JPH0454805B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービンと、該ガスタービンの
排気ガスによつて発生させた蒸気で駆動される蒸
気タービンと、発電機とを一軸に結合し、かつ、
前記の発生蒸気は温度・圧力を異にする複数系列
の蒸気ラインを介して蒸気タービンに供給される
構成のコンバインドサイクル発電プラントを起動
する為の蒸気加減弁操作方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

ガスタービンを直結されていない蒸気タービン
は、ガバナによつて蒸気加減弁を自動的に操作し
て、次記のように制御される。

(a)速度制御 蒸気タービン通気から定格速度到達後併入まで
は、ガバナにより回転速度をコントロールし、目
標の速度となる様蒸気加減弁により蒸気流量制御
を行つている。

(b)負荷制御 蒸気タービン併入（もしくは負荷運転）以降は
系統周波数により回転数は決定されガバナにより
予め設定された速度調定率により、周波数増減に
相応して蒸気タービン負荷をコントロールすべく
蒸気加減弁開度を制御する。

〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、前述の一軸直結型コンバインドサイク
ル発電プラントにおいては、蒸気タービン専用の
ガバナによつて該蒸気タービンの回転を単独に制
御することが出来ず、起動操作の途中で蒸気ター
ビンがガスタービンによつて駆動回転される形を
現出する。

このため、蒸気加減弁の開弁操作が非常に難し
く、この操作が不適当であると次のような不具合
を招く虞れが有る。

(イ) 蒸気タービン熱応力発生 コンバインドプラントにおいては、ガスタービ
ン負荷により決定される排ガス温度により蒸気温
度が定まるが、蒸気加減弁開始点でのミスマツチ
により過大熱応力発生を招く虞れが有るので、蒸
気タービン通気タイミングを予め決めておく必要
があり、又、その開速度をロータ熱応力発生の度
合いにより加減しないと、ミスマツチによる熱応
力をさらに増大させることになる。

(ロ) 蒸気タービン内圧上昇による風損発生 高圧，低圧の複数の蒸気を蒸気タービンに導入
する際に、低圧側を先に通気するとその導入部よ
りも上流の高圧側はボトルアツプすることにな
り、当該蒸気タービンはガスタービンと一軸に連
結されて高速で回転させられているので滞流蒸気
により風損発生を招き、ロータ，ブレード，ケー
シングの加熱、過大熱応力発生，伸び伸び差異常
を起こし、変形，振動の原因となつてしまう。
又、一般に低圧蒸気は飽和蒸気条件となつてお
り、低圧蒸気加減弁後圧力が復水器真空同様（高
圧蒸気加減弁閉の為）なので、弁流速過大による
エロージヨン発生を招く虞れが多分にある。

(ハ) 低圧蒸気加減弁逆流発生 低圧蒸気加減弁を開弁する前に、高圧蒸気加減
弁を先行して開始する際、蒸気タービン内圧がガ
スタービン負荷により決定する蒸気流量に比例し
て上昇して行くので、あまり蒸気タービン内圧を
上昇させてしまうと低圧蒸気加減弁を開始した時
に弁前後の圧力が逆転して蒸気タービン側から低
圧蒸気加減弁上流側へ逆流してしまう（低圧ター
ビンバイパスを介して復水器へ捨てられる）とい
う不具合を招く。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、
一軸直結型コンバインドサイクル発電プラントを
構成している蒸気タービンに過大な熱応力を発生
せしめる虞れ無く、弁流側過大に因るエロージヨ
ンを発生させる虞れも無く、しかも蒸気の逆流に
因るエネルギーロスを生じる虞れの無い、蒸気加
減弁の操作方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明の操作方法
は、ガスタービンと、該ガスタービンの排気ガス
によつて発生させた蒸気で駆動される蒸気タービ
ンと、発電機とを一軸に結合し、かつ、前記の発
生蒸気は温度・圧力を異にする複数系列の蒸気ラ
インを介して蒸気タービンに供給される構成のコ
ンバインドサイクル発電プラントを起動する為の
蒸気加減弁操作方法において、低圧蒸気によつて
蒸気タービンをクーリングする為の低圧蒸気加減
弁微開状態を超えて該低圧蒸気加減弁を開弁する
に先立つて高圧蒸気加減弁の開弁を開始し、か
つ、高圧蒸気加減弁の開弁過程で混合部圧力が低
圧蒸気圧力を上回らないように低圧蒸気加減弁を
開弁することを特徴とする。

〔作 用〕

上記のように操作すると、次記のように作用し
て、前述の不具合を解消することが出来るという
効果を奏する。即ち、 (a) 高圧加減弁を低圧蒸気加減弁よりも先に開け
ることにより、蒸気タービン内部圧力上昇（混
合部より上流部）を防止できる（蒸気タービン
最終段の蒸気タービン風損防止のため、クーリ
ング蒸気として低圧加減弁を微開してクーリン
グする方法が取られる場合があるが、微量蒸気
のため蒸気タービン内部圧力上昇はほとんど影
響ない。） (b) 高圧加減弁を開して行く過程で、混合部圧力
が低圧蒸気圧力を上回る前に、低圧加減弁を開
始し、以後低圧蒸気圧力設定を混合部圧力以上
となる様上昇させて逆流を防止すると共に余剰
蒸気を無駄なく短時間で蒸気タービンに導入し
て仕事をさせることができる。

〔実施例〕

次に、第１図について本発明の１実施例を説明
するに先立ち、予め第２図〜第７図を順次に参照
しつつ、本発明の適用対象である一軸直結型コン
バインドサイクル発電プラントに関する技術的背
景を説明する。

本発明の対象となる一軸コンバインドプラント
の概略系統・構成を第２図に示す。

まずガスタービン１にて発電機２および蒸気タ
ービン３を同一軸にて駆動するが、このときガス
タービン１から発生した高温の排ガス（図示せ
ず）をグクト４を経由して蒸気発生器５に導く。
ここで熱交換することにより蒸気発生器５で発生
させた蒸気を、高圧蒸気配管６，低圧蒸気配管７
を介して、それぞれ高圧蒸気加減弁８，低圧蒸気
加減弁９へ導かれる。蒸気タービン３に通気しな
い場合の余剰蒸気は、それぞれ高圧タービンバイ
パス弁１０，低圧タービンバイパス弁１１を介し
て復水器１２に回収される。回収された蒸気は復
水となり蒸気発生器５へ再び導かれ、最初同様に
ガスタービン１の排ガスと熱交換されて再度蒸気
となる。

蒸気タービン３に通気する場合は高圧蒸気およ
び低圧蒸気を各々高圧蒸気加減弁８、低圧蒸気加
減弁９を開することにより蒸気導入を図る。蒸気
タービン３を通つた蒸気は復水器１２に回収され
て蒸気発生器６に戻る。

第３図に蒸気発生器３から発生する蒸気圧力と
出力（出力はガスタービン出力もしくは一軸とし
てのガスタービンと蒸気タービンの合計出力を示
す）との関係を示す。一般に高出力時は蒸気発生
量も多くなり、その蒸気圧力も高くなるが、（蒸
気通過部の流路面積が一定であれば蒸気発生量に
比例して蒸気圧力も上昇）、これは安定した運転
状態の場合である。起動時の如く蒸気発生器３が
冷えていたり、又、多少暖たまつた状態である
等、初期温度状態の如何によつてこの出力−蒸気
圧力の関係は変わるものである。

ここで、第４図に本発明の対象となる蒸気ター
ビン内部の蒸気加減弁開閉による蒸気の流状態の
一例を示す。

まず、仮に高圧蒸気加減弁（以後高圧加減弁）
８を開いて、蒸気タービン内に蒸気を流すと、蒸
気タービン内部に圧力をもち、図中に示す混圧部
１３もある圧力となる。その後、低圧蒸気加減弁
（以後低圧加減弁）９を開いた場合に混圧部の圧
力が低圧加減弁上流側側の蒸気圧力よりも高い場
合は、蒸気の混圧部の蒸気が低圧加減弁を逆流し
てしううことになる。つまり、高圧加減弁を通つ
た蒸気が蒸気タービン途中の混圧部から低圧加減
弁を逆流して、蒸気発生器（図示せず）、又は低
圧タービンバイパス（図示せず）を介して復水器
（図示せず）へ流れてしまうことになり、エネル
ギを無駄にすることになる。

又、低圧加減弁を先に開いた場合を想定する
と、第４図に示す混合部１３よりも上流側（つま
り高圧加減弁８の後流側）の蒸気タービン内部
が、低圧蒸気が流れるために圧力を持つてしま
い、ある加圧状態で回転することになつてしま
し。このため、蒸気の流れが無い状態での回転に
よる風損発生を招き、温度上昇による過熱、伸び
変形等を引き起こして熱応力発生の原因となり、
あるいは変形による摺損、振動の原因となる。従
つて、この様な状態は回避する必要がある。

さらに、低圧蒸気加減弁自体を考えると、一般
に飽和蒸気が用いられるため、弁部蒸気流速を大
きくすると湿りによりエロージヨン発生の原因と
なるので、蒸気流速は低い方が好ましいわけであ
り、前述の如き低圧加減弁を高圧加減弁よりも先
に開くことは、低圧加減弁前後差圧が大きい（高
圧加減弁が閉状態というとこは、蒸気タービン内
部圧力は復水器と同じ真空状態であり、低圧加減
弁開始時の弁前後圧力差は高圧加減弁からの蒸気
流量が有る場合のときの弁前後圧力差よりも大き
い）ので、流速も大きくなりエロージヨン発生を
招く虞れが大となる。このため、高圧加減弁を先
に開き、蒸気タービン内部に蒸気を流しある程度
の圧力を持たせることは低圧加減弁前後差圧を小
さくできるが、前述の如く逆流してしまう虞れも
併せて持つことになる。

以上が、高圧，低圧加減弁の相互の開タイミン
グに於ける問題と現象であるが、一軸コンバイン
ドサイクル特有の問題として、さらに下記があ
る。

第５図に示す様に、ガスタービン（プラント起
動）から通気（蒸気タービンに蒸気を導入する時
点）までに発生する高圧主蒸気量と高圧加減弁の
開始タイミングの関係である。つまり、短時間起
動を特徴とするコンバインドサイクルの場合は、
蒸気タービン通気迄に充分な蒸気量を確保し、そ
の時点から高圧加減弁を開いて行かないと、図示
中に示す蒸気発生器の高圧ドラムレベル変動Ｃが
発生してしまい、円滑なプラント起動が行えない
という問題がある。

蒸気タービンが、蒸気圧力コントロール機能
（通称IPR：初圧制御機能）を有する場合は、こ
のドラムベレル変動を招くことなく、蒸気タービ
ン側にて蒸気加減弁制御することになる。しか
し、一軸コンバインドサイクル用蒸気タービンに
於いては、ガスタービン側ガバナにて運用される
のが一般的であつて、上述の初圧制御機能を有し
ないのが一般的である。この為ガスタービン排熱
によつて発生させた蒸気流量と蒸気タービン側で
呑み込む蒸気流量とを上手にバランスさせない
と、第５図に示すドラムレベル変動Ｃを招くもの
である。又、蒸気タービンとしては、単に蒸気を
呑み込んで仕事をするだけでなく、DSS（毎日起
動・停止）運用に対応可能な様、蒸気タービンメ
タル温度に合致する温度になつた時点、あるいは
これに近い蒸気温度になつた時点で通気すること
を狙つて蒸気の通気を行う様計画されるのが通常
である。

このため、いわゆるホツトスタート、ウオーム
スタート、コールドスタート等のプラントあるい
は蒸気タービンの状態に対し、おのずから所望す
る蒸気温度が予め求められる訳でガスタービンの
負荷も蒸気タービン通気前に、どの負荷にしてお
くかということも予め設定される（一般にガスタ
ービン負荷と排ガス温度は、ほぼ比較した関係で
あり、ガスタービン低負荷から高負荷に対し、排
ガス温度も低温から高温に変化し、蒸気発生器か
ら発生する蒸気温度もそれに見合つた温度特性と
なる。）故に、高圧加減弁を開いて通気する時点
での、ガスタービン負荷、高圧主蒸気温度も予め
設定可能であり、その時の高圧蒸気圧力も運転特
性に合わせた圧力（第３図参照）となる様、高圧
タービンバイパスにより設定可能である。

以上の関係は低圧加減弁にもあてはまる。

第６図は低圧加減弁を開いたときの蒸気圧力
（低圧ドラムレベル）が変動した状態の１例を示
している。本例では、低圧加減弁逆流を防止する
という観点から、低圧蒸気圧力を高くする様に低
圧タービンバイパスを閉める方向で設定圧力を高
くさせてある。しかし、ガスタービン負荷に見合
つた低圧蒸気圧力以上にはならず、ガスタービン
負荷相当圧力にバランスする。

第１図は、本発明の蒸気加減弁操作方法の１実
施例における蒸気流量（蒸気加減弁開度）、蒸気
圧力、及びタービン出力・回転数の時間的変化を
示す図表である。

横軸に時間をとり、起動（操作開始）時点、併
入時点、通気（開始）時点、及び全負荷（到達）
時点をそれぞれ示してある。時間軸上の“起動”
時点でガスタービンが回し始められ、定格回転数
Ｒに達すると“併入”が行われる。しかし、この
状態では未だ蒸気タービンに通気されず、該蒸気
タービンは動力を発生しない。

時間軸上の“通気（開始）時点”に対応する
T₁点で、高圧蒸気加減弁が開き始められ、高圧
蒸気流量は加減弁開度に比較してカーブF_hの如
く上昇する。これに伴つて蒸気タービン内部の圧
力が上昇する。蒸気タービン混合部圧力も蒸気流
量にほぼ比例して上昇し、その時のガスタービン
負荷に見合つた圧力迄上昇することになる。（こ
のとき、短時間起動ということがガスタービン負
荷を上昇させれば、当然のことながら、本混合部
圧力を上昇してしまう） この時点でT₁、低圧蒸気加減弁は未だ閉じら
れており、低圧蒸気は低圧タービンバイパスで捨
てている（第１図において、カーブB₂の下方に
平行斜線を付して示す）。

高圧蒸気加減弁から供給される蒸気量の増加に
伴つて上昇する混合部圧力が、低圧蒸気圧力を上
回る以前にT₂時点で低圧蒸気加減弁を開き始め
る。これに伴つて低圧蒸気流量はカーブF₂の如
く上昇してゆく。このように操作することによ
り、混圧部（第４図）からの蒸気の逆流が回避さ
れる。

本実施例においては、蒸気タービンメタル温度
に見合つたガスタービン負荷設定を行い蒸気温度
を予め設定しておき、蒸気のガスタービン負荷に
見合つた相当蒸気圧力（第３図参照）に高・低圧
蒸気ともタービンバイパスにて圧力設定し、高圧
加減弁を開け、続いて低圧加減弁を開けることに
より、逆流を防止する。この場合、高圧，低圧の
各蒸気圧力，流量，温度等が必ずしも、安定負荷
に見合つた値とは限らないので、高圧加減弁開始
前に（つまり、通気前に）、ガスタービン負荷を
保持し、蒸気発生器からの蒸気が安定する迄（通
常、数分間）待機し、その際の高・低圧蒸気圧力
をガスタービン負荷に見合つた設定圧力としてお
き高圧加減弁開に続いて低圧加減弁開を行う。

本発明を実施する場合、先に説明したように、
高圧加減弁を先に開き、混合部圧力が低圧蒸気圧
力を上回わらず、かつ低圧加減弁前後圧力比がク
リチカル（前後圧力比約0.55）とならない時（つ
まり蒸気流速が高くならない時点で低圧加減弁を
開くことにより弁エロージヨンを防止する。この
とき、低圧蒸気圧力が混合部圧力に見合つて上昇
する場合（つまり、高圧加減弁開度が上昇、高圧
蒸気流量増大時）は、低圧蒸気圧力設定を上昇さ
せて低圧加減弁前後圧力差を小さくさせることが
最適方法となる。

本発明を実施する場合、制御を簡素にする為に
は、高・低圧加減弁の開弁速度を一定とし、蒸気
流量が一率の値で増加する流量特性とすることが
望ましい。一方、起動条件には、ホツト、ウオー
ム、コールドなどの差が有るので、これら各種の
条件に対応させて複数の起動モードを設定して開
弁制御を行うと、蒸気発生応答の変化に合致した
運用が可能である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の操作方法を一軸
コンバインドサイクル発電プラントに適用する
と、蒸気タービンに過大な熱応力を発生せしめる
虞れ無く、弁流速過大に因るエロージヨンを発生
させる虞れ無く、しかも蒸気の逆流に因るエネル
ギーロスを招く虞れ無しに、短時間で起動操作を
完了することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸気加減弁操作方法の１実施
例を示す図表である。第２図は本発明の対象とな
る一軸コンバインドサイクルプラントの概略的な
系統図である。第３図はガスタービン（orプラン
ト）出力と蒸気発生器より発生する高・低圧蒸気
圧力特性を示す図表である。第４図は本発明の対
象となる蒸気タービン混合部の低圧加減弁への逆
流現象の説明図、第５図は本発明の対象となる高
圧加減弁開始時のタイミングを示す図表、第６図
は本発明の対象となる低圧加減弁開始時のタイミ
ングと設定圧力上昇を示す図表、第７図は本発明
の理論的方式を説明する為の図表である。 １……ガスタービン、２……発電機、３……蒸
気タービン、４……ダクト、５……蒸気発生機、
６……高圧蒸気配管、７……低圧蒸気配管、８…
…高圧蒸気加減弁、９……低圧蒸気加減弁、１０
……高圧タービンバイパス弁、１１……低圧ター
ビンバイパス弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンと、該ガスタービンの排気ガス
   によつて発生させた蒸気で駆動される蒸気タービ
   ンと、発電機とを一軸に結合し、かつ、前記の発
   生蒸気は温度・圧力を異にする複数系列の蒸気ラ
   インを介して蒸気タービンに供給される構成のコ
   ンバインドサイクル発電プラントを起動する為の
   蒸気加減弁操作方法において、低圧蒸気によつて
   蒸気タービンをクーリングする為の低圧蒸気加減
   弁微開状態を超えて該低圧蒸気加減弁を開弁する
   に先立つて高圧蒸気加減弁の開弁を開始し、か
   つ、高圧蒸気加減弁の開弁過程で混合部圧力が低
   圧蒸気圧力を上回らないように低圧蒸気加減弁を
   開弁することを特徴とする蒸気タービンの蒸気加
   減弁操作方法。 ２ 前記高圧蒸気加減弁の開弁過程における低圧
   蒸気加減弁の開弁開始は、混合部圧力が低圧蒸気
   圧力に達する以前に行うことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の蒸気タービンの蒸気加減
   弁操作方法。