JP7137398B2 - コンバインドサイクル発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、コンバインドサイクル発電プラントに関する。

近年、エネルギーをより効率的に利用するために、コンバインドサイクル発電プラントが使用されている。コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン、蒸気タービン、排熱回収ボイラ等を備えており、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせた発電方式を採用するものである。このようなコンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービンにて仕事をした後の排ガスを排熱回収ボイラに導き、排ガスの熱を利用して蒸気を発生させ、その蒸気により蒸気タービンを駆動する。

コンバインドサイクル発電プラントには、発電効率の向上に資するため、多軸型コンバインドサイクル発電プラントと称されるもので、ガスタービンと排熱回収ボイラとの組み合わせが複数組設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような多軸型コンバインドサイクル発電プラントでは、一方の排熱回収ボイラが稼働中に他方の排熱回収ボイラを起動することがある。この場合、他方の蒸気の圧力が一方の蒸気の圧力と同等になるまでの間は他方の蒸気をバイパスさせて復水器に送る。他方の蒸気が一方の蒸気と同等の圧力になったときに他方の蒸気を一方の蒸気に合流させるようにしている。

特許第６００４５３３号公報

しかしながら、従来のように他方の排熱回収ボイラにより生成される蒸気の圧力レベルだけを考慮して当該蒸気を合流させると、一方の排熱回収ボイラの蒸気の温度と他方の排熱回収ボイラの蒸気の温度とが大きく異なっている場合には、合流後の蒸気の温度が変動してしまい、蒸気タービンの車室（ロータを収容するケーシング）に熱伸び差が生じることがある。そのため、蒸気タービンに振動が発生する恐れがある。

そこで、本発明は、複数の排熱回収ボイラに生成される蒸気を合流させて蒸気タービンに供給する場合に、蒸気タービンの車室に熱伸び差が生じることを抑制することができるコンバインドサイクル発電プラントを提供することを目的とする。

本発明のコンバインドサイクル発電プラントは、排ガスから熱を回収して蒸気を生成する第１の排熱回収ボイラと、排ガスから熱を回収して蒸気を生成する第２の排熱回収ボイラと、前記蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された蒸気を凝縮する復水器と、前記第１の排熱回収ボイラと前記蒸気タービンとを接続する第１の蒸気配管と、上流端が前記第２の排熱回収ボイラに接続され、下流端が前記第１の蒸気配管に接続された第２の蒸気配管と、前記第１の蒸気配管に設けられた第１の蒸気弁と、前記第２の蒸気配管に設けられた第２の蒸気弁と、前記第１の蒸気配管の前記第１の蒸気弁の上流側に位置する分岐点から分岐され、下流端が前記復水器に接続された第１のバイパス配管と、前記第１のバイパス配管に設けられた第１のバイパス弁と、前記第２の蒸気配管の前記第２の蒸気弁の上流側に位置する分岐点から分岐され、下流端が前記復水器に接続された第２のバイパス配管と、前記第２のバイパス配管に設けられた第２のバイパス弁と、前記第２の蒸気配管内の蒸気の温度が前記第１の蒸気配管内の蒸気の温度から決定される許容温度範囲にない場合に、前記第２の蒸気弁を閉状態にすると共に前記第２のバイパス弁を開状態にし、前記第２の蒸気配管内の蒸気の温度が前記許容温度範囲にある場合に、前記第２の蒸気弁を開状態にすると共に前記第２のバイパス弁を閉状態にする制御装置と、を備えているものである。

本発明に従えば、第２の蒸気配管内の蒸気の温度が第１の蒸気配管内の蒸気の温度から決定される許容温度範囲にない場合に、制御装置により第２の蒸気弁が閉状態にされると共に第２のバイパス弁が開状態にされるので、第２の蒸気配管内の蒸気の温度がまだ高くないとき、即ち第２の蒸気配管内の蒸気の温度が第１の蒸気配管内の蒸気の温度に比べて低いときに、第２の蒸気配管内の蒸気が復水器に送られるようになっている。これによって、まだ暖まっていない第２の蒸気配管内の蒸気が第１の蒸気配管内の蒸気に合流したあと合流後の蒸気の温度が変動してしまうことが起こらない。これによって、合流後の蒸気温度の変動に起因して蒸気タービンの車室に熱伸び差が生じることを防止又は抑制することができる。また、第２の蒸気配管の上流側に減温器（デスーパーヒータ）が設けられている場合でこの減温器に不具合が生じた場合に、第２の排熱回収ボイラの運転時に減温されていない第２の蒸気配管内の蒸気が第１の蒸気配管内の蒸気に合流することを回避することができる。

上記発明において、コンバインドサイクル発電プラントは、前記第１の蒸気配管において前記分岐点の上流側の位置に設けられ、前記第１の蒸気配管内の蒸気の温度を検出する第１の温度センサと、前記第２の蒸気配管において前記分岐点の上流側の位置に設けられ、前記第２の蒸気配管内の蒸気の温度を検出する第２の温度センサと、前記第１の蒸気配管において前記合流の位置よりも下流側に設けられ、前記第１の蒸気配管内の蒸気の温度を検出する合流温度センサとをさらに備え、前記制御装置は、前記第１の温度センサにより検出された温度および前記合流温度センサにより検出された温度に基づき前記許容温度範囲を決定するように構成されていることが望ましい。

上記構成に従えば、第２の蒸気配管内の蒸気の温度が蒸気タービン内の熱伸び差が生じない程度まで暖まったことを適切に判断して、第２の蒸気配管内の蒸気を第１の蒸気配管内の蒸気に合流させることができる。また、第２の蒸気配管内の蒸気を第２のバイパス弁を介して復水器に送ることで、蒸気を大気放出して系外へ損失させることなく、暖管を行うことができる。

本発明によれば、複数の排熱回収ボイラに生成される蒸気を合流させて蒸気タービンに供給する場合に、蒸気タービンの車室に熱伸び差が生じることを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの概略構成図である。 本実施形態の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態のコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ：Combined Cycle Power Plant）について図面を参照して説明する。以下に説明するコンバインドサイクル発電プラントは、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

図１に示すように、本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラント１は、図示しないガスタービンに接続され排ガスから熱を回収して蒸気を生成する排熱回収ボイラ１１，２１と、蒸気配管１２，２２と、逆止弁１３，２３と、蒸気弁１４，２４と、蒸気タービン４０と、蒸気タービン４０から排出された蒸気を凝縮する復水器４１と、バイパス配管１６，２６と、バイパス弁１７，２７と、制御装置５０とを備えている。制御装置５０は、例えばＲＯＭやＲＡＭなどのメモリおよびＣＰＵを有するコンピュータであり、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。

蒸気配管１２は、排熱回収ボイラ１１と蒸気タービン４０とを接続する。また、蒸気配管２２の上流端は排熱回収ボイラ２１に接続され、その下流端は蒸気配管１２の下流側部分に接続されている。これにより、蒸気配管２２内の蒸気が蒸気配管１２内の蒸気に合流するようになっている。

蒸気弁１４は蒸気配管１２に設けられている。蒸気弁１４は蒸気配管１２を開放および閉鎖する。また、逆止弁１３は、蒸気配管１２において蒸気弁１４の上流側に設けられている。逆止弁１３は、蒸気配管１２において排熱回収ボイラ１１側から蒸気タービン４０側に向かう方向の蒸気の流れを許容し、前記方向とは逆方向の蒸気の流れを阻止する。同様に、蒸気弁２４は蒸気配管２２に設けられている。蒸気弁２４は蒸気配管２２を開放および閉鎖する。また、逆止弁２３は、蒸気配管２２において蒸気弁２４の上流側に設けられている。逆止弁２３は、蒸気配管２２において排熱回収ボイラ２１側から蒸気タービン４０側に向かう方向の蒸気の流れを許容し、前記方向とは逆方向の蒸気の流れを阻止する。

バイパス配管１６は、蒸気配管１２の逆止弁１３の上流側に位置する分岐点から分岐され、その下流端は復水器４１に接続されている。バイパス弁１７は、バイパス配管１６に設けられ、バイパス配管１６内を流れる蒸気の量を調節するもので、これにより蒸気配管１２内の圧力が制御される。同様に、バイパス配管２６は、蒸気配管２２の逆止弁２３の上流側に位置する分岐点から分岐され、その下流端は復水器４１に接続されている。バイパス弁２７は、バイパス配管２６に設けられ、バイパス配管２６内を流れる蒸気の量を調節するもので、これにより蒸気配管２２内の圧力が制御される。

蒸気配管１２には、上記分岐点の上流側の位置に温度センサ１８および圧力センサ６０が上流側から順に設けられている。温度センサ１８は、蒸気配管１２内の上記分岐点の上流側を流れる蒸気の温度を検出し、その検出結果を制御装置５０に送信する。圧力センサ６０は、蒸気配管１２内の上記分岐点の上流側の圧力を検出し、その検出結果を制御装置５０に送信する。さらに、蒸気配管１２には、蒸気配管１２に対する蒸気配管２２の下流端の接続位置よりも下流側の位置に温度センサ１５および圧力センサ６２が上流側から順に設けられている。温度センサ１５は、蒸気配管１２内の上記接続位置よりも下流側を流れる蒸気（合流蒸気）の温度を検出し、その検出結果を制御装置５０に送信する。圧力センサ６２は、蒸気配管１２内の上記接続位置よりも下流側の圧力を検出し、その検出結果を制御装置５０に送信する。

蒸気配管１２と同様に、蒸気配管２２には、上記分岐点の上流側の位置に温度センサ２８および圧力センサ６１が上流側から順に設けられている。温度センサ２８は、蒸気配管２２内の上記分岐点の上流側を流れる蒸気の温度を検出し、その検出結果を制御装置５０に送信する。圧力センサ６１は、蒸気配管２２内の上記分岐点の上流側の圧力を検出し、その検出結果を制御装置５０に送信する。なお、蒸気タービン４０の車室の温度を検出する車室温度センサ４５を設けることができる。この場合、車室温度センサ４５の検出結果を後述の許容温度範囲を決定する際に用いることができる。

上記の構成において、排熱回収ボイラ１１で生成された蒸気は、逆止弁１３および蒸気弁１４を介して蒸気配管１２の下流側の部分で、排熱回収ボイラ２１で生成されて逆止弁２３および蒸気弁２４を介して蒸気配管２２内を流れてきた蒸気と合流した後、蒸気タービン４０に送られる。蒸気タービン４０に送られた蒸気は蒸気タービン４０で仕事をした後排出され、排出された蒸気は復水器４１で凝縮され復水となる。

コンバインドサイクル発電プラント１には、復水配管４３，４４が設けられている。この復水配管４３の上流端は復水器４１の底部に接続され、その下流端は排熱回収ボイラ２１に接続されている。復水配管４３にはポンプ４２が介挿されている。また、復水配管４４は復水配管４３の下流側に設けられた分岐点から分岐され、その下流端は排熱回収ボイラ１１に接続されている。この構成において、復水器４１で生成された水は、制御装置５０によるポンプ４２の制御によって復水配管４３を通じて排熱回収ボイラ２１に送られると共に、復水配管４３，４４を通じて排熱回収ボイラ１１に送られるようになっている。そして、排熱回収ボイラ１１，２１に送られた水は排熱回収ボイラ１１，２１により熱交換されて蒸気となる。

次に、排熱回収ボイラ１１が最初に起動された後、排熱回収ボイラ２１が続いて起動される場合、即ち排熱回収ボイラ１１により生成された蒸気が蒸気タービン４０に送られている際に、排熱回収ボイラ２１を起動させる場合の制御装置５０の制御について説明する。

制御装置５０は、蒸気配管１２内の圧力が設定圧力になるよう蒸気弁１４を閉状態にした状態でバイパス弁１７の開度を調節する。この場合、蒸気配管１２内の圧力が設定圧力に達するまでは、蒸気配管１２内の蒸気はバイパス配管１６を介して復水器４１に送られる。そして、蒸気配管１２内の圧力が設定圧力に達すれば、制御装置５０はバイパス弁１７を閉状態にすると共に蒸気弁１４を開状態にする。これにより、設定圧力に達した蒸気が蒸気配管１２を介して蒸気タービン４０の入口弁まで送られ、図略の暖管弁により暖管と蒸気タービン暖機を行った後、温度センサ１５により検出された温度が許容温度範囲内に入れば蒸気タービン４０に送られる。

続いて、制御装置５０は、排熱回収ボイラ２１が起動される際に、蒸気弁２４を閉状態にすると共に圧力センサ６１により検出された圧力（排熱回収ボイラ２１により生成された蒸気の圧力）が圧力センサ６０により検出された圧力（排熱回収ボイラ１１により生成された蒸気の圧力）と同等になるようにバイパス弁２７の開度を調節する。圧力センサ６１により検出された圧力が圧力センサ６０により検出された圧力と同等になるまで昇圧されるまでの間、排熱回収ボイラ２１からの蒸気は復水器４１に送られる。ここで、制御装置５０は、圧力センサ６１により検出された圧力が圧力センサ６０により検出された圧力と同等な圧力に達しても、排熱回収ボイラ２１からの蒸気の温度が昇温されていなければ、蒸気弁２４を開状態にして排熱回収ボイラ２１からの蒸気を排熱回収ボイラ１１からの蒸気に合流させないようにする。つまり、制御装置５０は、蒸気の圧力監視だけでなく温度監視をも行うように構成されている。この点について次に説明する。

制御装置５０は、温度センサ１８，２８，１５，４５により検出された各温度を取得する。そして、制御装置５０は、温度センサ２８により検出された温度（蒸気配管２２内の蒸気の温度）が温度センサ１８により検出された温度（蒸気配管１２内の蒸気の温度）、温度センサ１５により検出された温度（合流蒸気の温度）、および温度センサ４５により検出された温度（蒸気タービン４０の車室の温度）に基づき決定される許容温度範囲にない場合には、蒸気弁２４を閉状態に維持すると共にバイパス弁２７を開状態に維持する。これによって、まだ暖まっていない蒸気配管２２内の蒸気が蒸気配管１２内の蒸気に合流することを回避することができる。なお、上記許容温度範囲は、蒸気配管１２内の蒸気の温度、合流蒸気の温度、および蒸気タービン４０の車室の温度から、蒸気配管２２内の蒸気の温度があるべき温度の範囲を規定するものである。

その後、蒸気配管２２内の蒸気の温度が上記許容温度範囲に入れば、制御装置５０は、蒸気弁２４を開状態にすると共にバイパス弁２７を閉状態にする。これにより、排熱回収ボイラ１１からの蒸気に排熱回収ボイラ２１からの蒸気が合流し、その合流蒸気が蒸気タービン４０に送られる。これにより、排熱回収ボイラ１１系統に対する排熱回収ボイラ２１系統の繋ぎ込み操作が完了する。

続いて、制御装置５０による温度監視制御の流れについてフローチャートを参照しつつ説明する。

図２に示すように、制御装置５０は、圧力条件が成立後、温度センサ１８，２８，１５，４５から各温度を取得する（ステップＳ１）。次に、制御装置５０は、温度センサ２８により検出された温度が上述の許容温度範囲内にあるか否かを判別する（ステップＳ２）。温度センサ２８により検出された温度が許容温度範囲内にない場合には（ステップＳ２でＮＯ）、蒸気弁２４を閉状態に維持すると共にバイパス弁２７を開状態に維持する（ステップＳ３）。その後、制御装置５０は圧力監視を行う。一方、温度センサ２８により検出された温度が許容温度範囲内にある場合には（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御装置５０は蒸気弁２４を開状態にすると共にバイパス弁２７を閉状態にし（ステップＳ４）、その後圧力監視を行う。

以上説明したように、本実施形態のコンバインドサイクル発電プラント１においては、蒸気配管２２内の蒸気の温度が蒸気配管１２内の蒸気の温度、合流蒸気の温度、および蒸気タービン４０の車室の温度に基づき決定される許容温度範囲にない場合に、制御装置５０により蒸気弁２４が閉状態にされると共にバイパス弁２７が開状態にされるので、蒸気配管２２内の蒸気の温度がまだ高くないとき、即ち蒸気配管２２内の蒸気の温度が蒸気配管１２内の蒸気の温度に比べて低いときに、蒸気配管２２内の蒸気が復水器４１に送られるようになっている。これによって、まだ暖まっていない蒸気配管２２内の蒸気が蒸気配管１２内の蒸気に合流したあと合流後の蒸気の温度が変動してしまうことが起こらない。したがって、合流後の蒸気温度の変動に起因して蒸気タービン４０の車室に熱伸び差が生じることを防止又は抑制することができる。また、蒸気配管２２の上流側に減温器（デスーパーヒータ）が設けられている場合でこの減温器に不具合が生じた場合に、排熱回収ボイラ２１の運転時に減温されていない蒸気配管２２内の蒸気が蒸気配管１２内の蒸気に合流することを回避することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば以下の通りである。

上記実施形態では、蒸気配管２２内の蒸気の温度が蒸気配管１２内の蒸気の温度、合流蒸気の温度、および蒸気タービン４０の車室の温度に基づき決定される許容温度範囲にない場合に、蒸気弁２４を閉状態に維持すると共にバイパス弁２７を開状態に維持するように構成した。しかし、これに限定されるものではなく、蒸気配管２２内の蒸気の温度が蒸気配管１２内の蒸気の温度から決定される許容温度範囲にない場合に、蒸気弁２４を閉状態に維持すると共にバイパス弁２７を開状態に維持するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、第２の排熱回収ボイラとして、１つの排熱回収ボイラ２１を設けるように構成したが、これに限定されるものではなく、２つ以上の他の排熱回収ボイラを設けてこれらの繋ぎ込み操作を行うように構成してもよい。

さらに、上記実施形態では、蒸気弁１４，２４として、蒸気配管１２，２２を開放および閉鎖し得る開閉弁を採用することとしたが、これに限定されるものではなく、蒸気配管１２，２２内の蒸気の量を制御する流量制御弁を採用してもよい。

さらに、上記実施形態では、蒸気配管２２の下流端を蒸気配管１２の蒸気弁１４よりも下流側の部分に直接接続したが、これに限らず、蒸気ヘッダを介して接続してもよい。

１ コンバインドサイクル発電プラント
１１ 排熱回収ボイラ（第１の排熱回収ボイラ）
１２ 蒸気配管（第１の蒸気配管）
１４ 蒸気弁（第１の蒸気弁）
１５ 温度センサ（合流温度センサ）
１６ バイパス配管（第１のバイパス配管）
１７ バイパス弁（第１のバイパス弁）
１８ 温度センサ（第１の温度センサ）
２１ 排熱回収ボイラ（第２の排熱回収ボイラ）
２２ 蒸気配管（第２の蒸気配管）
２４ 蒸気弁（第２の蒸気弁）
２６ バイパス配管（第２のバイパス配管）
２７ バイパス弁（第２のバイパス弁）
２８ 温度センサ（第２の温度センサ）
４０ 蒸気タービン
４１ 復水器
５０ 制御装置

Claims (2)

1. 排ガスから熱を回収して蒸気を生成する第１の排熱回収ボイラと、
   排ガスから熱を回収して蒸気を生成する第２の排熱回収ボイラと、
   前記蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから排出された蒸気を凝縮する復水器と、
   前記第１の排熱回収ボイラと前記蒸気タービンとを接続する第１の蒸気配管と、
   上流端が前記第２の排熱回収ボイラに接続され、下流端が前記第１の蒸気配管に接続された第２の蒸気配管と、
   前記第１の蒸気配管に設けられた第１の蒸気弁と、
   前記第２の蒸気配管に設けられた第２の蒸気弁と、
   前記第１の蒸気配管の前記第１の蒸気弁の上流側に位置する分岐点から分岐され、下流端が前記復水器に接続された第１のバイパス配管と、
   前記第１のバイパス配管に設けられた第１のバイパス弁と、
   前記第２の蒸気配管の前記第２の蒸気弁の上流側に位置する分岐点から分岐され、下流端が前記復水器に接続された第２のバイパス配管と、
   前記第２のバイパス配管に設けられた第２のバイパス弁と、
   前記第２の蒸気配管内の蒸気の温度が前記第１の蒸気配管内の蒸気の温度および前記蒸気タービンの車室の温度から決定される許容温度範囲にない場合に、前記第２の蒸気弁を閉状態にすると共に前記第２のバイパス弁を開状態にし、前記第２の蒸気配管内の蒸気の温度が前記許容温度範囲にある場合に、前記第２の蒸気弁を開状態にすると共に前記第２のバイパス弁を閉状態にする制御装置と、を備えている、コンバインドサイクル発電プラント。
2. 前記第１の蒸気配管において前記分岐点の上流側の位置に設けられ、前記第１の蒸気配管内の蒸気の温度を検出する第１の温度センサと、
   前記第２の蒸気配管において前記分岐点の上流側の位置に設けられ、前記第２の蒸気配管内の蒸気の温度を検出する第２の温度センサと、
   前記第１の蒸気配管において前記接続の位置よりも下流側に設けられ、前記第１の蒸気配管内の蒸気の温度を検出する合流温度センサとをさらに備え、
   前記制御装置は、前記第１の温度センサにより検出された温度および前記合流温度センサにより検出された温度に基づき前記許容温度範囲を決定するように構成されている、請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラント。

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