JP3930462B2 - 一軸コンバインドサイクル発電設備及びその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンと蒸気タービンによって発電機を駆動する一軸コンバインドサイクル発電設備に係り、特に、発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを離脱及び連結できるように構成した一軸コンバインドサイクル発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンを発電機とガスタービンとの連結体に対して離脱及び連結できるように構成した一軸コンバインドサイクル発電設備は、特許文献１に記載のように、既に提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１７７４１４号公報（図４，図５及び段落番号００１６，００２８〜００３１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の一軸コンバインドサイクル発電設備は、蒸気タービンの単独運転やガスタービンの単独運転を行えるが、ガスタービンと蒸気タービンの一方を単独で運転しているとき、他方は運転を停止させているので、単独運転からガスタービンと蒸気タービンの複合運転に切替える際、両者の同期を取るのに時間がかかる問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、ガスタービン単独運転から蒸気タービンとの複合運転への移行を迅速に行い得る一軸コンバインドサイクル発電設備を提供することにある。
【０００６】
本発明の別の目的は、ガスタービン単独運転から蒸気タービンとの複合運転に移行する際に、発電機出力を低出力から高出力に迅速に上昇させることができる一軸コンバインドサイクル発電設備を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、一軸コンバインドサイクル発電設備において、発電機とガスタービンとの連結体から蒸気タービンを離脱させたとき、蒸気タービンを定格回転数未満の所定の回転数（例えば定格回転数近傍の回転数）に維持する手段を設けたのである。
【０００８】
上記構成によれば、発電機とガスタービンとの連結体から離脱させた蒸気タービンを定格回転数未満で定格回転数近傍の回転数に維持しているので、発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを連結する際に、蒸気タービンの回転数をすぐ定格回転数まで上昇させることができ、ガスタービン単独運転から蒸気タービンとの複合運転へ迅速に移行させることができる。したがって、発電機出力を低出力から高出力に迅速に上昇させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明による一軸コンバインドサイクル発電設備の第１の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。
【００１０】
本実施の形態における一軸コンバインドサイクル発電設備は、大きく分けて発電機１と、この発電機１を駆動するガスタービン２と蒸気タービン３と、この蒸気タービン３と発電機１とを連結及び着脱する連結離脱手段であるクラッチ４と、発電機１の出力変動（負荷変動）を検出して蒸気タービン３を発電機１に対して離脱及び連結させる指示を出力する制御装置５とを備えている。
【００１１】
前記発電機１は、回転軸６をガスタービン２と共用し、あるいはガスタービン２の回転軸６Ｓに連結されている。
【００１２】
前記ガスタービン２は、回転軸６Ｓを共用する空気圧縮機７と、この空気圧縮機７からの圧縮空気を導入する燃焼器８と、この燃焼器８に燃料を供給する燃料調節弁９を有する燃料供給系１０とを備えている。
【００１３】
前記蒸気タービン３は、蒸気加減弁１１を有する蒸気供給系１２と、使用後の蒸気を復水器１３で凝縮させて回収する凝縮水回収系１４と、蒸気タービン３に連結されたターニング装置１５とを備えている。
【００１４】
前記クラッチ４は、前記発電機１の回転軸６と蒸気タービン３の回転軸６Ｂとの連結と離脱を行うものであり、蒸気タービン３の回転数が発電機１の回転数以下となると回転軸６，６Ｂ間の接続を離脱し、蒸気タービン３の回転数が発電機１の回転数と同じかそれ以上になると離脱した回転軸６，６Ｂ間を連結する、所謂一方向にのみ連結するクラッチである。
【００１５】
一方、前記ガスタービン２は、前記燃焼器８から供給された燃焼ガスの排ガスを排出する排ガス系１６が設けられており、この排ガス系１６は排熱回収ボイラ１７を経由して煙突１８から排出される。
【００１６】
他方、前記凝縮水回収系１４の凝縮水は、前記排熱回収ボイラ１７に案内され、ここで加熱されて高温の蒸気となり、前記蒸気供給系１２に案内される。
【００１７】
さらに、前記蒸気供給系１２の蒸気加減弁１１に至る前からは、例えば、蒸気タービンの起動・停止時や緊急時に開く調整弁１９を備えた蒸気回収系２０が蒸気タービン３を迂回して前記復水器１３に案内されている。
【００１８】
前記制御装置５は、前記クラッチ４の離脱−連結状態を検出する手段であるクラッチ連結検出器２１の検出信号▲１▼と、蒸気タービン３の回転軸６Ｂの回転数を検出する手段である回転数検出器２２からの検出信号▲２▼を取り込み、また、発電機１の出力信号▲３▼を取り込んでいる。そして、これら各信号▲１▼〜▲３▼に基づいて燃料調節弁９を制御する制御信号▲４▼、蒸気加減弁１１を制御する制御信号▲５▼を出力するようにしている。
【００１９】
上記構成のクラッチ４を有する一軸コンバインドサイクル発電設備において、起動時は、蒸気タービン３を発電機１から切り離した状態でガスタービン２を起動させ、その後、蒸気タービン３に蒸気を送って蒸気タービン３の回転数を定格回転数まで上昇させた後、蒸気タービン３を発電機１に連結させる。ガスタービン２の起動は、制御装置５からの指示で燃料調節弁９を開き、燃料を燃焼器８に供給する。供給された燃料は空気圧縮機７から供給された空気と混合して混合気となり、これを燃焼させることにより燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスがガスタービン２に供給されてガスタービン２に回転力を与える。ガスタービン２で仕事を終えた燃焼ガスは排ガスとなって排熱回収ボイラ１７に導入され、ここで復水器１３からの凝縮水を加熱して蒸気を発生させる。この蒸気を蒸気供給系１２から蒸気タービン３に供給し、蒸気タービン３に回転力を与える。蒸気タービン３で仕事を終えた蒸気は復水器１３で凝縮水となり、排熱回収ボイラ１７に戻される。
【００２０】
上述の一連の動作の繰り返しにより、ガスタービン２と蒸気タービン３とは定格回転数に達し、発電機１から定格の電力を出力する。
【００２１】
上記運転中に、負荷の変動、例えば、発電機１に接続された負荷が減少して発電機１の出力を低下させる必要が生じた場合、ガスタービン２と蒸気タービン３の出力を共に下げることが考えられるが、近年、環境汚染物質、例えば窒素酸化物（以下ＮＯｘと云う）の排出量規制から低ＮＯｘ燃焼器を採用しているガスタービンにおいては、安易に蒸気タービンと共にガスタービンの出力を下げることができない。即ち、低ＮＯｘ燃焼器のＮＯｘ発生量や失火、逆火を抑えるために、ガスタービンの出力を、例えば、最低７５％の出力となるように維持しなければならない。
【００２２】
そのために、本実施の形態においては、図２に示すように、ガスタービン２の単独運転時に発電機１の出力が最低となり、蒸気タービン３が発電機１から切り離されたら、云い代えれば、制御装置５が検出手段であるクラッチ連結検出器２１からの蒸気タービン３の離脱の検出信号▲１▼を受けたら、蒸気タービン３を定格回転数（例えば３０００ｒｐｍ）未満で定格回転数近傍の回転数（例えば３０００ｒｐｍの９７％回転数）に保持するように、検出手段である回転数検出器２２からの検出信号▲２▼を取り込みながら、制御信号▲５▼を発して蒸気加減弁１１の開度を制御するのである。
【００２３】
蒸気タービン３の回転数を定格回転数の９７％に保持すると、クラッチ４は離脱したままであり、蒸気タービン３はガスタービン２を連結した発電機１から切り離されたままとなる。
【００２４】
尚、制御装置５により、蒸気タービン３の回転数を定格回転数の９７％に保持するように、蒸気加減弁１１の開度を制御しているとき、蒸気加減弁１１で制限された余剰の蒸気は、調整弁１９及び蒸気回収系２０を介して復水器１３に回収される。
【００２５】
以上から、本実施の形態においては、クラッチ連結検出器２１、回転数検出器２２、制御装置５、蒸気加減弁１１が、蒸気タービン３を定格回転数未満で定格回転数近傍の回転数に維持する手段となる。
【００２６】
このようにして、ガスタービン２単独で発電機１は駆動されるが、この状態において、負荷が増加したことを発電機１の出力信号▲３▼によって検知した制御装置５は、制御信号▲５▼を送信して蒸気加減弁１１を開いて蒸気タービン３への蒸気供給量を増加させ、蒸気タービン３の回転数を定格回転数まで上昇させる。蒸気タービン３が定格回転数まで上昇すると、クラッチ４が結合され、ガスタービン２と蒸気タービン３との複合運転が行われる。このような、ガスタービン２の単独運転からガスタービン２と蒸気タービン３との複合運転への切替えは、蒸気タービン３の回転数が定格回転数の９７％で待機しているので、短時間で蒸気タービン３の回転数を定格回転数まで上昇させることができ、短時間で複合運転に復帰させることができる。
【００２７】
上述の複合運転−単独運転の切替え、云い代えれば負荷変動が短時間に生じ、この負荷変動に短時間に対応させなければならないのは、例えば売電発電設備や工場内の電力需要を賄う所内発電設備においては、日中であり、夜間時には頻繁な負荷変動は生じない。
【００２８】
そこで、負荷変動が短時間に生じる日中の運転から負荷変動のない夜間時に入り、かつ負荷が低下した場合には、蒸気タービン３を発電機１とガスタービン２とから離脱させた状態で、蒸気タービン３の回転を停止させるか、ターニング装置１５で例えば１０ｒｐｍの低速回転させ、ガスタービン２の単独運転を行う。
【００２９】
そして、翌日、負荷変動が短時間に生じる時間帯に臨む際には、蒸気タービン３に蒸気を供給して蒸気タービン３の回転数を定格回転数以下で定格回転数近傍の回転数（定格回転数の９７％回転）に維持して待機させ、ガスタービン２の単独運転を継続させる。
【００３０】
この待機運転中に、負荷変動が短時間に生じる時間帯に入り、負荷が上昇した時には、前述のように、蒸気タービン３への蒸気の供給量を増加させて蒸気タービン３の回転数を定格回転数に上昇させ、蒸気タービン３をガスタービン２が連結された発電機１に連結させて複合運転を行うのである。
【００３１】
ところで、上記実施の形態は、ガスタービン２が連結された発電機１に対して、蒸気タービン３を離脱−連結するものであるが、これに特定されるものではない。即ち、図３に示す第２の実施の形態に示すように、発電機１を連結したガスタービン２に対して、蒸気タービン３を離脱−連結するようにしてもよく、その作用効果は第１の実施の形態と変わるものではない。
【００３２】
上記各実施の形態においては、クラッチ連結検出器２１、回転数検出器２２、制御装置５、蒸気加減弁１１を、蒸気タービン３を定格回転数未満で定格回転数近傍の回転数に維持する手段として説明したが、前記ターニング装置１５や別の回転装置を設けて定格回転数未満で定格回転数近傍の回転数に維持する手段としてもよい。その場合には、クラッチ連結検出器２１や回転数検出器２２の検出信号▲１▼，▲２▼を受けた制御装置５によって、ターニング装置１５や別の回転装置に的確な待機中の回転数を指示するようにすべきである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ガスタービン単独運転から蒸気タービンとの複合運転への移行を迅速に行い得ることができ、発電出力を低出力から迅速に高出力に上昇させることができる一軸コンバインドサイクル発電設備を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一軸コンバインドサイクル発電設備の第１の実施の形態を示す概略図。
【図２】図１に示す一軸コンバインドサイクル発電設備による発電設備出力と蒸気タービンの回転数との関係を示す説明図。
【図３】本発明による一軸コンバインドサイクル発電設備の第２の実施の形態を示す概略図。
【符号の説明】
１…発電機、２…ガスタービン、３…蒸気タービン、４…クラッチ、５…制御装置、７…圧縮機、８…燃焼器、９…調整弁、１０…燃料供給系、１１…蒸気加減弁、１２…蒸気供給系、１３…復水器、１４…凝縮水回収系、１５…ターニング装置、１９…調整弁、２０…蒸気回収系、２１…クラッチ連結検出器、２２…回転数検出器。

Claims (8)

1. 発電機をガスタービンと蒸気タービンによって駆動するように構成し、かつ発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを連結又は離脱させる連結離脱手段を備えた一軸コンバインドサイクル発電設備において、蒸気タービンを発電機とガスタービンとの連結体から離脱させたとき、離脱後の蒸気タービンに蒸気を供給継続して定格回転数未満の所定の回転数に維持する手段を設けたことを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電設備。
2. 発電機をガスタービンと蒸気タービンによって駆動するように構成し、かつ発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを連結又は離脱させる連結離脱手段を備えた一軸コンバインドサイクル発電設備において、蒸気タービンの離脱を検出する手段と、蒸気タービンの回転数を検出する手段と、これら検出手段の検出信号に基づいて離脱後の蒸気タービンへ蒸気を供給継続して蒸気タービンの回転数を定格回転数未満の所定の回転数に維持することを指令する制御装置とを備えたことを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電設備。
3. 発電機をガスタービンと蒸気タービンによって駆動するように構成し、かつ発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを連結又は離脱させる連結離脱手段を備えた一軸コンバインドサイクル発電設備において、蒸気タービンの離脱を検出する手段と、蒸気タービンの回転数を検出する手段と、これら検出手段の検出信号に基づいて離脱後の蒸気タービンへ蒸気を供給継続して蒸気タービンの回転数を定格回転数未満の所定の回転数に維持することを指令する制御装置と、制限された蒸気供給量の残りを回収する蒸気回収系とを備えたことを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電設備。
4. 発電機をガスタービンと蒸気タービンによって駆動し、発電機負荷に応じて蒸気タービンを発電機とガスタービンとの連結体から切り離してガスタービン単独で運転するようにした一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法において、発電機の負荷低下時には、蒸気供給量を制限して蒸気タービンの回転数を定格回転数以下にして発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンの連結を離脱させると共に、離脱後の蒸気タービンの回転数を制限された蒸気供給量によって連結が解かれたときの回転数に維持し、かつ、発電機の負荷上昇時には、蒸気供給量を増加させて蒸気タービンの回転数を定格回転数に上昇させて蒸気タービンを発電機とガスタービンとの連結体に対して連結させるようにしたことを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法。
5. 発電機をガスタービンと蒸気タービンによって駆動し、発電機負荷に応じて蒸気タービンを発電機とガスタービンとの連結体に対して離脱あるいは連結させてガスタービンを単独で運転あるいは蒸気タービンとガスタービンでの複合運転を行うようにした一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法において、ガスタービンを単独で運転する場合には、蒸気タービンへの蒸気の供給量を制限して蒸気タービンの回転数を定格回転数以下にして発電機とガスタービンとの連結体から蒸気タービンを離脱させると共に、蒸気タービンの回転数を制限された蒸気供給量によって連結が離脱されたときの回転数に維持し、かつ、蒸気タービンとガスタービンとの複合運転を行う場合には、蒸気タービンへの蒸気の供給量を増加させて蒸気タービンの回転数を定格回転数に上昇させて発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを連結させるようにしたことを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法。
6. 発電機をガスタービンと蒸気タービンによって駆動し、発電機負荷に応じて蒸気タービンを発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを離脱させてガスタービン単独で発電機を駆動するようにした一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法において、発電機負荷に応じて蒸気タービンへの蒸気の供給量を増加させて蒸気タービンの回転数を定格回転数に増加させ、かつ、蒸気タービンへの蒸気の供給量を制限させ制限させた蒸気供給量によって蒸気タービンの回転数を定格回転数未満で定格回転数近傍に減少させて維持させ、これによって発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを連結及び離脱させるようにしたことを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法。
7. 発電機をガスタービンと蒸気タービンによって駆動し、発電機負荷に応じて発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを離脱あるいは連結させてガスタービンを単独で運転あるいは蒸気タービンとガスタービンでの複合運転を行うようにした一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法において、一日の負荷変動から見て運転時間帯を、日中の運転時間帯と夜間の運転時間帯に分け、日中の運転時間帯のときにガスタービンを単独で運転する場合には、蒸気タービンへの蒸気の供給量を制限して蒸気タービンの回転数を定格回転数以下に低下させることで、蒸気タービンを発電機とガスタービンとの連結体に対して離脱させると共に、離脱させた蒸気タービンの回転数を制限された蒸気供給量によって定格回転数未満で定格回転数近傍に維持し、かつ、ガスタービンの単独運転から蒸気タービンとガスタービンとの複合運転に変更する場合には、蒸気タービンへの蒸気の供給量を増加させて蒸気タービンの回転数を定格回転数に上昇させることで蒸気タービンを発電機とガスタービンとの連結体に対して連結させるようにしたことを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法。
8. 発電機をガスタービンと蒸気タービンによって駆動し、発電機負荷に応じて発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを離脱あるいは連結させてガスタービンを単独で運転あるいは蒸気タービンとガスタービンとの複合運転を行うようにした一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法において、一日の運転時間帯を、日中の運転時間帯と夜間の運転時間帯、前記夜間の運転時間帯から前記日中の運転時間帯に臨む時間帯に分け、これら運転時間帯を運転するに際し、
   （１）前記夜間の時間帯で発電機負荷が低下した時には、発電機とガスタービンとの連結体から蒸気タービンを離脱させた状態で蒸気タービンの回転を停止させるか低速回転させてガスタービンの単独運転を行い、
   （２）前記夜間の運転時間帯から前記日中の運転時間帯に臨む時間帯のときには、蒸気タービンに蒸気を供給して蒸気タービンの回転数を定格回転数以下で定格回転数近傍に維持し、
   （３）前記日中の運転時間帯で発電機負荷が上昇した時には、蒸気タービンへの蒸気の供給量を増加させることで蒸気タービンの回転数を定格回転数に上昇させて発電機とガスタービンとの連結体に対して蒸気タービンを連結させて複合運転を行い、
   （４）前記日中の運転時間帯で発電機負荷が低下した時には、蒸気タービンへの蒸気の供給量を制限して蒸気タービンの回転数を定格回転数以下にして発電機とガスタービンとの連結体から蒸気タービンを離脱させてガスタービンの単独運転を行うと共に、離脱させた蒸気タービンの回転数を制限された蒸気供給量によって定格回転数未満で定格回転数近傍に維持する、
   ようにしたことを特徴とする一軸コンバインドサイクル発電設備の運転方法。

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