JP4624819B2 - 発電プラントの始動方法の改良 - Google Patents

Description

本発明は、複合サイクル発電プラントの運転に関し、より具体的には、可変負荷速度法を使用して「黄色プルーム」のような可視排出物を含むエミッションを低減する、発電プラントを始動する方法の改良に関する。

多くの地方で、電気公益事業は、市街地に近接した場所に発電プラントを有する。公益事業が発電用ガスタービンを使用する場合、ガスタービンの始動時に通常「黄色プルーム（黄色噴煙）」と呼ばれる可視汚染物質がプラントの排気煙突から排出されるのが一般的である。黄色プルームは、始動期間中に発生するＮＯ_２の量が２０ｐｐｍ（１００万分の１濃度）を超えた時に発生する。黄色プルームは、発電プラントの排気煙突からの可視排出物であり、煙突は一般に極めて高いので、黄色プルームは、広い地域にわたって容易に見ることができる。黄色プルーム状態は、一般的に一時的だけのものであり、プラント内のガスタービンが公称運転状態に達すると、プルームは消散する。しかしながら、可視プルームが１時間又はそれ以上継続した場合は、通常、プラント周辺地域の人々からの苦情が生じるおそれがある。
米国特許第5647199号明細書 米国特許第5649416号明細書 米国特許第5737911号明細書

プラントの始動手順を変更することによって、ＮＯ_２が２０ｐｐｍを超える期間が、大幅に短縮されることが判明してきた。このことによって、黄色プルームが発生する可能性がある期間を短縮できるだけでなく、始動サイクル期間中に発生するこれらの排出量も低減できる。

要約すると、本発明は、電気を発電する複合サイクル発電プラントを始動する方法の改良に関する。この始動シーケンスは、蒸気タービンに動力を供給する２つのガスタービンで使用するためのものであるが、１つ又はそれ以上のガスタービンで使用することも可能である。具体的には本発明は、比較的一定の負荷速度ではなく可変負荷速度を使用して、発電プラントからのＮＯ_２排出（エミッション）の量を低減する。

本発明によると、第１のガスタービンが始動され、そのスピニングリザーブ状態すなわち最小負荷状態まで回転を高められることになる。次に第１のガスタービンをその状態に保持しながら、第２のガスタービンが始動されて、そのスピニングリザーブ状態まで回転を高められることになる。２つのガスタービンをこの運転レベルに維持しながら、それらの２つのガスタービンに運転結合された蒸気タービンが始動される。蒸気タービン内部の温度が所定レベルに達した状態で蒸気レベルがオンライン状態になると、両ガスタービンの負荷が、それらの最小値から所定負荷レベルまで増大される。この負荷増大は、最大増加速度で行われる。その後、両ガスタービン負荷は、蒸気タービンの負荷によって決定される。全始動時間は、現行の始動手順を使用するものと同程度であるが、発生するＮＯ_２量が大幅に低減される。また、タービンを設置した発電プラントにおいて可視黄色プルームが発生する可能性がある期間が、約９０％短縮される。従って、エミッションの量とそのようなエミッションの目に見える痕跡が減少する。

始動シーケンスは、タービンの冷間始動、温間始動又は高温始動に対して使用可能であり、各状況においてエミッションと可視黄色プルームとが大幅に低減される。

本発明の上述の及び他の目標、特徴及び利点は、下記により一部は自ずと明らかになりまた一部は指摘されるであろう。

添付の図面は、明細書の一部を形成するものである。

対応する参照符号は、図面の幾つかの図全体を通して対応する部分を示す。

以下の詳細な説明は、本発明を実施例によって説明するものであって、限定として説明するものではない。この説明は、当業者が本発明を実施しまた使用することを可能にし、また幾つかの実施形態、改造形態、変更形態、代替形態、及び本発明を実施するのに現在最良の形態であると思われるものを含む本発明の用途を説明していることが分かるであろう。

図面を参考にすると、本発明は、ガスタービンと該ガスタービンが運転結合された蒸気タービンとが、始動期間中に発生するＮＯ_２量とその特定のエミッションレベルが生じた時に発生する「黄色プルーム」排気とを大幅に低減した状態でオンライン状態になることができるような方法で、発電プラントを始動する方法を対象にする。それらを互いに結合する方法でのガスタービン又は蒸気タービンのいずれかの構造ではなく、始動シーケンスが完了した後のそれらの運転が、本発明の一部を構成する。

図２には、ｐｐｍで表わしたＮＯ_２対ガスタービン出力（ＭＷ（メガワット））をプロットした代表的なグラフを示す。グラフに示すように、「黄色プルーム」は、ＮＯ_２＞２０ｐｐｍの時に発生する。図２では「黄色プルーム」が発生するガスタービンエンジンの運転範囲は、約２０ＭＷ〜１００ＭＷであることを示している。例えば、このことは、ガスタービンの定格負荷能力の１０〜５０％であることを表わしている。

蒸気タービンＳＴに運転結合された２つのガスタービンＧＴ１及びＧＴ２を含む発電構成の場合、従来の始動シーケンスは、最初にタービンＧＴ１を始動することであった。一旦始動すると、蒸気温度は、例えば７００°Ｆ（３７１℃）である第１のレベルまで上昇する。蒸気温度が、この初期レベルに達すると、次に温度は８５０°Ｆ（４５０℃）まで徐々に高められる。この第２の温度レベルに達すると、タービンＧＴ１に負荷を掛け始める。負荷レベルは、蒸気タービンＳＴの運転状態の関数であり、ガスタービンＧＴ１の負荷は、ベース負荷に達するまで、その定格負荷の約１％毎分の速度で増大される。

ガスタービンＧＴ１に負荷を掛けながら、今度はガスタービンＧＴ２が始動される。その時、この第２のガスタービンは、ガスタービンＧＴ１と同時に同一の約１％／分の速度で負荷を掛けられる。両ガスタービンＧＴ１及びＧＴ２と蒸気タービンＳＴとがそれらのベース負荷に達するまで、この負荷増大は続けられる。

図３〜図５を参照すると、始動シーケンスの結果を、３つの発電プラント状態、すなわち冷間始動、温間始動及び高温始動について示している。図３〜図５に示すグラフは１つのプラントについてのみのものであり、また時間線（黄色プルームを含む）状態は他の発電プラントの場合には異なるものとなることは、当業者には分かるであろう。

図３は、タービンが、例えば７２時間又はそれ以上の期間停止していたような冷間始動を示す。図３に示すように、ガスタービンＧＴ１は、約３０分後にその定格速度の１００％に達する。その時点で、タービンに負荷を掛け始める。ガスタービンＧＴ１の始動後約１時間の時点で、蒸気タービンＳＴが始動される。蒸気タービンがその全速運転速度に達する時間は、約４５分である。この時点で、蒸気タービンに負荷を掛け始める。第２のガスタービンＧＴ２は、始動シーケンスに入って約２．５時間の時点で始動され、約３時間マークの時点で第２のガスタービンの負荷の増大が開始される。始動シーケンスは、プロセス開始後約４時間の時点で蒸気タービンＳＴがその定格負荷の１００％で運転される状態で、完了する。

図３では、黄色プルーム域は、両ガスタービンからのエミッションによって引き起こされることを示している。ガスタービンＧＴ１によって引き起こされた黄色プルーム状態は約２０分間継続し、一方、ガスタービンＧＴ２によって引き起こされた黄色プルーム状態は約５０分間継続する。しかしながら、黄色プルーム状態における重なりがあるので、全黄色プルーム期間は１時間継続する。

図４は、タービンが、例えば４８時間の期間停止していたような温間始動を示す。図４に示すように、ガスタービンＧＴ１は、今度は３０分未満でその定格速度の１００％に達する。その時点で、タービンに負荷を掛け始める。ガスタービンＧＴ１の始動後約４８分の時点で、蒸気タービンＳＴが始動される。蒸気タービンがその全速運転速度に達する時間は、今度はわずか５〜１０分であり、この時点で、蒸気タービンに負荷を掛け始める。第２のガスタービンＧＴ２は、ここでも蒸気タービンＳＴとほぼ同時に始動される。さらにここでも、第２のガスタービンは、蒸気タービンＳＴがその定格速度１００％に達しかつ負荷を掛け始められるまで、速度及び負荷の両方が低運転レベルに維持される。今度は、第２のガスタービンＧＴ２の速度が、約５５分マークの時点で増加し始め、この第２のガスタービンの負荷は、約８０分マークの時点で増大され始める。始動シーケンスは、プロセス開始後２時間をわずかに越えた時点で蒸気タービンＳＴがその定格負荷の１００％で運転される状態で、完了する。

図４では、黄色プルーム域は、ここでも両ガスタービンからのエミッションの結果である。ガスタービンＧＴ１によって引き起こされた状態は約１３分間継続し、一方、ガスタービンＧＴ２によって引き起こされた状態は約３５分間継続する。重なりのために、全黄色プルーム期間は４５分間継続する。

図５は、タービンがわずか約８時間だけ停止していたような高温始動を示す。図５では、ガスタービンＧＴ１は、３０分未満でその定格速度の１００％に達する。その時点で、タービンに負荷を掛け始める。ガスタービンＧＴ１の始動後３５〜４０分の時点で、蒸気タービンＳＴを始動させる。蒸気タービンがその全速運転速度に達する時間は、今度はわずか約５分である。約４５分を経過した時間マークの時点で、蒸気タービンＳＴに負荷を掛けはじめる。第２のガスタービンＧＴ２は、ここでも蒸気タービンＳＴとほぼ同時に始動され、その運転速度及び負荷は、図３及び図４に関する説明と同様な方法で増大される。始動シーケンスは、プロセス開始後約９０分の時点で蒸気タービンＳＴがその定格負荷の１００％で運転される状態で、完了する。

図５では、黄色プルーム状態の重なりはない。ガスタービンＧＴ１についての黄色プルーム状態は、約３０分マークの時点で開始し２５分よりもわずかに長い期間継続する。ガスタービンＧＴ２によって引き起こされた黄色プルーム状態は、約１０分後（シーケンスに入って約１時間の時点）に始まり、１５分を若干上回る間継続する。その結果、黄色プルームが見える全期間は、４０分をわずかに越える期間すなわち始動サイクルの約１／２となる。

図１Ａ及び図１Ｂを参照しかつ本発明によると、新規な始動方法は、エミッションを大幅に低減しかつ黄色プルーム状態を最小にするのに使用される。本発明の方法によると、ガスタービンＧＴ１が、最初に出力を高められ、スピニングリザーブ状態すなわち最小負荷状態にされる。第１のガスタービンがそのスピニングリザーブ状態に達すると、第２のガスタービンＧＴ２が始動され、第２のガスタービンＧＴ２もまた、そのスピニングリザーブ状態にされる。

ガスタービンＧＴ１及びＧＴ２がそのスピニングリザーブ状態になると、蒸気タービンＳＴの高圧（ＨＰ）セクションのロータボア温度が予測される。その温度が６００°Ｆ（３１５℃）未満である場合には、次にガスタービンＧＴ１の入口ガイドベーン（ＩＧＶ）を開いて、空気流量を調節し、排気温度を低下させる。蒸気タービンＳＴのＨＰ段セクションのロータボア温度を予測することに加えて、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）が基準圧力以上か否かを判定するためにスロットル圧力がチェックされる。スロットル圧力レベルは始動が冷間始動、温間始動又は高温始動であるか否かに応じて変化することは、当業者には分かるであろう。

ＨＰセクションのロータボア温度が６００°Ｆ（３１５℃）に等しいか又はそれを越えかつスロットル圧力が基準圧力に等しいか又はそれを越えると、その設計と動作が当技術分野では公知のＭａｒｋ Ｖシステムのような制御システムの制御下で、蒸気タービンの始動が開始される。

蒸気タービンＳＴがオンライン状態になると、タービンのＨＰセクションのロータボア温度が、該ロータボア温度が３５０°Ｆ（１７７℃）に等しいか又はそれを越えているか否かを知るために再びチェックされる。そのような温度になっている場合、蒸気タービンは次に、入口圧力制御（ＩＰＣ）運転モードにされる。この運転モードでは、ガスタービンＧＴ１及びＧＴ２から蒸気タービンに供給される蒸気量は、ガスタービン負荷の関数である。

この時点で、蒸気タービンＳＴはオンライン状態になっており、ガスタービンＧＴ１の入口ガイドベーンは、その最小位置に設定され、またガスタービンＧＴ２は、該ガスタービンＧＴ２がそのスピニングリザーブ状態で運転しているか否かを知るためにモニタされる。そのような状態になっている場合、ガスタービンＧＴ２の熱回収蒸気発生器用の高温及び低温再熱遮断弁が開かれる。このことは、ＧＴ２からの蒸気をＧＴ１からの蒸気と混合して蒸気タービンＳＴに導入するのに役立つ。

次に、蒸気タービンＳＴの高圧段のロータボア温度が、該ロータボア温度が５００°Ｆ（２６０℃）に等しいか又はそれを越えているか否かを知るためにチェックされる。そのような温度になっている時には、ガスタービンＧＴ２の熱回収蒸気発生器用の高圧段遮断弁が開かれる。遮断弁を開いた後に、蒸気タービンの高圧段及び中圧（ＩＰ）段の両方のロータボア温度が、その両方が７７５°Ｆ（４１３℃）に等しいか又はそれを越えるまで、モニタされる。これらの段におけるこれらの温度レベルに達すると、ガスタービンＧＴ１及びＧＴ２の両方の負荷が、それらの最小負荷（スピニングリザーブ状態）から定格負荷の５０％まで増大される。これは、各ガスタービンの最大負荷速度で実施される。それらの負荷の両方が、それらの定格負荷の５０％に等しくなると、それらの負荷の制御は、蒸気タービンのコントローラに引き継がれ、それ以降はコントローラによって制御される。

図６〜図８を参照すると、黄色プルーム状態に対する本可変負荷速度始動方法の効果が、タービンの冷間始動、温間始動、高温始動状況について容易に分かる。

図６では、本発明の上記の方法を使用して冷間始動期間中に発生するＮＯ_２を低減することによって、可視黄色プルームが発生する可能性がある期間が、図３に示すような約１時間から約５分に短縮される。５分間継続する黄色プルーム状態は、両ガスタービンにおいて現れる可能性があるが、それらが発生する時間は、図６に示すように本質的に重なっている。従って、約９０％の黄色プルームが減少する。

図７では、上記の方法を使用して温間始動期間中に発生するＮＯ_２を低減することによって、可視黄色プルームが発生する可能性がある期間は、ここでも図４に示す約４５分からここでも約５分に短縮される。５分間継続する黄色プルーム状態は、ここでも両ガスタービンにおいて現れる可能性があるが、ここでもそれらが発生する時間は、図７に示すように本質的に重なっている。従って、約８０％の黄色プルームが減少する。

最後に、図８では、本発明の方法を使用して高温始動期間中に発生するＮＯ_２を低減することによって、可視黄色プルームが発生する可能性がある期間は、図５に示すような約４２分から約７分に短縮される。冷間始動及び温間始動の両方の場合と同様に、７分間継続する黄色プルーム状態は、両ガスタービンにおいて現れる可能性があるが、それらが発生する時間は、図８に示すように依然として本質的に重なっている。従って、約８０％の黄色プルームが減少する。

本発明の始動方法の使用は、始動初期から始動サイクルの完了を通しての時間間隔には認め得るほどの影響は与えない。従って、ガスタービンＧＴ１及びＧＴ２と蒸気タービンＳＴとをその運転モードに到達させる際に、大きなＮＯ_２の低減が達成され、始動に要する時間数に影響を全く与えないで、可視黄色プルームが形成される期間が大幅に短縮される。

上記を考慮すると、発明の幾つかの目的が達成されかつ他の有益な結果が得られることが分かるであろう。本発明の技術的範囲から逸脱することなく、上記の構成において様々な変更を加えることができるので、上記説に明含まれ又は添付の図面に示した全ての事項は、限定する意味ではなく例示として解釈されることを意図している。

本発明の始動方法を使用するための流れ図。 本発明の始動方法を使用するための流れ図。 ガスタービンにおけるＮＯ_２エミッションを示すグラフ。 従来技術の方法を使用したガスタービンの冷間始動における「黄色プルーム」状態を示すグラフ。 従来技術の方法を使用したガスタービンの温間始動における「黄色プルーム」状態を示すグラフ。 従来技術の方法を使用したガスタービンの高温始動における「黄色プルーム」状態を示すグラフ。 本発明の方法を使用したガスタービンの冷間始動における改善した「黄色プルーム」状態を示す同様のグラフ。 本発明の方法を使用したガスタービンの温間始動における改善した「黄色プルーム」状態を示す同様のグラフ。 本発明の方法を使用したガスタービンの高温始動における改善した「黄色プルーム」状態を示す同様のグラフ。

符号の説明

ＧＴ１ 第１のガスタービン
ＧＴ２ 第２のガスタービン
ＳＴ 蒸気タービン

Claims (10)

1. 電気を発電する発電プラントで使用する複数のガスタービンを始動する方法であって、
   第１のガスタービン（ＧＴ１）を始動して、該第１のガスタービンを最小負荷状態で運転するようにする段階と、
   前記第１のガスタービンをその最小負荷状態に維持しながら、第２のガスタービン（ＧＴ２）を始動して、該第２のガスタービンを最小負荷状態で運転するようにする段階と
   両ガスタービンをそれらの最小負荷状態に維持しながら、両ガスタービンが運転結合された蒸気タービン（ＳＴ）の始動を開始する段階と、
   前記蒸気タービン内部の運転温度が所定レベルに達すると、両ガスタービンの負荷をそれらの最小負荷レベルよりも大きい所定レベルまで増大させる段階と、
   その後、両ガスタービンが結合された前記蒸気タービンの負荷の関数として両ガスタービンに負荷を掛ける段階と、を含み
   前記始動シーケンスが、前記タービンの始動期間中に発生するＮＯ₂の量と発電プラントにおける可視黄色プルームの発生とを低下させる、
   方法。
2. 前記ガスタービンが最初は冷間始動状態にある、請求項１記載の方法。
3. 前記ガスタービンが最初は温間始動状態にある、請求項１記載の方法。
4. 前記ガスタービンが最初は高温始動状態にある、請求項１記載の方法。
5. 前記第１のガスタービンを始動する段階が、前記第１のガスタービンをスピニングリザーブ運転状態にする段階を含み、前記第２のガスタービンが、前記第１のガスタービンがそのスピニングリザーブ状態になるまで、始動されない、請求項１記載の方法。
6. 前記蒸気タービンのロータボア温度が第１の所定温度になった時に、該蒸気タービンを始動する段階をさらに含む、請求項５記載の方法。
7. 前記蒸気タービンの始動が、該蒸気タービンのスロットル圧力が最低基準圧力レベルになっていることをさらに必要とし、前記最低基準圧力レベルが、前記タービンが冷間始動、温間始動又は高温始動の何れを行うかに応じて変化する、請求項６記載の方法。
8. 前記蒸気タービンをオンライン状態にする段階と、前記蒸気タービンを入口圧力制御運転モードにする段階とをさらに含み、前記入口圧力制御運転モードにする段階が、前記第１のガスタービンの入口ガイドベーン（ＩＧＶ）を最小設定値にする段階を含む、請求項７記載の方法。
9. 前記第２のガスタービンがそのスピニングリザーブ状態に達した時に、該第２のガスタービンの熱回収蒸気発生器用の高温及び低温再熱遮断弁を開き、それによって前記第２のガスタービンを前記第１のガスタービンから分離する段階と、
   前記蒸気タービンの高圧ロータボア温度を第２の所定温度まで上昇させる段階と、
   前記蒸気タービンの高圧ロータボア温度がその第２の所定温度に達するか又はそれを超えた時に、該第２のガスタービンの熱回収蒸気発生器内の高圧遮断弁を開く段階と、
   前記蒸気タービンの高圧ロータボア温度及び中圧ロータボア温度の両方を所定温度まで上昇させ、かつ前記第１のガスタービン及び第２のガスタービンの両方に所定負荷速度で所定負荷レベルまで負荷を掛ける段階と、
   をさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記負荷速度が、前記ガスタービンにおける最大負荷速度であり、前記第１及び第２のガスタービンの負荷が、その後前記蒸気タービンの負荷によって決定された速度で制御される、請求項９記載の方法。