JP5523950B2 - 燃料カロリー演算装置および燃料カロリー演算方法 - Google Patents
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Description
例えば、BFG(Blast Furnace Gas、高炉ガス)を主燃料とするBFG焚き発電プラントでは、高炉の操業状態に応じてBFGのカロリーが変化する。このBFGのカロリーが大幅に低下した場合には不安定燃焼や消焔に至るおそれがあり、カロリーが大幅に上昇した場合には、燃焼振動等によりガスタービンを損傷するおそれがある。そこで、BFG焚き発電プラントは、BFGのカロリーが低下した場合には、BFGよりも高カロリーであるCOG(Coke Oven Gas、コークス炉ガス)等を増熱ガスとして添加することにより、燃料のカロリー低下を解消する制御を行う。また、BFGのカロリーが上昇した場合には、増熱ガスの添加量を減らすことにより、あるいは、窒素(N2)ガス等を減熱ガスとして添加することにより、燃料のカロリー上昇を解消する制御を行う。
例えば、図10に示す発電プラント1001では、燃料混合器1013が、BFGとCOGとを混合して燃料を生成し、生成した燃料を燃焼器1014に供給する。燃焼器1014は、燃料混合器1013から供給される燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスによりガスタービン1015を回転させる。また、カロリーメータ1021が、燃料混合器1013が生成する燃料を抽気し燃焼させて燃料のカロリーを測定し、測定値を制御装置1022に出力する。制御装置1022は、カロリーメータ1021から出力されるカロリー測定値に基づいて、燃料のカロリー制御を行う。具体的には、カロリーメータ1021からのカロリー測定値が所定のカロリー設定値よりも小さい場合、制御装置1022は、COG供給弁1012を開方向に制御して燃料のカロリーを上昇させる。一方、カロリーメータ1021からのカロリー測定値が所定のカロリー設定値よりも大きい場合、制御装置1022は、COG供給弁1012を閉方向に制御して燃料のカロリーを低下させる。また、カロリーメータ1021の測定した燃料のカロリーは表示盤に表示される。これにより、発電プラント1001の運転員は、低カロリー異常を検知してカロリー回復操作またはプラント停止操作を行う、あるいは、高カロリー異常を検知してランバック操作を行うなど、カロリー異常に対応することができる。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ガスタービンに供給される燃料のカロリーを、より単純な装置構成にて迅速に取得できる燃料カロリー演算装置および燃料カロリー演算方法を提供することにある。
図1は、本発明の一実施形態における発電プラントの構成を示すブロック図である。同図において、発電プラント1は、BFG供給弁11と、COG供給弁12と、燃料混合器13と、圧縮機16、燃焼器14、及びタービン15を有するガスタービン(Gas Turbine;GT)100と、排熱回収ボイラ(Heat Recovery Stem Generator;HRSG)17と、蒸気タービン(Steam Turbine;ST)18と、発電機19と、燃料カロリー演算装置21と、制御装置22とを具備する。
なお、本発明の適用範囲は、同図に示す一軸コンバインドサイクル発電プラントのガスタービンに限らない。本発明は、燃料のカロリーが変化し得る様々なガスタービンに適用できる。
燃料混合器13は、BFGとCOGとを混合して燃料を生成し、生成した燃料をガスタービン100の燃焼器14に供給する。また、ガスタービン100の圧縮機16は、外気を圧縮して圧縮空気を燃焼器14に供給する。燃焼器14は、燃料混合器13から供給される燃料と、圧縮機16から供給される圧縮空気とを混合させて燃焼させることで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをタービン15に供給する。タービン15は、燃焼器14から供給される燃焼ガスを作動ガスとして回転駆動する。
発電機19は、タービン15および蒸気タービン18によって回転して発電する。
燃料カロリー演算装置21は、燃料混合器13が生成した燃料のカロリーを求める。制御装置22は、各部の動作制御を行う。特に、制御装置22は、燃料カロリー演算装置21から出力されるカロリー推定値に基づいて、BFG供給弁11およびCOG供給弁12の弁開度を調整することにより、燃料混合器13が生成する燃料のカロリーが一定になるよう制御する。
高出力側モデル部211は、ある一定カロリー(第1のカロリー。以下では、「高カロリー固定値」と称する)の燃料が供給される場合におけるガスタービン100の出力である第1の出力推定値を求めるモデルである高出力側モデルを有する。そして、高出力側モデル部211は、制御装置22から出力される制御指令(より詳細には、例えば入口案内翼(Inlet Guide Vane;IGV)開度や、燃料流量指令値(Control Signal Output;CSO)など、ガスタービン100の出力に影響する指令値。以下同様)が出力されると、出力された制御指令を高出力側モデルに入力することにより、高カロリー固定値の燃料が供給される場合における、当該制御指令を受けたガスタービン100の第1の出力推定値を求める。
また、高出力側モデルや、低出力側モデルの生成方法としては、例えば、ガスタービン100から得られるデータ(実機データ)に基づいて生成することが考えられる。例えば、モデルのベースを、ガスタービン100の設計データに基づいて生成しておき、実機データに基づいて、弁の開閉速度等によって生じる個体差を反映させる修正を加えることにより、高出力側モデルおよび低出力側モデルを生成する。
この、高出力側モデルや、低出力側モデルは、それぞれ高カロリー固定値や、低カロリー固定値に特化したモデルなので、特定のカロリーにのみ対応するモデルを構築すればよく、モデル構築者の負担が軽くて済む。また、実機データを収集する最、高出力側モデル用には高カロリー固定値における実機データのみを収集すればよく、低出力側モデル用には低カロリー固定値における実機データのみを収集すればよい。したがって、実機データを収集する際のデータ収集者の負担や、実機データに基づいてモデルを調整する際の調整者の負担が軽くて済む。
ここで、例えば、カロリー推定モデル部213は、現在のガスタービン100の実際の出力を制御装置22から取得する。すなわち、制御装置22は、ガスタービン制御のためにガスタービン出力を取得しており、このガスタービン出力をカロリー推定モデル部213に出力する。
カロリー推定モデル部213は、例えば、同図のカロリー推定モデルを、式(1)にて記憶し、高出力側モデル部211が求めたガスタービン出力推定値と、低出力側モデル部212が求めたガスタービン出力推定値と、ガスタービン100の出力(実機出力)とを同式に代入することにより燃料のカロリーを求める。
図4は、本実施形態の第1の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置31は、高出力側モデル部(第1の出力推定部)311と、低出力側モデル部(第2の出力推定部)312と、カロリー推定モデル部213とを具備する。同図において、図2の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号(213)を付し、説明を省略する。
高出力側モデル部311は、制御装置22から出力される制御指令に加え、外気温度計による外気温度測定値を取得し、取得した制御指令と外気温度測定値とを高出力側モデルに入力することにより、高カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該外気温度の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン100の出力推定値を求める。
ここで、例えば、高出力側モデル部311は外気温度測定値を制御装置22から取得する。すなわち、制御装置22は、プラント制御のために外気温度測定値を取得しており、この外気温度測定値を制御指令とともに高出力側モデル部311に出力する。
そこで、高出力側モデル部311と、低出力側モデル部312との各々が、制御指令に加えて外気温度に基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置31が、より正確に燃料のカロリーを推定できる。
また、ガスタービンの制御装置は、ガスタービンの制御を行う際に外気温度を取得していることが一般的である。したがって、上述のように、燃料カロリー計算装置21が、制御装置22から、ガスタービン出力および制御指令に加えて、外気温度も取得できることが期待できるので、新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。
図5は、本実施形態の第2の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置41は、高出力側モデル部(第1の出力推定部)411と、低出力側モデル部(第2の出力推定部)412と、カロリー推定モデル部213とを具備する。同図において、図2の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号(213)を付し、説明を省略する。
ここで、例えば、第1の変形例で説明した外気温度の場合と同様、高出力側モデル部411は燃料温度測定値を制御装置22から取得する。
そこで、高出力側モデル部411と、低出力側モデル部412との各々が、制御指令に加えて燃料温度に基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置41が、より正確に燃料のカロリーを推定できることが期待できる。
また、ガスタービンの制御装置は、ガスタービンの制御を行う際に燃料温度を取得していることが一般的である。したがって、上述のように、燃料カロリー計算装置21が、制御装置22から、ガスタービン出力および制御指令に加えて、燃料温度も取得できることが期待できるので、新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。
図6は、本実施形態の第3の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置51は、高出力側モデル部(第1の出力推定部)511と、低出力側モデル部(第2の出力推定部)512と、カロリー推定モデル部213とを具備する。同図において、図2の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号(213)を付し、説明を省略する。
ここで、例えば、第1の変形例で説明した外気温度の場合と同様、高出力側モデル部511は外気湿度測定値を制御装置22から取得する。
そこで、高出力側モデル部511と、低出力側モデル部512との各々が、制御指令に加えて外気湿度に基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置51が、より正確に燃料のカロリーを推定できることが期待できる。
また、ガスタービンの制御装置は、ガスタービンの制御を行う際に外気湿度を取得していることが一般的である。したがって、上述のように、燃料カロリー計算装置21が、制御装置22から、ガスタービン出力および制御指令に加えて、外気湿度も取得できることが期待できるので、新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。
図7は、本実施形態の第4の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置61は、高出力側モデル部(第1の出力推定部)611と、低出力側モデル部(第2の出力推定部)612と、カロリー推定モデル部213とを具備する。同図において、図2の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号(213)を付し、説明を省略する。
同様に、低出力側モデル部612は、制御指令に加えてガスタービン100の性能劣化係数に基づいてガスタービン出力を求めるための低出力側モデルを有する。そして、低出力側モデル部612は、制御装置22から出力される制御指令に加え、性能劣化係数を取得し、取得した制御指令と性能劣化係数とを低出力側モデルに入力することにより、低カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該性能劣化の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン100の出力推定値を求める。
そこで、高出力側モデル部611と、低出力側モデル部612との各々が、制御指令に加えて性能劣化係数に基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置61が、より正確に燃料のカロリーを推定できることが期待できる。
まず、ガスタービン100の保守点検員が、ガスタービン100の運転時間と、圧縮機汚れやタービン性能との関係を示す実機データを測定する。この測定結果に基づいて生成される、ガスタービン100の運転時間を引数として性能劣化係数を出力する関数を、制御装置22が記憶しておく。また、制御装置22は、ガスタービン100の運転時間を測定し、測定した運転時間を関数に適用して性能劣化係数を算出する。そして、制御装置22は、算出した性能劣化係数を、高出力側モデル部611および低出力側モデル部612に出力する。
このように、ガスタービン100の運転時間に基づいて性能劣化係数を求めることができるので、燃料カロリー演算装置21や制御装置22に新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。
図8は、本実施形態の第5の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置71は、高出力側モデル部(第1の出力推定部)711と、低出力側モデル部(第2の出力推定部)712と、カロリー推定モデル部213とを具備する。同図において、図2の各部に対応し同様の機能を有する部分については同一の符号(213)を付し、説明を省略する。
同様に、低出力側モデル部712は、制御指令に加えて、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、ガスタービン100の性能劣化係数とに基づいてガスタービン出力を求めるための高出力側モデルを有する。そして、低出力側モデル部712は、制御装置22から出力される制御指令に加え、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、性能劣化係数とを取得し、取得した制御指令と、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、性能劣化係数とを低出力側モデルに入力することにより、低カロリー固定値の燃料が供給される場合、かつ、当該外気温度、燃料温度、外気湿度および性能劣化係数の場合における、当該制御指令を受けたガスタービン100の出力推定値を求める。
そこで、高出力側モデル部711と、低出力側モデル部712との各々が、制御指令に加えて、外気温度と、燃料温度と、外気湿度と、ガスタービン100の性能劣化係数とに基づいてタービン出力推定値を求めることにより、燃料カロリー演算装置71が、より正確に燃料のカロリーを推定できることが期待できる。
図9は、本実施形態の第6の変形例における燃料カロリー演算装置の構成を示すブロック図である。同図において、燃料カロリー演算装置81は、ガスタービンモデル部811を具備する。
ガスタービンモデル部811は、制御指令とガスタービン100の出力とに基づいて燃料カロリーを求めるためのガスタービンモデルを有する。そして、ガスタービンモデル部811は、制御装置22から出力される制御指令およびガスタービン出力の入力を受け、当該制御指令およびガスタービン出力をガスタービンモデルに適用して燃料カロリーを求める。
また、燃料カロリー演算装置21は、制御装置22からガスタービン出力および制御指令を取得できるので、新たに計器を設ける必要が無く、より単純な装置構成にて燃料のカロリーを取得できる。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
11 BFG供給弁
12 COG供給弁
13 燃料混合器
100 ガスタービン
14 燃焼器
15 タービン
16 圧縮機
17 排熱回収ボイラ
18 蒸気タービン
19 発電機
21、31、41、51、61、71、81 燃料カロリー演算装置
211、311、411、511、611、711 高出力側モデル部
212、312、412、512、612、712 低出力側モデル部
213 カロリー推定モデル部
811 ガスタービンモデル部
22 制御装置
Claims (7)
- 入力される制御指令に応じて燃料供給装置がガスタービンの燃焼器に供給する燃料のカロリーを演算する燃料カロリー演算装置であって、
前記制御指令に応じてガスタービンから出力され検出される出力値と、予め求められた該ガスタービンの出力と燃料カロリーとの関係を表す相関データとに基づいて、前記制御指令と対応して前記燃料供給装置が供給した燃料のカロリーを演算するカロリー演算部を有することを特徴とする燃料カロリー演算装置。 - 前記カロリー演算部は、
前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが予め定められた第1のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第1の出力推定値を求める第1の出力推定部と、
前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが前記第1のカロリーよりも低い第2のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第2の出力推定値を求める第2の出力推定部と、
前記第1のカロリー及び対応して前記第1の出力推定部で求められた前記第1の出力推定値と、前記第2のカロリー及び対応して前記第2の出力推定部で求められた前記第2の出力推定値と、前記ガスタービンの出力値と、に基づいて前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求めるカロリー推定部と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の燃料カロリー演算装置。 - 前記第1の出力推定部は、さらに外気温度を取得し、前記外気温度のもとでの前記第1の出力推定値を求め、
前記第2の出力推定部は、さらに外気温度を取得し、前記外気温度のもとでの前記第2の出力推定値を求める、
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料カロリー演算装置。 - 前記第1の出力推定部は、さらに燃料温度を取得し、前記燃料温度のもとでの前記第1の出力推定値を求め、
前記第2の出力推定部は、さらに燃料温度を取得し、前記燃料温度のもとでの前記第2の出力推定値を求める、
ことを特徴とする請求項2または3に記載の燃料カロリー演算装置。 - 前記第1の出力推定部は、さらに外気湿度を取得し、前記外気湿度のもとでの前記第1の出力推定値を求め、
前記第2の出力推定部は、さらに外気湿度を取得し、前記外気湿度のもとでの前記第2の出力推定値を求める、
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の燃料カロリー演算装置。 - 前記第1の出力推定部は、前記ガスタービンの性能劣化の程度を示す性能劣化係数をさらに取得し、前記性能劣化係数に基づいて前記第1の出力推定値を求め、
前記第2の出力推定部は、前記性能劣化係数をさらに取得し、前記性能劣化係数に基づいて前記第2の出力推定値を求める、
ことを特徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載の燃料カロリー演算装置。 - ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求める燃料カロリー演算装置の燃料カロリー演算方法であって、
第1の出力推定部が、前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、予め求められた該ガスタービンの出力と燃料カロリーとの関係を表す相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが予め定められた第1のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第1の出力推定値を求める第1の出力推定ステップと、
第2の出力推定部が、前記ガスタービンの出力に影響する制御指令を取得し、前記相関データから、前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーが前記第1のカロリーよりも低い第2のカロリーである場合の、前記制御指令に対する前記ガスタービンの出力である第2の出力推定値を求める第2の出力推定ステップと、
カロリー推定部が、前記第1のカロリー及び対応して前記第1の出力推定部で求められた前記第1の出力推定値と、前記第2のカロリー及び対応して前記第2の出力推定部で求められた前記第2の出力推定値と、前記制御指令に応じてガスタービンから出力され検出される、前記ガスタービンの出力値と、に基づいて前記ガスタービンに供給される燃料のカロリーを求めるカロリー推定ステップと、
を具備することを特徴とする燃料カロリー演算方法。
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