JP5478961B2 - 蒸気タービンのウォーミング用弁制御方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収方式を採用したガスタービン・コンバインドサイクルプラントに関し、ガスタービンの排ガスを利用して駆動される蒸気タービンの配管系にて、エロ-ジョンの発生を防止する技術に関する。

コンバインドサイクルプラントの発電方式として、ガスタービンから排出された排ガスを排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に導き、その排熱を利用して蒸気を発生させた後、該蒸気により蒸気タービンを駆動する、いわゆる排熱回収方式が知られている。
そして、この種の排熱回収方式を採用したガスタービン・コンバインドサイクルプラント（ＧＴＣＣ）として、特許文献１に示されるコンパインドサイクル発電プラントが知られている。この発電プラントは、図５に示されるように、発電機１、ガスタービン２、蒸気タービン３、排熱回収ボイラー４、復水器５、復水ポンプ６を主な構成要素とする。

ガスタービン２は、取り込んだ空気を圧縮する圧縮機１０と、外部から供給された燃料ガスを前記圧縮機１０から供給された圧縮空気により燃焼させる燃焼器１１と、該燃焼器１１から供給された排ガスにより駆動されるタービン１２と、を具備するものである。また、蒸気タービン３は、低圧、中圧、高圧の３つのタービン１３〜１５を具備するものであって、これらガスタービン２のタービン１２と、蒸気タービン３とは主軸２０を共有している。
そして、ガスタービン２においては、燃焼ガスがタービン１２を作動させることにより生じる主軸２０の回転力、また、蒸気タービン３においては、蒸気がタービン１３〜１５を作動させることにより生じる主軸２０の回転力によって、圧縮機１０及び発電機１を駆動する。

そして、排熱回収ボイラー４で発生した蒸気は、上述した蒸気タービン３のタービン１３〜１５に供給されて、該タービン１３〜１５の駆動力として利用された後に、復水器５及び復水ポンプ６を経由して排熱回収ボイラー４に戻される。

ところで、上記のような排熱回収方式を採用したガスタービン・コンバインドサイクルプラントでは、排熱回収ボイラー４から蒸気タービン３に通じる蒸気系配管５０（５０Ａ〜５０Ｃ）にて、配管途中の弁内に残留するドレンによって、エロ−ジョンという現象が発生することが問題となる。具体的には、排熱回収ボイラー４から供給された水蒸気が、蒸気系配管５０に残留するドレンに触れる、又は冷たい配管やバルブに触れて水滴を生じると、これらドレン又は水滴が高速で弁や配管に衝突して、破壊されるという問題があった。また、上記一軸コンバインドサイクルプラントでは、上記タービンのドレン処理を含むウォーミング工程が完了するまで実質的な全体起動が出来ず、起動に時間がかかりすぎるという問題があった。

一方、特許文献２には、蒸気タービンに流入する主蒸気を調節するための蒸気加減弁のプレウォーミング装置に関する技術が示されている。このプレウォーミング装置は、蒸気タービンに主蒸気を送り始める以前に、蒸気加減弁を全閉にして蒸気止め弁のバイパス弁を開閉操作し前記蒸気加減弁をプレウォーミングするものにおいて、前記主蒸気の状態に基づき前記蒸気加減弁のプレウォーミングの開始時点を決定するとともに前記プレウォーミングのための操作指令を出す演算部と、この演算部からの前記操作指令に従って前記バイパス弁に駆動指令を出す駆動部とからなり、前記駆動部は、通常時において前記バイパス弁の開閉操作を連続的に行う連続駆動部と、この連続駆動部に不具合が生じたときに前記バイパス弁の開閉操作を断続的に行う断続駆動部と、を具備したことを特徴とするものである。

そして、このような蒸気止め弁と、蒸気加減弁が設けられた配管系においては、例えば、図６に示されるような弁操作が行われることがある。
この図６において、符号５１で示すものは蒸気系配管５０の途中でありかつ上流側に設けられた蒸気止め弁、符号５２で示すものは蒸気系配管５０の途中でありかつ該蒸気止め弁５１の下流に設けられた蒸気加減弁、符号５３で示すものは、蒸気加減弁５２に接続されたドレン管５４に設けられたドレン弁である。
そして、このような構成において、まず、蒸気止め弁５１、蒸気加減弁５２、ドレン弁５３を全閉にした状態（図６（ａ）参照）から、ドレン弁５３のみを開とし（図６（ｂ）参照）、続いて、蒸気止め弁５１を開とする（図６（ｃ）参照）。これによって蒸気止め弁５１、蒸気加減弁５２を経て供給された蒸気は、ドレン管５４を通じてドレン弁５３へ導かれた後、外部に排出される。このとき、蒸気が蒸気加減弁５２を経ることにより、該蒸気加減弁５２のウォーミングを実施する。

ここで、蒸気加減弁５２の概略構成について説明すると、図７は加減弁筺体５２Ａ内の弁体５２Ｂが吐出ポート５２Ｃを閉じた状態を示しており、この状態で、吸込ポート５２Ｄから蒸気が供給されると（図６（ｃ）の状態）、該蒸気が矢印（イ）で示すようにドレン管５４に向けて流れることになる。その結果、上述したような、蒸気加減弁５２のウォーミングが実施されることになる。
なお、図６において、符号５５で示すものは、蒸気加減弁５２と蒸気タービン３との間に設けられたドレン管、符号５６で示すものはドレン管５５に設けられたドレン弁であって、蒸気加減弁５２と蒸気タービン３との間にドレンが発生した場合に、該ドレン弁５６を開にして該ドレンを外部に排出する。

特開２００８−２５５８２２号公報 特公昭５９−２５８４９号公報

しかしながら、図６に示すような方式では、ガスタービン２が駆動されている間、蒸気系配管５０の途中に設けられた蒸気加減弁５２を閉とした状態で、蒸気加減弁５２をウォーミングさせるようにしているので、図７に示すように、該蒸気加減弁５２のウォーミングが符号Ａで示される部分しかなされず、蒸気に触れない符号Ｂで示される部分にまで、先の蒸気の熱が伝達されるまでに時間が掛かり、その結果、全体のウォーミングに時間が掛かり、蒸気タービン３の駆動が非効率になる上にドレン弁が多いという問題があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、蒸気系配管にて、蒸気加減弁を急速かつ効率良くウォーミングして、エロージョンの発生を抑え、配管の破壊を防止することが可能となり、かつ蒸気加減弁にドレン弁を設けるという構成も不要となる蒸気タービンのウォーミング用弁制御方法及びその装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の蒸気タービンのウォーミング用弁制御方法及びその装置では、ガスタービンの排ガスが保有する熱を利用して、排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後、上流弁及び下流弁を順次装備する蒸気系配管を通じて該蒸気を蒸気タービンに供給するものであって同一軸に前記蒸気タービンと前記ガスタービンが装備された一軸コンバインドサイクルプラントにおいて、前記排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後に、最初に前記下流弁を全開とし、次いで前記上流弁を微開又は中間開度にすると共に、前記下流弁よりも下流側であって前記蒸気タービンよりも上流側のドレン弁を開け、ウォーミング終了後、前記下流弁を全閉または微開とし、次いで前記上流弁を全開にすると共に前記ドレン弁を閉じた後に、前記下流弁を通常の運転制御とすることを特徴とする。

そして、このような蒸気タービンの弁制御によって、排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後に、最初に下流弁を全開とし、次いで上流弁を微開又は中間開度とし、ウォーミング終了後、前記下流弁を全閉または微開とし、次いで前記上流弁を全開とした後に前記下流弁を通常の運転制御とするようにしたので、これら上流弁及び下流弁を介して流れる蒸気によって該下流弁のウォーミングができ、これによって該下流弁で生じるエロージョンを防止することができる。また、このような開度設定により、排熱回収ボイラーから供給された蒸気を一部、下流弁にて低い流速で流すことができるので、下流弁内にドレンが残留していたとしても、該ドレンを下流弁から徐々に排出することができ、下流弁にてドレンが飛散することで生じるエロージョンを防止することができる。

また、本発明の蒸気タービンのウォーミング用弁制御方法及びその装置では、前記上流弁が蒸気止め弁であり、前記下流弁が蒸気加減弁であることを特徴とする。

そして、このような蒸気タービンの弁制御によって、下流弁となる蒸気加減弁のウォーミングができ、これによって該蒸気加減弁で生じるエロージョンを防止することができる。

また、本発明の蒸気タービンのウォーミング用弁制御方法及びその装置では、前記上流弁を全開とした後は、蒸気タービンの運転状況に応じて前記下流弁の開度を調整することを特徴とする。

そして、このような蒸気タービンの弁制御では、該下流弁のウォーミングが完了した後、前記上流弁を全開とした後は、蒸気タービンの運転状況に応じて前記下流弁の開度を調整することによって、蒸気タービンの運転状況に応じた蒸気の供給ができる。

本発明によれば、排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後に、最初に下流弁を全開とし、次いで上流弁を微開又は中間開度とし、ウォーミング終了後、前記下流弁を全閉または微開とし、次いで前記上流弁を全開とした後に前記下流弁を通常の運転制御とするようにしたので、これら上流弁及び下流弁を介して流れる蒸気によって該下流弁のウォーミングができ、これによって該下流弁で生じるエロージョンを防止することができる。また、このような開度設定により、排熱回収ボイラーから供給された蒸気を一部、下流弁にて低い流速で流すことができるので、下流弁内にドレンが残留していたとしても、該ドレンを下流弁から徐々に排出することができ、下流弁にてドレンが飛散することで生じるエロージョンを防止することができる。
また、下流弁内を流れる蒸気の流速及び流量は、上流弁の開度によって調節できることから、下流弁の高速のウォーミングも可能となる。
また、上流弁と下流弁の開度調整により該下流弁のウォーミングが可能となるので、従来のようなドレン弁も不要となり、全体構成の簡素化にも貢献することができる。

本発明の一実施例となる蒸気タービンの弁制御方法を工程順に説明するための説明図である。 図２のコントローラＣによる制御フローチャートを示す図である。 図１に対応した弁の開度を示すタイムチャートである。 本発明に係わるウォーミングにより下流弁である蒸気加減弁内に蒸気が流れる様子を示す断面図である。 本発明の背景技術となるガスタービン・コンバインドサイクルプラント（ＧＴＣＣ）の一例を示す配管図である。 従来に係わる蒸気タービンの弁制御方法を工程順に説明するための説明図である。 従来に係わるウォーミングにより下流弁である蒸気加減弁内に蒸気が流れる様子を示す断面図である。

［実施例１］
本発明の一実施例について、図１の配管図、図２のコントローラＣによる制御フローチャート、図３のタイムチャートを参照して説明する。
図１において符号５０で示すものは、前述したように排熱回収ボイラー４で生成した蒸気を蒸気タービン３に供給するための蒸気系配管であって、この蒸気系配管５０の途中には、上流弁となる蒸気止め弁１００、及び下流弁となる蒸気加減弁１０１が蒸気の流れ方向に沿って直列的に設けられている。蒸気加減弁１０１と蒸気タービン３との間にはドレン管１０２があり、該ドレン管１０２にはドレン弁１０３が設けられている。
また、これら蒸気止め弁１００、及び蒸気加減弁１０１は、図１（ａ）に示されるコントローラＣからの制御信号により開閉制御される。

そして、本実施例では、これら蒸気止め弁１００及び蒸気加減弁１０１の制御を、図１の配管図及び図２のフローを参照して説明する。
（１）まず、ウォーミング開始前には、図１（ａ）で示すように蒸気止め弁１００及び蒸気加減弁１０１は共に全閉としておく（図２のＳＰ１）。
（２）次に、排熱回収ボイラーからウォーミング可能な蒸気が発生しているか否かを判断し（図２のＳＰ２）、ＹＥＳの場合に、図１（ｂ）で示すように、上流側の蒸気止め弁１００は閉としたまま、下流側の蒸気加減弁１０１のみを全開とする（図２のＳＰ３）。ここでドレンが発生した場合には、蒸気加減弁１０１と蒸気タービン３の間に設けられたドレン管１０２とドレン弁１０３を通じて排出される。

（３）次に、図１（ｃ）で示すように、蒸気タービン３に影響を与えない程度に、上流側の蒸気止め弁１００を所定開度で開とし、排熱回収ボイラー４から供給された蒸気を一部、下流側の蒸気加減弁１０１に流すようにする（図２のＳＰ４）。これにより、図４に示すように、全開にある蒸気加減弁１０１には、蒸気の流れが発生し、該蒸気により該蒸気加減弁１０１のウォーミングが行われることになる。すなわち、図４に示すように、加減弁筺体１０１Ａ内の弁体１０１Ｂが吐出ポート１０１Ｃを開放しこの状態で、吸込ポート１０１Ｄから蒸気が供給されると、矢印（ロ）で示すように、吸込ポート１０１Ｄからの蒸気が吐出ポート１０１Ｃに向けて流れることになる。その結果、点線Ｃで示すような、蒸気加減弁１０１全体のウォーミングが行われることになる。

（４）そして、上記（３）で述べたウォーミングが完了したか否かを判断し（図２のＳＰ５）、ＹＥＳの場合に、蒸気加減弁１０１を全閉または微開とし（図２のＳＰ５）、さらに、図１（ｄ）に示すように、上流側の蒸気止め弁１００を全開とした後（図２のＳＰ６）、下流側の蒸気加減弁１０１を、蒸気タービン３の通常の運転状況に応じて開度を調整する（図２のＳＰ７）。
ウォーミングが完了したか否かの判断基準として、例えば、下記の測定結果を用いることができる。
・ 予め設定された規定時間の経過。この規定時間は、ウォーミングする蒸気の温度・圧力等により適宜可変に設定される。
・ 蒸気加減弁の本体メタル温度を測定し、予め設定された規定温度に達したらウォーミング完了とする。この規定温度は、ウォーミングする蒸気の圧力等により適宜可変に設定される。

このような（１）〜（４）に対応した蒸気止め弁１００及び蒸気加減弁１０１の開度設定を、まとめると図３に示すようになる。そして、このような開度設定により、該蒸気加減弁１０１のウォーミングが行われるとともに、蒸気加減弁１０１内にドレンが発生していた場合であっても、まず、図１（ｂ）で示すように、蒸気加減弁１０１のみを全開とした後、図１（ｃ）で示すように、蒸気タービン３の運用に影響を与えない程度に、上流側の蒸気止め弁１００を所定開度で開とすることで、排熱回収ボイラー４から供給された蒸気を一部、下流側の蒸気加減弁１０１に低い流速で流すことができ、その結果、蒸気加減弁１０１内に残留するドレンによって、エロージョンが発生することを防止できる。
すなわち、本実施例に示される蒸気タービン３の弁制御方法では、該蒸気加減弁１０１のウォーミングとともに、該蒸気加減弁１０１に対して一度に大量の蒸気が、高速で送り込まれることを防止できるので、該蒸気加減弁１０１内に残留するドレンの飛散によるエロージョンの発生を防止することが可能となる。

以上詳細に説明したように本実施例に係わる蒸気タービン３の弁制御によれば、排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後に、最初に蒸気加減弁１０１を全開とし、次いで蒸気止め弁１００を微開又は中間開度とし、ウォーミング終了後、蒸気加減弁１０１を全閉または微開とし、次いで蒸気止め弁１００を全開とした後に蒸気加減弁１０１を通常の運転制御とするようにしたので、これら蒸気止め弁１００及び蒸気加減弁１０１を介して流れる蒸気によって該蒸気加減弁１０１のウォーミングができ、これによって該蒸気加減弁１０１で生じるエロージョンを防止することができる。
また、このような開度設定により、排熱回収ボイラー４から供給された蒸気を一部、蒸気加減弁１０１にて低い流速で流すことができるので、蒸気加減弁１０１内にドレンが残留していたとしても、該ドレンを蒸気加減弁１０１から徐々に排出することができ、蒸気加減弁１０１にてドレンが飛散することで生じるエロージョンを防止することができる。

また、図１（ｃ）で示す状態において、蒸気加減弁１０１内を流れる蒸気の流速及び流量は、蒸気止め弁１００の開度によっても調節できることから、蒸気加減弁１０１の高速のウォーミングも可能となる。また、蒸気止め弁１００と蒸気加減弁１０１の開度調整により該蒸気加減弁１０１のウォーミングが可能となるので、従来のようなドレン弁５３も不要となり、全体構成の簡素化にも貢献することが可能となる。

なお、上記実施例では、以下のように構成を変更しても良い。
すなわち、図３のタイムチャートでは、蒸気止め弁１００及び蒸気加減弁１０１の開閉を瞬時に行うようにしているが、段階的に開閉するようにしても良い。

また、上述した本実施例に係わる蒸気タービン３の弁制御では、図３に基づくような、ガスタービン・コンバインドサイクルプラントの一連の運転に対応したプログラムを予め設定しておき、該プログラムに基づきコントローラＣが、これらの開度を自動調整するものであるが、コントローラＣを使用しない場合には、作業員により手動で行うと良い。

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。

本発明は、排熱回収方式を採用したガスタービン・コンバインドサイクルプラント（ＧＴＣＣ）に関し、ガスタービンの排ガスを利用して駆動される蒸気タービンの配管系に適用される技術である。

１ 発電機
２ ガスタービン
３ 蒸気タービン
４ 排熱回収ボイラー
５０ 蒸気系配管
１００ 蒸気止め弁（上流弁）
１０１ 蒸気加減弁（下流弁）
Ｃ コントローラ

Claims (6)

1. ガスタービンの排ガスが保有する熱を利用して、排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後、上流弁及び下流弁を順次装備する蒸気系配管を通じて該蒸気を蒸気タービンに供給するものであって同一軸に前記蒸気タービンと前記ガスタービンが装備された一軸コンバインドサイクルプラントにおいて、
   前記排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後に、最初に前記下流弁を全開とし、次いで前記上流弁を微開又は中間開度にすると共に、前記下流弁よりも下流側であって前記蒸気タービンよりも上流側のドレン弁を開け、ウォーミング終了後、前記下流弁を全閉または微開とし、次いで前記上流弁を全開にすると共に前記ドレン弁を閉じた後に、前記下流弁を通常の運転制御とすることを特徴とする蒸気タービンのウォーミング用弁制御方法。
2. 前記上流弁は蒸気止め弁であり、前記下流弁は蒸気加減弁であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンのウォーミング用弁制御方法。
3. 前記上流弁を全開とした後は、蒸気タービンの運転状況に応じて前記下流弁の開度を調整することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の蒸気タービンのウォーミング用弁制御方法。
4. ガスタービンの排ガスが保有する熱を利用して、排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後、上流弁及び下流弁を順次装備する蒸気系配管を通じて該蒸気を蒸気タービンに供給するものであって同一軸に前記蒸気タービンと前記ガスタービンが装備された一軸コンバインドサイクルプラントにおいて、
   前記排熱回収ボイラーにて蒸気を発生させた後に、最初に前記下流弁を全開とし、次いで前記上流弁を微開又は中間開度にすると共に、前記下流弁よりも下流側であって前記蒸気タービンよりも上流側のドレン弁を開け、ウォーミング終了後、前記下流弁を全閉または微開とし、次いで前記上流弁を全開にすると共に前記ドレン弁を閉じた後に、前記下流弁を通常の運転制御とするコントローラを具備することを特徴とする蒸気タービンのウォーミング用弁制御装置。
5. 前記上流弁は蒸気止め弁であり、前記下流弁は蒸気加減弁であることを特徴とする請求項４に記載の蒸気タービンのウォーミング用弁制御装置。
6. 前記上流弁を全開とした後は、蒸気タービンの運転状況に応じて前記下流弁の開度を調整することを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の蒸気タービンのウォーミング用弁制御装置。

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