JP5355057B2 - 発電プラントにおいてガスタービンを制御するための方法とこの方法を実施するための発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、発電プラント技術の分野に言及し、ガスタービン入口温度ＴＩＴまたはガスタービン排気温度ＴＡＴと、１つもしくは複数の可変コンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置ＶＩＧＶとの予め指定された定格または変動が、各負荷のために指定される、発電プラントにおいてガスタービンを制御するための方法に関する。この方法を実施するための発電プラントもまた本発明の範囲内にある。

ガスタービンの出力は、タービン入口温度、コンプレッサ入口質量流量、または両パラメータを変えることによって調節することができる。コンプレッサ入口質量流量を調節するためには、例えばコンプレッサの入口形状寸法を、可変入口案内羽根カスケードを経て変えることができる。

タービン入口温度のレベルは本質的に、ガスタービンの使用寿命消費または検査間隔の長さを決定する。

ガスタービンの効率は本質的に、一定タービン入口温度がコンプレッサ吸入容積に比例して進行する圧力比によって決定される。

ガスタービンの出力は本質的に、タービン入口温度のレベルによって決定される。ガスタービン排気温度はタービン入口温度のレベルに正比例し、ガスタービンの圧力比に逆比例する。

複合ガス蒸気タービン発電プラント、すなわちいわゆる複合サイクル発電プラントの効率は、ガスタービン排気温度のレベルとガスタービン効率とに依存する。このことから、複合サイクル発電プラントの総合効率と出力は本質的に、ガスタービン入口温度に依存することになる。

現今、ガスタービンは、ガスタービン入口または排気温度／コンプレッサ入口案内羽根カスケード位置の予め指定された定格、または所定のコンプレッサ入口案内羽根カスケード位置の温度変化が各負荷に関連するように、制御される。

ガスタービン入口温度および／またはコンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置の柔軟な適合という意味で発電コストを最小にすることは、新たな試運転の場合にのみ可能であり、試運転の間に、ガスタービン入口温度またはガスタービン排気温度およびコンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置の対応する定格または変動が、特定の最大または最小負荷値を達成するために、もしくは負荷の関数として確立される。たとえば燃料価格が高騰した場合に、使用寿命としたがって一定の電力出力でメンテナンス間隔の同時延長とともに効率の低下を望まなければならない場合には、ガスタービンの新たな試運転がこのために必要になる。

したがって本発明は、ガスタービンに基づき、かつ新たな試運転なしでもガスタービン入口温度および／またはコンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置の柔軟な適合を可能にする、発電プラントを制御するための方法を生み出すという課題に基づく。

本発明による課題は、ガスタービンのための複数の操作線を、さまざまなガスタービン入口温度ＴＩＴまたはガスタービン排気温度ＴＡＴについて、およびコンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置ＶＩＧＶについて、負荷の関数として指定し、また運転中の発電コストを最小にするために、発電プラントの一定または変動電力出力中にさまざまな操作線間で切替えを任意に行うことによって達成される。

本発明による運転概念は発電プラントのオペレータに、要件に応じていつでも発電コストを最小にする可能性を提供する。

発電コストは本質的に、発電プラントの運転の結果として、特に発電プラントによって支払われるべき発電ｋＷｈ当り燃料コストの結果として発生する、続いて起こるコストと収益に依存し、発電プラントのレベルは、ガスタービンの能率と、電力販売の結果としての発電プラントによって生み出される収益と、使用寿命消費、すなわちガスタービンの使用およびメンテナンスとによって決定される。

本発明による柔軟なガスタービン運転概念は、発電コストを最小にすることに関して運転方式の最適化を可能にする。この実施においては、一定または変動発電中に、さまざまなタービン入口温度とコンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置の間で運転中に切替えを行うことができる。

ガスタービンを備えた発電プラントの簡略化された概略ブロック図である。 さまざまなガスタービン入口温度（ＴＩＴ）におけるガスタービンのさまざまなオペレーティング・ラインと、コンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置（ＶＩＧＶ）を、負荷の関数で示す図である。

本発明の他の長所、特徴、および詳細は、下記の事項から始まる好ましい実施形態により、および図面を参照することによっても得られる。

コンプレッサ１２と燃焼室２０とタービン１４とを含み、中央構成部分であるガスタービン１０が、図１に再現する発電プラントの中に見られる。コンプレッサ１２およびタービン１４は、発電機１８を駆動する共通シャフト１６の上に配置されている。空気入口２８と、フィルタ２６と、可変案内羽根構成２４を経て、コンプレッサ１２は周囲環境から空気を引き込み、これを圧縮し、こうして圧縮された空気を、プレナムを経て燃焼室２０に送り、燃焼室２０は、燃料供給管路２２を経て給送される燃料（液状または気体状）を燃焼するために使用される。この結果得られる熱ガスはタービン１４の中で膨張して、作業を実施し、次いでプロセス蒸気すなわち蒸気タービン用の蒸気を発生させるために、例えば次の熱回収蒸気発生器において使用することができる。

プラント全体（ガスタービンおよびその他の構成要素）を制御するために、制御ユニット３０が備えられ、これは図においては１つの出力部を有する簡単なブロックとして示されているが、実際は非常に複雑な方式で、種々のプラント構成要素のための多くの出力部を伴って構成することができる。

ガスタービン１０の試運転時の各負荷のためまたは負荷の上限値および下限値のために決定される、ガスタービン入口温度ＴＩＴまたはガスタービン排気温度ＴＡＴの、および可変コンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置または入射角ＶＩＧＶの予め指定された定格または変動の形での、多くのオペレーティング・ラインが、制御ユニット３０と接続されるデータメモリの中に記憶されている。

オペレーティング・ラインを確立するために、ガスタービン１０の基本パラメータ、実際には特に可変案内羽根構成２４の入射角ＶＩＧＶ、およびタービン１４の入口におけるタービン入口温度ＴＩＴが使用される。入射角ＶＩＧＶの入力のために、図では、可変案内羽根構成２４と制御ユニット３０の入力側との間の接続線が備えられている。タービン入口温度ＴＩＴは、燃焼室２０の出口とタービン１４の入口との間に配置された対応するトランスデューサ３２を経て決定され、1本の回線を経て制御ユニット３０の他の入力部に伝達されるが、タービン入口温度はＴＩＴ＝ｆ（タービンの上流の圧力またはコンプレッサ下流の圧力、ＴＡＴ、ＶＩＧＶ）である。タービン排気温度ＴＡＴは、これからコンピュータによってタービン入口温度ＴＩＴを決定するために使用される。この目的のために、対応するトランスデューサ３４がタービン１４の排気側に配置され、制御ユニット３０の入力部に接続されている。

図２に示す運転概念の場合には、基底負荷運転に加えて、３つのさらなる運転状態が部分負荷の変動レベルで記録される。入口案内羽根カスケード入射角ＶＩＧＶ＝「基底負荷位置における」、および高い部分負荷における運転によって、入口案内羽根カスケード入射角ＶＩＧＶ＝「閉位置」が提供される。出力に特定の使用寿命を保証すべきである。この目的のために、出力に特定のタービン入口温度ＴＩＴが確立され、これは全負荷において３つの異なる使用寿命または検査間隔につながり、検査間隔は「標準（ＳＰ）または長（ＬＰ）または超長（ＥＬＰ）時間」にしたがって定義され、ＳＰ対ＬＰ対ＥＬＰは、例えばほぼ１対１．５対２である。３つのオペレーティング・ラインは、基底負荷運転および高い部分負荷での運転において３つの異なるタービン入口温度ＴＩＴを考慮する。異なる出力間の継ぎ目のない負荷変化が可能になる。

図２に示す運転概念の場合には、３つの可能なオペレーティング・ラインが示されている。３つのすべてのオペレーティング・ラインについて、ＴＩＴが負荷の関数として示されている。ＴＩＴを計算するためには、さまざまな可能性が知られている。図示のＴＩＴ_ＩＳＯは、燃焼室の端部における熱ガスと冷却空気流全部との混合のときに結果として得られる理論的温度である（ＩＳＯ２３１４：１９８９による）。

低負荷では、オペレーティング・ラインはすべてＶＩＧＶの最小位置によって、すなわちＶＩＧＶ閉位置によって制限される。低負荷におけるオペレーティング・ラインは相応じて互いに上下に位置し、出力の増加は、選択された動作ラインに対応するＴＡＴが達成されるまでＴＩＴを上昇させることによって達成される。選択された動作ライン（ＳＰ、ＬＰ、ＥＬＰ）に応じて、装荷が対応するＴＡＴ値まで、すなわちＴＡＴ低定格、ＴＡＴ中定格、またはＴＡＴ高定格まで実施される。それぞれのＴＡＴ値が達成されるとすぐに、さらなる負荷の増加によって、ＶＩＧＶは負荷に比例して開かれ、ＴＡＴは一定に保持される。特定のＶＩＧＶ位置によって、この場合には例えばＶＩＧＶ＝ｃｏｎｓｔ１によって達成できるそれぞれの負荷は、選択されたオペレーティング・ライン（ＳＰ、ＬＰ、ＥＬＰ）のＴＩＴに比例する。

ＶＩＧＶを開くことによって、ガスタービンを通る質量流量、タービン１４両端間の圧力比、および従ってタービン１４両端間の温度比は増加する。一定ＴＡＴでは、ＴＩＴはＶＩＧＶの開きに比例して増加する。これは、それぞれのオペレーティング・ライン（ＳＰ、ＬＰ、ＥＬＰ）、すなわちＴＡＴ低定格、ＴＡＴ中定格、またはＴＡＴ高定格に関連する最高ＴＩＴが達成されるまで、実施される。最高ＴＩＴすなわちＴＩＴ基底負荷が達成されるとすぐに、負荷はＶＩＧＶを経てのみ制御され、ＴＩＴは一定に保持される。質量流量はさらにＶＩＧＶの開きによって増加し、ＴＡＴ（図示せず）は基底負荷に達するまで低下する。

図示された例では、異なるオペレーティング・ライン（ＳＰ、ＬＰ、ＥＬＰ）のためのＴＡＴに対するＴＩＴの比は、一定ＴＡＴから最高ＴＩＴまでの遷移が各場合に同じＶＩＧＶ位置で、すなわちＶＩＧＶ＝ｃｏｎｓｔ２で実施されるように選択される。したがってこの例では、ＴＩＴまたはＴＡＴにわたる冷却空気圧力比の同様な変動が、すべてのオペレーティング・ライン（ＳＰ、ＬＰ、ＥＬＰ）について保証される。したがって、使用寿命係数はすべての負荷比について等しく第1近似内に保たれる。しかし、設計および最適化の目的に応じて、頂点の別の選択が考えられる。さまざまなオペレーティング・ライン（ＳＰ、ＬＰ、ＥＬＰ）によって、特定の使用寿命が各場合に保証される。この目的のために、出力特有のタービン排気温度ＴＡＴおよびＴＩＴが負荷の関数として対で制御される。ＶＩＧＶを制御パラメータとして使用することができ、または負荷の関数として明記することができる。基底負荷および部分負荷運転における３つの特定使用寿命は、例えば確立された運転時間に依存して指定期間の検査間隔に対応する３つの検査間隔に至る。

異なるオペレーティング・ライン間の継ぎ目のない負荷変化は、ＴＩＴ／ＴＡＴの対応する上昇または低下によって可能になる。この目的のために、ＴＩＴ／ＴＡＴは例えば一定の勾配で上昇または低下される。ＴＩＴまたはＴＡＴが適合される勾配は例えば、標準負荷勾配を有するオペレーティング・ラインに沿った負荷変化に必要なＴＩＴまたはＴＡＳＴの桁範囲で選択される。検査間隔は、それぞれのオペレーティング・ラインの上に覆われる時間部分に一致してオペレーティング・ライン間で変化するときに結果として生ずる。

１０ ガスタービン
１２ コンプレッサ
１４ タービン
１６ シャフト
１８ 発電機
２０ 燃焼室
２２ 燃料給送管路
２４ 可変案内羽根構成
２６ フィルタ
２８ 空気入口
３０ 制御ユニット
３２ トランスデューサ（タービン入口温度ＴＩＴ）
３４ トランスデューサ（タービン排気温度ＴＡＴ）
ＳＰ 標準期間、ＴＩＴ高定格による検査間隔運転期間１
ＬＰ 長期間、ＴＩＴ中定格による検査間隔運転期間１．５
ＥＬＰ 超長期間、ＴＩＴ低定格による検査間隔運転期間２
ＴＩＴ ｈｉｇｈ ｒａｔｉｎｇ 検査間隔ＳＰのための標準タービン入口温度
ＴＩＴ ｍｅｄｉｕｍ ｒａｔｉｎｇ 検査間隔ＬＰのためのわずかに低下したタービン入口温度
ＴＩＴ ｌｏｗ ｒａｔｉｎｇ 検査間隔ＥＬＰのための低下したタービン入口温度
ＴＩＴ タービン入口温度
ＴＡＴ タービン排気温度
ＶＩＧＶ 可変案内羽根構成の入射角
ＶＩＧＶ ｃｌｏｓｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ 無負荷運転および低部分負荷のためのＶＩＧＶの最小開き
ＶＩＧＶ ｃｏｎｓｔ１ さまざまなオペレーティング・ラインのためにＶＩＧＶ開き角が達成されるときの負荷およびＴＩＴの事例
ＶＩＧＶ ｃｏｎｓｔ２ さまざまなオペレーティング・ラインのためのＴＩＴ基底負荷が達成されるときのＶＩＧＶ角
Ｌ 負荷

Claims (3)

1. ガスタービン入口温度ＴＩＴまたはガスタービン排気温度ＴＡＴと、１つもしくは複数の可変コンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置ＶＩＧＶとの定格を各負荷について指定する、発電プラントにおいてガスタービン（１０）を制御するための方法において、
   さまざまなガスタービン入口温度ＴＩＴまたはガスタービン排気温度ＴＡＴおよびコンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置ＶＩＧＶに関する、ガスタービン（１０）のための多くのオペレーティング・ラインが、負荷の関数として指定され、運転中の発電コストを最小にするために、発電プラントの一定のまたは変動する電力出力中にさまざまなオペレーティング・ライン間で切替えが随意に実施されること、および
   基底負荷運転に加えて、低定格、中定格及び高定格を備えた３つのさらなる運転状態が部分負荷の変動レベルで記録されることを特徴とする方法。
2. ガスタービン（１０）の効率が、使用寿命の改善を達成するために低いＴＩＴ（ＴＩＴ ｌｏｗ ｒａｔｉｎｇ）またはＴＡＴ（ＴＡＴ ｌｏｗ ｒａｔｉｎｇ）を有するオペレーティング・ラインを選択することによって低下することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. コンプレッサ（１２）およびタービン（１４）を有する少なくとも１つのガスタービン（１０）と、さらに制御ユニット（３０）も含む、請求項１に記載の方法を実施するための発電プラントにおいて、
   制御ユニット（３０）において、さまざまなガスタービン入口温度ＴＩＴまたはガスタービン排気温度ＴＡＴおよびコンプレッサ入口案内羽根カスケードの位置ＶＩＧＶに関する、ガスタービン（１０）のための多くのオペレーティング・ラインが、負荷の関数として指定され、運転中の発電コストを最小にするために、発電プラントの一定のまたは変動する電力出力中にさまざまなオペレーティング・ライン間で切替えが随意に実施されることを特徴とする発電プラント。

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