JP5450132B2 - 発電設備の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラで発生した蒸気によって駆動する蒸気タービン、蒸気タービンで仕事をした蒸気を凝縮して復水にする復水器、復水器で得られた水に含まれる不純物を除去するための脱塩塔、復水器から復水を汲み出して脱塩塔に送水する復水ポンプ、脱塩塔から送水された復水の圧力を上昇させるための復水昇圧ポンプなどを備えている火力発電所、その他の発電設備の運転方法に関する。

火力発電所などの発電設備には、基本的に図１に示すように、ボイラ１０、蒸気タービン２０、発電機３０、復水器４０、脱塩塔５０、グランド復水器６３、低圧給水加熱器７０、脱気器８０、高圧給水加熱器９０などが配備されている。そして、ボイラ１０、蒸気タービン２０、復水器４０にわたるラインのことが蒸気系統Ａとも呼ばれる。また、復水器４０、脱塩塔５０、グランド復水器６３、低圧給水加熱器７０、脱気器８０にわたるラインのことが復水系統Ｂとも呼ばれる。また、脱気器８０、高圧給水加熱器９０、ボイラ１０にわたるラインのことが給水系統Ｃとも呼ばれる。

そして、蒸気タービン２０は、直列に配列された高圧タービン２１、中圧タービン２２、低圧タービン２３、低圧タービン２４を備え、それぞれの出力軸２５が同軸になるように連結され、出力軸２５からの回転力が発電機３０に伝達され、発電機３０を作動させる。

そして、ボイラ１０は、給水系統Ｃの配管から供給される水を蒸発させる蒸発器１１と、この蒸発器１１で蒸発させた飽和蒸気を過熱する過熱器１２と、蒸気タービン２０のうちの高圧タービン２１からの蒸気を過熱する再熱器１３とを備えている。過熱器１２によって過熱された蒸気は、第１蒸気管路１によって高圧タービン２１に供給される。また、高圧タービン２１からの蒸気は、第２蒸気管路２によって再熱器１３に供給される。

そして、再熱器１３によって過熱された蒸気は、第３蒸気管路３によって中圧タービン２２に供給される。また、中圧タービン２２と２台の低圧タービン２３，２４とは、第４蒸気管路４によって接続されている。また、２台の低圧タービン２３，２４と復水器４０とが第５蒸気管路５によって接続されている。さらに、第１蒸気管路１の途中には、バルブ７が取り付けられ、このバルブ７と復水器４０とがバイパス管路６によって接続されている。

そして、復水器４０は、蒸気タービン２０から排出された蒸気と海水とを熱交換させる、すなわち、蒸気を凝縮して水（復水）に戻す凝縮器で、外部空間と蒸気が導入される内部空間とを画定するハウジング４１と、ハウジング４１の内外に配管される冷却管４２とを備えている。冷却管４２の上流端と下流端には、それぞれ水源につながる取水路４３と放水路４４が接続されている。取水路４３には、冷却管４２に冷却水を供給するための循環ポンプ１０１が取り付けられている。なお、取水路４３、冷却管４２、放水路４４のラインのことが循環系統Ｄとも呼ばれる。

そして、脱塩塔（デミネ）５０は、水（復水）に含まれている陽イオン、陰イオンをイオン交換樹脂によって除去し、また、アンモニア、鉄、銅、シリカなどの不純物を除去するための装置で、常時、２塔運転されるが、起動時は３塔運転される（２塔のみ図示する。）。この脱塩塔５０には、バイパス管路５１が並列され、このバイパス管路５１にバイパス調節弁５２が設けられている。

そして、グランド復水器６３は、蒸気タービン２０のグランドシール部をシールするために使用したシール蒸気（グランド蒸気）を空気とともに回収し、この混合ガスと復水とを熱交換させて、水（復水）の温度を上昇させる装置である。そして、低圧給水加熱器７０は、復水器４０から送り出された水を蒸気タービン２０から抽出された低圧の蒸気と熱交換して加熱する装置である。

なお、復水器４０からの水（復水）は、復水ポンプ１０２，１０２によって吸引され、脱塩塔５０に送り出される。また、脱塩塔５０と低圧給水加熱器７０との間の配管には、復水ポンプ１０２，１０２から送り出された水の圧力を上昇させる復水昇圧ポンプ１０３，１０３が設けられている。すなわち、脱塩塔５０によって水（復水）の圧力が大きく損失するため、水（復水）循環力を高めるために復水昇圧ポンプ１０３，１０３が設けられている。なお、復水ポンプ１０２，１０２も復水昇圧ポンプ１０３，１０３も必要量だけ安定して送水することができるように、２台以上設けられている。

そして、脱気器８０は、低圧給水加熱器７０で加熱された水内の溶存ガスを分離除去する装置である。この脱気器８０のレベルを制御するための脱気器水位調節弁６４がグランド復水器６３と低圧給水加熱器７０との間の管路に設けられている。

そして、高圧給水加熱器９０は、脱気器８０から送り出された水（復水）を蒸気タービン２０からの抽出された低圧の蒸気と熱交換して加熱する装置であり、この加熱された水はボイラ１０に供給される。また、脱気器８０と高圧給水加熱器９０との間の配管には、給水ポンプ１０４が設けられ、この給水ポンプ１０４によって脱気器８０からの水（復水）が高圧給水加熱器９０に送り出される。

なお、低圧給水加熱器７０と高圧給水加熱器９０とは、同種の給水加熱器であるが、給水ポンプ１０４の配置を基準にし、給水ポンプ１０４よりも復水器４０側を低圧給水加熱器７０、給水ポンプ１０４よりもボイラ１０側を高圧給水加熱器９０と命名されている。

ここで、以上のような発電設備の起動運転について説明する。運転を開始する起動運転において、まず、循環系統Ｄの循環ポンプ１０１を駆動し、復水器４０に冷却水を供給した後、復水ポンプ１０２，１０２を駆動するとともに、２台以上の復水昇圧ポンプ１０３，１０３のうちの一部（例えば１台）の復水昇圧ポンプ１０３を駆動し、復水器４０内にある水（復水）を下流側へ送水する。

そして、復水器４０の真空度が高められ、所定の真空度に到達すると、給水ポンプ１０４を駆動して、復水系統Ｂからの水（復水）をボイラ１０に供給する。ボイラ１０で蒸気が発生し、この蒸気が蒸気タービン２０に送られることによって、蒸気タービン２０が回転し、発電機３０が作動する。蒸気タービン２０から排出された蒸気は、復水器４０に送られ、冷却されることによって水（復水）となり、循環する。

そして、発電機３０が発電を開始すると、発電機３０の出力が次第に増加する。発電機３０の出力が定格出力域よりも低い低出力域の下限値（１０５ＭＷ）に到達すると、発電した電力の送電が開始される。これに伴って、発電機３０の負荷（出力）が徐々に高まることになるため、復水系統Ｂにおいて発電機３０の出力に応じた水量で復水器４０の水を給水ポンプ１０４に向けて送り、復水器４０の真空度を発電機３０の出力（負荷）に対応させる。

これに伴い、復水系統Ｂにおいて、発電機３０の出力が定格出力域よりも低い低出力域から脱すると（定格出力域で予め設定された出力値になると）、復水昇圧ポンプ１０３，１０３の駆動台数を増やし、発電機３０の出力に対応した水量で復水器４０内の水が給水ポンプ１０４に供給され、定格運転される。

これに対して、起動停止モードなどの停止運転においては、ボイラ１０から蒸気タービン２０に供給する蒸気を徐々に減らして発電機３０の出力を低下させる。発電機３０の出力が定格出力域から脱して低出力域に入ると、復水昇圧ポンプ１０３の一部を停止して、復水昇圧ポンプ１０３の駆動台数を減らし、起動運転時と同一の台数の復水昇圧ポンプ１０３を駆動させ続ける。そして、発電機３０の出力が低出力域の下限値に到達すると、送電線に対する送電の停止状態（解列状態）にされ、発電機３０の出力が送電することのできない（並列状態を維持できない）非常に小さな出力になった後、復水ポンプ１０２，１０２が停止される。

したがって、従来の発電設備は、起動時間を短縮するため、起動停止モードにおいても起動中と同様に復水ポンプ１０２，１０２のみならず、復水昇圧ポンプ１０３，１０３も稼動し続けている。しかし、こうすることにより、従来の発電設備は、起動停止モードであっても運転コストを低減することができないものとなっている。

そこで、このような不具合を解消するための発電設備の運用方法についての発明が特許文献１に開示されている。この発電設備の運用方法は、グランド復水器６３と復水器４０との間に再循環ライン（図示せず）が設けられ、この再循環ラインに再循環弁とバイパス弁（ともに図示せず）とが並列して設けられ、グランド復水器６３からボイラ１０側へ水を送るための送水ラインに調整弁が設けられた発電設備において、蒸気タービン２０の起動停止モードにおいて、調整弁を閉じて再循環弁を開くとともにバイパス弁を解放し、復水ポンプ１０２，１０２を稼動する一方で、復水昇圧ポンプ１０３，１０３を停止することを特徴としている。

特開２００８−２６１３１７号公報

一般的に、電力系統は、所定の定格周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を維持するように運用されている。しかし、電力系統の負荷が一時的に急増した場合や、負荷遮断が発生した場合においては、系統周波数を所定の定格周波数に維持することができない。このような場合、給電指令装置から自動周波数制御（ＡＦＣ）信号が出力され、負荷指令信号及び自動周波数制御信号に基づいて発電機３０の出力を制御することにより、系統周波数が所定の定格周波数を維持するようにされている。

また、復水系統Ｂの水は、復水ポンプ１０２，１０２と復水昇圧ポンプ１０３，１０３とによって循環するようにされている。例えば、定格出力域の上限（３２０ＭＷ）である定格負荷運転時及びあるＡＦＣ信号が出力されている時は、２台の復水ポンプ１０２，１０２と２台の復水昇圧ポンプ１０３，１０３が駆動し、低出力域の下限（１０５ＭＷ）である最低負荷運転時及び別のＡＦＣ信号が出力されている時は、１台の復水ポンプ１０２と１台の復水昇圧ポンプ１０３，１０３が駆動する。

そして、復水系統Ｂでは、復水ポンプ１０２，１０２によって吸引された復水器４０内の水は、起動時において、全量が脱塩塔５０に送り出され、脱塩塔５０で不純物の除去された水が復水昇圧ポンプ１０３，１０３によって低圧給水加熱器７０の方に送り出される。しかし、起動してから１２時間経過後には、復水器４０から吸引された水は、不純物をほとんど含んでいない（わずかに含んでいる）ことが経験から確認されており、起動してから１２時間経過後に約１／４の水が脱塩塔５０を流れ、約３／４の水がバイパス調節弁５２を設けたバイパス管路５１を通過して低圧給水加熱器７０の方に送り出される（１／４通水）。このように１／４通水することによって、通常運転時の脱塩塔５０から排出される水の水質を保証することができる。

約３／４の水がバイパス管路５１を流れるようにするため、バイパス調節弁５２は７５％開かれている。そして、最低負荷運転時においては、負荷が下がることから、脱気器水位調節弁６４が自動的に１８％にまで絞られ、低圧給水加熱器７０に送られる水の流量を減らしている。

しかし、従来の発電設備は、特許文献１に記載されたものも含めて、脱塩塔５０内を１／４の水しか流れず、圧力損失が少なくなっているにもかかわらず、一部の復水昇圧ポンプ１０３が駆動している。すなわち、復水昇圧ポンプ１０３，１０３は、必要がないときも駆動している。復水昇圧ポンプ１０３，１０３を駆動させるには、電力を消費するため、従来の発電設備は、エネルギを無駄にロスするものとなっている。

そこで、本発明は、復水昇圧ポンプを必要なときのみ駆動させ、不要なときに駆動しないようにした発電設備の運転方法を提供することを課題とする。

本発明に係る発電設備の運転方法は、蒸気タービンに供給する蒸気を発生させるボイラと、発電機を駆動して蒸気タービンから排出された蒸気を水に戻す復水器と、該復水器で得られた水に含まれる不純物を除去するための脱塩塔と、復水器内の水を脱塩塔に送る復水ポンプと、脱塩塔内の水を昇圧させてボイラの方に送る復水昇圧ポンプと、復水ポンプと復水昇圧ポンプとの間で脱塩塔に並列され、かつ、バイパス調節弁を設けたバイパス管路とを備えている発電設備の運転方法であって、水に含まれる不純物が減少すると、バイパス調節弁の開度を上げて、復水器から出された水が脱塩塔とバイパス管路とを流れるようにし、復水昇圧ポンプの駆動台数を減らすか停止させて水を循環させることを特徴としている。

この発電設備は、起動運転時において、バイパス調節弁が閉じられ、復水器から送られた全ての水が脱塩塔に送られ、水の中の不純物が徐々に除去されるが、水に含まれる不純物を脱塩塔によって除去する必要がなくなると、バイパス調節弁の開度を上げる。そうすることによって、復水器から脱器塔に送られる水の流量を減らすとともに、バイパス管路への通水量を増やした状態とする。脱器塔を通過する水の量が減ることにより、脱器塔によって圧力が低下する水が減るため、復水昇圧ポンプの駆動台数を減らすか停止させても、水を循環させることができる。

そして、復水昇圧ポンプの駆動台数が減るか停止することにより、復水昇圧ポンプを駆動するためのエネルギ（電力）を節減することができる。なお、脱塩塔を通る水が減らされることから、脱塩塔に備えられたイオン交換樹脂の交換などのメンテナンスの低減を図ることができる。

また、前記本発明に係る発電設備の運転方法において、最低負荷運転時に、復水昇圧ポンプを停止させ、復水ポンプのみで水を循環させることが好ましい。この発電設備は、最低負荷運転時において、循環させる水量が定格負荷運転時よりも減らされるため、復水昇圧ポンプが複数台備えられている場合においても、全ての復水昇圧ポンプを停止しても、復水ポンプを駆動するだけで水を循環させることができる。

また、前記本発明に係る発電設備の運転方法において、自動周波数制御の信号によって、復水昇圧ポンプを停止し、復水ポンプのみで水を循環させてもよい。この発電設備の運転方法によれば、自動周波数制御の信号によって、送水される水の量が定格負荷運転時よりも少なくされている場合においても、復水昇圧ポンプを停止し、復水ポンプを駆動するのみで水を循環させることができる。

本発明によれば、水に含まれる不純物を脱塩塔によって除去する必要がなくなり、最低負荷運転時などにおいて、復水昇圧ポンプの駆動台数を減らすか停止し、復水ポンプのみで水を循環させることにより、復水昇圧ポンプを駆動するエネルギ（電力）を節減することのできる発電設備の運転方法を提供することができる。

本発明に係る発電設備の運転方法を説明する全体の概念図である。 本発明に係る発電設備の運転方法を説明する要部の概念図である。

本発明に係る発電設備の運転方法の一実施の形態について図１及び図２を参照しながら説明する。なお、背景技術において説明した装置については、同一符合を付して、その説明を省略する。

この実施形態の発電設備の運転方法は、背景技術で説明した発電設備で実施するが、要部について図２を参照しながら詳細に説明する。この発電設備は、復水系統Ｂにおける復水昇圧ポンプ１０３，１０３と低圧給水加熱器７０との間に、復水熱交換器６１、エゼクタ６２、既述のグランド復水器６３、既述の脱気器水位調節弁６４、ドレンクーラ６５が設けられている。

復水熱交換器６１は、復水と蒸気タービン２０の軸受冷却水として使用された水を熱交換させて、復水の温度を上昇させる装置である。エゼクタ６２は、蒸気噴流によるジェット作用によって復水から空気を抽出し、復水器４０の真空状態を維持するための装置である。ドレンクーラ６５は、低圧給水加熱器７０において、タービン抽気が冷却されて生成されたドレンと復水とを熱交換させて、復水の温度を上昇させるとともに、このドレンを冷却するための装置である。

発電設備における他の装置は、背景技術において図１を参照しながら説明したので、次に、本発明の発電設備の運転方法について説明する。

運転を開始する起動運転において、循環系統Ｄの循環ポンプ１０１を駆動し、復水器４０に冷却水を供給した後、復水ポンプ１０２，１０２を駆動するとともに、２台以上の復水昇圧ポンプ１０３，１０３のうちの一部（例えば１台）の復水昇圧ポンプ１０３を駆動し、復水器４０内にある水を下流側へ送水する。

また、エゼクタ６２を作動させ、復水器４０内の真空度を高める。復水器４０の真空度が所定の真空度に到達すると、給水ポンプ１０４を駆動して、復水系統Ｂからの水をボイラ１０に供給する。そうすると、ボイラ１０内に水が溜り、その水が蒸気となり、この蒸気が蒸気タービン２０に供給され、蒸気タービン２０の出力軸からの回転力が発電機３０に伝達されることにより、発電機３０が作動する。

発電機３０の出力は、次第に増していき、その出力が予め設定された出力値に到達すると、送電が開始される。そして、発電機３０の出力が定格出力域の下限値（１０５ＭＷ）になると、復水昇圧ポンプ１０３，１０３の駆動台数を増やし、発電機３０の出力に対応した水量で復水器４０内の水が給水ポンプ１０４に供給される。起動してから１２時間経過するまでは、バイパス調節弁５２が完全に閉じられ、２台の復水ポンプ１０２，１０２から送り出された水は、バイパス管路５１内を流れることなく、２台の脱塩塔５０内を流れ、水（復水）に含まれている不純物が除去される。

そして、水（復水）に含まれている不純物は、起動してから１２時間経過すると（実際は１２時間経過前）、ほとんど含まれなくなっていることが経験から確認されている。そこで、バイパス調節弁５２を７５％程度開き、復水器４０から送られた水の約１／４が脱塩塔５０に送られてわずかに残存している不純物を除去し、約３／４がバイパス管路５１に送られるようにされている。

そして、送電に応じた電力量を発電するため、発電機３０の出力は、定格出力域（１０５ＭＷ以上３２０ＭＷ以下）内で変動するが、定格負荷（３２０ＭＷ）時には、２台の復水ポンプ１０２，１０２と２台の復水昇圧ポンプ１０３，１０３が駆動する。また、ＡＦＣ信号によって２台の復水ポンプ１０２，１０２と２台の復水昇圧ポンプ１０３，１０３が駆動する。

そして、深夜など電力需要が減少すると、発電機３０の出力を低下させるが、最低負荷（１０５ＭＷ）運転時には、ボイラ１０に供給する水（復水）の量を減らし、脱気器水位調節弁６４が例えば１８％まで絞られる。水（復水）の量が減ることにより、また、復水器４０からの水のうち約１／４の水（復水）しか脱塩塔５０に送られないため、脱塩塔５０によって水（復水）の圧力が大きく損失することがない。また、脱気器水位調節弁６４は、６０〜７０％の開度とされる。このようにして、最低負荷運転時には、復水ポンプ１０２を１台のみ駆動し、復水昇圧ポンプ１０３，１０３を停止させて水（復水）を循環させる。なお、復水昇圧ポンプ１０３，１０３は、脱気器水位調節弁６４の開度が少なく、バイパス調節弁５２の開度が大きいときに停止される。

そして、復水昇圧ポンプ１０３，１０３が停止することにより、復水ポンプ１０２，１０２を駆動させる電力を節減することができる。また、脱塩塔５０を通過する水が減少することにより、脱塩塔５０に備えられたイオン交換樹脂の交換などのメンテナンスの低減を図ることができる。

なお、本発明は、前記の実施形態に限定することなく種々変更することができる。例えば、復水昇圧ポンプ１０３が３台以上備えられている発電設備においては、最低負荷運転時において、１台の復水昇圧ポンプ１０３のみ停止する、すなわち、復水昇圧ポンプ１０３の駆動台数を減らすようにしてもよい。

また、自動周波数制御の信号によって、脱気器水位調節弁６４が１８％まで絞られるときは、自動周波数制御の信号によって、復水昇圧ポンプ１０３，１０３を停止し、復水ポンプ１０２，１０２のみで水を循環させてもよい。

また、図示した発電設備は、一例であり、復水ポンプ１０２，１０２、復水昇圧ポンプ１０３，１０３、バイパス調節弁５２を備えていれば、ほかに種々の装置を備えた発電設備においても実施することができる。さらに、本発明は、火力発電所だけでなく、原子力発電所などでも実施することができる。

１０………ボイラ
２０………蒸気タービン
３０………発電機
４０………復水器
５０………脱塩塔
５１………バイパス管路
５２………バイパス調節弁
１０２……復水ポンプ
１０３……復水昇圧ポンプ

Claims (3)

1. 蒸気タービンに供給する蒸気を発生させるボイラと、発電機を駆動して蒸気タービンから排出された蒸気を水に戻す復水器と、該復水器で得られた水に含まれる不純物を除去するための脱塩塔と、復水器内の水を脱塩塔に送る復水ポンプと、脱塩塔内の水を昇圧させてボイラの方に送る復水昇圧ポンプと、復水ポンプと復水昇圧ポンプとの間で脱塩塔に並列され、かつ、バイパス調節弁を設けたバイパス管路とを備えている発電設備の運転方法であって、
   水に含まれる不純物が減少すると、バイパス調節弁の開度を上げて、復水器から出された水が脱塩塔とバイパス管路とを流れるようにし、復水昇圧ポンプの駆動台数を減らすか停止させて水を循環させることを特徴とする発電設備の運転方法。
2. 最低負荷運転時に、復水昇圧ポンプを停止させ、復水ポンプのみで水を循環させることを特徴とする請求項１記載の発電設備の運転方法。
3. 自動周波数制御の信号によって、復水昇圧ポンプを停止させ、復水ポンプのみで水を循環させることを特徴とする請求項１記載の発電設備の運転方法。

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