JP5178575B2

JP5178575B2 - 発電プラント給水装置及び制御方法

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Publication number: JP5178575B2
Application number: JP2009038764A
Authority: JP
Inventors: 達朗矢敷; 幸徳片桐; 貴範柴田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-02-23
Also published as: JP2010196473A

Description

本発明は、蒸気タービンを有する発電プラントの給水装置及び給水装置の制御方法に関する。

実開平１−１２３００１号公報は、復水器から供給した蒸気を一台の圧縮機で圧縮し、圧縮された蒸気を、圧縮機の、軸方向における複数箇所から４基の給水加熱器に供給する火力発電プラントを記載している。

実開平１−１２３００１号公報

実開平１−１２３００１号公報では、圧縮機を設けて効率を向上する際に、プラント運転の負荷状態などを考慮しておらず、給水装置の運転についても考慮されていない。

本発明の目的は、発電プラント全体の熱効率，発電効率を向上しつつ、プラントトリップや負荷遮断などといった緊急時においても安全にプラントを運用可能な給水装置及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の発電プラント給水装置は、蒸気を用いて駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンからの排気蒸気を復水器で凝縮した給水を加熱する給水加熱器と、蒸気タービンからの抽気蒸気又は排気蒸気を圧縮及び加熱し、給水加熱器へ供給するための蒸気圧縮機と、前記蒸気圧縮機を駆動する圧縮機モータと、給水加熱器内部の飽和蒸気を復水器へと運ぶためのブロー配管と、ブロー配管の飽和蒸気の流れを調整するための圧力調整弁とを備えた。

本発明によると、低温・低圧蒸気の熱利用率が高まりプラント熱効率が向上するとともに、負荷遮断時においても蒸気圧縮機及び給水装置を安全に運用・制御可能な給水装置を提供することができる。

本発明の第１の実施例による発電プラント給水装置及び制御装置の概略図。本発明の第１の実施例による発電プラント給水装置の運転特性。本発明の第２の実施例による発電プラント給水装置及び制御装置の概略図。本発明の第２の実施例による蒸気圧縮機の運転特性。本発明の第２の実施例による制御装置のフローチャート。

以下図面を用いて実施例を説明する。

図１を用いて、本発明の第１の実施例について説明する。

本図では、給水予熱のための熱源として、低位エネルギーである低圧蒸気タービン２の抽気蒸気を用いる。低圧蒸気タービン２は上流に低圧蒸気タービン入口遮断弁４を、下流に復水器５を備え、低温・低圧の蒸気を作動流体として駆動力を得る。低圧タービン出口の蒸気は復水器５へ流入し、減温・凝縮したのち装置底部にて給水として貯留される。復水器下部に貯留された給水は、給水配管６を経て復水ポンプ７で加圧されたのち、低圧給水加熱器８及び高圧給水加熱器１０で加熱されてボイラあるいは原子炉へと供給される。低圧給水加熱器８及び高圧給水加熱器１０へ給水を加熱するための蒸気は、低圧抽気配管１１，高圧抽気配管１２により供給される。尚、ここでは蒸気タービンからの抽気蒸気を用いた例として説明するが、蒸気タービンの排気蒸気を用いても良い。また、高圧給水加熱器１０内の飽和蒸気を復水器５へと運ぶブロー配管１５と、ブロー配管１５を通過する飽和蒸気流れを調整する圧力調整弁１６を備える。

低圧給水加熱器８では、低圧蒸気タービン２で得られた低温・低圧の抽気蒸気を用いて給水を加熱する。加熱後の蒸気は給水との熱交換により凝縮・液化して低圧給水加熱器底部にドレンとなって貯留される。このドレンは復水器５へと還流される。

高圧給水加熱器１０では、低圧蒸気タービン２で得られた低温・低圧の抽気蒸気を、蒸気圧縮機１３にて高温・高圧の蒸気として給水を加熱する。尚、抽気蒸気のほか、低圧蒸気タービン２の排気蒸気を用いても良い。蒸気圧縮機１３の駆動には圧縮機モータ１４を用いる。圧縮機モータの駆動力はプラントで発生した電力の一部である。給水加熱後の蒸気は給水との熱交換により凝縮・液化して高圧給水加熱器底部にドレンとなって貯留される。このドレンは脱気器９にて給水と合流する。給水加熱器の設置個数やドレン配管の接続方法については発電プラントによって異なるが、いずれも蒸気タービンからの熱の一部を給水にて回収することにより、発電プラント全体としての熱効率を高める目的がある。

なお、本実施例では高圧給水加熱器底部のドレンを脱気器９にて給水として再利用する構成としたが、ドレンとして低圧給水加熱器８に供給し、給水の加熱に再利用してもよい。また、ドレン温度が給水の加熱に適さない程度に低い場合には、ドレンを復水器５へと還流する構成としても良い。

本実施例では、従来高圧蒸気タービンから抽気した高温・高圧の抽気蒸気を用いず、低圧蒸気タービンから抽気した低温・低圧の抽気蒸気を蒸気圧縮機１３にて昇圧・昇温して給水の加熱源とする。高圧蒸気タービンからの抽気停止による出力上昇分をΔＥ_HPST（ｋＷ）、高圧蒸気タービンからの抽気停止による低圧蒸気タービンへの蒸気流量増大がもたらす出力上昇及び低圧蒸気タービンからの抽気量増加による出力低下を総合した出力変動分をΔＥ_LPST（ｋＷ）、蒸気圧縮機１３を駆動する圧縮機モータの駆動力をＥ_m（ｋＷ）とすると、プラント全体の発電出力上昇ΔＥ_total（ｋＷ）は次式で求めることができる。

ΔＥ_HPSTとΔＥ_LPSTの合計値がＥ_mを超えないよう低圧蒸気タービン２からの抽気位置（抽気温度），抽気蒸気流量，圧縮機の圧力比及び効率を設計することにより、プラント出力の増加が見込まれる。ボイラあるいは原子炉への燃料流量を一定とした場合には、プラントの発電端効率、送電端効率が上昇する。燃料流量をＧ_fuel（kg／ｓ）、燃料発熱量をＨ_fuel（ｋＪ／kg）とすると、プラント発電端効率の増分Δη_total（−）は次式で求めることができる。

式２より、プラント出力を一定としてボイラあるいは原子炉への燃料流量を減少させた場合も同様に、発電端効率，送電端効率は上昇するが、ボイラあるいは原子炉については部分負荷運転となることから、発電端効率，送電端効率を評価する場合には、ΔＥ_HPST，ΔＥ_LPSTに部分負荷運転における蒸気タービン入口蒸気温度・蒸気流量の変化分を加味する。

圧力調整弁１６は通常負荷運転時には動作せず、負荷遮断，ボイラトリップなどのプラント特殊運転時に動作する特殊運転用の操作端である。以下にその動作を述べる。

まず最初に、負荷遮断，ボイラトリップなどプラント特殊運転時における低圧蒸気タービン２などの各種状態量の時間推移をまとめて図２に示す。横軸は時間を表す。

図２の一番上の図は、低圧蒸気タービン入口遮断弁４の開度変化を表す図である。時刻ｔ０に負荷遮断が発生した場合、低圧蒸気タービン入口遮断弁は従来発電プラント制御装置の制御シーケンスに基づき、開度１００％から０％となって低圧蒸気タービンへの蒸気供給を停止する。

図２の真ん中の図は、低圧蒸気タービン出口の流量変化を表す図である。遮断弁開度の閉止に伴い低圧蒸気タービン入口蒸気流量も定格比１.０から０.０へと低下する。時刻ｔ１からｔ２においては、遮断弁が一定開度で開き、クーリング蒸気が流入する。時刻ｔ２以降では蒸気供給はゼロとなる。

時刻ｔ０では、低圧蒸気タービン２は慣性によって回転を続けることから、低圧蒸気タービン出口においては継続して蒸気流れが発生し、低圧蒸気タービン内部の蒸気が抽気配管あるいは復水器へと強制排気される。また、抽気配管から復水器への蒸気流入もみられる。

図２の一番下の図は、蒸気圧縮機入口の圧力変化を表す図である。蒸気の強制排気により蒸気圧縮機入口においても圧力が急激に低下する。また、時刻ｔ１からｔ２では、低圧蒸気タービン２にクーリング蒸気が流入するため、蒸気圧縮機入口の圧力が増加する。時刻ｔ２以降では、蒸気供給がゼロとなるため圧力は再び低下する。

負荷遮断などにより蒸気圧縮機出口圧力は低下するが、高圧給水加熱器が蒸気溜まり（バッファ）の効果を有することから圧力低下の割合は緩やかであり、負荷遮断時には蒸気圧縮機入口圧力が急速に低下するため、対策を講じずに圧縮機モータ回転数Ｎを１００％一定として連続運転した場合には圧縮機圧力比Ｐｃｏ／Ｐｃｉの上昇により、圧縮機はサージ、最悪の場合圧縮機の破損へと到る。

プラント運転員は、負荷遮断，トリップなどが発生した場合に、ブロー配管の飽和蒸気の流れを調整するための圧力調整弁を操作することにより、給水加熱器内部の飽和蒸気をブロー配管を通して復水器へと運ぶ。これにより圧縮機の出入口の圧力差を少なくし、安全にプラントを運転可能とすることができる。

このように、蒸気を用いて駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンからの排気蒸気を復水器で凝縮した給水を加熱する給水加熱器と、蒸気タービンからの抽気蒸気又は排気蒸気を圧縮及び加熱し、給水加熱器へ供給するための蒸気圧縮機と、前記蒸気圧縮機を駆動する圧縮機モータと、給水加熱器内部の飽和蒸気を復水器へと運ぶためのブロー配管と、ブロー配管の飽和蒸気の流れを調整するための圧力調整弁とを備えたプラント給水装置により、発電プラント全体の熱効率，発電効率を向上しつつ、プラントトリップや負荷遮断などといった緊急時においても安全にプラントを運用可能である。

また、蒸気を用いて駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンからの排気蒸気を復水器で凝縮した給水を加熱する給水加熱器と、蒸気タービンからの抽気蒸気又は排気蒸気を圧縮及び加熱し、給水加熱器へ供給するための蒸気圧縮機と、蒸気圧縮機を駆動する圧縮機モータと、給水加熱器内部の飽和蒸気を復水器へと運ぶためのブロー配管と、ブロー配管の飽和蒸気の流れを調整するための圧力調整弁とを備えたプラント給水装置の運転方法であって、プラント負荷遮断あるいはボイラトリップ時において蒸気タービンへの蒸気供給が停止、あるいは減少した場合には、圧力調整弁を開く運転方法により、発電プラント全体の熱効率，発電効率を向上しつつ、プラントトリップや負荷遮断などといった緊急時においても安全にプラントを運用可能である。

また、上記圧力調整弁の操作は、負荷遮断を運転員が認識してから圧力調整弁を運転員が操作する以外に、制御装置による自動開閉制御とすることもできる。この場合、負荷遮断スイッチＳＷの入力を受けた際に、圧力調整弁開度指令Ｃｖ０を圧力調整弁へ出力する制御装置を備える構成とすることで操作できる。

尚、上記実施例では、低圧蒸気タービン２の蒸気を圧縮機で昇圧して、高圧給水加熱器１０へ供給する例を示したが、低圧蒸気タービン２ではなく高圧蒸気タービンとすることもできる。

図３を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。

図３は、本発明の第１の実施例に示した給水装置に対し、蒸気圧縮機１３の入口側に蒸気圧縮機入口圧力Ｐｃｉを計測する圧力計１９，高圧給水加熱器１０に蒸気圧縮機出口圧力Ｐｃｏを計測する圧力計１７，圧縮機モータ１４の駆動軸にモータ回転数Ｎを計測する回転計１８を備えるとともに、計測値Ｐｃｉ，Ｐｃｏ，Ｎ及び負荷遮断スイッチＳＷを入力し、圧縮機モータ出力指令Ｅｍ０及び圧力調整弁開度指令Ｃｖ０を出力する制御装置１００を備える。

蒸気圧縮機入口圧力が低下した場合の圧縮機運転特性を、本発明によるプラント給水系統制御装置を適用した場合の圧縮機運転特性と合わせて図４に示す。

図４は横軸に圧縮機吸気流量（すなわち抽気蒸気流量）、縦軸に圧縮機入口と出口における圧力比を示す。また、圧縮機モータ回転数Ｎに対する圧力比と圧縮機吸気流量との関係を実線で示す。

定格時には圧縮機モータ回転数Ｎ＝１００％とし、点Ａで運転する。運転点は蒸気タービンの負荷によって変動するが、通常は蒸気圧縮機がサージしないよう、サージラインよりも右下の領域で運転する必要がある。図２に示したとおり、負荷遮断時には蒸気圧縮機入口圧力が急速に低下するため、圧縮機モータ回転数Ｎを１００％一定として連続運転した場合には圧縮機圧力比Ｐｃｏ／Ｐｃｉの上昇により経路（ａ）を通ってサージラインへと到達し、圧縮機はサージ、最悪の場合圧縮機の破損へと到る。

圧縮機圧力比Ｐｃｏ／Ｐｃｉの上昇は、蒸気圧縮機出口圧力に対して、入口圧力が急速に低下したことが原因である。圧縮機モータ回転数を急速に下げることにより蒸気圧縮機出口圧力は低下するが、高圧給水加熱器が蒸気溜まり（バッファ）の効果を有することから圧力低下の割合は緩やかであり、蒸気圧縮機は経路（ｂ）を通ってサージラインへと到達する。

本実施例では、蒸気圧縮機出口圧力を急速降下させる手段として、高圧給水加熱器蒸気側から復水器へ、飽和蒸気をブローするための配管を設置するとともに、配管に圧力調整弁を設置し、負荷遮断，ボイラトリップなどの特殊運転時には圧力調整弁を開いて高圧給水加熱器を減圧する。給水加熱器内の減圧により、給水加熱器下部に貯留したドレンもまたフラッシングするが、このフラッシング蒸気もまたブロー配管を経て復水器へと排気する構成となる。また、低圧蒸気タービン２にクーリング蒸気が流入する場合には、圧力調整弁を絞り高圧給水加熱器を加圧する。高圧給水加熱器からのブローによって、蒸気圧縮機は経路（ｃ）で安全に停止状態へと移行する。本実施例では、定格出力から圧縮機を安全に停止させるための圧力比設定値を設定し、圧縮機モータ停止時には圧力調整弁開度をこの圧力比設定値に追従するよう制御する。

圧縮機モータ及び圧力調整弁開度の制御方法について図５にフローチャートを示す。

負荷遮断あるいはボイラトリップにより蒸気タービンへの蒸気供給が停止する場合、負荷遮断スイッチＳＷの値がＯＦＦからＯＮとなる。スイッチＳＷがＯＮとなった場合、処理１０１では、圧縮機モータ出力指令Ｅｍ０を出力して圧縮機モータの停止操作を実行する。なお、蒸気圧縮機および圧縮機モータには回転に伴う慣性力が働くことから本指令によって瞬時にモータが停止することはなく、蒸気圧縮機および圧縮機モータは慣性モーメントに従い停止する。

次に、処理１０２では圧縮機回転数Ｎを入力し、図５の圧力比設定値に従い圧力比設定値を計算する。処理１０３では、抽気蒸気圧力Ｐｃｉ及び給水加熱器Ｐｃｏを入力し、圧縮機圧力比Ｐｃｏ／Ｐｃｉが先に求めた圧力比設定値となる圧力調整弁開度Ｃｖ０を計算する。

上述した様に、プラント負荷遮断あるいはボイラトリップ時において蒸気タービンへの蒸気供給が停止、あるいは減少した場合には、圧縮機モータの回転数を低下させて給水加熱器への蒸気供給を停止、あるいは減少させるとともに、蒸気圧縮機入口での蒸気の圧力の計測値と、蒸気圧縮機出口あるいは給水加熱器内に備えた給水加熱器圧力の計測値と、圧縮機モータ回転数の計測値とに基づき圧力調整弁の開度を制御するプラント給水系統の制御装置又はその運転方法により、圧縮機の特性に合わせて、圧縮機を安全に停止させることができる。

また、プラント負荷遮断あるいはボイラトリップ時において蒸気タービンへの蒸気供給が停止、あるいは減少した後、クーリング蒸気の流入により蒸気供給が増加した場合には、圧縮機モータの回転数を上昇させて給水加熱器への抽気蒸気供給を増加させるとともに、蒸気圧縮機入口での蒸気圧力の計測値と、蒸気圧縮機出口あるいは給水加熱器内に備えた給水加熱器圧力の計測値と、圧縮機モータ回転数の計測値とに基づき圧力調整弁の開度を制御するプラント給水系統の制御装置又はその運転方法により、クーリング蒸気流入時にも安全にプラントを運転することができる。

ボイラや原子力発電などの蒸気駆動の設備に適用できる。また、２軸式ガスタービンおよびその制御装置に利用可能である。

２低圧蒸気タービン
４低圧蒸気タービン入口遮断弁
５復水器
６給水配管
７復水ポンプ
８低圧給水加熱器
９脱気器
１０高圧給水加熱器
１１低圧抽気配管
１２高圧抽気配管
１３蒸気圧縮機
１４圧縮機モータ
１５ブロー配管
１６圧力調整弁
１７，１９圧力計
１８回転計
１００制御装置
１０１，１０２，１０３処理

Claims

蒸気を用いて駆動する蒸気タービンと、
蒸気タービンからの排気蒸気を復水器で凝縮した給水を加熱する給水加熱器と、
前記蒸気タービンからの抽気蒸気又は排気蒸気を圧縮及び加熱し、前記給水加熱器へ供給するための蒸気圧縮機と、
前記蒸気圧縮機を駆動する圧縮機モータと、
前記給水加熱器内部の前記蒸気圧縮機で圧縮及び加熱した飽和蒸気の一部を復水器へと運ぶためのブロー配管と、
前記ブロー配管の飽和蒸気の流れを調整するための圧力調整弁とを備えたことを特徴とするプラント給水装置。
請求項１に記載のプラント給水装置であって、
プラント負荷遮断あるいはボイラトリップ時において前記蒸気タービンへの蒸気供給が停止、あるいは減少した場合には、前記圧縮機モータの回転数を低下させて前記給水加熱器への蒸気供給を停止、あるいは減少させるとともに、
前記蒸気圧縮機入口での蒸気圧力の計測値と、前記蒸気圧縮機出口あるいは給水加熱器内に備えた前記給水加熱器圧力の計測値と、前記圧縮機モータ回転数の計測値とに基づき前記圧力調整弁の開度を制御する制御装置を有することを特徴とするプラント給水装置。
請求項２に記載のプラント給水装置であって、
プラント負荷遮断あるいはボイラトリップ時において前記蒸気タービンへの蒸気供給が停止、あるいは減少した後、クーリング蒸気の流入により蒸気供給が増加した場合には、前記圧縮機モータの回転数を上昇させて前記給水加熱器への抽気蒸気供給を増加させるとともに、
前記蒸気圧縮機入口での蒸気圧力の計測値と、前記蒸気圧縮機出口あるいは前記給水加熱器内に備えた前記給水加熱器圧力の計測値と、前記圧縮機モータ回転数の計測値とに基づき前記圧力調整弁の開度を制御する制御装置を有することを特徴とするプラント給水装置。
蒸気を用いて駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンからの排気蒸気を復水器で凝縮した給水を加熱する給水加熱器と、前記蒸気タービンからの抽気蒸気又は排気蒸気を圧縮及び加熱し、前記給水加熱器へ供給するための蒸気圧縮機と、前記蒸気圧縮機を駆動する圧縮機モータと、前記給水加熱器内部の飽和蒸気を復水器へと運ぶためのブロー配管と、前記ブロー配管の飽和蒸気の流れを調整するための圧力調整弁とを備えたプラント給水装置の運転方法であって、
プラント負荷遮断あるいはボイラトリップ時において蒸気タービンへの蒸気供給が停止、あるいは減少した場合には、前記圧力調整弁を開いて前記蒸気圧縮機で圧縮及び加熱した飽和蒸気の一部を前記ブロー配管を通して復水器へと運ぶことを特徴とするプラント給水装置の運転方法。
請求項４に記載のプラント給水装置の運転方法であって、
制御装置を有し、前記制御装置が、プラント負荷遮断あるいはボイラトリップ時において前記蒸気タービンへの蒸気供給が停止、あるいは減少した場合には、前記圧縮機モータの回転数を低下させて前記給水加熱器への蒸気供給を停止、あるいは減少させるとともに、前記蒸気圧縮機入口での蒸気圧力の計測値と、前記蒸気圧縮機出口あるいは給水加熱器内に備えた前記給水加熱器圧力の計測値と、前記圧縮機モータ回転数の計測値とに基づき前記圧力調整弁の開度を制御することを特徴とするプラント給水装置の運転方法。
請求項５に記載のプラント給水装置の運転方法であって、
前記制御装置が、プラント負荷遮断あるいはボイラトリップ時において前記蒸気タービンへの蒸気供給が停止、あるいは減少した後、クーリング蒸気の流入により蒸気供給が増加した場合には、前記圧縮機モータの回転数を上昇させて前記給水加熱器への抽気蒸気供給を増加させるとともに、
前記蒸気圧縮機入口での蒸気圧力の計測値と、前記蒸気圧縮機出口あるいは前記給水加熱器内に備えた前記給水加熱器圧力の計測値と、前記圧縮機モータ回転数の計測値とに基づき前記圧力調整弁の開度を制御することを特徴とするプラント給水装置の運転方法。