(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの流路を形成していて流れ媒体によって貫流される複数のエコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面を有する化石燃料貫流ボイラを前置接続された蒸気タービンの短期間の出力増大を調節するための方法であって、蒸気タービンの短期間の出力増大のために、化石燃料貫流ボイラを通る流れ媒体の流量が増大される方法において、
前記蒸発器伝熱面の出口におけるエンタルピ目標値が、化石燃料貫流ボイラを通る流れ媒体の流量の目標値を求めるための制御量として使用され、かつ、蒸気タービンの短期間の出力増大のために低減される方法。
【請求項２】
前記エンタルピ目標値が予め与えられた最小エンタルピ値に低減される請求項１記載の方法。
【請求項３】
化石燃料貫流ボイラのあらゆる負荷状態において蒸発器伝熱面で流れ媒体の完全な蒸発が達成されるように、前記最小エンタルピ値が定められる請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記エンタルピ目標値の低減の高さ又は持続時間のいずれか一方又は両方が、必要とされる出力増大に基づいて決定される請求項１乃至３の１つに記載の方法。
【請求項５】
蒸気タービンの短期間の出力増大のために前記流路内で取り出された流れ媒体が、化石燃料貫流ボイラの１つの過熱伝熱面の領域において噴射される請求項１乃至４の１つに記載の方法。
【請求項６】
化石燃料貫流ボイラへの熱供給が増大される請求項１乃至５の１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの流路を形成していて流れ媒体によって貫流される複数のエコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面を有する化石燃料貫流ボイラを前置接続された蒸気タービンの短期間の出力増大を調節するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料ボイラは、化石燃料の燃焼によって発生させられる熱により、過熱蒸気を発生する。化石燃料ボイラは、大概は、主として発電に用いられる蒸気発電所において使用される。発生した蒸気は蒸気タービンに供給される。
【０００３】
蒸気タービンの異なる圧力段と同様に、化石燃料ボイラも多数の圧力段を有し、各圧力段に含まれる水・蒸気混合物の熱的状態は異なっている。第１の（高）圧力段において、流れ媒体が、それの流路上で先ず、残留熱を流れ媒体の予熱に利用するエコノマイザを貫流し、次に蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面の異なる段を貫流する。蒸発器において流れ媒体が蒸発させられ、次いで、場合によっては生じ得る残留水分が分離装置において分離され、その残りの含有蒸気が過熱器において更に加熱される。それに次いで、過熱された蒸気が蒸気タービンの高圧部に流入し、そこで膨張させられ、ボイラの後続の圧力段に導入される。そこで蒸気が改めて過熱されて（中間過熱器）、蒸気タービンの次の圧力部に供給される。
【０００４】
外部の種々の影響のために、過熱器に伝達される熱出力は激しく変動し得る。従って、過熱温度を調節することが頻繁に必要である。通常これはたいてい個々の過熱器伝熱面の前方又は後方での冷却のための給水噴射によって行われる。即ち、溢流配管が流れ媒体の主流から分岐して、そこに相応に配置された噴射冷却器に通じている。その噴射は、一般に、制御機器の助けにより、過熱器出口における予め与えられた温度目標値からの温度偏差に特有の特性値を介して調節される。
【０００５】
最近の発電所は高効率のみならず、できるだけ柔軟な運転モードも要求する。これには短い起動時間および高い負荷変化速度のほかに、連系電力系統内における周波数動揺の補償が可能であることも含まれる。これらの要求を満たすために、発電所は、数秒以内において、全負荷出力を基準にして例えば５％以上の超過出力が供給可能でなければならない。
【０００６】
１つの発電所ブロックにおけるこの種の秒範囲内の出力変化は、ボイラと蒸気タービンとの協調動作によってのみ可能である。このために化石燃料ボイラが果たし得る役割は、化石燃料ボイラのアキュムレータ、即ち蒸気アキュムレータ（しかし、燃料アキュムレータも）の利用、ならびに給水、噴射水、燃料および空気の操作量の高速変化である。
【０００７】
これは、例えば、蒸気タービンの部分的に絞られたタービン弁又は所謂ステップバルブの開放により行うことができ、それによって蒸気タービンの手前の蒸気圧が低下させられる。それによって、前置接続された化石燃料ボイラの蒸気アキュムレータから蒸気が放出されて蒸気タービンに供給される。この措置によって数秒以内に出力増大が達成される。
【０００８】
この付加的な出力増大は比較的短い時間内で作動可能であるので、燃焼出力の増大によって生じる出力増大の遅れを少なくとも部分的に補償することができる。出力予備が付加的に要求された時点でこの設備が部分負荷範囲にあったことを前提として、この措置によって発電所ブロック全体が直ちに出力跳躍をし、その後に続く燃焼出力の増大によって、この出力レベルを持続的に維持し、もしくはその出力レベルを上回ることができる。
【０００９】
しかし、出力予備の持続のためにタービン弁を持続的に絞っておくことは、常に効率損失をもたらすので、経済的な運用のためには絞り度を必要最小限にとどめなければならない。更に、化石燃料ボイラの幾つかの構造形態、例えば強制貫流ボイラは、場合によっては、例えば自然循環ボイラよりも著しく小さいアキュムレータ容積を有する。上述の方法においては、アキュムレータの大きさの相違が、発電所ブロックの出力変化時の特性に影響する。更に、特に高負荷範囲では、絞りによって、ボイラ全体において設計圧力が超過されてはならないので、この措置は高負荷範囲では限定的にしか適用できず、もしくは全く適用できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の課題は、蒸気プロセスの効率を過大に損ねることなく、後置接続された蒸気タービンの短期間の出力増大を可能にするために格別に適した蒸気タービンの短期間の出力増大を調節するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、本発明によれば、蒸気タービンの短期間の出力増大のために化石燃料ボイラを通る流れ媒体の流量が増大されることによって解決される。
【００１２】
本発明は、ボイラに導入される熱量が燃焼出力によって決定され、急変時に比較的緩慢にしか影響しないという考えに基づいている。従って、蒸気タービン内での付加的な出力解放は、ボイラ伝熱面に蓄積された熱エネルギーの利用により行われるべきである。この熱の放出は、平均材料温度の低下を必要とする。これは、流量の増大、即ち単位時間当たりの流れ媒体の貫流量の増大によって行われるべきである。この措置により、比較的低い媒体温度での高い貫流量のおかげで、全ての伝熱面の平均材料温度が低下させられ、これにより、熱エネルギーが、これらの伝熱面全体から放出され、蒸気タービン内で付加的な出力の形で解放される。
【００１３】
有利な実施形態では、蒸気タービンの短期間の出力増大のために、蒸発器伝熱面の出口におけるエンタルピ目標値が低減される。その比エンタルピの目標値が、ボイラの調節システムにおいて流れ媒体の流量に関する目標値を求めるための制御量として使用される。この切換措置は２つの効果を生じさせる。第一に、給水目標値を求める際に算定される蒸発器流量に関する基礎目標値が増大する。第二に、特に、前記の低減が非常に高速に（急激に）行われる場合に、エンタルピ補正調節器が、蒸発器出口におけるエンタルピをできるだけ迅速に低減すべく、今や大きくなった制御偏差によってその出力信号を高める。それどころか、それによって、この措置の開始時に給水量が過比例的に上昇し、伝熱面からの非常に高速の熱放出が可能であり、これにともなって蒸気タービンでの出力解放が可能となる。
【００１４】
前記エンタルピ目標値を予め与えられた最小エンタルピ値に低減すると有利である。それによって、一方では、あらゆる負荷状態において、運転安全性を維持しながら最大の出力解放を保証することができる。
【００１５】
特に有利な実施形態では、最小エンタルピ値が次のように定められている。即ち、化石燃料貫流ボイラの全ての負荷状態において、蒸発器伝熱面で流れ媒体の完全な蒸発が達成されるように定められている。というのは、特に未臨界運転では、次のことが保証されなければならないからである。即ち、蒸発器出口におけるエンタルピを過剰に低下させず、それゆえ後置接続された分離装置において残存水の発生を確実に回避できることである。従って、できるだけ安全な運転方法において付加的な給水の最大の上昇と共に、付加的な出力解放を達成することができる。
【００１６】
その場合に強調しておくべきことは、定常運転中での蒸発器出口における実際のエンタルピが高く選ばれるほど、即ち、固定設定された最小エンタルピに対する乖離が大きいほど、ますます多量の熱エネルギーを放出することができ、即ち、ますます多量の蒸気タービン出力を短期間発生させ得ることである。従って、この措置に合わせたボイラ設計の場合、定常運転もしくは周波数安定運転において最小エンタルピに対する乖離をできるだけ大きくするように努められる。勿論、上述の状況下では、適切なボイラ設計でしか、蒸発器出口での容認できない高い温度不均衡を回避できないことを考慮すべきである。更に、大きさおよび頻度に応じてそれ相応の材料疲労をもたらし得る過渡的応力の発生も設計時にもしくは既存のボイラ設計のために考慮すべきである。しかし、ここで言及しておくに、特に蒸発器出口エンタルピの最大可能な低減を実現することができる超臨界ボイラ運転時には、流れ媒体の水・蒸気特性に基づいて蒸発器出口での適度の温度低減のみを考慮すべきであり、これによって蒸発器の材料応力が相応に限界内に保たれる。
【００１７】
実施された措置のパラメータが、蒸気タービンにおいて要求された出力解放に対して調整されて最適化されると有利である。そのためにエンタルピ目標値の低減の高さおよび／又は持続時間が必要とされる出力増大に基づいて決定される。
【００１８】
代替又は追加としての有利な実施形態においては、蒸気タービンの短期間の出力増大のために、前記流路内で取り出された流れ媒体が、ボイラの過熱伝熱面の領域で噴射される。というのは、この種の噴射が短期間の高速の出力変化に更に別の貢献をするからである。つまり、過熱器の領域におけるこの付加的な噴射によって、蒸気質量流量を一時的に高めることができるのである。この場合に、同様に、蓄積された熱エネルギーが蒸気タービンの一時的な出力増大のために利用される。かくして、使用可能な全ての措置を適切に組合せることにより、格別に高い出力超過を、迅速にかつできるだけ長く一定レベルに保つことができる。個々の措置をつなぎ合わせることによって材料応力に有利な影響を及ぼすことができる。
【００１９】
他の有利な実施形態では、化石燃料ボイラへの熱供給が高められる、即ち燃焼器の燃焼出力が高められる。従って、既述の方法によって蒸発器出口における温度低下に対して有利な影響を及ぼすことができ、あるいはそれどころか、これを完全に回避することさえ可能である。なぜならば、その措置が給水に対して微分動作信号のように作用するからである。従って、この方法は、短期間の出力増大のみならず、長期間の出力増大の高速調整にも使用することができる。
【００２０】
有利な実施形態では、１つの流路を形成していて流れ媒体によって貫流される複数のエコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面を有する化石燃料貫流ボイラのための調節システムが、前記方法を実施するための手段を有する。他の有利な実施形態では、蒸気発電所用の化石燃料ボイラがこの種の調節システムを有し、そして蒸気発電所がこの種の化石燃料ボイラを有する。
【００２１】
本発明により得られる利点は、特に、給水量の短期間の増大によって、全ての伝熱面に蓄積された熱エネルギーを利用することにより、ボイラに後置接続された蒸気タービンでの格別に高速の出力解放が可能となることにある。付加的に、この措置は、立ち入った構造上の措置なしに給水調節コンセプトの最小限の調整のみによって実施可能であるので、著しく高められた装置柔軟性にも拘らず追加コストが発生しない。
【００２２】
更に、出力増大手段としての噴射利用に比較すれば、エコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および流れ媒体路において最初の噴射部のなおも前に置かれている第１の過熱器伝熱面の蓄積熱エネルギーも付加的なエネルギー源として利用することができる。それゆえ、付加的に要求される出力のために、著しく大きな蓄積熱エネルギーの貯蔵要素を使用することができる。その結果、より大きな出力上昇（ピーク）を発生させることができるが、あるいは、付加的に解放される出力をそれより低レベルでそれより長く維持することができる。
【００２３】
特に、高圧部において最大設計圧力を上回らないように、例えばタービン弁の絞りが定められた限度に制限されていなければならない高負荷範囲では、必要とあれば、既述の方法によって高い出力超過を保証することができる。そして、特に高負荷範囲においてこの措置の利点が効力を発揮する。何故ならば、ここでは蒸発器出口における温度変化が流れ媒体の水・蒸気特性に基づいて許容限界内で変動するからである。
【００２４】
本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は高負荷範囲において、高圧蒸気、中間過熱蒸気および両圧力系それぞれでの蒸気の噴射と一緒に給水量を増大することによって化石燃料貫流ボイラの緊急予備力を改善するためのシミュレーション結果を示すダイアグラムである。
【図２】図２は低負荷範囲において、高圧蒸気、中間過熱蒸気および両圧力系それぞれでの蒸気の噴射と一緒に給水量を増大することによって化石燃料ボイラの緊急予備力を改善するためのシミュレーション結果を示すダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
全図において同じ部分には同じ参照符号が付されている。
【００２７】
図１は、化石燃料ボイラにおいて前記調節方法を利用した場合のシミュレーション結果、即ち一定に保持した燃料出力のもとで給水量増大のために蒸発器出口のエンタルピ目標値を急減した場合のシミュレーション結果を示すダイアグラムである。９５％負荷時に蒸発器出口での比エンタルピ目標値を１００J／ｋｇだけ急減した後の秒表示の時間２に対して、全負荷に対してパーセント表示した付加的な出力１が描かれている。この調節コンセプトでは、この目標値急減が給水流量の増大をひき起こす。曲線４は付加的な噴射を使用しない場合の結果を示し、これに対して曲線６および８は、高圧段において付加的な噴射を使用した場合、もしくは高圧段および中圧段において付加的な噴射を使用した場合の結果を示す。比較のために他の曲線１０，１２，１４が示されており、これらは、給水量の増大なしに高圧段だけ（曲線１０）、中圧段だけ（曲線１２）および両段（曲線１４）での噴射を使用した結果を示す。噴射は、それぞれ、生蒸気温度および場合によっては中間過熱温度に対する目標値を２０Ｋだけ低下させることによって行われた。
【００２８】
図１においては、曲線４，６および８の最大値が曲線１０，１２および１４の最大値よりも高くなっていることが分かる。従って、付加的に解放される出力は、より高い。特に給水および噴射に関する措置の組み合わせは大幅な出力増大を示す（曲線６，８）。しかし、既に曲線４が次のことを示している。即ち、図１における高負荷時に、給水流量の増大が、全ての単独措置のうち（曲線１０，１２，１４と比べて）最大の出力利得を示すことである。しかし、噴射の使用は、該当曲線のグラフ内にあるピークがより左側で認識できるように、付加的な出力のより高速の供給をもたらす。
【００２９】
図２は、図１に対して僅かにだけ変更され、４０％負荷についてシミュレーション曲線４，６，８，１０，１２，１４を示し、その他のパラメータは全て図１と一致しており、曲線４，６，８，１０，１２，１４の意味も同じである。ここで、特に曲線４，６，１０は、図１におけるよりも遥かに平坦な経過を呈し、即ち、より低いレベルでより緩やかな出力増大が行われる。給水流量増大による出力超過の際立ちも少ないが、依然として有効ではある。
【００３０】
曲線１２で示された中間過熱の変形だけが、目標値変化時点から約６０秒後に比較的高い出力増大を示し、これはその後に急速に再び低下し、そして平坦な経過の最大値へ移行する。この出力増大は曲線８および１４に基づく両圧力段の変形においても該当することが明らかである。しかし、いずれの場合にも、給水量増大時の出力増大が比較的長い持続時間において最大の出力利得を可能にし、この効果が特に高負荷範囲において顕著であることが判明した。
【符号の説明】
【００３１】
１          付加的な出力
２          時間
４〜１４    シミュレーション曲線
【図１】
0005815753.tif 000002
【図２】
0005815753.tif 000003