JPH05288008A - 複合サイクル発電プラント圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、圧力の設定値信号が実際圧
力と掛け離れることによって圧力の制御性が悪くなるこ
とを防止することにある。 【構成】 本発明は、複合発電プラントの蒸気タ―ビン
起動時に必要な圧力に実際圧力が達していないときの圧
力目標値信号を計算する起動後圧力低時設定値計算手段
を付加した圧力設定器２と、プラントの運転状態を判定
するプラント状態判定装置１と、圧力設定器２にて与え
られた圧力設定値信号と実際の圧力信号とを比較して両
者の偏差を解消させるような圧力制御指令信号をバイパ
ス弁に与えるような圧力調節演算器３とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は１台または複数台のガ
スタ―ビンと、その排ガスを用いて蒸気を発生するボイ
ラと、そのボイラからの蒸気で駆動される蒸気タ―ビン
とで構成される一軸型または多軸型の複合サイクル発電
プラントの圧力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガスタ―ビンとその排ガスを利用
した蒸気タ―ビンとを組み合わせた複合サイクル発電プ
ラントは、プラント全体の効率の良さに加えて、ガスタ
―ビン側を変えることによって天然ガス以外の燃料を採
用することも可能であるなどの点から、火力発電プラン
トの主流になりつつある。これは天然ガスなどの燃料を
燃焼させることによってガスタ―ビンを駆動し発電を行
うと共に、その排ガスから排熱を回収し、この排熱によ
って排熱回収ボイラと呼ばれるボイラで蒸気を発生さ
せ、この蒸気タ―ビンを駆動して発電機を運転し、発電
する仕組みである。

【０００３】一般に複合発電プラントの構成には様々な
組合せのものがあるが、ここでは一番簡単な例として、
ガスタ―ビン発電機，排熱回収ボイラ，蒸気タ―ビン発
電機それぞれ一台ずつによって構成されている複合発電
プラントを例に取って、複合発電プラントの動作原理に
ついて説明する。

【０００４】この複合発電プラントは図８の様に構成さ
れている。まず、図８で燃料を燃焼器Ａで燃焼させる。
高温高圧となった燃焼ガスはガスタ―ビンＢを駆動した
後、排ガスとなって煙突Ｃから外気へ放出される。煙突
Ｃには排熱回収ボイラＤが設置されており、排ガスから
熱を回収し、ボイラ内の水を加熱することによって蒸気
を発生させる。排熱回収ボイラＤで発生した蒸気は、加
減弁Ｆを通って蒸気タ―ビンＥを駆動し発電を行った
後、蒸気タ―ビンをでて複水器Ｇで凝縮して水となる。

【０００５】この複合発電システムの蒸気系を起動する
には、以下のようなプロセスをとる。即ち、先ず燃焼器
Ａに点火しガスを燃焼させ、この結果発生した高温高圧
の燃焼ガスでガスタ―ビンＢを駆動し、ガスタ―ビンで
仕事をした後の排ガスを煙突Ｃから外気へ放出する。こ
の排ガスはまだかなり高温であり、煙突Ｃに設けられた
排熱回収ボイラＤによって熱回収される。排熱回収ボイ
ラＤ内に溜っている水は回収された熱によって蒸気を発
生させる。蒸気の発生によって、排熱回収ボイラＤ内や
蒸気タ―ビンＥ上流側の圧力は上昇する。加減弁Ｆの上
流側の圧力が蒸気タ―ビンＥを駆動するのに十分高くな
った後、加減弁Ｆを開いて蒸気タ―ビンＥに蒸気を流
し、蒸気タ―ビンＥを起動する。以上が蒸気系起動時に
行われる運転である。

【０００６】起動時の過程で、加減弁Ｆを開けて蒸気タ
―ビンＥに蒸気を流すと、加減弁Ｆの上流側からは大量
の蒸気が流出して行くことになり、圧力はやや下がり気
味となる。これに対してバイパス弁Ｈは、加減弁Ｆ上流
側の圧力を一定に制御しようとして、加減弁Ｆが開いて
いくと閉まっていく。加減弁Ｆの開度が、蒸気タ―ビン
Ｅによって所定出力を得られる所定開度に達する前に、
バイパス弁Ｈは全閉する。

【０００７】バイパス弁Ｈはその後、蒸気タ―ビンＥの
運転中は、急激な圧力の上昇や、圧力が高くなり過ぎて
危険な時に、加減弁Ｆが流しきれない蒸気を逃がすため
に開く以外は、全閉のままである。

【０００８】蒸気タ―ビン起動時に排熱回収ボイラＤで
熱回収を始めた後、加減弁Ｆ上流側圧力が蒸気タ―ビン
Ｅを駆動するために必要な値に達していない場合、圧力
が上がりすぎたり急激に変化したりするのを防ぐ為に、
バイパス弁Ｈを操作して圧力を制御する必要がある。以
下に蒸気タ―ビン起動時のバイパス弁制御方法について
説明する。

【０００９】図５に従来の圧力制御方法を、図６に図５
に示した制御方式による圧力制御の様子を示す。図５
の、圧力設定器２ではプラントの状態によって何通りか
の圧力値を同時に計算している。一方プラント状態判定
装置１では、プラント状態を判定し、信号切り替え器24
によってその時の状態に対応した圧力設定値信号６が出
力される。この圧力設定値信号６と実際圧力４との偏差
が解消するように圧力調節演算器３にて圧力制御信号５
が計算されている。すなわち、ガスタ―ビン起動命令が
出される前は、信号切り替え器24が起動前圧力設定値計
算手段21で計算された設定値を選択している。

【００１０】この状態で図５の圧力制御装置にガスタ―
ビン起動命令が与えられることにより、信号切り替え器
24が切り替わって、設定値計算手段23からの別の設定値
信号が選択されるが、状態判定装置１で状態が判定され
ないことがあり、この時はどの状態の圧力設定値も選択
されず、前回の設定値がホ―ルドされる。ここでガスタ
―ビン起動命令が与えられた後の実際圧力が蒸気タ―ビ
ン起動に必要な圧力に達していないとき、信号切り替え
器24は起動後圧力低時圧力設定器25にて計算される設定
値を選択する。起動後圧力低時設定器25では、蒸気タ―
ビン起動に必要な圧力を目標値設定器 251にて設定し、
変化率制限器 252を介し徐々に設定値を上昇させてい
る。その結果滑らかに変化する圧力設定値信号６が得ら
れる。

【００１１】圧力設定値６が変化する様子を、図６に示
す。バイパス弁Ｈの圧力調節演算器３は、実際圧力４と
前述の圧力設定値信号６の偏差が解消するように、バイ
パス弁Ｈを操作する圧力制御信号５を出す。バイパス弁
Ｈを開けば復水器Ｇに主蒸気が流れ込むために圧力は下
がり、閉まれば蒸気の流出が無くなるために圧力は上昇
する。排熱回収ボイラＤで十分な蒸気の発生が起きてお
り、バイパス弁Ｈの圧力調節演算器３が妥当に調整され
ていれば、バイパス弁Ｈは実際圧力４と、圧力設定値信
号６が一致するように、すなわち、図６のバイパス弁開
度７のように開閉し、加減弁上流側の実圧力４は図６に
示すように滑らかに制御される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、バイパス弁
Ｈによる圧力制御の目的は２つある。一つは圧力を出来
るだけ滑らかに変化させ急激な変化は避けることであ
り、もう一つはある安全な値以上に圧力が上昇し過ぎる
のを防止ぐ、ということである。

【００１３】しかしながら、圧力設定値信号６は実際圧
力４に無関係に変化するために、排熱回収ボイラＤで十
分な蒸気の発生が起きていなかったり、バイパス弁Ｈの
圧力調節演算器３が妥当に調整されていない時などに
は、実際圧力４と圧力設定値信号６がかけ離れてしまう
可能性がある。例えば図７に示すように、実際圧力４が
十分上昇してしないのに圧力設定値信号６だけが上昇し
てしまう場合などである。圧力設定値信号６の方が実際
圧力４よりも高い場合、バイパス弁Ｈには閉指令が出、
バイパス弁Ｈが閉まれば圧力は上昇するはずであるが、
図７のバイパス弁開度７のようにバイパス弁Ｈが既に全
開している場合、バイパス弁Ｈは圧力を制御することが
出来ない。バイパス弁Ｈによる圧力制御が不可能な間、
圧力設定値信号６は変化率制限器 252によって定まる一
定の割合で勝手に上昇し、その結果、実際圧力４と圧力
設定値信号６とが大きくかけ離れてしまう。

【００１４】圧力設定値信号６が実際圧力４よりもかけ
離れて大きいときに、なんらかの原因、例えばガスタ―
ビンＢの排ガスの温度が急激に上昇したり、ガスタ―ビ
ンＢの排ガスの流量が急増したりすることによって、排
熱回収ボイラＤでの蒸気の発生量が急増すると、実際圧
力４は圧力設定値信号６まで制御なしで上昇する。その
とき実際圧力４の上昇が急激なものであっても、実際圧
力４が圧力設定値信号６を越えるまでの間は、バイパス
弁Ｈによる圧力制御は不可能な状態であり、急激な圧力
上昇を防ぐという目的を果たすことが出来ない。更に、
実際圧力４が圧力設定値信号６を越えたときに初めてバ
イパス弁Ｈが開き始めるが、実際圧力４の上昇が急であ
れば急であるほど、実際圧力４がオ―バ―シュ―トして
しまい制御性が悪い。この様な問題点は、蒸気タ―ビン
起動時の圧力が低いときの圧力設定値が実際の圧力に無
関係に決められることによって起こるのである。

【００１５】圧力設定値が実際の圧力よりもかけ離れて
大きいときに、何らかの原因、例えばガスタ―ビンの排
ガスの温度が急激に上昇したり、ガスタ―ビンの排ガス
の流量が急激に増加したりする事によって、蒸気の発生
量が急増すると、実際の圧力は圧力の設定値まで制御無
しの状態で上昇する、という現象がある。従来のバイパ
ス弁による圧力の制御方法では、実際の圧力が圧力の設
定値を越えるまでの間は、圧力の上昇がいくら急激なも
のであっても、制御不可能である。また、このような急
激な圧力の上昇を許してしまうと、オ―バ―シュ―トの
原因となり、制御性が非常に悪くなるのである。

【００１６】また実際圧力がある設定値に達すると、加
減弁が開き始めるが、この時圧力が急変するので、排熱
回収ボイラ内のドラムの圧力も急変し、ドラム水位がス
ウェリングを起こしたり、熱応力の観点からドラムや蒸
気タ―ビンの劣化を招く恐れがある。これらの問題点が
起こるような状況下では、従来のバイパス弁による圧力
制御装置はその目的を達成することが出来ない。

【００１７】以上で述べた問題点を解決するために、本
発明では、蒸気タ―ビン起動時も含めてバイパス弁Ｈを
操作することによって圧力を制御するにあたって、圧力
の設定値信号６が実際圧力４とかけ離れることによって
圧力の制御性が悪くなることを防止するために、圧力設
定値信号６を実際圧力４の関数値で決定し、複合発電プ
ラント起動時の圧力制御をより安全かつ確実に行えるよ
うな複合発電プラント圧力制御装置を開発することを目
的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の複合サイクル発
電プラントは、１台または複数台のガスタ―ビンと、そ
の排ガスを用いて蒸気を発生するボイラと、そのボイラ
からの蒸気で駆動される蒸気タ―ビンとで構成される一
軸型または多軸型の複合サイクル発電プラントのガスタ
―ビンを点火した後に、蒸気タ―ビンに蒸気を注入する
際に、プラントの運転状態を判定するプラント状態判定
装置と、このプラント状態判定装置によって判定された
運転状態によって定まる蒸気の圧力目標値を計算する圧
力設定器と、この圧力設定器にて計算された圧力設定値
と蒸気タ―ビンの入口側の圧力値とが等しくなるように
制御する圧力調節演算器とからなる圧力制御装置に、実
際の圧力値が蒸気タ―ビン起動に必要な圧力に達してい
るかを判定する機能と、実際の圧力値が蒸気タ―ビン起
動に必要な圧力に達していない場合には必要な圧力に達
するまで実際の圧力信号の関数値を圧力の設定値信号と
して与える機能と、実際の圧力信号が与えられた圧力の
設定値信号になるようバイパス弁を操作し、蒸気タ―ビ
ンの入口圧力が圧力目標値になるように制御する機能を
付加したことを特徴とする。

【００１９】

【作用】蒸気タ―ビンが停止している間、信号切り替え
器は、起動前圧力設定値計算手段にて与えられる圧力設
定値信号を選択している。

【００２０】蒸気タ―ビン起動時に、実圧力が蒸気タ―
ビン起動に必要な圧力に達していないとき、信号切り替
え器は、蒸気タ―ビン起動に必要な圧力まで圧力設定値
を上昇させる起動後圧力低時設定値計算手段にて与えら
れる圧力設定値信号を選択している。

【００２１】この圧力設定値信号と実際圧力は圧力調節
演算器に入力され、圧力調節演算器は、圧力制御設定値
信号と実際の圧力信号を比較し、両者の偏差が解消され
るような圧力制御信号を、バイパス弁に与える。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は本
発明の一実施例の要部構成図であり、以下の要素によっ
て構成されている。すなわち、プラント状態を判定する
プラント状態判定装置１と、その状態に応じた圧力設定
値を計算する圧力設定器２と、この圧力設定器２にて与
えられた圧力設定値信号６と実際圧力４とを比較して両
者の偏差を解消させるような圧力制御指令信号５をバイ
パス弁Ｈに与える圧力調節演算器３とから構成されてい
る。

【００２３】図２は圧力設定器２の構成図であり、次の
ような構成になっている。圧力設定値を計算する、起動
前圧力設定値計算手段21と起動後圧力低時設定値計算手
段22とその他の設定値計算手段23などの数種類の計算手
段と、プラント状態判定装置１で判定されたプラント状
態に応じた設定値を選択する信号切り替え器24とで構成
されている。

【００２４】さらに、図３は起動後圧力低時設定値計算
手段22の詳細な構成図であり、次のような構成になって
いる。バイアス信号を出力するバイアス設定器 221と、
実際圧力４に前記バイアス信号を付加する加算器 222
と、加算器 222から出力される信号がある値を越えない
ように制限する上限値制限器 223と、上限値制限器 223
から出力される信号がある一定の割合以上では変化しな
いような信号として出力する変化率制限器 224とから構
成されている。

【００２５】図１において、プラント状態判定装置１は
実際圧力４やガスタ―ビンＢの状態などを監視しなが
ら、プラントの運転状態を判定する。一方、圧力設定器
２では図２に示す起動前圧力設定値計算手段21や起動後
圧力低時設定値計算手段22やその他の設定値計算手段23
などの数種類の計算手段により、圧力設定値が同時に計
算されている。この数種類の圧力設定値は信号切り替え
器24によって、プラント状態判定装置１にて判定された
プラント状態に適した圧力設定値信号６が出力されてい
る。圧力設定値信号６と実際圧力４との偏差が無くなる
ように圧力調節演算器３にて圧力制御信号５が計算され
ている。

【００２６】ここで蒸気タ―ビン起動時に、蒸気圧力が
低すぎて蒸気圧力をある値まで上昇させなければならな
いとき、図２における信号切り替え器24は起動後圧力低
時設定値計算手段22で計算された値を選択する。

【００２７】起動後圧力低時設定値計算手段22での計算
方法を図３に示す。ここで計算方法き実際圧力４にバイ
アス設定器 221で設定されるある小さなバイアスを加算
器 222にて付加し、この値を上限制限器 223と変化率制
限器 224を通し徐々に圧力設定値を上昇させるものであ
る。上限制限器 223を通す理由は、蒸気圧力が蒸気タ―
ビン起動に必要な圧力に達し、加減弁Ｆが開き始めたと
きに蒸気タ―ビンＥが安全に起動するよう、実際圧力４
を一定値にするためであり、また変化率制限器224は実
際圧力４が急変した際に、圧力設定値信号６が急変する
のを防ぐためである。

【００２８】本発明による圧力制御の様子を図４に示
す。図４は、蒸気タ―ビン起動の昇圧過程で何等かの原
因で排熱回収ボイラＤでの蒸発量が減少し、その結果圧
力の上昇が停滞し、しばらく後に排熱回収ボイラＤでの
蒸発量が増加した、と仮定した場合のバイパス弁Ｈによ
る圧力制御の様子である。蒸気タ―ビン起動前には、信
号切り替え器24は起動前圧力設定値計算手段21によって
計算された圧力設定値を選択している。

【００２９】蒸気タ―ビン起動命令が出た後、信号切り
替え器24が起動後圧力低時設定値計算手段22によって計
算された圧力設定値を選択し、実際圧力４に沿って設定
値が上昇している。

【００３０】よって、本発明による制御装置では、図４
のように、蒸気タ―ビン起動途中で排熱回収ボイラＤで
の蒸発が停滞し、実際圧力４の上昇が停滞した時は、圧
力設定値信号６は実際圧力４に追従して変化し、再び排
熱回収ボイラＤでの蒸発が増加するまでに、圧力設定値
信号６が実際圧力４と大きく違った値とはならない。ま
た圧力の急激な上昇が起こったときには、圧力設定値信
号６は変化率制限器 224によって定まるある値以内の変
化率で増加し、実際圧力４が圧力設定値信号６と一致す
るようにバイパス弁Ｈに圧力制御信号５を出力する。見
方を変えれば、実際圧力４の上昇が変化率制限器 224に
よって定まる値以上の圧力上昇率とならないように、バ
イパス弁Ｈに圧力制御信号５を出力する、ともいえる。
以上、一軸型複合発電プラントについて述べたが、二軸
以上の多軸型複合発電プラントについても、前述した圧
力制御装置を利用できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、蒸気タ―ビン起動時の圧力が
低い場合に、実際圧力を圧力設定値の一部に利用するこ
とで、従来技術のような制御性の悪さを解決する。ま
ず、圧力設定値と実際の圧力がかけ離れた値になるのを
防ぎ、これによって著しい制御性の向上が得られる。

【００３２】更に、圧力設定値が実際の圧力よりもかけ
離れて大きいときに、何らかの原因、例えばガスタ―ビ
ンの排ガスの温度が急激に上昇したり、ガスタ―ビンの
排ガスの流量が急激に増加したりする事によって、蒸気
の発生量が急増すると、実際の圧力は圧力の設定値まで
制御無しの状態で上昇する、という現象がある。従来の
バイパス弁による圧力制御では、実際の圧力が圧力の設
定値を越えるまでの間は、圧力の上昇がいくら急激なも
のであっても、制御不可能である。また、このような急
激な圧力の上昇を許してしまうと、オ―バ―シュ―トの
原因となり、制御性が非常に悪くなる。これらの非常に
重大な問題点も、圧力の設定値を実際の圧力に無関係に
決めている事に起因しており、本発明の要点である、圧
力の設定値を実際の圧力に関係づけて決める事によっ
て、解消される。

【００３３】また実際圧力の急激な変化を防ぐことによ
り、蒸気ドラムのスウェリングの防止や、蒸気タ―ビン
に蒸気を流し始めるときの、熱応力による蒸気ドラムや
蒸気タ―ビンの劣化を防止することができる。以上述べ
たように、複合発電プラントの蒸気タ―ビンバイパス弁
による圧力制御の制御性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図

【図２】本発明の圧力設定器のブロック図

【図３】本発明の起動後圧力低時設定値計算手段のブロ
ック図

【図４】本発明の特性図

【図５】従来例のブロック図

【図６】通常時における従来例の特性図

【図７】実際圧力が十分上昇していない場合の従来例の
特性図

【図８】複合サイクル発電プラントの構成図

【符号の説明】

１…プラント状態判定装置 ２…圧力設定器 ３…圧力調節演算器 ４…実際圧力 ５…圧力制御信号 ６…圧力設定値信号 ７…バイパス弁開度 ２１…起動前圧力設定値計算手段 ２２…起動後圧力低時設定値計算手段 ２３…設定値計算手段 ２４…信号切替器 ２５…起動後圧力低時圧力設定器 ２２１…バイアス設定器 ２２２…加算器 ２２３…上限値制限器 ２２４…変化率制限器 ２５１…目標値設定器 ２５２…変化率制限器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １台または複数台のガスタ―ビンと、そ
   の排ガスを用いて蒸気を発生するボイラと、そのボイラ
   からの蒸気で駆動される蒸気タ―ビンとで構成される一
   軸型または多軸型の複合サイクル発電プラントに於い
   て、前記ガスタ―ビンを点火した後に蒸気タ―ビンに蒸
   気を注入する際に、プラントの運転状態を判定するプラ
   ント状態判定装置と、前記プラント状態判定装置によっ
   て判定された運転状態によって定まる蒸気の圧力目標値
   を計算する圧力設定器と、前記圧力設定器にて計算され
   た圧力設定値と蒸気タ―ビンの入口側の圧力値とが等し
   くなるように制御する圧力調節演算器とからなる圧力制
   御装置に、実際の圧力値が蒸気タ―ビン起動に必要な圧
   力に達しているかを判定する機能と、実際の圧力値が蒸
   気タ―ビン起動に必要な圧力に達していない場合には必
   要な圧力に達するまで実際の圧力信号の関数値を圧力の
   設定値信号として与える機能と、実際の圧力信号が与え
   られた圧力の設定値信号になるようバイパス弁を操作
   し、蒸気タ―ビンの入口圧力が圧力目標値になるように
   制御する機能を付加したことを特徴とする複合サイクル
   発電プラント圧力制御装置。