JP7247071B2 - 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

Description

本発明の実施形態は、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に関する。

燃焼器と、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを組み合わせて構成するコンバインドサイクル（Ｃ／Ｃ）発電プラントが知られている。燃焼器は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを排出し、ガスタービンは、燃焼器からの燃焼ガスにより駆動される。排熱回収ボイラは、ガスタービンの排ガスから熱回収して蒸気を生成し、蒸気タービンは、排熱回収ボイラが生成する蒸気により駆動される。

特開平４－１４８００２号公報 特開平２－３０８９０３号公報

リジッド結合タイプのＣ／Ｃ発電プラントでは、ガスタービンと蒸気タービンとが同じ回転軸に連結されている。一方、クラッチ結合タイプのＣ／Ｃ発電プラントでは、ガスタービンが第１回転軸に連結され、蒸気タービンが第２回転軸に連結されており、第１回転軸がクラッチにより第２回転軸と結合されまたは切り離される。具体的には、クラッチの嵌合により第１回転軸が第２回転軸と結合され、クラッチの離脱により第１回転軸が第２回転軸と切り離される。なお、発電機は一般に、ガスタービンと共に第１回転軸に連結されている。

クラッチ結合タイプのＣ／Ｃ発電プラントの停止方法は、リジッド結合タイプのＣ／Ｃ発電プラントの停止方法とは異なっている。一般に、クラッチ結合タイプのＣ／Ｃ発電プラントを停止させる際には、クラッチが離脱した後に蒸気タービンの回転降下を開始し、その後にガスタービンの回転降下を開始する。この場合、ガスタービンの回転降下は蒸気タービンの回転降下よりも速いため、やがてガスタービンの回転数が蒸気タービンの回転数に追い付き、クラッチが再び嵌合する。

クラッチが嵌合すると、ガスタービンと蒸気タービンは結合された状態で回転降下するため、ガスタービンは、速く回転降下することを妨げられ、ゆっくりと回転降下することになる。そのため、ガスタービンの回転数が、燃焼器の燃料を遮断する回転数に降下するまでの期間が長くなり、燃焼器の燃料を遮断するタイミングが遅れる。その結果、燃焼器は、燃料が遮断されるまでの長い期間、火炎を保ち続けることになり、燃料が無駄に消費されてしまう。

そこで、本発明の実施形態は、発電プラントを停止させる際の燃料の無駄を低減することが可能なプラント制御装置、プラント制御方法、および発電プラントを提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、プラント制御装置は、燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンからの排ガスの熱を用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラからの前記蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記ガスタービンと連結された第１軸と、前記蒸気タービンと連結された第２軸と、前記第１軸の回転数が前記第２軸の回転数に追い付いたときに、前記第１軸と前記第２軸とを嵌合により結合させるクラッチと、を備える発電プラントを制御する。前記装置は、前記発電プラントを停止させる際に、前記蒸気タービンを停止させて前記第２軸の回転数を定格回転数から降下させ始め、前記蒸気タービンの停止後に前記燃焼器の燃焼を継続しながら前記第１軸の回転数を前記定格回転数から降下させ始める第１停止制御部を備える。前記装置はさらに、前記第１軸の回転数が第１回転数に降下した場合に、前記燃焼器の燃料を遮断して前記ガスタービンを停止させる第２停止制御部であって、前記第１軸の回転数が前記第２軸の回転数に前記第１回転数以下の第２回転数で追い付いて前記クラッチが嵌合するように、前記ガスタービンを停止させる第２停止制御部を備える。

第１実施形態の発電プラントの構成を示す模式図である。 第１実施形態のプラント停止方法を示すフローチャートである。 第１実施形態のプラント停止方法を説明するためのトレンドグラフである。 第２実施形態のプラント停止方法を説明するためのトレンドグラフである。 第３実施形態のプラント停止方法を説明するためのトレンドグラフである。 比較例の発電プラントの構成を示す模式図である。 比較例のプラント停止方法を示すフローチャートである。 比較例のプラント停止方法を説明するためのトレンドグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１から図８では、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（比較例）
以下、比較例のプラント構成やプラント停止方法について説明する。本比較例のプラント構成は、クラッチ結合タイプに相当し、本比較例のプラント停止方法は、リジッド結合タイプのプラント停止方法をクラッチ結合タイプに当てはめたものに相当する。リジッド結合タイプでは、ガスタービンと蒸気タービンがクラッチによらずに同じ回転軸に連結されている。

（１）比較例のプラント構成
図６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６の発電プラント１００は、発電プラント１００の動作を制御するプラント制御装置１０１を備え、さらには、ガスタービン（ＧＴ）１０２と、蒸気タービン（ＳＴ）１０３と、排熱回収ボイラ１０４と、ＭＣＶ弁（加減弁）１０５と、燃料調節弁１０６と、圧縮機１０７と、燃焼器１０８と、蒸発器１０９と、ドラム１１０と、過熱器１１１と、タービンバイパス調節弁１１２と、復水器１１３と、循環水ポンプ１１４と、海水１１５の取込部および排出部と、燃料１１６の供給部と、発電機１１７と、第１回転軸１１８と、第２回転軸１１９と、クラッチ１２０と、第１検出用歯車１２１と、第２検出用歯車１２２と、蒸気配管１２３と、主配管１２４と、バイパス配管１２５と、タービン排気管１２６と、発電機遮断器１２７とを備えている。発電機遮断器１２７は、送電線１２８を介して系統グリッド１２９と接続されている。図６の発電プラント１００はさらに、火炎検出器ＦＤ１と、ＧＴ回転数検出器ＳＰ１と、ＳＴ回転数検出器ＳＰ２と、ＭＷトランスデューサＭＷ－Ｔｒとを備えている。この発電プラント１００は、ガスタービン１０２と蒸気タービン１０３がクラッチ１２０の嵌合により結合される「クラッチ結合タイプの一軸型コンバインドサイクル発電プラント」である。

最初に、クラッチ１２０について説明する。クラッチ１２０の実際の構造は複雑であるが、図６はこれを模式化して図示している。このクラッチ１２０は、一般にＳＳＳクラッチ（Synchro-Self-Shifting）と呼ばれるタイプであり、ガスタービン１０２および発電機１１７と連結された第１回転軸１１８と、蒸気タービン１０３と連結された第２回転軸１１９とを結合することや、第１回転軸１１８と第２回転軸１１９とを切り離すことが可能である。前者の場合、クラッチ１２０は嵌合の状態にあり、後者の場合、クラッチ１２０は離脱の状態にある。これら嵌合や離脱は、プラント制御装置１０１が関与して生じるものではない。ＳＳＳクラッチの名前通り、第２回転軸１１９の回転数が第１回転軸１１８の回転数に到達（同期、Synchro）すると、遠心力の作用でクラッチ１２０が自動的に嵌合し、第２回転軸１１９の回転数が第１回転軸１１８より低下すると、クラッチ１２０が自動的に離脱する。

発電プラント１００のプラント起動時とプラント停止時には、クラッチ１２０は離脱しており、第１回転軸１１８の回転数と第２回転軸１１９の回転数が異なる運転状況が生じる。そこで、第１回転軸１１８には第１検出用歯車１２１が設けられており、第１検出用歯車１２１に近接してＧＴ回転数検出器ＳＰ１が設置されている。ＧＴ回転数検出器ＳＰ１は、第１回転軸１１８の回転数（ガスタービン１０２および発電機１１７の回転数）を検出し、回転数の検出結果をプラント制御装置１０１に出力する。また、第２回転軸１１９には第２検出用歯車１２２が設けられており、第２検出用歯車１２２に近接してＳＴ回転数検出器ＳＰ２が設置されている。ＳＴ回転数検出器ＳＰ２は、第２回転軸１１９の回転数（蒸気タービン１０３の回転数）を検出し、回転数の検出結果をプラント制御装置１０１に出力する。

発電プラント１００がプラント起動を終えて通常の運転状態になると、クラッチ１２０は嵌合しており、ＧＴ回転数検出器ＳＰ１とＳＴ回転数検出器ＳＰ２が検出する回転数は同じになる。この場合、ガスタービン１０２と蒸気タービン１０３は実質的に１本の回転軸に結合されている状態にあるので、発電機１１７はガスタービン１０２と蒸気タービン１０３の両方により駆動されて発電を行う。

燃料調節弁１０６は、燃料配管上に設けられている。燃料調節弁１０６を開弁すると、燃料配管から燃焼器１０８に燃料１１６が供給される。圧縮機１０７は、その入口から空気を導入し、燃焼器１０８に圧縮空気を供給する。燃焼器１０８は、燃料１１６を圧縮空気中の酸素と共に燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。火炎検出器ＦＤ１は、燃焼器１０８内の火炎を検出し、火炎の検出結果をプラント制御装置１０１に出力する。

ガスタービン１０２は、燃焼器１０８からの燃焼ガスにより駆動されることで、第１回転軸１１８を回転させる。発電機１１７は、第１回転軸１１８に接続されており、第１回転軸１１８の回転を利用して発電を行う。発電機１１７が発電した電力は、発電機遮断器１２７やＭＷトランスデューサＭＷ－Ｔｒが設けられた送電線１２８に送られ、送電線１２８を介して系統グリッド１２９に送電される。このとき、ＭＷトランスデューサＭＷ－Ｔｒは、発電機１１７の電力（出力）を測定し、この測定した電力量をプラント制御装置１０１に送信する。

ガスタービン１０２から排出されたガスタービン排ガスＡ１は、排熱回収ボイラ１０４に送られる。排熱回収ボイラ１０４は、ガスタービン排ガスＡ１の熱を用いて主蒸気Ａ２を生成する。蒸発器１０９、ドラム１１０、および過熱器１１１は、排熱回収ボイラ１０４内に設けられており、排熱回収ボイラ１０４の一部を構成している。ドラム１１０内の水は、蒸発器１０９に送られ、蒸発器１０９内でガスタービン排ガスＡ１により加熱されることで飽和蒸気となる。飽和蒸気は、過熱器１１１に送られ、過熱器１１１内でガスタービン排ガスＡ１により過熱されることで過熱蒸気となる。排熱回収ボイラ１０４により生成された過熱蒸気は、主蒸気Ａ２として蒸気配管１２３に排出される。

蒸気配管１２３は、主配管１２４とバイパス配管１２５とに分岐している。主配管１２４は蒸気タービン１０３に接続されており、バイパス配管１２５は復水器１１３に接続されている。ＭＣＶ弁１０５は、主配管１２４に設けられている。タービンバイパス調節弁１１２は、バイパス配管１２５に設けられている。

ＭＣＶ弁１０５を開弁すると、主配管１２４からの主蒸気Ａ２が蒸気タービン１０３に供給される。蒸気タービン１０３は、主蒸気Ａ２により駆動されることで第２回転軸１１９を回転させる。クラッチ１２０が嵌合している状態では、蒸気タービン１０３はガスタービン１０２と共に１本の回転軸を回転させるので、発電機１１７は、ガスタービン１０２と蒸気タービン１０３の両方により駆動される。蒸気タービン１０３を駆動した主蒸気Ａ２は、蒸気タービン１０３から排出されて排気蒸気となり、タービン排気管１２６を通じて復水器１１３に送られる。

一方、タービンバイパス調節弁１１２を開弁すると、バイパス配管１２５からの主蒸気Ａ２が、蒸気タービン１０３をバイパスして復水器１１３に送られる。復水器１１３に送られた主蒸気Ａ２や前述の排気蒸気は循環水ポンプ１１４が供給する海水１１５により冷却されて凝縮する。

プラント制御装置１０１は、発電プラント１００の起動や停止など、発電プラント１００の様々な運転を制御する。例えば、プラント制御装置１０１は、燃料調節弁１０６、ＭＣＶ弁１０５、およびタービンバイパス調節弁１１２を制御して、ガスタービン１０２や蒸気タービン１０３や排熱回収ボイラ１０４の運転操作を行う。以下、本比較例の発電プラント１００の停止方法について説明する。

（２）比較例のプラント停止方法
図７は、比較例のプラント停止方法を示すフローチャートである。

このフローチャートを実現するのは、プラント制御装置１０１の内部に収納されるソフトウェアである。なお、以下の説明中に使用される具体的な数値は、説明上の便宜と容易な理解のために記載する一例である。また後述の図８のトレンドグラフも併せて参照すれば、より容易な理解の一助となる。

発電プラント１００の停止（プラント停止）が開始される前、発電プラント１００は通常運転中であり、クラッチ１２０は嵌合中である。通常運転中においては、ガスタービン１０２は定格出力の２００ＭＷで発電運転しており、蒸気タービン１０３も定格出力の１００ＭＷで発電運転しており、両タービンは３００ＭＷの合計出力（以下、コンバインド出力と呼ぶ）で運転中である。

プラント停止が開始されると（ステップＳ１００）、燃料調節弁１０６の開度を一定レートで低減させてガスタービン（ＧＴ）出力降下を行い（ステップＳ１０１）、コンバインド出力は３００ＭＷから次第に低減していく。プラント停止で重視されることは、極力ガスタービン１０２と蒸気タービン１０３に負担が少なくなるように、停止操作を行うことである。ステップＳ１０１のように燃料調節弁１０６の開度を一定レートで低減させると、燃料１１６の量は徐々に減少する。これにより、例えばガスタービン排ガスＡ１の温度も徐々に低下して、後にガスタービン１０２を停止する際に発生する熱応力も軽減される。ガスタービン排ガスＡ１の保有する熱エネルギーが低下すると主蒸気Ａ２の熱量（温度、圧力、流量）も低下するので、蒸気タービン（ＳＴ）出力降下が行われ（ステップＳ１０２）、その発電量は１００ＭＷから次第に低減していく。

ＭＷトランスデューサＭＷ－Ｔｒが検出するコンバインド出力が６０ＭＷまで低下したとき（ステップＳ１０４ ＹＥＳ）、ガスタービン出力降下を中断する（ステップＳ１０５）。加えて、燃料調節弁１０６の開度の低減操作も中断されて、ガスタービン１０２は一定の出力状態に保持される。このとき、６０ＭＷのコンバインド出力の内訳は次のとおりである。すなわち、ガスタービン１０２は２５ＭＷで保持され、蒸気タービン１０３は３５ＭＷで保持され、合計で６０ＭＷの発電を行っている。

なお、コンバインドサイクル発電プラントが有する一般的な特徴であるが、低出力状態ではガスタービン出力よりも蒸気タービン出力の方が大きくなるヒートバランス（熱平衡）を示す。この理由は、ガスタービン１０２は低出力においても、発電の仕事に加えて圧縮機１０７を駆動するための仕事に相当量の燃料１１６が供給されているからである。このため、ガスタービン排ガスＡ１は高い熱量の主蒸気Ａ２を発生させるので、蒸気タービン１０３の出力の方が大きくなる。

ガスタービン１０２を２５ＭＷ一定の出力状態で保持している間に、蒸気タービン１０３の停止操作を行い（ステップＳ１０６）、その結果、蒸気タービン１０３の発電量は３５ＭＷから低減していく。この停止操作では、ＭＣＶ弁１０５の開度を一定レートで低減させて徐々に蒸気タービン１０３の出力を降下させて、最終的にＭＣＶ弁１０５は全閉になる。ＭＣＶ弁１０５が全閉したとき蒸気タービン１０３は停止完了となり、その発電量は零となるので、コンバインド出力はガスタービン出力だけの２５ＭＷになる。このとき、ＭＣＶ弁１０５が閉弁されるに従い、余剰となった主蒸気Ａ２はタービンバイパス弁１１２を通じて復水器１１３に流入させて逃がし、ドラム１１０も圧力を一定に保持するように操作される。

ステップＳ１０６の前のステップＳ１０５でガスタービン出力を２５ＭＷで保持するが、その保持出力２５ＭＷは次の視点で選択される必要がある。すなわち、i）もし２５ＭＷ以下にガスタービン出力を低下させると、ガスタービン排ガスＡ１の温度が低温になり過ぎ、その結果、冷たい主蒸気Ａ２が蒸気タービン１０３に流入して熱応力が発生する等、蒸気タービン１０３の運転に支障がでる。ii）逆に、２５ＭＷ以上のガスタービン出力を維持しながら蒸気タービン１０３を停止すると、未だ主蒸気Ａ２は高い熱量を保有しており、タービンバイパス弁１１２を通じて復水器１１３に流入する主蒸気Ａ２は復水器１１３にとって負担となる。具体的にはこの高い熱量により、復水器１１３の出入り口の海水温度差が環境保全上で許容される温度（一般には７℃）以上になる問題を呈する。保持出力２５ＭＷは、このi）とii）のトレードオフとして選定する必要がある。

蒸気タービン１０３は６０ＨＺ対応のタービンであり、その定格回転数は３６００ＲＰＭ（Revolutions Per Minute）である。蒸気タービン１０３が停止完了（ＭＣＶ弁１０５が全閉）すると、蒸気タービン１０３を駆動するトルクが無くなり、蒸気タービン１０３の回転数（以下、ＳＴ回転数とも呼ぶ）は３６００ＲＰＭから降下を始める（ステップＳ１０７）。そして、まさに蒸気タービン１０３の回転数がガスタービン１０２の回転数（以下、ＧＴ回転数とも呼ぶ）より僅かに低下した瞬間に、クラッチ１１３は自動的に離脱する（ステップＳ１０８）。その後、ＳＴ回転数は更に降下していくが、蒸気タービン１０３の有する大きな慣性により、ＳＴ回転数はゆっくりと緩慢なレートで降下する。

蒸気タービン１０３が停止完了した後、燃料調節弁１０６の開度を一定レートで低減させてガスタービン出力降下を再開し（ステップＳ１０９）、その発電量は２５ＭＷから次第に低減していく。ＭＷトランスデューサＭＷ－Ｔｒが検出するガスタービン出力が５ＭＷまで低下したとき（ステップＳ１１０ ＹＥＳ）、発電機遮断器１２７を開放して解列する（ステップＳ１１１）。解列したときに発電機ＭＷは零になり、コンバインド出力も零になる。なお、本比較例のプラント停止方法は、リジッド結合タイプの発電プラントの停止方法に準じた方法なので、蒸気タービン１０３が停止完了した直後に、ガスタービン出力降下を再開する。これが、後述する第１実施形態と異なる手順として指摘される点である。解列する前のガスタービン１０２の回転数は定格３６００ＲＰＭであるが、解列後は３６００ＲＰＭ以下に降下を開始する。しかし、このときガスタービン１０２には圧縮機１０７を駆動するために相当量の燃料１１６が未だ供給されており、燃料１１６が多量に供給された状態のガスタービン１０２をここでいきなり停止することは出来ない。そこで、更に燃料調節弁１０６の開度を低減させて（ステップＳ１１２）、ガスタービン１０２の回転数を降下させる（ステップＳ１１３）。ＧＴ回転降下中のガスタービン１０２も圧縮機１０７を駆動するので、この圧縮機はいわばブレーキの作用を有し、ＧＴ回転数は高速のレートで迅速に降下する。

やがて、高速のレートで迅速に降下するＧＴ回転数は、緩慢なレートで降下するＳＴ回転数に追い付く。具体的には、ＧＴ回転数が３０００ＲＰＭまで低下したとき（ステップＳ１１４ ＹＥＳ）、両タービンの回転数は一致し（ステップＳ１１５ ＹＥＳ）、このときクラッチ１２０は再び嵌合する（ステップＳ１１６）。そして、結合状態のガスタービン１０２と蒸気タービン１０３は、３０００ＰＭから一緒になって回転降下を行う（ステップＳ１１７）。この結合状態での回転数を、以下「ＧＴ・ＳＴ回転数」と呼ぶ。ＧＴ・ＳＴ回転数は、それまでの両タービンの回転数の降下レートの中間の値、すなわちＧＴ回転数より遅い降下レートであり、且つＳＴ回転数より速い降下レートで降下する。

ＧＴ回転数検出器ＳＰ１が検出するＧＴ・ＳＴ回転数が１２００ＲＰＭまで低下したとき（ステップＳ１１８ ＹＥＳ）、燃料調節弁１０６は充分に低開度となり、燃料１１６も小量となるので、ここでガスタービン１０２を停止し（ステップＳ１１９）、燃料調節弁１０６は閉止する。これにより、燃料１１６は遮断されて零になる。ＧＴ・ＳＴ回転数は更に低下して最終的には極低回転でターニング運転に入り（ステップＳ１２０）、プラント停止の操作は完了する（ステップＳ１２１）。

図８は、比較例のプラント停止方法を説明するためのトレンドグラフあり、本比較例のプラント停止方法をより直截に可視化するために用意されたものである。

上記と重複するがこれを簡単に説明すれば、プラント停止が開始される前、コンバインド出力は３００ＭＷで運転中である。プラント停止が開始されると、燃料１１６を所定レートで低減させて、コンバインド出力は３００ＭＷから次第に低減していく。

コンバインド出力が６０ＭＷ（ガスタービン出力が２５ＭＷ）まで低下したとき、燃料１１６の低減を一旦中断する。そして、蒸気タービン（ＳＴ）１０３の停止を開始する。蒸気タービン１０３の停止が完了すると、クラッチ１２０が離脱して、ＳＴ回転数は３６００ＲＰＭから降下を始める。それと同時に、ガスタービン出力降下を再開し、ガスタービン出力は２５ＭＷから徐々に低下し、５ＭＷまで低下したときに解列する。符号Ｔ３は、コンバインド出力が２５ＭＷから５ＭＷに低下するまでの時間を表す。

解列後のＧＴ回転数は３６００ＲＰＭから高速のレートで降下して、３０００ＲＰＭにまで低下したときＳＴ回転数に追い付き、両タービンの回転数は一致し、このときクラッチ１２０は再び嵌合する。

このクラッチ１２０の嵌合以後のＧＴ回転数（ＧＴ・ＳＴ回転数）は、それまでのＧＴ回転数より遅い降下レートとなる。その結果、ＧＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに低下するまでに長い時間（Ｔ１）を要する。ＧＴ回転数が１２００ＲＰＭまで低下したとき燃料１１６を遮断し、ガスタービン１０２を停止する。その後、クラッチ１２０が嵌合した状態で、両タービンはゆっくりと回転降下してターニング運転に入る。

（３）比較例の問題１
図８が端的に示すように、比較例のプラント停止方法は、解列後にＧＴ回転数が未だ３０００ＲＰＭという高い回転数にあるときにクラッチが再嵌合する方法であり、燃料がまだ供給されている最中にクラッチが再嵌合する方法である。この結果、このクラッチ嵌合以後のＧＴ回転数は、蒸気タービンが有する大きな慣性の影響を受けて、緩慢なレートで降下することを余儀なくされて、１２００ＲＰＭに到達するまでＴ１という長時間を要する。このことは、燃料が発電に寄与することなく無駄に消費される時間（Ｔ１）が長く継続するという問題を生じる。

（４）比較例の問題２
クラッチ嵌合が行われるとき、第１回転軸１１８と第２回転軸１１９は物理的に互いを「揺る」ようにして結合するので、ガスタービンや発電機へのショックは避けられない。それは具体的には、ガスタービンや発電機の軸受け振動の増大となって観測され、特にクラッチに近い発電機軸受けの振動発生が顕著である。この振動発生は、発電プラントの停止過程のみならず、発電プラントの起動過程においても起こる事象ではある。しかし、クラッチ嵌合が必ず定格回転数（３６００ＲＰＭ）で行われるプラント起動に対し、プラント停止では次に述べる危険速度で行われる可能性があり、その場合問題は深刻化する。以下、危険速度とクラッチ嵌合の係わりにつき説明する。

一般に、回転軸は共振による大きな振動が発生する危険速度（危険回転数）を有し、発電プラントのタービンや発電機の回転軸もその例外ではない。危険速度は、当該回転軸の固有振動による共振が発生する速度（回転数）であり、当該回転軸の固有振動数（共振振動数）に依存する。よって、危険速度の数値は発電プラントの回転軸毎に異なるが、おおよそ定格回転数の７０％から８０％の回転数域になることが多い。理由は、回転軸を設計する際に、危険速度の１．２倍から１．３倍程度に定格回転数を定めることが多いからである。

以下、比較例の回転軸（第１回転軸１１８と第２回転軸１１９の結合体）が定格回転数の８０％に危険速度を有する事例について説明する。この８０％の回転数は、２８８０ＲＰＭ（３６００×０．８）であり、クラッチ１２０が嵌合する回転数である３０００ＲＰＭは、２８８０ＲＰＭの充分近傍にある。すなわち、比較例のクラッチ１２０が嵌合する回転数は、危険速度域内にあるといえる。換言すれば、比較例のプラント停止方法では、大きな振動発生を伴う危険速度の生じるタイミングとクラッチ嵌合のタイミングとが重なり、軸受け振動を助長するので、最悪の場合は設備を損壊させる惧がある。この設備損壊を防止するため、軸受け振動が所定の閾値を超えたことを検知すると緊急ガスタービン停止による保護措置を入れることが考えられる。しかし、これでは安定したプラント停止方法とはならない。

（第１実施形態）
（１）第１実施形態のプラント構成
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。

図１の発電プラント１００ａは、発電プラント１００ａの動作を制御するプラント制御装置１０１ａを備えている。図１の発電プラント１００ａはさらに、図６の発電プラント１００と同様の機能を有するガスタービン（ＧＴ）１０２と、蒸気タービン（ＳＴ）１０３と、排熱回収ボイラ１０４と、ＭＣＶ弁（加減弁）１０５と、燃料調節弁１０６と、圧縮機１０７と、燃焼器１０８と、蒸発器１０９と、ドラム１１０と、過熱器１１１と、タービンバイパス調節弁１１２と、復水器１１３と、循環水ポンプ１１４と、海水１１５の取込部および排出部と、燃料１１６の供給部と、発電機１１７と、第１回転軸１１８と、第２回転軸１１９と、クラッチ１２０と、第１検出用歯車１２１と、第２検出用歯車１２２と、蒸気配管１２３と、主配管１２４と、バイパス配管１２５と、タービン排気管１２６と、発電機遮断器１２７とを備えている。図１の発電機遮断器１２７は、図６の発電機遮断器１２７と同様に、送電線１２８を介して系統グリッド１２９と接続されている。図１の発電プラント１００ａはさらに、図６の発電プラント１００と同様の機能を有する火炎検出器ＦＤ１と、ＧＴ回転数検出器ＳＰ１と、ＳＴ回転数検出器ＳＰ２と、ＭＷトランスデューサＭＷ－Ｔｒとを備えている。この発電プラント１００ａは、ガスタービン１０２と蒸気タービン１０３がクラッチ１２０の嵌合により結合される「クラッチ結合タイプの一軸型コンバインドサイクル発電プラント」である。

本実施形態のプラント制御装置１０１ａは、比較例のプラント制御装置１０１と同様の機能を有しているが、比較例のプラント制御装置１０１とは異なる機能も有している。一方、図１に示す発電プラント１００ａのその他の構成要素の機能は、図６に示す発電プラント１００の対応する構成要素の機能と同様である。

（２）第１実施形態のプラント停止方法
図２は、第１実施形態のプラント停止方法を示すフローチャートである。

このフローチャートを実現するのは、プラント制御装置１０１ａの内部に収納されるソフトウェアである。なお、以下の説明中に使用される具体的な数値は、説明上の便宜と容易な理解のために記載する一例である。また後述の図３のトレンドグラフも併せて参照すれば、より容易な理解の一助となる。

発電プラント１００ａの停止（プラント停止）が開始される前、発電プラント１００ａは通常運転中であり、クラッチ１２０は嵌合中である。通常運転中においては、ガスタービン１０２は定格出力の２００ＭＷで発電運転しており、蒸気タービン１０３も定格出力の１００ＭＷで発電運転しており、両タービンは３００ＭＷの合計出力（コンバインド出力）で運転中である。

プラント停止が開始されると（ステップＳ２００）、燃料調節弁１０６の開度を一定レートで低減させてガスタービン（ＧＴ）出力降下を行い（ステップＳ２０１）、コンバインド出力は３００ＭＷから次第に低減していく。プラント停止で重視されることは、極力ガスタービン１０２と蒸気タービン１０３に負担が少なくなるように、停止操作を行うことである。ステップＳ２０１のように燃料調節弁１０６の開度を一定レートで低減させると、燃料１１６の量は徐々に減少する。これにより、例えばガスタービン排ガスＡ１の温度も徐々に低下して、後にガスタービン１０２を停止する際に発生する熱応力も軽減される。ガスタービン排ガスＡ１の保有する熱エネルギーが低下すると主蒸気Ａ２の熱量（温度、圧力、流量）も低下するので、蒸気タービン（ＳＴ）出力降下が行われ（ステップＳ２０２）、その発電量は１００ＭＷから次第に低減していく。

ＭＷトランスデューサＭＷ－Ｔｒが検出するコンバインド出力が６０ＭＷまで低下したとき（ステップＳ２０４ ＹＥＳ）、ガスタービン出力降下を中断する（ステップＳ２０５）。加えて、燃料調節弁１０６の開度の低減操作も中断されて、ガスタービン１０２は一定の出力状態に保持される。このとき、６０ＭＷのコンバインド出力の内訳は次のとおりである。すなわち、ガスタービン１０２は２５ＭＷで保持され、蒸気タービン１０３は３５ＭＷで保持され、合計で６０ＭＷの発電を行っている。

ガスタービン１０２を２５ＭＷ一定の出力状態で保持している間に、蒸気タービン１０３の停止操作を行い（ステップＳ２０６）、その結果、蒸気タービン１０３の発電量は３５ＭＷから低減していく。この停止操作では、ＭＣＶ弁１０５の開度を一定レートで低減させて徐々に蒸気タービン１０３の出力を降下させて、最終的にＭＣＶ弁１０５は全閉になる。ＭＣＶ弁１０５が全閉したとき蒸気タービン１０３は停止完了となり、その発電量は零となるので、コンバインド出力はガスタービン出力だけの２５ＭＷになる。このとき、ＭＣＶ弁１０５が閉弁されるに従い、余剰となった主蒸気Ａ２はタービンバイパス弁１１２を通じて復水器１１３に流入させて逃がし、ドラム１１０も圧力を一定に保持するように操作される。

なお、ステップＳ２０６の前のステップＳ２０５でガスタービン出力を２５ＭＷで保持する理由は、比較例のステップＳ１０５の場合と同じであり、説明は省略する。

蒸気タービン１０３は６０ＨＺ対応のタービンであり、その定格回転数は３６００ＲＰＭである。蒸気タービン１０３が停止完了（ＭＣＶ弁１０５が全閉）すると、蒸気タービン１０３を駆動するトルクが無くなり、蒸気タービン１０３の回転数（ＳＴ回転数）は３６００ＲＰＭから降下を始める（ステップＳ２０７）。そして、まさに蒸気タービン１０３の回転数がガスタービン１０２の回転数（ＧＴ回転数）より僅かに低下した瞬間に、クラッチ１１３は自動的に離脱する（ステップＳ２０８）。その後、ＳＴ回転数は更に降下していくが、蒸気タービン１０３の有する大きな慣性により、ＳＴ回転数はゆっくりと緩慢なレートで降下する。

以上のプラント停止手順は、比較例と同じである。本実施形態のプラント停止手順は、以下の点で比較例と相違する。

ＳＴ回転数が３６００ＲＰＭから降下している間も、ガスタービン１０２の出力は２５ＭＷで保持する。そして、ＳＴ回転数検出器ＳＰ２が検出するＳＴ回転数が１２００ＲＰＭまで低下したとき（ステップＳ２０９ ＹＥＳ）、ガスタービン出力降下を再開する（ステップＳ２１０）。ガスタービン出力降下を再開すると、ガスタービンの発電量は２５ＭＷから次第に低減していく。ＭＷトランスデューサＭＷ－Ｔｒが検出するガスタービン出力が５ＭＷまで低下したとき（ステップＳ２１１ ＹＥＳ）、発電機遮断器１２７を開放して解列する（ステップＳ２１２）。解列したときに発電機ＭＷは零になり、コンバインド出力も零になる。

解列前のＧＴ回転数は定格３６００ＲＰＭであるが、解列後のＧＴ回転数は３６００ＲＰＭ以下に降下を開始する。しかし、このときガスタービン１０２には圧縮機１０７や燃焼器１０８を駆動するために相当量の燃料１１６が未だ供給されており、更に燃料調節弁１０６の開度を低減させて（ステップＳ２１３）、ＧＴ回転数を更に降下させる（ステップＳ２１４）。ＧＴ回転降下中のガスタービン１０２も圧縮機１０７を駆動するので、この圧縮機１０７はいわばブレーキの作用を有し、ＧＴ回転数は比較的高速のレートで１２００ＲＰＭに向けて迅速に降下する。このとき、クラッチ１２０は離脱中なので、蒸気タービン１０３の有する大きな慣性の影響を受けることなく、ガスタービン１０２は単独で速やかに１２００ＲＰＭに回転降下する。これが比較例と相違する。プラント制御装置１０１ａがステップＳ２０６～Ｓ２１４の処理を行う機能は、第１停止制御部の一例である。また、ステップＳ２０９の回転数「１２００ＲＰＭ」は、第３回転数の一例である。

ＧＴ回転数検出器ＳＰ１が検出するＧＴ回転数が１２００ＲＰＭまで低下したとき（ステップＳ２１５ ＹＥＳ）、燃料調節弁１０６は充分に低開度となり、燃料１１６も小量となるので、ここでガスタービン１０２を停止する（ステップＳ２１６）。このとき燃料調節弁１０６は閉止し、燃料１１６は遮断されて零になる。このようにＧＴ回転数が１２００ＲＰＭに低下してからガスタービン１０２を停止する理由は、前述するとおり、燃料１１６の量を充分に小さくしてガスタービン１０２の排ガス温度も低温にして、熱応力等の面でガスタービン１０２に大きな負担とならないようにするためである。本実施形態では、ステップＳ２１６の前まで燃焼器１０８の燃焼が継続され、ステップＳ２１６で燃焼器１０８の燃焼１１６が遮断される。ステップＳ２１５の回転数「１２００ＲＰＭ」は、第１回転数の一例である。

ガスタービン１０２を停止した後も、ＧＴ回転数は高速のレートで降下する。そして、ＧＴ回転数が９００ＲＰＭにまで低下したとき（ステップＳ２１７ ＹＥＳ）、ＧＴ回転数は、緩慢なレートで降下するＳＴ回転数に追い付き、両タービンの回転数は一致する（ステップＳ２１８ ＹＥＳ）。このときクラッチ１２０は再び嵌合する（ステップＳ２１９）。プラント制御装置１０１ａがステップＳ２１５～Ｓ２１９の処理を行う機能は、第２停止制御部の一例である。また、ステップＳ２１７の回転数「９００ＲＰＭ」は、第２回転数の一例である。

そして、結合状態のガスタービン１０２と蒸気タービン１０３は、９００ＰＭから一緒になって回転降下を行う（ステップＳ２２０）。この結合状態での回転数を、上述のように「ＧＴ・ＳＴ回転数」と呼ぶ。ＧＴ・ＳＴ回転数の降下レートは、それまでのＧＴ回転数の降下レートとＳＴ回転数の降下レートの中間のレートとなる。ＧＴ・ＳＴ回転数は更に低下して最終的には極低回転でターニング運転に入り（ステップＳ２２１）、プラント停止の操作は完了する（ステップＳ２２２）。ＧＴ・ＳＴ回転数は、９００ＰＭから緩慢なレートで降下するが、既にガスタービン１０２は停止状態にあり、この運転域で回転降下が遅れても大きな問題は生じない。

図３は、第１実施形態のプラント停止方法を説明するためのトレンドグラフであり、本実施形態のプラント停止方法をより直截に可視化するために用意されたものである。

上記と重複するがこれを簡単に説明すれば、プラント停止が開始される前、コンバインド出力は３００ＭＷで運転中である。プラント停止が開始されると、燃料１１６を所定レートで低減させて、コンバインド出力は３００ＭＷから次第に低減していく。

コンバインド出力が６０ＭＷ（ガスタービン出力が２５ＭＷ）まで低下したとき、燃料１１６の低減を一旦中断する。そして、蒸気タービン（ＳＴ）１０３の停止を開始する。蒸気タービン１０３の停止が完了すると、クラッチ１２０が離脱して、ＳＴ回転数は３６００ＲＰＭから降下を始める。このとき、ＳＴ回転数はゆっくりと緩慢なレートで降下していき、ＳＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに低下するまでに時間（Ｔ４）を要する。

ＳＴ回転数が１２００ＲＰＭ（第３回転数）まで低下したとき、ガスタービン出力降下を再開する。ガスタービン出力降下を再開すると、ガスタービン出力は２５ＭＷから徐々に低下し、５ＭＷまで低下したとき解列する。ガスタービン出力（コンバインド出力）が２５ＭＷから５ＭＷに低下するまでに時間（Ｔ３）を要する。

解列後のＧＴ回転数は３６００ＰＭから高速のレートで降下し、ＧＴ回転数が１２００ＲＰＭまで低下したとき、燃料１１６を遮断し、ガスタービン１０２を停止する。このとき、ＧＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭ（第１回転数）に低下するまでは、比較的短い時間（Ｔ２）で済む。これが比較例との違いである。

ガスタービン１０２を停止した後も、ＧＴ回転数は降下を継続する。そして、ＧＴ回転数が９００ＲＰＭ（第２回転数）にまで低下したとき、ＧＴ回転数はＳＴ回転数に追い付き、両タービンの回転数は一致し、このときクラッチ１２０は再び嵌合する。その後、クラッチ１２０が嵌合した状態で、両タービンはゆっくりと回転降下してターニング運転に入る。

（３）第１実施形態の効果１
図３と図８を比較すれば、本実施形態における３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭの低下に要する時間（Ｔ２）は、比較例のそれ（Ｔ１）に比べて極めて短い時間ことは明白である。この結果、比較例のプラント停止方法に伴う「燃料が長く無駄に供給される問題」が、本実施形態では解消または大きく緩和されている。これを実現するために、本実施形態においては、ＳＴ回転数が１２００ＲＰＭまで低下するのを待って、ガスタービン出力の２５ＭＷからの再降下を開始させている。よって、本実施形態のＧＴ回転数が１２００ＲＰＭまで低下したときには、ＳＴ回転数は必ず１２００ＲＰＭ以下に降下している。すなわち、本実施形態では、両タービンの回転数が一致しクラッチが嵌合するのは、必ず１２００ＲＰＭ（燃料を遮断する回転数）以下の回転数である。

さらに、本実施形態では、燃料が遮断された状態でクラッチが嵌合する。クラッチが嵌合するときは、両回転軸が相手を「揺する」挙動となり、その結果、ガスタービンや発電機の軸受け振動が増大すると既に述べた。この揺すりは、比較例ではガスタービンの燃焼中に行われるのに対し、本実施形態では燃料が遮断された後（ガスタービンは既に停止）に行われる。よって、本実施形態によれば、比較例に比べて安全でリスクの少ないプラント停止方法を実現できる。

さらに、本実施形態では、ＧＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに降下する間は、クラッチは必ず離脱中であり、ガスタービン（と発電機）は単独での回転降下となる。これにより、蒸気タービンの有する大きな慣性の影響を受けることなく、ガスタービンは単独で速やかに３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに回転降下することができ、迅速に燃料を遮断することが可能となる。このようなプラント停止方法を可能にしたのは、ガスタービンの燃料を遮断する回転数である１２００ＲＰＭにまでＳＴ回転数が低下した後に、ガスタービンの回転降下を開始したからである。

（４）第１実施形態の効果２
第１実施形態では、２８８０ＲＰＭの近傍という危険速度域から大きく離れた９００ＲＰＭでクラッチ１２０が嵌合するので、比較例のようなクラッチ嵌合が助長してガスタービンや発電機の軸受け振動が増大する問題は解消されている。すなわち、本実施形態によれば、クラッチ嵌合が危険速度域を避けて行われるプラント停止方法が実現する。

上述のように、危険速度は、回転軸の固有振動による共振が発生する速度（回転数）であり、回転軸の固有振動数（共振振動数）に依存する。よって、危険速度の数値は発電プラントの回転軸毎に異なるが、おおよそ定格回転数の７０％から８０％の回転数域になることが多い。ちなみに、比較例（第１回転軸１１８と第２回転軸１１９の結合体の危険速度）と第１実施形態（第１回転軸１１８の単独の危険速度）の間においても、危険速度は変わってくる。しかし、この危険速度の数値上でのバラツキを勘案しても、第１実施形態のプラント停止方法は、危険速度域を避けてクラッチ嵌合が行われる効果を有すると言える。なぜなら、危険速度に対して燃料を遮断する回転数が顕著に低いからである。別の言い方をすると、比較例と第１実施形態との間で危険速度が変わってくるといっても、第１実施形態の危険速度も２８８０ＲＰＭに近い値（例えば２８００ＲＰＭ）であり、この値は９００ＲＰＭから大きく離れている。なお、以下の説明では、説明を分かりやすくするために、第１実施形態やその他の実施形態の危険速度も２８８０ＲＰＭであるとして説明する。

本明細書では、燃料を遮断する回転数を１２００ＲＰＭ（定格回転数の３３％）とする事例を説明してきたが、この遮断回転数も各発電プラント毎（ガスタービンの機種ごと）に異なる数値となる。しかし、定格回転数の７０％から８０％の比較的高い回転数で燃料を遮断するガスタービンは、非常に稀なモデル機種と考えられる。合理的な商用ガスタービンの設計としては、定格回転数の３０％から４０％の低い回転数で燃料を遮断するのが一般的である。なぜならば、１２００ＲＰＭ（定格回転数の３３％）に回転が低下してから燃料を遮断する理由は、燃料の量を充分に小さくしてガスタービンの排ガス温度も低温にして熱応力等の面でガスタービンに大きな負担となることを避けることにあるからである。もし７０％から８０％の高回転域で燃料を遮断した場合は、未だ多量にある燃料をいきなり遮断することを意味し、ガスタービンにとって厳しいプラント停止方法となる。すなわち、危険速度域が存在する７０％から８０％の高回転数に対し、燃料を遮断する回転数は充分に低い回転数であることが一般的である。よって、燃料が遮断された以後にクラッチ嵌合を行う本実施形態のプラント停止方法を採用すれば、危険速度域とクラッチ嵌合回転数が重なることは回避される。

なお、上述の説明では、第１実施形態では２８８０ＲＰＭの近傍という危険速度域から大きく離れた９００ＲＰＭでクラッチ１２０が嵌合すると説明した。本実施形態では、クラッチ１２０が嵌合する回転数は、危険速度から２００ＲＰＭ以上離れていることが望ましく、危険速度から３００ＲＰＭ以上離れていることがより望ましい。よって、危険速度が２８８０ＲＰＭの場合には、クラッチ１２０が嵌合する回転数は、２６８０ＲＰＭ以下であることが望ましく、２５８０ＲＰＭ以下であることがより望ましい。これにより、上述のような共振が発生することを抑制することが可能となる。

（５）第１実施形態の変形例
但し、発電プラントによっては、ここで述べる第１実施形態の変形例によるプラント停止方法が必要となるケースがある。その理由は、本変形例の発電プラント（第１回転軸１１８）は、約８０％の高回転数域（２８８０ＲＰＭ近傍）での危険速度に加えて、別の危険速度域を低回転域に有するからである。すなわち、本変形例の第１回転軸１１８は定格回転数の３０％に危険速度を有し、この３０％の回転数は１０８０ＲＰＭ（３６００×０．３）である。

第１実施形態の停止方法では、クラッチ嵌合が行われる９００ＲＰＭは充分にこの近傍で、危険速度域に該当して、共振により軸受け振動が増大する。そこで本変形例は、１０８０ＲＰＭより大きく離れた７００ＲＰＭでクラッチ嵌合するようなプラント停止方法を採用する。そのためには、第１実施形態におけるＳＴ回転数が１２００ＲＰＭまで低下したとき（ステップＳ２０９ ＹＥＳ）、ガスタービン出力降下を再開する（ステップＳ２１０）するのに替わり、本変形例はＳＴ回転数が１０００ＲＰＭまで低下したとき、ガスタービン出力降下を再開する。このＳＴ回転数が２００ＲＰＭ低下したことに対応して、クラッチ嵌合の回転数も２００ＲＰＭ低下して７００ＲＰＭで嵌合する。これにより、危険速度域とクラッチ嵌合回転数が重なる問題は回避される。本変形例において、１０００ＲＰＭは第３回転数の一例であり、１２００ＲＰＭは第１回転数の一例であり、７００ＲＰＭは第２回転数の一例である。

なお、危険速度の１０８０ＲＰＭと、クラッチ１２０が嵌合する回転数の７００ＲＰＭとの差は、３８０ＲＰＭであることに留意されたい。よって、この場合のクラッチ１２０が嵌合する回転数は、危険速度から２００ＲＰＭ以上離れており、さらには危険速度から３００ＲＰＭ以上離れている。

（６）第１実施形態の考察
第１実施形態では、３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭへの低下に要する時間（Ｔ２）は短くなるが、その替わりガスタービン出力を２５ＭＷで保持する待ち時間（Ｔ４）が長くなる。但し、Ｔ４の待ち時間中は２５ＭＷの発電を行っているので、Ｔ４の期間に供給される燃料は（比較例におけるＴ１での燃料のように）無駄に消費されているわけではない。しかし、一方では極力短時間でターニング運転入り（ステップＳ２２１）に移行させて、プラント停止時間を早くしたいというニーズがあるのも事実である。典型的には、プラント設備の点検・修理・メンテナンス作業等を早急に開始したい場合に備えるためである。この観点からは、２５ＭＷでの待ち時間（Ｔ４）は、プラント停止に要する時間を長引かせている一面を有する。次に述べる第２実施形態は、この点の改善を図るためのプラント停止方法である。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。第２実施形態の発電プラントの構成は、プラント制御装置１０１ａに搭載するソフトウェアを除き、第１実施形態の発電プラント１００ａの構成と同じである。第１実施形態と第２実施形態とのソフトウェアの相違は、ガスタービン出力を２５ＭＷから降下するタイミングにある。すなわち、第１実施形態ではＳＴ回転数が１２００ＲＰＭに低下したときにガスタービン出力降下を再開する（ステップＳ２１０）のに対し、第２実施形態ではＳＴ回転数がＲ１[ＲＰＭ]に低下したときにガスタービン出力降下を再開する。この場合、Ｒ１[ＲＰＭ]と１２００ＲＰＭとの間にはＲ１＞１２００の関係がある。第２実施形態では、ガスタービン出力降下を再開するタイミングが早くなる分、プラント停止に要する時間を短くできる。Ｒ１の値の算出方法等については、以下に詳述する。

なお、本実施形態のプラント構成については、図１を参照されたい。また、本実施形態のプラント停止方法の流れについては、図２を参照されたい。この際、例えばステップＳ２０９の「１２００ＲＰＭ」は前述の「Ｒ１[ＲＰＭ]」に読み替える。

図４は、第２実施形態のプラント停止方法を説明するためのトレンドグラフである。

これを説明すれば、プラント停止が開始される前、コンバインド出力は３００ＭＷで運転中である。プラント停止が開始されると、燃料１１６を所定レートで低減させて、コンバインド出力は３００ＭＷから次第に低減していく。

コンバインド出力が６０ＭＷ（ガスタービン出力が２５ＭＷ）まで低下したとき、燃料１１６の低減を一旦中断する。そして、蒸気タービン（ＳＴ）１０３の停止を開始する。蒸気タービン１０３の停止が完了すると、クラッチ１２０が離脱して、ＳＴ回転数は３６００ＲＰＭから降下を始める。以上のプラント停止手順は、第１実施形態と同じである。

第２実施形態のプラント停止手順は、以下の事項が第１実施形態と相違する。ＳＴ回転数はゆっくりと緩慢なレートで降下していき、ＳＴ回転数がＲ１[ＲＰＭ]に低下したとき、ガスタービン出力降下を再開する。Ｒ１の値については後述する。本実施形態のＲ１[ＲＰＭ]は、第３回転数の一例である。

ガスタービン出力降下を再開すると、ガスタービン出力は２５ＭＷから徐々に低下し、５ＭＷまで低下したとき解列する。ガスタービン出力（コンバインド出力）が２５ＭＷから５ＭＷに低下するまでに時間（Ｔ３）を要するのは、第１実施形態と同じである。

解列後のＧＴ回転数は３６００ＰＭから高速のレートで降下し、ＧＴ回転数が１２００ＲＰＭにまで低下したとき、ＧＴ回転数はＳＴ回転数に追い付き、両タービンの回転数は一致し、このときクラッチ１２０は再び嵌合する。これと同時に燃料１１６を遮断し、ガスタービン１０２を停止する。このとき、ＧＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに低下するまでに時間（Ｔ２）を要するのは、第１実施形態と同じである。また、ＳＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに低下するまでに時間（Ｔ４）を要するのも、第１実施形態と同じである。その後、クラッチ１２０が嵌合した状態で、両タービンはゆっくりと回転降下してターニング運転に入る。本実施形態の１２００ＲＰＭは、第１回転数の一例であり、かつ第２回転数の一例である。

このように、第２実施形態では、ＧＴ回転数とＳＴ回転数が１２００ＲＰＭに低下したときに、燃料１１６の遮断とクラッチ１２０の嵌合を同時に行う。これを実現するＲ１[ＲＰＭ]は、次のように算出することが可能である。

図４において、ＳＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに降下するのにＴ４を要するので、ＳＴ回転数の降下レートは次の（１）式で表せる。

ＳＴ回転数の降下レート＝（３６００－１２００）／Ｔ４
＝２４００／Ｔ４ －（１）
ここで、Ｔ４（およびＴ２とＴ３）の時間は全て「分」の単位を有する。

従って、ＳＴ回転数がＲ１[ＲＰＭ]から１２００ＲＰＭに低下するのに要する時間は、式（１）を利用して次の（２）式で表される。

Ｒ１から１２００ＲＰＭになる時間＝（Ｒ１－１２００）÷ＳＴ回転数の降下レート
＝（Ｒ１－１２００）Ｔ４／２４００ －（２）
一方、ガスタービン出力降下を再開して２５ＭＷから解列を経てＧＴ回転数が１２００ＲＰＭに低下するのに要する時間は、次の（３）式で表される。

２５ＭＷから１２００ＲＰＭになる時間＝Ｔ３＋Ｔ２ －（３）
第２実施形態のプラント停止方法においては、ＳＴ回転数が１２００ＲＰＭになるタイミングと、ＧＴ回転数が１２００ＲＰＭになるタイミングとを一致させる。そのためには（２）式＝（３）式という関係を満たせばよい。すなわち、次の（４）式を満たすＲ１を求めればよい。

（Ｒ１－１２００）Ｔ４／２４００＝Ｔ３＋Ｔ２ －（４）
（４）式を解いてＲ１は（５）式として求まる。

Ｒ１＝２４００（Ｔ３＋Ｔ２）／Ｔ４＋１２００ －（５）
先にＲ１＞１２００の大小関係と記載したが、Ｒ１は下記（６）式に表す回転数差だけ１２００ＲＰＭより高い回転数である。

回転数差＝２４００（Ｔ３＋Ｔ２）／Ｔ４ －（６）
第２実施形態は、第１実施形態より（６）式の回転数差の分だけ早くガスタービン出力降下の再開が開始されるので、プラント停止時間は短縮される。

この短縮時間を算出するには、（６）をＳＴ回転数の降下レート（（１）式）で除算すればよい。

短縮時間＝２４００（Ｔ３＋Ｔ２）／Ｔ４÷（２４００／Ｔ４）
＝Ｔ３＋Ｔ２ －（７）
（１）第２実施形態の効果と考察
第２実施形態では、１２００ＲＰＭにおいてガスタービン停止とクラッチ再嵌合が同時に行われるようにしたので、比較例における問題を排除しながら、第１実施形態よりもプラント停止時間の短縮が可能となる。この短縮される時間は、（７）式で与えられるＴ３+Ｔ２である。この理由を簡単に言えば、第１実施形態（図３）はガスタービン出力を２５ＭＷで保持する待ち時間はＴ４であるのに対し、第２実施形態（図４）では２５ＭＷで保持する待ち時間がＴ４－（Ｔ３+Ｔ２）と短いからである。このことは、図３と図４との比較から容易に読み取ることができる。

上記に関連して第２実施形態（図４）と第１実施形態（図３）と比較する場合、ＳＴ回転数が基準となって時間が整理されることを念頭に置くと理解の一助となる。具体的には、図４と図３において、「ＳＴ回転数が３６００ＲＰＭから降下を開始する時刻」および「ＳＴ回転数が１２００ＲＰＭに到達する時刻」は同じである（この場合の時刻とは、プラント停止が開始されたときを起点の０として、起算される時間（時刻）である）。それ故に、ＳＴ回転数１２００ＲＰＭの到達時刻に対して、燃料の遮断がどれだけ早いか遅いかという視点での比較が可能となる。この見方によっても、図４は図３より（Ｔ３+Ｔ２）だけ燃料の遮断が早いことが判る。

なお、比較例（図８）では、ＳＴ回転数が３６００ＲＰＭから降下を開始する時刻はこれらと同じであるが、ＳＴ回転数が１２００ＲＰＭに到達する時刻はこれらと異なり（クラッチ嵌合で降下レートが（１）式とは異なるため）、このＳＴ回転数基準を適用することはできない。

以下、燃料の遮断を更に早くした（Ｔ３＋Ｔ２より早くした）場合のプラント停止方法に簡単に触れる。その場合は、早期化の度合いに応じて（５）式で求まるＲ１より高い回転数でガスタービン出力降下を再開すれば、燃料の遮断は早期化できる。しかし、その場合にはＳＴ回転数とＧＴ回転数は１２００ＲＰＭ以上の回転数で一致することになり、つまり燃料が遮断される前にクラッチが嵌合するので、比較例に類似したプラント停止方法となる。このことは、Ｔ３＋Ｔ２が早期化の限界であることを意味する。

（２）第２実施形態の変形例
第２実施形態におけるＲ１の算出においては、実際にプラント停止したときの実機データ（ＳＴ回転数の降下レート（１）式）を必要とする。従って、第２実施形態を実際に導入する際には、最初は暫定的に第１実施形態によるプラント停止方法を試行し、実機データを取得した後に第２実施形態に移行する逐次的なアプローチが必要となる。その場合、図４（と図３）におけるＳＴ回転数の降下グラフは右下がりの直線で表現したが、実際にはＳＴ回転数は僅かに凹形状を成すカーブ状に降下するので、「直線」を仮定して算出されたＲ１は些少であるが誤差を有する。これに配慮して実際に適用するＲ１には適切なマージンを付与し、上記（５）式で求まるＲ１より若干低い回転数とし、１２００ＲＰＭより少し低い回転数でクラッチ嵌合が行われるようにするのが現実的である。この変形例による停止方法によれば、１２００ＲＰＭで燃料遮断（ガスタービン停止）が行われた後、数秒程度の経過を待ってクラッチ嵌合が行われる。よって、タービン設備への機械的なショック（ガスタービン停止とクラッチ嵌合）を時間差で分離して緩和する効果も期待できるので、より望ましい停止となる。プラント停止時間の短縮効果は、（７）式より若干目減りするものの、それは充分に正当化されよう。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態のプラント停止方法を説明するためのトレンドグラフである。

第３実施形態は、第２実施形態に類似するが、燃料の節約を目的とするプラント停止方法である。そのため、ＳＴ回転数の降下を待つ間、第２実施形態ではガスタービン出力を２５ＭＷで保持するのに対し、第３実施形態ではガスタービン出力を５ＭＷで保持して燃料の節約を図る。

なお、本実施形態のプラント構成については、図１を参照されたい。また、本実施形態のプラント停止方法の流れについては、図２を参照されたい。この際、例えばステップＳ２０９の「１２００ＲＰＭ」は後述の「Ｒ２[ＲＰＭ]」に読み替える。

以下、図５を説明する。プラント停止が開始される前、コンバインド出力は３００ＭＷで運転中である。プラント停止が開始されると、燃料１１６を所定レートで低減させて、コンバインド出力は３００ＭＷから次第に低減していく。

コンバインド出力が６０ＭＷ（ガスタービン出力が２５ＭＷ）まで低下したとき、燃料１１６の低減を一旦中断する。そして、蒸気タービン（ＳＴ）１０３の停止を開始する。蒸気タービン１０３の停止が完了すると、クラッチ１２０が離脱して、ＳＴ回転数は３６００ＲＰＭから降下を始める。以上のプラント停止手順は、第２実施形態と同じである。

第３実施形態のプラント停止手順は、以下の事項が第２実施形態と相違する。蒸気タービン１０３の停止が完了すると、直ちにガスタービン出力降下を再開する。ガスタービン出力降下を再開すると、ガスタービン出力は２５ＭＷから徐々に低下し、５ＭＷまで低下したときにガスタービン出力は５ＭＷに保持される。このとき、２５ＭＷから５ＭＷに低下するまでに時間（Ｔ３）を要するのは第２実施形態と同じである。その間にもＳＴ回転数はゆっくりと緩慢なレートで降下していき、ＳＴ回転数がＲ２[ＲＰＭ]に低下したとき解列する。Ｒ２の値については後述する。本実施形態のＲ２[ＲＰＭ]は、第３回転数の一例である。

解列後のＧＴ回転数は３６００ＰＭから高速のレートで降下し、ＧＴ回転数が１２００ＲＰＭにまで低下したとき、ＧＴ回転数はＳＴ回転数に追い付き、両タービンの回転数は一致し、このときクラッチ１２０は再び嵌合する。これと同時に燃料１１６を遮断し、ガスタービン１０２を停止する。このとき、ＧＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに低下するまでに時間（Ｔ２）を要するのは、第２実施形態と同じである。また、ＳＴ回転数が３６００ＲＰＭから１２００ＲＰＭに低下するまでに時間（Ｔ４）を要するのも、第２実施形態と同じである。その後、クラッチ１２０が嵌合した状態で、両タービンはゆっくりと回転降下してターニング運転に入る。本実施形態の１２００ＲＰＭは、第１回転数の一例であり、かつ第２回転数の一例である。

このように、第３実施形態では、第２実施形態と同様に、ＧＴ回転数が１２００ＲＰＭに低下したときに、ガスタービン停止とクラッチ嵌合を同時に行う。これを実現するＲ２[ＲＰＭ]は、Ｒ１を算出したときと同様に、次のように求まる（算出過程は省略）。

Ｒ２＝２４００（Ｔ２／Ｔ４）＋１２００ －（８）
（１）第３実施形態の効果と考察
第３実施形態は、ガスタービン出力を５ＭＷで保持するようにしたので、ガスタービン出力を２５ＭＷで保持する第２実施形態よりも燃料が少なくて済み、燃料が節約でき、ひいては経済的なプラント停止方法を実現できる。

しかし一方では、５ＭＷはガスタービン定格出力２００ＭＷの２．５％（一般に極低負荷と呼ばれる運転領域）なので、場合によっては第３実施形態ではガスタービンの安定した運転に支障をきたす惧がある。例えば系統グリッド１２９にいわゆる系統擾乱が起きた場合、系統周波数は大きく変動して、ガスタービン制御に備わるＤＲＯＯＰ制御は燃料を急減させて、最悪のケースではリバースパワー（逆電力）により解列に至る。

これと比較するに、２５ＭＷで保持する第２実施形態では、同様のＤＲＯＯＰ制御による燃料急減が起こったとしても、より高い２５ＭＷではリバースパワーには至らず、ガスタービンの発電運転はより安定したものになる。

本明細書に使用する５ＭＷや２５ＭＷの数値（ＳＴ回転数の降下を待つ間に保持するガスタービン出力）は、あくまで説明の便宜のための例である。しかし、第１から第３のいずれの実施形態を採用するにしても、これら５ＭＷや２５ＭＷに相当するガスタービン出力の値は、ガスタービン運転の安定と経済性のトレードオフの観点から慎重に選定される必要がある。

以下、プラント停止時間を、第３実施形態（図５）と第２実施形態（図４）との間で比較する。先に述べたＳＴ回転数が時間の基準になることは、このケースにも当てはまり、ＳＴ回転数が１２００ＲＰＭに到達する時刻は、図５と図４で同じ時刻（ＳＴ停止完了からＴ４が経過したとき）である。すなわち、両実施形態において、燃料の遮断は同じ時刻であり、プラント停止時間は同じである。一見すると、ガスタービン出力を２５ＭＷから５ＭＷに低減する工程（時間Ｔ３に相当）を先行的に行うので、第３実施形態の方がより早いプラント停止を可能にするように思える。しかし、（８）式で与えられるＲ２は（７）式で与えられるＲ１より低い回転数（遅れた時刻）なので、両実施形態のプラント停止時間は同じとなる。もし（８）式より高いＲ２（早い時刻）を設定して解列を行った場合、ＳＴ回転数とＧＴ回転数は１２００ＲＰＭ以上の回転数で一致し、それは燃料が遮断される前にクラッチが嵌合するプラント停止方法であり、望ましい停止方法ではない。

（２）第３実施形態の変形例
本実施形態で算出されたＲ２は、第２実施形態のＲ１と同様に些少の誤差を有する。そこで、第３実施形態の変形例は、これに配慮して実際に適用するＲ２には適切なマージンを付与し、上記（８）式で求まるＲ２より若干低い回転数とし、１２００ＲＰＭより少し低い回転数でクラッチ嵌合が行われるようにする。本変形例の方が現実的で、より望ましい停止方法となるのは第２実施形態の変形例と同様である。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法、およびプラントは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法、およびプラントの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１００、１００ａ：発電プラント、１０１、１０１ａ：プラント制御装置、
１０２：ガスタービン、１０３：蒸気タービン、１０４：排熱回収ボイラ、
１０５：ＭＣＶ弁（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：タービンバイパス調節弁、１１３：復水器、
１１４：循環水ポンプ、１１５：海水、１１６：燃料、１１７：発電機、
１１８：第１回転軸、１１９：第２回転軸、１２０：クラッチ、
１２１：第１検出用歯車、１２２：第２検出用歯車、１２３：蒸気配管、
１２４：主配管、１２５：バイパス配管、１２６：タービン排気管、
１２７：発電機遮断器、１２８：送電線、１２９：系統グリッド、
ＦＤ１：火炎検出器、ＳＰ１：ＧＴ回転数検出器、ＳＰ２：ＳＴ回転数検出器、
ＭＷ－Ｔｒ：ＭＷトランスデューサ、Ａ１：ガスタービン排ガス、Ａ２：主蒸気

Claims (11)

1. 燃料を燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
   前記ガスタービンからの排ガスの熱を用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラからの前記蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記ガスタービンと連結された第１軸と、
   前記蒸気タービンと連結された第２軸と、
   前記第１軸の回転数が前記第２軸の回転数に追い付いたときに、前記第１軸と前記第２軸とを嵌合により結合させるクラッチと、
   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、
   前記発電プラントを停止させる際に、前記蒸気タービンを停止させて前記第２軸の回転数を定格回転数から降下させ始め、前記蒸気タービンの停止後に前記燃焼器の燃焼を継続しながら前記第１軸の回転数を前記定格回転数から降下させ始める第１停止制御部と、
   前記第１軸の回転数が第１回転数に降下した場合に、前記燃焼器の燃料を遮断して前記ガスタービンを停止させる第２停止制御部であって、前記第１軸の回転数が前記第２軸の回転数に前記第１回転数以下の第２回転数で追い付いて前記クラッチが嵌合するように、前記ガスタービンを停止させる第２停止制御部と、
   を備えるプラント制御装置。
2. 前記第１停止制御部は、前記クラッチが離脱している間に、前記第１軸の回転数を前記定格回転数から前記第１回転数に降下させる、請求項１に記載のプラント制御装置。
3. 前記第２回転数は前記第１回転数よりも低く、前記燃焼器の燃料が遮断された後に前記クラッチが嵌合する、請求項１または２に記載のプラント制御装置。
4. 前記第２回転数は前記第１回転数と同じであり、前記燃焼器の燃料が遮断されると同時に前記クラッチが嵌合する、請求項１または２に記載のプラント制御装置。
5. 前記第１停止制御部は、前記第２軸の回転数が第３回転数に降下したときに、前記第１軸の回転数を前記定格回転数から降下させ始める、請求項１から４のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
6. 前記第３回転数は、前記第１回転数以下である、請求項５に記載のプラント制御装置。
7. 前記第３回転数は、前記第１回転数よりも高い、請求項５に記載のプラント制御装置。
8. 前記第１軸は、前記第１軸の共振周波数に依存する危険速度を有し、
   前記第２回転数は、前記危険速度よりも低い、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。
9. 前記危険速度と前記第２回転数との差は、２００ＲＰＭ以上である、請求項８に記載のプラント制御装置。
10. 燃料を燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
    前記ガスタービンからの排ガスの熱を用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラからの前記蒸気により駆動される蒸気タービンと、
    前記ガスタービンと連結された第１軸と、
    前記蒸気タービンと連結された第２軸と、
    前記第１軸の回転数が前記第２軸の回転数に追い付いたときに、前記第１軸と前記第２軸とを嵌合により結合させるクラッチと、
    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、
    前記発電プラントを停止させる際に、前記蒸気タービンを停止させて前記第２軸の回転数を定格回転数から降下させ始め、前記蒸気タービンの停止後に前記燃焼器の燃焼を継続しながら前記第１軸の回転数を前記定格回転数から降下させ始め、
    前記第１軸の回転数が第１回転数に降下した場合に、前記燃焼器の燃料を遮断して前記ガスタービンを停止させ、この際、前記第１軸の回転数が前記第２軸の回転数に前記第１回転数以下の第２回転数で追い付いて前記クラッチが嵌合するように、前記ガスタービンを停止させる、
    ことを含むプラント制御方法。
11. 燃料を燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
    前記ガスタービンからの排ガスの熱を用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラからの前記蒸気により駆動される蒸気タービンと、
    前記ガスタービンと連結された第１軸と、
    前記蒸気タービンと連結された第２軸と、
    前記第１軸の回転数が前記第２軸の回転数に追い付いたときに、前記第１軸と前記第２軸とを嵌合により結合させるクラッチと、
    を備える発電プラントであって、
    前記発電プラントを停止させる際に、前記蒸気タービンを停止させて前記第２軸の回転数を定格回転数から降下させ始め、前記蒸気タービンの停止後に前記燃焼器の燃焼を継続しながら前記第１軸の回転数を前記定格回転数から降下させ始める第１停止制御部と、
    前記第１軸の回転数が第１回転数に降下した場合に、前記燃焼器の燃料を遮断して前記ガスタービンを停止させる第２停止制御部であって、前記第１軸の回転数が前記第２軸の回転数に前記第１回転数以下の第２回転数で追い付いて前記クラッチが嵌合するように、前記ガスタービンを停止させる第２停止制御部と、
    をさらに備える発電プラント。

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