JP2009008076A - 熱回収蒸気発生器のホットパージ用のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーシステムを運転するのに使用する制御システムを提供する。
【解決手段】本制御システム（１００）は、エネルギーシステムで使用中の燃料の自己点火温度（２０２）を計算することと、自己点火温度をシステムメモリ内に記憶することと、エネルギーシステムに関連するガスタービン（１０２）を所定の運転範囲まで負荷低下させることと、ガスタービンから吐出された排気流の温度を制御することと、排気バイパスダンパ（１０４）を所定の位置に開いて、所定の空気ボリュームがエネルギーシステム内に形成された排気流路に流入するのを可能にすることと、所定の時間量が経過した後にエネルギーシステムを通常運転に解放することとを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には発電プラントで用いるもののような複合サイクル発電システムに関し、より具体的には、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）のホットパージを達成するための方法及びシステムに関する。

少なくとも幾つかの公知の複合サイクル発電システムは、少なくとも１つのガスタービンを含み、このガスタービンが、電力網に電力を供給するために使用する発電機に動力供給する。少なくとも幾つかの公知のガスタービンからの排気は、ＨＲＳＧに供給され、ＨＲＳＧは、排気から熱を抽出して、それに限定されないが蒸気タービンを駆動するまた／或いは加熱又は海水脱塩のために熱蒸気を供給するようなその他の処理装置で用いるための蒸気を発生する。蒸気タービンによって発生された動力もまた、電力網に付加的電力を供給する発電機を駆動する。

排気流路内にバイパスダンパを含む複合サイクル発電システムは、多くの場合、バイパスダンパを用いて、ガスタービンの排気路を単純サイクルから複合サイクルに移行させ、また負荷状態下で元に戻すのを可能にすることができるように設計される。この装置に法適用される主な規制ガイダンスは、ＮＦＰＡ８５及びＩＳＯ２１７８９である。モード間での移行の実施は、システム始動がガスタービン及びＨＲＳＧを通る両方の排気流路のコールド（低温）パージを含む場合に、明確に容認されている。

しかしながら、より多くのシステムオペレータは、排気路内のＨＲＳＧのような装置を実使用状態に置く前に運転始動後パージ行うような運転シナリオを要求している。単純サイクルから複合サイクル運転への移行が必要な場合に、ガスタービンを停止せずにそのようにすることが望ましい場合がある。排気路を「ホット（高温）パージする」ものとして公知のそのような実施は、ＮＦＰＡ８５中に認められているが、厳しく制限されている。例えば、そのような運転は、ガスタービン排気温度が、ガスタービン又はあらゆる下流の燃焼装置のいずれかに導入することができるあらゆる燃料又は燃料混合物の最低の自己点火温度（ＡＩＴ）以下である少なくとも１００°Ｆである時に、実行することができるのみである。

加えて、国際標準化機構（ＩＳＯ）は、世界的なガスタービン安全基準であるＩＳＯ２１７８９を開発している。この基準は、存在する可能性があるあらゆる可燃性ガス又は蒸気のＡＩＴの８０パーセント未満であるようにガスタービン排気ガスを検証しかつ制御した場合に限り、該ガスタービン排気ガスをパージ用として使用することを許容している。
米国特許第７，１０７，７７４号公報 米国特許第６，９５７，５４０号公報 米国特許第６，５８８，１９８号公報 米国特許第６，５０２，４０１号公報 米国特許第５，８８１，５４９号公報 米国特許第５，８５０，７３１号公報 米国特許第５，８２６，４２９号公報 米国特許第５，５９０，５１８号公報 米国特許第５，２６３，３１２号公報 米国特許第５，２３７，８１２号公報 米国特許第４，３７４，４６６号公報 米国特許第４，２４９，３７３号公報 米国特許第４，０９４，１４２号公報 米国特許第３，９７５，９００号公報 米国特許出願公開第２００５／０２６８５９４号公報

１つの態様では、本発明の幾つかの構成は、エネルギーシステムを運転する方法を提供する。本方法は、エネルギーシステムで使用中の燃料の自己点火温度を計算する段階と、自己点火温度をシステムメモリ内に記憶する段階とを含む。次にエネルギーシステムに関連するガスタービンを、所定の運転範囲まで負荷低下させ、ガスタービンから吐出された排気流の温度を低下させる。次に排気バイパスダンパを所定の位置に開いて、所定の空気ボリュームがエネルギーシステム内に形成された排気流路に流入するのを可能にする。次に所定の時間量が経過した後にエネルギーシステムを通常運転に解放する。

別の態様では、本発明の幾つかの構成は、エネルギーシステムを運転するのに使用するための制御システムを提供する。本制御システムは、タービン制御システムとエネルギーシステムで使用中の燃料の自己点火温度を求めるように構成された制御システムプロセッサとを含む。

本発明のさらに別の態様では、本発明の幾つかの構成は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）のホットパージを制御する方法を提供する。ＨＲＳＧは、制御システムプロセッサ及びシステムメモリを含む複合サイクル発電システムの一部である。本方法は、エネルギーシステムで使用中の燃料の自己点火温度を計算する段階と、自己点火温度をシステムメモリ内に記憶する段階と、エネルギーシステムに関連するガスタービンをホットパージ運転範囲まで負荷低下させる段階と、ガスタービンの複数の入口ガイドベーンの作動を制御してガスタービン排気の温度を制御する段階とを含む。排気が適当な温度に達した時に、排気バイパスダンパをホットパージ位置に開いて、所定の空気ボリュームが熱回収蒸気発生器に流入するのを可能にする。所定の時間量が経過した後にエネルギーシステムを通常運転に解放する。

ＮＦＰＡ８５のような規制によると、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）は、該熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を作動状態にすることができる前に、あらゆる有害ガスをパージしなければならない。従来通りの手順を用いると、これは一般的に、２０〜３０分のパージ時間を必要とし、そのような操作は、関連するガスタービンがオフラインになっておりかつ非燃焼状態にある時に、複合サイクル発電システムにおいて達成することができるだけである。従って、公知のパージ手順を用いることにより、システムの始動時間が増大する可能性があり、またパージサイクルが完了しかつガスタービンをオンラインにすることができるまで、システムが電力を生成し又はその他の処理装置を支援することは可能でない。

図１は、発電プラントで用いるもののような複合サイクル発電システムで使用することができる例示的な制御システム１００のブロック図であり、複合サイクル発電システムは、ガスタービン１０２、排気バイパスダンパ１０４及び熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１０６を含む。この例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１０６は、ガスタービン１０２に結合され、またその他の処理装置（図示せず）に結合される。さらに、この例示的な実施形態では、制御システム１００は、タービン制御システム１１０と制御システムプロセッサ１１２とを含む。

この例示的な実施形態では、タービン制御システム１１０は、ガスタービン１０２、複数の入口ガイドベーン（ＩＧＶ）１０８、排気バイパスダンパ１０４及びタービン制御システムプロセッサ１１４に結合される。タービン制御システムプロセッサ１１４は、ＩＧＶ１０８の位置を監視しかつ調整するように構成される。ＩＧＶ１０８が開いている時には、ガスタービン１０２内への空気流は、増大して、ガスタービン排気ガスの温度を低下させるのを可能にするようになる。同様に、ＩＧＶ１０８が閉じている時には、ガスタービン排気ガスの温度は上昇する。タービン制御システムプロセッサ１１４はまた、ガスタービン１０２の負荷状態を監視しかつ調整するように構成される。さらに、タービン制御システムプロセッサ１１４は、排気バイパスダンパ１０４の位置を監視しかつ調整するように構成される。ガスタービン１０２、ＩＧＶ１０８及び排気バイパスダンパ１０４に結合されたセンサ（図示せず）はまた、タービン制御システムプロセッサ１１４に電気的に結合される。これらのセンサは、それに限定されないが、ガスタービン１０２の負荷状態、ガスタービン排気の温度、ＩＧＶ１０８の相対位置及び排気バイパスダンパ１０４の相対位置などのデータをタービン制御システムプロセッサ１１４に伝達する。排気バイパスダンパ１０４が開いている時には、ガスタービン排気はＨＲＳＧ１０６を迂回し、空気がＨＲＳＧ１０６に流入し、ガスタービン排気及び／又はその他の有害な可能性があるガス及び蒸気からＨＲＳＧ１０６をパージする。

この例示的な実施形態では、制御システムプロセッサ１１２は、タービン制御システムプロセッサ１１４に電気的に結合される。タービン制御システムプロセッサ１１４は、発電システムで使用中の燃料の自己点火温度（ＡＩＴ）を計算し、かつ計算ＡＩＴをシステムメモリ（図示せず）内に記憶する。タービン制御システムプロセッサ１１４は、ガスタービン排気温度を燃料のＡＩＴと比較する。上述のように、ＮＦＰＡ８５は、ガスタービン排ガスが使用中の燃料のＡＩＴ以下の少なくとも１００°Ｆになることを要求する。加えて、ＩＳＯ２１７８９は、ガスタービン排気温度が、存在する可能性があるあらゆる可燃性ガス又は蒸気の摂氏温度で測定したＡＩＴの８０パーセント未満であることを要求する。さらに、制御システムプロセッサ１１２は、タービン制御システムプロセッサ１１４が、ガスタービン１０２の負荷状態及び無負荷（低負荷）状態、ＩＧＶ１０８の相対位置、並びに排気バイパスダンパ１０４の相対位置を制御するのを可能にするように構成される。

図２は、ＨＲＳＧ１０６（図１に示す）のような熱回収蒸気発生器のホットパージを開始しかつ制御するのに使用することができる例示的な方法２００のフローチャートである。この例示的な方法２００は、ガスタービン１０２（図１に示す）のようなガスタービンからの排気ガスの温度の、複合サイクル発電システムで使用中の燃料の所定の自己点火温度（ＡＩＴ）との比較に基づいている。ＡＩＴは、燃料の成分の関数であり、ＮＦＰＡ及びＩＳＯによって公表されたアルゴリズムに基づいて計算される（２０２）。次いでＡＩＴは、制御システム１００（図１に示す）のような制御システムのシステムメモリ内に記憶される（２０４）。

この例示的な実施形態では、またガスタービンが負荷状態にあり、ＩＧＶ１０８（図１に示す）のような関連する入口ガイドベーンが開いておりかつ排気バイパスダンパ１０４（図１に示す）のような関連する排気バイパスダンパが閉じている時に、システムオペレータは、制御システム１００を介してＨＲＳＧ１０６のホットパージを開始する（２０６）。

一旦ホットパージが開始される（２０６）と、この例示的な実施形態では、制御システムプロセッサ１１２（図１に示す）は、ＨＲＳＧ１０６のホットパージが開始したことをタービン制御システムプロセッサ１１４（図１に示す）に伝達する。ガスタービン１０２は、ホットパージ領域内の所定の運転レベルまで負荷低下される（２０８）。ガスタービン１０２のホットパージ運転領域は、それに限定されないが、定格負荷の約１０〜２０パーセントのような低運転負荷ゾーンの範囲内にある。タービン１０２の低負荷状態２０８が終了すると、タービン制御システムプロセッサ１１４は次に、ＩＧＶ１０８を調整又は位置決めし直して（２１０）、ガスタービン排気温度を必要な温度範囲まで低下させるのを可能にする。
ガスタービン排気の温度が低下すると、タービン制御システムプロセッサ１１４は、排気温度を表すデータを受信し、ガスタービン排気温度は、記憶ＡＩＴ２０４と比較される。

この例示的な実施形態では、ガスタービン排気温度が、ＮＦＰＡ８５又はＩＳＯ２１７８９による所定のレベルに達すると、排気バイパスダンパ１０４は、ホットパージ位置に開かれる（２１２）。排気バイパスダンパ１０４を位置決めし直すことにより、空気がＨＲＳＧに流入し、従ってＨＲＳＧ１０６の内容物をパージしかつ交換する（２１４）ことが可能になる。排気バイパスダンパ１０４は、所定の空気ボリュームがＨＲＳＧ１０６内で交換されるまで、ホットパージ位置に開いた状態を維持する。排気バイパスダンパ１０４が開いた状態を維持する時間は、ＮＦＰＡ８５又はＩＳＯ２１７８９によって交換するのに必要な全空気ボリューム及びＨＲＳＧ１０６の利用可能なボリュームによって決まる。

必要な空気ボリュームが交換されると、ガスタービン１０２は、通常運転に解放される（２１６）。そのような時に、通常運転を再開するために、排気バイパスダンパ１０４は、全開位置に、従ってＨＲＳＧ１０６及び関連する処理装置の実質的な完全作動位置に移動される。ＩＧＶ１０８が次に通常運転位置に位置決めし直され、次にガスタービン１０２の負荷が、その通常運転領域まで増大される。

上述の方法及び装置は、発電システムの始動時間及び作動性を改善するのを可能にする。ガスタービン燃料のＡＩＴを計算しかつガスタービン排気温度をそのＡＩＴと比較することにより、ガスタービンを単純サイクルモードでオンラインに維持しながら、排気ガス及びその他の有害な可能性がある煙霧及び／又は蒸気からＨＲＳＧをパージすることが可能になる。ガスタービンオンラインを維持することができることにより、迅速な発電システムの始動時間が可能になり、パージの間に発電システムが電力を生成し続けることが可能になる。

以上、ＨＲＳＧのホットパージを可能にする方法及び装置の例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法及び装置は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本方法及び装置の構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立しかつ別個に利用することができる。例えば、発電システムで用いる燃料のＡＩＴの計算はまた、他の産業プラント又は構成部品設計並びに監視システム及び方法と組合せて行いかつ／又は使用することができ、また本明細書に記載したような発電システムのみで実施することに限定されるものではない。それどころか、本発明は、その他の多くの構成部品又はプラント設計及び監視用途と関連して実施しかつ利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

複合サイクル発電システムで用いる熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）をホットパージするために使用することができる例示的な制御システムのブロック図である。 図１に示す制御システムで用いることができるようなＨＲＳＧのホットパージを開始しかつ制御するために使用する例示的な方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 制御システム
１０２ ガスタービン
１０４ 排気バイパスダンパ
１０６ 熱回収蒸気発生器
１０８ 入口ガイドベーン
１１０ タービン制御システム
１１２ 制御システムプロセッサ
１１４ タービン制御システムプロセッサ
２００ 方法
２０２ 自己点火温度を計算する
２０４ 自己点火温度を記憶する
２０６ ホットパージを開始する
２０８ ガスタービンを負荷低下させる
２１０ 入口ガイドベーンを調整する
２１２ 排気バイパスダンパを開く
２１４ 熱回収蒸気発生器内の空気を交換する
２１６ 発電プラントを通常運転に解放する

Claims (7)

1. エネルギーシステムを運転するのに使用する制御システム（１００）であって、
   タービン制御システム（１１０）と、
   前記エネルギーシステムで使用中の燃料の自己点火温度（２０２）を求めるように構成された制御システムプロセッサ（１１２）と、を含む、
   制御システム（１００）。
2. 前記タービン制御システム（１１０）が、
   ガスタービン（１０２）と、
   複数の入口ガイドベーン（１０８）と、
   排気バイパスダンパ（１０４）と、
   タービン制御システムプロセッサ（１１４）と、
   に結合され、前記タービン制御システムプロセッサ（１１４）が、
   前記ガスタービンから吐出された排気の温度を監視し、
   前記複数の入口ガイドベーンの作動を制御し、かつ
   前記排気バイパスダンパの作動を制御する、ようにプログラムされる、
   請求項１記載の制御システム（１００）。
3. 前記制御システムプロセッサ（１１２）が、前記使用中の燃料の計算した自己点火温度（２０２）を記憶するようにさらにプログラムされる、請求項１記載の制御システム（１００）。
4. 前記制御システムプロセッサ（１１２）が、前記ガスタービン排気温度を前記使用中の燃料の記憶自己点火温度と比較するようにさらにプログラムされる、請求項３記載の制御システム（１００）。
5. 前記制御システムプロセッサ（１１２）が、前記タービン制御システムプロセッサが前記ガスタービン（１０２）に対する負荷状態を制御するのを可能にするようにさらにプログラムされる、請求項２記載の制御システム（１００）。
6. 前記制御システムプロセッサ（１１２）が、前記タービン制御システムプロセッサが前記ガスタービン排気温度の前記使用中の燃料の自己点火温度との比較に基づいて前記複数の入口ガイドベーンの作動を制御するのを可能にするようにさらにプログラムされる、請求項２記載の制御システム（１００）。
7. 前記制御システムプロセッサ（１１２）が、前記タービン制御システムプロセッサが前記ガスタービン排気温度の前記使用中の燃料の自己点火温度との比較に基づいて前記排気バイパスダンパ（１０４）の作動を制御するのを可能にするようにさらにプログラムされる、請求項２記載の制御システム（１００）。