JP4560481B2 - 蒸気タービンプラント - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンプラントに係り、具体的には、タービン負荷急減時のタービンバイパス弁の制御技術に関する。

一般的な火力発電プラントにおける蒸気タービンプラントは、特許文献1に記載されているように構成されている。すなわち、ボイラで発生した高圧蒸気が主蒸気管を介して供給される加減弁を備えた高圧タービンと、高圧タービンから排出される低温蒸気が低温再熱管を介して供給される再熱器と、再熱器で加熱された高温蒸気が高温再熱管を介して供給されるインターセプト弁を備えた中圧タービンと、中圧タービンから排出される蒸気が供給される低圧タービンと、低圧タービンから排出される蒸気が導かれる復水器とを備えている。また、高圧タービンをバイパスして主蒸気管と低温再熱管を連結するバイパス管に設けられた高圧タービンバイパス弁と、中圧タービンと低圧タービンをバイパスして高温再熱管と復水器を連結するバイパス管に設けられた低圧タービンバイパス弁とが備えられている。そして、負荷指令値に対応する主蒸気圧力に一定の固定値を加えた主蒸気圧力設定値に基づいて高圧タービンバイパス弁の開度を制御する高圧タービンバイパス弁制御手段と、高圧タービンの前段部の圧力に対応する再熱蒸気圧力に一定の固定値を加えた再熱蒸気圧力設定値に基づいて低圧タービンバイパス弁の開度を制御する低圧タービンバイパス弁制御手段とが備えられている。つまり、高圧タービンバイパス弁制御手段は、主蒸気圧力設定値に基づいて高圧タービンに供給する主蒸気量をバイパス制御するようになっている。ただし、主蒸気圧力設定値には、一定の固定値が加算されていることから、通常負荷運転時は、高圧タービンバイパス弁は全閉待機状態となっている。また、低圧タービンバイパス弁制御手段は、再熱蒸気圧力設定値に基づいて、中圧及び低圧タービンに供給する高温再熱蒸気量をバイパス制御するようになっている。ただし、再熱蒸気圧力設定値には一定の固定値が加えられているから、通常負荷運転時は、低圧タービンバイパス弁は全閉待機状態となっている。

このように構成されることから、特許文献1に記載の蒸気タービンプラントによれば、外部事故によるタービン負荷遮断、あるいは機器故障による制限負荷などの負荷急減時においては、プラント制御装置からの負荷急減指令によって、高圧タービンに供給される主蒸気量が加減弁によって急速に絞り込まれるとともに、ボイラへの供給燃料絞り込み動作が行われる。さらに、同時に、高圧タービンバイパス弁と低圧タービンバイパス弁の設定値に加えられていた固定値が除かれる。その結果、負荷急減直前の圧力検出値を設定値とするバイパス制御に移行し、加減弁の急速絞り込み並びにボイラ残熱による蒸気発生の継続による主蒸気管及び高温再熱管内の圧力上昇に伴って、高圧タービンバイパス弁と低圧タービンバイパス弁が開動作される。これにより、蒸気系の余剰の蒸気が最終的に復水器に放出され、負荷急減時に対応させて蒸気系を安定に制御するようになっている。そして、蒸気系統の動作が落ち着いた後、プラントの再起動に備えて高圧タービンバイパス弁及び低圧タービンバイパス弁の開度を一定レートで増加させて、残留蒸気を復水器に排出する。

一方、負荷急減時には、高圧タービンの主蒸気量が加減弁により急速絞り込みされるが、これに対して高圧タービンバイパス弁及び低圧タービンバイパス弁の開動作の追従遅れがあることから、主蒸気管及び高温再熱管内の圧力は負荷急減前の圧力以上に上昇する。また、石炭焚ボイラの場合には、燃料の急速絞り込みが行われても、残炭燃焼によって主蒸気発生が継続されるから、主蒸気管及び高温再熱管内の圧力の上昇量が増大する。このような主蒸気管及び高温再熱管の圧力の上昇に応答して、高圧タービンバイパス弁及び低圧タービンバイパス弁の制御装置が動作して、それらの圧力の上昇を抑えるとともに、規定値まで減圧するように高圧タービンバイパス弁及び低圧タービンバイパス弁を開く動作を続けることになる。

特開平１１−２７０３０５号公報

ところで、高圧タービンバイパス弁及び低圧タービンバイパス弁のバイパス容量は、一般に、蒸気タービンプラントの起動時に必要なバイパス量を基準に決められている（例えば、高圧タービンバイパス弁は定格運転流量の４０％、低圧タービンバイパス弁は定格運転流量の６０％）。そのため、負荷急減時に、高圧タービンバイパス弁を開くと、主蒸気圧力は高温再熱蒸気圧力より高いから、過渡的に高圧タービンバイパス弁を通過する蒸気量が低圧タービンバイパス弁を通過する蒸気量を超えることがある。この場合、主蒸気圧力が高温再熱蒸気圧力より高いから、高圧タービンから排出される蒸気量が制限され、高圧タービンの排気温度が上昇し、タービン保護動作によってプラント停止する可能性がある。特許文献1に記載のタービンバイパス制御は、このような問題に配慮していない。

本発明は、蒸気タービンプラントにおける負荷急減時において、高圧タービンバイパス蒸気量の過剰な増加によって、高圧タービンの排気温度上昇によるタービン保護動作を回避することを課題とする。

本発明の蒸気タービンプラントは、上記の課題を解決するため、高圧タービンバイパス弁制御手段は、高圧タービンの排気温度に基づいて高圧タービンバイパス弁の開度上限を設定する手段を備えてなることを特徴とする。

このような特徴を有することから、負荷急減時に高圧タービンの加減弁を絞り込むことによって主蒸気圧力が上昇して、高圧タービンバイパス弁の開度が増加されても、開度上限に抑えられるから、高圧タービンのバイパス量を抑えて、高圧タービンの排気温度の過度な上昇を抑えることができる。その結果、高圧タービン排気温度の異常上昇に起因するタービン保護動作によって、プラントが停止されることを回避できる。

また、本発明の低圧タービンバイパス弁制御手段は、高圧タービンの排気温度が設定値を超えたとき、低圧タービンバイパス弁を全開する制御手段を備えて構成することができる。

このように、本発明の高圧タービンバイパス弁制御手段及び低圧タービンバイパス弁制御手段によれば、負荷急減時に、ボイラの能力限界や遅れによって生じる余剰蒸気を可能な限りタービンバイパス弁によって処理できるため、プラント全体の安定運転上、極めて有効である。

本発明によれば、蒸気タービンプラントにおける負荷急減時において、高圧タービンバイパス蒸気量の過剰な増加によって、高圧タービンの排気温度上昇によるタービン保護動作を回避することができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。図1に、本発明の蒸気タービンプラントの一実施形態の構成図を示す。本実施形態の蒸気タービンプラントは、図1に示すように、ボイラ１と、ボイラ１で発生した高圧蒸気が主蒸気管２を介して供給される蒸気止弁３と加減弁４を備えた高圧タービン５と、高圧タービン５から排出される低温蒸気が低温再熱管６を介して供給される再熱器７と、再熱器７で加熱された高温蒸気が高温再熱管８を介して供給される再熱止弁９とインターセプト弁１０を備えた中圧タービン１１と、中圧タービン１１から排出される蒸気がクロスオーバー管１２を通って供給される低圧タービン１３と、低圧タービン１３から排出される蒸気が導かれる復水器１４を備えている。復水器１４の復水は、復水ポンプ１５により復水管１６を介して脱気器１８に導かれて脱気された後、ボイラ給水ポンプ２０により給水管１９を介してボイラ１に供給されるようになっている。

また、蒸気タービンプラントの起動時あるいは負荷急減時等における蒸気系統のバランスを制御するために、高圧タービン５をバイパスして主蒸気管２と低温再熱管６を連結する高圧タービンバイパス管２１と、中圧タービン１１と低圧タービン１３をバイパスして高温再熱管８と復水器１４を連結する低圧タービンバイパス管３５が設けられている。高圧タービンバイパス管２１には、高圧タービンバイパス弁２２が設けられ、低圧タービンバイパス管３５には低圧タービンバイパス弁３６が設けられている。

高圧タービンバイパス弁２２は、高圧タービンバイパス弁制御手段によって開度が制御されるようになっている。すなわち、高圧タービンバイパス弁制御手段は、ボイラ１への燃料投入指令条件である負荷指令値に基づいて関数発生器２６によって規定された主蒸気圧力値に、加算器２７を介して一定の固定値２８を加えた値を主蒸気圧力設定値としている。その主蒸気圧力設定値を偏差演算器２４に導き、主蒸気管２に設けた圧力検出器２３の検出値との偏差を求め、その偏差を低減するようにＰＩ演算（比例＋積分演算）するＰＩ演算器２５の出力信号によって制御されるようになっている。ただし、通常負荷運転時は、主蒸気圧力設定値に固定値２８が加えられていることから、高圧タービンバイパス弁２２は全閉待機状態となっている。つまり、固定値２８は、通常負荷運転時には高圧タービンバイパス弁２２が全閉となる値に設定されている。

また、低圧タービンバイパス弁３６は、高圧タービンバイパス弁２２と同様に、低圧タービンバイパス弁制御手段によって制御されている。すなわち、タービン運転状態を検出するために高圧タービン５に設けた第１段後圧力検出器３７の出力信号に基づいて関数発生器３８によって規定された再熱蒸気圧力に、加算器３９を介して固定値４０を加えた値を再熱蒸気圧力設定値とする。そして、再熱蒸気圧力設定値を偏差演算器４２に導き、高温再熱管８に設けた圧力検出器４１の検出値との偏差を求める。求めた偏差を低減するようにＰＩ演算（比例＋積分演算）するＰＩ演算器４３の出力信号によって低圧タービンバイパス弁３６を制御するようになっている。ただし、通常負荷運転時は、再熱蒸気圧力設定値として関数発生器３８の出力値に固定値４０が加えられていることから、低圧タービンバイパス弁３６は全閉待機状態となっている。

ここで、本発明の特徴部の構成について説明する。高圧タービンバイパス弁２２の開度を制御するＰＩ演算器２５の出力信号の上限を制限する上限値設定器３０が設けられている。この上限値設定器３０は、高圧タービン５の排気温度を検出する温度検出器５０から出力される検出温度に基づいて、高圧タービンバイパス弁２２の開度上限を設定するようになっている。また、低圧タービンバイパス弁３６の制御手段は、温度検出器５０から出力される高圧タービン５の排気温度が温度設定器５１に設定された設定値を超えたとき、信号切替器５２によって関数発生器３８から出力される制御信号を全開設定値５３に切り替えて、低圧タービンバイパス弁３６を全開するようになっている。

このように構成される実施形態の動作について次に説明する。通常のタービン負荷運転時は、蒸気発生器であるボイラ１で発生した蒸気は、主蒸気管２を通って蒸気止弁３及び加減弁４を介して高圧タービン５に流入し、仕事をした後、低温蒸気として低温再熱管６に排出される。低温再熱管６に排出された蒸気は、再熱器７によって加熱され、高温蒸気として高温再熱管８を通って再熱止弁９及びインターセプト弁１０を介して中圧タービン１１へ流入される。中圧タービン１１から排出される蒸気は、クロスオーバー管１２を通って低圧タービン１３に流入する。低圧タービン１３から排出される蒸気は、復水器１４で凝縮され復水となる。復水は、復水ポンプ１５により復水管１６を介して脱気器１８に導かれて脱気された後、ボイラ給水ポンプ２０により給水管１９を介してボイラ１に供給される。

次に、本実施形態の特徴部の動作について説明する。外部事故によるタービン負荷遮断や機器故障による制限負荷等の負荷急減時においては、図示しないプラント制御装置からの負荷急減指令によって加減弁４の急速絞り込み並びにボイラ１への供給燃料絞り込み動作が行われる。これと同時に、高圧タービンバイパス弁２２及び低圧タービンバイパス弁３６の制御に係る固定値２８及び４０が除外される。したがって、高圧タービンバイパス弁２２及び低圧タービンバイパス弁３６は、負荷急減直前の実圧保持となる関数発生器２６、３８の出力値を制御設定値として動作する。これにより、加減弁４の急速絞り込み並びにボイラ残熱による蒸気発生の継続による主蒸気管２及び高温再熱管８内の圧力上昇に伴い、高圧タービンバイパス弁２２及び低圧タービンバイパス弁３６は開く方向に動作される。蒸気系統の動作が落ち着いた後は、プラントの再起動に備え、関数発生器２６、３８の出力を一定レートにて規定圧力まで減少させる。これにより、高圧タービンバイパス弁２２及び低圧タービンバイパス弁３６の開度を増加させて残留蒸気の排出を行う。

また、負荷急減時には、加減弁４の急速絞り込みに対して高圧タービンバイパス弁２２及び低圧タービンバイパス弁３６の開動作の追従遅れがあることから、主蒸気管２及び高温再熱管８内の圧力は負荷急減前の圧力以上に上昇する。また、石炭焚ボイラの場合には、燃料の急速絞り込みが行われても残炭燃焼によって蒸気発生量が継続されるから圧力の上昇量が増大する。これに対し、高圧タービンバイパス弁２２及び低圧タービンバイパス弁３６は、主蒸気管２及び高温再熱管８の圧力上昇を抑え、規定値まで減圧するように開動作を続ける。しかし、高圧タービンバイパス弁２２及び低圧タービンバイパス弁３６の容量に制限があることから、高圧タービンバイパス弁２２を通過する蒸気流量は低圧タービンバイパス弁３６を通過する蒸気流量を超える可能性が高い。その結果、高圧タービン５に流通する蒸気流量が抑えられて、高圧タービンの排気温度が上昇する。

そこで、本実施形態では、負荷急減時に発生する高圧タービン５の排気温度上昇を抑えるため、温度検出器５０により検出された排気温度が上限値設定器３０に設定され設定温度を超えたとき、高圧タービンバイパス弁２２の開度を上限値に制限する。その開度上限値の考え方は、図２に示すように、通常運転時の高圧タービン排気温度が最大となる温度に、高側に余裕を取った温度で高圧タービンバイパス弁２２が上限開度となるように設定する。また、高圧タービン５の排気温度の高警報設定値に余裕取った温度で、高圧タービンバイパス弁２２が下限設定（全閉）となるようにする。これにより、高圧タービンバイパス弁２２を通過する蒸気流量が低圧タービンバイパス弁３６を通過する蒸気流量を超えて、高圧タービン排気温度が上昇傾向にあるときは徐々に高圧タービンバイパス弁２２の開度を制限し、高圧タービン排気温度の上昇によるタービントリップを回避することができる。

また、高圧タービンバイパス弁２２を通過する蒸気流量が、低圧タービンバイパス弁３６を通過する蒸気流量よりも多くなる原因として、低圧タービンバイパス弁３６の応答遅れによって最大排出量を流していない可能性もある。そこで、高圧タービン排気温度が設定値以上になったことを温度設定器５１で検出し、低圧タービンバイパス弁３６の制御信号を信号切替器５２で全開設定値５３にて切り替え、低圧タービンバイパス弁３６を急開させる。この急開指令は、低圧タービンバイパス弁３６が全開したときに解除され、その後は、関数発生器３８の出力信号により制御される。

なお、一般に、復水器１４の受け入れ蒸気量制限から低圧タービンバイパス弁３６の開度を制限する場合があるが、本実施形態のプラントはタービンバイパス容量が小さいため、その開度制限の機能は設けていない。

以上説明したように、本実施形態によれば、負荷急減に十分対応できる容量を持たないタービンバイパス弁付蒸気タービンプラントにおいて、負荷急減時等の過渡域における過剰流量に対し、タービン排気温度に基づく高圧タービンバイパス弁の開度上限設定及び低圧タービンバイパス弁の急開動作を行うことにより、タービン排気温度異常上昇の保護動作を回避して、タービンバイパス系統を有効に活用できるため、プラントの安定運転継続に寄与できる。

また、火力発電プラントにおいては、蒸気の急速低減が難しい石炭焚ボイラの需要が増えている一方で、負荷急減動作時は非常に稀な場合であり、原価低減の観点からタービンバイパス弁容量を起動専用相当にする場合が多いので、このような場合に、本発明は有効である。

本発明の一実施形態の蒸気タービンプラントの構成図である。 本発明の高圧タービンバイパス弁の上限開度の設定値を説明する図である。

符号の説明

１ ボイラ
４ 加減弁
５ 高圧タービン
７ 再熱器
１０ インターセプト弁
１１ 中圧タービン
１３ 低圧タービン
１４ 復水器
２２ 高圧タービンバイパス弁
２３、４１ 圧力検出器
２５、４３ ＰＩ演算器
２８、４０ 固定値
３６ 低圧タービンバイパス弁
３８ 関数発生器
４２ 偏差演算器
３０ 上限値設定器
５０ 温度検出器
５１ 温度設定器
５２ 信号切替器
５３ 全開設定値

Claims (2)

1. ボイラで発生した高圧蒸気が主蒸気管を介して供給される加減弁を備えた高圧タービンと、前記高圧タービンから排出される低温蒸気が低温再熱管を介して供給される再熱器と、該再熱器で加熱された高温蒸気が高温再熱管を介して供給されるインターセプト弁を備えた中圧タービンと、該中圧タービンから排出される蒸気が供給される低圧タービンと、該低圧タービンから排出される蒸気が導かれる復水器と、前記高圧タービンをバイパスして前記主蒸気管と前記低温再熱管を連結するバイパス管に設けられた高圧タービンバイパス弁と、前記中圧タービンと前記低圧タービンをバイパスして前記高温再熱管と前記復水器を連結するバイパス管に設けられた低圧タービンバイパス弁と、負荷指令値に対応する主蒸気圧力に一定の固定値を加えた主蒸気圧力設定値に基づいて高圧タービンバイパス弁の開度を制御する高圧タービンバイパス弁制御手段と、前記高圧タービンの前段部の圧力に対応する再熱蒸気圧力に一定の固定値を加えた再熱蒸気圧力設定値に基づいて前記低圧タービンバイパス弁の開度を制御する低圧タービンバイパス弁制御手段とを備えてなる蒸気タービンプラントにおいて、高圧タービンバイパス弁制御手段は、前記高圧タービンの排気温度に基づいて前記高圧タービンバイパス弁の開度上限を設定する手段を備えてなることを特徴とする蒸気タービンプラント。
2. 請求項1に記載の蒸気タービンプラントにおいて、
   前記低圧タービンバイパス弁制御手段は、前記高圧タービンの排気温度が設定値を超えたとき、前記低圧タービンバイパス弁を全開する制御手段を備えたことを特徴とする蒸気タービンプラント。

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