JP6768379B2 - コンバインドサイクルプラント及びその制御装置、蒸気タービンの起動方法 - Google Patents

コンバインドサイクルプラント及びその制御装置、蒸気タービンの起動方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガスタービンと排熱回収ボイラと蒸気タービンを備えるコンバインドサイクルプラント、このコンバインドサイクルプラントの制御装置、蒸気タービンの起動方法に関するものである。
コンバインドサイクル発電は、まず、天然ガスなどを燃料としてガスタービンを駆動して１回目の発電を行い、次に、排熱回収ボイラがガスタービンの排気ガスを回収して蒸気を生成し、この蒸気により蒸気タービンを駆動して２回目の発電を行うものであり、コンバインドサイクルプラントは、このコンバインドサイクル発電を実行するための発電プラントである。
コンバインドサイクルプラントにて、排熱回収ボイラに助燃バーナを設けたものがある。即ち、排熱回収ボイラにおける排気ガスの入口部に助燃バーナを配置し、この助燃バーナに燃料を供給して点火することで火炎を形成し、排気ガスの温度を上昇させることで、排熱回収ボイラでの蒸気の発生を促進させる。
なお、このような助燃バーナが設けられた排熱回収ボイラを有するコンバインドサイクルプラントとしては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。
特開平１１−０２２４１９号公報
上述したコンバインドサイクルプラントを起動するとき、まず、ガスタービンを起動し、次に、発生した排気ガスを排熱回収ボイラに送って蒸気を生成し、その後、この蒸気により蒸気タービンを駆動する。そして、蒸気タービンは、排熱回収ボイラからの蒸気により暖機を行った後、所定出力まで上昇した後、助燃バーナを点火して排気ガスの温度を上昇させ、最大出力（コンバインド最大出力）まで上昇させている。即ち、蒸気タービンでは、出力をガスタービンからの排気ガスによる最大出力まで上昇させた後、助燃バーナによって温度上昇した排気ガスで、蒸気タービンの最大出力まで上昇させている。そのため、従来の蒸気タービンは、最大出力まで到達する起動時間が長くなってしまう。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、コンバインドサイクルプラントにおける出力変更を早期に実現することができ、運用性の向上を図るコンバインドサイクルプラント、コンバインドサイクルプラントの制御装置、蒸気タービンの起動方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明のコンバインドサイクルプラントは、圧縮機と燃焼器とタービンを有するガスタービンと、前記ガスタービンからの排気ガスを昇温する助燃バーナと、前記排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する蒸気タービンと、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更する制御装置と、を備えることを特徴とするものである。
従って、制御装置は、出力変更時に燃焼器の出力を変更すると共に助燃バーナの出力を変更することから、コンバインドサイクルプラントの出力を早期に上昇または下降することができ、コンバインドサイクルプラントにおける出力変更を早期に実現することができ、運用性を向上することができる。
本発明のコンバインドサイクルプラントでは、前記制御装置は、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更して前記助燃バーナの出力を一定とする第１出力変更モードと、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更する第２出力変更モードとを有し、切替信号に応じて前記第１出力変更モードと前記第２出力変更モードとを選択切替可能であることを特徴としている。
従って、出力変更時に燃焼器の出力だけを変更する第１出力変更モードと、出力変更時に燃焼器及び助燃バーナの出力を変更する第２出力変更モードとを切替信号に応じて選択切替可能とすることで、蒸気タービンの運転状態に応じて助燃バーナの起動及び停止を容易に変更することができる。
本発明のコンバインドサイクルプラントでは、前記制御装置は、前記蒸気タービンの起動時に前記第１出力変更モードを選択し、前記蒸気タービンの暖機完了後に前記第２出力変更モードに切替えることを特徴としている。
従って、蒸気タービンの起動時は、燃焼器の出力だけを上昇させて暖機を実施し、蒸気タービンの暖機完了後は、燃焼器及び助燃バーナの両方の出力を上昇させることで、蒸気タービンの出力を早期に所定出力まで上昇させることができ、起動時間を短縮することができる。
本発明のコンバインドサイクルプラントでは、前記制御装置は、前記蒸気タービンの起動時に前記第１出力変更モードを選択し、前記蒸気タービンの出力が前記ガスタービンからの排気ガスの排熱だけで生成された蒸気による最大出力に到達する前に前記第２出力変更モードに切替えることを特徴としている。
従って、蒸気タービンの起動時は、燃焼器の出力だけを上昇させて暖機を実施し、蒸気タービンの出力がガスタービンからの排気ガスの排熱だけで生成された蒸気による最大出力に到達する前に、燃焼器及び助燃バーナの両方の出力を上昇させることで、蒸気タービンの出力を早期に所定出力まで上昇させることができ、起動時間を短縮することができる。
本発明のコンバインドサイクルプラントでは、前記制御装置は、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更して予め設定された所定出力に到達した後に前記助燃バーナの出力を変更する第３出力変更モードを有し、切替信号に応じて前記第２出力変更モードと前記第３出力変更モードとを選択切替可能であることを特徴としている。
従って、制御装置は、出力変更時に、燃焼器と助燃バーナの出力を同時に変更するか、燃焼器の出力を変更から助燃バーナの出力を変更するかを選択することができ、汎用性を向上することができる。
本発明のコンバインドサイクルプラントでは、前記制御装置は、前記蒸気タービンを起動する出力変更時に、前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更して目標出力に到達した後、前記目標出力の変動に対して前記燃焼器の出力を優先的に変更する第１運転モードと、前記目標出力の変動に対して前記燃焼器の出力を一定として前記助燃バーナの出力を変更する第２運転モードとを有することを特徴としている。
従って、第１運転モードでは、目標出力の変動に対して燃焼器の出力を優先的に変更することから、目標出力の変動に応じて応答性の高い燃焼器の出力を変更し、迅速な出力の上昇及び下降を行うことができる。また、第２運転モードでは、目標出力の変動に対して燃焼器の出力を一定として助燃バーナの出力を変更することから、目標出力に対して燃焼器の出力を一定として優先的に使用し、効率の低い助燃バーナの出力を低く抑えることで、プラント効率を向上させることができる。
また、本発明のコンバインドサイクルプラントの制御装置は、圧縮機と燃焼器とタービンを有するガスタービンと、前記ガスタービンからの排気ガスを昇温する助燃バーナと、前記排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する蒸気タービンと、を備えるコンバインドサイクルプラントにおいて、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更する、ことを特徴とするものである。
従って、出力変更時に燃焼器の出力を変更すると共に助燃バーナの出力を変更することから、コンバインドサイクルプラントの出力を早期に上昇または下降することができ、コンバインドサイクルプラントにおける出力変更を早期に実現することができ、運用性を向上することができる。
また、本発明の蒸気タービンの起動方法は、圧縮機と燃焼器とタービンを有するガスタービンと、前記ガスタービンからの排気ガスを昇温する助燃バーナと、前記排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する蒸気タービンと、を備えるコンバインドサイクルプラントにおいて、前記蒸気タービンの起動時に前記燃焼器の出力を上昇する工程と、前記蒸気タービンの暖機完了後に前記燃焼器の出力を上昇すると共に前記助燃バーナの出力を上昇する工程と、を有することを特徴とするものである。
従って、蒸気タービンの起動時に燃焼器の出力を上昇し、蒸気タービンの暖機完了後に燃焼器及び助燃バーナの出力を上昇することから、蒸気タービンの暖機完了後に、蒸気タービンの出力を早期に上昇して所定出力まで到達させることができ、コンバインドサイクルプラントにおける起動時間を短縮することができ、運用性を向上することができる。
本発明のコンバインドサイクルプラント及びその制御装置、蒸気タービンの起動方法によれば、出力変更時に燃焼器及び助燃バーナの出力を変更するので、コンバインドサイクルプラントにおける出力変更を早期に実現することができ、運用性を向上することができる。
図１は、本実施形態のコンバインドサイクルプラントを表す概略構成図である。 図２は、コンバインドサイクルプラントの起動時における出力を表すグラフである。 図３は、蒸気タービンの起動時におけるＳＴ出力を表すグラフである。 図４は、蒸気タービンの第１運転モードでの部分負荷運転時におけるＳＴ出力を表すグラフである。 図５は、蒸気タービンの第２運転モードでの部分負荷運転時におけるＳＴ出力を表すグラフである。 図６は、蒸気タービンの第３運転モードでの部分負荷運転時におけるＳＴ出力を表すグラフである。 図７は、蒸気タービンの第１運転モードでの運転時におけるコンバインドサイクルプラントの出力バランスを表すグラフである。 図８は、蒸気タービンの第２運転モードでの運転時におけるコンバインドサイクルプラントの出力バランスを表すグラフである。
以下、添付図面を参照して、本発明に係るコンバインドサイクルプラント及びその制御装置、蒸気タービンの起動方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、本実施形態のコンバインドサイクルプラントを表す概略構成図である。
本実施形態において、図１に示すように、コンバインドサイクルプラント１０は、ガスタービン１１と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１２と、蒸気タービン１３とを備えている。
ガスタービン１１は、圧縮機２１と、燃焼器２２と、タービン２３とを有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸（ロータ）２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気を圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気と、燃料ガス供給ライン２７の分岐した第１燃料ガス供給ライン２８から供給された燃料ガスとを混合して燃焼する。第１燃料ガス供給ライン２８は、燃焼器２２に供給する燃料ガスの供給量を調整する流量調整弁２９が設けられている。タービン２３は、燃焼器２２から燃焼ガス供給ライン３０を通して供給された燃焼ガスにより回転駆動する。発電機３１は、圧縮機２１及びタービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。
排熱回収ボイラ１２は、ガスタービン１１（タービン２３）から排気ガス排出ライン３２を介して排出された排気ガスの排熱によって蒸気を発生させるものである。排熱回収ボイラ１２は、図示しないが、熱交換器としての過熱器と蒸発器と節炭器とを有している。排熱回収ボイラ１２は、ガスタービン１１からの排気ガスが内部を通過することで、過熱器、蒸発器、節炭器の順に熱回収を行うことで蒸気を生成する。
蒸気タービン１３は、排熱回収ボイラ１２により生成された過熱蒸気により駆動するものであり、タービン３３を有し、このタービン３３と同軸上に発電機３４が連結されている。排熱回収ボイラ１２（過熱器）で生成された過熱蒸気は、蒸気供給ライン３５を介してタービン３３に供給され、発電機３４は、このタービン３３が回転することで発電することができる。そして、蒸気供給ライン３５に流量調整弁３６が設けられている。
タービン３３から排出された蒸気は、蒸気排出ライン３７を介して復水器３８に供給される。復水器３８は、回収された蒸気を冷却水により冷却して復水とするものである。この復水器３８は、生成した復水を復水供給ライン３９を介して排熱回収ボイラ１２（節炭器）に送る。
また、排熱回収ボイラ１２は、ガスタービン１１（タービン２３）から排気ガス排出ライン３２を介して排出された排気ガスを加熱して昇温する助燃バーナ４１が設けられている。助燃バーナ４１は、燃料ガス供給ライン２７の分岐した第２燃料ガス供給ライン４２から供給された燃料ガスを燃焼する。第２燃料ガス供給ライン４２は、助燃バーナ４１に供給する燃料ガスの供給量を調整する流量調整弁４３が設けられている。そして、排熱回収ボイラ１２は、蒸気を生成した使用済の排気ガスを排出する排気ガス排出ライン４４を介して煙突４５が連結されている。
そのため、コンバインドサイクルプラント１０を運転するとき、ガスタービン１１にて、圧縮機２１は、空気を圧縮し、燃焼器２２は、供給された圧縮空気と燃料ガスとを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から供給された燃焼ガスにより回転駆動し、発電機３１が発電を行う。また、ガスタービン１１（タービン２３）から排出された排気ガスは、排熱回収ボイラ１２に送られて蒸気を生成し、過熱蒸気が蒸気タービン１３に送られる。このとき、必要に応じて助燃バーナ４１を稼動し、燃料ガスを燃焼することでタービン２３から排出された排気ガスを加熱して昇温する。タービン３３は、この過熱蒸気により回転駆動し、発電機３４が発電を行う。タービン３３で使用された蒸気は、復水器３８で冷却されて復水となり、排熱回収ボイラ１２に戻される。
制御装置５０は、各流量調整弁２９，３６，４３の開度を調整することができる。制御装置５０は、流量調整弁２９の開度を調整することで、第１燃料ガス供給ライン２８から燃焼器２２に供給される燃料ガスの供給量を調整する。また、制御装置５０は、流量調整弁４３の開度を調整することで、第２燃料ガス供給ライン４２から助燃バーナ４１に供給される燃料ガスの供給量を調整する。更に、制御装置５０は、流量調整弁３６の開度を調整することで、排熱回収ボイラ１２から蒸気供給ライン３５によりタービン３３に供給される過熱蒸気の供給量を調整する。
また、制御装置５０は、コンバインドサイクルプラント１０を構成するガスタービン１１、排熱回収ボイラ１２、蒸気タービン１３、助燃バーナ４１などを制御可能となっている。制御装置５０は、操作装置５１が接続されており、操作装置５１から入力された各種の指令によりガスタービン１１、排熱回収ボイラ１２、蒸気タービン１３、助燃バーナ４１などを制御する。
本実施形態では、コンバインドサイクルプラント１０の起動時、ガスタービン１１を起動した後、排気ガスを排熱回収ボイラ１２に供給すると共に、助燃バーナ４１により排気ガスを加熱して昇温し、過熱蒸気を蒸気タービン１３に供給してこの蒸気タービン１３を起動する。このとき、制御装置５０は、蒸気タービン１３の起動時に、燃焼器２２の出力を上昇する一方、助燃バーナ４１を停止したままとし、蒸気タービン１３の暖機完了後に、燃焼器２２及び助燃バーナ４１の出力を上昇し、所定出力まで到達させるようにしている。
ガスタービン１１が起動し、排熱回収ボイラ１２がガスタービン１１からの排気ガスにより蒸気を生成し、この蒸気を蒸気タービン１３に供給して回転駆動するとき、蒸気の温度と蒸気タービン１３のメタル温度に大きな温度差があると、蒸気タービン１３の各構成部材に熱膨張差が発生し、熱応力が作用してしまう。例えば、動翼とケーシングとの間で熱膨張差が発生すると、動翼の先端とケーシングの内壁面とのクリアランスが一時的に狭くなるピンチポイント（最小隙間）が発生してしまう。そのため、蒸気の温度と蒸気タービン１３のメタル温度との温度差の縮小後、蒸気タービン１３に供給する過熱蒸気の供給量を増加して蒸気タービン１３の出力を所定出力まで到達させる。
そして、蒸気タービン１３の起動時に、蒸気タービン１３の暖機が完了するまで、つまり、蒸気の温度と蒸気タービン１３のメタル温度との温度差が予め設定された所定値以下になるまでは、助燃バーナ４１を停止して燃焼器２２だけを駆動し、タービン２３から排出された排気ガスにより蒸気タービン１３を暖機する。その後、蒸気タービン１３の暖機が完了すると、つまり、蒸気の温度と蒸気タービン１３のメタル温度との温度差が予め設定された所定値以下になると、燃焼器２２に加えて助燃バーナ４１を起動し、タービン２３から排出された排気ガスを助燃バーナ４１により昇温し、タービン２３から排出されて助燃バーナ４１により昇温された排気ガスにより蒸気タービン１３の出力を上昇させる。
まず、コンバインドサイクルプラント１０の起動方法について詳細に説明する。図２は、コンバインドサイクルプラントの起動時における出力を表すグラフである。
図１及び図２に示すように、ガスタービン１１が起動し、時間ｔ１にて、ガスタービン１１の出力が上昇し、時間ｔ２にて、蒸気タービン１３に通過するための蒸気温度まで昇温するために出力が一定となる。このとき、ガスタービン１１からの排気ガスが排熱回収ボイラ１２に送られて蒸気が生成される。そして、通気可能な蒸気温度に昇温後、流量調整弁３６が微開となり、少量の蒸気が蒸気タービン１３に送られて回転が開始され、時間ｔ３にて、蒸気タービン１３の出力が上昇し、時間ｔ４にて、出力が一定となり、蒸気タービン１３の暖機が開始される。その後、時間ｔ５にて、流量調整弁２９の開度を大きくしてガスタービン１１の出力を上昇させると共に、流量調整弁３６の開度を大きくして蒸気タービン１３の出力を上昇させる。
その後、時間ｔ６にて、蒸気タービン１３のメタル温度が所定温度になって暖機が完了すると、流量調整弁２９の開度を更に大きくしてガスタービン１１の出力を上昇させる。また、時間ｔ６にて、流量調整弁３６の開度は全開になっているが、ガスタービン１１の出力増加による蒸気流量の増加によって蒸気タービン１３の出力を上昇させる。すると、時間ｔ７にて、ガスタービン１１の出力が最大出力まで上昇し、時間ｔ８にて、蒸気タービン１３の出力が最大出力まで上昇する。この場合、ガスタービン１１の出力と蒸気タービン１３の出力の合計が、コンバインドサイクルプラント１０の出力となる。
次に、蒸気タービン１３の起動方法について説明する。図３は、蒸気タービンの起動時におけるＳＴ出力を表すグラフである。
本実施形態の蒸気タービンの起動方法は、図３に示すように、蒸気タービン１３の起動時に燃焼器２２の出力を上昇する工程と、蒸気タービン１３の暖機完了後に燃焼器２２の出力を上昇すると共に助燃バーナ４１の出力を上昇する工程とを有する。即ち、制御装置５０は、蒸気タービンの起動時にガスタービン１１（燃焼器２２）の出力だけを上昇する第１起動モード（第１出力変更モード）を選択し、蒸気タービン１３の暖機完了後にガスタービン１１（燃焼器２２）及び助燃バーナ４１の出力を上昇する第２起動モード（第２出力変更モード）に切替える。この場合、蒸気タービン１３の暖機完了は、蒸気タービン１３の出力、ケーシング温度、起動開始継続時間などにより判定する。
具体的に説明すると、図１及び図３に示すように、ガスタービン１１が起動すると、排気ガスが排熱回収ボイラ１２に送られて蒸気が生成される。ここで、流量調整弁３６が微開されると、排熱回収ボイラ１２から少量の蒸気が蒸気タービン１３に送られ、蒸気タービン１３が回転を開始して出力が上昇する。そして、時間ｔ１１にて、蒸気タービン１３の出力を一定出力Ｗ１とし、蒸気タービン１３の暖機が開始される。所定時間の経過後、時間ｔ１２にて、流量調整弁３６の開度が大きくなると、排熱回収ボイラ１２から蒸気タービン１３に送られる蒸気の供給量が増加し、蒸気タービン１３の出力が徐々に上昇し、暖機が継続される。そして、時間ｔ１３にて、蒸気タービン１３のメタル温度が所定温度になり、蒸気タービン１３の出力Ｗ２にて暖機が完了すると、流量調整弁２９の開度を更に大きくしてガスタービン１１の出力を増加させる。また、このとき、助燃バーナ４１を起動することで、排熱回収ボイラ１２に供給する蒸気を加熱して蒸気流量を増加させる。すると、蒸気タービン１３は、供給される蒸気量が増加すると共に、蒸気温度が上昇することで出力が上昇し、時間ｔ１４にて、蒸気タービン１３の出力が最大出力Ｗｍに到達する。
この時間ｔ１３から時間ｔ１４の間、流量調整弁２９の開度を徐々に大きくしていき、燃焼器２２への燃料ガスの供給量を増加させることで、ガスタービン１１の出力が増加し、排熱回収ボイラ１２への排気ガスの供給量を増加させる。また、流量調整弁４３の開度を徐々に大きくしていき、助燃バーナ４１への燃料ガスの供給量を増加させることで、排気ガスの加熱量を増加し、排熱回収ボイラ１２で生成する蒸気流量を増加させる。そのため、時間ｔ１４で到達した蒸気タービン１３の最大出力Ｗｍは、ガスタービン１１からの排気ガスによる出力Ｗ／ＳＴ−ＧＴと、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による出力Ｗ／ＳＴ−Ｂとの合計となる。即ち、蒸気タービン１３は、ガスタービン１１からの排気ガスの排熱により出力Ｗ３まで上昇することができ、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による排熱により出力Ｗｍまで上昇することができる。
このように制御装置５０は、時間０から時間ｔ１３の間を第１起動モードでコンバインドサイクルプラント１０を運転し、時間ｔ１３から時間ｔ１４の間を第２起動モードでコンバインドサイクルプラント１０を運転する。つまり、制御装置５０は、蒸気タービン１３のメタル温度が所定温度になって暖機が完了したら、切替信号により第１起動モードから第２起動モードに切替える。
また、コンバインドサイクルプラント１０（蒸気タービン１３）の起動が完了すると、制御装置５０は、目標出力の変動に対してガスタービン１１（燃焼器２２）の出力を優先的に変更する第１運転モード（第１出力変更モード）と、目標出力の変動に対してガスタービン１１（燃焼器２２）の出力を一定として助燃バーナ４１の出力を変更する第２運転モード（第２出力変更モード）とを有し、切替信号に応じて選択切替可能としている。
図４は、蒸気タービンの第１運転モードでの部分負荷運転時におけるＳＴ出力を表すグラフ、図５は、蒸気タービンの第２運転モードでの部分負荷運転時におけるＳＴ出力を表すグラフ、図６は、蒸気タービンの第２運転モードでの部分負荷運転時におけるＳＴ出力を表すグラフである。
図１及び図４に示すように、制御装置５０は、第１起動モードを選択し、排熱回収ボイラ１２から少量の蒸気が蒸気タービン１３に送られると、蒸気タービン１３が回転を開始して出力が上昇し、時間ｔ２１にて、蒸気タービン１３の出力を一定出力Ｗ１とし、蒸気タービン１３の暖機が開始される。所定時間の経過後、時間ｔ２２にて、排熱回収ボイラ１２から蒸気タービン１３に送られる蒸気の供給量が増加すると、蒸気タービン１３の出力が徐々に上昇する。そして、時間ｔ２３にて、蒸気タービン１３のメタル温度が所定温度になり、蒸気タービン１３の出力Ｗ２にて暖機が完了すると、制御装置５０は、第２起動モードに切替える。すると、排熱回収ボイラ１２から蒸気タービン１３に送られる蒸気量が増加すると共に、助燃バーナ４１により蒸気タービン１３に送られる蒸気流量が更に増加する。すると、蒸気タービン１３は、供給される蒸気流量が増加することで出力が上昇し、時間ｔ２４にて、蒸気タービン１３の出力が最大出力Ｗｍより低い出力Ｗ５まで上昇し、コンバインドサイクルプラント１０は、部分負荷運転となる。
このとき、蒸気タービン１３の出力Ｗ５は、ガスタービン１１からの排気ガスによる出力Ｗ／ＳＴ−ＧＴと、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による出力Ｗ／ＳＴ−Ｂとの合計である。即ち、蒸気タービン１３は、ガスタービン１１からの排気ガスの排熱により出力Ｗ４まで上昇することができ、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による排熱により出力Ｗ５まで上昇することができる。
上述した第１運転モードでは、ガスタービン１１と助燃バーナ４１は、最大出力で稼働してはおらず、要求出力に対して更なる出力上昇が可能である。このとき、制御装置５０は、目標出力の変動に対して、ガスタービン１１の出力を優先的に変更する。ガスタービン１１は、燃焼器２２が圧縮空気と燃料ガスを燃焼して燃焼ガス（排気ガス）を排出し、排熱回収ボイラ１２は、この排気ガスにより蒸気を生成して蒸気タービン１３に供給する。そのため、燃焼器２２への燃料ガスの供給量を変更することで、ガスタービン１１の出力が変更され、迅速にコンバインドサイクルプラント１０の出力を変更することができる。一方、助燃バーナ４１は、燃料ガスを燃焼することで排気ガスを加熱して蒸気流量を増加させる。そのため、助燃バーナ４１への燃料ガスの供給量を変更しても、ガスタービン１１の出力は変更なく、コンバインドサイクルプラント１０の出力の変更に遅れが発生する。そのため、第１運転モードは、コンバインドサイクルプラント１０が部分負荷運転をしているとき、負荷変化に対して高速な応答が求められる場合に有効的である。
一方、図１及び図５に示すように、制御装置５０は、第１起動モードを選択し、排熱回収ボイラ１２から少量の蒸気が蒸気タービン１３に送られると、蒸気タービン１３が回転を開始して出力が上昇し、時間ｔ３１にて、蒸気タービン１３の出力を一定出力Ｗ１とし、蒸気タービン１３の暖機が開始される。所定時間の経過後、時間ｔ３２にて、排熱回収ボイラ１２から蒸気タービン１３に送られる蒸気の供給量が増加すると、蒸気タービン１３の出力が徐々に上昇する。そして、時間ｔ３３にて、蒸気タービン１３のメタル温度が所定温度になり、蒸気タービン１３の出力Ｗ２にて暖機が完了すると、制御装置５０は、第２起動モードに切替える。すると、排熱回収ボイラ１２から蒸気タービン１３に送られる蒸気量が増加すると共に、助燃バーナ４１により蒸気タービン１３に送られる蒸気流量が更に増加する。すると、蒸気タービン１３は、供給される蒸気流量が増加することで出力が上昇し、時間ｔ３４にて、助燃バーナ４１の出力を一定とし、時間ｔ３５にて、ガスタービン１１が出力Ｗ３まで上昇し、蒸気タービン１３の出力が最大出力Ｗｍより低い出力Ｗ５まで上昇し、コンバインドサイクルプラント１０は、部分負荷運転となる。
このとき、蒸気タービン１３の出力Ｗ５は、ガスタービン１１からの排気ガスによる出力Ｗ／ＳＴ−ＧＴと、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による出力Ｗ／ＳＴ−Ｂとの合計である。即ち、蒸気タービン１３は、ガスタービン１１からの排気ガスの排熱により出力Ｗ３まで上昇することができ、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による排熱により出力Ｗ５まで上昇することができる。
上述した第２運転モードでは、ガスタービン１１は、最大出力で稼働し、要求出力に対して更なる出力上昇ができず、助燃バーナ４１は、最大出力で稼働してはおらず、要求出力に対して更なる出力上昇が可能である。このとき、制御装置５０は、目標出力の変動に対して、ガスタービン１１の出力を一定として助燃バーナ４１の出力を変更する。燃焼器２２への燃料ガスの供給量を変更すると、ガスタービン１１の出力が変更され、蒸気タービン１３への蒸気の供給量が変更されて蒸気タービンの出力が変更することから、コンバインドサイクルプラント１０におけるプラント効率が良い。一方、助燃バーナ４１への燃料ガスの供給量を変更すると、蒸気タービン１３の出力だけが変更されるため、プラント効率が良くない。そのため、第２運転モードは、コンバインドサイクルプラント１０が部分負荷運転をしているとき、目標出力の変動が少ないときに有効的である。
また、図１及び図６に示すように、制御装置５０は、第１起動モードを選択し、排熱回収ボイラ１２から少量の蒸気が蒸気タービン１３に送られると、蒸気タービン１３が回転を開始して出力が上昇し、時間ｔ４１にて、蒸気タービン１３の出力を一定出力Ｗ１とし、蒸気タービン１３の暖機が開始される。所定時間の経過後、時間ｔ４２にて、排熱回収ボイラ１２から蒸気タービン１３に送られる蒸気の供給量が増加すると、蒸気タービン１３の出力が徐々に上昇する。そして、時間ｔ４３にて、蒸気タービン１３のメタル温度が所定温度になり、蒸気タービン１３の出力Ｗ２にて暖機が完了すると、制御装置５０は、第３起動モード（第３出力変更モード）に切替える。すると、排熱回収ボイラ１２から蒸気タービン１３に送られる蒸気量が増加する。すると、蒸気タービン１３は、供給される蒸気流量が増加することで出力が上昇し、時間ｔ４４にて、ガスタービン１１が出力Ｗ３まで上昇し、ここで、助燃バーナ４１を起動し、この助燃バーナ４１により蒸気タービン１３に送られる蒸気流量を更に増加する。すると、時間ｔ４５にて、蒸気タービン１３の出力が最大出力Ｗｍより低い出力Ｗ５まで上昇し、コンバインドサイクルプラント１０は、部分負荷運転となる。
このとき、蒸気タービン１３の出力Ｗ５は、ガスタービン１１からの排気ガスによる出力Ｗ／ＳＴ−ＧＴと、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による出力Ｗ／ＳＴ−Ｂとの合計である。即ち、蒸気タービン１３は、ガスタービン１１からの排気ガスの排熱により出力Ｗ３まで上昇することができ、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による排熱により出力Ｗ５まで上昇することができる。
上述した第３運転モードでは、第２運転モードと同様に、助燃バーナ４１は、最大出力で稼働してはおらず、要求出力に対して更なる出力上昇が可能である。このとき、制御装置５０は、目標出力の変動に対して、ガスタービン１１の出力を一定として助燃バーナ４１の出力を変更することで、コンバインドサイクルプラント１０におけるプラント効率が良く、コンバインドサイクルプラント１０が部分負荷運転をしているとき、目標出力の変動が少ないときに有効的である。
図７は、蒸気タービンの第１運転モードでの運転時におけるコンバインドサイクルプラントの出力バランスを表すグラフ、図８は、蒸気タービンの第２運転モードでの運転時におけるコンバインドサイクルプラントの出力バランスを表すグラフである。
図７に示すように、第１運転モードにて、ガスタービン１１の出力Ｗ−ＧＴ、ガスタービン１１からの排気ガスだけによる蒸気タービン１３の出力Ｗ−ＳＴ（Ｗ／ＳＴ−ＧＴ）、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による蒸気タービン１３の出力Ｗ−Ｂ（Ｗ／ＳＴ−Ｂ）と規定する。この第１運転モードでは、コンバインドサイクルプラント１０の出力が最低出力から最大出力まで増加するとき、ガスタービン出力Ｗ−ＧＴと蒸気タービン出力Ｗ−ＳＴと蒸気タービン出力Ｗ−Ｂとが比例して増加する。
一方、図８に示すように、第２運転モードでは、コンバインドサイクルプラント１０の出力が最低出力から最大出力まで増加するとき、所定出力Ｗｐまでは、ガスタービン出力Ｗ−ＧＴと蒸気タービン出力Ｗ−ＳＴとが比例して増加する。その後、ガスタービン出力Ｗ−ＧＴと蒸気タービン出力Ｗ−ＳＴとが一定となり、蒸気タービン出力Ｗ−Ｂが増加する。即ち、図６に示すように、第１運転モードでは、全ての出力領域で、コンバインドサイクルプラント１０の出力がガスタービン出力Ｗ−ＧＴと蒸気タービン出力Ｗ−ＳＴと蒸気タービン出力Ｗ−Ｂにより構成されており、要求出力の変動に対してガスタービン出力Ｗ−ＧＴと蒸気タービン出力Ｗ−ＳＴを優先的に調整する。一方、第２運転モードでは、図７に示すように、所定出力Ｗｐから最大出力までの出力領域で、コンバインドサイクルプラント１０の出力がガスタービン出力Ｗ−ＧＴと蒸気タービン出力Ｗ−ＳＴと蒸気タービン出力Ｗ−Ｂにより構成されているものの、要求出力の変動に対してガスタービン出力Ｗ−ＧＴと蒸気タービン出力Ｗ−ＳＴを一定とし、蒸気タービン出力Ｗ−Ｂだけを調整する。
なお、第１、第２運転モードにて、ガスタービン１１の出力制御や助燃バーナ４１の出力制御は、上述したものに限定されるものではない。例えば、制御装置５０は、第１運転モード（図４）で、目標出力の変動に対して、ガスタービン１１の出力を優先的に変更するが、ガスタービン１１の出力が最大出力に到達した後は、助燃バーナ４１の出力を変更して対応する。また、制御装置５０は、第２運転モード（図５）で、目標出力の変動に対して、ガスタービン１１の出力を最大出力で一定として助燃バーナ４１の出力を変更するようにしたが、ガスタービン１１が必ずしも最大出力で稼働する必要はなく、目標出力の変動に対して、ガスタービン１１の出力を一定に維持すればよいものである。このとき、目標出力の変動に対して、助燃バーナ４１の出力の変更だけでは対応できないとき、ガスタービン１１の出力を変更して対応する。
このように本実施形態のコンバインドサイクルプラントにあっては、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３を有するガスタービン１１と、ガスタービン１１からの排気ガスを昇温する助燃バーナ４１と、排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２により生成された蒸気により駆動する蒸気タービン１３と、出力変更時に燃焼器２２の出力を変更すると共に助燃バーナ４１の出力を変更する制御装置５０とを設けている。
従って、制御装置５０は、起動などの出力変更時に、燃焼器２２の出力と助燃バーナ４１の出力を同時に変更することから、排熱回収ボイラ１２から蒸気タービン１３に供給する蒸気の供給量を別々に調整する場合より早期に上昇または下降することができ、コンバインドサイクルプラント１０の出力を早期に上昇または下降することができる。その結果、コンバインドサイクルプラント１０における出力変更を早期に実現することができ、運用性を向上することができる。
本実施形態のコンバインドサイクルプラントでは、制御装置５０は、起動時に燃焼器２２の出力を上昇して助燃バーナ４１の起動を停止する第１起動モードと、起動時に燃焼器２２の出力を上昇すると共に助燃バーナ４１の出力を上昇する第２起動モードとを有し、切替信号に応じて第１起動モードと第２起動モードとを選択切替可能としている。従って、第１起動モードと第２起動モードとを切替信号に応じて選択切替可能とすることで、蒸気タービン１３の運転状態に応じて助燃バーナ４１の起動及び停止を容易に変更することができる。
本実施形態のコンバインドサイクルプラントでは、制御装置５０は、蒸気タービン１３の起動時に第１起動モードを選択し、蒸気タービン１３の暖機完了後に第２起動モードに切替えるようにしている。従って、蒸気タービン１３の起動時は、燃焼器２２の出力だけを上昇させ、ガスタービン１１からの排気ガスにより生成された蒸気により蒸気タービン１３の暖機を実施し、蒸気タービン１３の暖機完了後は、燃焼器２２及び助燃バーナ４１の出力の両方を上昇させ、蒸気タービン１３に供給する蒸気流量を上昇させることで蒸気タービン１３の出力を上昇させる。そのため、蒸気タービン１３の暖機後にこの蒸気タービン１３の出力を早期に所定出力まで上昇させることができ、起動時間を短縮することができる。
本実施形態のコンバインドサイクルプラントでは、制御装置５０は、蒸気タービン１３の起動時に第１起動モードを選択し、蒸気タービン１３の出力がガスタービン１１からの排気ガスの排熱だけで生成された蒸気による最大出力に到達する前に第２起動モードに切替えるようにしている。従って、蒸気タービン１３の起動時は、燃焼器２２の出力だけを上昇させ、ガスタービン１１からの排気ガスにより生成された蒸気により蒸気タービン１３の暖機を実施し、蒸気タービン１３の出力がガスタービン１１からの排気ガスの排熱だけで生成された蒸気による最大出力に到達する前、つまり、蒸気タービン１３の暖機完了後に、燃焼器２２及び助燃バーナ４１の出力の両方を上昇させ、蒸気タービン１３に供給する蒸気流量を上昇させることで蒸気タービン１３の出力を上昇させる。そのため、蒸気タービン１３の暖機後にこの蒸気タービン１３の出力を早期に所定出力まで上昇させることができ、起動時間を短縮することができる。
本実施形態のコンバインドサイクルプラントでは、制御装置５０は、出力変更時に燃焼器２２の出力を変更して予め設定された所定出力に到達した後に助燃バーナ４１の出力を変更する第３起動モードを有し、切替信号に応じて第２起動モードと第３起動モードとを選択切替可能としている。従って、制御装置５０は、出力変更時に、燃焼器２２と助燃バーナ４１の出力を同時に変更するか、燃焼器２２の出力を変更から助燃バーナ４１の出力を変更するかを選択することができ、汎用性を向上することができる。
本実施形態のコンバインドサイクルプラントでは、制御装置５０は、蒸気タービン１３の起動完了後、目標出力の変動に対して燃焼器２２の出力を優先的に変更する第１運転モードと、目標出力の変動に対して燃焼器２２の出力を一定として助燃バーナ４１の出力を変更する第２運転モードとを有している。従って、第１運転モードでは、目標出力の変動に対して燃焼器２２の出力を優先的に変更することから、目標出力の変動に応じて応答性の高い燃焼器２２の出力を変更し、迅速な出力の上昇及び下降を行うことができる。また、第２運転モードでは、目標出力の変動に対して燃焼器２２の出力を一定として助燃バーナ４１の出力を変更することから、目標出力に対して燃焼器２２の出力を一定として優先的に使用し、効率の低い助燃バーナ４１の出力を低く抑えることで、プラント効率を向上させることができる。
また、本実施形態のコンバインドサイクルプラントの制御装置にあっては、出力変更時に燃焼器２２の出力を変更すると共に助燃バーナ４１の出力を変更するようにしている。従って、コンバインドサイクルプラント１０における出力変更を早期に実現することができる。
また、本実施形態の蒸気タービンの起動方法にあっては、蒸気タービン１３の起動時に燃焼器２２の出力だけを上昇する工程と、蒸気タービン１３の暖機完了後に燃焼器２２の出力を上昇すると共に助燃バーナ４１の出力を上昇する工程とを有する。
従って、蒸気タービン１３の暖機完了後に、蒸気タービン１３の出力を早期に上昇して所定出力まで到達させることができ、コンバインドサイクルプラント１０における起動時間を短縮することができる。
なお、上述した実施形態では、蒸気タービン１３の暖機完了時に第２起動モード（第２出力変更モード）に切替えるように構成したが、切替タイミングは、蒸気タービン１３の暖機完了前、または、蒸気タービン１３の暖機完了から所定時間の経過後であってもよい。
また、上述した実施形態にて、ガスタービン１１からの排気ガスによる出力Ｗ／ＳＴ−ＧＴが最大になるタイミングと、助燃バーナ４１により昇温された排気ガスの温度上昇量による蒸気タービン１３の出力Ｗ／ＳＴ−Ｂが最大になるタイミングとを同時としたが、両者はずれていてもよい。
また、上述した実施形態にて、コンバインドサイクルプラント１０の出力上昇時における運転制御について説明したが、出力下降時における運転制御についても同様である。
１０ コンバインドサイクルプラント
１１ ガスタービン
１２ 排熱回収ボイラ
１３ 蒸気タービン
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３，３３ タービン
２９，３６，４３ 流量調整弁
３１，３４ 発電機
３８ 復水器
４１ 助燃バーナ
５０ 制御装置

Claims (9)

  1. 圧縮機と燃焼器とタービンを有するガスタービンと、
    前記ガスタービンからの排気ガスを昇温する助燃バーナと、
    前記排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する蒸気タービンと、
    出力変更時に前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更して前記助燃バーナの出力を一定とする第１出力変更モードと、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更する第２出力変更モードとを有し、切替信号に応じて前記第１出力変更モードと前記第２出力変更モードとを選択切替可能であり、
    前記蒸気タービンの起動時に前記第１出力変更モードを選択し、前記蒸気タービンの暖機完了後に前記第２出力変更モードに切替える、
    ことを特徴とするコンバインドサイクルプラント。
  2. 前記制御装置は、前記蒸気タービンの起動時に前記第１出力変更モードを選択し、前記蒸気タービンの出力が前記ガスタービンからの排気ガスの排熱だけで生成された蒸気による最大出力に到達する前に前記第２出力変更モードに切替えることを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクルプラント。
  3. 前記制御装置は、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更して予め設定された所定出力に到達した後に前記助燃バーナの出力を変更する第３出力変更モードを有し、切替信号に応じて前記第２出力変更モードと前記第３出力変更モードとを選択切替可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンバインドサイクルプラント。
  4. 前記制御装置は、前記蒸気タービンを起動する出力変更時に、前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更して目標出力に到達した後、前記目標出力の変動に対して前記燃焼器の出力を優先的に変更する第１運転モードと、前記目標出力の変動に対して前記燃焼器の出力を一定として前記助燃バーナの出力を変更する第２運転モードとを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコンバインドサイクルプラント。
  5. 圧縮機と燃焼器とタービンを有するガスタービンと、
    前記ガスタービンからの排気ガスを昇温する助燃バーナと、
    前記排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する蒸気タービンと、
    を備えるコンバインドサイクルプラントにおいて、
    出力変更時に前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更するものであり、
    出力変更時に前記燃焼器の出力を変更して前記助燃バーナの出力を一定とする第１出力変更モードと、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更する第２出力変更モードとを有し、切替信号に応じて前記第１出力変更モードと前記第２出力変更モードとを選択切替可能であり、
    前記蒸気タービンの起動時に前記第１出力変更モードを選択し、前記蒸気タービンの暖機完了後に前記第２出力変更モードに切替える、
    ことを特徴とするコンバインドサイクルプラントの制御装置。
  6. 圧縮機と燃焼器とタービンを有するガスタービンと、
    前記ガスタービンからの排気ガスを昇温する助燃バーナと、
    前記排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する蒸気タービンと、
    を備えるコンバインドサイクルプラントにおいて、
    前記蒸気タービンの起動時に前記燃焼器の出力を上昇する工程と、
    前記蒸気タービンの暖機完了後に前記燃焼器の出力を上昇すると共に前記助燃バーナの出力を上昇する工程と、
    を有し、
    出力変更時に前記燃焼器の出力を変更して前記助燃バーナの出力を一定とする第１出力変更モードと、出力変更時に前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更する第２出力変更モードとを有し、切替信号に応じて前記第１出力変更モードと前記第２出力変更モードとを選択切替可能であり、
    前記蒸気タービンの起動時に前記第１出力変更モードを選択し、前記蒸気タービンの暖機完了後に前記第２出力変更モードに切替える、
    ことを特徴とする蒸気タービンの起動方法。
  7. 前記蒸気タービンの起動時に前記第１出力変更モードを選択し、前記蒸気タービンの出力が前記ガスタービンからの排気ガスの排熱だけで生成された蒸気による最大出力に到達する前に前記第２出力変更モードに切替えることを特徴とする請求項６に記載の蒸気タービンの起動方法。
  8. 出力変更時に前記燃焼器の出力を変更して予め設定された所定出力に到達した後に前記助燃バーナの出力を変更する第３出力変更モードを有し、切替信号に応じて前記第２出力変更モードと前記第３出力変更モードとを選択切替可能であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の蒸気タービンの起動方法。
  9. 前記蒸気タービンを起動する出力変更時に、前記燃焼器の出力を変更すると共に前記助燃バーナの出力を変更して目標出力に到達した後、前記目標出力の変動に対して前記燃焼器の出力を優先的に変更する第１運転モードと、前記目標出力の変動に対して前記燃焼器の出力を一定として前記助燃バーナの出力を変更する第２運転モードとを有することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の蒸気タービンの起動方法。
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