KR101883689B1 - 플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법 및 파워 플랜트 - Google Patents

플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법 및 파워 플랜트 Download PDF

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Abstract

일 실시예에서, 입구 가이드 베인(IGV)으로부터의 산소와 함께 연료를 연소시켜 플랜트는 가스 터빈(GT)용 가스를 발생시키는 연소기, 및 GT로부터의 배기 가스를 이용해서 증기 터빈(ST)용 증기를 발생시키는 열회수 증기 발생기를 포함한다. 장치는 GT 기동과 ST 기동 사이에서 IGV 개도를 제 1 개도로 제어하고 GT 출력값을 제 1 값보다 큰 값으로 제어한다. 제 1 값은, IGV 개도가 제 1 개도일 경우, 배기 가스 온도가 ST 금속 온도에 의존하는 제 1 온도로 유지될 수 있는 출력값이다. GT 출력값이 제 1 값보다 큰 값으로 제어되는 동안, 장치는 증기 온도 또는 GT 출력값에 의거하여 IGV 개도를 제 1 개도로부터 증가시킨다.

Description

플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법 및 파워 플랜트{PLANT CONTROL APPARATUS, PLANT CONTROL METHOD AND POWER PLANT}
본 발명은 플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법 및 파워 플랜트에 관한 것이다.
복합-사이클 파워 플랜트는 일반적으로 가스 터빈, 열회수 증기 발생기 및 증기 터빈을 포함하고, 연료의 연소를 통해 발생되는 에너지를 이용해서 화력 발전을 행한다. 구체적으로, 가스 터빈은 연료를 연소시키는 연소기로부터 공급되는 가스에 의해 구동된다. 열회수 증기 발생기는 가스 터빈으로부터 배출되는 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시킨다. 증기 터빈은 열회수 증기 발생기로부터 공급되는 증기(주(主)증기)에 의해 구동된다.
열회수 증기 발생기는 일반적으로 열용량이 크므로, 주증기 온도를 소정의 온도로 올리는 데 오랜 시간이 걸린다. 그러나, 화력 발전은 종종 비상 전원의 역할을 하기 때문에, 복합-사이클 파워 플랜트는 고속 기동 능력을 가질 필요가 있다. 따라서, 주증기 온도의 상승 지연이 고속 기동을 방해하게 되는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 고속 기동에서의 악영향을 억제하면서 고속 기동을 가능하게 하는 기술을 채용하는 것이 또한 바람직하다.
일 실시예에서, 플랜트 제어 장치는, 입구 가이드 베인으로부터 도입된 산소와 함께 연료를 연소시켜 가스를 발생시키도록 구성된 연소기, 연소기로부터의 가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈, 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 열회수 증기 발생기, 및 열회수 증기 발생기로부터의 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈을 포함하는 파워 플랜트를 제어하도록 구성된다. 이 장치는, 가스 터빈의 기동으로부터 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 입구 가이드 베인의 개도를 제 1 개도로 제어하도록 구성된 개도 제어기를 포함한다. 이 장치는, 가스 터빈의 기동으로부터 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 가스 터빈의 출력값을 제 1 출력값보다 큰 값으로 제어하도록 구성된 출력 제어기를 더 포함하고, 제 1 출력값은, 입구 가이드 베인의 개도가 제 1 개도일 경우 배기 가스의 온도가 증기 터빈의 금속 온도에 의존하는 제 1 온도로 유지될 수 있는 출력값이다. 출력 제어기가 가스 터빈의 출력값을 제 1 출력값보다 큰 값으로 제어하는 동안, 개도 제어기는 증기의 온도 또는 가스 터빈의 출력값에 의거하여 입구 가이드 베인의 개도를 제 1 개도로부터 증가시키도록 구성된다.
도 1은 제 1 실시예의 파워 플랜트의 구성을 나타내는 개략도.
도 2는 제 1 실시예의 플랜트 제어 방법을 나타내는 플로차트.
도 3은 제 1 실시예의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프.
도 4는 제 1 실시예의 변형예의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프.
도 5는 제 2 실시예의 파워 플랜트의 구성을 나타내는 개략도.
도 6은 제 2 실시예의 플랜트 제어 방법을 나타내는 플로차트.
도 7은 제 2 실시예의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프.
도 8은 제 1 비교예의 파워 플랜트의 구성을 나타내는 개략도.
도 9는 제 1 비교예의 증기 터빈의 구조를 나타내는 단면도.
도 10은 제 1 비교예의 플랜트 제어 방법을 나타내는 플로차트.
도 11은 제 1 비교예의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프.
도 12는 제 2 비교예의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프.
이하, 첨부 도면을 참조해서 본원의 실시예 및 비교예를 설명한다. 도 1 내지 도 12에 있어서, 동일 또는 유사한 구성에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 중복되는 설명은 생략된다.
(제 1 비교예)
도 8은 제 1 비교예의 파워 플랜트(1)의 구성을 나타내는 개략도이다. 이 비교예의 파워 플랜트(1)는 파워 플랜트(1)를 제어하는 플랜트 제어 장치(2)를 포함한다. 이 비교예의 파워 플랜트(1)는 복합-사이클 파워 플랜트이다.
파워 플랜트(1)는 연료 유량 제어 밸브(11), 연소기(12), 압축기(13), 가스 터빈(14), 가스 터빈(GT) 회전축(15), GT 발전기(16), 서보 밸브(17), 압축 에어 온도 센서(18), 출력 센서(19), 열회수 증기 발생기(21), 드럼(22), 과열기(23), 증기 터빈(31), 응축기(32), 조정 밸브(33), 바이패스 제어 밸브(34), 증기 터빈(ST) 회전축(35), ST 발전기(36), 금속 온도 센서(37), 및 주증기 온도 센서(38)를 포함한다. 압축기(13)는 입구(13a) 및 복수의 입구 가이드 베인(IGV)(13b)을 포함한다. 가스 터빈(14)은 복수의 배기 가스 온도 센서(14a)를 포함한다.
플랜트 제어 장치(2)는 함수 발생기(41), 설정기(42), 가산기(43), 상한 리미터(44), 하한 리미터(45), 설정기(46), 비교기(47), 전환기(51), 평균값 연산기(52), 감산기(53), PID(proportional-integral-derivative) 제어기(54), 및 하한 리미터(55)를 포함한다. 이들 블록은, IGV(13b)의 개도를 제어하는 개도 제어기로서 기능하도록 서보 밸브(17)의 동작을 제어한다. 플랜트 제어 장치(2)는, 가스 터빈(14)의 출력을 제어하도록 연료 유량 제어 밸브(11)의 동작을 제어하는 출력 제어기(56)를 더 포함한다.
연료 유량 제어 밸브(11)는 연료 배관에 설치된다. 연료 유량 제어 밸브(11)가 개방될 경우, 연료 배관으로부터 연소기(12)로 연료(A1)가 공급된다. 압축기(13)는 입구(13a)에 설치된 IGV(13b)를 포함한다. 압축기(13)는 에어(A2)를 입구(13a)로부터 IGV(13b)를 통해 도입해서 압축 에어(A3)를 연소기(12)에 공급한다. 연소기(12)는 압축 에어(A3)의 산소와 함께 연료(A1)를 연소시켜 고온 고압의 연소 가스(A4)를 발생시킨다.
가스 터빈(14)은 연소 가스(A4)에 의해 회전 구동되어 GT 회전축(15)을 회전시킨다. GT 발전기(16)는 GT 회전축(15)에 연결되어 GT 회전축(15)의 회전에 의해 발전한다. 가스 터빈(14)으로부터 배출된 배기 가스(A5)는 열회수 증기 발생기(21)로 보내진다. 각 배기 가스 온도 센서(14a)는 가스 터빈(14)의 출구 부근의 배기 가스(A5)의 온도를 검출하고 온도 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 열회수 증기 발생기(21)는 배기 가스(A5)의 열에 의해 증기를 발생시키며, 이에 대해서는 후술된다.
서보 밸브(17)는 IGV(13b)의 개도를 조정하는 데 사용된다. 압축 에어 온도 센서(18)는 압축기(13)의 출구 부근의 압축 에어(A3)의 온도를 검출하고 온도 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 출력 센서(19)는 가스 터빈(14)의 출력을 검출하고 출력 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 가스 터빈(14)의 출력은 가스 터빈(14)에 연결된 GT 발전기(16)의 전기 출력이다. 출력 센서(19)는 GT 발전기(16)에 설치된다.
드럼(22) 및 과열기(23)는 열회수 증기 발생기(21)에 설치되어, 열회수 증기 발생기(21)의 일부를 구성한다. 드럼(22) 내의 물은 증발기(도시되지 않음)로 전해지고, 증발기에서 배기 가스(A5)에 의해 가열되어 포화 증기로 된다. 포화 증기는 과열기(23)로 전해지고, 과열기(23)에서 배기 가스(A5)에 의해 과열되어 과열 증기(A6)로 된다. 열회수 증기 발생기(21)에 의해 발생된 과열 증기(A6)는 증기 배관으로 배출된다. 이하, 이 과열기 증기(A6)를 주증기라 한다.
증기 배관은 주배관과 바이패스 배관으로 분기된다. 주배관은 증기 터빈(31)에 연결되고, 바이패스 배관은 응축기(32)에 연결된다. 조정 밸브(33)는 주배관에 설치된다. 바이패스 제어 밸브(34)는 바이패스 배관에 설치된다.
조정 밸브(33)가 개방될 경우, 주배관 내의 주증기(A6)는 증기 터빈(31)에 공급된다. 증기 터빈(31)은 주증기(A6)에 의해 회전 구동되어 ST 회전축(35)을 회전시킨다. ST 발전기(36)는 ST 회전축(35)에 연결되어 ST 회전축(35)의 회전에 의해 발전한다. 증기 터빈(31)으로부터 배출된 주증기(A7)는 응축기(32)로 전해진다.
한편, 바이패스 제어 밸브(34)가 개방될 경우, 바이패스 배관 내의 주증기(A6)는 증기 터빈(31)을 우회해서 응축기(32)로 전해진다. 응축기(32)는 순환수(A8)를 이용하여 주증기(A6) 및 주증기(A7)를 냉각해서, 주증기(A6 및 A7)를 물로 응축한다. 순환수(A8)가 바닷물일 경우, 응축기(32)로부터 배출된 순환수(A8)를 바다로 되돌린다.
금속 온도 센서(37)는 증기 터빈(31)의 제 1 스테이지 내면의 금속 온도를 검출하고 온도 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 주증기 온도 센서(38)는 열회수 증기 발생기(21)의 주증기 유출구 부근의 주증기(A6)의 온도를 검출하고, 온도 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다.
배기 가스(A5)의 온도는 연료(A1)의 공급량 또는 에어(A2)의 유량을 조정함으로써 제어될 수 있다. 이하, 연료(A1)의 공급량 및 에어(A2)의 유량에 대해 상세히 설명한다.
연료 유량 제어 밸브(11)의 개도를 제어함으로써 연료(A1)의 공급량이 제어된다. 플랜트 제어 장치(2)의 출력 제어기(56)는 연료 유량 제어 밸브(11)의 개도를 제어하는 밸브 제어 커맨드 신호를 출력하여 연료(A1)의 공급량을 조정한다. 예를 들면, 연료(A1)의 공급량이 증가할 경우, 연소 가스(A4)의 온도는 하강하고, 가스 터빈(14)의 출력값은 감소하며, 배기 가스(A5)의 온도는 감소된다. 한편, 연료(A1)의 공급량이 감소할 경우, 연소 가스(A4)의 온도는 상승하고, 가스 터빈(14)의 출력값은 증가하며, 배기 가스(A5)의 온도는 상승한다. 상기에서 알 수 있는 바와 같이, 출력 제어기(56)는 연료 유량 제어 밸브(11)의 개도를 제어하여 가스 터빈(14)의 출력값을 제어함으로써, 배기 가스(A5)의 온도를 제어할 수 있다.
에어(A2)의 유량은 IGV(13b)의 개도를 제어함으로써 조정된다. 연료 유량 제어 밸브(11)의 개도에서와 같이, IGV(13b)의 개도는 플랜트 제어 장치(2)에 의해 제어된다. 압축기(13)는 IGV(13b)를 통해 에어(A2)를 흡인하고, 에어(A2)를 압축해서 압축 에어(A3)를 발생시킨다. 예를 들면, IGV(13b)의 개도가 증가할 경우, 에어(A2)의 유량이 증가하고, 압축 에어(A3)의 유량이 증가한다. 이 때, 압축 에어(A3)의 온도는 압축 프로세스를 통해 에어(A2)의 원래 온도(실질적으로 대기 온도)보다 높아지지만, 연소 가스(A4)의 온도와 비교해서 매우 낮다. 그 결과, IGV(13b)의 개도가 증가할 경우, 압축 에어(A3)의 영향이 커져, 연소 가스(A4)의 온도가 하강하며, 배기 가스(A5)의 온도가 하강한다. 한편, IGV(13b)의 개도가 작아질 경우, 압축 에어(A3)의 영향이 작아져, 연소 가스(A4)의 온도가 상승하며, 배기 가스(A5)의 온도가 상승한다. 상기에서 알 수 있는 바와 같이, IGV(13b)의 개도를 제어함으로써, 플랜트 제어 장치(2)는 배기 가스(A5)의 온도를 제어할 수 있다. 연료(A1)의 공급량을 일정하게 유지하면서 IGV(13b)의 개도를 변경하고자 할 경우, 가스 터빈(14)의 출력값은 거의 변화하지 않는다.
도 9는 제 1 비교예의 증기 터빈(31)의 구조를 나타내는 단면도이다.
증기 터빈(31)은 복수의 회전자 블레이드를 포함하는 회전자(31a), 복수의 고정자 베인을 포함하는 고정자(31b), 증기 유입구(31c), 및 증기 유출구(31d)를 포함한다. 주증기(A6)는 증기 유입구(31c)로부터 도입되고 증기 터빈(31)을 통과해서 주증기(A7)로서 증기 유출구(31d)로부터 배출된다.
도 9는 금속 온도 센서(37)가 설치되는 위치를 나타낸다. 금속 온도 센서(37)는 증기 터빈(31) 내의 제 1 스테이지 고정자 베인의 내면 부근에 설치된다. 따라서, 금속 온도 센서(37)는 제 1 스테이지 고정자 베인의 내면의 금속 온도를 검출할 수 있다.
도 8을 다시 참조하여, 이하 플랜트 제어 장치(2)를 상세히 설명한다.
함수 발생기(41)는 정상시(normal time)에서의 가스 터빈(14)의 출력값(이하, GT 출력값이라 함)과 배기 가스(A5)의 온도(이하, 배기 가스 온도라 함) 사이의 상관을 나타내는 함수를 발생시킨다. 함수 발생기(41)는 출력 센서(19)로부터 GT 출력값의 측정값(B1)을 취득하고, 함수 발생기(41)에 설정된 함수 곡선에 따라 측정값(B1)에 대응하는 배기 가스 온도의 설정값(B2)을 출력한다.
함수 발생기(41)는 정상시에서의 압축 에어(A3)의 압력(이하, 압축 에어 압력이라 함)과 배기 가스 온도 사이의 상관을 나타내는 함수를 발생시킬 수 있다. 이 경우, 함수 발생기(41)는 압축 에어 압력의 측정값을 취득하고, 이 측정값에 대응하는 배기 가스 온도의 설정값(B2)을 출력한다.
설정기(42)는 배기 가스 온도와 증기 터빈(31)의 제 1 스테이지 내면의 금속 온도(이하, 금속 온도라 함) 사이의 기동시에서의 온도 차이에 대한 설정값(△T)을 유지한다. 가산기(43)는 금속 온도 센서(37)로부터 금속 온도의 측정값(B3)을 취득하고 설정기(42)로부터 설정값(△T)을 취득한다. 그리고, 가산기(43)는 금속 온도의 측정값(B3)에 설정값(△T)을 가산하고 배기 가스 온도의 설정값(B3+△T)을 출력한다.
상한 리미터(44)는 배기 가스 온도의 상한값(UL)을 유지하고 설정값(B3+△T) 또는 상한값(UL) 중 작은 쪽을 출력한다. 하한 리미터(45)는 배기 가스 온도의 하한값(LL)을 유지하고 상한 리미터(44)의 출력 또는 하한값(LL) 중 큰 쪽을 출력한다. 따라서, 하한 리미터(45)는 배기 가스 온도의 설정값(B4)으로서, 설정값(B3+△T), 상한값(UL), 및 하한값(LL)의 중간값을 출력한다. 이것은, 배기 가스 온도의 설정값(B3+△T)이 상한값(UL)과 하한값(LL) 사이의 값으로 제한된다는 것을 의미한다.
설정기(46)는 GT 출력값의 초기 부하(이하, 간단히 초기 부하라 함)에 대한 설정값을 유지한다. 비교기(47)는 출력 센서(19)로부터 GT 출력값의 측정값(B1)을 취득하고 설정기(46)로부터 GT 출력값의 초기 부하를 취득한다. 그리고, 비교기(47)는 측정값(B1)과 초기 부하를 비교하고 비교 결과에 대응하는 전환 신호(B5)를 출력한다.
전환기(51)는 함수 발생기(41)로부터 정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)을 취득하고, 하한 리미터(45)로부터 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)을 취득하며, 비교기(47)로부터의 전환 신호(B5)에 따라 배기 가스 온도의 설정값(C1)을 출력한다.
전환 신호(B5)의 표시는, GT 출력값의 측정값(B1(X))이 초기 부하(Y)로 증가해서 초기 부하(Y)(X≥Y)에 도달하는 지의 여부에 따라 변한다. 측정값(B1)이 초기 부하에 도달하기 전에는, 전환기(51)는 설정값(C1)을 정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)으로 유지한다. 한편, 측정값(B1)이 초기 부하에 도달할 경우, 전환기(51)는 설정값(C1)을 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)으로 전환한다. 설정값(C1)은 PID 제어에서의 설정값(SV 값)으로서 이용된다. 이하, 설정값(C1)을 SV 값이라고도 한다.
평균값 연산기(52)는 가스 터빈(14) 내의 서로 다른 배기 가스 온도 센서(14a)로부터 배기 가스 온도의 측정값(C2)을 취득한다. 이들 배기 가스 온도 센서(14a)는 가스 터빈(14)의 배출 유닛의 둘레를 따라 설치된다. 평균값 연산기(52)는 이들 측정값(C2)의 평균값(C3)을 계산하여 출력한다. 평균값(C3)은 PID 제어에서의 프로세스 값(PV 값)으로서 이용된다. 이하, 평균값(C3)을 PV 값이라고도 한다.
감산기(53)는 전환기(51)로부터 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 취득하고 평균값 연산기(52)로부터 배기 가스 온도의 PV 값(C3)을 취득한다. 이어서, 감산기(53)는 PV 값(C3)으로부터 SV 값(C1)을 감산하여 배기 가스 온도의 SV 값(C1)과 PV 값(C3) 사이의 편차(C4)(편차(C4) = PV 값(C3)-SV 값(C1))를 출력한다.
PID 제어기(54)는 감산기(53)로부터 편차(C4)를 획득하고 편차(C4)가 0에 가까워지도록 PID 제어를 행한다. PID 제어기(54)로부터 조작량(MV 값)(C5)이 출력되고, 이는 IGV(13b)의 개도(이하, IGV 개도라고 함)와 관련된다. PID 제어기(54)가 MV 값(C5)을 변화시킬 경우, IGV 개도가 변하여 배기 가스 온도가 변한다. 결과적으로, 배기 가스 온도의 PV 값(C3)은 SV 값(C1)에 접근하도록 변한다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, PID 제어기(54)는 배기 가스 온도를 제어하기 위해 피드백 제어를 행한다. 구체적으로, PID 제어기(54)는 SV 값(C1)과 배기 가스 온도의 PV 값(C3) 사이의 편차(C4)에 의거하여 MV 값(C5)을 계산하고, MV 값(C5)의 제어를 통해 배기 가스 온도를 제어한다.
지나치게 작은 IGV 개도는 연소기(12)에서의 연소를 저해할 수 있다. 이 때문에, MV 값(C5)은 IGV 개도의 하한값(LL)(최소 개도)을 유지하는 하한 리미터(55)에 입력된다. 하한 리미터(55)는 MV 값(C5) 또는 하한값(LL) 중 큰 쪽을 보정 MV 값(C6)으로서 출력한다.
플랜트 제어 장치(2)는 MV 값(C6)을 출력해서 서보 밸브(17)를 구동하고 서보 밸브(17)의 유압 동작에 의해 IGV 개도를 제어한다. 그 결과, IGV 개도는 MV 값(C6)에 따라 변하고, 배기 가스 온도의 PV 값(C3)은 SV 값(C1)에 접근하도록 변한다.
이하, 정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)과 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4) 사이의 차이에 대해서 설명한다.
정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)은, 예를 들면 주증기 온도가 미리 정해진 조건을 만족할 때까지 파워 플랜트(1)의 기동시에 사용된다. 한편, 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)은, 예를 들면 주증기 온도가 미리 정해진 조건을 만족시킨 후에 파워 플랜트(1)의 기동시에 사용된다.
[정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)]
복합-사이클 타입인 파워 플랜트(1)의 기동 시, 주증기(A6)의 발생을 용이하게 하기 위해 배기 가스 온도를 상승시키는 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 함수 발생기(41)의 함수 곡선은 일반적으로 배기 가스 온도가 비교적 고온이 되도록 설정된다.
따라서, 배기 가스 온도의 설정값(C1)이 정상시에서 설정값(B2)으로 설정될 경우, 편차(C4)는 음의 값으로 유지되고, IGV 개도의 MV 값(C6)은 최소 개도로 유지된다. 즉, 파워 플랜트(1)의 기동 직후, IGV 개도는 GT 출력값에 관계없이 최소 개도로 유지된다. 최소 개도의 값은, 예를 들면 30% 내지 50%의 개도로 설정된다.
[기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)]
한편, 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)은 주증기 온도를 증기 터빈(31)의 기동에 적합한 온도로 설정하는 데 이용된다. 구체적으로, GT 출력값의 측정값(B1)이 초기 부하에 도달할 경우, 배기 가스 온도의 설정값(C1)은, 주증기 온도를 금속 온도에 가깝게 하도록 정상시에서의 설정값(B2)으로부터 기동시에서의 설정값(B4)으로 전환된다. 설정값(B4)은 일반적으로 금속 온도의 측정값(B3)과 온도 차이에 대한 설정값(△T)의 합으로서 주어진다(즉, 배기 가스 온도 = 금속 온도 + △T).
이러한 구성은 주증기 온도와 금속 온도 사이의 불일치를 감소시킨다. 이 구성으로, 증기 터빈(31)으로의 증기 주입은 바람직하게 증기 터빈(31)에서 발생하는 열응력이 작은 주증기(A6)를 발생시킨다. 예를 들면, 설정값(△T)은 30℃이다.
그러나, 배기 가스 온도의 설정값(B4)이 지나치게 크거나 작을 경우, 가스 터빈(14) 및 열회수 증기 발생기(21)의 동작에 악영향을 끼친다. 이 때문에, 설정값(B4)은 금속 온도 + △T의 값을 상한값(UL)과 하한값(LL) 사이의 값으로 제한하여 설정된다.
도 10은 제 1 비교예의 플랜트 제어 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 10에 나타난 플랜트 제어 방법은 플랜트 제어 장치(2)에 의해 파워 플랜트(1)의 기동시에 실시된다. 본 방법에서는, 파워 플랜트(1)의 운전이 장시간 정지되어 금속 온도가 저온 상태로 낮아져 있는 콜드 기동(cold start)을 행하는 것을 상정한다.
가스 터빈(14)이 기동될 경우(스텝 S1), 가스 터빈(14)은 퍼지 운전이 된다(스텝 S2). 다음으로, 가스 터빈(14)의 라이트-오프(light-off)가 행해지고 가스 터빈(14)의 속도가 상승되며(스텝 S3), 이에 의해 가스 터빈(14)은 무부하 정격 운전으로 된다(스텝 S4).
다음으로, GT 발전기(16)를 병렬 운전시키고(S5), 이 후 플랜트 제어 장치(2)는 배기 가스 온도의 설정값(SV 값)(C1)을 정상시에서의 설정값(B2)으로 설정한다(스텝 S6). 그 결과, IGV 개도의 MV 값(C6)은 최소 개도로 유지된다. 또한, 병렬 운전 직후에 GT 발전기(16)가 겪을 수 있는 역전력(reverse power)의 장애를 피하기 위해서, 플랜트 제어 장치(2)는 즉시 GT 출력값을 초기 부하까지 증가시킨다(스텝 S7 및 S8). 다음으로, GT 출력값이 초기 부하에 도달할 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 금속 온도 센서(37)로부터 금속 온도의 측정값(B3)을 취득해서 저장한다(스텝 S9).
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 스텝 S9에서 저장된 측정값(B3)을 이용해서 배기 가스 온도의 설정값(B4)(= B3 + △T)을 계산한다. 가스 터빈(14)은 지나치게 높거나 낮은 배기 가스 온도에서 동작할 수 없으므로, 설정값(B4)에는 한계값, 상한값(UL) 및 하한값(LL)이 부여된다. 구체적으로는, 설정값(B4)은 B3 + △T, UL, 및 LL의 중간값으로 설정된다(스텝 S10).
GT 출력값이 초기 부하까지 증가할 때까지, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 정상시에서의 설정값(B2)으로 설정되고, 배기 가스(A5)는 비교적 고온이다. 한편, GT 출력값이 초기 부하까지 상승한 경우, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 기동시에서의 설정값(B4)으로 전환된다(스텝 S11).
본 방법에서 콜드 기동이 행해지기 때문에, 금속 온도의 측정값(B3)은 저온이다. 이 때문에, B3 + △T도 저온이기 때문에, 설정값(B4)은 종종 하한값(C4)을 취한다. 따라서, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 저온이고, 편차(C4)는 양의 값이다. 그 결과, IGV 개도의 MV 값(C6)은 최소 개도로부터 증가하고, 배기 가스 온도의 PV 값(C3)은 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 감소한다.
배기 가스 온도를 설정값(B4)으로 유지하는 동안 가스 터빈(14)의 초기 부하 동작을 계속하면 주증기 온도가 경시적으로 서서히 상승해, 금속 온도에 점근적으로 접근하게 된다. 따라서, 플랜트 제어 장치(2)는 주증기 온도 센서(38)로부터 주증기 온도의 측정값을 취득하고, 주증기 온도의 측정값과 금속 온도의 측정값(B3) 사이의 편차를 계산한다. 또한, 플랜트 제어 장치(2)는 편차의 절대값이 ε 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S12).
그리고, 편차의 절대값이 ε 이하가 될 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 조정 밸브(33)를 개방해 증기 터빈(31)의 증기 주입을 개시한다(스텝 S13). 이러한 방식으로 증기 터빈(31)이 기동된다. 한편, 편차의 절대값이 ε보다 커질 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 자신을 증기 터빈(31)의 증기 주입의 개시에 대해 대기로 한다.
이 후, 본 방법에서, 파워 플랜트(1)의 기동 프로세스가 계속된다.
증기 터빈(31)에서는, 증기 터빈(31)의 속도 증가, ST 발전기(36)의 병렬 운전, 증기 터빈(31)의 출력의 초기 부하까지의 증가, 및 증기 터빈(31)의 출력의 가일층 증가가 이 순서로 행해진다.
가스 터빈(14)에서, 증기 터빈(31)의 열응력이 어느 정도 저감되어 안정된 시점에, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 다시 기동시에서의 설정값(B4)으로부터 정상시에서의 설정값(B2)으로 전환된다. 이어서, 초기 부하로부터 가스 터빈(14)의 출력 증가가 개시된다.
파워 플랜트(1)의 기동 프로세스의 말미에, 가스 터빈(14)의 출력은 기동시 대기 온도 조건에서 허용되는 최대 출력(베이스 부하)에 도달한다. 최대 출력의 가스 터빈(14)의 배기 가스(A5)로부터, 열회수 증기 발생기(21)는 증기 터빈(31)을 구동하는 주증기(A6)를 발생시켜 그 출력을 정격 출력에 도달시킨다.
도 11은 제 1 비교예의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프이다. 도 11에 나타난 플랜트 제어 방법은 도 10에 도시된 흐름에 따라 실시된다.
GT 발전기(16)가 병렬 운전될 경우, GT 출력값은 0으로부터 초기 부하로 증가하기 시작한다(파형 W1). 이때, GT 출력값이 초기 부하보다 작기 때문에, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 정상시에서의 설정값(B2)으로 설정된다. 따라서, 배기 가스 온도는 설정값(B2)으로 상승하기 시작하고(파형 W3), 주증기 온도는 상승하기 시작한다(파형 W5). 또한, 설정값(B2)은 일반적으로 고온이기 때문에, 편차(C4)는 음의 값으로 유지되고, IGV 개도는 최소 개도인 P1%로 유지된다(파형 W2). 이에 반해, 본 방법에서 콜드 기동이 행해지기 때문에, 금속 온도는 낮다(파형 W4).
GT 출력값이 시점 t1에서 초기 부하에 도달할 경우(파형 W1), 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 기동시에서의 설정값(B4)으로 전환된다. 이때, 금속 온도의 측정값(B3)은 저온을 나타내므로(파형 W4), 설정값(B4)은 일반적으로 저온이다. 이러한 이유로, 편차(C4)는 양의 값이 되고, IGV 개도는 P1%로부터 P4%로 증가하기 시작한다(파형 W2). 그 결과, 배기 가스 온도는 설정값(B4)으로 하강하기 시작하지만(파형 W3), 주증기 온도는 계속 상승한다(파형 W5).
그 후, 주증기 온도가 서서히 상승하고, 시점 t4에서 주증기 온도와 금속 온도 사이의 편차의 크기가 ε에 도달된다(파형 W5). 그 후, 플랜트 제어 장치(2)는 시점 t4에서 조정 밸브(33)를 개방해서 증기 터빈(31)의 증기 주입을 개시한다.
이 비교예에서, 시점 t1로부터 시점 t4까지 주증기 온도의 상승은 느리다. 따라서, GT 발전기(16)의 병렬 운전으로부터 증기 터빈(31)의 증기 주입의 개시까지는 시간이 오래 걸린다. 따라서, 파워 플랜트(1)의 기동 시간을 단축하는 것이 바람직하다.
(제 2 비교예)
도 12는 제 2 비교예의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프이다. 이 비교예는 제 1 비교예의 설명에서 사용되는 참조 부호 등을 적절하게 사용해서 설명된다.
이 비교예의 배기 가스 온도(파형 W3)는, IGV 개도(파형 W2)를 제어하는 것이 아니라 GT 출력값(파형 W1)을 제어함으로써 조정된다. 도 12에서, IGV 개도는 최소 개도인 P1%로 유지된다.
도 12는, GT 출력값으로서, 초기 부하, 초기 부하보다 큰 제 1 출력값, 및 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값을 나타낸다. 제 1 출력값은, IGV 개도가 P1%일 경우 배기 가스 온도를 금속 온도 + △T로 유지할 수 있는 출력값이다.
플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 제 1 출력값으로 제어함으로써 배기 가스 온도를 금속 온도 + △T로 유지할 수 있다. 또한, 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 제 2 출력값으로 제어함으로써 배기 가스 온도를 금속 온도 + △T보다 높게 유지할 수 있다. GT 출력값은 출력 제어기(56)에 의해 제어된다.
이하, 도 12에 나타난 그래프를 상세히 설명한다.
GT 발전기(16)가 병렬 운전될 때, GT 출력값은 0으로부터 초기 부하로 증가하기 시작한다(파형 W1). 또한, 이것은 배기 가스 온도가 상승하게 한다(파형 W3). 또한, 주증기 온도도 상승하기 시작한다(파형 W5).
출력 제어기(56)는 시점 t1에서 GT 출력값의 설정값을 전환한다. 그러므로, GT 출력값은 시점 t1에서 초기 부하로부터 제 2 출력값으로 증가하기 시작한다(파형 W1). 그 결과, 배기 가스 온도는 금속 온도 + △T보다 높은 온도까지 상승한다(파형 W3). 한편, 주증기 온도는 계속 증가한다(파형 W5).
시점 t2에서 주증기 온도가 금속 온도 + 30℃에 도달할 경우(파형 W5), 출력 제어기(56)는 GT 출력값의 설정값을 전환한다. 따라서, GT 출력값은 시점 t2에서 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소하기 시작한다(파형 W1). 그 결과, 배기 가스 온도는 금속 온도 + △T로 하강한다(파형 W3). 또한, 주증기 온도는 하강하기 시작한다(파형 W5).
그 후, 주증기 온도가 서서히 하강하고, 시점 t4에서 주증기 온도와 금속 온도 사이의 편차의 크기는 ε에 도달한다(파형 W5). 이어서, 플랜트 제어 장치(2)는 시점 t4에서 조정 밸브(33)를 개방해서 증기 터빈(31)의 증기 주입을 개시한다.
이 비교예에서, GT 출력값을 제 2 출력값만큼 높은 값으로 설정함으로써, 시점 t1로부터 시점 t2까지의 주증기 온도의 상승을 급격하게 할 수 있다. 이 구성에 의해 파워 플랜트(1)의 기동 시간을 단축할 수 있다.
또한, 이 비교예에서는, GT 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 전환함으로써 주증기 온도와 금속 온도 사이의 불일치를 저감하고 있다. 그러나, 이러한 불일치는 다른 방법에 의해 감소될 수 있다. 이러한 방법의 예는 제 1 및 제 2 실시예에서 설명될 것이다.
(제 1 실시예)
도 1은 제 1 실시예의 파워 플랜트(1)의 구성을 나타내는 개략도이다.
본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는, 설정기(46) 및 비교기(47) 대신에, 설정기(61), 가산기(62), 및 비교기(63)를 포함한다.
설정기(61)는 주증기 온도와 금속 온도 사이의 온도 차이의 설정값(30℃)을 유지한다. 가산기(62)는 금속 온도 센서(37)로부터 금속 온도의 측정값(B3)을 취득하고 설정기(61)로부터 온도 차이의 설정값을 취득한다. 그리고, 가산기(62)는 온도 차이의 설정값을 금속 온도의 측정값(B3)에 가산하여, 주증기 온도의 설정값(D2)인 B3 + 30℃를 출력한다.
비교기(63)는 주증기 온도 센서(38)로부터 주증기 온도의 측정값(D1)을 취득하고, 가산기(62)로부터 주증기 온도의 설정값(D2)을 취득한다. 이어서, 비교기(63)는 주증기 온도의 측정값(D1)과 설정값(D2)을 비교하고, 비교 결과에 대응하는 전환 신호(D3)를 출력한다.
전환기(51)는 함수 발생기(41)로부터 정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)을 취득하고, 하한 리미터(45)로부터 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)을 취득하고, 비교기(63)로부터의 전환 신호(D3)에 따라 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 출력한다.
전환 신호(D3)의 표시는 주증기 온도의 측정값(D1(X))이 설정값(D2)(Y)까지 증가해서 설정값(D2)(Y)(X≥Y)에 도달했는 지의 여부에 따라 변한다. 측정값(D1)이 설정값(D2)에 도달하기 전에는, 전환기(51)는 SV 값(C1)을 정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)으로 유지한다. 한편, 측정값(D1)이 설정값(D2)에 도달할 경우, 측정기(51)는 SV 값(C1)을 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)으로 전환한다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 주증기 온도의 측정값(D1)이 금속 온도 + 30℃까지 상승할 경우, 전환기(51)는 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환한다. 설정값(B2)은 함수 발생기(41)의 함수 곡선에 따라 설정된다. 한편, 설정값(B4)은 금속 온도 + △T로 통상 설정된다. 금속 온도 + △T는 금속 온도에 의존하는 제 1 온도의 예이다. 금속 온도 + 30℃는 금속 온도에 의존하는 제 2 온도의 예이다.
도 2는 제 1 실시예의 플랜트 제어 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 2에 도시된 플랜트 제어 방법은 플랜트 제어 장치(2)에 의해 파워 플랜트(1)의 기동시에 실시된다. 본 방법에서는, 파워 플랜트(1)의 운전이 장시간 정지되어 금속 온도가 저온 상태로 낮아져 있는 콜드 기동을 행하는 것을 상정한다.
가스 터빈(14)이 기동될 경우(스텝 S1), 가스 터빈(14)은 퍼지 운전이 된다(스텝 S2). 다음으로, 가스 터빈(14)의 라이트-오프가 행해지고 가스 터빈(14)의 속도가 상승되며(스텝 S3), 이에 의해 가스 터빈(14)은 무부하 정격 운전으로 된다(스텝 S4).
다음으로, GT 발전기(16)가 병렬 운전으로 되고(스텝 S5), 그 후, 플랜트 제어 장치(2)는 배기 가스 온도의 설정값(SV 값)(C1)을 정상시에서의 설정값(B2)으로 설정한다(스텝 S6). 그 결과, IGV 개도의 MV 값(C6)은 최소 개도로 유지된다. 또한, 병렬 운전 직후에 GT 발전기(16)가 겪을 수 있는 역전력의 장애를 피하기 위해서, 플랜트 제어 장치(2)는 즉시 GT 출력값을 초기 부하까지 증가시킨다(스텝 S7 및 S8). 다음으로, GT 출력값이 초기 부하에 도달할 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 금속 온도 센서(37)로부터 금속 온도의 측정값(B3)을 취득하고 저장한다(스텝 S9).
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 스텝 S9에서 저장된 측정값(B3)을 이용해서 배기 가스 온도의 설정값(B4)(= B3 + △T)을 계산한다. 가스 터빈(14)은 지나치게 높거나 낮은 배기 가스 온도에서 동작할 수 없기 때문에, 한계값, 상한값(UL) 및 하한값(LL)이 설정값(B4)에 부여된다. 구체적으로는, 설정값(B4)은 B3 + △T, UL, 및 LL의 중간값으로 설정된다(스텝 S10).
스텝(S10)의 단계에서, 설정값(B4)은 계산만 되고 SV 값(C1)으로서 이용되지 않는다. 이 단계에서, SV 값(C1)은 설정값(B2)으로 설정된다.
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 초기 부하로부터 제 2 출력값으로 증가시킨다(스텝 S21 및 S22). 이후, GT 출력값은 제 2 출력값으로 유지된다. 전술한 바와 같이, 제 2 출력값은 제 1 출력값보다 큰 값이다. 제 1 출력값은, IGV 개도가 최소 개도일 경우, 배기 가스 온도를 금속 온도 + △T로 유지할 수 있는 출력값이다. 최소 개도는 제 1 개도의 예이다.
GT 출력값이 제 2 출력값으로 유지되는 동안, 열회수 증기 발생기(21)는 고온의 배기 가스(A5)를 수용해 강력한 열회수를 행한다. 결과적으로, 주증기 온도가 빠르게 상승한다.
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 주증기 온도의 측정값(D1)이 설정값(D2) 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S23). 설정값(D2)은 금속 온도의 측정값(B3)에 30℃를 가산으로써 계산된다(D2 = B3 + 30℃). 주증기 온도의 측정값(D1)이 설정값(D2)으로 증가할 경우, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 기동시에서의 설정값(B4)으로 전환된다(스텝 S11).
본 방법에서 콜드 기동이 행해지기 때문에, 금속 온도의 측정값(B3)은 저온을 나타낸다. 이 때문에, B3 + △T도 저온이기 때문에, 설정값(B4)은 종종 하한값(LL)을 취한다. 따라서, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 저온이고, 편차(C4)는 양의 값이다. 그 결과, IGV 개도의 MV 값(C6)은 최소 개도로부터 증가하고, 배기 가스 온도의 PV 값(C3)은 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 감소한다.
이것은 제 1 비교예와 동일하다. 그러나, 제 1 비교예의 GT 출력값은 초기 부하로 유지되지만, 본 실시예에서의 GT 출력값은 제 2 출력값으로 유지된다. 따라서, 본 실시예의 MV 값(C6)은 제 1 비교예와는 다른 값이다. 또한, 제 2 비교예의 GT 출력값은 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 전환되지만, 본 실시예의 GT 출력값은 제 2 출력값으로 유지된다.
배기 가스 온도를 설정값(B4)으로 유지하는 동안 GT 출력값을 제 2 출력값으로 유지하면 주증기 온도가 경시적으로 증가해서 점근적으로 금속 온도에 접근하게 된다. 따라서, 플랜트 제어 장치(2)는 주증기 온도 센서(38)로부터 주증기 온도의 측정값(D1)을 취득하고 주증기 온도의 측정값(D1)과 금속 온도의 측정값(B3) 사이의 편차를 계산한다. 또한, 플랜트 제어 장치(2)는 편차의 절대값이 ε 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S12).
이어서, 편차의 절대값이 ε 이하가 될 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 조정 밸브(33)를 개방해서 증기 터빈(31)의 증기 주입을 개시한다(스텝 S13). 이러한 방식으로 증기 터빈(31)이 기동된다. 한편, 편차의 절대값이 ε보다 커지면, 플랜트 제어 장치(2)는 자신을, 증기 터빈(31)의 증기 주입의 개시에 대해 대기로 둔다.
그 후, 제 1 비교예에서와 같이, 발전 플랜트(1)의 기동 프로세스를 계속한다.
도 3은 제 1 실시예에서의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프이다. 도 3에 나타난 플랜트 제어 방법은 도 2에 나타난 흐름에 따라 실시된다.
GT 발전기(16)가 병렬 운전으로 될 경우, GT 출력값은 0으로부터 초기 부하로 증가하기 시작한다(파형 W1). 또한, 이로 인해, 배기 가스 온도가 상승하기 시작한다(파형 W3). 이 때, 주증기 온도의 측정값(D1)이 설정값(D2)보다 작기 때문에, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 정상시에서의 설정값(B2)으로 설정된다. 또한, 설정값(B2)은 일반적으로 고온이기 때문에, 편차(C4)는 음의 값으로 유지되고, IGV 개도는 최소 개도인 P1%로 유지된다(파형 W2). 이에 반해, 본 방법에서는 콜드 기동이 행해지기 때문에, 금속 온도는 낮다(파형 W4).
출력 제어기(56)는 시점 t1에서 GT 출력값의 설정값을 전환한다. 그러므로, GT 출력값은 시점 t1에서 초기 부하로부터 제 2 출력값으로 증가하기 시작한다(파형 W1). 결과적으로, 배기 가스 온도는 설정값(B2)(≥ 금속 온도 + △T)까지 증가한다(파형 W3). 한편, 주증기 온도는 계속 증가한다(파형 W5).
시점 t2에서 주증기 온도가 금속 온도 + 30℃에 도달할 경우(파형 W5), 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 기동시에서의 설정값(B4)으로 전환된다. 이 때, 금속 온도의 측정값(B3)이 저온을 나타내므로(파형 W4), 설정값(B4)은 일반적으로 저온이다. 이러한 이유로, 편차(C4)는 양의 값이 되고, IGV 개도는 P1%로부터 P2%로 증가하기 시작한다(파형 W2). 그 결과, 배기 가스 온도는 설정값(B4)(= 금속 온도 + △T)까지 하강한다(파형 W3). 또한, 주증기 온도는 하강하기 시작한다(파형 W5). 개도 P1%는 제 1 개도의 예이고, 개도 P2%는 제 2 개도의 예이다. 개도 P1% 또는 P2%는 각각, GT 출력값이 제 1 출력값 또는 제 2 출력값일 경우, 배기 가스 온도가 금속 온도 + △T로 유지될 수 있는 개도이고, 개도 P1% 및 P2%는 P1%<P2%의 관계를 만족시킨다. GT 출력값은 시점 t2로부터 제 3 출력값으로 유지된다(파형 W1).
그 후, 주증기 온도가 하강되고, 시점 t4에서 주증기 온도와 금속 온도 사이의 편차의 크기가 ε에 도달한다(파형 W5). 이어서, 시점 t4에서 플랜트 제어 장치(2)는 조정 밸브(33)를 개방해서 증기 터빈(31)의 증기 주입을 개시한다.
도 4는 제 1 실시예의 변형예에서의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프이다.
도 3은, 주증기 온도의 설정값(D2)이 금속 온도의 측정값(B3)에 30℃를 가산(D2 = B3 + 30℃)해서 주어짐을 나타낸다. 이에 반해, 도 4는, 주증기 온도의 설정값(D2)이 금속 온도의 측정값(B3)으로부터 20℃를 감산(D2 = B3 - 20℃)해서 주어짐을 나타낸다. 상기에서 알 수 있는 바와 같이, 주증기 온도의 설정값(D2)은 금속 온도의 측정값(B3)보다 높거나 낮을 수 있다.
이하의 설명에서는 D2 = B3 + 30℃의 조건을 상정하고 있지만, 이하의 설명은 D2>B3 및 D2<B3에도 적용 가능하다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하여, 본 실시예에서의 플랜트 제어 방법을 상세하게 설명한다.
제 1 비교예에서, GT 출력값이 초기 부하에 도달한 후 초기 부하로 유지된다. 이에 반해, 본 실시예의 GT 출력값은 초기 부하에 도달한 후 제 2 출력값까지 증가되어, 배기 가스 온도가 더욱 높게 되어 주증기 온도의 빠른 상승을 용이하게 한다(스텝 S21 및 S22). 이 제 2 출력값은 파워 플랜트(1)의 기동 시간을 상당히 단축시키도록 증기 터빈(31)의 증기 주입 전에 적용 가능한 최대 출력값으로 설정되는 것이 바람직하다.
예를 들면 최대 출력값은 다음과 같이 설정된다. 제 2 출력값은 주증기 온도의 빠른 상승을 용이하게 하기 위해 가능한 한 큰 것이 바람직하다. 그러나, 스텝 S21 및 S22에서 파워 플랜트(1)는, 가스 터빈(14)이 라이트-오프 작동이어도 증기 터빈(31)이 증기 주입을 받지 않은 특정 상태에 있다. 그러므로, 바이패스 제어 밸브(34)의 개도, 응축기(32)의 입구와 출구 사이의 순환수(A8)의 온도 차이, 열회수 증기 발전기(21)에서의 열교환기의 내열성 등을 고려해서 제한되는 제 2 출력값을 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 이 제한을 만족하는 제 2 출력값을 계산함으로써 최대 출력값이 설정된다.
GT 출력값이 제 2 출력값으로 유지되는 동안 주증기 온도가 빠르게 상승한다. 그러나, 증기 터빈(31)이 지나치게 고온의 주증기로 증기 주입되는 경우, 증기 터빈(31)에 지나치게 높은 열응력이 발생한다. 따라서, 적절한 타이밍에, 플랜트 제어 장치(2)는 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환한다(스텝 S23 및 S11). 예를 들면, 주증기 온도가 금속 온도 + 30℃까지 상승할 경우, 본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 전환한다. 이 구성은 주증기 온도와 금속 온도 사이의 불일치를 저감한다. 이 구성에서는, 증기 터빈(31)으로의 증기 주입에 의해 바람직하게 증기 터빈(31)에서 발생하는 열응력이 작은 주증기(A6)가 발생된다.
본 실시예에서의 주증기 온도는 금속 온도를 목표 온도로 30℃ 오버슈트(overshoot)시킨다(도 3 참조). 그러나, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)이 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환될 경우, 주증기 온도는 금속 온도로 빠르게 하강한다.
이하, 본 실시예와 제 1 비교예를 비교한다. 제 1 비교예에서는, 배기 가스 온도가 장시간 저온으로 유지되기 때문에, 주증기 온도가 서서히 상승하여, GT 발전기(16)의 병렬 운전으로부터 증기 터빈(31)의 증기 주입의 개시까지 장시간이 걸린다(도 11). 이에 반해, 본 실시예에서는, 주증기 온도가 금속 온도 + 30℃까지 빠르게 상승하고, 그 후 주증기 온도가 금속 온도 + ε℃까지 하강하는 데 추가적인 점근적 접근 시간이 걸린다(도 3). 그러나, 추가적인 점근적 접근 시간이 걸리더라도, 본 실시예에서 증기 주입의 개시까지의 시간 t4는 제 1 비교예에서의 증기 주입의 개시까지의 시간 t4보다 짧다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 파워 플랜트(1)의 기동 시간을 단축할 수 있다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는 가스 터빈(14)의 기동과 증기 터빈(31)의 기동 사이의 기간 동안 IGV 개도를 P1%(최소 개도)로 제어하고, GT 출력값을 제 2 출력값으로 제어한다. 또한, 이 기간 동안, 본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 제 2 출력값으로 유지하면서 주증기 온도 및 금속 온도에 의거하여 IGV 개도를 P1%로부터 P2%로 증가시킨다.
따라서, 본 실시예에 따르면, GT 출력값을 제 2 출력값으로 제어함으로써, 가스 터빈(14), 열회수 증기 발생기(21), 및 증기 터빈(31)을 포함하는 복합-사이클 파워 플랜트(1)의 기동 시간을 단축할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, GT 출력값을 제 2 출력값으로 유지하면서, IGV 개도를 P1%로부터 P2%로 증가시킴으로써, 제 2 비교예에서의 방법과 다른 방법에 의해 주증기 온도와 금속 온도 사이의 불일치를 감소시킬 수 있다.
(제 2 실시예)
도 5는 제 2 실시예의 파워 플랜트(1)의 구성을 나타내는 개략도이다.
본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는, 제 1 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)의 구성 요소 이외에도, 설정기(64), 비교기(65), 및 AND 연산기(AND 게이트)(66)를 포함한다.
설정기(64)는 GT 출력값의 제 3 출력값(이하, 간단히 제 3 출력값이라 함)의 설정값을 유지한다. 제 3 출력값은 제 2 출력값보다 작고 제 1 출력값보다 큰 값이다.
비교기(65)는 출력 센서(19)로부터 GT 출력값의 측정값(B1)을 취득하고 설정기(64)로부터 제 3 출력값을 취득한다. 이어서, 비교기(65)는 GT 출력값의 측정값(B1)과 제 3 출력값을 비교하고, 비교 결과에 대응하는 전환 신호(D4)를 출력한다.
AND 연산기(66)는 비교기(63)로부터 전환 신호(D3)를 취득하고, 비교기(65)로부터 전환 신호(D4)를 취득하고, 전환 신호(D3)와 전환 신호(D4)에 대한 AND 연산 결과에 대응하는 전환 신호(D5)를 출력한다. 이하, 전환 신호(D3, D4, 및 D5)는 각각 제 1, 제 2, 및 제 3 전환 신호라 한다.
전환기(51)는 함수 발생기(41)로부터 정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)을 취득하고, 하한 리미터(45)로부터 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)을 취득하며, AND 연산기(66)로부터 제 3 전환 신호(D5)에 따른 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 출력한다.
여기서, 제 1 전환 신호(D3)의 표시는, 주증기 온도의 측정값(D1(X))이 설정값(D2)(Y)까지 증가해서 설정값(D2)(Y)(X≥Y)에 도달했는 지의 여부에 따라 변한다. 설정값(D2)은 상술한 바와 같이 금속 온도의 측정값(B3)에 30℃를 가산(D2 = B3 + 30℃)해서 주어진다. 또한, 제 2 전환 신호(D4)의 표시는, GT 출력값의 측정값(B1(X))이 제 3 출력값(Y)까지 감소해서 제 3 출력값(Y)(X≤Y)에 도달했는 지의 여부에 따라 변한다. 또한, 제 3 전환 신호(D5)의 표시는, 제 1 전환 신호(D3)의 표시와 제 2 전환 신호(D4)의 표시의 AND 값이다.
따라서, 주증기 온도의 측정값(D1)이 설정값(D2)에 도달하지 않았거나, GT 출력값의 측정값(B1)이 제 3 출력값에 도달하지 않았을 경우, 전환기(51)는 SV 값(C1)을 정상시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B2)으로 유지한다. 이에 반해, 주증기 온도의 측정값(D1)이 설정값(D2)에 도달하고, GT 출력값의 측정값(B1)이 제 3 출력값에 도달했을 경우, 전환기(51)는 SV 값(C1)을 기동시에서의 배기 가스 온도의 설정값(B4)으로 전환한다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 주증기 온도의 측정값(D1)이 금속 온도 + 30℃까지 상승하고 GT 출력값이 제 3 출력값까지 감소할 경우, 전환기(51)는 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환한다. 설정값(B2)은 함수 발생기(41)의 함수 곡선에 따라 설정된다. 한편, 설정값(B4)은 금속 온도 + △T로 통상 설정된다. 금속 온도 + △T는 금속 온도에 의존하는 제 1 온도의 예이다. 금속 온도 + 30℃는 금속 온도에 의존하는 제 2 온도의 예이다.
설명하는 바와 같이, 주증기 온도의 측정값(D1)이 금속 온도 + 30℃까지 상승할 경우, 본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값으로 감소시킨다. 그 후, GT 출력값의 측정값(B1)이 제 3 출력값에 도달할 경우, 주증기 온도의 측정값(D1)은 AND 연산기(66)의 AND 조건을 만족하는 금속 온도 + 30℃에 도달했다. 그 결과, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환된다.
도 6은 제 2 실시예의 플랜트 제어 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 6에 도시된 플랜트 제어 방법은 플랜트 제어 장치(2)에 의해 파워 플랜트(1)의 기동시에 실행된다. 본 방법에서는, 파워 플랜트(1)의 작동이 장시간 정지되어 금속 온도가 저온 상태로 낮아진 콜드 기동을 행하는 것을 상정한다.
가스 터빈(14)이 기동되고(스텝 S1) 가스 터빈(14)이 퍼지 운전(스텝 S2)이 된다. 다음으로, 가스 터빈(14)의 라이트-오프가 행해지고, 가스 터빈(14)의 속도가 상승되어(스텝 S3), 가스 터빈(14)은 무부하 정격 운전으로 된다(스텝 S4).
다음으로, GT 발전기(16)를 병렬 운전시키고(S5), 그 후 플랜트 제어 장치(2)는 배기 가스 온도의 설정값(SV 값)(C1)을 정상시에서의 설정값(B2)으로 설정한다(스텝 S6). 그 결과, IGV 개도의 MV 값(C6)은 최소 개도로 유지된다. 또한, 병렬 운전으로 된 직후에 GT 발전기(16)가 겪을 수 있는 역전력의 장애를 피하기 위해서, 플랜트 제어 장치(2)는 즉시 GT 출력값을 초기 부하까지 증가시킨다(스텝 S7 및 S8). 다음으로, GT 출력값이 초기 부하에 도달할 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 금속 온도 센서(37)로부터 금속 온도의 측정값(B3)을 취득하고 저장한다(스텝 S9).
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 스텝 S9에서 저장된 측정값(B3)을 이용해서 배기 가스 온도의 설정값(B4)을 계산한다(= B3 + △T). 가스 터빈(14)은 지나치게 높거나 낮은 배기 가스 온도에서 동작할 수 없으므로, 설정값(B4)에는 한계값, 상한값(UL) 및 하한값(LL)이 부여된다. 구체적으로는, 설정값(B4)은 B3 + △T, UL, 및 LL의 중간값으로 설정한다(스텝 S10).
스텝(S10)의 단계에서, 설정값(B4)은 계산만 되고 SV 값(C1)으로서 이용되지 않는다. 이 단계에서, SV 값(C1)은 설정값(B2)으로 설정된다.
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 초기 부하로부터 제 2 출력값으로 증가시킨다(스텝 S21 및 S22). 그 후, GT 출력값은 제 2 출력값으로 유지된다. 전술한 바와 같이, 제 2 출력값은 제 1 출력값보다 큰 값이다. 제 1 출력값은, IGV 개도가 최소 개도일 경우 배기 가스 온도를 금속 온도 + △T로 유지할 수 있는 출력값이다. 최소 개도는 제 1 개도의 예이다.
GT 출력값이 제 2 출력값으로 유지되는 동안, 열회수 증기 발생기(21)는 강력한 열회수를 행하도록 고온의 배기 가스(A5)를 수용한다. 결과적으로, 주증기 온도는 빠르게 상승한다.
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 주증기 온도의 측정값(D1)이 설정값(D2) 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S23). 설정값(D2)은 금속 온도의 측정값(B3)에 30℃를 가산함으로써 계산된다(D2 = B3 + 30℃). 주증기 온도의 측정값(D1)이 설정값(D2)까지 증가할 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값이 제 2 출력값을 제 3 출력값으로 감소되게 한다(스텝 S24).
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값의 측정값(B1)이 제 3 출력값까지 감소했는지의 여부를 판정한다(스텝 S25). GT 출력값의 측정값(B1)이 제 3 출력값까지 감소한 경우, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 기동시에서의 설정값(B4)으로 전환된다(스텝 S11). 그 후 GT 출력값은 제 3 출력값으로 유지된다.
본 방법에서 콜드 기동이 행해지기 때문에, 금속 온도의 측정값(B3)은 저온을 나타낸다. 이 때문에, B3 + △T도 저온이므로, 설정값(B4)은 종종 하한값(LL)을 취한다. 따라서, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 저온이고, 편차(C4)는 양의 값을 갖는다. 그 결과, IGV 개도의 MV 값(C6)은 최소 개도로부터 증가하고, 배기 가스 온도의 PV 값(C3)은 설정값(B4)까지 감소한다.
이것은 제 1 실시예와 동일하다. 그러나, 제 1 실시예의 GT 출력값은 제 2 출력값으로 유지되지만, 본 실시예의 GT 출력값은 제 3 출력값으로 유지된다. 따라서, 본 실시예에서의 MV 값(C6)은 제 1 실시예에서와는 다른 값이다.
배기 가스 온도를 설정값(B4)으로 유지하면서 GT 출력값을 제 3 출력값으로 유지하면, 주증기 온도가 경시적으로 증가해서 점근적으로 금속 온도에 접근하게 된다. 따라서, 플랜트 제어 장치(2)는 주증기 온도 센서(38)로부터 주증기 온도의 측정값(D1)을 취득하고, 주증기 온도의 측정값(D1)과 금속 온도의 측정값(B3)의 편차를 계산한다. 또한, 플랜트 제어 장치(2)는 편차의 절대값이 ε 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S12).
이어서, 편차의 절대값이 ε 이하가 될 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 조정 밸브(33)를 개방해 증기 터빈(31)의 증기 주입을 개시한다(스텝 S13). 이러한 방식으로 증기 터빈(31)이 기동된다. 한편, 편차의 절대값이 ε보다 클 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 자신을, 증기 터빈(31)의 증기 주입의 개시에 대해 대기로 둔다.
그 후, 제 1 비교예와 마찬가지로, 발전 플랜트(1)의 기동 프로세스가 계속된다.
도 7은 제 2 실시예의 플랜트 제어 방법을 설명하는 그래프이다. 도 7에 도시된 플랜트 제어 방법은, 도 6에 도시된 흐름에 따라 실시된다.
GT 발전기(16)가 병렬 운전될 때, GT 출력값은 0에서 초기 부하를 향해 증가하기 시작한다(파형 W1). 또한, 이것은 배기 가스 온도가 상승하기 시작하게 한다(파형 W3). 또한, 주증기 온도도 증가하기 시작한다(파형 W5). 이 때, 주증기 온도의 측정값(D1)이 설정값(D2)보다 작기 때문에, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 정상시에서의 설정값(B2)으로 설정된다. 또한, 설정값(B2)은 일반적으로 고온이기 때문에, 편차(C4)는 음의 값으로 유지되고, IGV 개도는 최소 개도인 P1%로 유지된다(파형 W2). 이에 반해, 본 방법에서는 콜드 기동이 행해지기 때문에, 금속 온도는 낮다(파형 W4).
출력 제어기(56)는 시점 t1에서 GT 출력값의 설정값을 전환한다. 그러므로, GT 출력값은 시점 t1에서 초기 부하로부터 제 2 출력값으로 증가하기 시작한다(파형 W1). 결과적으로, 배기 가스 온도는 설정값(B2)(≥ 금속 온도 + △T)까지 증가한다(파형 W3). 한편, 주증기 온도는 계속 증가한다(파형 W5).
시점 t2에서 주증기 온도가 금속 온도 + 30℃에 도달할 경우(파형 W5), 출력 제어기(56)는 GT 출력값의 설정값을 전환한다. 따라서, GT 출력값은 시점 t2에서 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값으로 감소하기 시작한다(파형 W1). 또한, 이에 의해 배기 가스 온도가 하강하기 시작한다(파형 W3). 또한, 주증기 온도도 하강하기 시작한다(파형 W5).
시점 t3에서 GT 출력값이 제 3 출력값에 도달할 경우(파형 W1), 배기 가스 온도의 SV 값(C1)은 기동시에서의 설정값(B4)으로 전환된다. 이 때, 금속 온도의 측정값(B3)은 저온을 나타내므로(파형 W4), 설정값(B4)은 일반적으로 저온이다. 이러한 이유로, 편차(C4)는 양의 값이 되고, IGV 개도는 P1%로부터 P3%로 증가하기 시작한다(파형 W2). 그 결과, 배기 가스 온도가 설정값(B4)(= 금속 온도 + △T)까지 하강한다(파형 W3). 한편, 주증기 온도는 계속 하강한다(파형 W5). 개도 P1%는 제 1 개도의 예이고, 개도 P3%는 제 3 개도의 예이다. 개도 P1%, P2%, 또는 P3%는, GT 출력값이 제 1 출력값, 제 2 출력값, 또는 제 3 출력값일 경우 배기 가스 온도를 금속 온도 + △T로 유지할 수 있는 개도이고, 개도 P1%, P2%, 및 P3%는 P1%<P3%<P2%의 관계를 만족시킨다. 이것은 제 1 출력값<제 3 출력값<제 2 출력값의 관계에 기인한다. GT 출력값은 시점 t3으로부터 제 3 출력값으로 유지된다(파형 W1).
그 후, 주증기 온도가 하강하고, 시점 t4에서 주증기 온도와 금속 온도의 편차의 크기가 ε에 도달한다(파형 W5). 이어서, 시점 t4에서 플랜트 제어 장치(2)는 조정 밸브(33)를 개방해서 증기 터빈(31)의 증기 주입을 개시한다.
도 5 내지 도 7을 다시 참조하여, 본 실시예에서의 플랜트 제어 방법을 상세하게 설명한다.
일반적으로, 상업용 기기로서의 가스 터빈(14)은 광범위한 모델을 갖는다. 가스 터빈(14)의 일부 모델은 몇몇 경우에 IGV 개도의 상한에 제약을 갖는다. 예를 들면, 연료(A1)가 연소기(12)에서 압축 에어(A3)와 함께 연소될 경우, 연료(A1)와 압축 에어(A3)의 혼합비(연료-에어비)는 적절히 유지될 필요가 있다. 한편, IGV 개도를 증가시켜 압축 에어(A3)의 유량을 증가시키면, 연료-에어비가 감소된다. 이 경우, 연료-에어비가 지나치게 낮을 경우, 연료(A1)는 연소를 유지하기에는 너무 묽어지게 된다. 따라서, 이러한 상황을 피하기 위해, 몇몇 경우에 IGV 개도에 상한 제약이 마련된다.
제 1 실시예에서는, IGV 개도는 P1%로부터 P2%로 증가하게 된다. 이 경우, 높은 개도인 P2%는 IGV 개도의 상한에 대한 제약을 위반할 수 있다. 예를 들면, IGV 개도가 P1%로부터 P2%로 증가하여 상한을 초과할 경우, 연소기(12)에서의 연소를 유지하지 못하고 불꽃이 꺼질 위험이 있다.
이 때문에, 본 실시예에서는, IGV 개도가 P1%로부터 P3%로 증가하게 되기 전에, GT 출력값이 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값으로 감소되게 한다. 본 실시예에 따르면, 개도 P2%를 개도 P3%로 대체함으로써, IGV 개도가 P1%로부터 증가하게 하면서 IGV 개도가 상한을 초과하는 것을 피할 수 있다.
본 실시예에서는, GT 출력값을 제 2 출력값으로 유지하면서, 주증기 온도가 빠르게 상승한다. 이것은 제 1 실시예와 동일하다. 그러나, 증기 터빈(31)이 지나치게 고온의 주증기로 증기 주입되는 경우, 증기 터빈(31)에는 지나치게 높은 열응력이 발생한다. 따라서, 적절한 타이밍에, 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값으로 전환한다(스텝 S23 및 S24). 예를 들면, 주증기 온도가 금속 온도 + 30℃까지 상승할 경우, 본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값으로 전환한다. 또한, GT 출력값이 제 3 출력값까지 감소될 경우, 본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환한다(단계 S25 및 S11). 이러한 구성은 주증기 온도와 금속 온도 사이의 불일치를 감소시킨다. 이 구성에서는, 바람직하게 증기 터빈(31)으로의 증기 주입에 의해 증기 터빈(31)에서 발생하는 열응력이 작은 주증기(A6)를 발생시킨다.
[제 2 실시예와 제 1 실시예의 비교]
다음으로, 제 2 실시예와 제 1 실시예를 비교한다.
상술한 바와 같이, 제 3 출력값은 제 2 출력값보다 작다. 따라서, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)이 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환되기 직전의 배기 가스 온도와 관련하여, 제 2 실시예에서의 배기 가스 온도는 제 1 실시예에서의 배기 가스 온도보다 낮다. 이것은, 도 7의 시점 t3에서의 배기 가스 온도가 도 3의 시점 t2에서의 배기 가스 온도보다 낮다는 사실에 대응된다.
IGV 개도가 증가할 경우, 고온의 연소 가스(A4)와 혼합되는 저온의 압축 에어(A3)의 유량이 증가해서 배기 가스 온도가 하강하게 된다. 이 때문에, 혼합 전의 배기 가스 온도가 낮을 수록, 미리 정해진 배기 가스 온도를 얻는 데 필요한 압축 에어 유량이 적어진다. 따라서, 배기 가스 온도가 설정값(B4)까지 하강하게 하는 프로세스와 관련하여, 도 7의 시점 t3으로부터 배기 가스 온도가 설정값(B4)까지 하강하게 하는 데 필요한 압축 에어 유량은, 도 3의 시점 t2로부터 배기 가스 온도가 설정값(B4)까지 하강하게 하는 데 필요한 압축 에어 유량보다 적다. 그 결과, 제 2 실시예에서의 개도 P3%는 제 1 실시예에서의 개도 P2%보다 작다.
따라서, 제 2 실시예에 따르면, IGV 개도의 증가로 연료-에어비의 감소를 억제할 수 있다. 그 결과, 연료(A1)가 연소를 유지하기에 너무 묽다는 상술한 문제점을 해결하거나 경감시킬 수 있다.
[제 2 실시예와 제 2 비교예의 비교]
다음으로, 제 2 실시예와 제 2 비교예를 비교한다.
제 2 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값으로 감소시킨 후, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환한다. 이 때, 금속 온도의 측정값(B3)이 저온을 나타내므로, 설정값(B4)은 일반적으로 저온이다. 이러한 이유로, 편차(C4)는 양의 값이 되고, IGV 개도는 P1%로부터 P3%로 증가한다.
이하, 제 2 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)에서, 설정기(64)에서의 설정값의 제 3 출력값이 제 1 출력값으로 대체되는 경우를 상정한다. 이는 제 2 비교예에서 IGV 개도가 변경되는 경우에 대응한다.
이 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 GT 출력값이 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소되게 한 후, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)을 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환한다. 이 때, 배기 가스 온도는 이미 설정값(B4)(= 금속 온도 + △T)에 도달했다. 그 이유는, IGV 개도가 P1%일 경우, 제 1 출력값이 배기 가스 온도를 금속 온도 + △T로 유지할 수 있는 출력값이기 때문이다. 그러므로, GT 출력값이 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소되게 할 때, 배기 가스 온도의 PV 값(C3)은 설정값(B4)으로 감소한다. 따라서, 배기 가스 온도의 SV 값(C1)이 설정값(B2)으로부터 설정값(B4)으로 전환될 경우, SV 값(C1)과 PV 값(C3) 사이의 편차(C4)는 0으로 된다. 따라서, IGV 개도는 P1%로 유지된다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 제 2 비교예에서 IGV 개도가 변경되게 허용되더라도, IGV 개도는 도 12에 도시된 바와 같이 P1%로 유지된다.
다음으로, 도 7(제 2 실시예)과 도 12(제 2 비교예)를 비교한다.
상술한 바와 같이, GT 출력값에 대해서, 제 3 출력값>제 1 출력값 관계가 성립한다. 한편, IGV 개도에 대해서, P3%>P1%(최소 개도)의 관계가 성립한다.
도 7의 GT 출력값이 제 3 출력값일 경우와 도 12의 GT 출력값이 제 1 출력값일 경우를 비교하면, 배기 가스 온도는 두 경우 모두 설정값(B4)(= 금속 온도 + △T)이 되지만, IGV 개도는 두 경우간에 상이하다. 즉, 도 7에 도시된 경우의 개도는 P3%까지 변하지만, 도 12에 도시된 경우의 개도는 P1%로 유지된다. 결과적으로, 도 7에 도시된 경우에서의 압축 에어 유량은 도 12에 도시된 경우에서의 압축 에어 유량보다 커진다.
따라서, 도 7의 GT 출력값이 제 3 출력값일 경우에, 열회수 증기 발생기(21)가 받는 배기 가스(A5)의 유량은, 도 12의 GT 출력값이 제 1 출력값인 경우와 비교하여 크며, 이에 따라 열회수 증기 발생기(21)에 의해 발생되는 주증기(A6)의 유량은 크다(한편, 주증기(A6)의 온도는 두 경우 모두 동일하다).
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 제 2 실시예에 따르면, GT 출력값을 제 1 출력값이 아닌 제 3 출력값으로 감소시킴으로써, 주증기(A6)의 유량을 증가시킬 수 있다. 증기 터빈(31)의 증기 주입의 개시 후에 발생된 대량의 주증기(A6)는 파워 플랜트(1)의 후속 기동 프로세스의 빠른 진행을 가능하게 한다. 이러한 경우의 예를 이하 설명한다.
상술한 바와 같이, 증기 터빈(31)의 증기 주입의 개시 후, 다음과 같이 파워 플랜트(1)의 기동 프로세스가 계속된다. 증기 터빈(31)에서는, 증기 터빈(31)의 속도의 증가, ST 발전기(36)의 병렬 운전, 증기 터빈(31)의 초기 부하까지의 출력 증가, 증기 터빈의 초기 부하 열 흡수(31), 및 증기 터빈(31)의 출력의 가일층 증가가 이 순서대로 행해진다.
이때, 제 2 실시예에 따르면, 대량의 주증기(A6)로, 이러한 일련의 기동 프로세스를 장애 없이 진행할 수 있다. 이에 반해, 제 2 비교예에서는, 주증기(A6)의 유량이 부족해져, ST 발전기(36)의 병렬 운전을 행하거나, 증기 터빈(31)의 출력을 초기 부하까지 증가시는 데 기동 프로세스가 느려지게 할 위험이 있다. 이 경우, 제 2 비교예에서는, 예를 들면 경시적으로 주증기(A6)의 유량의 증가를 대기하는 대책(기동 시간이 길어짐), 또는 제 1 출력값으로부터 GT 출력값을 증가시켜 어느 정도 증기 터빈(31)의 열응력의 감소를 트레이드-오프하는 대책이 필요하다.
[제 2 실시예에 대한 고려 사항]
다음으로, 제 2 실시예에 대한 고려 사항에 대해서 설명한다.
가스 터빈(14)의 배기 가스 온도는, 예를 들면 다음의 두 가지 방법에 의해 저감 가능하다. 제 1 방법은 GT 출력값을 감소시키는 것이다. 제 2 방법은 IGV 개도를 증가시키는 것이다. 제 2 비교예는 제 1 방법을 채용한다. 제 1 비교예 및 제 1 실시예는 제 2 방법을 채용한다. 제 2 실시예는 제 1 및 제 2 방법을 채용한다.
파워 플랜트(1)의 콜드 기동을 행할 시에, 증기 터빈(31)의 열응력이 증가가 문제로 된다. 이때, 일부 경우에, GT 출력값의 감소만으로 또는 IGV 개도의 증가만으로는 배기 가스 온도를 충분히 저감하는 것이 곤란하다.
예를 들면, GT 출력값은 GT 출력값이 초기 부하보다 작아질 수 없게 제한된다. 이것은, 앞서 기술된 제 1 출력값 또는 제 3 출력값이 초기 부하보다 큰 값으로 설정됨을 의미한다. 또한, 이것은, 초기 부하가 역전력을 피하면서 파워 플랜트(1)의 작동이 계속되게 하는 최소 출력임을 의미한다.
최근 기술 동향에 비추어, 가스 터빈(14)은 용량 및 성능의 향상을 지향해 왔으며, 연소기(12) 내의 연소 온도(가스 터빈 입구 온도)는 상승하는 경향이 있고, 배기 가스 온도도 상승하는 경향이 있다. 따라서, 가스 터빈(14)과 관련하여, 초기 부하 상태에서도 약 500℃ 정도의 고온에서 배기 가스를 방출하는 모델이 주류가 되는 것으로 상정할 수 있다. 이 경우, GT 출력값의 감소만으로는 배기 가스 온도의 충분한 저감이 곤란하다고 생각된다.
이 문제를 해결하기 위해, 제 2 실시예에서와 같이 제 1 및 제 2 방법 모두를 이용하는 것이 합리적 접근 방법이라 간주될 수 있다. 이는, 제 1 및 제 2 방법 모두를 이용함으로써, 방법들 중 하나에 부여된 제약이 다른 방법에 의해 제거되거나 경감될 수 있기 때문이다.
그러나, 제 2 실시예에서와 같이 제 1 및 제 2 방법 모두를 이용할 경우, 제 1 방법 및 제 2 방법의 기여도 및 할당을 최적화하는 것이 요구된다. 구체적으로, 적절한 제 3 출력값을 선택하는 것이 요구된다.
예를 들면, 지나치게 큰 제 3 출력값을 선택하는 것은 IGV(13b)에 다음의 문제 (1) 및 (2)를 초래할 수 있다.
(1) 지나치게 큰 제 3 출력값은 IGV 개도를 크게 한다. 그러나, IGV 개도가 커지면, 연료(A1)와 압축 에어(A3) 사이의 연료-에어비의 감소가 문제가 된다. 지나치게 낮은 연료-에어비는 연소를 유지할 수 없는 위험이 있다.
(2) 환경 대책의 일환으로서 배기 가스(A5) 중의 질소산화물(NOx)을 저감하기 위해, 프리믹스 연소를 이용하는 저(低)NOx 연소기를 연소기(12)로서 채용할 수 있다. 이 경우, 종래의 확산 연소를 이용한 연소기와 비교하여, 복잡하고 높은 연소 기술이 요구된다. 이 때문에, IGV 개도를 지나치게 증가시켜 에어 유량을 증가시키는 제 3 출력값도 이 관점에서 채용될 수 없다.
한편, 지나치게 낮은 제 3 출력값을 선택하는 것은 다음의 문제 (3)을 초래할 수 있다.
(3) 제 2 비교예에서와 같이 지나치게 낮은 제 3 출력값은 증기 터빈(31)을 구동하는 데 필요한 주증기 유량을 충분히 확보할 수 없다는 위험이 있다.
이들 문제 (1), (2), 및 (3)을 피할 수 있는 균형 잡힌 값으로 제 3 출력값을 설정하는 것이 요구된다. 예를 들면, 하나의 가스 터빈(14) 및 하나의 증기 터빈(31)이 도 5의 서로 다른 샤프트 상에 배치될 경우, 제 3 출력값은 가스 터빈(14)의 100% 정격 출력(베이스 부하)에 대해 8% 내지 15%인 출력으로 설정되는 것으로 생각할 수 있다. 그러나, 적절한 제 3 출력값의 선택은 가스 터빈(14)의 다양한 설계에 따를 필요가 있다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는 가스 터빈(14)의 기동과 증기 터빈(31)의 기동 사이의 기간 동안 IGV 개도를 P1%(최소 개도)로 제어하고, GT 출력값을 제 2 출력값 또는 제 3 출력값으로 제어한다. 또한, 본 실시예에서의 플랜트 제어 장치(2)는 이 기간 동안 GT 출력값에 의거하여 IGV 개도를 P1%로부터 P3%까지 증가시킨다. 구체적으로는, 플랜트 제어 장치(2)는, GT 출력값을 제 3 출력값으로 유지하면서 IGV 개도를 P1%로부터 P3%까지 증가시기 전에, 주증기 온도 및 금속 온도에 의거하여 GT 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값까지 감소시킨다.
결과적으로, 본 실시예에 따르면, GT 출력값을 제 2 출력값으로 제어함으로써, 가스 터빈(14), 열회수 증기 발생기(21), 및 증기 터빈(31)을 포함하는 복합-사이클 발전 플랜트(1)의 기동 시간을 단축할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, IGV 개도가 P1%로부터 P3%로 증가시키기 전에 GT 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값으로 감소시킴으로써, 제 2 비교예에서의 방법과 상이한 방법에 의해 주증기 온도와 금속 온도 사이의 불일치를 감소시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 제 3 출력값을 제 1 출력값보다 높은 적절한 값으로 설정함으로써, 주증기 유량을 충분히 확보할 수 있다.
특정 실시예가 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 예로서 제시되었으며, 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 실제, 본원에 기재된 신규한 장치, 방법 및 플랜트는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있고, 또한 본원에 기재된 장치, 방법 및 플랜트의 형태에서 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 첨부된 특허의 청구범위 및 그 균등물은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 형태 또는 수정 등을 포함하도록 의도된다.

Claims (9)

  1. 파워 플랜트를 제어하도록 구성되는 플랜트 제어 장치에 있어서,
    상기 파워 플랜트는,
    입구 가이드 베인(vane)으로부터 도입된 산소와 함께 연료를 연소시켜 가스를 발생시키도록 구성된 연소기,
    상기 연소기로부터의 가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈,
    상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 열회수 증기 발생기, 및
    상기 열회수 증기 발생기로부터의 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈
    을 포함하고,
    상기 장치는,
    상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 상기 입구 가이드 베인의 개도(opening degree)를 제 1 개도로 제어하도록 구성된 개도 제어기, 및
    상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 상기 가스 터빈의 출력값을 제 1 출력값보다 큰 값으로 제어하도록 구성된 출력 제어기 ― 상기 제 1 출력값은, 상기 입구 가이드 베인의 개도가 상기 제 1 개도일 경우 배기 가스의 온도가 상기 증기 터빈의 금속 온도에 의존하는 제 1 온도로 유지될 수 있는 출력값임 ―
    를 포함하고,
    상기 출력 제어기가 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값보다 큰 값으로 제어하는 동안, 상기 개도 제어기는 증기의 온도 또는 상기 가스 터빈의 출력값에 의거하여 상기 입구 가이드 베인의 개도를 상기 제 1 개도로부터 증가시키도록 구성된, 플랜트 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 제어기는 상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값으로 제어하도록 구성되고,
    상기 출력 제어기가 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 2 출력값으로 제어하는 동안, 상기 개도 제어기는 증기의 온도 및 금속 온도에 의거하여 상기 입구 가이드 베인의 개도를 상기 제 1 개도로부터 제 2 개도로 증가시키도록 구성되고,
    상기 제 2 개도는, 상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 2 출력값일 경우 배기 가스의 온도를 상기 제 1 온도로 유지할 수 있는 개도인 플랜트 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 개도 제어기는, 증기의 온도가 금속 온도에 의존하는 제 2 온도에 도달할 경우 상기 입구 가이드 베인의 개도를 상기 제 1 개도로부터 상기 제 2 개도로 증가시키도록 구성된 플랜트 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 제어기는, 상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값으로 제어하도록 구성되고,
    상기 출력 제어기는, 상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 가스 터빈의 기동까지의 기간 내에 증기의 온도 및 금속 온도에 의거하여 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 2 출력값으로부터 제 3 출력값으로 감소시키도록 구성되고,
    상기 개도 제어기는, 상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 3 출력값에 도달할 경우 상기 입구 가이드 베인의 개도를 상기 제 1 개도로부터 제 3 개도로 증가시키도록 구성되고,
    상기 제 3 개도는, 상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 3 출력값일 경우 배기 가스의 온도를 상기 제 1 온도로 유지할 수 있는 개도인 플랜트 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 출력 제어기는, 증기의 온도가 금속 온도에 의존하는 제 2 온도에 도달할 경우 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 2 출력값으로부터 상기 제 3 출력값으로 감소시키도록 구성된 플랜트 제어 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 금속 온도보다 높은 온도인 플랜트 제어 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 금속 온도보다 낮은 온도인 플랜트 제어 장치.
  8. 파워 플랜트를 제어하는 플랜트 제어 방법에 있어서,
    상기 파워 플랜트는,
    입구 가이드 베인으로부터 도입된 산소와 함께 연료를 연소시켜 가스를 발생시키도록 구성된 연소기,
    상기 연소기로부터의 가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈,
    상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 열회수 증기 발생기, 및
    상기 열회수 증기 발생기로부터의 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈
    을 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 상기 입구 가이드 베인의 개도를 제 1 개도로 제어하는 단계,
    상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 상기 가스 터빈의 출력값을 제 1 출력값보다 큰 값으로 제어하는 단계 ― 상기 제 1 출력값은, 상기 입구 가이드 베인의 개도가 상기 제 1 개도일 경우 배기 가스의 온도가 상기 증기 터빈의 금속 온도에 의존하는 제 1 온도로 유지될 수 있는 출력값임 ―, 및
    상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값보다 큰 값으로 제어하는 단계 동안, 증기의 온도 또는 상기 가스 터빈의 출력값에 의거하여 상기 입구 가이드 베인의 개도를 상기 제 1 개도로부터 증가시키는 단계
    를 포함하는, 플랜트 제어 방법.
  9. 파워 플랜트로서,
    입구 가이드 베인으로부터 도입된 산소와 함께 연료를 연소시켜 가스를 발생시키도록 구성된 연소기,
    상기 연소기로부터의 가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈,
    상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 열회수 증기 발생기,
    상기 열회수 증기 발생기로부터의 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈,
    상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 상기 입구 가이드 베인의 개도를 제 1 개도로 제어하도록 구성된 개도 제어기, 및
    상기 가스 터빈의 기동으로부터 상기 증기 터빈의 기동까지의 기간 내에 상기 가스 터빈의 출력값을 제 1 출력값보다 큰 값으로 제어하도록 구성된 출력 제어기 ― 상기 제 1 출력값은, 상기 입구 가이드 베인의 개도가 상기 제 1 개도일 경우 배기 가스의 온도가 상기 증기 터빈의 금속 온도에 의존하는 제 1 온도로 유지될 수 있는 출력값임 ―
    를 포함하고,
    상기 출력 제어기가 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값보다 큰 값으로 제어하는 동안, 상기 개도 제어기는 증기의 온도 또는 상기 가스 터빈의 출력값에 의거하여 상기 입구 가이드 베인의 개도를 상기 제 1 개도로부터 증가시키도록 구성된, 파워 플랜트.
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