(57)【要約】【課題】従来のような制御不安定な領域を無くすことができる親子弁の制御方法を提供する。【解決手段】大弁１と小弁２とが並列に設けられてなる親子弁を制御して前記親子弁の下流側の圧力を制御する親子弁の制御方法であって、前記大弁の開度１４が、前記大弁による制御が不安定である設定開度（４％未満）にあるときに、前記下流側の圧力１１が安定的に制御されるように、前記小弁の開度１２を制御する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大弁と小弁とが並列に設けられてなる親子弁を制御して前記親子弁の下流側の圧力を制御する親子弁の制御方法であって、
前記大弁の開度が、前記大弁による制御が不安定となる開度にあるときに、前記下流側の圧力が安定的に制御されるように、前記小弁により制御するステップ
を備えた親子弁の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の親子弁の制御方法において、
更に、
前記小弁の開度が一旦第１設定開度以上となってから、次に前記小弁の開度が第２の設定開度以下となるまで、前記大弁の最低開度を微開開度とするステップ
を備えた親子弁の制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の親子弁の制御方法において、
前記大弁の開度の制御は、第１のコントローラによって行われ、
前記小弁の開度の制御は、前記第１のコントローラとは異なる第２のコントローラによって行われる
親子弁の制御方法。
【請求項４】
請求項３記載の親子弁の制御方法において、
前記第１のコントローラに設定された制御設定値と、前記第２のコントローラに設定された制御設定値とは、異なる
親子弁の制御方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の親子弁の制御方法において、
前記親子弁の上流側の圧力は、概ね２．５倍の範囲で変化する
親子弁の制御方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の親子弁の制御方法において、
前記親子弁の制御方法は、蒸気タービンシステムまたはガスタービンシステムに適用される
親子弁の制御方法。
【請求項７】
大弁と小弁とが並列に設けられてなる親子弁を制御して前記親子弁の下流側の圧力を制御する親子弁の制御システムであって、
前記小弁の開度が所定開度になったときに、前記大弁の開度を、前記大弁による制御が不安定な領域を脱するまで移行させ、その移行途中に、前記下流側の圧力が安定に制御されるように、前記小弁の開度を制御する
親子弁の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、親子弁の制御方法および制御システムに関し、特に、蒸気タービンまたはガスタービンにおいて、親子弁の入口圧変動を考慮した親子弁の制御方法および制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力ないし流量の制御には、親子弁が用いられている。親子弁は、大きさの異なる２つの圧力調整弁（親子弁）が並列に設けられたものである。ガスタービンシステムでは、従来、燃料ガスの圧縮機の吸い込み側での圧力（吸込圧力）を調整するために、図３に示すような親子弁（大弁１、小弁２）が設けられている。大弁１及び小弁２を用いて、大弁１及び小弁２の出口側３の圧力（圧縮機吸込圧力）をあらかじめ設定された圧力に制御している。
【０００３】
現状の親子弁１、２を用いた出口圧の制御では、スプリット制御が行われている。即ち、図３及び図４に示すように、大弁１及び子弁２に対して、１つのＰＩコントローラ４により、流量が低い場合には大弁１を全閉とし小弁２のみで制御し、小弁開度があらかじめ設定された開度以上となると大弁１が制御に加わり、小弁２の開度が全開となれば大弁１のみで制御する。
【０００４】
図３に示すように、ＰＩコントローラ４には、圧力変換器ＰＴにより検出された出口圧のプロセス量が入力され、そのプロセス量と制御設定値に基づいて、大弁１及び小弁２の各弁開度が制御される。このＰＩコントローラ４によるスプリット制御では、図３及び図４に示すように、まず、大弁１は全閉のまま、小弁２のみで圧力制御を行い、流量が増加し小弁２の開度が約９０％となった後は、小弁２はその全開状態を維持したまま、大弁１での圧力制御を開始する。（一般に制御弁の開度が９０％を超えると流量調整能力は低下して全開と見なしてよい状態となる）
【０００５】
上記スプリット制御によれば、小弁２から大弁１への制御弁の切り替わり時（大弁２の小開度時：開き始め時）には流量変動が大きくなり、制御弁の出口圧の制御が不安定になる。制御弁の小開度時は弁特性上、どうしても流量の制御が不安定になるためである。図６は、制御弁の特性（リニア理想特性）を示しており、その縦軸（定格ストロークのパーセント）は弁開度に相当しており、横軸は定格Ｃｖ値のパーセントを示している。弁開度が０から２．６％（制御弁によっては異なる値となる）の範囲では、制御弁の特性が崩れ弁開度が変化してもＣｖ値が変わらなかったり、いきなり全閉となったりして、制御が不安定になる。
【０００６】
上記のように、小弁２から大弁１への制御切り替わり時は制御が不安定となる。このことから、制御弁の入口圧が一定のプラントでは重要な各運転ポイントを、その小弁２から大弁１への切り替わり時の不安定領域から外すように制御していた（弁サイズ調整等による）。ここで、ガスタービンにおいて重要な運転ポイントとは、着火（ｉｇｎｉｔｉｏｎ）時、無負荷（Ｎｏ　ｌｏａｄ）時、最小負荷（ＧＴ　Ｍｉｎ　ｌｏａｄ）時等である（図５参照）。
【０００７】
しかしながら、制御弁１、２の入口側５の圧力（入口圧力）が変化するプラントでは、上記方式では対応できなかった。入口圧力が変化すれば、制御弁１、２の開度が変わり、制御不安定な制御弁の切り替わり時にどうしても各重要運転ポイントと重なることとなるからである。
【０００８】
図３及び図５には、入口圧力が１７〜３８ｂａｒｇに変化し、出口圧を１６ｂａｒｇ（一定値）に制御することが示されている。図５において、横軸は燃料ガスの単位時間当たりの流量（ｋｇ／ｓ）であり、縦軸は弁のＣｖ値である。図５において、従来の親子弁制御方法に関して、破線６で示すラインの上側が大弁１で制御し、下側が小弁２で制御する範囲であるが、符号７で示す斜線の領域は大弁１では制御が不安定となる範囲である。
【０００９】
上述したように、図５において、仮に入口圧が３８ｂａｒｇで一定値であれば、重要な運転ポイントである着火（ｉｇｎｉｔｉｏｎ）時、無負荷（Ｎｏ　ｌｏａｄ）時、最小負荷（ＧＴ　Ｍｉｎ　ｌｏａｄ）時は、いずれも斜線範囲７から外れているため問題は生じないが、入口圧が１７〜３８ｂａｒｇに変動した場合に問題となる。
【００１０】
特開平１１−２９４７１２号公報には、次のボイラ給水系統の圧力損失低減方法が開示されている。そのボイラ給水系統の圧力損失低減方法は、ボイラ給水ポンプ、高圧給水加熱器、給水制御弁、ボイラが順に配設され、給水加熱器とボイラの間の配管に給水制御弁として大弁と小弁が並列に配置されているボイラの給水系統において、給水加熱器の圧力損失が増大した際に、給水制御弁の子弁を開にして給水制御弁の圧力損失を減らすことを特徴としている。
【００１１】
また、同公報には、ボイラの給水系統において、起動時及び低負荷時には小弁を用い、起動時及び低負荷時を除く通常運転時には大弁を用いて、それぞれ給水量を制御することと、通常は大弁のみを使用して給水を制限する。理由として、制御性を良くするためと、１つの弁で運転することで２つ同時に使用して運転するよりも故障の確率を低減することが記載されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来のような制御不安定な領域を無くすことが望まれている。
全ての流量範囲で出口圧制御が安定することが望まれている。
入口圧力が変化するプラントにも対応することが望まれている。
簡易な制御方法を用いて、従来のような制御不安定な領域を無くすことが望まれている。
【００１３】
本発明の目的は、従来のような制御不安定な領域を無くすことができる親子弁の制御方法及び制御システムを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、全ての流量範囲で出口圧制御が安定することができる親子弁の制御方法及び制御システムを提供することである。
【００１５】
本発明の更に他の目的は、入口圧力が変化するプラントにも対応することができる親子弁の制御方法及び制御システムを提供することである。
【００１６】
本発明の更に他の目的は、簡易な制御方法を用いて、従来のような制御不安定な領域を無くすことができる親子弁の制御方法及び制御システムを提供することである。
【００１７】
本発明の更に他の目的は、蒸気タービンまたはガスタービンシステムにおいて、従来のような制御不安定な領域を無くすことができる親子弁の制御方法及び制御システムを提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用する番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１９】
本発明の親子弁の制御方法は、大弁１と小弁２とが並列に設けられてなる親子弁を制御して前記親子弁の下流側の圧力を制御する親子弁の制御方法であって、　前記大弁１の開度（１４）の制御は、第１のコントローラ（８）によって行われ、前記小弁２の開度（１２）の制御は、前記第１のコントローラ（８）とは異なる第２のコントローラ（９）によって行われる。
【００２０】
本発明の親子弁の制御方法において、前記第１のコントローラ（８）に設定された制御設定値と、前記第２のコントローラ（９）に設定された制御設定値とは、異なる。
【００２１】
本発明の親子弁の制御方法は、大弁１と小弁２とが並列に設けられてなる親子弁を制御して前記親子弁の下流側の圧力を制御する親子弁の制御方法であって、
（ａ）低流量時は大弁（１）を全閉とし、小弁（２）のみで圧力制御し、大流量時は小弁（２）を全開とし、大弁（１）のみで圧力制御する。（ステップ（ｅ）後述する。）この方式は従来と変わらない。
小弁（２）のみで制御しているときに流量が増加し、小弁（２）の開度が、あらかじめ設定した開度（例えば約８０％）以上となったら（ｂ）　前記大弁（１）の開度（１４）を、全閉から制御が不安定となる開度を避けた開度（約４％で、以下“微開開度”と称する）とする。圧力（１１）制御は小弁（２）が継続するので大弁（１）が微開した分開度は小さくなる制御ステップを備えている。
【００２２】
ステップ（ｂ）の状態が落ち着けばステップ（ｃ）の状態となる。大弁（１）は微開開度、小弁（２）は圧力制御を継続実行する。
【００２３】
本発明の親子弁の制御方法において、更に、（ｃ）の状態で、流量が増加して小弁（２）が全開となり、大弁（１）が微開開度を維持している状態となる、ステップ（ｄ）を備えている。この状態は圧力を制御していない状態であるが、圧力はＰＩコントローラ（８）とＰＩコントローラ（９）との設定圧力の間にあることになる。この状態で流量が減少して、圧力がＰＩコントローラ（９）の設定圧力以上に上昇しようとすれば、（ｃ）の状態に戻る。
【００２４】
逆に流量が増加し、ＰＩコントローラ（８）の設定圧力以下に、減少しようとすれば次のステップ（ｅ）へ移行する。
（ｅ）のステップでは小弁（２）は全開であり，ＰＩコントローラ（８）の設定圧力で、大弁（２）のみで圧力制御が実行される。
【００２５】
ステップ（ｅ）の状態で流量が減少すると、大弁（２）の開度は小さくなり微開開度まで閉じてステップ（ｆ）の状態に入る。ステップ（ｆ）はステップ（ｄ）と全く同じ動作をする。この状態で流量が、さらに減少しＰＩコントローラ（９）の設定圧力以上に上昇しようとすれば、ステップ（ｇ）の状態となる。ステップ（ｇ）はステップ（ｃ）と全く同じ動作をする。
ステップ（ｇ）で、さらに流量が減少し小弁（１）の開度が３０％以下となると、ステップ（ｈ）に入る。
ステップ（ｈ）では、大弁（１）の開度（１４）を、微開開度から制御が不安定となる開度を避けた開度である全閉に移行する。圧力（１１）制御は小弁（２）が継続するので大弁（１）が微開開度から全閉となった分小弁（２）開度は大きくなる。すなわちステップ（ｈ）はステップ（ｂ）の逆動作である。
ステップ（ｈ）の状態が落ち着けばステップ（ｉ）の状態となる。大弁（１）は全閉、小弁（２）は圧力制御を継続実行する。
ステップ（ｉ）はステップ（ａ）と全く同じ状態である。
【００２６】
本発明の親子弁の制御方法において、前記親子弁の上流側の圧力は、概ね２．５倍の範囲で無段階に変化する。
【００２７】
本発明の親子弁の制御方法において、前記親子弁の制御方法は、蒸気タービンシステムまたはガスタービンシステムに適用される。
【００２８】
本発明の親子弁の制御システムは、大弁（１）と小弁（２）とが並列に設けられてなる親子弁を制御して前記親子弁の下流側の圧力を制御する親子弁の制御システムであって、前記小弁（２）により圧力を制御しているときに、前記小弁（２）の開度（１２）が所定開度（８０％以上）になったときに、前記大弁（１）の開度（１４）を、前記大弁（１）による制御が不安定な領域を避けた開度である微開開度（例えば４％）に移行させる。また小弁（２）の開度（１２）が所定開度（３０％以下）になったときに、前記大弁（１）の開度（１４）を、前記微開開度（４％）から全閉（０％）に移行させる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の親子弁の制御方法の実施形態について説明する。本実施形態において、従来と共通の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００３０】
図１は、本実施形態による圧縮機吸込圧力の制御方法を示している。図１の縦軸は弁開度（％）、圧縮機吸込圧力（ｂａｒｇ）であり、横軸は時間である。また、図１において、符号１１〜１４で示す線はそれぞれ以下の通りである。
符号１１…圧縮機吸込圧力（ｂａｒｇ）
符号１２…小弁２の弁開度（％）
符号１３…燃料ガスの単位時間当たりの流量（Ｆｌｏｗ　Ｒａｔｅ）
符号１４…大弁１の弁開度（％）
【００３１】
図２は、本実施形態の構成を示している。本実施形態では、従来（図３）と異なり、大弁１と小弁２にそれぞれ個別のＰＩコントローラ８、９が設けられている。ＰＩコントローラ８、９では、大弁１と小弁２の制御干渉を防ぐために、それぞれの制御設定値に差がつけられている。小弁２を制御するＰＩコントローラ９の制御設定値は、１６．５ｂａｒｇであり、大弁１を制御するＰＩコントローラ８の制御設定値は、１５．５ｂａｒｇである。
【００３２】
また、図１においては、横軸に沿って、符号（ａ）から（ｉ）で示す範囲にそれぞれ分けられている。以下、その範囲毎に、本実施形態における大弁１および小弁２の制御方法について説明する。なお、範囲（ａ）から（ｅ）はガスタービンの負荷上昇過程を示し、範囲（ｅ）から（ｉ）はガスタービンの負荷下降過程を示す。
【００３３】
範囲（ａ）は、燃料ガスの流量が小さい領域である（符号１３参照）。この範囲（ａ）では、符号１４に示すように大弁１は全閉のまま、符号１２に示すように小弁２で圧力制御を行う。流量が増加するとそれに応じて小弁２の開度１２が大きくなり、出口側３の圧縮機吸込圧力１１は、ＰＩコントローラ９の制御指令値である１６．５ｂａｒｇに制御される。
【００３４】
範囲（ｂ）は、大弁１を全閉から微開開度に移行させる領域である。この範囲（ｂ）では、範囲（ａ）と同様に、ＰＩコントローラ９の制御指令値である１６．５ｂａｒｇに小弁２による制御が継続されるが、小弁２の開度が約８０％以上となったことを制御部１０が検知し、大弁１を一定レートで（ＰＩコントローラ８による制御ではなく）、４％の開度（微開開度）とする。この結果燃料ガス流量が増加して出口側３の圧縮機吸い込み圧力は高くなろうとするが、小弁２の開度が減少して圧力増加をくい止める。制御部１０は、ＰＩコントローラ８による吸込圧力のプロセス量と大弁１の制御指令値に基づく制御とは無関係に、小弁２の開度（８０％）に基づいて、４％の微開開度指令を出力する。
【００３５】
この４％という微開開度は、大弁１による流量制御が不安定な領域（小開度）を避けた値である。
【００３６】
範囲（ｂ）の制御が落ち着くと、範囲（ｃ）となる。この範囲（ｃ）では、大弁１の微開開度を維持したまま、小弁２により圧力制御することで、吸込圧力１１を、ＰＩコントローラ９の制御指令値（１６．５ｂａｒｇ）に調整する。
【００３７】
範囲（ｄ）は、燃料ガスの流量が更に増加している領域で、小弁２が全開（１００％）、大弁２は微開開度（４％）を保持し、圧力制御が実質的に中断される。すなわち圧縮機吸い込み圧力が変化しても小弁２、大弁１とも開度変化のない状態となる。この状況は、さらに燃料ガス流量が増加することにより圧縮機吸い込み圧力が低下し１５．５ｂａｒｇに達するまで継続される。
【００３８】
範囲（ｅ）では、小弁２は全開状態（１００％）のまま、大弁１で圧力制御を行う（符号１４参照）。流量の増加に応じて大弁１の開度１４が制御され、出口側３の吸込圧力１１は、ＰＩコントローラ８の制御指令値である１５．５ｂａｒｇに制御される。
【００３９】
範囲（ｆ）は、燃料ガスの流量が減少して大弁１の開度がＰＩコントローラ８の下限値（微開開度）となった場合であり、範囲（ｄ）と完全に同じ状態である。
すなはち、小弁２が全開（１００％）、大弁２は微開開度（４％）を保持し、圧力制御が実質的に中断される。すなわち圧縮機吸い込み圧力が変化しても小弁２、大弁１とも開度変化のない状態となる。この状況は、さらに燃料ガス流量が減少することにより圧縮機吸い込み圧力が上昇し１６．５ｂａｒｇに達するまで継続する。
【００４０】
さらに圧縮機吸い込み圧が上昇しようとすると範囲（ｇ）に移行する。範囲（ｇ）は範囲（ｃ）と全く同じ状態で、ＰＩコントローラ９により小弁２を開閉する圧力制御が開始される。
範囲（ｇ）では、大弁１は微開開度を維持する。
【００４１】
範囲（ｇ）の状態で、燃料ガスの流量が更に減少して、小弁２の開度が３０％以下の状態になると、範囲（ｈ）に移行する。範囲（ｈ）では、範囲（ｂ）の逆の動作が実行される。
範囲（ｈ）は、大弁１を微開開度から全閉に移行させる領域である。この範囲（ｈ）では、範囲（ｇ）と同様に、ＰＩコントローラ９の制御指令値である１６．５ｂａｒｇ　に小弁２による制御が継続されるが、小弁２の開度が（約３０％以下）となったことを制御部１０が検知し、大弁１を一定レートで（ＰＩコントローラ８による制御ではなく）、微開開度から全閉とする。この結果燃料ガス流量が減少して出口側３の圧縮機吸い込み圧力は低くなろうとするが、小弁２の開度が増加して圧力の減少をくい止める。制御部１０は、ＰＩコントローラ８による吸込圧力のプロセス量と大弁１の制御指令値に基づく制御とは無関係に、小弁２の開度（３０％以下）に基づいて、大弁１の全閉指令を出力する。
【００４２】
範囲（ｈ）での制御が落ち着くと範囲（ｉ）となる。範囲（ｉ）は範囲（ａ）と全く同じ状態である。
【００４３】
以上に説明したように、大弁１と小弁２を個別にＰＩ制御（符号８、９）し、従来の圧力制御の不安定となる制御弁の切り替わり時（大弁１の小開度時）は制御性の良い小弁２で制御しながら大弁１は制御せずに一定レートで全閉から微開開度また微開開度から全閉へと、制御の不安定領域を速やかに通過させることで制御の安定化を図っている。よって、制御不安定な領域が無くなるため、すべての流量範囲で出口圧制御が安定し、元圧が無段階に変化するプラントにも、対応可能となる。
【００４４】
図１及び図４に示すように、従来は、大弁１の流量制御が行い難い範囲（全閉から微開開度まで）でもＰＩコントローラ４による制御が行われ、その大弁１の制御の不安定さが直接的に、吸込圧力の制御の不安定さ（吸込圧力の変動）となって表れていた。これに対し、本実施形態では、大弁１の開度を全閉から微開開度まで、もしくは微開開度から全閉まで開閉させる時には、小弁２が比較的に制御性の高い開度（３０から８０％）で圧力制御しているので、大弁１による圧力変動を比較的容易に吸収でき安定な制御が実施できる。また、この制御は流量上昇過程に１度と流量下降過程の１度のみで、従来のごとく大弁１の制御不安定域で制御が持続する可能性を完全に回避したものとなる。
【００４５】
本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）親弁（大弁）と子弁（小弁）のＰＩ調整が個別にでき、それぞれの弁特性にマッチした調整が可能となる
（２）大弁の制御不安定となる小開度（０から微開開度）を速やかに通過し、小弁２の制御性の良い開度（３０％から８０％で）で制御するため、圧力の変動を少なく制御できる。
（３）上流側の圧力（制御弁の入口圧）が大きく変化する制御系に適しており、常に安定した制御が可能となる。本実施形態は、ガスタービンや蒸気タービン以外にも、上流側の圧力が大きく変化する制御系に広く適用することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のような制御不安定な領域での制御を最小とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である親子弁制御方法の一実施の形態における大弁および小弁の制御方法を示す図である。
【図２】本発明である親子弁制御方法の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図３】従来の親子弁制御方法の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の親子弁制御方法を示す図である。
【図５】燃料ガス流量と制御弁のＣｖ値の関係を示す図である。
【図６】制御弁の特性を示す図である。
【符号の説明】
１　大弁
２　小弁
３　出口側
４　ＰＩコントローラ
５　入口側
８　ＰＩコントローラ（親弁用）
９　ＰＩコントローラ（子弁用）
１０　制御部
１１　圧縮機吸込圧力
１２　小弁の弁開度
１３　燃料ガスの単位時間当たりの流量
１４　大弁の弁開度
【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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