JP6054196B2 - コンバインドサイクル発電プラント - Google Patents

Description

本発明はガスタービンと蒸気タービンによって発電機を駆動するコンバインドサイクル発電プラントに関する。

電力を高効率で発生する発電プラントとして、コンバインドサイクル発電プラントが知られている。コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンを駆動した排ガスの熱を利用して蒸気を発生し、発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動し、ガスタービンと蒸気タービンとによって発電機を駆動するように構成されている。このように、コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンの排ガスが有する熱エネルギーを有効に利用することで、高効率での発電を達成することができる。

さらに、コンバインドサイクル発電プラントの出力を増加する場合には、ガスタービンの排ガスを加熱して昇温させる助燃装置が使用されることがある。助燃装置は、ガスタービンの排ガスに燃料を噴霧して当該燃料を燃焼させて排ガスの温度を上昇させる。これにより蒸気の発生量が増加し、蒸気タービンの出力が増加して、発電出力が増加する。

このように助燃装置を備えたコンバインドサイクルプラントの出力制御の一例としては、要求出力が変化した場合に、助燃装置、ガスタービン、および蒸気タービンのいずれか１つの出力を変化することで要求出力の変化に対し追従する方法が提案されている（例えば、特開昭６１−１０１６０８号公報）。

特開昭６１−１０１６０８号公報

ところで、上記文献のように助燃装置、ガスタービンおよび蒸気タービンのいずれか１つの出力を変化する場合には、次のような不具合の発生が予想される。

まず、要求出力の変化に対し、助燃装置出力のみ変化させる運用では、ガスタービンの出力を高出力としておくことでプラント効率の高い運用とすることができる一方、要求出力への追従性が悪くなる。また、要求出力の変化に対し、ガスタービン出力のみ変化させる運用では、要求出力への追従性が良い一方、プラント低出力時にもガスタービンの出力を優先的に減少させることになり、効率が悪い。さらに、要求出力の変化に対し、蒸気タービン出力のみ変化させる運用では、要求出力への追従性が良い一方で、蒸気を外部に放出することで出力変化を実現するため、効率が悪い。

すなわち、要求出力の変化に対し、助燃装置、ガスタービンおよび蒸気タービンいずれか一つの出力のみを変化させて要求出力に追従する方法では、要求出力への追従性と効率のいずれかが悪くなる。

本発明の目的は、要求出力への追従性と効率に優れた運用ができるコンバインドサイクル発電プラントを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、ガスタービンと、燃料を燃焼させて該ガスタービンの排ガスを昇温する助燃装置と、前記ガスタービンの排ガスの熱を回収して発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記ガスタービンと前記助燃装置の出力を制御することで前記ガスタービンと前記蒸気タービンによる発電出力の合計値を要求出力に近づける発電出力制御装置とを備え、該発電出力制御装置は、前記要求出力ごとに規定された出力値に前記助燃装置の出力を制御しながら、前記要求出力と前記発電出力の合計値の差分が小さくなるように前記ガスタービンの出力をフィードバック制御することで、前記発電出力の合計値を前記要求出力に近づけるものとする。

本発明によれば、要求出力への追従性と効率の双方に優れた運用ができる。

本発明の実施の形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの概略構成図。 本発明の実施の形態に係る発電出力制御装置のブロック構成図。 図２の助燃出力制御部が要求出力に基づいて助燃装置出力指令値を演算する際に参照する関数Ｆ（ｘ）のグラフ。 本発明の実施の形態に係る第１の比較例における要求出力及び各出力の変化の概略図。 本発明の実施の形態に係る第２の比較例における要求出力及び各出力の変化の概略図。 本発明の実施の形態における要求出力及び各出力の変化の概略図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの概略構成図である。この図に示す発電プラントは、空気圧縮機（ＡＣ）３と、燃焼器（ＣＢ）４と、ガスタービン（ＧＴ）１と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、助燃装置（ＡＢ）８と、蒸気タービン（ＳＴ）６と、発電機（Ｇ）２と、復水器（ＣＯＮＤ）７と、発電出力制御装置１０を備えている。

ガスタービン１には、蒸気タービン６、発電機２及び空気圧縮機３が連結されている。燃焼器４は、空気圧縮機３から吐出される高圧空気により燃料を燃焼して燃焼ガスを発生し、ガスタービン１は、燃焼器４から供給される燃焼ガスによって回転駆動される。

排熱回収ボイラ５は、ガスタービンの排ガスの熱を回収して蒸気を発生するもので、図示した例では、復水器７から供給される給水をガスタービン１を駆動した後の排ガスで加熱することで蒸気を発生している。

蒸気タービン６は、排熱回収ボイラ５で発生された蒸気により回転駆動される。蒸気タービン６を駆動した蒸気は復水器７に導入されて復水される。

発電機２は、ガスタービン１と蒸気タービン６の駆動力によって駆動され、電力を発生する。

なお、図示した例では、ガスタービン１と蒸気タービン６を一軸で連結した一軸型を示したが、ガスタービン１と蒸気タービン６のそれぞれに発電機を連結した二軸型としても本発明は適用することができる。

助燃装置８は、燃料を燃焼させてガスタービン１の排ガスの温度を上昇させるもので、図１の例では排熱回収ボイラ５の入口に設置されている。助燃装置８は、噴射装置により排ガス中に燃料を噴射し、当該燃料を排ガス中の残存酸素で燃焼させて排ガスを昇温している。これにより、排熱回収ボイラ５に流入するガスタービン排ガスの温度及び流量が増加するから、排熱回収ボイラ５における蒸気の発生量が増加して、蒸気タービン６の出力である発電量を増加させることができる。

なお、助燃装置の設置位置は、排熱回収ボイラ５の入口に限らず、ガスタービン１に係る出口から排熱回収ボイラ５の入口に至るまでの排ガス流路の何処かに設置しても良い。このように設置した助燃装置を設置しても、噴射した燃料が排ガス中の残存酸素により燃焼するので排ガスを昇温できる。

発電出力制御装置１０は、発電出力制御装置１０よりも上位の制御装置（主制御装置）から与えられる要求出力（MWD）に基づいて、ガスタービン１と蒸気タービン６による発電出力（MW）を制御している。ここで「発電出力」とは、発電プラント内のガスタービンと蒸気タービンの実際の出力の合計値を示し、図１の例では発電機２の発電出力に相当する。本実施の形態における発電出力制御装置１０は、要求出力に基づいてガスタービン出力と助燃装置８の出力（助燃出力）を制御することで発電出力を制御しており、燃焼器４に対するガバナ増減指令と、助燃装置８に対する助燃装置出力指令を要求出力に応じて出力している。

図２は本発明の実施の形態に係る発電出力制御装置１０のブロック構成図である。この図に示すように、発電出力制御装置１０は、ガスタービン出力制御部１１と、助燃出力制御部１２を備えている。

ガスタービン出力制御部１１は、要求出力（MWD）と発電出力（MW）の差分に基づいてガスタービン１の出力を制御する部分であり、ガスタービン出力制御部１１には、主制御装置から出力された要求出力と、発電機２の実際の発電出力とが入力されている。ガスタービン出力制御部１１は、要求出力から発電出力を差し引いた値が小さくなるようにガバナ増減指令を演算し、当該ガバナ増減指令を燃焼器４に出力する。これにより発電出力がフィードバック制御される。

助燃出力制御部１２は、要求出力に基づいて助燃装置８の出力を制御する部分であり、助燃出力制御部１２には、主制御装置から出力された要求出力が入力されている。助燃出力制御部１２は、要求出力に基づいて助燃装置出力指令値を演算し、当該助燃装置出力指令値を助燃装置８に出力する。

助燃モード切換部１３は、助燃装置出力指令値をゼロに保持して助燃を実行しないか（助燃モード：ＯＦＦ）、又はゼロより大きい値に保持して助燃を実行するか（助燃モード：ＯＮ）を、切り換えるための部分である。

アナログスイッチ（Analog Switch：ASW）１５は、助燃装置８に出力する助燃装置出力指令値を助燃モードのＯＮ／ＯＦＦに応じて切り換えている。アナログスイッチ１５は、助燃モードがＯＮの場合には、要求出力と関数Ｆ（ｘ）によって規定される値を助燃装置出力指令値として出力し、助燃モードがＯＦＦの場合には、固定信号発生器（Signal Generator：SG）１４からの出力値を助燃装置出力指令値として出力する。なお、本実施の形態に係る固定信号発生器１４は、固定信号として常にゼロを出力しており、図２中のＳＧ（０）の値はゼロである。なお、ガスタービン出力制御部１１のアナログスイッチ１６は、演算されたガバナ増減指令を燃焼器４に出力するか否かを切り換える部分である。

なお、図示は省略するが、発電出力制御装置１０と主制御装置は、それぞれ、各種プログラムを実行するための演算手段としての演算処理装置（例えば、ＣＰＵ）と、当該プログラムをはじめ各種データを記憶するための記憶手段としての記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびフラッシュメモリ等の半導体メモリや、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置）と、データ及び指示等の入出力制御を行うための入出力演算処理装置を備えている。

図３は図２の助燃出力制御部１２が要求出力に基づいて助燃装置出力指令値を演算する際に参照する関数Ｆ（ｘ）のグラフの一例である。この図に示すように、助燃装置出力指令値は、関数Ｆ（ｘ）によって要求出力ごとに規定されている。具体的には、助燃装置出力指令値は、関数Ｆ（ｘ）によって、要求出力がガスタービンの出力上限値未満の場合（例えば、図３で要求出力がX1の場合）には一定値（mwSa1）に保持されている。一方、要求出力がガスタービンの出力上限値以上の場合には、助燃装置出力指令値は、mwSa1を最低値にして、要求出力の大きさに比例して増加している（例えば、図３で要求出力がX2の場合にはmwSa2となる）。すなわち後者の場合における助燃装置出力指令値は、要求出力とガスタービンの出力上限値の差分の大きさに応じて増加している。

なお、図３の例では、効率を重視する観点に基づいて、要求出力の増減に応じた助燃装置出力指令値の変化の有無をガスタービンの出力上限値で分けたが、当該助燃装置出力指令値の変化の有無はガスタービンの出力に係る他の値に設定しても良い。例えば、ガスタービンの定格出力値（出力上限値）の８０％を設定値としても良い。

また、図３の例では、要求出力の変化に対する助燃装置８の出力の良好な追従性を確保する観点等から、要求出力がガスタービンの出力上限値未満の場合に助燃装置出力指令値をゼロより大きい一定の値（mwSa1）に保持したが、これに代えて助燃装置出力指令値をゼロに保持しても良い。要求出力がガスタービンの出力上限値未満の場合に、助燃装置出力指令値をゼロに保持して助燃を実行しないか（助燃モード：ＯＦＦ）、又はゼロより大きい値に保持して助燃を実行するか（助燃モード：ＯＮ）という選択は、助燃出力制御部１２内の助燃モード切換部１３で切り換えることができる。このように助燃モードをＯＦＦに切り換えることで助燃の停止を選択可能に構成すると、要求出力がガスタービン上限値より小さい場合における効率を向上させることができる。

ここで２つの比較例を参照しつつ本実施の形態の作用および効果について図４〜６を用いて説明する。第１及び第２の比較例のハードウェア構成は図１の本実施の形態と同じとし、圧縮機、ガスタービン、蒸気タービンおよび発電機が同軸上に連結されているものとする。

助燃装置を備えるコンバインドサイクル発電プラントでは、要求出力がガスタービン１による出力の上限値を超える場合には、助燃装置によりガスタービン排ガスの温度を上昇させて蒸気タービンの出力を増加する必要がある。一般的に、助燃装置はガスタービンに比べて効率が低い。そのため、助燃装置の出力を相対的に低く、ガスタービンの出力を相対的に高くすれば効率が向上する傾向がある。

図４は本発明の実施の形態に係る第１の比較例における要求出力及び各出力の変化の概略図である。この図における「助燃装置による蒸気タービン出力（mwSa）」は、蒸気タービン出力のうち助燃装置による昇温分に相当する排ガスのエネルギーによって発生した蒸気による出力を示し、「ガスタービン排ガスによる蒸気タービン出力（mwSg）」は、助燃装置による昇温分を除外したものに相当する排ガスのエネルギーによって発生した蒸気による出力を示す。したがって、蒸気タービン出力（mwS）は、助燃装置による蒸気タービン出力（mwSa）と、ガスタービン排ガスによる蒸気タービン出力（mwSg）の和（mwSg＋mwSa）に相当する。そして、蒸気タービン出力（mwS）にガスタービン出力（mwG）を加えたものが、発電出力（MW）に相当する（図５及び図６においても同様とする）。

図４の例において、時刻t1でガスタービンの出力上限値を超える要求出力がされた場合、ガスタービン出力が上限値に達しない間には助燃装置出力を最低出力（ゼロでも良い）に保持しており、そして、ガスタービンが出力上限値に達しても発電出力が要求出力に達しない場合（すなわち、図４中の時刻t2以降）に、その足りない分（要求出力と発電出力の差分）に相当する出力を助燃装置による排ガスの昇温によって賄うようにプラントが構成されている。このようにガスタービン出力が上限値に達してからはじめて助燃装置の出力を上昇させる運用を採用すると、助燃装置よりもガスタービンによる発電が優先されて効率の点で優れることになる。

しかし、ガスタービン出力の上限値を超える領域で要求出力に変化があった場合には、要求出力の変化分は助燃装置の出力変化のみに依存せざるを得ないので、追従性の点で劣ることになる。そこで、ガスタービン出力の上限値を超えた領域で要求出力が変化した場合の追従性を改良する観点からは、図５に示すような運用を行うことが考えられる。

図５は本発明の実施の形態に係る第２の比較例における要求出力及び各出力の変化の概略図である。この図の例では、要求出力に関わらず助燃装置出力を一定値に保持しており、追従性に優れたガスタービン出力を要求出力と発電出力の差分に合わせて変化させることで、要求出力の変化に発電出力を追従させるようにプラントが構成されている。この場合、常にガスタービン出力に変化代が残されているため追従性の点が優れるが、図３の場合と比較して、助燃装置出力が要求出力の大小に関わらず常に高い値で保持されるため効率の点で劣ることになる。

上記２つの比較例に対して、本実施の形態では、発電出力制御装置１０によって、関数Ｆ（ｘ）によって要求出力の大きさごとに規定された出力値で助燃装置８の出力を制御しつつ、要求出力と発電出力の差分の大きさに基づいてガスタービン１の出力を制御している。

図６は本発明の実施の形態における要求出力及び各出力の変化の概略図である。本実施の形態のように、図３の関数Ｆ（ｘ）により要求出力に基づいて助燃装置出力指令値を一律に決定してしまえば、図６のように要求出力がガスタービン出力の上限値を超える値に変化したとき、関数Ｆ（ｘ）で決定した指令値に向かって助燃出力を変化させる一方で、ガスタービン出力は要求出力と発電出力の差分に基づいて制御することができる。これにより、ガスタービン出力と助燃装置出力は同時に変化するため、効率を良好に維持したまま、要求出力への追従性を向上することができる。しかも、助燃装置出力を要求出力に応じて規定された値に設定する関係上、実質的な制御対象はガスタービン出力のみとなるので、複数の対象を同時にフィードバック制御する際に起きることがある相互干渉が起きることが無い。

以上説明したように、本実施の形態の発電プラントによれば、要求出力への追従性と効率に優れた運用を実現することができる。

なお、上記の実施の形態では、図３に示した関数Ｆ（ｘ）に基づいて助燃装置出力を決定したが、要求出力と助燃装置出力が一対一で対応するものであれば良く、関数はＦ（ｘ）のみに限られない。

また、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

また、上記の発電出力制御装置１０に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記の発電出力制御装置１０に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該発電出力制御装置の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

１…ガスタービン、２…発電機、４…燃焼器、５…排熱回収ボイラ、６…蒸気タービン、８…助燃装置、１０…発電出力制御装置、１１…ガスタービン出力制御部、１２…助燃出力制御部、１３…助燃モード切換部

Claims (4)

1. ガスタービンと、
   燃料を燃焼させて該ガスタービンの排ガスを昇温する助燃装置と、
   前記ガスタービンの排ガスの熱を回収して発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記ガスタービンと前記助燃装置の出力を制御することで前記ガスタービンと前記蒸気タービンによる発電出力の合計値を要求出力に近づける発電出力制御装置とを備え、
   該発電出力制御装置は、前記要求出力ごとに規定された出力値に前記助燃装置の出力を制御しながら、前記要求出力と前記発電出力の合計値の差分が小さくなるように前記ガスタービンの出力をフィードバック制御することで、前記発電出力の合計値を前記要求出力に近づけることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
2. 請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
   前記要求出力ごとに規定された出力値は、前記要求出力と前記ガスタービンの出力に係る設定値との差分ごとに決定されていることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
3. 請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
   前記発電出力制御装置は、前記ガスタービンの出力に係る設定値を前記要求出力が超えたとき、前記助燃装置の出力を制御することを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
4. 請求項２または３に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
   前記ガスタービンの出力に係る設定値は、前記ガスタービンの出力上限値であることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。

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