(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置であって、
前記気体燃料の発熱量、比重及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、
前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、
前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重の計測値を補正する補正演算装置と、
を備えることを特徴とする気体燃料計測装置。
【請求項２】
気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置であって、
前記気体燃料の発熱量及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、
前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、
前記気体燃料の比重を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する比重計と、
前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重計から得られた前記比重の計測値を補正する補正演算装置と、
を備えることを特徴とする気体燃料計測装置。
【請求項３】
前記補正演算装置は、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値及び同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値と、予め前記ガスクロマトグラフを用いて求めておいた、前記発熱量と前記特定成分濃度との相関関係及び前記比重と前記特定成分濃度との相関関係とに基づいて、前記発熱量及び前記比重の計測値を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の気体燃料計測装置。
【請求項４】
前記補正演算装置は、前記発熱量と前記特定成分濃度との相関関係を表す近似関数及び前記比重と前記特定成分濃度との相関関係を表す近似関数に基づいて予め作成された、前記ガスクロマトグラフ及び前記濃度計から得られる前記特定成分濃度を変数とする発熱量補正係数及び比重補正係数の演算式に対して、前記ガスクロマトグラフ及び前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値を代入することで前記発熱量補正係数及び前記比重補正係数を算出することを特徴とする請求項３に記載の気体燃料計測装置。
【請求項５】
ガスタービンと、
前記ガスタービンの燃焼器に接続された燃料供給ラインと、
前記燃料供給ラインに介挿された燃料流量制御弁と、
前記燃料供給ラインに流れる気体燃料の性状を計測する請求項１〜４のいずれか一項に記載の気体燃料計測装置と、
前記気体燃料計測装置から得られる前記気体燃料の発熱量及び比重の計測値に基づいてウォッベ指数を算出し、前記ウォッベ指数に基づいて前記燃料流量制御弁の開度を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とするガスタービン制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体燃料計測装置及びガスタービン制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、燃料ガスと空気との予混合気を希薄な状態で燃焼させることにより、Ｎｏｘ排出量の削減を実現可能なＤＬＥ(Dry Low Emission)燃焼方式を採用したガスタービンが主流となっている。このようなＤＬＥ燃焼方式（予混合燃焼方式ともいう）のガスタービンは、燃焼器での燃焼振動や失火等の発生を回避するために、極めて高精度な燃料性状の計測及びその計測値に基づく燃焼制御が要求される。
【０００３】
従来では、燃料性状として、燃料ガスの低位発熱量(ＬＨＶ：Lower Heating Value)と、燃料ガスの空気に対する比重(ＳＧ：Specific Gravity)とをガスクロマトグラフを用いて高精度に計測し、それらの計測値から算出したウォッベ指数(ＷＩ：Wobbe Index）に基づいて燃料ガスの流量制御を行っていた（下記特許文献１参照）。なお、ウォッベ指数ＷＩは、低位発熱量ＬＨＶを比重ＳＧの平方根で除算することで得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９１８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周知のように、ガスクロマトグラフは、カラムを通して被計測ガスに含まれる各成分を分離した上で各成分の計量を行うという原理上、被計測ガスのサンプリングから計測値の出力までに５分から１０分程度の時間を要するという特徴がある。従って、ガスクロマトグラフから５分ないし１０分周期で得られる個々の計測値は十分に精度の高いものであるが、被計測ガス、つまり燃料ガスの性状が変動すると、その性状変動に計測値が追従しきれずに時間遅れ（応答遅れ）による誤差が発生し、高精度な燃焼制御が困難となる。
【０００６】
このようなガスクロマトグラフの欠点を補うために、燃料ガス（例えば天然ガス）に含まれる炭化水素のＳＧ−ＬＨＶ特性がほぼ線形関数で表されることを利用し、密度計を用いて燃料ガスの密度（比重ＳＧ）を計測し、その計測値と予め求めておいたＳＧ−ＬＨＶ特性から低位発熱量ＬＨＶを推定する手法が挙げられる。
この手法は、炭化水素の混合比が変動しても、ＳＧとＬＨＶの関係が線形関数上で移動するのみであるので、比較的性状が安定しているＬＮＧの気化によって得られた天然ガスを用いる場合には適用できるが、ガス田から直接引き込まれた天然ガスのようにＣＯ２やＮ２等の不活性成分が多く含まれている場合には、ＳＧとＬＨＶの関係が線形関数から外れることになり、ＬＨＶの推定が困難になるという問題がある。
【０００７】
この他、燃焼式カロリーメータを使用して燃料ガスの一部をサンプリングして燃焼させてカロリー（ＬＨＶ）を計測する手法も考えられるが、計測装置が大掛かりとなり、コストの増加を招くという問題がある。
【０００８】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の２点を目的とする。
（１）コストの増加を抑えつつ、高精度な気体燃料性状の計測を実現する。
（２）高精度なガスタービンの燃焼制御を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、気体燃料計測装置に係る第１の解決手段として、気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置であって、前記気体燃料の発熱量、比重及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重の計測値を補正する補正演算装置と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明では、気体燃料計測装置に係る第２の解決手段として、気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置であって、前記気体燃料の発熱量及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、前記気体燃料の比重を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する比重計と、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重計から得られた前記比重の計測値を補正する補正演算装置と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明では、気体燃料計測装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記補正演算装置は、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値及び同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値と、予め前記ガスクロマトグラフを用いて求めておいた、前記発熱量と前記特定成分濃度との相関関係及び前記比重と前記特定成分濃度との相関関係とに基づいて、前記発熱量及び前記比重の計測値を補正することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明では、気体燃料計測装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記補正演算装置は、前記発熱量と前記特定成分濃度との相関関係を表す近似関数及び前記比重と前記特定成分濃度との相関関係を表す近似関数に基づいて予め作成された、前記ガスクロマトグラフ及び前記濃度計から得られる前記特定成分濃度を変数とする発熱量補正係数及び比重補正係数の演算式に対して、前記ガスクロマトグラフ及び前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値を代入することで前記発熱量補正係数及び前記比重補正係数を算出することを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明では、ガスタービン制御システムに係る解決手段として、ガスタービンと、前記ガスタービンの燃焼器に接続された燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインに介挿された燃料流量制御弁と、上記第１〜第４のいずれか一つの解決手段を有し、前記燃料供給ラインに流れる気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置と、前記気体燃料計測装置から得られる前記気体燃料の発熱量及び比重の計測値に基づいてウォッベ指数を算出し、前記ウォッベ指数に基づいて前記燃料流量制御弁の開度を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る気体燃料計測装置によれば、ガスクロマトグラフから得られた気体燃料の特定成分濃度の計測値と、同時期に濃度計から得られた気体燃料の特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期にガスクロマトグラフから得られた気体燃料の発熱量及び比重の計測値を補正するので、時間遅れによる誤差が抑制された高精度な発熱量と比重の計測値を得ることができる。ここで、濃度計としては、例えば赤外線分析計のような比較的安価な計器を利用することができる。つまり、本発明に係る気体燃料計測装置によれば、コストの増加を抑えつつ、高精度な気体燃料性状の計測を実現することができる。
【００１５】
また、本発明に係るガスタービン制御システムによれば、前述の気体燃料計測装置から得られる高精度な発熱量と比重の計測値を基にウォッベ指数を算出し、このウォッベ指数に基づいて燃料流量制御弁の開度を制御するので、高精度なガスタービンの燃焼制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係るガスタービン制御システムＡのブロック図である。
【図２】本実施形態における燃料ガス性状の計測原理に関する第１説明図である。
【図３】本実施形態における燃料ガス性状の計測原理に関する第２説明図である。
【図４】第２実施形態に係るガスタービン制御システムＢのブロック図である。
【図５】本実施形態の変形例に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るガスタービン制御システムＡの概略構成を示すブロック図である。この図１に示すように、ガスタービン制御システムＡは、ガスタービン１、燃料供給ライン２、燃料流量制御弁３、サンプリング装置４、気体燃料計測装置５及びガスタービン制御装置６から構成されている。なお、図１において、実線矢印は燃料ガスを表し、点線矢印は電気信号を表している。
【００１８】
ガスタービン１は、例えば、燃料ガスと空気との予混合気を希薄な状態で燃焼させることにより、Ｎｏｘ排出量の削減を実現可能なＤＬＥ燃焼方式（予混合燃焼方式）を採用したガスタービンである。燃料供給ライン２は、ガスタービン１の燃焼器（図示省略）に接続された燃料ガス供給用の配管である。天然ガス等の燃料ガスは、燃料供給ライン２を介してガスタービン１の燃焼器へ供給される。なお、図１では図示を省略しているが、ガスタービン１の燃焼器には、圧縮空気を供給するための空気供給ラインも接続されている。
【００１９】
燃料流量制御弁３は、燃料供給ライン２に介挿された自動調節弁であり、ガスタービン制御装置６から入力される燃料流量制御信号ＦＣに応じて開度が制御される。つまり、燃料流量制御弁３の開度制御によって、ガスタービン１に供給される燃料ガスの流量が制御される。サンプリング装置４は、燃料供給ライン２における燃料流量制御弁３の上流側に介挿されており、燃料供給ライン２に流れる燃料ガスの一部を分岐させて（サンプリングして）気体燃料計測装置５へ導くものである。
【００２０】
気体燃料計測装置５は、サンプリング装置４を介して燃料供給ライン２から導入される燃料ガスの性状を計測するものであり、ガスクロマトグラフ５ａ、赤外線分析計５ｂ及び補正演算装置５ｃから構成されている。気体燃料計測装置５内に導入された燃料ガスは、ガスクロマトグラフ５ａと赤外線分析計５ｂとのそれぞれに分配される。
【００２１】
ガスクロマトグラフ５ａは、燃料ガスの低位発熱量ＬＨＶ、空気に対する比重ＳＧ及び二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を計測し、一定周期で各計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ、ＣＯ２_ｇｃを補正演算装置５ｃへ出力する。前述のように、ガスクロマトグラフ５ａは、カラムを通して被計測ガス（燃料ガス）に含まれる各成分を分離した上で各成分の計量を行うという原理上、高精度ではあるが、燃料ガスのサンプリングから計測値の出力までに５分から１０分程度の時間を要するという特徴がある。つまり、ガスクロマトグラフ５ａは、５分ないし１０分周期で各計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ、ＣＯ２_ｇｃを出力する。
【００２２】
赤外線分析計５ｂは、非分散型赤外吸収法（ＮＤ−ＩＲ法）を利用したガス分析計であり、燃料ガスの二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を計測し、ガスクロマトグラフ５ａよりも短い周期で計測値ＣＯ２_ｉｒを補正演算装置５ｃへ出力する。この赤外線分析計５ｂは、その計測原理上、ガスクロマトグラフ５ａより精度の点で劣るが、ガスクロマトグラフ５ａと比較してほぼ連続的と看做せるような極めて短い周期（数秒オーダー）で計測値ＣＯ２_ｉｒを出力できるという特徴がある。
【００２３】
補正演算装置５ｃは、例えばメモリやＣＰＵ(Central Processing Unit)コア、入出力インターフェース等が一体的に組み込まれたマイクロコンピュータであり、ガスクロマトグラフ５ａから得られたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃと、同時期に赤外線分析計５ｂから得られたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒとに基づいて、同時期にガスクロマトグラフ５ａから得られた低位発熱量ＬＨＶ及び比重ＳＧの計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃを補正し、その補正後の計測値ＬＨＶ_ｃ、ＳＧ_ｃをガスタービン制御装置６へ出力する。
【００２４】
ガスタービン制御装置６は、気体燃料計測装置５（補正演算装置５ｃ）から得られる燃料ガスの低位発熱量ＬＨＶ及び比重ＳＧの計測値ＬＨＶ_ｃ、ＳＧ_ｃに基づいてウォッベ指数ＷＩを算出し、このウォッベ指数ＷＩに基づいて燃料流量制御弁３の開度を制御する（燃料ガス流量を制御する）ための燃料流量制御信号ＦＣを燃料流量制御弁３へ出力する。また、このガスタービン制御装置６は、ガスタービン１の空気供給ラインに介挿された空気流量制御弁（図示省略）の開度を制御する（空気流量を制御する）ための空気流量制御信号ＡＣを空気流量制御弁に出力する。
【００２５】
続いて、上記のように構成されたガスタービン制御システムＡの動作、つまり気体燃料計測装置５による燃料ガス性状の計測動作及びガスタービン制御装置６によるガスタービン１の燃焼制御動作（燃料流量制御）について詳細に説明する。
【００２６】
＜燃料ガス性状の計測原理＞
始めに、気体燃料計測装置５による燃料ガス性状の計測動作についての理解を容易にするために、本実施形態における燃料ガス性状の計測原理について説明する。
図２（ａ）に示すように、ガスクロマトグラフ５ａは、５分ないし１０分周期で燃料ガス性状（低位発熱量ＬＨＶ及び比重ＳＧ等）の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃを出力する。このようなガスクロマトグラフ５ａから５分ないし１０分周期で得られる個々の計測値は十分に精度の高いもの（真値に極めて近いもの）であるが、燃料ガス性状が短期的に変動すると、その性状変動に計測値が追従しきれずに最大２ステップ分（２周期分）の時間遅れ（応答遅れ）による誤差が発生する。
【００２７】
本願発明者は、ある地域から産出される天然ガスについて、ガスクロマトグラフを用いて計測された一定期間分の性状データを検証したところ、天然ガスに含まれる不活性成分の内、特に二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度が大きく且つ濃度変動が大きい場合に、ウォッベ指数ＷＩの算出に必要な低位発熱量ＬＨＶ及び比重ＳＧが大きく変動することを見出した。
【００２８】
そこで、本願発明者は、上記一定期間分の天然ガスの性状データを使用して、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの関係、及びＣＯ２濃度と比重ＳＧとの関係を調査したところ、図３（ａ）に示すように、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとが明確な相関関係にあることを見出し、図３（ｂ）に示すように、ＣＯ２濃度と比重ＳＧとが低位発熱量ＬＨＶほどではないが、ある程度の相関関係にあることを見出した。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係は、指数関数によって高精度に近似できることがわかる（全てのデータが近似関数曲線から±１％以内の範囲に収まっている）。これは、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係を予め求めておけば、燃料ガスのＣＯ２濃度計測値から低位発熱量ＬＨＶを推定可能であることを意味している。以下では、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係を表す近似関数（指数関数）を下記（１）式で定義する。なお、下記（１）式において、Ａ、Ｂは定数、ｅは自然対数の底である。
【００３０】
【数１】
0005810597.tif 000002
【００３１】
また、図３（ｂ）に示すように、ＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係は、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係に比べてやや相関が低く、ほぼ平行な２つのデータ系列が存在するように見えるが、相関の高い一方のデータ系列は指数関数によって他方のデータ系列と比べて精度良く近似できることがわかる。これは、ＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係を予め求めておけば、燃料ガスのＣＯ２濃度計測値から比重ＳＧを推定可能であることを意味している。以下では、ＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係を表す近似関数（指数関数）を下記（２）式で定義する。なお、下記（２）式において、Ｃ、Ｄは定数、ｅは自然対数の底である。
【００３２】
【数２】
0005810597.tif 000003
【００３３】
ここで、ＣＯ２濃度の計測手法が問題となるが、ガスクロマトグラフ５ａから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃは、他の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃと同様に最大２ステップ分の時間遅れによる誤差を含んでいる。これに対し、赤外線分析計５ｂは、ガスクロマトグラフ５ａより精度の点で劣るが、ガスクロマトグラフ５ａと比較してほぼ連続的と看做せるような極めて短い周期でＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒを出力できるため、時間遅れによる誤差を無視できる（図２（ｂ）参照）。
【００３４】
つまり、ガスクロマトグラフ５ａから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃは、最大２ステップ分過去の値であって現在値ではないが、赤外線分析計５ｂから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒは現在値と看做せることができるため、同時期に得られたＣＯ２_ｇｃとＣＯ２_ｉｒとの差分がなくなるように（言い換えれば、ＣＯ２_ｇｃがＣＯ２_ｉｒに一致するように）補正を行うことにより、時間遅れによる誤差が抑制された高精度な低位発熱量ＬＨＶと比重ＳＧの計測値を得ることができる。
【００３５】
具体的には、ガスクロマトグラフ５ａから得られる低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｇｃに含まれる時間遅れ誤差を補正するための発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２は、同時期にガスクロマトグラフ５ａ及び赤外線分析計５ｂから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ、ＣＯ２_ｉｒと上記（１）式とに基づいて導出された下記（３）式によって算出することができる。
【００３６】
【数３】
0005810597.tif 000004
【００３７】
また、ガスクロマトグラフ５ａから得られる比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃに含まれる時間遅れ誤差を補正するための比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２は、同時期にガスクロマトグラフ５ａ及び赤外線分析計５ｂから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ、ＣＯ２_ｉｒと上記（２）式とに基づいて導出された下記（４）式によって算出することができる。
【００３８】
【数４】
0005810597.tif 000005
【００３９】
従って、最終的に、時間遅れによる誤差を含まない低位発熱量ＬＨＶと比重ＳＧの計測値（補正後の計測値ＬＨＶ_ｃ、ＳＧ_ｃ）は、下記（５）式及び（６）式で表される。
【００４０】
【数５】
0005810597.tif 000006
【００４１】
このように、予めガスクロマトグラフを用いて、燃料ガスのＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係及びＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係を求めておくと共に、これらの相関関係を表す近似関数を基に発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２と比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２の演算式を作成しておき、同時期にガスクロマトグラフ５ａ及び赤外線分析計５ｂから得られたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ、ＣＯ２_ｉｒを上記演算式に代入することにより、同時期にガスクロマトグラフ５ａから得られた低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｇｃと比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃに含まれる時間遅れ誤差を補正することができる。
【００４２】
なお、本願発明者の試算では、補正前の計測値ＬＨＶ_ｇｃと計測値ＳＧ_ｇｃとを用いて算出したウォッベ指数ＷＩ（＝ＬＨＶ_ｇｃ／√ＳＧ_ｇｃ）は、時間遅れによる１％以上の大きな誤差が発生していたが、補正後の計測値ＬＨＶ_ｃと計測値ＳＧ_ｃとを用いて算出したウォッベ指数ＷＩ（＝ＬＨＶ_ｃ／√ＳＧ_ｃ）は、時間遅れによる誤差が０．６％以下に抑えられていることが確認された。
【００４３】
つまり、本実施形態における燃料ガス性状の計測原理によれば、ガスクロマトグラフ５ａの欠点（高精度ではあるが燃料ガス性状が短期的に変動した場合、時間遅れによる誤差が発生する）を大幅に改善でき、時間遅れ誤差が抑制された高精度な（現在値に近い）低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃと比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃを得ることができる。
【００４４】
＜気体燃料計測装置５による燃料ガス性状の計測動作＞
続いて、上述した燃料ガス性状の計測原理を前提として、本実施形態の気体燃料計測装置５による燃料ガス性状の計測動作について説明する。
なお、ガスタービン１の運転中（燃料ガスの供給中）において、赤外線分析計５ｂからは、ほぼ連続的に燃料ガスのＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒが出力されるが（図２（ｂ）参照）、ガスクロマトグラフ５ａからは、５分ないし１０分周期で燃料ガスの低位発熱量ＬＨＶ、比重ＳＧ及びＣＯ２濃度の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃが出力され、今回ステップでの計測値が確定するまでは前回ステップの計測値が５分ないし１０分間継続して出力される（図２（ａ）（ｂ）参照）。
【００４５】
気体燃料計測装置５の補正演算装置５ｃは、ガスクロマトグラフ５ａから出力される低位発熱量ＬＨＶ、比重ＳＧ及びＣＯ２濃度の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃと、赤外線分析計５ｂから出力されるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒとを一定のサンプリング周期でサンプリングする。このサンプリング周期は、ガスクロマトグラフ５ａの計測周期（５分ないし１０分）より短く、赤外線分析計５ｂの計測周期（数秒オーダー）より十分長く設定されている。
【００４６】
従って、補正演算装置５ｃが、サンプリングタイミング毎にガスクロマトグラフ５ａから取得した（サンプリングした）計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃは、最大２ステップ分過去の値であるが、赤外線分析計５ｂから取得した計測値ＣＯ２_ｉｒは現在値と看做すことができる。
【００４７】
補正演算装置５ｃは、内部メモリに上記（３）式及び（４）式を予め記憶しており、上記のように同時期にサンプリングした各計測値の内、ＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ及びＣＯ２_ｉｒを上記（３）式及び（４）式に代入することにより、発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２及び比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２を算出する。
【００４８】
また、補正演算装置５ｃは、内部メモリに上記（５）式及び（６）式を予め記憶しており、上記（５）式に基づいて、同時期にサンプリングした各計測値の内、低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｇｃに発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２を乗算することにより、時間遅れ誤差が補正された計測値ＬＨＶ_ｃを算出すると共に、上記（６）式に基づいて、比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃに比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２を乗算することにより、時間遅れ誤差が補正された計測値ＳＧ_ｃを算出する。
【００４９】
補正演算装置５ｃは、上記の処理で得られた、時間遅れ誤差が補正されて現在値（真値）に極めて近い高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃをガスタービン制御装置６へ出力する。このように、補正演算装置５ｃからガスタービン制御装置６へ一定のサンプリング周期で高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃが出力されることになる。
【００５０】
＜ガスタービン制御装置６によるガスタービン１の燃焼制御動作＞
続いて、ガスタービン制御装置６によるガスタービン１の燃焼制御動作（燃料流量制御）について説明する。
なお、上記のように、ガスタービン制御装置６には、気体燃料計測装置５（補正演算装置５ｃ）から一定周期で高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃが入力されることになる。
【００５１】
一般的に、ガスタービン１の燃焼器への入熱量Ｈ（ＭＪ／ｈｒ）は、低位発熱量ＬＨＶ（ＭＪ／Ｎｍ３）と燃料流量Ｑｆ（Ｎｍ３／ｈ）を用いて、下記（７）式で表される。
【００５２】
【数６】
0005810597.tif 000007
【００５３】
また、燃料流量Ｑｆは、オリフィス（流量計、燃料流量制御弁３、燃料ノズルに相当）に対して、下記（８）式で表される。なお、下記（８）式において、Ｃは流量係数、Ａはオリフィス面積（ｍ３）、ΔＰはオリフィス前後差圧（Ｐa）、ρｆは燃料密度（ｋｇ／ｍ３）、ρanは標準状態の空気密度（ｋｇ／Ｎｍ３）、ＳＧは燃料比重（空気＝１．０）、Ｔnは標準状態の温度（Ｋ）、Ｔfは燃料ガス温度（Ｋ）、Ｐnは標準状態の圧力（Ｐa）、Ｐfは燃料ガス圧力（Ｐa）である。
【００５４】
【数７】
0005810597.tif 000008
【００５５】
従って、流量係数Ｃ、オリフィス面積Ａ、オリフィス前後差圧ΔＰ、燃料ガス温度Ｔf及び燃料ガス圧力Ｐfの計測値が得られており、さらに、下記（９）式からウォッベ指数ＷＩを知ることで、ガスタービン１の燃焼器への入熱量Ｈが決定できる。或いは、目標とする入熱量が決まっており、且つ燃料流量制御弁３の流量係数、オリフィス面積の開度特性が既知であれば、燃料流量制御弁３の開度を決定することができる。
【００５６】
【数８】
0005810597.tif 000009
【００５７】
つまり、ガスタービン制御装置６は、気体燃料計測装置５から一定周期で得られる低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃを用いて、上記（９）式からウォッベ指数ＷＩを算出し、上記制御原理に基づいてウォッベ指数ＷＩから燃料流量制御弁３の開度を決定し、この決定した開度、つまり燃料ガス流量となるように燃料流量制御弁３を制御する（燃料流量制御信号ＦＣを出力する）。なお、この時、ガスタービン制御装置６は、ガスタービン１の燃焼器へ供給される空気流量が一定となるように不図示の空気流量制御弁を制御する（空気流量制御信号ＡＣを出力する）。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、気体燃料計測装置５から時間遅れ誤差が抑制された高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃを得ることができる。ここで、時間遅れ誤差の補正に使用される赤外線分析計５ｂは、比較的安価な計器であるので、本実施形態によれば、コストの増加を抑えつつ、高精度な気体燃料性状の計測を実現することができる。
また、本実施形態によれば、前述の気体燃料計測装置５から得られる高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃを基にウォッベ指数ＷＩを算出し、このウォッベ指数ＷＩに基づいて燃料流量制御弁３の開度を制御する（燃料流量を制御する）ので、高精度なガスタービン１の燃焼制御を実現することができる。
【００５９】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
燃料ガスのＣＯ２濃度が減少すると、通常ならば比重ＳＧが低下するが、Ｃ２やＣ３のような他の成分濃度が急増すると、逆に比重ＳＧが上昇することがある。このような燃料ガスの性状変動が発生した場合、補正前の計測値ＳＧ_ｇｃよりも補正後の計測値ＳＧ_ｃの方が誤差が大きくなる可能性がある。第２実施形態は、このような燃料ガスの性状変動にも対応可能なものである。
【００６０】
図４は、第２実施形態に係るガスタービン制御システムＢの概略構成を示すブロック図である。この図４に示すように、ガスタービン制御システムＢは、比重計５ｄを新たに加えた気体燃料計測装置５’を備えている点で第１実施形態のガスタービン制御システムＡと異なっている。ガスタービン制御システムＢにおいて、気体燃料計測装置５’以外の他の構成については第１実施形態と同様であるので、以下での説明を省略する。
【００６１】
サンプリング装置４を介して気体燃料計測装置５’内に導入された燃料ガスは、ガスクロマトグラフ５ａと赤外線分析計５ｂと比重計５ｄとのそれぞれに分配される。この比重計５ｄは、燃料ガスの比重ＳＧを計測し、ガスクロマトグラフ５ａよりも短い周期で計測値ＳＧ_ｇｃを補正演算装置５ｃへ出力するものである。
この比重計５ｄは、赤外線分析計５ｂと同様に、ガスクロマトグラフ５ａより精度の点で劣るが、ガスクロマトグラフ５ａと比較してほぼ連続的と看做せるような極めて短い周期で計測値ＳＧ_ｇｃを出力できるという特徴がある。
なお、ガスクロマトグラフ５ａからは、燃料ガスの低位発熱量ＬＨＶ及びＣＯ２濃度の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＣＯ２_ｇｃのみが出力される。
【００６２】
補正演算装置５ｃは、ガスクロマトグラフ５ａから出力される低位発熱量ＬＨＶ及びＣＯ２濃度の計測値ＬＨＶ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃと、赤外線分析計５ｂから出力されるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒと、比重計５ｄから出力される比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃを一定のサンプリング周期でサンプリングする。
【００６３】
補正演算装置５ｃが、サンプリングタイミング毎にガスクロマトグラフ５ａから取得した（サンプリングした）計測値ＬＨＶ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃは、最大２ステップ分過去の値であるが、赤外線分析計５ｂから取得した計測値ＣＯ２_ｉｒと比重計５ｄから取得した計測値ＳＧ_ｇｃは現在値と看做すことができる。
【００６４】
補正演算装置５ｃは、第１実施形態と同様に、上記のように同時期にサンプリングした各計測値の内、ＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ及びＣＯ２_ｉｒを上記（３）式及び（４）式に代入することにより、発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２及び比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２を算出する。
【００６５】
また、補正演算装置５ｃは、第１実施形態と同様に、上記（５）式に基づいて、同時期にサンプリングした各計測値の内、低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｇｃに発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２を乗算することにより、時間遅れ誤差が補正された計測値ＬＨＶ_ｃを算出すると共に、上記（６）式に基づいて、比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃに比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２を乗算することにより、時間遅れ誤差が補正された計測値ＳＧ_ｃを算出する。
【００６６】
このような第２実施形態において、上記（６）式に代入される比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃは、比重計５ｄから得られた時間遅れ誤差の無い現在値に近い値であるので、通常ならば比重ＳＧが低下するところを逆に上昇するような燃料ガスの性状変動が発生した場合でも、補正前の計測値ＳＧ_ｇｃより補正後の計測値ＳＧ_ｃの方が誤差を低く抑えることができる。
【００６７】
以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記第１及び第２実施形態では、ウォッベ指数ＷＩの算出に必要な発熱量として低位発熱量ＬＨＶを計測する場合を例示したが、この低位発熱量ＬＨＶに替えて、高位発熱量ＨＨＶ(Higher Heating Value)を算出し、この高位発熱量ＨＨＶと比重ＳＧとからウォッベ指数ＷＩを算出するようにしても良い。
【００６８】
（２）上記第１及び第２実施形態では、燃料ガスの特定成分濃度（ＣＯ２濃度）を計測する濃度計として、赤外線分析計５ｄを用いる場合を例示したが、連続的と看做せるようなガスクロマトグラフ５ａより短い周期で計測値を出力可能な濃度計であれば、どのような濃度計を用いても良い。また、燃料ガスの特定成分濃度として必ずしもＣＯ２濃度を計測する必要はなく、燃料ガスに含まれる成分の内、低位発熱量ＬＨＶと比重ＳＧの変動に大きく影響する成分の濃度を計測すれば良い。
【００６９】
（３）上記第１及び第２実施形態では、燃料ガスのＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係及びＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係を、指数関数によって近似する場合を例示したが、これらの相関関係を他の関数によって近似しても良い。また、これらの相関関係を表すテーブルデータを用意しておき（補正演算装置５ｃの内部メモリに記憶しておき）、このテーブルデータを近似関数の替わりに用いても良い。
【００７０】
（４）上記第１及び第２実施形態において、赤外線分析計５ｄのドリフトが想定される場合（真値に対するＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒの誤差が大きい場合）には、図５に示すように、赤外線分析計５ｄからガスクロマトグラフ５ａと同じサンプリングタイミングでサンプリングしたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒを保持しておき、数サンプリング後に、赤外線分析計５ｄからサンプリングしたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒと、保持しておいた計測値ＣＯ２_ｉｒとの差分をＺ_ＬＨＶ_ｃｏ２及び比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２の算出に用いても良い。
【符号の説明】
【００７１】
Ａ、Ｂ…ガスタービン制御システム、１…ガスタービン、２…燃料供給ライン、３…燃料流量制御弁、４…サンプリング装置、５、５’…気体燃料計測装置、６…ガスタービン制御装置、５ａ…ガスクロマトグラフ、５ｂ…赤外線分析計、５ｃ…補正演算装置、５ｄ…比重計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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