JP6185162B2 - 一軸形コンバインドサイクルプラントの過回転速度防止装置をテストするための方法 - Google Patents

Description

本発明は一軸形コンバインドサイクルプラントの過回転速度防止装置をテストするための方法に関するものであり、テスト動作の間にガスタービンと蒸気タービンはテスト回転速度で作動され、発電機は接続された負荷とともに作動され、テスト動作の間に負荷制限が行われる。

コンバインドサイクルプラントをより安全に作動させるために、回転速度が測定および監視されることが必要である。コンバインドサイクル発電所の回転速度は通常、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの一定の周波数である。当該回転速度は状況によって超過される場合があり、これは過回転速度と称され得る。当該過回転速度が臨界値を超える限りにおいて、防護メカニズムが働くべきであり、それは手段が講じられ、さらなる回転数の上昇が防止されることによって行われる。このとき通常は蒸気タービンへの蒸気供給の停止と、ガスタービンへの燃料供給の停止が行われるであろう。従ってこの場合、ガスタービンの後の蒸気タービンのトリップが生じるであろう。

特許文献１は、ターボ機関の過回転速度防止システムをテストするための方法とシステムとを開示している。

特許文献２において、負荷制限の際のタービンの動作安全性を検査するための装置が論じられている。

特許文献３はターボ機関をテストするための方法を開示している。

従来、コンバインドサイクルプラントの過回転速度防止装置のためのテストメカニズムは、過回転速度防止装置のためのトリガー限界値が、動作回転速度に対してより小さい回転速度に設定されることにより、検査されることができた。テスト動作において当該比較的小さなテスト回転速度は超過され得、過回転速度防止装置が機能しているかどうか、検査され得る。

しかしながら当該テスト動作を、当初のトリガー限界値を用いても実施することが望ましい。すなわち、過回転速度防止装置の検査は、動作回転速度から行われるべきであるという意味である。これは、特定の国々では、このような過回転速度防止を当初のトリガー限界値を用いて行うべきであると法律で規定しているという点からも望ましい。このような検査は一軸形プラントでは、許容される設計パラメータを考慮して、ガスタービンと蒸気タービンに対して共通にのみ実施され得る。

欧州特許出願公開第２３７２４８２号明細書 独国実用新案第２９９０８５８１号明細書 仏国特許出願公開第２９４７３００号明細書

本発明の課題は、一軸形コンバインドサイクルプラントをテストするための方法であって、過回転速度防止テストを動作回転速度から実施可能である方法を記載することである。

上記の課題は、一軸形コンバインドサイクルプラントの過回転速度防止装置をテストするための方法であって、テスト動作の間にガスタービンと蒸気タービンはテスト回転速度で作動され、発電機は接続された負荷とともに作動され、テスト動作の間に負荷制限（Load_shedding）が行われ、蒸気タービンの回転速度が上昇し、ＳＴ（蒸気タービン）トリガー限界値に到達するとき、ＳＴ過回転速度防止装置が始動される、方法によって解決される。

すなわち本発明の基本的な思想は、蒸気タービンとガスタービンが、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの動作回転数に対応するテスト回転速度で発電機を駆動し、当該発電機に電気的負荷が設けられているというものである。この電気的負荷はガスタービンと蒸気タービンのロータにおけるトルクの増大を生じさせる。負荷制限により、すなわち電気的負荷が突然にスイッチオフされることにより、ガスタービンおよび蒸気タービンのロータにおけるトルクの反作用が変化し、それは回転速度が多少とも突然に増大する結果をもたらす。蒸気供給とガスタービンへの燃料供給に対して、システムの惰性ゆえに制御が追従しないという理由による。

すなわち、負荷制限によって蒸気タービンの回転数が増大し、必然的にガスタービンの回転数が増大するが、ＳＴトリガー限界値に到達するとき、ＳＴ過回転速度防止装置が始動されるべきである。

有利なさらなる構成は従属請求項に記載されている。

第一の有利な発展的構成において、蒸気タービンがまずＳＴトリガー限界値に到達し、ＳＴ過回転速度防止装置が始動され、続いてガスタービンがＧＴ（ガスタービン）限界値に到達し、当該ＧＴ限界値の到達後に、ＧＴ過回転速度防止装置が始動される。すなわち当該有利な発展的構成では、二つの始動条件が連続的に到達されなければならず、それによりまず蒸気タービンの過回転速度防止装置を始動させ、その後ガスタービンの過回転速度防止装置を始動させる。まずＳＴトリガー限界値が到達され、続いてＧＴ限界値が到達されなければならないであろう。

さらなる有利な発展的構成において、蒸気タービンはテスト動作中に完全にウォームアップされた状態にある。すなわち、蒸気タービンの動作パラメータはテスト動作中、理想的に到達され、厳密な動作時の一時的な効果は考慮されない。

一の有利な発展的構成において、ガスタービンはテスト動作中に、比較的少ない出力で作動される。

さらなる有利な発展的構成において、ガスタービンはテスト動作中に、一定の排気温度で作動される。

さらなる有利な発展的構成において、ＳＴ過回転速度防止装置の始動と負荷制限との間で時間ｔ_Triggeringが経過しかつ式ｔ_Triggering<ｔ_maxが成立し、ｔ_Triggering>ｔ_maxとなりかつＳＴ過回転速度防止装置の始動がまだ行われていない場合に蒸気タービンのトリップが生じる。

本発明の実施の形態を以下により詳しく説明する。図面に概略的に示すのは以下の通りである。

一軸形コンバインドサイクルプラントの概略的な全体図を示す。 負荷制限の後の回転速度曲線を示す図である。

図１は一軸形コンバインドサイクルプラント１を示している。当該一軸形コンバインドサイクルプラント１は蒸気タービン２と、ガスタービン３と、発電機４とを含んでおり、これらは共通の軸５を介してトルク伝達式に互いに接続されている。ガスタービン３と発電機４の間に連結器６が設けられており、当該連結器によってトルク伝達が中断され得る。

発電機４の出口７には、スイッチ８を介して電気的消費部９もしくは電気的負荷９が接続されている。図１においてスイッチ８は閉じた状態で表示されている。

図２はガスタービンの回転速度曲線（ｎ_ＧＴ）と蒸気タービンの回転速度曲線（ｎ_ＳＴ）を示している。図２に表示される回転速度曲線は、連結器６が閉鎖されているときのガスタービン３の回転速度曲線と、蒸気タービン２の回転速度曲線を示している。ガスタービン３と蒸気タービン２はまず、毎分３０００回転の一定の回転速度で作動される。ｔ＝ｔ_{Load_shedding}の時点で、電気的消費部９はスイッチ８を介して発電機４から分離される。結果として、ガスタービンの回転速度（ｎ_ＧＴ）と蒸気タービンの回転速度（ｎ_ＳＴ）は短時間で上昇し、トリガー限界値が到達されたという条件で、蒸気タービン２３のトリップが生じ、それは図２において認められるように、回転速度の大きな下落を生じさせる。

厳密な過回転速度防止は、通常動作に対して変化されていない過回転速度防止装置のトリガー限界値を用いて行われなければならない。テストの間、ガスタービン３と蒸気タービン２は、対応する過回転速度防止装置のトリガー限界値まで確定的に加速される。当該トリガー限界値が超過された場合、過回転速度防止装置は、ガスタービン３と蒸気タービン２の対応する作動要素を終了させ、それにより臨界的な過回転速度を防止しなければならない。機能的な安全性という意味において、厳密な過回転速度防止装置テストは防護を真に要求するものではない。制御装置は所定のダイナミクスを有して対応するトリガー限界値に接近するのであり、臨界的な過回転速度には至らないという理由による。

一軸形コンバインドサイクルプラント１では、ガスタービン３にも蒸気タービン２にも、それぞれ別個の過回転速度防止装置が実装されている。一軸形プラントにおけるガスタービン３と蒸気タービン２の間の機械的連結器６ゆえに、蒸気タービン２の回転速度はガスタービン３の回転速度より高くはあり得ない。さらにガスタービン３によって、蒸気タービン２の厳密な過回転速度テストのための十分なボイラ出力が提供されなければならない。このように蒸気タービン２の過回転速度テストは、ガスタービン３から独立しては行われ得ない。一軸形コンバインドサイクルプラント１の過回転速度防止装置をテストするための方法は以下のように行われる。すなわち、テスト動作の間にガスタービン３と蒸気タービン２はテスト回転速度で作動され、当該テスト回転速度は毎分３０００回転の動作回転速度に等しい。発電機４は接続された負荷９とともに作動され、テスト動作の間に、ｔ_{Load_shedding}の時点で負荷制限が行われ、それにより蒸気タービン２とガスタービン３の回転速度が上昇し、ＳＴトリガー限界値に到達するとき、ＳＴ過回転速度防止装置が始動され、ＧＴトリガー限界値に到達するとき、ＧＴ過回転速度防止装置が始動される。その結果、蒸気タービン２とガスタービン３の回転速度は低減される。

慣性モーメントおよび／または起動時間定数は、負荷制限の後のガスタービン３と蒸気タービン２の動力学的挙動に影響を及ぼす。起動時間定数の比は、トリガー限界値の選択に影響を及ぼす。

一軸形コンバインドサイクルプラント１において、負荷制限は自動的に蒸気タービン２の緊急停止を生じさせる。従って蒸気タービン用過回転速度防止装置のトリガー限界値は、プラントの利用可能性を低減させることなく、最大送電周波数（例えば６１．５Ｈｚ）をわずかに上回る値にも設定され得る（例えば１０４％）。最大許容送電周波数と蒸気タービン用過回転速度防止装置のトリガー限界値との距離は、動作中に望まないトリップが生じないように選択される。

さらなる境界条件は、蒸気タービン用過回転速度防止装置のトリガー限界値が、ガスタービン用過回転速度防止装置のトリガー限界値よりも大きくないことである。

ガスタービン用過回転速度防止装置のトリガー限界値は、負荷制限の後の最大回転速度を上回る値であって、臨界的な過回転速度を下回る値に設定されなければならない。トリガー限界値の選択は、蒸気タービン２がガスタービン３の前にトリガー限界値に到達するように行われなければならない。

一軸形コンバインドサイクルプラント１のガスタービン３と蒸気タービン２の制御技術は拡張され、それによりスイッチが取り付けられ、当該スイッチを用いて厳密な過回転速度テストが実行開始される。当該機能は、調整される最大時間の後に自動的に非作動化され、それにより蒸気タービン２が冷たすぎる蒸気と接触することを防止する。最大時間は、厳密な過回転速度テストの持続に応じて選択されなければならず、蒸気温度がテストの間、許容範囲内に留まっているという境界条件を有する。方法は以下の点を特徴とする。すなわち、ガスタービン３ではスイッチに応じてまず、負荷制限の認識がブロックされ、自動化による、例えば発電機４のスイッチ８を時間的にずらして開放することが行われる。蒸気タービン２ではスイッチに応じてまず、回転速度制御装置目標値が蒸気タービン用過回転速度防止装置のトリガー限界値をわずかに上回る値であって、例えば１０５％であり得る値に調整され、制御装置は確定的な加速で限界値に接近するように定められている。加速の大きさはテストの持続に影響を及ぼす。その後、限界周波数の影響は非作動化され、続いて蒸気タービン制御装置に対するガスタービン燃焼出力の影響は抑制される。このとき続いて場合により、連結器の故障の際の緊急全停止は、過回転速度テストの持続のために制御されなければならない。当該緊急全停止は、ガスタービン３がトリガー限界値に到達する前に、当該緊急全停止によってトリップされる場合にのみ必要である。

一軸形コンバインドサイクルプラント１の過回転速度防止装置をテストするための方法は、蒸気タービン２が完全にウォームアップされており、５時間より長く作動されているという条件で行われる。ガスタービン３はできる限り小さい出力と一定の排気温度で作動され、それはＩＧＶ（インレットガイドベーン）ポイントによっても反映される。制御技術においてスイッチを作動させることにより、過回転速度テストが実行開始される。過回転速度テストが実行開始されると、必要とされる切り換えは自動化されて行われ、スイッチ８の自動化された開放はやや遅延して行われる。続いてガスタービン３と蒸気タービン２はトリガー限界値に対して、確定的に接近する。蒸気タービン２は最初に当該蒸気タービンのトリガー限界値に到達し、ガスタービン３はその少し後に当該ガスタービンのトリガー限界値に到達する。この工程全体は所定の調整すべき時間を超過してはならない。その場合、蒸気が許容できないほど冷たくなるからである。従って厳密な過回転速度テスト装置の作用はアクティブかつ自動的に、数秒後であって調整され得る数秒後に、非作動化され、それにより蒸気タービンのトリップが生じさせられる。

１ 一軸形コンバインドサイクルプラント
２ 蒸気タービン
３ ガスタービン
４ 発電機
５ 軸
６ 連結器
７ 出口
８ スイッチ
９ 電気的消費部もしくは電気的負荷
ｎ_ＧＴ ガスタービンの回転速度
ｎ_ＳＴ 蒸気タービンの回転速度

Claims (5)

1. 一軸形コンバインドサイクルプラント（１）のガスタービン過回転速度防止装置および蒸気タービン過回転速度防止装置をテストするための方法であって、
   テスト動作の間にガスタービン（３）と蒸気タービン（２）は、前記コンバインドサイクルプラント（１）の通常の動作回転速度と等しいテスト回転速度で作動され、発電機（４）は接続された負荷で作動され、
   前記テスト動作の間に負荷制限が行われ、前記蒸気タービン（２）の回転速度が上昇し、蒸気タービントリガー限界値に到達するとき、前記蒸気タービン過回転速度防止装置が始動され、
   前記蒸気タービン（２）がまず前記蒸気タービントリガー限界値に到達し、続いて前記ガスタービン（３）がガスタービン限界値に到達し、前記蒸気タービントリガー限界値の到達後に前記蒸気タービン過回転速度防止装置が始動される、方法。
2. 前記ガスタービン限界値の到達後に、ガスタービン過回転速度防止装置が始動される、請求項１に記載の方法。
3. 前記蒸気タービン（２）は前記テスト動作中に完全にウォームアップされた状態にある、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ガスタービン（３）は前記テスト動作中に、低出力で作動される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ガスタービン（３）は前記テスト動作中に、一定の排気温度で作動される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

Images