JP4471106B2 - 蒸気タービンの急速出力発生システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンに関し、また蒸気及びガスタービン複合サイクル発電機に関する。具体的には、本発明は、蒸気タービンの出力を急速に増大させる方法に関する。

電力供給網に接続された発電装置は、時として急速に出力を増大させることが必要になる。急速な出力増大は、公共電力供給網内で電力の均衡をとるために、或いは電力供給網の周波数変動を管理するために必要となる場合がある。しかしながら、多くの場合、事業用蒸気発電機では、急速発電の要求を満たすためにそれらの出力レベルを即時に増大させることは困難である。

蒸気タービン及び複合サイクル蒸気及びガスタービンユニットのような発電機は、発電及び運転限界値を有する大型のターボ機械である。ガスタービンは、迅速に付加的な出力を供給できる。蒸気タービンは、伝統的に出力変更要求に対してよりゆっくりと応答する。

蒸気タービンの出力を変更するためには、一般的に、ボイラに対する燃料を増加させて追加の熱をボイラ内に供給し、ボイラ管内の流量又は流体温度を高めて、ボイラ内で付加的な蒸気を発生させ、その付加された蒸気を蒸気タービンに加え、そして追加の出力を発生させるのに、例えば２〜５分のような大きな時間が必要である。蒸気タービンの出力を増大させるこれらの段階を使用して、タービンの正常定常出力を増大させている。しかしながら、蒸気タービンの出力を急速かつ一時的に増大させる方法が必要になる場合がある。

蒸気タービン出力の急速な増大が必要な場合、従来の方法では、制御弁を開いてタービンに対してより多くの蒸気流量を流入させることを必要とする。この方法は、より大きい出力の要求を受けたときに蒸気制御弁が部分的に閉じられておりかつ過熱器内の圧力がその要求の直前に存在していた出力レベルで蒸気タービンを駆動するのに必要な圧力よりも実質的に高い場合に、目的通りに機能する。この従来の方法は、急速出力の要求を受けたときに、蒸気タービンが既に制御弁が大きく開いた状態での定常状態で作動している場合又は過熱器内に過剰蒸気圧が存在しない場合には適用することができない。さらに、この従来の方法は、発生する蒸気のエンタルピー量を増大させずに蒸気の流量を増加するものである。

蒸気タービンの出力を急速に（短期間ではあるが）増大させる別の従来の方法は、蒸気過熱器（主又は再熱）の過熱低減器内に水を噴霧して追加の高圧蒸気を発生させることである。過熱低減器内に水を噴霧することは、結果としてのエンタルピー減少よりも迅速にタービン内への蒸気質量流量を増加させ、限られた時間においてタービンの出力を比較的迅速に増大させることができる。同様に、また一定の条件下では、ボイラの高温の管に対して直接的に水を噴霧することによって過熱低減することは、蒸気発生器に供給される付加的な蒸気を迅速に発生させる。

過熱低減によって得られた追加の出力量には、限りがある。さらに、過熱器表面の高温の管上に水を噴霧することにより、熱衝撃が生じ、この熱衝撃によりこれら表面の耐用寿命が低下する傾向になる。さらに、過熱低減することは、過剰な水流によって内側ボイラ管表面が冷却されるときに蒸気温度が低下するので、蒸気のエンタルピーを減少させることになる。
米国特許６，３７８，２８５号 特表２００１−５２２９６４号

本発明は、蒸気タービンの出力レベルを急速に変更する方法として実施することができ、本方法は、蒸気温度を一定の蒸気温度目標値に調整することを含む、蒸気タービンを連続出力レベルで運転する段階と、蒸気タービンの出力レベルを急速に変更する要求を受ける段階と、急速出力変更の要求を達成するように選択した一時的温度エクスカーション限界値に蒸気温度目標値を修正する段階と、タービンにおける蒸気温度を一時的温度エクスカーション限界値に調整する段階と、一時的エクスカーション限界値を使用して達成した一時的出力レベルでタービンを運転する段階と、一時的温度限界値に調整した蒸気を使用するタービンによって発電する段階と、タービンを調整するために使用した温度を所定の期間の後に元に戻す段階とを含む。

本発明はまた、蒸気タービンの出力レベルを急速に変更する方法として実施することができ、本方法は、蒸気温度を一定の蒸気温度目標値に調整することを含む、蒸気タービンを連続出力レベルで運転する段階と、蒸気タービンの出力レベルを急速に変更する要求を受ける段階と、急速出力変更の要求を達成するように選択した一時的温度エクスカーション限界値に蒸気温度目標値を修正する段階と、タービンにおける蒸気温度を一時的温度エクスカーション限界値に調整する段階と、一時的エクスカーション限界値を使用して達成した一時的出力レベルでタービンを運転する段階と、一時的温度限界値に調整した蒸気を使用するタービンによって発電する段階と、タービンを調整するために使用した温度を所定の期間の後に変更する段階と、急速出力変更の要求を受ける段階の後に即座に、蒸気タービンに蒸気を供給する熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に加える熱発生源に対する燃料流量を増加させる段階と、ＨＲＳＧによってタービンに供給される蒸気量を燃料流量の増加後に増加させる段階と、温度エクスカーション限界値に調整することによってこれまでに達成した蒸気タービンによる出力の増大を、供給蒸気量の増加をタービンに加えることによって継続させる段階とを含む。

本発明はさらに、蒸気タービンシステムとして実施することができ、本蒸気タービンシステムは、蒸気入口及び蒸気出口を有する蒸気タービンと、蒸気タービンの蒸気入口に連結された吐出ポートと蒸気出口に連結された入口ポートとを有しかつタービンの蒸気入口に流れる蒸気を生成する蒸気発生装置をさらに含む蒸気回路と、弁作動制御コマンドに応答して蒸気回路内の蒸気の状態を調整する、該回路内に配置された少なくとも１つの調整可能な弁と、制御コマンドと回路内の蒸気の状態に関するセンサ入力とを受ける制御装置とを含み、制御装置が、電子的に格納された制御プログラムをさらに含み、制御プログラムが、急速出力変更の要求に応答して、（ｉ）回路内の蒸気温度を一時的温度エクスカーション限界値まで上昇させるように弁を調整する弁作動制御コマンドを生成し、かつ（ｉｉ）所定の期間よりも長くない期間にわたって蒸気温度を一時的温度エクスカーション限界値に維持する。

図１は、蒸気タービン１２と、ガスタービン１４と、出力シャフト１６とを有する複合サイクルシステム１０のハイレベル概略図である。制御装置１８は、必要に応じて所望の出力に関するオペレータ設定に基づいて、また現行の運転状態とシステムによって駆動されている負荷２０とに関するセンサ入力に基づいて、蒸気タービン１２及びガスタービン１４を運転する。単独の又はガスタービン複合サイクルシステム（ＧＴＣＣ）１０の蒸気タービン１２は一般的に、連続運転温度で運転され、また出力は蒸気流量が変化すると変化する。

熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）２２は、蒸気タービンに対する高圧蒸気源を形成する。ＨＲＳＧは、流体回路２６から蒸気及び凝縮物を回収するために使用する１つ又はそれ以上の蒸気ドラム２４を含むことができ、或いは蒸気ドラム２４を含まなくてもよい。回路２６は、蒸気タービン１２と、熱交換器（復水器）３５と、蒸気流体を過熱蒸気状態に加熱するために使用するＨＲＳＧ内の一連の管群３６、３７とを含む。凝縮した蒸気は、蒸気タービン１２及び熱交換器３５のアウトプット２８から流れ、ＨＲＳＧ２２内の管群３６、３７及びドラム２４を通るようにポンプ３０圧送される。流体がＨＲＳＧを通って流れるとき、流体はＨＲＳＧ内で加えられた熱によって過熱蒸気に変えられる。熱源は、ＨＲＳＧに組合されたバーナ（バーナは図示せず）によるものとすることができ及び／又はガスタービン１４のタービン３２からの高温ガスアウトプットによるものとすることができる。過熱蒸気は、蒸気タービンを駆動するために加えられる。

図２は、蒸気タービン１２の出力を増大させる工程のフローチャートである。工程が開始される前には、蒸気タービンは、該タービンの入口蒸気温度及び出力が一定である定常状態４２で運転されているとする。制御装置１８は、この複合サイクルの例においては、弁３４の設定を制御するプログラムを実行する。制御装置は、例えばタービンに対する蒸気インプットに設けた温度及び圧力センサから、また例えば発電機などの負荷２０に対するタービンのパワーアウトプット（出力）を監視するセンサからセンサ入力情報を受ける。負荷２０の周波数は、連続的に検知され、タービン出力発生を指令（コマンド）するために使用することができる。制御装置はまた、例えば出力レベルなどの蒸気タービン運転に対するコマンド及び設定をオペレータから受ける。

制御プログラムは、蒸気タービンの運転限界値を含む該タービンの運転スケジュールを含む。これらの運転限界値は、ＨＲＳＧ２２及びその過熱器の管３６内の蒸気温度に関する制限値を含む。これらの制限値は、例えばＨＲＳＧ及びタービンの作動及び運転状態が蒸気回路及び蒸気タービン１２内の蒸気配管及び弁の許容温度限界値を超えないことを保障するように確定される。基準温度限界値は、タービンの定常及び連続運転に対して設定され、装置が製品の期待寿命の間に最高でもこれら限界値以内で作動することになるとの仮定に基づいている。

蒸気回路２６及び弁３４は、短時間であれば連続運転限界値を越えた温度まで作動させることができる。材料温度と時間（持続時間）との限界値は、依然として適用されなければならない。しかしながら、制御装置によって適用されたスケジュール中の蒸気温度限界値は、短時間であれば蒸気回路２６又はタービン１２に損傷を与えずに拡大できる。

蒸気タービン１２（及びガスタービン１４）の負荷２０に対する出力の急速増大が必要な場合、要求４４は制御装置によって評価される。蒸気タービンからの出力を急速に増大させるために、タービンの公称連続運転温度を越えたエクスカーション限界値まで段階４６において蒸気温度を急速に上昇させることが許容される。過熱器管３６内の蒸気の温度は、弁３４、４７によって過熱低減器の水の流量（「ａ」）４７を減少させることによって急速に上昇させることができる。高いエクスカーション限界値で蒸気タービンを運転することによって、タービンが発生する出力量は、段階４８において急速に増大する。蒸気のエンタルピーは、温度が高くなるので増大する。蒸気温度は、連続運転において使用する公称蒸気温度を越えて上昇する。蒸気温度は、どんな時でも蒸気パイプ及び弁のエクスカーション温度以内であるように常に調整される。

エクスカーション温度での運転は、段階５０において短時間だけ許容される。その時間が経過した後に、制御装置は、蒸気温度の公称連続運転温度限界値を再度適用する。エクスカーション限界値での運転は、各エクスカーション限界値の使用の後に必要な遅延時間が設けられた状態で、繰り返すことが可能である。

蒸気タービンが上昇した温度エクスカーション限界値で運転される短時間５０の間に、従来の段階５２、５６、５８、６０及び６２を行って蒸気タービンの出力を増大させることができる。例えば、上昇した目標値での運転と同時に、制御装置は以下の段階、すなわち、ボイラに対する熱を増大させてタービンに追加の蒸気を供給すること（段階５２）、ボイラ管内の流体圧力又は温度を上昇させること（段階５６）、ボイラ内で付加的な蒸気を発生させること（段階５８）、付加された蒸気を蒸気タービンに加えること（段階６０）、及びボイラ内の増大した熱により追加の出力を発生させること（段階６２）を開始することができる。これらの段階は、タービンを上昇した温度目標値で運転しながら、行うことができる。

ＨＲＳＧ、例えばボイラに対して加えられる燃料及びガスタービンからの高温ガスの増加によって、時間が終了する前に蒸気タービン出力のパワーアウトプットが所望の高出力レベルまで増大した場合には（段階６４）、制御装置は、蒸気温度を正常温度目標値まで低下させることができる。タービンの出力は従来の段階を使用して増大されているので、温度エクスカーションにより増大したタービン出力は、蒸気温度を低下させた後も継続させることができる。一時的に上昇させた温度目標値と従来の出力増大との使用の組合せによって、タービン出力をタービンが連続して維持することができる高い出力レベルまで急速に増大させることが可能になる。

本明細書に開示したこの急速に蒸気出力を増大させる方法は、単独で又は複合サイクルシステム１０のガスタービンと組合せて実行することができる。本方法は、蒸気タービン出力を付加的に増大させる現存の方法と組合せて使用することができる。本方法は、発電システムにおいて使用して、電力供給網に接続された場合に予備出力又は主応答に対する要求を満たすことができる。出力を急速に増大させることに対する必要性として課題を説明してきたが、出力を急速に減少させるための必要性も存在する場合がある。出力を急速に減少させるには、出力を急速に増大させることについて説明したのと反対の措置を取ることが使用できる。

現在最も現実的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、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。

複合サイクル蒸気及びガスタービン発電システムの概略図。 蒸気タービンの出力を急速に増大させるための工程のフローチャート。

符号の説明

１０ 複合サイクルシステム
１２ 蒸気タービン
１４ ガスタービン
１６ 出力シャフト
１８ 制御装置
２０ 負荷
２２ 熱回収蒸気発生器
２４ 蒸気ドラム
２６ 蒸気回路
３４ 弁
３５ 復水器
３６、３７ 管群

Claims (10)

1. 蒸気タービン（１２）の出力レベルを急速に変更する方法であって、
   ａ．蒸気温度を一定の蒸気温度目標値に調整することを含む、蒸気タービンを連続出力レベル（４２）で運転する段階と、
   ｂ．前記蒸気タービンの出力レベルを急速に変更する要求（４４）を受ける段階と、
   ｃ．前記急速出力変更の要求を達成するように選択した一時的温度エクスカーション限界値に前記蒸気温度目標値を修正する段階（４６）と、
   ｄ．前記タービンにおける蒸気温度を前記一時的温度エクスカーション限界値に調整する段階と、
   ｅ．前記一時的エクスカーション限界値を使用して達成した一時的出力レベルで前記タービンを運転する段階（４８）と、
   ｆ．前記一時的温度限界値に調整した蒸気を使用するタービンによって発電する段階と、
   ｇ．前記タービンを調整するために使用した前記温度を所定の期間の後に変更する段階（５０）と、
   を含む方法。
2. 前記蒸気温度が、前記蒸気タービンに対する入口における温度である、請求項１記載の方法。
3. 前記蒸気温度が、前記蒸気タービンに蒸気を供給する熱回収蒸気発生器（２２）における温度である、請求項１記載の方法。
4. 前記出力レベルにおける急速変更の要求（４４）が、前記出力レベルを急速に増大させる要求であり、前記一時的温度エクスカーション限界値（４８）が前記連続蒸気温度目標値を越えて上昇され、前記一時的出力レベルが前記連続出力レベルよりも高くなる、請求項１記載の方法。
5. 前記蒸気温度が、前記蒸気タービンに対して過熱蒸気を供給する過熱器（３６）における温度である、請求項１記載の方法。
6. 所定の期間の時間設定限界値（５０）が存在する、請求項１記載の方法。
7. 蒸気入口及び蒸気出口を有する蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンの蒸気入口に連結された吐出ポートと蒸気出口に連結された入口ポートとを有しかつ前記タービンの蒸気入口に流れる蒸気を生成する蒸気発生装置をさらに含む蒸気回路と、
   蒸気弁作動制御コマンドに応答して前記蒸気回路内の蒸気の状態を調整する、該回路内に配置された少なくとも１つの調整可能な蒸気弁と、
   制御コマンドと前記回路内の蒸気の状態に関するセンサ入力とを受ける制御装置と、を含み、
   前記制御装置が、電子的に格納された制御プログラムをさらに含み、前記制御プログラムが、急速出力変更の要求に応答して、（ｉ）前記回路内の蒸気温度を一時的温度エクスカーション限界値まで上昇させるように蒸気弁を調整する前記蒸気弁作動制御コマンドを生成し、かつ（ｉｉ）所定の期間よりも長くない期間にわたって蒸気温度を前記一時的温度エクスカーション限界値に維持する、
   蒸気タービンシステム。
8. 前記蒸気発生装置が熱回収蒸気発生器である、請求項７記載の蒸気タービンシステム。
9. 蒸気タービンの制御システムであって、
   前記蒸気タービンが、
   蒸気入口及び蒸気出口と、該蒸気タービンの蒸気入口に連結された吐出ポートと蒸気出口に連結された入口ポートとを有しかつ該タービンの蒸気入口に流れる蒸気を生成する蒸気発生装置をさらに含む蒸気回路と、
   蒸気弁作動制御コマンドに応答して前記蒸気回路内の蒸気の状態を調整する、該回路内に配置された少なくとも１つの調整可能な蒸気弁と、を含み、
   該制御システムが、
   制御コマンドと前記回路内の蒸気の状態に関するセンサ入力とを受ける制御装置を含み、
   前記制御装置が、電子的に格納された制御プログラムをさらに含み、前記制御プログラムが、急速出力変更の要求に応答して、（ｉ）前記回路内の蒸気温度を一時的温度エクスカーション限界値まで上昇させるように蒸気弁を調整する前記蒸気弁作動制御コマンドを生成し、かつ（ｉｉ）所定の期間よりも長くない期間にわたって蒸気温度を前記一時的温度エクスカーション限界値に維持する、
   制御システム。
10. 前記蒸気発生装置が熱回収蒸気発生器である、請求項９記載の制御システム。

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