JP6884721B2 - プラント制御装置、プラント制御方法、および発電プラント - Google Patents
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Description
図7は、比較例の発電プラント100の構成を示す模式図である。図7の発電プラント100は、一軸型コンバインドサイクル(C/C)発電プラントである。
図7は、リジッド結合C/Cである発電プラント100のプレウォーミングを実施しているときの状態を示している。図7に示す各弁の開閉状態は、全体黒で塗りつぶしてあるものは「全閉」、全体白で抜けているものは「全開」、半分黒で塗りつぶし、半分白で抜けているものは「中間開度」にある。リジッド結合C/Cの発電プラント100のプレウォーミングは、ガスタービン102も蒸気タービン103も停止中であるときに(燃料調節弁106は黒で全閉状態)、補助ボイラ124が供給する補助蒸気A3をウォーミング弁125を開弁して高圧タービン103aに送気して高圧ロータ103cを所定の温度にウォーミング(暖機)する操作である。
発電プラント100の起動後(ガスタービン102の起動後)に、ドラム110より生成された主蒸気A2が高圧タービンバイパス調節弁119を通じて再熱器112に流入したとき、この蒸気は冷機状態の再熱器112に熱を奪われて次々と凝縮して多量のドレン水となる。この多量のドレン水は、再熱ドレン弁128および129により系外の図示されないブローダウンタンク等に排水されるように計画される。なお、図7には再熱ドレン弁128および129の2個が代表的に記載されているのみだが、実際は多数のドレン弁が再熱器112の上流部、下流部、そして再熱器112自身に設置される。
図1は、第1実施形態の発電プラント100aの構成を示す模式図である。
本実施形態でも、発電プラント100aの起動前(ガスタービン102も蒸気タービン103も停止中)にプレウォーミングを行う。このプレウォーミングは、前述したリジッド結合C/Cにおけるプレウォーミングと同様に行われるため、高圧タービン103aは暖機されるものの、再熱器112は暖機されない。以下、このプレウォーミングを、後述する「第2プレウォーミング」と区別するために「第1プレウォーミング」と呼ぶ。
図1は、クラッチ結合C/Cである発電プラント100aの第2プレウォーミングを実施しているときの状態を示している。図7と同様に、図1に示す各弁の開閉状態は、全体黒で塗りつぶしてあるものは「全閉」、全体白で抜けているものは「全開」、半分黒で塗りつぶし、半分白で抜けているものは「中間開度」にある。図1において、逆止弁123は全体白で抜けており、励磁で「逆止弁状態」になっていることを示している。燃料調節弁106は半分黒・半分白の中間開度であり、燃料116が燃焼器108に投入されてガスタービン108は起動中であることを示している。
以下、ガスタービン102が起動中にあり、且つ、蒸気タービン103が停止状態にあることが、なぜ第2プレウォーミングの最適なタイミングであるのかを、2つの理由を挙げて説明する。
図2aと図2bは、第1実施形態の発電プラント100aの動作を示すフローチャートである。本フローチャートは、発電プラント100aの起動方法を示しており、プラント制御装置101a内に収納されるソフトウェアにより実現される。なお、以下の説明中に使用される具体的な数値は、容易な理解のために記載する一例である。
第1実施形態の効果として、例えば次の1)および2)を挙げることができる。
第1実施形態は、カスケードバイパスを有するクラッチ結合C/Cの一軸型コンバインド発電プラント100aに適用されたが、その他の方式のコンバインドサイクルプラントにも適用可能である。前述のとおり、プレウォーミングは高圧タービン103aが停止しているときか、そのタービン排気部から送気した補助蒸気による摩擦熱が問題とならない極低回転状態のときだけに許容される操作である。従って、ガスタービン起動後にも蒸気タービン103が停止中である起動方法を要求される多軸型コンバインドサイクル発電プラント(複数台のガスタービンに1台の蒸気タービンを別軸構成で組み合わせる方式)に本実施形態は適用可能である。
図3は、第2実施形態の発電プラント100bの構成を示す模式図である。
図4aと図4bは、第2実施形態の発電プラント100bの動作を示すフローチャートである。本フローチャートは、発電プラント100bの起動方法を示しており、プラント制御装置101b内に収納されるソフトウェアにより実現される。なお、以下の説明中に使用される具体的な数値は、容易な理解のために記載する一例である。
第2実施形態では、発電プラント101bに再熱器ウォーミング弁133を設けたことで、高速回転中の高圧タービン103aに補助蒸気A3を流入させることなく、再熱器112に限定して補助蒸気A3を送気することが可能となる。このようにして、リジッド結合C/Cにも第2プレウォーミングを適用できる。
しかしその一方でリジッド結合C/Cでは低圧クーリングが多量の補助蒸気A3を消費し、プレウォーミングにとって競合する起動工程が存在することが顕在化した。本実施形態では、高速回転する高圧タービン103aへの補助蒸気A3の流入阻止という要望が課せられていることから、ウォーミング弁125を閉弁することが必要となり、このことが補助蒸気A3の消費を抑制することは第2実施形態の利点として指摘できる。しかし低圧クーリングとプレウォーミングの並行操作は多量の補助蒸気A3を必要とし、大容量の補助ボイラ124で多量の燃料を焚く等の経済面でのデメリットもある。よって、第2実施形態を採用すればリジッド結合C/Cにも第2プレウォーミングを適用することは可能ではあるものの、低圧クーリングに起因する大きな補助ボイラや再熱器ウォーミング弁133が必要となる。よって、これらを容認可能な場合には、第2実施形態を採用することが望ましいと考えられる。
この点、第1実施形態ではクラッチ結合C/Cのクラッチ131があるので、その離脱状態では高圧タービン103aは高速回転中ではないので、そのプラント起動工程は効率よく第2プレウォーミングを採用することが可能となる。
図5は、第1実施形態の発電プラント100cの構成を示す模式図である。
図5の発電プラント100cはクラッチ131を備えており、補助ボイラ124の出口より送気配管132を分岐し、この分岐を逆止弁123の後流部で低温再熱管121に接続している。加えて、送気配管132に再熱器ウォーミング弁133を設置し、再熱器ウォーミング弁133の出口より送気配管136を分岐し、この分岐を高温再熱管122に接続ししている。さらに、上述のように、高温再熱管122には再熱器112内の圧力を計測する再熱器内圧力センサRP1が設置され、再熱ドレン弁129の配管にはドレン水の温度を計測する再熱ドレン水温度センサTS2が設置されている。
以下、この第3実施形態が必要とされる背景等を説明する。ここに言うコールド起動やウォーム起動は、一般的には第一段シェル内面メタル温度(以下「メタル温度」と略記する)に応じて定義付けされる起動モードである。
図6a〜図6cは、第3実施形態の発電プラント100cの動作を示すフローチャートである。本フローチャートは、発電プラント100cの起動方法を示しており、プラント制御装置101c内に収納されるソフトウェアにより実現される。なお、以下の説明中に使用される具体的な数値は、容易な理解のために記載する一例である。
第3実施形態では、再熱器ウォーミング弁133を設けて、高圧タービン103aと再熱器112を別々にプレウォーミングできる系統構成としたので、ウォーム起動時に第1プレウォーミングを省略して、第2プレウォーミングを実施できる。
第3実施形態では、高圧タービン103aが残熱を有するウォーム起動に関し、コールド起動よりプラント起動時間(この場合はガスタービンが着火してから主蒸気A2が生成されるまでの時間)が短く、このためにガスタービン起動前から第2プレウォーミングを開始するという起動例を説明した。しかしプラント起動時間は、排熱回収ボイラ104の残熱に基づいて決定されるだけでなく、ガスタービン102の出力状態にも大きく依存する。第1実施形態と第3実施形態では、ガスタービン102の出力を20%負荷に上昇させて、20%負荷を保持しながら蒸気タービン103の通気許可条件の成立を待った。この20%負荷は、蒸気タービン103の通気が開始される前に許容される最大出力の一例であり、例えば復水器113の冷却水である海水の出入口温度差が7℃を超えない運転が可能な最大出力として与えられるものと説明した。
101、101a、101b、101c:プラント制御装置、
102:ガスタービン、103:蒸気タービン、103a:高圧タービン、
103b:中圧/低圧タービン、103c:高圧ロータ、104:排熱回収ボイラ、
105:MCV弁(高圧加減弁)、106:燃料調節弁、107:圧縮機、
108:燃焼器、109:蒸発器、110:ドラム、111:過熱器、
112:再熱器、113:復水器、114:循環水ポンプ、115:海水、
116:燃料、117:発電機、118:ICV弁(インターセプト弁)、
119:高圧タービンバイパス調節弁、120:中圧タービンバイパス調節弁、
121:低温再熱管、122:高温再熱管、123:逆止弁、124:補助ボイラ、
125:ウォーミング弁、126:高圧タービン排気管、127:検出用歯車、
128:再熱ドレン弁、129:再熱ドレン弁、130:ケーシングドレン弁、
131:クラッチ、132:送気配管、133:再熱器ウォーミング弁、
134:送気配管、135:LPCV弁(低圧加減弁)、136:送気配管、
A1:ガスタービン排ガス、A2:主蒸気、A3:補助蒸気、A4:再熱蒸気、
TS1:第1段内面メタル温度センサ、TS2:再熱ドレン水温度センサ、
SP1:ST回転数検出器、GS1:ギャップセンサ(クラッチ勘合検出器)、
FD1:火炎検出器、RP1:再熱器内圧力センサ
Claims (12)
- ガスタービンと、
前記ガスタービンにより駆動される発電機と、
前記ガスタービンからの排ガスの熱を用いて第1蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
前記第1蒸気により駆動される第1蒸気タービンと、
前記排熱回収ボイラに設けられた再熱器であって、前記排熱回収ボイラに供給された前記排ガスが前記再熱器の外部から前記再熱器を加熱することで、前記第1蒸気タービンからの排気蒸気を加熱して再熱蒸気を生成する再熱器と、
前記再熱蒸気により駆動される第2蒸気タービンと、
前記ガスタービンおよび前記発電機と接続された第1軸と、前記第1蒸気タービンと接続された第2軸とを結合するクラッチと、
を備える発電プラントを制御するプラント制御装置であって、
前記クラッチが離脱しているときに、前記第1蒸気タービンの起動前であって、前記ガスタービンおよび前記発電機を起動する前に、前記排熱回収ボイラと異なる設備からの第2蒸気を前記第1蒸気タービンおよび前記再熱器のうちの前記第1蒸気タービンのみに供給して前記第1蒸気タービンを暖機する第1暖気部と、
前記クラッチが離脱しているときに、前記第1蒸気タービンの起動前であって、前記ガスタービンおよび前記発電機を起動した状態で、前記第2蒸気を前記再熱器の内部に供給し、前記排ガスにより前記再熱器の外部から前記再熱器を加熱することで、前記再熱器を暖機する第2暖気部と、
を備えるプラント制御装置。 - 前記第1暖機部は、前記ガスタービンの起動前に前記第1蒸気タービンを暖機し、
前記第2暖機部は、前記ガスタービンの起動後に前記再熱器を暖機する、
請求項1に記載のプラント制御装置。 - 前記第1暖機部は、前記第1蒸気タービンと前記再熱器のうちの前記第1蒸気タービンのみを暖機し、
前記第2暖機部は、前記第1蒸気タービンと前記再熱器のうちの少なくとも前記再熱器を暖機する、
請求項1または2に記載の記載のプラント制御装置。 - 前記第2暖機部は、前記第2蒸気および前記排ガスの熱により前記再熱器を暖機する、請求項1から3のいずれか1項に記載のプラント制御装置。
- 前記第2暖機部は、前記第2蒸気を前記排ガスにより加熱することで、加熱された前記第2蒸気の温度を前記設備における前記第2蒸気の温度より高くし、加熱された前記第2蒸気により前記再熱器を暖機する、請求項1から3のいずれか1項に記載のプラント制御装置。
- 前記発電プラントは、
前記第1蒸気タービンからの前記排気蒸気と、前記設備からの前記第2蒸気とを前記再熱器に供給する第1流路と、
前記第1流路に設けられた第1弁とをさらに備え、
前記第1暖機部は、前記第1弁を閉弁状態にして前記第1蒸気タービンを暖機し、
前記第2暖機部は、前記第1弁を開弁状態にして前記再熱器を暖機する、
請求項1から5のいずれか1項に記載のプラント制御装置。 - 前記第1弁は、前記開弁状態において、前記第1蒸気タービンまたは前記設備から前記再熱器への前記蒸気の流れを許容し、前記再熱器から前記第1蒸気タービンまたは前記設備への前記蒸気の流れを遮断する逆止弁である、請求項6に記載のプラント制御装置。
- 前記第2暖機部は、前記発電プラントの状態に基づいて、前記再熱器を暖機する、請求項1から7のいずれか1項に記載のプラント制御装置。
- 前記発電プラントの状態は、前記再熱器内の圧力の測定結果、または前記再熱器のドレン水温度の測定結果である、請求項8に記載のプラント制御装置。
- 前記第2暖機部は、前記第2蒸気を前記再熱器の第1端と第2端の両方から前記再熱器に流入させることで、前記再熱器を暖機する、請求項1から9のいずれか1項に記載のプラント制御装置。
- ガスタービンと、
前記ガスタービンにより駆動される発電機と、
前記ガスタービンからの排ガスの熱を用いて第1蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
前記第1蒸気により駆動される第1蒸気タービンと、
前記排熱回収ボイラに設けられた再熱器であって、前記排熱回収ボイラに供給された前記排ガスが前記再熱器の外部から前記再熱器を加熱することで、前記第1蒸気タービンからの排気蒸気を加熱して再熱蒸気を生成する再熱器と、
前記再熱蒸気により駆動される第2蒸気タービンと、
前記ガスタービンおよび前記発電機と接続された第1軸と、前記第1蒸気タービンと接続された第2軸とを結合するクラッチと、
を備える発電プラントを制御するプラント制御方法であって、
前記クラッチが離脱しているときに、前記第1蒸気タービンの起動前であって、前記ガスタービンおよび前記発電機を起動する前に、前記排熱回収ボイラと異なる設備からの第2蒸気を前記第1蒸気タービンおよび前記再熱器のうちの前記第1蒸気タービンのみに供給して前記第1蒸気タービンを暖機し、
前記クラッチが離脱しているときに、前記第1蒸気タービンの起動前であって、前記ガスタービンおよび前記発電機を起動した状態で、前記第2蒸気を前記再熱器の内部に供給し、前記排ガスにより前記再熱器の外部から前記再熱器を加熱することで、前記再熱器を暖機する、
ことを含むプラント制御方法。 - ガスタービンと、
前記ガスタービンにより駆動される発電機と、
前記ガスタービンからの排ガスの熱を用いて第1蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
前記第1蒸気により駆動される第1蒸気タービンと、
前記排熱回収ボイラに設けられた再熱器であって、前記排熱回収ボイラに供給された前記排ガスが前記再熱器の外部から前記再熱器を加熱することで、前記第1蒸気タービンからの排気蒸気を加熱して再熱蒸気を生成する再熱器と、
前記再熱蒸気により駆動される第2蒸気タービンと、
前記ガスタービンおよび前記発電機と接続された第1軸と、前記第1蒸気タービンと接続された第2軸とを結合するクラッチと、
前記クラッチが離脱しているときに、前記第1蒸気タービンの起動前であって、前記ガスタービンおよび前記発電機を起動する前に、前記排熱回収ボイラと異なる設備からの第2蒸気を前記第1蒸気タービンおよび前記再熱器のうちの前記第1蒸気タービンのみに供給して前記第1蒸気タービンを暖機する第1暖気部と、
前記クラッチが離脱しているときに、前記第1蒸気タービンの起動前であって、前記ガスタービンおよび前記発電機を起動した状態で、前記第2蒸気を前記再熱器の内部に供給し、前記排ガスにより前記再熱器の外部から前記再熱器を加熱することで、前記再熱器を暖機する第2暖気部と、
を備える発電プラント。
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