JP2021124116A

JP2021124116A - 発電プラントを運転するための方法、および発電プラント

Info

Publication number: JP2021124116A
Application number: JP2021009059A
Authority: JP
Inventors: ドゥシャ、アンドリアス; Duscha Andreas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2021-08-30
Also published as: US11459961B2; CN113217197A; EP3862549A1; US20210396185A1

Abstract

【課題】発電プラントを運転するための方法、および方法に従って運転されるように構成された発電プラントを提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジン１０、２０、および燃料ガス圧縮機５３、５４、５５を備える発電プラント１を運転するため、ユーティリティ供給ライン５１を通して燃料ガス５を供給することと、燃料ガスを運転中の燃料ガス圧縮機でプラント供給圧力に圧縮し、圧縮された燃料ガスをプラント供給ライン５２に供給する。ガスタービンエンジンは、電力要求信号に従って設定された出力で運転され、運転中の燃料ガス圧縮機の故障が検出された場合、少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力は、設定された出力よりも低い非常用出力に低減され、少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力は、非常用出力に制限される。出力の低減は、単一のステップで実施され、少なくとも１つのフィードフォワード信号によって制御される。
【選択図】図１

Description

本開示は、特許請求の範囲に記載されるように、発電プラントを運転するための方法、および方法に従って運転されるように構成された発電プラントに関する。

ガスタービンまたはコンバインドサイクル発電プラントは、１つまたは複数のガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンが燃料ガスで運転されることを意図している場合、燃料ガス供給システムとを備える。燃料ガス供給システムは、典型的には、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機もしくは還元装置、または両方の組み合わせのいずれかを含む。燃料ガス圧縮機は、単一のガスタービンエンジン専用にすることも、または複数のガスタービンエンジンに接続された共通のヘッダで運転するように構成することもできる。

ガスタービンの定常状態運転中に安定したガス供給圧力を提供するために、燃料ガス供給システムは、ガスタービンエンジンに供給される燃料ガスの供給圧力の急な圧力勾配および著しい変動を回避するように、典型的には低速で機能する圧力コントローラを備える。発電プラントの負荷制御もまた、発電プラントに固有のフィードバック信号の遅延時間を考慮して、比較的低速で機能する。

これらのシステムは、ガスタービンエンジンおよび発電プラントの他の回転機器の安定した運転をもたらすが、これらの制御メカニズムは、予期しない過渡現象が発生した場合に遅すぎる場合がある。

プラントおよび補助装置による自己消費の節約、ならびに投資コストを含むプラントの経済性のために、燃料ガス圧縮機は、一般に、定格負荷において定常状態で１つまたは複数のガスタービンエンジンを運転するのにちょうど十分な燃料質量流量および圧力で、全負荷近くで動作するように設計および運転される。したがって、燃料ガス圧縮機の故障は、設定された出力で動作する１つまたは複数のガスタービンエンジンにより、制御システムが反応することができない可能性があるプラント燃料ガス供給圧力の急速な低下をもたらすことがある。したがって、ガスタービンエンジンは、燃料制御弁を調整する制御システムの性能の欠如、または最小必要なプラント燃料ガス供給圧力での燃料ガスの十分な質量流量の単純な欠如のいずれかのために、突然の停止を経験する場合がある。コンバインドサイクル発電プラントでは、１つまたは複数のガスタービンエンジンを停止すると、蒸気タービンも高速で停止する。主要な回転機器の突然の停止（ＴＲＩＰとも呼ばれる）により、ガスタービンおよび蒸気タービンの熱負荷部分に大きな応力がかかり、それに応じて寿命消費が高くなり、発電プラントが電力をグリッドに再び供給するまでの遅延が必要になる可能性がある。

本開示の主題の目的は、最初に述べたタイプの発電プラントを運転するための方法、および前記方法に従って運転されるのに適した発電プラントを提供することである。より具体的な態様では、燃料ガス圧縮機の故障時に発電プラントの主要な回転機器の突然の停止を回避することを可能にする方法が提供されなければならない。より具体的な態様では、スケジュールされたまたは要求された出力をグリッドに提供するように、通常の、例えば、制限のない負荷制御された運転モードに戻ることができることが望ましい場合がある。

これは、独立請求項に記載の主題によって達成される。

開示される主題のさらなる効果および利点は、明示的に言及されているか否かにかかわらず、以下に提供される開示を考慮すると明らかになるであろう。

本開示の枠組みの中で、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」の使用は決して単数を規定しておらず、多数の指定された部材または特徴の存在を排除しないことに留意されたい。したがって、それは「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」という意味で読むべきである。

したがって、発電プラントを運転するための方法が開示され、発電プラントは、少なくとも１つのガスタービンエンジン、および少なくとも１つの燃料ガス圧縮機を備える。方法は、ユーティリティ供給ラインを通して燃料ガスを供給することを含み、ユーティリティ供給ライン内の燃料ガスは、ライン供給圧力にある。その後、ユーティリティ供給ラインを通してライン供給圧力で供給される燃料ガスは、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機でプラント供給圧力に圧縮され、プラント供給圧力で圧縮された燃料ガスは、プラント供給ラインに供給される。当業者は、プラント供給ラインから、圧縮された燃料ガスが、各ガスタービンエンジンの少なくとも１つの燃料ガス制御弁を通して少なくとも１つのガスタービンエンジンに供給されることを容易に理解するであろう。当業者は、少なくとも１つの燃料制御弁が、それぞれのガスタービンエンジンへの総燃料ガス質量流量を制御するための制御弁を備え得るが、さらにまたは代わりに、燃料ガス質量流量を、例えば、限定はしないが、異なる燃料ランス、バーナ、バーナの燃料排出開口部、またはガスタービンエンジン内の燃焼ゾーンに分配するための制御弁または停止弁も備え得ることをさらに理解するであろう。方法は、最初に、電力要求信号に従って設定された出力でガスタービンエンジンを運転することを含む。すなわち、言い換えれば、ガスタービンエンジンの運転は、負荷コントローラによって、および外部でスケジュールされた要求信号に従って制御入力と一致する出力で制御される。方法は、運転中の燃料ガス圧縮機が故障したかどうかを検出することをさらに含む。この機能性は、例えば、限定はしないが、燃料ガス圧力コントローラに含めることができる。本明細書に開示される方法によれば、運転中の燃料ガス圧縮機の故障が検出された場合、これは、この燃料ガス圧縮機がもはや運転していない可能性があることを意味し、少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力は、設定された出力よりも低い非常用出力に低減される。「非常用出力」という用語は、この点で広く解釈されるべきであり、方法は、実施形態では、少なくとも１つのガスタービンエンジンを「全速−無負荷」にステップダウンロードすることを含み得、すなわち、グリッドへの出力はゼロであるが、少なくとも１つのガスタービンエンジンは、少なくとも本質的にグリッド周波数と同期する速度で動作し続けている。しかし、以下でより詳細に概説するように、少なくとも１つのガスタービンエンジンからの煙道ガスがコンバインドサイクル発電プラントで蒸気を生成するために使用される場合、「全速−無負荷」での煙道ガスの質量流量および温度は最小必要な生蒸気温度および／または質量流量を維持するには不十分である場合があるため、これには蒸気タービンの停止が必要になる可能性がある。その後、少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力は、非常用出力に制限される。出力の低減は、単一のステップで実施され、特に、これは本質的に不連続な段階的な方式での突然の除荷であり得、少なくとも１つのフィードフォワード信号によって制御される。すなわち、１つまたは複数の制御信号は、制御システムによって直接設定され、閉ループコントローラを使用せずに特定のハードウェア制御メンバに供給される。少なくとも１つのフィードフォワード制御信号は制御ループに依存しないため、閉ループ制御信号よりも大幅に高速なダイナミクスを提供する。実施形態では、方法は、フィードフォワード制御信号を少なくとも１つのガスタービンエンジンの少なくとも１つの燃料流量制御弁に提供することと、弁位置を事前定義された非常用位置に変更し、続いて非常用出力において負荷制御モードで少なくとも１つのガスタービンエンジンを運転することとを含む。当業者は、フィードフォワード信号が、例えば、可変入口ガイドベーンの列など、少なくとも１つのガスタービンエンジンの他のハードウェア構成要素にも送信され得、フィードフォワード信号が、非常用出力に対するさらなる運転パラメータを調整するために使用され得ることを容易に理解するであろう。少なくとも１つの燃料流量制御弁の事前定義された非常用位置は、特定の実施形態では、例えば試験動作中、ほぼ非常用出力で少なくとも１つのガスタービンエンジンを安全に運転するのに適した弁位置として決定され得る。言い換えれば、所定の非常用弁位置は、閉ループ制御で運転された場合に非常用出力で予想される燃料流量制御弁の位置に対応する弁位置である。フィードフォワード制御信号を提供する際に、ガスタービンエンジンは、ほぼ非常用出力に非常に高速に除荷され、その後、閉ループ負荷制御によって、実際の出力を非常用出力に微調整することができる。したがって、少なくとも１つのガスタービンエンジンの燃料ガス消費量は非常に迅速に低減され、その結果、プラント供給ラインによって提供される、および／またはプラント供給ラインと連通する緩衝ボリュームで緩衝される燃料ガスは、十分に高いプラント供給圧力で少なくとも１つのガスタービンエンジンへの燃料ガスの供給をより長く持続することができる。上記のように、少なくとも１つの燃料制御弁は、それぞれのガスタービンエンジンへの燃料ガス質量流量を制御するための制御弁を備え得るが、さらにまたは代わりに、燃料ガス質量流量を、例えば、限定はしないが、異なる燃料ランス、バーナ、バーナの燃料排出開口部、またはガスタービンエンジン内の燃焼ゾーンに分配するための制御弁または停止弁も備え得る。

燃料ガス圧縮機は、圧力比対入口質量流量の特性マップに従って運転するか、またはユーティリティ供給ラインに一定の圧力が与えられた場合、プラント供給圧力対質量流量に従って運転することが一般的に理解されている。さらに、各出力で少なくとも１つのガスタービンエンジンは、燃料質量流量と必要な最小燃料ガス圧力の一対の特性を有する。定常状態運転は、特定の出力で少なくとも１つのガスタービンエンジンが必要とする質量流量において、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機が前記特定の出力で必要な最小燃料ガス圧力で搬送することができる質量流量よりも低い場合に達成可能である。したがって、燃料ガス圧縮機の故障時、少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力が、消費された燃料質量流量が、運転中の少なくとも１つの燃料ガス圧縮機が前記出力で必要な最小燃料ガス圧力で搬送することができる質量流量よりも低い非常用出力に低減される場合、非常用出力における少なくとも１つのガスタービンエンジンの運転は、本質的に無制限の時間持続することができる。他の例では、以下に概説するように、ライン供給圧力が、非常用出力で少なくとも１つのガスタービンエンジンの運転を持続するのに十分である場合があり得る。しかし、運転中の燃料ガス圧縮機が存在せず、運転中の少なくとも１つの燃料ガス圧縮機が必要な燃料ガス圧力で必要な燃料質量流量を供給することができない場合、少なくともプラント供給ラインは、最初に、燃料ガス圧縮機の故障時、初期圧力で緩衝された燃料ガスが充填される緩衝ボリュームを提供すると考えられ得る。この緩衝された燃料ガスは、少なくとも１つのガスタービンエンジンの燃料質量流量要件と、存在する場合、運転中の１つまたは複数の燃料ガス圧縮機の供給能力との間の差を補うために使用され得る。このような場合、燃料ガスの正味の抽出が行われるにつれて、プラント供給ライン内のプラント供給圧力は着実に低下する。したがって、少なくとも１つのガスタービンエンジンの運転は、限られた時間持続され得る。前記時間は、理想的には、完全な燃料ガス供給性能を回復するのに十分であり、または少なくとも、突然のスケジュール外の失火よりも著しく低い寿命消費での少なくとも１つのガスタービンエンジンの通常の停止に対して十分である。したがって、少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力を非常用出力に低減することは、以下の目的の少なくとも１つに役立った：（ａ）少なくとも１つのガスタービンエンジンによって消費される燃料質量流量および必要な最小燃料圧力を、能力が低下した、または追加の燃料ガス圧縮なしで燃料ガス供給システムによって持続され得る値に低減すること、ならびに／または（ｂ）、プラント供給ライン内の圧力が非常用出力で必要な最小燃料圧力を下回るまで時間を延長するように、少なくとも１つのガスタービンエンジンによって消費される燃料質量流量および必要な最小燃料圧力を低減すること。

好ましくは、非常用出力は、グリッドに接続されたガスタービンエンジンの発電機を維持するのに十分に高いことが理解される。

さらに、非限定的な実施形態では、方法は、運転中の１つまたは複数の燃料ガス圧縮機の燃料ガス質量流量／出力圧力特性に基づいて持続可能である臨界ガスタービンエンジン出力を決定することと、非常用出力を臨界出力よりも低くするか、または最大でも等しくするように決定することとを含む。したがって、少なくとも１つのガスタービンエンジンの停止を回避することができる。

さらに、非限定的な実施形態では、方法は、少なくとも１つのガスタービンエンジンの排気ガス質量流量を少なくとも１つの排熱回収ボイラを通して導くことと、蒸気を生成することと、生成された蒸気を蒸気タービンに供給して蒸気タービンを駆動することとを含み、非常用出力は、蒸気タービンを駆動するために最小質量流量、圧力、および温度の蒸気を生成するのに必要な最小ガスタービンエンジン出力よりも高いか、または少なくとも等しい。したがって、蒸気タービンエンジンの停止を回避することができる。

主要な回転機器、すなわちガスタービンエンジン、および任意選択で、蒸気タービンエンジンが運転し続け、休止が回避されるという点で、寿命消費が大幅に低減され、休止から完全に起動するための遅延時間が回避されるため、両方の対策により経済的および技術的に大きな利点が得られる。

頻繁に適用される実施形態では、発電プラントは、例えば、３つの燃料ガス圧縮機のうち２つだけが定格出力で発電プラントを運転するのに必要であるという意味で、冗長燃料ガス圧縮能力を備える。この点で、燃料ガス圧縮機の故障時、発電プラントの少なくとも１つの燃料ガス圧縮機は、運転していない。本明細書に開示される方法は、これらの場合、以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機を始動して運転させることを含み得る。

次に、方法は、非常用出力で少なくとも１つのガスタービンエンジンを運転するために最小必要なプラント供給圧力を決定することと、以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機の起動時間を決定することと、燃料ガスを緩衝するのに適しており、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機と少なくとも１つのガスタービンエンジンとの間に流体的に配置された緩衝ボリュームを提供することとをさらに含み得、緩衝ボリュームは、燃料ガス圧縮機の故障後、および以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機が、緩衝ボリューム内の圧力が最小必要なプラント供給圧力を下回ることなく完全に運転する前に燃料ガスを非常用出力で動作する少なくとも１つのガスタービンエンジンに供給するのに十分に大きい。実施形態では、緩衝ボリュームは、プラント供給ライン、すなわち、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機の下流からから少なくとも１つのガスタービンエンジンに延びる燃料供給ライン内に、および燃料供給ラインによって提供される。方法は、特に、非限定的な実施形態では、燃料供給ラインに十分に大きな断面積、またはより具体的には、十分な緩衝ボリュームを提供するような直径を提供することを含み得る。

以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機が完全に運転すると、非常用出力への出力の制限が終了し得、少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力は、発電プラントの通常の運転に戻るように、電力要求信号によって制御され得る。

特定の発電プラントでは、ユーティリティ供給ラインとプラント供給ラインを接続し、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機をバイパスするバイパスラインが設置され、プラント供給ラインからユーティリティ供給ラインへの燃料ガスの逆流を回避すると同時に、ユーティリティ供給ラインからプラント供給ラインへの燃料ガスの流れを可能にする逆止弁が前記バイパスラインに設置される。特に、ユーティリティ供給ラインにおいてユーティリティによって提供されるライン供給圧力が十分に高く、その結果、少なくとも１つのガスタービンエンジンは、ユーティリティ供給ラインからのライン供給圧力で運転され得る場合があり得る。この場合、方法は、ライン供給圧力で持続可能である臨界ガスタービン出力を決定することと、非常用出力を前記臨界出力よりも低くするか、または最大でも等しくするように決定することとを含んでもよい。燃料ガス圧縮機の故障後、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機が運転し続ける場合、次に方法は、供給ライン圧力で持続可能な少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力、運転中の少なくとも１つの燃料ガス圧縮機で持続可能な少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力を決定することと、供給ライン圧力で持続可能な少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力が、運転中の少なくとも１つの燃料ガス圧縮機で持続可能な少なくとも１つのガスタービンエンジンの出力よりも大きい場合、プラント供給ラインから運転中の少なくとも１つの燃料ガス圧縮機を流体的に隔離することとをさらに含み得る。

燃料ガス圧縮機の故障後、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機が運転し続けるさらなる態様では、方法は、実施形態では、運転中の少なくとも１つの燃料ガス圧縮機およびライン供給圧力によって持続可能なプラント供給圧力の最大圧力で持続可能である臨界ガスタービン出力を決定することと、非常用出力を前記臨界出力よりも低くするか、または最大でも等しくするように決定することとを含んでもよい。

さらなる態様では、少なくとも１つのガスタービンエンジンと、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機と、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機の下流端を少なくとも１つのガスタービンエンジンと接続するプラント供給ラインとを備え、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機の上流端は、ユーティリティ供給ラインに接続される、発電プラントが開示される。発電プラントは、燃料ガス圧力制御システムと、ガスタービンエンジン制御システムとをさらに備える。制御ラインが、燃料ガス圧力制御システムからガスタービン制御システムに提供され、燃料ガス圧縮機の故障信号を燃料ガス圧力制御システムからガスタービンエンジン制御システムに転送するように適合および構成される。ガスタービンエンジン制御システムは、燃料ガス圧縮機の故障信号に応じて、事前設定されたフィードフォワード非常用制御信号を少なくとも１つのガスタービンエンジンの少なくとも１つの燃料流量制御弁に少なくとも転送するように適合および構成される。発電プラントは、非限定的なより具体的な実施形態では、燃料ガスを緩衝するのに適しており、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機と少なくとも１つのガスタービンエンジンとの間に流体的に配置された緩衝ボリュームをさらに備えてもよく、緩衝ボリュームは、緩衝ボリューム内の圧力が非常用出力で少なくとも１つのガスタービンエンジンを運転するために必要な最小必要なプラント供給圧力を下回ることなく休止から燃料ガス圧縮機を始動するのに必要な時間中、燃料ガスを非常用出力で動作する少なくとも１つのガスタービンエンジンに供給するのに十分に大きい。

上述の特徴および実施形態は、互いに組み合わせることができることが理解される。さらに、当業者には明白かつ明らかであるが、本開示の範囲および特許請求されている主題の範囲内でさらなる実施形態が考えられることが理解されるであろう。

本開示の主題は、ここで、添付の図面に示す選択された例示的な実施形態によって、より詳細に説明される。図は、以下を示す。

発電プラントの例示的な実施形態を示す図である。上述の方法の例示的な実施形態の流れ図である。

図面は非常に概略的であり、説明のために必要とされない詳細は、理解および描写を容易にするため省略されていることが理解される。図面は、選択された例示的な実施形態のみを示しており、図示されていない実施形態は、本明細書に開示した範囲および／または特許請求されている主題の範囲内にあることがさらに理解される。

図１は、例示的なコンバインドサイクル発電プラント１を図示している。コンバインドサイクル発電プラント１は、２つのガスタービンエンジン１０および２０を備える。当業者によく知られている方式で、各ガスタービンエンジン１０および２０は、それぞれの圧縮機１１および２１と、それぞれの燃焼室１２および２２と、それぞれの膨張タービン１３および２３と、それぞれの発電機１５および２５とを備える。各ガスタービンエンジンのそれぞれの膨張タービン、圧縮機、および発電機は、膨張タービンからの機械的動力が圧縮機および発電機を駆動するように、シャフトによって機械的に結合されている。運転中、圧縮機１１および２１は、周囲空気を圧縮する。圧縮された周囲空気は、それぞれの燃焼室１２、２２に流れ、そこで燃料と混合される。燃料は燃焼室内の圧縮空気中で燃焼され、結果として生じる高圧煙道ガスがそれぞれの膨張タービン１３、２３に導かれ、そこで煙道ガスは膨張され、それによりタービンは有用なシャフト動力を生成し、圧縮機および発電機を駆動し、それによってそれぞれのガスタービンエンジンの電力出力を生成する。当業者に周知の方式で、ガスタービンエンジンは、とりわけ、電力出力を制御する制御システムをさらに備える。制御システムは本描写では示されていないが、当業者は、ガスタービンエンジンおよび発電プラントのそれぞれの制御システムに完全に精通している。各ガスタービンエンジンの制御システムは、電力要求信号を受信し、それをそれぞれの発電機からの実際の電力出力と比較し、作動信号をそれぞれの燃料制御弁１６および２６に送信し、したがって、実際の電力出力が電力要求信号に対応する設定された電力出力と一致するように、燃焼室に提供される燃料の質量流量を制御する。したがって、容易に理解されるように、各ガスタービンエンジンの燃料制御弁は、閉ループ制御で運転される。さらに、当業者は、制御信号の不安定性および変動を回避するために、制御ループが比較的低速で機能するように制御パラメータが設定されていることを理解するであろう。最先端のガスタービンエンジンは、一方では総燃料質量流量を制御し、他方では総燃料質量流量を異なるバーナ、燃焼ゾーン、燃料排出オリフィス、燃焼器などに分配するために、多数の燃料制御弁を一般に備えていることが当業者にはさらに知られている。当業者は、ガスタービンエンジンが複数の燃焼器、タービン、および圧縮機を備え得るという事実にさらに精通している。しかし、これは、本開示の主題の理解とは関係がなく、したがって、非常に基本的な非限定的な例が本開示の主題を概説するために選択されており、ガスタービンエンジンの燃料制御システムは、単一の燃料ガス制御弁によって表されている。

例示的な発電プラント１は、排熱回収ボイラ４０と、蒸気タービンエンジン３０とをさらに備える。ガスタービンエンジンの膨張タービン１３および２３からの膨張排気ガスは、排熱回収ボイラ４０を通って導かれ、それによって、当業者に知られている方式で、熱を排熱回収ボイラに供給される給水と交換し、蒸気を生成する。前記蒸気は、膨張蒸気タービン３３に導かれ、そこで蒸気が膨張され、それによって蒸気タービンエンジン発電機３５を駆動し、追加の電力出力を発生するための有用なシャフト動力を生成する。

燃料ガス５は、ユーティリティによって、ライン供給圧力でユーティリティ供給ライン５１に提供される。供給ライン圧力は、すべての運転状態で運転しているとき、ガスタービンエンジンに供給するのに十分でない場合がある。したがって、燃料ガス圧縮機５３、５４、および５５は、燃料ガスをライン供給圧力からプラント供給圧力に圧縮するために提供される。プラント供給圧力における燃料ガスは、プラント供給ライン５２を通って燃焼室１２および２２に供給され、それにより燃料質量流量は、燃料制御弁１６および２６によって制御される。ガスタービンエンジンの燃焼システムは、燃料ガスが燃焼室内の圧縮空気に噴射されるノズルを備える。したがって、燃料ガスは、燃焼室に提供されるとき、最小必要な燃料ガス圧力で供給されなければならず、これは一般に、経験則として、ガスタービンエンジンの燃料質量流量、または出力が高いほど高くなることが理解されよう。言い換えれば、プラント供給圧力が特定の閾値を下回ると、ガスタービンエンジンによって生成され得る出力が限定される。一般に、プラントの信頼性を高めるために、燃料ガス圧縮機は冗長性を備えており、すなわち、すべての燃料ガス圧縮機の累積圧力／質量流量能力は、定格出力で動作するガスタービンの要求よりも高くなる。例えば、示される例示的な実施形態では、各燃料ガス圧縮機は、最大出力、および関連する必要な燃料ガス圧力で動作するガスタービンエンジンによって累積的に必要とされる最大燃料ガス質量流量の５０％、または５０％をわずかに超える量を提供することが可能であり得る。したがって、過剰なプラントの補助電力消費を回避するために、３つの燃料ガス圧縮機のうち２つだけを運転することができる。例えば、燃料ガス圧縮機５３および５４が動作していても、燃料ガス圧縮機５５が運転していない場合がある。この点で、各燃料ガス圧縮機をそれぞれユーティリティ供給ライン５１およびプラント供給ライン５２と接続するラインの少なくとも１つは、運転していない圧縮機を通したプラント供給ラインからユーティリティ供給ラインへの燃料ガスの逆流を回避するために、逆止弁または遮断弁を備えていることが理解されよう。各燃料ガス圧縮機は、別の燃料ガス圧縮機が動作している間に圧縮機を起動することを可能にするラインおよび弁システムを備えていてもよいことがさらに理解されよう。本明細書に開示される主題を理解するために直ちに必要とされない燃料ガス圧縮機の前記補助システムは、明確にするために図面から省略されているが、当業者にはよく知られている。燃料ガス圧縮機は圧力制御システムによって制御され、これは示されていないが、当業者には周知である。

図２は、本明細書に記載される方法２００の例示的な実施形態を概説する。図２に関連して図１によって本明細書に開示された方法を概説するために、上記のように、燃料ガス圧縮機５５が運転していない間、最初は燃料ガス圧縮機５３および５４が動作しているとここでは仮定する。ガスタービンエンジンは、上記のように、閉ループ負荷制御モードで動作しており、ガスタービンエンジンへの燃料質量流量は、設定された出力で、外部から提供される負荷要求信号に従ってガスタービンエンジンを運転するように、燃料制御弁によって制御される。この初期運転状態は、２１０で示されている。ステップ２２０において、運転中の燃料ガス圧縮機が故障するかどうかが決定される。そうでない場合、ガスタービンエンジンは、２１０の電力要求信号に従って、設定された出力で負荷制御モードで運転し続ける。しかし、運転中の燃料ガス圧縮機、例えば燃料ガス圧縮機５３の故障が検出された場合、２３０において、故障信号１００が生成され、２４０において、起動信号１０３が運転していない燃料ガス圧縮機５５に送信される。しかし、以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機５５が、故障した圧縮機５３によって以前に提供された圧縮および燃料質量流量能力を完全に置き換えることができるまで、一定の起動時間が必要である。ガスタービンエンジンが特定の閾値を超える出力で動作している場合、残りの燃料ガス圧縮機５４は、電力要求信号に従った出力でガスタービンエンジンを運転するために必要な最小プラント供給圧力において必要な燃料質量流量を持続することができない場合がある。したがって、プラント供給ライン内の圧力が、ガスタービンエンジンの出力に対応する必要な最小圧力を下回った場合、ガスタービンエンジンは、突然スイッチオフされる可能性がある。すなわち、燃焼室内の燃焼は、高電力レベルから突然消滅し、ガスタービンエンジン内に高い温度勾配を引き起こし、ひいては、高い熱誘導応力および寿命消費を引き起こす。理解されるように、ガスタービンエンジンの停止はまた、蒸気タービンエンジンの停止を引き起こす。エンジンの高い寿命消費に加えて、発電プラントは、電力の発生を完全に停止する。再び発電プラントを始動すると、遅延時間が長くなる場合がある。したがって、主要な回転機器、すなわち、主にガスタービンエンジンだけでなく蒸気タービンエンジンも完全に停止することを回避することが最も重要である場合がある。燃料ガス圧縮機の故障時、プラント供給ライン５２は、プラント供給圧力において燃料ガスで満たされ、その結果、圧縮燃料緩衝ボリュームとして機能する。ガスタービンエンジンは、緩衝ボリューム内の圧力が特定の出力でガスタービンエンジンを運転するために必要な最小圧力を下回らない限り、この緩衝ボリュームからの燃料で動作することができる。所与の緩衝ボリュームおよび初期圧力に対して、特定の圧力低下の発生は、時間単位あたりに消費される燃料が少ないほど、すなわち、ガスタービンエンジンが運転される出力が低くなるほど遅くなることが理解される。さらに、一般的かつ合理的に、ガスタービンエンジンの運転を持続するために必要な臨界最小プラント供給圧力は、ガスタービンエンジンの出力が低いほど低いと仮定することができる。したがって、２５０において、ガスタービンエンジン１０および２０の高速のフィードフォワード除荷が開始される。その範囲で、本明細書に示される例示的な実施形態では、フィードフォワード制御信号１０１、１０２は、燃料ガス圧縮機の故障信号に応じて生成され、燃料流量制御弁１６および２６によって単純に表されるように、ガスタービンエンジンの燃料制御システムに転送される。上で概説したように、燃料制御システムは、著しくより複雑であり、ガスタービンエンジンへの総燃料質量流量および／またはガスタービンエンジンの燃焼システム内の総燃料質量流量の一部の分配を制御する多数の燃料流量制御弁を備え得る。フィードフォワード制御信号はまた、ガスタービンエンジンを通る空気の質量流量を低減するために、可変入口ガイドベーンの１つまたは複数の列の位置に作用し得る。フィードフォワード制御信号１０１、１０２は非常に高速に伝送され、閉ループ制御の対象とならない所定の固定信号である。フィードフォワード制御信号１０１および１０２は、ガスタービンエンジンの各々に提供される総燃料質量流量が、ほぼ非常用出力でガスタービンエンジンを運転するのに必要な燃料質量流量に対応するように事前に決定されている。燃料流量制御弁および他の動作パラメータは、フィードフォワード制御信号１０１、１０２によって、非常用出力でのガスタービンエンジンの安全な運転を保証する所定の値に制御される。フィードフォワード制御信号１０１および１０２の定量値は、プラント供給ライン５２における実際の初期プラント供給圧力、燃料のタイプ、および例えば、当業者によく知られている周囲条件または発電プラントの運転状態などの他のパラメータに依存し得る。方法ステップ２４０および２５０の順序を逆にすることができるか、またはそれらを少なくとも本質的に同時に実行することができることは容易に理解されよう。当業者は、燃料ガス圧縮機の起動信号１０３およびフィードフォワード制御信号１０１、１０２が生成され、数秒以内にそれぞれの構成要素に提供されるべきであることを理解するであろう。出力が総燃料質量流量を低減する際に本質的に不連続な段階的な方式で低減した後、ガスタービンエンジンは、２６０において、閉ループ負荷制御モードにおいて非常用出力で運転することができる。ステップ２７０において、以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機５５が完全に動作したかどうかが検証される。これが当てはまらない限り、ガスタービンエンジンは、ステップ２６０において非常用出力で運転され続ける。しかし、燃料ガス圧縮機５５が完全に運転しており、故障した燃料ガス圧縮機５３を完全に置き換えることが可能な場合、非常用出力へのガスタービン出力の限定は終了し、ガスタービンエンジンの出力は上昇し、その結果、ガスタービンエンジンは、ステップ２１０の電力要求信号に従って設定された出力で再び運転することができる。

方法ステップ２６０の間、ガスタービンエンジンによって消費される燃料質量流量は、運転中の燃料ガス圧縮機５４によって提供される残りの燃料質量流量に加えて、プラント供給ライン５２によって提供される緩衝ボリュームで緩衝された燃料質量が低減される質量流量から構成される。燃料ガス圧縮機５４によって持続され得る質量流量が、非常用出力でガスタービンエンジンによって消費される燃料質量流量よりも低い場合、プラント供給ライン５２内の圧力は、時間と共に低下する。プラント供給ライン５２内の実際の圧力が、非常用出力でガスタービンエンジンを運転するために必要な臨界最小圧力を下回るとすぐに、ガスタービンエンジンを停止しなければならない。したがって、非常用出力は、燃料ガス圧縮機５４によって提供される燃料質量流量に加えて、プラント供給ライン５２で緩衝される燃料質量が、燃料ガス圧縮機５５を運転させるのに必要な時間中に非常用出力でガスタービンエンジンを運転するのに十分であるように選択され得る。当業者は、ガスタービンエンジンの非常用出力が、好ましくは、ガスタービンエンジンの発電機がグリッドに接続されたままである出力であるべきであり、すなわち、関連するグリッドスイッチが開かれてはならず、実施形態では、ガスタービンエンジンを「全速−無負荷」にステップダウンロードすることが可能であり、すなわち、少なくとも本質的にグリッド周波数と同期する速度で運転するが、グリッドスイッチは上記のように開いていることを理解するであろう。これは、少なくとも、許容される非常用出力の下限を提供する。他の運転上の考慮事項により、許容される非常用出力の低下に関してさらに制限が生じる場合がある。実施形態では、燃料供給ライン５２は、以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機が完全に運転するまでの時間中に最小の許容される非常用出力でガスタービンエンジンを運転するのに十分な大きさの緩衝ボリュームを提供するように、設計および寸法が定められている。これは、一例として、十分に大きな断面積を備えたプラント供給ラインを設計することで達成され得る。他の例では、プラント供給ラインがすでに存在する場合、外部緩衝容器が、プラント供給ライン５２と流体連通して提供され得る。

ガスタービンエンジンの出力は、排熱回収ボイラ４０において蒸気タービンエンジン３０の蒸気を生成するために使用されるガスタービン煙道ガスの質量流量および温度に直接影響を与えることが理解されよう。これは、一方で、蒸気タービンエンジンの出力も低減することを意味し、それによりこの出力の低減は、排熱回収ボイラの熱慣性のために遅延する。ガスタービンエンジンからの煙道ガスの温度が特定の閾値を下回る場合、排熱回収ボイラで生成された蒸気は、蒸気タービンエンジンの運転を持続するのに十分な温度および圧力ではなくなる可能性があり得る。結果として、蒸気タービンエンジンを停止する必要があるかもしれない。この点で、ガスタービンエンジンの非常用出力は、蒸気タービンエンジン発電機３５がグリッドに接続されたままで蒸気タービンエンジンの運転を持続するように、最小温度および圧力を排熱回収ボイラ４０に提供することができるように定義することができる。プラント供給ライン５２によって提供される緩衝ボリュームは、公称プラント供給圧力で開始するプラント供給ライン内の圧力が、非常用出力が出力され、運転中の燃料ガス圧縮機によって提供される質量流量が低減した状態でガスタービンエンジンを運転するとき、非常用出力でガスタービンエンジンを運転するのに必要な燃料圧力を下回らないように設計され得る。

ライン供給圧力に応じて、上述の方法は、わずかに異なる方式で実行され得る。ライン供給圧力が非常用出力でガスタービンエンジンを運転するのに十分である場合、燃料ガス圧縮機は、以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機の動作期間中、プラント供給ラインから完全に隔離され得、燃料は、バイパスライン５７および逆止弁５６を通してプラント供給ラインに供給され得、これらは、燃料ガス圧縮機をバイパスして、ユーティリティ供給ライン５１とプラント供給ライン５２との間のバイパス接続を提供する。逆止弁５６は、プラント供給ライン５２からユーティリティ供給ライン５１への燃料の逆流を回避するが、ユーティリティ供給ライン５１からプラント供給ライン５２への燃料の流れを可能にするように提供されている。別の変形例では、運転中の圧縮機５３は、プラント供給ライン５２内の実際のプラント供給圧力がユーティリティ供給ライン５１内のライン供給圧力よりも高い限り、すなわち、逆止弁５６が閉じている限り、圧縮された燃料ガスをユーティリティ供給ライン５１からプラント供給ライン５２に提供するように運転されてもよい。しかし、逆止弁５６がバイパスライン５７を通してユーティリティ供給ライン５１とプラント供給ライン５２との間の流体連通を開くことが検出された場合、燃料ガス圧縮機は、プラント供給ライン５２から流体的に隔離され、ガスタービンエンジンは、ライン供給圧力でユーティリティ供給ライン５１からバイパスライン５７を通して燃料ガスを供給される。これらの運転モードでは、プラント供給ライン５２内の圧力、すなわち、ガスタービンエンジンに利用可能な燃料圧力は、本質的にライン供給圧力を下回って低下することはない。したがって、ガスタービンエンジンの非常用出力は、ライン供給圧力に応じて選択することができ、その結果、関連する最小必要な燃料ガス圧力は、ライン供給圧力以下であるか、または最大でも等しい。

本開示の主題は、例示的な実施形態によって説明されているが、これらは、特許請求された発明の範囲を限定することを決して意図するものではないことが理解される。特許請求の範囲は、本明細書に明示的に図示または開示されていない実施形態をカバーし、本開示の教示を実施する例示的な態様において開示された実施形態から逸脱する実施形態は、依然として特許請求の範囲によって包含されることが理解されるであろう。

１コンバインドサイクル発電プラント
５燃料ガス
１０ガスタービンエンジン
１１圧縮機
１２燃焼室
１３膨張タービン
１５発電機
１６燃料流量制御弁
２０ガスタービンエンジン
２１圧縮機
２２燃焼室
２３膨張タービン
２５発電機
２６燃料流量制御弁
３０蒸気タービンエンジン
３３膨張蒸気タービン
３５蒸気タービンエンジン発電機
４０排熱回収ボイラ
５１ユーティリティ供給ライン
５２プラント供給ライン／燃料供給ライン
５３燃料ガス圧縮機
５４燃料ガス圧縮機
５５燃料ガス圧縮機
５６逆止弁
５７バイパスライン
１００故障信号
１０１フィードフォワード制御信号
１０２フィードフォワード制御信号
１０３起動信号
２００方法
２１０ステップ
２２０ステップ
２３０ステップ
２４０方法ステップ
２５０ステップ
２６０方法ステップ
２７０ステップ

Claims

発電プラント（１）を運転するための方法（２００）であって、前記発電プラント（１）は、少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）、および少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）を備え、前記方法（２００）は、
ユーティリティ供給ライン（５１）を通して燃料ガス（５）を供給することであって、前記ユーティリティ供給ライン（５１）内の前記燃料ガス（５）は、ライン供給圧力にあることと、
前記燃料ガス（５）を少なくとも１つの運転中の燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）でプラント供給圧力に圧縮し、前記圧縮された燃料ガス（５）をプラント供給ライン（５２）に供給することと、
電力要求信号に従って設定された出力で前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）を運転すること（２１０）と、
運転中の燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）が故障したかどうかを検出すること（２２０）と、
運転中の燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の故障が検出された場合、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の出力を前記設定された出力よりも低い非常用出力に低減し、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の前記出力を前記非常用出力に制限することと
を含み、
前記出力の前記低減は、単一のステップで実施され、少なくとも１つのフィードフォワード信号（１０１、１０２）によって制御される、
方法（２００）。
フィードフォワード制御信号（１０１、１０２）を前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の少なくとも１つの燃料流量制御弁（１６、２６）に提供すること（２５０）と、弁位置を事前定義された非常用位置に変更し、続いて前記非常用出力において負荷制御モードで前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）を運転すること（２６０）とを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
前記所定の非常用弁位置は、前記非常用出力で予想される前記燃料流量制御弁（１６、２６）の前記位置に対応する弁位置である、請求項２に記載の方法（２００）。
前記方法（２００）は、運転中の１つまたは複数の燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の燃料ガス質量流量／出力圧力特性に基づいて持続可能である臨界ガスタービンエンジン出力を決定することと、前記非常用出力を前記臨界出力よりも低くするか、または最大でも等しくするように決定することとを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法（２００）。
前記方法（２００）は、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の排気ガス質量流量を少なくとも１つの排熱回収ボイラ（４０）を通して導くことと、蒸気を生成することと、前記生成された蒸気を蒸気タービン（３０）に供給して前記蒸気タービン（３０）を駆動することとを含み、前記非常用出力は、前記蒸気タービン（３０）を駆動するために最小質量流量、圧力、および温度の蒸気を生成するのに必要な最小ガスタービンエンジン出力よりも高いか、または少なくとも等しい、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法（２００）。
以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）を始動して運転させること（２４０）を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法（２００）。
前記非常用出力で前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）を運転するために最小必要なプラント供給圧力を決定することと、前記以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の起動時間を決定することと、燃料ガス（５）を緩衝するのに適しており、前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）と前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）との間に流体的に配置された緩衝ボリュームを提供することとを含み、前記緩衝ボリュームは、燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の故障後、および前記以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）が、前記緩衝ボリューム内の圧力が前記最小必要なプラント供給圧力を下回ることなく完全に運転する前に燃料ガス（５）を前記非常用出力で動作する前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）に供給するのに十分に大きい、請求項６に記載の方法（２００）。
前記非常用出力への前記出力の前記制限を終了し、前記以前は運転していなかった燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）が完全に運転した後、前記電力要求信号によって前記ガスタービンエンジン（１０、２０）の前記出力を制御することとを含む、請求項６または７に記載の方法（２００）。
前記ユーティリティ供給ライン（５１）と前記プラント供給ライン（５２）を接続し、前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）をバイパスするバイパスライン（５７）が設置され、前記プラント供給ライン（５２）から前記ユーティリティ供給ライン（５１）への燃料ガス（５）の逆流を回避すると同時に、前記ユーティリティ供給ライン（５１）から前記プラント供給ライン（５２）への燃料ガス（５）の流れを可能にする逆止弁（５６）が前記バイパスライン（５７）に設置され、前記方法（２００）は、前記ライン供給圧力で持続可能である臨界ガスタービン出力を決定することと、前記非常用出力を前記臨界出力よりも低くするか、または最大でも等しくするように決定することとを含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法（２００）。
前記ユーティリティ供給ライン（５１）と前記プラント供給ライン（５２）を接続し、前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）をバイパスするバイパスライン（５７）が設置され、前記プラント供給ライン（５２）から前記ユーティリティ供給ライン（５１）への燃料ガス（５）の逆流を回避すると同時に、前記ユーティリティ供給ライン（５１）から前記プラント供給ライン（５２）への燃料ガス（５）の流れを可能にする逆止弁（５６）が前記バイパスライン（５７）に設置され、燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の故障後、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）が運転し続け、前記方法（２００）は、前記供給ライン圧力で持続可能な前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の出力、運転中の前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）で持続可能な前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の出力を決定することと、前記供給ライン圧力で持続可能な前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の前記出力が、運転中の前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）で持続可能な前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の前記出力よりも大きい場合、前記プラント供給ライン（５２）から運転中の前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）を流体的に隔離することとを含む、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法（２００）。
燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の故障後、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）が運転し続け、運転中の前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）および前記ライン供給圧力によって持続可能な前記プラント供給圧力の最大圧力で持続可能である前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の臨界出力を決定することと、前記非常用出力を前記臨界出力よりも低くするか、または最大でも等しくするように決定することとを含む、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法（２００）。
少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）と、少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）と、前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の下流端を前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）と接続するプラント供給ライン（５２）とを備え、前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の上流端は、ユーティリティ供給ライン（５１）に接続され、さらに、燃料ガス圧力制御システムと、ガスタービンエンジン制御システムとを備え、制御ラインが、前記燃料ガス圧力制御システムから前記ガスタービン制御システムに提供され、燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の故障信号（１００）を前記燃料ガス圧力制御システムから前記ガスタービンエンジン制御システムに転送するように適合および構成され、前記ガスタービンエンジン制御システムは、燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）の故障信号（１００）に応じて、事前設定されたフィードフォワード非常用制御信号（１０１、１０２）を前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）の少なくとも１つの燃料流量制御弁（１６、２６）に少なくとも転送するように適合および構成される、発電プラント（１）。
燃料ガス（５）を緩衝するのに適しており、前記少なくとも１つの燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）と前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）との間に流体的に配置された緩衝ボリュームをさらに備え、前記緩衝ボリュームは、前記緩衝ボリューム内の圧力が非常用出力で前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）を運転するために必要な最小必要なプラント供給圧力を下回ることなく休止から燃料ガス圧縮機（５３、５４、５５）を始動するのに必要な時間中、燃料ガス（５）を前記非常用出力で動作する前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１０、２０）に供給するのに十分に大きい、請求項１２に記載の発電プラント（１）。