JP2013076388A - 一軸型複合サイクル発電プラント及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントは、別置きの蒸気源発生装置を設置することなく、無負荷定格速度運転時、必要な低圧蒸気タービンの冷却蒸気流量を確保する。
【解決手段】実施形態によれば、ガスタービン１、高圧蒸気タービン３ａ、低圧蒸気タービン３ｃ及び発電機４を同軸に結合し、ガスタービン１の燃焼ガスの排気ガスを熱源として排熱回収ボイラ７にて高圧蒸気及び低圧蒸気を発生させ、その高圧蒸気を高圧加減弁１７を介して供給して高圧蒸気タービン３ａで仕事をさせ、低圧蒸気を低圧加減弁２２を介して供給して低圧蒸気タービン３ｃで仕事をさせる。無負荷定格速度運転時に、高圧加減弁１７を全閉する制御を行うとともに、可変案内翼６の開度を低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン、蒸気タービン及び発電機を一軸に連結した一軸型複合サイクル発電プラント及びその運転方法に関する。

一般に、ガスタービン、そのガスタービンの排気ガスによって排熱回収ボイラ内で発生された蒸気により駆動する蒸気タービン、及び発電機を一軸に連結した一軸型複合サイクル発電プラントにおいて、二圧式の排熱回収ボイラから発生する蒸気は、高圧蒸気、低圧蒸気の二圧から構成される。

このうち低圧ドラムから発生する低圧蒸気は、低圧加減弁を経由して低圧蒸気タービンに供給される。一方、高圧ドラムで発生した高圧蒸気は、高圧加減弁を経て高圧蒸気タービンで仕事を行った後、低圧加減弁からの低圧蒸気と合流して低圧蒸気タービンに供給される。

これらの高圧蒸気や低圧蒸気は、蒸気タービンを駆動して発電を行うためのものである。それと同時に、これらの高圧蒸気や低圧蒸気は、低圧蒸気タービン内に通気されることで、低圧蒸気タービンの風損（蒸気タービンケーシング内の空気撹拌による動力損失）による過熱を防止するため、低圧蒸気タービンを冷却する冷却蒸気としての役割も担っている。

一方、一軸型複合サイクル発電プラントの起動初期では、高圧蒸気や低圧蒸気は発生量が充分でないため、プラント起動開始前には、予め補助ボイラを起動して補助蒸気を発生させて、この補助蒸気を低圧蒸気タービンの冷却蒸気としている。

すなわち、上記発電プラントの起動初期では、補助蒸気が低圧蒸気タービンに供給される。さらに、起動過程が進行することで高圧蒸気と低圧蒸気の発生量が増加し、低圧蒸気タービンの冷却蒸気としては、これらの蒸気で充分な状態となるので、以後は経済運転のため上記補助ボイラは停止され、補助蒸気の供給が遮断されて高圧蒸気と低圧蒸気のみが低圧蒸気タービンに供給される。このようにして、起動時に一軸型複合サイクル発電プラントの低圧蒸気タービンに冷却蒸気が供給され、通常運転が行われる。

ところで、一般的に電気系の事故などで発電機の遮断器を緊急的に開放することは、負荷遮断と呼ばれる。このような発電機の負荷遮断が発生した後は、ガスタービンをＦＳＮＬ（Full Speed No Load:無負荷定格速度）運転とし、電気系事故の復旧後は迅速に再負荷上昇に備える運転が行われる。通常運転状態から無負荷定格速度運転に移行する過程では、無負荷運転のためガスタービンへの燃料の供給量が急速に少なくなり、高圧蒸気タービンでは高圧加減弁は全閉し、低圧加減弁は過速を防止するために一旦全閉後、低圧蒸気タービンの冷却蒸気を確保するために開弁する。

因みに、無負荷定格速度運転で高圧加減弁を閉止させる理由は、その高圧加減弁を閉止することにより高圧蒸気タービンの発生トルクを小さくすることで、相対的にガスタービンが発生するトルクを大きくし、ガスタービンの燃料流量も増やしてより燃焼状態を安定化させることが可能となるからである。

しかしながら、その一方で無負荷定格速度運転では、以下の理由で低圧蒸気タービンの冷却蒸気が不足する。すなわち、
ｉ）高圧加減弁が閉止していることから、高圧蒸気タービンへの高圧蒸気の供給がなく、低圧蒸気のみが低圧蒸気タービンに供給されている。この場合、高圧ドラムから発生する高圧蒸気は、バイパス弁を経由して復水器に送られる。

ｉｉ）ガスタービンの燃料が少ないことから、そのガスタービンの排気ガスの熱量も低く、したがって排熱回収ボイラから発生する低圧蒸気量も少量となる。

ｉｉｉ）負荷遮断は、突発的事故で発生するので、起動時とは異なり予め補助ボイラの運転を立ち上げて補助蒸気を確保しておくということが不可能である。

したがって、上記のように無負荷定格速度運転で低圧蒸気タービンの冷却蒸気が不足すると、低圧蒸気タービンの風損により低圧蒸気タービンの排気温度が上昇して無負荷定格速度運転を継続することができなくなり、一軸型複合サイクル発電プラントは停止せざるを得なくなる。

上記のように発電機の負荷遮断後におけるガスタービンの無負荷定格速度運転時に低圧蒸気タービンの冷却蒸気を確保する運転方法としては、例えば特許文献１に記載された技術がある。この特許文献１に記載された運転方法は、既存の複合サイクル発電プラントにおける別置きの蒸気源発生装置と一軸型複合サイクル発電プラントを予め配管で接続しておくことで、その蒸気源発生装置から発生した蒸気を低圧蒸気タービンの冷却蒸気として使用する方法である。

特開平１１−１１７７１５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術は、発電機の負荷遮断後におけるガスタービンの無負荷定格速度運転時に低圧蒸気タービンの冷却蒸気を確保するため、既存の複合サイクル発電プラントにおいて別置きの蒸気源発生装置を設置し、この別置きの蒸気源発生装置と一軸型複合サイクル発電プラントを配管で接続する必要がある。そのため、一軸型複合サイクル発電プラントが大型化し、複雑化するという問題がある。

本発明の実施形態は、別置きの蒸気源発生装置を設置することなく、無負荷定格速度運転時、必要な低圧蒸気タービンの冷却蒸気流量を確保し、低圧蒸気タービンの風損による過熱を未然に防止可能な一軸型複合サイクル発電プラント及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントは、ガスタービンと同軸に配置して結合され、排熱回収ボイラの高圧ドラムからの高圧蒸気が高圧加減弁を介して供給されて駆動される高圧蒸気タービンと、前記高圧ドラムより低い圧力の低圧蒸気を発生させる低圧ドラムからの前記低圧蒸気が低圧加減弁を介して供給され、この低圧蒸気と前記高圧蒸気タービン内で仕事をした前記高圧蒸気とを合流させた蒸気を低圧タービン蒸気として供給する低圧タービン蒸気供給系統と、前記ガスタービン及び前記高圧蒸気タービンと同軸に配置して結合され、前記低圧タービン蒸気により駆動される低圧蒸気タービンと、前記ガスタービンの吸込み空気流量を調整する可変案内翼と、前記ガスタービンと同軸に配置して結合された発電機の負荷遮断後の無負荷定格速度運転時に、前記高圧加減弁を全閉する制御を行うとともに、前記可変案内翼の開度を前記低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントは、ガスタービンと同軸に配置して結合され、排熱回収ボイラの高圧ドラムからの高圧蒸気が高圧加減弁を介して供給されて駆動される高圧蒸気タービンと、前記ガスタービン及び前記高圧蒸気タービンと同軸に配置して結合され、低圧蒸気により駆動される低圧蒸気タービンと、前記高圧蒸気よりも低くかつ低圧蒸気よりも高い圧力の中圧蒸気を発生させる中圧ドラムからの中圧蒸気を前記高圧蒸気タービンからの排気蒸気と合流させ、高温再熱蒸気を発生させる再熱器に供給する低温再熱系統と、前記高圧蒸気タービン及び前記低圧蒸気タービンと同軸に配置され、前記再熱器からの高温再熱蒸気が再熱加減弁を経由して供給されて駆動する中圧蒸気タービンと、前記中圧蒸気タービン内で仕事をして減圧された前記高温再熱蒸気と前記低圧蒸気とを合流させて前記低圧蒸気タービンを駆動する低圧タービン蒸気供給系統と、前記ガスタービンの吸込み空気流量を調整する可変案内翼と、前記ガスタービンと同軸に配置して結合された発電機の負荷遮断後の無負荷定格速度運転時に、前記高圧加減弁及び前記再熱加減弁を全閉する制御を行うとともに、前記可変案内翼の開度を前記低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントの運転方法は、ガスタービン、高圧蒸気タービン、低圧蒸気タービン及び発電機を同軸に配置して結合し、前記ガスタービンに燃焼ガスを送って駆動させ、その燃焼ガスの排気ガスを熱源として排熱回収ボイラにて高圧蒸気を発生させるとともに、前記高圧蒸気より低い圧力の低圧蒸気を発生させ、その高圧蒸気を高圧加減弁を介して供給して前記高圧蒸気タービンで仕事をし、前記低圧蒸気を低圧加減弁を介して供給して前記低圧蒸気タービンで仕事をさせる一軸型複合サイクル発電プラントの運転方法において、前記発電機の負荷遮断後の無負荷定格速度運転時に、前記高圧加減弁を全閉する制御を行う全閉制御ステップと、前記ガスタービンの吸込み空気流量を調整する可変案内翼の開度を前記低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する開度制御ステップと、を有することを特徴とする。

また、本実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントの運転方法は、ガスタービン、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、低圧蒸気タービン及び発電機を同軸に配置して結合し、前記ガスタービンに燃焼ガスを送って駆動させ、その燃焼ガスの排気ガスを熱源として排熱回収ボイラにて高圧蒸気を発生させるとともに、前記高圧蒸気より低い圧力の中圧蒸気、この中圧蒸気より低い圧力の低圧蒸気をそれぞれ発生させ、その中圧蒸気を前記高圧蒸気タービンからの排気蒸気と合流させ、高温再熱蒸気を発生させる再熱器に供給し、再熱加減弁を経由して前記中圧蒸気タービン内で仕事をして減圧された前記高温再熱蒸気と前記低圧蒸気とを合流させて前記低圧蒸気タービンで仕事をさせる一軸型複合サイクル発電プラントの運転方法において、前記発電機の負荷遮断後の無負荷定格速度運転時に、前記高圧加減弁及び前記再熱加減弁を全閉する制御を行う全閉制御ステップと、前記ガスタービンの吸込み空気流量を調整する可変案内翼の開度を前記低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する開度制御ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、別置きの蒸気源発生装置を設置することなく、またこの蒸気源発生装置に配管で接続することを不要とし、無負荷定格速度運転時、必要な低圧蒸気タービンの冷却蒸気流量を確保し、低圧蒸気タービンの風損による過熱を未然に防止することができる。

本発明に係る一軸型複合サイクル発電プラントの第１実施形態を示す系統図である。 図１の可変案内翼の制御装置を示すブロック図である。 図２の関数発生器に設定される関数の一例を示す図である。 本発明に係る一軸型複合サイクル発電プラントの第２実施形態を示す系統図である。 図４の可変案内翼の制御装置を示すブロック図である。 本発明に係る一軸型複合サイクル発電プラントの第３実施形態を示す系統図である。

以下に、本発明に係る一軸型複合サイクル発電プラントの各実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
（発電プラントの構成）
図１は本発明に係る一軸型複合サイクル発電プラントの第１実施形態を示す系統図である。

図１に示すように、本実施形態の一軸型複合サイクルプラントにおいて、ガスタービン１、圧縮機２、高圧蒸気タービン３ａ、低圧蒸気タービン３ｃ及び発電機４は、原動機部１００を構成するとともに、それぞれの回転軸が同軸に配置されて結合されている。ガスタービン１には、燃焼器５で燃焼した燃焼ガスが供給され、この燃焼ガスにより駆動され、排気ガスを排出する。圧縮機２は、可変案内翼（Variable Guide Vanes：以下、ＶＧＶともいう。）６を通して大気を吸い込んで高圧化し、その高圧空気を燃焼ガス生成用として燃焼器５に供給する。高圧蒸気タービン３ａには、高圧主蒸気管１６から高圧蒸気が供給される一方、低圧蒸気タービン３ｃには、低圧タービン蒸気供給系統としての低圧主蒸気管２１から低圧蒸気が供給される。この低圧蒸気タービン３ｃは、ガスタービン１、高圧蒸気タービン３ａとともに発電機４を駆動して電力を発生させる。この発電機４の出力軸の回転数は、回転数検出器３８により検出される。

排熱回収ボイラ７の排気ガス側入口端は、ガスタービン１の出口端に接続されており、排熱回収ボイラ７は、ガスタービン１からの排気ガスが供給されて蒸気を発生する。具体的に、排熱回収ボイラ７は、高圧蒸気を発生させる高圧ドラム１３に接続された高圧過熱器１０と、低圧蒸気を発生させる低圧ドラム１５に接続された低圧過熱器１２とを備えている。これら高圧ドラム１３及び低圧ドラム１５から発生した各蒸気は、高圧蒸気タービン３ａ、低圧蒸気タービン３ｃのそれぞれに供給される構成になっている。なお、以下の説明では、高圧蒸気タービン３ａ及び低圧蒸気タービン３ｃを総称する場合、蒸気タービン３という。また、低圧ドラム１５で発生した低圧蒸気圧力は、検出器３９により検出される。

高圧主蒸気管１６は、高圧蒸気圧力を検出する検出器５７と、高圧加減弁１７を備えた管路構成になっている。低圧主蒸気管２１は、低圧蒸気アイソレーション弁３５、低圧蒸気圧力を検出する検出器５６、低圧蒸気流量を検出する検出器４０及び低圧加減弁２２を備えた管路構成になっている。

高圧主蒸気管１６は、検出器５７の上流側で高圧タービンバイパス系８１が分岐され、この高圧タービンバイパス系８１に高圧タービンバイパス弁５０が介装されている。同様に、低圧主蒸気管２１は、検出器５６の上流側で低圧タービンバイパス系８３が分岐され、この低圧タービンバイパス系８３に低圧タービンバイパス弁５２が介装されている。これら高圧タービンバイパス系８１及び低圧タービンバイパス系８３は、それぞれ復水器３０に接続されている。

低圧蒸気タービン３ｃの出口端は、復水器３０及び給水ポンプ２８を介して排熱回収ボイラ７の低圧ドラム１５に接続されている。低圧蒸気タービン３ｃの低圧タービン排気圧力は、検出器５５により検出される。復水器３０には、循環水ポンプ２９を駆動することにより循環水が供給される。この循環水は、高圧タービンバイパス系８１及び低圧タービンバイパス系８３からそれぞれ供給された高圧蒸気及び低圧蒸気を復水とする。

起動用ボイラ２７は、補助蒸気供給管２４に接続され、この補助蒸気供給管２４に補助蒸気系６０の一端が接続され、その他端が低圧主蒸気管２１に接続されている。補助蒸気系６０には、調節弁３４及び補助蒸気流量を検出する検出器４１が介装されている。

制御装置７０には、低圧蒸気流量を検出する検出器４０、及び低圧タービン排気圧力を検出する検出器５５のそれぞれの検出信号が入力される一方、制御装置７０からは可変案内翼６の開度制御信号が出力される。

（発電プラントの作用）
次に、本実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントの作用を説明する。

起動前、復水器３０は、図示しない真空ポンプにより真空引きされ、規定真空度に達すると、図示しないスターティングモータにより原動機部１００を回転駆動させ、燃焼器５を着火することによりガスタービン１及び圧縮機２は併入運転に入る。

また、プラントの起動時には、起動用ボイラ２７を起動して補助蒸気を発生させる。この補助蒸気は、補助蒸気供給管２４を経て補助蒸気系６０に供給され、調節弁３４により流量が調節されて低圧主蒸気管２１に供給される。

すなわち、起動用ボイラ２７は、排熱回収ボイラ７で蒸気が発生していない起動時において、補助蒸気を供給する目的で排熱回数ボイラ７とは別に設置されている。起動用ボイラ２７で発生した補助蒸気は、上記のように補助蒸気供給管２４、補助蒸気系６０に介装された調節弁３４を介して低圧主蒸気管２１に供給され、さらに低圧加減弁２２を介して蒸気タービン３に供給される。このようにプラント起動初期においては、排熱回収ボイラ７から発生する高圧蒸気や低圧蒸気の発生量が充分でないため、低圧タービン冷却蒸気として起動用ボイラ２７からの補助蒸気が併用される。

さらに、起動過程が進行すると、排熱回収ボイラ７による高圧蒸気及び低圧蒸気の発生量が増加するため、低圧蒸気タービン３ｃの冷却蒸気としてはこれらで充分となる。その結果、経済運転のため起動用ボイラ２７の駆動は停止され、補助蒸気の供給は打ち切られて高圧蒸気と低圧蒸気のみが低圧蒸気タービン３ｃに供給される。

圧縮機２は、可変案内翼６を通して大気を吸い込んで高圧化し、その高圧空気を燃焼ガス生成用として燃焼器５に供給する。この燃焼器５には、高圧空気とともに燃料が加えられ、高温の燃焼ガスを生成している。この高温の燃焼ガスがガスタービン１に供給され、ガスタービン１で膨張仕事をする。

ガスタービン１から排出される排気ガスは、蒸気発生用の熱源として排熱回収ボイラ７に導入され、高圧過熱器１０、低圧過熱器１２及び図示しない各圧力の蒸発器などを流通する給水や蒸気と熱交換した後、煙突を経て大気中に放散される。

高圧ドラム１３で発生した高圧蒸気は、高圧過熱器１０で過熱された後、高圧主蒸気管１６から高圧加減弁１７を経て高圧蒸気タービン３ａで仕事を行った後は、低圧加減弁２２からの低圧蒸気と合流して低圧蒸気タービン３ｃに導入される。なお、本実施形態は、高圧蒸気タービン３ａの途中段（排気部の近傍）において低圧蒸気が合流する。

一方、低圧ドラム１５で発生した低圧蒸気は、低圧過熱器１２で過熱され、温度条件、圧力条件が適切になった時点で低圧蒸気アイソレーション弁３５が開弁し、低圧主蒸気管２１を通じて低圧加減弁２２に導かれる。この低圧加減弁２２に導かれた低圧蒸気は、前述したように仕事をした高圧蒸気とともに低圧蒸気タービン３ｃに供給されることにより、ガスタービン１及び高圧蒸気タービン３ａとともに発電機４を駆動して電力を発生させる。

ところで、電気系の事故などで発電機４の遮断器を緊急的に開放する負荷遮断の発生後は、ガスタービン１を無負荷定格速度運転とし、電気系事故の復旧後は迅速に再負荷上昇に備える運転が行われる。通常運転から無負荷定格速度運転に移行する過程では、無負荷運転のためガスタービン１への燃料の供給量が急速に少なくなる。その燃料流量の減少に伴い可変案内翼６の開度は、閉方向に作動し、ガスタービン１への吸込み空気流量を減少させる。

蒸気タービン３では、高圧加減弁１７は全閉し、低圧加減弁２２は過速防止のために一旦全閉後、低圧蒸気タービン３ｃの冷却蒸気を確保するために開弁する。因みに、無負荷定格速度運転で高圧加減弁１７が閉止される理由は、高圧加減弁１７が閉止することにより蒸気タービン３の発生トルクを小さくすることで、相対的にガスタービン１が発生するトルクを大きくし、ガスタービン１の燃料流量を増やして、より燃焼を安定させることが可能となるからである。

したがって、負荷遮断発生時には、高圧加減弁１７が閉止されるため、高圧ドラム１３で発生した高圧蒸気については、高圧タービンバイパス弁５０を開弁することにより、復水器３０に逃がすことで、高圧蒸気圧力の上昇を防止している。同様に、低圧加減弁２２が閉止されるため、低圧ドラム１５で発生した低圧蒸気については、低圧タービンバイパス弁５２を開弁することにより、復水器３０に逃がすことで、低圧蒸気圧力の上昇を防止している。

このように復水器３０には、高圧蒸気及び低圧蒸気が供給され、この水蒸気が循環水ポンプ２９から供給される循環水により復水とされ、この復水が給水ポンプ２８により排熱回収ボイラ７に供給される。

（制御装置の構成）
次に、図２及び図３を用いて本実施形態における可変案内翼６の制御について説明する。図２は図１の可変案内翼６の制御装置７０を示すブロック図である。図３は図２の関数発生器に設定される関数の一例を示す図である。

図２において、設定器１０１には、低圧蒸気タービン３ｃを冷却するために必要な蒸気エンタルピーが設定されている。関数発生器１０２は、設定器１０１からの低圧蒸気タービン３ｃを冷却するために必要な蒸気エンタルピー信号と、検出器５５により検出された低圧タービン排気圧力信号ａとにより、現運転時において必要な低圧タービン冷却蒸気流量信号ｂを求める。

関数発生器１０２に設定される関数の一例を図３に示す。図３の横軸は、低圧タービンを冷却するために必要な蒸気エンタルピーを示し、その縦軸は必要な低圧タービン冷却蒸気流量を示している。必要な低圧タービン冷却蒸気流量のカーブは、低圧タービン排気圧力条件により異なる。関数発生器１０２は、設定器１０１からの低圧蒸気タービン３ｃを冷却するために必要な蒸気エンタルピー信号と、低圧タービン排気圧力信号ａとにより、線形補間などにより必要な低圧タービン冷却蒸気流量信号ｂを求めるものである。

低圧加減弁２２を通過する低圧蒸気流量は、検出器４０により検出され、低圧加減弁通過蒸気流量信号ｃとして比較器１０３に入力される。比較器１０３は、上記低圧タービン冷却蒸気流量信号ｂと、検出器４０により検出された低圧加減弁通過蒸気流量信号ｃとを比較し、低圧加減弁通過蒸気流量信号ｃが低圧タービン冷却蒸気流量信号ｂより小さい場合に出力信号をオンさせ、ＡＮＤ回路１０４に出力する。

ＡＮＤ回路１０４には、比較器１０３の出力信号の他に、一般的に他のロジックで計算される低圧加減弁ローディング許可指令信号ｄ（低圧加減弁２２の開弁許可指令）と、ＮＯＴ回路１０５を介して出力される高圧加減弁ローディング信号ｅ（高圧加減弁１７が開弁している指標）とが入力される。

ＡＮＤ回路１０４では、比較器１０３の出力信号と、低圧加減弁ローディング許可指令信号ｄと、ＮＯＴ回路１０５の出力信号とのＡＮＤ処理を行い、その出力が切替器１０６に出力される。

設定器１０７には、予め可変案内翼６の開度を増加させる際の変化率（正の値）が設定されている。設定器１０７の出力は、切替器１０６に正の変化率信号ｆとして出力される。

一方、設定器１０８には、予めゼロの値（現状値）が設定されており、このゼロの値が切替器１０６に出力される。切替器１０６では、ＡＮＤ回路１０４の出力がオンの場合は、設定器１０７からの正の変化率信号ｆを信号ｇとして出力し、出力がオフの場合は、設定器１０８からゼロの値が信号ｇとして、加算器１０９に出力される。

加算器１０９では、低値選択器１１４の出力信号である開度指令値信号ｍに切替器１０６からの信号ｇを加算して上限制限器１１０に出力される。この上限制限器１１０には、系統又は運用により決定される可変案内翼６の開度設定値に対する上限制限値が予め設定されている。具体的には、可変案内翼６の開度設定値に対する上限制限値は、ガスタービン１への吸込み空気流量が多くなり燃焼が停止することのない空気流量となる値である。上限制限器１１０は、この設定値信号と加算器１０９からの信号との比較を行い、小さい方が下限制限器１１１に出力される。

下限制限器１１１には、系統又は運用により決定される可変案内翼６の開度設定値に対する下限制限値が予め設定されている。具体的には、可変案内翼６の開度設定値に対する下限制限値は、低圧蒸気を発生させる低圧蒸気系でガスタービン１の排気ガスとの熱交換が可能な空気流量となる値である。

下限制限器１１１は、この設定値信号と上限制限器１１０からの信号との比較を行い、大きい方が変化率制限器１１２に出力される。この変化率制限器１１２には、可変案内翼６の開度設定値の変化率に対する、ガスタービン１などの機械的な制約(変化率)が予め設定されている。変化率制限器１１２は、下限制限器１１１からの信号に対して変化率の制限を行い、可変案内翼６に対する開度の設定値信号ｈが得られ、この設定値信号ｈが高値選択器１１３に出力される。

高値選択器１１３には、上記開度の設定値信号ｈの他に、一般的に他のロジックで計算されるＶＧＶ温度制御開度信号ｉと、ＶＧＶサージ保護下限開度信号ｊとが入力されている。具体的には、ＶＧＶ温度制御開度信号ｉは、ガスタービン１への吸込み空気の温度制御用の開度信号である。また、ＶＧＶサージ保護下限開度信号ｊは、圧縮機２にサージングを発生させない空気流量となる圧縮機２の異常振動防止用の開度信号である。

高値選択器１１３は、変化率制限器１１２からの設定値信号ｈとの比較を行い、最も大きい値が出力信号ｋとして低値選択器１１４に出力される。この低値選択器１１４には、一般的に他のロジックで計算されるＶＧＶ修正速度スケジュール開度信号ｌが入力されている。低値選択器１１４は、高値選択器１１３からの設定値信号ｋとの比較を行い、小さい値が可変案内翼６に対して開度指令値信号ｍとして出力される。

（制御装置の作用）
本実施形態の制御装置７０は、負荷遮断発生後の低圧加減弁２２が開弁して良い条件であって、高圧加減弁１７、高圧蒸気タービン３ａを介して低圧蒸気タービン３ｃに十分な冷却蒸気が供給されていない条件下で、低圧加減弁２２を通過する低圧蒸気流量が必要とされる低圧タービン冷却蒸気流量より少ない場合は、可変案内翼６の開度設定値を上昇させて、可変案内翼６の開度を制御する。

すなわち、本実施形態は、負荷遮断後の低圧加減弁２２の開弁時において、低圧タービン冷却蒸気流量が足りない場合、可変案内翼６の開度設定値を上昇させる。これにより、ガスタービン１の吸込み空気流量が増加し、燃料と空気の比率の関係からガスタービン１の排気ガス温度は低下し、排気ガス流量は増加する。

排気ガス温度が低下することで、高圧ドラム１３における飽和蒸気温度と排気ガス温度との温度差を小さくさせることにより、高圧蒸気を発生させる高圧蒸気系での排熱回収ボイラ７内でのガスタービン１の排気ガスとの熱交換量を低下させ、高圧ドラム１３からの発生蒸気量を低下させる。

また、排気ガス流量が増加することで、高圧蒸気系については、前記排気ガス温度の低下によって高圧ドラム１３における飽和蒸気温度と排気ガス温度との温度差が小さくなっているため、熱交換量は増加しないものの、低圧蒸気を発生させる低圧蒸気系に送られる排気ガス流量は、可変案内翼６の開度設定値を上昇させることで増加する。

この結果として、低圧蒸気系での熱交換量が増加するため、低圧ドラム１５より発生する低圧蒸気量を増加させることが可能となり、低圧蒸気タービン３ｃに供給される冷却蒸気量を確保することができ、低圧蒸気タービン３ｃの風損による過熱を防止することが可能となる。

（第１実施形態の効果）
このように本実施形態によれば、ガスタービン１の吸込み空気流量を調整する可変案内翼６の開度を変化させることで、二圧式の排熱回収ボイラ７の場合、使用しない高圧蒸気を減らし、低圧蒸気タービン３ｃの低圧蒸気を増加させるように熱平衡バランスを調整する制御を行う。そのため、別置きの蒸気源発生装置を設置することなく、またこの蒸気源発生装置に配管で接続することを不要とし、低圧タービン冷却蒸気流量を確保し、低圧蒸気タービン３ｃの風損による過熱を未然に防止することができる。

（第２実施形態）
（発電プラントの構成）
図４は本発明に係る一軸型複合サイクル発電プラントの第２実施形態を示す系統図である。図５は図４の可変案内翼の制御装置を示すブロック図である。なお、図４及び図５において、図１及び図２に示す第１実施形態と同一の構成要素には、それぞれ同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成及び作用のみを説明する。

前記第１実施形態が高圧及び低圧の二圧の蒸気システムで構成する一軸型複合サイクル発電プラントであるのに対し、図４に示す本実施形態は、高圧、中圧及び低圧の三圧の蒸気システムで構成する一軸型複合サイクル発電プラントである。

図４に示すように、本実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントにおいて、排熱回収ボイラ７は、高圧蒸気よりも低くかつ低圧蒸気よりも高い圧力の中圧蒸気を発生させる中圧ドラム１４と、この中圧ドラム１４に接続された中圧過熱器１１と、高温再熱蒸気を発生させる再熱器９をさらに備える。

また、本実施形態は、高圧蒸気タービン３ａからの排気蒸気を中圧蒸気と合流させて再熱器９に供給する低温再熱系統１８と、高圧蒸気タービン３ａ及び低圧蒸気タービン３ｃと同軸に配置され、かつ再熱器９から高温再熱蒸気管６１を経て供給される高温再熱蒸気により駆動される中圧蒸気タービン３ｂをさらに備える。そして、高温再熱蒸気管６１には、再熱加減弁２０と、この再熱加減弁２０の入口側の低圧蒸気圧力を検出する検出器５８が介装されている。

高温再熱蒸気管６１は、検出器５８の上流側で中圧タービンバイパス系８２が分岐され、この中圧タービンバイパス系８２に中圧タービンバイパス弁５１が介装されている。中圧タービンバイパス系８２は、前述した高圧タービンバイパス系８１及び低圧タービンバイパス系８３と同様に復水器３０に接続されている。

さらに、低圧タービン蒸気供給系統６２は、中圧蒸気タービン３ｂ内で仕事をして減圧された高温再熱蒸気と低圧蒸気とを合流させて低圧蒸気タービン３ｃの低圧タービン蒸気とするよう構成されている。

制御装置７１には、低圧蒸気流量を検出する検出器４０、及び低圧タービン排気圧力を検出する検出器５５のそれぞれの検出信号が入力される一方、制御装置７１からは、可変案内翼６の開度制御信号が出力される。

（制御装置の構成）
図５に示すように、本実施形態の制御装置７１は、高圧加減弁ローディング信号ｅ（高圧加減弁１７が開弁している指標）がＮＯＴ回路１０５を介してＡＮＤ回路１０４に入力されることに加えて、再熱加減弁ローディング信号ｎ（再熱加減弁２０が開弁している指標）がＮＯＴ回路２０５を介してＡＮＤ回路１０４に入力される。

（制御装置の作用）
本実施形態の制御装置７１は、負荷遮断発生後の低圧加減弁２２が開弁して良い条件であって、再熱加減弁２０、中圧蒸気タービン３ｂを介して低圧蒸気タービン３ｃに十分な冷却蒸気が供給されていない条件下で、低圧加減弁２２を通過する低圧蒸気流量が必要とされる低圧タービン冷却蒸気流量より少ない場合は、可変案内翼６の開度設定値を上昇させて、可変案内翼６の開度を制御する。

すなわち、本実施形態は、負荷遮断後の低圧加減弁２２の開弁時において、低圧タービン冷却蒸気流量が足りない場合、可変案内翼６の開度設定値を上昇させる。これにより、ガスタービン１の吸込み空気流量が増加し、ガスタービン１の排気ガス温度は低下し、排気ガス流量は増加する。

排気ガス温度が低下することで、高圧ドラム１３及び中圧ドラム１４における飽和蒸気温度と排気ガス温度との温度差を小さくさせることにより、高圧蒸気系及び中圧蒸気系での排熱回収ボイラ７内でのガスタービン1の排気ガスとの熱交換量を低下させ、高圧ドラム１３及び中圧ドラム１４からの発生蒸気量を低下させる。

また、排気ガス流量が増加することで、高圧蒸気系及び中圧蒸気系については、前記排気ガス温度の低下によって高圧ドラム１３及び中圧ドラム１４における飽和温度と排気ガス温度の温度差が小さくなっているため、熱交換量は増加しないものの、低圧蒸気系に送られる排気ガス流量は、可変案内翼６の開度設定値を上昇させることで増加する。

この結果として、低圧蒸気系での熱交換量を増加するため、低圧ドラム１５より発生する蒸気量を増加させることが可能となり、低圧蒸気タービン３ｃに供給される冷却蒸気量を確保することができ、低圧蒸気タービン３ｃの風損による過熱を防止することが可能となる。

（第２実施形態の効果）
このように本実施形態によれば、ガスタービン１の吸込み空気流量を調整する可変案内翼６の開度を変化させることで、三圧式の排熱回収ボイラ７の場合、使用しない高圧蒸気及び中圧蒸気を減らし、低圧蒸気タービン３ｃの蒸気として重要な低圧蒸気を増加させるように熱平衡バランスを調整する制御を行う。そのため、前記第１実施形態と同様に、別置きの蒸気源発生装置を設置することなく、またこの蒸気源発生装置に配管で接続することを不要とし、低圧タービン冷却蒸気流量を確保し、低圧蒸気タービン３ｃの風損による過熱を未然に防止することができる。

（第３実施形態）
図６は本発明に係る一軸型複合サイクル発電プラントの第３実施形態を示す系統図である。なお、第３実施形態は、図４及び図５に示す前記第２実施形態の変更例であって、図６において図４と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成及び作用のみを説明する。

図４に示す一軸型複合サイクル発電プラントでは、ガスタービン１はその高温部の冷却媒体として空気を使用する空気冷却方式であるのに対し、本実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントのガスタービン１は、その高温部の冷却媒体として蒸気を使用した蒸気冷却方式を採用している。

図６に示すように、本実施形態の一軸型複合サイクル発電プラントにおいて、低温再熱系統１８と再熱器９との間には、ガスタービン１の高温部を冷却するための冷却蒸気系統４５が設けられている。この冷却蒸気系統４５の蒸気は、図示しない蒸気往路配管によりガスタービン１に導かれ、その高温部を冷却した後、図示しない蒸気復路配管に導かれて冷却蒸気系統４５に戻るように構成されている。

また、圧縮機２の吐出空気圧力は、配管４６及び逆止弁４７を介して低温再熱系統１８に接続されている。

このように本実施形態によれば、低温再熱系統１８と再熱器９との間にガスタービン１の高温部を冷却するための冷却蒸気系統４５を設けたことにより、その高温部の冷却媒体として蒸気を使用したにもかかわらず、前記第２実施形態と同様の効果が得られる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第３実施形態では、前記第２実施形態に冷却蒸気系統４５を設けた例について説明したが、これに限らず前記第１実施形態に冷却蒸気系統４５を設けるようにしてもよい。

１…ガスタービン、２…圧縮機、３…蒸気タービン、４…発電機、５…燃焼器、６…可変案内翼、７…排熱回収ボイラ、９…再熱器、１０…高圧過熱器、１１…中圧過熱器、１２…低圧過熱器、１３…高圧ドラム、１４…中圧ドラム、１５…低圧ドラム、１６…高圧主蒸気管、１７…高圧加減弁、１８…低温再熱系統、２０…再熱加減弁、２１…低圧主蒸気管、２２…低圧加減弁、２４…補助蒸気供給管、２７…起動用ボイラ、２８…給水ポンプ、２９…循環水ポンプ、３０…復水器、３４…調節弁、３５…低圧蒸気アイソレーション弁、３８…回転数検出器、３９…検出器、４０…検出器、４１…検出器、４５…冷却蒸気系統、４６…配管、４７…逆止弁、５０…高圧タービンバイパス弁、５１…中圧タービンバイパス弁、５２…低圧タービンバイパス弁、５５…検出器、５６…検出器、５７…検出器、５８…検出器、６１…高温再熱蒸気管、７０…制御装置、７１…制御装置、８１…高圧タービンバイパス系、８２…中圧タービンバイパス系、８３…低圧タービンバイパス、１００…原動機部、１０１…設定器、１０２…関数発生器、１０３…比較器、１０４…ＡＮＤ回路、１０５…ＮＯＴ回路、１０６…切替器、１０７…設定器、１０８…設定器、１０９…加算器、１１０…上限制限器、１１１…下限制限器、１１２…変化率制限器、１１３…高値選択器、１１４…低値選択器、２０５…ＮＯＴ回路

Claims (6)

1. ガスタービンと同軸に配置して結合され、排熱回収ボイラの高圧ドラムからの高圧蒸気が高圧加減弁を介して供給されて駆動される高圧蒸気タービンと、
   前記高圧ドラムより低い圧力の低圧蒸気を発生させる低圧ドラムからの前記低圧蒸気が低圧加減弁を介して供給され、この低圧蒸気と前記高圧蒸気タービン内で仕事をした前記高圧蒸気とを合流させた蒸気を低圧タービン蒸気として供給する低圧タービン蒸気供給系統と、
   前記ガスタービン及び前記高圧蒸気タービンと同軸に配置して結合され、前記低圧タービン蒸気により駆動される低圧蒸気タービンと、
   前記ガスタービンの吸込み空気流量を調整する可変案内翼と、
   前記ガスタービンと同軸に配置して結合された発電機の負荷遮断後の無負荷定格速度運転時に、前記高圧加減弁を全閉する制御を行うとともに、前記可変案内翼の開度を前記低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする一軸型複合サイクル発電プラント。
2. ガスタービンと同軸に配置して結合され、排熱回収ボイラの高圧ドラムからの高圧蒸気が高圧加減弁を介して供給されて駆動される高圧蒸気タービンと、
   前記ガスタービン及び前記高圧蒸気タービンと同軸に配置して結合され、低圧蒸気により駆動される低圧蒸気タービンと、
   前記高圧蒸気よりも低くかつ低圧蒸気よりも高い圧力の中圧蒸気を発生させる中圧ドラムからの中圧蒸気を前記高圧蒸気タービンからの排気蒸気と合流させ、高温再熱蒸気を発生させる再熱器に供給する低温再熱系統と、
   前記高圧蒸気タービン及び前記低圧蒸気タービンと同軸に配置され、前記再熱器からの高温再熱蒸気が再熱加減弁を経由して供給されて駆動する中圧蒸気タービンと、
   前記中圧蒸気タービン内で仕事をして減圧された前記高温再熱蒸気と前記低圧蒸気とを合流させて前記低圧蒸気タービンを駆動する低圧タービン蒸気供給系統と、
   前記ガスタービンの吸込み空気流量を調整する可変案内翼と、
   前記ガスタービンと同軸に配置して結合された発電機の負荷遮断後の無負荷定格速度運転時に、前記高圧加減弁及び前記再熱加減弁を全閉する制御を行うとともに、前記可変案内翼の開度を前記低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする一軸型複合サイクル発電プラント。
3. 前記可変案内翼の開度の上限制限値は、前記ガスタービンへの吸込み空気流量が多くなり前記ガスタービンの燃焼が停止することのない空気流量となる値であって、前記開度の下限制限値は、前記低圧蒸気を発生させる低圧蒸気系でガスタービンの排気ガスとの熱交換が可能な空気流量となる値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の一軸型複合サイクル発電プラント。
4. 前記低温再熱系統には、前記ガスタービンの高温部を冷却する冷却蒸気系統が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の一軸型複合サイクル発電プラント。
5. ガスタービン、高圧蒸気タービン、低圧蒸気タービン及び発電機を同軸に配置して結合し、前記ガスタービンに燃焼ガスを送って駆動させ、その燃焼ガスの排気ガスを熱源として排熱回収ボイラにて高圧蒸気を発生させるとともに、前記高圧蒸気より低い圧力の低圧蒸気を発生させ、その高圧蒸気を高圧加減弁を介して供給して前記高圧蒸気タービンで仕事をし、前記低圧蒸気を低圧加減弁を介して供給して前記低圧蒸気タービンで仕事をさせる一軸型複合サイクル発電プラントの運転方法において、
   前記発電機の負荷遮断後の無負荷定格速度運転時に、前記高圧加減弁を全閉する制御を行う全閉制御ステップと、
   前記ガスタービンの吸込み空気流量を調整する可変案内翼の開度を前記低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する開度制御ステップと、
   を有することを特徴とする一軸型複合サイクル発電プラントの運転方法。
6. ガスタービン、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、低圧蒸気タービン及び発電機を同軸に配置して結合し、前記ガスタービンに燃焼ガスを送って駆動させ、その燃焼ガスの排気ガスを熱源として排熱回収ボイラにて高圧蒸気を発生させるとともに、前記高圧蒸気より低い圧力の中圧蒸気、この中圧蒸気より低い圧力の低圧蒸気をそれぞれ発生させ、その中圧蒸気を前記高圧蒸気タービンからの排気蒸気と合流させ、高温再熱蒸気を発生させる再熱器に供給し、再熱加減弁を経由して前記中圧蒸気タービン内で仕事をして減圧された前記高温再熱蒸気と前記低圧蒸気とを合流させて前記低圧蒸気タービンで仕事をさせる一軸型複合サイクル発電プラントの運転方法において、
   前記発電機の負荷遮断後の無負荷定格速度運転時に、前記高圧加減弁及び前記再熱加減弁を全閉する制御を行う全閉制御ステップと、
   前記ガスタービンの吸込み空気流量を調整する可変案内翼の開度を前記低圧蒸気の発生流量が増加するように制御する開度制御ステップと、
   を有することを特徴とする一軸型複合サイクル発電プラントの運転方法。

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