JP3559574B2 - 一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は火力発電プラント、特に一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動は、蒸気タービンの最終段翼部での発熱・温度上昇を避けるため、軸系の回転数を軸系の定格回転数以下の回転数に保持して運転し、この運転状態で得られるガスタービン排気を利用して排熱回収ボイラの暖機を行い、所定の発生蒸気を確保した上で、これを冷却蒸気として蒸気タービンに通気した後に軸系の回転数を定格回転数にまで上昇させる起動方法を採用している。ただ、蒸気タービンのグランドシール蒸気については、補助蒸気を使用している場合もある。
【０００３】
しかし、最近のガスタービンは、入口ガス温度の高温化を含む大容量化の傾向にあり、これに伴う排熱回収ボイラおよび蒸気タービンも大容量化の影響もあって、一軸型コンバインドサイクル発電設備も大容量化している。この傾向は、排熱回収ボイラおよび蒸気タービンの大形化であり、蒸気系の耐圧厚肉部の増加につながる。そして、この現象は軸の急速起動性を阻害する要因の増加を意味する。一方、ガスタービンの排気温度の上昇および排気ガス量の増加と運転方法との関係から主蒸気および再熱蒸気温度の上昇率増加にも影響を及ぼす。
【０００４】
一般に、コンバインドサイクル発電設備は、起動時間の短さと高熱効率であることの二大特徴を有する。特に、一軸型コンバインドサイクル発電設備では、急速起動性を低下させる要因を軸系自体に含んでおり、これらの特徴を一つでも損なわない起動方法を採用することが望ましい。
【０００５】
ところで、最近の一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法は、次のような手順で行われる。すなわち、
（１）軸のターニング、（２）蒸気タービンのグランドシール、（３）復水器真空上昇、（４）軸起動、（５）回転上昇・パージ運転、（６）回転下降・点火、（７）回転上昇・無負荷定格回転数運転、（８）排熱回収ボイラ暖機運転、（９）併入・初負荷運転、（１０）負荷上昇、（１１）定格負荷運転。
【０００６】
上記した起動手順と従来のガスタービン入口ガス温度が１１００℃級ガスタービンを採用したコンバインドサイクル発電設備との起動手順の差異は、（７），（８）の起動手順部分である。すなわち、従来の１１００℃級コンバインドサイクル発電設備の場合は、排熱回収ボイラの暖機と蒸気タービン最終段翼の冷却蒸気の確保を目的として、蒸気タービン最終段翼の発熱除去の不必要である軸回転数を定格回転数の５０％程度で保持した運転を行い、排熱回収ボイラの蒸気の発生を俟って、回転上昇し定格回転数への上昇・同期・負荷上昇を一般的運転手順としている。
【０００７】
一方、１３００℃級ガスタービン採用のコンバインドサイクル発電設備の起動方法は、１１００℃級ガスタービンを採用した場合と異なり、先に述べた（１）〜（１１）の起動手順を採用しているのが一般的である。
【０００８】
このような起動方法を採用した場合、無負荷定格回転数で排熱回収ボイラの暖機運転を行うため、ガスタービンの排気ガス量が最も少ない状態での排気ガス温度が４００〜４４０℃に達するため発生蒸気の温度は、高圧主蒸気で３８０〜４２０℃程度になる。また、蒸気タービンに通気を開始した時点での再熱蒸気温度も主蒸気温度と同程度となる。これらの蒸気温度は、大気温度やガスタービンの機種によって違いがある。起動時に発生する蒸気温度は、ほぼ一定の温度であるのに対して、排熱回収ボイラや蒸気タービンの金属部温度および保有水の温度は、停止からの経過時間や大気温度の影響を受けて千差万別である。金属部温度と蒸気温度の差は、熱伝達に影響を及ぼす大きい因子であり、温度差が大きくなれば発生する熱応力も大きくなる。
【０００９】
したがって、発電設備の起動・停止時においては金属部の肉厚および材料の熱伝導率によって定まる各部の金属温度と蒸気温度の差および蒸気の温度変化率に許容限界が生じ、起動停止の繰り返しで発生する熱応力のサイクルによる金属疲労の限界を考慮した起動停止方法が必要となる。
【００１０】
また、通気時の金属温度と蒸気温度の差の制御は、蒸気温度が高い場合についてのみ制御可能領域があり、逆の場合には制御できないのが通例である。制御可能な場合でも限界があるのが現実である。一軸型コンバインドサイクル発電設備の場合は、常に自軸の発生蒸気が確保された状態で起動できるわけではないため、補助蒸気による蒸気系の暖機を採用しているのが現状である。
【００１１】
次に、補助蒸気を使用した蒸気タービンの暖機によるコンバインドサイクル発電設備の起動方法を図７および図８について説明する。
図７は従来技術におけるコンバインドサイクル発電設備の構成図であり、図８は図７の排熱回収ボイラの高圧及び再熱蒸気部分の詳細な構成図である。
【００１２】
同図において、ガスタービン１と蒸気タービン２と発電機３が、一軸に結合されている。ガスタービン１の排気ガスの保有熱を回収する排熱回収ボイラは、第１，第２高圧過熱器９，１０、第１，第２再熱器１３，１４、高圧蒸発器２５、高圧ドラム８、高圧節炭器２８、中圧過熱器７、中圧ドラム６、中圧蒸発器（図示せず）、中圧節炭器（図示せず）、低圧過熱器５、低圧ドラム４、低圧炭節器（図示せず）の主要要素で構成されている。これらの他に、各ドラムに給水を送るためのポンプ（高圧給水ポンプ２９、その他のポンプは図示せず）や配管類が設置される。また、第１高圧過熱器９と第２高圧過熱器１０の中間に高圧主蒸気温度調節用減温器１２を設置し、第１再熱器１３と第２再熱器１４の間に再熱蒸気減温器１５を設置し、高圧主蒸気よび再熱蒸気の温度をスプレー水量により調節する。
【００１３】
一方、補助蒸気系統は系列補助蒸気母管２０および各軸補助蒸気母管１９を設けている。系列補助蒸気母管２０には各軸の低温再熱蒸気管１６から分岐して補助蒸気を供給できるように構成されており、また各軸補助蒸気母管１９への補助蒸気の供給は系列補助蒸気母管２０から圧力調節弁を介して供給するように構成されている。なお、各軸への補助蒸気の供給は、各軸補助蒸気母管１９から目的に応じて分岐し止め弁を介して供給する系統構成としてある。図７の場合、蒸気タービンの暖機は、ウォーミング・ロール用蒸気管１７の止め弁を開として、高圧タービンの入口（高圧蒸気加減弁）の二次側に供給する。
【００１４】
また、大気を吸入し圧縮した後、燃料と混合燃焼して高圧高温のガスとし、動力を発生したガスタービン１の排気ガスを導入し、排熱回収ボイラ熱回収を行った後、排気ガスを煙突（図示せず）を介して大気に放出する。さらに、低圧節炭器（図示せず）で予熱され低圧ドラム４に供給し、低圧蒸発器（図示せず）で熱吸収し、低圧ドラム４で気水分離された蒸気は、低圧過熱器５で加熱され過熱蒸気となって蒸気タービン２の中圧部の排気と合流させ低圧部に導入して動力を発生させる。
【００１５】
一方、低圧節炭器（図示せず）の出口から分岐して、中圧給水ポンプ（図示せず）を介して中圧節炭器（図示せず）で予熱され、中圧ドラム６に供給され中圧蒸発器（図示せず）で熱吸収し、中圧ドラム６で気水分離された蒸気は、中圧過熱器７で加熱され過熱蒸気となって蒸気タービン２の高圧の排気である低温再熱蒸気と合流させ第１再熱器１３および第２再熱器１４で再加熱される。
【００１６】
蒸気タービンの高圧排気は、低温再熱蒸気管１６で第１再熱器１３に接続するが、第１再熱器１３に導入される前に中圧過熱器７の出口蒸気を低温再熱蒸気管１６に合流させる。この蒸気は第１，第２再熱器１３，１４で加熱され、再熱蒸気温度調節用減温器１５にて再熱器出口蒸気温度を制御した後、高温再熱蒸気として蒸気タービン２の中圧部に導入して動力を回収する。
【００１７】
また、低圧節炭器（図示せず）の出口から分岐して、高圧給水ポンプ２９および高圧給水管３０を介して高圧節炭器２８で予熱され、高圧連絡管２７と高圧給水調節弁２６を介して高圧ドラム８に供給し、高圧蒸発器２５で熱吸収し、高圧ドラム８で気水分離した蒸気は、第１高圧過熱器９および第２高圧過熱器１０で加熱され、高圧主蒸気温度調節用減温器１２による温度調節を行った後、蒸気タービン２の高圧部に導入し動力を発生させる。ガスタービン１および蒸気タービン２で発生した動力は、発電機３で電気エネルギーに変換される。なお、１１は高圧主蒸気管、１８はグランドシール補助蒸気管、２１は減温水供給管、２２は高圧主蒸気減温水供給管、２３は高圧主蒸気温度調節スプレー弁、２４は再熱蒸気温度調節弁、３１は高圧蒸気連絡管である。
【００１８】
一方、蒸気タービンの高圧排気である低温再熱蒸気管１６の中圧過熱器出口管の合流前から分岐して補助蒸気を系列補助蒸気母管２０に供給する。コンバインドサイクル発電設備が複数軸から構成されている場合は、各軸の低温再熱蒸気管１６から分岐した補助蒸気管を介して系列補助蒸気母管２０に補助蒸気を供給する。各軸への補助蒸気は、系列補助蒸気母管２０を通し各軸補助蒸気母管１９を介して供給する。
【００１９】
現状のコンバインドサイクル発電設備においては、主蒸気と再熱蒸気について、一定の温度以上に蒸気温度が上昇しないように過熱器や再熱器を分割し、第１と第２の過熱器９，１０や再熱器１３，１４の中間部分に高圧主蒸気温度調節用減温器１２および再熱蒸気減温器１５を設置し、水をスプレーすることによる蒸気温度を制御するように構成されている。
【００２０】
図９は従来のコンバインドサイクル発電設備の蒸気温度調節用のスプレー水量の制御方法の一例を示した図であり、同図において、３５は第２過熱器入口蒸気下限値関数発生器、３６は高圧主蒸気温度調節スプレー弁開度演算器、３７は主蒸気温度調節器、３８は低値優先回路である。この制御方法はスプレー部分の蒸気圧力の飽和温度以下にならないように制限を考慮したものである。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような起動方法を採用した場合は、補助蒸気を供給できる軸が存在するか補助蒸気供給設備を確保しておかなければならない。系列内の軸から補助蒸気を供給している間は、補助蒸気供給軸の軸出力および系列出力が低下する欠点がある。また、蒸気タービンの暖機用蒸気は、主蒸気止め弁・蒸気加減弁の二次側へ接続し、主蒸気止め弁・蒸気加減弁が閉状態のまま蒸気タービンに暖機用蒸気が供給でき、しかも単独で蒸気の供給停止ができる系統構成と主蒸気止め弁の開閉操作が自動的に行えるようにするための制御装置が必要である。
【００２２】
補助蒸気は、定格負荷運転中の他軸の低温再熱蒸気管から供給する計画であり、この時の蒸気温度は３５０℃程度である。つまり、補助蒸気を使用した起動方法のメリットは、軸起動前からでも蒸気タービンの暖機が可能であり、排熱回収ボイラの暖機完了時点で蒸気温度と金属温度の差を許容限界以内に到達させることが可能となる。しかし、系統構成上の観点からは、設計圧力の大幅に異なる系統（例えば高圧主蒸気管１１と各軸補助蒸気母管１９）を接続しなければならならず、系統設計上の複雑さや蒸気の供給停止を行うための独立した開閉装置（弁）とその制御装置を必要とすることになり、設備や運転方法が複雑になりその効果も大きいとは言えない。
【００２３】
排熱回収型コンバインドサイクルの場合は、図７および図８に示すようにガスタービンの排気ガスとの熱交換のみで主蒸気温度および再熱蒸気温度が定まってしまう。ガスタービンが無負荷定格回転数で運転を継続している場合、ガスタービンの排気ガス温度とその流量は、大気温度の影響を受けて変化する。したがって、排熱回収ボイラの暖機完了時点の主蒸気温度は積極的に操作しない限りガスタービンの排気ガス温度で定まる。このことは、蒸気タービンが排熱回収ボイラの暖機完了時点でどのような状態にあっても、ほぼ一定温度の蒸気が供給されることになる。
【００２４】
しかし、蒸気タービンは、停止からの経過時間および周囲条件によって冷却速度が異なり、排熱回収ボイラ暖機完了時点での、ケーシングやロータ温度は千差万別である。ただし、蒸気タービンの高圧ケーシングやロータは冷機状態からの起動であっても回転上昇開始までに、グランドシール蒸気により、一般的に１５０〜１６０℃程度にまでは暖機される。従って、グランドシール蒸気温度が低い場合でも、金属部温度は脆性破壊の発生限界である遷移温度以上の金属温度に十分到達する。
【００２５】
例えば蒸気タービンへの通気開始時の主蒸気圧力を４０ａｔａ程度とし、蒸気タービン第１段シェル蒸気温度とロータ表面温度の差であるミスマッチ温度の許容値を最高で１００℃程度とすると、蒸気タービン入口での主蒸気温度の最低値の許容値は、３００〜３２０℃程度となる。さて、排熱回収ボイラ暖機完了時点での主蒸気温度は、主蒸気温度調節用減温器を使用し積極的に操作しない限り許容ミスマッチ温度以内の温度差を得る主蒸気温度とすることは、排熱回収ボイラの構造および特性上不可能である。更に、水を蒸気中にスプレーして蒸気温度を制御する方法では、スプレー点の蒸気圧力の飽和蒸気温度にまで蒸気温度を減温できないため、所定の蒸気温度が得られない運転の存在が推定される。
【００２６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は複雑な系統構成や単独で蒸気の供給停止を制御するための制御装置を必要とせず、かつ、軸の起動時に系列出力の低下を伴わない軸の起動方法を提供することであり、またガスタービンの運転方法の影響を受けないように蒸気温度を直接調整することにより蒸気系の厚肉金属部に発生する熱応力を最小限にする一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１は、ガスタービン、蒸気タービンおよび発電機の回転軸を１本に結合し、ガスタービンの排気エネルギーを排熱回収ボイラで蒸気に変換し、蒸気タービンに導入し電力として回収する一軸型コンバインドサイクル発電設備であって、前記排熱回収ボイラの第１高圧過熱器出口と第２高圧過熱器入口とを結ぶ配管に高圧主蒸気温度調節用減温器を設けるとともに、定格無負荷回転もしくは初負荷運転を継続しながら起動前の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して定めた主蒸気温度設定値と主蒸気温度上昇率を使用し、主蒸気温度設定値を上昇させて主蒸気温度を設定値に制御し、蒸気タービンに供給することにより蒸気タービンを暖機し、主蒸気温度設定値が起動時最高主蒸気温度に到達し、かつ、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度と主蒸気温度との差が、ある設定された許容値以内の状態に達した時点を蒸気タービンの暖機完了時点とし、この状態到達以後の操作制限を起動前の蒸気タービンの状態に無関係に設定できるようにした一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法において、前記排熱回収ボイラの高圧ドラムと第１高圧過熱器入口とを結ぶ高圧蒸気連絡管から分岐して第２高圧過熱器出口とを結ぶ過熱器バイパス蒸気管を設けるとともに、この過熱器バイパス蒸気管の途中に主蒸気温度制御装置によって開閉制御される主蒸気温度調節弁を設け、主蒸気温度を前記高圧主蒸気温度調節用減温器のスプレー水量と、高圧ドラム内飽和蒸気の混合との併用によって制御するように構成したことを特徴とする。
【００３３】
【作用】
主蒸気温度を積極的に調節しない状態での通気は、ミスマッチ温度差が大きいことから、蒸気タービンロータの熱応力が高くなる。したがって、蒸気タービンロータ温度に応じて通気条件および主蒸気温度を設定し制御する。一方、通気後、蒸気タービンロータ温度がある温度に到達し安定するまでの主蒸気温度の設定値を、蒸気タービン通気時のロータ温度によって定まる変化率で変化させ制御する。このように制御することにより、通気からある状態に到達するまでの蒸気タービンに発生する熱応力をある制限値以下に保持および３５０℃程度の補助蒸気を使用した蒸気タービンの暖機より熱応力を低減することができる。更に、蒸気タービンロータ温度がある一定の温度に到達した後は、蒸気タービン通気時の状態に拘らず同一の負荷上昇および蒸気圧力上昇制御が可能になる。
【００３４】
本発明によると、補助蒸気による蒸気タービンの暖機なしで、グランド蒸気による蒸気タービンの暖機と自軸蒸気の通気による一軸型コンバインドサイクルの起動方法の採用により、蒸気タービンロータの熱応力を考慮した運転方法と起動軸への暖機蒸気提供等による暖機蒸気供給軸の出力低下および高圧・高温ラインと補助蒸気系の接続等を避け、運転手順の簡素化および設備の簡素化が実現できる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。
図１は本発明の一実施例であるコンバインドサイクル発電設備の系統構成図であり、図２は図１の排熱回収ボイラの高圧部分の詳細な構成図である。なお、本実施例が従来例である図７と異なる部分は、高圧主蒸気系統と補助蒸気系統の一部分のみであり、その他は同一であるので同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３６】
また、補助蒸気系統のみでなく関連する機器および系統の部分を含めて表示してあり、ガスタービン・蒸気タービンについては、その構成要素を囲み代表名で表示してある。なお、図中の黒く塗りつぶした弁は、全閉で使用している弁であり、他の弁は全開で使用している状態を示している。ただし、図の中の弁の開閉状態は、一例であってこの状態に限定するものではない。
【００３７】
図１及び図２に示すように、本実施例では、蒸気タービンのウォーミング（暖機）に補助蒸気を利用しないため、蒸気タービン最終段翼の冷却蒸気供給管５０を各軸補助蒸気母管１９から分岐して設置し、止め弁を設けた構成としてあり、また、高圧主蒸気系統は過熱器バイパス蒸気管３２、主蒸気温度調節弁３３および主蒸気温度制御装置３４を設置し高圧主蒸気温度の制御系統を設けた構成としてある。
【００３８】
また、系列補助蒸気母管２０を介し、各軸補助蒸気母管１９へ他軸からの補助蒸気を供給し、各軸補助蒸気母管１９から各軸へ補助蒸気を供給する系統構成とし、冷却蒸気供給管５０とこの系統に蒸気の供給停止を行う供給元弁を設置する。また、この開操作を軸の回転数がある値以上（例えば、定格回転数の７０％以上）、閉操作を併入・通気もしくは低圧蒸気加減弁の開度が一定値以上といった冷却蒸気が確保されている条件を確認して閉鎖するインターロックを設ける。
【００３９】
一方、グランド蒸気が蒸気タービングランドの漏洩蒸気で十分確保できる運転状態に達するまでの間、各軸補助蒸気母管１９からグランド蒸気供給管１８を介して補助蒸気を供給する。
【００４０】
さらに、図２に示すように高圧蒸気連絡管３１から分岐し第１高圧過熱器９と第２高圧過熱器１０をバイパスする主蒸気温度調節弁３３を有する過熱器バイパス蒸気管３２を経て高圧主蒸気管１１に合流させ、主蒸気温度を調節する系統を設け、主蒸気温度の制御をスプレー水量と高圧ドラムの飽和蒸気の混合を併用する。この場合の蒸気温度制御方法を図３に示す。同図において３５は関数発生器、３６は演算器、３７は主蒸気温度調節器、３９は比較器である。ただし、主蒸気温度設定値を別途算出する必要がある。
【００４１】
図３で示す主蒸気温度制御方法では、第２高圧過熱器１０の入口温度下限値を関数発生器３５で予測計算し、高圧ドラム圧力の飽和温度の高い方の値を設定値とし第２過熱器入口温度との差でスプレー水量の制御を行い、高圧主蒸気温度と設定値との差で飽和蒸気の混合量を調節して蒸気温度を制御する設計としてある。
【００４２】
一方、蒸気タービンの暖機が完了した状態であっても、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の方が主蒸気温度よりも高い状態であり、許容限界を超えている場合については、軸の負荷上昇は許可するが蒸気加減弁の開度を限定保持し、蒸気タービンの急激な冷却による熱応力の発生を抑える負荷上昇や加減弁操作についての監視機能を付加してある。比較器３９は、［（主蒸気温度）−（蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度）＜Ｃ］の条件が成立した場合にのみ出力信号が得られるように計画し、Ｃの値は、例えば−８５℃程度を考えればよい。なお、ガスタービン単体の運転状態量の変化の代表例を図６に示してある。
【００４３】
図４は、通気監視・主蒸気温度制御装置による主蒸気温度の設定値を算出するフローを示す。同図に示すように、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度を入力とした主蒸気温度設定値の関数発生器４０と主蒸気温度上昇率の関数発生器４１を設ける。関数発生器４０の出力は、信号切替器４５の一方の入力とする。また、主蒸気温度上昇率を演算した関数発生器４１の出力は、排熱回収ボイラ暖機完了の信号で温度上昇を行うため定数設定器４６の設定値である零との切り替えを行う信号切替器４５の一方の入力とする。これらの信号は、更に現状値を保持するためのそれぞれの回路に設けられた信号切替器４５を介して加算器４２で加算され主蒸気温度設定値の一つとして低値優先回路４４に入力する。
【００４４】
一方、高圧過熱器の特性から定まる温度差を定数設定器４３に設定し、この値とガスタービン排気ガス温度とを加算器４２で加算して得られた起動時最高主蒸気温度をもう一つの入力として低値優先回路４４で低値を選択し、通常運転時主蒸気温度設定値と運転状態により切替器４５でどちらかの値を主蒸気温度設定値として蒸気温度制御装置の入力とする。
【００４５】
図５は、通気監視・主蒸気温度制御装置４９を設け、これによる主蒸気温度の設定値を算出する他のフローを示す。
すなわち、この例では蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度，ガスタービン排気ガス温度，主蒸気温度の三点を入力し主蒸気温度の設定値を算出する。この主蒸気温度を主蒸気温度制御装置設定値として出力し設定する。一方、通気監視・主蒸気温度制御装置４９は、排熱回収ボイラ暖機完了時点での蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に基づいて設定温度の上昇率を演算し、主蒸気温度設定値の現在値に加算することにより新たな設定値を計算し主蒸気温度制御装置に設定する。更に、軸が停止して短時間で再起動するような場合、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度を主蒸気温度と比較して、ある限界以上に高い場合を考慮して、ガスタービンの負荷上昇許可および蒸気加減弁開度保持指令を出力する機能を備えている。本実施例の主蒸気温度制御方法は、スプレー水量と飽和蒸気の混合の両者を併用している。ただし、スプレー水量調節による主蒸気温度制御を主体としており、飽和蒸気混合による温度調節はあくまでも補助手段として計画している。
【００４６】
次に、本実施例の作用について説明する。
本実施例では、軸を起動後、規定した回転数に到達すると冷却蒸気供給元弁を開操作し、冷却蒸気を冷却蒸気供給管５０を介して蒸気タービンに供給する。高圧主蒸気温度は、通気監視・主蒸気温度制御装置４８で、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度を基準に設定値を算出し、排熱回収ボイラ暖機完了時点ではこの蒸気温度に制御される。つまり、この時点での高圧主蒸気温度はミスマッチが極力小さくなるように設定されており、併入直後から通気可能な状態にある。通気開始後、高圧主蒸気温度を排熱回収ボイラ暖機完了時点の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠した温度上昇率で上昇させ軸が定格回転数の状態で蒸気タービンの暖機を行う。ただし、この場合の高圧主蒸気温度の設定値は、軸の無負荷定格回転数運転時もしくは初負荷運転時のガスタービンの出力から定まる排気ガス温度以上にはなり得ない。
【００４７】
一方、高圧主蒸気温度より蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の方が高い状態の場合は、蒸気タービン暖機は行わない。したがって、併入後直ちに負荷上昇を開始する。ただし、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の方が高く許容値を満足していない場合は、蒸気加減弁の開度を現状開度に維持し、主蒸気温度が上昇するのを待って蒸気加減弁の開度を調節する方法を採用する。これにより、蒸気タービンに発生する熱応力を小さく抑えながら特別の蒸気タービン暖機設備なしでの起動が可能となる。蒸気タービンの暖機完了の条件は、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の変化が無くなった時点である。しかし、現実的には蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度が、規定の値を超えた時点とすればよい。
【００４８】
蒸気タービン暖機完了の判定としては、これに引き続く運転手順としての負荷上昇等の制約を蒸気タービンの状態に影響されないように定め、例えばウォーム起動時の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の最低限度を採用しておく方法もある。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の効果の一部は既に説明したが、起動中の軸の発生蒸気を使用した蒸気タービンの暖機を採用し、軸起動中の系列負荷減少といった状態が発生しないし、高圧高温設計の管路や弁類も不要で系統の簡素化ができる。
【００５０】
さらに、コールド起動の場合でも、通気開始時の高圧主蒸気温度および主蒸気温度設定値の上昇率の両者を起動時の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度を基準に設定する。蒸気タービン暖機完了条件は種々考えられるが、暖機起動のロータの最低温度とすれば暖機完了後の負荷上昇率に暖機起動時と同様の値が採用でき、暖機起動時の蒸気タービン熱応力と同等の発生応力で冷機起動が可能となる。
【００５１】
ガスタービンのインレットガイドベーンを使用することによって空気量を調整して排気ガス温度を制御する方法は、コンバインドサイクル発電設備の運転方法としては良策である。しかし、冷機起動時，暖機起動時，部分負荷運転時および停止時のインレットガイドベーンの制御パターンが異なることになり、ガスタービンの制御としては好ましいことではない。つまり、本発明の主蒸気温度制御方法であればガスタービンの運転状態に対応した制御が可能になる。
【００５２】
本発明は上記実施例に限定するものではなく、次のようにしても、同様の効果が得られる。
（１）上記実施例では、蒸気タービン暖機運転時の蒸気温度上昇率について蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して定める方法を採用しているが、一定値としても同様の効果が得られる。
【００５３】
（２）上記実施例では、通気監視・主蒸気温度制御装置による通気開始時の主蒸気温度設定値および通気後の主蒸気温度上昇率を蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して定め、主蒸気温度の制御設定値を時間変化させる方法を採用しているが、蒸気タービンの暖機完了までは蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して主蒸気温度を設定し、主蒸気温度上昇率を使用しない方法もある。
【００５４】
（３）上記実施例では、蒸気タービンの暖機を併入後に行う方法で説明したが、軸が無負荷定格回転数での運転中であっても同様の結果が得られる。ただし、この場合は蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度がガスタービン排気ガス温度よりも高い場合については、運転方法を併入後に負荷上昇するように定める必要がある。
【００５５】
（４）上記実施例では、蒸気タービン最終段翼の冷却蒸気の供給点を中圧タービンの入口としたが、この蒸気は高圧タービンの入口もしくは低圧タービン入口から供給しても同様の効果が得られる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、起動中の軸の発生蒸気による蒸気タービンの暖機を行う方法を採用しており、起動軸が存在する場合の系列負荷の減少を最小限にとどめられ、さらに蒸気タービン暖機中も併入し初負荷で運転しているため起動損失を低減でき、かつ蒸気タービンに発生する熱応力を最小限に抑えた発電設備の起動ができる。また、蒸気タービンの暖機完了をホット起動の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度最低限度の温度程度に設定することにより、蒸気タービン暖機完了後の負荷上昇等に関する制限値や制御方法が一律にできる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成図。
【図２】図１の排熱回収ボイラの高圧部分の詳細な構成図。
【図３】図１の蒸気温度制御方法を示す図。
【図４】図１の主蒸気温度の設定値を算出するフロー図。
【図５】図１の主蒸気温度の設定値を算出する他のフロー図。
【図６】ガスタービン単体の運転状態量の変化を示す図。
【図７】従来のコンバインドサイクル発電設備の構成図。
【図８】図７の排熱回収ボイラの高圧及び再熱蒸気部分の詳細な構成図。
【図９】図７の蒸気温度調節用スプレー水量の制御方法を示す図。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…蒸気タービン、３…発電機、４…低圧ドラム、５…低圧過熱器、６…中圧ドラム、７…中圧過熱器、８…高圧ドラム、９…第１高圧過熱器、１０…第２高圧過熱器、１１…高圧主蒸気管、１２…高圧主蒸気温度調節用減温器、１３…一次再熱器、１４…二次再熱器、１５…再熱蒸気温度調節用減温器、１６…低温再熱蒸気管、１７…ウォーミング・ロール用蒸気管、１８…グランドシール補助蒸気管、１９…各軸補助蒸気母管、２０…系列補助蒸気母管、２１…減温水供給管、２２…高圧主蒸気減温水供給管、２３…高圧主蒸気温度調節スプレー弁、２４…再熱蒸気温度調節弁、２５…高圧蒸発器、２６…高圧給水調節弁、２７…高圧連絡管、２８…高圧節炭器、２９…高圧給水ポンプ、３０…高圧給水管、３１…高圧蒸気連絡管、３２…過熱器バイパス蒸気管、３３…主蒸気温度調節弁、３４…主蒸気温度制御装置、３５…第２過熱器入口蒸気下限値関数発生器、３６…高圧主蒸気温度調節スプレー弁開度演算器、３７…主蒸気温度調節器、３８…低値優先回路、３９…比較器、４０…主蒸気温度設定値用関数発生器、４１…主蒸気温度上昇率用関数発生器、４２…加算器、４３…定数設定器、４４…低値優先回路、４５…信号切替器、４６…定数設定器、４７…比較器、４８，４９…通気監視・主蒸気温度制御装置、５０…冷却蒸気供給管。
【産業上の利用分野】
本発明は火力発電プラント、特に一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動は、蒸気タービンの最終段翼部での発熱・温度上昇を避けるため、軸系の回転数を軸系の定格回転数以下の回転数に保持して運転し、この運転状態で得られるガスタービン排気を利用して排熱回収ボイラの暖機を行い、所定の発生蒸気を確保した上で、これを冷却蒸気として蒸気タービンに通気した後に軸系の回転数を定格回転数にまで上昇させる起動方法を採用している。ただ、蒸気タービンのグランドシール蒸気については、補助蒸気を使用している場合もある。
【０００３】
しかし、最近のガスタービンは、入口ガス温度の高温化を含む大容量化の傾向にあり、これに伴う排熱回収ボイラおよび蒸気タービンも大容量化の影響もあって、一軸型コンバインドサイクル発電設備も大容量化している。この傾向は、排熱回収ボイラおよび蒸気タービンの大形化であり、蒸気系の耐圧厚肉部の増加につながる。そして、この現象は軸の急速起動性を阻害する要因の増加を意味する。一方、ガスタービンの排気温度の上昇および排気ガス量の増加と運転方法との関係から主蒸気および再熱蒸気温度の上昇率増加にも影響を及ぼす。
【０００４】
一般に、コンバインドサイクル発電設備は、起動時間の短さと高熱効率であることの二大特徴を有する。特に、一軸型コンバインドサイクル発電設備では、急速起動性を低下させる要因を軸系自体に含んでおり、これらの特徴を一つでも損なわない起動方法を採用することが望ましい。
【０００５】
ところで、最近の一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法は、次のような手順で行われる。すなわち、
（１）軸のターニング、（２）蒸気タービンのグランドシール、（３）復水器真空上昇、（４）軸起動、（５）回転上昇・パージ運転、（６）回転下降・点火、（７）回転上昇・無負荷定格回転数運転、（８）排熱回収ボイラ暖機運転、（９）併入・初負荷運転、（１０）負荷上昇、（１１）定格負荷運転。
【０００６】
上記した起動手順と従来のガスタービン入口ガス温度が１１００℃級ガスタービンを採用したコンバインドサイクル発電設備との起動手順の差異は、（７），（８）の起動手順部分である。すなわち、従来の１１００℃級コンバインドサイクル発電設備の場合は、排熱回収ボイラの暖機と蒸気タービン最終段翼の冷却蒸気の確保を目的として、蒸気タービン最終段翼の発熱除去の不必要である軸回転数を定格回転数の５０％程度で保持した運転を行い、排熱回収ボイラの蒸気の発生を俟って、回転上昇し定格回転数への上昇・同期・負荷上昇を一般的運転手順としている。
【０００７】
一方、１３００℃級ガスタービン採用のコンバインドサイクル発電設備の起動方法は、１１００℃級ガスタービンを採用した場合と異なり、先に述べた（１）〜（１１）の起動手順を採用しているのが一般的である。
【０００８】
このような起動方法を採用した場合、無負荷定格回転数で排熱回収ボイラの暖機運転を行うため、ガスタービンの排気ガス量が最も少ない状態での排気ガス温度が４００〜４４０℃に達するため発生蒸気の温度は、高圧主蒸気で３８０〜４２０℃程度になる。また、蒸気タービンに通気を開始した時点での再熱蒸気温度も主蒸気温度と同程度となる。これらの蒸気温度は、大気温度やガスタービンの機種によって違いがある。起動時に発生する蒸気温度は、ほぼ一定の温度であるのに対して、排熱回収ボイラや蒸気タービンの金属部温度および保有水の温度は、停止からの経過時間や大気温度の影響を受けて千差万別である。金属部温度と蒸気温度の差は、熱伝達に影響を及ぼす大きい因子であり、温度差が大きくなれば発生する熱応力も大きくなる。
【０００９】
したがって、発電設備の起動・停止時においては金属部の肉厚および材料の熱伝導率によって定まる各部の金属温度と蒸気温度の差および蒸気の温度変化率に許容限界が生じ、起動停止の繰り返しで発生する熱応力のサイクルによる金属疲労の限界を考慮した起動停止方法が必要となる。
【００１０】
また、通気時の金属温度と蒸気温度の差の制御は、蒸気温度が高い場合についてのみ制御可能領域があり、逆の場合には制御できないのが通例である。制御可能な場合でも限界があるのが現実である。一軸型コンバインドサイクル発電設備の場合は、常に自軸の発生蒸気が確保された状態で起動できるわけではないため、補助蒸気による蒸気系の暖機を採用しているのが現状である。
【００１１】
次に、補助蒸気を使用した蒸気タービンの暖機によるコンバインドサイクル発電設備の起動方法を図７および図８について説明する。
図７は従来技術におけるコンバインドサイクル発電設備の構成図であり、図８は図７の排熱回収ボイラの高圧及び再熱蒸気部分の詳細な構成図である。
【００１２】
同図において、ガスタービン１と蒸気タービン２と発電機３が、一軸に結合されている。ガスタービン１の排気ガスの保有熱を回収する排熱回収ボイラは、第１，第２高圧過熱器９，１０、第１，第２再熱器１３，１４、高圧蒸発器２５、高圧ドラム８、高圧節炭器２８、中圧過熱器７、中圧ドラム６、中圧蒸発器（図示せず）、中圧節炭器（図示せず）、低圧過熱器５、低圧ドラム４、低圧炭節器（図示せず）の主要要素で構成されている。これらの他に、各ドラムに給水を送るためのポンプ（高圧給水ポンプ２９、その他のポンプは図示せず）や配管類が設置される。また、第１高圧過熱器９と第２高圧過熱器１０の中間に高圧主蒸気温度調節用減温器１２を設置し、第１再熱器１３と第２再熱器１４の間に再熱蒸気減温器１５を設置し、高圧主蒸気よび再熱蒸気の温度をスプレー水量により調節する。
【００１３】
一方、補助蒸気系統は系列補助蒸気母管２０および各軸補助蒸気母管１９を設けている。系列補助蒸気母管２０には各軸の低温再熱蒸気管１６から分岐して補助蒸気を供給できるように構成されており、また各軸補助蒸気母管１９への補助蒸気の供給は系列補助蒸気母管２０から圧力調節弁を介して供給するように構成されている。なお、各軸への補助蒸気の供給は、各軸補助蒸気母管１９から目的に応じて分岐し止め弁を介して供給する系統構成としてある。図７の場合、蒸気タービンの暖機は、ウォーミング・ロール用蒸気管１７の止め弁を開として、高圧タービンの入口（高圧蒸気加減弁）の二次側に供給する。
【００１４】
また、大気を吸入し圧縮した後、燃料と混合燃焼して高圧高温のガスとし、動力を発生したガスタービン１の排気ガスを導入し、排熱回収ボイラ熱回収を行った後、排気ガスを煙突（図示せず）を介して大気に放出する。さらに、低圧節炭器（図示せず）で予熱され低圧ドラム４に供給し、低圧蒸発器（図示せず）で熱吸収し、低圧ドラム４で気水分離された蒸気は、低圧過熱器５で加熱され過熱蒸気となって蒸気タービン２の中圧部の排気と合流させ低圧部に導入して動力を発生させる。
【００１５】
一方、低圧節炭器（図示せず）の出口から分岐して、中圧給水ポンプ（図示せず）を介して中圧節炭器（図示せず）で予熱され、中圧ドラム６に供給され中圧蒸発器（図示せず）で熱吸収し、中圧ドラム６で気水分離された蒸気は、中圧過熱器７で加熱され過熱蒸気となって蒸気タービン２の高圧の排気である低温再熱蒸気と合流させ第１再熱器１３および第２再熱器１４で再加熱される。
【００１６】
蒸気タービンの高圧排気は、低温再熱蒸気管１６で第１再熱器１３に接続するが、第１再熱器１３に導入される前に中圧過熱器７の出口蒸気を低温再熱蒸気管１６に合流させる。この蒸気は第１，第２再熱器１３，１４で加熱され、再熱蒸気温度調節用減温器１５にて再熱器出口蒸気温度を制御した後、高温再熱蒸気として蒸気タービン２の中圧部に導入して動力を回収する。
【００１７】
また、低圧節炭器（図示せず）の出口から分岐して、高圧給水ポンプ２９および高圧給水管３０を介して高圧節炭器２８で予熱され、高圧連絡管２７と高圧給水調節弁２６を介して高圧ドラム８に供給し、高圧蒸発器２５で熱吸収し、高圧ドラム８で気水分離した蒸気は、第１高圧過熱器９および第２高圧過熱器１０で加熱され、高圧主蒸気温度調節用減温器１２による温度調節を行った後、蒸気タービン２の高圧部に導入し動力を発生させる。ガスタービン１および蒸気タービン２で発生した動力は、発電機３で電気エネルギーに変換される。なお、１１は高圧主蒸気管、１８はグランドシール補助蒸気管、２１は減温水供給管、２２は高圧主蒸気減温水供給管、２３は高圧主蒸気温度調節スプレー弁、２４は再熱蒸気温度調節弁、３１は高圧蒸気連絡管である。
【００１８】
一方、蒸気タービンの高圧排気である低温再熱蒸気管１６の中圧過熱器出口管の合流前から分岐して補助蒸気を系列補助蒸気母管２０に供給する。コンバインドサイクル発電設備が複数軸から構成されている場合は、各軸の低温再熱蒸気管１６から分岐した補助蒸気管を介して系列補助蒸気母管２０に補助蒸気を供給する。各軸への補助蒸気は、系列補助蒸気母管２０を通し各軸補助蒸気母管１９を介して供給する。
【００１９】
現状のコンバインドサイクル発電設備においては、主蒸気と再熱蒸気について、一定の温度以上に蒸気温度が上昇しないように過熱器や再熱器を分割し、第１と第２の過熱器９，１０や再熱器１３，１４の中間部分に高圧主蒸気温度調節用減温器１２および再熱蒸気減温器１５を設置し、水をスプレーすることによる蒸気温度を制御するように構成されている。
【００２０】
図９は従来のコンバインドサイクル発電設備の蒸気温度調節用のスプレー水量の制御方法の一例を示した図であり、同図において、３５は第２過熱器入口蒸気下限値関数発生器、３６は高圧主蒸気温度調節スプレー弁開度演算器、３７は主蒸気温度調節器、３８は低値優先回路である。この制御方法はスプレー部分の蒸気圧力の飽和温度以下にならないように制限を考慮したものである。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような起動方法を採用した場合は、補助蒸気を供給できる軸が存在するか補助蒸気供給設備を確保しておかなければならない。系列内の軸から補助蒸気を供給している間は、補助蒸気供給軸の軸出力および系列出力が低下する欠点がある。また、蒸気タービンの暖機用蒸気は、主蒸気止め弁・蒸気加減弁の二次側へ接続し、主蒸気止め弁・蒸気加減弁が閉状態のまま蒸気タービンに暖機用蒸気が供給でき、しかも単独で蒸気の供給停止ができる系統構成と主蒸気止め弁の開閉操作が自動的に行えるようにするための制御装置が必要である。
【００２２】
補助蒸気は、定格負荷運転中の他軸の低温再熱蒸気管から供給する計画であり、この時の蒸気温度は３５０℃程度である。つまり、補助蒸気を使用した起動方法のメリットは、軸起動前からでも蒸気タービンの暖機が可能であり、排熱回収ボイラの暖機完了時点で蒸気温度と金属温度の差を許容限界以内に到達させることが可能となる。しかし、系統構成上の観点からは、設計圧力の大幅に異なる系統（例えば高圧主蒸気管１１と各軸補助蒸気母管１９）を接続しなければならならず、系統設計上の複雑さや蒸気の供給停止を行うための独立した開閉装置（弁）とその制御装置を必要とすることになり、設備や運転方法が複雑になりその効果も大きいとは言えない。
【００２３】
排熱回収型コンバインドサイクルの場合は、図７および図８に示すようにガスタービンの排気ガスとの熱交換のみで主蒸気温度および再熱蒸気温度が定まってしまう。ガスタービンが無負荷定格回転数で運転を継続している場合、ガスタービンの排気ガス温度とその流量は、大気温度の影響を受けて変化する。したがって、排熱回収ボイラの暖機完了時点の主蒸気温度は積極的に操作しない限りガスタービンの排気ガス温度で定まる。このことは、蒸気タービンが排熱回収ボイラの暖機完了時点でどのような状態にあっても、ほぼ一定温度の蒸気が供給されることになる。
【００２４】
しかし、蒸気タービンは、停止からの経過時間および周囲条件によって冷却速度が異なり、排熱回収ボイラ暖機完了時点での、ケーシングやロータ温度は千差万別である。ただし、蒸気タービンの高圧ケーシングやロータは冷機状態からの起動であっても回転上昇開始までに、グランドシール蒸気により、一般的に１５０〜１６０℃程度にまでは暖機される。従って、グランドシール蒸気温度が低い場合でも、金属部温度は脆性破壊の発生限界である遷移温度以上の金属温度に十分到達する。
【００２５】
例えば蒸気タービンへの通気開始時の主蒸気圧力を４０ａｔａ程度とし、蒸気タービン第１段シェル蒸気温度とロータ表面温度の差であるミスマッチ温度の許容値を最高で１００℃程度とすると、蒸気タービン入口での主蒸気温度の最低値の許容値は、３００〜３２０℃程度となる。さて、排熱回収ボイラ暖機完了時点での主蒸気温度は、主蒸気温度調節用減温器を使用し積極的に操作しない限り許容ミスマッチ温度以内の温度差を得る主蒸気温度とすることは、排熱回収ボイラの構造および特性上不可能である。更に、水を蒸気中にスプレーして蒸気温度を制御する方法では、スプレー点の蒸気圧力の飽和蒸気温度にまで蒸気温度を減温できないため、所定の蒸気温度が得られない運転の存在が推定される。
【００２６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は複雑な系統構成や単独で蒸気の供給停止を制御するための制御装置を必要とせず、かつ、軸の起動時に系列出力の低下を伴わない軸の起動方法を提供することであり、またガスタービンの運転方法の影響を受けないように蒸気温度を直接調整することにより蒸気系の厚肉金属部に発生する熱応力を最小限にする一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１は、ガスタービン、蒸気タービンおよび発電機の回転軸を１本に結合し、ガスタービンの排気エネルギーを排熱回収ボイラで蒸気に変換し、蒸気タービンに導入し電力として回収する一軸型コンバインドサイクル発電設備であって、前記排熱回収ボイラの第１高圧過熱器出口と第２高圧過熱器入口とを結ぶ配管に高圧主蒸気温度調節用減温器を設けるとともに、定格無負荷回転もしくは初負荷運転を継続しながら起動前の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して定めた主蒸気温度設定値と主蒸気温度上昇率を使用し、主蒸気温度設定値を上昇させて主蒸気温度を設定値に制御し、蒸気タービンに供給することにより蒸気タービンを暖機し、主蒸気温度設定値が起動時最高主蒸気温度に到達し、かつ、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度と主蒸気温度との差が、ある設定された許容値以内の状態に達した時点を蒸気タービンの暖機完了時点とし、この状態到達以後の操作制限を起動前の蒸気タービンの状態に無関係に設定できるようにした一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法において、前記排熱回収ボイラの高圧ドラムと第１高圧過熱器入口とを結ぶ高圧蒸気連絡管から分岐して第２高圧過熱器出口とを結ぶ過熱器バイパス蒸気管を設けるとともに、この過熱器バイパス蒸気管の途中に主蒸気温度制御装置によって開閉制御される主蒸気温度調節弁を設け、主蒸気温度を前記高圧主蒸気温度調節用減温器のスプレー水量と、高圧ドラム内飽和蒸気の混合との併用によって制御するように構成したことを特徴とする。
【００３３】
【作用】
主蒸気温度を積極的に調節しない状態での通気は、ミスマッチ温度差が大きいことから、蒸気タービンロータの熱応力が高くなる。したがって、蒸気タービンロータ温度に応じて通気条件および主蒸気温度を設定し制御する。一方、通気後、蒸気タービンロータ温度がある温度に到達し安定するまでの主蒸気温度の設定値を、蒸気タービン通気時のロータ温度によって定まる変化率で変化させ制御する。このように制御することにより、通気からある状態に到達するまでの蒸気タービンに発生する熱応力をある制限値以下に保持および３５０℃程度の補助蒸気を使用した蒸気タービンの暖機より熱応力を低減することができる。更に、蒸気タービンロータ温度がある一定の温度に到達した後は、蒸気タービン通気時の状態に拘らず同一の負荷上昇および蒸気圧力上昇制御が可能になる。
【００３４】
本発明によると、補助蒸気による蒸気タービンの暖機なしで、グランド蒸気による蒸気タービンの暖機と自軸蒸気の通気による一軸型コンバインドサイクルの起動方法の採用により、蒸気タービンロータの熱応力を考慮した運転方法と起動軸への暖機蒸気提供等による暖機蒸気供給軸の出力低下および高圧・高温ラインと補助蒸気系の接続等を避け、運転手順の簡素化および設備の簡素化が実現できる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。
図１は本発明の一実施例であるコンバインドサイクル発電設備の系統構成図であり、図２は図１の排熱回収ボイラの高圧部分の詳細な構成図である。なお、本実施例が従来例である図７と異なる部分は、高圧主蒸気系統と補助蒸気系統の一部分のみであり、その他は同一であるので同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３６】
また、補助蒸気系統のみでなく関連する機器および系統の部分を含めて表示してあり、ガスタービン・蒸気タービンについては、その構成要素を囲み代表名で表示してある。なお、図中の黒く塗りつぶした弁は、全閉で使用している弁であり、他の弁は全開で使用している状態を示している。ただし、図の中の弁の開閉状態は、一例であってこの状態に限定するものではない。
【００３７】
図１及び図２に示すように、本実施例では、蒸気タービンのウォーミング（暖機）に補助蒸気を利用しないため、蒸気タービン最終段翼の冷却蒸気供給管５０を各軸補助蒸気母管１９から分岐して設置し、止め弁を設けた構成としてあり、また、高圧主蒸気系統は過熱器バイパス蒸気管３２、主蒸気温度調節弁３３および主蒸気温度制御装置３４を設置し高圧主蒸気温度の制御系統を設けた構成としてある。
【００３８】
また、系列補助蒸気母管２０を介し、各軸補助蒸気母管１９へ他軸からの補助蒸気を供給し、各軸補助蒸気母管１９から各軸へ補助蒸気を供給する系統構成とし、冷却蒸気供給管５０とこの系統に蒸気の供給停止を行う供給元弁を設置する。また、この開操作を軸の回転数がある値以上（例えば、定格回転数の７０％以上）、閉操作を併入・通気もしくは低圧蒸気加減弁の開度が一定値以上といった冷却蒸気が確保されている条件を確認して閉鎖するインターロックを設ける。
【００３９】
一方、グランド蒸気が蒸気タービングランドの漏洩蒸気で十分確保できる運転状態に達するまでの間、各軸補助蒸気母管１９からグランド蒸気供給管１８を介して補助蒸気を供給する。
【００４０】
さらに、図２に示すように高圧蒸気連絡管３１から分岐し第１高圧過熱器９と第２高圧過熱器１０をバイパスする主蒸気温度調節弁３３を有する過熱器バイパス蒸気管３２を経て高圧主蒸気管１１に合流させ、主蒸気温度を調節する系統を設け、主蒸気温度の制御をスプレー水量と高圧ドラムの飽和蒸気の混合を併用する。この場合の蒸気温度制御方法を図３に示す。同図において３５は関数発生器、３６は演算器、３７は主蒸気温度調節器、３９は比較器である。ただし、主蒸気温度設定値を別途算出する必要がある。
【００４１】
図３で示す主蒸気温度制御方法では、第２高圧過熱器１０の入口温度下限値を関数発生器３５で予測計算し、高圧ドラム圧力の飽和温度の高い方の値を設定値とし第２過熱器入口温度との差でスプレー水量の制御を行い、高圧主蒸気温度と設定値との差で飽和蒸気の混合量を調節して蒸気温度を制御する設計としてある。
【００４２】
一方、蒸気タービンの暖機が完了した状態であっても、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の方が主蒸気温度よりも高い状態であり、許容限界を超えている場合については、軸の負荷上昇は許可するが蒸気加減弁の開度を限定保持し、蒸気タービンの急激な冷却による熱応力の発生を抑える負荷上昇や加減弁操作についての監視機能を付加してある。比較器３９は、［（主蒸気温度）−（蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度）＜Ｃ］の条件が成立した場合にのみ出力信号が得られるように計画し、Ｃの値は、例えば−８５℃程度を考えればよい。なお、ガスタービン単体の運転状態量の変化の代表例を図６に示してある。
【００４３】
図４は、通気監視・主蒸気温度制御装置による主蒸気温度の設定値を算出するフローを示す。同図に示すように、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度を入力とした主蒸気温度設定値の関数発生器４０と主蒸気温度上昇率の関数発生器４１を設ける。関数発生器４０の出力は、信号切替器４５の一方の入力とする。また、主蒸気温度上昇率を演算した関数発生器４１の出力は、排熱回収ボイラ暖機完了の信号で温度上昇を行うため定数設定器４６の設定値である零との切り替えを行う信号切替器４５の一方の入力とする。これらの信号は、更に現状値を保持するためのそれぞれの回路に設けられた信号切替器４５を介して加算器４２で加算され主蒸気温度設定値の一つとして低値優先回路４４に入力する。
【００４４】
一方、高圧過熱器の特性から定まる温度差を定数設定器４３に設定し、この値とガスタービン排気ガス温度とを加算器４２で加算して得られた起動時最高主蒸気温度をもう一つの入力として低値優先回路４４で低値を選択し、通常運転時主蒸気温度設定値と運転状態により切替器４５でどちらかの値を主蒸気温度設定値として蒸気温度制御装置の入力とする。
【００４５】
図５は、通気監視・主蒸気温度制御装置４９を設け、これによる主蒸気温度の設定値を算出する他のフローを示す。
すなわち、この例では蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度，ガスタービン排気ガス温度，主蒸気温度の三点を入力し主蒸気温度の設定値を算出する。この主蒸気温度を主蒸気温度制御装置設定値として出力し設定する。一方、通気監視・主蒸気温度制御装置４９は、排熱回収ボイラ暖機完了時点での蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に基づいて設定温度の上昇率を演算し、主蒸気温度設定値の現在値に加算することにより新たな設定値を計算し主蒸気温度制御装置に設定する。更に、軸が停止して短時間で再起動するような場合、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度を主蒸気温度と比較して、ある限界以上に高い場合を考慮して、ガスタービンの負荷上昇許可および蒸気加減弁開度保持指令を出力する機能を備えている。本実施例の主蒸気温度制御方法は、スプレー水量と飽和蒸気の混合の両者を併用している。ただし、スプレー水量調節による主蒸気温度制御を主体としており、飽和蒸気混合による温度調節はあくまでも補助手段として計画している。
【００４６】
次に、本実施例の作用について説明する。
本実施例では、軸を起動後、規定した回転数に到達すると冷却蒸気供給元弁を開操作し、冷却蒸気を冷却蒸気供給管５０を介して蒸気タービンに供給する。高圧主蒸気温度は、通気監視・主蒸気温度制御装置４８で、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度を基準に設定値を算出し、排熱回収ボイラ暖機完了時点ではこの蒸気温度に制御される。つまり、この時点での高圧主蒸気温度はミスマッチが極力小さくなるように設定されており、併入直後から通気可能な状態にある。通気開始後、高圧主蒸気温度を排熱回収ボイラ暖機完了時点の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠した温度上昇率で上昇させ軸が定格回転数の状態で蒸気タービンの暖機を行う。ただし、この場合の高圧主蒸気温度の設定値は、軸の無負荷定格回転数運転時もしくは初負荷運転時のガスタービンの出力から定まる排気ガス温度以上にはなり得ない。
【００４７】
一方、高圧主蒸気温度より蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の方が高い状態の場合は、蒸気タービン暖機は行わない。したがって、併入後直ちに負荷上昇を開始する。ただし、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の方が高く許容値を満足していない場合は、蒸気加減弁の開度を現状開度に維持し、主蒸気温度が上昇するのを待って蒸気加減弁の開度を調節する方法を採用する。これにより、蒸気タービンに発生する熱応力を小さく抑えながら特別の蒸気タービン暖機設備なしでの起動が可能となる。蒸気タービンの暖機完了の条件は、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の変化が無くなった時点である。しかし、現実的には蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度が、規定の値を超えた時点とすればよい。
【００４８】
蒸気タービン暖機完了の判定としては、これに引き続く運転手順としての負荷上昇等の制約を蒸気タービンの状態に影響されないように定め、例えばウォーム起動時の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度の最低限度を採用しておく方法もある。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の効果の一部は既に説明したが、起動中の軸の発生蒸気を使用した蒸気タービンの暖機を採用し、軸起動中の系列負荷減少といった状態が発生しないし、高圧高温設計の管路や弁類も不要で系統の簡素化ができる。
【００５０】
さらに、コールド起動の場合でも、通気開始時の高圧主蒸気温度および主蒸気温度設定値の上昇率の両者を起動時の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度を基準に設定する。蒸気タービン暖機完了条件は種々考えられるが、暖機起動のロータの最低温度とすれば暖機完了後の負荷上昇率に暖機起動時と同様の値が採用でき、暖機起動時の蒸気タービン熱応力と同等の発生応力で冷機起動が可能となる。
【００５１】
ガスタービンのインレットガイドベーンを使用することによって空気量を調整して排気ガス温度を制御する方法は、コンバインドサイクル発電設備の運転方法としては良策である。しかし、冷機起動時，暖機起動時，部分負荷運転時および停止時のインレットガイドベーンの制御パターンが異なることになり、ガスタービンの制御としては好ましいことではない。つまり、本発明の主蒸気温度制御方法であればガスタービンの運転状態に対応した制御が可能になる。
【００５２】
本発明は上記実施例に限定するものではなく、次のようにしても、同様の効果が得られる。
（１）上記実施例では、蒸気タービン暖機運転時の蒸気温度上昇率について蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して定める方法を採用しているが、一定値としても同様の効果が得られる。
【００５３】
（２）上記実施例では、通気監視・主蒸気温度制御装置による通気開始時の主蒸気温度設定値および通気後の主蒸気温度上昇率を蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して定め、主蒸気温度の制御設定値を時間変化させる方法を採用しているが、蒸気タービンの暖機完了までは蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して主蒸気温度を設定し、主蒸気温度上昇率を使用しない方法もある。
【００５４】
（３）上記実施例では、蒸気タービンの暖機を併入後に行う方法で説明したが、軸が無負荷定格回転数での運転中であっても同様の結果が得られる。ただし、この場合は蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度がガスタービン排気ガス温度よりも高い場合については、運転方法を併入後に負荷上昇するように定める必要がある。
【００５５】
（４）上記実施例では、蒸気タービン最終段翼の冷却蒸気の供給点を中圧タービンの入口としたが、この蒸気は高圧タービンの入口もしくは低圧タービン入口から供給しても同様の効果が得られる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、起動中の軸の発生蒸気による蒸気タービンの暖機を行う方法を採用しており、起動軸が存在する場合の系列負荷の減少を最小限にとどめられ、さらに蒸気タービン暖機中も併入し初負荷で運転しているため起動損失を低減でき、かつ蒸気タービンに発生する熱応力を最小限に抑えた発電設備の起動ができる。また、蒸気タービンの暖機完了をホット起動の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度最低限度の温度程度に設定することにより、蒸気タービン暖機完了後の負荷上昇等に関する制限値や制御方法が一律にできる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成図。
【図２】図１の排熱回収ボイラの高圧部分の詳細な構成図。
【図３】図１の蒸気温度制御方法を示す図。
【図４】図１の主蒸気温度の設定値を算出するフロー図。
【図５】図１の主蒸気温度の設定値を算出する他のフロー図。
【図６】ガスタービン単体の運転状態量の変化を示す図。
【図７】従来のコンバインドサイクル発電設備の構成図。
【図８】図７の排熱回収ボイラの高圧及び再熱蒸気部分の詳細な構成図。
【図９】図７の蒸気温度調節用スプレー水量の制御方法を示す図。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…蒸気タービン、３…発電機、４…低圧ドラム、５…低圧過熱器、６…中圧ドラム、７…中圧過熱器、８…高圧ドラム、９…第１高圧過熱器、１０…第２高圧過熱器、１１…高圧主蒸気管、１２…高圧主蒸気温度調節用減温器、１３…一次再熱器、１４…二次再熱器、１５…再熱蒸気温度調節用減温器、１６…低温再熱蒸気管、１７…ウォーミング・ロール用蒸気管、１８…グランドシール補助蒸気管、１９…各軸補助蒸気母管、２０…系列補助蒸気母管、２１…減温水供給管、２２…高圧主蒸気減温水供給管、２３…高圧主蒸気温度調節スプレー弁、２４…再熱蒸気温度調節弁、２５…高圧蒸発器、２６…高圧給水調節弁、２７…高圧連絡管、２８…高圧節炭器、２９…高圧給水ポンプ、３０…高圧給水管、３１…高圧蒸気連絡管、３２…過熱器バイパス蒸気管、３３…主蒸気温度調節弁、３４…主蒸気温度制御装置、３５…第２過熱器入口蒸気下限値関数発生器、３６…高圧主蒸気温度調節スプレー弁開度演算器、３７…主蒸気温度調節器、３８…低値優先回路、３９…比較器、４０…主蒸気温度設定値用関数発生器、４１…主蒸気温度上昇率用関数発生器、４２…加算器、４３…定数設定器、４４…低値優先回路、４５…信号切替器、４６…定数設定器、４７…比較器、４８，４９…通気監視・主蒸気温度制御装置、５０…冷却蒸気供給管。
Claims (1)
- ガスタービン、蒸気タービンおよび発電機の回転軸を１本に結合し、ガスタービンの排気エネルギーを排熱回収ボイラで蒸気に変換し、蒸気タービンに導入し電力として回収する一軸型コンバインドサイクル発電設備であって、前記排熱回収ボイラの第１高圧過熱器出口と第２高圧過熱器入口とを結ぶ配管に高圧主蒸気温度調節用減温器を設けるとともに、定格無負荷回転もしくは初負荷運転を継続しながら起動前の蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度に準拠して定めた主蒸気温度設定値と主蒸気温度上昇率を使用し、主蒸気温度設定値を上昇させて主蒸気温度を設定値に制御し、蒸気タービンに供給することにより蒸気タービンを暖機し、主蒸気温度設定値が起動時最高主蒸気温度に到達し、かつ、蒸気タービン第１段シェル内面メタル温度と主蒸気温度との差が、ある設定された許容値以内の状態に達した時点を蒸気タービンの暖機完了時点とし、この状態到達以後の操作制限を起動前の蒸気タービンの状態に無関係に設定できるようにした一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法において、前記排熱回収ボイラの高圧ドラムと第１高圧過熱器入口とを結ぶ高圧蒸気連絡管から分岐して第２高圧過熱器出口とを結ぶ過熱器バイパス蒸気管を設けるとともに、この過熱器バイパス蒸気管の途中に主蒸気温度制御装置によって開閉制御される主蒸気温度調節弁を設け、主蒸気温度を前記高圧主蒸気温度調節用減温器のスプレー水量と、高圧ドラム内飽和蒸気の混合との併用によって制御するように構成したことを特徴とする一軸型コンバインドサイクル発電設備の起動方法。
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