JPH05240005A - 複合サイクル発電プラント用蒸気タービン制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高圧蒸気加減弁急閉時に、急激に低圧蒸気加減
弁を絞り込み得る複合サイクル発電プラント用蒸気ター
ビン制御装置に関する。 【構成】複合サイクル発電プラントに使用される蒸気タ
ービンおいて、高圧蒸気加減弁開度に対応して低圧蒸気
加減弁開度を制限する低圧蒸気加減弁開度制限器１２０
を設け、これにより前記低圧蒸気加減弁の先行制御を行
う複合サイクル発電プラント用蒸気タービン制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンと蒸気ター
ビンとを組み合わせて構成される複合サイクル発電プラ
ントにおける蒸気タービンの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記構成の複合サイクル発電プラントに
おいては、ガスタービンで仕事をした高温度の排気ガス
を利用して排熱回収ボイラにおいて熱交換し、蒸気を発
生させて、この蒸気によって蒸気タービンを駆動するよ
うにしている。発電は前記ガスタービン、蒸気タービン
の双方によってなされ熱エネルギーを効率よく利用する
ようにしている。この種の発電方式は、従来のガスター
ビン単体による発電または蒸気サイクル発電に比して、
より効率の高い発電方式として現今注目されるようにな
ってきた。

【０００３】複合サイクル発電プラントにおいては、ガ
スタービン、排熱回収ボイラ、蒸気タービン等の各々の
機器の特性を生かした最適な制御方式を採用することが
プラントの効率的運用、容易な運転を実現する上で重要
である。

【０００４】以下、図２〜図４につき従来の複合サイク
ル発電プラントおよびその運転態様の概略を説明する。
図２は２軸のガスタービン（図示の簡略化のためガスタ
ービンは１軸分のみ）と１軸の蒸気タービンとにより構
成された複合サイクル発電プラントの模式図である。

【０００５】この図において、圧縮機１で加圧圧縮され
た空気は、燃焼機２から噴射されるガスと混合して、こ
れにより生成される高温度の燃焼ガスはガスタービン３
に高速で進入し、これを駆動する。なお、ガスタービン
３は発電機４ｇを駆動して発電を行う。

【０００６】しかして、ガスタービン３において仕事を
おえた高温度の排気ガスは、排熱回収ボイラ５に供給さ
れ、高圧蒸気発生器６、低圧蒸気発生器７を経由する間
に水と熱交換して、大気中に放出される。高圧蒸気発生
器６で発生した蒸気は、高圧主蒸気止め弁８、高圧蒸気
加減弁９を介して蒸気タービン１０の高圧段落に流入
し、低圧蒸気発生器７で発生した蒸気は低圧主蒸気止め
弁１１、低圧蒸気加減弁１２を介して蒸気タービン１０
の低圧段落に流入する。これ等の蒸気により、蒸気ター
ビン１０は駆動され発電機４ｓを駆動して発電を行う。

【０００７】蒸気タービン１０において仕事をおえた蒸
気は、復水器１３に流入しここで冷却水と熱交換して復
水し、この復水は排熱回収ボイラ５に還流される。な
お、高圧主蒸気系統内の余剰蒸気は高圧バイパス弁１４
を介して、また低圧主蒸気系統内の余剰蒸気は低圧バイ
パス弁１５を介して、それぞれ前記復水器１３に流入し
それ等の復水もまた排熱回収ボイラ５に還流される。

【０００８】以下、上記複合サイクル発電プラントの運
転態様を説明する。上記の多軸型複合サイクル発電プラ
ントを起動するに際しては、まずガスタービン３の起動
がなされ、その排熱によって排熱回収ボイラ５の暖機が
なされる。前記の暖機により排熱回収ボイラ５の高圧蒸
気発生器６および低圧蒸気発生器７は、その発生蒸気圧
力、温度を徐々に上昇させていき、まず高圧蒸気が安定
したところで、高圧蒸気加減弁９が開き高圧蒸気が蒸気
タービン１０の高圧段落に流入する。次に低圧蒸気が安
定したところで、低圧蒸気加減弁１２が開き低圧蒸気が
蒸気タービン１０の低圧段落に流入する。この間、各蒸
気発生器６、７で発生した余剰蒸気は、高圧バイパス弁
１４および低圧蒸気バイパス弁１５を経由して、蒸気タ
ービン１０を通過することなく復水器１３に直接に流入
する。

【０００９】排熱回収ボイラ５の各蒸気発生器６、７が
安定に蒸気を発生し出すと、各バイパス弁１４、１５が
全閉し、蒸気タービン１０には各蒸気発生器６、７の蒸
気発生量に見合った蒸気が流入する。蒸気タービン１０
の通常運転時においては、蒸気タービン１０の効率を高
める目的で、各蒸気加減弁９、１２を全開とした変圧モ
ードでの運用が採用されている。上記のようにすること
により、蒸気タービンの起動時および負荷上昇時におけ
る蒸気加減弁９、１２による絞り損失を少なくして、蒸
気タービン１０での高い発電効率を維持しようとするも
のである。すなわち、各蒸気加減弁９、１２を早期に全
開とし、その後蒸気発生器６、７の圧力の上昇に従って
負荷上昇を図るようにしているのである。

【００１０】図３に蒸気タービン１０起動時の各蒸気加
減弁９および１２の開度（図中１０７および１０８）、
各バイパス弁１４および１５の開度（図中高圧蒸気圧力
１０３および低圧蒸気圧力１０４）、蒸気タービン１０
の速度および負荷（図中１０１および１０２）の関係を
示す。

【００１１】プラントの運転開始に当り、まず排熱回収
ボイラ５が暖機され高圧蒸気発生器６の圧力１０３が所
定の値になると、高圧バイパス弁１４はその開度を徐々
に増大させていく。さらに、高圧蒸気発生器６の温度が
所定の値となったところで、高圧蒸気加減弁９を制御し
て、蒸気タービン１０の昇速、定格回転数での運転、併
入操作を行う。さらに、蒸気タービンの暖機完了後に高
圧蒸気加減弁９は一定のレートでその開度を増大させ、
全開させられる。前記高圧蒸気加減弁９の開度増大中ま
たは全開時において、高圧主蒸気圧力が設定圧力以下と
なった場合には、高圧蒸気加減弁９を絞り込むことによ
り、高圧主蒸気圧力を設定値以上に保持する。高圧バイ
パス弁１４は、蒸気タービン１０に流入する蒸気流量が
増加するに伴い、その開度１０５を減じ終にはは全閉す
る。高圧バイパス弁１４が全閉した後、高圧蒸気発生器
６圧力はガスタービン側の負荷上昇とともに上昇する。

【００１２】低圧蒸気加減弁１２は、高圧蒸気加減弁９
の開度が一定開度以上となったところで、高圧蒸気加減
弁９とは異なった一定のレートでその開度を増大させ、
全開させられる。なお、この低圧蒸気加減弁１２は前記
高圧蒸気加減弁９とは異なり、蒸気タービン１０の調速
機能を有しない。また、低圧蒸気加減弁１２は前記高圧
蒸気加減弁９と同様に、低圧蒸気圧力を設定値以上に保
持する機能を有する。低圧バイパス弁１５の開度１０６
も、前記高圧バイパス弁１４と同様に蒸気タービン１０
に流入する蒸気流量の増加に伴い、全閉とされる。而し
て、前記低圧バイパス弁１４の全閉後においては、低圧
蒸気発生器７の圧力１０４はガスタービン側負荷上昇と
ともに上昇する。

【００１３】次に、高圧蒸気加減弁の弁位置制御ブロッ
クを図４Ａに示し、その動作を説明する。蒸気タービン
１０の起動後は、蒸気タービン回転数１０１と、回転数
設定器１０９からの回転数設定信号が加算器１１０を経
て、偏差信号となり、この偏差信号は一定の速度調定率
によって蒸気タービン１０を制御する。すなわち、前記
偏差信号は定数掛算器１１４に入力され、ここで速度調
定率に基づく信号とされ、高圧蒸気加減弁油筒１１１に
開度設定信号として加えられ、これにより蒸気タービン
１０の所定の速度上昇がなされる。定格回転数に到達し
た後、タービン併入時には初負荷保持バイアス１１２が
加算される。さらに、負荷設定器１１３からの負荷設定
信号により蒸気加減弁は全開となる。一方、高圧蒸気加
減弁開度設定器１１６からは、初負荷保持後ある定めら
れたレートで開度を増大させる信号が発せられる。しか
して、高圧ドラム圧力１０３と、圧力設定器１１７に若
干の信号一定値バイアス圧力１１８が加算されたものと
の偏差が負となると、前記開度設定器１１６は開度増加
信号を保持するようになっている。

【００１４】上記のようにすることによって、蒸気加減
弁開度がある一定レートで増大された場合、蒸気タービ
ンに流入する蒸気流量の増大による排熱回収ボイラ高圧
ドラム圧力の低下を防止して、蒸気の安定な発生を確保
している。

【００１５】図４（ｂ）は特に複数軸のガスタービン３
および排熱回収ボイラ５を運転し、それ等の発生蒸気で
蒸気タービン１０を運転する場合、排熱回収ボイラ５の
ドラム発生蒸気量と蒸気タービン流入蒸気量にミスマッ
チがあった際に作用する低圧蒸気加減弁１２の弁位置制
御ブロックを示している。低圧蒸気加減弁１２は前記し
たように蒸気タービン１０の速度、負荷制御機能を有し
ない。しかしながら、例えば特に蒸気タービン１０の負
荷遮断時のように急激な高圧蒸気加減弁９の絞り込みを
必要とする場合に、低圧蒸気加減弁１２の作動が高圧蒸
気加減弁９の作動に対して大きな遅れがあれば、低圧蒸
気加減弁１２を通じる蒸気量のみによっても蒸気タービ
ン１０は十分危険速度に達するまで加速される。一般に
は、上記のような危険を避けるため低圧蒸気加減弁１２
には高圧蒸気加減弁９とは異なる速度調定率（定数掛算
器１１４’により発生）を持たせ、低圧蒸気加減弁１２
の閉動作が高圧蒸気加減弁９のそれにできるだけ追従す
るようにしている。

【００１６】一方、低圧蒸気加減弁開度設定器１１６’
からは、高圧蒸気加減弁９の弁開動作などをもって、高
圧蒸気加減弁９とは異なるある定められたレートで開度
を増大させる信号が発せられる。しかして、高圧蒸気加
減弁９におけると同様、低圧ドラム圧力１０３’と、圧
力設定器１１７’に若干の信号一定値バイアス圧力１１
８’が加算されたものとの偏差が負となると、前記開度
設定器１１６’は開度増加信号を保持するようになって
いる。

【００１７】上記の構成は、高圧蒸気加減弁９における
同様の構成と目的を同じくするが、低圧上記加減弁１２
においては取り扱う蒸気が高圧蒸気加減弁９に比して、
かなり低温度、低圧力のものであることが多いため、蒸
気圧力、温度の低下により、場合によっては湿り蒸気ま
たは水滴混入蒸気の蒸気タービン１０内への流入を生じ
るおそれがあり、蒸気タービンの羽根のエロージョンな
どの原因となることがあるので、非常に重要なものとな
っている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】例えば負荷遮断の場合
について考える。蒸気タービン１０に急激な回転数の上
昇があると、高圧蒸気加減弁９が定数掛算器１１４によ
り速度調定率に従って急閉する。一方、低圧蒸気加減弁
１２においては蒸気タービン１０が高回転数になって始
めて閉動作を開始する。

【００１９】高圧蒸気加減弁９の急閉動作により、蒸気
タービン１０の内部圧力は復水器１３と同一圧力、すな
わち真空状態となる。これにより、低圧蒸気加減弁１２
の二次側圧力も真空状態となるため、低圧蒸気加減弁１
２の一次側二次側間の差圧が大となり、低圧蒸気発生器
７から蒸気タービン１０への蒸気流量が急激に増大し、
蒸気タービン１０が危険速度まで昇速されるおそれがあ
る。また、この際蒸気の急激な流出により低圧蒸気発生
器７のドラム内圧力が急激に低下し、低圧蒸気がドレン
化し易くなり、キャリーオーバドレンによる蒸気タービ
ン１０の羽根、ノズル等の蒸気通路構成部材に、エロー
ジョン等の損傷を生じるおそれがある。さらに、低圧蒸
気加減弁１２においては蒸気流量の増大にともない蒸気
流速が増大する。而して、これが一定の限界を超えると
特に内蔵ストレーナ（通常金網または多孔板により構
成）等の低圧蒸気加減弁構成部材が破損するおそれがあ
る。このストレーナ破損が生じると、その破片が蒸気タ
ービン１０内に流入し前記キャリーオーバドレンによる
損傷以上の損傷を生じるおそれがあり、蒸気タービン１
０の安全な運転の続行は不可能となる。

【００２０】また、負荷遮断時以外の場合でも、例えば
高圧蒸気発生器６の圧力が何等かの異常により急激に低
下し、高圧蒸気加減弁９が急激に絞り込まれた場合に
も、低圧蒸気加減弁１２の二次側圧力の急激な低下が見
られ、上記の各問題と同様の問題を生じ得ることとな
る。特に、上記の場合にあっては蒸気タービン１０が系
統と繋がったままであり、蒸気タービン１０の回転数は
系統の周波数に抑えられたままであるから、何等警報が
発せられることはなく、低圧蒸気加減弁１２での蒸気流
速は急激に増大される。そのため、蒸気タービン１０は
前記負荷遮断時以上に危険な状態に陥れられ、極端な場
合には羽根損傷によるタービンミサイル等も生じること
がある。

【００２１】本発明は上記の事情に基づきなされたもの
で、高圧蒸気加減弁急閉時に低圧蒸気加減弁を絞り込み
得る複合サイクル発電プラント用蒸気タービン制御装置
を提供する。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の複合サイクル発
電プラント用蒸気タービン制御装置は、ガスタービン、
排熱回収ボイラ、この排熱回収ボイラの発生蒸気により
駆動される蒸気タービンを含み、前記ガスタービンおよ
び前記蒸気タービンを別軸にしてそれぞれ別個の発電機
を駆動するようにした複合サイクル発電プラントに使用
される蒸気タービンおいて、高圧蒸気加減弁開度に対応
して低圧蒸気加減弁開度を制限する低圧蒸気加減弁開度
制限器を設け、これにより前記低圧蒸気加減弁の先行制
御を行うことを特徴とする。

【００２３】

【作用】本発明の複合サイクル発電プラント用蒸気ター
ビン制御装置においては、蒸気タービンの負荷遮断時、
高圧蒸気圧力低下時等における高圧蒸気加減弁の急閉
に、従来の制御装置よりも遥かに速やかに低圧蒸気加減
弁を急閉させることができ、その閉鎖の遅れによる種々
の問題を引き起こすおそれはない。

【００２４】

【実施例】図４（ａ）、図４（ｂ）と同一部分には同一
符号を付した図１（ａ）は、本発明一実施例における高
圧蒸気加減弁の弁位置制御ブロックを示す図、図１
（ｂ）は低圧蒸気加減弁１２の弁位置制御ブロックを示
す図である。これ等の図において、本発明の複合サイク
ル発電プラント用蒸気タービン制御装置は、従来のこの
種の装置の低圧蒸気加減弁位置制御ブロックに低圧蒸気
加減弁開度制限器１２０を付加して構成されている。

【００２５】この低圧蒸気加減弁開度制限器１２０は、
高圧蒸気加減弁位置制御ブロックから与えられる高圧蒸
気加減弁実開度信号１２１に対応して、低圧蒸気加減弁
開度制限信号１２２を発生するものであって、この低圧
蒸気加減弁開度制限信号１２２は低圧蒸気加減弁位置制
御ブロックの低値優先回路に与えられる。

【００２６】ここで、上記低圧蒸気加減弁開度制限器１
２０の開度制限信号１２２は、予め算出した高圧側流量
／低圧側流量、これにバイアスを付加したものなどに基
づいて、折線、直線その他任意の関数によって与えられ
る。而して、低圧蒸気加減弁開度制限器１２０が頻繁に
外乱を与えるのを避けるために、高圧蒸気加減弁実開度
信号１２１に対して若干のバイアスを加えるようにして
いる。

【００２７】さらに、低圧蒸気加減弁１２の流速は次の
ようにして計測される。すなわち、低圧蒸気加減弁１２
の上流側、下流側にそれぞれ圧力検出器１２３、１２４
を設置し、これ等の圧力検出器の出力信号Ｐ₁ 、Ｐ₂ を
低圧蒸気加減弁流速演算器１２７に入力させる。低圧蒸
気加減弁流速演算器１２７は、蒸気流速と蒸気流量の比
例関係から流速信号１２８を算出する。すなわち、流速
信号１２８は 流速信号１２８＝Ｐ₁ ×（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）^1/2 ×α によって算出される。但し、上式中αは低圧蒸気加減弁
１２のサイズ、形状、蒸気条件等から予め計算される値
であり、定数である。上記のようにして得られた実際の
流速は、予め規定した流速１２９と比較器１３０におい
て比較され、 １２８＞１２９ の場合に、低圧蒸気加減弁急閉回路１３１により低圧蒸
気加減弁急閉信号が発生され、低圧蒸気加減弁１２が急
閉される。上記構成の実施例は次のように作動する。

【００２８】(1) 例えば、蒸気タービン１０が負荷遮断
した場合には、図１Ａの回路の調定率制御に従って、定
数掛算器１１４より高圧蒸気加減弁閉信号、または負荷
遮断を示す信号をキックオフとして、負荷制限器１１５
から急閉信号が出力される。上記２信号の中の何れか低
値が優先されて高圧蒸気加減弁９の急閉操作が行われ
る。

【００２９】この時、前記低圧蒸気加減弁１２に対して
低圧蒸気加減弁開度制限器１２０から、高圧蒸気加減弁
開度制限信号１２１に対応する低圧蒸気加減弁開度制限
信号１２２が、低圧蒸気加減弁制御ブロックの低値優先
回路のどの入力信号よりも早く入力されるため、低圧蒸
気加減弁１２は高圧蒸気加減弁９の閉動作時に殆ど遅れ
なく急閉させられる。

【００３０】さらに、高圧蒸気加減弁９の急閉動作によ
り蒸気タービン１０の内部圧力低下が急激に発生した場
合には、低圧蒸気加減弁流速演算器１２７からの信号に
基づき、低圧蒸気加減弁急閉回路１３１は低圧蒸気加減
弁１２に対して急閉信号を与えることとなる。

【００３１】(2) 高圧蒸気発生器６の異常等の高圧主蒸
気圧力急速低下が生じた場合には、図１Ａの圧力制御回
路１１９から高圧蒸気加減弁９に実圧力との偏差に基づ
く急閉信号が与えられる。この時においても、前記の負
荷遮断時と同様にして低圧蒸気加減弁開度制限器１２０
から低圧蒸気加減弁１２に対して急閉信号が与えられる
ため、前記と同様にして低圧蒸気加減弁１２は急閉され
る。

【００３２】なお、上記以外の何等かの原因による蒸気
タービン１０内部圧力低下に対しても、低圧蒸気加減弁
１２の急閉がなされることは言うまでもないところであ
る。

【００３３】なお、低圧蒸気加減弁流速演算器１０７か
らの信号は、蒸気タービン１０側にタービン内蒸気通過
時間に相当する時定数を持たせてあるため、平常時にお
いては低圧蒸気加減弁開度制限器１２０の後備保護用と
して作用する。

【００３４】

【発明の効果】上記から明らかなように、本発明の複合
サイクル発電プラント用蒸気タービン制御装置によれ
ば、蒸気タービンの負荷遮断時、高圧蒸気圧力低下時等
における高圧蒸気加減弁の急閉に際して、従来の制御装
置よりも遥かに速やかに低圧蒸気加減弁を急閉させるこ
とができ、その閉鎖の遅れによる種々の問題を引き起こ
すおそれはない。また、低圧蒸気加減弁における蒸気流
速を常時監視し、これが設定値以上となった場合には低
圧蒸気加減弁を急閉させるようにしてあるので、低圧蒸
気加減弁のストレーナその他の構成部材を破損するおそ
れはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明一実施例における高圧蒸気加減
弁の弁位置制御ブロックを示す図、（ｂ）は低圧蒸気加
減弁１２の弁位置制御ブロックを示す図。

【図２】２軸のガスタービン（図示の簡略化のためガス
タービンは１軸分のみ）と１軸の蒸気タービンとにより
構成された複合サイクル発電プラントの模式図。

【図３】蒸気タービン起動時の各蒸気加減弁の開度、各
バイパス弁の開度、蒸気タービンの速度および負荷の関
係を示す線図。

【図４】（ａ）は高圧蒸気加減弁の弁位置制御ブロック
を示す図、（ｂ）は低圧蒸気加減弁の弁位置制御ブロッ
クを示す図。

【符号の説明】

１…圧縮器、２…燃焼器、３…ガスタービン、４、４’
…発電機、５…排熱回収ボイラ、６…高圧蒸気発生器、
７…低圧蒸気発生器、８…高圧主蒸気止め弁、９…高圧
蒸気加減弁、１０…蒸気タービン、１１…低圧主蒸気止
め弁、１２…低圧蒸気加減弁、１３…復水器、１４…高
圧バイパス弁、１５…低圧バイパス弁、１０１…蒸気タ
ービン回転数、１０２…蒸気タービン負荷、１０３…高
圧蒸気圧力、１０４…低圧蒸気圧力、１０５…高圧バイ
パス弁開度、１０６…低圧バイパス弁開度、１０７…高
圧蒸気加減弁開度、１０８…低圧蒸気加減弁開度、１０
９…回転数設定器、１１０…加算器、１１１…高圧蒸気
加減弁油筒、１１１’…低圧蒸気加減弁油筒、１１２…
初負荷保持バイアス、１１３…負荷設定器、１１４、１
１４’…定数掛算器、１１５、１１５’…負荷制限器、
１１６…高圧蒸気加減弁開度設定器、１１６’…低圧蒸
気加減弁開度設定器、１１７、１１７’…圧力設定器、
１１８…圧力バイアス、１１９、１１９’…圧力制御回
路、１２０…低圧蒸気加減弁開度制限器、１２１…高圧
蒸気加減弁実開度信号、１２２…低圧蒸気加減弁開度制
限信号、１２３、１２４…圧力検出器、１２７…低圧蒸
気加減弁流速演算器、１２８…流速信号、１２９…流速
規定値、１３０…比較器、１３１…低圧蒸気加減弁急閉
回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン、排熱回収ボイラ、この排
   熱回収ボイラの発生蒸気により駆動される蒸気タービン
   を含み、前記ガスタービンおよび前記蒸気タービンを別
   軸にしてそれぞれ別個の発電機を駆動するようにした複
   合サイクル発電プラントに使用される蒸気タービンおい
   て、高圧蒸気加減弁開度に対応して低圧蒸気加減弁開度
   を制限する低圧蒸気加減弁開度制限器を設け、これによ
   り前記低圧蒸気加減弁の先行制御を行うことを特徴とす
   る複合サイクル発電プラント用蒸気タービン制御装置。