特開 2024-157162 制御装置、コンバインドサイクル発電プラント、制御方法及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024157162

(43)【公開日】2024-11-07

(54)【発明の名称】制御装置、コンバインドサイクル発電プラント、制御方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   F01K 23/10 20060101AFI20241030BHJP

【ＦＩ】

F01K23/10 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023071329

(22)【出願日】2023-04-25

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】森田 諭

(72)【発明者】

【氏名】岸 真人

【テーマコード（参考）】

3G081

【Ｆターム（参考）】

3G081BC07

3G081DA14

(57)【要約】

【課題】ＧＴＣＣの蒸気タービン入口側の蒸気温度を、高効率運転を実現するような温度に制御することができる。
【解決手段】制御装置は、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する制御装置であって、排熱回収ボイラの状態量を取得する取得部と、コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された状態量に基づいて、冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における排熱回収ボイラと蒸気タービンを模擬し、所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出する計算部と、計算部が算出した冷却水の流量に基づいて、冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する制御装置であって、
前記排熱回収ボイラの状態量を取得する取得部と、
前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンを模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出する計算部と、
前記計算部が算出した前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御する制御部と、
を備える制御装置。

【請求項2】

前記効率を最大化する前記冷却水の流量を算出する際には、前記蒸気タービンの入口での蒸気温度が、熱応力の制約から定められた所定の上限温度以下となるような前記冷却水の流量を算出する、
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記効率は、前記所定区間における前記蒸気タービンの出力の積分値である
請求項１又は請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記効率は、前記排熱回収ボイラで吸収した熱量を、前記排熱回収ボイラ入口の排ガスのエネルギーで除算した値の前記所定区間における積分値である、
請求項１又は請求項２に記載の制御装置。

【請求項5】

前記効率は、前記蒸気タービンの出力を、前記排熱回収ボイラ入口の排ガスのエネルギーで除算した値の前記所定区間における積分値である、
請求項１又は請求項２に記載の制御装置。

【請求項6】

前記予測モデルが、前記排熱回収ボイラが備える節炭器、加熱器、蒸発器を流れる排ガス、蒸気、水の温度と圧力については、応答遅れを考慮せずに計算し、前記排熱回収ボイラが備えるドラムの圧力については、応答遅れを考慮して計算し、前記節炭器、前記加熱器、前記蒸発器、前記ドラムの伝熱面の温度については応答遅れを考慮して計算するよう構成されている、
請求項１又は請求項２に記載の制御装置。

【請求項7】

ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンと、前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統と、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁と、
請求項１又は請求項２に記載の制御装置と、
を備えるコンバインドサイクル発電プラント。

【請求項8】

ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する制御方法であって、
前記排熱回収ボイラの状態量を取得するステップと、
前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンを模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出するステップと、
前記算出するステップにて算出された前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御するステップと、
を有する制御方法。

【請求項9】

コンピュータに、
ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する処理であって、
前記排熱回収ボイラの状態量を取得するステップと、
前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンを模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出するステップと、
前記算出するステップにて算出された前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御するステップと、
を有する処理、を実行させるプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御装置、コンバインドサイクル発電プラント、制御方法及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ：Gas Turbine Combined Cycle）における蒸気タービン入口側の蒸気温度を検出し、検出した蒸気温度と設定値の偏差に基づいて、排熱回収ボイラの過熱器を冷却する冷却水の流量を制御し、蒸気タービン入口側の蒸気温度を一定に保つ制御が開示されている。特許文献１の制御では、ガスタービンの排ガス温度の変化から蒸気温度に変化が出現するまでの時間遅れを補償するよう、先行的に冷却水を増減することによって蒸気温度を所望の温度に制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－１２０２１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

排ガス温度の変化に応じて蒸気温度の時間遅れを解消することにより、蒸気温度を設計上、高効率となる温度に維持することができたとしても、特に負荷が過渡的に変化する状況などでは、蒸気温度を一定に制御することが高効率運転とならない場合がある。プラントの運転状態によらず、常に高効率運転を維持できるように蒸気温度を制御する方法が求められている。

【0005】

本開示は、上記課題を解決することができる制御装置、コンバインドサイクル発電プラント、制御方法及びプログラムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の制御装置は、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する制御装置であって、前記排熱回収ボイラの状態量を取得する取得部と、前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンを模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出する計算部と、前記計算部が算出した前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御する制御部と、を備える。

【0007】

本開示のコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンと、前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統と、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁と、上記の制御装置と、を備える。

【0008】

本開示の制御方法は、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する制御方法であって、前記排熱回収ボイラの状態量を取得するステップと、前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンを模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出するステップと、前記算出するステップにて算出された前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御するステップと、を有する。

【0009】

本開示のプログラムは、コンピュータに、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する処理であって、前記排熱回収ボイラの状態量を取得するステップと、前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンを模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出するステップと、前記算出するステップにて算出された前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御するステップと、を有する処理、を実行させる。

【発明の効果】

【0010】

上述の制御装置、コンバインドサイクル発電プラント、制御方法及びプログラムによれば、蒸気タービン入口側の蒸気温度を、高効率運転となるような温度に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係るプラントの要部の概略図である。

【図2】実施形態に係る最適化計算を行うシステムの構成例を示す図である。

【図3】実施形態に係る最適化問題の一例を示す図である。

【図4】実施形態に係る予測モデルの構成例を示す図である。

【図5】実施形態に係る最適化計算の一例を示すフロー図である。

【図6】実施形態に係る制御装置の動作の一例を示すフロー図である。

【図7】実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜実施形態＞
（構成）
以下、本開示に係る冷却水の制御方法について、図１～図７を参照して説明する。
図１に、ＧＴＣＣ（コンバインドサイクル発電プラント）１００の要部の概略を示す。ＧＴＣＣ１００は、ガスタービン１０と、ＨＲＳＧ（Heat Recovery Steam Generator：排熱回収ボイラ）２０と、蒸気タービン３０と、発電機Ｇ１，Ｇ２と、制御装置４０と、を備える。ガスタービン１０には発電機Ｇ１が接続され、発電機Ｇ１を駆動する。蒸気タービン３０には発電機Ｇ２が接続され、発電機Ｇ２を駆動する。ガスタービン１０から排出される排ガスはＨＲＳＧ２０へ送られる。ＨＲＳＧ２０は、排ガスから熱を回収し、高圧蒸気、中圧蒸気、低圧蒸気を生成し、それらを蒸気タービン３０へ供給する。蒸気タービン３０は、低圧タービン３１と、中圧タービン３２と、高圧タービン３３と、を備える。低圧タービン３１と、中圧タービン３２と、高圧タービン３３には、それぞれ、ＨＲＳＧ２０によって生成された低圧蒸気、中圧蒸気、高圧蒸気が供給される。

【0013】

ガスタービン１０の後段に設けられたＨＲＳＧ２０は、低圧節炭器２１Ｌ、低圧蒸発器（不図示）、低圧ドラム（不図示）、低圧加熱器（不図示）、中圧節炭器（不図示）、中圧蒸発器（不図示）、中圧加熱器（不図示）、中圧ドラム（不図示）、高圧節炭器（不図示）、高圧蒸発器２２Ｈ、高圧一次加熱器２３Ｈ１、高圧二次加熱器２３Ｈ２、一次再熱器２４Ｈ１、二次再熱器２４Ｈ２、高圧ドラム２５Ｈなどを備える。

【0014】

高圧一次加熱器２３Ｈ１と高圧二次加熱器２３Ｈ２を接続する配管Ｌ２には、冷却水系統Ｌ１を通じて霧状の冷却水が供給され、高圧一次加熱器２３Ｈ１から高圧二次加熱器２３Ｈ２へ配管Ｌ２を通じて流れる蒸気は、冷却水のスプレイによって冷却される。冷却水系統Ｌ１には、冷却水の流量を調節するための流量調節弁Ｖ１が設けられている。流量調節弁Ｖ１の開度を調節することにより、配管Ｌ２を流れる蒸気の温度を調節することができる。配管Ｌ２を流れる蒸気は、高圧二次加熱器２３Ｈ２で加熱された後、高圧タービン３３へ供給される。つまり、流量調節弁Ｖ１の開度を調節することにより、蒸気タービン３０の入口の蒸気温度（高圧）を制御することができる。

【0015】

一次再熱器２４Ｈ１と二次再熱器２４Ｈ２を接続する配管Ｌ４には、冷却水系統Ｌ３を通じて霧状の冷却水が供給され、一次再熱器２４Ｈ１から二次再熱器２４Ｈ２へ配管Ｌ４を通じて流れる蒸気は、冷却水のスプレイによって冷却される。冷却水系統Ｌ３には、冷却水の流量を調節するための流量調節弁Ｖ２が設けられている。流量調節弁Ｖ２の開度を調節することにより、配管Ｌ４を流れる蒸気の温度を調節することができる。配管Ｌ４を流れる蒸気は、二次再熱器２４Ｈ２で加熱された後、中圧タービン３２へ供給される。つまり、流量調節弁Ｖ２の開度を調節することにより、蒸気タービン３０の入口の蒸気温度（中圧）を調整することができる。

【0016】

流量調節弁Ｖ１，Ｖ２は、制御装置４０によって制御される。一般に蒸気タービン３０の入口側の蒸気温度を設定値（設計上、高効率が実現できる温度）に保つことによって、蒸気タービン３０の効率を高効率に保とうとする。しかし、蒸気温度を一定に保つことによって、常に高効率を維持できるとは限らない。そこで、本実施形態では、蒸気温度を一定に保つのではなく、蒸気タービンの熱応力を考慮しつつ、ＨＲＳＧ２０および／または蒸気タービン３０を高効率で運転できるような蒸気タービン３０の入口側の蒸気温度を算出し、当該蒸気温度を実現することができるよう、流量調節弁Ｖ１，Ｖ２の開度を調節する。

【0017】

制御装置４０は、取得部４１と、計算部４２と、制御部４３と、を備える。
取得部４１は、ＧＴＣＣ１００に設けられたセンサから各種の状態量を取得する。例えば、取得部４１は、ＨＲＳＧ２０のメタル部分（加熱器、節炭器、蒸発器などの伝熱面）の温度（メタル温度と称する。）、ドラム圧力（不図示の低圧ドラムの圧力、不図示の中圧ドラムの圧力、高圧ドラム２５Ｈの圧力）などの計測値を取得する。また、取得部４１は、ＧＴＣＣ１００へ入力される負荷指令値を取得する。

【0018】

計算部４２は、ＨＲＳＧ２０と蒸気タービン３０に生じる熱応力が上限を超えることなく、且つ、ＨＲＳＧ２０および／または蒸気タービン３０の効率を最適化（最大化）できるような蒸気温度および流量調節弁Ｖ１を流れる冷却水の流量と流量調節弁Ｖ２を流れる冷却水の流量（スプレイ流量と称する場合がある。）を算出する最適化計算を行う。
制御部４３は、計算部４２が算出したスプレイ流量に基づいて、流量調節弁Ｖ１，Ｖ２の開度を制御する。

【0019】

（最適化計算）
図２に、ＨＲＳＧ２０および／または蒸気タービン３０の運転効率を最適化するスプレイ流量を算出するシステムの構成図を示す。
ＧＴＣＣ１００には、負荷指令ｉと制御量ｕが入力され、制御量ｕに基づいて、負荷指令ｉが示す出力を達成できるように運転される。制御量ｕは、流量調節弁Ｖ１のスプレイ流量と流量調節弁Ｖ２のスプレイ流量であり、これらの値は、計算部４２によって算出される。計算部４２は、状態量推定部４２１と、予測制御部４２２と、を備える。

【0020】

状態量推定部４２１は、ＧＴＣＣ１００で観測されたＨＲＳＧ２０のメタル温度の計測値およびボイラ圧力の計測値と、後述する予測モデル４２３によって予測されたメタル温度の予測値およびボイラ圧力の予測値とを取得し、ＨＲＳＧ２０と蒸気タービン３０の状態量（例えば、ＨＲＳＧ２０のメタル温度、ボイラ圧力）を推定する。状態量推定部４２１は、推定した状態量を予測制御部４２２へ出力する。

【0021】

予測制御部４２２は、状態量推定部４２１が推定した状態量に基づいて、ＨＲＳＧ２０および／または蒸気タービン３０の効率を最適化する流量調節弁Ｖ１，Ｖ２のスプレイ流量を算出する最適化計算を行う。予測制御部４２２は、予測モデル４２３と、定式化部４２４と、最適化ソルバー４２５とを備える。

【0022】

予測モデル４２３は、ＧＴＣＣ１００の挙動・状態を模擬することができるシミュレーションモデルである。予測モデル４２３は、ガスタービン１０の挙動・状態を模擬する予測モデル４２３１と、ＨＲＳＧ２０の挙動・状態を模擬する予測モデル４２３２と、蒸気タービン３０の挙動・状態を模擬する予測モデル４２３３とを備える。例えば、予測モデル４２３に負荷指令ｉを入力すると、予測モデル４２３は、負荷指令ｉに応じた出力を実現できるようなＧＴＣＣ１００の挙動・状態を模擬し、ガスタービン１０の排ガス温度や流量、ＨＲＳＧ２０および蒸気タービン３０の各部における蒸気や水の温度、圧力、流量等を算出する。また、予測モデル４２３に所定の予測区間におけるプラントの模擬を指示すると、予測モデル４２３は、予測区間における時系列のＧＴＣＣ１００の挙動・状態を模擬する。

【0023】

定式化部４２４は、最適化計算の問題を定式化する。定式化された最適化問題の一例を図３に示す。図３の式（１）は、最適化問題の目的関数である。右辺のＭＷ_ＳＴ（ｘ_ｎ（ｔ）、ｕ_ｎ（ｔ））は、最適化する指標、例えば、蒸気タービン３０の出力を算出する関数である。蒸気タービン３０の出力とは、低圧タービン３１の出力と中圧タービン３２の出力と高圧タービン３３の出力の合計である。ｘ_ｎ（ｔ）は時刻ｔにおける状態量（例えば、蒸気温度、メタル温度、ボイラ圧力）、ｕ_ｎ（ｔ）は時刻ｔにおける制御入力（例えば、流量調節弁Ｖ１のスプレイ流量と流量調節弁Ｖ２のスプレイ流量）である。本実施形態では。この関数ＭＷ_ＳＴ（）は、予測モデル４２３に組み込まれている。式（１）の右辺では、時刻ｔ_ｋ～ｔ_ｋ＋Ｎで規定される予測区間（例えば、数分間）内での蒸気タービン３０の出力の積分値を計算し、最小化問題として扱うために－１を乗じている。

【0024】

図３の式（２）は、ｘ_ｎ＋１が、予測モデル４２３がｎステップでの状態量ｘ_ｎに基づいて予測したｎ＋１ステップにおける各種の状態量であることを定義している。ｆ_ｍｐｏｄは、状態量ｘ_ｎ（ｔ）と制御入力ｕ_ｎ（ｔ）を入力パラメータとする予測モデル４２３である。

【0025】

図３の式（３）は、高圧タービン３３の入口蒸気温度の変化レートと中圧タービン３２の入口蒸気温度の変化レートが、共に閾値ΔＴ_ｍａｘ（℃／ｍｉｎ）以下となることを制約する制約式である。|ΔＴ_ｈｐ|は高圧タービン３３の入口蒸気温度の変化レートの絶対値である。|ΔＴ_ｉｐ|は中圧タービン３２の入口蒸気温度の変化レートの絶対値である。図１のプラント構成の場合、低圧タービン３１ではスプレイを使用しないためＴ_ｌｐに対する制約は含まれていない。

【0026】

図３の式（４）は、高圧タービン３３、中圧タービン３２の入口蒸気温度が、熱応力の観点からＴ_ｍａｘ以下でなければならないことを制約する制約式である。一般に蒸気タービン３０入口の蒸気温度が高い方が効率は向上する。しかし、過度に蒸気温度が高いと、熱応力による損傷などを招く。そこで、式（４）の制約条件を加えることで、熱応力の制約を違反しない範囲で、効率を最大化するスプレイ流量を算出する。

【0027】

図３の式（５）は、制御入力Ｕｎが取り得る範囲を、Ｕ_ｎｍｉｎ～Ｕ_ｎｍａｘ（ｔｏｎ／ｈｏｕｒ）の範囲に制限することを制約する制約式である。式（５）により、流量調節弁Ｖ１，Ｖ２のスプレイ流量が取り得る範囲を制約している。

【0028】

定式化部４２４によって定式化される図３に例示する最適化問題を解くことによって、蒸気タービン３０の熱応力の制約を満たしつつ、所定の予想区間（ｔ_ｋ～ｔ_ｋ＋Ｎ）における蒸気タービン３０の出力の積分値を最大化するスプレイ流量を算出することができる。積分値を最大化することにより、経済的効率を最大化することができる。

【0029】

図３の式（１）では、ＨＲＳＧ２０および／または蒸気タービン３０の効率を最適化する指標の一例として蒸気タービン３０の出力（低圧タービン３１の出力＋中圧タービン３２の出力＋高圧タービン３３の出力）を例示したがこれに限定されない。他の効率の指標として、例えば、（ａ）ＨＲＳＧ２０の効率、（ｂ）ＨＲＳＧ２０と蒸気タービン３０の効率などを用いることができる。

【0030】

（ａ）のＨＲＳＧ２０の効率については、以下の式（１ａ）で計算することができる。
ＨＲＳＧ２０の効率＝ＨＲＳＧで吸収した熱量／ＨＲＳＧ２０入口の排ガスのエネルギー ・・・（１ａ）
※排ガスのエネルギーは排ガス温度×排ガス流量で計算する。
※ＨＲＳＧで吸収した熱量は、ＨＲＳＧ２０入口の排ガスのエネルギー－ＨＲＳＧ２０出口の排ガスのエネルギーで計算することができる。

【0031】

（ｂ）のＨＲＳＧ２０と蒸気タービン３０の効率については、以下の式（１ｂ）で計算することができる。
ＨＲＳＧ２０と蒸気タービン３０の効率＝蒸気タービン３０の出力／ＨＲＳＧ２０の入口の排ガスエネルギー ・・・（１ｂ）
※蒸気タービン３０の出力は、式（１）の右辺で計算する。ＨＲＳＧ２０の入口の排ガスエネルギーは、ＨＲＳＧ２０の入口で測定される排ガス温度×排ガス流量で計算する。

【0032】

これら式（１ａ）、（１ｂ）の計算式も予測モデル４２３に組み込まれており、後に図５を用いて説明する手順で、蒸気タービン３０の熱応力の制約を満たしつつ、所定の予想区間（ｔ_ｋ～ｔ_ｋ＋Ｎ）におけるＨＲＳＧ２０の効率の積分値又はＨＲＳＧ２０と蒸気タービン３０の効率の積分値を最大化するスプレイ流量を算出することができる。

【0033】

最適化ソルバー４２５は、一般に提供されている最適化計算を行うソルバーである。最適化ソルバー４２５は、定式化部４２４が定式化した最適化問題を解く。すなわち、最適化ソルバー４２５は、様々なスプレイ流量の条件下で、予測モデル４２３に基づいて、未来の予想区間における蒸気タービンの出力等の積分値を予測し、熱応力の制約を満たしつつ、ＨＲＳＧ２０および／または蒸気タービン３０の効率（積分値）を最大化する蒸気温度とスプレイ流量を探索する。

【0034】

（予測モデルの構成）
図４に、実施形態に係る予測モデル４２３の構成の一例を示す。図４に示すように、予測モデル４２３が模擬するＨＲＳＧ２０の挙動・状態のうち、低圧、中圧、高圧それぞれの節炭器、加熱器、蒸発器を流れる水や蒸気の圧力については、その時々の瞬時値だけを計算し、ダイナミクス（時系列の動的な挙動）を考慮しない。これに対し、低圧、中圧、高圧それぞれのドラムの圧力については、ダイナミクスを考慮した計算、例えば、ドラムの圧力に影響する事象が発生してから、それがドラムの圧力に反映されるまでの遅れ時間を考慮して圧力の計算を行う。

【0035】

低圧、中圧、高圧それぞれの節炭器、加熱器、蒸発器、ドラムの排ガス、蒸気、水の温度については、その時々の瞬時値だけを計算し、節炭器、加熱器、蒸発器、ドラムのメタル部分の温度については、ダイナミクスを考慮する。これは、排ガス、蒸気、水などは応答遅れが少なく瞬時値だけ計算すれば予測精度が保たれるのに対し、メタル部分に関しては温度の変化が遅れて生じるので、ある時刻の事象が将来の温度変化に与える機構（ダイナミクス）を考慮に入れた計算を行わなければ、予測精度が保てない為である。

【0036】

また、蒸気タービン３０の出力の模擬についてはダイナミクスを考慮せず、蒸気タービン３０を流れる蒸気の流量についてもダイナミクスを考慮しない。このように、予測モデル４２３は、応答遅れを考慮しなくてよい状態量についてはダイナミクスを考慮せずに計算を行い、そうでない状態量についてはダイナミクスを考慮した計算を行うよう構成されている。これにより、計算負荷の低減と予測精度の向上を実現している。

【0037】

実際にＧＴＣＣ１００を運転しているときに、リアルタイムに、効率を最大化する流量調節弁Ｖ１，Ｖ２のスプレイ流量を計算し、その結果を実際の流量調節弁Ｖ１，Ｖ２の制御に適用するためには、高速かつ高精度に計算を行わなければならない。図４に例示するように、状態量の計算におけるダイナミクス考慮の有無を切り分けることで、リアルタイム且つ高精度な流量調節弁Ｖ１，Ｖ２の制御を実現している。

【0038】

この他にも予測モデル４２３では、以下のようにして各種の状態量が計算される。例えば、ＨＲＳＧ２０に流入する排ガスの流量と温度については、負荷指令値に応じて決定される。冷却水の流量については、流量や熱量の保存側を表した計算式に基づいて計算される。熱交換器（蒸発器）の温度についてはメタルの温度変化のダイナミクスを表した計算式に基づいて計算される。蒸気の流量は、ドラムの圧力と下流の主蒸気の差圧から計算され、ドラムの圧力は、質量収支と熱収支のダイナミクスを表した計算式に基づいて計算される。

【0039】

（最適化計算のフロー）
次に図５を参照して、図２の構成を前提とした場合の最適化計算の流れを説明する。予測制御部４２２は、ＧＴＣＣ１００への負荷指令ｉ（５０１）を取得し、予測モデル４２３を使って（５０４）、現在の排ガス流量と排ガス温度の予測値を予測する（５０５）。予測制御部４２２は、排ガス流量と排ガス温度の予測値を、予測モデル４２３の予測モデル４２３２に入力して（５０６）、ＨＲＳＧ２０の現在のメタル温度の予測値（５０７）と現在のドラム圧力の予測値（５０８）を予測する。このときの制御量ｕ（スプレイ流量）には、現在の流量調節弁Ｖ１のスプレイ流量と流量調節弁Ｖ２のスプレイ流量が用いられる。スプレイ流量は、計測値でもよいし、１つ前の制御ステップで算出されたスプレイ流量の値でもよい。予測制御部４２２は、現在のメタル温度とドラム圧力の予測値を状態量推定部４２１へ出力する。

【0040】

一方、状態量推定部４２１は、ＨＲＳＧ２０のメタル温度の計測値（５０２）とドラム圧力の計測値（５０３）を取得する。状態量推定部４２１は、メタル温度の予測値（５０７）と、ドラム圧力の予測値（５０８）と、メタル温度の計測値（５０２）と、ドラム圧力の計測値（５０３）と、に基づいて、現在運転しているＧＴＣＣ１００の真のメタル温度とドラム圧力を推定する（５０９）。例えば、状態量推定部４２１は、メタル温度の予測値とメタル温度の計測値の加重平均によって、真のメタル温度を推定する。例えば、状態量推定部４２１は、ドラム圧力の予測値とドラム圧力の計測値の加重平均によって、真のドラム圧力を推定する。計測値と予測値への御重み付けは任意である。例えば、状態量推定部４２１は、ＧＴＣＣ１００の運転状態が安定している状況では計測値により大きな重みを付し、負荷が変化している状況では、計測遅れが生じる計測値よりも予測値により大きな重みを付して、メタル温度とドラム圧力の真の値を推定するようにしてもよい。状態量推定部４２１は、推定した真のメタル温度（ＨＲＳＧメタル温度推定値５１０）と真のドラム圧力（ＨＲＳＧドラム圧力推定値５１１）を予測制御部４２２へ出力する。

【0041】

予測制御部４２２は、ＨＲＳＧメタル温度推定値５１０とＨＲＳＧドラム圧力推定値５１１を取得し、予測モデル４２３にフィードバックする（５１２）。これにより、予測モデル４２３が模擬するＧＴＣＣ１００の状態を、より精緻にＧＴＣＣ１００の実際の運転状態に合わせる。その後、予測制御部４２２は、ＨＲＳＧメタル温度推定値５１０とＨＲＳＧドラム圧力推定値５１１を予測モデル４２３２に入力して（５１３）、所定の予測区間におけるＧＴＣＣ１００の挙動・状態を模擬させる。このとき、所定の予測区間における負荷指令値ｉを予測モデル４２３に入力する。そして、予測制御部４２２は、未来のＨＲＳＧ２０の蒸気タービン３０入口の蒸気温度の予測値（５１４）と蒸気タービン３０の出力の予測値（５１５）を予測する。予測制御部４２２は、最適化ソルバー４２５を使って、最適化計算を実行し（５１６）、スプレイ流量指令を出力する（５１７）。

【0042】

最適化計算（５１６）では、制御量ｕを様々に変化させて運転したときの所定の予測区間（ｔ_ｋ～ｔ_ｋ＋Ｎ）における、その時々の負荷指令値ｉに応じたガスタービン１０と、ＨＲＳＧ２０と、蒸気タービン３０の挙動・状態が模擬され、その結果として、蒸気タービン３０入口での高圧と中圧の蒸気温度と蒸気タービン３０の出力の予測値が予測モデル４２３によって算出される。そして、最適化の指標が蒸気タービン３０の出力であれば、予測区間の出力の予測値を積分して出力積分値が計算され、出力積分値が最大となるときの流量調節弁Ｖ１，Ｖ２のスプレイ流量が算出される。あるいは、上記の指標（ａ）、（ｂ）を用いる場合であれば、それぞれ式（１ａ）、式（１ｂ）で計算された値の積分値によって、予測区間におけるＨＲＳＧ２０の効率、ＨＲＳＧ２０＋蒸気タービン３０の効率が予測され、効率を最大化する流量調節弁Ｖ１，Ｖ２のスプレイ流量が算出される。また、最適化計算の際には、単に出力積分値を最大化するだけではなく、熱応力の制約を考慮し、蒸気温度の上限等を超過しないスプレイ流量指令（５１７）が計算される。

【0043】

（動作）
次に図６を参照して、制御装置４０の動作について説明する。制御装置４０は、ＧＴＣＣ１００の運転中、以下の処理を所定の制御周期で繰り返し行う。
まず、取得部４１が、現在および予測区間における負荷指令、現在のＨＲＳＧ２０のメタル温度およびドラム圧力の計測値を取得する（ステップＳ１）。

【0044】

次に、計算部４２が、予測モデル４２３が模擬する状態を現状のプラントの状態に合わせる（ステップＳ２）。この処理は、図５の５０１～５１２に対応する。
次に、計算部４２が、最適化計算を行う（ステップＳ３）。この処理は、図５の５１３～５１７に対応する。計算部４２は、予測モデル４２３を使って、予測区間での負荷指令ｉに応じた時系列のＧＴＣＣ１００の挙動・状態を模擬し、様々なスプレイ流量の条件下で、予測区間の各時刻における蒸気タービン３０の出力等を予測し、熱応力の制約内で効率を最大化するスプレイ流量を探索する。計算部４２は、予測区間における効率を最大化する流量調節弁Ｖ１，Ｖ２のスプレイ流量指令を制御部４３へ出力する。

【0045】

次に、制御部４３が、スプレイ流量指令に基づいて冷却水調整弁を制御する（ステップＳ４）。制御部４３は、流量調節弁Ｖ１を流れる冷却水の流量が、流量調節弁Ｖ１のスプレイ流量指令となるように、流量調節弁Ｖ１の開度を制御する。制御部４３は、流量調節弁Ｖ２を流れる冷却水の流量が、流量調節弁Ｖ２のスプレイ流量指令となるように、流量調節弁Ｖ２の開度を制御する。これにより、ＧＴＣＣ１００にて、熱応力の制約をみたしつつ、ＲＳＧ２０および／または蒸気タービン３０の効率を最大化する運転が行われる。

【0046】

次に、制御装置４０は、制御を終了するかどうかを判定する（ステップＳ５）。例えば、ＧＴＣＣ１００が停止する場合、制御を終了すると判定し、そうでない場合、制御を終了しないと判定する。制御を終了しない場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、ステップＳ１からの処理を繰り返し行う。これにより高効率運転が維持される。制御を終了する場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、図６のフローチャートを終了する。

【0047】

（効果）
以上説明したように、制御装置４０によれば、蒸気温度が熱応力の制約を違反しない範囲で、ＲＳＧ２０および／または蒸気タービン３０の効率が常に最大化するようにスプレイ流量を制御することができる。本実施形態では、ＧＴＣＣ１００の運転状態に応じて蒸気タービン３０入口の蒸気温度を、効率を最大化する温度に制御することができるので、過渡的な負荷状態でも効率を最大化することができる。また、プラントに投入する燃料等を変更するのではなく、コストがかからないスプレイ流量の制御により、効率を最大化する運転を実現するので、経済的な効率性を最大化することができる。また、高精度かつ計算負荷を低減した予測モデル４２３によって、近い未来の効率を予測しつつ、効率を最大化するスプレイ流量を算出するので、リアルタイムなプラント制御を実現することができる。

【0048】

なお、図２の構成では、予測モデル４２３によって、現在のＧＴＣＣ１００の状態を模擬することとしたが、状態量推定部４２１の内部に予測モデル４２３と同様の予測モデルを実装し、図５の５０１～５１１の処理を、状態量推定部４２１にて行うように構成してもよい。

【0049】

図７は、実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。コンピュータ９００は、ＣＰＵ９０１、主記憶装置９０２、補助記憶装置９０３、入出力インタフェース９０４、通信インタフェース９０５を備える。上述の制御装置４０は、コンピュータ９００に実装される。そして、上述した各機能は、プログラムの形式で補助記憶装置９０３に記憶されている。ＣＰＵ９０１は、プログラムを補助記憶装置９０３から読み出して主記憶装置９０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ９０１は、プログラムに従って、記憶領域を主記憶装置９０２に確保する。また、ＣＰＵ９０１は、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置９０３に確保する。

【0050】

制御装置４０の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各機能部による処理を行ってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、ＣＤ、ＤＶＤ、ＵＳＢ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９００が当該プログラムを主記憶装置９０２に展開し、上記処理を実行しても良い。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

【0051】

以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0052】

＜付記＞
各実施形態に記載の制御装置、コンバインドサイクル発電プラント、制御方法及びプログラムは、例えば以下のように把握される。

【0053】

（１）第１の態様に係る制御装置は、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する制御装置であって、前記排熱回収ボイラの状態量を取得する取得部と、前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンの状態を模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出する計算部と、前記計算部が算出した前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御する制御部と、を備える。
これにより、蒸気タービン入口側の蒸気温度を、排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する温度に制御することができる。

【0054】

（２）第２の態様に係る制御装置は、（１）の制御装置であって、前記効率を最大化する前記冷却水の流量を算出する際には、前記蒸気タービンの入口での蒸気温度が、熱応力の制約から定められた所定の上限温度以下となるような前記冷却水の流量を算出する。
これにより、熱応力の制約を違反しない範囲で、効率を最大化する蒸気温度とスプレイ流量を算出することができる。

【0055】

（３）第３の態様に係る制御装置は、（１）～（２）の制御装置であって、前記効率は、前記所定区間における前記蒸気タービンの出力の積分値である。
これにより、蒸気タービンの効率を最大化することができる。

【0056】

（４）第４の態様に係る制御装置は、（１）～（３）の制御装置であって、前記効率は、前記排熱回収ボイラで吸収した熱量を、前記排熱回収ボイラ入口の排ガスのエネルギーによって除算した値の前記所定区間における積分値である。
これにより、排熱回収ボイラの効率を最大化することができる。

【0057】

（５）第５の態様に係る制御装置は、（１）～（４）の制御装置であって、前記効率は、前記蒸気タービンの出力を、前記排熱回収ボイラ入口の排ガスのエネルギーによって除算した値の前記所定区間における積分値である。
これにより、蒸気タービンと排熱回収ボイラを合わせたユニットの効率を最大化することができる。

【0058】

（６）第６の態様に係る制御装置は、（１）～（５）の制御装置であって、前記予測モデルが、前記排熱回収ボイラが備える節炭器、加熱器、蒸発器を流れる排ガス、蒸気、水の温度と圧力については、応答遅れを考慮せずに計算し、前記排熱回収ボイラが備えるドラムの圧力については、応答遅れを考慮して計算し、前記排熱回収ボイラの伝熱面の温度については応答遅れを考慮して計算するよう構成されている。
これにより、高速かつ精度よく、コンバインドサイクル発電プラントを模擬することができる。

【0059】

（７）第７の態様に係るコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンと、前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統と、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁と、（１）～（６）に記載の制御装置とを備える。
これにより、コンバインドサイクル発電プラントがどのような運転状態にあるときでも、常に高効率で運転することができる。

【0060】

（８）第８の態様に係る制御方法は、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する制御方法であって、前記排熱回収ボイラの状態量を取得するステップと、前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンを模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出するステップと、前記算出するステップにて算出された前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御するステップと、を有する。

【0061】

（９）第９の態様に係るプログラムは、コンピュータに、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを含むコンバインドサイクル発電プラントにおける前記排熱回収ボイラに設けられた冷却水供給系統を流れる冷却水の流量制御により、前記蒸気タービン入口の蒸気温度を制御する処理であって、前記排熱回収ボイラの状態量を取得するステップと、前記コンバインドサイクル発電プラントを模擬する予測モデルと、取得された前記状態量と、に基づいて、前記冷却水の流量を変化させたときの未来の所定区間における前記排熱回収ボイラと前記蒸気タービンを模擬し、前記所定区間における排熱回収ボイラおよび／または蒸気タービンの効率を最大化する前記冷却水の流量を算出するステップと、前記算出するステップにて算出された前記冷却水の流量に基づいて、前記冷却水供給系統に設けられた流量調節弁を制御するステップとを有する処理を実行させる。

【符号の説明】

【0062】

１００・・・ＧＴＣＣ
１０・・・ガスタービン
２０・・・ＨＲＳＧ
３０・・・蒸気タービン
３１・・・低圧タービン
３２・・・中圧タービン
３３・・・高圧タービン
２１Ｌ・・・低圧節炭器
２２Ｈ・・・高圧蒸発器
２３Ｈ１・・・高圧一次加熱器
２３Ｈ２・・・高圧二次加熱器
２４Ｈ１・・・一次再熱器
２４Ｈ２・・・二次再熱器
２５Ｈ・・・高圧ドラム
４０・・・制御装置
４１・・・取得部
４２・・・計算部
４３・・・制御部
Ｇ１，Ｇ２・・・発電機
Ｌ１、Ｌ３・・・冷却水系統
Ｌ２、Ｌ４・・・配管
９００・・・コンピュータ
９０１・・・ＣＰＵ
９０２・・・主記憶装置
９０３・・・補助記憶装置
９０４・・・入出力インタフェース
９０５・・・通信インタフェース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】