JP2012127247A

JP2012127247A - ガスタービン発電設備およびその運転方法

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Publication number: JP2012127247A
Application number: JP2010278904A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Shimizu; 佳子清水
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-07-05
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Also published as: JP5562822B2

Abstract

【課題】吸気冷却システムを持つガスタービン発電設備において、圧縮機入口空気が所望の相対湿度になるように制御する。
【解決手段】ガスタービン発電設備は、空気を吸入して圧縮する圧縮機１と、圧縮機１に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システム２と、圧縮機１によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器３と、回転駆動されて発電を行なう発電機５と、燃焼器３で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して圧縮機１および発電機５を駆動するガスタービン４と、圧縮機１に吸入される圧縮機入口空気の湿度を所定の湿度目標値に近づけるように制御する制御装置７と、を有する。制御装置７は、圧縮機１に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算する湿度計算部を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、吸気中に冷却水を噴霧することにより吸気を冷却する吸気冷却システムを持つガスタービン発電設備、およびその運転方法に関する。

ガスタービンを用いた発電設備は火力発電設備の主要な方式の一つであり、国内外で広く使用されている。日本では気温の高い時期に消費電力量が多くなるので、これに合わせて発電量を多くする必要がある。ところが、ガスタービン発電設備および複合発電設備は、気温の上昇によって最大発電量が低下する。この特性は発電事業者にとって望ましくない。

そこで、気温が高い時に吸気温度を低下させることにより、最大発電量の低下を防止する方法が提案されている。特に事業用発電設備で有効とされている方法が、吸気中に冷却水を噴霧することにより吸気温度を低下させる吸気冷却システムである（たとえば特許文献１、特許文献２、特許文献３および非特許文献１参照）。

ガスタービン吸気冷却システムでは、ガスタービンの吸気中に冷却水を噴霧して、その気化熱によって圧縮機入口空気を冷却する。これによりガスタービンに、より多量の燃料を供給することを可能とし、ガスタービン出力増加に寄与するシステムである。

理論的には圧縮機入口空気が相対湿度１００％になるまで冷却水を噴霧すれば最大の冷却効果が得られる。現実的には相対湿度１００％では気化しない冷却水が発生するリスクがあるため、相対湿度１００％の代わりに、ある適切な飽和に近い相対湿度となるように冷却水を噴霧することになる。

特許第２９８００９５号公報特許第４２８５７８１号公報特許第４１６０２８９号公報

宇田村元昭：ガスタービン吸気水噴霧冷却技術。日本ガスタービン学会誌，３７−４，ｐｐ．２０３／２０９（２００９）数値計算ハンドブック、ｐ．１１１７〜ｐ．１１１８、オーム社、ＩＳＢＮ４−２７４−０７５８４−２（１９９０）

以下、説明の便宜上、ある適切な飽和に近い湿度は相対湿度９５％であるとして説明する。圧縮機入口空気の相対湿度９５％を達成する適切な冷却水噴霧流量は、気温などの外部条件や空気流量などのガスタービン運転状態に応じて変動する。そこで、これらの変化に応じて冷却水噴霧流量を調整する冷却水流量制御が必要となる。

冷却水流量制御の制御目的は、圧縮機入口空気の相対湿度９５％を実現するために冷却水流量を調節することである。圧縮機入口空気の相対湿度を計測しフィードバック制御を構成することにより、この制御目的を精度良く達成することができる。圧縮機入口空気の相対湿度は絶対湿度と空気圧力から換算可能であるので、相対湿度ないしは絶対湿度のいずれかが計測できれば良い。

しかし、吸気冷却システムにより冷却水を噴霧し相対湿度が１００％近い湿度である圧縮機入り口において、相対湿度ないしは絶対湿度を、制御に利用できるように十分な応答速度で連続計測することは容易ではない。工業的に利用可能な湿度の測定方法および計測器を用いた場合、相対湿度が１００％近い環境下では結露などにより計測誤差が大きくなり、場合によっては計器異常となり、連続計測が不可能となる。圧縮機入口の相対湿度が連続計測できないとフィードバック制御が構成できず、精度の良い冷却水流量制御を構成することが難しい。

圧縮機入口の相対湿度ないしは絶対湿度の計測が難しい場合に、圧縮機入口の空気温度が精度良く計測可能であれば、その温度およびその他のプロセス値を用いて当該部分の相対湿度ないしは絶対湿度を間接的に算出することが考えられる。しかしこの方法について具体的に知られた技術は存在しない。しかも、圧縮機入口が１００％に近い相対湿度である時には、その空気温度を正確に計測することも難しく、これは同じく結露に起因するものである。すなわち、微小な結露があってその結露した水分が蒸発する際には、温度計測器から気化熱を奪うために計測器が局所的に低温となる。逆に結露する際には温度計測器に凝縮潜熱が与えられるため、温度計測器が局所的に高温となる。このように空気温度の計測を精度良く実現させることも難しい。

これらのプロセス量の計測技術の限界によって、圧縮機入口空気の相対湿度９５％を実現するためにフィードバック制御によって冷却水流量を制御することが困難である。フィードバック制御構成が難しい場合、フィードフォワード制御など他の制御手段を講ずることになるが、よく知られているように、フィードバック制御を用いずに制御偏差をゼロとするような制御系を構成することは難しい。

特許文献１や非特許文献１では、相対湿度が１００％以上となり水滴が吸気されるリスクについて考慮されておらず、従って適正な冷却水量について定量的な技術は提供されていない。これらの文献では、湿度１００％以上になるよう過剰に冷却水を噴霧し、この結果蒸発していない水が液滴状態で圧縮機内へ導入され、圧縮機内で液滴が蒸発する方式が提案されている。この従来技術を使用すると圧縮機内での気体流量バランスが設計点と大きく異なる場合があり、流体機械の不安定現象であるサージ現象が発生しやすくなる。また気化しない冷却水が圧縮機内に流入すると、圧縮機の翼等にダメージを与える可能性がある。なぜならば、通常、圧縮機およびタービンは気体のみを流す流体機械として設計されており、液滴が直接機械表面に接触することは想定していない設計になっているためである。

特許文献２では、ガスタービン吸気冷却システムに、他の機械プロセスを組み合わせることにより、ガスタービンの出力増加を図る提案が行なわれている。こうした方式は、特定の運転条件での出力増加には効果があるが、実プラントでの運転が複雑になりすぎ各種制約により運転可能条件が絞られること、さらに新たに機械設備全体のバランス計算をやり直す必要があり構成機械の増加により保守が難しくなることなど、課題が多く実用化が難しいのが現状である。

特許文献３では、ガスタービン吸気冷却システムに加える冷却水流量について制御するという提案がなされている。しかし制御内容について具体的に示されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、圧縮機入口空気中に冷却水を噴霧することにより吸気を冷却する吸気冷却システムを持つガスタービン発電設備において、圧縮機入口空気が所望の相対湿度になるように制御することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン発電設備は、空気を吸入して圧縮する圧縮機と、この圧縮機に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システムと、前記圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、回転駆動されて発電を行なう発電機と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して前記圧縮機および前記発電機を駆動するガスタービンと、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を所定の湿度目標値に近づけるように制御する制御装置と、を有するガスタービン発電設備であって、前記制御装置は、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算する湿度計算部を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係るガスタービン発電設備運転方法は、空気を吸入して圧縮する圧縮機と、この圧縮機に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システムと、前記圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、回転駆動されて発電を行なう発電機と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して前記圧縮機および前記発電機を駆動するガスタービンと、を有するガスタービン発電設備の運転方法であって、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算する湿度計算ステップと、前記湿度計算ステップで推定計算された湿度に基づいて、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を所定の湿度目標値に近づけるように制御する湿度制御ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機入口空気中に冷却水を噴霧することにより吸気を冷却する吸気冷却システムを持つガスタービン発電設備において、圧縮機入口空気が所望の相対湿度になるように制御できる。

本発明に係るガスタービン発電設備の第１ないし第３の実施形態の全体構成を示す模式図である。本発明に係るガスタービン発電設備の第１ないし第３の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。本発明に係るガスタービン発電設備の第１の実施形態における制御装置の圧縮機入口相対湿度計算部の処理手順を示すフロー図である。本発明に係るガスタービン発電設備の第３の実施形態における制御装置の圧縮機入口相対湿度計算部の構成を示す制御ブロック図である。

以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

ここで説明する実施形態では、ガスタービンの吸気冷却システムで、冷却水流量は相対湿度を１００％以下の所定値（たとえば９５％）に近い値に制御し、圧縮機入り口前で冷却水がすべて気化するようにするものである。相対湿度１００％ないしはそれに近い状態は、大雨時に発生する高湿度の大気条件と同等であり、吸気冷却システムを持たない既存のガスタービン発電設備の機械設計バランスを崩すことなく適用でき、したがって、ほぼすべての従来型ガスタービンに適用可能である。

個別の実施形態について説明するに先立って、実施形態の説明全体に共通する事項を記載する。

まず、圧縮機入口空気の相対湿度ないしは絶対湿度を除き、他のプロセス量は全て理想的に計測できるものと仮定する。よって圧縮機入口空気の相対湿度ないしは絶対湿度以外の各プロセス量は計測値であるとして記載する。計測値が得られない場合であっても、他の計測可能なプロセス量および制御信号などの情報を用いて推定計算値が得られ計測値として代用可能である場合については、同等の技術が適用できるのは言うまでもない。

また、本実施形態の説明ではＳＩ単位系を用いる。すなわち、質量はｋｇ、圧力はＭＰａ、温度はＫ、時間はｓ、質量流量はｋｇ／ｓ、エネルギーはｋＪ、エンタルピーはｋＪ／ｋｇ、比熱はｋＪ／ｋｇ／Ｋ、また絶対湿度としては重量絶対湿度ｋｇ／ｋｇ、相対湿度はｐｕ（ｐｅｒｕｎｉｔ）、分子量は［ｇ／ｍｏｌ］を、それぞれ使用する。水の分子量は１８．０１５２８ｇ／ｍｏｌ、空気の分子量は２８．９６６ｇ／ｍｏｌが使用されることが多いが、ここでは記載の容易さのために、それぞれ１８と２９を使用する。各単位は変換式を適切に用いることにより任意の単位体系に変換できるので、本発明は使用する単位系に依存しないことは自明である。

さらに以下の説明では、プロセス量は次のルールに従って記述する。それぞれのプロセス量ごとに次の記号を使用する。すなわち、圧力ｐ、温度Ｔ、気体および液体の質量流量Ｍ、絶対湿度ｚ、相対湿度ｒ、比熱Ｃｐ、エンタルピーｈ、単位時間当たりのエネルギー流量Ｅを用いる。圧力は単位として使用されるＰａと区別するために小文字ｐを用いる。

またこれらの記号に続けて、ｓを添えるときは蒸気を、ｗを添えるときは水を、ｄを添えるときは乾燥空気を、ａを添えるときは空気と水蒸気を含む気体全体を表現し、これらが飽和状態であるときはｆを付け、空気か蒸気か水かについて説明が不要な場合はこれを省略する。さらに続けて、１を添えたときには吸気入口すなわち吸気ダクト内でまだ冷却水を加える前の空気または蒸気の状態を示し、２を添えたときには圧縮機入口すなわち吸気ダクト内で冷却水を加えた後に圧縮機に吸気される直前の状態を示し、３を添えたときには添加される冷却水の状態を示す。エネルギーについては温度２７３．１５Ｋを基準にしてゼロとし、そこからの変化分を用いる。

以上のルールに従ったプロセス量の具体的な例を示せば、吸気入口の圧力ｐａ１、吸気入口の乾燥空気の分圧ｐｄ１、吸気入口の水蒸気分圧ｐｓ１、吸気入口の乾燥空気の質量流量Ｍｄ１、吸気入口の水蒸気の質量流量Ｍｓ１、吸気入口温度Ｔ１、吸気入口の相対湿度ｒ１、吸気入口の絶対湿度ｚ１、圧縮機入口の圧力ｐａ２、圧縮機入口の温度Ｔ２、圧縮機入口の絶対湿度ｚ２、冷却水の温度Ｔ３、冷却水の質量流量Ｍｗ３、乾燥空気の比熱Ｃｐｄ、蒸気の比熱Ｃｐｓおよび水の比熱Ｃｐｗなどという表記を使用する。

プロセス量ではなく演算の結果として得られる値としては、相対湿度の目標値Ｑ１、冷却水流量操作量Ｑ３、という表記を用いる。

［第１の実施形態］
はじめに、図１ないし図３を参照して、本発明に係るガスタービン発電設備の第１の実施形態について説明する。ここで、図１は本発明に係るガスタービン発電設備の第１ないし第３の実施形態の全体構成を示す模式図である。図２は、本発明に係るガスタービン発電設備の第１ないし第３の実施形態における制御装置の構成を示す制御ブロック図である。図３は、本発明に係るガスタービン発電設備の第１の実施形態における制御装置の圧縮機入口相対湿度計算部の処理手順を示すフロー図である。

図１に示すように、この実施形態におけるガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機１と、この圧縮機１の吸気中に冷却水を噴霧することにより吸気温度を低下させる吸気冷却システム２と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して圧縮機１および発電機５を駆動するガスタービン４と、を有する。

吸気冷却システム２は、冷却水タンク１１と、冷却水タンク１１から水を送り出すポンプ１２と、冷却水流量を調節するための調節弁１３と、吸気中に冷却水を噴霧するためのグリッド１４と、これらを接続するための配管とを有する。

さらに、冷却水流量を調整する演算を行う制御装置７が設けられている。また、各種プロセス量計測器２０、２１、２２が配置されている。プロセス量計測器２０、２１、２２の出力は制御装置７に入力され、これにより、ポンプ１２の回転速度や調節弁１３の開閉制御に用いられる。ここで、プロセス量計測器２０、２１、２２の出力であるプロセス量は、圧縮機１、吸気冷却システム２、燃焼器３、発電機５、ガスタービン４などの状態を示すプロセス量であって、たとえば、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１、圧縮機入口温度Ｔ２、圧縮機入口の相対湿度ｒ２、冷却水流量Ｍｗ３などが含まれる。

図２に示すように、制御装置７は、圧縮機入口相対湿度計算部３１と引き算器３２とＰＩ制御器３３とを備えている。各種プロセス量は、圧縮機入口相対湿度計算部３１に入力され、ここで、圧縮機入口相対湿度ｒ２の推定計算が行なわれる。圧縮機入口相対湿度計算部３１で算出された圧縮機入口相対湿度ｒ２に対して、相対湿度の目標値Ｑ１との偏差が、引き算器３２で演算され、その偏差を解消するようにＰＩ制御器３３が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。これにより、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を目標値Ｑ１と一致させるような制御演算が行なわれる。なおここで、「一致」とは、実際には目標値をはさむ所定の幅の領域内に入ることをいい、必ずしも完全な一致でなくともよい。以下の説明でも同様である。

図１および図２に示す構成は、後述する第２および第３の実施形態でも共通である。

つぎに、第１の実施形態の圧縮機入口相対湿度計算部３１による圧縮機入口相対湿度ｒ２の推定計算の手順を、図３を参照して説明する。ここで、各種プロセス量としてガスタービンを用いた発電プラントで一般的に計測されているかすでに算出されている下記の値を用いる。すなわち、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１、冷却水流量Ｍｗ３、圧縮機入口圧力ｐａ２を用いる。これ以外の値は、以下の計算により算出した値を用いる。

圧縮機入口相対湿度計算部３１は、各制御周期ごとに以下のステップＳ１〜Ｓ１１の収束計算を行ない、圧縮機入口空気の相対湿度ｒ２を算出する。

はじめに、圧縮機入口温度計算値Ｔｒ２の初期値を設定する（ステップＳ１）。最初に計算を開始する際には、Ｔｒ２＝Ｔ１またはＴｓ２＝Ｔ２とし、２回目以降は、前回の収束計算で得られたＴｒ２を用いる。

ここで、ｒ１≧１かどうかを判定し（ステップＳ２）、ｒ１≧１ならばｒ２＝１として（ステップＳ３），処理を終了する。ｒ１＜１ならばステップＳ４へ進む。

ステップＳ４では、以下の値を順に計算する。

吸気温度Ｔ１における飽和蒸気圧力ｐｓ１ｆを得る。

ｐｓ１ｆ＝ｆ１（Ｔ１）
ここでｆ１は、飽和水蒸気圧力と温度の関係を表す関数である。

相対湿度ｒ１の時の水蒸気分圧ｐｓ１＝ｒ１＊ｐｓ１ｆ
なお「＊」は掛け算を意味する（以下同様）。

吸気に含まれている水蒸気の流量Ｍｓ１＝１８／２９＊ｐｓ１／（ｐａ１−ｐｓ１）＊Ｍｄ１
吸気が持っているエネルギー流量Ｅ１を、次式で求める。

Ｅ１＝Ｃｐｄ＊（Ｔ１−２７３．１５）＊Ｍｄ１＋Ｃｐｓ＊（Ｔ１−２７３．１５）＊Ｍｓ１
冷却水が持っているエネルギー流量Ｅ３を次式で求める。

Ｅ３＝Ｃｐｗ＊（Ｔ３−２７３．１５）＊Ｍｗ３
温度Ｔｒ２の飽和水蒸気分圧ｐｓ２ｆを計算する。

ｐｓ２ｆ＝ｆ１（Ｔｒ２）
ここでｆ１は、飽和水蒸気圧力と温度の関係を表す関数である。

圧縮機入口が飽和するときの絶対湿度ｚ２ｆを次式で求める。

ｚ２ｆ＝ｐｓ２ｆ／（ｐａ２−ｐｓ２ｆ）
ここで、以下の（ａ）か（ｂ）のいずれかの判断をする（ステップＳ５）。この判断の結果により、圧縮機入口の絶対湿度ｚ２と相対湿度ｒ２を算出する。

（ａ）（Ｍｓ１＋Ｍｗ３）／Ｍｄ１≧ｚ２ｆの場合（ステップＳ６）
これは飽和する以上に冷却水が供給されている状態を示す。飽和分以上の過剰な冷却水はドレンとして系外へ排出される。このドレン流量をＭｗ４とおくと、
Ｍｗ４＝Ｍｓ１＋Ｍｗ３−ｚ２ｆ＊Ｍｄ１
圧縮機入口は飽和しているので、
ｚ２＝ｚ２ｆ、ｒ２＝１
この時、蒸発した冷却水流量Ｍｓ２を、次式で計算しておく。

Ｍｓ２＝（ｚ２ｆ−ｚ１）＊Ｍｄ１＝ｚ２ｆ＊Ｍｄ１−Ｍｓ１
（ｂ）（Ｍｓ１＋Ｍｗ３）／Ｍｄ１＜ｚ２ｆの場合（ステップＳ７）
この場合は飽和に達していないので、ドレンとして系外へ排出される水の流量Ｍｗ４はゼロである。

また、
ｚ２＝（Ｍｓ１＋Ｍｗ３）／Ｍｄ１、ｒ２＝ｚ２／ｚ２ｆ
このとき、蒸発した冷却水流量Ｍｓ２を、次式で計算しておく。

Ｍｓ２＝Ｍｗ３
つぎに、冷却水１ｋｇが温度Ｔｒ２で蒸発するときに必要なエンタルピーｄＨを次式によって求める（ステップＳ８）。

ｄＨ＝ｈ２（ｐｓ２ｆ，Ｔｒ２）−ｈ１（ｐｓ２ｆ，Ｔｒ２）
ここで、ｈ１（ｐ，Ｔ）は、圧力ｐ、温度Ｔの水のエンタルピーを計算するための関数を示し、ｈ２（ｐ，Ｔ）は、温度Ｔの水蒸気のエンタルピーを計算するための関数を示す。

圧縮機入口のエネルギー流量Ｅ２を、次式によって求める。

Ｅ２＝Ｃｐｄ＊（Ｔ２−２７３．１５）＋Ｍｄ１＋Ｃｐｓ＊（Ｔ２−２７３．１５）＊（Ｍｓ１＋Ｍｓ２）＋ｄＨ＊Ｍｓ２
エネルギー保存則より、Ｅ１＋Ｅ３＝Ｅ２となるはずであり、これはＴｒ２の値が適切なときに成立する。そこで、エネルギー流量のアンバランス値ｄＥを
ｄＥ＝Ｅ１＋Ｅ３−Ｅ２
として計算する。

ここで、｜ｄＥ｜＜ｅｐｓかどうかを判定する（ステップＳ９）。

｜ｄＥ｜＜ｅｐｓであるならば
Ｑ２＝Ｑｒ２とする（ステップＳ１０）。

上記ステップＳ９で｜ｄＥ｜＜ｅｐｓでない場合は
Ｔｒ２＝Ｔｒ２＋α＊ｄＥ
として（ステップＳ１１）、上記ステップＳ４の処理へ移動する。

最終回に得られた圧縮機入口絶対湿度ｚ２、圧縮機入口相対湿度ｒ２が、求めるべき値である。

これで処理を終了する。

上記ステップＳ１１で用いられるαは、収束計算を安定に行なうために用いる係数であり、使用する単位系によって値は大きく変化する。ここで用いている単位系では、概ねα＝０．０００１から０．０００３で良好な収束性を得る。

以上により、吸気冷却システム２で算出された圧縮機入口相対湿度ｒ２に対して、その目標値Ｑ１との偏差が、引き算器３２で演算され、その偏差を解消するようにＰＩ制御器３３が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

以上説明したように、第１の実施形態により、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。

この実施形態により、圧縮機入口の相対湿度を１００％近い値に保つことができ、吸気冷却による出力増加を図り、しかも機械の安全性を保つことができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態では、図１に示す全体構成および図２に示す制御装置の基本構成は第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態では、制御装置７の圧縮機入口相対湿度計算部３１の具体的構成および作用が第１の実施形態と異なる。第１の実施形態と同様に、各種プロセス量としてガスタービンを用いた発電プラントで一般的に計測されているかすでに算出されている下記の値を用いる。すなわち、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１、冷却水流量Ｍｗ３、圧縮機入口圧力ｐａ２を用いる。これ以外の値は、以下の計算により算出した値を用いる。

第２の実施形態の圧縮機入口相対湿度計算部３１は、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１、冷却水流量Ｍｗ３、圧縮機入口圧力ｐａ２を用いて、圧縮機入口相対湿度ｒ２を算出する。

具体的な例としては、次の式により圧縮機入口相対湿度ｒ２を算出する。

ｒ２＝ｂ１×ｐａ１×ｐａ１＋ｂ２×Ｔ１×Ｔ１＋ｂ３×ｒ１×ｒ１＋ｂ４×Ｔ３×Ｔ３＋ｂ５×Ｍｄ１×Ｍｄ１＋ｂ６×Ｍｗ３×Ｍｗ３＋ｂ７×ｐａ２×ｐａ２＋ｂ８×ｐａ１×Ｔ１＋ｂ９×ｐａ１×ｒ１＋ｂ１０×ｐａ１×Ｔ３＋ｂ１１×ｐａ１×Ｍｄ１＋ｂ１２×ｐａ１×Ｍｗ３＋ｂ１３×ｐａ１×ｐａ２＋ｂ１４×Ｔ１×ｒ１＋ｂ１５×Ｔ１×Ｔ３＋ｂ１６×Ｔ１×Ｍｄ１＋ｂ１７×Ｔ１×Ｍｗ３＋ｂ１８×Ｔ１×ｐａ２＋ｂ１９×ｒ１×Ｔ３＋ｂ２０×ｒ１×Ｍｄ１＋ｂ２１×ｒ１×Ｍｗ３＋ｂ２２×ｒ１×ｐａ２＋ｂ２３×Ｔ３×Ｍｄ１＋ｂ２４×Ｔ３×Ｍｗ３＋ｂ２５×Ｔ３×ｐａ２＋ｂ２６×Ｍｄ１×Ｍｗ３＋ｂ２７×Ｍｄ１×ｐａ２＋ｂ２８×Ｍｗ３×ｐａ２＋ｂ２９×ｐａ１＋ｂ３０×Ｔ１＋ｂ３１×ｒ１＋ｂ３１×Ｔ３＋ｂ３３×Ｍｄ１＋ｂ３４×Ｍｗ３＋ｂ３５×ｐａ２＋ｂ３６
圧縮機入口相対湿度ｒ２を算出するための関数の具体例として各プロセス値の２次までの多項式で表現した例を上に示したが、関数の形は三角関数や対数関数や有理式や３次以上の多項式やこれらの組み合わせなどが使用可能である。関数の係数ｂ１からｂ３６は、十分多数の入力条件に対して前述の第１の実施形態の収束計算を予め解いて、最小二乗法などにより予め決定することができる。

以上により算出された圧縮機入口相対湿度ｒ２に対して、その目標値Ｑ１との偏差が演算され、その偏差を解消するようにＰＩ制御器が冷却水流量操作量Ｑ３を増減する。

このように構成された第２の実施形態により、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について、図４を用いて説明する。図４は、本発明に係るガスタービン発電設備の第３の実施形態における制御装置の圧縮機入口相対湿度計算部の構成を示す制御ブロック図である。第１の実施形態として説明した図１および図２に示す基本構成はこの実施形態でも共通である。また、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

第３の実施形態では、制御装置７の圧縮機入口相対湿度計算部３１の具体的構成および作用が、第１および第２の実施形態と異なる。

第３の実施形態では、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、各種プロセス量としてガスタービンを用いた発電プラントで一般的に計測されているかすでに算出されている下記の値を用いる。すなわち、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１、冷却水流量Ｍｗ３、圧縮機入口圧力ｐａ２を用いる。これ以外の値は、以下の計算により算出した値を用いる。

第３の実施形態の圧縮機入口相対湿度計算部３１は、補間計算部４１と低値選択器４２とを有し、各制御周期ごとに以下の計算を行なう。

補間計算部４１では、吸気圧力ｐａ１、吸気温度Ｔ１、吸気の相対湿度ｒ１、冷却水温度Ｔ３、乾燥空気流量Ｍｄ１、冷却水流量Ｍｗ３、圧縮機入口圧力ｐａ２を用いて、圧縮機入口相対湿度ｒ２を算出する。図４では圧縮機入口相対湿度ｒ２を算出するための手段として、６つのプロセス量と圧縮機入口相対湿度ｒ２から成る７次元空間上で、圧縮機入口相対湿度ｒ２が６つのプロセス量の関数として定義できることを示している。すなわち、
ｘ＝（ｘ１、ｘ２，ｘ３，ｘ４，ｘ５，ｘ６，ｘ７）
＝（ｐａ１，Ｔ１，ｒ１，Ｔ３，Ｍｄ１，Ｍｗ３，ｐａ２）・・・（式１）
とおいて、
ｒ２＝ｆ（ｘ）・・・（式２）
と書くことができる（非特許文献２）。

（式２）において、全ての６つの変数について、通常運転する範囲内では関数ｒ２の値は、ｒ２＝１で上限が掛かるが、それ以外の点では連続的かつ滑らかに変化する。このような特徴があるので、各変数を適切な数、たとえばそれぞれ５点ずつに分割し、それぞれの点での圧縮機入口相対湿度ｒ２の値を算出しておくことにより、多重線形関数を用いて（式３）により補間計算を行なうことができる。つまり、変数ｘを５点ずつに分割したとすると、
Ｘ_ｉ≦ｘ≦Ｘ_ｉ＋１（ただし、ｉ＝１，・・・，４）であるようなＸ_ｉとＸ_ｉ＋１と
を用いて、
ｒ２＝ｑ０＋Σｑ１，・・・，ｑ６ｆ（Ｘ）・・・（式３）
ただし、（式３）のΣはＸ_ｉとＸ_ｉ＋１の全ての組み合わせについて和を取ることを表しており、６変数であるので２^６乗＝６４項の足し算となる（非特許文献２）。

このような計算が可能であるのは、圧縮機入口相対湿度ｒ２が、連続的かつ滑らかに変化する特徴を持つことによるものである。なお、圧縮機入口相対湿度ｒ２は１を超すことはあり得ないが、補間計算に使用する部分の値としては、１以上まで値を外挿して得られた値Ｑ５を用いる。そして補間計算後に、低値選択器により上限値を１として、圧縮機入口相対湿度ｒ２を得る。

このように構成された第３の実施形態により、圧縮機入口の相対湿度ｒ２を相対湿度の目標値Ｑ１に一致させることができる。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

上記実施形態では、相対湿度の目標値Ｑ１と圧縮機入口の相対湿度ｒ１の偏差を解消するために、便宜上、ＰＩ制御器３３を説明に使用した。しかし、他のフィードバック制御器をＰＩ制御器３３の代わりに使用可能である。たとえば、ＰＩＤ制御器や積分制御器などである。また、微分方程式や差分方程式を用いて制御ゲインを算出するフィードバック制御器を用いることもでき、たとえば最適レギュレータやＨ無限大制御器やモデル予測制御器などの良く知られた技術を利用することができる。また、フィードバック制御の性能を改善するためにフィードフォワード制御と組み合わせることもできる。

また上記実施形態の説明では、吸気および圧縮機入口の相対湿度が得られる場合について説明した。しかし、相対湿度の代わりに絶対湿度や比較湿度など、他の湿度に関する情報が得られる場合でも、適切なプロセス値を用いることにより相互に換算が可能である。

また、乾燥空気および水蒸気および冷却水の比熱は、一般的にはそれぞれの温度と圧力の関数である。しかしこれらの比熱がほぼ一定値を取るので、上記実施形態では、定数として説明している。これを一般化して、比熱を各部分の温度および圧力の関数として表現することもできる。

さらに、プロセス値について、そのいずれか１つ以上の変動が十分小さく保たれている場合には、それを一定値と見なして扱うことが可能である。これは、使用されている各種パラメータの値を適切に選ぶことにより計算できる状態である。またこれによる計算の簡略化は単純な等式変換で示すことができる。

１圧縮機
２吸気冷却システム
３燃焼器
４ガスタービン
５発電機
６吸気ダクト
７制御装置
１１冷却水タンク
１２ポンプ
１３調節弁
１４グリッド
２０、２１、２２プロセス量計測器
３１圧縮機入口相対湿度計算部
３２引き算器
３３ＰＩ制御器

Claims

空気を吸入して圧縮する圧縮機と、
この圧縮機に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システムと、
前記圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、
回転駆動されて発電を行なう発電機と、
前記燃焼器で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して前記圧縮機および前記発電機を駆動するガスタービンと、
前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を所定の湿度目標値に近づけるように制御する制御装置と、
を有するガスタービン発電設備であって、
前記制御装置は、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算する湿度計算部を備えていることを特徴とするガスタービン発電設備。
前記制御装置は、前記吸気冷却システムが噴霧する冷却水の流量を、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度に対応させて操作すること、を特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電設備。
前記湿度計算部は、前記吸気冷却システムに関係する少なくとも一つのプロセス値を使用して前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算すること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン発電設備。
前記湿度計算部は、物理的な物質収支およびエネルギー収支を表わす式の収束計算を行なうことにより前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算すること、を特徴とする請求項１ないし請求後３のいずれか一項に記載のガスタービン発電設備。
前記湿度計算部は、前記吸気冷却システムに関係する少なくとも一つのプロセス値を使用して、あらかじめ定めた関数により、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算すること、を特徴とする請求項３に記載のガスタービン発電設備。
前記湿度計算部は、前記吸気冷却システムに関係する少なくとも二つのプロセス値を使用して、多次元空間の線形補間式により、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算すること、を特徴とする請求項３に記載のガスタービン発電設備。
前記プロセス値は、前記圧縮機の吸気圧力、前記圧縮機の吸気温度、前記圧縮機の吸気湿度、前記冷却水の温度、前記圧縮機に吸引される乾燥空気の流量、前記冷却水の流量、前記圧縮機の入口圧力のうちのいずれか少なくとも一つの実測値または計算値を含むこと、を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載のガスタービン発電設備。
前記制御装置は、所定の制御周期ごとに制御を行なうものであって、前記湿度計算部は、前記制御周期ごとに推定計算を行なうこと、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のガスタービン発電設備。
空気を吸入して圧縮する圧縮機と、この圧縮機に吸入される前の空気の中に冷却水を噴霧する吸気冷却システムと、前記圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、回転駆動されて発電を行なう発電機と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して前記圧縮機および前記発電機を駆動するガスタービンと、を有するガスタービン発電設備の運転方法であって、
前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を推定計算する湿度計算ステップと、
前記湿度計算ステップで推定計算された湿度に基づいて、前記圧縮機に吸入される圧縮機入口空気の湿度を所定の湿度目標値に近づけるように制御する湿度制御ステップと、
を有することを特徴とするガスタービン発電設備運転方法。