JP2015031453A

JP2015031453A - 火力発電用ボイラプラントの変圧運転方法

Info

Publication number: JP2015031453A
Application number: JP2013161301A
Authority: JP
Inventors: 忠住田; Tadashi Sumita
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2015-02-16

Abstract

【課題】負荷調整能力（高速負荷変化に対する応答能力）の高い運転方法を提供する。
【解決手段】通常の運用負荷帯を複数の区画負荷帯に区分けして、各区画負荷帯でそれぞれ蒸気圧力を設定し、各区画負荷帯内では定圧運転を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、火力発電用ボイラプラントの変圧運転方法に係り、特に石炭などの固体燃料を燃焼させるボイラプラントにおいて、低負荷でのプラント効率を向上するための変圧運転を実施する場合の運転方法に関するものである。

火力発電用ボイラプラントにおいては、燃料費の安さ、および相対的な埋蔵量の多さによる安定的な供給から石炭を燃料として使用する石炭焚きボイラ装置が主流であるが、近年、電力需給調整のベースを原子力発電が担っており、石炭焚きボイラ装置は中間負荷運転を実施する傾向にある。また、燃料費の低減および二酸化炭素排出量の削減のため、低負荷での効率向上を目的として、変圧運転を実施している。

この変圧運転の利点は、
（１）主蒸気圧の低減により、タービン発電機の負荷を調節し、即ち、タービン加減弁を絞る必要が無くなり、タービン加減弁を絞ることによる損失を低減して、高圧タービン内部の効率が向上する。

（２）主蒸気圧を低減する低負荷において、ボイラ給水ポンプの動力が低減できる。
これらにより結果として、低負荷におけるプラント効率の向上が可能となる。

しかしながら、変圧運転は各負荷で主蒸気圧力が異なるため、ボイラ運転に次のような影響を与える。
すなわち、負荷による火炉出口温度差が大きく、伝熱管のメタル温度を含めて保有熱量が大きい。これにより結果として、負荷変化による蒸気温度変動が大きく、定圧運転の場合に比べて負荷調整能力（高速負荷変化に対する応答能力）が劣るという問題があった。

一方、二酸化炭素排出量の削減のため、今後は、太陽光発電を始めとする再生可能エネルギーの電力供給に対する比率の増加が予想されるが、これらは電力供給が天候に左右されるなど、電力需給調整に対してマイナス要因であり、これをカバーするために石炭焚き火力発電の負荷調整能力には、更なる向上が期待される環境にある。

現在の火力発電用ボイラプラント、特に貫流型のボイラプラントにおいては、低負荷でのプラント効率が重視され、負荷に応じて蒸気圧力をスライドさせる変圧運転が主流となっている。

図３は、火力発電用ボイラプラントにおける水蒸気系統を示す概略構成図である。
同図に示されているように、給水系統（図示せず）より供給された給水は、ボイラ給水ポンプ１により加圧されて節炭器２に供給される。節炭器２で予熱された給水は、火炉３において蒸発し蒸気となる。火炉３での出口流体温度は、火炉出口温度計４で監視される。

その後、蒸気は１次過熱器５および最終過熱器６を通ることにより定格温度まで過熱され、過熱蒸気は最終的にタービン加減弁７を経て蒸気タービン（図示せず）へ供給され、発電に寄与する。

図４に、従来手法での変圧運転における圧力−エンタルピー線図の例を示す。
図中の各点は、それぞれ図面に向かって左側から２５％、５０％、７５％、１００％およびボイラＭＣＲ（最大連続負荷Maximum Continuous Ratingの略）の各負荷で、図面に向かって下側から節炭器入口、火炉入口、火炉出口、１次過熱器出口および最終過熱器出口の各運転点を示している。

また、三角の評点を結んだ太線が、火炉出口における運転点を示している。例えば、５０％から７５％への負荷上昇を考えた場合、火炉出口の流体温度は３６０℃から３９０℃へと３０℃上昇することを示している。

なお、ボイラ装置の変圧運転に関する先行技術文献として、例えば下記の非特許文献１などを挙げることができる。

火原協会講座３タービン・発電機（改訂版）Ｐ６３社団法人火力原子力発電技術協会発行

近年、電力網に接続される電力供給源として、人為的に出力を調整し難い風力、太陽光などの自然エネルギーに基づく発電方法の導入が盛んであり、特に日中出力が急変し易い太陽光発電が急増している。このため、火力発電プラントには、電力網における需給調整のため、負荷調整能力（高速負荷変化に対する応答能力）が重視されている。

前記図４のケースを１，０００ＭＷクラスのボイラ装置と仮定した場合、火炉伝熱管構成材の重量は約８００ｔであり、前述の５０％から７５％への負荷上昇に伴い、火炉伝熱管のメタル温度が３０℃上昇すれば、メタル保有熱として約１０，０００ＭＪ増加することになる。

この熱量分を負荷上昇時の燃料へと加算して投入しなければならず、蒸気温度が目標値から逸脱して変動する要因となるといった問題がある。ここでいう「変動」は、制御上の現在値から目標値への「変更」とは意味が異なり、例えば目標値や理論値に対する「偏差」のような一時的あるいは局部的な「変動」を意味する。

このため、蒸気温度を適切な温度範囲内、すなわち、変化する負荷に対応した理論値を中心とする許容温度範囲内に収束・安定させながら、負荷変化させるのにある程度の時間を要する。

その結果、負荷変化率が、例えば毎分３〜５％程度に制限されるという技術的課題があった。

本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、低負荷でのプラント効率を重視して変圧運転が行われる火力発電用ボイラプラントにおいて、負荷調整能力（高速負荷変化に対する応答能力）の高い運転方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、火力発電用ボイラプラントの変圧運転方法において、
通常の運用負荷帯（例えば２５〜１００％）を、２５〜５０％の低負荷帯、５０〜７５％の中負荷帯、７５〜１００％の高負荷帯などの複数の区画負荷帯に区分けして、各区画負荷帯でそれぞれ蒸気圧力を設定し、各区画負荷帯内では定圧運転を行うことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記火力発電用ボイラへ燃料として供給する微粉炭を生成する微粉炭粉砕機を複数台有し、
その微粉炭粉砕機の運転台数毎に設定されている運用バンドに一致させて前記蒸気圧力の設定を行い、各運用バンド内では定圧運転を行うことを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、各区画負荷帯（バンド）内で負荷運用を実施しているときには定圧運転となる。そのため、前述の変圧運転に伴う負荷毎の火炉出口温度差、即ちボイラメタルを含めた保有熱量差分を負荷変化時に燃料に加算して投入する必要が無くなり、蒸気温度が変動する要因が緩和されることにより、負荷調整能力（高速負荷変化に対する応答能力）の向上が図れる。

本発明の実施例に係る変圧運転を適用した石炭焚きボイラ装置における圧力−エンタルピー線図である。本発明の実施例に係る主蒸気圧力設定例を示す図である。火力発電用ボイラプラントにおける水蒸気系統を示す概略構成図である。従来手法の変圧運転を適用した石炭焚きボイラ装置における圧力−エンタルピー線図である。

次に本発明の実施例について図面と共に説明する。
本発明の実施例に係る火力発電用ボイラプラントにおける水蒸気系統は図３と同様であるので、重複する説明は省略する。

図２は、本発明の実施例に係る主蒸気圧力設定例を示す図である。同図に示すように本実施例では、例えば２５〜１００％の通常の運用負荷帯を、２５〜５０％の低負荷帯、５０〜７５％の中負荷帯、７５〜１００％の高負荷帯の３つの区画負荷帯（バンド）に区分けする。そして、前記低負荷帯（２５〜５０％）の主蒸気圧力１２ＭＰａに、中負荷帯（５０〜７５％）の主蒸気圧力１７ＭＰａに、高負荷帯（７５〜１００％）の主蒸気圧力２３ＭＰａに、それぞれ階段状に設定する。

各バンド内では、それぞれ設定した主蒸気圧力になるように定圧運転を実施する。バンドを切り替える場合は、その切替圧力で主蒸気圧力を移行先のバンドに合わせて変圧する。

例えば低負荷帯（２５〜５０％）から中負荷帯（５０〜７５％）に切り替える場合を例にとって具体的にその手順を説明する。

（１）切替負荷（この場合は５０％負荷）にて負荷を保持する。
（２）この状態で主蒸気圧力設定を１２ＭＰａから１７ＭＰａに徐々に変更する。
（３）主蒸気圧力設定の変化に伴って、ボイラ入力量（例えば給水量、燃料量ならびに空気量など）を変化させ、それにより主蒸気圧力が上昇させる。
（４）ボイラ装置の主蒸気圧力が１７ＭＰａに上昇して安定したら、中負荷帯での負荷運用を開始する。

なお、微粉炭粉砕機を複数台有する石炭焚ボイラ装置においては、前記主蒸気圧力設定バンドを微粉炭粉砕機の運転台数毎に設定されるバンドに一致させて、各バンド内では定圧運転を行い、バンド移行時は切替負荷における変圧操作に加えて、微粉炭粉砕機の起動／停止操作を実施することにしてもよい。

例えば低負荷帯（２５〜５０％）には微粉炭粉砕機を何台運転、中負荷帯（５０〜７５％）には微粉炭粉砕機を何台運転、高負荷帯（７５〜１００％）には微粉炭粉砕機を何台運転するように、その運用負荷バンド毎に予め微粉炭粉砕機の運転台数が決められており、そのバンド毎に主蒸気圧力を例えば１２ＭＰａ、１７ＭＰａならびに２３ＭＰａに、それぞれ階段状に設定する。

これにより、新たな負荷制限を設けること無く、既存の微粉炭粉砕機運用負荷バンドを活用した階段状定圧運転が可能となるなどの特長を有している。

（１）切替負荷（この場合は５０％負荷）にて負荷を保持する。
（２）この状態で主蒸気圧力設定を１２ＭＰａから１７ＭＰａに徐々に変更する。
（３）主蒸気圧力設定の変化に伴って、微粉炭粉砕機を追加起動して、ボイラ入力量（例えば給水量、燃料量ならびに空気量など）を変化させ、それにより主蒸気圧力が上昇させる。
（４）微粉炭粉砕機の起動の影響が緩和され、ボイラ装置の主蒸気圧力が１７ＭＰａに上昇して安定したら、中負荷帯での負荷運用を開始する。

前記実施例ではボイラ負荷を上昇する場合について説明したが、ボイラ負荷を低下する場合にも本発明は適用可能である。

図１は、本発明の実施例に係る変圧運転を適用した石炭焚きボイラ装置における圧力−エンタルピー線図である。
この図は、図面に向かって左側から低負荷帯の２５〜５０％負荷、中負荷帯の５０〜７５％負荷、高負荷帯の７５〜１００％負荷、およびボイラＭＣＲ負荷、図面に向かって下側から節炭器入口、火炉入口、火炉出口、１次過熱器出口および最終過熱器出口の各運転点を示している。

また、三角の評点を結んだ太線が、火炉出口における運転点を示している。例えば、中負荷の５０％から７５％への負荷上昇を考えた場合、火炉出口の流体温度は３９０℃程度変化していない。

図４に示す従来の変圧運転方法では、５０％から７５％への負荷上昇（２５％の負荷変化）に伴い、火炉伝熱管のメタル温度が３０℃上昇することになり、メタル保有熱として約１０，０００ＭＪ増加していた。

これに対して本実施例では図１に示すように、負荷が５０％から７５％へ変化してもメタル温度が変化しないため、メタル保有熱の増加がない（保有熱を増加させる必要がない）。

従って、負荷変化時の燃料の加算（あるいは減算）操作が不要となり、蒸気温度が変動する要因が回避されることにより、負荷調整能力（蒸気温度および圧力を迅速に設定負荷の条件にまで追従させることができる高速負荷変化の応答性）が向上する。

１：ボイラ給水ポンプ、
２：節炭器、
３：火炉、
４：火炉出口温度計、
５：１次過熱器、
６：最終過熱器、
７：タービン加減弁。

Claims

火力発電用ボイラプラントの変圧運転方法において、
通常の運用負荷帯を複数の区画負荷帯に区分けして、各区画負荷帯でそれぞれ蒸気圧力を設定し、各区画負荷帯内では定圧運転を行うことを特徴とする火力発電用ボイラプラントの変圧運転方法。
請求項１に記載の火力発電用ボイラプラントの変圧運転方法において、
前記火力発電用ボイラへ燃料として供給する微粉炭を生成する微粉炭粉砕機を複数台有し、
その微粉炭粉砕機の運転台数毎に設定されている運用バンドに一致させて前記蒸気圧力の設定を行い、各運用バンド内では定圧運転を行うことを特徴とする火力発電用ボイラプラントの変圧運転方法。