JP3675880B2 - 一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、発電所を構成する一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動或は停止時の制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、一軸型コンバインドサイクル発電設備の概略系統図であって、ガスタービン１、圧縮機２、蒸気タービン３及び発電機４の回転体が一軸に結合されている。上記ガスタービン１には、圧縮機２で取り込まれた大気中の空気が燃焼器５内で燃料とともに燃焼して発生した燃焼ガスが供給され、その燃焼ガスによりタービンが駆動され軸出力が発生する。この場合、燃焼器５に供給される空気量は圧縮機２の入口に設けられている入口案内翼６の開度により制御される。
【０００３】
上記ガスタービン１の排気は排熱回収ボイラ７に導入され、その排熱によって蒸気が発生される。すなわち、排熱回収ボイラ７内には、排気導入口側から順次高圧第２過熱器８、再熱器９、高圧第１過熱器１０、図示しない高圧蒸気発生器、中圧過熱器１１、低圧過熱器１２、及び図示しない中圧蒸気発生器、低圧蒸気発生器等が設けられており、上記図示しない高圧蒸気発生器、中圧蒸気発生器、及び低圧蒸気発生器はそれぞれ高圧ドラム１３、中圧ドラム１４、及び低圧ドラム１５に接続されている。しかして、ドラム圧力が一番低い低圧ドラム１５が低圧過熱器１２に接続され、低圧ドラム１５からの飽和蒸気が低圧過熱器１２により過熱蒸気に変換される。同様に中圧ドラム１４は中圧過熱器１１に接続され、高圧ドラム１３は高圧第１過熱器１０及び高圧第２過熱器８に順次接続され、各々中圧ドラム１４、高圧ドラム１３で発生した飽和蒸気が過熱器で過熱蒸気に変換される。
【０００４】
高圧第２過熱器８で過熱された蒸気は、高圧主蒸気管１６を通り、高圧主蒸気組み合わせ弁１７でその流量が制御されて蒸気タービン３の高圧タービン３ａに導入される。高圧タービン３ａで仕事を行なった蒸気は、低温再熱蒸気管１８を通り再熱器９へ導かれる。この低温再熱蒸気管１８には、中圧過熱器１１で過熱された蒸気も導入され高圧タービン３ａからの出口蒸気と混合され、再熱器９で再熱された後、高温再熱蒸気管１９を通り再熱蒸気組み合わせ弁２０で制御されて中圧タービン３ｂに導入される。
【０００５】
この中圧タービン３ｂで仕事を行なった蒸気は、前記低圧過熱器１２で過熱され、低圧主蒸気組み合わせ弁２１で流量が制御された蒸気とともに、低圧タービン３ｃに導入され、そこで仕事を行なった蒸気は図示しない復水器で復水される。
【０００６】
このようにして、通常運用時にはガスタービン１と蒸気タービン３で発生した駆動エネルギが発電機４により電気エネルギに変換される。なお、上記高圧主蒸気組み合わせ弁１７、再熱蒸気組み合わせ弁２０及び低圧主蒸気組み合わせ弁２１は、それぞれ非常時用の遮断弁と流量制御可能な加減弁の２つの弁を一体的に組み合わせたものであり、蒸気止め弁と蒸気加減弁の２つの弁としてもよい。
【０００７】
蒸気タービン３は、ロータ羽根を含んだ回転部と、ケーシング、軸受け等の静止部より構成されるが、蒸気タービン３内を流れる蒸気が回転部と静止部との隙間から漏洩することを防ぐため、外部の各軸補助蒸気母管２２等の補助蒸気系統よりグランドシール蒸気管２３を介してグランドシール蒸気が、タービン内部から外部に流れ出ようとする蒸気と対向して供給され、グランド部のシールが行なわれる。
【０００８】
ところで、ガスタービン１、圧縮機２、蒸気タービン３及び発電機４を一軸に結合するとともに、排熱回収ボイラ７を併設した構成を通常軸と呼んでおり、この軸を構成する設備としては、これらの他に補助蒸気系統や起動装置がある。そして、複数の軸によって系列が構成され、複数の系列で発電所が構成されるのが通例である。ただし、１系列で発電所を構成している例もある。
【０００９】
このような排熱回収式一軸型コンバインドサイクル発電設備においては、ガスタービン点火後でなければ、自軸の発生蒸気が得られない。このため、軸の起動に際しては、運転中の軸の蒸気系もしくは補助ボイラの発生蒸気を補助蒸気として起動軸に供給し、グランドシールを行ない真空上昇をしておく必要がある。この操作は、軸の起動前準備としてターニング運転と呼ばれる軸の低速回転の状態で行なわれる。
【００１０】
この状態から定格回転数到達までの手順は、燃料としてガス燃料を使用している場合は、ガスタービン後流部分への未燃焼燃料の残留からシステムを保護するため、定格回転速度の２０〜４０％程度の回転速度で軸を運転しガスタービンの空気圧縮機の吐出空気を流すパージ運転を５〜１５分間行なう。なお、燃料に液体燃料を採用している場合はこのパージ運転は省略される。そして、このパージ運転を完了するまでは起動装置により必要トルクを発生させて運転する。
【００１１】
このようなパージ運転が終了すると、一般的にガスタービン点火回転数より高いパージ運転回転数から起動装置でガスタービン点火回転数に到達するまで回転数を制御しながら降下し、ガスタービン点火後、ガスタービンの暖機運転を行ない昇速制御に移行される。この昇速制御は軸の回転速度に応じて関数により設定された加速度により行なわれ、起動装置に対しては軸の回転速度に対応してトルクが設定されている。一方、蒸気タービンには先に説明したグランド蒸気が供給されているが流量が少なく、これによるトルクの発生はない。したがって、ガスタービンは必要加速トルクと起動装置からのトルクを差し引いたトルクを燃料の投入量によって間接的に制御することになる。すなわち、軸の起動時においては、ガスタービンでのタービン発生動力に比べ、圧縮機の必要動力が上回るため、ガスタービンを起動させるために、他の駆動動力源として起動装置が使用される。
【００１２】
ガスタービンの加速度は、空気圧縮機の運転不安定領域の回避や燃焼器出口の燃焼ガスの温度過剰上昇を防ぐように設定されており、特に燃焼ガス温度が或レベル以下になるように設定されており、これによって起動装置の最大容量が決められている。
【００１３】
一方、起動時における蒸気タービンは、前述のように、蒸気タービングランド部における大気側からの空気漏入を補助蒸気によりシールし復水器により真空保持されているが、蒸気タービン内部は風損により温度が上昇する。特に、最近の一軸型コンバインドサイクル発電設備は蒸気タービンの容量増加及び軸長の短縮による発電所のスペースファクターの向上のため最終段翼の長翼化が進んでいる。
【００１４】
低圧タービン、特に最終段翼は通常運転時における使用温度は比較的低い一方で、上記のように長翼のため遠心応力は極めて大きくなる。したがって、低圧タービンの回転体の材料は比較的低温域（２００℃〜３００℃程度）における許容応力が大きなものが選定されており、温度が上昇することにより許容応力が著しく低下する傾向にある。したがって、高周速による最終段翼先端部の温度上昇を抑制する蒸気タービンの保護が重要なポイントとなる。
【００１５】
この温度上昇から蒸気タービンを保護するため、系列補助蒸気母管２４に接続されている各軸補助蒸気母管２２から、冷却蒸気供給管２５を介して低圧主蒸気組み合わせ弁２１の上流側に冷却蒸気を導入し、その冷却蒸気を低圧タービン３ｃに導入している。なお、図中符号２６は低圧蒸気止め弁、２７は高圧グランドリークオフ弁、３５は補助蒸気管である。
【００１６】
この冷却のための蒸気（クーリング蒸気）は、低流量時に発生する最終段翼の励振作用を抑制するに足りる流量に設定されており、軸には殆どトルクが発生しない。
【００１７】
このように、ガスタービン点火後、ガスタービンの発生トルクと起動装置によるトルク供給により軸を昇速して軸の定格回転速度近傍まで昇速され、軸の回転速度が定格回転速度近傍に到達すると、起動装置が離脱され、それ以降の運転はガスタービン制御装置で制御される。そして軸の回転速度が定格回転速度に到達し発電機を外部電力系統に併入したのち自軸の排熱回収ボイラの発生蒸気の蒸気条件が整ったところで、蒸気タービンに通気して通常運転に移行される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような一軸型コンバインドサイクル発電設備の軸の起動時には前述のように電動機とトルクコンバータの組み合わせなどの起動装置のみで軸系の昇速を含む起動を行なわねばならず、必要なトルクを与えるには、容量的に大きなものが必要となる等の問題がある。
【００１９】
また、蒸気タービンに導入するクーリング蒸気は蒸気タービンの保護が主目的で軸にトルクを与えるような仕事はさせていないためにシステム全体としてはエネルギの損失が大きい。
【００２０】
更に、ガスタービンの起動停止過程における燃焼器出口ガス温度の変化幅と変化率が大きい部分があり、高温部品の寿命を短くする要素を含んでいる。
【００２１】
本発明はこのような点に鑑み、大容量化した蒸気タービンの軸長を短縮するための最終段翼の長翼化から高遠心力場での蒸気流の安定化のために必要蒸気量が増加していることを利用し、これを最終段翼周辺の冷却のみでなく積極的にトルクを発生させるなどのエネルギ損失の削減を加味して蒸気タービンの信頼性向上を図ると共に、蒸気タービンの発生トルクを軸の加速に活用するなど、起動過程における軸の加速制御の変更により、軸起動時のガスタービン高温部の温度変化および温度変化率の低減を図り、ガスタービン高温部品の信頼性向上および長寿命化を図ると同時に蒸気タービンのトルク発生による起動時のエネルギ損失の低減と起動装置容量の低減など、軸構成機器の信頼性向上と省エネルギおよび省スペースを図った一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ガスタービン、蒸気タービン、発電機及び起動装置の回転軸を一体に結合した一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御方法において、上記軸の停止操作時の発電機解列後に、軸の回転数を下げながらガスタービン入り口ガス温度の変化もしくは変化率が所定の値になるようにガスタービンへの燃料投入量をプログラム制御し、この燃料の燃焼に必要な燃焼空気と燃焼器出口ガス温度を所定温度にするための空気を確保するように、軸の回転数を発電機を電動機として使用する静止型起動装置によって制御することを特徴とする。
【００２３】
第２の発明は、ガスタービン、蒸気タービン、発電機及び起動装置の回転軸を一体に結合するとともに、その軸を起動するに必要な補助蒸気を供給する補助蒸気系統を有する一軸型コンバインドサイクル発電設備であって、前記補助蒸気系統から蒸気を供給する冷却蒸気供給管を蒸気タービンの再熱蒸気入り口部に接続するとともに、前記軸の回転速度がターニング回転速度から軸の定格回転速度に至るまでの軸の起動過程に、起動装置、蒸気タービン及びガスタービンに各々所定のトルクを発生させて軸の回転速度を上昇させて軸を起動するように制御する一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置において、前記冷却蒸気供給管が再熱蒸気組み合わせ弁或は再熱蒸気止め弁と再熱蒸気加減弁からなる弁装置の下流側に接続されているとともに、前記冷却蒸気供給管には起動用蒸気導入調節弁が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
第３の発明は、蒸気タービン、ガスタービン及び発電機を一軸に結合した一軸型コンバインドサイクル発電設備であって、前記発電機に可変周波数電源を与えて電動機としてトルクを発生させるとともに、軸の回転数制御を行なう静止型起動装置を設けた一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置において、前記蒸気タービン、ガスタービン及び発電機を一軸に結合した一軸型コンバインドサイクル発電設備を複数軸設けるとともに、少なくともその一つの軸に、静止型起動装置によってのみ軸起動を可能とする容量の静止型起動装置を設け、他の軸には蒸気タービンの出力トルクとの併用によって軸起動を可能とする容量の静止型起動装置を設けたことを特徴とする。
【００３０】
【作用】
本発明においては、起動装置として発電機に可変周波数電源を与えて電動機としてトルクを発生させる静止型起動装置を停止時にも使用する場合に、その起動装置で回転速度を制御するとともに燃料投入量をプログラム制御することにより、燃焼器出口ガス温度をほぼ直線的に変化させることができ、軸の回転速度が低い状態まで消火せず燃焼ガス温度を低減し、消火後の空気流量も少なくして高温度部の急激な冷却が生じないようにでき、熱応力の発生を抑え高温部品の長寿命化を図ることができる。
【００３１】
さらに、静止型起動装置を軸系の抵抗体として作用させることにより回転上昇を抑制することができ、ガスタービンの燃料制御系のみでオーバスピード対策を講じるのに比較してその制御を容易化できる。
【００３２】
また、少なくとも一つの軸に静止型起動装置によってのみ軸起動を可能とする容量の静止型起動装置を設け、他の軸には蒸気タービンの出力トルクとの併用によって軸起動を可能とする容量の静止型起動装置を設けることにより、軸の起動の自由度を確保しつつ経済的なものとすることができる。
【００３３】
さらに複数の静止型起動装置を互いに或は出力変圧器等により組み合わせて使用可能とした場合には、補助蒸気量が不足するようなときに複数の起動装置により一軸を起動し、他の軸は１台の起動装置と蒸気タービンとの組み合わせで起動するようにでき設備の柔軟な運用が可能となる。
【００３４】
【実施例】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００３５】
図１において、複数軸で構成される発電プラントの一軸は、ガスタービン１、圧縮機２、蒸気タービン３及び発電機４の回転軸が一軸に結合されており、ガスタービン１の排ガスが排熱回収ボイラ７に導入され、高圧第２過熱器８、再熱器９、高圧第１過熱器１０、中圧過熱器１１、低圧過熱器１２及び図示しない各圧力の蒸発器等を流通する給水や蒸気と熱交換した後煙突を経て大気中に放散される。
【００３６】
高圧ドラム１３で発生した蒸気は高圧第１過熱器１０及び高圧第２過熱器８で過熱された後、高圧主蒸気組み合わせ弁１７を経て高圧タービン３ａに導入される。高圧タービン３ａで仕事を行なった蒸気は低温再熱蒸気管１８において中圧過熱器１１からの蒸気と合流して再熱器９に導入され、そこで再熱された蒸気が高温再熱蒸気管１９を通り再熱蒸気組み合せ弁２０を介して中圧タービン３ｂに導入される。そしてそこで仕事を行なった蒸気は、低圧主蒸気組み合わせ弁２１を介して低圧ドラム１５から導入される低圧蒸気とともに低圧タービン３ｃに送給され、ガスタービン１及び上記高圧タービン３ａ等からなる蒸気タービン３の駆動力によって発電機４が回転駆動され電力が発生される。
【００３７】
ところで、上記高温再熱蒸気管１９には高温再熱蒸気配管止め弁３０が設けられるとともに、各軸補助蒸気母管２２に接続されている冷却蒸気供給管２５の先端が再熱蒸気組み合わせ弁２０の上流側に接続され、その冷却蒸気供給管２５には、冷却蒸気止め弁３１、冷却蒸気調節弁３２、及び逆止弁３３が設けられている。また、発電機４にはその発電機に可変周波数電源を与えて電動機としてトルクを発生させる静止型起動装置３４が接続されている。なお、図中符号３５は、低温再熱蒸気管１８に接続され、低温再熱蒸気の一部を必要に応じて系列補助蒸気母管２４に供給する補助蒸気管である。
【００３８】
また、上記の如き補助蒸気系統はその性格上、各軸に補助蒸気を供給する各軸補助蒸気系統と、発電所全体に必要な補助蒸気を供給するための系列補助蒸気系統から構成されるのが一般的であるが、必要な個所に必要な量の補助蒸気が供給できるような系統構成であれば、図１に示すような補助蒸気系統の構成でなくてもよい。
【００３９】
ところで、このような一軸型コンバインドサイクル発電設備における軸の起動過程の最初の部分は、従来技術と同様であり、先ず、ガスタービン後流部分への未燃焼燃料の残留からシステムを保護するため、定格回転数の２０〜４０％程度の回転数で軸を運転しガスタービンの空気圧縮機の吐出空気を流すパージ運転を５〜１５分間行う。図２に本発明における軸の起動過程における時間と、回転数と、軸負荷トルク、及び軸の起動に必要なトルクの関係と、動力発生源の作動領域の関係を示す。なお、この図では各機器のトルク分担は明示していない。
【００４０】
上記パージ運転を完了するまでは、発電機を電動機として静止型起動装置により電流を供給し必要トルクを発生させて運転する。パージ運転完了後、軸の回転数をガスタービンの点火回転数まで起動装置からの供給トルクを調整して下げ、燃焼器に燃料を投入し点火する。
【００４１】
点火後、タービンはトルクを発生し始めるが空気圧縮機の消費トルクの方が大きいため加速に必要な加速トルクは起動装置３４を主体にして供給する。一方、蒸気タービン３への蒸気の導入はパージ運転の適当な時期以降に開始し、各軸補助蒸気母管２２から取り出し蒸気タービン３の再熱蒸気組み合わせ弁２０の上流側に接続した冷却蒸気供給管２５とこの管路に設けた冷却蒸気調節弁３２を介して、所定の蒸気条件の蒸気を蒸気タービン３の再熱部に供給することにより蒸気タービン３にもトルクを発生させる。このとき、冷却蒸気供給管２５に設けられた冷却蒸気調節弁３２の開度は予め設定された開度にまで一定の開速度で開き、設定開度に到達した後はその開度を保持するように制御する。この状態では、排熱回収ボイラ７から蒸気タービン３に蒸気を供給する高圧主蒸気管１６、高温再熱蒸気管１９および低圧主蒸気管などに設置された、高圧主蒸気組み合わせ弁１７、高温再熱蒸気配管止め弁３０および低圧主蒸気組み合わせ弁２１は全て全閉状態とする。
【００４２】
一方、点火が完了したガスタービン１は、軸の回転速度と入り口案内翼６の開度で定まる空気量に応じて燃焼器出口ガス温度およびその上昇率が高温部品に高い熱応力を発生させないように予め定められた燃料投入計画に従って燃料を増加させる。ただし、ここで定めた燃料投入計画には軸の加速を援助するための加速トルク分は含まず、この起動時の回転速度の制御は起動装置３４で行う。また、蒸気タービン３は導入された蒸気量と蒸気条件および回転速度を含めたトルク発生特性に応じたトルクを発生し、軸に供給している状態を継続する。
【００４３】
しかして、この場合、起動必要出力トルクは図３の実線で示すようになる。なお図中点線は従来の方法による起動必要トルクである。
【００４４】
このように燃料の供給量制御により加速制御を行なわないので、図４の実線で示すように燃焼器出口ガス温度変化が４００℃〜８００℃となり、従来に比べ非常に穏やかなものとなる。なお図中点線は従来の方法における燃焼器出口ガス温度変化を示す。
【００４５】
ところで、上記起動時におて、高圧主蒸気組み合わせ弁１７が閉となり、蒸気タービン３の再熱部より蒸気を取り入れ冷却蒸気が混入されると、高・中圧対向流の蒸気タービンにおいては、中間グランド部からの漏洩蒸気が高圧タービンに漏入し、高圧タービンのウォーミング及び冷却が可能となる。そのとき高圧グランドリークオフ弁２７が適正な開度となり、ウォーミング等に使用された蒸気は復水器へ流れることになる。すなわち、高圧グランドリークオフ弁２７の開度調整により、高圧タービンに流れる中間グランド部の漏洩蒸気の流量調整が可能となり、高圧タービンのメタル温度を適正な値とすることができる。
【００４６】
ガスタービン点火から無負荷定格回転速度に到達するまでの時間は、通常１５〜２０分程度であり、起動中のガスタービン高温部品の温度変化幅や変化率の低減は熱応力の低減に大きく寄与し、延いては高温部品の長寿命化に貢献できる。なお、この起動方法を採用することにより、蒸気タービン３の最終段翼周辺の冷却にしか使用していなかった蒸気のエネルギをトルクの発生に利用することによって起動時のエネルギ損失を低減し省エネルギにも貢献できる。更には、起動時の回転速度制御をガスタービンの燃料制御から起動装置３４の出力制御に変更することで、ガスタービン１は負荷制御と揃速制御を行うことになり、制御装置が簡単化できる。一方、起動装置はもともとガスタービン制御装置からの設定値に対応した制御を行っており、このように制御方法を変更しても制御系はさほど複雑にはならない。また、軸の起動過程における加速トルクは、軸の回転速度に応じて変化するものであって一定ではないことから、一定の蒸気量を投入した場合の蒸気タービン３の回転数に対するトルク発生特性を利用して動力発生設備として使用することにより起動装置３４の最大発生トルクを低減できることから、起動装置３４のコンパクト化や起動時の設備の運用方法の自由度が増す。
【００４７】
起動装置として静止型起動装置を採用した場合は、複数軸からなる一軸型コンバインドサイクル発電設備の軸枢と起動装置容量の組み合わせ、起動装置の機器構成および系統構成など多くの変形例が考えられる。
【００４８】
一方、軸の停止過程においては、ガスタービンへの燃料投入量を燃料系統（図示せず）に設けた燃料調節弁（図示せず）で調節して無負荷まで軸の出力を下げる。このとき蒸気タービン３は、低圧主蒸気組み合わせ弁２１を所定の開度に設定して自軸の低圧ドラム１５で発生し低圧過熱器１２で過熱した蒸気を最終段翼周辺の冷却蒸気として使用し、高圧主蒸気組み合わせ弁１７と再熱蒸気組み合わせ弁２０は負荷降下の途中で全閉として、次の起動時に高圧部および再熱部の金属部温度を高い状態で維持できるように考慮している。この状態で発電機を系統から解列し軸としては、無負荷定格回転数運転に到達する。これまでの操作は、従来技術と同じである。
【００４９】
従来は、ガスタービンに投入する燃料を回転数の関数として絞り軸の回転数は燃料投入量の減少に応じて自然に低下させる。通常は、発電機解列からの経過時間到達、所定回転数到達もしくは自然失火のいづれかの条件で消火操作を行い軸の回転数をターニング状態にまで自然に下げる方法が採用されている。
【００５０】
ところで、停止課程においても起動過程と同様に燃焼器出口ガス温度の変化率や変化幅は小さい方が熱応力の発生を抑制できる。また、消火は軸の回転数と燃焼器出口ガス温度が低い状態にあることが熱応力の発生を抑制するための条件である。これは、消火と同時に燃焼器出口ガス温度が空気圧縮機出口温度にまで低下するため（図５の点線）、消火直前の温度が高く軸の回転数が高いと急激に高温部金属の表面が冷却され易く大きな熱応力の発生につながる。したがって、本発明では軸の回転数に応じて失火にならない最低の燃料を投入し軸の回転数降下を起動装置３４によって制御することにより燃焼器出口ガス温度の変化率を図５の実線で示すように所定の値以下にし、付随的にガス温度の変化幅も抑制する停止操作を行うことにより、熱応力の発生を抑制することができる。
【００５１】
一方、発電機４が外部電力系統から解列されたような負荷遮断が発生した場合、ガスタービン１と蒸気タービン３の出力は、負荷遮断発生直前の状態にあるが発電機４は外部電力系統から遮断され所内負荷の運転に必要な発電量に負荷が急減する。このため、軸の回転数が急速に上昇する。通常は、負荷遮断信号によりガスタービンの燃料調節弁（図示せず）を急速に絞り燃料投入量を絞り、入り口案内翼６の開度を調節して軸の回転数が過速度トリップ回転数に至らないように制御している。しかし、最近の一軸型コンバインドサイクル発電設備は、容量の増加および環境対策の関係から燃料系統が複雑になり制御上は好ましくない余剰エネルギが増加し回転上昇が大きく過速度トリップの設定回転数に対する余裕が減少している。このため、本発明では、静止型起動装置を負荷遮断信号により軸系の抵抗体となるように接続することにより軸の回転上昇を抑制するように動作させることができる。
【００５２】
静止型起動装置を採用した場合の静止型起動装置の構成・作用について以下に説明する。説明を簡単にするため蒸気タービン３と併用するために軸起動時に必要なトルクの１／２程度の出力を持つ静止型起動装置を５０％ＳＦＣ、静止型起動装置単独で軸を起動できるたけの容量を持つものを１００％ＳＦＣと称呼することにする。
【００５３】
一軸型コンバインドサイクル発電設備を複数軸設置して構成される発電所で、発電所全停からの起動時のように補助蒸気が十分に使用できないような場合でも、１００％ＳＦＣで任意の１軸を起動し、既に運転している軸がある場合には５０％ＳＦＣと蒸気タービン３を併用して起動できるように図６に示すような静止型起動装置の配置としている。図６では、４軸で構成された発電所の場合の一実施例を示す。この例では、１００％ＳＦＣと５０％ＳＦＣを組み合わせて任意の軸が起動できるように構成している。
【００５４】
すなわち、１００％ＳＦＣ４０ａが断路器４１ａ、交流リアクトル４２ａおよび断路器４３ａ，４３ｂを介して発電機４ａ，４ｂに接続され、また５０％ＳＦＣ４０ｂが断路器４１ｂ、交流リアクトル４２ｂおよび断路器４３ｃ，４３ｄを介して発電機４ｃ，４ｄに接続されており、さらに上記断路器４１ａと４１ｂの下流側（発電機側）が母線連絡遮断器もしくは断路器４４によって接続されている。
【００５５】
しかして、発電所全停から例えば発電機４ａを含む軸を起動する場合には、断路器４１ｂ、断路器４３ｂ及び断路器４４を開とするとともに断路器４１ａ及び断路器４３ａを閉とし、１００％ＳＦＣ４０ａによって発電機４ａを電動機として作動させ、その軸を起動することができる。一方、その後発電機４ｂを含む軸を起動する場合には、断路器４１ａ，４３ａ，４３ｃ，４３ｄを開とし、断路器４４及び４３ｂを閉とすることにより、５０％ＳＦＣ４０ｂによって発電機４ｂを電動機として作動させるとともに、すでに起動している軸からの蒸気を利用した蒸気タービンの出力を併用してその軸を起動することができる。
【００５６】
図７に、発電所が４軸の一軸型コンバインドサイクル発電設備で構成された場合の実施例を示す。５０％ＳＦＣ４０ｂのインバータ出力側に出力を供給すべき発電機を選択する遮断器又は断路器４１ａ，４１ｂを設け、交流リアクトル４２ａ，４２ｂ，…，遮断器４３ａ，４３ｂ，…を介して発電機４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの主回路にそれぞれ接続する。発電所に蒸気タービンに供給する蒸気がなく、静止型起動装置のみで、軸起動する場合は、５０％ＳＦＣ４０ｂを２台とも１台の発電機に発電機選択用遮断器又は断路器４１ａ，或いは４１ｂを使用して接続し、起動に必要な１００％容量を供給する。発電所に蒸気があり、蒸気タービンを併用出来る場合は、５０％ＳＦＣ４０ｂを１台、起動したい発電機４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに接続し、起動する。この実施例では２軸同時起動も可能である。
【００５７】
図８には発電所が４軸の一軸型コンバインドサイクル発電設備で構成された場合の他の一実施例を示す。遮断器４５および入力変圧器４６を介して商用周波数の電源に５０％ＳＦＣ４０ｂが２台接続され、その出力側がそれぞれ分岐されており、一方は断路器４１ａ，４１ｂを介して交流リアクトル４２ａ，４２ｂをおよび断路器４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを介して発電機４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに接続されている。もう一方は、断路器４７ａ，４７ｂを介して出力変圧器４８にそれぞれ接続され、出力変圧器４８の出力側が遮断器または断路器４９ａ，４９ｂ、交流リアクトル４２ａ，４２ｂ等を介して発電機４ａ，４ｂ…にそれぞれ接続される構成としてある。また蒸気タービン３と静止型起動装置を併用する場合の出力分担は、ガスタービン点火以降の昇速から蒸気タービンの出力トルクを発生し最大必要トルクの約１／２を分担するものとする。ガスタービン点火前に必要な静止型起動装置の出力は最大出力の１／２以下であり、ガスタービン点火後の昇速時に蒸気タービン３の出力と併用する場合の出力分担分の容量を有することにより、起動過程全域を通じて起動装置の容量が不足することは無い。
【００５８】
しかして、通常起動時は、蒸気タービン３の出力とを併用して起動する。このとき、遮断器もしくは断路器４７ａ，４７ｂおよび断路器４４は開とし、所内電源から遮断器４５を投入し、入力変圧器４６を経由して５０％ＳＦＣ４０ａで周波数変換を行って、遮断器もしくは断路器４１ａ、短絡電流低減用交流リアクトル４２ａ、および断路器４３ａ又は４３ｂを介して発電機４ａ或は４ｂを同期電動機として回転力を軸に供給し昇速および回転数制御を行う。なお、断路器４４は５０％ＳＦＣ４ａ，４ｂが１台故障などで使用できなくなった場合のバックアップ回路である。
【００５９】
次に、発電所全停からの起動に際しては、蒸気タービン３の出力を期待できるだけの蒸気量が確保できないケースが考えられるため変換器５０％ＳＦＣ４０ｂ，４０ｂ２台を出力変圧器４８を介して電圧を２倍にすることにより軸の起動に必要な回転力の１００％を発電機に供給することが出来る。このように断路器４７ａ，４７ｂと断路器４４および出力変圧器４８を設置することにより１００％ＳＦＣシステムを構成することが出来る。１軸が起動完了すると起動完了した軸からの補助蒸気の抽出が可能になり、２軸目からは５０％ＳＦＣと蒸気タービン３の併用により軸の起動が可能である。
【００６０】
なお、出力変圧器４８は発電機４ａ等の高周波耐量にしたがい、最適な電圧・電流に選定することが出来る。
【００６１】
図９に６相整流回路をカスケードに接続して、５０％出力と１００％出力の切り替えが出来る様にした実施例の構成を示す。
【００６２】
変換器の電源側の遮断器４５を介して三巻線の入力変圧器４６の２つの２次巻線にそれぞれ６相の変換器４０を接続する。
【００６３】
発電機側が５０％ＳＦＣの出力しか必要のない場合は、２つの変換器４０間の接続を切り、断路器４１ａ，４１ｂ閉、及び５１ａ，５１ｂを開として発電機４ａ，４ｂ…に交流リアクトル４２ａ，４２ｂを経由して、断路器４３ａ，４３ｂ…で選択される発電機４ａ，４ｂ…に可変周波数電源を供給して、起動を行うことが出来る。
【００６４】
また、前述のような発電所全停からの軸起動の場合は、変換器４０間を接続し、断路器４１ａ，４１ｂ開、断路器５０閉とし、起動したい軸側の断路器５１ａ又は５１ｂを閉および起動したい発電機の断路器４３ａ，４３ｂ…を閉とすれば、１００％出力を必要な軸に供給することが出来る。
【００６５】
図１０に、図９において６相整流回路４０をカスケードに接続する場合の接続例を三線結線図で示し、蒸気の切り替えを詳細に説明する。
【００６６】
図１０において、６組の整流素子５２でブリッジを構成し、それぞれのブリッジに出力端を設けておく。この二組のブリッジをカスケードに接続し、直流側に断路器５３、及び切り替え用断路器５４を設け、その間に１００％出力端子を設けて、５０％でも１００％でも出力切り替えが出来る様にしておく。
【００６７】
発電所に軸の起動に必要な蒸気が十分ある場合は、蒸気タービンと５０％ＳＦＣを併用できるので、断路器５３を閉、また、断路器５４をＡ側に接続しておき、６相整流器は、個別に使用することができる。発電所全停などで、１００％ＳＦＣが必要な場合は、断路器５３を開、断路器５４をＢ側に接続することにより、２つの６相整流器をカスケードに繋ぐ。入力側（コンバータ）も出力側（インバータ）も同様の結線により、起動装置の容量を２倍にすることができる。
【００６８】
また、図８において、１台の５０％ＳＦＣ４０ｂのみを出力変圧器４８に接続し、発電機電圧を出力変圧器を介さない場合よりも高くすることにより、発電機への流入電流を小さくすることができ、回転子側への高周波分を含んだ誘導電流を低減できるような運転をすることもできる。
【００６９】
ところで、図１では各軸補助蒸気母管２２から分岐する冷却蒸気供給管２５の接続先を再熱蒸気組み合せ弁２０の１次側としたものを示したが、２次側とすることもできる。この場合には上記冷却蒸気管２５には止め弁とともに必ず流量調整弁を設ける必要がある。また、上記実施例においては上記止め弁と上記加減弁とを一体にした蒸気組み合せ弁を使用したものを示したが、再熱蒸気組み合せ弁２０を再熱蒸気止め弁と再熱蒸気加減弁を別々に設けることができる。しかして、この場合には、再熱蒸気止め弁と再熱蒸気加減弁との間に冷却蒸気管２５を接続することができ、再熱蒸気加減弁を予め設定された弁開度に調節することにより蒸気タービン３の再熱部に導入する蒸気流量を調節することが可能であり、二次側に接続し冷却蒸気供給管２５に設けられた調節弁の開度設定により蒸気流量を調整する場合と同等の効果が得られる。この場合は、再熱器出口を設けた再熱蒸気止め弁を閉として供給した冷却蒸気が再熱器９に流入しないように止め弁を全閉としておくことが必要である。
【００７０】
軸の起動過程において、ターニング回転速度からパージ運転およびガスタービン点火までの軸の回転数制御を蒸気タービン３に導入する蒸気流量を冷却蒸気供給管２５に設けた調節弁で調節して行い、補助蒸気系の最大蒸気供給量に到達したところで調節弁開度をそのまま保持し、起動装置３４の出力と併用する。つまり、補助蒸気系統の最大供給蒸気量にて発生する蒸気タービン３の発生トルクと起動装置３４の出力により軸の起動トルクを賄う方法である。この方法を採用した場合は、蒸気タービン３のウォーミングを行うことが可能であり蒸気タービン３の高圧部および再熱部の寿命消費を低減することが可能である。
【００７１】
一方、静止型起動装置３４に関する他の実施例として、５０％ＳＦＣを２台組み合わせて１００％ＳＦＣとして使用する方法として図７に示すように出力変圧器の代わりに変換器をカスケードに接続する断路器を設置することでも対応できる。
【００７２】
また、図１においては静止型起動装置を使用したものを示したが、電動機とトルクコンバータの組み合わせを採用した起動装置を使用することもできる。さらに、補助蒸気を中圧タービン入口部に導入したものを示したが、場合によっては低圧タービンに導入しても同様な作用を奏せしめることができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、静止型起動装置で回転速度を制御するとともに燃料投入量をプログラム制御することにより、燃焼器出口ガス温度をほぼ直線的に変化させることができ、軸の回転速度が低い状態まで消火せず燃焼ガス温度を低減し、消火後の空気流量も少なくして高温度部の急激な冷却が生じないようにでき、熱応力の発生を抑え高温部品の長寿命化を図ることができる。一方、蒸気タービンでの発生トルクを軸の起動における加速トルクとして利用することにより起動装置の容量を低減することができ、コンパクトで経済的な一軸型コンバインドサイクル発電装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一軸型コンバインドサイクル発電設備の概略系統を示す図。
【図２】本発明の起動過程における軸回転数の時間に対する変化と、軸の負荷トルクおよび必要トルクを示す図。
【図３】起動過程における回転速度に対する軸の負荷トルクと必要トルクの関係を示す図。
【図４】起動過程における回転速度に対する燃焼器出口ガス温度の関係を示す図。
【図５】停止過程における回転速度と燃焼器出口ガス温度の関係を示す図。
【図６】容量の異なる静止型起動装置と発電機４台の組み合せでの起動方法説明図。
【図７】本発明による４軸の一軸型コンバインドサイクル発電設備の静止型起動装置の構成の一例を示す図。
【図８】４軸の一軸型コンバインドサイクル発電設備の静止型起動装置の構成の他の例を示す図。
【図９】図７に示す静止型起動装置の変形例を示す図。
【図１０】図８のカスケード接続回路を三線結線図で示した図。
【図１１】一軸型コンバインドサイクル発電設備の軸の主要構成機器と主要蒸気管路の一軸分と補助蒸気系統の代表例を示す図。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 蒸気タービン
３ａ 高圧タービン
３ｂ 中圧タービン
３ｃ 低圧タービン
４ 発電機
７ 排熱回収ボイラ
９ 再熱器
１６ 高圧主蒸気管
１７ 高圧主蒸気組み合わせ弁
１８ 低温再熱蒸気管
１９ 高温再熱蒸気管
２０ 再熱蒸気組み合わせ弁
２１ 低圧蒸気組み合わせ弁
２２ 各軸補助蒸気母管
２４ 系列補助蒸気母管
２５ 冷却蒸気供給管
３０ 高温再熱蒸気配管止め弁
３４ 静止型起動装置
４０ａ １００％ＳＦＣ
４０ｂ ５０％ＳＦＣ
４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４，４７ａ，４７ｂ 断路器
４２ａ，４２ｂ 交流リアクトル
４８ 出力変圧器

Claims (9)

1. ガスタービン、蒸気タービン、発電機及び起動装置の回転軸を一体に結合した一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御方法において、上記軸の停止操作時の発電機解列後に、軸の回転数を下げながらガスタービン入り口ガス温度の変化もしくは変化率が所定の値になるようにガスタービンへの燃料投入量をプログラム制御し、この燃料の燃焼に必要な燃焼空気と燃焼器出口ガス温度を所定温度にするための空気を確保するように、軸の回転数を発電機を電動機として使用する静止型起動装置によって制御することを特徴とする、一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御方法。
2. 負荷遮断時のように軸出力が急激に減少したことを検出し、静止型起動装置を軸の抵抗体として作動させ、軸の回転上昇を抑制することを特徴とする、請求項１記載の一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御方法。
3. ガスタービン、蒸気タービン、発電機及び起動装置の回転軸を一体に結合するとともに、その軸を起動するに必要な補助蒸気を供給する補助蒸気系統を有する一軸型コンバインドサイクル発電設備であって、前記補助蒸気系統から蒸気を供給する冷却蒸気供給管を蒸気タービンの再熱蒸気入り口部に接続するとともに、前記軸の回転速度がターニング回転速度から軸の定格回転速度に至るまでの軸の起動過程に、起動装置、蒸気タービン及びガスタービンに各々所定のトルクを発生させて軸の回転速度を上昇させて軸を起動するように制御する一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置において、
   前記冷却蒸気供給管が再熱蒸気組み合わせ弁或は再熱蒸気止め弁と再熱蒸気加減弁からなる弁装置の下流側に接続され、前記冷却蒸気供給管には起動用蒸気導入調節弁が設けられていることを特徴とする一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置。
4. 冷却蒸気供給管は、再熱蒸気止め弁と再熱蒸気加減弁の間に接続されていることを特徴とする、請求項３記載の一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置。
5. 蒸気タービン、ガスタービン及び発電機を一軸に結合した一軸型コンバインドサイクル発電設備であって、前記発電機に可変周波数電源を与えて電動機としてトルクを発生させるとともに、軸の回転数制御を行なう静止型起動装置を設けた一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置において、
   前記蒸気タービン、ガスタービン及び発電機を一軸に結合した一軸型コンバインドサイクル発電設備を複数軸設けるとともに、少なくともその一つの軸に、静止型起動装置によってのみ軸起動を可能とする容量の静止型起動装置を設け、他の軸には蒸気タービンの出力トルクとの併用によって軸起動を可能とする容量の静止型起動装置を設けたことを特徴とする、一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置。
6. 一軸型コンバインドサイクル発電設備を複数の軸で構成するとともに、各軸に設けられた同容量静止型起動装置の少なくとも２台の静止型起動装置を１軸に接続組合わせ可能としたことを特徴とする、請求項５記載の一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置。
7. 一軸型コンバインドサイクル発電設備を複数の軸で構成するとともに、各軸に設けられた静止型起動装置の少なくとも２台の静止型起動装置と出力変圧器とを組み合わせて起動装置容量を増加するようにしたことを特徴とする、請求項５記載の一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置。
8. 一軸型コンバインドサイクル発電設備を複数の軸で構成するとともに、各軸に設けられた静止型起動装置の少なくとも２台の静止型起動装置を断路器を介してカスケード接続し得るようにしたことを特徴とする、請求項５記載の一軸型コンバイドサイクル発電設備の制御装置。
9. １台の静止型起動装置を出力変換器に接続し、発電機電圧を高くすることにより、発電機の回転子に流入する高調波電流を低減することを特徴とする、請求項５記載の一軸型コンバインドサイクル発電設備の制御装置。

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