JP2014173600A - コンバインドサイクル発電用のプラントを運転する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統に供給される電力を発生することなく、ガスタービン及び蒸気タービンを備えるコンバインドサイクル発電プラントを最小負荷で運転させる。
【解決手段】ガスタービン２が、圧縮機３がその公称速度で運転される条件に負荷低減され、蒸気タービン１２が、ガスタービン（２）の負荷低減と同調して、プラント１によって電力系統２１へ送出される合計負荷が実質的にゼロに等しい条件に負荷低減し、ガスタービン２及び前記蒸気発電システム１０の両方が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン及び蒸気タービンを備えるコンバインドサイクル発電用のプラントを、電力系統へ供給される電力を発生することなく最小限の負荷で運転する方法に関する。

現在では、再生可能エネルギ源からの発電が着々と成長しているので、"慣用の"発電プラントは、特に、まだ商業化にはるか及ばない大規模エネルギ貯蔵システムが存在しないときに、この発電プラントが接続された電力系統への補完的な発電を急に提供するためなどの、付加的な役割を担うことがますます要求される。一日の間の大幅な変動は、発電機が、需要と発電とのバランスを維持するために迅速に反応することを要求する。このような状況において、発電プラントは、柔軟に電力系統へ電力を供給しなければならない。例えば、電力系統によって要求されるエネルギが低いときには、発電プラントは、電力系統へ供給される電力をゼロまで減じることができなければならず、電力系統が再び電力を要求するときには、発電プラントは、電力を極めて迅速に提供することができなければならない（場合によっては、発電プラントは、数秒間で数十メガワットを供給することができなければならない）。

最近の１０年間で、慣用の電力源の焦点の中心領域は、ベース負荷から中間負荷運転への切り替え、すなわち迅速な負荷勾配の必要性、より短い低負荷及び始動時間、及び電力系統の安定になりつつある。加えて、制御リザーブ及び周波数支持などの補助的なサービスの需要、及び第３の制御リザーブ及び負荷追従運転が、著しく増大した。その結果、電力系統ダイナミクスを安定させ、ひいては確実で経済的な電気供給を保証するために、ツー・シフト運転、負荷追従運転、アイランドオペレーション、バックスタート能力、周波数支持、及び極めて高い始動及び運転信頼性などの新たな運転要求が出現した。

負荷サイクルのための要求は変化しており、再生可能エネルギの拡大が増大しているので、"慣用の"発電プラントは、電力の生産能力過剰又は生産能力過少が存在する期間に適応しなければならない。関連する国及び電力系統に応じて、一次制御、二次制御、アイランドオペレーションの能力、負荷遮断、ブラックスタート能力、停電後の電力系統回復、周波数安定などの、供給の安全性を保証するために、様々なダイナミックな能力が要求される。コンバインドサイクルプラント（すなわちガスタービンと蒸気タービンとを備える発電プラント）は、より広い負荷範囲においてより迅速な負荷変化を許容し、これは、これらのプラントをよりフレキシブルにしている。さらに、迅速な始動及び効率を考慮すると、コンバインドサイクル発電プラントは、他の発電方法と比較して優れている。さらに、コンバインドサイクルプラントは、革新的で、特に発展したシステムのおかげで、他の慣用の発電プラントよりも著しく高い負荷変化率を提供する。

将来、現在計画されている再生可能能力が運転されると、コンバインドサイクル発電プラントなどの前のベース負荷の発電プラントは、部分負荷に減少されなければならないだけでなく、著しい過剰能力を回避するために多くの場合に完全にシャットダウンされなければならない。したがって、このようなコンバインドサイクル発電プラントは、再生可能電力の短期間の損失の際に需要をカバーするためにできるだけ迅速にシャットダウン状態から始動させられる必要がある。十分な貯蔵システムが存在しない場合の唯一の解決策は、いわゆる"ツー・シフト・オペレーション"における慣用のプラントの増大した使用、すなわち、負荷の変動を補償するために一日ごとに（時には一日に数回）始動及びシャットダウンすることである。このような運転状況においては、始動が極めて迅速かつ確実に行うことができることが重要であり、これは、その燃料及び燃焼システムの相対的な単純さにより、コンバインドサイクルプラントによって可能である。

言及したように、始動信頼性は、ますます重要な問題となっており、コンバインドサイクルプラントは、最小程度の複雑さを有することにより、これに関して他の慣用の技術よりも著しい利点を有する。コンバインドサイクル発電プラントのための複数の始動方法は、例えば、欧州特許出願公開第２４２３４６２号明細書、欧州特許出願公開第０６０５１５６号明細書、中国実用新案公開第２０２２３０３７３号明細書などの従来技術において公知である。高められた始動は、例えば、米国特許出願公開第２００５／０２６８５９４号明細書、米国特許出願公開第２００９／０１２６３３８号明細書又は国際公開第２０１２／１３１５７５号から公知である。

欧州特許第２０５６４２１号明細書などの従来技術において、（ガスタービン及び蒸気タービンを備えた）コンバインドサイクル発電プラントを電力系統に接続する方法も公知である。

既に述べたように、電気市場の規制緩和、高い燃料価格、台頭する再生可能エネルギにより、より多くのコンバインドサイクル発電プラントは、ピーク負荷発電プラントとして運転させられ、したがって、コンバインドサイクル発電プラントが供給する電力を、必要に応じて迅速に調節することができる。

つまり、発電プラント製造業者は、コンバインドサイクル発電プラントを、ベース負荷運転のためだけでなく、中間負荷又は可能な最小可能負荷運転のためにも設計しなければならず、特に、低いエネルギ要求が発電プラントから要求されたときの発電プラントのシャットダウンなどの状況においてできるだけ迅速に要求される性能を提供するために、又は必要とされる要求される性能を提供するプラントのための迅速な始動のために要求される、増大した柔軟性を有する。

発電プラントの静止からのあらゆる始動は、遅延又は低下した信頼性の危険性につながるので、発電プラントオペレータは、発電プラントを完全なシャットダウン運転からではなく、最小負荷運転状態から始動させることを好む。このような運転方式は、電気網の需要に合致するために発電プラントの正確なスケジュールを提供することができるための機会を提供し、特に任意の時間枠での確実な始動を提供する。しかしながら、最小可能負荷における発電プラントの運転は、複数の問題を有する：
−最小負荷運転への発電プラントの負荷低減（de-loading）は、蒸気タービン材料の過剰応力につながる。あるガスタービン運転範囲よりも低いと、減じられたガスタービン排気温度は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の蒸気温度低下につながり、その結果、ロータ及びアドミッションバルブなどの高温蒸気タービン材料の冷却につながる。
−ガスタービンは、電力系統周波数支持、例えば一次応答を提供することはできない。最小負荷における運転は、トランスミッションシステム要求を満たさない。

したがって、提供された最小プラント電力を使用することができるために、トランスミッションシステムオペレータの必要性が存在する。プラントは、負荷をできるだけ低く低下させることもできなければならない。本発明は、前記必要性を提供することに向けられている。

欧州特許出願公開第２４２３４６２号明細書 欧州特許出願公開第０６０５１５６号明細書 中国実用新案公開第２０２２３０３７３号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２６８５９４号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１２６３３８号明細書 国際公開第２０１２／１３１５７５号 欧州特許第２０５６４２１号明細書

本発明は、電力系統に供給される電力を発生することなく、ガスタービン及び蒸気タービンを備えるコンバインドサイクル発電プラントを最小負荷で運転させる方法に関する。この最小負荷条件は、この最小負荷条件から出発する発電プラントのさらなる負荷上昇のために、プラントのシャットダウンの代わりに特に有利である。

最小負荷運転条件は、発電プラント全てのタービン（ガスタービン及び蒸気タービンの両方）が作動しており（オンラインであり）、発生される負荷（すなわち、発電プラントにおける全てのタービンによって発生される合計出力負荷）が、ハウス負荷消費を超過しない（すなわち発電プラントの内部消費に必要な負荷を超過しない）という条件に対応する。つまり、電力系統へ送出される負荷はゼロである。

本発明の方法は、電力系統へ送出されるゼロ負荷の条件への、コンバインドサイクル発電プラントの負荷低減に基づく。蒸気タービンが、ガスタービンにおける圧縮機を公称速度に維持するために必要な負荷も提供する場合に、ガスタービンは、その圧縮機が公称速度で運転している条件に対応する最小負荷条件、又はそれよりも低い条件へ負荷低減される。蒸気タービンも、ガスタービンの負荷低減と同調して、すなわちガスタービンによって提供される負荷と同調して負荷低減される。蒸気タービンの最小負荷条件は、発電プラントの内部補助負荷需要をカバーする条件、必要であれば、ガスタービン圧縮機をその公称速度に維持するために必要な余分な負荷に対応する。

本発明の方法によれば、ガスタービン及び蒸気タービンの負荷低減は、次のように同調させられる。つまり、最小蒸気タービン負荷及び最小蒸気圧力が、ガスタービンの負荷低減の間にガスタービン排出温度の低減によって生ぜしめられる蒸気温度の低下の前に達せられるように、蒸気タービンの負荷低減と、蒸気圧力の低減とは、選択される。これは、機械的応力が最低可能値に減じられるので、蒸気タービン応力を熱応力のみに減じることを可能にする。加えて、最小負荷条件において、蒸気タービン制御弁に作用することにより、蒸気タービンは、発電プラントに一次周波数支持を提供することもできる。

本発明の、前記課題、及び付随する利点の多くは、さらに容易に認められるであろう。なぜならば、それらは、添付の図面に関連して見た場合に以下の詳細な説明を参照することによってさらに理解されるからである。

本発明による方法を実施するために用いることができるコンバインドサイクル発電プラントの概略図である。 本発明による方法によって、図１に示されたものと同様のコンバインドサイクル発電プラントを最小負荷で運転する方法を示している。

本発明は、図１に概略的に示されたようなコンバインドサイクル発電プラントを運転する方法を開示する。

発電プラント１は、ガスタービン２と、蒸気発電システム１０とを備える。ガスタービン２と、蒸気発電システム１０とは、ライン２２を介して電力系統２１に接続可能な発電機２０を作動させる（すなわち、発電機２０に刺激を与える）。

ガスタービン２は、圧縮機３と、燃焼室４と、タービン５とを備える。燃焼室４には、燃料６と、酸化剤７（通常は圧縮機３において圧縮された空気）が供給され、燃料６と、酸化剤７とは、燃焼させられて、高温ガスを発生し、この高温ガスはタービン５において膨張させられて、これにより機械的動力を得る。

タービン５は、排気煙道ガス８を排出し、この排気煙道ガス８は、その後、蒸気発電システム１０へ供給される。蒸気発電システム１０は、ボイラ１１（いわゆる排熱回収ボイラ、ＨＲＳＧ）を備え、このボイラ１１は、ガスタービン２から煙道ガス８を受け取り、蒸気を発生し、この蒸気が、ステータ１２ａとロータ１２ｂとを備える蒸気タービン１２において膨張させられる。通常は、図１に示したように、蒸気発電システム１０は、凝縮器１３及びポンプ１４も備える。ボイラ１１によって発生された蒸気は、バイパスライン４０を通じて凝縮器１３へ送られてもよい。

本発明の方法を実施するために、図１に示された典型的な態様とは異なる態様も可能である。

本発明は、コンバインドサイクル発電プラント１を最小負荷で運転する方法であって、ガスタービン２と蒸気タービン１２とが接続されており（オンラインであり）、発生された負荷（すなわち、ガスタービン２と蒸気発電システム１０とによって発生された合計出力負荷）が、ハウス負荷消費を超過せず（すなわち、発電プラント１の内部消費に必要な負荷を超過せず）、電力系統２１へ送出される負荷が、ゼロに等しい又は実質的にゼロに等しい、方法に関する。

本発明の方法によれば、コンバインドサイクル発電プラント１の最小負荷運転条件に達するためのガスタービン２及び蒸気タービン１２の負荷低減は、同調させられ、以下のように特徴付けられる：
ａ）ベース負荷又は部分負荷条件におけるプラント１から開始して、ガスタービン２及び蒸気タービン１２は、負荷低減し始める。
ｂ）蒸気タービン１２は、実質的にゼロに等しい、電力系統２１へ送出される合計負荷のための所要の最小負荷に対応する条件に負荷低減される。
ｃ）ガスタービン２は、負荷低減勾配で負荷低減され、これは、蒸気タービン１２が最小負荷条件に達する前に、排熱回収ボイラ１１の出口における蒸気温度が、蒸気タービン１２によって要求される許容可能な温度よりも高いことを保証する。
ｄ）蒸気タービン１２の負荷低減により、バイパス４０は、蒸気圧力を一定値、好適には公称圧力の１５％〜１００％、より好適には公称圧力の３０％〜５０％に減じるために開く。
ｅ）蒸気発電システム１０におけるバイパス４０に作用することによる、蒸気タービン１２の負荷低減及び蒸気圧力の低下は、ガスタービン２の負荷低減の間にガスタービン２の排出温度の低下によって生ぜしめられる蒸気温度の低下の前に、最小蒸気タービン１２負荷及び最小蒸気圧力が達せられるように選択される。
ｆ）ガスタービン２の負荷と、蒸気タービン１２の負荷との合計が、プラントの補助負荷需要に達するやいなや、ガスタービン２は負荷低減を停止し、電力系統２１へ送出される負荷は、実質的にゼロに等しい。

本発明の方法において、発電プラント１は、（ステップｆにおける）ハウス負荷条件よりも上で運転することができ、電力系統２１へ送出される合計負荷は、発電機２０を電力系統２１に接続する接続ブレーカ（図示せず）が閉鎖されることにより、実質的にゼロに等しく、これにより、発電機は、電極系統２１に接続されているが、電力系統２１に一切電力を供給することはなく、しかしながらプラント１は、必要であれば、蒸気タービン１２及びガスタービン２によって負荷を提供することができる。これに代えて、引用されたブレーカが開いているときには、発電機２０を電力系統２１から切断することもでき、この状況においては、蒸気タービン１２及びガスタービン２は、プラント補助のために必要な負荷を提供し、それと同時に、プラント周波数を制御する。

本発明は、好適な実施の形態に関して完全に説明されたが、本発明の範囲に変更が加えられてよく、本発明をこれらの実施の形態によって限定されるものと考えず、しかし以下の請求項の内容による。

１ 発電プラント、 ２ ガスタービン、 ３ 圧縮機、 ４ 燃焼室、 ５ タービン、 ６ 燃料、 ７ 酸化剤、 ８ 煙道ガス、 １０ 蒸気発電システム、 １１ 排熱回収ボイラ、 １２ 蒸気タービン、 １２ａ ステータ、 １２ｂ ロータ、 １３ 凝縮器、 １４ ポンプ、 ２０ 発電機、 ２１ 電力系統、 ２２ ライン、 ４０ バイパス

Claims (10)

1. コンバインドサイクル発電用のプラント（１）を運転する方法であって、該プラント（１）は、少なくとも１つのガスタービン（２）と、少なくとも１つの蒸気発電システム（１０）とを備え、前記プラント（１）は、電力系統（２１）に接続可能な少なくとも１つの発電機（２０）を作動させ、前記ガスタービン（２）は、圧縮機（３）を備え、前記蒸気発電システム（１０）は、蒸気タービン（１２）と、排熱回収ボイラ（１１）と、バイパスライン（４０）とを備え、前記方法は、前記ガスタービン（２）を、前記圧縮機（３）がその公称速度で運転される条件に負荷低減することを特徴とし、前記方法はさらに、前記蒸気タービン（１２）を、前記ガスタービン（２）の負荷低減と同調して、前記プラント（１）によって前記電力系統（２１）へ送出される合計負荷が実質的にゼロに等しい条件に負荷低減し、前記ガスタービン（２）及び前記蒸気発電システム（１０）の両方が接続されてい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（１）を運転する方法。
2. 前記蒸気タービン（１２）を、該蒸気タービン（１２）が前記プラント（１）の内部補助負荷需要をカバーしかつ前記圧縮機（３）がその公称速度で運転するのを維持するために必要な負荷をもカバーするような条件まで負荷低減する、請求項１記載の方法。
3. 前記ガスタービン（２）を、前記蒸気タービン（１２）が最小負荷条件に達する前に前記排熱回収ボイラ（１１）の出口における蒸気温度が前記蒸気タービン（１２）によって要求される許容可能な温度よりも高くなるような勾配に従って負荷低減する、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記蒸気タービン（１２）の負荷低減とともに、前記バイパスライン（４０）は、蒸気圧力を公称圧力に関して一定値に減じるために開く、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記バイパスライン（４０）は、蒸気圧力を公称圧力の１５％〜１００％の一定値に減じるために開く、請求項４記載の方法。
6. 前記バイパスライン（４０）は、蒸気圧力を公称圧力の３０％〜５０％の一定値に減じるために開く、請求項４記載の方法。
7. 前記蒸気発電システム（１０）におけるバイパスライン（４０）に作用することによる、前記蒸気タービン（１２）の負荷低減と、蒸気圧力の低下とは、前記ガスタービン（２）の負荷低減の間に前記ガスタービン（２）の排出温度の低下により生ぜしめられる蒸気温度の低下の前に、最小蒸気タービン（１２）負荷及び最小蒸気圧力が達せられるようになっている、請求項４から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記発電機（２０）は、前記電力系統（２１）に接続されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記発電機（２０）は、前記電力系統（２１）から切断される、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記蒸気タービン（１２）は、蒸気タービン制御弁に作用することによって前記プラント（１）に一次周波数支持を提供する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。