JPH07332021A - コンバインドサイクル発電設備の周波数制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い発電効率の要求を損なうことなく、かつ
大幅な負荷変動に対しても理想的な発電出力の調節を実
現して、周波数制御性の良好な状態に保ち、安定した周
波数の調節を可能とする周波数制御装置を提供する。 【構成】 負荷が大幅に減少して周波数が上昇すると、
ガスタービン調速ガバナは周波数上昇を検知して燃料調
節弁を絞り始める。同時に周波数制御装置イが、急減し
た総発電量、即ち負荷に応じた蒸気タービン出力配分を
決定し、その出力に相当する蒸気加減弁開度設定を蒸気
タービン制御装置ロに伝達する。これを受けて蒸気加減
弁は全開から設定開度迄急速に絞り込まれ、蒸気タービ
ン出力も出力配分値近傍迄急減する。一方ガスタービン
制御装置ハに対しても周波数制御装置イから、出力配分
に相当する調速度ガバナ設定が伝達され、調速ガバナ設
定器が分担負荷相当値迄引戻されることにより、調速度
ガバナにおける出力と周波数との関係が基準の定格周波
数の状態に保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンとのその
排熱で発生する蒸気で駆動される蒸気タービンとで構成
されたコンバインドサイクル発電設備の周波数制御装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に発電設備では、負荷が変動して
電力系統周波数が変化した時に発電出力を調節して周波
数を安定させるガバナ機構を備える。基本的にそれぞれ
独立した各エンジンのガバナ機構は、同一電力系統の周
波数を検出して各々が周波数を回復させる方向に出力を
調節する。その結果として同一電力系統内の負荷に見合
う様に総発電出力が調節されて周波数が安定する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、各エンジンガ
バナ機構の応答性が異なっている場合、負荷変動に対す
る各エンジン出力追従の分担割合は均等ではなくなり、
応答感度の高いエンジンが出力調整について大きな負担
をすることになる。ところで、一般にコンバインドサイ
クル発電設備では、高い発電効率を特長としており、通
常の負荷運転状態では蒸気加減弁は全開で運用し、排熱
回収ボイラで発生した蒸気はそのまま蒸気タービンへ流
入させる方法がとられている。この結果、負荷変動によ
って周波数が変化しても、蒸気タービン出力は迅速に応
答せず、ガスタービンだけが負荷変動に応答して出力調
節を行うことになる。従って周波数のズレが大きくな
り、安定した周波数調節が行えなくなる。更にガスター
ビンが、迅速に対応しない蒸気タービンの分まで負担し
て出力を調節してしまうことから、ガスタービン出力が
極端に少なくなって燃焼が不安定となり発電を継続でき
なくなる可能性も生じる。一方、常時蒸気加減弁を絞っ
てガバナ動作をさせれば、周波数制御性は改善される
が、蒸気加減弁による損失が生じて、発電効率が低下し
てしまう。そこで本発明は、前記コンバインドサイクル
発電設備の不都合を解消するために、従来技術では不可
能であった高い発電効率の要求を損なうことなく、かつ
大幅な負荷変動に対しても理想的な発電出力の調節を実
現し、周波数の制御性を良好な状態に保ち、安定した周
波数調節を可能とするコンバインドサイクル発電設備の
周波数制御装置を提供しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、コン
バインドサイクル発電設備に適用される周波数制御装置
において、総発電出力信号からガスタービンと蒸気ター
ビンとの適正負荷配分値を決定する手段と、この配分さ
れた蒸気タービン出力に相当する蒸気加減弁開度設定値
を決定する手段と、同様に配分されたガスタービン出力
に相当するガスタービン調速ガバナ設定値を決定する手
段とを具備してなるもので、これを課題解決のための手
段とするものである。

【０００５】

【作用】ここでは、大容量電力系統との連係が切れて、
限定された負荷容量の単独系統運転状態に移行した為
に、負荷が大幅に減少し、周波数が上昇した場合を例に
とって説明する。単独系統状態にある為、総発電出力は
負荷の合計と等しくなり急激に減少する。この急減した
総発電出力と各タービン出力との差でタービン発電機は
加速して行き、周波数が上昇する。このためガスタービ
ン調速ガバナは、周波数上昇を検知して燃料調節弁を絞
り始める。同時に本発明に係る前記構成からなる周波数
制御装置が、急減した総発電量、即ち負荷に応じた蒸気
タービン出力配分を決定し、その出力に相当する蒸気加
減弁開度設定を蒸気タービン制御装置に伝達する。これ
を受けて蒸気加減弁は全開から設定開度迄急速に絞り込
まれ、蒸気タービン出力も出力配分値近傍迄急減する。
一方ガスタービン制御装置に対しても周波数制御装置か
ら出力配分に相当する調速ガバナ設定が伝達され、調速
ガバナ設定器が分担負荷相当値迄引戻されることによ
り、調速ガバナにおける出力と周波数との関係が基準の
定格周波数の状態に保たれる。以上の作用によって、単
独系統に移行した後、即時にガスタービンと蒸気タービ
ンとの出力配分が適正に調節されて、系統周波数の上昇
が押えられ周波数が安定に保たれる。またガスタービン
出力も過剰に絞り込まれる事が無くなる為、燃焼が不安
定となるのを避けられる。

【０００６】

【実施例】以下本発明の周波数制御装置の実施例を図面
について説明すると、図１は本発明の１実施例に係るコ
ンバインドサイクル発電設備制御システムの構成図であ
り、特に図中イの部分、即ち周波数制御装置の内部詳細
を図２に示す。本実施例の周波数制御装置は、図１に示
される様に図中一点鎖線ロで囲まれる部分、即ち既存の
蒸気タービン制御装置、及び図中一点鎖線ハで囲まれる
部分、即ち既存のガスタービン制御装置と組合わされて
コンバインドサイクル発電設備制御システムを構成して
いる。また前記イの部分、即ち周波数制御装置内の各構
成要素は、図２に示す要素を備えており、これら要素は
以下の処理内容で目的の周波数制御を実現する。即ち、
図中負荷配分器（ａ）（負荷配分手段）はコンバインド
サイクル総出力信号Ｐ_T から、ガスタービンと蒸気ター
ビンとの適正負荷配分を決定し、それぞれの出力配分信
号Ｄ_1,Ｄ₂ を決定する。蒸気タービン設定器（ｂ）（蒸
気加減弁開度設定値を決定する手段）は、蒸気タービン
出力配分信号Ｄ₁ から当該蒸気タービン出力に相当する
蒸気加減弁開度設定信号Ｓ₁ を決定する。またガスター
ビン設定器（ｃ）（ガスタービン調速ガバナ設定値を決
定する手段）は、ガスタービン出力配分信号Ｄ₂ から当
該ガスタービン出力に相当するガスタービン調速ガバナ
設定信号Ｓ₂ を決定する。さらに前記蒸気タービン設定
器は、蒸気タービン出力と蒸気加減弁開度との相関性に
影響のある蒸気圧力等によって、必要となる蒸気加減弁
開度を補正する。

【０００７】以下前記制御装置を適用するコンバインド
サイクル発電設備についての説明をする。本発明が適用
されるコンバインドサイクル発電設備は、軸系の組合せ
方式によって２つの方式がある。図３に示される様にガ
スタービン、蒸気タービン及び発電機を同一軸上に結合
した構成を「一軸コンバインドサイクル方式」と称し、
また図４に示される様にガスタービンと蒸気タービンと
が別軸となってそれぞれ発電機を備える構成を「多軸コ
ンバインドサイクル方式」と称することにする。これら
どちらの構成方式でも熱サイクル的には同じであり、コ
ンバインドサイクル総出力が「一軸コンバインドサイク
ル方式」の場合は、図３中１１で示される共通で１台の
発電機から電気出力が直接得られるのに対し、「多軸コ
ンバインドサイクル方式」の場合は、図４中１２で示さ
れるガスタービン発電機と１３で示される蒸気タービン
発電機との合計として電気出力が得られる点が異なって
いる。

【０００８】次に図３及び図４によりコンバインドサイ
クル発電設備の挙動を説明する。図において、ガスター
ビン制御装置が、燃料調節弁８の開度を調節し燃焼器２
への燃料供給量を調節する。燃焼器２では空気圧縮機１
からの空気と混合、燃焼して高温ガスを発生させる。高
温ガスは、ガスタービン３のタービンを駆動して出力を
発生する。その後ガスタービンで仕事をした後の排ガス
は、排熱回収ボイラ７に導かれて蒸気を発生させる。従
って排熱回収ボイラ７で発生する蒸気は、ガスタービン
の出力に依存したものとなるが、排熱回収ボイラ関係の
熱容量等によって数分間程度遅れて追従する。この発生
蒸気は蒸気加減弁９を経由して蒸気タービン４を駆動し
て出力を発生する。ここで蒸気加減弁９は通常全開して
いるので、排熱回収ボイラ７の発生蒸気に依存して蒸気
圧力は変圧となり、蒸気タービン４の出力も変わる。従
って蒸気タービン４の出力もガスタービンの出力に依存
したものとなるが、ガスタービン出力よりは遅れて追従
する。蒸気タービン４で仕事をした蒸気は、復水器５で
水に変えられ、給水ポンプ６を経由して排熱回収ボイラ
７に給水される。タービンバイパス弁１０は、通常全閉
しているが、蒸気加減弁９が絞り込まれて蒸気圧力が上
昇した場合に、タービン４をバイパスして発生蒸気を復
水器５に回収し、発生蒸気圧力を制御する。

【０００９】以上のようなコンバインドサイクル発電設
備において、図２中（ａ）に示される負荷配分器の負荷
配分決定方法の一例を説明する。しかしこの方法はこれ
に限る必要はなく、該当プラントの運用目的、構成ター
ビン機器等の固有特性等に応じて最も適当な配分比率を
予め設定しておけばよい。コンバインドサイクル総出力
を変化させる場合は、前記の通り先ずガスタービンの出
力を変化させる。それから暫く遅れて蒸気圧力、並びに
蒸気タービン出力が追従して変化する。この様子を図５
に一例として示す。図５中実線で示す蒸気タービン出力
の軌跡が、従来技術での挙動を示す。破線で示す蒸気タ
ービン出力の軌跡は、ガスタービン出力の変化に対して
遅れなく理想的に追従した場合を示す。この例では出力
変化前の状態から、まず状態の経過時間でガスター
ビン出力を変化させ、蒸気タービンは状態の経過時間
かかって出力が変化をし、最終的に状態に整定した。

【００１０】この状態から状態に変化する迄の間の
ガスタービンと蒸気タービンとの出力分担をグラフにす
れば図６の例に示される様になる。図６で蒸気タービン
が出力変化中の状態の軌跡は、蒸気タービン出力の変
化が遅れている為に蒸気タービン比率が過渡的に増大し
た形となる。更にコンバインドサイクル出力変化が急速
になれば、蒸気タービン出力の遅れの程度も大きくな
り、軌跡は更に上にふくらんだの様になる。逆に出力
を増加させる方向では軌跡はのようになる。即ち、状
態とを通る実線の軌跡が、蒸気タービンの遅れが無
い場合の理想的な軌跡を表すことが容易に理解される。
ところでこの状態とを通る実線は、各コンバインド
総出力で蒸気タービン出力が整定した時の蒸気タービン
比率を結んだ線であることから、理想的な出力配分比率
設定としてこのカーブを設定しておけばよい。これらの
値は静的なプラント性能予測計算結果か得られるが、実
際にはプラントを部分負荷で運転し、整定した状態で各
値を計測することで、より正確な値を容易に得られる。

【００１１】次に図２中（ｂ）に示される蒸気タービン
設定器の蒸気加減弁開度設定の決定方法の一例を説明す
る。なお、本発明では蒸気タービン出力を蒸気加減弁開
度によって先行制御的に調節する方式を特徴としている
ので、以下に説明する方法に限らず蒸気タービン出力と
蒸気加減弁開度との相関性に基づいて演算決定する方法
であれば何でも適用可能である。コンバインドサイクル
用蒸気タービンとして最も一般的な復水タービンでは、
通常の負荷運転状態では蒸気流量によってほぼ出力が決
まる。蒸気加減弁開度と蒸気流量との関係は図７に例を
示す様な各タービン固有の特性を持つ。従ってこれらの
特性から図８に一例を示す様な、蒸気タービン出力と蒸
気加減弁開度との相関グラフを求められる。更に蒸気圧
力の他、蒸気温度、復水器真空度等の蒸気タービン出力
に影響を与える要素が変動値であれば、以下に説明する
蒸気圧力に対する補正と同様に、蒸気タービン出力と加
減弁開度との関係の補正に使用すればよい。蒸気圧力を
パラメータとした蒸気タービン出力と加減弁開度との相
関グラフは、変圧運転範囲の圧力で必要な精度が得られ
るメッシュで作成しておけば、中間的な圧力における計
算は、それを挟む２つの圧力のカーブから内挿法によて
求めればよい。

【００１２】次に図１の実施例に示されるコンバインド
サイクル発電設備の制御システムが全体としてどの様に
作用するかを、例を挙げて図９で説明する。例として、
大容量電力系統との連係が切れて、コンバインドサイク
ル発電と限定された容量の負荷だけの単独系統運転状態
に移行した場合とする。図９で実線で示される軌跡は本
発明を適用した場合の挙動を示し、比較として従来技術
における場合の挙動を破線で示す。単独系統状態に移行
すると同時に負荷が急減し、コンバインドサイクル総発
電出力も単独系統内の負荷量迄急減した。これに伴い本
発明の周波数制御装置が、ガスタービン制御装置の調速
ガバナ設定器を配分出力相当値迄引戻しを行った結果、
周波数は即時定格周波数にランバックされて安定してい
る。破線で示される従来技術では、蒸気タービン出力の
遅れ分だけ周波数上昇が大きくなっている。また調速ガ
バナ設定器が連係解列前の大きな出力設定状態に残って
いる為に周波数の整定値も定格値より高く整定してい
る。また燃料量の絞り込み量は従来技術では蒸気タービ
ン出力の遅れ分だけ大きく絞り込まれており、燃焼不安
定を生じる可能性が有った点が解消されている。排熱回
収ボイラの発生蒸気量は殆ど変わりがないが、蒸気加減
弁が本発明の周波数制御装置によって急速に絞り込まれ
た結果として生じるハッチング部分の蒸気量が余剰とな
り、タービンバイパス弁の圧力制御作用によって処理さ
れている。

【００１３】蒸気圧力は蒸気加減弁が絞り込まれた事で
むしろ上昇しているが、タービンバイパス弁の圧力制御
作用によって上昇が押えられ、その後発生蒸気量が減少
して行くに従って低下している。蒸気加減弁は、従来技
術の場合では、全開状態のままであったが、本発明の周
波数制御装置によって一旦急速に絞り込まれて、蒸気タ
ービン出力を急速に減少させている。その後発生蒸気が
減少して蒸気圧力が低下して来るに従って同一出力相当
の弁開度を維持させる為に、再び開いて行き最終の整定
状態では元の全開に戻る。この蒸気圧力の変化に対する
加減弁開度の変化の状況を再び図８に当てはめて見る
と、系統連係が解列される前の状態では、出力Ｐ₁ 、
圧力Ｌ1 で図８の圧力Ｌ1 ライン上のの作動点にあ
り、加減弁開度はＶ1 の全開状態にあった。単独系統に
移行して蒸気タービン出力配分がＰ₂ に下がると加減弁
は絞り込まれるが、蒸気圧力がＬ2 迄上昇してしまった
為、図８で圧力Ｌ2 ライン上で出力配分Ｐ₂ に一致する
の作動点の弁開度設定Ｖ2 が決定される。

【００１４】その後排熱回収ボイラの発生蒸気も減少
し、蒸気圧力が低下して来ると同じ配分出力Ｐ₂ ではあ
るが、図８で圧力Ｌ3 ラインと一致する作動点の弁開
度設定Ｖ1 が出力され、加減弁は再び最初の全開状態に
戻って整定する。従って図１の（ｅ）に示される信号選
択機構は、この場合では入力の信号レベルの低い方を自
動的に選択する定値選択方式で可能となる。なお、この
（ｅ）信号選択機構の方式は、これに限らず負荷急変の
タイミングを検出できる電気系統の事故検出信号や、連
係遮断器の信号、又は発電機出力の突変を検出する等の
方法で既存の蒸気タービン制御機構の信号と、本発明の
周波数制御装置からの蒸気加減弁開度設定信号との切替
を行う方法もある。

【００１５】

【発明の効果】以上詳細に説明した如く本発明によれ
ば、通常運転中の発電効率を低下させることなく、また
単独運転状態で移行するなどして負荷が大幅に変動した
場合には、蒸気タービン出力を適正な値に調節すると同
時に、ガスタービン調速ガバナ側の設定も適正な値に引
戻す事によって、ガスタービンと蒸気タービンとの適正
な負荷配分を実現し、周波数を安定に保たせる。またガ
スタービンの燃料の過剰な絞り込みを無くして燃料が不
安定になることを防止する。これらの効果によって安
定、かつ信頼性の高い発電設備としての制御性を実現す
ると共に、コンバインドサイクル発電設備の特長である
高い発電効率を維持できるという優れた効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るコンバインドサイクル発
電設備制御システムのブロック図である。

【図２】本発明の周波数制御装置のブロック図である。

【図３】一軸コンバインドサイクル方式のシステム図で
ある。

【図４】多軸コンバインドサイクル方式のシステム図で
ある。

【図５】コンバインドサイクル発電プラント出力変化時
の挙動の例を示す説明図である。

【図６】コンバインドサイクル発電プラント出力変化時
の蒸気タービン出力比率の挙動の例を示す説明図であ
る。

【図７】蒸気タービン蒸気加減弁開度と蒸気流量の関係
の例を示す線図である。

【図８】蒸気タービン蒸気加減弁開度と蒸気タービン出
力の関係の例を示す説明図である。

【図９】図１の実施例に示されるコンバインドサイクル
発電設備の制御システムが単独運転状態に移行した場合
の挙動の例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ ガスタービン空気圧縮機 ２ ガスタービン燃焼機 ３ ガスタービン ４ 蒸気タービン ５ 復水器 ６ 給水ポンプ ７ 排熱回収ボイラ イ 周波数制御装置 ロ 蒸気タービン制御装置 ハ ガスタービン制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンバインドサイクル発電設備に適用さ
   れる周波数制御装置において、総発電出力信号からガス
   タービンと蒸気タービンとの適正負荷配分値を決定する
   手段と、この配分された蒸気タービン出力に相当する蒸
   気加減弁開度設定値を決定する手段と、同様に配分され
   たガスタービン出力に相当するガスタービン調速ガバナ
   設定値を決定する手段とを具備してなることを特徴とす
   るコンバインドサイクル発電設備の周波数制御装置。