KR20160042372A - 제어 장치, 및 기동 방법 - Google Patents

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바 다이 카오
아키타카 이시카와
마사루 데지마
다카히로 모리
피르만 바그자 주앙사
마나부 하세가와
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Abstract

가스 터빈과, 배열(排熱) 회수 보일러와, 증기 터빈을 구비하는 컴바인드 사이클 발전 플랜트를 제어하는 제어 장치는, 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 제어부를 구비한다. 상기 제어부는, 상기 가스 터빈의 발전기를 병렬한 후에, 상기 가스 터빈의 배기 가스 온도가 상기 증기 터빈의 메탈 온도에 의거하여 결정되는 온도 범위에 들어갈 때의 가스 터빈 출력인 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어한다. 상기 제어부는, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도에 의거하는 온도를 초과한 경우, 상기 제 1 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어한다.

Description

제어 장치, 및 기동 방법{CONTROLLING APPARATUS AND STARTING METHOD}
본 발명은, 제어 장치, 및 기동 방법에 관한 것이다.
가스 터빈과, 배열(排熱) 회수 보일러와, 증기 터빈을 조합해서 구성하는 컴바인드 사이클 발전 플랜트(combined cycle power-generating plant)가 알려져 있다. 여기에서, 배열 회수 보일러는, 가스 터빈의 배기 가스로부터 열회수(熱回收)하여 증기를 생성한다. 증기 터빈은, 배열 회수 보일러가 생성하는 증기에 의해 구동된다.
배열 회수 보일러의 큰 열용량에 기인해서, 배열 회수 보일러가 생성한 증기의 온도인 주증기 온도가 소정의 온도까지 상승하기 위해서는, 큰 시정수나 데드 타임(dead time)을 갖는다. 가스 터빈의 출력 증가에 따라 가스 터빈(GT) 배기 가스 온도나 GT 배기 가스 유량이 상승해도, 주증기 온도는 좀처럼 상승하지 않는다. 따라서, 가스 터빈의 출력을, 소정의 출력값으로 유지하면서 연료 공급을 계속해도, 주증기 온도가 원하는 온도로 상승할 때까지, 경우에 따라서는 1시간 내지 3시간이라는 오더가 긴 시간을 요한다.
그러나, 화력 발전은 긴급 전원의 위치 설정이 부여되어 있기 때문에, 급속 기동 능력을 갖는 컴바인드 사이클 발전 플랜트가 요구되고 있다. 이러한 상황하에서, 급속 기동을 행하는 경우, 상술한 주증기 온도 상승의 지연이 문제가 된다.
제 1 실시형태에 의하면, 제어 장치는, 가스 터빈과, 상기 가스 터빈의 배기 가스로부터 열회수하여 증기를 생성하는 배열 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 구비하는 컴바인드 사이클 발전 플랜트를 제어하는 제어 장치이다. 제어 장치는, 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 제어부를 구비한다. 상기 제어부는, 상기 가스 터빈의 발전기를 변전 설비에 병렬한 후에, 상기 가스 터빈의 배기 가스 온도가 상기 증기 터빈의 메탈 온도에 의거해서 결정되는 온도 범위에 들어갈 때의 가스 터빈 출력인 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어한다. 상기 제어부는, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도에 의거하는 온도를 초과한 경우, 상기 제 1 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어한다.
도 1은 제 1 실시형태에 있어서의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 구성을 나타내는 개략 구성도.
도 2는 제 1 실시형태에 있어서의 제어 장치(501)의 구성을 나타내는 개략 블럭도.
도 3은 제 1 실시형태에 있어서의 증기 터빈(503)의 단면도.
도 4는 제 1 실시형태에 따른 기동 알고리즘을 나타내는 플로차트.
도 5는 제 1 실시형태에 따른 기동 방법의 기동 차트.
도 6은 가스 터빈(502)의 출력과 GT 배기 가스 온도의 관계의 일례를 나타내는 그래프.
도 7은 제 1 실시형태에 따른 기동 방법을 콜드 기동(cold starting)에 사용한 경우의 기동 차트의 일례.
도 8은 제 2 실시형태에 따른 기동 알고리즘을 나타내는 플로차트.
도 9는 제 2 실시형태에 따른 기동 방법의 기동 차트.
도 10은 비교예에 있어서의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 구성을 나타내는 개략 구성도.
도 11은 비교예에 따른 기동 알고리즘을 나타내는 플로차트.
도 12는 비교예에 따른 기동 방법의 기동 차트.
(비교예)
각 실시형태에 대해서 설명하기 전에, 비교예에 대해서 설명한다. 도 10은, 비교예에 있어서의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, 가스 터빈(502)과 증기 터빈(503)이 별개의 축으로 구성된다. 제어 장치(601)는 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 운전 및 제어를 통괄한다.
(컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 구성에 대해서)
컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, 압축기(507), 압축기(507)와 접속된 가스 터빈(GT)(502) 및 회전축이 가스 터빈(GT)(502)과 접속된 GT 발전기(517)를 구비한다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)에는, 압축기(507)로부터의 공기와 함께 연료(516)를 연소시키는 연소기(508)가 설치되어 있다. 연료(516)의 연소에 의해 생성된 고온·고압의 가스가 연소기(508)로부터 가스 터빈(502)에 공급되어, 가스 터빈(502)이 구동한다.
연소기(508)에 연료(516)를 공급하는 배관에는, 제어 장치(601)로부터의 제어 신호에 의거하여 개폐되는 연료 조절 밸브(506)가 설치되어 있다. 연료 조절 밸브(506)의 개방도를 조절함으로써, 연소기(508)에의 연료(516)의 공급량을 조절 할 수 있다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, GT 발전기(517)의 출력을 검출하고, GT 발전기(517)의 출력을 나타내는 GT 출력 신호를 제어 장치(601)에 공급하는 GT 출력 센서(OS)를 구비한다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, 가스 터빈(GT)(502)으로부터 배출된 GT 배기 가스(a)의 온도를 검출하고, 검출한 GT 배기 가스(a)의 온도를 나타내는 배기 가스 온도 신호를 제어 장치(601)에 공급하는 배기 가스 온도 센서(TS1)를 구비한다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, 가스 터빈(502)의 GT 배기 가스(a)로부터 열회수하여 증기를 생성하는 배열 회수 보일러(504)를 구비한다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, GT 배기 가스(a)로부터 열회수 하는 증발기(509), 증발기(509)와 접속된 드럼(510) 및 증기 입력구가 드럼(510)의 증기 배출구와 배관에 의해 접속된 과열기(511)를 구비한다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, 증기 입력구가 과열기(511)의 증기 배출구와 배관에 의해 접속된 가감 밸브(505)를 구비한다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, 증기 입력구가 가감 밸브(505)의 증기 배출구와 배관에 의해 접속된 증기 터빈(503) 및 회전축이 증기 터빈(503)의 회전축과 접속된 ST 발전기(518)를 구비한다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, 증기 입력구가 과열기(511)의 증기 배출구와 배관에 의해 접속된 터빈 바이패스 조절 밸브(512)를 구비한다. 터빈 바이패스 조절 밸브(512)는, 증기 터빈을 바이패스한 증기를 후술하는 복수기(復水器)(513)로 도입한다.
또한, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)는, 증기 입력구가 터빈 바이패스 조절 밸브(512)의 증기 배출구와 배관에 의해 접속되며, 배기 입력구가 증기 터빈(503)의 배기구와 배관에 의해 접속된 출구에서 나오는 물과 해수의 열교환을 행하는 복수기(513)를 구비한다. 증기 터빈(503)으로부터 배출된 배기 증기(e)는 복수기(513)에 유입된다. 이 복수기(513)는, 증기 터빈으로부터 배출된 배기 증기(e)를 해수 또는 공기에 의해 냉각시킨다.
예를 들면, 복수기(513)는, 순환수 펌프(514)에 의해 공급된 해수를 사용해서, 배기 증기(e)를 냉각시킨다.
(컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 운전에 대해서)
계속해서, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 운전에 대해서 설명한다. 도 10은 가스 터빈(502)이 착화(着火) 운전된 후, 가감 밸브(505)가 전체 폐쇄된 상태의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 운전 상태를 나타내고 있다. 여기에서, 일례로서, 연료 조절 밸브(506)는 중간 개방도이며, 터빈 바이패스 조절 밸브(512)는 중간 개방도이다.
가스 터빈(502)의 연료(516)는 연료 조절 밸브(506)로부터 들어오고, 압축기(507)로부터의 공기와 함께 연소기(508)에 의해 연소된다. 고온의 GT 배기 가스(a)는 배열 회수 보일러(504)에 유입되어 증발기(509)에 의해 열회수되어서 드럼(510)에 증기가 발생한다. 이 발생 증기는 과열기(511)에 의해 GT 배기 가스(a)와 열교환해서 더욱 과열되어 주증기(b)가 된다.
그러나, 증기 터빈(503)의 가감 밸브(505)는 밸브를 폐쇄한 상태에서 증기 터빈(503)의 기동은 아직 개시되지 않는다. 왜냐하면 착화로부터의 시간이 경과 하고 있지 않은 시점에서는 주증기(b)의 온도가 불충분하여, 가감 밸브(505)를 밸브 개방하여 증기 터빈(503)에 넣는 것(이것을 통기라 함)이 허용되지 않기 때문이다.
터빈 바이패스 조절 밸브(512)는, 통기가 허용될 때까지의 동안에, 과열기(511)로부터의 주증기(b)를 압력 제어하면서 밸브를 개방하여 복수기(513)로 도입한다. 복수기(513)에는 순환수 펌프(514)로부터 퍼올려진 해수(515)가 공급되어 있고, 터빈 바이패스 조절 밸브(512)를 경유해 온 주증기(b)는 복수기(513) 내에서 해수(515)에 의해 냉각된다. 그 결과, 주증기(b)는 응결되어 복수가 되는 한편, 해수(515)는 열교환에 의해 온도 상승을 수반해서 바다로 돌아간다.
(비교예에 있어서의 제어 장치(601)의 처리)
비교예에 따른 제어 장치(601)가 실행하는 주증기 온도 매칭 제어는, 증기 터빈(503)에 발생하는 열응력을 억제할 목적으로, 후술하는 가스 터빈 배기 가스 온도 목표값을 산출해서 가스 터빈 출력(부하)을 증감시키는 제어이다. 예를 들면, 1축형 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)에서 무부하 정격 회전 운전의 가스 터빈(502)의 입구 안내 날개 개방도를 크게 해서 GT 배기 가스 온도를 저하시켜 미스매치 온도를 작게 한다.
여기에서, 미스매치 온도는 하기의 식(1)의 정의에 의해 부여되는 온도 편차이다.
미스매치 온도= 주증기 온도-증기 터빈의 제 1단(段) 쉘(shell) 내면 메탈 온도 …(1)
여기에서, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도는, 기동마다 변하는 온도이며, 이전회 기동했을 때부터의 경과 시간이 길수록 온도가 낮아지는 경향이 있다. 제 1단 쉘 내면 메탈 온도는, 예를 들면 150℃ 내지 550℃의 범위에서 변할 수 있다.
입구 안내 날개 개방도는, 가스 터빈의 공기의 양을 조절하는 입구 안내 날개(Inlet Guide Vane)의 개방도이다. 입구 안내 날개 개방도를 크게 한 경우, 동일 연료에 대해서 많은 공기가 가스 터빈(502)에 유입되므로, GT 배기 가스 온도가 저하된다. 이렇게, 입구 안내 날개 개방도를 조정함으로써, 어느 정도의 범위에서 GT 배기 가스 온도를 조정할 수 있다.
도 11의 비교예에 있어서의 주증기 온도 매칭 제어 처리(P401)는, 기동의 요점이라고도 할 수 있는 미스매치 온도를 작게 하는 것은 동일하다. 주증기 온도 매칭 제어 처리(P401)는, 별개의 축의 증기 터빈(503)을 자력 기동하기 위해서, 가스 터빈(502)은, 보다 많은 연료(516)를 공급·연소하는 부하 운전으로 한다. 그 부하 운전시에 있어서의 가스 터빈 출력을 증감하도록 작용해서 미스매치 온도를 저감한다. 또, 별개의 축의 증기 터빈(503)은, 1축형 컴바인드의 증기 터빈보다 다량의 주증기(b)를 필요로 한다.
그리고, 주증기 온도와 GT 배기 가스 온도는 하기의 식(2)의 상관을 갖는다. 단, 이것은 가스 터빈 출력 변동에 의한 과도(過渡) 시기를 제외하고, 정상(定常) 상태에서 성립하는 관계식이다.
주증기 온도= GT 배기 가스 온도-ΔT(℃) …(2)
여기에서, ΔT(℃)는 배열 회수 보일러 설계의 열전달 조건에 의거해서 컴바인드 사이클 발전 플랜트마다 정해지는 값이며, 일반적으로 약 20℃~약 60℃ 정도의 값이 된다.
이 식(2)를 식(1)에 대입해서 주증기 온도를 소거하면, 하기의 식(3)이 얻어진다.
미스매치 온도= GT 배기 가스 온도-ΔT-제 1단 쉘 내면 메탈 온도 …(3)
열응력의 관점에서 이상적인 증기 터빈 기동은 미스매치 온도가 0(0℃)일 때 통기하는 것이기 때문에, 식(3)의 좌변에 0을 대입해서, 변형하면 하기의 식(4)가 얻어진다.
GT 배기 가스 온도= 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT …(4)
제어 장치(601)는, 이 관계에 따라 GT 배기 가스 온도 목표값을 다음의 식(5)로 해서 산출한다.
GT 배기 가스 온도 목표값= 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT …(5)
(비교예에 따른 기동 방법)
도 11의 기동 알고리즘에 의해, 비교예에 따른 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 기동 방법을 기술한다. 도 11은, 비교예에 따른 기동 알고리즘을 나타내는 플로차트이다.
처음 가스 터빈(502)을 기동하면(스텝 S201), 우선 퍼지(purge) 운전이 행해지고(스텝 S202), 그 착화 & 스피드업의 과정(스텝 S203)을 거쳐 무부하 정격 회전 운전(스텝 S204)에 도달한다. 그 후, GT 발전기(517)가 변전 설비에 병렬된다(스텝 S205). 그것과 함께, 역(逆)전력의 외란을 피하기 위해서, 즉시 가스 터빈(502)은 스텝 형상으로 초기 부하로 부하 상승하도록 제어된다(스텝 S206, S207).
초기 부하에 도달한 경우(스텝 S207 YES), 비교예에 따른 제어 장치(601)는, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 계측해서 기억한다(스텝 S208).
도 11에서 주증기 온도 매칭 제어 처리(P401)는, 가스 터빈(502)이 초기 부하로 부하 상승한 직후에 개시된다. 우선 비교예에 따른 제어 장치(601)는, 기억된 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 사용해서, 식(5)의 관계에 의거하여 GT 배기 가스 온도 목표값(=제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT)을 산출한다. 단 가스 터빈(502)은 극단의 저온, 고온의 배기 가스 온도에서의 운전은 불가능하므로, 하한값(LL값)과 상한값(UL값)에 의한 제한을 부여한다. 구체적으로는 제어 장치(601)는 "제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT"와 "LL값"과 "UL값"의 중간값을 GT 배기 가스 온도 목표값으로 선택해서 이를 실현한다(스텝 S209).
그리고, 제어 장치(601)는, 현시점의 실제 GT 배기 가스 온도를 계측하고, 그것과 GT 배기 가스 온도 목표값을 비교한다(스텝 S211). (GT 배기 가스 온도 목표값-β)이 실제 GT 배기 가스 온도보다 높으면(스텝 S211 YES), 제어 장치(601)는, 가스 터빈 출력을 상승시켜 GT 배기 가스 온도를 상승시키도록 작용한다(스텝 S212). 여기에서, β는 소정의 수이다.
한편, (GT 배기 가스 온도 목표값+β)가 실제 GT 배기 가스 온도보다 낮으면(스텝 S213 YES), 가스 터빈 출력을 저하시켜 GT 배기 가스 온도를 저하시킨다(스텝 S214). 이것을 반복해서 실제 GT 배기 가스 온도가 GT 배기 가스 온도 목표값의 허용 편차 범위(+/-β℃ 이내)에 들어가도록 가스 터빈 출력이 조정된다. 이 가스 터빈 출력을 이하에 "제 1 출력값(c)"이라 한다.
제 1 출력값(c)을 유지하면서 연료 공급을 계속하면, 시간 경과에 따라 주증기 온도도 점차 상승하여, 점차 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 점근(漸近)한다. 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 주증기 온도의 편차가 ±ε 이내인지의 여부를 판정한다(스텝 S215). 그리고 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 주증기 온도의 편차가 충분히 작은 허용 편차(+/-ε℃ 이내)가 되었을 때에(스텝 S215 YES), 제어 장치(601)는, 가감 밸브(505)를 밸브 개방하여 증기 터빈(503)의 통기를 개시한다. 한편, 이 편차가 ±ε 이내가 아니면(스텝 S215 NO), 제어 장치(601)는 그대로 대기한다.
또, 통기가 개시된 후에는 증기 터빈(503)의 스피드업이나 가스 터빈(502)/증기 터빈(503)의 출력 상승이 계속해서 행해지지만, 본 발명에 관계된 것은 아니므로 상세한 설명은 생략한다. 최종적으로는 가스 터빈(502)은 그 때의 대기 온도 조건에서 허용되는 최대 출력(베이스 부하)에 도달하고, 이 GT 배기 가스(a)를 열회수하여 생성되는 주증기(b)에 의해 증기 터빈(503)도 정격 출력에 도달한다.
도 12는 비교예에 따른 기동 방법의 기동 차트이다. 도 12에는, 비교예에 따른 기동 방법을 실행한 경우의, 각 센서 출력의 시간 변화가 나타나 있다. 도 12에서, 가스 터빈 출력의 시간 변화를 나타내는 파형(W21)이 나타내는 바와 같이, 초기 부하 후에, 가스 터빈 출력이 제 1 출력값(c)으로 일정하다. 이에 따라, GT 배기 가스 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W23)이 나타내는 바와 같이, 가스 터빈 출력이 제 1 출력값(c) 사이이며, GT 배기 가스 온도도 일정하다. 도 12의 주증기 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W24)과 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W22)에 나타나 있는 바와 같이, 비교예에 의한 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 천천히 점근 상승한다.
(보충)
주증기 온도가 단시간에 상승하지 않는 것에 기인하는 어려움은, 주증기 온도 매칭 제어의 방법에 단적으로 나타나 있다. 즉 주증기 온도 매칭 제어는 GT 배기 가스 온도 목표값을 산출해서 실제 배기 가스 온도를 그것에 일치시키는, 말하자면 GT 배기 가스 온도를 매개해서 「간접적」으로 주증기 온도를 조정하는 방법이다. 만약 GT 배기 가스 온도를 배제한 후에, 주증기 온도 매칭 제어를, 「직접적」으로 주증기 온도를 조정하는 제어 방식으로 변경한 경우, 그 주증기 온도 매칭 처리(P401)의 메커니즘은 『주증기 온도 매칭 제어는 현시점의 실제 주증기 온도를 계측하고, 그것과 주증기 온도 목표값을 비교해서, 실제 주증기 온도가 낮으면 가스 터빈 출력을 상승시켜 주증기 온도를 상승시킨다』라고 기재할 수 있다. 그러나, 주증기 온도는 신속하게 상승하지 않으므로 그것을 기다리고 있는 동안에 가스 터빈 출력은 적절한 값을 초과하여 최대 출력(베이스 부하)까지 상승하게 되는 문제가 있다. 이러한 이유에서 주증기 온도 매칭 제어는 GT 배기 가스 온도를 매개해서, 「간접적」으로 주증기 온도를 조정하는 방법을 채용한다.
(제 1 실시형태)
이하에, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 도 1은, 제 1 실시형태에 있어서의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
도 1의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 구성은, 도 10의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(600)의 구성에 대해서, 주증기 온도 센서(TS2)가 추가된 것으로 되어 있다. 주증기 온도 센서(TS2)는, 과열기(511)와 가감 밸브(505)를 연결하는 배관의 온도를 주증기 온도로서 검출하고, 검출한 주증기 온도를 나타내는 주증기 온도 신호를 제어 장치(501)에 공급한다.
제어 장치(501)는 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 운전 및 제어를 통괄한다. 도 2를 사용해서, 제 1 실시형태에 있어서의 제어 장치(501)의 구성에 대해서 설명한다.
(제어 장치(501)의 구성)
도 2는, 제 1 실시형태에 있어서의 제어 장치(501)의 구성을 나타내는 개략 블럭도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(501)는, 제어부(CON), 기억부(MEM), 입력부(IN) 및 출력부(OUT)를 구비한다. 각 구성 요소는, 서로 버스를 통해 접속되어 있다.
입력부(IN)는, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)가 구비하는 각 센서에 의해 계측된 센서 계측 신호를 수신하고, 수신한 센서 계측 신호를 제어부(CON)에 출력한다.
구체적으로는, 입력부(IN)는 예를 들면, 배기 가스 온도 센서(TS1)로부터 배기 가스 온도 신호를 수신하고, 수신한 배기 가스 온도 신호를 제어부(CON)에 출력한다. 또한, 입력부(IN)는 예를 들면, 주증기 온도 센서(TS2)로부터 주증기 온도 신호를 수신하고, 수신한 주증기 온도 신호를 제어부(CON)에 출력한다. 또한, 입력부(IN)는 예를 들면, 내면 메탈 온도 센서(TS3)로부터 내면 메탈 온도 신호를 수신하고, 수신한 내면 메탈 온도 신호를 제어부(CON)에 출력한다.
또한, 입력부(IN)는 예를 들면, GT 출력 센서(OS)로부터 GT 출력 신호를 수신하고, 수신한 GT 출력 신호를 제어부(CON)에 출력한다.
기억부(MEM)에는, 후술하는 도 4의 플로차트에서 나타난 기동 알고리즘에 따라 프로그래밍된 소프트웨어가 기억되어 있다.
제어부(CON)는, 기억부(MEM)으로부터 소프트웨어를 판독해서 실행함으로써, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)를 제어한다.
그 일례로서, 제어부(CON)는, 가스 터빈(502)의 출력을 제어한다. 그 때, 제어부(CON)는, 연료 조절 밸브(506)를 제어해서, 가스 터빈(502)에의 연료(516)의 공급량을 조절한다. 여기에서 연료 조절 밸브(506)의 개폐와 가스 터빈(502)의 출력은 비례 관계이므로, 제어부(CON)는, 연료 조절 밸브(506)를 제어함으로써, 가스 터빈(502)의 출력을 제어할 수 있다.
또 다른 예로서, 제어부(CON)는, 가감 밸브(505) 및 터빈 바이패스 조절 밸브(512)를 제어한다.
여기에서, 제어부(CON)는, 출력 설정부(101), 판단부(102) 및 주증기 온도 매칭 제어부(401)를 구비한다. 제어부(CON)의 각 부의 처리는 후술한다.
도 3은, 제 1 실시형태에 있어서의 증기 터빈(503)의 단면도이다. 이 단면도에서, 회전축(RA)을 중심으로 해서 회전 가능한 동익(動翼)(RV), 공극을 개재하여 동익(RV)의 주위를 둘러싸는 정익(靜翼)(SV) 및 주증기(b)가 유입되는 증기 유입구(INLET)가 나타나 있다. 내면 메탈 온도 센서(TS3)가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 검출하는 경우, 내면 메탈 온도 센서(TS3)는 일례로서 도 3에 나타내는 위치에 배치되며, 정익(SV)의 메탈 온도를 검출한다.
<제 1 실시형태에 있어서의 기동 방법>
상술한 비교예에 있어서의 기동에 대해서, 제 1 실시형태에 있어서의 기동은, 도 4에 있어서의 출력 설정 처리(P101)와 판단 처리(P102)가 추가된 것으로 되어 있다. 이하에, 제 1 실시형태에 있어서의 기동 방법에 대해서 설명한다.
상술한 비교예의 플랜트 기동 방법의 일부를 반복하면, 주증기 온도 매칭 제어의 GT 배기 가스 온도 목표값은, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 따라 상기 식(5)에 의해 산출된다.
GT 배기 가스 온도 목표값= 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT …(5)
그리고 증기 터빈(503)의 통기 전의 가스 터빈 출력은, 식(5)의 GT 배기 가스 온도를 부여하는 출력값("제 1 출력값"(c))으로 유지되고, 여기에서 주증기 온도의 상승을 기다려 통기가 개시되었다.
제 1 실시형태의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 기동 처리를 도 4의 기동 알고리즘을 따라 설명한다. 도 4는, 제 1 실시형태의 기동 알고리즘을 나타내는 플로차트이다.
가스 터빈(502)을 기동하면(스텝 S101), 우선 공기를 흘려 체류하고 있는 연료를 배출하는 퍼지 운전이 행해지고(스텝 S102), 그 착화 & 스피드업(스텝 S103)의 과정을 거쳐 무부하 정격 회전 운전에 도달한다(스텝 S104). 그 후, GT 발전기(517)를 변전 설비에 병렬하며(스텝 S105), 제어부(CON)는 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 계측시키고, 계측해서 얻은 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 기억부(MEM)에 기억시킨다. 제어부(CON)는, 그 직후에 역전력의 외란을 피하기 위해서 가스 터빈 출력을 스텝 형상으로 증가시켜 초기 부하에 도달하도록 제어한다(스텝 S106, S107).
초기 부하에 도달한 경우(스텝 S107 YES), 제어 장치(501)의 제어부(CON)는, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 계측해서 기억한다(스텝 S108). 여기까지의 처리는 도 11의 비교예에 의한 기동 알고리즘과 동일하다.
가스 터빈(502)이 초기 부하에 도달한 후, 보다 급속한 주증기 온도의 상승을 촉진하기 위해서 도 4의 기동 알고리즘에 이하의 출력 설정 처리(P101)가 새롭게 마련되어 있다.
출력 설정부(101)는, 도 4의 출력 설정 처리(P101)를 실행한다. 구체적으로는 출력 설정부(101)는, 제 1 출력값(c)보다 큰 출력(이것을 "제 2 출력값"(d)이라 함. 이 구체적인 값에 대해서는 후술)이 되도록 가스 터빈(502)의 출력 상승을 행하고(스텝 S109, S110), 거기에서 출력을 유지한다. 이 제 2 출력값(d)으로 유지되고 있는 동안에는, 배열 회수 보일러(504)는 보다 고온이며 또한 다량의 GT 배기 가스(a)를 수용하여 활발한 열회수를 행하는 것이 가능해져 주증기 온도는 보다 신속하게 상승한다.
그리고, 주증기 온도의 상승을 기다려서 적절한 타이밍에 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환하도록 한다. 열응력의 관점에서 이상적인 주증기 온도는 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 동일할 때이기 때문에, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에까지 상승했을 때에 제 1 출력값(c)으로 전환하는 것도 좋은 안이다.
그러나, 거기까지 상승하고 나서 전환하면 주증기 온도는 목표인 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 초과해서, 이른바 오버 슈트(overshoot) 현상을 야기한다. 그래서, 본 기동 알고리즘에서, 제어부(CON)는, 목표 온도 도달 일보 직전의 타이밍에 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환하도록 제어한다.
구체적으로는, 도 4의 기동 알고리즘에는 새롭게 이하의 판단 처리(P102)가 마련되어 있다. 판단부(102)는, 예를 들면, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 소정의 온도(여기에서는, 일례로서 20℃)만큼 낮은 온도로 되었는지의 여부를 판단한다(스텝 S111). 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 소정의 온도(여기에서는, 일례로서 20℃)만큼 낮은 온도로 된 경우(스텝 S111 YES), 주증기 온도 매칭 제어부(401)는 그 처리를 개시한다.
이하에, 비교예와 마찬가지로, 주증기 온도 매칭 제어부(401)는, 도 4에 있어서의 주증기 온도 매칭 처리(P401)를 실행한다. 구체적으로는, 주증기 온도 매칭 제어부(401)는, 비교예와 마찬가지로, 기억된 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 사용해서 식(5)의 관계에 의거하여 GT 배기 가스 온도 목표값(=제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT)을 산출한다. 비교예와 마찬가지로, 주증기 온도 매칭 제어부(401)는 하한값(LL값)과 상한값(UL값)에 의한 제한을 부여하고, "제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT"와 "LL값"과 "UL값" 중 중간값을 GT 배기 가스 온도 목표값으로 선택한다(스텝 S112).
그리고, 주증기 온도 매칭 제어부(401)는, 현시점의 실제 GT 배기 가스 온도를 계측하고(스텝 S113), 그것과 GT 배기 가스 온도 목표값을 비교한다(스텝 S114). (GT 배기 가스 온도 목표값-β)가 실제 GT 배기 가스 온도보다 높으면(스텝 S114 YES), 주증기 온도 매칭 제어부(401)는, 가스 터빈 출력을 상승시킨다(스텝 S115).
한편, (GT 배기 가스 온도 목표값-β)가 실제 GT 배기 가스 온도보다 낮으면(스텝 S114 NO), 주증기 온도 매칭 제어부(401)는, 가스 터빈 출력을 저하시킨다(스텝 S117). 여기에서, 제 2 출력값(d)의 실제 GT 배기 가스 온도는 GT 배기 가스 온도 목표값보다 고온으므로, 제 1 실시형태의 기동 방법에서는 반드시 가스 터빈 출력을 저하시켜, 실제 GT 배기 가스 온도가 GT 배기 가스 온도 목표값의 허용 편차 범위(+/-β℃ 이내)에 들어가도록 제 1 출력값(c)으로 가스 터빈 출력이 조정된다.
이렇게 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 가스 터빈 출력을 전환하므로, 주증기 온도는 목표인 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 대해서 -20℃만큼 낮은 온도에서 제 1단 쉘 내면 메탈 온도로 점근하는 결과가 되고, 비교예에 의한 기동 방법에 비해서 현격히 짧은 시간에 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 주증기 온도의 편차가 작아진다(허용 편차의 +/-ε℃ 이내). 따라서, 비교예에 비해서 조기에 가감 밸브(505)를 밸브 개방하여, 증기 터빈 통기가 개시된다.
도 5는, 제 1 실시형태에 따른 기동 방법의 기동 차트이다. 도 5에서, 가스 터빈 출력의 시간 변화를 나타내는 파형(W1)이 나타내는 바와 같이, 가스 터빈 출력이 상기 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환된다. 이에 따라, GT 배기 가스 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W3)이 나타내는 바와 같이, GT 배기 가스 온도는, 가스 터빈 출력에 따라 변화된다. 도 5의 주증기 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W4)과 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W2)에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 실시형태에 의한 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도로 급속하게 점근 상승한다.
증기 터빈 통기 개시 전의 가스 터빈 출력값을, 도 5와 도 12를 비교하면, 도 12의 비교예의 출력 차트가 제 1 출력값(c)으로 일정한 것에 대해, 제 1 실시형태의 출력 차트는, 제 2 출력값(d)이 제 1 출력값(c)보다 크다는 대소 관계에 따라, 가스 터빈 출력의 파형(W1)이 제 2 출력값(d)을 취하는 부분에서 높아지는 파형의 특징을 나타낸다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 제어부(CON)는, 가스 터빈(502)에 GT 발전기(517)를 변전 설비에 병렬한 후에, 가스 터빈(502)의 배기 가스 온도가 증기 터빈(503)의 메탈 온도에 의거하여 결정되는 온도 범위에 들어갈 때의 가스 터빈 출력인 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값으로 가스 터빈(502)의 출력을 제어한다. 여기에서, 상술한 메탈 온도는, 예를 들면, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도인 것이 바람직하다. 또, 상술한 메탈 온도는, 증기 터빈(503)의 다른 단의 쉘 내면 메탈 온도여도 된다.
또한, 제어부(CON)는, 배열 회수 보일러(504)가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도에 의거하는 온도(예를 들면, 상기 메탈 온도보다 소정 온도만큼 낮은 온도)를 초과한 경우, 제 1 출력값으로 가스 터빈(502)의 출력을 제어한다.
제 1 실시형태의 기동 방식을 채용할 때에, 제 2 출력값(d)의 결정이 중요한 문제가 된다. 급속한 주증기 온도의 상승을 촉진하기 위해서 제 2 출력값(d)은 크면 클수록 좋지만, 그러나 가스 터빈(502)이 착화 운전하고 있는데도 증기 터빈(503)이 통기되어 있지 않은 운전 상태는 어떤 의미에서 특수한 상황하에 있어, 제 2 출력값(d)이 적정값을 초과하여 너무 크게 된 경우, 하기의 3개의 상황이 발생할 수 있다. 이하에, 각 상황에 따른 제 2 출력값(d)의 설정 방법에 대해서 설명한다.
(제 2 출력값(d)의 제 1 설정 방법)
첫번째 상황은, 제 2 출력값(d)이 너무 커지면 과열기(511)로부터의 주증기(b)의 발생 유량이 증대되어 터빈 바이패스 조절 밸브(512)의 개방도가 100% 전체 개방되는 것이다.
즉, 도 1에 나타난 운전 상태에서, 가스 터빈(502)이 제 2 출력값(d)이 되고, 그러나 주증기 온도의 상승이 아직 불충분하여 가감 밸브(505)를 밸브 개방해서 증기 터빈(503)의 통기가 허용되지 않는 동안, 터빈 바이패스 조절 밸브(512)는 통기가 허용될 때까지 과열기(511)로부터의 주증기(b)를 압력 제어하면서 복수기(513)로 도입한다.
이 때, 제 2 출력값(d)을 받아 과열기(511)로부터 다량의 주증기(b)가 터빈 바이패스 조절 밸브(512)에 유입되고, 이 주증기(b)가 터빈 바이패스 조절 밸브(512)의 용량을 초과하면, 그 개방도가 전체 개방될 우려가 있다. 이 전체 개방 상태는 드럼(510)의 압력 제어가 상실된 상태이며, 동(同) 드럼(510)의 수위가 극단적으로 변동되는 등, 안정 운전에 지장을 초래한다.
그래서, 제 1 실시형태의 출력 설정부(101)는, 제 2 출력값(d)을 과열기(511)로부터의 모든 주증기(b)가 터빈 바이패스 조절 밸브(512)를 경유해서 복수기(513)에 유입되었다고 해도, 본 조절 밸브의 개방도가 전체 개방되지 않는 가장 큰 가스 터빈 출력(Y1)으로 설정해도 된다.
이 가스 터빈 출력(Y1)의 산출 방법을 이하에 설명한다.
주증기(b)의 주증기 유량(G)은 가스 터빈(502)의 출력값에 거의 비례하는 것이 일반적으로 알려져 있기 때문에, Y1은 주증기 유량(G)을 사용해서 이하의 식(6)으로 표시된다.
Y1= αG1 …(6)
한편, 터빈 바이패스 조절 밸브(512)에 한정되지 않고, 일반 조절 밸브의 밸브 개방도 특성은 개방도(X)에 대한 밸브 용량 계수(Cv)와의 관계에 의해 표현된다. 또한, 조절 밸브에 흐르는 증기 유량(G1)은, 이 밸브 용량 계수(Cv), 조절 밸브 상류 압력(P1), 하류 압력(P2), 증기 과열도(Tsh)를 사용해서 하기 식(7)에 의해 산출된다.
G1= Cv×13.5×√((P1-P2)(P1+P2))/(1+0.00126Tsh) …(7)
따라서, 밸브 개방도에 대한 가스 터빈 출력은 식(7)을 식(6)에 대입한 하기 식에 의해 산출되며, 터빈 바이패스 조절 밸브가 제어 가능 영역에 있는 최대 개방도(θMax)일 때의 가스 터빈 출력(Y1)은 다음의 식(8)과 같이 부여된다.
Y1= α×[Cv×13.5×√((P1-P2)(P1+P2))/(1+0.00126Tsh)] …(8)
(제 2 출력값(d)의 제 2 설정 방법)
두번째 상황은, 제 2 출력값(d)이 너무 커지면 과열기(511)로부터의 주증기(b)의 발생 유량이 증대하여 복수기 출입구의 해수 온도차가 허용되는 온도차를 초과하여, 환경 보전상에 영향을 끼친다는 것이다.
즉 도 1의 운전 상태에서 가스 터빈(502)이 제 2 출력값(d)이 되고, 그러나 주증기 온도의 상승이 아직 불충분하여 증기 터빈(503)의 통기가 허용되지 않는 동안, 터빈 바이패스 조절 밸브(512)는 통기가 허용될 때까지 과열기(511)로부터의 주증기(b)를 압력 제어하면서 복수기(513)로 도입한다. 복수기(513) 내에 들어간 주증기(b)는 순환수 펌프(514)로부터 퍼올려진 해수(515)에 의해 냉각되어 응결되어서 복수가 되는 한편, 해수(515)는 열교환에 의해 온도가 상승한다. 이 때 제 2 출력값(d)을 받아 과열기(511)로부터 다량의 주증기(b)가 복수기(513)에 유입되므로, 복수기(513)의 열교환량이 증가하여 복수기(513) 출구의 해수 온도가 크게 상승하여, 환경면에서 허용되는 복수기(513) 출입구의 해수 온도차를 초과할 우려가 있다.
그래서, 제 1 실시형태의 출력 설정부(101)는, 제 2 출력값(d)을, 과열기(511)로부터의 모든 주증기(b)가 터빈 바이패스 조절 밸브(512)를 경유해서 복수기(513)에 유입되었다고 해도, 복수기(513) 출입구의 해수 온도차가 소정값을 초과하지 않는 가장 큰 가스 터빈 출력(Y2)으로 설정해도 된다.
이 가스 터빈 출력(Y2)의 산출 방법을 이하에 설명한다.
복수기(513)에 있어서의 교환 열량(Qd)은 해수 냉각수량(W), 해수 입구 온도(CWT1), 출구 온도(CWT2) 및 냉각수인 해수의 밀도(γ) 및 비열(Cp)에 의해 하기 식(9)로 표현할 수 있다.
Qd= W×γ×Cp/60×(CWT2-CWT1) …(9)
여기에서, W×γ×Cp/60의 항은 모두 상수이며, 환경 보전상에 영향을 끼치지 않는 정도의 복수기 출입구 온도차를 ΔCWT로 하면 하기 식(10)으로 표현할 수 있다.
Qd= R×ΔCWT …(10)
한편, 상술한 바와 같이 복수기(513)에 유입되는 주증기(b)의 주증기 유량(G2)은 가스 터빈(502)의 출력값에 거의 비례하는 것이 일반적으로 알려져 있으며, 하기 식(11)로 표시된다.
Y2= ηG2 …(11)
여기에서, η는 비례 계수이다. 또한, 복수기(513)에 있어서의 증기측의 교환 열량(Qd')은 주증기 유량을 G2, 터빈 바이패스 조절 밸브 하류에서의 주증기 엔탈피(enthalpy)를 H1, 복수기 출구의 복수의 엔탈피를 H2로 하면 하기 식(12)로 표현할 수 있다.
Qd'= G2×(H1-H2) …(12)
Qd'는 Qd와 동일한 교환 열량이 된다는 점에서, 복수기 출입구의 해수 온도차가 허용되는 온도차(ΔCWT)를 초과하지 않는 가스 터빈 출력(Y2)은 다음의 식(13)과 같이 부여된다.
Y2= η×R×ΔCWT/(H1-H2) …(13)
(보충)
증기 터빈(503)이 통기된 후, 가스 터빈(502)의 출력은 최대 출력까지 상승한다. 이 때의 배열 회수 보일러(504)로부터 발생하는 주증기량은, 제 2 출력값을 Y2로 해서 운전할 때의 발생량을 상회한다. 그러나, 통기 후에 복수기(513)에 유입되는 것은 증기 터빈(503)을 구동한 후의 배기 증기이며, 열에너지적으로는 주증기에 비해서 현저하게 저감되어 있어 복수기(513) 출입구의 해수 온도차의 문제는 발생하지 않는다.
(제 2 출력값(d)의 제 3 설정 방법)
배열 회수 보일러(504)에 내장되는 과열기(511)로 대표되는 열교환기는, 그 사용되는 재질에 따라 최고 사용 온도가 정해져 있다. 이 최고 사용 온도를 초과하는 온도의 GT 배기 가스를 수용하는 것은 기본적으로는 불가능하다. 배열 회수 보일러(504)에 의한 주증기(b)의 발생이 있는 경우는, 주증기(b)가 이들 열교환기의 튜브 내부로부터 냉각시키는 효과를 발휘하므로 GT 배기 가스 온도가 최고 사용 온도를 초과해도 상관없다.
그러나, 제 1 실시형태에 의한 기동 방식은 주증기의 발생이 없는(또는 극단적으로 적은) 단계에서 제 2 출력값(d)에 의한 운전을 행하므로, 최고 사용 온도를 초과하는 GT 배기 가스 온도가 유입되는 이른바 "열교환기로부터의 보일-드라이(boil-dry)"가 발생할 수 있다.
그래서, 제 1 실시형태의 출력 설정부(101)는, 제 2 출력값(d)을, 배열 회수 보일러(504)에 내장되는 열교환기의 최고 사용 온도를 초과하지 않는 GT 배기 가스 온도를 부여하는 가장 큰 가스 터빈 출력(Y3)으로 해도 된다.
이 가스 터빈 출력(Y3)은 이하와 같이 해서 구해진다. 일반적으로는 GT 배기 가스 온도의 최고값은 600℃ 내지 650℃의 범위에서 가스 터빈 설계가 이루어지며, 열교환기의 최고 사용 온도는 경제성 등을 감안하면서 통상은 550℃ 내지 600℃ 사이에서 결정된다. 이후, 열교환기의 최고 사용 온도가 되는 GT 배기 가스 온도를 "MaxT"라고 표기한다. 가스 터빈(502)의 출력과 GT 배기 가스 온도의 관계는, 도 6의 그래프에서 나타내는 바와 같이, 일의로 정해져 있다.
도 6은, 가스 터빈(502)의 출력과 GT 배기 가스 온도의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 가스 터빈(502)의 출력에 대한 GT 배기 가스 온도를 나타내는 파형(W11)이 나타나 있다.
여기에서, 파형(W11)에서, 열교환기의 최고 사용 온도가 되는 GT 배기 가스 온도(MaxT)에 대응하는 가스 터빈 출력이, 열교환기의 최고 사용 온도를 초과하지 않는 GT 배기 가스 온도를 부여하는 가장 큰 가스 터빈 출력(Y3)이 된다.
이렇게, 열교환기의 최고 사용 온도가 되는 GT 배기 가스 온도(MaxT)가 결정되면, 가스 터빈(502)의 출력과 GT 배기 가스 온도의 관계에 비춰 봐서, 가스 터빈 출력(Y3)이 구해진다.
(제 2 출력값(d)의 제 4 설정 방법)
상기 제 2 출력값(d)으로 설정 가능한 가스 터빈 출력(Y1, Y2, Y3)은 모두 증기 터빈(503)의 통기 전에 허용되는 최대의 가스 터빈 출력의 관점에서 구한 것이다. 그러나 허용 한계의 가스 터빈 운전은 폐해를 수반하는 경우도 지적된다. 상용기(商用機)로서의 컴바인드 사이클 발전 플랜트용 가스 터빈(502)에는 이른바 거버너 프리 운전(governor-free operation)이 요구되고, 그 때문에 DROOP 제어가 적용되는 것이 일반적이다. DROOP 제어는 계통 그리드(grid)의 주파수 저하를 검지해서 그 주파수 편차에 따라 연료(516)(출력)를 바이어스분으로 해서 인가하는 것이며, 허용 한계의 가스 터빈 출력(Y1, Y2, Y3)으로 가스 터빈(502)을 운전하고 있을 때, 이 바이어스분이 가해지면 허용 한계를 초과하는 출력 및 GT 배기 가스 온도가 된다.
이에 대해서, 제 1 실시형태의 출력 설정부(101)는, 플랜트 기동시에 상정되는 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 최고 온도(상한값)로부터 제 1 출력값(c)의 최대값을 평가하고, 이것을 제 2 출력값(d)으로서 설정해도 된다. 이 설정에 의하면, 어떠한 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 수반하는 플랜트 기동이더라도, 반드시 제 1 출력값(c)보다 큰 출력이 되는 제 2 출력값(d)을 비교적 간편한 방법으로 결정할 수 있다.
이 제 2 출력값(d)을 이하에 설명한다.
제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 최고 온도(상한값)를 상정할 때에, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)가 가스 터빈 최대 출력(베이스 부하)으로 운전되고 있는 상태에서 플랜트 정지를 행하고, 어떤 시간 경과 후에 다음번의 플랜트 기동이 이루어지는 일련의 시퀀스를 생각한다. 제 1단 쉘 내면 메탈 온도는, 베이스 부하로 운전되고 있을 때의 제 1단 쉘 내면 메탈 온도(이것을 베이스 부하 메탈 온도(Base_Tm)라 함)를 유지하면서 플랜트 정지(증기 터빈 트립)가 행해지고, 당해 트립 시점을 기점으로 해서 다음번 플랜트 기동까지의 정지 시간에 따라 자연 냉각에 의해 온도 저하되어 간다. 바꿔 말하면 다음번 플랜트 기동에 있어서의 제 1단 쉘 내면 메탈 온도는 정도의 차는 있을 수 있고, 반드시 자연 냉각에 의해 베이스 부하 메탈 온도(Base_Tm)보다 작아지므로, 플랜트 기동시에 합리적으로 상정되는 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 최고 온도(상한값)는, 이 베이스 부하 메탈 온도(Base_Tm)라고 평가할 수 있다.
한편, 주증기 온도 매칭 제어의 GT 배기 가스 온도 목표값은 상술한 바와 같이 하기 식(5)가 된다.
GT 배기 가스 온도 목표값= 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT …(5)
식(5)의 우변의 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 베이스 부하 메탈 온도(Base_Tm)를 대입해서, 가장 높은 GT 배기 가스 온도 목표값은 하기 식(14)가 된다.
가장 높은 GT 배기 가스 온도 목표값= Base_Tm+ΔT …(14)
한편, GT 배기 가스 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 관계는 상술한 식(4)(GT 배기 가스 온도= 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT)에 의해 부여된다. 베이스 부하 운전시의 GT 배기 가스 온도를 Base_Tg라고 표기하고, 식(4)의 관계를 베이스 부하시에 적용하면 하기 식(15)가 성립한다.
Base_Tg= Base_Tm+ΔT …(15)
식(14)와 식(15)로부터 Base_Tm과 ΔT를 소거하면, 이하의 식(16)이 얻어진다.
가장 높은 GT 배기 가스 온도 목표값= Base_Tg …(16)
즉, 플랜트 기동시에 상정되는 가장 높은 GT 배기 가스 온도 목표값은 베이스 부하시(최대 출력)의 GT 배기 가스 온도(Base_Tg)인 것을 나타내고 있다. 거기에서 플랜트 기동시에 생성되는 가장 큰 제 1 출력값(c)이란, Base-Tg의 배기 가스 온도를 부여하는 가스 터빈 출력이라고 상정할 수 있다. 근본적으로 생각하면 "베이스 부하의 GT 배기 가스 온도(Base_Tg)"와 동일한 GT 배기 가스 온도를 제공할 수 있는 가스 터빈 출력은 베이스 부하 이외에 존재하지 않는다고 생각된다.
그러나, 도 6의 그래프에 나타내는 가스 터빈 출력과 GT 배기 가스 온도의 특성에 착안하면, 답은 그렇지 않은 것이 시사된다. 즉, 본 특성 그래프의 가로축인 가스 터빈 출력을 저출력 영역과 중간 출력 영역과 고출력 영역으로 나눈 경우, GT 배기 가스 온도가 가장 높은 출력은 중간 출력 영역에 있으며, 저출력 영역과 고출력 영역에서는 그보다 낮은 배기 가스 온도인 특성(볼록 형상의 특성)을 갖는다.
따라서, 도 6에 나타내는 바와 같이 Base_Tg와 동일한 배기 가스 온도를 부여하는 저출력 영역의 가스 터빈 출력(Y4)이 존재한다. 바꿔 말하면 가스 터빈(502)을 제 1 출력값(c)을 가스 터빈 출력(Y4)으로 운전하면, GT 배기 가스 온도는 베이스 부하(최대 출력)와 동일한 Base_Tg가 된다.
이 가스 터빈 출력(Y4)이 합리적으로 상정되는 제 1 출력값(c)의 최대값이며, 제 1 실시형태의 출력 설정부(101)는, 제 2 출력값(d)을 이 가스 터빈 출력(Y4)으로 설정해도 된다.
이상을 정리하면, 제 4 설정 방법에 의한 제 2 출력값(d)은 이하와 같이 해서 설정된다. 가스 터빈(502)은, 가스 터빈 출력의 중간 출력 영역에서, 중간 출력 영역보다 가스 터빈 출력이 낮은 저출력 영역 및 중간 출력 영역보다 가스 터빈 출력이 높은 고출력 영역보다, 배기 가스 온도가 높은 특성을 갖는다. 그리고, 출력 설정부(101)는, 가스 터빈(502)의 최대 출력(베이스 부하)시에 있어서의 배기 가스 온도(Base_Tg)와 동일한 배기 가스 온도를 부여하는 저출력 영역의 가스 터빈 출력(Y4)을 제 2 출력값(d)으로 설정해도 된다.
이렇게 해서, 제 2 출력값(d)을 가스 터빈 출력(Y4)으로 하면, 플랜트 기동시에 어떠한 제 1단 쉘 내면 메탈 온도(Base_Tm보다 작음)여도 제 2 출력값(d)은 반드시 제 1 출력값(c)보다 큰 출력이 된다. 제 1 실시형태의 기동이 의도하는 바는 제 2 출력값(d)＞제 1 출력값(c)의 대소 관계를 실현하여, 주증기 온도의 조기상승을 촉진하는 기동 방법이다. 만약 반대로 제 1 출력값(c)＞제 2 출력값(d)이 되는 기동 방법에서는, 이 이득이 상실되어 넌센스한 기동 방법이 되게 된다.
이 가스 터빈 출력(Y4)의 산출에 필요한 것은 도 6의 가스 터빈 출력과 GT 배기 가스 온도의 관계라는 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 대표적인 특성이며, 비교적 용이하게 파악될 수 있는 데이터이다. 따라서, 출력 설정부(101)는, 비교적 간편한 방법으로 타당한 제 2 출력값(d)을 결정할 수 있다. 베이스 부하는 대기 온도에 따라 변동되고, 그에 따라, Base_Tg나 Y4도 조금 변동하는 값이 되지만, 당해 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 건설지에 있어서의 평균적인 기온(예를 들면 15℃)을 선정하여, 그 베이스 부하에 의거해서 그것들을 결정하면 대기 온도에 의한 오차는 큰 문제가 되지는 않는다. 이에 대해서, 상술한 제 2 출력값(d)으로서 가스 터빈 출력(Y1 또는 Y2)을 구하는 경우, 그 산출에는 열평형 데이터에 의거하는 많은 데이터와 복잡한 계산이 요구된다.
(제 2 출력값(d)의 제 5 설정 방법)
계속해서, 제 2 출력값(d)의 제 5 설정 방법에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이, 가스 터빈(502)을 Y4의 출력으로 운전하면, GT 배기 가스 온도는 Base_Tg가 된다. 상기 식(7)에 의하면 Base_Tg와 Base_Tm의 관계는 상술한 바와 같이 하기 식(15)가 된다.
Base_Tg= Base_Tm+ΔT …(15)
즉, 가스 터빈(502)을 가스 터빈 출력(Y4)으로 운전하면, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도는 Base_Tm이 된다. 따라서, 출력 설정부(101)는, 제 2 출력값(d)을 가스 터빈 출력(Y4)으로 설정할 때에, 상술한 제 4 설정 방법의 GT 배기 가스 온도 대신에, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 사용해서 이하와 같이 설정해도 된다.
이상을 정리하면, 제 5 설정 방법에 의한 제 2 출력값(d)은 이하와 같이 해서 설정된다. 가스 터빈(502)은, 가스 터빈 출력의 중간 출력 영역에서, 중간 출력 영역보다 가스 터빈 출력이 낮은 저출력 영역 및 중간 출력 영역보다 가스 터빈 출력이 높은 고출력 영역보다, 배기 가스 온도가 높은 특성을 갖는다. 그리고, 출력 설정부(101)는, 가스 터빈(502)의 최대 출력시(베이스 부하)의 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 동일한 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 부여하는 저출력 영역의 가스 터빈 출력(Y4)을 제 2 출력값(d)으로 설정해도 된다.
(제 2 출력값(d)의 제 6 설정 방법)
계속해서, 제 2 출력값(d)의 제 6 설정 방법에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이, 가스 터빈(502)을 가스 터빈 출력(Y4)으로 운전하면, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도는 Base_Tm이 되고, 또한 가스 터빈(502)이 베이스 부하로 운전되고 있는 통상의 운전 상태에서는, 주증기 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도는 일치한다(즉 미스매치 온도=0).
따라서, 제 6 설정 방법에 의한 제 2 출력값(d)은, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도 대신에, 주증기 온도를 사용해서 이하와 같이 설정되어도 된다.
가스 터빈(502)은, 가스 터빈 출력의 중간 출력 영역에서, 중간 출력 영역보다 가스 터빈 출력이 낮은 저출력 영역 및 중간 출력 영역보다 가스 터빈 출력이 높은 고출력 영역보다, 배기 가스 온도가 높은 특성을 갖는다. 그리고, 출력 설정부(101)는, 가스 터빈(502)의 최대 출력시(베이스 부하)의 주증기 온도와 동일한 주증기 온도를 부여하는 저출력 영역의 가스 터빈 출력(Y4)을 제 2 출력값(d)으로 설정해도 된다.
이들 제 5 설정 방법 및 제 6 설정 방법에 있어서의 가스 터빈(Y4)의 산출은, 도 6의 가스 터빈 출력과 GT 배기 가스 온도의 관계에 추가해서, 베이스 부하시의 열평형 데이터 등을 사용해서 비교적 간편한 방법으로 산출할 수 있다.
(제 2 출력값(d)의 제 7 설정 방법)
상술한 제 1 설정 방법~제 3 설정 방법에 있어서의 제 2 출력값(d)을 Y1, Y2, Y3 중 어느 하나로 설정하는 것은, 모두 증기 터빈(503)의 통기 전에 허용되는 최대의 가스 터빈 출력의 관점에서 구한 것이다. 그러나, 이들 각각의 허용 한계값은 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 건설 비용과 크게 관련되며, 예를 들면 터빈 바이패스 조절 밸브(512)에 염가인, 따라서 치수 사이즈가 작은 소용량 밸브를 채용하면, 제 2 출력값(d)으로서 설정되는 가스 터빈 출력(Y1)은 다른 가스 터빈 출력(Y2, Y3)보다 작아진다.
이렇게, 제 2 출력값(d)으로서 설정되는 가스 터빈 출력(Y1, Y2, Y3)은 각각 관련된 설비 사양의 비용 및/또는 경제성에 따라 당해 플랜트마다 대소 관계가 변하므로, 현실적으로 제 2 출력값(d)을 결정할 때에는 가스 터빈 출력(Y1, Y2, Y3) 중 최소값을 선택하는 것이 타당하다.
또한, 제 4 설정 방법~제 6 설정 방법에 의해 제 2 출력값(d)으로서 설정되는 Y4는, 일반적으로는 Y1, Y2, Y3보다 작다고 생각된다. 그러나, 보다 확실하며 또한 타당성을 기해, 제 7 설정 방법에서는, 출력 설정부(101)는, 제 2 출력값(d)을 가스 터빈 출력(Y1, Y2, Y3, Y4) 중 최소값으로 설정해도 된다.
이상, 제 1 실시형태에 있어서의 제어 장치(501)는, 가스 터빈(502)과, 가스 터빈(502)의 배기 가스로부터 열회수하여 증기를 생성하는 배열 회수 보일러(504)와, 배열 회수 보일러(504)가 생성하는 증기에 의해 구동되는 증기 터빈(503)을 구비하는 컴바인드 사이클 발전 플랜트를 제어한다.
그리고, 제어부(CON)는, 가스 터빈(502)에 GT 발전기(517)를 병렬한 후에, 가스 터빈(502)의 배기 가스 온도가 증기 터빈(503)의 메탈 온도에 의거하여 결정되는 온도 범위에 들어갈 때의 가스 터빈 출력인 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값으로 가스 터빈(502)의 출력을 제어한다. 그리고, 제어부(CON)는, 배열 회수 보일러(504)가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도에 의거하는 온도(예를 들면, 상기 메탈 온도보다 소정의 온도만큼 낮은 온도)를 초과한 경우, 제 1 출력값(c)으로 가스 터빈(502)의 출력을 제어한다.
이에 따라, 가스 터빈 출력을 제 2 출력값(d)으로 해서 보다 활발한 열회수를 행하면서 주증기(b)의 승온을 행한다. 그 후, 적절한 타이밍에 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 따른 가스 터빈 출력으로 전환할 수 있다. 이 때문에, 신속한 주증기(b)의 승온이 가능해지고, 나아가서는 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 기동 시간을 짧게 할 수 있다.
(제 2 실시형태)
계속해서, 제 2 실시형태에 대해서 설명한다. 제 1 실시형태에서는, 배열 회수 보일러(504)가 생성하는 증기의 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 소정의 온도만큼 낮은 온도를 초과한 경우, 제어부(CON)는, 제 2 출력값(d)으로부터 제 2 출력값(d)보다 작은 제 1 출력값(c)으로 가스 터빈(502)의 출력을 이행시켰다. 이 때, 제 1 출력값(c)이란, 가스 터빈 배기 가스 온도가, GT 배기 가스 온도 목표값(=제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT)의 허용 편차 범위 내(±β℃ 이내)가 되는 가스 터빈 출력이다. 이에 따라, 증기 터빈의 통기에 따라 발생하는 열응력을 최대한 작게 할 수 있었다.
한편, 컴바인드 사이클 발전 플랜트의 운전이 장시간 중지되어, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도가 저온 상태까지 냉각되어 있는 콜드 기동에서는, 저온의 주증기에 의해 증기 터빈을 통기해서, 발생 열응력을 경감할 필요가 있다. 그 때문에, 제 1 출력값(c)을 낮게 하므로, 가스 터빈 배기 가스 온도도 저온이 된다.
도 7은, 제 1 실시형태에 따른 기동 방법을 콜드 기동에 사용한 경우의 기동 차트의 일례이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도-20℃ 이상에 도달하고, 가스 터빈의 출력이 제 1 출력값(c)으로 이행한 후에는, 가스 터빈 배기 가스 온도가 낮기 때문에, 주증기 온도의 상승률이 저하된다. 이 때문에, 가스 터빈(502)의 GT 발전기(517)의 병렬로부터, 증기 터빈(503)의 통기 개시가 가능한 온도(즉 제 1단 쉘 내면 메탈 온도-ε)에 주증기 온도가 도달할 때까지 요하는 소요 시간(t1)이 길어진다.
이것은, 제 1 실시형태의 효과인 컴바인드 사이클 발전 플랜트의 기동 시간의 단축이라는 이점을 감소시키게 된다는 문제가 있다. 또한, 심각한 경우, 가스 터빈의 출력을 제 1 출력값(c)으로 이행한 경우, 주증기 온도의 상승률이 극단적으로 저하되어, 단위 시간당 주증기 온도의 변화가 마이너스가 된다. 이에 따라, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도-20℃ 이하로 다시 저하되게 되어, 증기 터빈(503)의 통기 개시가 가능한 온도인 제 1단 쉘 내면 메탈 온도-ε에 주증기 온도가 도달할 때까지 요하는 소요 시간이 도 7의 소요 시간(t1)보다 더 길어지는 경우가 있다.
그것에 대해서, 제 2 실시형태에 따른 제어부(CON)는, 배열 회수 보일러(504)가 생성하는 증기의 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 소정의 온도만큼 높은 온도를 초과한 경우, 제 1 출력값(c)으로 가스 터빈(502)의 출력을 제어한다.
제 2 실시형태의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 구성을 나타내는 개략 구성도와 제어 장치(501)의 구성을 나타내는 개략 블럭도와 증기 터빈(503)의 단면도는 제 1 실시형태와 동일하다. 즉 제 1 실시형태의 도 1의 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 구성을 나타내는 개략 구성도와 도 2의 제어 장치(501)의 구성과 도 3의 증기 터빈(503)의 단면도는 제 2 실시형태도 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
계속해서, 도 8을 사용해서, 제 2 실시형태에 따른 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 기동 처리를 설명한다. 도 8은, 제 2 실시형태에 따른 기동 알고리즘을 나타내는 플로차트이다. 스텝 S121~S130까지의 처리는, 도 4의 스텝 S101~S110과 동일하므로, 그 설명을 생략한다.
도 8에서, 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환하는 타이밍을 판단하기 위한 판단 처리(P102b)가, 도 4의 제 1 실시형태에 따른 판단 처리(P102)와는 상이하다. 구체적으로는, 제 1 실시형태의 판단 처리(P102)에서는, 목표 온도 도달 일보 직전의 타이밍, 즉 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 20℃ 낮은 온도를 초과한 경우, 제어부(CON)는, 가스 터빈 출력을 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환하도록 제어했다. 그러나, 상술한 바와 같이, 콜드 기동의 경우, 제 1 출력값(c)으로 이행한 후에는, 주증기 온도의 상승률이 저하되어, 증기 터빈의 통기 개시가 가능한 온도(즉 제 1단 쉘 내면 메탈 온도-ε)에 주증기 온도가 도달할 때까지 시간을 필요로 한다.
그래서, 제 2 실시형태에서는 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 소정의 온도만큼 높은 온도를 초과한 경우, 제어부(CON)는, 가스 터빈 출력을 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환하도록 제어한다.
이하에, 이러한 제어를 행하는 이유에 대해서 설명한다. 열응력의 관점에서 이상적인 주증기 온도는, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 동일할 때이므로, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 일치했을 때에 제 1 출력값(c)으로 전환하는 것이 생각된다. 그러나, 콜드 기동의 경우, 이 전환 타이밍에서는, 제 1 출력값(c)으로 전환한 후의 가스 터빈 배기 가스 온도가 저온이 되므로, 상술한 현상과 마찬가지로 단위 시간당 주증기 온도의 변화가 마이너스로 바뀌어, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도 이하로 다시 저하되게 되는 것이 우려된다.
반대로, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 극단적으로 높은 온도를 초과했을 때에, 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환하면, 주증기 온도의 오버 슈트가 너무 커서 오히려 증기 터빈의 통기 개시가 지연되는 폐해가 발생한다.
그래서, 제어부(CON)는, 주증기 온도가, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 소정의 온도만큼 높은 온도를 초과했을 때에, 가스 터빈 출력을 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환하도록 연료 조절 밸브(506)를 제어한다. 본 실시형태예에서는 그 일례로서, 소정의 온도를 30℃로 하고, 제어부(CON)는, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 30℃ 높은 온도를 초과했는지의 여부를 판정한다(스텝 S131). 판정 결과, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도보다 30℃ 높은 온도를 초과한 경우(스텝 S131 YES), 주증기 온도 매칭 제어부(401)는, 주증기 온도 매칭 처리(P401)를 개시한다. 이렇게, 이 경우, 주증기 온도는 목표인 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 대해서 일단 30℃만큼 높은 온도까지 오버 슈트된다.
도 8의 주증기 온도 매칭 처리(P401)는, 제 1 실시형태의 도 4의 주증기 온도 매칭 처리(P401)와 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에, 주증기 온도 매칭 제어부(401)는, 주증기 온도 매칭 처리(P401)를 실행하고 있는 과정에서, 가스 터빈 출력은 제 1 출력값(c)으로 저하되는 결과, 제 1 출력값(c)으로 이행한 후에는, 가스 터빈 배기 가스 온도가 저온이기 때문에, 신속하게 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 향해 저하되어 간다.
그리고, 제어부(CON)는, 주증기 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 편차가 소정의 허용 편차 내(±ε 이내)인지의 여부를 판정한다(스텝 S138). 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ε℃까지 저하되었을 때, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 주증기 온도의 편차가 충분히 작은 허용 편차라고 판정된다(스텝 S138 YES).
그 경우(스텝 S138 YES), 제어부(CON)는, 주증기 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 편차가 소정의 허용 편차 내이며, 또한 가스 터빈의 배기 가스 온도가 GT 배기 가스 온도 목표값의 -β℃ 이상 또한 GT 배기 가스 온도 목표값의 +β℃ 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S139). 주증기 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 편차가 소정의 허용 편차 내이며, 또한 가스 터빈의 배기 가스 온도가 GT 배기 가스 온도 목표값의 -β℃ 이상 또한 GT 배기 가스 온도 목표값의 +β℃ 이하인 경우(스텝 S139 YES), 제어부(CON)는, 증기 터빈(503)에 유입되는 증기의 유량을 조절하는 가감 밸브(505)를 밸브 개방하여 증기 터빈(503)의 통기를 개시한다(스텝 S140).
도 9는, 제 2 실시형태에 따른 기동 방법의 기동 차트이다. 도 9에서, 가스 터빈 출력의 시간 변화를 나타내는 파형(W1)이 나타내는 바와 같이, 가스 터빈 출력이 상기 제 2 출력값(d)에서 제 1 출력값(c)으로 전환된다. 이에 따라, GT 배기 가스 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W3)이 나타내는 바와 같이, GT 배기 가스 온도는, 가스 터빈 출력이 감소함에 따라 낮아진다. 도 9의 주증기 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W4)과 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W2)에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시형태에 의한 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 주증기 온도는 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 30℃만큼 초과할 때까지 급속하게 상승한다. 일단, 주증기 온도는, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 30℃만큼 초과할 때까지 오버 슈트되어, 거기에서 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 향해 신속하게 점근한다.
주증기 온도의 상승 스피드라는 관점에서, 증기 터빈 통기에 요하는 시간을 도 9와 도 7에서 비교하면, 도 7의 주증기 온도의 시간 변화를 나타내는 파형(W4)에서는 제 1단 쉘 내면 메탈 온도-20℃의 시점에서, 상승 스피드가 저하되어 증기 터빈 통기까지 장시간을 요한다. 이에 대해서, 도 9의 본 실시형태의 파형(W4)은 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+30℃의 시점까지 고속의 상승 스피드를 유지하고 있고, 거기에서 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ε℃까지 저하되는 점근 시간을 여분으로 요한다. 그러나, 그래도 또한 도 9에 있어서의 GT 발전기(517)의 병렬로부터 증기 터빈(503)의 통기가 개시될 때까지의 소요 시간(t3)은, 도 7의 소요 시간(t1)보다 단축되어 있으므로, 도 7보다 컴바인드 사이클 발전 플랜트의 기동 시간이 단축된다.
계속해서, 도 8의 스텝 S139의 처리의 필요성에 대해서 설명한다. 도 9에서는, 주증기 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 편차가 소정의 허용 편차 내(±ε 이내)가 될 때가 2회 발생한다. 첫번째는, 도 9 내의 시간(t2)으로 나타내는 바와 같이, 제 2 출력값(d)을 유지하고 있는 동안에 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도-ε℃까지 승온했을 때이다. 2회째는, 도 9 내의 시간(t3)으로 나타내는 바와 같이, 제 1 출력값(c)으로 전환된 후에 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ε℃로 강하되었을 때이다.
증기 터빈(503)의 통기는, 반드시 시간(t3)에서 개시될 필요가 있으며, 잘못해서 시간(t2)일 때에 증기 터빈(503)의 통기가 개시되지 않도록, 제어 장치(501)는 시간(t2)과 시간(t3)을 명확하게 식별할 필요가 있다. 이에 대해서, 제 2 실시형태에서는, 시간(t2)과 시간(t3)의 상이는, 전자가 가스 터빈 출력이 제 2 출력값(d)일 때이며, 후자가 가스 터빈 출력이 제 1 출력값(c)인 것에 착안했다.
주증기 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 편차가 소정의 허용 편차 내이며, 또한 가스 터빈(502)이 제 1 출력값(c)인 경우, 시간(t3)에 해당하기 때문에, 제어부(CON)는, 증기 터빈(503)의 통기를 개시한다. 구체적으로는, 제어부(CON)는, 주증기 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 편차가 허용 편차 내(±ε℃ 이내)이며, 또한 가스 터빈 배기 가스 온도가 GT 배기 가스 온도 목표값-β 이상 또한 GT 배기 가스 온도 목표값+β 이하(GT 배기 가스 온도 목표값±β℃ 이내)인지의 여부를 판정한다. 양자가 성립하는 경우, 제어부(CON)는, 증기 터빈에 유입되는 증기의 유량을 조절하는 가감 밸브(505)를 밸브 개방시킨다. 이에 따라, 제어부(CON)는, 증기 터빈(503)의 통기를 개시시킨다.
이상, 제 2 실시형태에 따른 제어 장치(501)에서, 제어부(CON)는, 배열 회수 보일러(504)가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도보다 소정의 온도만큼 높은 온도를 초과한 경우, 제 1 출력값(c)으로 가스 터빈(502)의 출력을 제어한다. 여기에서, 본 실시형태에 따른 메탈 온도는, 일례로서, 증기 터빈(503)의 제 1단 쉘 내면 메탈 온도이다.
이에 따라, GT 발전기(517)의 병렬로부터 증기 터빈(503)의 통기 개시까지 요하는 시간을 단축할 수 있으므로, 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)의 기동 시간을 단축할 수 있다.
또한, 제 2 실시형태에 따른 제어부(CON)는, 배열 회수 보일러(504)가 생성하는 증기의 온도와 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 편차가 소정의 허용 편차 내이며, 또한 가스 터빈(502)의 출력이 제 1 출력값(c)인 경우, 증기 터빈(503)에 유입되는 증기의 유량을 조절하는 가감 밸브(505)를 밸브 개방시킨다. 여기에서, 가스 터빈(502)의 출력이 제 1 출력값(c)인 경우란, 가스 터빈의 배기 가스 온도가, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 의거하여 결정되는 온도 범위(구체적으로는, 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT-β≤가스 터빈의 배기 가스 온도≤제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ΔT+β)에 들어가는 경우이다.
이에 따라, 가스 터빈(502)의 출력이 제 1 출력값(c)으로 전환된 후에 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도+ε℃로 강하되었을 때(도 9 내의 시간(t3))에, 증기 터빈(503)의 통기를 개시할 수 있다. 이렇게, 주증기 온도가 제 1단 쉘 내면 메탈 온도 근방에 수속되어 있을 때에, 증기 터빈(503)의 통기를 개시할 수 있으므로, 증기 터빈(503)에 발생하는 열응력을 억제할 수 있다.
또, 제 2 실시형태에서는, 콜드 기동시를 예로 들어 설명했지만, 핫 기동시에서도 제 2 실시형태에서 설명한 기동 방법을 사용해서 컴바인드 사이클 발전 플랜트(500)를 기동해도 된다.
특정 실시예를 설명했지만, 이들 실시예는 단지 예로서 제시된 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 실제로, 본원에 기재된 신규한 실시예들은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 또한, 발명의 사상을 벗어나지 않으면 본 명세서에 기재된 실시예에서의 다양한 생략, 치환 및 변경이 이루어질 수 있다. 첨부된 특허청구범위 및 그에 상당하는 것은 발명의 범위 및 취지에 속하는 형태 또는 변경을 포함하도록 의도되었다.

Claims (14)

  1. 가스 터빈과, 상기 가스 터빈의 배기 가스로부터 열회수(熱回收)하여 증기를 생성하는 배열(排熱) 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 구비하는 컴바인드 사이클 발전 플랜트(combined cycle power-generating plant)를 제어하는 제어 장치로서,
    상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 가스 터빈의 발전기를 병렬한 후에, 상기 가스 터빈의 배기 가스 온도가 상기 증기 터빈의 메탈 온도에 의거하여 결정되는 온도 범위에 들어갈 때의 가스 터빈 출력인 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어하며,
    상기 제어부는, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도에 의거하는 온도를 초과한 경우, 상기 제 1 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도보다 소정의 온도만큼 높은 온도를 초과한 경우, 상기 제 1 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 메탈 온도는, 상기 증기 터빈의 제 1단(段) 쉘(shell) 내면 메탈 온도이고,
    상기 제어부는, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기의 온도와 상기 제 1단 쉘 내면 메탈 온도의 편차가 소정의 허용 편차 내이며, 또한 상기 가스 터빈의 출력이 상기 제 1 출력값인 경우, 상기 증기 터빈에 유입되는 증기의 유량을 조절하는 가감 밸브를 밸브 개방시키는 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 출력이 상기 제 1 출력값인 경우란, 상기 가스 터빈의 배기 가스 온도가, 상기 제 1단 쉘 내면 메탈 온도에 의거해서 결정되는 온도 범위에 들어가는 경우인 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도보다 소정의 온도만큼 낮은 온도를 초과한 경우, 상기 제 1 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 메탈 온도는, 상기 증기 터빈의 제 1단 쉘 내면 메탈 온도인 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 출력값은, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 모든 증기가 터빈 바이패스 조절 밸브를 경유해서 복수기(復水器)에 유입되었을 때, 상기 터빈 바이패스 조절 밸브의 개방도가 전체 개방되지 않는 가장 큰 가스 터빈 출력인 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 출력값은, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 모든 증기가 터빈 바이패스 조절 밸브를 경유해서 복수기에 유입되었을 때, 상기 복수기의 출입구의 해수 온도차가 소정값을 초과하지 않는 가장 큰 가스 터빈 출력인 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 출력값은, 상기 배열 회수 보일러에 내장되는 열교환기의 최고 사용 온도를 초과하지 않는 가스 터빈 배기 가스 온도를 부여하는 가장 큰 가스 터빈 출력인 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 터빈은, 가스 터빈 출력의 중간 출력 영역에서, 상기 중간 출력 영역보다 상기 가스 터빈 출력이 낮은 저출력 영역 및 상기 중간 출력 영역보다 상기 가스 터빈 출력이 높은 고출력 영역보다, 상기 배기 가스 온도가 높은 특성을 갖고,
    상기 제 2 출력값은, 상기 가스 터빈의 최대 출력시의 상기 가스 터빈 배기 가스 온도와 동일한 배기 가스 온도를 부여하는 상기 저출력 영역의 가스 터빈 출력인 제어 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 터빈은, 가스 터빈 출력의 중간 출력 영역에서, 상기 중간 출력 영역보다 상기 가스 터빈 출력이 낮은 저출력 영역 및 상기 중간 출력 영역보다 상기 가스 터빈 출력이 높은 고출력 영역보다, 상기 배기 가스 온도가 높은 특성을 갖고,
    상기 제 2 출력값은, 상기 가스 터빈의 최대 출력시의 상기 증기 터빈의 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 동일한 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 부여하는 상기 저출력 영역의 가스 터빈 출력인 제어 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 터빈은, 가스 터빈 출력의 중간 출력 영역에서, 상기 중간 출력 영역보다 상기 가스 터빈 출력이 낮은 저출력 영역 및 상기 중간 출력 영역보다 상기 가스 터빈 출력이 높은 고출력 영역보다, 상기 배기 가스 온도가 높은 특성을 갖고,
    상기 제 2 출력값은, 상기 가스 터빈의 최대 출력시의 주(主)증기 온도와 동일한 주증기 온도를 부여하는 상기 저출력 영역의 가스 터빈 출력인 제어 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 터빈은, 가스 터빈 출력의 중간 출력 영역에서, 상기 중간 출력 영역보다 상기 가스 터빈 출력이 낮은 저출력 영역 및 상기 중간 출력 영역보다 상기 가스 터빈 출력이 높은 고출력 영역보다, 상기 배기 가스 온도가 높은 특성을 갖고,
    상기 배열 회수 보일러가 생성하는 모든 증기가 터빈 바이패스 조절 밸브를 경유해서 복수기에 유입되었을 때, 상기 터빈 바이패스 조절 밸브의 개방도가 전체 개방되지 않는 가장 큰 가스 터빈 출력을 제 1 가스 터빈 출력으로 하며,
    상기 배열 회수 보일러가 생성하는 모든 증기가 터빈 바이패스 조절 밸브를 경유해서 상기 복수기에 유입되었을 때, 상기 복수기의 출입구의 해수 온도차가 허용되는 온도차를 초과하지 않는 가장 큰 가스 터빈 출력을 제 2 가스 터빈 출력으로 하고,
    상기 배열 회수 보일러에 내장되는 열교환기의 최고 사용 온도를 초과하지 않는 가스 터빈 배기 가스 온도를 부여하는 가장 큰 가스 터빈 출력을 제 3 가스 터빈 출력으로 하며,
    상기 가스 터빈의 최대 출력시의 상기 가스 터빈 배기 가스 온도와 동일한 배기 가스 온도를 부여하는 상기 저출력 영역의 가스 터빈 출력, 상기 가스 터빈의 최대 출력시의 상기 증기 터빈의 제 1단 쉘 내면 메탈 온도와 동일한 제 1단 쉘 내면 메탈 온도를 부여하는 상기 저출력 영역의 가스 터빈 출력, 상기 가스 터빈의 최대 출력시의 주증기 온도와 동일한 주증기 온도를 부여하는 상기 저출력 영역의 가스 터빈 출력 중 어느 하나를 제 4 가스 터빈 출력으로 한 경우, 상기 제 2 출력값은, 상기 제 1 가스 터빈 출력, 상기 제 2 가스 터빈 출력, 상기 제 3 가스 터빈 출력 및 상기 제 4 가스 터빈 출력 중 최소값인 제어 장치.
  14. 가스 터빈과, 상기 가스 터빈의 배기 가스로부터 열회수하여 증기를 생성하는 배열 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 구비하는 컴바인드 사이클 발전 플랜트를 기동하는 기동 방법으로서,
    상기 가스 터빈의 발전기를 병렬한 후에, 상기 가스 터빈의 배기 가스 온도가 상기 증기 터빈의 메탈 온도에 의거하여 결정되는 온도 범위에 들어갈 때의 가스 터빈 출력인 제 1 출력값보다 큰 제 2 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 공정과,
    상기 배열 회수 보일러가 생성하는 증기의 온도가 상기 메탈 온도에 의거하는 온도를 초과한 경우, 상기 제 1 출력값으로 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 공정을 갖는 기동 방법.
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