KR20180025159A - 플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법, 및 발전 플랜트 - Google Patents

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

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Abstract

일 실시형태에 따르면, 플랜트 제어 장치는, 연료를 공기와 함께 연소시켜서 연소 가스를 발생시키는 연소기와, 상기 연소기로부터의 상기 연소 가스에 의해 구동되는 가스 터빈과, 상기 가스 터빈으로부터의 배(排)가스의 열을 이용해서 증기를 생성하는 배열 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러로부터의 상기 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 구비하는 발전 플랜트를 제어한다. 상기 장치는 상기 가스 터빈의 출력값을, 제 1 출력값보다 크며 또한 대기 온도에 의존하는 제 2 출력값으로 제어한 후, 상기 가스 터빈의 출력값을 제 1 출력값으로 제어하는 가스 터빈 제어부를 구비한다. 상기 장치는 또한, 상기 가스 터빈의 출력값이 제 1 출력값으로 제어되고 있는 동안에, 상기 증기 터빈을 기동하는 증기 터빈 제어부를 구비한다.

Description

플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법, 및 발전 플랜트{PLANT CONTROL APPARATUS, PLANT CONTROL METHOD AND POWER GENERATION PLANT}
본 발명의 실시형태는, 플랜트(plant) 제어 장치, 플랜트 제어 방법, 및 발전 플랜트(power generating plant)에 관한 것이다.
일반적으로, 컴바인드 사이클형(combined cycle type)의 발전 플랜트는, 가스 터빈(gas turbine)과, 배열 회수 보일러(boiler)와, 증기 터빈(steam turbine)을 구비하고 있다. 구체적으로는, 연소기가 압축기로부터의 공기와 함께 연료를 연소시키면, 가스 터빈은, 연소기로부터 공급된 연소 가스에 의해 구동된다. 배열 회수 보일러는 가스 터빈으로부터 배출된 배(排)가스의 열을 이용해서 증기를 생성한다. 증기 터빈은 배열 회수 보일러로부터 공급된 증기(주(主)증기)에 의해 구동된다.
컴바인드 사이클형의 발전 플랜트는, 예를 들면 다음과 같이 기동된다. 먼저, 가스 터빈 출력을 큰 값인 제 2 출력값으로 유지하여 배열 회수 보일러를 연소시켜서, 주증기 온도를 신속히 상승시킨다. 다음으로, 주증기 온도가 증기 터빈의 기동에 적합한 온도까지 상승하면, 가스 터빈 출력을 작은 값인 제 1 출력값으로 전환한다. 이에 따라, 발전 플랜트의 기동 시간을 단축할 수 있다.
제 1 출력값은 배가스 온도를 증기 터빈의 제 1 단 내면의 메탈 온도에 의거하여 소정 온도로 조정하기 위한 출력값이다. 가스 터빈 출력을 제 2 출력값으로 계속해서 유지하면, 주증기 온도가 제 1 단 내면의 메탈 온도를 크게 넘어서게 된다. 이러한 주증기 온도는 증기 터빈의 기동에는 적합하지 않다. 그 때문에, 가스 터빈 출력은 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 전환된다. 이에 따라, 배가스 온도가 저하하여, 증기 터빈의 기동에 적합한 주증기 온도가 얻어진다.
이러한 것으로서, 일본국 공개 특허공보(특개 2015-143517호 공보(이하, 특허문헌 1)라 함), 혹은, 마찬가지로 일본국 공개 특허공보(특개 2015-227630호 공보(이하, 특허문헌 2)라 함)가 있다.
제 2 출력값은 주증기 온도를 급속하게 상승시키기 위한 출력값이기 때문에, 제 2 출력값은 가능한 한 큰 것이 바람직하다. 마찬가지의 이유때문에, 주증기 온도를 급속하게 상승시키기 위해서는, 가스 터빈 출력이 제 2 출력값을 취할 때의 배가스 온도는, 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 종래형 가스 터빈에서는 예를 들면 배열 회수 보일러를 구성하는 열교환기의 최고 사용 온도(TMAX)를 넘지 않는 배가스 온도를 제공하는 최대의 가스 터빈 출력이, 제 2 출력값으로서 선택된다.
그러나, 가스 터빈이 착화(着火) 운전하고 있는데 증기 터빈이 통기(通氣)되어 있지 않은 운전 상태는, 어떤 의미에서 특수한 상황 하에 있다. 그 때문에, 제 2 출력값(또는 가스 터빈 출력이 제 2 출력값일 때의 배가스 온도)이 적정값을 넘어서 상승하면, 몇 가지 문제가 발생한다.
도 7은, 종래형 가스 터빈의 배가스 온도 특성을 나타낸 그래프(graph)이다. 각 그래프는, 가스 터빈(gas turbine) 출력(GT 출력)과 배가스 온도와의 관계를 나타내고 있다.
도 7의 (a)는, 대기 온도가 15℃일 때의 그래프이며, 15℃는 춘계나 추계의 전형적인 대기 온도이다. 이 대기 온도는, 압축기의 공기 입구 부근에서의 대기의 온도를 나타낸다(이하 마찬가지). 이 그래프에는, 제 2 출력값 K와 최고 사용 온도 TMAX가 나타나 있다. 제 2 출력값 K는, 대기 온도가 15℃일 때에 배가스 온도가 최고 사용 온도 TMAX로 되는 가스 터빈 출력이다.
일반적으로, 대기 온도가 상승하면, 압축기가 흡입하는 공기의 온도가 상승하고, 가스 터빈 입구 온도(연소 온도)도 상승하기 때문에, 가스 터빈의 배가스 온도 특성이 변화된다. 그 때문에, 도 7의 (a)∼도 7의 (c)는, 가스 터빈의 배가스 온도 특성을, 대기 온도를 특정하여 나타내고 있다. 이들로부터 알 수 있는 바와 같이, 가스 터빈 출력이 같은 값이어도, 대기 온도가 높아지면 배가스 온도가 상승하여, 배가스 온도 특성을 나타내는 곡선이 왼쪽으로 시프트(shift)된다.
도 7의 (b)는 대기 온도가 30℃일 때의 그래프이며, 30℃는 하계의 전형적인 대기 온도이다. 이 경우, 가스 터빈을 제 2 출력값 K로 운전하면, 배가스 온도는 TMAX보다 높은 TMAX+α1로 된다(α1은 양의 값). 따라서, 배가스 온도는 TMAX를 α1만큼 일탈하지만, 이 일탈량 α1은 (후술하는 최신형 가스 터빈의 일탈량 α3에 비해서) 작다. 그 때문에 이 일탈량 α1을 고려해서, 제 2 출력값을, K가 아니라, K보다 조금 작은 값으로 설정해 두면, 실용적으로 아무런 문제가 생기지 않는다.
도 7의 (c)는 대기 온도가 0℃일 때의 그래프이며, 0℃는 동계의 전형적인 대기 온도이다. 이 경우, 가스 터빈을 제 2 출력값 K로 운전하면, 배가스 온도는 TMAX보다 낮은 TMAX-α2로 된다(α2는 양의 값). 대기 온도가 30℃일 때에는 대기 온도가 15℃일 때의 곡선이 왼쪽으로 시프트되어 있는데 반해서, 대기 온도가 0℃일 때에는 대기 온도가 15℃일 때의 곡선이 오른쪽으로 시프트되어 있다.
또, 제 2 출력값 K이, 대기 온도가 15℃일 때에 배가스 온도가 TMAX로 되는 가스 터빈 출력으로서 규정되어 있는 이유는, 15℃가 연평균 기온에 가까워, 15℃ 부근에서의 가스 터빈의 운전 빈도가 높기 때문이다.
도 8은 최신형 가스 터빈의 배가스 온도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8의 (a)는 대기 온도가 15℃일 때의 그래프이다. 도 8의 (a) 등으로부터 명백한 바와 같이, 최신형 가스 터빈에서는, 대기 온도가 배가스 온도 특성에 영향을 미치는 정도가 크다. 그 결과, 제 2 출력값 K의 선정이 어렵게 된다.
이러한 배가스 온도 특성을 채용하는 배경으로는, 요즘의 발전 플랜트에서는 경제성과 환경보호가 지향되는 점을 들 수 있다. 이러한 지향성 때문에, 최신형 가스 터빈에서는 터빈 입구 온도(연소 온도)의 고온화에 의한 성능 향상이 현저하여, 배가스 온도도 종래형 가스 터빈에 비해서 고온으로 된다.
게다가, 최신형 가스 터빈에서는, 중·고출력 영역에서의 배가스 온도가 고온으로 될 뿐만 아니라, 저출력 영역에서도 배가스 온도가 고온으로 되도록 동작한다. 이유는, 부분 부하 영역에서의 플랜트 열효율의 향상과 더불어, 저출력 영역으로부터의 예혼합 연소(=저NOX 연소의 개시)를 기도하기 때문이다.
도 8의 (a)에는, 제 2 출력값 K와 최고 사용 온도 TMAX가 나타나 있다. 도 8의 (a)의 저출력 영역에서의 오른쪽이 올라간 직선 그래프의 기울기는, 도 7의 (a)의 그 부분의 기울기보다 가파르다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 최신형 가스 터빈에서는, 저출력 영역에서의 출력 변동에 대하여, 배가스 온도가 크게 상승·강하하는 특성을 갖고 있다.
또, 최신형 가스 터빈에서는, 종래형 가스 터빈에 비하여, 배열 회수 보일러의 열교환기가 고온에 견딜 수 있는 재질을 사용해서 설계되어 있다. 그 때문에, 최신형 가스 터빈의 최고 사용 온도 TMAX는, 종래형 가스 터빈의 최고 사용 온도 TMAX보다 고온으로 된다. 즉, 도 8의 (a)(및 도 8의 (b), 도 8의 (c))의 TMAX(공학값)는, 도 7의 (a)(및 도 7의 (b), 도 7의 (c))의 TMAX(공학값)보다 고온이다. 따라서, 도 8의 (a) 등의 제 2 출력값 K(공학값)도, 도 7의 (a) 등의 제 2 출력값 K(공학값)와 다른 값으로 된다. 그러나, 본 명세서에서는, 설명의 편의를 위해, 도 7의 (a)∼도 8의 (c)에서 동일한 부호 TMAX, K를 사용하고 있다.
도 8의 (b)는 대기 온도가 30℃일 때의 그래프이다. 이 경우에는, 배가스 온도 특성의 곡선이 15℃일 경우에 비해서 왼쪽으로 시프트되기 때문에, 가스 터빈을 제 2 출력값 K로 운전하면, 배가스 온도(exhaust gas temperature)는 TMAX보다 높은 TMAX+α3으로 된다(α3은 양의 값). 단, 도 8의 (b)의 곡선은, 도 7의 (b)의 곡선보다 가파르기 때문에, 일탈량 α3은 일탈량 α1보다 커진다.
도 8의 (c)는 대기 온도가 0℃일 때의 그래프이다. 이 경우에는, 배가스 온도 특성의 곡선이 15℃일 경우에 비해서 오른쪽으로 시프트되기 때문에, 가스 터빈을 제 2 출력값 K로 운전하면, 배가스 온도는 TMAX보다 낮은 TMAX-α4로 된다(α4는 양의 값). 단, 도 8의 (b)의 곡선은, 도 7의 (b)의 곡선보다 가파르기 때문에, 온도 저하량 α4는 온도 저하량 α2보다 커진다.
최신형 가스 터빈에서는, 대기 온도가 30℃일 때에 배가스 온도가 TMAX를 α3만큼 일탈하기 때문에, 이 일탈량 α3을 고려해서, 제 2 출력값을, K가 아니라, K보다 작은 값 K'로 설정한다. 제 2 출력값 K'는, 대기 온도가 30℃일 때에 배가스 온도가 TMAX로 되는 가스 터빈 출력이다.
그러나, 제 2 출력값 K'을 채용하면, 대기 온도가 0℃일 때에 문제가 생긴다. 구체적으로는, 대기 온도가 0℃일 때에 가스 터빈을 제 2 출력값 K'로 운전하면, 배가스 온도는 TMAX-α4보다 낮은 TMAX-α5로 된다(α5는 양의 값). 이 경우, 도 8의 (c)의 곡선이 가파르기 때문에, 온도 저하량 α5는 큰 값으로 되고, 배가스 온도는 TMAX로부터 크게 저하한다. 이것은, 대기 온도가 0℃일 때에 제 2 출력값 K'로 최신형 가스 터빈을 운전하면, 주증기 온도의 신속한 상승 효과를 충분히 발휘할 수 없으며, 플랜트 기동 시간의 조기화는 기대할 수 없다는 것을 의미한다.
이와 같이, 배가스 온도 특성의 곡선이 가파른 최신형 가스 터빈에 있어서, 가스 터빈 출력에 제 1 및 제 2 출력값을 적용하면, 대기 온도의 영향에 따라, 제 2 출력값을 선정하는 것이 어렵게 된다.
그래서, 본 발명의 실시형태는, 가스 터빈과 증기 터빈을 구비하는 발전 플랜트의 기동 시간을, 대기 온도의 영향을 받아들이면서 단축하는 것이 가능한 플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법, 및 발전 플랜트를 제공하는 것을 과제로 한다.
일 실시형태에 따르면, 플랜트 제어 장치는, 연료를 공기와 함께 연소시켜서 연소 가스를 발생시키는 연소기와, 상기 연소기로부터의 상기 연소 가스에 의해 구동되는 가스 터빈과, 상기 가스 터빈으로부터의 배(排)가스의 열을 이용해서 증기를 생성하는 배열(排熱) 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러로부터의 상기 증기에 의해 구동되는 증기 터빈을 구비하는 발전 플랜트를 제어한다. 상기 장치는 상기 가스 터빈의 출력값을, 제 1 출력값보다 크며 또한 대기 온도에 의존하는 제 2 출력값으로 제어한 후, 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값으로 제어하는 가스 터빈 제어부를 구비한다. 상기 장치는 또한, 상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 1 출력값으로 제어되고 있는 동안에, 상기 증기 터빈을 기동하는 증기 터빈 제어부를 구비한다.
도 1은 제 1 실시형태의 발전 플랜트의 구성을 나타내는 모식도.
도 2는 제 1 실시형태의 증기 터빈의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 제 1 실시형태의 플랜트 제어 방법을 나타내는 플로차트.
도 4는 제 1 실시형태의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 5는 제 1 실시형태의 비교예의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 6은 제 1 실시형태의 변형예의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 7은 종래형 가스 터빈의 배가스 온도 특성을 나타낸 그래프.
도 8은 최신형 가스 터빈의 배가스 온도 특성을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1은 제 1 실시형태의 발전 플랜트(1)의 구성을 나타내는 모식도이다. 본 실시형태의 발전 플랜트(1)는 발전 플랜트(1)를 제어하는 플랜트 제어 장치(2)를 구비하고 있다. 본 실시형태의 발전 플랜트(1)는 컴바인드 사이클형의 발전 플랜트이다.
발전 플랜트(1)는, 연료 조절 밸브(11)와, 연소기(12)와, 압축기(13)와, 가스 터빈(14)과, GT(가스 터빈) 회전축(15)과, GT 발전기(16)와, 서보 밸브(servo valve)(17)와, 압축공기 온도 센서(sensor)(18)와, 출력 센서(19)와, 배열 회수 보일러(21)와, 드럼(drum)(22)과, 과열기(23)와, 증기 터빈(31)과, 복수기(復水器)(32)와, 가감 밸브(33)와, 바이패스 조절 밸브(34)와, ST(증기 터빈) 회전축(35)과, ST 발전기(36)와, 메탈(metal) 온도 센서(37)와, 주증기 온도 센서(38)를 구비하고 있다. 압축기(13)는 입구(13a)와, 복수의 입구 안내익(IGV: Inlet Guide Vane)(13b)을 구비하고 있다. 가스 터빈(14)은 복수의 배가스 온도 센서(14a)를 구비하고 있다.
또한, 플랜트 제어 장치(2)는 설정기(41)와, 설정기(42)와, 가산기(43)와, 상한 제한기(44)와, 하한 제한기(45)와, 설정기(46)와, 가산기(47)와, 비교기(48)와, 전환기(51)와, 평균값 연산기(52)와, 감산기(53)와, PID(Proportional-Integral-Derivative) 컨트롤러(controller)(54)와, 변화율 리미터(55)를 구비하고 있다. 이들 블록은, 서보 밸브(17)를 제어함으로써 가스 터빈(14)이나 GT 발전기(16)의 동작을 제어하는 GT(가스 터빈) 제어부로서 기능한다. 플랜트 제어 장치(2)는 또한, 가감 밸브(33)를 제어함으로써 증기 터빈(31)이나 ST 발전기(36)의 동작을 제어하는 ST(증기 터빈(steam turbine)) 제어부(56)를 구비하고 있다.
연료 조절 밸브(11)는 연료배관에 마련되어져 있다. 연료 조절 밸브(11)를 열면, 연료배관으로부터 연소기(12)로 연료(A1)가 공급된다. 한편, 압축기(13)는, 입구(13a)에 마련되어진 IGV(13b)를 구비하고 있다. 압축기(13)는 입구(13a)로부터 IGV(13b)를 통해서 공기(A2)를 도입하고, 연소기(12)에 압축공기(A3)를 공급한다. 연소기(12)는 연료(A1)를 압축공기(A3)와 함께 연소시켜, 고온·고압의 연소 가스(A4)를 발생시킨다.
가스 터빈(14)은 연소 가스(A4)에 의해 회전 구동됨으로써 GT 회전축(15)을 회전시킨다. GT 발전기(16)는 GT 회전축(15)에 접속되어 있으며, GT 회전축(15)의 회전을 이용해서 발전을 행한다. 가스 터빈(14)으로부터 배출된 배가스(A5)는, 배열 회수 보일러(21)로 보내진다. 배가스 온도 센서(14a)의 각각은, 가스 터빈(14)의 출구 부근에서 배가스(A5)의 온도를 검출하고, 온도의 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 배열 회수 보일러(21)는, 후술하는 바와 같이, 배가스(A5)의 열을 이용해서 증기를 생성한다.
본 실시형태의 연소기(12)는, 저NOX 연소기이며, 가스 터빈(14)은, 도 8의 (a)∼도 8의 (c)에 나타내는 배가스 온도 특성을 갖고 있다. 이 경우, 1개의 연소기(12)에 대하여 복수 개의 연료 조절 밸브(11)가 마련되는 것이 일반적이다. 도 1은, 도시의 편의상, 복수 개의 연료 조절 밸브(11) 중 1개만을 나타내고 있다.
서보 밸브(17)는 연료 조절 밸브(11)의 개도(開度)를 조절하기 위해서 사용된다. 압축공기 온도 센서(18)는 압축기(13)의 출구 부근에서 압축공기(A3)의 온도를 검출하고, 온도의 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 압축공기 온도 센서(18)에 의해 측정되는 압축공기(A3)의 온도는, 압축 공정에 의해 압축기(13)의 입구(13a) 부근에서의 대기 온도보다 높아진다. 출력 센서(19)는 가스 터빈(14)의 출력을 검출하고, 출력의 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 가스 터빈(14)의 출력이란 가스 터빈(14)에 접속된 GT 발전기(16)의 전기출력이다. 출력 센서(19)는 GT 발전기(16)에 마련되어져 있다.
드럼(22)과 과열기(23)는, 배열 회수 보일러(21) 내에 설치되어 있으며, 배열 회수 보일러(21)의 일부를 구성하고 있다. 드럼(22) 내의 물은, 도면에 나타내지 않은 증발기에 보내져, 증발기 내에서 배가스(A5)에 의해 가열됨으로써 포화 증기로 된다. 포화 증기는 과열기(23)에 보내져, 과열기(23) 내에서 배가스(A5)에 의해 과열됨으로써 과열 증기(A6)로 된다. 과열기(23)는, 배가스(A5)와 포화 증기 사이에서 열교환을 행하는 열교환기이다. 배열 회수 보일러(21)에 의해 생성된 과열 증기(A6)는 증기 배관으로 배출된다. 이하, 이 과열 증기(A6)를 주증기라고 호칭한다.
증기 배관은 주배관(main pipe arrangement)과 바이패스 배관으로 분기되어 있다. 주배관은 증기 터빈(31)에 접속되어 있으며, 바이패스 배관은 복수기(32)에 접속되어 있다. 가감 밸브(33)는 주배관에 마련되어져 있다. 바이패스 조절 밸브(34)는 바이패스 배관에 마련되어져 있다.
가감 밸브(33)를 열면, 주배관의 주증기(A6)가 증기 터빈(31)에 공급된다. 증기 터빈(31)은 주증기(A6)에 의해 회전 구동됨으로써, ST 회전축(35)을 회전시킨다. ST 발전기(36)는 ST 회전축(35)에 접속되어 있으며, ST 회전축(35)의 회전을 이용해서 발전을 행한다. 증기 터빈(31)으로부터 배출된 주증기(A7)는 복수기(32)에 보내진다.
한편, 바이패스 조절 밸브(34)를 열면, 바이패스 배관의 주증기(A6)가 증기 터빈(31)을 바이패스하여 복수기(32)에 보내진다. 복수기(32)는 주증기(A6, A7)를 순환수(A8)에 의해 냉각하여, 주증기(A6, A7)를 물로 되돌린다. 순환수(A8)가 해수(海水)일 경우에는, 복수기(32)로부터 배출된 순환수(A8)는 바다로 되돌려진다.
메탈 온도 센서(37)는 증기 터빈(31)의 제 1 단 내면의 메탈 온도를 검출하고, 온도의 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 주증기 온도 센서(38)는 배열 회수 보일러(21)의 주증기 출구 부근에서 주증기(A6)의 온도를 검출하고, 온도의 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다.
[배가스(A5)의 온도 제어]
배가스(A5)의 온도는 연료(A1)의 공급량이나 공기(A2)의 유량을 조절함으로써 제어 가능하다. 이하, 연료(A1)의 공급량이나 공기(A2)의 유량의 상세에 대하여 설명한다.
연료(A1)의 공급량은 연료 조절 밸브(11)의 개도를 제어함으로써 조절된다. 플랜트 제어 장치(2)는 연료 조절 밸브(11)의 개도를 제어하기 위한 밸브 제어 지령 신호를 서보 밸브(17)에 출력함으로써 연료(A1)의 공급량을 조절한다. 예를 들면, 연료(A1)의 공급량이 감소하면, 연소 가스(A4)의 온도가 저하하고, 가스 터빈(14)의 출력값이 저하하여, 배가스(A5)의 온도가 저하한다. 한편, 연료(A1)의 공급량이 증가하면, 연소 가스(A4)의 온도가 상승하고, 가스 터빈(14)의 출력값이 상승하여, 배가스(A5)의 온도가 상승한다. 이와 같이, 플랜트 제어 장치(2)는 연료 조절 밸브(11)의 개도를 제어함으로써 가스 터빈(14)의 출력값을 제어할 수 있으며, 이에 따라 배가스(A5)의 온도를 제어할 수 있다.
공기(A2)의 유량은 IGV(13b)의 개도를 제어함으로써 조절된다. IGV(13b)의 개도는, 연료 조절 밸브(11)의 개도와 마찬가지로, 플랜트 제어 장치(2)에 의해 제어된다. 압축기(13)는 공기(A2)를 IGV(13b)를 통해서 흡입하고, 공기(A2)를 압축하여 압축공기(A3)를 생성한다. 예를 들면, IGV(13b)의 개도가 증가하면, 공기(A2)의 유량이 증가하여, 압축공기(A3)의 유량이 증가한다. 이 때, 압축공기(A3)의 온도는 압축 공정에 의하여 원래의 공기(A2)의 온도(거의 대기 온도)보다 높아지지만, 연소 가스(A4)의 온도에 비하면 매우 저온이다. 그 결과, IGV(13b)의 개도가 증가하면, 압축공기(A3)의 영향이 증가해서 연소 가스(A4)의 온도가 저하하여, 배가스(A5)의 온도가 저하한다. 한편, IGV(13b)의 개도가 감소하면, 압축공기(A3)의 영향이 감소해서 연소 가스(A4)의 온도가 상승하여, 배가스(A5)의 온도가 상승한다. 이와 같이, 플랜트 제어 장치(2)는, IGV(13b)의 개도를 제어함으로써 배가스(A5)의 온도를 제어할 수 있다. 또, 연료(A1)의 공급량을 일정하게 유지하면서 IGV(13b)의 개도를 변화시킬 경우에는, 가스 터빈(14)의 출력값은 거의 변화되지 않는다.
도 2는 제 1 실시형태의 증기 터빈(31)의 구조를 나타내는 단면도이다.
증기 터빈(31)은, 복수의 동익(動翼)을 갖는 회전자(31a)와, 복수의 정익(靜翼)을 갖는 고정자(31b)와, 증기 유입구(31c)와, 증기 유출구(31d)를 구비하고 있다. 주증기(A6)는, 증기 유입구(31c)로부터 도입되어, 증기 터빈(31) 내를 통과하고, 증기 유출구(31d)로부터 주증기(A7)로서 배출된다.
도 2는 메탈 온도 센서(37)의 설치 위치를 나타내고 있다. 메탈 온도 센서(37)는 증기 터빈(31)의 제 1 단 정익의 내면 부근에 설치되어 있다. 따라서, 메탈 온도 센서(37)는, 제 1 단 정익의 내면의 메탈 온도를 검출할 수 있다.
이하, 도 1을 다시 참조하여, 플랜트 제어 장치(2)의 상세를 설명한다.
설정기(41)는 통상 시에 있어서의 배가스(A5)의 온도(이하 「배가스 온도」라 칭함)의 설정값 B1으로서, 최고 사용 온도 TMAX를 유지하고 있다. 최고 사용 온도 TMAX는 발전 플랜트(1)가 수용을 허용 가능한 최고의 배가스 온도이며, 예를 들면 배열 회수 보일러(21)가 수용을 허용 가능한 최고의 배가스 온도이다. 최고 사용 온도 TMAX는 발전 플랜트(1)의 재질 등에 의거하여 규정되는 정수(定數)이다. 본 실시형태의 최고 사용 온도 TMAX는, 배열 회수 보일러(21) 내의 열교환기가 수용을 허용 가능한 최고의 배가스 온도이며, 이 열교환기의 재질 등에 의거하여 규정되어 있다.
설정기(42)는 기동 시에 있어서의 배가스 온도와, 증기 터빈(31)의 제 1 단 내면의 메탈 온도(이하 「메탈 온도」라 칭함) 간의 온도차의 설정값 ΔT를 유지하고 있다. 설정값 ΔT도, 최고 사용 온도 TMAX와 마찬가지로 정수이다.
가산기(43)는 메탈 온도의 측정값 B2를 메탈 온도 센서(37)로부터 취득하고, 설정값 ΔT를 설정기(42)로부터 취득한다. 그리고, 가산기(43)는 메탈 온도의 측정값 B2에 설정값 ΔT를 가산하여, 배가스 온도의 설정값 「B2+ΔT」를 출력한다.
상한 제한기(44)는 배가스 온도의 상한값 UL을 유지하고 있으며, 설정값 B2+ΔT와 상한값 UL 중의 작은 쪽을 출력한다. 하한 제한기(45)는 배가스 온도의 하한값 LL을 유지하고 있으며, 상한 제한기(44)의 출력과 하한값 LL 중의 큰 쪽을 출력한다. 따라서, 하한 제한기(45)는 배가스 온도의 설정값 B3로서, 설정값 B2+ΔT, 상한값 UL, 및 하한값 LL 중의 중간값을 출력한다. 이것은 배가스 온도의 설정값 「B2+ΔT」를, 상한값 UL과 하한값 LL 사이의 값으로 제한한 것을 의미한다.
설정기(46)는 주증기(A6)의 온도(이하 「주증기 온도」라 칭함)와 메탈 온도 간의 온도차의 설정값(30℃)을 유지하고 있다. 이 설정값은 양의 정수로 하는 대신에, 음의 정수로 해도 된다.
가산기(47)는, 메탈 온도의 측정값 B2를 메탈 온도 센서(37)로부터 취득하고, 온도차의 설정값을 설정기(46)로부터 취득한다. 그리고, 가산기(47)는 메탈 온도의 측정값 B2에 온도차의 설정값을 가산하여, 주증기 온도의 설정값 B5인 「B2+30℃」를 출력한다.
비교기(48)는 주증기 온도의 측정값 B4를 주증기 온도 센서(38)로부터 취득하고, 주증기 온도의 설정값 B5를 가산기(47)로부터 취득한다. 그리고, 비교기(48)는, 주증기 온도의 측정값 B4와 설정값 B5를 비교하여, 비교 결과에 대응하는 전환 신호 B6을 출력한다.
전환기(51)는 통상 시에 있어서의 배가스 온도의 설정값 B1(=TMAX)을 설정기(41)로부터 취득하고, 기동 시에 있어서의 배가스 온도의 설정값 B3을 하한 제한기(45)로부터 취득하고, 비교기(48)로부터의 전환 신호 B6에 따라서 배가스 온도의 설정값 C1을 출력한다.
전환 신호 B6의 지시는, 주증기 온도의 측정값 B4(X)가 설정값 B5(Y)까지 상승하여, 설정값 B5(Y)에 도달했는지의 여부에 따라 변화된다(X≥Y). 측정값 B4가 설정값 B5에 도달하기 전에는, 전환기(51)는, 설정값 C1을 통상 시에 있어서의 배가스 온도의 설정값 B1로 유지한다. 한편, 측정값 B4가 설정값 B5에 도달하면, 전환기(51)는, 설정값 C1을 기동 시에 있어서의 배가스 온도의 설정값 B3으로 전환한다. 설정값 C1은, PID 제어의 설정값(SV 값)으로서 사용된다. 이하, 설정값 C1을 SV 값으로도 표기한다.
평균값 연산기(52)는 가스 터빈(14) 내의 개개의 배가스 온도 센서(14a)로부터 배가스 온도의 측정값 C2를 취득한다. 이들 배가스 온도 센서(14a)는 가스 터빈(14)의 배기부의 원주(円周)를 따라 설치되어 있다. 평균값 연산기(52)는 이들 측정값 C2의 평균값 C3을 산출해서 출력한다. 평균값 C3은 PID 제어의 프로세스 값(process value)(PV 값)으로서 사용된다. 이하, 평균값 C3을 PV 값으로도 표기한다.
감산기(53)는 배가스 온도의 SV 값 C1을 전환기(51)로부터 취득하고, 배가스 온도의 PV 값 C3을 평균값 연산기(52)로부터 취득한다. 그리고, 감산기(53)는, PV 값 C3에서 SV(set value) 값 C1을 감산하여, 배가스 온도의 SV 값 C1과 PV 값 C3과의 편차 C4를 출력한다(편차 C4=PV 값 C3-SV 값 C1).
PID 컨트롤러(54)는 감산기(53)로부터 편차 C4를 취득하고, 편차 C4를 제로(zero)에 근접시키기 위한 PID 제어를 행한다. PID 컨트롤러(54)로부터 출력되는 조작량(MV 값) C5는 연료 조절 밸브(11)의 개도이다. PID 컨트롤러(54)가 MV 값 C5를 변화시키면, 연료 조절 밸브(11)의 개도가 변화되어, 배가스 온도가 변화된다. 그 결과, 배가스 온도의 PV 값 C3이 SV 값 C1에 근접하도록 변화된다.
이와 같이, PID 컨트롤러(54)는 배가스 온도를 피드백 제어(feedback control)에 의해 제어한다. 구체적으로는, PID 컨트롤러(54)는 배가스 온도의 SV 값 C1과 PV 값 C3과의 편차 C4에 의거하여 MV(manipulate value) 값 C5를 산출하고, MV 값 C5의 제어를 통해서 배가스 온도를 제어한다.
단, 연료(A1)의 공급량은, 극단적으로 큰 변화율로 증감시킬 수는 없다. 그 때문에 MV 값 C5는, 연료(A1)의 공급량의 변화율의 상한값을 유지하는 변화율 리미터(limiter)(55)에 입력된다. 하한 제한기(55)는 수정된 MV 값 C6으로서, 연료(A1)의 공급량의 변화율이 상한값 이하가 되도록 제한된 MV 값 C5를 출력한다.
플랜트 제어 장치(2)는 MV 값 C6을 출력해서 서보 밸브(17)를 구동하고, 서보 밸브(17)의 유압 작용에 의해 연료 조절 밸브(11)의 개도를 제어한다. 그 결과, 연료 조절 밸브(11)의 개도가 MV 값 C6을 따라서 변화되어, 배가스 온도의 PV 값 C3이 SV 값 C1에 근접하도록 변화된다. 또, 본 실시형태에서는 가스 터빈(14)의 출력값의 맥동을 억제하기 위해서, PID 컨트롤러(54)에 의한 배가스 온도의 PID 제어에 불감대(不感帶)를 마련하고 있으며, 불감대의 상세에 대하여는 후술한다.
[배가스 온도의 설정값 B1, B3]
이하, 통상 시의 배가스 온도의 설정값 B1과, 기동 시의 배가스 온도의 설정값 B3과의 차이에 대하여 설명한다.
통상 시의 배가스 온도의 설정값 B1은 예를 들면, 발전 플랜트(1)의 기동 시에 있어서, 주증기 온도가 소정의 조건에 도달할 때까지 사용된다. 한편, 기동 시의 배가스 온도의 설정값 B3은 예를 들면, 발전 플랜트(1)의 기동 시에 있어서, 주증기 온도가 소정의 조건에 도달한 후에 사용된다.
컴바인드 사이클형의 발전 플랜트(1)의 기동 시에는, 배가스 온도를 높게 해서 주증기(A6)의 생성을 적극적으로 촉진하는 것이 바람직하다. 따라서, 설정기(41)의 설정값 B1은, 배가스 온도가 비교적 고온이 되도록 설정되는 것이 바람직하며, 본 실시형태에서는 최고 사용 온도 TMAX로 설정되어 있다. 최고 사용 온도 TMAX는, 예를 들면 550℃이다.
한편, 기동 시의 배가스 온도의 설정값 B3은, 주증기 온도를 증기 터빈(31)의 기동에 적합한 온도로 설정하기 위해서 사용된다. 구체적으로는, 배가스 온도의 측정값 B5가 설정값 B4에 도달했을 경우에, 주증기 온도를 메탈 온도에 근접시키기 위해서, 배가스 온도의 설정값 C1이, 통상 시의 설정값 B1로부터 기동 시의 설정값 B3으로 전환된다. 설정값 B3은 통상, 메탈 온도의 측정값 B2와 온도차의 설정값 ΔT와의 합으로 주어진다(즉, 배가스 온도=메탈 온도+ΔT).
이에 따라, 주증기 온도와 메탈 온도와의 미스 매치(miss match)가 저감된다. 이 상태에서 증기 터빈(31)의 통기를 행하면, 증기 터빈(31)에 발생하는 열응력이 작은 바람직한 주증기(A6)가 얻어진다. 설정값 ΔT는 예를 들면 30℃이다.
단, 배가스 온도의 설정값 B3이 극단적으로 큰 값이나 작은 값으로 되면, 가스 터빈(14)이나 배열 회수 보일러(21)의 운전에 부도합(不都合)이 생긴다. 그 때문에 설정값 B3은 「메탈 온도+ΔT」의 값을 상한값 UL과 하한값 LL 사이의 값으로 제한함으로써 설정된다.
도 3은 제 1 실시형태의 플랜트 제어 방법을 나타내는 플로차트이다. 이 제어 방법은 발전 플랜트(1)의 기동 시에 플랜트 제어 장치(2)에 의해 실행된다.
가스 터빈(14)을 기동하면(스텝 S1), 먼저 가스 터빈(14)의 퍼지(purge) 운전을 행한다(스텝 S2). 다음으로, 가스 터빈(14)을 착화 및 승속(昇速)함으로써(스텝 S3), 가스 터빈(14)이 무부하 정격 운전에 도달한다(스텝 S4).
다음으로, GT 발전기(13)를 병렬한 후(스텝 S5), 플랜트 제어 장치(2)는, 병렬 직후에 역(逆)전력의 외란을 피하기 위해서, 가스 터빈(14)의 출력값(이하 「GT 출력값」이라 칭함)을 즉각 초기 부하까지 증가시킨다(스텝 S6, S7). GT 출력값이 초기 부하에 도달하면, 플랜트 제어 장치(2)는, 메탈 온도 센서(37)로부터 메탈 온도의 측정값 B2를 취득하여 기억한다(스텝 S8).
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 신속한 주증기 온도의 상승을 촉진시키기 위해서, 배가스 온도의 설정값(SV 값) C1을 통상 시의 설정값 B1(=최고 사용 온도 TMAX)로 설정한다(스텝 S11).
다음으로, 현시점에 있어서의 실제 배가스 온도를 계측한다(스텝 S12). 구체적으로는, 개개의 배가스 온도 센서(14a)로부터 배가스 온도의 측정값 C2를 취득하고, 이들 측정값 C2의 평균값(PV 값) C3을 산출한다.
다음으로, SV 값 C1-β와 PV 값 C3을 비교한다(스텝 S13). β는 배가스 온도의 허용편차 범위를 규정하기 위한 양의 정수(예를 들면 5℃)이며, 이에 따라 PID 컨트롤러(54)에 의한 배가스 온도의 PID 제어에 불감대를 마련할 수 있다. 불감대를 마련하지 않을 경우에는, β를 0으로 치환한다. SV 값 C1-β가 PV 값 C3보다 높으면, GT 출력값을 상승시키고(스텝 S14), 스텝 S12로 돌아간다. SV 값 C1-β가 PV 값 C3보다 낮으면, 스텝 S15로 이행한다.
다음으로, SV 값 C1+β와 PV 값 C3을 비교한다(스텝 S15). SV 값 C1+β가 PV 값 C3보다 낮으면, GT 출력값을 저하시키고(스텝 S16), 스텝 S12로 돌아간다. SV 값 C1+β가 PV 값 C3보다 높으면, GT 출력값을 변화시키지 않고, 스텝 S12로 돌아간다.
스텝 S12∼S16을 반복함으로써, PV 값 C3이 SV 값 C1(=TMAX)의 ±β 범위 내로 유지되도록, GT 출력값이 제어된다. 이 GT 출력값이 본 실시형태의 제 2 출력값에 해당한다(스텝 S21). 보다 정확하게는, 본 실시형태의 제 2 출력값은, 배가스 온도를 TMAX로 유지 가능한 GT 출력값이다. GT 출력값이 제 2 출력값으로 유지되고 있는 동안에는, 배열 회수 보일러(21)는, 최고 사용 온도 TMAX의 배가스(A5)를 받아들여 에너지 넘치는 열회수를 행할 수 있으며, 주증기 온도는 신속하게 상승한다.
이와 같이, 스텝 S12∼S16에서는, 배가스 온도의 PV 값 C3은 일정 범위 내, 즉, TMAX±β의 범위 내로 제어된다(한편, β가 0일 경우에는, PV 값 C3은 일정 값, 즉, TMAX로 제어된다). 그러나, 배가스 온도 특성은 대기 온도의 영향을 받기 때문에, TMAX±β의 배가스(A5)를 얻기 위한 GT 출력값은, 대기 온도에 따라 변화된다. 따라서, 본 실시형태의 제 2 출력값은, 대기 온도에 의존하여 변화된다.
즉, 대기 온도에 의존하는 배가스 온도를, TMAX±β까지 상승시키도록 GT 출력을 상승시켜 나가서, 배가스 온도가 TMAX±β의 범위 내가 된 시점의 GT 출력을 제 2 출력값으로 하고 있다. 이러한 제어에 의해, 제 2 출력값은 고정되지 않고, 배가스 온도와 관련을 갖는, 대기 온도에 의존한 값으로 된다.
이 제어에 의해, 대기 온도가 높을 때에는, 작은 GT 출력값이여도 고온의 배가스 온도가 생성되기 때문에, 제 2 출력값은 작은 값으로 된다. 반대로, 대기 온도가 낮을 때에는, 큰 GT 출력값이여도 저온의 배가스 온도가 생성되기 때문에, 제 2 출력값은 큰 값으로 된다.
배가스 온도를 TMAX로 계속해서 조정하면, 주증기 온도는 극단적인 고온까지 상승한다. 이 주증기로 증기 터빈(31)의 통기를 행하면, 증기 터빈(31)에 과대한 열응력이 발생하게 된다. 그래서, 적절한 타이밍에서 배가스 온도의 SV 값 C1을, 통상 시의 설정값 B1로부터 기동 시의 설정값 B3으로 전환한다.
구체적으로는, 플랜트 제어 장치(2)는, 주증기 온도의 측정값 B4가 설정값 B5 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S22). 설정값 B5는 메탈 온도의 측정값 B2에 30℃를 가산함으로써 산출된다(B5=B2+30℃). 이 30℃라고 하는 온도는, 소정 온도(predetermined temperature)의 예이다.
그리고, 주증기 온도의 측정값 B4가 설정값 B5까지 상승하면, 배가스 온도의 SV 값 C1은 기동 시의 설정값 B3으로 전환된다(스텝 S31). 단, 가스 터빈(14)은 배가스 온도가 극단적으로 고온 또는 저온이면 운전할 수 없기 때문에, 설정값 B3에 상한값 UL과 하한값 LL에 의한 제한을 부여한다. 구체적으로는, 설정값 B3이, B2+ΔT, UL, 및 LL 중의 중간값으로 설정된다.
다음으로, 스텝 S12와 마찬가지로, 현시점에 있어서의 실제 배가스 온도를 계측한다(스텝 S32).
다음으로, SV 값 C1-β와 PV 값 C3을 비교한다(스텝 S33). SV 값 C1-β가 PV 값 C3보다 높으면, GT 출력값을 상승시키고(스텝 S34), 스텝 S32로 돌아간다. SV 값 C1-β가 PV 값 C3보다 낮으면, 스텝 S35로 이행한다.
다음으로, SV 값 C1+β와 PV 값 C3을 비교한다(스텝 S35). SV 값 C1+β가 PV 값 C3보다 낮으면, GT 출력값을 저하시키고(스텝 S36), 스텝 S32로 돌아간다. SV 값 C1+β가 PV 값 C3보다 높으면, GT 출력값을 변화시키지 않고, 스텝 S32로 돌아간다.
스텝 S32∼S36을 반복함으로써, PV 값 C3이 SV 값 C1(=메탈 온도+ΔT)의 ±β의 범위 내로 유지되도록, GT 출력값이 제어된다. 이 GT 출력값이 본 실시형태의 제 1 출력값에 해당한다(스텝 S41). 보다 정확하게는, 본 실시형태의 제 1 출력값은, 배가스 온도와 메탈 온도의 차이를 ΔT로 유지 가능한 GT 출력값이다.
이와 같이, 스텝 S32∼S36에서는, 배가스 온도와 메탈 온도의 차이는 일정 범위 내, 즉, ΔT±β의 범위 내로 제어된다(한편, β가 0일 경우에는, 배가스 온도와 메탈 온도의 차이는 일정 값, 즉, ΔT로 제어된다).
배가스 온도를 설정값 B3으로 유지하면서, GT 출력값을 제 1 출력값으로 유지하면, 주증기 온도가 시간 경과에 따라 상승하여, 메탈 온도에 점근(漸近)한다. 그래서, 플랜트 제어 장치(2)는, 주증기 온도의 측정값을 주증기 온도 센서(38)로부터 취득하고, 주증기 온도의 측정값과 메탈 온도의 측정값 B2와의 편차를 산출한다. 또한, 플랜트 제어 장치(2)는, 이 편차의 절대값이 ε이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S42).
그리고, 편차의 절대값이 ε이하가 되면, 플랜트 제어 장치(2)는, 가감 밸브(33)를 열어서 증기 터빈(31)의 통기를 개시한다(스텝 S43). 이렇게 해서, GT 출력값이 제 1 출력값으로 제어되고 있는 동안에, 증기 터빈(31)이 기동된다. 한편, 편차의 절대값이 ε보다 클 경우에는, 플랜트 제어 장치(2)는, 증기 터빈(31)의 통기 개시를 대기한다. 또, 스텝 S42, S43의 처리는, ST 제어부(56)에 의해 제어된다.
그 후에, 본 방법에서는 발전 플랜트(1)의 기동 공정을 계속한다.
증기 터빈(31)에 관해서는, 증기 터빈(31)의 승속, ST 발전기(36)의 병렬, 증기 터빈(31)의 초기 부하에의 출력 상승, 증기 터빈(31)의 초기 부하 히트 소크(heat soak), 증기 터빈(31)의 한층 더의 출력 상승이 차례대로 행해진다.
가스 터빈(14)에 관해서는, 증기 터빈(31)의 열 응력(heat stress)이 어느 정도 저감되어 안정된 상황이 된 타이밍(timing)에서, 배가스 온도의 SV 값 C1이 기동 시의 설정값 B3으로부터 통상 시의 설정값 B1로 다시 전환된다. 그리고, 가스 터빈(14)의 초기 부하로부터의 출력 상승이 개시된다.
발전 플랜트(1)의 기동 공정의 최후에는, 가스 터빈(14)의 출력은, 기동 시의 대기 온도 조건에서 허용되는 최대출력(베이스 부하(base load))에 도달한다. 또한, 배열 회수 보일러(21)가 최대출력의 가스 터빈(14)의 배가스(A5)로부터 주증기(A6)를 생성하고, 증기 터빈(31)이 이 주증기(A6)에 의해 구동됨으로써, 증기 터빈(31)의 출력은 정격출력에 도달한다.
도 4는 제 1 실시형태의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4의 플랜트 제어 방법은 대기 온도가 0℃일 때의 동작예를 나타내고 있으며, 도 3의 플로(flow chart)에 따라서 실행된다.
GT 발전기(16)가 병렬되면, GT 출력값은, 제로(zero)에서부터 초기 부하를 향해서 상승하기 시작한다(파형 W1). 이에 따라, 배가스 온도도 상승하기 시작한다(파형 W3). 또한, 주증기 온도도 상승하기 시작한다(파형 W4).
전환기(51)는, 시간 t1에 배가스 온도의 SV 값 C1을 통상 시의 설정값 B1(=TMAX)으로 설정한다. 따라서, 배가스 온도는 시간 t1에 최고 사용 온도 TMAX를 향해서 상승하기 시작한다(파형 W3). 그 결과, GT 출력값은 제 2 출력값까지 상승한다(파형 W1). 한편, 주증기 온도는 계속해서 상승한다(파형 W4).
여기서, 도 4와 도 8의 (a)∼도 8의 (c)와의 차이에 유의해야 한다.
도 8의 (a)∼도 8의 (c)의 최신형 가스 터빈에서는, 제 2 출력값은, 대기 온도에 의존하지 않는 정수이다. 단, 제 2 출력값 K를 사용하면 하계에 부도합이 생기기 때문에, 제 2 출력값 K'이 사용되고 있다. 또, 제 2 출력값 K는, 대기 온도가 15℃일 때에 배가스 온도가 TMAX로 되는 GT 출력값이며, 제 2 출력값 K'은, 대기 온도가 30℃일 때에 배가스 온도가 TMAX로 되는 GT 출력값이다. 따라서, 대기 온도가 0℃일 때에 이 최신형 가스 터빈이 가동하면, GT 출력값이 제 2 출력값 K'일 때의 배가스 온도는, TMAX보다 대폭 낮은 TMAX-α5로 되어, 주증기 온도의 신속한 상승 효과를 충분히 발휘할 수 없다.
한편, 도 4의 가스 터빈(14)에서는, 제 2 출력값은, 대기 온도에 의존하는 변수이며, 구체적으로는, 배가스 온도가 TMAX로 되는 GT 출력값이다. 따라서, 대기 온도가 15℃일 때에는, 제 2 출력값은 K가 된다. 또한, 대기 온도가 30℃일 때에는, 제 2 출력값은 K보다 작은 값(=K')이 된다. 또한, 대기 온도가 0℃일 때에는, 제 2 출력값은 K보다 큰 값이 된다. 따라서, 본 실시형태의 가스 터빈(14)이 가동하면, GT 출력값이 제 2 출력값일 때의 배가스 온도는, 대기 온도에 의하지 않고 TMAX로 되어, 주증기 온도의 신속한 상승 효과를 충분히 발휘할 수 있다.
주증기 온도가 시간 t2에 메탈 온도+30℃에 도달하면(파형 W4, W2), 배가스 온도의 SV 값 C1이 기동 시의 설정값 B3으로 전환된다. 그 결과, 배가스 온도는 설정값 B3(=메탈 온도+ΔT)까지 저하하고(파형 W3), GT 출력값은 제 1 출력값까지 저하한다(파형 W1). 또한, 주증기 온도는 저하하기 시작한다(파형 W4).
그 후에, 주증기 온도는 저하하고, 주증기 온도와 메탈 온도와의 편차(deviation)의 크기가 시간 t3에 ε에 도달한다(파형 W4, W2). 그래서, 플랜트 제어 장치(2)는, 시간 t3에 가감 밸브(33)를 열어서 증기 터빈(31)의 통기를 개시한다.
도 5는 제 1 실시형태의 비교예의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 도 5의 플랜트 제어 방법은 대기 온도가 0℃일 때의 동작예를 나타내고 있다.
본 비교예에서는, 도 8의 (a)∼도 8의 (c)의 최신형 가스 터빈과 마찬가지로, 제 2 출력값을 대기 온도에 의존하지 않는 정수(=K')로 하고 있다. 따라서, GT 출력값은, 시간 t1에 제 2 출력값 K'을 향해서 상승하기 시작하여(파형 W1), 배가스 온도는, TMAX-α5까지 상승한다(파형 W3).
도 5의 주증기 온도의 상승 레이트(rising rate)는, 도 4의 그것에 비해서 완만해진다. 그 결과, 도 5의 시간 t3은, 도 4의 시간 t3에 비해서 늦어지며, 주증기 온도를 신속하게 상승시킬 수 없다.
도 6은 제 1 실시형태의 변형예의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6의 플랜트 제어 방법은 대기 온도가 0℃일 때의 동작예를 나타내고 있으며, 도 3의 플로에 따라서 실행된다.
도 4에서는, 주증기 온도의 설정값 B5가 메탈 온도의 측정값 B2에 30℃를 가산하여 주어져 있다(B5=B2+30℃). 한편, 도 6에서는, 주증기 온도의 설정값 B5가 메탈 온도의 측정값 B2에서 20℃를 감산하여 주어져 있다(B5=B2-20℃). 이와 같이, 주증기 온도의 설정값 B5는, 메탈 온도의 측정값 B2보다 높아도 되고, 메탈 온도의 측정값 B2보다 낮아도 된다. 이들 +30℃나 -20℃라고 하는 온도는 소정 온도의 예이다.
이상과 같이, 본 실시형태에 따르면, 대기 온도의 영향을 받아들이면서 플랜트 기동 시간의 조기화를 실현할 수 있으며, 발전 플랜트(1)가 가지는 포텐셜(potential)을 충분히 발휘하여 발전 플랜트(1)의 고속 기동성을 추급(追及)할 수 있다.
또, 발전 플랜트(1)의 운전에 대해서는, 발전 플랜트(1)를 고속으로 기동할 수 있는 것이 바람직하다고 하는 고속 기동성을 중시하는 사고방식과, 발전 플랜트(1)의 발전량을 정확하게 예측할 수 있는 것이 바람직하다고 하는 발전 예측성을 중시하는 사고방식이 있다. 본 실시형태는 주로 전자의 사고방식을 채용할 경우에 효과적이라고 생각된다.
[제 1 실시형태의 상세(1)]
본 실시형태의 설정기(41)는, 배가스 온도의 설정값 B1로서 최고 사용 온도 TMAX를 유지하고 있다. 본 실시형태에서는, 이 최고 사용 온도 TMAX를, 배열 회수 보일러(21) 내의 열교환기가 수용을 허용 가능한 최고의 배가스 온도로 하고 있으며, 열교환기의 재질 등에 의거하여 최고 사용 온도 TMAX를 규정하고 있다.
그러나, 배열 회수 보일러(21)가 수용을 허용 가능한 최고의 배가스 온도는, 열교환기가 수용 가능한 최고 온도가 아니라, 배열 회수 보일러(21)의 그 밖의 부위가 수용 가능한 최고 온도일 경우도 있다. 이 경우에는, 후자의 최고 온도를 최고 사용 온도 TMAX로서 사용해도 된다.
여기서, 배열 회수 보일러(21)의 열교환기의 최고 사용 온도 TMAX에 대하여 상세하게 설명한다.
배열 회수 보일러(21)의 열교환기란, 협의로는 과열기(23)나 재열기(재열용의 과열기)의 튜브(tube)(전열관)를 가리키지만, 광의로는 그 밖의 관모임이나 연락 배관 등의 여러 구성부품도 포함한다. 열교환기에 관한 이하의 설명은 이들 구성부품에도 적용된다.
일반적으로, 배가스 온도가 가장 높아지는 GT 출력값은, 정격 100%의 출력값이 아니라 중간출력 영역에 있다. 이 출력 영역에서는, 발전 플랜트(1)의 기동 공정이 상당히 진행되어 있는 결과, 이미 증기 터빈(31)의 통기는 되어 있으며, 또한 배열 회수 보일러(21)의 열교환기로부터 다량의 주증기(A6)가 발생되어 있다. 그 때문에, 주증기(A6)는 열교환기를 그 내부로부터 냉각하는 효과를 발휘한다.
열교환기의 설계 시에는, 배가스 온도, 주증기 온도, 발생 응력, 열교환기의 물리적 강도, 열교환기의 경제성 등의 관점으로부터, 열교환기의 사이즈(size), 재질, 두께 등이 결정된다. 또한, 열교환기의 온도는 그 내부를 통과하는 주증기(A6)의 온도 근방에서 정정(整定), 밸런스(balance)된다. 또, 열교환기가 가장 고온이 되는 장소는, 일반적으로 배가스(A5)에 직접 접하는 외측 표면 부위이다.
그리고, 열교환기의 최고 사용 온도 TMAX는, 배가스 온도나 주증기 유량 등을 고려하여, 필요 충분한 마진(margine)을 부여해서 결정된다. 예를 들면, 배가스 온도의 최고 온도가 600∼650℃인 가스 터빈(14)과 조합시키는 배열 회수 보일러(21)에 있어서는, 열교환기의 최고 사용 온도 TMAX는 550∼600℃로 하는 것이 바람직하다. 주증기(A6)의 냉각 효과에 의해, 열교환기의 최고 사용 온도 TMAX를 초과하는 배가스 온도에 의한 발전 플랜트(1)의 운전이 허용된다.
[제 1 실시형태의 상세(2)]
상기의 설명에서는, 배가스 온도의 설정값 B1로서 사용하는 최고 사용 온도 TMAX를, 배열 회수 보일러(21)가 수용을 허용 가능한 최고의 배가스 온도로 하고 있다. 그러나, 발전 플랜트(1)가 수용을 허용 가능한 최고의 배가스 온도는, 배열 회수 보일러(21)가 수용 가능한 최고 온도가 아니라, 발전 플랜트(1)의 그 밖의 설비가 수용 가능한 최고 온도일 경우도 있다. 이 경우에는, 후자의 최고 온도를 최고 사용 온도 TMAX로서 사용해도 된다.
이러한 설비의 예로서는, 복수기(32)를 들 수 있다. 이 경우, 제 2 출력값은 예를 들면, 배열 회수 보일러(21)가 생성하는 주증기(A6)가 전부 바이패스(bypass) 조절 밸브(34)를 통해 복수기(32)에 유입할 경우에, 바이패스 조절 밸브(34)의 개도가 전개(全開)하지 않는 최대의 GT 출력값으로서 규정해도 된다. 또한, 제 2 출력값은 예를 들면 배열 회수 보일러(21)가 생성하는 주증기(A6)가 전부 바이패스 조절 밸브(34)를 통해 복수기(32)에 유입할 경우에, 복수기(32)의 출입구의 순환수(A8)의 온도차가 소정값을 넘지 않는 최대의 GT 출력값으로서 규정해도 된다.
또, GT 출력값과 배가스 온도와의 관계에 관하여, 배가스 온도 특성을 나타내는 곡선이 오른쪽이 올라간 곡선이 되는 부분에서는, GT 출력값과 배가스 온도가 1대1의 관계에서 상관한다(도 8의 (a)∼도 8의 (c)를 참조). 따라서, 최대의 GT 출력값에 대응하는 배가스 온도가 일의(一意)로 결정되기 때문에, 복수기(32)가 수용을 허용할 수 있는 최고의 배가스 온도가 존재하는 것이 된다.
이상과 같이, 본 실시형태의 플랜트 제어 장치(2)는, GT 출력값을, 제 1 출력값보다 크며 또한 대기 온도에 의존하는 제 2 출력값으로 제어한 후, GT 출력값을 제 1 출력값으로 제어한다. 그리고, 본 실시형태의 플랜트 제어 장치(2)는, GT 출력값이 제 1 출력값으로 제어되고 있는 동안에, 증기 터빈(31)을 기동한다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 가스 터빈(14)과 증기 터빈(31)을 구비하는 컴바인드 사이클형의 발전 플랜트(1)의 기동 시간을, 대기 온도의 영향을 받아들이면서 단축하는 것이 가능해진다.
이상, 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서만 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것을 의도한 것이 아니다. 본 명세서에서 설명한 신규한 장치, 방법, 및 플랜트는, 그 밖의 다양한 형태로 실시할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 설명한 장치, 방법, 및 플랜트의 형태에 대하여, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 첨부의 특허청구범위 및 이것에 균등한 범위는, 발명의 범위나 요지에 포함되는 이러한 형태나 변형예를 포함하도록 의도되어 있다.
1: 발전 플랜트, 2: 플랜트 제어 장치, 11: 연료 조절 밸브, 12: 연소기, 13: 압축기, 13a: 입구, 13b: 입구 안내익, 14: 가스 터빈, 14a: 배가스 온도 센서, 15: GT 회전축, 16: GT 발전기, 17: 서보 밸브, 18: 압축공기 온도 센서, 19: 출력 센서, 21: 배열 회수 보일러, 22: 드럼, 23: 과열기, 31: 증기 터빈, 31a: 회전자, 31b: 고정자, 31c: 증기 유입구, 31d: 증기 유출구, 32: 복수기, 33: 가감 밸브, 34: 바이패스 조절 밸브, 35: ST 회전축, 36: ST 발전기, 37: 메탈 온도 센서, 38: 주증기 온도 센서, 41: 설정기, 42: 설정기, 43: 가산기, 44: 상한 제한기, 45: 하한 제한기, 46: 설정기, 47: 가산기, 48: 비교기, 51: 전환기, 52: 평균값 연산기, 53: 감산기, 54: PID 컨트롤러, 55: 변화율 리미터, 56: ST 제어부

Claims (13)

  1. 연료를 공기와 함께 연소시켜서 연소 가스를 발생시키는 연소기와,
    상기 연소기로부터의 상기 연소 가스에 의해 구동되는 가스 터빈과,
    상기 가스 터빈으로부터의 배(排)가스의 열을 이용해서 증기를 생성하는 배열(排熱) 회수 보일러와,
    상기 배열 회수 보일러로부터의 상기 증기에 의해 구동되는 증기 터빈
    을 구비하는 발전 플랜트를 제어하는 플랜트 제어 장치로서,
    상기 가스 터빈의 출력값을, 제 1 출력값보다 크며 또한 대기 온도에 의존하는 제 2 출력값으로 제어한 후, 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값으로 제어하는 가스 터빈 제어부와, 상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 1 출력값으로 제어되고 있는 동안에, 상기 증기 터빈을 기동하는 증기 터빈 제어부
    를 구비하는 플랜트 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 제어부는, 상기 배가스의 온도에 의거하여 상기 가스 터빈의 출력값을 제어함으로써 상기 가스 터빈의 출력값을, 상기 대기 온도에 의존하는 상기 제 2 출력값으로 제어하는 플랜트 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 제어부는, 상기 배가스의 온도를 일정 값 또는 일정 범위로 제어함으로써 상기 가스 터빈의 출력값을, 상기 대기 온도에 의존하는 상기 제 2 출력값으로 제어하는 플랜트 제어 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 제어부는, 상기 배가스의 온도와, 상기 증기 터빈의 메탈 온도에 의거하여 상기 가스 터빈의 출력값을 제어함으로써 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값으로 제어하는 플랜트 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 제어부는, 상기 배가스의 온도와 상기 메탈 온도와의 차이를 일정 값 또는 일정 범위로 제어함으로써 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값으로 제어하는 플랜트 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 제어부는, 상기 증기의 온도가, 상기 증기 터빈의 메탈 온도에 의존하는 소정 온도에 도달했을 경우에, 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값으로 변경하는 플랜트 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 소정 온도는, 상기 메탈 온도보다 높은 온도인 플랜트 제어 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 소정 온도는, 상기 메탈 온도보다 낮은 온도인 플랜트 제어 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 2 출력값일 때의 상기 배가스의 온도는, 상기 발전 플랜트가 수용을 허용 가능한 최고 온도로 제어되는 플랜트 제어 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 2 출력값일 때의 상기 배가스의 온도는, 상기 배열 회수 보일러가 수용을 허용 가능한 최고 온도로 제어되는 플랜트 제어 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 2 출력값일 때의 상기 배가스의 온도는, 상기 배열 회수 보일러 내의 열교환기가 수용을 허용 가능한 최고 온도로 제어되는 플랜트 제어 장치.
  12. 연료를 공기와 함께 연소시켜서 연소 가스를 발생시키는 연소기와,
    상기 연소기로부터의 상기 연소 가스에 의해 구동되는 가스 터빈과,
    상기 가스 터빈으로부터의 배가스의 열을 이용해서 증기를 생성하는 배열 회수 보일러와,
    상기 배열 회수 보일러로부터의 상기 증기에 의해 구동되는 증기 터빈
    을 구비하는 발전 플랜트를 제어하는 플랜트 제어 방법으로서,
    상기 가스 터빈의 출력값을, 제 1 출력값보다 크며 또한 대기 온도에 의존하는 제 2 출력값으로 제어한 후, 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값으로 제어하고,
    상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 1 출력값으로 제어되고 있는 동안에, 상기 증기 터빈을 기동하는
    것을 포함하는 플랜트 제어 방법.
  13. 연료를 공기와 함께 연소시켜서 연소 가스를 발생시키는 연소기와,
    상기 연소기로부터의 상기 연소 가스에 의해 구동되는 가스 터빈과,
    상기 가스 터빈으로부터의 배가스의 열을 이용해서 증기를 생성하는 배열 회수 보일러와,
    상기 배열 회수 보일러로부터의 상기 증기에 의해 구동되는 증기 터빈과,
    상기 가스 터빈의 출력값을, 제 1 출력값보다 크며 또한 대기 온도에 의존하는 제 2 출력값으로 제어한 후, 상기 가스 터빈의 출력값을 상기 제 1 출력값으로 제어하는 가스 터빈 제어부와,
    상기 가스 터빈의 출력값이 상기 제 1 출력값으로 제어되고 있는 동안에, 상기 증기 터빈을 기동하는 증기 터빈 제어부
    를 구비하는 발전 플랜트.
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