JPH06341330A - ガスタービンの燃料制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料切替え時の発電機出力の変動を抑制し、
メイン燃料流量を一定に保ったままでメイン燃料専焼か
らサブ燃料との混焼状態への切替えを可能にすること。 【構成】 専焼から混焼へ移行させる際に、メイン燃料
の流量を一定にした状態で発電機出力の変化に伴って混
焼比率を変化させるように制御したり、任意に設定した
一方の燃料の流量設定値とその燃料の実際の流量値との
差によって、混焼比率の制御値を補正するようにしたも
の。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン発電プラ
ントに適用されるガスタービンの燃料制御方法に係り、
特に、少なくとも２種類の燃料を使用して、専焼と混焼
を行うガスタービンの燃料制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン発電プラントの燃焼器で
は、各種の燃料を使用することができる。例えば、液体
燃料では、ナフサ、灯油、軽油、原油、重油、副生スラ
リ油、残さ油、メタノールなどが使われ、一方ガス燃料
では、天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガ
ス（ＬＰＧ）、石油副生ガス、コークス炉ガス、坑内メ
タンガス、高炉ガス、石炭ガス化ガスなどが使われる。
そして、燃料ノズルにデュアルフュエルノズルを使用し
て、同じ燃焼器に液体燃料とガス燃料を、または２種類
のガス燃料を同時に噴射するようにし、その比率を任意
に設定して混焼運転したり、それぞれの燃料を単独で使
用した専焼運転をさせたりしている。

【０００３】図５は、従来のガスタービンの燃料制御方
法を適用したガスタービン発電プラントの系統図であ
り、先ずこの図を参照して、従来のガスタービンの燃料
制御方法について説明する。

【０００４】このガスタービン発電プラントは、燃焼器
１へ２つの燃料流量制御弁２、３を介して供給される燃
料（メイン燃料とサブ燃料）と、空気圧縮機４で圧縮さ
れて供給される空気とを混合して燃焼させて高温・高圧
のガスを発生させ、そのガスをタービン５で膨脹させる
ことにより得られる動力で発電機６を駆動して電力を得
るようにしたものである。そして、タービン５の回転数
Ｎを検出するための回転数検出器７と、タービン５の排
気ガス温度Ｔｅｘを検出するための排ガス温度検出器８
および発電機６の出力Ｍｗを検出する発電機出力検出器
９を設け、各検出器７、８、９からの信号を制御装置１
０へ供給し、この制御装置１０ではタービンの回転数
Ｎ、タービンの排気ガス温度Ｔｅｘ、発電機の出力Ｍｗ
をパラメータとして、回転数制御回路１１、排ガス温度
制御回路１２、発電機出力制御回路１３および最小値選
択回路１４で制御関数を演算することにより燃料流量制
御信号ＣＳＯを得ている。

【０００５】また、制御装置１０には、メイン燃料とサ
ブ燃料との混焼比率を設定するための混焼比率設定器１
５が設けられており、ここから混焼比率信号ＦＲＣＳＯ
が燃料配分制御器１６へ供給される。また、燃料流量制
御信号ＣＳＯも燃料配分制御器１６へ供給されている。
燃料配分制御器１６は掛算器１７と減算器１８とから成
り、燃料流量制御信号ＣＳＯと混焼比率信号ＦＲＣＳＯ
とが掛算されて、サブ燃料用の流量制御弁３の開度を制
御するサブ燃料流量制御信号ＳＣＳＯ＝ＦＲＣＳＯ×Ｃ
ＳＯを得、燃料流量制御信号ＣＳＯからサブ燃料流量制
御信号ＳＣＳＯを減算して、メイン燃料用の流量制御弁
２の開度を制御するメイン燃料流量制御信号ＭＣＳＯ＝
ＣＳＯ−ＳＣＳＯ＝ＣＳＯ−ＦＲＣＳＯ×ＣＳＯ＝（１
−ＦＲＣＳＯ）×ＣＳＯを得ている。なお、以後ガス燃
料をメイン燃料、液体燃料をサブ燃料として説明するも
のとする。

【０００６】この種ガスタービン発電プラントにおける
燃焼器１への燃料供給と負荷の関係は、図３、図４のよ
うになっている。すなわち、図３は横軸に液体燃料の比
率を縦軸にガス燃料の比率をとった負荷直線を示したも
ので、ガス燃料２５％のＸ点と液体燃料２５％のＤ点と
を結ぶ直線ＸＤは無負荷状態を示し、右上方へ向かって
それぞれ１／４、２／４、３／４、４／４負荷直線を示
している。ちなみに、Ｌ点はガス燃料専焼による４／４
負荷点であり、Ｍ点はガス燃料と液体燃料それぞれ５０
％混焼４／４負荷点、Ｎ点は液体燃料専焼による４／４
負荷点である。そして図４は、横軸に負荷を、縦軸に全
燃料中に占める液体燃料の比率を表した混焼比率を示し
たものである。

【０００７】次に、図３、図４により起動から燃料の切
替えにいたる運転状態について説明する。通常、起動は
メイン燃料（ガス燃料）だけによって行われ、０点から
燃料２５％のＸ点に達すると負荷が併入される。Ｙ点、
Ｚ点を経て２／４負荷に相当する１点に到達すると、入
熱を一定にしてメイン燃料を減らしながら逐次サブ燃料
（液体燃料）を増加させて混焼運転に切替えて行き、遂
にはサブ燃料専焼２／４負荷の２点に達する。なお、４
／４負荷時には直線ＬＮ上を移行することになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の方式
においては、専焼運転から混焼運転への移行時には、混
焼比率の変化に際してメイン燃料とサブ燃料の両方を調
節することになり、燃料切替え時の発電機出力の変動を
抑制することが制御上困難であった。また、発電プラン
トの運用面から、メイン燃料であるガス燃料をサブ燃料
である液体燃料に比べて優先して使用する要求があって
も、従来技術では対応することが困難であった。本発明
は、このような従来技術の課題を解決するためになされ
たもので、燃料切替え時の発電機出力の変動を抑制し、
メイン燃料流量を一定に保ったままでメイン燃料専焼か
らサブ燃料との混焼状態への切替えを可能にするガスタ
ービンの燃料制御方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、少なくとも２種類の燃料を使用して、
それぞれの燃料を専焼させたり、或いは両者を混焼させ
たりするガスタービンの燃料制御方法において、専焼か
ら混焼へ移行させる際に、一方の燃料の流量を一定にし
た状態で発電機出力の変化に伴って混焼比率を変化させ
るように制御したり、さらには任意に設定した一方の燃
料の流量設定値とその燃料の実際の流量値との差によっ
て、混焼比率の制御値を補正するようにしたものであ
る。

【００１０】

【作 用】上記の手段によれば、メイン燃料流量一定で
専焼から混焼へ移行させた場合の混焼比率の軌跡が発電
機出力の関数として設定され、また、任意に設定したメ
イン燃料の流量と実際の流量との偏差値をフィードバッ
クして混焼比率の制御値を補正するので、メイン燃料流
量を一定にしたままで発電機出力の変動を抑制すること
ができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明に係るガスタービンの燃料制御方
法の一実施例について、図１ないし図４を参照して詳細
に説明する。なお、図１、図２において、図５と同一部
分には同一符号を付して示してあるのでその部分の説明
は省略する。

【００１２】先ず、本発明に係るガスタービンの燃料制
御方法の基本的な考え方を、図３、図４をもとに説明す
る。すなわち、起動はメイン燃料（ガス燃料）専焼で行
い、メイン燃料専焼無負荷状態のＸ点に到達したら、メ
イン燃料一定のままで逐次サブ燃料（液体燃料）を増や
して混焼へ移行させ、メイン燃料、サブ燃料とも２５％
のＢ点で１／４負荷強となり、さらにサブ燃料を増加し
ていくと遂にＣ点で４／４負荷となる。このＸＢＣを結
ぶ線を基準カーブとして、メイン燃料（ガス燃料）の流
量を任意に設定（例えばＹ、Ｚに）し、メイン燃料一定
のままで逐次サブ燃料（液体燃料）を増やして混焼へ移
行させると、ＹＧＨやＺＥＦを結ぶ線上を移行して、任
意の混焼比率で４／４負荷に到達させることができる。
なお、図３、４中斜線を施した範囲は通常の混焼範囲と
なる。

【００１３】次に、このような燃料制御方法を実現させ
るための具体例を、図１のガスタービン発電プラントの
一実施例の系統図により説明する。この実施例では、図
５で説明した従来のものに対して、先ず、メイン燃料流
量制御弁２に至るメイン燃料系統にメイン燃料流量測定
器１００を追設し、さらに制御装置１０内にメイン燃料
流量制御・補正装置１０１を追設している。そして、こ
のメイン燃料流量制御・補正装置１０１に、メイン燃料
流量測定器１００で検出されたメイン燃料の実流量Ｆｍ
と、発電機出力検出器９からの発電機出力Ｍｗおよび混
焼比率設定器１５からのメイン燃料流量設定値Ｆｓを供
給し、これらをもとに演算処理した結果として混焼比率
信号ＦＲＣＳＯを燃料配分制御器１６へ出力している。

【００１４】なお、図５の説明では、混焼比率設定器１
５からの出力を混焼比率信号ＦＲＣＳＯとしていたが、
本発明では、これをメイン燃料流量設定値Ｆｓとしてと
らえ、メイン燃料流量制御・補正装置１０１の出力を混
焼比率信号ＦＲＣＳＯとするものとする。すなわち、メ
イン燃料流量制御・補正装置１０１からの混焼比率信号
ＦＲＣＳＯと、従来のタービンの回転数Ｎ、タービンの
排気ガス温度Ｔｅｘ、発電機の出力Ｍｗをパラメータと
して、回転数制御回路１１、排ガス温度制御回路１２、
発電機出力制御回路１３および最小値選択回路１４で制
御関数を演算することにより得られる燃料流量制御信号
ＣＳＯとから、燃料配分制御器１６により、メイン燃料
用の流量制御弁２の開度を制御するメイン燃料流量制御
信号ＭＣＳＯと、サブ燃料用の流量制御弁３の開度を制
御するサブ燃料流量制御信号ＳＣＳＯとに配分して出力
する。このとき、メイン燃料流量制御信号ＭＣＳＯが一
定となるように、燃料流量制御信号ＣＳＯの増減に伴っ
て混焼比率信号ＦＲＣＳＯが変化するので、これにより
サブ燃料流量制御信号ＳＣＳＯが変化して、ガスタービ
ン発電機６の出力Ｍｗが制御されることになる。

【００１５】図２はメイン燃料流量制御・補正装置１０
１の詳細を示したものである。このメイン燃料流量制御
・補正装置１０１は、メイン燃料流量一定先行制御回路
１０２部分と、メイン燃料流量補正回路１０３部分とに
大別されている。そして、メイン燃料流量一定先行制御
回路１０２は、メイン燃料流量一定のもとで、専焼から
混焼へ移行する際の混焼比率の軌跡を、発電機出力Ｍｗ
の関数として設定する関数設定器１０４を主要構成要素
としており、ここから発電機出力Ｍｗの変化に伴い先行
混焼比率信号ａが出力される。また、後述するが、連続
混焼下限信号ｆおよび下限値制限信号ｉ、上限値制限信
号ｐも出力される。

【００１６】一方、メイン燃料流量補正回路１０３部分
としては、メイン燃料の実流量Ｆｍの変化量を記憶する
アナログ記憶回路１１２、混焼比率設定器１５からのメ
イン燃料流量設定値Ｆｓとメイン燃料の実流量Ｆｍとの
差を求める減算器１１３、減算器１１３の出力としての
±偏差にもとづく信号を発生するパルス発信器１１４、
このパルス発信器１１４の出力により記憶内容が増減さ
れてフィードバック補正信号ｂを出力する混焼比率補正
用アナログ記憶回路１１５、フィードバック補正信号ｂ
と関数設定器１０４からの先行混焼比率信号ａとを加算
する加算器１１６および高値選択回路１１７などから構
成されている。また、メイン燃料流量制御・補正装置１
０１の出力段には変化率設定器１１８が設けられてお
り、混焼比率信号ＦＲＣＳＯが変化する際に、瞬時に変
化させるのではなく、ある時間をかけて滑らかに変化さ
せる機能をもたせている。なお、各種スイッチ１１９、
１２０、１２１や切替接点１２２、１２３、１２４、１
２５が多数設けられているが、これらは必要に応じて操
作されたり、図示しないシーケンス制御器によって制御
されるものである。

【００１７】続いて、本発明によるガスタービンの燃料
制御方法の一例を説明する。

【００１８】ガスタービンは起動から系統との並列まで
はメイン燃料専焼で立上がるが、この時のスイッチ１２
０はＯＮ、切替接点１２３、１２４は共に図示のように
ＯＦＦの状態になっている。従って、変化率設定器１１
８への入力ｅはｅ＝０であり、その出力ＦＲＣＯＳ＝０
が燃料配分制御器１６へ供給される。そのため、サブ燃
料流量制御信号ＳＣＳＯ＝０となり、メイン燃料流量制
御信号ＭＣＳＯのみがメイン燃料用の流量制御弁２へ供
給される。すなわち、メイン燃料専焼の状態となる。さ
らに、メイン燃料専焼中は、スイッチ１１９はＯＮにな
っており、メイン燃料の実流量Ｆｍの変化量をアナログ
記憶回路１１２に記憶する。

【００１９】次に、系統との並列後、メイン燃料専焼か
らサブ燃料との混焼へ移行すると、関数設定器１０４か
らの先行混焼比率信号ａは、発電機出力Ｍｗの増加に伴
い特性図のＸ点からＢ点へと変化したものとなる。一
方、スイッチ１１９はＯＦＦになり、アナログ記憶回路
１１２へのメイン燃料の実流量Ｆｍの供給が断たれ、結
果としてアナログ記憶回路１１２には、混焼に移行した
時点のメイン燃料の実流量（便宜的にＦｍ´とする）が
記憶されることになる。ここで、切替接点１２２は図示
のＯＦＦの状態なので、アナログ記憶回路１１２の出力
ｌが減算器１１３の入力ｍとなり、混焼移行時点のメイ
ン燃料実流量Ｆｍ′と現在のメイン燃料の実流量Ｆｍと
の偏差ｎ（ｎ＝Ｆｍ′−Ｆｍ）が求められる。この偏差
ｎの±すなわち±ｎに応じてパルス発信器１１４を作動
させて、混焼比率補正用アナログ記憶回路１１５のデー
タを増減させて、フィードバック補正信号ｂを求める。
フィードバック補正信号ｂは、さらに加算器１１６で関
数設定器１０４からの先行混焼比率信号ａと加算され
て、流量補正された混焼比率信号ｃとなる。

【００２０】切替接点１２３は、メイン燃料専焼からサ
ブ燃料との混焼への移行時にＯＮに切替えられる。従っ
て、変化率設定器１１８への入力ｅはｅ＝ｃとなり、変
化率設定器１１８の出力ＦＲＣＯＳは、所定時間かけて
滑らかに０からｃへ変化する。そのため、燃料配分制御
器１６へ供給される混焼比率信号ＦＲＣＳＯは、滑らか
に０からｃへ変化し、燃料配分制御器１６からメイン燃
料流量制御信号ＭＣＳＯと、サブ燃料流量制御信号ＳＣ
ＳＯとがそれぞれの燃料用の流量制御弁２、３へ供給さ
れ、これらの制御信号は、混焼移行時のメイン燃料流量
を一定に保ちながら、発電機出力Ｍｗの増加に伴い特性
図のＸ点からＢ点へと変化させるようなものとなってい
る。なお、混焼範囲に到達するまで（Ｂ点到達まで）
は、切替接点１２４は図示のようにＯＦＦなので、この
切替接点１２４を介して高値選択回路１１７へ供給され
る信号は０であり、高値選択回路１１７では関数設定器
１０４から供給される信号ｉを選択して、これを混焼比
率補正用アナログ記憶回路１１５へ下限制限信号として
供給する。一方、混焼比率補正用アナログ記憶回路１１
５の上限制限信号ｐは関数設定器１０４から供給されて
いる。

【００２１】さらに発電機出力Ｍｗが増加して、関数設
定器１０４からの先行混焼比率信号ａが混焼範囲の一点
であるＢ点に到達すると、切替接点１２２と１２４はＯ
Ｎに切り替わる。従って、減算器１１３には手動設定さ
れた混焼比率設定器１５からのメイン燃料流量設定値Ｆ
ｓが供給される。よって、減算器１１３ではメイン燃料
流量設定値Ｆｓとメイン燃料の実流量Ｆｍとの偏差ｎ
（ｎ＝Ｆｓ−Ｆｍ）が求められ、この偏差±ｎに応じ
て、前述の場合と同様の動作により、メイン燃料流量設
定値Ｆｓで補正された混焼比率信号ｃが得られる。すな
わち、混焼範囲内において、手動設定されたメイン燃料
流量設定値Ｆｓを保ちながら、発電機出力Ｍｗの増加に
伴い混焼範囲を特性図のＢ点からＣ点へと変化し、この
ときの混焼比率信号ＦＲＣＳＯによって、燃料配分制御
器１６からメイン燃料流量制御信号ＭＣＳＯがメイン燃
料用の流量制御弁２へ、また、サブ燃料流量制御信号Ｓ
ＣＳＯがサブ燃料用の流量制御弁３へそれぞれ供給され
る。

【００２２】以後、メイン燃料流量設定値Ｆｓを増加さ
せれば、関数設定器１０４からの先行混焼比率信号ａ
を，混焼範囲の特性図のＧ点からＨ点へ或いはＥ点から
Ｆ点へと任意に変化させて、メイン燃料流量を一定に保
つのに必要な混焼比率信号ＦＲＣＳＯを得、それに基づ
くメイン燃料流量制御信号ＭＣＳＯとサブ燃料流量制御
信号ＳＣＳＯとが燃料配分制御器１６から得られるもの
である。なお、スイッチ１２１と切替接点１２５は、ガ
スタービン発電機が系統と解列した時に、瞬時に、混焼
状態をメイン燃料専焼に切替えるために設けられたもの
である。

【００２３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
メイン燃料流量を一定に保ったままでメイン燃料専焼か
らサブ燃料との混焼状態への切替えが可能となり、ま
た、メイン燃料流量を任意の流量に保持しながら負荷の
状態に合わせて混焼範囲を移動させることができる。そ
のため、メイン燃料量に制約がある場合の対応が容易と
なり、メイン燃料を有効かつ優先して利用することがで
きるようになるなど、顕著な作用効果を奏するガスター
ビンの燃料制御方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスタービンの燃料制御方法を説
明するために示したガスタービン発電プラントの一実施
例の系統図である。

【図２】本発明に使用されるメイン燃料流量制御・補正
装置の一例の系統図である。

【図３】横軸に液体燃料の比率を縦軸にガス燃料の比率
をとって示した負荷直線の特性図である。

【図４】横軸に負荷を、縦軸に全燃料中に占める液体燃
料の比率を表した混焼比率を示した特性図である。

【図５】従来のガスタービンの燃料制御方法を適用した
ガスタービン発電プラントの系統図である。
４

【符号の説明】

１ 燃焼器 ２ メイン燃料流量制御弁 ３ サブ燃料流量制御弁 ４ 空気圧縮機 ５ タービン ６ 発電機 １０ 制御装置 １５ 混焼比率設定器 １６ 燃料配分制御器 １００ メイン燃料流量測定器 １０１ メイン燃料流量制御・補正装置 １０４ 関数設定器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも２種類の燃料を使用して、それ
   ぞれの燃料を専焼させたり、或いは両者を混焼させたり
   するガスタービンの燃料制御方法において、専焼から混
   焼へ移行させる際に、一方の燃料の流量を一定にした状
   態で発電機出力の変化に伴って混焼比率を変化させるよ
   うに制御することを特徴としたガスタービンの燃料制御
   方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のガスタービンの燃料制御方
   法において、任意に設定した一方の燃料の流量設定値と
   その燃料の実際の流量値との差によって、混焼比率の制
   御値を補正するようにしたガスタービンの燃料制御方
   法。