(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御装置であって、
前記第１流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される前記第１作動流体の指令値に基づく前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力する調整制御手段を備えるタービン冷却制御装置。
【請求項２】
前記第１作動流体は、燃料ガスとする請求項１に記載のタービン冷却制御装置。
【請求項３】
前記調整制御手段は、
前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて推定される熱交換量に基づいて、前記第１作動流体の温度が目標温度に到達するような前記第１流量調整弁の弁開度指令値を決定する第１制御手段と、
前記第１熱交換器の下流側から計測される前記第１作動流体の温度を前記目標温度に近づけるよう制御する第２制御手段と、
を備える請求項１または請求項２に記載のタービン冷却制御装置。
【請求項４】
前記第１制御手段は、前記冷却空気の流通する前記第１熱交換器の出力側に設けられる熱電対から計測される熱交換後の前記冷却空気の温度と、前記第１流量調整弁の上流側の前記第１作動流体の流量とに基づいて、前記第１熱交換器における熱交換量を推定し、前記目標温度に到達するような前記第１作動流体の流量が得られる弁開度指令値を決定する請求項３に記載のタービン冷却制御装置。
【請求項５】
前記第１制御手段は、１次遅れ要素を含む制御モデルに基づいて前記第１作動流体の流量を決定する請求項３または請求項４に記載のタービン冷却制御装置。
【請求項６】
前記第１制御手段は、前記第１熱交換器の上流側に流れる前記第１作動流体の流量と、前記第１作動流体のカロリに対する補正係数とから前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を決定できる２変数関数を含む制御モデルを備える請求項３から請求項５のいずれかに記載のタービン冷却制御装置。
【請求項７】
圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、燃焼器に流入させる燃料ガスと該燃料ガスよりも高温の前記排熱回収ボイラの給水系統の第２作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第２熱交換器と、該第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御装置であって、
前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力し、前記第２流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値に基づく前記燃料ガスの流量に基づいて、前記第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量と、前記第２熱交換器に流入させずに前記第２熱交換器の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路に流通させる前記燃料ガスの流量との第２比率を決定し、該第２比率に基づいて決定される前記第２流量調整弁の第２指令値を出力する調整制御手段を備えるタービン冷却制御装置。
【請求項８】
圧縮機と、
前記圧縮機から出力された圧縮空気と燃料流路からの燃料ガスとが供給される燃焼器と、
前記燃焼器で発生する燃焼排ガスによって回転させられるタービンと、
前記圧縮機から排出され前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、
該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、
前記第１流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される前記第１作動流体の指令値に基づく前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力する調整制御手段と
を備えるガスタービンプラント。
【請求項９】
圧縮機と、
前記圧縮機から出力された圧縮空気と燃料流路からの燃料ガスとが供給される燃焼器と、
前記燃焼器で発生する燃焼排ガスによって回転させられるタービンと、
前記圧縮機から排出され、前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、
該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、
前記燃焼器に流入させる前記燃料ガスと該燃料ガスよりも高温の前記排熱回収ボイラの給水系統の第２作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第２熱交換器と、
該第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、
前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力し、前記第２流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値に基づく前記燃料ガスの流量に基づいて、前記第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量と、前記第２熱交換器に流入させずに前記第２熱交換器の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路に流通させる前記燃料ガスの流量との第２比率を決定し、該第２比率に基づいて決定される前記第２流量調整弁の第２指令値を出力する調整制御手段と
を備えるガスタービンプラント。
【請求項１０】
前記第１流量調整弁は、三方弁を使用する請求項８または請求項９に記載のガスタービンプラント。
【請求項１１】
前記第１流量調整弁は、前記第１バイパス経路にバルブを設ける請求項８または請求項９に記載のガスタービンプラント。
【請求項１２】
前記第２流量調整弁は、三方弁を使用する請求項９に記載のガスタービンプラント。
【請求項１３】
前記第２流量調整弁は、前記第２バイパス経路にバルブを設ける請求項９に記載のガスタービンプラント。
【請求項１４】
圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御方法であって、
前記第１流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される前記第１作動流体の指令値に基づく前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力する調整制御ステップを有するタービン冷却制御方法。
【請求項１５】
圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御プログラムであって、
前記第１流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される前記第１作動流体の指令値に基づく前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の指令値を出力する調整制御処理をコンピュータに実行させるためのタービン冷却制御プログラム。
【請求項１６】
圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、燃焼器に流入させる燃料ガスと該燃料ガスよりも高温の第２作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第２熱交換器と、該第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御方法であって、
前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力し、
前記第２流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値に基づく前記燃料ガスの流量に基づいて、前記第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量と、前記第２熱交換器に流入させずに前記第２熱交換器の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路に流通させる前記燃料ガスの流量との第２比率を決定し、該第２比率に基づいて決定される前記第２流量調整弁の第２指令値を出力する調整制御ステップを有するタービン冷却制御方法。
【請求項１７】
圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、燃焼器に流入させる燃料ガスと該燃料ガスよりも高温の第２作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第２熱交換器と、該第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御プログラムであって、
前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力し、
前記第２流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値に基づく前記燃料ガスの流量に基づいて、前記第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量と、前記第２熱交換器に流入させずに前記第２熱交換器の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路に流通させる前記燃料ガスの流量との第２比率を決定し、該第２比率に基づいて決定される前記第２流量調整弁の第２指令値を出力する調整制御処理をコンピュータに実行させるためのタービン冷却制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン冷却制御装置及び方法並びにプログラム、それを用いたガスタービンプラントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は、下記特許文献１に記載されている従来のガスタービンコンバインドプラントの構成を示している。図６に示すようなガスタービンコンバインドプラントにおいては、空気Ａ’を空気圧縮機１０１で圧縮して燃焼器１０２に送り、この燃焼器１０２内に供給された燃料ガスを燃焼させ、生じた高温高圧ガスをタービン１０３中で膨張させることにより発電機１０７の動力を生み出している。また、このタービン１０３の排気ガスを排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：Ｈｅａｔ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｓｔｅａｍ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１５５に送り、排熱回収ボイラ１５５にて発生させた蒸気により蒸気タービン１５６を駆動させて発電機１０７の動力を生み出すようになっている。そして、蒸気タービン１５６から排出された蒸気は、復水器１５８の熱交換部に導かれると熱交換部において海水等の冷却水で冷却されて凝縮され、復水として排熱回収ボイラ１５５への給水系統に導かれている。
【０００３】
従来、図６に示すようなガスタービンコンバインドプラントにおいては、ガスタービンのロータ冷却空気を冷やす方法として、空気冷却器にて大気温度により冷却すると冷却後の温度まで熱を系外にそのまま放出することになり、損失を招くことが知られている。
こうした損失に対処するため、例えば、特許文献１では、ＴＣＡ（ガスタービン冷却空気冷却器）とＦＧＨ（燃料ガス加熱器）を、ボトミングサイクル（排熱回収ボイラ及び蒸気タービンのサイクル）Ｂの排熱回収ボイラと組み合わせ、系外に排出していたＴＣＡの排熱を排熱回収ボイラの蒸気発生に寄与させるとともに、排熱回収ボイラの加熱された給水を利用して燃料ガスを加熱し、ガスタービン入口の燃料ガス温度を上昇させることにより高効率化を図る技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１１７４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の方法では、ロータ冷却空気を冷却する、排熱回収ボイラから供給される冷却媒体の流量と、燃料ガスを加熱する、排熱回収ボイラから供給される加熱媒体の流量とが調整されておらず、ロータ冷却空気の温度調整、及び燃料ガスの温度調整ができないという問題があった。
【０００６】
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、タービン側への冷却空気及び燃料ガスの温度調整を行うことのできるタービン冷却制御装置及び方法並びにプログラム、それを用いたガスタービンプラント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】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御装置であって、前記第１流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される前記第１作動流体の指令値に基づく前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力する調整制御手段を備えるタービン冷却制御装置を提供する。
【０００８】
このような構成によれば、冷却空気と、第１流量調整弁によって流量調整されて流入される冷却空気よりも低温の第１作動流体とが第１熱交換器において熱交換されるタービンに適用されるタービンの冷却を制御できるタービン冷却制御装置において、第１流量調整弁の上流側の第１作動流体の流量に基づいて、第１熱交換器に流入させる第１作動流体の流量と、第１熱交換器に流入させずに第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１作動流体の流量との第１比率が決定され、この第１比率に基づいて決定される第１流量調整弁の第１指令値が出力される。このように、第１流量調整弁が調節されることにより、第１熱交換器における冷却空気と冷却空気よりも低温の第１作動流体との熱交換量が制御されるので、冷却空気の冷却を行いつつ、第１作動流体の温度の制御ができる。また、冷却空気の温度、第１作動流体の温度、及び冷却空気の流量が略一定である場合には、第１熱交換器における熱交換量は第１作動流体の流量に応じて推定できるので、第１流量調整弁の第１比率が調整されることにより、第１作動流体の流量が調整され、簡便に熱交換量を調整できる。
【０００９】
上記タービン冷却制御装置において、前記第１作動流体は、燃料ガスとすることとしてもよい。
冷却空気と熱交換させる燃料ガスの流量が調整されることにより、燃料ガスの温度が制御でき、所望の燃焼状態が得られるようになる。また、冷却空気と燃料ガスとを熱交換することにより、冷却空気の冷却を行いつつ、燃料ガスの温度を上昇させることができるので、効率がよい。
【００１０】
上記タービン冷却制御装置において、前記調整制御手段は、前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて推定される熱交換量に基づいて、前記第１作動流体の温度が目標温度に到達するような前記第１流量調整弁の弁開度指令値を決定する第１制御手段と、前記第１熱交換器の下流側から計測される前記第１作動流体の温度を前記目標温度に近づけるよう制御する第２制御手段と、を備えることとしてもよい。
【００１１】
熱交換後の第１作動流体を目標温度に近づくようにフィードバック制御することに加え（第２制御手段）、第１流量調整弁の上流側に流れる第１作動流体の流量に基づいて推定される熱交換量に基づいて、第１熱交換器に流入させる第１作動流体の流量を調整し、目標温度に到達するようにフィードフォワード制御する（第１制御手段）。このようにフィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせることにより、応答が速く、かつ、第１作動流体の温度を目標温度に近づけることができる。
【００１２】
上記タービン冷却制御装置において、前記第１制御手段は、前記冷却空気の流通する前記第１熱交換器の出力側に設けられる熱電対から計測される熱交換後の前記冷却空気の温度と、前記第１流量調整弁の上流側の前記第１作動流体の流量とに基づいて、前記第１熱交換器における熱交換量を推定し、前記目標温度に到達するような前記第１作動流体の流量が得られる弁開度指令値を決定することが好ましい。
【００１３】
熱交換後の冷却空気の温度の情報を考慮することにより、第１熱交換器における熱交換量を正確に推定することができ、所望の燃焼状態を得られる第１作動流体の流量を正確に決定することができる。
【００１４】
上記タービン冷却制御装置において、前記第１制御手段は、１次遅れ要素を含む制御モデルに基づいて前記第１作動流体の流量を決定することが好ましい。
１次遅れ要素を含む制御モデルを使用することにより、第１作動流体の温度をより目標温度に追従させることができる。
【００１５】
上記タービン冷却制御装置において、前記第１制御手段は、前記第１熱交換器の上流側に流れる前記第１作動流体の流量と、前記第１作動流体のカロリに対する補正係数とから前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を決定できる２変数関数を含む制御モデルを備えることとしてもよい。
このようにガスカロリ量に対する補正係数を備えることにより、カロリ変化に速やかに追従させることができる。
【００１６】
本発明は、圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、燃焼器に流入させる燃料ガスと該燃料ガスよりも高温の前記排熱回収ボイラの給水系統の第２作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第２熱交換器と、該第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御装置であって、前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力し、前記第２流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値に基づく前記燃料ガスの流量に基づいて、前記第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量と、前記第２熱交換器に流入させずに前記第２熱交換器の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路に流通させる前記燃料ガスの流量との第２比率を決定し、該第２比率に基づいて決定される前記第２流量調整弁の第２指令値を出力する調整制御手段を備えるタービン冷却制御装置を提供する。
【００１７】
このような構成によれば、第１熱交換器の上流側に設けられる第１流量調整弁が調整されることによって、排熱回収ボイラの給水系統から調整された流量の第１作動流体が第１熱交換器に流入され、第１熱交換器において冷却空気と排熱回収ボイラの給水系統から供給された第１作動流体とが熱交換され、熱交換後の冷却空気はタービンに供給され、また、第２熱交換器の上流側に設けられる第２流量調整弁が調整されることによって、調整された流量の燃料ガスが第２熱交換器に流入され、第２熱交換器において燃料ガスと排熱回収ボイラの給水系統から供給される第２作動流体とが熱交換されるタービンに適用される前記タービン冷却制御装置において、調整制御手段は、第１流量調整弁の上流側の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体の流量に基づいて、第１熱交換器に流入させる第１作動流体の流量と、第１熱交換器に流入させずに第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１作動流体の流量との第１比率を決定し、この第１比率に基づいて決定される第１流量調整弁の第１指令値を出力する。また、調整制御手段は、第２流量調整弁の上流側の燃料ガスの流量に基づいて、第２熱交換器に流入させる燃料ガスの流量と、第２熱交換器に流入させずに第２熱交換器の出力側にバイパスさせる燃料ガスの流量との第２比率を決定し、この第２比率に基づいて、第２流量調整弁の第２指令値を出力する。
【００１８】
このように、第１流量調整弁により冷却空気と熱交換させる排熱回収ボイラの第１作動流体の流量が調整されることにより、冷却空気の冷却を行いつつ、第１作動流体の温度が調整できる。また、冷却空気の温度、第１作動流体の温度、及び冷却空気の流量が略一定である場合には、第１熱交換器における熱交換量は第１作動流体の流量に応じて推定できるので、第１流量調整弁の第１比率が調整され、第１作動流体の流量が調整されることにより、簡便に熱交換量を調整できる。
さらに、第２流量調整弁により第２作動流体と熱交換させる燃料ガスの流量が調整されることにより、第２作動流体の冷却を行いつつ、燃料ガスの温度が調整できる。また、第２作動流体の温度、燃料ガスの温度、及び第２作動流体の流量が略一定である場合には、第２熱交換器における熱交換量は燃料ガスの流量に応じて推定できるので、第２流量調整弁の第２比率が調整され、燃料ガスの流量が調整されることにより、簡便に熱交換量を調整できる。
【００１９】
本発明は、圧縮機と、前記圧縮機から出力された圧縮空気と燃料流路からの燃料ガスとが供給される燃焼器と、前記燃焼器で発生する燃焼排ガスによって回転させられるタービンと、前記圧縮機から排出され前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、前記第１流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される前記第１作動流体の指令値に基づく前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力する調整制御手段とを備えるガスタービンプラントを提供する。
【００２０】
このような構成によれば、圧縮機から出力された圧縮空気と燃料流路からの燃料ガスとが供給される燃焼器で発生する燃焼排ガスによってタービンが回転され、冷却空気と、第１流量調整弁によって流量調整されて流入される冷却空気よりも低温の第１作動流体とが第１熱交換器において熱交換され、熱交換後の冷却空気がタービンに供給されることでタービン側が冷却される。また、第１流量調整弁の上流側の第１作動流体の流量に基づいて、第１熱交換器に流入させる第１作動流体の流量と、第１熱交換器に流入させずに第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１作動流体の流量との第１比率が決定され、この第１比率に基づいて決定される第１流量調整弁の第１指令値が出力される。
このように、第１流量調整弁が調節されることにより、第１熱交換器における冷却空気と冷却空気よりも低温の第１作動流体との熱交換量が制御されるので、冷却空気の冷却を行いつつ、第１作動流体の温度の制御ができる。また、冷却空気の温度、第１作動流体の温度、及び冷却空気の流量が略一定である場合には、第１熱交換器における熱交換量は第１作動流体の流量に応じて推定できるので、第１流量調整弁の第１比率が調整されることにより、第１作動流体の流量が調整され、熱交換量を調整できる。
【００２１】
本発明は、圧縮機と、前記圧縮機から出力された圧縮空気と燃料流路からの燃料ガスとが供給される燃焼器と、前記燃焼器で発生する燃焼排ガスによって回転させられるタービンと、前記圧縮機から排出され、前記タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、前記燃焼器に流入させる前記燃料ガスと該燃料ガスよりも高温の前記排熱回収ボイラの給水系統の第２作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第２熱交換器と、該第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力し、前記第２流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値に基づく前記燃料ガスの流量に基づいて、前記第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量と、前記第２熱交換器に流入させずに前記第２熱交換器の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路に流通させる前記燃料ガスの流量との第２比率を決定し、該第２比率に基づいて決定される前記第２流量調整弁の第２指令値を出力する調整制御手段とを備えるガスタービンプラントを提供する。
【００２２】
このような構成によれば、圧縮機から出力された圧縮空気と燃料流路からの燃料ガスとが供給される燃焼器で発生する燃焼排ガスによってタービンが回転され、第１熱交換器の上流側に設けられる第１流量調整弁が調整されることによって、排熱回収ボイラの給水系統から調整された流量の、冷却空気より低温である第１作動流体が第１熱交換器に流入され、第１熱交換器において冷却空気と第１作動流体とが熱交換され、熱交換後の冷却空気はタービンに供給されてタービン側が冷却される。また、第２熱交換器の上流側に設けられる第２流量調整弁が調整されることによって、調整された流量の燃料ガスが第２熱交換器に流入され、第２熱交換器において燃料ガスと排熱回収ボイラの給水系統から供給される第２作動流体とが熱交換され、熱交換後の燃料ガスが燃焼器に供給される。さらに、調整制御手段において、第１流量調整弁の上流側の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体の流量に基づいて、第１熱交換器に流入させる第１作動流体の流量と、第１熱交換器に流入させずに第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１作動流体の流量との第１比率が決定され、この第１比率に基づいて決定される第１流量調整弁の第１指令値が出力される。また、第２流量調整弁の上流側の燃料ガスの流量に基づいて、第２熱交換器に流入させる燃料ガスの流量と、第２熱交換器に流入させずに第２熱交換器の出力側にバイパスさせる燃料ガスの流量との第２比率が決定され、この第２比率に基づいて、第２流量調整弁の第２指令値が出力される。
【００２３】
このように、第１流量調整弁により冷却空気と熱交換させる排熱回収ボイラの第１作動流体の流量が調整されることにより、冷却空気の冷却を行いつつ、第１作動流体の温度が調整できる。また、冷却空気の温度、第１作動流体の温度、及び冷却空気の流量が略一定である場合には、第１熱交換器における熱交換量は第１作動流体の流量に応じて推定できるので、第１流量調整弁の第１比率が調整され、第１作動流体の流量が調整されることにより、簡便に熱交換量を調整できる。
さらに、第２流量調整弁により第２作動流体と熱交換させる燃料ガスの流量が調整されることにより、第２作動流体の冷却を行いつつ、燃料ガスの温度が調整できる。また、第２作動流体の温度、燃料ガスの温度、及び第２作動流体の流量が略一定である場合には、第２熱交換器における熱交換量は燃料ガスの流量に応じて推定できるので、第２流量調整弁の第２比率が調整され、燃料ガスの流量が調整されることにより、簡便に熱交換量を調整できる。
【００２４】
上記ガスタービンプラントにおいて、前記第１流量調整弁は、三方弁を使用することとしてもよい。
三方弁を使用することにより、第１熱交換器側または第１バイパス経路側のうち少なくともどちらか一方が開状態となり、少なくともどちらか一方側に第１作動流体を流入させることができるので、第１熱交換器に流入される第１作動流体の流量を調整でき、第１作動流体の温度を制御できる。
【００２５】
上記ガスタービンプラントにおいて、前記第１流量調整弁は、前記第１バイパス経路にバルブを設けることとしてもよい。
バルブの開閉操作により、第１熱交換器側への第１作動流体の流量を調整でき、第１作動流体の温度を制御できる。
【００２６】
上記ガスタービンプラントにおいて、前記第２流量調整弁は、三方弁を使用することとしてもよい。
三方弁を使用することにより、第２熱交換器側または第２バイパス経路側のうち少なくともどちらか一方が開状態となり、少なくともどちらか一方側に燃料ガスを流入させることができるので、第２熱交換器に流入される燃料ガスの流量を調整でき、燃料ガスの温度を制御できる。
【００２７】
上記ガスタービンプラントにおいて、前記第２流量調整弁は、前記第２バイパス経路にバルブを設けることとしてもよい。
バルブの開閉操作により、第２熱交換器側への燃料ガスの流量を調整でき、燃料ガスの温度を制御できる。
【００２８】
本発明は、圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御方法であって、前記第１流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される前記第１作動流体の指令値に基づく前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力する調整制御ステップを有するタービン冷却制御方法を提供する。
【００２９】
本発明は、圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御プログラムであって、前記第１流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される前記第１作動流体の指令値に基づく前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の指令値を出力する調整制御処理をコンピュータに実行させるためのタービン冷却制御プログラムを提供する。
【００３０】
本発明は、圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、燃焼器に流入させる燃料ガスと該燃料ガスよりも高温の第２作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第２熱交換器と、該第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御方法であって、前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力し、前記第２流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値に基づく前記燃料ガスの流量に基づいて、前記第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量と、前記第２熱交換器に流入させずに前記第２熱交換器の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路に流通させる前記燃料ガスの流量との第２比率を決定し、該第２比率に基づいて決定される前記第２流量調整弁の第２指令値を出力する調整制御ステップを有するタービン冷却制御方法を提供する。
【００３１】
本発明は、圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられる冷却空気と該冷却空気よりも低温の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記冷却空気を前記タービンに供給する第１熱交換器と、該第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量を調整する第１流量調整弁と、燃焼器に流入させる燃料ガスと該燃料ガスよりも高温の第２作動流体とを熱交換し、熱交換後の前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第２熱交換器と、該第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量を調整する第２流量調整弁と、を備えるガスタービンプラントに適用され、前記タービンの冷却を制御できるタービン冷却制御プログラムであって、前記第１流量調整弁の上流側に流れる前記第１作動流体の流量に基づいて、前記第１熱交換器に流入させる前記第１作動流体の流量と、前記第１熱交換器に流入させずに前記第１熱交換器の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記第１作動流体の流量との第１比率を決定し、該第１比率に基づいて決定される前記第１流量調整弁の第１指令値を出力し、前記第２流量調整弁の上流側における、軸出力の計測値に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値に基づく前記燃料ガスの流量に基づいて、前記第２熱交換器に流入させる前記燃料ガスの流量と、前記第２熱交換器に流入させずに前記第２熱交換器の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路に流通させる前記燃料ガスの流量との第２比率を決定し、該第２比率に基づいて決定される前記第２流量調整弁の第２指令値を出力する調整制御処理をコンピュータに実行させるためのタービン冷却制御プログラムを提供する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、ガスタービンプラントのタービン側への冷却空気及び燃料ガスの温度制御ができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成の一例を示した図である。
【図２】調整制御部の制御モデルを示した図である。
【図３】調整制御部の他の制御モデルを示した図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成の一例を示した図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成の一例を示した図である。
【図６】従来のガスタービンプラントの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明に係るタービン冷却制御装置及び方法並びにプログラム、それを用いたガスタービンプラントの一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３５】
〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態に係るガスタービンプラント２０の概略構成を示したブロック図である。本実施形態においては、ロータ冷却空気（冷却空気）の温度、第１作動流体の温度、及びロータ冷却空気の流量が略一定である場合を想定して説明することとするが、これに限定されない。また、本実施形態においては、冷却空気をロータ冷却空気であることして説明するが、これに限定されない。
図１に示されるように、本実施形態に係るガスタービンプラント２０は、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、第１流量調整弁４、第１熱交換器５、第１温度計６ａ、第２温度計６ｂ、発電機７、燃料流量制御弁８、車室９、及びタービン冷却制御装置１００を備えている。
【００３６】
圧縮機１の下流側は２つの経路に分岐されており、それぞれの経路には燃焼器２または第１熱交換器５が備えられている。燃焼器２の下流側にはタービン３が備えられている。このタービン３は、内部で高温高圧ガスを膨張させることにより駆動され、発電機７を回して発電するように構成されている。
第１熱交換器５は、圧縮機１及びタービン３の回転軸１３にそれぞれ接続されており、圧縮機１から供給されるロータ冷却空気を流通させる。また、第１熱交換器５は、燃料ガス配管１４と接続され、出力側は燃焼器２と接続されており、燃料ガス（第１作動流体）を流通させる。なお、本実施形態においては、第１作動流体を燃料ガスであることとして説明するが、これに限定されない。
【００３７】
圧縮機１は、吸入した空気を圧縮し、車室９を介して燃焼器２に供給する。圧縮機１は、タービン３とともに回転軸１３に設けられ、タービン３により回転駆動される。燃焼器２は、車室９を介して圧縮機１から供給された圧縮空気と燃料ガスとを混合させ、高温の燃焼排ガスを生成し、タービン３に供給する。
【００３８】
タービン３は、燃焼器２から供給された燃焼排ガスから回転駆動力を取り出し、駆動力を出力する。出力された回転駆動力は、同軸上に接続されている発電機７に伝達され、発電機７を発電させたり、タービン３と同軸に接続されている圧縮機１に伝達され、圧縮機１を駆動させる。
燃料ガス配管１４は、燃料ガスが流通される配管である。燃料ガス配管１４は、第１熱交換器５が接続され、第１熱交換器５の上流側に第１流量調整弁４を備えており、さらに第１流量調整弁４の上流側に燃料流量制御弁８が備えられている。
【００３９】
第１流量調整弁４は、第１熱交換器５に流入させる燃料ガスの流量を調整する。具体的には、第１流量調整弁４は、第１熱交換器５に流入させる燃料ガスの流量と、第１熱交換器５に流入させずに第１バイパス経路１５を介して燃焼器２に流入させる燃料ガスの流量との比率である第１比率に応じて決定される第１指令値を調整制御部１０から取得し、この第１指令値に基づいて、弁開度を調整させる。本実施形態においては、第１流量調整弁４は、燃料ガス配管１４に設けられる三方弁とすることとするが、これに限定されない。例えば、第１流量調整弁４は、第１バイパス経路１５にバルブを設け、バルブの調整により第１熱交換器５に流入させる燃料ガスの流量を調整することとしてもよい。
【００４０】
第１熱交換器５は、圧縮機から排出され、タービン側の冷却に用いられるロータ冷却空気とこのロータ冷却空気よりも低温の燃料ガスとを熱交換し、熱交換後のロータ冷却空気をタービン３に供給する。
第１温度計（熱電対）６ａは、ロータ冷却空気が流通する第１熱交換器５の出力側の経路上に設けられ、熱交換後のロータ冷却空気の温度を計測する。
第２温度計（熱電対）６ｂは、燃料ガスが流通する第１熱交換器５の出力側に設けられ、熱交換後の燃料ガス及び熱交換せずに第１バイパス経路１５を流通した燃料ガスを合わせた（合流後の）燃料ガスの温度を計測する。
燃料流量制御弁８は、軸出力の計測値（例えば、タービン３の回転数の変化、負荷変動等）に基づいて決定される燃料流量の指令値である全燃料流量指令値（ＣＳＯ；Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｏｕｔｐｕｔ。以下「ＣＳＯ」と示す。）に基づいて制御される。
【００４１】
タービン冷却制御装置１００は、調整制御部（調整制御手段）１０を備えている。
調整制御部１０は、第１流量調整弁４を制御する第１指令値を算出し、第１指令値に基づいて第１流量調整弁４を制御する。具体的には、調整制御部１０は、第１流量調整弁４の上流側の燃料ガスの流量に基づいて、第１熱交換器５に流入させる燃料ガスの流量と、第１熱交換器５に流入させずに第１熱交換器５の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路１５に流通させる燃料ガスの流量との比率である第１比率を決定し、第１比率に基づいて決定される第１流量調整弁４の第１指令値を出力する。より具体的には、図１に示されるように、調整制御部１０は、第１制御部（第１制御手段）３０、第２制御部（第２制御手段）４０を備えて構成されている。
【００４２】
図２は、調整制御部１０の制御モデルを示す図である。図２に示されるように、調整制御部１０は、第１制御部３０、第２制御部４０、及び加算器４３を備えている。
第１制御部３０は、第１流量調整弁４の上流側に流れる燃料ガスの流量に基づいて推定される熱交換量に基づいて、燃料ガスの温度が目標温度に到達するような第１流量調整弁４の弁開度指令値を決定する。
【００４３】
より具体的には、第１制御部３０は、流量情報取得部３１及び熱交換器モデル３２を備えている。流量情報取得部３１は、取得したＣＳＯの情報に対して燃料ガス配管１４に流通する燃料ガス流量を推定する関数（例えば、燃料ガス流量が、ＣＳＯに基づく燃料流量制御弁８の弁開度指令値に比例する関数）を備えており、この関数に基づいて推定される燃料ガスの流量情報を、熱交換器モデル３２に出力する。
【００４４】
熱交換器モデル３２は、ロータ冷却空気の流通する第１熱交換器５の出力側に設けられる第１温度計６ａから計測される熱交換後のロータ冷却空気の温度と、第１流量調整弁４の上流側の燃料ガス（ＣＳＯに基づいて制御された燃料流量制御弁８を介して流通する燃料ガス）の流量とに基づいて、第１熱交換器５における熱交換量を推定し、この熱交換量に基づいて目標温度を達成する第１流量調整弁４の弁開度指令値を決定し、弁開度指令値を加算器４３に出力する。
【００４５】
このように、第１制御部３０は、ＣＳＯによる燃料ガスの流量情報に基づいて先行的に第１流量調整弁４を制御（フィードフォワード制御）する弁開度指令値を出力する。また、図３に示されるように、第１制御部３０は、熱交換器モデルに熱伝達の遅れ要素として１次遅れ要素を含ませることとしてもよい。これにより、燃料ガス温度を目標温度に追従させることができ、フィードフォワード制御の性能を向上させることができる。
【００４６】
第２制御部４０は、第１熱交換器５の下流側の第２温度計６ｂから計測される燃料ガスの温度を目標温度に近づけるよう制御する。具体的には、第２制御部４０は、減算器４１及びＰＩ制御器４２を備えている。減算器４１は、燃料ガスの目標温度と、第１温度計６ａから計測された燃料ガスの計測温度との差を算出し、ＰＩ制御器４２に出力する。ＰＩ制御器４２は、減算器４１から取得した差の情報に基づいて、燃料ガスの温度が目標温度に追従するように比例積分（ＰＩ）演算によって制御量を算出し、その結果を、加算器４３に出力する。
【００４７】
このように、第２制御部４０は、第１熱交換器５における熱交換後の燃料ガスの計測温度と目標温度とを比較し、この比較結果に基づいて制御（フィードバック制御）する指令値を出力する。
加算器４３は、第２制御部４０から取得した制御量と、第１制御部３０から取得した開度指令値の情報とに基づいて、第１流量調整弁４の第１比率を算出し、第１比率に基づいて第１指令値を出力する。
【００４８】
本実施形態においては、圧縮機１から出力されるロータ冷却空気の温度は略一定である場合を想定しているので、第１温度計６ａから計測される熱交換後のロータ冷却空気の温度を計測することにより、第１熱交換器５におけるロータ冷却空気の熱交換量を推定することができる。このように、第１制御部３０は、ロータ冷却空気の温度と、第１流量調整弁４の上流側の燃料ガスの流量とに基づいて弁開度指令値を決定することにより、燃焼器２に流入される燃料ガスの流量が、より所望の燃焼状態を得られる流量として算出される。
【００４９】
次に、上述したガスタービンプラント２０におけるタービン冷却制御方法について、図１及び図２を用いて説明する。
空気Ａが、圧縮機１に供給されると、圧縮機１で圧縮されるとともに、車室９を介して燃焼器２及び第１熱交換器５に供給される。圧縮機１において空気Ａが圧縮された空気はロータ冷却空気として第１熱交換器５に流入される。第１熱交換器５において、ロータ冷却空気は、ロータ冷却空気より低温の燃料ガスと熱交換される。熱交換後のロータ冷却空気は回転軸１３を介してタービン３の動翼に供給される。
【００５０】
一方、軸出力の計測値に応じて決定される全燃料流量指令値（ＣＳＯ）に基づいて燃料流量制御弁８が制御されると、制御された流量の燃料ガスが燃料ガス配管１４を流通する。調整制御部１０の第１制御部３０において、ＣＳＯに応じて調整される燃料流量制御弁８の弁開度の情報が流量情報取得部３１に入力されると、関数に基づいて決定される弁開度に対応する燃料ガスの流量の情報が、熱交換器モデル３２に出力される。熱交換器モデル３２において取得した燃料ガスの流量の情報、及び第１温度計６ａにおいて計測されたロータ冷却空気の熱交換後の温度の情報に基づいて熱交換量が算出されるとともに、燃料ガスを目標温度に到達させる弁開度指令値が加算器４３に出力される。
【００５１】
また、第２制御部４０の減算器４１において、第１熱交換器５の出力側に設けられる第２温度計６ｂから計測された燃料ガスの計測温度と、燃料ガスの目標温度との差が算出され、ＰＩ制御器４２に出力される。ＰＩ制御器４２において、減算器４１から入力される温度の差に基づいて、燃料ガスの温度が目標温度に近づくようにＰＩ制御される制御量が算出され、加算器４３に出力される。加算器４３において、第１制御部３０から取得したフィードフォワード制御により得られた制御量と、第２制御部４０から取得したフィードバック制御により得られた制御量とが加算され、第１流量調整弁４の弁開度が第１指令値として出力される。
【００５２】
このように決定された第１指令値に基づいて、調整制御部１０によって第１流量調整弁４が制御され、第１熱交換器５に流入させる燃料ガスの流量が調整される。このように流量調整された燃料ガスと、ロータ冷却空気とが第１熱交換器５において熱交換されると、熱交換によって冷却されたロータ冷却空気は回転軸１３を介してタービン３側に供給されることで動翼が冷却され、熱交換によって加熱された燃料ガスは燃焼器２に供給される。
【００５３】
以上説明してきたように、本実施形態に係るタービン冷却制御装置１００及び方法並びにプログラム、それを用いたガスタービンプラント２０によれば、第１流量調整弁４の上流側の燃料ガスの流量に基づいて、第１熱交換器５に流入させる燃料ガスの流量と、第１熱交換器５に流入させずに第１熱交換器５の出力側にバイパスさせる燃料ガスの流量との第１比率が決定され、この第１比率に基づいて決定される第１指令値に基づいて第１流量調整弁４が調整される。
【００５４】
このように、第１流量調整弁４が調整されることにより、第１熱交換器５におけるロータ冷却空気とロータ冷却空気よりも低温の燃料ガスとの熱交換量が制御されるので、ロータ冷却空気の冷却を行いつつ、燃料ガスの温度の制御ができる。また、ロータ冷却空気の温度、第１作動流体の温度、及びロータ冷却空気の流量が略一定である場合には、第１熱交換器における熱交換量は燃料ガスの流量に応じて推定できるので、第１流量調整弁４の第１比率が調整されることにより、燃料ガスの流量が調整され、簡便に熱交換量を調整できる。
【００５５】
〔変形例〕
なお、上記第１の実施形態では、燃料ガスのカロリ（発熱量）が一定であることを想定し、流量情報取得部３１が、ＣＳＯから燃料ガス流量を算出する関数（例えば、比例関数）を備えることとして説明していたが、これに代えて、例えば、ＣＳＯとカロリに対する補正係数とから燃料ガス流量を算出する２変数関数を用いることとしてもよい。これにより、燃料ガスのカロリ変化がある場合であっても、速やかにカロリ変化に追従させることができる。
また、流量情報取得部３１は、流量情報を取得する方法として関数を備えることとしていたが、これに限定されず、例えば、計測器等によって計測された流量の測定値の情報を流量情報として取得することとしてもよい。
【００５６】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係るタービン冷却制御装置及び方法並びにプログラム、それを用いたガスタービンプラントについて図４を用いて説明する。
本実施形態に係るガスタービンプラントは、第１の実施形態における構成に加え、第１熱交換器５において熱交換されて冷却された冷却空気が、タービン３の静翼を冷却する構成になっている点で、上述の第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態に係るガスタービンプラント２０’について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００５７】
第１熱交換器５は、翼冷却空気（冷却空気）を流通させる配管が、圧縮機１とタービン３の静翼と接続されている。第１熱交換器５は、圧縮機１側から取得した翼冷却空気と、第１流量調整弁４’によって流量調整された燃料ガスとを熱交換し、熱交換後の翼冷却空気をタービン３の静翼に供給し、熱交換後の燃料ガスを燃焼器２に供給する。これにより、燃料ガスの加熱を行いつつ、静翼に送出される翼冷却空気を冷却することができる。
【００５８】
なお、本実施形態における図４においては、車室９から燃焼器２への経路が、圧縮機１から導入された圧縮空気を燃焼器２に出力する経路と、燃焼器バイパス弁Ｂを介して燃焼器２に出力する経路との２つの経路を備えることとしていたが、これに限定されず、燃焼器バイパス弁Ｂは備えていなくてもよいこととする。
【００５９】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係るタービン冷却制御装置及び方法並びにプログラム、それを用いたガスタービンプラントについて図５を用いて説明する。
本実施形態に係るガスタービンプラントは、熱交換器が２つ備えられており、２つの熱交換器はそれぞれ排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の給水系統と接続されている点で、上述の第１の実施形態、第２の実施形態と異なる。以下、本実施形態に係るガスタービンプラント２０’’について、第１の実施形態、第２の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００６０】
図５に示されるように、第１熱交換器５１において、ロータ冷却空気の流通経路は、圧縮機１と回転軸１３とに接続されており、ロータ冷却空気と熱交換する媒体の流通経路は排熱回収ボイラ６０の給水系統と接続されている。本実施形態においては、ロータ冷却空気と熱交換する媒体は排熱回収ボイラ６０の給水系統の第１作動流体（例えば、蒸気）とする。また、第１熱交換器５１は、入力側に第１流量調整弁４１が設けられており、出力側は排熱回収ボイラ６０の給水系統と接続されている。
【００６１】
第２熱交換器５２において、燃料ガスの流通経路の入力側には、第２流量調整弁４２が設けられており、出力側は燃焼器２と接続されている。また、第２熱交換器５２において、燃料ガスと熱交換する媒体の流通経路は、排熱回収ボイラ６０と接続されている。また、第２熱交換器５２において燃料ガスと熱交換される媒体は、排熱回収ボイラ６０の給水系統の第２作動流体（例えば、蒸気）とする。
第１熱交換器５１に入力される排熱回収ボイラ６０の給水系統の第１作動流体は、ロータ冷却空気の温度よりも低温であることとし、第２熱交換器５２に入力される排熱回収ボイラ６０の給水系統の第２作動流体は、燃料ガスより高温であることする。
【００６２】
第１温度計６ａは、ロータ冷却空気が流通する第１熱交換器５１の出力側の経路上に設けられ、熱交換後のロータ冷却空気の温度を計測する。
第２温度計６ｂは、排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体が流通する第１熱交換器５１の出力側に設けられ、熱交換後の第１作動流体及び熱交換せずに第１バイパス経路１５を流通した第１作動流体を合わせた第１作動流体の温度を計測する。
【００６３】
第３温度計６ｃは、燃料ガスが流通する第２熱交換器５２の出力側の経路上に設けられ、熱交換後の燃料ガス及び熱交換せずに第２バイパス経路１６を流通した燃料ガスを合わせた第２作動流体の温度を計測する。
第４温度計６ｄは、排熱回収ボイラの給水系統の第２作動流体が流通する第２熱交換器５２の出力側に設けられ、熱交換後の第２作動流体の温度を計測する。
【００６４】
排熱回収ボイラ６０は、タービン３からの燃焼排ガスによって蒸気を発生するとともに、燃焼排ガスを煙突（図示せず）から大気へと放出する。また、排熱回収ボイラ６０は、ロータ冷却空気よりも低温の給水系統の第１作動流体（例えば、蒸気）を第１熱交換器５１に供給し、燃料ガスよりも高温の給水系統の第２作動流体を第２熱交換器５２に供給する。
【００６５】
第１流量調整弁４１は、第１熱交換器５１に流入させる排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体（例えば、蒸気）の流量を調整する。具体的には、第１流量調整弁４１は、調整制御部１０’から取得する第１指令値に基づいて、第１熱交換器５１に流入させる第１作動流体の流量と、第１熱交換器５１に流入させずに燃焼器２に流入させる第１バイパス経路１５に流れる第１作動流体の流量とを調整する。
【００６６】
第２流量調整弁４２は、第２熱交換器５２に流入させる燃料ガスの流量を調整する。具体的には、第２流量調整弁４２は、調整制御部１０’から取得する第２指令値に基づいて、第２熱交換器５２に流入させる燃料ガスの流量と、第２熱交換器５２に流入させずに燃焼器２に流入させる第２バイパス経路１６に流れる燃料ガスの流量とを調整する。
【００６７】
調整制御部１０’は、第１熱交換器５１に流入させる第１作動流体の流量を決定し、第１流量調整弁４１を制御する。具体的には、調整制御部１０’は、第１流量調整弁４１の上流側の第１作動流体の流量に基づいて、第１熱交換器５１に流入させる第１作動流体の流量と、第１熱交換器５１に流入させずに第１熱交換器５１の出力側にバイパスさせる第１バイパス経路１５に流通させる第１作動流体の流量との比率である第１比率を決定し、第１比率に基づいて決定される第１流量調整弁４１の第１指令値を出力する。
【００６８】
また、調整制御部１０’は、第２熱交換器５２に流入させる燃料ガスの流量を調整する。具体的には、調整制御部１０’は、第２流量調整弁４２の上流側の燃料ガスの流量に基づいて、第２熱交換器５２に流入させる燃料ガスの流量と、第２熱交換器５２に流入させずに第２熱交換器５２の出力側にバイパスさせる第２バイパス経路１６に流通させる燃料ガスの流量との比率である第２比率を決定し、第２比率に基づいて決定される第２流量調整弁４２の第２指令値を出力する。より具体的には、図５に示されるように、調整制御部１０’は、第１制御部（第１制御手段）３０ａ，ｂ、第２制御部（第２制御手段）４０ａ，ｂを備えて構成されている。ここで、第１制御部３０ａ及び第２制御部４０ａは、第１熱交換器５１を制御することとし、第１制御部３０ｂ及び第２制御部４０ｂは、第２熱交換器５２を制御することとして説明する。
【００６９】
第１制御部３０ａは、第１流量調整弁４１の上流側に流れる排熱回収ボイラ６０の給水系統の第１作動流体の流量に基づいて推定される熱交換量に基づいて、第１作動流体の温度が目標温度に到達するような第１流量調整弁４１の弁開度指令値を決定する。具体的には、第１制御部３０ａは、流量情報取得部及び熱交換モデルを備えている。
流量情報取得部は、センサ等の計測器によって計測された第１作動流体の流量の情報を取得し、熱交換モデルに出力する。
熱交換モデルは、取得した第１作動流体の流量と、第１温度計６ａから計測されたロータ冷却空気の熱交換後の温度とに基づいて熱交換量を算出し、この熱交換量に基づいて目標温度を達成する第１流量調整弁４１の弁開度指令値を決定し、弁開度指令値を加算器に出力する。
【００７０】
第２制御部４０ａは、第１熱交換器５１の下流側の第２温度計６ｂから計測される排熱回収ボイラ６０の給水系統の第１作動流体の温度を目標温度に近づけるよう制御する。具体的には、第２制御部４０ａは、減算器及びＰＩ制御器を備えている。減算器は、第１作動流体の目標温度と、第１温度計６ａから計測された第１作動流体の計測温度との差を算出し、ＰＩ制御器に出力する。ＰＩ制御器は、減算器から取得した差の情報に基づいて、第１作動流体の温度が目標温度に追従するように比例積分（ＰＩ）演算によって制御量を算出し、その結果を加算器に出力する。
【００７１】
第１制御部３０ｂは、第２流量調整弁４２の上流側に流れる燃料ガスの流量に基づいて推定される熱交換量に基づいて、燃料ガスの温度が目標温度に到達するような第２流量調整弁４２の弁開度指令値を決定する。
第２制御部４０ｂは、第２熱交換器５２の下流側の第３温度計６ｃから計測される燃料ガスの温度を目標温度に近づけるよう制御する。
このように、第２流量調整弁４２は、上述した第１の実施形態と同様に制御される。
【００７２】
次に、上述したガスタービンプラント２０’’におけるタービン冷却制御方法について、図１及び図２を用いて説明する。
調整制御部１０’において、第１流量調整弁４１の上流側の排熱回収ボイラの給水系統の第１作動流体の流量に基づいて、第１熱交換器に流入させる第１作動流体の流量と、第１バイパス経路１５に流入させる第１作動流体の流量との第１比率が決定され、この第１比率に基づいて決定される第１流量調整弁４１の第１指令値が出力される。第１熱交換器５１の上流側に設けられる第１流量調整弁４１が、第１指令値に基づいて調整されると、調整された流量の第１作動流体が排熱回収ボイラ６０の給水系統から第１熱交換器５１に流入される。第１熱交換器５１においてロータ冷却空気と第１作動流体とが熱交換されると、熱交換後の冷却されたロータ冷却空気は回転軸１３を介してタービン３側（例えば、動翼）に供給され、熱交換後の加熱された第１作動流体は排熱回収ボイラ６０に供給される。
【００７３】
また、調整制御部１０’において、第２流量調整弁４２の上流側の燃料ガスの流量に基づいて、第２熱交換器５２に流入させる燃料ガスの流量と、第２バイパス経路１６に流入させる燃料ガスの流量との第２比率が決定され、この第２比率に基づいて決定される第２流量調整弁４２の第２指令値が出力される。第２熱交換器５２の上流側に設けられる第２流量調整弁４２が、第２指令値に基づいて調整されると、調整された流量の燃料ガスが第２熱交換器５２に流入される。第２熱交換器５２において燃料ガスと排熱回収ボイラ６０の給水系統から供給される第２作動流体とが熱交換され、熱交換後の加熱された燃料ガスは燃焼器２に供給され、熱交換後の冷却された第２作動流体は排熱回収ボイラ６０に供給される。
【００７４】
以上説明してきたように、本実施形態に係るタービン冷却制御装置及び方法並びにプログラム、それを用いたガスタービンプラント２０’’によれば、第１流量調整弁５１によりロータ冷却空気と熱交換させる排熱回収ボイラの第１作動流体の流量が調整されることにより、ロータ冷却空気の冷却を行いつつ、第１作動流体の温度が調整できる。また、ロータ冷却空気の温度、第１作動流体の温度、及びロータ冷却空気の流量が略一定である場合には、第１熱交換器５１における熱交換量は第１作動流体の流量に応じて推定できるので、第１流量調整弁４１の第１比率が調整され、第１作動流体の流量が調整されることにより、簡便に熱交換量を調整できる。
さらに、第２流量調整弁４２により第２作動流体と熱交換させる燃料ガスの流量が調整されることにより、第２作動流体の冷却を行いつつ、燃料ガスの温度が調整できる。また、第２作動流体の温度、燃料ガスの温度、及び第２作動流体の流量が略一定である場合には、第２熱交換器５２における熱交換量は燃料ガスの流量に応じて推定できるので、第２流量調整弁４２の第２比率が調整され、燃料ガスの流量が調整されることにより、簡便に熱交換量を調整できる。
【符号の説明】
【００７５】
４、４’、４１  第１流量調整弁
５、５１  第１熱交換器
６ａ  第１温度計
６ｂ  第２温度計
６ｃ  第３温度計
６ｄ  第４温度計
８  燃料流量制御弁
１０，１０’  調整制御部（調整制御手段）
１５  第１バイパス経路
１６  第２バイパス経路
２０、２０’、２０’’  ガスタービンプラント
３０、３０ａ，３０ｂ  第１制御部（第１制御手段）
４０、４０ａ、４０ｂ  第２制御部（第２制御手段）
４２  第２流量調整弁
５２  第２熱交換器
６０  排熱回収ボイラ
１００  タービン冷却制御装置
【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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【図６】
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