(57)【要約】    【課題】  負荷変化運転時においてもプラントの各種プロセス量を安定に制御可能なガスタービン設備の制御装置を提供することにある。    【解決手段】  空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器３と、燃焼器３で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービン１と、圧縮機２の吸気または圧縮機２で圧縮した圧縮空気に水を供給するスプレ８とによりガスタービン設備を構成する。制御装置３０は、タービン１に接続した発電機４の実効出力MWと、発電機４の出力目標値MWDとの差ΔMWが所定値を越えた場合、圧縮空気への水供給量を変化する。    【選択図】  図１
2005127203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気または前記圧縮機で圧縮した圧縮空気に水を供給する加水装置とを有するガスタービン設備の制御装置であって、
前記タービンに接続した発電機の実効出力と、前記発電機の出力目標値との差が所定値を越えた場合、前記吸気あるいは圧縮空気への水供給量を変化させる制御手段を備えたことを特徴とするガスタービン設備の制御装置。
【請求項２】
空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気または前記圧縮機で圧縮した圧縮空気に水を供給する加水装置とを有するガスタービン設備の制御装置であって、
前記制御手段は、前記タービン出口の排気温度と、この排気温度の目標値との差が所定値を越えた場合、前記吸気あるいは圧縮空気への水供給量を変化させることを特徴とするガスタービン設備の制御装置。
【請求項３】
空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気または前記圧縮機で圧縮した圧縮空気に水を供給する加水装置とを有するガスタービン設備の制御装置であって、
前記制御手段は、前記タービン出口の排気温度と、前記排気温度の最高使用温度（警報値）との差が所定値を越えた場合、前記吸気あるいは圧縮空気への水供給量を変化させることを特徴とするガスタービン設備の制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のガスタービン設備の制御装置において、
前記加水装置は、複数のオンオフ電動弁と一つの比例制御弁とを有し、
前記制御手段は、前記比例制御弁の開度に応じて、前記オンオフ制御弁を開閉制御することを特徴とするガスタービン設備の制御装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載のガスタービン設備の制御装置において、
前記制御手段は、前記発電機の実効出力と、前記発電機の出力目標値との差に基づいて、前記燃焼器に供給する燃料量を制御することを特徴とするガスタービン設備の制御装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載のガスタービン設備の制御装置において、
前記加水装置は、複数の水噴射ノズルの組合せにより実現されることを特徴とするガスタービン設備の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン設備の制御装置に係り、特に、ガスタービンに供給する気体を加湿し、出力及び効率向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、気体の加湿にスプレを用いるガスタービン設備に用いるに好適な制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ガスタービンに供給する気体（空気）に水分を注入して加湿し、出力及び効率の向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントには、既設ガスタービン発電プラントの設備更新、あるいはコジェネ向け発電プラントとしての新規導入のニーズを受けて、従来ガスタービン発電プラントに匹敵する負荷追従性が求められている。
【０００３】
そのために、燃料流量及びスプレ流量の運転制御方式としては、種々のものが知られているが、例えば、特開２０００−２３０４３２号公報に記載のように、本制御方式でプラント負荷を変える場合には、負荷変化に先行して加湿空気の湿分を調整し、湿分調整終了後にプラント負荷変化を開始するものが知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２３０４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開２０００−２３０４３２号公報記載のものでは、高湿分ガスタービンを負荷運転する際に加湿空気の湿分を先行的に調整するものであり、スプレ噴霧によるプロセス量の変動が安定するのを待って負荷運転する運用では高湿分ガスタービンに望まれている急速負荷追従運転は困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、負荷変化運転時においてもプラントの各種プロセス量を安定に制御可能なガスタービン設備の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気または前記圧縮機で圧縮した圧縮空気に水を供給する加水装置とを有するガスタービン設備の制御装置であって、前記タービンに接続した発電機の実効出力と、前記発電機の出力目標値との差が所定値を越えた場合、前記吸気あるいは圧縮空気への水供給量を変化させる制御手段を備えるようにしたものである。  
かかる構成により、負荷変化運転時においてもプラントの各種プロセス量を安定に制御し得るものとなる。
【０００８】
（２）上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気または前記圧縮機で圧縮した圧縮空気に水を供給する加水装置とを有するガスタービン設備の制御装置であって、前記制御手段は、前記タービン出口の排気温度と、この排気温度の目標値との差が所定値を越えた場合、前記圧縮空気への水供給量を変化させるようにしたものである。
【０００９】
かかる構成により、負荷変化運転時においてもプラントの各種プロセス量を安定に制御し得るものとなる。
【００１０】
（３）上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気または前記圧縮機で圧縮した圧縮空気に水を供給する加水装置とを有するガスタービン設備の制御装置であって、前記制御手段は、前記タービン出口の排気温度と、前記排気温度の最高使用温度（警報値）との差が所定値を越えた場合、前記圧縮空気への水供給量を変化させるようにしたものである。
【００１１】
かかる構成により、負荷変化運転時においてもプラントの各種プロセス量を安定に制御し得るものとなる。
【００１２】
（４）上記（１）〜（３）において、好ましくは、前記加水装置は、複数のオンオフ電動弁と一つの比例制御弁とを有し、前記制御手段は、前記比例制御弁の開度に応じて、前記オンオフ制御弁を開閉制御するようにしたものである。
【００１３】
（５）上記（１）〜（３）において、好ましくは、前記制御手段は、前記発電機の実効出力と、前記発電機の出力目標値との差に基づいて、前記燃焼器に供給する燃料量を制御するようにしたものである。
【００１４】
（６）上記（１）〜（３）において、好ましくは、前記加水装置は、複数の水噴射ノズルの組合せにより実現されるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、負荷変化運転時においてもプラントの各種プロセス量を安定に制御し得るものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図１〜図１０を用いて、本発明の第１の実施形態によるガスタービン設備の制御装置の構成および動作について説明する。なお、本実施形態では、ガスタービン設備として、高湿分ガスタービン発電プラントを例にして説明する。  
最初に、図１を用いて、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントのシステム系統について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントのシステム系統図である。
【００１７】
ガスタービン燃焼に使用する空気は、圧縮機２で加圧された後、配管７に設置したスプレ８を用いて水分が注入・加湿される。また、空気中の水分を完全に蒸発させるため、低温側再生熱交換器１１及び高温側再生熱交換器１２で加熱する。熱交換器１１及び１２の熱源は、ガスタービンからの排気ガスである。加熱の結果、配管１３中の気体は、空気と蒸気の混合流体となる。
【００１８】
一方、燃料ポンプ５で加圧した燃料は、燃焼器３において先に得られた空気と蒸気の混合流体で燃焼する。燃料，空気及び蒸気の燃焼により発生する燃焼ガスは、ガスタービン１を駆動した後、煙道１４を経てタービン外へ排出される。タービン外に排出された燃焼ガス（燃焼排ガス）の熱エネルギーは、高温側再生熱交換器１２及び低温側再生熱交換器１１で回収し、空気中の加熱に用いられる。また、燃焼排ガス中の水分は、水回収装置１５で回収する。水回収の方式は、煙道に水を噴霧し、ガス中の水分を凝集、落下させて回収する方式としている。水分回収後の燃焼排ガスは、煙突１６を用いて大気に放風する。
【００１９】
ガスタービン１で得られた駆動力は、シャフト２０を通じて圧縮機２及び発電機４に伝えられる。駆動力の一部は、圧縮機２において空気の加圧に用いられる。また、発電機４で駆動力を電力に変換する。
【００２０】
なお、水回収装置１５で回収された水は、水回収タンク１８に貯蔵し、ポンプ１０によってスプレ８や水回収装置１５に供給され、スプレ８への加湿水、あるいは水回収装置１５への噴霧水として再利用する。煙突１６から大気放風された水分は、補給水ポンプ１７によって補われる。
【００２１】
制御装置３０は、高湿分ガスタービン発電プラントの実効出力である発電量MW，中央給電指令所等から与えられる発電量指令MWD，スプレ制御手段１１３から得られるスプレ本数Ksp，タービン１の排気温度Tx，圧縮機２の出口圧力PcD等に基づいて、スプレ制御手段１１３にスプレ本数指令KspDを出力する。スプレ制御手段１１３は、制御装置３０から与えられるスプレ本数指令KspDに基づいて、オンオフ電動弁９を駆動して、スプレ８に供給する水量を制御する。高湿分ガスタービン発電プラントでは、スプレの加湿量によっても燃焼ガス流量が変化し、同時に発電量が変化することから、プラント負荷運転時においてはスプレ８も適切に制御する必要がある。
【００２２】
次に、図２を用いて、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０の詳細構成について説明する。  
図２は、本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０の詳細構成を示す機能ブロック図である。
【００２３】
制御装置３０は、中央給電指令所（中給）からの発電量指令MWD，発電機４の出力MW，タービン１の排気温度Tx、圧縮機２の出口における空気圧力PcDからスプレ流量を制御するものであり、その詳細については、図２を用いて後述する。ここでは、スプレの流量制御方法として、少なくとも２個以上のオンオフ電動弁の開閉によりスプレの流量を調整するスプレ本数制御を採用している。スプレにオンオフ電動弁を用いた場合、弁開閉時にスプレ流量が急激に変動することからタービン排気温度が大きく変化する恐れがあるが、一般的に電動弁は制御弁に比べて極めて安価であり、また流量調整のための校正作業を必要としないというメリットがあることから、コジェネレーション，ＩＰＰなどでの利用に適している。
【００２４】
スプレ制御回路３０は、３種類の制御回路３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを備えている。第１の制御回路３０Ａは、プラント負荷一定運転時における電動弁の作動本数を算定するものであり、スプレ本数設定手段１００と、減算器１０３，１０４と、一定運転時スプレ増減設定手段１０７とを備えている。
【００２５】
スプレ本数設定手段１００は、発電機指令MWDに応じたスプレ本数設定値KspDを計算する。
【００２６】
ここで、図３を用いて、スプレ本数設定手段１００の設定例について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０のスプレ本数設定手段１００の設定例の説明図である。図３の横軸は発電量指令値MWD（％）を示し、縦軸はスプレ本数指令値KspD（本）を示している。
【００２７】
例えば、図３に示すように、発電量指令値MWDが０％の場合は、スプレ本数指令値KspDは０本である。発電量指令値MWDが０％より大で、１２．５％以下の場合は、スプレ本数指令値KspDは１本であり、発電量指令値MWDが１２．５％より大で、２５％以下の場合は、スプレ本数指令値KspDは２本というように、１２．５％刻みで、スプレ本数指令値を増加するようにしている。
【００２８】
なお、部分負荷におけるスプレ噴射の本数は、部分負荷におけるプラント効率が最大になるようセットされているが、負荷変化運転によりプラントのバランスが変動した結果、負荷変化後のスプレ本数がスプレ本数設定手段１００に設定された本数と異なる場合がある。
【００２９】
減算器１０４は、スプレ本数設定値KspDと現在のスプレ本数Kspとから現在のスプレ本数偏差ΔKspを求める。減算器１０３は、発電機出力MWと発電量指令MWDから発電量偏差ΔMWを求める。
【００３０】
一定運転時スプレ増減設定手段１０７は、発電量偏差ΔMW及び発電機指令MWDから現在のプラント運転状態を判定する。発電機指令MWDの時間変化率が零（すなわち、プラント負荷一定）で、かつ発電機指令MWDの時間変化率ΔMWの絶対値が設定値以内である場合には、プラントが定常運転中であると判断する。このとき、一定運転時スプレ増減設定手段１０７は、スプレ本数偏差ΔKspが非零の場合には、ΔKspが０となるように、一定運転時スプレ増減設定信号ΔKlsを算定する。
【００３１】
第１の制御回路３０Ａは、負荷変化後にスプレ本数を設定値に一致するよう制御することで、部分負荷におけるプラント効率が最大となるよう制御する。
【００３２】
第２の制御回路３０Ｂは、プラント負荷変化運転時における電動弁の作動本数を算定するものであり、タービン排気温度設定手段１０１と、減算器１０５と、負荷変化運転時スプレ増減設定手段１０８とを備えている。
【００３３】
タービン排気温度設定手段１０１は、発電量指令値MWDから排気温度目標値TxDを求める。
【００３４】
ここで、図４を用いて、タービン排気温度設定手段１０１の設定例について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０のタービン排気温度設定手段１０１の設定例の説明図である。図４の横軸は発電量指令値MWD（％）を示し、縦軸はタービン排気温度Tx（℃）を示している。
【００３５】
図４において、太い実線が、ガス温度目標値TxDを示している。本来、負荷一定運転時におけるタービン排気温度の設定値は、スプレ本数の変化に伴い点線に示すよう制御する必要があるが、本実施形態では、細い実線TxDL，TxDUで示すように、設定値に上限と下限を設け、タービン排気温度偏差ΔTxが設定値の範囲（図中の細い実線で示す上限・下限の範囲）を逸脱した場合にスプレ本数を制御している。これは、発電量及び排気温度制御の主操作量である燃料流量との相互干渉を抑えたためである。さらに、本実施形態では、負荷上げ時にはタービン排気温度をあえて上方に逸脱させることにより、スプレ投入による温度低下と相殺する効果を狙っている。また、負荷下げ時にはタービン排気温度をあえて下方に逸脱させ、スプレ本数を減じた場合の温度上昇と相殺させる。本実施形態における設定値の上限および下限は、スプレ投入による温度変動幅から設定している。
【００３６】
また、図２において、減算器１０５は、タービン排気温度Txと、タービン排気温度設定手段１０１により求められた排気温度目標値TxDとを減算して、排気温度偏差ΔTxを求める。排気温度偏差ΔTxが設定温度差を超過した場合には、負荷変化運転時スプレ増減設定手段１０８は、負荷変化時スプレ増減設定値ΔKlf = ＋１としてスプレ本数を増加させる。排気温度偏差ΔTxが負となり、設定温度差を下回った場合には、負荷変化時スプレ増減設定値ΔKlf = −１してスプレ本数を減ずる。
【００３７】
タービン排気温度Txは負荷変化時に変動するが、排気温度Txの変動を設定温度差以内とすることにより、発電機出力，発電機周波数，タービン回転数などをより安定に制御可能である。本制御回路３０Ｂが動作した結果として、負荷変化後のスプレ本数が計画値と異った場合には、第一番目の制御回路により計画値へと修正する。
【００３８】
第３の制御回路３０Ｃは、プラント緊急時における電動弁の作動本数を算定するものであり、ガスタービン排気温度制限手段２００と、減算器１０６と、排気ガス温度制限時スプレ増減設定手段１０９とを備えている。
【００３９】
プラント緊急時、例えば燃焼器において異常燃焼が発生した場合などには、燃焼器内の燃焼温度が上昇することにより燃焼ノズルの溶損、タービン翼の破損等の機器トラブルが発生する。このような不具合に対し、従来ガスタービン制御ではガスタービン排気温度を監視し、排気温度が設定温度を超えた場合には燃料流量調整弁を閉じる等の運用により燃焼器内の温度上昇を抑制している。本実施形態の第３の制御回路３０Ｃでは、燃焼器内の温度上昇をスプレで抑制する。なお、スプレ投入により質量流量が増大するが、温度低下の効果により総体として負荷は低下する。
【００４０】
タービン排気温度制限値手段２００は、圧縮機出口圧力PcDからタービン排気温度制限値TxLimを求める。
【００４１】
ここで、図５を用いて、タービン排気温度制限値手段２００の設定例について説明する。  
図５は、本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０のタービン排気温度制限値手段２００の設定例の説明図である。図５の横軸は圧縮機吐出圧力PcD（ｋＰａ）を示し、縦軸はタービン排気温度Tx（℃）を示している。
【００４２】
一般に、燃焼器内におけるガス温度は、圧縮機出口圧力に比例することが経験的に知られている。そこで、本実施形態においても、タービン排気温度制限値手段２００は、圧縮機出口圧力PcDから排気温度の警報温度TxLimを求めた。図において、実線は負荷運転時、破線は起動時の警報温度及びトリップ温度を表すが、本実施形態では、タービン排気温度制限値手段２００は、圧縮機出口圧力PcDに応じた警報温度TxLimを出力する。
【００４３】
また、図２において、減算器１０６は、タービン排気温度Txと、タービン排気温度制限値手段２００により求められたタービン排気温度制限値TxLimとを減算して、排気ガス温度制限時スプレ増減設定値ΔTxLimを求める。排気温度制限時スプレ増減設定手段１０９は、排気ガス温度制限時スプレ増減設定値ΔTxLimが０或いは正数の場合には、排気ガス温度制限時スプレ増減設定ΔKem = +1としてスプレ本数を増加させる。
【００４４】
以上の３つの制御回路３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが出力する制御信号に基づいて、スプレ制御する。
【００４５】
通常時スプレ増減設定手段１１０は、一定運転時におけるスプレ増減設定値ΔKls及び負荷変化時におけるスプレ増減設定値ΔKlfから、通常運時におけるスプレ増減設定値ΔKnmを求める。スプレ増減設定値ΔKlsは一定運転時、スプレ増減設定値ΔKlfは負荷変化時に動作することから、信号は排他的に出力される。しかしながら、スプレ増減設定値ΔKls及びスプレ増減設定値ΔKlfが同時に動作する可能性を考慮し、スプレ増減設定値ΔKnmは、図６に示す表より求める。
図６は、本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０の通常時スプレ増減設定手段１１０の設定例の説明図である。
【００４６】
図６において、横軸はスプレ増減設定値ΔKlsを示し、縦軸はスプレ増減設定値ΔKlfを示している。そして、これらの設定値の組み合わせにより、通常時スプレ増減設定値ΔＫｎｍを設定している。例えば、スプレ増減設定値ΔKlsが−１で、スプレ増減設定値ΔKlfが−１の場合には、通常時スプレ増減設定値ΔＫｎｍを−１とする。また、スプレ増減設定値ΔKlsが＋１で、スプレ増減設定値ΔKlfが＋１の場合には、通常時スプレ増減設定値ΔＫｎｍを＋１とする。
【００４７】
また、図２のスプレ増減設定手段１１１は、通常運転時における通常時スプレ増減設定手段１１０が出力するスプレ増減設定値ΔKnm及び排気温度制限時スプレ増減設定手段１０９が出力する排気ガス温度制限時スプレ増減設定値ΔKemから、スプレの増減設定値ΔKDを求める。排気ガス温度制限時スプレ増減設定値ΔKemは、ガスタービンの運転制限条件を逸脱した場合に＋１となることから、スプレ増減設定手段１１１は、図７に示す表よりスプレの増減設定値ΔKDを求める。
図７は、本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０のスプレ増減設定手段１１１の設定例の説明図である。
【００４８】
図７において、横軸はスプレ増減設定値ΔKemを示し、縦軸はスプレ増減設定値ΔKnmを示している。そして、これらの設定値の組み合わせにより、スプレ増減設定値ΔＫDを設定している。例えば、スプレ増減設定値ΔKemが０で、スプレ増減設定値ΔKnmが−１の場合には、スプレ増減設定値ΔＫDを−１とする。また、スプレ増減設定値ΔKemが＋１で、スプレ増減設定値ΔKnmが＋１の場合には、スプレ増減設定値ΔＫDを＋１とする。
【００４９】
さらに、図２において、スプレ本数指令設定手段１１２は、現在のスプレ本数とスプレ増減設定値ΔKDから、スプレ本数指令値KspDを計算する。また、スプレ制御手段１１３は、スプレ本数指令値KspDに従い、この当するオンオフ電動弁９を開閉して、スプレ本数指令値KspDに等しい数のスプレを駆動する。
【００５０】
次に、図８〜図１０を用いて、高湿分ガスタービンプラントの制御結果について説明する。  
図８〜図１０は、高湿分ガスタービンプラントの制御結果を示すトレンドグラフである。図８は、本発明を適用しない場合のプラント負荷運転特性の一例である。図９は、本発明を適用市内場合におけるプラント負荷運転特性のもう一つの例である。図１０は、本実施形態による制御装置を高湿分ガスタービン制御に適用した場合のプラント負荷運転特性を示している。
【００５１】
また、図８〜図１０の各図において、横軸は時間を示している。各図（Ａ）の縦軸は、発電量指令値MWDを示している。各図（Ｂ）は、スプレ本数指令値KspDを示している。各図（Ｃ）は、タービン排気温度Txを示している。各図（D）は、発電機出力MWを示している。
【００５２】
図８は、本発明を適用しない場合のプラント負荷運転特性の一例である。ここでは、図８（Ａ）に示す発電量指令値MWDの変動と同時に、図８（Ｂ）に示すように、スプレ本数指令値KspDを増減している。発電量指令値MWD及びスプレ本数指令値KspDの変動により、図８（Ｃ）に示すように、タービン排気温度Txが変動し、図８（D）に示すように、発電機出力MWが変化することから、これらのプロセス値の変動を併せて示している。
【００５３】
ここでは、全体系統計画を元に、負荷上昇前のスプレ本数をｋ本、負荷上昇後のスプレ本数をｋ＋１本と仮定している。そのため、プラント制御に際しては、負荷変化中何らかの指標に従いスプレ本数をｋ本からｋ＋１本へと増加させる必要がある。そこで、発電量指令値MWD上昇(負荷上げ)と同時にスプレ本数指令値KspDをｋからｋ＋１に増加した。スプレ本数変更の結果、図８（Ｂ）に示すように、タービン排気温度Txは一旦低下し、その後燃料流量の増加に伴って上昇する。図中の線Txhは、負荷変化時にスプレk+1本を噴射した場合のタービン排気温度Txの推移特性を示す。負荷上昇後のタービン排気温度は点thに一致するが、この点は負荷変化後のタービン排気温度の計画値に一致する。
【００５４】
負荷上げ時のスプレ噴射によりタービン排気温度が低下した場合、燃焼器温度（タービン入口温度）も同様に低下しているものと考えられる。タービン入口温度が低下すると、タービン駆動力が低下するため、図８（D）に示すように、発電量MWが過渡的に低下しており、負荷追従性が悪化した。
【００５５】
また、この運用方法を負荷下げ時に適用した場合には、負荷変化開始時にスプレをｋ＋１本からｋ本へと減ずる運用となる。負荷変化開始時にスプレ流量を低下させた場合、図８（Ｂ）に示すように、タービン排気温度Txが最高でｔD(℃)まで上昇する。図中の線TxDは、負荷変化時にスプレk本を噴射した場合のタービン排気温度Txの推移特性を示す。燃焼温度の上昇により発電量が上昇するほか、燃焼器及びタービンブレードの溶損の原因となる。そこで、燃焼器及びタービンブレード損傷を避けるため、燃料流量調整弁の開度を制限した結果、図８（D）に示すように、負荷追従性が過渡的に低下した。
【００５６】
次に、図９は、本発明を適用しない場合におけるプラント負荷運転特性のもう一つの例である。この例では、プロセス量が不安定となる負荷変化中のスプレ噴霧を避け、負荷変動終了後にスプレ本数指令値KspDを増減するよう制御したものである。このような制御方式では負荷上げ時には、図９（Ｂ）に示すように、タービン排気温度Txが最高でｔD'(℃)まで上昇した後、スプレ投入によって計画値まで下がる特性となり、タービン排気温度Txの低下と同時に、図９（D）に示すように、発電量MWも低下する。図では、負荷上げ終了時において発電量が一時的に低下した。
【００５７】
この運用方式を負荷下げ時に適用した場合には、負荷変化終了時までスプレ噴霧を継続することから、タービン排気温度Txは、図９（Ｂ）に示すように、線Txhに沿って変動する。また、負荷変化後スプレ本数をｋ＋１からｋへと減ずることにより、排気温度は、図９（Ｂ）に示すように、温度ｔh'から一時的に上昇する。従って、図９（D）に示すように、負荷下げ時においては、タービン排気温度の上昇により発電量が一時的に上昇する特性となる。
【００５８】
次に、図１０により、本実施形態による制御装置３０を高湿分ガスタービン制御に適用した場合のプラント負荷運転特性について説明する。本実施形態ではガスタービン排気温度Txを監視し、ガスタービン排気温度と目標値との差が設定温度差を超過した場合にスプレ本数を変更するようにしている。本制御方式は、負荷上げ時のタービン排気温度Txは、図１０（Ｂ）に示すように、点線TxDに、負荷変化終了時のタービン排気温度は点線Txhに沿った値となる。スプレ本数がｋ本からｋ＋１本に切り替わった際に、図１０（Ｃ）に示すように、ガス温度は一時的に低下するが、本数増加によるタービン排気温度の低下分は噴霧前の温度上昇分と相殺されるため温度変化割合は、図８，図９に示した制御方式に比較して小さい値となる。タービン排気温度変動が抑えられた結果、図１０（D）に示すように、発電機出力の変動も最小限に抑えられる。
【００５９】
負荷下げの場合も同様に、タービン排気温度Txと目標値との差が設定温度差を超過した場合にスプレ本数をｋ＋１本からｋ本へと変更する。スプレ本数低下による温度上昇は、タービン負荷下降時の温度低下と相殺されることから、温度変化割合は図８，図９に示した制御方式と比較して小さくできる。また、図１０（D）に示すように、発電量変動も最小限に抑えられる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態によれば、負荷上げ時あるいは下げ時の温度変動と、スプレ噴霧による温度変動が相殺するようにスプレ噴霧のタイミングを決定するので、タービン翼に対する熱ストレスを最小として、無理のない負荷運転が可能となる。また、同時にタービン排気温度の変動を最小とするので、発電量、発電機周波数、タービン回転数のそれぞれに対して外乱が最小として安定した負荷運用が可能となる。したがって、負荷変化運転時においても、タービン排気温度Txや発電量MWのようなプラントの各種プロセス量を安定に制御可能となるものである。
【００６１】
また、スプレの制御を電動弁によるオン・オフ制御とするので、スプレの設備費用を抑えてより安価なプラントが供給可能となる。また、スプレにおける流量調整など各種校正作業が不要となるので、試運転期間の短縮が可能となる。
【００６２】
次に、図１１および図１２を用いて、本発明の第２の実施形態によるガスタービン設備の制御装置の構成および動作について説明する。なお、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントのシステム系統図は、図１に示したものと同様である。  
図１１は、本発明の第２の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０’の詳細構成を示す機能ブロック図である。なお、図２と同一符号は同一部分を示している。
【００６３】
図１２は、本実施形態による制御装置を高湿分ガスタービン制御に適用した場合のプラント負荷運転特性を示している。図１２において、横軸は時間を示している。図１２（Ａ）の縦軸は、発電量指令値MWDを示している。図１２（Ｂ）は、スプレ本数指令値KspDを示している。図１２（Ｃ）は、タービン排気温度Txを示している。図１２（D）は、発電機出力MWを示している。。図１２（Ｅ）は、スプレ制御指令値KspD２を示している。
【００６４】
図２に示した実施形態では、ｉ個のスプレを全てオンオフ電動弁で制御しているのに対して、図１１に示した本実施形態では、これらスプレの少なくとも一個を比例制御弁１９とし、他のｉ−１本をオンオフ電動弁９としている。
【００６５】
第１の制御回路３０Ａおよび第３の制御回路３０Ｃの構成は、図２に示したものと同様である。
【００６６】
第２の制御回路３０Ｂ’は、プラント負荷変化運転時における電動弁の作動本数を算定するものであり、タービン排気温度設定手段１０１と、減算器１０５と、ＰＩD制御器１２１と、スプレ増減設定手段１２２とを備えている。
【００６７】
タービン排気温度設定手段１０１は、図４にて説明したようにして、発電量指令値MWDから排気温度目標値TxDを求める。減算器１０５は、タービン排気温度Txと、タービン排気温度設定手段１０１により求められた排気温度目標値TxDとを減算して、排気温度偏差ΔTxを求める。
【００６８】
タービン排気温度偏差ΔTxをＰＩD制御器１２１に入力する。ＰＩD制御器１２１は、タービン排気温度偏差ΔTx2を０とするためのスプレ制御指令値KspD2を計算する。このスプレ制御指令値KspD2に基づいて、比例制御弁１９の開度が制御される。スプレ増減設定手段１２２は、スプレ制御指令KspD2を入力し、当この信号がスプレ開度の上限あるいは下限となった場合に、スプレ増減設定値ΔKlfを＋１または−１とする。スプレ増減設定値ΔKlfは、通常時スプレ増減設定手段１１０に入力する。
【００６９】
ここで、図１２を用いて、本実施形態によるプラント制御結果について説明する。図に示す例では、図１２（Ｅ）に示すように、ＰＩD制御器１２１によって制御される比例制御弁１９のスプレ開度KspD2がα以上となった場合に、スプレ増減設定手段１２２は、スプレ増減設定値ΔKlfを＋１にし、β以下となった場合にスプレ増減設定値ΔKlfを−１としている。すなわち、図２に示した実施形態では、タービン排気温度Txの目標値に対する偏差をスプレ噴射のトリガとしたのに対し、本実施形態ではスプレ制御弁の開度をスプレ噴射のトリガとする。
【００７０】
図１２（Ｅ）に示すように、負荷変化時における温度の初期変動をスプレ制御指令値KspD2で制御する。また、図１２（Ｅ）に示すようにスプレ制御指令値KspD2の値がα以上となった場合には、図１２（Ｃ）に示すように、スプレ本数KspDを増加する。スプレ本数増加に伴うタービン排気温度Txの低下は、スプレ制御指令KspD2が補償する。
【００７１】
なお、以上の説明では、一定負荷時のスプレ１９の弁開度はαとβの中間開度に設定し、一定負荷時においてもスプレ１９は一定流量を流す構成としたが、一定負荷時にスプレ１９の弁開度を０とするよう運用してもよいものである。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態によれば、負荷変化運転時においても、タービン排気温度Txや発電量MWのようなプラントの各種プロセス量を安定に制御可能となるものである。
【００７３】
また、本方式では、タービン排気温度Txを、比例制御弁１９を用いて連続的に制御可能であるため、負荷変化時におけるタービン排気温度Tx及び発電機出力MWの変動幅は第１の実施例よりも小さくすることが可能である。
【００７４】
次に、図１３〜図１５を用いて、本発明の第３の実施形態によるガスタービン設備の制御装置の構成および動作について説明する。なお、本実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントのシステム系統図は、図１に示したものと同様である。  
図１３は、本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０”の詳細構成を示す機能ブロック図である。なお、図２と同一符号は同一部分を示している。
【００７５】
本実施形態では、スプレ制御するための図２に示した制御回路３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに加えて、燃料調整弁制御のための第４の制御回路３０Dを備え、両者を協調させて制御するようにしている。制御回路３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの構成および動作は、図２において説明したものと同様である。
【００７６】
第４の制御回路３０Dは、スプレ本数制御時における負荷外乱が燃料調整弁に与える影響を低減するため、スプレ本数制御時には燃料調整弁による負荷制御を制限する。また、ガスタービン排気温度が警報値を超えた場合には、燃料調整弁を制御すると同時にスプレ本数を増加し、ガスタービン燃焼器を保護する。
【００７７】
第４の制御回路３０Dは、負荷偏差修正手段３００と、周波数補正手段２０１と、タービン回転数補正手段２０２と、低値選択手段２０３と、排気温度制御手段２０４とを備えている。
【００７８】
負荷偏差修正手段３００は、減算器１０３によって求められた発電量(MW)と発電量指令値(MWD)の差である負荷偏差ΔMW及び通常時スプレ増減設定手段１１０の出力である通常時スプレ設定増減値ΔKnmを入力し、負荷偏差修正値ΔMWaを出力する。負荷偏差修正値ΔMWaは、スプレ本数変動時（ΔKnm≠０)に、負荷偏差の検出感度を低く設定する。
【００７９】
ここで、図１４を用いて、負荷偏差修正手段３００の設定例について説明する。
図１４は、本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０”の負荷偏差修正手段３００の設定例の説明図である。図１４の横軸は負荷偏差ΔMW（MW）を示し、縦軸は負荷偏差修正値ΔMWa（MW）を示している。
【００８０】
スプレ本数が変動しない場合には、点線Ｂに示すように、負荷偏差ΔMW（MW）が０±ｂ（MW）の範囲では、負荷偏差修正値ΔMWa（MW）は０として、それ以外では、負荷偏差ΔMWに比例して増減する。これにより、負荷偏差ΔMWが±b(MW)以内となるよう燃料調整弁６を制御する。一方、スプレ本数変動時には、実線Ａで示すように、負荷偏差ΔMW（MW）が０±ａ（MW）の範囲では、負荷偏差修正値ΔMWa（MW）は０として、それ以外では、負荷偏差ΔMWに比例して増減する。このように、スプレ本数変動時には、不感帯域を±ａ(MW)まで広げ、負荷偏差ΔMWが±ａ(MW)以内となるよう燃料調整弁６を制御する。
【００８１】
高湿分ガスタービンでは、スプレ噴霧によって発電量が長周期にわたって変動する可能性がある。すなわち、スプレ噴霧による温度変動が負荷変動をもたらし、負荷変動に伴う燃料流量変動がさらなる負荷変動の要因となる。また、負荷変動に伴いタービン排気ガス温度が変動することから、再生熱交換器出口における空気温度が変動することによっても負荷変動が発生する。
【００８２】
負荷偏差修正手段３００は、スプレ本数変動による発電量偏差に対して、燃料流量の感度を低く設定することにより、プラント全体をより早期に定常状態とすることが可能となる。
【００８３】
ここで、図１５を用いて、負荷偏差修正手段３００における不感帯域修正値D（MW）の設定例について説明する。  
図１５は、本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０”の負荷偏差修正手段３００における不感帯域修正値Dの設定例の説明図である。図１５の横軸は通常時スプレ増減設定値ΔＫｎｍの絶対値を示し、縦軸は不感帯域修正値Dを示している。
【００８４】
本例では、通常時スプレ増減設定値ΔKnmが０の場合には不感帯域修正値Dをa(MW)とし、０でない場合には帯域修正値Dをｂ(MW)としている。通常時スプレ増減設定値ΔKnmは−１，０，＋１のいずれかの値をとることから、ａとｂとを切り替える際には、負荷偏差修正手段３００は、不感帯域修正値Dを、図１５に点線で示すように、ａからｂへ、またはｂからａへと値を連続的に切り替える。そして、負荷偏差修正手段３００は、不感帯域修正値Dに応じて、図１４で示したような不感帯域を持たせて、負荷偏差ΔMWに対する負荷偏差修正値ΔMWaを求めるようにする。
【００８５】
図１４において、周波数補正手段２０１は、発電機周波数及び周波数目標値から周波数補正値を計算し、負荷偏差修正値ΔMWaに周波数補正値を重畳して負荷偏差修正値ΔMWbを求める。タービン回転数補正手段２０２は、発電機回転数及び回転数目標値から回転数補正値を計算し、負荷偏差修正値ΔMWbに回転数補正値を重畳して、通常時燃料調整弁開度Cnmを求める。発電機周波数補正やタービン回転数補正などの調速制御は、電気事業法に定められた「電圧及び周波数の維持」に基づくものであり、従来のガスタービン発電プラントにも具備されている。図１３ではスプレ本数変動による発電量の変動を考慮し、発電量偏差に対する燃料流量の感度を低く設定したが、周波数及び回転数に対して同様の補正を行ってもよいものである。
【００８６】
なお、発電量に関しては中央給電指令所（中給）からの発電量指令に対して３０分以内の同時同量制御が課せられているが、発電機の周波数が系統周波数に対して±１Ｈｚの差異を生じた場合、当この発電機は電力系統の安定度を損なうものとして系統から遮断される。発電量制御に対して周波数及び回転数の制御はより厳しいことから、周波数及び回転数の制御に感度補正を加える場合には、プラントの負荷運転性能を考慮して補正を加える必要がある。
【００８７】
一方、減算器１０６は、タービン排気温度Tx及びタービン排気温度制限値TxLimから排気温度偏差ΔTxLimを求める。排気温度制御手段２０４は、排気温度偏差ΔTxLimから排気温度制限時燃料調整弁開度Cemを求める。
【００８８】
低値選択手段２０３は、通常時燃料調整弁開度Cnmと排気温度制限時燃料調整弁開度Cemを入力し、低値選択により通常時燃料調整弁開度Cnmおよび排気温度制限時燃料調整弁開度Cemのどちらか低い方の値を燃料調整弁開度Cgovとして、燃料流量調整弁６に出力する。
【００８９】
一方、タービン排気温度制限時スプレ増減設定手段１０９は、排気温度偏差ΔTxLimが０或いは正数の場合に、排気温度制限時スプレ増減設定ΔKem = +１としてスプレ本数を増加させる。
【００９０】
なお、調整弁開度Cgovは、排気温度に対する即応性が高く、スプレ本数の増加は温度低下幅に対する感度が高い。そのため、排気温度制限時には調整弁開度動作後にスプレ本数が増加し、排気温度を確実に制限値以内に制御することができる。
【００９１】
以上説明したように、本実施形態によれば、負荷変化運転時においても、タービン排気温度Txや発電量MWのようなプラントの各種プロセス量を安定に制御可能となるものである。
【００９２】
また、タービン排気温度上昇時に、燃料およびスプレの両操作量を用いて排気温度を制限するので、より確実な排気温度制御が可能となる。特に、従来は燃料流量によってのみ制限していた排気温度にスプレの制限を併用しているため、燃料流量の基準値を大幅に下げることなくプラントを運転可能である。また、スプレ流量の調整のみで定格運転まで復帰できることから、容易に定格運転を開始することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントのシステム系統図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０の詳細構成を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０のスプレ本数設定手段１００の設定例の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０のタービン排気温度設定手段１０１の設定例の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０のタービン排気温度制限値手段２００の設定例の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０の通常時スプレ増減設定手段１１０の設定例の説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０のスプレ増減設定手段１１１の設定例の説明図である。
【図８】高湿分ガスタービンプラントの制御結果を示すトレンドグラフである。
【図９】高湿分ガスタービンプラントの制御結果を示すトレンドグラフである。
【図１０】高湿分ガスタービンプラントの制御結果を示すトレンドグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０’の詳細構成を示す機能ブロック図である。
【図１２】本実施形態による制御装置を高湿分ガスタービン制御に適用した場合のプラント負荷運転特性を示している。
【図１３】本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０”の詳細構成を示す機能ブロック図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０”の負荷偏差修正手段３００の設定例の説明図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態による高湿分ガスタービン発電プラントに用いる制御装置３０”の負荷偏差修正手段３００における不感帯域修正値Dの設定例の説明図である。
【符号の説明】
【００９４】
１…ガスタービン
２…圧縮機
３…燃焼器
４…発電機
５…燃料ポンプ
６…燃料流量調整弁
８…スプレ
９…電動弁
１９…スプレ加減弁
３０…制御装置
１００…スプレ本数設定手段
１０１…タービン排気温度設定手段
１０３，１０４，１０５，１０６…減算器
１０７…一定運転時スプレ増減設定手段
１０８…負荷変化運転時スプレ増減設定手段
１０９…排気温度制限時スプレ増減設定手段
１１０…通常時スプレ増減設定手段
１１１…スプレ増減設定手段
１１２…スプレ本数指令設定手段
１１３…スプレ制御手段
１２１…ＰＩD制御器
１２２…スプレ増減設定手段
２００…タービン排気温度制限値手段
２０１…周波数補正手段
２０２…タービン回転数補正手段
２０３…低値選択手段
２０４…排気温度制御手段
３００…負荷偏差修正手段
【図１】
2005127203.tif 000003
【図２】
2005127203.tif 000004
【図３】
2005127203.tif 000005
【図４】
2005127203.tif 000006
【図５】
2005127203.tif 000007
【図６】
2005127203.tif 000008
【図７】
2005127203.tif 000009
【図８】
2005127203.tif 000010
【図９】
2005127203.tif 000011
【図１０】
2005127203.tif 000012
【図１１】
2005127203.tif 000013
【図１２】
2005127203.tif 000014
【図１３】
2005127203.tif 000015
【図１４】
2005127203.tif 000016
【図１５】
2005127203.tif 000017