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WO2012141252A1 - 気体燃料計測装置及びガスタービン制御システム - Google Patents

気体燃料計測装置及びガスタービン制御システム Download PDF

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WO2012141252A1
WO2012141252A1 PCT/JP2012/060037 JP2012060037W WO2012141252A1 WO 2012141252 A1 WO2012141252 A1 WO 2012141252A1 JP 2012060037 W JP2012060037 W JP 2012060037W WO 2012141252 A1 WO2012141252 A1 WO 2012141252A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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gaseous fuel
gas chromatograph
fuel
measured value
specific gravity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2012/060037
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
篤之 藤井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Corp filed Critical IHI Corp
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Priority to AU2012243778A priority patent/AU2012243778B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/40—Control of fuel supply specially adapted to the use of a special fuel or a plurality of fuels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/86—Signal analysis
    • G01N30/8675—Evaluation, i.e. decoding of the signal into analytical information
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22—Fuels; Explosives
    • G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N2030/022—Column chromatography characterised by the kind of separation mechanism
    • G01N2030/025—Gas chromatography

Definitions

  • the present invention relates to a gaseous fuel measuring device and a gas turbine control system.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2011-090996 filed in Japan on April 15, 2011, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • DLE Dry Low Emission
  • gas turbines that employ a DLE (Dry Low Emission) combustion system that can reduce Nox emissions by burning a premixed mixture of fuel gas and air in a lean state have been used.
  • a DLE combustion system also referred to as a premixed combustion system
  • gas turbine is based on highly accurate measurement of fuel properties and measurement values in order to avoid the occurrence of combustion vibration and misfire in the combustor. Extremely high accuracy combustion control is required.
  • the gas chromatograph measures each component after separating each component contained in the gas to be measured through the column.
  • the measurement using the gas chromatograph has a feature that it takes about 5 to 10 minutes from sampling of the gas to be measured to the output of the measurement value. Therefore, individual measurement values obtained from the gas chromatograph with a period of 5 to 10 minutes have sufficiently high accuracy.
  • the property of the gas to be measured that is, the fuel gas
  • the measured value cannot follow the property variation, and an error due to time delay (response delay) occurs. As a result, highly accurate combustion control becomes difficult.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has the following two points. (1) Realizing highly accurate measurement of gaseous fuel properties while suppressing an increase in cost. (2) Highly accurate combustion control of the gas turbine is realized.
  • the gaseous fuel measuring device for measuring the properties of the gaseous fuel measures the calorific value, specific gravity and specific component concentration of the gaseous fuel, and outputs each measured value at a constant cycle.
  • a concentration meter that measures a specific component concentration of the gaseous fuel and outputs a measurement value at a shorter cycle than the gas chromatograph, and a measurement value of the specific component concentration obtained from the gas chromatograph, and a correction arithmetic unit that corrects the calorific value and the specific gravity measurement value obtained from the gas chromatograph at the same time based on the measurement value of the specific component concentration obtained from the densitometer.
  • the gaseous fuel measuring device for measuring the property of the gaseous fuel measures the calorific value and the specific component concentration of the gaseous fuel, and outputs each measured value at a constant cycle.
  • a concentration meter that measures a specific component concentration of the gaseous fuel and outputs a measured value in a shorter cycle than the gas chromatograph, measures a specific gravity of the gaseous fuel, and measures a measured value in a shorter cycle than the gas chromatograph
  • a correction arithmetic unit that corrects the calorific value obtained from the graph and the measured value of the specific gravity obtained from the hydrometer.
  • the correction arithmetic unit is configured to measure the specific component concentration obtained from the gas chromatograph and the concentration meter at the same time.
  • the correction calculation device includes an approximation function representing a correlation between the calorific value and the specific component concentration, the specific gravity, and the specific component concentration.
  • an approximation function representing a correlation between the calorific value and the specific component concentration, the specific gravity, and the specific component concentration.
  • a gas turbine control system includes a gas turbine, a fuel supply line connected to a combustor of the gas turbine, and a fuel flow rate control inserted in the fuel supply line.
  • a gas fuel measuring device that has a valve and a solution means according to any one of the first to fourth aspects, and that measures a property of the gaseous fuel flowing in the fuel supply line;
  • a control device that calculates a Wobbe index based on the measured value of the calorific value and specific gravity of the gaseous fuel, and controls the opening of the fuel flow control valve based on the Wobbe index.
  • the gaseous fuel measuring apparatus based on the measured value of the specific component concentration of the gaseous fuel obtained from the gas chromatograph and the measured value of the specific component concentration of the gaseous fuel obtained from the densitometer at the same time.
  • the measured values of the calorific value and specific gravity of the gaseous fuel obtained from the gas chromatograph at the same time are corrected. For this reason, it is possible to obtain a highly accurate calorific value and specific gravity measurement value in which errors due to time delay are suppressed.
  • the densitometer a relatively inexpensive instrument such as an infrared analyzer can be used. That is, according to the gaseous fuel measuring device according to the present invention, it is possible to realize highly accurate gaseous fuel property measurement while suppressing an increase in cost.
  • the Wobbe index is calculated based on the highly accurate calorific value and specific gravity measurement values obtained from the above-described gaseous fuel measuring device, and the fuel flow rate is calculated based on the Wobbe index. Controls the opening of the control valve. Thereby, highly accurate combustion control of the gas turbine can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a gas turbine control system A according to the first embodiment.
  • the gas turbine control system A includes a gas turbine 1, a fuel supply line 2, a fuel flow rate control valve 3, a sampling device 4, a gaseous fuel measuring device 5, and a gas turbine control device 6.
  • a solid line arrow represents fuel gas
  • a dotted line arrow represents an electrical signal.
  • the gas turbine 1 is a gas turbine that employs a DLE combustion method (premixed combustion method) that can reduce the amount of Nox emissions by, for example, burning a premixed mixture of fuel gas and air in a lean state. is there.
  • the fuel supply line 2 is a fuel gas supply pipe connected to a combustor (not shown) of the gas turbine 1. Fuel gas such as natural gas is supplied to the combustor of the gas turbine 1 through the fuel supply line 2. Although not shown in FIG. 1, an air supply line for supplying compressed air is also connected to the combustor of the gas turbine 1.
  • the fuel flow control valve 3 is an automatic adjustment valve provided in the fuel supply line 2, and its opening degree is controlled according to a fuel flow control signal FC input from the gas turbine control device 6. That is, the flow rate of the fuel gas supplied to the gas turbine 1 is controlled by the opening degree control of the fuel flow control valve 3.
  • the sampling device 4 is provided on the upstream side of the fuel flow control valve 3 in the fuel supply line 2 and branches (samples) a part of the fuel gas flowing in the fuel supply line 2 to the gaseous fuel measuring device 5. Lead.
  • the gaseous fuel measuring device 5 measures the properties of the fuel gas introduced from the fuel supply line 2 via the sampling device 4.
  • the gaseous fuel measuring device 5 includes a gas chromatograph 5a, an infrared analyzer 5b, and a correction calculation device 5c.
  • the fuel gas introduced into the gaseous fuel measuring device 5 is distributed to each of the gas chromatograph 5a and the infrared analyzer 5b.
  • the gas chromatograph 5a measures the lower calorific value LHV of fuel gas, the specific gravity SG and carbon dioxide (CO 2 ) concentration with respect to air, and outputs the measured values LHV_gc, SG_gc, and CO2_gc to the correction arithmetic unit 5c at regular intervals. As described above, the gas chromatograph 5a measures each component after separating each component contained in the measurement target gas (fuel gas) through the column.
  • the gas chromatograph 5a is characterized by the fact that the measurement value is highly accurate, but it takes about 5 to 10 minutes from the sampling of the fuel gas to the output of the measurement value. That is, the gas chromatograph 5a outputs the measured values LHV_gc, SG_gc, and CO2_gc at a cycle of 5 minutes to 10 minutes.
  • the infrared analyzer 5b is a gas analyzer using a non-dispersive infrared absorption method (ND-IR method), which measures the carbon dioxide (CO 2 ) concentration of the fuel gas and has a shorter cycle than the gas chromatograph 5a.
  • the measurement value CO2_ir is output to the correction arithmetic device 5c.
  • the infrared analyzer 5b is inferior in accuracy to the gas chromatograph 5a due to its measurement principle.
  • the infrared analyzer 5b is characterized in that the measured value CO2_ir can be output with an extremely short period (on the order of several seconds) that can be regarded as being almost continuous as compared with the gas chromatograph 5a.
  • the correction calculation device 5c is, for example, a microcomputer in which a memory, a CPU (Central Processing Unit) core, an input / output interface, and the like are integrated. Based on the measured value CO2_gc of the CO 2 concentration obtained from the gas chromatograph 5a and the measured value CO2_ir of the CO 2 concentration obtained from the infrared analyzer 5b at the same time, the correction arithmetic unit 5c performs the gas chromatograph at the same time. The measured values LHV_gc and SG_gc of the lower heating value LHV and specific gravity SG obtained from 5a are corrected. Further, the correction calculation device 5 c outputs the corrected measurement values LHV_c and SG_c to the gas turbine control device 6.
  • a memory for example, a microcomputer in which a memory, a CPU (Central Processing Unit) core, an input / output interface, and the like are integrated.
  • the correction arithmetic unit 5c Based on the measured value CO2_gc of the CO 2
  • the gas turbine control device 6 calculates the Wobbe index WI based on the lower heating value LHV of the fuel gas obtained from the gaseous fuel measurement device 5 (correction calculation device 5c) and the measured values LHV_c and SG_c of the specific gravity SG.
  • the gas turbine control device 6 outputs a fuel flow rate control signal FC for controlling the opening degree of the fuel flow rate control valve 3 (controlling the fuel gas flow rate) to the fuel flow rate control valve 3 based on the calculated Wobbe index WI.
  • the gas turbine control device 6 generates an air flow rate control signal AC for controlling the opening degree (controlling the air flow rate) of an air flow rate control valve (not shown) inserted in the air supply line of the gas turbine 1. Output to air flow control valve.
  • the operation of the gas turbine control system A configured as described above will be described in detail. That is, the measurement operation of the fuel gas property by the gaseous fuel measurement device 5 and the combustion control operation (fuel flow rate control) of the gas turbine 1 by the gas turbine control device 6 will be described in detail.
  • the gas chromatograph 5a outputs measured values LHV_gc and SG_gc of fuel gas properties (low calorific value LHV, specific gravity SG, etc.) at intervals of 5 to 10 minutes.
  • the individual measured values obtained from the gas chromatograph 5a with a period of 5 minutes to 10 minutes are sufficiently accurate (very close to the true value).
  • the measurement value cannot follow the property variations, and an error due to a time delay (response delay) of a maximum of two steps (two cycles) occurs.
  • This inventor verified the property data for a certain period measured using the gas chromatograph about the natural gas produced from a certain area.
  • the low heating value LHV and the specific gravity SG necessary for calculating the Wobbe index WI are large especially when the concentration of carbon dioxide (CO 2 ) among the inert components contained in natural gas is large and the concentration fluctuation is large. I found that it fluctuated.
  • the inventor of the present application investigated the relationship between the CO 2 concentration and the lower calorific value LHV and the relationship between the CO 2 concentration and the specific gravity SG using the property data of the natural gas for a certain period of time. As a result, as shown in FIG. 3A, it was discovered that the CO 2 concentration and the lower heating value LHV are clearly correlated, and as shown in FIG. 3B, the CO 2 concentration and the specific gravity SG are lower than the lower heating value LHV. I found that there was some degree of correlation.
  • the correlation between the CO 2 concentration and the lower heating value LHV can be approximated with high accuracy by an exponential function (all data are within ⁇ 1% of the approximate function curve).
  • an approximate function (exponential function) representing the correlation between the CO 2 concentration and the lower heating value LHV is defined by the following equation (1).
  • a and B are constants, and e is the base of the natural logarithm.
  • the correlation between the CO 2 concentration and the specific gravity SG is slightly lower than the correlation between the CO 2 concentration and the lower heating value LHV, and there are two substantially parallel data series. Looks like to do. However, one data series having a high correlation can be approximated more accurately by an exponential function than the other data series. This means that if the correlation between the CO 2 concentration and the specific gravity SG is obtained in advance, the specific gravity SG can be estimated from the measured CO 2 concentration of the fuel gas.
  • an approximate function (exponential function) representing the correlation between the CO 2 concentration and the specific gravity SG is defined by the following equation (2).
  • C and D are constants
  • e is the base of the natural logarithm.
  • the measurement value CO2_gc of the CO 2 concentration obtained from the gas chromatograph 5a has an error due to a time delay of a maximum of two steps, like the other measurement values LHV_gc and SG_gc. Contains.
  • the infrared analyzer 5b is inferior in accuracy to the gas chromatograph 5a.
  • infrared analyzer 5b can output the CO 2 concentration measurements CO2_ir in a very short period that can be regarded as substantially continuous in comparison with a gas chromatograph 5a. For this reason, the error due to the time delay can be ignored (see FIG. 2B).
  • the measured value CO2_gc of the CO 2 concentration obtained from the gas chromatograph 5a is a past value for a maximum of two steps and is not a current value.
  • the measurement value CO2_ir of CO 2 concentration obtained from the infrared analyzer 5b can be regarded as the current value. For this reason, by correcting so that the difference between CO2_gc and CO2_ir obtained at the same time is eliminated (in other words, so that CO2_gc matches CO2_ir), a high-precision low-order error in which errors due to time delay are suppressed. Measurement values of the calorific value LHV and specific gravity SG can be obtained.
  • the calorific value correction coefficient Z_LHV_co2 for correcting the time delay error included in the measured value LHV_gc of the lower calorific value LHV obtained from the gas chromatograph 5a is obtained from the gas chromatograph 5a and the infrared analyzer 5b at the same time. It can be calculated by the following equation (3) derived based on the measured values CO2_gc and CO2_ir of the CO 2 concentration and the above equation (1).
  • the specific gravity correction coefficient Z_SG_co2 for correcting the time delay error included in the measured value SG_gc of the specific gravity SG obtained from the gas chromatograph 5a is a measurement of the CO 2 concentration obtained from the gas chromatograph 5a and the infrared analyzer 5b at the same time. It can be calculated by the following equation (4) derived based on the values CO2_gc, CO2_ir and the above equation (2).
  • the measured values of the lower heating value LHV and specific gravity SG (corrected measured values LHV_c, SG_c) that do not include an error due to time delay are expressed by the following formulas (5) and (6).
  • the drawbacks of the gas chromatograph 5a are greatly improved. it can. Accordingly, it is possible to obtain a highly accurate measurement value LHV_c of the lower heating value LHV and a measurement value SG_c of the specific gravity SG in which the time delay error is suppressed (close to the current value).
  • the measured values LHV_gc, SG_gc and CO2_gc of the lower heating value LHV, specific gravity SG and CO 2 concentration of the fuel gas are output in a cycle of 5 to 10 minutes, and until the measured values in this step are finalized.
  • the step measurement value is continuously output for 5 to 10 minutes (see FIGS. 2A and 2B).
  • the concentration measurement value CO2_ir is sampled at a constant sampling period. This sampling period is set shorter than the measurement period (5 to 10 minutes) of the gas chromatograph 5a and sufficiently longer than the measurement period (several seconds order) of the infrared analyzer 5b.
  • the measurement values LHV_gc, SG_gc, and CO2_gc acquired (sampled) from the gas chromatograph 5a at each sampling timing by the correction arithmetic unit 5c are past two steps at maximum, but are measured from the infrared analyzer 5b.
  • the value CO2_ir can be regarded as a current value.
  • the correction calculation device 5c stores the above equations (3) and (4) in advance in an internal memory.
  • the correction calculation device 5c corrects the heat generation amount by substituting the measured values CO2_gc and CO2_ir of the CO 2 concentration into the above formulas (3) and (4) among the measured values sampled at the same time as described above.
  • a coefficient Z_LHV_co2 and a specific gravity correction coefficient Z_SG_co2 are calculated.
  • the correction calculation device 5c stores the above formulas (5) and (6) in advance in an internal memory. Based on the above equation (5), the correction arithmetic unit 5c multiplies the measured value LHV_gc of the lower heating value LHV among the measured values sampled at the same time by the heating value correction coefficient Z_LHV_co2, thereby reducing the time delay error. The corrected measurement value LHV_c is calculated. The correction calculation device 5c calculates the measurement value SG_c in which the time delay error is corrected by multiplying the measurement value SG_gc of the specific gravity SG by the specific gravity correction coefficient Z_SG_co2 based on the above equation (6).
  • the correction calculation device 5c gasses the measured value LHV_c of the low-order calorific value LHV and the measured value SG_c of the specific gravity SG, which are obtained by the above processing and corrected with a time delay error and extremely close to the current value (true value). Output to the turbine controller 6. As described above, the measurement value LHV_c of the low calorific value LHV and the measurement value SG_c of the specific gravity SG are output from the correction arithmetic device 5c to the gas turbine control device 6 with high accuracy at a constant sampling period.
  • the heat input amount H (MJ / hr) to the combustor of the gas turbine 1 is expressed by the following (7) using the lower heating value LHV (MJ / Nm 3 ) and the fuel flow rate Qf (Nm 3 / h). It is expressed by an expression.
  • the fuel flow rate Qf is expressed by the following equation (8) with respect to the orifice (corresponding to the flow meter, the fuel flow control valve 3, and the fuel nozzle).
  • C is the flow coefficient
  • A is the orifice area (m 3 )
  • ⁇ P is the differential pressure across the orifice (Pa)
  • ⁇ f is the fuel density (kg / m 3 )
  • ⁇ an is the air in the standard state Density (kg / Nm 3 )
  • Tn is standard temperature (K)
  • Tf is fuel gas temperature (K)
  • Pn is standard pressure (Pa)
  • the measured values of the flow coefficient C, the orifice area A, the differential pressure before and after the orifice ⁇ P, the fuel gas temperature Tf and the fuel gas pressure Pf are obtained, and further, by knowing the Wobbe index WI from the following equation (9),
  • the amount of heat input H to the combustor of the gas turbine 1 can be determined.
  • the target heat input is determined and the flow rate coefficient of the fuel flow control valve 3 and the opening characteristics of the orifice area are known, the opening of the fuel flow control valve 3 can be determined.
  • the gas turbine control device 6 calculates the Wobbe index WI from the above equation (9) by using the measured value LHV_c of the lower heating value LHV and the measured value SG_c of the specific gravity SG obtained from the gaseous fuel measuring device 5 at regular intervals. To do. Further, the gas turbine control device 6 determines the opening of the fuel flow control valve 3 from the Wobbe index WI based on the above control principle, and sets the fuel flow control valve 3 so that the determined opening, that is, the fuel gas flow rate is obtained. Control (output fuel flow control signal FC). At this time, the gas turbine control device 6 controls an air flow rate control valve (not shown) so that the air flow rate supplied to the combustor of the gas turbine 1 is constant (outputs an air flow rate control signal AC). .
  • the measurement value LHV_c of the low heating value LHV and the measurement value SG_c of the specific gravity SG can be obtained from the gaseous fuel measurement device 5 with high accuracy and with a suppressed time delay error.
  • the infrared analyzer 5b used for correcting the time delay error is a relatively inexpensive instrument. Therefore, according to this embodiment, it is possible to realize highly accurate measurement of gaseous fuel properties while suppressing an increase in cost.
  • the Wobbe index WI is calculated based on the highly accurate measured value LHV_c of the low calorific value LHV and the measured value SG_c of the specific gravity SG obtained from the gaseous fuel measuring device 5 described above, and the Wobbe index WI Therefore, the opening degree of the fuel flow control valve 3 is controlled (the fuel flow rate is controlled), so that highly accurate combustion control of the gas turbine 1 can be realized.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a gas turbine control system B according to the second embodiment.
  • the gas turbine control system B is different from the gas turbine control system A of the first embodiment in that it includes a gaseous fuel measuring device 5 ′ to which a hydrometer 5d is newly added.
  • the configuration other than the gaseous fuel measurement device 5 ′ is the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.
  • the fuel gas introduced into the gaseous fuel measuring device 5 ′ via the sampling device 4 is distributed to the gas chromatograph 5a, the infrared analyzer 5b, and the hydrometer 5d.
  • the hydrometer 5d measures the specific gravity SG of the fuel gas and outputs the measured value SG_gc to the correction arithmetic device 5c at a cycle shorter than that of the gas chromatograph 5a.
  • the hydrometer 5d is inferior in accuracy to the gas chromatograph 5a, like the infrared analyzer 5b.
  • the hydrometer 5d has a feature that the measured value SG_gc can be output at an extremely short period that can be regarded as being almost continuous as compared with the gas chromatograph 5a.
  • the gas chromatograph 5a outputs only the lower heating value LHV of fuel gas and the measured values LHV_gc and CO2_gc of the CO 2 concentration.
  • the correction calculation device 5c includes the measured values LHV_gc and CO2_gc of the lower heating value LHV and CO 2 concentration output from the gas chromatograph 5a, the measured value CO2_ir of the CO 2 concentration output from the infrared analyzer 5b, and the hydrometer 5d.
  • the output measured value SG_gc of the specific gravity SG is sampled at a constant sampling period.
  • the measurement values LHV_gc and CO2_gc acquired (sampled) from the gas chromatograph 5a at each sampling timing by the correction arithmetic unit 5c are past values for a maximum of two steps, but the measured values CO2_ir and specific gravity acquired from the infrared analyzer 5b
  • the measured value SG_gc acquired from the total 5d can be regarded as the current value.
  • the correction calculation device 5c converts the measured values CO2_gc and CO2_ir of the CO 2 concentration into the above formulas (3) and (4) among the measured values sampled at the same time as described above. By substituting, a calorific value correction coefficient Z_LHV_co2 and a specific gravity correction coefficient Z_SG_co2 are calculated.
  • the correction calculation device 5c multiplies the measured value LHV_gc of the lower heating value LHV among the measured values sampled at the same time by the heating value correction coefficient Z_LHV_co2 based on the above equation (5). By doing so, the measured value LHV_c in which the time delay error is corrected is calculated.
  • the correction calculation device 5c calculates the measurement value SG_c in which the time delay error is corrected by multiplying the measurement value SG_gc of the specific gravity SG by the specific gravity correction coefficient Z_SG_co2 based on the above equation (6).
  • the measured value SG_gc of the specific gravity SG substituted into the above equation (6) is a value close to the current value obtained from the hydrometer 5d without a time delay error. For this reason, even when the property variation of the fuel gas in which the specific gravity SG, which is normally decreased, increases, the error of the measurement value SG_c after correction can be suppressed to be lower than that of the measurement value SG_gc before correction.
  • the concentration meter for measuring the analyte concentration of the fuel gas (CO 2 concentration) was exemplified when using an infrared spectrometer 5d.
  • any densitometer may be used as long as it is capable of outputting measured values in a shorter cycle than the gas chromatograph 5a that can be regarded as continuous.
  • it is not always necessary to measure the CO 2 concentration as the specific component concentration of the fuel gas and it is only necessary to measure the concentration of a component that greatly affects the fluctuation of the lower heating value LHV and the specific gravity SG among the components contained in the fuel gas. .
  • the measured value CO2_ir of CO 2 concentration sampled from the infrared analyzer 5d at the same sampling timing as the gas chromatograph 5a is held, and after several samplings, the sample is sampled from the infrared analyzer 5d.
  • the measured value CO2_ir of CO 2 concentrations, the difference between the measured value CO2_ir which had been held may be used to calculate the Z_LHV_co2 and specific gravity correction coefficient Z_SG_co2.
  • the gaseous fuel measuring device it is possible to obtain a highly accurate calorific value and specific gravity measurement value in which errors due to time delay are suppressed.
  • a relatively inexpensive instrument such as an infrared analyzer can be used. That is, it is possible to realize highly accurate measurement of gaseous fuel properties while suppressing an increase in cost.
  • A, B ... Gas turbine control system, 1 ... Gas turbine, 2 ... Fuel supply line, 3 ... Fuel flow control valve, 4 ... Sampling device, 5 '... Gas fuel measuring device, 6 ... Gas turbine control device, 5a ... gas chromatograph, 5b ... infrared analyzer, 5c ... correction arithmetic unit, 5d ... specific gravity meter

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Abstract

　気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置であって、前記気体燃料の発熱量、比重及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重の計測値を補正する補正演算装置とを備える。

Description

気体燃料計測装置及びガスタービン制御システム
　本発明は、気体燃料計測装置及びガスタービン制御システムに関する。本願は、２０１１年４月１５日に、日本に出願された特願２０１１－０９０９９６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　近年では、燃料ガスと空気との予混合気を希薄な状態で燃焼させることにより、Ｎｏｘ排出量の削減を実現可能なＤＬＥ(Dry Low Emission)燃焼方式を採用したガスタービンが用いられている。このようなＤＬＥ燃焼方式（予混合燃焼方式ともいう）のガスタービンは、燃焼器での燃焼振動や失火等の発生を回避するために、極めて高精度な燃料性状の計測及びその計測値に基づく極めて高精度な燃焼制御が要求されている。
　従来では、燃料性状として、燃料ガスの低位発熱量(ＬＨＶ：Lower Heating Value)と、燃料ガスの空気に対する比重(ＳＧ：Specific Gravity)とをガスクロマトグラフを用いて高精度に計測し、それら計測値から算出したウォッベ指数(ＷＩ：Wobbe Index）に基づいて、燃料ガスの流量制御を行っていた（下記特許文献１参照）。なお、ウォッベ指数ＷＩは、低位発熱量ＬＨＶを比重ＳＧの平方根で除算することで得られる。
日本国特開２００８－２９１８４５号公報
　よく知られているように、ガスクロマトグラフは、カラムを通して被計測ガスに含まれる各成分を分離した上で各成分の計量を行う。その計測原理上、ガスクロマトグラフを用いた計測には、被計測ガスのサンプリングから計測値の出力までに５分から１０分程度の時間を要するという特徴がある。従って、ガスクロマトグラフから５分ないし１０分周期で得られる個々の計測値は、十分に高い精度を有する。しかしながら、被計測ガス、つまり燃料ガスの性状が変動すると、その性状変動に計測値が追従しきれずに時間遅れ（応答遅れ）による誤差が発生する。その結果、高精度な燃焼制御が困難となる。
　上記したガスクロマトグラフの欠点を補うために、燃料ガス（例えば天然ガス）に含まれる炭化水素のＳＧ－ＬＨＶ特性がほぼ線形関数で表されることを利用する手法がある。この手法として、密度計を用いて燃料ガスの密度（比重ＳＧ）を計測し、その計測値と予め求めておいたＳＧ－ＬＨＶ特性から低位発熱量ＬＨＶを推定する手法が挙げられる。
　この手法は、炭化水素の混合比が変動しても、ＳＧとＬＨＶの関係が線形関数上で移動するのみである。このため、比較的性状が安定しているＬＮＧの気化によって得られた天然ガスを用いる場合には、この手法が適用できる。しかしながら、ガス田から直接引き込まれた天然ガスのようにＣＯ２やＮ２等の不活性成分が多く含まれている場合には、ＳＧとＬＨＶの関係が線形関数から外れる。その結果、ＬＨＶの推定が困難になる。
　この他の手法として、燃焼式カロリーメータを使用して燃料ガスの一部をサンプリングして燃焼させてカロリー（ＬＨＶ）を計測する手法も考えられる。しかしながら、この手法を用いた場合、計測装置が複雑となり、コストが増加する。
　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の２点を目的とする。
（１）コストの増加を抑えつつ、高精度な気体燃料性状の計測を実現する。
（２）高精度なガスタービンの燃焼制御を実現する。
　本発明の第１の態様によれば、気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置は、前記気体燃料の発熱量、比重及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重の計測値を補正する補正演算装置と、を備える。
　また、本発明の第２の態様によれば、気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置は、前記気体燃料の発熱量及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、前記気体燃料の比重を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する比重計と、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重計から得られた前記比重の計測値を補正する補正演算装置と、を備える。
　また、本発明の第３の態様によれば、上記第１または第２の態様において、前記補正演算装置は、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値及び同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値と、予め前記ガスクロマトグラフを用いて求めておいた、前記発熱量と前記特定成分濃度との相関関係及び前記比重と前記特定成分濃度との相関関係とに基づいて、前記発熱量及び前記比重の計測値を補正する。
　また、本発明の第４の態様によれば、上記第３の態様において、前記補正演算装置は、前記発熱量と前記特定成分濃度との相関関係を表す近似関数及び前記比重と前記特定成分濃度との相関関係を表す近似関数に基づいて予め作成された、前記ガスクロマトグラフ及び前記濃度計から得られる前記特定成分濃度を変数とする発熱量補正系数及び比重補正係数の演算式に対して、前記ガスクロマトグラフ及び前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値を代入することで前記発熱量補正系数及び前記比重補正係数を算出する。
　さらに、本発明の第５の態様によれば、ガスタービン制御システムは、ガスタービンと、前記ガスタービンの燃焼器に接続された燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインに介挿された燃料流量制御弁と、上記第１～第４のいずれか一つの態様における解決手段を有し、前記燃料供給ラインに流れる気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置と、前記気体燃料計測装置から得られる前記気体燃料の発熱量及び比重の計測値に基づいてウォッベ指数を算出し、前記ウォッベ指数に基づいて前記燃料流量制御弁の開度を制御する制御装置と、を備える。
　本発明に係る気体燃料計測装置によれば、ガスクロマトグラフから得られた気体燃料の特定成分濃度の計測値と、同時期に濃度計から得られた気体燃料の特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期にガスクロマトグラフから得られた気体燃料の発熱量及び比重の計測値を補正する。このため、時間遅れによる誤差が抑制された高精度な発熱量と比重の計測値を得ることができる。濃度計としては、例えば赤外線分析計のような比較的安価な計器を利用することができる。つまり、本発明に係る気体燃料計測装置によれば、コストの増加を抑えつつ、高精度な気体燃料性状の計測を実現することができる。
　また、本発明に係るガスタービン制御システムによれば、前述の気体燃料計測装置から得られる高精度な発熱量と比重の計測値を基にウォッベ指数を算出し、このウォッベ指数に基づいて燃料流量制御弁の開度を制御する。これにより、高精度なガスタービンの燃焼制御を実現することができる。
第１実施形態に係るガスタービン制御システムのブロック図である。 本実施形態における燃料ガス性状の計測原理に関する第１説明図である。 本実施形態における燃料ガス性状の計測原理に関する第１説明図である。 本実施形態における燃料ガス性状の計測原理に関する第２説明図である。 本実施形態における燃料ガス性状の計測原理に関する第２説明図である。 第２実施形態に係るガスタービン制御システムのブロック図である。 本実施形態の変形例に関する説明図である。
　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　（第１実施形態）
　まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るガスタービン制御システムＡの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、ガスタービン制御システムＡは、ガスタービン１、燃料供給ライン２、燃料流量制御弁３、サンプリング装置４、気体燃料計測装置５、及びガスタービン制御装置６から構成されている。なお、図１において、実線矢印は燃料ガスを表し、点線矢印は電気信号を表している。
　ガスタービン１は、例えば、燃料ガスと空気との予混合気を希薄な状態で燃焼させることにより、Ｎｏｘ排出量の削減を実現可能なＤＬＥ燃焼方式（予混合燃焼方式）を採用したガスタービンである。燃料供給ライン２は、ガスタービン１の燃焼器（図示省略）に接続された燃料ガス供給用の配管である。天然ガス等の燃料ガスは、燃料供給ライン２を介してガスタービン１の燃焼器へ供給される。なお、図１では図示を省略しているが、ガスタービン１の燃焼器には、圧縮空気を供給するための空気供給ラインも接続されている。
　燃料流量制御弁３は、燃料供給ライン２に設けられた自動調節弁であり、ガスタービン制御装置６から入力される燃料流量制御信号ＦＣに応じて開度が制御される。つまり、燃料流量制御弁３の開度制御によって、ガスタービン１に供給される燃料ガスの流量が制御される。サンプリング装置４は、燃料供給ライン２における燃料流量制御弁３の上流側に設けられており、燃料供給ライン２に流れる燃料ガスの一部を分岐させて（サンプリングして）気体燃料計測装置５へ導く。
　気体燃料計測装置５は、サンプリング装置４を介して燃料供給ライン２から導入される燃料ガスの性状を計測する。気体燃料計測装置５は、ガスクロマトグラフ５ａ、赤外線分析計５ｂ、及び補正演算装置５ｃから構成されている。気体燃料計測装置５内に導入された燃料ガスは、ガスクロマトグラフ５ａと赤外線分析計５ｂとのそれぞれに分配される。
　ガスクロマトグラフ５ａは、燃料ガスの低位発熱量ＬＨＶ、空気に対する比重ＳＧ及び二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を計測し、一定周期で各計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ、ＣＯ２_ｇｃを補正演算装置５ｃへ出力する。前述のように、ガスクロマトグラフ５ａは、カラムを通して被計測ガス（燃料ガス）に含まれる各成分を分離した上で各成分の計量を行う。その計測原理上、ガスクロマトグラフ５ａには、計測値は高精度ではあるが、燃料ガスのサンプリングから計測値の出力までに５分から１０分程度の時間を要するという特徴がある。つまり、ガスクロマトグラフ５ａは、５分ないし１０分周期で各計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ、ＣＯ２_ｇｃを出力する。
　赤外線分析計５ｂは、非分散型赤外吸収法（ＮＤ－ＩＲ法）を利用したガス分析計であり、燃料ガスの二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を計測し、ガスクロマトグラフ５ａよりも短い周期で計測値ＣＯ２_ｉｒを補正演算装置５ｃへ出力する。赤外線分析計５ｂは、その計測原理上、ガスクロマトグラフ５ａより精度の点で劣る。しかしながら、赤外線分析計５ｂには、ガスクロマトグラフ５ａと比較してほぼ連続的とみなせる極めて短い周期（数秒オーダー）で計測値ＣＯ２_ｉｒを出力できるという特徴がある。
　補正演算装置５ｃは、例えばメモリやＣＰＵ(Central Processing Unit)コア、入出力インターフェース等が一体的に組み込まれたマイクロコンピュータである。補正演算装置５ｃは、ガスクロマトグラフ５ａから得られたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃと、同時期に赤外線分析計５ｂから得られたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒとに基づいて、同時期にガスクロマトグラフ５ａから得られた低位発熱量ＬＨＶ及び比重ＳＧの計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃを補正する。また補正演算装置５ｃは、その補正後の計測値ＬＨＶ_ｃ、ＳＧ_ｃをガスタービン制御装置６へ出力する。
　ガスタービン制御装置６は、気体燃料計測装置５（補正演算装置５ｃ）から得られる燃料ガスの低位発熱量ＬＨＶ及び比重ＳＧの計測値ＬＨＶ_ｃ、ＳＧ_ｃに基づいてウォッベ指数ＷＩを算出する。ガスタービン制御装置６は、算出されたウォッベ指数ＷＩに基づいて燃料流量制御弁３の開度を制御する（燃料ガス流量を制御する）ための燃料流量制御信号ＦＣを燃料流量制御弁３へ出力する。また、ガスタービン制御装置６は、ガスタービン１の空気供給ラインに介挿された空気流量制御弁（図示省略）の開度を制御する（空気流量を制御する）ための空気流量制御信号ＡＣを空気流量制御弁に出力する。
　続いて、上記のように構成されたガスタービン制御システムＡの動作について詳細に説明する。つまり、気体燃料計測装置５による燃料ガス性状の計測動作及びガスタービン制御装置６によるガスタービン１の燃焼制御動作（燃料流量制御）について詳細に説明する。
＜燃料ガス性状の計測原理＞
　始めに、気体燃料計測装置５による燃料ガス性状の計測動作についての理解を容易にするために、本実施形態における燃料ガス性状の計測原理について説明する。
　図２Ａに示すように、ガスクロマトグラフ５ａは、５分ないし１０分周期で燃料ガス性状（低位発熱量ＬＨＶ及び比重ＳＧ等）の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃを出力する。上記したガスクロマトグラフ５ａから５分ないし１０分周期で得られる個々の計測値は、十分に精度が高い（真値に極めて近い）。しかしながら、燃料ガス性状が短期的に変動すると、その性状変動に計測値が追従しきれずに最大２ステップ分（２周期分）の時間遅れ（応答遅れ）による誤差が発生する。
　本願発明者は、ある地域から産出される天然ガスについて、ガスクロマトグラフを用いて計測された一定期間分の性状データを検証した。その結果、天然ガスに含まれる不活性成分の内、特に二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度が大きく且つ濃度変動が大きい場合に、ウォッベ指数ＷＩの算出に必要な低位発熱量ＬＨＶ及び比重ＳＧが大きく変動することを発見した。
　本願発明者は、上記一定期間分の天然ガスの性状データを使用して、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの関係、及びＣＯ２濃度と比重ＳＧとの関係を調査した。その結果、図３Ａに示すように、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとが明確な相関関係にあることを発見し、図３Ｂに示すように、ＣＯ２濃度と比重ＳＧとが低位発熱量ＬＨＶほどではないが、ある程度の相関関係にあることを発見した。
　図３Ａに示すように、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係は、指数関数によって高精度に近似できる（全てのデータが近似関数曲線から±１％以内の範囲に収まっている）。これは、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係を予め求めておけば、燃料ガスのＣＯ２濃度計測値から低位発熱量ＬＨＶを推定可能であることを意味している。以下では、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係を表す近似関数（指数関数）を下記（１）式で定義する。なお、下記（１）式において、Ａ、Ｂは定数、ｅは自然対数の底である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、図３Ｂに示すように、ＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係は、ＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係に比べてやや相関が低く、ほぼ平行な２つのデータ系列が存在するように見える。しかしながら、相関の高い一方のデータ系列は指数関数によって他方のデータ系列と比べて精度良く近似できる。これは、ＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係を予め求めておけば、燃料ガスのＣＯ２濃度計測値から比重ＳＧを推定可能であることを意味している。以下では、ＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係を表す近似関数（指数関数）を下記（２）式で定義する。なお、下記（２）式において、Ｃ、Ｄは定数、ｅは自然対数の底である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　次に、ＣＯ２濃度の計測手法が問題となるが、ガスクロマトグラフ５ａから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃは、他の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃと同様に最大２ステップ分の時間遅れによる誤差を含んでいる。これに対し、赤外線分析計５ｂは、ガスクロマトグラフ５ａより精度の点で劣る。しかしながら、赤外線分析計５ｂは、ガスクロマトグラフ５ａと比較してほぼ連続的とみなせる極めて短い周期でＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒを出力できる。このため、時間遅れによる誤差を無視できる（図２Ｂ参照）。
　つまり、ガスクロマトグラフ５ａから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃは、最大２ステップ分過去の値であって現在値ではない。しかしながら、赤外線分析計５ｂから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒは現在値とみなすことができる。このため、同時期に得られたＣＯ２_ｇｃとＣＯ２_ｉｒとの差分がなくなるように（言い換えれば、ＣＯ２_ｇｃがＣＯ２_ｉｒに一致するように）補正を行うことにより、時間遅れによる誤差が抑制された高精度な低位発熱量ＬＨＶと比重ＳＧの計測値を得ることができる。
　具体的には、ガスクロマトグラフ５ａから得られる低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｇｃに含まれる時間遅れ誤差を補正するための発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２は、同時期にガスクロマトグラフ５ａ及び赤外線分析計５ｂから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ、ＣＯ２_ｉｒと上記（１）式とに基づいて導出された下記（３）式によって算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　また、ガスクロマトグラフ５ａから得られる比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃに含まれる時間遅れ誤差を補正するための比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２は、同時期にガスクロマトグラフ５ａ及び赤外線分析計５ｂから得られるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ、ＣＯ２_ｉｒと上記（２）式とに基づいて導出された下記（４）式によって算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　従って、最終的に、時間遅れによる誤差を含まない低位発熱量ＬＨＶと比重ＳＧの計測値（補正後の計測値ＬＨＶ_ｃ、ＳＧ_ｃ）は、下記（５）式及び（６）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上記したように、予めガスクロマトグラフを用いて、燃料ガスのＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係及びＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係を求め、これら相関関係を表す近似関数を基に発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２と比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２の演算式を作成しておく。そして、同時期にガスクロマトグラフ５ａ及び赤外線分析計５ｂから得られたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ、ＣＯ２_ｉｒを上記演算式に代入する。これにより、同時期にガスクロマトグラフ５ａから得られた低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｇｃと比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃに含まれる時間遅れ誤差を補正することができる。
　なお、本願発明者の試算では、補正前の計測値ＬＨＶ_ｇｃと計測値ＳＧ_ｇｃとを用いて算出したウォッベ指数ＷＩ（＝ＬＨＶ_ｇｃ／√ＳＧ_ｇｃ）は、時間遅れによる１％以上の大きな誤差が発生していた。しかしながら、補正後の計測値ＬＨＶ_ｃと計測値ＳＧ_ｃとを用いて算出したウォッベ指数ＷＩ（＝ＬＨＶ_ｃ／√ＳＧ_ｃ）は、時間遅れによる誤差が０．６％以下に抑えられていることが確認された。
　つまり、本実施形態における燃料ガス性状の計測原理によれば、ガスクロマトグラフ５ａの欠点（高精度ではあるが燃料ガス性状が短期的に変動した場合、時間遅れによる誤差が発生する）を大幅に改善できる。したがって、時間遅れ誤差が抑制された高精度な（現在値に近い）低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃと比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃを得ることができる。
＜気体燃料計測装置５による燃料ガス性状の計測動作＞
　続いて、上述した燃料ガス性状の計測原理を前提として、本実施形態の気体燃料計測装置５による燃料ガス性状の計測動作について説明する。
　なお、ガスタービン１の運転中（燃料ガスの供給中）において、赤外線分析計５ｂからは、ほぼ連続的に燃料ガスのＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒが出力されるが（図２Ｂ参照）、ガスクロマトグラフ５ａからは、５分ないし１０分周期で燃料ガスの低位発熱量ＬＨＶ、比重ＳＧ及びＣＯ２濃度の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃが出力され、今回ステップでの計測値が確定するまでは前回ステップの計測値が５分ないし１０分間継続して出力される（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。
　気体燃料計測装置５の補正演算装置５ｃは、ガスクロマトグラフ５ａから出力される低位発熱量ＬＨＶ、比重ＳＧ及びＣＯ２濃度の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃと、赤外線分析計５ｂから出力されるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒとを一定のサンプリング周期でサンプリングする。このサンプリング周期は、ガスクロマトグラフ５ａの計測周期（５分ないし１０分）より短く、赤外線分析計５ｂの計測周期（数秒オーダー）より十分長く設定されている。
　従って、補正演算装置５ｃが、サンプリングタイミング毎にガスクロマトグラフ５ａから取得した（サンプリングした）計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＳＧ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃは、最大２ステップ分過去の値であるが、赤外線分析計５ｂから取得した計測値ＣＯ２_ｉｒは現在値とみなすことができる。
　補正演算装置５ｃは、内部メモリに上記（３）式及び（４）式を予め記憶している。補正演算装置５ｃは、上記のように同時期にサンプリングした各計測値の内、ＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ及びＣＯ２_ｉｒを上記（３）式及び（４）式に代入することにより、発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２及び比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２を算出する。
　また、補正演算装置５ｃは、内部メモリに上記（５）式及び（６）式を予め記憶している。補正演算装置５ｃは、上記（５）式に基づいて、同時期にサンプリングした各計測値の内、低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｇｃに発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２を乗算することにより、時間遅れ誤差が補正された計測値ＬＨＶ_ｃを算出する。また補正演算装置５ｃは、上記（６）式に基づいて、比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃに比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２を乗算することにより、時間遅れ誤差が補正された計測値ＳＧ_ｃを算出する。
　補正演算装置５ｃは、上記の処理で得られた、時間遅れ誤差が補正されて現在値（真値）に極めて近い高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃをガスタービン制御装置６へ出力する。このように、補正演算装置５ｃからガスタービン制御装置６へ一定のサンプリング周期で高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃが出力される。
＜ガスタービン制御装置６によるガスタービン１の燃焼制御動作＞
　続いて、ガスタービン制御装置６によるガスタービン１の燃焼制御動作（燃料流量制御）について説明する。
　なお、上記のように、ガスタービン制御装置６には、気体燃料計測装置５（補正演算装置５ｃ）から一定周期で高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃが入力される。
　一般的に、ガスタービン１の燃焼器への入熱量Ｈ（ＭＪ／ｈｒ）は、低位発熱量ＬＨＶ（ＭＪ／Ｎｍ３）と燃料流量Ｑｆ（Ｎｍ３／ｈ）を用いて、下記（７）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、燃料流量Ｑｆは、オリフィス（流量計、燃料流量制御弁３、燃料ノズルに相当）に対して、下記（８）式で表される。なお、下記（８）式において、Ｃは流量係数、Ａはオリフィス面積（ｍ３）、ΔＰはオリフィス前後差圧（Ｐa）、ρｆは燃料密度（ｋｇ／ｍ３）、ρanは標準状態の空気密度（ｋｇ／Ｎｍ３）、ＳＧは燃料比重（空気＝１．０）、Ｔnは標準状態の温度（Ｋ）、Ｔfは燃料ガス温度（Ｋ）、Ｐnは標準状態の圧力（Ｐa）、Ｐfは燃料ガス圧力（Ｐa）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　従って、流量係数Ｃ、オリフィス面積Ａ、オリフィス前後差圧ΔＰ、燃料ガス温度Ｔf及び燃料ガス圧力Ｐfの計測値が得られており、さらに、下記（９）式からウォッベ指数ＷＩを知ることで、ガスタービン１の燃焼器への入熱量Ｈが決定できる。或いは、目標とする入熱量が決まっており、且つ燃料流量制御弁３の流量係数、オリフィス面積の開度特性が既知であれば、燃料流量制御弁３の開度を決定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　つまり、ガスタービン制御装置６は、気体燃料計測装置５から一定周期で得られる低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃを用いて、上記（９）式からウォッベ指数ＷＩを算出する。またガスタービン制御装置６は、上記制御原理に基づいてウォッベ指数ＷＩから燃料流量制御弁３の開度を決定し、この決定した開度、つまり燃料ガス流量となるように燃料流量制御弁３を制御する（燃料流量制御信号ＦＣを出力する）。なお、この時、ガスタービン制御装置６は、ガスタービン１の燃焼器へ供給される空気流量が一定となるように不図示の空気流量制御弁を制御する（空気流量制御信号ＡＣを出力する）。
　以上説明したように、本実施形態によれば、気体燃料計測装置５から時間遅れ誤差が抑制された高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃを得ることができる。時間遅れ誤差の補正に使用される赤外線分析計５ｂは、比較的安価な計器である。したがって、本実施形態によれば、コストの増加を抑えつつ、高精度な気体燃料性状の計測を実現することができる。
　また、本実施形態によれば、前述の気体燃料計測装置５から得られる高精度な低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｃ及び比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｃを基にウォッベ指数ＷＩを算出し、ウォッベ指数ＷＩに基づいて燃料流量制御弁３の開度を制御する（燃料流量を制御する）ので、高精度なガスタービン１の燃焼制御を実現することができる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。
　燃料ガスのＣＯ２濃度が減少すると、通常ならば比重ＳＧが低下するが、Ｃ２やＣ３のような他の成分濃度が急増すると、比重ＳＧが上昇することがある。上記のような燃料ガスの性状変動が発生した場合、補正前の計測値ＳＧ_ｇｃよりも補正後の計測値ＳＧ_ｃの方が誤差が大きくなる可能性がある。第２実施形態は、上記のような燃料ガスの性状変動にも対応可能である。
　図４は、第２実施形態に係るガスタービン制御システムＢの概略構成を示すブロック図である。図４に示すように、ガスタービン制御システムＢは、比重計５ｄを新たに加えた気体燃料計測装置５’を備えている点で第１実施形態のガスタービン制御システムＡと異なっている。　
　ガスタービン制御システムＢにおいて、気体燃料計測装置５’以外の他の構成については第１実施形態と同様であるので、以下での説明を省略する。
　サンプリング装置４を介して気体燃料計測装置５’内に導入された燃料ガスは、ガスクロマトグラフ５ａと赤外線分析計５ｂと比重計５ｄとのそれぞれに分配される。比重計５ｄは、燃料ガスの比重ＳＧを計測し、ガスクロマトグラフ５ａよりも短い周期で計測値ＳＧ_ｇｃを補正演算装置５ｃへ出力する。
　比重計５ｄは、赤外線分析計５ｂと同様に、ガスクロマトグラフ５ａより精度の点で劣る。しかしながら、比重計５ｄには、ガスクロマトグラフ５ａと比較してほぼ連続的とみなせるような極めて短い周期で計測値ＳＧ_ｇｃを出力できるという特徴がある。
　なお、ガスクロマトグラフ５ａからは、燃料ガスの低位発熱量ＬＨＶ及びＣＯ２濃度の計測値ＬＨＶ_ｇｃ、ＣＯ２_ｇｃのみが出力される。
　補正演算装置５ｃは、ガスクロマトグラフ５ａから出力される低位発熱量ＬＨＶ及びＣＯ２濃度の計測値ＬＨＶ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃと、赤外線分析計５ｂから出力されるＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒと、比重計５ｄから出力される比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃを一定のサンプリング周期でサンプリングする。
　補正演算装置５ｃが、サンプリングタイミング毎にガスクロマトグラフ５ａから取得した（サンプリングした）計測値ＬＨＶ_ｇｃ及びＣＯ２_ｇｃは、最大２ステップ分過去の値であるが、赤外線分析計５ｂから取得した計測値ＣＯ２_ｉｒと比重計５ｄから取得した計測値ＳＧ_ｇｃは現在値とみなすことができる。
　補正演算装置５ｃは、第１実施形態と同様に、上記のように同時期にサンプリングした各計測値の内、ＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｇｃ及びＣＯ２_ｉｒを上記（３）式及び（４）式に代入することにより、発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２及び比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２を算出する。
　補正演算装置５ｃは、第１実施形態と同様に、上記（５）式に基づいて、同時期にサンプリングした各計測値の内、低位発熱量ＬＨＶの計測値ＬＨＶ_ｇｃに発熱量補正係数Ｚ_ＬＨＶ_ｃｏ２を乗算することにより、時間遅れ誤差が補正された計測値ＬＨＶ_ｃを算出する。また補正演算装置５ｃは、上記（６）式に基づいて、比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃに比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２を乗算することにより、時間遅れ誤差が補正された計測値ＳＧ_ｃを算出する。
　第２実施形態において、上記（６）式に代入される比重ＳＧの計測値ＳＧ_ｇｃは、比重計５ｄから得られた時間遅れ誤差の無い現在値に近い値である。このため、通常ならば低下する比重ＳＧが上昇するような燃料ガスの性状変動が発生した場合でも、補正前の計測値ＳＧ_ｇｃより補正後の計測値ＳＧ_ｃの方が誤差を低く抑えることができる。
　以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
　（１）上記第１及び第２実施形態では、ウォッベ指数ＷＩの算出に必要な発熱量として低位発熱量ＬＨＶを計測する場合を例示した。しかしながら、低位発熱量ＬＨＶに替えて、高位発熱量ＨＨＶ(Higher Heating Value)を算出し、高位発熱量ＨＨＶと比重ＳＧとからウォッベ指数ＷＩを算出するようにしても良い。
　（２）上記第１及び第２実施形態では、燃料ガスの特定成分濃度（ＣＯ２濃度）を計測する濃度計として、赤外線分析計５ｄを用いる場合を例示した。しかしながら、連続的とみなせるようなガスクロマトグラフ５ａより短い周期で計測値を出力可能な濃度計であれば、どのような濃度計を用いても良い。また、燃料ガスの特定成分濃度として必ずしもＣＯ２濃度を計測する必要はなく、燃料ガスに含まれる成分の内、低位発熱量ＬＨＶと比重ＳＧの変動に大きく影響する成分の濃度を計測すれば良い。
　（３）上記第１及び第２実施形態では、燃料ガスのＣＯ２濃度と低位発熱量ＬＨＶとの相関関係及びＣＯ２濃度と比重ＳＧとの相関関係を、指数関数によって近似する場合を例示したが、これら相関関係を他の関数によって近似しても良い。また、これら相関関係を表すテーブルデータを用意しておき（補正演算装置５ｃの内部メモリに記憶しておき）、このテーブルデータを近似関数の替わりに用いても良い。
　（４）上記第１及び第２実施形態において、赤外線分析計５ｄのドリフトが想定される場合（真値に対するＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒの誤差が大きい場合）がある。この場合には、図５に示すように、赤外線分析計５ｄからガスクロマトグラフ５ａと同じサンプリングタイミングでサンプリングしたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒを保持しておき、数サンプリング後に、赤外線分析計５ｄからサンプリングしたＣＯ２濃度の計測値ＣＯ２_ｉｒと、保持しておいた計測値ＣＯ２_ｉｒとの差分をＺ_ＬＨＶ_ｃｏ２及び比重補正係数Ｚ_ＳＧ_ｃｏ２の算出に用いても良い。
　本発明の態様に係る気体燃料計測装置によれば、時間遅れによる誤差が抑制された高精度な発熱量と比重の計測値を得ることができる。また、濃度計として、例えば赤外線分析計のような比較的安価な計器を利用することができる。すなわち、コストの増加を抑えつつ、高精度な気体燃料性状の計測を実現することができる。
　Ａ、Ｂ…ガスタービン制御システム、１…ガスタービン、２…燃料供給ライン、３…燃料流量制御弁、４…サンプリング装置、５、５’…気体燃料計測装置、６…ガスタービン制御装置、５ａ…ガスクロマトグラフ、５ｂ…赤外線分析計、５ｃ…補正演算装置、５ｄ…比重計

Claims (5)

  1. 　気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置であって、
    　前記気体燃料の発熱量、比重及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、
    　前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、
    　前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重の計測値を補正する補正演算装置と、
    　を備える気体燃料計測装置。
  2. 　気体燃料の性状を計測する気体燃料計測装置であって、
    　前記気体燃料の発熱量及び特定成分濃度を計測し、一定周期で各計測値を出力するガスクロマトグラフと、
    　前記気体燃料の特定成分濃度を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する濃度計と、
    　前記気体燃料の比重を計測し、前記ガスクロマトグラフよりも短い周期で計測値を出力する比重計と、
    　前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値と、同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値とに基づいて、同時期に前記ガスクロマトグラフから得られた前記発熱量及び前記比重計から得られた前記比重の計測値を補正する補正演算装置と、
    　を備える気体燃料計測装置。
  3. 　前記補正演算装置は、前記ガスクロマトグラフから得られた前記特定成分濃度の計測値及び同時期に前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値と、予め前記ガスクロマトグラフを用いて求めておいた、前記発熱量と前記特定成分濃度との相関関係及び前記比重と前記特定成分濃度との相関関係とに基づいて、前記発熱量及び前記比重の計測値を補正する請求項１または２に記載の気体燃料計測装置。
  4. 　前記補正演算装置は、前記発熱量と前記特定成分濃度との相関関係を表す近似関数及び前記比重と前記特定成分濃度との相関関係を表す近似関数に基づいて予め作成された、前記ガスクロマトグラフ及び前記濃度計から得られる前記特定成分濃度を変数とする発熱量補正系数及び比重補正係数の演算式に対して、前記ガスクロマトグラフ及び前記濃度計から得られた前記特定成分濃度の計測値を代入することで前記発熱量補正系数及び前記比重補正係数を算出する請求項３に記載の気体燃料計測装置。
  5. 　ガスタービンと、
    　前記ガスタービンの燃焼器に接続された燃料供給ラインと、
    　前記燃料供給ラインに介挿された燃料流量制御弁と、
    　前記燃料供給ラインに流れる気体燃料の性状を計測する請求項１～４のいずれか一項に記載の気体燃料計測装置と、
    　前記気体燃料計測装置から得られる前記気体燃料の発熱量及び比重の計測値に基づいてウォッベ指数を算出し、前記ウォッベ指数に基づいて前記燃料流量制御弁の開度を制御する制御装置と、
    　を備えるガスタービン制御システム。
      
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