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Bulletin of the JSME

Transactions of the JSME (in Japanese)日本機械学会論文集

[DOI: 10.1299/transjsme.2014tep0379] © 2014 The Japan Society of Mechanical Engineers

Vol.80, No.820, 2014

1. 緒言

石炭火力発電は,燃料である石炭の埋蔵量が他の化石燃料に比べて豊富であり価格が安定していることか

ら,アジアを中心とした電力需要の増加にともない今後も増設が見込まれている.しかし,石炭は石油や天然

ガスに比べて単位発熱量あたりの二酸化炭素(CO2)排出量が多いため,発電用の燃料として使用する際には

CO2排出量の削減が求められる.そこで，従来の石炭火力発電と比較して高効率かつ CO2排出量の低い石炭ガ

ス化複合発電（IGCC ：Integrated coal Gasification Combined Cycle）の開発が進められている(Karg, 2009).

一方, 風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーの利用増加にともない，風速の変化や日射量の変化に

よる発電量の変動が電力系統の安定性を低下させるとの懸念がある.そのため火力発電プラントには，電力系統

を安定化するための高速起動・高速負荷変化等の運用が求められる.火力発電プラントの一形態である IGCC につ

石炭ガス化複合発電プラント向け高速負荷変化技術の開発

吉田泰浩*1, 矢敷達朗*1, 木曽文彦*2, 福原広嗣*3, 安富寿徳*4

Operation methods of rapid load changes for integrated coal gasification

combined cycle power plants

Yasuhiro YOSHIDA*1, Tatsurou YASHIKI*1, Fumihiko KISO*2, Hirotsugu FUKUHARA*3 and Toshinori YASUTOMI*4

*1*2Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. 7-2-1 Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki 319-1292, Japan *3Power Systems Project Management Division, MITSUBISHI HITACHI POWER SYSTEMS, Ltd.

*4Electric Power Development CO., Ltd., 1 Yanagasaki-machi, Wakamatsu-ku, Kitakyushu-shi, Fukuoka 808-0111, Japan

Received 4 February 2014

Abstract The IGCC (integrated gasification combined cycle) is emerging as one of the most advanced and effective systems for

electric energy generation. The IGCC consists of pressure vessels such as a gasifier, syngas cooler and gas cleanup unit with

the large time constants, so dynamic response of the power plant is delayed. On the other hand, the fluctuating power

generation of renewable energies creates the need for flexible operations (e.g. fast start-up and rapid load change) of thermal

power plants including IGCC power plants. This paper describes: (1) two new control methods for IGCC power plants that

are combined as the proposed control method to reduce the gasifier pressure rise when rapid load changes are required; and

(2) a plant-wide dynamic simulation to consider the operability and controllability of the plants. Simulation results showed

the gasifier pressure rise rate was reduced from 7.4% to 3.6% due to the new proposed control method, recycle gas flow rate

and steam flow rate control, with load change from 100% to 65% at 20%/min. In the case of 15%/min load change, the

gasifier pressure rise rate was 2.8% and less than the maximum permissible value of 3.0%.

Key words: IGCC, Dynamic simulation, Load change, Gasifier pressure

No.14-00064 [DOI: 10.1299/transjsme.2014tep0379] *1 正員，（株）日立製作所研究開発本部日立研究所（〒319-1292 茨城県日立市大みか町 7-1-1） *2 （株）日立製作所研究開発本部日立研究所 *3 三菱日立パワーシステムズ（株）エンジニアリング本部電力プロジェクト総括部（〒茨城県日立市幸町 3-1-1） *４電源開発（株）技術開発センター若松研究所（〒808-0111 福岡県北九州市若松区柳崎町 1 番） E-mail of corresponding author: [email protected]

1

3-1-1 Saiwai-cho, Hitachi-shi, Ibaraki 317-0073, Japan

317-0073

Yoshida, Yashiki, Kiso, Fukuhara and Yasutomi, Transactions of the JSME (in Japanese), Vol.80, No.820 (2014)

© 2014 The Japan Society of Mechanical Engineers[DOI: 10.1299/transjsme.2014tep0379]

いても，系統安定化に対応した運用要求の高まりが将来的に予測され，効率だけでなく運用性向上に対応した技

術開発を進める必要がある．特に負荷変化においては，現状の微粉炭火力の負荷変化率が1～3%/min程度であり，

これ以上の速さでの運用を可能にする高速負荷変化技術の開発が求められる．

IGCC の高速負荷変化に適した制御として,ガスタービン（GT：Gas Turbine）に供給する燃料流量により発電出

力を制御し,ガス化炉に供給する石炭量でガス化炉の圧力(ガス圧力)を制御する GT リード方式が提案されてい

る(五嶋他, 1990).しかし,この制御方式は負荷変化時におけるガス圧力の変動が課題であり，特に高速負荷変化時

には変動が顕著となる．圧力容器であるガス化炉及び下流の装置を安全に運用するためには，系統内部のガス圧

力が制限値を超過しないよう制御する必要がある.

高速負荷変化などの制御に伴うプラント挙動の把握に有効な手段として，プラントシミュレータによる特性解

析が挙げられる．特に IGCC は,天然ガスを燃料とするコンバインドサイクル発電プラントと比較して構成機器が

多く,運用が複雑であるため,シミュレータによる事前検討が有効である.IGCC のシミュレータに関する研究と

しては，静特性モデルによるプラント熱効率の計算(Emun, et al., 2010)や，IGCC と CO2回収・貯留システムを含

めた動特性モデルによる負荷変化時の水性ガスシフト反応の特性評価(Bhattacharyya, et al., 2009)，動特性モデルの

運転訓練シミュレータへ適用(Zitney and Erbes, 2006)などが挙げられる.また，負荷変化におけるプラント挙動の解

析に関する研究としては，負荷追従性や圧力挙動，制御特性の評価(五嶋他, 1990)や，HRSG のドラム水位やガス

化炉のスラグの厚みを評価した報告がある(Casella and Colonna, 2012)．しかし，これらの負荷変化解析は，いずれ

も 1970 年代に確立された制御方式によるプラント特性評価のみであり，運用性向上に向けた新たな制御方式の

提案が必要である．

本研究では,IGCC向け高速負荷変化技術の開発を目的に,GTリード方式の課題である負荷変化におけるガス圧

力の上昇を抑制可能な制御方式を提案し,プラントシミュレータを用いて制御特性を評価した.

2. 主な記号

(記号)

A：断面積(m2) C：比熱(kJ/kg/K)

G：質量流量(kg/s) h：エンタルピ(kJ/kg)

k：比熱比(-) L：出力(kW)

N：抽気数またはリーク数 P：圧力(MPa)

Q：熱量(kW) R：ガス定数(J/kg・K)

T：温度(K) V：容積(m3)

η：効率(%) λ：摩擦係数(-)

ρ：密度(kg/m3)

（添え字）

gt：ガスタービン leak：蒸気タービンリーク点

in：入口側 out：出口側

st：蒸気タービン

3. IGCCシステムの概要

3・1 プラント構成

IGCC は，石炭のガス化方式やガス精製方式に応じて様々なプラント型式が開発されている．本研究で対象と

するプラント仕様を表 1 に示す．ガス化炉は，筆者らが開発を進める一室二段型の噴流床炉とする．ガス化炉へ

の石炭供給方法は気流搬送によるドライフィード方式，石炭の酸化剤は酸素とする．また，ガス精製方式は湿式

化学吸収法を採用する．出力は 300MW クラスを想定している．

プラントの全体構成を図１に示す．プラントは，空気分離設備（ASU: Air Separation Unit），石炭前処理設備，

ガス化炉，シンガスクーラ（SGC: Syngas Cooler），ガス精製設備，GT，排熱回収ボイラ（HRSG: Heat Recovery Steam

2



Generator），蒸気タービン（ST: Steam Turbine）から成る．ASU では，空気から石炭のガス化剤である酸素及び窒

素を製造する．一方，石炭前処理設備では石炭をミルで粉砕して微粉炭とし，石炭ホッパへ送り込む．この微粉

炭を ASU で製造した窒素を用いてガス化炉に搬送する．ガス化炉では，微粉炭と酸素とのガス化反応により，

一酸化炭素および水素を主成分とするガスを生成する．ガス化炉の下流には，生成ガスの冷却を目的に SGC を

設置し，生成ガスから熱を回収する．熱回収により低温となった生成ガスはガス精製設備の脱塵設備にてガス内

の未燃分・灰分を除去し，さらに COS 転化器や吸収塔にてハロゲン及び硫黄分（COS， H2S 等）を除去するこ

とにより精製ガスとする．なお，精製ガスの一部を吸収塔出口にて抽気し，ガス化炉や SGC に戻して設備内部

に付着した石炭すすの除去に使用する．残りの精製ガスは燃料配管を経由して GT に供給する．GT 出口の排ガス

は HRSG にて熱回収され，HRSG 及び SGC にて得られた主蒸気により ST を駆動する．

Table1 Specifications of the IGCC

Item Specifications

Gasifier Two-stage, Entrained Flow

Gasifier Temperature 1300℃

Gasifier Pressure 3.5MPa

Coal Feed Dry Feed

Fuel Ratio(Fixed carbon / Volatile matter) 0.99

Coal Particle Size 59－65μm

Oxidizer O2

Gas Clean-up Process Chemical Solvent(MDEA)

Power 300MW

Coal Feed Rate 1900t/d

Fig.1 Outline of an IGCC process and simulation model (dot line)

Gas Turbine

Gas Cleanup Unit

HeatExchabger

SyngasCooler

Condenser

Coal Feeding System

N2

Pulverized Coal

Fuel Gas

SRVGCV

Compressor

Combustor

Turbine

Steam

Air ASU

Coal

Mill

Coal Hopper

Abs

orbe

r

HRSG Feed Water

Burners

Char Recovery Unit

GT Exhaust Gas

O2

Treated Gas

Recycle Gas

COSHydrolysis

（COS→H2S）

Syngas CoolerFeed Water

Gasifier

Heat Exchanger

Compressor

中圧Steam Turbine～～

Simulation Model

3



3・2 高速負荷変化における課題

IGCC のプラント制御では，制御対象である発電出力やガス圧力を，ガス化炉への石炭供給量や GT の燃料流量

で制御する組み合わせ応じた 3 方式が提案されている．なかでも発電出力の指令値への追従性

が高く，高速負荷変化に適した制御として GT リード方式がある．GT リード方式の概要を図 2 に示す．本方式は，

プラント負荷を GT の燃料流量で調整し，ガス圧力を石炭供給量で調整する．GT は応答が早いため，プラント負

荷をほとんど遅れなく制御可能である．

一方，本方式はガス圧力の変動抑制が課題となる．たとえば， EAGLE プロジェクト(Iritani and Miki, 2000)で

は，負荷変化において±0.8%以下のガス化炉圧力変動がみられる．図 3 に，プラント負荷を 100%から 80%まで

5%/min で変化させた実機データを示す．約 1500s におけるプラント負荷変化開始に伴い，ガス化炉圧力が 0.7%

上昇している．圧力変動をもたらす要因として，以下の 2 点がある．

(1)プラントが負荷変化する際，発電出力指令の変化に伴い GT の燃料流量が変化し，GT 入口のガス圧力が変動

する．この圧力変動が上流へ伝播し，ガス化炉圧力の変動をもたらす．ガス化炉の圧力は石炭供給量によって制

御するが，ガス化炉・ガス精製設備等の圧力容器を有する IGCC では圧力変動の伝播に時間遅れを伴う．そのた

め，GT の負荷変化に対して石炭供給量の変化が遅れ，ガス化炉圧力の変動要因となる．

(2)ガス化炉に供給する石炭は，石炭ホッパとガス化炉の差圧により気流搬送している．石炭ホッパは圧力容器

であり，圧力変化には時間遅れを伴う．そのため，石炭供給量の変化率は GT の最大負荷変化率と比較して小さ

く，GT が石炭供給量変化率の上限を超えて負荷変化する際には石炭供給量の追従が遅れ，ガス化炉圧力の変動

要因となる．特にプラントを負荷降下させる場合には，GT への燃料流量が減少するにもかわらず過剰な石炭

Fig.2 Block diagram of IGCC control for electric power and gas pressure

Fig.3 Load change characteristics of gasifier pressure

Electric Power

△GT

Control

Fuel Flow Demand

Electric PowerDemand+

-GasifierPressure

△Gasifier Control

Coal Demand

Gasifier Operating Pressure+

-

P

Gas TurbineGasifier

Coal

Electric Power controlGasifire Pressure control

Syngas

～

Gas Cleanup Unit

70

80

90

100

110

120

130

98.0

99.0

100.0

101.0

102.0

0 1000 2000 3000 4000 5000

Times(s)

Gas

ifie

r Pre

ssur

e(%

)

Ele

ctri

c P

ower

(%)

Gasifier Pressure

Electric Power

Load Change

Mesurment valueRated value

4

(Ahner, et al., 1970)



が供給され続けるため，ガス化炉圧力は一時的に上昇する．ガス化炉及び下流の装置を安全に運用するためには，

このガス化炉の圧力が制限値を超過しないよう制御する必要がある.この圧力制限値の上昇と製造コストの低減

はトレードオフ関係にある．本研究ではこのトレードオフ関係を考慮し，通常の負荷運用における圧力上昇幅を

3%以内に抑えることを目標とした．

4. 協調制御による高速負荷変化

以上に述べた負荷変化とガス化炉圧力変動の関係から，本研究では，負荷降下時のガス化炉圧力上昇を低減す

るための協調制御方式を提案する．本制御方式の特徴は，これまで負荷制御に用いていないリサイクルガス流量

と主蒸気流量を制御し，石炭供給量変化の遅れを補う点にある．先の図 1 に示したようにガス化炉には，石炭と，

石炭の酸化剤である酸素と，ガス化炉内壁のすすを除去するリサイクルガスが流入し，ガス化した石炭が生成ガ

スとして流出する．このとき，石炭は既にガス化炉の圧力制御に使用しており，酸素は石炭との比によって供給

量が決定する．また，生成ガスは GT にてプラントの負荷制御に用いている．これに対し，リサイクルガスはこ

れまで制御に用いられておらず，ガス化炉の圧力上昇の低減に有効と考える．一方，プラント負荷は GT 負荷と

ST 負荷の合計であることから，ST に供給する主蒸気流量を制御することで ST 負荷を変化させ，プラント負荷

制御における GT 負荷ないしは生成ガス流量を間接的に調整することもできる．以上のアイディアから，負荷変

化時にリサイクルガス流量制御と主蒸気流量制御を組み合わせ，各部の圧力や流量を協調して制御することでガ

ス化炉圧力上昇の低減を試みる．

4・1 リサイクルガス流量制御

提案するリサイクルガス流量制御のブロック図を図 4 に示す．本制御では，GT の燃料ガス流量に基づきガス

化炉-GT 入口間の差圧の指令値を算出し，実差圧との差が 0 となるようリサイクルガス流量を制御する．また，

燃料ガス流量の変化量に応じた先行指令をリサイクルガス流量指令値に加算するフィードフォワード制御を採用

する．これにより，GT 入口圧力の変動を抑制し，ガス化炉圧力の上昇を抑えることが可能となる．

負荷降下では，プラント負荷降下指令にともない GT へ供給する燃料ガスを急速に絞るため，まず GT 入口圧

力が上昇する．圧力上昇が燃料ガス系統に沿って上流方向に伝播し，最終的にガス化炉圧力の上昇がもたらされ

る．そこで，負荷降下時にリサイクルガス量を増加させることで GT 入口からガスを抜き，GT 入口圧力の上昇を

抑制する．リサイクルガス流量一定の場合と比較してガス化炉- GT 入口間の差圧が上昇し，ガス化炉から流出す

る生成ガス流量が増大するため，ガス化炉圧力の上昇幅を低減することができる．

なお，リサイクルガス流量による制御の対象として，上記に述べたガス化炉-GT 入口間の差圧ではなく，ガス

化炉圧力や GT 入口圧力を用いることも考えられる．この場合も，リサイクルガス流調弁の急閉・急開により，

ガス化炉もしくは GT 入口の圧力を過渡的に数秒間変化させることは可能である．しかし，リサイクルガス流量

を制御してもガス系統内のガス総量は変化しないため，負荷変化によって生じる数十秒スケールの圧力変動を制

御は難しい．一方，ガス化炉-GT 入口間の差圧は燃料ガス流量によって定まる．そのため，差圧を制御対象とす

ることで，リサイクルガス流量を安定的に制御できる．

4・2 主蒸気流量制御

提案する主蒸気流量制御のブロック図を図 5 に示す．本制御では，プラント負荷指令値に基づき ST 負荷指令

値を算出し，ST 実負荷との差が 0 になるよう主蒸気加減弁で主蒸気流量を調整する．これにより，ST 負荷追従

速度が向上し，ガス化炉圧力の上昇を抑えることが可能となる．

負荷降下時では，HRSG 内の伝熱の遅れのため ST 負荷はプラント負荷指令に対して遅れる特性となる．この

ST 負荷の遅れを補償するため，従来のコンバインドサイクルプラントの制御では，プラント負荷指令を上回る高

い変化率で GT 負荷を降下し，かつ目標負荷に対してアンダーシュートさせる運用とする．その結果，燃料ガス

流量は短時間に高い変化率で減少することとなり，GT入口圧力が上昇しガス化炉圧力を上昇させる方向に働く．

これに対し提案方式では，主蒸気流量を制御し ST の負荷追従性能を向上することで GT 負荷のアンダーシュー

ト幅を低減し，ガス化炉圧力の上昇を抑える．ここで，主蒸気加減弁を絞ると絞り損失により効率の低下を招く

5



Fig.4 Block diagram of proposed recycle gas control Fig.5 Block diagram of proposed main steam control

ため，プラント定格運用時では主蒸気加減弁が全開であることが望ましい．そのため定格運転時では，主蒸気加

減弁が全開になるよう実負荷にバイアスを載せた値を指令値に設定する．

5. プラントシミュレータ

本研究では，提案する制御方式の効果をプラント運転前に事前に評価するため，プラント負荷指令に対するガ

スや蒸気の状態量変化を模擬可能なプラント動特性シミュレータを開発した．開発したシミュレータは，石炭ホ

ッパ・ガス化炉・SGC・ガス精製設備の圧力容器や，SGC・HRSG 内の熱交換器などの構成機器ごとにモデルを

分割し，各部分における流体の圧力・流量・温度を計算する構成とした．シミュレータの模擬範囲を再び図 1 に

示す．圧力は各領域の物質収支より式(1)から計算できる．流量は各領域間の圧力差からダルシー・ワイズバッハ

の式に基づき式(2)から計算した．温度については，ガス・メタル・蒸気間の熱収支から式(3)に基づき計算した．

dt

dT

T

PGG

V

P

dt

dPinout

(1)

outinin PPAG 2・ (2)

VC

QQ

dt

dT outin

・・

(3)

GT モデルでは，GT の構成要素である圧縮機・燃焼器・タービンの要素モデルを開発し，要素モデル毎に圧力・

流量・温度・エンタルピを求める．出力は，式(4)に示す断熱膨張の式より計算した．ST モデルでは，ST の構成

要素である高圧タービン・中圧タービン・低圧タービンの要素モデルを開発し，要素モデル毎に出力を求める．

出力は，排気損失・リーク蒸気を考慮し，式(5)に示す熱収支より計算した．

loss

k

k

gt LGP

PRT

k

kL

1

1

211

(4)

leakN

ii,leaki,leakoutoutininst hGhGhGL ・・・ (5)

Steam

+-

Electric PowerDemand

Steam TurbinePower Demand

PI△

Steam Turbine

Steam TurbinePower

Recycle GasControl△

△

Pressure DropDemand

PI

Σ FeedforwardCompensator

P1

Gas Cleanup Unit

Gas TurbineGasifier

P2

G

Syngas

Recycle Gas

～

～

Fuel FlowRate

GT InletPressure

+

-

-f(x)

6



Fig.6 Comparison results of simulated and measured gasifier pressure

シミュレータの妥当性を評価するため，EAGLE プロジェクトにおいて計算結果を実機運転実績と比較検証し

た．例として，ガス化炉の圧力上昇が最も顕著である GT 緊急停止(トリップ)時の計算結果および実機運転実績を

図 6 に示す．ここで，ガス化炉はトリップさせることなく運転を継続し，GT トリップ後はガス化炉にて得られ

た石炭ガスを燃焼炉にて全量焼却している．図より，計算結果と実機運転実績の時間平均誤差は±1.0%以内であ

り，特にガス化炉圧力上昇幅の差は 0.3%と実機を再現した．このことから，開発したシミュレータを実プラント

の制御性改善や機能確認の事前検証に適用可能であると判断した．

6. シミュレーションによる検証結果

まず，本研究にて提案したリサイクルガス流量制御をシミュレータに組み込み，プラント負荷を降下させた場

合のプラント特性および制御の効果を確認した．シミュレーション結果を図 7 に示す．図の最上段は，シミュレ

ーション入力条件のプラント負荷指令であり，100%から 65%まで負荷を変化させた．負荷変化率は，提案制御に

よる効果やプラント特性を明確にするため，通常の IGCC と比較して高速な 20%/min とした．石炭供給率の変化

率は，機器運用の制約により上限を 5%/min とした．図では，各プロセス量の定格値を 100%として正規化し，従

来制御の結果を点線，リサイクルガス流量制御を適用した結果を実線で示した．

負荷降下に伴い GT への燃料流量を絞るため，GT 入口圧力が上昇しガス化炉-GT 入口間の差圧が減少し，この

差圧を元に戻すようリサイクルガスを制御することにより流量が増加した．これにより，GT 入口からガスが抜

かれ，GT 入口の圧力上昇が 1.5%低減した．一方，ガス化炉圧力では，リサイクルガス流量が増加したことによ

り，負荷降下直後の 1000s 付近において従来制御と比較して圧力が増加したが，GT 入口圧力の最大値が減少した

ことで，ガス化炉圧力の上昇率は従来の 7.4%から 6.4%となり，1.0%低減した．

次に，本研究にて提案した主蒸気流量制御をシミュレータに組み込み，プラント負荷を 100%から 65%まで

20%/min で変化させたシミュレーション結果を図 8 に示す．主蒸気流量は従来では約 1000s かけて降下していた

が，提案制御では約 100s で降下させている．ST の負荷追従性能の向上により， ST 負荷の遅れを GT 負荷で補

償する必要がなくなることから，GT 負荷変化率およびアンダーシュート幅が低減する．この結果，ガス化炉か

ら GT へ供給される燃料流量の変化が緩和され，ガス化炉圧力上昇率は従来の 7.4%から 4.1%と，3.3%低減した．

従来の GT リード方式の制御に，提案したリサイクルガス流量制御および主蒸気流量制御を組み合わせた負荷

降下解析を実施した．各制御条件におけるガス化炉の圧力上昇率を表 2に，ガス化炉圧力特性を図 9に示す．CaseA

の従来制御にCaseB でリサイクルガス流量制御を追加したことで圧力上昇率が 7.9%から 6.4%に 1.5%低減された

効果と比較して，CaseC の主蒸気流量制御に CaseD でリサイクルガス流量制御を加えたことによる効果は 4.1%か

ら 3.6%と差は 0.5%であり，効果が減少した．これは，リサイクルガス流量制御と主蒸気流量制御において，ガ

ス化炉圧力の低減に先行して GT 入口圧力が共通して変化するため双方の制御が互いに影響を与え，本計算で用

いた制御設定値では主蒸気流量が優先的に制御されたためである．このことからリサイクルガス流量と主蒸気流

96

98

100

102

104

106

0 500 1000 1500 2000

Times(s)

Gas

ifie

r Pre

ssur

e(%

) Simulated PressureMesured Pressure

Gas Turbine Trip

7



量を協調制御することで，リサイクルガス流量制御により上昇するリサイクルガス系統の圧力と，主蒸気流量制

御により上昇する蒸気系統の圧力のバランスを調整することが可能である．

図 9 において，全ての制御を組み合わせることで圧力上昇率は従来の 7.4%から 3.6%となり，3.8%低減した．

しかし，プラント異常時以外の通常の負荷運用では，ガス化炉耐圧仕様の制約から，圧力の上昇幅を 3%以内に

抑えることが望ましい．そこで，本研究で提案したサイクルガス流量制御および主蒸気流量制御を適用し，プラ

ント負荷変化率をパラメータとして，ガス化炉圧力上昇に与える影響をシミュレータにより評価した．結果を図

10 に示す．ここで，負荷変化率は過去に報告のある 3%/min(Ishibashi, 2009)から表 2 で解析の対象とした 20%/min

の範囲で変化させた．また，負荷変化幅は定格負荷の 100%から最低負荷に仮定した 65%までの 35%とした．プ

ラント負荷変化率を大きくするほど，ガス化炉下流でガス流量が絞られる速度が増加するため，ガス化炉圧力の

上昇幅が増加する．図 10 の結果から，プラント負荷変化率 15%/min ではガス化炉の圧力上昇率は 2.8%であり，

負荷運用時の許容値である 3.0%以下となった．これにより，IGCC 運用で最も安全上のリスクとなるガス化炉圧

力について，プラント負荷変化率 15%/min で運用できる結果が得られている．ガス化炉以外の他機器において，

このような高速負荷変化が許容可能であるか今後の検討課題である．

Fig.7 Simulation results of recycle gas control Fig.8 Simulation results of main steam control

50

60

70

80

90

100

110

50

60

70

80

90

100

110

90

100

110

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150

90

100

110

120

130

95

100

105

110

0 1000 2000 3000 4000

60

70

80

90

100

110

95

100

105

110

0 1000 2000 3000 4000

Times(s)Times(s)

Gas

ifie

rPre

ssur

e(%

)

Gas

ifie

rPre

ssur

e(%

)

20

40

60

80

100

120

GT

Inle

t Pre

ssur

e(%

)

GT

Pow

er(%

)S

team

Flo

w R

ate(

%)

Rec

ycle

Gas

Flo

w R

ate(

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Proposed ControlTraditional Control

Load ChangeLoad Change

Ele

ctri

c P

ower

Dem

and(

%)

Ele

ctri

c P

ower

Dem

and(

%)






8



95

100

105

110

0 1000 2000 3000 4000

Times(s)

Gas

ifie

rPre

ssur

e(%

)

AB

DC

Table 2 Simulation results of gasifier pressure

Fig.9 Simulation results of gasifier pressure by proposed control

Fig.10 Gasifier pressure rise ratio of effect on load change rate

7. 結言

石炭ガス化複合発電(IGCC)向け高速負荷変化技術の開発を目的に, プラントの過渡特性を評価可能な動特性シ

ミュレータを開発及び負荷変化におけるガス圧力の上昇を抑制可能な制御方式を提案し，以下の結論を得た．

（1）石炭供給はドライフィード方式，ガス化炉は噴流床炉，ガス精製は湿式化学吸収法である IGCC を対象に，

プラント動特性シミュレータを開発した．計算結果と実機データのガス化炉圧力上昇幅の差は 0.3%であり，開発

したプラントシミュレータを実プラントの制御性改善や機能確認の事前検証に適用可能とした．

（2）プラント負荷を 100%から 65%まで 20%/min で高速に負荷変化した場合において，提案したリサイクルガ

ス流量制御を適用した結果，ガスタービン入口の圧力上昇が低減され，従来のガスタービンリード方式と比較し

てガス化炉圧力の上昇を 7.4%から 6.4%に 1.0%低減し，主蒸気流量制御を適用した結果，蒸気タービンの負荷追

従性能が向上し，ガス化炉圧力の上昇を 3.3%低減した．さらに，リサイクルガス流量制御と主蒸気流量制御を組

み合わせることで，ガス化炉圧力上昇を従来から 3.8%低減する効果を得た．

（3）プラント負荷変化率を 3%/min から 20%/min の範囲で変化させたシミュレーションを実施し，プラント負

荷変化率 15%/min ではガス化炉の圧力上昇率は 2.8%となり，負荷運用時の許容値である 3.0%以下となった．こ

れにより，IGCC 運用で最も安全上のリスクとなるガス化炉圧力について，プラント負荷変化率 15%/min で運用

できる結果が得られた．ガス化炉以外の他機器において，このような高速負荷変化が許容可能であるか今後の検

討課題である．

文献

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Load Change Rate of the Power Plant (%/min)

Gas

ifie

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Rat

io(%

)

Case

Control Methods

Pressure

Rise RatioTraditional

Control

Proposed Control

Recycle Gas

Control

Main Steam

Control

A ✓ ‐ ‐ 7.9%

B ✓ ✓ ‐ 6.4%

C ✓ ‐ ✓ 4.1%

D ✓ ✓ ✓ 3.6%

9

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Documents

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