JP4568592B2 - 燃料ガス加熱制御装置及びこの燃料ガス加熱制御装置を備えるガスタービン発電施設 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの燃料ガス加熱制御装置に関し、特に、燃料ガス系統に設けられた加熱器を通過する燃料ガス流量を制御する燃料ガス加熱制御装置に関する。又、本発明は、この燃料ガス加熱制御装置を備えるガスタービン発電施設に関する。

従来のガスタービンにおいて、燃料の燃焼効率を向上させるために、燃焼器の前段に加熱器を設ける構造のものがある（特許文献１参照）。

図１０は、従来の一般的なガスタービン発電施設の燃料系統の一例を示す図である。ガスタービン発電施設１において、圧縮機２、ガスタービン３、発電機５が同軸上で結合されており、燃焼器４から出力される燃焼ガスがガスタービン３に回転トルクを与えることで発電機５から電力が発生する構成となっている。

ガスタービン発電施設１は、圧縮機２が生成する高圧空気を燃焼器４に与えるとともに、燃焼器流量制御弁８から燃料ガスを燃焼器４に供給して燃焼を生じさせる。更に、圧縮機２が生成する高圧空気を加熱器６に与え、加熱器６に供給される一定量の燃料ガスを燃焼器４の前段で加熱することにより、燃焼器４における燃焼効率を向上させる。バイパス流量制御弁９は、この加熱器６に与える燃料ガス流量を調整するためのものであり、バイパス流量制御弁９に与えられる燃料ガスの内、一部の燃料ガスが加熱器６をバイパスすることで加熱されずに後段の燃焼器４に供給される。加熱器６の後段では、加熱器６において加熱された燃料ガスと、加熱器６をバイパスすることで加熱されなかった燃料ガスとが混合され、燃焼器流量制御弁８に与えられる。尚、加熱器６の後段には、これらの混合された燃料ガスのガス温度を測定するための温度検出部７が備えられる。

又、ガスタービン発電施設１は、燃焼器流量制御弁８の開度を設定する燃焼器流量制御部１１と、バイパス流量制御弁９の操作量を制御するバイパス流量制御部１２を備える。燃焼器流量制御部１１で設定された値を操作量として燃焼器流量制御弁８に与えることで、燃焼器流量制御弁８の開度が調整されて、燃焼器５に供給する燃料ガスの流量が調整される。又、バイパス流量制御部１２が所定の演算に基づいてバイパス流量制御弁９の操作量を調整することで、加熱器６をバイパスする燃料ガスの流量が調整される。

バイパス流量制御部１２は、発電機５の発電機出力が入力されるとその時点における出力に応じて一意に定まる目標設定温度を決定して出力する設定温度決定部１３と、加熱器６の後段に設けられた温度検出部７から燃料ガス温度が入力されると設定温度決定部１３が決定した目標設定温度と比較してその差分値を算出する減算器１５と、減算器１５の減算結果に対してＰＩ制御のための演算を行って、バイパス流量制御弁９の操作量を求めるＰＩ演算部１４を備えている。ＰＩ演算部１４には、ＰＩ制御のための演算に必要な値であるゲインＫ及び時定数Ｔが予め与えられており、このゲインＫ及び時定数Ｔに基づいて演算を行う。そしてＰＩ演算部１４で算出された操作量がバイパス流量制御弁９に与えられて、この操作量に基づいてバイパス流量制御弁９の開度が調整される。

設定温度決定部１３は、発電機５の発電機出力が入力されると、その時点における出力に応じて一意に定まる値を設定温度としてＰＩ演算部１４に与える。図１１は、発電機出力と設定温度との関係を表すグラフの一例である。

図１１に示すように、設定温度決定部１３において、発電機出力が最大出力Wxに達するまで、この発電機出力の上昇に伴って目標設定温度が上昇するように設定される。又、発電機出力が最大出力Wx以上となる場合は、目標設定温度が所定の値τxに設定される。
特開平１１−２３６８２４号公報

特許文献１の方法によれば、図１１に示すように負荷上昇時（起動時を含む）における発電機出力の上昇に応じて、設定温度決定部１３が設定する目標設定温度も急激に上昇するため、バイパス流量制御部１２は、ＰＩ制御における時定数Ｔの値を小さく設定することで、この急激な変化に対応させる必要がある。

しかしながら、時定数Ｔの値を小さくすると、発電機出力が目標最大出力値Wxに達した状態においても少しの変化に反応するため、燃焼ガス温度が一定にならずに変動してしまい、燃焼器での燃焼状態が不安定になるという問題がある。

逆に時定数Ｔの値を大きくすると、負荷上昇時などの発電機出力が変動している状況における上記目標設定温度の急激な変化に対して燃料ガス温度が追従できないため、正確な制御が行えないという問題がある。

上記の問題を解決するため、本発明は、負荷変動時の燃料ガス温度の追従性を良好にするとともに、一定負荷時（最大出力時）の燃料ガス温度の変動幅を抑制することを可能にする燃料ガス加熱制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料ガス加熱制御装置は、供給される燃料ガスを加熱する加熱器と、該加熱器に前記燃料ガスを供給する第１ガス系統と、前記加熱器前段で分岐されて前記加熱器をバイパスするとともに前記加熱器後段で前記第１ガス系統と結合される第２ガス系統と、前記第１ガス系統を通過して前記加熱器で加熱される第１燃料ガスと前記第２ガス系統を通過して前記加熱器で加熱されない第２燃料ガスとが前記加熱器後段で混合されることで生成される混合ガスのガス温度を測定する温度検出部と、前記第２燃料ガスの流量を調整するバイパス流量制御弁と、前記バイパス流量制御弁の開度を制御するバイパス流量制御部と、を備える燃料ガス加熱制御装置において、前記バイパス流量制御部が、前記混合ガスが燃焼されて生じた燃焼ガスが供給されて回転するガスタービンによって駆動される発電機の出力に応じて設定される目標温度と、前記温度検出部が検出した前記ガス温度との比較結果に基づいてＰＩ制御を行うとともに、該ＰＩ制御におけるゲイン及び時定数を前記発電機の出力に応じて変化させることで、前記発電機の出力に応じた帰還制御を行って、前記バイパス流量制御弁の開度を調整することを特徴とする。

このとき、前記発電機の最大出力時には時定数を第１の時定数に設定し、前記発電機の最大出力時以外の負荷変動時に時定数を前記第１の時定数よりも小さい値に設定するものとしても構わない。

このように構成されるとき、発電機出力が上昇する負荷変動時には小さな時定数が設定されるため、応答性が良く、急激な温度変化に追従が可能である。又、発電機出力が最大出力に達した時は、大きな時定数が設定されるため、わずかな温度変化に反応して燃料ガス温度が変動するということがなく、安定した燃料ガス温度が得られる。

更にこのとき、前記発電機の起動直後には時定数を前記第１の時定数より小さい第２の時定数に設定し、前記発電機の負荷変動時において前記発電機の出力が上昇するにつれて設定する時定数の値を前記第２の時定数から上昇させるものとしても構わない。

又、前記発電機の最大出力時にはゲインを第１のゲインに設定し、前記発電機の最大出力時以外の負荷変動時にゲインを前記第１のゲインよりも小さい値に設定するものとしても構わない。

このように構成されるとき、発電機出力が上昇する負荷変動時に小さなゲインが設定されるため、オーバーシュートが抑制され、又、発電機出力が最大出力に達したときは、大きなゲインが設定されるため、偏差が小さくなり、燃料ガス温度の変動が抑制される。

又、このとき、前記発電機の起動直後にはゲインを前記第１のゲインより小さい第２のゲインに設定し、前記発電機の負荷変動時には前記発電機の出力が上昇するにつれて設定するゲインの値を前記第２のゲインから上昇させるものとしても構わない。

又、前記バイパス流量制御部が、時定数の値を第３の時定数とするとともに、ゲインの値を第３のゲインとしたＰＩ制御による演算を行う第１ＰＩ演算部と、時定数の値を前記第３の時定数より大きい値である第４の時定数とするとともに、ゲインの値を前記第３のゲインより大きい値である第４のゲインとしたＰＩ制御による演算を行う第２ＰＩ演算部と、を備え、前記発電機の負荷変動時には前記第１ＰＩ演算部が行った演算結果に基づいて前記バイパス流量制御弁の開度を調整し、前記発電機の最大出力時には前記第２ＰＩ演算部が行った演算結果に基づいて前記バイパス流量制御弁の開度を調整するものとしても構わない。

このとき、前記バイパス流量制御部が、前記第１ＰＩ演算部の演算結果と前記第２ＰＩ演算結果との間で切換を行うトラッキングスイッチを備え、前記発電機の負荷変動時には、前記トラッキングスイッチによって前記第１ＰＩ演算部の演算結果が選択され、前記発電機の最大出力時には、前記トラッキングスイッチによって前記第２ＰＩ演算部の演算結果が選択されるものとしても構わない。

このように構成されるとき、発電機出力が上昇する負荷変動時には小さな時定数が設定されるため、応答性が良く、急激な温度変化に追従が可能であり、発電機出力が最大出力に達した時は、大きな時定数が設定されるため、わずかな温度変化に反応して燃料ガス温度が変動するということがなく、安定した燃料ガス温度が得られる。又、発電機出力が上昇する負荷変動時に小さなゲインが設定されるため、オーバーシュートが抑制され、発電機出力が最大出力に達したときは、大きなゲインが設定されるため、偏差が小さくなり、燃料ガス温度の変動が抑制される。更に、予め設定された２種類の演算を選択する構成であり、出力に応じてゲイン及び時定数を逐次算出する必要がないため、その制御内容が簡素化される。

又、前記トラッキングスイッチが、前記第１ＰＩ演算部及び前記第２ＰＩ演算部の内選択されている演算部の演算結果をトラッキングし、前記第１ＰＩ演算部と前記第２ＰＩ演算部との間で切換を行う際、切換直後には前記トラッキングスイッチでトラッキングされた演算結果に基づいて前記バイパス流量制御弁の開度を調整するものとしても構わない。

このように構成されるとき、前記第１ＰＩ演算部と前記第２ＰＩ演算部との間で切換を行う際、ゲイン及び時定数が変化することによる切換直後における設定開度の急変を回避することができ、これによって燃料ガス温度の急変を回避することができる。

又、本発明のガスタービン発電施設は、供給される空気を高圧に圧縮して高圧空気を生成する圧縮機と、該圧縮機からの高圧空気と燃料ガスとによって燃焼動作を行い、燃焼ガスを排出する燃焼器と、該燃焼器から燃焼ガスが供給されて回転駆動するガスタービンと、前記燃焼器に供給する燃料ガスの温度制御を行う上述の燃料ガス加熱制御装置と、を備え、前記加熱器において、該加熱器に供給される前記第１燃料ガスと、前記圧縮機から排出される前記高圧空気の一部との間で熱交換が行われることで、前記第１燃料ガスが加熱され、前記加熱器において熱交換されることで冷却された一部の前記高圧空気が前記ガスタービンに供給されてタービン冷却に用いられることを特徴とする。

本発明の燃料ガス加熱制御装置によれば、負荷変動時における燃料ガス温度の追従性を良好にすることと、一定負荷時（最大出力時）における燃料ガス温度の変動幅を抑制することとを両立することができる。このため、どのような運転状態においても安定した燃焼状態を得ることができ、燃料ガスの燃焼効率を向上させることが可能となる。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における燃料ガス加熱制御装置を備えたガスタービン発電施設の構成を示すブロック図である。尚、図１において、図１０と同一部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。又、以下の図において、燃料ガス及び空気の動きを実線で表し、後段のブロックに対して設定すべき指示値等の信号の動きを点線で表す。

図１のガスタービン発電施設１ａは、外気を吸気して高圧に圧縮する高圧空気を生成する圧縮機２と、圧縮機２と同軸に備えられたガスタービン３と、ガスタービン３を回転させるために燃焼ガスをガスタービン３に供給する燃焼器４と、ガスタービン３が回転することによって発電する発電機５とを備える。又、燃焼器４に供給する燃料流量を設定する燃焼器流量制御弁８と、燃焼器４の前段で予め燃料ガスの加熱が行われる加熱器６と、加熱器６をバイパスさせて加熱させない燃料ガスの流量を設定するバイパス流量制御弁９とを備える。

圧縮機２で生成された高圧空気は高温であり、この高圧空気の一部を加熱器６に与えることで燃料ガスと熱交換を行う。この加熱器６が燃焼器４で燃焼させる前段で燃料ガスを予め加熱することにより、燃焼器４における燃料ガスの燃焼効率を向上させることができる。又、加熱器６の後段では、加熱器６において加熱された燃料ガスと、加熱器６をバイパスすることで加熱されなかった燃料ガスとが混合され、燃焼器流量制御弁８に与えられる。尚、加熱器６の後段には、これらの混合された燃料ガスのガス温度を測定する温度検出部７を備える。又、加熱器６で熱交換を終えた高圧空気は、燃料ガスによって冷却されてその温度が低下しており、ガスタービン３に与えられてタービン冷却に用いられる。

更にガスタービン発電施設１は、燃焼器流量制御弁８の開度を設定する燃焼器流量制御部１１と、バイパス流量制御弁９の開度を制御するバイパス流量制御部１２ａとを備える。このとき、燃焼器流量制御部１１で設定された値を操作量として燃焼器流量制御弁８に与えることで、燃焼器流量制御弁８の開度が調整されて、燃焼器４に供給する燃料ガスの流量が調整される。又、加熱器６の後段に設けられている温度検出部７が測定した燃料ガス温度がバイパス流量制御部１２ａに与えられる。そして、バイパス流量制御部１２ａが、この測定された燃料ガス温度に基づいて所定の演算を行い、バイパス流量制御弁９の開度を制御することで、加熱器６をバイパスする燃料ガスの流量が調整される。尚、この温度検出部７は、例えば熱電対で構成される。

バイパス流量制御部１２ａは、発電機５の発電機出力が入力されるとその時点における出力に応じて一意に定まる目標設定温度を決定して出力する設定温度決定部１３と、加熱器６の後段に設けられた温度検出部７から燃料ガス温度が入力されると設定温度決定部１３が決定した目標設定温度と比較してその差分値を算出する減算器１５と、減算器１５の減算結果に対してＰＩ制御のための演算を行って、バイパス流量制御弁９の操作量を求めるＰＩ演算部１４に加えて、ＰＩ演算部１４が行う演算内容のうち、ゲインの値を決定するゲイン決定部２１と、時定数の値を決定する時定数決定部２２とを備える。このとき、ＰＩ演算部１４では、ゲイン決定部２１より与えられるゲインＫ（以下「設定ゲイン」呼称する）と、時定数決定部２２より与えられる時定数Ｔ（以下「設定時定数」と呼称する）とを用いて、減算器１５の減算結果に対してＫ倍を行い（Ｐ演算）、この演算結果に、減算器１５の減算結果に対して積分時間Ｔの元で時間積分を行った値にＫ倍を施した値（Ｉ演算）を加える演算を行う（ＰＩ演算）。図２に、発電機出力と設定温度との関係を表すグラフの一例を示す。

図２に示すように、設定温度決定部１３は、発電機出力が起動直後から所定の出力値W0までの間、設定温度を所定の割合で上昇させ、所定の出力値W0に達すると、以降最大出力値Wxに到達するまで、設定温度を所定の値τ0で一定となるように設定する。この所定の出力値W0は、最大出力値Wxに非常に近い値としても構わない。設定温度決定部１３は、発電機５の発電機出力が入力されると、発電機出力に応じて設定すべき設定温度の値を、テーブルとして保持するものとしても構わないし、発電機出力が入力されると設定すべき設定温度の値を決定する温度決定関数を備えるものとしても構わない。このとき、温度決定関数は、横軸に発電機出力を取り、縦軸に設定温度を取るとき、図２に示すような形状を示す関数である。

ゲイン決定部２１は、発電機５の発電機出力が入力されると、その時点における発電機出力に応じて一意に定まる値を設定ゲインとしてＰＩ演算部１４に与える。図３は、発電機出力と設定ゲインとの関係を表すグラフの一例である。

図３に示すように、ゲイン決定部２１は、発電機出力が起動直後から所定の値Wk0までの間はゲインを所定の値K0で一定になるように設定し、出力がWk0を超えるとゲインをK0より上昇させ、出力が所定の出力値Wk1に達すると、以降最大出力値Wxに到達するまで設定ゲインをK0より大きな所定の値K1で一定になるように設定する。このゲイン決定部２１は、発電機５の発電機出力が入力されると、発電機出力に応じて設定すべきゲインの値をテーブルとして保持するものとしても構わないし、発電機出力が入力されると設定すべきゲインの値を決定するゲイン決定関数を備えるものとしても構わない。このとき、ゲイン決定関数は、横軸に発電機出力を取り、縦軸に設定ゲインを取るとき、図３に示すような形状を示す関数である。

時定数決定部２２は、発電機５の発電機出力が入力されると、その時点における発電機出力に応じて一意に定まる値を設定時定数としてＰＩ演算部１４に与える。図４は、発電機出力と設定時定数との関係を表すグラフの一例である。

図４に示すように、時定数決定部２２は、発電機出力が起動直後から所定の値Wt0までの間は時定数を所定の値T0で一定になるように設定し、出力がWt0を超えると時定数をT0より上昇させ、出力が所定の出力値Wt1に達すると、以降最大出力値Wxに到達するまで設定時定数をT0より大きな所定の値T1で一定になるように設定する。時定数決定部２２は、発電機５の発電機出力が入力されると、発電機出力に応じて設定すべき時定数の値をテーブルとして保持するものとしても構わないし、発電機出力が入力されると設定すべき時定数の値を決定する時定数決定関数を備えるものとしても構わない。このとき、時定数決定関数は、横軸に発電機出力を取り、縦軸に設定時定数を取るとき、図４に示すような形状を示す関数である。

このように構成されるとき、発電機出力が上昇する負荷変動時には小さな時定数（T0）が設定されるため、応答性が良く、急激な温度変化に追従が可能である。又、発電機出力が最大出力に達した時は、大きな時定数（T1）が設定されるため、わずかな温度変化に反応して燃料ガス温度が変動するということがなく、安定した燃料ガス温度が得られる。

又、発電機出力が上昇する負荷変動時に小さなゲイン（K0）が設定されるため、オーバーシュートが抑制され、又、発電機出力が最大出力に達したときは、大きなゲイン（K1）が設定されるため、偏差が小さくなり、燃料ガス温度の変動が抑制される。

尚、本実施形態において、ＰＩ演算に用いるゲイン及び時定数を発電機５の発電機出力の値に応じて決定するものとしたが、燃料ガス温度に応じて設定する構成としても構わない。このとき、バイパス流量制御部１２ａ’は、図５に示すようにゲイン決定部２１及び時定数決定部２２がいずれも温度検出部７から燃料ガス温度が与えられる構成となる。又、図６は燃料ガス温度と設定ゲインとの関係を表すグラフの一例であり、図７は燃料ガス温度と設定時定数との関係を表すグラフの一例である。

図６に示すように、ゲイン決定部２１は、燃料ガス温度が起動直後から所定の値τk2までの間はゲインを所定の値K2で一定になるように設定し、燃料ガス温度がτk2を超えるとゲインをK2より上昇させ、燃料ガス温度が所定の値τk3に達すると、ゲインをK2より大きな所定の値K3で一定になるように設定する。ゲイン決定部２１は、温度検出部７からの燃料ガス温度が入力されると、燃料ガス温度に応じて設定すべきゲインの値をテーブルとして保持するものとしても構わないし、温度検出部７からの燃料ガス温度が入力されると設定すべきゲインの値を決定するゲイン決定関数を備えるものとしても構わない。このとき、ゲイン決定関数は、横軸に燃料ガス温度を取り、縦軸に設定ゲインを取るとき、図６に示すような形状を示す関数である。

図７に示すように、時定数決定部２２は、燃料ガス温度が起動直後から所定の値τt2までの間は時定数を所定の値T2で一定となるように設定し、燃料ガス温度がτt2を超えると時定数をT2より上昇させ、燃料ガス温度が所定の値τt3に達すると、時定数をT2より大きな所定の値T3で一定となるように設定する。時定数決定部２２は、温度検出部７からの燃料ガス温度が入力されると、燃料ガス温度に応じて設定すべき時定数の値をテーブルとして保持するものとしても構わないし、温度検出部７からの燃料ガス温度が入力されると設定すべき時定数の値を決定する時定数決定関数を備えるものとしても構わない。このとき、時定数決定関数は、横軸に燃料ガス温度を取り、縦軸に設定時定数を取るとき、図７に示すような形状を示す関数である。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図８は、本実施形態における燃料ガス加熱制御装置を備えたガスタービン発電施設の構成を示すブロック図である。尚、図８において、図１と同一部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図８に示すガスタービン発電施設１ｂは、図１に示す第１の実施形態におけるガスタービン発電施設１ａと比較して、バイパス流量制御部の構成が異なる。本実施形態におけるバイパス流量制御部１２ｂは、ＰＩ演算部１３の代わりに、異なるゲイン及び時定数が予め設定された第１ＰＩ演算部３１と、第２ＰＩ演算部３２とを備える。又、第１ＰＩ演算部３１の演算結果と第２ＰＩ演算部３２の演算結果とをそれぞれ切り換えるための第１トラッキングスイッチ３３、第２トラッキングスイッチ３４、及びこれらのスイッチの切換制御を行うスイッチング制御部３５を備える。

第１ＰＩ演算部３１で設定されるゲインK31は、第２ＰＩ演算部３２で設定されるゲインK32よりも小さな値として設定される。又、第１ＰＩ演算部３１で設定される時定数T31は、第２ＰＩ演算部３２で設定される時定数T32よりも小さな値として設定される。このとき、第１ＰＩ演算部３１では、ゲインK31と時定数T31とを用いて、減算器１５から与えられる設定温度決定部１３で決定した設定温度と温度検出部７が測定した燃料ガス温度との差分値に対してK31倍を行い（Ｐ演算）、この演算結果に、減算器１５の減算結果に対して積分時間T31の元で時間積分を行った値にK31倍を施した値（Ｉ演算）を加える演算を行う（ＰＩ演算）。一方、第２ＰＩ演算部３２では、ゲインK32と時定数T32とを用いて、減算器１５から与えられる設定温度決定部１３で決定した設定温度と温度検出部７が測定した燃料ガス温度との差分値に対してK32倍を行い（Ｐ演算）、この演算結果に、減算器１５の減算結果に対して積分時間T32の元で時間積分を行った値にK32倍を施した値（Ｉ演算）を加える演算を行う（ＰＩ演算）。

スイッチング制御部３５は、発電機５の発電機出力を所定の値W1と比較して、この比較結果に基づいて第１ＰＩ演算部３１と第２ＰＩ演算部３２と間で切換制御を行う。即ち、発電機出力が所定の値W1より小さいときは第１ＰＩ演算部３１の演算結果がバイパス流量制御弁９に与えられ、発電機出力が所定の値W1より大きいときは第２ＰＩ演算部３２の演算結果がバイパス流量制御弁９に与えられる。このスイッチング制御部３５が行う切換制御についての説明を以下に行う。

発電機５の発電機出力が上昇を始めると（負荷変動時）、スイッチング制御部３５が第１トラッキングスイッチ３３をＯＮにし、第２トラッキングスイッチ３４をトラッキング状態にする。このとき、第１ＰＩ演算部３１の演算結果がバイパス流量制御弁９に与えられ、バイパス流量制御弁９がこの第１ＰＩ演算部３１の演算結果に基づいて開度調整を行う。

又、このとき、トラッキング状態である第２トラッキングスイッチ３４において第１ＰＩ演算部３１の演算結果が保持される。第１ＰＩ演算部３１の演算結果は、温度検出部７の温度変化に応じて逐次変動するが、第２トラッキングスイッチ３４は、第１ＰＩ演算部３１が行った直前の演算結果のみを保持するものとしても構わない。

発電機５の発電機出力が所定の値W1に達すると、以降最大出力値Wxに到達するまで、スイッチング制御部３５が第２トラッキングスイッチ３４をＯＮにするとともに、第１トラッキングスイッチ３３をトラッキング状態にする。この所定の出力値W1は、最大出力値Wxに非常に近い値としても構わない。このとき、切換直前に第２トラッキングスイッチ３４が保持していた第１ＰＩ演算部３１の演算結果（操作量）を、切換直後の最初の操作量としてバイパス流量制御弁９に与え、バイパス流量制御弁９は、この切換直前に第２トラッキングスイッチ３４が保持していた第１ＰＩ演算部３１の演算結果に基づいて開度調整を行う。そして、切換直後の操作量を与えた後は、第２ＰＩ演算部３２が行う演算結果がバイパス流量制御弁９に与えられ、バイパス流量制御弁９がこの第２ＰＩ演算部３２の演算結果に基づいて開度調整を行う。このようにすることで、ゲイン及び時定数が変化した切換直後の設定開度の急変を回避することができ、燃料ガス温度の急変を回避することができる。

又、このとき、トラッキング状態である第１トラッキングスイッチ３３において第２ＰＩ演算部３２の演算結果が保持される。第２ＰＩ演算部３２の演算結果は、温度検出部７の温度変化に応じて逐次変動するが、第１トラッキングスイッチ３３は、第２ＰＩ演算部３２が行った直前の演算結果のみを保持するものとしても構わない。

このように構成することにより、発電機出力が上昇する負荷変動時には小さな時定数（T31)が設定されるため、応答性が良く、急激な温度変化に追従が可能である。又、発電機出力が最大出力に達した時は、大きな時定数（T32）が設定されるため、わずかな温度変化に反応して燃料ガス温度が変動するということがなく、安定した燃料ガス温度が得られる。又、発電機出力が上昇する負荷変動時に小さなゲイン（K31)が設定されるため、オーバーシュートが抑制され、発電機出力が最大出力に達したときは、大きなゲイン（K32)が設定されるため、偏差が小さくなり、燃料ガス温度の変動が抑制される。

又、最大出力時に、トラッキング状態である第１トラッキングスイッチ３３が第２ＰＩ演算部３２の演算結果を保持することにより、発電機５の発電機出力を最大出力から所定の値に減少させる状況においても、第２ＰＩ演算部から第１ＰＩ演算部への切換を行う際、切換直後に第１トラッキングスイッチ３３が保持している第２ＰＩ演算部３２の演算結果に基づいてバイパス流量制御弁９の開度調整を行うことで、ゲイン及び時定数が変化した切換直後の設定開度の急変を回避することができ、燃料ガス温度の急変を回避することができる。

更に、第１の実施形態と比較して、本実施形態は予め設定された２種類の演算を選択する構成であり、出力に応じてゲイン及び時定数を逐次算出する必要がないため、その制御内容が簡素化される。

尚、上述の各実施形態において、ＰＩ演算に用いるゲイン及び時定数を発電機５の発電機出力の値に応じて決定するものとしたが、燃料ガス温度に応じて設定する構成としても構わない。このとき、バイパス流量制御部１２ｂ’は、図９に示すようにスイッチング制御部３５が温度検出部７から燃料ガス温度が与えられる構成とし、この燃料ガス温度と所定の値τ2とを比較することにより第１トラッキングスイッチ３３及び第２トラッキングスイッチ３４を制御する。

このとき、燃料ガス温度が上昇する負荷変動時は、燃料ガス温度が所定の値τ2に達するまではスイッチング制御部３５が第１トラッキングスイッチ３３をＯＮ状態、第２トラッキングスイッチ３４をトラッキング状態にし、第１ＰＩ演算部３１の演算結果をバイパス流量制御弁９に開度指示値として与える。又、燃料ガス温度が所定の値τ2に達すると、スイッチング制御部３５が第１トラッキングスイッチ３３をトラッキング状態、第２トラッキングスイッチ３４をＯＮ状態にそれぞれ切り換える。このとき、切換直後についてはバイパス流量制御部１２ｂと同様に第２トラッキングスイッチ３４が保持している直前の第１ＰＩ演算部３１の演算結果をバイパス流量制御弁９に与え、バイパス流量制御弁９はこの値に基づいて開度調整を行う。そして、切換直後の操作量を与えた後は、第２ＰＩ演算部３２が行う演算結果がバイパス流量制御弁９に与えられ、バイパス流量制御弁９がこの第２ＰＩ演算部３２の演算結果に基づいて開度調整を行う。尚、所定の値τ2は、発電機が最大出力で運転しているときに維持される燃料ガス温度τxに非常に近い値としても構わない。

尚、上述の各実施形態においては、発電機出力を起動から上昇させて最大出力に達するまでのバイパス流量制御弁９の開度制御についての記載を行ったが、最大出力の値から発電機出力を下降させていくときのバイパス流量制御弁９の開度制御についても同様に行うことができる。

又、発電機出力又は燃料ガス温度に応じてゲイン及び時定数を決定する上述の各実施形態において、ゲイン及び時定数を決定する発電機出力又は燃料ガス温度の値に所定の許容範囲を持たせるものとしても構わない。例えば、第１の実施形態において、発電機出力が所定の出力値Wk1に達したときゲインを所定の値K1に設定するものとしたが、発電機出力がこの所定の出力値Wk1を中心に上下所定の出力幅の範囲に収まっている場合にゲインをK1に設定するものとしても構わない。同様に第２の実施形態において、発電機出力が所定の出力値W1に達したとき、スイッチング制御部３５が第２トラッキングスイッチ３４をＯＮにするとともに、第１トラッキングスイッチ３３をトラッキング状態にするものとしたが、発電機出力がこの所定の出力値W1を中心に上下所定の出力幅の範囲に収まっている場合にスイッチング制御部３５が上記のスイッチング動作を行うものとしても構わない。

又、上述の各実施形態では、発電機出力を起動時から最大出力まで上昇させるときのバイパス流量制御弁９の開度制御についての記載を行ったが、最大出力値よりも小さい所定の出力値を目標出力とする発電機５の出力制御を行う際における、バイパス流量制御弁９の開度制御についても同様に行うことができる。この場合においては、部分負荷時の目的出力を最大出力値として読み替えて上述の各実施形態と同様の動作を行うことで、上述した効果を得ることができる。

は、本発明の第１の実施形態の燃料ガス加熱制御装置を備えたガスタービン発電施設の構成を示すブロック図である。 は、発電機出力と目標設定温度との関係を示すグラフである。 は、発電機出力と設定ゲインとの関係を示すグラフである。 は、発電機出力と設定時定数との関係を示すグラフである。 は、本発明の第１の実施形態の燃料ガス加熱制御装置を備えたガスタービン発電施設の構成を示す別のブロック図である。 は、燃料ガス温度と設定ゲインとの関係を示すグラフである。 は、燃料ガス温度と設定時定数との関係を示すグラフである。 は、本発明の第２の実施形態の燃料ガス加熱制御装置を備えたガスタービン発電施設の構成を示すブロック図である。 は、本発明の第２の実施形態の燃料ガス加熱制御装置を備えたガスタービン発電施設の構成を示す別のブロック図である。 は、従来の燃料ガス加熱制御装置を備えたガスタービン発電施設の構成を示すブロック図である。 は、従来の燃料ガス加熱制御装置における発電機出力と設定温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ ガスタービン発電施設
２ 圧縮機
３ ガスタービン
４ 燃焼器
５ 発電機
６ 加熱器
７ 温度検出部
８ 燃焼器流量制御弁
９ バイパス流量制御弁
１１ 燃焼器流量制御部
１２、１２ａ、１２ａ’、１２ｂ、１２ｂ’ バイパス流量制御部
１３ 設定温度決定部
１４ ＰＩ演算部
２１ ゲイン決定部
２２ 時定数決定部
３１ 第１ＰＩ演算部
３２ 第２ＰＩ演算部
３３ 第１トラッキングスイッチ
３４ 第２トラッキングスイッチ
３５ スイッチング制御部

Claims (9)

1. 供給される燃料ガスを加熱する加熱器と、該加熱器に前記燃料ガスを供給する第１ガス系統と、前記加熱器前段で分岐されて前記加熱器をバイパスするとともに前記加熱器後段で前記第１ガス系統と結合される第２ガス系統と、前記第１ガス系統を通過して前記加熱器で加熱される第１燃料ガスと前記第２ガス系統を通過して前記加熱器で加熱されない第２燃料ガスとが前記加熱器後段で混合されることで生成される混合ガスのガス温度を測定する温度検出部と、前記第２燃料ガスの流量を調整するバイパス流量制御弁と、前記バイパス流量制御弁の開度を制御するバイパス流量制御部と、を備える燃料ガス加熱制御装置において、
   前記バイパス流量制御部が、
   前記混合ガスが燃焼されて生じた燃焼ガスが供給されて回転するガスタービンによって駆動される発電機の出力に応じて設定される目標温度と、前記温度検出部が検出した前記ガス温度との比較結果に基づいてＰＩ制御を行うとともに、該ＰＩ制御におけるゲイン及び時定数を前記発電機の出力に応じて変化させることで、前記発電機の出力に応じた帰還制御を行って、前記バイパス流量制御弁の開度を調整することを特徴とする燃料ガス加熱制御装置。
2. 前記発電機の最大出力時には時定数を第１の時定数に設定し、前記発電機の最大出力時以外の負荷変動時に時定数を前記第１の時定数よりも小さい値に設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス加熱制御装置。
3. 前記発電機の起動直後には時定数を前記第１の時定数より小さい第２の時定数に設定し、前記発電機の負荷変動時において前記発電機の出力が上昇するにつれて設定する時定数の値を前記第２の時定数から上昇させることを特徴とする請求項２に記載の燃料ガス加熱制御装置。
4. 前記発電機の最大出力時にはゲインを第１のゲインに設定し、前記発電機の最大出力時以外の負荷変動時にゲインを前記第１のゲインよりも小さい値に設定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料ガス加熱制御装置。
5. 前記発電機の起動直後にはゲインを前記第１のゲインより小さい第２のゲインに設定し、前記発電機の負荷変動時には前記発電機の出力が上昇するにつれて設定するゲインの値を前記第２のゲインから上昇させることを特徴とする請求項４に記載の燃料ガス加熱制御装置。
6. 前記バイパス流量制御部が、
   時定数の値を第３の時定数とするとともに、ゲインの値を第３のゲインとしたＰＩ制御による演算を行う第１ＰＩ演算部と、
   時定数の値を前記第３の時定数より大きい値である第４の時定数とするとともに、ゲインの値を前記第３のゲインより大きい値である第４のゲインとしたＰＩ制御による演算を行う第２ＰＩ演算部と、を備え、
   前記発電機の負荷変動時には前記第１ＰＩ演算部が行った演算結果に基づいて前記バイパス流量制御弁の開度を調整し、
   前記発電機の最大出力時には前記第２ＰＩ演算部が行った演算結果に基づいて前記バイパス流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス加熱制御装置。
7. 前記バイパス流量制御部が、前記第１ＰＩ演算部の演算結果と前記第２ＰＩ演算結果との間で切換を行うトラッキングスイッチを備え、
   前記発電機の負荷変動時には、前記トラッキングスイッチによって前記第１ＰＩ演算部の演算結果が選択され、
   前記発電機の最大出力時には、前記トラッキングスイッチによって前記第２ＰＩ演算部の演算結果が選択されることを特徴とする請求項６に記載の燃料ガス加熱制御装置。
8. 前記トラッキングスイッチが、前記第１ＰＩ演算部及び前記第２ＰＩ演算部の内選択されている演算部の演算結果をトラッキングし、
   前記第１ＰＩ演算部と前記第２ＰＩ演算部との間で切換を行う際、切換直後には前記トラッキングスイッチでトラッキングされた演算結果に基づいて前記バイパス流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項７に記載の燃料ガス加熱制御装置。
9. 供給される空気を高圧に圧縮して高圧空気を生成する圧縮機と、
   該圧縮機からの高圧空気と燃料ガスとによって燃焼動作を行い、燃焼ガスを排出する燃焼器と、
   該燃焼器から燃焼ガスが供給されて回転駆動するガスタービンと、
   前記燃焼器に供給する燃料ガスの温度制御を行う請求項１〜請求項８のいずれかに記載の燃料ガス加熱制御装置と、を備え、
   前記加熱器において、該加熱器に供給される前記第１燃料ガスと、前記圧縮機から排出される前記高圧空気の一部との間で熱交換が行われることで、前記第１燃料ガスが加熱され、
   前記加熱器において熱交換されることで冷却された一部の前記高圧空気が前記ガスタービンに供給されてタービン冷却に用いられることを特徴とするガスタービン発電施設。

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