(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの排気をボイラに燃焼用空気として供給するシステムにおいて、前記ボイラのウインドボックスに空気を圧送する燃焼用空気ダクトと押込通風機から取り込んだ空気を該燃焼用空気ダクトに供給する取込空気管路と排ガス管路ガスタービン排気を該燃焼用空気ダクトに供給する排ガス管路を備え、該排ガス管路にガスタービン排気を大気に放出する分岐管路を備えたシステムであって、該分岐管路にガスタービン切り離し運転時に開放し排気再燃運転時に閉止する排気放出ダンパを備え、前記排ガス管路にガスタービン切り離し運転時に閉止し排気再燃運転時に開放する排ガスダンパを備え、該排ガスダンパに該排ガスダンパのガスタービン側における排ガス圧力に基づいて該排ガスダンパの開度を調節する圧力調節系を備え、さらにウインドボックスのガス圧力を検出する圧力計を備えて、ガスタービン切り離し運転モードと排気再燃運転モードを切り替えるときに、前記排ガスダンパの開度を調節して前記ガスタービン排気圧力が前記ウインドボックスガス圧力より高い圧力を保持するようにすることを特徴とするガスタービン排気再燃システム。
【請求項２】
前記燃焼用空気ダクトに前記排ガス管路が合流する点より上流側の取込空気管路に空気ダンパを設けたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン排気再燃システム。
【請求項３】
ガスタービンの排気をボイラに燃焼用空気として供給するシステムにおいて、前記ボイラのウインドボックスに空気を圧送する燃焼用空気ダクトと押込通風機から取り込んだ空気を該燃焼用空気ダクトに供給する取込空気管路と排ガス管路ガスタービン排気を該燃焼用空気ダクトに供給する排ガス管路を備え、該排ガス管路にガスタービン排気を大気に放出する分岐管路を備えたシステムであって、該分岐管路にガスタービン切り離し運転時に開放し排気再燃運転時に閉止する排気放出ダンパを備え、前記排ガス管路にガスタービン切り離し運転時に閉止し排気再燃運転時に開放する排ガスダンパを備え、ガスタービンのトリップ信号受信装置を備え、排気再燃運転中にガスタービントリップ信号を受信したときには、不足する燃焼用空気を補充する押込通風機を運転するとともに前記排ガスダンパを所定の第１開度まで閉止させ、該排ガスダンパが該第１開度に達すると前記排気放出ダンパを所定の第２開度まで開放させ、該排気放出ダンパが該第２開度に達したら前記排ガスダンパを全閉させ、該排ガスダンパが全閉したら前記排気放出ダンパを全開にするようにしたシーケンス制御を行うことを特徴とするガスタービン排気再燃システム。
【請求項４】
さらにガスタービン回転数検知器を備え、前記排ガスダンパが前記第１開度に達すると前記排気放出ダンパを所定の第２開度まで開放させる代わりに、ガスタービン回転数が所定の値に低下すると前記排気放出ダンパを所定の第２開度まで開放させるようにしたことを特徴とする請求項３記載のガスタービン排気再燃システム。
【請求項５】
前記排気放出ダンパを所定の第２開度まで開放させるときに、前記排ガスダンパの開度を保持させて前記排気放出ダンパに所定時間だけ全開にする指令信号を発した後に前記第２開度になるような指令信号を発生することを特徴とする請求項３または４記載のガスタービン排気再燃システム。
【請求項６】
さらに、外気からシール空気を取り込むシールファンを備え、前記排ガスダンパもしくは前記空気ダンパにそれぞれ副ダンパを設け、前記排ガスダンパもしくは前記空気ダンパとそれぞれの副ダンパとの間に前記シール空気をシールダンパを介して供給する配管を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のガスタービン排気再燃システム。
【請求項７】
前記押込通風機の出口空気流量を測定する押込通風機送風流量計と前記ウインドボックスの入口空気流量を測定する燃焼用空気流量計を備え、運転切替時に刻々に変化するガスタービン排気量を算出して、これを補う酸素量を押込通風機により供給できるようにしたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のガスタービン排気再燃システム。
【請求項８】
前記押込通風機に放風ダンパを備えた放風管路を設けて、押込通風機を立ち上げるときに放風ダンパを開放して送風量を確保し、送風機が立ち上げ途中でサージングを起こさないようにしたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のガスタービン排気再燃システム。
【請求項９】
前記ガスタービンがガスタービン発電システムのガスタービンであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のガスタービン排気再燃システム。
【請求項１０】
前記ボイラが蒸気タービン発電システムのボイラであることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のガスタービン排気再燃システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ガスタービン排気をボイラの燃焼用空気として活用するガスタービン排気再燃システムに関し、特に、当該再燃システムにおいてボイラ運転とガスタービン排気の再燃運転を切り替える時の運転システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの排気はガス温度が高く多量の酸素を残しているから、この高温排気を汽力発電所におけるボイラの燃焼用空気に使用することは、それだけボイラにおける燃料消費量を低減させる効果がある。このため、ガスタービンによる発電とボイラによる発電を複合したガスタービン排気再燃システムが用いられるようになってきた。また、既存のボイラにガスタービン発電機を付設して、ガスタービン排気再燃システムを組むことも行われている。
【０００３】
図１０は、ガスタービンを追加装備して熱効率の向上を図った排気再燃コンバインドサイクル発電プラントの１例を示すブロック図である。
図１０に示したガスタービン排気再燃システムは、ボイラ１とガスタービン２からなる。押込通風機（ＦＤＦ）３から取り込まれた空気Ａは、燃焼用空気ダクト３２を経由してボイラ本体１１の火炉に設けられたウインドボックス１５に供給される。燃料Ｆは、ウインドボックス１５に設けられたバーナ１６により燃焼して側壁や伝熱管１４内の水・蒸気を加熱する。過熱蒸気が蒸気タービン１７を駆動し、発電機１８で発電する。熱を奪われた燃焼ガスは煙突４から大気に放出される。
【０００４】
一方、ガスタービン２は、燃料Ｆが燃焼器２３に供給され圧縮機２５から供給された空気と混合して燃焼する。ガスタービン部２１は燃焼ガスにより駆動されガスタービン部２１と軸結合された発電機２７により発電する。
ガスタービン２の排気ガスは、排気ダクト３４を通って燃焼用空気ダクト３２を流れる空気と合流し、燃焼用空気としてウインドボックス１５に供給される。
【０００５】
ガスタービン排気再燃システムを立ち上げるときは、ボイラ１とガスタービン２をそれぞれ単独で立ち上げておいて、ボイラ空気供給ライン３２にガスタービン排気を徐々に導入して再燃システムの運転に移行するようにするのが普通である。ボイラ単独運転を行っているところにガスタービンを追加してガスタービン排気再燃システムとするときも、同様にガスタービン排気をボイラ空気供給ラインに徐々に導入することにより円滑に立ち上げるようにする必要がある。
【０００６】
また、ガスタービン排気再燃システムとして稼働している間にガスタービン２が定期検査や故障などにより停止する場合には、小型発電プラントでは一旦ボイラ１を停止させ、その後に押込通風機（ＦＤＦ）３を運転して再起動する方法が採られる。しかし、ガスタービン２がトリップするときにも、ガスタービン排気をＦＤＦ３からの空気と代替してボイラの運転を継続するようにすることが好ましい。バーナ燃焼を継続できるようにした場合には、切り替えに際してボイラ運転の安定を確認しながら燃料を増加していくのが普通であり、入熱減少により蒸発量、蒸気圧力、蒸気温度が低下するため蒸気タービン１７の出力も低下しプロセスに悪影響を及ぼすことが避けられない。
【０００７】
このような発電プラントの立ち上げおよび立ち下げは、ガスタービンの背圧が高くなってバーナが失火しないようにタイミング良くダンパ操作をしたり、ガスバーナ排気の組成変化や供給量変化に応じた空気供給を行うなど、熟練した作業員が必要となる。
【０００８】
特開平７−５４６１０には、ガスタービンがトリップしたときに排ガス管路のダンパを制御して排気再燃モードから大気燃焼モードに自動的に切り替えて、蒸気条件の低下と発電出力の低下を直ちにボイラでバックアップする自動運転方法が提案されている。
開示された方法は、排気放出ダンパを設けた分岐管路を排ガス管路に備え、排ガス管路に設けられたダンパの上流の圧力が下流の圧力より常に高くなるように排気放出ダンパを制御するものである。通常運転中は排ガス管路のダンパは全開、排気放出ダンパは全閉である。制御箱がガスタービンのトリップ信号を受け取ると、直ちに排ガス管路ダンパを閉方向に駆動する。このとき排ガス管路ダンパの上流圧力が下流圧力よりある値だけ高い状態を保持するように排気放出ダンパの開口を制御し、上流圧力と下流圧力の差が既定値に達したときに排ガス管路ダンパを全閉とし、排ガス管路ダンパが全閉になったときに排気放出ダンパを全開とする。
【０００９】
開示方法によれば、ガスタービンがトリップしたときにも排気放出ダンパの開度を調節することにより排ガス管路ダンパの上流側圧力が常に下流側圧力より高い状態を保持するため、ボイラ側から燃焼用空気がガスタービン側に逆流して大気に放出されることを防ぎ、ボイラバーナ失火などのトラブルを防止することができる。
【００１０】
しかし、上記開示方法によっても、ガスタービン排気再燃システムの独立運転と組合せ運転の間のモード切替やボイラトリップ時における操作を自動化することが困難であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ガスタービンとボイラを組み合わせてガスタービン排気をボイラで再燃させるガスタービン排気再燃システムにおいて、ボイラ単独運転とガスタービン排気再燃運転の切り替えを自動的に行えるようにしたガスタービン排気再燃システムを提供することである。また、特にガスタービン発電と蒸気タービン発電を複合した複合発電システムに適したガスタービン排気再燃システムを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、ガスタービンの排気をボイラに燃焼用空気として供給する本発明のガスタービン排気再燃システムは、ボイラウインドボックスに空気を圧送する燃焼用空気ダクトと、押込通風機から取り込んだ空気を燃焼用空気ダクトに供給する取込空気管路と、排ガス管路ガスタービン排気を燃焼用空気ダクトに供給する排ガス管路を備え、排ガス管路にガスタービン排気を大気に放出する分岐管路を備える。さらに、分岐管路にはガスタービン切り離し運転時に開放し排気再燃運転時に閉止する排気放出ダンパを備え、排ガス管路にはガスタービン切り離し運転時に閉止し排気再燃運転時に開放する排ガスダンパを備える。また、排ガスダンパに排ガスダンパのガスタービン側における排ガス圧力に基づいて排ガスダンパの開度を調節する圧力調節系を備え、さらにウインドボックスのガス圧力を検出する圧力計を備えて、ガスタービン切り離し運転モードと排気再燃運転モードを切り替えるときに、排ガスダンパの開度を調節してガスタービン排気圧力がウインドボックスガス圧力より高い圧力を保持するようにカスケード制御することを特徴とする。
【００１３】
本発明のガスタービン排気再燃システムによれば、モード切り替え期間を通じてガスタービンの排ガス圧力がウインドボックスにおける燃焼用空気の圧力より高いため、燃焼用空気がガスタービン側に逆流することがない。また、排ガス圧力を排ガスダンパにより保持するので、排気ガスを大気放出する排気放出ダンパの操作が圧力調整操作の影響を受けず、予め決めた最適な手順によりプラントの立ち上げや立ち下げを行うことができる。
なお、切り替え操作においては、ガスタービンの排ガス圧力がウインドボックスにおけるガス圧力より０．３ｋＰａ程度高く保持すれば十分である。また、排ガスダンパは上記切り替え操作以外では全開または全閉として開度調整は行う必要がない。
【００１４】
なお、燃焼用空気ダクトに前記排ガス管路が合流する点より上流側の取込空気管路に空気ダンパを設けることが好ましい。
排気再燃運転においては、押込通風機を併用して運転することが普通であるが、ガスタービン排気ガスのみでボイラ運転が可能である場合には、エネルギーの節約のため押込通風機の運転を停止することが好ましい。押込通風機の運転を停止するときには上記空気ダンパを閉止して、ウインドボックスに供給される燃焼用空気が押込通風機に逆流しないようにすることが好ましい。
【００１５】
さらに、上記排ガスダンパや空気ダンパは密封を行える形式の弁ではないため、副ダンパを備えた２重構造にして副ダンパとの間にシール空気を供給し、相互の流通を完全に遮断することができるようにすることが好ましい。
排ガスダンパや空気ダンパが閉止すると副ダンパも閉止して排ガスダンパや空気ダンパとの間に空間ができる。シール空気はシールファンにより生成されシールダンパを介して前記空間に供給され、ダンパを挟む気体の流通を遮断する。シールダンパは、排ガスダンパと空気ダンパのそれぞれに対して設置されていて、シールを必要とするときに開かれる。
【００１６】
また、上記課題を解決するため、本発明のガスタービン排気再燃システムは、ガスタービンのトリップ信号受信装置を備え、排気再燃運転中にトリップ信号を受信したときには、燃焼用空気の不足量を補充するため押込通風機を立ち上げるとともに排ガスダンパを所定の開度まで閉止させ、排ガスダンパが所定開度に達すると排気放出ダンパを所定の開度まで開放させ、排気放出ダンパが所定開度に達したら排ガスダンパを全閉させ、排ガスダンパが全閉したら排気放出ダンパを全開にするようにしたシーケンス制御を行うことを特徴とする。
【００１７】
このようなシーケンス制御により、高度な測定装置を使った複雑な制御論理によらずに、外気から取り込む燃焼用空気量を増加するとともに、ガスタービンの能力低下にあわせて排気圧力を確保してボイラ側から燃焼用空気が逆流することを防ぎながら、ボイラ単独運転への切り替えとガスタービンのシャットダウンを行うことができる。
【００１８】
なお、本発明のガスタービン排気再燃システムは、さらにガスタービン回転数検知器を備え、排気再燃運転中にトリップ信号を受信したときには、排ガスダンパに閉止指令信号を与え、ガスタービン回転数が所定の値に低下すると排ガスダンパの開度を保持させて排気放出ダンパに所定時間だけ全開にする指令信号を発した後に所定の開度指令信号を発生し、排気放出ダンパがこの指令開度に達した後に排ガスダンパに全閉指令信号を与え、排ガスダンパが全閉状態になると排気放出ダンパに全開信号を与えるようにしたシーケンス制御を行うようにしてもよい。
【００１９】
このようにガスタービン回転数を指標として利用することにより、ガスタービンのシャットダウン過程と同期した適切な管理を行うことができ、また排気放出ダンパが動き始めるときに特に大きくなる慣性力を補償して比較的高速に開放動作を行わせることにより適切なタイミングでガスタービンのシャットダウンを行うことができる。
【００２０】
なお、押込通風機は回転数制御により流量を調整するが、駆動部が有する慣性力のため立ち上がり特性に遅れが生じるので、起動初期の所定期間は目標値に予め適当量を加算して動作を加速させることが好ましい。たとえば摺動子の位置により回転制御する形式の押込通風機において、立ち上げ時に３０秒間にわたって目標値に対して３０％の加算を行うと、より円滑に送風機が立ち上がることが分かっている。
【００２１】
また、上記課題を解決するため、本発明のガスタービン排気再燃システムは、排気再燃運転中に押込通風機シャットダウン信号を受信したときには、空気ダンパを所定の開度まで閉じさせ、押込通風機を停止してから空気ダンパを全閉にするようにしたシーケンス制御を行うことを特徴とする。
押込通風機は通常、常時運転するが、エネルギ節約を目的にするなどして意図して停止する場合は、直ちに送風機を停止するのではなく、初めに空気ダンパを適当な開度まで閉じて押込通風機の出口空気圧を上昇させ、ガスタービン排気やウインドボックスの燃焼用空気が送風機に逆流しないようにしてから送風機を停止することが好ましい。
【００２２】
また、押込通風機に放風ダンパを備えた放風管路を設けて、押込通風機を立ち上げるときに放風ダンパを開放して送風量を確保し、送風機が立ち上げ途中でサージングを起こさないようにすることが好ましい。なお、空気ダンパの開度と放風ダンパの開度を調整することにより、送風機出口における空気圧力がウインドボックスにおける空気圧力より高くなるようにして、ボイラ側から押込通風機側に空気が逆流しないようにすることができる。
【００２３】
また、上記課題を解決するため、本発明のガスタービン排気再燃システムは、押込通風機の出口空気流量を測定する押込通風機送風流量計とウインドボックス入口の空気流量を測定する燃焼用空気流量計を備え、モード切替時に刻々に変化するガスタービン排気量を算出して、これを補う酸素量を押込通風機により供給できるようにしてもよい。
【００２４】
さらに、上記課題を解決するため、本発明のガスタービン排気再燃システムは、特にガスタービンとして発電用ガスタービンを用いてもよく、またボイラとして蒸気タービン発電機に蒸気を供給するためのボイラを用いてもよい。
上記発明において利用するガスタービンは、残存する酸素濃度が適当な高温排気ガスを発生するものであればよく、対象とするボイラの近隣に設備された発電用ガスタービン、機械駆動用ガスタービン、船舶用ガスタービンなど各種のものが利用できる。
しかし、ガスタービン発電システムにおけるガスタービンは、電力需要により負荷変動が大きいため、ボイラ単独運転とガスタービン排気再燃運転の切り替えを自動的に行えるようにすることが特に望まれる。
【００２５】
また、対象とするボイラは、ガスタービン排ガスからの流入熱量が大きくなればその分の燃料が節約できるので、炉筒煙管ボイラ、貫流ボイラ、水管ボイラなど各種の形式のものであってよい。また、ボイラの目的も熱供給用や発電用などどのようなものであってもよい。
しかし、特に蒸気タービン発電システムにおけるボイラは負荷が変動しやすいので、単独運転とガスタービン組合せ運転を自動的に切り替えるようにできることが望ましい。
【００２６】
なお、ガスタービン発電システムのガスタービンと蒸気タービン発電システムのボイラを組み合わせた複合発電システムでは、電力需要の変動に対する運転配分に従って自動的に運転切り替えをすることが望ましく、またボイラとガスタービンの保守タイミングが異なる場合にも自動的に切替ができることが望ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例のガスタービン排気再燃システムを示すプロセスフロー図、図２は第１実施例におけるガスタービン排ガスダンパの制御機能ブロック図、図３は押込通風機の制御機能ブロック図、図４は第１実施例においてボイラ単独運転から排気再燃運転に切り替えるときのタイムチャート、図５は排気再燃運転からボイラ単独運転に切り替えるときのタイムチャートである。
【００２８】
また、図６は本発明の第２実施例によりガスタービンがトリップしたときのシーケンスを示す流れ図、図７は第２の実施例においてガスタービンがトリップしたときのタイムチャート、図８はボイラがトリップしたときのタイムチャート、図９は押込通風機の起動を容易にするため放風ラインを設けたガスタービン排気再燃システムを示すプロセスフロー図である。
なお、図１０は従来のガスタービン排気再燃システムを示すプロセスフロー図である。
【００２９】
【実施例１】
図１は本実施例のガスタービン排気再燃システムの空気供給系について示したプロセスフロー図である。
本実施例のボイラ燃焼用空気供給系は、ボイラ単独運転とガスタービン排気再燃運転がいずれも可能になるように、押込通風機３０１から取り込んだ空気が流れる取込空気管路３０３とガスタービン２０１の排気が流れる排ガス管路２０４が合流して燃焼用空気ダクト３０５となってボイラ１０１のウインドボックス（風箱）１０６に繋がっている。
【００３０】
取込空気管路３０３が燃焼用空気ダクト３０５に合流する点の下流に空気ダンパ３１１が設けられている。空気ダンパ３１１は開度を調整することができるバタフライ弁で、上流側に副ダンパ３１２を備えている。空気ダンパ３１１が完全閉止する時には、シールファン５０１により取り込まれたシール空気がシールダンパ５１３を介して供給され、空気ダンパ３１１および副ダンパ３１２の上流と下流の間で気体の流通を遮断することができる。
【００３１】
一方、排ガス管路２０４が燃焼用空気ダクト３０５に合流する点の上流に排ガスダンパ２１３が設けられている。排ガスダンパ２１３も開度調整ができるバタフライ弁で下流側に副ダンパ２１４を備えていて、完全閉止する時には、シールファン５０１からシール空気がシールダンパ５１１を介して供給され、排ガスダンパ２１３および副ダンパ２１４の上流と下流の間で気体の流通を遮断する。
【００３２】
また、排ガス管路２０４には開度調整可能な排気放出ダンパ２１１を備えた分岐管路が接続されていて、サイレンサ２０６を介して排ガスを大気に放出できるようになっている。
なお、上記各ダンパにはバタフライ弁など圧損を小さいものを使用するが、副ダンパ２１４，３１２やシールダンパ５１１，５１３など開度調整をする必要がない場合は開閉動作のみが可能で封止性能が比較的高い形式のものを用いることが好ましい。
【００３３】
図２は、排ガスダンパ２１３の制御機能ブロック図である。
排ガスダンパ２１３は、圧力制御器ＰＩＣ１０１に与えられる強制指令により、ボイラでガスタービン排気を燃焼用空気として利用している排気再燃運転モードのときは全開（開度１００％）、またボイラが単独で運転しているボイラ単独モードのときは全閉（開度０％）の状態にする。なお、ボイラがトリップしたときは運転モードがどうであっても強制閉指令を発して開度出力を０％にする。
【００３４】
しかし、単独運転モードと再燃運転モードを切り替えるときには、排ガス管路２０４の圧力を燃焼用空気ダクト３０５の圧力より高く保持して、燃焼用空気がガスタービン２０１に逆流して放出されないようにするため、圧力制御器ＰＩＣ１０１による圧力制御を行う。
このため、圧力制御器ＰＩＣ１０１は、ウインドボックス１０６の圧力を測定する圧力測定器ＰＩ１０２の測定出力にたとえば０．５ｋＰａなど適当な大きさの正のバイアスαを加えた値を設定入力にしたカスケード制御系を組んで、ＰＩＤ制御を行う。
【００３５】
また、ガスタービン２０１がトリップしたり定期保全のためにシャットダウンするときなどには、ガスタービン２０１の回転数が低下するペースに応じた開度調整をしながら押込通風機３０１の風量を増加させて、順調に排気を取込空気に代替させることができるように構成されている。
【００３６】
なお、計器モードは強制閉指令、強制開指令、ガスタービントリップのいずれかが入力されたとき以外は、カスケード制御系を組んで圧力制御を行うようにすればよい。
なお、ガスタービン回転数が定常回転の１／３以下になったときにリミットスイッチを作動させる回路を備えて、排気放出ダンパ２１１の制御に利用するようにしている。
【００３７】
押込通風機３０１は誘導電動機を用いスリップリングの位置により回転数を制御して風量を調節することができるもので、押込通風機３０１と空気取り込み口の間には電動機の回転数と連動して開閉するダンパ３０２が設けられている。
押込通風機３０１の下流には差圧式流量発信器ＦＴ１０３が設けられていて、流量信号が流量制御器ＦＩＣ１０３に送られ、押込通風機３０１にフィードバックして所定の空気取込量を維持することができる。
【００３８】
なお、ウインドボックス１０６近くにピトー管を用いた流量計ＦＩ１０４が設けられて、ウインドボックスに供給される燃焼用空気の量を測定する。
流量計ＦＩ１０４で測定された燃焼用空気量から差圧式流量発信器ＦＴ１０３で測定された空気取込量を差し引いた値はウインドボックス１０６に導入されるガスタービン排気の量であるため、モード切替時などガスタービン排気の取込量が変化するときには、この測定値差により排気供給量を算出することができる。
【００３９】
図３は、押込通風機３０１の制御機能ブロック図である。
押込通風機３０１は取込空気用流量制御器ＦＩＣ１０３で回転数調整器を操作してフィードバック制御により、ボイラ単独運転中は流量発信器ＦＴ１０３で検出される取込空気流量を入力とする定値制御のもとで一定の燃焼用空気をボイラウインドボックス１０６に供給する。なお、押込通風機３０１の取り込み口に設けられたダンパ３０２は同じ制御信号により同期して駆動される。
【００４０】
排気再燃運転中は、燃焼用空気にガスタービン２０１の排気が加わるため、運転状態から空燃比などに基づいて算出される必要酸素量から排気分を差し引いた残りを取込空気で補充すればよい。ガスタービンの排気は含有酸素濃度が１５％程度に減少しているので、濃度補償をして酸素量を算出する必要がある。
ガスタービン２０１の排気量と排気中の酸素濃度は発電電力に対して所定の関係を有するので、あらかじめテーブルを記憶しておき発電量を入力して対応する排気量と酸素濃度を求めて実際に供給された酸素量を求めることができる。
【００４１】
なお、酸素量を空気量に換算しておけば取込空気流量に直接対応するので、排気中の酸素濃度を大気中の酸素濃度２１％で割った値を排気量に掛けることにより取込空気に換算した空気量が求まる。これを流量発信器ＦＴ１０３で測定した取込空気流量に加えたものを取込空気用流量制御器ＦＩＣ１０３の測定変量として入力し、これが燃焼制御器から設定される要求空気量に追従するように流量制御する。
【００４２】
ただし、ガスタービン２０１の発電電力と排気量および含有酸素の対応関係は吸気温度に大きく影響を受ける。そこで、テーブルを幾つかの温度帯に分けて準備し、吸気温度によって選択して使用することが好ましい。
本実施例の制御器では図３に示したように、０℃，５℃，１５℃，３０℃，４０℃の５個の温度に対応する排気発生量と含有酸素濃度のテーブルを準備して、吸気温度を２．５℃以下、１０℃以下、２２．５℃以下、３５℃以下、および３５℃以上に分類して適用するようにしている。
【００４３】
また、運転モードをボイラ単独運転と排気再燃運転との間で切替えている間は、ガスタービン排気は全量がボイラ１０１に供給されるわけではなく、一部はサイレンサ２０６から大気に放出される。そこで、ウインドボックス１０６に供給される燃焼用空気量を流量計ＦＩ１０４により測定し、流量発信器ＦＴ１０３で測定した取込空気流量を差し引いてウインドボックス１０６に供給されたガスタービン排気量を求め、これに酸素濃度補正を施して排気により供給された酸素量を補償する。
したがって、モードの切り替え中においても常に必要な酸素量を供給して、ボイラ蒸発量を確保することができる。
【００４４】
図４は、上記説明した本実施例のガスタービン排気再燃システムにおいて、ボイラ単独運転から排気再燃運転に切り替えるときのタイムチャートである。
タイムチャートは、縦にボイラ１０１における蒸発量、ガスタービンの回転数と出力、排気放出ダンパ２１１の開度、排ガスダンパ２１３の開度、排ガス副ダンパ２１４の開閉、シールダンパ５１１の開閉、空気ダンパ３１１の開度、空気副ダンパ３１２の開度、シールダンパ５１３の開度、シールファン５０１運転停止、バーナレジスタの状態、押込通風機ＦＤＦ３０１の風量のそれぞれについて横に同じ時間軸をとって変化を表現したものである。
【００４５】
ボイラ単独モード中に排気再燃モードへ切り替えるときは、ガスタービン２０１の運転を継続しながら排ガス管路を開放して排ガスが燃焼用空気としてボイラウインドボックス１０６に導入されるようにする。そして排ガス中の酸素が加わる分、取込空気を減量してボイラ運転を安定に維持するようにする必要がある。
なお、ガスタービン排気量が十分である場合は、押込通風機ＦＤＦ３０１を停止することもできる。
【００４６】
単独モード中に再燃モードへの切替指令が発せられると、バーナレジスタをそれまでの５０％開状態から１００％開状態に変え、その後所定の時間が経過した後にシールダンパ５１１を閉じシールファン５０１を停止する。そして排ガス副ダンパ２１４を開け、排ガス圧力制御器ＰＩＣ１０１とウインドボックス圧力発信器ＰＩ１０２でカスケード制御系を組んで、圧力制御器ＰＩＣ１０１の設定入力に圧力発信器ＰＩ１０２の出力に所定のバイアスを加えた値を入力して排ガスダンパ２１３をＰＩＤ制御するようにする。また、同時に、排気放出ダンパ２１１を徐々に閉じて排ガス管路２０４における排気圧力を上昇させる。
【００４７】
排ガスの圧力制御は、ボイラ系からガスタービン側に空気が逆流するのを防ぐことが目的であるため、たとえば０．５ｋＰａ程度のバイアスを与えれば足りる。
しかし、排ガスはサイレンサ２０６を通じて外気に放出されていたため、切替を開始してからしばらくの間は排気ガス管路２０４中の圧力が制御器の設定値より低く、排ガスダンパ２１３は閉状態になっている。
排気放出ダンパ２１１が閉じるにつれて排ガス圧力が上昇するので、やがて排ガス圧力制御が働き始める。排ガス圧力をウインドボックス圧力より僅かに高い状態に保ったまま排ガスダンパ２１３の開度が排気放出ダンパ２１１の開度と反比例して大きくなっていき、やがて全開状態に達する。このとき、排気放出ダンパ２１１は完全閉止状態になっている。
【００４８】
なお、ＦＤＦ３０１は、排ガスダンパ２１３の開度が大きくなって排ガス供給量が増加するのに伴って回転数を下げて取込風量を減少させていき、切替が完全に終了したときには排ガス量を補填するのに十分な回転数に落ち着く。こうしてボイラとガスタービンは共に安定な運転を継続しながら、ボイラ単独運転からガスタービン排気再燃運転に移行することができる。
なお、ボイラを運転するのに十分な排ガス量を確保できる場合はＦＤＦ３０１の運転を停止してエネルギ損失を防ぐことができる。
【００４９】
図５は、本実施例のガスタービン排気再燃システムにおいて、排気再燃運転からボイラ単独運転に切り替えるときのタイムチャートである。
タイムチャートは、図４と同じ構成になっている。
排気再燃モード中にボイラ単独モードへ切り替えるときは、ガスタービン２０１の運転を継続しながら排ガス管路を遮断して、排ガスがなくなる分、取込空気を増量してボイラ運転を維持するようにする必要がある。
【００５０】
再燃モード中に単独モードへの切替指令が発せられると、排気放出ダンパ２１１を開いてガスタービン２０１から排ガスを外気に放出させるようにしてガスタービン２０１自体の独立運転ができるようにする。また、ガスタービン排気が減少するのを補うため、ＦＤＦ３０１の回転数を上げて風量を増加させる。
同時に、排ガス圧力制御器ＰＩＣ１０１とウインドボックス圧力発信器ＰＩ１０２でカスケード制御系を組み、ウインドボックスの圧力に所定のバイアスを加えた値を制御変数として排ガスダンパ２１３をＰＩＤ制御して、ボイラ系からガスタービン側に空気が逆流するのを防ぐ。したがって、たとえば０．５ｋＰａ程度のバイアスを与えれば足りる。
【００５１】
再燃モードでは排ガス管路２０４から燃焼用空気ダクト３０５に排ガスが流れる差圧があったため、切替を開始してからしばらくの間は排気ガス管路２０４中の圧力が制御器の設定値より高く、排ガスダンパ２１３は全開の状態を維持する。しかし、排気放出ダンパ２１１が開くためやがて排ガス圧力が低下してウインドボックス圧力にバイアスを加えた圧力に達するので、排ガスダンパ２１３はその後徐々に閉止方向に駆動され、やがて全閉状態に達する。
【００５２】
排ガスダンパ２１３が全閉状態に達すると、バーナレジスタが１００％開状態から５０％開状態に変化すると共に、排ガス副ダンパ２１４が閉止しシールファン５０１が始動しシールダンパ５１１が開放されて、排ガスダンパ２１３と排ガス副ダンパ２１４の間にシール空気が供給され、排ガスダンパ２１３の上流と下流の間における気体の流通を完全に遮断する。
排ガスダンパ２１３が全閉状態に達するときには、ＦＤＦ風量はボイラ単独運転に必要とされる酸素量を供給するようになっていて、ボイラは単独で運転される。
【００５３】
【実施例２】
本実施例のボイラ燃焼用空気供給系は、排気再燃運転中にガスタービンがトリップしたときに自動的にガスタービン系を切り離してボイラ単独運転に切り替えることができるようにしたものである。
図６は本実施例のガスタービン排気再燃システムにおける制御シーケンスを示した流れ図、図７はガスタービンがトリップしたときの処理を示すタイムチャートである。本実施例のガスタービン排気再燃システムの空気供給系の構成は、図１のプロセスフロー図に示したものと変わらない。
【００５４】
本実施例の制御シーケンスでは、ガスタービントリップ信号を受信すると（Ｓ１１）、たとえばガスタービン回転数を調べるなどして排気再燃運転中であることを確認し（Ｓ１２）、再燃運転中でなければ無視するが、再燃運転中であればガスタービン２０１をボイラ１０１から切り離す必要がある。
再燃運転中にガスタービントリップがあったときは、押込通風機３０１の回転数を上昇させると共に排ガスダンパ２１３を制御モードにして閉止方向に駆動する（Ｓ１３）。
【００５５】
ガスタービン２０１が停止すると外気から取り込む空気で酸素を補填する必要があるので、早期に押込通風機３０１の回転数を上昇させるのである。なお、排気のみで必要酸素量を供給するため押込通風機を停止していたときにはガスタービントリップ信号により通風機３０１の立ち上げ操作を行う。
なお、ガスタービン２０１の回転数が低下するにつれて排ガス量が減少するので、排ガスダンパ２１３については予め設定された折れ線テーブルに従いガスタービン回転数に対応した弁開度調整を行う。
また、ガスタービンがシャットダウンする間も、流量計ＦＩ１０４で測定した燃焼用空気量と差圧式流量発信器ＦＴ１０３で測定された空気取込量の差に基づいてウインドボックスに導入されるガスタービン排気の量を算出して押込通風機３０１を制御するので、ボイラに必要とされる燃焼用空気を確保することができる。
【００５６】
ガスタービンの回転数がたとえば正常運転の１／３など所定の値まで低下したときには（Ｓ１４）、排ガスダンパ２１３の開度がたとえば２５％など所定の値まで閉じたことを確認して（Ｓ１５）、閉じていた排気放出ダンパ２１１をたとえば２０％など所定の開度まで開放する。このとき、排ガスダンパの開度は上記所定の値に保持し、排気放出ダンパ２１１にたとえば１０秒間継続する１００％開度指令出力を発し（Ｓ１６）、続いて２０％等落ち着くべき開度を指令する信号を発する（Ｓ１７）。
このような加速操作信号を用いることにより、ダンパの開き始めに存在する遅れ時間を補償して排気放出ダンパ２１１を早期に目標開度まで導くことができる。
【００５７】
次いで、排気放出ダンパ２１１が所定の開度に達したことを確認して（Ｓ１８）、排ガスダンパ２１３を全閉状態にし（Ｓ１９）、排ガスダンパ２１３が全閉状態になってから（Ｓ１９）排気放出ダンパ２１１を全開にする（Ｓ２０）。
なお、排気ガスダンパ２１３が全閉状態になると排ガス副ダンパ２１４が閉じて、シールファン５０１が運転を開始しシールダンパ５１１が開いてシール空気によるシールが行われる。なお、バーナレジスタは排ガスダンパ２１３が全閉状態になってから、１００％開から５０％開の状態に移行する。
【００５８】
このようなシーケンスに従って制御することにより、排ガスダンパ２１３と排気放出ダンパ２１１の両方を締め切った状態にすることなく、また燃焼用空気の逆流が起こらないようにしながら、円滑に再燃運転状態からボイラ単独運転状態に移行させることができる。
【００５９】
なお、本実施例のガスタービン排気再燃システムは、ボイラ自体がトリップしたときに排気再燃運転中のボイラを安全に停止させるトリップ処理を可能とするため、さらに、ボイラトリップ処理シーケンス制御機能を備えている。
図８はボイラに付属する押込通風機自体が運転中にトリップしたときの処理シーケンス例を示すタイムチャートである。
【００６０】
押込通風機がトリップした場合などには制御装置にボイラトリップ信号が入力される。すると、まず排気放出ダンパ２１１が急速に開放される。排気放出ダンパ２１１が全開してから、排ガスダンパ２１３が閉止されると同時に副ダンパ２１４が開放される。排ガスダンパ２１３が全閉状態になるとシールファン５０１が運転を開始しシールダンパ５１１が開放されて、排ガスダンパ２１３の流通が遮断される。
この間に、ボイラ１０１は蒸発量を低下させてシャットダウンするが、ガスタービン２０１は運転状態を維持してガスタービン側の発電量を確保することができる。
【００６１】
なお、押込通風機は少量の空気を押し込もうとするとサージングを発生するので、押込通風機を排気再燃運転中に起動する必要などに対処するため、本発明のガスタービン排気再燃システムには、押込通風機の出口側に煙突と接続する放風ラインを設けて風量を確保するようにすることが好ましい。
【００６２】
図９は押込通風機３０１に放風ラインを付設したガスタービン排気再燃システムを示すプロセスフロー図である。
図９に示したガスタービン排気再燃システムでは、押込通風機３０１の出口側の取込空気管路３０３と煙突４０１を接続する放風ライン３２１が設けられている。取込空気管路３０３には圧力制御器ＰＣ１０３が設けられ、放風ライン３２１に設けられた放風ダンパ３２２の開度制御を行って押込空気圧力を所定の値に保持する。
押込通風機３０１のサージング域に入る程度の燃焼用空気で済むときにも、放風ダンパ３２２を開いて煙突４０１に至る放風ライン３２１を開通させることにより、押込空気量を増大させてサージングを防止することができる。
【００６３】
また、図９に示したガスタービン排気再燃システムは、圧力制御器ＰＣ１０３で測定する取込空気管路３０３の圧力から圧力測定器ＰＩ１０２で測定する燃焼用空気ダクトの圧力を引いた値が正の所定値になるように空気ダンパ３１１の開度を調整する。したがって、過渡的な状態にある場合にもガスタービン排気が押込通風機の方に逆流することがない。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のガスタービン排気再燃システムによれば、ボイラ単独運転とガスタービン排気再燃運転の切り替えを自動的に、しかも円滑かつ確実に行えるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のガスタービン排気再燃システムを示すプロセスフロー図である。
【図２】第１実施例におけるガスタービン排ガスダンパの制御機能ブロック図である。
【図３】第１実施例における押込通風機の制御機能ブロック図である。
【図４】第１実施例においてガスタービン単独運転から排気再燃運転に切り替えるときのタイムチャートである。
【図５】第１実施例において排気再燃運転からボイラ単独運転に切り替えるときのタイムチャートである。
【図６】本発明の第２実施例によりガスタービンがトリップしたときの処理シーケンスを示す流れ図である。
【図７】第２実施例においてガスタービンがトリップしたときの処理を示すタイムチャートである。
【図８】第２実施例においてボイラがトリップしたときの処理を示すタイムチャートである。
【図９】本発明における押込通風機に放風ラインを設けたガスタービン排気再燃システムを示すプロセスフロー図である。
【図１０】従来のガスタービン排気再燃システムを示すプロセスフロー図である。
【符号の説明】
１  ボイラ
２  ガスタービン
３  押込通風機（ＦＤＦ）
４  煙突
１１  ボイラ本体
１４  伝熱管
１５  ウインドボックス
１６  バーナ
１７  蒸気タービン
１８  発電機
２１  ガスタービン部
２３  燃焼器
２５  圧縮機
２７  発電機
３２  燃焼用空気ダクト
３４  排気ダクト
１０１  ボイラ
１０６  ウインドボックス（風箱）
２０１  ガスタービン
２０４  排ガス管路
２０６  サイレンサ
２１１  排気放出ダンパ
２１３  排ガスダンパ
２１４  排ガス副ダンパ
３０１  押込通風機（ＦＤＦ）
３０２  ダンパ
３０３  取込空気管路
３０５  燃焼用空気ダクト
３１１  空気ダンパ
３１２  空気副ダンパ
３２１  放風ライン
３２２  放風ダンパ
４０１  煙突
５０１  シールファン
５１１  シールダンパ
５１３  シールダンパ
【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】
0003604352.tif 000008
【図８】
0003604352.tif 000009
【図９】
0003604352.tif 000010
【図１０】
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