JP4948348B2

JP4948348B2 - コンバインドサイクル発電プラント

Info

Publication number: JP4948348B2
Application number: JP2007259181A
Authority: JP
Inventors: 隆広菅原; 信幸松本; 彰秋田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: JP2009085182A

Description

本発明は、コンバインドサイクル発電プラントに係り、具体的には、コンバインドサイクル発電プラントを構成するガスタービンと蒸気タービンの出力を増加する出力増加装置の起動停止制御に関する。

電力を高効率で発生する発電プラントとして、コンバインドサイクル発電プラントが知られている。コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンから排出される排ガスの熱を利用して蒸気を発生し、発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動し、それらのガスタービンと蒸気タービンとによって発電機を駆動するように構成されている。このように、コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンの排ガスが有する熱エネルギーを有効に利用することで、高効率での発電を達成することができる。

さらに、コンバインドサイクル発電プラントの出力を増加するために、ガスタービンの排ガスを加熱して昇温させる助燃装置、あるいはガスタービンの燃焼用空気を冷却する冷却器などの出力増加装置を使用する場合がある。

助燃装置は、ガスタービンの排ガスに燃料を噴霧して燃料を燃焼させて排ガスの温度を上昇させ、これにより蒸気の発生量を増加して、蒸気タービンの出力を増加して、発電出力を増加させる。

ガスタービンの燃焼用空気を冷却する冷却器は、圧縮機に流入する空気を冷却して、圧縮機に流入する空気の質量を増加させることにより、ガスタービンの燃焼器で燃焼できる燃料を増加して、ガスタービンの出力を増加させる。これと同時に、ガスタービン排ガスの流量が増加することにより、蒸気の発生量が増加して、蒸気タービンの出力が増加する。このように、ガスタービンの燃焼用空気の冷却器を設けることにより、ガスタービン出力と蒸気タービン出力が増加するので、コンバインドサイクル発電プラントの発電出力を増加することができる。

出力増加装置の起動制御の一例として、特許文献１に、負荷要求指令が増加し、出力増加装置により出力を増加しなければ出力不足となるときに起動を開始することが提案されている。

特開２００６−５７５８０号公報

しかし、出力増加装置は起動してから、実際に出力が増加するまで、一定の時間遅れがあるため、特許文献１の方法によれば、負荷要求指令の増加に対して素早く対応することができないという問題がある。

すなわち、助燃装置を起動する場合は、燃料供給系統の燃料パージ等の起動準備してから着火完了するまでに一定の起動時間が必要になるから、一定の負荷追従遅れ（例えば、数分〜十数分）を避けることができない。また、ガスタービンの燃焼用空気の冷却器の場合においても、冷凍機を起動してから実際に冷却器により空気が冷却されるまでに一定の起動時間が必要になるから、負荷追従遅れを避けることができない。

このような、負荷追従遅れを回避するために、出力増加装置を不要時であっても起動した状態で待機することが考えられる。しかし、出力増加装置を常時運転しておくことは、無駄な燃料が消費されるとともに、冷凍機動力の無駄が発生し、発電プラントの発電効率が低下するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、負荷要求指令の増加に対応して出力増加装置を起動する際の負荷追従遅れを低減することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、設定周期ごとに入力される負荷要求指令に基づいて発電量を制御する発電量制御装置は、出力増加装置が停止中のとき、前記設定周期ごとに入力される負荷要求指令を実績値として次周期又は次周期以降の複数周期分の負荷要求指令の予測値を求める予測手段と、各周期の負荷要求指令の予測値が前記発電プラントの定格発電量を越えるか否か判定する判定手段と、該手段による少なくとも1周期分の前記予測値が前記定格発電量を越えるとき前記出力増加装置に起動指令を出力する起動制御手段を備えて構成されることを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、設定周期ごとに将来の負荷要求指令の予測値を求め、予測値が発電プラントの定格発電量を越えると判定した場合に、出力増加装置を予め起動するようにしたのである。そのため、実際に負荷要求指令が増加する前に出力増加装置が起動されるので、予め起動する時間だけ負荷追従遅れを低減することができる。したがって、本発明によれば、出力増加装置を常時起動しておく必要がないから、発電効率の低下を抑制できる。

ここで、発電プラントの定格発電量とは、出力増加装置を運転していない状態で、ガスタービンと蒸気タービンにより発電できる発電量をいう。ところで、ガスタービンは、周囲空気を燃焼用空気として用いていることから、周囲空気の気温によって吸気の質量が変動し、これによりガスタービンの出力も変動する。そこで、定格発電量は、例えば、設定周期ごとの気温に応じて補正することが好ましい。

また、複数周期分の負荷要求指令の実績値に基づいて将来の複数周期分の負荷要求指令の予測値を求める狙いは、本発明の発電プラントの発電出力を電力託送により負荷に供給する場合の同時同量の制約条件を考慮したものである。例えば、同時同量の条件は、予め定めた基準時間（例えば、３０分間）の平均電力量を契約電力量以内に保持するという条件である。この条件を満たすため、一般に、基準時間を複数の区間に分け、各区間の発電量を調整して、それらの平均電力量を契約電力量以内に保持することにより、違反した場合のペナルティを回避する制御が行われている。本発明は、この同時同量の運用を想定して、今回の基準時間における設定周期（例えば、５分間）ごとに、次の基準時間（例えば、３０分間）における負荷要求指令の予測値を求め、次の基準時間における同時同量を満たすために、特定の設定周期における発電量が定格発電量を超えるときは、早めに出力増加装置を起動することにより、同時同量の運用を満たすことが容易になる。

また、同時同量運用の場合、予測手段による次周期の予測値が、現在の設定周期における負荷要求指令の実績値に同時同量運用可能な負荷要求指令の増加可能な上限値を加えた値を越えるか否か判定する判定手段を設け、その判定が肯定のとき出力増加装置に起動指令を出力する起動制御手段を備えてなる構成とすることができる。ここで、同時同量運用可能な負荷要求指令の増加幅（上限）は、予めシミュレーションにより確認して、データベースに設定しておくことができる。例えば、出力ｘＭＷのときは、ｙＭＷまで増加できるなどのように設定する。また、実運用開始後は、経験値をデータベース化することもできる。

本発明によれば、負荷要求指令の増加に対応して出力増加装置を起動する際の負荷追従遅れを低減することができる。

以下、本発明のコンバインドサイクル発電プラント（以下、発電プラントという。）の実施形態を図を参照して説明する。

図１は、本発明の発電プラントの特徴部である出力増加装置の起動停止制御装置のブロック構成図である。図２は、本発明の発電プラントの構成概要を示すブロック構成図である。図３は、出力増加装置の起動制御手順の一実施形態を示すフローチャートである。図４及び図５は、出力増加装置の起動制御の動作を説明するタイミングチャートである。図６は、出力増加装置の停止制御手順の一実施形態を示すフローチャートである。

図２に示すように、ガスタービン（ＧＴ）１に発電機（Ｇ）２及び空気圧縮機（ＡＣ）３が連結され、ガスタービン１は空気圧縮機３から吐出される高圧空気により燃料を燃焼する燃焼器４から供給される燃焼ガスによって駆動され、発電機２を駆動して発電するようになっている。ガスタービン１を駆動した排ガスは、排熱回収ボイラ（HRSG）５に導かれ、図示していない給水源から供給される給水を加熱して蒸気を発生し、排熱回収ボイラ５を流通した排ガスは、図示していない排ガス処理装置を経て大気に放出されるようになっている。排熱回収ボイラ５で発生した蒸気は蒸気タービン（ＳＴ）６に導かれ、蒸気タービン６に連結された発電機（Ｇ）７を駆動して復水器に戻されるようになっている。図示例では、ガスタービン１と蒸気タービン６にそれぞれ発電機２、７を連結した二軸型を示したが、それらを一軸で連結した一軸型を適用することができる。

このように構成される発電プラントは、図示していない発電量制御装置によって、上位の制御装置から与えられる負荷要求指令に応じて、ガスタービン１の出力を制御することにより、負荷追従制御を実行している。しかし、ガスタービン１による出力が上限の定格発電量に達してしまった状態では、負荷要求指令の増加に対して出力増加装置８（又は１１）により対応する必要がある。

ここで、ガスタービン１の吸気を冷却して出力を増加させる出力増加装置８は、空気圧縮機３の吸引空気を熱交換により冷却する冷却器１０と、冷却器１０に冷媒を循環する冷凍機９とを備えて構成される。ガスタービン１の燃焼器４で生成される燃焼ガスの量は、空気圧縮機３から供給される燃焼用空気の量に比例して増加する。燃焼器４に供給される燃焼用空気の量は、圧縮圧力及び質量流量に相関するから、空気圧縮機３の吸引空気を冷却することにより、質量流量を増加することができる。これにより、ガスタービン１に流入する燃焼ガス量を増加して、ガスタービン１の出力である発電量を増加させることができる。また、排熱回収ボイラ５に流入するガスタービン排ガスの流量が増加し、蒸気の発生量が増加して、蒸気タービン６の出力である発電量を増加させることができる。

一方、ガスタービン１の排ガスを昇温させる出力増加装置１１は、供給される燃料を排熱回収ボイラ５の入口部に設けられた助燃バーナから排ガス中に噴射し、排ガス中の残存酸素により燃焼させて、排ガスを昇温させるようになっている。これにより、排熱回収ボイラ５に流入するガスタービン排ガスの温度及び流量が増加するから、排熱回収ボイラ５における蒸気の発生量を増加して、蒸気タービン６の出力である発電量を増加させることができる。なお、出力増加装置１１は、これに限らず、ガスタービン１から排熱回収ボイラ５に至る排ガス中に助燃バーナから燃料を噴射し、排ガス中の残存酸素により燃焼させて、排ガスを昇温させることもできる。また、本実施形態では、２つの出力増加装置８、１１を備えた発電プラントを示しているが、いずれか一方の出力増加装置を備えて構成することができる。

出力増加装置８（又は１１）は、本実施形態の特徴部である出力増加装置の起動停止制御装置１５によって起動停止制御されるようになっている。起動停止制御装置１５は、図１に示すように、負荷要求指令予測部１６と、起動停止判定・監視部１７を有して構成されている。負荷要求指令予測部１６は、上位の制御装置から設定周期（例えば、５分）ごとに与えられる負荷要求指令MWDと、前日のうちに作成しておいた発電計画値MWPと、時刻ｔを設定周期ごとに取り込み、将来の負荷要求指令の予測値MWD*を求めて起動停止判定・監視部１７に出力するようになっている。起動停止判定・監視部１７は、上位の制御装置から与えられる負荷要求指令MWDと、負荷要求指令予測部１６から出力される予測値MWD*を設定周期Ｔで取り込み、出力増加装置８（又は１１）の起動又は停止の要否を判定し、出力増加装置８（又は１１）に起動停止の指令信号を出力するようになっている。

ここで、図３に示したフローチャートに沿って、起動停止制御装置１５の起動制御に係る負荷要求指令予測部１６と起動停止判定・監視部１７の構成を、動作とともに説明する。図３に示すように、負荷要求指令予測部１６と起動停止判定・監視部１７は、予め定められた設定周期Ｔ（例えば、５ｍｉｎ）ごとに開始される。この設定周期は、入力される負荷要求指令MWDの周期に同期させることができる。ステップ１０１では、出力増加装置８（又は１１）が起動中か否かを判断する。この判断は、起動停止判定・監視部１７が出力増加装置８（又は１１）に起動指令を出力していることを示すメモリのフラグに基づいて行う。この判断が肯定（ＹＥＳ）のときは、起動制御を終了する。ステップ１０１の判断が否定のときは、ステップ１０２に進む。

ステップ１０２では、負荷要求指令MWDと、発電計画値MWPと、時刻ｔを取り込み、次周期以降の負荷要求指令の予測値MWD*を求める。予測値MWD*は、今回の周期ｉ（ｉ：自然数）における発電計画値MWP_ｉと負荷要求指令MWDの実績値MWD_ｉとの差（ΔMWD_ｉ＝MWD_ｉ−ＭＷＤ_ｉ）を求め、その差ΔMWD_ｉを次周期ｉ＋１の発電計画値MWP_ｉ＋１に加算して、負荷要求指令の予測値MWD*_ｉ＋１を予測する。

次に、起動停止判定・監視部１７は、次式の判定を実行する。

予測値MWD*_ｉ＋１＞実績値MWD_ｉ＋Ａ_ｉ＋１（１）
ここで、Ａ_ｉ＋１は、同時同量運用可能な負荷要求指令MWDの増加幅の上限である。例えば３０分間の需要電力量と発電量を一致させる同時同量運用の場合、シミュレーション又は実機データにより、出力増加装置８（又は１１）の停止時に定格発電量Ｇ_０でも、同時同量運用が実現できなくなるような負荷要求指令の増加幅の上限値Ａ_ｉ＋１を予め把握しておく。そして、Ｇ_０＋Ａ_ｉ＋１を超える負荷要求指令の予測値MWD*_ｉ＋１が予測されるとき、出力増加装置８（又は１１）を予め起動させておくことにより、追従遅れなく、余裕を持って負荷要求指令の増加に対応できる。

このようにして、起動停止判定・監視部１７は、式（１）の判定結果が肯定（ＹＥＳ）のときは、出力増加装置８（又は１１）に起動指令を出力する。この起動指令の出力タイミングは、ｔ_ｉ〜ｔ_ｉ＋１の適当な時刻とする。

一方、起動停止判定・監視部１７における式（１）の判定結果が否定（ＮＯ）のときは、ステップ１０４に移行して、負荷要求指令の実績値MWD_ｉ＋１を監視する。そして、ステップ１０５において、起動停止判定・監視部１７は、次式の判定を実行する。

実績値MWD_ｉ＋１＞定格発電量Ｇ_０（２）
式（１）の判定が肯定（ＹＥＳ）のとき、起動停止判定・監視部１７は、出力増加装置８（又は１１）に起動指令を出力する。この起動指令の出力タイミングは、ｔ_ｉ＋１とする。

一方、起動停止判定・監視部１７における式（２）の判定結果が否定（ＮＯ）のときは、ステップ１０２に戻って、処理を繰り返すようになっている。

以上説明したように、本実施形態の出力増加装置の起動停止制御装置１５によれば、設定周期Ｔごとに次周期の負荷要求指令の予測値MWD*_ｉ＋１を予測して、この予測結果に基づいて予め出力増加装置８（又は１１）を起動しておくことができるから、負荷要求指令変化時にも素早い負荷追従を実現することができる。
（実施形態２）
図６に、本発明の発電プラントの特徴部である出力増加装置の起動停止制御装置１５の停止制御手順の一実施形態を示すフローチャートを示す。

図示のように、ステップ２０１で出力増加装置８（又は１１）が起動しているかを設定周期で判定する。この判定が否定（ＮＯ）で、起動されていなければそこで終了する。一方、判定が肯定（ＹＥＳ）で、起動されていれば、ステップ２０２に進み負荷要求指令の実績値MWD_ｉ＋１を監視する。そして、ステップ２０３に進み、起動停止制御装置１５は、実績値MWD_ｉ＋１が出力増加装置を使用しなければ出力不足となる値であれば、ステップ２０２に戻り処理を繰り返す。一方、ステップ２０３の判断が、出力増加装置８（又は１１）を使用しなくても出力不足とならない負荷要求指令の実績値MWD_ｉ＋１であれば、ステップ２０４に進む。

ステップ２０４では、現在の時刻が昼時（１２時〜１３時）のような設定時間帯であるか否か判断し、肯定（ＹＥＳ）であればステップ２０２に戻り処理を繰り返す。ステップ２０４の判断が、否定で、昼時でなければ出力増加装置８（又は１１）を停止する。

すなわち、本実施形態の停止制御は、１日の電力需要変化の傾向が、例えば図７に示す様におおよそ把握することができ、電力需要が大きい昼間であっても、昼時（１２時〜１３時）は一般に電力需要が減少することに鑑み、出力増加装置８（又は１１）の停止を制限する。

つまり、出力増加装置８（又は１１）の起動中に、負荷要求指令が減少し、出力増加装置８（又は１１）を使用せずに対応できる範囲の負荷要求指令に低下しても、予め電力需要が減少する短い時間帯であれば、その後の負荷要求指令の増加が予測されるが、それ以外の時間ではその後の負荷要求指令の減少が予測される。そこで、時刻によって負荷要求指令のその後の傾向を予測し、出力増加装置８（又は１１）を停止するか否か判定することで、不要な出力増加装置の起動及び停止の繰り返しを回避することができる。

本発明の発電プラントの特徴部である出力増加装置の起動停止制御装置のブロック構成図である。本発明の発電プラントの構成概要を示すブロック構成図である。出力増加装置の起動制御手順の一実施形態を示すフローチャートである。出力増加装置の起動制御の動作を説明するタイミングチャートである。出力増加装置の起動制御の動作を説明するタイミングチャートである。出力増加装置の停止制御手順の一実施形態を示すフローチャートである。１日の電力需要量の変化を示す図である。

符号の説明

１ガスタービン
２発電機
４燃焼器
５排熱回収ボイラ
６蒸気タービン
７発電機
８出力増加装置
９冷凍機
１０冷却器
１１出力増加装置
１２助燃装置
１５起動停止制御装置

Claims

ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスの熱を回収して発生する蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記ガスタービンと前記蒸気タービンにより駆動される発電機と、設定周期ごとに入力される負荷要求指令に基づいて発電量を制御する発電量制御装置と、前記ガスタービンの燃焼用空気を冷却する冷却装置と前記ガスタービンの排ガスを燃料を燃焼させて昇温する助燃装置の少なくとも一方の出力増加装置とを備えてなるコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記発電量制御装置は、前記出力増加装置が停止中のとき、前記設定周期ごとに入力される負荷要求指令を実績値として次周期又は次周期以降の複数周期分の負荷要求指令の予測値を求める予測手段と、各周期の負荷要求指令の予測値が前記発電プラントの定格発電量を越えるか否か判定する判定手段と、該手段による少なくとも１周期分の前記予測値が前記定格発電量を越えるとき前記出力増加装置に起動指令を出力する起動制御手段を備えてなることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスの熱を回収して発生する蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記ガスタービンと前記蒸気タービンにより駆動される発電機と、設定周期ごとに入力される負荷要求指令に基づいて発電量を制御する発電量制御装置と、前記ガスタービンの燃焼用空気を冷却する冷却装置と前記ガスタービンの排ガスを燃料を燃焼させて昇温する助燃装置の少なくとも一方の出力増加装置とを備えてなるコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記発電量制御装置は、前記出力増加装置が停止中のとき、前記設定周期ごとに入力される負荷要求指令を実績値として次周期の負荷要求指令の予測値を求める予測手段と、該手段による次周期の負荷要求指令の予測値が、現在の設定周期の前記実績値に同時同量運用可能な負荷要求指令の増加可能な上限値を加えた値を越えるか否か判定する判定手段と、該手段の判定が肯定のとき前記出力増加装置に起動指令を出力する起動制御手段を備えてなることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記発電プラントの定格発電量は、前記設定周期ごとの気温に応じて補正されることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
請求項１又は２に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記予測手段は、１日の時間に対応させて予め予測して作成された発電計画値と前記負荷要求指令の実績値との差を前記周期ごとに求め、該差を当該周期の前記発電計画値に加算して前記負荷要求指令の予測値を求めることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
請求項１又は３に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記発電量制御装置は、前記出力増加装置が運転中のとき、前記設定周期ごとに、前記負荷要求指令と前記定格発電量を比較して、前記負荷要求指令が前記定格発電量以下のときは前記出力増加装置に停止指令を出力する停止制御手段を備えてなることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
請求項５に記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記停止制御手段は、前記負荷要求指令が前記定格発電量以下の時間帯が予め定めた時間帯であるときは、前記停止指令を出力しないことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。