JPS6390606A - コンバインドプラントのガバナフリ一制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、コンバインドプラントの負荷制御装置に係わ
り、特にガバナフリー運転に好適な負荷制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来の発電プラントにおいては、系統周波数変動時のガ
バナフリー運転に対して、負荷制限を設けている場合と
設けていない場合がある。

蒸気タービンプラントでは、速度・負荷設定にかかわら
ず、速度変動に対しガバナ機能が働き、速度高の場合に
は閉側に、速度低の場合には開側に蒸気加減弁が動作す
る。この動作により加減弁通過蒸気量が増減し、蒸気タ
ービン出力の調節が為され、系統負荷変動による周波数
変動を吸収するようにしている。この際、加減弁の絞り
量の変化により、蒸気タービンに流入する蒸気の圧力。

温度が急激に変化し、蒸気タービンにとって好ましくな
いこと、及び急激な蒸気量の変動に対するボイラの追従
性の問題であり、加減弁の動作旦を抑えるべく負荷制限
回路を設けている。

ここで、従来蒸気タービンプラントで行なっているガバ
ナフリー運転に対する負荷制限は、ロードリミッタ−を
ガバナの若干上側に、ある一定の幅を持って追従させる
方式が主である。

ガスタービンプラントでは、ピークロッド運転を行なっ
たり、急速な起動停止を行なうなどの苛酷な運転を行な
うことを考えて設計され、実際運用される為、ガバナフ
リー運転に対しても、その出力変化を制限するような負
荷制限回路を設けず。

できるだけ系統周波数の安定を図る運用としているのが
一般的である。

ガスタービン、排熱回収ボイラ、蒸気タービンより構成
されるコンバインドプラントにおいては。

ガスタービン設備が出力制御（燃料流量制御）を行ない
ガバナ機能を持つことから、ガバナフリー運転に対して
も従来のガスタービンの思想を受は継ぎ、ガバナフリー
運転に対する負荷制限回路を設けず、大幅な負荷変動を
許容するようにしている。

ガバナ制御、ガバナフリー運転及びガバナフリー運転時
の負荷制限に関する従来技術としては、各種文献に記載
されており、−例としては火力原子力発電技術協会発行
「火力原子力発電」第３４巻第１２号第８３頁から第８
５頁に記載がある。

、〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は、コンバインドプラントを構成するガス
タービン以外の主機である排熱回収ボイラ、蒸気タービ
ンに対する、ガバナフリー運転による出力変化が与える
影響に対して配慮しておらず、出力変動によるガスター
ビン排気ガス温度の急激な変化、それに伴う排熱回収ボ
イラ入熱の変動、これによる熱交換器管寄せ部厚肉部等
の熱応力増大、蒸気温度の急変が惹起こす蒸気タービン
ロータ熱応力増大等の問題があった。この点に関し以下
説明する。

第３図に、ガスタービンの速度・負荷制御回路の概略を
示す。第４図に一軸型コンパインドプラントの概略構成
の一例を示す。コンバインドプラントはその主機構成上
、大きく一軸型と多軸型に分けら九るが、ここでは−軸
型を例にとって説明する。

コンバインドプラントでは、第４図に示すガスタービン
１０がメインの主機で、ガスタービン圧縮機１１で吸入
圧縮した空気を燃焼器１２において燃料を混合燃焼させ
、その高温高圧の燃焼ガスによりタービン１３を駆動し
出力を得る。更にガスタービンより排出された燃焼後の
ガスは、依然保有する熱量が大きく高温である為、後流
の排熱回収ボイラ（熱交換器）２０により熱回収され。

煙突より排出される。排熱回収ボイラで発生した蒸気は
、加；或弁３１を介し蒸気タービン３０を駆動し出力を
得る。

ここで、ガスタービンの排ガス温度特性の例を第５図に
示す。ガスタービン排ガスの温度は、吸入空気量と燃料
投入量、即ち負荷により大幅に変動する。図では高負荷
域において排気温度が下がっているが、これは、コンバ
インドサイクルとしての部分負荷効率向上の為、ガスタ
ービンの流入空気量を制御している為である。排熱回収
ボイラは、熱源としてガスタービン排ガスを用いる熱交
換器であることから、排ガスの温度変化は、直接、過熱
器、蒸気器等の熱吸収量に影響を及ぼし、熱交換器各部
の熱応力増大を招く。又、コンバインドプラントでは部
分負荷時の効率向上を考慮し、通常運転時、加減弁全開
の完全変圧、変温運転を行なっているのが一般的であり
、排ガス温度の変化による主蒸気温度の変化は、即、蒸
気タービンロータの熱応力増大につながる。タービンロ
ータ表面温度がステップ的に変化した場合の熱応力のカ
ーブを第６図に示す。この図では、２００　”Ｃから３
００℃とした場合のロータ表面熱応力の値の一例を示し
たもので、非常に大きな値（約３０１ｚ／ｍ２）となっ
ており、通常の起動時の熱応力値約２０ｋｇ／ａｍ”を
大きく上回っている。ステップ応答程ではないにしろ、
ガスタービン出力がガバナフリー運転により中間負荷域
で約２５％負荷変ＩＩ！１Ｉ（４％速度調定率で１％の
周波数変動に相当）した場合、排ガス温度は約１００’
Ｃ近く変動し、熱遅れがあるにしろ蒸気温度もこれに近
い変動があり、この時のロータ熱応力は無視できない大
きさとなる。

コンバインドプラントの通常の運用においては、上述の
ような排ガス温度特性を考慮し、起動停止時及び通常運
転時、排熱回収ボイラや蒸気タービンの熱応力が大きく
出ないよう、ガスタービンの負荷変化率を制限している
が、ガバナフリー運転に対しては、全く制限を設けてい
ないか、蒸気タービン同様のガバナ設定値にある一定の
バイアスを加えた上限リミットをかけているかのどちら
かであった。

ｃ問題点を解決するための手段〕 コンバインドプラントの出力制御は、最終的にガスター
ビンの燃料流量制御となる。第３図の速度・負荷制御回
路で、負荷指令５ｏは発電機出力５１と減算器５２で偏
差をとられ積分器５３を経て負荷設定５４となり、速度
規準値５５と実速度５６の偏差信号５７と加算され、速
度設定率５９を介し、無負荷定格速度相当燃料流量指令
６０を加え、速度・負荷制御出力６２となり、低値選択
回路６４で他制限指令６３と突き合わされ最終的な燃料
制御指令６５となる。

第７図に、発電機出力と周波数との間の特性を示す。図
中の斜線の傾きが速度調定率で、ここでは４％の場合を
示している。定格速度で出力をとっている場合において
は、負荷設定がそのまま出力ということになるが、最初
定格速度で出力Ｐ１の位置にあったものが、系統周波数
がＦＬに変化した場合、負荷設定は変わらずに出力だけ
がＰ２となり、Ｐ２Ｐ１分の出力増加となり、系統周波
数を元に戻そうとする。これが、ガスタービンのガバナ
フリー運転である。この時の排ガス温度変化が、コンバ
インドプラントの場合、排熱回収ボイラ、蒸気タービン
に与える影響が大きい為、ガバナフリー運転はできる限
り許容するが、蒸気サイクル系への影響はなるべく小さ
くしたいということで、速度・負荷制御出力が燃料制御
信号となる低値選択回路の前段として、プラント全体に
及ぼす影響度を少なく抑えるようにガバナフリー運転時
の出力変動幅、出力変化率を適切に制御する負荷制御装
置を設けた。

〔作用〕

コンバインドプラントのガバナフリー運転時においては
、系統周波数の変動により、無制限にガスタービン出力
が変動する為、排ガス温度特性より排熱回収ボイラの入
熱量の急変、蒸気温度の急変が生じ、蒸気サイクル構成
機器に過大な熱応力等の影響を及ぼすことが懸念された
が、ガスタービンの出力制御装置の速度・負荷制御出力
の後流に設けた本発明の負荷制御装置が、プラント状態
（実際には、−乃至二種類のパラメータ）に応じ、ガバ
ナフリー運転時の出力変動幅、出力変化率を適切に制御
することから、定格負荷運転時でも、部分負荷運転時で
も、プラント端成機器、特に蒸気サイクル構成機器に与
える影響を少なく且つ系統周波数安定化の為に常に最大
限の貢献が可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本実
施例では、プラント状態を代表するものとして負荷設定
を用いている。速度・負荷制御出力６２は、出力設定１
１０に関数発生器１０２の値を加算器１０１で加算した
信号１１１と低値選択回路１０４で突き合わされ切替器
１０６に入る。

切替器１０６は、速度・負荷制御出力６２が、負荷設定
５２より大きい場合、１−）　Ｑ　、小さい場合ｂ→Ｃ
となる。又、速度・負荷制御出力６２は、出力設定１１
０から関数発生器１０２の値を；減算器１０３で減算し
た信号１１２と高値選択回路１０５で突き合わされ切替
器１０６に入る。ここで、出力設定１１０は、負荷設定
５４を速度・負荷制御出力６２とのレベル合わせを行な
わせる為に関数発生器１０９を通した信号である。定格
回転数で運転している場合は、低値選択回路１０４及び
高値選択回路１０５の出力信号は、どちらも速度・負荷
制御出力６２と同じ値で、本発明のガバナフリー制御装
置１００の無い場合と同じである。

系統周波数が高くなって速度５Ｇが大きくなり、速度・
負荷制御出力６２が、関数発生器１０２の値と出力設定
１１０の減算した信号１１２より小さくなった場合、ガ
バナフリー制御装置１００の出力１１６は、出力設定１
１０に関数発生器１０２で与えたあるバイアス値をひい
た信号１１２が変化率制限器１０７を介して出た値とな
る。これにより、燃料流量の急激、且つ大幅な減少が防
げ。

排ガス温度の変化率、変化幅が抑えられる。逆に、系統
周波数が低くなって、速度５６が小さくなり速度・負荷
制御出力６２が、関数発生器１０２の値と出力設定１１
０の加算した信号１１１より大きくなった場合、ガバナ
フリー制限装置１１１００の出力１１６は、出力設定１
１０に関数発生器１０２で与えたあるバイアス値を加え
た信号１１１が、変化率制限器１０７を介して出た値と
なる。これにより、燃料流量の急激、且つ大幅な増加が
防げ、排ガス温度の変化率、変化幅が抑えられる。

第２図は、第１図の関数発生器１０２で与えるバイアス
値の一例を示したもので、出力が大の場合は、図のＣＤ
のように、大きなバイアス値、即ち、ガバナフリー許容
負荷変ｌｊＪ幅を大きく、出力が小の場合は、図のＢＣ
のように、小さなバイアス値、即ち、ガバナフリー許容
負荷変ａ幅を小さくというように、第５図に示した。排
ガス温度特性にあった出力変動幅となるようにしている
。尚、ＡＢ以下の出力では、ガスタービンの燃焼器の制
御性の問題もあり、ガバナフリー運転を許容しないよう
なバイアス値としている。このようなバイアスの設定は
プラント状態１機器の制御性を定置して実際の運用に即
して選ぶ必要がある。又、速度・負荷制御出力の変動方
向が燃料流景増加側か減少側かによって異なった関数発
生器を用いて。

より柔軟な対応を可能とする制御装置とすることができ
る。

上記実施例では、プラント状態を代表するものとして負
荷設定を用いた場合を説明した。これは従来蒸気タービ
ンのロードリミッタで採用していることと、負荷とガス
タービン排ガス温度に密接な関係があることより選んだ
ものである。プラント状態を代表するものとして本発明
のガバナフリー制御装置に使用できるものとしては、ガ
スタービン排ガス温度、圧縮機出口圧力、軸出力等があ
げられるが、いずれの場合でも、関数発生器でのバイア
スの与え方、変化率制限器の変化率制限値の与え方を適
切なものとすることにより、ガバナフリー運転時の出力
変動幅、出力変化率がプラント構成機器の過大な寿命消
費を招かない範囲で、系Ｍ周波数の変動にできるだけ追
従するようにすることかできる。

〔発明の効果〕

本発明によ九ば、系統負荷急変時の系統周波数変動に対
し、コンバインドプラントの特徴である負荷変動による
排ガス温度変化、蒸気温度変化がプラント構成機器に与
える影響を許容値内に抑えつつ、ガバナフリー運転によ
る負荷追従性をその時点のプラント状態で最大限に活か
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は第１図の
実施例中の関数発生器で与えるバイアス値の一例を示す
説明図、第３図はガスタービンの速度・負荷制御回路図
、第４図は一軸型コンパインドプラントの概略構成図、
第５図はガスタービンの排ガス温度特性線図、第６図は
ロータ表面温度のステップ変化に対するロータ熱応力特
性の一例を表わした線図、第７図はガバナフリー特性を
示す線図である。 １０・・・ガスタービン、２ｏ・・・排熱回収ボイラ、
３ｏ・・・蒸気タービン、４ｏ・・・発電機、５０・・
・負荷指令、５４・・・負荷設定、５９・・・速度調定
率、６２・・・速度負荷制御出力、６４・・・低値選択
回路、６５・・・燃料制御指令、１００・・・ガバナフ
リー制御装置、第［］ 出力設定 番３ｎ 秘４Ｉ２１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ガスタービン及びその排熱を利用した排熱回収ボイ
   ラ、その発生蒸気を駆動源とする蒸気タービンより構成
   され、発電電力を得るコンバインプラントにおいて、系
   統周波数変動時のガバナフリー運転による出力変動がプ
   ラントに及ぼす影響を許容値内とし、且つ系統周波数安
   定化の為にできる限り負荷追従するように、ガバナフリ
   ー運転時の出力変動幅、出力変化率を適切に制御するこ
   とを特徴とするコンバインドプラントのガバナフリー制
   御装置。