JP3995592B2 - 複合サイクル発電所の始動および負荷方法 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、複合サイクル発電所を運転するための方法に関する。本発明は特に、複合サイクル発電プラントを始動および負荷するのための方法に関する。この方法は特に、エネルギーを有していない配電網内で複合サイクル発電プラントを負荷する際の、複合サイクル発電プラント内での出力の調整および出力の分配に関する。
【０００２】
技術水準
エネルギーを有していない配電網（ブラックグリッド）の再運転開始の際、過渡的な負荷への迅速な応答と周波数サポートに関する発電プラントの能力に対して特別な要求がなされる。配電網を負荷開始し、続いて消費部を運転開始する際に、配電網の負荷は連続的に上昇しないで、例えば多数の電動諸費部を備えた工場を接続する際に、実効出力要求と、数百ｋＷ乃至数メガワットの無効電力要求が急激に変化することになる。この負荷の急激な変化の絶対的な大きさが小さいときには、１個の発電プラントによってこの負荷の急激な変化を満たさなければならない。配電網の電力消費全体がたったの数ＭＷ、例えば５ＭＷのであるときには、下側の負荷範囲においてこの条件下で、発電プラントの制御性能および周波数サポート可能性に対してどのような要求がなされるかは明らかである。
【０００３】
この要求は原理的には、短い応答時間を有するガスタービン装置によってきわめて良好に満たされる。それにもかかわらず、少なくとも下側の負荷範囲における、有害物質の少ない、ガスタービンの最新の予混合バーナー技術の使用に関する開発は、火炎安定性の理由から最高負荷勾配を制限する結果となった。更に、この最新の構造の若干のガスタービンの場合、数ＭＷ幅の或る出力帯域では運転が不可能である。
【０００４】
従って、技術水準では電気需要計画において、エネルギーを有していない配電網の再始動時の要求を満足する特別なユニットを準備しなければならない。例えばピーク負荷ガスタービンやディーゼル機器の形態の適当な手段が準備される。しかし、この手段は比較的に不経済でエミッションが多く、そうでない場合には運転時間が短い設備である。実際の持続停止までのきわめて希な運転の際のこの設備の始動性を維持するめに、高い保守整備コストが必要である。更に、売却電力によって設備コストを取り戻すことができない。
【０００５】
すなわち、技術水準では適当な予備品の維持のコストが非常に高い。他方では、発電所経営者は自由化された電気マーケットにおいて配電網経営者から、この単独始動能力を準備するために必要な高い金額をもらうことができる。
【０００６】
発明の開示
上記から、持続運転される最新の経済的なプラントで単独始動手段を準備することが、発電所経営者に望まれる。
【０００７】
そこで、本発明の過大は、エミッションの少ない予混合バーナー技術による最新のガスタービンを基礎とする複合サイクル発電プラントによって、任意のプラント負荷時に周波数サポートを可能にする方法を提供することである。
【０００８】
この課題は本発明に従い、エネルギーを有していない配電網を始動させる際の複合サイクル発電所を運転するための方法において、配電網が負荷される前に水と蒸気の循環回路にエネルギーが供給され、蒸気タービンが始動し、この場合ガスタービンがその負荷範囲の少なくとも一部において、設定された負荷プログラムに従って負荷され、この場合配電網の過渡的な負荷要求が蒸気タービンの出力を変化させることによって満たされることによって解決される。
【０００９】
ここで、水と蒸気の循環回路のエネルギー供給とは、水と蒸気の循環回路の加熱であると理解される。これは他方では、ボイラ内での新鮮蒸気圧力の連続する漸次上昇または容器への蒸気の連続する供給であってもよい。圧力下にある、沸騰温度近くの水は同様に、圧力低下時に自然発生的に多量の蒸気を準備することができる効率的なエネルギー溜めである。普通の場合、本発明思想の実現の際、これらの方法の組み合わせが適用される。この場合、専門家には、水と蒸気の循環回路をエネルギー貯蔵器として使用するという他の方法がよく知られている。
【００１０】
すなわち、本発明の本質は、技術水準で一般的であるように、蒸気タービンの熱応力を制限することによって蒸気タービンへの新鮮蒸気供給を調整することではなく、新鮮蒸気供給を実際に始動相においても出力調整のために使用することである。その際、寿命を短縮する蒸気タービンの機械的な過負荷は一時的に甘受される。それにもかかわらず、このような事象は実際にまれにしか発生せず、複合サイクル発電プラントが実際に本発明による方法で運転される可能性自体がきわめて小さい。それにもかかわらず、プラントを本発明による運転方法のために準備し、適当なプログラムをプロセス制御技術で実施することが重要である。これは上述のように、既に相当な金額の流れを発生する。
【００１１】
本発明による方法の場合、水と蒸気の循環回路にできるだけ多くのエネルギーが蓄えられ、このエネルギーが蒸気の形態で蒸気タービンに短時間供給されると有利である。従って、ガスタービンが定格回転数まで始動した後で先ず最初に配電網開閉器を開放しかつ発電機開閉器を閉じることによって複合サイクル発電所の固有給電のために単独運転されると、方法にとって有利である。この時間内では、ガスタービンの排気熱が、水と蒸気の循環回路にエネルギーを供給し、運転の準備をするために使用される。既にそのとき蒸気タービンが始動されると有利である。水と蒸気の循環回路が所定の状態に達した後で初めて、配電網開閉器が閉じられる。そのとき初めて、複合サイクル発電所は配電網の出力要求を満たすことができる。本発明による方法では、水と蒸気の循環回路と蒸気タービンは、過渡的な出力要求を満たす際に蒸気タービンへの蒸気の供給によってガスタービンを補助する準備が出来ている。更に、負荷プログラムに他の区切り点を設け、この区切り点で水と蒸気の循環回路に連続して他更にエネルギーを供給すると有利である。それによって、短時間供される蒸気タービンの出力が更に上昇する。
【００１２】
水と蒸気の循環回路は本発明による方法では、高温高圧蒸気の形態で迅速に供される熱エネルギーのためのアキュムレータとして運転される。
【００１３】
複合サイクル発電プラントがドラム型ボイラを備えていると、高圧ドラムおよび／または低圧ドラムを、エネルギー貯蔵器として使用することができる。方法を実施するためのプラントの場合、ドラムがエネルギー貯蔵器として過大寸法に形成されると有利である。ドラム内には蒸気のほかに沸騰水が貯蔵される。蒸気タービンの出力要求時に蒸気を供給しなければならず、ボイラと蒸気タービンの間に配置された主制御弁を開放しなければならない、好ましい方法の実施形の場合には、ボイラ内の背圧が少しだけ自然発生的に低下する。飽和水は沸騰し、多量の蒸気を迅速に供することができる。
【００１４】
方法の他の有利な実施形では、蒸気発生器の高圧部分からの蒸気が少なくとも一時的に蒸気タービンの低圧部分または中圧部分に供給される。そのために、蒸気発生器の高圧部分内の圧力が一時的に低下させられるかあるいは蒸気発生器と蒸気タービンの間の圧力が絞られる。この方法の実施形の利点は、蒸気タービンの減圧中およびガスタービンの任意の負荷時の新鮮蒸気温度が低いときに、蒸気湿度が上昇しすぎない点にある。
【００１５】
蒸気タービンには勿論、補助ボイラから不可的な蒸気を供給することができる。
【００１６】
図面の簡単な説明
次に、図に基づいて本発明を詳しく説明する。図は単独始動可能な複合サイクル発電プラント（コンバインドサイクル発電プラント、コンバインド発電プラント）の例を示している。水と蒸気の循環回路と電気的な回路はきわめて概略的に示してあり、本発明の理解のために直接必要な要素だけが示してある。図は判りやすくするためのものであると理解すべきであり、本発明の特許請求の範囲を制限するために用いるべきではない。
発明の実施の形態
図には、単独始動可能な複合サイクル発電プラントが例示的に示してある。次に、この発電プラントに基づいて本発明の方法を説明する。ガスタービン１と蒸気タービン２は共通の１個の発電機３を駆動する。その際、高圧ケーシング２０１と中圧／低圧ケーシング２０２を備えた蒸気タービン２は、それ自体公知のごとく、自動的に作用するクラッチ４を介して発電機３に連結されている。ガスタービンの排気は排熱回収蒸気発生器（排熱回収ボイラ）５を流れる。この排熱回収蒸気発生器では、蒸気タービン用の蒸気が発生させられる。その際、凝縮器６からの凝縮液は低圧／中圧給水ポンプ７によって第１の圧力レベルになる。この給水は給水予熱器５０１を流通し、低圧／中圧ドラム５０５に流入する。低圧／中圧ドラム５０５からの水は低圧／中圧蒸発器５０２を通って循環する。ドラム５０５内では沸騰水と飽和蒸気の分離が行われる。沸騰水の一部は更に低圧／中圧蒸発器５０２を通って循環する。この蒸発器において沸騰水の一部が蒸発する。ドラム内の沸騰水の他の部分流は、高圧給水ポンプ８によって第２の圧力で搬送される。強制流通蒸発器５０４内で高圧給水が蒸発し、発生した蒸気が過熱される。高圧蒸気は最後に蒸気制御弁９を経て蒸気タービン２の高圧ケーシング２０１の流入口に流れる。この蒸気タービンにおいて高圧蒸気は有効出力を排出ながら、循環する水と蒸気の最初の圧力レベルにほぼ一致する圧力に減圧される。ドラム内で分離された飽和蒸気はドラムから流出し、低圧／中圧過熱器に案内される前に部分的に減圧された第１の部分流と混合する。過熱された蒸気はこの低圧／中圧過熱器から蒸気タービンの低圧／中圧ケーシング２０２の流入口に案内され、有効出力を放出しながら凝縮器圧力に減圧される。減圧された蒸気は凝縮器６で再び液化される。上記の水と蒸気の循環回路はきわめて簡略化して示してある。この循環回路は、本発明の本質に触れないで、圧力段と予熱段の数および蒸発器の種類が異なるように構成することが可能である。低圧／中圧蒸発器は特に強制流通式蒸発器および強制流通式過熱器として形成可能である。ボイラは更に高圧ドラムを備えていてもよい。多数の他の変形が専門家によく知られている。プラントの普通の運転中、発電機開閉器Ｓ１と配電網開閉器（配電網遮断器）Ｓ２は閉じている。開閉器Ｓ３〜Ｓ６は開放している。配電網開閉器Ｓ２を介して発電プラントは電気回路網５０に接続されている。この電気回路網は一般的に、多数の発電所と多数の消費部Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３・・・が接続されている大きな系統連係である。この消費部は開閉器ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３・・・を介して断続される。本実施の形態では、発電所が配電網開閉器Ｓ２を介して高電圧母線５１に接続され、或る数の消費部が開閉器を介してこの高電圧母線に接続可能である。更に、電気的な回路は非常に簡略して示してある。変圧器と、保護開閉器と、本発明の直接的な理解のために不要な他の要素は省略されている。高出力の電気回路網は一般的に、変動する出力需要にきわめて鈍感であり、負荷下で運転される発電プラントは元々周波数サポートのための適当な予備を備えている。
【００１７】
発電プラントの普通のスタート時には、先ず最初に開閉器Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６が開放される。開閉器Ｓ４は閉じられ、始動装置１０、例えば静的な周波数変換器が高電圧母線５１に接続される。始動装置１０は開閉器Ｓ３を介して、動力で運転される発電機３に接続され、ガスタービンは先ず最初に点火回転数まで回転数が上昇し、或る回転数まで軸の加速を補助するために運転されたままである。遅くともガスタービンの定格回転数で、開閉器Ｓ３，Ｓ４が開放され、ガスタービンは空転する。開閉器Ｓ１が閉鎖され、発電機から固有給電母線５２を経て発電所に給電することができる。そして発電プラントは外部から給電しないで単独運転可能である。この場合例示的な図示では、給水ポンプ７，８が固有給電母線５２に接続されている。次のステップでは発電プラントは配電網と同期化され、配電網開閉器Ｓ２が閉じられる。ガスタービンの出力は少なくとも下側の負荷範囲において、設定された負荷プログラム（ローディングプログラム）に従って制御されて高められる。蒸気タービン２が始動させられる。蒸気タービンが定格回転数に達するや否や、蒸気タービンは自動的に作用するクラッチ４を介して発電機に接続される。熱応力による蒸気タービンの機械的な負荷を制限するために、蒸気制御弁９は設定された蒸気タービンの負荷プログラムに従っておよび／または測定された材料温度に依存してゆっくりと蒸気量を増やす。これにより、複合サイクル発電プラントは配電網負荷に依存しないで、設定された目標出力まで運転される。配電網５０の周波数サポートは配電網に接続された他のプラントによって行われる。
【００１８】
配電網にエネルギーがないときには、基本的に状況が異なる。この場合、配電網５０に接続可能なプラントの単独始動性が要求される。そのために、例示した複合サイクル発電所は単独始動ディーゼル１１を備えている。開閉器Ｓ１〜Ｓ６は開放されている。単独始動ディーゼル１１は起動電動機（スタータ）１２によって始動させられる。この起動電動機にはバッテリ１３から給電される。単独始動ディーゼル１１は補助発電機１４を駆動する。開閉器Ｓ５が閉じられ、始動装置１０に補助発電機１４から給電される。上述のように、開閉器Ｓ３が閉じられ、ガスタービンが定格回転数にもたらされる。そして、開閉器Ｓ３，Ｓ５が開放される。ガスタービンの始動の前に、開閉器Ｓ６によって補助発電機１４が固有給電母線５２に接続される。これにより、ボイラの始動を準備することができる。そのために、給水ポンプ７，８を運転することができる。できるだけ早い時期に凝縮器６が排気される。ガスタービンが無負荷で定格回転数に達した後で、単独始動ディーザル１１は好ましい実施の形態では差し当たり空転にとどまるかあるいは最も必要な発電所構成要素に電気エネルギーを供給する最小の負荷にとどまる。発電機開閉器Ｓ１が閉じられ、ガスタービン１によって駆動される発電機３が発電所の固有給電のための出力を供給する。今や、発電所は外部からのエネルギー供給または補助エネルギー供給に依存しないで、単独運転で独立して運転される。まだ行われていない場合には、給水ポンプ７，８が運転され、凝縮器６が排気される。単独運転中、排熱回収ボイラ５はできるだけ加熱され、蒸気生成が開始される。蒸気制御弁９，１５は閉鎖されているかまたは強く絞られている。充分な蒸気状態に達すると、蒸気タービンは定格回転数で回転する。その後で、開閉器Ｓ２が閉じ、発電所が最小出力で配電網５０の最高電圧母線５１に接続され、そのときまで無エネルギーであった配電網５０に電流を供給する。消費部開閉器ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３・・・のほんどが開放される。その際、消費部は配電網セグメント全体であってもよい。発電所の出力はゆっくり上昇する。この程度に応じて勿論消費部を接続しなければならないので、配電網の出力要求は発電機出力にほぼ一致する。小さな偏差に対してシステムは配電網周波数の変動によって応じる。配電網周波数を許容し得るインターバルに保持するために、発電所は出力変更によって上記配電網周波数に応答しなければならない。順々に接続された消費部Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３・・・は無限小ではなく、特に配電網負荷の初期相で全体出力に対してかなりの大きさである。最初の時点で、発電所の回転慣性質量は、タービンの有効出力放出の変化によって調整可能になる前に、負荷変動を緩衝する。技術水準では、負荷の急激な変化のときに周波数サポートを行うために、ガスタービンの出力調整に介入する。これは冒頭で述べたように、最新のガスタービンでは少なくとも、例えば相対的なガスタービン負荷の４０〜５０％までの下側の負荷範囲において不可能である。更に、負荷要求はガスタービン出力の許容されない範囲に入る。相対的なガスタービン負荷またはガスタービン出力とは、専門家にとって、ガスタービンの実際の最大出力に対するガスタービンの実際に放出される有効出力の比であると理解される。この最大出力は周囲条件やガスタービンの運転パラメータに大きく依存する。本発明では、蒸気タービンは低出力でまたは空転時に定格回転数にある。弁９〜１５は強く絞られている。排熱回収蒸気発生器５では、エネルギーが圧力下の水と蒸気の形で貯蔵される。好ましい実施の形態では、低圧／中圧ドラム５０５は過大寸法であり、沸騰水の補助貯蔵器として機能する。これは原理的には高圧ドラムによっても行うことができる。しかし実際には、適当な大きさの高圧貯蔵器は特に強度に関して大きな問題がある。調整弁１５を開放することによって、沸騰水の形態でドラム内に蓄えられたエネルギーを利用することができる。この沸騰水は背圧の低下によって蒸発し、発生した飽和蒸気は過熱器５０３で過熱され、中圧／低圧タービンに供給される。同様に、蒸気調整弁９が開放され、高圧蒸気タービン２０１の出力放出が同様に自然発生的に増大する。このような方法は熱衝撃を発生し、蒸気タービン構成要素内の熱応力が上昇し、従って寿命が事情によってはきわめて短くなる。これはしかし、不足周波数または過周波数に基づいて発電所が緊急遮断される恐れなしに、上記の方法がエネルギーのない配電網の問題のない始動を可能にするときに許容される。更に、蒸気タービンが配電網の始動中にできるだけ早く負荷下で運転され、それによって両方向、すなわち不足周波数がさし迫っているときおよび過周波数がさし迫っているときに、蒸気タービンの出力調整部が応答することができる。ガスタービンの出力は設定された負荷プログラムに従って制御されて上昇する。ガスタービンは始動中少なくとも下側の負荷範囲において負荷変動に応答しない。周波数サポート、すなわち過渡的な負荷急変化の調整は、上記の方法で蒸気タービンによって行われる。その際、ガスタービンの負荷プログラムが複数の区切り点を有すると有利である。この区切り点では、排熱回収蒸気発生器がエネルギー貯蔵器としてエネルギーを更に供給する。これは蒸気タービンの短期間の出力ポテンシャルを改善する。他の有利な方法では、開閉器Ｓ６が閉じる。この場合、単独始動ディーゼルの出力も周波数サポートのために用いることができる。ガスタービン出力が所定の限界値に達し、典型的な場合相対出力が約４０％以上の値、好ましくは５０％よりも大きな値であるときに、ガスタービンは出力要求の短期間の変化に応答することができる。続いて、ガスタービンはもはや制御負荷されないで、周波数サポートのために調整されて運転され、場合によってはその最大出力まで更に負荷される。蒸気タービンは調整されなくなり、過剰の熱応力を回避しながら慣用のごとくゆっくりと負荷される。更に、ガスタービンと蒸気タービンの間の負荷分配は特別なプラント運転構想に応じて行われる。更に、場合によってはまだ運転されているディーゼルを停止することもできる。
【００１９】
有利な方法では、低いボイラ温度の際に排熱回収蒸気発生器の高圧部分５０４からの蒸気が蒸気タービンの低圧／中圧部分２０２に供給される。そのために、高圧給水ポンプ８によって供給される圧力を一時的に低下させると特に有利である。排気温度ひいては新鮮蒸気温度が低いときに、蒸気タービン内の蒸気湿度が上昇しすぎないようにすると非常に有利である。そのために必要な蒸気管路と絞り機構または遮断機構は、見やすくするために図には記載していない。しかし、専門家は、この記載を知ることによって、本発明のこの変形を適当に形成された複合サイクル発電プラントで容易に実現することができる。
【００２０】
専門家にとって、実施の形態の特別な構造のほかに、本発明を実施可能である一連の他のプラント構造が自由に考えられる。特に、図示した水と蒸気の循環回路は制約されない。専門家にとって多数のいろいろな実施の形態が容易に考えられる。はっきりと説明していない所望な方法が本発明の思想の範囲内に存在する。これはしかし、特許請求の範囲に記載した発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 単独スタート可能な複合サイクル発電プラントの例を示す。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ 蒸気タービン
３ 発電機
４ 自動作用クラッチ
５ 排熱回収蒸気発生器
６ 凝縮器
７ 給水ポンプ
８ 高圧給水ポンプ
９ 蒸気調整弁
１０ 始動装置
１１ 単独始動ディーゼル
１２ スタータ
１３ バッテリ
１４ 補助発電機
１５ 蒸気調整弁
５０ 配電網
５１ 高電圧母線
５２ 固有給電母線
２０１ 高圧ケーシング
２０２ 低圧／中圧ケーシング
５０１ 給水予熱器
５０２ 低圧／中圧蒸発器
５０４ 高圧蒸発器および高圧過熱器
５０５ 低圧／中圧ドラム
Ｓ１ 発電機開閉器
Ｓ２ 配電網開閉器
Ｓ３ 開閉器
Ｓ４ 開閉器
Ｓ５ 開閉器
Ｓ６ 開閉器
ＳＶ１ 消費部開閉器
ＳＶ２ 消費部開閉器
ＳＶ３ 消費部開閉器
Ｖ１ 消費部
Ｖ２ 消費部
Ｖ３ 消費部

Claims (6)

1. 配電網が負荷される前に水と蒸気の循環回路が加熱され、蒸気タービン（２）が始動し、この場合ガスタービン（１）がその負荷範囲の少なくとも一部において、設定された負荷プログラムに従って負荷され、この場合配電網の過渡的な負荷要求が蒸気タービンの出力を変化させることによって満たされる、エネルギーを有していない配電網（５０）を始動させる際に複合サイクル発電所を運転するための方法。
2. ガスタービン（１）が配電網に接続される前に或る時間にわたって空転するかまたは複合サイクル発電所の固有エネルギー供給のための出力で運転され、この時間の間水と蒸気の循環回路にエネルギーが供給されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ガスタービンの負荷プログラムに少なくとも１つの区切り点が設けられ、この区切り点で水と蒸気の循環回路にエネルギーが更に供給されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 排熱回収蒸気発生器の高圧部分（５０４）からの蒸気が一時的に蒸気タービン（２）の低圧／中圧部分（２０２）に供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 排熱回収蒸気発生器（５）の少なくとも１つのドラム（５０５）が蒸気エネルギー貯蔵器として利用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 配電網の過渡的な出力要求を満たすために、蒸気タービン出力のほかに、単独始動ディーゼル（１１）の出力が使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。

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