JP2017025792A - コンバインドサイクル発電プラント及びその起動方法 - Google Patents

コンバインドサイクル発電プラント及びその起動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービンが共に熱影響量を制限値に近づけた状態で運転することができ、起動時間の短縮を図ることができるコンバインドサイクル発電プラントを提供する。
【解決手段】コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン１０の排ガスを熱源として利用し、高圧蒸気を過熱して高圧蒸気タービン３１へ供給する高圧過熱器２１ａ、及び高圧蒸気タービン３１の排蒸気を再熱して中圧蒸気タービン３２へ供給する再熱器２２を有する排熱回収ボイラ２０と、高圧過熱器２１ａ及び再熱器２２に対して蒸気をバイパスさせるバイパス配管２６，２７と、バイパス配管２６，２７の蒸気流量を調節するバイパス弁１０４，１０５と、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅との差が小さくなるように、バイパス弁１０４，１０５を制御するバイパス制御装置２０６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンバインドサイクル発電プラント及びその起動方法に関する。
コンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービンで仕事をした後の排ガスを排熱回収ボイラに導き、その排熱を利用して蒸気を発生させ、その蒸気を利用して蒸気タービンを駆動する。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発電量が大きく変動することから、電力系統の不安定化を抑制すべく、コンバインドサイクル発電プラントの起動時間の短縮が求められている。
そのため、コンバインドサイクル発電プラントの起動時において、蒸気タービンへ供給する蒸気の温度や流量を急激に上昇させる。しかし、その結果、タービンロータの表面が内部に比較して急激に昇温し、半径方向の温度勾配が大きくなって熱応力が増大する。過大な熱応力はタービンロータの寿命を縮める可能性がある。また、蒸気の温度変化が大きい場合、タービンロータとケーシングの間に熱容量の違いによる熱伸び差が生じる。この熱伸び差が大きくなると、回転するタービンロータと静止するケーシングが接触し損傷する可能性もある。そのため、熱応力や熱伸び差が制限値を超えないように、起動時における蒸気の温度や流量などを適切に制御する必要がある。
ここで、蒸気タービンの起動制御に関しては、現在時刻から先の一定期間の熱応力と熱伸び差を予測計算し、熱応力と熱伸び差の予測値を制限値内に抑えるようにして蒸気タービンを高速起動する技術が知られている（特許文献１等参照）。特許文献１では、プラント状態量の計測値（詳細には、例えば蒸気タービンの入口蒸気の温度や圧力等）を基にして熱応力と熱伸び差を予測計算し、それら予測値を制限値内に抑えるようにプラント操作量を決定している。
特開２００９−２８１２４８号公報
ところで、コンバインドサイクル発電プラントでは、出力増大と高効率化を図るために、排熱回収ボイラにて発生した高圧蒸気（主蒸気）を用いて高圧蒸気タービンを駆動させた後、高圧タービンから排出された蒸気を排熱回収ボイラに戻して再度加熱した蒸気（再熱蒸気）を用いて中圧蒸気タービンを駆動させる、再熱形式を採用する場合が多い。
再熱形式のコンバインドサイクル発電プラントでは、図７に示すように、高圧蒸気タービンと中圧蒸気タービンで熱応力等の熱影響量の挙動が異なるため、制限値に対する余裕幅に差が生じる。そのため、高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅のうち、小さいほうに基づき、プラント操作量を決定する。この場合、高圧蒸気タービンと中圧蒸気タービンのうち、余裕幅の小さいほうに対しては、熱影響量を制限値に近づけた状態で運転することができるものの、余裕幅の大きいほうに対しては、熱影響量を制限値に近づけた状態で運転することができない。したがって、起動時間の短縮を図る点で改善の余地がある。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービンが共に熱影響量を制限値に近づけた状態で運転することができ、起動時間の短縮を図ることができるコンバインドサイクル発電プラントを提供することである。
上記目的を解決するために、本発明のコンバインドサイクル発電プラントは、燃料ガスを用いて生成された高温ガスで駆動するガスタービンと、蒸気で駆動する高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービンと、前記ガスタービン、前記高圧蒸気タービン、及び前記中圧蒸気タービンの回転動力を電力に変換する発電機と、前記ガスタービンの排ガスを熱源として利用し、高圧蒸気を過熱して前記高圧蒸気タービンへ供給する高圧過熱器、及び前記高圧蒸気タービンの排蒸気を再熱して前記中圧蒸気タービンへ供給する再熱器を有する排熱回収ボイラと、前記高圧過熱器及び前記再熱器のそれぞれに対して蒸気又は排ガスをバイパスさせる複数のバイパス経路と、前記複数のバイパス経路をそれぞれ流れる蒸気又は排ガスの流量を調節する複数のバイパス流量調節器と、前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅と前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅との差が小さくなるように、前記複数のバイパス流量調節器を制御するバイパス制御装置とを備える。
本発明によれば、高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービンが共に熱影響量を制限値に近づけた状態で運転することができ、起動時間の短縮を図ることができる。
本発明の第１の実施形態におけるコンバインドサイクル発電プラントの構成を表す概略図である。 本発明の第１の実施形態における予測計算装置の機能的構成を表すブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるコンバインドサイクル発電プラントの起動制御を説明するためのタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態におけるコンバインドサイクル発電プラントの構成を表す概略図である。 本発明の第２の実施形態における高圧過熱器及びダンパの構造を表す図である。 本発明の第２の実施形態におけるダンパの動作を説明するための図であり、ダンパが開いた状態を示す。 本発明の第２の実施形態におけるダンパの動作を説明するための図であり、ダンパが閉じた状態を示す。 本発明の第３の実施形態におけるコンバインドサイクル発電プラントの構成を表す概略図である。 従来のコンバインドサイクル発電プラントの起動時における高圧蒸気タービンの熱影響量と中圧蒸気タービンの熱影響量の挙動を表す図である。
本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態におけるコンバインドサイクル発電プラントの構成を表す概略図である。
本実施形態のコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン１０、排熱回収ボイラ２０、蒸気タービン３０、発電機４０、及び起動制御装置２０１を備えている。蒸気タービン３０は、高圧蒸気タービン３１及び中圧蒸気タービン３２を備えている。
ガスタービン１０は、圧縮機１１、燃焼器１２、及びタービン１３を備えている。圧縮機１１は、大気条件の空気を吸気して加圧し、生成した圧縮空気を燃焼器１２に送る。燃焼器１２は、圧縮機１１からの圧縮空気（燃焼用空気）と燃料ガスを混合燃焼し、生成した高温高圧の燃焼ガスをタービン１３に送る。タービン１３は、燃焼器１２からの燃焼ガスによって駆動され、同軸に結合された圧縮機１１を駆動する。また、高圧蒸気タービン３１及び中圧蒸気タービン３２と共に同軸に結合された発電機４０を駆動する。発電機４０は、タービン１３、高圧蒸気タービン３１、及び中圧蒸気タービン３２の回転動力を電力に変換する。タービン１３で仕事をした排ガスは排熱回収ボイラ２０に送られる。
ガスタービン１０の燃焼器１２に対する燃料ガスの供給経路には燃料ガス調節弁１０２が設けられており、この燃料ガス調節弁１０２によって燃料ガスの供給量が調整される。燃料ガス調節弁１０２は、コンバインドサイクル発電プラントのプラント負荷を調整する調整装置として機能する。また、燃料ガスの供給経路における燃料ガス調節弁１０２の下流側には流量計１０３が設けられており、この流量計１０３によって燃料ガスの供給流量が計測される。
排熱回収ボイラ２０は、タービン１３からの排ガスを熱源として蒸気タービン３０を駆動するための蒸気を生成するものであり、高圧過熱器２１ａ，２１ｂ、再熱器２２、高圧蒸発器２３、高圧節炭器２４、及び高圧蒸気ドラム２５を備えている。排熱回収ボイラ２０に送られた排ガスは、高圧過熱器２１ａ、再熱器２２、高圧過熱器２１ｂ、高圧蒸発器２３、高圧節炭器２４の順に通過して熱回収されることにより温度が降下し、図示しない煙突から大気中に放出される。
一方、排熱回収ボイラ２０に供給される高圧給水は、高圧節炭器２４で加熱された後に、高圧蒸気ドラム２５を経由して高圧蒸発器２３に送られ、高圧蒸発器２３で高圧蒸気に変換される。高圧蒸発器２３で得られた高圧蒸気は、高圧蒸気ドラム２５を経由して高圧過熱器２１ｂに送られて過熱され、さらに高圧過熱器２１ａに送られて過熱される。高圧過熱器２１ａで過熱された高圧蒸気（主蒸気）は、主蒸気配管３３を介して高圧蒸気タービン３１に供給される。これにより、高圧蒸気タービン３１が駆動する。
高圧蒸気タービン３１から排出された蒸気は、排蒸気配管３４を介して再熱器２２に送られる。再熱器２２で過熱された蒸気（再熱蒸気）は、再熱蒸気配管３５を介して中圧蒸気タービン３２に供給される。これにより、中圧蒸気タービン３２が駆動する。
ここで本実施形態の特徴の一つとして、高圧過熱器２１ａに対して蒸気をバイパスさせるためのバイパス配管２６（バイパス経路）が設けられ、このバイパス配管２６にバイパス弁１０４（バイパス流量調節器）が設けられている。また、再熱器２２に対して蒸気をバイパスさせるためのバイパス配管２７（バイパス経路）が接続され、このバイパス配管２７にバイパス弁１０５（バイパス流量調節器）が設けられている。バイパス弁１０４，１０５は、バイパス配管２６，２７を流れる蒸気の流量を調節する。
主蒸気配管３３には、主蒸気加減弁１０６が設けられている。これは蒸気タービン３０に供給する蒸気流量を調整するものであって、蒸気タービン３０の負荷を調整する調整装置として機能し得る。主蒸気配管３３における主蒸気加減弁１０６の上流側には圧力計１０７及び温度計１０８が設けられている。圧力計１０７及び温度計１０８は、主蒸気配管３３を流れる主蒸気の圧力及び温度をそれぞれ計測する。同様に、再熱蒸気配管３５には圧力計１０９及び温度計１１０が設けられている。圧力計１０９及び温度計１１０は、再熱蒸気配管３５を流れる再熱蒸気の圧力及び温度をそれぞれ計測する。
高圧蒸気タービン３１には温度計１１１及び熱伸び差計１１２が設けられている。温度計１１１は、高圧蒸気タービン３１の初段のケーシング等のメタル温度を計測し、熱伸び差計１１２は、高圧蒸気タービン３１のロータとケーシングの軸方向の熱伸び差を計測する。同様に、中圧蒸気タービン３２には温度計１１３及び熱伸び差計１１４が設けられている。温度計１１３は、中圧蒸気タービン３２の初段のケーシング等のメタル温度を計測し、熱伸び差計１１４は、ロータとケーシングの軸方向の熱伸び差を計測する。
起動制御装置２０１には、計測値データとして、プラントの状態量を示す各種計測値が入力される。詳細には、例えば、流量計１０３で計測された燃料ガスの供給流量、圧力計１０７及び温度計１０８で計測された主蒸気の圧力及び温度、圧力計１０９及び温度計１１０で計測された再熱蒸気の圧力及び温度、温度計１１１で計測された高圧蒸気タービン３１の初段のメタル温度、熱伸び差計１１２で計測された高圧蒸気タービン３１の熱伸び差、温度計１１３で計測された中圧蒸気タービン３２の初段のメタル温度、熱伸び差計１１４で計測された中圧蒸気タービン３２の熱伸び差等である。これら以外の状態量を起動制御装置２０１に入力してもよい。例えば、ガスタービン１０の圧縮機１１に対する空気の供給経路に流量計を設け、空気の供給量を計測して起動制御装置２０１に入力してもよい。この場合、空気の供給経路に入口案内翼（ＩＧＶ）を設け、空気の供給量を調整する構成としてもよい。
起動制御装置２０１は、予測計算装置２０２，２０３、熱影響量余裕幅計算装置２０４、負荷制御装置２０５、及びバイパス制御装置２０６の各要素を含んでいる。
予測計算装置２０２，２０３は、入力した計測値データを基にして、現在時刻から未来に亘る一定期間の熱影響量を予測計算する。熱影響量とは、コンバインドサイクル発電プラントの起動運転時に蒸気タービン３０のタービンロータにかかる熱応力や、タービンロータとこれを収容するケーシングとの軸方向の熱伸び差等を含め、起動時の蒸気温度や蒸気圧力等の急激な上昇により変化する蒸気タービン３０の状態量をいう。本願明細書において、単に「熱影響量」といった場合には熱応力及び熱伸び差を意味する。また、単に「熱応力」といった場合には蒸気タービン３０のタービンロータに係る熱応力をいい、単に「熱伸び差」といった場合にはタービンロータとこれを収容する蒸気タービン３０のケーシングとの軸方向の熱伸び差をいう。高圧蒸気タービン３１に対する熱影響量を予測計算するのが予測計算装置２０２であり、中圧蒸気タービン３２に対する熱影響量を予測計算するのが予測計算装置２０３である。
熱影響量余裕幅計算装置２０４は、予測計算装置２０２，２０３で計算された高圧蒸気タービン３１の熱影響量の予測値及び中圧蒸気タービン３２の熱影響量の予測値を基にして、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅及び中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅を計算する。ここで、熱影響量余裕幅とは、熱影響量の予測値と予め設定した制限値との偏差である。
負荷制御装置２０５は、熱影響量余裕幅計算装置２０４で計算された高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅を基にして、高圧蒸気タービン３１の熱影響量と中圧蒸気タービン３２の熱影響量が制限値を超えないように、燃料ガス調節弁１０２及び主蒸気加減弁１０６への指令値を計算して出力する。これにより、例えばＰＩＤ制御によって燃料ガス調節弁１０２及び主蒸気加減弁１０６の開度を調整する。
バイパス制御装置２０６は、熱影響量余裕幅計算装置２０４で計算された高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅を基にして、それらの差が予め設定された所定値より小さくなるようにバイパス弁１０４，１０５への指令値を計算して出力する。これにより、例えばＰＩＤ制御によってバイパス弁１０４，１０５の開度を調整する。
次に、予測計算装置２０２の詳細について説明する。図２は、本実施形態における予測計算装置２０２の機能的構成を表すブロック図である。なお、予測計算装置２０３については、予測計算装置２０２と同様の構成であるため、説明を省略する。
予測計算装置２０２は、タービン入口蒸気条件予測計算部２１１、第１段蒸気条件予測計算部２１２、第１段ロータ半径方向温度分布予測計算部２１３、熱応力予測計算部２１４、段落部蒸気条件予測計算部２１５、ロータ軸方向温度分布予測計算部２１６、ケーシング蒸気条件予測計算部２１７、ケーシング軸方向温度分布予測計算部２１８、及び熱伸び差予測計算部２１９の各要素を含んでいる。
タービン入口蒸気条件予測計算部２１１は、流量計１０３で計測された燃料ガスの供給流量を基にして、ガスタービン１０から排熱回収ボイラ２０を経て高圧蒸気タービン３１に至る熱と物質の伝播過程を計算する。そして、この計算結果を基にして、高圧蒸気タービン３１の入口蒸気の条件（具体的には、流量、圧力、及び温度）を予測計算する。
第１段蒸気条件予測計算部２１２は、タービン入口蒸気条件予測計算部２１１の計算結果を基に、高圧蒸気タービン３１の第１段落部における圧力降下を考慮して、高圧蒸気タービン３１の第１段落部の蒸気（第１段蒸気）の条件（具体的には、流量、圧力、温度、及び熱伝達率）を予測計算する。
第１段ロータ半径方向温度分布予測計算部２１３は、第１段蒸気条件予測計算部２１２の計算結果を基にして、第１段蒸気からタービンロータへの伝熱計算により、高圧蒸気タービン３１におけるタービンロータの半径方向の温度分布を予測計算する。
熱応力予測計算部２１４は、第１段ロータ半径方向温度分布予測計算部２１３の計算結果を基に、タービンロータの線膨張率、ヤング率、ポアソン比等を用いた材料力学計算により、高圧蒸気タービン３１におけるタービンロータの熱応力を予測計算する。さらに、計測値データを用いて熱応力の計算値を補正する。
段落部蒸気条件予測計算部２１５は、タービン入口蒸気条件予測計算部２１１の計算結果を基に、高圧蒸気タービン３１の各段落部での圧力降下を考慮して、高圧蒸気タービン３１の各段落部の蒸気（各段蒸気）の条件（具体的には、流量、圧力、温度、及び熱伝達率）を予測計算する。
ロータ軸方向温度分布予測計算部２１６は、段落部蒸気条件予測計算部２１５の計算結果を基に、各段蒸気からタービンロータへの伝熱計算により、高圧蒸気タービン３１におけるタービンロータの軸方向の温度分布を予測計算する。
ケーシング蒸気条件予測計算部２１７は、タービン入口蒸気条件予測計算部２１１の計算結果を基に、タービンケーシングにおける圧力降下を考慮して、ケーシング蒸気の条件（具体的には、流量、圧力、温度、及び熱伝達率）を予測計算する。
ケーシング軸方向温度分布予測計算部２１８は、ケーシング蒸気条件予測計算部２１７の計算結果を基に、ケーシング蒸気からケーシングへの伝熱計算により、高圧蒸気タービン３１におけるケーシングの軸方向の温度分布を予測計算する。
熱伸び差予測計算部２１９は、ロータ軸方向温度分布予測計算部２１６とケーシング軸方向温度分布予測計算部２１８の計算結果を基に、タービンロータとケーシングの線膨張率を用いた材料力学計算により、高圧蒸気タービン３１におけるタービンロータの熱伸び量とケーシングの熱伸び量を計算する。そして、両者の差をとることによって熱伸び差を予測計算する。さらに、計測値データを用いて熱伸び差の予測値を補正する。
次に、コンバインドサイクル発電プラントの起動制御について説明する。図３は、本実施形態におけるコンバインドサイクル発電プラントの起動制御を説明するためのタイムチャートである。
時刻ｔ０から現在時刻ｔ１（但し、ｔ０＜ｔ１）に至るまでの燃料ガスの流量が、例えば図３中１段目の点線で示すように推移する。予測計算装置２０２，２０３では、現在時刻ｔ１にて流量計１０３で計測された燃料ガスの流量を基に、時刻ｔ１から時刻ｔ３（但し、ｔ１＜ｔ３）までの予測期間中の燃料ガスの流量を予測計算する（図３中１段目の実線参照）。ここでは計算容量を減らして速度を確保するために、予測期間中の燃料ガスの流量が時刻ｔ１における変化率で推移すると仮定して、燃料ガスの流量を線型に計算する。
続いて、予測計算装置２０２では、予測期間中の燃料ガスの流量の予測推移を基に、同期間中の高圧蒸気タービン３１に対する熱応力及び熱伸び差の推移を予測計算する（図３中２段目及び３段目の実線参照）。同様に、予測計算装置２０３では、予測期間中の燃料ガスの流量の予測推移を基に、同期間中の中圧蒸気タービン３２に対する熱応力及び熱伸び差の推移を予測計算する（図３中４段目及び５段目の実線参照）。ここで、予測期間は、ガスタービン１０で発生する熱量が変化してから熱応力及び熱伸び差に変化が現れ始めるまでの期間（応答遅延時間）かそれよりも長く設定した期間である。応答遅延時間は、理論上又は経験上得られた値とする。
熱影響量余裕幅計算装置２０４では、予測計算装置２０２で計算された高圧蒸気タービン３１の熱応力の予測推移を基に、熱応力の予測ピーク値と制限値との偏差（熱応力余裕幅）を計算する。また、予測計算装置２０２で計算された高圧蒸気タービン３１の熱伸び差の予測推移を基に、熱伸び差の予測ピーク値と制限値との偏差（熱伸び差余裕幅）を計算する。また、予測計算装置２０３で計算された中圧蒸気タービン３２の熱応力の予測推移を基に、熱応力の予測ピーク値と制限値との偏差（熱応力余裕幅）を計算する。また、予測計算装置２０３で計算された中圧蒸気タービン３２の熱伸び差の予測推移を基に、熱伸び差の予測ピーク値と制限値との偏差（熱伸び差余裕幅）を計算する。
負荷制御装置２０５では、熱影響量余裕幅計算装置２０４で計算された高圧蒸気タービン３１の熱応力余裕幅及び熱伸び差余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱応力余裕幅及び熱伸び差余裕幅を基にして（詳細には、後述するバイパス弁１０４，１０５の制御による熱応力余裕幅及び熱伸び差余裕幅の調整も加味して）、高圧蒸気タービン３１の熱応力及び熱伸び差と中圧蒸気タービン３２の熱応力及び熱伸び差が制限値を超えないように、時刻ｔ１から時刻ｔ２（但し、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）までの操作量更新期間内の燃料ガス調節弁１０２及び主蒸気加減弁１０６への指令値を計算して出力する（図３中６段目の実線参照）。
バイパス制御装置２０６では、熱影響量余裕幅計算装置２０４で計算された高圧蒸気タービン３１の熱応力余裕幅及び熱伸び差余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱応力余裕幅及び熱伸び差余裕幅を基にして、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅の差が所定値より小さくなるように、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの操作量更新期間内の高圧過熱器用バイパス弁１０４及び再熱器用バイパス弁１０５への指令値を計算して出力する（図３中７段目の実線参照）。
高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅の差と、バイパス弁１０４，１０５の開度との関係について説明する。バイパス弁１０４の開度を大きくして、高圧過熱器２１ａをバイパスする蒸気の流量を増やすと、高圧過熱器２１ａを通過する蒸気の流量が減って、排ガスから高圧過熱器２１ａへの熱移動量が減少する。これにより、高圧蒸気タービン３１へ供給する主蒸気の温度が低下して、高圧蒸気タービン３１の熱影響量が減少し、熱影響量余裕幅が増大する。また、再熱器２２に流入する排ガスの熱量が増大し、排ガスから再熱器２２への熱移動量が増加する。これにより、中圧蒸気タービン３２へ供給する再熱蒸気の温度が上昇して、中圧蒸気タービン３２の熱影響量が増大し、熱影響量余裕幅が減少する。
一方、バイパス弁１０５の開度を大きくして、再熱器２２をバイパスする蒸気の流量を増やすと、再熱器２２を通過する蒸気の流量が減って、排ガスから再熱器２２への熱移動量が減少する。これにより、中圧蒸気タービン３２へ供給する再熱蒸気の温度が低下して、中圧蒸気タービン３２の熱影響量が減少し、熱影響量余裕幅が増大する。また、高圧過熱器２１ｂに流入する排ガスの熱量が増大し、排ガスから高圧過熱器２１ｂへの熱移動量が増加する。これにより、高圧蒸気タービン３１へ供給する主蒸気の温度が上昇して、高圧蒸気タービン３１の熱影響量が増大し、熱影響量余裕幅が減少する。
したがって、中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅が高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅よりも大きい場合は、高圧過熱器用バイパス弁１０４の開度を大きくし、再熱器用バイパス弁１０５の開度を小さくすることにより、両者の熱影響量余裕幅の差を小さくすることが可能である。逆に、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅が中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅よりも大きい場合は、再熱器用バイパス弁１０５の開度を大きくし、高圧過熱器用バイパス弁１０４の開度を小さくすることにより、両者の熱影響量余裕幅の差を小さくすることが可能である。
なお、予測計算装置２０２，２０３、熱影響量余裕幅計算装置２０４、負荷制御装置２０５及びバイパス制御装置２０６は、コンバインドサイクル発電プラントの起動が完了するまで、上述した手順を繰り返す。図３では、時刻ｔ０から時刻ｔ２まで、上述した手順を３回繰り返した場合を例示している。
以上のような本実施形態においては、バイパス弁１０４，１０５を制御して、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅の差が小さくなるように調整し、このようにして調整された高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅に基づき、燃料ガス調節弁１０２及び主蒸気加減弁１０６を制御する。したがって、高圧蒸気タービン３１及び中圧蒸気タービン３２が共に熱影響量を制限値に近づけた状態で運転することができ、起動時間の短縮を図ることができる。
本発明の第２の実施形態を、図４〜図７を用いて説明する。
図４は、本実施形態におけるコンバインドサイクル発電プラントの構成を表す概略図である。図５（ａ）は、本実施形態における高圧過熱器及びダンパの構造を表す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中排ガスの流れ方向の上流側から見た図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、図５（ａ）及び図５（ｂ）にそれぞれ相当し、ダンパが開いた状態を示す。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、図５（ａ）及び図５（ｂ）にそれぞれ相当し、ダンパが閉じた状態を示す。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、排熱回収ボイラ２０の高圧過熱器２１ａに対する排ガスの流れ方向の上流側には、ダンパ１３１（バイパス流量調節器）が設けられている。これにより、高圧過熱器２１ａに対して排ガスをバイパスさせるバイパス経路２８が形成されている。ダンパ１３１は、バイパス経路２８を流れる排ガスの流量を調節する。これにより。排ガスから高圧過熱器２１ａへの熱移動量を調節可能としている。
詳しく説明すると、高圧過熱器２１ａは、連絡管１４１ａ，１４１ｂ、ヘッダ１４２ａ，１４２ｂ、及び複数の伝熱管１４３を備えている。高圧過熱器２１ｂからの蒸気は連絡管１４１ａを介してヘッダ１４２ａに導かれた後、複数の伝熱管１４３に分流する。伝熱管１４３では、排ガスから蒸気へ熱が移動することで、蒸気の温度が上昇する。過熱された蒸気はヘッダ１４２ｂに合流し、連絡管１４１ｂを介して主蒸気配管３３に導かれる。
ダンパ１３１は、伝熱管１４３の両端側（言い換えれば、ヘッダ１４２ａ側及びヘッダ１４２ｂ側）に配置されている。これにより、排ガスが伝熱管１４３を通らず、ヘッダ１４２ａ側及びヘッダ１４２ｂ側に流れるバイパス経路２８が形成されている。そして、図６（ａ）及び図６（ｂ）で示すように、ダンパ１３１を開いた状態（開度大）では、伝熱管１４３を通る排ガスの流量が大きくなり（言い換えれば、バイパス経路２８を流れる排ガスの流量が小さくなり）、排ガスから蒸気へ移動する熱量が大きくなる。一方、図７（ａ）及び図７（ｂ）で示すように、ダンパ１３１を閉じた状態（開度小）では、伝熱管１４３を通る排ガスの流量が小さくなり（言い換えれば、バイパス経路２８を流れる排ガスの流量が大きくなり）、排ガスから蒸気へ移動する熱量が小さくなる。
排熱回収ボイラ２０の再熱器２２に対する排ガスの流れ方向の上流側にはダンパ１３２（バイパス流量調節器）が設けられている。これにより、再熱器２２に対して排ガスをバイパスさせるバイパス経路２９が形成されている。ダンパ１３２は、バイパス経路２９を流れる排ガスの流量を調節する。これにより、排ガスから再熱器２２への熱移動量を調整可能としている。なお、再熱器２２及びダンパ１３２は、上述した高圧過熱器２１ａ及びダンパ１３１とほぼ同様の構造であるため、詳細な説明を省略する。
バイパス制御装置３０６は、熱影響量余裕幅計算装置２０４で計算された高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅を基にして、それらの差が予め設定された所定値より小さくなるようにダンパ１３１，１３２への指令値を計算して出力する。これにより、例えばＰＩＤ制御によってダンパ１３１，１３２の開度を調節する。
そして、中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅が高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅よりも大きい場合は、ダンパ１３１の開度を大きくし、ダンパ１３２の開度を小さくすることにより、両者の熱影響量余裕幅の差を小さくすることが可能である。逆に、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅が中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅よりも大きい場合は、ダンパ１３２の開度を大きくし、高圧過熱器ダンパ１３１の開度を小さくすることにより、両者の熱影響量余裕幅の差を小さくすることが可能である。
以上のような本実施形態においては、ダンパ１３１，１３２を制御して、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅の差が小さくなるように調整し、このようにして調整された高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅に基づき、燃料ガス調節弁１０２及び主蒸気加減弁１０６を制御する。したがって、高圧蒸気タービン３１及び中圧蒸気タービン３２が共に熱影響量を制限値に近づけた状態で運転することができ、起動時間の短縮を図ることができる。
本発明の第３の実施形態を、図８を用いて説明する。
図８は、本実施形態におけるコンバインドサイクル発電プラントの構成を表す概略図である。なお、本実施形態において、第１及び第２の実施形態と同等の部分は同符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、排熱回収ボイラ２０の高圧過熱器２１ａに対して排ガスをバイパスさせるためのバイパスダクト１５１（バイパス経路）が設けられている。バイパスダクト１５１には送風機１５３及びダクトダンパ１５２（バイパス流量調節器）が設けられている。ダクトダンパ１５２は、バイパスダクト１５１を流れる排ガスの流量を調節する。これにより、排ガスから高圧過熱器２１ａへの熱移動量を調節可能としている。
排熱回収ボイラ２０の再熱器２２に対して排ガスをバイパスさせるためのバイパスダクト１５４（バイパス経路）が設けられている。バイパスダクト１５４には送風機１５６及びダクトダンパ１５５（バイパス流量調節器）が設けられている。ダクトダンパ１５５は、バイパスダクト１５１を流れる排ガスの流量を調節する。これにより、排ガスから再熱器２２への熱移動量を調節可能としている。
バイパス制御装置４０６は、熱影響量余裕幅計算装置２０４で計算された高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅を基にして、それらの差が予め設定された所定値より小さくなるようにダクトダンパ１５２，１５５への指令値を計算して出力する。これにより、例えばＰＩＤ制御によってダクトダンパ１５２，１５５の開度を調節する。
そして、中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅が高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅よりも大きい場合は、高圧過熱器バイパスダクトダンパ１５２の開度を大きくし、再熱器バイパスダクトダンパ１５５の開度を小さくすることにより、両者の熱影響量余裕幅の差を小さくすることが可能である。逆に、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅が中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅よりも大きい場合は、再熱器バイパスダクトダンパ１５５を大きくし、高圧過熱器バイパスダクトダンパ１５２の開度を小さくすることにより、両者の熱影響量余裕幅の差を小さくすることが可能である。
以上のような本実施形態においては、ダクトダンパ１５２，１５５を制御して、高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅の差が小さくなるように調整し、このようにして調整された高圧蒸気タービン３１の熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービン３２の熱影響量余裕幅に基づき、燃料ガス調節弁１０２及び主蒸気加減弁１０６を制御する。したがって、高圧蒸気タービン３１及び中圧蒸気タービン３２が共に熱影響量を制限値に近づけた状態で運転することができ、起動時間の短縮を図ることができる。
なお、高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅と中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅との差が小さくなるように、第１の実施形態ではバイパス弁１０４，１０５を制御する場合、第２の実施形態ではダンパ１３１，１３２を制御する場合、第３の実施形態ではダクトダンパ１５２，１５５を制御する場合を説明したが、第１〜第３の実施形態のうちのいずれかを組み合わせてもよい。
また、第１〜第３の実施形態では、タービン１０と蒸気タービン３０を単一軸で結合させた１軸型である場合を例にとって説明したが、これに限られず、ガスタービン１０と蒸気タービン３０を個別の軸に結合させた多軸型としてもよい。
１０ ガスタービン
２０ 排熱回収ボイラ
２１ａ，２１ｂ 高圧過熱器
２２ 再熱器
２６ バイパス配管（バイパス経路）
２７ バイパス配管（バイパス経路）
２８ バイパス経路
２９ バイパス経路
３１ 高圧蒸気タービン
３２ 中圧蒸気タービン
４０ 発電機
１０２ 燃料ガス調節弁
１０３ 流量計
１０４ バイパス弁（バイパス流量調節器）
１０５ バイパス弁（バイパス流量調節器）
１０６ 主蒸気加減弁
１０７ 圧力計
１０８ 温度計
１０９ 圧力計
１１０ 温度計
１１１ 温度計
１１２ 熱伸び差計
１１３ 温度計
１１４ 熱伸び差計
１３１ ダンパ（バイパス流量調節器）
１３２ ダンパ（バイパス流量調節器）
１５１ バイパスダクト（バイパス経路）
１５２ ダクトダンパ（バイパス流量調節器）
１５３ 送風機
１５４ バイパスダクト（バイパス経路）
１５５ ダクトダンパ（バイパス流量調節器）
１５６ 送風機
２０２ 予測計算装置
２０３ 予測計算装置
２０４ 熱影響量余裕幅計算装置
２０５ 負荷制御装置
２０６ バイパス制御装置
３０６ バイパス制御装置
４０６ バイパス制御装置

Claims (7)

  1. 燃料ガスを用いて生成された高温ガスで駆動するガスタービンと、
    蒸気で駆動する高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービンと、
    前記ガスタービン、前記高圧蒸気タービン、及び前記中圧蒸気タービンの回転動力を電力に変換する発電機と、
    前記ガスタービンの排ガスを熱源として利用し、高圧蒸気を過熱して前記高圧蒸気タービンへ供給する高圧過熱器、及び前記高圧蒸気タービンの排蒸気を再熱して前記中圧蒸気タービンへ供給する再熱器を有する排熱回収ボイラと、
    前記高圧過熱器及び前記再熱器のそれぞれに対して蒸気又は排ガスをバイパスさせる複数のバイパス経路と、
    前記複数のバイパス経路をそれぞれ流れる蒸気又は排ガスの流量を調節する複数のバイパス流量調節器と、
    前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅と前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅との差が小さくなるように、前記複数のバイパス流量調節器を制御するバイパス制御装置と
    を備えたことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
  2. 請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
    プラント負荷を調節する燃料ガス調節弁及び主蒸気加減弁と、
    前記燃料ガス調節弁及び前記主蒸気加減弁を制御する負荷制御装置と、
    プラント状態量を計測する計測器と、
    前記計測器で計測されたプラント状態量を基にして、前記高圧蒸気タービンの熱影響量の予測値及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量の予測値を計算する予測計算装置と、
    前記予測計算装置で計算された前記高圧蒸気タービンの熱影響量の予測値及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量の予測値を基にして、前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅を計算する熱影響量余裕幅計算装置とを備え、
    前記バイパス制御装置は、前記熱影響量余裕幅計算装置で計算された前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅に基づき、それらの差が小さくなるように、前記複数のバイパス流量調節器を制御し、
    前記負荷制御装置は、前記複数のバイパス流量調節器の制御によって調整された前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅に基づき、前記燃料ガス調節弁及び前記主蒸気加減弁を制御することを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
  3. 請求項２に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
    前記高圧過熱器に対して蒸気をバイパスさせる第１のバイパス配管と、
    前記第１のバイパス配管を流れる蒸気の流量を調節する第１のバイパス弁と、
    前記再熱器に対して蒸気をバイパスさせる第２のバイパス配管と、
    前記第２のバイパス配管を流れる蒸気の流量を調節する第２のバイパス弁とを備え、
    前記バイパス制御装置は、前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅と前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅との差が小さくなるように、前記第１及び第２のバイパス弁を制御する
    ことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
  4. 請求項２に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
    前記高圧過熱器に対して排ガスをバイパスさせる第１のバイパス経路と、
    前記第１のバイパス経路を流れる排ガスの流量を調節する第１のダンパと、
    前記再熱器に対して排ガスをバイパスさせる第２のバイパス経路と、
    前記第２のバイパス経路を流れる排ガスの流量を調節する第２のダンパとを備え、
    前記バイパス制御装置は、前記高圧蒸気タービンの前記熱影響量余裕幅と前記中圧蒸気タービンの前記熱影響量余裕幅との差が小さくなるように、前記第１及び第２のダンパを制御する
    ことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
  5. 請求項２に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
    前記高圧過熱器に対して排ガスをバイパスさせる第１のバイパスダクトと、
    前記第１のバイパスダクトに設けられた第１の送風機と、
    前記第１のバイパスダクトを流れる排ガスの流量を調節する第１のダクトダンパと、
    前記再熱器に対して排ガスをバイパスさせる第２のバイパスダクトと、
    前記第２のバイパスダクトに設けられた第２の送風機と、
    前記第２のバイパスダクトを流れる排ガスの流量を調節する第２のダクトダンパとを備え、
    前記バイパス制御装置は、前記高圧蒸気タービンの前記熱影響量余裕幅と前記中圧蒸気タービンの前記熱影響量余裕幅との差が小さくなるように、前記第１及び第２のダクトダンパを制御する
    ことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
  6. 燃料ガスを用いて生成された高温ガスで駆動するガスタービンと、
    蒸気で駆動する高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービンと、
    前記ガスタービン、前記高圧蒸気タービン、及び前記中圧蒸気タービンの回転動力を電力に変換する発電機と、
    前記ガスタービンの排ガスを熱源として利用し、高圧蒸気を過熱して前記高圧蒸気タービンへ供給する高圧過熱器、及び前記高圧蒸気タービンの排蒸気を再熱して前記中圧蒸気タービンへ供給する再熱器を有する排熱回収ボイラと、
    前記高圧過熱器及び前記再熱器のそれぞれに対して蒸気又は排ガスをバイパスさせる複数のバイパス経路と、
    前記複数のバイパス経路をそれぞれ流れる蒸気又は排ガスの流量を調節する複数のバイパス流量調節器とを備えたコンバインドサイクル発電プラントの起動方法であって、
    前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅と前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅との差が小さくなるように、前記複数のバイパス流量調節器を制御することを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの起動方法。
  7. 請求項６に記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動方法において、
    計測器で計測されたプラント状態量を基にして、前記高圧蒸気タービンの熱影響量の予測値及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量の予測値を計算し、
    前記高圧蒸気タービンの熱影響量の予測値及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量の予測値を基にして、前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅を計算し、
    前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅と前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅に基づき、それらの差が小さくなるように前記複数のバイパス流量調節器を制御し、
    前記複数のバイパス流量調節器の制御によって調整された前記高圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅及び前記中圧蒸気タービンの熱影響量余裕幅に基づき、燃料ガス調節弁及び主蒸気加減弁を制御して、プラント負荷を調節することを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの起動方法。
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