JP4514684B2 - 加圧流動床プラントの停止制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、加圧流動床ボイラを備えた発電プラントを停止させる際の停止制御方法に関し、特に、ボイラ設備に負担をかけることなく早期にボイラを停止することが可能な加圧流動床プラントの停止制御方法に関するものである。

従来、加圧流動床ボイラを備えた発電プラントでは、プラントを停止してもボイラ内部に燃料が残留しているため、諸設備を冷却する必要がある。また、急速な冷却を行うと冷却管等に負担がかかり、冷却管等が破損するおそれがある。

したがって、設備点検等のためにボイラを停止するには、ボイラ設備に負担をかけないように徐々に冷却を行わなければならず、ボイラ停止処理に長時間を要していた。さらに、冷却工程においては冷却水を循環させるために動力が必要であり、ボイラ停止処理に長時間を要すれば、それだけ動力費が嵩んでしまう。

そこで、従来より、加圧流動床ボイラを備えた発電プラントを停止させる際の停止制御方法が種々提案されている。
例えば、特開２０００−２１３３０６号公報「加圧流動床複合発電プラント」（特許文献１）に、加圧流動床複合発電プラントの停止時に、低温排熱回収熱交換器、高温排熱回収熱交換器出口の復水、および給水のスチーミングを防止して、プラントの信頼性を向上するとともに、停止時の所内動力を低減するための技術が提案されている。

この特許文献１に記載された「加圧流動床複合発電プラント」は、空気圧縮機と、加圧流動床ボイラと、加圧流動床ボイラの高温ガスにより駆動されるガスタービンと、加圧流動床ボイラの蒸気により駆動される複数の蒸気タービンと、復水器から加圧流動床ボイラに給水を供給する復水ポンプおよび給水ポンプと、給水を加熱する給水加熱器および高温・低温排熱回収熱交換器と、脱気器とからなる加圧流動床複合発電プラントにおいて、プラント通常停止時／緊急停止時に空気圧縮機の出口からガスタービン入口弁までの空気および高温ガスをガスタービン出口配管に排出する高温ガス排出配管と、高温ガス排出弁とを設けたものである。

また、特開平１１−１５９３０５号公報「加圧流動床複合発電プラント」（特許文献２）に、プラントの起動停止時および緊急停止時に排ガス熱交換器廻りで発生するフラッシュを充分防止し、安定運転を確保するとともに、機器保護および信頼性の向上を図ることができる技術が提案されている。

この特許文献２に記載された「加圧流動床複合発電プラント」は、蒸気を発生させる加圧流動床ボイラと、この加圧流動床ボイラで発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、加圧流動床ボイラからの排ガスにより駆動されるガスタービンと、蒸気タービンの復水器から加圧流動床ボイラへ給水する給水系統を備え、給水系統に、給水を加熱する排ガス熱交換器、給水加熱器および脱気器が設けられている加圧流動床複合発電プラントにおいて、給水系統に、脱気器で生じた排ガス熱交換器の置換水を、排ガス熱交換器へ供給するための置換水供給系統を設けるとともに、この置換水供給系統にポンプおよび流量を調整するための調整弁を設けたものである。

特開２０００−２１３３０６号公報 特開平１１−１５９３０５号公報

しかしながら、上述したように、ボイラ停止時に急速な冷却を行うと、ボイラ設備に負担をかけ、最悪の場合にはボイラ設備を破損させてしまうおそれがある。このため、上記特許文献１および特許文献２に記載された技術を含めて、従来の加圧流動床プラントの停止制御方法では、ボイラの停止処理に長時間を要することが前提となっていた。
この点、設備点検等のためにボイラを停止する際に、ボイラの停止処理に要する時間を短縮することができれば、ボイラの運転再開を早めることができるとともに、ボイラの停止処理に関連した動力費を低減することができる。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、加圧流動床プラントを停止する際の作業時間を短縮するとともに、動力費を低減することが可能な加圧流動床プラントの停止制御方法を提供することを目的とする。

本発明の加圧流動床プラントの停止制御方法は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を備えている。
すなわち、本発明の加圧流動床プラントの停止制御方法は、加圧流動床ボイラを備えた発電プラントを停止させるための方法であって、ボイラ消火冷却工程におけるガスタービン運転中に、ガスタービンから送風される空気により、ボイラ内のベッドマテリアルを流動させて、ベッドマテリアルタンクとボイラとの間でベッドマテリアルを循環させることにより、ベッドマテリアルの循環冷却を行うことを特徴とするものである。

また、前記加圧流動床プラントの停止制御方法において、発電機の負荷が通常運転時の約５０％まで減少したら、非常用温水タンクヒータを停止させることが好ましい。
また、前記加圧流動床プラントの停止制御方法において、ガスタービン解列工程後に、タービン軸受冷却水の温度を前記ガスタービン解列工程よりも低温に設定することが好ましい。

また、前記加圧流動床プラントの停止制御方法において、給水系統の給水温度がボイラ温度まで降下したら、給水ポンプを停止させることが好ましい。この際、給水ポンプの停止は、ボイラ温度と給水温度とが一致した時点で行うことが好ましい。

本発明の加圧流動床プラントの停止制御方法によれば、ボイラ設備に負担をかけることなく、加圧流動床プラントを停止する際の作業時間を短縮することができる。また、ボイラの停止処理が短縮されるため、冷却水を循環させるための動力費を低減することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る加圧流動床プラントの停止制御方法の実施形態を説明する。
図１〜図３は、本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法の手順を示すタイムテーブル、図４は、本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法において給水ポンプの停止タイミングを示す説明図、図５は、本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法を適用する発電プラントの概略構成を示す説明図である。

＜発電プラント＞
本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法を適用する発電プラントは、加圧流動床複合発電方式(ＰＦＢＣ：Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cyde)を採用した発電プラントであり、圧力容器内に収納した流動床ボイラから発生する蒸気で蒸気タービンを駆動し、さらにボイラの排ガスでガスタービンを駆動するようになっている。

この発電プラントは、コンプレッサからの燃焼空気でボイラ内を加圧状態に保ちながら、石灰石を流動媒体（ＢＭ：ベッドマテリアル）とする流動層内にＣＷＰ（Coal Water Paste：石炭と石灰石と水とを混ぜた燃料）を投入することにより、ＣＷＰを効率よく燃焼させることができる。また、流動媒体に石灰石を採用することにより火炉内で脱硫することができるので、硫黄酸化物（ＳＯｘ）の発生を低く抑えることができる。さらに、流動層燃焼は、燃焼温度が低く抑えられる（約８６０℃）ため、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低く抑えることができる。

以下、本実施形態を適用する発電プラントを具体的に説明する。
本実施形態を適用する発電プラントは、図５に示すように、２つのボイラ１０，２０を備えており、ボイラ１０，２０の火炉１１，２１内にＣＷＰを投入して燃焼させ、熱交換により発生した蒸気を高圧タービン３１、中圧タービン３２、および低圧タービン３３に導いて各タービンを回転させることにより、発電機４１を駆動して電力を発生させる。低圧タービン３３を回転させた後の蒸気は、復水器５０により復水され、再びボイラ１０，２０内へ導かれる。

また、ボイラ１０，２０内で発生した高圧ガスをガスタービン３４に導いてガスタービン３４を回転させることにより、発電機４２を駆動して電力を発生させる。さらに、高圧ガスは、ガスタービン３４に同軸に連結されたコンプレッサ３５を駆動して、燃焼空気をボイラ１０，２０へ供給するようになっている。

ボイラ１０，２０へ燃料を供給する燃料供給系統は、石炭を供給する石炭ホッパ６１と、石炭ホッパ６１から供給される石炭を粗粉砕する粗粉砕機６２と、粗粉砕機６２で粉砕された石炭粉を分級する分級機６３と、分級機６３で分級された石炭粉を中継する中継ホッパ６４と、粗粉砕機６２で粉砕された石炭粉に水を混入しながらさらに粉砕する微粉砕機６５と、石灰石を供給する石灰石ホッパ６６と、水、粗粉砕機６２で粉砕された石炭粉、微粉砕機６５で水を混入しながら粉砕された石炭ペースト、および石灰石を混練する混練機６７と、混練機６７で混練されたＣＷＰを一時貯留する燃料タンク６８と、燃料タンク６８から火炉１１，２１内へＣＷＰを送出する燃料ポンプ６９とを備えている。

２機のボイラ１０，２０は、それぞれ圧力容器１２，２２と、圧力容器１２，２２内に収容された火炉１１，２１とを備えており、火炉１１，２１内には水・蒸気配管７１が挿通されている。水・蒸気配管７１は、まずＢ火炉２１内に導かれて熱交換が行われ、続いてＡ火炉１１、汽水分離器７２、Ａ火炉１１、Ｂ火炉２１、Ａ火炉１１の順で引き回された後、高圧タービン３１へ導かれる。

高圧タービン３１は、水・蒸気配管７１から供給される蒸気により回転する。高圧タービン３１を回転させた後の蒸気は、再びＢ火炉２１に導かれて再熱され、中圧タービン３２に導かれて中圧タービン３２を回転させ、さらに低圧タービン３３に導かれて低圧タービン３３を回転させる。高圧タービン３１、中圧タービン３２、および低圧タービン３３には、同軸に発電機４１が接続されており、各タービン３１，３２，３３が回転することにより発電機４１が駆動されて発電が行われる。

低圧タービン３３を回転させた蒸気は、復水器５０に導かれて復水される。復水器５０内には、冷却水配管５１が配設されている。この冷却水配管５１には、深層取水した海水が導かれ、この海水は復水器５０内で熱交換を行った後に、再び海中に放流される。

復水器５０の下流側には、復水ポンプ７３、第１給水加熱器７４ａ、第２給水加熱器７４ｂ、第３給水加熱器７４ｃ、脱気器７５、給水ポンプ７６、第５給水加熱器７４ｄ、第６給水加熱器７４ｅが配設されており、復水の加熱および脱気を行うようになっている。また、復水器５０とボイラ１０，２０との間の復水配管７７は、後に詳述する排ガス系統に設けられた２つの排熱回収交換器９１，９３を通過し、排ガスとの間で熱交換を行うようになっている。

Ａ火炉１１およびＢ火炉２１の上部には排ガス配管８１が連通接続されており、各火炉１１，２１内で発生した高圧ガスをガスタービン３４へ供給するようになっている。また、各火炉１１，２１とガスタービン３４との間には、脱硝を行うための無触媒脱硝装置８２ａ，８２ｂ、煤塵を除去するための１次サイクロン８３および２次サイクロン８４が配設されている。なお、１次サイクロン８３および２次サイクロン８４で収集した煤塵は、灰ホッパ８５，８６を経て灰処理装置へ送出される。

ガスタービン３４には、発電機４２およびコンプレッサ３５が同軸に接続されており、ガスタービン３４が回転することにより、発電機４２を駆動して発電を行うとともに、コンプレッサ３５を駆動して燃焼空気をボイラ１０，２０内へ送り込むようになっている。
また、ガスタービン３４およびコンプレッサ３５の起動用として起動用モータ４３が取り付けられている。

ガスタービン３４を回転させた後の排ガスは、第１の排熱回収交換器９１、脱硝を行うための脱硝装置９２、第２の排熱回収交換器９３、バグフィルタ９４を経て、煙突９５より大気中へ放散される。

Ａ火炉１１およびＢ火炉２１には、ＢＭを回収するためのＢＭタンク１３，２３が連通接続されている。なお、図５に示す例では、ＢＭタンク１３，２３を各ボイラ１０，２０毎に１機ずつ設けているが、ＢＭタンク１３，２３を各ボイラ１０，２０毎に２機ずつ設けてもよい。また、各ボイラ１０，２０の上部には非常用温水タンク１４が配設されている。この非常用温水タンク１４は、ボイラ給水系統が停止した際に、ボイラ１０，２０内の残燃料が燃焼することにより水壁管等が損傷することを防止するための装置で、水頭圧によりボイラ１０，２０へ給水するようになっている。

Ａ火炉１１およびＢ火炉２１の下部には、各火炉１１，２１内に析出した塵芥を回収するための塵芥回収管１０１が接続されており、回収された塵芥は灰ホッパ１０２，１０３を経て灰処理装置へ送出される。また、Ａ火炉１１およびＢ火炉２１には、ボイラ１０，２０の起動時に各火炉１１，２１内を加熱するための軽油が供給されるようになっている。

＜加圧流動床プラントの停止制御手順＞
図１〜図４を参照して、本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法の手順を説明する。
加圧流動床プラントでは、定期的にボイラ１０，２０の内部点検、ガスタービン３４の内部点検、１次サイクロン８３および２次サイクロン８４の内部点検等が行われる。これらの点検作業を行うには、煙道に通じるマンホールを開放し、作業員が設備内部に立ち入らなければならないため、ボイラ１０，２０、ガスタービン３４、１次サイクロン８３、２次サイクロン８４等が冷却されている必要がある。

加圧流動床プラントを停止するには、図１〜図３に示すように、第１の減負荷工程、第２の減負荷工程、ボイラ消火冷却工程、ガスタービン（ＧＴ）解列工程、強制冷却／保管薬注操作工程、補機停止工程が、この順に実施される。

本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法では、発電機４１，４２の負荷が所定値まで減少したら、非常用温水タンク１４のヒータを停止させ、ボイラ消火冷却工程におけるガスタービン３４の運転中にベッドマテリアル循環冷却（ＢＭ循環冷却）を行い、ガスタービン３４の解列工程後にタービン軸受冷却水の温度をガスタービン３４の解列工程よりも低温に設定し、給水系統の給水温度が所定温度まで降下したら給水ポンプ７６を停止させることにより、プラントの停止時間を短縮している。

以下、これらの停止制御手順を具体的に説明する。
＜ＢＭ循環冷却の開始時期＞
プラント停止中は、ＢＭタンク１３，２３内にＢＭが存在し、保有熱により例えば７００〜８００℃程度まで温度上昇することがある。また、ＢＭの供給ラインおよび抜出ラインには遮断弁が存在しない。

したがって、ＢＭタンク１３，２３の保有熱が煙風道へ流れ出し、冷却に時間がかかる。さらに、ＢＭ温度が４００℃以上である場合には、ＣＯ等の有害ガスが発生するおそれがあり、炉内作業環境を適正なものとするため早期に冷却を行う必要がある。

この点、従来のプラント停止制御手順では、ガスタービン３４の停止後のＮ₂循環冷却時にＢＭ循環冷却を行っていたが、このタイミングにおける空気源は窒素ガス循環ファンであるため空気量が少なく、冷却に時間がかかる要因となっていた。

そこで、本実施形態では、ボイラ消火冷却工程におけるガスタービン３４の運転中にＢＭ循環冷却を行うことにより、コンプレッサ３５からの豊富な風量により、ＢＭの冷却時間を短縮している。具体的には、火炉層高が最低必要レベルである約０．６ｍに達した時点で、ガスタービン３４の運転を続行しながら、コンプレッサ３５から送風される空気によりボイラ１０，２０内でＢＭを流動させて、ＢＭタンク１３，２３とボイラ１０，２０との間でＢＭを循環させることにより、ＢＭの循環冷却を行う。なお、ＢＭ循環冷却工程では、ＧＴサージング防止のため、火炉層高が約０．６ｍ以下にならないような制御を行うことが必要である。

なお、ＢＭ循環冷却を開始する火炉層高は、上述した基準に限定されるものではなく、ボイラ１０，２０を含むプラントの規模等に応じて適宜変更して実施することができる。
このような手順でＢＭ循環冷却を行うことにより、ＢＭタンク１３，２３の温度を早期に３００℃以下にまで下げることができた。

＜非常用温水タンクのヒータ電源オフ＞
ボイラ建屋屋上には非常用温水タンク１４が設置されている。この非常用温水タンク１４は、ボイラ屋上からの水頭圧によりボイラ１０，２０へ給水する冷却水を貯蔵するためのタンクである。すなわち、ボイラ給水系統が停止した場合に、ボイラ１０，２０に供給される燃料は遮断されるが、ボイラ１０，２０内で残留燃料が燃焼し、水壁管等の焼損を防止するために、非常用温水タンク１４から冷却水が供給されるようになっている。

通常運転時には、給水ポンプ７６によりボイラ１０，２０への給水が行われているが、何らかの原因で給水系統が停止すると、ボイラ１０，２０内へ水が供給されずに過熱状態となってしまう。そこで、非常用温水タンク１４から冷却水を供給してボイラ１０，２０の加熱を防止している。この非常用温水タンク１４では、過冷却によるチューブ損傷を防止するため、ヒータ（図示せず）を用いて内部に貯蔵した冷却水を約３００℃に加温している。

プラントが停止すると、非常用温水タンク１４に貯蔵された冷却水がボイラ１０，２０内へ供給されるが、約３００℃に加温された冷却水をボイラ１０，２０内へ供給したのでは、ボイラ冷却の妨げとなる。
そこで、本実施形態では、発電機負荷が通常運転時の約５０％（例えば１２５ＭＷ出力）となった時点で、非常用温水タンク１４のヒータ電源をオフとすることにより、ボイラ設備に過冷却等の影響が無い範囲で、冷却水温度を下げボイラ冷却を促進している。

なお、非常用温水タンク１４のヒータ電源をオフとするタイミングは、上述した基準に限定されるものではなく、ボイラ１０，２０を含むプラントの規模等に応じて適宜変更して実施することができる。
＜給水ポンプの早期停止＞
従来のプラント停止制御手順では、強制冷却／保管薬注操作工程が終了し、補機停止工程に入る際に給水ポンプ７６を停止させていた。

しかしながら、図４に示すように、ボイラ温度および給水温度は時間の経過とともに徐々に下降してゆくが、ボイラ温度が約７０℃となった時点で給水温度も約７０℃となり、それ以降はボイラ温度よりも給水温度の方が高い状態が続いている。すなわち、ボイラ温度が７０℃に到達した以降は、給水によりボイラ１０，２０を加温していることになる。
そこで、本実施形態では、給水系統の給水温度が所定温度（例えば約７０℃）まで降下したら給水ポンプ７６を停止させることにより、冷却時間を短縮している。

なお、給水ポンプ７６を停止するボイラ温度は、上述した基準に限定されるものではなく、ボイラ１０，２０を含むプラントの規模等に応じて適宜変更して実施することができる。

＜軸受冷却水温度設定変更＞
プラント停止中には、窒素ガス循環ファン（図示せず）を用いてボイラ冷却系統（１次サイクロン８３、２次サイクロン８４等）に空気を循環させて冷却を行っている。この窒素ガス循環ファンの上流側には窒素ガス循環クーラ（図示せず）が配設されており、窒素ガス循環ファンにより循環させられる空気と軸受冷却水との間で熱交換を行って冷却効果を高めている。

そこで、本実施形態では、Ｎ₂循環冷却工程において、通常運転時には約３０℃に設定されている軸受冷却水の温度を適正な値（例えば２７℃）に設定することにより、ボイラ１０，２０の冷却時間を短縮している。
なお、軸受冷却水の設定温度は、上述した基準に限定されるものではなく、ボイラ１０，２０を含むプラントの規模等に応じて適宜変更して実施することができる。

＜停止操作時間＞
従来の加圧流動床プラントの停止制御方法では、停止操作が終了するまでにＳＴ解列から約１１０時間かかっていた。
これに対して、本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法によれば、図１〜図３に示すように、停止操作が終了するまでにＳＴ解列から約５６時間とすることができた。

すなわち、本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法を採用することにより、停止操作に要する時間を従来の約半分に短縮することができるため、点検作業の開始時期を早めることができる。また、ボイラ１０，２０の運転再開も早まり、ボイラ１０，２０の停止処理に関連した動力費を低減することができる。

本発明は、主として、加圧流動床ボイラ１０，２０を備えた発電プラントを停止させる際の停止制御方法として使用することができるが、加圧流動床ボイラ１０，２０を備えたプラントであれば発電プラント以外のプラントにも適用することができる。

本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法の手順を示すタイムテーブルである。 本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法の手順を示すタイムテーブルである。 本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法の手順を示すタイムテーブルである。 本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法において給水ポンプの停止タイミングを示す説明図である。 本発明の実施形態に係る加圧流動床プラントの停止制御方法を適用する発電プラントの概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１０，２０ ボイラ
１１，２１ 火炉
１２，２２ 圧力容器
１３，２３ ＢＭタンク
１４ 非常用温水タンク
３１ 高圧タービン
３２ 中圧タービン
３３ 低圧タービン
３４ ガスタービン
３５ コンプレッサ
４１，４２ 発電機
４３ 起動用モータ
５０ 復水器
５１ 冷却水配管
６１ 石炭ホッパ
６２ 粗粉砕機
６３ 分級機
６４ 中継ホッパ
６５ 微粉砕機
６６ 石灰石ホッパ
６７ 混練機
６８ 燃料タンク
６９ 燃料ポンプ
７１ 水・蒸気配管
７２ 汽水分離器
７３ 復水ポンプ
７４ａ〜７４ｅ 給水加熱器
７５ 脱気器
７６ 給水ポンプ
７７ 復水配管
８１ 排ガス配管
８２ａ，８２ｂ 無触媒脱硝装置
８３ １次サイクロン
８４ ２次サイクロン
８５，８６ 灰ホッパ
９１，９３ 排熱回収交換器
９２ 脱硝装置
９４ バグフィルタ
９５ 煙突
１０１ 塵芥回収管
１０２，１０３ 灰ホッパ

Claims (4)

1. 加圧流動床ボイラを備えた発電プラントを停止させるための方法であって、
   ボイラ消火冷却工程におけるガスタービン運転中に、ガスタービンから送風される空気により、ボイラ内のベッドマテリアルを流動させて、ベッドマテリアルタンクとボイラとの間でベッドマテリアルを循環させることにより、ベッドマテリアルの循環冷却を行うことを特徴とする加圧流動床プラントの停止制御方法。
2. 発電機の負荷が通常運転時の約５０％まで減少したら、非常用温水タンクヒータを停止させることを特徴とする請求項１に記載の加圧流動床プラントの停止制御方法。
3. ガスタービン解列工程後に、タービン軸受冷却水の温度を前記ガスタービン解列工程よりも低温に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の加圧流動床プラントの停止制御方法。
4. 給水系統の給水温度がボイラ温度まで降下したら、給水ポンプを停止させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加圧流動床プラントの停止制御方法。

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