JP6231228B2 - 複合サイクルガスタービンプラント - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンプラントに関し、より詳細には、一軸構成の複合サイクルガスタービンプラントに関する。
発電業界は競争が激しい。特に電気市場で使用するための運転効率を向上させるように、ガスタービンプラントの設計者および製造業者に対する要求がある。
一軸型複合サイクルガスタービンプラントは、ガスタービンと同じシャフト上に軸流コンプレッサおよび蒸気タービンを有する。クラッチがない場合、ガスタービン、蒸気タービン、およびコンプレッサは、運転中、常に同じ速度で回転する。クラッチがある場合、ガスタービン、蒸気タービン、およびコンプレッサは、運転中、それらのシャフトがクラッチによって連結されているときに同じ速度で回転する。
通常スタートアップモードの場合、ガスタービンが起動され、蒸気の発生が始まる。蒸気が必要条件（たとえば、温度、圧力、化学物質）を有するまで、蒸気が直接コンデンサに送られる（すなわち、蒸気タービンをバイパスする）ことを確実にするために、バイパスバルブが使用される。
蒸気が必要条件に達すると、蒸気は、蒸気制御バルブを介して蒸気タービンに入ることができる。蒸気圧を維持するために、蒸気制御バルブの開放は、バイパスバルブの閉鎖と同期する。最終的に、蒸気制御バルブは全開し、バイパスバルブは全閉し、その結果、変圧運転モードが開始可能となる。
一軸型複合サイクルプラントの場合、プラントから要求される出力が非常に高いときに、この運転モードが有用である。しかしながら、需要がかなり減少する場合、負荷容量は、たとえば５０％超制限されるべきである。
安全な運転状態を維持しながら、複合サイクルガスタービンプラントの負荷容量をできるだけ低減するように改善する必要がある。
本発明の一態様によれば、請求項１に記載されるような一軸構成の複合サイクルガスタービンプラントが提供される。
本発明の別の態様によれば、請求項１１に記載されるような複合サイクルガスタービンプラントを制御する方法が提供される。
本発明のさらなる態様によれば、請求項１６に記載されるような一軸構成の複合サイクルガスタービンプラント用の制御プロトコルが提供される。
有利なことに、本発明により、一軸型複合サイクルプラントが、ガスタービン出力単独で運転することによって、現在可能なものよりもはるかに低い負荷で運転することが可能になる。
典型的な実施形態では、蒸気タービンは、全速力（すなわち、定格速度）無負荷（以下「ＦＳＮＬ」）状況下で、加熱「スタンバイ」状態で保持される。蒸気タービンを効果的に「ホットスタートアップ」状態に保つことによって、プラントは、必要な場合、負荷を迅速に増加させる準備ができている。
典型的な実施形態では、蒸気タービンがＦＳＮＬ状況で稼働しているとき、少量の蒸気が蒸気タービンに注入される（すなわち、蒸気制御バルブが部分的な開状態にある）。
典型的な実施形態では、蒸気タービンがＦＳＮＬ状況で運転しているとき、蒸気タービン内部の所望または最小の温度レベルを維持するために、蒸気タービンへの蒸気流入が調節される。これは、このようなプラントの最小負荷容量を低減し、また負荷変動応答時間を改善するために、見出された実施形態である。
典型的な実施形態では、蒸気制御バルブは、それらの通常稼働能力のごく一部だけが開けられる。臨界的に、蒸気タービン内の電力の生産を防止するために、蒸気流入のレベルは、しきい値レベル未満に留めなければならない。結果として、蒸気タービンの「安全な」温度上昇がもたらされる。重要なことには、蒸気の残りは、（すなわち、通常スタートアップ運転中に行われるように）バイパスバルブの制御によってコンデンサにバイパスされる。蒸気制御とバイパスバルブの動作は、システム内の圧力レベルを維持するために同期する。
本発明は、一軸型複合サイクルプラント用に、特に、ＦＳＮＬ状況における蒸気タービンの調節された運転によって、負荷低減能力を提供する。
本発明の他の態様および特徴について、添付の図面を参照しながら、典型的な実施形態を以下に説明することにより明らかにする。
「スタンドスチル」状態における一軸構成の複合サイクルガスタービンプラントを示す概略図である。 図１と類似した、初期スタートアップ状態におけるプラントを示す図である。 図１および図２と類似した、初期蒸気流入状態におけるプラントを示す図である。 図１〜図３と類似した、変圧状態におけるプラントを示す図である。 図１〜図４と類似した、蒸気タービンがＦＳＮＬ状況で運転しているプラントを示す図である。
図１〜図５は、一軸構成の複合サイクルガスタービンプラント１００を示す。
プラント１００は、熱回収蒸気発生器１０２（以下「ＨＲＳＧ」）と、ガスタービン１０４（以下「ＧＴ」）と、蒸気タービン１０６（以下「ＳＴ」）と、軸流コンプレッサ１０８とを含む。コンプレッサ１０８およびＳＴ１０６は、ＧＴ１０４と同じシャフト１０５上に取り付けられ、その結果、プラント１００のこれら３つの主要な要素は、運転中同じ速度で回転する。プラント１００は、コンデンサ１１０も含む。ＧＴ１０４とともに同じシャフトを共有するＳＴ１０６およびコンプレッサ１０８は、クラッチを介して連結される場合がある。
この実施形態において、プラント１００は、図１〜図５に示されるように、後述の３つの段１１２、１１４、１１６を有する、熱回収蒸気発生器１０２から蒸気タービン１０６に発生した蒸気を供給するための供給ライン１３０と、一端が熱回収蒸気発生器１０２と蒸気タービン１０６との間の供給ライン１３０に連結され、他端がコンデンサ１１０に連結されたバイパスライン１３１と、供給ライン内に設けられた蒸気制御バルブ１１８と、バイパスライン１３１内に設けられたバイパスバルブ１２０とを含む。図１〜図５に示されるように、熱回収蒸気発生器１０２と蒸気タービン１０６の高圧段１１２とを連結する供給ライン１３０の一部は、前記供給ライン１３０とコンデンサ１１０とを連結するためのバイパスライン１３１の一部として機能する。
以上のように、ＳＴ１０６は多段構成であり、図１に見られるように、右から左に、高圧段１１２、中圧段１１４、および低圧段１１６（以下、ＨＰ段、ＩＰ段、およびＬＰ段）を有する。
プラント１００は、ＨＲＳＧ１０２からＳＴ１０６への蒸気流入を制御するために使用される、蒸気制御バルブ１１８を含む。プラント１００は、ＨＲＳＧ１０２からコンデンサ１１０への蒸気の流れを可能にするために（すなわち、ＳＴ１０６をバイパスするために）使用される、バイパスバルブ１２０をさらに含む。具体的には、バイパスバルブ１２０は、蒸気タービンに向かって供給ライン１３０内を流れる蒸気が、バイパスライン１３１の中に流れ込み、次いでコンデンサ１１０の中に流れ込むことを可能にする。
図１は、「スタンドスチル」状態におけるプラント１００を示し、ここで、シャフト１０５は回転しておらず、バルブ１１８、１２０は閉じられている。
通常スタートアップモードの場合、ＧＴ１０４が起動され、蒸気の発生が始まる。この「スタートアップ状態」が図２に示されている。蒸気がコンデンサ１１０に直接送られるように、バイパスバルブ１２０は部分的に開けられる。より詳細には、蒸気は、ＳＴ１０６のＨＰ段１１２およびＩＰ段１１４をバイパスするように向けられる。しかしながら、図２においてわかるように、いくらかの蒸気がＬＰ段１１６に入り、ブレードの最終段を冷却するために、ＳＴ１０６のＬＰ段１１６用の蒸気制御バルブ１１８が少なくとも部分的に開けられるようにすることが望ましい場合がある。
蒸気が所望のパラメータ（たとえば、最適な温度および／または圧力および／または化学的性質）を有するように見なされると、蒸気はＳＴ１０６のＨＰ段１１２およびＩＰ段１１４に流入することができる。この「蒸気流入」状態が図３に示され、ここで、ＳＴ１０６のＨＰ段１１２およびＩＰ段１１４用の蒸気制御バルブ１１８が部分的に開けられる。重要なことには、蒸気圧を維持するために、蒸気制御バルブ１１８の開放は、バイパスバルブ１２０の閉鎖と同期する。最終的に、蒸気制御バルブ１１８は全開し、バイパスバルブ１２０は全閉し、その結果、（図４に示されるように）変圧運転モードが開始可能となる。
プラント１００は、バルブ１１８および１２０を動作させるための制御システム１２２を含む。
プラント１００が定格速度で運転しており、負荷をかなり低減する必要がある場合（たとえば、需要がかなり減少する場合）、制御システム１２２は、負荷低減運転モードに切り替わるように構成される。この運転モードでは、制御システムは、バイパスバルブ１２０を開けるように構成され、これにより、蒸気がＳＴ１０６のＨＰ段１１２およびＩＰ段１１４をバイパスできるようになる。結果として、ＳＴ１０６は、ＦＳＮＬ状況下で運転する。それに応じて、プラント１００は、負荷低減モードでＧＴ１０４単独からの出力で運転する。
制御システム１２２は、ＳＴ１０６が負荷低減モードにおいてＦＳＮＬ状況下で稼働しているとき、少量の蒸気がＳＴ１０６のＨＰ段１１２およびＩＰ段１１４に（たとえば、注入ノズルを介して）流入できるように、さらにプログラムされる。これが図５に示されている。
より詳細には、制御システムは、ＳＴ１０６のＨＰ段１１２およびＩＰ段１１４用の蒸気制御バルブ１１８を調節するように構成される。ＳＴ１０６がＦＳＮＬ状況で運転しているとき、ＳＴ１０６のＨＰ段１１２およびＩＰ段１１４内部の所望または最小の温度レベルを維持するために、これらのバルブ１１８は、（たとえば、通常稼働能力のごく一部だけ）部分的な開状態に保たれる。
前述の説明において、蒸気タービン１０６に向かって供給ライン１３０内を流れている蒸気の一部がバイパスライン１３１に流れ込むように、各バルブ１１８は、負荷低減モードで部分的な開状態に保たれるが、バルブ１１８の各々は、蒸気タービン１０６に向かって供給ライン１３０内を流れている蒸気のすべてがバイパスライン１３１に流れ込むように、負荷低減モードで全閉に保たれる場合がある。
臨界的に、ＳＴ１０６内の電力の生産を防止するために、蒸気流入のレベルはしきい値レベル未満に留まるように制御される。結果として、ＳＴ１０６の「安全な」温度上昇がもたらされる。重要なことには、蒸気の残りは、（すなわち、通常スタートアップ運転中に行われるように）バイパスバルブ１２０の制御によってコンデンサ１１０にバイパスされる。
適切な運転温度を維持しながらＦＳＮＬ状況でＳＴを運転させるこの方法は、このような種類のプラントの最小負荷容量を低減し、また負荷変動応答時間を改善するために見出された。プラントは、ＳＴ内で過度に金属ストレスを引き起こすことなく、迅速に定格運転モードに切り替え復帰することができる。
本発明は、一軸型複合サイクルプラント用に、特に、ＦＳＮＬ状況における蒸気タービンの調節された運転によって、効率的な負荷低減能力を提供し、ここで、プラントはＧＴ出力単独で運転する。本質的に、本発明は、定格負荷運転モードの最中に、ＳＴをＦＳＮＬ運転に切り替えることを伴う。事実上、これにより、プラントがターンダウン運転に入り、ここで、シャフト出力は、かなり、たとえばプラントの定格出力の３分の１にまで低減することができる。余剰蒸気は、（通常スタートアップモードで行われるように）コンデンサにバイパスされる。しかしながら、（ＳＴを定格速度無負荷状況に維持しながら）ＳＴに流入している蒸気の量を調節することによって、ＳＴは保温される。したがって、需要が増加する場合、すなわち、プラントを通常定格負荷運転モードに迅速に切り替え復帰させることによって、負荷を迅速に増大させることができる。
図１〜図５に関して、白のバルブは「閉」バルブを示し、黒のバルブは「開」バルブを示し、白黒のバルブは「部分的開」バルブを示すことに留意されたい。
前述の発明は以下の態様を含む。
本発明の一態様は、一軸構成の複合サイクルガスタービンプラントの制御システム用の制御プロトコル（プログラム）を提供し、制御プロトコルは、以下のステップをプラントに実行させるためか、または以下のステップを制御システム１２２に実行させるためのものである。プラント需要を監視すること、ならびに、プラント需要が所定のしきい値未満に減少する場合、プラントがガスタービン出力および蒸気タービン出力で運転する定格運転モードから、プラントがガスタービン出力単独で運転する低減負荷運転モードに、プラントを切り替えること。
プロトコルは、低減負荷運転モード中に定格速度無負荷状況下で蒸気タービンを稼働させるステップを含む場合がある。
プロトコルは、低減負荷運転モード中にＦＳＮＬ状況下で蒸気タービンを加熱「スタンバイ」状態に維持するステップを含む場合がある。
プロトコルは、蒸気タービンが定格速度無負荷状況で運転しているとき、蒸気タービン内部の所望または所定の最低温度を維持するために、蒸気流入を制御するステップを含む場合がある。
プロトコルは、ＦＳＮＬ状況中に蒸気タービン内の電力の生産を防止するために、蒸気タービンへの蒸気流入のレベルをしきい値レベル未満に制御するステップを含む場合がある。
プロトコルは、ＦＳＮＬ状況中に蒸気タービンへの蒸気流入を制御するように、蒸気制御バルブを動作させるステップを含む場合がある。
プロトコルは、ＦＳＮＬ状況中に余剰蒸気をコンデンサに迂回させるように、バイパスバルブを動作させるステップを含む場合がある。
１００ プラント
１０４ ガスタービン
１０５ シャフト
１０６ 蒸気タービン
１０８ コンプレッサ
１１０ コンデンサ
１１８ 蒸気制御バルブ
１２０ バイパスバルブ

Claims (23)

  1. 一軸構成の複合サイクルガスタービンプラントであって、前記プラントが、同じシャフト上に取り付けられたガスタービンおよび蒸気タービンを有する種類のプラントであり、前記プラントがガスタービン出力および蒸気タービン出力で運転する定格運転モードから、前記プラントがガスタービン出力単独で運転する低減負荷運転モードに、前記プラントを切り替えるために構成された制御システムを、前記プラントが備え、
    プラント需要が所定のしきい値未満に減少する場合、前記定格運転モードから前記低減負荷運転モードに切り替わるように、前記制御システムが構成される、
    複合サイクルガスタービンプラント。
  2. 前記制御システムが、前記低減負荷運転モードにおいて定格速度無負荷状況下で前記蒸気タービンを稼働させるように構成される、請求項１に記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  3. 前記制御システムが、前記低減負荷運転モード中に定格速度無負荷状況下で前記蒸気タービンを加熱「スタンバイ」状態に維持するように構成される、請求項１または２に記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  4. 前記制御システムが、前記蒸気タービンが定格速度無負荷状況で運転しているとき、前記蒸気タービン内部の所望または最小の温度レベルを維持するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  5. 前記制御システムが、定格速度無負荷状況下で前記蒸気タービンへの蒸気流入のレベルを調節するように構成される、請求項２から４のいずれかに記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  6. 前記蒸気タービンが多段階蒸気タービンであり、前記プラントが、前記蒸気タービンの１つまたは複数の段階への前記蒸気流入を制御するための蒸気制御バルブを含み、さらに前記蒸気タービンが定格速度無負荷状況下で運転しているとき、前記制御システムが、前記蒸気制御バルブをそれらの通常稼働能力のごく一部だけ開けるように構成される、請求項１から５のいずれかに記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  7. 前記制御システムが、定格速度無負荷状況中に前記蒸気タービン内の電力の生産を防止するために、前記蒸気タービンへの蒸気流入の前記レベルをしきい値レベル未満に保つように構成される、請求項５または６に記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  8. 前記制御システムが、定格速度無負荷状況下で前記蒸気タービンへの蒸気流入の調節中に、バイパスバルブを動作させ余剰蒸気が前記蒸気タービンをバイパスするようにし、前記余剰蒸気がコンデンサに送出されるように構成される、請求項５から７のいずれかに記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  9. 前記制御システムが、前記プラント需要が所定のしきい値を超えて増加する場合、前記低減負荷運転モードから前記定格運転モードに再切り替えするように構成される、請求項１から８のいずれかに記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  10. 蒸気発生器から前記蒸気タービンに蒸気を供給するための供給ラインと、
    一端が前記蒸気発生器と前記蒸気タービンとの間の前記供給ラインに連結されたバイパスラインと、
    前記バイパスライン内に設けられたバイパスバルブと
    をさらに備え、
    前記制御システムが、前記供給ライン内を流れており、前記蒸気タービンに向かって流れている前記蒸気の一部またはすべてを、前記バイパスラインに流入させるために、前記バイパスバルブを開けることによって、前記定格モードから前記低減負荷モードに前記プラントを切り替えるように構成され、前記バイパスバルブが前記定格モードでは閉じられる、
    請求項１から９のいずれかに記載の複合サイクルガスタービンプラント。
  11. 一軸構成の複合サイクルガスタービンプラントを制御する方法であって、プラント需要を監視するステップと、前記プラント需要が所定のしきい値未満に減少する場合、前記プラントがガスタービン出力および蒸気タービン出力で運転する定格運転モードから、前記プラントがガスタービン出力単独で運転する低減負荷運転モードに、前記プラントを切り替えるステップとを含む、方法。
  12. 前記低減負荷運転モードにおいて定格速度無負荷状況下で前記蒸気タービンを稼働させるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記低減負荷運転モード中に定格速度無負荷状況下で前記蒸気タービンを加熱「スタンバイ」状態に維持するステップを含む、請求項１１または１２に記載の方法。
  14. 前記蒸気タービンが定格速度無負荷状況で運転しているとき、前記蒸気タービン内部の所望または所定の最小温度を維持するために、蒸気流入を制御するステップを含む、請求項１１から１３のいずれかに記載の方法。
  15. 定格速度無負荷状況中に前記蒸気タービン内の電力の生産を防止するために、前記蒸気タービンへの蒸気流入のレベルをしきい値レベル未満に制御するステップを含む、請求項１１から１４のいずれかに記載の方法。
  16. 前記複合サイクルガスタービンプラントが、
    蒸気発生器から前記蒸気タービンに蒸気を供給するための供給ラインと、
    一端が前記蒸気発生器と前記蒸気タービンとの間の前記供給ラインに連結されたバイパスラインと、
    前記バイパスライン内に設けられたバイパスバルブと
    を備え、
    前記方法が、前記供給ライン内を流れており、前記蒸気タービンに向かって流れている前記蒸気の一部またはすべてを、前記バイパスラインに流入させるために、前記バイパスバルブを開けることによって、前記定格モードから前記低減負荷モードに前記プラントを切り替え、前記バイパスバルブが前記定格モードでは閉じられる、
    請求項１１から１５のいずれかに記載の方法。
  17. 一軸構成の複合サイクルガスタービンプラントの制御システムであって、
    プラント需要を監視することと、前記プラント需要が所定のしきい値未満に減少する場合、前記プラントがガスタービン出力および蒸気タービン出力で運転する定格運転モードから、前記プラントがガスタービン出力単独で運転する低減負荷運転モードに、前記プラントを切り替えることとを
    実行するように構成される、制御システム。
  18. 前記低減負荷運転モードにおいて定格速度無負荷状況下で前記蒸気タービンを稼働させることを実行するように構成される、請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記低減負荷運転モード中に定格速度無負荷状況下で前記蒸気タービンを加熱「スタンバイ」状態に維持することを実行するように構成される、請求項１７または１８に記載のシステム。
  20. 前記蒸気タービンが定格速度無負荷状況で運転しているとき、前記蒸気タービン内部の所望または所定の最小温度を維持するために、蒸気流入を制御することを実行するように構成される、請求項１７から１９のいずれかに記載のシステム。
  21. 定格速度無負荷状況中に前記蒸気タービン内の電力の生産を防止するために、前記蒸気タービンへの蒸気流入のレベルをしきい値レベル未満に制御することを実行するように構成される、請求項１７から２０のいずれかに記載のシステム。
  22. 定格速度無負荷状況中に前記蒸気タービンへの蒸気流入を制御するように蒸気制御バルブを動作させることを実行するように構成される、請求項１９から２１のいずれかに記載のシステム。
  23. 定格速度無負荷状況中に余剰蒸気をコンデンサに迂回させるようにバイパスバルブを動作させることを実行するように構成される、請求項２２に記載のシステム。
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