JPH11230502A - 蒸気ドラムの制御装置および蒸気ドラムを備えた排熱回収ボイラの運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】プラント停止時、蒸気ドラム内の蒸気圧力の上
昇を防止し、かつドラム水の水位低下を防止する蒸気ド
ラムの制御装置および蒸気ドラムを備えた排熱回収ボイ
ラの運転方法を提供する。 【解決手段】本発明に係る蒸気ドラムの制御装置は、蒸
気管１８、過熱器９、主蒸気管２１を介して蒸気ドラム
１０に連通するバイパス管２３に設けたバイパス弁２２
と、プラント停止時、上記バイパス弁２２を開閉制御す
る制御演算部２４とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン停止
時、蒸気ドラム内の蒸気圧力の異常上昇を防止し、かつ
ドラム水の異常低下を防止する蒸気ドラムの制御装置お
よび蒸気ドラムを備えた排熱回収ボイラの運転方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】最近の火力発電プラントでは、ボイラに
蒸気タービンプラントを組み合せたコンベンショナル発
電プラントよりもプラント熱効率が高い点、起動特性が
優れている点等で、コンバインドサイクル発電プラント
の方が主流を占めるようになりつつある。

【０００３】このコンバインドサイクル発電プラント
は、ガスタービンプラントに蒸気タービンプラントおよ
び排熱回収ボイラを組み合せたもので、ガスタービンプ
ラントのガスタービンから膨張仕事を終えた排ガス（排
熱）を熱源として排熱回収ボイラで蒸気を発生させ、そ
の蒸気で蒸気タービンプラントの蒸気タービンを駆動さ
せて電力を発生させており、排熱回収ボイラから蒸気を
発生させる熱源にガスタービンプラントのガスタービン
からの排ガスを利用している点がコンベンショナル発電
プラントに較べてプラント熱効率を高くしている。

【０００４】また、最近のガスタービンプラントの技術
開発の進展が目覚しく、空気圧縮機は、吐出圧力が高圧
化し、その吐出温度が４００℃に及ぶものが実機として
実現しており、またガスタービンは、ガスタービン入口
の燃焼ガス温度を、ひところの１１００℃から１３００
℃を経て１５００℃にすることができるように研究開発
が行われている。

【０００５】このように、ガスタービンプラントがより
一層大容量化してくると、必然的に排熱回収ボイラも大
容量化し、より多くの蒸気を発生できるようになってお
り、ガスタービンの研究開発の成果によりプラント熱効
率のより一層の向上が期待されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】最近のように、ガスタ
ービンプラントおよび排熱回収ボイラともに大容量化し
てくると、排熱回収ボイラには、不都合・不具合な点が
発生することがある。

【０００７】従来、排熱回収ボイラは、ガスタービンプ
ラントの運転が終了した時点で、ガスタービンからの排
ガスを器内に閉じ込める、いわゆるホットバンキング状
態にしておき、この間、器内外に設置した熱交換器や蒸
気ドラムに残っている給水を比較的高温のホットバンキ
ング水に維持させ、再起動時、ホットバンキング水を利
用して熱交換器から蒸気ドラムに循環させ、熱交換器の
露点腐食等に伴う伝熱管の損傷防止を図っていた。

【０００８】しかし、最近のように、ガスタービンプラ
ントの大容量化が進むと、排ガスの温度が高すぎ、ホッ
トバンキング中、排熱回収ボイラの蒸気ドラムには異常
現象を発生させる可能性があった。

【０００９】図４は、ガスタービンプラント運転停止
時、排熱回収ボイラの蒸気ドラム内に残されたドラム水
としてのホットバンキング水の挙動を示す図である。

【００１０】排熱回収ボイラ１は、蒸気ドラム２と蒸発
器３とを備え、蒸気ドラム２を器外に設置し、蒸発器３
を器内に収容する構成になっている。また、蒸気ドラム
２と蒸発器３とは、ドラム水としてのホットバンキング
水の流れに沿って降水管４、下部ヘッダ５ａ、上部ヘッ
ダ５ｂ、上昇管６を介して互いに接続しており、密度差
を利用してドラム水としてのホットバンキング水を循環
させる間に気液二相流にしている。また、蒸気ドラム２
は、気液二相流を気相部分と液相部分とに分離させ、気
相部分を蒸気管７を介して例えば過熱器に供給する一
方、液相部分を再び循環させている。

【００１１】このように、従来の排熱回収ボイラは、ド
ラム水としてのホットバンキング水が上述の挙動を採っ
ていても、ホットバンキング状態中、あるいはホットバ
ンキング状態解除後、蒸気ドラム内の蒸気圧力およびド
ラム水に異常変動が認められていなかった。

【００１２】ところが、最近の排熱回収ボイラでは、そ
の器内に閉じ込めたガスタービンからの排ガスの温度が
高すぎるために、ホットバンキング状態中、図５に示す
ように、蒸気ドラム内の蒸気圧力が予め定められた圧力
を大幅に超え、これに伴ってドラム水としてのホットバ
ンキング水にスエーリングが発生し、見掛上、その水位
が上昇するとともに、ホットバンキング状態解除後、ド
ラム水としてのホットバンキング水が急激に収縮し、予
め定められた水位を大幅に下廻ることが往々にしてあっ
た。なお、図５中、実線は、蒸気ドラム内の蒸気圧力の
変動を、また一点鎖線は蒸気ドラム内のドラム水の水位
変動をそれぞれ示している。

【００１３】このように、従来の排熱回収ボイラは、再
起動に際し、予め定められた水位を大幅に下廻ったドラ
ム水を回復させる必要上、蒸気ドラムに補給水を供給す
る水張り工程を行わなければならず、発電プラントの再
起動に長時間を要し、負荷併入、定格負荷のタイムスケ
ジュールに支障を与える問題点があった。

【００１４】本発明は、このような問題点に対処してな
されたもので、ガスタービンの運転停止後、ホットバン
キング状態を維持させながら蒸気ドラム内の蒸気圧力お
よびドラム水を予め定められた範囲内に維持させ、発電
プラントの再起動時間を早めた蒸気ドラムの制御装置お
よび蒸気ドラムを備えた排熱回収ボイラの運転方法を提
供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る蒸気ドラム
の制御装置は、上述の目的を達成するために、請求項１
に記載したように、蒸気管、過熱器、主蒸気管を介して
蒸気ドラムに連通するバイパス管に設けたバイパス弁
と、プラント停止時、上記バイパス弁を開閉制御する制
御演算部とを備えたものである。

【００１６】本発明に係る蒸気ドラムの制御装置は、上
述の目的を達成するために、請求項２に記載したよう
に、制御演算部は、通常運転圧力制御モード部とデラン
ピング運転圧力制御モード部と、プラント停止時、デラ
ンピング運転圧力制御モード部の出力を通電させる連動
切替器と、上記デランピング運転圧力制御モード部から
の出力を、主蒸気管を流れる蒸気の圧力信号に突合わせ
る比較器と、比較器の出力に予め定められた圧力設定器
からの設定圧力信号を掛算し、掛算信号でバイパス管に
設けたバイパス弁を開閉制御する掛算器とで構成したも
のである。

【００１７】本発明に係る蒸気ドラムの制御装置は、上
述の目的を達成するために、請求項３に記載したよう
に、デランピング運転圧力制御モード部に関数器を設け
たものである。

【００１８】本発明に係る蒸気ドラムの制御装置は、上
述の目的を達成するために、請求項４に記載したよう
に、関数器に、プラント停止時、蒸気ドラムの蒸気圧力
を低下させた後、その蒸気圧力を一定値に維持させるよ
うに、バイパス弁の開度をコントロールする関数線を組
み込んだものである。

【００１９】本発明に係る蒸気ドラムを備えた排熱回収
ボイラの運転方法は、上述の目的を達成するために、請
求項５に記載したように、プラント停止時、蒸気管、過
熱器、主蒸気管を介して蒸気ドラムに連通するバイパス
管に設けたバイパス弁を開弁させ、上記蒸気ドラム内の
蒸気圧力が予め定められた圧力まで低下したとき、その
低下した蒸気圧力を一定時間ホールドさせた後、排熱回
収ボイラをホットバンキング状態に移行させるものであ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る蒸気ドラムの
制御装置および蒸気ドラムを備えた排熱回収ボイラの運
転方法の実施形態について図面および図中に付した符号
を引用して説明する。

【００２１】図１は、本発明に係る蒸気ドラムの制御装
置を排熱回収ボイラに適用した概略制御系統図である。

【００２２】排熱回収ボイラ７は、横長筒状のケーシン
グ８で形成し、ケーシング８内にガスタービン（図示せ
ず）から供給される排ガスＧの流れに沿って過熱器９、
蒸気ドラム１０を備えた蒸発器１１、節炭器１２等を収
容する構成になっている。

【００２３】節炭器１２は、入口側に復水器（図示せ
ず）等からの給水を案内する給水管１３と、出口側に予
熱水としての給水を蒸気ドラム１０に案内する調整弁１
４を備えた給水予熱管１５を設けている。

【００２４】また、蒸気ドラム１０は、降水管１６およ
び上昇管１７を介して蒸発器１１に接続する、いわゆる
閉ループになっており、ドラム水の密度差を利用して降
水管１６、蒸発器１１、上昇管１７を循環させ、循環
中、排ガスＧの熱を受けて気液二相流にし、気液二相流
のうち、液相部分と気相部分を分離させている。

【００２５】また、蒸気ドラム１０は、分離した気相部
分を飽和蒸気として過熱器９に案内する蒸気管１８を備
え、蒸気管１８の途中に安全弁１８ａおよびベント弁１
８ｂを設け、万一の飽和蒸気の異常圧力上昇に対して飽
和蒸気を大気に放出させるようになっている。

【００２６】さらに、過熱器９は、排ガスＧの熱を受け
て飽和蒸気を過熱蒸気にし、過熱蒸気を主蒸気止め弁１
９、圧力検出器２０を介して蒸気タービン（図示せず）
に案内する主蒸気管２１を設けるとともに、起動時のよ
うに蒸気温度が低いとき、その蒸気をバイパス弁２２を
介して復水器（図示せず）に排出させるバイパス管２３
を設けている。

【００２７】一方、蒸気ドラム１０には、排熱回収ボイ
ラ７のホットバンキング状態開始前に器内の蒸気圧力を
コントロールする演算制御部２４が設けられている。

【００２８】この演算制御部２４は、通常運転停止時、
蒸気ドラム１０の蒸気圧力をコントロールする通常運転
圧力制御モード部２５と、ホットバンキング状態中、蒸
気ドラム１０の蒸気圧力が異常上昇することを考慮して
事前にその蒸気圧力を適正値に降下させる、いわゆるデ
ランピング運転圧力制御モード部２６とを備えている。

【００２９】また、演算制御部２４は、通常運転圧力制
御モード部２５からの出力信号およびデランピング運転
圧力制御モード部２６からの出力信号のうち、いずれか
の出力信号を連動切替え器２７を介して比較器２８に入
力し、ここで主蒸気管２１に設けた圧力検出器２０から
の出力信号と突合せ、偏差が出ると、その偏差に予め設
定した圧力設定器２９からの設定圧力信号を掛算器３０
で掛算し、その掛算信号でバイパス管２３に設けたバイ
パス弁２２を開閉制御させる構成になっている。

【００３０】また、演算制御部２４は、デランピング運
転圧力制御モード部２６に、関数器３１と制御指令部
（コマンド）３２を設け、蒸気ドラム１０の蒸気圧力が
異常になったとき、バイパス弁２２を開弁させる構成に
なっている。

【００３１】また関数器３１は、ガスタービン停止時、
蒸気ドラム１０の蒸気圧力を低下させ、予め定められた
時間の経過後、その蒸気圧力を予め定められた圧力に維
持させるようにバイパス弁２２の開度をコントロールす
る関数線が組み込まれている。

【００３２】次に作用を説明する。

【００３３】ガスタービンが通常停止または系統事故等
のために緊急停止すると、その信号を受けた制御指令部
３２は、連動切替え器２７の接点ＡをＯＮさせる。する
と、デランピング運転圧力制御モード部２６は、関数器
３１からの出力信号を比較器２８に入力し、ここで主蒸
気管２１の圧力検出器２０で検出した蒸気圧力信号と突
合わせ、偏差が出ると、その偏差に掛算器３０で圧力設
定器２９からの設定圧力信号を掛算し、その掛算信号を
弁開度信号としてバイパス弁２２に与え、バイパス弁２
２を開弁させる。なお、このとき、蒸気タービン（図示
せず）の入口に設けた蒸気加減弁（図示せず）が閉弁し
ているので、排熱回収ボイラ７の過熱器９から蒸気ター
ビンに供給していた過熱蒸気は断たれている。

【００３４】バイパス弁２２を開弁させると、蒸気ドラ
ム１０は、復水器に連通状態になるので、その器内の蒸
気圧力は徐々に低下する。

【００３５】蒸気ドラム１０内の蒸気圧力が低下し、そ
の圧力が予め定めた設定圧力になると、排熱回収ボイラ
７は、ホットバンキング状態を開始する。具体的には、
排熱回収ボイラ７の出口側に設けたダンパ（図示せず）
を閉じ、ガスタービンからの排ガスＧを器内に閉じ込め
る。

【００３６】次に、蒸気ドラムを備えた排熱回収ボイラ
の運転方法を図２を参照して説明する。

【００３７】排熱回収ボイラ７のホットバンキング状態
開始は、図２に示すように、ガスタービン停止、蒸気ド
ラム１０から蒸気管１８、過熱器９、主蒸気止め弁１９
を介してバイパス弁２２に流れる蒸気の圧力（蒸気ドラ
ム内の蒸気圧力に相当）が低下し、予め定められた圧力
になったとき、その圧力をタイマ回路３３で一定時間ホ
ールドしたときの蒸気の圧力、およびバイパス弁２２が
予め定められた設定開度以下になったときの三つの条件
が揃ったときにＡＮＤ回路３４を介して行われる。な
お、タイマ回路３３を設けたのは、バイパス弁２２を流
れる蒸気の圧力が予め定められた圧力に低下した時から
すぐさま排熱回収ボイラ７をホットバンキング状態に移
行させると、閉じ込めた排ガスＧの温度が高いために、
蒸気ドラム１０の蒸気圧力が急激に上昇し、許容最高圧
力を超えるおそれがあるからである。

【００３８】ホットバンキング状態が開始されると、排
熱回収ボイラ７は、給水管１３からの給水を断つととも
に、主蒸気管２１の主蒸気止め弁１９を閉弁させる一
方、バイパス管２３のバイパス弁２２を閉弁させる。

【００３９】このように、本実施形態は、蒸気ドラム１
０に演算制御部２４を設け、ガスタービンが停止し、排
熱回収ボイラ７がホットバンキング状態に入ると蒸気ド
ラム１０内の器内蒸気圧力が異常上昇することを考慮
し、事前に演算制御部２４からの出力信号でバイパス管
２３のバイパス弁２２を開弁させ、蒸気ドラム１０の器
内蒸気圧力を予め定められた圧力に低下させ、その低下
させた蒸気圧力を、タイマ回路３３で一定時間ホールド
させた後、排熱回収ボイラ７にホットバンキング状態を
開始させたので、蒸気ドラム１０の器内蒸気圧力を許容
最高圧力以下に抑えることができる。

【００４０】図３は、蒸気ドラム１０の器内蒸気圧力お
よびドラム水の水位の各挙動を示す線図であり、排熱回
収ボイラ７のホットバンキング状態開始前に蒸気ドラム
１０の器内蒸気圧力を低くしているので、ホットバンキ
ング状態開始後、排熱回収ボイラ７に閉じ込められた排
ガスＧの温度が高いために、蒸気ドラム１０の器内蒸気
圧力が上昇しても許容最高圧力以下に抑えることが認め
られた。

【００４１】したがって、本実施形態では、排熱回収ボ
イラ７のホットバンキング状態中、蒸気ドラム１０の器
内蒸気圧力が許容最高圧力を超えることもなく、また、
ホットバンキング状態解除後、器内蒸気圧力が比較的低
いことに伴うドラム水の収縮率も低くなり、ドラム水の
水位を大幅に低下させることがない。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明の通り、本発明に係る蒸気ド
ラムの制御装置および蒸気ドラムを備えた排熱回収ボイ
ラの運転方法は、蒸気ドラムに演算制御部を設け、ガス
タービン停止時、演算制御部からの出力信号でバイパス
管のバイパス弁を開弁させ、蒸気ドラムの器内蒸気圧力
を低下させ、その低下させた蒸気圧力を一定時間ホール
ドさせて排熱回収ボイラにホットバンキング状態を開始
させ、従来よりも蒸気ドラム内の器内蒸気圧力を低くさ
せるとともに、ドラム水の水位変動を低く抑えたので、
プラントの再起動の際、蒸気ドラムへの水張工程時間を
短くすることができ、プラントの再起動開始時間を従来
よりもより一層短縮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る蒸気ドラムの制御装置を排熱回収
ボイラに適用した概略制御系統図。

【図２】排熱回収ボイラがホットバンキング状態を開始
するための条件設定をするときの概略ブロック図。

【図３】本発明に係る蒸気ドラムの制御装置における蒸
気ドラム内の蒸気圧力およびドラム水の各変動を示す線
図。

【図４】従来の排熱回収ボイラにおける蒸気ドラムから
気液二相流が生成されることを説明する図。

【図５】従来の蒸気ドラム内の蒸気圧力およびドラム水
の各変動を示す線図。

【符号の説明】

１ 排熱回収ボイラ ２ 蒸気ドラム ３ 蒸発器 ４ 降水器 ５ａ 下部ヘッダ ５ｂ 上部ヘッダ ６ 上昇管 ７ 排熱回収ボイラ ８ ケーシング ９ 過熱器 １０ 蒸気ドラム １１ 蒸発器 １２ 節炭器 １３ 給水管 １４ 調整弁 １５ 給水予熱管 １６ 降水管 １７ 上昇管 １８ 蒸気管 １８ａ 安全弁 １８ｂ ベント弁 １９ 主蒸気止め弁 ２０ 圧力検出器 ２１ 主蒸気管 ２２ バイパス弁 ２３ バイパス管 ２４ 演算制御部 ２５ 通常運転圧力制御モード部 ２６ デランピング運転圧力制御モード部 ２７ 連動切替え器 ２８ 比較器 ２９ 圧力設定器 ３０ 掛算器 ３１ 関数器 ３２ 制御指令部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気管、過熱器、主蒸気管を介して蒸気
   ドラムに連通するバイパス管に設けたバイパス弁と、プ
   ラント停止時、上記バイパス弁を開閉制御する制御演算
   部とを備えたことを特徴とする蒸気ドラムの制御装置。
2. 【請求項２】 制御演算部は、通常運転圧力制御モード
   部とデランピング運転圧力制御モード部と、プラント停
   止時、デランピング運転圧力制御モード部の出力を通電
   させる連動切替器と、上記デランピング運転圧力制御モ
   ード部からの出力を、主蒸気管を流れる蒸気の圧力信号
   に突合わせる比較器と、比較器の出力に予め定められた
   圧力設定器からの設定圧力信号を掛算し、掛算信号でバ
   イパス管に設けたバイパス弁を開閉制御する掛算器とで
   構成したことを特徴とする請求項１に記載の蒸気ドラム
   の制御装置。
3. 【請求項３】 デランピング運転圧力制御モード部に関
   数器を設けたことを特徴とする請求項２に記載の蒸気ド
   ラムの制御装置。
4. 【請求項４】 関数器は、プラント停止時、蒸気ドラム
   の蒸気圧力を低下させた後、その蒸気圧力を一定値に維
   持させるようにバイパス弁の開度をコントロールする関
   数線を組み込んだことを特徴とする請求項３記載の蒸気
   ドラムの制御装置。
5. 【請求項５】 プラント停止時、蒸気管、過熱器、主蒸
   気管を介して蒸気ドラムに連通するバイパス管に設けた
   バイパス弁を開弁させ、上記蒸気ドラム内の蒸気圧力が
   予め定められた圧力まで低下したとき、その低下した蒸
   気圧力を一定時間ホールドさせた後、排熱回収ボイラを
   ホットバンキング状態に移行させることを特徴とする蒸
   気ドラムを備えた排熱回収ボイラの運転方法。