JP2554099B2 - 複合発電プラントの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービン・排熱回収ボイラ及び蒸気タ
ービンから構成される複合発電プラント用ガスタービン
の制御方法及びその装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は複合発電プラントの１例を示す系統図であ
る。

圧縮機１入口に設置されたインレツトガイドベーン２
により流量制御された空気３は、圧縮機１で圧縮されて
高圧の空気となり、燃焼器４へ送られる。燃焼器４へ送
られた空気は、燃料流量調整弁５により流量制御された
燃料６と混合する。燃焼器４で燃料６が燃焼し、高温高
圧のガスとなる。高温高圧のガスはガスタービン７を駆
動し、さらにガスタービン７は発電機８を駆動して電気
出力を発生する。

ガスタービンで仕事をしたガスタービン排ガス17は後
流の排熱回収ボイラ９へ送られ、その顕熱を蒸気として
熱回収された後、低温のガスとして大気へ放出される。

一方、排熱回収ボイラ９へ供給される給水10はガスの
顕熱を熱回数して、主蒸気（過熱蒸気）11となる。主蒸
気（過熱蒸気）11は蒸気タービン12へ送られ、蒸気ター
ビン12を駆動した後、復水器13へ送られる。蒸気タービ
ン12により発電機14が駆動され、電気出力を発生する。
また、復水器13へ送られた蒸気は冷却水15により冷却さ
れ凝縮して水になり、給水ポンプ16にて排熱回収ボイラ
９へ送られる。

従来の複合発電プラント用ガスタービンの運転方法
は、高負荷域においてガスタービン燃焼温度を一定とし
ており、ガスタービン排ガス温度は80％負荷前後におい
て最高（ピーク）となる特性を有していた。この結果、
排熱回収ボイラから発生する主蒸気の温度も80％負荷前
後において最高となるが、ガスタービン負荷に対する主
蒸気温度の特性を考慮したガスタービン排ガス温度の制
御は従来なされていなかつた。本発明に近い公知例とし
ては、主蒸気温度が急激に上昇したとき、または過度に
上昇したときに主蒸気温度の信号によりガスタービン排
ガス温度を修正する例が特開昭58−107805号に開示され
ているが、ガスタービン負荷に対する主蒸気温度の特性
をあらかじめ考慮して、ガスタービン排ガス温度を制御
することはなされていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の複合発電プラント用ガスタービンの運転方法を
第４図により説明する。

複合発電プラント用ガスタービンの運転は、定格負荷
〜約80％負荷の高負荷域においては、圧縮機入口のイン
レツトガイドベーン（IGV）を絞つて圧縮機空気量を減
少させ、ガスタービン（GT）燃焼温度は一定に制御され
る。この時、ガスタービン入口のガス量は定格負荷に比
べて減少する為、ガスタービンの圧力比は低下する。ま
た、ガスタービンの排ガス温度は定格負荷時に比して、
圧力比の低下及びタービン効率の低下により、定格負荷
から負荷が減少すると次第に上昇し、約80％負荷におい
て最大となる。

一方、約80％負荷以下の低負荷域では、インレツトガ
イドベーンの開度が一定である為、圧縮機空気量はほぼ
一定となり、ガスタービン負荷を下げるにはガスタービ
ン燃焼温度を低下させる。ガスタービン燃焼温度の低下
に伴い、ガスタービンの排ガス温度は低下する。

上記のようなガスタービンの特性に対して、排熱回収
ボイラから発生する主蒸気の温度はガスタービン排ガス
温度に依存する為約80％負荷でピークとなる温度特性を
示す。

現在実用化され運転されているガスタービンの燃焼温
度は1100℃級であり、この時のガスタービンの排ガス温
度はおよそ530〜540℃前後となる。排熱回収ボイラから
発生する主蒸気の温度はガスタービン排ガス温度との温
度差・排熱回収ボイラの伝熱面積（コスト）とプラント
熱効率との総合的な経済性によつて決定されるが、上記
の如くガスタービン排ガス温度530〜540℃の場合は一般
的に480〜490℃ぐらいの主蒸気温度が選定される。

ガスタービン排ガス温度は、大気温度・ガスタービン
負荷等の運転条件により変化し、前記燃焼温度1100℃級
のガスタービンでは、ガスタービン排ガス温度が最も高
い運転状態においては560〜570℃のガスタービン排ガス
温度となる。基準運転点において主蒸気温度を480℃と
した場合、主蒸気温度はガスタービン排ガス温度に依存
する為、ガスタービン排ガス温度が最も高くなる運転状
態においては、主蒸気温度はおおよそ510℃ぐらいとな
る。現在運転されている火力発電所の蒸気タービンは主
蒸気温度が560℃級となつており、主蒸気温度が510℃程
度であれば実績もあり蒸気タービンにはなんら問題はな
い。

一方、ガスタービンは高出力化・高熱効率化を図る
為、ガスタービン燃焼温度の高温化が進められている。
現在、燃焼温度1300℃級のガスタービンが開発中であ
り、さらに将来は燃焼温度1500℃級のガスタービンの開
発が予定されている。ガスタービン燃焼温度が高温化す
ると、ガスタービン排ガス温度も高温化する。燃焼温度
1100℃級のガスタービンでは排ガス温度が530〜540℃程
度であつたが、燃焼温度1300℃級のガスタービンでは排
ガス温度が600℃前後に上昇する。

ガスタービン排ガス温度が上昇すると、高い排ガス温
度を有効に活用する為、一般に排熱回収ボイラから発生
する主蒸気温度も高い温度が選定される。燃焼温度1300
℃級のガスタービンを用いた複合発電プラントでは、ガ
スタービン排ガス温度と主蒸気温度との温度差を、燃焼
温度1100℃級のガスタービンを用いた複合発電プラント
と同一とすると、主蒸気温度は550℃前後となる。この
場合、ガスタービン排ガス温度が最も高くなる運転状態
においては、主蒸気温度がおよそ580℃程度となり、現
状の蒸気タービンの最高使用温度を超えてしまうという
問題が生ずる。

このための対策としては、（ｉ）蒸気タービンの材質
を高級化し、高温に耐えられるようにする。（ii）排熱
回収ボイラに減温器を設置し、主蒸気温度が制限を超え
る場合は減温する。（iii）定格点での主蒸気温度を低
めに設定し、最高主蒸気温度が制限を超えないようにす
る。等の方法が考えられるが、これらの方法には、コス
トの増加・熱効率の低下といつた問題がある。

本発明の目的は、コストの増加や熱効率の低下を伴う
ことなく、主蒸気温度が蒸気タービンの制限を超えない
ように、あらかじめガスタービン排ガス温度を制御する
装置を提供することにある。

〔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創作した本発明の方法、
及び同装置について、先ず、その基本的原理について略
述すると次の如くである。

前記の目的は、ガスタービンの排ガス温度と排熱回収
ボイラの主蒸気温度との特性に基づいて、主蒸気温度の
上限に対応したガスタービン排ガス温度の規制値をあら
かじめ設定し、ガスタービン排ガス温度が前記により設
定した規制値を超える負荷範囲（大気温度等の周囲条件
により異なる）においては、圧縮機入口に設置したイン
レツトガイドベーンの開度を増加させることにより、圧
縮機の空気量を増加させ、燃焼温度を低下し、この結果
ガスタービン排ガス温度が規制値を超えないようにする
ことにより、達成される。

上記の原理に基づいて、これを実用面に適用するため
の具体的構成として、本発明の制御方法は、 （ａ）ガスタービン排ガス温度と、前記発生蒸気の温度
との関係に基づいて、発生蒸気温度の上限に対応する排
ガス温度の規制値を予め設定しておき、 （ｂ）上記ガスタービン排ガス温度が蒸気の規制値を越
えないようにガスタービン圧縮機入口のインレツトガイ
ドベーンの開度を調節して、ガスタービン排ガス温度を
制御するものである。

また、蒸気の方法を容易に実施してその効果を発揮せ
しめるために創作した本発明の制御装置は、 （ａ）タービン排ガス温度検出器および圧縮機出口圧力
検出器を設け、 （ｂ）燃焼温度を一定とした場合の圧縮機出口圧力に対
応する排ガス温度の関係に基づいてガスタービン排ガス
温度信号を得る手段を設け、 （ｃ）上記排ガス温度信号と、タービン排ガス温度の実
測信号との差をとつて、インレツトガイドベーンの開度
信号を得る手段を設け、 （ｄ）発生蒸気温度の規制値に対応したタービン排ガス
温度の規制値と、実測のタービン排ガス温度との偏差を
算出してインレツトガイドベーンの開度信号を得る手段
を設け、 （ｅ）上記双方のインレツトガイドベーンの開度信号の
低値を選択する低値選択器を設け、 （ｆ）上記選択器によつて選択された低値のインレツト
ガイドベーンの開度信号に基づいて、ガスタービン圧縮
機入口のインレツトガイドベーンを開閉制御する制御・
駆動手段を設けたものである。

〔作用〕

上記の構成によれば、予め想定された運転条件（ガス
タービン負荷範囲、大気温度範囲等）におけるガスター
ビン排ガス温度と、このガスタービン排ガス温度に対応
する排熱回収ボイラ発生主蒸気温度との特性を把握した
上で、蒸気タービンの最高使用温度に対応した主蒸気温
度に相当するガスタービン排ガス温度の規制値を想定す
ることになる。ガスタービン排ガス温度が前記規制値以
下の運転条件では、従来のガスタービン制御方法により
ガスタービンを運転し、前記規制値を超える運転条件で
は、圧縮機空気量を増加させ、ガスタービン排気温度が
前記規制値以下になるまで、燃焼温度を低下させるよう
に、圧縮機入口に設置されたインレツトガイドベーンの
開度を増加させる制御方法によりガスタービンを運転す
ると、蒸気タービンへ主蒸気として供給される発生蒸気
は最高使用蒸気温度以下に抑制される。このため、コス
トの増加やプラント熱効率の低下が防止される。

〔実施例〕

第１図は、本発明方法を実施するために構成した本発
明装置の１例を示す系統図である。

給電指令に対して負荷設定21が行なわれる。即ち、実
負荷信号との偏差をとり、目標負荷に対する負荷変化の
信号となる。また、ガスタービンの回転数を検出した実
回転数信号は、設定回転数との偏差をとり、回転数偏差
の信号となる。回転数偏差の信号は負荷変化の信号によ
り修正され、燃料流量信号24となる。また、圧縮機出口
圧力信号から関数発生器25にて燃焼温度の上限に対応す
るガスタービン排ガス温度の信号26が得られ、ガスター
ビン排ガス温度の実測信号27と偏差をとり、燃料流量信
号28となる。この燃料流量信号28と前記の燃料流量信号
24が低値選択器29に入り、低値の信号が選択され、その
選択された低値の燃料流量信号30により、燃料流量調整
弁５が制御される。

一方、インレツトガイドベーン（IGV）２の制御は、
基本的には、タービン排ガス温度の実測信号と圧縮機出
口圧力の実測信号によつて行われる。

燃焼温度一定とした時の圧縮機出口圧力に対応したガ
スタービン排ガス温度の関数が設定25されており、実測
の圧縮機出口圧力に対してガスタービン排ガス温度の信
号26が得られる。この信号とタービン排ガス温度の実測
信号27の偏差をとり、インレツトガイドベーンの開度信
号32となる。また、主蒸気温度の上限値に対応したター
ビン排ガス温度の規制値33と実測のタービン排ガス温度
の偏差よりインレツトガイドベーンの開度信号31及び32
が得られる。この場合、実測のガスタービン排ガス温度
が規制値を超えるような場合は、偏差が小さく、偏差の
小さい場合の開度信号が発生される。さらに前記双方の
開度信号31及び32のうち、低い方が低値選択器34で選択
される。次に選択された開度信号によってインレットガ
イドベーン２をガスタービン排ガス温度が規制値を超え
ないように開閉制御する。さらにインレットガイドベー
ン２の開閉制御は、実測のインレットガイドベーン開度
信号によっても制御される。

第２図に前記実施例のガスタービン制御方法によるガ
スタービン燃焼温度とガスタービン排ガス温度の特性を
示す。

ガスタービンは、運転条件としてガスタービン負荷だ
けでなく大気温度によつても、ガスタービン排ガス温度
が変化する為、本第２図には代表的な大気温度として０
℃,15℃,30℃の状態における実験で得られた特性を示
す。

ガスタービン排ガス温度と主蒸気温度の特性から、最
高使用蒸気温度に対応してあらかじめガスタービン排ガ
ス温度規制値が設定される。ガスタービンの特性とし
て、ガスタービン負荷が同一でも大気温度が高い程、ガ
スタービン排ガス温度は上昇する。本実施例によれば、
大気温度０℃においては、ガスタービン排ガス温度が最
も高くなる負荷においてもガスタービン排ガス温度規制
値以下の為、従来と同様のガスタービン制御を行つた。
大気温度15℃では、80％負荷付近において、ガスタービ
ン排ガス温度が規制値を超える為、選択された開度信号
により圧縮機入口のインレツトガイドベーンの開度を増
加させ、大気温度０℃の時よりも高い負荷からのガスタ
ービンの燃焼温度を低下させ、ガスタービン排ガス温度
を規制値以内になるように制御する。大気温度30℃の場
合は、大気温度15℃の場合よりもさらに高い負荷から、
ガスタービン燃焼温度を低下させ、ガスタービン排ガス
温度が規制値以内に入るように制御することが出来た。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の複合発電プラント制御
方法によれば、最高使用蒸気温度に対応してあらかじめ
設定されたガスタービン排ガス温度規制値以下のガスタ
ービン排ガス温度でガスタービンが運転される為、排熱
回収ボイラから蒸気タービンへ供給される主蒸気は最高
使用蒸気温度以下に抑制されるので、コストの増加、プ
ラント熱効率の低下を招くことなく、高い蒸気条件を選
定できる。

また、本発明の制御装置によれば、上記の発明方法を
容易に実施して、その効果を充分に発揮せしめることが
出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る制御装置の１実施例を示す系統図
である。第２図は上記実施例の装置を用いて実施した本
発明方法の１例における効果を示す図表である。 第３図は複合発電プラントの１例を示す系統図、第４図
は従来例の複合発電プラントの運転特性を示す図表であ
る。 １……圧縮機、２……インレツトガイドベーン（IG
V）、７……ガスタービン、９……廃熱回収ボイラ、10
……給水、11……主蒸気（過熱蒸気）、12……蒸気ター
ビン、13……復水器、14……発電機、15……冷却水、16
……給水ポンプ、17……ガスタービン排ガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横須賀 建志 東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 長崎 伸男 茨城県日立市幸町３丁目２番１号 日立 エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−107805（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−10742（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インレットガイドベーンを入口側に有する
   圧縮機と、前記圧縮機から吐出した空気と燃料とが燃焼
   した燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記ガ
   スタービンから排出した排ガスの熱を回収する排熱回収
   ボイラと、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気によって
   駆動する蒸気タービンとを備え、前記蒸気タービンの蒸
   気温度が上限値を超えないように制御する複合発電プラ
   ントの制御装置において、 前記ガスタービンの燃焼温度をほぼ一定とした場合に、
   前記圧縮機から吐出された圧縮空気圧力を検出する圧力
   検出器からの検出圧力を、所定の関数に基づいてガスタ
   ービンの排ガス温度に変換し、前記変換された排ガス温
   度と、前記ガスタービンから排出された排ガス温度を検
   出する温度検出器からの検出温度との偏差を用いて、前
   記インレットガイドベーンの開度信号を発生する第１の
   手段と、 前記蒸気タービンの蒸気温度の上限値に対応した前記ガ
   スタービンの排ガス温度の規制値と前記検出温度との偏
   差を用いて、前記インレットガイドベーンの開度信号を
   発生する第２の手段と、 前記第１の手段からの開度信号と第２の手段からの開度
   信号との何れか低い値を選択する低値選択器と、 前記低値選択器によって選択された開度信号と実測され
   たインレットガイドベーンの開度信号とに基づいて、前
   記インレットガイドベーンを前記ガスタービンの排ガス
   温度が規制値を超えないように開閉制御する手段と、 を設けたことを特徴とする複合発電プラントの制御装
   置。