JP4929226B2 - 一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置及びその方法 - Google Patents

一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置及びその方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、及び発電機の回転軸が一体に結合された一軸型複合サイクルプラントに係り、特に、ガスタービンの出力制御を行うガスタービンの制御装置及びその制御方法に関するものである。
一軸型複合サイクルプラントにおける復水器の正洗逆洗の切替時においては、海水の流れが止まってしまう瞬間が発生し、この影響により、復水器の真空度が急激に低下する。復水器の真空度が低下すると、蒸気タービンの出力が低下し、この結果、発電機出力も低下するという事象が発生する。
従来、蒸気タービン出力を算出する際に、復水器の真空度に基づく補正が行われているが、復水器の真空度が急激に変化した場合には、その真空度変化に計器が追従できず、実際には蒸気タービンの出力が低下しているにも関わらず、計算上は蒸気タービン出力が変化していないように誤って認定されてしまうことがある。
一般的に、発電機出力は、蒸気タービン出力とガスタービン出力の和として表されるため、上述のように蒸気タービンの出力が見かけ上は変化せずに、発電機出力が低下した場合には、誤ってガスタービン出力が低下したものとしてみなされてしまう。このため、ガスタービンの制御が適切に行われなくなり、発電プラントの各種機器が誤動作することが懸念されていた。
そこで、このような問題を解消するために、例えば、特許文献１には、蒸気タービン出力の計算において、逆洗弁の開度補正を追加し、復水器真空度を計測する計器の応答遅れを逆洗弁の開度で代行し、これにより、蒸気タービン出力をより正確に算出するとともに、ガスタービン出力をより精度よく設定することのできるガスタービンの制御装置が開示されている。
特開２００１−１７３４１０号公報
しかしながら、上記特許文献１の発明では、蒸気タービン出力を補正するのに用いられる復水器逆洗浄弁の開度補正の設定値の決め方が難しく、現地において何度も試験をして実機に合わせ込む必要があり、現地において煩雑な作業が強いられていた。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、現地における煩雑な作業を必要とせず、かつ、復水器の逆洗正洗切替期間における蒸気タービンの出力変動の影響を受けずに、ガスタービン出力を一定に保つことの可能な一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置及びその方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、ガスタービンと、蒸気タービンと、発電機と、前記蒸気タービンの排気を凝縮する復水器とを備え、前記ガスタービン、前記蒸気タービン、及び前記発電機の回転軸が一体に結合された一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置であって、前記発電機出力と前記蒸気タービン出力とに基づいてガスタービン出力指令を生成する第１指令生成手段と、前記ガスタービン出力を反映するパラメータを用いて、前記ガスタービン出力指令を生成する第２指令生成手段と、前記復水器の逆洗正洗切替期間において前記第２指令生成手段を選択し、前記復水器の逆洗正洗切替期間以外において前記第１指令生成手段を選択する選択手段とを具備する一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置を提供する。
このような構成によれば、復水器の逆洗正洗切替期間においては、蒸気タービンの出力を考慮されることなく、ガスタービンの出力を反映するパラメータを用いて生成されたガスタービン出力指令が選択され、復水器の逆洗正洗切替期間以外の期間においては、発電出力と蒸気タービン出力とに基づいて生成されたガスタービン出力指令が選択されることとなる。これにより、復水器の洗浄状態に応じて、最適なガスタービン出力指令によるガスタービンの制御を行うことが可能となる。
本発明によれば、現地における煩雑な作業を必要とせず、かつ、復水器の逆洗正洗切替期間における蒸気タービンの出力変動の影響を受けずに、ガスタービン出力を一定に保つことが可能となる。
上記一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置において、前記ガスタービンの出力を反映するパラメータとして、燃焼器に供給する燃料量制御に関する指令値又は前記ガスタービンの入口温度を採用することが可能である。
本発明は、ガスタービンと、蒸気タービンと、発電機と、前記蒸気タービンの排気を凝縮する復水器とを備え、前記ガスタービン、前記蒸気タービン、及び前記発電機の回転軸が一体に結合された一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御方法であって、前記復水器の逆洗正洗切替期間においては、前記ガスタービン出力を反映するパラメータを用いて、前記ガスタービン出力指令を生成し、前記復水器の逆洗正洗切替期間以外においては、前記発電機出力と前記蒸気タービン出力とに基づいてガスタービン出力指令を生成する一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御方法を提供する。
本発明によれば、現地における煩雑な作業を必要とせず、かつ、逆洗正洗切替時における蒸気タービンの出力変動の影響を受けずに、ガスタービン出力を一定に保つことができるという効果を奏する。
以下に、本発明に係る一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置及びその方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る一軸型複合サイクル発電プラントの概略構成図である。一軸型複合サイクル発電プラントは、圧縮機１、ガスタービン３、発電機５、蒸気タービン６、復水器７、復水ポンプ８、排熱回収ボイラ９、燃焼器１１、主蒸気加減弁１２及び蒸気加減弁１３を備えている。ガスタービン３、蒸気タービン６及び発電機５はそれぞれの回転軸が一体に結合されており、ガスタービン３と蒸気タービン６とが１台の発電機５に直結された構成とされている。また、圧縮機１へ空気等を供給する配管には、空気等の作動流体の流量を調整するための圧縮機入口案内翼の角度を制御する圧縮機入口案内翼調整弁（ＩＧＶ調整弁）２が設けられている。また、燃焼器１１の燃料配管には、燃料流量を調整するための燃料流量調整弁１０が設けられている。
このような構成において、燃焼器１１には、圧縮機１により圧縮された圧縮空気、及び燃料流量調節弁１０によって流量調節された燃料が供給され、これらが混合燃焼されて、燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、ガスタービン３に流入し、ガスタービン３を回す動力として働く。これにより、ガスタービン３の回転力が発電機５に伝達され、発電機５が発電する。
ガスタービン３において仕事を果たした後の燃焼ガスは、排ガス４としてその下流の排熱回収ボイラ９へと導かれ、煙突１５を経て大気中へ放出される。排熱回収ボイラ９では排ガス４から熱回収されて復水ポンプ８からの給水にて蒸気を発生し、高圧の蒸気は主蒸気加減弁１２を通り、また低圧の蒸気は蒸気加減弁１３を介して蒸気タービン６へ導かれる。蒸気タービン６へ導かれた蒸気は、蒸気タービン６を回転させる。この蒸気タービンの回転力は発電機５に伝達され、発電機５が発電する。
蒸気タービン６にて仕事をした蒸気は、その下流の復水器７にて冷却、凝縮されることにより復水となって復水ポンプ８に導かれた後、再度排熱回収ボイラ９へと循環されるようになっている。蒸気タービン６はいわゆる再熱タービンであって、再熱蒸気のタービン入口部には再熱蒸気を制御するためのインタセプト弁１４が設けられている。
通常運転では、ガスタービン３からの排ガス４により排熱回収ボイラ９で発生した蒸気を全量蒸気タービン６に導いており、蒸気量を調節するための主蒸気加減弁１２、蒸気加減弁１３は全開状態となっている。この状態における負荷の制御は、主にガスタービン３に供給される燃料量を燃料流量調節弁１０により調節することにより行われている。燃料流量調節弁１０は、出力の要求に対して発電機５からの出力との偏差に見合った燃料指令値（ＣＳＯ）に基づいてその開度が調節される。
図２は復水器７の循環水系統図であり、循環水として海水が用いられている。まず、海水は、循環水ポンプ２１により汲み上げられ、循環水ポンプ吐出弁２２及び復水器逆洗弁２３等を経て、復水器７の入口水室に導入される。復水器７にて蒸気の冷却、凝縮に用いられた海水は、復水器７の出口水室から復水器逆洗弁２３を経てボール捕集器２４及び復水器出口弁２５等を通り放水路２６に放出される。ボール捕集器２４は、復水器７の細管を洗浄するためのボールを回収するためのものであり、ボール捕集器２４により回収したボールはボール循環ポンプ２７に送られ、その後ボール回収器２８に回収される。そしてボール回収器２８に回収されたボールは、復水器逆洗弁２３上流の循環水系統に注入される。
復水器逆洗弁２３は、復水器７の逆洗正洗の切替運転を行うために、循環水系統を切替えるものである。逆洗時において、復水器逆洗弁２３は、全閉状態とされ、循環水ポンプ２１により汲み上げられた海水が復水器７の出口水室に送られるように操作される。これにより、循環水ポンプ２１により汲み上げられた海水は、循環水ポンプ吐出弁２２、復水器逆洗弁２３等を経て、復水器７の出口水室に導入される。復水器７を逆洗した海水は、復水器７の入口水室から復水器逆洗弁２３を経てボール捕集器２４及び復水器出口弁２５等を通り、放水路２６に放出される。
次に、一軸型複合サイクル発電プラントにおけるガスタービンの制御装置及び制御方法について図３を参照して説明する。
図３は、本実施形態に係るガスタービンの制御装置の制御系統図である。図３に示されるように、ガスタービンの制御装置３０は、発電機５の要求出力指令から蒸気タービン出力を減算することにより、ガスタービン出力指令を生成する第１指令生成部３１と、ガスタービン出力を反映するパラメータを用いて、ガスタービン出力指令を生成する第２指令生成部３２と、復水器７の逆洗正洗切替期間において第２指令生成部３２を選択し、復水器７の逆洗正洗切替期間以外の期間において第１指令生成部を選択する選択部３３と、復水器７の逆洗正洗切替期間か否かを判定し、判定結果に応じた信号を出力する状態判定部３４とを備えている。
第１指令生成部３１は、関数発生器４１、４２、乗算器４３、及び減算器４４を主な構成要素として備えている。
関数発生器４１には、蒸気タービン６の入口蒸気圧力が入力される。入口蒸気圧力は、例えば、蒸気タービン６に設けられているインタセプト弁１４の後流側に設けられた圧力センサによって計測された蒸気圧力が用いられる。関数発生器４１は、図４に示される入口蒸気圧力と蒸気タービン出力とを関係付けた特性線図を保有しており、この特性線図を参照して、入口蒸気圧力から蒸気タービン出力を算出し、この蒸気タービン出力を乗算器４３に出力する。
関数発生器４２には、復水器７の真空度が入力される。関数発生器４２は、図５に示される復水器真空度と真空補正係数とを関連付けた特性線図を保有しており、この特性線図を参照して、復水器真空度から真空補正係数を算出し、算出した真空補正係数を乗算器４３に出力する。
乗算器４３は、関数発生器４１から入力される蒸気タービン出力に、関数発生器４２から入力される真空補正係数を乗ずることにより蒸気タービン出力を補正し、補正後の蒸気タービン出力を減算器４４に出力する。
減算器４４は、乗算器４３から入力される補正後の蒸気タービン出力を別の構成によって生成された発電機出力指令から減算することにより、ガスタービン出力指令を算出し、このガスタービン出力指令を選択部３３に出力する。
第２指令生成部３２は、ガスタービン出力を反映するパラメータを用いて、ガスタービン出力指令を生成する。具体的には、第２指令生成部３２は、関数発生器５１を主な構成要素として備えている。関数発生器５１には、燃焼器１１へ供給する燃料量制御に関する燃料指令値ＣＳＯが入力される。関数発生器５１は、図６に示される燃料指令値ＣＳＯとガスタービン出力指令とを関連付けた特性線図を保有しており、この特性線図を参照して、燃料指令値ＣＳＯからガスタービン出力指令を算出し、算出したガスタービン出力指令を選択部３３に出力する。
状態判定部３４は、復水器７が逆洗正洗切替中であるか否かを判定し、判定結果に応じた信号を選択部３３に出力する。具体的には、逆洗状態判定部３４は、復水器逆洗弁２３の開度に基づいて逆洗正洗切替中であるか否かを判定する。具体的には、図７に示すように、復水器逆洗弁２３が全開状態から全閉状態へ移動している期間、及び、全閉状態から全開状態へ移動している期間は、逆洗正洗切替中であると判定する。
より具体的には、状態判定部３４は、復水器逆洗弁２３の弁開度が２％以上９８％以下の状態にある場合には、逆洗正洗切替中であると判定し、逆洗正洗切替中であることを示す信号を選択部３３に出力する。
選択部３３は、状態判定部３４から逆洗正洗切替中であることを示す信号が入力されている期間においては、第２指令生成部３２から入力されるガスタービン出力指令を選択して出力し、逆洗正洗切替中であることを示す信号が入力されていない期間においては、第１指令生成部３１から入力されるガスタービン出力指令を選択して出力する。
選択部３３から出力されたガスタービン出力指令は、圧縮機１へ空気を供給する空気配管に設けられた圧縮機入口案内翼（ＩＧＶ調整弁）の角度を制御する制御装置３５及び燃焼器２への燃料流量を調整するための燃料流量調整弁１０の開度を制御する制御装置３６へ出力される。
制御装置３５は、例えば、ガスタービン出力指令と圧縮機入口案内翼の角度とを関連付けた特性線図を保有しており、この特性線図を参照して、ガスタービン出力指令から圧縮機入口案内翼の角度を算出し、圧縮機入口案内翼が算出した角度となるように圧縮機入口案内翼調整弁２を制御する。
また、制御装置３６は、例えば、ガスタービン出力指令と燃料指令値ＣＳＯとを関連付けた特性線図を保有しており、この特性線図を参照して、燃料指令値ＣＳＯを算出し、この燃料指令値ＣＳＯに基づいて燃料流量調節弁１０の開度を制御する。
以上、説明してきたように、本実施形態に係る１軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置及びその方法によれば、復水器７の逆洗正洗切替中においては、蒸気タービン出力を考慮せず、ガスタービンの出力を反映するパラメータ、例えば、燃焼器１１へ供給する燃料量制御に関する燃料指令値ＣＳＯに基づいてガスタービン出力指令が生成される。これにより、復水器７の逆洗正洗切替中に生ずる復水器７の真空度の低下（図７参照）による蒸気タービン出力の低下の影響を受けずに、適切なガスタービン出力指令を生成することが可能となる。この結果、逆洗正洗切替中においても安定した発電機出力が得られるとともに、ガスタービン出力指令の誤算出による各種機器の誤動作を防止することができる。
また、このように決定されたガスタービン出力指令に基づいて、圧縮機入口案内翼２の角度及び燃料流量調節弁１０の開度が調整されるので、圧縮機入口案内翼２の角度の最適制御が行われることになり、１軸型複合サイクル発電プラントの部分負荷効率を向上することができるとともに、燃料流量調節弁１０の開度の最適制御が行われることになり、失火の発生を抑制して、ガスタービン３の信頼性を向上することができる。
更に、本実施形態に係るガスタービンの制御においては、図８に示されるように、電力系統の周波数がある一定値（ここでは、５２．５Ｈｚ）以上となった場合に、燃料流量調節弁１０の弁開度を全閉にするようなガバナフリー制御が行われる。本実施形態に係るガスタービン制御装置及びその方法によれば、燃料量制御に関する燃料指令値ＣＳＯに従ってガスタービン出力指令が生成されるので、上記ガバナフリー制御が、復水器７の逆洗正洗切替中に行われて、燃料量制御に関する燃料指令値ＣＳＯが変化した場合でも、この変化に追従してガスタービン出力指令を生成することができるという利点がある。
なお、上記実施形態においては、第２指令生成部３２が燃料指令値ＣＳＯに基づいてガスタービン出力指令を生成する場合について説明したが、この例に限られず、例えば、ガスタービン入口温度に基づいてガスタービン出力指令を生成することとしてもよい。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
本発明の一実施形態に係る一軸型複合サイクル発電プラントの概略構成図である。 復水器の循環水系統図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御装置の制御系統図である。 入口蒸気圧力と蒸気タービン出力とを関係付けた特性線図の一例を示した図である。 復水器真空度と真空補正係数とを関連付けた特性線図の一例を示した図である。 燃料指令値ＣＳＯとガスタービン出力指令とを関連付けた特性線図の一例を示した図である。 状態判定部の判定方法について説明するための図である。 ガバナフリー制御について説明するための図である。
符号の説明
１ 圧縮機
２ 圧縮機入口案内翼調整弁
３ ガスタービン
５ 発電機
６ 蒸気タービン
７ 復水器
８ 復水ポンプ
９ 排熱回収ボイラ
１０ 燃料流量調整弁
１１ 燃焼器
１２ 主蒸気加減弁
１３ 蒸気加減弁
１４ インタセプト弁
３０ ガスタービンの制御装置
３１ 第１指令生成部
３２ 第２指令生成部
３３ 選択部
３４ 状態判定部
４１，４２、５１ 関数発生器
４３ 乗算器
４４ 減算器
３５，３６ 制御装置

Claims (3)

  1. ガスタービンと、蒸気タービンと、発電機と、前記蒸気タービンの排気を凝縮する復水器とを備え、前記ガスタービン、前記蒸気タービン、及び前記発電機の回転軸が一体に結合された一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置であって、
    前記発電機出力と前記蒸気タービン出力とに基づいてガスタービン出力指令を生成する第１指令生成手段と、
    前記ガスタービン出力を反映するパラメータを用いて、前記ガスタービン出力指令を生成する第２指令生成手段と、
    前記復水器の逆洗正洗切替期間において前記第２指令生成手段を選択し、前記復水器の逆洗正洗切替期間以外において前記第１指令生成手段を選択する選択手段と
    を具備する一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置。
  2. 前記ガスタービンの出力を反映するパラメータは、燃焼器に供給する燃料量制御に関する指令値または前記ガスタービンの入口温度である請求項１に記載の一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御装置。
  3. ガスタービンと、蒸気タービンと、発電機と、前記蒸気タービンの排気を凝縮する復水器とを備え、前記ガスタービン、前記蒸気タービン、及び前記発電機の回転軸が一体に結合された一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御方法であって、
    前記復水器の逆洗正洗切替期間においては、前記ガスタービン出力を反映するパラメータを用いて、前記ガスタービン出力指令を生成し、前記復水器の逆洗正洗切替期間以外においては、前記発電機出力と前記蒸気タービン出力とに基づいてガスタービン出力指令を生成する一軸型複合サイクルプラントのガスタービン制御方法。
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