JP2015090097A - ガスタービン起動方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】再起動が迅速に行えるガスタービン起動方法及び装置を提供する。
【解決手段】ガスタービン起動用外部動力によりガスタービンを起動するガスタービン起動装置であって、ガスタービン起動装置は、前記ガスタービン起動用外部動力を用いて、第１の設定速度からガスタービンを起動してガスタービンに点火させる通常起動部と、ガスタービントリップ後に前記第１の設定速度よりも高速側に設定された第２の設定速度以下に速度低下したことを持ってガスタービンを再度起動してガスタービンに点火させる再起動部とで構成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン起動時の起動失敗後の再起動及び試験運転時等の再起動に要する時間を短縮することができるガスタービン起動方法及び装置に関する。

一般にガスタービン発電設備をガスタービントリップ（起動失敗）後に再起動させる場合には、一旦ガスタービンをゼロ速度（停止）まで速度降下させ、ターニングイン後再起動可能となるのが標準である。これは失敗原因を確認し、原因の排除を確実に行ってから再起動を行うという考え方に基づくものである。なお当該技術分野において、ゼロ速度（停止）とはターニングによる微速回転を意味しており、完全停止状態を述べたものではない。停止させたことによる回転軸の偏心を阻止するために微速回転を行っており、この状態をゼロ速度（停止）と称している。

具体的なガスタービンの再起動手法について図２と図３を用いて説明する。図２は、ガスタービンを用いた発電プラントとしてコンバインド発電設備の構成例を示す図である。図３は、その起動制御装置と制御信号および回転速度の関係を示す図である。

まず図２のコンバインド発電設備は、一軸コンバインドサイクル発電設備のシステム構成を示している。図２において、１は圧縮機、２は燃焼器、３はガスタービン、４は発電機、５は蒸気タービンであり、これら圧縮機１、ガスタービン３、発電機４、蒸気タービン５の各機器は一軸に連結されている。ここではガスタービン３及び蒸気タービン５で軸を回し、発電機４を駆動している。

９はトルクコンバータ、１０は起動モータである。ガスタービン起動時には起動モータ１０のトルクをトルクコンバータ９の油圧にて軸に伝達させ、ガスタービン３が自立速度となるまでガスタービンを駆動させる。なおトルクコンバータ９と起動モータ１０は、ガスタービン３を起動するための外部動力の一例である。ガスタービン３を起動するための外部動力（ガスタービン起動用外部動力）としては、これ以外にガスタービン起動時に発電機をモータとして作動させるサイリスタ起動方式や、補助ボイラなどから得られた蒸気により小型の蒸気タービンを駆動してガスタービンを起動する蒸気タービン起動方式などが採用可能である。本発明における以下の説明では、ガスタービン起動用外部動力としてトルクコンバータ９と起動モータ１０を使用する方式を説明するが、他の方式によるガスタービン起動用外部動力であってもよい。

６は排熱回収ボイラであり、ガスタービン３の排ガスを導き、給水と排ガスの熱交換により排熱を回収し、排熱回収後のガスを大気へ放出する。給水は排ガスとの熱交換により蒸気とされて、蒸気タービン５に与えられてこれを回転駆動する。７は復水器であり、蒸気タービン５からの排気を導き、冷却水にて復水させ、その復水は給水ポンプ８で再度排熱回収ボイラ６へ給水される。復水器７で蒸気から水へ戻る時の体積減少による真空を利用して蒸気タービン５の回転力に用いている。

上記のシステム構成により、ガスタービンの起動は、まず起動モータ１０のトルクをトルクコンバータ９の油圧にて軸に伝達させ、ガスタービン３が自立速度となるまでガスタービン３を駆動させる。またその後ガスタービン３に燃料投入して点火し、発電機４をガスタービン３により駆動する。さらにガスタービン３の排ガスからの熱回収により排熱回収ボイラ６で蒸気が発生すると、蒸気が与えられた蒸気タービンの駆動力が発電機４の駆動に追加される。なお起動モータ１０は、ガスタービン３による駆動が始まると適宜のタイミングで停止される。

図３には、従来における起動制御装置１００と制御信号および回転速度の関係が示されている。図３を用いて、より詳細な起動過程を説明する。図３上側に示す時間軸において、時間領域Ｄ１は起動モータ１０による駆動領域、Ｄ２はガスタービン３による駆動領域、Ｄ３は起動失敗待機領域、Ｄ４は再起動領域を表している。

起動モータ１０による駆動領域Ｄ１は、さらにターニング領域Ｄ１１、起動領域Ｄ１２、パージ領域Ｄ１３に分けられてこの順に領域移動する。これらの領域移動の確認条件としては、パージ速度以下確認条件Ａと、ゼロ速度確認条件Ｂと、起動前確認条件Ｃが利用されており、例えばパージ速度以下確認条件Ａは、定格回転速度に対して回転速度が３０％以上で成立（ＯＮ）し、回転速度が２８％以下で不成立（ＯＦＦ）となる。ゼロ速度確認条件Ｂは、定格回転速度に対して回転速度が０．３％以下で成立（ＯＮ）する。起動前確認条件Ｃはその他の確認条件であり、運転員による手動の起動指令なども含まれる。

起動当初のターニング領域Ｄ１１では軸偏心阻止の観点からターニング運転が行われており、速度ゼロ（回転速度が０．３％以下）であるが、起動前確認条件Ｃにより与えられる起動操作指令により、回転速度上昇過程（起動領域Ｄ１２）に移行する。これにより、ゼロ速度確認条件Ｂは、不成立（ＯＦＦ）となる。速度上昇して回転速度が３０％以上になると、パージ速度以下確認条件Ａが成立（ＯＮ）して、パージ領域Ｄ１３に移行する。

ガスタービンのパージ完了後は、ガスタービン点火によりガスタービン３による駆動領域Ｄ２に移行するが、この起動過程で何らかの理由によりガスタービントリップされると、起動失敗待機領域Ｄ３に入る。

従来の再起動手法では、速度ゼロ（回転速度が０．３％以下）を条件としているため、回転速度がゼロになるまで起動失敗待機領域Ｄ３を継続する。図３の起動制御装置１００は、この再起動時の条件を確認している。起動制御装置１００では、パージ速度以下確認条件Ａと、ゼロ速度確認条件Ｂと、起動前確認条件Ｃがいずれも成立していることをアンド回路１０１で確認して、再起動許可を与えている。要するに再起動条件は、ゼロ速度確認条件Ｂで定まり速度ゼロ（回転速度が０．３％以下）にならないと再起動できない。再起動の順番と領域移動の許可条件は先に述べたとおりであるのでここでの説明を省略する。

以上述べたように、従来のガスタービンの起動方法は図３においてターニング状態⇒起動操作⇒パージ⇒点火⇒定格速度の順で立ち上がる。この流れの途中で定格速度に至る前に何らかの原因でトリップが発生した場合、速度が低下しゼロ速度を検出する検出器が動作（Ｐ／Ｕ（ピックアップ））し再度ターニングインするまで再起動動作に移行できない。検出器が動作（Ｐ／Ｕ）し再度ターニングに移行の後ターニング状態⇒起動操作⇒パージ⇒点火⇒定格速度の段階を経て定格速度に到達する。

このトリップ後の速度低下後からゼロ速度検出器が動作に至るまでの時間に長時間を要し、大きなロスとなっている。特に、図２に示した一軸コンバインドサイクルプラントの場合、軸の慣性が大きく、冬場は更に蒸気タービン付随の復水器の真空度も高く、またガスタービン後段の排気側煙突のドラフト効果も加わり速度は低下しない為、止むを得ず真空度を低下させるなどの方法を取っているのが実情であり、ゼロ速度まで降下させるのに長時間を要している。

ガスタービンの再起動操作に関する特許文献１では、圧縮機タービンとパワータービンを備えた２軸ガスタービンではあるが、再起動条件としてパワータービンの速度ゼロを確認していることが示されている。

特開平７−２５３０３０号公報

然るにガスタービントリップ（起動失敗）に至った原因が明白で直ぐにでも再起動が可能な場合も多々あるが、従来方式によれば、その際も同じようにゼロ速度（停止）まで速度を降下させるため、この再起動方法では時間のロスとなっている。

また燃料裕度試験（濃度試験）等の点火動作を繰り返し実施する場合にも、毎回タービン速度をゼロ速度（停止）まで降下させてから再起動を実施しなければならず、この場合も大きな時間ロスとなる。

以上のことから本発明においては、再起動が迅速に行えるガスタービン起動方法及び装置を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、ガスタービン起動用外部動力によりガスタービンを起動するガスタービン起動装置であって、ガスタービン起動装置は、前記ガスタービン起動用外部動力を用いて、第１の設定速度からガスタービンを起動してガスタービンに点火させる通常起動部と、ガスタービントリップ後に前記第１の設定速度よりも高速側に設定された第２の設定速度以下に速度低下したことを持ってガスタービンを再度起動してガスタービンに点火させる再起動部とで構成されることを特徴とする。

本発明は、ガスタービン起動時の起動失敗後の再起動及び試験運転時等の再起動時にタービン速度を一旦ゼロ速度（停止）まで降下しなくても本発明における（バイパススイッチ）を設け、それを操作することでパージ速度以下となればいつでも再起動が可能となり、再起動までにかかる時間を大幅に短縮することができる。

本発明のガスタービン起動方法及び装置を説明するための図。 １軸コンバインドプラント発電設備のシステム構成例を示す図。 従来のガスタービン起動方法及び装置を説明するための図。

以下本発明の実施例について図面を用いて説明する。ただしこの実施形態に記載されている発電設備の種類や形態、型式、構成や組み合わせ、設備の容量等は、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１には、本発明における起動制御装置１００と制御信号および回転速度の関係が示されている。図１を用いて、より詳細な起動過程を説明する。

図１の起動過程のうち、起動モータ１０による駆動領域Ｄ１の動作と、ガスタービン３による駆動領域Ｄ２の動作は、図３の従来の説明で行ったものと全く同じであるので、ここでは説明を省略する。本発明では、起動失敗待機領域Ｄ３での動作が従来とは相違している。

図１の起動制御装置１００の構成を図３のそれと比較すると、オア回路１０２が追加され、ゼロ速度確認条件Ｂとバイパススイッチ確認条件Ｅが入力されている。この結果、バイパススイッチ確認条件Ｅが不成立である場合の回路構成は図３のそれと同じであり、回転速度ゼロを確認したタイミングで再起動が開始されることになる。

これに対し、バイパススイッチ確認条件Ｅが入力されている状態では、回転速度ゼロの条件Ｂとは無関係にアンド回路１０１が成立し起動出力を与えることになる。つまり、パージ速度以下確認条件Ａと起動前確認条件Ｃの２つの条件が成立していれば、再起動が許可されることになる。起動前確認条件Ｃが成立しているという前提で考えると、パージ速度以下確認条件Ａの成立で再起動が決定されることになる。

先にも述べたように、パージ速度以下確認条件Ａとは定格回転速度に対して回転速度が３０％以上で成立（ＯＮ）し、回転速度が２８％以下で不成立（ＯＦＦ）となるものである。したがって、ガスタービンの起動により、回転速度が３０％以上に上昇した後でガスタービンのトリップが発生し、回転速度が低下して２８％以下に到達した時点で再起動条件が成立することになる。

図１の事例では、回転速度が２８％以下に低下した時点ｔ１に対し、起動前確認条件Ｃの成立がｔ２で示されている。ここではｔ２がｔ１よりも後の時刻になっているので、時刻ｔ２で再起動動作に入り、以後は起動時と同様に、起動領域Ｄ１２からパージ領域Ｄ１３に移行してガスタービン燃焼器の点火動作に移行する。なおこの場合にはターニング領域はｔ１−ｔ２期間に相当すると考えてよいので、起動前確認条件Ｃの成立から直ちに起動領域に移ることができる。

なお本発明の場合、バイパススイッチ条件Ｅは、トリップ後の降速中にトリップ原因が判明しており、回転速度ゼロを待つ必然的な理由が存在していないことをもって成立している条件である。操作員がトリップ原因を確認して人的操作によりバイパススイッチ条件Ｅ成立としてもよいし、自動的に判断してもよい。

図１では、回転速度ゼロを確認してから再起動する従来の起動タイミングを点線で示し、本発明のバイパス処理を行う時の起動タイミングを一点鎖線で示していることからも明らかなように、高速に再起動することができる。トリップ後の速度低下後からゼロ速度検出器が動作に至るまでの時間に長時間を要して大きなロスとなっているため、このゼロ速度検出条件を回避するためにバイパススイッチを設けることで、ゼロ速度の条件が成立していなくても起動前条件成立となり高速な再起動が可能となる。

なお、このあと再度何らかの要因でトリップし速度が降下しても再び速度がパージ速度以下になれば、前述と同じように例えば人間の判断で選択出来る選択スイッチを操作することで再度、再起動がかけられる状態に出来る。本発明の方法によれば起動過程でトリップし、再起動を行う場合に再起動までにかかる時間を大幅に短縮することができる。

以上説明した本発明の起動制御装置によれば、ターニング速度（第１の設定速度）からガスタービンを起動してガスタービンに点火させる通常起動部と、ガスタービントリップ後にタービン速度よりも高速側に設定されたパージ速度（第２の設定速度）以下に速度低下したことを持ってガスタービンを再度起動してガスタービンに点火させる再起動部とで構成される。

また本発明の起動制御方法によれば、ターニング速度（第１の設定速度）からガスタービンを起動してガスタービンに点火させ、その後のガスタービントリップ後にタービン速度よりも高速側に設定されたパージ速度（第２の設定速度）以下に速度低下したことを持ってガスタービンを再度起動してガスタービンに点火させるという運転手順を踏む。

１：圧縮機
２：燃焼器
３：ガスタービン
４：発電機
５：蒸気タービン
６：排熱回収ボイラ
７：復水器
８：給水ポンプ
９：トルクコンバータ
１０：起動モータ

Claims (5)

1. ガスタービン起動用外部動力によりガスタービンを起動するガスタービン起動装置であって、
   ガスタービン起動装置は、前記ガスタービン起動用外部動力を用いて、第１の設定速度からガスタービンを起動してガスタービンに点火させる通常起動部と、ガスタービントリップ後に前記第１の設定速度よりも高速側に設定された第２の設定速度以下に速度低下したことを持ってガスタービンを再度起動してガスタービンに点火させる再起動部とで構成されることを特徴とするガスタービン起動装置。
2. 請求項１に記載のガスタービン起動装置であって、
   前記再起動部は、ガスタービン速度よりも高速側に設定されたパージ速度（第２の設定速度）以下に速度低下したことを検知する第１の判定条件と、前記第１の設定速度以下の速度であることを検知する第２の判定条件を備え、選択したいずれかの判定条件が成立していることを持ってガスタービンを再度起動することを特徴とするガスタービン起動装置。
3. 請求項１に記載のガスタービン起動装置であって、
   前記ガスタービン起動用外部動力が、ガスタービン起動時に発電機をモータとして作動させるサイリスタ起動方式、補助ボイラなどから得られた蒸気により小型の蒸気タービンを駆動してガスタービンを起動する蒸気タービン起動方式、あるいはトルクコンバータにより起動モータを駆動する起動方式のいずれかによるものであることを特徴とするガスタービン起動装置。
4. ガスタービン起動用外部動力によりガスタービンを起動するガスタービン起動方法であって、
   ガスタービン起動装置は、前記ガスタービン起動用外部動力を用いて、第１の設定速度からガスタービンを起動してガスタービンに点火させ、ガスタービントリップ後に前記第１の設定速度よりも高速側に設定された第２の設定速度以下に速度低下したことを持ってガスタービンを再起動してガスタービンに点火させることを特徴とするガスタービン起動方法。
5. 請求項４に記載のガスタービン起動方法であって、
   前記再起動は、ガスタービン速度よりも高速側に設定されたパージ速度（第２の設定速度）以下に速度低下したという第１の判定条件と、前記第１の設定速度以下の速度であるという第２の判定条件のうち、選択した判定条件により行われることを特徴とするガスタービン起動方法。

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