JP4830636B2

JP4830636B2 - 発電プラントの燃料制御装置

Info

Publication number: JP4830636B2
Application number: JP2006146979A
Authority: JP
Inventors: 義明河野
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP2007315705A

Description

この発明は、汽力発電プラントやガスタービン発電プラント等において、低負荷運転時における燃料の安定した制御を可能とする発電プラントの燃料制御装置に関するものである。

火力発電プラントやガスタービン発電プラントといった発電プラントでは、ＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＰＧ（液化石油ガス）といった液化燃料を一旦タンクに貯蔵し、これを取り出しながらガス化させ、燃料として使用している。また、一般に、ＬＮＧはパイプラインで各発電プラントに搬送し、ＬＰＧは各発電プラントでタンクに貯蔵して使用している。このような液化燃料をタンクに貯蔵した場合、タンク内にはＢＯＧ（ボイルオフガス：自然気化ガス）が発生する。従来、このようなＢＯＧの処理としては、再液化装置を用いてタンク内やタンクから出力ラインに戻すようにしたものがあった（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このようなＢＯＧを再液化する構成では、再液化するための構成が必要になる等、設備として大がかりなものが要求されるため、ＢＯＧも燃料として用いるようにしたものがあった。

図２は、従来の発電プラントの燃料制御装置を示す構成図である。
ＬＮＧ供給路１には、ＬＮＧタンク２からのＬＮＧが熱交換器３で気化され、ＬＮＧ気化ガス（ＮＧ）として供給される。また、ＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４には、ＬＰＧタンク５からのＬＰＧが熱交換器６で気化されたＬＰＧ気化ガス（ＰＧ）と、タンク内で発生するＢＯＧが混合されて供給される。ここで、ＬＮＧタンク２や熱交換器３は、発電プラントとは別の場所に配置され、ＬＮＧ気化ガスがパイプライン等を介してＬＮＧ供給路１に供給されているものとする。一方、ＬＰＧタンク５および熱交換器６は発電プラント内に設けられているものとする。

第１の圧力調節弁７、第２の圧力調節弁８は、それぞれ、ＬＮＧ供給路１およびＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４に設けられ、それぞれの流路の圧力を制御する圧力調節弁である。また、ＬＮＧ供給路１およびＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４には、それぞれ流量計測部（ＦＸ）９，１０が設けられ、これら流量計測部９，１０によって、ＬＮＧ供給路１およびＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４の流量が計測されるよう構成されている。混焼率演算部１１は、これら流量計測部９，１０の計測値に基づいて、混焼率を演算し、混焼調節部１２に出力する。また、ＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４には、圧力計測部（ＰＸ）１３により、その圧力値が計測されるようになっており、ＬＰＧ／ＢＯＧ圧力設定部１４は、与えられたＬＰＧ／ＢＯＧ設定値と圧力計測部１３の計測値に基づいて開度設定値をＬＰＧ／ＢＯＧ開度設定部１５に出力するよう構成されている。

混焼調節部１２は、与えられた混焼率設定値と、混焼率演算部１１で算出された混焼率の値に基づいて、第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８への開度指令値を演算し、それぞれの開度指令値を第１の開度設定部１６および第２の開度設定部１７に出力する制御部である。圧力調節部１８は、混焼率演算部１１で算出された混焼率に対応した圧力設定値と、ＬＮＧ供給路１とＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４との合流部下流側の燃料供給路１９に設けられた圧力計測部（ＰＸ）２０からの圧力計測値に基づいて、開度指令値を第１の開度設定部１６および第２の開度設定部１７に出力する制御部である。

流量指令部２１は、与えられた流量指令値と、燃料供給路１９に設けられた流量計測部（ＦＸ）２２の流量計測値に基づいて、燃料調節弁２３への開度指令値を出力するものである。燃料調節弁２３は、ボイラ部２４の図示しないバーナへの燃料供給を制御するための制御弁である。

次に、このように構成された発電プラントの燃料制御装置の動作について説明する。
先ず、流量指令部２１に与えられた流量指令値に基づいて燃料調節弁２３に対して開度指令が与えられ、燃料供給路１９の流量が所定値に制御される。また、燃料供給路１９の圧力値が圧力計測部２０で計測され、この計測値が圧力調節部１８に入力される。

一方、ＬＰＧ／ＢＯＧ圧力設定部１４に対して、所望のＬＰＧ／ＢＯＧ設定値が与えられると、圧力計測部１３で計測されたＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４の圧力値との差分に基づいて、開度指令値がＬＰＧ／ＢＯＧ開度設定部１５に出力される。また、流量計測部９，１０によって、ＬＮＧ供給路１およびＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４の流量が計測され、混焼率演算部１１は、これらの値に基づいて混焼率ＲＧを算出する。この混焼率ＲＧとしては、例えば、ＬＮＧの流量／（ＬＮＧの流量＋ＬＰＧ／ＢＯＧの流量）で算出される。

混焼調節部１２は、与えられた混焼率設定値と、混焼率演算部１１で求めた実際の混焼率ＲＧとの差分値に基づいて、第１の開度設定部１６および第２の開度設定部１７に対してそれぞれの開度指令値を出力する。即ち、与えられた混焼率の設定値に対する実際の混焼率ＲＧの値で、ＬＰＧ／ＢＯＧの割合が大きかった場合は、第２の圧力調節弁８に対して閉側の開度指令値、第１の圧力調節弁７に対しては開側の開度指令値を出力し、逆に、ＬＰＧ／ＢＯＧの割合が小さかった場合は、第２の圧力調節弁８に対して開側の開度指令値、第１の圧力調節弁７に対しては閉側の開度指令値を出力する。このような開度指令値により、第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８が制御される。

また、圧力調節部１８では、混焼率に対応した圧力値の情報を保持しており、これは、例えば、図３に示すような関係となっている。この図３は、混焼率と圧力値との関係を示す説明図であり、横軸は混焼率（ＬＮＧ／（ＬＮＧ＋ＬＰＧ））を示し、縦軸は圧力値を示している。即ち、ＬＮＧの割合が１００％の場合は圧力値はＡであり、ＬＮＧの割合が０％の場合の圧力値はＢ（Ａ＞Ｂ）となる。

圧力調節部１８では、図３に示すような混焼率と圧力値との関係から、混焼率に対応した圧力値を求め、この圧力値と、圧力計測部２０で計測された燃料供給路１９の圧力値との差分に基づいて開度指令値を出力する。そして、この開度指令値が第１の開度設定部１６および第２の開度設定部１７に与えられ、第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８が制御される。即ち、混焼率から求められた圧力値に対して圧力計測部２０で計測された実際の圧力値が高かった場合は、第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８に対して閉側の開度指令値を出力し、逆の場合は開側の開度指令値を出力する。

特開平１０−２５２９９６号公報

今日、発電プラントでは、負荷の変動に対処するため、変圧運転を行うようになってきている。そして、このような変圧運転を行う場合の効率化向上の観点から更なる低負荷帯での運転が可能となるような制御が求められている。しかしながら、発電プラントにおいて、このような低負荷帯での運転を考えた場合、その燃料制御において、次のような問題があった。

例えば、低負荷運転では、定格運転時に比べて必要とする燃料は少なくなる。しかしながら、ＢＯＧの発生は負荷とは無関係であるため、低負荷運転時では、相対的に燃料におけるＬＰＧ／ＢＯＧの割合が高くなる。また、ＢＯＧは自然発生的に供給されるものであって、温度条件やＬＰＧタンク５内のＬＰＧの貯蔵量等により、その供給量も変化する。そして、このようなＬＰＧ／ＢＯＧの割合が高くなればなるほど、ＬＰＧ／ＢＯＧの変動は、混焼率ＲＧに大きく影響するようになる。また、上述した図３にも示したように、ＬＰＧ／ＢＯＧの割合が高くなるにつれて、圧力の低い領域での圧力制御が行われることになる。

このような要因により、混焼調節部１２の開度指令値で第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８が制御されると共に、混焼率ＲＧに基づいて圧力調節部１８でもこれら第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８を制御するため、低負荷運転時では、燃料供給路１９における圧力変動や混焼率ＲＧの変動分により、混焼調節部１２と圧力調節部１８との両制御が相互干渉し、発散状態となってしまう問題があった。

このような問題は、定格運転時ではＬＮＧの流量が大きいことから、混焼率ＲＧにおけるＬＰＧ／ＢＯＧの相対的な割合が小さく、ＬＰＧ／ＢＯＧの変動分は吸収することができ、また、圧力調節部１８においても圧力設定が高い領域での制御が行われるため、ほとんど発生しない。ところが、上述したように、低負荷運転では、ＬＰＧ／ＢＯＧの割合が高くなるため、安定した流量制御が困難となる。そして、このような流量制御の安定した制御が困難であるという要因が、発電プラントとしての低負荷運転を実現させる上での制約になってしまうという問題点を有していた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、発電プラントの低負荷運転の実現に寄与する発電プラントの燃料制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る発電プラントの燃料制御装置は、第１の燃料供給路を流れる第１の燃料の圧力を制御する第１の圧力調節弁と、第２の燃料供給路を流れる第１の燃料とは異なる種類の第２の燃料と、第２の燃料のボイルオフガスとが混合した気体である第２の燃料／ＢＯＧの圧力を制御する第２の圧力調節弁と、第１の燃料供給路を流れる第１の燃料の流量と、第２の燃料供給路を流れる第２の燃料／ＢＯＧの流量とに基づいて、第１の燃料と第２の燃料／ＢＯＧとの混焼率を算出する混焼率演算部と、混焼率演算部で算出された混焼率に所定の遅延を与えて出力する一次遅れ要素と、第１の燃料と、第２の燃料／ＢＯＧとが予め決められた混焼率となるよう、一次遅れ要素から出力された混焼率の値に基づいて第１の圧力調節弁と第２の圧力調節弁に開度指令を行う混焼調節部と、混焼率演算部で算出された混焼率に対応した圧力値に対して所定の遅延を与えた値と、第１の燃料供給路と第２の燃料供給路とが合流した燃料供給路における混合ガスの圧力値とに基づいて、第１の圧力調節弁および第２の圧力調節弁に開度指令を行う圧力調節部とを備えたものである。

また、この発明に係る発電プラントの燃料制御装置は、圧力調節部は、混焼率演算部で算出された混焼率に対応した圧力値に対して所定の遅延を与えた値と、第１の燃料供給路と第２の燃料供給路とが合流した燃料供給路における混合ガスの圧力値との差分値が所定の範囲では出力を変化させない不感帯設定部を有し、不感帯設定部の出力に基づいて開度指令を送出するようにしたものである。

この発明の発電プラントの燃料制御装置によれば、供給する燃料が少量であっても安定した燃料供給制御を行うことができ、その結果、発電プラントの低負荷運転の実現に寄与することができる。
また、この発明の発電プラントの燃料制御装置によれば、圧力調節部が不感帯設定部を備えたので、圧力調節弁の制御精度に起因する開度指令値の変動も吸収することができ、更に安定した燃料供給制御を実現することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による発電プラントの燃料制御装置を示す構成図である。
図において、ＬＮＧ供給路１〜第２の開度設定部１７および燃料供給路１９〜ボイラ部２４の構成は、図２に示した構成と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。圧力調節部１８ａは、基本的な機能は図２の圧力調節部１８と同様であるが、変化率制限部１８２と不感帯設定部１８４を備えた点が図２の構成とは異なる点である。即ち、圧力調節部１８ａは、圧力設定部１８１、変化率制限部１８２、差分器１８３、不感帯設定部１８４、ＰＩ制御部１８５を備えている。圧力設定部１８１は、混焼率演算部１１で演算された混焼率ＲＧに基づいた圧力設定値を算出する機能部である。変化率制限部１８２は、圧力設定部１８１から出力された圧力設定値に対して変化率の制限を行う機能部である。差分器１８３は、変化率制限部１８２を介して出力された圧力設定値と、圧力計測部２０によって計測された燃料供給路１９の圧力計測値との差分値を算出する演算器である。不感帯設定部１８４は、差分器１８３からの出力値に対して所定の範囲では出力値が変化しない不感帯の設定を行う機能部である。ＰＩ制御部１８５は、不感帯設定部１８４を介して出力された値に基づいて、ＰＩ制御を行う制御部である。

また、本実施の形態では、混焼率演算部１１から混焼調節部１２への出力ラインに一次遅れ要素２５を備えている。即ち、混焼率演算部１１で演算された混焼率の値の変動は一次遅れ要素２５を介して混焼調節部１２に通知されるよう構成されている。

尚、本実施の形態において、ＬＮＧ供給路１は第１の燃料供給路、ＬＮＧは第１の燃料、ＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４は第２の燃料供給路、ＬＰＧ／ＢＯＧは第２の燃料／ＢＯＧに相当している。

このように構成された発電プラントの燃料制御装置では、ＬＰＧ／ＢＯＧ供給路４におけるＢＯＧの供給量の変化等で混焼率が変化した場合、混焼率演算部１１は、これを示す混焼率ＲＧを出力する。この混焼率ＲＧは一次遅れ要素２５を介して混焼率演算部１１に通知される。即ち、混焼率の変化は所定の遅れ量を伴った値で混焼調節部１２に入力される。このため、混焼調節部１２は、混焼率の変化に対して所定の遅れ量を伴って緩やかに第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８への開度指令値を変化させる。

また、混焼率演算部１１から出力される混焼率に変化があった場合、圧力調節部１８ａでは、圧力設定部１８１から出力される圧力設定値の変化に対して、変化率制限部１８２は所定の遅れ量を伴って差分器１８３に出力する。これにより、差分器１８３から出力される燃料供給路１９の圧力計測値との差分値も緩やかに変化し、結果として、圧力調節部１８ａから出力される開度指令値の変化も緩やかとなる。従って、混焼率が変化した場合、圧力調節部１８ａから出力される開度指令値もゆっくりと変化し、第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８の開度制御も緩やかに行われることになる。また、圧力調節部１８ａでは差分器１８３からの出力が不感帯設定部１８４の不感帯の値の範囲内ではＰＩ制御部１８５への出力は発生しないため、混焼率の微小な変動では第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８への開度指令値は出力されない。即ち、混焼率や燃料供給路１９の圧力値の微小な変動が発生した場合であっても、圧力調節部１８ａによる第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８の制御は行われない。

このような混焼調節部１２および圧力調節部１８ａによる第１の圧力調節弁７および第２の圧力調節弁８の制御により、燃料におけるＬＰＧ／ＢＯＧの割合が相対的に多くなった場合でも、これらの混焼調節部１２および圧力調節部１８ａの相互干渉を抑制することができ、その結果、低負荷運転時における燃料供給量が少ない場合でもボイラ部２４への安定した燃料供給を実現することができる。

尚、上記実施の形態では、第１の燃料がＬＮＧ、第２の燃料がＬＰＧの場合を説明したが、これらの燃料に限定されるものではなく、第２の燃料が第１の燃料とは種類の異なる燃料であり、かつ、そのＢＯＧを混合した気体を第１の燃料と混焼させる構成であれば、どのような燃料であっても適用可能である。

この発明の実施の形態１による発電プラントの燃料制御装置を示す構成図である。従来の発電プラントの燃料制御装置を示す構成図である。混焼率と圧力設定値との関係を示す説明図である。

符号の説明

１ＬＮＧ供給路
４ＬＰＧ／ＢＯＧ供給路
７第１の圧力調節弁
８第２の圧力調節弁
１１混焼率演算部
１２混焼調節部
１８ａ圧力調節部
１９燃料供給路
２５一次遅れ要素
１８１圧力設定部
１８２変化率制限部
１８３差分器
１８４不感帯設定部
１８５ＰＩ制御部

Claims

第１の燃料供給路を流れる第１の燃料の圧力を制御する第１の圧力調節弁と、
第２の燃料供給路を流れる前記第１の燃料とは異なる種類の第２の燃料と、当該第２の燃料のボイルオフガスとが混合した気体である第２の燃料／ＢＯＧの圧力を制御する第２の圧力調節弁と、
前記第１の燃料供給路を流れる前記第１の燃料の流量と、前記第２の燃料供給路を流れる第２の燃料／ＢＯＧの流量とに基づいて、当該第１の燃料と第２の燃料／ＢＯＧとの混焼率を算出する混焼率演算部と、
前記混焼率演算部で算出された混焼率に所定の遅延を与えて出力する一次遅れ要素と、
前記第１の燃料と、前記第２の燃料／ＢＯＧとが予め決められた混焼率となるよう、前記一次遅れ要素から出力された混焼率の値に基づいて前記第１の圧力調節弁と前記第２の圧力調節弁に開度指令を行う混焼調節部と、
前記混焼率演算部で算出された混焼率に対応した圧力値に対して所定の遅延を与えた値と、前記第１の燃料供給路と前記第２の燃料供給路とが合流した燃料供給路における混合ガスの圧力値とに基づいて、前記第１の圧力調節弁および第２の圧力調節弁に開度指令を行う圧力調節部とを備えた発電プラントの燃料制御装置。
圧力調節部は、混焼率演算部で算出された混焼率に対応した圧力値に対して所定の遅延を与えた値と、第１の燃料供給路と第２の燃料供給路とが合流した燃料供給路における混合ガスの圧力値との差分値が所定の範囲では出力を変化させない不感帯設定部を有し、当該不感帯設定部の出力に基づいて開度指令を送出することを特徴とする請求項１記載の発電プラントの燃料制御装置。