JP4237969B2

JP4237969B2 - 蒸気冷却式高性能機械の高圧バイパスの変動設定

Info

Publication number: JP4237969B2
Application number: JP2002077555A
Authority: JP
Inventors: デビッド・アンドリュー・スタツ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: EP1247961A3; JP2003035109A; EP1247961A2; US20030061798A1; US6502401B1; DE60217005T2; DE60217005D1; US6588198B2; EP1247961B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、蒸気冷却式高性能機械のガスタービン及びそれと組み合わされる発電用蒸気タービンに含まれる熱回収蒸気発生装置（ＨＲＳＧ）内のドラム圧力を制御することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ社によって製造された９Ｈ或いは７Ｈ型高性能機械のガスタービンでは、空気冷却に代えて主として蒸気冷却が利用されている。始動時には、最小負荷を超えてガスタービンの負荷を増大する前に、ガスタービンを冷却するための許容値或いは閾値として、高圧（ＨＰ）及び中圧（ＩＰ）バイパス弁を通る充分な蒸気の流量を確立しなければならない。この最小負荷を、運転予備力と呼ぶ。ガスタービンは、運転予備力に達する前及び運転予備力に達している間は空気冷却され、次いで、この運転予備力を上回って負荷を増大させるために蒸気冷却されなければならない。
【０００３】
多くの用途においては、ＨＲＳＧは、３つの発生蒸気圧力、従って３つの別々の蒸気ドラム、すなわち高圧蒸気（ＨＰ）と、中圧蒸気（ＩＰ）と、低圧蒸気（ＬＰ）とを含む。蒸気流量の許容値がＨＰ及び／又はＩＰバイパス弁を介して確立された後に、ガスタービンを蒸気冷却することができる。蒸気流量の許容値を確立するためには、ガスタービンにおけるＨＰドラムのドラム圧力値が、所定のレベル（即ち、下限圧力設定値（例えば、７２０ｐｓｉ））より大きくなければならない。従って、バイパス弁が開く時には、ＨＰドラム圧力は下限圧力設定値に維持されている。下限圧力は、蒸気が蒸気タービンに入ることができる最低圧力である。
【０００４】
高性能機械がかなりの時間停止されていた冷間始動時には、ガスタービンに接続されたＨＲＳＧが冷えているため、ＨＰドラム圧力は低く、ＨＰドラム圧力は下限圧力設定値を下回っている。例えば、高性能機械の始動時に、ＨＲＳＧは、着火していないガスタービンからＨＲＳＧを通って流れる空気によってパージされる。その後ガスタービンは、着火（ＨＲＳＧパージ後）し、運転予備力まで負荷が増大し、このことがＨＲＳＧに入る加熱した排出ガスによりＨＰドラム圧力を増大させるのを可能にする。最終的には、ＨＰドラム圧力は下限圧力設定値より大きくなり、ＨＰバイパス弁が開いて、ガスタービンが蒸気冷却される状態になるまで下限圧力を維持し、その後バイパス弁が閉じられる。
【０００５】
始動時（例えば、ごく最近に停止された後での始動時）にＨＰドラム圧力が下限圧力設定値より大きい場合には、下限圧力に到達するまでバイパス弁は開かれ、その後、例えばガスタービンが着火していないか、或いは着火したばかりの時に、閉じられて圧力を維持する。従って、蒸気圧力としてＨＰドラム中に含まれているエネルギーは、蒸気がバイパス弁を通って流れるので、ガスタービンが運転予備力に到達する前に、失われる。従って、運転予備力に達した後に蒸気を供給するために、ＨＰドラム圧力はその後に再確立されなければならない。従って、ＨＲＳＧにおいて充分な熱が発生され、ガスタービンが運転予備力を超えて負荷を増大させることができるようにするためにＨＰドラムの圧力を増大さるので、時間と燃料とが失われる。
【特許文献１】
特開２００２−１６１７１０号公報
【特許文献２】
特開平０７−２５９５１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
それ故に、高性能機械の始動時にＨＰドラム圧力が下限圧力設定値を越えている場合に、ＨＲＳＧのＨＰドラムが圧力降下するのを防止する技術を提供することに対する必要性が存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
今後は圧力設定値と呼ぶバイパス弁の圧力設定値は、ガスタービンにおけるＨＰドラムがその最低エネルギーレベル（即ち、最低ドラム圧力）にあり、かつ下限圧力設定値を依然として越えている場合に設定される。このシナリオにおいて、ＨＰドラム圧力は、ＨＲＳＧの初期パージの間に減少し、ガスタービンが着火した後に増加する。このＨＰドラム圧力が測定され、圧力設定値は、下限圧力設定値を越えている最低ＨＰドラム圧力値に等しく設定される。従って、設定された圧力設定値は、下限圧力設定値より大きく、それによって、ＨＰドラム中に含まれるエネルギーを維持する。更に、ＨＰドラム圧力が再確立される必要がないので、かなりの時間を節約できる。
【０００８】
本発明のその他の特徴及び利点は、以下の詳細説明と図面とを参照することで明白になるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付の図面の実施例によって図示されるが、それに限定されるものではない。なお、図面において類似参照符号は類似構成要素を示す。
【００１０】
図１は、発電システムの例示的な実施形態を示し、該発電システムは本発明の原理を使用する高性能機械を含む。ＨＲＳＧ１２０に接続されたガスタービン１１０を含む高性能機械は、発電機１３０用の軸動力を発生させる。この高性能機械は、ガスタービンに限定されるものではない。高性能機械が、駆動する負荷次第で、多数のガス発生装置、ＨＲＳＧ、及び蒸気タービンなどを含むことができることは、当業者には容易に分かるであろう。
【００１１】
ＨＲＳＧ１２０は、蒸気を発生し、その一部がガスタービン１１０を冷却するために使用されるので、ＨＲＳＧ１２０は、ＨＰ及び／又はＩＰバイパス弁１２５を介してガスタービン１１０に連結される。ＨＲＳＧ１２０によって発生される大部分の蒸気は、ガスタービンを冷却する蒸気とともに、発電用蒸気タービン１１５へ流れる。また、ＨＲＳＧ１２０は、その中の蒸発器の水位を確立し圧力を維持するために、高圧（ＨＰ）ドラム１３５を含む。蒸発器は、蒸気を発生させる熱交換表面である。図１に描かれたＨＲＳＧ１２０の一部としてＨＰドラム１３５のみが示されているが、それに限定されるものではない。ＨＲＳＧ１２０は、３つの発生蒸気圧力、従って、３つの別々の蒸気ドラム、すなわち高圧蒸気（ＨＰ）と、中圧蒸気（ＩＰ）と、低圧蒸気（ＬＰ）とを含むことができることを理解されたい。また、蒸気タービン１１５は、ボイラ給水を受け、発電システムの残りの設備１５０に対して排出蒸気を放出でき、また発電機１３０に軸動力を与えることができる。
【００１２】
始動時に、ガスタービン１１０は、始動手順を開始するが、その手順には、ガスタービン１１０の圧縮機によって供給される新鮮な空気でＨＲＳＧ１２０をパージすることと、次に着火させて発電するためにガスタービン１１０の負荷を増大させることとを含む。
【００１３】
高性能機械のガスタービン１１０に対する温間再始動の始動手順の間、ＨＲＳＧ１２０は、着火していないガスタービン１１０からＨＲＳＧ１２０へ流れる空気によってパージされる。この空気流は、ＨＲＳＧ１２０の蒸気発生及び加熱表面を冷却し、また、ＨＰドラム１３５の圧力を低下させる。温間再始動は、ＨＰドラム１３５の圧力が下限圧力設定値を越えている場合の始動シナリオに対応する。一般的に言って、温間再始動においては、ドラム圧力は、直前まで高い運転圧力状態（例えば、高性能機械が直前の数分間停止されていた）にあり、バイパス弁１２５はその圧力を維持するために閉じられていた。未着火のガスタービン１１０からの新鮮な空気は、ＨＲＳＧ１２０と蒸発器水とを冷却し、圧力及び水温の低下を引き起こす。その後、ガスタービン１１０は、着火され、運転予備力まで負荷を増大され始め、ＨＰドラム１３５の圧力が上昇する。ガスタービン１１０が着火した後のある時点で、ＨＰドラム１３５の圧力が圧力設定値より大きくなった時に、ＨＰ及び／又はＩＰバイパス弁１２５が開かれる。この圧力設定点が、ドラム圧力が予め設定された下限圧力値を越えている場合、別の方法では、下限圧力設定値が使用される場合、温間再始動又は類似の始動時に、ＨＰドラム１３５がその最低圧力値に到達する点になる。
【００１４】
この圧力設定値は、ＨＰドラム１３５の圧力値である。この圧力値は、始動時に測定されたＨＰドラム１３５の圧力値及びガスタービン１１０の所定の下限圧力設定値に基づいている。下限圧力設定値は閾値であり、該閾値は、通常は蒸気タービン１１５の製造業者により決定される。蒸気タービン１１５は、ＨＲＳＧ１２０で発生された蒸気と、同時にガスタービン１１０からの全ての冷却用蒸気を受け入れる。この蒸気を使用して、蒸気タービン１１５において発電する。
【００１５】
圧力を維持することによってＨＰバイパス弁１２５が、例えば下限圧力値が設定値であった場合よりも迅速に開くことを可能にし、従って蒸気流量を確立するので、ＨＰドラム圧力を設定するこの方法は好都合である。下限圧力設定値を設定するための方法は、以下に詳細に説明する。
【００１６】
図２に示すステップは、ガスタービン１１０と、蒸気タービン１１５と、ＨＲＳＧ１２０と、残りの設備１５０とに対して接続され、それらを制御するプロセッサ利用の制御システム１４０上で動作するソフトウエア（例えば、ファームウエア）に組み込むことができる。例えば、制御システム１４０は、以下に説明し図２に示す方法に従って、ＨＰドラム圧力の測定値を受け、圧力設定値を設定し、またＨＰ及び／又はＩＰバイパス弁１２５を制御するためのソフトウエアを含むことができる。発電システムを制御するためのソフトウエアを設けることは、当該技術でよく知られており、当業者は、既知のプログラム言語と技法とを使用して、図２に示すステップを容易にプログラムできるであろう。
【００１７】
図２は、本発明の好ましい実施形態による、ＨＲＳＧ１２０におけるＨＰドラム１３５の圧力を設定するための方法の流れ図を示す。図２に示す方法は、例示を目的として、図１に示すガスタービン１１０を有する高性能機械に関連して説明される。図２に示す方法は、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ社によって製造されたＨシステム（登録商標）（例えば、７Ｈ或いは９Ｈ型高性能機械のガスタービン）のような多くの種類の複合サイクル装置を運転するのに適用できることを理解されたい。
【００１８】
ステップ２００において、高性能機械のガスタービン１１０は、始動手順を開始する。次いでステップ２０５において、ＨＰドラム１３５の圧力が測定され、新しい圧力値（ＮＰ）が、１／８秒毎に１回のレベルで、連続的に読み取られる。ＨＰドラム１３５についての連続する圧力測定の間の時間は、当業者は容易に決定でき、また、ガスタービンの種類及び負荷次第で変えてもよい。ＨＲＳＧ１２０におけるＨＰドラム１３５の圧力測定用に、従来型の圧力測定用の装置を使用できる。従来型のＨＲＳＧは、ＨＰドラム圧力を自動的に監視するためのシステムを含む。
【００１９】
新規圧力値（ＮＰ）が測定され読み取られた後、ステップ２１０において、新規圧力値（ＮＰ）は先行する時間の間に測定された直前の圧力値（ＰＰ）とオフセット値（例えば、１０ｐｓｉ）との合計と比較される。この新規圧力値（ＮＰ）が、先行圧力値（ＰＰ）とオフセット値とを加えたものより大きい場合には、ステップ２３０において、この状態（即ち、ＮＰ＞ＰＰ＋オフセット）が発生したのは初めてであるのかどうかが判断される。これが初めてである場合には、この新規圧力値（ＮＰ）が、ステップ２４０において、一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）になる。この新規圧力値（ＮＰ）が先行圧力値（ＰＰ）とオフセット値とを加えたものより大きいことが、初めてではない場合には、一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）は、ステップ２５０において維持される。ガスタービン１１０が充分に負荷を増大され、その運転速度を上昇させ続けている場合には、ドラム圧力が上昇し続けるので、一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）は変更されず、一時的圧力設定値は、ステップ２５０において固定されたまま維持される。以前の圧力値（ＰＰ）が新規圧力値（ＮＰ）より小さい限り、圧力設定値（Ｐｓｅｔ）は固定されたままになる。
【００２０】
そうでなくて、ステップ２１０において、先行圧力値（ＰＰ）とオフセット値とを加えたものが、この新規圧力値（ＮＰ）より大きい又は等しい場合には、この一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が、ステップ２２０において新規圧力値（ＮＰ）になる。新規圧力値（ＮＰ）がステップ２４０において一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）になる、或いは、先行圧力値（ＰＰ）がステップ２５０において維持される場合には、もしくは、新規圧力値（ＮＰ）がステップ２２０において一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）になる場合には、この一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）は、ステップ２６０において下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）と比較される。この下限圧力設定値は、変えることができ、また、７２０ｐｓｉのオーダとすることができる。一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が、下限圧力値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きい場合には、圧力設定値（Ｐｓｅｔ）が、ステップ２７０において一時的圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）になる。そうでない場合には、下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）が、ステップ２８０において圧力設定値（Ｐｓｅｔ）として設定される。次の時間ステップにおいては、先行圧力値（ＰＰ）は、ステップ２９０において新規圧力値（ＮＰ）として設定され、次にプロセスの制御は、ステップ２０５に戻り、次の時間に対してプロセスを繰り返す。次の時間において、別の新規圧力値（ＮＰ）が測定され、このプロセスが繰り返される。
【００２１】
図２に示す方法を使用することにより、ガスタービン１１０を含む高性能機械の始動手順の間にＨＰドラム１３５の圧力が下限圧力設定値より大きい場合には、ＨＰドラム１３５は圧力降下しないように圧力設定値が設定される。従って、ＨＰドラム１３５中のエネルギーは、ガスタービン１１０を含む高性能機械の始動手順の間に保存され、時間とエネルギーとは、ＨＰドラム１３５が圧力降下した後にＨＰドラム１３５内の圧力を再構築するために無駄に費やされることがない。
【００２２】
これまで説明してきたのは、本発明の好ましい実施形態である。しかしながら、上で説明した好ましい実施形態に開示した形態以外の特定の形態で、本発明を具体化できることは、当業者には明らかであろう。このことは、本発明の技術思想から離れることなく行うことができるので、この好ましい実施形態は、単に例示的なものであり、決して限定的なものと解釈されてはならない。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を使用する例示的なシステムを示す図。
【図２】本発明の例示的な実施形態による方法の流れ図。
【符号の説明】
１１０ガスタービン
１１５蒸気タービン
１２０熱回収蒸気発生装置（ＨＲＳＧ）
１２５冷却用蒸気
１２６排出ガス
１３５ＨＰドラム
１３０発電機
１４０制御システム
１５０残りの設備

Claims

ドラム（１３５）を備える熱回収蒸気発生装置（１２０）に接続されたガスタービン（１１０）を含む発電システムにおける冷却用蒸気の流量を制御するための方法であって、
前記発電システムの始動時に前記ドラム（１３５）の圧力値（ＮＰ）を測定する段階と、
前記発電システムの始動時に、前記ドラムの測定された圧力値（ＮＰ）が蒸気の流量の許容値を確立するための所定の下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きい場合には、前記ガスタービン（１１０）を冷却するために前記熱回収蒸気発生装置（１２０）から蒸気を供給する少なくとも１つのバイパス弁（１２５）の開閉を制御するための圧力設定値（Ｐｓｅｔ）を、前記ドラム（１３５）の前記測定された圧力値（ＮＰ）に基づいて前記ドラムの圧力が降下しないよう設定する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記測定されたドラム圧力値（ＮＰ）に基づく一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）を、前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）と比較する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
圧力設定値（Ｐｓｅｔ）を設定する前記段階は、前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きい場合には、前記圧力設定値（Ｐｓｅｔ）を前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）に等しく設定する段階を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きい場合には、前記ガスタービン（１１０）が着火するまで、或いは、前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）に基づく前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）の１つが前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より小さくなるまで、前記ドラム圧力値（ＮＰ）を測定する段階を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
圧力設定値（Ｐｓｅｔ）を設定する前記段階は、前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より小さい場合には、前記圧力設定値（Ｐｓｅｔ）を前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）に等しく設定する段階を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）と該一時的な圧力設定値に先行する一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ’）の各々とが、前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きい場合には、前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）と該測定ドラム圧力値に先行する測定ドラム圧力値（ＰＰ）の各々との何れが最低圧力値を有しているかを判断する段階を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
圧力設定値（Ｐｓｅｔ）を設定する前記段階は、前記圧力設定値（Ｐｓｅｔ）を前記最低圧力値に等しく設定する段階を更に含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）を、該ドラム圧力値に先行して測定されたドラム圧力値（ＰＰ）と圧力オフセット値とを加えた値と比較する段階と、
前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）が、前記先行して測定されたドラム圧力値（ＰＰ）と前記圧力オフセット値とを加えたものより小さい又は等しい場合には、前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）を前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）に設定する段階と、
を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）を、該ドラム圧力値に先行して測定されたドラム圧力値（ＰＰ）と圧力オフセット値とを加えた値と比較する段階と、
始動時における最初の時点で、前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）が前記先行して測定されたドラム圧力値（ＰＰ）と前記圧力オフセット値とを加えたものより大きい場合には、前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）を前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）に設定する段階と、
を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
始動時における少なくとも２つの時点で、前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）が前記先行して測定されたドラム圧力値（ＰＰ）と前記圧力オフセット値とを加えたものより大きい場合には、前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）を維持する段階を更に含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
前記少なくとも１つのバイパス弁（１２５）は、少なくとも１つの高圧バイパス弁（１２５）と中圧バイパス弁（１２５）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
発電用システムであって、
ガスタービン（１１０）と、
該ガスタービン（１１０）に蒸気を供給するドラム（１３５）を備える蒸気発生装置（１２０）と、
該蒸気発生装置（１２０）から前記ガスタービン（１１０）への蒸気の流量を制御する少なくとも１つの弁（１２５）と、
前記少なくとも１つの弁（１２５）を制御する制御システム（１４０）と
を含み、
前記制御システムは、前記発電システムの始動時に、前記ドラム（１３５）の測定された圧力値（ＮＰ）が蒸気の流量の許容値を確立するための所定の下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きい場合には、前記ガスタービン（１１０）を冷却するために前記熱回収蒸気発生装置（１２０）から蒸気を供給する前記少なくとも１つの弁（１２５）の開閉を制御するための圧力設定値（Ｐｓｅｔ）を、前記測定された圧力値（ＮＰ）に基づいて前記ドラムの圧力が降下しないよう設定する
ことを特徴とする発電用システム。
前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）に基づき一時的に設定された一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が蒸気を前記タービンへ供給する最低圧力である下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きい場合には、前記圧力設定値（Ｐｓｅｔ）は、前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）に等しく設定されることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）に基づき一時的に設定された一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が蒸気を前記タービンへ供給する最低圧力である下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きい場合には、
１）前記ガスタービン（１１０）が着火するか、或いは、
２）前記測定ドラム圧力値（ＮＰ）に基づく前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より小さいか
のいずれかに至るまで、前記ドラム（１３５）の圧力値（ＮＰ）が連続的に測定されることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
前記一時的な圧力設定値（Ｐｔｅｍｐ）が、前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）より大きくない場合には、前記圧力設定値（Ｐｓｅｔ）は、前記下限圧力設定値（Ｐｆｌｏｏｒ）に等しく設定されることを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
前記少なくとも１つの弁（１２５）は、高圧バイパス弁（１２５）及び中圧バイパス弁（１２５）の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。