JP2019124127A

JP2019124127A - ガスタービンコジェネレーションシステム及びその運転切換方法

Info

Publication number: JP2019124127A
Application number: JP2018003082A
Authority: JP
Inventors: 重人村田; Shigeto Murata
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: US20190218942A1; CN110030090B; EP3511537A1; CN110030090A; JP6965167B2; US11156130B2; EP3511537B1

Abstract

【課題】バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換える際のＧＴＣＳの運用効率の低下を抑制する。【解決手段】ＧＴＳＣのＨＲＳＧ５０に、主遮断弁Ｖ１よりも上流側で燃料遮断弁Ｖ２よりも下流側の位置で助燃バーナ５２の燃料管Ｐ１に接続する通気管Ｐ２及びベント管Ｐ３と、通気管Ｐ２を開閉する通気遮断弁Ｖ３と、ベント管Ｐ３を開閉するベント遮断弁Ｖ４とを設け、バイパススタック運転時、ＨＲＳＧ５０の入口を閉じてバイパススタック３０を開放し、主遮断弁Ｖ１及び燃料遮断弁Ｖ２を閉じると共に通気遮断弁Ｖ３及びベント遮断弁Ｖ４を常時開放しておき、ＨＲＳＧ運転への切り換え時、ＧＴ１０を消火することなくＨＲＳＧ５０の入口を開けてバイパススタック３０を閉じ、主遮断弁Ｖ１及び燃料遮断弁Ｖ２を開けると共に通気遮断弁Ｖ３及びベント遮断弁Ｖ４を閉じるように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、助燃燃料系統を持つ排熱回収ボイラとバイパススタックを備えたガスタービンコジェネレーションシステム及びその運転切換方法に関する。

ＧＴＣＣ（ガスタービンコンバインドサイクル）等のＧＴＣＳ（ガスタービンコジェネレーションシステム）は、ＧＴ（ガスタービン）の排気を熱源とするＨＲＳＧ（排熱回収ボイラ）を備えている。ＨＲＳＧにバイパススタックと助燃燃料系統が備わっている場合、ＧＴＣＳは、バイパススタック運転（ＧＴ単独運転）とＨＲＳＧ運転（コンバインド運転）の２つの運転モードを切り換えて運用されることがある。バイパススタック運転時にはＨＲＳＧはバイパスダンパでＧＴと隔離されるため、その間に仮に助燃燃料系統に燃焼ガスのリークが生じるとＨＲＳＧに燃料ガスが滞留することにより、ＨＲＳＧ運転への切替時に高温のＧＴ排気による爆発の可能性が生じる。この可能性に配慮して、ＧＴＣＳではバイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換える際、通常はＧＴを一旦消火した上でＧＴの再点火前にＨＲＳＧのパージ（コールドパージ）を実施する。しかしコールドパージは、ＧＴの消火工程を伴うためＧＴＣＳの運用効率が著しく損なわれる。

それに対し、バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換える前にＧＴの排ガス温度を燃料ガスの最低発火温度より１００°Ｆ（５６℃）低い値以下に下げ、ＧＴを点火したままＨＲＳＧのパージ（ホットパージ）することが提唱されている（特許文献１参照）。

また、ＨＲＳＧの助燃燃料系統の燃料ガスのリークの防止策として、燃料管に３つの遮断弁を設け、これら遮断弁間の閉止領域に空気又は不活性ガスを供給する技術が提唱されている（非特許文献１参照）。この技術によれば、３つの遮断弁と共に、空気等で昇圧した遮断弁間の閉止領域により燃料ガスが遮断される。

米国特許第７８６１５３２号明細書

COMBINED HEAT AND POWER-GAS TURBINE OPERATIONAL FLEXIBILITY (Power-Gen Europe 4-6 June 2013, Messe Wien, Vienna, Austria)

特許文献１の技術では、ＧＴの排ガス温度を低下させることで、ＨＲＳＧ運転に切り換える際のＧＴの消火の工程の省略を図っているが、バイパススタック運転中のＨＲＳＧの燃焼ガスの滞留の可能性については何等対策されていない。従ってＨＥＳＧ運転に切り換える際にパージ自体は実行する必要があり、ＧＴＣＳの運用効率の向上の効果は限定的である。また燃料ガス基地の不具合等によるＧＴの燃料ガスの組成変動やＧＴ排ガス温度の制御の不調によりＧＴの排ガス温度が突発的に上昇する可能性があり、ホットパージの安全性についても更なる検討と対策が必要である。

また非特許文献１の技術では、燃料配管に３個の遮断弁を設置し遮断弁間の圧力をモニタすることで燃料ガスのリークを検知する方法や、空気等による加圧により遮断弁間の閉止領域をシールする方法により、燃料ガスのＨＲＳＧ内へのリークの可能性を低減する。これによりパージ実施の要件を緩和するパージクレジットの概念を提案しているが、燃料ガスのリークの可能性がなくなるわけではない。また、同文献の技術をバイパススタック運転時に適用する場合には、系統構成が複雑になるという問題がある。

本発明の目的は、バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換える際の運用効率の低下を抑制できるガスタービンコジェネレーションシステム及びその運転切換方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、ガスタービン排ガス経路の前記排熱回収ボイラの上流側に設けたバイパススタックと、前記バイパススタックを開閉するバイパスダンパと、前記ガスタービン、前記排熱回収ボイラ及び前記バイパスダンパを制御する制御装置とを備え、前記排熱回収ボイラが、助燃バーナと、前記助燃バーナの燃料管に設けた主遮断弁と、前記助燃バーナの燃料管の前記主遮断弁よりも上流側に設けた燃料遮断弁と、前記主遮断弁よりも上流側で前記燃料遮断弁よりも下流側の位置で前記燃料管に合流する通気管と、前記通気管に設けた通気遮断弁と、前記主遮断弁よりも上流側で前記燃料遮断弁よりも下流側の位置で前記燃料管から分岐するベント管と、前記ベント管に設けたベント遮断弁とを備えており、前記制御装置が、バイパススタック運転時、前記排熱回収ボイラの入口を閉じて前記バイパススタックを開放し、前記主遮断弁及び前記燃料遮断弁を閉じると共に、前記通気遮断弁及び前記ベント遮断弁を常時開放しておき、排熱回収ボイラ運転への切り換え時、前記ガスタービンを消火することなく前記排熱回収ボイラの入口を開けて前記バイパススタックを閉じ、前記主遮断弁及び前記燃料遮断弁を開けると共に、前記通気遮断弁及び前記ベント遮断弁を閉じるように構成してある。

本発明によれば、バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換える際のＧＴＣＳの運用効率の低下を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係るＧＴＣＳ（バイパススタック運転時）の要部を抜き出して表した模式図本発明の第１実施形態に係るＧＴＣＳ（ＨＲＳＧ運転時）の要部を抜き出して表した模式図図１のＧＴＣＳに備えられた制御装置の概念図運転プログラムに従って図３の制御装置により実行されるＧＴＣＳの運転切換手順の要部を表すフローチャート本発明の第２実施形態に係るＧＴＣＳ（バイパススタック運転時）の要部を抜き出して表した模式図図５のＧＴＣＳに備えられた制御装置の概念図本発明の第３実施形態に係るＧＴＣＳの制御装置による運転切換手順の要部を表すフローチャート比較例１に係るＧＴＣＳの要部を抜き出して表した模式図比較例２に係る燃料系統の要部を抜き出して表した模式図比較例３に係るＧＴＣＳの要部を抜き出して表した模式図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
−ガスタービンコジェネレーションシステム−
図１は本発明の第１実施形態に係るガスタービンコジェネレーションシステムの要部を抜き出して表した模式図である。以降、ガスタービンコジェネレーションシステムをＧＴＣＳと適宜略称する。同図に示したＧＴＣＳは、ＧＴ（ガスタービン）１０、ガスタービン発電機２０、バイパススタック３０、バイパスダンパ４０、ＨＲＳＧ（排熱回収ボイラ）５０及び制御装置６０を備えている。

ＧＴ１０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、大気を取り込んで圧縮して圧縮空気として吐出する機器であり、タービン１３と同軸に連結されている。燃焼器１２は、燃料管１４を介して燃料供給設備（不図示）から供給される燃料と圧縮機１１から導入される圧縮空気とを燃焼させ、燃焼ガスを噴出させる機器である。燃料管１４には、燃料の供給を遮断する燃料遮断弁１５や燃料流量を調整する燃料調整弁１６が備わっている。これら燃料遮断弁１５や燃料調整弁１６は、圧縮機１１の入口開度を調整するＩＧＶ（不図示）と共に、制御装置６０からの指令信号により制御される。ＧＴ１０の点火とは、燃焼器１２に燃料を供給して燃焼器１２で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生じさせることを意味する。ＧＴ１０の消火とは、燃焼器１２への燃料の供給を停止し、燃焼ガスの発生を停止させることを意味する。タービン１３は、燃焼器１２で発生した燃焼ガスによって駆動される機器である。ＧＴ１０には回転軸を介してガスタービン発電機２０が連結されており、ＧＴ１０により駆動されて発電する。本実施形態では１軸式のタービン１３を例示しているが、回転軸が分離した２軸式のタービンをタービン１３に用いることもある。タービン１３は排気ダクト１７を介してＨＲＳＧ５０の入口側に接続されており、ガスタービンの排ガスＧは排気ダクト１７を介してＨＲＳＧ５０に導かれる。

バイパススタック３０はガスタービン排ガス経路のＨＲＳＧ５０の上流側の位置でガスタービン排ガス経路から分岐して設けられている。バイパススタック３０に導かれた排ガスＧは、ＨＲＳＧ５０をバイパスして大気に放出される。バイパスダンパ４０は、バイパススタック３０を開閉する機器であり、制御装置６０からの指令信号により駆動される。本実施形態では、ガスタービン排ガス経路におけるＨＲＳＧ５０の入口を開閉する入口ダンパをバイパスダンパ４０で兼ねる構成を例示している。具体的には、バイパスダンパ４０はガスタービン排気経路における排気ダクト１７とＨＲＳＧ５０の間でバイパススタック３０の入口の位置に設けられており、バイパススタック３０とＨＲＳＧ５０のいずれかを選択的に開放する。つまりバイパスダンパ４０は、バイパススタック３０の流路を開放した際にはＨＲＳＧ５０の入口を閉じ、パイパススタック３０の流路を閉じた際にはＨＲＳＧ５０の入口を開ける構成である。但し、ガスタービン排気経路における排気ダクト１７とＨＲＳＧ５０の間の位置を避けてバイパスダンパ４０を配置し、ＨＥＳＧ５０の入口を開閉する入口ダンパを別途設ける構成とすることもある。

ＨＲＳＧ５０はＧＴ１０からの排気ガスにより蒸気を発生するボイラであり、ボイラ本体５１、助燃バーナ５２、助燃バーナ燃料系統５３等を備えている。ボイラ本体５１はＨＲＳＧ５０の本体であり、ＧＴ１０からの排気ガスが有する熱を水に伝えて蒸気を発生させる熱交換装置と、排気ガスを排出するスタックを備えている。助燃バーナ５２はＧＴ１０からの排気ガスの温度を高くすることによりＨＲＳＧ５０の発生蒸気量を増加させる機器であり、ボイラ本体５１の内部を流れる排気ガス温度、発生蒸気の流量及び温度を考慮して適切な位置に設けられている。助燃バーナ燃料系統５３は助燃バーナ５２へ燃料を供給する機器である。図示していないが、ＨＲＳＧ５０に給水を供給するＨＲＳＧ給水系統等も備わっている。また、ＨＲＳＧ５０が単独運転機能を有する場合には、助燃バーナ５２に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給ダクト及び送風機が備わる。

−助燃バーナ燃料系統−
助燃バーナ燃料系統５３は、燃料管Ｐ１、通気管Ｐ２、ベント管Ｐ３、主遮断弁Ｖ１、燃料遮断弁Ｖ２、通気遮断弁Ｖ３、ベント遮断弁Ｖ４、燃料流量調整弁Ｖ５、通気流量調整弁Ｖ６等を備えている。

燃料管Ｐ１は、燃料ガスＦ（図２）の供給源（不図示）と助燃バーナ５２を接続する配管である。通気管Ｐ２は空気又は不活性ガス（以下、ガスＡと記載）の供給源（不図示）から延びる配管である。この通気管Ｐ２は、主遮断弁Ｖ１よりも上流側で燃料遮断弁Ｖ２及び燃料流量調整弁Ｖ５よりも下流側の位置（主遮断弁Ｖ１と燃料遮断弁Ｖ２及び燃料流量調整弁Ｖ５との間の位置）で燃料管Ｐ１に合流している。ベント管Ｐ３は主遮断弁Ｖ１よりも上流側で燃料遮断弁Ｖ２及び燃料流量調整弁Ｖ５よりも下流側の位置（主遮断弁Ｖ１と燃料遮断弁Ｖ２及び燃料流量調整弁Ｖ５との間の位置）で燃料管Ｐ１から分岐し、先端が大気中に開放されている。燃料管Ｐ１に対する通気管Ｐ２の合流位置とベント管Ｐ３の分岐位置はどちらが上流側にあっても良いが、本実施形態ではベント管Ｐ３の分岐位置を下流側にした場合を例示している。また２つの位置は、主遮断弁Ｖ１と燃料遮断弁Ｖ２及び燃料流量調整弁Ｖ５との間の範囲でできるだけ離れていることが好ましい。燃料管Ｐ１、通気管Ｐ２及びベント管はいずれも１本のみで足りる。

主遮断弁Ｖ１、燃料遮断弁Ｖ２、通気遮断弁Ｖ３及びベント遮断弁Ｖ４は電磁駆動式の開閉弁、燃料流量調整弁Ｖ５及び通気流量調整弁Ｖ６は電磁比例弁であり、いずれも制御装置６０からの指令信号により駆動される。なお、前記した遮断弁はいずれも電磁駆動式のものを例示したが、空気駆動式等の他の駆動方式のものでも良い。主遮断弁Ｖ１は助燃バーナ５２の燃料管Ｐ１における通気管Ｐ２及びベント管Ｐ３の接続位置よりも下流側（助燃バーナ５２に近い側）に設けられている。燃料遮断弁Ｖ２及び燃料流量調整弁Ｖ５は、助燃バーナ５２の燃料管Ｐ１における主遮断弁Ｖ１、並びに通気管Ｐ２及びベント管Ｐ３の接続位置よりも上流側に設けられている。燃料遮断弁Ｖ２及び燃料流量調整弁Ｖ５はどちらが上流側でも良いが、本実施形態では燃料遮断弁Ｖ２を上流側に配置した場合を例示している。通気遮断弁Ｖ３及び通気流量調整弁Ｖ６は通気管Ｐ２に、ベント遮断弁Ｖ４はベント管Ｐ３にそれぞれ設けられている。通気遮断弁Ｖ３及び通気流量調整弁Ｖ６はどちらが上流側でも良いが、本実施形態では通気遮断弁Ｖ３を上流側に配置した場合を例示している。

−制御装置−
図３は制御装置の概念図である。図３に制御装置６０は例えばＧＴＣＳのコントロールルームに設置されたコンピュータであり、ＧＴ１０、ＨＲＳＧ５０及びバイパスダンパ４０を制御する機能を備えている。この制御装置６０は、ＣＰＵ６１、ＨＤＤ６２、ＲＡＭ６３、ＲＯＭ（例えばＥＰＲＯＭ）６４、Ｉ／Ｏポート６５を備えている。

Ｉ／Ｏポート６５には、入力装置６６、記録媒体６７、出力装置６８、ネットワーク６９の他、ＧＴＣＳの指令対象部や計器類が適宜接続される。指令対象部には、燃料遮断弁１５、燃料調整弁１６、ＩＧＶ（不図示）、主遮断弁Ｖ１、燃料遮断弁Ｖ２、通気遮断弁Ｖ３、ベント遮断弁Ｖ４、燃料流量調整弁Ｖ５、通気流量調整弁Ｖ６等が含まれる。入力装置６６には、代表的にはキーボードやマウス、タッチパネル等を用いることができる。出力装置６８がタッチパネルである場合は出力装置６８が入力装置６６を兼ねる場合もある。記録媒体６７としては、磁気テープ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の各種記録媒体が適用可能である。出力装置６８はモニタ等の表示装置の他、プリンタも適用可能である。スピーカ等の音声出力をする装置も出力装置６８として適用可能である。また制御装置６０は、入力装置６６や出力装置６８と一体構成のものでも良く、デスクトップ型、ノート型、タブレット型等、制御装置６０の形態は限定されない。ネットワーク６９にはインターネットのみならずＬＡＮ等も含まれ、ネットワーク６９を介して制御装置６０は別の端末やデータベース、サーバ等に接続可能である。

ＲＯＭ６４には、ＧＴＣＳの運転プログラムを含む各種プログラム等が格納されており、これらプログラムがＣＰＵ６１によりＲＯＭ６４から読み出され、例えばＲＡＭ６３にロードされて実行される。運転プログラムは記録媒体６７又はネットワーク６９からＩ／Ｏポート６５を介して入力され、ＲＯＭ６４に格納することもできる。運転プログラムをＣＰＵ６１により記録媒体６７又はネットワーク６９からＩ／Ｏポート６５を介して読み出し、ＲＯＭ６４に格納することなくＲＡＭ６３に直接ロードして実行するようにすることもできる。運転により得られたデータ等は、ＨＤＤ６２、ＲＯＭ６４、ＲＡＭ６３、記録媒体６７の１つ以上のメモリに記憶され、入力装置６６の操作により出力装置６８に出力される。以下、本願明細書では、ＲＡＭ６３、ＲＯＭ６４、ＨＤＤ６２、記録媒体６７及びネットワーク６９を介して接続された記憶装置等の少なくとも１つを指して単に「メモリ」と記載する。

−動作−
図４は運転プログラムに従って制御装置により実行されるＧＴＣＳの運転切換手順の要部を表すフローチャートである。運転プログラムには、プラントの起動手順（Ｓ１１）、運転モードの判定手順（Ｓ１２）、バイパススタック運転の実行手順（Ｓ１３）、ＨＲＳＧ運転の実行手順（Ｓ１５）、運転停止の判定手順（Ｓ１４，Ｓ１６）、運転停止手順（Ｓ１７）が含まれる。制御装置６０は同図の手順を例えば所定時間（例えば１ｓ）のサイクルで繰り返し実行する。

・Ｓ１１，Ｓ１２
入力装置６６からＧＴＣＳの起動の指示が入力されると、制御装置６０は運転プログラムをＲＡＭ６３にロードして図４の手順を開始する。制御装置６０はまず、ＧＴＣＳを起動させるに当たり、ＧＴ１０の点火前にバイパスダンパ４０を切り換えて順次パージをし、ＨＲＳＧ５０のボイラ本体５１の排気系統及びバイパススタック３０のパージを実施する（Ｓ１１）。パージの完了後、入力装置６６から入力された信号により、指示された運転モードを判定する（Ｓ１２）。ここでは、バイパススタック運転（ＧＴ単独運転）とＨＲＳＧ運転（コンバインド運転）の２種類の運転モードが用意され、制御装置６０は指示された運転モードかこれらのうちいずれであるのかを判定するものとする。

・Ｓ１２−Ｓ１４
手順Ｓ１２−Ｓ１４はバイパススタック運転の実行手順である。運転モードがバイパススタック運転であれば、運転停止か運転モードの切り換えが指示されるまでの間、制御装置６０はＳ１２−Ｓ１４の手順を繰り返し実行する。この間、制御装置６０は、バイパスダンパ４０に指令してＨＲＳＧ５０の入口を塞ぐと同時にバイパススタック３０を開放した上、主遮断弁Ｖ１及び燃料遮断弁Ｖ２を閉止し、通気遮断弁Ｖ３及びベント遮断弁Ｖ４を開放する。各遮断弁の開閉のタイミングは、燃料遮断弁Ｖ２の閉弁、通気遮断弁Ｖ３の開弁、主遮断弁Ｖ１の閉弁、ベント遮断弁Ｖ４の開弁の順とすることが好ましい。ベント管Ｐ３の分岐位置から助燃バーナ５２までの燃料管Ｐ１に燃料ガスＦが滞留していたとしても、これを効果的に排出できるからである。また燃料流量調整弁Ｖ５の開度は任意で良いが、例えば最小開度を指令することとする。通気流量調整弁Ｖ６の開度は、例えば最大開度を指令することとする。また起動時であれば、制御装置６０はＧＴ１０の起動プログラムに従ってＧＴ１０を起動し、燃焼器１２に点火する。バイパススタック運転中、各遮断弁の開閉状態は上記の通り維持され、燃料管Ｐ１の主遮断弁Ｖ１と燃料遮断弁Ｖ２の間の領域には常時通気管Ｐ２からガスＡが供給され、これがベント管Ｐ３を介して大気に放出される。なお、図１はバイパススタック運転中の遮断弁の開閉状態を表している。白抜きの遮断弁は開放状態であり、黒く塗り潰した遮断弁は閉止状態である。

バイパススタック運転中、ＧＴ１０においては、圧縮機１１で圧縮した空気が燃焼器１２に導入され、燃料管１４から供給される燃料と共に燃焼される。これにより生じた燃焼ガスでＧＴ１０が回転し、ガスタービン発電機２０で発電が行われる。ＧＴ１０の排ガスＧはバイパススタック３０を介し、必要に応じて浄化処理された上で大気中に放出される。

なお、ＨＲＳＧ運転からの運転モードの切り換えによりバイパススタック運転を開始する場合、ＨＲＳＧ運転中に助燃バーナ燃料系統５３でリーク燃料ガスＦがバイパススタック３０内に滞留する可能性はない。従ってＨＲＳＧ運転からバイパススタック運転に切り換わる際にバイパススタック３０のパージは必要ない。

・Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１６
手順Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１６はＨＲＳＧ運転の実行手順である。運転モードがＨＲＳＧ運転であれば、運転停止か運転モードの切り換えが指示されるまでの間、制御装置６０はＳ１２，Ｓ１５，Ｓ１６の手順を繰り返し実行する。この間、制御装置６０は、バイパスダンパ４０に指令してバイパススタック３０を塞ぐと同時にＨＲＳＧ５０の入口を開放した上、主遮断弁Ｖ１及び燃料遮断弁Ｖ２を開放し、通気遮断弁Ｖ３及びベント遮断弁Ｖ４を閉止する。通気流量調整弁Ｖ６の開度は任意で良いが、例えば最小開度を指令することとする。燃料流量調整弁Ｖ５の開度は、ＧＴＣＳの制御プログラムに従って適宜制御する。また起動時であれば、制御装置６０はＧＴ１０の起動プログラムに従ってＧＴ１０を起動し、燃焼器１２に点火する。ＨＲＳＧ運転中の遮断弁の開閉状態を図２に表す。図１と同様、白抜きの遮断弁は開放状態であり、黒く塗り潰した遮断弁は閉止状態である。

ＨＲＳＧ運転中、ＧＴ１０においては、圧縮機１１で圧縮した空気が燃焼器１２に導入され、燃料管１４から供給される燃料と共に圧縮空気が燃焼される。これにより生じた燃焼ガスでＧＴ１０が回転し、ガスタービン発電機２０発電が行われる。ＧＴ１０の排ガスＧはＨＲＳＧ５０に導かれ、これを熱源としてＨＲＳＧ５０で蒸気が発生する。ＨＲＳＧ５０で熱源としての仕事を終えた排ガスＧは、ＨＲＳＧ５０のスタックを介し、必要に応じて浄化処理された上で大気中に放出される。またＨＲＳＧ５０で発生した蒸気は、例えば対応する工場設備等にプロセス蒸気として供給され、又はＧＴＣＳがコンバインドサイクルであれば蒸気タービン（不図示）に作動媒体として供給される。供給先で仕事を終えた蒸気は、例えば復水器（不図示）で凝縮されてＨＲＳＧ５０に再び蒸気源として供給される。

なお、バイパススタック運転からの運転モードの切り換えによりＨＲＳＧ運転を開始する場合、バイパススタック運転中は通気管Ｐ２及びベント管Ｐ３を開放して燃料管Ｐ１の途中部分を常時パージしている。従って、燃料遮断弁Ｖ２にリークがあってもリーク燃料は通気管Ｐ２から供給されるガスＡと共にベント管Ｐ３を介して強制的に大気に放出される。このようにバイパススタック運転中は燃料管Ｐ１が常時パージされているので、その間にボイラ本体５１等に燃料ガスＦが滞留することはまずない。従って、バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換えるに当たって、ＧＴ１０を一旦消火したりＧＴ１０の排気温度を下げたりする必要はない。但し、プラント運用の規格やプラントの運転方針により要求される場合には、バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換えるに当たってＧＴ１０を一旦消火したりＧＴ１０の排気温度を下げたりしても良い。

・Ｓ１７
運転中、制御装置６０は入力装置６６からの運転停止の指示の有無を判定する（Ｓ１４，Ｓ１６）。制御装置６０は、運転停止の指示がなければ手順Ｓ１２に戻り、運転停止の指示があれば手順Ｓ１７に移行する。手順Ｓ１７に移行したら、制御装置６０はＧＴ５０の燃料供給を停止し、ＨＲＳＧ５０の主遮断弁Ｖ１、燃料遮断弁Ｖ２、通気遮断弁Ｖ３を閉止する。

なお、運転プログラムに従って制御装置６０によりＧＴＣＳが自動的に制御される場合を説明したが、例えば入力装置６６を介して各弁を手動操作することで、上記のように運転モードを切り換える方法もある。バイパススタック運転とＨＲＳＧ運転とで運転モードを切り換える際、各弁を手動操作することを前提とする場合、上記の運転プログラムは必ずしも必要ない。

−比較例−
図８は比較例１に係るＧＴＣＳの要部を抜き出して表した模式図である。同図ではバイパススタック運転時の状態を表している。バルブの開閉状態の表現は既出図面と同様である。同図に示したＧＴＣＳのＨＲＳＧの助燃バーナの燃料系統には、通気管やベント管は設けられていない。このようなＧＴＣＳでバイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に運転モードを切り換える際、通常はＧＴを消火した上でＨＲＳＧの排気系統のパージを行う（コールドパージ）。しかしＧＴの消火を伴うコールドパージは、ＧＴＣＳの運用効率を低下させる。そこで、ＧＴを消火させることなく行うＨＲＳＧの排気系統のパージ（ホットパージ）が提唱されている。ホットパージは、ＨＲＳＧの燃料ガスの最低発火温度Ｔ０よりも１００°Ｆ（５６℃）だけ低い温度Ｔ（＝Ｔ０−１００°Ｆ＝Ｔ０−５６℃）以下までＧＴの排ガス温度を下げることを条件として実行される。この方法によれば、バイパススタック運転中に、図８にハッチングで表したようにＨＲＳＧの排気系統に若干の燃料ガスの滞留が生じたとしても、ＨＲＳＧ運転への移行時に低温の排ガスでＨＲＳＧの排気系統に滞留した燃料ガスをパージできるとされる。ＧＴを点火状態のままバイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に移行するため、ＧＴＣＳの運用効率の向上が期待できる。

しかしこの方法では、バイパススタック運転中に助燃バーナの燃料系統のリークによりＨＲＳＧの排気系統に燃料ガスが滞留する可能性については何ら対処できていない。ＧＴの消火こそしないものの、ＧＴの排ガス温度を低下させる工程、低温の排ガスでＨＲＳＧの排気系統をパージする工程、ＧＴの排ガス温度を再度上昇させる工程を要し、ＧＴＣＳの運用効率の改善効果は限定的である。

図９は比較例２に係る燃料系統の要部を抜き出して表した模式図である。バルブの開閉状態の表現は既出図面と同様である。同図に示す燃料系統はＨＲＳＧの助燃バーナに燃料ガスを供給するものであり、燃料管から３つの遮断弁ａ−ｃが設置されている。また遮断弁ａ，ｂの間、遮断弁ｂ，ｃの間においてベント管が各１本燃料管から分岐しており、それらベント管にベント弁ｄ，ｅが設置されている。燃料管における遮断弁ａ，ｂの間、遮断弁ｂ，ｃの間には、それぞれ圧力計ＰＴ１，ＰＴ２が設置してある。本例においては、遮断弁ａ−ｃのリーク検査の目的でこのように系統を構成している。

この例では、助燃バーナへの燃料ガスの供給を停止する場合には、遮断弁ａ−ｃを閉じてベント弁ｄ，ｅを開けた状態とする。この間の燃料ガスのリークの有無を検査する場合、ベント弁ｄ，ｅを閉じた後、遮断弁ｃを開ける。これで圧力計ＰＴ２の計測値が上昇するようなら遮断弁ｂにリークが生じていることが分かる。

この例を適用すれば、バイパススタック運転時の助燃バーナの燃料系統の燃料ガスのリークの有無を確認し得るが、遮断弁、ベント管及びベント弁の数が増加してしまう。加えて、燃料ガスのリークを検査するための準備として上記の複雑な弁操作がその都度必要となり、リアルタイムで燃料ガスのリークを検知することはできない。また、助燃バーナへの燃料供給の停止中は、遮断弁ａ−ｃが閉じているので、仮に遮断弁ａ−ｃにリークが生じた場合にリーク燃料がベント管を介して積極的に排出されることもない。従って比較例１に比較例２を組み合わせたとしても、バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に移行する際にＨＲＧＳの排気系統のパージを省略することはできない。なお、比較例２を適用した場合、非特許文献１によれば「パージクレジット」の概念を導入して一定期間（８日間）はパージを不要とすることを提案しているが、前述したように十分なものではない。

図１０は比較例３に係るＧＴＣＳの要部を抜き出して表した模式図である。同図では図９の圧力計ＰＴ１，ＰＴ２を図示省略してある。図１と同様、白抜きの遮断弁は開放状態であり、黒く塗り潰した遮断弁は閉止状態である。同図のＧＴＣＳのＨＲＳＧの助燃バーナの燃料系統には、比較例２の燃料系統を改良したものが適用されている。比較例３の燃料系統は、比較例２の燃料系統を前提として、燃料ガスの遮断性能の向上を狙って空気加圧系統を追加したものである。具体的には、助燃バーナへの燃料ガスの供給を停止する場合、遮断弁ａ−ｃ及びベント弁ｄ，ｅを閉じ、これら弁で閉止された領域を空気で加圧して燃料ガスをシールする。比較例２と同様のリーク検査の手順を実行するものであるが、空気加圧によるシール効果が３つの遮断弁ａ−ｃと相乗して燃料ガスの遮断性が高まる。

比較例３によれば、バイパススタック運転時の助燃バーナの燃料系統の燃料ガスの遮断性の向上が見込める。そこで非特許文献１では「パージクレジット」の概念を導入して、遮断弁の閉止と圧力を連続して監視することによりシール性が担保されると判断できる場合には、時間の制約なしでパージ不要とすることを提案している。しかし比較例３では遮断弁の数が多く系統構成が複雑となる欠点がある。

−効果−
それに対し、本実施形態によれば、遮断弁の数が少なく系統構成がシンプルである。また、パイパススタック運転中は通気管Ｐ２及びベント管Ｐ３を介して燃料管Ｐ１に常時通気されている。このことから、仮に燃料遮断弁Ｖ２に燃料ガスＦのリークが発生しても、リークした燃料ガスＦは通気管Ｐ２から供給されたガスＡと共に直ちにベント管Ｐ３を通って大気中に排出され、「本質安全」が担保される。これによりバイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に移行する際に、ＨＲＳＧ５０の排気系統をパージする必要がない。従って、ＧＴ１０の運転状態を変えることなく、単にバイパスダンパ４０を操作してバイパススタック３０を閉めてＨＲＳＧ５０の入口を開放し、必要に応じて助燃バーナ５２の燃料供給を開始すれば良く、ＧＴＣＳの運用効率の飛躍的向上の効果が期待できる。ＧＴ１０の燃料の組成変化や排気温度制御の不調による排ガス温度の突発的な変動の影響を受けることもない。よって、バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換える際のＧＴＣＳの運用効率の低下を抑制できる。

また、比較例２，３ではリーク検査のために遮断弁や配管の点数が増えるが、本実施形態ではバルブや配管の数も抑えられ、弁の開閉操作も図４で説明したようなシンプルな手順で足りる。

（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態に係るガスタービンコジェネレーションシステムの要部を抜き出して表した模式図である。図５にはバイパススタック運転時の状態を表している。同図において第１実施形態と同一又は対応する要素には第１実施形態の図面と同符号が付してある。バルブの開閉状態の表現も既出図面と同様である。本実施形態が第１実施形態と相違する点は、ＨＲＳＧ５０の燃料ガスＦのモニタ機能を付加した点である。

具体的には、本実施形態に係るＧＴＣＳのＨＲＳＧ５０には、少なくとも１つのガス検知器５４が付加されている。ガス検知器５４の設置場所や設置数はＨＲＳＧ５０の型式や容量、構造等によるが、少なくともＨＲＳＧ５０のボイラ本体５１における排気系統（例えば助燃バーナ５２の付近）に設ける。ガス検知器５４の設置数は少なくとも１つであるが、燃料ガスＦにはボイラ本体５１の下側に溜まり易い成分と上側に溜まり易い成分が混在する場合があるため、図のようにボイラ本体５１の内部において上下にそれぞれガス検知器５４を設置することが好ましい。また本実施形態ではベント管Ｐ３にもガス検知器５４を設置した場合を例示している。燃料管Ｐ１（例えば主遮断弁Ｖ１と燃料遮断弁Ｖ２の間）にガス検知器５４を設置しても良い。

図６は図５のＧＴＣＳに備えられた制御装置の概念図である。図６において第１実施形態と同一又は対応する要素には第１実施形態の図面と同符号が付してある。同図に示したように、ガス検知器５４の検出信号は制御装置６０に入力される。制御装置６０は、例えばオペレータの操作により入力装置６６から入力される操作信号に応じて、ガス検知器５４からの検出信号を基に検知結果を出力する信号を生成する。出力装置６８は、制御装置６０から入力された信号を基にガス検知器５４の検知結果を出力する。検知結果の出力態様は限定されないが、例えばモニタ表示を想定すると、出力装置６８であるモニタにガス検知器５４の検出結果をリアルタイムに表示させることができる。ガス検知器５４の検出結果としては、燃料ガスＦの成分毎の濃度、或いはそれら濃度が対応する閾値を越えているかどうかの情報を表示するようにしても良いが、単純に少なくとも１種類の対象とする成分が検知されたか否かを表示する態様でも良い。対象とする成分の濃度が閾値以上であるか否か、対象とする成分が検出されたか否かをオペレータに知らせる場合、モニタ表示でなくとも出力装置６８としてのスピーカにより音声出力（警告音出力やメッセージ出力）するようにしても良い。

本実施形態のその他の構成及び動作は第１実施形態と同様である。本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、バイパススタック運転からＨＲＳＧ運転に切り換える際に、ＨＲＳＧ５０の排気系統にリーク燃料の滞留がない事実をモニタ等の出力装置６８で確認することができるメリットがある。

（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係るＧＴＣＳの制御装置による運転切換手順の要部を表すフローチャートである。本実施形態のハード構成は第２実施形態と同様である。但し、ガス検知器５４は燃料ガスＦの各成分の濃度を計測できるものを用いる。メモリには、助燃バーナ燃料系統５３の燃料ガスＦの各成分について予め設定された閾値が記憶されている。燃料ガスＦの成分は最低発火温度が各々異なり、発火する最低濃度も成分により異なる。各成分について設定された閾値とは、燃料ガスＦの対応する成分が発火し得る最低濃度の値よりも設定マージンだけ低く定めた設定値である。各々の成分の濃度ＦＡについて閾値ＦＡ０が設定してある。

また、メモリに記憶されたＧＴＣＳの運転プログラムには、バイパススタック運転中の燃料ガス濃度の計算手順（Ｓ１３ａ）、燃料ガス濃度の判定手順（Ｓ１３ｂ）、通気流量調整弁Ｖ６の開度制御手順（Ｓ１３ｃ，Ｓ１３ｄ）が追加されている。燃料ガス濃度の計算手順（Ｓ１３ａ）は手順Ｓ１３に続く手順であり、制御装置６０は、ガス検知器５４の検出信号に基づいて燃料ガスの各々の成分の各濃度ＦＡを計算する。次の燃料ガス濃度の判定手順（Ｓ１３ｂ）では、制御装置６０は、対応する閾値ＦＡ０を超えた燃料ガス成分があるか（ＦＡ≧ＦＡ０の成分があるか）否かを判定する。続く通気流量調整弁Ｖ６の開度制御手順で、制御装置６０は、手順Ｓ１３ｂの判定により閾値を超える成分があれば通気流量調整弁Ｖ６の開度を設定値だけ上げ（Ｓ１３ｃ）、閾値を超える成分がなければ設定値だけ下げる（Ｓ１３ｄ）。手順Ｓ１３ｃ又はＳ１３ｄを実行したら、制御装置６０は手順Ｓ１４に移行する。手順Ｓ１１−Ｓ１７における手順Ｓ１３ａ−Ｓ１３ｄを除く手順は第１実施形態と同様である。

本実施形態においてもバイパススタック運転中は常時通気遮断弁Ｖ３及びベント遮断弁Ｖ４を開放しておくことで、第１実施形態と同様の効果が得られる。またガス検知器５４の検出結果が出力装置６８で確認できるので、第２実施形態と同様の効果も得られる。

ＧＴＣＳはジェネレーションシステムである以上、エネルギー効率が良いことが望まれる。この観点からすれば、バイパススタック運転中に燃料管Ｐ１に通気するガスＡの流量も少量で足りれば好ましい。本実施形態においては、ガス検知器５４の検出結果に応じて通気流量調整弁Ｖ６を制御することで、通気流量を抑制することができる。遮断弁の燃料ガスＦのリークは発生しないことが前提であるため、基本的には図７の制御手順によりバイパススタック運転中の通気流量調整弁Ｖ６の開度は最小開度まで下がる。この場合、通気量が最低流量に抑えられるため、燃料ガスＦのリークが生じた場合にはガス検知器５４で閾値を超える濃度のリーク燃料が検出される可能性もある。しかし、その場合には通気流量調整弁Ｖ６の開度が自動的に上がって通気流量が増加するので、即座にリーク燃料はベント管Ｐ３を介して排出される。これによりＨＲＳＧ５０の排気系統におけるリーク燃料の滞留は第１及び第２実施形態と同様に常時予防される上、通気流量が大幅に抑えられる。よってＧＴＣＳの所要エネルギーが減少し、エネルギー効率の向上が期待できる。

１０…ガスタービン、３０…バイパススタック、４０…バイパスダンパ、５０…排熱回収ボイラ、５２…助燃バーナ、５４…ガス検知器、６０…制御装置、６８…出力装置、Ｐ１…燃料管、Ｐ２…通気管、Ｐ３…ベント管、Ｖ１…主遮断弁、Ｖ２…燃料遮断弁、Ｖ３…通気遮断弁、Ｖ４…ベント遮断弁

Claims

ガスタービンと、排熱回収ボイラと、ガスタービン排ガス経路の前記排熱回収ボイラの上流側に設けたバイパススタックと、前記バイパススタックを開閉するバイパスダンパと、前記ガスタービン、前記排熱回収ボイラ及び前記バイパスダンパを制御する制御装置とを備え、
前記排熱回収ボイラが、
助燃バーナと、
前記助燃バーナの燃料管に設けた主遮断弁と、
前記助燃バーナの燃料管の前記主遮断弁よりも上流側に設けた燃料遮断弁と、
前記主遮断弁よりも上流側で前記燃料遮断弁よりも下流側の位置で前記燃料管に合流する通気管と、
前記通気管に設けた通気遮断弁と、
前記主遮断弁よりも上流側で前記燃料遮断弁よりも下流側の位置で前記燃料管から分岐するベント管と、
前記ベント管に設けたベント遮断弁とを備えており、
前記制御装置が、
バイパススタック運転時、前記排熱回収ボイラの入口を閉じて前記バイパススタックを開放し、前記主遮断弁及び前記燃料遮断弁を閉じると共に、前記通気遮断弁及び前記ベント遮断弁を常時開放しておき、
排熱回収ボイラ運転への切り換え時、前記ガスタービンを消火することなく前記排熱回収ボイラの入口を開けて前記バイパススタックを閉じ、前記主遮断弁及び前記燃料遮断弁を開けると共に、前記通気遮断弁及び前記ベント遮断弁を閉じるように構成されているガスタービンコジェネレーションシステム。
前記ベント管及び前記通気管が各１本のみ備わっている請求項１のガスタービンコジェネレーションシステム。
前記排熱回収ボイラに設けられて前記制御装置に検出信号を出力するガス検知器と、
前記制御装置からの出力信号を基に前記ガス検知器の検知結果を出力する出力装置とを備えた請求項１のガスタービンコジェネレーションシステム。
前記排熱回収ボイラに設けられて前記制御装置に検出信号を出力するガス検知器と、
前記通気管に設けた通気流量調整弁とを備え、
前記制御装置が、前記バイパススタック運転時、前記ガス検知器の検出信号を基に、濃度が設定値以上の燃料ガスの成分があれば前記通気流量調整弁の開度を上げ、なければ前記通気流量調整弁の開度を下げるように構成されている請求項１のガスタービンコジェネレーションシステム。
ガスタービンと、排熱回収ボイラと、ガスタービン排ガス経路の前記排熱回収ボイラの上流側に設けたバイパススタックと、前記バイパススタックを開閉するバイパスダンパとを備え、前記排熱回収ボイラが、助燃バーナと、前記助燃バーナの燃料管に設けた主遮断弁と、前記助燃バーナの燃料管の前記主遮断弁よりも上流側に設けた燃料遮断弁とを備えたガスタービンコジェネレーションシステムの運転切換方法において、
バイパススタック運転時、前記主遮断弁及び前記燃料遮断弁を閉じると共に、前記主遮断弁及び前記燃料遮断弁の間を空気又は不活性ガスにより常時パージしておき、
排熱回収ボイラ運転への切り換え時、前記ガスタービンを消火することなく前記排熱回収ボイラの入口を開けて前記バイパススタックを閉じ、前記主遮断弁及び前記燃料遮断弁を開放するガスタービンコジェネレーションシステムの運転切換方法。