JP4104992B2

JP4104992B2 - ガスタービン発電システム

Info

Publication number: JP4104992B2
Application number: JP2003008974A
Authority: JP
Inventors: 康彦大築; 正小林; 好浩油谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: JP2004218588A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンに流体を加えて出力を増強するようにしたガスタービン発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、発電機を駆動するガスタービンは、定格最大出力で運用するようにすれば、燃費が高くなり経済的であるが、この場合、発電所にトリップ事故が発生して供給電力が低下し、系統周波数が低下したとしても定格最大出力にて運転されているために、出力に余裕はなくこれ以上の出力増加は不可能である。
【０００３】
このように、ガスタービンを定格最大出力にて運転した場合、ガスタービン自体では系統安定性の面については何らサポートをすることができない。そのため実際には、あらかじめ一部の発電機に部分負荷運転を行わせることにより出力の裕度を持たせ、系統周波数が低下した際は部分負荷運用中のガスタービン発電機の出力を増強し、不足分を補うように運用していた。しかし、この方法では部分負荷運転をするガスタービンは発電効率が悪く、コスト面でのロスが多い。
【０００４】
このために、通常運用においては定格最大出力で運転しながらも、系統周波数が低下した際には機器に損傷や過大な寿命消費を与えることのない、緊急避難的な出力増加手段が求められていた。
【０００５】
一方、燃焼器に水を投入してガスタービンの出力を増強する技術は特許文献１で知られており、また、ガスタービン圧縮機の入口から水滴を噴霧することにより、ガスタービン出力を増加することも特許文献２で知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−９３０８号、段落（０００７）
【特許文献２】
特開２００２−２０１９５８号、段落（０００２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術は、いずれも系統周波数の変動時ガスタービンの出力を増強させて系統安定化を図ることを課題とする発明ではなく、当然のことながら系統周波数の安定時および変動時にどのようにガスタービンを運転制御するのかについて考慮されていない。
本発明の目的は、系統周波数が低下した場合、ガスタービンの出力増強を行い、系統安定化を図ることのできるガスタービン発電システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係るガスタービン発電システムの発明は、空気圧縮機、燃焼器、ガスタービン本体からなるガスタービンと、このガスタービンにより駆動される発電機とからなるガスタービン発電システムにおいて、前記ガスタービンの回転数に基づいて電力系統の周波数を求める周波数変換手段と、前記ガスタービンへ冷却媒体を投入する冷却媒体供給手段と、前記周波数変換手段の出力周波数と設定値とを比較して出力周波数が設定値よりも低下したとき、予め定められた時間分だけ前記冷却媒体供給手段に対して冷却媒体を投入する指令を出力する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項５に係るガスタービン発電システムの発明は、空気圧縮機、燃焼器、ガスタービン本体からなるガスタービンと、このガスタービンにより駆動される発電機とからなるガスタービン発電システムにおいて、前記ガスタービンの回転数に基づいて電力系統の周波数を求める周波数変換手段と、前記空気圧縮機の圧縮空気の一部を前記ガスタービン本体の高温部冷却用に供給し、遮断可能に構成された高温部冷却用系統と、前記周波数変換手段の出力周波数が設定値よりも低下したとき、前記高温部冷却用系統を遮断する指令を出力する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図を通じて共通する部分には同一符号をつけて説明を省略する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図である。図１において、１は大気から吸入した空気を圧縮して高温高圧の圧縮空気にして吐出する空気圧縮機、２はこの空気圧縮機１から吐出された圧縮空気により燃料を燃焼させる燃焼器である。３はこの燃焼器２から受け入れた燃焼ガスの断熱膨張により回転トルクを発生させ、回転軸４を介して前記空気圧縮機１と発電機５とを駆動するガスタービン本体である。なお、説明の便宜上、空気圧縮機１、燃焼器２およびガスタービン本体３をガスタービン６と称する。
【００１２】
７は前記回転軸４に設けられ、ガスタービン回転数を計測する回転数検出器であり、８はこの回転数検出器７で計測したガスタービン回転数を入力し回転数から系統周波数Nを演算によって求める（推定する）周波数変換器である。９はこの周波数変換器８から出力された系統周波数Nとあらかじめ設定されている系統周波数低設定値Nsetとを比較し、系統周波数Nが系統周波数低設定値Nsetよりも低い周波数の場合（N＜Nset）のみ、動作して弁開放指令Ｒを出力する演算手段としての比較演算部である。
【００１３】
前記系統周波数低設定値Nsetは、ガスタービン６の平常運転時の回転速度から求めた周波数（定格周波数）Nsに対し、どのくらいの周波数まで低下したら動作させるべきか、運用上決めればよい値であり、例えば，定格値の９５％程度の値に設定されている。
【００１４】
１０は空気圧縮機１入口から冷却媒体としての例えば水を供給するための冷却媒体供給手段である冷却媒体供給系統であり、１１冷却媒体供給源、１２はこの冷却媒体供給系統１０の配管中に設けられた遮断弁であり、ガスタービン６の平常運転時すなわち前記演算手段９が動作していないときは、全閉状態の位置（これを便宜上平常位置という）に維持され、水は空気圧縮機１に投入されない。しかし、前記演算手段９が動作し冷却媒体を投入する指令、すなわち弁開放指令Ｒを受けたときは、全開状態の位置（これを便宜上出力増強位置という）に切り替え、水を空気圧縮機１入口に投入する。
【００１５】
以上のように構成したガスタービン発電システムにおいて、ガスタービンと連係している電力系統の周波数が安定している状態では、ガスタービン６は定格回転数を維持して運転しており、周波数変換器８から出力された系統周波数Nは定格周波数Nsに等しい。このとき、系統周波数Nは系統周波数低設定値Nsetよりも大きいので、演算手段９からは弁開放指令Ｒは生じない。したがって、電力系統の周波数が安定している状態では、遮断弁１２は平常位置に維持され、空気圧縮機１には冷却媒体は供給されず、空気圧縮機１に吸入された空気は水で冷却されずに圧縮され、燃焼器２に供給される。
【００１６】
ところが、電力系統に故障が発生して系統周波数が低下すると、電力系統と連系しているガスタービン６の回転数も低下する。そしてガスタービン６の回転数に基づく周波数変換器８の出力である系統周波数Nが系統周波数低設定値Nsetよりも低下する（N＜Nset）と、演算手段９は動作して弁開放指令Ｒを出力する。
【００１７】
この弁開放指令Ｒは遮断弁１２を全閉状態位置（平常位置）から全開状態位置（出力増強位置）に切り替え制御し、冷却媒体供給系統１０を連通させ冷却媒体供給源１１から前記空気圧縮機１入口に水を投入する。
【００１８】
この結果、空気圧縮機１に供給される空気の温度が下がり、ガスタービンは出力を増強し、発電機５の発電電力を増やし、電力系統周波数を回復させる。
このようにして、系統周波数の急減時、空気圧縮機に水を供給することによって、ガスタービンの出力を増強し系統周波数の安定化を図ることができる。
【００１９】
また、水の投入位置を空気圧縮機入口としているので、低い供給圧力にて水を投入することが可能となり、特別な加圧設備を持つことなく、ガスタービン出力を増強し、系統周波数安定化を図ることが可能となる。
【００２０】
なお、以上の説明ではガスタービンに水を投入する位置を空気圧縮機入口としたが、空気圧縮機出口でもよいし、あるいは燃焼器内であってもよい。空気圧縮機出口に水を投入すれば、燃焼器内に水が通過することとなり、空気圧縮機入口に水を投入する場合に比べ、より低ＮＯｘ化を図ることができ、環境負荷を低減させながら、ガスタービン出力を増強し、系統周波数安定化を図ることが可能となる。
【００２１】
また、水の投入する位置を燃焼器内とした場合、直接火炎に水を吹き付けるため、空気圧縮機出口に水を投入する場合と比較してさらに的確に低ＮＯｘ化を図ることができ、環境負荷を低減させながら、系統周波数安定化を図ることが可能となる。
【００２２】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図である。本実施の形態と第１の実施の形態（図１）との主な相違点は、冷却媒体供給系統１０を新たに設けることなく、既設の空気圧縮機水洗水供給設備１３を冷却媒体供給系統として兼用させるように構成したことにある。その他の構成については図１と同じなので説明を省略する。
【００２３】
図２において、電力系統に故障が発生し、系統周波数の低下にともなってガスタービン６の回転数が低下し、周波数変換器８から出力される系統周波数Nが系統周波数低設定値Nsetよりも低下する（N＜Nset）と、演算手段９は弁開放指令Ｒを生ずる。
【００２４】
弁開放指令Ｒにより、空気圧縮機水洗水供給設備１３のポンプ１４が作動し、遮断弁１２を通して空気圧縮機水洗用噴射ノズル１５から水が空気圧縮機１内に噴射する。
【００２５】
この結果、空気圧縮機１に供給される空気の温度が下がるので、ガスタービンの出力は増強し、発電機５の発電電力を増やし、電力系統周波数を回復させ、電力系統を安定化させる。
【００２６】
（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図である。本実施の形態の特徴とするところは、蒸気タービンを設けてコンバインドサイクル発電プラントを構成し、かつボイラ給水ポンプ２５からボイラ２２に至るボイラ給水管１９の途中に前記冷却媒体供給系統１０を接続するようにしたものであり、その他の構成については図１と同じなので説明を省略する。
図３において、１６は高中圧蒸気タービン、１７は低圧蒸気タービンそして１８は復水器である。
【００２７】
本実施の形態の場合も、前述の実施の形態同様電力系統に故障が発生し、系統周波数の低下にともなってガスタービン６の回転数が低下し、周波数変換器８の出力周波数Nが系統周波数低設定値Nsetよりも低下する（N＜Nset）と、演算手段９は弁開放指令Ｒを生ずる。
【００２８】
この弁開放指令Ｒにより遮断弁１２を開き、ボイラ給水器１９から分岐した水を空気圧縮機１内に噴射する。この結果、空気圧縮機１に供給される空気の温度が下がり、ガスタービン６の出力を増強させる。
【００２９】
本実施の形態は、第１の実施の形態（図１）のように、新たに冷却媒体供給源１１を設置することなく、空気圧縮機１に水を噴射し、空気圧縮機１に供給される空気の温度を下げてガスタービンの出力を増強させることができる。この結果、発電機５は発電電力を増やして電力系統周波数を回復させ、電力系統の安定化を図ることができる。
【００３０】
（第４の実施の形態）
図４は本発明の第４の実施の形態に係るガスタービン制御システムの構成図である。本実施の形態の特徴とするところは蒸気タービンを設けたコンバインドサイクル発電プラントを構成し、かつボイラからの蒸気を前記冷却媒体供給系統１０を接続するようにしたものであり、その他の構成については図１、図３と同じなので説明を省略する。
【００３１】
電力系統に故障が発生し、系統周波数低下にともなってガスタービン６の回転数が低下し、周波数変換器８の出力周波数Ｎが系統周波数低設定値Nsetよりも低下する（N＜Nset）と、演算手段９は弁開放指令Ｒを生じる。
この弁開放指令Ｒにより遮断弁１２を開き、ボイラ２２からの蒸気を空気圧縮機１の吐出空気内、あるいは燃焼器２内に噴射する。これによりガスタービン６の出力を増強させる。
【００３２】
本実施の形態は、第１の実施の形態（図１）のように、新たに冷却媒体供給源１１を設置することなく、ガスタービンの出力を増強させることが出来る。この結果、発電機５は発電電力を増やして電力系統周波数を回復させ、電力系統の安定化を図ることができる。
【００３３】
（第５の実施の形態）
図５は本発明の第５の実施の形態に係るガスタービン制御システムの構成図である。本実施の形態と前記第１の実施の形態（図１）との相違点は、演算手段９からタイマーを通して遮断弁１２に弁開放指令Ｒを与えるように構成したことにある。
【００３４】
図５において、演算手段９から出力される弁開放指令Ｒをワンショットタイマー２０およびオフディレータイマー２１を通すことにより、ワンショットタイマー２０およびオフディレータイマー２１で設定した所定の時間だけ遮断弁１２に弁開放指令Ｒを与えるように構成する。遮断弁１２はこの所定の時間だけ、ボイラ２２の蒸気を空気圧縮機１入口から投入する。その他の構成については図１と同じなので説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態の場合も既に説明した実施の形態と同様、電力系統に故障が発生し、系統周波数の低下にともなってガスタービン６の回転数が低下し、周波数変換器８の出力周波数Nが系統周波数低設定値Nsetよりも低下する（N＜Nset）と、演算手段９は弁開放指令Ｒを生ずる。この弁開放指令Ｒはワンショットタイマー２０およびオフディレータイマー２１で定めた所定時間例えば１０秒間だけ遮断弁１２を開にする。遮断弁１２を開とすることで、ボイラ２２で生成された蒸気がガスタービン６の空気圧縮機１の入口から噴射される。
【００３６】
これにより、ガスタービンの出力が増強するのであるが、蒸気が空気圧縮機１の入口から噴射される時間は系統周波数が復帰すると推定される時間分だけである。ガスタービンの出力増強により発電機の発電電力が増加し、系統周波数が回復するのに必要な時間を経過後に蒸気の噴射は止められ、ガスタービンの出力増強は停止される。このように、ガスタービンには系統周波数の安定化に必要な時間だけ蒸気が供給されるので、必要以上に蒸気を消費することがなく、効率よく周波数回復を図ることができる。
【００３７】
なお、以上の説明ではガスタービンに蒸気を投入する位置を空気圧縮機の入口としたが、空気圧縮機の出口としてもよいし、燃焼器内としてもよい。
また、コンバインドサイクル発電システムにあっては、ガスタービン冷却媒体としての蒸気は、排熱回収ボイラの排気を用いるようにしてもよい。
【００３８】
（第６の実施の形態）
図６は本発明の第５の実施の形態に係るガスタービン制御システムの構成図である。本実施の形態は既に説明した実施の形態のように、水や蒸気をガスタービンに投入してガスタービンの出力を増強するのではなく、空気圧縮機１で昇圧された空気の一部を燃焼用に使用せずにタービン２の高温部品の冷却を行うように常時をバイパスさせ、系統周波数が低下した場合のみ、バイパスに流していた圧縮空気を燃焼用に振り向け、燃焼空気量を増やすように構成したものである。
【００３９】
図６において、９´は前記演算手段９に代えて新たに設けた演算手段であり、常時動作して弁開放指令Ｒを出力するように機能するとともに、系統周波数Nがガスタービン出力増強運転許可周波数Nset1よりも低下すると復帰して弁開放指令Ｒを止め、出力周波数Nが回復してガスタービン出力増強運転除外周波数Nset2（Nset2＞Nset1）よりも高くなると、再び動作して弁開放指令Ｒを生ずるように機能する。
【００４０】
２３は空気圧縮機１の吐出口とガスタービン本体３間を接続し高温部冷却用の空気を流す高温部冷却冷却系統であるバイパス系統であり、その中間部に冷却空気遮断弁２４を設けている。
【００４１】
本実施の形態では、電力系統の周波数が平常状態ではバイパス系統２３に設けた冷却空気遮断弁２４を常時開いて、空気圧縮機１による圧縮空気の一部をガスタービン本体３の高温部の冷却用に使用するように構成している。しかし、電力系統に故障が発生し、系統周波数の低下にともなってガスタービン６の回転数が低下し、周波数変換器８の出力周波数Nが系統周波数低設定値Nset1よりも低下した（N＜Nset1）場合、演算手段９´から常時出力されていた弁開放指令Ｒを止め、冷却空気遮断弁２４を閉じる。
【００４２】
これにより、平常時空気圧縮機１からバイパス系統２３を通って、ガスタービン本体３に流入していた圧縮空気は遮断され、その分がそっくり燃焼機２内に燃焼用空気として振り向けられる。これによりガスタービン本体３の出力が増強され、発電機５の発電電力は増加する。
【００４３】
そして電力系統の周波数Ｎがガスタービン出力増強運転除外周波数Nset2に相当する周波数まで回復すると、演算手段９´は再び弁開放指令Ｒを出力し、冷却空気遮断弁２４を全開状態にし、圧縮空気の一部を燃焼用以外の冷却用に使用するため、ガスタービン本体３の出力増強は停止する。
【００４４】
以上述べたように、本実施の形態によれば、系統周波数が低下したときのみ、燃焼空気を増やしてガスタービンの出力増強を図るようにしたので、より安定した周波数回復を図ることができる。
【００４５】
なお、第６の実施の形態を除く実施の形態において、周波数変換器８によって系統周波数が復帰したことを検出して遮断弁１２を全開位置から閉鎖位置すなわち出力増強位置から平常位置に戻すように構成してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、第１の発明によれば、系統周波数が低下した場合に、ガスタービンへ冷却媒体を投入することにより、ガスタービンへの損傷や大きな寿命消費を与えることなく、ガスタービン出力を増強させることが可能となり、より系統周波数安定化を図ることが可能となる。
【００４７】
また第２の発明によれば、系統周波数が低下した場合に、系統周波数が回復すると推定される所定時間だけ、ガスタービンへ冷却媒体を投入することにより、効率よく系統周波数安定化を図ることが可能となる。
【００４８】
さらに、第３の発明によれば、空気圧縮機の圧縮空気の一部を常時ガスタービン本体の高温部冷却用に振り向けておき、系統周波数の低下時は冷却用に振り向けていた圧縮空気を燃焼用に回すようにしたので、特殊な流体媒体供給設備を所有することなく、系統安定化を図るシステムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係るガスタービン発電システムの構成図。
【符号の説明】
１…空気圧縮機、２…燃焼器、３…ガスタービン本体、４…回転軸、５…発電機、６…ガスタービン、７…回転数検出器、８…周波数変換器、９、９´…演算手段、１０…冷却媒体供給系統、１１…冷却媒体供給源、１２…流体遮断弁、１３…空気圧縮機水洗用水供給設備、１４…ポンプ、１５…空気圧縮機水洗用噴射ノズル、１６…高圧中圧タービン、１７…低圧タービン、１８…復水器、１９…ボイラ給水管、２０…ワンショットタイマー、２１…オフディレータイマー、２２…ボイラ、２３…バイパス系統、２４…空気遮断弁、２５…ボイラ給水ポンプ。

Claims

空気圧縮機、燃焼器、ガスタービン本体からなるガスタービンと、このガスタービンにより駆動される発電機とからなるガスタービン発電システムにおいて、
前記ガスタービンの回転数に基づいて電力系統の周波数を求める周波数変換手段と、
前記ガスタービンへ冷却媒体を投入する冷却媒体供給手段と、
前記周波数変換手段の出力周波数と設定値とを比較して出力周波数が設定値よりも低下したとき、予め定められた時間分だけ前記冷却媒体供給手段に対して冷却媒体を投入する指令を出力する演算手段と、
を備えたことを特徴とするガスタービン発電システム。
前記冷却媒体供給手段は水を供給することを特徴とする請求項１記載のガスタービン発電システム。
空気圧縮機水洗水供給設備及び空気圧縮機水洗用水噴射ノズルを前記冷却媒体供給手段として兼用し、空気圧縮機水洗用水噴射ノズルから水を投入することを特徴とする請求項２記載のガスタービン発電システム。
前記冷却媒体供給手段は蒸気発生装置からの蒸気を供給することを特徴とする請求項１記載のガスタービン発電システム。
空気圧縮機、燃焼器、ガスタービン本体からなるガスタービンと、このガスタービンにより駆動される発電機とからなるガスタービン発電システムにおいて、
前記ガスタービンの回転数に基づいて電力系統の周波数を求める周波数変換手段と、
前記空気圧縮機の圧縮空気の一部を前記ガスタービン本体の高温部冷却用に供給し、遮断可能に構成された高温部冷却用系統と、
前記周波数変換手段の出力周波数が設定値よりも低下したとき、前記高温部冷却用系統を遮断する指令を出力する演算手段と、
を備えたことを特徴とするガスタービン発電システム。
前記演算手段から出力された指令を入力し、あらかじめ定められた時間分だけ、前記高温部冷却用系統を遮断させるタイマーを備えたことを特徴とする請求項５記載のガスタービン発電システム。