(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料または液体燃料をガス化するガス化炉と、そのガス化炉で発生したガスを燃焼させて発電するガスタービンと、そのガスタービンと同軸結合された空気圧縮機と、その空気圧縮機の抽気を昇圧して上記ガス化炉へ送給する昇圧機とを備え、ガスタービンデマンドの関数としてガス化炉圧力設定を構成し、ガスタービンガバナ弁開度指令およびガス化炉入力デマンドによる負荷制御およびガス化炉圧力制御に対してガスタービン出力偏差の修正とともにガス化炉圧力偏差の修正を行なう協調制御装置において、空気供給弁とガスタービンガバナ弁を制御するとともに上記昇圧機の吐出圧力を制御する手段を備え、その設定値を、ガス化炉圧力設定に対してガス化炉へ供給される空気量により定まる圧損分を上乗せして設定し、上記昇圧機吐出圧力制御手段の調節によって昇圧機の吐出圧力を制御することを特徴とするガス化プラントの圧力制御装置。
【請求項２】
上記昇圧機の吐出圧力制御手段として昇圧機の入口案内ベーンを用いることを特徴とする請求項１記載のガス化プラントの圧力制御装置。
【請求項３】
上記昇圧機の吐出圧力制御手段として昇圧機の回転数制御を用いることを特徴とする請求項１記載のガス化プラントの圧力制御装置。
【請求項４】
上記昇圧機の吐出圧力制御手段として昇圧機上流に設置した入口弁を用いることを特徴とする請求項１記載のガス化プラントの圧力制御装置。
【請求項５】
上記ガスタービン負荷指令の関数として制御器のゲインを定め、低負荷ほど小さく設定することを特徴とする請求項１記載のガス化プラントの圧力制御装置。
【請求項６】
上記昇圧機の圧縮比の関数として定まるサージングライン以上の吸込流量を確保するように、再循環弁の開度を自動調節することを特徴とする請求項１記載のガス化プラントの圧力制御装置。
【請求項７】
上記上乗せする圧損分ΔＰを次式で定めることを特徴とする請求項１記載のガス化プラントの圧力制御装置。
ΔＰ＝Ｋ（Ｐｏ／Ｐ）（Ｔ／Ｔｏ）Ｗ2 
ここに  Ｋ：定格点での流調弁Ｃｖ値および配管等の圧損抵抗から定まる係数
Ｐｏ、Ｔｏ：定格点での圧力、温度
Ｐ、Ｔ    ：運転状態での圧力、温度
Ｗ        ：空気流量
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス化プラントの空気・ガス系圧力制御装置もしくは昇圧機制御装置に適用される制御アルゴリズムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は石炭ガス化複合発電プラントの一例を示す概要図である。この図に示されるように、石炭ガス化複合発電プラントは、ガス化炉設備（１００）、脱塵設備（１１０）、脱硫設備（１２０）、ガスタービン発電機（１３２）、（１３３）、排熱回収ボイラ（１４０）、蒸気タービン発電機（１５０）、（１５１）、空気昇圧機（１６１）、（１６２）、石炭供給装置（１７０）等から成る。石炭供給装置（１７０）から微粉炭を圧縮空気とともにガス化炉（１０１）内へ噴射して、ガス化剤（空気または酸素）で燃焼させることにより石炭をガス化する。
【０００３】
ガス化炉（１０１）で生成した石炭ガスは、ガス化炉後方のガス冷却器（１０２）で冷却された後、チャー回収系（１０３）、脱塵設備（１１０）、脱硫設備（１２０）で石炭ガスを精製した後、ガスタービン燃焼器へ送られて発電を行なう。また、ガスタービン駆動の空気圧縮機（１３４）から取り出された抽気は、ガス化炉圧力調整のために空気昇圧機（１６１）、（１６２）で昇圧された後、搬送用および燃焼用として加圧状態のガス化炉に圧入される。
【０００４】
石炭ガス化複合発電においては、ガス冷却器（１０２）で発生した主蒸気とガスタービン後流のガス処理装置付き排熱回収ボイラ（１４０）で発生した主蒸気を全量、蒸気タービン（１５０）で混圧結合し発電することができる程の蒸気発生となり、加圧燃焼の効果もあって、排熱回収ＬＮＧ複合発電とはガスタービン／蒸気タービンの負荷配分が異なる。
【０００５】
図５は従来の石炭ガス化炉圧力制御方式の一例を示す図である。この図に示すように、圧力設定器（３０）による圧力設定に対して、ガス化炉出口圧力（３１）と脱塵装置出口圧力信号（３２）を比較してカスケードフィードバックを行ない、Ｃ１弁（ガス焼却炉入口圧力調節弁）開度指令（３３）とともにＣ１弁に対する開度制御（３４）を行なっている。このガス化炉出口圧力制御ブロック（３５）によって構成されたガス化炉圧力制御指令（３６）は、昇圧機吐出圧力設定器（３７）に渡されて、昇圧機吐出圧力信号（４０）と比較し、昇圧機吐出圧力制御装置（３８）によって空気昇圧機入口案内ベーン開度（３９）を操作する。
【０００６】
また、制御モードがガス化炉負荷制御モード（４２）からガス化炉圧力制御モード（４３）に切り換えられた時には、ガス化炉負荷指令信号（４４）の代わりにガス化炉圧力制御指令（３６）がガス化炉入力指令（ＧＩＤ）信号（３７）として燃料および空気流量の制御を行なうようになっている。
【０００７】
上記のように、従来のガス化プラントの負荷・圧力・制御においては、ガス化炉入力要求に対して負荷・圧力制御の切り換えが採用され、またガスタービンリード、ガス化炉リード、協調制御が提案されたが、昇圧機吐出圧力は一定値制御されていた。また、それとは独立にガス化炉圧力に比して一定差圧だけ高くすることにより、昇圧機吐出圧力が必要以上に高くなることを防止する方法が提案されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の圧力制御方式には、次のような解決すべき課題があった。
【０００９】
１）ガス化炉の圧力は、負荷変化等の外乱に対しても大きな変動をしないように制御を行なわないと、給炭系との差圧の変動のために燃料流量の脈動や逆流を引き起こす恐れがある。
【００１０】
２）昇圧機の吐出圧力は、高負荷帯における制御性を考えて調整すると、低負荷帯における安定性が損なわれてハンチングを起こす恐れがある。
【００１１】
３）昇圧機の吸込流量が低負荷帯で規定値よりも少なくなると、サージングを引き起こす恐れがある。
【００１２】
４）昇圧機の吸気湿度が高い場合に過冷却を行なうと、ドレンが発生して昇圧機が液圧縮を起こしたり、初段にエロージョンを起こす恐れがある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記従来の課題を解決するために、下記１）ないし７）に示されるガス化プラントの圧力制御装置を提案するものである。
【００１４】
１）固体燃料または液体燃料をガス化するガス化炉と、そのガス化炉で発生したガスを燃焼させて発電するガスタービンと、そのガスタービンと同軸結合された空気圧縮機と、その空気圧縮機の抽気を昇圧して上記ガス化炉へ送給する昇圧機とを備え、ガスタービンデマンドの関数としてガス化炉圧力設定を構成し、ガスタービンガバナ弁開度指令およびガス化炉入力デマンドによる負荷制御およびガス化炉圧力制御に対してガスタービン出力偏差の修正とともにガス化炉圧力偏差の修正を行なう協調制御装置において、空気供給弁とガスタービンガバナ弁を制御するとともに上記昇圧機の吐出圧力を制御する手段を備え、その設定値を、ガス化炉圧力設定に対してガス化炉へ供給される空気量により定まる圧損分を上乗せして設定し、上記昇圧機吐出圧力制御手段の調節によって昇圧機の吐出圧力を制御することを特徴とするガス化プラントの圧力制御装置。
【００１５】
２）上記要件に加えて、上記昇圧機の吐出圧力制御手段として昇圧機の入口案内ベーンを用いることを特徴とするガス化プラントの圧力制御装置。
【００１６】
３）上記１）の要件に加えて、上記昇圧機の吐出圧力制御手段として昇圧機の回転数制御を用いることを特徴とするガス化プラントの圧力制御装置。
【００１７】
４）上記１）の要件に加えて、上記昇圧機の吐出圧力制御手段として昇圧機上流に設置した入口弁を用いることを特徴とするガス化プラントの圧力制御装置。
【００１８】
５）上記１）の要件に加えて、上記ガスタービン負荷指令の関数として制御器のゲインを定め、低負荷ほど小さく設定することを特徴とするガス化プラントの圧力制御装置。
【００１９】
６）上記１）の要件に加えて、上記昇圧機の圧縮比の関数として定まるサージングライン以上の吸込流量を確保するように、再循環弁の開度を自動調節することを特徴とするガス化プラントの圧力制御装置。
【００２０】
７）上記１）の要件に加えて、上記上乗せする圧損分ΔＰを次式で定めることを特徴とするガス化プラントの圧力制御装置。
【００２１】
ΔＰ＝Ｋ（Ｐｏ／Ｐ）（Ｔ／Ｔｏ）Ｗ2 
ここに  Ｋ：定格点での流調弁Ｃｖ値および配管等の圧損抵抗から定まる係数
Ｐｏ、Ｔｏ：定格点での圧力、温度
Ｐ、Ｔ    ：運転状態での圧力、温度
Ｗ        ：空気流量
上記１）ないし４）のように制御すると、負荷変動による空気流量変化があったとしても、空気流調弁の開度を規定値＋α％の範囲に抑えることができるので、一定差圧分上乗せする場合よりも、弁のレンジアビリティを広げ流量制御装置の感度を上げることができるとともに、全閉／全開までの裕度が増すので外乱に対する対応力／耐力を上げることができる。また負荷変化に対するガスタービンガバナ弁の動きによって発生するガス圧力の変動分を、圧力修正項によって打ち消すことができる。
【００２２】
そして上記５）のように制御すると、昇圧機のＱ／Ｈ特性の傾斜の急な低負荷帯ではループゲインを下げることによってゲイン余裕の減少を防止することができる。
【００２３】
更に上記６）のように制御すると、昇圧機のサージマージンを常にある程度以上確保することができる。
【００２４】
加えて上記７）のように制御すると上記１）ないし４）の空気圧力制御の精度を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面によって説明する。
【００２６】
まず図１に示す空気・ガス系制御について説明する。ガスタービン出力偏差信号（１）およびガス化炉圧力偏差（２）を比例制御した信号（３）、（５）および比例積分制御した信号（４）、（６）を、ガスタービン出力指令（７）の関数として定まる信号（８）、（９）にそれぞれ加減算し、ガスタービンガバナ弁開度指令（１０）およびガス化炉入力要求（１１）として、燃料、空気、スプレイ先行制御を行なう。また、ガスタービンデマンドの関数として定まるガス化炉圧力設定（１２）を２次空気流量指令信号（１３）の関数および１次空気流量指令信号（１４）の関数に加算して、それぞれの昇圧機の吐出圧力信号（１５）、（１６）と比較し（１７）、（１８）、比例・積分を行なった信号をそれぞれの昇圧機の入口案内ベーン開度を操作する信号（１７′）、（１８′）とする。
【００２７】
次に図２に２次空気昇圧機制御を纏めて示すと、図１に述べた２次空気昇圧機入口案内ベーン開度制御に加えて、ガスタービン負荷指令（１９）のゲインスケジュール関数を２次空気昇圧機吐出圧力偏差信号に乗ずることによるゲイン補正機能と、２次空気昇圧機吐出圧力（１５）と吸込圧力（２１）との比すなわち圧縮比（２２）の関数としてのサージ流量（２３）と２次空気昇圧機吸込流量（２４）の差信号（２５）の関数の時間遅れ信号によって、２次空気昇圧機再循環ベーン開度を操作する（２７）機能とを付加することになる。１次空気に関してもほぼ同様である。
【００２８】
これらの制御機能の基本構成を纏めて表現したものが図３である。
【００２９】
本実施形態の基本的原理は、ガス化炉圧力の変動を最小限に抑制するために、下流側のガスタービンガバナ弁開度指令およびガス化炉入力指令に対して、適切なガスタービン出力偏差修正および圧力偏差修正を追加するとともに、ガス化炉に空気を送る昇圧機の吐出圧力の設定に際して、空気流量変化によって変わる昇圧機からガス化炉までの圧損分だけ上乗せするような設定値制御を行なって、昇圧機入口案内ベーン開度を操作するものである。更に、この昇圧機による空気系の圧力制御機能の安定性と信頼性を補助する手段として、第１に昇圧機吐出圧力制御器のゲインをガスタービン負荷指令の関数として定めて低負荷ほど小さく設定し、第２に圧縮比の関数として定まるサージングライン以上の吸込流量を確保するように再循環弁の開度を自動調節するものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明においては、負荷要求指令に対してガスタービンに出された出力要求に応じて操作されるガスタービンガバナ弁および空気供給系により外乱を与えられるガス化炉圧力系に対して、空気流調弁裕度向上と制御器の感度向上およびガバナ弁による圧力偏差修正等の作用により、外乱による圧力の変動を小さく抑える効果がある。また上記の効果によって、派生的にガス化炉の燃焼状況にも好影響を与え、燃焼およびガス化特性を安定化させる効果がある。
【００３１】
更に、空気供給弁開度の変化を小さく抑えるように昇圧機吐出圧力を制御することができ、負荷変動に対しても空気供給弁に過剰な絞りを加えることがないから、絞り損失を低減でき、また部分負荷での流量制御性を確保しつつ吐出圧力が過大とならないので、補機動力を削減することができる。この点は、ガス化炉圧力に一定値を上乗せして吐出圧力設定を行なう方式よりもすぐれている特徴的な効果である。
【００３２】
本発明ではまた、どの負荷帯においても昇圧機吐出圧力制御の安定性が増し、ハンチングを防止できる。そして、どの負荷帯においても昇圧機のサージング発生を抑制でき、昇圧機制御の信頼性が増す。加えて昇圧機制御の精度が向上し、信頼性が増す。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の一形態に係る空気・ガス系圧力制御装置を示す制御フロー図である。
【図２】図２は上記実施形態における２次空気昇圧機制御装置を示す制御フロー図である。
【図３】図３は上記実施形態の圧力制御基本構成を示す制御フロー図である。
【図４】図４は石炭ガス化複合発電プラントの一例を示す概要図である。
【図５】図５は従来の石炭ガス化炉圧力制御方式の一例を示す制御フロー図である。
【符号の説明】
（１００）      ガス化炉設備
（１０１）      ガス化炉
（１０２）      ガス冷却器
（１０３）      チャー回収系
（１１０）      脱塵設備
（１２０）      脱硫設備
（１３０）      ガスタービン入口弁
（１３１）      ガスタービン燃焼器
（１３２）      ガスタービン
（１３３）      発電機
（１３４）      空気圧縮機
（１４０）      排熱回収ボイラ
（１５０）      蒸気タービン
（１５１）      発電機
（161)、(162)   空気昇圧機
（１６３）      空気供給弁
（１７０）      石炭供給装置
【図１】
0003716014.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003716014.tif 000005
【図５】
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