(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排熱回収ボイラの過熱器出口の蒸気温度を過熱器減温器にスプレー水を注入することにより制御するようにした一軸型コンバインドサイクルプラントの蒸気温度制御方法において、
プラント起動時には、排熱回収ボイラ入口ガス温度と起動時用の過熱蒸気温度設定値との偏差によってスプレー水流量調節弁を制御する一方、
プラントの起動後は、排熱回収ボイラ入口ガス温度と通常時用の過熱蒸気温度設定値との偏差によってスプレー水流量調節弁を制御するとともに、
排熱回収ボイラ入口ガス温度が定格ガス設定温度まで低下した時には、過熱器出口蒸気温度と通常時の過熱蒸気温度設定値との偏差による制御にそれぞれ切り換えること
を特徴とするコンバインドサイクルプラントの蒸気温度制御方法。
【請求項２】
排熱回収ボイラの過熱器出口の蒸気温度を過熱器減温器にスプレー水を注入することにより制御するようにした一軸型コンバインドサイクルプラントの蒸気温度制御装置において、
ガスタービンの起動時における過熱蒸気の温度設定値を出力する起動時の過熱蒸気温度設定器と、
通常時における過熱蒸気の温度設定値を出力する通常時の過熱蒸気温度設定器と、
両過熱蒸気温度設定器のいずれか一方を選択する切換器と、
排熱回収ボイラ入口ガス温度計と、
上記切換器で選択された温度設定値及び排熱回収ボイラ入口ガス温度計で検出されたガス温度を比較し、その偏差信号をスプレー水流量調節弁に制御信号として出力する偏差器と、
過熱器出口蒸気温度と前記切換器で選択された過熱蒸気温度設定値との偏差信号を出力する第２の偏差器と、
排熱回収ボイラ入口ガス温度が設定温度に低下したときに、両偏差器からの出力信号を切換え、第２の偏差器からの出力信号を制御信号として出力する制御信号切換器とを有する
ことを特徴とするコンバインドサイクルプラントの蒸気温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン、排熱回収ボイラ及び蒸気タービンから構成されるコンバインドサイクルプラントの蒸気温度制御方法及び制御装置に係り、特に過熱器、再熱器出口の蒸気温度の制御方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年発電設備の高効率化が要求されるとともに、環境対策の面でも優れているガスタービン・蒸気タービンコンバインドサイクルプラントが多く建設されるようになってきている。
【０００３】
上記ガスタービン・蒸気タービンコンバインドサイクルプラントは、ガスタービンの出力と蒸気タービンの出力によって発電機を駆動するようにしたものであって、ガスタービンの排ガスを排熱回収ボイラに導入し、そこで発生した蒸気を蒸気タービンに駆動用蒸気として導入するようにしてある。
【０００４】
図５は、上記コンバインドサイクルプラントの概略構成を示す図であり、入口案内翼１を経て空気圧縮機２に吸入され加圧された空気が燃焼器３に導入され、そこで燃料調節弁４を介して供給された燃料と混合・燃焼され１３００℃程度の高温高圧のガスが発生される。この高温高圧のガスはガスタービン５に流入し、そのガスタービン５を駆動し出力を発生し、このガスタービン５に後述する蒸気タービンとともに直結された発電機６を駆動し電力が発生される。
【０００５】
上記ガスタービン５の排ガスは排ガスダクト７によって排熱回収ボイラ８に導入され、上記排熱回収ボイラ８内に設けられている二次過熱器９、二次再熱器１０、一次再熱器１１、一次過熱器１２及び蒸発器１３を通り、さらに図示しない節炭器を経て約１００℃のガスとなって煙突から大気中に排出される。
【０００６】
排熱回収ボイラ８では、上記ガスタービン５から導入された高温の大量の排ガスの熱によって蒸気が発生され、この蒸気が前記ガスタービン５と同軸的に連結されている蒸気タービン１４に供給される。すなわち、上記蒸発器１３で発生した蒸気がドラム１５で気水分離された後、一次過熱器１２で過熱され、この一次過熱器１２を出た蒸気は過熱器減温器１６でスプレー水と混合され二次過熱器出口蒸気温度が設定温度となるように減温調節された後、二次過熱器９を通り主蒸気管１７を経て高圧タービン１４ａに供給される。
【０００７】
高圧タービン１４ａで膨張した蒸気は、低温再熱管１８を通り、一次再熱器１１に流入し、そこで再熱された蒸気は再熱器減温器１９でスプレー水と混合し再熱器出口蒸気温度が設定値となるように減温された後、二次再熱器１０に供給され再熱された後、さらに高温再熱管２０を経て中圧タービン１４ｂに供給される。
【０００８】
また主蒸気管１７には、蒸気温度が所定温度以上に上昇するまで、その蒸気を直接復水器２１に流入させるためのタービンバイパス導管２２が接続してあり、そのタービンバイパス導管２２にはタービンバイパス弁２３が設けられている。
【０００９】
一方、主蒸気管１７には主蒸気温度計２４及び主蒸気流量計２５が設けられており、図５に示すように、二次過熱器９の出口温度すなわち主蒸気温度計２４で検出された主蒸気温度と設定温度８０とを偏差器４０に入力し、この偏差器４０から偏差信号が出力される。この偏差信号と主蒸気流量計２５の入力値によって所定の信号が出力される信号発生器３６からの信号が加算器８１に入力されて加算される。この加算信号はＰＩＤ駆動装置３８、増幅器３９を介してスプレー水流量調節弁２６の制御部に入力される。そしてこの制御信号によって過熱器減温器１６に供給するスプレー水流量調節弁２６が制御されるようにしてある。また、図４に示すように高温再熱管２０には再熱蒸気温度計２７が設けられており、この再熱蒸気温度計２７で検出された再熱蒸気温度と設定温度との偏差によって再熱器減温器１９に供給するスプレー水流量調節弁２８が制御されるようにしてある。そして、各減温器に蒸気が流れていないときにスプレー水が注入されてしまうことを防止するため、主蒸気流量計２５で検出される主蒸気流量が或程度の量になったときに、調節弁２６、調節弁２８が制御されるようにしてある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の大容量、高温のガスタービンでは排ガス中に含まれるＮＯｘを低減するため、ガスタービンの排ガスを空気圧縮機の入口に再循環させる方法をとっているものが多い。また、コンバインドサイクルプラントの起動特性を最大限に発揮できるように、起動後ガスタービンの負荷を急速に上昇させる起動方法がとられるようになってきた。このため、図７に示すように、ガスタービンから排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に供給される排ガスの温度上昇率、流量上昇率も非常に大きくなり、二次過熱器の出口蒸気温度が急速に上昇するようになってきた。
【００１１】
また、ＮＯｘの排出を低減する燃焼方式を採用していることから、定格点での運転よりも、負荷が低い起動時の方がガスタービン出口ガス温度つまり排熱回収ボイラの入口ガス温度が高いという排ガス特性をもつようになってきた。そこで、起動時はガス温度が常温から排ガスの最高温度６５０℃まで一気に上昇し、その後負荷上昇によって排ガス温度が低下してくるという運用がされるようになった。
【００１２】
したがって、このような運用がされた場合、排熱回収ボイラへ流入するガス温度の温度変化、流量の増大が大きいことから二次過熱器出口の蒸気温度も一気に上昇し、排熱回収ボイラ入口温度が定格点よりも上ってしまう状況では、図７の実線Ａに示すように、二次過熱器出口蒸気温度も定格点、最高使用温度をオーバーシュートしてしまうという問題がある。
【００１３】
また、起動時にはガス温度が定格点よりも高くなるので、再熱器入口ガス温度もかなりの高温となる。しかも起動時に再熱器には蒸気が流されていないので、蒸気タービンの主蒸気加減弁が開き蒸気が再熱器に流入し、高温の再熱器で加熱される初期には、定格運転点よりもかなり高温の蒸気が中圧タービンに供給されることになる。したがって、互いに隣合った位置にある高圧蒸気の入口と中圧蒸気の入口との間に大きな温度差が発生する可能性があり、蒸気タービンの強度上の問題が発生する等の問題がある。
【００１４】
本発明はこのような点に鑑み、コンバインドサイクルプラントの起動時の過熱器蒸気出口温度のオーバーシュートを防止するようにした蒸気温度制御方法および装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、排熱回収ボイラの過熱器出口の蒸気温度を過熱器減温器にスプレー水を注入することにより制御するようにした一軸型コンバインドサイクルプラントの蒸気温度制御方法において、プラント起動時には、排熱回収ボイラ入口ガス温度と起動時用の過熱蒸気温度設定値との偏差によってスプレー水流量調節弁を制御する一方、プラントの起動後は、排熱回収ボイラ入口ガス温度と通常時用の過熱蒸気温度設定値との偏差によってスプレー水流量調節弁を制御するとともに、排熱回収ボイラ入口ガス温度が定格ガス設定温度まで低下した時には、過熱器出口蒸気温度と通常時の過熱蒸気温度設定値との偏差による制御にそれぞれ切り換えることを特徴とする。
【００１６】
第２の発明は、排熱回収ボイラの過熱器出口の蒸気温度を過熱器減温器にスプレー水を注入することにより制御するようにした一軸型コンバインドサイクルプラントの蒸気温度制御装置において、ガスタービンの起動時における過熱蒸気の温度設定値を出力する起動時の過熱蒸気温度設定器と、通常時における過熱蒸気の温度設定値を出力する通常時の過熱蒸気温度設定器と、両過熱蒸気温度設定器のいずれか一方を選択する切換器と、排熱回収ボイラ入口ガス温度計と、上記切換器で選択された温度設定値及び排熱回収ボイラ入口ガス温度計で検出されたガス温度を比較し、その偏差信号をスプレー水流量調節弁に制御信号として出力する偏差器と、過熱器出口蒸気温度と前記切換器で選択された過熱蒸気温度設定値との偏差信号を出力する第２の偏差器と、排熱回収ボイラ入口ガス温度が設定温度に低下したときに、両偏差器からの出力信号を切換え、第２の偏差器からの出力信号を制御信号として出力する制御信号切換器とを有することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図５に示すようなプラントにおいて、ガスタービン５が起動されると高温の排ガスが排熱回収ボイラ８に流入し、排熱回収ボイラ入口ガス温度が急速に上昇し始める。これによって蒸発器１３で蒸気が発生し始める。そして、ここで発生した蒸気は一次過熱器１２及び二次過熱器９で過熱されるが、この時点では未だ蒸気タービンに通気するには温度が低いため、蒸気温度が一定に上昇するまでの間は主蒸気管１７及びタービンバイパス導管２２を介して蒸気タービン１４をバイパスして蒸気が直接復水器２１に排出される。
【００２１】
その後ガスタービン５が徐々に負荷をとってくると、排熱回収ボイラ入口ガス流量、ガス温度が更に急上昇を続ける。発生蒸気量が一定値に達すると蒸発器１３での蒸発が安定して行われるようになり、各部の弁の開度も安定してくる。そして、排熱回収ボイラ入口ガス温度の上昇によって過熱器出口蒸気温度も上昇し、蒸気タービンに蒸気を通気できる条件が整う。ここで、主蒸気加減弁２９が開き、蒸気タービン１４に蒸気が導入される。
【００２２】
ところで、排熱回収ボイラ８の二次過熱器９の入口側には、排熱回収ボイラ入口ガス温度計３０が設けられており、排熱回収ボイラ８に流入するガス温度が検出されている。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態を示す制御系統図であり、上記排熱回収ボイラ入口ガス温度計３０で検出されたガス温度信号は偏差器３１に入力される。また、、上記排熱回収ボイラ入口ガス温度計３０で検出された排熱回収ボイラ入口ガス温度は切換器３２にも入力され、その入力ガス温度によって起動時の過熱蒸気温度設定器３３ａ及び通常時の過熱蒸気温度設定器３３ｂのいずれかの設定値を選択し上記偏差器３１に入力されるようにしてある。
【００２４】
しかして、ガスタービン起動によってまず上記切換器３２によって起動時の過熱蒸気温度設定器３３ａからの設定値信号が選択され偏差器３１に入力される。この起動時の過熱蒸気温度設定器３３ａの設定値は通常の出口蒸気温度の設定値５４１℃より低い５００℃程度としてあり、偏差器３１ではこの起動時の過熱蒸気温度設定値と排熱回収ボイラ入口ガス温度計３０で検出されたガス温度との偏差が計算され、その偏差信号がＡＮＤ回路３４に出力される。
【００２５】
一方、主蒸気流量が主蒸気流量計２５で計測され、その計測の結果が信号発生器３５に入力される。この信号発生器３５では、上記主蒸気流量計２５で計測された主蒸気流量が一定の流量以上となって蒸発器１３における蒸発が安定したとみなされたとき、例えば定格流量の５０％とか、体積流量が定格点と等しくなったとき等に信号が発信され、これがＡＮＤ回路３４に出力される。
【００２６】
したがって、信号発生器３５からの信号がＡＮＤ回路３４に入力されると、前記偏差器３１からの偏差信号がＡＮＤ回路３４から出力され、これが制御信号切換器３６に入力される。この制御信号切換器３６は、信号発生器３７によって切換えられるようにしてあり、排熱回収ボイラ８の入口ガス温度が前記起動時の過熱蒸気設定温度５００℃程度になると、信号発生器３７によって信号切換器３６が作動され、前記偏差器３１から偏差信号、すなわち起動時のガス温度設定値と排熱回収ボイラ入口ガス温度との偏差信号が制御信号切換器３６から出力し、これがＰＩＤ駆動装置３８及び増幅器３９に入力され、この増幅器３９によってスプレー水流量調節弁２６が駆動され開方向に制御される。
【００２７】
しかして、スプレー水が過熱器減温器１６に流入され、二次過熱器入口蒸気温度が低下され、これによって二次過熱器出口蒸気温度が低下される。
【００２８】
このように、検出遅れが最も少ない排熱回収ボイラ入口ガス温度によってスプレー水流量調節弁２６が制御され、先行的に開かれるので、図７の一点鎖線で示すように、二次過熱器出口温度のオーバーシュートを抑えることができ、また従来の装置におけるよりも二次過熱器出口蒸気温度の上昇を緩和することができる。
【００２９】
ガスタービン５はその後も温度上昇を続けていき、それに従って二次過熱器出口蒸気温度も上昇していく。そこで、排熱回収ボイラ８の入口ガスの温度が上限の６５０℃程度となると、排熱回収ボイラ入口ガス温度計３０の検出信号によって切換器３２が切換えられ、通常時の過熱蒸気温度設定器３３ｂからの設定値例えば５４１℃が偏差器３１に入力される。これによって入口ガス温度との偏差が小さくなるのでスプレー水流量調節弁２６が閉方向に制御され、スプレー水量が少なくなって二次過熱器出口蒸気温度も上昇する。しかし、排熱回収ボイラ入口ガス温度は６５０℃程度なので、過熱器出口蒸気を設定値の５４１℃にするためにかなりのスプレー水が過熱器減温器１６に供給されている。
【００３０】
この後、ガスタービン５の負荷が更に上昇すると、排熱回収ボイラ入口ガス温度が低下し始め、やがて定格の６００℃となる。
【００３１】
ところで、前記制御信号切換器３６には、主蒸気温度計２４で検出された主蒸気温度すなわち二次過熱器出口蒸気温度と切換器３２から出力されている過熱蒸気温度設定値とを比較する第２の偏差器４０からの出力も入力されており、排熱回収ボイラ入口温度が定格温度まで低下すると、信号発生器３７からの切換え信号によって切換器３６が切換えられ、第２の偏差器４０からの制御信号がスプレー水流量調節弁２６側に加えられる。すなわち、排熱回収ボイラ入口ガス温度が定格温度まで低下すると、スプレー水流量調節弁２６の制御が、廃熱回収ボイラ入口ガス温度と過熱蒸気温度設定値との偏差信号による制御から、実際の過熱器出口蒸気温度と設定値との偏差信号による通常の制御に移行し、二次過熱器出口蒸気温度が設定値５４１℃に制御される。
【００３２】
このように、プラントの起動時には排熱回収ボイラ入口ガス温度によってスプレー水流量調節弁２６が制御されるので過熱器出口蒸気温度が設定値或は最高使用温度を越えてオーバーシュートすることを防止でき、プラントのスムーズな起動を行うことができる。また、蒸気温度の上昇率を比較的低く抑えることができ、主蒸気管、蒸気タービンの熱応力を緩和でき、プラント寿命を延ばすことができる。
【００３３】
以上述べた実施の形態によって過熱器蒸気出口温度のオーバーシュートを抑えて温度上昇率を緩和することが可能となるが、過熱器蒸気出口温度と再熱器出口蒸気温度の差が問題となる場合がある。
【００３４】
図２はその対策としての実施の一形態の制御系統図であり、図５に示すように排熱回収ボイラ８の二次再熱器１０の入口側には二次再熱器入口ガス温度計４１が設けられている。
【００３５】
そこで、前述のようにガスタービンが起動された後未だ蒸気タービンに蒸気を通気できない時点には、蒸気はタービンバイパス弁２３を介して復水器２１に排出されているので、二次再熱器１０及び一次再熱器１１には蒸気が全く流れていない。そして、この状態のときにガスタービンの負荷が徐々に上昇すると排ガス温度が上昇し排熱回収ボイラ入口ガス温度が二次過熱器出口蒸気温度の５４１℃を越えて６００℃程度まで上昇する。
【００３６】
しかし、蒸気流量はまだ少なく、二次過熱器９でのガス温度の低下は少なく、この結果図３に示すように、二次再熱器入口の排ガス温度が過熱器出口蒸気温度の設定値の５４１℃を越えてしまうこととなる。そして、このとき再熱器には蒸気が全く流れていないので再熱器の伝熱管のメタル温度はほぼこの二次再熱器入口ガス温度と同一の温度となってしまう。
【００３７】
しかして、この状態で主蒸気加減弁２９が開き、蒸気が高圧タービンを介して二次再熱器１０に流入すると、二次再熱器１０の出口の蒸気温度は一次的にこの時の二次再熱器入口ガス温度と同一の温度となって中圧タービン１４ｂ（再熱タービン）に流入する。ところが、この時主蒸気温度は前述のように５４１℃以下に制御されているので、主蒸気温度と再熱蒸気温度の間には４０〜５０℃程度の差が発生し、蒸気タービンに過大な熱応力が発生する。
【００３８】
そこで、本実施の形態においては、主蒸気温度計２４で検出された主蒸気温度すなわち二次過熱器出口蒸気温度と、二次再熱器入口ガス温度計４１で検出された二次再熱器入口ガス温度が偏差器４２に入力され、その偏差信号がＰＩＤ制御装置４３及び増幅器４４を経てガスタービンの入口案内翼アクチュエーター４５に入力され、そのアクチュエーター４５によって入口案内翼１の開度が制御されるようにしてある。
【００３９】
入口案内翼１は空気圧縮機に流入する空気流量を調節する機能を有する案内翼であり、その入口案内翼を開くとガス流量が増加し、ガスタービン出口の排ガス温度が低下する。また、入口案内翼を閉じるとガス流量が減少して排ガス温度が上昇する特性を示す。
【００４０】
しかして、二次再熱器１０の入口ガス温度が二次過熱器出口蒸気温度よりも高くなると、この偏差信号によって入口案内翼１が開方向に制御される。したがって、ガスタービンの排ガス温度が低下され、二次再熱器入口ガス温度が二次過熱器出口蒸気温度と同一の温度となるように制御される。そこで、主蒸気加減弁２９が開いて蒸気が蒸気タービンに流入し、二次再熱器にも蒸気が流入開始すると、二次再熱器からは二次過熱器出口蒸気とほぼ同一温度の蒸気が流出する。
【００４１】
したがって、主蒸気加減弁の開動作時に主蒸気温度と再熱蒸気温度との温度差が最小にでき、蒸気タービンに発生する熱応力を最小に抑えることが可能となる。
【００４２】
また、上記実施の形態においてはガスタービンの入口案内翼１の開度を制御するものを示したが、図４に示すように、燃料調節弁４を制御して燃料の流量を絞ってガス温度を低下させることによっても同様の効果を奏させることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、コンバインドサイクルプラントの起動時に、過熱器出口蒸気温度が設定温度或は最高使用温度を超えてオーバーシュートすることを確実に防止でき、プラントの起動をスムーズに行うことができる等の効果を奏する。また、蒸気温度の上昇率を比較的低く抑えることも可能となり、主蒸気管、蒸気タービンの熱応力を緩和でき、プラント寿命を延ばすこともできる。
【００４４】
さらに、再熱器入口ガス温度と過熱器出口蒸気温度との差によってガスタービンの入口案内翼或は燃料流量調節弁を制御するようにしたものにおいては、主蒸気加減弁の開時に主蒸気温度と再熱蒸気温度の温度差を最小にすることができ、蒸気タービンに発生する熱応力を最小に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す制御系統図。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す制御系統図。
【図３】排ガス温度と蒸気温度の関係を示す図。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態を示す制御系統図。
【図５】コンバインドサイクルプラントの概略系統図。
【図６】従来のスプレー水流量制御装置の系統図。
【図７】起動時の排ガス温度と蒸気温度、スプレー水量を示す図。
【符号の説明】
１  入口案内翼
２  空気圧縮器
３  燃焼器
４  燃料調節弁
５  ガスタービン
６  発電機
８  排熱回収ボイラ
９  二次過熱器
１０  二次再熱器
１３  蒸発器
１４  蒸気タービン
１６  過熱器減温器
１９  再熱器減温器
２３  タービンバイパス弁
２４  主蒸気温度計
２５  主蒸気流量計
２６  スプレー水流量調節弁
２７  再熱蒸気温度計
２８  スプレー水流量調節弁
３０  排熱回収ボイラ入口ガス温度計
３１  偏差器
３２  切換器
３３ａ  起動時の過熱蒸気温度設定器
３３ｂ  通常時の過熱蒸気温度設定器
３５  信号発生器
３６  制御信号切換器
４０  偏差器
４１  二次再熱器入口ガス温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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