JP5400850B2 - 排熱ボイラシステムの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の熱源から熱エネルギを受ける排熱ボイラシステムの運転を制御する方法および装置に関する。

近年、発電装置におけるガスタービンエンジンのような各種熱機関からの排熱をボイラの加熱に利用する、コジェネレーションシステム（排熱ボイラシステム）が普及してきている。このような排熱ボイラシステムとして、排熱ボイラの出力を増加させるために、２つの熱源を設けること、例えば、熱機関のほかに、この熱機関からの高温の排気ガスを排熱ボイラに供給する排気ガス通路の中途にダクトバーナを設けることが提案されている。

また、このように排気ガス通路の中途にダクトバーナを設ける場合、熱機関が何等かの理由により停止しても排熱ボイラを停止せずに継続して運転するために、ダクトバーナの上流側に、排気ガス通路と並列に、ダクトバーナに送風を行う送風装置を設けることが知られている。この場合、熱機関からの排気ガス通路の途中に、排気ガスを排熱ボイラから迂回させるための排気バイパス弁を設け、この排気バイパス弁の開度を調節することにより、熱機関の作動中に熱機関から排熱ボイラに供給される排気ガス量、すなわち熱量を調節する。

特開２００４−２２５９６６号公報

しかし、このように、複数の熱源を設けて排熱ボイラの蒸気圧力を制御する場合、一方の熱源（例えば、ここでは熱機関）が作動状態にあるのか停止状態にあるのかによって、また、熱機関が作動状態にある場合の排気バイパス弁の開度によって、他方の熱源（例えば、ダクトバーナ）の制御量が、制御対象であるボイラの蒸気圧に及ぼす影響の大きさが変動する。すなわち、このような運転状態の変動によって、ダクトバーナの制御定数の最適性が失われ、排熱ボイラの蒸気圧力を安定的に制御することが困難となる。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、複数の熱源を備える排熱ボイラシステムを安定的に運転するための制御方法および制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る排熱ボイラシステムの制御方法または制御装置は、負荷を駆動して排熱を放出する熱機関と、他の一つ以上の熱源と、前記熱機関および熱源から熱エネルギを受ける排熱ボイラとを備えた排熱ボイラシステムの運転を制御するためのものであって、前記熱源の燃料制御定数を、前記熱機関の作動および不作動に応じて変更することにより、前記排熱ボイラの蒸気圧力に関連した物理量を所定値に維持する。前記熱機関は、例えばガスタービンエンジンであり、前記熱源は、例えばダクトバーナである。また、前記物理量は、例えばダクトバーナの燃料流量や排熱ボイラの蒸気圧である。

この構成によれば、熱源の制御感度に大きな影響を与える熱機関の作動および不作動に応じて燃料制御定数を変更するので、排熱ボイラシステムの運転状況に応じた適切な燃料制御定数を設定することができ、当該システムを安定的に運転することが可能となる。

本発明の一実施形態において、さらに、前記熱機関からの排ガスの少なくとも一部を前記排熱ボイラに供給しないようにバイパスさせる、回動式の排気バイパス弁を当該システムに設け、前記排気バイパス弁の回動角度を制御する開度制御定数を、前記回動角度の増大に応じて小さい値に補正することにより、前記物理量を所定値に維持することが好ましい。さらには、前記開度制御定数に遅延時間を付加して前記排気バイパス弁を制御することが好ましい。これらの構成によれば、排熱ボイラの圧力制御が不安定になり易い、排気バイパス弁の開度による制御において、排気バイパス弁の開度をより安定的に制御することにより、当該システムを一層安定的に運転することが可能となる。

本発明に係る制御方法または制御装置によれば、以上のように、複数の熱源を備える排熱ボイラシステムをきわめて安定的に運転することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る制御装置を備えた排熱ボイラシステムの概略構成を示すブロック図である。 図１の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の排熱ボイラシステムの運転状態の例を示すブロック図である。 図１の排熱ボイラシステムの制御特性を示すグラフである。 図１の排熱ボイラシステムの運転状態の例を示すブロック図である。 図１の排熱ボイラシステムの運転状態の例を示すブロック図である。

以下，本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る制御方法を実行する制御装置１が設けられた排熱ボイラシステムＢＳの概略構成を示す。排熱ボイラシステムＢＳは、負荷Ｌを駆動して排熱を放出する熱機関（この例ではガスタービンＧＴ）と、この熱機関とは別に設けられた熱源（この例ではダクトバーナ３）と、前記熱機関および熱源から前記排熱を含む熱エネルギを受けて蒸気を発生させる排熱ボイラ５とを主要な構成要素として備えている。本実施形態では、負荷Ｌとして発電機を使用している。

ガスタービンエンジンＧＴは、空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器１３と、圧縮機１１に回転軸１５を介して連結され、燃焼器１３からの燃焼ガスによって駆動され、かつ高温の排気ガスを排出するタービン１７とを備えており、回転軸１５に連結された発電機のような負荷Ｌを駆動する。

排熱ボイラ５に熱エネルギを与えるための高温ガスを供給する高温ガス供給路２１は、上流側で二又に分岐しており、その一方の端部にガスタービンエンジンＧＴのタービン１７が接続されており、他方の端部に送風装置２３、例えば送風ファンが設置されている。以下の説明では、高温ガス供給路２１の二又に分岐したうちの一方の、ガスタービンエンジンＧＴに接続されている側をタービン排気路２５、二又に分岐した他方の、送風装置２３が設置された側を送風路２７、分岐部２９（つまりタービン排気路２５と送風路２７との合流部）よりも下流側の部分をボイラ供給路３１と呼ぶ。ダクトバーナ３は、ボイラ供給路３１の分岐部２９よりもやや下流側の部分に設けられており、必要に応じてガスタービンエンジンＧＴからの排気ガスをさらに加熱する。

ボイラ供給路３１の下流端は、排熱ボイラシステムＢＳの給水系統の加熱に利用された後の排気ガスを排出する第１のガス排出路３３に接続している。また、タービン排気路２５の中途には、タービン排気を排熱ボイラ５から迂回させて、排熱ボイラ５に供給される高温ガス量を調整するための排ガスバイパス路３５が接続している。タービン排気路２５を形成するタービン排気ダクト３７と排ガスバイパス路３５を形成する排ガスバイパスダクト３９との連結部分には、回動式の排気バイパス弁４１が設けられている。排気バイパス弁４１は、排ガスバイパス路３５への導入口が完全に閉じられてタービン排気の全量がボイラ供給路３１に送られる状態（全閉状態）から、タービン排気路２５が完全に塞がれてタービン排気の全量が排ガスバイパス路３５に送られる状態（全開状態）までの間の任意の開度、つまり回動角度αに設定することができる。

一方、送風路２７を形成する送風ダクト４３の中途には、回動式の送風弁４５が設けられており、送風装置２３が動作しない場合には、送風弁４５によって送風路２７が完全に閉塞され、送風装置２３の動作時には、送風弁４５が全開の状態となる。

排熱ボイラ５は、給水路４７からの水が供給されるボイラドラム５１と、ボイラドラム５１に供給された水を、ボイラ供給路３１を通過する排ガスの熱エネルギを受けて蒸気を発生させる蒸気発生器５３とからなる。給水路４７の中途には、排熱ボイラ５に供給される水を予備的に加熱する節炭器５５が設けられている。一方、排熱ボイラ５で発生した蒸気を出力する出力路５７の中途には、出力蒸気をさらに加熱する過熱器５９が設けられている。蒸気発生器５３、節炭器５５および過熱器５９は、いずれもボイラ供給路３１内に配置されており、ボイラ供給路３１を通過する排気ガスの熱を利用して加熱が行われる。

図２に示すように、制御装置１は、ボイラドラム５１内の蒸気圧を監視する圧力監視器６１によって検出された検出蒸気圧力値と、予め設定された蒸気圧力指令値とを比較して、ダクトバーナ３への燃料供給量を制御することにより、ボイラドラム５１内の蒸気圧力を所定値、つまり蒸気圧力指令値に維持する。より具体的には、制御装置１は、ダクトバーナ３に供給する燃料の量を制御するための燃料制御定数を設定する燃料制御定数設定部６５、および熱機関であるガスタービンエンジンＧＴの作動および不作動に応じて燃料制御定数を変更する変更回路６７を有している。

制御装置１において、蒸気圧力指令値設定部６９が蒸気圧力指令値を設定し、蒸気圧力指令値と検出蒸気圧力値との偏差、および燃料制御定数設定部の燃料制御定数に基づいて燃料制御弁７１を制御することにより、ダクトバーナ３に供給する燃料の量が制御される。燃料制御定数設定部６５の燃料制御定数は、後に詳述するように、ガスタービンエンジンＧＴが作動状態にあるか、不作動（停止）状態にあるかに応じて、変更回路６７によって変更される。

さらに、制御装置１は、排気バイパス弁４１の回動角度αを制御するための開度制御定数を設定する開度制御定数設定部７５が設けられており、また、開度制御定数を回動角度αの増大に応じて小さい値に補正する補正回路７７が設けられている。

以下、排熱ボイラシステムＢＳの運転状況、特に熱機関であるガスタービンエンジンＧＴの作動状況に応じた制御装置１の動作を説明する。

（１）ガスタービンエンジンＧＴが停止している場合
ガスタービンエンジンＧＴが停止している間、図３に示すように、排気バイパス弁４１は全開状態にあり、タービン排気路２５は排気バイパス弁４１によって閉塞されている。この場合のボイラの圧力制御は、送風装置２３によって送られる燃焼用空気量とダクトバーナ３の燃料流量によって制御されるが、ダクトバーナ３で制御すべき範囲が広いため、燃料制御定数を大きめの値に設定することが好ましい。ガスタービンエンジンＧＴの停止中におけるダクトバーナ３の燃料流量と排熱ボイラ５の蒸気発生量とは、図４に示すとおり、ほぼ比例する関係にあり、ダクトバーナ３の燃料制御が、そのまま排熱ボイラ５の圧力制御となる。

（２）ガスタービンエンジンＧＴが作動している場合
ガスタービンエンジンＧＴが作動している状態において、排熱ボイラ５の蒸気負荷が小さく、ガスタービンエンジンＧＴからのタービン排気の熱量のみで排熱ボイラ５に要求される蒸気圧力を達成できる場合は、ダクトバーナ３を使用しない。この場合、図５に示すように、タービン排気路２５の排気バイパス弁４１は全閉状態または部分閉状態となり、排気バイパス弁４１の回動角度αを制御することにより、排熱ボイラ５に供給されるタービン排気の量、すなわち排熱ボイラ５に与えられる熱量が制御される。排熱ボイラ５に与えられる熱量を制御することによって排熱ボイラ５の圧力が変動するので、結果的に、排気バイパス弁４１の回動角度αを制御することにより、排熱ボイラ５圧力が制御される。

一方、蒸気負荷が大きく、タービン排気の熱量のみでは必要な蒸気圧力を出力できない場合、図６に示すように、排気バイパス弁４１を全閉状態として、排気ガスの全量が排熱ボイラ５に供給される状態にしたうえで、ダクトバーナ３も使用する。ガスタービンエンジンＧＴ側の排気ガス熱量に調整代がなくほぼ固定されている場合、蒸気負荷の変化への追従は、主としてダクトバーナ３の制御によることとなり、上記（１）において全熱量をダクトバーナ３で制御する場合とは異なった燃料制御定数が必要となる。すなわち、ガスタービンエンジンＧＴの作動の有無によって燃料制御定数の変更が必要であり、図２の変更回路６７によって、上記（１）のガスタービンエンジンＧＴ停止時における燃料制御定数よりも小さい値に設定する。

（３）ガスタービンエンジンＧＴの停止状態から作動状態への移行
ガスタービンエンジンＧＴが停止している場合の排熱ボイラ５の運転時には、図３に示すように、排気バイパス弁４１は開いている。ガスタービンエンジンＧＴが動作状態に入って蒸気負荷が増加した場合は、図３の状態からガスタービンエンジンＧＴ側の排気バイパス弁４１を徐々に閉じていき、最終的には図６に示すようにタービン排気の全量が排熱ボイラ５に送出される状態になる。このとき、ダクトバーナ３の制御感度は低下していくので、ダクトバーナ３の燃料制御定数を大きくする必要がある。ただし、排気バイパス弁４１の全閉状態または全開状態の何れかにおいて燃料制御定数を瞬時に変更すると、排気バイパス弁４１の全閉状態から全開状態への移行中における制御が極めて不安定な状態となる。そこで、燃料制御定数の変更は、排気バイパス弁４１の開度に合わせて徐々に行う必要がある。その場合、図２の補正回路７７を用いて、回動角度αが増大するにつれて開度制御定数を小さくしながら排気バイパス弁４１の回動角度αの制御を行うことにより、燃料制御定数の変更を安定的に行うことが可能となる。

（４）ガスタービンエンジンＧＴ作動状態から停止状態への移行
ガスタービンエンジンＧＴが動作状態、かつダクトバーナ３も動作状態にある場合、図６に示すように、排気バイパス弁４１は閉じている。ガスタービンエンジンＧＴの停止時には、排気バイパス弁４１を全閉状態から徐々に図３の全開状態へと移行させ、タービン排気の全量を排ガスバイパス路３５側に送出する。このとき、ダクトバーナ３の制御感度は上昇するので、燃料制御定数を低く設定する必要がある。ただし、排気バイパス弁４１の全開状態または全閉の状態のいずれかにおいて制御定数を瞬時に変更した場合は、排気バイパス弁４１の全閉状態から全開状態への移行途中の制御が不安定となる。そこで、制御定数の変更は、排気バイパス弁４１の開度に合わせて行うことが望ましい。その場合、上記（３）と同様、図２の補正回路７７を用いて、回動角度αが増大するにつれて開度制御定数を小さくしながら排気バイパス弁４１の回動角度αの制御を行うことにより、燃料制御定数の変更を安定的に行うことが可能となる。

なお、排気バイパス弁４１によって蒸気圧力を調整する場合の制御特性は、通常、非線形特性を有するので、開度制御定数は開度に対して２次関数特性を持たせる。また、排気バイパス弁４１による圧力制御において、排気バイパス弁４１の開度に対する熱量変化には時間遅延が大きいので、開度制御定数の値は小さめに設定し、バーナ側の燃料制御定数を高めの設定とするのが好ましい。この場合、図２に示すように遅延回路７９を設けて開度制御定数に遅延時間を付加して排気バイパス弁４１を制御すれば、排気バイパス弁４１の開度をより安定的に制御することができる。

このように、本実施形態に係る制御方法または制御装置１によれば、熱源の制御感度に大きな影響を与える熱機関（ガスタービンエンジンＧＴ）の作動および不作動に応じて燃料制御定数を変更するので、排熱ボイラシステムＢＳの運転状況に応じた適切な燃料制御定数を設定することができ、当該システムをきわめて安定的に運転することが可能となる。

なお、上記の実施形態において、制御装置１の制御対象として排熱ボイラの蒸気圧力を例として説明したが、制御装置１の制御対象は、蒸気圧力に関連した物理量であれば、蒸気圧力に限らず、例えば、ボイラドラム内の水位としてもよい。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 制御装置
３ ダクトバーナ（熱源）
５ 排熱ボイラ
１１ 圧縮機
１３ 燃焼器
１７ タービン
４１ 排気バイパス弁
６１ 圧力監視器
６５ 燃料制御定数設定部
６７ 変更回路
６９ 蒸気圧力指令値設定部
７５ 開度制御定数設定部
７７ 補正回路
７９ 遅延回路
α 排気バイパス弁の回動角度（開度）
ＢＳ 排熱ボイラシステム
ＧＴ ガスタービンエンジン（熱機関）

Claims (4)

1. 負荷を駆動して排熱を放出する熱機関と、他の一つ以上の熱源と、前記熱機関および熱源から熱エネルギを受ける排熱ボイラとを備えた排熱ボイラシステムの運転を制御する方法であって、
   前記熱機関の運転中に前記熱源に供給する燃料量を制御するための燃料制御定数を、前記熱機関の作動および不作動に応じて変更することにより、前記排熱ボイラの蒸気圧力を所定値に維持し、
   前記熱機関からの排ガスの少なくとも一部を前記排熱ボイラに供給しないようにバイパスさせる、回動式の排気バイパス弁を当該システムに設け、前記排気バイパス弁の回動角度を制御する開度制御定数を、前記回動角度が排ガスをバイパスさせる側に増大するのに応じて小さい値に補正し、かつ前記燃料制御定数を前記排気バイパス弁の前記回動角度に応じて変更することにより前記蒸気圧力を所定値に維持し、
   前記開度制御定数に、前記排熱ボイラに与えられる熱量が前記排気バイパス弁の開度に対して変化するときの時間遅延に合うように遅延時間を付加して、前記排気バイパス弁を制御する排熱ボイラシステムの制御方法。
2. 請求項１において、前記負荷が発電機であり、前記熱機関がガスタービンエンジンであり、前記熱源がダクトバーナである排熱ボイラシステムにおける前記排熱ボイラシステムの制御方法。
3. 負荷を駆動して排熱を放出する熱機関と、他の一つ以上の熱源と、前記熱機関および熱源から熱エネルギを受ける排熱ボイラ５とを備えた排熱ボイラシステムの運転を制御する装置であって、
   前記熱機関の運転中に前記熱源に供給する燃料量を制御するための燃料制御定数を設定する燃料制御定数設定部と、
   前記燃料制御定数を前記熱機関の作動および不作動に応じて変更することにより、前記排熱ボイラの蒸気圧力を所定値に維持する変更回路と、
   前記熱機関からの排ガスの少なくとも一部を前記排熱ボイラに供給しないようにバイパスさせる、回動式の排気バイパス弁を備え、前記排気バイパス弁の回動角度を制御する開度制御定数を設定する開度制御定数設定部と、
   前記回動角度が排ガスをバイパスさせる側に増大するのに応じて前記開度制御定数を小さい値に補正することにより前記蒸気圧力を所定値に維持する補正回路と、
   前記燃料制御定数を前記排気バイパス弁の前記回動角度に応じて変更することにより前記蒸気圧力を所定値に維持する変更回路と、
   前記開度制御定数に、前記排熱ボイラに与えられる熱量が前記排気バイパス弁の開度に対して変化するときの時間遅延に合うように遅延時間を付加して、前記排気バイパス弁を制御する遅延回路とを有する排熱ボイラシステム制御装置。
4. 請求項３において、前記排熱ボイラシステムの負荷が発電機であり、前記熱機関がガスタービンエンジンであり、前記熱源がダクトバーナである排熱ボイラシステム制御装置。

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