(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクを燃焼設備への燃料ガス供給通路に設け、
前記時間差混合により燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から前記タンクの前記ガス出口における該タンクにより抑制された燃料ガス発熱量変動を予測し、
該予測した燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように、前記タンクの下流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する、ガス発熱量制御方法。
【請求項２】
ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクを燃焼設備への燃料ガス供給通路に設け、
前記タンクの上流側の燃料ガス供給通路で所定の燃料ガス発熱量変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱し、
前記時間差混合により前記減熱または増熱した燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測した前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンク下流側の燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する、ガス発熱量制御方法。
【請求項３】
ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクを燃焼設備への燃料ガス供給通路に設け、
前記時間差混合により前記燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、
該予測した燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御と、
前記タンク下流側の前記燃料ガス供給通路で前記燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測し、
該計測した発熱量の変動幅が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御とを並行して行う、ガス発熱量制御方法。
【請求項４】
ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクを燃焼設備への燃料ガス供給通路に設け、
前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で所定の燃料ガス発熱量変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱し、
前記時間差混合により前記減熱または増熱した燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測した前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御と、
上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で前記燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測し、
該計測した発熱量の変動幅が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御とを並行して行うガス発熱量制御方法。
【請求項５】
上記シミュレーションモデルは、所定流量および容積の前記タンクにおいて、一次遅れと無駄時間とを含む複数の系の信号を定数倍して加え合わせ、その時定数に検出器の遅れ相当の補正を行うものである、請求項１〜４のうちいずれか一の項に記載のガス発熱量制御方法。
【請求項６】
請求項１記載のガス発熱量制御方法において、
上記燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように燃料ガスを減熱または増熱する操作を、上記タンク内またはタンク外面部で行うようにしたガス発熱量制御方法。
【請求項７】
請求項３または請求項４記載のガス発熱量制御方法において、
上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値と、上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値とを監視し、
これらの発熱量変動平均値に一定量の平均差を検出したら、上記タンク上流側の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路における発熱量に近づけるようにタンク上流側で燃料ガスを減熱または増熱するガス発熱量制御方法。
【請求項８】
燃焼設備への燃料ガス供給通路に設けられ、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクと、
前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で燃料ガスの発熱量変動を計測する第１の発熱量計測器と、
前記時間差混合により発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、前記第１の発熱量計測器で計測された燃料ガスの発熱量変動から前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲となるように燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する第１の制御器とを設けた、ガス発熱量制御装置。
【請求項９】
燃焼設備への燃料ガス供給通路に設けられ、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクと、
前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で所定の変動幅以上の燃料ガスの発熱量変動を計測する第１の発熱量計測器と、
前記第１の発熱量計測器で所定の変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱する第２の制御器と、
前記時間差混合により燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、前記第１の発熱量計測器で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測した前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記タンク下流側の前記燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する第１の制御器とを設けた、ガス発熱量制御装置。
【請求項１０】
燃焼設備への燃料ガス供給通路に設けられ、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクと、
前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で燃料ガスの発熱量変動を計測する第１の発熱量計測器と、
前記時間差混合により発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、前記第１の発熱量計測器で計測された燃料ガスの発熱量変動から前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御を行う第１の制御器と、
上記タンクの下流側の上記燃料ガス供給通路に設けられた第１の混合器と、
該第１の混合器の下流側に設けられ、前記燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測する第２の発熱量計測器と、
該第２の発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記第１の混合器で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御を前記フィードフォワード制御に加えて行う第３の制御器とを設けた、ガス発熱量制御装置。
【請求項１１】
燃焼設備への燃料ガス供給通路に設けられ、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクと、
前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で所定の変動幅以上の燃料ガスの発熱量変動を計測する第１の発熱量計測器と、
該第１の発熱量計測器で所定の変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱する第２の制御器と、
前記時間差混合により発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、前記第１の発熱量計測器で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測した前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記タンク下流側の前記燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御を行う第１の制御器と、
上記タンクの下流側の上記燃料ガス供給通路に設けられた第１の混合器と、
該第１の混合器の下流側に設けられ、前記燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測する第２の発熱量計測器と、
該第２の発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記第１の混合器で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御を前記フィードフォワード制御に加えて行う第３の制御器とを設けた、ガス発熱量制御装置。
【請求項１２】
請求項８記載のガス発熱量制御装置において、
上記燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように燃料ガスを減熱または増熱する第１の混合器を上記タンク内またはタンク外面に設け、
該第１の混合器によってタンク内またはタンク外面で燃料ガスを減熱または増熱するように構成した、ガス発熱量制御装置。
【請求項１３】
請求項１０または請求項１１記載のガス発熱量制御装置において、
上記タンクの上流側の燃料ガス供給通路に第２の混合器を設け、
該第２の混合器の上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値と、上記第２の混合器の下流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値とを監視する監視制御器を設け、
該監視制御器で両発熱量変動平均値に一定量の平均差を検出したら、上記タンク上流側の燃料ガスの発熱量変動を上記混合器下流側の発熱量に近づけるように上記第２の混合器で燃料ガスを減熱または増熱する機能を該監視制御器に備えさせた、ガス発熱量制御装置。
【請求項１４】
前記シミュレーションモデルは、所定流量および容積の前記タンクにおいて、一次遅れと無駄時間とを含む複数の系の信号を定数倍して加え合わせ、その時定数に検出器の遅れ相当の補正を行うものである、請求項８〜１３のうちいずれか一の項に記載のガス発熱量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス発熱量制御方法とガス発熱量制御装置とに関する。さらに詳しくは、燃焼設備の燃料としてのガスが低カロリガスのようにその発熱量が変動する場合、この発熱量変動を抑制することができるガス発熱量制御方法と、そのガス発熱量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄分野において、例えば高炉法で銑鉄を生産する場合、高炉から炉頂ガス（「Ｂｌａｓｔ  Ｆｕｒｎａｃｅ  Ｇａｓ」であり、以下「ＢＦＧ」と記す）が副生ガスとして発生する。ＢＦＧの総発熱量は使用したコークスの発熱量の約半分にも達するので、製銑原価低減のためにＢＦＧは製鉄所内において多方面に利用されている。ＢＦＧの組成は、二酸化炭素（ＣＯ２）が１０〜１８容積％（以下、単に「％」と示す）、一酸化炭素（ＣＯ）が２２〜３０％、窒素（Ｎ２）が５２〜６０％、水素（Ｈ２）が０．５〜４％、メタン（ＣＨ４）が０．５〜３％とされている。
【０００３】
ＢＦＧはこれ以外に煙塵を２〜１０ｇ／Ｎｍ３含んでいるので、これを除塵器で０．０１ｇ／Ｎｍ３程度まで除去した後、発熱量８００ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度の燃料ガスとして、熱風炉、コークス炉、加熱炉、ボイラ等に利用されている。
【０００４】
近年、ガスタービンにおいても、その技術の向上により低カロリガスの燃焼が可能となり、ＢＦＧをガスタービン燃料として用いて発電する事例が増加している。ここでは、低カロリガスを、その発熱量が約１２ＭＪ／Ｎｍ３以下のガスと定義する。低カロリガスとしては、後述するように、高炉ガス（ＢＦＧ）には限らず、転炉ガス（ＬＤＧ）などの多種類のガスおよびそれらの混合ガスが含まれる。
【０００５】
一方で、近年、高炉法以外の新しい製鉄プロセス（例えば、ＦＩＮＥＸ法やＣＯＲＥＸ法等の直接還元鉄法）が開発されつつあり、こうした新プロセスから発生する副生ガスの有効利用に対しても適用できる燃焼方式の開発が待たれている。いずれの製鉄プロセスであれ、発生する副生ガスは低カロリガスであり、その特性（ガス組成やカロリ）は設備や操業内容によって異なっており、同一設備であっても各原料の特性や反応過程に応じて時々刻々変化し、一定することがない。
【０００６】
ここで、この低カロリガスをガスタービンの燃料ガスとして使用する場合の最も重要な特性であるカロリについて見てみると、例えば各ガスタービンは、各々が固有するカロリの許容変動幅の上下限値を有する。もし上限（例えば、平均カロリ値の約＋１０％）を超えた場合、つまりカロリ値が急激に高くなった場合、ガスタービンの燃焼器内での燃焼温度が急激に異常な高温となることがある。これに起因してバーナ部分、タービンの静翼および動翼が損傷を受けて短命化したりする弊害が発生する可能性があり、このような場合はガスタービン設備の経済的な連続運転が困難になる。また、もし下限（例えば、平均カロリ値の約−１０％）を下まった場合、ガスタービンの出力が不安定になったり、失火トリップの原因になる。この明細書および請求の範囲では、この低カロリガスは燃料ガスに含まれる。
【０００７】
このようにカロリが増減するカロリ変動とは、燃料ガスの発熱量に係わる物性の変動を意味し、具体的には、容積当り発熱量（Ｋｃａｌ／Ｎｍ３）、重量あたり発熱量（ＭＪ／ｋｇ）、ウォッベインデックス（Ｗｏｂｂｅ Ｉｎｄｅｘ）（ＭＪ／ｍ３）などの種々の物性を意味する。この明細書および請求の範囲では、このカロリを発熱量、カロリ変動を発熱量変動ともいう。
【０００８】
図１１は従来のガスタービン発電設備の概略を示す配管図である。図示する従来技術は、発熱量変動する燃料ガスの発熱量を増熱や減熱するように構成された例である。図示するように、燃料ガス発生装置（例えば、高炉）１００において発生するＢＦＧを燃料ガスとしてガスタービン１０１（または火力ボイラ等の燃焼装置）に供給する時、その発熱量を所期の値（設計前提条件としての平均値、変動幅、変化速度）に維持するために減熱ガスや増熱ガスを混合器１０２で混合している。このガス混合方法として、燃料ガス供給通路１０３の上流側と下流側とにそれぞれ発熱量計測器１０４，１０５を設け、カロリ計測器１０４の検出信号でフィードフォワード制御を行い、カロリ計測器１０５の検出信号でフィードバック制御を行っている。これらの信号は予めガスタービン１０１に応じて設定された所定の設定値１０７と比較する制御器１０６に入力される。そして、この制御器１０６から所定の制御信号が分配器１１５を介して減熱用流量調整弁１０８または増熱用流量調整弁１１３に出力され、減熱ガス供給器１０９から供給配管１１０を介して混合器１０２に減熱ガスが供給されたり、増熱ガス供給器１１４から供給配管１１０を介して混合器１０２に増熱ガスが供給される。なお、１１１はガス圧縮機であり、１１２は発電機である。
【０００９】
図１２は図１１のガスタービン発電設備の各計測点における燃料ガス発熱量変動の一例を示すグラフである。横軸は時間（秒）を示し、縦軸は燃料ガスの発熱量（ＭＪ／ｋｇ）を示している。図示する二点鎖線は低カロリガス供給通路１０３の燃料ガスのカロリ変動を示しており、実線はこの従来技術で制御した場合のシミュレーション結果としての混合器１０２の出口におけるカロリ変動を示している。
【００１０】
図示するように、燃料ガス発生装置１００から供給される燃料ガスの発熱量は、図中二点鎖線で示すように時間によって不規則に大きく変動する。そして、このオリジナル変動にフィードフォワード制御とフィードバック制御とを行ったとしても、この例の場合、過大な短周期成分や中周期成分を含む燃料ガスの変動に制御系が曝され、制御系が不安定になって制御器のパラメータ設定が困難となり、その結果、状況次第では図示する実線のように発振状態に近い応答となっている。この図では、発熱量が変動する低カロリガスにフィードフォワード制御とフィードバック制御とを行って発振した例を示しており、ガスタービン（燃焼設備）の燃料ガスとして使用できるようなものではない。
【００１１】
この種の従来技術として、例えば、特許文献１記載の燃料ガスカロリ制御装置がある。この制御装置において、仮に、低カロリガスのカロリが平均値、変動幅、変化速度において変動を生じながら供給される場合、この変動を抑制するためにはカロリ変動するガスが混合器に達した瞬間に、カロリ値を平均値とするようなガス種で、かつ適正な混合量を選択して混合しなければならない。つまり、カロリ値が平均値以上であれば平均値にするために必要な量の減熱ガスを混合し、カロリ値が平均値以下であれば平均値にするために必要な量の増熱ガスを混合しなければならない。
【００１２】
しかし、操作端が混合ガス調整弁だけであるので、ガス混合動作のタイミングがずれると過不足を生じて正確なカロリ変動の抑制が困難となり、燃焼設備に必要なレベルにカロリ値を均一化できない。このため、残余のカロリ値が燃焼設備の許容限界を上回ると燃焼設備の損傷防止のために緊急に運転を停止して低カロリガスを大気放散しなければならず、逆に許容限界を下回ると燃焼設備が失火トリップする場合がある。また、カロリ変動速度が速くなるとガス混合タイミング合せがさらに困難になり、混合器と混合ガス調整弁だけで確実な制御を行うことは難しい。
【００１３】
また、カロリ変動が短周期でかつ変動幅が大きいと、混合ガス調整弁は大きなストローク動作を繰り返すので、弁損傷や短寿命化のおそれがある。
【００１４】
さらに、カロリ変動幅が過大になり調整弁が大きなストローク動作を行ってガスを混合させると、ガス圧縮機、入口圧力の変動を引き起し、その結果はガスタービンへの燃料供給系統の大きな外乱となり、ガスタービンの運転の不安定性につながる。
【００１５】
また、大きくカロリ変動する燃料ガスに比重が異なる窒素ガスやコークス炉ガス等の異なるガスを混合させた場合、多量のガスの混合は難しく、さらに混合量の変化幅が大きいので混合直後の短時間内に混合ガスを十分均一化させて燃焼設備に供給することは難しく、これらの窒素ガスやコークス炉ガス等が混合ムラとなって存在することとなり、燃焼設備の燃焼室内で燃焼ムラが発生し、安定運転が困難になる。そのため、大きくカロリ変動（発熱量変動）する低カロリガス等を燃料ガスとして用いることは難しい。
【特許文献１】特開２００４−１９０６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
一方、上記したように発熱量が絶えず不規則に変化する低カロリガス等をガスタービン発電設備等の燃焼設備における燃料ガスとして効率良く安定的に連続使用できる技術の開発は、エネルギの有効利用、環境保全、操業コスト低減等の観点から重要視されている。
【００１７】
しかしながら、常に不規則に発熱量変動する低カロリガス等の燃料ガスを燃焼設備において安定して使用するには、発熱量変動の幅を燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内まで抑制しなければならないが、それを実現する効果的な方法がない。
【００１８】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、燃焼設備へ燃料ガスとして供給される低カロリガス等の発熱量変動を抑制することにより、低カロリガス等を安定した発熱量の燃料ガスとして供給できるガス発熱量制御方法と、そのガス発熱量制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的のために本発明のガス発熱量制御方法は、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクを燃焼設備への燃料ガス供給通路に設け、前記時間差混合により燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から前記タンクの前記ガス出口における該タンクにより抑制された燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように、前記タンクの下流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御するようにしている。
【００２０】
この方法によれば、ガス入口からタンク内に供給される燃料ガスは、時々刻々と供給される燃料用のガスがタンク内に一時的に貯留されて、その中で時間差混合され、別に形成されたガス出口から排出される。したがって、燃料ガスの発熱量が変動している場合であっても、時間差混合されることにより、その発熱量変動の幅が抑制され、かつ、発熱量変動速度が緩和される。そして、この発熱量変動が抑制された燃料ガスに対して、減熱または増熱してガス発熱量を燃焼設備の許容変動範囲内に調整するので、発熱量変動の調整が容易に可能となる。なお、上記時間差混合とは、連続的に時間遅れでタンク内へ流入してくる燃料ガスが既に流入して滞留している燃料ガスと混合することである。
【００２１】
また、上記発熱量変動を抑制した後の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測し、該計測した発熱量の変動幅が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードバック制御するようにしてもよい。
【００２２】
この明細書および請求の範囲の書類中における「フィードバック制御」は、発熱量計測点の計測値に基づく制御を、該計測点の上流側で行うことをいう。
【００２３】
この明細書および請求の範囲の書類中における「フィードフォワード制御」は、発熱量計測点の計測値に基く制御を、該計測点の下流側で行うことをいう。このフィードフォワード制御の一方法として、混合前の燃料ガス発熱量と流量とに基づいて、混合後の発熱量が所期の値となるのに必要な増熱ガス、減熱ガスの混合量を算出し、それを指令値として与える方法があるが、他の方法でもよい。
【００２４】
さらに、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクを燃焼設備への燃料ガス供給通路に設け、前記タンクの上流側の燃料ガス供給通路で所定の燃料ガス発熱量変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱し、前記時間差混合により前記減熱または増熱した燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測した前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるようにタンク下流側の燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御するようにしてもよい。
【００２５】
また、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクを燃焼設備への燃料ガス供給通路に設け、前記時間差混合により前記燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御と、前記タンク下流側の前記燃料ガス供給通路で前記燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測し、該計測した発熱量の変動幅が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御とを並行して行うようにしてもよい。
【００２６】
さらに、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクを燃焼設備への燃料ガス供給通路に設け、前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で所定の燃料ガス発熱量変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱し、前記時間差混合により前記減熱または増熱した燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測した前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御と、上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で前記燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測し、該計測した発熱量の変動幅が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記燃料ガス供給通路の発熱量計測点の上流側で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御とを並行して行うようにしてもよい。
【００２７】
上記シミュレーションモデルは、所定流量および容積の前記タンクにおいて、一次遅れと無駄時間とを含む複数の系の信号を定数倍して加え合わせ、その時定数に検出器の遅れ相当の補正を行うものを用いることができる。
【００２８】
さらに、上記ガス発熱量制御方法において、上記燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように燃料ガスを減熱または増熱する操作を、上記タンク内またはタンク外面部で行うようにしてもよい。
【００２９】
また、上記ガス発熱量制御方法において、上記タンクの上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値と、上記タンク下流側の燃料ガス供給通路で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値とを監視し、これらの発熱量変動平均値に一定量の平均差を検出したら、上記タンク上流側の燃料ガスの発熱量変動を上記タンク下流側の燃料ガス供給通路における発熱量に近づけるようにタンク上流側で燃料ガスを減熱または増熱するようにしてもよい。
【００３０】
上記目的のために本発明のガス発熱量制御装置は、燃焼設備への燃料ガス供給通路に設けられ、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクと、前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で燃料ガスの発熱量変動を計測する第１の発熱量計測器と、前記時間差混合により発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、前記第１の発熱量計測器で計測された燃料ガスの発熱量変動から前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲となるように燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する第１の制御器とを設けている。なお、前記シミュレーションモデルとして、所定流量および容積の前記タンクにおいて、一次遅れと無駄時間とを含む複数の系の信号を定数倍して加え合わせ、その時定数に検出器の遅れ相当の補正を行うものを用いることができる。
【００３１】
また、燃焼設備への燃料ガス供給通路に設けられ、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクと、前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で所定の変動幅以上の燃料ガスの発熱量変動を計測する第１の発熱量計測器と、前記第１の発熱量計測器で所定の変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱する第２の制御器と、前記時間差混合により燃料ガスの発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、前記第１の発熱量計測器で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測した前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記タンク下流側の前記燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御する第１の制御器とを設けてもよい。
【００３２】
さらに、燃焼設備への燃料ガス供給通路に設けられ、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクと、前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で燃料ガスの発熱量変動を計測する第１の発熱量計測器と、前記時間差混合により発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、前記第１の発熱量計測器で計測された燃料ガスの発熱量変動から前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動を予測し、該予測した燃料ガス発熱量変動に基いて燃料ガスを減熱または増熱するフィードフォワード制御を行う第１の制御器と、上記タンクの下流側の上記燃料ガス供給通路に設けられた第１の混合器と、該第１の混合器の下流側に設けられ、前記燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測する第２の発熱量計測器と、該第２の発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記第１の混合器で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御を前記フィードフォワード制御に加えて行う第３の制御器とを設けてもよい。
【００３３】
また、燃焼設備への燃料ガス供給通路に設けられ、ガス入口とガス出口とが別々に形成されて内部で時間差混合が生じるタンクと、前記タンクの上流側の前記燃料ガス供給通路で所定の変動幅以上の燃料ガスの発熱量変動を計測する第１の発熱量計測器と、該第１の発熱量計測器で所定の変動幅以上の発熱量変動を計測したら該変動幅が所定の変動幅以内となるように前記タンクの上流側で燃料ガスを減熱または増熱する第２の制御器と、前記時間差混合により発熱量変動を抑制する前記タンクの特性を近似し得るシミュレーションモデルに基いて、前記第１の発熱量計測器で計測した燃料ガスの発熱量変動から予測した前記タンクの前記ガス出口の燃料ガス発熱量変動が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記タンク下流側の前記燃料ガス供給通路で燃料ガスを減熱または増熱するようにフィードフォワード制御を行う第１の制御器と、上記タンクの下流側の上記燃料ガス供給通路に設けられた第１の混合器と、該第１の混合器の下流側に設けられ、前記燃焼設備に供給される燃料ガスの発熱量変動を計測する第２の発熱量計測器と、該第２の発熱量計測器で計測した発熱量の変動幅が前記燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように前記第１の混合器で燃料ガスを減熱または増熱するフィードバック制御を前記フィードフォワード制御に加えて行う第３の制御器とを設けてもよい。
【００３４】
さらに、上記ガス発熱量制御装置において、上記燃料ガス発熱量変動が燃焼設備の燃料ガスとしての許容範囲内となるように燃料ガスを減熱または増熱する第１の混合器を上記タンク内またはタンク外面に設け、該第１の混合器によってタンク内またはタンク外面で燃料ガスを減熱または増熱するように構成してもよい。
【００３５】
また、上記ガス発熱量制御装置において、上記タンクの上流側の燃料ガス供給通路に第２の混合器を設け、該第２の混合器の上流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値と、上記第２の混合器の下流側で計測した燃料ガスの発熱量変動平均値とを監視する監視制御器を設け、該監視制御器で両発熱量変動平均値に一定量の平均差を検出したら、上記タンク上流側の燃料ガスの発熱量変動を上記混合器下流側の発熱量に近づけるように上記第２の混合器で燃料ガスを減熱または増熱する機能を該監視制御器に備えさせてもよい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、発熱量変動する低カロリガス等をガスタービン等の燃焼設備に燃料ガスとして供給する場合に、時間差混合によって燃焼設備に応じた発熱量変動に抑制（緩和）することができるので、燃料ガスの減熱または増熱が容易にできる。すなわち、タンクによって発熱量変動の振幅を小さくすることによって、短周期や中周期の変動を抑制し、主に長周期の変動のみを残存させるようにできるので、その燃料ガスを減熱または増熱することにより、発熱量が変動する燃料ガスを燃焼設備で安定して使用できる燃料ガスとすることが容易にできる。このように、発熱量変動するガスを燃焼設備の燃料ガスとしての許容変動範囲内に発熱量変動を抑えて、設備の連続安定運転を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の概略を示す配管図である。
【図２】図２は図１のガス発熱量制御装置により発熱量変動が抑制される状態を示すグラフである。
【図３】図３は本発明の第２実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図である。
【図４】図４は図３のガス発熱量制御装置により発熱量変動が緩和される状態を示すグラフである。
【図５】図５は本発明の第３実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図である。
【図６】図６は図５の第３実施形態に係るガス発熱量制御装置におけるシミュレーションモデルの一例を示すブロック図である。
【図７】図７は本発明の第４実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図である。
【図８】図８は図７のガス発熱量制御装置により発熱量変動が緩和される状態を示すグラフである。
【図９】図９は本発明の第５実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図である。
【図１０】図１０は図９の第５実施形態に係るガス発熱量制御装置におけるシミュレーションモデルの例を示すブロック図である。
【図１１】図１１は従来のガスタービン発電設備の概略を示す配管図である。
【図１２】図１２は図１１のガスタービン発電設備における発熱量変動を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・・ガス発熱量制御装置
２・・・・ガスタービン
３・・・・燃料ガス供給通路
４・・・・燃料ガス発生装置
５・・・・タンク
６・・・・ガス入口
７・・・・ガス出口
８・・・・混合器
９・・・・ガス圧縮機
１０・・・・発電機
１１・・・・制御ガス供給配管
１２・・・・減熱用流量調整弁
１３・・・・減熱ガス供給器
１４・・・・増熱用流量調整弁
１５・・・・増熱ガス供給器
１６・・・・発熱量計測器
１７・・・・入力経路
１８・・・・設定値
１９・・・・第一制御器
２０・・・・出力経路
２１・・・・分配器
２２・・・・流量
２３・・・・第二発熱量計測器
２４・・・・入力経路
２５・・・・第二制御器
２６・・・・出力経路
２７・・・・ガス発熱量制御装置
２９・・・・第三発熱量計測器
３０・・・・入力経路
３１・・・・シミュレータ
３２・・・・経路
３３・・・・ガス発熱量制御装置
３５・・・・ガス発熱量制御装置
３７・・・・第二混合器
３８・・・・第三制御器（監視制御器）
３９・・・・出力経路
４０・・・・分配器
４１・・・・減熱用流量調整弁
４２・・・・減熱ガス供給器
４３・・・・増熱用流量調整弁
４４・・・・増熱ガス供給器
４５・・・・第二制御ガス供給配管
４６・・・・ガス発熱量制御装置
Ｓ・・・・ガスタービン発電設備
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
添付の図面を参照しながら本発明のガス発熱量制御装置とその制御方法を説明する。以下の説明では、燃焼設備としてガスタービンを例に説明する。また、以下の実施形態では、燃料ガスの発熱量を減熱または増熱できるように構成した例を説明する。
【００４０】
図１は本発明の第１実施形態に係るガス発熱量制御装置１を含んだガスタービン発電設備Ｓの概略を示しており、ガスタービン２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路３に本発明のガス発熱量制御装置１が設けられた配管図である。
【００４１】
燃料ガス供給通路３は、燃料ガス発生装置４（例えば、高炉）で発生した低カロリガス等（以下「燃料ガス」という）をガスタービン２に燃料として供給するように構成されている。この燃料ガス供給通路３には、ガス入口６とガス出口７とが別々に形成されたタンク５が設けられている。
【００４２】
このタンク５は、所定の容積で形成され、燃料ガス供給通路３を通過する燃料ガスがガス入口６から入ってガス出口７から出るように構成されている。このタンク５は、バッファタンクとして機能し、ガス入口６から発熱量が変化する燃料ガスが内部に連続的に流入し、既に流入して停留している燃料ガスと時間差混合され、別に形成されたガス出口７から排出されるので、燃料ガスの発熱量が変動している場合であっても、この時間差混合により、その発熱量変動の幅が縮小され、かつ、発熱量変動速度が低下させられる。
【００４３】
すなわち、同時にタンク５に流入した燃料ガスは、比較的早くガス出口７から流出する部分から遅くまでタンク５内に滞留する部分まで分布している。一方、ガス入口６からは連続して新たなガスが流入してくるので、過去に流入したガスと新たに流入したガスとが絶えず混合される。つまり、タンク５に時々刻々と流入してくる発熱量変動する燃料ガスは、このようにしてタンク５の内部で時間差混合される。この明細書および請求の範囲では、このことを時間差混合と呼び、この時間差混合という作用によって、タンク５が燃料ガスの発熱量変動を抑制する機能を発揮する。その結果、タンク５のガス出口７から出ていく燃料ガスの発熱量変動幅は縮小され、変動速度は低下させられる。すなわち、発熱量変動が大きく抑制（緩和）される。
【００４４】
このタンク５によるバッファ効果としては、ガス入口６の変動が角速度ωのｓｉｎ曲線であり、タンク５内の混合が完全混合で、その時定数がＴであるとすれば、出口変動振幅／入口変動振幅＝Ｇａｉｎ＝１／（１＋ω２・Ｔ２）１／２となる。このことから、ω又はＴ（即ちタンク容量）が大きいとＧａｉｎは小さくなり、つまり出口の発熱量変動幅は縮小して変動抑制効果を達成することができる。燃料ガス供給通路３の上部に図示する線図は、燃料ガスの発熱量変動を模式的に示したものである。
【００４５】
このタンク５による時間差混合が重要な構成であり、このタンク５によって燃料ガスを時間差混合することにより発熱量変動を事前に緩和して、タンク５の下流側での燃料ガスの発熱量変動を、減熱または増熱して燃焼設備のガス特性の許容変動範囲内に調整する制御が安定して行えるようにしている。
【００４６】
このタンク５は所定の容積を有していれば構造には限定されるものではない。例えば容積が変化しない内容積固定形式のタンクでもよく、また、従来のガスタービン設備等においてガスの需給バランスを監視する装置（ガスホルダ）として用いられる内容積変動形式のタンクであってもよい。内容積変動形式のタンクとは、タンク内圧に応じて上下動しうる気密に装着された蓋部材を有するタンク等である。これらのタンクを流用して燃料ガスの発熱量変動を抑制する効果を発揮しうるタンク５とすることができる。さらに、複数のタンク５を直列配置したり並列配置してもよい。
【００４７】
さらに、このタンク５の内部での時間差混合をより効果的に行わせるために、タンク５に、ガス入口６から流入した燃料ガスを攪拌して混合する攪拌装置を設けたり、ガス入口６から流入した燃料ガスを多数の孔を通過させて混合する多孔板等を内蔵させてもよい。
【００４８】
また、上記燃料ガス供給通路３のタンク下流側には、上記タンク５から出た燃料ガスの発熱量変動を抑制するために、その燃料ガス中に減熱または増熱用のガスを混合させる混合器８が設けられている。この混合器８の下流側には燃料ガスを圧縮するガス圧縮機９と、このガス圧縮機９で圧縮された燃料ガスを燃焼させるガスタービン２が設けられており、このガスタービン２によって発電機１０が駆動されるように構成されている。
【００４９】
そして、上記混合器８には、減熱または増熱用のガスを供給するための制御ガス供給配管１１が接続されている。この制御ガス供給配管１１には、減熱ガスの流量を調整する減熱用流量調整弁１２を介して接続された減熱ガス供給器１３と、増熱ガスの流量を調整する増熱用流量調整弁１４を介して接続された増熱ガス供給器１５とが設けられている。
【００５０】
上記減熱ガスとしては、不活性ガス、空気、蒸気、廃棄窒素、燃焼設備等から排出される排気ガス等が採用されうる。不活性ガスとして窒素ガス（Ｎ２）が好適に採用されうるが、もちろん、不活性ガスとしてはＮ２に限定されず、二酸化炭素（ＣＯ２）やヘリウム（Ｈｅ）等であってもよい。上記増熱ガスとしては、中・高カロリガスである天然ガスやコークス炉ガス（ＣＯＧ）等が採用されうる。
【００５１】
一方、混合器８の下流側の上記燃料ガス供給通路３には、この燃料ガス供給通路中の燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測器１６が設けられている。この発熱量計測器１６としては、ガスの発熱量を直接計測する所謂カロリメータ、可燃成分の含有率（濃度）を計測する装置などが用いられる。検出速度を重視する場合は現在では可燃性ガス濃度検出器を用いるのが好ましい。さらに、適用される燃料ガスが主に含む可燃成分の種類に応じて、また、主たる発熱量変動を生じさせる可燃成分に応じて、その成分の濃度を検出する濃度検出器を用いても良い。
【００５２】
この発熱量計測器１６で混合器８の下流側における燃料ガスの発熱量が監視されている。発熱量計測器１６で計測された計測値は、入力経路１７を介して予めガスタービン２（燃焼設備）に応じて設定された所定の設定値１８と比較する第一制御器１９に入力される。この第一制御器１９は、ＰＩ制御器である。第一制御器１９は、フィードバック制御を司っている。この第一制御器１９で比較された結果、燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱または増熱する制御信号は、出力経路２０から分配器２１を介して前記減熱用流量調整弁１２または増熱用流量調整弁１４に出力されるように構成されている。これによりフィードバック制御が行われる。
【００５３】
以下、このように構成された第１実施形態のガス発熱量制御装置１により、燃料ガス供給通路３内の発熱量変動する燃料ガスを、その発熱量変動幅がガスタービン２（燃焼設備）の燃料ガスとして安定して使用できる許容範囲内となるようにする制御を説明する。
【００５４】
上記燃料ガス発生装置４から燃料ガス供給通路３を介して供給される燃料ガスは、タンク５のガス入口６から入り、このタンク５内で時間差混合される。このタンク５では、上記したように、タンク５に時々刻々と流入してくる燃料ガスが、同時にタンク５内に流入しても、比較的早くガス出口７から流出する部分から遅くまでタンク５内に滞留する部分まで分布するので、連続して流入してくる新たなガスと、過去に流入したガスとが絶えず混合されて、燃料ガス発生装置４から供給される燃料ガスの発熱量変動幅の大きな変動が抑制され、ガス出口から出る燃料ガスは、その大きな発熱量変動が抑制（緩和）された状態となる。
【００５５】
このように、燃料ガス供給通路３に設けた燃料ガスの時間差混合を実現しうるタンク５で燃料ガスの大きな発熱量変動を抑制せしめ、その結果、下流において減熱または増熱ガスを混合する制御を容易化して発熱量変動を抑制している。
【００５６】
図２は図１のガス発熱量制御装置により発熱量変動が抑制（緩和）される状態を示すグラフである。この図２は、図１中のタンク５の容積を４００００ｍ３としたときに、カロリ変動する燃料ガスが流量２８００００Ｎｍ３／ｈｒで供給された場合のカロリ変動の抑制（緩和）状態のシミュレーション結果を示したものである。横軸は時間（秒）を示し、縦軸は燃料ガスの発熱量であるガスカロリ値（ＭＪ／ｋｇ）を示している。
【００５７】
図示するように、タンク５による発熱量変動幅を抑制した例としては、例えば、燃料ガス発生装置４から供給される燃料ガスの発熱量変動（オリジナル変動）は、タンクの入口部において図中二点鎖線で示すように時間によって非常にばらつきがあるが、タンク５で時間差混合した後のタンク出口での発熱量変動（抑制後変動）は、図中点線で示すように、大きな発熱量変動を抑制せしめた状態となる。具体的には、タンク５に入る前の燃料ガスのガスカロリは約５．３ＭＪ／ｋｇから約８．８ＭＪ／ｋｇまで変動しているが、タンク５から出ていく燃料ガスのガスカロリとしては、約５．８ＭＪ／ｋｇから約６．８ＭＪ／ｋｇ程度となり、変動幅は大幅に縮小されている。また、図示のごとく変動周期については短周期および中周期の変動は除去され、主に長周期の変動が残存した状態となる。この効果は燃料ガスの供給流量に対してタンク５の容積を大きくするほど顕著になる傾向がある。オリジナル変動の周期が短く、変動幅が小さい場合は経済性の見地からタンク５の容積を小さくしても効果がある。
【００５８】
一方、混合器８の下流側に設けられた発熱量計測器１６では、燃料ガス供給通路３中の燃料ガスの発熱量が計測されている。この発熱量計測器１６で計測された計測値は、入力経路１７を介して第一制御器１９に入力される。この第一制御器１９では、発熱量計測器１６から送られてきた計測値と予めガスタービン２に応じて設定された所定の設定値１８とが比較される。
【００５９】
この比較された結果、発熱量計測器１６で検出された計測値から燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、出力経路２０から分配器２１を介して減熱用流量調整弁１２に制御信号が送られて、減熱ガス供給器１３から所定量の減熱ガスが混合器８に供給される。また、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、出力経路２０から分配器２１を介して増熱用流量調整弁１４に制御信号が送られて、増熱ガス供給器１５から所定量の増熱ガスが混合器８に供給される。このようにして、ガスタービン２に供給する燃料ガスの発熱量変動幅が、ガスタービン２の燃料ガスとしての許容範囲を超えないように制御される。この混合器８で制御された後の発熱量変動は、図２に実線で示すように、大きな発熱量変動が抑制されて長周期の小幅な発熱量変動となり、ガスタービン２の燃料ガスとしての許容変動範囲内に発熱量変動を抑制した、安定した燃料ガスとすることができる。
【００６０】
このように第１実施形態のガス発熱量制御装置１によれば、混合器８で燃料ガスを減熱または増熱する場合、上記したようにタンク５によって大きな発熱量変動を抑制せしめた燃料ガスに対し、混合器８の下流側の発熱量変動に基いて減熱または増熱ガスを混合するフィードバック制御を行い、容易に安定した発熱量に制御することが可能である。しかも、大きな発熱量変動が抑制された状態の燃料ガスに対して制御を行うため、燃料ガス中に供給する減熱または増熱ガス量が低減される。
【００６１】
また、例えば、ガスタービン２の燃料ガスの発熱量変動幅が基準発熱量値（平均値）の±１０％と設定されている場合であれば、タンク５の下流での発熱量の平均値をガスタービン２に設定された基準発熱量値と一致させるために、その仕様に適合させうる容積のタンク５を備えることにより、下流側では一定比率の制御ガスを供給するだけで良くなる場合もある。
【００６２】
この実施形態では、燃料ガスの発熱量を減熱または増熱する例を説明したが、条件によっては減熱ガスと増熱ガスとを同時に供給するような制御を行ってもよい。しかも、燃料ガスと燃焼設備との条件によっては、減熱のみ、または増熱のみを行うような構成にして、一方のみで燃料ガスの発熱量変動を抑制するようにしてもよい。
【００６３】
また、上記混合器８をタンク５の内部、またはタンク５の外面に設け、このタンク５の内部または外面で燃料ガスを減熱または増熱するように構成してもよい。このように構成すれば、設備をコンパクトにすることができる。
【００６４】
図３は本発明の第２実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図であり、この第２実施形態は、上記第１実施形態における混合器８の下流側に設けた発熱量計測器１６からの信号に基づくフィードバック制御に加え、タンク５と混合器８との間の燃料ガス供給通路３中の燃料ガスの発熱量変動を計測してフィードフォワード制御を行うようにした実施形態である。上記第１実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００６５】
図示するように、タンク５と混合器８との間の燃料ガス供給通路３に第二発熱量計測器２３が設けられている。この第二発熱量計測器２３で計測された燃料ガス供給通路３中の燃料ガスの発熱量は、入力経路２４を介して第二制御器２５に入力されている。この第２実施形態における第二制御器２５からは、タンク５によって発熱量変動を抑制せしめた燃料ガスに残存している発熱量変動の残余分に対する制御信号が出力される。第二制御器２５はフィードフォワード制御を司っており、上記第一制御器１９と一体的に形成されていてもよい。
【００６６】
一方、上記第１実施形態と同様に、混合器８の下流側に設けられた発熱量計測器１６で計測された燃料ガス供給通路３中の燃料ガスの発熱量の計測値が入力経路１７を介して第一制御器１９に入力され、この第一制御器１９で予めガスタービン２に応じて設定された所定の設定値１８とが比較され、燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は出力経路２０に減熱の制御信号が、増熱する必要がある場合は出力経路２０に増熱の制御信号が出力される。
【００６７】
そして、この減熱または増熱の制御信号が、上記第二制御器２５から出力経路２６を介して出力された減熱または増熱の制御信号で補正される。第一制御器１９からの制御信号が第二制御器２５からの制御信号で補正された結果、燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、分配器２１を介して減熱用流量調整弁１２に制御信号が送られて、減熱ガス供給器１３から所定量の減熱ガスが混合器８に供給される。また、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、分配器２１を介して増熱用流量調整弁１４に制御信号が送られて、増熱ガス供給器１５から所定量の増熱ガスが混合器８に供給される。
【００６８】
この第２実施形態のガス発熱量制御装置２７によれば、混合器８で燃料ガスを減熱または増熱する場合、上記第１実施形態のように、タンク５によって大きな発熱量変動を抑制せしめた燃料ガスの、混合器下流側における発熱量変動に基いて減熱または増熱ガスを混合するフィードバック制御で発熱量を調整する制御に加え、混合器８の上流側でタンク５から出た燃料ガス中に残存する発熱量変動に基いて減熱または増熱ガスを混合するフィードフォワード制御で発熱量を調整するため、第１実施形態に比べて速い発熱量変動にも追従して安定した所定変動幅に発熱量を調整することが可能となる。この場合も、大きな発熱量変動が抑制された状態の燃料ガスに対して調整するため、燃料ガス中に供給する減熱または増熱ガスの量が低減される。
【００６９】
なお、この第２実施形態では、フィードバック制御に加えてフィードフォワード制御を行うように構成しているが、タンク下流の燃料ガスは、このタンク５によって発熱量変動幅が縮小されているので、第二制御器２５に入力される第二発熱量計測器２３で計測された燃料ガス供給通路３中の燃料ガスの発熱量と流量とに基づいて、この第二制御器２５で予めガスタービン２に応じて設定された所定の設定値１８と比較し、燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は出力経路２０に減熱の制御信号を出力し、増熱する必要がある場合は出力経路２０に増熱の制御信号を出力するように構成してもよい。この場合のフィードフォワード制御は、増熱、減熱ガスを混合する前の燃料ガスの発熱量と流量に基いて、混合後の発熱量が所定値となるのに必要な混合量を算出し、該混合量を指令値（目標値）として与えて混合するような必要量混合制御を行う。この制御は、第二制御器２５のみによるフィードフォワード制御で行っている。
【００７０】
図４は図３のガス発熱量制御装置２７により発熱量変動が緩和される状態を示すグラフである。この図４は、上記図２と同一条件でシミュレーションした状態を示している。この第２実施形態によれば、図に実線で示すように、上記図２と比べて、混合器８で制御された後の発熱量変動は、大きな発熱量変動が抑制されて長周期のより小幅の発熱量変動となり、ガスタービン２の燃料ガスとしての許容範囲内で安定した燃料ガスとすることができる。
【００７１】
図５は本発明の第３実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図であり、この第３実施形態は、予めタンク５のガス入口６における発熱量変動からガス出口７における発熱量変動を予測したシミュレーションモデルを作成し、タンク５の上流側に設けた第三発熱量計測器２９で計測した燃料ガスの発熱量信号から上記シミュレーションモデルに基づいてタンク５出口における発熱量変動を予測して混合器８で減熱または増熱するフィードフォワード制御を行うようにしている。なお、上記第２実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００７２】
図示するように、タンク５の上流側の燃料ガス供給通路３に第三発熱量計測器２９が設けられている。この第三発熱量計測器２９で計測された燃料ガス供給通路３中の燃料ガスの発熱量は、入力経路３０を介してシミュレーションモデルを組込んだシミュレータ３１に入力される。
【００７３】
このシミュレータ３１に予め組込まれているシミュレーションモデルは、有限要素法等によってバッファタンクモデルのシミュレーションを行い、その結果を元に、使用するバッファタンクの容積及び形状に応じたシミュレーションモデルとして作成する。このシミュレーションモデルとしては、例えば、所定のガス流量と容積のタンク５において、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍して加え合わせたものを用い、その時定数に検出器の遅れ相当の補正を行って作成する。
【００７４】
図６は図５の第３実施形態に係るガス発熱量制御装置におけるシミュレーションモデルの一例を示すブロック図である。上記シミュレーションモデルとしては、一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍して加え合わせて作成するが、この図では、説明上、３つの系に基づく例を示している。具体的には、第三発熱量計測器２９での計測信号に対して、計測器の一次遅れをシミュレーションモデル上流に図示する遅れ補償（１＋Ｔａ＊ｓ）／（１＋Ｔｂ＊ｓ）により補償し、その信号に対して、複数の一次遅れの系と無駄時間の系とを線形結合したものを定数倍して加え合わせてタンク５のガス出口７における発熱量変動を予測している。なお、図６の各記号は、ｓ；ラプラス変換パラメータ、Ｔａ，Ｔｂ；遅れ補償定数、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３；一次遅れ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３；無駄時間、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３；定数倍係数、をそれぞれ示している。
【００７５】
このようなシミュレーションモデルによって予測されたタンク５のガス出口７における発熱量変動の信号が、経路３２を介して上記第二制御器２５に出力される。この第二制御器２５では、経路３２を介して出力された信号と、予めガスタービン２に応じて設定された所定の設定値１８とが比較される。
【００７６】
この比較された結果、第三発熱量計測器２９で計測された計測値から燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、出力経路２０から分配器２１を介して減熱用流量調整弁１２に制御信号が送られて、減熱ガス供給器１３から所定量の減熱ガスが混合器８に供給される。また、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、出力経路２０から分配器２１を介して増熱用流量調整弁１４に制御信号が送られて、増熱ガス供給器１５から所定量の増熱ガスが混合器８に供給される。
【００７７】
このような第３実施形態のガス発熱量制御装置３３によれば、燃料ガスに速い発熱量変動を生じたとしても、タンク５の上流側でその速い発熱量変動を計測し、その発熱量変動に応じた制御をシミュレーションモデルに基いて行うので、追従性良く発熱量変動を抑制することができる。しかも、第２実施形態における第二発熱量計測器２３に計測時間遅れを生じるような場合でも、この第３実施形態のガス発熱量制御装置３３では対応できる。
【００７８】
図７は本発明の第４実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図であるが、この第４実施形態は、上記第３実施形態のフィードフォワード制御に上記第１または第２実施形態のフィードバック制御を加えている。なお、上記第２，第３実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００７９】
図示するように、図５の構成に加え、混合器の下流側に設けられた発熱量計測器１６で計測された燃料ガス供給通路３中の燃料ガス発熱量の計測値が第一制御器１９に入力され、この第一制御器１９で予めガスタービン２に応じて設定された所定の設定値１８とが比較され、燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は出力経路２０に減熱の制御信号が、増熱する必要がある場合は出力経路２０に増熱の制御信号が出力される。
【００８０】
そして、この減熱または増熱のフィードバック制御の信号が、上記第二制御器２５から出力された減熱または増熱のフィードフォワード制御の信号で補正される。第一制御器１９からの制御信号が第二制御器２５からの制御信号で補正された結果、燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、分配器２１を介して減熱用流量調整弁１２に制御信号が送られて、減熱ガス供給器１３から所定量の減熱ガスが混合器８に供給される。また、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、分配器２１を介して増熱用流量調整弁１４に制御信号が送られて、増熱ガス供給器１５から所定量の増熱ガスが混合器８に供給される。
【００８１】
図８は図７のガス発熱量制御装置により発熱量変動が抑制（緩和）される状態を示すグラフであり、上記したようにタンク５の上流側における燃料ガスの発熱量変動をシミュレーションモデルに基いて制御するフィードフォワード制御と、混合器８の下流側における燃料ガスの発熱量変動に基いて制御するフィードバック制御とによって制御された後の発熱量変動は、実線で示すように、大きな発熱量変動がより抑制されて長周期の小幅な発熱量変動となり、ガスタービン２の燃料ガスとしての許容変動範囲内で安定した燃料ガスとすることができる。
【００８２】
つまり、この第４実施形態のガス発熱量制御装置３５によれば、燃料ガスに速い発熱量変動を生じたとしても、タンク５の上流側でその速い発熱量変動を計測し、その発熱量変動に応じた制御をシミュレーションモデルに基いて行うので、追従性良く発熱量変動を抑制することができる。しかも、この第４実施形態のガス発熱量制御装置３５によれば、上記第２実施形態のガス発熱量制御装置２７のように、第二発熱量計測器２３に計測時間遅れを生じるような場合でも対応できる。
【００８３】
さらに、この実施形態では、シミュレータ３１内に現実のタンク特性を近似し得るシミュレーションモデルを組込んだフィードフォワード制御を適用し、タンク５上流に設けられた第三発熱量計測器２９の計測時間よりも長いタンク内滞留時間を巧妙に利用することで計測時間遅れを補償してタンク出口の発熱量を高精度に予測するので、フィードフォワード制御による良好な追従性を実現して、ガスタービン２の入側での残余の発熱量変動幅を許容制限範囲内に抑えて設備の連続安定運転を実現することができる。
【００８４】
図９は本発明の第５実施形態に係るガス発熱量制御装置を含んだガスタービン発電設備の一部の概略を示す配管図であり、この第５実施形態は、上記第４実施形態に加え、燃料ガス供給通路３の上部に模式的に図示する線図のように、燃料ガスの発熱量変動の平均値が、一定幅で上昇または下降するような場合でも制御できるようにした実施形態である。なお、上記第４実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００８５】
図示するように、この第５実施形態では、タンク５の上流側の燃料ガス供給通路３に第二混合器３７が設けられ、この第二混合器３７の上流側の燃料ガス供給通路３に第三発熱量計測器２９が設けられている。この第三発熱量計測器２９で計測された燃料ガス供給通路３中の燃料ガスの発熱量が、入力経路３０から第三制御器３８に入力されている。また、この第三制御器３８には、タンク５の下流側に設けられた混合器８の下流側に設けられた発熱量計測器１６で計測された燃料ガスの発熱量も入力経路１７から入力されている。そして、この第三制御器３８で、混合器８の下流側における発熱量変動の平均値に対して、タンク５の上流側における発熱量変動の平均値に一定幅の上昇又は下降がないかが監視されている。この第三制御器３８が、監視制御器である。
【００８６】
そして、タンク５の上流側における燃料ガスの発熱量変動の平均値に一定幅の上昇又は下降が計測された場合、この第三制御器３８から出力経路３９と分配器４０とを介して、減熱する場合は減熱用流量調整弁４１に、減熱ガス供給器４２から所定量の減熱ガスを第二制御ガス供給配管４５から第二混合器３７に供給する制御信号が出力され、増熱する場合は増熱用流量調整弁４３に、増熱ガス供給器４４から所定量の増熱ガスを第二制御ガス供給配管４５から第二混合器３７に供給する制御信号が出力される。
【００８７】
一方、上記第三発熱量計測器２９で計測された燃料ガス供給通路３内の燃料ガスの発熱量は、シミュレーションモデル組込んだシミュレータ３１にも入力されている。また、上記第三制御器３８から出力経路３９に出力された制御信号もシミュレータ３１に入力されている。
【００８８】
図１０は、この第５実施形態に係るガス発熱量制御装置４６におけるシミュレータ３１に予め組込まれているシミュレーションモデルの例を示すブロック図である。この図では、図９のタンク５の上流側に記載したように、平均値の高い発熱量変動を減熱する場合を説明する。この場合、図９の減熱用流量調整弁４１を制御して減熱ガス供給器４２から減熱ガスを第二混合器３７に供給する場合を説明する。このシミュレーションモデルとしても、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍して加え合わせて作成しているが、この図でも、説明上、３つの系に基づく例を示している。
【００８９】
また、このシミュレーションモデルの場合、タンク５の上流側で燃料ガスの発熱量変動平均値に差を生じた場合の補正をシミュレーションモデルの上流側で行うようにしている。具体的には、第三発熱量計測器２９での計測信号に対して、計測器の一次遅れをシミュレーションモデル上流に図示する遅れ補償（１＋Ｔａ＊ｓ）／（１＋Ｔｂ＊ｓ）により補償し、その信号に対して、発熱量変動の平均値差を補正すべく減熱ガスを供給した後の補正を第三制御器３８で行い、その補正後の信号に対して、複数の一次遅れと無駄時間の系の信号を定数倍して加え合わせてタンク５のガス出口７における発熱量変動を予測している。なお、図１０の各記号は前記図６と同一であり、ｓ；ラプラス変換パラメータ、Ｔａ，Ｔｂ；遅れ補償定数、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３；一次遅れ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３；無駄時間、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３；定数倍係数、をそれぞれ示している。第二制御器２５内の式は、変動分の微分式を示している。
【００９０】
そして、このようなシミュレーションモデルによって予測されたタンク５のガス出口７における発熱量変動の信号が経路３２を介して上記第二制御器２５に出力される。この第二制御器２５からは、タンク５によって発熱量変動の平均差が抑制された燃料ガスに残存すると予測された発熱量変動の残余分に対する制御信号が出力される。
【００９１】
一方、上記第４実施形態と同様に、混合器８の下流側に設けられた発熱量計測器１６で計測された燃料ガス供給通路３中の燃料ガス発熱量の計測値が第一制御器１９に入力され、この第一制御器１９で予めガスタービン２に応じて設定された所定の設定値１８とが比較され、燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は出力経路２０に減熱の制御信号が出力される。
【００９２】
そして、この減熱の制御信号が、上記第二制御器２５から出力経路２６に出力された制御信号で補正される。第一制御器１９からの制御信号が第二制御器２５からの制御信号で補正された結果、燃料ガス供給通路３の燃料ガスを減熱する必要がある場合は、分配器２１を介して減熱用流量調整弁１２に制御信号が送られて、減熱ガス供給器１３から所定量の減熱ガスが混合器８に供給される。これにより、燃料ガスの発熱量が許容変動範囲内に調整される。
【００９３】
ここでは燃料ガスを減熱する例を説明したが、燃料ガスを増熱する必要がある場合は、分配器２１を介して増熱用流量調整弁１４に制御信号が送られて、増熱ガス供給器１５から所定量の増熱ガスが混合器８に供給される。
【００９４】
この第５実施形態のガス発熱量制御装置４６によれば、燃料ガスの発熱量変動の平均値に一定量の上昇または下降を生じても、その平均値の上昇または下降をタンク５の上流側で抑制できるので、発熱量変動の平均値が変化するような燃料ガスであっても、ガスタービン２の燃料ガスとしての許容範囲内となるように制御することが安定してできる。
【００９５】
この場合も、条件によっては減熱ガスと増熱ガスとを同時に供給するような制御を行ってもよく、また、燃料ガスの条件によっては、減熱のみまたは増熱のみを行うような構成にして、一方のみで燃料ガスの発熱量変動平均値を抑制するようにしてもよい。
【００９６】
以上説明した実施形態のガス発熱量制御装置（方法）を適用すれば、種々の燃料ガスについて発熱量変動を確実に燃焼設備の許容範囲内に抑制して安定化させ、有効かつ高効率に利用することができる。
【００９７】
また、以上説明した実施形態では、燃焼設備としてガスタービンを例示しているが、本発明における燃焼設備はガスタービンに限定されない。これらのガス発熱量制御装置は、他の燃焼設備、例えば、ボイラ、加熱炉、焼却炉等に適用することも可能である。
【００９８】
さらに、以上説明した実施形態では、燃料ガスの発熱量を減熱または増熱できるように構成した例を説明したが、減熱のみ、または増熱のみが行えるような構成であってもよい。しかも、減熱または増熱の両方を同時に行えるように構成してもよい。
【００９９】
また、以上説明した実施形態では、個々別々の機能を備えた制御器を設けているが、任意に統合してもよい。
【０１００】
さらに、使用する燃料ガスには、高炉ガス（ＢＦＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）、石炭層に含まれる石炭層ガス（「Ｃｏａｌ  ｍｉｎｅ  ｇａｓ」であり、ＣＭＧと表す）、直接還元製鉄法や溶融還元製鉄法によって発生する副生ガス、ＧＴＬ（Ｇａｓ−ｔｏ−Ｌｉｑｕｉｄ）プロセスにおいて発生するテイルガス（Ｔａｉｌ  ｇａｓ）、オイルサンドからオイル精製プロセスに伴って発生する副生ガス、プラズマを用いたゴミ焼却によって発生するガス、生ゴミを含む一般廃棄物がその埋め立て地において発酵、分解する過程で生じるメタンガス（Ｌａｎｄｆｉｌｌ  ｇａｓ）、および、その他の類似の原料を化学反応させることに伴って発生する副生ガス等の低カロリガス等が含まれる。また、燃料ガスとしては、低カロリガスのみならず、中カロリガス、高カロリガスも含まれる。もちろん、燃料ガスとしては、上記ガスを単独はもとより、二種類以上のガスを適宜混合させて使用する場合、および、これらのガスを混合させたガスにも本発明を適用することができる。
【０１０１】
なお、上述したいずれの実施形態も、基本機能を説明するための概念図であり、実際には関連補助装置や実装品（例えば、弁、起動装置、変圧器、遮断機、タンク類等）については省略して記述していない。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によれば、ガス特性が変動するガスの発熱量変動を抑制し、ガスタービンやボイラ、加熱炉、焼却炉等の燃焼設備に安定した燃料ガスとして供給するガス発熱量制御装置として利用できる。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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