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JP4642630B2 - Gas turbine control system and control method - Google Patents
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Description

本発明はガスタービンの制御システムおよび制御方法に関する。さらに詳しくは、ガスタービン発電設備において、たとえば負荷遮断等の急激な負荷の低下が生じたとき、ガスタービンの所定の回転数を超えることを防止するためにガスタービンへの入熱量を迅速に制御することができるガスタービンの制御システム、および、ガスタービンの制御方法に関する。   The present invention relates to a control system and a control method for a gas turbine. More specifically, in a gas turbine power generation facility, when a sudden load drop such as a load interruption occurs, the heat input to the gas turbine is quickly controlled to prevent the gas turbine from exceeding a predetermined rotational speed. The present invention relates to a gas turbine control system and a gas turbine control method.

製鉄分野において、たとえば高炉法で銑鉄を生産する場合、高炉から炉頂ガス(Blast Furnace Gas であり、BFGと記す)が低カロリな副生ガスとして発生する。近年、ガスタービンにおいては、技術の向上によりこのBFGのような低カロリな副生ガスの燃焼が可能となり、ガスタービン燃料として用いて発電する事例が増加している。一方で、高炉法以外にも直接還元鉄法や溶融還元鉄法等の新しい製鉄プロセスが開発されており、こうした新プロセスからも副生ガスが発生する。いずれの製鉄プロセスであれ、発生する副生ガスはいわゆる低カロリなガスであり、また、その特性(ガス組成やカロリ)が設備や操業内容によって異なる。同一設備であっても各原料の特性や反応過程に応じて時々刻々変化し、一定することがない。このような副生ガスの有効利用に対しても適用できる燃焼方式の開発が待たれている。   In the steelmaking field, for example, when pig iron is produced by the blast furnace method, the top gas (Blast Furnace Gas, referred to as BFG) is generated from the blast furnace as a low calorie by-product gas. In recent years, in gas turbines, combustion of a low-calorie by-product gas such as this BFG has become possible due to technical improvements, and there are an increasing number of cases where electricity is generated using gas turbine fuel. On the other hand, in addition to the blast furnace method, new iron making processes such as a direct reduced iron method and a smelted reduced iron method have been developed, and by-product gas is also generated from these new processes. In any steelmaking process, the by-product gas generated is a so-called low calorie gas, and its characteristics (gas composition and calorie) vary depending on the equipment and operation contents. Even in the same facility, it changes from moment to moment according to the characteristics of each raw material and the reaction process, and does not become constant. The development of a combustion method that can be applied to such effective utilization of by-product gas is awaited.

こうしたカロリ値が変動する低カロリな副生ガス(以下、低カロリガスという)を燃料とするガスタービン発電設備に限らず、天然ガス等の通常の燃料を用いたガスタービン発電設備においても、負荷遮断等の負荷が急落するような事態が生じたときには、ガスタービンの過速(回転数の過度の上昇)を抑制するとともに、トリップすることなく必要最小出力を維持するように制御する必要がある。たとえば、ガスタービンが定格負荷で運転中に、送電系統やガスタービン発電設備に生じた何らかの原因によって負荷遮断が発生して負荷から解列すると瞬時にガスタービンは過速状態に陥る。これを制御装置が検知すると、燃料供給系の流量制御弁の開度を急速に減少させてガスタービンの過速を抑制する。負荷遮断の検知は発電機の出力信号やガスタービンの回転数信号等の入力によってなされる。   Not only gas turbine power generation equipment that uses low-calorie by-product gas (hereinafter referred to as low-calorie gas) with varying caloric values as fuel, but also gas turbine power generation equipment that uses normal fuel such as natural gas. When a situation such as a sudden drop in the load occurs, it is necessary to control the gas turbine so as to suppress the overspeed (excessive increase in the rotational speed) and maintain the necessary minimum output without tripping. For example, when the gas turbine is operating at the rated load, when the load is interrupted due to some cause in the power transmission system or the gas turbine power generation facility and the line is disconnected from the load, the gas turbine immediately falls into an overspeed state. When this is detected by the control device, the opening of the flow control valve of the fuel supply system is rapidly reduced to suppress overspeed of the gas turbine. The detection of load interruption is performed by inputting an output signal of a generator, a rotation speed signal of a gas turbine, or the like.

そして、燃焼器の失火を回避しつつ、無負荷状態で定格回転数を維持するための燃料の必要最小流量が確保される開度まで流量制御弁が閉作動する。この流量制御弁の開度制御は、たとえばガスタービン回転数、発電機出力、ガスタービンの排気温度、空気圧縮機の入口圧力および出口圧力等の運転状態量を監視しながら行われる。このような負荷遮断時の制御については多くの文献に開示されている(たとえば、特許文献1、特許文献2および特許文献3参照)。   Then, the flow rate control valve is closed until the opening degree at which the necessary minimum flow rate of fuel for maintaining the rated rotational speed is maintained in the no-load state while avoiding misfire of the combustor. The opening degree control of the flow rate control valve is performed while monitoring operation state quantities such as the gas turbine rotation speed, the generator output, the exhaust temperature of the gas turbine, the inlet pressure and the outlet pressure of the air compressor. Such control at the time of load interruption is disclosed in many documents (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3).

また、ガスタービンのタイプによっては、負荷急落時にガスタービンの入口案内翼を開作動させる手段も併用し、これにより圧縮機駆動動力を増大させることにより回転軸の制動効果を増大させてガスタービンの過速を抑制するものもある。   In addition, depending on the type of gas turbine, means for opening the inlet guide vanes of the gas turbine when the load suddenly drops is also used, thereby increasing the compressor driving power and increasing the braking effect of the rotating shaft, Some control overspeed.

しかしながら、上記の低カロリガスを燃料として使用するガスタービン発電設備では、この負荷急落時の運転制御が容易ではない。燃料ガスが低カロリであるが故にガスタービンへの供給量を多くするため、大口径の燃料ガス供給配管を用いている。その結果、流量制御弁の口径も大きくなるため、開閉ストロークが大きくなり、閉弁に長時間を要することになる。したがって、負荷遮断の発生と同時にガスタービンへの入熱量を急速に減少させることが困難となり、ガスタービンの効果的な過速抑制が期待できない。   However, in a gas turbine power generation facility that uses the above low calorie gas as a fuel, it is not easy to control the operation when the load suddenly drops. In order to increase the supply amount to the gas turbine because the fuel gas is low in calorie, a large-diameter fuel gas supply pipe is used. As a result, the diameter of the flow control valve also increases, so that the opening / closing stroke increases and a long time is required for closing the valve. Therefore, it becomes difficult to rapidly reduce the amount of heat input to the gas turbine simultaneously with the occurrence of load interruption, and effective overspeed suppression of the gas turbine cannot be expected.

しかも、前述のとおり低カロリガスは時々刻々そのカロリが変動しているため、流量制御弁の制御ゲインを上げると(応答性を高めると)、カロリ変動の外乱に敏感に反応して流量制御弁がハンチングを生じる可能性がある。かかる事態を回避するために、流量制御弁の応答性が低くなるような制御ゲインの設定を行っている。このことがさらに流量制御弁の急速な閉弁動作を阻害することとなり、ガスタービンへの入熱量を急速に減少させることを困難にする要因となっている。   In addition, as described above, the calorific value of the low calorie gas fluctuates from moment to moment. Therefore, when the control gain of the flow rate control valve is increased (increased responsiveness), the flow rate control valve reacts sensitively to disturbance of calorie fluctuation. Hunting may occur. In order to avoid such a situation, the control gain is set so that the responsiveness of the flow control valve is lowered. This further hinders the rapid closing operation of the flow control valve, which makes it difficult to rapidly reduce the heat input to the gas turbine.

また、低カロリガスを燃料とするガスタービン発電設備では、燃料ガス供給通路に低カロリガスを圧縮するための燃料圧縮機が設置されている。この燃料圧縮機がガスタービンと同軸状に連結されている場合が多い。この場合、ガスタービン、燃料圧縮機および発電機が構成する発電機列の回転体全体の慣性モーメントが大きなものとなっている。しかも、負荷遮断に伴って過速状態に陥っているため、負荷遮断と同時にガスタービンへの燃料供給ラインの流量調整弁の閉弁動作を開始しても急速な制動が期待できず、ガスタービンを含む発電機列の回転数の上昇を抑制することは難しい。   In a gas turbine power generation facility using low calorie gas as a fuel, a fuel compressor for compressing low calorie gas is installed in a fuel gas supply passage. In many cases, this fuel compressor is coaxially connected to the gas turbine. In this case, the moment of inertia of the entire rotating body of the generator train constituted by the gas turbine, the fuel compressor, and the generator is large. Moreover, since the engine is in an overspeed state due to the load interruption, rapid braking cannot be expected even if the flow regulating valve of the fuel supply line to the gas turbine is started simultaneously with the load interruption. It is difficult to suppress the increase in the rotational speed of the generator train including

事業用ガスタービン発電設備においては、負荷遮断が生じた場合にガスタービンが負荷運転時の定格回転数の110%を超えないように調速装置が機能することを負荷遮断試験によって確認することが義務づけられている。そして、調速装置の機能が確認された後に操業が許可されるようになっている。このため、カロリ値が高く安定した天然ガス等を燃料とするガスタービン発電設備においては、負荷遮断時にガスタービンの過速を抑制して規定範囲を超えないようにするための機器構成面および制御面において様々な工夫をすることによって対応している。そうした工夫は、絶えずカロリ変動する低カロリガスを燃料とするガスタービン発電設備での負荷遮断時においては、ガスタービンの過速を効果的に抑制するまでには至っていない。
特開平8−165934号公報 特開2002−138856号公報 特開2002−227610号公報
In commercial gas turbine power generation facilities, it is possible to confirm by a load interruption test that the governor functions so that the gas turbine does not exceed 110% of the rated speed during load operation when load interruption occurs. It is obligatory. And operation is permitted after the function of a speed governor is confirmed. For this reason, in gas turbine power generation facilities that use natural gas or other fuel that has a high caloric value as a fuel, equipment configuration aspects and controls for preventing overspeed of the gas turbine at the time of load interruption and not exceeding the specified range This is dealt with by making various improvements on the surface. Such a device has not yet been able to effectively suppress overspeed of the gas turbine at the time of load interruption in a gas turbine power generation facility using low calorie gas that constantly fluctuates in calories.
JP-A-8-165934 JP 2002-138856 A JP 2002-227610 A

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、ガスタービン発電設備において負荷遮断等の負荷の急落が発生したときに、たとえその設備が低カロリガスを燃料として使用しているものであっても、容易にガスタービンの回転数の上昇を抑制することができるガスタービン制御システムを提供すること、および、このようなガスタービンの制御方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such a problem, and when a sudden drop in load such as load interruption occurs in a gas turbine power generation facility, the facility uses low calorie gas as fuel. However, an object of the present invention is to provide a gas turbine control system that can easily suppress an increase in the rotational speed of the gas turbine, and to provide a control method for such a gas turbine.

本発明のガスタービン制御システムは、
ガスタービンの負荷急落時にガスタービンの回転数の上昇を抑制するガスタービン制御システムであって、
ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路に配設された、燃料ガスの流量を調節するための燃料流量制御弁と、
燃料ガス供給通路に減熱用ガスを供給するための減熱用ガス供給装置と、
システム制御装置とを備えており、
このシステム制御装置が、ガスタービンの負荷急落を検知したときに、ガスタービンへの入熱量を低下させるために、燃料流量制御弁の開度制御に加えて、減熱用ガス供給装置による減熱用ガス供給作動を制御するように構成されている。
The gas turbine control system of the present invention includes:
A gas turbine control system that suppresses an increase in the rotational speed of a gas turbine when the load of the gas turbine suddenly drops,
A fuel flow control valve for adjusting the flow rate of the fuel gas, disposed in a fuel gas supply passage for supplying the fuel gas to the gas turbine;
A heat reducing gas supply device for supplying heat reducing gas to the fuel gas supply passage;
A system controller,
When this system controller detects a sudden drop in the load of the gas turbine, in order to reduce the amount of heat input to the gas turbine, in addition to the opening control of the fuel flow control valve, the heat reduction by the heat reducing gas supply device It is comprised so that the operation gas supply operation may be controlled.

このように、ガスタービン負荷の急落時にガスタービンへの入熱量を低下させるために、燃料流量制御弁の開度制御に加えて燃料への減熱用ガスの供給をも実施するため、燃料として低カロリガスを使用していたとしてもガスタービンの回転数の上昇を効果的に抑制することができる。   Thus, in order to reduce the amount of heat input to the gas turbine when the gas turbine load suddenly drops, in addition to controlling the opening of the fuel flow control valve, the supply of heat reduction gas to the fuel is also performed. Even if low calorie gas is used, the increase in the rotational speed of the gas turbine can be effectively suppressed.

上記システム制御装置は、運転中のガスタービンの負荷が所定値まで急速に(たとえばほぼステップ状に)低下したとき、燃料流量制御弁を予め定められた必要最小開度を下回らない開度まで閉弁させるとともに、ガスタービンの回転数が所定値を超えないために必要な減熱用ガスを減熱用ガス供給装置から供給させるように制御することができる。   The system controller closes the fuel flow control valve to an opening that does not fall below a predetermined minimum opening when the load of the operating gas turbine is rapidly reduced to a predetermined value (for example, approximately in a stepped manner). It is possible to control the gas turbine so that the heat-reduction gas necessary for the rotation speed of the gas turbine not to exceed a predetermined value is supplied from the heat-reduction gas supply device.

このように、減熱用ガスを燃料に加えることにより、ガスタービンのトリップを防止するのに必要な最小燃料流量を確保しながら入熱量を減少させてガスタービンの回転数の上昇を抑制して所定の回転数を超えないようにすることができる。   In this way, by adding the heat reducing gas to the fuel, the amount of heat input is reduced while the minimum fuel flow rate necessary to prevent the gas turbine from tripping is prevented, and the increase in the rotational speed of the gas turbine is suppressed. The predetermined number of rotations can be prevented from exceeding.

上記システム制御装置は、検出されたガスタービンの回転数をフィードバック入力信号として、ガスタービンの回転数が所定値を超えないように、減熱用ガス供給装置からの減熱用ガスの供給量をフィードバック制御することができる。   The system controller uses the detected rotation speed of the gas turbine as a feedback input signal, and controls the supply amount of the heat reduction gas from the heat reduction gas supply apparatus so that the rotation speed of the gas turbine does not exceed a predetermined value. Feedback control can be performed.

上記システム制御装置において、運転中のガスタービンの負荷が所定値まで急速に低下する過程の事象がモデル化したうえで、このモデルに沿ってなされた減熱用ガス供給制御および燃料流量制御弁の開度制御のシミュレーション結果を記憶し、
上記システム制御装置が、運転中のガスタービンの負荷が所定値まで急速に低下したとき、上記シミュレーション結果に基づいてプリセットされた制御モードを選択して実行するように構成することができる。
In the above system controller, after the event of the process in which the load of the operating gas turbine rapidly decreases to a predetermined value is modeled, the heat reduction gas supply control and the fuel flow rate control valve performed along this model are modeled. Stores the simulation results of opening control,
The system control device can be configured to select and execute a preset control mode based on the simulation result when the load of the operating gas turbine rapidly decreases to a predetermined value.

上記ガスタービン制御システムに、燃料ガス供給通路に水素ガスを供給するための水素ガス供給装置と、燃料ガス中の水素濃度を検出するための水素濃度検出装置とをさらに備え、上記システム制御装置が水素濃度の検出結果に基づいて水素ガス供給装置による水素ガス供給作動を制御するように構成することができる。   The gas turbine control system further comprises a hydrogen gas supply device for supplying hydrogen gas to the fuel gas supply passage, and a hydrogen concentration detection device for detecting the hydrogen concentration in the fuel gas, the system control device comprising: The hydrogen gas supply operation by the hydrogen gas supply device can be controlled based on the detection result of the hydrogen concentration.

ガスタービン負荷の急落時、ガスタービンへの入熱量を急速に低下させたときでも、燃焼速度が速く着火保炎性がよい水素ガスの必要量を燃料ガスに供給することにより、ガスタービンの失火を回避して燃焼器における安定した燃焼の維持が可能となる。なお、供給する水素ガスの純度については特に限定はないが、純度が高いほど少量であっても着火保炎性は良好である。   Even when the gas turbine load plummets, even if the heat input to the gas turbine is rapidly reduced, misfiring of the gas turbine is achieved by supplying the fuel gas with the necessary amount of hydrogen gas that has a fast combustion speed and good flame holding properties. Thus, stable combustion can be maintained in the combustor. The purity of the hydrogen gas to be supplied is not particularly limited. However, the higher the purity, the better the ignition and flame holding properties.

本発明のガスタービンの制御方法は、
ガスタービンの負荷急落時にガスタービンの回転数の上昇を抑制するためのガスタービンの制御方法であって、
ガスタービンの負荷急落を検知したときに、
ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路に配設された燃料流量制御弁の開度を制御することによって燃料ガスの流量を調節する工程と、
燃料ガス供給通路に減熱用ガスを供給する工程とを含み、
これらの工程を実行してガスタービンへの入熱量を低下させるものである。
The gas turbine control method of the present invention includes:
A gas turbine control method for suppressing an increase in the rotational speed of a gas turbine when the load of the gas turbine suddenly drops,
When a sudden drop in the load on the gas turbine is detected,
Adjusting the flow rate of the fuel gas by controlling the opening of the fuel flow control valve disposed in the fuel gas supply passage for supplying the fuel gas to the gas turbine;
Supplying a heat reduction gas to the fuel gas supply passage,
These steps are executed to reduce the amount of heat input to the gas turbine.

運転中のガスタービンの負荷が所定値まで急速に(たとえばほぼステップ状に)低下したときに、
上記燃料流量調節工程において、燃料流量制御弁を予め定められた必要最小開度を下回らない開度まで閉弁させて燃料流量を減少させるとともに、
上記減熱用ガス供給工程において、ガスタービンの回転数が所定値を超えないために必要な減熱用ガスを燃料ガス供給通路に供給することができる。
When the load of the operating gas turbine drops rapidly to a predetermined value (for example, almost stepwise)
In the fuel flow rate adjustment step, the fuel flow rate control valve is closed to an opening degree that does not fall below a predetermined minimum opening degree to reduce the fuel flow rate,
In the heat reduction gas supply step, the heat reduction gas necessary for the rotation speed of the gas turbine not to exceed a predetermined value can be supplied to the fuel gas supply passage.

上記必要最小開度は、ガスタービンの安定燃焼を維持するために必要な燃料流量を確保するための弁開度である。   The required minimum opening is a valve opening for securing a fuel flow rate necessary for maintaining stable combustion of the gas turbine.

本発明によれば、ガスタービン発電設備において負荷遮断等の負荷の急落が発生したときに、急速且つ効果的にガスタービンの回転数の上昇を抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when load drop, such as load interruption | blocking, generate | occur | produces in gas turbine power generation equipment, the raise of the rotation speed of a gas turbine can be suppressed rapidly and effectively.

添付の図面を参照しながら本発明のガスタービン制御システムおよびガスタービンの制御方法の実施形態を説明する。   Embodiments of a gas turbine control system and a gas turbine control method of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は本発明のガスタービン制御システムの一実施形態を含んだガスタービン発電設備1を概略的に示す系統図である。このガスタービン発電設備1(以下、単に発電設備1ともいう)は、一例として直接還元鉄設備等のガス発生源Sで発生したカロリ値が絶えず変動する低カロリな副生ガス(低カロリガス)をガスタービン2に燃料として供給する燃料ガス供給配管3と、低カロリガスを圧縮するための燃料圧縮機4と、減熱用ガスを燃料ガス供給配管3に供給するための減熱用ガス供給装置5と、水素ガスを燃料ガス供給配管3に供給するための水素ガス供給装置6と、供給される減熱用ガスおよび水素ガスをそれぞれ低カロリガスと混合するための混合器7とを備えている。混合器7は減熱用ガスの混合用と水素ガスの混合用と別々に配設してもよい。また、低カロリガスのカロリ変動を抑制するためのバッファタンク等の装置を必要に応じて燃料ガス供給配管3上に設置してもよい。   FIG. 1 is a system diagram schematically showing a gas turbine power generation facility 1 including an embodiment of a gas turbine control system of the present invention. As an example, the gas turbine power generation facility 1 (hereinafter also simply referred to as the power generation facility 1) uses, as an example, low calorie by-product gas (low calorie gas) in which the calorie value generated in the gas generation source S such as direct reduced iron facility continuously fluctuates. A fuel gas supply pipe 3 for supplying fuel to the gas turbine 2, a fuel compressor 4 for compressing low calorie gas, and a heat reduction gas supply device 5 for supplying heat reduction gas to the fuel gas supply pipe 3. And a hydrogen gas supply device 6 for supplying hydrogen gas to the fuel gas supply pipe 3, and a mixer 7 for mixing the supplied heat reduction gas and hydrogen gas with low calorie gas, respectively. The mixer 7 may be provided separately for mixing the heat reducing gas and for mixing the hydrogen gas. Moreover, you may install apparatuses, such as a buffer tank for suppressing the calorie fluctuation | variation of low calorie gas, on the fuel gas supply piping 3 as needed.

この発電設備1では、燃料ガスとして供給される低カロリガスよりも高い圧力の減熱用ガスおよび水素ガスの供給源15、19が設置されているため、減熱用ガス供給装置5、水素ガス供給装置6および混合器7は燃料ガス供給配管3における燃料圧縮機4の下流側に設置されている。燃料圧縮機4はガスタービン2と同軸状に連結し、ガスタービン2によって駆動するように構成してもよく、または、ガスタービン2とは切り離して配置し、別途配設されたモータによって駆動するように構成してもよい。   In this power generation facility 1, heat reduction gas and hydrogen gas supply sources 15 and 19 having a pressure higher than that of the low calorie gas supplied as fuel gas are installed. The apparatus 6 and the mixer 7 are installed on the downstream side of the fuel compressor 4 in the fuel gas supply pipe 3. The fuel compressor 4 may be coaxially connected to the gas turbine 2 and driven by the gas turbine 2. Alternatively, the fuel compressor 4 may be separated from the gas turbine 2 and driven by a separately provided motor. You may comprise as follows.

さらに、このガスタービン発電設備1の通常運転はもとより、負荷遮断等の負荷の急落が発生したときなどに、ガスタービンの作動を制御するためのシステム制御装置10が設置されている。燃料ガス供給配管3におけるガスタービン燃焼器8の上流側には燃料流量制御弁(以下、単に制御弁ともいう)9が設置されている。符号11で示すのは空気圧縮機であり、符号12で示すのは発電機である。また、燃料ガス供給配管3における混合器7の上流側には、燃料ガス中の水素濃度を計測する水素濃度計13、および、低カロリガスの流量を計測する燃料流量計14が設置されている。水素ガスは純度が高いほど少ない量でも着火保炎性は良好であるが、実際上、供給する水素ガスとしては純粋水素である必要はない。なお、ここでは上記低カロリガスをその発熱量が約12MJ/Nm3 以下のガスと定義する。 Further, a system control device 10 is installed for controlling the operation of the gas turbine when a sudden drop in load such as load interruption occurs as well as normal operation of the gas turbine power generation facility 1. A fuel flow rate control valve (hereinafter also simply referred to as a control valve) 9 is installed upstream of the gas turbine combustor 8 in the fuel gas supply pipe 3. Reference numeral 11 denotes an air compressor, and reference numeral 12 denotes a generator. A hydrogen concentration meter 13 for measuring the hydrogen concentration in the fuel gas and a fuel flow meter 14 for measuring the flow rate of the low calorie gas are installed upstream of the mixer 7 in the fuel gas supply pipe 3. As the purity of hydrogen gas increases, the ignition flame holding property is good even with a small amount, but in practice, the hydrogen gas to be supplied does not need to be pure hydrogen. Here, the low calorie gas is defined as a gas having a calorific value of about 12 MJ / Nm 3 or less.

上記減熱用ガス供給装置5は、ガスタービン発電設備1に負荷遮断等の負荷の急落が発生したときに、ガスタービン2への入熱量を急速に低下させる目的で低カロリガスに減熱用ガスを混合させるために設置されている。この減熱用ガス供給装置5は、減熱用ガス供給源15と、この減熱用ガス供給源15から混合器7に接続された減熱用ガス供給管16と、減熱用ガス供給管16に設置された減熱用ガス流量計17および流量制御弁18とを有している。混合器7に入る段階での減熱用ガスの圧力は、必要量が速やかに供給されうるように低カロリガスの圧力より高くされている。この目的のために、必要に応じて昇圧装置や蓄圧容器等を設置してもよい。負荷急落時に減熱用ガスを供給する減熱用ガス供給装置5の制御は、上記燃料流量制御弁9を閉弁方向に制御することとともにシステム制御装置10によってなされる。この点については後述する。   The heat reducing gas supply device 5 is a gas for reducing heat to low calorie gas for the purpose of rapidly reducing the amount of heat input to the gas turbine 2 when a load drop such as a load interruption occurs in the gas turbine power generation facility 1. It is installed to mix. The heat reduction gas supply device 5 includes a heat reduction gas supply source 15, a heat reduction gas supply pipe 16 connected from the heat reduction gas supply source 15 to the mixer 7, and a heat reduction gas supply pipe. 16 has a heat reduction gas flow meter 17 and a flow control valve 18 installed at 16. The pressure of the heat reducing gas at the stage of entering the mixer 7 is higher than the pressure of the low calorie gas so that the necessary amount can be supplied quickly. For this purpose, a booster, a pressure accumulating container, or the like may be installed as necessary. Control of the heat reduction gas supply device 5 for supplying the heat reduction gas when the load suddenly drops is performed by the system control device 10 while controlling the fuel flow rate control valve 9 in the valve closing direction. This point will be described later.

減熱用ガスとしては、廃棄窒素、ヘリウムや二酸化炭素等の不活性ガス、空気、燃焼排ガス等を用いることができる。空気は無尽蔵な大気をそのまま吸引して用いることができ、また、燃焼排ガスは上記ガスタービン2においても発生するので、たとえばこれを回収して使用することもでき、いずれも操業コストがきわめて低廉となる。空気や燃焼排ガスのように酸素を含むガスを用いる場合には、この減熱用ガスを低カロリガスに混合した後、この混合ガス(燃料ガス)が可燃限界に入らないように酸素濃度を監視しながら運転制御する。   As the heat reducing gas, waste nitrogen, inert gas such as helium or carbon dioxide, air, combustion exhaust gas, or the like can be used. The air can be used by sucking inexhaustible air as it is, and the combustion exhaust gas is also generated in the gas turbine 2 so that it can be recovered and used, for example. Become. When using oxygen-containing gas such as air or combustion exhaust gas, after mixing this heat reducing gas with low calorie gas, monitor the oxygen concentration so that this mixed gas (fuel gas) does not enter the flammable limit. Control while driving.

廃棄窒素は大量のN2 を含む一方、可燃性ガスは含んでいない。廃棄窒素は、各種製鉄プロセスにおいて使用される酸素製造プラントから副産物として発生し、放散されている窒素、並びに、酸素製造プラントに併設される窒素製造プラントで製造された窒素のうち、排出される酸素を微量に含んだ窒素である。いずれの窒素も廃棄窒素として通常は大気に放散される。このような廃棄窒素は窒素ガスが95〜98%程度、且つ、酸素が2〜5%程度のガス組成を有しており、低カロリガスの可燃限界の観点からも安全な減熱用ガスである。これら大量に廃棄される窒素を回収して減熱用ガスとして使用すれば操業コストがきわめて低廉となる。 Waste nitrogen contains a large amount of N 2 but does not contain combustible gases. Waste nitrogen is generated as a by-product from oxygen production plants used in various steelmaking processes, and is released from the nitrogen that is released and nitrogen produced at the nitrogen production plant attached to the oxygen production plant. Nitrogen containing trace amounts of nitrogen. Any nitrogen is usually released to the atmosphere as waste nitrogen. Such waste nitrogen has a gas composition of about 95 to 98% nitrogen gas and about 2 to 5% oxygen, and is a safe heat reducing gas from the viewpoint of low calorific gas flammability limit. . If these large amounts of discarded nitrogen are recovered and used as a heat reducing gas, the operation cost is extremely low.

また、燃料ガスよりも低カロリなガスであれば減熱用ガスとして使用することができるので、たとえば、コークス炉ガス(COG)や転炉ガス(LDG)を燃料ガスとして用いる場合は、それらより低カロリな高炉ガス(BFG)を減熱用ガスとして採用することも可能となる。しかしながら、前述した可燃成分含有率が極めて低い廃棄窒素等を用いる方が減熱効果がはるかに大きいので好ましい。また、以上説明したガス以外に水蒸気を減熱用ガスとして採用することも可能である。   In addition, if the gas is lower in calorie than the fuel gas, it can be used as a heat reducing gas. For example, when using coke oven gas (COG) or converter gas (LDG) as the fuel gas, It is also possible to employ a low calorie blast furnace gas (BFG) as a heat reducing gas. However, it is preferable to use waste nitrogen or the like having a very low combustible component content because the heat reduction effect is much greater. In addition to the gas described above, water vapor can be employed as the heat reducing gas.

本発電設備1の通常運転時には、システム制御装置10が、たとえば発電機12の出力値、ガスタービン2の回転数、空気圧縮機11の出入口圧力、ガスタービン2の排気温度等を入力信号として、その変動に応じたガスタービン入熱を行うように燃料流量制御弁9の開度を制御している。   During normal operation of the power generation facility 1, the system control device 10 uses, for example, the output value of the generator 12, the rotation speed of the gas turbine 2, the inlet / outlet pressure of the air compressor 11, the exhaust temperature of the gas turbine 2, and the like as input signals. The opening degree of the fuel flow control valve 9 is controlled so that the gas turbine heat input according to the fluctuation is performed.

また、燃料である低カロリガスは前述したようにそのカロリ値が変動している。このカロリ変動に対してもガスタービンへの安定した入熱量を維持するために、システム制御装置10は適正なフィードフォワード制御またはフィードバック制御によって燃料流量制御弁9の開度を制御する場合がある。しかし、カロリ値の変動や発電機出力の変動に対応して燃料流量制御弁9を開閉させようとすると、小刻みなカロリ変動に伴って燃料流量制御弁9がハンチングを起こす可能性があるため、制御ゲインを大きくすることはできない。すなわち、低カロリガスを使用する場合には燃料流量制御弁9の応答性を高くすることはできず、通常はその制御ゲインが小さく設定されている。さらに、低カロリガスを供給する燃料ガス供給配管3はその管径が大きいため、燃料流量制御弁9としても口径を大きくせざるを得ない。   Moreover, the caloric value of the low calorie gas as the fuel fluctuates as described above. In order to maintain a stable heat input to the gas turbine even with respect to the calorie fluctuation, the system control apparatus 10 may control the opening of the fuel flow control valve 9 by appropriate feedforward control or feedback control. However, if the fuel flow control valve 9 is opened or closed in response to a change in the calorie value or a change in the generator output, the fuel flow control valve 9 may cause hunting along with a slight change in calorie. The control gain cannot be increased. That is, when low calorie gas is used, the responsiveness of the fuel flow control valve 9 cannot be increased, and the control gain is usually set small. Further, since the fuel gas supply pipe 3 for supplying the low calorie gas has a large pipe diameter, the fuel flow control valve 9 has to have a large diameter.

このような理由から、負荷遮断時等においてガスタービン入熱量を瞬時に減少させたい場合であっても燃料流量制御弁9の急速な開閉動作は望めない。そこで、本発電設備1では、システム制御装置10が、燃料流量制御弁9の開閉動作に加えて燃料ガスに減熱用ガスを混合することによってガスタービン2への入熱量制御を効果的に行う。   For this reason, a rapid opening / closing operation of the fuel flow control valve 9 cannot be expected even when it is desired to instantaneously reduce the amount of heat input to the gas turbine when the load is interrupted. Therefore, in the power generation facility 1, the system control device 10 effectively controls the amount of heat input to the gas turbine 2 by mixing the heat reducing gas with the fuel gas in addition to the opening / closing operation of the fuel flow control valve 9. .

また、ガスタービンへの入熱量を低下させるために、従来技術のごとく燃料流量制御弁9の絞り込みだけで対応する場合には弁開度を非常に小さくしなければならない。この場合は、燃料流量不足に起因して燃焼器においてバックファイヤ等が発生し、燃焼が不安定になる可能性がある。しかし、本発電設備1では上記のように減熱用ガスによっても入熱量制御を行うので、燃料流量制御弁9を安定燃焼のための必要最小流量を確保する開度にすることができる。このように、燃料流量制御弁9の絞り込みと減熱用ガスの混合との相乗効果により、ガスタービンをトリップさせることなくガスタービン入熱量を安定且つ速やかに定格負荷運転状態から定格無負荷運転状態に移行させることができる。   Further, in order to reduce the amount of heat input to the gas turbine, the valve opening degree must be made very small in order to cope with only the narrowing of the fuel flow control valve 9 as in the prior art. In this case, backfire or the like may occur in the combustor due to insufficient fuel flow, and combustion may become unstable. However, since the power generation facility 1 controls the amount of heat input also with the heat reducing gas as described above, the fuel flow control valve 9 can be set to an opening degree that secures a necessary minimum flow rate for stable combustion. Thus, due to the synergistic effect of narrowing the fuel flow control valve 9 and mixing the heat reducing gas, the gas turbine heat input can be stably and quickly changed from the rated load operation state to the rated no load operation state without tripping the gas turbine. Can be migrated to.

減熱用ガスの供給を伴いつつ燃料流量制御弁9は閉弁作動するが、上記必要最小開度に達した時点で閉弁動作を停止する。この場合でもさらなる入熱量の減少が必要であれば、失火限界を下回らない範囲で減熱用ガスの供給を続けることができる。   The fuel flow control valve 9 is closed while supplying the heat reducing gas, but the valve closing operation is stopped when the required minimum opening is reached. Even in this case, if it is necessary to further reduce the amount of heat input, the supply of the heat reducing gas can be continued within a range that does not fall below the misfire limit.

図2を参照しながら、以上説明した本発電設備1の負荷遮断時の燃料流量制御弁9の制御、減熱用ガス供給装置5の制御、および、それらによるガスタービン回転数の変化を説明する。   With reference to FIG. 2, the control of the fuel flow rate control valve 9 at the time of load interruption of the power generation facility 1 described above, the control of the heat reduction gas supply device 5, and the change in the gas turbine rotation speed due to them will be described. .

負荷遮断が生じたとき、ガスタービンは瞬間的に負荷から解列されるが、それまで定格運転を維持するために供給していた入熱量については瞬間的に減少させることはできない。余分となった入熱量が加速トルクを生じてガスタービンを加速して回転数を上昇させることになる。このような場合でもガスタービンの回転数が許容最大回転数Rmax.を超えないように入熱量を急激に減少させなければならない。   When a load interruption occurs, the gas turbine is momentarily disconnected from the load, but the amount of heat input that has been supplied to maintain rated operation until then cannot be reduced instantaneously. The extra heat input generates acceleration torque, which accelerates the gas turbine and increases the rotational speed. Even in such a case, the amount of heat input must be rapidly reduced so that the rotational speed of the gas turbine does not exceed the allowable maximum rotational speed Rmax.

図2(a)は負荷遮断時におけるガスタービン2の負荷の変化を示している。横軸が時間を示し、縦軸がガスタービン負荷(%)を示しており、負荷遮断までは100%定格負荷運転がなされており、負荷遮断後は0%となる。   FIG. 2A shows a change in the load of the gas turbine 2 when the load is interrupted. The horizontal axis indicates time, the vertical axis indicates the gas turbine load (%), 100% rated load operation is performed until the load is interrupted, and 0% after the load is interrupted.

図2(b)はガスタービン2の負荷遮断時の燃料流量制御弁9の開度変化を示している。横軸は上記図2(a)と対応するように時間を示している。縦軸は制御弁の開度(%)を示しているが、燃料流量と同一視してもよい。負荷遮断になるまでは制御弁9の定格開度(100%)ODrat.、すなわち、後述するように当該ガスタービン2の定格入熱量HIrat.(図2(c))を可能とする燃料流量(定格燃料流量)Qrat.で運転がなされる。負荷遮断後は燃料流量がガスタービンの無負荷定格回転数を維持しうる必要最小流量(Qmin.)となる小開度(必要最小開度と呼ぶ)ODmin.まで制御弁9が閉弁する。必要最小流量Qmin.は、燃焼器8におけるいわゆるバックファイヤが生じない範囲の燃料ガスの流速を確保し、および、後述する失火限界に至らない必要最小入熱量HImin.を確保するために設定された燃料の流量である。   FIG. 2B shows a change in the opening degree of the fuel flow control valve 9 when the load of the gas turbine 2 is interrupted. The horizontal axis represents time so as to correspond to FIG. The vertical axis indicates the opening degree (%) of the control valve, but it may be equated with the fuel flow rate. Until the load is cut off, the rated opening (100%) ODrat. Of the control valve 9, that is, the fuel flow rate (FIG. 2 (c)) enabling the rated heat input HIrat. Operation is performed at the rated fuel flow rate (Qrat.). After the load is cut off, the control valve 9 is closed to a small opening (referred to as a necessary minimum opening) ODmin. At which the fuel flow rate becomes a necessary minimum flow rate (Qmin.) That can maintain the no-load rated rotational speed of the gas turbine. The necessary minimum flow rate Qmin. Is set in order to ensure the flow rate of the fuel gas in a range in which so-called backfire does not occur in the combustor 8, and to ensure the necessary minimum heat input amount HImin. That does not reach the misfire limit described later. The fuel flow rate.

図2(b)中の一点鎖線の曲線B1は、負荷遮断が生じたとき、ガスタービン回転数が許容最大値Rmax.(図2(e))を超えないようにガスタービン入熱量を減少させるために必要な閉弁曲線であり、燃料流量減少曲線である。これを理想曲線B1と呼ぶ。一方、実線で示す曲線B2は、本実施形態での制御弁9の現実の閉弁曲線である。これは、前述したごとく、制御弁9の口径が大きいため、また、制御ゲインが小さく設定されているため、急速な閉弁ができないことを示している。   A dashed-dotted line curve B1 in FIG. 2 (b) reduces the gas turbine heat input so that the gas turbine rotational speed does not exceed the allowable maximum value Rmax. (FIG. 2 (e)) when load interruption occurs. Therefore, it is a valve closing curve necessary for this, and a fuel flow rate decrease curve. This is called an ideal curve B1. On the other hand, a curve B2 indicated by a solid line is an actual valve closing curve of the control valve 9 in the present embodiment. As described above, this indicates that the valve diameter of the control valve 9 is large and that the control gain is set to be small, so that rapid valve closing cannot be performed.

図2(c)および図2(d)は負荷遮断時のガスタービンへの単位時間当たり入熱量の変化を示している。図2(c)は制御弁9の閉弁作動のみによる入熱量の減少を示し、図2(d)は制御弁9の閉弁作動および減熱用ガスの供給による入熱量の減少を示している。横軸は上記図2(b)と対応するように時間を示している。縦軸はガスタービンへの単位時間当たり入熱量を示している。負荷遮断までは当該ガスタービン2に設定された定格入熱量HIrat.で運転されており、負荷遮断後はガスタービンの失火限界まで低下しない範囲の入熱量で運転される。   2 (c) and 2 (d) show changes in heat input per unit time to the gas turbine when the load is interrupted. FIG. 2 (c) shows a decrease in heat input due to only the valve closing operation of the control valve 9, and FIG. 2 (d) shows a decrease in heat input due to the valve closing operation of the control valve 9 and the supply of heat reducing gas. Yes. The horizontal axis represents time so as to correspond to FIG. The vertical axis represents the amount of heat input to the gas turbine per unit time. Until the load is interrupted, the gas turbine 2 is operated with the rated heat input HIrat., And after the load is interrupted, the gas turbine 2 is operated with the heat input within a range that does not decrease to the misfire limit of the gas turbine.

図2(c)中の一点鎖線の曲線C1は、前述した理想の閉弁曲線B1(図2(b))に沿って閉弁したとき、ガスタービンへの入熱量が減少する様を示している。これは、負荷遮断が生じたとき、ガスタービン回転数が許容最大値Rmax.(図2(e))を超えないために必要なガスタービン入熱量の減少曲線である。これを理想曲線C1と呼ぶ。一方、実線で示す曲線C2は、急速な閉弁ができない制御弁9の閉弁に伴う現実の入熱量の減少曲線である。   A dashed-dotted line curve C1 in FIG. 2 (c) shows that the amount of heat input to the gas turbine decreases when the valve is closed along the ideal valve closing curve B1 (FIG. 2 (b)). Yes. This is a reduction curve of the amount of heat input to the gas turbine that is necessary so that the gas turbine rotational speed does not exceed the allowable maximum value Rmax. (FIG. 2 (e)) when load interruption occurs. This is called an ideal curve C1. On the other hand, a curve C2 indicated by a solid line is a decrease curve of the actual heat input amount that accompanies the closing of the control valve 9 that cannot be rapidly closed.

図2(d)中の一点鎖線の曲線D2は、前述した図2(c)中の現実の入熱量の減少曲線C2と同じものを示しているため、説明を省略する。一方、実線の曲線D1は、図2(b)中の現実の閉弁曲線B2に沿って制御弁9を閉弁するとともに、減熱用ガス供給装置5から燃料ガスへ減熱用ガスを供給ことにより、ガスタービン2への入熱量を急速に低下させた場合の曲線である。これが本実施形態における制御の一例を示す曲線である。   The dashed-dotted curve D2 in FIG. 2D shows the same curve as the actual heat input decrease curve C2 in FIG. On the other hand, the solid curve D1 closes the control valve 9 along the actual valve closing curve B2 in FIG. 2B and supplies the heat reducing gas from the heat reducing gas supply device 5 to the fuel gas. This is a curve when the amount of heat input to the gas turbine 2 is rapidly reduced. This is a curve showing an example of control in the present embodiment.

曲線D1を見ると、制御弁9の閉弁のみによる入熱量低下曲線D2に比べると、低下速度が大きいほか、入熱量の最低値も低くなっている(d1点からd2点までアンダーシュートしている)。これは、図2(c)における理想の入熱量低下曲線C1と一致させるべく減熱用ガス供給の制御ゲインを設定した場合に生じるものである。このアンダーシュートは、ガスタービン回転数の上昇抑制効果を向上させる。もちろん、この場合、当該ガスタービン2の失火を防止するために設定されている必要最小入熱量(失火限界)HImin.を下回らないようにされている。以上から、曲線C1と曲線C2とに囲まれたハッチング部分が減熱用ガスの供給によって低下させられる入熱量であることが解る。   Looking at the curve D1, compared to the heat input decrease curve D2 only by closing the control valve 9, the decrease rate is large and the minimum value of the heat input is also low (undershoot from the point d1 to the point d2). ) This occurs when the control gain of the heat reduction gas supply is set so as to coincide with the ideal heat input amount decrease curve C1 in FIG. This undershoot improves the effect of suppressing the increase in the rotational speed of the gas turbine. Of course, in this case, the required minimum heat input (misfire limit) HImin., Which is set to prevent misfire of the gas turbine 2, is not reduced. From the above, it can be seen that the hatched portion surrounded by the curves C1 and C2 is the amount of heat input that is reduced by the supply of the heat reducing gas.

図2(e)は、図2(c)および図2(d)で示す入熱量コントロール下でのガスタービン回転数の変化が示されている。横軸は上記図2(c)および図2(d)と対応するように時間を示している。縦軸はガスタービン回転数を、定格負荷運転時の定格回転数Rrat.を100%とした回転数の割合を百分率で示している。   FIG. 2 (e) shows changes in the rotational speed of the gas turbine under the heat input control shown in FIGS. 2 (c) and 2 (d). The horizontal axis shows time so as to correspond to FIG. 2 (c) and FIG. 2 (d). The vertical axis indicates the gas turbine rotational speed, and the percentage of rotational speed with the rated rotational speed Rrat. During rated load operation as 100%.

図中の曲線E2は、負荷遮断後のガスタービン回転数が効果的に抑制されずに許容最大回転数(定格回転数の110%の値)Rmax.を超える場合を示している。これは、図2(b)の曲線B2を参照しつつ説明したように、口径やゲイン設定等に起因して制御弁9が急速な閉弁ができないことにより、ガスタービン入熱量が適切に減少されない場合(図2(c)の曲線C2および図2(d)の曲線D2)に生じる。一方、曲線E1は、図2(d)中に示される減熱用ガスの供給を組み合わせることにより、曲線D1に沿ってガスタービン2への入熱量を急速に低下させ、回転数上昇の適切な抑制がなされた場合を示している。この場合はガスタービン回転数は許容最大回転数Rmax.を超えていない。   A curve E2 in the figure shows a case where the gas turbine rotational speed after load interruption exceeds the allowable maximum rotational speed (a value of 110% of the rated rotational speed) Rmax. Without being effectively suppressed. As described with reference to the curve B2 in FIG. 2 (b), the gas turbine heat input amount is appropriately reduced because the control valve 9 cannot be rapidly closed due to the aperture or the gain setting. If this is not done (curve C2 in FIG. 2 (c) and curve D2 in FIG. 2 (d)). On the other hand, the curve E1 combines the supply of the heat reducing gas shown in FIG. 2 (d) to rapidly reduce the heat input to the gas turbine 2 along the curve D1, and to appropriately increase the rotational speed. The case where suppression was made is shown. In this case, the gas turbine rotational speed does not exceed the allowable maximum rotational speed Rmax.

以上、図2(a)から図2(e)に示したごとく、負荷遮断によってガスタービン2の負荷が図2(a)中の100%であるA1点から0%であるA2点までステップ状に低下したとき、本実施形態におけるシステム制御装置10は、ガスタービン2の回転数の急上昇を抑えるために制御弁9の必要最小開度ODmin.まで閉弁させる(図2(b)の曲線B2)とともに、減熱用ガス供給装置5から燃料ガスへ減熱用ガスを供給する。そうすると、ガスタービン2への入熱量は急速に減少する(図2(d)の曲線D1)。その結果、負荷から解列されて急速に回転数が上昇し始めたガスタービンは、入熱量が低減された結果の制動効果により許容最大回転数Rmax.を超えることが防止され、定格回転数Rrat.近傍まで減速される(図2(e)の曲線E1)。   As described above, as shown in FIG. 2A to FIG. 2E, the load on the gas turbine 2 is stepped from the point A1 which is 100% to the point A2 where the load is 0% in FIG. The system control apparatus 10 in the present embodiment closes to the required minimum opening ODmin. Of the control valve 9 in order to suppress a rapid increase in the rotational speed of the gas turbine 2 (curve B2 in FIG. 2B). In addition, the heat reduction gas is supplied from the heat reduction gas supply device 5 to the fuel gas. Then, the amount of heat input to the gas turbine 2 rapidly decreases (curve D1 in FIG. 2 (d)). As a result, the gas turbine that has been decoupled from the load and has started to rapidly increase in rotational speed is prevented from exceeding the allowable maximum rotational speed Rmax. By the braking effect resulting from the reduced heat input, and the rated rotational speed Rrat. It is decelerated to the vicinity (curve E1 in FIG. 2 (e)).

システム制御装置10がガスタービン2の負荷が急落したことを検知する手段としては、たとえば、従来公知のパワーロードアンバランス検知という手法を用いることができる。もちろん、かかる方法には限定されない。可能であれば、ガスタービンの回転数信号、燃料圧縮機の出口圧力信号、負荷遮断器からの遮断信号等から負荷急落を検知するようにしてもよい。   As means for detecting that the load of the gas turbine 2 has dropped suddenly by the system control device 10, for example, a conventionally known technique called power load imbalance detection can be used. Of course, it is not limited to such a method. If possible, a sudden drop in the load may be detected from a rotational speed signal of the gas turbine, an outlet pressure signal of the fuel compressor, a cutoff signal from the load circuit breaker, or the like.

そして、負荷の急落を検知した後にシステム制御装置10が制御弁9の閉弁動作と減熱用ガス供給装置5の動作とを制御する際、定格回転数Rrad.を目標値とし、実際のガスタービン回転数をフィードバックして制御することができる。加えて、その他のガスタービン運転状態量をフィードバックして制御してもよい。また、ガスタービンの定格負荷運転から負荷の急落後の事象をモデル化した減熱用ガス供給制御および制御弁の閉弁制御をシミュレーションすることもできる。そのシミュレーション結果から得られた負荷急落時の制御弁の開度並びにこの開度に対応する減熱用ガスの供給量および供給タイミング等に関するデータを制御装置10にプリセットする。そして、現実の負荷急落時にプリセットデータを選択して実行することができる。また、実操業運転を通じて得られる実データ(負荷遮断時のデータをも含む)をシミュレーションデータの一部または全部と置き換えて使用してもよい。すなわち、シミュレーション結果のプリセットデータを実運転データによって補正して使用してもよい。   Then, when the system controller 10 controls the valve closing operation of the control valve 9 and the operation of the heat reducing gas supply device 5 after detecting the sudden drop in the load, the actual rotational speed Rrad. The turbine speed can be fed back and controlled. In addition, other gas turbine operating state quantities may be fed back and controlled. It is also possible to simulate gas supply control for heat reduction and valve closing control of a control valve that model an event after a sudden drop in load from the rated load operation of the gas turbine. Data relating to the opening degree of the control valve at the time of sudden load drop and the supply amount and supply timing of the heat reducing gas corresponding to the opening degree obtained from the simulation result are preset in the control device 10. The preset data can be selected and executed when the actual load suddenly drops. Further, actual data (including data at the time of load interruption) obtained through actual operation may be used by replacing part or all of simulation data. That is, the preset data of the simulation result may be used after being corrected with the actual operation data.

このように、システム制御装置10には、上記制御に必要な演算処理を行うプログラムやプリセットデータが格納されており、運転中のデータや数値等を一時的に記憶しておくRAMや上記プログラムに沿った演算処理を行うCPUが装備されている。   As described above, the system control device 10 stores the program and preset data for performing the arithmetic processing necessary for the control, and the RAM and the program for temporarily storing data and numerical values during operation are stored in the system control device 10. CPU which performs the arithmetic processing along is equipped.

システム制御装置10は、前述したようにガスタービン運転の全動作を制御する。すなわちシステム制御装置10は、起動(起動準備、パージング、点火、同期投入、コールドスタート、ウォームスタートを含む)、定格負荷運転、部分負荷運転、停止、クールダウン、負荷遮断等の各運転モードを所掌する。負荷遮断以外のモードは、ここではその説明を省略する。とくに負荷遮断モードでは、燃料流量制御弁9の作動制御および他の制御対象の制御に加えて、燃料ガスに減熱用ガスを混合することによって急速な入熱量低下を実現するのが本ガスタービン制御システムの特徴である。   As described above, the system control device 10 controls the entire operation of the gas turbine operation. That is, the system control device 10 is responsible for each operation mode such as start-up (including start-up preparation, purging, ignition, synchronous input, cold start, warm start), rated load operation, partial load operation, stop, cool down, load cut-off, etc. To do. The description of modes other than load shedding is omitted here. Particularly in the load cutoff mode, in addition to the operation control of the fuel flow rate control valve 9 and the control of other control objects, the present gas turbine realizes a rapid decrease in the heat input by mixing the fuel gas with a heat reducing gas. This is a feature of the control system.

負荷遮断が生じてシステム制御装置10の運転モードが負荷遮断モードになると、システム制御装置10から減熱用ガス供給装置5に対して減熱用ガスの必要供給流量および供給時間等が指示される。必要供給流量や供給時間はプリセットデータとして記憶されている。このとき、たとえば、減熱用ガス流量計17の計測結果をフィードバック信号として目標供給流量となるように流量制御弁18の開閉動作を制御してもよい。所定量の減熱用ガスを短時間で供給する必要があることを考えれば、減熱用ガス供給管16および流量制御弁18の口径を小さくして設置本数および設置個数を増やしてもよい。   When the load cut-off occurs and the operation mode of the system control device 10 is changed to the load cut-off mode, the system control device 10 instructs the heat-reduction gas supply device 5 on the necessary supply flow rate and supply time of the heat-reduction gas. . The required supply flow rate and supply time are stored as preset data. At this time, for example, the opening / closing operation of the flow rate control valve 18 may be controlled so that the measurement result of the heat reduction gas flow meter 17 becomes the target supply flow rate using the measurement result as a feedback signal. Considering that it is necessary to supply a predetermined amount of heat reduction gas in a short time, the diameters of the heat reduction gas supply pipe 16 and the flow rate control valve 18 may be reduced to increase the number of installations and the number of installations.

つぎに、水素ガス供給装置6を説明する。水素ガスは燃焼速度が速く着火保炎性がよいため、ガスタービンへの入熱量が大幅に低下したときなどにも安定した燃焼の維持に貢献する。そこで、水素ガス供給装置6は、燃料ガス中に水素ガスを混合させることによってガスタービン2の燃焼器8における火炎を保持するために設置されている。したがって、この水素ガス供給装置6は、負荷急落時の入熱量低下によるガスタービン失火を防止するために有用である。水素ガス供給装置6は、水素ガス供給源19と、この水素ガス供給源19から混合器7に接続された水素ガス供給管20と、水素ガス供給管20に設置された水素ガス流量計21および流量制御弁22とを有している。水素ガスとして純水素でない高純度水素ガスを用いる場合には、水素ガス供給管20に水素濃度計(図示しない)を設置しておく。   Next, the hydrogen gas supply device 6 will be described. Since hydrogen gas has a high combustion speed and good ignition flame holding properties, it contributes to maintaining stable combustion even when the amount of heat input to the gas turbine is greatly reduced. Therefore, the hydrogen gas supply device 6 is installed to hold a flame in the combustor 8 of the gas turbine 2 by mixing hydrogen gas in the fuel gas. Therefore, this hydrogen gas supply device 6 is useful for preventing a gas turbine misfire due to a decrease in heat input when the load suddenly drops. The hydrogen gas supply device 6 includes a hydrogen gas supply source 19, a hydrogen gas supply pipe 20 connected from the hydrogen gas supply source 19 to the mixer 7, a hydrogen gas flow meter 21 installed in the hydrogen gas supply pipe 20, and A flow control valve 22. When high purity hydrogen gas that is not pure hydrogen is used as the hydrogen gas, a hydrogen concentration meter (not shown) is installed in the hydrogen gas supply pipe 20.

システム制御装置10は、ガスタービン負荷の急落時にガスタービン2に供給される燃料ガスのカロリ値および流量を急速に低下させたときに以下のごとく水素ガス供給を制御する。すなわち、火炎保持のために予め定めた燃焼器8における燃料ガスの水素ガス必要含有率を維持するように、燃料ガス供給配管3の水素濃度計13の検出結果、低カロリガスに対する減熱用ガスの混合割合、燃料流量計14によって検出した燃料ガスの流量等から必要な水素ガスの供給量を算出する。そして、水素ガス流量計21を監視しつつ流量制御弁22の開閉作動を制御する。供給された水素ガスは混合器7によって低カロリガスと混合される。   The system control device 10 controls the supply of hydrogen gas as follows when the calorie value and flow rate of the fuel gas supplied to the gas turbine 2 are rapidly reduced when the gas turbine load suddenly drops. That is, the detection result of the hydrogen concentration meter 13 of the fuel gas supply pipe 3 so as to maintain the hydrogen gas necessary content ratio of the fuel gas in the combustor 8 that is predetermined for holding the flame, A necessary supply amount of hydrogen gas is calculated from the mixing ratio, the flow rate of the fuel gas detected by the fuel flow meter 14, and the like. The opening / closing operation of the flow control valve 22 is controlled while monitoring the hydrogen gas flow meter 21. The supplied hydrogen gas is mixed with the low calorie gas by the mixer 7.

図3には他のガスタービン発電設備31が示されている。この発電設備31では、比較的低圧の減熱用ガス供給源15および水素ガス供給源19が設置されているため、減熱用ガス供給装置5、水素ガス供給装置6および混合器7は燃料ガス供給配管3における燃料圧縮機4の上流側に設置されている。その他の構成は図1に示す発電設備1と同じであるため、同一構成部には同一の符号を付してその説明を省略する。このガスタービン発電設備31においても、そのシステム制御装置10は、負荷急落時に前述した図1の発電設備1におけると同じ制御を行う。   FIG. 3 shows another gas turbine power generation facility 31. In this power generation facility 31, a relatively low-pressure heat-reduction gas supply source 15 and a hydrogen gas supply source 19 are installed, so that the heat-reduction gas supply device 5, the hydrogen gas supply device 6, and the mixer 7 are fuel gas. It is installed upstream of the fuel compressor 4 in the supply pipe 3. Since the other structure is the same as the power generation equipment 1 shown in FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure part and the description is abbreviate | omitted. Also in this gas turbine power generation facility 31, the system control device 10 performs the same control as in the power generation facility 1 of FIG.

以上説明した実施形態では、使用する低カロリガスとして直接還元製鉄法によって発生する副生ガスを例示したが、これに限定されない。低カロリガスとしては、高炉ガス(BFG)、転炉ガス(LDG)、石炭層に含まれる石炭層ガス(Coal mine gas であり、CMGと表す)、溶融還元製鉄法によって発生する副生ガス、GTL(Gas-to-Liquid)プロセスにおいて発生するテイルガス(Tail gas)、オイルサンドからオイル精製プロセスに伴って発生する副生ガス、ゴミを熱分解することによって発生するガス、生ゴミを含む一般廃棄物がその埋め立て地において発酵、分解する過程で生じる可燃メタンガス(Landfill gas)、および、その他の類似の原料を化学反応させることに伴って発生する副生ガス等の低カロリガス等が含まれる。もちろん、上記ガスを単独はもとより、複数の異種ガスを混合したガスをも含む。また、低カロリガスに限らず、カロリ値が変動するようなガスをガスタービン用燃料として供給する設備にも適用することができる。   In the embodiment described above, the by-product gas generated by the direct reduction iron manufacturing method is exemplified as the low calorie gas to be used. However, the present invention is not limited to this. Low calorie gas includes blast furnace gas (BFG), converter gas (LDG), coal bed gas (Coal mine gas, expressed as CMG), by-product gas generated by smelting reduction iron making process, GTL (Gas-to-Liquid) process generated tail gas, by-product gas generated from oil sands during the oil refining process, gas generated by pyrolyzing garbage, general waste containing garbage However, combustible methane gas (Landfill gas) generated in the process of fermentation and decomposition in the landfill, and low calorie gas such as by-product gas generated by chemically reacting other similar raw materials are included. Of course, the gas includes not only the gas alone but also a gas obtained by mixing a plurality of different gases. Further, the present invention can be applied not only to low calorie gas but also to facilities for supplying a gas whose calorie value varies as a gas turbine fuel.

燃料ガスの特性により、とくにカロリ変動が著しい場合には、カロリ変動を抑制するバッファタンクや制御機構を採用したカロリ変動抑制装置を設け、負荷遮断時の制御効果を高めるようにしてもよい。   Depending on the characteristics of the fuel gas, especially when caloric fluctuations are significant, a buffer tank that suppresses caloric fluctuations or a calorie fluctuation suppressing device employing a control mechanism may be provided to enhance the control effect at the time of load interruption.

以上説明したガスタービン制御システムは、ガスタービン用燃料ガスが低カロリガスであるものを例にとっているが、これには限定されず、高カロリガスを燃料とするものであってもよい。高カロリガスを燃料とする場合は、一般的にガスタービン負荷の急落時においても燃料流量制御弁によるガスタービン入熱量制御は容易である。なぜなら、天然ガス、プロパン、ブタン等の炭化水素ガス、COG、COGと他の副生ガスとの混合ガス等の高カロリなガスを用いる場合は、燃料ガス配管や燃料流量制御弁の口径は低カロリガス用のそれより小さくすることができる。その結果閉弁ストロークが短くなって素早い応答が可能となる。それに加えてカロリ値を含むガス性状が安定しておれば燃料流量制御弁の制御ゲインを小さく設定する必要がない。また、燃料圧縮機を備える必要がないため、その分は回転体の慣性モーメントの増大がない。その結果、負荷急落時においても燃料流量制御弁を急速に必要最小開度まで閉弁することができる。しかし、高カロリガスを使用する場合でも稼働後のガスタービンに種々の機器が追加設置されることによって慣性モーメントが増大し、制御ゲインの再設定が必要になる場合がある。かかる場合でも、減熱用ガス供給装置を設置しておれば、これによるガスタービン入熱量の減少作用を働かせることにより、燃料流量制御弁を変更したり改造したりする必要なく、負荷遮断動作を容易且つ的確に補完することが可能になる。   In the gas turbine control system described above, the gas turbine fuel gas is low calorie gas. However, the gas turbine control system is not limited to this, and high gas calorie gas may be used as fuel. When high calorie gas is used as a fuel, it is generally easy to control the amount of heat input to the gas turbine using the fuel flow control valve even when the gas turbine load drops sharply. This is because when using high-calorie gas such as natural gas, hydrocarbon gas such as propane or butane, COG, mixed gas of COG and other by-product gas, the diameter of the fuel gas piping and the fuel flow control valve is low. It can be smaller than that for calorigas. As a result, the valve closing stroke is shortened and a quick response is possible. In addition, if the gas properties including the caloric value are stable, it is not necessary to set the control gain of the fuel flow control valve small. Further, since there is no need to provide a fuel compressor, there is no increase in the moment of inertia of the rotating body. As a result, the fuel flow rate control valve can be quickly closed to the minimum required opening even when the load drops suddenly. However, even when high calorie gas is used, there are cases where the moment of inertia increases due to the additional installation of various devices in the gas turbine after operation, and the control gain needs to be reset. Even in such a case, if a gas supply device for heat reduction is installed, the load shutoff operation can be performed without having to change or modify the fuel flow control valve by using the gas turbine heat input reduction function. It becomes possible to complement easily and accurately.

本発明のガスタービン制御システムは、燃料ガスに減熱用ガスを混合することにより、燃料流量制御弁の絞り込みのみでは達成できない部分の入熱量減少を容易に実現する。かかるガスタービン制御システムは、ガスタービン発電設備に大きな設計変更を要すること無く適用することができる。   The gas turbine control system of the present invention easily realizes a reduction in the amount of heat input that cannot be achieved only by narrowing the fuel flow control valve by mixing the heat reducing gas with the fuel gas. Such a gas turbine control system can be applied to a gas turbine power generation facility without requiring a large design change.

本発明のガスタービン制御システムの一実施形態を含んだガスタービン発電設備の一例を概略的に示す系統図である。It is a distribution diagram showing roughly an example of gas turbine power generation equipment including one embodiment of a gas turbine control system of the present invention. 図2(a)はガスタービンの負荷遮断時の負荷の変化を示すグラフであり、図2(b)は負荷遮断に対応して制御される燃料流量制御弁の開度の変化を示すグラフであり、図2(c)はかかる燃料流量制御弁の開度の変化によるガスタービン入熱量の変化を示すグラフでありであり、図2(d)は上記燃料流量制御弁の開度の変化および減熱用ガスの供給によるガスタービン入熱量の変化を示すグラフであり、図2(e)はかかるガスタービン入熱量の変化によって生じるガスタービンの回転数変化を示すグラフである。FIG. 2A is a graph showing a change in load when the load of the gas turbine is interrupted, and FIG. 2B is a graph showing a change in the opening degree of the fuel flow control valve controlled in response to the load interruption. 2 (c) is a graph showing a change in the amount of heat input to the gas turbine due to a change in the opening of the fuel flow control valve. FIG. 2 (d) shows a change in the opening of the fuel flow control valve and It is a graph which shows the change of the gas turbine heat input by supply of the gas for heat reduction, and FIG.2 (e) is a graph which shows the rotation speed change of the gas turbine produced by the change of this gas turbine heat input. 本発明のガスタービン制御システムの一実施形態を含んだガスタービン発電設備の他の例を概略的に示す系統図である。It is a distribution diagram showing roughly other examples of gas turbine power generation equipment containing one embodiment of a gas turbine control system of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・ガスタービン発電設備
2・・・・ガスタービン
3・・・・燃料ガス供給配管
4・・・・燃料圧縮機
5・・・・減熱用ガス供給装置
6・・・・水素ガス供給装置
7・・・・混合器
8・・・・ガスタービンの燃焼器
9・・・・燃料流量制御弁
10・・・・システム制御装置
11・・・・空気圧縮機
12・・・・発電機
13・・・・水素濃度計
14・・・・燃料流量計
15・・・・減熱用ガス供給源
16・・・・減熱用ガス供給管
17・・・・減熱用ガス流量計
18・・・・流量制御弁
19・・・・水素ガス供給源
20・・・・水素ガス供給管
21・・・・水素ガス流量計
22・・・・流量制御弁
31・・・・ガスタービン発電設備
S・・・・直接還元鉄設備
1. Gas turbine power generation equipment
2 ... Gas turbine
3 ... Fuel gas supply piping
4 ... Fuel compressor
5 .... Gas supply device for heat reduction
6 .... Hydrogen gas supply device
7. Mixer
8 ... Combustor of gas turbine
9. Fuel flow control valve
10 .... System controller
11. Air compressor
12 .... Generator
13 .... Hydrometer
14 .... Fuel flow meter
15 .... Gas supply source for heat reduction
16 .... Gas supply pipe for heat reduction
17. Gas flow meter for heat reduction
18 .... Flow control valve
19 ... Hydrogen gas supply source
20 .... Hydrogen gas supply pipe
21 ... Hydrogen gas flow meter
22 ... Flow control valve
31 ... Gas turbine power generation facilities
S ... Direct reduction iron equipment

Claims (7)

ガスタービンの負荷急落時にガスタービンの回転数の上昇を抑制するガスタービン制御システムであって、
ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路に配設された、燃料ガスの流量を調節するための燃料流量制御弁と、
燃料ガス供給通路に減熱用ガスを供給するための減熱用ガス供給装置と、
システム制御装置とを備えており、
該システム制御装置が、ガスタービンの負荷急落を検知したときに、ガスタービンへの入熱量を低下させるために、燃料流量制御弁の開度制御に加えて、減熱用ガス供給装置による減熱用ガス供給作動を制御するように構成されてなるガスタービン制御システム。
A gas turbine control system that suppresses an increase in the rotational speed of a gas turbine when the load of the gas turbine suddenly drops,
A fuel flow control valve for adjusting the flow rate of the fuel gas, disposed in a fuel gas supply passage for supplying the fuel gas to the gas turbine;
A heat reducing gas supply device for supplying heat reducing gas to the fuel gas supply passage;
A system controller,
When the system controller detects a sudden drop in the load of the gas turbine, in order to reduce the amount of heat input to the gas turbine, in addition to the opening control of the fuel flow control valve, the heat reduction by the heat reducing gas supply device A gas turbine control system configured to control a gas supply operation.
上記システム制御装置が、運転中のガスタービンの負荷が所定値まで急速に低下したとき、燃料流量制御弁を予め定められた必要最小開度を下回らない開度まで閉弁させるとともに、ガスタービンの回転数が所定値を超えないために必要な減熱用ガスを減熱用ガス供給装置から供給させるように制御する請求項1記載のガスタービン制御システム。   When the load of the operating gas turbine rapidly decreases to a predetermined value, the system control device closes the fuel flow control valve to an opening that does not fall below a predetermined minimum opening, The gas turbine control system according to claim 1, wherein control is performed so that the heat reduction gas necessary for the rotation speed not to exceed a predetermined value is supplied from the heat reduction gas supply device. 上記システム制御装置が、検出されたガスタービンの回転数をフィードバック入力信号として、ガスタービンの回転数が所定値を超えないように、減熱用ガス供給装置からの減熱用ガスの供給量をフィードバック制御する請求項2記載のガスタービン制御システム。   The system controller uses the detected rotation speed of the gas turbine as a feedback input signal, and determines the supply amount of the heat reduction gas from the heat reduction gas supply apparatus so that the rotation speed of the gas turbine does not exceed a predetermined value. The gas turbine control system according to claim 2 which performs feedback control. 上記システム制御装置において、運転中のガスタービンの負荷が所定値まで急速に低下する過程の事象がモデル化され、該モデルに沿ってなされた減熱用ガス供給制御および燃料流量制御弁の開度制御のシミュレーション結果が記憶されており、
上記システム制御装置が、運転中のガスタービンの負荷が所定値まで急速に低下したとき、上記シミュレーション結果に基づいてプリセットされた制御モードを選択して実行するように構成されてなる請求項2記載のガスタービン制御システム。
In the system control apparatus, an event of a process in which the load of the operating gas turbine rapidly decreases to a predetermined value is modeled, and the opening degree of the gas supply control for heat reduction and the fuel flow control valve made along the model is modeled Control simulation results are stored,
The system control device is configured to select and execute a preset control mode based on the simulation result when the load of the operating gas turbine rapidly decreases to a predetermined value. Gas turbine control system.
上記燃料ガス供給通路に水素ガスを供給するための水素ガス供給装置と、燃料ガス中の水素濃度を検出するための水素濃度検出装置とをさらに備えており、
上記システム制御装置が、水素濃度の検出結果に基づいて水素ガス供給装置による水素ガス供給作動を制御するように構成されてなる請求項1記載のガスタービン制御システム。
A hydrogen gas supply device for supplying hydrogen gas to the fuel gas supply passage, and a hydrogen concentration detection device for detecting the hydrogen concentration in the fuel gas,
The gas turbine control system according to claim 1, wherein the system control device is configured to control a hydrogen gas supply operation by the hydrogen gas supply device based on a detection result of the hydrogen concentration.
ガスタービンの負荷急落時にガスタービンの回転数の上昇を抑制するためのガスタービンの制御方法であって、
ガスタービンの負荷急落を検知したときに、
ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路に配設された燃料流量制御弁の開度を制御することによって燃料ガスの流量を調節する燃料流量調節工程と、
燃料ガス供給通路に減熱用ガスを供給する減熱用ガス供給工程とを含み、
これらの工程を実行してガスタービンへの入熱量を低下させる、ガスタービンの制御方法。
A gas turbine control method for suppressing an increase in the rotational speed of a gas turbine when the load of the gas turbine suddenly drops,
When a sudden drop in the load on the gas turbine is detected,
A fuel flow rate adjusting step for adjusting the flow rate of the fuel gas by controlling the opening degree of the fuel flow rate control valve disposed in the fuel gas supply passage for supplying the fuel gas to the gas turbine;
A heat reduction gas supply step for supplying a heat reduction gas to the fuel gas supply passage,
A method for controlling a gas turbine, which executes these steps to reduce the amount of heat input to the gas turbine.
運転中のガスタービンの負荷が所定値まで急速に低下したときに、
上記燃料流量調節工程において、燃料流量制御弁を予め定められた必要最小開度を下回らない開度まで閉弁させて燃料流量を減少させるとともに、
上記減熱用ガス供給工程において、ガスタービンの回転数が所定値を超えないために必要な減熱用ガスを燃料ガス供給通路に供給する請求項6記載のガスタービンの制御方法。
When the load on the operating gas turbine drops rapidly to a predetermined value,
In the fuel flow rate adjustment step, the fuel flow rate control valve is closed to an opening degree that does not fall below a predetermined minimum opening degree to reduce the fuel flow rate,
The gas turbine control method according to claim 6, wherein in the heat reduction gas supply step, a heat reduction gas necessary for preventing the rotation speed of the gas turbine from exceeding a predetermined value is supplied to the fuel gas supply passage.
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