JP4898651B2 - コンバインドサイクル複合発電設備とその運転方法 - Google Patents

Description

本発明はコンバインドサイクル複合発電設備に係り、電力需要の調整用としてピーク負荷対応も要求されるコンバインドサイクル複合発電設備とその運転方法に関する。

まず、一般的なオープンサイクル発電設備及びコンバインドサイクル発電設備のプラント構成について図４と図５を参照して説明する。

図４に示すオープンサイクル発電設備では、空気圧縮機１で圧縮された空気を用いて燃焼器２で天然ガスやディーゼルオイル等を燃焼させ、得られた高温の燃焼排ガスによりガスタービン３を駆動させて発電機４を回転させ発電を行う。その際、高温のガスタービン排ガスはそのまま煙突ダクト１０を経由して大気に放出される。

一方、図５に示すコンバインドサイクル発電設備では図４に示す場合と同様に空気圧縮機１、燃焼器２及びガスタービン３により発電機４を回転させて発電させるだけでなく、ガスタービン３から排出する排ガスが排熱回収ボイラ６に送られ、排熱回収ボイラ６において排ガスにより排熱回収ボイラ６に送られる給水を加熱させて、水を蒸気に変換させ、発生した蒸気を蒸気タービン７に送り、蒸気タービン発電機８により発電が行われる。

この際、ガスタービン３だけでなく蒸気タービン発電機８によっても発電を行えることから、図５のコンバインドサイクル発電設備は図４に示すオープンサイクル発電設備に比べて発電量と熱効率を大幅に向上させることができる。

ただし、排熱回収ボイラ６はガスタービン３の排ガス特性の影響を受け、蒸気タービン７はガスタービン３の排ガス特性に応じて排熱回収ボイラ６から発生する蒸気特性の影響を受けることから、起動時等ではガスタービン３の特性を排熱回収ボイラ６及び蒸気タービン７の制約条件に合わせて制御する必要がある。

次に、図５に示す構成でもオープンサイクル発電設備の特徴を生かせるように、ガスタービン３の出口と排熱回収ボイラ６の間にバイパス煙突１０が付属したダイバータダンパ１１を有する排ガスダクト９を配置した場合のコンバインドサイクル発電設備を図６に示す。また、図７にはオープンサイクル発電とコンバインドサイクル発電の起動特性を比較して示す。

図７に示すようにオープンサイクル発電では負荷を保持することも負荷上昇率を制限することもなく１００％負荷まで到達することができる。一方、コンバインドサイクル発電では蒸気タービン７の起動までの条件設定や排熱回収ボイラ６及び蒸気タービン７の寿命消費低減の観点から、ガスタービン３は部分負荷保持運転や負荷上昇率の制限を与える必要が生じる。そのため、オープンサイクル発電での出力を１００％とした場合、コンバインドサイクル発電設備では約１５０％の出力を得ることができるものの、約１５０％の出力を得るまでには１００％負荷に達するまでの時間に比べて数倍の時間を要する。

図６に示すコンバインドサイクル発電設備は、図５の発電設備における欠点を克服して短時間のうちに必要な電力を得るための方法が開示されており、ガスタービン３からの排ガスの流れをバイパス煙突１０側と排熱回収ボイラ６側に切り替え可能なダイバータダンパ１１を配置したことに特徴があり、電力が短時間に必要な場合には排ガスをバイパス煙突１０側に流し、また、効率の良い運転により多くの出力を得たい場合には排熱回収ボイラ６側に排ガスを流すようにダイバータダンパ１１の位置がセットされ、運転が行われる。 下記特許文献１、２には、図６に示すダイバータダンパ１１を備えた発電設備が開示されている。
特開２００５−３３０８６６号公報 特開平４−２７７０３号公報

上記特許文献１、２に開示されたコンバインドサイクル発電設備では、短時間のうちに必要な電力を得るためにガスタービン３の起動時にはダンパ１１を排ガスが排熱回収ボイラ６に導入されない位置に移動させ、ガスタービン排ガスはバイパス煙突１０側に導く。そして、ガスタービン３が十分起動した時点でダンパ１１を開き、バイパス煙突１０側に流れていたガスタービン排ガスを排熱回収ボイラ６側に導き、蒸気タービン７も駆動させる。

しかし、排熱回収ボイラ側へと流れるガスの量を徐々に増加させていく方法であるため、起動初期に排熱回収ボイラへと導入される熱量が大幅に制限されることになり、排熱回収ボイラから発生する蒸気圧力、蒸気温度上昇に遅れが生じる。

本発明は起動時間の遅れを解消して、短時間のうちに必要な電力を得ることができるコンバインドサイクル発電設備とその運用方法を提供することである。

本発明の上記課題は、次の解決手段で解決される。
請求項１記載の発明は、空気圧縮機と、該空気圧縮機により圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼排ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンから排ガスを排出する排ガス流路と、該排ガス流路に設けた蒸気発生用の熱交換器とを備えた排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで得られる蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記排ガス流路の排熱回収ボイラの前流側の分岐部に設けた排ガスを外部に放出する排ガス放出流路と、前記分岐部の排ガス流路内に設け、前記排ガス流路と排ガス放出流路への排ガスの流れを切り替える排ガス流路切替ダンパを配置したコンバインドサイクル複合発電設備において、
ガスタービンの起動時にガスタービンから排熱回収ボイラへ送る排ガス流量をガスタービン起動初期に全量排熱回収ボイラ側の排ガス流路に流した後、ガスタービンが定格の回転数に達し、ガスタービンを併入し、ガスタービン負荷の上昇により排ガス熱量が増大した後、蒸気タービンの通気条件が確立すると排熱回収ボイラへ送る前記排ガス流量を略半分に減少させ、該減少させた状態に保持した後に蒸気タービンのウォーミングが始まり、その後、蒸気タービンの回転数が定格まで上昇して蒸気タービンを併入した後、徐々に排熱回収ボイラへ送る前記排ガス流量を再び増加させる前記ダンパの開閉制御装置を備えたことを特徴とするコンバインドサイクル複合発電設備である。

請求項２記載の発明は、蒸気タービンに蒸気を供給する蒸気配管を排熱回収ボイラの熱交換器の出口に設け、該蒸気配管には、該配管内の蒸気温度と圧力を計測する蒸気温度計と蒸気圧力計を設け、前記ダンパの開閉制御装置は、前記蒸気温度計と蒸気圧力計の計測値に基づき蒸気タービンの通気条件に合わせて排ガス流路切替ダンパの開閉制御を行うことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル複合発電設備である。

請求項３記載の発明は、空気圧縮機と、該空気圧縮機により圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼排ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンから排ガスを排出する排ガス流路と、該排ガス流路に設けた蒸気発生用の熱交換器とを備えた排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで得られる蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記排ガス流路の排熱回収ボイラの前流側の分岐部に設けた排ガスを外部に放出する排ガス放出流路と、前記分岐部の排ガス流路内に設け、前記排ガス流路と排ガス放出流路への排ガスの流れを切り替える排ガス流路切替ダンパを配置したコンバインドサイクル複合発電設備の運転方法において、ガスタービンの起動時にガスタービンから排熱回収ボイラへ送る排ガス流量をガスタービン起動初期に全量排熱回収ボイラ側の排ガス流路に流した後、ガスタービンが定格の回転数に達し、ガスタービンを併入し、ガスタービン負荷の上昇により排ガス熱量が増大した後、蒸気タービンの通気条件が確立すると排熱回収ボイラへ送る前記排ガス流量を略半分に減少させ、該減少させた状態に保持した後に蒸気タービンのウォーミングが始まり、その後、蒸気タービンの回転数が定格まで上昇して蒸気タービンを併入した後、徐々に排熱回収ボイラへ送る前記排ガス流量を再び増加させる前記ダンパの開閉制御装置を備えたことを特徴とするコンバインドサイクル複合発電設備の運転方法である。

請求項４記載の発明は、排熱回収ボイラの出口蒸気の温度と圧力を計測して、蒸気温度値と蒸気圧力値に基づき、蒸気タービンの通気条件に合わせてガスタービンが定格の回転数に達すると、排ガス流路切替ダンパの開閉制御を行うことを特徴とする請求項３記載のコンバインドサイクル複合発電設備の運転方法である。

（作用）
本発明によれば、ガスタービンと排熱回収ボイラの間に設置する排ガス流路開閉ダンパを排ガス流路と排ガス放出流路の間で排ガス流れの切り替えを行う全閉又は全開の運用のみを行うのではなく、前記二つの流路を流れる排ガス流量を調整できる排ガス流路開閉ダンパを設け、該ダンパによる前記二つの流路を流れる排ガス流量を制御装置で調整する。

そして起動時における排熱回収ボイラ及び蒸気タービンの負荷上昇に関わる制限をガスタービンの起動の制限とならないように排ガスを排ガス放出流路側と排熱回収ボイラのある排ガス流路側へ適切に振り分けるようにダンパの開閉制御を行うことにより、ガスタービンを電力のピーク負荷に対応してオープンサイクル発電設備の起動時と同等の負荷上昇率で起動させることができる。

また、排熱回収ボイラ及び蒸気タービンは排ガス流路開閉ダンパにより、部分負荷保持運転や負荷上昇率の制限を考慮しながら起動し、ガスタービンの排熱を蒸気タービン出力へと変換することでコンバインド発電設備としての高効率性能も得ることが可能となる。

本発明によれば、オープンサイクル発電設備の急速起動時間と同等の負荷上昇率でガスタービンを起動させることが可能であり、さらに排熱回収ボイラ及び蒸気タービンの急速起動も実現できることから、電力のピーク負荷対応が必要な地域にあるガスタービン発電設備を、ピーク負荷対応の機能を維持したままコンバインドサイクル化することが出来る。

本発明の実施例を図面ととも説明する。

図１には、本実施例に関わるコンバインドサイクル発電設備のシステムを示す。空気圧縮機１、燃焼器２及びガスタービン３により発電機４を回転させて発電させ、ガスタービン３から排出する排ガスはダイバータダンパ１１が設置された排ガス流路の分岐部を経由し、バイパス煙突１０又は排熱回収ボイラ６に送られる。

バイパス煙突１０に送られた排ガスは、そのまま大気に排出されることになる。一方、排熱回収ボイラ６側に送られた排ガスは排熱回収ボイラ６内に設置された排ガス上流側から順に配置された過熱器１３、蒸発器１４、節炭器１５で熱回収され、その後、低温化された排ガスは煙突１２を経て大気へ排出される。

排熱回収ボイラ６の熱交換部には復水器１９からの給水が送られ、節炭器１５で加熱された後に、汽水分離ドラム１６を経由して蒸発器１４に送られ、該蒸発器１４で蒸気に変換される。蒸発器１４で得られた蒸気は再び汽水分離ドラム１６に送られ、分離された蒸気が過熱器１３に送られる。過熱器１３で排ガスにより過熱された蒸気は蒸気タービン７に送られ、発電機８の発電に利用される。また蒸気タービン７に送られた蒸気は復水器１９により給水へと戻り、再び排熱回収ボイラ６へと送られる。
この際、ガスタービン３だけでなく蒸気タービン発電機８によっても発電を行えることから、図１のコンバインドサイクル発電設備は図４に示すオープンサイクル発電設備に比べて発電量と熱効率を大幅に向上させることができる。

また、本実施例では、コンバインドサイクル発電設備での起動時間の遅れを解消して、短時間のうちに必要な電力を得るために、ガスタービン３はオープンサイクルと同様に急速起動を行う一方、排熱回収ボイラ６の入口に設置したダイバータダンパ１１により、バイパス煙突１０側と排熱回収ボイラ６側に流れる排ガス流量の調整を行う。この際、蒸気タービン７の入口部にある蒸気配管２１に設置した圧力計２２及び温度計２３により蒸気タービン７の入口での蒸気圧力と蒸気温度特性を計測し、その信号をプラント制御装置２５へと送る。そして発電設備の起動時における蒸気タービン７の要求条件を満足するように制御装置２５からダイバータダンパ１１の開度指示が行われる。

このようなシステム運用により、オープンサイクルの急速起動特性を損なうことなく排熱回収ボイラ６と蒸気タービン７に起動可能な最適な制御が行え、ピーク負荷対応という要求条件を満足すると同時に出力及び熱効率の向上も図ることができる。

図１に示すシステムを運用した場合の本発電設備の起動時におけるガスタービン３の出口での排ガス流量特性及び負荷特性と、排熱回収ボイラ６内を流れる排ガス流量の制御特性及びダンパ１１の開度特性を図２に示す。

図２において、横軸は本発電設備の起動時となるガスタービン点火からの経過時間（分）を表し、ダイバータダンパ１１の開度はガスタービン３からの排ガスを全てバイパス煙突１０側に流す際の垂直位置を基点０°とし、ダンパ１１を水平として排ガスを全て排熱回収ボイラ６側に流す際を９０°として表している。

図２（ａ）の実線ａに示すようにガスタービン３の点火と同時に一定の割合でガスタービン３の回転数が上昇し、約１０分で定格の回転数に到達する。その後ガスタービン３が併入（出力（＝負荷）をとり始めること）されてオープンサイクルと同じ速度で負荷上昇し、ガスタービン３の出力を得る。

このとき、排熱回収ボイラ６の入口に設置したダイバータダンパ１１は起動初期には図２（ｃ）に示すように角度を９０°とし、排ガスを全て排熱回収ボイラ６側に流しているので、排熱回収ボイラ６へは図２（ｂ）の実線ａに示すようにガスタービン３の点火と同時に一定の割合で排ガス量が増加し、ガスタービン３の出口排ガス流量（＝排熱回収ボイラ６の入口ガス流量）が増加し、約１０分でガスタービン３の定格の回転数に達する。そして、併入後の負荷上昇により排ガスの熱量が増大していく。

前述のように、ダイバータダンパ１１は起動初期には図２（ｃ）に示すように水平方向に向けているので、排ガスは排熱回収ボイラ６側に積極的に送られ、蒸気発生のタイミングと圧力上昇を早め、蒸気タービン７へ通気するための圧力条件を早期に確立させる。

通気条件確立後は、ダイバータダンパ１１の角度を約５０°まで閉じることで排熱回収ボイラ６側へ流れるガス量を図２（ｂ）の実線の折曲点（イ）（図２（ｃ）の実線の折曲点（イ）に対応する）に示すように減少させる方向に制御され始めて、通気圧力条件を保持する。ダイバータダンパ１１の角度が約５０°に達すると、図２（ｃ）の実線の折曲点（ロ）において、ダンパ１１の開度が約５０％となるので、図２（ｂ）の実線の折曲点（ロ）に示すように排熱回収ボイラ６側へ流れるガス量は絞られる。

この間に蒸気タービン７のウォーミングが始まり、その後、蒸気タービン７の回転数が定格まで上昇してガスタービン３と蒸気タービン７の併入が図２（ｂ）の実線の折曲点（ハ）（図２（ｃ）の実線の折曲点（ハ）に対応する）であると、その後は、図２（ｃ）に示すようにダイバータダンパ１１の開度を徐々に大きくして排熱回収ボイラ６へ流入する排ガス量を増加させることで、排熱回収ボイラ６での蒸気発生量を増やしていき、蒸気タービン７の負荷を上昇させる。このようにダイバータダンパ１１によりガス量を調整しながら排熱回収ボイラ６及び蒸気タービン７を起動させることで、図７に示す従来のコンバインドサイクルの出力特性のようなガスタービン３による負荷制御を行う必要がなくなる。

上述のようなダイバータダンパ１１の制御により、排熱回収ボイラ６及び蒸気タービン７の制限による起動時のガスタービン３の負荷を抑えた運転が必要とされないことからピーク負荷対応として起動時間の短いガスタービン発電の利点を損なうことなく高効率のコンバインド発電設備として運用することが可能となる。

なお、図２（ｂ）では起動後５０分を過ぎてから「ガスタービン３の定格の回転数」以上のガス流量になっているのは、ガスタービン回転数の上昇だけでなく、負荷が上昇しても排ガス量が増加するためである。

そのほか図２（ｂ）、図２（ｃ）で実線と一点鎖線に折れ曲がり点（ロ）、（ニ）があるのは制御上の遅れ（アンダーショート）である。

図３は、図１に示すコンバインドサイクル発電設備の自然循環型排熱回収ボイラ６に代えて、貫流型排熱回収ボイラ６’を採用した場合の実施例に関わるコンバインドサイクル発電設備のシステムを示す。なお、図３に示すシステムで図１に示すシステムと同一部材は同一符号を付してその説明は省略する。

貫流型排熱回収ボイラ６’を採用することにより、図１に示す厚肉のドラム１６が薄肉の汽水分離器１８に置き換わる。これにより起動時の負荷上昇制限が大きく緩和され、排熱回収ボイラ６’と蒸気タービン７を含めたサイクルの起動時間を図１に示す発電設備より短縮することが可能となり、ピーク負荷対応を可能としたコンバインドサイクルプラントの制御を目的とした効果が図１に示すシステムより更に向上する。

本発明によれば、電力のピーク負荷対応が達成できるだけでなく、発電効率向上や発電量のアップも可能となる可能性が高い。

本発明の実施例１のコンバインドサイクル発電設備のシステム図である。 実施例１のダイバータダンパ制御特性を示す図である。 本発明の実施例２のコンバインドサイクル発電設備のシステム図である。 オープンサイクル発電設備のプラント構成を示す図である。 コンバインドサイクル発電設備の構成を示す図である。 従来のダイバータダンパを設置したコンバインドサイクル発電設備の構成図である。 オープンサイクル発電設備とコンバインドサイクル発電設備の起動特性を示す図である。

符号の説明

１ 空気圧縮機 ２ 燃焼器
３ ガスタービン ４ 発電機
５ 煙突ダクト ６ 排熱回収ボイラ
７ 蒸気タービン ８ 蒸気タービン発電機
９ 排ガスダクト １０ バイパス煙突、煙突ダクト
１１ ダイバータダンパ １２ 煙突
１３ 過熱器 １４ 蒸発器
１５ 節炭器 １６ 汽水分離ドラム
１８ 汽水分離器 １９ 復水器
２１ 蒸気配管 ２２ 蒸気タービン入口圧力計
２３ 蒸気タービン入口温度計
２５ プラント制御装置

Claims (4)

1. 空気圧縮機と、該空気圧縮機により圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼排ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンから排ガスを排出する排ガス流路と、該排ガス流路に設けた蒸気発生用の熱交換器とを備えた排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで得られる蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記排ガス流路の排熱回収ボイラの前流側の分岐部に設けた排ガスを外部に放出する排ガス放出流路と、前記分岐部の排ガス流路内に設け、前記排ガス流路と排ガス放出流路への排ガスの流れを切り替える排ガス流路切替ダンパを配置したコンバインドサイクル複合発電設備において、
   ガスタービンの起動時にガスタービンから排熱回収ボイラへ送る排ガス流量をガスタービン起動初期に全量排熱回収ボイラ側の排ガス流路に流した後、ガスタービンが定格の回転数に達し、ガスタービンを併入し、ガスタービン負荷の上昇により排ガス熱量が増大した後、蒸気タービンの通気条件が確立すると排熱回収ボイラへ送る前記排ガス流量を略半分に減少させ、該減少させた状態に保持した後に蒸気タービンのウォーミングが始まり、その後、蒸気タービンの回転数が定格まで上昇して蒸気タービンを併入した後、徐々に排熱回収ボイラへ送る前記排ガス流量を再び増加させる前記ダンパの開閉制御装置を備えたことを特徴とするコンバインドサイクル複合発電設備。
2. 蒸気タービンに蒸気を供給する蒸気配管を排熱回収ボイラの熱交換器の出口に設け、該蒸気配管には、該配管内の蒸気温度と圧力を計測する蒸気温度計と蒸気圧力計を設け、前記ダンパの開閉制御装置は、前記蒸気温度計と蒸気圧力計の計測値に基づき蒸気タービンの通気条件に合わせて、排ガス流路切替ダンパの開閉制御を行うことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル複合発電設備。
3. 空気圧縮機と、該空気圧縮機により圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼排ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンから排ガスを排出する排ガス流路と、該排ガス流路に設けた蒸気発生用の熱交換器とを備えた排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで得られる蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記排ガス流路の排熱回収ボイラの前流側の分岐部に設けた排ガスを外部に放出する排ガス放出流路と、前記分岐部の排ガス流路内に設け、前記排ガス流路と排ガス放出流路への排ガスの流れを切り替える排ガス流路切替ダンパを配置したコンバインドサイクル複合発電設備の運転方法において、
   ガスタービンの起動時にガスタービンから排熱回収ボイラへ送る排ガス流量をガスタービン起動初期に全量排熱回収ボイラ側の排ガス流路に流した後、ガスタービンが定格の回転数に達し、ガスタービンを併入し、ガスタービン負荷の上昇により排ガス熱量が増大した後、蒸気タービンの通気条件が確立すると排熱回収ボイラへ送る前記排ガス流量を略半分に減少させ、該減少させた状態に保持した後に蒸気タービンのウォーミングが始まり、その後、蒸気タービンの回転数が定格まで上昇して蒸気タービンを併入した後、徐々に排熱回収ボイラへ送る前記排ガス流量を再び増加させる前記ダンパの開閉制御装置を備えたことを特徴とするコンバインドサイクル複合発電設備の運転方法。
4. 蒸気タービンに蒸気を供給する蒸気配管を排熱回収ボイラの熱交換器の出口に設け、該蒸気配管には、該配管内の蒸気温度と圧力を計測する蒸気温度計と蒸気圧力計を設け、前記ダンパの開閉制御装置は、前記蒸気温度計と蒸気圧力計の計測値に基づき蒸気タービンの通気条件に合わせて、排ガス流路切替ダンパの開閉制御を行うことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル複合発電設備の運転方法。

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