熱位置との間の燃料ガス供給通路で燃料ガスの発熱量変動を計測し、

該計測した発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように減熱または増熱するフィードフォワード制御を、前記フィードバック制御にカ卩えて行って燃料ガスを減熱または増熱するようにしてもょヽ。

[0026] また、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制をシミュレーションモデルとして作成し、

該シミュレーションモデルに基いて上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動からタンク出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、

該予測した燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンクの下流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御するようにしてちょい。

[0027] さらに、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で所定の燃料ガス発熱量変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱し、

該減熱または増熱した燃料ガスの上記タンクによる時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基、て、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測したタンク出口の燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンク下流側の燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにしてもょヽ。

[0028] また、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制をシミュレーションモデルとして作成し、該シミュレーションモデルに基いて上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動からタンク出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、

該予測した燃料ガス発熱量変動に基、て燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御と、

上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測し、

該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御とを並行して行うようにしてもょ、。

[0029] さらに、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で所定の燃料ガス発熱量変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱し、

該減熱または増熱した燃料ガスの上記タンクによる時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基、て、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測したタンク出口の燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御と、

[0030] 上記シミュレーションモデルとしては、所定流量および容積のタンクにおいて、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍してカ卩ぇ合わせたものを用い、その時定数に検出器の遅れ相当の補正を行って作成すればょ、。

[0031] さらに、上記ガス発熱量制御方法において、

上記燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるよう〖こ燃料ガスを減熱または増熱する操作を、上記タンク内またはタンク外面部で行うようにしてもよい。

[0032] また、上記ガス発熱量制御方法において、

上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値と、上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値とを監視し、該平均値に一定量の平均差を検出したら、上記タンク上流側の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路における発熱量に近づけるようにタンク上流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにしてもょヽ。

[0033] 上記目的のために本発明のガス発熱量制御装置は、

燃焼設備に供給する燃料ガスを時間差混合するガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクと、

該タンク内で混合されて発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を計測する第一発熱量計測器と、

該第一発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように混合器で燃料ガス中に減熱ガスまたは増熱ガスを混合する第一制御器とを設けている。

[0034] また、上記第一発熱量計測器をタンク下流側の燃料ガス供給通路に設けた混合器の下流側に設け、

該第一発熱量計測器で計測した熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように、上記混合器で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードノック制御する第一制御器を設けてもょヽ。

[0035] さらに、燃焼設備に供給する燃料ガスを時間差混合するガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクと、

該タンク内で混合されて発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を計測する第二発熱量計測器と、

該第二発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように混合器で燃料ガス中に減熱ガスまたは増熱ガスを混合するフィードフォワード制御を行う第二制御器とを設けてもよい。

[0036] また、上記タンクと混合器との間の燃料ガス供給通路に燃料ガスの発熱量変動を計測する第二発熱量計測器を設け、

上記混合器で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御に加えて、該第二発熱量計測器で計測した発熱量変動に基!、て燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように燃料ガスを減熱または増熱するフードフォワード制御を行う第二制御器を設けてもよい。

[0037] さらに、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で燃料ガスの発熱量変動を計測する第三発熱量計測器と、

上記タンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基いてタンク出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲となるよう〖こ燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する第二制御器とを設けてもよい。

[0038] また、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で所定の変動幅以上の燃料ガスの発熱量変動を計測する第三発熱量計測器と、

該第三発熱量計測器で所定の変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱する第三制御器と、

上記タンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基、て、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測したタンク出口の燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンク下流側の燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する第二制御器とを設けてもょ、。

[0039] さらに、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で燃料ガスの発熱量変動を計測する第三発熱量計測器と、

上記タンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基いてタンク出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御を行う第二制御器と、上記燃料ガス供給通路に混合器を設け、

該混合器の下流側に燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測する第一発熱量計測器を設け、

該第一発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記混合器で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御を前記フィードフォワード制御を行う第一制御器とを設けてもよい。

[0040] また、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で所定の変動幅以上の燃料ガスの発熱量変動を計測する第三発熱量計測器と、

上記タンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基、て、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測したタンク出口の燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンク下流側の燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御を行う第二制御器と、

上記燃料ガス供給通路に混合器を設け、

[0041] さらに、上記ガス発熱量制御装置において、

上記燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるよう〖こ燃料ガスを減熱または増熱する混合器を上記タンク内またはタンク外面に設け、該混合器によってタンク内またはタンク外面で燃料ガスを減熱または増熱するように構成してもよい。

[0042] また、上記ガス発熱量制御装置において、上記タンクの上流側の燃料ガス供給通路に混合器を設け、

該混合器の上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値と、上記混合器の下流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値とを監視する監視制御器を設け、該監視制御器で両平均値に一定量の平均差を検出したら、上記タンク上流側の燃料ガスの発熱量変動を上記混合器下流側の発熱量に近づけるように上記タンク上流側の混合器で燃料ガスを減熱または増熱する機能を該監視制御器に備えさせてもよい。

発明の効果

[0043] 本発明によれば、発熱量変動する低カロリガス等をガスタービン等の燃焼設備に燃料ガスとして供給する場合に、時間差混合によって燃焼設備に応じた発熱量変動に抑制 (緩和)することができるので、燃料ガスの減熱または増熱が容易にできる。すなわち、タンクによって発熱量変動の振幅を小さくすることによって、短周期や中周期の変動を抑制し、主に長周期の変動のみを残存させるようにできるので、その燃料ガスを減熱または増熱することにより、発熱量が変動する燃料ガスを燃焼設備で安定して使用できる燃料ガスとすることが容易にできる。このように、発熱量変動するガスを燃焼設備の燃料ガスとしての許容変動範囲内に発熱量変動を抑えて、設備の連続安定運転を実現できる。

図面の簡単な説明

[0044] [図 1]図 1は本発明の第 1実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の概略を示す配管図である。

[図 2]図 2は図 1のガス発熱量制御装置により発熱量変動が抑制される状態を示すグラフである。

[図 3]図 3は本発明の第 2実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図である。

[図 4]図 4は図 3のガス発熱量制御装置により発熱量変動が緩和される状態を示すグラフである。

[図 5]図 5は本発明の第 3実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図である。 [図 6]図 6は図 5の第 3実施形態に係るガス発熱量制御装置におけるシミュレーションモデルの一例を示すブロック図である。

[図 7]図 7は本発明の第 4実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図である。

圆 8]図 8は図 7のガス発熱量制御装置により発熱量変動が緩和される状態を示すグラフである。

[図 9]図 9は本発明の第 5実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図である。

[図 10]図 10は図 9の第 5実施形態に係るガス発熱量制御装置におけるシミュレーションモデルの例を示すブロック図である。

[図 11]図 11は従来のガスタービン発電設備の概略を示す配管図である。

[図 12]図 12は図 11のガスタービン発電設備における発熱量変動を示すグラフである符号の説明

1·· ··ガス発熱量制御装置

2" "ガスタービン

3·· ··燃料ガス供給通路

4·· ··燃料ガス発生装置

5·· ··タンク

6·· ··ガス入口

7" ··ガス出口

8·· "混合器

9·· ··ガス圧縮機

10·· "発電機

11·· ··制御ガス供給配管

12·· ··減熱用流量調整弁

13·· ··減熱ガス供給器

14·· ··増熱用流量調整弁 15····増熱ガス供給器

16····発熱量計測器

17····入力経路

18····設定値

19····第一制御器

20····出力経路

21·…分配器

2· · · ·流里

23····第二発熱量計測器 24····入力経路

25····第二制御器

26····出力経路

27····ガス発熱量制御装置 29····第三発熱量計測器 30····入力経路

31· '"シミュレータ

32··· '経路

33····ガス発熱量制御装置

35····ガス発熱量制御装置

37····第二混合器

38····第三制御器 (監視制御器)

39····出力経路

0····分配器

1····減熱用流量調整弁 2·…減熱ガス供給器

3····増熱用流量調整弁 4····増熱ガス供給器

5··· ·第二制御ガス供給配管 46 · · · ·ガス発熱量制御装置

_S .…ガスタービン発電設備発明を実施するための最良の形態

[0046] 添付の図面を参照しながら本発明のガス発熱量制御装置とその制御方法を説明する。以下の説明では、燃焼設備としてガスタービンを例に説明する。また、以下の実施形態では、燃料ガスの発熱量を減熱または増熱できるように構成した例を説明する。

[0047] 図 1は本発明の第 1実施形態に係るガス発熱量制御装置 1を含んだガスタービン発電設備 Sの概略を示しており、ガスタービン 2に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路 3に本発明のガス発熱量制御装置 1が設けられた配管図である。

[0048] 燃料ガス供給通路 3は、燃料ガス発生装置 4 (例えば、高炉)で発生した低カロリガス等 (以下「燃料ガス」ヽぅ）をガスタービン 2に燃料として供給するように構成されている。この燃料ガス供給通路 3には、ガス入口 6とガス出口 7とが別々に形成されたタンク 5が設けられている。

[0049] このタンク 5は、所定の容積で形成され、燃料ガス供給通路 3を通過する燃料ガスがガス入口 6から入ってガス出口 7から出るように構成されている。このタンク 5は、ノッファタンクとして機能し、ガス入口 6から発熱量が変化する燃料ガスが内部に連続的に流入し、既に流入して停留している燃料ガスと時間差混合され、別に形成されたガス出口 7から排出されるので、燃料ガスの発熱量が変動している場合であっても、この時間差混合により、その発熱量変動の幅が縮小され、かつ、発熱量変動速度が低下させられる。

[0050] すなわち、同時にタンク 5に流入した燃料ガスは、比較的早くガス出口 7から流出する部分力も遅くまでタンク 5内に滞留する部分まで分布している。一方、ガス入口 6からは連続して新たなガスが流入してくるので、過去に流入したガスと新たに流入したガスとが絶えず混合される。つまり、タンク 5に時々刻々と流入してくる発熱量変動する燃料ガスは、このようにしてタンク 5の内部で時間差混合される。この明細書および請求の範囲では、このことを時間差混合と呼び、この時間差混合という作用によって、タンク 5が燃料ガスの発熱量変動を抑制する機能を発揮する。その結果、タンク 5のガス出口 7から出ていく燃料ガスの発熱量変動幅は縮小され、変動速度は低下させられる。すなわち、発熱量変動が大きく抑制 (緩和）される。

[0051] このタンク 5によるバッファ効果としては、ガス入口 6の変動が角速度 ωの sin曲線であり、タンク 5内の混合が完全混合で、その時定数が Tであるとすれば、出口変動振幅 Z入口変動振幅 = Gain= lZ (l + o 2 ·Τ2 ) ^{1 2}となる。このことから、 ω又は Τ( 即ちタンク容量）が大きいと Gainは小さくなり、つまり出口の発熱量変動幅は縮小して変動抑制効果を達成することができる。燃料ガス供給通路 3の上部に図示する線図は、燃料ガスの発熱量変動を模式的に示したものである。

[0052] このタンク 5による時間差混合が重要な構成であり、このタンク 5によって燃料ガスを時間差混合することにより発熱量変動を事前に緩和して、タンク 5の下流側での燃料ガスの発熱量変動を、減熱または増熱して燃焼設備のガス特性の許容変動範囲内に調整する制御が安定して行えるようにして、る。

[0053] このタンク 5は所定の容積を有していれば構造には限定されるものではない。例えば容積が変化しない内容積固定形式のタンクでもよぐまた、従来のガスタービン設備等においてガスの需給バランスを監視する装置 (ガスホルダ）として用いられる内容積変動形式のタンクであってもよい。内容積変動形式のタンクとは、タンク内圧に応じて上下動しうる気密に装着された蓋部材を有するタンク等である。これらのタンクを流用して燃料ガスの発熱量変動を抑制する効果を発揮しうるタンク 5とすることができる。さらに、複数のタンク 5を直列配置したり並列配置してもよい。

[0054] さらに、このタンク 5の内部での時間差混合をより効果的に行わせるために、タンク 5 に、ガス入口 6から流入した燃料ガスを攪拌して混合する攪拌装置を設けたり、ガス入口 6から流入した燃料ガスを多数の孔を通過させて混合する多孔板等を内蔵させてもよい。

[0055] また、上記燃料ガス供給通路 3のタンク下流側には、上記タンク 5から出た燃料ガスの発熱量変動を抑制するために、その燃料ガス中に減熱または増熱用のガスを混合させる混合器 8が設けられてヽる。この混合器 8の下流側には燃料ガスを圧縮するガス圧縮機 9と、このガス圧縮機 9で圧縮された燃料ガスを燃焼させるガスタービン 2が設けられており、このガスタービン 2によって発電機 10が駆動されるように構成されている。

[0056] そして、上記混合器 8には、減熱または増熱用のガスを供給するための制御ガス供給配管 11が接続されている。この制御ガス供給配管 11には、減熱ガスの流量を調整する減熱用流量調整弁 12を介して接続された減熱ガス供給器 13と、増熱ガスの流量を調整する増熱用流量調整弁 14を介して接続された増熱ガス供給器 15とが設けられている。

[0057] 上記減熱ガスとしては、不活性ガス、空気、蒸気、廃棄窒素、燃焼設備等から排出される排気ガス等が採用されうる。不活性ガスとして窒素ガス (N )が好適に採用され

2

うるが、もちろん、不活性ガスとしては N に限定されず、二酸化炭素 (CO )やへリウ

2 2 ム（He)等であってもよい。上記増熱ガスとしては、中'高カロリガスである天然ガスやコークス炉ガス (COG)等が採用されうる。

[0058] 一方、混合器 8の下流側の上記燃料ガス供給通路 3には、この燃料ガス供給通路中の燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測器 16が設けられてヽる。この発熱量計測器 16としては、ガスの発熱量を直接計測する所謂カロリメータ、可燃成分の含有率 (濃度)を計測する装置などが用いられる。検出速度を重視する場合は現在では可燃性ガス濃度検出器を用いるのが好ましい。さらに、適用される燃料ガスが主に含む可燃成分の種類に応じて、また、主たる発熱量変動を生じさせる可燃成分に応じて、その成分の濃度を検出する濃度検出器を用いても良い。

[0059] この発熱量計測器 16で混合器 8の下流側における燃料ガスの発熱量が監視されている。発熱量計測器 16で計測された計測値は、入力経路 17を介して予めガスタ一ビン 2 (燃焼設備）に応じて設定された所定の設定値 18と比較する第一制御器 19 に入力される。この第一制御器 19は、 PI制御器である。第一制御器 19は、フィードノック制御を司っている。この第一制御器 19で比較された結果、燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱または増熱する制御信号は、出力経路 20から分配器 21を介して前記減熱用流量調整弁 12または増熱用流量調整弁 14に出力されるように構成されて、る。これによりフィードバック制御が行われる。

[0060] 以下、このように構成された第 1実施形態のガス発熱量制御装置 1により、燃料ガス供給通路 3内の発熱量変動する燃料ガスを、その発熱量変動幅がガスタービン 2 (燃焼設備)の燃料ガスとして安定して使用できる許容範囲内となるようにする制御を説明する。

[0061] 上記燃料ガス発生装置 4から燃料ガス供給通路 3を介して供給される燃料ガスは、タンク 5のガス入口 6から入り、このタンク 5内で時間差混合される。このタンク 5では、上記したように、タンク 5に時々刻々と流入してくる燃料ガス力同時にタンク 5内に流入しても、比較的早くガス出口 7から流出する部分力も遅くまでタンク 5内に滞留する部分まで分布するので、連続して流入してくる新たなガスと、過去に流入したガスとが絶えず混合されて、燃料ガス発生装置 4から供給される燃料ガスの発熱量変動幅の大きな変動が抑制され、ガス出口から出る燃料ガスは、その大きな発熱量変動が抑制 (緩和)された状態となる。

[0062] このように、燃料ガス供給通路 3に設けた燃料ガスの時間差混合を実現しうるタンク 5で燃料ガスの大きな発熱量変動を抑制せしめ、その結果、下流において減熱または増熱ガスを混合する制御を容易化して発熱量変動を抑制している。

[0063] 図 2は図 1のガス発熱量制御装置により発熱量変動が抑制 (緩和）される状態を示すグラフである。この図 2は、図 1中のタンク 5の容積を 40000m³としたとき〖こ、カロリ変動する燃料ガスが流量 280000Nm³ Zhrで供給された場合のカロリ変動の抑制（緩和）状態のシミュレーション結果を示したものである。横軸は時間（秒)を示し、縦軸は燃料ガスの発熱量であるガスカロリ値 (MjZkg)を示して、る。

[0064] 図示するように、タンク 5による発熱量変動幅を抑制した例としては、例えば、燃料ガス発生装置 4から供給される燃料ガスの発熱量変動 (オリジナル変動）は、タンクの入口部におヽて図中二点鎖線で示すように時間によって非常にばらつきがあるが、タンク 5で時間差混合した後のタンク出口での発熱量変動 (抑制後変動）は、図中点線で示すように、大きな発熱量変動を抑制せしめた状態となる。具体的には、タンク 5 に入る前の燃料ガスのガスカロリは約 5. 3MjZkgから約 8. 8MjZkgまで変動しているが、タンク 5から出ていく燃料ガスのガスカロリとしては、約 5. 8Mj/kgから約 6. 8MjZkg程度となり、変動幅は大幅に縮小されている。また、図示のごとく変動周期については短周期および中周期の変動は除去され、主に長周期の変動が残存した状態となる。この効果は燃料ガスの供給流量に対してタンク 5の容積を大きくするほど顕著になる傾向がある。オリジナル変動の周期が短ぐ変動幅が小さい場合は経済性の見地力もタンク 5の容積を小さくしても効果がある。

[0065] 一方、混合器 8の下流側に設けられた発熱量計測器 16では、燃料ガス供給通路 3 中の燃料ガスの発熱量が計測されてヽる。この発熱量計測器 16で計測された計測値は、入力経路 17を介して第一制御器 19に入力される。この第一制御器 19では、発熱量計測器 19から送られてきた計測値と予めガスタービン 2に応じて設定された所定の設定値 18とが比較される。

[0066] この比較された結果、発熱量計測器 16で検出された計測値から燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、出力経路 20から分配器 21を介して減熱用流量調整弁 12に制御信号が送られて、減熱ガス供給器 13から所定量の減熱ガスが混合器 8に供給される。また、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、出力経路 2 0から分配器 21を介して増熱用流量調整弁 14に制御信号が送られて、増熱ガス供給器 15から所定量の増熱ガスが混合器 8に供給される。このようにして、ガスタービン 2に供給する燃料ガスの発熱量変動幅が、ガスタービン 2の燃料ガスとしての許容範囲を超えないように制御される。この混合器 8で制御された後の発熱量変動は、図 2に実線で示すように、大きな発熱量変動が抑制されて長周期の小幅な発熱量変動となり、ガスタービン 2の燃料ガスとしての許容変動範囲内に発熱量変動を抑制した、安定した燃料ガスとすることができる。

[0067] このように第 1実施形態のガス発熱量制御装置 1によれば、混合器 8で燃料ガスを減熱または増熱する場合、上記したようにタンク 5によって大きな発熱量変動を抑制せしめた燃料ガスに対し、混合器 8の下流側の発熱量変動に基いて減熱または増熱ガスを混合するフィードバック制御を行、、容易に安定した発熱量に制御することが可能である。しかも、大きな発熱量変動が抑制された状態の燃料ガスに対して制御を行うため、燃料ガス中に供給する減熱または増熱ガス量が低減される。

[0068] また、例えば、ガスタービン 2の燃料ガスの発熱量変動幅が基準発熱量値 (平均値 )の ± 10%と設定されている場合であれば、タンク 5の下流での発熱量の平均値をガスタービン 2に設定された基準発熱量値と一致させるために、その仕様に適合させうる容積のタンク 5を備えることにより、下流側では一定比率の制御ガスを供給するだけで良くなる場合もある。

[0069] この実施形態では、燃料ガスの発熱量を減熱または増熱する例を説明したが、条件によっては減熱ガスと増熱ガスとを同時に供給するような制御を行ってもよい。しかも、燃料ガスと燃焼設備との条件によっては、減熱のみ、または増熱のみを行うような構成にして、一方のみで燃料ガスの発熱量変動を抑制するようにしてもよい。

[0070] また、上記混合器 8をタンク 5の内部、またはタンク 5の外面に設け、このタンク 5の内部または外面で燃料ガスを減熱または増熱するように構成してもよヽ。このように構成すれば、設備をコンパクトにすることができる。

[0071] 図 3は本発明の第 2実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図であり、この第 2実施形態は、上記第 1実施形態における混合器 8の下流側に設けた発熱量計測器 16からの信号に基づくフィードバック制御に加え、タンク 5と混合器 8との間の燃料ガス供給通路 3中の燃料ガスの発熱量変動を計測してフィードフォワード制御を行うようにした実施形態である。上記第 1 実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

[0072] 図示するように、タンク 5と混合器 8との間の燃料ガス供給通路 3に第二発熱量計測器 23が設けられて、る。この第二発熱量計測器 23で計測された燃料ガス供給通路 3中の燃料ガスの発熱量は、入力経路 24を介して第二制御器 25に入力されている。この第 2実施形態における第二制御器 25からは、タンク 5によって発熱量変動を抑制せしめた燃料ガスに残存している発熱量変動の残余分に対する制御信号が出力される。第二制御器 25はフィードフォワード制御を司っており、上記第一制御器 19と一体的に形成されて、てもよ、。

[0073] 一方、上記第 1実施形態と同様に、混合器 8の下流側に設けられた発熱量計測器 16で計測された燃料ガス供給通路 3中の燃料ガスの発熱量の計測値が入力経路 1 7を介して第一制御器 19に入力され、この第一制御器 19で予めガスタービン 2に応じて設定された所定の設定値 18とが比較され、燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱する必要がある場合は出力経路 20に減熱の制御信号が、増熱する必要がある場合は出力経路 20に増熱の制御信号が出力される。

[0074] そして、この減熱または増熱の制御信号が、上記第二制御器 25から出力経路 26を介して出力された減熱または増熱の制御信号で補正される。第一制御器 19からの制御信号が第二制御器 25からの制御信号で補正された結果、燃料ガス供給通路 3 の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、分配器 21を介して減熱用流量調整弁 12 に制御信号が送られて、減熱ガス供給器 13から所定量の減熱ガスが混合器 8に供給される。また、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、分配器 21を介して増熱用流量調整弁 14に制御信号が送られて、増熱ガス供給器 15から所定量の増熱ガスが混合器⁸に供給される。

[0075] この第 2実施形態のガス発熱量制御装置 27によれば、混合器 8で燃料ガスを減熱または増熱する場合、上記第 1実施形態のように、タンク 5によって大きな発熱量変動を抑制せしめた燃料ガスの、混合器下流側における発熱量変動に基いて減熱または増熱ガスを混合するフィードバック制御で発熱量を調整する制御に加え、混合器 8 の上流側でタンク 5から出た燃料ガス中に残存する発熱量変動に基、て減熱または増熱ガスを混合するフィードフォワード制御で発熱量を調整するため、第 1実施形態に比べて速い発熱量変動にも追従して安定した所定変動幅に発熱量を調整することが可能となる。この場合も、大きな発熱量変動が抑制された状態の燃料ガスに対して調整するため、燃料ガス中に供給する減熱または増熱ガスの量が低減される。

[0076] なお、この第 2実施形態では、フィードバック制御にカ卩えてフィードフォワード制御を行うように構成している力タンク下流の燃料ガスは、このタンク 5によって発熱量変動幅が縮小されているので、第二制御器 25に入力される第二発熱量計測器 23で計測された燃料ガス供給通路 3中の燃料ガスの発熱量と流量とに基づいて、この第二制御器 25で予めガスタービン 2に応じて設定された所定の設定値 18と比較し、燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱する必要がある場合は出力経路 20に減熱の制御信号を、増熱する必要がある場合は出力経路 20に増熱の制御信号を出力するように構成してもよい。この場合のフィードフォワード制御は、増熱、減熱ガスを混合する前の燃料ガスの発熱量と流量に基いて、混合後の発熱量が所定値となるのに必要な混合量を算出し、該混合量を混合値として与えて混合するような必要量混合制御を行う。この制御は、第二制御器 25のみによるフィードフォワード制御で行っている。

[0077] 図 4は図 3のガス発熱量制御装置 27により発熱量変動が緩和される状態を示すグラフである。この図 4は、上記図 2と同一条件でシミュレーションした状態を示している。この第 2実施形態によれば、図に実線で示すように、上記図 2と比べて、混合器 8で制御された後の発熱量変動は、大きな発熱量変動が抑制されて長周期のより小幅の発熱量変動となり、ガスタービン 2の燃料ガスとしての許容範囲内で安定した燃料ガスとすることができる。

[0078] 図 5は本発明の第 3実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図であり、この第 3実施形態は、予めタンク 5のガス入口 6における発熱量変動からガス出口 7における発熱量変動を予測したシミュレ一シヨンモデルを作成し、タンク 5の上流側に設けた第三発熱量計測器 29で計測した燃料ガスの発熱量信号から上記シミュレーションモデルに基づいてタンク 5出口における発熱量変動を予測して混合器 8で減熱または増熱するフィードフォワード制御を行うようにしている。なお、上記第 2実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

[0079] 図示するように、タンク 5の上流側の燃料ガス供給通路 3に第三発熱量計測器 29が設けられている。この第三発熱量計測器 29で計測された燃料ガス供給通路 3中の燃料ガスの発熱量は、入力経路 30を介してシミュレーションモデルを組込んだシミュレータ 31に入力される。

[0080] このシミュレータ 31に予め組込まれているシミュレーションモデルは、有限要素法等によってバッファタンクモデルのシミュレーションを行い、その結果を元に、使用するバッファタンクに応じたシミュレーションモデルとして作成する。このシミュレーションモデルとしては、例えば、所定の流量と容積のタンク 5において、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍して加え合わせたものを用い、その時定数に検出器の遅れ相当の補正を行って作成する。

[0081] 図 6は図 5の第 3実施形態に係るガス発熱量制御装置におけるシミュレーションモデルの一例を示すブロック図である。上記シミュレーションモデルとしては、一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍して加え合わせて作成するが、この図では、説明上、 3つの系に基づく例を示している。具体的には、第三発熱量計測器 29での計測信号に対して、計測器の一次遅れをシミュレーションモデル上流に図示する遅れ補償 ( l +Ta * s) Z (l +Tb * s)により補償し、その信号に対して、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍して加え合わせてタンク 5のガス出口 7における発熱量変動を予測している。なお、図 6の各記号は、 s ;ラプラス変換パラメータ、 Ta, Tb ;遅れ補償定数、 Tl, T2, T3 ;—次遅れ、 LI, L2, L3 ;無駄時間、 Gl, G2, G3 ;定数倍係数、をそれぞれ示している。

[0082] このようなシミュレーションモデルによって予測されたタンク 5のガス出口 7における発熱量変動の信号が、経路 32を介して上記第二制御器 25に出力される。この第二制御器 25では、予めガスタービン 2に応じて設定された所定の設定値 18と流量 22とが比較される。

[0083] この比較された結果、第三発熱量計測器 29で計測された計測値から燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、出力経路 20から分配器 21を介して減熱用流量調整弁 12に制御信号が送られて、減熱ガス供給器 13から所定量の減熱ガスが混合器 8に供給される。また、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、出力経路 20から分配器 21を介して増熱用流量調整弁 14に制御信号が送られて、増熱ガス供給器 15から所定量の増熱ガスが混合器 8に供給される。

[0084] このような第 3実施形態のガス発熱量制御装置 33によれば、燃料ガスに速い発熱量変動を生じたとしても、タンク 5の上流側でその速い発熱量変動を計測し、その発熱量変動に応じた制御をシミュレーションモデルに基、て行うので、追従性良く発熱量変動を抑制することができる。し力も、第 2実施形態における第二発熱量計測器 23 に計測時間遅れを生じるような場合でも、この第 3実施形態のガス発熱量制御装置 3 3では対応できる。

[0085] 図 7は本発明の第 4実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図であるが、この第 4実施形態は、上記第 3実施形態のフィードフォワード制御に上記第丄または第 2実施形態のフィードバック制御をカロえている。なお、上記第 2,第 3実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

[0086] 図示するように、図 5の構成に加え、混合器の下流側に設けられた発熱量計測器 1 6で計測された燃料ガス供給通路 3中の燃料ガス発熱量の計測値が第一制御器 19 に入力され、この第一制御器 19で予めガスタービン 2に応じて設定された所定の設定値 18とが比較され、燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱する必要がある場合は出力経路 20に減熱の制御信号が、増熱する必要がある場合は出力経路 20に増熱の制御信号が出力される。

[0087] そして、この減熱または増熱のフィードバック制御の信号力上記第二制御器 25から出力された減熱または増熱のフィードフォワード制御の信号で補正される。第一制御器 19からの制御信号が第二制御器 25からの制御信号で補正された結果、燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、分配器 21を介して減熱用流量調整弁 12に制御信号が送られて、減熱ガス供給器 13から所定量の減熱ガスが混合器 8に供給される。また、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、分配器 21を介して増熱用流量調整弁 14に制御信号が送られて、増熱ガス供給器 15から所定量の増熱ガスが混合器 8に供給される。

[0088] 図 8は図 7のガス発熱量制御装置により発熱量変動が抑制 (緩和）される状態を示すグラフであり、上記したようにタンク 5の上流側における燃料ガスの発熱量変動をシミュレーシヨンモデルに基、て制御するフィードフォワード制御と、混合器 8の下流側における燃料ガスの発熱量変動に基いて制御するフィードバック制御とによって制御された後の発熱量変動は、実線で示すように、大きな発熱量変動がより抑制されて長周期の小幅な発熱量変動となり、ガスタービン 2の燃料ガスとしての許容変動範囲内で安定した燃料ガスとすることができる。

[0089] つまり、この第 4実施形態のガス発熱量制御装置 35によれば、燃料ガスに速！、発熱量変動を生じたとしても、タンク 5の上流側でその速い発熱量変動を計測し、その発熱量変動に応じた制御をシミュレーションモデルに基、て行うので、追従性良く発熱量変動を抑制することができる。し力も、この第 4実施形態のガス発熱量制御装置 35によれば、上記第 2実施形態のガス発熱量制御装置 27のように、第二発熱量計測器 23に計測時間遅れを生じるような場合でも対応できる。

[0090] さらに、この実施形態では、シミュレータ 31内に現実のタンク特性を近似し得るシミユレーシヨンモデルを組込んだフィードフォワード制御を適用し、タンク 5上流に設けられた第三発熱量計測器 29の計測時間よりも長いタンク内滞留時間を巧妙に利用することで計測時間遅れを補償してタンク出口の発熱量を高精度に予測するので、フイードフォワード制御による良好な追従性を実現して、ガスタービン 2の入側での残余の発熱量変動幅を許容制限範囲内に抑えて設備の連続安定運転を実現することができる。

[0091] 図 9は本発明の第 5実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図であり、この第 5実施形態は、上記第 4実施形態に加え、燃料ガス供給通路 3の上部に模式的に図示する線図のように、燃料ガスの発熱量変動の平均値が、一定幅で上昇または下降するような場合でも制御できるようにした実施形態である。なお、上記第 4実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

[0092] 図示するように、この第 5実施形態では、タンク 5の上流側の燃料ガス供給通路 3に第二混合器 37が設けられ、この第二混合器 37の上流側の燃料ガス供給通路 3に第三発熱量計測器 29が設けられて、る。この第三発熱量計測器 29で計測された燃料ガス供給通路 3中の燃料ガスの発熱量が、入力経路 30から第三制御器 38に入力されている。また、この第三制御器 38には、タンク 5の下流側に設けられた混合器 8のの下流側に設けられた発熱量計測器 16で計測された燃料ガスの発熱量も入力経路 17から入力されている。そして、この第三制御器 38で、混合器 8の下流側における発熱量変動の平均値に対して、タンク 5の上流側における発熱量変動の平均値に一定幅の上昇又は下降がないかが監視されている。この第三制御器 38が、監視制御器である。

[0093] そして、タンク 5の上流側における燃料ガスの発熱量変動の平均値に一定幅の上昇又は下降が計測された場合、この第三制御器 38から出力経路 39と分配器 40とを介して、減熱する場合は減熱用流量調整弁 41に、減熱ガス供給器 42から所定量の減熱ガスを第二制御ガス供給配管 45から第二混合器 37に供給する制御信号が出力され、増熱する場合は増熱用流量調整弁 43に、増熱ガス供給器 44から所定量の増熱ガスを第二制御ガス供給配管 45から第二混合器 37に供給する制御信号が出力される。

[0094] 一方、上記第三発熱量計測器 29で計測された燃料ガス供給通路 3内の燃料ガスの発熱量は、シミュレーションモデル組込んだシミュレータ 31にも入力されている。また、上記第三制御器 38から出力経路 39に出力された制御信号もシミュレータ 31に入力されている。

[0095] 図 10は、この第 5実施形態に係るガス発熱量制御装置 46におけるシミュレータ 31 に予め組込まれて、るシミュレーションモデルの例を示すブロック図である。この図では、図 9のタンク 5の上流側に記載したように、平均値の高い発熱量変動を減熱する場合を説明する。この場合、図 9の減熱用流量調整弁 41を制御して減熱ガス供給器 42から減熱ガスを第二混合器 37に供給する場合を説明する。このシミュレーションモデルとしても、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍してカ卩ぇ合わせて作成している力この図でも、説明上、 3つの系に基づく例を示している。

[0096] また、このシミュレーションモデルの場合、タンク 5の上流側で燃料ガスの発熱量変動平均値に差を生じた場合の補正をシミュレーションモデルの上流側で行うようにしている。具体的には、第三発熱量計測器 29での計測信号に対して、計測器の一次遅れをシミュレーションモデル上流に図示する遅れ補償（1 + Ta * s) Z (1 + Tb * s) により補償し、その信号に対して、発熱量変動の平均値差を補正すべく減熱ガスを供給した後の補正を第三制御器 38で行い、その補正後の信号に対して、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍してカ卩ぇ合わせてタンク 5のガス出口 7における発熱量変動を予測している。なお、図 10の各記号は前記図 6と同一であり、 s ;ラプラス変換パラメータ、 Ta, Tb ;遅れ補償定数、 Tl, T2, T3 ;—次遅れ、 LI, L2, L 3 ;無駄時間、 Gl, G2, G3 ;定数倍係数、をそれぞれ示している。第二制御器 25内の式は、変動分の微分式を示している。

[0097] そして、このようなシミュレーションモデルによって予測されたタンク 5のガス出口 7における発熱量変動の信号が経路 32を介して上記第二制御器 25に出力される。この第二制御器 25からは、タンク 5によって発熱量変動の平均差が抑制された燃料ガスに残存すると予測された発熱量変動の残余分に対する制御信号が出力される。

[0098] 一方、上記第 4実施形態と同様に、混合器 8の下流側に設けられた発熱量計測器 16で計測された燃料ガス供給通路 3中の燃料ガス発熱量の計測値が第一制御器 1 9に入力され、この第一制御器 19で予めガスタービン 2に応じて設定された所定の設定値 18とが比較され、燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱する必要がある場合は出力経路 20に減熱の制御信号が出力される。

[0099] そして、この減熱の制御信号が、上記第二制御器 25から出力経路 26に出力された制御信号で補正される。第一制御器 19からの制御信号が第二制御器 25からの制御信号で補正された結果、燃料ガス供給通路 3の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、分配器 21を介して減熱用流量調整弁 12に制御信号が送られて、減熱ガス供給器 13から所定量の減熱ガスが混合器 8に供給される。これにより、燃料ガスの発熱量が許容変動範囲内に調整される。

[0100] ここでは燃料ガスを減熱する例を説明したが、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、分配器 21を介して増熱用流量調整弁 14に制御信号が送られて、増熱ガス供給器 15から所定量の増熱ガスが混合器 8に供給される。

[0101] この第 5実施形態のガス発熱量制御装置 46によれば、燃料ガスの発熱量変動の平均値に一定量の上昇または下降を生じても、その平均値の上昇または下降をタンク 5 の上流側で抑制できるので、発熱量変動の平均値が変化するような燃料ガスであつても、ガスタービン 2の燃料ガスとしての許容範囲内となるように制御することが安定してできる。

[0102] この場合も、条件によっては減熱ガスと増熱ガスとを同時に供給するような制御を行つてもよく、また、燃料ガスの条件によっては、減熱のみまたは増熱のみを行うような構成にして、一方のみで燃料ガスの発熱量変動平均値を抑制するようにしてもょ、。

[0103] 以上説明した実施形態のガス発熱量制御装置 (方法)を適用すれば、種々の燃料ガスについて発熱量変動を確実に燃焼設備の許容範囲内に抑制して安定化させ、有効かつ高効率に利用することができる。

[0104] また、以上説明した実施形態では、燃焼設備としてガスタービンを例示して!/、るが、本発明における燃焼設備はガスタービンに限定されなヽ。これらのガス発熱量制御装置は、他の燃焼設備、例えば、ボイラ、加熱炉、焼却炉等に適用することも可能である。

[0105] さらに、以上説明した実施形態では、燃料ガスの発熱量を減熱または増熱できるように構成した例を説明したが、減熱のみ、または増熱のみが行えるような構成であつてもよい。しかも、減熱または増熱の両方を同時に行えるように構成してもよい。

[0106] また、以上説明した実施形態では、個々別々の機能を備えた制御器を設けている力任意に統合してもよい。

[0107] さらに、使用する燃料ガスには、高炉ガス (BFG)、転炉ガス (LDG)、石炭層に含まれる石炭層ガス（「Coal mine gas」であり、 CMGと表す）、直接還元製鉄法や溶融還元製鉄法によって発生する副生ガス、 GTL (Gas-to-Liquid)プロセスにお \、て発生するティルガス (Tail gas)、オイルサンドカゝらオイル精製プロセスに伴って発生する副生ガス、プラズマを用いたゴミ焼却によって発生するガス、生ゴミを含む一般廃棄物がその埋め立て地において発酵、分解する過程で生じるメタンガス（Landfill gas) , および、その他の類似の原料をィ匕学反応させることに伴って発生する副生ガス等の低カロリガス等が含まれる。また、燃料ガスとしては、低カロリガスのみならず、中カロリガス、高カロリガスも含まれる。もちろん、燃料ガスとしては、上記ガスを単独はもとより、二種類以上のガスを適宜混合させて使用する場合、および、これらのガスを混合させたガスにも本発明を適用することができる。

[0108] なお、上述したいずれの実施形態も、基本機能を説明するための概念図であり、実際には関連補助装置や実装品 (例えば、弁、起動装置、変圧器、遮断機、タンク類等）につヽては省略して記述して、な、。

産業上の利用可能性

[0109] 本発明によれば、ガス特性が変動するガスの発熱量変動を抑制し、ガスタービンやボイラ、加熱炉、焼却炉等の燃焼設備に安定した燃料ガスとして供給するガス発熱量制御装置として利用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 燃焼設備に供給する燃料ガスを、ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンク内で時間差混合することにより該燃料ガスの発熱量変動を抑制し、

該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガスを減熱または増熱するガス発熱量制御方法。

[2] 上記発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測し、

該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードバック制御する請求項 1記載のガス発熱量制御方法。

[3] 上記発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測し、

該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の下流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する請求項 1記載のガス発熱量制御方法。

[4] 上記タンクと燃料ガス供給通路の減熱または増熱位置との間の燃料ガス供給通路で燃料ガスの発熱量変動を計測し、

該計測した発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように減熱または増熱するフィードフォワード制御を、前記フィードバック制御にカ卩えて行って燃料ガスを減熱または増熱する請求項 2記載のガス発熱量制御方法。

[5] ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制をシミュレーションモデルとして作成し、

該予測した燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンクの下流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御するガス発熱量制御方法。

[6] ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で所定の燃料ガス発熱量変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱し、

該減熱または増熱した燃料ガスの上記タンクによる時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基、て、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測したタンク出口の燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンク下流側の燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御するガス発熱量制御方法。

[7] ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制をシミュレーションモデルとして作成し、

該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御とを並行して行うガス発熱量制御方法。

[8] ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で所定の燃料ガス発熱量変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱し、

[9] 上記シミュレーションモデルを、所定流量および容積のタンクにぉ、て、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍して加え合わせたものを用い、その時定数に検出器の遅れ相当の補正を行って作成した請求項 4一 8のうちいずれか一の項に記載のガス発熱量制御方法。

[10] 請求項 2または請求項 5記載のガス発熱量制御方法にぉ、て、

上記燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるよう〖こ燃料ガスを減熱または増熱する操作を、上記タンク内またはタンク外面部で行うようにしたガス発熱量制御方法。

[11] 請求項 7または請求項 8記載のガス発熱量制御方法にぉ、て、

上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値と、上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値とを監視し、該平均値に一定量の平均差を検出したら、上記タンク上流側の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路における発熱量に近づけるようにタンク上流側で燃料ガスを減熱または増熱するガス発熱量制御方法。

[12] 燃焼設備に供給する燃料ガスを時間差混合するガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクと、

該第一発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように混合器で燃料ガス中に減熱ガスまたは増熱ガスを混合する第一制御器とを設けたガス発熱量制御装置。

[13] 上記第一発熱量計測器をタンク下流側の燃料ガス供給通路に設けた混合器の下流側に設け、

該第一発熱量計測器で計測した熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように、上記混合器で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードバック制御する第一制御器を設けた請求項 12記載のガス発熱量制御装置。

[14] 燃焼設備に供給する燃料ガスを時間差混合するガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクと、

該第二発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように混合器で燃料ガス中に減熱ガスまたは増熱ガスを混合するフィードフォワード制御を行う第二制御器とを設けたガス発熱量制御装置。

[15] 上記タンクと混合器との間の燃料ガス供給通路に燃料ガスの発熱量変動を計測する第二発熱量計測器を設け、

上記混合器で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御に加えて、該第二発熱量計測器で計測した発熱量変動に基!、て燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように燃料ガスを減熱または増熱するフードフォワード制御を行う第二制御器を設けた請求項 13記載のガス発熱量制御装置。

[16] ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で燃料ガスの発熱量変動を計測する第三発熱量計測器と、

上記タンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基いてタンク出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲となるよう〖こ燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する第二制御器とを設けたガス発熱量制御装置。

[17] ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で所定の変動幅以上の燃料ガスの発熱量変動を計測する第三発熱量計測器と、

上記タンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基、て、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測したタンク出口の燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンク下流側の燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する第二制御器とを設けたガス発熱量制御装置。

[18] ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で燃料ガスの発熱量変動を計測する第三発熱量計測器と、

上記タンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基いてタンク出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御を行う第二制御器と、

上記燃料ガス供給通路に混合器を設け、

該第一発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記混合器で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御を前記フィードフォワード制御を行う第一制御器とを設けたガス発熱量制御装置

[19] ガス入口とガス出口とが別々に形成されたタンクの上流側で所定の変動幅以上の燃料ガスの発熱量変動を計測する第三発熱量計測器と、

上記タンクによる燃料ガスの時間差混合による発熱量変動の抑制を予測して作成したシミュレーションモデルに基、て、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測したタンク出口の燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンク下流側の燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御を行う第二制御器と、上記燃料ガス供給通路に混合器を設け、

[20] 請求項 13または請求項 16記載のガス発熱量制御装置におヽて、

上記燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるよう〖こ燃料ガスを減熱または増熱する混合器を上記タンク内またはタンク外面に設け、該混合器によってタンク内またはタンク外面で燃料ガスを減熱または増熱するように構成したガス発熱量制御装置。

[21] 請求項 18または請求項 19記載のガス発熱量制御装置において、

上記タンクの上流側の燃料ガス供給通路に混合器を設け、

該混合器の上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値と、上記混合器の下流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値とを監視する監視制御器を設け、該監視制御器で両平均値に一定量の平均差を検出したら、上記タンク上流側の燃料ガスの発熱量変動を上記混合器下流側の発熱量に近づけるように上記タンク上流側の混合器で燃料ガスを減熱または増熱する機能を該監視制御器に備えさせたガス発熱量制御装置。