JP2531801B2 - 排熱回収熱交換器の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービンと蒸気タービンとを組合わせ
たコンバインドサイクルプラントにおける排熱回収熱交
換器の制御装置に関する。

（従来の技術） 最近、高効率発電の一環として、ガスタービンで発電
を行なうとともに、ガスタービンから排出された排出ガ
ス中の熱を排熱回収熱交換器で回収し、同ボイラで発生
した蒸気により蒸気タービンを駆動させるコンバインド
サイクルプラントが注目されている。

第５図は、上記コンバインドサイクルプラントの系統
の概略構成を示す図であり、ガスタービン１には発電機
２および蒸気タービン３が連結されており、上記ガスタ
ービン１で仕事を行なった排ガスが排熱回収熱交換器４
に供給され、そこで発生した蒸気が蒸気タービン３に導
入され、排ガス中の排熱が最大限に回収されるようにし
てある。

上記排熱回収熱交換器４内には、ガスタービン１から
排出される排ガスの流れ方向の上流側から過熱器５、高
圧蒸発器６、高圧節炭器７、低圧蒸発器８および低圧節
炭器９が配設されており、復水器11で復水された復水が
給水ポンプ12によって上記低圧節炭器９に供給される。
そして、上記低圧節炭器９を経た給水が低圧ドラム13に
送給され、その低圧ドラム13に接続された低圧蒸発器９
で加熱され、そこで発生した蒸気が低圧ドラム13を経て
図示しない低圧蒸気タービンに供給される。

上記低圧節炭器９の出口部から分岐された分岐導管14
には高圧給水ポンプ15が設けられており、その高圧給水
ポンプ15で加圧された給水が高圧節炭器７に供給され、
さらに高圧ドラム16を介して高圧蒸発器６に送られる。
そして、上記高圧蒸発器６で発生した蒸気が、上記高圧
ドラム16を経て過熱器５に送給され、その後蒸気タービ
ン３に送給される。

ところが、このようなプラントにおいては、起動時及
び低負荷域において、当該ボイラ流入ガス温度が低いた
めに比較的低温の伝熱管群部、すなわち低圧節炭器９お
よび高圧節炭器７内が減圧し、そこで蒸発現象が生ずる
という特性がある。しかしてこのように節炭器内に気水
の混合流体が発生すると、制御系が不安定となり運転継
続が困難となったり、またウォーターハンマーが生じ機
器損傷などの種々な不都合が発生することがある等の問
題がある。

そこで、従来の火力ボイラと異なり低圧節炭器９およ
び高圧節炭器７の出口側に給水流量調節弁17,18をそれ
ぞれ設け、各給水ポンプ12,15の吐出圧力で各節炭器9,7
の内部流体圧力を保持し、その流体温度を該圧力におけ
る飽和温度以下の温度に維持して、当該部での蒸発を防
止するようにしてある。また、夜間のプラント停止時に
は、圧力降下に基づく上記節炭器９、および７における
自己蒸発防止を目的として低圧蒸発器再循環ライン19,
および高圧蒸発器再循環ライン20を利用して、気水混合
物に起因する弊害を防止するようにしてある。

ところが、このような装置においては、起動時は蒸発
器再循環ライン19,20を閉、給水ポンプ12,15を起動、高
低圧の各ドラム13,16のドラムレベル制御が可能となっ
た時点でガスタービン１からの排ガスを導入するが、蒸
発器6,8内の缶水は昇温により膨張し、ドラム水位が上
昇傾向となる。このため流量調節弁17,18は、起動初期
の10〜30分間閉動作を継続するよう制御されている。し
かして、節炭器7,9系内の水は、密閉された管内で加温
され、流体容積が５〜６％増加する。そのため節炭器の
容量にもよるが、通常各節炭器系でほぼ1m³膨張する。

そこで、この節炭器内の流体の異常昇圧を防止するた
め、上記膨張した水は高圧給水ポンプのミニマムフロー
ライン21および低圧給水ポンプのミニマムフローライン
22を介して復水器11にブローすることが提案されている
（特開昭61-213401号）。

ところが、第５図に示されている系統により排熱回収
熱交換器を起動運転しようとすると、高圧給水ポンプの
ミニマムフローライン21が高圧給水ポンプから低圧節炭
器９の入口に接続されておりダンプタンクに接続されて
いないので、ミニマムフローの循環をしている間に徐々
に流体の温度が上昇し、また低圧節炭器９では排ガスの
熱吸収が行なわれるので、この２つの効果によりミニマ
ムフロー運転中に低圧節炭器９の流体温度がその圧力に
おける飽和温度を越えてしまい、発生した蒸気泡により
高圧給水ポンプ15が損傷してしまう等の問題が生じる。

この問題を解決するためには、第６図に示されている
ように、各節炭器7,9の出口を復水器11に接続する節炭
器再循環ライン23,24を設け、この両節炭器再循環ライ
ン23,24にそれぞれ設けられた節炭器再循環弁25,26をド
ラム圧力の飽和温度で制御したり、或は缶水温度で制御
して節炭器出口給水温度が上昇しすぎてスチーミングが
発生しないようにブローを行なう方法が行なわれている
（特開昭53-8401号公報、特公昭63-26801号公報参
照）。

このような節炭器出口給水温度の調整を行なう場合、
制御の安定性、動作の確実さを確保するため、節炭器出
口での温度設定値は、節炭器出口でのスチーミング開始
温度より或偏差分だけ低い値にセットされ、かつ弁の開
閉動作が頻繁に行なわれるのを防止するためにヒステリ
シスを持つ制御装置が組み合わされている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、このような装置においては、プラントの停
止、ホットバンキング中はドラム内の缶水は飽和温度で
節炭器内はドラム缶水より若干低い温度となっている。
そこで給水ポンプを起動してミニマムフロー運転を開始
すると、節炭器出口温度が徐々に上昇し、節炭器再循環
ラインの節炭器再循環弁25,26の温度設定値に達し、上
記節炭器再循環弁が開らかれ復水器へのブローが始ま
る。

一方、ガスタービンが起動され圧力が上昇していく過
程では、ドラムの缶水温度はドラムの圧力における飽和
温度より低温であり、蒸発器出口のガス温度はこの低温
である缶水温度とほぼ同じ温度になるので、節炭器入口
のガス温度もドラムの缶水温度とほぼ同じ温度になる。

しかして、節炭器出口の給水温度は、この節炭器入口
ガス温度よりほんの少しだけ低い温度になるが、この温
度差は小さく実質的には缶水温度と節炭器出口給水温度
はほぼ等しく、ブローしなくともスチーミングが発生す
ることはない。

ところが、節炭器再循環ラインの節炭器再循環弁の制
御は、飽和温度より温度偏差ΔＴ通常６℃程度低い温度
で開くようにしてあるため、節炭器出口温度がスチーミ
ング温度に達していなくとも、上記節炭器再循環ライン
の節炭器再循環弁25,26が開らいてしまい、高圧、低圧
節炭器内の水が復水器へブローされる等の問題がある。

すなわち、上記ブローによって高圧節炭器で吸熱され
た熱量が復水器にすてられ、起動ロスが多くなるととも
に、低圧蒸発器８に流入するガスの温度が上昇せず、複
圧式ボイラにおいては高圧ボイラが所定の運転圧力に上
昇しても、低圧ボイラが所定の運転圧力に上昇せず、高
圧ボイラの蒸気をバイパスさせながら低圧ボイラの圧力
上昇を待たねばならない（第７図）。しかして、高圧蒸
気のバイパス分だけ起動ロスが増加し、起動時間が長く
なり、負荷追従性のよいコンバインドサイクルプラント
の特徴がなくなってしまうという問題がある。

本発明はこのような点に鑑み、複圧式排熱回収熱交換
器の起動時間、起動ロスの低減を図ることができるよう
にした排熱回収熱交換器の制御装置を得ることを目的と
する。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、ガスタービンから排出される排ガス中にそ
れぞれ圧力が異なる複数の蒸発器および節炭器を配設す
るとともに、各節炭器の出口を各蒸発器に設けられた蒸
気ドラムに接続し、低圧節炭器出口からそれぞれ分岐し
た配管に他の節炭器に給水する給水ポンプを配設し、各
給水ポンプの出口側と復水器とをミニマムフローライン
により接続し、各節炭器の出口をそれぞれ節炭器再循環
弁を有する節炭器再循環ラインを介して復水器に接続
し、さらに、上記節炭器再循環弁の制御回路に、ボイラ
起動時には節炭器再循環弁に全閉制御信号を出力すると
ともに、通常運転時には、節炭器再循環弁制御信号をド
ラム圧に対応する飽和温度より所定設定温度だけ低い温
度設定信号と節炭器出口温度との偏差信号からなる制御
信号に切換える切換装置を設けたことを特徴とする。

（作用） ボイラ起動時には節炭器再循環弁が全閉状態に維持さ
れており、ボイラが通常運転状態になるまでは、節炭器
再循環弁は開らかれることがなく、スチーミング温度に
達していない給水が復水器にブローされることが確実に
防止される。したがって、高圧節炭器で吸熱された熱量
が復水器に捨てられることがなく、起動ロスが減少され
る。

（実施例） 以下、第１図乃至第４図を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。

第２図は本発明にかかるコンバインドサイクルプラン
トの概略構成を示す図であり、排熱回収熱交換器４内に
は、排ガスの流れ方向の上流側から過熱器５、高圧蒸発
器６、高圧節炭器７、中圧蒸発器31、中圧節炭器32、低
圧蒸発器８および低圧節炭器９が配設されており、復水
器11で復水された復水が給水ポンプ12によって上記低圧
節炭器９に供給される。そして、低圧節炭器９を経た給
水が低圧ドラム13に送給され、その低圧ドラム13に接続
された低圧蒸発器８で加熱され、そこで発生した蒸気が
低圧ドラム13を経て図示しない低圧蒸気タービンに供給
される。

上記低圧節炭器９の出口部から分岐された分岐導管14
は、さらに２つの導管33、34に分岐され、各導管33、34
に設けられた中圧給水ポンプ35、高圧給水ポンプ15で加
熱された給水が、それぞれ中圧節炭器32、高圧節炭器７
に供給され、さらにそれぞれ中圧ドラム36、高圧ドラム
16を介して中圧蒸発器31、高圧蒸発器６に送られる。そ
して、中圧蒸発器31で発生した蒸気が中圧ドラム36を介
して図示しない中圧蒸気タービンへ、また高圧蒸発器６
で発生した蒸気が高圧ドラム16を経、さらに過熱器５で
過熱され高圧タービンに送られる。

なお、図中符号37は中圧節炭器32の出口を中圧ドラム
36に接続する導管に設けられた流量調節弁である。

ところで、高圧節炭器７、中圧節炭器32および低圧節
炭器９の各出口部からは、それぞれ復水器11に接続され
た節炭器再循環ライン23,38,24が分岐導出されており、
各節炭器再循環ライン23,38,24には節炭器再循環弁25,2
9,26が設けられている。

一方、低圧給水ポンプ12、中圧給水ポンプ35、および
高圧給水ポンプ15の出口部にはそれぞれミニマムフロー
ライン22,40,41が接続されており、各ミニマムフローラ
インの先端は復水器11に接続されている。

ところで、第１図は節炭器再循環弁25,39,26の制御系
統図であって、各ドラム16,36,13にはそれぞれ圧力検出
器42が設けられており、その圧力検出器42から検出され
た圧力信号が所定値以上になるとその信号がAND回路43
に入力される。一方、ガスタービン１には回転数検出器
44が設けられており、そのガスタービン回転数が所定値
以上になると、その信号が前記AND回路43に入力され
る。しかして、ドラム圧が所定値以上となり、かつガス
タービンの回転数が所定値以上になると、AND回路43か
らの出力信号によって切換器45が作動され、起動時温度
偏差設定信号例えば０℃から通常運転時温度偏差設定信
号例えば６℃に切換られ、その温度偏差設定信号が増幅
器46を介して減算器47に入力される。

一方、前記ドラムの圧力信号は関数発生器48にも入力
されており、その関数発生器48では当該圧力に対応する
飽和温度が算出され、その飽和温度信号が前記減算器47
に入力される。そして、この減算器47で上記関数発生器
48から出力された飽和温度信号から、増幅器46から出力
された温度偏差設定信号が減算され、その偏差信号が温
度設定信号として比較器49に入力される。

上記比較器49には節炭器出口温度検出器50からの実温
度信号も入力されており、そこでこの実温度信号と上記
温度設定信号とが比較され、その偏差信号が比例積分器
51を介して作動装置52に加えられ、節炭器再循環弁25,3
9,26の開度が制御される。

しかして、プラントの起動に際しては、給水ポンプを
低圧給水ポンプ12、中圧給水ポンプ35、高圧給水ポンプ
15の順に起動させ、各ポンプをミニマムフローライン2
2,40,41を使用してミニマムフロー運転する。

そこで、ガスタービンが起動されると、高、中、低圧
の各ドラムの圧力が上昇し始める。

ところで、この場合、ドラム圧が所定値以下でありま
たガスタービンの回転数も所定値以下であるため、AND
回路43からは出力信号が０であり、切換器45からは起動
時温度偏差設定信号例えば０℃が出力される。したがっ
て、減算器47からは関数発生器48から出力された飽和温
度信号が出力され、比較器49では節炭器出口の実温度信
号が上記飽和温度信号と比較される。そのため、節炭器
出口の実温度が飽和温度に達するまでは節炭器再循環弁
は全閉状態に保持されている。しかして、節炭器内の流
体温度の上昇はガス温度と殆ど同じとなるが、ガス温度
は缶水の温度とほぼ等しく、節炭器内の給水にはポンプ
の締切り圧近い圧力が加わっているのでスチーミングは
発生しない。

そして、この場合、高圧節炭器７および中圧節炭器32
内では給水の流れがないので、低圧蒸発器８のガス上流
側では高圧蒸発器６および中圧蒸発器31以外に吸熱する
ものがなくなり、蒸発器とドラムの圧力は急速に上昇す
る。これとともにガスの温度も上昇するので、節炭器内
にとじ込められた給水が熱膨張をおこすが、この熱膨張
による体積増加分の給水はポンプのミニマムフローライ
ンを経て復水器に排出され、節炭器内に過大な圧力が発
生するようなことはない。

このようにして、ドラム圧が所定値に達するとともに
ガスタービンの回転数に達すると、切換器45が作動し、
温度偏差設定信号が起動時温度偏差設定信号から通常運
転時温度偏差設定信号例えば６℃に切換えられる。した
がって、比較器49には当該圧力における飽和温度より６
℃だけ低い温度信号が設定信号として入力され、節炭器
出口温度が上記飽和温度より６℃だけ低い温度になると
節炭器再循環弁が開方向に制御され、節炭器再循環弁2
5,39,26が節炭器出口の温度により制御されるようにな
る（第３図）。

このようにして、起動時において節炭器での吸熱によ
る熱の排出をおさえたままドラム圧を規定値まで上昇さ
せることができ、圧力の上昇を速くして起動時間の短縮
を図ることができる。

第４図は本発明の他の実施例を示す図であり、関数発
生器48から出力された飽和温度信号から温度偏差設定器
53からの設定信号が減算器54で減算され、飽和温度より
設定値だけ低い設定温度信号が比較器49に入力される。
上記比較器49には節炭器出口温度信号も入力されてお
り、そこで両者の偏差信号がゲート回路55に入力される
ようにしてある。上記ゲート回路55は、AND回路43を介
して、ドラム圧が所定値以上でありかつガスタービンの
回転数が所定値以上になったときに制御信号がゲート回
路55に入力され、そのゲートが開かれ、比較器49からの
制御信号が比例積分器51を介して作動装置52に加えら
れ、節炭器再循環弁25,39,26が開方向に制御される。

しかして、この場合起動時においては比較器49からの
制御信号は節炭器再循環弁に加えられず、節炭器再循環
弁は全閉状態に保持されている。そこで、ガスタービン
が完全に起動されドラム圧が所定値に達した通常運転時
になると、ゲート回路55が開かれ、比較器49からの偏差
信号が制御信号として作動装置に加えられ、節炭器再循
環弁が節炭器出口温度による制御に切換えられる。

したがって、この実施例においても第一実施例と同様
な作用を行なう。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては排熱回収熱交
換器の起動時に節炭器再循環弁の制御温度設定値が通常
運転時のそれより高温になるように切換可能としたの
で、起動時に節炭器再循環弁が早くから開らくことがな
く、節炭器での吸熱による熱量の排出がなくなり、ドラ
ム圧力の上昇に寄与する蒸発器のみで熱吸収が行なわれ
ることとなり、ドラム圧の上昇を早くし起動時間の短
縮、起動ロスの低減を図ることができる等の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における節炭器再循環弁の制御系統図、
第２図は本発明におけるコンバインドサイクルプラント
の概略系統図、第３図は起動状態説明図、第４図は本発
明の他の実施例における節炭器再循環弁の制御系統図、
第５図、第６図はそれぞれ従来のコンバインドサイクル
プラントの系統図、第７図は従来の排熱回収熱交換器の
起動曲線を示す図である。 １……ガスタービン、３……蒸気タービン、４……排熱
回収熱交換器、５……過熱器、６……高圧蒸発器、７…
…高圧節炭器、８……低圧蒸発器、９……低圧節炭器、
12……低圧給水ポンプ、13……低圧ドラム、15……高圧
給水ポンプ、16……高圧ドラム、25,26,39……節炭器再
循環弁、31……中圧蒸発器、32……中圧節炭器、35……
中圧給水ポンプ、45……切換器、47……減算器、48……
関数発生器、49……比較器、52……作動装置。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンから排出される排ガス中にそ
   れぞれ圧力が異なる複数の蒸発器および節炭器を配設す
   るとともに、各節炭器の出口を流量調節弁を介して各蒸
   発器に設けられた蒸気ドラムに接続し、低圧節炭器出口
   からそれぞれ分岐した配管に他の節炭器に給水する給水
   ポンプを配設し、各給水ポンプの出口側と復水器とをミ
   ニマムフローラインにより接続し、さらに、節炭器再循
   環弁の制御回路に、ボイラ起動時には節炭器再循環弁に
   全閉制御信号を出力するとともに、通常運転時には、節
   炭器再循環弁制御信号をドラム圧に対応する飽和温度よ
   り所定設定温度だけ低い温度設定信号と節炭器出口温度
   との偏差信号からなる制御信号に切換える切換装置を設
   けたことを特徴とする、排熱回収熱交換器の制御装置。