燃料气体加热控制装置和设置有该燃料气体加热控制装置的燃气轮机发电设备

摘要

根据本发明的燃料气体加热控制装置设置有增益确定部分21和时间常数确定部分22，其确定用于PI计算的增益和时间常数的数值，所述PI计算由PI计算部分14执行。当发电机输出增加时的负荷波动过程中，增益确定部分21规定用于PI计算部分14的较小时间常数，当发电机输出达到最大输出时规定用于PI计算部分14的较大时间常数。结果，在负荷波动过程中，响应良好，温度的快速变化可被跟随，以致燃料气体温度不会响应于最大输出处温度的微小变化而波动，因而实现稳定的燃料气体温度。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机的燃料气体加热控制装置，尤其是涉及燃料气体加热控制装置，其控制通过加热器的燃料气体流量，所述加热器安装在燃料气体系统中。此外，本发明还涉及设置有前述的燃料气体加热控制装置的燃料气体轮机发电设备。

背景技术

常规的燃气轮机具有加热器，其安装在燃烧器之前的阶段，以便提高燃料的燃烧效率。(参见已公开的日本专利申请H11-236824)

图10是显示常规通用的燃气轮机发电设备的燃料系统的示例的图表。在燃气轮机发电设备1中，压缩机2、燃气轮机3和发电机5共中心地连接，燃气轮机因燃烧器4供应的燃烧气体而旋转，发电机5通过燃气轮机3提供的旋转扭矩产生电能。

燃气轮机发电设备1为燃烧器4提供由压缩机2产生的高压空气，同时通过将来自燃烧器流量控制阀8的燃料气体供应给燃烧器4而导致燃烧。另外，通过向加热器6供应由压缩机2产生的高压空气以及在燃烧器4之前的阶段中加热供应给加热器6的特定数量的燃料气体，提高燃烧器4的燃烧效率。旁通流量控制阀9的目的是调节供应给加热器6的燃料气体的流量，供应给旁通流量控制阀9的一部分燃料气体因绕过加热器6而未被加热就供应给燃烧器4的后来阶段。在加热器6的后来阶段中，在加热器6中被加热的燃料气体和因绕过加热器6而未被加热的燃料气体混合在一起，供应给燃烧器流量控制阀8。另外，加热器6的后来阶段设置由温度检测元件7，其用于测量混合燃料气体的气体温度。

而且，燃气轮机发电设备1设置有规定燃烧流量控制阀8升程的燃烧器流量控制部分11和控制旁通流量控制阀9的控制输入的旁通流量控制部分12。通过为燃烧器流量控制阀8提供作为控制输入的、由燃烧器流量控制部分11规定的数值，调节燃烧器流量控制阀8的升程，因而调节供应给燃烧器5的燃料气体的流量。另外，通过使旁通流量控制部分12基于预定计算调节旁通流量控制阀9的控制输入，调节绕过加热器6的燃料气体的流量。

旁通流量控制部分12设置有规定温度确定部分13，当提供发电机5的输出时，其确定和输出根据当时的输出唯一确定的目标规定温度；减法器15，当设置在加热器6的后来阶段中的温度检测元件7提供了燃料气体温度时，该减法器通过与由规定温度确定部分13确定的目标规定温度比较而计算差值；以及PI计算部分14，其对减法器15的减法结果执行用于PI控制的计算，获得旁通流量控制阀9的控制输入。PI计算部分14预先设置有增益“K”和时间常数“T”，在增益“K”和时间常数“T”的基础上执行计算，增益“K”和时间常数“T”对于PI控制计算是必需数值。接着，由PI计算部分14计算的控制输入提供给旁通流量控制阀9，根据控制输入调节旁通流量控制阀9的升程。

当提供发电机5的输出时，规定温度确定部分13为PI计算部分14提供作为规定温度的数值，该规定温度根据当时的输出唯一确定。图11是显示发电机输出和规定温度之间关系的图表的示例。

如图11所示，规定温度确定部分13以如下方式规定目标规定温度：目标规定温度根据发电机输出的增加而上升，直到发电机输出达到最大输出Wx。另外，当发电机输出大于最大输出Wx时，目标规定温度被设置为预定值“τx”。

根据日本专利申请公开H11-23682披露的方法，如图11所示，由规定温度确定部分13规定的目标规定温度在加载(包括起动)过程中根据发电机输出的增加而快速增加。因而，旁通流量控制部分12必须通过将PI控制中的时间常数“T”的数值设置为小值而响应该快速变化。

但是，当时间常数“T”变小时，虽然发电机输出已经达到目标最大输出Wx，但即使是微小的变化仍会被响应。结果，存在这样的问题：燃烧气体温度不能稳定，而是有波动，这导致燃烧器中的燃烧状态不稳定。

相反，当时间常数“T”增加时，存在这样的问题：精确控制是不可能的，因为在加载过程中发电机输出波动的情况下或者类似情况下，燃料气体温度不能跟随目标规定温度的快速变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料气体加热控制装置，其在负荷波动时改善燃料气体温度的跟随能力，可以在规定负荷处(最大输出处)抑制燃料气体温度的波动范围。

为了实现上述目的，根据本发明的燃料气体加热控制装置包括：加热器，其加热被供给的燃料气体；第一气体系统，其为加热器供应燃料气体；第二气体系统，其在加热器之前的阶段中被分流以便给加热器设旁路，并在加热器的后来阶段中与第一气体系统连接；温度检测元件，其测量混合燃料气体的气体温度，所述混合燃料气体通过在加热器的后来阶段中混合经过第一气体系统且被加热器加热的第一燃料气体和经过第二气体系统且未被加热器加热的第二燃料气体而产生；旁通流量控制阀，其调节第二燃料气体的流量；以及旁通流量控制部分，其通过基于根据发电机输出规定的目标温度和由温度检测元件检测的气体温度之间的比较结果执行PI控制，并通过根据发电机输出改变PI控制中的增益和时间常数，通过根据发电机输出执行反馈控制，来控制旁通流量控制阀的升程和调节旁通流量控制阀的升程。

根据本发明的燃料气体加热控制装置，在负荷波动时改善燃料气体温度的跟随能力、同时在规定负荷处(最大输出处)抑制燃料气体温度的波动范围是可能的。结果，在任何工作条件下实现稳定的燃烧状态，因而提高燃料气体的燃烧效率。

附图说明

图1是方框图，其显示设置有根据本发明第一实施例的燃料气体加热控制装置的燃气轮机发电设备的结构。

图2是显示发电机输出和目标规定温度之间关系的图表。

图3是显示发电机输出和规定增益之间关系的图表。

图4是显示发电机输出和规定时间常数之间关系的图表。

图5是另一个方框图，其显示设置有根据本发明第一实施例的燃料气体加热控制装置的燃气轮机发电设备的结构。

图6是显示燃料气体温度和规定增益之间关系的图表。

图7是显示燃料气体温度和规定时间常数之间关系的图表。

图8是方框图，其显示设置有根据本发明第二实施例的燃料气体加热控制装置的燃气轮机发电设备的结构。

图9是另一个方框图，其显示设置有根据本发明第二实施例的燃料气体加热控制装置的燃气轮机发电设备的结构。

图10是方框图，其显示设置有常规燃料气体加热控制装置的燃气轮机发电设备的结构。

图11是显示常规燃料气体加热控制装置中发电机输出和规定温度之间关系的图表。

具体实施方式

<第一实施例>

现在参考附图，此后将描述本发明的第一实施例。图1是方框图，其显示设置有根据本实施例的燃料气体加热控制装置的燃气轮机发电设备的结构。在图1中，与图10中相同的部分设置有相同的符号，其详细描述将被省略。另外，燃料气体和空气的移动以实线显示，规定数值的信号和规定用于后来阶段方框的类似物的移动以虚线显示。

图1中的燃气轮机发电设备1a包括压缩机2，其将环境空气吸入并压缩到高压以便产生高压空气；燃气轮机3，其与压缩机2同心设置；燃烧器4，其为燃气轮机3供应燃烧气体以便使燃气轮机3旋转；以及发电机5，其因旋转燃气轮机3而产生电能。另外，图1中的燃气轮机发电设备1a还包括燃烧器流量控制阀8，其规定供应给燃烧器4的燃料的流量；加热器6，其在燃烧器4之前的阶段中预先加热燃料气体；以及旁通流量控制阀9，其规定因绕过加热器6而未被加热的燃料气体的流量。

由压缩机2产生的高压空气具有高温，通过供应一部分高压空气给加热器6而与燃料气体执行热交换。通过使加热器6在燃烧器4之前的阶段中提前加热燃料气体，燃烧器4中燃料气体的燃烧效率被提高，所述燃烧器使燃料气体燃烧。另外，在加热器6的后来阶段中，被加热器6加热的燃料气体和因绕过加热器6而未被加热的燃料气体混合在一起，供应给燃烧器流量控制阀8。而且，加热器6的后来阶段设置有温度检测元件7，测量混合燃料气体的气体温度。另外，在加热器6中完成热交换的高压空气被燃料气体冷却，以便使其温度降低，从而被供应给燃气轮机3，用于冷却燃气轮机3。

而且，燃气轮机发电设备1设置有规定燃烧器流量控制阀8升程的燃烧器流量控制部分11和控制旁通流量控制阀9升程的旁通流量控制部分12a。此处，通过为燃烧器流量控制阀8提供作为控制输入的、由燃烧器流量控制部分11规定的数值，调节燃烧器流量控制阀8的升程，因而调节供应给燃烧器4的燃料气体的流量。另外，由设置在加热器6的后来阶段中的温度检测元件7测量的燃料气体温度被提供给旁通流量控制部分12a。接着，旁通流量控制部分12a基于测量的燃料气体温度执行预定计算，控制旁通流量控制阀9的升程，因而调节旁通加热器6的燃料气体的流量。另外，例如，温度检测元件7由热电偶组成。

旁通流量控制部分12a设置有规定温度确定部分13，当提供发电机5的输出时，其确定和输出根据当时的输出唯一确定的目标规定温度；减法器15，其通过比较由规定温度确定部分13确定的目标规定温度和由设置在加热器6的后来阶段中的温度检测元件7提供的燃料气体温度而计算差值；以及PI计算部分14，其对减法器15的减法结果执行用于PI控制的计算，获得旁通流量控制阀9的控制输入；另外，设置有增益确定部分21，其确定用于PI计算部分14执行的计算的增益数值；以及时间常数确定部分22，其确定用于PI计算部分14执行的计算的时间数值。此处，在PI计算部分14中，通过使用由增益确定部分21提供的增益“K”(此后被称作“规定增益”)和由时间常数确定部分22提供的时间常数“T”(此后被称作“规定时间常数”)，减法器15的减法结果首先被乘以“K”(P计算)；接着通过使减法器15的减法结果在乘以“K”的积分时间“T”的基础上的时间积分(I计算)而获得的数值与“P”计算结果相加(PI计算)。图2显示描述发电机输出和规定温度之间关系的图表的示例。

如图2所示，规定温度确定部分13在起动后立即以预定的比率增加规定温度，直到发电机输出达到预定输出“W0”，当达到预定输出“W0”时，设置规定温度在预定值“τ0”处恒定，直到达到最大输出“Wx”。预定输出“W0”的数值可以是非常接近最大输出“Wx”的数值。规定温度确定部分13可设置有表格，其包含根据发电机输出规定的规定温度的数值，也可设置有温度确定函数，当提供发电机输出时，其确定待规定的规定温度的数值。此处，温度确定函数是具有如图2所示结构的函数，其中发电机输出作为横坐标，规定温度作为纵坐标。

当提供发电机5的输出时，增益确定部分21向PI计算部分14提供一个作为规定增益的数值，该数值根据当时的发电机输出唯一确定。图3是显示发电机输出和规定增益之间关系的图表的示例。

如图3所示，增益确定部分21规定增益以便使其在起动后立即在预定值“K0”处恒定，直到发电机输出达到预定值“Wk0”；当输出超过“Wk0”时，从“K0”开始增加增益；接着，当输出达到预定输出“Wk1”之后，规定规定增益在大于“K0”的预定值“K1”处恒定，直到达到最大输出“Wx”。增益确定部分21设置有表格，其包含根据发电机输出规定的增益数值，也可设置有增益确定函数，当提供发电机输出时，其确定待规定的增益数值。此处，增益确定函数是具有如图3所示结构的函数，其中发电机输出作为横坐标，规定增益作为纵坐标。

当发电机5的输出被提供时，时间常数确定部分22向PI计算部分14提供一个作为规定时间常数的数值，该数值根据当时的发电机输出唯一确定。图4是显示发电机输出和规定时间常数之间关系的图表的示例。

如图4所示，时间常数确定部分22规定时间常数以便使其在起动后立即在预定值“T0”处恒定，直到发电机输出达到预定值“Wt0”；当输出超过“Wt0”时，从“T0”开始增加时间常数；接着，当输出达到预定输出“Wt1”之后，规定规定时间常数在大于“T0”的预定值“T1”处恒定，直到达到最大输出“Wx”。时间常数确定部分22设置有表格，表格包含根据发电机输出规定的时间常数数值，也可设置有时间常数确定函数，当发电机输出被提供时，时间常数确定函数确定待规定的时间常数数值。此处，时间常数确定函数是具有如图4所示结构的函数，其中发电机输出作为横坐标，规定时间常数作为纵坐标。

采用如上所述的结构，当发电机输出增加且负荷波动时，规定较小的时间常数(T0)。因而，响应良好，有可能跟随温度的快速变化。另外，因为当发电机输出达到最大输出时规定较大的时间常数(T1)，所以燃料气体温度不会响应于温度的微小变化而波动，因而实现稳定的燃料气体温度。

而且，因为当发电机输出增加时在负荷波动过程中规定较小的增益(K0)，所以抑制了超调；以及因为当发电机输出达到最大输出时规定较大的增益(K1)，所以降低偏差，因而抑制燃料气体温度波动。

另外，在本实施例中，用于PI计算的增益和时间常数根据发电机5的输出确定，但也可根据燃料气体温度规定。此处，如图5所示，旁通流量控制部分12a’以如下方式构造：增益确定部分21和时间常数确定部分22中的任一个由温度检测元件7提供燃料气体温度。而且，图6是显示燃料气体温度和规定增益之间关系的图表的示例，图7是显示燃料气体温度和规定时间常数之间关系的图表的示例。

如图6所示，增益确定部分21规定增益以便使其在起动后立即在预定值“K2”处恒定，直到燃料气体温度达到预定值“τK2”；当燃料气体温度超过“τK2”时，从“K2”开始增加增益；接着，当燃料气体温度达到预定值“τK3”之后，规定增益在大于“K2”的预定值“K3”处恒定。增益确定部分21设置有表格，表格包含根据燃料气体温度规定的增益数值，也可设置有增益确定函数，当提供燃料气体温度时，增益确定函数确定待规定的增益数值。此处，增益确定函数是具有如图6所示结构的函数，其中燃料气体温度作为横坐标，规定增益作为纵坐标。

如图7所示，时间常数确定部分22规定时间常数以便使其在起动后立即在预定值“T2”处恒定，直到燃料气体温度达到预定值“τt2”；当燃料气体温度超过“τt2”时，从“T2”开始增加时间常数；接着，当燃料气体温度达到预定值“τt3”之后，规定时间常数在大于“T2”的预定值“T3”处恒定。时间常数确定部分22设置有表格，表格包含根据燃料气体温度规定的时间常数数值，也可设置有时间常数确定函数，当燃料气体温度被提供时，时间常数确定函数确定待规定的时间常数数值。此处，时间常数确定函数是具有如图7所示结构的函数，其中燃料气体温度作为横坐标，规定时间常数作为纵坐标。

<第二实施例>

通过参考附图此后将描述本发明的第二实施例。图8是方框图，其显示设置有根据本实施例的燃料气体加热控制装置的燃气轮机发电设备的结构。图8中，与图1中相同的部分设置有相同的符号，其详细描述将被省略。

与根据图1中第一实施例的燃气轮机发电设备1a比较，图8中的燃气轮机发电设备1b具有不同结构的旁通流量控制部分。根据本实施例的旁通流量控制部分12b设置有第一和第二PI计算部分31、32，其取代PI计算部分13具有预先规定的不同增益和不同时间常数。另外，设置有第一和第二跟踪开关33、34，其用于分别切换第一PI计算部分31的计算结果和第二PI计算部分32的计算结果，以及切换控制部分35，其控制第一和第二跟踪开关33和34的切换。

由第一PI计算部分31规定的增益“K31”规定为比由第二PI计算部分32规定的增益“K32”小的数值。另外，由第一PI计算部分31规定的时间常数“T31”规定为比由第二PI计算部分32规定的时间常数“T32”小的数值。此处，在第一PI计算部分31中，通过使用增益“K31”和时间常数“T31”，由减法器15提供的、由规定温度确定部分13确定的规定温度和由温度检测元件7测量的燃料气体温度之间的差值被乘以“K31”(“P”计算)；接着通过使减法器15的减法结果在乘以“K31”的积分时间“T31”的基础上的时间积分(“I”计算)而获得的数值与“P”计算结果相加(PI计算)。另一方面，在第二PI计算部分31中，通过使用增益“K32”和时间常数“T32”，由减法器15提供的、由规定温度确定部分13确定的规定温度和由温度检测元件7测量的燃料气体温度之间的差值被乘以“K32”(“P”计算)；接着通过使减法器15的减法结果在乘以“K32”的积分时间“T32”的基础上的时间积分(“I”计算)而获得的数值与“P”计算结果相加(PI计算)。

通过比较发电机5的输出和预定值“W1”，切换控制部分35基于该比较结果执行在第一PI计算部分31和第二PI计算部分32之间的切换功能。特别是，当发电机输出小于预定值“W1”时，第一PI计算部分31的计算结果提供给旁通流量控制阀9；当发电机输出大于预定值“W1”时，第二PI计算部分32的计算结果提供给旁通流量控制阀9。此后将描述由切换控制部分35执行的切换控制。

当发电机5的输出开始增加(负荷波动过程中)，切换控制部分35将第一跟踪开关33放置在接通(ON)状态，将第二跟踪开关34放置在跟踪(tracking)状态。此时，第一PI计算部分31的计算结果提供给旁通流量控制阀9，旁通阀控制阀9基于第一PI计算部分31的计算结果调节其升程。

此时，另外，在放置在跟踪状态的第二跟踪开关34中，保持第一PI计算部分31的计算结果。第一PI计算部分31的计算结果根据温度检测元件7的温度变化连续波动，但是第二跟踪开关34能保持仅仅紧邻在前的由第一PI计算部分31执行的计算结果。

当发电机5的输出达到预定值“W1”时，切换控制部分35将第二跟踪开关34放置在接通(ON)状态，将第一跟踪开关33放置在跟踪(tracking)状态，直到达到最大输出“Wx”。预定输出“W1”可以是非常接近最大输出“Wx”的数值。此时，切换前瞬间由第二跟踪开关34保持的第一PI计算部分31的计算结果提供给旁通流量控制阀9，作为切换后瞬间的第一控制输入，旁通流量控制阀9基于切换前瞬间由第二跟踪开关34保持的第一PI计算部分31的计算结果调节其升程。接着，在提供切换后瞬间的控制输入后，第二PI计算部分32的计算结果提供给旁通流量控制阀9，旁通流量控制阀9基于第二PI计算部分32的计算结果调节其升程。在如上所述的这种方式中，切换后瞬间规定升程快速变化，其中防止增益和时间常数变化，这使得避免燃料气体温度的快速变化成为可能。

此处，另外，第二PI计算部分32的计算结果由放置在跟踪状态的第一跟踪开关33保持。第二PI计算部分32的计算结果根据温度检测元件7的温度变化连续波动，但是第一跟踪开关33能保持紧邻在前的由第二PI计算部分32执行的计算结果。

采用如上所述的结构，当发电机输出增加且负荷波动时，规定较小的时间常数(T31)。因而，响应良好，有可能跟随温度的快速变化。另外，因为当发电机输出达到最大输出时规定较大的时间常数(T32)，所以燃料气体温度不会响应于温度的微小变化而波动，因而实现稳定的燃料气体温度。而且，因为当发电机输出增加时在负荷波动过程中规定较小的增益(K31)，所以抑制超调；以及因为当发电机输出达到最大输出时规定较大的增益(K32)，所以降低偏差，因而抑制燃料气体温度波动。

另外，在最大输出时，通过使放置在跟踪状态的第一跟踪开关33保持第二PI计算部分32的计算结果，即使在发电机5的输出从最大输出降低到预定值的情况下，当第二PI计算部分32被切换到第一PI计算部分31时，也能基于切换后瞬间由第一跟踪开关33保持的第二PI计算部分32的计算结果调节旁通流量控制阀9的升程。结果，切换后瞬间规定升程快速变化，其中防止增益和时间常数变化，这使得避免燃料气体温度的快速变化成为可能。

而且，与第一实施例相比，本实施例如此构造以便选择两种预先规定的计算，不需要根据输出顺序地计算增益和时间常数。因而，其控制内容被简化。

此外，在本实施例中，用于PI计算的增益和时间常数根据发电机5的输出确定，但是也可根据燃料气体温度规定。此处，如图9所示，旁通流量控制部分12b’以如下方式构造：切换控制部分35由温度检测元件7提供燃料气体温度，通过比较燃料气体温度和预定值“τ2”，控制第一跟踪开关33和第二跟踪开关34。

此处，当燃料气体温度增加且负荷波动时，切换控制部分35将第一跟踪开关33放置在接通状态，将第二跟踪开关34放置在跟踪状态，直到燃料气体温度达到预定值“τ2”，将第一PI计算部分31的计算结果提供给旁通流量控制阀9，作为阀门升程的指示值。另外，当燃料气体温度达到预定值“τ2”时，切换控制部分35切换，分别将第一跟踪开关33放置在跟踪状态，将第二跟踪开关34放置在接通状态。此时，切换后瞬间，与旁通流量控制部分12b相同，由第二跟踪开关34保持的紧邻在前的第一PI计算部分31的计算结果提供给旁通流量控制阀9，旁通流量控制阀9基于该计算结果调节其升程。接着，在提供切换后瞬间的控制输入之后，第二PI计算部分32的计算结果提供给旁通流量控制阀9，旁通流量控制阀9基于第二PI计算部分32的计算结果调节其升程。另外，预定值“τ2”可以是非常接近当发电机在最大输出下工作时保持的燃料气体温度“τx”的数值。

而且，在根据本发明的每一个实施例中，描述了当发电机输出从起动开始增加直到发电机输出达到最大输出时旁通流量控制阀9的升程控制。但是，当发电机输出从最大输出开始降低时旁通流量控制阀9的升程也能以类似的方式控制。

另外，在根据发电机输出或者燃料气体温度确定增益和时间常数的每一个实施例中，确定增益和时间常数的发电机输出或者燃料气体温度设置有预定容差。例如，在第一实施例中，当发电机输出达到预定输出“Wk1”时增益规定为预定值“K1”，但是当发电机输出在以预定输出“Wk1”作为中心的较高或较低预定输出范围内时，增益也可规定为“K1”。类似的方式，在第二实施例中，当发电机输出达到预定输出“W1”时，切换控制部分35将第二跟踪开关34放置在接通状态，将第一跟踪开关33放置在跟踪状态，但是当发电机输出在以预定输出“W1”作为中心的较高或较低预定范围内时，切换控制部分35也可执行上述切换行为。

此外，在每一个上述实施例中，描述了当发电机输出从起动开始增加直到最大输出时旁通流量控制阀9的升程控制，但是当发电机5的输出被控制为使小于最大输出的预定输出作为目标输出时，旁通流量控制阀9的升程也能以类似的方式控制。在这种情况下，通过用“最大输出”替换“部分负荷过程中的目标输出”、通过向上述每个实施例执行类似的行为可实现上述效果。