JPH08210601A - 加圧流動床ボイラを備える発電プラントの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、ＰＦＢＣプラントの経年劣化等によ
るタービンノズル，配管系詰りによる圧縮機吐出圧力比
の上昇を防止し、圧縮機のサージマージンを減少するこ
となくプラント運転を継続する制御装置を提供するこ
と。 【構成】圧縮機６の入口及び出口の圧力比が、前記圧縮
機６のサージングに関する制限値を超えたときに、前記
圧縮機の圧力比を減少せしめる手段（演算器４４）を設
けた。 【効果】ＰＦＢＣプラントの運転上の経年変化に伴う灰
の堆積による圧縮機圧力比の増加を防止し、サージマー
ジンを適性値に保つことができ、信頼性の高い運用を実
施可能ならしめることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加圧流動床ボイラを備
える発電プラントの制御装置に係り、特に加圧流動層ボ
イラを収納する圧力容器に加圧流動床ボイラの燃焼用空
気を供給するための圧縮機のサージングを防止する制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】加圧流動床ボイラを備える発電プラント
（以下ＰＦＢＣプラントと略す）の構成は、例えば特開
昭63−230927号公報、及び特開昭62−178731号公報に示
されている。一般に、ＰＦＢＣプラントは図２に示すよ
うに、石炭の燃焼により蒸気を発生するボイラ部１，石
炭をボイラ部１に供給する給炭装置３，ボイラ１部によ
り発生される蒸気により動力を発生する蒸気タービン
４，蒸気タービン４用の発電機５，圧縮機インレットダ
クト１４より吸い込んだ空気を圧縮して、ボイラ１部に
燃焼用空気として供給する圧縮機６，ボイラ１にて燃焼
したガスを膨張させ動力を発生するガスエキスパンダタ
ービン７，ガスエキスパンダタービン７用のモータ発電
機８，ガスエキスパンダタービン７の排ガスの熱を熱交
換により回収して給水を加熱する排熱回収装置９から構
成される。また、前記ボイラ部１は、石炭を燃料として
燃焼ガスを発生する流動床燃焼炉１０，該流動床燃焼炉
１０を収納する圧力容器２，該圧力容器内の燃焼用空気
を流動床燃焼炉１０に吹き込む燃焼空気ノズル１１から
構成される。

【０００３】圧縮機６より送風される燃焼用空気は、圧
力容器２に蓄積された後、燃焼空気ノズル１１より流動
床燃焼炉１０に流入される。流動床燃焼炉１０は、この
燃焼用空気を用いて給炭装置３より投入された石炭を燃
焼させ、燃焼ガスと蒸気を発生する。この発生した蒸気
は蒸気タービン４にて膨張し動力を発生し、蒸気タービ
ン用発電機５により電気を発生する。流動床燃焼炉１０
により発生された燃焼ガスは、ガスエキスパンダタービ
ン７に供給され、膨張して動力を発生する。空気を加圧
するため圧縮機６にて必要となる動力はこの高温ガスの
ガスエキスパンダタービン７での膨張出力により賄われ
る。この際、余剰した動力分はガスエキスパンダタービ
ン用のモータ発電機８により電気を発生する。また圧縮
機６にて必要となる動力を賄う分に不足の場合は、ガス
エキスパンダタービン用のモータ発電機８はモータとし
て作用する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＰＦＢＣプラントにお
いては石炭を燃焼させ、この燃焼ガスをガスタービンに
供給して発電するが、石炭の燃焼に伴って、燃焼ガス中
には石炭中に含まれる灰分を主成分とした塵埃が多数含
有される。環境の維持の為に、この飛散する塵埃を取り
除く集塵装置、例えばサイクロンフィルタ，濾過式フィ
ルタを火炉燃焼部の下流側に設置する。しかしこの塵埃
をプラント効率を著しく低下させることなく完全に補足
することは不可能である。従って、補足されない塵埃は
途中の経路の管路及び、ガスタービンへ流入する。

【０００５】塵埃を含むガスが長期に亘ってガスタービ
ンに供給されれば、ノズル部に灰の堆積を招き、途中の
経路の管路も詰りが発生する。ところで、圧縮機６の出
口圧力は、火炉からガスタービンへ流入するガス条件、
及びガスエキスパンダタービン７の入口にあるノズルの
サイズで決まるガスエキスパンダタービン７の入口圧力
と，途中の経路の管路圧損との合計にて決まるが、前述
の詰りは、ガスエキスパンダタービン７入口の圧力上昇
をもたらす他、途中経路の管路への堆積は圧損増加も引
き起こし、図３に示すごとく、圧縮機６の出口圧力は経
年的には必然的に上昇する。

【０００６】ここで安全上問題となるのは圧縮機のサー
ジングである。圧縮機、特に比較的大風量を処理する軸
流圧縮機の場合、機械設計のサージ圧力と運転圧力の関
係をサージマージンと称し、ある程度以下にこのマージ
ンが低下するのを避けて運転する。サージマージンを含
んだ運転計画上のラインを越える圧力にての運転を行う
場合、サージングと言う流体的振動を、強いては機械の
破損を引き起こす可能性がある。このサージマージンを
減少設定させるわけには行かないため、従来のプラント
においては定格条件での圧力を下げ（図２の圧力Ｐ１）
つまり、ノズルの面積を大きく設定することでガスエキ
スパンダタービンの入口圧力を低く設定することで対処
し、本来の圧縮機の計画圧力比より低い圧力比を計画の
設計条件としている。しかも従来においては圧力比が計
画線（Ｋ）を越えた段階で運転継続は不能となり、プラ
ントを停止し堆積物のクリーニング実施が必要であっ
た。又圧縮機の運転する圧力比を本来設計圧力とすべき
を裕度を取るために下げて計画せざるを得ず、ＰＦＢＣ
の特長である火炉運転圧力の増大による火炉圧力容器の
サイズ減少つまりプラント配置上の据付面積の縮小とい
うメリットも小さくなり、圧力設定が低下することでプ
ラント効率低下をも招く。従って、機器の安全運転を損
なうか、もしくは効率の低下，据付面積の縮小のメリッ
ト低下と言う点でも好ましくない問題があった。

【０００７】本発明は、上記の問題に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、塵埃がガスタービン入口部に
堆積することによって生じる圧縮機の吐出圧力比の上昇
を防止し、圧縮機のサージマージンを減少することなく
プラント運転を継続することが可能な加圧流動床ボイラ
を備える発電プラントの制御装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明に係る加圧流動床ボイラを備える発電プラン
トの制御装置は、加圧流動床ボイラを収納する圧力容器
に、前記加圧流動床ボイラの燃焼用空気を供給する圧縮
機と，前記加圧流動床ボイラにより発生された燃焼ガス
により駆動されるガスタービンと，前記圧縮機と前記圧
力容器とを連結して前記燃焼用空気を流通する第１の導
管手段と，前記加圧流動床ボイラと前記ガスタービンと
を連結して前記燃焼ガスを流通する第２の導管手段とを
有してなる加圧流動床ボイラを備える発電プラントの制
御装置において、前記圧縮機の入口及び出口の圧力比
が、前記圧縮機のサージングに関する制限値を超えたと
きに、前記圧縮機の圧力比を減少せしめる手段を設けた
ことを特徴とする。

【０００９】該手段は、好ましくは（ａ）少なくとも、
前記圧縮機の回転数及び圧縮機入口側に設けられた空気
流量制御手段の開度、並びに前記圧縮機に流入する空気
の温度に基づいて、前記圧縮機のサージングに関する制
限値を演算する手段と，(ｂ)前記圧縮機の入口及び出口
の圧力比が、前記演算された制限値を超えたときに前記
圧縮機の圧力比を減少せしめる手段からなる。

【００１０】前記圧縮機のサージングに関する制限値
は、前記圧縮機に流入される空気流量により定まるサー
ジラインよりも所定の余裕値分小さく設定された値であ
る。

【００１１】また、前記圧縮機の圧力比を減少せしめる
手段は、前記第２の導管手段に設けられ、前記燃焼ガス
を前記ガスタービン以外の箇所へ放出する弁手段を制御
する手段であってもよい。

【００１２】

【作用】本発明によれば、前記圧縮機の入口及び出口の
圧力比が、前記圧縮機のサージングに関する制限値を超
えたときに、前記圧縮機の圧力比を減少せしめる手段を
設けたので、塵埃がガスタービン入口部に堆積すること
によって圧縮機の圧力比が上昇しても、圧縮機のサージ
ングが発生する前にこの圧力比を減少させることがで
き、圧縮機のサージングを防止することが可能となる。
また、前記圧縮機のサージングに関する制限値を、圧縮
機に流入される空気流量により定まるサージラインより
も所定の余裕値分小さく設定すれば、圧縮機のサージマ
ージンを確保しつつＰＦＢＣプラントの運転を継続する
ことが可能となる。

【００１３】

【実施例】以下本発明の一実施例を図１を用いて説明す
る。

【００１４】ＰＦＢＣプラントは、先に説明したよう
に、流動床燃焼炉１０と，この流動床燃焼炉１０を収納
する圧力容器２と，該圧力容器内の燃焼用空気を流動床
燃焼炉１０に導く燃焼空気ノズル１１とを有するボイラ
部１，給炭装置３，蒸気タービン４，蒸気タービン４用
の発電機５，圧縮機６，圧縮機インレットダクト１４，
ガスエキスパンダタービン７，ガスエキスパンダタービ
ン７用のモータ発電機８，復水器１６，排熱回収装置
９，圧縮機６と圧力容器２とを連結して燃焼用空気を流
通する第１の導管手段１００，流動床燃焼炉１０とガス
エキスパンダタービン７とを連結して燃焼ガスを流通す
る第２の導管手段１０１，圧縮機６に流入される空気流
量を調整する圧縮機インレットガイドべーン（以下ＩＧ
Ｖと略す）１２，圧縮機入口減圧弁１３，プラント負荷
制御装置３０から構成される。本発明は、このＰＦＢＣ
プラントに、圧力調整ガス放出弁２０と演算器４４を付
加したものである。この圧力調整ガス放出弁２０は、第
２の導管手段１０１を分岐するバイパス管１０２上に設
けられている。このバイパス管１０２は、第２の導管手
段１０１を流通する燃焼ガスの一部をバイパスして排熱
回収装置９に導くものである。

【００１５】圧縮機６より送風される燃焼用空気は、圧
力容器２に蓄積された後、燃焼空気ノズル１１より流動
床燃焼炉１０に流入される。流動床燃焼炉１０は、この
燃焼用空気を用いて給炭装置３より投入された石炭を燃
焼させ燃焼ガスを発生する。この石炭の燃焼によって発
生した熱は、流動床燃焼炉１０内のボイラチュウブによ
り給水と給水と熱交換され蒸気を発生する。この発生し
た蒸気は蒸気タービン４にて膨張し動力を発生し、蒸気
タービン用発電機５により電気を発生する。蒸気タービ
ン４から排出される蒸気は、復水器１６にて凝縮され
る。流動床燃焼炉１０により発生された燃焼ガスは、ガ
スエキスパンダタービン７に供給され、膨張して動力を
発生する。空気を加圧するため圧縮機６にて必要となる
動力はこの高温ガスのガスエキスパンダタービン７での
膨張出力により賄われる。この際、余剰した動力分はガ
スエキスパンダタービン用のモータ発電機８により電気
を発生する。また圧縮機６にて必要となる動力を賄う分
に不足の場合は、ガスエキスパンダタービン用のモータ
発電機８はモータとして作用する。また、ガスエキスパ
ンダタービン７を経た燃焼ガスは排熱回収装置９にて蒸
気系に熱回収された後、煙突１５を経て大気に放出され
る。プラント負荷制御装置３０は、負荷の要求信号に応
じて給炭装置３からの給炭量、及びボイラ部１に供給す
る燃焼空気量を、ＩＧＶ１２と圧縮機入口減圧弁１３で
調整する。

【００１６】演算器４４は、大気温度検出器４２により
検出された圧縮機６に流入される大気の温度を温度信号
に変換する大気温度変換器４３の出力信号と，開度検出
器により検出されたＩＧＶ１２の開度を開度信号に変換
する開度変換器の出力信号と，回転数検出器３４により
検出された圧縮機６の回転数を回転数信号に変換する回
転数変換器３５の出力信号とを入力し、圧縮機６のサー
ジングに関する制限値を演算する。この演算について
は、後述する圧縮機マップを用いる。また、演算器４４
は、圧縮機入口圧力検出器４０により検出された圧縮機
入口圧力を圧力信号に変換する圧縮機入口圧力変換器４
１の出力信号と，圧縮機出口圧力検出器３６により検出
された圧縮機出口圧力を圧力信号に変換する圧縮機出口
圧力変換器３７の出力信号とを入力して圧縮機６の圧力
比を演算する。そして上記演算された制限値と圧力比と
を比較し、圧力比が制限値よりも大きい場合は、圧力調
整ガス放出弁２０を開放するように制御信号を出力す
る。本発明は、この圧力調整ガス放出弁２０を開放し、
ガスエキスパンダタービン７の入口圧力を減少させるこ
とによって圧縮機６の圧力比を減少させ、圧縮機６のサ
ージングを防止するものである。また、圧力調整ガス放
出弁２０によって放出されたガスを排熱回収装置９に流
入させ、ガスが保有する熱と給水とを熱交換させれば熱
効率を向上させることができる。

【００１７】この図１の実施例を使用した場合の運転状
態を図４に示す。長期の運転に伴いタービンノズル部に
灰が堆積し、途中の経路の管路も詰りが発生する。この
堆積、詰りは、流路面積の減少を伴うので初期点より圧
縮機の吐出圧つまり圧力比が上昇してゆく、本実施例で
は圧力の調整が可能なため初期の圧力比を従来のＰ１よ
り高いＰ２に設定してある。圧力比が計画線（ｋ）を越
えた段階で圧力調整ガス放出弁２０を開き排気ダクトに
放出する、この際タービン入口に流入するガス量が減少
するためタービン入口圧力は低下し結果として圧縮機吐
出圧力つまり圧力比が低下するが、圧力比を少なくとも
計画線（ｋ）以下に低下するまでガス放出弁２０を開き
運転する。ここで圧縮機６の圧力比とは圧縮機６の出口
圧力絶対値を入口圧力絶対値で除した値を言う。上記に
は経年劣化としての圧力上昇を示したが、突発的な圧力
比の変動に対しても有効なので、本方法により定格運転
のみならず、起動，負荷上昇，降下，停止のいずれの状
態においても圧縮機のサージングの危険性を犯すことな
く運転することができる。尚、上述したように、放出し
たガスのエネルギは排気ダクト下流の排熱回収装置９に
より熱回収されるので効率の低下は最小限に押さえるこ
とが可能である。放出されたガスは、必ずしも排熱回収
装置９に導く必要はない。

【００１８】ここで図１において説明した演算器４４に
ついて、図７を用いて詳細に説明する。演算器４４は、
先に述べたように、圧縮機入口圧力検出器４０により検
出された圧縮機入口圧力を圧力信号に変換する圧縮機入
口圧力変換器４１の出力信号と，圧縮機出口圧力検出器
３６により検出された圧縮機出口圧力を圧力信号に変換
する圧縮機出口圧力変換器３７の出力信号とを入力して
運転圧力比πｏｐを演算する。他方、圧縮機の性能であ
る効率特性，流量特性、及び圧力比の制限は数値的にあ
らかじめマップで定義することができる。このマップに
ついて説明する。図７は、圧縮機マップの一例を示すも
のである。横軸の圧縮機流量に対し、圧力比特性つまり
サージラインは圧縮機の運転パラメータである回転数，
ＩＧＶ開度，入口の空気温度及び、圧力比で機器に応じ
て一義的に表すことができる。ここで、回転数がＮ３よ
りＮ３ａに上昇すると圧縮機の送風量はＧ３よりＧ３ａ
に増加し、この際サージ圧力比もまたＰ３ｓよりＰ３ａ
ｓに上昇する、ＩＧＶ角度がＩＧＶ３よりＩＧＶ３ａに
開く方向でも同様である。他方圧縮機の入口温度がＴ３
よりＴ３ｂに上昇した場合は圧縮機の吸い込む空気の密
度が減少するため、前述の回転数，ＩＧＶとは逆に圧縮
機の送風量はＧ３よりＧ３ｂに減少したサージ圧力比は
Ｐ３ｓよりＰ３ｂｓに降下する。サージラインはサージ
圧力比を結んだ線である。

【００１９】一方、運転計画線（ｋ）は実際に機器を運
転するよう計画した圧力比である。安全のためサージラ
インよりマージン分低く設定した圧力比で、この圧力比
より低い状態にて運転する。定格条件の圧力比は、圧縮
機入口圧力と圧縮機吐出圧力の比であるが、いずれも空
気あるいはガスの流量，温度条件で各部の圧力が決まる
が、圧縮機吐出圧力はタービンの初段静翼のガス出口面
積により決まるガスエキスパンダタービン７の入口圧力
と，圧縮機６から圧力容器２に流入する空気の配管圧
損，流動床燃焼炉１０内の圧損，流動床燃焼炉１０から
ガスエキスパンダタービン７までの燃焼ガスの配管圧損
の合計よりなる。

【００２０】演算器４４は、サージ圧力比（運転計画線
（ｋ）以上の圧力比）πｓ（Ｎ１，Ｄｅｇ１，Ｔ１）
を、回転数Ｎ１，ＩＧＶ開度Ｄｅｇ１，入口の空気温
度，Ｔ１を、前述の圧縮機マップに入力することで演算
する。演算器４４はまた、圧縮機の運転状態に応じて圧
力調整ガス放出弁２０を開閉するが、このサージ圧力比
πｓと検出した運転圧力比πｏｐとを比較し、例えばπ
ｓ＞πｏｐの場合は、圧縮機圧力比として問題ないの
で、圧力調整ガス放出弁２０を例えば、閉方向動作を時
間設定とした方法で、閉方向に動作する信号を発生す
る。この場合、タービン入口に流入するガス量が増加す
るためタービン入口圧力は上昇し結果として圧縮機吐出
圧力が上昇し、圧縮機圧力比は上昇する。

【００２１】πｓ≦πｏｐのとなった場合は、圧力調整
ガス放出弁２０を瞬時に開もしくは圧力比偏差Δ＝πｓ
−πｏｐに応じた開度信号を演算器４４に内蔵している
比例積分器により演算し圧力調整ガス放出弁２０を操作
する。この場合、タービン入口に流入するガス量が減少
するためタービン入口圧力は低下し結果として圧縮機吐
出圧力が低下し、圧縮機圧力比は低下するのでプラント
は圧縮機のサージマージンを低下することなく安全に運
転継続できる。

【００２２】本発明の他の実施例としては図５に示すよ
うに圧縮機６，ガスエキスパンダタービン７，ガスエキ
スパンダタービン用モータ発電機８の軸構成を多軸（図
５にては３台の圧縮機にて構成した場合）として構成し
た場合にも適用できる、製作上各圧縮機性能が異なり、
配置上圧損等が異なるため、アンバランスが問題となる
が、各圧縮機のアンバランスを考慮した保護を夫々固有
のマップにて行うことができるので、各圧縮機の状態を
調整することができる。

【００２３】本発明の他の実施例としては図６に示すよ
うに圧縮機６，ガスエキスパンダタービン７，ガスエキ
スパンダタービン用モータ発電機８及び蒸気タービン４
の軸構成を同一軸として構成した場合も図１の場合と同
様な効果を得ることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば以
下に示すような効果を得る。

【００２５】ＰＦＢＣプラントの運転上の経年変化に伴
う灰の堆積による圧縮機圧力比の増加を防止し、サージ
マージンを適性値に保つことができ、信頼性の高い運用
を実施可能ならしめることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であって、ＰＦＢＣ発電プラ
ントに圧縮機のサージングを防止するための制御装置を
組み込んだ一例である。

【図２】従来のＰＦＢＣ発電プラント構成図である。

【図３】従来のＰＦＢＣ発電プラントの運転時の圧力の
変化の状態を示す図である。

【図４】本発明によるＰＦＢＣ発電プラントの運転時の
圧力の変化の状態を示す図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す図である。

【図７】図１にて示した制御装置４４適用される圧縮機
特性のマップを示す図である。

【符号の説明】

１…ボイラ部、２…圧力容器、３…給炭装置、４…蒸気
タービン、５…蒸気タービンの用発電機、６…圧縮機、
７…ガスエキスパンダタービン、８…ガスエキスパンダ
タービン用モータ発電機、９…排熱回収装置、１０…流
動床燃焼炉、１１…燃焼空気ノズル、１２…圧縮機イン
レットガイドべーン、１３…圧縮機入口減圧弁、１４…
圧縮機インレットダクト、１５…煙突、１６…復水器、
２０…圧力調整ガス放出弁、３０…プラント負荷制御装
置、３４…回転数検出器、３５…回転数変換器、３６…
圧縮機出口圧力検出器、３７…圧縮機出口圧力変換器、
３８…開度検出器、３９…開度変換器、４０…圧縮機入
口圧力検出器、４１…圧縮機入口圧力変換器、４２…大
気温度検出器、４３…大気温度変換器、４４…演算器、
１００…第１の導管手段、１０１…第２の導管手段、１
０２…バイパス管。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加圧流動床ボイラを収納する圧力容器に、
   前記加圧流動床ボイラの燃焼用空気を供給する圧縮機
   と，前記加圧流動床ボイラにより発生された燃焼ガスに
   より駆動されるガスタービンと，前記圧縮機と前記圧力
   容器とを連結して前記燃焼用空気を流通する第１の導管
   手段と，前記加圧流動床ボイラと前記ガスタービンとを
   連結して前記燃焼ガスを流通する第２の導管手段とを有
   してなる加圧流動床ボイラを備える発電プラントの制御
   装置において、 前記圧縮機の入口及び出口の圧力比が、前記圧縮機のサ
   ージングに関する制限値を超えたときに、前記圧縮機の
   圧力比を減少せしめる手段を設けたことを特徴とする加
   圧流動層ボイラを備える発電プラントの制御装置。
2. 【請求項２】加圧流動床ボイラを収納する圧力容器に、
   前記加圧流動床ボイラの燃焼用空気を供給する圧縮機
   と，前記加圧流動床ボイラにより発生された燃焼ガスに
   より駆動されるガスタービンと，前記圧縮機と前記圧力
   容器とを連結して前記燃焼用空気を流通する第１の導管
   手段と，前記加圧流動床ボイラと前記ガスタービンとを
   連結して前記燃焼ガスを流通する第２の導管手段とを有
   してなる加圧流動床ボイラを備える発電プラントの制御
   装置において、（ａ）少なくとも、前記圧縮機の回転数
   及び圧縮機入口側に設けられた空気流量制御手段の開
   度、並びに前記圧縮機に流入する空気の温度に基づい
   て、前記圧縮機のサージングに関する制限値を演算する
   手段と、（ｂ）前記圧縮機の入口及び出口の圧力比が、
   前記演算された制限値を超えたときに前記圧縮機の圧力
   比を減少せしめる手段、とを設けたことを特徴とする加
   圧流動床ボイラを備える発電プラントの制御装置。
3. 【請求項３】請求項１及び２のいずれかに記載の加圧流
   動床ボイラを備える発電プラントの制御装置において、
   前記圧縮機のサージングに関する制限値は、前記圧縮機
   に流入される空気流量により定まるサージラインよりも
   所定の余裕値分小さく設定された値であることを特徴と
   する加圧流動床ボイラを備える発電プラントの制御装
   置。
4. 【請求項４】請求項１及び２のいずれかに記載の加圧流
   動床ボイラを備える発電プラントの制御装置において、
   前記圧縮機の圧力比を減少せしめる手段は、前記第２の
   導管手段に設けられ、前記燃焼ガスを前記ガスタービン
   以外の箇所へ放出する弁手段を制御する手段であること
   を特徴とする加圧流動床ボイラを備える発電プラントの
   制御装置。