(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラで生成された蒸気を使用して発電機を駆動する蒸気タービンとその蒸気タービンへ供給される蒸気の流量を調節するタービン入口蒸気加減弁とを有してなる火力発電プラントを、負荷要求指令値を入力として、前記タービン入口蒸気加減弁の開度制御信号及びボイラの生成蒸気量を制御するボイラ負荷指令値信号を生成して周波数制御する火力発電プラントの周波数制御装置において、発電機負荷を検出して出力する発電機負荷検出器と、系統周波数が規定値より上昇したことを示す系統周波数高信号を入力として前記負荷要求指令値を発電機負荷検出器から出力される発電機負荷検出値に切り替える切替器と、前記系統周波数高信号を入力としてタービン入口蒸気加減弁を絞り込むデランプ信号をタービン入口蒸気加減弁の前記開度制御信号として出力する切替器と、前記系統周波数高信号が出力されている間、ボイラ負荷指令値の正帰還ループを断つ切替手段と、主蒸気圧力の設定値と検出された主蒸気圧力の偏差に基づいて前記ボイラ負荷指令値に加算される補正値を出力する補正値出力手段と、を含んで構成され、前記切替手段は、前記補正値出力手段へ入力される前記偏差を０とするものであることを特徴とする火力発電プラントの周波数制御装置。
【請求項２】
ボイラで生成された蒸気を使用して発電機を駆動する蒸気タービンと、その蒸気タービンへ供給される蒸気の流量を調節するタービン入口蒸気加減弁とを有してなる火力発電プラントを、負荷要求指令値を入力として、前記タービン入口蒸気加減弁の開度制御信号及びボイラの生成蒸気量を制御するボイラ負荷指令値信号を生成して周波数制御する火力発電プラントの周波数制御方法において、系統周波数が規定値を超えて上昇したとき、タービン入口蒸気加減弁を絞り込むデランプ信号によりタービン入口蒸気加減弁を急速に絞り込むことで発電機負荷を急速に絞込み、系統周波数が規定値に復帰するまでの間、ボイラ負荷指令値をタービン入口蒸気加減弁の絞り込みによって得られる発電機負荷の検出値にトラッキングさせて発電機負荷検出値とボイラ負荷指令値を一致させ、系統周波数が規定値に復帰した時点で発電機負荷の絞込みを停止してその時点の発電機負荷にボイラ負荷指令値をホールドするとともに、タービン入口蒸気加減弁を急速に絞ることによる急減したタービン飲み込み蒸気流量とボイラから発生する蒸気流量に生じる偏差を解消する方向に動作する制御信号を、系統周波数高の間ブロックすることにより、蒸気圧力高→ボイラ負荷指令値降下→発電機負荷降下→蒸気圧力依然高→ボイラ負荷指令値降下→発電機負荷降下となる正帰還ループを断つことを特徴とする火力発電プラントの周波数制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電プラントに使用されるボイラに係わり、特に系統周波数が規定値より上昇した場合、タービン入口蒸気加減弁開度を急速に絞り込むことと、系統周波数が規定値に復帰した時点の発電機負荷をホールドすることで電力の供給と需要のバランスが保てることから、系統周波数を制御するのに好適な火力発電プラントの制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が対象とする火力発電プラントの全体構成の例を図２に示す。ここに示す火力発電プラントは、ボイラ３２と、ボイラ３２の燃焼ガス出側に接続された電気集塵機２１と、電気集塵機２１の出側に接続された脱硝装置２３と、脱硝装置２３の出側に加熱流体入り側を接続した空気予熱器２４と、空気予熱器２４の加熱流体出側に接続された誘引ファン２５と、誘引ファン２５の出側に加熱流体入り側を接続したガス・ガスヒータ２６と、ガス・ガスヒータ２６の加熱流体出側に接続された脱硫装置２７と、脱硫装置２７の出側に入り側が接続され出側が前記ガス・ガスヒータ２６の被加熱流体入り側に接続された脱硫ファン２８と、前記ガス・ガスヒータ２６の被加熱流体出側に接続された煙突３１と、電気集塵機２１の出側と脱硝装置２３入り側を接続する管路を前記ボイラ２０の火炉底部にガス再循環ファン２２を介して連通する燃焼ガス再循環管路と、空気を加圧送給する押込ファン３３と、押込ファン３３の出側に接続して配置された蒸気式空気予熱器３４と、蒸気式空気予熱器３４の空気出側と空気予熱器２４の第１の被加熱流体入り側を連通する管路と、空気予熱器２４の第１の被加熱流体の出側と前記ボイラ３２の火炉を連通する管路と、１次空気を加圧送給する１次空気ファン２９と、１次空気ファン２９の出側に１次空気管路で接続されたミル３０と、ミル３０の出側とボイラ３２の火炉を接続する管路と、前記１次空気ファン２９で加圧された１次空気の一部を前記空気予熱器２４の第２の被加熱流体入り側に導く管路と、前記空気予熱器２４の第２の被加熱流体出側と前記１次空気管路を連通する管路と、を含んで構成されている。
【０００３】
本発明は火力発電プラントの系統周波数制御装置及び方法に関するものであり、従来の火力発電プラントの制御方式を図３に示す。火力発電プラントは何らかの原因により電力の供給と需要のバランスが崩れた場合、特に、供給＞需要の関係が成り立つ時、系統周波数が上昇する。
【０００４】
従来プラントでは、系統周波数高の検出信号とボイラ目標負荷指令値１２ａを備えることにより、系統周波数が規定値を超えた場合、発電機負荷を前記ボイラ目標負荷指令値１２ａまで下げることで系統周波数を下げるようプラントを運用した。
【０００５】
また、実開平４−５１０３９号では、系統周波数と規定値の偏差Δｆを算出し、加算器２０で負荷要求指令値１へ偏差Δｆを加え、系統周波数の制御を行っているが、ボイラ負荷指令値１２を絞っても、ボイラの蓄熱、ひいてはボイラの蒸発量は徐々にしか低下せず、結果として、発電機負荷８の低下が遅いことから、系統周波数を規定値へ復帰させるには多大な時間を要する。つまり、図５におけるボイラ負荷指令値１２の低下に時間を要するため、系統周波数の回復に時間を要する。
【０００６】
特開昭５６−７８３９９号公報では、系統周波数の規定値との偏差が零となるようタービン入口蒸気加減弁１１を絞り制御するが、系統周波数の上昇に併せて、ボイラ負荷指令値１２を絞らないため、タービン入口蒸気加減弁１１を絞ることにより、ボイラの蒸気圧力が異常上昇する。つまり、図５においてタービン入口蒸気加減弁１１のみ絞り、ボイラ負荷指令値１２を絞らないので蒸気圧力が異常上昇する。その結果、一旦、タービン流入蒸気流量を絞り、発電機負荷を下げることが出来ても、蒸気圧力の上昇から再びタービン流入蒸気流量が増加し、発電機負荷が上昇することから、系統周波数は再上昇する。つまり、系統周波数制御は一時的なものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術は、系統周波数が規定値より上昇した場合、ボイラ負荷指令値をあらかじめ設定していた発電機負荷まで下げることで、系統周波数を下げる制御方式であるが、発電機負荷を降下している途中で系統周波数が規定値に復帰した場合と、早期に系統周波数を回復させる手段について考慮されていない。つまり、前記従来技術は、系統周波数を早期に規定値に回復させ、且つ、系統周波数が規定値に戻った後、系統周波数を安定に維持できるプラントの制御方式となっていなかった。
【０００８】
従来技術は、系統周波数が規定値に復帰した時点の発電機負荷でボイラ負荷指令値をホールドする点について考慮されておらず、系統周波数の挙動と関係なく発電機負荷をあらかじめ設定していた発電機負荷まで降下させるため、電気の供給と需要のバランスが崩れ（供給＜需要）、逆に系統周波数を規定値以下に下げる欠点があった。
【０００９】
本発明の目的は、系統周波数を早期に規定値に回復させ、且つ、系統周波数が規定値に戻った後、系統周波数を安定に維持できるようにするにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、あらかじめ系統周波数と規定値との差分を常時モニタすることで系統周波数高を検出する周波数高検出器、周波数高検出器から系統周波数高を示す信号が出力されている間、ボイラ負荷指令値を発電機負荷にトラッキングさせる切替器、系統周波数高を示す信号が入力されたら、タービン入口蒸気加減弁を急速に絞り込むデランプ信号をタービン入口蒸気加減弁の開度制御信号として出力する切替器、周波数高検出器から系統周波数高を示す信号が出力されている間、主蒸気圧力の設定値と検出された主蒸気圧力の偏差に基づいてボイラ負荷指令値の加算される補正値を出力する補正値出力手段への偏差の入力をブロックする切替手段、を含んで制御回路を構成する。また、系統周波数が一旦規定値を超えて上昇した後で規定値に復帰した場合、ボイラ負荷指令値をその時点（規定値への復帰時点）の発電機負荷にホールドするように制御回路を構成する。
【００１１】
このように制御回路を構成することにより、系統周波数が規定値を超えて上昇したとき、すなわち系統周波数高が検出されたとき、タービン流入蒸気流量を急速に絞り込むこと、系統周波数が規定値に復帰した時点の発電機負荷をボイラ負荷指令値にホールドすることとが可能であり、早期に系統周波数を規定値に制御するとともに、系統周波数が規定値に戻った後、系統周波数を安定に維持することが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例である制御回路の全体構造を図１を用いて説明する。図示の制御回路は、周波数高検出器１７と、発電機負荷検出器８と、負荷要求指令値１と発電機負荷検出器８の出力を入力とし周波数高検出器１７の出力に応じて出力を負荷要求指令値１と発電機負荷検出器８からの入力のいずれかに切り替える切替器１３と、切替器１３の出力を入力とする関数発生器２及び加算器２０と、周波数高検出器１７の出力に応じて出力を０，ｍのいずれかに切り替える切替器１６と、関数発生器２の出力を一方の入力とし切替器１６の出力を他方の入力とする変化率制限器３と、主蒸気圧力を検出する主蒸気圧力検出器４と、変化率制限器３の出力から主蒸気圧力検出器４の出力を減算する減算器５と、減算器５の出力を比例積分して補正値を出力する補正値出力手段である比例積分器６と、系統周波数偏差Δｆを入力とする関数発生器１９と、切替器１３の出力に関数発生器１９の出力を加算する加算器２０と、加算器２０の出力に比例積分器６の出力を補正値として加算し、ボイラ負荷指令値１２として出力する加算器７と、加算器２０の出力と発電機負荷検出器８の出力の偏差を演算する減算器９と、減算器９の出力を比例積分する比例積分器１０と、比例積分器１０の出力とデランプ信号１４とを入力とし、周波数高検出器１７の出力に応じて比例積分器１０の出力とデランプ信号１４のいずれかをタービン入り口蒸気加減弁開度指令値（開度制御信号）として出力する切替器１５と、を含んで構成されている。
【００１３】
なお、減算器５の出力は、図示されていない切替手段である切替スイッチを介して比例積分器６に入力されるようになっており、この切替スイッチは周波数高検出器１７から周波数高信号が出力されている間、比例積分器６への入力をブロックするように構成されている。
【００１４】
本発明の制御回路及び制御信号の挙動を、図１、図５を用いて説明する。
プラント運転中に系統周波数が規定値より上昇すると、図１に示す周波数高検出器は、系統周波数高信号を前記切替器１３、１５、１６に出力する。周波数高検出器は系統周波数が規定値より高くなっている間、連続的に系統周波数高信号を出力し、系統周波数が規定値に復帰した時点、あるいは別に定める第２の規定値（＜前記規定値）まで系統周波数が降下した時点で系統周波数高信号の出力を停止する。以下の説明では、周波数高検出器は、系統周波数が規定値に復帰した時点で系統周波数高信号の出力を停止するものとしてある。
【００１５】
系統周波数高信号が入力された切替器１３は、出力を負荷要求指令値１から発電機負荷検出器８からの入力に切り替える。その結果、ボイラ負荷指令値１２は、それまでの値（例えばＸ（ＭＷ））からＹ（ＭＷ）へ、すなわちその時点の発電機負荷検出器８が検出している値へ低下する。
【００１６】
また切替器１５にも系統周波数高信号が入力され、タービン入口蒸気加減弁１１に入力される開度制御信号が、通常制御時の比例積分器１０の出力からデランプ信号１４側へ切替えられる。タービン入口蒸気加減弁１１の開度は、デランプ信号１４により、そのときの開度（例えばＡ（％））からデランプ信号１４が指示する所定のレート（例えば１００％／分のレート）で降下する。系統周波数が規定値に復帰した時点で切替器１５への系統周波数高信号の入力はなくなり、したがって、タービン入口蒸気加減弁１１へのデランプ信号１４の入力もなくなって、タービン入口蒸気加減弁１１の開度制御はその時点で、比例積分器１０の出力信号による制御に切り替わる。但し、タービン入口蒸気加減弁１１の開度は無制限に絞りこまれるのではなく、予め設定される下限開度（例えばＢ％）に到達したら、絞り込みは停止し、系統周波数高信号の入力がなくなるまで該下限開度に保持され、系統周波数高信号の入力がなくなった時点で比例積分器１０の出力信号による制御に切り替わる（図５参照）。
【００１７】
また、切替器１６は、周波数検出器１７から系統周波数高信号が入力されると、変化率０（（kg／cm2)／分）の信号を変化率制限器３に出力する。関数発生器２は切替器１３の出力（この場合、上述のように、発電機負荷検出器８からの入力）を入力として主蒸気圧力の設定値を変化率制限器３に出力するが、変化率制限器３は、切替器１６から入力される変化率０（（kg／cm2)／分）信号に基づいてこの主蒸気圧力の設定値をホールドする（主蒸気圧力α（atg）の変化率０＝主蒸気圧力αに固定）。
【００１８】
この主蒸気圧力の設定値のホールドにより、タービン入口蒸気加減弁１１を絞り込むことにより主蒸気圧力が上昇し、その偏差を解消すべく方向に動作する信号を、固定していた主蒸気圧力の設定値にプラントの主蒸気圧力が一致した時点からはボイラ負荷指令値１２へ加算することを防止することができる。
【００１９】
つまり、発電機負荷検出器８の出力とボイラ負荷指令値１２の間に正帰還のループが構成されることを防止できるので、プラントの挙動の安定化を図ることができる。（蒸気圧力高→ボイラ負荷指令値降下→発電機負荷降下→蒸気圧力依然高→ボイラ負荷指令値降下→発電機負荷降下となる正帰還ループが断たれる。）つまり、デランプ信号１４によりタービン入口蒸気加減弁１１の開度を絞り込むことで急速に発電機負荷を下げる事が可能であり、且つ、ボイラ負荷指令値１２を発電機負荷検出器８の検出値にトラッキングさせ、系統周波数が規定値に復帰した時点の発電機負荷検出器８の検出値でボイラ負荷指令値１２をホールドするので、系統周波数が規定値に復帰した後電力の供給と需要のバランスが崩れないことから系統周波数を規定値に維持することができる。負荷要求指令値１は、系統周波数高信号が出力された時点で、発電機負荷検出器８の検出値と同値となり、別途制御信号が出力されるまでそのままとなるように構成されているから、系統周波数高信号がなくなり、切替器１３が負荷要求指令値１を出力するようになっても、その時点の負荷要求指令値１は、系統周波数高信号がなくなった時点、すなわち、系統周波数が規定値に復帰した時点の発電機負荷検出器８の検出値を維持している。したがって、系統周波数が規定値に復帰し、系統周波数高信号がなくなった後も、系統周波数の上昇・降下が無く、系統周波数を安定に維持することが出来る。
【００２０】
本発明を採用したプラントの挙動を図４、５を用いて説明する。図４は本発明が適用された場合の発電機負荷の挙動（実線）と系統周波数の挙動及び従来技術における発電機負荷の挙動（波線）を時系列的に示している。系統周波数が規定値に対して上昇した場合、本発明が適用された場合の発電機負荷（実線）は、運転している火力発電プラントのタービン入口蒸気加減弁１１の急速絞り込みにより急速に降下しており、従来技術における発電機負荷の挙動（波線）に対し、系統周波数を低下させる効果が大きいことがわかる。
【００２１】
また、図５に示すように、ボイラ負荷指令値１２を発電機負荷検出器８出力にトラッキングさせることで系統周波数が規定値に戻った時点（系統周波数高信号：off）の負荷要求指令値１を系統周波数が復帰した時の値に保持できるため、電力の供給と需要のバランスが崩れず、系統周波数が規定値に戻った後、系統周波数の変動が少なく、制御性向上に効果がある。
【００２２】
系統周波数が規定値に復帰すると周波数高信号がなくなり、切替器１３は再び負荷要求指令値１を出力するが、系統周波数上昇により発電機負荷降下が発生した場合は、負荷要求指令値１は中央給電システムから発電所側に切り替わるようになっており、この時点（規定値復帰時点）の負荷要求指令値１は発電機負荷検出器８の出力値と一致するようになっている。この時点では発電機負荷検出器８の出力値はボイラ負荷指令値１２と同値となっているから、周波数高信号がなくなった時点で関数発生器２に入力されるのはその時点のボイラ負荷指令値１２と同値になっている負荷要求指令値１になる。つまり、関数発生器２はその時点のボイラ負荷指令値１２相当の圧力（β（atg））を主蒸気圧力設定値として出力する。一方、切替器１６は周波数高信号が入力されなくなるので、周波数高信号が入力されていた間の出力「０」に代わって他方の変化率「ｍ」（例えば５（kg／cm２）／分）を出力する。したがって、変化率制限器３から減算器５に出力される主蒸気圧力設定値は、固定されていたα（atg）からβ（atg）まで、５（kg／cm２）／分の割合で降下するが（発電機負荷は下がる方向）、それに合わせて、ホールドされた前記負荷要求指令値１に基づいてタービン入口蒸気加減弁１１の開度が増加するので（タービン呑み込み蒸気流量増加により、発電機負荷は増加方向）、相殺されて発電機負荷を一定に制御することが可能であり、その結果、系統周波数を一定に維持することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、上述のように、系統周波数を早期に規定値に回復させ、且つ、系統周波数が規定値に戻った後、系統周波数を安定に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に関わる制御回路を示す図である。
【図２】火力発電プラントの全体構成を示す図である。
【図３】従来例に関わる制御回路を示す図である。
【図４】本発明の制御を実施した場合の発電機負荷の挙動を示した図である。
【図５】本発明の制御を実施した場合の系統周波数及びプラント制御信号の挙動を示した図である。
【符号の説明】
１  負荷要求指令値
２  関数発生器
３  変化率制限器
４  主蒸気圧力検出器
５  減算器
６  比例積分器
７  加算器
８  発電機負荷検出器
９  減算器
１０  比例積分器
１１  タービン入口蒸気加減弁
１２  ボイラ負荷指令値
１２ａ  ボイラ目標負荷指令値
１３  切替器
１４  デランプ信号
１５  切替器
１６  切替器
１７  周波数高検出器
１８  周波数偏差
１９  関数発生器
２０  加算器
２１  電気集塵機
２２  ガス再循環ファン
２３  脱硝装置
２４  空気予熱器
２５  誘引ファン
２６  ガスガスヒータ
２７  脱硫装置
２８  脱硫ファン
２９  一次空気ファン
３０  ミル
３１  煙突
３２  ボイラ
３３  押込ファン
３４  蒸気式空気予熱器
【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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