WO2024034367A1 - 吸気加熱システム、吸気加熱システムの運転方法、および、ガスタービンシステム - Google Patents
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- F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
Definitions
- the present disclosure relates to an intake air heating system, a method of operating an intake air heating system, and a gas turbine system.
- a gas turbine heating unit disclosed in Patent Document 1 is configured to heat external air using compressed air as a heat source.
- the heating unit includes a return line for returning a portion of the compressed air discharged from the compressor to the intake duct.
- the compressed air flowing through the return line mixes with the external air flowing through the intake duct, thereby heating the external air.
- An object of the present disclosure is to provide an intake air heating system, an operation method of the intake air heating system, and a gas turbine system that improve the operating efficiency of a gas turbine.
- An intake air heating system includes: An inlet air heating system configured to heat external air directed to a compressor of a gas turbine, the system comprising: an intake air heating unit configured to heat the external air using a heat source different from the compressed air discharged from the compressor; A control device configured to control the intake air heating unit based on a correlation parameter having a correlation with a turbine inlet temperature of the gas turbine or an estimated value of the turbine inlet temperature; Equipped with.
- a method of operating an intake air heating system includes: A method of operating an intake air heating system configured to heat external air directed to a compressor of a gas turbine, the method comprising: The intake air heating system includes an intake air heating unit configured to heat the external air using a different heat source than the compressed air discharged from the compressor; The method further includes a control step of controlling the intake air heating unit based on a correlation parameter having a correlation with a turbine inlet temperature of the gas turbine or an estimated value of the turbine inlet temperature.
- a gas turbine system includes: the intake air heating system; the gas turbine; Equipped with.
- an intake air heating system an operation method of the intake air heating system, and a gas turbine system that improve the operating efficiency of a gas turbine.
- FIG. 1 is a schematic diagram of a gas turbine system according to one embodiment. It is a schematic graph which shows the load area of the heating operation of the 2nd heating unit based on one embodiment. It is a schematic graph which shows the load area of the heating operation of the 1st heating unit based on one embodiment. It is a schematic diagram showing the 2nd heating unit concerning one embodiment.
- 1 is a schematic graph showing an operating line of a turbine according to an embodiment.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a control device according to a first embodiment.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of an intake air heating control section according to an embodiment. 1 is a schematic graph showing changes over time in gas turbine load, actual exhaust temperature, and intake air temperature.
- FIG. 1 is another schematic graph showing changes in gas turbine load, actual exhaust temperature, and intake air temperature over time; It is a flow chart which shows intake air heating system control processing concerning a 1st embodiment. It is a flow chart which shows intake air heating control processing concerning one embodiment.
- FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a control device according to a second embodiment. It is a flow chart which shows intake air heating system control processing concerning a 2nd embodiment.
- 1 is a schematic diagram showing details of a gas turbine according to an embodiment; FIG.
- expressions such as “same,””equal,” and “homogeneous” that indicate that things are in an equal state do not only mean that things are exactly equal, but also have tolerances or differences in the degree to which the same function can be obtained. It also represents the existing state.
- expressions expressing shapes such as squares and cylinders do not only refer to shapes such as squares and cylinders in a strict geometric sense, but also include uneven parts and chamfers to the extent that the same effect can be obtained. Shapes including parts, etc. shall also be expressed.
- the expressions “comprising,””including,” or “having" one component are not exclusive expressions that exclude the presence of other components. Note that similar configurations may be given the same reference numerals and explanations may be omitted.
- FIG. 1 is a schematic diagram of a gas turbine system 1 according to an embodiment of the present disclosure.
- the gas turbine 3 that constitutes the gas turbine system 1 includes a compressor 7, a combustor 8 that generates a mixed fuel of compressed air and fuel generated by the compressor 7, and a combustion gas discharged from the combustor 8. and a turbine 30 to be driven.
- the compressor 7 is configured to start rotating by the starter device 4 .
- the fuel supplied to the combustor 8 is, for example, gas fuel, but may be liquid fuel.
- the turbine 30 of this example is configured to drive the generator 6 using combustion gas discharged from the combustor 8 as a power source. Exhaust gas discharged from the turbine 30 flows through an exhaust duct 39.
- the compressor 7 communicates with the intake flow path 9. External air flowing through the intake flow path 9 is sent to the compressor 7 to generate compressed air.
- the gas turbine system 1 of the present disclosure includes an intake air heating system 5 configured to heat external air flowing through an intake flow path 9, and the intake air heating system 5 includes a first heating unit 10 and a second heating unit 20. .
- the first heating unit 10 is configured to heat external air using compressed air discharged from the compressor 7 as a heat source. More specifically, the first heating unit 10 includes a return flow path 15 for returning a portion of the compressed air discharged from the compressor 7 to the intake flow path 9, and a first flow rate provided in the return flow path 15. and a regulating valve 12.
- the compressed air returned from the return flow path 15 to the intake flow path 9 mixes with external air, thereby heating the external air.
- the amount of heating of the first heating unit 10 is controlled by controlling the flow rate of the compressed air flowing through the return flow path 15 by adjusting the opening degree of the first flow rate adjustment valve 12.
- the intake flow path 9 illustrated in the figure includes a suction chamber 90 and an intake duct 95 that communicates with the suction chamber 90 and the compressor 7. It communicates with pipe 99. Compressed air flowing into the discharge pipe 99 from the return flow path 15 is injected into the suction chamber 90 from a nozzle provided in the discharge pipe 99.
- the discharge pipe 99 in this example is arranged between the intake filter 94 housed in the suction chamber 90 and the outlet 93 of the suction chamber 90.
- the second heating unit 20 includes a heater 24 configured to heat the external air using a heat source different from the compressor 7.
- the heat source of the heater 24 may be heat recovered from exhaust gas discharged from the turbine 30 (details will be described later), or may be heat obtained from a heating element that generates heat due to the supply of electric power.
- the heater 24 illustrated in FIG. 1 is housed in the suction chamber 90, and more specifically, is arranged between the suction filter 94 and the inlet 92 of the suction chamber 90. Note that the heater 24 may be arranged between the intake filter 94 and the outlet 93.
- Heating control of the second heating unit 20 is executed by the control device 80, which is a component of the intake air heating system 5.
- the control device 80 controls the second heating unit 20 based on a correlation parameter that correlates with the turbine inlet temperature of the gas turbine 3 or an estimated value of the turbine inlet temperature. More specifically, the control device 80 controls the second heating unit 20 based on the above-mentioned correlation parameter or the above-mentioned estimated value so that the turbine inlet temperature is equal to or lower than the allowable upper limit determined by the specifications of the gas turbine 3. . If the heating amount of the second heating unit 20 increases, the temperature of the external air sent to the compressor 7 will increase. Therefore, the intake air temperature of the compressor 7 increases.
- control of the second heating unit 20 based on the correlation parameter is executed by the control device 80A (80) according to the first embodiment, and control of the second heating unit 20 based on the estimated value is executed according to the second embodiment.
- the control device 80B (80) executes this. Details of the control devices 80A and 80B (80) will be described later. Details of the control devices 80A and 80B will be described later.
- the allowable upper limit threshold value of the turbine inlet temperature is the upper limit value of the turbine inlet temperature at which it is guaranteed that the gas turbine 3 in operation exhibits heat resistance. If the turbine inlet temperature exceeds the upper permissible threshold, damage to the gas turbine 3 may occur.
- the control device 80 controls the intake air heating system 5 based on a correlation parameter having a correlation with the turbine inlet temperature or an estimated value of the turbine inlet temperature. Therefore, under the condition that the turbine inlet temperature is equal to or lower than the allowable upper limit value, the intake air heating system 5 can set the turbine inlet temperature as high as possible, and the operating efficiency of the gas turbine 3 is improved.
- the second heating unit 20 heats the external air using a heat source different from the compressed air
- the turbine 30 The flow rate of combustion gas flowing into the gas turbine 3 can be suppressed from decreasing, and the operating efficiency of the gas turbine 3 can be improved.
- the intake air heating system 5 that improves the operating efficiency of the gas turbine 3 is realized. Note that the intake air heating system 5 does not need to include the first heating unit 10. Even in this case, the above advantages can be obtained by the control device 80 controlling the second heating unit 20 based on the correlation parameter or estimated value.
- FIG. 2 is a schematic graph showing a period of heating operation of the second heating unit 20 according to an embodiment.
- the horizontal axis of the graph indicates the gas turbine load (the same applies to FIG. 3).
- the second heating unit 20 performs the heating operation in a high load section where the gas turbine load is equal to or higher than the first specified load (symbol G1). More specifically, when it is determined that the gas turbine load is in a high load section, the control device 80 sends a control signal to the second heating unit 20 to perform a heating operation.
- the first specified load is a load lower than the rated load of the gas turbine system 1, and is, for example, an arbitrary gas turbine load that is 30% or more and less than 60% of the rated load.
- the control of the second heating unit 20 based on the above-mentioned correlation parameters or the above-mentioned estimated values may be performed in at least part of the high load section.
- the execution section of the control is limited to a part of the high load section. More specifically, the gas turbine load is higher than the high specified load (code G3) that is larger than the first specified load (code G1), and the upper limit specified load (code U) is the maximum gas turbine load in the high load section.
- control (feedback control) of the second heating unit 20 based on the correlation parameter or estimated value is performed.
- the heating amount of the second heating unit 20 is controlled to be maintained constant regardless of the correlation parameter or estimated value. is executed (that is, feedback control of the second heating unit 20 is not executed).
- FB indicates a section in which feedback control is executed
- NOT FB indicates a section in which feedback control is not executed.
- the feedback control of the first heating unit 10 may be any of P control, PI control, or PID control, PI control is adopted in this example. Details of the feedback control of the second heating unit 20 will be described later.
- the operation of the gas turbine system 1 is always a partial load operation. That is, the upper limit specified load (symbol U) in the high load section is lower than the rated load of the gas turbine system 1, and operation in a load section higher than the upper limit specified load is not performed.
- the upper limit specified load is, for example, a gas turbine load that is 95% or more and less than 100% of the rated load.
- the control of the second heating unit 20 may also be performed in a section where the gas turbine load is lower than a high load section. The heating amount of the second heating unit 20 in this section may be maintained constant regardless of the correlation parameter or estimated value.
- FIG. 3 is a schematic graph showing a period of heating operation of the first heating unit 10 according to an embodiment.
- the first heating unit 10 is configured to compress air flowing through the return flow path 15 (see FIG. 1) in a load section lower than a high load section (that is, a load section in which the gas turbine load is lower than the first specified load (symbol G1)). It is configured to heat external air using air as a heat source.
- the amount of heating in the operating range of the first heating unit 10 shown in the same graph is not necessarily constant.
- the amount of heating by the first heating unit 10 may be feedback-controlled depending on the temperature of the exhaust gas, or the amount of heating in the low load section may be constant regardless of the gas turbine load.
- the opening degree of the first flow rate adjustment valve 12 is controlled.
- the heating operation section of the first heating unit 10 may overlap the heating operation section of the second heating unit 20.
- the feedback control of the first heating unit 10 may be any of P control, PI control, or PID control, PI control is adopted in this example.
- FIG. 4 is a schematic diagram showing a second heating unit 20 according to an embodiment of the present disclosure.
- the heat source of the second heating unit 20 illustrated in the figure is exhaust gas discharged from the turbine 30 (see FIG. 1).
- the heat source of the exhaust gas is recovered by the exhaust heat recovery boiler 19, which is a component of the gas turbine system 1, and is used as a heat source for the second heating unit 20.
- the exhaust heat recovery boiler 19 is configured to use exhaust gas supplied from the exhaust duct 39 as a heat source to generate a heating medium from boiler feed water.
- the heating medium is hot water or steam (superheated steam).
- superheated steam is generated by high-temperature exhaust gas that has just flown into the exhaust heat recovery boiler 19 and heats boiler feed water.
- This superheated steam may be supplied to other equipment constituting the gas turbine system 1, such as a steam turbine.
- hot water is generated by the low-temperature exhaust gas flowing near the outlet of the exhaust heat recovery boiler 19 heating the boiler feed water (this hot water further flows inside the exhaust heat recovery boiler 19 and mixes with the high-temperature exhaust gas). (It may be converted into superheated steam by heat exchange.)
- the second heating unit 20 includes a heating medium flow path 29 for guiding the heating medium generated by the exhaust heat recovery boiler 19 to the suction chamber 90 of the intake flow path 9, and a heating medium flow path 29 provided in the heating medium flow path 29.
- a second flow rate regulating valve 22 and a piping section 25 which is a heater 24 disposed within the intake flow path 9 are provided.
- the second heating unit 20 is controlled by the control device 80.
- the control device 80 In this example, when the second flow rate adjustment valve 22 is opened in response to a control signal sent from the control device 80 to the second flow rate adjustment valve 22, the heating medium passes from the waste heat recovery boiler 19 through the heating medium flow path 29. Then, it is supplied to the piping section 25.
- the opening degree of the second flow rate adjustment valve 22 the flow rate of the heating medium flowing through the piping section 25 is controlled. Thereby, the amount of heating of the external air by the second heating unit 20 is controlled.
- the heating medium flowing through the heating medium flow path 29 illustrated in FIG. 4 is hot water, and the hot water has a higher temperature than the boiler feed water before flowing into the exhaust heat recovery boiler 19.
- the feedback control of the second heating unit 20 is performed, for example, in a load section where the gas turbine load is equal to or higher than the high specified load (symbol G3) and the upper limit specified load (symbol U).
- the opening degree of the second flow rate regulating valve 22 is feedback-controlled.
- feedback control is not executed and the opening degree of the second flow rate regulating valve 22 is maintained constant. be done.
- the heating medium generated in the exhaust heat recovery boiler 19 is employed as a heat source different from compressed air, so that the heating medium generated in the gas turbine system 1 is The heat generated can be used without wastage, and the operating efficiency of the gas turbine system 1 can be improved.
- the second heating unit 20 includes the piping section 25, the second heating unit 20 can heat the external air by heat exchange between the heating medium flowing through the piping section 25 and the external air flowing through the intake flow path 9.
- the control device 80 controls the second flow rate adjustment valve 22 based on a correlation parameter (or an estimated value of the turbine inlet temperature) that has a correlation with the turbine inlet temperature of the gas turbine 3.
- the opening degree of the second flow rate regulating valve 22 of the heating unit 20 is controlled.
- the second heating unit 20 can control the amount of heating of the external air.
- the heating medium flow path 29 guides hot water as a heating medium to the intake flow path 9
- the hot water which has a higher tendency to be exhausted than the steam generated by heating the boiler feed water, is adopted as the heating medium, and the gas turbine
- the operational efficiency of system 1 can be improved.
- Control device 80A (80) according to the first embodiment A control device 80A (80) according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
- the control device 80A controls the first heating unit 10 and the second heating unit 20, respectively.
- the control of the second heating unit 20 by the control device 80A includes feedback control based on a correlation parameter that has a correlation with the turbine inlet temperature. Feedback control is executed in the high load section shown in FIG. 2 (more specifically, the load section where the load is equal to or higher than the first specified load (symbol G1) and below the upper limit specified load).
- the correlation parameters include, for example, the exhaust gas temperature on the turbine outlet side of the gas turbine 3 (hereinafter simply referred to as exhaust temperature) and a first parameter that has a correlation with the turbine expansion ratio of the gas turbine 3.
- FIG. 5 is a graph showing the relationship between the first parameter and exhaust temperature according to an embodiment of the present disclosure.
- one operating line (solid line Ls in FIG. 5) indicating the relationship between the exhaust gas temperature and the first parameter is referred to.
- the operating line can generally be set corresponding to the turbine inlet temperature, and the operating line indicated by the solid line Ls is set corresponding to the target value of the turbine inlet temperature (hereinafter, the operating line of the solid line Ls is referred to as the reference line). (Also called Ls).
- the reference line Ls indicates the relationship between the exhaust gas temperature and the first parameter for realizing the target value of the turbine inlet temperature.
- the reference line Ls is at least referred to in order to control the second heating unit 20 under conditions where the turbine inlet temperature is equal to or lower than the allowable upper limit (the allowable upper limit is set to the above-mentioned target value). ).
- the principle by which the turbine inlet temperature can be controlled to be equal to or lower than the allowable upper limit threshold by referring to the reference line Ls is as follows.
- the first parameter and exhaust temperature obtained through measurement (hereinafter referred to as the actual first parameter and actual exhaust temperature) can be drawn as an operating point on the graph of FIG. 5, and this operating point corresponds to the actual operation of the gas turbine 3. Indicates the condition. If the operating point is below the reference line Ls, it can be determined that the inlet temperature of the gas turbine 3 in the operating state is lower than the target value. On the other hand, if the operating point is on the upper side, it can be determined that the inlet temperature is higher than the target value.
- the intake air temperature of the compressor 7 can be set to a temperature that prevents the turbine inlet temperature from exceeding the allowable upper limit threshold.
- the second heating unit 20 is controlled so that the operating point determined by measurement is located on the reference line Ls. This allows the turbine inlet temperature to substantially match the target value.
- the operating lines illustrated in FIG. It includes a correspondingly set operating line (solid line Lu). It is essential that the operating line indicated by the solid line Ld (hereinafter also referred to as the low operating line Ld) and the operating line indicated by the solid line Lu (hereinafter also referred to as the temperature control line Lu) be referenced in the control of the second heating unit 20. isn't it.
- the temperature control line Lu for example, the following additional advantages can be obtained.
- the parameters include the amount of fuel supplied to the combustor 8, the temperature of the air supplied to the combustor 8, and the like.
- the operating point may shift to the temperature control line Lu.
- the temperature control line Lu is referred to in controlling the second heating unit 20
- the operating point will be located on the temperature control line Lu (or it is expected that the operating point will be located on the temperature control line Lu).
- the amount of fuel supplied to the combustor 8 is controlled to prevent the operating point from shifting above the temperature control line Lu. In other words, it is possible to more reliably prevent the turbine inlet temperature from exceeding the allowable upper limit threshold.
- the distance between the reference line Ls and the temperature control line Lu shown in FIG. 5 in the vertical axis direction be small.
- the difference between the target value of the turbine inlet temperature and the allowable upper limit threshold is 5 degrees or less, and more preferably 1 degree or less.
- FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the control device 80A.
- the control device 80A includes a reference line acquisition section 81, an exhaust temperature acquisition section 83, a first parameter acquisition section 85, and an intake air heating control section 87A (87).
- the reference line acquisition unit 81 is configured to obtain the reference line Ls (more specifically, data indicating the reference line Ls).
- the data indicating the reference line Ls may be any kind of data, but an example is a functional formula or a data table.
- the exhaust temperature acquisition unit 83 is configured to acquire the actual exhaust temperature, which is the measured value of the exhaust temperature during operation of the gas turbine 3, based on the measurement result of the exhaust temperature sensor 102.
- the exhaust gas temperature sensor 102 is configured to measure the exhaust gas temperature, and measures, for example, the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust duct 39 (see FIG. 1).
- the first parameter acquisition unit 85 is configured to acquire an actual first parameter, which is a measured value of the first parameter during operation of the gas turbine 3, based on the measurement result of the first sensor 101.
- the first sensor 101 is at least one sensor configured to measure a first parameter.
- the intake air heating control section 87A is configured to control the second heating unit 20 so that the operating point determined from the actual exhaust gas temperature and the actual first parameter coincides with the reference line Ls. For example, as shown in FIG. 5, when the operating point is above the reference line Ls, such as point P2, the actual exhaust gas temperature is equal to the exhaust temperature associated with the actual first parameter on the reference line Ls. surpass. In this case, the intake air heating control section 87A executes feedback control to reduce the heating amount of the second heating unit 20. As a more detailed example, the opening degree of the second flow rate adjustment valve 22 is reduced based on the deviation between the exhaust gas temperature and the actual exhaust gas temperature at the reference line Ls. As a result, the intake air temperature of the compressor 7 decreases, and the actual exhaust temperature decreases. As a result, the operating point at point P2 shifts toward the reference line Ls. When the operating point is below the reference line Ls, such as point P3, the control opposite to the above is executed.
- the second heating unit 20 is controlled so that the actual exhaust gas temperature matches the reference line Ls set corresponding to the target value of the turbine inlet temperature.
- the gas turbine 3 is operated under conditions in which the turbine inlet temperature is equal to or lower than the allowable upper limit value.
- the control device 80A illustrated in FIG. further including.
- the data indicating the temperature control line Lu may be any data, but an example is a functional formula or a data table.
- the obtained temperature control line Lu is used when controlling the amount of fuel supplied to the gas turbine 3. More specifically, if the operating point identified through measurement is located (or is expected to be located) on the temperature control line Lu like point P2 (see Figure 5), the amount of fuel supplied is quantity is reduced.
- the control may be executed by the control device 80A, or may be executed by a controller different from the control device 80A.
- the exhaust temperature at the reference line Ls is lower than the exhaust temperature at the temperature control line Lu used to control the amount of fuel supplied to the combustor 8 of the gas turbine 3.
- the turbine inlet temperature does not exceed the allowable upper limit when heating control of the second heating unit 20 is performed. can be suppressed more reliably.
- the closer the exhaust gas temperature at the reference line Ls is to the exhaust temperature at the temperature control line Lu the more the temperature of the compressed air flowing into the combustor 8 can be raised, so the operating efficiency of the gas turbine 3 can be improved.
- the first parameter is the pressure ratio of the compressor 7.
- the first sensor 101 includes an inlet pressure sensor that measures the pressure on the inlet side of the compressor 7 and an outlet pressure sensor that measures the pressure on the outlet side of the compressor 7.
- the inlet pressure sensor is provided in the intake duct 95 (see FIG. 1) of the intake flow path 9, and the outlet pressure sensor is provided between the compressor 7 and the combustor 8.
- the pressure ratio of the compressor 7 is determined based on the measured value of the pressure sensor, and therefore can be regarded as a parameter that accurately reflects the state of the gas turbine 3. Since this pressure ratio is used as the first parameter correlated with the turbine expansion ratio, the operating efficiency of the gas turbine 3 can be improved while more reliably preventing the turbine inlet temperature from exceeding the allowable upper limit.
- the intake air heating control section 87A includes a target temperature acquisition section 181 and a feedback control section 182.
- the target temperature acquisition unit 181 is configured to acquire a target exhaust gas temperature that is an exhaust temperature that is set based on the reference line Ls and the actual first parameter.
- the target exhaust gas temperature is acquired by specifying the exhaust gas temperature associated with the actual first parameter in the data indicating the reference line Ls acquired by the reference line acquisition unit 81.
- the target exhaust gas temperature can be obtained from the functional equation by substituting the actual first parameter into the functional equation as data indicating the reference line Ls.
- the feedback control unit 182 is configured to feedback-control the second heating unit 20 (more specifically, the second flow rate adjustment valve 22) based on the deviation between the actual exhaust gas temperature and the target exhaust gas temperature. By executing the feedback control, the second heating unit 20 changes the amount of heat applied to the external air according to the deviation between the actual exhaust gas temperature and the target exhaust gas temperature.
- the control by the feedback control unit 182 is executed in a load section (see FIG. 2) in which the gas turbine load is greater than or equal to the high specified load and less than or equal to the upper limit specified load. Further details of the configuration of the feedback control section 182 will be described later.
- the intake air heating control section 87A may further include a constant control section 183.
- the constant control section 183 is configured to maintain the opening degree of the second flow rate adjustment valve 22 of the second heating unit 20 constant regardless of the correlation parameter. Control by the constant control unit 183 is executed in a load section (see FIG. 2) in which the gas turbine load is equal to or higher than the first specified load (symbol G1) and less than the high specified load.
- the intake air heating control section 87A may not include the constant control section 183, and in this case, the feedback control by the feedback control section 182 may be performed over a high load section.
- the control device 80A further includes a low operating line acquisition section 84 and a first heating control section 88A (88).
- the low driving line acquisition unit 84 is configured to acquire the low driving line Ld (more specifically, data indicating the low driving line Ld).
- the data indicating the low operating line Ld may be any kind of data, but an example is a functional formula or a data table.
- the first heating control unit 88A determines that the operating point determined from the actual exhaust temperature and the actual first parameter is based on the data indicating the low operating line Ld, the actual first parameter, and the actual exhaust temperature.
- the first heating unit 10 is feedback-controlled to match the above.
- the first heating control unit 88A performs feedback control on the opening degree of the first flow rate adjustment valve 12 according to the deviation between the exhaust gas temperature associated with the actual first parameter and the actual exhaust temperature on the low operating line Ld. do. Thereby, the heating amount of the first heating unit 10 is controlled under the condition that the actual turbine inlet temperature becomes the turbine inlet temperature corresponding to the low operating line Ld.
- the exhaust temperature set as the target value in the feedback control of the first heating unit 10 (that is, the exhaust temperature indicated by the low operating line Ld) is the exhaust temperature set as the target value in the feedback control of the second heating unit 20. (that is, the exhaust gas temperature indicated by the reference line Ls).
- the control of the first heating unit 10 by the first heating control section 88A is executed in a load section where the gas turbine load is less than the first specified load (symbol G1) (see FIG. 3).
- the control device 80A further includes a load acquisition unit 82.
- the load acquisition unit 82 is configured to acquire the gas turbine load of the gas turbine 3 in operation by acquiring the detection result of the load sensor 109.
- the load sensor 109 is, for example, a rotation speed sensor for detecting the rotation speed of the turbine 30.
- the gas turbine load acquired by the load acquisition unit 82 is input to the intake air heating control unit 87A and the first heating control unit 88A, so that the intake air heating control unit 87 or the first heating control unit 88A is controlled according to the gas turbine load. Either performs control on the selection.
- FIGS. 8A and 8B respectively show the gas turbine load, exhaust temperature, and intake air temperature over time while the control device 80A according to the first embodiment controls the first heating unit 10 and the second heating unit 20. It is a graph illustrating a change. G1, G3, and U shown in the upper graph of the figure are the same as those shown in FIG. 2. Further, in this example, the upper limit specified load (U) is the target gas turbine load. Ts shown in the middle graph of the figure is the target exhaust temperature defined by the reference line Ls. Further, Tu is the allowable upper limit threshold value of the exhaust gas temperature, and the allowable upper limit value of the exhaust gas temperature is defined by the temperature control line Lu. Further, in FIGS. 8A and 8B, points Q, P1, P2, P3, and Ps indicate the operating states of the gas turbine 3 shown by points Q, P1, P2, P3, and Ps in FIG. 5, respectively.
- the first flow rate adjustment valve 12 closes the return flow path 15 in response to a control signal sent from the first heating control unit 88A to the first flow rate adjustment valve 12, The heating control of the first heating unit 10 ends. After that, control of the second heating unit 20 by the intake air heating control section 87A is started. Specifically, the constant control unit 183 performs control to maintain the opening degree of the second flow rate adjustment valve 22 constant. Since the amount of fuel supplied to the combustor 8 does not decrease, the gas turbine load further increases from the first specified load (symbol G1), and the operating point shifts to the right of point P1 in the graph of FIG.
- the feedback control unit 182 includes a gain coefficient setting unit 281 that is configured to decrease the gain coefficient of feedback control as the deviation between the actual exhaust temperature and the target exhaust temperature becomes smaller. has. For example, the smaller the above deviation is, the smaller the opening adjustment amount of the second flow rate regulating valve 22 becomes. According to the above configuration, it is possible to quickly reduce the deviation between the actual exhaust gas temperature and the target exhaust gas temperature, and it is possible to suppress overshooting of the actual exhaust gas temperature with respect to the target exhaust gas temperature.
- the gain coefficient setting unit 281 may be configured to set the gain coefficient to 0 when the deviation falls within a specified range including 0.
- the prescribed range corresponds to region R in the example of FIG. If the operating point is located within the region R, the deviation is within the specified range. At this time, since the gain coefficient is set to 0, the feedback control is temporarily not executed, and the opening degree of the second flow rate adjustment valve 22 is maintained at the opening degree set in the immediately previous feedback control.
- the prescribed range is, for example, an area that is lower than the target exhaust temperature indicated by the reference line Ls by a prescribed temperature.
- the specified temperature is greater than 0 degrees and less than 10 degrees. According to the above configuration, a dead zone in which feedback control is not executed is set, so that the control executed by the intake air heating control section 87 can be simplified.
- FIG. 9 is a flowchart showing an intake air heating system control process for controlling the intake air heating system 5 according to the first embodiment, and shows an example of a method of operating the intake air heating system 5.
- the control process is executed by the control device 80A (80), as an example.
- the control device 80A (80) is configured by a computer and includes a processor, a memory, and an external communication interface.
- the processor may be a CPU, GPU, MPU, DSP, or a combination thereof.
- Processors according to other embodiments may be implemented by integrated circuits such as PLDs, ASICs, FPGAs, or MCUs.
- the memory is configured to temporarily or non-temporarily store various data, and is implemented, for example, by at least one of RAM, ROM, or flash memory.
- the processor of the control device 80A (80) (hereinafter, the processor of the control device 80 may be simply referred to as "processor") executes the intake air heating system control process. During execution of the control process, the processor sends control signals to the first flow rate adjustment valve 12 and the second flow rate adjustment valve 22.
- a step may be abbreviated as "S”.
- data indicating operating lines including the reference line Ls, low operating line Ld, and temperature control line Lu is acquired (S11).
- the data indicating the operating lines is acquired by the processor referring to a memory that stores data indicating these operating lines.
- the processor that executes S11 corresponds to the reference line acquisition unit 81, low operating line acquisition unit 84, and temperature control line acquisition unit 89 described above.
- the processor acquires the actual exhaust temperature based on the detection result of the exhaust gas temperature sensor 102, and acquires the actual first parameter based on the detection result of the first sensor 101 (S13).
- the processor that executes S13 corresponds to the exhaust temperature acquisition section 83 and first parameter acquisition section 85 described above.
- the processor controls fuel supply to the combustor 8 (S14). For example, in the data indicating the temperature control line Lu acquired in S11, the allowable upper limit value of the exhaust gas temperature that is associated with the actual first parameter acquired in S13 is acquired. Then, if the actual exhaust gas temperature acquired in S13 is lower than the allowable upper limit threshold and the current gas turbine load has not reached the upper limit prescribed load that is the target value, the processor increases the fuel supply amount ( S14). On the other hand, if the actual exhaust gas temperature matches the allowable upper limit value (or if the actual exhaust gas temperature is expected to match the allowable upper limit threshold value), the processor reduces the fuel supply amount to the combustor 8 (S14). . This prevents the actual exhaust gas temperature from exceeding the allowable upper limit threshold. Note that the current gas turbine load can be specified based on the detection result of the load sensor 109, and the processor that acquires the gas turbine load corresponds to the load acquisition unit 82 described above.
- the processor determines whether the current gas turbine load is smaller than the high load section (S15). For example, the processor acquires the current gas turbine load using the method described above (the processor that executes this process corresponds to the load acquisition unit 82 described above). Then, the processor determines whether the gas turbine load is smaller than the high load section by comparing the acquired gas turbine load and the first specified load (symbol G1).
- the processor transmits a control signal for the second flow rate adjustment valve 22 to close the heating medium flow path 29 to the second flow rate adjustment valve 22. (S17), and controls the first heating unit 10 (S19).
- the processor that executes S17 corresponds to the intake air heating control section 87A described above. Further, if the second flow rate adjustment valve 22 is closed before executing S17, S17 is skipped and S19 is executed.
- the method of controlling the first heating unit 10 is as described above, and the processor that executes S19 corresponds to the first heating control section 88A described above.
- the processor After that, it is determined whether the current gas turbine load has reached the upper limit specified load (S21).
- the method for acquiring the current gas turbine load is the same as in S15. If it is determined that the gas turbine load has not reached the upper limit specified load (S21: NO), the processor returns the process to S14. In the process of sequentially repeating S14 to S21, the gas turbine load becomes equal to or higher than the first specified load (symbol G1) (S15: NO).
- the processor sends a control signal for the first flow rate adjustment valve 12 to close the return flow path 15 to the first flow rate adjustment valve 12 (S23), and it is determined whether the current gas turbine load is less than the high specified load. (S25).
- the processor that executes S23 corresponds to the first heating control section 88A described above. Furthermore, the method for acquiring the current gas turbine load in S25 is the same as in S15. Note that if the first flow rate adjustment valve 12 is closed before the execution of S23, S23 is skipped and S25 is executed.
- the processor executes a constant control process to keep the opening degree of the second flow rate adjustment valve 22 constant (S27).
- the processor that executes S27 corresponds to the constant control unit 183 described above.
- the processor moves the process to S21. While S21, S15, and S23 to S27 are repeated, the gas turbine load becomes equal to or higher than the high specified load (S25: NO).
- the processor executes intake air heating control processing to control the second heating unit 20 based on the correlation parameter (S29).
- S29 is a control step for controlling the second heating unit 20, and the processor that executes S29 corresponds to the intake air heating control section 87A described above. After executing S29, the processor moves the process to S21. While repeatedly executing S29, the gas turbine load reaches the upper limit prescribed load (S21: YES), and the processor ends the intake air heating system control process.
- the processor acquires the target exhaust gas temperature based on the data indicating the reference line Ls acquired in S11 and the actual first parameter acquired in S13 (S51). More specifically, the target exhaust gas temperature is obtained by specifying the target exhaust temperature that is associated with the actual first parameter in the data indicating the reference line Ls.
- the processor performs feedback control of the second flow rate adjustment valve 22 of the second heating unit 20 (S52).
- the processor that executes S52 corresponds to the feedback control unit 182 described above.
- S52 includes S53, S55, S57, and S59. Details are as follows.
- the processor determines whether the deviation between the target exhaust temperature obtained in S51 and the actual exhaust temperature obtained in S13 is within a specified range (S53). If it is determined that the deviation is not within the specified range (S53: NO), the processor sets a gain coefficient for feedback control according to the deviation (S55). The method of setting the gain coefficient is as described above. Next, the processor sends a control signal to the second flow rate adjustment valve 22 to make the opening degree based on the deviation acquired in S53 and the gain coefficient set in S55 (S57). On the other hand, if it is determined that the deviation is within the specified range (S53: YES), the processor sets the gain coefficient to 0 (S59). The processor that executes S55 and S59 corresponds to the gain coefficient setting section 281 described above. After executing S57 or S59, the processor ends the intake air heating control process and returns the process to the steps shown in FIG.
- Control device 80B (80) according to second embodiment With reference to FIG. 11, a control device 80B (80) according to the second embodiment will be described.
- the control device 80B controls the first heating unit 10 and the second heating unit 20, respectively.
- the control of the second heating unit 20 by the control device 80B includes feedback control based on the estimated value of the turbine inlet temperature of the gas turbine 3.
- the feedback control may be executed in any section as long as it is executed in a high load section (see FIG. 2), or may be limited to the same load section as in the first embodiment.
- the control device 80B includes a parameter acquisition section 121 and an estimated turbine inlet temperature acquisition section 123.
- the parameter acquisition unit 121 is configured to acquire the flow rate of fuel supplied to the combustor 8, the calorific value per unit weight of fuel, the flow rate of air supplied to the combustor 8, and the temperature of the supplied air. .
- the fuel flow rate is acquired based on the measurement result of the fuel flow rate sensor 103
- the air flow rate is acquired based on the measurement result of the air flow rate sensor 104
- the temperature of the supplied air is acquired based on the measurement result of the air temperature sensor 105.
- the calorific value per unit weight of the fuel is acquired based on, for example, fuel information indicating information on the fuel being supplied.
- the fuel information is information determined, for example, according to the detection result of a calorimeter sensor of the gas turbine system 1.
- the estimated turbine inlet temperature acquisition unit 123 generates a physical model regarding the thermal energy balance of the combustor 8 based on the fuel flow rate, fuel calorific value, supply air flow rate, and supply air temperature acquired by the parameter acquisition unit 121.
- the above physical model equation is an equation related to an unsteady model indicating that the thermal energy flowing into the combustor 8 of the gas turbine 3 and the thermal energy flowing out from the combustor 8 are equal.
- the thermal energy flowing into the combustor 8 can be expressed by the above parameters acquired by the parameter acquisition unit 121.
- the thermal energy flowing into the combustor 8 can be expressed by the thermal energy at the inlet of the turbine 30, and therefore by the turbine inlet temperature.
- the estimated turbine inlet temperature acquisition unit 123 can acquire an estimated value of the turbine inlet temperature based on the parameters acquired by the parameter acquisition unit 121 and the physical model equation.
- a physical model equation for determining the estimated value of the turbine inlet temperature is exemplified in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-167593.
- the control device 80B further includes an intake air heating control section 87B (87).
- the intake air heating control unit 87B controls the second heating unit 20 so that the estimated value of the turbine inlet temperature acquired by the estimated turbine inlet temperature acquisition unit 123 matches the target turbine inlet temperature, which is the target value of the turbine inlet temperature. do.
- the target turbine inlet temperature is a temperature lower than the allowable upper limit threshold of the turbine inlet temperature by a specified temperature, and the specified temperature is, for example, a temperature of 5 degrees or less, and more preferably a temperature of 1 degree or less.
- the intake air heating control unit 87B of this example performs feedback control of the opening degree of the second flow rate adjustment valve 22 based on the deviation between the target turbine inlet temperature and the estimated value of the turbine inlet temperature.
- control device 80B further includes a first heating control section 88B (88).
- the first heating control unit 88B is configured to feedback-control the first flow rate adjustment valve 12 of the first heating unit 10 based on the estimated value of the turbine inlet temperature acquired by the estimated turbine inlet temperature acquisition unit 123.
- the turbine inlet temperature set as a target in the feedback control may be the above-mentioned target turbine inlet temperature, or may be a temperature lower than the target turbine inlet temperature.
- control device 80B includes a load acquisition unit 82.
- This load acquisition section 82 is the same as the load acquisition section 82 of the control device 80A.
- either the intake air heating control unit 87B or the first heating control unit 88B may selectively execute the control.
- the second heating unit 20 is controlled so that the estimated value of the turbine inlet temperature matches the target turbine inlet temperature that is lower than the allowable upper limit by a prescribed temperature.
- the gas turbine 3 is operated under conditions in which the turbine inlet temperature is equal to or lower than the allowable upper limit value.
- FIG. 12 is a flowchart showing an intake air heating system control process for controlling the intake air heating system 5 according to the second embodiment, and shows an example of a method of operating the intake air heating system 5.
- the control process is executed by the control device 80B, for example.
- the intake air heating unit control process in the second embodiment includes S31, S33, and S19A, respectively, instead of S11, S13, and S19 (see FIG. 11) described in the first embodiment.
- the intake air heating system control process in the second embodiment includes S29A instead of S25 to S29 (see FIG. 11) described in the first embodiment.
- some or all of the descriptions of steps that overlap with those in the first embodiment will be omitted.
- the processor obtains the flow rate of fuel supplied to the combustor 8, the calorific value per unit weight of fuel, the flow rate of the supply air supplied to the combustor 8, and the temperature of the supply air (S31).
- the method for acquiring various parameters is as described above, and the processor that executes S31 corresponds to the parameter acquisition unit 121 described above.
- the processor obtains an estimated value of the turbine inlet temperature based on the parameters obtained in S31 (S33).
- the method for acquiring the estimated value of the turbine inlet temperature is as described above, and the processor that executes S33 corresponds to the estimated turbine inlet temperature acquisition unit 123 described above.
- the processor executes S14, S15, and S17 described above, and controls the first heating unit 10 (S19A).
- S19A the first flow rate adjustment valve 12 of the first heating unit 10 is feedback-controlled based on the estimated value of the turbine inlet temperature acquired by the estimated turbine inlet temperature acquisition section 123.
- the control method is as described above, and the processor that executes S19A corresponds to the first heating control section 88B described above.
- S29A is a control step for controlling the second heating unit 20.
- the second flow rate adjustment valve 22 of the second heating unit 20 is feedback-controlled so that the estimated value of the turbine inlet temperature acquired in S33 matches the target turbine inlet temperature.
- the processor that executes S29A corresponds to the intake air heating control section 87B described above. Thereafter, the processor executes S21 and the like, and ends this control process.
- FIG. 13 is a schematic diagram showing details of the gas turbine 3 according to an embodiment of the present disclosure.
- the gas turbine 3 in the figure is a two-shaft gas turbine. More specifically, the gas turbine 3 includes a compressor 7 , a high-pressure turbine 33 having a first shaft 31 connected to the rotating shaft of the compressor 7 , and a low-pressure turbine 33 having a second shaft 32 different from the first shaft 31 . a turbine 34.
- the high pressure turbine 33 rotates integrally with the compressor 7.
- the low-pressure turbine 34 is configured to be supplied with exhaust gas from the high-pressure turbine 33, and is configured to rotate using this exhaust gas as a power source. Exhaust gas discharged from the low pressure turbine 34 flows into an exhaust duct 39.
- An inlet guide vane is provided at the inlet of the compressor 7, and the intake air amount of the compressor 7 is controlled by adjusting the opening degree of the inlet guide vane.
- the opening degree control of the inlet guide vane of the compressor 7 is performed so that the output of the high-pressure turbine 33 and the power of the compressor 7 are kept in balance. Therefore, when the turbine inlet temperature decreases due to a decrease in the amount of fuel supplied to the combustor 8 of the gas turbine 3, for example, control is executed to reduce the opening degree of the inlet guide vane so that the turbine inlet temperature increases. That is difficult.
- the second heating unit 20 heats the external air using a heat source different from the compressed air in the high load section, thereby increasing the turbine inlet temperature. Since the compressed air discharged from the compressor 7 is suppressed from being used as a heat source, it is also possible to suppress a decrease in the flow rate of combustion gas flowing into the turbine 30. As described above, the operating efficiency of the two-shaft gas turbine can be improved.
- the intake air heating system (5) includes: An inlet air heating system (5) configured to heat external air delivered to a compressor (7) of a gas turbine (3), comprising: an intake air heating unit (second heating unit 20) configured to heat the external air using a heat source different from the compressed air discharged from the compressor (7); Control configured to control the intake air heating unit (second heating unit 20) based on a correlation parameter having a correlation with the turbine inlet temperature of the gas turbine (3) or an estimated value of the turbine inlet temperature a device (80); Equipped with.
- the control device (80) controls the intake air heating system (5) based on a correlation parameter having a correlation with the turbine inlet temperature or an estimated value of the turbine inlet temperature. Therefore, under the condition that the turbine inlet temperature is below the allowable upper limit value, the intake air heating system (5) can set the turbine inlet temperature as high as possible, and the operating efficiency of the gas turbine (3) is improved.
- the intake air heating unit (second heating unit 20) heats the external air using a heat source different from that of the compressed air, the entire heating heat source of the external air is generated by the compressed air discharged from the compressor (7).
- the flow rate of the combustion gas flowing into the turbine (30) can be suppressed from decreasing, and the operating efficiency of the gas turbine (3) is improved.
- an intake air heating system (5) that improves the operating efficiency of the gas turbine (3) is realized.
- the correlation parameter includes a first parameter that has a correlation with an exhaust temperature on the turbine outlet side of the gas turbine (3) and a turbine expansion ratio of the gas turbine (3)
- the control device (80) includes: Obtaining a reference line for obtaining a reference line (Ls) indicating the relationship between the exhaust gas temperature and the first parameter, the reference line (Ls) being set corresponding to the target value of the turbine inlet temperature.
- the intake air heating unit (second heating unit 20) is controlled so that the actual exhaust gas temperature matches the reference line (Ls) set corresponding to the target value of the turbine inlet temperature.
- the gas turbine (3) is operated under the condition that the turbine inlet temperature is equal to or lower than the allowable upper limit value.
- the intake air heating control section (87) a target temperature acquisition unit (181) for acquiring a target exhaust temperature set based on the reference line (Ls) and the actual first parameter; a feedback control section (182) configured to feedback-control the intake air heating unit (second heating unit 20) based on the deviation between the actual exhaust temperature and the target exhaust temperature; has.
- the feedback control section (182) includes a gain coefficient setting section (281) configured to reduce the gain coefficient of feedback control as the deviation becomes smaller.
- the gain coefficient setting unit (281) is configured to set the gain coefficient to 0 when the deviation falls within a specified range including 0.
- the intake air heating system (5) according to any one of 3) to 5) above, a first heating unit (10) including a return flow path (15) for returning a portion of the compressed air discharged from the compressor (7) to an intake flow path (9) communicating with the compressed air;
- the gas turbine (3) is configured to heat the external air using the compressed air flowing through the return flow path (15) as a heat source in a load section where the load of the gas turbine (3) is lower than the first specified load (G1).
- the feedback control unit (182) performs feedback control of the intake air heating unit (second heating unit 20) in a high load section where the gas turbine (3) load is equal to or higher than the first specified load (G1). configured.
- the control device (80) includes: A temperature control line (Lu) showing the relationship between the exhaust gas temperature and the first parameter, which is used to control the amount of fuel supplied to the gas turbine (3), and is a temperature control line (Lu) of the turbine inlet temperature, which is used when controlling the amount of fuel supplied to the gas turbine (3). further including a temperature control line acquisition unit (89) for obtaining a temperature control line (Lu) set corresponding to the allowable upper limit value; The exhaust gas temperature at the reference line (Ls) is lower than the exhaust gas temperature at the temperature control line (Lu) used to control the amount of fuel supplied to the gas turbine (3).
- the exhaust temperature at the reference line (Ls) is lower than the exhaust temperature at the temperature control line (Lu), so that when the heating control of the intake air heating unit (second heating unit 20) is executed. In this case, it is possible to more reliably prevent the turbine inlet temperature from exceeding the allowable upper limit.
- the intake air heating system (5) according to any one of 2) to 7) above,
- the first parameter is the pressure ratio of the compressor (7).
- the compression ratio of the compressor (7) is determined based on the measured value of the pressure sensor, and therefore can be regarded as a parameter that accurately reflects the state of the gas turbine (3). Since this compression ratio is used as the first parameter that correlates with the turbine expansion ratio, it is possible to improve the operating efficiency of the gas turbine (3) while more reliably preventing the turbine inlet temperature from exceeding the allowable upper limit.
- the control device (80) includes: The flow rate of the fuel supplied to the combustor (8) of the gas turbine (3), the calorific value per unit weight of the fuel, the flow rate of the supply air supplied to the combustor (8), the flow rate of the supply air a parameter acquisition unit (121) for acquiring temperature; Using a physical model equation regarding the thermal energy balance of the combustor (8) of the gas turbine (3), the obtained flow rate of the fuel, the obtained calorific value of the fuel, and the obtained flow rate of the supply air are determined.
- an estimated turbine inlet temperature acquisition unit (123) for acquiring the estimated value of the turbine inlet temperature based on the acquired temperature of the supply air; intake air heating control for controlling the intake air heating unit (second heating unit 20) so that the acquired estimated value matches a target turbine inlet temperature that is lower by a prescribed temperature than the allowable upper limit value of the turbine inlet temperature; Department (87) and including.
- the intake air heating unit (second heating unit 20) is controlled so that the estimated value of the turbine inlet temperature matches the target turbine inlet temperature that is lower than the allowable upper limit by a specified temperature. .
- the gas turbine (3) is operated under the condition that the turbine inlet temperature is equal to or lower than the allowable upper limit value.
- the intake air heating unit is An intake flow path that communicates with the compressor (7) a heating medium generated by heating boiler feed water by the exhaust heat recovery boiler (19) to which combustion gas from the gas turbine (3) is supplied. (9).
- the heating medium generated in the exhaust heat recovery boiler (19) is adopted as a heat source different from the compressor (7) air, so that the heating medium generated in the gas turbine system (1) is Heat can be used without waste, and the operating efficiency of the gas turbine system (1) can be improved.
- the intake air heating unit (second heating unit 20) is A piping portion (25) disposed inside the intake flow path (9), the piping portion (25) configured to be supplied with the heating medium from the heating medium flow path (29). include.
- the intake air heating unit (second heating unit 20) heats the external air by heat exchange between the heating medium flowing through the piping section (25) and the external air flowing through the intake flow path (9). can.
- the intake air heating system (5) described in 10) or 12) above is Further including a flow rate adjustment valve (second flow rate adjustment valve 22) provided in the heating medium flow path (29),
- the control device (80) is configured to control the flow rate adjustment valve (second flow rate adjustment valve 22).
- the control device (80) controls the intake air heating unit (second heating The opening degree of the flow rate adjustment valve (second flow rate adjustment valve 22) of the unit 20) is controlled. Thereby, the intake air heating unit (second heating unit 20) can control the amount of heating of external air.
- the intake air heating system (5) according to any one of 10) to 12) above,
- the heating medium flow path (29) is configured to guide hot water generated in the exhaust heat recovery boiler (19) to the intake air flow path (9) as the heating medium.
- the operating efficiency of the gas turbine system (1) can be improved by employing hot water, which has a higher tendency to waste heat than steam generated by heating boiler feed water, as the heating medium.
- a method of operating an intake air heating system (5) includes: A method of operating an inlet air heating system (5) configured to heat external air delivered to a compressor (7) of a gas turbine (3), comprising: The intake air heating system (5) includes an intake air heating unit (second heating unit 20) configured to heat the external air using a heat source different from the compressed air discharged from the compressor (7). including; A control step (S29, S29A) of controlling the intake air heating unit (second heating unit 20) based on a correlation parameter having a correlation with the turbine inlet temperature of the gas turbine (3) or an estimated value of the turbine inlet temperature. ).
- a gas turbine system (1) includes: The intake air heating system (5) according to any one of 1) to 13) above, the gas turbine (3); Equipped with.
- the gas turbine (3) includes: the compressor (7); a high-pressure turbine (33) having a first shaft (31) connected to the rotating shaft of the compressor (7); a low pressure turbine (34) having a second shaft (32) different from the first shaft (31) and configured to be supplied with combustion gas from the high pressure turbine (33); It is a two-shaft gas turbine that includes a
- the opening degree control of the inlet guide vane of the compressor (7) is performed in order to maintain a balance between the output of the high-pressure turbine (33) and the power of the compressor (7). Therefore, when the turbine inlet temperature decreases due to a decrease in the amount of fuel supplied to the combustor (8) of the gas turbine (3), for example, the opening degree of the inlet guide vane is narrowed so that the turbine inlet temperature increases. It is difficult to exercise control.
- the turbine inlet temperature can be increased by heating the external air using a heat source different from compressed air.
- the compressed air discharged from the compressor (7) is suppressed from being used as a heat source, it is also possible to suppress a decrease in the flow rate of combustion gas flowing into the turbine. As described above, the operating efficiency of the two-shaft gas turbine can be improved.
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Abstract
吸気加熱システムは、ガスタービンの圧縮機に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システムであって、圧縮機から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニットと、ガスタービンのタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、タービン入口温度の推定値に基づいて、吸気加熱ユニットを制御するように構成される制御装置とを備える。
Description
本開示は、吸気加熱システム、吸気加熱システムの運転方法、および、ガスタービンシステムに関する。
本願は、2022年8月10日に日本国特許庁に出願された特願2022-127623号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2022年8月10日に日本国特許庁に出願された特願2022-127623号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、ガスタービンの圧縮機に供給される外部空気を加熱する吸気加熱システムが知られている。例えば特許文献1に開示されるガスタービンの加熱ユニットは、圧縮空気を熱源として外部空気を加熱するように構成される。加熱ユニットは、圧縮機から排出される圧縮空気の一部を吸気ダクトに返送するための返送ラインを含む。返送ラインを流れる圧縮空気が吸気ダクトを流れる外部空気と混ざることで外部空気は加熱される。
ガスタービン入口温度が高いほどガスタービンの運転効率は向上する一方で、ガスタービンの破損を回避するためには、このタービン入口温度がガスタービンの仕様で定められる許容上限値以下になるよう制御を実行する必要がある。しかしながら、このような制約のもとでガスタービンの運転効率を向上させるための具体的構成は、特許文献1には開示されていない。
本開示の目的は、ガスタービンの運転効率を向上した吸気加熱システム、吸気加熱システムの運転方法、および、ガスタービンシステムを提供することである。
本開示の少なくとも一実施形態に係る吸気加熱システムは、
ガスタービンの圧縮機に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システムであって、
前記圧縮機から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニットと、
前記ガスタービンのタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニットを制御するように構成される制御装置と、
を備える。
ガスタービンの圧縮機に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システムであって、
前記圧縮機から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニットと、
前記ガスタービンのタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニットを制御するように構成される制御装置と、
を備える。
本開示の少なくとも一実施形態に係る吸気加熱システムの運転方法は、
ガスタービンの圧縮機に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システムの運転方法であって、
前記吸気加熱システムは、前記圧縮機から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニットを含み、
前記ガスタービンのタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニットを制御する制御ステップを備える。
ガスタービンの圧縮機に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システムの運転方法であって、
前記吸気加熱システムは、前記圧縮機から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニットを含み、
前記ガスタービンのタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニットを制御する制御ステップを備える。
本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービンシステムは、
前記吸気加熱システムと、
前記ガスタービンと、
を備える。
前記吸気加熱システムと、
前記ガスタービンと、
を備える。
本開示によれば、ガスタービンの運転効率を向上した吸気加熱システム、吸気加熱システムの運転方法、および、ガスタービンシステムを提供できる。
以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。
<ガスタービンシステム1の概要>
図1は、本開示の一実施形態に係るガスタービンシステム1の概略図である。ガスタービンシステム1を構成するガスタービン3は、圧縮機7と、圧縮機7によって生成された圧縮空気と燃料との混合燃料を発生させる燃焼器8と、燃焼器8から排出される燃焼ガスによって駆動するタービン30とを備える。圧縮機7は起動装置4によって回転を開始するように構成される。燃焼器8に供給される燃料は、一例としてガス燃料であるが、液体燃料であってもよい。本例のタービン30は、燃焼器8から排出される燃焼ガスを動力源として、発電機6を駆動するように構成されている。タービン30から排出される排ガスは排気ダクト39を流れる。
図1は、本開示の一実施形態に係るガスタービンシステム1の概略図である。ガスタービンシステム1を構成するガスタービン3は、圧縮機7と、圧縮機7によって生成された圧縮空気と燃料との混合燃料を発生させる燃焼器8と、燃焼器8から排出される燃焼ガスによって駆動するタービン30とを備える。圧縮機7は起動装置4によって回転を開始するように構成される。燃焼器8に供給される燃料は、一例としてガス燃料であるが、液体燃料であってもよい。本例のタービン30は、燃焼器8から排出される燃焼ガスを動力源として、発電機6を駆動するように構成されている。タービン30から排出される排ガスは排気ダクト39を流れる。
圧縮機7は吸気流路9と連通している。吸気流路9を流れる外部空気が圧縮機7に送られて、圧縮空気は生成される。本開示のガスタービンシステム1は、吸気流路9を流れる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システム5を備え、吸気加熱システム5は第1加熱ユニット10と第2加熱ユニット20を含む。第1加熱ユニット10は圧縮機7から排出される圧縮空気を熱源にして外部空気を加熱するように構成される。より具体的には第1加熱ユニット10は、圧縮機7から排出される圧縮空気の一部を吸気流路9に返送するための返送流路15と、返送流路15に設けられる第1流量調整バルブ12とを含む。返送流路15から吸気流路9に返送される圧縮空気が外部空気と混ざることにより、外部空気は加熱される。第1流量調整バルブ12の開度調整を通じて返送流路15を流れる圧縮空気の流量が制御されることで、第1加熱ユニット10の加熱量は制御される。
同図で例示される吸気流路9は、吸入室90、及び、吸入室90と圧縮機7に連通する吸気ダクト95を含んでおり、返送流路15は、吸入室90に収容された吐出管99に連通している。返送流路15から吐出管99に流入する圧縮空気は、吐出管99に設けられたノズルから吸入室90内に噴射される。本例の吐出管99は、吸入室90に収容される吸気フィルタ94と、吸入室90の出口93との間に配置されている。
第2加熱ユニット20は、圧縮機7とは異なる熱源を利用して外部空気を加熱するように構成されるヒータ24を含む。ヒータ24の熱源は、タービン30から排出される排ガスから回収された熱であってもよいし(詳細は後述)、電力の供給によって発熱する発熱体から得られた熱であってもよい。図1で例示されるヒータ24は、吸入室90に収容されており、より具体的には、吸気フィルタ94と吸入室90の入口92との間に配置されている。なお、ヒータ24は吸気フィルタ94と出口93との間に配置されていてもよい。
第2加熱ユニット20(吸気加熱ユニット)の加熱制御は、吸気加熱システム5の構成要素である制御装置80によって実行される。本開示では、ガスタービン3のタービン入口温度と相関する相関パラメータ、又は、タービン入口温度の推定値に基づいて、制御装置80は第2加熱ユニット20を制御する。より詳細には、タービン入口温度がガスタービン3の仕様によって定められる許容上限値以下になるよう、制御装置80は上記の相関パラメータ又は上記の推定値に基づいて、第2加熱ユニット20を制御する。第2加熱ユニット20の加熱量が増大すれば、圧縮機7に送られる外部空気の温度は上がる。従って、圧縮機7の吸気温度は上がる。他方で、第2加熱ユニット20の加熱量が減少すれば、圧縮機7の吸気温度は下がる。相関パラメータに基づいた第2加熱ユニット20の制御は、第1実施形態に係る制御装置80A(80)が実行し、推定値に基づいた第2加熱ユニット20の制御は第2の実施形態に係る制御装置80B(80)が実行する。制御装置80A、80B(80)の詳細は後述する。制御装置80A,80Bの詳細は後述する。なお、タービン入口温度の許容上限閾値は、運転中のガスタービン3が耐熱性を発揮することが保証されるタービン入口温度の上限値である。タービン入口温度が許容上限閾値を超えると、ガスタービン3の破損が生じ得る。
ガスタービン3の破損を回避するためには、タービン入口温度がガスタービン3の仕様で定められる許容上限値以下になるよう制御を実行する必要があるが、タービン入口温度は直接的に計測し続けることが困難なパラメータである。この点、上記構成によれば、タービン入口温度と相関を有する相関パラメータ又はタービン入口温度の推定値に基づいて制御装置80が吸気加熱システム5を制御する。従って、タービン入口温度が許容上限値以下になる条件のもと、吸気加熱システム5はタービン入口温度を可能な限り高く設定でき、ガスタービン3の運転効率は向上する。さらに、圧縮空気とは異なる熱源を利用して第2加熱ユニット20が外部空気を加熱するので、外部空気の加熱熱源の全てを圧縮機7から排出される圧縮空気で賄う場合に比べ、タービン30に流入する燃焼ガスの流量が低下するのを抑制でき、ガスタービン3の運転効率は向上する。以上より、ガスタービン3の運転効率を向上した吸気加熱システム5が実現される。
なお、吸気加熱システム5は第1加熱ユニット10を備えなくてもよい。この場合であっても、制御装置80が相関パラメータ又は推定値に基づいて第2加熱ユニット20を制御することで、上記利点は得られる。
なお、吸気加熱システム5は第1加熱ユニット10を備えなくてもよい。この場合であっても、制御装置80が相関パラメータ又は推定値に基づいて第2加熱ユニット20を制御することで、上記利点は得られる。
<第2加熱ユニット20の加熱動作区間>
図2は、一実施形態に係る第2加熱ユニット20の加熱動作の区間を示す概略的なグラフである。グラフの横軸はガスタービン負荷を示す(図3も同様である)。同図で例示されるように、第2加熱ユニット20は、ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)以上となる高負荷区間において、加熱動作を実行する。より詳細には、ガスタービン負荷が高負荷区間であると判定された場合において、制御装置80が、加熱動作を実行するための制御信号を第2加熱ユニット20に送る。第1規定負荷(符号G1)はガスタービンシステム1の定格負荷よりも低い負荷であり、例えば定格負荷に対して30%以上かつ60%未満の任意のガスタービン負荷である。
図2は、一実施形態に係る第2加熱ユニット20の加熱動作の区間を示す概略的なグラフである。グラフの横軸はガスタービン負荷を示す(図3も同様である)。同図で例示されるように、第2加熱ユニット20は、ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)以上となる高負荷区間において、加熱動作を実行する。より詳細には、ガスタービン負荷が高負荷区間であると判定された場合において、制御装置80が、加熱動作を実行するための制御信号を第2加熱ユニット20に送る。第1規定負荷(符号G1)はガスタービンシステム1の定格負荷よりも低い負荷であり、例えば定格負荷に対して30%以上かつ60%未満の任意のガスタービン負荷である。
既述の相関パラメータまたは既述の推定値に基づいた第2加熱ユニット20の制御は、高負荷区間の少なくとも一部において実行されればよい。同図の例では、当該制御の実行区間が高負荷区間の一部に限定される。より詳細には、ガスタービン負荷が、第1規定負荷(符号G1)よりも大きな高規定負荷(符号G3)以上、かつ、高負荷区間における最大のガスタービン負荷である上限規定負荷(符号U)以下である区間において、相関パラメータまたは推定値に基づいた第2加熱ユニット20の制御(フィードバック制御)が実行される。他方で、ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)以上かつ高規定負荷未満である区間において、第2加熱ユニット20の加熱量は、相関パラメータまたは推定値に関わらず一定に維持される制御が実行される(つまり、第2加熱ユニット20のフィードバック制御は実行されない)。同グラフの「FB」はフィードバック制御の実行区間を示し、「NOT FB」はフィードバック制御が実行されない区間を示す。第1加熱ユニット10のフィードバック制御はP制御、PI制御、またはPID制御のいずれであってもよいが、本例ではPI制御が採用される。第2加熱ユニット20のフィードバック制御の詳細は後述する。
なお、本開示の一実施形態に係るガスタービンシステム1の運転は、常に部分負荷運転である。即ち、高負荷区間における上限規定負荷(符号U)はガスタービンシステム1の定格負荷よりも低く、また、上限規定負荷よりも高い負荷区間での運転は実行されない。上限規定負荷は、例えば定格負荷の95%以上かつ100%未満のガスタービン負荷である。なお他の実施形態に係る第2加熱ユニット20の制御は、ガスタービン負荷が高負荷区間よりも低い区間においても実行されてよい。当該区間における第2加熱ユニット20の加熱量は、相関パラメータまたは推定値に関わらず一定に維持されてもよい。
<第1加熱ユニット10の加熱動作区間>
図3は、一実施形態に係る第1加熱ユニット10の加熱動作の区間を示す概略的なグラフである。第1加熱ユニット10は、高負荷区間よりも低い負荷区間(即ち、ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)よりも低い負荷区間)において、返送流路15(図1参照)を流れる圧縮空気を熱源にして外部空気を加熱するように構成される。同グラフで示される第1加熱ユニット10の作動区間での加熱量は、一定であるとは限らない。例えば、排ガスの温度に応じて、第1加熱ユニット10の加熱量はフィードバック制御されてもよいし、ガスタービン負荷に関わらず低負荷区間の加熱量は一定であってもよい。第1加熱ユニット10のフィードバック制御では、第1流量調整バルブ12の開度が制御される。なお、他の実施形態に係る第1加熱ユニット10の加熱動作区間は、第2加熱ユニット20の加熱動作区間と重なってもよい。この場合、第1加熱ユニット10のフィードバック制御区間と、第2加熱ユニット20のフィードバック制御区間は重ならないことが好ましい。例えば、第1加熱ユニット10のフィードバック制御が実行されている間、第2加熱ユニット20の加熱量は一定に維持される制御が実行される。これにより、制御装置80による制御を簡易にすることができる。第1加熱ユニット10のフィードバック制御はP制御、PI制御、またはPID制御のいずれであってもよいが、本例ではPI制御が採用される。
図3は、一実施形態に係る第1加熱ユニット10の加熱動作の区間を示す概略的なグラフである。第1加熱ユニット10は、高負荷区間よりも低い負荷区間(即ち、ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)よりも低い負荷区間)において、返送流路15(図1参照)を流れる圧縮空気を熱源にして外部空気を加熱するように構成される。同グラフで示される第1加熱ユニット10の作動区間での加熱量は、一定であるとは限らない。例えば、排ガスの温度に応じて、第1加熱ユニット10の加熱量はフィードバック制御されてもよいし、ガスタービン負荷に関わらず低負荷区間の加熱量は一定であってもよい。第1加熱ユニット10のフィードバック制御では、第1流量調整バルブ12の開度が制御される。なお、他の実施形態に係る第1加熱ユニット10の加熱動作区間は、第2加熱ユニット20の加熱動作区間と重なってもよい。この場合、第1加熱ユニット10のフィードバック制御区間と、第2加熱ユニット20のフィードバック制御区間は重ならないことが好ましい。例えば、第1加熱ユニット10のフィードバック制御が実行されている間、第2加熱ユニット20の加熱量は一定に維持される制御が実行される。これにより、制御装置80による制御を簡易にすることができる。第1加熱ユニット10のフィードバック制御はP制御、PI制御、またはPID制御のいずれであってもよいが、本例ではPI制御が採用される。
<第2加熱ユニット20の詳細>
図4は、本開示の一実施形態に係る第2加熱ユニット20を示す概略図である。同図で例示される第2加熱ユニット20の熱源は、タービン30(図1参照)から排出される排ガスである。排ガスの有する熱源は、ガスタービンシステム1の構成要素である排熱回収ボイラ19によって回収されて、第2加熱ユニット20の熱源として利用される。排熱回収ボイラ19は、排気ダクト39から供給される排ガスを熱源として、ボイラ給水から加熱媒体を生成するように構成される。加熱媒体は、温水または蒸気(過熱蒸気)である。例えば、排熱回収ボイラ19に流入して比較的間もない高温の排ガスがボイラ給水を加熱することで過熱蒸気が生成される。この過熱蒸気は、例えば蒸気タービンといったガスタービンシステム1を構成する他の機器に供給されてもよい。他方で、排熱回収ボイラ19において出口近傍を流れる低温の排ガスがボイラ給水を加熱することで、温水が生成される(この温水が排熱回収ボイラ19内をさらに流れて、高温の排ガスとの熱交換により過熱蒸気に変化してもよい。)。
図4は、本開示の一実施形態に係る第2加熱ユニット20を示す概略図である。同図で例示される第2加熱ユニット20の熱源は、タービン30(図1参照)から排出される排ガスである。排ガスの有する熱源は、ガスタービンシステム1の構成要素である排熱回収ボイラ19によって回収されて、第2加熱ユニット20の熱源として利用される。排熱回収ボイラ19は、排気ダクト39から供給される排ガスを熱源として、ボイラ給水から加熱媒体を生成するように構成される。加熱媒体は、温水または蒸気(過熱蒸気)である。例えば、排熱回収ボイラ19に流入して比較的間もない高温の排ガスがボイラ給水を加熱することで過熱蒸気が生成される。この過熱蒸気は、例えば蒸気タービンといったガスタービンシステム1を構成する他の機器に供給されてもよい。他方で、排熱回収ボイラ19において出口近傍を流れる低温の排ガスがボイラ給水を加熱することで、温水が生成される(この温水が排熱回収ボイラ19内をさらに流れて、高温の排ガスとの熱交換により過熱蒸気に変化してもよい。)。
第2加熱ユニット20の説明を続ける。一実施形態に係る第2加熱ユニット20は、排熱回収ボイラ19によって生成された加熱媒体を吸気流路9の吸入室90に導くための加熱媒体流路29と、加熱媒体流路29に設けられた第2流量調整バルブ22と、吸気流路9内に配置されたヒータ24である配管部25とを備える。既述の通り、第2加熱ユニット20は制御装置80によって制御される。本例では、制御装置80から第2流量調整バルブ22に送られる制御信号に応じて第2流量調整バルブ22が開放されると、加熱媒体が排熱回収ボイラ19から加熱媒体流路29を経由して配管部25に供給される。また、第2流量調整バルブ22の開度が制御されることで、配管部25を流れる加熱媒体の流量が制御される。これにより、第2加熱ユニット20による外部空気に対しての加熱量は制御される。なお、図4で例示される加熱媒体流路29を流れる加熱媒体は温水であり、温水は、排熱回収ボイラ19に流入する前のボイラ給水よりも高い温度を有する。
図2を用いて既述した通り、第2加熱ユニット20のフィードバック制御は一例として、ガスタービン負荷が高規定負荷(符号G3)以上かつ上限規定負荷(符号U)の負荷区間において実行される。第2加熱ユニット20の熱源として加熱媒体流路29を流れる加熱媒体が利用される実施形態においては、第2流量調整バルブ22の開度がフィードバック制御される。他方で、ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)以上かつ高規定負荷(符号G3)未満の負荷区間において、フィードバック制御は実行されず、第2流量調整バルブ22の開度は一定に維持される。
第2加熱ユニット20が加熱媒体流路29を含む構成によれば、圧縮空気とは異なる熱源として排熱回収ボイラ19で生成される加熱媒体が採用されることで、ガスタービンシステム1において生成される熱を無駄なく利用でき、ガスタービンシステム1の運転効率を向上できる。
第2加熱ユニット20が配管部25を含む構成によれば、配管部25を流れる加熱媒体と吸気流路9を流れる外部空気との熱交換によって、第2加熱ユニット20は外部空気を加熱できる。
制御装置80が第2流量調整バルブ22を制御する構成によれば、制御装置80がガスタービン3のタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ(又はタービン入口温度の推定値)に基づいて、第2加熱ユニット20の第2流量調整バルブ22の開度を制御する。これにより、第2加熱ユニット20は、外部空気に対する加熱量を制御することができる。
加熱媒体流路29が温水を加熱媒体として吸気流路9に導く構成によれば、ボイラ給水の加熱によって生じる蒸気よりも排熱される傾向の高い温水が加熱媒体として採用されることで、ガスタービンシステム1の運転効率を向上できる。
第2加熱ユニット20が配管部25を含む構成によれば、配管部25を流れる加熱媒体と吸気流路9を流れる外部空気との熱交換によって、第2加熱ユニット20は外部空気を加熱できる。
制御装置80が第2流量調整バルブ22を制御する構成によれば、制御装置80がガスタービン3のタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ(又はタービン入口温度の推定値)に基づいて、第2加熱ユニット20の第2流量調整バルブ22の開度を制御する。これにより、第2加熱ユニット20は、外部空気に対する加熱量を制御することができる。
加熱媒体流路29が温水を加熱媒体として吸気流路9に導く構成によれば、ボイラ給水の加熱によって生じる蒸気よりも排熱される傾向の高い温水が加熱媒体として採用されることで、ガスタービンシステム1の運転効率を向上できる。
<第1実施形態に係る制御装置80A(80)>
図5、図6を参照し、第1実施形態に係る制御装置80A(80)を説明する。制御装置80Aは、第1加熱ユニット10と第2加熱ユニット20をそれぞれ制御する。制御装置80Aによる第2加熱ユニット20の制御には、タービン入口温度と相関を有する相関パラメータに基づいたフィードバック制御が含まれる。フィードバック制御は、図2で示される高負荷区間(より詳細には第1規定負荷(符号G1)以上かつ上限規定負荷以下の負荷区間)において実行される。相関パラメータは一例として、ガスタービン3のタービン出口側における排気温度(以下、単に排気温度という場合がある)と、ガスタービン3のタービン膨張比と相関を有する第1パラメータとを含む。
図5、図6を参照し、第1実施形態に係る制御装置80A(80)を説明する。制御装置80Aは、第1加熱ユニット10と第2加熱ユニット20をそれぞれ制御する。制御装置80Aによる第2加熱ユニット20の制御には、タービン入口温度と相関を有する相関パラメータに基づいたフィードバック制御が含まれる。フィードバック制御は、図2で示される高負荷区間(より詳細には第1規定負荷(符号G1)以上かつ上限規定負荷以下の負荷区間)において実行される。相関パラメータは一例として、ガスタービン3のタービン出口側における排気温度(以下、単に排気温度という場合がある)と、ガスタービン3のタービン膨張比と相関を有する第1パラメータとを含む。
図5を参照して第1実施形態に係る制御の概要を説明する。図5は、本開示の一実施形態に係る第1パラメータと排気温度との関係を示すグラフである。第1実施形態に係る第2加熱ユニット20の加熱制御では、排気温度と第1パラメータとの関係性を示す1本の運転線(図5の実線Ls)が参照される。運転線は一般にタービン入口温度に対応して設定可能であり、実線Lsで示される運転線は、タービン入口温度の目標値に対応して設定されている(以下、実線Lsの運転線を基準線Lsともいう)。換言すると、タービン入口温度の目標値が実現されるための排気温度と第1パラメータとの関係性を基準線Lsが示すと了解される。そして第1実施形態では、タービン入口温度が許容上限値以下となる条件下で第2加熱ユニット20の制御を実行するために、基準線Lsが少なくとも参照される(許容上限閾値は上述の目標値よりも高いタービン入口温度である。)。
基準線Lsの参照によってタービン入口温度を許容上限閾値以下にする制御が可能となる原理は、以下の通りである。計測を通じて得られる第1パラメータと排気温度(以下、実第1パラメータと実排気温度という)は、図5のグラフ上で運転点として描画可能であり、この運転点はガスタービン3の実際の運転状態を示す。運転点が基準線Lsよりも下側にあれば、当該運転状態におけるガスタービン3の入口温度は目標値よりも低いと判定できる。反対に、運転点が上側にあれば入口温度が目標値よりも高いと判定できる。従って、基準線Lsを参照しながら第2加熱ユニット20の加熱量を制御すれば、圧縮機7の吸気温度を、タービン入口温度が許容上限閾値を超えるのを回避するための温度にできる。第1実施形態では、一例として、計測により求まる運転点が基準線Ls上に位置するよう第2加熱ユニット20の制御が実行される。これにより、タービン入口温度は目標値と実質的に一致することができる。
図5で例示される運転線は、基準線Lsの他に、目標値より低い所定のタービン入口温度に対応して設定された運転線(実線Ld)、および、タービン入口温度の許容上限閾値に対応して設定された運転線(実線Lu)を含む。実線Ldで示す運転線(以下、低運転線Ldともいう)と、実線Luで示す運転線(以下、温調線Luともいう)が、第2加熱ユニット20の制御において参照されることは必須ではない。しかしながら、例えば温調線Luが参照されることにより、以下に示す追加的な利点が得られる。そもそも、タービン入口温度を決めるパラメータは、第2加熱ユニット20の加熱量の他にもある。例えば、燃焼器8に供給される燃料の供給量、および、燃焼器8に供給される空気の温度などが当該パラメータに含まれる。従って、第2加熱ユニット20の加熱量を制御しても、温調線Luまで運転点がシフトすることはあり得る。この点、第2加熱ユニット20の制御において温調線Luが参照されれば、運転点が温調線Lu上に位置する(あるいは運転点が温調線Lu上に位置することが見込まれる)場合には、例えば燃焼器8への燃料の供給量を制御し、運転点が温調線Luよりも上側にシフトすることが回避される。つまり、タービン入口温度が許容上限閾値を超えるのをより確実に回避できる。
なお、タービン入口温度の目標値が高い程、圧縮機7から燃焼器8に流入する圧縮空気の温度が上がるので、ガスタービン3の効率は向上する。従って、図5で示される基準線Lsと温調線Luとの縦軸方向の距離は小さい方が好ましい。本開示では一例として、タービン入口温度の目標値と許容上限閾値との差異は、5度以下であり、より好ましくは1度以下である。
図6を参照し、第1実施形態に係る制御装置80A(80)の構成を詳説する。図6は制御装置80Aの構成を示す概略図である。制御装置80Aは、基準線取得部81、排気温度取得部83、第1パラメータ取得部85、及び、吸気加熱制御部87A(87)を含む。基準線取得部81は、基準線Ls(より詳細には基準線Lsを示すデータ)を取得するように構成される。基準線Lsを示すデータは、どのようなデータであってもよいが、一例として関数式またはデータテーブルである。
排気温度取得部83は、ガスタービン3の運転中における排気温度の計測値である実排気温度を、排気温度センサ102の計測結果に基づき取得するように構成される。排気温度センサ102は、排気温度を計測するように構成されており、一例として排気ダクト39(図1参照)を流れる排ガスの温度を計測する。第1パラメータ取得部85は、ガスタービン3の運転中における第1パラメータの計測値である実第1パラメータを、第1センサ101の計測結果に基づき取得するように構成される。第1センサ101は、第1パラメータを計測するように構成された少なくとも1つのセンサである。
吸気加熱制御部87Aは、実排気温度と実第1パラメータとから決定される運転点が、基準線Lsと一致するように第2加熱ユニット20を制御するように構成される。例えば図5で示されるように、運転点が点P2のように基準線Lsよりも上側にある場合には、実排気温度は、基準線Lsにおいて実第1パラメータと対応付けられた排気温度を上回る。この場合、吸気加熱制御部87Aは、第2加熱ユニット20の加熱量を低減するフィードバック制御を実行する。より詳細な一例として、基準線Lsにおける排気温度と実排気温度との偏差に基づいて第2流量調整バルブ22の開度を低減する。これにより、圧縮機7の吸気温度が下がり、実排気温度が下がる。結果、点P2にある運転点は基準線Ls側にシフトする。運転点が例えば点P3のように基準線Lsよりも下側にある場合には、上記とは逆の制御が実行される。
上記構成によれば、タービン入口温度の目標値に対応して設定された基準線Lsに実排気温度が一致するよう第2加熱ユニット20が制御される。これにより、タービン入口温度が許容上限値以下となる条件のもとで、ガスタービン3は運転される。そして、基準線Lsによって示される排気温度が高くなるほど、ガスタービン3の運転効率を高めることができる。よって、ガスタービン3の運転効率を向上した吸気加熱システム5が実現される。
本開示の必須の構成要素ではないが、図6で例示される制御装置80Aは、温調線Lu(より詳細には温調線Luを示すデータ)を取得するための温調線取得部89をさらに含む。温調線Luを示すデータは、どのようなデータであってもよいが、一例として関数式またはデータテーブルである。取得される温調線Luは、ガスタービン3の供給される燃料量を制御する際に用いられる。より具体的には、計測を通じて特定される運転点が点P2(図5参照)のように温調線Lu上に位置する(あるいは位置することが見込まれる)のであれば、供給される燃料の量は低減される。当該制御は、制御装置80Aによって実行されてもよいし、制御装置80Aとは異なるコントローラよって実行されてもよい。
本開示の一実施形態に係る基準線Lsにおける排気温度は、ガスタービン3の燃焼器8に供給される燃料量の制御に用いられる温調線Luにおける排気温度よりも低い。上記構成によれば、基準線Lsにおける排気温度が、温調線Luにおける排気温度よりも低いことで、第2加熱ユニット20の加熱制御の実行時において、タービン入口温度が許容上限値を超えるのをより確実に抑制できる。また、基準線Lsにおける排気温度が、温調線Luにおける排気温度に近いほど、燃焼器8に流入する圧縮空気の温度を上げることができるので、ガスタービン3の運転効率を向上できる。
本開示の一実施形態に係る第1パラメータは、圧縮機7の圧力比である。第1センサ101は、圧縮機7の入口側圧力を計測する入口圧力センサと、圧縮機7の出口側圧力を計測する出口圧力センサとを含む。入口圧力センサは、吸気流路9の吸気ダクト95(図1参照)に設けられ、出口圧力センサは、圧縮機7と燃焼器8との間に設けられる。圧縮機7の圧力比が大きい程、タービン膨張比は大きくなるため、圧力比はタービン膨張比と相関を有する。上記構成によれば、圧縮機7の圧力比は、圧力センサの計測値に基づき定まるため、ガスタービン3の状態を正確に反映したパラメータとみなせる。この圧力比がタービン膨張比と相関する第1パラメータとして利用されるので、タービン入口温度が許容上限値を超えるのをより確実に回避しつつ、ガスタービン3の運転効率を向上できる。
図7を参照し、吸気加熱制御部87Aの構成を詳説する。吸気加熱制御部87Aは、目標温度取得部181、および、フィードバック制御部182を有する。目標温度取得部181は、基準線Lsと実第1パラメータとに基づいて設定される排気温度である目標排気温度を取得するように構成される。基準線取得部81によって取得された基準線Lsを示すデータにおいて実第1パラメータに対応付けられる排気温度が特定されることで、目標排気温度は取得される。より詳細な一例として、基準線Lsを示すデータとしての関数式に実第1パラメータが代入されることにより、関数式から目標排気温度が得られる。フィードバック制御部182は、実排気温度と目標排気温度との偏差に基づき第2加熱ユニット20(より詳細には第2流量調整バルブ22)をフィードバック制御するように構成される。当該フィードバック制御が実行されることで、第2加熱ユニット20は、実排気温度と目標排気温度との偏差に応じて外部空気に対する加熱量を変更する。フィードバック制御部182による制御は、ガスタービン負荷が高規定負荷以上かつ上限規定負荷以下の負荷区間(図2参照)で実行される。フィードバック制御部182の更なる構成の詳細は後述する。
本開示の必須の構成要素ではないが、吸気加熱制御部87Aは一定制御部183をさらに有してもよい。一定制御部183は、第2加熱ユニット20の第2流量調整バルブ22の開度を相関パラメータに関わらず一定に維持するように構成される。一定制御部183による制御は、ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)以上かつ高規定負荷未満となる負荷区間(図2参照)で実行される。なお他の実施形態に係る吸気加熱制御部87Aは、一定制御部183を有さなくてもよく、この場合、フィードバック制御部182によるフィードバック制御は、高負荷区間に亘って実行されてもよい。
図6に戻り、制御装置80Aの構成の説明を続ける。本開示の必須の構成要素ではないが、制御装置80Aは、低運転線取得部84、および、第1加熱制御部88A(88)をさらに含む。低運転線取得部84は、低運転線Ld(より詳細には低運転線Ldを示すデータ)を取得するように構成される。低運転線Ldを示すデータは、どのようなデータであってもよいが、一例として関数式またはデータテーブルである。第1加熱制御部88Aは、低運転線Ldを示すデータ、実第1パラメータ、および、実排気温度に基づいて、実排気温度と実第1パラメータとから決定される運転点が低運転線Ldと一致するように第1加熱ユニット10をフィードバック制御する。より詳細には、低運転線Ldにおいて実第1パラメータと対応付けられる排気温度と実排気温度との偏差に応じて、第1加熱制御部88Aは第1流量調整バルブ12の開度をフィードバック制御する。これにより、実際のタービン入口温度が低運転線Ldに対応するタービン入口温度となる条件のもと、第1加熱ユニット10の加熱量は制御される。なお、第1加熱ユニット10のフィードバック制御において目標値として設定される排気温度(即ち低運転線Ldによって示される排気温度)は、第2加熱ユニット20のフィードバック制御において目標値と設定される排気温度(即ち基準線Lsによって示される排気温度)よりも低い。また、第1加熱制御部88Aによる第1加熱ユニット10の制御は、ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)未満となる負荷区間において実行される(図3参照)。
上記構成によれば、高負荷区間においては、圧縮空気を熱源とした外部空気の加熱が実行されず、圧縮空気以外を熱源とした外部空気の加熱が実行される。これにより、高負荷区間においてタービン30に供給される燃焼ガスの流量が減るのを抑制でき、ガスタービン3の運転効率を向上できる。
本開示の必須の構成要素ではないが、制御装置80Aは負荷取得部82をさらに含む。負荷取得部82は、負荷センサ109の検出結果を取得することで、運転中のガスタービン3のガスタービン負荷を取得するように構成される。負荷センサ109は一例として、タービン30の回転数を検出するための回転数センサである。負荷取得部82によって取得されたガスタービン負荷が、吸気加熱制御部87Aおよび第1加熱制御部88Aに入力されることで、ガスタービン負荷に応じて吸気加熱制御部87または第1加熱制御部88Aのいずれかが選択に制御を実行する。
図8A、図8Bはそれぞれ、第1実施形態に係る制御装置80Aが、第1加熱ユニット10と第2加熱ユニット20を制御する間における、ガスタービン負荷、排気温度、および、吸気温度の経時的な変化を例示するグラフである。同図の上段グラフで示されるG1,G3,Uは、図2で示したものと同様である。また、本例では上限規定負荷(U)が目標とされるガスタービン負荷である。そして、同図の中段グラフで示すTsは基準線Lsによって規定される目標排気温度である。またTuは排気温度の許容上限閾値であり、排気温度の許容上限値は温調線Luによって規定される。さらに、図8A、図8Bにおいて点Q,P1,P2,P3,Psはそれぞれ、図5の点Q,P1,P2,P3,Psで示すガスタービン3の運転状態を示す。
図5、図8Aで示されるように、運転点が点Qに位置するとき、ガスタービン負荷が上限規定負荷に到達していないので、燃焼器8(図1参照)に供給される燃料の量が増大する。ガスタービン負荷の増大に伴い、図5のグラフにおいて運転点は点Qよりも右側にシフトする。このとき、第1加熱制御部88Aは、運転点が低運転線Ld上に位置するよう第1加熱ユニット10をフィードバック制御する。具体的には、燃料の量の増大により実排気温度が上昇するにつれて、第1加熱制御部88Aは第1流量調整バルブ12の開度を小さくする。結果、運転点は低運転線Ldに沿って点Qから点P1までシフトする(図8Aのt=t0)。なお、運転点が点P1に向けてシフトする間の排気温度の目標値は、低運転線Ldによって規定される排気温度である。
ガスタービン負荷が第1規定負荷(符号G1)に到達すると、第1加熱制御部88Aから第1流量調整バルブ12に送られる制御信号によって第1流量調整バルブ12は返送流路15を閉止し、第1加熱ユニット10の加熱制御は終わる。その後、吸気加熱制御部87Aによる第2加熱ユニット20の制御が開始される。具体的には、一定制御部183が第2流量調整バルブ22の開度を一定に維持する制御を実行する。燃焼器8への燃料供給量は減らないので、ガスタービン負荷は第1規定負荷(符号G1)からさらに増大し、運転点は図5のグラフにおいて点P1よりも右側へシフトする。
その後、ガスタービン負荷が高規定負荷(G3)に到達すると(図8Aのt=t1)、一定制御部183による制御は終了し、吸気加熱制御部87Aが第2流量調整バルブ22をフィードバック制御する。t=t1の時点で実排気温度が基準線Lsの目標排気温度(Ts)を超えているのであれば、吸気加熱制御部87Aは第2流量調整バルブ22の開度を低減し、吸気温度の上昇は抑えられる。一方でガスタービン負荷は上限規定負荷に到達しておらず上昇を続け、実排気温度も上がり続ける。実排気温度が排気温度の許容上限閾値に到達すると(t=t2)、燃焼器8への燃料の供給量が低減し、実排気温度が上限排気温度を超えることはない。実排気温度が一定に維持される間(t2≦t≦t3)、フィードバック制御部182は、実排気温度としての上限排気温度と目標排気温度との偏差分、第2流量調整バルブ22の開度を低減するため、圧縮機7の吸気温度がさらに下がる。燃焼器8に流入する圧縮空気の流量(質量流量)が増大するので、ガスタービン負荷は引き続き増大して上限規定負荷に到達し(t=t3)、運転点は点P2に到達する。その後、ガスタービン負荷は増大することなく、フィードバック制御部182の制御によって実排気温度は上限排気温度から目標排気温度まで下がり(図8Aのt=t4)、運転点は点P3から点Psに到達する。
また、図5、図8Bで示されるように、運転点が点P1から基準線Ls(図8B参照)よりも下側の点P3にある状態で、ガスタービン負荷が上限規定負荷に到達した場合(図8Bのt=t4)、燃焼器8への燃料の供給量は低減して、ガスタービン負荷は上限規定負荷に維持される。一方、実排気温度が基準線Lsの目標排気温度(Ts)を下回っているので、吸気加熱制御部87Aは、第2流量調整バルブ22の開度を増大させるフィードバック制御を実行する。実排気温度と吸気温度はいずれも増大し、やがて実排気温度は目標排気温度に到達して、運転点は点P3から点Psに到達する。
図7に戻り、吸気加熱制御部87Aの構成の詳説を続ける。本開示の必須の構成要素ではないが、フィードバック制御部182は、実排気温度と目標排気温度との偏差が小さくなる程、フィードバック制御のゲイン係数を小さくするように構成されるゲイン係数設定部281を有する。例えば上記の偏差が小さくなるほど、第2流量調整バルブ22の開度調整量は小さくなる。上記構成によれば、実排気温度と目標排気温度との偏差を早期に小さくできると共に、実排気温度が目標排気温度に対してオーバシュートするのを抑制できる。
また、ゲイン係数設定部281は、偏差が0を含む規定範囲に収まる場合において、ゲイン係数を0に設定するように構成されてもよい。規定範囲は、図5の例では領域Rに該当する。運転点が領域R内に位置するのであれば、偏差は規定範囲に含まれる。このとき、ゲイン係数は0に設定されるため、フィードバック制御は一時的に実行されなくなり、第2流量調整バルブ22の開度は、直前のフィードバック制御において設定された開度に維持される。規定範囲は一例として基準線Lsによって示される目標排気温度よりも規定温度分低い領域である。規定温度は0度よりも大きく10度よりも小さい。上記構成によれば、フィードバック制御が実行されない不感帯が設定されるので、吸気加熱制御部87によって実行される制御を簡易化できる。
<第1実施形態に係る吸気加熱システム5の運転方法>
図9は第1実施形態に係る吸気加熱システム5を制御するための吸気加熱システム制御処理を示すフローチャートであり、吸気加熱システム5の運転方法の一例を示す。当該制御処理は一例として制御装置80A(80)によって実行される。例えば制御装置80A(80)は、コンピュータによって構成されており、プロセッサ、メモリ、及び外部通信インタフェースを備える。プロセッサは、CPU、GPU、MPU、DSP、又はこれらの組み合わせなどである。他の実施形態に係るプロセッサは、PLD、ASIC、FPGA、またはMCU等の集積回路により実現されてもよい。メモリは、各種データを一時的または非一時的に記憶するように構成され、例えば、RAM、ROM、またはフラッシュメモリの少なくとも1つによって実現される。メモリにロードされたプログラムの命令にしたがって、制御装置80A(80)のプロセッサ(以下、制御装置80のプロセッサを単に「プロセッサ」という場合がある)は、吸気加熱システム制御処理を実行する。当該制御処理の実行中、プロセッサは、第1流量調整バルブ12と第2流量調整バルブ22に制御信号を送信する。以下の説明では、ステップを「S」と略記する場合がある。
図9は第1実施形態に係る吸気加熱システム5を制御するための吸気加熱システム制御処理を示すフローチャートであり、吸気加熱システム5の運転方法の一例を示す。当該制御処理は一例として制御装置80A(80)によって実行される。例えば制御装置80A(80)は、コンピュータによって構成されており、プロセッサ、メモリ、及び外部通信インタフェースを備える。プロセッサは、CPU、GPU、MPU、DSP、又はこれらの組み合わせなどである。他の実施形態に係るプロセッサは、PLD、ASIC、FPGA、またはMCU等の集積回路により実現されてもよい。メモリは、各種データを一時的または非一時的に記憶するように構成され、例えば、RAM、ROM、またはフラッシュメモリの少なくとも1つによって実現される。メモリにロードされたプログラムの命令にしたがって、制御装置80A(80)のプロセッサ(以下、制御装置80のプロセッサを単に「プロセッサ」という場合がある)は、吸気加熱システム制御処理を実行する。当該制御処理の実行中、プロセッサは、第1流量調整バルブ12と第2流量調整バルブ22に制御信号を送信する。以下の説明では、ステップを「S」と略記する場合がある。
はじめに、基準線Ls、低運転線Ld、および、温調線Luを含む運転線を示すデータが取得される(S11)。例えば、これらの運転線を示すデータを記憶するメモリをプロセッサが参照することで、運転線を示すデータは取得される。S11を実行するプロセッサは、既述の基準線取得部81、低運転線取得部84、および、温調線取得部89に相当する。
次いで、プロセッサは、排気温度センサ102の検出結果に基づき実排気温度を取得し、且つ、第1センサ101の検出結果に基づき実第1パラメータを取得する(S13)。S13を実行するプロセッサは、既述の排気温度取得部83および第1パラメータ取得部85に相当する。
次いで、プロセッサは、燃焼器8への燃料供給を制御する(S14)。例えば、S11で取得した温調線Luを示すデータにおいて、S13で取得した実第1パラメータと対応付けられている排気温度の許容上限値が取得される。そして、S13で取得された実排気温度が許容上限閾値よりも小さく、且つ、現在のガスタービン負荷が目標値である上限規定負荷に到達していなければ、プロセッサは燃料の供給量を増大させる(S14)。他方で、実排気温度が許容上限値と一致する場合(あるいは実排気温度が許容上限閾値と一致することが見込まれる場合)には、プロセッサは燃焼器8の燃料供給量を低減させる(S14)。これにより実排気温度が許容上限閾値を上回ることが回避される。なお、現在のガスタービン負荷は、負荷センサ109の検出結果に基づき特定可能であり、ガスタービン負荷を取得するプロセッサは既述の負荷取得部82に相当する。
次いで、プロセッサは、現在のガスタービン負荷が高負荷区間よりも小さいかを判定する(S15)。例えばプロセッサは、既述の方法によって現在のガスタービン負荷を取得する(この処理を実行するプロセッサは既述の負荷取得部82に相当する)。そして、プロセッサは、取得したガスタービン負荷と、第1規定負荷(符号G1)とを比較することによって、ガスタービン負荷が高負荷区間よりも小さいかを判定する。
ガスタービン負荷が高負荷区間よりも小さいと判定された場合(S15:YES)、プロセッサは、第2流量調整バルブ22が加熱媒体流路29を閉止するための制御信号を第2流量調整バルブ22に送り(S17)、第1加熱ユニット10を制御する(S19)。S17を実行するプロセッサは、既述の吸気加熱制御部87Aに該当する。また、S17の実行前から第2流量調整バルブ22が閉じている場合には、S17はスキップされて、S19が実行される。第1加熱ユニット10の制御方法は既述の通りであり、S19を実行するプロセッサが既述の第1加熱制御部88Aに相当する。
その後、現在のガスタービン負荷が上限規定負荷に到達したか否かが判定される(S21)。現在のガスタービン負荷の取得方法はS15と同様である。ガスタービン負荷が上限規定負荷に到達していないと判定された場合(S21:NO)、プロセッサは処理をS14に戻す。S14~S21が順に繰り返される過程で、ガスタービン負荷は第1規定負荷(符号G1)以上になる(S15:NO)。
プロセッサは、第1流量調整バルブ12が返送流路15を閉止するための制御信号を第1流量調整バルブ12に送り(S23)、現在のガスタービン負荷が高規定負荷未満であるか判定される(S25)。S23を実行するプロセッサは既述の第1加熱制御部88Aに相当する。また、S25における現在のガスタービン負荷の取得方法はS15と同様である。なお、S23の実行前から第1流量調整バルブ12が閉じている場合には、S23はスキップされて、S25が実行される。
現在のガスタービン負荷が高規定負荷未満であると判定された場合(S25:YES)、プロセッサは、第2流量調整バルブ22の開度を一定にするため一定制御処理を実行する(S27)。S27を実行するプロセッサが既述の一定制御部183に相当する。S27の実行後、プロセッサは処理をS21に移行する。S21,S15,S23~S27が繰り返される間に、ガスタービン負荷は高規定負荷以上になる(S25:NO)。この場合、プロセッサは、第2加熱ユニット20を相関パラメータに基づき制御する吸気加熱制御処理を実行する(S29)。S29は第2加熱ユニット20を制御するための制御ステップであり、S29を実行するプロセッサは既述の吸気加熱制御部87Aに相当する。S29の実行後、プロセッサは処理をS21に移行する。S29を繰り返し実行する間に、ガスタービン負荷は上限規定負荷に到達し(S21:YES)、プロセッサは吸気加熱システム制御処理を終了する。
図10を参照し、本開示の一実施形態に係る吸気加熱制御処理の詳細を説明する。プロセッサは、S11で取得された基準線Lsを示すデータと、S13で取得された実第1パラメータとに基づいて目標排気温度を取得する(S51)。より具体的には、基準線Lsを示すデータにおいて実第1パラメータと対応付けられる目標排気温度が特定されることで、目標排気温度は取得される。その後、プロセッサは第2加熱ユニット20の第2流量調整バルブ22のフィードバック制御を実行する(S52)。S52を実行するプロセッサは既述のフィードバック制御部182に相当する。S52は、S53、S55、S57、およびS59を含む。詳細は以下の通りである。
プロセッサは、S51で取得された目標排気温度と、S13で取得された実排気温度との偏差が規定範囲に含まれるか判定される(S53)。偏差が規定範囲に含まれないと判定されると(S53:NO)、プロセッサは、フィードバック制御のゲイン係数を偏差に応じて設定する(S55)。ゲイン係数の設定方法は既述の通りである。次いでプロセッサは、S53で取得された偏差とS55で設定されたゲイン係数とに基づいた開度にするための制御信号を第2流量調整バルブ22に送る(S57)。他方で、偏差が規定範囲に含まれると判定された場合(S53:YES)、プロセッサはゲイン係数を0に設定する(S59)。S55とS59を実行するプロセッサは既述のゲイン係数設定部281に相当する。S57またはS59の実行後、プロセッサは吸気加熱制御処理を終了して、図9で示されるステップに処理を戻す。
<第2実施形態に係る制御装置80B(80)>
図11を参照し、第2実施形態に係る制御装置80B(80)を説明する。制御装置80Bは、第1加熱ユニット10と第2加熱ユニット20をそれぞれ制御する。制御装置80Bによる第2加熱ユニット20の制御には、ガスタービン3のタービン入口温度度の推定値に基づいたフィードバック制御が含まれる。当該フィードバック制御は、高負荷区間(図2参照)で実行されるのであればどの区間で実行されてもよいし、あるいは、第1実施形態と同様の負荷区間に限定されてもよい。
図11を参照し、第2実施形態に係る制御装置80B(80)を説明する。制御装置80Bは、第1加熱ユニット10と第2加熱ユニット20をそれぞれ制御する。制御装置80Bによる第2加熱ユニット20の制御には、ガスタービン3のタービン入口温度度の推定値に基づいたフィードバック制御が含まれる。当該フィードバック制御は、高負荷区間(図2参照)で実行されるのであればどの区間で実行されてもよいし、あるいは、第1実施形態と同様の負荷区間に限定されてもよい。
制御装置80Bは、パラメータ取得部121、および、推定タービン入口温度取得部123を備える。パラメータ取得部121は、燃焼器8に供給される燃料の流量、燃料の単位重さ当たりの発熱量、燃焼器8に供給される空気の流量、供給空気の温度を取得するように構成される。燃料の流量は燃料流量センサ103の計測結果に基づき取得され、空気の流量は空気流量センサ104の計測結果に基づき取得され、供給空気の温度は空気温度センサ105の計測結果に基づき取得される。また、燃料の単位重さ当たりの発熱量は、例えば、供給されている燃料の情報を示す燃料情報に基づき取得される。燃料情報は、例えばガスタービンシステム1の熱量計センサの検出結果に応じて定まる情報である。
推定タービン入口温度取得部123は、パラメータ取得部121によって取得された燃料の流量、燃料の発熱量、供給空気の流量、および、供給空気の温度に基づき、燃焼器8の熱エネルギ収支に関する物理モデル式を用いて、タービン入口温度の推定値を取得する。上記の物理モデル式は、ガスタービン3の燃焼器8に流入する熱エネルギと、燃焼器8から流出する熱エネルギとが等しいことを示す非定常モデルに関する式である。当該モデルにおいては、燃焼器8に流入する熱エネルギは、パラメータ取得部121によって取得される上記のパラメータによって表現可能である。また、燃焼器8に流出する熱エネルギは、タービン30の入口における熱エネルギによって表現可能であり、従って、タービン入口温度によって表現可能である。即ち、推定タービン入口温度取得部123は、パラメータ取得部121によって取得されるパラメータと、物理モデル式とに基づいて、タービン入口温度の推定値を取得可能である。なお、タービン入口温度の推定値を求めるための物理モデル式は、例えば特開2021-167593号公報に例示される。
制御装置80Bは、吸気加熱制御部87B(87)をさらに含む。吸気加熱制御部87Bは、推定タービン入口温度取得部123によって取得されたタービン入口温度の推定値が、タービン入口温度の目標値である目標タービン入口温度に一致するように第2加熱ユニット20を制御する。目標タービン入口温度は、タービン入口温度の許容上限閾値に対して規定温度だけ低い温度であり、規定温度は例えば5度以下の温度であり、より好ましくは1度以下の温度である。本例の吸気加熱制御部87Bは、目標タービン入口温度とタービン入口温度の推定値との偏差に基づいて、第2流量調整バルブ22の開度をフィードバック制御する。
本開示の必須の構成要素ではないが、制御装置80Bは第1加熱制御部88B(88)をさらに含む。第1加熱制御部88Bは、推定タービン入口温度取得部123によって取得されたタービン入口温度の推定値に基づいて、第1加熱ユニット10の第1流量調整バルブ12をフィードバック制御するように構成される。当該フィードバック制御において目標として設定されるタービン入口温度は、上記の目標タービン入口温度であってもよいし、目標タービン入口温度よりも低い温度であってもよい。
本開示の必須の構成要素ではないが、制御装置80Bは負荷取得部82を含む。この負荷取得部82は、制御装置80Aの負荷取得部82と同じである。負荷取得部82によって取得されるガスタービン負荷に応じて、吸気加熱制御部87Bと第1加熱制御部88Bのいずれかが選択的に制御を実行してもよい。
上記構成によれば、タービン入口温度の推定値が、許容上限値に対して規定温度だけ低い目標タービン入口温度に一致するよう、第2加熱ユニット20が制御される。これにより、タービン入口温度が許容上限値以下となる条件のもとで、ガスタービン3は運転される。そして、タービン入口温度が高くなるほど、ガスタービン3の運転効率を高めることができる。よって、ガスタービン3の運転効率を向上した吸気加熱システム5が実現される。
<第2実施形態に係る吸気加熱システム5の運転方法>
図12は第2実施形態に係る吸気加熱システム5を制御するための吸気加熱システム制御処理を示すフローチャートであり、吸気加熱システム5の運転方法の一例を示す。当該制御処理は一例として制御装置80Bによって実行される。図12では、図9と同じステップに、同じステップ番号が付与されている。第2実施形態における吸気加熱ユニット制御処理は、第1実施形態として説明したS11、S13、S19(図11参照)に代えて、それぞれ、S31、S33、S19Aを含む。また、第2実施形態に吸気加熱システム制御処理は、第1実施形態として説明したS25~S29(図11参照)に代えて、S29Aを含む。以下の説明では、第1実施形態と重複するステップの説明の一部または全部を省略する。
図12は第2実施形態に係る吸気加熱システム5を制御するための吸気加熱システム制御処理を示すフローチャートであり、吸気加熱システム5の運転方法の一例を示す。当該制御処理は一例として制御装置80Bによって実行される。図12では、図9と同じステップに、同じステップ番号が付与されている。第2実施形態における吸気加熱ユニット制御処理は、第1実施形態として説明したS11、S13、S19(図11参照)に代えて、それぞれ、S31、S33、S19Aを含む。また、第2実施形態に吸気加熱システム制御処理は、第1実施形態として説明したS25~S29(図11参照)に代えて、S29Aを含む。以下の説明では、第1実施形態と重複するステップの説明の一部または全部を省略する。
はじめに、プロセッサは、燃焼器8に供給される燃料の流量、燃料の単位重さあたりの発熱量、燃焼器8に供給される供給空気の流量、供給空気の温度を取得する(S31)。各種パラメータの取得方法は既述の通りであり、S31を実行するプロセッサは既述のパラメータ取得部121に相当する。
次いで、プロセッサは、S31で取得されたパラメータに基づき、タービン入口温度の推定値を取得する(S33)。タービン入口温度の推定値の取得方法は既述の通りであり、S33を実行するプロセッサは、既述の推定タービン入口温度取得部123に相当する。
次いでプロセッサは、既述のS14、S15、S17を実行し、第1加熱ユニット10を制御する(S19A)。S19Aでは、推定タービン入口温度取得部123によって取得されたタービン入口温度の推定値に基づいて、第1加熱ユニット10の第1流量調整バルブ12をフィードバック制御する。当該制御の方法は既述の通りであり、S19Aを実行するプロセッサは、既述の第1加熱制御部88Bに相当する。
プロセッサは、S21、S14、S15などを実行したのち、S23を実行して、吸気加熱制御処理を実行する(S29A)。S29Aは第2加熱ユニット20を制御するための制御ステップである。S29Aでは、S33で取得されたタービン入口温度の推定値が、目標タービン入口温度に一致するように第2加熱ユニット20の第2流量調整バルブ22をフィードバック制御する。S29Aを実行するプロセッサは既述の吸気加熱制御部87Bに相当する。その後、プロセッサはS21などを実行して、本制御処理を終了する。
<ガスタービン3の詳細>
図13は、本開示の一実施形態に係るガスタービン3の詳細を示す概略図である。同図のガスタービン3は2軸式ガスタービンである。より詳細には、ガスタービン3は、圧縮機7と、圧縮機7の回転軸に連結される第1軸31を有する高圧タービン33と、第1軸31とは異なる第2軸32を有する低圧タービン34とを含む。高圧タービン33は圧縮機7と一体的に回転する。また、低圧タービン34は、高圧タービン33から排ガスが供給されるように構成されており、この排ガスを動力源として回転するように構成される。低圧タービン34から排出される排ガスは排気ダクト39へ流れる。
図13は、本開示の一実施形態に係るガスタービン3の詳細を示す概略図である。同図のガスタービン3は2軸式ガスタービンである。より詳細には、ガスタービン3は、圧縮機7と、圧縮機7の回転軸に連結される第1軸31を有する高圧タービン33と、第1軸31とは異なる第2軸32を有する低圧タービン34とを含む。高圧タービン33は圧縮機7と一体的に回転する。また、低圧タービン34は、高圧タービン33から排ガスが供給されるように構成されており、この排ガスを動力源として回転するように構成される。低圧タービン34から排出される排ガスは排気ダクト39へ流れる。
圧縮機7の入口にはインレットガイドベーンが設けられており、インレットガイドベーンの開度が調整されることで、圧縮機7の吸気量は制御される。2軸式ガスタービンでは、圧縮機7のインレットガイドベーンの開度制御は、高圧タービン33の出力と圧縮機7の動力とが均衡を保つために実行される。従って、例えばガスタービン3の燃焼器8に供給する燃料量の低下などに伴って、タービン入口温度が低下した場合において、タービン入口温度が上昇するようインレットガイドベーンの開度を絞る制御を実行することは困難である。この点、上記構成によれば、高負荷区間において第2加熱ユニット20が圧縮空気とは異なる熱源を利用して外部空気を加熱することで、タービン入口温度を上昇させる。圧縮機7から排出される圧縮空気が熱源として利用されることが抑制されるので、タービン30に流入する燃焼ガスの流量が低下するのを抑制することもできる。以上より、2軸式ガスタービンにおける運転効率を向上できる。
<まとめ>
上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
1)本開示の少なくとも一実施形態に係る吸気加熱システム(5)は、
ガスタービン(3)の圧縮機(7)に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システム(5)であって、
前記圧縮機(7)から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)と、
前記ガスタービン(3)のタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を制御するように構成される制御装置(80)と、
を備える。
ガスタービン(3)の圧縮機(7)に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システム(5)であって、
前記圧縮機(7)から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)と、
前記ガスタービン(3)のタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を制御するように構成される制御装置(80)と、
を備える。
ガスタービン(3)の破損を回避するためには、タービン入口温度がガスタービン(3)の仕様で定められる許容上限値以下になるよう制御を実行する必要があるが、タービン入口温度は直接的に計測し続けることが困難なパラメータである。この点、上記1)の構成によれば、タービン入口温度と相関を有する相関パラメータ又はタービン入口温度の推定値に基づいて制御装置(80)が吸気加熱システム(5)を制御する。従って、タービン入口温度が許容上限値以下になる条件のもと、吸気加熱システム(5)はタービン入口温度を可能な限り高く設定でき、ガスタービン(3)の運転効率は向上する。さらに、吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)が圧縮空気とは異なる熱源を利用して外部空気を加熱するので、外部空気の加熱熱源の全てを圧縮機(7)から排出される圧縮空気で賄う場合に比べ、タービン(30)に流入する燃焼ガスの流量が低下するのを抑制でき、ガスタービン(3)の運転効率は向上する。以上より、ガスタービン(3)の運転効率を向上した吸気加熱システム(5)が実現される。
2)幾つかの実施形態では、上記1)に記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記相関パラメータは、前記ガスタービン(3)のタービン出口側における排気温度、及び、前記ガスタービン(3)のタービン膨張比と相関を有する第1パラメータを含み、
前記制御装置(80)は、
前記排気温度と前記第1パラメータとの関係性を示す基準線(Ls)であって、前記タービン入口温度の目標値に対応して設定された基準線(Ls)を取得するための基準線取得部(81)と、
前記ガスタービン(3)の運転中における前記排気温度の計測値である実排気温度を取得するための排気温度取得部(83)と、
前記ガスタービン(3)の運転中における前記第1パラメータの計測値である実第1パラメータを取得するための第1パラメータ取得部(85)と、
前記実排気温度と前記実第1パラメータとから決定される運転点が前記基準線(Ls)と一致するように前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を制御するための吸気加熱制御部(87)と、を含む。
前記相関パラメータは、前記ガスタービン(3)のタービン出口側における排気温度、及び、前記ガスタービン(3)のタービン膨張比と相関を有する第1パラメータを含み、
前記制御装置(80)は、
前記排気温度と前記第1パラメータとの関係性を示す基準線(Ls)であって、前記タービン入口温度の目標値に対応して設定された基準線(Ls)を取得するための基準線取得部(81)と、
前記ガスタービン(3)の運転中における前記排気温度の計測値である実排気温度を取得するための排気温度取得部(83)と、
前記ガスタービン(3)の運転中における前記第1パラメータの計測値である実第1パラメータを取得するための第1パラメータ取得部(85)と、
前記実排気温度と前記実第1パラメータとから決定される運転点が前記基準線(Ls)と一致するように前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を制御するための吸気加熱制御部(87)と、を含む。
上記2)の構成によれば、タービン入口温度の目標値に対応して設定された基準線(Ls)に実排気温度が一致するよう吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)が制御される。これにより、タービン入口温度が許容上限値以下となる条件のもとで、ガスタービン(3)は運転される。そして、基準線データによって示される排気温度が高くなるほど、ガスタービン(3)の運転効率を高めることができる。よって、ガスタービン(3)の運転効率を向上した吸気加熱システム(5)が実現される。
3)幾つかの実施形態では、上記2)に記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記吸気加熱制御部(87)は、
前記基準線(Ls)と前記実第1パラメータとに基づいて設定される目標排気温度を取得するための目標温度取得部(181)と、
前記実排気温度と前記目標排気温度との偏差に基づき、前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)をフィードバック制御するように構成されるフィードバック制御部(182)と、
を有する。
前記吸気加熱制御部(87)は、
前記基準線(Ls)と前記実第1パラメータとに基づいて設定される目標排気温度を取得するための目標温度取得部(181)と、
前記実排気温度と前記目標排気温度との偏差に基づき、前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)をフィードバック制御するように構成されるフィードバック制御部(182)と、
を有する。
上記3)の構成によれば、実排気温度が変動する場合であっても、該実排気温度と目標排気温度との偏差を時間の経過にしたがって確実に小さくできる。
4)幾つかの実施形態では、上記3)に記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記フィードバック制御部(182)は、前記偏差が小さくなるほど、フィードバック制御のゲイン係数を小さくするように構成されるゲイン係数設定部(281)を有する。
前記フィードバック制御部(182)は、前記偏差が小さくなるほど、フィードバック制御のゲイン係数を小さくするように構成されるゲイン係数設定部(281)を有する。
上記4)の構成によれば、実排気温度と目標排気温度との偏差を早期に小さくできると共に、実排気温度が目標排気温度に対してオーバシュートするのを抑制できる。
5)幾つかの実施形態では、上記4)に記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記ゲイン係数設定部(281)は、前記偏差が0を含む規定範囲に収まる場合において、前記ゲイン係数を0に設定するように構成される。
前記ゲイン係数設定部(281)は、前記偏差が0を含む規定範囲に収まる場合において、前記ゲイン係数を0に設定するように構成される。
上記5)の構成によれば、フィードバック制御が実行されない不感帯が設定されるので、吸気加熱制御部(87)によって実行される制御を簡易化できる。
6)幾つかの実施形態では、上記3)から5)のいずれかに記載の吸気加熱システム(5)は、
前記圧縮機(7)から排出される前記圧縮空気の一部を、前記圧縮空気と連通する吸気流路(9)に返送するための返送流路(15)を含む第1加熱ユニット(10)であって、ガスタービン(3)負荷が第1規定負荷(G1)よりも低い負荷区間において、前記返送流路(15)を流れる前記圧縮空気を熱源に前記外部空気を加熱するように構成される第1加熱ユニット(10)をさらに備え、
前記フィードバック制御部(182)は、前記ガスタービン(3)負荷が前記第1規定負荷(G1)以上となる高負荷区間において、前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)をフィードバック制御するように構成される。
前記圧縮機(7)から排出される前記圧縮空気の一部を、前記圧縮空気と連通する吸気流路(9)に返送するための返送流路(15)を含む第1加熱ユニット(10)であって、ガスタービン(3)負荷が第1規定負荷(G1)よりも低い負荷区間において、前記返送流路(15)を流れる前記圧縮空気を熱源に前記外部空気を加熱するように構成される第1加熱ユニット(10)をさらに備え、
前記フィードバック制御部(182)は、前記ガスタービン(3)負荷が前記第1規定負荷(G1)以上となる高負荷区間において、前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)をフィードバック制御するように構成される。
上記6)の構成によれば、高負荷区間においては、圧縮空気を熱源とした外部空気の加熱が実行されず、圧縮空気以外を熱源とした外部空気の加熱が実行される。これにより、高負荷区間においてタービン(30)に供給される燃焼ガスの流量が減るのを抑制でき、ガスタービン(3)の運転効率を向上できる。
7)幾つかの実施形態では、上記2)から6)のいずれかに記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記制御装置(80)は、
前記排気温度と前記第1パラメータとの関係性を示す温調線(Lu)であって、前記ガスタービン(3)に供給される燃料の量を制御する際に用いられる、前記タービン入口温度の許容上限値に対応して設定された温調線(Lu)を取得するための温調線取得部(89)をさらに含み、
前記基準線(Ls)における前記排気温度は、前記ガスタービン(3)に供給される燃料量の制御に用いられる温調線(Lu)における前記排気温度よりも低い。
前記制御装置(80)は、
前記排気温度と前記第1パラメータとの関係性を示す温調線(Lu)であって、前記ガスタービン(3)に供給される燃料の量を制御する際に用いられる、前記タービン入口温度の許容上限値に対応して設定された温調線(Lu)を取得するための温調線取得部(89)をさらに含み、
前記基準線(Ls)における前記排気温度は、前記ガスタービン(3)に供給される燃料量の制御に用いられる温調線(Lu)における前記排気温度よりも低い。
上記7)の構成によれば、基準線(Ls)における排気温度が、温調線(Lu)における排気温度よりも低いことで、吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)の加熱制御の実行時において、タービン入口温度が許容上限値を超えるのをより確実に抑制できる。また、基準線(Ls)における排気温度が、温調線(Lu)における排気温度に近いほど、燃焼器(8)に流入する圧縮空気の温度を上げることができるので、ガスタービン(3)の運転効率を向上できる。
8)幾つかの実施形態では、上記2)から7)のいずれかに記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記第1パラメータは、前記圧縮機(7)の圧力比である。
前記第1パラメータは、前記圧縮機(7)の圧力比である。
上記8)の構成によれば、圧縮機(7)の圧縮比は、圧力センサの計測値に基づき定まるため、ガスタービン(3)の状態を正確に反映したパラメータとみなせる。この圧縮比がタービン膨張比と相関する第1パラメータとして利用されるので、タービン入口温度が許容上限値を超えるのをより確実に回避しつつ、ガスタービン(3)の運転効率を向上できる。
9)幾つかの実施形態では、上記1)に記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記制御装置(80)は、
前記ガスタービン(3)の燃焼器(8)に供給される燃料の流量、前記燃料の単位重さあたりの発熱量、前記燃焼器(8)に供給される供給空気の流量、前記供給空気の温度を取得するためのパラメータ取得部(121)と、
前記ガスタービン(3)の前記燃焼器(8)の熱エネルギ収支に関する物理モデル式を用いて、取得した前記燃料の前記流量、取得した前記燃料の前記発熱量、取得した前記供給空気の前記流量、および、取得した前記供給空気の温度に基づき、前記タービン入口温度の前記推定値を取得するための推定タービン入口温度取得部(123)と、
取得した前記推定値が、前記タービン入口温度の許容上限値に対して規定温度だけ低い目標タービン入口温度に一致するように前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を制御するための吸気加熱制御部(87)と、
を含む。
前記制御装置(80)は、
前記ガスタービン(3)の燃焼器(8)に供給される燃料の流量、前記燃料の単位重さあたりの発熱量、前記燃焼器(8)に供給される供給空気の流量、前記供給空気の温度を取得するためのパラメータ取得部(121)と、
前記ガスタービン(3)の前記燃焼器(8)の熱エネルギ収支に関する物理モデル式を用いて、取得した前記燃料の前記流量、取得した前記燃料の前記発熱量、取得した前記供給空気の前記流量、および、取得した前記供給空気の温度に基づき、前記タービン入口温度の前記推定値を取得するための推定タービン入口温度取得部(123)と、
取得した前記推定値が、前記タービン入口温度の許容上限値に対して規定温度だけ低い目標タービン入口温度に一致するように前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を制御するための吸気加熱制御部(87)と、
を含む。
上記9)の構成によれば、タービン入口温度の推定値が、許容上限値に対して規定温度だけ低い目標タービン入口温度に一致するよう、吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)が制御される。これにより、タービン入口温度が許容上限値以下となる条件のもとで、ガスタービン(3)は運転される。そして、タービン入口温度が高くなるほど、ガスタービン(3)の運転効率を高めることができる。よって、ガスタービン(3)の運転効率を向上した吸気加熱システム(5)が実現される。
10)幾つかの実施形態では、上記1)から9)のいずれかに記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)は、
前記ガスタービン(3)からの燃焼ガスが供給されるための排熱回収ボイラ(19)がボイラ給水を加熱することで生成される加熱媒体を、前記圧縮機(7)と連通する吸気流路(9)に導くための加熱媒体流路(29)を含む。
前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)は、
前記ガスタービン(3)からの燃焼ガスが供給されるための排熱回収ボイラ(19)がボイラ給水を加熱することで生成される加熱媒体を、前記圧縮機(7)と連通する吸気流路(9)に導くための加熱媒体流路(29)を含む。
上記10)の構成によれば、圧縮機(7)空気とは異なる熱源として排熱回収ボイラ(19)で生成される加熱媒体が採用されることで、ガスタービンシステム(1)で生成される熱を無駄なく利用でき、ガスタービンシステム(1)の運転効率を向上できる。
11)幾つかの実施形態では、上記10)に記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)は、
前記吸気流路(9)の内側に配置される配管部(25)であって、前記加熱媒体流路(29)から前記加熱媒体が供給されるように構成される配管部(25)をさらに含む。
前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)は、
前記吸気流路(9)の内側に配置される配管部(25)であって、前記加熱媒体流路(29)から前記加熱媒体が供給されるように構成される配管部(25)をさらに含む。
上記11)の構成によれば、配管部(25)を流れる加熱媒体と吸気流路(9)を流れる外部空気との熱交換によって、吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)は外部空気を加熱できる。
12)幾つかの実施形態では、上記10)または12)に記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)は、
前記加熱媒体流路(29)に設けられた流量調整バルブ(第2流量調整バルブ22)をさらに含み、
前記制御装置(80)は、前記流量調整バルブ(第2流量調整バルブ22)を制御するように構成される。
前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)は、
前記加熱媒体流路(29)に設けられた流量調整バルブ(第2流量調整バルブ22)をさらに含み、
前記制御装置(80)は、前記流量調整バルブ(第2流量調整バルブ22)を制御するように構成される。
上記12)の構成によれば、制御装置(80)がガスタービン(3)のタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、タービン入口温度の推定値に基づいて、吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)の流量調整バルブ(第2流量調整バルブ22)の開度を制御する。これにより、吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)は、外部空気に対する加熱量を制御することができる。
13)幾つかの実施形態では、上記10)から12)のいずれかに記載の吸気加熱システム(5)であって、
前記加熱媒体流路(29)は、前記排熱回収ボイラ(19)において生成される温水を前記加熱媒体として前記吸気流路(9)に導くように構成される。
前記加熱媒体流路(29)は、前記排熱回収ボイラ(19)において生成される温水を前記加熱媒体として前記吸気流路(9)に導くように構成される。
上記13)の構成によれば、ボイラ給水の加熱によって生じる蒸気よりも排熱される傾向の高い温水が加熱媒体として採用されることで、ガスタービンシステム(1)の運転効率を向上できる。
14)本開示の少なくとも一実施形態に係る吸気加熱システム(5)の運転方法は、
ガスタービン(3)の圧縮機(7)に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システム(5)の運転方法であって、
前記吸気加熱システム(5)は、前記圧縮機(7)から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を含み、
前記ガスタービン(3)のタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を制御する制御ステップ(S29、S29A)を備える。
ガスタービン(3)の圧縮機(7)に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システム(5)の運転方法であって、
前記吸気加熱システム(5)は、前記圧縮機(7)から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を含み、
前記ガスタービン(3)のタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニット(第2加熱ユニット20)を制御する制御ステップ(S29、S29A)を備える。
上記14)の構成によれば、上記1)と同様の理由によって、ガスタービン(3)の運転効率を向上した吸気加熱システム(5)の運転方法が実現される。
15)本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービンシステム(1)は、
上記1)乃至13)の何れかに記載の吸気加熱システム(5)と、
前記ガスタービン(3)と、
を備える。
上記1)乃至13)の何れかに記載の吸気加熱システム(5)と、
前記ガスタービン(3)と、
を備える。
上記15)の構成によれば、上記1)と同様の理由により、ガスタービン(3)の運転効率を向上したガスタービンシステム(1)が実現される。
16)幾つかの実施形態では、上記15)に記載のガスタービンシステム(1)であって、
前記ガスタービン(3)は、
前記圧縮機(7)と、
前記圧縮機(7)の回転軸に連結される第1軸(31)を有する高圧タービン(33)と、
前記第1軸(31)とは異なる第2軸(32)を有し、前記高圧タービン(33)から燃焼ガスが供給されるように構成される低圧タービン(34)と、
を含む2軸式ガスタービンである。
前記ガスタービン(3)は、
前記圧縮機(7)と、
前記圧縮機(7)の回転軸に連結される第1軸(31)を有する高圧タービン(33)と、
前記第1軸(31)とは異なる第2軸(32)を有し、前記高圧タービン(33)から燃焼ガスが供給されるように構成される低圧タービン(34)と、
を含む2軸式ガスタービンである。
2軸式ガスタービンでは、圧縮機(7)のインレットガイドベーンの開度制御は、高圧タービン(33)の出力と圧縮機(7)動力とが均衡を保つために実行される。従って、例えばガスタービン(3)の燃焼器(8)に供給する燃料量の低下などに伴って、タービン入口温度が低下した場合において、タービン入口温度が上昇するようインレットガイドベーンの開度を絞る制御を実行することは困難である。この点、上記16)の構成によれば、圧縮空気とは異なる熱源を利用して外部空気を加熱することで、タービン入口温度を上昇させることができる。また、圧縮機(7)から排出される圧縮空気が熱源として利用されることが抑制されるので、タービンに流入する燃焼ガスの流量が低下するのを抑制することもできる。以上より、2軸式ガスタービンにおける運転効率を向上できる。
1 :ガスタービンシステム
3 :ガスタービン
5 :吸気加熱システム
7 :圧縮機
8 :燃焼器
9 :吸気流路
10 :第1加熱ユニット
15 :返送流路
19 :排熱回収ボイラ
25 :配管部
29 :加熱媒体流路
30 :タービン
31 :第1軸
32 :第2軸
33 :高圧タービン
34 :低圧タービン
80 :制御装置
81 :基準線取得部
83 :排気温度取得部
85 :第1パラメータ取得部
87 :吸気加熱制御部
89 :温調線取得部
92 :入口
93 :出口
121 :パラメータ取得部
123 :推定タービン入口温度取得部
181 :目標温度取得部
182 :フィードバック制御部
281 :ゲイン係数設定部
Ld :低運転線
Ls :基準線
Lu :温調線
3 :ガスタービン
5 :吸気加熱システム
7 :圧縮機
8 :燃焼器
9 :吸気流路
10 :第1加熱ユニット
15 :返送流路
19 :排熱回収ボイラ
25 :配管部
29 :加熱媒体流路
30 :タービン
31 :第1軸
32 :第2軸
33 :高圧タービン
34 :低圧タービン
80 :制御装置
81 :基準線取得部
83 :排気温度取得部
85 :第1パラメータ取得部
87 :吸気加熱制御部
89 :温調線取得部
92 :入口
93 :出口
121 :パラメータ取得部
123 :推定タービン入口温度取得部
181 :目標温度取得部
182 :フィードバック制御部
281 :ゲイン係数設定部
Ld :低運転線
Ls :基準線
Lu :温調線
Claims (16)
- ガスタービンの圧縮機に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システムであって、
前記圧縮機から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニットと、
前記ガスタービンのタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニットを制御するように構成される制御装置と、
を備える吸気加熱システム。 - 前記相関パラメータは、前記ガスタービンのタービン出口側における排気温度、及び、前記ガスタービンのタービン膨張比と相関を有する第1パラメータを含み、
前記制御装置は、
前記排気温度と前記第1パラメータとの関係性を示す基準線であって、前記タービン入口温度の目標値に対応して設定された基準線を取得するための基準線取得部と、
前記ガスタービンの運転中における前記排気温度の計測値である実排気温度を取得するための排気温度取得部と、
前記ガスタービンの運転中における前記第1パラメータの計測値である実第1パラメータを取得するための第1パラメータ取得部と、
前記実排気温度と前記実第1パラメータとから決定される運転点が前記基準線と一致するように前記吸気加熱ユニットを制御するための吸気加熱制御部と、を含む、
請求項1に記載の吸気加熱システム。 - 前記吸気加熱制御部は、
前記基準線と前記実第1パラメータとに基づいて設定される目標排気温度を取得するための目標温度取得部と、
前記実排気温度と前記目標排気温度との偏差に基づき、前記吸気加熱ユニットをフィードバック制御するように構成されるフィードバック制御部と、
を有する請求項2に記載の吸気加熱システム。 - 前記フィードバック制御部は、前記偏差が小さくなるほど、フィードバック制御のゲイン係数を小さくするように構成されるゲイン係数設定部を有する、
請求項3に記載の吸気加熱システム。 - 前記ゲイン係数設定部は、前記偏差が0を含む規定範囲に収まる場合において、前記ゲイン係数を0に設定するように構成される、
請求項4に記載の吸気加熱システム。 - 前記圧縮機から排出される前記圧縮空気の一部を、前記圧縮空気と連通する吸気流路に返送するための返送流路を含む第1加熱ユニットであって、ガスタービン負荷が第1規定負荷よりも低い負荷区間において、前記返送流路を流れる前記圧縮空気を熱源に前記外部空気を加熱するように構成される第1加熱ユニットをさらに備え、
前記フィードバック制御部は、前記ガスタービン負荷が前記第1規定負荷以上となる高負荷区間において、前記吸気加熱ユニットをフィードバック制御するように構成される、
請求項3乃至5の何れか1項に記載の吸気加熱システム。 - 前記制御装置は、
前記排気温度と前記第1パラメータとの関係性を示す温調線であって、前記ガスタービンに供給される燃料の量を制御する際に用いられる、前記タービン入口温度の許容上限値に対応して設定された温調線を取得するための温調線取得部をさらに含み、
前記基準線における前記排気温度は、前記ガスタービンに供給される燃料量の制御に用いられる温調線における前記排気温度よりも低い、
請求項2乃至5の何れか1項に記載の吸気加熱システム。 - 前記第1パラメータは、前記圧縮機の圧力比である、
請求項2乃至5の何れか1項に記載の吸気加熱システム。 - 前記制御装置は、
前記ガスタービンの燃焼器に供給される燃料の流量、前記燃料の単位重さあたりの発熱量、前記燃焼器に供給される供給空気の流量、前記供給空気の温度を取得するためのパラメータ取得部と、
前記ガスタービンの前記燃焼器の熱エネルギ収支に関する物理モデル式を用いて、取得した前記燃料の前記流量、取得した前記燃料の前記発熱量、取得した前記供給空気の前記流量、および、取得した前記供給空気の温度に基づき、前記タービン入口温度の前記推定値を取得するための推定タービン入口温度取得部と、
取得した前記推定値が、前記タービン入口温度の許容上限値に対して規定温度だけ低い目標タービン入口温度に一致するように前記吸気加熱ユニットを制御するための吸気加熱制御部と、
を含む
請求項1に記載の吸気加熱システム。 - 前記吸気加熱ユニットは、
前記ガスタービンからの燃焼ガスが供給されるための排熱回収ボイラがボイラ給水を加熱することで生成される加熱媒体を、前記圧縮機と連通する吸気流路に導くための加熱媒体流路を含む、
請求項1に記載の吸気加熱システム。 - 前記吸気加熱ユニットは、
前記吸気流路の内側に配置される配管部であって、前記加熱媒体流路から前記加熱媒体が供給されるように構成される配管部をさらに含む、
請求項10に記載の吸気加熱システム。 - 前記吸気加熱ユニットは、
前記加熱媒体流路に設けられた流量調整バルブをさらに含み、
前記制御装置は、前記流量調整バルブを制御するように構成される、
請求項10または11に記載の吸気加熱システム。 - 前記加熱媒体流路は、前記排熱回収ボイラにおいて生成される温水を前記加熱媒体として前記吸気流路に導くように構成される、
請求項10または11に記載の吸気加熱システム。 - ガスタービンの圧縮機に送られる外部空気を加熱するように構成される吸気加熱システムの運転方法であって、
前記吸気加熱システムは、前記圧縮機から排出される圧縮空気とは異なる熱源を利用して前記外部空気を加熱するように構成される吸気加熱ユニットを含み、
前記ガスタービンのタービン入口温度と相関を有する相関パラメータ、又は、前記タービン入口温度の推定値に基づいて、前記吸気加熱ユニットを制御する制御ステップを備える、
吸気加熱システムの運転方法。 - 請求項1に記載の吸気加熱システムと、
前記ガスタービンと、
を備えるガスタービンシステム。 - 前記ガスタービンは、
前記圧縮機と、
前記圧縮機の回転軸に連結される第1軸を有する高圧タービンと、
前記第1軸とは異なる第2軸を有し、前記高圧タービンから燃焼ガスが供給されるように構成される低圧タービンと、
を含む2軸式ガスタービンである、
請求項15に記載のガスタービンシステム。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022-127623 | 2022-08-10 | ||
JP2022127623 | 2022-08-10 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2024034367A1 true WO2024034367A1 (ja) | 2024-02-15 |
Family
ID=89851481
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2023/026918 WO2024034367A1 (ja) | 2022-08-10 | 2023-07-24 | 吸気加熱システム、吸気加熱システムの運転方法、および、ガスタービンシステム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2024034367A1 (ja) |
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2023
- 2023-07-24 WO PCT/JP2023/026918 patent/WO2024034367A1/ja unknown
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