(57)【要約】【課題】ガスタービンからの排気ガスにより蒸気タービン用の蒸気を加熱する場合に、蒸気温度を適切に制御することが可能な温度制御装置を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、温度制御装置は、蒸気タービンに供給される蒸気の蒸気温度の目標値を保持する保持部を備える。前記装置はさらに、前記蒸気温度の目標値を前記保持部から読み出す読み出し部を備える。前記装置はさらに、前記蒸気温度の目標値に基づいて、ガスタービンから排出されて前記蒸気を加熱する排ガスの排ガス温度の目標値を設定する設定部を備える。前記装置はさらに、前記排ガス温度を制御する排ガス温度制御部に前記排ガス温度の目標値を出力し、前記蒸気温度を制御する蒸気温度制御部に前記蒸気温度の目標値を出力する出力部を備える。【選択図】図４
2016205313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンに供給される蒸気の蒸気温度の目標値を保持する保持部と、
前記蒸気温度の目標値を前記保持部から読み出す読み出し部と、
前記蒸気温度の目標値に基づいて、ガスタービンから排出されて前記蒸気を加熱する排ガスの排ガス温度の目標値を設定する設定部と、
前記排ガス温度を制御する排ガス温度制御部に前記排ガス温度の目標値を出力し、前記蒸気温度を制御する蒸気温度制御部に前記蒸気温度の目標値を出力する出力部と、
を備える温度制御装置。
【請求項２】
前記出力部は、前記蒸気タービンの起動時に、前記排ガス温度の目標値と前記蒸気温度の目標値とを一定周期で出力する、請求項１に記載の温度制御装置。
【請求項３】
前記保持部は、前記蒸気温度の目標値の時系列値を保持する、請求項１または２に記載の温度制御装置。
【請求項４】
前記設定部は、前記排ガスおよび／または前記蒸気に関する測定値を取得し、前記測定値と前記蒸気温度の目標値とに基づいて、前記排ガス温度の目標値を設定する、請求項１から３のいずれか１項に記載の温度制御装置。
【請求項５】
さらに、前記蒸気タービンの所定部分の熱応力の測定値または計算値を取得し、前記所定部分の熱応力の測定値または計算値に基づいて、前記読み出し部により読み出された前記蒸気温度の目標値を修正する修正部を備え、
前記設定部は、前記修正部により修正された前記蒸気温度の目標値に基づいて、前記排ガス温度の目標値を設定し、
前記出力部は、前記修正部により修正された前記蒸気温度の目標値と、前記設定部により設定された前記排ガス温度の目標値とを出力する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項６】
さらに、前記蒸気タービンの所定部分の温度の測定値または推定値を取得し、前記所定部分の温度の測定値または推定値に基づいて、前記読み出し部により読み出された前記蒸気温度の目標値を修正する修正部を備え、
前記設定部は、前記修正部により修正された前記蒸気温度の目標値に基づいて、前記排ガス温度の目標値を設定し、
前記出力部は、前記修正部により修正された前記蒸気温度の目標値と、前記設定部により設定された前記排ガス温度の目標値とを出力する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の温度制御装置。
【請求項７】
蒸気タービンに供給される蒸気の蒸気温度の目標値を保持部から読み出し、
前記蒸気温度の目標値に基づいて、ガスタービンから排出されて前記蒸気を加熱する排ガスの排ガス温度の目標値を設定し、
前記排ガス温度を制御する排ガス温度制御部に前記排ガス温度の目標値を出力し、
前記蒸気温度を制御する蒸気温度制御部に前記蒸気温度の目標値を出力する、
ことを含む温度制御方法。
【請求項８】
ガスにより駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンから排出された排ガスを用いて加熱された蒸気により駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気の蒸気温度の目標値を保持する保持部と、
前記蒸気温度の目標値を前記保持部から読み出す読み出し部と、
前記蒸気温度の目標値に基づいて、前記排ガスの排ガス温度の目標値を設定する設定部と、
前記排ガス温度の目標値に基づいて、前記排ガス温度を制御する排ガス温度制御部と、
前記蒸気温度の目標値に基づいて、前記蒸気温度を制御する蒸気温度制御部と、
を備える発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、温度制御装置、温度制御方法、および発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、コンバインドサイクル型の発電プラントでは、蒸気タービンに導入する蒸気の蒸気温度を制御しながら蒸気タービンを起動する。このとき、蒸気タービンロータに発生する熱応力が一定値以下となるように蒸気温度を制御することが一般的である。
【０００３】
蒸気温度の制御方法や蒸気タービンの起動方法に関しては、いくつかの方法が知られている。例えば、ガスタービンからの排ガスの排ガス温度を制御して蒸気温度を制御する方法や、蒸気タービンの起動時に蒸気温度を減温器により制御する方法や、蒸気タービンを最適起動により高速で起動する方法などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−５７５８５号公報
【特許文献２】特開２００５−２１４０４７号公報
【特許文献３】特開２００６−２５７９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法では、蒸気温度を所望の温度に制御することが困難な場合がある。理由は、蒸気温度が排ガス温度に応じて変化するからである。例えば、排ガス温度が急激に変化すると、蒸気温度の制御により蒸気タービンロータの熱応力を一定値以下に保つことができない場合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、ガスタービンからの排気ガスにより蒸気タービン用の蒸気を加熱する場合に、蒸気温度を適切に制御することが可能な温度制御装置、温度制御方法、および発電プラントを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一の実施形態によれば、温度制御装置は、蒸気タービンに供給される蒸気の蒸気温度の目標値を保持する保持部を備える。前記装置はさらに、前記蒸気温度の目標値を前記保持部から読み出す読み出し部を備える。前記装置はさらに、前記蒸気温度の目標値に基づいて、ガスタービンから排出されて前記蒸気を加熱する排ガスの排ガス温度の目標値を設定する設定部を備える。前記装置はさらに、前記排ガス温度を制御する排ガス温度制御部に前記排ガス温度の目標値を出力し、前記蒸気温度を制御する蒸気温度制御部に前記蒸気温度の目標値を出力する出力部を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態の発電プラントの構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態の発電プラントの起動手順を示すグラフである。
【図３】第１実施形態の発電プラントの起動手順を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】第１実施形態の排熱回収ボイラの構成を示す模式図である。
【図６】第１実施形態の排熱回収ボイラの熱交換量の算出方法を示すフローチャートである。
【図７】第２実施形態の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】第２実施形態の制御装置の動作を説明するためのグラフである。
【図９】第３実施形態の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】第３実施形態の制御装置の動作を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の発電プラントの構成を示す模式図である。図１の発電プラントは、排熱回収方式によるコンバインドサイクル型の火力発電プラントである。
【００１１】
図１の発電プラントは、ガスタービン１と、圧縮機２と、第１発電機３と、排ガス配管４と、排熱回収ボイラ５と、ドラム１１と、下降管１２と、蒸発器１３と、第１蒸気配管１４と、第１過熱器１５と、減温器１６と、第２蒸気配管１７と、第２過熱器１８と、減温器バルブ１９と、制御装置２０と、主蒸気配管２１と、主蒸気弁２２と、バイパス配管２３と、バイパス弁２４と、蒸気タービン２５と、蒸気タービンロータ２６と、第２発電機２７とを備えている。制御装置２０は、温度制御装置の例である。
【００１２】
図１の発電プラントはさらに、排ガス配管４上に設けられた流量計３１Ｆおよび温度計３１Ｔと、ドラム１１に設けられた圧力計３２Ｐと、第１蒸気配管１４上に設けられた温度計３３Ｔと、第２蒸気配管１７上に設けられた温度計３４Ｔと、主蒸気配管２１上に設けられた流量計３５Ｆ、温度計３５Ｔ、および圧力計３５Ｐと、蒸気タービンロータ２６の温度に相当する温度を測定するための温度計３６Ｔと、蒸気タービンロータ２６に設けられた回転数計測器３７と、第２発電機２７に設けられた電気出力計測器３８とを備えている。
【００１３】
図１の発電プラントでは、圧縮機２により圧縮されたガスによりガスタービン１が回転し、この回転を利用して第１発電機３が発電を行う。ガスの例は空気である。ガスタービン１から排出された排ガスは、排ガス配管４を介して排熱回収ボイラ５に送られる。排熱回収ボイラ５に送られた排ガスは、第２過熱器１８、第１過熱器１５、蒸発器１３の順でその熱が利用され、排熱回収ボイラ５から排出される。制御装置２０は、ガスタービン１の動作を制御することで、排熱回収ボイラ５の入口排ガス温度を目標値に制御することができる。
【００１４】
一方、ドラム１１内の水は、下降管１２を介して排熱回収ボイラ５内の蒸発器１３に送られ、蒸発器１３内で排ガスの熱により加熱されることで、飽和水蒸気となる。この蒸気は、第１蒸気配管１４を介して排熱回収ボイラ５内の第１過熱器１５に送られ、第１過熱器１５で過熱された後、減温器１６で冷却される。減温器１６で冷却された蒸気は、第２蒸気配管１７を介して排熱回収ボイラ５内の第２過熱器１８に送られ、第２過熱器１８で再び過熱される。制御装置２０は、蒸気冷却用の水を減温器１６に供給するための減温器バルブ１９の開度を調整して、減温器１６での蒸気の冷却量を調整することで、第２過熱器１８の出口蒸気温度を目標値に制御することができる。
【００１５】
第２過熱器１８で過熱された蒸気（主蒸気）は、主蒸気配管２１を介して蒸気タービン２５に送られる。蒸気タービン２５の回転軸である蒸気タービンロータ２６は、第２発電機２７に接続されている。図１の発電プラントでは、蒸気タービン２５が主蒸気により回転し、この回転が蒸気タービン２５から蒸気タービンロータ２６を介して第２発電機２７に伝達され、この回転を利用して第２発電機２７が発電を行う。バイパス配管２３は、蒸気タービン２５の上流で主蒸気配管２１から分岐している。主蒸気配管２１の主蒸気流量は、主蒸気配管２１上の主蒸気弁２２の開度が制御装置２０により調整されることで、目標値に制御される。また、蒸気タービン２５の入口蒸気圧力は、バイパス配管２３上のバイパス弁２４の開度が制御装置２０により調整されることで、目標値に制御される。
【００１６】
制御装置２０は、主蒸気配管２１の主蒸気流量の調整により、蒸気タービン２５の回転数を制御し、これにより第２発電機２７の電気出力を制御する。第２発電機２７の電気出力は、ＭＷ（メガワット）出力とも呼ばれる。なお、蒸気タービン２５の回転数は、回転数計測器３７により計測され、第２発電機２７の電気出力は、電気出力計測器３８により計測される。
【００１７】
図２は、第１実施形態の発電プラントの起動手順を示すグラフである。
【００１８】
図２(ａ)の曲線Ｃ１は、排熱回収ボイラ５の入口における排ガス温度の時間変化を示す。この排ガス温度は、温度計３１Ｔにより測定される。図２(ａ)は、時刻ｔ１に排ガス温度の上昇が始まる様子を示している。
【００１９】
図２(ｂ)の曲線Ｃ２は、第２過熱器１８の出口における蒸気温度の時間変化を示す。この蒸気温度は、温度計３５Ｔにより測定される。図２(ｂ)に示すように、排ガス温度が上昇し始めると、排熱回収ボイラ５における排ガスと蒸気との熱交換により、蒸気温度も上昇し始める。この熱交換での熱交換量により、蒸気温度が決定される。
【００２０】
図２(ｂ)の曲線Ｃ３は、蒸気タービンロータ２６の温度の時間変化を示す。このロータ温度は、温度計３６Ｔにより測定される。図２(ｂ)は、時刻ｔ２にロータ温度の上昇が始まる様子を示している。本実施形態では、排ガスにより加熱された蒸気を蒸気タービン２５に導入することで、蒸気タービンロータ２６が加熱され、ロータ温度が上昇する。
【００２１】
図２(ｃ)の曲線Ｃ４は、第２発電機２７の電気出力の時間変化を示す。この電気出力は、電気出力計測器３８により測定される。図２(ｃ)は、時刻ｔ３に電気出力の上昇が始まり、時刻ｔ４から電気出力が急激に上昇する様子を示している。
【００２２】
図２(ｄ)の曲線Ｃ５は、蒸気タービンロータ２６に発生する熱応力の時間変化を示す。図２(ｄ)に示すように、ロータ温度が上昇し始めると、蒸気タービンロータ２６に熱応力が発生する。この熱応力は一般に、上記の蒸気温度、ロータ温度、および電気出力により計算できる。
【００２３】
本実施形態では、時刻ｔ１にガスタービン１が起動される。よって、図２(ａ)の排ガス温度や図２(ｂ)の蒸気温度は、時刻ｔ１から上昇し始める。また、本実施形態では、時刻ｔ２に通気条件が成立し、蒸気タービン２５への蒸気の流入が開始される。よって、図２(ｂ)のロータ温度や図２(ｄ)の熱応力は、時刻ｔ２から上昇し始める。また、本実施形態では、時刻ｔ３に並列条件が成立し、蒸気タービン２５と第２発電機２７とが並列され、第２発電機２７による発電が開始される。よって、図２(ｃ)の電気出力は、時刻ｔ３から上昇し始める。また、本実施形態では、時刻ｔ４に負荷上昇条件が成立し、第２発電機２７の負荷上昇が開始される。よって、図２(ｄ)の電気出力は、時刻ｔ４から急激に上昇する。このようにして、発電プラントの起動が完了する。
【００２４】
次に、図１および図２を参照し、蒸気タービンロータ２６に発生する熱応力について説明する。
【００２５】
一般に、蒸気タービンロータ２６に発生する熱応力は、蒸気温度、ロータ温度、および電気出力により計算できる。ロータ温度の初期値は、発電プラントの起動開始時の状態により決まり、具体的には、発電プラントが停止してからの経過時間により決まる。また、発電プラントの起動中のロータ温度は、蒸気から蒸気タービンロータ２６への熱伝達量ｑにより決まる。この熱伝達量ｑ［ｋＷ］は、以下の式（１）により与えられる。
【００２６】
ｑ＝Ｈ（ｔout−Ｔ）  ・・・（１）
ただし、Ｈは、蒸気タービンロータ２６の伝熱係数［ｋＷ／℃］を表す。Ｔは、蒸気タービンロータ２６のロータ温度［℃］を表す。ｔoutは、第２過熱器１８の出口における蒸気温度［℃］を表す。ｔoutはおおむね、蒸気タービン２５の入口における蒸気温度に一致する。
【００２７】
本実施形態では、上記の熱応力の最大値が一定値以下となるように、蒸気タービン２５と第２発電機２７とを並列すると共に、第２発電機２７の電気出力を増加させる。第２発電機２７が並列される時点で蒸気タービンロータ２６に熱応力が発生している場合には、第２発電機２７を並列することで熱応力がさらに増加する。この場合にも、熱応力の最大値が一定値以下となるように電気出力が増加される。
【００２８】
そのため、発電プラントの起動中において、ロータ温度（Ｔ）は蒸気温度（ｔout）よりも遅れて上昇するように制御される。理由は、ロータ温度は、熱応力の上昇を抑えるように制御されるからである。よって、本実施形態の熱応力は、蒸気温度、ロータ温度、電気出力のうちの主に蒸気温度により決定される。
【００２９】
一方、本実施形態の蒸気温度は、排熱回収ボイラ５における熱交換と、減温器１６による冷却作用により決定される。しかしながら、本実施形態の発電プラントの起動中には、蒸気温度が定格温度に達しないと減温器１６が作動しない。よって、本実施形態の蒸気温度は、主に排熱回収ボイラ５における熱交換により決定される。すなわち、本実施形態の蒸気温度は、主に排ガス温度により決定される。
【００３０】
なお、ガスタービン１の運転中には、ガスタービン１の燃焼器の燃焼温度が所定温度以上にならないように、ＩＧＶ（inlet guide vane）開度が制御される。ガスタービン１からの排ガスの排ガス温度は、このＩＧＶ開度の制御により変動する。
【００３１】
このように、本実施形態の発電プラントの起動時には、排ガス温度を制御することで蒸気温度を制御することができ、これにより熱応力を制御することができる。排ガス温度は例えば、ＩＧＶ開度の調整により制御することができる。本実施形態の制御装置２０は、減温器バルブ１９の調整により蒸気温度を直接的に制御できると共に、ＩＧＶ開度の調整により排ガス温度の制御を通じて蒸気温度を制御することができる。
【００３２】
図３は、第１実施形態の発電プラントの起動手順を示すフローチャートである。
【００３３】
本実施形態の発電プラントの起動手順ではまず、ガスタービン１を起動する（ステップＳ１）。次に、ガスタービン１の出力を調整する（ステップＳ２）。
【００３４】
次に、通気条件が成立するか否かを判断する（ステップＳ３）。通気条件が成立しない場合には、ガスタービン１の出力を再度調整する。通気条件が成立する場合には、蒸気タービン２５への通気が開始され、蒸気タービン２５に蒸気が導入される（ステップＳ４）。
【００３５】
次に、制御装置２０が、蒸気タービン２５に導入される蒸気の蒸気温度制御を行う（ステップＳ５）。この蒸気温度制御の詳細は、後述する。
【００３６】
次に、並列条件が成立するか否かを判断する（ステップＳ６）。並列条件が成立しない場合には、蒸気温度制御が再度実行される。並列条件が成立する場合には、蒸気タービン２５と第２発電機２７とが並列され、第２発電機２７による発電が開始される（ステップＳ７）。
【００３７】
次に、制御装置２０が、蒸気タービン２５に導入される蒸気の蒸気温度制御を行う（ステップＳ８）。ステップＳ８の蒸気温度制御は、ステップＳ５の蒸気温度制御と同様に行われる。この蒸気温度制御の詳細は後述する。
【００３８】
次に、負荷上昇条件が成立するか否かを判断する（ステップＳ９）。負荷上昇条件が成立しない場合には、蒸気温度制御が再度実行される。負荷上昇条件が成立する場合には、負荷上昇制御が開始され、第２発電機２７の負荷が上昇する（ステップＳ１０）。その後、第２発電機２７の負荷が定格に達すると、発電プラントの起動が完了する。
【００３９】
図４は、第１実施形態の制御装置２０の構成を示すブロック図である。本実施形態の制御装置２０は、上述のステップＳ５、Ｓ８の蒸気温度制御を実行する。
【００４０】
本実施形態の制御装置２０は、第１制御装置４１と、第２制御装置４２と、第３制御装置４３とを備えている。第１制御装置４１は、第２および第３制御装置４２、４３の動作を制御する。第２制御装置４２は、ＩＧＶ開度の調整により排ガス温度を制御する。第３制御装置４３は、減温器バルブ１９の調整により蒸気温度を制御する。第２制御装置４２は、排ガス温度制御部の例である。第３制御装置４３は、蒸気温度制御部の例である。
【００４１】
制御装置２０の例は、１台または複数台のコンピュータである。第１から第３制御装置４１〜４３は、同じコンピュータに含まれていてもよいし、異なるコンピュータに含まれていてもよい。また、制御装置２０の処理は、電気回路によりハードウェア的に実行してもよいし、コンピュータプログラムによりソフトウェア的に実行してもよいし、これらの組合せにより実行してもよい。
【００４２】
第１制御装置４１は、蒸気温度目標値データベース（ＤＢ）４１ａと、蒸気温度目標値読み出し部４１ｂと、排ガス温度目標値設定部４１ｃとを備えている。蒸気温度目標値データベース４１ａは、保持部の例である。蒸気温度目標値読み出し部４１ｂは、読み出し部の例である。排ガス温度目標値設定部４１ｃは、設定部の例である。蒸気温度目標値読み出し部４１ｂと排ガス温度目標値設定部４１ｃは、出力部の例でもある。
【００４３】
以下、第１制御装置４１のこれらのブロックを、データベース４１ａ、読み出し部４１ｂ、および設定部４１ｃと略記する。
【００４４】
データベース４１ａは、第２過熱器１８の出口における蒸気温度の目標値ｔout０を保持している。本実施形態のデータベース４１ａは、蒸気温度の目標値ｔout０の時系列値を保持している。図４の曲線Ｃ６は、このような時系列値の一例を示している。本実施形態の蒸気温度の目標値ｔout０は、曲線Ｃ６で例示するように、時刻に応じて変化する。蒸気温度の目標値ｔout０は例えば、通気開始時点からの経過時間に応じて定められている。
【００４５】
読み出し部４１ｂは、発電プラントの起動時に、蒸気温度の目標値ｔout０をデータベース４１ａから読み出す。本実施形態の読み出し部４１ｂは、通気開始時点からの経過時間を把握していてもよい。この場合、読み出し部４１ｂは、現在の経過時刻に対応する目標値ｔout０をデータベース４１ａから読み出して出力することができる。読み出し部４１ｂは、データベース４１ａから読み出した目標値ｔout０を設定部４１ｃと第３制御装置４３に出力する。
【００４６】
設定部４１ｃは、第２過熱器１８の出口における蒸気温度の目標値ｔout０を読み出し部４１ｂから受信する。また、設定部４１ｃは、排ガスおよび／または蒸気に関する測定値を受信する。測定値の例は、流量計３１Ｆから受信する排ガス流量、流量計３５Ｆから受信する蒸気流量などである。そして、設定部４１ｃは、これらの測定値と蒸気温度の目標値ｔout０とに基づいて、排熱回収ボイラ５の入口における排ガス温度の目標値Ｔin０を設定する。本実施形態の設定部４１ｃは、現在の経過時刻に対応する目標値Ｔin０を設定することができる。設定部４１ｃは、設定部４１ｃにより設定された目標値Ｔin０を第２制御装置４２に出力する。
【００４７】
第２制御装置４２は、設定部４１ｃから受信した排ガス温度の目標値Ｔin０に基づいて、排熱回収ボイラ５の入口における排ガス温度を制御する。具体的には、第２制御装置４２は、温度計３１Ｔの測定値が目標値Ｔin０に一致するように排ガス温度を制御する。
【００４８】
第３制御装置４３は、読み出し部４１ｂから受信した蒸気温度の目標値ｔout０に基づいて、第２過熱器１８の出口における蒸気温度を制御する。具体的には、第３制御装置４３は、温度計３５Ｔの測定値が目標値ｔout０に一致するように蒸気温度を制御する。
【００４９】
なお、本実施形態の第１制御装置４１は、発電プラントの起動時において一定周期で動作する。よって、読み出し部４１ｂは、蒸気温度の目標値ｔout０を一定周期で第３制御装置４３に出力し、設定部４１ｃは、排ガス温度の目標値Ｔin０を一定周期で第２制御装置４２に出力する。よって、本実施形態の第２および第３制御装置４２、４３は、排ガス温度と蒸気温度を一定周期で制御することができる。一定周期の例は、数秒、数十秒、数分などである。
【００５０】
また、本実施形態のデータベース４１ａは、制御装置２０が蒸気温度を目標値ｔout０に実際に制御できるような目標値ｔout０を保持していることが求められる。例えば、本実施形態では、発電プラントの起動動作をコンピュータにより事前にシミュレートし、このシミュレーション結果に基づいて目標値ｔout０を作成し、作成した目標値ｔout０をデータベース４１ａに格納してもよい。この場合、シミュレーションは例えば、発電プラントに不具合が発生しない範囲内で発電プラントを最速で起動する想定で行うことが考えられる。
【００５１】
以上のように、本実施形態の制御装置２０は、蒸気温度の目標値ｔout０を読み出し、蒸気温度の目標値ｔout０に基づいて排ガス温度の目標値Ｔin０を設定する。そして、本実施形態の制御装置２０は、排ガス温度の目標値Ｔin０に基づいて排ガス温度を制御し、蒸気温度の目標値ｔout０に基づいて蒸気温度を制御する。
【００５２】
本実施形態の蒸気温度の目標値ｔout０は、例えば、蒸気タービンロータ２６に発生する熱応力が一定値以下となるように規定される。上述のように、本実施形態の熱応力は主に蒸気温度により決定される。よって、蒸気温度の目標値ｔout０をこのように規定し、蒸気温度を目標値ｔout０に制御すれば、熱応力を一定値以下に制御することが可能である。しかしながら、上述のように、本実施形態の蒸気温度は主に排ガス温度により決定される。そのため、例えば排ガス温度が急激に変化すると、蒸気温度の制御のみでは目標値ｔout０を実現できない場合がある。
【００５３】
そこで、本実施形態では、蒸気タービンロータ２６に発生する熱応力が一定値以下となるように、蒸気温度を目標値ｔout０に制御すると共に、排ガス温度を目標値Ｔin０に制御する。よって、本実施形態によれば、蒸気温度のみを制御する場合に比べて、蒸気温度を適切に目標値ｔout０に制御することが可能となる。
【００５４】
次に、図５および図６を参照し、蒸気温度の目標値ｔout０と排ガス温度の目標値Ｔin０との関係について説明する。
【００５５】
図５は、第１実施形態の排熱回収ボイラ５の構成を示す模式図である。
【００５６】
符号Ｑは、排熱回収ボイラ５における排ガスと蒸気との熱交換量［ｋＷ］を表す。符号ｔinは、第１過熱器１５の入口における蒸気温度［℃］を表す。符号ｔoutは、第２過熱器１８の出口における蒸気温度［℃］を表す。符号Ｔinは、第２過熱器１８の直前における排ガス温度［℃］を表す。符号Ｔoutは、第１過熱器１５の直後における排ガス温度［℃］を表す。排ガス温度Ｔinはおおむね、排熱回収ボイラ５の入口における排ガス温度に一致する。
【００５７】
蒸気温度ｔin、ｔoutの間には、以下の式（２）の関係が成り立つ。また、排ガス温度Ｔin、Ｔoutの間には、以下の式（３）の関係が成り立つ。
ｔout＝ｔin＋Ｑ／ｃ／ｆ  ・・・（２）
Ｔout＝Ｔin−Ｑ／Ｃ／Ｆ  ・・・（３）
ただし、ｃは蒸気の比熱［ｋＪ／℃／ｋｇ］を表し、ｆは蒸気の流量［ｋｇ／ｓ］を表す。また、Ｃは排ガスの比熱［ｋＪ／℃／ｋｇ］を表し、Ｆは排ガスの流量［ｋｇ／ｓ］を表す。蒸気の流量ｆは、流量計３５Ｆにより測定可能である。排ガスの流量Ｆは、流量計３１Ｆにより測定可能である。例えば、熱交換量Ｑが与えられると、式（２）を用いて蒸気温度ｔoutから蒸気温度ｔinを算出することができる。
【００５８】
図６は、第１実施形態の排熱回収ボイラ５の熱交換量Ｑの算出方法を示すフローチャートである。本方法は、上述の設定部４１ｃにより実行される。
【００５９】
まず、設定部４１ｃは、排ガス温度Ｔoutと蒸気温度ｔoutとを仮定する（ステップＳ１１）。次に、設定部４１ｃは、第１および第２過熱器１５、１８の伝熱係数ｈ［ｋＷ／℃］を計算する（ステップＳ１２）。本実施形態では、伝熱係数ｈは一定値であると想定する。伝熱係数ｈは例えば、設定部４１ｃが流量計３５Ｆから受信した流量ｆの測定値を用いて計算される。
【００６０】
次に、設定部４１ｃは、排ガスの放熱量Ｑ１［ｋＷ］と蒸気の収熱量Ｑ２［ｋＷ］とを計算する（ステップＳ１３、Ｓ１４）。放熱量Ｑ１は、以下の式（４）で与えられる。収熱量Ｑ２は、以下の式（５）で与えられる。
Ｑ１＝（Ｔin−Ｔout）×Ｃ×Ｆ  ・・・（４）
Ｑ２＝ｈ｛（Ｔin−ｔout）−（Ｔout−ｔin）｝
／ｌｏｇ｛（Ｔin−ｔout）／（Ｔout−ｔin）｝  ・・・（５）
【００６１】
ここで、排ガス温度Ｔoutと蒸気温度ｔoutの仮定が正しければ、エネルギー保存則より放熱量Ｑ１と収熱量Ｑ２は一致する。そこで、設定部４１ｃは、放熱量Ｑ１と収熱量Ｑ２との差の絶対値を確認する（ステップＳ１５）。なお、式（４）の流量Ｆには、設定部４１ｃが流量計３１Ｆから受信した流量Ｆの測定値が代入される。
【００６２】
設定部４１ｃは、上記の絶対値が閾値εよりも大きい場合には、排ガス温度Ｔoutと蒸気温度ｔoutとを修正する（ステップＳ１６）。設定部４１ｃはその後、修正された排ガス温度Ｔoutと蒸気温度ｔoutとを用いてステップＳ１２〜Ｓ１５を繰り返す。
【００６３】
一方、設定部４１ｃは、上記の絶対値が閾値εよりも小さい場合には、ステップＳ１３で計算された放熱量Ｑ１（またはステップＳ１４で計算された収熱量Ｑ２）を、熱交換量Ｑに決定する。
【００６４】
このようにして、設定部４１ｃは、排熱回収ボイラ５の熱交換量Ｑを算出することができる。この際、設定部４１ｃは、排ガス温度Ｔinを変更して図６の方法を繰り返し実行することで、蒸気温度ｔoutが目標値ｔout０となる排ガス温度Ｔinの目標値Ｔin０を探索することができる。このように、設定部４１ｃは、蒸気温度の目標値ｔout０に基づいて、排ガス温度の目標値Ｔin０を算出することができる。
【００６５】
以上のように、本実施形態の制御装置２０は、蒸気温度の目標値ｔout０を読み出し、蒸気温度の目標値ｔout０に基づいて排ガス温度の目標値Ｔin０を設定する。そして、本実施形態の制御装置２０は、排ガス温度の目標値Ｔin０に基づいて排ガス温度を制御し、蒸気温度の目標値ｔout０に基づいて蒸気温度を制御する。よって、本実施形態によれば、ガスタービン１からの排気ガスにより蒸気タービン２５用の蒸気を加熱する場合に、蒸気温度を適切に制御することが可能となる。
【００６６】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態の制御装置２０の構成を示すブロック図である。本実施形態の説明において、第１実施形態と同一または類似の構成には同一の符号を付し、第１実施形態と重複する説明は省略する。
【００６７】
本実施形態の第１制御装置４１は、蒸気温度目標値データベース４１ａ、蒸気温度目標値読み出し部４１ｂ、および排ガス温度目標値設定部４１ｃに加え、蒸気温度目標値修正部４１ｄを備えている。蒸気温度目標値データベース４１ａは、保持部の例である。蒸気温度目標値読み出し部４１ｂは、読み出し部の例である。排ガス温度目標値設定部４１ｃは、設定部の例である。蒸気温度目標値修正部４１ｄは、修正部の例である。排ガス温度目標値設定部４１ｃと蒸気温度目標値修正部４１ｄは、出力部の例でもある。
【００６８】
以下、第１制御装置４１のこれらのブロックを、データベース４１ａ、読み出し部４１ｂ、設定部４１ｃ、および修正部４１ｄと略記する。
【００６９】
修正部４１ｄは、蒸気タービンロータ２６の熱応力の測定値または計算値を、制御装置２０の外部から受信する。蒸気タービンロータ２６は、蒸気タービン２５の所定部分の例である。本実施形態では、蒸気タービンロータ２６に設けられた測定装置が蒸気タービンロータ２６の熱応力を測定し、修正部４１ｄがこの熱応力の測定値を測定装置から受信してもよい。また、本実施形態では、蒸気タービンロータ２６に設けられた温度計３６Ｔが蒸気タービンロータ２６の温度を測定し、この温度を受信した計算装置がこの温度から熱応力を計算し、修正部４１ｄがこの熱応力の計算値を計算装置から受信してもよい。
【００７０】
修正部４１ｄはさらに、熱応力の測定値または計算値に基づいて、読み出し部４１ｂから出力された蒸気温度の目標値ｔout０を修正する。修正部４１ｄは、修正部４１ｄにより修正された目標値ｔout０を設定部４１ｃと第３制御装置４３に出力する。
【００７１】
本実施形態の設定部４１ｃは、排ガスおよび／または蒸気に関する測定値を受信すると共に、蒸気温度の目標値ｔout０を修正部４１ｄから受信する。測定値の例は、排ガス流量や蒸気流量である。そして、設定部４１ｃは、これらの測定値と蒸気温度の目標値ｔout０とに基づいて、排熱回収ボイラ５の入口における排ガス温度の目標値Ｔin０を設定する。設定部４１ｃは、設定部４１ｃにより設定された目標値Ｔin０を第２制御装置４２に出力する。この目標値Ｔin０には、修正部４１ｄによる目標値ｔout０の修正結果が反映されていることに留意されたい。
【００７２】
第２制御装置４２は、設定部４１ｃから受信した排ガス温度の目標値Ｔin０に基づいて、排熱回収ボイラ５の入口における排ガス温度を制御する。また、第３制御装置４３は、修正部４１ｄから受信した蒸気温度の目標値ｔout０に基づいて、第２過熱器１８の出口における蒸気温度を制御する。
【００７３】
以上のように、本実施形態の制御装置２０は、熱応力の測定値または計算値に基づいて蒸気温度の目標値ｔout０を修正する。よって、本実施形態によれば、例えば熱応力が制約値を超過しそうな場合に、目標値ｔout０をより低い値に修正することで、熱応力が制約値を超過することを回避することができる。この制約値は、上述の一定値の例である。本実施形態の修正処理は例えば、蒸気タービンロータ２６に想定外の熱応力が発生する可能性がある場合に効果的である。
【００７４】
図８は、第２実施形態の制御装置２０の動作を説明するためのグラフである。
【００７５】
図８(ａ)の曲線Ｃ５は、図２(ｄ)と同様に、熱応力の時間変化を示している。図８(ｂ)の曲線Ｃ６は、図７と同様に、データベース４１ａ内に格納された蒸気温度の目標値ｔout０の時間変化を示している。
【００７６】
符号Ｓは、熱応力の制約値を表す。修正部４１ｄは、ある時刻において熱応力の最大値と制約値Ｓとの差がΔＳ以下となった場合、読み出し部４１ｂからの目標値ｔout０をその時刻から一定値ΔＴだけ減少させる。目標値ｔout０から一定値ΔＴを引いた値が、修正された目標値である。これにより、ロータ温度と蒸気温度との温度差が小さくなるため、蒸気タービンロータ２６の加熱量が減少する。このようにして、本実施形態では、蒸気タービンロータ２６の熱応力を低減することができる。なお、一定値ΔＴは、何らかの値に応じて変化する可変値に置き換えてもよい。
【００７７】
本実施形態によれば、データベース４１ａ内に蒸気温度の目標値ｔout０を設定した条件と、実際の起動条件との間に差異があった場合にも、蒸気タービンロータ２６の熱応力を制約値以下にすることが可能となる。
【００７８】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態の制御装置２０の構成を示すブロック図である。本実施形態の説明において、第１実施形態と同一または類似の構成には同一の符号を付し、第１実施形態と重複する説明は省略する。
【００７９】
本実施形態の第１制御装置４１は、蒸気温度目標値データベース４１ａ、蒸気温度目標値読み出し部４１ｂ、および排ガス温度目標値設定部４１ｃに加え、蒸気温度目標値修正部４１ｅを備えている。蒸気温度目標値データベース４１ａは、保持部の例である。蒸気温度目標値読み出し部４１ｂは、読み出し部の例である。排ガス温度目標値設定部４１ｃは、設定部の例である。蒸気温度目標値修正部４１ｅは、修正部の例である。排ガス温度目標値設定部４１ｃと蒸気温度目標値修正部４１ｅは、出力部の例でもある。
【００８０】
以下、第１制御装置４１のこれらのブロックを、データベース４１ａ、読み出し部４１ｂ、設定部４１ｃ、および修正部４１ｅと略記する。
【００８１】
修正部４１ｅは、蒸気タービンロータ２６のロータ温度の測定値または推定値を、制御装置２０の外部から受信する。蒸気タービンロータ２６は、蒸気タービン２５の所定部分の例である。本実施形態では、蒸気タービンロータ２６に設けられた温度計３６Ｔが蒸気タービンロータ２６のロータ温度を測定し、修正部４１ｅがロータ温度の測定値を温度計３６Ｔから受信してもよい。また、本実施形態では、蒸気タービン２５のタービン車室に設けられた温度計がタービン車室の金属部分の温度を測定し、その温度を受信した計算装置がこの温度から蒸気タービンロータ２６のロータ温度を推定し、修正部４１ｅがロータ温度の推定値を計算装置から受信してもよい。ロータ温度の推定値は例えば、タービン車室の金属部分の温度に所定温度を加えることで算出される。また、本実施形態では、修正部４１ｅが、タービン車室の金属部分の温度の測定値を受信し、この測定値からロータ温度の推定値を算出してもよい。この場合、タービン車室の金属部分は、蒸気タービン２５の所定部分の例である。
【００８２】
修正部４１ｅはさらに、ロータ温度の測定値または推定値に基づいて、読み出し部４１ｂから出力された蒸気温度の目標値ｔout０を修正する。修正部４１ｅは、修正部４１ｅにより修正された目標値ｔout０を設定部４１ｃと第３制御装置４３に出力する。
【００８３】
本実施形態の設定部４１ｃは、排ガスおよび／または蒸気に関する測定値を受信すると共に、蒸気温度の目標値ｔout０を修正部４１ｅから受信する。測定値の例は、排ガス流量や蒸気流量である。そして、設定部４１ｃは、これらの測定値と蒸気温度の目標値ｔout０とに基づいて、排熱回収ボイラ５の入口における排ガス温度の目標値Ｔin０を設定する。設定部４１ｃは、設定部４１ｃにより設定された目標値Ｔin０を第２制御装置４２に出力する。この目標値Ｔin０には、修正部４１ｅによる目標値ｔout０の修正結果が反映されていることに留意されたい。
【００８４】
第２制御装置４２は、設定部４１ｃから受信した排ガス温度の目標値Ｔin０に基づいて、排熱回収ボイラ５の入口における排ガス温度を制御する。また、第３制御装置４３は、修正部４１ｅから受信した蒸気温度の目標値ｔout０に基づいて、第２過熱器１８の出口における蒸気温度を制御する。
【００８５】
以上のように、本実施形態の制御装置２０は、ロータ温度の測定値または推定値に基づいて蒸気温度の目標値ｔout０を修正する。蒸気タービンロータ２６は蒸気で加熱されるため、発電プラントの起動が完了するまでには、ロータ温度は蒸気温度とほぼ同じ値を示すようになる。よって、本実施形態の修正部４１ｅは例えば、蒸気温度とロータ温度との差を評価することで、蒸気タービンロータ２６に発生する熱応力を考慮に入れて蒸気温度の目標値ｔout０の修正することができる。
【００８６】
図１０は、第３実施形態の制御装置２０の動作を説明するためのグラフである。
【００８７】
図１０(ａ)の曲線Ｃ２、Ｃ３は、図２(ｂ)と同様に、第２過熱器１８の出口における蒸気温度の時間変化と、蒸気タービンロータ２６のロータ温度の時間変化とを示している。図１０(ｂ)の曲線Ｃ７は、曲線Ｃ２の蒸気温度と曲線Ｃ３のロータ温度との温度差の時間変化を示している。図１０(ｃ)の曲線Ｃ６は、図７と同様に、データベース４１ａ内に格納された蒸気温度の目標値ｔout０の時間変化を示している。
【００８８】
時刻ｔ２は、通気条件が成立する時刻を示している。修正部４１ｅは、時刻ｔ２から一定時間Δｔの経過後において蒸気温度とロータ温度との差が目標値Ｔ０以下にならなかった場合には、読み出し部４１ｂからの目標値ｔout０をその時刻から一定値ΔＴだけ減少させる。目標値ｔout０から一定値ΔＴを引いた値が、修正された目標値である。これにより、蒸気温度とロータ温度との温度差が小さくなるため、蒸気タービンロータの加熱量２６が減少する。このようにして、本実施形態では、蒸気タービンロータ２６の熱応力を低減することができる。なお、一定値ΔＴは、何らかの値に応じて変化する可変値に置き換えてもよい。
【００８９】
本実施形態によれば、データベース４１ａ内に蒸気温度の目標値ｔout０を設定した条件と、実際の起動条件との間に差異があった場合に、蒸気タービンロータ２６の熱応力を低減することが可能となる。
【００９０】
なお、第１制御装置４１は、第２および第３実施形態を組み合わせた構成を有していてもよい。すなわち、第１制御装置４１は、データベース４１ａと、読み出し部４１ｂと、設定部４１ｃと、修正部４１ｄと、修正部４１ｅとを備えていてもよい。この場合、第１制御装置４１のユーザが、修正部４１ｄ、４１ｅの一方をオンにし他方をオフにする操作を第１制御装置４１に対して実行できるようにしてもよい。
【００９１】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法、およびプラントは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法、およびプラントの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００９２】
１：ガスタービン、２：圧縮機、３：第１発電機、
４：排ガス配管、５：排熱回収ボイラ、
１１：ドラム、１２：下降管、１３：蒸発器、
１４：第１蒸気配管、１５：第１過熱器、１６：減温器、
１７：第２蒸気配管、１８：第２過熱器、１９：減温器バルブ、２０：制御装置、
２１：主蒸気配管、２２：主蒸気弁、２３：バイパス配管、２４：バイパス弁、
２５：蒸気タービン、２６：蒸気タービンロータ、２７：第２発電機、
３１Ｆ、３５Ｆ：流量計、３１Ｔ、３３Ｔ、３４Ｔ、３５Ｔ、３６Ｔ：温度計、
３２Ｐ、３５Ｐ：圧力計、３７：回転数計測器、３８：電気出力計測器、
４１：第１制御装置、４１ａ：蒸気温度目標値データベース、
４１ｂ：蒸気温度目標値読み出し部、４１ｃ：排ガス温度目標値設定部、
４１ｄ：蒸気温度目標値修正部、４１ｅ：蒸気温度目標値修正部、
４２：第２制御装置、４３：第３制御装置
【図１】
2016205313.tif 000003
【図２】
2016205313.tif 000004
【図３】
2016205313.tif 000005
【図４】
2016205313.tif 000006
【図５】
2016205313.tif 000007
【図６】
2016205313.tif 000008
【図７】
2016205313.tif 000009
【図８】
2016205313.tif 000010
【図９】
2016205313.tif 000011
【図１０】
2016205313.tif 000012