JP3758240B2 - 排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御方法及び装置 - Google Patents

排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御方法及び装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御方法及び装置に関し、詳しくは、ガスタービン負荷が定格負荷に達してから蒸気タービン負荷を上昇させるために火炉へ噴射する燃料を過剰にするに際し、火炉へ供給する空気の流量を制御し得るようにした排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、熱効率の向上を図るため、発電機及び圧縮機を駆動した後のタービン排ガスを燃焼用ガスとしてボイラへ送給し、ボイラにおける燃料の燃焼に供するようにした排気再燃型コンバインドサイクルプラントが実用化されつつあり、斯かるプラントの一例は図4に示されている。
【0003】
図4中、1は火炉1a及び副側壁1b並に後部伝熱部1cを備えたボイラ本体、2はボイラ本体1の火炉1a下部に設置したバーナであり、火炉1aにおいては、バーナ2から噴射された燃料Fの燃焼により燃焼ガスG2が生成されるようになっている。
【0004】
3は燃焼器4から送給された燃焼ガスにより駆動され、発電機5及び圧縮機6を駆動し得るようにしたガスタービンであり、燃焼器4では、噴射された燃料が圧縮機6から送給された圧縮空気と混合して燃焼し得るようになっている。
【0005】
7はガスタービン3から排出されたタービン排ガスを燃焼用ガスG1として風箱8を介し火炉1a内へ送給するためのダクト、9はボイラ本体1の後部伝熱部1c下部に接続されてボイラ排ガスG3を後工程へ送給するための排ガスダクトである。
【0006】
10はボイラ本体1の副側壁1b内に位置する過熱器、11は過熱器10で生成された過熱蒸気VHを蒸気タービン12へ送給するための過熱蒸気管、13は蒸気タービン12により駆動される発電機である。
【0007】
上述の排気再燃型コンバインドサイクルプラントにおいて、コンバインドサイクル運転を行う場合には、燃焼器4で生成された燃焼ガスは、ガスタービン3へ導入されてガスタービン3が駆動され、ガスタービン3により発電機5及び圧縮機6が駆動され、圧縮機6から吐出された圧縮空気は燃焼用空気として燃焼器4へ送給され、燃焼器4での燃料の燃焼に供され、ガスタービン3から排出されたタービン排ガスは、燃焼用ガスG1としてダクト7を通り風箱8からボイラ本体1の火炉1a内に導入される。
【0008】
一方、バーナ2から火炉1a内へ噴射された燃料Fは、火炉1a内に導入された燃焼用ガスG1と混合して燃焼することにより燃焼ガスG2が生成され、生成された燃焼ガスG2は火炉1a内を上昇しつつボイラ本体1の伝熱管を流れる水、蒸気を加熱すると共に、過熱器10を流れる主蒸気を過熱し、後部伝熱部1cの下端からボイラ排ガスG3として排ガスダクト9へ排出される。
【0009】
ボイラ本体1の伝熱部で生成した蒸気は過熱器10で過熱され、過熱蒸気管11から蒸気タービン12へ送給され、蒸気タービン12を駆動して抽気される。又、蒸気タービン12の駆動により発電機13が駆動される。
【0010】
上述の排気再燃型コンバインドサイクルプラントにおいて、コンバインドサイクル運転を行う場合には、一般的に、図5の傾斜線Iに示すごとく、ガスタービン負荷PGと蒸気タービン負荷PSを徐々に上昇させて行くが、ガスタービン負荷PGが定格負荷(100%負荷)になっても、蒸気タービン負荷PSは定格負荷(100%負荷)の75%程度である(図5の点X参照)。
【0011】
而して、上述のごとく、ガスタービン負荷PGが定格負荷になっても、蒸気タービン負荷PSは定格負荷の75%程度であるため、この場合には、図5の水平線IIに示すごとく、ガスタービン負荷PGを定格負荷に保持した状態で蒸気タービン負荷PSを定格負荷に到達するまで徐々に上げて行くことになる。
【0012】
なお、図5の傾斜線I及び水平線IIに示すごとき蒸気タービン負荷PSとガスタービン負荷PGとの関係は、ボイラ本体1の蒸発器等の伝熱管内、或いはボイラ本体1外のガス給水加熱器でスチーミング(沸湯状態)を起こさず、且つ最大の効率を得ることのできる負荷配分となるように決定される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、ガスタービン負荷PGを定格負荷に保持した状態で蒸気タービン負荷PSを上昇させる場合には、蒸気タービン12の負荷上昇に時間遅れが生じないよう、バーナ2から火炉1a内へ噴射させる燃料Fの流量を、蒸気タービン負荷PSに対応した流量よりも若干多くする、いわゆる過剰投入を行う必要がある。
【0014】
しかし、蒸気タービン負荷PSの上昇時に燃料Fの過剰投入を行うと、ガスタービン3からの燃焼用ガスG1中に含まれる酸素量では一時的に酸素不足が生じ、燃料Fを安定燃焼させることができない。
【0015】
本発明は上述の実情に鑑み、ガスタービン負荷が定格負荷に到達した後に蒸気タービン負荷を上昇させるため、燃料の過剰投入を行う場合にも、酸素不足が生じないようにした排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御方法及び装置を提供することを目的としてなしたものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、ガスタービンからのガスタービン排ガスを燃焼用ガスとしてボイラ本体の火炉へ送給し、バーナから火炉へ噴射される燃料を燃焼させる排気再燃型コンバインドサイクルプラントにおいて、
ガスタービン負荷が定格負荷に達しても定格負荷に達していない蒸気タービン負荷を上昇させるため火炉内に燃料の過剰投入を行うに際し、
前記燃焼用ガス以外に、蒸気タービン負荷に対応した流量の空気を前記火炉内へ導入するものである。
【0017】
本発明の装置は、ガスタービンからのガスタービン排ガスを燃焼用ガスとしてボイラ本体の火炉へ送給し、バーナから火炉へ噴射される燃料を燃焼させる排気再燃型コンバインドサイクルプラントにおいて、
ガスタービン負荷が定格負荷に到達して後蒸気タービン負荷が上昇する際に蒸気タービン負荷に対応した空気流量を指令信号として出力する第1の関数発生器と、
蒸気タービン負荷が定格負荷に到達したら蒸気タービン負荷に対応した空気流量を指令信号として出力する第2の関数発生器と、
ガスタービン負荷が定格負荷で蒸気タービン負荷の増加中は第1の関数発生器からの空気流量を、又蒸気タービン負荷が定格負荷に到達した後は第2の関数発生器からの空気流量を、火炉へ空気を供給するための補助ファンに指令信号として与え、補助ファンから吐出される空気の流量を制御し得るようにした切換器とを備えたものである。
【0018】
本発明の装置では、切換器から補助ファンに空気流量を指令信号として送るラインに変化率制限器を設けるようにするのが好ましい。
【0019】
本発明においては、ガスタービン負荷が定格負荷に到達した後に蒸気タービン負荷を上昇させるため、燃料の過剰投入を行うに際し、ボイラ本体の火炉内へ導入される燃焼用ガスに酸素不足が生じることがなく、燃料の安定燃焼を良好に行うことができる。
【0020】
又蒸気タービン負荷が定格負荷の場合は補助ファンは使用しないため、消費効力の低減によりプラントの効率を向上させることができ、負荷上昇時の空気流量不足も回避することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
【0022】
図1〜図3は本発明の実施の形態の一例を示し、排気再燃型コンバインドサイクルプラント自体は図4に示すものと同じであるため、同一のものには同一の符号を付して説明を省略する。
【0023】
而して、本実施の形態例においては、ダクト7の中途部に空気ダクト14が接続されており、空気ダクト14の空気流れ方向上流側には、空気Aを空気ダクト14からダクト7へ送給するための補助ファン15が接続されている。
【0024】
空気流量制御装置16は、図1に示すごとく互に並列接続された関数発生器17,18を備えており、両関数発生器17,18は、蒸気タービン負荷PSが信号として入力されると共に蒸気タービン負荷PSに対応した空気流量Q1,Q2を指令信号として切換器19へ与え得るようになっている。
【0025】
切換器19は、タイマ20を介して与えられる切換指令αにより切換わり、関数発生器17からの空気流量Q1又は関数発生器18からの空気流量Q2を出力して変化率制限器21へ与え得るようになっている。
【0026】
又、変化率制限器21を通って出力された空気流量Q1又はQ2は補助ファン15に与えられ、補助ファン15の回転数又はダンパ開度を調整することにより、補助ファン15から吐出される空気Aの流量を制御し得るようになっている。
【0027】
関数発生器17には、図2に示すごとき関数F1(x)が入力してあり、関数発生器18には図3に示すごとき関数F2(x)が入力してある。
【0028】
而して、関数発生器17の関数F1(x)は、例えば蒸気タービン負荷PSが定格負荷の0〜75%の範囲にある間は、空気流量Q1=0であるが、75%を越えたら補助ファン15からの空気流量Q1を徐々に増加し、例えば蒸気タービン負荷PSが定格負荷になったら補助ファン15からの空気流量Q1を一定にすることを表わしている。
【0029】
関数発生器18の関数F2(x)は、例えば蒸気タービン負荷PSが定格負荷90〜100%の範囲を越えたら補助ファン15からの空気流量Q2を徐々に増加し、例えば蒸気タービン負荷PSが105%になったら、補助ファン15からの空気流量Q2を一定にすることを表わしている。
【0030】
関数発生器18の関数F2(x)のように蒸気タービン負荷PSが定格負荷を越えた場合に空気流量Q2を増加させるようにしているのは、何等かの原因で火炉1aへ噴射される燃料Fが増加し、蒸気タービン12に過負荷が生じることがあり得るからである。
【0031】
又、切換器19は、ガスタービン負荷PG及び蒸気タービン負荷PSが共に上昇しており、蒸気タービン負荷PSが75%よりも低い場合(図5の傾斜線I参照)には切換指令αによりb側に切換るようになっており、ガスタービン負荷PGが定格負荷に到達すると共に蒸気タービン負荷PSが定格負荷の75%に到達して更に負荷が上昇する場合(図5の水平線II参照)には、切換指令αによりa側に切換るようになっており、蒸気タービン負荷PSが定格負荷に到達したら、タイマ20で調整された一定の時間間隔を置いて切換指令αによりb側に切換るようになっている。
【0032】
切換器19に切換指令αを送る系統にタイマ20を設けるのは、蒸気タービン負荷PSが定格負荷になった直後は、火炉1a内の燃料Fはまだ過剰となっており、従って蒸気タービン負荷PSが定格負荷になった直後に切換器19をb側に切換えると補助ファン15からの空気Aの流量が直ちに減少し始め、燃料Fを安定燃焼させることができない虞れがあるためである。
【0033】
次に本発明の実施の形態の作動について説明する。
【0034】
図1に示す排気再燃型コンバインドサイクルプラントは、図4に示すプラントと同様にして運転が行われる。
【0035】
而して、例えば図5の傾斜線Iに示すようにガスタービン負荷PGと蒸気タービン負荷PSの両者が増加している場合には、切換器19は切換指令αによりb側に切換わっている。このため、関数発生器18からの空気流量Q2は零であり、補助ファン15は回転を停止しているか、或いはダンパが全閉となっており、従って補助ファン15から空気Aが空気ダクト14へ吐出されることはない。従って、この場合には、バーナ2から火炉1aへ噴射される燃料Fは、ガスタービン3からの燃焼用ガスG1と協働して燃焼する。
【0036】
図5の点Xに示すようにガスタービン負荷PGが定格負荷に到達すると共に、蒸気タービン負荷PSが定格負荷の75%に到達し図5の水平線IIに示すように更に上昇するような場合には、切換器19は切換指令αによりa側に切換る。このため、関数発生器17からは空気流量Q1が指令信号として出力され、変化率制限器21を経たうえ、補助ファン15に与えられる。
【0037】
従って、補助ファン15は回転数が増加するか、或いはダンパ開度が大きくなり、このため補助ファン15からは、空気流量Q1の指令信号に対応した空気Aが吐出され、空気ダクト14を通ってダクト7へ導入され、ガスタービン3からの燃焼用ガスG1と混合し、而して燃焼用ガスG1は酸素リッチとなる。
【0038】
酸素リッチとなった燃焼用ガスG1は、ダクト7から風箱8を経て火炉1a内へ導入され、蒸気タービン負荷PSの上昇に伴いバーナ2から先行して過剰に火炉1a内へ噴射される燃料Fの燃焼に供される。
【0039】
燃焼用ガスG1は酸素リッチであるため、蒸気タービン負荷PSを定格負荷の75%から更に上昇させていく場合にボイラ本体1の火炉1a内へ先行投入される燃料Fの燃焼を良好に安定して行うことができる。
【0040】
蒸気タービン負荷PSが定格負荷に到達すると、タイマ20に設定された時間遅れをもって切換指令αにより切換器19がb側に切換る。
【0041】
そうすると、関数発生器18から出力される空気流量Q2は零となるが変化率制限器21があるため、補助ファン15へ与えられる空気流量Q2の指令は直ちには零とならず、徐々に下降して行く。従って、補助ファン15の回転数或いはダンパ開度は徐々に小さくなり、補助ファン15から吐出されてダクト7へ送給される空気Aの流量も零になるまで徐々に減少し、火炉1aへ噴射された燃料Fの安定燃焼が行われる。
【0042】
ガスタービン負荷PG及び蒸気タービン負荷PSの両方が定格負荷になれば、火炉1aへの燃料Fの過剰投入はなくなるため、ガスタービン3からの燃焼用ガスG1だけで、燃料Fの良好な安定燃焼を行わせることができる。
【0043】
何等かの原因で、ボイラ負荷延いては蒸気タービン負荷PSが定格負荷より上昇した場合には、バーナ2から噴射される燃料Fの量が増加し、ガスタービン3からの燃焼用ガスG1だけでは酸素が不足する。そこで、この場合には、関数発生器18からの空気流量Q2が指令信号として補助ファン15に与えられるため、補助ファン15からは空気流量Q2の指令信号に対応した空気Aが吐出され、ガスタービン3からの燃焼用ガスG1と混合し、ボイラ本体1の火炉1a内へ導入され、その結果、燃料Fの良好で安定した燃焼が保持される。
【0044】
以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、ガスタービン負荷PGが定格負荷に到達した後に蒸気タービン負荷PSを上昇させるため、燃料Fの過剰投入を行うような場合にも、ボイラ本体1の火炉1a内へ導入される燃焼用ガスG1に酸素不足が生じることがなく、燃料Fの安定燃焼を良好に行うことができる。
【0045】
又蒸気タービン負荷PSが定格負荷の場合は、補助ファン15は使用しないため、消費動力の低減によりプラントの効率を向上させることができ、負荷上昇時の空気流量不足も回避することができる。
【0046】
なお、本発明の実施の形態は上述の例限定されるものではなく、例えば補助ファンからの空気をガスタービンからの燃焼用ガスに混合せず、直接ボイラ本体の火炉へ供給するようにしても実施できること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ること、等は勿論である。
【0047】
【発明の効果】
本発明の排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御方法及び装置によれば、請求項1、2の何れの場合においても、ガスタービン負荷が定格負荷に到達した後に蒸気タービン負荷を上昇させるため、燃料の過剰投入を行うに際し、ボイラ本体の火炉内へ導入される燃焼用ガスに酸素不足が生じることがなく、従って燃料の良好な安定燃焼を行うことができ、又請求項2では蒸気タービン負荷が定格負荷の場合は、補助ファンを使用しないため、消費動力の低減によりプラントの効率を向上させることができ、負荷上昇時の空気流量不足をも回避することができ、請求項3の場合には、補助ファンに与える空気流量の指令を徐々に変化させることができるため、蒸気タービン負荷が定格負荷になった場合に補助ファンから吐出される空気は徐々に減少することとなり、より一層良好な安定燃焼を行うことができる、等種々の優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御方法及び装置の概要図である。
【図2】図1に示す関数発生器のひとつに入力する関数を示すグラフである。
【図3】図1に示す他の関数発生器に入力する関数を示すグラフである。
【図4】排気再燃型コンバインドサイクルプラントの一例を示す概要図である。
【図5】排気再燃型コンバインドサイクルプラントにおける蒸気タービン負荷とガスタービン負荷との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ボイラ本体
1a 火炉
2 バーナ
3 ガスタービン
15 補助ファン
16 空気流量制御装置
17,18 関数発生器
19 切換器
21 変化率制限器
G1 燃焼用ガス
F 燃料
G ガスタービン負荷
S 蒸気タービン負荷
Q1,Q2 空気流量

Claims (3)

  1. ガスタービンからのガスタービン排ガスを燃焼用ガスとしてボイラ本体の火炉へ送給し、バーナから火炉へ噴射される燃料を燃焼させる排気再燃型コンバインドサイクルプラントにおいて、
    ガスタービン負荷が定格負荷に達しても定格負荷に達していない蒸気タービン負荷を上昇させるため火炉内に燃料の過剰投入を行うに際し、
    前記燃焼用ガス以外に、蒸気タービン負荷に対応した流量の空気を前記火炉内へ導入する
    ことを特徴とする排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御方法。
  2. ガスタービンからのガスタービン排ガスを燃焼用ガスとしてボイラ本体の火炉へ送給し、バーナから火炉へ噴射される燃料を燃焼させる排気再燃型コンバインドサイクルプラントにおいて、
    ガスタービン負荷が定格負荷に到達して後蒸気タービン負荷が上昇する際に蒸気タービン負荷に対応した空気流量を指令信号として出力する第1の関数発生器と、
    蒸気タービン負荷が定格負荷に到達したら蒸気タービン負荷に対応した空気流量を指令信号として出力する第2の関数発生器と、
    ガスタービン負荷が定格負荷で蒸気タービン負荷の増加中は第1の関数発生器からの空気流量を、又蒸気タービン負荷が定格負荷に到達した後は第2の関数発生器からの空気流量を、火炉へ空気を供給するための補助ファンに指令信号として与え、補助ファンから吐出される空気の流量を制御し得るようにした切換器とを備えたことを特徴とする排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御装置。
  3. 切換器から補助ファンに空気流量を指令信号として送るラインに変化率制限器を設けた請求項2に記載の排気再燃型コンバインドサイクルプラントの空気流量制御装置。
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