JPH03175104A - 発電プラントの負荷制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、発電プラントの負荷制御装置に係り、とくに
石炭ガス化コンバインドサイクル発電プラントにおける
発電出力、発生ガス圧力等の負荷を制御する出力圧力制
御装置に関する。

（従来の技術） 従来のガスタービンと蒸気タービンとからなる石炭ガス
化コンバインドサイクル発電プラントでは、その発電出
力、発生ガス圧力等の負荷を制御するためには、第５図
に示すような負荷制御装置１８′が用いられていた。す
なわち、図示するように、発電プラントの設定された発
電出力目標値１９は、まず、変化率上限設定器３０によ
り設定された変化率以内となるように変化率制限器２つ
でその変化率を制限される。さらに、この制限された変
化率の値は、出力下限設定器３１と出力上限設定＄３２
で設定された範囲内に入るように高値選択器３３と低値
選択器３４で、その上下限を制限されて出力制御：Ｊ！
Ｊ節演算器２４への出力指令値３５となる。また、ガス
タービン１０と蒸気タービン１６に直結された各発電機
から発電出力信号は、加算器２３で加算され、発電出力
値３６として、調節演算器２４で先の出力指令値３５と
比較・演算されて一方のサブループ制御装置（Ａ）２７
へ送られる。なお、蒸気タービン、発電機、ガスタービ
ンがノ（通の一軸に連結され、蒸気タービンとガスター
ビンの発電機が共有とされ一台となっている発電プラン
トでは、発電機の出力ｆｉ＝号のみを用いる。一方、ガ
ス精製設備からのガス圧力は、圧力発信器２２で検出さ
れ、圧力設定器２６で設定された圧力設定値と圧力制御
調節演算器２５で比較、演算されて他方のサブループ制
御装置（Ｂ）２８へ送られる。また、出力制御・圧力制
御調節演算器２４．２５には、通常、比例十積分動作を
もつＰＩコントローラーが使用されるが、比例動作のみ
、あるいは比例＋積分十微分動作をもつものであっても
よく、さらに、電力系統周波数の基準値からのずれによ
る出力指令値への補正信号がこれらの調節演算器２４．
２５へ加えられるようになっている。

そして、このような負荷制御装置１８′とサブループ制
御装置（Ａ）、（Ｂ）２７．２８を組合せて用いる。す
なわち、サブループ制御装置（Ａ）２７をガスタービン
制御装置またサブループ制御装置（Ｂ）２８をガス化炉
制御装置として、その時の発電出力を主として変化させ
るガスタービンリードモード方式及びこの方式とは逆に
負荷制御装置１８′とサブループ制御装置２７をガス化
炉制御装置またサブループ制御装置２８をガスタービン
制御装置とし用いるガス化炉リードモード方式が発電プ
ラントの負荷制御に用いられている。

（発明が鯉決しようとする課題） しかしながら、従来のこのような発電プラントの負荷制
御装置では、石炭ガス化コンバインドサイクルプラント
がプラント機器の特性上、後述するような動特性的な性
質をもっているため、上述したガスタービンあるいはガ
ス化炉リードモード方式をそのまま発電プラントの制御
に用いることには問題点があった。

すなわち、石炭ガス化コンバインドプラントにおける主
ガスラインは、ガス化炉、ガスクーラーガス精製設備、
ガスタービン燃粋流量調節弁及びガスタービン燃焼器と
から構成されている。そして、これらの構成機器の体積
と圧力の関係は、第４図に示すように、ガス化炉からガ
スクーラーまでが全体の体積の大部分を占めるが、それ
らの部分の圧力損失は小さい。一方、ガス精製設備の占
める体積は少ないが、この部分の圧力損失はかなり大き
い。なお、ガスの圧力は、ガスクーラー以降燃料流量調
節弁人口までの間で測定されて制御に用いられるが、こ
こでは、ガス精製設備の途中でガス圧力が測定されてい
るものとして説明する。

まず、第４図に示すように、発電出力の変化と圧力の関
係は、発電プラントが静定している状態において、発電
出力が大きい時にはガス流量が多いため、圧力損失が大
きく、圧力はａ　−ｂ１〜Ｃのようになる。また、発電
出力が小さい時にはガス流量が少ないので圧力損失が小
さく、圧力はａ２〜ｂ２〜Ｃのようになる。なお、圧力
は０点で制御されているため発電プラントの静定時には
、この点は固定点となる。

ところで、ガスタービンリードモードで、発電出力の小
さい状態から発電出力を増加させる時には、ガスタービ
ンの燃料消費が増えるためガス流量の増加によって系内
の圧力損失が大きくなる。

そのため、まず、圧力は第４図では、ａ２〜ｂ２〜Ｃ２
のようになり、その後、ガス化炉でのガス発生量の増加
によって系全体の圧力が上昇し、ａ１〜ｂ１〜Ｃの圧力
分布となる。一方、発電出力の大きい状態から発電出力
を減少させる時には、ガスタービンの燃料消費が減るた
め系内の圧力損失が小さくなる。そのため、まず圧力は
ａｌ〜ｂ１〜Ｃ１のようになり、その後、ガス化炉での
ガス発生量の減少によって系全体の圧力が上昇し、ａ２
〜ｂ２〜Ｃの圧力分布となる。

このように、発電出力に変化のある時には、過渡的に県
内の圧力の変化が大きくなる。さらに、ガス発生量の変
化は、ガスタービンで消費するガス瓜の変化に加えて系
全体の圧力が増減し、ガスの密度変化分のガス量を追加
して変化させなくてはならないため、大きくなる。ここ
で圧力の変化が大きすぎると燃料調節弁の使用許容範囲
を越えてしまい、発電プラントが運転不可能となること
もある。また、ガス発生器の変化が大きいためガス化炉
へのスラリー供給量の変化が大きくなり、発電プラント
として安定した運転には極めて不利な状態となる。

一方、ガス化炉リードモードでは、発電出力を小さい状
態から増加させる時には、第４図では、ａ２〜ｂ２〜Ｃ
の圧力分布からガス発生量を珈加させて系全体の圧力を
上昇させａ１〜ｂ１〜Ｃの圧力分布とする。また、発電
出力を下げる時には、この逆となる。いづれにしても、
発電出力を変化させるためには、ガスタービンで消費す
る燃料の変化分に加えて系全体のガス圧力の変化による
ガスの密度変化分のガス量を追従させるだけのガス発生
量を変化させなくてはならない。このため、スラリー流
星の変動が大きくなり、発電プラントとして安定した運
行には極めて不利な状態となる。

さらに、発電出力はガス圧力の変化に応じて変化するた
め、体積の大きなガス系をもつ発電プラントでは出力応
答が極めて遅くなる。

このように、従来の発電プラントの出力圧力制御（負荷
制御）は、石炭ガス化コンバインドサイクル発電プラン
トの運転過渡■、＋７の特性を十分把握した構成になっ
ていない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、石炭ガス化
コンバインドサイクル発電プラントの過渡時の制御性を
改善した負荷制御装置を提供することを目的としている
。

すなわち、本発明では、ガスタービンリードモード時に
おける圧力の運転範囲幅（第４図参照）からの逸脱及び
ガス化炉リードモード時における発電出力応答の遅れを
改善し、さらに、これら両モードに共通して生じるスラ
リー流量の大きな変動を防止し、あわせて発電プラント
の安定した運転を実行することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、石炭ガス化コンバインド発電プラントの発電
出力目標値に対応して発電出力をこの目標値に近従され
る発電出力制御部とガス圧力を設定値に保つ圧力制御部
を有し、これら制御部からの制御１５号をガスタービン
およびガス化炉への指令値とする発電プラントの負荷制
御装置において、ガス圧力の設定値を発電出力あるいは
その相等値により発電出力が大なるときには該設定値を
目標値よりも高く、また発電出力が小なるときには該設
定値を月標値よりも代く設定する関数発生器を設けたこ
とを特徴とする発電プラントの負荷制御装置に関する。

（作　用） 上記のように構成された発電プラントの負荷制御装置で
は、発電プラントの系内のガス圧力の設定値を発電出力
あるいは相等値により発電出力が大なるときには、目標
値よりも高く、また、発電出力が小なるときには該設定
値を［目標値よりも低く設定することにより、系内の圧
力損失が大なるときにガスの圧力設定値が下がり、また
、圧力損失が小なるときにガスの圧力設定値を上げるこ
とになる。これによりガス化炉へのスラリー供給が安定
する。

（実施例） 以下本発明の発電プラントの負荷制御装置の実施例を図
面について説明する。

まず、第２図は本発明の負荷制御装置を適用する石炭ガ
ス化コンバインドサイクル発電プラントの構成図を示す
。第２図に示すように、まず、ガス化炉３には発電プラ
ントの燃料と石炭スラリーと酸化剤がそれぞれスラリー
供給ポンプ２および酸素流量調節弁１を介して供給され
る。なお、ガス化炉３の型式により酸化剤として空気、
また、石炭スラリーの代りに微粉炭を用いてもよい。供
給されたスラリーと酸化剤（酸素）はガス化炉３内でガ
ス化反応を起こし、粗ガスを発生する。ガス化炉３から
出た粗ガスは、ガスクーラー４において、ガス精製設備
５で処理可能な温度まで冷却される。ガス精製設備５で
は、粗ガスから脱塵、脱硫が行なわれクリーンなガスと
されガスタービン９へ送られる。すなわち、クリーンガ
スは燃料流量調節弁６を介して燃焼器８へ送られ、圧縮
機７から供給される圧縮空気と混合し燃焼される。

この燃焼ガスによりガスタービン９を駆動し発電機１０
を運転する。

一方、ガスクーラー４には蒸気ドラム１３が付設され、
ガスクーラー４で熱交換した熱により蒸気を売上する。

また、ガスタービン９からの排ガスは蒸気ドラム１２を
付設した排熱回収ボイラー１１内に導入され水と熱交換
して蒸気を発生する。

ガスクーラー４で発生した蒸気と排熱口取ボイラー１１
で発生した蒸気は、それぞれ蒸気加減弁１４を介して蒸
気タービン１５へ送られ、蒸気タービン１５および発電
機１６を駆動する。なお、蒸気タービン１５とガスター
ビン９が共通の一軸に連結され一つの発電機をもつもの
については、発電機１０．１６を一つのものとみなして
もよい。

このようにして構成された石炭ガス化コンバインドサイ
クル発電プラントの発電出力は、ガスタービン９の発生
電力と蒸気タービン１５の発生電力の和となる。また、
ガスタービン９の発電出力はガスタービン９で燃焼させ
る燃料の量により決まり、さらに、蒸気タービン１５の
発電出力はガスタービン９からの排ガスのもつ熱（一部
はガスクーラーからの熱回収）の口取により決まるので
、ガスタービン９で燃焼させる燃料の量を調節して加減
することができる。このため、発電プラントの負荷は、
ガスタービン９の燃焼器８へ供給するガスの流量を調節
する燃料流量調節弁６を操作することによって増減でき
る。

また、ガス化炉３で発生するガスの圧力については、ガ
スタービン９の燃焼器８へのガスの安定な供給のため、
ガス精製設備５の表定運転のため、さらには発電プラン
トの各機器の安全のために、発電プラントの運転中は所
定の範囲内に保つ必要がある。例えば、燃料流１１３３
節弁６の人ｎｈ力が低下し過ぎると燃焼器８との圧力差
がなくなり、燃料流量調節弁６が全開し易くなり、その
制御性が劣化する。さらに人口圧力が低下すると燃料が
供給されなくなる。また、入口圧力が上昇し過ぎると各
機器の許容設計圧力を越えるおそれが生ずるので、ガス
を外部へ逃す必要が生じる。

さらに、ガス化炉３に供給する酸素、スラリーの量を増
減させることにより発生ガスの童をｊ曽減でき、また、
ガスタービン９で消費するガス量は燃料流量調節弁６を
操作することにより増減できる。ガス化炉３からガスタ
ービン９までのガス系内のガス圧力は、系内に滞留して
いるガス量より決まるので、ガスの圧力は、酸素、・ス
ラリーの供給量およびガスタービン９での消費量を操作
させることにより変化させることができる。

そのため、発電プラントの負荷（出力・圧力制御）は、
ガスの圧力を常に設定値に保ち、かつ、出力要求に発電
出力を追従させることにより達成される。

このために、本発明では発電プラント系内に、第１図に
示すように、負荷制御装置１８を設はガス圧力を設定値
に保ち、かつ、出力要求に発電出力を追従させる制御を
丈施する。すなわち、この負荷制御装置１８では、発電
プラントの発電出力目標値１９は、まず、素化率上限設
定器３０により設定された変化率以内となるように変化
率制限器２９でその変化率を制限される。さらに、この
制限された変化率の値は、出力下限設定器３１と出力上
限設定器３２で設定された範囲内に入るように高値選択
器３３と低値選択器３４で、その上下限を制限されて出
力制御調節演算器２４への出力指令値３５となる。また
、ガスタービン１０と蒸気タービン１６に直結された各
発電機の発電出力信号は、加算器２３で加算され、発電
出力値３６として、調節演算器２４で先の出力指令値３
５と比較◆演算されて一方のサブループ制御装置（Ａ）
２７へ送られる。なお、蒸気タービン、発電機、ガスタ
ービンが共通の一軸に連結され、蒸気タービンとガスタ
ービンの発電機が共有とされ一台となっている発電プラ
ントでは、発電機の出力信号のみを用いる。一方、ガス
精製段！５からのガス圧力は、圧力発信器２２で検出さ
れ、圧抑制ｇｆＪ調節演算器２５へ送られる。なお、調
節演算器２４．２５には、通常、比例＋積分動作をもつ
ＰＩコントローラーが使用されるが、比例動作のみ、あ
るいは比例＋積分十微分動作をもつものであってもよく
、さらに、これらの演算器２４゜２５には、電力系統周
波数の基準値からのずれによる出力指令値への補正信号
が加えられるようになっている。

とくに、本発明の負荷制御装置１８では、高値選択器３
３と低値選択器３４で制限された発電出力指令値３５を
調節演算器２５に付設した関数発生器３７へ送り、ここ
で圧力設定値を発電される。

そして、この圧力設定値により圧力制御調節演算器２５
を作動させてガス正力制御を行わせるようにしである。

この関数発生器３７は、発電出力に応じて、第３図に示
すように、発電出力が大きくなるにつれて圧力設定値が
低下するような信号を発生する特性をするものである。

ところで、本発明の負荷制御装置では、サブループ制御
装置（Ａ）、　　（Ｂ）２７．２８は、第２図に示すガ
ス化炉制御装置２０またはガスタービン缶制御装置２１
のいずれかに相当する。サブループ制御装置（Ａ）２７
がガスタービン制御装置として機能する晴は、サブルー
プ制御装置（Ｂ）２８はガス化炉制御装置２０として機
能する。この特プラントの負荷についての制御演算結果
はガスタービン制御装置２１に送られ、そこでガスター
ビンの燃料流量調節弁６への指令信号が形成されガスタ
ービン９での燃料を加減して発電出力を変化させる。一
方プラントの圧力についての制御演算の結果は、ガス化
炉制御装置２０に送られ、そこでスラリー供給ポンプ２
、酸素流量調節弁１への指令信号が形成され、ガス化炉
へのスラリーと酸素の投入量を加減してガスの圧力を変
化させる。

このように機能する負荷制御装置１８とサブループ制御
装置（Ａ）、　　（Ｂ）２７．２８とが組合されている
時をガスタービンリードモードとよぶ。

一方、負荷制御装置１８とガス化炉制御装置２０、ガス
タービン制御装！２１との組合せがこれとは逆になる場
合、すなわちサブループ制御装置（Ａ）２７がガス化炉
制御装置２０、サブループ制御装置（Ｂ）２８がガスタ
ービン制御装置２１として機能することがある。この場
合、プラントの負荷についての制御演算結果はガス化炉
制御装置２０に送られ、そこでスラリー供給ポンプ２、
酸素流量調節弁１への指令信号が形成され、ガス化炉３
へのスラリーと酸素の投入量が加減される。また、プラ
ントの圧力についての制御演算結果はガスタービン制御
装置２１に送られ、燃料流量調節弁６への指令信号に変
えられてガスタービンでの燃料を加減して圧力を一定に
保つよう働く。この場合、負荷を上げようとする時には
、まずガス化炉３へのスラリーと酸素の投入量を堆し、
その結果、系内のガス圧力が増加しようとするのをガス
タービン９で燃料を消費することにより圧力を一定にす
ることで発電出力が増加する。このように制御が行なわ
れる■、＋ｉを、ガス化炉リードモードとよぶ。

そこで、ガスタービンリードモードの場詩について、本
発明の負荷制御装置１８の作用を説明する。

まず、発電出力が小さい時には、関数発生器３７は、高
い圧力設定値を出力している。しかし、ガス消費量が小
さいのでガス系の圧力損失は小さい。そのため、県内の
圧力分布は第４図に示すＡ〜Ｂ−Ｄｌのようになる。発
電出力の目標値１９を増加させると調節演算器２４への
出力指令値３５が増加し、これに伴って関数発生器３７
が発／ＩＥする圧力設定値は第３図に示すように低減す
る。

この傾向によって発電出力を増加させた時の系内の圧力
分布は第４図に示すＡ−Ｂ−Ｄ２のようになる。なお、
第４図に示す圧力変化幅Ｄ１〜Ｄ２は、ガス消費量と発
電プラントのプロセス機器によって決まるものである。

因みに、同−出力変化時には、従来の負荷制御装置１８
′の圧力変化幅は、Ｃ−ＣあるいはＣ−Ｃ２の幅と同じ
値となす る。ただし、本発明の負荷制御装置１８では、初期圧力
が異なるため、従来の負荷制御装置と比較して、圧力変
化の最大値が小さく、また最小値が大きくなる。一方発
電出力を増加する場合には、上述した動作と逆になる。

さらに、系内で大きな体積を占めるガス化炉〜ガスクー
ラ一部分（第４図参照）の圧力変化が小さくなるので、
ガス密度変化分のガスを発生させる必要がなく、ガス化
炉へのスラリー供給量の変化も少なくなる。

換言すると、発電出力を上昇させるためガスタービン９
でガス消費量を増やすと圧力損失が大きくなり燃料流量
調節弁６の人口の圧力が低下する。

しかし発電出力の小さい場合の圧力設定値は高い値とな
っており、圧力設定値の上がった分だけ圧力の低下は少
なくなる。逆に発電出力を下げる場合には圧力損失が減
って圧力が上昇するが、発電出力の大きい場合の圧力設
定値は低い値なので圧力設定値の下がった分の圧力の上
昇は少なくなる。

いずれの場合も圧力の変化と圧力設定値の変化が同一方
向に生じるので圧力偏羞が圧力設定値一定の場合より小
さくなり、ガス化炉３への制御信号の変化が小さくスラ
リー供給量の変動が小さくなる。このように発電出力の
変化に対して圧力の変化を小さくでき、かつスラリー供
給を安定に運用できる。

次に、ガス化炉リードモードの場合について、本発明の
負荷制御装置１８の作用を説明する。

この場合には、発電出力指令値１９の値が変化すること
によって関数発生器３７が発生する圧力設定値が変化す
る。これにより圧力制御演算調節器２５が立ちに動作し
、ガスタービン制御装置（この場合は、サブループ制御
装置（Ａ）２７）に指令信号を与えるために発電出力の
応答が卑くなる。しかし、圧力分布については、ガスタ
ービンリードモードの場合と同じになるため糸目の小さ
くなる。

換言すると、発電出力を上げる場合にはガス圧力設定値
が下がるため圧力制御が働いてガスタービン９での燃料
消費量が増えて早く発電出力を増やすことができる。ま
た逆に発電出力を下げる場合にはガス圧力設定値が上が
るため圧力制御によりガスタービン９の燃料消費量が減
少して速かに発電出力を低下さすことができる。

いずれの制御モードにおいても、大きな体積をしめるガ
ス化炉〜ガスクーラーの部分の圧力の変化が小さくなる
ので、ガスの密度変化も小さくなり密度変化に必要なガ
ス発生量の変化も小さくなるのでスラリー供給量変化は
従来の制御方式に比較して小さくなり、プラントの運転
がより安定して行なわれる。

このようにして、ガスタービンリードモード及びガス化
炉リードモードの場合、それぞれについて発電プラント
の運転過度時の特性を十分把握した負荷制御を行うこと
ができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、発電プラントの負荷（出力圧力）制御
装置において、発電出力により変化するプラント系内の
圧力分布に対応するよ−うな圧力設定値を関数発生器に
よって付与することによってプラントの負荷変化特の圧
力変化の最大値を小さく、また、最小値を大きくするこ
とができる。これによって、発電プラントの通常の運転
範囲内に圧力変動を抑えることができる。さらに、プラ
ント系内で大きな体積を占めるガス化炉〜ガスクーラー
の範囲の圧力変化を小さくできるので、ガス密度変化分
のガス発生量の変動を抑制することができる。これによ
って、発電出力応答の遅れが改善され、かつ、ガス化炉
へのスラリー供給量の変動を小さくでき、大体として、
発電プラントの安定な運転を行うことができるとする効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の発電プラントの負ｌｅｔ制御装置の機
能ブロック図、第２図は本発明の負荷制御装置を適用す
る石炭ガス化コンバインドサイクル発電プラントの構成
図、第３図は発電プラントの発電出力と圧力設定値の関
係を示す線図、第４図は発電プラントのガス系の圧力と
体積との関係を示す線図及び第５図は従来の発電プラン
ト負荷制御装置の機能ブロック図である。 ３・・・ガス化炉、４・・・ガスクーラー、５・・・ガ
ス精製設備、７・・・ガスタービン圧縮機、８・・・ガ
スタービン燃焼器、９・・・ガスタービン、１０・・・
発電機、１１・・・排熱回収ボイラー、１２．１３・・
・蒸気ドラム、１５・・・蒸気タービン、１６・・・発
電機、１７・・・複水器、１８・・・負萄制御装置、１
９・・・出力目標値、２０・・・ガス化炉制御装置、２
１・・・ガスタービン制御装置、２２・・・ガス圧力発
信器、２３・・・加算器、２４・・・出力制御演算器、
２５・・・圧力制御演算器、２６・・・圧力設定器、２
７・・・サブループ制御装置（Ａ）　、２８・・・サブ
ループ制御装置（Ｂ）、２つ・・・変化率制限器；３０
・・・変化率上限設定器、３１・・・出力下限設定器、
３２・・・出力上限設定器、３３・・・高値選択器、３
４・・・低値選択器、３５・・・出力指令値、３６・・
・発電出力値、３７・・・関数発生器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 石炭ガス化コンバインド発電プラントの発電出力目標値
   に対応して発電出力をこの目標値に追従させる発電出力
   制御部とガス圧力を設定値に保つ圧力制御部を有し、こ
   れら制御部からの制御信号をガスタービンおよびガス化
   炉への指令値とする発電プラントの負荷制御装置におい
   て、ガス圧力の設定値を発電出力あるいはその相等値に
   より発電出力が大なるときには該設定値を目標値よりも
   高く、また発電出力が小なるときには該設定値を目標値
   よりも低く設定する関数発生器を設けたことを特徴とす
   る発電プラントの負荷制御装置。