JPH039004A - 発電プラントの制御方法及び装置 - Google Patents

発電プラントの制御方法及び装置

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JPH039004A
JPH039004A JP13904489A JP13904489A JPH039004A JP H039004 A JPH039004 A JP H039004A JP 13904489 A JP13904489 A JP 13904489A JP 13904489 A JP13904489 A JP 13904489A JP H039004 A JPH039004 A JP H039004A
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茂生 白倉
Isao Shiromaru
功 四郎丸
Seiitsu Nikawara
二川原 誠逸
Masayuki Fukai
雅之 深井
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発電プラントの制御方法及び装置に係り、特に
蒸気タービンに導入される蒸気が所定圧力に制御されて
いない発電プラントの制御方法及び装置に関する。
〔従来の技術〕
ボイラにより蒸気を発生し、これを蒸気タービンに導び
いて発電機を駆動し発電を行なう発電プラントには種々
のシステム構成のものがあるが、この中には蒸気タービ
ンへの導入蒸気の圧力制御を実施しないプラントがある
。この代表的なプラントは、いわゆるガスタービンを用
いたコンバイン1〜発電プラン1−であり、このプラン
1−ではガスタービンで仕事をしたあとの排ガスが十分
な熱量を有していることから排熱回収ボイラを用いて最
大限の熱回収をして蒸気を発生させ、調圧することなく
蒸気を蒸気タービンに導入する。特開昭5783821
号は係るコンバインド発電プラントの従来例を示したも
のであり、第2図にその概要を示す。
同図において、ガスタービン102.空気圧縮機101
.蒸気タービン]042発電機103は一軸に連結され
ており、燃焼器105において燃焼された燃料は高温ガ
スとなりガスタービンつまり軸全体を駆動させる。燃焼
に必要な空気は空気圧縮機]、 0.1より供給され、
また、要求出力等に応じて燃料量が燃料流量調節弁12
0により制御される。熱エネルギーを回転エネルギーに
変換された後のガスは排熱回収用のボイラ110に送ら
れ、ここで給水との熱交換を行ない蒸気を発生し、この
蒸気により蒸気ターピン104を駆動させる。
前記給水は、復水器106から復水ポンプ107により
排熱回収ボイラ110へ送水され、低圧1〜ラム108
にて発生した蒸気は低圧蒸気加減弁122を介して蒸気
ターピン104の低圧段へ、高圧ドラム109にて発生
した蒸気は高圧蒸気加減弁121を介して蒸気タービン
1.04の高圧段へそれぞれ駆動用蒸気として供給され
る。このようにして得られたガスタービン102及び蒸
気タービン104の回転エネルギーは、発電機103に
より電気的エネルギーに変換され所望の電力を得ること
ができる。なお、123,124は高圧タービンバイパ
ス弁、低圧タービンバイパス弁である。
このプラントにおいて、発電機]−03の出力制御ある
いは周波数(速度)制御は、燃料調節弁120と蒸気加
減弁121,122の開度制御により行なわれる。これ
に対し、タービンバイパス弁123,124はプラント
起動時にバイパス経路を形成するために用いられ、ある
いは蒸気圧力が異常に高くなった(通常は規定圧力の1
0%程度高)ときにプラント保護のために開放される。
このコンバインドプラントで特徴的なことは、排熱回収
ボイラ110と蒸気タービン104はガスタービン排ガ
スの保有熱量を最大限に回収することを目的とするため
に、排熱回収を阻害する結果となる蒸気圧力制御を実施
していないことであり、この点において圧力を所定値に
制御する変圧運転あるいは定圧運転の火力発電所と本質
的に相違する。
〔発明が解決しようとする課題〕
第2図はガスタービン102と蒸気タービン104によ
り1つの発電機103を駆動する型式のものであり、一
般に一軸型というが、これに対し複数のガスタービン排
ガスにより一台のタービン発電機を駆動する型式のもの
を多軸型という。
このいずれの場合であっても総発電出力に対するガスタ
ービン出力と蒸気タービン出力の貢献比率は、通常3対
7あるいは4対6程度である。このため、電力系統の周
波数を安定化させる目的で、あるいは発電機出力制御の
目的で燃料調節弁120のみを制御したときには、総発
電出力の3〜4割しか緊急の出力・周波数制御に貢献で
きないこととなる。つまり、燃料量を制御すれば、ガス
タービン排ガス量が変化し、排熱回収ボイラの発生蒸気
量が変化し、この結果として蒸気タービン出力も変化す
ることにはなるが、このプロセスでの発電機出力・周波
数の応動には数分以上の遅れ時間があり、緊急に出力・
周波数を制御しようとするときには十分な効果が得られ
ない。緊急の出力・周波数制御に10割貢献させるため
には蒸気加減弁121,122も出力・周波数制御信号
により操作される必要があり、上記の公知例では、この
ために出力・周波数制御信号により燃料調節弁120の
ほかに蒸気加減弁121も操作している。
しかるに、本発明者等の検討によると蒸気圧力制御機能
を備えない上記の如き発電プラントでは、出力・周波数
制御信号により蒸気加減弁を操作したとしても、蒸気タ
ービンは電力系統の出力・周波数制御に十分に貢献でき
ないことが判明した。
蒸気タービンに流入する蒸気量Fは蒸気加減弁の前後圧
力Pi、P2の差と弁開度Aの積で定まり、発電出力は
蒸気量に比例するというように一般には理解されている
が、殆んどの発電プラントの蒸気加減弁は、臨界状態で
使用されているために蒸気加減弁の前圧P1と弁開度A
の積で蒸気量が定まっている。この関係は夫々(1) 
、 (2)式で表わされる。
F=A(Pt−P2)           ・・・(
1)F = A P I              
 ・・・(2)第2図のコンバインド発電プラントでの
蒸気流量Fは(2)式のようになっており、かつ蒸気加
減弁前圧P1が一定に制御されていないので、出力・周
波数制御信号の印加に対して次のように応動する。つま
り、例えば電力系統の電力供給過多により周波数が高く
なった場合1発電出力を低減して周波数を下げるべく蒸
気加減弁を絞ったとしても前圧P1が上昇してしまい、
この結果希望どおりに蒸気流量を減少できない。逆に蒸
気流量を増11 大させて周波数を回復させるために蒸気加減弁を開いた
ときには前圧P1の低下により蒸気流量を増大できない
。これに対し、前圧が一定に保持されていれば蒸気加減
弁開度と蒸気流量は比例的に増減し、良好な制御を行な
い得ることは言うまでもない。
このように、従来の蒸気圧力制御機能を備えない発電プ
ラントでは十分に出力・周波数調整機能を発揮できない
が、発電プラントが大型化するほど電力系統の安定度改
善に貢献でき、かつ高速応答できるものであることが望
まれる。
以上のことから、本発明においては電力系統の安定度改
善と高速応答に十分に貢献することのできる発電プラン
トの制御方法及び装置を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では、出力又は周波数の制御信号により蒸気加減
弁を制御するときに、同信号によりタービンバイパス弁
を逆方向に連動開閉制御せしめ、蒸気加減弁を開閉した
ときの蒸気圧力変動を抑制12 する。
〔作用〕
タービンバイパス弁の逆方向開閉により、蒸気圧力変動
が抑制され、蒸気タービンに流入する蒸気流量を蒸気加
減弁開度にほぼ比例的に定めることができる。
〔実施例〕
第1図は本発明の一実施例を示す図であり、この図では
発電機出力と系統周波数とを所定値に制御すべくガスタ
ービン102の燃料調節弁120、蒸気タービン104
人口の蒸気加減弁121゜122、タービンバイパス弁
123,124を制御している。
このうち発電機出力制御部は以下のように構成されてい
る。発電機目標出力と発電機実出力の差(出力偏差)は
第1の減算器10により演算され、この偏差に基づき蒸
気タービン出力制御及び図示していないガスタービン出
力制御が実行される。
前記偏差には、蒸気タービン出力負担分(目標出力のう
ち蒸気タービンの出力が占める割合)の係数が比例演算
器11により乗ぜられ、更に、変化率制限器12を介し
て比例積分演算を行なう第1の演算器13により演算さ
れる。尚、14は以」二のようにして算出された発電機
出力制御信号13Aによるタービン蒸気加減弁121,
122、タービンバイパス弁123,124の制御を適
宜除外し、必要に応じ別の制御を実施するための切替器
である。
系統周波数制御部は以下のように構成されている。発電
機目標周波数と実周波数の差(周波数偏差)を第2の減
算器20により演算し、さらに関数発生器21により周
波数偏差相当分の発電機出力補償量を求める。次に、出
力制御回路と同様に蒸気タービンによる補償負担分の係
数が比例演算を行なう第2の演算器22により乗ぜられ
た結果が制御除外のための切替器23を介して周波数制
御信号23Aとして出力される。
これら各制御部からの出力信号14Aと23Aとは加算
器24で加算され、上下限制限器25により応動可能な
上下限値内に制限されて弁開度目標信号25Aを得る。
この信号25Aは、次に蒸気加減弁121,122の弁
開度目標信号28と、タービンバイパス弁123,12
4の弁開度目標信号29とに配分されるが、このうち信
号28は信号25Aに比例回路26で適宜の比例ゲイン
Kcを乗じたものとされればよく、例えば第3図(a)
に示すように信号25Aが+10(V)〜10(V)の
範囲で可変の制御信号とされているなら、蒸気加減弁は
+10(V)のとき全開、10(V)のとき全開、0(
v)のときに50(%)開度となるように開度制御され
る。
これに対し、タービンバイパス弁1.23,124は信
号25に対して比例回路27で負のゲイン(−KB)を
付与して得た信号29により制御する。
ここで負のゲイン(−KB)とは、比例回路26のゲイ
ンKcとは反対極性のゲインという意味であり、ゲイン
の絶対値の比は蒸気加減弁とタービンバイパス弁の弁容
量の比で定められる。第3図(b)にはK B= K 
cであるときの、弁開度目標信号25Aに対するタービ
ンバイパス弁開度を示し5− ており、25Aが10(V)(71とき全開、−10(
V)のとき全開とされる。
各弁は、弁開度目標信号25Aに対して上述の如き応動
をするが、弁開度目標信号25A自体は発電機出力がそ
の目標値に合致し、かつ発電機周波数がその目標値に合
致している安定運転時に10(V)となるように第1の
演算器13や第2の演算器22が改削されている。
以上の制御装置は、発電機出力や周波数変化の際に第4
図のように応動する。同図(a)は、安定運転状態(発
電機目標出力=実出力、発電機目標周波数=実周波数、
弁開度目標信号25A−10(V)において、目標出力
が増大しあるいは実出力が減少して第1の演算器13に
正の偏差信号が印加された場合(図では、目標出力増大
を示す)の各部信号及び弁開度を示しており、第1の演
算器13の出力の増大に伴ない目標弁開度信号25Aは
+10(V)以上の信号となるが、第3図の弁開度特性
より明らかなように蒸気加減弁121.122は全開、
タービンバイパス弁123゜6 124は全開のままである。この場合は、直接的には発
電機出力偏差信号がガスタービン燃料調節弁120に与
えられた燃料が増加されることによって発電機出力の増
大が図られ、更にほこの結果排熱回収ボイラの入熱が増
大することによって間接的に発電機出力増大が図られる
同図(b)は、安定運転状態において、目標出力が減少
しあるいは実出力が増大して第1の演算器13に負の偏
差信号が印加された場合(図では、目標出力減少を示す
)の各部信号及び減開度を示しており、第1の演算器1
3の出力の減少に伴ない目標弁開度信号25Aは+1.
0(V)以下の信号となるため、蒸気加減弁121.1
22は閉方向に駆動され、またタービンバイパス弁12
3゜124は開方向に駆動される。この開閉動作は互い
に連動して行なわれるために蒸気タービン入口圧力P1
が急速に低下し、従って(2)式から明らかなように急
速にかつ安定に発電機出力を減少させることができる。
尚、負の発電機出力偏差信号はガスタービン燃料調節弁
120の制御弁(図示せず)にも印加され、燃料量を減
少すべく作動せしめる。
同図(c)は、安定運転状態において、発電機実周波数
が低下して第2の演算器22に正の偏差信号が印加され
た場合である。この場合発電機出力の増大により周波数
回復でき、上記(a)の事例と同様に各部信号及び弁開
度が制御されることが明らかなので詳細説明を省略する
同図(d)は、安定運転状態において、発電機実周波数
が上昇して第2の演算器22に負の偏差信号が印加され
た場合であり、上記(b)の事例と同様に各部信号及び
弁開度が制御されることにより発電機出力が減少されれ
ば周波数回復できることが明らかであるので、ここでの
詳細説明を省略する。
本発明では以上のように作動して、発電機出力及び周波
数を所定値に制御できるが、緊急にかつ安定に発電機出
力・周波数を制御できるのは(b)。
(d)の事例において顕著である。第5図はこのうち(
d)の具体事例として、送電系統の一部の系統がしゃ断
され発電機がいわゆる系統単独運転に移行したときの発
電機実周波数の応動を示しており、従来方式では同図(
a)のように極めて短時間のうちに過速度1−リップレ
ベルを越えてしまいプラント停止とせざるを得なかった
ものが、本発明によれば急激なる発電機出力の減少によ
りプラント停止を阻止することができる。
以上の説明によれば、第1図の比例回路26と27によ
り、蒸気加減弁121,122とタービンバイパス弁1
23,124は一方が開するとき他方が閉するというよ
うに逆運動作をすることが明らかであり、この意味にお
いて比例回路26と27とは一対として逆連動動作のた
めの信号変換器であると言い得る。従って信号変換器2
6゜27としては、比例回路によるもののほかに、電気
的あるいは機械的な周知のバイアス手段により実現する
ことも可能である。
また、第1図と第4図によれば、本発明では発電機出力
又は発電機周波数の実験出値がそれらの目標値よりも小
さいとき、蒸気加減弁121゜19 122とタービンバイパス弁123,124は夫夫全開
、全開状態を保持していることからガスタービン102
の燃料流量調節弁のみが制御され、発電機出力又は発電
機周波数の実検出値がそれらの目標値よりも大きいとき
、蒸気加減弁121゜1.22とタービンバイパス弁1
23,124が制御されることになる。
更に、蒸気加減弁が中間開度にあるときタービンバイパ
ス弁により蒸気加減弁操作時力を調圧しているが、この
場合に一定値に調圧される必要性はさほどなく、蒸気加
減弁開度が変動したときの弁筒圧力を抑制できれば、発
電機出力変更を高速に行ない得る。このことから、本発
明は通常運転状態ではボイラ側で定まる蒸気圧力に従っ
て(調圧せずに)蒸気タービンを運転し、蒸気加減弁操
作時には圧力変動を抑制すべく調圧したものであるとも
言える。
尚、第1図において5,6は信号切替器であり、第6図
に示すように種々の制御信号により各弁を制御すること
ができる。つまり、蒸気加減弁121゜0− 122は第1図の目標開度信号28に代えて起動・停止
時にはプログラム制御部1からの信号により操作され、
タービンバイパス弁123,124は適宜第1図の目標
開度信号29に代えて蒸気加減弁入口圧力制御部2の信
号により操作することもできる。
以下、本発明を実施する」二での2〜3の変形・適用例
を紹介すると、第1図においてはガスタービン側の制御
と蒸気タービン側の制御とが干渉しないよう考慮する必
要が有るが、これについては、第7図に示すように周波
数変化に対してガスタービン燃料調節弁の応答と蒸気タ
ービン蒸気加減弁(タービンバイパス弁)の応答に差を
もたせておくことにより対応でき、具体的には、第1図
における蒸気タービン側関数発生器21と図示していな
いガスタービン側関数発生器の関数に差をもたせればよ
い。
また、前述の切替器14により、出力制御回路の使用/
除外の選択、切替器23により、周波数制御回路の使用
/除外の選択が可能である。片側のみ使用2両者使用2
両者不使用いずれも運用」−の必要性に応し切替え可能
となる。
また、本図においては、蒸気加減弁、タービンバイパス
弁それぞれ1台の場合の例を示したが、第2図に示すよ
うな混圧式タービンの場合には、第1図の回路を応用し
、高圧/低圧の2種の回路咎設けることにより可能であ
り、さらに、高圧/低圧のうち例えば出力に大きく寄与
する側の弁のみて制御するというような選択回路を設け
てもよい。
さらに制御性を向上する為に下記機能を付加することも
考えられる。
(1)出力制御中にタービンバイパス弁が全開している
場合には、出力増信号をロック(増ブロック)する。
(2)多少、効率を犠牲にすることになるが、タービン
バイパス弁を一定の開度状態に維持させておき、蒸気タ
ービン出力調整し3を設け、例えば、本来タービンバイ
パス弁が全閉しているような通常負荷運転域においても
、出力増減両方向の調整を可能にする。
本発明の実施例によれば、従来ガスタービンの出力調整
による間接的に調整されていた蒸気タービン出力が直接
的に制御されるので、例えば第5図(a)に示すように
系統単独運転時に従来ガスタービン出力のみを絞り込ん
だ場合に同波数がタービン過速度1〜リツプレベルを越
えることが回避され図(b)に示すような特性となる、
というようにプラント運用性が大幅に向」ユできるとい
う効果がある。
〔発明の効果〕
本発明によれば、ガスタービン、蒸気タービン両者の出
力を協調をとって調整でき、更に急激な出力変化に対し
てもプロセスの安定を維持した」−で対応できるため、
プラント運用性を大幅に向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る制御回路の一例を示す図、第2図
は本発明の適用し得る発電プラン1への一例を示す図、
第3図は第1図の比例回路26.273 の比例ケインを示す図、第4図と第5回目第1図回路の
動作を説明する図、第6図は切替器5.(3への入力を
示す図であり、第7図は周波数変化に対する燃料流量調
節弁と蒸気加減弁の応答を示す図である。 25A  ・弁開度目標信号、102 ガスタービン、
]]03発電機、]]04蒸気タービン、120燃刺流
量調節JT、]]21高圧蒸気加減弁、122・・・低
圧蒸気加減弁、123・・高圧タービンバイパス弁、]
−24低圧タービンバイパス弁。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ボイラで発生した蒸気を導入する蒸気タービン、該
    蒸気タービン入口に設けられた蒸気加減弁、前記蒸気タ
    ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
    バイパス弁、前記蒸気タービンにより駆動される発電機
    とから構成され、前記蒸気タービンに導入される蒸気が
    常時は、所定圧力に調整されていない発電プラントにお
    いて、 発電機出力または発電機周波数で定まる制御信号に応じ
    て前記蒸気加減弁とタービンバイパス弁の開度を逆連動
    動作させることを特徴とする発電プラントの運転方法。 2、ガスタービン、該ガスタービンへの投入燃料量を調
    整するための燃料流量調節弁、前記ガスタービン排出ガ
    スを熱源とするボイラ、該ボイラで発生した蒸気を導入
    する蒸気タービン、該蒸気タービン入口に設けられた蒸
    気加減弁、前記蒸気タービンに導入される蒸気をバイパ
    スするためのタービンバイパス弁、前記蒸気タービンと
    ガスタービンにより駆動される発電機とから構成された
    発電プラントにおいて、 発電機出力または発電機周波数の実検出値がそれらの目
    標値よりも小さいとき、ガスタービンの燃料流量調節弁
    のみを制御し、発電機出力または発電機周波数の実検出
    値がそれらの目標値よりも大きいとき、蒸気加減弁とタ
    ービンバイパス弁を制御することを特徴とする発電プラ
    ントの運転方法。 3、ボイラで発生した蒸気を導入する蒸気タービン、該
    蒸気タービン入口に設けられた蒸気加減弁、前記蒸気タ
    ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
    バイパス弁、前記蒸気タービンにより駆動される発電機
    とから構成され、前記蒸気タービンに導入される蒸気が
    常時は、所定圧力に調整されていない発電プラントにお
    いて、 前記蒸気加減弁が中間開度であるとき、蒸気加減弁の弁
    前圧力をタービンバイパス弁により調圧することを特徴
    とする発電プラントの運転方法。 4、ボイラで発生した蒸気を導入する蒸気タービン、該
    蒸気タービン入口に設けられた蒸気加減弁、前記蒸気タ
    ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
    バイパス弁、前記蒸気タービンにより駆動される発電機
    とから構成され、前記蒸気タービンに導入される蒸気が
    常時は、所定圧力に調整されていない発電プラントにお
    いて、 発電機出力一定状態から発電機出力を減少させるとき、
    前記蒸気加減弁を全開状態から閉成させるとともにター
    ビンバイパス弁を全閉状態から開放させることを特徴と
    する発電プラントの運転方法。 5、ボイラで発生した蒸気を導入する蒸気タービン、該
    蒸気タービン入口に設けられた蒸気加減弁、前記蒸気タ
    ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
    バイパス弁、前記蒸気タービンにより駆動される発電機
    とから構成される発電プラントにおいて、 発電機出力目標値と実出力との偏差を求める減算器、該
    減算器出力に応じた出力を得る演算器、該演算器出力に
    より制御される前記の蒸気加減弁、前記演算器出力に信
    号変換を施す信号変換器、該信号変換器出力により制御
    される前記のタービンバイパス弁とを含み、前記の信号
    変換器により蒸気加減弁とタービンバイパス弁を互いに
    逆連動動作させることを特徴とする発電プラントの制御
    装置。 6、ボイラで発生した蒸気を導入する蒸気タービン、該
    蒸気タービン入口に設けられた蒸気加減弁、前記蒸気タ
    ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
    バイパス弁、前記蒸気タービンにより駆動される発電機
    とから構成される発電プラントにおいて、 発電機周波数目標値と実周波数との偏差を求める減算器
    、該減算器出力に応じた出力を得る演算器、該演算器出
    力により制御される前記の蒸気加減弁、前記演算器出力
    に信号変換を施す信号変換器、該信号変換器出力により
    制御される前記のタービンバイパス弁とを含み、前記の
    信号変換器により蒸気加減弁とタービンバイパス弁を互
    いに逆連動動作させることを特徴とする発電プラントの
    制御装置。 7、ボイラで発生した蒸気を導入する蒸気タービン、該
    蒸気タービン入口に設けられた蒸気加減弁、前記蒸気タ
    ービンに導入される蒸気をバイパスするためのタービン
    バイパス弁、前記蒸気タービンにより駆動される発電機
    とから構成される発電プラントにおいて、 発電機周波数目標値と実周波数との偏差を求める第1の
    減算器、該第1の減算器出力に応じた出力を得る第1の
    演算器、発電機周波数目標値と実周波数との偏差を求め
    る第2の減算器、該第2の減算器出力に応じた出力を得
    る第2の演算器、第1の演算器出力と第2の演算器出力
    との和を求める加算器、該加算器出力により制御される
    前記の蒸気加減弁、前記加算器出力に信号変換を施す信
    号変換器、該信号変換器出力により制御される前記のタ
    ービンバイパス弁とを含み、前記の信号変換器により蒸
    気加減弁とタービンバイパス弁を互いに逆連動動作させ
    ることを特徴とする発電プラントの制御装置。 8、ガスタービン、該ガスタービンへの投入燃料量を調
    整するための燃料流量調節弁、前記ガスタービン排出ガ
    スを熱源とするボイラ、該ボイラで発生した蒸気を導入
    する蒸気タービン、該蒸気タービン入口に設けられた蒸
    気加減弁、前記蒸気タービンに導入される蒸気をバイパ
    スするためのタービンバイパス弁、前記蒸気タービンと
    ガスタービンにより駆動される発電機とから構成された
    発電プラントにおいて、 発電機周波数目標値と実周波数との偏差を求める第1の
    減算器、該第1の減算器出力に応じた出力を得る第1の
    演算器、発電機周波数目標値と実周波数との偏差を求め
    る第2の減算器、該第2の減算器出力に応じた出力を得
    る第2の演算器、第1の演算器出力と第2の演算器出力
    との和を求める加算器、該加算器出力により制御される
    前記の蒸気加減弁、前記加算器出力に信号変換を施す信
    号変換器、該信号変換器出力により制御される前記のタ
    ービンバイパス弁、前記第1の減算器出力と第2の減算
    器出力とにより制御されるガスタービンの燃料流量調節
    弁とを含み、前記の信号変換器により蒸気加減弁とター
    ビンバイパス弁を互いに逆連動動作させることを特徴と
    する発電プラントの制御装置。
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