知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特許7568478燃料ガスの組成分析装置及び組成分析方法、並びに、この組成分析装置を備える原動機制御装置及びこの組成分析方法を含む原動機制御方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(54)【発明の名称】燃料ガスの組成分析装置及び組成分析方法、並びに、この組成分析装置を備える原動機制御装置及びこの組成分析方法を含む原動機制御方法
(51)【国際特許分類】
F02C 9/40 20060101AFI20241008BHJP
G01N 33/22 20060101ALI20241008BHJP
G01N 25/36 20060101ALN20241008BHJP
G01N 9/36 20060101ALN20241008BHJP
【ＦＩ】
F02C9/40 A
G01N33/22 E
G01N25/36
G01N9/36 Z
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020181893
(22)【出願日】2020-10-29
(65)【公開番号】P2022072451
(43)【公開日】2022-05-17
【審査請求日】2023-07-07
(73)【特許権者】
【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】110000785
【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】笹尾 俊文
(72)【発明者】
【氏名】内藤 敬太
(72)【発明者】
【氏名】林 明典
【審査官】高吉 統久
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－０６０８６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２２５６６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０６５０６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０２０－５１４７１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２３９３０８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｃ ９／４０
Ｇ０１Ｎ ９／３６
Ｇ０１Ｎ ２５／３６
Ｇ０１Ｎ ３３／２２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析装置であって、前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測する発熱量計測装置と、
前記燃料ガスの密度を計測する密度計測装置と、
前記発熱量計測装置によって計測された前記発熱量及び前記密度計測装置によって計測された前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算する組成演算部を含む制御装置と
を備え、
前記可燃性ガスの密度ρ１に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１との関係を表す関数を前記制御装置に予め規定しておき、
前記発熱量計測装置によって計測された前記発熱量をＬＨＶ ０ とし、
前記密度計測装置によって計測された前記密度をρ ０ とし、
前記不活性ガスの密度をρ ２ とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数を、定数α及びβを用いてＬＨＶ １ ＝αρ １ ＋βとすると、
前記組成演算部は、下記式
【数1】
【請求項2】
不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析装置であって、
前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測する発熱量計測装置と、
前記燃料ガスの密度を計測する密度計測装置と、
前記発熱量計測装置によって計測された前記発熱量及び前記密度計測装置によって計測された前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算する組成演算部を含む制御装置と
を備え、
前記可燃性ガスの密度ρ １ に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ １ との関係を表す関数を前記制御装置に予め規定しておき、
前記発熱量計測装置によって計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
前記密度計測装置によって計測された前記密度をρ０とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数をＬＨＶ１＝ｆ（ρ１）とすると、
前記組成演算部は、前記関数の変数ρ１にρ０を代入したｆ（ρ０）を用いた下記式
【数2】
【請求項3】
前記関数を、定数α及びβを用いてｆ（ρ１）＝αρ１＋βとすると、前記組成演算部は、前記関数の変数ρ１にρ０を代入した（αρ０＋β）を用いた下記式
【数3】
【請求項4】
前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器を備えた原動機を制御する原動機制御装置であって、請求項１～３のいずれか一項に記載の組成分析装置と、
前記燃焼器が備える互いに異なる第１ノズル及び第２ノズルそれぞれに供給される前記燃料ガスの比率である燃料比率を調節するための燃料比率制御部と
を備え、
前記制御装置は燃料制御部をさらに備え、
前記燃料制御部は、前記組成分析装置によって得られた前記燃料ガスの組成に基づいて、前記燃料比率を補正するための燃料制御指令を算出し前記燃料比率制御部に出力する原動機制御装置。
【請求項5】
前記燃料比率制御部は、前記制御装置の内部に設けられるとともに前記燃料制御指令を受けて前記燃料比率をプログラムにより制御するように構成されている、請求項４に記載の原動機制御装置。
【請求項6】
不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析方法であって、前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測するステップと、
前記燃料ガスの密度を計測するステップと、
計測された前記発熱量及び前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算するステップと
を含み、
前記可燃性ガスの密度ρ１に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１との関係を表す関数を予め規定しておき、
計測された前記発熱量をＬＨＶ ０ とし、
計測された前記密度をρ ０ とし、
前記不活性ガスの密度をρ ２ とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数を、定数α及びβを用いてＬＨＶ １ ＝αρ １ ＋βとすると、
下記式
【数4】
【請求項7】
不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析方法であって、
前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測するステップと、
前記燃料ガスの密度を計測するステップと、
計測された前記発熱量及び前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算するステップと
を含み、
前記可燃性ガスの密度ρ １ に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ １ との関係を表す関数を予め規定しておき、
計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
計測された前記密度をρ０とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数をＬＨＶ１＝ｆ（ρ１）とすると、
前記関数の変数ρ１にρ０を代入したｆ（ρ０）を用いた下記式
【数5】
【請求項8】
前記関数を、定数α及びβを用いてｆ（ρ１）＝αρ１＋βとすると、前記関数の変数ρ１にρ０を代入した（αρ０＋β）を用いた下記式
【数6】
【請求項9】
前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器を備えた原動機を制御する原動機制御方法であって、請求項６～８のいずれか一項に記載の組成分析方法を備え、
前記組成分析方法によって得られた前記燃料ガスの組成に基づいて、前記燃焼器が備える互いに異なる第１ノズル及び第２ノズルそれぞれに供給される前記燃料ガスの比率である燃料比率を補正するための燃料制御指令を算出し出力する原動機制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料ガスの組成分析装置及び組成分析方法、並びに、この組成分析装置を備える原動機制御装置及びこの組成分析方法を含む原動機制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスタービンに供給される燃料ガス中に窒素のような不活性ガスが含まれている場合、燃料ガス中の不活性ガスの濃度は燃料ガスの燃焼性に影響を与える。特許文献１には、不活性ガスの濃度が時系列的に変化する燃料ガスを用いた場合でも、ガスタービンにおいて燃料ガスを安定燃焼させることが可能な燃料流量制御装置が記載されている。この燃料流量制御装置では、燃料ガス中の不活性ガスの濃度を測定し、測定された不活性ガスの濃度に基づいて、燃料ガスの供給流量を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００５－１２７１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、燃料ガス中の不活性ガスの濃度測定には一般的にガスクロマトグラフィが使用されるが、ガスクロマトグラフィは検出時間が長いので、時々刻々と燃料ガス中の不活性ガスの濃度が変化する場合には、特許文献１に記載の燃料流量制御装置では燃料流量の制御が難しくなるといった課題がある。
【0005】
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、迅速に燃料ガスの組成を分析できる燃料ガスの組成分析装置及び組成分析方法、並びに、この組成分析装置を備える原動機制御装置及びこの組成分析方法を含む原動機制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、本開示に係る燃料ガスの組成分析装置は、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析装置であって、前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測する発熱量計測装置と、前記燃料ガスの密度を計測する密度計測装置と、前記発熱量計測装置によって計測された前記発熱量及び前記密度計測装置によって計測された前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算する組成演算部を含む制御装置とを備え、前記可燃性ガスの密度ρ１に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１との関係を表す関数を前記制御装置に予め規定しておき、前記発熱量計測装置によって計測された前記発熱量をＬＨＶ
０
とし、前記密度計測装置によって計測された前記密度をρ
０
とし、前記不活性ガスの密度をρ
２
とし、前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、前記関数を、定数α及びβを用いてＬＨＶ
１
＝αρ
１
＋βとすると、前記組成演算部は、下記式
に基づいて前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度Ｃを前記燃料ガスの組成として演算する。
【0007】
また、本開示に係る燃料ガスの組成分析方法は、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析方法であって、前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測するステップと、前記燃料ガスの密度を計測するステップと、計測された前記発熱量及び前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算するステップとを含み、前記可燃性ガスの密度ρ１に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１との関係を表す関数を予め規定しておき、計測された前記発熱量をＬＨＶ
０
とし、計測された前記密度をρ
０
とし、前記不活性ガスの密度をρ
２
とし、前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、前記関数を、定数α及びβを用いてＬＨＶ
１
＝αρ
１
＋βとすると、下記式
に基づいて前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度Ｃを前記燃料ガスの組成として演算する。
【発明の効果】
【0008】
本開示の燃料ガスの組成分析装置及び組成分析方法によれば、迅速な計測が可能な燃料ガスの単位量当たりの発熱量及び燃料ガスの密度を計測し、それらの計測値を用いて燃料ガスの組成を分析するので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を迅速に分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置及びこの組成分析装置を備える原動機制御装置の構成図である。
【図2】本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置が設けられたガスタービンの燃焼器の構成を示す模式図である。
【図3】本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置が備える制御装置の構成模式図である。
【図4】本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置が燃料ガスの密度及び発熱量を用いて前記燃料ガスの組成を演算する原理を説明するためのグラフである。
【図5】本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置が燃料ガスの密度及び発熱量を用いて前記燃料ガスの組成を演算する別の原理を説明するためのグラフである。
【図6】本開示の一実施形態に係る原動機制御装置によって、燃料ガス中の不活性ガスの濃度及び燃料ガスの発熱量から燃料比率を算出するための制御フローの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本開示の実施の形態による燃料ガスの組成分析装置及び組成分析方法について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
【0011】
＜本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置及び原動機制御装置の構成＞
図１に示されるように、本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置２０は、原動機であるガスタービン１に供給される燃料ガスの組成を分析するためのものである。燃料ガスには、燃料成分すなわち炭化水素燃料のような可燃性ガスと、窒素のような不活性ガスとが含まれており、組成分析装置２０が分析する燃料ガスの組成とは具体的には、燃料ガス中の不活性ガスの濃度又は可燃性ガスの濃度若しくはその両方を意味する。以下で説明する実施形態では、燃料ガスの組成の分析として燃料ガス中の不活性ガスの濃度を求める形態で説明するが、実質的には、燃料ガス中の可燃性ガスの濃度を求めることや、不活性ガス及び可燃性ガスそれぞれの濃度を求めることと同義である。
図１に示されるように、本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置２０は、原動機であるガスタービン１に供給される燃料ガスの組成を分析するためのものである。燃料ガスには、燃料成分すなわち炭化水素燃料のような可燃性ガスと、窒素のような不活性ガスとが含まれており、組成分析装置２０が分析する燃料ガスの組成とは具体的には、燃料ガス中の不活性ガスの濃度又は可燃性ガスの濃度若しくはその両方を意味する。以下で説明する実施形態では、燃料ガスの組成の分析として燃料ガス中の不活性ガスの濃度を求める形態で説明するが、実質的には、燃料ガス中の可燃性ガスの濃度を求めることや、不活性ガス及び可燃性ガスそれぞれの濃度を求めることと同義である。
【0012】
ガスタービン１は、圧縮空気を生成するための圧縮機２と、圧縮空気及び燃料ガスを用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器４と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン３とを備えている。タービン３には、タービン３によって駆動される発電機５が連結されている。燃焼器４には、図示しない燃料供給源に一端が接続された燃料供給ライン６の他端が接続されている。
【0013】
図２に示されるように、燃焼器４は外筒１１を備え、外筒１１の内部には、外筒１１の軸線を中心とする径方向に所定間隔をあけて内筒１２が設けられている。内筒１２の先端部に尾筒１３が連結されている。外筒１１と内筒１２との間には、圧縮機２（図１参照）により圧縮された圧縮空気が流通するリング形状の流路１８が形成されている。内筒１２の内部には、第１バーナであるパイロット燃焼バーナ１４と、パイロット燃焼バーナ１４を取り囲むように設けられた第２バーナである複数のメイン燃焼バーナ１５とが配置されている。パイロット燃焼バーナ１４は第１のノズルであるパイロットノズル１６を備え、各メイン燃焼バーナ１５は第２ノズルであるメインノズル１７を備えている。
【0014】
図１に示されるように、組成分析装置２０は、燃料供給ライン６に設けられ燃料ガスの密度及び燃料ガスの単位量（単位容積又は単位質量等）当たりの発熱量をそれぞれ計測する密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２と、密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２のそれぞれに電気的に接続された制御装置２３とを備えており、制御装置２３は、密度ρ０及び発熱量ＬＨＶ０の計測値をそれぞれ、密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２から電気信号として入力するようになっている。密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２の構成は特に限定するものではなく、密度及び発熱量を計測できるものであればどのような構成のものを使用してもよい。また、密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２はそれぞれ別体の装置であってもよいし、密度及び発熱量の両方を計測できる１つの装置であってもよい。後者の構成の一例として、例えば、防爆型熱量計を使用することができる。
【0015】
ガスタービン１には、組成分析装置２０によって分析された燃料ガスの組成に基づいてガスタービン１の運転を制御する原動機制御装置３０を設けることができる。原動機制御装置３０は組成分析装置２０を備えている。以下で説明する実施形態では、ガスタービン１の運転の制御として、パイロットノズル１６（図２参照）及びメインノズル１７（図２参照）のそれぞれに供給される燃料ガスの比率である燃料比率を調節することを例に説明するが、必ずしもこの形態に限定するものではない。例えば、ガスタービン１の運転の制御として、不活性ガスによる燃焼不良を解消するため、複数の燃焼バーナを切り替え制御することにより、燃空比が高くなるように調整することもできる。この実施形態では、燃料供給ライン６において密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２よりも下流側に、燃料比率を調節するための燃料比率制御部３１（例えば、パイロットノズル１６及びメインノズル１７のそれぞれに供給される燃料ガスの流量を制御する制御弁）が原動機制御装置３０の構成要件の１つとして設けられている。尚、この実施形態では、燃料比率制御部３１は例えば、制御弁として制御装置２３の外部に設けられるが、燃料ガスの比率の調整はプログラム制御とすることも可能であるため、この場合には例えば、燃料比率をプログラムにより制御するように構成された燃料比率制御部３１を制御装置２３の内部に設けることもできる。この場合、燃料比率制御部３１は制御装置２３内に設けられるので、原動機制御装置３０の構成機器の数を減らすことができる。
【0016】
図３に示されるように、組成分析装置２０の構成要件としての制御装置２３は、密度計測装置２１によって計測された密度及び発熱量計測装置２２によって計測された発熱量を用いて燃料ガスの組成を演算する組成演算部２４を備えている。また、組成分析装置２０を備えた原動機制御装置３０がガスタービン１に設けられる場合、制御装置２３は、燃料比率を補正するための燃料制御指令を算出し燃料比率制御部３１へ出力する燃料制御部２５を備えている。
【0017】
また、制御装置２３の外部には、燃料ガス中の不活性ガスの濃度に応じた燃料比率とするために、燃料制御部２５から出力される燃料制御指令を受け、パイロットノズル１６及びメインノズル１７への燃料ガスの供給を制御する上述した燃料比率制御部３１が設けられる。ここで、制御装置２３と燃料比率制御部３１とは電気的に接続され、燃料制御指令が電気信号として燃料比率制御部３１へ出力されるようになっている。
【0018】
この実施形態では、制御装置２３の外部に燃料比率制御部３１が設けられる場合を例に説明しているが、燃料比率制御部３１が制御装置２３の内部に設けられる場合、燃料比率制御部３１は燃料制御部２５とは別体として制御装置２３の内部に設けられてもよく、燃料制御部２５内に独立した形で設けられてもよい。また、燃料比率制御部３１は、電子部品としてだけでなくプログラムとして制御装置２３に一体化して設けることもでき、燃料制御部２５と一体化して設けることもできる。尚、燃料比率制御部３１をプログラムとして制御装置２３、又は、燃料制御部２５と一体化して設ける場合には、制御装置２３の構成要素の数を減らすことができ制御装置２３の全体構成の複雑化を防止できる。一方、電子部品として燃料比率制御部３１を独立して設ける場合には、一つのプログラムとして一体化して設ける場合に比べて、同時に複数の制御部が故障することを防止できるとともに、故障した場合や制御内容の更新時に各部品を独立して修理し、又は、更新作業を行うことができるため、作業性を向上させることができる。
【0019】
＜本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置の動作＞
次に、本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置の動作（燃料ガスの組成分析方法）について説明する。図１に示されるように、燃焼器４へ供給される燃料ガスが燃料供給ライン６を流通する際に、密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２のそれぞれによって、燃料ガスの密度ρ０及び燃料ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ０がそれぞれ計測される。計測された密度ρ０及び発熱量ＬＨＶ０に関するデータは、図３に示されるように、制御装置２３の組成演算部２４に伝送される。以下に、計測された密度ρ０及び発熱量ＬＨＶ０を用いて組成演算部２４が燃料ガスの組成（燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃ）を演算する動作を詳細に説明する。
次に、本開示の一実施形態に係る燃料ガスの組成分析装置の動作（燃料ガスの組成分析方法）について説明する。図１に示されるように、燃焼器４へ供給される燃料ガスが燃料供給ライン６を流通する際に、密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２のそれぞれによって、燃料ガスの密度ρ０及び燃料ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ０がそれぞれ計測される。計測された密度ρ０及び発熱量ＬＨＶ０に関するデータは、図３に示されるように、制御装置２３の組成演算部２４に伝送される。以下に、計測された密度ρ０及び発熱量ＬＨＶ０を用いて組成演算部２４が燃料ガスの組成（燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃ）を演算する動作を詳細に説明する。
【0020】
組成演算部２４が燃料ガスの組成を演算するためには、密度ρ０及び発熱量ＬＨＶ０の他に、燃料ガスに含まれる可燃性ガスの密度ρ１及びこの可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１と、燃料ガスに含まれる不活性ガスの密度ρ２とが必要である。可燃性ガスは、主成分であるメタンの他に、エタンやプロパン等が含まれ、その組成の違いにより密度ρ１が異なる。また、可燃性ガスの組成が変われば発熱量ＬＨＶ１も当然に変化する。そこで、可燃性ガスについて密度ρ１と発熱量ＬＨＶ１との関係を実験や計算等によって予め決定しておき、組成演算部２４に記憶させておく。また、不活性ガスの密度ρ２についても不活性ガスの成分により変化するが、その成分は通常は既知であるため、その成分に基づく密度ρ２を組成演算部２４に記憶させておく。尚、ガスの密度はガスの温度や圧力によって変化するが、ガスタービン１の運転中に大きな変化がなく一定であると仮定できる場合には、温度や圧力の影響は無視できる。一方、ガスタービン１の運転中における温度や圧力の変化が無視できない場合には、可燃性ガスについての密度ρ１と発熱量ＬＨＶ１との関係に温度及び圧力による影響も含めるようにし、不活性ガスの密度ρ２については温度及び圧力に関する関数とすればよい。以下では、ガスの温度や圧力に大きな変化がない条件で説明する。
【0021】
燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃの単位をモル分率とすると、燃料ガスの密度の計測値ρ０と、燃料ガスに含まれる可燃性ガスの密度ρ１と、燃料ガスに含まれる不活性ガスの密度ρ２との関係は、以下の式（１）で表される。
ρ２Ｃ＋ρ１（１－Ｃ）＝ρ０ ・・・（１）
ρ２Ｃ＋ρ１（１－Ｃ）＝ρ０ ・・・（１）
【0022】
また、不活性ガスは燃焼しないことから発熱量はゼロであるため、燃料ガスの発熱量の計測値ＬＨＶ０と、可燃性ガスの発熱量ＬＨＶ１との関係は、以下の式（２）で表される。
０・Ｃ＋ＬＨＶ１（１－Ｃ）＝ＬＨＶ０ ・・・（２）
式（２）から下記式（３）が得られる。
Ｃ＝１－ＬＨＶ０／ＬＨＶ１ ・・・（３）
０・Ｃ＋ＬＨＶ１（１－Ｃ）＝ＬＨＶ０ ・・・（２）
式（２）から下記式（３）が得られる。
Ｃ＝１－ＬＨＶ０／ＬＨＶ１ ・・・（３）
【0023】
式（３）を式（１）へ代入すると、以下の式（４）が得られる。
【数1】
【0024】
ここで、組成演算部２４に記憶された可燃性ガスについての密度ρ１と発熱量ＬＨＶ１との関係を、以下の式（５）のように直線回帰した関数とする。
ＬＨＶ１＝αρ１＋β ・・・（５）
式（５）において、α及びβはいずれも定数である。
ＬＨＶ１＝αρ１＋β ・・・（５）
式（５）において、α及びβはいずれも定数である。
【0025】
式（４）及び式（５）からＬＨＶ０／ＬＨＶ１を求め、式（３）に代入して整理すると、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃを求める下記式（６）が得られる。
【数2】
【0026】
組成演算部２４は、密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２のそれぞれによって計測された密度ρ０及び発熱量ＬＨＶ０と、組成演算部２４に記憶された不活性ガスの密度ρ２と、式（５）で表される関数とから、式（６）に基づいて、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃを算出する、すなわち、燃料ガスの組成を演算する。
【0027】
このように、迅速な計測が可能な燃料ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ０及び燃料ガスの密度ρ０を計測し、それらの計測値を用いて燃料ガスの組成を分析するので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を迅速に分析することができる。
【0028】
図４に示されるように、密度をｘ軸とし発熱量をｙ軸としたｘｙ平面上において、式（５）で表される関数は、実線で描かれた直線Ｌである。不活性ガスは燃焼しないことから発熱量はゼロであるため、不活性ガスのρ２はｘ軸上の点Ａにある。一方、燃焼ガスに含まれる可燃性ガスの密度ρ１及び発熱量ＬＨＶ１は、直線Ｌ上の点Ｂで表される。点Ａと点Ｂとを結ぶ一点鎖線で描かれた直線ｌ１と、ｘ軸上にある燃料ガスの密度の計測値を表す点Ｄを通りｙ軸に平行な一点鎖線で描かれた直線ｌ２との交点をＥとすると、交点Ｅのｙ座標が発熱量ＬＨＶ０を表す。このｘｙ平面上において、単位をモル分率とする燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃは、点Ａ，Ｂ間の長さに対する点Ｂ，Ｅ間の長さの比に相当する。
【0029】
燃料ガス中の不活性ガスの濃度が数％程度以下といったように低い場合には、式（６）よりも簡単な式で近似的に濃度Ｃを算出することができる。燃料ガス中の不活性ガスの濃度が低い場合には、図５に示されるように、密度計測装置２１によって計測された密度ρ０に対応する直線Ｌ上の点をＦとすると、点Ｂと点Ｆとが非常に近くなる。このため、点Ｆに対応する発熱量をＬＨＶ１’とすると、この発熱量ＬＨＶ１’は、点Ｂに対応する発熱量ＬＨＶ１に近似的に等しくなる。
【0030】
ここで、
ＬＨＶ１’＝αρ０＋β ・・・（７）
だから、式（３）においてＬＨＶ１の代わりに、上記式（７）のＬＨＶ１’を用いると、式（３）は下記式（８）となる。
ＬＨＶ１’＝αρ０＋β ・・・（７）
だから、式（３）においてＬＨＶ１の代わりに、上記式（７）のＬＨＶ１’を用いると、式（３）は下記式（８）となる。
【数3】
【0031】
尚、このような場合には、可燃性ガスについての密度ρ１と発熱量ＬＨＶ１との関係は、式（５）のように直線回帰した関数に限定するものではなく、任意の関数ＬＨＶ１＝ｆ（ρ１）とすることができる。そうすると、式（７）は、
ＬＨＶ１’＝ｆ（ρ０） ・・・（７’）
となるので、式（８）は下記式（９）となる。
ＬＨＶ１’＝ｆ（ρ０） ・・・（７’）
となるので、式（８）は下記式（９）となる。
【数4】
【0032】
このように、燃料ガス中の不活性ガスの濃度が低い場合には、比較的簡単な上記式（８）又は（９）により、濃度Ｃを近似的に算出することができるので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を簡易的に分析することができる。
【0033】
＜本開示の一実施形態に係る原動機制御装置の動作＞
次に、本開示の一実施形態に係る原動機制御装置の動作（原動機制御方法）について説明する。図３に示されるように、燃料制御部２５は、組成演算部２４から燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃ及び燃料ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ０のデータを受け取り、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃに応じた、パイロットノズル１６（図２参照）及びメインノズル１７（図２参照）のそれぞれに供給される燃料ガスの比率である燃料比率を算出する。
次に、本開示の一実施形態に係る原動機制御装置の動作（原動機制御方法）について説明する。図３に示されるように、燃料制御部２５は、組成演算部２４から燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃ及び燃料ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ０のデータを受け取り、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃに応じた、パイロットノズル１６（図２参照）及びメインノズル１７（図２参照）のそれぞれに供給される燃料ガスの比率である燃料比率を算出する。
【0034】
濃度Ｃ及び発熱量ＬＨＶ０から燃料制御部２５が燃料比率を算出するための制御フローの一例を図６に示す。通常の動作でガスタービン１の出力に応じた基準の燃料比率Ｆ０が決定されるが、燃料制御部２５は、濃度Ｃ及び発熱量ＬＨＶ０のそれぞれに基づく燃料比率のゲインＧ１及びＧ２を決定し、基準の燃料比率Ｆ０に加算することで、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃに応じた燃料比率Ｆ１を算出する。
【0035】
図３に示されるように、燃料制御部２５は、算出した燃料比率となるように燃料比率制御部３１を制御するための燃料制御指令を算出し、燃料比率制御部３１へ出力する。これにより、燃料比率制御部３１が制御されて、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃに応じた燃料比率でパイロットノズル１６及びメインノズル１７のそれぞれに供給されるので、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃが変化しても燃料ガスを安定燃焼させることができる。
【0036】
尚、本開示の一実施形態においては、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃを算出するために、密度計測装置２１及び発熱量計測装置２２のそれぞれによる密度ρ０及び発熱量ＬＨＶ０の計測値を制御装置２３の組成演算部２４にて連続的に取得し、これに応じて、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃを適宜データ化するようにしているが、制御装置２３において、所定周期を予め設定した上で、所定周期ごとの一連の処理を行い、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃをデータ化するように予めプログラムしてもよい。
【0037】
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
【0038】
［１］一の態様に係る燃料ガスの組成分析装置は、
不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析装置（２０）であって、
前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測する発熱量計測装置（２２）と、
前記燃料ガスの密度を計測する密度計測装置（２１）と、
前記発熱量計測装置（２２）によって計測された前記発熱量及び前記密度計測装置（２１）によって計測された前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算する組成演算部（２４）を含む制御装置（２３）と
を備える。
不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析装置（２０）であって、
前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測する発熱量計測装置（２２）と、
前記燃料ガスの密度を計測する密度計測装置（２１）と、
前記発熱量計測装置（２２）によって計測された前記発熱量及び前記密度計測装置（２１）によって計測された前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算する組成演算部（２４）を含む制御装置（２３）と
を備える。
【0039】
本開示の燃料ガスの組成分析装置によれば、迅速な計測が可能な燃料ガスの単位量当たりの発熱量及び燃料ガスの密度を計測し、それらの計測値を用いて燃料ガスの組成を分析するので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を迅速に分析することができる。
【0040】
［２］別の態様に係る燃料ガスの組成分析装置は、［１］の燃料ガスの組成分析装置であって、
前記可燃性ガスの密度ρ１に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１との関係を表す関数を前記制御装置（２３）に予め規定しておき、
前記組成演算部（２４）は、前記発熱量計測装置（２２）によって計測された前記発熱量と、前記密度計測装置（２１）によって計測された前記密度と、前記関数とを用いて前記燃料ガスの組成を演算する。
前記可燃性ガスの密度ρ１に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１との関係を表す関数を前記制御装置（２３）に予め規定しておき、
前記組成演算部（２４）は、前記発熱量計測装置（２２）によって計測された前記発熱量と、前記密度計測装置（２１）によって計測された前記密度と、前記関数とを用いて前記燃料ガスの組成を演算する。
【0041】
このような構成によれば、迅速な計測が可能な燃料ガスの単位量当たりの発熱量及び燃料ガスの密度を計測し、それらの計測値を用いて燃料ガスの組成を分析するので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を迅速に分析することができ、さらに、可燃性ガスの密度に対する可燃性ガスの単位量当たりの発熱量との関係を表す関数を予め規定しておくことで、燃料ガス中の不活性ガスの濃度が時々刻々と変化する場合であっても、迅速に把握することが可能となる。
【0042】
［３］さらに別の態様に係る燃料ガスの組成分析装置は、［２］の燃料ガスの組成分析装置であって、
前記発熱量計測装置（２２）によって計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
前記密度計測装置（２１）によって計測された前記密度をρ０とし、
前記不活性ガスの密度をρ２とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数を、定数α及びβを用いてＬＨＶ１＝αρ１＋βとすると、
前記組成演算部（２４）は、下記式
に基づいて前記燃料中の前記不活性ガスの濃度Ｃを前記燃料ガスの組成として演算する。
前記発熱量計測装置（２２）によって計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
前記密度計測装置（２１）によって計測された前記密度をρ０とし、
前記不活性ガスの密度をρ２とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数を、定数α及びβを用いてＬＨＶ１＝αρ１＋βとすると、
前記組成演算部（２４）は、下記式
【数5】
【0043】
このような構成によれば、計測された燃料ガスの単位量当たりの発熱量及び燃料ガスの密度を用いて、上記式から不活性ガスの濃度Ｃを燃料ガスの組成として分析するので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を正確に分析することができる。
【0044】
［４］さらに別の態様に係る燃料ガスの組成分析装置は、［２］の燃料ガスの組成分析装置であって、
前記発熱量計測装置（２２）によって計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
前記密度計測装置（２１）によって計測された前記密度をρ０とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数をＬＨＶ１＝ｆ（ρ１）とすると、
前記組成演算部（２４）は、前記関数の変数ρ１にρ０を代入したｆ（ρ０）を用いた下記式
に基づいて前記燃料中の前記不活性ガスの濃度Ｃを前記燃料ガスの組成として演算する。
前記発熱量計測装置（２２）によって計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
前記密度計測装置（２１）によって計測された前記密度をρ０とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数をＬＨＶ１＝ｆ（ρ１）とすると、
前記組成演算部（２４）は、前記関数の変数ρ１にρ０を代入したｆ（ρ０）を用いた下記式
【数6】
【0045】
このような構成によれば、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃが数％以下のように低い場合には、比較的簡単な上記式により濃度Ｃを近似的に算出することができるので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を簡易的に分析することができる。
【0046】
［５］さらに別の態様に係る燃料ガスの組成分析装置は、［４］の燃料ガスの組成分析装置であって、
前記関数を、定数α及びβを用いてｆ（ρ１）＝αρ１＋βとすると、
前記組成演算部（２４）は、前記関数の変数ρ１にρ０を代入した（αρ０＋β）を用いた下記式
に基づいて前記燃料中の前記不活性ガスの濃度Ｃを前記燃料ガスの組成として演算する。
前記関数を、定数α及びβを用いてｆ（ρ１）＝αρ１＋βとすると、
前記組成演算部（２４）は、前記関数の変数ρ１にρ０を代入した（αρ０＋β）を用いた下記式
【数7】
【0047】
このような構成によれば、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃが数％以下のように低い場合には、上記［４］の構成の式よりもさらに簡単な式により濃度Ｃを近似的に算出することができるので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成をさらに簡易的に分析することができる。
【0048】
［６］一の態様に係る原動機制御装置は、
前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器（４）を備えた原動機（ガスタービン１）を制御する原動機制御装置（３０）であって、
［１］～［５］のいずれかの組成分析装置（２０）と、
前記燃焼器（４）が備える互いに異なる第１ノズル（パイロットノズル１６）及び第２ノズル（メインノズル１７）それぞれに供給される前記燃料ガスの比率である燃料比率を調節するための燃料比率制御部（３１）と
を備え、
前記制御装置（２３）は燃料制御部（２５）をさらに備え、
前記燃料制御部（２５）は、前記組成分析装置（２０）によって得られた前記燃料ガスの組成に基づいて、前記燃料ガスの比率である燃料比率を補正するための燃料制御指令を算出し前記燃料比率制御部（３１）に出力する。
前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器（４）を備えた原動機（ガスタービン１）を制御する原動機制御装置（３０）であって、
［１］～［５］のいずれかの組成分析装置（２０）と、
前記燃焼器（４）が備える互いに異なる第１ノズル（パイロットノズル１６）及び第２ノズル（メインノズル１７）それぞれに供給される前記燃料ガスの比率である燃料比率を調節するための燃料比率制御部（３１）と
を備え、
前記制御装置（２３）は燃料制御部（２５）をさらに備え、
前記燃料制御部（２５）は、前記組成分析装置（２０）によって得られた前記燃料ガスの組成に基づいて、前記燃料ガスの比率である燃料比率を補正するための燃料制御指令を算出し前記燃料比率制御部（３１）に出力する。
【0049】
本開示の原動機制御装置によれば、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成の迅速な分析結果に基づいて、燃焼器が備える互いに異なる第１ノズル及び第２ノズルそれぞれに供給される燃料ガスの比率である燃料比率を制御することにより、燃焼器における適切な燃焼特性を維持することができる。
【0050】
［７］一の態様に係る原動機制御装置は、［６］の原動機制御装置であって、
前記燃料比率制御部（３１）は、前記制御装置（２３）の内部に設けられるとともに前記燃料制御指令を受けて前記燃料比率をプログラムにより制御するように構成されている。
前記燃料比率制御部（３１）は、前記制御装置（２３）の内部に設けられるとともに前記燃料制御指令を受けて前記燃料比率をプログラムにより制御するように構成されている。
【0051】
このような構成によれば、燃料比率制御部は制御装置内に設けられるので、原動機制御装置の構成機器の数を減らすことができる。
【0052】
［８］一の態様に係る燃料ガスの組成分析方法は、
不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析方法であって、
前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測するステップと、
前記燃料ガスの密度を計測するステップと、
計測された前記発熱量及び前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算するステップと
を含む。
不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成分析方法であって、
前記燃料ガスの単位量当たりの発熱量を計測するステップと、
前記燃料ガスの密度を計測するステップと、
計測された前記発熱量及び前記密度を用いて前記燃料ガスの組成を演算するステップと
を含む。
【0053】
本開示の燃料ガスの組成分析方法によれば、迅速な計測が可能な燃料ガスの単位量当たりの発熱量及び燃料ガスの密度を計測し、それらの計測値を用いて燃料ガスの組成を分析するので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を迅速に分析することができる。
【0054】
［９］別の態様に係る燃料ガスの組成分析方法は、［８］の燃料ガスの組成分析方法であって、
前記可燃性ガスの密度ρ１に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１との関係を表す関数を予め規定しておき、
計測された前記発熱量及び前記密度と、前記関数とを用いて前記燃料ガスの組成を演算する。
前記可燃性ガスの密度ρ１に対する前記可燃性ガスの単位量当たりの発熱量ＬＨＶ１との関係を表す関数を予め規定しておき、
計測された前記発熱量及び前記密度と、前記関数とを用いて前記燃料ガスの組成を演算する。
【0055】
このような方法によれば、迅速な計測が可能な燃料ガスの単位量当たりの発熱量及び燃料ガスの密度を計測し、それらの計測値を用いて燃料ガスの組成を分析するので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を迅速に分析することができる。
【0056】
［１０］さらに別の態様に係る燃料ガスの組成分析方法は、［９］の燃料ガスの組成分析方法であって、
計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
計測された前記密度をρ０とし、
前記不活性ガスの密度をρ２とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数を、定数α及びβを用いてＬＨＶ１＝αρ１＋βとすると、
下記式
に基づいて前記燃料中の前記不活性ガスの濃度Ｃを前記燃料ガスの組成として演算する。
計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
計測された前記密度をρ０とし、
前記不活性ガスの密度をρ２とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数を、定数α及びβを用いてＬＨＶ１＝αρ１＋βとすると、
下記式
【数8】
【0057】
このような方法によれば、計測された燃料ガスの単位量当たりの発熱量及び燃料ガスの密度を用いて上記式から、不活性ガスの濃度Ｃを燃料ガスの組成として分析するので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を正確に分析することができる。
【0058】
［１１］さらに別の態様に係る燃料ガスの組成分析方法は、［９］の燃料ガスの組成分析方法であって、
計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
計測された前記密度をρ０とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数をＬＨＶ１＝ｆ（ρ１）とすると、
前記関数の変数ρ１にρ０を代入したｆ（ρ０）を用いた下記式
に基づいて前記燃料中の前記不活性ガスの濃度Ｃを前記燃料ガスの組成として演算する。
計測された前記発熱量をＬＨＶ０とし、
計測された前記密度をρ０とし、
前記燃料ガス中の前記不活性ガスの濃度をＣとし、
前記関数をＬＨＶ１＝ｆ（ρ１）とすると、
前記関数の変数ρ１にρ０を代入したｆ（ρ０）を用いた下記式
【数9】
【0059】
このような方法によれば、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃが数％以下のように低い場合には、比較的簡単な上記式により、濃度Ｃを近似的に算出することができるので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成を簡易的に分析することができる。
【0060】
［１２］さらに別の態様に係る燃料ガスの組成分析方法は、［１１］の燃料ガスの組成分析方法であって、
前記関数を、定数α及びβを用いてｆ（ρ１）＝αρ１＋βとすると、
前記関数の変数ρ１にρ０を代入した（αρ０＋β）を用いた下記式
に基づいて前記燃料中の前記不活性ガスの濃度Ｃを前記燃料ガスの組成として演算する。
前記関数を、定数α及びβを用いてｆ（ρ１）＝αρ１＋βとすると、
前記関数の変数ρ１にρ０を代入した（αρ０＋β）を用いた下記式
【数10】
【0061】
このような方法によれば、燃料ガス中の不活性ガスの濃度Ｃが数％以下のように低い場合には、上記［１１］の方法の式よりもさらに簡単な式により、濃度Ｃを近似的に算出することができるので、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成をさらに簡易的に分析することができる。
【0062】
［１３］一の態様に係る原動機制御方法は、
前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器（４）を備えた原動機（ガスタービン１）を制御する原動機制御方法であって、
［８］～［１２］のいずれかの組成分析方法を備え、
前記組成分析方法によって得られた前記燃料ガスの組成に基づいて、前記燃焼器（４）が備える互いに異なる第１ノズル（パイロットノズル１６）及び第２ノズル（メインノズル１７）それぞれに供給される前記燃料ガスの比率である燃料比率を補正するための燃料制御指令を算出し出力する。
前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器（４）を備えた原動機（ガスタービン１）を制御する原動機制御方法であって、
［８］～［１２］のいずれかの組成分析方法を備え、
前記組成分析方法によって得られた前記燃料ガスの組成に基づいて、前記燃焼器（４）が備える互いに異なる第１ノズル（パイロットノズル１６）及び第２ノズル（メインノズル１７）それぞれに供給される前記燃料ガスの比率である燃料比率を補正するための燃料制御指令を算出し出力する。
【0063】
本開示の原動機制御方法によれば、不活性ガス及び可燃性ガスを含む燃料ガスの組成の迅速な分析結果に基づいて、燃焼器が備える互いに異なる第１ノズル及び第２ノズルそれぞれに供給される燃料ガスの比率である燃料比率を制御することにより、燃焼器における適切な燃焼特性を維持することができる。
【符号の説明】
【0064】
１ ガスタービン（原動機）
４ 燃焼器
１６ パイロットノズル（第１ノズル）
１７ メインノズル（第２ノズル）
２０ 組成分析装置
２１ 密度計測装置
２２ 発熱量計測装置
２３ 制御装置
２４ 組成演算部
２５ 燃料制御部
３０ 原動機制御装置
３１ 燃料比率制御部
４ 燃焼器
１６ パイロットノズル（第１ノズル）
１７ メインノズル（第２ノズル）
２０ 組成分析装置
２１ 密度計測装置
２２ 発熱量計測装置
２３ 制御装置
２４ 組成演算部
２５ 燃料制御部
３０ 原動機制御装置
３１ 燃料比率制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】