JP2004190631A - ガスタービン用出力リミット制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料燃焼系以外の電力系統から生ずる高周波の外乱に対して、追従特性を抑制することにより、燃焼安定性を維持し、設備の保護を図ることができるガスタービン用出力リミット制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ガスタービン６の発電出力に対する目標値と発電出力の実績値との偏差をもとに、ガスタービン６の燃料流量を調整する出力リミット制御装置において、負荷が接続される系統から生ずる外乱に対して閉ループ特性を低感度に設定する感度設定手段により、電力系統から生ずる高周波の外乱を抑制して、燃焼安定性を維持したガスタービン用出力リミット制御装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの出力リミット制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高炉ガスを主燃料とするガスタービン発電システムにおいては、高炉の操業状態により発生高炉ガスのカロリーが大きく変動し、その影響によりガスタービンの発電出力が大きく変動する場合があった。そのため、このようなシステムにおいては、発電電力の目標値と発電電力の実績値との偏差をＰＩ演算（比例積分制御）して、ガスタービンに供給する燃料流量を算出し、これに基づいて、発電出力を一定に制御していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１３３７０３号公報（第２−２３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特に、ガスタービンを用いた自家発電システムのように、発電機に電気的に接続された電力系統上に、慣性モーメントの大きい電動機や製鉄用の圧延機械である圧延主機等の変動の大きな負荷が存在すると、ガスタービンによる発電出力は、短い周期で、しかも大振幅で変動する。この場合、従来と同様に、発電出力の実績値を用いて、出力制御を行おうとすると、ガスタービンに供給される燃料流量は、短い周期で大幅に変動するため、燃料量と燃焼空気量との僅かな応答特性の差によって、空燃比が変動する。
【０００５】
空燃比が変動すると、安定燃焼範囲の狭い高炉ガス等の低カロリーガス専燃式ガスタービンやＮｏｘ（窒素酸化物）低減のためにあえて希薄燃焼を行うガスタービン等では、不安定燃焼になったり、失火に至る場合も発生する。こうした状況を回避するためには、出力一定制御の追従能力を全体として著しく低下せざるを得なかった。この結果、燃料ガスカロリーの短周期変動に対する発電出力の変動、ガスカロリーが急激に低下した場合の入熱不足に伴う失火や負荷変更時の応答性を上げられないといった問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、燃料燃焼系以外の電力系統から生ずる高周波の外乱に対して、追従特性を抑制することにより、燃焼安定性を維持し、設備の保護を図ることができる出力リミット制御装置および方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、ガスタービンの発電出力に対する目標値と発電出力の実績値との偏差をもとに、ガスタービンの燃料流量を調整する出力リミット制御装置であって、
負荷が接続される系統から生ずる外乱に対して閉ループ特性を低感度に設定する感度設定手段を有することを特徴とするガスタービン用出力リミット制御装置を提案している。
【０００８】
この発明によれば、負荷が接続される電力系統の外乱に対するゲインを低く設定することにより、システムが応答できないような高周波の外乱に対し、追従能力を抑制して、系全体の安定性を維持することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載されたガスタービンの出力リミット制御方法について、前記感度設定手段は、系統固有値近傍の角周波数における外乱を除去する帯域除去フィルターであることを特徴とするガスタービン用出力リミット制御装置を提案している。
【００１０】
この発明によれば、負荷が接続される電力系統により、システムの燃料供給系が特に影響を受ける範囲、すなわち、系統固有値近傍の角周波数に対する帯域除去フィルターを設けることで、システムの燃料供給系には影響を与えることなく、系全体の安定性を図ることができる。また、閉ループゲインを低く設定するための手段として帯域フィルターを用いたことから、それぞれのシステムの特性に応じた自由度のある設定が可能となる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載されたガスタービン用出力リミット制御方法について、前記燃料ガスが、高炉ガスであることを特徴とするガスタービン用出力リミット制御装置を提案している。
【００１２】
この発明によれば、システムの燃料供給系が特に影響を受ける範囲を帯域除去フィルターにより抑制することとしたことから、燃焼性の変動の大きい高炉ガスを使用したガスタービンシステムにおいても、発電出力の変動がすくないシステムを構築することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るガスタービンの出力リミット制御装置は、ガスタービン発電システムの燃料供給系を制御するＰＩ（比例積分）演算部と直列にガスタービンの安定燃焼を妨げる周波数帯域の外乱を除去するための帯域除去フィルターを備えた装置である。以下、本発明の実施形態に係るガスタービン発電システム全体の制御系を明らかにするとともに、図２から図８を参照してガスタービンの出力リミット制御装置の内容を詳細に説明する。
【００１４】
図１より、本発明の実施形態に係るガスタービン発電システムは、ＢＦＧ（高炉ガス、ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）本管１と、ＥＰ２（電気集塵器,ＥＰ：Electrostatic Precipitator）と、Ｇ.Ｃ３（ガス圧縮器、Ｇ.Ｃ.：Gas Compressor）と、Ｇａｓ冷４（ガス冷却器）と、ガス流量調整弁５と、Ｇ.Ｔ.６（ガスタービン、Ｇ.Ｔ.：Gas Turbine）と、Ｇｅｎ７（発電機、Ｇｅｎ：Generator）と、出力計８と、ガスタービン出力リミット制御装置９とから構成されている。
【００１５】
ＢＦＧ（高炉ガス）本管１は、本発明に係るガスタービン発電システムの主燃料となる、製鉄所において発生する高炉ガスをガスタービン発電システムに供給するための配管である。ＥＰ２（電気集塵器）は、ガスタービン発電システムの主燃料である高炉ガスにふくまれるダスト等を集塵し、除去する装置である。具体的には、放電極および集塵極の間に高圧直流電流を荷電し、コロナ放電をさせることにより、ダストにマイナスイオンを帯電させて、集塵する装置である。なお、ガスタービン発電システムにおいては、一般にガス洗浄系と呼ばれる。
【００１６】
Ｇ.Ｃ.３（ガス圧縮器）は、電気集塵器２により洗浄された高炉ガスを圧縮してガスタービンに導入する。ガス冷却器４は、高温状態になった余剰ガスを冷却してＢＦＧ本管１に戻す役割を有する。ガス流量調整弁５は、弁を調整して余剰ガスをガス冷却器４に送り込む役割を有する。Ｇ.Ｔ.６（ガスタービン）は、燃料ガスの燃焼による熱エネルギーを速度エネルギーに変換し、タービンロータを介して、機械的なエネルギーを取り出す装置である。Ｇｅｎ７（発電機）は、ガスタービン６から得られる機械的なエネルギーを電気的なエネルギーに変換する装置である。
【００１７】
出力計８は、発電機７から出力される発電出力を測定するための装置であり、本発明におけるガスタービン出力リミット制御装置においては、発電出力目標値に対する偏差を求めるために用いられる要素の１つである。ガスタービン出力リミット制御装置９は、出力計８により測定される発電出力と発電目標値とにより偏差をＰＩ演算する演算部と、電力負荷系統による系統固有値近傍における外乱を除去するための帯域除去フィルターとを有する制御装置である。なお、制御装置の具体的な内容については、以下に、詳細に説明する。
【００１８】
本発明に係るガスタービン出力リミット制御装置の具体的な内容を説明するために、以下、制御系を数式化して説明する。まず、ガスタービンの回転系を一般化すると次のようになる。すなわち、電力系統と並列運転中の同期発電機を考えると、固定子と回転子との間に作用する同期化力をばね定数とし、回転部分のはずみ車効果を慣性質量とする[数１]の振動系が成立する。ここで、Ｊは慣性モーメント、Ｐは極数、Ｔ_ｍはタービン出力トルク、δは内部相差角、Ｔ_Ｓは同期化トルク、Ｔ_Ｄは制動トルク係数を示している。
【数１】

【００１９】
次に、[数１]に定格回転角速度（機械角）ω_ｍを乗じて電力次元とし、更に、定格皮相電力で徐して、これを無次元化した上で、定常運転点回りで線形化すると、[数２]のようになる。但し、δ＝δ₀＋Δδ、Ｐ_Ｄは、制動係数、ΔＰ_ｍは、駆動トルクおよび負荷電力変動、Ｈは蓄積エネルギー係数、Ｐ_Ｓは同期化力、Ｐ_ＳΔδ＝ΔＰ₀（出力変動）である。
【数２】

【００２０】
また、外部変動入力ΔＰ_ｍを、タービン出力ΔＰ_Ｔと電力系統側への入力変動ΔＰ_ｉとを用いて表すと[数３]のようになる。一方、電力系統側への入力変動ΔＰ_ｉは、系統固有値をω_ｃ、減衰定数をη_ｃ、電力系統側負荷変動をΔＰ_ｄとすると、[数４]のように二次系で近似することが可能である。
【数３】

【数４】

【００２１】
以上、[数１]から[数３]までをまとめて、発電出力系をブロック線図で表すと、図２のようになる。ここで、ΔＰ_ｍからΔＰ_ｏに至る伝達関数は、[数２]より導かれたものであり、ω_ｇおよびη_ｇは、[数５]に示した値である。
【数５】

【００２２】
次に、ガスタービンの発電出力を燃料流量の変動で近似する。ガスタービンの発電出力は、ガスタービンの総効率η_ＧＴと燃料ガス流量Ｑと燃料カロリーＨ_ｉとを用いて表すと、[数６]のように、一次おくれで近似できる。ここで、ω_ｔは、燃焼系からガスタービン機械出力までの応答角周波数である。したがって、図２に、[数６]の関係を組み込んで、燃料流量から発電機出力までのブロック図を書くと、図３のようになる。
【数６】

【００２３】
一般に、ガスタービン発電システムを出力リミット制御でコントロールする場合には、発電出力を目標値に合わせるべく、燃料流量を操作する必要がある。これを実現するためには、負荷変動から見た閉ループの中にコントローラ伝達関数Ｇ_ｃ（ｓ）を設けることが必要である。図４は、これを含めた制御系をブロック線図で表したものである。しかし、ここでいう出力リミット制御とは、ガスタービン側の、すなわち、燃料供給系から発電出力に至るまでの系を一定に保つものである。したがって、電力系統側の負荷変動も含めて、発電出力を制御することになると、電力系統側の負荷変動に起因して、発電出力の振動が継続し、燃焼器におけるガス燃焼を不安定にするおそれがある。
【００２４】
そのため、燃料供給系から発電出力に至るまでの系を一定に保ち、失火等の最悪の事態を防止するためには、出力リミット制御コントローラを含む閉ループの応答（図４において、ΔＰ_ｉからΔＱ_ｉに至る系）は、系統固有値近傍を増幅しないようにする必要がある。すなわち、閉ループ応答において、系統固有値近傍における感度を下げる必要がある。
【００２５】
これを実現する具体的な方法としては、出力リミット制御コントローラＧ_ｃ（ｓ）の伝達特性において、角周波数ω_ｔよりも低周波の帯域では、十分な制御抑制を達成させるべく積分特性をもたせるとともに、系統固有値近傍の角周波数の帯域においては、急峻な帯域遮断特性を有するフィルターを用いて、この帯域の外乱が、操作出力に影響を与えないようにする必要がある。そこで、積分特性を有するＰＩ演算項とローパスフィルターを直列に接続した出力リミット制御コントローラを用いる。これを式で表すと [数７]のようになる。なお、Ｋ_Ｐが本発明に係るローパスフィルター部を示し、[数８]がＰＩ演算項を示している。
【数７】

【数８】

【００２６】
次に、これまで述べてきた出力リミット制御コントローラを実際のガスタービン発電システムに適用した実施形態について説明する。
本実施形態に用いた出力３０ＭＷのＢＦＧ（ＢＦＧ：Blast Fuel Gas）専燃式ガスタービンにおいて、ローパスフィルターの設定を決める諸要素の値は測定により、以下のようであった。
ω_ｔ＝１／３、ω_ｇ＝２π／１．２、η_ｇ＝０．６、η_ＧＴ＝０．２、Ｈ_ｌ＝５．０
また、このガスタービンを使用した系統では、ω_ｃ＝２π／１．２、η_ｃ＝０．１であった。
【００２７】
次に、比較のために、このガスタービン発電システムに、従来のＰＩ演算のみを行った場合を検討する。なお、設計にあたって、諸量を以下のように決定する。
まず、Ｔ_ｉを決定するために、ＰＩ制御のゼロ点をプロセスの最も遅い極、すなわち、ガスタービン応答極に合わせると、[数９]のようになる。
【数９】

【００２８】
さらに、位相余裕に問題がないことを条件として、目標の応答周波数ω_γに、閉ループの振幅ゼロクロス角周波数を一致させると[数１０]のようになる。本実施形態においては、発電出力の閉ループにおける９０％応答は、１０ｓｅｃだから、これより、ω_γ≒１／３となる。よって、[数１１]の関係が成立する。したがって、[数１０]と[数１１]とから、Ｋ_Ｐ＝１となる。
【数１０】

【数１１】

【００２９】
図５は、上記のような設計を行った場合の発電出力指令に対する発電出力実績のステップ応答（図５（ａ）を参照）と、系内負荷変動から燃料流量指令へのステップ応答（図５（ｂ）を参照）を示している。この系においては、発電出力はほぼ狙い通りになるものの、系内負荷変動による燃料流量指令が、１０％の負荷変動に対して、系統固有値の角周波数近傍で、約１０％_Ｐ−Ｐも変動してしまう。
【００３０】
この高速でかつ大振幅の変動は、燃焼空気操作系とガス操作系との応答性の差によって、燃焼器での大幅な空気比変動を引き起こし、ＢＦＧ等の低カロリーガス専燃式ガスタービンやＮＯ_Ｘの低減のため、あえてリーン領域で燃焼を行うガスタービンにおいては、不安定燃焼や失火が発生し、これによって、設備全体のトリップや燃焼器の損傷を引き起こす可能性がある。
【００３１】
従来の制御系において、上記のような問題を解決しようとすれば、比例ゲイン項であるK_ｐを大幅に下げて、発電出力応答を抑制する必要がある。しかし、こうした手段を講ずるとすれば、負荷変動に対する発電出力応答の低下やこれに起因する負荷変更速度の低下、更には、燃料ガスのカロリーが急激に低下した場合の入熱不足による失火等の大きな問題を引き起こす結果となる。
【００３２】
したがって、こうした問題を解決するためには、系統固有値近傍における短周期の変動に対して、燃料ガス操作系の感度を積極的に低下させた上でＰＩ演算を行う、すなわち、系統外乱の周波数特性に応じた急峻な帯域遮断特性を有するフィルターを発電出力の実績値にかけた上でＰＩ演算を行い、燃料流量指令を出力する形式とするのがよい。
【００３３】
そこで、本実施形態においては、系の系統固有値が[数４]の分母を０とした解、すなわち、[数１２]であることから、この近傍およびこれよりも高周波の領域を急峻に遮断するフィルターとして、バートレット窓関数を係数とするデジタルＦＩＲ（ＦＩＲ：Finite Impulse Response）フィルターを用いる。バートレット窓関数を係数とするフィルターは、単純移動平均フィルター二段で実現できるため、ＤＣＳ（ＤＣＳ：Distributed Control System）等のデジタルコントローラでは、容易に実現可能である。
【数１２】

【００３４】
バートレット窓関数においては、最も遅いゼロ点の角周波数は、窓幅をＴ_Ｗとすれば、４π／Ｔ_Ｗと表されるから、これと、系統固有値の虚数部とからＴ_Ｗは、[数１３]のようになる。なお、図６は、バートレット窓関数を用いたＦＩＲフィルターのインパルス応答の様子を模式的に描いたものである。本実施形態においては、先に示した数値を[数１３]に代入すれば、Ｔ_Ｗ≒３（ｓｅｃ） となる。上記の設定によるフィルターの周波数応答を図８に示す。
【数１３】

【００３５】
本実施形態において、従来のＰＩ演算に上記の設定を行ったフィルターを直列に挿入して、系の位相余裕を確認したところ、６０°の位相余裕を確認できた。したがって、従来のＰＩ演算に上記フィルターを付加しても、系全体としては、十分な安定性を有している。この系におけるステップ応答を図７に示す。図７（ａ）により、発電電力の目標値応答には、１０％程度のオーバーシュートが認められるものの、系の仕様である９０％応答、１０ｓｅｃは実現しており、更に、図７（ｂ）より、電力系統内負荷変動による短周期、大振幅の燃焼ガス流量指令変動は、十分に抑制されている。また、電力系統側負荷変動の発生に対しても、燃焼安定性に影響を与えないことが確認できた。これらの検証結果から、実施形態に示した制御系は、本発明の目的を達成できる制御系を構成しているものといえる。
【００３６】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本実施形態においては、ローパスフィルターとして、バートレット窓関数を係数とするデジタルＦＩＲフィルターを例示して説明したが、これに限らず、所望の周波数帯域を急峻に遮断でき、かつ、系全体の位相余裕に影響を及ぼさないものであれば、他の形式によるフィルターを用いてもよい。
【００３７】
また、本実施形態においては、ＰＩ演算とバートレット窓関数型ＦＩＲフィルターを用いた方法について説明したが、例えば、電力系統の特性を発電機部でのプロセス変動として捉え、スモールゲイン定理に基づくＨ_∞設計を用いたものであってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、発電出力偏差に基づいて、燃料燃焼系の制御を行うとともに、電力系統から生ずる高周波の外乱に対しては、追従特性を抑制することにより、燃焼安定性を維持しつつ、設備の保護を図り、高い出力制御応答性を有する制御系を構築できるという効果がある。
【００３９】
また、請求項２に係る発明によれば、感度設定手段として用いたローパスフィルターは、適用するシステムに応じて、最適な設定が可能であることから、どのようなシステムについても適用できる自由度を有するという効果がある。
【００４０】
また、請求項３に係る発明によれば、従来の比例積分制御に加えて、高周波で大振幅の外乱を除去するための帯域除去フィルターを挿入することとしたことから、燃焼性の変動が大きい高炉ガスを主燃料としたガスタービン発電システムにおいても、発電出力の変動が少ないシステムを構築できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るガスタービン発電システムの系統図である
【図２】本発明の実施形態に係る発電出力系のブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る出力リミット制御プロセスのブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係るガスタービン発電出力システムのブロック図である。
【図５】本発明の実施形態に係るシステムにおいて従来形式の制御を行った場合のステップ応答特性を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＦＩＲフィルターのインパルス応答を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るシステムにおいて本発明で提案する制御を行った場合のステップ応答特性を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係るローパスフィルターの周波数応答を示す図である。
【符号の説明】
１・・・ＢＦＧ本管、２・・・ＥＰ（電気集塵器）、
３・・・Ｇ.Ｃ.（ガス圧縮機）、４・・・Ｇａｓ冷（ガス冷却器）、
５・・・ガス流量調整弁、６・・・Ｇ.Ｔ.（ガスタービン）、
７・・・Ｇｅｎ（発電機）、８・・・出力計、
９・・・ガスタービン出力リミット制御装置、

Claims (3)

1. ガスタービンの発電出力に対する目標値と発電出力の実績値との偏差をもとに、ガスタービンの燃料流量を調整する出力リミット制御装置であって、
   負荷が接続される系統から生ずる外乱に対して閉ループ特性を低感度に設定する感度設定手段を有することを特徴とするガスタービン用出力リミット制御装置。
2. 前記感度設定手段は、系統固有値近傍の角周波数における外乱を除去する帯域除去フィルターであることを特徴とする請求項１に記載されたガスタービン用出力リミット制御装置。
3. 前記燃料ガスが、高炉ガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたガスタービン用出力リミット制御装置。

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