JP2547760B2 - コンバインドサイクル発電プラントの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はコンバインドサイクル発電プラントにおい
て、特に軸の起動過程である起動から定格回転数到達ま
での間，ガスタービンを安定に昇速し得るようにした制
御装置に関するものである。

（従来の技術） 第３図は、従来の代表的な一軸形ガス／蒸気コンバイ
ンドサイクル発電プラントの構成例を示したものであ
る。第３図において、空気圧縮機１と，ガスタービン２
と，発電機３と，蒸気タービン４とは一軸に直結されて
いる。通常運転中においては、燃料ガスａは燃料調節弁
５を介して燃焼器６へ導入され、ここで大気中の空気ｂ
を空気圧縮機１にて圧縮した高圧空気ｃと混合，燃焼さ
れる。そして、燃焼器６を出た高温高圧ガスｄは、ガス
タービン２においてトルクを発生させた後に，ガスター
ビン２から排出されて排出ガスｅとなるが、この排ガス
ｅはまだ高温の状態であり、排ガスｅ中の熱量を回収す
るために設置された排熱回収ボイラ７にて蒸気を発生さ
せた後、低温排ガスｆとなって煙突８より排出される。
一方、排熱回収ボイラ７での排熱回収により発生した蒸
気ｇは、排熱回収ボイラ７の出口と蒸気タービン４の入
口とを接続する主蒸気管9,および蒸気加減弁10を介して
蒸気タービン４に導入され、ここでトルクを発生させた
後に復水器11にて水に凝縮され、さらに給水ポンプ12に
より再び排熱回収ボイラ７へ送り込まれる。このように
して、タービン２と蒸気タービン４にて発生したトルク
のうち、空気ｂの圧縮に費やされる分を差し引いた残り
が発電機３にて電気エネルギーに変換され、図示しない
電力系統に供給されることになる。

以上は、通常運転の各機器の働きについて説明したも
のであるが、一軸形ガス／蒸気コンバインドサイクル発
電プラントの起動に際しては、煙道のパージ・燃料器６
着火，ガスタービン2,排熱回収ボイラ７の暖機等の操作
が必要であり、これらの間はガスタービン２が自立して
軸のトルクを負担できるまでの期間について何んらかの
補助動力が必要となる。このため、一般的には第３図中
に示したように、起動用モータ13とトルクコンバータ14
等により、起動時の補助動力を供給するようにしてい
る。

また、このような一軸形ガス／蒸気コンバインドサイ
クル発電プラントにおいては、蒸気タービン４は排熱回
収によって得られる蒸気のエネルギーを最大限に有効利
用することを主眼として計画されており、蒸気加熱弁10
は起動過程において、排熱回収ボイラ７からの蒸気発生
層と蒸気タービン４の熱疲労による寿命消費を考慮し
て、プログラム的に一定の速度で開くような制御が行な
われ、調速，負荷制御機能を有していない。すなわち、
調速，負荷制御は全てガスタービン２の燃料調節弁５に
よって行なわれる。

第４図は、第３図のような一軸形ガス／蒸気コンバイ
ンドサイクル発電プラントにおける、燃料調節弁５およ
び蒸気加熱弁10の従来の制御装置の一例をブロック図に
て示したものである。第４図において、20はプラントの
各種状態量を検出ためのプラント状態検出回路、21は燃
料調節弁５の開度を制御する燃料調節弁制御回路、22は
蒸気加減弁10の開度を制御する蒸気加減弁制御回路であ
る。

燃料調節弁制御回路21において、23は軸の起動時の点
火，暖機，回転上昇に相当する第１の燃料制御信号ｉを
出力する起動燃料制御器、24は速度／負荷設定器23から
の速度／負荷設定値信号ｊとプラント状態検出回路20か
らの軸の速度信号ｋに基づいて，設定速度または負荷に
見合った第２の燃料制御信号ｌを出力する速度／負荷制
御器、26はプラント状態検出回路20からのガスタービン
排気温度信号ｍを入力して，ガスタービン２の排気温度
を制限値以下に抑えるような第３の燃料制御信号ｎを出
力する温度制御器、27はこれら第1,第2,第３の燃料制御
信号i,l,nを入力とし，そのうち最も低値の燃料制御信
号を選択出力する低値優先回路、28はこの低値優先回路
27からの燃料制御信号に基づいて，サーボ弁29を駆動し
て燃料調節弁５の開度を調整するサーボ制御器である。
一方、蒸気加減弁制御回路22において、30は起動過程中
に発電機３のしゃ断機が閉じでプラントが系統に併入さ
れた後における，プラント状態検出回路20からのプラン
トの状態信号ｐにより蒸気加減弁10の開度変化率を決定
し，こと開度変化率に応じて変化する蒸気加減弁開度設
定値信号ｑを出力する蒸気加減弁開度設定器、31はこの
蒸気加減弁開度設定器30からの蒸気加減弁開度設定値信
号ｑに基づいて，サーボ弁32を駆動して蒸気加減弁10の
開度を調整するサーボ制御器である。

ところで、このような一軸形ガス／蒸気コンバインド
サイクル発電プラントを、例えば製鉄所等の電力供給用
として設置する場合には、省エネルギーの観点から高
炉，転炉等の排ガスを燃料ガスａとして用いることが考
えられる。この高炉，転炉等の排ガス中には、水素，一
酸化炭素等の可燃ガスが含まれるが、一般の天然ガス,L
PG等に比べるとその発熱量は低く、またガスの圧力もほ
ぼ大気中に等しい程度の低圧である。そのため、これら
のガスを燃料ガスａとして用いるためには、何んらかの
形で昇圧する必要がある。

そこでこのための手段としては、モータ駆動の燃料ガ
ス圧縮機を、空気圧縮機1,ガスタービン2,発電機3,蒸気
タービン４と軸直結して、この燃料ガス圧縮機により燃
料ガスを圧縮することが考えられる。しかし、このよう
な構成のコンバインドサイクル発電プラントにおいて
は、軸の起動過程である起動から定格回転数到達までの
間においては、燃料ガス圧縮機が最初から負荷として存
在することから、ガスタービン２を定格回転数まで安定
燃焼を維持しつつ昇速することが困難となる。この点
は、第３図のような通常のコンバインドサイクル発電プ
ラントとは大きく異なっており、軸の起動から定格回転
数に至るまでの間のガスタービン２の燃焼が比較的不安
定な領域において，ガスタービン２自身に負荷を負わせ
ることなく回転上昇を行なうためには、非常にち密な速
度制御を行なうことが必要となってくる。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、従来のコンバインドサイクル発電プラ
ントの制御装置においては、軸の起動過程において燃料
ガス圧縮機が負荷として存在することから、ガスタービ
ン定格回転数まで安定燃焼を維持しつつ昇速することが
できないというい問題があった。

本発明は上述のような問題を解決するために成された
もので、その目的は軸の起動過程である起動から定格回
転数到達までの間において，燃料ガス圧縮機が負荷とし
て存在しても、ガスタービンを定格回転数まで安定燃焼
を維持しつつ昇速することが可能なコンバインドサイク
ル発電プラントの制御装置を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明の制御装置は、ガ
スタービンと、低カロリー低圧ガスを燃料ガスとして導
入し，この燃料ガスを圧縮してガスタービンに供給する
燃料ガス圧縮機と、ガスタービンの排熱を排熱回収ボイ
ラで回収することにより発生する蒸気によって駆動され
る蒸気タービンと、ガスタービンおよび蒸気タービンに
より発生するトルクを電気エネルギーに変換する発電機
とを一軸に直結して構成されるコンバインドサイクル発
電プラントにおいて、 他の蒸気発生源より得られる補助蒸気を，上記排熱回
収ボイラの出口と蒸気タービンの入口とを接続する主蒸
気管に導入する補助蒸気管と、上記主蒸気管上に設けら
れた蒸気加減弁と、上記燃料ガス圧縮機からガスタービ
ンへの燃料ガスの供給管上に設けられた燃料調節弁と、
上記補助蒸気管上に設けられ，軸の起動指令により開す
ると共に上記排熱回収ボイラからの蒸気発生により閉す
る補助蒸気止め弁と、軸の起動時の点火，暖機，回転上
昇に相当する第１の燃料制御信号を出力する起動燃料制
御器、速度／負荷設定値信号と軸の速度信号に基づい
て，設定速度または負荷に見合った第２の燃料制御信号
を出力する速度／負荷制御器、上記ガスタービンの排気
温度を制限値以下に抑える第３の燃料制御信号を出力す
る温度制御器を有してなり、上記第1,第2,第３の燃料制
御信号のうち最も低値の燃料制御信号に基づいて上記燃
料調節弁の開度を制御する燃料調節弁制御回路と、プラ
ントの系統併入後における当該プラントからの状態信号
により蒸気加減弁の開度変化率を決定し，この開度変化
率に応じて変化する蒸気加減弁開度設定値信号を出力す
る蒸気加減弁開度設定器、上記起動燃料制御器からの第
１の燃料制御信号に基づいて，上記ガスタービンの起動
時に必要な回転数設定値信号を出力する蒸気タービン速
度設定器、この蒸気タービン速度設定器からの回転数設
定値信号と上記軸の速度信号とを比較して得られる起動
昇速中の蒸気加減弁開度設定値信号，および上記蒸気加
減弁開度設定器からの蒸気加減弁開度設定値信号を夫々
入力とし，軸が起動昇速中であるかまたは軸の回転数が
定格に到達した以後であるかに応じていずれか一方の蒸
気加減弁開度設定値信号を切替出力する切替器を有して
なり、この切替器からの蒸気加減弁開度設定値信号に基
づいて上記蒸気加減弁の開度を制御する蒸気加減弁制御
回路とを備えて構成したことを特徴とする。

（作用） 上述のコンバインドサイクル発電プラントの制御装置
においては、軸の起動時の点火，暖機，回転上昇に相当
する第１の燃料制御信号を出力する燃料調節弁制御回路
中の起動燃料制御器からの第１の燃料制御信号に基づい
て，ガスタービンの起動時に必要な回転数設定値信号を
得、さらにこの回転数設定値信号と軸の速度信号とを比
較して得られる起動昇速中の蒸気加減弁開度設定値信号
に基づいて蒸気加減弁の開度を制御する、換言すれば起
動時のガスタービンの燃料投入量，すなわち第１の燃料
制御信号と協調をとった回転数設定を行なう手段を備え
ていることにより、軸の起動過程である起動から定格回
転数到達までの間，燃料ガス圧縮機の分の負荷を蒸気タ
ービンにて分担し、ガスタービンを安定に定格回転数ま
で昇速することができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明
する。

まず第２図は、本発明による一軸形ガス／蒸気コンバ
インドサイクル発電プラントの構成例を示すものであ
り、第３図と同一部分には同一符号を付してその説明を
省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

すなわち、第２図に示す実施例では、第３図における
起動用の補助動力源としての起動用モータ13,トルクコ
ンバータ14を省略し、製鉄所の高炉ガス等の低カロリー
低圧ガスを燃料ガスａとして導入し，この燃料ガスａを
圧縮してガスタービン２に供給する燃料ガス圧縮機15
を、空気圧縮機1,ガスタービン2,発電機3,蒸気タービン
４と増速ギア16を介して軸直結し、また排熱回収ボイラ
７の出口と蒸気タービン４の入口とを接続する主蒸気管
９の蒸気加減弁10の上流側に、図示しない他の蒸気発生
源に通じる補助蒸気母管から補助蒸気ｈを供給するため
の補助蒸気管17を接続し、さらに起動時と通常運転時の
蒸気源の切換えを行なうための補助蒸気止め弁18,逆止
弁19を、補助蒸気管17,主蒸気管９を夫々設置するよう
にしたものである。ここで補助蒸気止め弁18は、軸の起
動指令により開すると共に，前記排熱回収ボイラ７から
の蒸気発生により閉するものである。

また第１図は、第２図の一軸形ガス／蒸気コンバイン
ドサイクル発電プラントにおける、燃料調節弁５および
蒸気加減弁10の制御装置の構成例をブロック図にて示し
たものであり、第４図と同一部分には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述
べる。

すなわち第１図において、33は前記起動燃料制御器ｉ
からの第１の燃料制御信号に基づいて，ガスタービン２
の起動時に必要な煙道パージ，点火，暖機，回転上昇時
の回転数設定値信号ｒを出力する蒸気タービン速度設定
器、34はこの蒸気タービン速度設定器33からの回転数設
定値信号ｒと前記軸の速度信号ｋとを比較して偏差信号
ｓを得る減算器、35はこの減算器34からの偏差信号ｓを
基にPI（比例・積分）演算を行なって起動昇速中の蒸気
加減弁開度設定値信号ｔを得るPI演算器、36はこのPI演
算器35からの蒸気加減弁開度設定値信号t,および前記蒸
気加減弁開度設定器30からの蒸気加減弁開度設定値信号
ｑを夫々入力とし、軸が起動昇速中であるかまたは軸の
回転数が定格に到達した以後であるかに応じていずれか
一方の蒸気加減弁開度設定値信号ｔまたはｑを切替出力
する切替器であり、この切替器36からの蒸気加減弁開度
設定値信号を前記サーボ弁制御器31に与えるように構成
している。

以上のように構成したコンバインドサイクル発電プラ
ントの制御装置の作用について説明する。

いま、軸の起動指令が出されると、第２図中の補助蒸
気止め弁18を開とし、蒸気タービン速度設定器33によっ
て煙道パージのための回転数設定値信号ｒが作られ、こ
れに従って蒸気加減弁10が動作し補助蒸気ｈが蒸気ター
ビン４に流入することにより、軸の回転数がパージ回転
数まで上昇する。このパージ回転数は通常、パージ時間
の短縮のためにガスタービン２の点火に都合のよい回転
数よりも高く設定されていることから、パージ終了後は
回転数設定を一度下げて、点火速度まで回転数が低下し
た後に点火が行なわれる。点火後は、ガスタービン２や
排熱回収ボイラ７の暖機のたの回転数設定が行なわれた
後、暖機終了と共にガスタービン２に対する第１の燃料
制御信号ｉが昇速のために上昇するのと同時に蒸気ター
ビン４の回転数設定値信号ｒも上昇し始め、これに従っ
て蒸気タービン４の蒸気加減弁10が開いていき、蒸気タ
ービン４のトルクも増大する。この間、軸の回転数が定
格速度に到達するまでは、回転数のフィードバック制御
が蒸気タービン４側のみで行なわれるため、軸に直結し
た燃料ガス圧縮機15の動力もそのほとんどが蒸気タービ
ン４にて供給される。

次に、以上のようにして軸の回転数がほぼ定格速度に
到達すると、さらに上昇を続ける起動燃料制御器23から
の第１の燃料制御信号ｉに代って、速度／負荷制御器24
からの第２の燃料制御信号ｌが低値優先回路27にて選択
され、ガスタービン２による速度制御が開始される。こ
の時点で、蒸気加減弁制御回路22における切替器36は、
起動昇速制御側の蒸気加減弁開度設定値信号ｔに代え
て、系統併入後の負荷上昇制御側の蒸気加減弁開度設定
値信号ｑを切替出力する。そしてこの時点では、蒸気加
減弁開度設定器30からの蒸気加減弁開度設定値信号ｑ
は，蒸気タービン４の最終断クーリングに必要な蒸気の
みを通すための開度となっており、切替器36における切
替と共に蒸気加減弁10は微小開度まで絞り込まれる。こ
の弁操作に応じて、速度／負荷制御器24は定格速度の維
持のため自動的に第２の燃料制御信号ｌを増加させ、結
果的に燃料ガス圧縮機15の負荷はほぼガスタービン２側
にて負担することとなる。この時点では、ガスタービン
２は定格回転数に到達しているため、負荷を担っても安
定燃焼を続けることができる。

その後、排熱回収ボイラ７からの蒸気発生に応じて補
助蒸気止め弁18を閉じ、系統への併入操作後は通常のコ
ンバインドサイクル発電プラントと同様に、ガスタービ
ン２の出力上昇と共に増加する排熱回収ボイラ７からの
蒸気発生に応じて蒸気加減弁10の開度を増加させてい
き、最終的に蒸気加減弁10が全開となった所で起動操作
完了となる。

上述したように、本実施例による制御装置は、空気圧
縮機１と、ガスタービン２と、低カロリー低圧ガスを燃
料ガスａとして導入し，この燃料ガスａを圧縮してガス
タービン２に供給する燃料ガス圧縮機15と、ガスタービ
ン２の排熱を排熱回収ボイラ７で回収することにより発
生する蒸気ｇによって駆動される蒸気タービン４と、ガ
スタービン２および蒸気タービン４により発生するトル
クを電気エネルギーに変換する発電機３とを一軸に直結
して構成される一軸形ガス／蒸気コンバインドサイクル
発電プラントにおいて、他の蒸気発生源より得られる補
助蒸気ｈを，上記排熱回収ボイラ７の出口と蒸気タービ
ン４の入口とを接続する主蒸気管９に導入する補助蒸気
管17と、上記主蒸気管９上に設けられた蒸気加減弁10
と、上記燃料ガス圧縮機15からガスタービン２への燃料
ガスの供給管上に設けられた燃料調節弁５と、上記補助
蒸気管17上に設けられ，軸の起動指令により開すると共
に上記排熱回収ボイラ７からの蒸気発生により閉する補
助蒸気止め弁18と、軸の起動時の点火，暖機，回転上昇
に相当する第１の燃料制御信号ｉを出力する起動燃料制
御器23、速度／負荷設定値信号ｊと軸の速度信号ｋに基
づいて，設定速度または負荷に見合った第２の燃料制御
信号ｌを出力する速度／負荷制御器24、上記ガスタービ
ン２の排気温度を制限値以下に抑える第３の燃料制御信
号ｎを出力する温度制御器26を有してなり、上記第1,第
2,第３の燃料制御信号i,l,nのうち最も低値の燃料制御
信号に基づいて上記燃料調節弁５の開度を制御する燃料
調節弁制御回路21と、プラントの系統併入後における当
該プラントからの状態信号ｐにより蒸気加減弁10の開度
変化率を決定し，この開度変化率に応じて変化する蒸気
加減弁開度設定値信号ｑを出力する蒸気加減弁開度設定
器30、上記起動燃料制御器23からの第１の燃料制御信号
ｉに基づいて，上記ガスタービン２の起動時に必要な回
転数設定値信号ｒを出力する蒸気タービン速度設定器3
3、この蒸気タービン速度設定器33からの回転数設定値
信号ｒと上記軸の速度信号ｋとを比較して得られる起動
昇速中の蒸気加減弁開度設定値信号t,および上記蒸気加
減弁開度設定器30からの蒸気加減弁開度設定値信号ｑを
夫々入力とし，軸が起動昇速中であるかまたは軸の回転
数が定格に到達した以後であるかに応じていずれか一方
の蒸気加減弁開度設定値信号を切替出力する切替器36を
有してなり、この切替器36からの蒸気加減弁開度設定値
信号に基づいて上記蒸気加減弁10の開度を制御する蒸気
加減弁制御回路22とを備えて構成したものである。

従って、軸の起動過程である起動から定格回転数到達
までの間、燃料ガス圧縮機15の分の負荷を蒸気タービン
４側にて分担しながら、起動時のガスタービン２の燃料
投入量の増加，すなわち第１の燃料制御信号ｉの増加に
見合った回転数制御を蒸気タービン４側で行なうことが
できる。これにより、軸の起動過程である起動から定格
回転数到達までの間において、燃料ガス圧縮機15という
負荷が存在しながら、ガスタービン２を定格回転数まで
安定燃焼を維持しつつ昇速することが可能となる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を変更しない範囲で、種々に変形して実施
することができるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、起動時のガスタ
ービンの燃料投入量と協調をとった回転数制御を行な
い、軸の起動過程中は燃料ガス圧縮機の分の負荷を蒸気
タービンにて分担するようにしたので、軸の起動過程で
ある起動から定格回転数到達までの間において，燃料ガ
ス圧縮機が負荷として存在しても、ガスタービンを定格
回転数まで安定燃焼を維持しつつ昇速することが可能な
コンバインドサイクル発電プラントの制御装置が提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料調節弁および蒸気加減弁の制
御回路の一実施例を示すブロック図、第２図は同実施例
の制御回路を適用する一軸形ガス／蒸気コンバインドサ
イクル発電プラントの一例を示す構成図、第３図は従来
の一軸形ガス／蒸気コンバインドサイクル発電プラント
を示す構成図、第４図は第３図における燃料調節弁およ
び蒸気加減弁の制御回路の一例を示すブロック図であ
る。 １……空気圧縮機、２……ガスタービン、３……発電
機、４……蒸気タービン、５……燃料調節弁、６……燃
焼器、７……排熱回収ボイラ、８……煙突、９……主蒸
気管、10……蒸気加減弁、11……復水器、12……給水ポ
ンプ、15……燃料ガス圧縮機、16……増速ギア、17……
補助蒸気管、18……補助蒸気止め弁、19……逆止弁、20
……プラント状態検出回路、21……燃料調節弁制御回
路、22……蒸気加減弁制御回路、23……起動燃料制御
器、24……速度／負荷制御器、25……速度／負荷設定
器、26……温度制御器、27……低値優先回路、28……サ
ーボ制御器、29……サーボ弁、30……蒸気加減弁開度設
定器、31……サーボ制御器、32……サーボ弁、33……蒸
気タービン速度設定器、34……減算器、35……PI演算
器、36……切替器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンと、低カロリー低圧ガスを燃
   料ガスとして導入し，この燃料ガスを圧縮して前記ガス
   タービンに供給する燃料ガス圧縮機と、前記ガスタービ
   ンの排熱を排熱回収ボイラで回収することにより発生す
   る蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記ガスタ
   ービンおよび蒸気タービンにより発生するトルクを電気
   エネルギーに変換する発電機とを一軸に直結して構成さ
   れるコンバインドサイクル発電プラントにおいて、 他の蒸気発生源より得られる補助蒸気を，前記排熱回収
   ボイラの出口と蒸気タービンの入口とを接続する主蒸気
   管に導入する補助蒸気管と、 前記主蒸気管上に設けられた蒸気加減弁と、 前記燃料ガス圧縮機からガスタービンへの燃料ガスの供
   給管上に設けられた燃料調節弁と、 前記補助蒸気管上に設けられ，軸の起動指令により開す
   ると共に前記排熱回収ボイラからの蒸気発生により閉す
   る補助蒸気止め弁と、 軸の起動時の点火，暖機，回転上昇に相当する第１の燃
   料制御信号を出力する起動燃料制御器、速度／負荷設定
   値信号と軸の速度信号に基づいて，設定速度または負荷
   に見合った第２の燃料制御信号を出力する速度／負荷制
   御器、前記ガスタービンの排気温度を制限値以下に抑え
   る第３の燃料制御信号を出力する温度制御器を有してな
   り、前記第1,第2,第３の燃料制御信号のうち最も低値の
   燃料制御信号に基づいて前記燃料調節弁の開度を制御す
   る燃料調節弁制御回路と、 プラントの系統併入後における当該プラントからの状態
   信号により蒸気加減弁の開度変化率を決定し，この開度
   変化率に応じて変化する蒸気加減弁開度設定値信号を出
   力する蒸気加減弁開度設定器、前記起動燃料制御器から
   の第１の燃料制御信号に基づいて，前記ガスタービンの
   起動時に必要な回転数設定値信号を出力する蒸気タービ
   ン速度設定器、この蒸気タービン速度設定器からの回転
   数設定値信号と前記軸の速度信号とを比較して得られる
   起動昇速中の蒸気加減弁開度設定値信号，および前記蒸
   気加減弁開度設定器からの蒸気加減弁開度設定値信号を
   夫々入力とし，軸が起動昇速中であるかまたは軸の回転
   数が定格に到達した以後であるかに応じていずれか一方
   の蒸気加減弁開度設定値信号を切替出力する切替器を有
   してなり、この切替器からの蒸気加減弁開度設定値信号
   に基づいて前記蒸気加減弁の開度を制御する蒸気加減弁
   制御回路と、 を備えて構成するようにしたこと特徴とするコンバイン
   ドサイクル発電プラントの制御装置。