JP2021063498A

JP2021063498A - 発電システム及び発電システムの起動方法

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Publication number: JP2021063498A
Application number: JP2019190155A
Authority: JP
Inventors: 義信大林; Yoshinobu Obayashi
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: JP7268573B2

Abstract

【課題】起動時のタービンの振動発生を確実に防止できる発電システム及び発電システムの起動方法を提供すること。【解決手段】ボイラ１０と、ボイラ１０から発生した蒸気が流れる高圧タービン２０と、ボイラ１０により再加熱された再熱蒸気が流れる中圧タービン３０、低圧タービン４１，４２と、高圧タービン２０及び中圧タービン３０、低圧タービン４１，４２の回転によって発電する発電機５０と、中圧タービン３０、低圧タービン４１，４２に流入する再熱蒸気の温度を検出する温度検出部８０と、蒸気の流量により発電機５０の負荷を制御する制御部と、を備え、制御部は、発電機５０の負荷を、無負荷状態から、電力供給時の設定負荷よりも小さい初負荷が付与される初負荷状態を温度検出部８０で検出する再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなるまで維持した後、設定負荷での負荷運転に移行する発電システム１及び発電システムの起動方法。【選択図】図１

Description

本発明は、発電システム及び発電システムの起動方法に関する。

従来、高圧側タービンから排出された蒸気を再加熱して中圧タービン、低圧タービン等の低圧側タービンに供給し、発電効率を高める発電システムが知られている。この種の発電システムでは、タービン起動初期におけるタービンロータの断面温度分布の不均一による熱応力やタービンロータとケーシングの温度差による伸び差等に起因する振動が発生することがある。この振動を抑制する方法として、例えば、特許文献１には、高圧タービン第１段後内壁メタル温度及び高圧タービン第１段後蒸気温度に基づいて決定した初負荷保持時間でタービンを起動する方法が記載されている。また、特許文献２には、再熱蒸気の温度の経時変化情報に基づいて決定した流量で水を噴霧し、蒸気を発生させるガスタービンの排ガス温度を調整する方法が記載されている。

特開平４−２０３３０４号公報特開２０１９−２７３９９号公報

しかし、特許文献１の方法では、予め初負荷保持時間を設定しても、タービン起動後の運転状況によって振動が発生することがあり、初負荷保持時間を再調整する必要があった。また、特許文献２の方法では、タービンの振動が発生しないようにガスタービンの排ガスに水を噴霧して温度を調整しているものの、振動が発生しない十分な初負荷保持時間を把握することはできなかった。従来技術には、振動発生を確実に防止できる初負荷保持時間を正確に把握するという点で改善の余地があった。

本発明は、起動時のタービンの振動発生を確実に防止できる発電システム及び発電システムの起動方法を提供することを目的とする。

本発明は、蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラから発生した蒸気が流れる高圧側タービンと、前記高圧側タービンから排出され、前記ボイラにより再加熱された再熱蒸気が流れる低圧側タービンと、前記高圧側タービン及び前記低圧側タービンの回転によって発電する発電機と、前記低圧側タービンに流入する前記再熱蒸気の温度を検出する検出部と、前記蒸気の流量により前記発電機の負荷を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記発電機の負荷を、無負荷状態から、電力供給時の設定負荷よりも小さい初負荷が付与される初負荷状態を前記検出部で検出する前記再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなるまで維持した後、前記設定負荷での負荷運転に移行する発電システムに関する。

前記制御部は、予め設定される設定温度を超えた状態かつ前記温度変化率が所定値よりも小さくなるまで前記初負荷状態が維持されることが好ましい。

本発明は、高圧側タービン及び低圧側タービンの回転によって発電する発電機を備え、前記高圧側タービンから蒸気を排出し、ボイラにより再加熱された再熱蒸気を前記低圧側タービンに流す発電システムの起動方法であって、前記発電機の負荷を、無負荷状態から、電力供給時の設定負荷よりも小さい初負荷が付与される初負荷状態を前記再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなるまで維持するステップと、前記初負荷状態を維持するステップの後、前記設定負荷での負荷運転に移行するステップと、を含む発電システムの起動方法に関する。

前記発電システムの起動方法において、予め設定される設定温度を超えた状態かつ前記温度変化率が所定値よりも小さくなるまで前記初負荷状態が維持されることが好ましい。。

本発明によれば、起動時のタービンの振動発生を確実に防止できる発電システム及び発電システムの起動方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る発電システムを示す概略図である。本発明の一実施形態に係る発電システムの制御部に関する電気的な構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る発電システムの実施例において測定された各種データの挙動を示す図である。本発明の一実施形態に係る発電システムの比較例において測定された各種データの挙動を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る発電システム１について説明する。図１は本実施形態に係る発電システム１の要部を示す概略図である。発電システム１は、火力発電所において蒸気を利用して発電を行うシステムである。

まず、発電システム１の全体構成について説明する。図１に示すように、発電システム１は、ボイラ１０と、高圧側タービンである高圧タービン２０と、低圧側タービンである中圧タービン３０及び低圧タービン４１，４２と、発電機５０と、復水器６０と、給水加熱設備７０と、温度検出部８０と、を備える。また、発電システム１は、蒸気及び水等の流体を流通させる流路として、主に主蒸気管１０１と、低温再熱蒸気管１０３と、高温再熱蒸気管１０７と、クロスオーバー管１１１と、復水管１１３，１１４と、給水管１１９，１２０，１２１，１２６と、を備える。さらに、発電システム１は、発電システム１の起動制御を実行する制御部９０を備える。

ボイラ１０は、蒸気を発生させる装置であり、過熱器１１と、再熱器１２と、を含んで構成される。過熱器１１は、ボイラ１０で発生した蒸気を過熱して高温高圧の過熱蒸気を発生させる装置である。再熱器１２は、高圧タービン２０から排出された蒸気を再加熱する装置である。

高圧タービン２０と、中圧タービン３０と、低圧タービン４１，４２と、発電機５０とは、それぞれの軸同士が連結され、同軸上に配置される。本明細書では、高圧タービン２０と中圧タービン３０の両端の軸受のうち、高圧タービン側を第１軸受２１、中圧タービン側を第２軸受３１とする。

高圧タービン２０は、主蒸気管１０１によりボイラ１０の過熱器１１と連結され、低温再熱蒸気管１０３によりボイラ１０の再熱器１２と連結される。主蒸気管１０１には、主熱蒸気止め弁１０２が配置される。低温再熱蒸気管１０３には、逆止め弁１０４が配置される。また、主蒸気管１０１と低温再熱蒸気管１０３とは、バイパスライン１０５により互いに連結される。バイパスライン１０５には、バイパス弁１０６が配置される。

中圧タービン３０は、高温再熱蒸気管１０７によりボイラ１０の再熱器１２と連結される。高温再熱蒸気管１０７には、再熱蒸気の温度を検出する温度検出部８０と、複合再熱弁１０８が配置される。高温再熱蒸気管１０７には、温度検出部８０と複合再熱弁１０８との間の位置にバイパスライン１０９が連結される。バイパスライン１０９は、復水器６０に連結される。バイパスライン１０９には、バイパス弁１１０が配置される。

低圧タービン４１，４２は、クロスオーバー管１１１により中圧タービン３０と連結される。また、低圧タービン４１，４２の下流側には、復水器６０が配置される。

発電機５０は、高圧タービン２０、中圧タービン３０、及び低圧タービン４１，４２の回転により駆動され、発電する。

復水器６０は、低圧タービン４１，４２から排出された蒸気と、バイパスライン１０９から送られた蒸気を回収して水に戻す装置である。復水器６０には、冷却水が流通する冷却管１１２と、冷却管１１２に冷却水を圧送する主冷却ポンプ６１とが配置される。復水器６０の下流側には、復水器６０で凝縮した水を圧送する復水抽出ポンプ６２とグランド蒸気をドレン化するグランド蒸気復水器６３が配置される。

給水加熱設備７０は、復水器６０から排出された水を加熱して、給水としてボイラ１０に供給する設備である。給水加熱設備７０は、給水を加熱する低圧給水加熱器７１〜７３及び高圧給水加熱器７６〜７８と、給水を脱気する脱気器／給水処理装置７４と、給水を圧送する給水ポンプユニット７５と、を備える。

次に、発電システム１の運転時における蒸気等の流体の流れについて説明する。

ボイラ１０で発生した蒸気を過熱器１１で過熱した過熱蒸気は、主蒸気管１０１を通って高圧タービン２０に送られ、高圧タービン２０を回転させる。高圧タービン２０の回転に用いられた蒸気は、低温再熱蒸気管１０３を介してボイラ１０の再熱器１２に送られる。

再熱器１２で再加熱された蒸気である再熱蒸気は、高温再熱蒸気管１０７を通って中圧タービン３０に送られ、中圧タービン３０を回転させる。中圧タービン３０の回転に用いられた蒸気は、クロスオーバー管１１１を介して低圧タービン４１，４２に送られる。

低圧タービン４１，４２に送られた蒸気は、低圧タービン４１，４２を回転させる。低圧タービン４１，４２の回転に用いられた蒸気は、復水器６０に送られる。

復水器６０に送られた蒸気は、冷却管１１２を流れる冷却水との熱交換により冷却され、水に戻される。復水器６０により水に戻された復水は、復水抽出ポンプ６２により圧送され、復水管１１３を流れ、グランド蒸気復水器６４を介して給水加熱設備７０に送られる。

給水加熱設備７０に送られた給水は、復水管１１４を流れ、低圧給水加熱器７１〜７３で加熱され、給水管１１９を介して脱気器／給水処理装置７４に送られる。また、バイパスライン１１５に配置されるバイパス弁１１６やバイパスライン１１７に配置されるバイパス弁１１８を開くことにより、低圧給水加熱器７１〜７３を通過させずに給水を脱気器／給水処理装置７４に送ることもできる。

脱気器／給水処理装置７４では、給水に含まれる溶存酸素を除去する脱気が行われる。脱気された給水は、給水管１２０を介して給水ポンプユニット７５に送られる。給水ポンプユニット７５は、脱気処理された給水を給水管１２１に圧送する。

給水管１２１に圧送された給水は、高圧給水加熱器７６〜７８で加熱され、給水管１２６を介してボイラ１０へ送られる。また、バイパスライン１２２に配置されるバイパス弁１２３やバイパスライン１２４に配置されるバイパス弁１２５を開くことにより、高圧給水加熱器７６〜７８を通過させずに給水をボイラ１０に送ることもできる。

ボイラ１０へ送られた給水は、ボイラ１０と過熱器１１で過熱蒸気となり、主蒸気管１０１を介して高圧タービン２０へ供給される。

次に、制御部９０について説明する。図２は、発電システム１の制御部９０に関する電気的な構成を示すブロック図である。

図２に示すように、制御部９０は、温度変化率算出部９１と、出力判定部９２とを含むコンピュータである。制御部９０は、ボイラ１０、温度検出部８０等と電気的に接続される。制御部９０は、温度検出部８０からの情報に基づいて、発電機５０の負荷を制御する。

制御部９０による発電機５０の負荷の制御について説明する。発電システム１が起動すると、制御部９０は、高圧タービン２０に過熱蒸気を供給し、発電機５０の回転速度を所定の回転速度まで上昇させる。本実施形態における所定の回転速度は例えば３６００ｒｐｍである。このとき、発電機５０は電気を出力していない無負荷状態である。

所定時間経過後、制御部９０は、電力供給時の設定負荷（定格負荷）よりも小さい初負荷が付与される初負荷保持に切り替える。このとき、制御部９０は、発電機５０の回転速度を維持するために、ボイラ１０から発生する蒸気量を増やす制御を行う。

蒸気量が増えると、高圧タービン２０から排出され、再熱器１２で再加熱された再熱蒸気が、高圧高温の状態を維持しながら高温再熱蒸気管１０７を介して中圧タービン３０及び低圧タービン４１，４２に流入する。再熱蒸気の温度は、高温再熱蒸気管１０７における再熱器１２と複合再熱弁１０８の間に配置された温度検出部８０により検出される。

再熱蒸気の温度の検出結果は、制御部９０の温度変化率算出部９１により監視される。温度変化率算出部９１は、連続的に受信した再熱蒸気の温度の検出結果から再熱蒸気の温度変化率を算出する。再熱蒸気の温度変化率は、再熱蒸気の温度を微分したものであってもよく、単位時間当たりの再熱蒸気の温度の上昇分であってもよい。

制御部９０は、温度検出部８０により検出された再熱蒸気の温度が予め設定される設定温度を超えた状態であり、かつ、温度変化率算出部９１により算出される再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなったと出力判定部９２が判定した場合に、発電機５０の出力の上昇を開始し、設定負荷での負荷運転に切り替える。所定値は、各設備や条件等により実証的に決定することができる。

本実施形態に係る発電システム１によれば、再熱蒸気の温度の上昇が安定したタイミングで、発電機５０の出力を上昇させるための蒸気量を増やす。これにより、高圧タービン２０だけでなく、中圧タービン３０及び低圧タービン４１，４２が均質に温められた状態で、更なる熱を各タービンに加えることができる。よって、出力上昇時にタービンロータの断面温度分布の不均一とタービンロータとケーシングの過渡的な温度差が生じ難くなり、タービンの振動に起因する熱応力やタービンロータとケーシングの伸び差に起因する振動の発生を抑制できる。

次に、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例］
図３は本発明の実施例における発電システム１の起動初期における各種データの挙動を示す図である。図３の（Ａ）は発電機５０の出力及びタービンの伸びを示す図、図３の（Ｂ）は再熱蒸気の温度及び再熱蒸気の圧力を示す図、図３の（Ｃ）は第１軸受２１の振動及び第２軸受３１の振動を示す図である。図３の（Ａ）の紙面左側の縦軸は発電機の出力であり、紙面右側の縦軸はタービンの伸びである。図３の（Ｂ）の紙面左側の縦軸は再熱蒸気の温度、紙面左側の縦軸は再熱蒸気の圧力である。図３の（Ｃ）の縦軸は第１軸受２１及び第２軸受３１の振動の大きさである。図３の（Ａ）から（Ｃ）の横軸は経過時間を示す。本実施例では、上記実施形態の発電システム１により実施した。また、本実施例では、初負荷状態を維持する初負荷保持での発電機５０による出力（発電機出力）を２５ＭＷに設定し、負荷運転での発電機出力を１２５ＭＷに設定した。

図３の（Ａ）に示すように、タービンの伸びは、初負荷保持開始時から一定の割合で上昇した。図３の（Ｂ）に示すように、再熱蒸気の温度は、初負荷保持開始時から急激に上昇したが、１２０分前後で温度が安定し、温度変化率が小さくなった。図３の（Ｃ）に示すように、第２軸受３１の振動は、初負荷保持開始時から５０分後（後述する比較例における初負荷保持完了時）に９４μｍであったが、緩やかに減少し、初負荷保持開始時から１２０分後に８７μｍであった。これは、高圧タービン２０のサーマルアンバランスが減少したためであると考えられる。

本実施例では、初負荷保持開始から１２０分後に、出力判定部９２が再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなったと判定し、発電機５０による出力の上昇を開始させる負荷運転に切り替えた。出力を上昇させるために再熱蒸気の温度が再び急上昇しているにもかかわらず、第２軸受３１の振動は、安定した低い値で推移し、１２５ＭＷ到達時で６０μｍであった。これは、負荷運転開始時にタービン全体が均質に温められた状態であるので、さらに熱を加えても高圧タービン２０のサーマルアンバランスが生じ難いためであると考えられる。

［比較例］
本発明の比較例は、制御部９０を除き、上記実施例と同様の構成の発電システムにより実施した。また、比較例では、実施例と同様に初負荷保持での発電機５０による出力を２５ＭＷ、負荷運転での出力を１２５ＭＷに設定した。一方、初負荷保持時間は、予め設定された５０分間である。

図４は、本発明の比較例における発電システムの起動初期における各種データの挙動を示す図である。図４の（Ａ）は発電機５０の出力及び回転速度を示す図、図４の（Ｂ）は第２軸受３１の振動と位相を示す図である。図４の（Ａ）の紙面左側の縦軸は発電機の出力であり、紙面右側の縦軸は発電機の回転速度である。図４の（Ｂ）の紙面左側の縦軸は第２軸受３１の振動であり、紙面右側の縦軸は第２軸受３１の位相である。図４の（Ａ）から（Ｂ）の横軸は経過時間を示す。

図４に示すように、第２軸受３１の振動は、初負荷保持の開始（並列）とともに急上昇し、初負荷保持完了時まで高い値を維持した。負荷運転に切り替えた後、第２軸受３１の振動が約１００μｍを越えたことが確認できる。これは、初負荷保持開始から５０分の時点では、高圧タービン２０が均質に温められておらず、その状態でさらに再熱蒸気の温度を上昇させたために、高圧タービン２０のサーマルアンバランスが増大したためであると考えられる。実施例の図３に示すように、初負荷保持開始後５０分の時点では、再熱蒸気の温度が上がり切っておらず、温度が安定していないことが確認できる。

以上説明した本実施形態に係る発電システム１及び発電システムの起動方法によれば、以下のような効果を奏する。

本実施形態に係る発電システム１は、蒸気を発生させるボイラ１０と、ボイラ１０から発生した蒸気が流れる高圧タービン２０と、高圧タービン２０から排出され、ボイラ１０により再加熱された再熱蒸気が流れる中圧タービン３０、低圧タービン４１，４２と、高圧タービン２０及び中圧タービン３０、低圧タービン４１，４２の回転によって発電する発電機５０と、中圧タービン３０、低圧タービン４１，４２に流入する再熱蒸気の温度を検出する温度検出部８０と、蒸気の流量により発電機５０の負荷を制御する制御部９０と、を備え、制御部９０は、発電機５０の負荷を、無負荷状態から、電力供給時の設定負荷よりも小さい初負荷が付与される初負荷状態を温度検出部８０で検出する再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなるまで維持した後、設定負荷での負荷運転に移行する。

これにより、中圧タービン３０及び低圧タービン４１，４２に送られる再熱蒸気の温度が安定し、タービン全体がより均質に温められた状態で負荷運転に移行し、発電機５０の出力を上げることができる。よって、タービンロータとケーシングの伸び差等に起因する振動を抑制でき、タービンの長寿命化を実現できる。また、再熱蒸気の温度変化率を確認しながら、発電機５０の出力を調整できるので、高圧タービン２０、中圧タービン３０、及び低圧タービン４１，４２に加わる振動を確実に抑制できる。

また、制御部９０は、予め設定される設定温度を超えた状態かつ温度変化率が所定値よりも小さくなったときに初負荷状態から設定負荷での負荷運転に移行する。

これにより、タービン全体の温度が十分に上がり切る前に初負荷状態から負荷運転に移行する事態の発生をより一層確実に防止できる。

本実施形態に係る発電システムの起動方法は、高圧タービン２０及び中圧タービン３０、低圧タービン４１，４２の回転によって発電する発電機５０を備え、高圧タービン２０から蒸気を排出し、ボイラ１０により再加熱された再熱蒸気を中圧タービン３０、低圧タービン４１，４２に流す発電システムの起動方法であって、発電機５０の負荷を、無負荷状態から、電力供給時の設定負荷よりも小さい初負荷が付与される初負荷状態を再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなるまで維持するステップと、初負荷状態を維持するステップの後、設定負荷での負荷運転に移行するステップと、を含む。

これにより、再熱蒸気の温度変化率が小さくなるまで初負荷状態を維持するので、タービン全体が均質に温められている状態で、負荷運転に移行することができる。よって、高圧タービン２０のサーマルアンバランスに起因する起動時のタービンの振動発生を確実に防止できる。

また、本実施形態に係る発電システムの起動方法は、予め設定される設定温度を超えた状態かつ温度変化率が所定値よりも小さくなるまで初負荷状態が維持される。

これにより、タービン全体の温度が十分に上がり切る前に初負荷状態から負荷運転に移行することをより確実に防止できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。上記実施形態では、予め設定される設定温度を超えた状態かつ温度変化率が所定値よりも小さくなることが通常運転への移行条件であったが、移行条件は他の条件を適宜変更することができる。例えば、温度変化率が所定値よりも小さくなることだけを移行条件としてもよいし、他の条件を追加してもよい。

１０ボイラ
２０高圧タービン（高圧側タービン）
３０中圧タービン（低圧側タービン）
４１，４２低圧タービン（低圧側タービン）
５０発電機
８０検出部（温度検出部）
９０制御部

Claims

蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラから発生した蒸気が流れる高圧側タービンと、
前記高圧側タービンから排出され、前記ボイラにより再加熱された再熱蒸気が流れる低圧側タービンと、
前記高圧側タービン及び前記低圧側タービンの回転によって発電する発電機と、
前記低圧側タービンに流入する前記再熱蒸気の温度を検出する検出部と、
前記蒸気の流量により前記発電機の負荷を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記発電機の負荷を、無負荷状態から、電力供給時の設定負荷よりも小さい初負荷が付与される初負荷状態を前記検出部で検出する前記再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなるまで維持した後、前記設定負荷での負荷運転に移行する発電システム。
前記制御部は、
予め設定される設定温度を超えた状態かつ前記温度変化率が所定値よりも小さくなるまで前記初負荷状態が維持される請求項１に記載の発電システム。
高圧側タービン及び低圧側タービンの回転によって発電する発電機を備え、前記高圧側タービンから蒸気を排出し、ボイラにより再加熱された再熱蒸気を前記低圧側タービンに流す発電システムの起動方法であって、
前記発電機の負荷を、無負荷状態から、電力供給時の設定負荷よりも小さい初負荷が付与される初負荷状態を前記再熱蒸気の温度変化率が所定値よりも小さくなるまで維持するステップと、
前記初負荷状態を維持するステップの後、前記設定負荷での負荷運転に移行するステップと、を含む発電システムの起動方法。
予め設定される設定温度を超えた状態かつ前記温度変化率が所定値よりも小さくなるまで前記初負荷状態が維持される請求項３に記載の発電システムの起動方法。