JP7049153B2 - 排熱回収ボイラ及び制御装置並びにコンバインドサイクルプラント - Google Patents

Description

本発明は、排ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラ、この排熱回収ボイラの制御装置、コンバインドサイクルプラント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発電を行い、次に、排熱回収ボイラがガスタービンの排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発電を行うものである。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の排熱回収ボイラは、熱交換器として、過熱器と蒸発器と節炭器を有している。排熱回収ボイラは、ガスタービンからの排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。このとき、排熱回収ボイラは、生成する蒸気の温度に上限値が設けられており、蒸気温度を調整するための減温器が設けられている。減温器は、第１過熱器から第２過熱器に供給される蒸気に対して冷却水を噴霧することで蒸気の温度を低下させるものである。

このような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。

特許第４１６６４２０号公報

排熱回収ボイラにおける蒸気の温度制御は、減温器が蒸気に噴霧する冷却水の噴霧量を調整することで実施している。即ち、予め設定された目標蒸気温度に基づいて減温器による冷却水の基準噴霧量が設定され、冷却水を噴霧した後の蒸気の温度をフィードバックしてこの基準噴霧量を補正している。ところが、近年、ガスタービンの大型化により排ガス温度が上昇する傾向にあり、排ガス温度の上昇により排熱回収ボイラで生成される蒸気の温度が早期に上限値に到達してしまうおそれがある。従来の排熱回収ボイラにおける蒸気の温度制御は、蒸気の温度をフィードバックして減温器による冷却水の噴霧量を補正している。そのため、ここに噴霧量を補正する制御遅れが発生し、排ガス温度の急上昇に対して、蒸気温度の上昇に伴う冷却水の噴霧量の補正制御を追従させることが困難となる。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、蒸気の温度制御の追従性を向上させることで制御遅れを抑制して高精度な蒸気温度制御を可能とする排熱回収ボイラ及び制御装置並びにコンバインドサイクルプラント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排熱回収ボイラは、ガスタービンの排ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラにおいて、生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定する弁開度設定部と、排ガス温度が予め設定された排ガス上限温度を超えたときに前記弁開度を増加させる弁開度補正部と、を備えることを特徴とするものである。

従って、弁開度設定部は、目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて流量調整弁の弁開度を設定し、弁開度補正部は、排ガス温度が排ガス上限温度を超えたときにこの弁開度を増加させる。即ち、排ガス温度が急上昇すると、生成される蒸気の温度も急上昇するが、流量調整弁における弁開度の調整制御が間に合わないおそれがある。そのため、排ガス温度が急上昇したとき、早めに流量調整弁の弁開度を大きくすることで、排ガス温度の急上昇を抑制する。その結果、蒸気の温度制御の追従性を向上させることで制御遅れを抑制して高精度な蒸気温度制御を行うことができる。

本発明の排熱回収ボイラでは、前記弁開度補正部は、予め設定された前記排ガス温度に対する弁開度増加割合に基づいて前記弁開度を増加させることを特徴としている。

従って、弁開度補正部が排ガス温度に対する弁開度増加割合に基づいて弁開度を増加させることから、排ガス温度の急上昇を抑制することができる。

本発明の排熱回収ボイラでは、前記排ガス上限温度は、蒸気配管の耐熱温度から余裕値を減算して設定されることを特徴としている。

従って、排ガス上限温度を蒸気配管の耐熱温度から余裕値を減算して設定することから、蒸気の温度上昇による蒸気配管の損傷を防止することができる。

本発明の排熱回収ボイラでは、前記ガスタービンの負荷変化率が予め設定された下限負荷変化率より高くて排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度を超えたときに前記目標蒸気温度を低下させる目標蒸気温度補正部が設けられることを特徴としている。

従って、負荷変化率が下限負荷変化率より高くて排ガス温度が排ガス下限温度を超えたときに目標蒸気温度を低下させることから、排ガス温度が急上昇しても、減温器が早期に作動して蒸気に冷却水を供給し、蒸気温度の急上昇を抑制することができる。

本発明の排熱回収ボイラでは、前記弁開度設定部は、排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度以下になると前記偏差に拘わらず前記流量調整弁の開度を保持することを特徴としている。

従って、排ガス温度が排ガス下限温度以下になると偏差に拘わらず流量調整弁の開度を保持することから、排ガス温度が排ガス下限温度以下になっても、流量調整弁の弁開度が極小値になることはなく、排ガス温度が急上昇しても、減温器が早期に適正な量の冷却水を供給し、蒸気温度の急上昇を抑制することができる。

本発明の排熱回収ボイラでは、前記弁開度設定部は、前記目標蒸気温度と前記実蒸気温度との偏差に基づいた制御量と前記減温器で減温された減温後蒸気温度との偏差に基づいて前記弁開度を設定することを特徴としている。

従って、目標蒸気温度と実蒸気温度との偏差に基づいた制御量と、減温器で減温された減温後蒸気温度との偏差に基づいて弁開度を設定することから、弁開度を高精度に設定することができる。

また、本発明の排熱回収ボイラは、ガスタービンの排ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラにおいて、生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定する弁開度設定部と、前記ガスタービンの負荷変化率が予め設定された下限負荷変化率より高くて排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度を超えたときに前記目標蒸気温度を低下させる目標蒸気温度補正部と、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の排熱回収ボイラは、ガスタービンの排ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラにおいて、生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定すると共に排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度以下になると前記偏差に拘わらず前記流量調整弁の開度を保持する弁開度設定部と、を備えるものである。

また、本発明の制御装置は、ガスタービンの排ガスの排熱により生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、を備える排熱回収ボイラにおいて、予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定する弁開度設定部と、排ガス温度が予め設定された排ガス上限温度を超えたときに前記弁開度を増加させる弁開度補正部と、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置は、ガスタービンの排ガスの排熱により生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、を備える排熱回収ボイラにおいて、予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定する弁開度設定部と、前記ガスタービンの負荷変化率が予め設定された下限負荷変化率より高くて排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度を超えたときに前記目標蒸気温度を低下させる目標蒸気温度補正部と、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の制御装置は、ガスタービンの排ガスの排熱により生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、を備える排熱回収ボイラにおいて、予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定すると共に排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度以下になると前記偏差に拘わらず前記流量調整弁の開度を保持する弁開度設定部を備えることを特徴とするものである。

また、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高圧タービン及び低圧タービンを有する蒸気タービンと、を備えることを特徴とするものである。

従って、ガスタービンは、圧縮空気に燃料を供給して燃焼させて発生した燃焼ガスによりタービンを駆動し、排熱回収ボイラは、ガスタービンからの排ガスの排熱により蒸気を生成し、蒸気タービンは、排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する。このとき、排熱回収ボイラにて、弁開度設定部は、目標蒸気温度に基づいて流量調整弁の弁開度を設定し、弁開度補正部は、排ガス温度が排ガス上限温度を超えたときにこの弁開度を増加させる。その結果、蒸気の温度制御の追従性を向上させることで制御遅れを抑制して高精度な蒸気温度制御を行うことができる。

本発明の排熱回収ボイラ及び制御装置並びにコンバインドサイクルプラントによれば、蒸気の温度制御の追従性を向上させることで制御遅れを抑制して高精度な蒸気温度制御を行うことができる。

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、排熱回収ボイラの制御ブロックを表す概略図である。 図３は、排熱回収ボイラの蒸気温度制御を表す概略図である。 図４は、排ガス温度に対する弁開度増加割合を表すグラフである。 図５は、ガスタービン負荷と排ガス温度に対する目標蒸気温度の補正制御を表すフローチャートである。 図６は、ガスタービン負荷に対する排ガス温度を表すグラフである。 図７は、排ガス温度に対する弁開度制御を表すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る排熱回収ボイラ及び制御装置並びにコンバインドサイクルプラント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、発電機１４，１５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とを有している。圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結され、この回転軸２４に発電機１４が連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みラインＬ１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Ｌ２を通して供給された圧縮空気と、燃料ガス供給ラインＬ３から供給された燃料ガスとを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から燃焼ガス供給ラインＬ４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１４は、タービン２３が回転することで伝達される回転力により発電する。

排熱回収ボイラ１２は、ガスタービン１１（タービン２３）から排ガス排出ラインＬ５を介して排出された排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、高圧、中圧、低圧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。そして、排熱回収ボイラ１２は、蒸気を生成した使用済の排ガスを排出する排ガス排出ラインＬ６を介して煙突（図示略）が連結されている。

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３１を有している。タービン３１は、高圧タービン３２と中圧タービン３３と低圧タービン３４とが回転軸３５により一体回転可能に連結され、この回転軸３５に発電機１５が連結されている。排熱回収ボイラ１２の高圧過熱器の高圧蒸気を高圧タービン３２に供給する高圧蒸気供給ラインＬ１１が設けられると共に、高圧タービン３２を駆動した中圧蒸気を排熱回収ボイラ１２の再熱器に戻す中圧蒸気回収ラインＬ１２が設けられている。過熱器で過熱された中圧蒸気を中圧タービン３３に供給する中圧蒸気供給ラインＬ１３が設けられると共に、中圧タービン３３を駆動した中圧蒸気を低圧タービン３４に供給する低圧蒸気搬送ラインＬ１４が設けられている。発電機１５は、タービン３１が回転することで伝達される回転力により発電する。

蒸気タービン１３は、低圧タービン３４を駆動した蒸気を冷却する復水器３６が設けられている。復水器３６は、低圧タービン３４から排出された蒸気を冷却水（例えば、海水）により冷却して復水とするものである。この復水器３６は、生成した復水を復水供給ラインＬ１５を介して排熱回収ボイラ１２（節炭器）に送る。復水供給ラインＬ１５は、復水ポンプ３７が設けられている。また、復水器３６は、蒸気を海水により冷却する冷却水ラインＬ１６が設けられている。

そのため、コンバインドサイクルプラント１０の稼働時、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１４が発電を行う。また、ガスタービン１１（タービン２３）から排出された排ガスは、排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２は蒸気を生成し、過熱蒸気が蒸気タービン１３に送られる。高圧タービン３２と中圧タービン３３と低圧タービン３４は、この過熱蒸気により回転駆動し、発電機１５が発電を行う。低圧タービン３４で使用された蒸気は、復水器３６で冷却されて復水となり、排熱回収ボイラ１２に戻される。

図２は、排熱回収ボイラの制御ブロックを表す概略図である。

図２に示すように、排熱回収ボイラ１２は、ガスタービン１１（図１参照）の排ガスの排熱により蒸気を生成するものであり、第１過熱器４１と第２過熱器４２を有している。第１過熱器４１と第２過熱器４２は、蒸発器（図示略）で生成された蒸気を過熱して過熱蒸気を生成するものである。この第１過熱器４１と第２過熱器４２は、その間に減温器４３が設けられている。減温器４３は、第１過熱器４１で過熱された蒸気に対して冷却水を噴霧することで減温するものである。減温器４３は、冷却水供給ラインＬ２１を介して図示しない給水系統に連結されている。この冷却水供給ラインＬ２１は、冷却水量を調整する流量調整弁４６が設けられ、流量調整弁４６は、弁駆動装置４７によりその開度が調整可能となっている。

そのため、排熱回収ボイラ１２にて、蒸気は、第１過熱器４１と第２過熱器４２により過熱されて過熱蒸気になると共に、減温器４３によりその蒸気温度が調整され、温度調整された過熱蒸気が蒸気タービン１３の高圧タービン３２に供給される。このとき、弁駆動装置４７は、流量調整弁４６の開度を調整することで、給水系統から冷却水供給ラインＬ２１を通して供給される冷却水の供給量を調整する。すると、適量の冷却水が減温器４３に送られ、減温器４３は、蒸気に対して適量の冷却水を噴霧して蒸気温度を調整する。

制御装置５１は、この弁駆動装置４７を制御可能となっている。減温器４３と第２過熱器４２との間の蒸気ラインに、冷却水を噴霧した後の減温後蒸気温度（以下、第１蒸気温度）Ｔｄｓｈを計測する第１蒸気温度センサ５２が設けられている。また、第２過熱器４２より下流側の蒸気ラインに、蒸気タービン１３に供給する実蒸気温度（以下、第２蒸気温度）Ｔｈｐを計測する第２蒸気温度センサ５３が設けられている。制御装置５１は、第１蒸気温度センサ５２が計測した第１蒸気温度Ｔｄｓｈと、第２蒸気温度センサ５３が計測した第２蒸気温度Ｔｈｐが入力される。

ガスタービン１１（図１参照）は、排ガス排出ラインＬ５（図１参照）に排ガス温度Ｔｅｘｔを計測する排ガス温度センサ５４が設けられている。制御装置５１は、排ガス温度センサ５４が計測した排ガス温度Ｔｅｘｔが入力される。また、制御装置５１は、ガスタービン制御部（図示略）からガスタービン１１の負荷指令値Ｌｃが入力される。

制御装置５１は、第１蒸気温度Ｔｄｓｈと、第２蒸気温度Ｔｈｐと、排ガス温度Ｔｅｘｔと、負荷指令値Ｌｃに基づいて流量調整弁４６の開度を調整する。即ち、制御装置５１は、予め設定された目標蒸気温度Ｔｈｐｔと排熱回収ボイラ１２が生成した蒸気の第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１に基づいてＰＩ制御により目標蒸気温度Ｔｈｐｔを補正し、補正後の目標蒸気温度Ｔｈｐｔと減温器４３で減温された後の蒸気の第１蒸気温度Ｔｄｓｈとの偏差Ｄｔ２に基づいてＰＩ制御により流量調整弁４６の弁開度Ａｔを設定する。

また、制御装置５１は、弁開度設定部６１と、弁開度補正部６２と、目標蒸気温度補正部６３とを有している。

弁開度設定部６１は、予め設定された目標蒸気温度Ｔｈｐｔと蒸気タービン１３に供給する実蒸気温度Ｔｈｐとの偏差に基づいて流量調整弁４６の弁開度Ａｔを設定する。弁開度補正部６２は、排ガス温度Ｔｅｘｔが予め設定された排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕを超えたときに弁開度設定部６１が設定した弁開度Ａｔを増加させて補正弁開度Ａｔｃを設定する。

目標蒸気温度補正部６３は、ガスタービン１１の負荷変化率Ｌｃｒが予め設定された下限負荷変化率Ｌｃｒｕより高く、且つ、排ガス温度Ｔｅｘｔが予め設定された排ガス下限温度Ｔｅｘｔｌを超えたときに目標蒸気温度Ｔｈｐｔを低下させて補正目標蒸気温度Ｔｈｐｔｃを設定する。

また、弁開度設定部６１は、排ガス温度Ｔｅｘｔが予め設定された排ガス下限温度Ｔｅｘｔｄを超えたときに、目標蒸気温度Ｔｈｐｔと第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１に拘わらず流量調整弁４６の弁開度Ａｔを保持する。

ここで、排熱回収ボイラにおける蒸気温度制御について詳細に説明する。図３は、排熱回収ボイラの蒸気温度制御を表す概略図、図４は、排ガス温度に対する弁開度増加割合を表すグラフ、図５は、ガスタービン負荷と排ガス温度に対する目標蒸気温度の補正制御を表すフローチャート、図６は、ガスタービン負荷に対する排ガス温度を表すグラフ、図７は、排ガス温度に対する弁開度制御を表すフローチャートである。

以下、本実施形態の排熱回収ボイラにおける蒸気温度制御において、制御装置５１の処理内容について説明する。図２及び図３に示すように、目標蒸気温度Ｔｈｐｔは、ガスタービン１１、排熱回収ボイラ１２、蒸気タービン１３の性能や蒸気配管の耐熱温度に基づいて設定される。例えば、蒸気配管の耐熱温度が６５０℃で、コンバインドサイクルプラント１０を停止するためのインターロックを作動させるための蒸気動温度が６１０℃であるとき、ガスタービン１１、排熱回収ボイラ１２、蒸気タービン１３の性能を考慮し、５９０℃に設定される。

また、弁開度設定部６１は、制御入力設定部６１ａと第１開閉部７３と第１ＰＩ制御部７４と第２減算部７５と第２開閉部７６と第２ＰＩ制御部７７とを有している。弁開度補正部６２は、弁開度補正値設定部６２ａと第２補正部７８とを有している。目標蒸気温度補正部６３は、目標蒸気温度補正値設定部６３ａと第１補正部７１とを有している。

第１補正部７１は、目標蒸気温度補正値設定部６３ａにより目標蒸気温度Ｔｈｐｔを補正する。即ち、図６に示すように、ガスタービン１１の運転が開始されて負荷Ｌが上昇すると、排ガス温度Ｔｅｘｔが上昇する。そして、所定負荷Ｌ１（例えば、５０％）に到達すると、排ガス温度Ｔｅｘｔが一定となり、所定負荷Ｌ２に到達すると排ガス温度Ｔｅｘｔが一時的に低下し、所定負荷Ｌ３（例えば、９０％）で排ガス温度Ｔｅｘｔが再び上昇する。この場合、ＰＩ制御により蒸気温度制御を行うと、排ガス温度Ｔｅｘｔが急上昇すると、排熱回収ボイラ１２が生成した実蒸気温度である第２蒸気温度Ｔｈｐも急上昇し、減温器４３の制御が間に合わずにインターロックが作動してしまう。

そのため、図５に示すように、目標蒸気温度補正部６３は、ステップＳ１１にて、ガスタービン１１の負荷指令値Ｌｃを取込み、ステップＳ１２にて、ガスタービン１１の排ガス温度Ｔｅｘｔを取込む。そして、ステップＳ１３にて、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス下限温度Ｔｅｘｔｌより高いかどうかを判定する。ここで、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス下限温度Ｔｅｘｔｌ以下であると判定（Ｎｏ）されると、何もしないでこのルーチンを抜ける。一方、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス下限温度Ｔｅｘｔｌを超えていると判定（Ｙｅｓ）されると、ステップＳ１４に移行する。ここで、排ガス下限温度Ｔｅｘｔｌとは、この温度の排ガスにより生成された蒸気の温度が減温器４３を作動させる必要のない蒸気温度であり、例えば、５６０℃である。

ステップＳ１４にて、ガスタービン１１の負荷指令値Ｌｃが変化中であるかどうかを判定する。具体的に、ガスタービン１１の負荷指令値Ｌｃの負荷変化率Ｌｃｒが下限負荷変化率Ｌｃｒｕ（例えば、０％）より高いかどうかを判定する。ここで、負荷変化率Ｌｃｒが下限負荷変化率Ｌｃｒｕ以下であると判定（Ｎｏ）されると、何もしないでこのルーチンを抜ける。一方、負荷変化率Ｌｃｒが下限負荷変化率Ｌｃｒｕより高いと判定（Ｙｅｓ）されると、ステップＳ１５にて、目標蒸気温度Ｔｈｐｔから蒸気温度低下値（例えば、１０℃）を低下させて補正目標蒸気温度Ｔｈｐｔｃを設定する。即ち、図６にて、負荷変化率Ｌｃｒが変化中である領域Ｐ１，Ｐ２の間で、目標蒸気温度Ｔｈｐｔを低下させる。なお、ここで、下限負荷変化率Ｌｃｒｕを０％としたが、０％～５％の範囲に設定してもよい。

図３に戻り、目標蒸気温度補正値設定部６３ａが目標蒸気温度Ｔｈｐｔを変更しないと、第１補正部７１は、目標蒸気温度Ｔｈｐｔをそのままとし、目標蒸気温度補正値設定部６３ａが補正目標蒸気温度Ｔｈｐｔｃを設定すると、第１補正部７１は、目標蒸気温度Ｔｈｐｔを補正目標蒸気温度Ｔｈｐｔｃに変更する。

弁開度設定部６１は、目標蒸気温度Ｔｈｐｔと蒸気タービン１３に供給する実蒸気温度である第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差に基づいて流量調整弁４６の弁開度Ａｔを設定する。即ち、制御入力設定部６１ａは、第１開閉部７３と第２開閉部７６を閉止し、第１ＰＩ制御部７４と第２ＰＩ制御部７７を制御する。

具体的に、第１減算部７２は、目標蒸気温度Ｔｈｐｔ（または、補正目標蒸気温度Ｔｈｐｔｃ）と排熱回収ボイラ１２が生成した蒸気の第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１を算出する。第１開閉部７３が閉じているとき、第１ＰＩ制御部７４は、偏差Ｄｔ１に基づいてＰＩ制御を行う第２減算部７５は、第１ＰＩ制御部７４の出力と減温器４３で減温された減温後の蒸気の第１蒸気温度Ｔｄｓｈとの偏差Ｄｔ２を算出する。第２開閉部７６が閉じているとき、第２ＰＩ制御部７７は、偏差Ｄｔ２に基づいてＰＩ制御により流量調整弁４６の弁開度Ａｔ（０％～１００％）を設定する。

ここで、第２ＰＩ制御部７７が偏差Ｄｔ２に基づいてＰＩ制御により弁開度Ａｔを設定することから、排ガス温度Ｔｅｘｔが急上昇すると、ＰＩ制御による積分動作の遅れにより、減温器４３の制御が間に合わずにインターロックが作動してしまう。

そのため、第２補正部７８は、弁開度補正値設定部６２ａにより弁開度Ａｔを補正する。即ち、弁開度補正値設定部６２ａは、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕを超えたときに弁開度Ａｔを増加させて補正弁開度Ａｔｃを設定する。図４に示すように、排ガス温度に対する弁開度増加割合が予め設定されている。つまり、弁開度補正値設定部６２ａは、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕ以下であるとき、弁開度Ａｔをそのまま適用し、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕを超えたときに弁開度Ａｔに弁開度増加割合を加算して補正弁開度Ａｔｃとする。

ここで、排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕとは、排熱回収ボイラ１２の蒸気配管の耐熱温度に基づいて設定される。例えば、蒸気配管の耐熱温度が６５０℃で、コンバインドサイクルプラント１０を停止するためのインターロックを作動させるための蒸気動温度が６１０℃であるとき、余裕値（例えば、２０℃）を考慮して５９０℃に設定される。この場合、余裕値は、適宜設定すればよいものである。そのため、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕ（５９０℃）のとき、弁開度増加割合は、０％である。排ガス温度Ｔｅｘｔが６００度で、排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕ（５９０℃）を１０℃超えると、弁開度増加割合は、３０％であり、排ガス温度Ｔｅｘｔが６１０度で、排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕ（５９０℃）を２０℃超えると、弁開度増加割合は、４０％である。

また、上述したように、弁開度設定部６１は、偏差Ｄｔ１，Ｄｔ２に基づいてＰＩ制御により流量調整弁４６の弁開度Ａｔを設定する。このとき、排ガス温度Ｔｅｘｔが低く、第２蒸気温度Ｔｈｐも低いときもＰＩ制御を行うが、ＰＩ制御は、比例制御と積分制御により弁開度Ａｔを算出するものであることから、算出値、つまり、弁開度Ａｔが極小開度となってしまう。すると、排ガス温度Ｔｅｘｔが急上昇したとき、ＰＩ制御により弁開度Ａｔを早期に大きくすることができず、弁開度Ａｔの制御遅れが発生し、第２蒸気温度Ｔｈｐが高温となって減温器４３の制御が間に合わずにインターロックが作動してしまう。

そのため、弁開度設定部６１は、排ガス温度Ｔｅｘｔが予め設定された排ガス下限温度Ｔｅｘｔｄを下回ったときに、目標蒸気温度Ｔｈｐｔと第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１に拘わらず流量調整弁４６は、弁開度Ａｔを保持する。図７に示すように、ステップＳ２１にて、弁開度設定部６１は、排ガス温度Ｔｅｘｔを取込み、ステップＳ２２にて、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス下限温度Ｔｅｘｔｄを超えたかどうかを判定する。ここで、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス下限温度Ｔｅｘｔｄを超えていると判定（Ｙｅｓ）されると、ステップＳ２４にて、第１開閉部７３及び第２開閉部７６を閉止状態とする。一方、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス下限温度Ｔｅｘｔｄ以下であると判定（Ｎｏ）されると、ステップＳ２３にて、第１開閉部７３及び第２開閉部７６を開放状態とする。

図３に示すように、第１開閉部７３が開放状態になると、第１減算部７２が算出した目標蒸気温度Ｔｈｐｔ（または、補正目標蒸気温度Ｔｈｐｔｃ）と第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１が第１ＰＩ制御部７４に送られず、第１ＰＩ制御部７４は、第１開閉部７３が開放される前の偏差Ｄｔ１に基づいてＰＩ制御を行う。つまり、第１開閉部７３が開放される前の出力値を維持する。また、第２開閉部７６が開放状態になると、第２減算部７５が算出した第１ＰＩ制御部７４の出力値と第１蒸気温度Ｔｄｓｈとの偏差Ｄｔ２が第２ＰＩ制御部７７に送られず、第２ＰＩ制御部７７は、第２開閉部７６が開放される前の偏差Ｄｔ２に基づいてＰＩ制御により流量調整弁４６の弁開度Ａｔ（０％～１００％）を設定する。つまり、第２開閉部７６が開放される前の弁開度Ａｔ（０％～１００％）を維持する。

例えば、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス下限温度Ｔｅｘｔｄ（例えば、５６０℃）以下の低温時、目標蒸気温度Ｔｈｐｔ（例えば、５９０℃）に対して第２蒸気温度Ｔｈｐがそれなりに低いことから、目標蒸気温度Ｔｈｐｔと第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１が大きくなる。そのため、第１ＰＩ制御部７４での積分値が時間の経過と共に大きくマイナス値となってしまう。すると、その後に排ガス温度Ｔｅｘｔが上昇すると、目標蒸気温度Ｔｈｐｔ（例えば、５９０℃）とそれに近くなった第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１に基づいたフィードバック制御が行われる。このとき、第１ＰＩ制御部７４は、それまでの大きな偏差Ｄｔ１による積算で大きなマイナス値となっているため、通常のフィードバック制御、つまり、偏差Ｄｔ１が小さくてＰＩ積算値も小さい制御に戻るのに時間がかかる。この現象を防止するため、本実施形態では、排ガス温度Ｔｅｘｔが低いとき、第１開閉部７３及び第２開閉部７６を開放し、第１ＰＩ制御部７４及び第２ＰＩ制御部７７への入力をゼロにしてマイナスの積算がされないようにしている。

このように本実施形態の排熱回収ボイラにあっては、生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器４３と、減温器４３に供給する冷却水量を調整する流量調整弁４６と、予め設定された目標蒸気温度Ｔｈｐｔと蒸気タービン１３に供給する実蒸気温度Ｔｈｐとの偏差に基づいて流量調整弁４６の弁開度Ａｔを設定する弁開度設定部６１と、排ガス温度Ｔｅｘｔが予め設定された排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕを超えたときに弁開度Ａｔを増加させる弁開度補正部６２とを設けている。

従って、弁開度設定部６１は、目標蒸気温度Ｔｈｐｔと蒸気タービン１３に供給する実蒸気温度Ｔｈｐとの偏差に基づいて流量調整弁４６の弁開度Ａｔを設定し、弁開度補正部６２は、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕを超えたときにこの弁開度Ａｔを増加させる。即ち、排ガス温度Ｔｅｘｔが急上昇すると、生成される蒸気の温度（第２蒸気温度Ｔｈｐ）も急上昇するが、流量調整弁４６における弁開度Ａｔの調整制御が間に合わないおそれがある。そのため、排ガス温度Ｔｅｘｔが急上昇したとき、早めに流量調整弁４６の弁開度Ａｔを大きくすることで、排ガス温度Ｔｅｘｔの急上昇を抑制する。その結果、蒸気の温度制御の追従性を向上させることで制御遅れを抑制して高精度な蒸気温度制御を行うことができる。

本実施形態の排熱回収ボイラでは、弁開度補正部６２は、予め設定された排ガス温度Ｔｅｘｔに対する弁開度増加割合に基づいて弁開度Ａｔを増加させる。従って、排ガス温度Ｔｅｘｔの急上昇を抑制することができる。

本実施形態の排熱回収ボイラでは、排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕは、蒸気配管の耐熱温度から余裕値を減算して設定される。従って、蒸気の温度上昇による蒸気配管の損傷を防止することができる。

本実施形態の排熱回収ボイラでは、ガスタービン１１の負荷変化率Ｌｃｒが予め設定された下限負荷変化率Ｌｃｒｕより高くて排ガス温度Ｔｅｘｔが予め設定された排ガス下限温度Ｔｅｘｔｄ以下のときに目標蒸気温度Ｔｈｐｔを低下させる目標蒸気温度補正部６３を設けている。従って、排ガス温度Ｔｅｘｔが急上昇しても、減温器４３が早期に作動して蒸気に冷却水を供給し、蒸気温度の急上昇を抑制することができる。

本実施形態の排熱回収ボイラでは、弁開度設定部６１は、排ガス温度Ｔｅｘｔが予め設定された排ガス下限温度Ｔｅｘｔｌ以下になると、目標蒸気温度Ｔｈｐｔと第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１に拘わらず流量調整弁４６の開度を保持する。従って、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス下限温度Ｔｅｘｔｌ以下になっても、流量調整弁４６の弁開度Ａｔが極小値になることはなく、排ガス温度Ｔｅｘｔが急上昇しても、減温器４３が早期に適正な量の冷却水を供給し、蒸気温度の急上昇を抑制することができる。

本実施形態の排熱回収ボイラでは、弁開度設定部６１は、目標蒸気温度Ｔｈｐｔと実蒸気温度である第２蒸気温度Ｔｈｐとの偏差Ｄｔ１に基づいてＰＩ制御を行い、第１ＰＩ制御部７４の出力値（制御量）と減温器４３で減温された第１蒸気温度Ｔｄｓｈとの偏差Ｄｔ２に基づいて弁開度Ａｔを設定する。従って、弁開度Ａｔを高精度に設定することができる。

また、本実施形態の制御装置は、排熱回収ボイラ１２の制御装置であって、目標蒸気温度補正部６３、弁開度設定部６１または弁開度補正部６２のいずれか一つを備えている。従って、蒸気の温度制御の追従性を向上させることで制御遅れを抑制して高精度な蒸気温度制御を行うことができる。

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高圧タービン３２及び低圧タービン３３を有する蒸気タービン１３とを備えることを特徴とするものである。

従って、ガスタービン１１は、圧縮空気に燃料を供給して燃焼させて発生した燃焼ガスによりタービン３１を駆動し、排熱回収ボイラ１２は、ガスタービン１１からの排ガスの排熱により蒸気を生成し、蒸気タービン１３は、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。このとき、排熱回収ボイラ１２にて、弁開度設定部６１は、目標蒸気温度Ｔｈｐｔと蒸気タービン１３に供給する実蒸気温度Ｔｈｐとの偏差に基づいて流量調整弁４６の弁開度Ａｔを設定し、弁開度補正部６２は、排ガス温度Ｔｅｘｔが排ガス上限温度Ｔｅｘｔｕを超えたときにこの弁開度Ａｔを増加させる。その結果、蒸気の温度制御の追従性を向上させることで制御遅れを抑制して高精度な蒸気温度制御を行うことができる。

なお、上述した実施形態では、排熱回収ボイラ１２は、第１過熱器４１と第２過熱器４２を有し、第１過熱器４１と第２過熱器４２の間に減温器４３を設けた構成としたが、この構成に限定されるものではなく、減温器４３の位置は別の位置であってもよい。

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
１４，１５ 発電機
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２４ 回転軸
３１ タービン
３２ 高圧タービン
３３ 中圧タービン
３４ 低圧タービン
３５ 回転軸
３６ 復水器
３７ 復水ポンプ
４１ 第１過熱器
４２ 第２過熱器
４３ 減温器
４６ 流量調整弁
４７ 弁駆動装置
５１ 制御装置
５２ 第１蒸気温度センサ
５３ 第２蒸気温度センサ
５４ 排ガス温度センサ
６１ 弁開度設定部
６１ａ 制御入力設定部
６２ 弁開度補正部
６２ａ 弁開度補正値設定部
６３ 目標蒸気温度補正部
６３ａ 目標蒸気温度補正値設定部
７１ 第１補正部
７２ 第１減算部
７３ 第１開閉部
７４ 第１ＰＩ制御部
７５ 第２減算部
７６ 第２開閉部
７７ 第２ＰＩ制御部
７８ 第２補正部

Claims (9)

1. ガスタービンの排ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラにおいて、
   生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、
   前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、
   予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定する弁開度設定部と、
   前記ガスタービンの負荷変化率が予め設定された下限負荷変化率より高くて排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度を超えたときに前記目標蒸気温度を低下させる目標蒸気温度補正部と、
   を備えることを特徴とする排熱回収ボイラ。
2. ガスタービンの排ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラにおいて、
   生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、
   前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、
   予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定すると共に排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度以下になると前記偏差に拘わらず前記流量調整弁の開度を保持する弁開度設定部と、
   を備えることを特徴とする排熱回収ボイラ。
3. 排ガス温度が予め設定された排ガス上限温度を超えたときに前記弁開度を増加させる弁開度補正部が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排熱回収ボイラ。
4. 前記弁開度補正部は、予め設定された前記排ガス温度に対する弁開度増加割合に基づいて前記弁開度を増加させることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収ボイラ。
5. 前記排ガス上限温度は、蒸気配管の耐熱温度から余裕値を減算して設定されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の排熱回収ボイラ。
6. 前記弁開度設定部は、前記目標蒸気温度と前記実蒸気温度との偏差に基づいた制御量と前記減温器で減温された減温後蒸気温度との偏差に基づいて前記弁開度を設定することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の排熱回収ボイラ。
7. ガスタービンの排ガスの排熱により生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、
   前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、
   を備える排熱回収ボイラにおいて、
   予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定する弁開度設定部と、
   前記ガスタービンの負荷変化率が予め設定された下限負荷変化率より高くて排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度を超えたときに前記目標蒸気温度を低下させる目標蒸気温度補正部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
8. ガスタービンの排ガスの排熱により生成された蒸気に冷却水を供給して減温する減温器と、
   前記減温器に供給する冷却水量を調整する流量調整弁と、
   を備える排熱回収ボイラにおいて、
   予め設定された目標蒸気温度と蒸気タービンに供給される蒸気の実蒸気温度との偏差に基づいて前記流量調整弁の弁開度を設定すると共に排ガス温度が予め設定された排ガス下限温度以下になると前記偏差に拘わらず前記流量調整弁の開度を保持する弁開度設定部を備えることを特徴とする制御装置。
9. 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ガスの排熱により蒸気を生成する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の排熱回収ボイラと、
   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高圧タービン及び低圧タービンを有する蒸気タービンと、
   を備えることを特徴とするコンバインドサイクルプラント。
   

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