JP3857350B2 - コンバインドサイクル発電プラントの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバインドサイクル発電プラントの制御装置に係り、特に起動時や負荷変動時、排熱回収ボイラに供給される給水の温度を一定値にコントロールし、給水の温度低下に伴う排熱回収ボイラの運転トラブルを未然に防ぐコンバインドサイクル発電プラントの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のコンバインドサイクル発電プラントには、ガスタービンプラント、蒸気タービンプラント、排熱回収ボイラを一つにまとめて軸系列に構成し、この軸系列を複数備えたものがある。
【０００３】
複数の軸系列を備えるコンバインド発電プラントは、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを、単一軸で結合する一軸型のものと、互に軸を別にする二軸型のものがあり、設置領域の広狭、制御機構の簡素性を考慮すると一軸型のものが多く採用され、その構成は図７に示すものがある。
【０００４】
一軸型のコンバインドサイクル発電プラントは、圧縮機１の駆動力により吐出される圧縮空気を燃焼器２に案内し、ここで燃料弁３により流量コントロールされる燃料を加えて燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスをガスタービン４に案内して膨張仕事をさせ、膨張仕事で得た回転トルクにより単一軸５上に設置される発電機６、蒸気タービン７を駆動するようになっている。
【０００５】
ガスタービン４は、膨張仕事後の燃焼ガスを排ガス（排熱）として排熱回収ボイラ８に供給し、その排ガスを熱源に排熱回収ボイラ８で蒸気を発生させる熱回収が図られている。
【０００６】
排熱回収ボイラ８は、発生する蒸気を加減弁７ａを介して蒸気タービン７に供給し、膨張仕事をさせて回転トルクを得、回転トルクにより単一軸５を駆動させるようになっている。
【０００７】
蒸気タービン７は、膨張仕事をした後の蒸気を排気蒸気として復水器２０に供給し、ここで冷却され、復水・給水として排熱回収ボイラ８に戻される。
【０００８】
排熱回収ボイラ８は、排ガスの流れに沿って順次、高圧過熱器９、高圧ドラム１０を備える高圧蒸発器１１、中圧過熱器１２、高圧節炭器１３、中圧ドラム１４を備える中圧蒸発器１５、中圧節炭器１６、低圧ドラム１７を備える低圧蒸発器１８、低圧節炭器１９をそれぞれ備える構成になっている。
【０００９】
高圧過熱器９の過熱蒸気は、加減弁７ａを経て蒸気タービン７の初段落に、中圧過熱器１２の過熱蒸気は、蒸気タービン７の途中段落に、また低圧ドラム１７の低圧蒸気は、蒸気タービン７の後流段落にそれぞれ供給される。
【００１０】
一方、排熱回収ボイラ８には、特開平７−２２５００３号公報に見られるように、いわゆる独立給水方式と呼ばれ、給水を排熱回収ボイラ８の各熱交換器毎に分けて供給する給水系２１が設けられている。この給水系２１は、復水器２０で冷却される復水を給水として排熱回収ボイラ８の高圧節炭器１３に直接案内する高圧給水系２２と、この高圧給水系２２で分流される給水を排熱回収ボイラ８の低圧節炭器１９に直接案内する低圧給水系２３と、低圧節炭器１９の出口側で分岐し、一方を中圧節炭器１６に接続する中圧給水系２５と、他方を高圧給水系２２に接続する再循環系２４とをそれぞれ備える独立給水式構造になっている。また、高圧給水系２２には、給水を分流させ、復水器２０に戻すミニマムフロー系２６が設けられている。
【００１１】
高圧給水系２２は、給水の流れに沿って順次、復水ポンプ２７、給水温度計２８、給水ポンプ２９、高圧節炭器１３、調整弁３６、高圧ドラム１０をそれぞれ備え、復水器２０の復水を給水として復水ポンプ２７で昇圧し、さらに給水ポンプ２９で再昇圧し、再昇圧後の給水を高圧節炭器１３で加熱させ、調整弁３６で流量コントロールした後高圧ドラム１０に案内し、ここで高圧蒸発器１１で蒸発させた後、高圧過熱器９で過熱蒸気にして蒸気タービン７の初段落に供給するようになっている。
【００１２】
低圧給水系２３は、低圧給水ポンプ３１、逆止弁３２、低圧節炭器１９、調整弁３７、低圧ドラム１７をそれぞれ備え、高圧給水系２２から分流される給水を、低圧給水ポンプ３１で昇圧し、昇圧後の給水を低圧節炭器１９で加温させ、加温後の飽和水を調整弁３７で流量コントロールした後低圧ドラム１７に案内し、ここで低圧蒸発器１８で蒸発させた後、飽和蒸気として蒸気タービン７の後流段落に供給するようになっている。
【００１３】
中圧給水系２５は、中圧節炭器１６、逆止弁３８、調整弁３９、中圧ドラム１４をそれぞれ備え、低圧給水系２３の給水を低圧節炭器１９で加温させ、加温後の飽和水を中圧節炭器１６で加熱させ、加熱後の飽和蒸気を調整弁３９で流量コントロールした後、中圧ドラム１４に案内し、ここで中圧蒸発器１５で蒸発させた後、中圧過熱器１２で過熱蒸気にして蒸気タービン７の途中段落に供給するようになっている。
【００１４】
再循環系２４は、止め弁３３、再循環弁３４をそれぞれ備え、起動時、再循環弁３４を弁開させ、高圧給水系２２を流れる給水に、排熱回収ボイラ８の低圧節炭器１９の比較的高温なホットバンキング水（運転停止中低圧節炭器に残っている残熱水）を加えて加温させ、加温後の給水を低圧給水ポンプ３１、逆止弁３２を経て低圧節炭器１９に流し、その伝熱管の内外温度差をほぼ均衡させ、排ガス中に含まれる水分の結露に伴う低圧節炭器１９の局所の露点腐食、酸化腐食の防止を図っている。
【００１５】
ミニマムフロー系２６は、ミニマムフロー弁３５を備え、起動時や負荷変動時、高圧給水系２２を流れる給水が不足しているとき、給水流量計４２の出力信号によりミニマムフロー弁３５を弁開させ、不足する給水を復水器２０に戻して再び高圧給水系２２に還流させ、給水ポンプ２９の最小給水量を確保することによりポンプ過熱防止を図っている。
【００１６】
ミニマムフロー弁３５を制御する回路は、図１０に示すように、給水流量計４２の実給水流量信号に、予じめ設定された設定器４３の設定信号を加減算器４４で突合わせ、誤差が出ると、誤差信号をもとに補償演算器４５で弁開閉信号を演算し、演算信号をミニマムフロー弁３５に与えて弁開閉を行わせ、給水ポンプ２９の最小給水量を確保している。
【００１７】
ところで、低圧節炭器１９の露点腐食・酸化腐食の発生防止にあたり、図７、図８で示す従来技術では、低圧節炭器１９に供給される給水の温度が約６０℃になるように給水温度計２８の実温度の信号がコントローラ４０に与えられ、この実温度信号により再循環弁３４を開閉制御させ、低圧節炭器１９のホットバンキング水の流量コントロールを行い、給水の温度調節をしていた。
【００１８】
低圧節炭器１９に供給される給水の設定温度約６０℃は、コントローラ４０で自由に可変できるようになっている。すなわち、ガスタービン４から排熱回収ボイラ８に供給される排ガスには、大気中の水分と燃料中の水分が含まれており、特に大気中の水分の増減は季節に左右される。夏場のように気温が高いとき、大気中の水分が多く、冬場のように気温が低いとき、大気中の水分は少ない。このため、コントローラ４０は、図８に示すように、大気温度計４６の実大気温度をもとに関数発生器４７から排ガスの水分が結露しない給水温度を求め、求めた給水温度信号に給水温度計２８の実温度信号を加減算器４８で突合わせ、誤差が出ると、誤差信号をもとに補償演算器４９で弁開閉信号を演算し、演算信号により再循環弁３４を開閉制御させ、大気温度に見合うように、給水を加温する低圧節炭器１９のホットバンキング水の流量コントロールしている。なお、排熱回収ボイラ８が負荷運転に入ると、低圧節炭器１９の結露問題はなくなるので、再循環弁３４は弁閉となる。また、弁閉後、再循環弁３４の弁シートからリークがあってはならないので、図９に示すように、コントローラ４１は弁閉信号を止め弁３３に与え、リーク防止の完全化を期している。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
図７で示す従来のコンバインドサイクル発電プラントでは、給水系２１が高圧給水系２２、中圧給水系２５、低圧給水系２３と区分けされ、排熱回収ボイラ８の高圧ドラム１０、中圧ドラム１４、低圧ドラム１７のそれぞれに給水を供給できる、独立給水構造を採っているので、負荷運転時、各ドラム１０，１４，１７への給水の供給が安定化する利点を持つ反面、低圧節炭器１９の結露防止用に設けた再循環系２４の再循環弁３４を、高圧給水系２２の給水温度計２８の実給水温度信号により開閉させている。このため、給水流量の変動の激しい起動時、再循環弁３４の開閉制御がまにあわず、低圧節炭器１９に供給される給水の温度は設定温度を維持できず、運転上、諸種のトラブルが発生する不具合、不都合があった。
【００２０】
このような原因について、図１１を用いて詳しく説明すると、ガスタービン４の運転モードは、運転指令があると、図１１の（ａ）に示すように、その回転数を徐々に昇速させ、この間排熱回収ボイラ８に残っている未燃焼ガスを大気に排出させるパージ運転を行っている。パージ運転終了後、ガスタービン４は、燃焼器２に燃料着火を行わせ、回転数を定格まで昇速させ、定格回転数整定後、燃焼器２に燃料投入が行われ、並列運転に入り、負荷を定格まで上昇させる。
【００２１】
一方、低圧ドラム１７のドラム水位は、図１１の（ｂ）の破線で示すように、当初、比較的低く設定されている。
【００２２】
給水系２１の給水ポンプ２９および低圧給水ポンプ３１がともに駆動され、また燃焼器２の燃料着火が行われると、低圧ドラム１７の設定ドラム水位は、図１１の（ｂ）の破線の位置まで上昇される。ところが、この時点において、低圧ドラム１７には、給水が供給されており、またその水面から蒸発が始まっているため、気泡が出、この気泡のためにプライミングやスエーリング等の水位変動があらわれ、図示実線の実水位は、図示破線の設定水位から大きくはずれる。このため、低圧給水ポンプ３１は低圧ドラム１７の実水位を設定水位に近づけるため、図１１の（ｃ）の一点鎖線ｇで示すように、給水を増加させる運転が行われる。この給水の増加に伴って、図７で示す高圧給水系２２の給水温度計２８は、再循環系２４の再循環弁３４に実給水温度に基づく弁開信号を与えるようになっている。
【００２３】
しかし、給水温度計２８は、機器固有の特性上、給水温度検出信号に遅れが出る。このためコントローラ４０から再循環弁３４に弁拡開信号を与えるとき、図１１の（ｅ）の一点鎖線ｇで示すように、弁拡開信号が遅れ、この遅れに伴って図１１の（ｆ）に示すように、低圧節炭器１９のホットバンキング水による高圧給水系２２の給水への加温がおそくなる。
【００２４】
このように、設定温度よりも低い給水が、過渡的に低圧節炭器１９に流れる結果、排ガス温度との熱的均衡がとれず、低圧節炭器１９の伝熱管表面に排ガス中の水分が結露するこがあった。
【００２５】
また、低圧ドラム１７の実水位が、図１１の（ｂ）の破線で示す設定水位よりもオーバシュートすると、低圧給水ポンプ３１は低圧節炭器１９を経て低圧ドラム１７に供給する給水を、図１１の（ｃ）の一点鎖線ｈで示すように絞り込む運転を行っている。
【００２６】
しかし、この場合も、給水温度計２８から再循環弁３４のコントローラ４０に弁絞り開度信号を与えても、給水温度計２８の給水温度検出信号に遅れが出ているため、再循環弁３４の絞り開度の応答が遅れ、過渡的ではあるが、図１１の（ｄ）で示すように、設定給水温度よりも高いまま低圧節炭器１９に給水が流れることがあった。
【００２７】
実給水温度が設定給水温度よりも高くなりすぎると、低圧給水ポンプ３１および給水ポンプ２９はともに、必要吸い込み揚程（ＮＰＳＨ）が確保できなくなり、給水の圧力低下に伴って気泡のキャビテーションが発生し、ポンプインペラの壊食を引き起すおそれがあり、また、ポンプケーシングの上半、下半の温度差によりポンプインペラ軸のアライメントが変位し、軸受の焼き付けのおそれがある。
【００２８】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、低圧節炭器のホットバンキング水を、給水の加温媒体として再循環系から給水系に供給するとき、給水を迅速に適正温度にコントロールする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を目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置は、上記目的を達成するために、ガスタービンの排ガスを熱源として蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラを備え、この排熱回収ボイラに上記排ガスの流に沿って順次、高圧ドラム、中圧ドラム、低圧ドラムをそれぞれ設け、各ドラム毎に独立して給水を供給する給水系と、上記排熱回収ボイラの低圧節炭器の出口側から分岐され、上記給水系に接続する再循環系とをそれぞれ備える一方、上記再循環系の再循環弁に、上記給水系の給水温度に基づいて弁開閉信号を与える制御手段を備えた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、上記制御手段に、給水流量に基づいて信号遅れを補償する信号遅れ補償要素手段を設けたものである。
【００３０】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置は、上記目的を達成するために、ガスタービンの排ガスを熱源として蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラを備え、この排熱回収ボイラに上記排ガスの流に沿って順次、高圧ドラム、中圧ドラム、低圧ドラムをそれぞれ設け、各ドラム毎に独立して給水を供給する給水系と、上記排熱回収ボイラの低圧節炭器の出口側から分岐され、上記給水系に接続する再循環系とをそれぞれ備える一方、上記再循環系の再循環弁に、上記給水系の給水温度に基づいて弁開閉信号を与える制御手段を備えた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、上記制御手段に、予じめ定められた弁開閉信号を上記再循環弁に与える弁開度設定手段を設けるとともに、上記給水温度が所定温度よりも高いとき、上記弁開度設定手段の出力信号により再循環弁を弁開させる切替手段を設けて信号遅れを補償する信号遅れ補償要素手段を設けたものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第１実施形態について図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置を採用したコンバインドサイクル発電プラントの概略系統図である。このコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント５０、蒸気タービン５１、排熱回収ボイラ５２をそれぞれ備えている。
【００３４】
ガスタービンプラント５０は、圧縮機５３、燃焼器５４、ガスタービン５５をそれぞれ備え、圧縮機５３の駆動力により吐出される圧縮空気を燃焼器５４に案内し、ここで燃料弁５８により流量コントロールされる燃料を加えて燃焼ガスを生成し、燃焼ガスをガスタービン５５に案内して膨張仕事をさせ、膨張仕事で得た回転トルクにより単一軸５６上に設される発電機５７、蒸気タービン５１を駆動するようになっている。なお、本実施形態では、ガスタービン５５と蒸気タービン５１とを単一軸５６で結合しているが、ガスタービン軸と蒸気タービン軸を別々にすることも含まれる。
【００３５】
ガスタービンプラント５０は、膨張仕事後の燃焼ガスを排ガス（排熱）として排熱回収ボイラ５２に供給し、その排ガスを熱源に排熱回収ボイラ５２で蒸気を発生させる熱回収が図られている。
【００３６】
排熱回収ボイラ５２は、発生する蒸気を加減弁５９を介して蒸気タービン５１に供給し、膨張仕事をさせて回転トルクを得、回転トルクにより単一軸５６を駆動させるようになっている。
【００３７】
蒸気タービン５１は、膨張仕事をした後の蒸気を排気蒸気として復水器６０に供給し、ここで冷却され、復水・給水として排熱回収ボイラ５２に供給する。
【００３８】
排熱回収ボイラ５２は、排ガスの流れに沿って順次、複数の熱交換器、例えば高圧過熱器６１、高圧ドラム６２を備える高圧蒸発器６３、中圧過熱器６４、高圧節炭器６５、中圧ドラム６６を備える中圧蒸発器６７、中圧節炭器６８、低圧ドラム６９を備える低圧蒸発器７０、低圧節炭器７１をそれぞれ備える構成になっている。
【００３９】
高圧過熱器６１の過熱蒸気は、加減弁５９を経て蒸気タービン５１の初段落に、中圧過熱器６４の過熱蒸気は、蒸気タービン５１の途中段落に、また低圧ドラム６９の低圧蒸気は、蒸気タービン５１の後流段落にそれぞれ供給される。
【００４０】
一方、排熱回収ボイラ５２には、給水を各熱交換器毎に分けて供給する給水系７２が設けられている。この給水系７２は、復水器６０で冷却される復水を給水として排熱回収ボイラ５２の高圧節炭器６５に直接案内する高圧給水系７３と、この高圧給水系７３で分流される給水を排熱回収ボイラ５２の低圧節炭器７１に直接案内する低圧給水系７４と、低圧節炭器７１の出口側を分岐し、一方を中圧節炭器６８に接続する中圧給水系７５と、他方を高圧給水系７３に接続する再循環系９２とをそれぞれ備える独立給水式構造になっている。また、高圧給水系７３には、給水を分流させ、復水器６０に戻すミニマムフロー系７６が設けられている。
【００４１】
高圧給水系７３は、給水の流れに沿って順次、復水ポンプ７７、給水温度計７８、第１給水流量計７９、給水ポンプ８０、第２給水流量計８１、逆止弁８２、高圧節炭器６５、調整弁８３、高圧ドラム６２をそれぞれ備え、復水器６０の復水を給水として復水ポンプ７７で昇圧し、昇圧後の給水の温度・流量を給水温度計７８、第１給水流量計７９でそれぞれ検出し、さらに給水ポンプ８０で再昇圧し、再昇圧後の給水を第２給水流量計８１で検出した後、高圧節炭器６５で加熱させ、調整弁８３で流量コントロールした後、高圧ドラム６２に案内し、ここで高圧蒸発器６３で蒸発させた後、高圧過熱器６１で過熱蒸気にして蒸気タービン５１の初段落に供給するようになっている。
【００４２】
低圧給水系７４は、低圧給水ポンプ８４、逆止弁８５、低圧給水温度計８６、低圧給水流量計８７、低圧節炭器７１、低圧節炭器出口温度計８８、調整弁８９、低圧ドラム６９をそれぞれ備え、高圧給水系７３から分流される給水を、低圧給水ポンプ８４で昇圧し、昇圧後の給水の温度・流量を低圧給水温度計８６、低圧給水流量計８７でそれぞれ検出し、低圧節炭器１９で加温させ、加温後の飽和水の温度を低圧節炭器出口温度計８８で検出し、調整弁８９で流量コントロールした後低圧ドラム６９に案内し、ここで低圧蒸発器７０で蒸発させた後、飽和蒸気として蒸気タービン５１の後流段落に供給するようになっている。
【００４３】
中圧給水系７５は、中圧節炭器６８、逆止弁９０、調整弁９１、中圧ドラム６６をそれぞれ備え、低圧給水系７４の給水を低圧節炭器７１で加温させ、加温後の飽和水を中圧節炭器６８で加熱させ、加熱後の飽和蒸気を調整弁９１で流量コントロールした後、中圧ドラム６６に案内し、ここで中圧蒸発器６７で蒸発させた後、中圧過熱器６４で過熱蒸気にして蒸気タービン５１の途中段落に供給するようになっている。
【００４４】
再循環系９２は、止め弁９３、再循環弁９４をそれぞれ備え、起動時、再循環弁９４を弁開させ、高圧給水系７３を流れる給水に、排熱回収ボイラ５２の低圧節炭器７１の比較的高温なホットバイキング水（運転停止中低圧節炭器に残っている残熱水）を加えて加温させ、加温後の給水を低圧給水ポンプ８４、逆止弁８５、低圧給水温度計８６、低圧給水流量計８７を経て低圧節炭器７１に流し、その伝熱管の内外温度差をほぼ均衡させ、排ガス中に含まれる水分の結露に伴う低圧節炭器７１の局所の露点腐食、酸化腐食の防止を図っている。
【００４５】
再循環系９２は、高圧給水系７３の給水温度計７８により検出される実給水温度信号をコントローラ９６に与え、ここで弁開閉信号を演算し、演算信号により再循環弁９４を開閉制御させるようになっている。なお、符号９３ａは止め弁９３に開閉信号を与えるコントローラである。
【００４６】
しかし、給水温度計７８により検出される実給水温度信号は、機器の固有の特性により遅れが出るため、本実施形態では図２で示されるコントローラ９６に組み込まれる従来の制御回路に、信号遅れ補償要素回路９７（フィードフォワード回路）を組み合せ、一時的に信号遅れ補償要素回路９７の出力信号により再循環弁９４を迅速に弁開閉させておき、その後コントローラ９６の出力信号により信号遅れ補償要素回路９７の出力信号を修正し、修正信号を再循環弁９４に弁開閉信号として与える二段弁開閉回路に構成したものである。
【００４７】
コントローラ９６は、大気温度計９８の実大気温度をもとに関数発生器９９から排ガスの水分が低圧節炭器７１で結露しない給水温度を求め、求めた給水温度信号に、給水温度計７８の実給水温度信号を加減算器１００で突き合わせ、誤差が出ると、誤差信号をもとにフィードバック信号補償演算器１０１で弁開閉信号を演算し、演算信号を加算演算器１０３に出力する。
【００４８】
一方、信号遅れ補償要素回路９７は、第１給水流量計７９または第２給水流量計８１のいずれか一方で実給水流量を検出し、実給水流量信号を信号遅れ補償演算器１０２で弁開閉信号を演算し、演算信号を加算演算器１０３に出力する。この場合、コントローラ９６の給水温度計７８に出力遅れがあるので、信号遅れ補償要素回路９７の出力が先行的に再循環弁９４に与えられ、弁開閉制御が行われる。また、信号遅れ補償要素回路９７の出力信号は、リニア特性から一定特性に変るようになっているので、上記フィードバック信号補償演算１０１の遅れの弁開閉信号が加算演算器１０３で加算され、信号遅れ補償要素回路９７の出力信号を修正し、修正信号として加算演算器１０３から再循環弁９４に与えられる。なお、信号遅れ補償演算器１０２には、関数演算回路、伝達関数演算回路、微分方程式によって信号が処理される演算回路のいずれかの回路が組み込まれている。
【００４９】
このように、本実施形態では、給水温度計７８の実給水温度検出信号遅れを一時的に信号遅れ補償要素回路９７でカバーさせることにより、低圧給水ポンプ８４から低圧節炭器７１を経て低圧ドラム６９に供給される給水が、図３の（ｃ）の一点鎖線ｍで示すように、ドラム設定水位の増加に伴って増加しても、再循環弁９４を従来より早く応答させ、低圧節炭器７１のホットバンキング水を高圧給水系７３に供給できるようにしたので、高圧給水系７３から低圧給水系７４を経て低圧節炭器７１に供給される給水の温度を、図３の（ｄ）に示すように、設定給水温度にほぼ一致させることができる。
【００５０】
また、低圧給水ポンプ８４から低圧節炭器７１を経て低圧ドラム６９に供給される給水が、図３の（ｃ）の一点鎖線ｎで示すように、ドラム設定水位に対し、実水位のオーバシュート分を修正させることに伴って減少しても、再循環弁９４を弁絞り開度に早く応答させることができるので、実給水温度を、図３の（ｄ）に示すように、設定給水温度にほぼ維持させることができる。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、給水ポンプ８０、低圧給水ポンプ８４、低圧節炭器７１に流れる給水が適温になっているので、各ポンプ８０，８４のキャビテーションの発生が防止でき、また排ガスの水分の結露に伴う低圧節炭器７１の露点腐食等が防止でき、信頼性の高い運転を実現することができる。
【００５２】
図４は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第２実施例を示す概略ブロック図である。なお、第１実施形態と同一構成部品には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【００５３】
本実施例は、信号遅れ補償要素回路９７の制御要素信号として低圧節炭器出口温度計８８から検出される給水の温度と、高圧給水系７３の第１給水流量計７９または低圧給水系７４の低圧給水流量計８７のいずれかから検出される給水の温度とに求めたものである。
【００５４】
本実施例では、第１給水流量計７９または低圧給水流量計８７のいずれかから検出される実給水流量信号と、低圧節炭器出口温度計８８から検出される実給水温度信号とを弁開度演算器１０４で演算し、演算信号を加算演算器１０３を経て再循環系９４の弁開閉に先行的に使用するものである。
【００５５】
この場合の演算処理は、低圧節炭器出口温度計８８から検出される実給水温度をもとにエンタルピＨｏｕｔを求め、また第１給水流量計７９または低圧給水流量計８７のいずれかから検出される実給水流量を使用する一方、給水のエンタルピＨｃｎｄと低圧節炭器７１が必要とする設定給水温度のエンタルピＨとは事前にわかっているので、低圧節炭器７１のホットバンキング水を再循環系９２を経て高圧給水系７３に流す供給量Ｆｒｅｃは、熱平衡の考え方から、次式で求めることができる。
【００５６】
【数１】
この供給量Ｆｒｅｃを関数Ｆとして再循環弁９４の弁開度を求める場合、弁開度＝Ｆ（Ｆｒｅｃ）
の関係式で弁開度を求めることができる。
【００５７】
したがって、本実施例によれば、上式を満たす演算回路を、弁開度演算器１０４に組み込むことにより、給水の流量・温度の変動に対し、従来よりもより一層早く再循環弁９４の弁開閉をさせることができる。
【００５８】
図５は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第３実施例を示す概略ブロック図である。なお、第１実施形態と同一構成部品には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【００５９】
本実施例は、給水温度計７８の給水温度信号検出遅れにより再循環弁９４の弁開閉の応答が遅れ、給水温度が設定温度を大幅に越えるとき、給水温度計７８の検出給水温度の高低を判別する温度判別器１０９を設けるとともに、検出給水温度が設定温度よりも高いとき、温度判別器１０９の駆動力により、予じめ設定される弁開度設定器１０８の弁開度信号を再循環弁９４に通電させる切替器１１０を設けたものである。
【００６０】
本実施例では、コントローラ９６の弁開閉信号が再循環弁９４に与えられる間、弁開度設定器１０８の予じめ定められた弁開閉信号で再循環弁９４を強制的に弁開閉させるので、給水温度が設定温度よりも異常に高くなることがない。
【００６１】
したがって、本実施例によれば、給水温度が異常に高いことに伴う給水ポンプ８０や低圧給水ポンプ８４の損傷事故を最少に防ぐことができる。
【００６２】
図６は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第４実施例を示す概略ブロック図である。なお第１実施形態と同一構成部品には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【００６３】
本実施例は、コントローラ９６に組み込まれている従来の制御回路に、給水温度計７８の実給水温度の温度変化率をもとに再循環弁９４の弁開閉信号を演算する温度変化率演算回路１３１を組合せたものである。
【００６４】
温度変化率演算回路１３１は、給水温度計７８の実給水温度の変化率を算出する温度変化率演算器１１７と、この温度変化率演算器１１７の演算信号に、予じめ定められた温度変化率設定器１１８の設定信号を突合わせる加減算器１１９と、加減算器１１９で誤差が出ると、誤差信号をＰＩＤ処理するＰＩＤ演算器１２０と、ＰＩＤ演算器１２０の出力信号またはコントローラ９６の出力信号のうち、いずれか一方を選択する選択演算器１２１とをそれぞれ備える構成になっている。なお、選択演算器１２１は、具体的には上記二つの出力信号のうち、いずれか一方の出力信号に切替える切替器、いずれか一方の出力信号をカットするリミッタ、いずれか一方の低値信号を選択する低値優先演算器、いずれか一方の出力信号に他方の出力信号を加えて加減算する加減算器のうち、いずれかが採用される。
【００６５】
本実施例は、ホットバンキング水を高圧給水系７３の給水に供給するとき、温度変化率演算回路１３１の演算信号により再循環弁９４を弁開閉させるので、給水を急激に温度上昇させることができない。
【００６６】
したがって、本実施例によれば、給水ポンプ８０、低圧給水ポンプ８４の上下半ケーシングの温度差が生じることがなく、温度差によって生じていた従来の各ポンプの損傷問題を防止することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置は、給水系の給水温度に基づいて演算し、再循環弁に弁開閉信号を与える制御手段に、信号遅れ補償要素回路を設け、信号遅れ補償要素回路により上記制御手段から上記再循環弁に与えられる弁開閉信号の遅れをカバーするので、給水を一早く適正温度にして低圧節炭器に供給することができる。したがって、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置によれば、排ガス中の水分による低圧節炭器の結露を防止することができ、また、給水系の各ポンプのキャビテーション発生を防止できる等優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置を適用したコンバインドサイクル発電プラントの概略系統図。
【図２】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第１実施形態を示す概略ブロック図。
【図３】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の特性を示す特性線図で、（ａ）はガスタービン運転モードを示し、（ｂ）は低圧給水ドラムの水位変動を示し、（ｃ）は排熱回収ボイラに供給される給水流量および排熱回収ボイラが発生する蒸気流量を示し、（ｄ）は設定給水温度に対する実給水温度を示し、（ｅ）は再循環弁の開度特性を示し、（ｆ）は再循環系に流れる低圧節炭器のホットバンキング水量をそれぞれ示す図。
【図４】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第２実施例を示す概略ブロック図。
【図５】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第３実施例を示す概略ブロック図。
【図６】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第４実施例を示す概略ブロック図。
【図７】 従来のコンバインドサイクル発電プラントを示す概略系統図。
【図８】 従来のコンバインドサイクル発電プラントの再循環弁の制御回路を示す概略ブロック図。
【図９】 従来の再循環系の止め弁の制御回路を示す概略ブロック図。
【図１０】 従来のミニマムフロー弁の制御回路を示す概略ブロック図。
【図１１】 従来のコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の特性を示す特性線図で、（ａ）ガスタービン運転モードを示し、（ｂ）は低圧給水ドラムの水位変動を示し、（ｃ）は排熱回収ボイラに供給される給水流量および排熱回収ボイラが発生する蒸気流量を示し、（ｄ）は設定給水温度に対する実給水温度を示し、（ｅ）は再循環弁の開度特性を示し、（ｆ）は再循環系に流れる低圧節炭器のホットバンキング水量をそれぞれ示す図。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ 燃料弁
４ ガスタービン
５ 単一軸
６ 発電機
７ 蒸気タービン
８ 排熱回収ボイラ
９ 高圧過熱器
１０ 高圧ドラム
１１ 高圧蒸発器
１２ 中圧過熱器
１３ 高圧節炭器
１４ 中圧ドラム
１５ 中圧蒸発器
１６ 中圧節炭器
１７ 低圧ドラム
１８ 低圧蒸発器
１９ 低圧節炭器
２０ 復水器
２１ 給水系
２２ 高圧給水系
２３ 低圧給水系
２４ 再循環系
２５ 中圧給水系
２６ ミニマムフロー系
２７ 復水ポンプ
２８ 給水温度計
２９ 給水ポンプ
３０ 逆止弁
３１ 低圧給水ポンプ
３２ 逆止弁
３３ 止め弁
３４ 再循環弁
３５ ミニマムフロー弁
３６ 調整弁
３７ 調整弁
３８ 逆止弁
３９ 調整弁
４０ コントローラ
４１ コントローラ
４２ 給水流量計
４３ 設定器
４４ 加減算器
４５ 補償演算器
４６ 大気温度計
４７ 関数発生器
４８ 加減算器
４９ 補償演算器
５０ ガスタービンプラント
５１ 蒸気タービン
５２ 排熱回収ボイラ
５３ 圧縮機
５４ 燃焼器
５５ ガスタービン
５６ 単一軸
５７ 発電機
５８ 燃料弁
５９ 加減弁
６０ 復水器
６１ 高圧過熱器
６２ 高圧ドラム
６３ 高圧蒸発器
６４ 中圧過熱器
６５ 高圧節炭器
６６ 中圧ドラム
６７ 中圧蒸発器
６８ 中圧節炭器
６９ 低圧ドラム
７０ 低圧蒸発器
７１ 低圧節炭器
７２ 給水系
７３ 高圧給水系
７４ 低圧給水系
７５ 中圧給水系
７６ ミニマムフロー系
７７ 復水ポンプ
７８ 給水温度計
７９ 第１給水流量計
８０ 給水ポンプ
８１ 第２給水流量計
８２ 逆止弁
８３ 調整弁
８４ 低圧給水ポンプ
８５ 逆止弁
８６ 低圧給水温度計
８７ 低圧給水流量計
８８ 低圧節炭器出口温度計
８９ 調整弁
９０ 逆止弁
９１ 調整弁
９２ 再循環系
９３ 止め弁
９３ａ コントローラ
９４ 再循環弁
９５ ミニマムフロー弁
９６ コントローラ
９７ 信号遅れ補償要素回路
９８ 大気温度計
９９ 関数発生器
１００ 加減算器
１０１ フィードバック信号補償演算器
１０３ 加算演算器
１０４ 弁開度演算器
１０７ 低値優先演算器
１０８ 弁開度設定器
１０９ 温度判別器
１１０ 切替器
１１７ 温度変化率演算器
１１８ 温度変化率設定器
１１９ 加減算器
１２０ ＰＩＤ演算器
１２１ 選択演算器
１３１ 温度変化率演算回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバインドサイクル発電プラントの制御装置に係り、特に起動時や負荷変動時、排熱回収ボイラに供給される給水の温度を一定値にコントロールし、給水の温度低下に伴う排熱回収ボイラの運転トラブルを未然に防ぐコンバインドサイクル発電プラントの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のコンバインドサイクル発電プラントには、ガスタービンプラント、蒸気タービンプラント、排熱回収ボイラを一つにまとめて軸系列に構成し、この軸系列を複数備えたものがある。
【０００３】
複数の軸系列を備えるコンバインド発電プラントは、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを、単一軸で結合する一軸型のものと、互に軸を別にする二軸型のものがあり、設置領域の広狭、制御機構の簡素性を考慮すると一軸型のものが多く採用され、その構成は図７に示すものがある。
【０００４】
一軸型のコンバインドサイクル発電プラントは、圧縮機１の駆動力により吐出される圧縮空気を燃焼器２に案内し、ここで燃料弁３により流量コントロールされる燃料を加えて燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスをガスタービン４に案内して膨張仕事をさせ、膨張仕事で得た回転トルクにより単一軸５上に設置される発電機６、蒸気タービン７を駆動するようになっている。
【０００５】
ガスタービン４は、膨張仕事後の燃焼ガスを排ガス（排熱）として排熱回収ボイラ８に供給し、その排ガスを熱源に排熱回収ボイラ８で蒸気を発生させる熱回収が図られている。
【０００６】
排熱回収ボイラ８は、発生する蒸気を加減弁７ａを介して蒸気タービン７に供給し、膨張仕事をさせて回転トルクを得、回転トルクにより単一軸５を駆動させるようになっている。
【０００７】
蒸気タービン７は、膨張仕事をした後の蒸気を排気蒸気として復水器２０に供給し、ここで冷却され、復水・給水として排熱回収ボイラ８に戻される。
【０００８】
排熱回収ボイラ８は、排ガスの流れに沿って順次、高圧過熱器９、高圧ドラム１０を備える高圧蒸発器１１、中圧過熱器１２、高圧節炭器１３、中圧ドラム１４を備える中圧蒸発器１５、中圧節炭器１６、低圧ドラム１７を備える低圧蒸発器１８、低圧節炭器１９をそれぞれ備える構成になっている。
【０００９】
高圧過熱器９の過熱蒸気は、加減弁７ａを経て蒸気タービン７の初段落に、中圧過熱器１２の過熱蒸気は、蒸気タービン７の途中段落に、また低圧ドラム１７の低圧蒸気は、蒸気タービン７の後流段落にそれぞれ供給される。
【００１０】
一方、排熱回収ボイラ８には、特開平７−２２５００３号公報に見られるように、いわゆる独立給水方式と呼ばれ、給水を排熱回収ボイラ８の各熱交換器毎に分けて供給する給水系２１が設けられている。この給水系２１は、復水器２０で冷却される復水を給水として排熱回収ボイラ８の高圧節炭器１３に直接案内する高圧給水系２２と、この高圧給水系２２で分流される給水を排熱回収ボイラ８の低圧節炭器１９に直接案内する低圧給水系２３と、低圧節炭器１９の出口側で分岐し、一方を中圧節炭器１６に接続する中圧給水系２５と、他方を高圧給水系２２に接続する再循環系２４とをそれぞれ備える独立給水式構造になっている。また、高圧給水系２２には、給水を分流させ、復水器２０に戻すミニマムフロー系２６が設けられている。
【００１１】
高圧給水系２２は、給水の流れに沿って順次、復水ポンプ２７、給水温度計２８、給水ポンプ２９、高圧節炭器１３、調整弁３６、高圧ドラム１０をそれぞれ備え、復水器２０の復水を給水として復水ポンプ２７で昇圧し、さらに給水ポンプ２９で再昇圧し、再昇圧後の給水を高圧節炭器１３で加熱させ、調整弁３６で流量コントロールした後高圧ドラム１０に案内し、ここで高圧蒸発器１１で蒸発させた後、高圧過熱器９で過熱蒸気にして蒸気タービン７の初段落に供給するようになっている。
【００１２】
低圧給水系２３は、低圧給水ポンプ３１、逆止弁３２、低圧節炭器１９、調整弁３７、低圧ドラム１７をそれぞれ備え、高圧給水系２２から分流される給水を、低圧給水ポンプ３１で昇圧し、昇圧後の給水を低圧節炭器１９で加温させ、加温後の飽和水を調整弁３７で流量コントロールした後低圧ドラム１７に案内し、ここで低圧蒸発器１８で蒸発させた後、飽和蒸気として蒸気タービン７の後流段落に供給するようになっている。
【００１３】
中圧給水系２５は、中圧節炭器１６、逆止弁３８、調整弁３９、中圧ドラム１４をそれぞれ備え、低圧給水系２３の給水を低圧節炭器１９で加温させ、加温後の飽和水を中圧節炭器１６で加熱させ、加熱後の飽和蒸気を調整弁３９で流量コントロールした後、中圧ドラム１４に案内し、ここで中圧蒸発器１５で蒸発させた後、中圧過熱器１２で過熱蒸気にして蒸気タービン７の途中段落に供給するようになっている。
【００１４】
再循環系２４は、止め弁３３、再循環弁３４をそれぞれ備え、起動時、再循環弁３４を弁開させ、高圧給水系２２を流れる給水に、排熱回収ボイラ８の低圧節炭器１９の比較的高温なホットバンキング水（運転停止中低圧節炭器に残っている残熱水）を加えて加温させ、加温後の給水を低圧給水ポンプ３１、逆止弁３２を経て低圧節炭器１９に流し、その伝熱管の内外温度差をほぼ均衡させ、排ガス中に含まれる水分の結露に伴う低圧節炭器１９の局所の露点腐食、酸化腐食の防止を図っている。
【００１５】
ミニマムフロー系２６は、ミニマムフロー弁３５を備え、起動時や負荷変動時、高圧給水系２２を流れる給水が不足しているとき、給水流量計４２の出力信号によりミニマムフロー弁３５を弁開させ、不足する給水を復水器２０に戻して再び高圧給水系２２に還流させ、給水ポンプ２９の最小給水量を確保することによりポンプ過熱防止を図っている。
【００１６】
ミニマムフロー弁３５を制御する回路は、図１０に示すように、給水流量計４２の実給水流量信号に、予じめ設定された設定器４３の設定信号を加減算器４４で突合わせ、誤差が出ると、誤差信号をもとに補償演算器４５で弁開閉信号を演算し、演算信号をミニマムフロー弁３５に与えて弁開閉を行わせ、給水ポンプ２９の最小給水量を確保している。
【００１７】
ところで、低圧節炭器１９の露点腐食・酸化腐食の発生防止にあたり、図７、図８で示す従来技術では、低圧節炭器１９に供給される給水の温度が約６０℃になるように給水温度計２８の実温度の信号がコントローラ４０に与えられ、この実温度信号により再循環弁３４を開閉制御させ、低圧節炭器１９のホットバンキング水の流量コントロールを行い、給水の温度調節をしていた。
【００１８】
低圧節炭器１９に供給される給水の設定温度約６０℃は、コントローラ４０で自由に可変できるようになっている。すなわち、ガスタービン４から排熱回収ボイラ８に供給される排ガスには、大気中の水分と燃料中の水分が含まれており、特に大気中の水分の増減は季節に左右される。夏場のように気温が高いとき、大気中の水分が多く、冬場のように気温が低いとき、大気中の水分は少ない。このため、コントローラ４０は、図８に示すように、大気温度計４６の実大気温度をもとに関数発生器４７から排ガスの水分が結露しない給水温度を求め、求めた給水温度信号に給水温度計２８の実温度信号を加減算器４８で突合わせ、誤差が出ると、誤差信号をもとに補償演算器４９で弁開閉信号を演算し、演算信号により再循環弁３４を開閉制御させ、大気温度に見合うように、給水を加温する低圧節炭器１９のホットバンキング水の流量コントロールしている。なお、排熱回収ボイラ８が負荷運転に入ると、低圧節炭器１９の結露問題はなくなるので、再循環弁３４は弁閉となる。また、弁閉後、再循環弁３４の弁シートからリークがあってはならないので、図９に示すように、コントローラ４１は弁閉信号を止め弁３３に与え、リーク防止の完全化を期している。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
図７で示す従来のコンバインドサイクル発電プラントでは、給水系２１が高圧給水系２２、中圧給水系２５、低圧給水系２３と区分けされ、排熱回収ボイラ８の高圧ドラム１０、中圧ドラム１４、低圧ドラム１７のそれぞれに給水を供給できる、独立給水構造を採っているので、負荷運転時、各ドラム１０，１４，１７への給水の供給が安定化する利点を持つ反面、低圧節炭器１９の結露防止用に設けた再循環系２４の再循環弁３４を、高圧給水系２２の給水温度計２８の実給水温度信号により開閉させている。このため、給水流量の変動の激しい起動時、再循環弁３４の開閉制御がまにあわず、低圧節炭器１９に供給される給水の温度は設定温度を維持できず、運転上、諸種のトラブルが発生する不具合、不都合があった。
【００２０】
このような原因について、図１１を用いて詳しく説明すると、ガスタービン４の運転モードは、運転指令があると、図１１の（ａ）に示すように、その回転数を徐々に昇速させ、この間排熱回収ボイラ８に残っている未燃焼ガスを大気に排出させるパージ運転を行っている。パージ運転終了後、ガスタービン４は、燃焼器２に燃料着火を行わせ、回転数を定格まで昇速させ、定格回転数整定後、燃焼器２に燃料投入が行われ、並列運転に入り、負荷を定格まで上昇させる。
【００２１】
一方、低圧ドラム１７のドラム水位は、図１１の（ｂ）の破線で示すように、当初、比較的低く設定されている。
【００２２】
給水系２１の給水ポンプ２９および低圧給水ポンプ３１がともに駆動され、また燃焼器２の燃料着火が行われると、低圧ドラム１７の設定ドラム水位は、図１１の（ｂ）の破線の位置まで上昇される。ところが、この時点において、低圧ドラム１７には、給水が供給されており、またその水面から蒸発が始まっているため、気泡が出、この気泡のためにプライミングやスエーリング等の水位変動があらわれ、図示実線の実水位は、図示破線の設定水位から大きくはずれる。このため、低圧給水ポンプ３１は低圧ドラム１７の実水位を設定水位に近づけるため、図１１の（ｃ）の一点鎖線ｇで示すように、給水を増加させる運転が行われる。この給水の増加に伴って、図７で示す高圧給水系２２の給水温度計２８は、再循環系２４の再循環弁３４に実給水温度に基づく弁開信号を与えるようになっている。
【００２３】
しかし、給水温度計２８は、機器固有の特性上、給水温度検出信号に遅れが出る。このためコントローラ４０から再循環弁３４に弁拡開信号を与えるとき、図１１の（ｅ）の一点鎖線ｇで示すように、弁拡開信号が遅れ、この遅れに伴って図１１の（ｆ）に示すように、低圧節炭器１９のホットバンキング水による高圧給水系２２の給水への加温がおそくなる。
【００２４】
このように、設定温度よりも低い給水が、過渡的に低圧節炭器１９に流れる結果、排ガス温度との熱的均衡がとれず、低圧節炭器１９の伝熱管表面に排ガス中の水分が結露するこがあった。
【００２５】
また、低圧ドラム１７の実水位が、図１１の（ｂ）の破線で示す設定水位よりもオーバシュートすると、低圧給水ポンプ３１は低圧節炭器１９を経て低圧ドラム１７に供給する給水を、図１１の（ｃ）の一点鎖線ｈで示すように絞り込む運転を行っている。
【００２６】
しかし、この場合も、給水温度計２８から再循環弁３４のコントローラ４０に弁絞り開度信号を与えても、給水温度計２８の給水温度検出信号に遅れが出ているため、再循環弁３４の絞り開度の応答が遅れ、過渡的ではあるが、図１１の（ｄ）で示すように、設定給水温度よりも高いまま低圧節炭器１９に給水が流れることがあった。
【００２７】
実給水温度が設定給水温度よりも高くなりすぎると、低圧給水ポンプ３１および給水ポンプ２９はともに、必要吸い込み揚程（ＮＰＳＨ）が確保できなくなり、給水の圧力低下に伴って気泡のキャビテーションが発生し、ポンプインペラの壊食を引き起すおそれがあり、また、ポンプケーシングの上半、下半の温度差によりポンプインペラ軸のアライメントが変位し、軸受の焼き付けのおそれがある。
【００２８】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、低圧節炭器のホットバンキング水を、給水の加温媒体として再循環系から給水系に供給するとき、給水を迅速に適正温度にコントロールする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を目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置は、上記目的を達成するために、ガスタービンの排ガスを熱源として蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラを備え、この排熱回収ボイラに上記排ガスの流に沿って順次、高圧ドラム、中圧ドラム、低圧ドラムをそれぞれ設け、各ドラム毎に独立して給水を供給する給水系と、上記排熱回収ボイラの低圧節炭器の出口側から分岐され、上記給水系に接続する再循環系とをそれぞれ備える一方、上記再循環系の再循環弁に、上記給水系の給水温度に基づいて弁開閉信号を与える制御手段を備えた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、上記制御手段に、給水流量に基づいて信号遅れを補償する信号遅れ補償要素手段を設けたものである。
【００３０】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置は、上記目的を達成するために、ガスタービンの排ガスを熱源として蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラを備え、この排熱回収ボイラに上記排ガスの流に沿って順次、高圧ドラム、中圧ドラム、低圧ドラムをそれぞれ設け、各ドラム毎に独立して給水を供給する給水系と、上記排熱回収ボイラの低圧節炭器の出口側から分岐され、上記給水系に接続する再循環系とをそれぞれ備える一方、上記再循環系の再循環弁に、上記給水系の給水温度に基づいて弁開閉信号を与える制御手段を備えた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、上記制御手段に、予じめ定められた弁開閉信号を上記再循環弁に与える弁開度設定手段を設けるとともに、上記給水温度が所定温度よりも高いとき、上記弁開度設定手段の出力信号により再循環弁を弁開させる切替手段を設けて信号遅れを補償する信号遅れ補償要素手段を設けたものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第１実施形態について図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置を採用したコンバインドサイクル発電プラントの概略系統図である。このコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント５０、蒸気タービン５１、排熱回収ボイラ５２をそれぞれ備えている。
【００３４】
ガスタービンプラント５０は、圧縮機５３、燃焼器５４、ガスタービン５５をそれぞれ備え、圧縮機５３の駆動力により吐出される圧縮空気を燃焼器５４に案内し、ここで燃料弁５８により流量コントロールされる燃料を加えて燃焼ガスを生成し、燃焼ガスをガスタービン５５に案内して膨張仕事をさせ、膨張仕事で得た回転トルクにより単一軸５６上に設される発電機５７、蒸気タービン５１を駆動するようになっている。なお、本実施形態では、ガスタービン５５と蒸気タービン５１とを単一軸５６で結合しているが、ガスタービン軸と蒸気タービン軸を別々にすることも含まれる。
【００３５】
ガスタービンプラント５０は、膨張仕事後の燃焼ガスを排ガス（排熱）として排熱回収ボイラ５２に供給し、その排ガスを熱源に排熱回収ボイラ５２で蒸気を発生させる熱回収が図られている。
【００３６】
排熱回収ボイラ５２は、発生する蒸気を加減弁５９を介して蒸気タービン５１に供給し、膨張仕事をさせて回転トルクを得、回転トルクにより単一軸５６を駆動させるようになっている。
【００３７】
蒸気タービン５１は、膨張仕事をした後の蒸気を排気蒸気として復水器６０に供給し、ここで冷却され、復水・給水として排熱回収ボイラ５２に供給する。
【００３８】
排熱回収ボイラ５２は、排ガスの流れに沿って順次、複数の熱交換器、例えば高圧過熱器６１、高圧ドラム６２を備える高圧蒸発器６３、中圧過熱器６４、高圧節炭器６５、中圧ドラム６６を備える中圧蒸発器６７、中圧節炭器６８、低圧ドラム６９を備える低圧蒸発器７０、低圧節炭器７１をそれぞれ備える構成になっている。
【００３９】
高圧過熱器６１の過熱蒸気は、加減弁５９を経て蒸気タービン５１の初段落に、中圧過熱器６４の過熱蒸気は、蒸気タービン５１の途中段落に、また低圧ドラム６９の低圧蒸気は、蒸気タービン５１の後流段落にそれぞれ供給される。
【００４０】
一方、排熱回収ボイラ５２には、給水を各熱交換器毎に分けて供給する給水系７２が設けられている。この給水系７２は、復水器６０で冷却される復水を給水として排熱回収ボイラ５２の高圧節炭器６５に直接案内する高圧給水系７３と、この高圧給水系７３で分流される給水を排熱回収ボイラ５２の低圧節炭器７１に直接案内する低圧給水系７４と、低圧節炭器７１の出口側を分岐し、一方を中圧節炭器６８に接続する中圧給水系７５と、他方を高圧給水系７３に接続する再循環系９２とをそれぞれ備える独立給水式構造になっている。また、高圧給水系７３には、給水を分流させ、復水器６０に戻すミニマムフロー系７６が設けられている。
【００４１】
高圧給水系７３は、給水の流れに沿って順次、復水ポンプ７７、給水温度計７８、第１給水流量計７９、給水ポンプ８０、第２給水流量計８１、逆止弁８２、高圧節炭器６５、調整弁８３、高圧ドラム６２をそれぞれ備え、復水器６０の復水を給水として復水ポンプ７７で昇圧し、昇圧後の給水の温度・流量を給水温度計７８、第１給水流量計７９でそれぞれ検出し、さらに給水ポンプ８０で再昇圧し、再昇圧後の給水を第２給水流量計８１で検出した後、高圧節炭器６５で加熱させ、調整弁８３で流量コントロールした後、高圧ドラム６２に案内し、ここで高圧蒸発器６３で蒸発させた後、高圧過熱器６１で過熱蒸気にして蒸気タービン５１の初段落に供給するようになっている。
【００４２】
低圧給水系７４は、低圧給水ポンプ８４、逆止弁８５、低圧給水温度計８６、低圧給水流量計８７、低圧節炭器７１、低圧節炭器出口温度計８８、調整弁８９、低圧ドラム６９をそれぞれ備え、高圧給水系７３から分流される給水を、低圧給水ポンプ８４で昇圧し、昇圧後の給水の温度・流量を低圧給水温度計８６、低圧給水流量計８７でそれぞれ検出し、低圧節炭器１９で加温させ、加温後の飽和水の温度を低圧節炭器出口温度計８８で検出し、調整弁８９で流量コントロールした後低圧ドラム６９に案内し、ここで低圧蒸発器７０で蒸発させた後、飽和蒸気として蒸気タービン５１の後流段落に供給するようになっている。
【００４３】
中圧給水系７５は、中圧節炭器６８、逆止弁９０、調整弁９１、中圧ドラム６６をそれぞれ備え、低圧給水系７４の給水を低圧節炭器７１で加温させ、加温後の飽和水を中圧節炭器６８で加熱させ、加熱後の飽和蒸気を調整弁９１で流量コントロールした後、中圧ドラム６６に案内し、ここで中圧蒸発器６７で蒸発させた後、中圧過熱器６４で過熱蒸気にして蒸気タービン５１の途中段落に供給するようになっている。
【００４４】
再循環系９２は、止め弁９３、再循環弁９４をそれぞれ備え、起動時、再循環弁９４を弁開させ、高圧給水系７３を流れる給水に、排熱回収ボイラ５２の低圧節炭器７１の比較的高温なホットバイキング水（運転停止中低圧節炭器に残っている残熱水）を加えて加温させ、加温後の給水を低圧給水ポンプ８４、逆止弁８５、低圧給水温度計８６、低圧給水流量計８７を経て低圧節炭器７１に流し、その伝熱管の内外温度差をほぼ均衡させ、排ガス中に含まれる水分の結露に伴う低圧節炭器７１の局所の露点腐食、酸化腐食の防止を図っている。
【００４５】
再循環系９２は、高圧給水系７３の給水温度計７８により検出される実給水温度信号をコントローラ９６に与え、ここで弁開閉信号を演算し、演算信号により再循環弁９４を開閉制御させるようになっている。なお、符号９３ａは止め弁９３に開閉信号を与えるコントローラである。
【００４６】
しかし、給水温度計７８により検出される実給水温度信号は、機器の固有の特性により遅れが出るため、本実施形態では図２で示されるコントローラ９６に組み込まれる従来の制御回路に、信号遅れ補償要素回路９７（フィードフォワード回路）を組み合せ、一時的に信号遅れ補償要素回路９７の出力信号により再循環弁９４を迅速に弁開閉させておき、その後コントローラ９６の出力信号により信号遅れ補償要素回路９７の出力信号を修正し、修正信号を再循環弁９４に弁開閉信号として与える二段弁開閉回路に構成したものである。
【００４７】
コントローラ９６は、大気温度計９８の実大気温度をもとに関数発生器９９から排ガスの水分が低圧節炭器７１で結露しない給水温度を求め、求めた給水温度信号に、給水温度計７８の実給水温度信号を加減算器１００で突き合わせ、誤差が出ると、誤差信号をもとにフィードバック信号補償演算器１０１で弁開閉信号を演算し、演算信号を加算演算器１０３に出力する。
【００４８】
一方、信号遅れ補償要素回路９７は、第１給水流量計７９または第２給水流量計８１のいずれか一方で実給水流量を検出し、実給水流量信号を信号遅れ補償演算器１０２で弁開閉信号を演算し、演算信号を加算演算器１０３に出力する。この場合、コントローラ９６の給水温度計７８に出力遅れがあるので、信号遅れ補償要素回路９７の出力が先行的に再循環弁９４に与えられ、弁開閉制御が行われる。また、信号遅れ補償要素回路９７の出力信号は、リニア特性から一定特性に変るようになっているので、上記フィードバック信号補償演算１０１の遅れの弁開閉信号が加算演算器１０３で加算され、信号遅れ補償要素回路９７の出力信号を修正し、修正信号として加算演算器１０３から再循環弁９４に与えられる。なお、信号遅れ補償演算器１０２には、関数演算回路、伝達関数演算回路、微分方程式によって信号が処理される演算回路のいずれかの回路が組み込まれている。
【００４９】
このように、本実施形態では、給水温度計７８の実給水温度検出信号遅れを一時的に信号遅れ補償要素回路９７でカバーさせることにより、低圧給水ポンプ８４から低圧節炭器７１を経て低圧ドラム６９に供給される給水が、図３の（ｃ）の一点鎖線ｍで示すように、ドラム設定水位の増加に伴って増加しても、再循環弁９４を従来より早く応答させ、低圧節炭器７１のホットバンキング水を高圧給水系７３に供給できるようにしたので、高圧給水系７３から低圧給水系７４を経て低圧節炭器７１に供給される給水の温度を、図３の（ｄ）に示すように、設定給水温度にほぼ一致させることができる。
【００５０】
また、低圧給水ポンプ８４から低圧節炭器７１を経て低圧ドラム６９に供給される給水が、図３の（ｃ）の一点鎖線ｎで示すように、ドラム設定水位に対し、実水位のオーバシュート分を修正させることに伴って減少しても、再循環弁９４を弁絞り開度に早く応答させることができるので、実給水温度を、図３の（ｄ）に示すように、設定給水温度にほぼ維持させることができる。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、給水ポンプ８０、低圧給水ポンプ８４、低圧節炭器７１に流れる給水が適温になっているので、各ポンプ８０，８４のキャビテーションの発生が防止でき、また排ガスの水分の結露に伴う低圧節炭器７１の露点腐食等が防止でき、信頼性の高い運転を実現することができる。
【００５２】
図４は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第２実施例を示す概略ブロック図である。なお、第１実施形態と同一構成部品には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【００５３】
本実施例は、信号遅れ補償要素回路９７の制御要素信号として低圧節炭器出口温度計８８から検出される給水の温度と、高圧給水系７３の第１給水流量計７９または低圧給水系７４の低圧給水流量計８７のいずれかから検出される給水の温度とに求めたものである。
【００５４】
本実施例では、第１給水流量計７９または低圧給水流量計８７のいずれかから検出される実給水流量信号と、低圧節炭器出口温度計８８から検出される実給水温度信号とを弁開度演算器１０４で演算し、演算信号を加算演算器１０３を経て再循環系９４の弁開閉に先行的に使用するものである。
【００５５】
この場合の演算処理は、低圧節炭器出口温度計８８から検出される実給水温度をもとにエンタルピＨｏｕｔを求め、また第１給水流量計７９または低圧給水流量計８７のいずれかから検出される実給水流量を使用する一方、給水のエンタルピＨｃｎｄと低圧節炭器７１が必要とする設定給水温度のエンタルピＨとは事前にわかっているので、低圧節炭器７１のホットバンキング水を再循環系９２を経て高圧給水系７３に流す供給量Ｆｒｅｃは、熱平衡の考え方から、次式で求めることができる。
【００５６】
【数１】
の関係式で弁開度を求めることができる。
【００５７】
したがって、本実施例によれば、上式を満たす演算回路を、弁開度演算器１０４に組み込むことにより、給水の流量・温度の変動に対し、従来よりもより一層早く再循環弁９４の弁開閉をさせることができる。
【００５８】
図５は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第３実施例を示す概略ブロック図である。なお、第１実施形態と同一構成部品には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【００５９】
本実施例は、給水温度計７８の給水温度信号検出遅れにより再循環弁９４の弁開閉の応答が遅れ、給水温度が設定温度を大幅に越えるとき、給水温度計７８の検出給水温度の高低を判別する温度判別器１０９を設けるとともに、検出給水温度が設定温度よりも高いとき、温度判別器１０９の駆動力により、予じめ設定される弁開度設定器１０８の弁開度信号を再循環弁９４に通電させる切替器１１０を設けたものである。
【００６０】
本実施例では、コントローラ９６の弁開閉信号が再循環弁９４に与えられる間、弁開度設定器１０８の予じめ定められた弁開閉信号で再循環弁９４を強制的に弁開閉させるので、給水温度が設定温度よりも異常に高くなることがない。
【００６１】
したがって、本実施例によれば、給水温度が異常に高いことに伴う給水ポンプ８０や低圧給水ポンプ８４の損傷事故を最少に防ぐことができる。
【００６２】
図６は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第４実施例を示す概略ブロック図である。なお第１実施形態と同一構成部品には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【００６３】
本実施例は、コントローラ９６に組み込まれている従来の制御回路に、給水温度計７８の実給水温度の温度変化率をもとに再循環弁９４の弁開閉信号を演算する温度変化率演算回路１３１を組合せたものである。
【００６４】
温度変化率演算回路１３１は、給水温度計７８の実給水温度の変化率を算出する温度変化率演算器１１７と、この温度変化率演算器１１７の演算信号に、予じめ定められた温度変化率設定器１１８の設定信号を突合わせる加減算器１１９と、加減算器１１９で誤差が出ると、誤差信号をＰＩＤ処理するＰＩＤ演算器１２０と、ＰＩＤ演算器１２０の出力信号またはコントローラ９６の出力信号のうち、いずれか一方を選択する選択演算器１２１とをそれぞれ備える構成になっている。なお、選択演算器１２１は、具体的には上記二つの出力信号のうち、いずれか一方の出力信号に切替える切替器、いずれか一方の出力信号をカットするリミッタ、いずれか一方の低値信号を選択する低値優先演算器、いずれか一方の出力信号に他方の出力信号を加えて加減算する加減算器のうち、いずれかが採用される。
【００６５】
本実施例は、ホットバンキング水を高圧給水系７３の給水に供給するとき、温度変化率演算回路１３１の演算信号により再循環弁９４を弁開閉させるので、給水を急激に温度上昇させることができない。
【００６６】
したがって、本実施例によれば、給水ポンプ８０、低圧給水ポンプ８４の上下半ケーシングの温度差が生じることがなく、温度差によって生じていた従来の各ポンプの損傷問題を防止することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置は、給水系の給水温度に基づいて演算し、再循環弁に弁開閉信号を与える制御手段に、信号遅れ補償要素回路を設け、信号遅れ補償要素回路により上記制御手段から上記再循環弁に与えられる弁開閉信号の遅れをカバーするので、給水を一早く適正温度にして低圧節炭器に供給することができる。したがって、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置によれば、排ガス中の水分による低圧節炭器の結露を防止することができ、また、給水系の各ポンプのキャビテーション発生を防止できる等優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置を適用したコンバインドサイクル発電プラントの概略系統図。
【図２】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第１実施形態を示す概略ブロック図。
【図３】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の特性を示す特性線図で、（ａ）はガスタービン運転モードを示し、（ｂ）は低圧給水ドラムの水位変動を示し、（ｃ）は排熱回収ボイラに供給される給水流量および排熱回収ボイラが発生する蒸気流量を示し、（ｄ）は設定給水温度に対する実給水温度を示し、（ｅ）は再循環弁の開度特性を示し、（ｆ）は再循環系に流れる低圧節炭器のホットバンキング水量をそれぞれ示す図。
【図４】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第２実施例を示す概略ブロック図。
【図５】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第３実施例を示す概略ブロック図。
【図６】 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の第４実施例を示す概略ブロック図。
【図７】 従来のコンバインドサイクル発電プラントを示す概略系統図。
【図８】 従来のコンバインドサイクル発電プラントの再循環弁の制御回路を示す概略ブロック図。
【図９】 従来の再循環系の止め弁の制御回路を示す概略ブロック図。
【図１０】 従来のミニマムフロー弁の制御回路を示す概略ブロック図。
【図１１】 従来のコンバインドサイクル発電プラントの制御装置の特性を示す特性線図で、（ａ）ガスタービン運転モードを示し、（ｂ）は低圧給水ドラムの水位変動を示し、（ｃ）は排熱回収ボイラに供給される給水流量および排熱回収ボイラが発生する蒸気流量を示し、（ｄ）は設定給水温度に対する実給水温度を示し、（ｅ）は再循環弁の開度特性を示し、（ｆ）は再循環系に流れる低圧節炭器のホットバンキング水量をそれぞれ示す図。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ 燃料弁
４ ガスタービン
５ 単一軸
６ 発電機
７ 蒸気タービン
８ 排熱回収ボイラ
９ 高圧過熱器
１０ 高圧ドラム
１１ 高圧蒸発器
１２ 中圧過熱器
１３ 高圧節炭器
１４ 中圧ドラム
１５ 中圧蒸発器
１６ 中圧節炭器
１７ 低圧ドラム
１８ 低圧蒸発器
１９ 低圧節炭器
２０ 復水器
２１ 給水系
２２ 高圧給水系
２３ 低圧給水系
２４ 再循環系
２５ 中圧給水系
２６ ミニマムフロー系
２７ 復水ポンプ
２８ 給水温度計
２９ 給水ポンプ
３０ 逆止弁
３１ 低圧給水ポンプ
３２ 逆止弁
３３ 止め弁
３４ 再循環弁
３５ ミニマムフロー弁
３６ 調整弁
３７ 調整弁
３８ 逆止弁
３９ 調整弁
４０ コントローラ
４１ コントローラ
４２ 給水流量計
４３ 設定器
４４ 加減算器
４５ 補償演算器
４６ 大気温度計
４７ 関数発生器
４８ 加減算器
４９ 補償演算器
５０ ガスタービンプラント
５１ 蒸気タービン
５２ 排熱回収ボイラ
５３ 圧縮機
５４ 燃焼器
５５ ガスタービン
５６ 単一軸
５７ 発電機
５８ 燃料弁
５９ 加減弁
６０ 復水器
６１ 高圧過熱器
６２ 高圧ドラム
６３ 高圧蒸発器
６４ 中圧過熱器
６５ 高圧節炭器
６６ 中圧ドラム
６７ 中圧蒸発器
６８ 中圧節炭器
６９ 低圧ドラム
７０ 低圧蒸発器
７１ 低圧節炭器
７２ 給水系
７３ 高圧給水系
７４ 低圧給水系
７５ 中圧給水系
７６ ミニマムフロー系
７７ 復水ポンプ
７８ 給水温度計
７９ 第１給水流量計
８０ 給水ポンプ
８１ 第２給水流量計
８２ 逆止弁
８３ 調整弁
８４ 低圧給水ポンプ
８５ 逆止弁
８６ 低圧給水温度計
８７ 低圧給水流量計
８８ 低圧節炭器出口温度計
８９ 調整弁
９０ 逆止弁
９１ 調整弁
９２ 再循環系
９３ 止め弁
９３ａ コントローラ
９４ 再循環弁
９５ ミニマムフロー弁
９６ コントローラ
９７ 信号遅れ補償要素回路
９８ 大気温度計
９９ 関数発生器
１００ 加減算器
１０１ フィードバック信号補償演算器
１０３ 加算演算器
１０４ 弁開度演算器
１０７ 低値優先演算器
１０８ 弁開度設定器
１０９ 温度判別器
１１０ 切替器
１１７ 温度変化率演算器
１１８ 温度変化率設定器
１１９ 加減算器
１２０ ＰＩＤ演算器
１２１ 選択演算器
１３１ 温度変化率演算回路
Claims (5)
- ガスタービンの排ガスを熱源として蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラを備え、この排熱回収ボイラに上記排ガスの流に沿って順次、高圧ドラム、中圧ドラム、低圧ドラムをそれぞれ設け、各ドラム毎に独立して給水を供給する給水系と、上記排熱回収ボイラの低圧節炭器の出口側から分岐され、上記給水系に接続する再循環系とをそれぞれ備える一方、上記再循環系の再循環弁に、上記給水系の給水温度に基づいて弁開閉信号を与える制御手段を備えた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、上記制御手段に、給水流量に基づいて信号遅れを補償する信号遅れ補償要素手段を設けたことを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。
- 上記給水流量は、高圧給水系を流れる給水流量信号であることを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラントの制御装置。
- 上記信号遅れ補償要素手段は、上記給水流量に加え、低圧節炭器の出口側の給水温度信号に基づいて信号遅れを補償することを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラントの制御装置。
- ガスタービンの排ガスを熱源として蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラを備え、この排熱回収ボイラに上記排ガスの流に沿って順次、高圧ドラム、中圧ドラム、低圧ドラムをそれぞれ設け、各ドラム毎に独立して給水を供給する給水系と、上記排熱回収ボイラの低圧節炭器の出口側から分岐され、上記給水系に接続する再循環系とをそれぞれ備える一方、上記再循環系の再循環弁に、上記給水系の給水温度に基づいて弁開閉信号を与える制御手段を備えた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、上記制御手段に、予じめ定められた弁開閉信号を上記再循環弁に与える弁開度設定手段を設けるとともに、上記給水温度が所定温度よりも高いとき、上記弁開度設定手段の出力信号により再循環弁を弁開させる切替手段を設けて信号遅れを補償する信号遅れ補償要素手段を設けたことを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。
- 上記切替手段は、高圧給水系の給水温度の高低を判別し、給水温度が所定温度よりも高いとき切替え作動信号を出力する温度判別手段により切替えられることを特徴とする請求項４に記載のコンバインドサイクル発電プラントの制御装置。
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