JP2019536934A

JP2019536934A - コンバインドサイクルパワープラントの運転方法

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Publication number: JP2019536934A
Application number: JP2019522763A
Authority: JP
Inventors: マルク・ボロウスキ; エドウィン・ゴブレヒト; マティアス・ホイエ; マティアス・ミグル; エーリヒ・シュミット
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2016-11-07
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2019-12-19
Also published as: WO2018082879A1; EP3510256A1; CN109923285B; US10697369B2; KR20190069590A; CN109923285A; EP3318732A1; ES2856149T3; EP3510256B1; US20190338703A1

Abstract

本発明は、コンバインドサイクルパワープラント（１）を運転するための方法に関し、前記コンバインドサイクルパワープラント（１）は、ガスタービン（２）と蒸気タービン（３）を有し、前記ガスタービン（２）と前記蒸気タービン（３）を運転停止するために、前記ガスタービン（２）と前記蒸気タービン（３）は、前記ガスタービン（２）と前記蒸気タービン（３）が実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減されているように運転される。

Description

本発明はコンバインドサイクルパワープラントを運転するための方法に関する。

ここでコンバインドサイクルパワープラントとは、ガスおよび蒸気の複合パワープラント、あるいはガスおよび蒸気タービンパワープラントのことであり、ガスタービンパワープラントと蒸気パワープラントの原理を組み合わせたものである。このときガスタービンは下流に設けられたボイラーのための熱源として役立ち、ボイラーはまた蒸気タービンのための蒸気発生器として作用する。

上記の組み合わせにより、熱力学的サイクルにおいて、開放型運転を行うガスタービン、あるいは従来式に燃料を供給される蒸気パワープラントよりも大きな効率が達成される。複合パワープラントは６０％までの電気効率を有し、最も効率的な従来型パワープラントに属する。

さらにこのような複合パワープラントはパワープラント経営において大きな適応性を有して用いることができる。立ち上がり時間が短く、迅速に負荷を変化させられるために、複合パワープラントは理想的な中負荷用パワープラントである。これらのパワープラントは主に中負荷領域において運転され、必要な場合はピーク電流領域内で運転されることさえある。

しかしながらガスタービンは最小出力を下回ると、排ガス温度が一定しなくなる。これによりガスタービンの運転停止時に、蒸気温度の低下が生じることにもなる。蒸気タービンがその後さらに運転されると、これは多大な寿命消費、もしくは寿命の短縮につながる。

したがって蒸気タービンは、ガスタービンが低負荷領域に移行される前に、運転停止される。蒸気タービンの運転停止過程の間、ガスタービンは一定の出力水準に保たれなければならない。これにより、始動させる場合に比べて、運転停止プロセスは比較的長くなる。さらに運転停止の間の効率は最適ではない。

特許文献１から、ガスタービンと蒸気タービンとを備えるコンバインドサイクルパワープラントを運転するための方法であって、最小負荷で運転するための方法が知られている。運転停止に関して特許文献１は、蒸気タービンの負荷低減と蒸気圧力の低減を、ガスタービンの負荷低減の間のガスタービン排ガス温度の低下に起因する、蒸気温度の低下が生じる前に、最小蒸気タービン負荷および最小蒸気圧力が達成されるように選択することを提案している。

特許文献２からもコンバインドサイクルパワープラントが知られている。コントローラが設けられており、当該コントローラは運転停止後に熱回収装置を介して、蒸気流を生じさせる。

さらに特許文献３から、ガスタービンと蒸気タービンのほかに、非常油遮断装置を有するコンバインドサイクルパワープラントが知られており、当該非常油遮断装置は、蒸気タービンのみ、あるいは代替的に技術的欠陥がある場合はガスタービンも停止させることができる。

欧州特許出願公開第２７７５１０６号明細書欧州特許出願公開第２６６４７４９号明細書欧州特許出願公開第１２７５８１７号明細書

したがって、いかに運転停止を加速することができるかという点について、少なくとも一つのやり方を示すことが求められている。

本発明によれば、ガスタービンと蒸気タービンと運転停止装置とを備えるコンバインドサイクルパワープラントを運転するための方法において、ガスタービンと蒸気タービンは運転停止装置を用いて、第一の時点での運転停止過程の開始から、第二の時点での蒸気温度の下限値への低下まで及ぶ時間窓内で、ガスタービンと蒸気タービンが実質的に同一時点で負荷低減されているとともに、ブロック出力がゼロに低下するように運転され、コンバインドサイクルパワープラント内に貯蔵された熱エネルギーは、蒸気温度が時間窓内でガスタービンの最小出力を下回る運転へと即座に低下することを防止する。

本発明はこのとき、コンバインドサイクルパワープラントの熱容量、すなわち例えば導管システムにおいて循環させられる蒸気およびガス、ならびにまたコンバインドサイクルパワープラントの構成要素を互いに接続する導管の壁における熱容量は、ガスタービンが運転停止されるときの迅速な温度下降を防ぐのに十分であるという状況を利用している。言い換えれば、コンバインドサイクルパワープラント内に貯蔵された熱エネルギーは、ガスタービンの最小出力を下回る運転の際、蒸気温度が即座に低下することを防止する。したがって運転停止過程の開始から、蒸気温度の下限値への低下まで及ぶ当該時間窓内で、ガスタービンは蒸気タービンと同時に運転停止させることができる。こうして運転停止を加速することができる。このときガスタービンが大きな原動力を有していると有利であるが、これは前提条件ではない。

好適にガスタービンにはガスタービン出力制御装置が設けられ、蒸気タービンには蒸気タービン出力制御装置が設けられており、ガスタービン出力制御装置および蒸気タービン出力制御装置に対して、それぞれの運転停止目標値推移を備えるそれぞれの目標値が設定され、それによりガスタービンおよび蒸気タービンは実質的に同一時点で負荷低減が行われている。このとき実質的に同一時点でとは、蒸気タービンの運転が損傷および／または寿命の短縮を生じさせないという意味である。したがって運転停止させるために、ガスタービン出力制御装置と蒸気タービン出力制御装置とに対して、通常運転とは異なる目標値が設定される。目標値はそれぞれ、大きさが減少する一連の値であって、互いに調整されているとともに、それぞれ所定の持続時間の経過後、それぞれの制御装置に次々にフィードフォワードされる値であってよい。それぞれの制御装置はその後、それぞれの目標値に応じてそれぞれの実際値を更新させる。

好適にガスタービンにはガスタービン出力制御装置が設けられ、蒸気タービンには蒸気タービン出力制御装置が設けられており、ガスタービン出力制御装置および蒸気タービン出力制御装置のそれぞれの操作変数にそれぞれ、運転停止前制御推移が与えられ、それによりガスタービンおよび蒸気タービンは実質的に同一時点で負荷低減が行われている。運転停止前制御推移はそれぞれ、大きさが減少する一連の値であって、互いに調整されているとともに、それぞれの所定の持続時間の経過後、それぞれの制御装置に次々にフィードフォワードされる値を有してよい。運転停止の間にも前制御が用いられてよい。前制御によって、それぞれの操作変数には付加的に制御系の状態と関係のない値が与えられる。前制御により簡単なやり方で、目標値推移に基づいて予測される操作変数要求を考慮することが可能になる。前制御は付加的な制御であるため、制御系の安定性を脅かすことはない。

目標値を前制御された操作変数に好適に変換することにより、制御回路安定性に対して否定的な作用を及ぼすことなく、ダイナミックな制御が構築される。目標値を操作変数に変換することは、減少してゆく連続する一連の目標値が、連続する一連の操作変数を生じさせるように行われる。

さらにこのような方法を実施するためのコンピュータプログラム製品と、このようなコンバインドサイクルパワープラントと、このようなコンバインドサイクルパワープラントのための運転停止装置と、が本発明に属する。

以下において、添付された概略的な図面に基づいて、本発明に係る結合要素の好適な実施の形態を説明する。図面に示すのは以下のとおりである。

コンバインドサイクルパワープラントを概略的に表示する図である。図１に表示されたコンバインドサイクルパワープラントのための制御装置構成を概略的に表示する図である。図１に表示されたコンバインドサイクルパワープラントのためのさらなる制御装置構成を概略的に表示する図である。図１に表示されたコンバインドサイクルパワープラントのための開ループ制御構成を概略的に表示する図である。図１に表示されたコンバインドサイクルパワープラントの運転停止の間の回転速度およびブロック出力の推移を概略的に表示する図である。

まず図１を参照する。

図１にはコンバインドサイクルパワープラント１が表示されている。

本実施の形においてコンバインドサイクルパワープラント１は、ガスタービン２と、蒸気タービン３と、凝縮器４と、ボイラー５と、を有する。

コンバインドサイクルパワープラント１は多軸型設備として形成されていてよく、当該多軸型設備ではガスタービン２と蒸気タービン３はそれぞれ発電機（図示略）を駆動する。代替的にコンバインドサイクルパワープラント１は一軸型設備として形成されていてよく、当該一軸型設備ではガスタービン２と蒸気タービン３と発電機は一の共通の軸から成り、付加的に連結解除するための自己同期型オーバーランニングクラッチが設けられていてよい。

通常運転においてガスタービン２には、空気とガスとが供給される。ガスタービン２の高温の排ガスは排ガス導管１４を介して、水蒸気を発生させるためのボイラー５に供給され、排気口１５を介して排気される。蒸気導管１６を介して、ボイラー５からの蒸気が蒸気タービン３に供給され、蒸気タービンにおいて膨張する。さらなる蒸気導管１７を介して膨張させられた蒸気は凝縮器４に供給され、その後、凝縮器から凝縮液が凝縮液導管１８を介してボイラー５に供給される。

ここで付加的に図２を参照する。

図１に表示されたコンバインドサイクルパワープラント１のための制御装置構成が表示されている。

制御装置構成は、ガスタービン出力制御装置８と蒸気タービン出力制御装置９とを有し、ガスタービン出力制御装置８は、図２において制御系ガスタービン６により象徴的に示されるように、ガスタービン２に配設され、蒸気タービン出力制御装置９は、図２において制御系蒸気タービン７により象徴的に示されるように、蒸気タービン３に配設されている。

自明のとおり、ガスタービン２と蒸気タービン３との出力値はそれぞれの実際値ＩＳＴとして検知され、それぞれの目標値ＳＯＬＬおよび実際値ＩＳＴから制御差が形成され、制御偏差ｅとして、それぞれのガスタービン出力制御装置８と、蒸気タービン出力制御装置９と、に供給される。その後、それぞれのガスタービン出力制御装置８と、蒸気タービン出力制御装置９と、はそれぞれの操作変数ｕを生じさせ、それぞれの制御系ガスタービン６と制御系蒸気タービン７とに当該操作変数が与えられ、それにより所望の出力を確保する。

運転停止の間、運転停止装置１３はアクティブになる。運転停止装置１３は図２に表示される実施の形態において、目標値特定装置１０として形成されている。

運転停止装置１３は、ガスタービン２のための運転停止目標値推移ＡＳＶＩと、蒸気タービン３のための運転停止目標値推移ＡＳＶＩＩと、をそれぞれの目標値として、ガスタービン出力制御装置８と、蒸気タービン出力制御装置９と、にフィードフォワードする。このときガスタービン２のための運転停止目標値推移ＡＳＶＩと、蒸気タービン３のための運転停止目標値推移ＡＳＶＩＩと、は本実施の形態においてそれぞれ、大きさが減少する一連の値であって、互いに調整されているとともに、所定の持続時間の経過後、ガスタービン出力制御装置８と、蒸気タービン出力制御装置９と、に次々にフィードフォワードされる値を有し、それによりガスタービン２と蒸気タービン３とは、実質的に同一時点ｔ１（図５参照）で負荷低減が行われている。

ここで付加的に図３を参照する。

図１に表示された、コンバインドサイクルパワープラント１のためのさらなる制御装置構成が表示されている。

図３に表示された制御装置構成は運転停止装置１３を有し、本実施の形態において当該運転停止装置は前制御装置１１として形成されていてもよい。

運転停止装置１３は当該運転停止装置のそれぞれの運転停止目標値推移ＡＳＶＩ、ＡＳＶＩＩを介して、ガスタービン２のための運転停止前制御推移ＡＶＶＩと、蒸気タービン３のための運転停止前制御推移ＡＶＶＩＩと、をそれぞれの制御値ｓとして、ガスタービン２もしくは制御系ガスタービン６と、蒸気タービン３もしくは制御系蒸気タービン７と、に直接フィードフォワードする。このときガスタービン２のための運転停止前制御推移ＡＶＶＩと、蒸気タービン３のための運転停止前制御推移ＡＶＶＩＩと、は本実施の形態においてそれぞれ、大きさが減少する一連の値であって、互いに調整されているとともに、次々にフィードフォワードされる値を有し、それによりガスタービン２と蒸気タービン３とは、実質的に同一時点ｔ１（図５参照）で負荷低減が行われている。

ここで付加的に図４を参照する。

図１に表示されたコンバインドサイクルパワープラント１のための開ループ制御構成が表示されている。

図４に表示された開ループ制御構成は運転停止装置１３を有し、本実施の形態において当該運転停止装置は開ループ制御装置１２として形成されており、ガスタービン２を開ループ制御するためのガスタービン開ループ制御ユニット１３と、蒸気タービン３を開ループ制御するための蒸気タービン開ループ制御ユニット１４と、を有する。

運転停止装置１３は運転停止操作変数推移ＡＳＧＩを、ガスタービン２もしくは制御系ガスタービン６にフィードフォワードし、運転停止操作変数推移ＡＳＧＩＩを蒸気タービン３もしくは制御系蒸気タービン７にフィードフォワードし、それによりガスタービン２と蒸気タービン３とは、実質的に同一時点ｔ１（図５参照）で負荷低減が行われている。

ここで付加的に図５を参照する。

コンバインドサイクルパワープラント１の回転速度推移ｎおよびブロック出力推移Ｐが概略的な型式で表示されている。

運転停止は時点ｔ０において開始される。したがって当該時点において運転停止装置１３はアクティブになる。

運転停止装置１３が目標値特定装置１０として形成されているとき、運転停止装置１３は、ガスタービン２のための運転停止目標値推移ＡＳＶＩと、蒸気タービン３のための運転停止目標値推移ＡＳＶＩＩと、をそれぞれの目標値として、ガスタービン出力制御装置８と、蒸気タービン出力制御装置９と、にフィードフォワードし、それによりガスタービン２と蒸気タービン３は、実質的に同一時点ｔ１で負荷低減が行われている。

運転停止装置１３が前制御装置１１として形成されているとき、運転停止装置１３は、ガスタービン２のための運転停止前制御推移ＡＶＶＩと、蒸気タービン３のための運転停止前制御推移ＡＶＶＩＩと、をそれぞれの制御値として、ガスタービン２もしくは制御系ガスタービン６と、蒸気タービン３もしくは制御系蒸気タービン７と、に直接フィードフォワードし、それによりガスタービン２と蒸気タービン３とは、実質的に同一時点ｔ１で負荷低減が行われている。

運転停止装置１３が開ループ制御装置１２として形成されているとき、運転停止装置１３は、運転停止操作変数推移ＡＳＧＩＩを、ガスタービン２もしくは制御系ガスタービン６にフィードフォワードし、運転停止操作変数推移ＡＳＧＩを蒸気タービン３もしくは制御系蒸気タービン７にフィードフォワードし、それによりガスタービン２と蒸気タービン３とは、実質的に同一時点ｔ１で負荷低減が行われている。

したがって時点ｔ０から時点ｔ１まで及ぶ時間窓、すなわち運転停止過程の開始から、蒸気温度の下限値への低下まで及ぶ時間窓内で、ガスタービン２は蒸気タービン３と同時に運転停止することができる。さらに時点ｔ０から時点Ｔ１までの時間窓内で、ブロック出力推移位Ｐはゼロに低下する。

運転停止はこうして加速することができる。このときガスタービン２が大きな原動力を有していると有利であるが、これは前提条件ではない。

本発明を細部にわたって好適な実施の形態を介してより詳しく例示するとともに説明を行ったが、本発明は開示された例によって制限されるものではなく、本発明の保護範囲を逸脱しない限り、当業者は本願から他の変化形態を導き出すことができる。

１コンバインドサイクルパワープラント
２ガスタービン
３蒸気タービン
４凝縮器
５ボイラー
６制御系ガスタービン
７制御系蒸気タービン
８ガスタービン出力制御装置
９蒸気タービン出力制御装置
１０目標値特定装置
１１前制御装置
１２開ループ制御装置
１３運転停止装置
１４排ガス導管
１５排気口
１６蒸気導管
１７蒸気導管
１８凝縮液導管
ＳＯＬＬ目標値
ＩＳＴ実際値
ＡＳＶＩガスタービンのための運転停止目標値推移
ＡＳＶＩＩ蒸気タービンのための運転停止目標値推移
ｅ制御偏差
ｕ操作変数
ｓ制御値
ＡＶＶＩガスタービンのための運転停止前制御推移
ＡＶＶＩＩ蒸気タービンのための運転停止前制御推移
ＡＳＧＩガスタービンのための運転停止操作変数推移
ＡＳＧＩＩ蒸気タービンのための運転停止操作変数推移
ｎ回転速度推移
Ｐブロック出力推移

Claims

コンバインドサイクルパワープラント（１）を運転するための方法であって、
前記コンバインドサイクルパワープラント（１）は、ガスタービン（２）と蒸気タービン（３）と運転停止装置（１３）とを有し、前記ガスタービン（２）と前記蒸気タービン（３）を運転停止するために、第一の時点（ｔ０）での運転停止過程の開始から、第二の時点（ｔ１）での蒸気温度の下限値への低下まで及ぶ時間窓内で、前記ガスタービン（２）と前記蒸気タービン（３）が実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減されているとともに、ブロック出力がゼロに低下するように、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（３）が、前記運転停止装置（１３）を用いて運転され、前記コンバインドサイクルパワープラント（１）内に貯蔵された熱エネルギーは、蒸気温度が前記時間窓内で前記ガスタービン（２）の最小出力を下回る運転へと即座に低下することを防止する、方法。
前記ガスタービン（２）にはガスタービン出力制御装置（７）が設けられ、前記蒸気タービン（３）には蒸気タービン出力制御装置（８）が設けられており、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（３）が実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減が行われるために、前記ガスタービン出力制御装置（７）および前記蒸気タービン出力制御装置（８）には、それぞれの運転停止目標値推移（ＡＳＶＩ，ＡＳＶＩＩ）を備えるそれぞれの特定の目標値が設定されている、請求項１に記載の方法。
前記ガスタービン（２）にはガスタービン出力制御装置（７）が設けられ、前記蒸気タービン（３）には蒸気タービン出力制御装置（８）が設けられており、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（３）が実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減が行われるために、前記ガスタービン出力制御装置（７）および前記蒸気タービン出力制御装置（８）のそれぞれの操作変数には、それぞれ運転停止前制御推移（ＡＶＶＩ，ＡＶＶＩＩ）が与えられている、請求項１に記載の方法。
運転停止装置（１３）を用いて、前記ガスタービン（２）と前記蒸気タービン（３）とが実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減が行われるために、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（３）には、それぞれ運転停止操作変数推移（ＡＳＧＩ，ＡＳＧＩＩ）が設定されている、請求項１に記載の方法。
請求項１から４のいずれか一項に記載の方法を実施するために形成されている構成要素を備えるコンピュータプログラム製品。
ガスタービン（２）と蒸気タービン（３）と運転停止装置（１３）とを有するコンバインドサイクルパワープラント（１）であって、
前記運転停止装置（１３）は、第一の時点（ｔ０）での運転停止過程の開始から、第二の時点（ｔ１）での蒸気温度の下限値への低下まで及ぶ時間窓内で、前記ガスタービン（２）と前記蒸気タービン（３）とが実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減されているとともに、ブロック出力がゼロに低下するように、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（３）を運転するために形成されており、前記コンバインドサイクルパワープラント（１）内に貯蔵された熱エネルギーは、蒸気温度が前記時間窓内で前記ガスタービン（２）の最小出力を下回る運転へと即座に低下することを防止する、コンバインドサイクルパワープラント。
前記ガスタービン（２）にはガスタービン出力制御装置（７）が設けられ、前記蒸気タービン（３）には蒸気タービン出力制御装置（８）が設けられており、運転停止装置（１３）が設けられており、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（３）が実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減が行われるために、前記運転停止装置は、前記ガスタービン出力制御装置（７）および前記蒸気タービン出力制御装置（８）に、それぞれの運転停止目標値推移（ＡＳＶＩ，ＡＳＶＩＩ）に応じたそれぞれの特定の目標値を設定している、請求項６に記載のコンバインドサイクルパワープラント（１）。
前記ガスタービン（２）にはガスタービン出力制御装置（７）が設けられ、前記蒸気タービン（３）には蒸気タービン出力制御装置（８）が設けられており、運転停止装置（１３）が設けられており、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（３）が実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減が行われるために、前記運転停止装置は前記ガスタービン出力制御装置（７）および前記蒸気タービン出力制御装置（８）に、運転停止前制御推移（ＡＶＶＩ，ＡＶＶＩＩ）を与えている、請求項６に記載のコンバインドサイクルパワープラント（１）。
運転停止装置（１３）が設けられており、前記ガスタービン（２）および前記蒸気タービン（３）が実質的に同一時点（ｔ１）で負荷低減が行われるために、前記運転停止装置はそれぞれ運転停止操作変数推移（ＡＳＧＩ，ＡＳＧＩＩ）を設定している、請求項６に記載のコンバインドサイクルパワープラント（１）。
請求項６から９のいずれか一項に記載のコンバインドサイクルパワープラント（１）のための運転停止装置（１３）。