JPH04342803A - 火力プラントの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は蒸気タービンとボイラを
主機とする火力発電プラントの制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は変圧運転貫流型ボイラを設置した
従来の火力発電プラント設備の一例の主要部の構成を示
す系統図である。脱気器貯水層（１）からボイラ給水ポ
ンプ（２）によって昇圧されたボイラ給水は、高圧給水
加熱器（３）、ボイラ給水管（４）を経て節炭器（５）
へ供給される。そして更に、火炉水冷壁（６）、煙道蒸
発器（７）を経て気水分離器（８）に到り、ここで蒸気
と水とに分離される。

【０００３】分離された蒸気は、一次過熱器（１３）、
二次過熱器（１４）および三次過熱器（１５）を経由し
、主蒸気管（１６）を通って主蒸気止弁（１７）に到る
。この主蒸気は更に蒸気加減弁（１８）によって制御さ
れ、高圧タービン（１９）に供給される。

【０００４】気水分離器（８）で分離された水は、ボイ
ラ再循環管（９）に設置されたボイラ循環ポンプ（１０
）によって昇圧された後、気水分離器水位調節弁（１１
）を経てボイラ給水管（４）に戻される。また、節炭器
出口から一部分岐した給水が、過熱器スプレイ水管（４
１）を経て、一段スプレイ制御弁（４２）および二段ス
プレイ制御弁（４３）から過熱器連絡管に投入される。

【０００５】従来の火力発電プラントの変圧運転貫流型
ボイラでは、主管系にボイラ絞り弁が設けられていない
。したがって、主蒸気止弁からボイラ給水ポンプ出口ま
で、ほぼ一様な圧力レベル（ボイラ給水ポンプ側が系統
の圧力損失分だけ高い）となる。すなわち、主蒸気圧が
亜臨界圧ならば、火炉水冷壁流体圧力も亜臨界圧となる
。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の変圧運転貫流型
ボイラを設置した火力発電プラントにおいては、主蒸気
止弁前の圧力はボイラ給水量により、同蒸気温度は燃焼
量により、それぞれ制御していた。したがって超臨界圧
で変圧運転を行なう場合、タービン入口圧力に火炉水冷
壁出口流体圧力も追随して変る。すなわち部分負荷にお
いてもタービン蒸気加減弁をほぼ全開の状態で運転する
変圧運転にあっては、部分負荷における火炉水冷壁流体
圧力は亜臨界圧となり、流体は気液２相流となる。した
がってその流動現象は超臨界圧の単相流の場合と異なり
、熱吸収量等の外的条件によって大きく影響を受ける。

【０００７】図４に２相流領域における火炉水冷壁管内
の流動特性を示す。図中Ｑ１　，Ｑ２　，Ｑ３　は熱吸
収量の異なる３本の蒸発管の熱吸収量を示し、Ｑ１　＞
Ｑ２　＞Ｑ３　の関係にある。そこで例えば熱吸収量Ｑ
１　の水冷壁管について流量と圧力降下の関係を見ると
、圧力降下ΔＰ１　において管内流量が３点（Ｇ１１＜
Ｇ１２＜Ｇ１３）存在し、２相流の流動が不安定なこと
が分る。また圧力降下ΔＰ２　の状態においては、熱吸
収量がＱ１　，Ｑ２　，Ｑ３　と異なると各管の管内流
量はＧ２１＜Ｇ２２＜Ｇ２３となり、熱吸収量の大きい
管程、管内流量が減少することが示されている。

【０００８】このように２相流域においては、流動の安
定性が悪く、熱吸収量の変動等の影響を受けて管内流量
が大幅に変動しやすい。したがって、特に負荷変化時等
においては、火炉水冷壁管間の流量分布が不均一となり
、熱吸収量の不均一とも相俟って出口温度が著しくアン
バランスになって、水冷壁内に熱応力を生じ信頼性が損
われることとなる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来の課
題を解決するために、気水分離器と一次過熱器とを接続
する連絡管に設けられたボイラ絞り弁により主蒸気止弁
入口の圧力を、ボイラ給水ポンプの回転数または同給水
ポンプの出口に設けられた給水制御弁により気水分離器
の器内圧力を、タービンの入口に設けられた蒸気加減弁
によりタービン出力を、それぞれ制御することを特徴と
する火力プラントの制御方法を提案するものである。

【００１０】本発明はまた、低負荷領域において、ボイ
ラ絞り弁を全開したまま、蒸気加減弁の入口圧力が所定
の亜臨界圧となるようにボイラ燃焼量を制御するととも
に、気水分離器の水位を給水量により、蒸気加減弁温度
を過熱器スプレイにより、タービン出力を蒸気加減弁に
より、それぞれ制御することを特徴とする火力プラント
の制御方法を提案するものである。

【００１１】本発明は更に、中負荷領域において、気水
分離器の器内圧力が所定の超臨界圧力に保たれるように
給水ポンプの回転数または給水制御弁を制御するととも
に、主蒸気止弁入口の圧力をボイラ絞り弁により、ター
ビン出力を蒸気加減弁により、それぞれ制御することを
特徴とする火力プラントの制御方法を提案するものであ
る。そして上記中負荷領域においては、上記要件に加え
て、気水分離器流体温度を過熱器スプレイにより制御す
ることを特徴とす火力プラントの制御方法をも提案する
ものである。

【００１２】更に加えて本発明は、ボイラ絞り弁全開で
気水分離器の器内圧力が所定の超臨界圧力を超える高負
荷領域において、主蒸気止弁入口の圧力を給水量により
、主蒸気止弁入口の温度をボイラ燃焼量により、タービ
ン出力を蒸気加減弁により、それぞれ制御することを特
徴とする火力プラントの制御方法を提案するものである
。

【００１３】

【作用】本発明では、気水分離器と一次過熱器の入口と
の間にボイラ絞り弁を設置し、亜臨界圧貫流運転域にお
けるタービン入口圧力（主蒸気止弁入口圧力）をこのボ
イラ絞り弁により制御するとともに、過渡状態での制御
と微調整を蒸気加減弁により行ない、水冷壁内流体圧力
が所定の超臨界圧力となるように給水を制御する。ここ
で水冷壁圧力は、ボイラ絞り弁により減圧した後の蒸気
が飽和蒸気に近い乾き蒸気となるような圧力とする。こ
れにより、ボイラ絞り弁の２相流によるエロージョンの
問題を解決する。

【００１４】図５に圧力特性図を示す。超臨界圧変圧運
転プラントにおいては、まず蒸気加減弁絞り損失をなく
する。このようにして加減弁後の温度特性を改善するこ
とにより給水ポンプ消費電力の低減するとともに、蒸気
温度を高く維持してタービン性能を向上させ、またター
ビンメタル温度の低下を防止して寿命消費を低減してい
る。しかしこの運転時の流体圧力はタービン入口圧力、
水冷壁出口圧力のどちらも純変圧（負荷にほぼ比例して
圧力が変わる）となり、部分負荷では水冷壁流体圧力は
亜臨界圧となって２相流となる。したがって水冷壁管内
流体の流れには、前述の２相流に特有な問題が生じやす
く、水冷壁の信頼性を害しやすい。また負荷降下時には
節炭器に蒸発現象（スチーミング）が生じ、節炭器系の
信頼性も問題になることがある。

【００１５】本発明方法においては、ボイラ絞り弁を使
用することにより水冷壁流体圧力を超臨界圧に保持する
ことができる。すなわちボイラ絞り弁によりタービン入
口圧力を負荷に応じた最適圧力（変圧）に制御し、水冷
壁流体圧力を負荷に応じた超臨界に保持することができ
る。なお亜臨界圧運転域においても、例えば整定運転時
のように火炉水冷壁の流動問題が発生し難い状態では、
ボイラ絞り弁を全開にして純変圧運転を行なうこともで
きる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の方法が実施される火力発電プ
ラント設備の一構成例を示す系統図である。まず、プラ
ント全体の概要を説明する。

【００１７】脱気器貯水槽（１）内の給水はボイラ給水
ポンプ（２）により昇圧され、給水制御弁（４４）、高
圧給水加熱器（３）、ボイラ給水管（４）を経由して節
炭器（５）へ供給される。節炭器出口給水は続いて火炉
水冷壁（６）、煙道蒸発器（７）に送給され、ここで２
相流または蒸気となり、気水分離器（８）に供給される
。２相流の場合はここで蒸気と水に分離され、蒸気のみ
がボイラ絞り弁（１２）を経て一次過熱器（１３）へ供
給される。水はボイラ再循環管（９）に設けられたボイ
ラ循環ポンプ（１０）により、気水分離器水位制御弁（
１１）を経て、ボイラ給水管に再循環する。貫流域また
は超臨界圧域では、気水分離器（８）へ流入する流体は
蒸気または超臨界圧流体である。

【００１８】一次過熱器（１３）の出口蒸気は、一段ス
プレイによって制御された後二次過熱器（１４）に入り
、更に主蒸気温度が所定温度となるように二段スプレイ
によって温度制御の上、三次過熱器（１５）に到る。 スプレイ水は、節炭器（５）の出口から分岐するスプレ
イ水管（４１）を経て、一段スプレイ水制御弁（４２）
、二段スプレイ水制御弁（４３）から投入される。 過熱器を出た主蒸気は、主蒸気管（１６）を通り主蒸気
止弁（１７）、蒸気加減弁（１８）を経て、高圧タービ
ン（１９）へ供給される。　　高圧タービン（１９）を
出た低温再熱蒸気は逆止弁（２０）を経て再熱器（２１
）に到り、ここで再熱されて高温再熱蒸気となる。この
高温再熱蒸気は再熱止弁（２２）、インターセプト弁（
２３）を経て低圧タービン（２４）へ供給される。（２
５）は発電機を示す。低圧タービン（２４）の排気は排
気ダクト（２６）を経て復水器（２７）で凝縮する。な
お起動時（タービン併入前または極く低負荷時）や所内
単独運転時は、再熱器（２１）の過熱を防止するため、
ボイラで発生する低温または余剰の蒸気が高圧タービン
バイパス系（３３）（高圧タービンバイパス弁（３１）
、高圧スプレイ減温器（３２））を経て再熱器（２１）
へ供給される。再熱器（２１）を冷却した余剰蒸気は低
圧タービンバイパス系（３４）（低圧タービンバイパス
弁（３５）、低圧スプレイ減温器（３６））を経由して
復水器（２７）へ棄てられる。復水器（２７）で凝縮し
て生じた復水は、復水ポンプ（２８）により昇圧された
後、低圧給水過熱器（２９）を経て脱気器（３０）へ供
給される。

【００１９】上記のプラント系統において、タービン入
口の蒸気加減弁（１８）をほぼ全開（微調整用に若干の
絞りを有す）にした状態で変圧運転を行なう場合、もし
ボイラ絞り弁（１２）が無ければ、水冷壁出口圧力は図
５に示された純変圧運転の特性となり、約７０％負荷以
下では亜臨界となるが、本実施例ではボイラ絞り弁（１
２）を操作することにより、水冷壁出口圧力を所定の超
臨界圧力に維持することができる。図６は、このような
水冷壁出口温度制御を行なう場合における、各部エンタ
ルピの特性を示す。水冷壁出口圧力は、減圧後の蒸気が
若干の過熱度を有する低温蒸気となるエンタルピの超臨
界圧流体とする。極く低負荷（第５図の例では２５％以
下）では、火炉水冷壁流量確保のためボイラ再循環運転
を行なうが、この運転域においては所定の低圧運転（ボ
イラ絞り弁全開）を行なう。

【００２０】ボイラ絞り弁（１２）は、気水分離器と過
熱器入口との間の連絡管に設けるのであるが、制御性の
観点から複数個設けるのが望ましい。例えば４個設備し
た場合の運用要領を図７に例示する。この図は、最低圧
力を約８０ｋｇ／ｃｍ２　ｇとし、７５％負荷時の水冷
壁圧力を約２４０ｋｇ／ｃｍ２　ｇとする変圧運転プラ
ントで、低圧運転（約８０ｋｇ／ｃｍ２　ｇ）を行なう
湿り（再循環運転）運転域を除く亜臨界圧では、水冷壁
出口圧力を２４０ｋｇ／ｃｍ２　ｇに保持する場合の例
を示す。なお本例は４個の弁をシリーズに操作する例で
あるが、全弁を同時に並行して運用することもできる。

【００２１】図２は本発明の方法が実施される火力発電
プラント設備の他の例の主要部を示す系統図である。こ
の例では、ボイラ再循環運転域において、気水分離器（
８）で分離された水の保有熱を、高圧給水加熱器（３）
（又はアディショナルヒータ）で回収するようになって
いる。

【００２２】

【発明の効果】本発明においては、超臨界圧貫流ボイラ
の亜臨界圧運転域で火炉水冷壁系統をボイラ絞り弁と給
水制御により超臨界圧に保持することにより、以下の効
果が得られる。 １）亜臨界圧２相流の場合に比べ水冷壁流体の流動安定
性が大幅に向上して、水冷壁管間の温度不均一が大幅に
低減でき、水冷壁の信頼性が向上する。一般に、２相流
の場合、特に負荷が変化するような過渡状態では、流れ
が不安定、不均一となり易いため、負荷変化速度が制約
されるが、本発明では、超臨界運転を行なうことによっ
て急速に負荷を変化させることができる。 ２）負荷一定運転のような整定運転状態では、ボイラ絞
り弁全開による純変圧運転ができ、ボイラ給水ポンプの
消費動力を低減できる。 ３）亜臨界圧運転の場合は、負荷降下時に節炭器で蒸発
現象（エコスチーミングという）が生じて流動が不安定
となり、信頼性を害うことになるが、超臨界圧運転とす
ることにより完全に解決する。 ４）ボイラ絞り弁下流側は純変圧運転を行なうので、■
タービン絞り損失がない、■蒸気加減弁下流の温度低下
がなくタービン寿命消費が低減する。 ５）絞り弁前の圧力と流体温度を、絞り弁後流側流体が
湿り蒸気にならないような条件に保持することにより、
湿り蒸気による絞り弁の損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の方法が実施される火力発電プラ
ント設備の一例を示す系統図である。

【図２】図２は本発明の方法が実施される火力発電プラ
ント設備の他の例の主要部を示す系統図である。

【図３】図３は変圧運転貫流型ボイラを設置した従来の
火力発電プラント設備の一例の主要部の構成を示す系統
図である。

【図４】図４は貫流ボイラの亜臨界圧域における火炉水
冷壁管内の流動特性を示す図である。

【図５】図５は変圧運転貫流ボイラの圧力特性を示す図
である。

【図６】図６は変圧運転貫流ボイラの各部エンタルピ特
性を示す図である。

【図７】図７はボイラ絞り弁の操作要領を例示する図で
ある。

【符号の説明】

（１）　　脱気器貯水槽 （２）　　ボイラ給水ポンプ （３）　　高圧給水加熱器 （４）　　ボイラ給水管 （５）　　節炭器 （６）　　火炉水冷壁 （７）　　煙道蒸発器 （８）　　気水分離器 （９）　　ボイラ再循環管 （１０）　　ボイラ循環ポンプ （１１）　　気水分離器水位調整弁 （１２）　　ボイラ絞り弁 （１３）　　一次過熱器 （１４）　　二次過熱器 （１５）　　三次過熱器 （１６）　　主蒸気管 （１７）　　主蒸気止弁 （１８）　　蒸気加減弁 （１９）　　高圧タービン （２０）　　逆止弁 （２１）　　再熱器 （２２）　　再熱止弁 （２３）　　インターセプト弁 （２４）　　低圧タービン （２５）　　発電機 （２６）　　排気ダクト （２７）　　復水器 （２８）　　復水ポンプ （２９）　　低圧給水加熱器 （３０）　　脱気器 （３１）　　高圧タービンバイパス弁 （３２）　　高圧スプレイ減温器 （３３）　　高圧タービンバイパス系 （３４）　　低圧タービンバイパス系 （３５）　　低圧タービンバイパス弁 （３６）　　低圧スプレイ減温器 （４１）　　過熱器スプレイ水管 （４２）　　一段スプレイ水制御弁 （４３）　　二段スプレイ水制御弁 （４４）　　給水制御弁

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　気水分離器と一次過熱器とを接続する
   連絡管に設けられたボイラ絞り弁により主蒸気止弁入口
   の圧力を、ボイラ給水ポンプの回転数または同給水ポン
   プの出口に設けられた給水制御弁により気水分離器の器
   内圧力を、タービンの入口に設けられた蒸気加減弁によ
   りタービン出力を、それぞれ制御することを特徴とする
   火力プラントの制御方法。
2. 【請求項２】　　低負荷領域において、ボイラ絞り弁を
   全開したまま、蒸気加減弁の入口圧力が所定の亜臨界圧
   となるようにボイラ燃焼量を制御するとともに、気水分
   離器の水位を給水量により、蒸気加減弁温度を過熱器ス
   プレイにより、タービン出力を蒸気加減弁により、それ
   ぞれ制御することを特徴とする火力プラントの制御方法
   。
3. 【請求項３】　　中負荷領域において、気水分離器の器
   内圧力が所定の超臨界圧力に保たれるように給水ポンプ
   の回転数または給水制御弁を制御するとともに、主蒸気
   止弁入口の圧力をボイラ絞り弁により、タービン出力を
   蒸気加減弁により、それぞれ制御することを特徴とする
   火力プラントの制御方法。
4. 【請求項４】　　気水分離器流体温度を過熱器スプレイ
   により制御することを特徴とする請求項３記載の火力プ
   ラントの制御方法。
5. 【請求項５】　　ボイラ絞り弁全開で気水分離器の器内
   圧力が所定の超臨界圧力を超える高負荷領域において、
   主蒸気止弁入口の圧力を給水量により、主蒸気止弁入口
   の温度をボイラ燃焼量により、タービン出力を蒸気加減
   弁により、それぞれ制御することを特徴とする火力プラ
   ントの制御方法。