JP2009068798A - 火力発電プラントの最適運用システム - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルの効率とボイラ効率とを調整して石炭火力発電プラントを最適運用するシステムを提供すること。
【解決手段】化石燃料を燃焼させることにより高圧蒸気を生産するボイラプラントと、その蒸気を利用して発電するタービンプラントと、を備えた火力発電プラントの運用システムにおいて、前記ボイラプラントから給水温度T_sp及び排ガス温度T_exが与えられて、前記給水温度と前記ボイラプラントのボイラ効率との関係を計算する第１計算手段１１，１２，１３と、前記ボイラプラントから少なくとも給水温度・圧力、主蒸気温度・圧力、復水温度・圧力が与えられて前記給水温度と前記ボイラプラントのランキンサイクル効率との関係を求める第２計算手段１４と、前記第２計算手段が求めた関係から前記ボイラプラントに対する給水温度を決定する手段１５とを備えたことを特徴とする火力発電プラントの最適運用システム。
【選択図】図２

Description

本発明は、石炭火力発電プラントの運用システムに係わり、とくにランキンサイクルの効率とボイラ効率とを調整して発電プラントを最適運用するシステムに関する。

従来、石炭火力発電所の効率改善方法として採用されている運用方法には、代表例として、貫流ボイラにおける変圧運転による方法、スートブロアの高度制御による必要蒸気最小化による方法（特許文献１）、燃料混合比最適化による効率向上による方法（特許文献２）などがある。

特に、変圧運転による方法は、高圧出力時には定格圧力で運用する一方、中低圧出力時にはそれに応じて圧力を下げ、温度も下げることにより出力を制御する。これは、制御弁を用いた主蒸気流量の制御により圧力を低下させる出力制御ではなく、ボイラ自体による制御である。この結果、制御弁による損失がなくなり、効率向上効果は大きい。このため、多くのプラントに採用されている。

一方、特許文献１に記載されるスートブロアの最適化による効率向上もよく知られた方法である。ただし、石炭の性質により運用を変える必要があるので、効果を必ずしも単純に評価することはできない。

また、特許文献２に記載された、燃料混合比の最適化によるボイラ効率の向上は、やはり大変重要な効率向上施策である。これも、石炭の性質によるので定量的な評価は容易ではない。
特開2006-010229号公報 特開2002-257321号公報

特許文献１に述べられているように、石炭火力発電においては、石炭特有の燃焼に伴う煤の発生とその付着とにより、ボイラ内の熱交換機器の熱貫流率が大きく変化する。

ここでは、最終の熱交換機器である節炭器または空気予熱器の熱貫流率の変化に着目する。これら機器の性能低下は、石炭や運用の状況により原因は異なるが、何れにしても経年劣化は避けられない。よく知られているように、ランキンサイクルの基本原理から、ドラム型ボイラの場合、ドラムに供給される給水はできる限り飽和温度に近いことが効率向上に貢献する。

給水の温度を上昇させるには、給水加熱器により水温を適切に上昇させた後、節炭器を経てボイラドラムに給水されることから、節炭器への供給水温が上昇することになる。すると、排ガスの熱回収機器である節炭器の温度が上昇し、さらに空気予熱器の出口排ガス温度が上昇するのは避けられない。これは、ボイラ効率の低下を意味する。

すなわち、石炭火力発電の効率向上にとって、給水温度の上昇によるランキンサイクルの効率向上と、排ガス温度から計算されるボイラ効率とはトレードオフの関係にある。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、ランキンサイクルの効率とボイラ効率とを調整して石炭火力発電プラントを最適運用するシステムを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明では、
化石燃料を燃焼させることにより高圧蒸気を生産するボイラプラントと、その蒸気を利用して発電するタービンプラントと、を備えた火力発電プラントの運用システムにおいて、
前記ボイラプラントから給水温度及び排ガス温度が与えられて、前記給水温度と前記ボイラプラントのボイラ効率との関係を計算する第１計算手段と、
前記ボイラプラントから少なくとも給水温度・圧力、主蒸気温度・圧力、復水温度・圧力が与えられて前記給水温度と前記ボイラプラントのランキンサイクル効率との関係を求める第２計算手段と、
前記第２計算手段が求めた関係から前記ボイラプラントに対する給水温度を決定する手段と
を備えたことを特徴とする火力発電プラントの最適運用システム、
を提供する。

本発明は上述のように、ボイラにおける給水温度とボイラ効率との関係、及び給水温度とランキンサイクル効率との関係から給水温度を決定して発電プラントを運用するようにしたため、ボイラ効率とランキンサイクル効率との調整を取って発電プラントを運用することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例につき説明する。

図１(a),(b),(c)は、本発明に係る石炭火力発電プラントの最適運用方法の実施例を説明するための、石炭火力発電所の構成（図１(a)，(b)）、及びその運用効率を最適化するための効率評価装置（図１(c)）を示した図である。

石炭火力発電所は、石炭を燃焼し、その発熱を利用して蒸気を作るボイラプラント（図１(a)に図示）と、その蒸気を利用して発電する蒸気タービンプラント（図１(b)に図示）とを備える。

図１(a)に示すボイラプラントの内部には、バーナー、多くの過熱器SH１−SH4、再熱器RH1,RH2、節炭器ECOなど熱交換器があり、それぞれ役割に応じて燃焼熱を蒸気エネルギーに変換する。

一方、図１(b)に示す蒸気タービンプラントには、蒸気タービン本体TB1,TB2,TB3のほか、ボイラの給水を加熱するための加熱器HT1-HT3、及び調節弁Vが設置されている。そして、図１(c)に示す効率評価装置EEは、給水温度及び排ガス温度が与えられて給水目標温度指示値を出力する。

図２は、図１(c)に示した効率評価装置EEの内部構成を示したブロック図である。この運用システムは、効率評価装置EEの内部に、
(1) 給水温度と空気予熱器出口の排ガス温度との関係を測定する機能
(2) ボイラの燃焼空気比（m）と石炭の供給量（h,w,c,s,n,o）とから排ガス流
量を推定する機能
(3) 上記機能(1)，(2)の出力により、給水温度と排気熱損失変化分の相関関係を算出する機能
(4) 給水温度、主蒸気温度、抽気流量、温度・圧力推定値、復水温度・圧力より蒸気サイクル効率を演算する機能
を果たす手段を備えている。

図２は、これらの機能を実行する、給水−排ガス温度相関測定手段１１、排ガス流量推定手段１２、給水温度−排ガス熱損失相関算出手段１３、蒸気サイクル効率推定手段１４及び乗算器１５を示している。

(1) 給水温度T_spと空気予熱器出口の排ガス温度T_exとの関係を測定する機能は、給水−排ガス温度相関測定手段１１により次式にしたがって得られる。
給水温度T_spと排ガス温度T_exとは、次式の相関関係にある。すなわち、
T_ex=a・T_sp+b
ここで、T_exは排気温度、
T_spは給水温度。
である。

(2) ボイラの燃焼空気比（m）と石炭の供給量（h,w,c,s,n,o）とから排ガス流量を推定する機能は、排ガス流量推定手段１２により次式にしたがって得られる。
排ガス流量推定式：
V= V_d + V_w
ここで、Vは、排ガス流量、
V_dは、理想排ガス流量、
V_wは、水蒸気流量。
V=V_d+V_wにおけるV_d, V_wは、
V_d＝V_d0+(m-1)A₀
V_d0＝8.89c+21.1(h−o/8)+3.33s+0.80n
A₀＝8.89c+26.7(h-o/8)+3.33s+0.80n
V_w＝11.2h＋1.24w
ここで、V_d0 は、理想排ガス流量、
m は、空気比、
A₀ は、理論空気量、
h は、燃料の水素含有量、
w は、燃料の水分含有量、
c は、燃料の炭素含有量、
ｓは、燃料の硫黄含有量、
n は、燃料の窒素含有量、
o は、燃料の酸素含有量。
で求める。

(3) 上記機能(1)，(2)の出力により、給水温度T_spと排気熱損失変化分Qとの相関関係を算出する機能は、給水温度−排ガス熱損失相関算出手段１３により次式にしたがって得られる。
排ガス熱損失Qの算出式：
Q=C・V（T_ex-T_amb）
ここで、Cは排ガスの比熱、
T_eｘは排気温度、
T_ambは外気温度。
で求める。

(4) 給水温度T_sp、主蒸気温度、抽気流量、温度・圧力推定値、復水温度・圧力より蒸気サイクル効率Eを演算する機能は、蒸気サイクル効率推定手段１４により次式にしたがって得られる。
蒸気サイクルにおける効率Eの推定式：
E=（タービン軸出力P／ボイラ加熱量QB）
ここで、Pはタービン軸出力、
QBはボイラ加熱量。
そして、P=Ση_i・Δh_i・Vⁱ _steam
QB＝ｈ_sh・F_sh・ｈ_sh-ｈ_sw・F_sw-ｈ_rh__low・F_rh__low
添字は、
shが過熱器の出口状態（エンタルピと流量）、
rhが復水器の出口状態（エンタルピと流量）、
swが給水（スプレー水を含む）の状態、
rh_lowが高圧タービンから復水器に戻る蒸気の状態、
を示している。

そして、給水温度−排ガス熱損失相関算出手段１３及び蒸気サイクル効率推定手段１４の両出力を乗算器１５に与えて掛け算することにより、蒸気サイクルの効率を求めることができる。

図３は、蒸気サイクルの効率を計算するための、タービンの段効率を考慮して作成したランキンサイクルを示している。このランキンサイクルを用いて得た蒸気サイクル効率とボイラ効率とを掛け合わせたものが、発電プラント全体の総合効率である。

図４は、本発明を適用したプラントの総合効率を示している。この例は、必ずしも最新鋭のプラントではないので効率そのものは高くないが、効率E1またはE2のような傾向のカーブを描く。

給気温度変化に対し効率が正の相関になるか又は負の相関になるかは、排気温度の給水温度からの影響により決まる。影響が大きければ、給水温度は低目が適切であるし、小さければ高目が適当である。

この実施例１では、このようにして算出された最適点で発電プラントを運用するように、抽気蒸気流量の１つをバルブで制御する。このようにして、最も効率のよい運転点で発電プラントを運用することができる。

上記実施例１以外の実施例として、実施例２がある。この実施例２は、通常、全ての抽気ラインに止め弁が装備されていることを前提に、この止め弁の組み合わせにより、最適運用点に近い給気温度を実現する。これにより、通常は装備されていない抽気流量制御弁を使わなくても装置を構成することができる。

上記実施例１，２以外の実施例として、実施例３がある。この実施例３では、空気流量を推定するにつき、排ガス酸素濃度と主蒸気エンタルピー、給水エンタルピーと主蒸気流量を用いる。空気比は、排ガス酸素濃度から容易に求まる。

また、主蒸気エンタルピー及び給水エンタルピー、ならびに主蒸気流量から総発熱量が判るので、石炭の性状から排ガス流量を求めることができる。これにより、測定し難い石炭の流量を入力しなくて済む。

本発明に係る石炭火力発電プラントとその最適運用方法を示す構成図。 本発明に係る石炭火力発電プラントの最適運用機能を示す構成図。 蒸気ランキンサイクルの一例を示す説明図。 給水温度と総合効率との関係の一例を示す説明図。

符号の説明

TB タービン
HT ヒータ
SH 蒸気加熱器
RH 蒸気再熱器
TM 温度計
T 温度
T_sp 給水温度
T_ex 排気温度
T_amb 外気温度
E1,E2 効率
１１ 給水−排ガス温度相関測定手段
１２ 排ガス流量推定手段
１３ 給水温度−排ガス熱損失相関算出手段
１４ 蒸気サイクル効率推定手段
１５ 乗算器

Claims (5)

1. 化石燃料を燃焼させることにより高圧蒸気を生産するボイラプラントと、その蒸気を利用して発電するタービンプラントと、を備えた火力発電プラントの運用システムにおいて、
   前記ボイラプラントから給水温度及び排ガス温度が与えられて、前記給水温度と前記ボイラプラントのボイラ効率との関係を計算する第１計算手段と、
   前記ボイラプラントから少なくとも給水温度・圧力、主蒸気温度・圧力、復水温度・圧力が与えられて前記給水温度と前記ボイラプラントのランキンサイクル効率との関係を求める第２計算手段と、
   前記第２計算手段が求めた関係から前記ボイラプラントに対する給水温度を決定する手段と、
   を備えたことを特徴とする火力発電プラントの最適運用システム。
2. 請求項１記載の火力発電プラントの最適運用システムにおいて、
   前記第１計算手段が、(1)前記給水温度と前記ボイラプラントにおける空気予熱器の出口排ガス温度との関係を測定する機能、(2)前記ボイラプラントの燃焼空気比及び前記化石燃料の供給量から排ガス流量を推定する機能、(3)上記機能(1)，(2)の出力により、前記ボイラプラントにおける給水温度と排気熱損失変化分との相関関係を算出する機能を有する
   ことを特徴とする火力発電プラントの最適運用システム。
3. 請求項２記載の火力発電プラントの最適運用システムにおいて、
   前記第１計算手段が、前記ボイラプラントにおける排ガス酸素濃度と主蒸気エンタルピー、及び給水エンタルピーと主蒸気流量に基づいて排ガス流量を求める
   ことを特徴とする火力発電プラントの最適運用システム。
4. 請求項１記載の火力発電プラントの最適運用システムにおいて、
   前記第２計算手段が、前記ボイラプラントにおける給水温度・圧力、主蒸気温度・圧力、抽気の温度・圧力推定値、復水温度・圧力、タービンの段効率を用いて蒸気サイクル効率を演算する
   ことを特徴とする火力発電プラントの最適運用システム。
5. 請求項１記載の火力発電プラントの最適運用システムにおいて、
   前記ボイラプラントにおける給水温度とボイラ効率との関係を表示する機能、及び前記給水温度とランキンサイクル効率との関係を表示する機能を有するととともに、抽気流量を外部より入力し、それに応じてランキンサイクル効率を計算する機能を有する手段を備えた
   ことを特徴とする火力発電プラントの最適運用システム。

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