JP2019190703A - プラント制御装置および発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】過熱度に関する制約を考慮しつつ蒸気温度を適切に制御可能なプラント制御装置を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、プラント制御装置は、ガスタービンと、前記ガスタービンの排ガスから熱回収して第１蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記第１蒸気に冷却水を注入して第２蒸気を排出する減温装置と、前記第２蒸気を過熱して第３蒸気を排出する過熱器と、前記第３蒸気により駆動される蒸気タービンと、を備える発電プラントを制御する。前記装置は、前記第３蒸気の温度に基づいて、前記冷却水の量を制御する第１制御量を算出し、前記第２蒸気の過熱度または温度に基づいて、前記冷却水の量を制御する第２制御量を算出する。さらに、前記装置は、前記第１および第２制御量の低い方である第３制御量と、第１期間に前記第３制御量より低くなり、第２期間に前記第３制御量より高くなる第４制御量との低い方に基づいて、前記冷却水の量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラント制御装置および発電プラントに関する。

一般に、コンバインドサイクル型の発電プラントは、ガスタービンと、排熱回収ボイラと、蒸気タービンとを備えている。ガスタービンは、燃焼器から供給されたガスにより駆動される。排熱回収ボイラは、ガスタービンから排出された排ガスの熱を利用して主蒸気を生成する。蒸気タービンは、排熱回収ボイラから供給された主蒸気により駆動される。

特開２０１７−１１５６７８号公報

コンバインドサイクル型の発電プラントは、例えば次のように起動される。まず、ガスタービンの出力値（以下「ＧＴ出力値」と呼称する）を許容される出力値に保持して排熱回収ボイラを焚き上げ、主蒸気温度を上昇させる。

この際、ＧＴ出力値は、蒸気タービンの第１段内面のメタル温度（以下「メタル温度」と呼称する）に応じて調整され、具体的には、ガスタービンの排ガス温度が、メタル温度と同じか、メタル温度より少し高くなるように調整される。これにより、排熱回収ボイラからの主蒸気温度は、蒸気タービンの起動に適した温度となり、蒸気タービンに発生する熱応力を低減できる。

上記の発電プラントを起動する場合、発電プラントが長時間休止され、メタル温度が低温状態まで冷却された所謂コールド起動では、低温の主蒸気による蒸気タービンの起動が望ましい。従ってコールド起動では、排ガス温度が極力低い温度となるような小さいＧＴ出力値で運転される。即ち、低温の主蒸気温度が、ＧＴ出力値の調整により実現される。

低温の主蒸気温度を実現するための別の手法として、排熱回収ボイラのなかに設置した減温装置を使用することが考えられる。そこで、蒸気に冷却水を注入する減温制御と、ＧＴ出力値の調整（排ガス温度の調整）とを組み合わせて、低温の主蒸気温度を実現することが考えられる。

このような減温制御を行わない場合、排ガス温度を低下させるためにＧＴ出力値を小さくすると、主蒸気流量が低下してしまう。そこで、減温制御を導入すれば、主蒸気流量の低下を抑制しつつ、ＧＴ出力値を小さくして排ガス温度を低下させることができる。簡単に言えば、ＧＴ出力値の低減（排ガス温度の低下）をほどほどの水準で妥協することで、主蒸気流量の低下を抑制するものである。

一方、この減温制御は、以下のように別の目的にも使用可能である。

近年の技術動向によれば、最新型の商用ガスタービンは高性能化が強く指向されているため、ガスタービンは高い燃焼温度で運転される特性を保持するようになり、必然的に排ガスも高温化してきている。この高温化は、蒸気タービンの起動が開始（通気）されるガスタービンのパーシャル出力帯域（低負荷運転状態）にも及んでいる。そのため、蒸気タービンの通気に適した主蒸気温度を生成すべく、ＧＴ出力値を運転上許容できる最低の値まで低下させたとしても、排ガス温度が高すぎることが問題となる。具体的には、一般的な事業用コンバインドサイクル発電プラントのコールド起動において、蒸気タービンの通気に適した主蒸気温度は約３００〜３５０℃である。これに対し、最新ガスタービンのモデルタイプによっては、許容できる最低出力運転の排ガス温度は５００℃近傍がほぼ下限となり、それにより生成される蒸気も５００℃近傍という高温となる。

減温装置による減温制御は、このような技術動向によりもたらされる高温の蒸気を冷却するために適用することが考えられる。この減温制御では例えば、コールド起動において５００℃の蒸気に冷却水を注入して３２７℃に冷却するようなことが求められる。しかしこれは、約１７０℃の大幅な減温であり、大量の冷却水を蒸気に注入することになる。従来の減温制御ではせいぜい５０℃程度の減温が要求されるのに対し、この例での減温制御ではその約３倍の減温を要求される。よって、この例での冷却水は多量となり、蒸気の過熱度が著しく低下することが問題となる。具体的には、極端に過熱度が低下した蒸気が減温装置の下流の熱交換器群に流入することで、蒸気中の水滴により熱交換器が損傷してしまう。別言すれば、過熱度の観点から注入できる冷却水には限度があり、許容される過熱度の範囲内で可能な低温の主蒸気を生成することが求められる。

また、冷却水の注入量が急激に変化すると、減温制御が不安定になるおそれがあり、このような不安定性を抑制することが望ましい。

そこで、本発明の実施形態は、過熱度に関する制約を考慮しつつ蒸気温度を適切に制御可能なプラント制御装置および発電プラントを提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、プラント制御装置は、ガスタービンと、前記ガスタービンの排ガスから熱回収して第１蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記第１蒸気に冷却水を注入して第２蒸気を排出する減温装置と、前記第２蒸気を過熱して第３蒸気を排出する過熱器と、前記第３蒸気により駆動される蒸気タービンと、を備える発電プラントを制御する。前記装置は、前記第３蒸気の温度に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第１制御量を算出する第１制御部を備える。さらに、前記装置は、前記第２蒸気の過熱度または温度に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第２制御量を算出する第２制御部を備える。さらに、前記装置は、前記第１制御量と前記第２制御量の低い方である第３制御量と、第１期間に前記第３制御量より低くなり、前記第１期間の後の第２期間に前記第３制御量より高くなる第４制御量との低い方に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第３制御部を備える。

第１実施形態の発電プラントの構成を示す図である。 第１実施形態のプラント制御装置の構成を示す図である。 第１実施形態のコールド起動におけるプラント制御方法を説明するためのグラフである。 第１実施形態のコールド起動におけるプラント制御方法をより詳細に説明するためのグラフである。 第１実施形態のウォーム起動におけるプラント制御方法を説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１から図５では、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の発電プラント１の構成を示す図である。本実施形態の発電プラント１は、発電プラント１を制御するプラント制御装置２を備えている。本実施形態の発電プラント１は、コンバインドサイクル型の発電プラントである。コンバインドサイクルの方式にはいくつかの種類あるが、ここではガスタービン１２と蒸気タービン３１が同軸に直結されていない別軸型を例にしている。

発電プラント１は、図１に示すように、圧縮機１１と、ガスタービン１２と、ＧＴ（ガスタービン）発電機１３と、燃焼器１４と、燃料調節弁１５と、排熱回収ボイラ１６と、給水ポンプ２１と、減温装置２２と、節炭器２３と、ドラム２４と、蒸発器２５と、１次過熱器２６と、２次過熱器２７と、蒸気タービン３１と、ＳＴ（蒸気タービン）発電機３２と、加減弁３３と、バイパス調節弁３４と、復水器３５と、循環水ポンプ３６とを備えている。減温装置２２は、減温調節弁２２ａと、減温器２２ｂとを備えている。

発電プラント１はさらに、温度センサＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ３と、圧力センサＰＳとを備えている。

燃料調節弁１５は、燃料配管に設けられている。燃料調節弁１５を開くと、燃料配管から燃焼器１４に燃料Ａ１が供給される。一方、圧縮機１１は、圧縮空気を燃焼器１４に供給する。燃焼器１４は、圧縮空気と共に燃料Ａ１を燃焼させ、高温・高圧のガスを発生させる。ガスタービン１２は、このガスにより回転駆動される。ＧＴ発電機１３は、この回転を利用して発電を行う。ガスタービン１２から排出された排ガスＡ２は、排熱回収ボイラ１６に送られる。排熱回収ボイラ１６は、後述するように、排ガスＡ２から熱回収して蒸気を生成する。

給水ポンプ２１は、給水配管に水を送る。給水配管は、第１および第２配管に分岐している。第１配管は、減温装置２２の減温器２２ｂに接続されており、減温装置２２の減温調節弁２２ａは第１配管に設けられている。第２配管は、節炭器２３に接続されており、節炭器２３により加熱された水はドラム２４に送られる。減温調節弁２２ａを開くと、第１配管の水が、冷却水Ａ３として減温器２２ｂに供給される。減温器２２ｂは、後述するように、排熱回収ボイラ１６により生成された蒸気に冷却水Ａ３を注入して、この蒸気を冷却する。

節炭器２３、蒸発器２５、１次過熱器２６、および２次過熱器２７は、排熱回収ボイラ１６内に設けられており、排熱回収ボイラ１６の一部を構成している。ドラム２４内の水は、蒸発器２５に送られ、蒸発器２５内で排ガスＡ２により加熱されることで飽和蒸気となる。飽和蒸気は、１次過熱器２６内で排ガスＡ２により過熱され、１次過熱蒸気Ａ４として１次過熱器２６から排出される。１次過熱蒸気Ａ４は、減温器２２ｂ内で冷却水Ａ３により冷却され、減温器出口蒸気Ａ５として減温器２２ｂから排出される。減温器出口蒸気Ａ５は、２次過熱器２７内で排ガスＡ２によりさらに過熱され、２次過熱蒸気Ａ６として２次過熱器２７から排出される。排熱回収ボイラ１６は、この２次過熱蒸気Ａ６を蒸気タービン３１に排出する。以下、２次過熱蒸気Ａ６を主蒸気Ａ６と呼称する。１次過熱蒸気Ａ４、減温器出口蒸気Ａ５、主蒸気Ａ６はそれぞれ、第１蒸気、第２蒸気、第３蒸気の例である。

温度センサＴＳ１は、減温器出口蒸気Ａ５の温度を検出し、温度の検出結果をプラント制御装置２に出力する。圧力センサＰＳ１は、減温器出口蒸気Ａ５の圧力を検出し、圧力の検出結果をプラント制御装置２に出力する。温度センサＴＳ２は、主蒸気Ａ６の温度を検出し、温度の検出結果をプラント制御装置２に出力する。具体的には、温度センサＴＳ２は、２次過熱器２７から排出され、排熱回収ボイラ１６の蒸気流出口の付近の主蒸気Ａ６の温度を検出する。温度センサＴＳ３は、蒸気タービン３１の第１段動翼の内面付近に設置されており、蒸気タービン３１の第１段内面のメタル温度を検出し、温度の検出結果をプラント制御装置２に出力する。

排熱回収ボイラ１６により生成された主蒸気Ａ６は、蒸気配管に排出される。蒸気配管は、主配管とバイパス配管とに分岐している。主配管は、蒸気タービン３１に接続されており、バイパス配管は、復水器３５に接続されている。加減弁３３は、主配管に設けられている。バイパス調節弁３４は、バイパス配管に設けられている。

加減弁３３を開くと、主配管の主蒸気Ａ６が蒸気タービン３１に供給される。蒸気タービン３１の起動工程において、加減弁３３を開弁し蒸気タービン３１に主蒸気Ａ６を供給開始することを通気と呼ぶ。蒸気タービン３１は、通気後に主蒸気Ａ６の供給量を増しながら昇速および並列される。並列後、ＳＴ発電機３２は、蒸気タービン３１により駆動されて発電を行う。このように、主蒸気Ａ６は、蒸気タービン３１を駆動させるために使用される。蒸気タービン３１から排出された排気蒸気Ａ７は、復水器３５に送られる。

一方、バイパス調節弁３４を開くと、バイパス配管の主蒸気Ａ６が蒸気タービン３１をバイパスして復水器３５に送られる。

循環水ポンプ３６は、復水器３５に循環水Ａ８を供給する。循環水Ａ８の例は、海水である。復水器３５は、主蒸気Ａ６と排気蒸気Ａ７を循環水Ａ８により冷却し、主蒸気Ａ６と排気蒸気Ａ７を水に戻す。循環水Ａ８が海水である場合には、復水器３５から排出された循環水Ａ８は海に戻される。

上述のように、減温器２２ｂは、冷却水Ａ３と１次過熱蒸気Ａ４とを混合する。その結果、冷却水Ａ３が蒸発し、この過程で１次過熱蒸気Ａ４から熱を奪うことにより１次過熱蒸気Ａ４は冷却されて減温器出口蒸気Ａ５となる。またこの際、冷却水Ａ３の一部は蒸発せず、水滴のまま減温器２２ｂから排出される可能性がある。２次過熱器２７は、減温器出口蒸気Ａ５をさらに過熱して、より蒸気タービン３１の駆動エネルギーの高い主蒸気Ａ６を生成する役割を負っている。２次過熱器２７はさらに、減温器出口蒸気Ａ５が水滴を含むときには、これを加熱して蒸発させて蒸気に変換して、蒸気タービン３１に水滴が流入しないようにする役割も負っている。

本実施形態の減温装置２２は、減温器出口蒸気Ａ５の過熱度が適切に保持できている場合には、冷却水Ａ３の注入量を増加させることにより、主蒸気Ａ６の温度を目標温度にすることができる。ここで、蒸気の過熱度とは、蒸気の温度と飽和温度との差である（過熱度［℃］＝温度［℃］−飽和温度［℃］）。冷却水Ａ３の注入量を過度に増加させると、減温器出口蒸気Ａ５の過熱度が大きく低下するが、これは、減温器出口蒸気Ａ５中に多量の水滴が残存し、この水滴が２次過熱器２７に流入することを意味する。２次過熱器２７内の熱交換チューブは蛇行しており、水滴から物理的に衝撃を受け易い弱い形状となっている。そのため、２次過熱器２７に水滴が多量に流入すると、熱交換チューブが損傷されてしまう。

そこで、減温器出口蒸気Ａ５の過熱度が低下しないように、注入する冷却水Ａ３の流量を制限することが求められる。許容される過熱度の範囲（例えば４０℃以上）で可能な限り、低温の主蒸気Ａ６を生成することが望ましい。

排熱回収ボイラ１６により生成された主蒸気Ａ６は、蒸気タービン３１を駆動させるために使用される。加減弁３３を開くと、主蒸気Ａ６が蒸気タービン３１に供給される。バイパス調節弁３４を開くと、主蒸気Ａ６が蒸気タービン３１をバイパスして復水器３５に送られる。本実施形態のバイパス調節弁３４は、ドラム２４の圧力が７．０ＭＰａになるように開弁される。

図２は、第１実施形態のプラント制御装置２の構成を示す図である。

プラント制御装置２は、設定器４１と、高値選択器４２と、比較器４３と、設定器４４と、低値選択器４５と、減算器４６と、第１ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）コントローラ４７と、上限器４８と、設定器４９と、加算器５０と、関数発生器５１と、減算器５２と、設定器５３と、比較器５４と、設定器５５と、減算器５６と、第２ＰＩＤコントローラ５７と、上限器５８と、設定器５９と、加算器６０と、切替器６１と、設定器６２と、低値選択器６３とを備えている。プラント制御装置２はさらに、設定器７１、比較器７２、設定器７３、切替器７４、積分器７５、設定器７６、上限器７７、および低値選択器７８を含む弁ストローク制御回路３を備えている。第１ＰＩＤコントローラ４７とこれに関連する構成要素は、第１制御部の例である。第２ＰＩＤコントローラ５７とこれに関連する構成要素は、第２制御部の例である。切替器６１、低値選択器６３、および低値選択器７８とこれらに関連する構成要素は、第３制御部の例である。

プラント制御装置２は、温度センサＴＳ３から蒸気タービン３１の第１段内面のメタル温度（以下「メタル温度」と呼称する）Ｂ１を受信する。蒸気タービン３１の通気に最も適した主蒸気Ａ６の温度は、メタル温度Ｂ１と同じまたはその近傍の温度である。このような温度を有する主蒸気Ａ６を使用することで、通気時に蒸気タービン３１に発生する熱応力を低減することができる。

このことは、理想的には、通気を許可する主蒸気Ａ６の許可温度と、減温制御が目標とする主蒸気Ａ６の目標温度の双方を、メタル温度Ｂ１に設定すればいいことを示唆している。そこで、本実施形態の制御は、基本的にはこの考え方に則った方法を採用する。ただし、現実的な問題によりこの制御の修正が必要となることを以下に説明する。

（１）通気の許可温度
通気の許可温度をメタル温度Ｂ１に設定できるのは、メタル温度Ｂ１が比較的高温のホット起動やウォーム起動のときに限られ、コールド起動では設定できない。なぜならコールド起動では、発電プラント１は長時間休止されて残熱を保有しないので、メタル温度Ｂ１はタービングランド蒸気を供給されている状態で８０℃程度の低温だからである。通気前の起動工程にプレウォーミングを実施するケースでも、メタル温度Ｂ１は１６０℃程度の低温である。このメタル温度Ｂ１と同程度の低温の主蒸気Ａ６を使用する場合、蒸気タービン３１の通気は不可能である。

このようなコールド起動に配慮して、メタル温度Ｂ１の下限値（３２７℃）が設定器４１に設定されている。高値選択器４２は、メタル温度Ｂ１と３２７℃の高値を選択し、選択した温度を制限メタル温度Ｂ２として出力する。なお、設定器４１に設定する３２７℃は、ドラム２４の圧力が７．０ＭＰａのときの飽和温度である２８７℃に、４０℃を加算した値である。

そして比較器４３は、温度センサＴＳ２が計測した主蒸気Ａ６の温度（以下「主蒸気温度」と呼称する）Ｂ３と、制限メタル温度Ｂ２とを比較する。比較器４３は、主蒸気温度Ｂ３が制限メタル温度Ｂ２に等しくなるまで上昇した場合や、主蒸気温度Ｂ３が制限メタル温度Ｂ２より高くなった場合に、蒸気タービン３１の通気許可条件（温度条件）としてスイッチ信号Ｂ４を成立させる。一般にその他通気許可条件（圧力条件や流量条件など）は温度条件よりも早く成立しているので、スイッチ信号Ｂ４の成立と同時に蒸気タービン３１の通気は開始される。

（２）減温制御の目標温度
減温制御の目標温度をメタル温度に等しくする場合の問題について記載する。スイッチ信号Ｂ４の成立により、蒸気タービン３１の通気は開始される。蒸気タービン３１に発生する熱応力を考慮すれば、通気後も主蒸気温度Ｂ３を制限メタル温度Ｂ２と等しく保持することが、熱応力が最も小さく、蒸気タービン３１にとって負担が少ない。

本実施形態では、第１ＰＩＤコントローラ４７による主蒸気温度制御が、主蒸気温度Ｂ３を制限メタル温度Ｂ２に近付くように調整する。しかし、主蒸気温度Ｂ３を制限メタル温度Ｂ２に調整することが可能なのは、メタル温度が４００℃より高いウォーム起動の場合である。一方、メタル温度が４００℃より低いコールド起動の場合には、後述するように、主蒸気温度Ｂ３を制限メタル温度Ｂ２に調整することができない。そこで、本実施形態のプラント制御装置２は、過熱度の問題を回避できる範囲内で、主蒸気温度Ｂ３を制限メタル温度Ｂ２にできるだけ近づけるよう動作する。

（３）通気後のメタル温度
スイッチ信号Ｂ４の成立により蒸気タービン３１の通気は開始されると、メタル温度センサＴＳ３が計測対象とする第１段内面に主蒸気Ａ６が流入する。メタル温度は主蒸気Ａ６よる影響を受けて一般には上昇し、メタル温度が３２７℃以上になったときには、制限メタル温度Ｂ２も高値選択により変動する。

しかし蒸気タービン３１内で温度上昇を示すのは第１段内面の表面部だけであり、部材の内部は通気前の低温を維持する。熱応力の観点からは、制限メタル温度Ｂ２は通気直前の値に維持することが望ましい。プラント制御装置２はこの値を格納して使用する回路を備えているが、その説明は省略する。

（４）排熱回収ボイラ１６の耐熱性
設定器４４は、設定値として６２０℃を保持している。この６２０℃という温度は、排熱回収ボイラ１６の耐熱性に基づき定められた目標温度である。本実施形態では、最新の高温ガスタービン１２と排熱回収ボイラ１６との関係を考慮して、設定器４４は６２０℃という高温の設定値を保持している。

低値選択器４５は、制限メタル温度Ｂ２と６２０℃の低値を選択し、選択した温度を主蒸気温度の設定値（ＳＶ値）Ｂ５として出力する。よって、メタル温度に関わらず主蒸気温度Ｂ３が６２０℃に達したときは、第１ＰＩＤコントローラ４７により減温器２２ｂに冷却水Ａ３が注入され、主蒸気温度は６２０℃以下に保たれる。これにより、中間出力域の高温蒸気による排熱回収ボイラ１６の損傷を防止することができる。

減算器４６は、プロセス値として主蒸気温度Ｂ３を取得する。そして減算器４６は、主蒸気温度設定値（ＳＶ値）Ｂ５と主蒸気温度（ＰＶ値）Ｂ３との偏差Ｂ６を出力する（偏差Ｂ６＝ＰＶ値Ｂ３−ＳＶ値Ｂ５）。

第１ＰＩＤコントローラ４７は、主蒸気温度の制御用に設けられており、減算器４６から偏差Ｂ６を取得し、偏差Ｂ６をゼロに近づけるためのＰＩＤ制御を行う。第１ＰＩＤコントローラ４７から出力される第１操作量（＃１ＭＶ値）Ｂ７は、Ｂ７が後述のＣ７より小さいときには、減温調節弁２２ａの開度である。第１操作量Ｂ７は、第１制御量の例である。第１ＰＩＤコントローラ４７が第１操作量Ｂ７を変化させると、減圧調節弁２２ａの開度が変化し、冷却水Ａ３の流量が変化する。その結果、主蒸気温度Ｂ３が設定値Ｂ５に近づくようにフィードバック制御がなされて、時間の経過と共に両者は一致する。

このように、第１ＰＩＤコントローラ４７は、温度センサＴＳ２により計測された主蒸気温度Ｂ３に基づいて、減温装置２２により注入する冷却水Ａ３の量を制御する第１操作量Ｂ７を算出する。第１操作量Ｂ７は、上限器（ＵＬ：upper limiter）４８によりその上限値を制限された後、低値選択器６３に入力される。

一方、関数発生器５１は、圧力センサＰＳ１から減温器出口蒸気Ａ５の圧力（以下「減温器出口圧力」と呼称する）Ｃ１を取得する。関数発生器５１は、蒸気の圧力と飽和温度との関係を規定する蒸気表（steam table）を関数として内蔵している。よって、関数発生器５１は、この関数に基づいて減温器出口圧力Ｃ１に対応する飽和温度Ｃ２を出力する。

なお、関数発生器５１は、減温器出口圧力Ｃ１以外の圧力から飽和温度Ｃ２を算出してもよい。このような圧力の例は、ドラム２４の圧力や主蒸気Ａ６の圧力である。これらの圧力と減温器出口圧力Ｃ１との間には、わずかな圧力損失による差があるが、これらの圧力からも十分な精度の飽和温度Ｃ２を算出可能である。

減算器５２は、温度センサＴＳ１から減温器出口温度Ｃ３（測定値）を取得し、関数発生器５１から飽和温度Ｃ２（計算値）を取得する。そして、減算器５２は、減温器出口温度Ｃ３から飽和温度Ｃ２を減算して、減温器出口蒸気Ａ５の過熱度（以下「減温器出口過熱度」と呼称する）Ｃ４を出力する。

設定器５３は、減温器出口過熱度Ｃ４の閾値として３０℃を保持している。この３０℃という閾値は、２次過熱器２７が許容する最小の過熱度である。比較器５４は、減算器５２から減温器出口過熱度Ｃ４を取得し、設定器５３から閾値（３０℃）を取得し、減温器出口過熱度Ｃ４と閾値とを比較する。そして、比較器５４は、減温器出口過熱度Ｃ４が３０℃以下のときにスイッチ信号Ｃ５をオンに設定する。一方、比較器５４は、減温器出口過熱度Ｃ４が３０℃以上のときにスイッチ信号Ｃ５をオフに設定する。このスイッチ信号Ｃ５は、冷却水Ａ３の注入方法を切り替えるための信号である。

設定器５５は、減温器出口過熱度Ｃ４用の設定値として４０℃を保持している。この４０℃という設定値は、過注入防止機能の閾値である３０℃に一定のマージン（１０℃）を持たせた値であり、過注入防止機能の閾値に依存する値となっている。本実施形態の過注入防止機能は、減温調節弁２２ａを強制的に全閉する機能である。

減算器５６は、プロセス値として減温器出口過熱度Ｃ４を減算器５２から取得する。そして、減算器５６は、減温器出口過熱度Ｃ４（ＰＶ値）とその設定値（ＳＶ値）との偏差Ｃ６を出力する（偏差Ｃ６＝ＰＶ値Ｃ４−ＳＶ値）。

第２ＰＩＤコントローラ５７は、減温器出口過熱度Ｃ４の制御用に設けられており、減算器５６から偏差Ｃ６を取得し、偏差Ｃ６をゼロに近づけるためのＰＩＤ制御を行う。第２ＰＩＤコントローラ５７から出力される第２操作量（＃２ＭＶ値）Ｃ７は、Ｃ７が前述のＢ７より小さいときには、減温調節弁２２ａの開度である。第２操作量Ｃ７は、第２制御量の例である。第２ＰＩＤコントローラ５７が第２操作量Ｃ７を変化させると、減圧調節弁２２ａの開度が変化し、冷却水Ａ３の流量が変化する。その結果、減温器出口過熱度Ｃ４が設定値（４０℃）に近づくようにフィードバック制御がなされて、時間の経過と共に両者は一致する。

このように、第２ＰＩＤコントローラ５７は、温度センサＴＳ１からの減温器出口温度Ｃ３を用いて算出された減温器出口過熱度Ｃ４に基づいて、減温装置２２により注入する冷却水Ａ３の量を制御する第２操作量Ｃ７を算出する。第２操作量Ｃ７は、上限器５８によりその上限値を制限された後、低値選択器６３に入力される。

低値選択器６３は、上限器４８から第１操作量（＃１ＭＶ値）Ｂ７を取得し、上限器５８から第２操作量（＃２ＭＶ値）Ｃ７を取得する。そして、低値選択器６３は、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７のうち低い方を選択し、選択した方を弁操作量Ｄ２として出力する。弁操作量Ｄ２は、減温器出口過熱度Ｃ４が過注入防止機能の作動しない３０℃以上のときには、減温調節弁２２ａの開度である。

主蒸気温度制御は、第１ＰＩＤコントローラ４７からの第１操作量Ｂ７に基づいて行われ、過熱度制御は、第２ＰＩＤコントローラ５７からの第２操作量Ｃ７に基づいて行われる。低値選択器６３による低値選択は、主蒸気温度制御から過熱度制御への切替や、過熱度制御から主蒸気温度制御への切替を適切に行うためになされる。

上限器４８、５８は、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７の偏差が大きい場合等に、これらの切替を円滑化する役割を担う。例えば、第１操作量Ｂ７が２０％であり、第２操作量Ｃ７が１００％であり、両者の偏差が８０％と大きい場合を想定する。この場合、発電プラント１の状況が変動して、第２操作量Ｃ７が１００％から２０％未満に減少し、両者の大小関係が逆転すると、制御上の遅れを生じる。この遅れ時間の間に、減温器出口過熱度Ｃ４は４０℃を下回り、過注入防止機能の閾値である３０℃に近づいてゆく。

この対策として、設定器５９は、余裕代の設定値として５％を保持しており、加算器６０は、この５％と弁操作量Ｄ２とを加算する。上限器５８は、加算器６０からこの加算結果を取得して、第２操作量Ｃ７に上限を設定するように構成されている。Ｂ７＝２０％、Ｃ７＝１００％の例では、Ｄ２は２０％になることから、上限器５８は加算器６０から２５％（２０％＋５％）を取得して、Ｃ７は２５％が上限値となるように制限される。

このように、第２ＰＩＤコントローラ５７からの第２操作量Ｃ７が、第１ＰＩＤコントローラ４７からの第１操作量Ｂ７（ここでは２０％）よりも大きい場合には、第２ＰＩＤコントローラ５７からの第２操作量Ｃ７は、上限器５８により２５％以下に制限され、制限された第２操作量Ｃ７が低値選択器６３に入力される。第２ＰＩＤコントローラ５７からの第２操作量Ｃ７が１００％の場合には、上限器５８により１００％が２５％に変更され、２５％という値が上限器５８から低値選択器６３に入力される。設定器５９の５％という設定値は、第１所定値の例である。

この対策により、低値選択器６３に入力されるＢ７（２０％）とＣ７（２５％）の偏差は、５％以内に抑えられる。発電プラント１の状況が変動してＣ７が減少する場合、Ｃ７は１００％ではなく２５％から減少するため、Ｃ７は速やかに２０％以下まで降下することができる。これにより、減温器出口過熱度Ｃ４が、制御の遅れにより過注入防止機能の閾値である３０℃に近づいてゆくことを防止することができる。

この場合、第２操作量Ｃ７が例えば１４％まで減少すると、加算器５０は、設定器４９の設定値「５％」と弁操作量Ｄ２「１４％」とを加算する。上限器４８は、加算器５０からこの加算結果を取得して、第１操作量Ｂ７に上限を設定するように構成されている。上限器４８は、加算器５０から１９％（１４％＋５％）を取得して、Ｂ７は１９％が上限値となるように制限される。この１９％という値が、上限器４８から低値選択器６３に入力される。設定器４９の５％という設定値は、第２所定値の例である。第２所定値は、第１所定値と同じ値でも異なる値でもよい。

このように、上限器４８、５８は、Ｂ７とＣ７の大きい方を、Ｂ７とＣ７の小さい方と５％との和に追従させるように作用する。これにより、両者の大小関係が逆転したときに円滑な制御移行を実現することが可能となる。なお、Ｂ７とＣ７との差が５％未満の場合には、上限器４８、５８による上限制限は作用しないため、第１、第２ＰＩＤコントローラ４７、５７からのＢ７、Ｃ７がそのまま低値選択器６３に入力される。

設定器７１は、弁操作量Ｄ２と比較する設定値として０％を保持している。比較器７２は、低値選択器６３から出力された弁操作量Ｄ２と、設定器７１から出力された設定値である０％とを比較する。そして、比較器７２は、弁操作量Ｄ２が０％の場合にはスイッチ信号Ｄ３をオフに設定し、弁操作量Ｄ２が０％よりも大きい場合にはスイッチ信号Ｄ３をオンに設定する。

設定器７３は、後述する弁操作量Ｄ６を与えるための設定値であるＳＶ％を保持している。切替器７４は、スイッチ信号Ｄ３に応じて動作する。具体的には、スイッチ信号Ｄ３がオフのとき（弁操作量Ｄ２が０％のとき）には、切替器７４はオフになる。一方、スイッチ信号Ｄ３がオンのとき（弁操作量Ｄ２が０％よりも大きいとき）には、切替器７４はオンになり、設定器７３内の設定値であるＳＶ％を出力値Ｄ４として出力する。

積分器７５は、このＳＶ％（出力値Ｄ４）を積分して、積分結果Ｄ５を出力する。本実施形態では、ＳＶ値が正定数であるため、積分結果Ｄ５は時間と共に一定の増加率で増加する。

設定器７６は、１００％という設定値を保持している。上限器７７は、積分器７５から積分結果Ｄ５を受け取り、設定器７６から１００％という設定値を受け取る。そして、上限器７７は、積分結果Ｄ５を１００％以下に制限した弁操作量（ストローク制御値）Ｄ６を出力する。

低値選択器７８は、低値選択器６３から出力された弁操作量Ｄ２と、上限器７７から出力された弁操作量Ｄ６とを受け取る。そして、低値選択器７８は、弁操作量Ｄ２と弁操作量Ｄ６のうち低い方を選択し、選択した方を弁操作量（ＭＶ値）Ｄ７として出力する。弁操作量Ｄ２は、第３制御量の例である。弁操作量Ｄ６は、第４制御量の例である。

弁操作量Ｄ２は、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７のうち低い方である。一方、弁操作量Ｄ６は、後述するように、時間と共に一定の増加率で増加し、弁操作量Ｄ２よりも小さい値から弁操作量Ｄ２よりも大きい値へと変化する。よって、低値選択器７８は、初期に弁操作量Ｄ７として弁操作量Ｄ６を出力し、その後、弁操作量Ｄ７として弁操作量Ｄ２を出力する。このことは、弁操作量Ｄ２を弁操作量Ｄ７に置き換えることで、減温調節弁２２ａの初期の開度の増加がゆるやかになることを意味する。

本実施形態のプラント制御装置２は、設備故障等に起因する過熱度低下に備えて過注入防止機能を備えている。この過注入防止機能のための制御と、弁操作量Ｄ７による制御との切替のために、本実施形態のプラント制御装置２は、切替器６１を備えている。

切替器６１は、スイッチ信号Ｃ５に応じて動作する。切替器６１は、スイッチ信号Ｃ５がオフのとき（減温器出口過熱度Ｃ４が３０℃以上のとき）には、弁開度指令Ｄ１として弁操作量（ＭＶ値）Ｄ７を出力する。一方、切替器６１は、スイッチ信号Ｃ５がオンのとき（減温器出口過熱度Ｃ４が３０℃以下）のときには、弁開度指令Ｄ１として設定器６２が保持する０％を出力する。減温調節弁２２ａは、弁開度指令Ｄ１に応じて開閉する。このようにして、減温器出口過熱度Ｃ４が高く確保されているときは、ＰＩＤ減温制御による減温制御がなされるが、減温器出口過熱度Ｃ４が３０℃以下に低下したときは、減温調節弁２２ａは０％開度になり、全閉操作がなされる。

（５）コールド起動による蒸気タービン３１の通気
図３は、第１実施形態のコールド起動におけるプラント制御方法を説明するためのグラフである。

以下、発電プラント１が長時間休止され、蒸気タービン３１の第１段内面のメタル温度Ｂ１が低温状態まで冷却されたコールド起動について説明する。説明の便宜上、コールド起動のメタル温度Ｂ１は８０℃とする。

図３では、弁ストローク制御回路３の作用を考慮しない形で、コールド起動について説明する。その後、後述の図４において、弁ストローク制御回路３の作用を考慮した形で、コールド起動について説明する。

発電プラント１の起動では、最初にガスタービン１２を起動して、ガスタービン１２の出力値（ＧＴ出力値）を許容される出力値まで上昇させる。ガスタービン１２より排出された排ガスＡ２は、排熱回収ボイラ１６に送られて主蒸気Ａ６を生成する。ここに言う許容される出力値は、蒸気タービン３１の通気前なので一般に比較的小さい出力値であり、例えばガスタービン負荷の１０％から２０％程度の部分負荷である。

この起動初期に生成される主蒸気Ａ６は、その圧力、流量、温度が蒸気タービン３１の通気を行うのに十分な許容値に達しないために、バイパス調節弁３４を開弁させて復水器３５に棄てられる。この起動工程は、排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧と呼ばれる。本実施形態では、バイパス調節弁３４は、ドラム２４の圧力が７．０ＭＰａになるように開弁され制御される。ただし、このための回路の図示は省略する。

排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧を継続しながら、主蒸気Ａ６の圧力、流量、温度は増加していく。これらのうち、圧力と流量は、比較的速やかに増加して通気許可条件に到達する。一方、主蒸気Ａ６の温度上昇は緩慢であり、通気許可条件（コールド起動では３２７℃）に到達するのに時間を要する。

本実施形態のガスタービン１２は、最新型の商用ガスタービンであり、その出力値が１０〜２０％と小さくても、排ガスＡ２の温度は高温特性を有する。この点は、本実施形態のガスタービン１２は、従来型のガスタービンよりも主蒸気Ａ６の温度上昇の面で有利である。

本実施形態では、排熱回収ボイラ１６の耐熱性に配慮し、最初は排ガスＡ２を６２０℃の高温状態を保持しながら排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧を行う（図３）。その後、主蒸気温度Ｂ３（主蒸気Ａ６の温度）が通気許可条件の近傍値である３０７℃に到達したときに、ＧＴ出力値を、運転上許容できる最低の値（例えば５％の部分負荷）まで低下させて排ガスＡ２の温度を降下させる。その結果、排ガスＡ２の温度は５００℃に向けて低下し始める（図３）。

この理由は、排ガスＡ２の温度を６２０℃に設定し続けた場合には、高温すぎる主蒸気Ａ６が生成されてしまうためであり、これを回避するためにＧＴ出力値を低下させる。そして、ガスタービン１２がその種の運転を許容する型式モデルである場合には、このときに併せてガスタービン１２の入口案内翼の開度を増加させることで、排ガスＡ２の温度をさらに降下させる。

最新の商用ガスタービンは高い排ガス温度特性を有するため、許容できる最低出力運転を行い、かつ入口案内翼を開けて排ガスＡ２の温度を低下させたとしても、排ガスＡ２の温度は例えば５００℃まで低減することが限界となる。主蒸気温度Ｂ３が３０７℃から３２７℃に上昇すると、蒸気タービン３１の通気許可条件が成立して通気が開始される（図３）。

ここで、５００℃の排ガスＡ２が、通気後も主蒸気温度Ｂ３を３２７℃より高温に上昇させ続けることを回避する必要がある。主蒸気温度Ｂ３の上昇を回避しないと、最終的に主蒸気温度Ｂ３は排ガスＡ２の温度に近接し、５００℃という高温になってしまう。この場合、蒸気タービン３１に発生する熱応力が大きくなる問題が生じてしまう。

そこで、本実施形態では、主蒸気温度Ｂ３の上昇に伴い、１次過熱蒸気Ａ４に冷却水Ａ３を注入する減温制御を開始し、主蒸気Ａ６を冷却する。以下、この減温制御の詳細を説明する。

（６）コールド起動の通気時における減温制御
排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧および蒸気タービン３１の通気の工程において、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７の作用を図１〜図３を参照して説明する。図３中の符号ΔＴは、減温器出口温度Ｃ３と主蒸気温度Ｂ３との温度差を表す。
主蒸気温度Ｂ３＝減温器出口温度Ｃ３＋ΔＴ ・・・ 式１

温度差ΔＴ［℃］は、２次過熱器２７が減温器出口蒸気Ａ５を加熱する温度であり、具体的には、排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧時には４０〜８０℃程度である。しかしその値は、発電プラント１の起動時の様々な運転条件に依存するため、その値を特定することは難しい。温度差ΔＴは例えば、排ガスＡ２の温度や流量、２次過熱器２７のチューブメタル温度、ドラム２４の圧力、主蒸気Ａ６の温度や流量等に依存する。また、温度差ΔＴは、コールド起動の時間的経過に伴い大きくなっていくのが一般的である。

なお、コールド起動のメタル温度Ｂ１は８０℃なので、低値選択器４５から出力される設定値Ｂ５は、設定器４１に設定された３２７℃になる（図３）。

i）減温器出口温度Ｃ３＜３２７℃−ΔＴ
排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧の初期において、減温器出口温度Ｃ３が３２７℃−ΔＴよりも低い場合について説明する。ただし、ドラム２４はすでに昇圧されており、バイパス調節弁３４はドラム２４を７．０ＭＰａに維持するように開弁され制御されている。よって、圧力センサＰＳ１が計測する減温器出口圧力Ｃ１は７．０ＭＰａであり、関数発生器５１が出力する飽和温度Ｃ２は２８７℃（正確には２８６．８℃）である。

そのため、温度センサＴＳ１が計測する減温器出口温度Ｃ３が３２７℃（２８７℃＋４０℃）に到達するまでは、減温器出口過熱度Ｃ４は４０℃より小さい値なので、偏差Ｃ６の極性はマイナスである。よって、第２ＰＩＤコントローラ５７からの第２操作量Ｃ７は下限値の０％である。

低値選択器６３は、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７の低値を選択する。この際、Ｃ７が０％であるため、Ｂ７の値にかかわらず弁操作量Ｄ２は０％となり、減温調節弁２２ａは全閉状態となる。

また、i）の期間中に主蒸気温度Ｂ３は３０７℃に到達し、排ガスＡ２の温度はそれまでの６２０℃から５００℃に低減され、次に行われる通気に備えることになる。

ii）減温器出口温度Ｃ３≧３２７℃−ΔＴ
その後、減温器出口温度Ｃ３が上昇して３２７℃−ΔＴに到達したとき、主蒸気温度Ｂ３は３２７℃となる（式１を参照）。これにより、蒸気タービン３１の通気許可条件が成立して通気が開始される（図３）。ただし、圧力や流量などのその他の通気許可条件はすでに成立済みとする。

そのとき、第１操作量Ｂ７に関しては、主蒸気温度Ｂ３が３２７℃であり、その設定値Ｂ５も３２７℃であるから、偏差Ｂ６はゼロである。そして、Ｃ３が３２７℃−ΔＴより高温に上昇したとき、主蒸気温度Ｂ３が３２７℃より高温になるため、偏差Ｂ６の極性はプラスに転じ、第１操作量Ｂ７は下限値の０％より大きくなる。

一方、減温器出口温度Ｃ３が３２７℃（２８７℃＋４０℃）に到達するまでは、減温器出口過熱度Ｃ４は４０℃より小さい値なので、第２操作量Ｃ７は依然として０％である。従って、低値選択器６３は、第１操作量Ｂ７の値にかかわらず第２操作量Ｃ７を選択し、弁操作量Ｄ２は０％となる。そのため、減温調節弁２２ａは全閉状態となり、冷却水Ａ３は注入されない。また、低値選択器６３は、上限器４８の作用により、第１操作量Ｂ７の値として、弁操作量Ｄ２「０％」と設定値「５％」との和である５％を受け取る。

その後、減温器出口温度Ｃ３が３２７℃に上昇するまで、減温調節弁２２ａは全閉状態であり、冷却水Ａ３は注入されない。蒸気タービン３１の通気は、主蒸気温度Ｂ３が３２７℃になると開始され、主蒸気温度Ｂ３が３２７℃より高温の主蒸気Ａ６が蒸気タービン３１に供給されることになる。

iii）減温器出口温度Ｃ３＝３２７℃
その後、減温器出口温度Ｃ３が上昇して３２７℃に到達したとき、前述のとおり減温器出口過熱度Ｃ４は４０℃となり、偏差Ｃ６はゼロとなる。そして、減温器出口温度Ｃ３が３２７℃より高温に上昇したとき、偏差Ｃ６の極性はプラスに転じ、第２操作量Ｃ７は下限値の０％より大きくなる。

その結果、弁操作量Ｄ２も０％より大きくなり、減温調節弁２２ａは開弁され、減温器出口過熱度Ｃ４を４０℃に維持するように冷却水Ａ３が注入される（図３）。減温器出口過熱度Ｃ４を４０℃に維持するということは、減温器出口の圧力が７．０ＭＰａである場合において、減温器出口温度Ｃ３を３２７℃に維持することを意味する。

この挙動をミクロ的な視点で観察すると、減温器出口温度Ｃ３が３２７℃から微小に温度上昇すると、第２操作量Ｃ７が増加して冷却水Ａ３が増量され、減温器出口温度Ｃ３は３２７℃に戻る。なお、減温器出口温度が温度上昇する要因には、１次過熱器２６のチューブメタル温度が高温化して１次過熱蒸気Ａ４が高温化することなどがある。ここで、偏差Ｃ６はゼロとなるが、減温器出口温度Ｃ３が上昇して戻るというミクロ的な作用を繰り返すことで、弁操作量Ｄ２は次第に増加する。そして、冷却水Ａ３の注入量が増加しながら、減温器出口温度Ｃ３は３２７℃一定に維持され、減温器出口過熱度Ｃ４は４０℃に保持される（図３）。

この状態下における主蒸気温度Ｂ３と第１操作量Ｂ７の挙動を以下に説明する。

式１の関係より、主蒸気温度Ｂ３＝３２７℃（Ｃ３）＋ΔＴが成り立つ。ΔＴの値が一定であれば主蒸気温度Ｂ３は一定であるが、２次過熱器２７のチューブメタル温度は次第に高温となり、主蒸気Ａ６はより加熱されやすくなる。そのため、第２操作量Ｃ７の増加に伴う冷却水Ａ３の増加はあるものの、ΔＴは時間の経過と共に増大していく。

最終的にチューブメタル温度や冷却水量の変動は収まり、ΔＴの増大も収束する。この状態のΔＴをΔＴ’で表すと、以下の式２が成り立つ。
主蒸気温度Ｂ３＝３２７℃＋ΔＴ’ ・・・ 式２
なおΔＴ’は一般的に、４０℃から８０℃程度と見込まれるが、発電プラント１の運転条件で様々に変動する。

また、主蒸気温度の設定値Ｂ５は３２７℃であるのに対し、主蒸気温度Ｂ３は３２７℃＋ΔＴ’であるから、偏差Ｂ６はΔＴ’（プラス）である。よって、第１ＰＩＤコントローラ４７から出力される第１操作量Ｂ７は増加しようとする挙動となり、低値選択器６３が受け取る第２操作量Ｂ７は、上限器４８の作用により、第２操作量Ｃ７に５％を上乗せした値に保持される。よって、コールド起動では、常にＢ７＞Ｃ７の関係が成立し、後述するウォーム起動のようにＢ７＞Ｃ７とＢ７＜Ｃ７とが逆転するような事象は発生しない。

（７）コールド起動における本実施形態の効果
もし冷却水Ａ３を注入しない通気方法を採用するならば、通気時に３２７℃であった主蒸気温度Ｂ３は時間経過と共に上昇して、最終的には排ガスＡ２の温度に近接して最高で５００℃近傍の高温になる。

一方、本実施形態によれば、主蒸気温度Ｂ３は３２７℃から上昇するものの、最終的な状態で３２７℃＋ΔＴ’（ΔＴ’は４０℃〜８０℃）の比較的低温に維持される。これは、許容される過熱度（４０℃以上）の範囲内で蒸気タービン３１の通気に適した低い主蒸気温度Ｂ３を得るという制御が実現されていることを意味する。

（８）コールド起動と弁ストローク制御回路３
図４は、第１実施形態のコールド起動におけるプラント制御方法をより詳細に説明するためのグラフである。

図４は、減温器出口温度Ｃ３が３２７℃に到達したタイミングで、弁操作量Ｄ２が０％から増加し始める様子を示している。このタイミングで、比較器７２からのスイッチ信号Ｄ３がオフからオンへと変化し、弁操作量Ｄ６も０％から増加し始める。積分器７５が、一定値であるＳＶ％を積分するため、弁操作量Ｄ６は、時間と共に一定の増加率で増加する。

そのため、弁操作量Ｄ２、Ｄ６が０％から増加し始める時間から、弁操作量Ｄ２と弁操作量Ｄ６が再び一致する時間までの期間には、弁操作量Ｄ６が弁操作量Ｄ２よりも小さくなり、弁開度指令Ｄ１は弁操作量Ｄ６となる。一方、その後の期間には、弁操作量Ｄ６が弁操作量Ｄ２よりも大きくなり、弁開度指令Ｄ１は弁操作量Ｄ２となる。前者の期間は第１期間の例であり、後者の期間は第２期間の例である。

図４の制御によれば、図３の制御に比べて、この第１期間における減温調節弁２２ａの開度の増加がランプ状にゆるやかになる。これにより、冷却水Ａ３の注入量が急激に変化して減温制御が不安定になることを抑制することが可能となる。

（９）ウォーム起動による蒸気タービン３１の通気
図５は、第１実施形態のウォーム起動におけるプラント制御方法を説明するためのグラフである。

以下、発電プラント１が停止された後、概ね４８時間以内に再び発電プラント１を起動するウォーム起動について説明する。説明の便宜上、ウォーム起動のメタル温度Ｂ１は残熱により４００℃に保持されているとする。

発電プラント１の起動では、最初にガスタービン１２を起動して、ＧＴ出力値を許容される出力値まで上昇させる。ガスタービン１２より排出された排ガスＡ２は、排熱回収ボイラ１６に送られて主蒸気Ａ６を生成する。ここに言う許容される出力は、蒸気タービン３１の通気前なので一般に比較的小さい出力値であり、例えばガスタービン負荷の１０％から２０％程度の部分負荷である。

この起動初期に生成される主蒸気Ａ６は、その圧力、流量、温度が蒸気タービン３１の通気を行うのに十分な許容値に達しないために、バイパス調節弁３４を開弁させて復水器３５に棄てられる。この起動工程は、排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧と呼ばれる。本実施形態では、バイパス調節弁３４は、ドラム２４の圧力が７．０ＭＰａになるように開弁され制御される。ただし、このための回路の図示は省略する。

排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧を継続しながら、主蒸気Ａ６の圧力、流量、温度は増加していく。この様子は、コールド起動と同様である。

上述のように、設定器４１には、コールド起動に配慮してメタル温度Ｂ１の下限値（３２７℃）が設定されている。高値選択器４２は、メタル温度Ｂ１と３２７℃の高値を選択し、選択した温度を制限メタル温度Ｂ２として出力する。なお、設定器４１に設定する３２７℃は、ドラム２４の圧力が７．０ＭＰａのときの飽和温度である２８７℃に、４０℃を加算した値である。

本実施形態のウォーム起動において、制限メタル温度Ｂ２は４００℃なので、蒸気タービン３１の通気は主蒸気温度Ｂ３（主蒸気Ａ６の温度）が４００℃になったときに開始される。主蒸気温度Ｂ３を早く上昇させるために、最初は排ガスＡ２は６２０℃の高温を保持しながら排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧を行う。その後、主蒸気温度Ｂ３が通気許可条件の近傍値である３８０℃に到達したときに、ＧＴ出力値を、運転上許容できる最低の値（例えば５％程度の部分負荷）まで低下させて排ガスＡ２の温度を降下させる。その結果、排ガスＡ２の温度は５００℃に向けて低下し始める（図５）。

この理由は、排ガスＡ２の温度を６２０℃に設定し続けた場合には、高温すぎる主蒸気Ａ６が生成されてしまうためであり、これを回避するためにＧＴ出力値を低下させる。

最新の商用ガスタービンは高い排ガス温度特性を有するため、許容できる最低出力運転を行い、かつ入口案内翼を開けて排ガスＡ２の温度を低下させたとしても、排ガスＡ２の温度は例えば５００℃程度に低減することが限界となる。

５００℃の排ガスＡ２により、主蒸気温度Ｂ３が３８０℃から４００℃に上昇し、蒸気タービン３１の通気許可条件が成立して通気が開始される（図５）。問題は、５００℃の排ガスＡ２が通気後も主蒸気Ａ６を加熱し続けると、主蒸気温度Ｂ３が４００℃よりもさらに上昇し、最終的に主蒸気温度Ｂ３が排ガスＡ２の温度に近接して５００℃近傍の高温になることである。これでは、蒸気タービン３１に発生する熱応力が大きくなる問題が生じてしまう。

そこでウォーム起動においても、主蒸気温度Ｂ３の上昇に伴い１次過熱蒸気Ａ４に冷却水Ａ３を注入する減温制御を開始し、主蒸気Ａ６を冷却する。しかしながら、その作用はコールド起動とは異なる。以下、この減温制御の詳細を説明する。

（１０）ウォーム起動の通気時における減温制御
排熱回収ボイラ１６の昇温・昇圧および蒸気タービン３１の通気の工程において、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７の作用を図１、図２、および図５を参照して説明する。説明の便宜のため、減温器出口温度Ｃ３と主蒸気温度Ｂ３の関係（式１）をここに再掲する。符号ΔＴは、減温器出口温度Ｃ３と主蒸気温度Ｂ３の温度差を表し、２次過熱器２７が減温器出口蒸気Ａ５を加熱する温度である。
主蒸気温度Ｂ３＝減温器出口温度Ｃ３＋ΔＴ ・・・ 式１

i）減温器出口温度Ｃ３＜３２７℃−ΔＴ
コールド起動のi）と同じ理由で、弁操作量Ｄ２は０％であり、減温調節弁２２ａは全閉状態である（図５）。

ii）減温器出口温度Ｃ３≧３２７℃−ΔＴ
その後、減温器出口温度Ｃ３が上昇して３２７℃−ΔＴに到達したとき、主蒸気温度Ｂ３は３２７℃となる（式１を参照）。一方、低値選択器４５から出力される設定値Ｂ５は、制限メタル温度Ｂ２の４００℃であるから、偏差Ｂ６の極性はマイナスとなる。従って、第１ＰＩＤコントローラ４７から出力される第１操作量Ｂ７は０％である。

よって、低値選択器６３は、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７の低値を選択する際に、第２操作量Ｃ７の値にかかわらず第１操作量Ｂ７を選択する。その結果、弁操作量Ｄ２は０％でとなり、減温調節弁２２ａは全閉状態となる。これが意味するところは、ウォーム起動の通気に好適な４００℃に主蒸気温度Ｂ３が到達するまで、冷却水Ａ３を注入する必要がないということである。

このii）の期間中に主蒸気温度Ｂ３は３８０℃に到達し、排ガスＡ２の温度は６２０℃から５００℃に低減されて、次に行われる通気に備えることになる。

iii）減温器出口温度Ｃ３＝３２７℃
その後、減温器出口温度Ｃ３が上昇して３２７℃に到達したとき、減温器出口過熱度Ｃ４は４０℃となり偏差Ｃ６はゼロとなる（図５）。

iv）減温器出口温度Ｃ３＞３２７℃
減温器出口温度Ｃ３が３２７℃から上昇すると、偏差Ｃ６の極性はプラスに転じ、第２操作量Ｃ７は０％よりも大きくなる。このとき、主蒸気温度Ｂ３は未だ４００℃より低温なので、偏差Ｂ６の極性は依然としてマイナスである。

そのため、第１ＰＩＤコントローラ４７から出力される第１操作量Ｂ７は０％であり、第２ＰＩＤコントローラ５７から出力される第２操作量Ｃ７は０％よりも大きい。その結果、低値選択器６３は、弁操作量Ｄ２として０％を出力し、減温調節弁２２ａは全閉状態となる。

また、低値選択器６３は、上限器５８の作用により、第２操作量Ｃ７の値として、弁操作量Ｄ２「０％」と設定値「５％」との和である５％を受け取る。

v）減温器出口温度Ｃ３＝４００℃−ΔＴ
その後、減温器出口温度Ｃ３が上昇して４００℃−ΔＴに到達したとき、主蒸気温度Ｂ３は４００℃（式１を参照）となり、蒸気タービン３１の通気許可条件が成立して通気が開始される（図５）。ただし、圧力や流量などのその他の通気許可条件はすでに成立済みとする。

そのとき、第１操作量Ｂ７に関しては、主蒸気温度Ｂ３が４００℃であり、その設定値Ｂ５も４００℃であるから、偏差Ｂ６はゼロである。そして、Ｃ３が４００℃−ΔＴより高温に上昇したとき、主蒸気温度Ｂ３が４００℃より高温になるため、偏差Ｂ６の極性はプラスに転じ、第１操作量Ｂ７は下限値の０％より大きくなる。よって、弁操作量Ｄ２も０％より大きくなり、減温調節弁２２ａは開弁され、主蒸気温度Ｂ３を４００℃に維持するように冷却水Ａ３が注入される。これは、ウォーム起動の通気に好適な４００℃の主蒸気温度Ｂ３を維持する制御が開始されたことを意味する。

これをミクロ的な視点で挙動を観察すると、主蒸気温度Ｂ３が４００℃から微小に温度上昇すると、第１操作量Ｂ７が増加して冷却水Ａ３が増量され、主蒸気温度Ｂ３は４００℃に戻る。ここで、偏差Ｂ６はゼロとなるが、主蒸気温度Ｂ３が上昇して戻るというミクロ的な作用を繰り返すことで、冷却水Ａ３は増加しながら主蒸気温度Ｂ３は４００℃に維持される。

減温器出口温度Ｃ３が４００℃−ΔＴのときの減温器出口過熱度Ｃ４は４０℃以上であり、偏差Ｃ６の極性は依然としてプラスである。よって、第２ＰＩＤコントローラ５７からの第２操作量Ｃ７は増加しようとしており、上限器５８の作用によりＣ７はＢ７＋５％に保持されている。よって、低値選択器６３ではＢ７＜Ｃ７が成立し、低値選択器６３は弁操作量Ｄ２としてＢ７を出力し、減温調節弁２２ａは開弁され続ける。しかし、冷却水Ａ３の注入が増量される過程で、減温器出口温度Ｃ３は低下していく。以下、この減温器出口温度Ｃ３が低下する事象を、式１を使用して説明する。

式１より、主蒸気温度Ｂ３＝減温器出口温度Ｃ３＋ΔＴが成立する。主蒸気温度Ｂ３は４００℃に保持されるので、式１を変形すれば、以下の式３のようになる。

減温器出口温度Ｃ３＝４００℃−ΔＴ ・・・ 式３
このΔＴは、時間経緯と共に増加していく。その第１の理由は、前述のように、２次過熱器２７のチューブメタル温度が高温化して主蒸気Ａ６がより加熱されやすくなるためである。加えて、その第２の理由は、時間経緯と共に主蒸気Ａ６の流量が増えるので、主蒸気温度Ｂ３を４００℃に維持しようとすると、それに必要な冷却水Ａ３の量は増加し、減温器出口温度Ｃ３は低下するためである。主蒸気温度Ｂ３を４００℃に維持しつつ減温器出口温度Ｃ３が低下することは、ΔＴが大きくなることを意味する。この２つの原因により、ΔＴが大きくなると式３により減温器出口温度Ｃ３が低下していく。この様子は図５に示されている。

vi）ΔＴ＝７３℃のとき
ΔＴが７３℃に増加したとき、式３により減温器出口温度Ｃ３は３２７℃となる。前述のとおり、減温器出口温度Ｃ３が３２７℃のときに、減温器出口過熱度Ｃ４は４０℃である。これは、主蒸気温度Ｂ３を４００℃に維持するための冷却水Ａ３の注入量と、減温器出口加熱度Ｃ４を４０℃に維持するための冷却水Ａ３の注入量が、等量となる場合に該当する。

vii）ΔＴ＝７４℃のとき
ΔＴがさらに７３＋ε［℃］、例えば７４℃に増加した場合について説明する。ΔＴが７４℃なので、式３により減温器出口温度Ｃ３は３２６℃まで低下する。このとき、減温器出口過熱度Ｃ４は３９℃に低下し、偏差Ｃ６の極性はマイナスに転じる。よって、第２ＰＩＤコントローラ５７から出力される第２操作量Ｃ７は、低減を開始する。

viii）ΔＴ＞７４℃のとき
そして、減温器出口過熱度Ｃ４が４０℃に上昇、復帰するためには、冷却水Ａ３の注入量を減らす必要がある。そのため、第２ＰＩＤコントローラ５７はＣ７が低値選択器６３により選択されるまでＣ７を低減する制御を行うので、Ｂ７＜Ｃ７からＢ７＞Ｃ７への逆転が生じる。

図５に示すように、実際にこの逆転が生じるタイミングは、上限器５８が設置されているにもかかわらず、少し遅延する。減温器出口過熱度Ｃ４は３９℃より若干の降下を示すが、逆転後は冷却水Ａ３の注入量が減って４０℃に復帰する。

このようにして、冷却水Ａ３の注入量が減少すると主蒸気温度Ｂ３は４００℃より高くなり、偏差Ｂ６の極性はプラスに転じ、第１ＰＩＤコントローラ４７からの第１操作量Ｂ７は増加する。よって、Ｂ７＞Ｃ７の関係が維持され、減温器出口過熱度Ｃ４を４０℃に維持する制御が継続される。換言すれば、減温器出口圧力Ｃ１が７．０ＭＰａであれば、減温器出口温度Ｃ３を３２７℃に保つ制御が継続される。

そして、最終的にはΔＴの変動は収束する。最終的なΔＴの値をΔＴ’で表せば、式１より主蒸気温度Ｂ３＝減温器出口温度Ｃ３＋ΔＴ’＝３２７℃＋ΔＴ’が成り立つ。このΔＴ’は、一般的に４０℃から８０℃程度と見込まれるが、発電プラント１の運転条件に応じて様々な値をとる。

なお、ΔＴ’が７３℃に満たないケースでは、vi）とvii）とviii）は発生せず、主蒸気温度Ｂ３が４００℃の状態が継続されることになる。

（１０）ウォーム起動における本実施形態の効果
このウォーム起動においては、蒸気タービン３１のメタル温度「４００℃」に対して主蒸気温度Ｂ３が４００℃という理想的な起動方法が実現されていることが指摘される。これは、第１ＰＩＤコントローラ４７が主蒸気温度Ｂ３を制限メタル温度Ｂ２に保持するようにしたことの効果である。

本実施形態がこのような温度制御を採用可能な理由は、本実施形態の発電プラント１で使用される商用のガスタービン１２は排ガスＡ２をウォーム起動に適した低温（４００℃近傍）にすることが可能であり、よって４００℃程度の主蒸気温度Ｂ３を実現できるからである。一方、排ガスＡ２の温度と主蒸気温度Ｂ３との間に偏差を生じ、排ガスＡ２の温度をどのように制御しても主蒸気温度Ｂ３を精度よく４００℃に維持することが難しいことから、このような温度制御の採用は従来難しかった。このような温度制御は理想的であるが、過熱度の問題がその採用を難しくしていた。

しかし、本実施形態によれば、この過熱度の問題を、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７の低値選択を行うことで解決することができる。上記のviii）におけるＢ７とＣ７の逆転の作用が、この例に該当する。

上述のように、２次過熱器２７による加熱温度ΔＴ（その最終値であるΔＴ’も含む）は、発電プラント１の運転条件や時間経過によって変動し、その取扱いに困難さがある。加熱温度ΔＴは、過熱度の問題に大きく影響する数量である。本実施形態では、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７の低値選択を行うことで、時間経過と共に変化していくΔＴに応じて冷却水Ａ３の注入量を適切に制御することができ、これにより過熱度の問題を解決することができる。

なお、図４で説明した内容は、図５にも適用可能である。

以上のように、本実施形態では、第１操作量Ｂ７と第２操作量Ｃ７とに基づいて、冷却水Ａ３の注入量を制御する。よって、本実施形態によれば、過熱度に関する制約を考慮しつつ、主蒸気温度を適切に制御することが可能となる。

なお、第２ＰＩＤコントローラ５７は、減温器２２の出口の過熱度を設定値（ＳＶ）とし、減温器２２の出口の過熱度を制御しているが、代わりに、減温器２２の出口の温度を設定値（ＳＶ）とし、減温器２２の出口の温度を制御してもよい。これにより、図１から図５を参照して説明した制御と同様の制御を実現することが可能となる。この場合、減算器５６には、ＳＶとして「減温器出口温度Ｃ３」が入力され、ＰＶとして「飽和温度Ｃ２＋４０℃」が入力される。その結果、偏差Ｃ６は、以下の式４のように与えられる。
Ｃ６＝Ｃ３−（Ｃ２＋４０℃） ・・・ 式４
式４に「Ｃ４＝Ｃ３−Ｃ２」を代入すると、以下のようになる。
Ｃ６＝Ｃ４−４０℃ ・・・ 式５
式５の偏差Ｃ６は、図２を参照して説明した減算器５６の出力と一致していることに留意されたい。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置およびプラントは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置およびプラントの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：発電プラント、２：プラント制御装置、３：弁ストローク制御回路、
１１：圧縮機、１２：ガスタービン、１３：ＧＴ発電機、
１４：燃焼器、１５：燃料調節弁、１６：排熱回収ボイラ、
２１：給水ポンプ、２２：減温装置、２２ａ：減温調節弁、
２２ｂ：減温器、２３：節炭器、２４：ドラム、
２５：蒸発器、２６：１次過熱器、２７：２次過熱器、
３１：蒸気タービン、３２：ＳＴ発電機、３３：加減弁、
３４：バイパス調節弁、３５：復水器、３６：循環水ポンプ、
４１：設定器、４２：高値選択器、４３：比較器、４４：設定器、
４５：低値選択器、４６：減算器、４７：第１ＰＩＤコントローラ、
４８：上限器、４９：設定器、５０：加算器、
５１：関数発生器、５２：減算器、５３：設定器、５４：比較器、
５５：設定器、５６：減算器、５７：第２ＰＩＤコントローラ、
５８：上限器、５９：設定器、６０：加算器、
６１：切替器、６２：設定器、６３：低値選択器、
７１：設定器、７２：比較器、７３：設定器、７４：切替器、
７５：積分器、７６：設定器、７７：上限器、７８：低値選択器

Claims (11)

1. ガスタービンと、
   前記ガスタービンの排ガスから熱回収して第１蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
   前記第１蒸気に冷却水を注入して第２蒸気を排出する減温装置と、
   前記第２蒸気を過熱して第３蒸気を排出する過熱器と、
   前記第３蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   を備える発電プラントを制御するプラント制御装置であって、
   前記第３蒸気の温度に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第１制御量を算出する第１制御部と、
   前記第２蒸気の過熱度または温度に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第２制御量を算出する第２制御部と、
   前記第１制御量と前記第２制御量の低い方である第３制御量と、第１期間に前記第３制御量より低くなり、前記第１期間の後の第２期間に前記第３制御量より高くなる第４制御量との低い方に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第３制御部と、
   を備えるプラント制御装置。
2. 前記第１、第２、第３、および第４制御量は、前記減温装置が前記第１蒸気に前記冷却水を注入する弁の開度である、請求項１に記載のプラント制御装置。
3. 前記第１制御部は、前記第３蒸気の温度をフィードバック制御により調整するよう前記第１制御量を算出し、
   前記第２制御部は、前記第２蒸気の過熱度または温度をフィードバック制御により調整するよう前記第２制御量を算出する、
   請求項１または２に記載のプラント制御装置。
4. 前記第２制御量が前記第１制御量より大きい場合に、前記第２制御量が前記第１制御量と第１所定値との和以下になるように前記第２制御量を制限する制限部を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
5. 前記第１制御量が前記第２制御量より大きい場合に、前記第１制御量が前記第２制御量と第２所定値との和以下になるように前記第１制御量を制限する制限部を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
6. 前記第１制御部は、前記第３蒸気の温度を設定値に調整するように前記第１制御値を算出し、前記発電プラントはさらに、前記蒸気タービンのメタル温度を計測するメタル温度計測器を備え、前記設定値は、前記メタル温度に依存する値である、請求項１から５のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
7. 前記第２制御部は、前記第２蒸気の過熱度を設定値に調整するように前記第２制御値を算出し、前記設定値は、前記過熱器が許容する最小の過熱度に依存する値である、請求項１から５のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
8. 前記発電プラントはさらに、
   前記第３蒸気の温度を計測する第１温度計測器と、
   前記第２蒸気の温度を計測する第２温度計測器とを備え、
   前記第１制御部は、前記第１温度計測器により計測された温度に基づいて、前記第１制御量を算出し、
   前記第２制御部は、前記第２温度計測器により計測された温度に基づいて前記第２蒸気の過熱度を算出する算出部を備え、前記算出部により算出された過熱度に基づいて、前記第２制御量を算出する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
9. 前記第４制御量は、時間と共に一定の増加率で増加する、請求項１から８のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
10. 前記第３制御量と前記第４制御量は、同じタイミングでゼロから増加し始める、請求項１から９のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
11. ガスタービンと、
    前記ガスタービンの排ガスから熱回収して第１蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    前記第１蒸気に冷却水を注入して第２蒸気を排出する減温装置と、
    前記第２蒸気を過熱して第３蒸気を排出する過熱器と、
    前記第３蒸気により駆動される蒸気タービンと、
    前記第３蒸気の温度に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第１制御量を算出する第１制御部と、
    前記第２蒸気の過熱度または温度に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第２制御量を算出する第２制御部と、
    前記第１制御量と前記第２制御量の低い方である第３制御量と、第１期間に前記第３制御量より低くなり、前記第１期間の後の第２期間に前記第３制御量より高くなる第４制御量との低い方に基づいて、前記減温装置により注入する前記冷却水の量を制御する第３制御部と、
    を備える発電プラント。

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