JP2749123B2 - 発電プラントの制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発電プラントの制御方法及び装置に係り、特
に蒸気タービンに導入される蒸気が所定圧力に制御され
ていない発電プラントの制御方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

ボイラにより蒸気を発生し、これを蒸気タービンに導
びいて発電機を駆動し発電を行う発電プラントには種々
のシステム構成のものがあるが、この中心には蒸気ター
ビンへの導入蒸気の圧力制御を実施しないプラントがあ
る。この代表的なプラントは、いわゆるガスタービンを
用いたコンパインド発電プラントであり、このプラント
ではガスタービンで仕事をしたあとの排ガスが十分な熱
量を有していることから排熱回収ボイラを用いて最大限
の熱回収をして蒸気を発生させ、調圧することなく蒸気
を蒸気タービンに導入する。特開昭57−83821号は係る
コンバインド発電プラントの従来例を示したものであ
り、第２図にその概要を示す。

同図において、ガスタービン102,空気圧縮機101,蒸気
タービン104,発電機103は一軸に連結されており、燃焼
器105において燃焼された燃料は高温ガスとなりガスタ
ービンつまり軸全体を駆動させる。燃焼に必要な空気は
空気圧縮機101より供給され、また、要求出力等に応じ
て燃料量が燃料流量調節弁120により制御される。熱エ
ネルギーを回転エネルギーに変換された後のガスは排熱
回収用のボイラ110に送られ、ここで給水との熱交換を
行ない蒸気を発生し、この蒸気により蒸気タービン104
を駆動させる。前記給水は、復水器106から復水ポンプ1
07により排熱回収ボイラ110へ送水され、低圧ドラム108
にて発生した蒸気は低圧蒸気加減弁122を介して蒸気タ
ービン104の低圧段へ、高圧ドラム109にて発生した蒸気
は高圧蒸気加減弁121を介して蒸気タービン104の高圧段
へそれぞれ駆動用蒸気として供給される。このようにし
て得られたガスタービン102及び蒸気タービン104の回転
エネルギーは、発電機103により電気的エネルギーに変
換され所望の電力を得ることができる。なお、123,124
は高圧タービンバイパス弁，低圧タービンバイパス弁で
ある。

このプラントにおいて、発電機103の出力制御あるい
は周波数（速度）制御は、燃料調節弁120と蒸発加減弁1
21,122の開度制御により行なわれる。これに対し、ター
ビンバイパス弁123,124はプラント起動時にバイパス経
路を形成するために用いられ、あるいは蒸気圧力が異常
に高くなつた（通常は規定圧力の10％程度高）ときにプ
ラント保護のために開放される。

このコンバインドプラントで特徴的なことは、排熱回
収ボイラ110と蒸気タービン104はガスタービン排ガスの
保有熱量を最大限に回収することを目的とするために、
排熱回収を阻害する結果となる蒸気圧力制御を実施して
いないことであり、この点において圧力を所定値に制御
する変圧運転あるいは定圧運転の火力発電所と本質的に
相違する。

〔発明が解決しようとする課題〕

第２図はガスタービン102と蒸気タービン104により１
つの発電機103を駆動する型式のものであり、一般に一
軸型というが、これに対し複数のガスタービン排ガスに
より一台のタービン発電機を駆動する型式のものを多軸
型という。このいずれの場合であつても総発電出力に対
するガスタービン出力と蒸気タービン出力の貢献比率
は、通常３対７あるいは４対６程度である。このため、
電力系統の周波数を安定化させる目的で、あるいは発電
機出力制御の目的で燃料調節弁120のみを制御したとき
には、総発電出力の３〜４割しか緊急の出力・周波数制
御に貢献できないこととなる。つまり、燃料量を制御す
れば、ガスタービン排ガス量が変化し、排熱回収ボイラ
の発生蒸気量が変化し、この結果として蒸気タービン出
力も変化することにはなるが、このプロセスでの発電機
出力・周波数の応動には数分以上の遅れ時間があり、緊
急に出力・周波数を制御しようとするときには十分な効
果が得られない。緊急の出力・周波数制御に10割貢献さ
せるためには蒸気加減弁121,122も出力・周波数制御信
号により操作される必要があり、上記の公知例では、こ
のために出力・周波数制御信号により燃料調節弁120の
ほかに蒸気加減弁121も操作している。

しかるに、本発明者等の検討によると蒸気圧力制御機
能を備えない上記の如き発電プラントでは、出力・周波
数制御信号により蒸気加減弁を操作したとしても、蒸気
タービンは電力系統の出力・周波数制御に十分に貢献で
きないことが判明した。

蒸気ターンに流入する蒸気量Ｆは蒸気加減弁の前後圧
力P₁，P₂の差と弁開度Ａの積で定まり、発電出力は蒸発
量に比例するというように一般には理解されているが、
殆んどの発電プラントの蒸気加減弁は、臨界状態で使用
されているために蒸気加減弁の前圧P₁と弁開度Ａの積で
蒸気量が定まつている。この関係は夫々（１），（２）
式で表わされる。

Ｆ＝Ａ（P₁−P₂） …（１） Ｆ＝ＡP₁ …（２） 第２図のコンバインド発電プラントでの蒸気流量Ｆは
（２）式のようになつており、かつ蒸気加減弁前圧P₁が
一定に制御されていないので、出力・周波数制御信号の
印加に対して次のような応動する。つまり、例えば電力
系統の電力供給過多により周波数が高くなつた場合、発
電出力を低減して周波数を下げるべく蒸気加減弁を絞つ
たとしても前圧P₁が上昇してしまい、この結果希望どお
りに蒸気流量を減少できない。逆に蒸気流量を増大させ
て周波数を回復させるために蒸気加減弁を開いたときに
は前圧P₁の低下により蒸気流量を増大できない。これに
対し、前圧が一定に保持されていれば蒸気加減弁開度を
蒸気流量は比例的に増減し、良好な制御を行ない得るこ
とは言うまでもない。

このように、従来の蒸気圧力制御機能を備えない発電
プラントでは十分に出力・周波数調整機能を発揮できな
いが、発電プラントが大型化するほど電力系統の安定度
改善に貢献でき、かつ高速応答できるものであることが
望まれる。

以上のことから、本発明においては電力系統の安定度
改善と高速応答に十分に貢献することのできる発電プラ
ントの制御方法及び装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の発電プラントの
制御方法は、ガスタービンと、前記ガスタービンに投入
する燃料量を調整する燃料調節弁と、前記ガスタービン
の排ガスを熱源として蒸気を発生するボイラと、前記ボ
イラで発生した蒸気を導入する蒸気タービンと、前記蒸
発タービン入口に設けられた蒸気加減弁と、前記蒸気タ
ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
バイパス弁と、前記蒸気タービンと前記ガスタービンと
により駆動される発電機とを有する発電プラントに対
し、系統事故が発生したときに、前記ガスタービンに投
入する燃料量を減少し、かつ、前記蒸気加減弁を閉動作
させると共に、前記蒸気加減弁の閉動作に対応して、前
記蒸気加減弁の弁容量に対する前記タービンバイパス弁
の弁容量の比の割合で前記タービンバイパス弁を開動作
させる。

また、上記目的を達成するために、本発明の発電プラ
ントの制御装置は、ガスタービンと、前記ガスタービン
に投入する燃料量を調整する燃料調節弁と、前記ガスタ
ービンの排ガスを熱源として蒸気を発生するボイラと、
前記ボイラで発生した蒸気を導入する蒸気タービンと、
前記蒸気タービン入口に設けられた蒸気加減弁と、前記
蒸気タービンに導入される蒸気をバイパスするためのタ
ービンバイパス弁と、前記蒸気タービンと前記ガスター
ビンとにより駆動される発電機とを有する発電プラント
を制御するものであって、系統事故が発生したときに、
前記ガスタービンに投入する燃料量を減少する信号を演
算し、前記燃料調節弁に出力する第一の演算器と、前記
系統事故が発生したときに、前記蒸気加減弁を閉動作さ
せる信号を演算し、前記蒸気加減弁に出力する第二の演
算器と、前記系統事故が発生したときに、前記蒸気加減
弁の弁容量に対する前記ターンバイパス弁の弁容量の比
の割合で前記タービンバイパス弁を開動作させる信号を
演算し、前記タービンバイパス弁に出力する第三の演算
器とを有する。

〔作用〕

本発明は、ガスタービンに投入する燃料量を減少して
ガスタービンの出力を低下させると共に、タービンバイ
パス弁を開動作させて蒸気タービンの出力を低下させる
ことにより、発電機の出力を瞬時に低下することができ
るため、系統事故が発生して、発電機に要求される出力
が瞬時に低下した場合に、ガスタービンや蒸気タービン
その他の機器がオーバーロード（発電機の周波数が上
昇）して損傷に至るのを防止することができる。

さらに、タービンバイパス弁の開動作を、蒸気加減弁
の閉動作に対応して、蒸気加減弁の弁容量に対するター
ビンバイパス弁の弁容量の比の割合で行うことにより、
蒸気加減弁とタービンバイパス弁の弁容量が相違する場
合でも、蒸気加減弁の閉動作により阻止された蒸気量と
等量の蒸気量をタービンバイパス弁の開動作により蒸気
タービン以外にバイパスするため、弁の開度変化の前後
で蒸気タービンに供給する蒸気の状態（例えば、圧力）
を保持でき、これにより、ガスタービンや蒸気タービン
の動作が瞬時に変化するにもかかわらず安定した制御を
行うことができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す図であり、この図で
は発電機出力と系統周波数とを所定値に制御すべくガス
タービン102の燃料調節弁120、蒸気タービン104入口の
蒸気加減弁121,122,タービンバイパス弁123,124を制御
している。

このうち発電機出力制御部は以下のように構成されて
いる。発電機目標出力と発電機実出力の差（出力偏差）
は第１の減算器10により演算され、この偏差に基づき蒸
気タービン出力制御及び図示していないガスタービン出
力制御が実行される。前記偏差には、蒸気タービン出力
負担分（目標出力のうち蒸気タービンの出力が占める割
合）の係数が比例演算器11により乗ぜられ、更に、変化
率制限器12を介して比較積分演算を行なう第１の演算器
13により演算される。尚、14は以上のようにして算出さ
れた発電機出力制御信号13Aによるタービン蒸気加減弁1
21,122,タービンバイパス弁123,124の制御を適宜除外
し、必要に応じ別の制御を実施するための切替器であ
る。

系統周波数制御部は以下のように構成されている。発
電機目標周波数と実周波数の差（周波数偏差）を第２の
減算器20により演算し、さらに関数発生器21により周波
数偏差相当分の発電機出力補償量を求める。次に、出力
制御回路と同様に蒸気タービンによる補償負担分の係数
が比例演算を行なう第２の演算器22により乗ぜられた結
果が制御除外のための切替器23を介して周波数制御信号
23Aとして出力される。

これら各制御部からの出力信号14Aと23Aとは加算器24
で加算され、上下限制限器25により応動可能な上下限値
内に制限されて弁開度目標信号25Aを得る。この信号25A
は、次に蒸気加減弁121,122の弁開度目標信号28と、タ
ービンバイパス弁123,124の弁開度目標信号29とに配分
されるが、このうち信号28は信号25Aに比例回路26で適
宜の比例ゲインKcを乗じたものとされればよく、例えば
第３図（ａ）に示すように信号25Aが＋10（Ｖ）〜−10
（Ｖ）の範囲で可変の制御信号とされているなら、蒸気
加減弁は＋10（Ｖ）のとき全開、−10（Ｖ）のとき全
閉、０（Ｖ）のときに50（％）開度となるように開度制
御される。

これに対し、ダービンバイパス弁123,124は信号25に
対して比例回路27で負のゲイン（−K_B）を付与して得た
信号29により制御する。ここで負のゲイン（−K_B）と
は、比例回路26のゲインKcとは反対極性のゲインという
意味であり、ゲインの絶対値の比は蒸気加減弁とタービ
ンバイパス弁の弁容量の比で定められる。第３図（ｂ）
にはK_B＝Kcであるときの、弁開度目標信号25Aに対する
ラービンバイパス弁開度を示しており、25Aが10（Ｖ）
のとき全閉、−10（Ｖ）のとき全開とされる。

各弁は、弁開度目標信号25Aに対して上述の如き応動
をするが、弁開度目標信号25A自体は発電機出力がその
目標値に合致し、かつ発電機周波数がその目標値に合致
している安定運転時に10（Ｖ）となるように第１の演算
器13や第２の演算器22が設計されている。

以上の制御装置は、発電機出力や周波数変化の際に第
４図のように応動する。同図（ａ）は、安定運転状態
（発電機目標出力＝実出力、発電機目標周波数＝実周波
数、弁開度目標信号25A＝10（Ｖ）において、目標出力
が増大しあるいは実出力が減少して第１の演算器13に正
の偏差信号が印加された場合（図では、目標出力増大を
示す）の各部信号及び弁開度を示しており、第１の演算
器13の出力の増大に伴ない目標弁開度信号25Aは＋10
（Ｖ）以上の信号となるが、第３図の弁開度特性より明
らかなように蒸気加減弁121,122は全開、タービンバイ
パス弁123,124は全閉のままである。この場合は、直接
的には発電機出力偏差信号がガスタービン燃料調節弁12
0に与えられた燃料が増加されることによつて発電機出
力の増大が図られ、更にはこの結果排熱回収ボイラの入
熱が増大することによつて間接的に発電機出力増大が図
られる。

同図（ｂ）は、安定運転状態において、目標出力が減
少しあるいは実出力が増大して第１の演算器13に負の偏
差信号が印加された場合（図では、目標出力減少を示
す）の各部信号及び減開度を示しており、第１の演算器
13の出力の減少に伴ない目標弁開度信号25Aは＋10
（Ｖ）以下の信号となるため、蒸気加減弁121,122は閉
方向に駆動され、またタービンバイパス弁123,124は開
方向に駆動される。この開閉動作は互いに連動して行な
われるために蒸気タービン入口圧力P₁が急速に低下し、
従って（２）式から明らかなように急速にかつ安定に発
電機出力を減少させることができる。尚、負の発電機出
力偏差信号はガスタービン燃料調節弁120の制御弁（図
示せず）にも印加され、燃料量を減少すべく作動せしめ
る。

同図（ｃ）は、安定運転状態において、発電機実周波
数が低下して第２の演算器22に正の偏差信号が印加され
た場合である。この場合発電機出力の増大により周波数
回復でき、上記（ａ）の事例と同様に各部信号及び弁開
度が制御されることが明らかなので詳細説明を省略す
る。

同図（ｄ）は、安定運転状態において、発電機実周波
数が上昇して第２の演算器22に負の偏差信号が印加され
た場合であり、上記（ｂ）の事例と同様に各部信号及び
弁開度が制御されることにより発電機出力が減少されれ
ば周波数回復できることが明らかであるので、ここでの
詳細説明を省略する。

本発明では以上のように作動して、発電機出力及び周
波数を所定値に制御できるが、緊急にかつ安定に発電機
出力・周波数を制御できるのは（ｂ），（ｄ）の事例に
おいて顕著である。第５図はこのうち（ｄ）の具体事例
として、送電系統の一部の系統がしや断され発電機がい
わゆる系統単独運転に移行したときの発電機実周波数の
応動を示しており、従来方式では同図（ａ）のように極
めて短時間のうちに過速度トリツプレベルを越えてしま
いプラント停止とせざるを得なかつたものが、本発明に
よれば急激なる発電機出力の減少によりプラント停止を
阻止することができる。

以上の説明によれば、第１図の比例回路26と27によ
り、蒸気加減弁121,122とタービンバイパス弁123,124は
一方が開するとき他方が閉するというように逆連動作を
することが明らかであり、この意味において比例回路26
と27とは一対として逆連動動作のための信号変換器であ
ると言い得る。従つて信号変換器26,27としては、比例
回路によるもののほかに、電気的あるいは機械的な周知
のバイアス手段により実現することも可能である。

また、第１図と第４図によれば、本発明では発電機出
力又は発電機周波数の実検出値がそれらの目標値よりも
小さいとき、蒸気加減弁121,122とタービンバイパス弁1
23,124は夫夫全開，全閉状態を保持していることからガ
スタービン102の燃料流量調節弁のみが制御され、発電
機出力又は発電機周波数の実検出値がそれらの目標値よ
りも大きいとき、蒸気加減弁121,122とタービンバイパ
ス弁123,124が制御されることになる。

更に、蒸気加減弁が中間開度にあるときタービンバイ
パス弁により蒸気加減弁弁前圧力を調圧しているが、こ
の場合に一定値に調圧される必要性はさほどなく、蒸気
加減弁開度が変動したときの弁前圧力を制御できれば、
発電機出力変更を高速に行ない得る。このことから、本
発明は通常運転状態ではボイラ側で定まる蒸気圧力に従
つて（調圧せずに）蒸気タービンを運転し、蒸気加減弁
操作時には圧力変動を制御すべく調圧したものであると
も言える。

尚、第１図において5,6は信号切替器であり、第６図
に示すように種々の制御信号により各弁を制御すること
ができる。つまり、蒸気加減弁121,122は第１図の目標
開度信号28に代えて起動・停止時にはプログラム制御部
１からの信号により操作され、タービンバイパス弁123,
124は適宜第１図の目標開度信号29に代えて蒸気加減弁
入口圧力制御部２の信号により操作することもできる。

以下、本発明を実施する上での２〜３の変形・適用例
を紹介すると、第１図においてはガスタービン側の制御
と蒸気タービン側の制御とが干渉しないよう考慮する必
要が有るが、これについては、第７図に示すように周波
数変化に対してガスタービン燃料調節弁の応答と蒸気タ
ービン蒸気加減弁（タービンバイパス弁）の応答に差を
もたせておくことにより対応でき、具体的には、第１図
における蒸気タービン側関数発生器21と図示していない
ガスタービン側関数発生器の関数に差をもたせればよ
い。

また、前述の切替器14により、出力制御回路の使用／
除外の選択、切替器23により、周波数制御回路の使用／
除外の選択が可能である。片側のみ使用，両者使用，両
者不使用いずれも運用上の必要性に応じ切替え可能とな
る。

また、本図においては、蒸気加減弁、タービンバイパ
ス弁それぞれ１台の場合の例を示したが、第２図に示す
ような混圧式タービンの場合には、第１図の回路を応用
し、高圧／低圧の２種の回路を設けることにより可能で
あり、さらに、高圧／低圧のうち例えば出力に大きく寄
与する側の弁のみで制御するというような選択回路を設
けてもよい。

さらに制御性を向上する為に下記機能を付加すること
も考えられる。

（１）出力制御中にタービンバイパス弁が全閉している
場合には、出力増信号をロツク（増ブロツク）する。

（２）多少、効率を犠牲にすることになるが、タービン
バイパス弁を一定の開度状態に維持させておき、蒸気タ
ービン出力調整器３を設け、例えば、本来タービンバイ
パス弁が全閉しているような通常負荷運転域において
も、出力増減両方向の調整を可能にする。

本発明の実施例によれば、従来ガスタービンの出力調
整による間接的に調整されていた蒸気タービン出力が直
接的に制御されるので、例えば第５図（ａ）に示すよう
に系統単独運転時に従来ガスタービン出力のみを絞り込
んだ場合に同波数がタービン過速度トリツプレベルを越
えることが回避され図（ｂ）に示すような特性となる、
というようにプラント運用性が大幅に向上できるという
効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ガスタービン，蒸気タービン両者の
出力を協調をとつて調整でき、更に急激な出力変化に対
してもプロセスの安定を維持した上で対応できるため、
プラント運用性を大幅に向上できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る制御回路の一例を示す図、第２図
は本発明の適用し得る発電プラントの一例を示す図、第
３図は第１図の比例回路26,27の比例ゲインを示す図、
第４図と第５図は第１図回路の動作を説明する図、第６
図は切替器5,6への入力を示す図であり、第７図は周波
数変化に対する燃料流量調節弁と蒸気加減弁の応答を示
す図である。 25A…弁開度目標信号、102…ガスタービン、103…発電
機、104…蒸気タービン、120…燃料流量調節弁、121…
高圧蒸気加減弁、122…低圧蒸気加減弁、123…高圧ター
ビンバイパス弁、124…低圧タービンバイパス弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｋ 23/10 Ｆ０１Ｋ 23/10 Ｇ Ｍ (72)発明者 深井 雅之 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭63−302107（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−180014（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−157219（ＪＰ，Ａ) 特公 昭46−1366（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンと、前記ガスタービンに投入
   する燃料量を調整する燃料調節弁と、前記ガスタービン
   の排ガスを熱源として蒸気を発生するボイラと、前記ボ
   イラで発生した蒸気を導入する蒸気タービンと、前記蒸
   気タービン入口に設けられた蒸気加減弁と、前記蒸気タ
   ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
   バイパス弁と、前記蒸気タービンと前記ガスタービンと
   により駆動される発電機とを有する発電プラントを制御
   する制御方法において、 系統事故が発生したときに、前記ガスタービンに投入す
   る燃料量を減少し、かつ、前記蒸気加減弁を閉動作させ
   ると共に、前記蒸気加減弁の閉動作に対応して、前記蒸
   気加減弁の弁容量に対する前記タービンバイパス弁の弁
   容量の比の割合で前記タービンバイパス弁を開動作させ
   ることを特徴とする発電プラントの制御方法。
2. 【請求項２】ガスタービンと、前記ガスタービンに投入
   する燃料量を調整する燃料調節弁と、前記ガスタービン
   の排ガスを熱源として蒸気を発生するボイラと、前記ボ
   イラで発生した蒸気を導入する蒸気タービンと、前記蒸
   発タービン入口に設けられた蒸気加減弁と、前記蒸気タ
   ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
   バイパス弁と、前記蒸気タービンと前記ガスタービンと
   により駆動される発電機とを有する発電プラントを制御
   する制御方法において、 系統事故が発生したときに、前記ガスタービンに投入す
   る燃料量を減少する信号を演算し、前記蒸気減算弁に出
   力する第一の演算器と、 前記系統事故が発生したときに、前記蒸気加減弁を閉動
   作させる信号を演算し、前記蒸気加減弁に出力する第二
   の演算器と、 前記系統事故が発生したときに、前記蒸気加減弁の弁容
   量に対する前記タービンバイパス弁の弁容量の比の割合
   で前記タービンバイパス弁を開動作させる信号を演算
   し、前記タービンバイパス弁に出力する第三の演算器と
   を有することを特徴とする発電プラントの制御装置。