(57)【要約】【課題】蒸気消費設備に蒸気を送気する際の発電プラント全体の効率を高めることである。【解決手段】複数の発電ユニット１１の蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービン１５、１６の効率をタービン効率算出部３２で算出し、判定部３３はタービン効率算出部３２で算出された各発電ユニット１１の蒸気タービンの効率を比較して蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットを判定し、出力部３４は判定部３３で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットを蒸気送気用の発電ユニットとして報知出力する。これにより、蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンを１軸で連結した複数の発電ユニットのうちのいずれかの発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気するようにした発電プラントを運用する発電プラント運用装置において、複数の発電ユニットの前記蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービンの効率を算出するタービン効率算出部と、前記タービン効率算出部で算出された各発電ユニットの蒸気タービンの効率を比較し蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットを判定する判定部と、前記判定部で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットを蒸気送気用の発電ユニットとして報知出力する出力部とを備えたことを特徴とする発電プラント運用装置。
【請求項２】
蒸気タービンを１軸で連結した複数の発電ユニットのうちのいずれかの発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気するようにした発電プラントを運用する発電プラント運用装置において、複数の発電ユニットの前記蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービンの効率を算出するタービン効率算出部と、前記タービン効率算出部で算出された各発電ユニットの蒸気タービンの効率を比較し蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットを判定する判定部と、前記判定部で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットから前記蒸気消費設備に蒸気を送気する制御部とを備えたことを特徴とする発電プラント運用装置。
【請求項３】
蒸気タービンを１軸で連結した複数の発電ユニットのうちのいずれかの発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気するようにした発電プラントを運用する発電プラント運用方法において、複数の発電ユニットの前記蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービンの効率を算出し、算出された各発電ユニットの蒸気タービンの効率を比較して蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットを判定し、前記判定部で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットから前記蒸気消費設備に蒸気を送気することを特徴とする発電プラント運用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンを１軸で連結した複数の発電ユニットのうちのいずれかの発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気するようにした発電プラントを運用する発電プラント運用装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、コンバインドサイクル発電プラントは複数のユニットで構成され、各ユニットはそれぞれガスタービンと蒸気タービンとを有し、１台の発電機に接続される１軸型の構成になっている。このようなコンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービンや蒸気タービンのような回転機器の駆動軸（回転体）のトルクを検出するための光学的なトルク計測装置を設け、ガスタービンや蒸気タービンの出力を把握し熱効率の管理を行っているものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、複数の発電ユニットのいずれかの発電ユニットから、近隣の蒸気消費設備に対して蒸気の送気を行う場合がある。その際、蒸気送気用の発電ユニットの選定は運転員の判断により行うようにしている。一方、蒸気タービンを有した火力自家発電プラントにおいても、発電に使用されて低圧となった蒸気を蒸気消費設備である製紙工程で使用するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２２５６４号公報
【特許文献２】特開平１１−２９４１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、発電ユニットにおける蒸気タービンは発電ユニットによって多少の効率の相違があるので、蒸気送気用の発電ユニットの選定を運転員の判断に任せていると、効率の良い蒸気タービンから蒸気消費設備に蒸気を送気することが発生し、全体としての効率が低下することがある。すなわち、効率の比較的良い蒸気タービンからは蒸気の送気を行わず蒸気を発電だけに用い、比較的効率の悪い蒸気タービンから蒸気を蒸気消費設備に送気した方が発電プラント全体としてはとして効率が良くなる。
【０００５】
ここで、蒸気タービンの効率を把握するには、その蒸気タービンの入口圧力、入口温度、出口圧力、出口温度が必要となるが、蒸気タービンによっては出口圧力や出口温度を検出していないのでタービン効率を把握することができないものがある。例えば、１軸形コンバインドサイクル発電プラントにおける中圧タービンにおいては出口圧力や出口温度を検出していないのでタービン効率を把握することができない。また、低圧タービンにおいては入口圧力や入口温度を検出していないのでタービン効率を把握することができない。
【０００６】
そして、低圧タービンの出口は湿り蒸気となるために、その温度、圧力を計測したとしても出口エンタルピーを計算することができないため、蒸気タービン効率を算出することができない。
【０００７】
本発明の目的は、蒸気消費設備に蒸気を送気する際の発電プラント全体の効率を高めることができる発電プラント運用装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明に係わる発電プラント運用装置は、蒸気タービンを１軸で連結した複数の発電ユニットのうちのいずれかの発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気するようにした発電プラントを運用する発電プラント運用装置において、複数の発電ユニットの前記蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービンの効率を算出するタービン効率算出部と、前記タービン効率算出部で算出された各発電ユニットの蒸気タービンの効率を比較し蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットを判定する判定部と、前記判定部で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットを蒸気送気用の発電ユニットとして報知出力する出力部とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明に係わる発電プラント運用装置は、蒸気タービンを１軸で連結した複数の発電ユニットのうちのいずれかの発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気するようにした発電プラントを運用する発電プラント運用装置において、複数の発電ユニットの前記蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービンの効率を算出するタービン効率算出部と、前記タービン効率算出部で算出された各発電ユニットの蒸気タービンの効率を比較し蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットを判定する判定部と、前記判定部で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットから前記蒸気消費設備に蒸気を送気する制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明に係わる発電プラント運用方法は、蒸気タービンを１軸で連結した複数の発電ユニットのうちのいずれかの発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気するようにした発電プラントを運用する発電プラント運用方法において、複数の発電ユニットの前記蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービンの効率を算出し、算出された各発電ユニットの蒸気タービンの効率を比較して蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットを判定し、前記判定部で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットから前記蒸気消費設備に蒸気を送気することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットを蒸気送気用の発電ユニットとし、蒸気タービンの効率が良い発電ユニットは発電だけを行い、蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットは発電と蒸気の送気を行うので、発電プラント全体としての発電電力が増加する。これにより、蒸気の送気及び発電電力を出力するにあたり発電プラントの燃料削減が可能となり、蒸気消費設備に蒸気を送気する際の発電プラント全体の効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる発電プラントの運用装置の構成図である。図１では、３個の発電ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃを備えた３軸のコンバインドサイクル発電プラントを示しているが、２軸または３軸以上であってもよい。
【００１３】
各々の発電ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、ガスタービン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、空気圧縮機１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、高圧タービン１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、中圧タービン１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、低圧タービン１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、発電機１７ａ、１７ｂ、１７ｃが１軸で連結されており、空気圧縮機１３ａ、１３ｂ、１３ｃと高圧タービン１４ａ、１４ｂ、１４ｃとの間には、トルク計測装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃが設けられている。
【００１４】
トルク計測装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、例えば、軸方向の異なる位置に１対の反射体を設け、両反射体にレーザ光を照射して両反射体からの反射光を検出し、反射光の周期的な強弱に基づいて回転体の回転周期を求め、両反射体からの反射光の遅れ時間に基づいて、ガスタービン１２ａ、１２ｂ、１２ｃのトルクを検出するものである。このガスタービン１２ａ、１２ｂ、１２ｃのトルクに基づいてガスタービン１２ａ、１２ｂ、１２ｃの出力ＷGTを得ることになる。
【００１５】
ガスタービン１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、燃焼器１９ａ、１９ｂ、１９ｃでの燃料と空気との燃焼ガスで駆動され、ガスタービン１２ａ、１２ｂ、１２ｃで仕事を終えた排ガスは排熱回収ボイラ２０ａ、２０ｂ、２０ｃに導かれる。排熱回収ボイラ２０ａ、２０ｂ、２０ｃでは、排ガスの熱量で蒸気を発生し、ここで発生した蒸気は、高圧タービン１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、中圧タービン１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、低圧タービン１６ａ、１６ｂ、１６ｃにそれぞれ導かれて、これらで仕事を終えた蒸気は復水器２１ａ、２１ｂ、２１ｃに導かれて凝縮して水となり、再び排熱回収ボイラ２０ａ、２０ｂ、２０ｃに供給される。
【００１６】
高圧タービン１４ａ、１４ｂ、１４ｃの入口には、蒸気圧力を検出する圧力検出器２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、蒸気温度を検出する温度検出器２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、蒸気流量を検出する流量検出器２４ａ、２４ｂ、２４ｃが設けられ、同様に、高圧タービン１４ａ、１４ｂ、１４ｃの出口すなわち中圧タービン１５ａ、１５ｂ、１５ｃの入口にも、蒸気圧力を検出する圧力検出器２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、蒸気温度を検出する温度検出器２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、蒸気流量を検出する流量検出器２７ａ、２７ｂ、２７ｃが設けられている。また、復水器２１ａ、２１ｂ、２１ｃの内部には圧力検出器２８ａ、２８ｂ、２８ｃが設けられ、発電機１７ａ、１７ｂ、１７ｃには出力検出器２９ａ、２９ｂ、２９ｃが設けられている。
【００１７】
そして、高圧タービン１４ａ、１４ｂ、１４ｃの出口すなわち中圧タービン１５ａ、１５ｂ、１５ｃの入口に蒸気消費設備への蒸気取り出し位置が設けられ、送気弁３０ａ、３０ｂ、３０ｃを介して蒸気消費設備に蒸気が送気されるようになっている。
【００１８】
発電プラント運用装置３１は、各々の発電ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃの検出器で検出されたプロセス量ｘ１ｉ、ｘ２ｉ、ｘ３ｉを入力し、蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットを蒸気送気用の発電ユニットとして報知出力するものである。すなわち、発電プラント運用装置３１は、各々の発電ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃの蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービン（中圧タービン１５ａ、１５ｂ、１５ｃ及び低圧タービン１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）の効率（総合効率）を算出するタービン効率算出部３２ａ、３２ｂ、３２ｃを有し、判定部３３は、これらタービン効率算出部３２ａ、３２ｂ、３２ｃで算出されたタービン効率を比較してタービン効率が最も悪い発電ユニットを判定する。
【００１９】
そして、出力部３４は、判定部３３で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットを蒸気送気用の発電ユニットとして報知出力する。出力部３４は、例えば表示装置や印字装置などである。これにより、運転員は出力部３４の報知出力に基づいて、蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットの送気弁３０ａ、３０ｂ、３０ｃを開き、蒸気消費設備に蒸気を送気することになる。
【００２０】
次に、タービン効率算出部３２ａ、３２ｂ、３２ｃでのタービン効率の算出の仕方について説明する。タービン効率算出部３２ａ、３２ｂ、３２ｃでのタービン効率の算出の仕方は同一であるので、タービン効率算出部３２ａについて説明する。
【００２１】
まず、発電ユニット１１ａにおいて、蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービンは、中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａであるので、タービン効率算出部３２ａは、中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａを一つの蒸気タービンとしてこれらの総合効率を求めることになる。
【００２２】
タービン効率算出部３２ａには、発電ユニット１１ａのプロセス量ｘ１ｉとして、圧力検出器２２ａで検出された高圧タービン１４ａの入口蒸気圧力、温度検出器２３ａで検出された高圧タービン１４ａの入口蒸気温度、流量検出器２４ａで検出された高圧タービン１４ａの入口蒸気流量、圧力検出器２５ａで検出された中圧タービン１５ａの入口蒸気圧力、温度検出器２６ａで検出された中圧タービン１５ａの入口蒸気温度、流量検出器２７ａで検出された中圧タービン１５ａの入口蒸気流量、圧力検出器２８ａで検出された復水器２１ａの内部圧力が入力される。
【００２３】
ここで、タービンの内部効率ηは（１）式で示される。ｈinはタービン入口のエンタルピー、ｈoutはタービン出口のエンタルピー、ｈadは断熱変化時のタービン出口のエンタルピーである。
【００２４】
η＝（ｈin−ｈout）／（ｈin−ｈad）    …（１）
図２は、タービン入口圧力Ｐin及びタービン出口圧力Ｐoutをパラメータとしたときのエンタルピーｈとエントロピーｓとの特性図である。Ｆ１（Ｐin）はタービン入口圧力特性曲線、Ｆ２（Ｐout）はタービン入口圧力特性曲線であり、予め計算で求められている。
【００２５】
いま、タービン入口のエンタルピーがｈinでありタービン出口のエンタルピーがｈoutであるとする。このときの断熱変化時のタービン出口のエンタルピーｈadは、図２に示すように、タービン入口のエントロピーとタービン出口のエントロピーとがｓ１で同一あるときのタービン出口のエンタルピーとなる。
【００２６】
ｈinはタービン入口蒸気圧力及びタービン入口蒸気温度から計算可能であり、ｈoutはタービン出口蒸気圧力及びタービン出口蒸気温度から計算可能であり、ｈadはタービン入口蒸気圧力、タービン入口蒸気温度、タービン出口蒸気圧力特性曲線Ｆ２（Ｐout）から計算可能である。従って、タービン入口蒸気圧力及びタービン入口蒸気温度、タービン出口蒸気圧力及びタービン出口蒸気温度が分かれば、そのタービンの内部効率ηは計算で求めることができる。
【００２７】
しかし、蒸気消費設備への蒸気取り出し位置より後段の蒸気タービンである中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａは、一つの蒸気タービンとして取り扱う場合に、タービン入口蒸気圧力やタービン入口蒸気温度は、圧力検出器２５ａや温度検出器２６ａで検出可能であるが、タービン出口蒸気圧力及びタービン出口蒸気温度は検出器がないので検出することができない。
【００２８】
そこで、本発明の実施の形態では、中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａの総合出力を求め、その出力から解析して中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａの効率を決定する。蒸気タービンの出力Ｗは（２）式で示される。Ｑは蒸気タービン入口の蒸気流量である。
【００２９】
Ｗ＝Ｑ（ｈin−ｈout）    …（２）
いま、発電ユニット１１ａの出力をＷG、ガスタービン１２ａの出力をＷGT、高圧タービン１４ａの出力をＷHPT、中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａの総合出力をＷPTとする。そうすると、（３）式が成立する。
【００３０】
ＷG＝ＷGT＋ＷHPT＋ＷPT    …（３）
発電ユニット１１ａの出力ＷGは出力検出器２９ａで検出され、ガスタービン１２ａの出力ＷGTはトルク計測装置１８ａで計測できる。高圧タービン１４ａの出力ＷHPTは、（２）式から計算で求めることができる。これは、高圧タービン１４ａについては、タービン入口蒸気圧力は圧力検出器２２ａで、タービン入口蒸気温度は温度検出器２３ａで、タービン出口蒸気圧力は圧力検出器２５ａで、タービン出口蒸気温度は温度検出器２６ａで、高圧タービン入口の蒸気流量Ｑは流量検出器２４ａでそれぞれ検出できるからである。
【００３１】
すなわち、圧力検出器２２ａで検出したタービン入口蒸気圧力及び温度検出器２３ａで検出したタービン入口蒸気温度により、高圧タービン入口のエントロピーｈinを計算でき、圧力検出器２５ａで検出したタービン出口蒸気圧力及び温度検出器２６ａで検出したタービン出口蒸気温度により、高圧タービン出口のエントロピーｈoutを計算できるので、（ｈin−ｈout）が求まり、また、流量検出器２４ａで高圧タービン入口の蒸気流量Ｑを検出できるからである。
【００３２】
従って、（３）式から中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａの総合出力ＷPTを求めることができる。そして、（２）式に、中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａの総合出力ＷPT、流量検出器２７ａで検出された中圧タービン１５ａへの蒸気流量Ｑを代入して、中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａの（ｈin−ｈout）を求める。
【００３３】
一方、中圧タービン１５ａの入口のエントロピーｈinは、圧力検出器２５ａで検出された中圧タービン入口蒸気圧力及び温度検出器２６ａで検出された中圧タービン入口蒸気温度から計算して求め、断熱変化時の低圧タービン出口のエンタルピーｈadは、中圧タービン入口蒸気圧力、中圧タービン入口蒸気温度、低圧タービン出口蒸気圧力特性曲線Ｆ２（Ｐout）から計算して求める。そして、これらを（１）式に代入して中圧タービン１５ａ及び低圧タービン１６ａのタービン内部効率ηａを算出する。同様に、タービン効率算出部３２ｂ、３２ｃも中圧タービン１５ｂ、１５ｃ及び低圧タービン１６ｂ、１６ｃのタービン内部効率ηｂ、ηｃをそれぞれ算出する。
【００３４】
タービン効率算出部３２ａ、３２ｂ、３２ｃで算出された各発電ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃのタービン内部効率ηａ、ηｂ、ηｃは判定部３３に入力され、タービン効率ηが最も悪い発電ユニット１１が判定される。そして、出力部３４は判定部３３でタービン効率ηが最も悪いと判定された発電ユニット１１を蒸気送気用の発電ユニット１１として報知出力する。これにより、運転員はタービン効率ηが最も悪い発電ユニット１１の送気弁３０を開き、蒸気消費設備に蒸気を送気することになる。
【００３５】
第１の実施の形態によれば、低圧タービン１７ａ、１７ｂ、１７ｃの出口に、新たに圧力検出器、温度検出器、流量検出器を設けなくても、中圧タービン１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び低圧タービン１７ａ、１７ｂ、１７ｃを一つの蒸気タービンとしてみた場合のタービン効率を求めることができる。そして、タービン効率が最も悪いと判定された発電ユニットを蒸気送気用の発電ユニットとして出力するので、運転員は容易に蒸気送気用の発電ユニットを選択することができる。そして、運転員がその発電ユニットを蒸気送気用の発電ユニットとして選択したときは、蒸気タービンの効率が良い発電ユニットは発電だけを行い、蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニットは発電と蒸気の送気を行うので、発電プラント全体としての発電電力が増加する。これにより、蒸気の送気及び発電電力を出力するにあたり発電プラントの燃料削減が可能となり、蒸気消費設備に蒸気を送気する際の発電プラント全体の効率を高めることができる。
【００３６】
図３は本発明の第２の実施の形態に係わる発電プラントの運用装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、蒸気送気用の発電ユニットとして報知出力する出力部３４に代えて、判定部３３で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニット１１から蒸気消費設備に蒸気を自動的に送気する制御部３５を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３７】
制御部３５は、判定部３３で蒸気タービンの効率が最も悪いと判定された発電ユニット１１の送気弁３０の駆動機構を操作して送気弁３０を開き、その発電ユニット１１から蒸気消費設備に蒸気を送気する。第２の実施の形態によれば、自動で蒸気タービンの効率が最も悪い発電ユニットから蒸気消費設備に蒸気を送気することができるので、運転員の操作を軽減できる。
【００３８】
以上述べた第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、コンバインドサイクル発電プラントの場合について説明したが、複数台の蒸気タービンを一軸で連結したタンデム形の発電プラントについても適用できる。例えば、高圧タービン、中圧タービン、２台の低圧タービンを有したタンデム形の発電プラントの中圧タービンからそれぞれ２台の低圧タービンに蒸気を供給している場合に、中圧タービンといずれの低圧タービンとの組合せが効率がよいかを判定し、効率の悪い方から蒸気消費設備に蒸気を送気するようにする。
【００３９】
また、高圧タービンと中圧タービンとを連結したプライマリ軸と、２台の低圧タービンを有したセカンダリ軸とを有したクロスコンパインド形の発電プラントについても適用できる。この場合も、中圧タービンといずれの低圧タービンとの組合せが効率がよいかを判定し、効率の悪い方から蒸気消費設備に蒸気を送気するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる発電プラントの運用装置の構成図。
【図２】タービン入口圧力及びタービン出口圧力をパラメータとしたときのエンタルピーとエントロピーとの特性図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わる発電プラントの運用装置の構成図。
【符号の説明】
【００４１】
１１…発電ユニット、１２…ガスタービン、１３…空気圧縮機、１４…高圧タービン、１５…中圧タービン、１６…低圧タービン、１７…発電機、１８…トルク計測装置、１９…燃焼器、２０…排熱回収ボイラ、２１…復水器、２２…圧力検出器、２３…温度検出器、２４…流量検出器、２５…圧力検出器、２６…温度検出器、２７…流量検出器、２８…圧力検出器、２９…出力検出器、３０…送気弁、３１…発電プラント運用装置、３２…タービン効率算出部、３３…判定部、３４…出力部、３５…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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