(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガスでガスタービンを駆動して発電するガスタービン系統と、ガスタービン排ガスから熱回収を行う排熱回収系と、前記ガスタービンに供給するガスを加湿する増湿器を有するガスタービン発電プラントにおいて、前記増湿器の余剰水を排出するラインと、その余剰水流量を調節する流量調節弁と、前記増湿器に補給水を供給する補給水ラインと、前記増湿器の水位を計測する水位計と、前記増湿器から排出された水と前記補給水の混合後の温度を計測する温度計測器と、前記温度計測器と前記水位計の計測値から補給水ポンプの流量および前記余剰水の流量を調節する温度調節器を備え、前記補給水ポンプによって前記増湿器に供給する補給水流量を制御し、前記増湿器の出口水温を調節することを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
【請求項２】
請求項１において、前記ガスタービン系統から排出された高温排気ガスの熱を前記増湿器から排出された水の一部で回収する給水加熱器を備え、前記給水加熱器から前記増湿器に至る給水配管と前記増湿器の出口配管に給水バイパスラインを設置し、前記給水加熱器の出口温度・圧力から給水圧力の飽和蒸気温度を演算する温度調節器を有し、前記給水加熱器出口の給水温度が給水圧力の飽和蒸気温度以下になるようにバイパス流量を調節することを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記余剰水の排出ラインを前記補給水ラインより前記増湿器から排出される水の上流に設置することを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
【請求項４】
高温ガスでガスタービンを駆動して発電するガスタービン系統と、ガスタービン排ガスから熱回収を行う排熱回収系と、前記ガスタービンに供給するガスを加湿する増湿器を有するガスタービン発電プラントにおいて、前記増湿器から排出された水を冷却する冷却器と、前記冷却器の冷却流量を調節する流量調節弁と、前記増湿器に補給水を供給する補給水ラインと、前記増湿器の水位を計測する水位計と、前記増湿器から排出された水と前記補給水の混合後の温度を計測する温度計測器と、前記温度計測器と前記水位計の計測値から補給水ポンプの流量および前記冷却器の冷却流量を調節する温度調節器を備え、前記補給水ポンプによって前記増湿器に供給する補給水流量を制御すると共に、前記流量調節弁によって冷却流量を制御し、前記増湿器の出口水温を調節することを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
【請求項５】
高温ガスでガスタービンを駆動して発電するガスタービン系統と、ガスタービン排ガスから熱回収を行う排熱回収系と、前記ガスタービンに供給するガスを加湿する増湿器を有するガスタービン発電プラントにおいて、前記増湿器に供給する空気を冷却する空気冷却器と、前記ガスタービン系統から排出された高温排気ガスの熱を前記増湿器から排出された水の一部で回収する給水加熱器を備え、前記増湿器から前記空気冷却器までの給水系統上と、前記増湿器から前記給水加熱器までの給水系統上の双方に冷却器を設置し、前記双方の給水系統上に給水温度を計測する温度計測器と、前記温度計測器の計測値からそれぞれの冷却器の冷却流量を調節する温度調節器を備え、前記給水加熱器および前記空気冷却器の各給水温度を制御することを特徴とするガスタービン発電プラントの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンに供給するガスを加湿し、効率向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、ガスタービンに供給するガスを加湿する増湿器とガスタービン排ガスから熱回収を行う排熱回収系を有するガスタービン発電プラントの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンに水分を注入して流量を増加させ、出力増加を図る高湿分ガスタービン発電プラントの一般的な系統を図３にしたがって説明する。圧縮機１で加圧された空気は冷却器５で冷却された後、増湿器６で噴霧された高温水と接触しながら加湿・加温される。増湿器６を出た加湿用水の一部は循環ポンプ９ｂによって補給水と混合し、空気冷却器５に供給され、再び増湿器６に加湿用水として循環される。残りの水は発電機３を駆動するタービン２の高温排ガスから熱回収を行うため、給水加熱器８に循環ポンプ９ａによって導入された後、加湿用水として増湿器６に循環供給される。増湿器６で加湿された空気は再生器７で加熱され、燃焼器４で燃料と混合燃焼した後、タービン２を駆動し、再生器７に導入され、更に給水加熱器８で増湿器６に供給する水を加熱し、系外に排出される。
この発電システムは、系外に排出する熱量を少なくし、発電効率を向上させる目的で、タービン２の高温排ガスを再生器７および給水加熱器８で熱回収し、再び系統内に供給しているため、タービンへのガス供給系統とタービン排ガス系統が熱的なループを形成している。
このガスタービン発電プラントの主要機器の一つである増湿器６の特性について以下に述べる。
増湿器６に供給した空気は、噴霧した高温水と接触しながら昇温・加湿され、増湿器出口ではほぼ相対湿度１００％まで加湿されている。この時噴霧された水は蒸発潜熱を奪われながら下降し、増湿器出口では空気入口温度以下まで冷却される。このように増湿器出口のガス温度は空気や水によって供給された熱量の外に水の蒸発潜熱の影響を受ける。増湿器内部圧力１５ａｔａ、加湿空気の出口温度１４０℃、相対湿度１００％とすると、加湿空気中の水分量は容積比で約２０％となり、この条件で乾燥空気が持ち込んだ熱量と蒸発した水が奪った蒸発熱量との比は約１：２．５であり、出口ガス温度は水の蒸発量によって大きく影響を受ける。
ここで、空気あるいは水が供給する熱量が変化した場合の増湿器出口ガス温度変化について考える。まず、供給熱量が減少した場合は増湿器出口ガス温度が低下し、ガス温度の低下によってガス中の飽和蒸気圧が低下する。その結果、水の蒸発量が減少し、蒸発熱量が減少するので、ガス温度低下が緩和される。逆に、供給熱量が増加した場合は、蒸発熱量が増加し、ガス温度上昇が緩和される。したがって、増湿器６は水の蒸発潜熱が出口ガス温度に与える影響が大きく、供給熱量が変化しても、水の蒸発量が変化して出口ガス温度変化を小さくする自己安定性があることがわかる。
しかし、この自己安定性は加湿空気の相対湿度が１００％に制御されている場合であり、例えば、増湿器内の水噴霧が偏って蒸発量が減少すると、蒸発熱量が減少し、加湿空気温度および増湿器出口水温が上昇する。また、蒸発量が減少すると、空気冷却器５に供給する冷却水（増湿器６から排出された水）の冷却を兼ねている補給水流量が減少し、冷却水温度が上昇し、空気冷却器５の出口ガス温度が上昇する。このようにガス系、水系双方の温度上昇は、前述した熱的ループの影響で増幅され、給水加熱器８内で給水が沸騰し、伝熱管を損傷する可能性がある。
次に、大気条件が変化した時の特性について述べる。高湿分ガスタービン発電プラントでは、大気中に含まれる水分量によって増湿器６での蒸発量が変化し、システムの熱バランスが変ってくる。例えば気温１５℃、相対湿度６０％に対して気温３５℃、相対湿度７０％では大気中に含まれる水分量が単位容積当り４倍になり、この時空気がプラントに持ち込む水分量は増湿器での加湿量の１０％余りに達する。また、空気中の水分が多いと、圧縮機１の断熱効率が低下し、吐出ガス温度が上昇するので、高温多湿時は増湿器６での水分蒸発量の減少による蒸発熱量の減少と圧縮機出口ガス温度の上昇で増湿器動作温度が上昇し、加湿空気温度および余剰の加湿用水温度が上昇する。増湿器６の排水はタービン排ガス系統上に設置した給水加熱器８の冷却水として使用しているので、前述したように給水温度が上昇し、給水加熱器８内で給水が沸騰する可能性がある。
また、高湿分ガスをガスタービンに供給して発電を行うガスタービン発電プラントの機器構成は、特開昭５８−１０１２２８号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すガスタービン発電プラントについて、前述した課題は、増湿器の運転状態や大気状態の変化によって、ガス系と水系の熱バランスが変化することに原因がある。
また、前記公報に記載の技術は、高湿分ガスをガスタービンに供給して発電を行うガスタービン発電プラントの構成に限定されたものであり、ガスタービンに供給するガスを加湿する増湿器とガスタービン排ガスから熱回収を行う排熱回収系の運転制御法に関しては規定されていない。
【０００４】
本発明の課題は、発電負荷および大気条件が変動した時の増湿器の運転温度を安定させ、給水加熱器内の給水の沸騰によって発生する伝熱管の損傷を防止することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、ガスタービン発電プラントにおいて、増湿器の余剰水を排出するラインと、その余剰水流量を調節する流量調節弁と、増湿器に補給水を供給する補給水ラインと、増湿器の水位を計測する水位計と、増湿器から排出された水と補給水の混合後の温度を計測する温度計測器と、温度計測器と水位計の計測値から補給水ポンプの流量および余剰水の流量を調節する温度調節器を備え、補給水ポンプによって増湿器に供給する補給水流量を制御し、増湿器の出口水温を調節することによって、解決される。
ここで、ガスタービン系統から排出された高温排気ガスの熱を前記増湿器から排出された水の一部で回収する給水加熱器を備え、給水加熱器から増湿器に至る給水配管と増湿器の出口配管に給水バイパスラインを設置し、給水加熱器の出口温度・圧力から給水圧力の飽和蒸気温度を演算する温度調節器を有し、給水加熱器出口の給水温度が給水圧力の飽和蒸気温度以下になるようにバイパス流量を調節する。
ここで、余剰水の排出ラインを補給水ラインより増湿器から排出される水の上流に設置する。
また、ガスタービン発電プラントにおいて、増湿器から排出された水を冷却する冷却器と、冷却器の冷却流量を調節する流量調節弁と、増湿器に補給水を供給する補給水ラインと、増湿器の水位を計測する水位計と、増湿器から排出された水と補給水の混合後の温度を計測する温度計測器と、温度計測器と水位計の計測値から補給水ポンプの流量および冷却器の冷却流量を調節する温度調節器を備え、補給水ポンプによって増湿器に供給する補給水流量を制御すると共に、流量調節弁によって冷却流量を制御し、増湿器の出口水温を調節することによって、解決される。
また、ガスタービン発電プラントにおいて、増湿器に供給する空気を冷却する空気冷却器と、ガスタービン系統から排出された高温排気ガスの熱を増湿器から排出された水の一部で回収する給水加熱器を備え、増湿器から空気冷却器までの給水系統上と、増湿器から給水加熱器までの給水系統上の双方に冷却器を設置し、双方の給水系統上に給水温度を計測する温度計測器と、温度計測器の計測値からそれぞれの冷却器の冷却流量を調節する温度調節器を備え、給水加熱器および空気冷却器の各給水温度を制御することによって、解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示すガスタービン発電プラントの制御装置である。本実施形態では増湿器６から排出される水の温度制御は補給水流量を調節することにより行うことに特徴がある。図１において、図３と同一符号は同じ機器を表わす。
循環ポンプ９の下流に設置した温度計測器１５で計測した増湿器６の排水温度が温度設定値（Ｔｓ）より低い場合と高い場合について説明する。なお、増湿器６の排水温度設定値（Ｔｓ）は、増湿器運転温度の上昇を防止する目的から空気冷却器５の出口空気温度以下に設定する必要がある。
まず、増湿器６の排水温度が温度設定値（Ｔｓ）より低い場合は、排水を冷却する必要がないので、補給水ライン２７上に設置した補給水ポンプ１０は増湿器６の水位制御を行い、蒸発によって不足した水量を供給する。この時、流量調節弁１１は流量計測器１６により空気冷却器５と給水加熱器８に所定の流量を分配し、余剰水の排出ライン２８上に設置した流量調節弁１２は閉じておく。
次に、増湿器６の排水温度が温度設定値（Ｔｓ）より高い場合は、温度設定値（Ｔｓ）を目標に補給水ポンプ１０で補給水流量を調節し、排水温度を制御する。この場合、増湿器６内の蒸発量よりも補給水流量が多くなり、増湿器６の水位が上昇するので、流量調節弁１２を開き、余剰水を排出し、水位制御を行う。排出された余剰水は冷却水タンク１３に供給され、ここで冷却された後、再び補給水として循環される。
増湿器６の排水温度が温度設定値（Ｔｓ）より低い場合と高い場合の補給水ポンプ１０の制御切替えは温度調節器１７によって行う。
【０００７】
図２に、温度調節器１７による増湿器排水温度制御ブロックを示す。温度調節器１７は、温度計測器１５で計測した増湿器６の排水温度と水温設定値（Ｔｓ）を比較し、その温度偏差値が０＞偏差のとき、つまり、増湿器６の排水温度が水温設定値（Ｔｓ）より低い場合、制御信号切替部をｙｅｓに切り替え、水位計１４で計測した水位と水位設定値の偏差をＰＩＤ演算した制御信号によって補給水ポンプ１０を制御し、増湿器６の水位を調節する。この場合、流量調節弁１２は全閉信号により閉じる。一方、その温度偏差値が０＜偏差のとき、つまり、増湿器６の排水温度が水温設定値（Ｔｓ）より高い場合、制御信号切替部をｎｏに切り替え、温度計測器１５で計測した排水温度と水温設定値（Ｔｓ）の偏差をＰＩＤ演算した制御信号によって補給水ポンプ１０を制御し、補給水ポンプ１０で補給水流量を調節し、排水温度を制御する。この場合、水位計１４で計測した水位と水位設定値の偏差をＰＩＤ演算した制御信号によって流量調節弁１２を開き、余剰水を排出し、増湿器６の水位を調節する。
【０００８】
本実施形態によれば、増湿器６の排水を低温の補給水で直接冷却することと、余剰水の排出ライン２８を補給水ライン２７より上流に設置することにより、高温の排水だけを系外に排出でき、より効率的な温度制御が可能となる。
なお、本実施形態では、温度計測器１５を循環ポンプ９の下流に設置しているが、上流に設置してもよい。また、余剰水の排出部と補給水混合部を増湿器６の外部に設置しているが、増湿器６の内部に同様の構造を設けてもよい。また、余剰水の排出ライン２８と補給水ライン２７双方もしくは補給水ライン２７のみを循環ポンプ９の下流に設置してもよい。
【０００９】
図４は、本発明の他の実施形態を示す。本実施形態は、図１に示した系統に給水加熱器８から増湿器６に至る給水配管と増湿器６から再生器７に至る配管との間に給水バイパスライン２６を設置し、そのライン上に給水加熱器８出口の給水温度を制御する温度調節弁２２を設置する。温度調節弁２２の制御は、給水加熱器８の出口に設置した温度計測器２４と圧力計測器２５で計測した温度・圧力から温度調節器２３により演算し、給水加熱器８出口の給水温度が給水圧力の飽和蒸気温度以下になるようにバイパス流量を調節する。
【００１０】
図５に、温度調節器２３による給水加熱器給水出口温度制御ブロックを示す。温度調節器２３は、温度計測器２４で計測した給水加熱器８の出口温度と圧力計測器２５の計測した給水圧力に基づいて演算した飽和温度の偏差をＰＩＤ演算した制御信号により温度調節弁２２を開閉制御し、バイパス流量を調節する。
【００１１】
本実施形態では、給水加熱器８の出口給水を再生器７に供給する加湿空気に混合することで再生器７内で水を蒸発させ、その蒸発熱で加湿ガス温度とタービン排ガス温度を低下させる。さらに、給水加熱器８から増湿器６に供給する水をバイパスすることで増湿器６の水位が低下し、補給水量が増加するので、給水加熱器８への給水温度が低下する。この２つの機能により、給水加熱器８内での給水沸騰を防止することができる。また、給水加熱器８出口の給水温度が上昇する現象は、増湿器６での加湿量低下が原因となることが多く、給水加熱器８出口の給水を再生器７の上流にバイパスすることにより、増湿器６の加湿量低下を補い、タービン２の出力低下を抑制することもできる。
なお、バイパスした給水と増湿器６を出た加湿空気との混合部は混合を促進するために、給水の噴霧装置等を設置してもよい。
【００１２】
図６は、本発明の他の実施形態を示す。本実施形態は、増湿器６の出口に冷却器１９を設置し、冷却器１９の入口を流量調節弁２９を介して冷却水タンク１３に、また、冷却器１９の出口と冷却水タンク１３を冷却ライン３８により結ぶ。本実施形態では、図１のように補給水流量で増湿器６の排水温度制御を行う代わりに、温度調節器１８により流量調節弁２９を制御し、冷却ライン３８の流量を調節して冷却器１９で増湿器６の排水温度制御を行う。
【００１３】
図７に、温度調節器１８による増湿器排水温度制御ブロックを示す。温度調節器１８は、温度計測器１５で計測した排水温度と水温設定値（Ｔｓ）の偏差をＰＩＤ演算した制御信号によって流量調節弁２９を制御し、冷却ライン３８の流量を調節して排水温度を制御する。一方、水位計１４で計測した水位と水位設定値の偏差をＰＩＤ演算した制御信号によって補給水ポンプ１０を制御し、増湿器６の水位を調節する。
本実施形態では、余剰水を排出する必要が無くなり、簡単な制御系により温度制御が可能となる。
【００１４】
図８は、本発明の他の実施形態を示す。本実施形態は、図１に示すように補給水流量で増湿器６の排水温度制御を行う代わりに、増湿器６から空気冷却器５までの給水系統上に冷却器２０と温度調節器３６および流量調節弁３７を、増湿器６から給水加熱器８までの給水系統上に冷却器２１と温度調節器３２および流量調節弁３４を設置し、給水温度を低下させる。
【００１５】
図９に、温度調節器３２による給水加熱器給水温度制御ブロック、図１０に、温度調節器３５による空気冷却器給水温度制御ブロックを示す。温度調節器３２は、温度計測器３３で計測した給水温度と水温設定値（Ｔｓ）の偏差をＰＩＤ演算した制御信号によって流量調節弁３４を制御し、冷却器２１の冷却流量を調節し、給水加熱器８に供給する給水温度を制御する。また、温度調節器３５は、温度計測器３６で計測した給水温度と水温設定値（Ｔｓ）の偏差をＰＩＤ演算した制御信号によって流量調節弁３７を制御し、冷却器２０の冷却流量を調節し、空気冷却器５に供給する給水温度を制御する。
本実施形態では、空気冷却器５および給水加熱器８に供給する給水温度を個別に制御することができると共に、安定した温度制御が可能となる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、増湿器の排水温度を発電出力や大気条件によって定めた温度設定値に制御し、給水加熱器および空気冷却器に供給する水温の上昇を防止するので、増湿器の運転温度を安定化させると共に、給水加熱器内の給水の沸騰によって発生する伝熱管の損傷を防止することができる。
また、給水バイパスラインを設置し、給水加熱器出口の給水温度が給水圧力の飽和蒸気温度以下になるようにバイパス流量を調節することにより、給水加熱器内での給水沸騰を防止することができ、また、増湿器の加湿量低下を補い、タービンの出力低下を抑制することができる。
また、余剰水の排出ラインを補給水ラインより上流に設置することにより、高温の排水だけを系外に排出でき、より効率的な温度制御が可能となる。
また、増湿器から排出された水を冷却する冷却器の冷却流量を制御するによって、余剰水を排出する必要が無くなり、簡単な制御系により温度制御が可能となる。
また、増湿器から空気冷却器までの給水系統上と、増湿器から給水加熱器までの給水系統上の双方に冷却器を設置することによって、空気冷却器および給水加熱器に供給する給水温度を個別に制御することができると共に、安定した温度制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すガスタービン発電プラントの制御装置
【図２】本発明の温度調節器による増湿器排水温度制御ブロック図
【図３】高湿分ガスタービン発電プラントの一般的な系統図
【図４】本発明の他の実施形態
【図５】本発明の温度調節器による給水加熱器給水出口温度制御ブロック図
【図６】本発明の他の実施形態
【図７】本発明の温度調節器による増湿器排水温度制御ブロック図
【図８】本発明の他の実施形態
【図９】本発明の温度調節器による給水加熱器給水温度制御ブロック図
【図１０】本発明の温度調節器による空気冷却器給水温度制御ブロック図
【符号の説明】
１…空気圧縮機、２…ガスタービン、３…発電機、４…燃焼器、５…空気冷却器、６…増湿器、７…再生器、８…給水加熱器、９…循環ポンプ、１０…補給水ポンプ、１１…流量調節弁、１２…流量調節弁、１３…冷却水タンク、１４…水位計、１５…温度計測器、１６…流量計測器、１７…温度調節器、１８…温度調節器、１９…冷却器、２０…冷却器、２１…冷却器、２２…温度調節弁、２３…温度調節器、２４…温度計測器、２５…圧力計測器、２６…給水バイパスライン、２７…補給水ライン、２８…余剰水排出ライン、２９…流量調節弁、３２…温度調節器、３３…温度計測器、３４…流量調節弁、３５…温度調節器、３６…温度計測器、３７…流量調節弁、３８…冷却ライン
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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