JP4518320B2 - 火力発電プラントの周波数バイアス制御装置とその運用方法 - Google Patents
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ここに示す火力発電プラントは、ボイラ1と、ボイラ1で発生した蒸気エネルギを運動エネルギ(回転トルク)に変換する蒸気タービン2(以下、単にタービンということがある)と、タービン2と同軸で回転し、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機3と、ボイラ1からタービン2に流入する蒸気量を調節して発電機3で発電する発電量7を調節するタービン加減弁4と、発電量7を含め火力プラント全体を制御するプラント制御装置(以下APCということがある)6と、タービンの回転数を補正する調速機能の各要素13〜19及び関連計測機器として発電量検出器8,周波数検出器10,タービン回転数検出器12を含んで構成されている。
送電系統の周波数は、送電系統の需給バランスにより変動する。即ち需要量に対して発電量が多いと周波数は上昇し、反対に発電量が少ないと周波数は低下する。一般に火力発電プラントにはガバナフリー運転と呼ばれている周波数の変動を抑制する運転モード機能があり、これは発電量不足のために周波数が低下すると発電量を増補正し、発電量過多のため周波数が上昇すると発電量を減補正することで、需給バランスを改善し周波数の変動を抑制する運転モードである。
まずケース1として、周波数補正機能は図3に示すタービンの調速機能のみとし、図10に示す周波数補償信号31がなく、従ってMWD22は周波数偏差にて補正されない場合を考える。
−12rpm÷(3000rpm×4/100)×100%=−10%
の値が回転数補正信号17として出力され、APC6より出力されている負荷指令45の値70%に加算されてタービン加減弁開度指令18は70%−10%=60%となる。
出力はMWD22を目標に制御されるため、周波数が上昇した場合にはMWD22を減じる補正を行い、周波数が低下した場合にはMWD22を増加する補正を行うことで、前記従来技術のケース2のような出力制御による周波数変動抑制効果の相殺作用を無くすことができる。
周波数補償信号25は下限関数26の出力信号27と高値選択されることで下限制限され、更にこの下限制限された周波数補償信号28を上限関数29の出力信号30と低値選択することで上下限制限された周波数補償信号31となる。この周波数補償信号31を出力指令21に加算してMWD22とする。
図4の周波数補償量カーブに示すように周波数補償関数24の設定には不感帯があり、小さな周波数変動(変動周期の早いものが多い)では周波数補償信号25が出力されない設定にしてある。不感帯の幅は±0.1Hzから±0.2Hz程度が一般的であるが、更に周波数補償関数の不感帯とは別に不感帯以上の任意の周波数変動(例えば±0.25Hz)が生じてから、周波数補償信号31を出力指令21に加算するように切替器47のインターロックを設定することもある。
周波数補償量31+出力設定補正量33=回転数補正量17
とすることにある。これによりタービンの調速機能によって得られた周波数変動を抑制する効果が、出力制御で相殺されるか、減じられることが無くなるか、又は少なくなる。
この状態で周波数偏差が+0Hzから+0.2Hzに上昇すると、タービン回転数信号13は3000rpm→3012rpmに増加し、回転数偏差信号15は−12rpmとなり回転数補正信号17は、
−12rpm÷(3000rpm×4/100)×100%=−10%
が出力され、タービン加減弁開度指令18は70%−10%=60%になり、サーボ19によりタービン加減弁4の開度が70%→60%に絞られる。このため発電量7も70%→60%に減じる。ここまではケース1のタービン調速機能の動作と同じである。
+0.05Hz÷(50Hz×4/100)×(−100%)=−2.5%
の値となる。ここでは周波数補償信号25の上下限制限は省略し、MWD22は70%−2.5%=67.5%となる。よって発電機出力偏差44は67.5%−60%=+7.5%となり、PI制御器46は発電量出力43がMWD22と同じ67.5%に増加するまで負荷指令45を増加させる。
+0.15Hz÷(50Hz×4/100)×(−100%)=−7.5%
を出力設定補正信号33として出力する。よって発電機出力設定信号44はMWD22(67.5%)+出力設定補正量33(−7.5%)=60%となり、回転数補正量17にて調節された発電機出力43と同値になる。
別の手段として、周波数補償下限信号27、同上限信号30とは別に、出力設定補正専用の上下限制限信号35,38を生成する手段と、出力設定補正信号33に対して前記上下限制限信号35,38にて上下限制限する手段と、上下限制限された出力設定補正信号39をMWD22と加算して発電機出力設定信号42とする手段を含む制御回路にて構成し、
更に、出力設定補正関数32の入力である周波数信号23又は出力設定補正信号33〜39の間にLAGを含ませる場合もある。
又は周波数補償信号31と出力設定補正信号39をインターロック回路や補正関数の設定により使い分けする場合を考慮して、周波数補償量上下限制限と出力設定補正量上下限制限を個別に設け、それぞれの機能においてプラントの安定性が確保できるように制御回路を構成し、
更に、場合によってはLAG40により出力設定補正信号39を遅らせて、発電機出力設定値42と回転数補正信号17による発電機出力43の変化の位相を合致させるように制御回路を構成する。
(1) [周波数補償上限制限値30]
≧[周波数補償量31]+[出力設定補正量39]/K1
(2) [周波数補償量下限制限値27]
≦[周波数補償量31]+[出力設定補正量39]/K2
但し、0≦K1≦2、0≦K2≦2
従来技術のケース3で説明したと同じように具体的数値を仮定する。周波数補償関数24及び出力設定補正関数32は図6に示す設定とする。出力指令21〜発電量7まで70%で安定しているとして以下に説明する。
一方、出力設定補正関数32が図5の特性の場合、小さな周波数変動範囲の動作のため圧力変動に余裕がある条件ではK1、K2を1〜2の範囲で設定し、より大きな効果を得ることもできる。
−12rpm÷(3000rpm×4/100)×100%=−10%
となる。
周波数11の変動が+0Hzから−0.3Hzになった場合、周波数補償信号25の値は図6に示す通り+7.5%となる。出力指令70%における周波数補償下限信号27と周波数補償上限信号30は図7に示す通り、±7%である。周波数補償信号25(+7.5%)と周波数補償下限信号27(−7%)は下限制限器60により高値選択され、周波数補償信号28として+7.5%を出力する。更に周波数補償信号28(+7.5%)と周波数補償上限信号30(+7%)は上限制限器61により低値選択され、周波数補償信号31として+7%に制限されて出力する。
+18rpm÷(3000rpm×4/100)×100%=+15%
となる。調速機能の周波数変動抑制効果で発電量7が+15%補正されるところ、出力指令70%にて運転中のプラントの安定性を確保するため出力制御にて発電量7の補正量は+7%に抑制される。
周波数23の変動が+0Hzから−0.1Hzになった場合、図6に示す通り周波数補償量25は不感帯の周波数変動範囲なので0%となる。図7より出力指令30%における周波数補償下限信号27は−0%、同上限信号30は+3%となる。周波数補償信号25(0%)と周波数補償下限信号27(0%)とは下限制限器60により高値選択され周波数補償信号28として0%が出力される。更に周波数補償信号28(0%)と周波数補償上限信号30(+3%)とは上限制限器61により低値選択され周波数補償信号31として0%が出力される。
+6rpm÷(3000rpm×4/100)×100%=+5%
となる。調速機能の周波数変動抑制効果で発電量7が+5%補正されるところ、出力指令30%にて運転中のプラントの安定性を確保するため出力制御にて発電量7の補正量は+3%に抑制される。
周波数変動があって周波数補償量31による補正が生じた場合は、タービン回転数補正信号17によりタービン加減弁4が制御され、MWD22は周波数補償量31により相当量の補正がなされる。図1に示す通り、MWD22は発電機出力設定信号42とボイラ制御信号73を同時に同量補正する。従ってタービン加減弁4の制御(蒸気量5の調節)と、図示はしていないがボイラ制御信号73によるボイラ1の給水量、燃料供給量の制御(蒸発量の調節)が、同位相で操作されるため、ボイラ1の応答遅れはあるもののボイラ1の蒸発量と蒸気量5の差は相対的に少なく、よって圧力変動は比較的少ない。
周波数補償下限裕度34=周波数補償下限値27−周波数補償量28
=Min.{(周波数補償下限値27−周波数補償量25),0}
同様に周波数補償上限裕度37についても、下記は同一信号となる。
周波数補償上限裕度37=周波数補償上限値30−周波数補償量31
=Max.{(周波数補償上限値30−周波数補償量25),0}
これは周波数補償信号の上限下限裕度34,37を求める回路として、周波数補償信号25,28,31及び周波数補償上下限信号27,30の組み合わせで複数の計算方法が存在するということであり、図1の実施形態はその内の一例に過ぎない。
2 蒸気タービン 33 出力設定補正信号
3 発電機 34 周波数補償下限裕度
4 タービン加減弁 35 出力設定補正下限信号
5 蒸気量 36 出力設定補正信号
6 APC(プラント制御装置) 37 周波数補償上限裕度
7 発電量 38 出力設定補正上限信号
8 発電量検出器 39 出力設定補正信号
9 発電量信号 40 遅れ要素
10 周波数検出器 41 変換信号
11 周波数信号 42 発電機出力設定信号
12 タービン回転数検出器 43 発電機出力信号
13 回転数信号 44 発電機出力偏差信号
14 基準回転数信号 45 負荷指令
15 回転数偏差信号 46 PI制御器
16 調定率関数 47 切替器
17 回転数補正信号 50 出力設定補正下限関数
18 タービン加減弁指令 53 出力設定補正上限関数
19 タービン加減弁サーボ 60 下限制限器
20 出力目標値 61 上限制限器
21 出力指令 62 減算器
22 負荷要求信号(MWD) 63 変換関数
23 周波数信号 64 乗算器
24 周波数補償関数 65 下限制限器
25 周波数補償信号 66 減算器
26 周波数補償下限関数 68 乗算器
27 周波数補償下限信号 69 上限制限器
28 周波数補償信号 70 主蒸気圧力偏差
29 周波数補償上限関数 71 PI制御器
30 周波数補償上限信号 72 ボイラマスタ信号
31 周波数補償信号 73 ボイラ制御信号
Claims (7)
- ボイラ1と、ボイラ1で生成された蒸気5の熱的エネルギを電気エネルギに変換する蒸気タービン2と、該蒸気タービン2と同軸の発電機3と、ボイラ1から蒸気タービン2へ供給する蒸気5の流量を調整するタービン加減弁4と、ボイラ1の運転及び蒸気タービン加減弁4の操作をそれぞれ制御するプラント制御装置6と、プラント制御装置6から出力される負荷指令信号45にタービン回転数補正信号17を加えてタービン加減弁4を調節するタービン調速機能部とを備えた火力発電プラントに用いられる周波数バイアス制御装置において、
プラント制御装置6は、
発電量の出力指令信号21の入力があると、送電系統の設定した周波数と出力周波数信号23との間に生じる周波数偏差に応じた周波数補償信号25をプラントが許容できる補正範囲に制限して周波数補償信号31を得て、該周波数補償信号31を前記出力指令信号21に加えて負荷要求信号22を生成する周波数補正回路と、
前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号33を生成し、得られた出力設定補正信号33もプラントが許容できる補正範囲に制限して出力設定補正信号39を得て、該出力設定補正信号39を前記負荷要求信号22に加算して発電量制御の制御目標値とする出力設定補正回路と、
得られた周波数補償信号31と出力設定補正信号39を負荷要求信号22に加算して発電機出力設定信号42とし、これに発電機出力信号43を加えてフィードバック制御により得られた負荷指令信号45を前記タービン加減弁4に出力する負荷指令回路と
を備えたことを特徴とする火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。 - プラント制御装置6の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令22の許容変動量に基づき設定される周波数補償下限関数26と周波数補償上限関数29により出力指令信号21の周波数補償下限信号27と周波数補償上限信号30をそれぞれ得て、該上下限信号27,30をもとに前記周波数補償信号25を制限した周波数補償信号31を得る構成とし、
プラント制御装置6の出力設定補正回路は、前記目標値周波数補償下限信号27と周波数補償上限信号30に対する該周波数補償信号31の上下限裕度を演算して周波数補償量下限余裕信号34と周波数補償量上限余裕信号37をそれぞれ得て、該周波数補償量上下限余裕信号37,34にそれぞれ所定の係数K1、K2を掛け合わせた信号をそれぞれ出力設定補正下限信号35と出力設定補正上限信号38とし、得られた出力設定補正上下限信号38,35により前記周波数偏差に応じた発電量の出力設定補正信号33に対して制限を加えて出力設定補正信号39とする構成とする
ことを特徴とする請求項1記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。 - プラント制御装置6の周波数補正回路は、プラントが許容できる負荷要求指令22の変動量に基づき設定される周波数補償下限関数26と周波数補償上限関数29によりそれぞれ目標値周波数補償下限信号27と周波数補償上限信号30を得て、前記周波数補償信号25を前記上下限信号30,27をもとに制限した周波数補償信号31を得る構成とし、
プラント制御装置6の出力設定補正回路は、出力指令21に基づき設定される出力設定補正下限関数50と出力設定補正上限関数53によりそれぞれ出力設定補正下限信号35と出力設定補正上限信号38を得て、該出力設定補正上下限信号38,35により前記周波数偏差に応じた出力設定補正信号33に対して制限を加えて出力設定補正信号39とする構成としたことを特徴とする請求項1記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。 - プラント制御装置6の出力設定補正回路には、周波数信号23、出力設定補正信号33及び出力設定補正信号39の少なくともいずれかに遅れ要素40を加えることを特徴とする請求項2又は3記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
- プラント制御装置6は、周波数補償上限制限値30と周波数補償下限制限値27と周波数補償信号(=周波数補償量)31と出力設定補正信号(=出力設定補正量)39との間に以下(1)式と(2)式の関係となる制御動作をすることで、周波数補償信号31と出力設定補正信号39の両補正が加わった状態でプラント運転を行う発電量7の制御を行うことを特徴とする請求項2記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置。
(1) [周波数補償上限制限値30]
≧[周波数補償量31]+[出力設定補正量39]/K1
(2) [周波数補償量下限制限値27]
≦[周波数補償量31]+[出力設定補正量39]/K2
但し、0≦K1≦2、0≦K2≦2 - 周波数補正回路により得られる周波数補償信号31と出力設定補正回路により得られる出力設定補正信号39を、それぞれ別々に使い分けるか又は両方使用することを特徴とする請求項3記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法。
- 周波数変動が生じた場合に、タービン加減弁4の動作に対する発電量7の遅れをLAG40にて補償し、発電機出力設定値42と発電機出力信号43の位相を合致させることで制御上の外乱を防ぎ、安定したプラント制御を行うことを特徴とした請求項4に記載の火力発電プラントの周波数バイアス制御装置の運用方法。
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