(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低カロリ副生ガスを燃料として使用するガスタービン設備の制御装置であって、
供給空気流量を調整する空気流量制御装置を有する空気圧縮機と、該空気圧縮機で圧縮した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するガスタービンとを具備し、前記燃焼器に供給する燃料の発熱量信号と前記ガスタービンの負荷設定信号とから空気流量パラメータ関数を設定し、前記燃料の発熱量信号に応じて該空気流量パラメータ関数から得た必要空気流量信号を前記空気流量制御装置に出力して空気流量を調整するように構成したガスタービン設備の制御装置。
【請求項２】
燃料の発熱量を所定時間単位で平均化処理する平均発熱量記憶装置と、該燃料の発熱量の変化速度を演算する発熱量変化速度演算装置とを有し、該発熱量変化速度演算装置で演算した変化速度が所定値を超えた場合にはその変化発生前の平均発熱量を発熱量信号として選択して出力する燃料発熱量演算器を設けたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備の制御装置。
【請求項３】
燃料の平均発熱量に応じた最大空気流量から複数段階の出力最大制限値を設定し、該燃料の平均発熱量に応じて出力最大制限値の段階を選択するように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガスタービン設備の制御装置。
【請求項４】
空気密度に応じた最大空気流量から複数段階の出力最大制限値を設定し、空気温度と空気圧力信号とから空気密度を算出する空気密度演算器を設け、該空気密度演算器が算出した空気密度に応じて出力最大制限値の段階を選択するように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガスタービン設備の制御装置。
【請求項５】
請求項３記載の燃料の平均発熱量と請求項４記載の空気密度とに応じた最大空気流量から複数段階の出力最大制限値パラメータを設定し、燃料の平均発熱量と空気密度とから該出力最大制限値パラメータの段階を選択するように構成した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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、ガスタービン設備におけるガスタービン出力の制御装置に関し、詳しくは、低カロリ副生ガスを燃料として使用するガスタービン設備の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、発電等の設備においてガスタービンが用いられており、空気圧縮機で圧縮した空気を燃焼器で燃料と燃焼させ、その燃焼ガスによってタービンを駆動して発電等を行っている。以下、ガスタービン発電設備を例に説明する。図８は、この種のガスタービンの出力と燃料の発熱量との関係を示す線図である。図示するように、燃料の発熱量ａが決まれば、タービン特性ｂからその燃料によって得られるタービン出力ｃは決まる。一方、図９のガスタービン出力と空気流量の関係を示す線図のように、ある温度（例えば、１５度）で所定密度の空気流量ｄが決まれば、タービン特性ｅからその空気流量（重量流量）によって得られるタービン出力ｆが決まる。
【０００３】
このように、ガスタービンは、燃料の発熱量と空気流量（重量流量）とによってガスタービン出力が決まり、このガスタービン出力はガスタービン入口温度（ガスタービン入口燃焼ガス温度）によって決まる。そこで、特開昭５７−６８５２６号公報記載のガスタービン制御装置では、大気温度と大気圧から求めた空気流量によって燃焼温度を求め、その燃焼温度が一定となるように空気流量を調整している。例えば、図９に示す最大空気流量ｇと最小空気流量ｈの間で空気流量を調整することによってガスタービン出力ｆを一定に保つようにする。
【０００４】
また、ガスタービンを効率良く運転制御する目的から、負荷設定値等に応じて相異なるパラメータから燃料流量信号及び空気流量信号のふたつを算出してガスタービンを制御する方法も採用されている。例えば、特開昭５６−７７５２４号公報記載のガスタービン用制御装置では、ガスタービンの燃焼室に供給する、燃料の流量を制御する燃料制御信号と、空気の流量を制御する空気制御信号とを制御することによってガスタービンの温度を略一定に保とうとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、製鉄所の高炉ガス等のような特殊な低カロリ副生ガスを燃料として使用し、かつ高効率でそのエネルギを回収するガスタービン複合発電設備や、ガスタービン  コ・ジェネレーション設備が省エネルギ設備として着目されている。
【０００６】
しかしながら、この低カロリ副生ガスは、図１０の低カロリ副生ガスの発熱量変化の一例を示す線図のように、その発生メカニズムの関係から、一般に燃料としての発熱量５１（カロリ）が随時変動しており、１日の間でも大きく変動している。しかも、大きく突出するような変動があるとともに日によって異なる変動を生じる。
【０００７】
この低カロリ副生ガスをガスタービン設備の燃料として使用しようとすると、低カロリであるため、通常の燃料を使用する設備に比べて燃料流量を格段に大きくしないと（例えば、１５倍程度）所望の入熱量が得られない。そのため、このような燃料で燃料発熱量が大きく変化（例えば、２０〜３０％程度）した場合には、その変化が制御系へ大きな外乱として作用してしまう。つまり、発電出力や、そのエネルギを回収して発生させる蒸気出力等に大きな変動が生じて設備運用上の大きな問題となる。したがって、副生ガスを燃料として使用するガスタービン設備においては、その発熱量変動によってガスタービンの運転状態が大きく変化することを考慮しなければならない。
【０００８】
しかし、燃料の発熱量変動のために、頻繁に制御装置の再調整を実施するといった保守作業によって運用上の便宜を計ろうとしても、設備の発電出力、排気ガスを利用した蒸気出力の変動の把握、及びそれを考慮した運用計画等の検討事項や、蒸気出力の変動を考慮して附帯設備の仕様決定を行わなければならない、といった検討事項が生じ、特に設備能力の評価の困難さ、出力不足時のバックアップ設備の要否決定といった事項が設備導入計画時や設備運用時において大きな課題となる。
【０００９】
なお、このような低カロリ副生ガスを燃料として用いることについては上述したいずれの従来技術にも何ら記載も示唆もされていないため、これら従来技術では低カロリ副生ガスを燃料として安定したガスタービン設備の運用を計ることはできない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、前記課題を解決するために、本願発明は、低カロリ副生ガスを燃料として使用するガスタービン設備の制御装置であって、供給空気流量を調整する空気流量制御装置を有する空気圧縮機と、該空気圧縮機で圧縮した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するガスタービンとを具備し、前記燃焼器に供給する燃料の発熱量信号と前記ガスタービンの負荷設定信号とから空気流量パラメータ関数を設定し、燃料の発熱量信号に応じて該空気流量パラメータ関数から得た必要空気流量信号を前記空気流量制御装置に出力して空気流量を調整するように構成している。このように燃料発熱量をガスタービンの制御パラメータのひとつとして用い、燃料の発熱量に応じて空気流量を調整し、これによって所定発熱量の燃料と所定空気流量とを燃焼器で燃焼させてタービン入口部分の温度とその通過流量を略一定に保つように制御するので、低カロリ副生ガスのように燃料の発熱量が大きく変化するような場合でも、その燃料発熱量の変化を考慮した制御を加えてガスタービンの運転状態変化を制御してガスタービン設備を運用することができる。
【００１１】
また、空気圧縮機に供給する空気密度と空気流量とから空気流量制御装置出力パラメータ関数を設定し、空気流量パラメータ関数から得た必要空気流量に応じて該空気流量制御装置出力パラメータ関数から空気流量制御装置に空気流量調整信号を出力するように構成すれば、空気密度が変化しても燃料の発熱量に応じた空気流量を吸込むように調整し、所定発熱量の燃料と所定空気流量とを燃焼器で燃焼させてタービン入口部分の温度とその通過流量を略一定に保つようにガスタービンの運転状態を制御してガスタービン設備を運用することができる。
【００１２】
さらに、燃料の発熱量を所定時間単位で平均化処理する平均発熱量記憶装置と、該燃料の発熱量の変化速度を演算する発熱量変化速度演算装置とを有し、該発熱量変化速度演算装置で演算した変化速度が所定値を超えた場合にはその変化発生前の平均発熱量を発熱量信号として選択して出力する燃料発熱量演算器を設ければ、燃料の発熱量変動に大きな変化を生じても、その変化を生じる前の平均発熱量を選択して出力するので、低カロリ副生ガスのように発熱量に急激な変化を生じるような場合でも、安定してガスタービン設備を運転することができる。
【００１３】
また、燃料の平均発熱量に応じた最大空気流量から複数段階の出力最大制限値を設定し、該燃料の平均発熱量に応じて出力最大制限値の段階を選択するように構成すれば、燃料の発熱量が時間とともに大きく変動するような場合でも、その燃料の発熱量変動に応じた出力最大制限値で制限することができるので、発熱量が大きく変化しても安定したガスタービンの制御を行うことができる。
【００１４】
さらに、空気密度に応じた最大空気流量から複数段階の出力最大制限値を設定し、空気温度と空気圧力信号とから空気密度を算出する空気密度演算器を設け、該空気密度演算器が算出した空気密度に応じて出力最大制限値の段階を選択するように構成すれば、空気密度の算出値に応じて供給する空気流量の最大制限値を制限することができるので、空気密度に応じて制限値内の空気流量を供給することによる安定したガスタービンの制御を行うことができる。
【００１５】
その上、燃料の平均発熱量と空気密度とに応じた最大空気流量から複数段階の出力最大制限値パラメータを設定し、燃料の平均発熱量と空気密度とから該出力最大制限値パラメータの段階を選択するように構成すれば、燃料の発熱量変化と空気密度変化とに応じて好ましい段階の出力最大制限値を選択して安定したガスタービンの制御を行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を示すガスタービン設備のブロック図である。図２は低カロリ副生ガスの発熱量変化を平均化した一例を示す線図であり、図３は本願発明における空気流量パラメータ関数の一例を示す線図、図４は本願発明における空気流量制御装置出力パラメータ関数の一例を示す線図である。
【００１７】
図１に示すように、空気（大気）を圧縮する空気圧縮機１とタービン３とが同軸上に設けられており、空気圧縮機１で圧縮された空気が経路１１から燃焼器２に供給され、この燃焼器２で燃料と燃焼させられて発生した燃焼ガスが経路１２からタービン３に供給されている。このタービン３の排気ガスは、経路１３から図示しない蒸気発生器等に供給され、他の機器に利用する蒸気エネルギー等を発生させている。
【００１８】
前記空気圧縮機１には、空気流量可変機構１４が設けられており、この空気流量可変機構１４は、空気圧縮機１に吸込まれる空気流量を調整する絞り機構１５を具備している。この絞り機構１５は、空気圧縮機１が吸込む空気流量を調整する開閉機構である。この空気圧縮機１に経路１８から吸込まれる空気は、その圧力が圧力検出器１６で検出され、温度が温度検出器１７で検出され、これら圧力と温度が空気密度演算器９に入力されている。この空気密度演算器９によって、空気の圧力と温度及び湿度から空気密度が演算されている。この実施形態では、各検出器１６，１７で検出した値に基づいて空気密度演算器９で空気密度を演算しているが、一定の空気密度の空気を経路１８から供給するようにしてもよい。
【００１９】
一方、前記燃焼器２への燃料供給路１９には燃料分析計５が設けられており、この燃料分析計５で供給燃料の組成が分析されている。この燃料分析計５による燃料の分析は、例えば２分程度で分析が可能であり、１日の間で発熱量が大きく変化する副生ガスの組成が、常時、又は一定間隔で分析されている。この燃料分析計５で分析された燃料の分析結果が燃料発熱量演算器６に入力されている。この燃料分析計５で分析する低カロリ副生ガスは、図２に細い実線２１で示すように、発熱量が１日の間に大きく変化するとともに、局部的に大きく発熱量が変化するようなガスであるため、燃料発熱量演算器６によって、図２に太い実線２２で示すように、ガスの発熱量が大きく変化して突出するような変動はカットするとともに、その変動を平均化するようにして、その時点の燃料分析結果から燃料発熱量が演算されている。
【００２０】
また、ガスタービン設備の使用状況等に応じて、タービン３の負荷を設定するための負荷設定器７が設けられている。この負荷設定器７は、タービン入口２０の燃焼ガス温度（この明細書では、ガスタービン入口温度「設定負荷ＴＩＴ」という）を設定するように構成されたものであり、予め決められている複数の設定値から選択するように構成されている。
【００２１】
そして、この負荷設定器７で選択された設定値と、前記燃料発熱量演算器６からの燃料発熱量信号とが空気流量パラメータ関数８に入力されている。
【００２２】
空気流量パラメータ関数８は、図３に示すように、横軸に燃料発熱量、縦軸に空気流量が示され、予め、燃料発熱量とその燃料発熱量によって負荷設定器７で選択したガスタービン３の設定負荷ＴＩＴを得るための空気流量との関係のパラメータ関数が設定されており、燃料発熱量と設定負荷ＴＩＴが入力されれば、その設定負荷を得るために必要な空気流量ＧＡＲの信号を出力するように構成されている。このように、空気流量パラメータ関数８では、ガスタービン入口２０の燃焼ガスが所定のガスタービン入口温度を得るために、その時の燃料発熱量で必要な空気流量ＧＡＲが空気流量制御装置出力パラメータ関数１０へ出力されている。
【００２３】
空気流量制御装置出力パラメータ関数１０は、図４に示すように、横軸に空気密度、縦軸に空気流量制御装置４における空気流量可変機構１４の絞り機構１５の開度が示され、予め、前記空気圧縮機１に供給される実際の空気密度（大気圧力濃度）と、前記空気流量パラメータ関数８からの空気流量ＧＡＲによって、その空気密度の状態で必要な空気流量ＧＡＲ（重量流量）を得ることができる絞り機構１５の開度信号との関係がパラメータ関数として設定されており、空気密度と空気流量ＧＡＲが入力されれば、その空気流量ＧＡＲを得るために必要な開度信号を出力するように構成されている。そして、この空気流量制御装置出力パラメータ関数１０からの信号に基づいて、空気流量可変機構１４の絞り機構１５の開度が調整される。これにより、設定負荷ＴＩＴを得るための所定の空気流量（重量流量）が経路１８から空気圧縮機１に吸込まれる。
【００２４】
つまり、その時の燃料発熱量に応じて、負荷設定器７で選択した設定負荷ＴＩＴを得ることができる空気流量となるように前記空気流量パラメータ関数８で空気流量ＧＡＲが設定され、その空気流量ＧＡＲが得られるようにその時の空気密度をパラメータとして加えて空気流量制御装置出力パラメータ関数１０で絞り機構１５の開度調整が行われる。
【００２５】
このようにして燃料の発熱量に応じた空気流量が設定されると、タービン入口２０部分の燃焼ガス温度とその通過流量を略一定に保つことができるので、タービン３の出力を一定に保つことができる。
【００２６】
しかも、この操作は、負荷設定器７による負荷設定のみで、空気流量パラメータ関数８がその時の燃料発熱量に応じた空気流量ＧＡＲを空気流量制御装置出力パラメータ関数１０に出力し、この空気流量制御装置出力パラメータ関数１０がその時の空気密度に応じてこの空気流量ＧＡＲを得ることができる空気流量制御装置４の絞り機構１５の開度信号を空気流量制御装置４に出力するので、簡単な操作で空気圧縮機１が吸込む空気流量の調整が行われてガスタービン３の出力が負荷設定器７の設定値に保たれる。
【００２７】
その上、燃料分析計５による分析結果に基づいて燃料発熱量演算器６から空気流量パラメータ関数８に出力する信号により、その時の燃料の発熱量に応じて負荷設定器７で設定したガスタービン入口温度となるような空気流量が空気流量パラメータ関数８によって求められるので、燃料の発熱量が時間とともに変化しても、その時の発熱量に応じて空気圧縮機１に供給する空気流量を調整することができ、発熱量が大きく変化する低カロリ副生ガスを使用しても安定したガスタービンの運転を行うことができる。
【００２８】
したがって、低カロリ副生ガスを燃料として用いるガスタービン設備であっても、その燃料の燃料発熱量をガスタービンの制御パラメータのひとつとして考慮し、燃料発熱量が大きく変動しても制御装置によってその変動によるガスタービン出力に変動を生じないように制御できるので、ガスタービン出力を一定にすることによってガスタービン出口温度が一定になり、安定したガスタービン設備の運用をすることが可能となる。しかも、このガスタービン３の排気ガスを利用して、例えば工場プロセス蒸気等を発生させる蒸気発生器（図示略）による蒸気出力を安定化させることができるので、ガスタービン  コ・ジェネレーション設備等の省エネルギ設備であっても安定して運用することができる。
【００２９】
なお、この実施形態では、空気流量パラメータ関数８と空気流量制御装置出力パラメータ関数１０の設定値を４本で示しているが、この設定値を可能な限り細かく段階的に設定することにより、低カロリ副生ガスの変動に応じて細かく空気流量を調整することができ、タービン３のより変動の小さい運転を行うことができる。この空気流量パラメータ関数８や空気流量制御装置出力パラメータ関数１０は、ガスタービン設備の仕様やタービン３の出力等に応じて設定すればよく、この実施形態に限定されるものではない。
【００３０】
図５は本願発明において燃料の平均発熱量に応じて空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一例を示す線図である。前記図２に一点鎖線で示すように、大きく変動する燃料の発熱量を所定範囲で平均化して平均発熱量２３を設定し、図５に示すように、変動する燃料発熱量に応じた最大空気流量ＧＡＲ（ＭＡＸ）によるガスタービン入口温度から出力最大制限値ｉ，ｊ，ｋを段階的に定め、前記平均発熱量２３に応じて好ましい出力最大制限値ｉ，ｊ，ｋの段階を選択することにより、燃料発熱量に大きな変動が生じても、最大空気流量を超えて過剰な空気が空気圧縮機１に吸込まれることがないようにできる。このように出力最大制限値ｉ，ｊ，ｋを設定するか否かは、燃料の性状や発熱量の変化量等に応じて決定すればよい。
【００３１】
図６は本願発明において空気密度に応じて空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一例を示す線図である。図示するように、変動する空気密度に応じた最大空気流量ＧＡＲ（ＭＡＸ）によるガスタービン入口温度から出力最大制限値ｌ，ｍ，ｎを段階的に定め、空気密度演算器９の算出した空気密度に応じて好ましい出力最大制限値ｌ，ｍ，ｎの段階を選択することにより、空気密度に変動が生じても、最大空気流量を超えて過剰な空気が空気圧縮機１に吸込まれることがないようにできる。このように出力最大制限値ｌ，ｍ，ｎを設定するか否かは、空気の状態変化等に応じて決定すればよい。
【００３２】
図７は本願発明において燃料の平均発熱量と空気密度に応じて空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一例を示す線図である。図示するように、前記図５，６に示す燃料の平均発熱量と空気密度とを考慮してガスタービン入口温度の出力最大制限値を複数段階の出力最大制限値パラメータ２４（図では便宜上平面で示している）として設定し、燃料の平均発熱量ｑと空気密度ｒに応じて空気流量制御装置４で空気圧縮機１が吸込む空気流量ＧＡＲの出力最大制限値ｐの段階をこの出力最大制限値パラメータ２４から選択することにより、燃料発熱量や空気密度に大きな変動が生じても、空気流量ＧＡＲが最大空気流量を超えないようにできる。このように構成すれば、燃料の平均発熱量と空気密度とを考慮して空気流量制御装置４が吸込む空気流量が最大空気流量を超えて過剰となることがないようにできる。このように出力最大制限値パラメータ２４を設定するか否かは、燃料発熱量や空気密度の状態変化量等に応じて決定すればよい。
【００３３】
なお、上述した実施形態はいずれも一実施形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３４】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００３５】
燃料発熱量をガスタービンの制御パラメータのひとつとして用いて空気流量を調整するので、燃料発熱量が大きく変動する低カロリ副生ガスを燃料として使用した場合でも、その発熱量変動によるガスタービン運転状態の変化を吸収して、安定したガスタービン設備の運用を計ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施形態を示すガスタービン設備のブロック図である。
【図２】低カロリ副生ガスの発熱量変化を平均化した一例を示す線図である。
【図３】本願発明における空気流量パラメータ関数の一例を示す線図である。
【図４】本願発明における空気流量制御装置出力パラメータ関数の一例を示す線図である。
【図５】本願発明において燃料の平均発熱量に応じて空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一例を示す線図である。
【図６】本願発明において空気密度に応じて空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一例を示す線図である。
【図７】本願発明において燃料の平均発熱量と空気密度に応じて空気流量の出力最大制限値を設定する場合の一例を示す線図である。
【図８】従来からのガスタービン設備におけるガスタービンの出力と燃料の発熱量との関係を示す線図である。
【図９】従来からのガスタービン設備におけるガスタービン出力と空気流量の関係を示す線図である。
【図１０】低カロリ副生ガスの発熱量変化の一例を示す線図である。
【符号の説明】
１…空気圧縮機
２…燃焼器
３…ガスタービン
４…空気流量制御装置
５…燃料分析計
６…燃料発熱量演算器
７…負荷設定器
８…空気流量パラメータ関数
９…空気密度演算器
１０…空気流量制御装置出力パラメータ関数
１１，１２…経路
１３…経路
１４…空気流量可変機構
１５…絞り機構
１６…圧力検出器
１７…温度検出器
１８…経路
１９…燃料供給路
２０…タービン入口
２１，２２…実線
２３…平均発熱量
２４…出力最大制限値パラメータ
【図１】
0003811033.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003811033.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003811033.tif 000007
【図７】
0003811033.tif 000008
【図８】
0003811033.tif 000009
【図９】
0003811033.tif 000010
【図１０】
0003811033.tif 000011