JP2017014983A - 起動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電プラントの状態に応じて蒸気タービンを高速かつ安全に起動することができる起動制御装置を提供する。
【解決手段】
熱源媒体５で低温流体６を加熱して高温流体７を生成する熱源装置１と、高温流体７との熱交換により蒸気８を発生させる蒸気発生設備２と、蒸気８で駆動する蒸気タービン３と、プラント操作量を調整する調整装置１１，１２，１３，１４，１５とを備えた発電プラント１００の起動制御装置２１において、蒸気タービン３の起動制御に用いる少なくとも一つの熱影響量について予測値を計算する熱影響量予測計算回路２３と、発電プラント１００の状態値に基づき、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度を判定し、感度に応じて熱影響量を制御する制御モードを切り替える切替信号を出力する切替回路２４と、切替信号に基づき、熱影響量が予め決定された制限値を超えないようプラント操作量を計算する調整回路２５，２６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンを備えた発電プラントの起動制御装置に関する。

風力発電や太陽光発電に代表される再生可能エネルギーを用いた発電プラントでは、再生可能エネルギーから得られる発電量が季節、天候等により大きく変動する。そのため、この種の発電プラントに備えられた蒸気タービンには、系統電力を安定化させるべく、起動時間の短縮（高速起動）が求められている。

蒸気タービンの起動では、蒸気タービンに流入する蒸気の温度や流量が急激に増加するため、タービンロータの表面が内部と比較して急速に昇温する。その結果、タービンロータの表面と内部との温度差による応力（熱応力）が増大する。過大な熱応力はタービンロータの寿命を縮め得るため、蒸気タービンの起動時には、増大した熱応力が予め定められた制限値内に収まるよう蒸気タービンへの入熱量を制御する必要がある。また、蒸気タービンの起動では、タービンロータ及びタービンロータを収納するケーシングは高温の蒸気にさらされることにより加熱され、熱膨張により特にタービン軸方向に伸びる（熱伸び）。タービンロータとケーシングは構造も熱容量も異なるため、タービンロータの熱伸びとケーシングの熱伸びには差（熱伸び差）が生じる。この熱伸び差が大きくなると、回転体であるタービンロータと静止体であるケーシングとが接触し損傷する可能性があるため、熱伸び差が予め定められた制限値内に収まるよう蒸気タービンへの入熱量を制御する必要がある。このように、蒸気タービンの起動には考慮すべきいくつかの制約条件が存在するため、これらの制約条件を満たすように起動制御を行う必要がある。

この種の起動制御方法として、起動開始前に、起動モードに基づいて複数の設定点からなる起動シーケンスの所定の組を選択し、起動シーケンスの所定の組に従って設定点から設定点へと蒸気タービンを起動制御する方法がある（特許文献１等を参照）。

特開２０１３−１４４９８２号公報

蒸気タービンの起動制御の制約条件となる熱応力、熱伸び差等の熱影響量を制御する場合、蒸気タービンに流入する蒸気の温度（蒸気温度）や流量（蒸気流量に関するプラント操作量を調整する必要がある。しかしながら、蒸気温度や蒸気流量の変化に対する熱影響量の感度は、伝熱遅れにより生じるメタル内部の温度分布や構成要素間の温度差など起動過程で連続的に変化する発電プラントの状態により異なる。そのため、例えば、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が高い場合、蒸気温度の変化が過大になると熱影響量が制限値を超えてしまう可能性がある。一方、感度が低い場合、蒸気タービンの構成要素への伝熱が進み難く、蒸気温度の変化が過小では蒸気タービンの起動に必要以上に時間を要する可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、発電プラントの状態に応じて蒸気タービンを高速かつ安全に起動することができる起動制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置と、前記高温流体との熱交換により蒸気を発生させる蒸気発生設備と、前記蒸気で駆動する蒸気タービンと、プラント操作量を調整する調整装置とを備えた発電プラントの起動制御装置において、前記蒸気タービンの起動制御に用いる少なくとも一つの熱影響量について予測値を計算する熱影響量予測計算回路と、前記発電プラントの状態値に基づき、前記プラント操作量の変化に対する前記熱影響量の感度を判定し、感度に応じて前記熱影響量を制御する制御モードを切り替える切替信号を出力する切替回路と、前記切替信号に基づき、前記熱影響量が予め決定された制限値を超えないよう前記プラント操作量を計算する調整回路とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、発電プラントの状態に応じて蒸気タービンを高速かつ安全に起動することができる起動制御装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る発電プラントの概略構成図である。 操作状態指令値の計算手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る起動シーケンスの一部を例示する図である。 本発明の第２実施形態に係る発電プラントの概略構成図である。 操作状態指令値の計算手順を説明するための図である。

＜第１実施形態＞
（構成）
１．発電プラント
図１は、本実施形態に係る発電プラントの概略構成図である。

図１に示すように、発電プラント１００は、熱源装置１、蒸気発生設備２、蒸気タービン３、発電機４、熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、温度調整手段１５、及び起動制御装置２１を備えている。また、図示していないが、再生可能エネルギーを用いて発電する発電設備もこの発電プラント１００には含まれている。本実施形態では、熱源装置１がガスタービンである場合（つまり、発電プラントがコンバインドサイクル発電プラントである場合）を例に挙げて説明する。

熱源装置１は、熱源媒体５（本実施形態では、天然ガス、水素、油等の燃料）に保有される熱量を用いて低温流体６（本実施形態では、燃料とともに燃焼される空気）を加熱し高温流体７（本実施形態では、ガスタービン排ガス）を生成して蒸気発生設備２に供給する。蒸気発生設備２（本実施形態では、排熱回収ボイラ）は内部に熱交換器を備え、熱源装置１で生成された高温流体７の保有熱との熱交換により給水を加熱して蒸気８を発生させる。蒸気タービン３は、蒸気発生設備２で発生した蒸気８により駆動する。発電機４は、蒸気タービン３と同軸に連結され、蒸気タービン３の駆動力を電力に変換する。発電機４の電力は、例えば電力系統（不図示）に供給される。

熱源媒体量操作部１１（本実施形態では、燃料ガス流量調節弁）は、熱源装置１に対する熱源媒体５の供給経路に設けられている。熱源媒体量操作部１１は、熱源装置１に供給される熱源媒体５の流量を調節して、熱源装置１で生成される高温流体７の保有熱量を操作する。低温流体量操作部１２（本実施形態では、入口案内翼）は、熱源装置１に対する低温流体６の供給経路に設けられている。低温流体量操作部１２は、熱源装置１に供給される低温流体６の流量を調節して、熱源装置１から蒸気発生設備２に供給される高温流体７の流量を操作する。蒸気加減弁１３は、蒸気発生設備２と蒸気タービン３とを接続して蒸気発生設備２から蒸気８を導き出す蒸気配管系統に設けられている。蒸気加減弁１３は、蒸気タービン３に供給される蒸気８の流量を操作する。バイパス弁１４は、蒸気配管系統から分岐し、蒸気配管系統を流れる蒸気を他系統へ排出するバイパス系統に設けられている。バイパス弁１４は、バイパス系統を流れる蒸気８の流量（バイパス流量）を制御する。温度調整手段１５は、蒸気発生設備２の内部に設けられている。温度調整手段１５は、蒸気発生設備２の蒸気配管系統に熱媒体を供給して蒸気発生設備２で生成された蒸気８の温度を調整する。上述の熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、及び温度調整手段１５は、プラント操作量（後述する）を調整する調整装置として機能する。

起動制御装置２１には、発電プラント１００のプラント状態量の計測値５０、プラント操作量の計測値５１等が入力される。プラント状態量は、例えば、蒸気タービン入口や蒸気タービン初段後の蒸気温度、蒸気流量、蒸気圧力など熱影響量の予測値の計算に使用できるものであれば良い。プラント操作量は、例えば、熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、温度調整手段１５等の操作量、蒸気タービン３の回転数や負荷、熱源装置１の負荷などプラント状態量の予測値又は熱影響量の予測値の計算に使用できるものであれば良い。

２．起動制御装置
起動制御装置２１は、プラント状態量予測計算回路２２、熱影響量予測計算回路２３、熱影響量制御手段切替回路（切替回路）２４、蒸気温度調整回路（調整回路）２５、蒸気流量調整回路（調整回路）２６、第１の指令値計算回路３２、及び第２の指令値計算回路３３を備えている。以下、起動制御装置２１の各構成要素について説明する。

２−１．プラント状態量予測計算回路
プラント状態量予測計算回路２２は、プラント状態量の計測値５０及びプラント操作量の計測値５１の少なくとも一方を入力する。プラント状態量予測計算回路２２は、入力したプラント状態量の計測値５０及びプラント操作量の計測値５１に基づき、予め設定された予測期間にわたる将来のプラント状態量の予測値を計算する。

将来のプラント状態量の予測値を計算する方法には、公知の制御工学的なモデル予測制御手法や、制約条件に関わる物理現象についての公知の熱力学的、流体力学的、伝熱工学的な計算モデル式に将来の発電プラントの運転条件を入力して計算する予測手法、将来のプラント操作量の変化率を発電プラントの状態を表すプロセス値とのテーブルを参照して取得する方法、現在の変化率を予測期間にわたって外挿する方法等、公知の任意の予測手法を用いることができる。

プラント状態量予測計算回路２２で計算されるプラント状態量の予測値は、蒸気タービン入口の蒸気温度、蒸気流量、及び蒸気圧力や蒸気タービン初段後の蒸気温度、蒸気流量、蒸気圧力、及び蒸気の熱伝達率など熱影響量の値の推定に必要なプラント各部の熱的状態を表す物理量をいう。この物理量の計算手順の一例を示す。

・蒸気タービン入口の蒸気条件の計算（手順Ａ１）
熱源媒体量操作部１１と低温流体量操作部１２の操作量に基づき、熱源装置１から蒸気発生装置２を介して蒸気タービン３に供給される熱と物質の伝播過程を公知のエネルギーバランスの式やマスバランスの式から計算し、蒸気タービン入口の温度、流量、及びエンタルピを計算する。そして、蒸気タービン入口の流量や温度を用いて、音速流れにおける流量計算の式に基づき定格の圧力値を補正して圧力を計算する。なお、圧力は、予め定められた基準値に対して蒸気タービン入口の流量変化や温度変化を補正する公知の温度補正方法、流量補正方法を用いて計算されてもよい。

・蒸気タービン初段後の蒸気条件の計算（手順Ａ２）
上述した蒸気タービン入口の主蒸気の圧力から蒸気タービン初段後の圧力損失を減算して、蒸気タービン初段後の圧力を得る。この圧力損失は、例えば、プラント特有の蒸気タービン設計情報に基づき計算される。また、上述した蒸気タービン入口の蒸気の流量から他系統への蒸気の流入出量を加減算して蒸気タービン初段後の流量を得る。また、蒸気タービン初段後の圧力と上述した蒸気タービン入口のエンタルピに基づき、蒸気特性関数から蒸気タービン初段後の温度を得る。そして、蒸気の流速とロータ回転速度の合成流速と、動粘性係数に基づき、公知の熱伝達率計算の式により蒸気タービン初段後の蒸気−ロータ間の熱伝達率を得る。動粘性係数は、蒸気タービン初段後の圧力と温度に基づき、蒸気特性関数から計算される。

２−２．熱影響量予測計算回路
熱影響量予測計算回路２３は、プラント状態量予測計算回路２２で計算されたプラント状態量の予測値を入力する。熱影響量予測計算回路２３は、入力したプラント状態量の予測値を基に、少なくとも一つの熱影響量の設定された予測期間にわたる将来の予測値を計算する。熱影響量は、蒸気タービン３のタービンロータの熱応力や熱伸び差、車室の熱変形、蒸気タービン３の起動に関わる構造体部位間の温度差などメタル温度に起因するものが多く、上述の手順Ａ２の計算結果に基づき、蒸気からメタルへの伝熱計算によりメタルの内部の温度分布を計算することにより得られる。例えば、タービンロータの熱応力は、蒸気からタービンロータへの伝熱計算によりタービンロータの半径方向の温度分布を計算され、線膨張率、ヤング率、ポアソン比等を用いた材料工学則に基づき計算される。タービンロータの熱伸び差は、蒸気からタービンロータ及び車室への伝熱計算によりタービンロータの軸方向に分割した蒸気タービンの各部位の温度が計算され、線膨張率を用いた材料工学則に基づき計算される。車室の熱変形は、蒸気から車室及び車室の軸、半径及び周方向の伝熱計算により車室内部の温度分布が計算され、線膨張率、ヤング率、ポアソン比等を用いた材料工学則に基づき計算される。

２−３．熱影響量制御手段切替回路
熱影響量制御手段切替回路２４は、発電プラント１００の状態値（プラント状態値）５２を入力する。熱影響量制御手段切替回路２４は、入力したプラント状態値５２に基づき、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度を判定し、判定した感度に応じて熱影響量を制御する制御モードを切り替える切替信号を出力する。本実施形態では、熱影響量制御手段切替回路２４は、プラント状態値５２が予め定められた設定値以下の場合、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度が低いと判定し、熱影響量を制御する制御モードを第１の制御モードに切り替える切替信号を出力する。一方、熱影響量制御手段切替回路２４は、プラント状態値５２が予め定められた設定値より大きい場合、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度が高いと判定し、熱影響量を制御する制御モードを第２の制御モードに切り替える切替信号を出力する。なお、プラント状態値５２は、タービンロータや車室の温度、蒸気とタービンロータの温度差、蒸気と車室の温度差、タービンロータの表面と中心の温度差、タービンロータと車室の温度差、車室の上半部と下半部の温度差、蒸気タービン負荷、ガスタービン負荷、タービンロータの熱応力、タービンロータと車室の熱伸び差、起動後経過時間など、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度を推定するための指標となるものであれば良い。

２−４．蒸気温度調整回路
蒸気温度調整回路２５は、熱影響量予測計算回路２３で計算された熱影響量の予測値と熱影響量制御手段切替回路２４から出力された切替信号とを入力する。蒸気温度調整回路２５は、入力した切替信号に応じた制御モード（第１又は第２の制御モード）で、熱影響量が予め決定された制限値を超えないように蒸気温度に関わるプラント操作量（第１の指令値計算回路３２に対するプラント操作量）を計算する。なお、制限値とは、蒸気タービンの起動において、起動開始から完了までにおける蒸気タービンの構成機器の保護の観点から、プラント状態量に関して設定された設定値である。蒸気温度に関わる操作量は、例えば、燃料ガス流量調節弁の開度（熱源媒体量操作部１１の操作量）、入口案内翼の開度（低温流体量操作部１２の操作量）、及び温度制御手段１５のスプレー流量調整弁の開度、これらの開度の調節により変化する熱源装置１の負荷、高温流体７の温度、ガスタービン負荷、ガスタービン吸気流量、及び温度制御手段１５における蒸気８へのスプレー流量など、蒸気温度に影響を与えるものであれば良い。以下、第１及び第２の制御モードにおける蒸気温度調整回路２５のプラント操作量の計算方法の一例を示す。

・第１の制御モード
蒸気温度調整回路２５は、熱影響量予測計算回路２３で計算された熱影響量の予測値に基づき、熱影響量が制限値を超えないようにガスタービン負荷など蒸気温度に関わるプラント操作量を計算する。プラント操作量は、熱影響量の予測値と制限値との差に応じて計算され、例えば、熱影響量の予測値と制限値との差に予め設定された係数を乗じて算出される。

・第２の制御モード
蒸気温度調整回路２５は、蒸気温度が予め定められた設定値となるようガスタービン負荷など蒸気温度に関わる操作量を計算する。設定値は、例えば、現在のプラント操作量を保持する方法、又は現在のプラント操作量を予め設定した変化率で上昇させる方法などで計算される。

２−５．蒸気流量調整回路
蒸気流量調整回路２６は、熱影響量予測計算回路２３で計算された熱影響量の予測値と熱影響量制御手段切替回路２４から出力された切替信号とを入力する。蒸気流量調整回路２６は、入力した切替信号に応じた制御モード（第１又は第２の制御モード）で、熱影響量が予め決定された制限値を超えないように蒸気流量に関わるプラント操作量（第２の指令値計算回路３３に対するプラント操作量）を計算する。蒸気流量に関わるプラント操作量は、蒸気加減弁１３やバイパス弁１４の開度、蒸気タービン回転数、蒸気タービン負荷、蒸気圧力など、蒸気流量に影響を与えるものであれば良い。以下、第１又は第２の制御モードにおける蒸気流量調整回路２６のプラント操作量の計算方法の一例を示す。

・第１の制御モード
蒸気流量調整回路２６は、蒸気流量が予め定められた設定値となるよう蒸気加減弁１３の開度など蒸気流量に関わるプラント操作量を計算する。設定値は、例えば、現在のプラント操作量を保持する方法、又は現在のプラント操作量を予め設定した変化率で上昇させる方法などで計算される。

・第２の制御モード
蒸気流量調整回路２６は、熱影響量予測回路２３で計算された熱影響量の予測値に基づき、熱影響量が制限値を超えないよう蒸気加減弁１３の開度など蒸気流量に関わるプラント操作量を計算する。プラント操作量は、熱影響量の予測値と制限値との差に応じて計算され、例えば、熱影響量の予測値と制限値との差に予め設定された係数を乗じて算出される。

２−６．第１の指令値計算回路
第１の指令値計算回路３２は、熱源媒体量操作状態計算回路２７、低温流体量操作状態計算回路２８、及び温度調整手段操作状態計算回路２９を備えている。熱源媒体量操作状態計算回路２７、低温流体量操作状態計算回路２８、及び温度調整手段操作状態計算回路２９は、蒸気温度調整回路２５から入力されたプラント操作量を基に、このプラント操作量を満足するようにそれぞれ熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、及び温度調整部１５に対する指令値（操作状態指令値）を算出する。熱源媒体量操作状態計算回路２７、低温流体量操作状態計算回路２８、及び温度調整手段操作状態計算回路２９は、算出した操作状態指令値を熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、及び温度調整手段１５に出力する。

２−７．第２の指令値計算回路
第２の指令値計算回路３３は、蒸気加減弁操作状態計算回路３０及びバイパス弁操作状態計算回路３１を備えている。蒸気加減弁操作状態計算回路３０及びバイパス弁操作状態計算回路３１は、蒸気流量調整回路２６から入力されたプラント操作量を基に、このプラント操作量を満足するようにそれぞれ蒸気加減弁１３及びバイパス弁１４に対する操作状態指令値を算出する。蒸気加減弁操作状態計算回路３０及びバイパス弁操作状態計算回路３１は、算出した操作状態指令値を蒸気加減弁１３及びバイパス弁１４に出力する。

（動作）
図２は、操作状態指令値の計算手順を示すフローチャートである。以下、操作状態指令値の計算手順について、プラント状態値５２をタービンロータの表面と中心の温度差とした場合を例にして説明する。

蒸気タービン３が起動を開始すると、プラント状態量予測計算回路２２は、プラント状態量の計測値５０及びプラント操作量の計測値５１の少なくとも一方を入力し、予め設定された予測期間にわたる将来のプラント状態量の予測値を計算する（ステップＳ１）。熱影響量予測計算回路２３は、プラント状態量予測計算回路２２で計算されたプラント状態量の予測値を入力し、熱応力、熱伸び差、及び他の熱影響量の予測値を計算する（ステップＳ２）。

熱影響量制御手段切替回路２４は、タービンロータの表面と中心の温度差Ｔｄを入力し、温度差Ｔｄが予め定められた設定値Ｔｓ以下であるか否かを判定する（ステップＳ３）。温度差Ｔｄが設定値Ｔｓ以下の場合（Ｙｅｓ）、熱影響量制御手段切替回路２４は、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が低いと判定し、制御モードを第１の制御モードに切り替える切替信号を出力する。一方、温度差Ｔｄが設定値Ｔｓより大きい場合（Ｎｏ）、熱影響量制御手段切替回路２４は、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が高いと判定し、制御モードを第２の制御モードに切り替える切替信号を出力する。

続いて、蒸気温度調整回路２５は、熱影響量予測計算回路２３で計算された熱影響量の予測値と熱影響量制御手段切替回路２４から出力された切替信号とを入力し、切替信号に応じた制御モードで、蒸気温度に関わるプラント操作量を計算する（ステップＳ４）。具体的に、蒸気温度調整回路２５は、制御モードを第１の制御モードに切り替える切替信号を入力した場合、第１の制御モードで蒸気温度に関わるプラント操作量を計算し（ステップＳ４−１）、制御モードを第２の制御モードに切り替える切替信号を入力した場合、第２の制御モードで蒸気温度に関わるプラント操作量を計算する（ステップＳ４−２）。

蒸気流量調整回路２６は、熱影響量予測計算回路２３で計算された熱影響量の予測値と熱影響量制御手段切替回路２４から出力された切替信号とを入力し、切替信号に応じた制御モードで、蒸気流量に関わるプラント操作量を計算する（ステップＳ５）。具体的に、蒸気流量調整回路２６は、制御モードを第１の制御モードに切り替える切替信号を入力した場合、第１の制御モードで蒸気流量に関わるプラント操作量を計算し（ステップＳ５−１）、制御モードを第２の制御モードに切り替える切替信号を入力した場合、第２の制御モードで蒸気流量に関わるプラント操作量を計算する（ステップＳ５−２）。

第１，２の指令値計算回路３２，３３は、蒸気温度調整回路２５及び蒸気流量調整回路２６で計算されたプラント操作量に基づいて操作状態指令値を計算し、調整装置に出力する（ステップＳ６）。

その後、起動制御装置２１は、プラントの起動完了条件が満足しているかどうか、すなわちプラントの起動が完了したかどうかを判断する（ステップＳ７）。起動完了条件が満足している場合（Ｙｅｓ）、起動制御装置２１はステップＳ１〜Ｓ６の手順を終了する。一方、プラントの起動完了条件が満足していない場合（Ｎｏ）、起動制御装置２１は時間を更新して、ステップＳ１〜Ｓ６の手順を繰り返し実行する。

（効果）
本実施形態では、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度に応じて制御モードを切り替えてプラント操作量を計算している。具体的に、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度が低い場合、熱影響量が制限値を超えないように蒸気温度に関わるプラント操作量を計算し、蒸気流量が予め定められた設定値となるように蒸気流量に関わるプラント操作量を計算する。一方、感度が高い場合、蒸気温度が予め定められた設定値となるように蒸気温度に関わるプラント操作量を計算し、熱影響量が制限値を超えないように蒸気流量に関わるプラント操作量を計算する。そのため、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が高く熱影響量が制限値を超える可能性が高い場合、蒸気流量を優先的に調整することができ、安定的に熱影響量を制御することができる。また、感度が低く蒸気タービンの構成要素への伝熱が進み難い場合、蒸気温度を優先的に調整することができ、構成要素への伝熱を促進させて蒸気タービンの起動時間を短縮することができる。

図３は、本実施形態に係る起動シーケンスの一部を例示する図である。図３（ａ）は、蒸気温度に関わるプラント操作量をガスタービン負荷、蒸気流量に関わるプラント操作量を蒸気加減弁の開度とした場合の各プラント操作量の推移を示している。図３（ａ）において、横軸は時間、縦軸はプラント操作量を示し、実線はガスタービン負荷、点線は蒸気加減弁の開度を示している。図３（ｂ）は、プラント状態値をタービンロータの表面と中心の温度差とした場合のプラント状態値の推移を示している。図３（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は温度を示し、実線は表面の温度、点線は中心の温度を示している。また、図３（ｂ）の一点鎖線は表面と中心の温度差を示している。図３（ｃ）は蒸気流量、図３（ｄ）は熱応力の推移を示している。図３（ｃ），（ｄ）において、横軸は時間、縦軸はそれぞれ蒸気流量、熱応力を示している。

図３（ｂ）に示すように、タービンロータの表面と中心の温度差が予め定められた設定値よりも大きい区間Ａ１，Ａ２では、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が高いと判定され、第２の制御モードに従い、ガスタービン負荷を保持し、蒸気加減弁の開度を熱応力が制限値を超えないように制御する（図３（ａ），（ｃ），（ｄ））。区間Ａ１，Ａ２では、タービンロータの表面と中心の温度はガスタービン負荷に応じた整定点に向けて伝熱による遅れを持って上昇する程度に抑制されるため、熱応力が急激に変化することはない。また、伝熱による遅れの時間は、蒸気流量が増加すれば減少し、蒸気流量が減少すれば増加するため、蒸気加減弁の開度で制御することができる。したがって、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が高い区間で蒸気加減弁の開度を制御することにより、熱応力を安全かつ効率よく制御することができる。また、区間Ａ１のように蒸気温度が低く保持された状態で蒸気流量が増加することにより、蒸気タービン負荷を早期に上昇させることができ、蒸気タービンの起動時における発電効率を向上させることができる。

一方、図３（ｂ）に示すように、タービンロータの表面と中心の温度差が予め定められた設定値よりも小さい区間Ｂ１，Ｂ２では、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が低いと判定され、第１の制御モードに従い、蒸気加減弁の開度を蒸気流量が一定になるように制御し、ガスタービン負荷を熱応力が制限値を超えないように制御する（図３（ａ），（ｃ），（ｄ））。区間Ｂ１，Ｂ２では、熱応力の制限値に対する余裕があるため、ガスタービン負荷すなわち蒸気温度が上昇するよう制御される。したがって、熱応力やその他熱影響量の値が制限値付近まで上昇するようにタービンロータへの伝熱が促進され、蒸気タービンの起動時間を短縮することができる。

＜第２実施形態＞
（構成）
図４は、本実施形態に係る発電プラントの概略構成図である。図４において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の記号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態に係る発電プラント１０１の起動制御装置４１は、熱影響量制御手段切替回路２４に代えて熱影響量調整ゲイン計算回路４０を備え、蒸気温度調整回路２５及び蒸気流量調整回路２６が熱影響量調整ゲイン計算回路４０で計算された調整ゲインを用いてプラント操作量を計算する点で第１実施形態と異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

図４に示すように、熱影響量調整ゲイン計算回路４０は、プラント状態値５２を入力する。熱影響量調整ゲイン計算回路４０は、入力したプラント状態値５２に基づき、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度を判定し、判定した感度に応じて、熱影響量の制御に用いる重み付け値を設定するための蒸気温度調整ゲインＧｔ及び蒸気流量調整ゲインＧｆを計算する。蒸気温度調整ゲインＧｔは蒸気温度の変化率の調整、蒸気流量調整ゲインＧｆは蒸気流量の変化率の調整に用いられる。

蒸気温度調整回路２５は、熱影響量予測計算回路２３で計算された熱影響量の予測値と熱影響量調整ゲイン計算回路４０で計算された蒸気温度調整ゲインＧｔとを入力し、蒸気温度に関わるプラント操作量を計算する。また、蒸気流量調整手段２６は、熱影響量予測計算回路２３で計算された熱影響量の予測値と熱影響量調整ゲイン計算回路４０で計算された蒸気流量調整ゲインＧｆとを入力し、蒸気流量に関わるプラント操作量を計算する。

（動作）
図５は、操作状態指令値の計算手順を説明するための図である。以下、操作状態指令値の計算手順について、熱影響量予測計算回路２３で計算される熱影響量を熱応力、蒸気温度調整回路２５で計算されるプラント操作量をガスタービン負荷、蒸気流量調整回路２６で計算されるプラント操作量を蒸気タービン負荷、プラント状態値５２をタービンロータの表面と中心の温度差とした場合を例にして説明する。なお、熱影響量予測計算回路２３で計算される熱影響量は熱応力に限定されず、蒸気タービンの起動に関わる２つ以上の熱影響量について計算しても良い。また、蒸気温度調整回路２５で計算されるプラント操作量はガスタービン負荷に限定されず、蒸気温度に関わる２つ以上のプラント操作量について計算しても良い。また、蒸気流量調整回路２６で計算されるプラント操作量は蒸気タービン負荷に限定されず、蒸気流量に関わる２つ以上のプラント操作量について計算しても良い。また、プラント状態値５２は蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度を推定するための指標であれば他の値を用いても良い。

図５に示すように、熱影響量調整ゲイン計算回路４０は、タービンロータの表面と中心の温度差を入力し、蒸気温度調整ゲインＧｔ及び蒸気流量調整ゲインＧｆを計算する。蒸気温度調整ゲインＧｔは、タービンロータの表面と中心の温度差が小さい（つまり、蒸気温度の変化に対する熱応力の感度が低い）ほど大きい値に、温度差が大きい（つまり、蒸気温度の変化に対する熱応力の感度が高い）ほど小さい値に計算される。蒸気流量調整ゲインＧｆは、蒸気温度調整ゲインＧｔと干渉して熱応力の制御が振動的となることを避けるため、例えば、蒸気温度調整ゲインＧｔが大きい領域では小さい値に、蒸気温度調整ゲインＧｔが小さい領域では大きい値に計算される。なお、蒸気温度調整ゲインＧｔ及び蒸気流量調整ゲインＧｆは、例えば、記憶部（不図示）に予め格納されている数表に基づいて計算される。

蒸気温度調整回路２５は、熱影響量予測計算回路２３で計算された熱応力の予測値と記憶部に予め格納されている熱応力の制限値とを入力し、熱応力の制限値から熱応力の予測値を減じて熱応力余裕を計算する。また、蒸気温度調整回路２５は、記憶部に予め格納されている修正前の蒸気温度計算パラメータａに熱影響量調整ゲイン計算回路４０で計算された蒸気温度調整ゲインＧｔを乗じて、修正後の蒸気温度計算パラメータ（重み付け値）Ａを得る。そして、蒸気温度調整回路２５は、熱応力余裕と修正後の蒸気温度計算パラメータＡとに基づき、ガスタービン負荷に関するプラント操作量を計算する。ガスタービン負荷に関するプラント操作量は、例えば、修正後の蒸気温度計算パラメータＡを熱応力余裕をガスタービン負荷に関する指令値に変換する係数とし、熱応力余裕に修正後の蒸気温度計算パラメータＡを乗じることにより得られる。

蒸気流量調整回路２６は、蒸気温度調整回路２５と同様、熱応力余裕を計算する。一方、蒸気流量調整回路２６は、記憶部に予め格納されている修正前の蒸気流量計算パラメータｂに熱影響量調整ゲイン計算回路４０で計算された蒸気流量調整ゲインＧｆを乗じて、修正後の蒸気流量計算パラメータ（重み付け値）Ｂを得る。そして、蒸気流量調整回路２６は、熱応力余裕と修正後の蒸気流量計算パラメータＢとに基づき、蒸気タービン負荷に関するプラント操作量を計算する。蒸気タービン負荷に関するプラント操作量は、例えば、修正後の蒸気流量計算パラメータＢを熱応力余裕を蒸気タービン負荷指令に変換する係数とし、熱応力余裕に修正後の蒸気流量計算パラメータＢを乗じることにより得られる。

熱源媒体量操作状態計算回路２７は、蒸気温度調整回路２５から入力されたプラント操作量を基に熱源媒体量操作部１１に対する操作状態指令値を算出し、熱源媒体量操作部１１に出力する。蒸気加減弁操作状態計算回路３０は、蒸気流量調整回路２６から入力されたプラント操作量を基に蒸気加減弁１３に対する操作状態指令値を算出し、蒸気加減弁１３に出力する。

（効果）
本実施形態では、プラント操作量の変化に対する熱影響量の感度に応じて蒸気温度調整ゲインＧｔ及び蒸気流量調整ゲインＧｆを計算し、蒸気温度調整ゲインＧｔ及び蒸気流量調整ゲインＧｆに基づいて計算した重み付け値を用いてプラント操作量を計算している。具体的に、蒸気温度調整ゲインＧｔは、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が低いほど大きい値に、感度が高いほど小さい値に計算される。一方、蒸気流量調整ゲインＧｆは、蒸気温度調整ゲインＧｔが高い領域では小さい値に、低い領域では大きい値に計算される。そのため、例えば、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が高く熱影響量が制限値を超える可能性が高い領域では、蒸気温度調整ゲインＧｔを小さく、蒸気流量調整ゲインＧｆを大きく計算し、蒸気温度に対して蒸気流量を優先的に調整して熱影響量を安全かつ効率よく制御することができる。また、蒸気温度の変化に対する熱影響量の感度が高い領域及び低い領域において、蒸気温度と蒸気流量を同時に上昇させることができるため、熱影響量の値を制限値を超えることのない範囲で制限値付近まで上昇させることができる。したがって、不要な待ち時間を削減することができ、その分蒸気タービンを高速に起動させることができる。

＜その他＞
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、各実施形態の構成の一部を削除することも可能である。

上述した各実施形態において、発電プラントが熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、及び温度調整手段１５を調整装置として備える構成を例示した。しかしながら、本発明の本質的効果は、発電プラントの状態に応じて蒸気タービンを高速かつ安全に起動することができる起動制御装置を提供することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限られない。例えば、新たな構成要素を調整装置として備えても良い。

また、本発明に係る起動制御装置は、コンバインドサイクル発電プラントに限らず、汽力発電プラントや太陽熱発電プラント等の蒸気タービンを備えるプラント全てに適用可能である。

例えば、本発明に係る起動制御装置を汽力発電プラントに適用する場合、図１，４において熱源媒体には石炭や天然ガス、熱源媒体量操作部１１には燃料調節弁、低温流体には空気や酸素、低温流体量操作部１２には空気流量調節弁、熱源装置１にはボイラ中の火炉、高温流体には燃焼ガス、蒸気発生設備２にはボイラ中の伝熱部（蒸気発生部）を採用することができる。

また、本発明に係る起動制御装置を太陽熱発電プラントに適用する場合、図１，４において熱源媒体には太陽光、熱源媒体量操作部１１には集熱パネルの駆動装置、低温流体及び高温流体には油や高温溶媒塩などの太陽熱エネルギを変換して保有している媒体、低温流体量操作部１２には油や高温溶媒塩等の流量調節弁、熱源装置１には集熱パネル、蒸気発生設備２には高温流体との熱交換により給水を蒸気へと加熱する設備を採用することができる。

また、本発明に係る起動制御装置を燃料電池と蒸気タービンを組み合わせた発電プラントに適用する場合、図１，４において熱源媒体には一酸化炭素・水素等の燃料ガス、熱源媒体量操作部１１には燃料ガス流量調節弁、低温流体には空気、低温流体量操作部１２には空気調節弁、熱源装置１には燃料電池、高温流体には燃料電池排ガス、蒸気発生設備２には排熱回収ボイラを採用することができる。

１ 熱源装置
２ 蒸気発生設備
３ 蒸気タービン
５ 熱源媒体
６ 低温流体
７ 高温流体
８ 蒸気
１１ 熱源媒体量操作部（調整装置）
１２ 低温流体量操作部（調整装置）
１３ 蒸気加減弁（調整装置）
１４ バイパス弁（調整装置）
１５ 温度調整手段（調整装置）
２１，４１ 起動制御装置
２３ 熱影響量予測計算回路
２４ 熱影響量制御手段切替回路（切替回路）
２５ 蒸気温度調整回路（調整回路）
２６ 蒸気流量調整回路（調整回路）
４０ 熱影響量調整ゲイン計算回路（ゲイン計算回路）
１００，１０１ 発電プラント

Claims (8)

1. 熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置と、
   前記高温流体との熱交換により蒸気を発生させる蒸気発生設備と、
   前記蒸気で駆動する蒸気タービンと、
   プラント操作量を調整する調整装置とを備えた発電プラントの起動制御装置において、
   前記蒸気タービンの起動制御に用いる少なくとも一つの熱影響量について予測値を計算する熱影響量予測計算回路と、
   前記発電プラントの状態値に基づき、前記プラント操作量の変化に対する前記熱影響量の感度を判定し、感度に応じて前記熱影響量を制御する制御モードを切り替える切替信号を出力する切替回路と、
   前記切替信号に基づき、前記熱影響量が予め決定された制限値を超えないよう前記プラント操作量を計算する調整回路とを備えたことを特徴とする起動制御装置。
2. 請求項１に記載の起動制御装置において、
   前記調整装置は、前記熱源装置に供給される熱源媒体量を調節して前記高温流体が保有する熱量を操作する熱源媒体量操作部と、前記蒸気タービンに供給される蒸気の流量を操作する蒸気加減弁とを含むことを特徴とする起動制御装置。
3. 請求項１に記載の起動制御装置において、
   前記熱影響量は、熱応力、熱伸び差、構造体部位間の温度差のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする起動制御装置。
4. 請求項１に記載の起動制御装置において、
   前記調整回路は、前記蒸気の温度に関わるプラント操作量を計算する蒸気温度調整回路と、前記蒸気の流量に関わるプラント操作量を計算する蒸気流量調整回路とを備え、
   前記蒸気温度調整回路及び前記蒸気流量調整回路は、前記切替信号に応じた制御モードで前記プラント操作量を計算することを特徴とする起動制御装置。
5. 請求項４に記載の蒸気タービン発電プラントにおいて、
   前記低温流体の流量を調節して前記熱源装置から前記蒸気発生設備に供給される前記高温流体の流量を操作する低温流体量操作部と、
   前記蒸気発生設備の蒸気配管系統に熱媒体を供給して前記蒸気の温度を調整する温度調整手段とを備え、
   前記蒸気温度調整回路は、前記熱源媒体量操作部、前記低温流体量操作部、前記温度調整手段、前記熱源装置の負荷、前記高温流体の温度、及び前記温度調整手段における前記蒸気に対するスプレー流量を含む前記蒸気の温度に関わるプラント操作量のうち少なくとも一つを計算することを特徴とする起動制御装置。
6. 請求項４に記載の起動制御装置において、
   前記蒸気発生設備と前記蒸気タービンを接続する蒸気配管系統から分岐し、前記蒸気を他系統へ排出するバイパス系統と、
   前記バイパス系統への前記蒸気の流量を制御するバイパス弁とを備え、
   前記蒸気流量調整回路は、前記蒸気加減弁、前記バイパス弁、前記蒸気タービンの回転数、前記蒸気タービンの負荷を含む前記蒸気流量に関わるプラント操作量のうち少なくとも一つを計算することを特徴とする起動制御装置。
7. 請求項１に記載の起動制御装置において、
   前記切替回路は、前記蒸気の温度変化に対する前記熱影響量の感度をするための少なくとも一つの指標に基づき前記切替信号を出力することを特徴とする起動制御装置。
8. 熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置と、
   前記高温流体との熱交換により蒸気を発生させる蒸気発生設備と、
   前記蒸気で駆動する蒸気タービンと、
   プラント操作量を調整する調整装置とを備えた発電プラントの起動制御装置において、
   前記蒸気タービンの起動制御に用いる少なくとも一つの熱影響量について予測値を計算する熱影響量予測計算回路と、
   前記発電プラントの状態値に基づき、前記プラント操作量の変化に対する前記熱影響量の感度を判定し、感度に応じて前記熱影響量の制御に用いる重み付け値を計算するゲイン計算回路と、
   前記重み付け値を用いて、前記熱影響量が予め決定された制限値を超えないよう前記プラント操作量を計算する調整回路とを備えたことを特徴とする起動制御装置。

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