(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスで蒸気を発生する排熱回収ボイラと、前記ガスタービンに供給する燃料系統の燃料を加熱する熱交換器と、前記熱交換器の熱源として前記排熱回収ボイラの発生蒸気を前記熱交換器の給水系統として利用するガスタービン燃料加熱システムにおいて、前記熱交換器をバイパスする燃料バイパス系統を設置し、前記熱交換器によって加熱された後の燃料系統と燃料バイパス系統との合流後の燃料温度と、前記燃料系統の燃料流量と、前記ガスタービンの負荷信号を入力して演算処理する燃料温度制御装置を設け、前記燃料温度制御装置からの信号に基づいて前記燃料バイパス系統に設けたバイパス流量調節弁および前記給水系統に設けた給水流量調節弁の開度を制御し、熱交換後の燃料温度を予め設定された設定温度に制御することを特徴とするガスタービン燃料加熱システム。
【請求項２】
請求項１において、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が遮断された場合、負荷が急激に低下した場合または燃料系統の燃料流量が急激に低下した場合に、前記バイパス流量調節弁を予め設定された時間強制的に開し、前記給水流量調節弁を予め設定された規定開度まで強制的に閉し、その後予め設定された時間前記バイパス流量調節弁を制御して加熱後の燃料温度を制御することを特徴とするガスタービン燃料加熱システム。
【請求項３】
ガスタービンと、前記ガスタービンの排気ガスで蒸気を発生する排熱回収ボイラと、前記ガスタービンに供給する燃料系統の燃料を加熱する熱交換器と、前記熱交換器の熱源として前記排熱回収ボイラの発生蒸気を前記熱交換器の給水系統として利用するガスタービン燃料加熱システムにおいて、前記熱交換器の給水系統として、前記熱交換器入口で合流するそれぞれ異なる温度を有する給水系統を複数設置し、前記熱交換器によって加熱された後の燃料温度と、前記燃料系統の燃料流量と、前記ガスタービンの負荷信号を入力して演算処理する燃料温度制御装置を設け、前記燃料温度制御装置からの信号に基づいて前記熱交換器出口の前記給水系統に設けた給水流量調節弁の開度に加えて前記複数の給水系統にそれぞれ設けた給水温度調節弁の開度を独立に制御し、熱交換後の燃料温度を予め設定された設定温度に制御することを特徴とするガスタービン燃料加熱システム。
【請求項４】
請求項３において、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が遮断された場合、負荷が急激に低下した場合または燃料系統の燃料流量が急激に低下した場合に、前記複数の給水系統に設けた給水温度調節弁をそれぞれ予め設定された時間、予め設定された規定開度に制御し、その後それぞれ前記給水温度調節弁を制御することによって、熱交換後の燃料温度を予め設定された温度に制御することを特徴とするガスタービン燃料加熱システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温流体と低温流体との間で熱交換を行う熱交換システムに係わり、特に、ガスタービンプラントの熱交換器において給水を熱源とし、燃料を加熱するガスタービン燃料加熱システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料加熱器の技術として、従来より、燃料を加熱し、ガスタービンの効率を上げることが知られている。燃料加熱ガスタービンプラントの一例を図１２に示す。図１２は、従来のガスタービン燃料加熱システムを用いたコンバインドサイクルプラントの例である。ガスタービンは、空気圧縮機３と燃焼器４およびタービン５から構成され、吸気系統１２から吸気した空気は、空気圧縮機３で圧縮され、燃料系統１０１から燃料を供給され、燃焼器４で圧縮空気と燃料が混合・燃焼してタービン５で仕事をし、高温の排気ガスとしてガスタービンの外に排出される。排気ガス１３は、排熱回収ボイラ６に導かれ、排熱回収ボイラ給水系統１０より給水され、蒸発ドラム７で蒸気を発生する。発生した蒸気は蒸気系統１１で蒸気タービンに導かれ、ガスタービンとともに発電機１を回転させ、電気出力を発生する。蒸気タービン２で仕事をした蒸気は復水器８に回収され、排熱回収ボイラ給水系統１０より再び排熱回収ボイラ１０に供給される。
燃料を加熱する熱交換器１００は、空気圧縮機３、燃焼器４およびタービン５から構成されるガスタービンに燃料を供給する燃料系統１０１上の燃焼器４の前に設置される。熱交換器１００には燃料加熱システム給水系統１０２を設置し、排熱回収ボイラ給水系統１０の排熱回収ボイラ６で予熱された高温水を抽出し、この高温水を熱源として燃料を加熱する。ガスタービンの燃料を加熱した後の水は復水器８に回収される。
また、燃料加熱ガスタービンプラントについて、特開平８−３５４３５号公報に記載があり、燃料を加熱し、ガスタービンの効率を上げることが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術は、交換熱量が大きく、熱交換する流体の流量が少ない熱交換器の場合、伝熱面積が大きくなり、熱交換器の熱容量が大きくなるために、熱交換器内部での高温流体と低温流体の流速が下がり、燃料温度の制御性が悪くなる、という問題があった。特に、負荷急変、負荷遮断により燃料流量が急激に低下した場合には、熱交換器の熱容量が大きいため、燃料温度が急激に上昇する等の制御上の問題があった。
例えば、従来の燃料加熱システムでは、図９に示すように、負荷遮断時のように燃料流量が急激に低下する場合は、図１１の実線で示すように、給水流量が大きく変動し、図１０の実線で示すように、燃料温度は急激に変動して燃料温度の変動のピーク値はガスタービンによって決定する許容変動範囲を超えてしまっていた。
【０００４】
本発明の課題は、交換熱量が大きく、熱交換する流体が少ない熱交換器に対して、加熱後の燃料温度の急激な変動を抑制し、制御性を向上させるガスタービン燃料加熱システムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、燃料系統に熱交換器をバイパスする燃料バイパス系統を設置し、燃料バイパス系統にバイパス流量調節弁を設けると共に、熱交換器の給水系統に給水流量調節弁を設け、バイパス流量調節弁と給水流量調節弁を制御し、熱交換後の燃料温度を制御する燃料温度制御装置を設け、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が遮断された場合、負荷が急激に低下した場合または燃料系統の燃料流量が急激に低下した場合に、バイパス流量調節弁を予め設定された時間強制的に開し、給水流量調節弁を予め設定された規定開度まで強制的に閉し、その後予め設定された時間バイパス流量調節弁を制御して加熱後の燃料温度を制御する。
また、熱交換器入口で合流する温度の異なる複数の給水系統を設置し、熱交換器入口の給水温度を制御する給水温度調節弁を各々に設けると共に、熱交換器出口の給水系統に給水流量調節弁を設け、給水流量調節弁と給水温度調節弁を独立に制御し、熱交換後の燃料温度を制御する燃料温度制御装置を設け、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が遮断された場合、負荷が急激に低下した場合または燃料系統の燃料流量が急激に低下した場合に、複数の給水系統に設けた給水温度調節弁をそれぞれ予め設定された時間、予め設定された規定開度に制御し、その後それぞれ給水温度調節弁を制御することによって、熱交換後の燃料温度を予め設定された温度に制御する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施形態を図面を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるガスタービン燃料加熱システムを示す。図１において、図１２と同一符号は同一対称であり、熱交換器１００は燃料を加熱し、ガスタービン燃料系統１０１はガスタービンに燃料を供給し、燃料加熱システム給水系統１０２は排熱回収ボイラ６（図１２）で予熱された高温水を抽出し、この高温水を熱源として燃料を加熱する。
熱交換器１００の入口側に燃料流量検出器１２１を設置し、燃料流量を検出する。燃料系統１０１の熱交換器１００をバイパスする燃料バイパス系統１０３を設ける。燃料バイパス系統１０３の燃料と熱交換器１００で加熱された燃料との合流点に燃料温度検出器１２３を設置し、合流後の燃料温度を検出する。燃料流量検出器１２１で検出された燃料流量と、燃料温度検出器１２３で検出された燃料温度信号と、ガスタービンの負荷遮断の信号１４１、負荷急変の信号１４２とを燃料温度制御装置１３０に入力し、演算処理して、熱交換器１００の後に設置した給水流量制御弁１１１の弁開度およびバイパス系統１０３に設置したバイパス流量調節弁１１３を制御する。
【０００７】
図２は、本実施形態の燃料温度制御装置１３０の詳細構成であり、図１の系統の制御方法の具体的な例として、通常のガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷変化、負荷遮断、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が急激に低下した場合（負荷急変）および燃料流量が急激に低下した場合について、説明する。
通常のガスタービンの負荷変化の場合、ガスタービンの機種によって決定されるガスタービン最大負荷変化率時の燃料流量変化率を規定値Ａとすると、燃料系統１０１の燃料流量検出器１２１で検出された燃料流量とｔ秒前の燃料流量とから単位時間当たりの変化率を演算器１５５により演算し、演算した変化率が演算器１５６において規定値Ａ以下であり、ガスタービンから負荷遮断の信号１４１または負荷急変の信号１４２が入力されない場合、熱交換後の温度検出器１２３で検出された燃料温度と予め設定した温度γ℃を開度演算器（ＨＨは上限値、ＬＬは下限値）１３１において比較演算し、発信された開度信号によって熱交換後の燃料温度が予め設定した温度γ℃になるように給水流量調節弁１１１を制御する。この時、開度演算器１３５によりバイパス流量調節弁１１３は全閉である。
【０００８】
次に、ガスタービンまたはコンバインドサイクルにおいて負荷遮断が行われた場合、燃料温度制御装置１３０は負荷遮断１４１の信号を受信し、図３に示すように、開度演算器１３３は給水流量調節弁１１１を最小開度α％まで閉し、開度演算器１３５は燃料側のバイパス流量調節弁１１３に対する全閉信号を解除し、開度演算器１３４はバイパス流量調節弁１１３を規定開度β％まで開するようにバイパス流量調節弁１１３に対して開度信号を発する。また、負荷遮断の信号１４１を受信したと同時にタイマー１３６、１３７、１３８が作動する。タイマー１３７は作動後Ｔ１秒時間が経過した後、開度演算器１３４のバイパス流量調節弁１１３に対する規定開度β％の信号を解除する。規定開度β％の信号が解除された後、開度演算器（ＨＨは上限値、ＬＬは下限値）１３２において温度検出器１２３で検出された燃料温度と予め設定した温度γ℃を比較演算し、発信された開度信号によってバイパス流量調節弁１１３は設定温度γ℃になるように燃料温度を制御する。タイマー１３６はＴ２秒の後、給水流量調節弁１１１に対する最小開度α％の信号を解除し、給水流量調節弁１１１は開度演算器１３１による制御に戻る。開度演算器１３８はタイマー１３８がＴ２秒経過後、再びバイパス流量調節弁１１３を全閉状態に制御する。
負荷急変の場合も、燃料温度制御装置１３０は負荷遮断１４２の信号を受信し、図２に示すように、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【０００９】
ここで、バイパス流量調節弁１１３を開している時間Ｔ１秒は、個々の熱交換器の容量によって決定される値であり、熱交換後の燃料温度の変動のピーク値を許容範囲内に抑えられる時間である。開度β％は、ガスタービンまたはプラントの負荷遮断が起こる直前のガスタービン負荷からなる関数であり、ガスタービンの負荷が大きければ大きい程、つまり燃料流量が多ければ多い程βの値は小さくなる。Ｔ２秒は、個々の熱交換器の容量および給水流量調節弁１１１の容量によって決定される値であり、バイパス流量調節弁１１３を制御せずに給水流量調節弁１１１によってのみ燃料温度を制御した場合であっても、熱交換後の燃料温度を許容変動範囲以内に制御が可能となる時間である。開度α％は、個々の給水流量調節弁固有の値であり、流量制御が可能な最低限の開度である。
【００１０】
次に、燃料流量が急激に低下した場合には、燃料流量が変化するｔ秒前の流量と演算器１５５で比較し、さらに演算器１５６で規定値Ａ以下であるかを比較する。燃料流量の変化率が規定値Ａ以下の場合は通常の負荷変化であり、流量変化率が規定値Ａ以上の場合には、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【００１１】
ここで、従来の燃料バイパス系統１０３がない燃料加熱システムの場合を考える。例えば、ガスタービンまたはコンバインドサイクルにおいて負荷遮断が起こった場合、燃料流量検出器１２１で検出される燃料流量１２１は、図９に示すように、急激に減少し、熱交換後の燃料温度検出器１２３で検出される燃料温度は、図１０の実線で示すように、急激に上昇して、燃料温度制御装置１３０は給水流量調節弁１１１を閉し、図１１に示すように、給水流量が減少する。給水流量が減少しても、熱交換器１００は熱容量が大きいため、給水側から燃料側に熱が伝わり、燃料温度検出器１２３で検出される燃料温度は急速に給水温度近傍まで上昇する。一方、本発明による燃料加熱システムでは、燃料温度が急速に上昇しても、熱交換器１００の後で燃料バイパス系統１０３の燃料つまり熱交換前の低温の燃料と混合され、燃料温度の上昇を図１０の点線で示すように抑制する。したがって、従来の熱交換システムと比較すると、燃料温度の変動が抑制され、また、燃料温度の変動が静定する時間も短縮される効果がある。
【００１２】
図４は、本発明の他の実施形態を示す。図１の実施形態と異なる点は、熱源としてそれぞれ異なる温度を有する給水系統を２系統設置する点である。
図４において、燃料加熱システム給水系統１０２として、給水温度調節弁１１４を設置した給水系統１０４と、給水温度調節弁１１５を設置した給水系統１０５を設け、給水系統１０５は給水系統１０４より低温の給水を行う。燃料温度制御装置１３０は、燃料流量検出器１２１で検出された燃料流量と、燃料温度検出器１２３で検出された燃料温度信号と、ガスタービンの負荷遮断の信号１４１、負荷急変の信号１４２とを入力し、演算処理して、熱交換器１００の後に設置した給水流量制御弁１１１の弁開度、給水系統１０４の給水温度調節弁１１４および給水系統１０５の給水温度調節弁１１５を制御する。
なお、燃料加熱システム給水系統１０２として、給水系統を２つ以上の複数設けてもよいことは云うまでもない。
【００１３】
図５は、本実施形態の燃料温度制御装置１３０の詳細構成であり、図４の系統の制御方法の具体的な例として、通常のガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷変化、負荷遮断、ガスタービンまたはコンバインドサイクルの負荷が急激に低下した場合（負荷急変）および燃料流量が急激に低下した場合について、説明する。
通常の負荷変化の場合は、開度演算器１５２によって給水温度調節弁１１４を全開制御し、開度演算器１５４によって給水温度調節弁１１５を全閉制御し、図１の系統の場合と同様の制御を行う。
【００１４】
次に、ガスタービンまたはコンバインドサイクルにおいて負荷遮断が行われた場合、燃料温度制御装置１３０は負荷遮断１４１の信号を受信し、図６に示すように、開度演算器１３１は、給水流量調節弁１１１の開度を演算し、開度信号を発信するが、開度演算器１３３は、負荷遮断信号１４１の受信と同時に開度演算器１３１の信号を解除し、給水流量調節弁１１１を最小開度α％まで閉する。開度演算器１５２は給水温度調節弁１１４を全閉し、開度演算器１５４は給水温度調節弁１１５を全開する。また、負荷遮断の信号１４１を受信したと同時にタイマー１４６が作動する。タイマー１４６が作動後Ｔ１秒経過後は、給水温度調節弁１１４および給水温度調節弁１１５の開度が変化している最中も給水流量調節弁１１１のみの制御で燃料温度の制御が可能な最大の開度変化率で、給水温度調節弁１１４は全開に、給水温度調節弁１１５は全閉に、復帰し、開度演算器１３３の最小開度α％の信号は解除され、通常の給水流量調節弁１１１による燃料温度制御に復帰する。
負荷急変の場合も、燃料温度制御装置１３０は負荷遮断１４２の信号を受信し、図５に示すように、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【００１５】
次に、燃料流量が急激に低下した場合には、図１の系統の場合と同様に、燃料流量が変化するｔ秒前の流量と演算器１５５で比較し、さらに演算器１５６で規定値Ａ以下であるかを比較する。燃料流量の変化率が規定値Ａ以下の場合は通常の負荷変化であり、流量変化率が規定値Ａ以上の場合には、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【００１６】
本実施形態では、燃料温度検出器１２３で検出される燃料温度は、給水温度以上には上昇しないので、燃料温度の上昇幅を抑制し、変動幅を許容変動範囲内とすることができる。従来の熱交換システムと比較すると、図１の実施形態と同様に、燃料温度の変動が抑制され、燃料温度の変動が静定する時間も短縮される効果がある。
【００１７】
図７は、図４の実施形態の他の燃料温度制御装置１３０の詳細構成であり、図４の系統の給水温度調節弁１１４、１１５を最適な開度に制御する例である。図５に示す制御方法と異なる点は、図５に示す方法が給水温度調節弁１１４、１１５を全開または全閉のみに制御していた点に対し、給水温度調節弁１１４、１１５をそれぞれ中間開度にも制御する様にした点である。具体的な例として、ガスタービンにおいて負荷遮断または負荷急変が行われた場合および燃料流量が急激に低下した場合について説明する。
負荷遮断が行われた場合、燃料温度制御装置１３０は負荷遮断１４１の信号を受信し、図８に示すように、開度演算器１３１は、給水流量調節弁１１１の開度を演算し、開度信号を発信するが、開度演算器１３３は負荷遮断信号１４１の受信と同時に開度演算器１３１の信号を解除し、給水流量調節弁１１１を最小開度α％まで閉する。開度演算器（ＨＨは上限値、ＬＬは下限値）１５１および開度演算器（ＨＨは上限値、ＬＬは下限値）１５３はそれぞれ給水温度調節弁１１４と給水温度調節弁１１５の開度を演算し開度信号を発信するが、開度演算器１５２は開度演算器１５１の信号を解除し、給水温度調節弁１１４を全閉し、開度演算器１５４は開度演算器１５３の信号を解除し、給水温度調節弁１１５を全開する。
負荷遮断の信号１４１を受信したと同時にタイマー１４６、１４７が作動する。タイマー１４６は、作動後Ｔ１秒時間が経過した後、開度演算器１５２の給水温度調節弁１１４に対する全閉信号を解除し、開度演算器１５４の給水温度調節弁１１５に対する全開信号を解除する。Ｔ１秒経過後は、開度演算器１３３によって、給水流量調節弁１１１の開度は最小開度α％に制御されたまま、開度演算器１５１と開度演算器１５３によってそれぞれ給水温度調節弁１１４と給水温度調節弁１１５の開度を演算し、給水温度調節弁１１４と給水温度調節弁１１５によって燃料温度検出器１２３によって検出される燃料温度を設定値γ℃に制御する。ここで、開度演算器１５２による全閉信号が解除され、また、開度演算器１５４による全開信号が解除されたとしても、条件によっては開度演算器１５１により給水温度調節弁１１４は全閉に、開度演算器１５３により給水温度調節弁１１５は全開を維持するように制御される場合もある。タイマー１４７がＴ３秒経過後、開度演算器１３３は最小開度α％の信号を解除し、開度演算器１３１は給水流量調節弁１１１を制御し、開度演算器１５１は給水温度調節弁１１４を制御し、開度演算器１５６は給水温度調節弁１１５を制御して、燃料温度検出器１２３によって検出される燃料温度が設定値γ℃になるように制御する。
この場合、Ｔ３は熱交換器１００の容量によって決定される値であり、燃料温度の変動が小さくなり、通常の制御に戻すことが可能となる時間である。
負荷急変の場合も、燃料温度制御装置１３０は負荷遮断１４２の信号を受信し、図７に示すように、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【００１８】
次に、燃料流量が急激に低下した場合には、図１の系統の場合と同様に、燃料流量が変化するｔ秒前の流量と演算器１５５で比較し、さらに演算器１５６で規定値Ａ以下であるかを比較する。燃料流量の変化率が規定値Ａ以下の場合は通常の負荷変化であり、流量変化率が規定値Ａ以上の場合には、負荷遮断の場合と同様の制御が行われる。
【００１９】
本実施形態は、この制御方法を採用することにより、図５に示す制御方法に比べて、通常の制御に復帰する場合、給水温度調節弁１１４、１１５の開度変化幅が小さいために、燃料温度の変動がさらに小さくなり、また、燃料温度の変動が静定する時間もさらに短縮される効果がある。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料系統の熱交換器をバイパスする燃料バイパス系統を設けることにより、また、熱源として燃料加熱システム給水系統にそれぞれ異なる温度を有する給水系統を複数系統設置することにより、ガスタービンが負荷遮断した場合、負荷が急激に低下した場合または燃料流量が急激に低下した場合でも、加熱後の燃料温度の急激な変動を抑制することができ、また、燃料温度の変動が静定するまでの時間も短縮することができる。
この結果、交換熱量が大きく、熱交換する流体が少ない熱交換器に対しての制御性を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるガスタービン燃料加熱システム
【図２】本発明の一実施形態による燃料温度制御装置の詳細構成と制御流れ図
【図３】本発明の給水流量調節弁、バイパス流量調節弁の開度状態説明図
【図４】本発明の他の実施形態
【図５】本発明の他の実施形態による燃料温度制御装置の詳細構成と制御流れ図
【図６】本発明の給水流量調節弁、給水温度調節弁の開度状態説明図
【図７】本発明の他の実施形態による他の燃料温度制御装置の詳細構成と制御流れ図
【図８】本発明の給水流量調節弁、給水温度調節弁の開度状態説明図
【図９】時間に対する燃料流量の変化を示す図
【図１０】時間に対する燃料温度の変化を示す図
【図１１】時間に対する給水流量の変化を示す図
【図１２】従来の燃料加熱ガスタービンプラントの概略系統図
【符号の説明】
１…発電機、２…蒸気タービン、３…空気圧縮機、４…燃焼器、５…ガスタービン、６排熱回収ボイラ、７…蒸発ドラム、８…復水器、９…燃料加熱システム、１０…排熱回収ボイラ給水系統、１１…蒸気系統、１２…ガスタービン吸気系統、１３…排ガス系統、１００…熱交換器、１０１…ガスタービン燃料系統、１０２…燃料加熱システム給水系統、１０３…熱交換器バイパス系統、１１１…給水流量調節弁、１１３…バイパス流量調節弁、１１４、１１５…給水温度調節弁、１２１…燃料流量検出器、１２３…燃料温度検出器、１３０…燃料温度制御装置、１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１５１、１５２、１５３、１５４、…開度演算器、１５５、１５６…演算器、１３６、１３７、１３８、１４６、１４７…タイマー、１４１…負荷遮断信号、１４２…負荷急変信号
【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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