JP2014173599A - 複合サイクル発電所のスタートアップおよび動作のための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合サイクル発電所（１）の蒸気タービン（１２）をスタートアップする方法を提供する。
【解決手段】複合サイクル発電所（１）は、ガスタービン（２）と、蒸気タービン（１２）を具える蒸気発電システム（１０）と、を具え、複合サイクル発電所（１）は、配電網（２１）に接続可能な少なくとも一つの発電機（２０）を起動させ、ガスタービン（２）は、圧縮機（３）を具え、蒸気タービン（１２）のスタートアップの間、ガスタービン（２）および蒸気タービン（１２）の両方は、動作中であり、ガスタービン（２）により与えられる負荷と蒸気タービン（１２）により与えられる負荷との合計が、発電所（１）の補助の電力需要に等しく、配電網（２１）にエクスポートされる負荷がゼロに等しいように、蒸気タービン（１２）は、その負荷をガスタービン（２）の負荷の関数として調整している。
【選択図】図１

Description

本発明は、配電網にエクスポートされる電力なしの自家負荷（house load）で動作している複合サイクル発電所をスタートアップする方法に関するものである。

現在、再生可能エネルギー源からの生産は着実に成長しており、「従来の」発電所は、追加の役割を引き受けること、例えば、特に大規模なエネルギー蓄積システムなしで、発電所が接続されている配電網に補充の電力生産を短時間で供給することがますます要求されるが、依然商業化からは程遠い。日中の大きな変動は、需要と生産との間のバランスを維持するために、発電機が迅速に反応することを必要とする。これらの状況下で、発電所は、電力を配電網にフレキシブルな方法で供給しなければならない。例えば、配電網によって必要とされるエネルギーが低いとき、発電所は配電網に供給される電力をゼロまで減少可能でなければならず、配電網が再び電力を必要とするとき、発電所は電力を非常に急速に供給可能でなければならない（場合によっては、発電所は数秒で何十メガワットを供給可能でなければならない）。

この１０年のうちに、従来の電源の重点分野は、ベース負荷動作から中間負荷動作へと転換され、それゆえ高速負荷ランプ、短く低負荷なスタートアップ時間および配電網の安定化が必要となってきた。さらに、第三のコントロールリザーブおよび負荷追従運転と同様に、コントロールリザーブおよび周波数サポートの提供のような補助的サービスを求める需要は、著しく増加した。その結果、送電網動力を安定させて、それゆえ、安全かつ経済的な電力供給を確実にするために、２交代制の運転、負荷追従運転、島運転、ブラックスタート能力、周波数サポートおよび非常に高いスタートアップおよび動作の信頼性のような新しい動作要件が浮上してきた。

負荷循環の要件は変化しており、再生可能エネルギーの拡大は増加しているので、「従来の」発電所は、電力容量の超過または不足が存在する期間に適応しなければならない。国および関係する送電網に応じて、さまざまな動的容量が必要とされる。複合サイクル発電所（すなわちガスタービンおよび蒸気タービンを具える発電所）は、より速い負荷変化をより広い負荷範囲で許容するので、これらの発電所をよりフレキシブルにする。さらにまた、複合サイクル発電所は、速いスタートアップおよび効率に関して、他の電力生産方法より性能が高い。さらに、複合サイクル発電所は、革新的かつ特殊に開発されたシステムのために、他の従来の発電所より著しく高い負荷変化の速度を与える。

今後、現在計画されている再生可能な容量が動作可能になる場合、複合サイクル発電所のような従来のベース負荷の発電所は、単に負荷を減少しなければならないだけでなく、多くの場合完全にシャットダウンして著しい過剰生産能力を回避しなければならない。これらの複合サイクル発電所は、シャットダウン状態からできるだけ急速にスタートアップし、再生可能電力の短期喪失が生じた場合の需要をカバーする必要がある。十分な記憶装置がない場合、唯一の解決法は、従来の発電所をいわゆる「２交代制の運転」でさらに利用することであり、この「２交代制の運転」とは、毎日（時には1日につき数回）、スタートアップおよびシャットダウンを行い、負荷の変動を補償する。これらの動作条件で、非常に急速かつ確実にスタートアップが可能であることは重要であり、このことは、燃料および燃焼システムが比較的単純なため、複合サイクル発電所によって可能である。

言及されたように、スタートアップの信頼性はますます重要な問題になり、複合サイクル発電所は、最低程度の複雑さを有するという事実のため、他の従来技術に勝る著しい利点を呈する。複合サイクル発電所のためのいくつかのスタートアップ方法は、例えば、特許文献１〜３などの従来技術において公知である。強化されたスタートアップは、例えば、特許文献４〜６などの従来技術において公知である。

例えば、特許文献７のような従来技術において、ガスタービンおよび蒸気タービンを具える複合発電所を配電網に接続する方法は公知である。

２つの発電ユニットとガスタービンと蒸気タービンとを有する複合サイクル発電所において、スタートアップの間、ガスタービンは、シャフト速度を公称速度に増加することによって上昇する（ランアップする）第１のユニットとして始動する。電力網と同期した後、ガスタービンは、配電網に電力を供給開始する。蒸気タービンは、蒸気条件（蒸気発生器システムにより与えられる蒸気圧および蒸気温度など）が蒸気タービン・コンポーネント（例えばシャフト、ケーシングおよび蒸気流入弁）のための適当な条件に達すると始動可能な第２のユニットである。蒸気タービンの材料が冷たいほど、蒸気タービンのコンポーネントの寿命に対する極度の影響を防止するために、蒸気条件は、低くなければならない（例えば、低い蒸気圧および低い蒸気温度）。これは、最低限のガスタービンの排気温度および排気質量流量に対応する最低限の負荷でのガスタービンの動作によって達成可能である。蒸気タービン・スタートアップ要件を達成するために、熱回収蒸気発生器のような蒸気発生システムは、必要な蒸気温度を制御可能な非過熱（de-superheating）ステーションを備えていなければならない。さらに、蒸気タービン・バイパス・ステーションも、スタートアップの蒸気タービン圧力要件に対応して設計されなければならない。

従来のスタートアップの手順は、最低から中間のガスタービン動作負荷で、蒸気タービンのスタートを必要とするので、非過熱ステーションおよび蒸気タービン・バイパス・ステーションという過剰設計につながる。さらにまた、スタートアップの負荷プロファイルの予測不能性のため、スタートアップの間にエクスポートされた電力は、配電網当局によって支払われない。配電網オペレータは、ガスおよび蒸気タービンのエクスポートされた電力を電力網に統合し、それに応じて完全な配電網電力を操作しなければならない。また、スタートアップの燃料消費経費は、発電所のオーナーがカバーしなければならない。それゆえ、発電所のオーナーは、最低限のガスタービン負荷で蒸気タービンを始動し、スタートアップのコストを減少させることを好む。

それゆえ、負荷を与える準備が整うまでの蒸気タービンのスタートアップ（上昇（ランアップ）および加熱）が、最低限の電力でいかなる電力も配電網にエクスポートせずに発生することが望ましい。

本発明は、これらのニーズに適応するものである。

ＥＰ２４２３４６２Ａ２ ＥＰ０６０５１５６Ａ２ ＣＮ２０２２３０３７３Ｕ ＵＳ２００５／０２６８５９４Ａ１ ＵＳ２００９／０１２６３３８Ａ１ ＷＯ２０１２／１３１５７５Ａ１ ＥＰ２０５６４２１

本発明は、複合サイクル発電所のスタートアップ方法に関するものであり、複合サイクル発電所は配電網に接続可能であり、自家負荷で動作し、電力は配電網にエクスポートされない。より詳しくは、本発明は、複合サイクル発電所の蒸気タービンを、負荷を与える準備が整った状態にスタートアップする方法に関するものであり、蒸気タービンは、最低限の電力を発生し、配電網に電力をエクスポートしない。

本発明の動作方法では、発電所のすべてのタービン（ガスタービンおよび蒸気タービン）は接続され（オンラインである）、生産される有効電力（すなわち、発電所内のすべてのタービンによって発生する電力の総量）は、自家負荷消費量を上回らない（すなわち、発電所の内部消費に必要とされる電力供給を上回らない）。このように、配電網にエクスポートされる有効電力は、ゼロである。

本発明の方法は、配電網に接続されている発電所を用いて動作することができるし、配電網から分離されている発電所を用いて動作することもできる。

本発明の複合サイクル・スタートアップおよび動作は、ユニット・コミットメント問題に関する可能性を提供する。ユニット・コミットメントは、利用できる生成容量の費用効率利用の文脈でますます重要な態様と考えられる。この最適利用は、スタートアップおよびシャットダウンのコストおよび複合サイクル発電所のランプ制約（ramping constraint）の影響下にある。さらに、予備力要求（運転および待機）が考慮される。本発明によって以下の利点が提供される。

蒸気タービンのスタートアップおよび負荷プロセスによって導入される中断が除去されるので、配電網に対する有効電力のエクスポートは非常に決定的になり、有効電力がエクスポートされる前に蒸気タービンが同期するので、不確定性を低減することができる。

蒸気タービンのスタートアップは、動作に可能な最低限の燃料消費（ガスタービンのゼロ負荷以下）で発生する。

非過熱ステーション容量は低減され、経費減少を意味する。

蒸気タービン・バイパス・ステーション容量は低減され、経費減少を意味する。

蒸気タービンのいかなるスタートアップ障害も、配電網安定性に影響を及ぼさない（配電網にエクスポートされる電力がないので、配電網接続ブレーカは開放している）。

運転予備容量は増加する。容量は、（例えば、蒸気タービンの開始のために）負荷プロセスを中断することなく、自家負荷から複合サイクル・ベース負荷まで供給可能である。

上述した本発明の目的および多数の効果は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することによってよりよく理解されるということを認識されたい。

本発明の方法を実施するのに用いられる複合サイクル発電所の概略図を示す。 周知の従来技術に従って、図１に示すのと類似の複合サイクル発電所のスタートアップおよび動作を、ガスタービンおよび蒸気タービンの開始とともに示す。 本発明に従って、図１に示すのと類似の複合サイクル発電所のスタートアップおよび動作を、ガスタービンおよび蒸気タービンの開始とともに示す。

本発明は、図１に概略的に示したような複合サイクル発電所のスタートアップ方法を開示する。本発明の方法によれば、後述するように、負荷を与える準備が整う状態までの蒸気タービンのスタートアップは、配電網に電力をエクスポートせずに最低限の電力で発生する。

発電所１は、ガスタービン２および蒸気発電システム１０を具え、ガスタービン２および蒸気発電システム１０は、ライン２２を介して配電網２１に接続されている発電機２０を動作させる。

ガスタービン２は、圧縮機３と燃焼室４とタービン５とを具える。燃焼室４には、燃料６および酸化剤７（通常圧縮機３において圧縮された空気）が供給され、燃料６および酸化剤７は燃焼され、タービン５内で膨張する高温ガスを生成し、機械力を得る。

タービン５は、燃焼排ガス８を排出し、この燃焼排ガス８は、蒸気発電システム１０に供給され、蒸気発電システム１０は、ボイラー１１（別名熱回収蒸気発生器ＨＲＳＧ）を具え、このボイラー１１は、ガスタービン２からの燃焼排ガス８を受けとり、ステータ１２ａおよびローター１２ｂを具える蒸気タービン１２内で膨張する蒸気を生じる。典型的には、図１に示すように、蒸気発電システム１０は、凝縮器１３およびポンプ１４もまた具える。

図１に示す例示的なものとは異なる構成もまた、本発明の方法を実施可能である。

好ましくは、発電機２０は、定常状態のこの動作の間、配電網２１に接続されている。ブレーカ（図示せず）は、ブレーカの閉成時に発電機２０は配電網２１に接続されているがいかなる電力も配電網２１に供給しないように、発電機２０を配電網２１に接続する。あるいは、発電機２０は、配電網２１に接続しなくてもよい（すなわち、ブレーカは開放している）。

本発明によれば、タービン５および蒸気タービン１２はオンラインであり（接続されている）、ガスタービン２によって供給される出力と蒸気タービン１２によって配電網２１に供給される出力とを足すと、実質的にゼロに等しい、すなわち、発電所１は自家負荷で動作している。自家負荷は、補助（auxiliary）に供給するためおよびその内部使用のために、発電所１に供給されるべき電力または発電所１によって生産されるべき電力に相当する。このように、自家負荷で動作するとき、発電所１はその内部使用のための電力を生成するが、実質的には配電網２１にいかなる電力も供給することができないので、配電網２１に供給される電力は実質的にゼロに等しい。

本発明では、蒸気タービン１２は、最低限の発電所のエクスポート電力で始動する。発電所のゼロ負荷動作点は、蒸気タービン１２を含む発電所１の全コンポーネントの動作を可能にし、発電所補助に電力を供給するが、電力網には電力を供給しない、すなわち、配電網２１には電力を供給しないという複合サイクル発電所の所定の動作点である。本発明によれば、蒸気タービン１２の開始および蒸気タービン１２のスタートアップ要件に対するガスタービン２の調整は、図３を参照して、以下のように特徴づけられる。

１．ガスタービン２は、自家負荷動作点に開始する（ＰＧＴ）、すなわち、ガスタービン２は、発電所補助に必要とされるだけの電力を供給し、この動作点では、発電所１は電力システム２１から電力を必要とせず、配電網接続ブレーカは典型的には開放されている。

２．蒸気タービン１２の加速の蒸気条件が満たされ（ｎＳＴ）、蒸気タービン１２が公称動作速度に到達するまで、ガスタービン２は自家負荷で動作する。

３．蒸気タービン１２は負荷上昇（ＰＳＴ）を開始し、同時に、ガスタービン２は負荷を減少させ（ＰＧＴ）、全発電量を発電所補助によって必要とされる電力に適合させる。
ガスタービン２の出力の減少は、蒸気タービン１２内の材料の初期温度、例えば蒸気タービン１２のシャフトの初期温度に依存する（蒸気タービン１２内の材料の初期温度は、蒸気タービン１２の上昇（ランアップ）が開始し、蒸気タービン１２への第１の蒸気流入が発生したときの材料温度である）。蒸気タービン１２の温度が低いほど、ガスタービン２の負荷は低い。ガスタービン２の最低限の負荷は、ガスタービン２の燃焼安定性およびガスタービン２の必要な排気温度に依存する。ガスタービン２の出力の減少は、ガスタービン２のゼロ動作負荷未満とすることができる。ガスタービンのゼロ動作負荷では、ガスタービン２は、公称速度で圧縮機３を動作するのに十分な出力を発生させることができる。ガスタービン２の最大限の負荷は、発電所補助に必要とされる負荷（ガスタービンの自家負荷）に相当する。最低限の蒸気タービン負荷は、公称速度で蒸気タービン１２を動作するのに十分な蒸気タービン負荷に相当する蒸気タービンのゼロ負荷である。最大限の蒸気タービン負荷は、出力を発電所補助に供給し、ガスタービン圧縮機３を公称速度で維持するのに必要な出力に相当する。蒸気タービン１２の材料の初期温度は、蒸気タービン１２に入力する蒸気の必要な温度および必要な温度勾配を定める。所定の蒸気温度を達成するために、ガスタービン２は、所定の最小限の排気温度を与えなければならず、典型的には、ガスタービン２の排気温度は、ガスタービン２の負荷に相関し、ガスタービン２の負荷が増加すると、ガスタービン２の排気温度が増加する。最終的な結果として、ガスタービン２は、蒸気タービン１２の材料の初期温度に応じて負荷が与えられる。ガスタービン２は、所定の最小限の排気温度を与えるのに必要なだけの負荷が与えられる。ガスタービン２は、所定の最小限の排気温度を与えるのに必要以上に負荷が与えられず、燃料消費をできるだけ低く保つ。蒸気タービン１２は、ガスタービン２により与えられる負荷と、蒸気タービン１２により与えられる負荷と、の合計が、発電所１の補助の電力需要に等しいように、すなわち、配電網２１にエクスポートされる負荷がゼロに等しいように、ガスタービン２の負荷の関数として、蒸気タービン１２の負荷を調整している。蒸気タービン１２の熱負荷は、ガスタービン２の負荷を段階的に増加させることによって開始可能である。ガスタービン２の負荷の増加は、ガスタービン２内の排気温度の上昇を導き、したがって、蒸気タービン１２に入力する蒸気温度の段階的な上昇を導く。同時に、蒸気タービン１２は、負荷を減少させ、発電所１のゼロ負荷要件を満たす。

４．必要最小限の排気温度が達成されるとすぐに、ガスタービン２は負荷の減少（デローディング）を停止する（ＰＧＴ）。蒸気タービン１２は、負荷の上昇を停止する（ＰＳＴ）。この状態は、発電所１のゼロ負荷動作モードに相当する。ガスタービン２の負荷と蒸気タービン１２の負荷との合計（ＰＣＣ）は、発電所補助出力需要に等しく、電力システム２１にエクスポートされた負荷はゼロに等しい。

５．ガスタービン２はこのモードに留まり、蒸気タービン１２に入力する蒸気は蒸気タービン１２の材料を加熱する。蒸気タービン１２内の材料の初期温度が十分に高い場合、蒸気タービン１２は、ガスタービン２の負荷を増加させることによって負荷が与えられうる。蒸気タービン１２内の材料の温度が十分に高くない場合、蒸気タービン１２の熱負荷上昇が開始される。通常、蒸気タービン１２は、２種類のスタートアップ応力、すなわち、機械的応力および熱的応力を受ける。発電所のゼロ負荷動作モードでは、蒸気タービン１２上の機械的負荷は、非常に低く保つことができる。ボイラー１１によって生成される蒸気は、ガスタービン２の低い負荷のため小さく、蒸気タービン１２・バイパス・ステーション４０が、蒸気タービン１２によって必要な低い蒸気圧を与えるのを可能にする。

６．蒸気タービン１２の熱負荷上昇は、ガスタービン２の負荷の段階的な増加を開始することができ、ガスタービン２の排気温度の上昇を導き、したがって、蒸気タービン１２に入力する蒸気温度の段階的な上昇を導く。同時に、蒸気タービン１２は、負荷を減少させ、ゼロ発電所負荷要件を満たす。

７．蒸気タービン１２の材料が蒸気タービン１２の機械的負荷上昇に必要な条件に到達するとすぐに、ガスタービン２の負荷上昇は中断可能である。この発電所動作状態では、蒸気タービン１２の負荷とガスタービン２の負荷との合計は、必要な発電所補助負荷に相当し、電力網または配電網２１に対してエクスポートされた電力はゼロに等しい。発電所１は、発電所オペレータによって所望される限り、この動作モードにとどまることができる、または、配電網接続ブレーカを閉じた後に異なる勾配（高速または低速）を有する負荷を増加させることができる。

本発明の方法は、発電所１によって発生する利用できる電力容量の費用効果利用性を改善する。この最適利用は、スタートアップおよびシャットダウンのコストおよび発電所１のランプ制約（時間）の影響下にある。本発明の方法の費用効果利用性に関する主な利点は、以下のとおりである。

ａ）周知の従来方法では、複合サイクル発電所１の負荷プロセスは、蒸気タービン１２を開始および／または蒸気タービン１２に負荷を与え、蒸気タービン１２の重要なコンポーネントの熱応力を低減するために中断される。したがって、発電所１の負荷プロファイルは、開始前の発電所の条件（熱状態、周囲条件など）に依存し、このことにより相当な不確定性の影響を受ける。この不確定性は本発明の方法によって除去される。なぜなら、有効電力が配電網２１にエクスポートされる前に、蒸気タービン１２の速度はガスタービン２の速度に同期するからである。

ｂ）本発明の方法は、動作にとって最低限の燃料消費で（上述したようにガスタービン２のゼロ負荷未満）、動作する。

ｃ）（例えば、蒸気タービン１２の開始のために）容量が負荷プロセスを中断することなく自家負荷から複合サイクル・ベース負荷まで提供可能なため、本発明の方法は運転予備容量を増加させる。

本発明は好適実施形態との関係で完全に記載されたが、変更態様が本発明の範囲内に含まれることは明白であり、本発明は、これらの実施形態によって制限されることなく、以下の特許請求の範囲の内容によって定められる。

１ 発電所
２ ガスタービン
３ 圧縮機
４ 燃焼室
５ タービン
６ 燃料
７ 酸化剤
８ 燃焼排ガス
１０ 蒸気発電システム
１１ ボイラー
１２ 蒸気タービン
１２ａ ステータ
１２ｂ ローター
１３ 凝縮器
１４ ポンプ
２０ 発電機
２１ 配電網
２２ ライン
４０ バイパスライン

Claims (9)

1. 複合サイクル発電所（１）の蒸気タービン（１２）をスタートアップする方法において、
   前記複合サイクル発電所（１）は、ガスタービン（２）と、蒸気タービン（１２）を具える蒸気発電システム（１０）と、を具え、
   前記複合サイクル発電所（１）は、配電網（２１）に接続可能な少なくとも一つの発電機（２０）を起動させ、
   前記ガスタービン（２）は、圧縮機（３）を具え、
   前記蒸気タービン（１２）のスタートアップの間、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（１２）の両方は、動作中であり、
   前記ガスタービン（２）により与えられる負荷と前記蒸気タービン（１２）により与えられる負荷との合計が、前記発電所（１）の補助の電力需要に等しく、前記配電網（２１）にエクスポートされる負荷がゼロに等しいように、前記蒸気タービン（１２）は、その負荷を前記ガスタービン（２）の負荷の関数として調整している、
   方法。
2. 前記蒸気タービン（１２）が供給可能な最小負荷値は、前記蒸気タービン（１２）を公称速度で動作するのに十分な負荷に相当する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記蒸気タービン（１２）が供給可能な最大負荷値は、前記圧縮機（３）を公称速度に維持しながら、前記発電所（１）の前記補助の電力需要のために必要な値に相当する、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ガスタービン（２）により供給される最小負荷値が、前記圧縮機（３）が公称速度で動作する負荷に相当するように、前記ガスタービン（２）は、その負荷を減少することによってその負荷を調整する、
   請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記ガスタービン（２）により供給される最大負荷値が、前記発電所（１）の前記補助の電力需要のために必要とされる前記負荷値に相当するように、前記ガスタービン（２）は、その負荷を増加させることによってその負荷を調整する、
   請求項１から３のいずれかに記載の方法。
6. 前記ガスタービン（２）は、前記蒸気タービン（１２）の材料の初期温度の関数として、その負荷を調整する、
   請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記発電機（２０）は、前記配電網（２１）から切断されている、
   請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記発電機（２０）は、前記配電網（２１）に接続されている、
   請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記蒸気発電システム（１０）内の蒸気圧は、蒸気バイパス・ステーション（４０）によって制限される、
   請求項１から８のいずれかに記載の方法。