(57)【要約】【課題】発熱量が短期間に激しく変動する発酵メタンガス等を主燃料とし、さらに、発熱量の安定している灯油や天然ガスなどを補助燃料として併用するガスタービン発電設備に対して適用可能な制御システムを提供する。【解決手段】ガスタービン発電設備の動特性をモデル化した参照モデル１と、実際の応答とが一致するよう分配率調整ロジック２にて主燃料流量２６と補助燃料流量２７の分配率を修正する。このように分配率を修正するので、主燃料の発熱量が短期間に激しく変動しても、最適な制御を維持することができる。【選択図】　　　図１
2004036426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱量が変動する主燃料と、発熱量が一定している補助燃料とを燃料とするガスタービンを制御対象とし、ガスタービンに供給する主燃料の流量、補助燃料の流量、及びこれらの分配率を制御するガスタービン制御システムにおいて、
ガスタービンの動特性を模擬し、主燃料の流量及び補助燃料の流量の計算値を入力したとき、主燃料の流量及び補助燃料の流量に対する実際のガスタービンの応答と同様の応答を計算値として出力する、参照モデルと、
主燃料の発熱量が変動したとき、主燃料の流量及び補助燃料の流量に対する前記参照モデルの応答と、ガスタービン発電設備の実際の応答とが一致するよう主燃料と補助燃料の分配率を修正する分配率調整手段と
を有することを特徴とするガスタービン制御システム。
【請求項２】
前記分配率調整手段は、ガスタービン無負荷運転時は、ガスタービンの実際の回転数と参照モデルにおける回転数との差を用い、負荷運転時はガスタービンの実際の出力と参照モデルにおける出力との差を用いることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱量が変動する発酵メタンガス等の主燃料と、発熱量の安定している灯油や天然ガス等の補助燃料とを併用するガスタービン発電設備の制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば下水処理場から発生する汚泥消化ガスなどは、汚泥ガス中のメタン等の可燃成分の構成比が変動するため、発熱量が変動する。このように発熱量が変動する燃料を利用したガスータービンプラントでは、燃料の発熱量の変動に対応して一定の性能を維持するようガスタービンプラントを制御する必要がある。
【０００３】
すなわち、燃料の発熱量が変動した場合は、それに応じて制御装置のパラメータを修正する必要がある。従来、熟練した運転員が手動で行っていたこの制御装置のパラメータの修正を、自動的に行う方法として、ガスタービンプラントの燃料流量とタービン回転速度との関係を示す参照モデルと実プラントの出力差から補正係数を求め、この補正係数を適用することにより発熱量変動に対応する適応制御方法を、本件出願人は開発し、すでに「汚泥ガスの発熱量変動に対する適応制御方法」（特願２００１−０４７２６２）として特許出願済みである。
【０００４】
図９は、すでに出願済みの汚泥ガスの発熱量変動に対する適応制御方法の構成を示す構成図である。
【０００５】
本適応制御方法は、参照モデル９１、適応ルール９２、比例ゲインＫ、補正係数Ｃ（ｓ）を要素とする制御装置の出力を実プラント９５に適用して制御するものである。
【０００６】
ここで、参照モデル９１は、実プラント９５におけるガスタービンの動特性Ｈ（ｓ）から、ガスタービンに入力される燃料流量とガスタービンの回転数との関係をモデル化したものである。
【０００７】
適応ルール９２は、ガスタービンを起動し定格回転数に到達してはいるが、まだ系統に並入する前の状態で、参照モデル９１からの回転数信号Ｎｇｍと、実際の回転数Ｎｇとを比較し、その差（Ｎｇ−Ｎｇｍ）を求め、これから補正係数Ｃ（ｓ）を演算するものである。ガスタービンを系統に並入した後は適応ルール９２の適用を停止する。適応ルール９２により求められた補正係数Ｃ（ｓ）はメモリにストアされ、次回の始動時の初期値として使用される。
【０００８】
そして、要求回転数Ｎｇｒｅｆと実際の回転数Ｎｇとを比較し、その差（Ｎｇｒｅｆ−Ｎｇ）に比例ゲインＫを乗算しさらに補正係数Ｃ（ｓ）を乗算した値がガスタービンに供給される燃料流量Ｗｆとなるよう制御する。
【０００９】
このように、「汚泥ガスの発熱量変動に対する適応制御方法」においては、適応ルール９２により補正係数Ｃ（ｓ）をガスタービンを起動するたびに修正するので、燃料の発熱量が短期的には安定しているが長期的には変動する場合に、運転員の経験に頼ることなく、制御装置のパラメータを自動的に書き換え、最適な燃焼を維持することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記「汚泥ガスの発熱量変動に対する適応制御方法」は、ガスタービンに補助燃料を使用する必要がなく、かつ、供給する燃料の発熱量が短期的には安定しているが長期的には変動する場合を想定した方法で、燃料の発熱量が短期間に激しく変動する場合や、補助燃料を併用する場合には適用できない。
【００１１】
すなわち、短期間にガスタービンに供給する燃料の発熱量が激しく変動する場合は、発熱量の急激な変動により、吹き消えや過熱を防止するため、主燃料とは別に発熱量の安定した補助燃料を併用するのが一般的であるが、このように異種燃料を併用する場合を想定したものではない。
【００１２】
また、短期間に燃料の発熱量が激しく変動する場合は、負荷運転時にも制御装置のパラメータを修正する必要があるが、「汚泥ガスの発熱量変動に対する適応制御方法」は負荷運転時に制御装置のパラメータを修正するものではない。
【００１３】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、発熱量が短期間に激しく変動する発酵メタンガス等を主燃料とし、さらに、発熱量の安定している灯油や天然ガスなどを補助燃料として併用するガスタービン発電設備に対しても適用可能な制御システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるガスタービン制御システムは、発熱量が変動する主燃料と、発熱量が一定している補助燃料とを燃料とするガスタービンを制御対象とし、ガスタービンに供給する主燃料の流量、補助燃料の流量、及びこれらの分配率を制御するガスタービン制御システムにおいて、ガスタービンの動特性を模擬し、主燃料の流量及び補助燃料の流量の計算値を入力したとき、主燃料の流量及び補助燃料の流量に対する実際のガスタービンの応答と同様の応答を出力する、参照モデルと、主燃料の発熱量が変動したとき、主燃料の流量及び補助燃料の流量の変化に対する前記参照モデルの応答と、ガスタービン発電設備の実際の応答とが一致するよう主燃料と補助燃料の分配率を修正する分配率調整手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、参照モデルの応答とガスタービン発電設備の実際の応答とが一致するよう主燃料と補助燃料の分配率を修正するので、主燃料の発熱量が短期間に激しく変動する場合においても主燃料の発熱量に応じ最適な燃料分配率を維持することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる一実施の形態について図１から図８を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態の全体構成を示したものである。
【００１８】
本実施の形態において、制御システムは、図１に示す通り、参照モデル１、分配率調整ロジック２、比例ゲイン３、及び入力切替スイッチ４の要素により構成され、制御システムにより実プラント５に供給される主燃料流量２６及び補助燃料流量２７が制御される。
【００１９】
ここで、参照モデル１は、実プラント５におけるガスタービン動特性Ｈ（ｓ）及び発電機動特性Ｗ（ｓ）から、ガスタービンモデルＨｍ（ｓ）及び発電機モデルＷｍ（ｓ）をつくり、燃料流量に対するガスタービンの回転数Ｎｇ及び発電機の出力Ｐとの関係をモデル化したものである。
【００２０】
分配率調整ロジック２は、α変更ルール２１、補助燃料分配係数２２、主燃料分配係数２３、β変更ルール２４、及び発熱量調整係数２５とからなる。α変更ルール２１及びβ変更ルール２４は、入力切替スイッチ４からの信号ＥＲＲすなわち、参照モデル１におけるモデル回転数Ｎｇｍと実際の回転数Ｎｇとの差、または参照モデル１におけるモデル出力Ｐｍと実際の出力Ｐとの差、からα及びβの値を演算する。そして、αは補助燃料分配係数２２、２−αは主燃料分配係数２３、βは発熱量調整係数２５となり、これらの値により主燃料流量２６と補助燃料流量２７の分配率が調整される。
【００２１】
比例ゲイン３は、主燃料ゲイン３１と補助燃料ゲイン３２とからなり、要求回転数Ｎｇｒｅｆと実際の回転数Ｎｇとの差（Ｎｇｒｅｆ−Ｎｇ）に主燃料ゲイン３１及び補助燃料ゲイン３２を乗算し、その結果得られたそれぞれの値に基づき主燃料流量２６及び補助燃料流量２７を制御する。
【００２２】
入力切替スイッチ４は、分配率調整ロジック２に入力する信号ＥＲＲを、参照モデル１におけるモデル回転数Ｎｇｍと実際の回転数Ｎｇとの差の信号、または参照モデル１におけるモデル出力Ｐｍと実際の出力Ｐとの差の信号のどちらか一方に切り換えるものである。すなわち、ガスタービン発電機の遮断器がＯＮの時は参照モデル１におけるモデル出力Ｐｍと実際の出力Ｐとの差の信号が入力信号ＥＲＲとして分配率調整ロジック２に入力され、ガスタービン発電機の遮断器がＯＦＦの時は参照モデル１におけるモデル回転数Ｎｇｍと実際の回転数Ｎｇとの差の信号が入力信号ＥＲＲとして分配率調整ロジック２に入力される。
【００２３】
実プラント５は、ガスタービン及びガスタービン軸に結合された発電機から成り、ガスタービンには主燃料と補助燃料が供給される。図１においては、ガスタービンの動特性をＨ（ｓ）で、発電機の動特性をＷ（ｓ）で表している。また、主燃料は発熱量が変動するので主燃料流量２６に発熱量変動係数５３を乗算するために、線図上に乗算器５４を設け、主燃料の発熱量変化を表現している。主燃料流量２６に発熱量変動係数５３を乗算した後の値と、補助燃料流量２７とが加算されてガスタービン動特性Ｈ（ｓ）の入力値として用いられる。
【００２４】
次に、本実施の形態における制御システムの動作について説明する。
【００２５】
図２は制御装置６１と制御対象となるガスタービン５１及び発電機５２との関係を示したものである。
【００２６】
ガスタービン無負荷運転時、すなわち、遮断器６２がＯＦＦとなっており発電機５２が系統に並入されていない状態においては、要求回転数Ｎｇｒｅｆと回転数Ｎｇとは制御装置６１に入力され、制御装置は、その差（Ｎｇｒｅｆ−Ｎｇ）に比例した燃料流量となるよう、主燃料流量２６及び補助燃料流量２７を制御する。
【００２７】
ガスタービン負荷運転時、すなわち、遮断器６２がＯＮとなり発電機５２が系統に並入された状態では、回転数Ｎｇは系統側の電源周波数で決定されるため、主燃料流量２６や補助燃料流量２７の増減とは無関係に回転数Ｎｇ一定となる。従って、この場合は、制御装置６１は主燃料流量２６及び補助燃料流量２７を増減させることによって発電機５２の出力を制御する。このとき、要求回転数Ｎｇｒｅｆと回転数Ｎｇの差（Ｎｇｒｅｆ−Ｎｇ）は出力要求信号となる。なお、回転数制御と出力制御の切替は遮断器状態信号ＣＢにより行われる。
【００２８】
ここで、制御装置６１には、図１に示すように参照モデル１が含まれている。参照モデル１には、要求回転数Ｎｇｒｅｆと実際の回転数Ｎｇとの差（Ｎｇｒｅｆ−Ｎｇ）に主燃料ゲイン３１を乗算しさらに無負荷定常燃料値Ｗｆｓｓ１を加算して得られたＷｆｍと、補助燃料ゲイン３２を乗算しさらに無負荷定常燃料値Ｗｆｓｓ２を加算して得られた値Ｗｆａ、の２つの値を加算したものが入力される。このとき、Ｗｆｍは参照モデル１に入力される主燃料流量、Ｗｆａは参照モデル１に入力される補助燃料流量に相当する。
【００２９】
参照モデル１は、実プラント５におけるガスタービン動特性Ｈ（ｓ）及び発電機動特性Ｗ（ｓ）から、ガスタービンモデルＨｍ（ｓ）及び発電機モデルＷｍ（ｓ）をつくり、燃料流量に対するガスタービンの回転数Ｎｇ及び発電機の出力Ｐとの関係をモデル化したものである。したがって、主燃料及び補助燃料の発熱量が変化しないのならば、分配率調整ロジック２がなくても、要求回転数Ｎｇｒｅｆを増減させたとき、参照モデル１から出力されるモデル回転数Ｎｇｍの変化と実際の回転数Ｎｇの変化とは一致する。さらに遮断器６２をＯＮにし系統に並入した状態において要求回転数Ｎｇｒｅｆを増減させることで、出力要求値を増減させたとしても、参照モデル１から出力されるモデル出力Ｐｍの変化と実際の出力Ｐの変化とは一致する。
【００３０】
しかし、実際には主燃料の発熱量が変化するため、主燃料流量及び補助燃料流量が変化せず、従ってＷｆｍ及びＷｆａの値が一定に維持され、モデル回転数Ｎｇｍあるいはモデル出力Ｐｍが一定値を維持していたとしても、主燃料の発熱量の変化に応じて実際の回転数Ｎｇあるいは実際の出力Ｐは変化する。すなわち、主燃料の発熱量が変化したとき、参照モデル１から出力されるモデル回転数Ｎｇｍあるいはモデル出力Ｐｍの変化と実際の実際の回転数Ｎｇあるいは出力Ｐの変化とは一致しなくなる。
【００３１】
分配率調整ロジック２は、このように主燃料の発熱量が変化することによって、モデル回転数Ｎｇｍあるいはモデル出力Ｐｍの変化と実際の実際の回転数Ｎｇあるいは出力Ｐの変化とは一致しない場合に、主燃料流量２６と補助燃料流量２７の分配率を調整することで、参照モデル１から得られる値と、実プラント５における値とを一致させるようにするものである。
【００３２】
一方、ガスタービン無負荷運転時、すなわち、遮断器６２がＯＦＦとなっており発電機５２が系統に並入されていない状態においては、ガスタービンの出力はゼロなので、参照モデル１におけるモデル回転数Ｎｇｍと実際の回転数Ｎｇとの差を分配率調整ロジック２に入力する必要がある、また、ガスタービン負荷運転時、すなわち、遮断器６２がＯＮとなり発電機５２が系統に並入された状態では、回転数Ｎｇは系統側の電源周波数で決定されるため、参照モデル１におけるモデル出力Ｐｍと実際の出力Ｐとの差を分配率調整ロジック２に入力する必要がある。
【００３３】
入力切替スイッチ４は、遮断器６２のＯＮ・ＯＦＦに応じて分配率調整ロジック２に入力する信号の切り換えを行うものである。
【００３４】
図３は図１から分配率調整ロジック２を抜き出したものである。
【００３５】
まず、分配率調整ロジック２は、無負荷運転時には参照モデル１におけるモデル回転数Ｎｇｍと実際の回転数Ｎｇとの差を誤差ＥＲＲとして取り込み、負荷運転時には参照モデル１におけるモデル出力Ｐｍと実際の出力Ｐとの差を誤差ＥＲＲとして取り込む。
【００３６】
次いで、α変更ルールで、燃料の分配係数を調整する。
【００３７】
α変更ルールは以下のようにする。
【００３８】
α＝α×（１／（１＋ＥＲＲ／ｎ））　・・・　▲１▼
ここで
ＥＲＲ＝　Ｎｇｍ−Ｎｇ　　　　　　　・・・　▲２▼　（無負荷運転時）
ＥＲＲ＝　Ｐｍ−Ｐ　　　　　　　　　・・・　▲３▼　（負荷運転時）
ｎは１以上の正の整数で調整係数と呼ぶ。（ｎが大きいほど調整の進みは遅い。）
αは、０＜α＜２の範囲の値を取り、この値を補助燃料分配係数とし、２−αを主燃料分配係数とする。従って、補助燃料分配係数と主燃料分配係数の和は１となる。
【００３９】
さらに、このまま分配率を替えただけでは、ガスタービンに供給される燃料の総熱量が増加又は減少するので、β変更ルールにより、発熱量調整係数βを以下のルールで計算する。
【００４０】
β＝β×（１／（１−ＥＲＲ／ｎ））　・・・　▲４▼
ここで
ＥＲＲ＝　Ｎｇｍ−Ｎｇ　　　　　　　・・・　▲５▼　（無負荷運転時）
ＥＲＲ＝　Ｐｍ−Ｐ　　　　　　　　　・・・　▲６▼　（負荷運転時）
ｎは１以上の正の整数で調整係数と呼ぶ。（ｎが大きいほど調整の進みは遅い。）
燃料流量を制御するための分配率調整ロジック２に入力された信号Ｗｆｍ及びＷｆａの内、Ｗｆａに補助燃料分配係数αが乗算した値が補助燃料流量２７となる。（実際には、補助燃料制御装置の設定値となるのであるが、補助燃料制御装置には制御ループが組み込まれており、補助燃料制御装置の設定値と補助燃料流量とは一致するよう制御されるので、簡単のためここでは、設定値をそのまま実際の値と読み替えるものとする。主燃料流量２６についても同様）また、Ｗｆｍに主燃料分配係数（２−α）を乗算しさらに発熱量調整係数βを乗算した値が主燃料流量２６となる。
【００４１】
例えば、ガスタービンの負荷運転時で、初期値α＝２−α＝β＝１の状態において、主燃料の発熱量が減少したため、ガスタービンの出力Ｐが２％減少したとする。このときＥＲＲ＝０．０２となるから、調整係数ｎ＝１とすると、補助燃料分配係数α、主燃料分配係数（２−α）、及び発熱量調整係数βは式▲１▼、▲４▼よりそれぞれ０．９８、１．０２、及び１．０２となり、補助燃料流量２７は減少するが、主燃料流量２６は主燃料の発熱量が減少した分増加し、それに応じて補助燃料流量２７が減少する。
【００４２】
このような、α、βの値の修正動作はＥＲＲがゼロになるまで繰り返される。このとき調整係数ｎの値を大きくすればするほどα、βの値の修正動作は緩やかに進められることになる。
【００４３】
なお、本実施の形態において、主燃料をできるだけ多く使用するためα変更ルール２１、及びβ変更ルール２４を式▲１▼及び▲４▼のように定めた。式▲１▼及び▲４▼以外の式であっても、ＥＲＲの値が正のときαが減少βが増加し、ＥＲＲの値が負のときαが増加βが減少するような変更ルールであれば良く、図４に示すように、主燃料分配係数、補助燃料分配係数をそれぞれα１，α２とし別々の変更ルールにより修正するようにしても良い。ただしこの場合においても、主燃料をできるだけ多く使用するためには、ＥＲＲの値が正のときα１は増加、α２は減少、ＥＲＲの値が負のときα１は減少、α２は増加するようなα１・α２変更ルール２１ａとする必要がある。逆に、補助燃料をできるだけ多く使用するためには、ＥＲＲの値が正のときα１は減少、α２は増加、ＥＲＲの値が負のときα１は増加、α２は減少のような変更ルールとする必要がある。また、α１及びα２をＥＲＲの値にかかわらず１に固定し、発熱量調整係数βのみＥＲＲの値に応じて修正するようにしても良い。
【００４４】
次に、本制御システムでシュミレーションを行った例を示す。
【００４５】
図５は無負荷運転時に１０％主燃料発熱量が急上昇した場合について、従来の制御装置、すなわち、参照モデル１及び分配率調整ロジック２を持たないシステムの場合の回転数Ｎｇの応答を示し、図６は無負荷運時に１０％主燃料発熱量が急上昇した場合について本制御システムを適用した場合の回転数Ｎｇの応答を示し、図７は５００ｋＷ負荷運時に２％主燃料発熱量が急上昇した場合について本制御システムを適用した場合の出力Ｐの応答を示し、図８は５００ｋＷ負荷運時に２％主燃料発熱量が急下降した場合について本制御システムを適用した場合の出力Ｐの応答を示す。
【００４６】
図５に示すように、従来の制御装置を適用したときオフセットが発生するが、図６ないし図８に示すように、本実施の形態において、オフセットは消えている。また、いずれもの場合も１０秒以内に設定値に収束している。
【００４７】
このように、本実施の形態によれば、参照モデル１の応答とガスタービン発電設備の実際の応答とが一致するよう主燃料流量２６と補助燃料流量２７の分配率を修正するので、主燃料の発熱量が短期間に激しく変動する場合においても主燃料の発熱量に応じ適切な燃料分配率を維持することができる。従って、発熱量が短期間に激しく変動する発酵メタンガス等を主燃料とし、さらに、発熱量の安定している灯油や天然ガスなどを補助燃料として併用するガスタービン発電設備に対して安定した制御が可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるガスタービン制御システムによれば、参照モデルの応答とガスタービン発電設備の実際の応答とが一致するよう主燃料流量と補助燃料流量の分配率を修正するので、発熱量が短期間に激しく変動する発酵メタンガス等の主燃料と、発熱量の安定している灯油や天然ガスなどの補助燃料とを併用するガスタービン発電設備に対して安定した制御が可能となる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるガスタービン制御システムの一実施の形態を示した構成図である。
【図２】図１のシステムにおいて、制御装置のガスタービン及び発電機との関係を示す構成図である。
【図３】図１のシステムにおいて、分配率調整ロジックを抜き出した図である。
【図４】図１のシステムにおいて、分配率調整ロジックの変形例を示す図である。
【図５】従来の制御システムにおけるシュミレーション結果である。
【図６】無負荷運転時において、主燃料発熱量が１０％急上昇した時のシュミレーション結果である。
【図７】５００ｋＷ負荷運転時において、主燃料発熱量が１０％急上昇した時のシュミレーション結果である。
【図８】５００ｋＷ負荷運転時において、主燃料発熱量が１０％急下降した時のシュミレーション結果である。
【図９】従来例の構成図である。
【符号の説明】
１　参照モデル
２　分配率調整ロジック
３　比例ゲイン
４　入力切替スイッチ
５　実プラント
【図１】
2004036426.tif 000003
【図２】
2004036426.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004036426.tif 000009
【図８】
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【図９】
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