(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、
負荷要求に基づいて燃料量を設定する燃料量設定部と、
設定された燃料量とＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値と現在のＮＯｘ発生量及び燃焼振動に基づいて安定燃空比を設定する安定燃空比設定部と、
設定された燃空比に基づいて前記燃焼器へ燃料及び空気を供給するための制御弁の開度を調整する制御弁駆動部と、
前記ガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換えるＮＯｘ発生量モデル化部と、
を備えることを特徴とするガスタービンの制御装置。
【請求項２】
ＮＯｘ発生量モデル化部は、ＮＯｘセンサが検出した検出値と、前記燃焼器の操作量、前記燃焼器の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの制御装置。
【請求項３】
前記ＮＯｘ発生量モデル化部は、燃空比が下がる方向には相対的にゲインを大きくし、燃空比が上がる方向には相対的にゲインを小さく設定することを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、燃焼振動の低減やＮＯｘ発生量の減少を可能とするガスタービンの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電用のガスタービンの高出力化や高効率化を図る上で、排ガス性能を向上することが必要となり、希薄燃焼運転を安定的に行うために多種多様の工夫がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載されたガスタービンエンジン希薄吹消回避のための方法および装置では、燃焼器缶ごとに燃焼センサや火炎検知センサなどの信号によりで燃焼状態を監視し、失火する可能性をアルゴリズムにより評価し、失火可能性の限界信号と比較し、この限界信号を上回るようであれば、失火防止確率を引き下げるようしている。具体的には、失火防止、即ち、失火可能性を減ずるためにフィードバック制御装置により燃料量の増加、空気量の減少、流入空気温度の上昇、燃焼器缶への燃料分配の変更などを行い、制御信号と合わせてガスタービンの制御装置を操作している。そして、この変更により失火可能性が目標とする限界値を下回れば、そこで変更を終了する。これにより、燃焼器が失火する可能性を防ぎ、安定に運用することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０７０８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来のガスタービンの制御装置では、失火可能性を減ずるために、燃料量の増加、空気量の減少、流入空気温度の上昇、燃焼器缶への燃料分配の変更などを行っていることから、燃焼器は、燃焼温度が上昇すると共に、ＮＯｘの発生量が増加してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、ＮＯｘの発生量を低減すると共に安定燃焼を可能とするガスタービンの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明のガスタービンの制御装置は、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、負荷要求に基づいて燃料量を設定する燃料量設定部と、設定された燃料量とＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値と現在のＮＯｘ発生量及び燃焼振動に基づいて安定燃空比を設定する安定燃空比設定部と、設定された燃空比に基づいて前記燃焼器へ燃料及び空気を供給するための制御弁の開度を調整する制御弁駆動部と、前記ガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換えるＮＯｘ発生量モデル化部と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
従って、ＮＯｘ発生量モデル化部がガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として推定することで、安定燃空比設定部は、適正な現在のＮＯｘ発生量を考慮して安定燃空比を設定することが可能となり、燃料量の増加、空気量の減少、流入空気温度の上昇などを行うことなく、ＮＯｘの発生量を低減することができると共に、安定燃焼を可能とすることができる。
【０００９】
本発明のガスタービンの制御装置では、ＮＯｘ発生量モデル化部は、ＮＯｘセンサが検出した検出値と、前記燃焼器の操作量、前記燃焼器の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定することを特徴としている。
【００１０】
従って、現在のＮＯｘ発生量を高精度に推定することができる。
【００１１】
本発明のガスタービンの制御装置では、前記ＮＯｘ発生量モデル化部は、燃空比が下がる方向には相対的にゲインを大きくし、燃空比が上がる方向には相対的にゲインを小さく設定することを特徴としている。
【００１２】
従って、低ＮＯｘと安定燃焼を可能な限り両立させることができ、また、正常燃焼範囲を一時的に逸脱しても、正常範囲に燃焼ポイントを戻すことで、不要なトリップ回数を低減でき、ガスタービンの寿命を延ばすことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のガスタービンの制御装置によれば、ガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として推定するＮＯｘ発生量モデル化部を設け、安定燃空比設定部が適正な現在のＮＯｘ発生量を考慮して安定燃空比を設定するので、ＮＯｘの発生量を低減することができると共に、安定燃焼を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係るガスタービンの制御装置を表す概略構成図である。
【図２】図２は、本実施例のガスタービンの制御装置による制御ブロックを表す概略図である。
【図３】図３は、燃空比に対するＮＯｘ発生量と燃焼振動を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの制御装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例】
【００１６】
図１は、本発明の一実施例に係るガスタービンの制御装置を表す概略構成図、図２は、本実施例のガスタービンの制御装置による制御ブロックを表す概略図、図３は、燃空比に対するＮＯｘ発生量と燃焼振動を表すグラフである。
【００１７】
実施例１のガスタービンの制御装置において、図１に示すように、ガスタービン設備１１は、圧縮機１２、燃焼器１３、タービン１４を有しており、圧縮機１２とタービン１４とが回転軸１５により連結されている。圧縮機１２は、大気取込ライン１６が接続されており、この大気取込ライン１６に入口案内弁１７が設けられている。
【００１８】
燃焼器１３は、圧縮機１２から圧縮空気供給ライン１８が接続されると共に、タービン１４に向けて燃焼ガス供給ライン１９が接続されている。また、圧縮空気供給ライン１８と燃焼ガス供給ライン１９との間には、燃焼器１３をバイパスするバイパスライン２０が設けられ、このバイパスライン２０に燃焼器バイパス制御弁２１が設けられている。
【００１９】
また、燃焼器１３は、燃料ガス供給ライン２２から分岐したメイン燃料供給ライン２３と、パイロット燃料供給ライン２４が接続されており、メイン燃料供給ライン２３にメイン燃料流量制御弁２５が設けられ、パイロット燃料供給ライン２４にパイロット燃料流量制御弁２６が設けられている。
【００２０】
タービン１４は、回転軸２７を介して発電機２８が連結されている。また、タービン１４は、排ガスライン２９が接続されている。
【００２１】
また、燃焼器１３は、燃焼ガスの圧力（内圧変動）を検出する圧力センサ３１が設けられ、タービン１４は、排ガスにおけるＮＯｘ量を検出するＮＯｘセンサ３２が設けられている。制御装置３３は、圧力センサ３１とＮＯｘセンサ３２の検出結果が入力され、これらに基づいて入口案内弁１７、燃焼器バイパス制御弁２１、メイン燃料流量制御弁２５、パイロット燃料流量制御弁２６の開度を調整可能となっている。
【００２２】
なお、制御装置３３は、図示しないセンサが検出した吸気温度、吸気圧力、吸気流量、圧縮機出口温度、圧縮機出口圧力、燃料流量、メイン燃料流量、パイロット燃料流量、燃料温度、燃料圧力、排ガス温度、入口案内弁開度、燃焼器バイパス制御弁開度、メイン燃料流量制御弁開度、パイロット燃料流量制御弁開度が入力されており、燃焼ガスの圧力や排ガスにおけるＮＯｘ量に加えて、これらの検出結果に基づいて各種弁１７，２１，２５，２６の開度を調整可能としてもよい。
【００２３】
従って、燃焼器１３では、圧縮機１２から供給された圧縮空気と供給された燃料ガスとを混合して燃焼し、タービン１４にて、発生した燃焼ガスにより回転軸２７を回転することで発電機２８を駆動し、発電を行うことができる。
【００２４】
このようなガスタービン設備１１にて、制御装置３３は、図２に示すように、燃料量設定部４１と安定燃空比設定部４２と制御弁駆動部４３と周波数分析部４４とＮＯｘ発生量モデル化部４５とデータベース４６とを有している。
【００２５】
燃料量設定部４１は、ガスタービン設備１１が要求する負荷要求と、発電機２８の出力に基づいて燃焼器１３に供給する燃料ガス量（燃料量）を設定するものである。この場合、燃料量設定部４１は、負荷要求や発電機出力だけでなく、燃料組成や大気温度、燃焼器１３の経年変化などに応じて必要燃料量が決定される。安定燃空比設定部４２は、燃料量設定部４１により設定された燃料量と、予め設定されたＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値と、現在のＮＯｘ発生量及び燃焼振動に基づいて安定燃空比を設定するものである。このＮＯｘ発生量上限値とは、排ガス規制値として規定された値であり、燃焼振動上限値とは、設計上で規定される上限値であって、周波数帯ごとに設定される。
【００２６】
この場合、安定燃空比決定部４２は、例えば、図３に表すグラフに基づいて安定燃空比を設定する。このグラフは、モデルまたは実機試験にて、所定の負荷一定条件のもとで、燃空比とＮＯｘ発生量、燃空比と燃焼振動の関係を表したものである。但し、大気温度や燃料組成などの影響を受けるため、所定の幅を考慮したグラフとなっており、これらのばらつきを考慮にして安定燃焼可能な領域が設定されている。例えば、この安定燃焼領域は、Ｆｕｚｚｙ数として設定してもよく、微小時間の一時的な安定領域逸脱は可能とする。
【００２７】
即ち、図３に示すように、燃空比の上昇（燃料に対する空気の割合が増加）に伴って、ＮＯｘ発生量Ｎは減少する一方、燃焼振動Ｐは増加するように、ＮＯｘ発生量Ｎと燃焼振動Ｐは相反する傾向を示す。このとき、ＮＯｘ発生量Ｎや燃焼振動Ｐは、燃料組成、大気温度、燃焼器１３の経年変化などに応じてＮ１−Ｎ２、Ｐ１−Ｐ２の間で変動し、この間に余裕値Ｎａ，Ｐａが設定されている。従って、ＮＯｘ発生量上限値Ｎｍａｘ及び燃焼振動上限値Ｐｍａｘが設定されていることから、ＮＯｘ発生量Ｎ及び燃焼振動ＰがＮ１，Ｐ１上にあるとき、安定燃焼領域Ｓ１が規定される。一方、ＮＯｘ発生量Ｎ及び燃焼振動ＰがＮ２，Ｐ２上にあるとき、安定燃焼領域Ｓ２が規定される。従って、安定燃空比決定部４２は、安定燃焼領域Ｓ１，Ｓ２が設定されている状態で、ＮＯｘ発生量Ｎと燃焼振動Ｐが最適値となるように燃空比を設定する。
【００２８】
制御弁駆動部４３は、安定燃空比決定部４２により設定された燃空比に基づいて燃焼器１３へ燃料及び空気を供給するための制御弁１７，２１，２５，２６の開度を調整するものである。
【００２９】
周波数分析部４４は、圧力センサ３１の検出結果をＦＦＴ分析し、複数の周波数帯、例えば、低周波数帯、中周波数帯、高周波数帯、高高周波数帯のように区分けし、周波数帯ごとに管理値を設定する。
【００３０】
発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２の検出結果をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換えるものである。即ち、ＮＯｘ発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２が検出した検出値と、燃焼器１３の操作量、燃焼器１３の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定するものである。
【００３１】
また、データベース４６は、ガスタービン設備や気象データなどを時系列的に格納するものであり、周波数分析部４４及び発生量モデル化部４５に対して、各種のデータを出力する。
【００３２】
具体的に説明すると、発生量モデル化部４５は、図２に示すように、ＮＯｘ排出量を数式モデル化するものである。即ち、発生量モデル化部４５は、ＮＯｘ排出量特性を把握するものであって、データベースに格納された気象データなどを用いて、ＮＯｘ排出量を説明する数式モデルを構築する。例えば、下式で表されるような重回帰モデルでＮＯｘ排出量をモデル化する。
【００３３】
Ｙ＝ａ０＋ａ１１×Ｘ１１＋ａ１２×Ｘ１２＋・・・＋ａ１ｎ×Ｘ１ｎ
＋ａ２１×Ｘ２１＋ａ２２×Ｘ２２…＋ａ２ｍ×Ｘ２ｍ
ここで、Ｙは、ＮＯｘ値（次の予測ＮＯｘ値）、Ｘ１１は、操作量１の値、Ｘ１２は、操作量２の値であり、最初の添え字１が操作量を示し、後の添え字が操作量番号を示す。
また、Ｘ１ｎは、操作量ｎの値、Ｘ２１は、操作できない状態量１の値、Ｘ２２は、操作できない状態量２の値であり、最初の添え字２が操作できない状態変数を示し、後の添え字が変数番号を示す。
更に、Ｘ２ｍは、操作できない状態量ｍの値である。
【００３４】
この発生量モデル化部４５は、データベースに時刻ごとに整理して格納されたＮＯｘ排出量、操作量、操作できない状態量を用いて上式の係数パラメータａ１ｉ、ａ２ｊを求めて出力する。係数パラメータの解法には、例えば最小二乗法が用いられる。これにより、ＮＯｘセンサ値の予測推定が可能になる。
【００３５】
また、ＮＯxの操作量としては、入口案内弁１７、燃焼器バイパス制御弁２１、メイン燃料流量制御弁２５、パイロット燃料流量制御弁２６の開度、操作できない状態量としては、負荷、吸気温度、吸気圧力、吸気流量、燃料温度、燃料圧力などである。これらのモデルのパラメータは、試運転調整時などのデータを利用して行う。負荷帯ごとにこれらのパラメータを設定し、負荷に応じて切り替える。
【００３６】
一般的に、ＮＯｘセンサは、応答が１０秒前後程度と遅いことから、モデル化したＮＯｘ発生量を用いる。一方、圧力センサは、応答が１秒程度と速いことから、検出値（センサ信号）をＦＦＴ分析して燃焼振動を得ることができる。この燃焼振動は、一時的に安定領域を超えても直ちに燃空比制御により安定領域に戻すことが可能である。一方、ＮＯｘ値は、時定数が長いため、規制値を超えた場合制御が燃焼振動より難しい。
【００３７】
従って、ＮＯｘ発生量の上限値の規制を守るように、燃焼振動側をマイナーループとして制御する。このとき、ＮＯｘ発生量の検出値は、応答性が良くないことから、モデルから計算した値を使用する。このとき、燃空比が下がる方向（燃焼振動が危険な領域へあがる方向）には、相対的にゲインを大きくし、燃空比が上がる方向（ＮＯｘ発生量が増える方向）には相対的にゲインを小さく設定する。ここで、相対的にゲインを大きく、または、相対的にゲインを小さくするとは、ＮＯｘ発生量（モデル値）が時系列で変化するとき、その増減量に対するゲインの大きさを表しており、その中心値（平均値など）に対する大きさである。その結果、低ＮＯｘと安定燃焼を可能な限り両立させることができる。また、正常燃焼範囲を一時的に逸脱しても、正常範囲に燃焼ポイントを戻すことで、不要なトリップ回数を低減でき、ガスタービンの寿命を延ばすことができる。
【００３８】
ここで、図１及び図２に基づいてガスタービンの具体的な制御について説明する。
【００３９】
燃料量設定部４１は、ガスタービン設備１１が要求する負荷要求と、発電機２８の出力に基づいて燃焼器１３に供給する燃料ガス量を設定する。安定燃空比設定部４２は、燃料量設定部４１により設定された燃料量と、ＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値に基づいて安定燃空比を設定する。ここで、安定燃空比設定部４２は、図３に表すグラフに基づいて、ＮＯｘ発生量Ｎと燃焼振動Ｐが最適値となるように、燃空比を安定燃焼領域Ｓ１，Ｓ２内で設定する。そして、制御弁駆動部４３は、安定燃空比決定部４２により設定された燃空比に基づいて入口案内弁１７、燃焼器バイパス制御弁２１、メイン燃料流量制御弁２５、パイロット燃料流量制御弁２６の開度を調整し、燃焼器１３へ供給する燃料ガス量及び空気量を調整する。すると、ガスタービン設備１１が適正に稼動する。
【００４０】
このとき、圧力センサ３１は、燃焼ガスの圧力（内圧変動）を検出し、ＮＯｘセンサ３２は、排ガスにおけるＮＯｘ量を検出する。周波数分析部４４は、この圧力センサ３１の検出値をＦＦＴ分析し、複数の周波数帯ごとに管理値を設定する。そして、この現在の燃焼振動と燃焼振動上限値とを比較し、現在の燃焼振動と燃焼振動上限値との偏差を安定燃空比設定部４２に出力する。すると、安定燃空比設定部４２は、その偏差に基づいて安定燃空比を補正する。
【００４１】
一方、発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２の検出結果をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換える。即ち、ＮＯｘ発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２が検出した検出値、燃焼器１３の操作量、燃焼器１３の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定する。そして、推定したＮＯｘ発生量とＮＯｘ発生量上限値とを比較し、現在のＮＯｘ発生量とＮＯｘ発生量上限値との偏差を安定燃空比設定部４２に出力する。すると、安定燃空比設定部４２は、その偏差に基づいて安定燃空比を補正する。
【００４２】
即ち、安定燃空比設定部４２は、現在の燃焼振動と燃焼振動上限値との偏差と、現在のＮＯｘ発生量とＮＯｘ発生量上限値との偏差とに基づいて、現在の燃焼振動が燃焼振動上限値を超えないように、また、現在のＮＯｘ発生量がＮＯｘ発生量上限値を超えないように、安定空燃比を補正する。
【００４３】
このように本実施例のガスタービンの制御装置にあっては、圧縮機１２で圧縮した圧縮空気に燃焼器１３で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービン１４に供給することで回転動力を得るガスタービン設備１１を構成し、このガスタービン設備１１を制御する制御装置３３として、負荷要求に基づいて燃料量を設定する燃料量設定部４１と、設定された燃料量とＮＯｘ発生量上限値及び燃焼振動上限値と現在のＮＯｘ発生量及び燃焼振動に基づいて安定燃空比を設定する安定燃空比設定部４２と、設定された燃空比に基づいて燃焼器１３へ燃料及び空気を供給するための制御弁の開度を調整する制御弁駆動部４３と、ガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として置き換えるＮＯｘ発生量モデル化部４５とを設けている。
【００４４】
従って、ＮＯｘ発生量モデル化部４５がガスタービンの操作量及び状態量に基づいてＮＯｘ発生量をモデル化したモデル値を現在のＮＯｘ発生量として推定することで、安定燃空比設定部４２は、適正な現在のＮＯｘ発生量を考慮して安定燃空比を設定することが可能となり、燃料量の増加、空気量の減少、流入空気温度の上昇などを行うことなく、ＮＯｘの発生量を低減することができると共に、安定燃焼を可能とすることができる。
【００４５】
また、本実施例のガスタービンの制御装置では、ＮＯｘ発生量モデル化部４５は、ＮＯｘセンサ３２が検出した検出値と、燃焼器１３の操作量、燃焼器１３の状態量、係数パラメータに基づいて数式モデルを構築し、この数式モデルに基づいて現在のＮＯｘ発生量を推定している。従って、現在のＮＯｘ発生量を高精度に推定することができる。
【００４６】
また、本実施例のガスタービンの制御装置では、ＮＯｘ発生量モデル化部４５は、燃空比が下がる方向には相対的にゲインを大きくし、燃空比が上がる方向には相対的にゲインを小さく設定することを特徴としている。従って、低ＮＯｘと安定燃焼を可能な限り両立させることができ、また、正常燃焼範囲を一時的に逸脱しても、正常範囲に燃焼ポイントを戻すことで、不要なトリップ回数を低減でき、ガスタービンの寿命を延ばすことができる。
【符号の説明】
【００４７】
１１  ガスタービン設備
１２  圧縮機
１３  燃焼器
１４  タービン
１７  入口案内制御弁
２１  燃焼器バイパス制御弁
２５  メイン燃料流量制御弁
２６  パイロット燃料流量制御
２８  発電機
３１  圧力センサ
３２  ＮＯｘセンサ
３３  制御装置
４１  燃料量決定部
４２  安定燃空比決定部
４３  制御弁駆動部
４４  周波数分析部
４５  ＮＯｘ発生量モデル化部
４６  データベース
【図１】
0005550592.tif 000002
【図２】
0005550592.tif 000003
【図３】
0005550592.tif 000004