JP4183653B2

JP4183653B2 - 火力発電プラントおよび運転方法

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Description

本発明は、火力発電プラントおよびその運転方法に係り、特に、部分負荷運転の際、より一層無駄の少ない効率的な変圧運転を行わせる蒸気タービンに可変調速手段を備えた火力発電プラントおよびその運転方法に関する。

火力発電プラントにおいては、プラント熱効率の向上策の一つとして変圧運転がある。

この変圧運転は、部分負荷運転（低負荷運転）時、ボイラから発生する蒸気圧力をタービン負荷（出力）に見合うように減圧させ、プラント熱効率の低下を改善させる運転方法である。

この運転方法によると、蒸気圧力の低下は、蒸気の比熱の減少、ボイラから高圧タービンに供給される蒸気流量を蒸気加減弁で調整する際の絞り損失の減少、タービンノズルの初段落（調速段）の入口、出口の圧力比減少に伴なう高圧タービンの内部効率の上昇等により、プラント熱効率が増加すると知見されている。

また、蒸気加減弁で調整された蒸気流量を受けるタービン調速段においては、例えば特開昭６１−１６７１０２号公報に記載されているように、絞り調速方式とノズル締切調速方式とがあり、これらのうち、いずれかの方式が運用目的に応じて選択されている。

その際、蒸気加減弁は、複数の弁体を、絞り調速方式およびノズル締切調速方式のうち、いずれかの方式に応じて全弁を同時に開弁させるか、あるいは全弁のうち、幾つかの弁体を開弁させている。

また、変圧運転の具体的な例として、例えば、特開平１−６６０６号公報には、蒸気タービン（高圧タービン）の入口に設けた蒸気加減弁の弁開度を一定開度に維持させ、ボイラから発生する蒸気の圧力を変化させる運転方法が採り入れられている。
特開昭６１−１６７１０２号公報特開平１−６６０６号公報

最近の火力発電プラントにおいては、より一層プラント熱効率を向上させるため、上述の特許文献に記載された調速手段を組み合せた運用が次に示す事項からなされている。

すなわち、絞り調速方式単独では、全負荷帯において、蒸気加減弁の全弁を絞る運用を行うので、部分負荷における熱効率が悪くなる。また、ノズル締切調速方式単独では、調速段（初段落タービンノズル）から部分的な蒸気噴流となって繰返しタービン動翼にその衝撃力が加わるので、タービン動翼の強度に不安を与える。

一方、ボイラの蒸気圧力を変化させる変圧運転においては、蒸気タービン（高圧タービン）の入口側に設けた蒸気加減弁の弁開度を一定開度に維持させたまま、蒸気圧力を上昇、降下させるので、必然的に絞り調速方式とノズル締切調速方式を組み合せて運用される場合が多くなっている。

このため、絞り調速方式の不利益な点として称されていた蒸気の圧力損失があらわれ、計画値とおりのプラント熱効率の向上を達成できないとする問題点を含んでいた。

また、変圧運転は、負荷（出力）増減指令に対し、ボイラから発生する蒸気の圧力を変化させて対応するものであるが、何分にもボイラ自身の時定数が大き過ぎ、このため、ボイラ圧力の追従性が悪く、強いては負荷応答性が悪い等の問題点を抱えていた。

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、蒸気タービンの入口側に備えた蒸気加減弁と初段落タービンノズルとから構成される調速段で、ボイラから供給される蒸気を無駄なく効果的に活用し、より一層高いプラント熱効率を実現させる一方、タービン性能向上のみならず運用面においても安定運転を行わせ得る火力発電プラントおよびその運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せた火力発電プラントにおいて、前記蒸気タービン部の高圧タービンに蒸気を供給する蒸気加減弁を、変圧運転時に弁体を先に開弁させる先行弁と弁体を後に開弁させる後行弁とから構成するとともに、前記変圧運転の途中にて前記先行弁を全開として維持し、この状態にて前記後行弁の開弁を開始させ、前記先行弁を全開として維持し前記後行弁を開弁させた状態で前記変圧運転を終了させ定圧運転に移行させる制御手段を設けたとを設けたものである。

また、本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せた火力発電プラントにおいて、前記蒸気タービン部の高圧タービンに、変圧運転時、弁体を先に開弁させる先行弁と弁体を後に開弁させる後行弁とを備える蒸気加減弁と、前記ボイラから前記先行弁および前記後行弁のそれぞれを介して供給される蒸気に膨張仕事をさせる初段落タービンノズルとで構成する可変調速段とを設けるとともに、変圧運転終了後、定圧運転中にタービン負荷増減指令があったとき、前記後行弁の弁開閉特性を変圧運転時の前記後行弁の弁開閉特性から平行移動させて前記先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性変更制御手段を設けたものである。

また、本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せた火力発電プラントにおいて、前記蒸気タービン部の高圧タービンに、変圧運転時、弁体を先に開弁させる先行弁と弁体を後に開弁させる後行弁とを備える蒸気加減弁と、前記ボイラから前記先行弁および前記後行弁のそれぞれを介して供給される蒸気に膨張仕事をさせる初段落タービンノズルとで構成する可変調速段とを設けるとともに、変圧運転終了後、定圧運転中にタービン負荷増減指令があったとき、前記後行弁の弁開閉特性を変圧運転時の前記後行弁の弁開閉特性に較べて緩やかな傾斜にして前記先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性変更制御手段を設けたものである。

また、本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、先行弁は、複数の弁体を備え、複数の弁体を全て同時に全開させる関数器を備えたものである。

また、本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、後行弁は、少なくとも１つ以上の弁体を備え、先行弁を全開させた後、開弁させる関数器を備えたものである。

また、本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、弁開閉特性変更制御手段は、変圧運転が終了し、定圧運転中、タービン負荷増減指令があったとき、少なくとも１つ以上の弁体を備えた後行弁に変圧運転時における弁開閉特性から平行移動させて変更し、先行弁の弁開閉特性に連続させる関数器であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、関数器は、少なくとも１つ以上の弁体を備えた後行弁を、変圧運転時の弁開閉特性から定圧運転時の弁開閉特性に変更させて先行弁の弁開閉特性にまた、本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、弁開閉特性変更制御手段は、変圧運転が終了し、定圧運転中、タービン負荷増減指令があったとき、少なくとも１つ以上の弁体を備えた後行弁に変圧運転時における弁開閉特性から変更させて最大負荷から先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性にするとともに、この連続させる弁開閉特性を緩やかに傾斜させる関数器であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る火力発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、関数器は、後行弁を、変圧運転時の弁開閉特性から定圧運転時、最大負荷からの先行弁の弁開閉特性に連続させ、かつ緩やかな傾斜にさせる弁開閉特性に変更させる切替関数器を備えたものである。

また、本発明に係る火力発電プラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、切替関数器は、切替信号を出力する切替信号器を備えたものである。

また、本発明に係る火力発電プラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せ、前記蒸気タービン部の高圧タービンの入口側に設けた蒸気加減弁を介して前記ボイラから発生した蒸気を前記高圧タービンに供給する際、前記蒸気加減弁の複数の弁体のうちの一部を先行弁として先に開弁させるとともに全ての前記先行弁を全開として維持した状態での変圧運転を行わせ、前記蒸気加減弁の複数の弁体のうちの残部を後行弁として前記変圧運転中に開弁させ、前記先行弁を全開として維持し前記後行弁を開弁させた状態で前記変圧運転を終了させて定圧運転に移行することを特徴とする火力発電プラントの運転方法である。である。

また、本発明に係る火力発電プラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、後行弁は、先行弁の全開後、傾斜速度調定率の高い領域から弁開き始めを開始させる方法である。

また、本発明に係る火力発電プラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せ、前記蒸気タービン部の高圧タービンの入口側に設けた蒸気加減弁を介して前記ボイラから発生した蒸気を前記高圧タービンに供給する際、変圧運転時、前記蒸気加減弁の複数の弁体のうち、先に開弁させる先行弁を全て同時に全開させた後、後行弁を開弁させる一方、変圧運転終了後、定圧運転中、タービン負荷増減指令があったとき、前記後行弁の弁開閉特性を変圧運転時における弁開閉特性から平行移動させ、前記先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性に変更させ、この変更弁開閉特性に沿って前記後行弁を開閉させる方法である。

また、本発明に係る火力発電プラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せ、前記蒸気タービン部の高圧タービンの入口側に設けた蒸気加減弁を介して前記ボイラから発生した蒸気を前記高圧タービンに供給する際、変圧運転時、前記蒸気加減弁の複数の弁体のうち、先に開弁させる先行弁を全て同時に全開させた後、後行弁を開弁させる一方、変圧運転終了後、定圧運転中、タービン負荷増減指令があったとき、前記後行弁の弁開閉特性を変圧運転時における弁開閉特性から移動させ、最大負荷から前記先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性に変更させ、かつこの変更弁開閉特性を緩やかに傾斜させ、緩やかな傾斜の変更弁開閉特性に沿って前記後行弁を開閉させる方法である。

また、本発明に係る火力発電プラントの運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、後行弁の弁開閉特性を、先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性への変更は、切替信号器からの切替信号によって行わせる方法である。

本発明に係る火力発電プラントおよびその運転方法は、蒸気加減弁に、先に開弁させる先行弁と、後に開弁させる後行弁とを設け、先行弁を全開させた後、後行弁を開弁させ、後行弁の弁開き始めの際の傾斜速度調定率をより一層好ましく小さくさせているので、蒸気加減弁の絞り損失の抑制に伴なうプラント熱効率を向上させることができ、タービン負荷増減の指令に対する応答性の感度をより一層高めて火力発電プラントの安定運転を確保することができる。

以下、本発明に係る火力発電プラントおよびその運転方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

なお、本発明に係る火力発電プラントおよびその運転方法を容易に理解するために、その説明に先立ち、先ず、一般的な火力発電プラントが行う一例であり、特許文献２にも開示されているように、既に良く知られた変圧運転を行う際の蒸気加減弁の弁体挙動、蒸気加減弁の弁体を開閉させるタービン制御回路のそれぞれを説明し、本発明に係る火力発電プラントおよびその運転方法の理解への補足とする。

図１１は、一般的な火力発電プラントを示す概略系統図である。

火力発電プラントは、ボイラ１００、蒸気タービン部１０１、主蒸気系１０２、再熱蒸気系１０３、復水給水系１０４を備えるランキンサイクルのシステム構成になっている。

ボイラ１００は、蒸気発生器１０５と再熱器１０６を収容し、投入する燃料と空気で燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスの熱により蒸気発生器１０５から主蒸気を発生させるとともに、再熱器１０６から再熱蒸気を発生させている。

蒸気タービン部１０１は、互いを軸直結させた高圧タービン１０７、中圧タービン１０８、低圧タービン１０９を備え、高圧タービン１０７で主蒸気系１０２から供給された主蒸気に膨張仕事をさせ、膨張仕事を終えたタービン排気を低温再熱系１１０の逆止弁１１１を介して再熱器１０６に供給し、ここで熱を失ったタービン排気を再熱させ、再熱蒸気として再熱蒸気系１０３を介して中圧タービン１０８に供給して膨張仕事をさせ、さらに低圧タービン１０９でも膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機（図示せず）を駆動している。

復水給水系１０４は、復水器１１３と給水ポンプ１１４を備え、蒸気タービン部１０１の低圧タービン１０９で膨張仕事を終えたタービン排気を復水器１１３で凝縮させて復水にし、この復水を給水ポンプ１１４で加圧させて給水にし、この給水をボイラ１００の蒸気発生器１０５に戻している。

再熱蒸気系１０３は、再熱蒸気止め弁１１５、インターセプト弁１１６を備えるとともに、再熱蒸気止め弁１１５の入口側から分岐し、途中に低圧タービンバイパス弁１１７を介装し、復水給水系１０４の復水器１１３に接続する低圧タービンバイパス系１１８を備え、例えば再熱器１０６からの再熱蒸気の圧力、温度が予め定められた値に達していないとき、低圧タービンバイパス系１１８を介して復水器１１３に供給している。

主蒸気系１０２は、主蒸気止め弁１１９、蒸気加減弁１２０を備えるとともに、主蒸気止め弁１１９の入口側から分岐し、途中に高圧タービンバイパス弁１２１を介装し、低温再熱系１１０に接続する高圧タービンバイパス系１２２を備え、例えば主蒸気の圧力、温度が予め定められた値に達していないとき、あるいは負荷遮断等異常事態が発生し、主蒸気量が過剰になったとき等の場合、ボイラ１００の蒸気発生器１０５からの主蒸気を高圧タービンバイパス弁１２１を備える高圧タービンバイパス系１２２、低温再熱蒸気系１１０、低圧タービンバイパス弁１１７を備える低圧タービンバイパス系１１８を介して復水給水系１０４の復水器１１３に供給している。

このような構成を備える火力発電プラントにおいて、蒸気タービン部１１０における高圧タービン１０７の入口側に設けられている蒸気加減弁１２０は、図１２〜図１４に示す弁開閉特性を持ち、ボイラ１００からの蒸気流量を制御し、蒸気タービン部１０１に負荷運転を行わせている。なお、蒸気加減弁１２０は、通常、複数個の弁体を備え、複数個の弁体で蒸気流量制御に伴なうタービン負荷調整を行っているが、ここでは説明の便宜上、４つの弁体を持つものを例示として、以下に説明する。

一般に、蒸気タービンは、調速運転を行う際、２つの調速方式を持っており、一つが絞り調速方式であり、もう一つがノズル調速方式である。両方式とも、利害得失を持っている。

このため、蒸気タービンは、両方式のうち、利点だけを利用する絞り調速−ノズル調速併用方式が多い。上述の特許文献１および特許文献２は、この併用方式を採用している。

図１２〜図１４に示す弁開閉特性を持つ上記特許文献２記載の蒸気加減弁１２０は、線Ａで示すタービン負荷３０％から線Ｂで示すタービン負荷９０％までの範囲で変圧運転を行い、タービン負荷９０％以後タービン負荷１００％まで定圧運転を行っている。

そして、蒸気加減弁１２０は、負荷ゼロから負荷９０％までの間、第１弁体♯１から第３弁体♯３までを同時に開弁させ、まだ開弁中の第１弁体♯１から第３弁体♯３に対し、タービン負荷９０％になると変圧運転を終了させ、第４弁体♯４を第１弁体♯１から第３弁体♯３までと一緒に開弁させて定圧運転を行っている。

したがって、蒸気加減弁１２０は、タービン負荷９０％まで第１弁体♯１から第３弁♯３を開弁させる一方、第４弁体♯４を閉弁させているので、絞り調速運転が行われ、またタービン負荷９０％から定格負荷（１００％負荷）まで第１弁体♯１から第４弁体♯４の全弁を開弁させているので、ノズル調速運転が行われる。

また、蒸気加減弁１２０は、タービン負荷９０％から定格負荷（１００％負荷）に至るまで、第１弁体♯１から第３弁体♯３と一緒に第４弁体♯４を開弁させる一方、第４弁体♯４の開弁に際し、蒸気流量を直線的に増加させるように開弁させて傾斜速度調定率をより小さくさせているので、タービン負荷指令に対し、迅速に追従し、タービン負荷応答性を高く維持させている。

このように蒸気加減弁１２０の第１弁体♯１から第４弁体♯４までを開弁させるタービン制御回路は、図１４に示すように、速度制御回路１２３、負荷制御回路１２４、加減算部１２５、演算信号を分配する演算信号分配部１２６、蒸気加減弁１２０の第１弁体１２０ａ、第２弁体１２０ｂ、第３弁体１２０ｃ、第４弁体１２０ｄのそれぞれに弁開度演算信号を与える第１弁体用関数器１２７ａ、第２弁体用関数器１２７ｂ、第３弁体用関数器１２７ｃ、第４弁体用関数器１２７ｄを備え、速度制御回路１２３からのタービン回転数制御信号と負荷制御回路１２４からのタービン負荷設定信号とを加減算器１２５で突き合わせて加減算し、この加減算演算信号を流量要求信号（タービン負荷信号）として演算信号分配部１２５で分配して第１弁体用関数器１２７ａ〜第３弁体関数器１２７ｃのそれぞれに与え、ここで弁リフト信号を演算し、演算した弁リフト信号と第１弁体１２０ａから第３弁体１２０ｃのそれぞれに同時に与えて同時に全開させている。

また、蒸気加減弁１２０は、演算信号分配部１２６から第４弁体用関数器１２７ｄに流量要求信号（タービン負荷信号）を与える際、開弁遅れａａの特性要素を組み込み、第１弁体１２０ａから第３弁体１２０ｃの各弁体がまだ開弁中であり、タービン負荷が９０％になったとき、第４弁体１２０ｄに弁リフト信号を与えて開弁させている。

このように、上述の特許文献２も含めて従来の火力発電プラントは、変圧運転を行うとき、蒸気加減弁１２０の第１弁体１２０ａから第４弁体１２０ｄのうち、第１弁体１２０ａから第３弁体１２０ｃまでを先行弁として開弁させ、例えばタービン負荷９０％になって変圧運転を終了させ、定圧運転に移行するとき、後行弁としての第４弁体１２０ｄを開弁させていた。しかも、後行弁である第４弁体１２０ｄの開弁の際、先行弁である第１弁体１２０ａから第３弁体１２０ｃは、未だ、開弁中（全開途上）であった。

このため、従来の蒸気加減弁１２０は、タービン定格負荷に至るまで、第１弁体１２０ａから第４弁体１２０ｄの全弁を途中開度まで開弁させた絞り運用となり、これに伴なう絞り損失が発生し、タービン内部効率（タービン調速段効率）を悪くさせ、無駄なエネルギを消費する等の問題を抱えていた。

本発明に係る火力発電プラントおよびその運転方法は、このような問題点に対処してなされたものであり、例えばタービン負荷９０％時点で変圧運転から定圧運転に移行させるとき、先行弁として蒸気加減弁１２０の第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃを全開させておき、後行弁としての蒸気加減弁１２０の第４弁体１２０ｄを既に開弁させた状態で定圧運転に移行させたものである。

すなわち、本実施形態に係る火力発電プラントの運転方法は、図１および図２に示すように、絞り締切調速方式を用いて、例えばタービン負荷３０％〜タービン負荷９０％までの間に変圧運転を行わせ、その際、蒸気加減弁１２０の第１弁体１２０ａ〜第４弁体１２０ｄのうち、先行弁としての第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃを、例えばタービン負荷３０％のとき、全て同時に全開させてそのまま弁開度を維持させるとともに、例えばタービン負荷８９％のとき、後行弁として第４弁体１２０ｄを直線的に開弁させたものである。この後、タービン負荷９０％時点で定圧運転に移行し、定格負荷（１００％負荷）までは、第４弁体１２０ｄのみ開弁させタービン負荷運転を行う。

このように、本実施形態は、蒸気タービン部１０１の高圧タービン１０７に収容する初段落タービンノズル（図示せず）に、先に開弁する先行弁と傾斜速度調定率の著しく高い領域Ｐを回避させた後に開弁させる後行弁とを組み合せた蒸気加減弁１２０から供給される蒸気で膨張仕事をさせているので、蒸気加減弁１２０と初段落タービンノズルを備える調速段を可変調速段として構成される。

また、蒸気加減弁１２０の第１弁体１２０ａ〜第４弁体１２０ｄのうち、先行弁としての第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃを、例えばタービン負荷３０％で同時に全開にさせ、例えばタービン負荷８９％で後行弁としての第４弁体１２０ｄを直線的に開弁させるタービン制御回路は、図８に示すように、蒸気加減弁１２０の第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃを、例えばタービン負荷３０％で全開させる弁開度特性を持つ第１弁体用関数器１２８ａ、第２弁体用関数器１２８ｂ、第３弁体用関数器１２８ｃを備えるとともに、例えばタービン負荷８９％で直線的に開弁させる弁開度特性を持つ第４弁体用関数器１２８ｄを備えている。ここで、第４弁体用関数器１２８ｄは、開弁遅れｂの特性要素を、図１５に示した第４弁体用関数器１２８ｄの開弁遅れａａの特性要素に較べて大きくしている。

なお、本実施形態に係る他の構成要素は、図１４で示した構成要素と同一なので、同一符号を付して重複説明を省略する。

図７は、従来の絞り損失と本実施形態に係る火力発電プラントおよびその運転方法の絞り損失（蒸気加減弁の圧力損失）とを対比させた絞り損失線図である。なお、線図中、縦軸（対数目盛）は絞り損失を、横軸はタービン負荷（蒸気流量）をそれぞれ示す。

この線図からわかるように、本実施形態に係る蒸気加減弁１２０の第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃを、例えばタービン負荷３０％で全て全開させているので、例えばタービン負荷８９％のときまでの絞り損失が小さくなっており、この時点から第４弁体１２０ｄを開弁させ、変圧運転を終了させる、例えばタービン負荷９０％、あるいは定格負荷１００％に至るまでの絞り損失増加が僅かであり、結局、本実施形態に係る絞り損失特性Ｙの方が従来に係る絞り損失特性Ｘに較べてタービン負荷１００％において、ΔＳだけ著しく低下している。

このように、本実施形態は、蒸気加減弁１２０の先行弁としての第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの全てを同時に全開させた後、後行弁としての第４弁体１２０ｄを開弁させ、変圧運転が終了する、例えばタービン負荷９０％までに第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃでタービン負荷８９％に相当する要求蒸気流量を負担させ、残りの要求蒸気流量１％を第４弁体１２０ｄで負担させるとともに、変圧運転の終了する９０％負荷時点における第４弁体１２０ｄの開弁に際しては、傾斜速度調定率をより一層好ましく小さくさせているので、蒸気加減弁の絞り損失をより一層少なくさせて火力発電プラントのプラント熱効率を向上させることができ、要求タービン負荷に対し、より一層迅速に対応させ、応答性の感度を高くして火力発電プラントの安定運転を確保することができる。

なお、本実施形態は、変圧運転の終了時期をタービン負荷９０％にしているが、この例に限らず、変圧運転の終了時期をタービン負荷９０％の前後、例えばタービン負荷８５％〜定格負荷（１００％タービン負荷）の範囲内に終了させてもよく、上述と同様の効果を奏する。

図３および図４は、本発明に係る火力発電プラントおよびその運転方法の第２実施形態を説明する際の特性線図である。

なお、図中、図３は蒸気流量線図であり、破線が第１実施形態で示した第４弁体の蒸気流量値線Ｆ_０、実線が本実施形態に係る第４弁体の蒸気流量値線Ｆ_１である。また、図４は弁開度線図であり、破線が第１実施形態で示した第４弁体の弁開度値線Ｌ_０、実線が本実施形態に係る第４弁体の弁開度値線Ｌ_１である。

図１および図２で示した第１実施形態においては、蒸気加減弁１２０のうち、先行弁としての第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの全てを同時に全開させた後、後行弁としての第４弁体１２０ｄを開弁させ、変圧運転終了後、定圧運転に移行させていた。

このとき、例えば、タービン負荷１００％で運転中に中央給電指令部からタービン負荷降下指令があると、後行弁としての第４弁体１２０ｄは、破線で示す弁開度値線Ｌ_０に沿って変化し、閉じる。そのときの蒸気流量は、破線で示す蒸気流量値線Ｆ_０に沿って変化する。

第４弁体１２０ｄが閉弁する。

さらに、より一層のタービン負荷指令があり、変圧運転終了領域に入ると、第４弁体１２０ｄは閉弁しても、ボイラ側の蒸気圧力制御が変圧運転に早急に対処できない場合、蒸気加減弁１２０は、全開中の第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃを同時に閉弁を開始させるが、その際、図３にも示されているように、傾斜速度調定率の著しく高く（悪く）なる領域Ｐを通過するため、給電指令に対し、応答性が鈍くなる。

また、変圧運転に際し、蒸気加減弁の制御方式には、上述特許文献２にも開示されているように、幾つかの方式があるが、いずれの方式もタービン負荷増減の給電指令があると、過渡時、その給電方式に対応させて蒸気圧力を的確に制御することが難しくなる。

すなわち、この場合、タービン側では、図１および図２に示した絞り締切調速運転を行っており、また、ボイラ側では、発生する蒸気の圧力制御を行っている。このため、ボイラ側にタービン負荷増減の給電指令があっても、ボイラ自身の時定数が大きいので、迅速な応答性が期待できない。

また、変圧運転終了後、定圧運転中、タービン側は、例えばロードリミッタ運転からガバナー運転に切り替え、調速装置で系統周波数変動に伴うタービン負荷増減（蒸気流量増減）調整を行っても、例えば、タービン負荷９０％以下の変圧運転域になると短時間のうちに、それに対応させた蒸気圧力を的確に制御することが難しい。

まして、図３に示される速度調定率の著しく高く（悪く）なる領域（外側に向って凸状の山なり曲線）Ｐを蒸気加減弁１２０が通過するだけにタービン負荷要求に対する応答性が非常に悪くなり、火力発電プラントに無駄な運転を行わせることになる。

本実施形態は、このような点を考慮してなされたものであり、蒸気加減弁１２０の第４弁体１２０ｄの開閉に際し、傾斜速度調定率の著しく高く（悪く）なる領域Ｐの通過を回避させるために、図３および図４に示すように、実線で示す第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１および第４弁体弁開度値線Ｌ_１に平行移動して変更させるとともに、実線で示す変更後の第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１を第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの合計蒸気流量値線Ｆ_２に連続（接続）させたものである。

なお、図４中、ｂは、第１実施形態における蒸気加減弁１２０の第４弁体１２０ｄの弁開き始め位置であり、Ｒｂは、第１実施形態におけるタービン定格負荷（１００％タービン負荷）の位置である。また、ａは、第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０および第４弁体弁開度値線Ｌ_０を平行移動させたときの本実施形態における第４弁体１２０ｄの弁開閉基点に相当する位置であり、Ｒａは、本実施形態におけるタービン定格負荷の位置である。

このように、蒸気加減弁１２０の第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０および第４弁体弁開度値線Ｌ_０を平行移動させるとともに、平行移動させて変更した第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１を第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの合計蒸気流量値線Ｆ_２に連続（接続）させるタービン制御回路は、図９に示すように、演算信号分配部１２６と第４弁体用関数器１２８ｄとの間に加減算器１２９を設け、この加減算器１２９にバイアスを与える切替バイアス器１３０を備え、この切替バイアス器１３０から加減算器１２９に与えられるバイアスによって第４弁体１２０ｄの第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０および第４弁体弁開度値線Ｌ_０のそれぞれを平行移動させて変更する、第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１および第４弁体弁開度値線Ｌ_１にするとともに、変更した第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１を第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの合計蒸気流量値線Ｆ_２に連続（接続）させる構成になっている。

この場合、切替バイアス器１３０からのバイアスは、図８で示した第１実施形態における第４弁体１２０ｄの弁開き開始位置ｂから平行移動させた第４弁体１２０ｄの弁開閉基点に相当する位置ａを差し引いた値である。

なお、他の構成要素は、図８で示した第１実施形態の構成要素と同一なので、同一符号を付し、重複説明を省略する。

このように、本実施形態は、蒸気加減弁１２０の先行弁としての第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの全てを同時に全開させた後、後行弁としての第４弁体１２０ｄを直線的に開弁させて第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０および第４弁体弁開度値線Ｌ_０を形成し、変圧運転から定圧運転に入った後、中央給電指令部からタービン負荷増減指令があり、ロードリミッタ運転およびガバナー運転のうち、いずれかの運転に切り替わったとき、第４弁体用関数器１２８ｄによって第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０および第４弁体弁開度値線Ｌ_０のそれぞれを平行移動させ、第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１および第４弁体弁開度値線Ｌ_１のそれぞれに変更させるとともに、平行移動する第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１を第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの合計蒸気流量値線Ｆ_２に連続（接続）させ、第４弁体１２０ｄの開弁の際、傾斜速度調定率の著しく高く（悪く）なる領域Ｐを回避させる構成にしているので、タービン負荷増減指令に対し、迅速に応答させてタービン負荷増減指令に見合う蒸気圧力を的確に制御することができ、迅速な応答の下、火力発電プラントの安定運転を確保することができる。

図５および図６は、本発明に係る火力発電プラントおよびその運転方法の第３実施形態を説明する際の特性線図である。

なお、図中、図５は蒸気流量線図であり、破線が第１実施形態で示した蒸気流量値線Ｆ_０１、実線が本実施形態に係る蒸気流量値Ｆ_１１である。また、図６は弁開度線図であり、破線が第１実施形態で示した弁開度値線Ｌ_０１、実線が本実施形態に係る弁開度値線Ｌ_１１である。

従来、蒸気タービンにおいては、復水器に供給される冷却水の温度が高いと、真空度が悪くなり、設計値通りの断熱膨張が行われず、設計値の定格負荷（１００％タービン負荷）の確保ができない場合がある。

このため、蒸気タービンには、設計値の定格負荷にてマージンを加えて最大負荷Ｑが出力できるように設計されている。

このように、最大負荷Ｑが出せる蒸気タービンは、ボイラからの蒸気流量を制御する際、図５および図６に示すように、蒸気加減弁１２０の第１弁体１２０ａ〜第４弁体１２０ｄのうち、先行弁としての第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃを、第１実施形態と同様に、全てを同時に全開させた後、後行弁として第４弁体１２０ｄを、破線で示す弁開度値線Ｌ_０１に沿って開弁させ、最大負荷Ｑに至るまでに蒸気流量値線Ｆ_０１を得ている。

また、蒸気タービンは、最大負荷Ｑに至るまでの間に変圧運転が終了すると、定圧運転に入るが、最大負荷Ｑに近付いたとき、中央給電指令部からタービン負荷降下の指令が与えられ、ロードリミック運転およびガバナー運転のうち、いずれかの運転に切り替えられ、第４弁体１２０ｄを閉弁させて第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃに切り替えるとき、第２実施形態の図３および図４の実線で示す第４弁体弁開度値線Ｌ_１に沿って第４弁体１２０ｄを閉弁させると、ボイラから供給される蒸気の圧力に突変が起り、初段落タービンノズルの調速段に流れる蒸気に擾乱が発生する。

本実施形態は、このような点を考慮してなされたものであり、蒸気加減弁１２０の第４弁体１２０ｄの開閉に際し、傾斜速度調定率の著しく高く（悪く）なる領域Ｐの通過を回避させるとともに、例えば、最大負荷Ｑの位置から第４弁体１２０ｄを閉弁させると、ボイラから供給される蒸気の圧力の突変、調速段に流れる蒸気の擾乱を防止させるために、破線で示す第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０１および第４弁体弁開度値線Ｌ_０１のそれぞれを実線で示す第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１１および第４弁体弁開度値線Ｌ_１１に移動して変更させるとともに、実線で示す第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１１を最大負荷Ｑの位置から第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの合計蒸気流量値線Ｆ_２１に連続（接続）させる際、その勾配を緩やかな傾斜にしたものである。なお、図６中、ｄは、最大負荷Ｑにおける基準（固定）位置である。

このように、蒸気加減弁１２０の第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０１および第４弁体弁開度値線Ｌ_０１を移動させるとともに、移動させて変更した第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１１を最大負荷Ｑから第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの合計蒸気流量値Ｆ_２１に連続（接続）させる際、勾配を緩やかな傾斜にするタービン制御回路は、図１０に示すように、演算信号分配部１２６と第４弁体用関数器１２８ｄとの間に切替関数器１３１を設け、この切替関数器１３１に切替信号を与える切替信号器１３２を備え、この切替信号器１３２から切替関数器１３１に与えられる切替信号を基にして第４弁体１２０ｄの第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０１および第４弁体弁開度値線Ｌ_０１のそれぞれを最大負荷Ｑにおける基準位置ｄを基点に移動させて第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１１および第４弁体弁開度値線Ｌ_１１に変更するとともに、第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１１を最大負荷Ｑにおける基準位置ｄから第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの合計蒸気流量値線Ｆ_２１に連続（接続）させる際、勾配を緩やかな傾斜にして連続（接続）させる構成になっている。

なお、切替関数器１３１は、変圧運転が終了し、定圧運転に入っているとき、中央給電指令部からタービン負荷増減指令があり、ロードリミック運転およびガバナー運転のうち、いずれかの運転に切り替えるときに使用され、レートリミッタ、加減算器（ともに図示せず）を備え、レートリミッタを介して加減算器からの出力によって破線で示す第４弁体時和流量値線Ｆ_０１、第４弁体弁開度値線Ｌ_０１のそれぞれを、実線で示す第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１１、第４弁体弁開度値線Ｌ_１１のそれぞれに切り替えることができるようになっている。

このように、本実施形態は、蒸気加減弁１２０の先行弁としての第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの全てを同時に全開させた後、後行弁としての第４弁体１２０ｄを直線的に開弁させて第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０１および第４弁体弁開度値線Ｌ_０１を形成し、変圧運転から定圧運転に入って最大負荷Ｑに至る間に、中央給電指令部からタービン負荷増減指令があり、ロードリミッタ運転およびガバナー運転のうち、いずれかの運転に切り替えたとき、切替関数器１３１の出力信号により第４弁体蒸気流量値線Ｆ_０１および第４弁体弁開度値線Ｌ_０１のそれぞれを最大負荷Ｑの基準位置ｄを基点に移動させて第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１１および第４弁体弁開度値線Ｌ_１１のそれぞれに変更させるとともに、変更させた第４弁体蒸気流量値線Ｆ_１１を最大負荷Ｑの位置から第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの合計蒸気流量値線Ｆ_２１に連続（接続）させる際、その勾配を緩やかな傾斜にし、第４弁体１２０ｄの開閉の際、傾斜速度調定率の著しく高く（悪く）なる領域Ｐを回避させるとともに、第４弁体１２０ｄの開閉から第１弁体１２０ａ〜第３弁体１２０ｃの開閉に切り替えるとき、蒸気圧力の変動に伴なう調速段への蒸気流れの擾乱を防止する構成にしているので、タービン負荷増減指令に対し、迅速に応答させてタービン負荷増減指令に見合う蒸気圧力を的確に制御することができ、迅速な応答の下、火力発電プラントの安定運転を確保することができる。

本発明に係る火力発電プラントの運転方法の第１実施形態を説明する際の蒸気加減弁蒸気流量線図。本発明に係る火力発電プラントの運転方法の第１実施形態を説明する際の蒸気加減弁弁開度線図。本発明に係る火力発電プラントの運転方法の第２実施形態を説明する際の蒸気加減弁蒸気流量線図。本発明に係る火力発電プラントの運転方法の第２実施形態を説明する際の蒸気加減弁弁開度線図。本発明に係る火力発電プラントの運転方法の第３実施形態を説明する際の蒸気加減弁蒸気流量線図。本発明に係る火力発電プラントの運転方法の第３実施形態を説明する際の蒸気加減弁弁開度線図。従来の蒸気加減弁弁絞り損失と本発明における蒸気加減弁弁絞り損失とを対比させた弁絞り損失線図。本発明に係る火力発電プラントの第１実施形態を示す概略制御回路図。本発明に係る火力発電プラントの第２実施形態を示す概略制御回路図。本発明に係る火力発電プラントの第３実施形態を示す概略制御回路図。一般的な火力発電プラントを示す概略系統図。従来の火力発電プラントにおける蒸気加減弁を通る蒸気流量を示す蒸気加減弁弁蒸気流量線図。従来の火力発電プラントの変圧運転時における蒸気加減弁の弁リフトを示す蒸気加減弁弁開度線図。従来の火力発電プラントに適用する蒸気加減弁の制御回路を示す図。

符号の説明

１００ボイラ
１０１蒸気タービン部
１０２主蒸気系
１０３再熱蒸気系
１０４復水給水系
１０５蒸気発生器
１０６再熱器
１０７高圧タービン
１０８中圧タービン
１０９低圧タービン
１１０低温再熱系
１１１逆止弁
１１３復水器
１１４給水ポンプ
１１５再熱蒸気止め弁
１１６インターセプト弁
１１７低圧タービンバイパス弁
１１８低圧タービンバイパス系
１１９主蒸気止め弁
１２０蒸気加減弁
１２０ａ第１弁体
１２０ｂ第２弁体
１２０ｃ第３弁体
１２０ｄ第４弁体
１２１高圧タービンバイパス弁
１２２高圧タービンバイパス系
１２３速度制御回路
１２４負荷制御回路
１２５加減算部
１２６演算信号分配部
１２７ａ第１弁体用関数器
１２７ｂ第２弁体用関数器
１２７ｃ第３弁体用関数器
１２７ｄ第４弁体用関数器
１２８ａ第１弁体用関数器
１２８ｂ第２弁体用関数器
１２８ｃ第３弁体用関数器
１２８ｄ第４弁体用関数器
１２９加減算器
１３０切替バイアス器
１３１切替関数器
１３２切替信号器

Claims

ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せた火力発電プラントにおいて、前記蒸気タービン部の高圧タービンに蒸気を供給する蒸気加減弁を、変圧運転時に弁体を先に開弁させる先行弁と弁体を後に開弁させる後行弁とから構成するとともに、前記変圧運転の途中にて前記先行弁を全開として維持し、この状態にて前記後行弁の開弁を開始させ、前記先行弁を全開として維持し前記後行弁を開弁させた状態で前記変圧運転を終了させ定圧運転に移行させる制御手段を設けたことを特徴とする火力発電プラント。
ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せた火力発電プラントにおいて、前記蒸気タービン部の高圧タービンに、変圧運転時、弁体を先に開弁させる先行弁と弁体を後に開弁させる後行弁とを備える蒸気加減弁と、前記ボイラから前記先行弁および前記後行弁のそれぞれを介して供給される蒸気に膨張仕事をさせる初段落タービンノズルとで構成する可変調速段とを設けるとともに、変圧運転終了後、定圧運転中にタービン負荷増減指令があったとき、前記後行弁の弁開閉特性を変圧運転時の前記後行弁の弁開閉特性から平行移動させて前記先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性変更制御手段を設けたことを特徴とする火力発電プラント。
ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せた火力発電プラントにおいて、前記蒸気タービン部の高圧タービンに、変圧運転時、弁体を先に開弁させる先行弁と弁体を後に開弁させる後行弁とを備える蒸気加減弁と、前記ボイラから前記先行弁および前記後行弁のそれぞれを介して供給される蒸気に膨張仕事をさせる初段落タービンノズルとで構成する可変調速段とを設けるとともに、変圧運転終了後、定圧運転中にタービン負荷増減指令があったとき、前記後行弁の弁開閉特性を変圧運転時の前記後行弁の弁開閉特性に較べて緩やかな傾斜にして前記先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性変更制御手段を設けたことを特徴とする火力発電プラント。
先行弁は、複数の弁体を備え、複数の弁体を全て同時に全開させる関数器を備えたことを特徴とする請求項１〜３記載の火力発電プラント。
後行弁は、少なくとも１つ以上の弁体を備え、先行弁を全開させた後、開弁させる関数器を備えたことを特徴とする請求項１〜３記載の火力発電プラント。
弁開閉特性変更制御手段は、変圧運転が終了し、定圧運転中、タービン負荷増減指令があったとき、少なくとも１つ以上の弁体を備えた後行弁に変圧運転時における弁開閉特性から平行移動させて変更し、先行弁の弁開閉特性に連続させる関数器であることを特徴とする請求項２記載の火力発電プラント。
関数器は、少なくとも１つ以上の弁体を備えた後行弁を、変圧運転時の弁開閉特性から定圧運転時の弁開閉特性に変更させて先行弁の弁開閉特性に連続させる切替バイアス器を備えたことを特徴とする請求項６記載の火力発電プラント。
弁開閉特性変更制御手段は、変圧運転が終了し、定圧運転中、タービン負荷増減指令があったとき、少なくとも１つ以上の弁体を備えた後行弁に変圧運転時における弁開閉特性から変更させて最大負荷から先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性にするとともに、この連続させる弁開閉特性を緩やかに傾斜させる関数器であることを特徴とする請求項３記載の火力発電プラント。
関数器は、後行弁を、変圧運転時の弁開閉特性から定圧運転時、最大負荷からの先行弁の弁開閉特性に連続させ、かつ緩やかな傾斜にさせる弁開閉特性に変更させる切替関数器を備えたことを特徴とする請求項８記載の火力発電プラント。
切替関数器は、切替信号を出力する切替信号器を備えたことを特徴とする請求項９記載の火力発電プラント。
ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せ、前記蒸気タービン部の高圧タービンの入口側に設けた蒸気加減弁を介して前記ボイラから発生した蒸気を前記高圧タービンに供給する際、前記蒸気加減弁の複数の弁体のうちの一部を先行弁として先に開弁させるとともに全ての前記先行弁を全開として維持した状態での変圧運転を行わせ、前記蒸気加減弁の複数の弁体のうちの残部を後行弁として前記変圧運転中に開弁させ、前記先行弁を全開として維持し前記後行弁を開弁させた状態で前記変圧運転を終了させて定圧運転に移行することを特徴とする火力発電プラントの運転方法。
後行弁は、先行弁の全開後、傾斜速度調定率の高い領域から弁開き始めを開始させることを特徴とする請求項１１記載の火力発電プラントの運転方法。
ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せ、前記蒸気タービン部の高圧タービンの入口側に設けた蒸気加減弁を介して前記ボイラから発生した蒸気を前記高圧タービンに供給する際、変圧運転時、前記蒸気加減弁の複数の弁体のうち、先に開弁させる先行弁を全て同時に全開させた後、後行弁を開弁させる一方、変圧運転終了後、定圧運転中、タービン負荷増減指令があったとき、前記後行弁の弁開閉特性を変圧運転時における弁開閉特性から平行移動させ、前記先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性に変更させ、この変更弁開閉特性に沿って前記後行弁を開閉させることを特徴とする火力発電プラントの運転方法。
ボイラに、蒸気タービン部と復水給水系を組み合せ、前記蒸気タービン部の高圧タービンの入口側に設けた蒸気加減弁を介して前記ボイラから発生した蒸気を前記高圧タービンに供給する際、変圧運転時、前記蒸気加減弁の複数の弁体のうち、先に開弁させる先行弁を全て同時に全開させた後、後行弁を開弁させる一方、変圧運転終了後、定圧運転中、タービン負荷増減指令があったとき、前記後行弁の弁開閉特性を変圧運転時における弁開閉特性から移動させ、最大負荷から前記先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性に変更させ、かつこの変更弁開閉特性を緩やかに傾斜させ、緩やかな傾斜の変更弁開閉特性に沿って前記後行弁を開閉させることを特徴とする火力発電プラントの運転方法。
後行弁の弁開閉特性を、先行弁の弁開閉特性に連続させる弁開閉特性への変更は、切替信号器からの切替信号によって行わせることを特徴とする請求項１４記載の火力発電プラントの運転方法。