(57)【要約】【課題】  プラント停止時にガスタービンを単独停止でき、プラントの停止時間を短縮できる一軸コンバインド発電プラント及びその制御方法を提供することにある。【解決手段】  蒸気タービン２と、発電機３と、起動装置７を有するガスタービン１とを一軸上に配置している。ＳＳＳクラッチ５は、蒸気タービン２とガスタービン１の間に配置され、回転数の違いによりかん脱を行う。ＳＳＳクラッチ６は、ガスタービン１と起動装置７の間に配置され、回転数の違いによりかん脱を行う。プラント停止時、ＳＳＳクラッチ６を用いて、蒸気タービン２を軸から切り離し、ガスタービン１を単独で停止させる。【選択図】図１
2005180370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンと、発電機と、起動装置を有するガスタービンと、前記蒸気タービンと前記ガスタービンの間に配置され、回転数の違いによりかん脱が行われる第１のクラッチ手段とを有し、前記蒸気タービンと前記発電機と前記ガスタービンとを一軸上に配置した一軸コンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記ガスタービンと前記起動装置の間に配置され、回転数の違いによりかん脱が行われる第２のクラッチ手段を備え、
プラント停止後、前記第１のクラッチ手段と前記第２のクラッチ手段と前記起動装置を用いて、蒸気タービンを軸から切り離し、ガスタービンを単独で停止させることを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電プラント。
【請求項２】
請求項１記載の一軸コンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記発電機側に接続される前記第１のクラッチ手段の入力軸の回転数を検出する第１の回転数計と、
前記蒸気タービン側に接続される前記第１のクラッチ手段の出力軸の回転数を検出する第２の回転数計と、
前記第１及び第２の回転数計によって検出された前記第１のクラッチ手段の入出力軸の回転数に基づいて、前記起動装置の起動停止を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、所定の回転数以上で、かつ前記第１の回転数計によって検出された回転数が、前記第２の回転数計によって検出された回転数と一致した時、前記起動装置を起動し、
前記第１の回転数計によって検出された軸回転数が、前記第２の回転数計によって検出された出力軸回転数以上になると、前記起動装置を停止することを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電プラント。
【請求項３】
蒸気タービンと、発電機と、起動装置を有するガスタービンと、前記蒸気タービンと前記ガスタービンの間に配置され、回転数の違いによりかん脱が行われる第１のクラッチ手段とを有し、前記蒸気タービンと前記発電機と前記ガスタービンとを一軸上に配置した一軸コンバインドサイクル発電プラントの制御方法であって、
前記ガスタービンと前記起動装置の間に配置され、回転数の違いによりかん脱が行われる第２のクラッチ手段を備え、
プラント停止後、前記第１のクラッチ手段と前記第２のクラッチ手段と前記起動装置を用いて、蒸気タービンを軸から切り離し、ガスタービンを単独で停止させることを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電プラントの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンとガスタービンをかん脱装置で結合した、一軸コンバインドサイクル発電プラント及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一軸コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンと蒸気タービンを一軸上に配置し発電機を駆動する発電プラントで、高い熱効率を実現し、燃料の消費量を低減できる利点があるので、エネルギーの有効利用が可能な発電設備として実用に供されている。
【０００３】
しかし、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせることにより設備が複雑になり、プラント起動時には大きな動力，時間を要するとともに、停止時にも同様に多くの時間を費やすという欠点があった。
【０００４】
プラント停止が経済的に大きな影響を及ぼし、迅速な再起動を必要とする発電プラントにおいて、この欠点はプラント運用に関して大きな障害である。
【０００５】
この改善策として、例えば、特開２００３−１３７０９号公報や、”岸健一他著，「川鉄千葉クリーンパワーステーション発電所の運転実績」，日本ガスタービン学会誌，Ｖｏｌ．３１ NO．４，２００３年７月”に記載のように、ガスタービンと蒸気タービン間にＳＳＳクラッチを設ける方法が知られている。この方法では、プラント停止時において、排熱回収ボイラからの蒸気が減少すると、蒸気タービンの回転数が定格回転数を維持できずに、ＳＳＳクラッチが離脱され、蒸気タービンの回転数が減少をはじめる。やがて、ガスタービンの回転数も減少をはじめ、蒸気タービンと回転数が一致した時に、ＳＳＳクラッチが再かん合される。その後、蒸気タービンとガスタービンは結合されたまま減速を続け、零速度まで降速した時点でバーリングギアにより、ＳＳＳクラッチを離脱させる。
【０００６】
なお、ＳＳＳクラッチは公知のものであり、次のような特徴を有している。
（１）出力軸の回転数が入力軸の回転数に達すると、爪が噛み込んで嵌合し、出力軸が入力軸と結合される。
（２）クラッチが嵌合して入力軸と出力軸とが一体化した状態で回転している時に、出力軸の回転数が入力軸の回転数より遅くなると、クラッチは自動的に離脱され、出力軸が入力軸より切り離される。
（３）ある回転数以下であると、出力軸の回転数が入力軸の回転数を上回っても篏合されない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１３７０９号公報
【非特許文献１】岸健一他著，「川鉄千葉クリーンパワーステーション発電所の運転実        績」，日本ガスタービン学会誌，Ｖｏｌ．３１ NO．４，２００３年７        月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のガスタービンと蒸気タービン間にＳＳＳクラッチを設ける方法では、一度離脱させたＳＳＳクラッチが再結合し、十分に低速した後に、再離脱を行っているので、軸停止時間を遅延させていた。したがって、プラント停止時に、蒸気タービンとガスタービンが切り離されずに、ガスタービンの単独停止ができないという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、プラント停止時にガスタービンを単独停止でき、プラントにおけるガスタービンの停止時間を短縮できる一軸コンバインド発電プラント及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、蒸気タービンと、発電機と、起動装置を有するガスタービンと、前記蒸気タービンと前記ガスタービンの間に配置され、回転数の違いによりかん脱が行われる第１のクラッチ手段とを有し、前記蒸気タービンと前記発電機と前記ガスタービンとを一軸上に配置した一軸コンバインドサイクル発電プラントにおいて、前記ガスタービンと前記起動装置の間に配置され、回転数の違いによりかん脱が行われる第２のクラッチ手段を備え、プラント停止後、前記第１のクラッチ手段と前記第２のクラッチ手段と前記起動装置を用いて、蒸気タービンを軸から切り離し、ガスタービンを単独で停止させるようにしたものである。  
かかる方法により、プラント停止時にガスタービンを単独停止でき、プラントにおけるガスタービンの停止時間を短縮し得るものとなる。
【００１１】
（２）上記（１）において、前記発電機側に接続される前記第１のクラッチ手段の入力軸の回転数を検出する第１の回転数計と、前記蒸気タービン側に接続される前記第１のクラッチ手段の出力軸の回転数を検出する第２の回転数計と、前記第１及び第２の回転数計によって検出された前記第１のクラッチ手段の入出力軸の回転数に基づいて、前記起動装置の起動停止を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、所定の回転数以上で、かつ前記第１の回転数計によって検出された回転数が、前記第２の回転数計によって検出された回転数と一致した時、前記起動装置を起動し、前記第１の回転数計によって検出された軸回転数が、前記第２の回転数計によって検出された出力軸回転数以上になると、前記起動装置を停止するようにしたものである。
【００１２】
（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、蒸気タービンと、発電機と、起動装置を有するガスタービンと、前記蒸気タービンと前記ガスタービンの間に配置され、回転数の違いによりかん脱が行われる第１のクラッチ手段とを有し、前記蒸気タービンと前記発電機と前記ガスタービンとを一軸上に配置した一軸コンバインドサイクル発電プラントの制御方法であって、前記ガスタービンと前記起動装置の間に配置され、回転数の違いによりかん脱が行われる第２のクラッチ手段を備え、プラント停止後、前記第１のクラッチ手段と前記第２のクラッチ手段と前記起動装置を用いて、蒸気タービンを軸から切り離し、ガスタービンを単独で停止させるようにしたものである。  
かかる方法により、プラント停止時にガスタービンを単独停止でき、プラントにおけるガスタービンの停止時間を短縮し得るものとなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、プラント停止の際、ガスタービンの回転数を蒸気タービンの回転数より大きくし、蒸気タービンをいち早く軸から離脱、ガスタービンが単独で停止することができるので、従来よりも停止時間を短縮できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備の構成及び動作について説明する。  
最初に、図１を用いて、本実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備の構成について説明する。  
図１は、本発明の一実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備の構成を示すブロック図である。
【００１５】
蒸気タービン２の軸Ｃ１は、ＳＳＳクラッチ５の出力軸に連結されている。発電機３の軸Ｂ３は、ＳＳＳクラッチ５の入力軸に連結されている。発電機３の軸Ｂ３は、ギア８に連結されている。ガスタービン１は、ギア８の軸Ｂ２に連結されている。起動装置７の軸Ａ１は、ＳＳＳクラッチ６の入力軸に連結されている。ギア８の軸Ｂ１は、ＳＳＳクラッチ６の出力軸に連結されている。
【００１６】
すなわち、蒸気タービン２，発電機３がギヤ８を介し、ガスタービン１と繋がっており、一軸コンバインド発電プラントを構成している。また、ガスタービン１の起動用には、ギヤ８を挟んで起動装置７が設置されている。なお、蒸気タービン２と発電機１の間、及び起動装置７とギヤ８の間には、それぞれＳＳＳクラッチ５，６が設けられている。
【００１７】
軸Ｃ１には、この軸Ｃ１の回転数を検出する回転数計１０が備えられている。軸Ａ１には、この軸Ａ１の回転数を検出する回転数計１１が備えられている。回転数計１０，１１が検出した回転数ＲA，ＲBは、制御装置９に入力する。制御装置９は、これらの回転数ＲA，ＲBに基づいて、プラント停止時の起動装置７の起動・停止を制御する。制御装置９の動作については、図２を用いて後述するが、簡単に説明すると、回転数ＲBが回転数ＲAと一致すると、起動装置７を起動し、回転数差（ＲB−ＲA）が所定回転数差になると、起動装置７を停止する。
【００１８】
ここで、軸は５つの箇所Ａ１，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｃ１に区別され、軸Ａ１はクラッチ６により軸Ｂ１と、軸Ｂ１はギヤ８を介し軸Ｂ２と、軸Ｂ２はギヤ８を介し軸Ｂ３と、軸Ｂ３はクラッチ６を介し、軸Ｃ１と繋がっている。簡単のために、軸Ａ１をＡ軸、軸Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３をＢ軸、軸Ｃ１をＣ軸とおき、３軸で構成されるものとする。
【００１９】
このＳＳＳクラッチを適用した一軸コンバインド発電プラントでは、ＳＳＳクラッチ５を切り離した状態で、すなわち蒸気タービン２を切り離した状態で、起動装置７によりガスタービン１、発電機３を回転させる。ガスタービン１が自立速度に達し、軸Ｂが軸Ａの回転数より大きくなるとＳＳＳクラッチ６が離脱され、起動装置７が停止する。ガスタービン１の排気による蒸気発生にて、蒸気タービン２を起動する。蒸気タービン２の回転数が増加し、軸Ｃの回転数が軸Ｂの回転数に達した時にＳＳＳクラッチ５が嵌合し、蒸気タービン２のトルクが発電機３に伝わる。
【００２０】
次に、図２を用いて、本実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備におけるプラント停止時の動作について説明する。  
図２は、本発明の一実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備におけるプラント停止時の動作説明図である。図２の横軸は時間を示し、縦軸は蒸気タービン２やガスタービン１の回転数を示している。
【００２１】
プラント稼働時、発電機３は、回転数Ｒ０で定常回転している。このとき、ＳＳＳクラッチ５は嵌合しており、回転数計１０，１１によって検出される回転数はともにＲ０である。回転数Ｒ０は、例えば、３０００ｒｐｍ若しくは３６００ｒｐｍである。
【００２２】
プラント停止時において、蒸気量が減少すると、蒸気タービンの回転数が減少をはじめ、ガスタービンの回転数を下回った瞬間にＳＳＳクラッチ５が離脱される（ａ点）。蒸気タービンは緩やかに回転数を落としていく。一方、ガスタービンは蒸気タービンに遅れて停止に入る（ｂ点）が、ガスタービンの減速が蒸気タービンの減速よりも早いため、ガスタービンの回転数が蒸気タービンの回転数と一致し、ＳＳＳクラッチが再かん合される（ｃ点）。ＳＳＳクラッチが再かん合されると、回転数ＲAと回転数ＲBが一致し、起動装置が起動し、ガスタービンの回転数を上げる・すると、再び（ガスタービンの回転数）＞（蒸気タービンの回転数）となり、ＳＳＳクラッチは離脱される。しかし、前述したＳＳＳクラッチの特性から、ある回転数以下、例えば５００ｒｐｍ以下ではかん合されない。すなわち、「ＳＳＳクラッチがかん合している」と「５００ｒｐｍ＜回転数＜３，５００又は３，６００ｒｐｍ」の２つが成立した時のみ、起動装置が起動し、ＳＳＳクラッチを離脱させる。最終的には、ガスタービン、蒸気タービンともターニング速度に達する。ターニング速度は、例えば、ガスタービンが４０ｒｐｍであり、蒸気タービンが２０ｒｐｍである。
【００２３】
軸Ｃの回転数が回転数Ｒ１以下の所定の回転数Ｒ２まで減速すると、制御装置９は、起動装置７を起動させる。回転数Ｒ２は、例えば、８ｒｐｍである。
起動装置７の軸Ａ１の回転数が、ガスタービン１の側の軸Ｂ１の回転数より大きくなるので、ＳＳＳクラッチ６が嵌合する。その結果、図２に点線で示すように、時刻ｔ２において、起動装置７によりガスタービン側の回転数がｂ点において増加する。一方、蒸気タービン２の回転数は、一点鎖線で示すように、徐々に減少するので、ガスタービン側の回転数は、蒸気タービン側の回転数より大きくなる（軸Ｂ＞軸Ｃ）。軸Ｂの回転数が軸Ｃの回転数よりも大きくなり、その回転数差が所定回転数以上になると、ＳＳＳクラッチ５が離脱される。制御装置９は、ＳＳＳクラッチ５が離脱したことを、回転数差（ＲB−ＲA）により判定する。例えば、回転数計１１が検出した軸Ｂ２の回転数ＲBがＲ３となり、回転数計１０が検出した軸Ｃ１の回転数ＲAがＲ４となり、その回転数差（Ｒ３−Ｒ４）が所定回転数差（例えば、２ｒｐｍ）になると、時刻ｔ３において、起動装置７を停止する。
【００２４】
ＳＳＳクラッチ５が切り離されたことにより、ガスタービン１は蒸気タービン２の慣性モーメントの影響を受けずに、図中に点線で示すように、速やかに停止にむかい、時刻ｔ４において、ターニング回転数Ｒ６に到達する。なお、ターニング回転数Ｒ６は、例えば１ｒｐｍである。一方、蒸気タービン２は、図中一点鎖線で示すように、それ自体の慣性モーメントにより、ガスタービンに比べてゆっくりと停止にむかい、時刻ｔ５において、ターニング回転数Ｒ５に到達する。ターニング回転数Ｒ５は、例えば４ｒｐｍである。
【００２５】
なお、ｃ点において、ガスタービン側の回転速度が蒸気タービン側の回転数より小さくなるが、前述のＳＳＳクラッチの特性（３）より再嵌合はしないものである。
【００２６】
以上のように、軸停止時にＳＳＳクラッチが再嵌合しない回転数まで減速した後に、ガスタービン側の起動装置７を作動させ、ガスタービン側の回転数を蒸気タービン側より大きくすることにより、ＳＳＳクラッチ５を切離して、ガスタービン１の軸停止時かかる時間を減少することができる。時刻ｔ１でプラント停止後、蒸気タービン２がターニング回転数に到達するまで時間（ｔ５−ｔ１）は、従来、蒸気タービンとガスタービンを連結したままプラントを停止したときの蒸気タービン及びガスタービンの停止時間と同じであり、例えば、６０分程度である。それに対して、本実施形態のようにガスタービンを切り離して単独で停止したとき、ガスタービン１がターニング回転数に到達する時間（ｔ４−ｔ１）は、例えば、２５分に短縮することができる。ガスタービン本体の故障やメンテナンスなどを行うときは、速やかにガスタービンを停止し、修理等を行った後、速やかに再起動する必要があり、このような場合、ガスタービンの停止に要する時間を短縮できる。
【００２７】
次に、図３を用いて、本発明の他の実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備の構成について説明する。  
図３は、本発明の他の実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００２８】
本実施形態では、蒸気タービン２，ＳＳＳクラッチ５，発電機３，ガスタービン１，ＳＳＳクラッチ６，起動装置７の順に一軸で繋がっている。蒸気タービン２とＳＳＳクラッチ５を繋ぐ軸を軸Ｆ、ＳＳＳクラッチ５とＳＳＳクラッチ６を繋ぐ軸を軸E、ＳＳＳクラッチ６と起動装置７を繋ぐ軸を軸Ｄとする。
【００２９】
このＳＳＳクラッチを適用した一軸コンバインド発電プラントの起動時には、ＳＳＳクラッチ６を切り離した状態で、すなわち蒸気タービン２を切り離した状態で、起動装置７によりガスタービン１，発電機３を回転数させる。ガスタービン１が自立速度に達し、軸Eが軸Ｄの回転数より大きくなるとＳＳＳクラッチ６が離脱され、起動装置７が停止する。ガスタービン１の排気による蒸気発生にて、蒸気タービン２を起動する。蒸気タービン２の回転数が増加し、軸Ｆの回転数が軸Eの回転数に達した時にＳＳＳクラッチ５が嵌合、蒸気タービン２のトルクが発電機３に伝わる。
【００３０】
プラント停止の際は、図２に示したように、ＳＳＳクラッチ５が再嵌合しない回転数まで減速した時に、制御装置９は、起動装置７を起動させる。そして、起動装置側の回転数がガスタービン側の回転数より大きくなると、ＳＳＳクラッチ６が嵌合する。起動装置７によりガスタービン側の回転数を蒸気タービン側の回転数より大きくなり、クラッチ５が離脱したと判断されると、制御装置９は、起動装置７を停止する。クラッチ５が切り離されたことにより、ガスタービンは蒸気タービンの慣性モーメントの影響を受けずに、速やかに停止にむかう。
【００３１】
以上のように、軸停止時にＳＳＳクラッチ５が再嵌合しない回転数まで減速した後に、ガスタービン側の起動装置を作動させ、ガスタービン側の回転数を蒸気タービン側より大きくすることにより、ＳＳＳクラッチ５を切離し、ガスタービンの軸停止時かかる時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備におけるプラント停止時の動作説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態による一軸コンバインド発電プラント設備の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…ガスタービン
２…蒸気タービン
３…発電機
５，６…ＳＳＳクラッチ
７…起動装置
８…ギヤ
９…制御装置
【図１】
2005180370.tif 000003
【図２】
2005180370.tif 000004
【図３】
2005180370.tif 000005