JP2014114794A

JP2014114794A - ガスタービン制御装置および制御方法

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Publication number: JP2014114794A
Application number: JP2012271648A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 圭介山本; Chikasuke Nakamura; 愼祐中村; Takashi Sonoda; 隆園田; Akihiko Saito; 昭彦齋藤; Masato Kishi; 真人岸
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】ガスタービンの出力変動を低減させることのできるガスタービン制御装置および制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】燃焼器２へ燃料ガスを供給する複数のノズルを備え、これら複数のノズルが複数のノズル群に分けられ、運転状態に応じて燃焼時に使用するノズル群を切り替えるガスタービン制御装置１０であって、ノズル群を切り替える際に、各ノズル群への燃料流量指令がノズル１本あたりの燃料流量および空気流量に基づいて算出される燃焼効率により補正されることを特徴とするガスタービン制御装置１０を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン制御装置および制御方法に関するものである。

ガスタービン発電装置は、燃焼器へ燃料を供給する複数のメインノズルを有している。メインノズルは複数のノズル群に分けられ、ガスタービンの負荷に応じ燃料供給に使用するノズル群を切り替えることが行われている。このノズル群を切り替える際にガスタービンの出力が変動するため、例えば特許文献１には、先行的に燃料流量を補正することが開示されている。また特許文献２には、燃焼基準温度に基づき燃料流量を補正することが開示されている。

特許第４９２９０２９号公報特開２０１２−３６８８９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された発明では、燃料流量を先行して補正するため、また、上記特許文献２に開示された発明では、燃焼基準温度に基づいて燃焼効率を推定するため、補正した値と補正すべき値との間に差異が生じガスタービンの出力変動が起きるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ノズル群を切り替える際におけるガスタービンの出力変動を低減させることのできるガスタービン制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガスタービン制御装置および制御方法は以下の手段を採用する。
燃焼器へ燃料ガスを供給する複数のメインノズルを備え、これら複数のメインノズルが複数のノズル群に分けられ、運転状態に応じて燃焼時に使用する前記ノズル群を切り替えるガスタービン制御装置であって、前記ノズル群を切り替える際に、各前記ノズル群への燃料流量指令が前記メインノズル１本あたりの燃料流量および空気流量に基づいて算出される燃焼効率により補正されることを特徴とするガスタービン制御装置を採用する。

本発明によれば、燃料流量指令をメインノズル１本あたりの燃料流量および空気流量（例えば燃空比）に基づいた燃焼効率により補正を行うため、ノズル群を切り替える際に、メインノズル毎にきめ細かく燃料流量を適正化することができる。これにより、ガスタービンの出力変動を低減することができる。また、燃料流量および空気流量に基づいて燃焼効率を算出して推定するため、計測遅れの影響を排除でき、燃料流量の補正の応答性が向上する。

上記発明において、各前記ノズル群への前記燃料流量指令は、前記燃焼器内の火炎温度に基づいて算出される燃焼効率により補正されることとしてもよい。
燃料流量指令を火炎温度に基づいた燃焼効率により補正を行うため、ノズル群を切り替える際に、燃焼流量を適正化することができる。

上記発明において、前記燃料流量指令には、上限値及び／又は下限値が設定されていることとしてもよい。
燃料流量指令の上限値及び／又は下限値を設定し燃料流量を制限するため、たとえば燃焼効率が極小の場合に燃料流量指令が過大になることがなく、過度の燃料投入を回避できる。

上記発明において、前記燃料流量指令は、燃料カロリ計測値に基づいて補正されることとしてもよい。
燃料制御信号に対し、燃料カロリ計測値に基づいた補正を行うため、負荷運転中のカロリ変動に対し負荷制御に頼ることなくカロリ補正ができる。すなわち、負荷に対する追従性が向上し、ガスタービンの出力変動を抑制することができる。

また、燃焼器へ燃料ガスを供給する複数のメインノズルを備え、これら複数のメインノズルが複数のノズル群に分けられ、運転状態に応じて燃焼時に使用する前記ノズル群を切り替えるガスタービン制御方法であって、前記ノズル群を切り替える際に、各前記ノズル群への燃料流量指令が前記メインノズル１本あたりの燃料流量および空気流量に基づいて算出される燃焼効率により補正されることを特徴とするガスタービン制御方法を採用する。

本発明によれば、ノズル群を切り替える際に、各ノズル群への燃料流量指令をメインノズル１本あたりの燃料流量および空気流量に基づいて算出される燃焼効率により補正することとしたので、ノズル群を切り替える際のガスタービンの出力変動を低減することができる。

本発明の第１実施形態にかかるガスタービン発電装置を示した概略構成図である。複数のメインノズルを２つのノズル群に分けた燃焼器を概念的に示した正面図である。本発明の第１実施形態にかかるガスタービン制御装置を示したブロック図である。本発明の第２実施形態にかかるガスタービン制御装置を示したブロック図である。本発明の第３実施形態にかかるガスタービン制御装置を示したブロック図である。本発明の第４実施形態にかかるガスタービン制御装置を示したブロック図である。本発明の参考例としてのガスタービン燃料制御を示したブロック図である。本発明の参考例としてのガスタービン制御装置におけるガスタービンの出力を示したグラフである。本発明の参考例としてのガスタービン制御装置におけるノズル群Ａの燃料流量、ノズル群Ｂの燃料流量、および燃焼器に供給される全体の燃料流量を示したグラフである。本発明の第１実施形態にかかるガスタービン制御装置において補正を行った場合のガスタービンの出力を示したグラフである。本発明の第１実施形態にかかるガスタービン制御装置において補正を行った場合のノズル群Ａの燃料流量、ノズル群Ｂの燃料流量、および燃焼器に供給される全体の燃料流量を示したグラフである。

以下に、本発明にかかるガスタービン制御装置および制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本実施形態にかかるガスタービン発電装置の概略構成が示されている。
図１に示されるように、ガスタービン発電装置１は、例えば都市ガスや石炭ガス化ガスといった燃料を燃焼する燃焼器２と、燃焼器２から供給された燃焼ガスを膨張させて回転するガスタービン３と、空気を圧縮する圧縮機４と、ガスタービン３に連結された発電機（図示略）とを主な構成として備えている。

上記燃焼器２には、図２に示されるように、外周に間隔をおいて配置される複数のノズル（メインノズル）２０が設けられている。ノズル２０は、ノズル群Ａとノズル群Ｂとに区分されている。ノズル群Ａを構成するノズル２０の本数は、ノズル群Ｂを構成するノズル２０の本数よりも少なくされている。本実施形態では、ノズル群Ａは３本のノズル２０を有しており、ノズル群Ｂは５本のノズル２０を有している。

また、燃焼器２には、ノズル群Ａに燃料ガスを供給する第１燃料流路５と、ノズル群Ｂに燃料ガスを供給する第２燃料流路６とが接続されている。第１燃料流路５および第２燃料流路６には、燃料ガスの流量を調整するための第１流量調節弁７、第２流量調節弁８がそれぞれ設けられている。第１燃料流路５と第２燃料流路６とは、その上流において１本の燃料流路から分岐しており、分岐前の燃料流路には圧調弁９が設けられている。第１流量調節弁７、第２流量調節弁８の開度は、ガスタービン制御装置１０により制御される。

ガスタービン制御装置１０は、上述した第１流量調節弁７および第２流量調節弁８の開度を制御するほか、ガスタービン３の出力に応じて、燃焼器２への燃料供給に用いるノズル群Ａ、Ｂを切り替える制御などを行う。なお、ガスタービン制御装置１０による制御の詳細については後述する。

このようなガスタービン発電装置１においては、燃焼器２に対して圧縮機４から圧縮された空気が供給されるとともに、ノズル群Ａ、Ｂなどから燃料ガスが供給される。燃焼器２は、供給された圧縮空気と燃料ガスとを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスをガスタービン３に供給する。これにより、ガスタービン３は、燃焼ガスが膨張する際のエネルギーで回転させられ、この動力が発電機（図示略）に伝えられることにより発電が行われる。

次に、ガスタービン制御装置１０による制御のうち、ノズル群を切り替える際における燃料流量制御について図３を参照して説明する。
図３には、本実施形態にかかるノズル群を切り替える際における燃料流量制御の概要が示されている。
図３に示されるように、ガスタービン制御装置１０は、モード信号３２により各ノズル群のうちいずれかのノズル群、あるいはノズル群の組み合わせを指定し、それに基づきガスタービン全体に対する燃料流量の指令であるＣＳＯ（燃料制御信号）３１から燃料分配を決定する。これにより、ノズル群Ａに対する燃料供給指令である第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯと、ノズル群Ｂに対する燃料供給指令である第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯが設定される。

ガスタービン制御装置１０は、ノズル群を切り替える際の過渡期において、第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯについて、あらかじめ得られているＣＳＯと燃料流量との関係（例えばマップ）から、ノズル群Ａの燃料流量に換算する。

次に、ノズル群Ａの１本あたりの燃焼器２に供給される燃料流量および空気流量とから燃空比を算出する。ノズル群Ａの燃空比は以下の式（１）で表される。

（１）式において、Ｇｆ_Ａはノズル群Ａの燃料流量、Ｎ_Ａはノズル群Ａのノズル２０の本数、Ｇ_ａは内筒空気流量、Ｎ_Ｂはノズル群Ｂのノズル２０の本数である。
内筒空気流量は、ＩＧＶ開度、大気温度および大気圧力などから算出する。また燃焼器バイパス弁を用いる場合は、内筒空気流量の算出にバイパス流量比を用いてもよい。
また燃料流量は、流量調節弁、流量調節弁差圧および燃料温度から算出する。

上述したノズル群Ａの１本あたりの燃空比に基づき、あらかじめ得られている燃空比と燃焼効率との関係（例えばマップ）から燃焼効率を算出し、第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯに除算し補正する。具体的には、燃焼効率が低い場合は燃料流量が多くなるように、燃焼効率が高い場合は燃料流量が少なくなるように制御される。これにより、ノズル群を切り替える際の過渡期においてノズル２０の燃焼効率が変化した場合であっても各ノズル２０の熱出力が略一定となるように制御される。

同様に、ガスタービン制御装置１０は、ノズル群を切り替える際の過渡期において、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯについて、あらかじめ得られているＣＳＯと燃料流量との関係（例えばマップ）から、ノズル群Ｂの燃料流量に換算する。

次に、ノズル群Ｂの１本あたりの燃焼器２に供給される燃料流量および空気流量とから燃空比を算出する。ノズル群Ｂの燃空比は以下の式（２）で表される。

（２）式において、Ｇｆ_Ｂはノズル群Ｂの燃料流量、Ｎ_Ｂはノズル群Ｂのノズル２０の本数、Ｇ_ａは内筒空気流量、Ｎ_Ａはノズル群Ａのノズル２０の本数である。

上述したノズル群Ｂの１本あたりの燃空比に基づき、あらかじめ得られている燃空比と燃焼効率との関係（例えばマップ）から燃焼効率を算出し、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯに除算し補正する。

この補正された第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯ、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯと、燃料温度、流量調節弁差圧からＣｖ値をＣｖ演算部３４において算出し、このＣｖ値と弁開度の比率に応じて第１流量調節弁７（図１参照）、第２流量調節弁８（図１参照）がそれぞれ調節されることにより、燃焼器２における燃焼効率の低下を抑制することが可能となる。またこの補正はノズル群を切り替える前の所定期間から補正を実施しておいてもよく、この場合ノズル群切替時においての時間遅れを無くすことができる。さらに言えば、ノズル群を切り替える際の過渡期においてのみ補正を行うのではなく、常に補正を行うこととしてもよい。

以上、説明してきたように、本実施形態に係るガスタービン制御装置１０およびガスタービン制御方法によれば、燃料流量指令を各ノズル群の１本あたりの燃料流量および空気流量（例えば燃空比）に基づいた燃焼効率により補正を行うため、ノズル群を切り替える際に、ノズル２０毎にきめ細かく燃料流量を適正化することができる。これにより、ガスタービン３の出力変動を低減することができる。また、燃料流量および空気流量に基づいて燃焼効率を算出して推定するため、計測遅れの影響を排除でき、燃料流量の補正の応答性が向上する。

図８は、図７に示した参考例としてのガスタービン制御装置１０におけるノズル群を切り替える際のガスタービンの出力を示した図であり、横軸は時間、縦軸はガスタービンの出力を表している。また、点線はガスタービンの出力設定値、棒線は実際のガスタービンの出力値を表す。また図９は、図７に示した参考例としてのガスタービン制御装置１０におけるノズル群を切り替える際のノズル群Ａの燃料流量、ノズル群Ｂの燃料流量、および燃焼器２に供給される全体の燃料流量を示した図であり、横軸は時間、縦軸は燃料流量を表している。
図８、図９によれば、ノズル群Ａからノズル群Ｂへ切り替える際の過渡期において、ガスタービンの出力はまず減少、その後増加と著しく変動し、切り替えの完了期において設定値に近づくことがわかる。
これに対し、図１０は、第１実施形態にかかるガスタービン制御装置１０において補正を行った場合のノズル群を切り替える際のガスタービン３の出力を示した図であり、横軸は時間、縦軸はガスタービン３の出力を表している。また、点線はガスタービン３の出力設定値、棒線は実際のガスタービン３の出力値を表す。また図１１は、第１実施形態にかかるガスタービン制御装置１０において補正を行った場合のノズル群を切り替える際のノズル群Ａの燃料流量、ノズル群Ｂの燃料流量、および燃焼器２に供給される全体の燃料流量を示した図であり、横軸は時間、縦軸は燃料流量を表している。
図１０、図１１によれば、ノズル群Ａからノズル群Ｂへ切り替える際の過渡期において、ノズル群Ａの燃料流量の減少が燃焼効率に基づいた補正により抑制されるため、ノズル群Ａの燃料流量は増加し、ノズル群Ｂの燃料流量の増加が燃焼効率に基づいた補正により促進されるため、ノズル群Ｂの燃料流量は増加する。すなわち、全体の燃料流量は増加する。この補正により、ガスタービン３の出力の変動は抑制され、設定値に近い値を取ることがわかる。

これらの図、特に図８と図１０に示されるように、ノズル群を切り替える際において燃料流量の補正を行うことにより、ガスタービン３の出力変動が低減されたことがわかる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
上記した第１実施形態では燃料流量の補正にノズル１本あたりの燃空比に基づいた燃焼効率を設定したが、本実施形態では、燃料流量の補正にノズル１本あたりの火炎温度に基づいた燃焼効率を設定するものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

図４には、本実施形態にかかるノズル群を切り替える際における燃料流量制御の概要が示されている。
ガスタービン制御装置１０は、ノズル群を切り替える際の過渡期において、第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯについて、あらかじめ得られているＣＳＯと燃料流量との関係（例えばマップ）から、ノズル群Ａの燃料流量に換算する。次に、ノズル群Ａの１本あたりの火炎温度を算出する。ノズル群Ａの火炎温度は、上述したノズル群Ａのノズル１本あたりの燃空比、車室圧力、車室温度、燃料温度を入力値として算出する。このノズル群Ａの１本あたりの火炎温度に基づき、あらかじめ得られている火炎温度と燃焼効率との関係（例えばマップ）から燃焼効率を算出し、第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯに除算し補正する。

同様に、ガスタービン制御装置１０は、ノズル群を切り替える際の過渡期において、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯについて、あらかじめ得られているＣＳＯと燃料流量との関係（例えばマップ）から、ノズル群Ｂの燃料流量に換算する。次に、ノズル群Ｂの１本あたりの火炎温度を算出する。ノズル群Ｂの火炎温度は、上述したノズル群Ｂのノズル１本あたりの燃空比、車室圧力、車室温度、燃料温度を入力値として算出する。このノズル群Ｂの火炎温度に基づき、あらかじめ得られている火炎温度と燃焼効率との関係（例えばマップ）から燃焼効率を算出し、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯに除算し補正する。

この補正された第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯ、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯと、燃料温度、流量調節弁差圧からＣｖ値を算出し、このＣｖ値と弁開度の比率に応じて第１流量調節弁７（図１参照）、第２流量調節弁８（図１参照）がそれぞれ調節されることにより、燃焼器２における燃焼効率の低下を抑制することが可能となる。

以上、説明してきたように、本実施形態にかかるガスタービン制御装置１０およびガスタービン制御方法によれば、燃料流量指令を火炎温度に基づいた燃焼効率により補正を行うため、ノズル群を切り替える際に、燃焼流量を適正化することができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について、図５を用いて説明する。
上記した第１実施形態では燃料流量の補正にノズル１本あたりの燃空比に基づいた燃焼効率を設定したが、本実施形態では、これに加えて燃料流量指令に上限値及び／又は下限値を設定するものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

図５には、本実施形態にかかるノズル群を切り替える際における燃料流量制御の概要が示されている。
ガスタービン制御装置１０は、ノズル群を切り替える際の過渡期において、第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯについて、あらかじめ得られているＣＳＯと燃料流量との関係（例えばマップ）から、ノズル群Ａの燃料流量に換算する。次に、ノズル群Ａの１本あたりの燃空比に基づき、あらかじめ得られている燃空比と燃焼効率との関係（例えばマップ）から燃焼効率を算出し、第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯに除算し補正する。
この補正された第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯについて、上限値及び／又は下限値を設定する。上限値及び／又は下限値をこえる場合、上下限リミッタ７１は第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯを上限値及び／又は下限値に制限する。

同様に、ガスタービン制御装置１０は、ノズル群を切り替える際の過渡期において、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯについて、あらかじめ得られているＣＳＯと燃料流量との関係（例えばマップ）から、ノズル群Ｂの燃料流量に換算する。次に、ノズル群Ｂの１本あたりの燃空比に基づき、あらかじめ得られている燃空比と燃焼効率との関係（例えばマップ）から燃焼効率を算出し、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯに除算し補正する。
この補正された第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯについて、上限値及び／又は下限値を設定する。上限値及び／又は下限値をこえる場合、上下限リミッタ７１は第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯを上限値及び／又は下限値に制限する。

以上、説明してきたように、本実施形態にかかるガスタービン制御装置１０およびガスタービン制御方法によれば、燃料流量指令の上限値及び／又は下限値を設定し燃料流量を制限するため、たとえば燃焼効率が極小の場合に燃料流量指令が過大になることがなく、過度の燃料投入を回避できる。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態について、図６を用いて説明する。
上記した第１実施形態では燃料流量の補正にノズル１本あたりの燃空比に基づいた燃焼効率を設定したが、本実施形態では、これに加えて計測した燃料カロリに基づいて燃料流量指令に補正を設定するものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

図６には、本実施形態にかかるノズル群を切り替える際における燃料流量制御の概要が示されている。
ガスタービン制御装置１０は、ノズル群を切り替える際の過渡期において、第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯについて、あらかじめ得られているＣＳＯと燃料流量との関係（例えばマップ）から、ノズル群Ａの燃料流量に換算する。次に、ノズル群Ａの１本あたりの燃空比に基づき、あらかじめ得られている燃空比と燃焼効率との関係（例えばマップ）から燃焼効率を算出し、第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯに除算し補正する。
この補正された第１燃料供給指令値ＭＡＣＳＯに対し、燃料カロリの変動を計測し、その計測値を用いて補正する。

同様に、ガスタービン制御装置１０は、ノズル群を切り替える際の過渡期において、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯについて、あらかじめ得られているＣＳＯと燃料流量との関係（例えばマップ）から、ノズル群Ｂの燃料流量に換算する。次に、ノズル群Ｂの１本あたりの燃空比に基づき、あらかじめ得られている燃空比と燃焼効率との関係（例えばマップ）から燃焼効率を算出し、第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯに除算し補正する。
この補正された第２燃料供給指令値ＭＢＣＳＯに対し、燃料カロリの変動を計測し、その計測値を用いて補正する。

以上、説明してきたように、本実施形態にかかるガスタービン制御装置１０およびガスタービン制御方法によれば、燃料制御信号に対し、燃料カロリ計測値に基づいた補正を行うため、負荷運転中のカロリ変動に対し負荷制御に頼ることなくカロリ補正ができる。すなわち、負荷に対する追従性が向上し、ガスタービン３の出力変動を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。

たとえば、上述した各実施形態においては、ノズル群Ａとノズル群Ｂとの２つのノズル群を有し、これらを切り替えることについて説明したが、ノズル群は２以上設けられていてもよい。また上述した各実施形態においては、ノズル本数は８本としたが、これ以外の異なる本数でもよい。

１ガスタービン発電装置
２燃焼器
３ガスタービン
４圧縮機
５第１燃料流路
６第２燃料流路
７第１流量調節弁
８第２流量調節弁
９圧調弁
１０ガスタービン制御装置
２０ノズル（メインノズル）
３１ＣＳＯ（燃料制御信号）
３２モード信号
３４Ｃｖ演算部
７１上下限リミッタ

Claims

燃焼器へ燃料ガスを供給する複数のメインノズルを備え、これら複数のメインノズルが複数のノズル群に分けられ、運転状態に応じて燃焼時に使用する前記ノズル群を切り替えるガスタービン制御装置であって、
前記ノズル群を切り替える際に、各前記ノズル群への燃料流量指令が前記メインノズル１本あたりの燃料流量および空気流量に基づいて算出される燃焼効率により補正されることを特徴とするガスタービン制御装置。
各前記ノズル群への前記燃料流量指令は、前記燃焼器内の火炎温度に基づいて算出される燃焼効率により補正される請求項１に記載のガスタービン制御装置。
前記燃料流量指令には、上限値及び／又は下限値が設定されている請求項１または２に記載のガスタービン制御装置。
前記燃料流量指令は、燃料カロリ計測値に基づいて補正される請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン制御装置。
燃焼器へ燃料ガスを供給する複数のメインノズルを備え、これら複数のメインノズルが複数のノズル群に分けられ、運転状態に応じて燃焼時に使用する前記ノズル群を切り替えるガスタービン制御方法であって、
前記ノズル群を切り替える際に、各前記ノズル群への燃料流量指令が前記メインノズル１本あたりの燃料流量および空気流量に基づいて算出される燃焼効率により補正されることを特徴とするガスタービン制御方法。