JP4166420B2

JP4166420B2 - コンバインドサイクル発電プラント

Info

Publication number: JP4166420B2
Application number: JP2000207706A
Authority: JP
Inventors: 光伸中条
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2020-07-10
Also published as: JP2002021509A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン、蒸気タービンおよび排熱回収ボイラによって構成されたコンバインドサイクル発電システムに係り、特に排熱回収ボイラの発生蒸気温度を制御するようにしたコンバインドサイクル発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のコンバインドサイクル発電システムとして、排熱回収ボイラの第１段過熱器と第２段過熱器の中間に配置したドラムからの過熱蒸気に冷却水をスプレーさせることにより、主蒸気温度を制御するようにした排熱回収ボイラ蒸気温度制御装置がある。
【０００３】
ガスタービンの排ガス温度は、ガスタービンの特性上、負荷上昇過程で上昇していき、中間負荷にてピーク値を迎え、その後に再び降下し、定格運転に到達した時には、ピーク温度よりも低い温度になる。
【０００４】
このため、ガスタービン排ガスの熱エネルギーを回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラは、ガスタービン排ガスに最初に晒される過熱器の設計温度を、この起動過程のピーク温度値によって設計している。過熱器は、このように運用されるため、耐熱材料で製造されてはいるが、耐久性・信頼性・市場性の観点から、設計温度を低く抑えることが従来から望まれている。
【０００５】
従来、過熱器の耐久性・信頼性向上のための設計温度低下策としては、ガスタービンの排ガス温度を、ガスタービン圧縮機入口案内翼（インレットガイドベーン：略称ＩＧＶ）によって、ある一定の温度以上に上昇させないように調節している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこの方法では、温度設定値を低く設定し過ぎると、大気温度が高くなった場合に、ガスタービンを所定の燃焼温度で運転することができなくなり、プラントとしての熱効率が悪くなる。
【０００７】
また、排ガス温度を低く設定すればＩＧＶの開きはじめる負荷の値が低くなり、これに伴いガスタービン燃焼温度の上昇が鈍くなる。すると、ガスタービンが拡散燃焼運転から予混合燃焼運転に切り替わる時の燃焼温度に到達するまでの時間が多くかかり、その結果、起動時の負荷上昇中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）排出量が増加してしまう欠点がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の欠点に鑑み、ガスタービン燃焼温度を下げずに、過熱器の主蒸気温度を下げることのできるようにしたコンバインドサイクル発電プラントを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明によるコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンと、このガスタービンの排熱を回収して発生した蒸気で蒸気タービンを駆動する排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラのドラムから出る飽和蒸気を過熱器により過熱蒸気にし、この過熱蒸気に冷却水を混合させて主蒸気温度を制御する減温器とからなるコンバインドサイクル発電プラントにおいて、ガスタービン負荷と排ガス温度との関係を予め定めておき、ガスタービン負荷に対応する排ガス温度上限値を設定値として出力する第１関数発生器と、この第１関数発生器から出力された設定値と排ガス温度計測値との差分に基づいて空気圧縮機入口案内翼を制御する第１演算器とを備えたガスタービン入口温度制御部と、排ガス温度と蒸気温度設定値との関係を予め定めておき、入力された排ガス温度に対応する蒸気温度設定値を出力する第２関数発生器と、この第２関数発生器の設定値と蒸気温度計測値との差分に基づいて蒸気温度調節弁の開度を制御する第２演算器とを備えた蒸気温度制御部とからコンバインドサイクルプラント制御装置を構成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る本発明によるコンバインドサイクル発電プラントは、前記ガスタービン入口温度制御部に設けた第１関数発生器には、ガスタービンの負荷上昇過程での排ガス温度がピーク値に達する運転時に適用されるフラットな第１関数と、所定の中間負荷以上の時点から負荷上昇につれて排ガス温度が低下する期間に合わせて設定した第２関数とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る本発明によるコンバインドサイクル発電プラントは、前記蒸気温度制御部に設けた第２の関数発生器には、排ガス温度が第１の所定値未満では最も高い設定値を出力する第３関数と、前記排ガス温度が第１の所定値以上第２の所定値未満の状態のとき、排ガスの上昇に合わせて逆に下がる設定値を出力する第４関数と、前記排ガス温度が前記第２の所定値以上になると、最も低い設定値を出力する第５関数とを備えたことを特徴とする。
請求項４に係る本発明によるコンバインドサイクル発電プラントは、減温器に減温媒体として給水を用いることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係るコンバインドサイクル発電プラントについて、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明によるコンバインドサイクル発電プラントの実施の形態を示す系統図である。最近建設されているコンバインドサイクル発電プラントは、高効率・大容量のため、排熱回収ボイラ4を高圧、中圧、低圧からなる３圧力式にしたものが多いが、本明細書は発明の内容を判り易くするため、単圧力式ドラムを例にして説明する。
【００１４】
このコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント１と蒸気タービン２と発電機３とを組み合せた一軸型コンバインドサイクル発電プラントの例を示すもので、ガスタービン排気ガスの熱エネルギーを排熱回収ボイラ(Heat Recovery Steam Generator)４で回収するように構成している。
【００１５】
ガスタービンプラント1はガスタービン５と空気圧縮機６とを同軸上に設けており、吸気フィルター８から吸入した空気をガスタービン圧縮機入口案内翼（インレットガイドベーン：略称ＩＧＶ）７により空気圧縮機６に取り入れ、ここで圧縮して燃焼器９に送り、燃料と混合して燃焼せしめる。
【００１６】
燃焼器９で燃焼した高温の燃焼ガスはガスタービン５に案内され、膨脹仕事をしてガスタービン５を回転駆動する。ガスタービン５の排気ガスＥＧは排気ダクト10を通過して排熱回収ボイラ４に案内され、ここで蒸気タービン２から供給された給水と熱交換して加熱し、蒸気にした後、煙道11を経由し煙突12から外部に排出される。
【００１７】
この単圧力式排熱回収ボイラ４のケーシング13内には、排気ガスＥＧの上流側から下流側に向って（紙面上右から左に向かって）第２過熱器14、第１過熱器15、ドラム16に連通する蒸発器17および節炭器18の順に配設され、これらで蒸気あるいは給水と熱交換が行なわれる。
このように構成された排熱回収ボイラ４に対して給水は次のように行われる。
【００１８】
蒸気タービン２の蒸気は復水器19で復水された後、復水ポンプ20により昇圧され、配管21を経て給水ポンプ22に送られる。給水ポンプ22は給水を昇圧し、節炭器18に給水する。
【００１９】
節炭器18で熱交換された給水はドラム16に供給される。このドラム16で発生した飽和蒸気は第１過熱器15へ導かれて過熱される。この第１過熱器15から出た過熱蒸気は、給水ポンプ22下流側で配管21から分岐された給水を蒸気温度調節弁28で流量を調節されたスプレー水により減温器23で減温された後、第２過熱器14に至る。
【００２０】
そして、この第２過熱器14から出た過熱蒸気は、蒸気系統24を通って蒸気タービン２に導かれ、膨張して蒸気タービン２および発電機３を回転駆動し、発電する。
【００２１】
ところで、ガスタービン５の出口部近傍に排ガス温度計測器25を設置し、その計測温度Ｔｇを後述するコンバインドサイクルプラント制御装置26に入力する。また、第２過熱器14の出口部に蒸気温度計測器27を設置して、その出口蒸気温度Ｔｒを計測し、同様にコンバインドサイクルプラント制御装置26に入力する。なお、これら温度計測器25および27は例えば熱電対等で構成されている。
コンバインドサイクルプラント制御装置26は、これらプロセス入力値を用いて内部で演算し、ＩＧＶ７および蒸気温度調節弁28に開度指令を出力する。
【００２２】
次に、図２の制御ロジック回路図を参照して、前記コンバインドサイクルプラント制御装置26の詳細を説明する。このコンバインドサイクルプラント制御装置26の機能は、ガスタービン入口温度制御部26Ａと、蒸気温度制御部26Ｂの２つの装置とに大きく分かれている。
【００２３】
まず、ガスタービン入口温度制御部26Ａから説明する。26Ａ１は、ガスタービン負荷（正確には圧縮機吸い込み空気温度と圧縮比）の指令値Ｒと、これに対応する排ガス温度上限値Ｔｅｇとの関係を予め定めている関数発生器である。
【００２４】
この関数発生器26Ａ１の関数は、図示のように負荷上昇過程で適用される高い値のフラットな関数（イ）と、これにつらなる右下がりの関数（ロ）とを合成したものであり、ガスタービン負荷指令値Ｒが入力されると、そのときの入力に対応する排ガス温度上限値Ｔｅｇを設定値として出力する。
【００２５】
なお、便宜上（イ）、（ロ）をそれぞれ第１関数、第２関数と呼ぶ。この関数発生器26Ａ１の出力信号が、積分演算器26Ａ２に設定値Ｔｅｇとして入力され、前記排ガス温度計測器25による計測温度Ｔｇと比較される。
【００２６】
積分演算器26Ａ２は、設定値と計測値との差分を積分演算処理して入口案内翼（ＩＧＶ）７の開度制御指令αを作り、この開度制御指令αに基づき入口案内翼（ＩＧＶ）７の開度を調節する。このようにして、排ガス温度ひいてはガスタービン燃焼温度が所定の温度以上にならないように制御される。
【００２７】
次に、蒸気温度制御部26Ｂについて説明する。26Ｂ３は、過熱器チューブの耐熱性を考慮して、排ガス温度Ｔｇとこれに対応する蒸気温度設定値Ｔｓとの関係を予め定めた関数発生器である。即ち、図示のように、排ガス温度が低いときは過熱器チューブに流れる蒸気温度が高くても耐熱上問題はないので、高い設定値を出力するフラットな関数（ハ）と、排ガス温度の上昇につれて、過熱器チューブに流れる蒸気温度を下げるような右下がりの関数（ニ）と、更に排ガス温度が上昇したら、過熱器チューブに流れる蒸気温度を一層下げる一定値（フラット）の関数（ホ）とを合成している。なお、（ハ）〜（ホ）をそれぞれ便宜上第３関数〜第５関数と呼ぶ。
【００２８】
26Ｂ４は積分演算器であり、関数発生器26Ｂ３の設定値Ｔｓと計測値Ｔｒとを用いて差分を演算し、その差分に基づいて、過熱蒸気に噴霧するスプレー水の量が制御されるように蒸気温度調節弁28に対し開度指令βを出力する。
【００２９】
図３は、本発明によるコンバインドサイクル発電プラントを運用した場合のプラントの状態値を示す特性図である。なお、ガスタービン５の運転開始直後のパージ運転、燃焼器９の着火等は本発明に直接関係しないので説明を省略し、負荷上昇過程から定格負荷までについて説明する。図中実線（ａ）はガスタービン排ガスＥＧの温度を示し、破線（ｂ）は排熱回収ボイラ４から発生する蒸気温度を示し、そして一点鎖線（ｃ）は過熱器チューブ自体の温度（メタル温度）をそれぞれ示す。
なお、図３の特性図を説明するにあたり、図２の制御ロジック図を参照する。
【００３０】
まず、ガスタービン入口温度制御部26Ａの応動から説明する。前述したように、関数発生器26Ａ１は、排ガス温度設定値を図２のように、ピーク値であるフラットな第１関数（イ）と、これにつらなる右下がりの第２関数（ロ）とを合成しているので、負荷上昇過程で排ガス温度Ｔｇが設定値に達する迄の間、排ガス温度（ａ）はガスタービン負荷の上昇とともに上昇し、それにつれ、過熱器蒸気温度（ｂ）および過熱器チューブ自体の温度（ｃ）も上昇する。
【００３１】
次に、ガスタービン排ガス温度特性（ａ）に注目して説明する。ガスタービン排ガス温度Ｔｇは、ピーク値Ｔｐに到達するまでの間、ガスタービン負荷の上昇と共に温度上昇していく。その後、排ガス温度Ｔｇがピーク値Ｔｐ（このときの負荷は中間負荷Ｌ３である）に到達すると、積分演算器26Ａ２は、設定値Ｔｅｇにより、排ガス温度Ｔｇがピーク値Ｔｐを保持するように、ＩＧＶ７に対して開度制御指令αを出力する。この制御は、フラットな第１関数が適用されている間即ち、ガスタービン負荷がＬ４になる迄の間継続して行われる。
【００３２】
ガスタービン負荷がＬ４に到達すると、その後定格負荷Ｌ６に至る迄の間、適用される設定値は右下がりの第２関数（ロ）に設定されるため、積分演算器26Ａ２は、設定値に沿って排ガス温度が漸減するように演算し、ＩＧＶ７の開度を制御する。
【００３３】
以下に述べる蒸気温度制御部26Ｂの応動は、蒸気ガスタービン入口温度制御部26Ａの応動と同時進行して行われる。以下、蒸気温度制御部26Ｂの応動について説明する。
【００３４】
関数発生器26Ｂ３は、蒸気温度設定値を図２で示したような第３関数（ハ）〜第５関数（ホ）として定めているので、ガスタービン負荷が上昇中で蒸気温度計測値Ｔｒがまだ低い状態では、フラットな第３関数（ハ）が適用される。このため、過熱器蒸気温度は特性（ｂ）のようにガスタービン負荷の上昇とともに排ガス温度（ａ）に追従して上昇する。ガスタービン５の負荷上昇により、蒸気温度計測値Ｔｒが蒸気タービン定格温度Ｔｉ（このときの負荷はＬ１）のに達すると、積分演算器26Ｂ４が設定値Ｔｓと計測値Ｔｒとを用いて演算し、蒸気温度調節弁28に対し、過熱蒸気に噴霧するスプレー水の量を制御するように開度指令βを出力する。排ガスの温度Ｔｇは、特性（ａ）のようにその後も上昇するが、スプレーする水量を制御することにより、過熱蒸気温度は蒸気タービン定格温度Ｔｉに維持される。
【００３５】
その後、排ガス温度が上昇してＴｄ（このときの負荷はＬ２）になると、関数発生器26Ｂ３は適用する設定値を第３関数（ハ）から第４関数（ニ）に切換える。以降、積分演算器26Ｂ４は第４関数（ニ）の設定値に沿って蒸気温度が低下するように演算し、蒸気温度調節弁28のスプレー水の量を増加させる開度指令を出力する。排ガス温度Ｔｅｇがピーク値Ｔｐ（このとき負荷Ｌ３）に達すると、関数発生器26Ｂ３は、今度は設定値を右下がりの第３関数（ニ）からフラットな第４関数（ホ）に切換え、これを積分演算器26Ｂ４に設定値として入力する。この結果、積分演算器26Ｂ４はこの設定値に従って過熱器蒸気温度が一定値Ｔｌに制御されるように、前記蒸気温度調節弁28の開度を制御し、スプレー水の量を制御する。
【００３６】
ガスタービン負荷がＬ４〜Ｌ５〜Ｌ６と増加するにつれ、ガスタービン入口温度制御部26ＡはＩＧＶ７を制御して特性（ａ）のように、ガスタービン排ガス温度Ｔｇを減少させるように制御するので、関数発生器26Ｂ３で適用する関数は第５関数（ホ）から第４関数（ニ）に、更に第４関数（ニ）から第３関数（ハ）へと切換わり、図示（ｂ）の特性になる。
【００３７】
一点鎖線（ｃ）の過熱器チューブ自体の温度特性は、排ガス温度（ａ）と過熱蒸気温度（ｂ）との差分に相当するので、図３で示すように両者の中間の特性になる。
以上で図３の説明を終了し、次に図４を説明する。
【００３８】
図４は、この発明に係るコンバインドサイクル発電プラントのボイラチューブのメタルおよび周囲温度状態を示す図であって、過熱器チューブを切断して示している。Ｔ１およびＴ２はそれぞれチューブ外表面の温度で、Ｔ１は排ガス温度が低い場合、Ｔ２は排ガス温度が高い場合を示す。そしてｔ１およびｔ２はそれぞれチューブ内表面の温度でｔ１は過熱器通過温度が高い場合、ｔ２は過熱器通過温度が低い場合を示す。
【００３９】
この図からもわかるように、過熱器チューブ自体の中心を一定温度にするには、チューブ外表面の排ガス温度が高くなるにつれ、チューブ内を流れる過熱器蒸気温度をより低くすればよいことがわかる。
【００４０】
なお、ガスタービン運転中の過熱器チューブ自体の温度は、チューブ自体の外表面においては表面対流により排ガス温度とチューブ外表面に温度差が生じ、またチューブ自体内ではチューブ材質の熱伝導率により決定する温度降下によりチューブ外側表面と内側表面に温度差が生じ、更に過熱蒸気の通る部分では、チューブの内側表面の表面対流によりチューブ自体の内側表面と過熱器蒸気温度とに温度差が生じる。従って、これら３つの熱伝達の組合せにより、ボイラ過熱器のチューブの温度が決定し、チューブのメタル温度は、チューブ外表面と内表面の平均により規定される。
【００４１】
このメカニズムを利用してガスタービン排ガスが上昇するときに、チューブの内面を流れる蒸気の温度を、排ガス温度に対してチューブの内表面温度と外表面温度の平均値で規定されるチューブ自体温度が一定に保たれるように関数で規定して下げることにより、ガスタービンの排ガス温度が上昇してもチューブの温度をメタルの許容温度以上に上げない運用を行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ガスタービンの圧縮機入口案内弁を用いた排ガス温度制御に加えて、ガスタービン負荷上昇時におけるガスタービン排ガス温度ピーク値運転時に、過熱器チューブ自体の温度を所定の値以下に抑えるよう過熱チューブ内を流れる過熱蒸気温度を下げるように制御したので、ガスタービンの排ガス温度が上昇してもチューブのメタル温度を許容温度以上に上げない運用が可能なコンバインドサイクル発電プラントを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンバインドサイクル発電プラントの実施の形態を示す概略系統図。
【図２】図１の実施の形態におけるコンバインドサイクルプラント制御装置の制御ロジック図。
【図３】本発明によるコンバインドサイクル発電プラントの状態値を示す特性図。
【図４】本発明によるコンバインドサイクル発電プラントのチューブ自体および周囲温度状態を局部的に示す図。
【符号の説明】
１…ガスタービンプラント、２…蒸気タービン、３…発電機、４…排熱回収ボイラ、５…ガスタービン、６…空気圧縮機、７…圧縮機入口案内翼（ＩＧＶ）、８…吸入フィルタ、９…燃焼器、10…排気ダクト、11…煙道、12…煙突、13…ケーシング、14…第２過熱器、15…第１過熱器、16…ドラム、17…蒸発器、18…節炭器、19…復水器、20…復水ポンプ、21…配管、22…給水ポンプ、23…減温器、24…蒸気系統、25…排ガス温度計測器、26…コンバインドサイクル制御装置、26Ａ…ガスタービン入口温度制御部、26Ｂ…蒸気温度制御部、26 Ａ１…第１関数発生器、26 Ａ２…第１積分演算器、26Ｂ３…第２関数発生器、26Ｂ４…第２積分演算器、27…蒸気温度計測器、28…温度制御弁、イ…第１関数、ロ…第２関数、ハ…第３関数、ニ…第４関数、ホ…第５関数。

Claims

ガスタービンと、このガスタービンの排熱を回収して発生した蒸気で蒸気タービンを駆動する排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラのドラムから出る飽和蒸気を過熱器により過熱蒸気にし、この過熱蒸気に冷却水を混合させて主蒸気温度を制御する減温器とからなるコンバインドサイクル発電プラントにおいて、ガスタービン負荷と排ガス温度との関係を予め定めておき、ガスタービン負荷に対応する排ガス温度上限値を設定値として出力する第１関数発生器と、この第１関数発生器から出力された設定値と排ガス温度計測値との差分に基づいて空気圧縮機入口案内翼を制御する第１演算器とを備えたガスタービン入口温度制御部と、排ガス温度と蒸気温度設定値との関係を予め定めておき、入力された排ガス温度に対応する蒸気温度設定値を出力する第２関数発生器と、この第２関数発生器の設定値と蒸気温度計測値との差分に基づいて蒸気温度調節弁の開度を制御する第２演算器とを備えた蒸気温度制御部とからコンバインドサイクルプラント制御装置を構成したことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
前記ガスタービン入口温度制御部に設けた第１関数発生器には、ガスタービンの負荷上昇過程での排ガス温度がピーク値に達する運転時に適用されるフラットな第１関数と、所定の中間負荷以上の時点から負荷上昇につれて排ガス温度が低下する期間に合わせて設定した第２関数とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラント。
前記蒸気温度制御部に設けた第２の関数発生器には、排ガス温度が第１の所定値未満では最も高い設定値を出力する第３関数と、前記排ガス温度が第１の所定値以上第２の所定値未満の状態のとき、排ガスの上昇に合わせて逆に下がる設定値を出力する第４関数と、前記排ガス温度が前記第２の所定値以上になると、最も低い設定値を出力する第５関数とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラント。
減温器に減温媒体として給水を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のコンバインドサイクル発電プラント。