CN109424437B - 控制装置、燃气轮机复合循环发电系统及控制方法 - Google Patents

控制装置、燃气轮机复合循环发电系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能比以往缩短设备的起动时间的控制装置、具备该控制装置的燃气轮机复合循环发电系统以及燃气轮机复合循环发电系统的控制方法。除了利用排热回收锅炉(8)的节碳器(10)出口的温水的第一燃料气体加热器(6)，设置将燃气轮机(1)的压缩机(2)的抽出空气用作热源的第二燃料气体加热器(7)，在控制装置(30)中，在燃气轮机复合循环发电系统(1000)起动时，打开向第二燃料气体加热器(7)供给抽出空气的配管的抽出空气调节阀(17)并进行利用抽出空气的燃料气体(100)的加热。

Description

控制装置、燃气轮机复合循环发电系统及控制方法
技术领域
本发明涉及适用于具备燃料气体加热装置的燃气轮机复合循环发电系统的控制装置、具备该控制装置的燃气轮机复合循环发电系统及燃气轮机复合循环发电系统的控制方法。
背景技术
在采用复压式的排热回收锅炉时，以不使设备输出下降而提高设备效率为目的，在专利文献1中记载了复合循环发电设备，其具有燃料气体加热设备，该燃料气体加热设备具有：从设置于排热回收锅炉的中压节碳器的加热水出口抽出加热水的抽水线、使用通过抽水线抽出的加热水对在燃气轮机设备中使用的燃料气体进行加热的低温燃料加热装置、从位于比设置于排热回收锅炉的中压节碳器靠尾气流路上游的高压二次节碳器的加热水出口抽出加热水的抽水线、使用通过抽水线抽出的加热水进一步对由低温燃料加热装置加热了的燃料气体进行加热的高温燃料加热装置以及使高温燃料加热装置中的燃料气体加热后的加热水返回到中压节碳器的加热水出口的加热水返回线。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2015-68314号公报
近年来，为了提高燃气轮机复合循环发电系统的发电效率，开发了具备利用从排热回收锅炉的节碳器出口供给的高温的水对燃气轮机的燃料气体进行加热的燃料气体加热器的发电系统。
另一方面，基于对环境的顾虑，期望减少从燃气轮机排出的氮氧化物(NOX)，在燃气轮机的燃烧器上普遍采用能够减少NOX的预混合燃烧方式。
在一般的预混合燃烧方式的燃气轮机燃烧器中，在一个燃烧器上设置多个燃烧嘴，并且，在设备的起动过程中根据燃气轮机的负荷决定供给燃料的燃烧嘴的组合。因此，在设备的起动过程中，通过与燃气轮机负荷的上升相应地适当切换供给燃烧气体的燃烧嘴(燃烧模式切换)，实现NOX的减少。
在该燃烧模式切换的操作时，为了防止不稳定燃烧，需要根据燃烧模式适当地管理燃烧气体的温度、比重、发热量。作为管理燃料气体的温度、比重、发热量的指标，具有被称为MWI的指标。在式(1)中表示MWI的计算式。
MWI＝LHV/√(SG×Tg)…(1)
其中，LHV：燃料气体的低位发热量、SG：燃料气体比重、Tg：燃料气体温度。
一般地，由于排热回收锅炉的热容量大，因此，在设备的起动过程中，在向燃料气体加热器供给的加热水的温度上升方面需要时间。因此，在专利文献1所记载那样的现有的燃气轮机复合循环发电系统中，存在燃料气体的温度相对于燃气轮机的负荷未充分地上升而导致燃料气体的MWI未进入燃烧切换的管理值的范围的情况。
在该情况下，需要从排热回收锅炉供给的加热水的温度上升，燃料气体的温度上升，保持燃气轮机的负荷直至燃料气体的MWI进入管理值的范围内、或减小燃气轮机的负荷上升滞后，无论利用哪个方法，都存在难以缩短设备的起动时间的课题。
发明内容
本发明提供一种与现有相比能缩短设备的起动时间的控制装置、具备该控制装置的燃气轮机复合循环发电系统以及燃气轮机复合循环发电系统的控制方法。
本发明包括多个解决上述课题的方案，如列举其一例，则是一种控制装置，控制燃气轮机复合循环发电系统，该燃气轮机复合循环发电系统具备涡轮机、压缩机、排热回收锅炉、将从上述排热回收锅炉导出的加热水作为热源并与被引导到燃烧器的燃料气体进行热交换的第一燃料气体加热器、设于向上述第一燃料气体加热器输送上述加热水的线上的第一阀、将来自上述压缩机的抽出空气作为热源与被引导到上述燃烧器的上述燃料气体进行热交换的第二燃料气体加热器以及设于向上述第二燃料气体加热器输送上述抽出空气的线上的第二阀，在上述燃气轮机复合循环发电系统起动时，上述控制装置执行打开上述第二阀的控制。
本发明的效果如下。
根据本发明，能缩短燃气轮机循环发电设备的起动时间。上述以外的课题、结构及效果通过以下的实施例的说明变得明确。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的燃气轮机复合循环发电系统中的燃气轮机、排热回收锅炉、燃料气体的概要的系统图。
图2是表示本发明的实施例的燃气轮机复合循环发电系统中的燃气轮机、压缩机抽气系统、燃料气体加热器的概要的系统图。
图3是表示本发明的实施例的燃气轮机复合循环发电系统中的控制流程的图。
图4是表示现有技术的燃气轮机复合循环发电系统中的起动趋势的图。
图5是表示本发明的实施例的燃气轮机复合循环发电系统中的起动趋势的图。
图中：1—燃气轮机，2—压缩机，3—燃烧器，4—涡轮机，5—发电机，6—第一燃料气体加热器，7—第二燃料气体加热器，8—排热回收锅炉，9—供水泵，10—节碳器，11—蒸汽筒，12—蒸发器，13—过热器，14—蒸汽涡轮机，15—冷凝器，16—加热水调节阀(第一阀)，17—抽出空气调节阀(第二阀)，18—烟囱，30—控制装置，41—温度计，43—温度计，100—燃料气体，200—燃料气体系统，201—供水系统，202—蒸汽系统，203—燃料气体加热水系统，204—抽气系统，1000—燃气轮机复合循环发电系统。
具体实施方式
使用图1至图5说明本发明的控制装置、具备该控制装置的燃气轮机复合循环发电系统以及燃气轮机复合循环发电系统的控制方法的实施例。
首先，使用图1及图2，关于燃气轮机复合循环发电系统的整体像，以燃气轮机、排热回收锅炉以及燃料气体系统为中心进行说明。图1是表示本实施例的燃气轮机复合循环发电系统中的燃气轮机、排热回收锅炉、燃料气体的概要的系统图。图2是表示本实施例的燃气轮机复合循环发电系统中的燃气轮机、压缩机抽气系统、燃料气体加热器的概要的系统图。
在图1及图2中，燃气轮机复合循环发电系统1000具备燃气轮机1、蒸汽涡轮机14、冷凝器15、排热回收锅炉8、烟囱18、燃料气体系统200、供水系统201、蒸汽系统202、燃料气体加热水系统203、抽气系统204、控制装置30、温度计41以及温度计43等。
如图1所示，燃气轮机1由压缩机2、燃烧器3、涡轮机4以及发电机5构成。
压缩机2通过旋转驱动压缩外部空气并生成压缩空气。燃烧器3使燃料气体100在由压缩机2生成的压缩空气中燃烧并进一步成为高温高压。在该燃烧器3上连接供给燃料气体100的燃料气体系统200。涡轮机4由在燃烧器3生成的高温高压的燃料气体旋转驱动。发电机5通过涡轮机4的旋转以及后述的蒸汽涡轮机14的旋转发电。
燃料气体系统200由第一燃料气体加热器6、第二燃料气体加热器7和配管构成，连接燃料气体供给源(省略图示)和燃烧器3。另外，燃料气体100通过的顺序如1及图2所示为第一燃料气体加热器6、第二燃料气体加热器7的顺序在其到达温度(在第一燃料气体加热器6中为100℃左右、在第二燃料气体加热器7中为200℃左右)的情况上是期望的，但也可以相反。
第一燃料气体加热器6将从后述的排热回收锅炉8导出的加热水作为热源，通过与导入燃烧器3的燃料气体100进行热交换而对燃料气体100进行加热。
第二燃料气体加热器7将来自压缩机2的抽出空气作为热源，通过与导入燃烧器3的燃料气体100进行热交换而对燃料气体100进行加热。
图2所示的抽气系统204是连接压缩机2的中间级和第二燃料气体加热器7，从压缩机2的中间级抽出压缩空气，用于将抽出空气输送到第二燃料气体加热器7的配管。在该抽气系统204上具备抽出空气调节阀(第二阀)17。另外，抽气系统204不需要设于压缩机2的中间级，可以是上游侧的前级、下游侧的后级。
蒸汽涡轮机14由在排热回收锅炉8生成的过热蒸汽旋转驱动。
冷凝器15使驱动了蒸汽涡轮机14的蒸汽返回为水。
排热回收锅炉8为了回收从燃气轮机1的涡轮机4导出的尾气的能量而设于涡轮机4的下游，与尾气进行热交换而生成加热压缩水及蒸汽。在该排热回收锅炉8上连接供水系统201和蒸汽系统202。
供水系统201是连接冷凝器15和排热回收锅炉8的配管，在其中途设置有供水泵9。
蒸汽系统202由节碳器10、蒸汽筒11、蒸发器12、过热器13以及配管构成，经过蒸汽涡轮机14与冷凝器15连接。
节碳器10利用尾气的热量加热水。蒸汽筒11对由蒸发器12产生的水蒸气和水进行分离。在此的水是指蒸汽筒11内的水。蒸发器12利用尾气的热量进一步对由节碳器10加热了的水进行加热而产生水蒸气。过热器13利用尾气的热量进一步使由蒸发器12产生的水过热而产生更高温度的过热蒸汽。
在蒸汽筒11内设有对位于其内侧的加热水的温度进行计测的温度计41。
在蒸汽系统202上，连接使由蒸汽系统202加热了的加热水在节碳器10的出口分支，用于向第一燃料气体加热器6输送加热水的燃料气体加热水系统203。在该燃料气体加热水系统203上具备加热水调节阀(第一阀)16和计测燃料气体加热水系统203的加热水的温度的温度计43。
控制装置30控制燃气轮机复合循环发电系统1000的各设备的动作，在本实施例中，尤其在燃气轮机复合循环发电系统1000起动时执行打开抽出空气调节阀17的控制。尤其，本实施例的控制装置30在加热水的温度为设定值(第二预定值)以下时，在燃气轮机复合循环发电系统1000起动时打开抽出空气调节阀17，在比设定值高时，不打开抽出空气调节阀17，执行进行正常起动的控制。另外，控制装置30在加热水的温度为设定值(第一预定值)以上时执行关闭抽出空气调节阀17的控制。
使用图1及图2说明本实施例的空气、燃料气体、水及蒸汽流。
在图1所示的燃气轮机1中，压缩机2压缩从大气吸入的空气，供给到燃烧器3。燃烧器3使压缩空气和燃料气体100燃烧并生成高温的燃烧气体，并供给到涡轮机4。
涡轮机4通过供给高温的燃烧气体而被施加旋转动力，将涡轮机4的旋转动力传递到压缩机2及发电机5。传递到压缩机2的旋转动力用于空气的压缩动力，传递到发电机5的旋转动力转换为电能。
从涡轮机4排出的尾气在通过排热回收锅炉8后，从烟囱18排出。
在排热回收锅炉8中，通过供水系统201并利用供水泵9升压了的水流入节碳器10并通过与燃料气体进行热交换而温度上升，并流入蒸汽筒11。蒸汽筒11中的水流入蒸发器12，通过与从涡轮机4排出的尾气进行热交换而从水变为蒸汽，再次流入蒸汽筒11。
蒸汽筒11中的蒸汽流入过热器13，通过与尾气进行热交换而成为过热蒸汽，流入蒸汽涡轮机14。蒸汽涡轮机14通过供给过热蒸汽而施加旋转动力，将旋转动力传递到发电机5而转换为电能。
从蒸汽涡轮机14排出的蒸汽流入冷凝器15，在被冷却而成为水后，再次通过供水泵9流入排热回收锅炉8。
在此，燃料气体100按照第一燃料气体加热器6、第二燃料气体加热器7的顺序通过加热源并加热到预定的温度后，供给到燃烧器3。
其中，在第一燃料气体加热器6中，作为加热燃料气体100的热源，如上所述，使用从排热回收锅炉8的节碳器10出口分支的高温的加热水。供给到第一燃料气体加热器6的加热水在与燃料气体100进行热交换并成为低温后，从第一燃料气体加热器6排出并回收到冷凝器15。
另一方面，第二燃料气体加热器7作为加热燃料气体100的热源，如上所述，使用从压缩机2中间级抽出的抽出空气。抽出空气在被压缩的过程中温度上升，因此，在第二燃料气体加热器7中能作为加热燃料气体100的热源使用。供给到第二燃料气体加热器7的抽出空气在与燃料气体100进行热交换并成为低温后，从第二燃料气体加热器7排出，在涡轮机4出口与尾气合流并从烟囱18排出。
接着，使用图3说明利用本实施例的控制装置30进行的燃气轮机复合循环发电系统1000的控制方法。图3是表示本发明的实施例的燃气轮机复合循环发电系统中的控制流程的图。该图3所示的控制流程在燃气轮机复合循环发电系统起动时执行。
在图3中，首先，控制装置30接受由温度计41测定的蒸汽筒11内的加热水的温度的输入(步骤S101)。
接着，控制装置30判断在步骤S101中测定的蒸汽筒11内的加热水的温度是否为设定值(第二预定值)以下(步骤S102)。
在该步骤S102中，在判断为加热水温度不是设定值以下时，是蒸汽筒11内的加热水的温度高，只利用输送到第一燃料气体加热器6的加热水充分地加热燃料气体100的状态。因此，由于不需要利用压缩机2的抽气的燃料气体100的加热，因此，使处理进入到步骤S103并进行正常起动(步骤S103)。
相对于此，在步骤S102中判断为加热水的温度为设定值以下时，使处理进入步骤S104中，控制装置30打开抽出空气调节阀17，使系统起动(步骤S104)。
该步骤S104相当于在控制装置30执行的程序具有的打开抽出空气调节阀17的顺序，另外，相当于燃气轮机复合循环发电系统1000的控制方法具有的、打开抽出空气调节阀17的工序。
另外，这些步骤S102、S103、S104相当于在控制装置30执行的程序具有的、在加热水的温度为第二预定值以下时打开抽出空气调节阀17并在比第二预定值高时不打开抽出空气调节阀17的顺序，另外，相当于燃气轮机复合循环发电系统1000的控制方法具有的、在加热水的温度为第二预定值以下时打开抽出空气调节阀17并在比第二预定值高时不打开抽出空气调节阀17的工序。
接着，控制装置30接受由温度计43测定的在燃料气体加热水系统203内流动的加热水的温度的输入(步骤S105)。
接着，控制装置30判断在步骤S105测定的燃料气体加热水系统203的加热水的温度是否为设定值(第一预定值)以上。
若从设备起动经过时间，则通过排热回收锅炉8变暖，加热水的温度也上升。在该步骤S106中判断为加热水的温度为设定值以上时，蒸汽筒11内的加热水充分地变得高温，是能只利用输送到第一燃料气体加热器6的加热水充分地加热燃料气体100的状态。因此，由于不需要利用压缩机2的抽气的燃料气体100的加热，因此，使处理进入步骤S107，控制装置30关闭抽出空气调节阀17(步骤S107)。相对于此，在判断为不是预定值以上时，使处理返回步骤S105。
该步骤S107相当于在控制装置30执行的程序具有的、在加热水的温度为第一预定值以上时关闭抽出空气调节阀17的顺序，另外，相当于燃气轮机复合循环发电系统1000的控制方法具有的、加热水的温度为第一预定值以上时关闭抽出空气调节阀17的工序。
另外，在上述步骤S102中使用的第二预定值以及在步骤S106中使用的第一预定值期望基于只利用由第一燃料气体加热器6进行的加热能将燃料气体的MWI控制在管理值的范围内的温度(图5所示的燃烧切换下限温度)进行设定。
使用图4及图5关于本实施例的燃气轮机复合循环发电系统的起动趋势进行说明。
首先使用图4说明现有技术的燃气轮机复合循环发电系统中的冷起动中的发电机输出、加热水温度、燃料气体温度的趋势。图4是表示现有技术的燃气轮机循环发电设备中的起动趋势的图。在图4中，纵轴从上按顺序为发电机5的输出、输送到第一燃料气体加热器6的加热水的温度、燃料气体100的温度，横轴全部为时间。
在图4所示的现有技术中，如发电机输出的趋势所示，使设备起动，在负荷上升到局部负荷后，保持恒定时间计划负荷，对蒸汽涡轮机、排热回收锅炉进行暖机。伴随该排热回收锅炉的暖机，加热水温度、燃料气体温度逐渐上升。
如果燃料气体温度持续上升且成为计划负荷保持结束的下限温度以上，则再次开始负荷上升。
之后，当在负荷上升过程中到达了实施燃烧切换的负荷时，在现有技术中，由于排热回收锅炉的温度上升不充分，燃料气体的加热不足，燃料气体温度未充分上升，存在燃料气体温度为燃烧切换所需的下限温度以下的情况。在该情况下，直至燃烧气体温度上升，均无法开始燃烧切换而无法负荷上升。
为了应对该问题，需要进行计划外的负荷保持直到燃料气体温度为燃烧切换下限温度以上或进行需要减小计划负荷保持结束以后的负荷上升滞后等的时间的对策，无论哪种方法，均存在起动时间变长的课题。
接着，使用图5说明本实施例的冷起动中的发电机输出、加热水温度、燃料气体温度、抽出空气温度、抽出空气流量的趋势。图5是表示本实施例的燃气轮机复合循环发电系统中的起动趋势的图。在图5中，纵轴从上按顺序为发电机5的输出、输送到第一燃料气体加热器6的加热水的温度、燃料气体100的温度、从压缩机2抽出的抽出空气的温度、输送到第二燃料气体加热器7的抽出空气的流量，横轴全部为时间。
如上所述，在本实施例中，在设备起动后开始从压缩机2的抽气，向第二燃料气体加热器7供给抽出空气。
如图5所示，从压缩机2的抽出空气与燃气轮机1的负荷上升大致同时温度也上升，因此，燃料气体100的温度上升的起点比图4所示的现有技术的情况变早，与现有技术相比，计划负荷保持中的燃料气体温度变高。
因此，由于燃料气体温度更快地成为作为计划负荷保持结束的下限温度以上，因此，与现有技术相比能缩短到达燃烧切换所需的暖机时间。
因此，在负荷上升过程中，在到达了实施燃烧切换的负荷时，不需要等到燃料气体温度为燃烧切换下限温度以上。因此，不需要如现有技术那样保持计划外的负荷保持或减小负荷上升滞后，缩短起动时间。
另外，在现有技术中，燃料气体温度成为燃烧切换下限温度以上的时机、即只利用通过第一燃料气体加热器6的加热成为能加热燃料气体的温度时，关闭抽出空气调节阀。
接着，关于本实施例的效果进行说明。
在上述的本实施例的燃气轮机复合循环发电系统1000中，除了利用排热回收锅炉8的节碳器10出口的温水的第一燃料气体加热器6，设置将燃气轮机1的压缩机2的抽出空气用作热源的第二燃料气体加热器7，在控制装置30中，在燃气轮机复合循环发电系统1000的起动时打开向第二燃料气体加热器7供给抽出空气的配管的抽出空气调节阀17而执行利用抽出空气的燃料气体100的加热控制。
在设备的起动不久之后，由于排热回收锅炉8的热容量大，因此供给到第一燃料气体加热器6的加热水的温度不会充分上升。另一方面，从压缩机2中间级抽出的抽出空气的应答性比加热水的温度上升高，与燃气轮机1的负荷上升大致同时温度上升。因此，除了向第一燃料气体加热器6供给热源的加热水调节阀16，通过打开抽出空气调节阀17，能提高燃料气体100的温度的应答性。由此，能使设备的起动过程中的燃料气体100的温度上升能够比以往早，不需要如现有的设备那样在起动过程中为了燃料气体的温度上升而需要保持燃气轮机的负荷、在低滞后下的负荷上升，能缩短起动时间。
另外，控制装置30由于在加热水的温度成为第一预定值以上时执行关闭抽出空气调节阀17的控制，因此，从设备的高负荷在额定负荷条件下能防止由于从压缩机2抽出空气而引起的涡轮机输出、效率的下降，能使设备以高输出、高效率进行运转。
另外，控制装置30在加热水的温度为第二预定值以下时执行打开燃气轮机复合循环发电系统1000的起动时打开抽出空气调节阀17的控制，在比第二预定值高时，通过不执行打开抽出空气调节阀17的控制，在起动时不需要利用抽出空气的燃料气体100的加热的情况下，能防止由于抽出空气而导致燃气轮机输出、效率的下降，能使设备以高输出、高效率运转。
<其他>
另外，本发明未限定于上述实施例，能进行多种变形、应用。上述实施例是为了使本发明容易明白而详细地进行了说明，并未限定于包括说明的全部的结构。
例如，控制装置30能以在设备起动不久之后不控制蒸汽筒11内的温度，使加热水调节阀16、抽出空气调节阀17为开，向第一燃料气体加热器6和第二燃料气体加热器7双方供给热源并加热燃料气体100的方式进行控制。

Claims (5)

1.一种控制装置，其控制燃气轮机复合循环发电系统，该燃气轮机复合循环发电系统具备涡轮机、压缩机、排热回收锅炉、将从上述排热回收锅炉导出的加热水作为热源并与被引导到燃烧器的燃料气体进行热交换的第一燃料气体加热器、设于向上述第一燃料气体加热器输送上述加热水的线上的第一阀、将来自上述压缩机的抽出空气作为热源并与被引导到上述燃烧器的上述燃料气体进行热交换的第二燃料气体加热器以及设于向上述第二燃料气体加热器输送上述抽出空气的线上的第二阀，
上述控制装置的特征在于，
串联地连结上述第一燃料气体加热器和上述第二燃料气体加热器，上述燃料气体以上述第一燃料气体加热器、上述第二燃料气体加热器的顺序通过并向上述燃烧器供给，
在上述燃气轮机复合循环发电系统起动时，在上述加热水的温度为第二预定值以下时，上述控制装置执行打开上述第一阀以及上述第二阀的控制，利用上述加热水以及上述抽出空气作为加热上述燃料气体的热源，
在上述加热水的温度比上述第二预定值高时，上述控制装置不执行打开上述第二阀的控制而执行只打开上述第一阀的控制，只利用上述加热水作为加热上述燃料气体的热源。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
在执行了打开上述第二阀的控制的情况下，在上述加热水的温度为第一预定值以上时，上述控制装置执行关闭上述第二阀的控制。
3.一种控制方法，为燃气轮机复合循环发电系统的控制方法，其特征在于，
具有下述工序：在上述燃气轮机复合循环发电系统起动时，在与被引导到燃烧器的燃料气体进行热交换的第一燃料气体加热器的热源即从排热回收锅炉导出的加热水的温度为第二预定值以下时，为了向将来自压缩机的抽出空气以及上述加热水作为热源并与上述第一燃料气体加热器以及上述燃料气体进行热交换的第二燃料气体加热器供给热源并加热燃料气体，打开设在向上述第一燃料气体加热器输送上述加热水的线上的第一阀以及设在向上述第二燃料气体加热器输送上述抽出空气的线上的第二阀，在上述加热水的温度比上述第二预定值高时，为了作为加热上述燃料气体的热源只利用上述加热水，不执行打开上述第二阀的控制而只打开上述第一阀，
串联地连结上述第一燃料气体加热器和上述第二燃料气体加热器，上述燃料气体以上述第一燃料气体加热器、上述第二燃料气体加热器的顺序通过并向上述燃烧器供给。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，
还具有下述工序：
当在上述工序中打开了上述第二阀时，在上述加热水的温度成为第一预定值以上时，关闭上述第二阀。
5.一种存储介质，其特征在于，
存储了利用控制装置使权利要求3或4所述的控制方法进行动作的程序。
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