JP2002021579A - ガスタービンと排熱回収ボイラとを備えたコンバインドサイクル・プラントの制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンと排熱回収ボイラとを組合わせ
たコンバインドサイクル・プラントにおいて、プラント
起動時の排ガス温度が低いときであっても、プラントか
ら排出されるＮＯｘ排出量が規制値を超えることがない
制御方法を提供する。 【解決手段】 発電機１５を駆動するガスタービン１
と、ガスタービン排ガスの排熱回収ボイラ３と、ボイラ
に内蔵された脱硝装置６とを備えたコンバインドサイク
ル・プラントの起動に際し、脱硝装置入口排ガス温度計
２４の検出値が脱硝装置の脱硝適温に達するまでは、プ
ラントからのＮＯｘ排出量が規制値以下となるように、
圧縮送風機１１の回転羽根角度を制御して、羽根間通路
幅を減少させることによってガスタービンから脱硝装置
に流入する排ガス流量を所定量以下に減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンとそ
の後流に設置され、かつ脱硝装置を内蔵した排熱回収ボ
イラを備えたコンバインドサイクル・プラントの制御方
法および装置に係り、特に起動時の排ガス中の窒素酸化
物（ＮＯｘ）量を規制値以下に制御することができるコ
ンバインドサイクル・プラントの制御方法および装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】昼間の電力需要に比し、夜間は需要が激
減する最近の我が国の電力需要に対応して、発電プラン
トとして全負荷で運転するベースロード用プラントと電
力需要に即応して起動、停止および低負荷運転が容易な
中間負荷運用プラントとの組合わせが多く採用されてい
る。ベースロード用発電プラントとしては、大容量の原
子力発電所や水力発電所が当てられ、火力発電プラント
には夜間停止や低負荷運転が要求されるようになった。

【０００３】この場合、火力発電プラントに対してはそ
の低負荷運転時はもちろん、起動時および停止後の再起
動時においても環境規制、すなわち火力発電プラントか
らの排ガスによるＮＯｘ排出量抑制への対応力が強く要
求される状況にある。ガスタービン発電プラントは起動
および停止が迅速、容易のため中間負荷運用に適するも
のとして最近多く採用されている。ガスタービンからは
５００℃程度の高温のガスが排出され、この排ガスを利
用した排熱回収ボイラが設置されているが、この排ガス
中には多量のＮＯｘが含まれている。このため上記回収
ボイラには脱硝装置が内蔵され、排ガス中のＮＯｘの低
減を行っている。

【０００４】図５は、ガスタービンと排熱回収ボイラを
有するコンバインドサイクル・プラントの一例を示す説
明図である。図において、１はガスタービン、２はガス
タービン排ガスの騒音を抑えるサイレンサ、３は排熱回
収ボイラである。低圧給水ポンプ１８によりボイラ用給
水が低圧節炭器９に供給され、排ガスにより昇温された
のち低圧ドラム１６に達する。ドラム内の給水は降水管
１６ａ中を降下し、低圧蒸発器８中を上昇しつつ加熱さ
れ低圧蒸気を発生する。ドラム１６内の低圧蒸気は、例
えばボイラ給水用脱気器（図示省略）等に使用される。

【０００５】一方、低圧ドラム１６から降下した給水の
一部は、高圧給水ポンプ１９により高圧節炭器７を経て
高圧ドラム１７に給水される。ドラム１７内の給水は降
水管１７ａにより降下し、高圧蒸発器５ａ、５ｂに分流
して加熱されドラム１７に戻る。この際発生した飽和蒸
気は過熱器４に供給され、過熱蒸気となり蒸気管２１を
介して蒸気タービン２２に供給され、発電機２３を回転
して発電する。次に、ガスタービン１の起動に際して
は、まず起動用電動機１２により圧縮送風機１１を所定
速度で回転させる。圧縮送風機１１は空気吸込口１３よ
り空気を吸込み、所定圧力まで圧縮・昇圧し燃焼用空気
として燃焼器１４に供給する。

【０００６】燃焼器１４には燃料供給管２０より燃料が
供給され、ノズルにより噴射され燃焼される。燃焼器１
４で発生した高温高圧ガスはガスタービン１に供給され
てこれを回転させ、これにより発電機１５を回して発電
し、電力系統に所要の電力を供給する。起動完了後電動
機１２は圧縮送風機より切り離される。ガスタービン１
を出た排ガスはサイレンサ２を経て回収ボイラ３に流入
する。排ガス中のＮＯｘを除去する脱硝装置６は、高圧
蒸発器を５ａ、５ｂに２分割した中間に配置されてい
る。これは脱硝反応に最適な温度領域に配置するためで
ある。排ガス中のＮＯｘを除去され、かつ熱回収された
排ガスは煙突１０から外部に排出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図５に示した脱硝装置
６は脱硝用触媒を内蔵しており、触媒上流域の排ガス中
にＮＯｘ還元用アンモニアを噴霧して、これを触媒表面
と接触させることにより排ガス中のＮＯｘを還元除去す
る。しかるに、このＮＯｘ還元反応は排ガス温度に大き
く依存しており、図６に示すように有効な脱硝反応は排
ガス温度が２００〜４００℃の範囲にある場合に行わ
れ、排ガス温度が上記範囲に達しない場合は脱硝率は極
度に低下し、有効な脱硝反応が不可能となる。

【０００８】一方、特にガスタービンから排出される排
ガス特性は、図７に示すように低負荷域で排ガス量Ｇが
多く、かつ低温となる傾向を有している。前述したよう
に、特にガスタービンは起動、停止および低負荷運転さ
れる場合が多く、特に起動時には排ガス量が多く、脱硝
装置６の上流側に配置されるガスタービン１、サイレン
サ２、排熱回収ボイラ３の過熱器４、高圧蒸発器５ａお
よび脱硝装置６自体が降温しているため排ガスの熱はこ
れらの機器に奪われ、脱硝装置付近の排ガス温度Ｔは著
しく低下する。したがって、起動初期の排ガス温度Ｔは
有効な脱硝の温度範囲以下となり、有効な脱硝が行われ
ず大きな排ガス量Ｇとも相まって排ガス中のＮＯｘ総量
Ｎは規制値Ａを超えることとなる。

【０００９】このような欠点を除くため、脱硝装置６を
排熱回収ボイラ内の高温域に設置することも考えられる
が、ガスタービンの定常負荷帯における運転時、排ガス
温度は前記有効脱硝温度範囲を超える高温なって低温の
場合と同様に有効な脱硝は行われず、しかも高温域に設
置するため脱硝装置６内に設置する触媒は性能劣下する
という不都合を生じる。本発明の課題は、上記従来技術
の問題点を解決して起動初期においても排ガス中のＮＯ
ｘ排出量が規制をオーバーすることのないコンバインド
サイクル・プラントの制御方法および装置を提供するに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願で特許請求される発明は以下のとおりである。

【００１１】（１）発電機駆動用ガスタービンと、該ガ
スタービン排ガスの排熱回収ボイラと、該ボイラに内蔵
された脱硝装置とを備えたコンバインドサイクル・プラ
ントの制御方法において、該プラントの起動に際し、前
記脱硝装置入口排ガス温度が脱硝装置の脱硝適温に達す
るまでは、該プラントからのＮＯｘ排出量が規制値以下
となるように、ガスタービンから脱硝装置に流入する排
ガス流量を抑制制御することを特徴とするガスタービン
と排熱回収ボイラとを備えたコンバインドサイクル・プ
ラントの制御方法。

【００１２】（２）圧縮送風機と、該圧縮送風機から供
給される空気により燃料を燃焼させてガスタービン駆動
用燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより回転
し、かつ発電機を駆動するガスタービンと、該ガスター
ビンの排熱回収用ボイラと、該ボイラに内蔵された脱硝
装置とを備えたコンバインドサイクル・プラントの制御
方法において、該プラントの起動に際し、ガスタービン
の回転数をその定格回転数に昇速するとともに、前記脱
硝装置入口排ガス温度が脱硝適温に達するまでは、該プ
ラントからの排出ＮＯｘ量が規制値以下となるように、
圧縮送風機から燃焼器へ供給する空気量と燃焼器に供給
する燃料量を調整して、ガスタービンから排熱回収ボイ
ラに流入する排ガス流量を適正量に抑制制御することを
特徴とするガスタービンと排熱回収ボイラとを備えたコ
ンバインドサイクル・プラントの制御方法。

【００１３】（３）同軸に連結され回転する圧縮送風
機、ガスタービンおよび発電機と、前記圧縮送風機から
の空気により燃料を燃焼してガスタービン駆動用ガスを
生成する燃焼器と、ガスタービン排ガスの排熱回収ボイ
ラと、該ボイラに内蔵された脱硝装置とを備えたコンバ
インドサイクル・プラントの制御装置において、該プラ
ント起動時に、圧縮送風機、ガスタービンおよび発電機
を定格回転数まで昇速させる手段と、脱硝装置入口排ガ
ス温度が脱硝適温に達するまでは、該プラントからのＮ
Ｏｘ排出量が規制値以下となるように、ガスタービンか
ら排熱回収ボイラに流入する排ガス流量を適正量に抑制
するため、圧縮送風機の回転羽根取付角度を制御して吐
出風量を所定量以下にする手段と、前記脱硝装置入口排
ガス温度が脱硝適温に達した後は、順次圧縮送風機の回
転羽根取付角度を定格時状態に回復させる手段とを設け
たことを特徴とするガスタービンと排熱回収ボイラとを
備えたコンバインドサイクル・プラントの制御装置。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を図１
および図４により説明する。図１において、ガスタービ
ンの回転数をＲ、排ガス流量をＧ、脱硝装置入口ガス温
度をＴ、排熱回収ボイラ排ガスの排出ＮＯｘ量の１時間
平均値をＮで示す（数分単位で測定したＮＯｘ量を１時
間当たりに換算したもの）。

【００１５】図４において、起動用電動機１２を起動し
て圧縮送風機１１およびガスタービン１等を回転させ、
燃焼用空気を燃焼器１４に送ることは従来技術と同様で
ある。燃焼器１４には燃料制御弁２０ａを介して燃料が
噴射され、高温高圧の燃焼ガスを発生し、これをガスタ
ービン１に送る。図１に示したようにガスタービンの回
転数をＲ₁ 、ガスタービンの排ガス量をＧ₁ となるよう
に燃料制御弁２０ａにより燃焼器１４への燃料量を制御
する。同時に圧縮送風機１１の空気吸込口１３に設けた
制御弁により燃料量に合わせて空気量を制御する。ガス
タービン１の回転数はその回転軸に設けた回転計１Ｒ
で、排ガス流量は流量計２５で検出する。

【００１６】この状態でしばらく運転を続行し、脱硝装
置６の入口ガス温度計２４の検出値Ｔが脱硝に有効な温
度Ｔ_P に達するのを待つ。該ガス温度がＴ_P に達したら
燃焼器への燃料供給量を増し、ガス流量をＧ₂ に、ガス
タービンの回転数を定格回転数のＲ₂ に上昇させる。こ
の時点でガスタービン軸に直結された発電機１５の出力
は定格サイクルに達するので、電力系統に併入され、系
統への電力供給を開始する。所定時間経過後燃焼器への
燃料供給量を増加し、回収ボイラへの供給排ガス流量を
Ｇ₃ に増加する。以上のように、ガスタービンの起動時
のガス流量Ｇを従来より少なく抑えることにより、脱硝
装置入口のガス温度Ｔが脱硝に有効な適温Ｔ_P になるま
での時間が長くなる（従来では約３０分、本実施の形態
では５０〜６０分）が、排出ＮＯｘ量自体が少ないので
ＮＯｘ排出量の規制値Ａを超えることなく運転できる。

【００１７】次に、本発明の第２の実施の形態を図２、
図３、図４を使って説明する。図４において、起動用電
動機１２を起動して圧縮送風機１１およびこれに連なる
ガスタービン１と発電機１５を起動させる。燃焼器１４
へ燃焼用空気を送り、燃料制御弁２０ａを介して所要量
の燃料を燃焼器内に噴射し、発生した高温高圧燃焼ガス
がガスタービン１に送られる。本実施の形態では圧縮送
風機、したがってガスタービン１の回転数は、図２に示
すように起動後直ちに定格回転数Ｒ₂ に昇速し、ガスタ
ービンの排ガス流量は定格時に比し低い値Ｇ₁ に抑え
る。回転数は定格回転数であるのに排ガス流量を低い値
に抑えるためには、圧縮送風機の回転軸に放射線状に等
ピッチで取付けられている回転羽根の取付角度を図３に
示すように変えることにより、各羽根間の空気通路の通
過断面積を絞るようにする。これにより燃焼器へ供給す
る燃焼用空気流量を低い値に絞る。燃焼器への燃料供給
量もこれにあわせて絞る。

【００１８】この結果、ガスタービン１から排熱回収ボ
イラ３に供給される排ガス流量を低い値のＧ₁ に抑える
ことができる。この状態をしばらく続けたのち、脱硝装
置入口排ガス温度計２４の検出値が脱硝装置の脱硝性能
が発揮できる温度Ｔ_P に達したら、燃焼器へ供給する空
気量を増加するよう前記回転羽根角度を制御するととも
に、燃焼器への燃料供給量を増加して、燃焼ガス流量を
Ｇ₃ まで順次増加していき、ガスタービン出力は定格値
に達する。

【００１９】なお、本実施の形態では、起動後間もなく
ガスタービン１およびそれに連結した発電機１５は定格
回転数Ｒ₂ に達しているので、発電機には定格サイクル
の電力が発生している。したがって、起動後短時間で発
電機を電力系統に接続して電力を供給開始することがで
きる。ガスタービンおよび発電機が定格出力に達したと
きは、圧縮送風機の回転羽根角度は定格時の状態に復帰
している。

【００２０】なお、本実施の形態では排ガス流量制御に
圧縮送風機の回転角度を調整したが、ガスタービンの羽
根角度を調整することによりガス流量を制御することも
でき、本実施形態の中に含まれる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、ガスタービン起動時の
排ガス温度が低く、排熱回収ボイラ内の脱硝装置が有効
に作動しない時間帯のコンバインドサイクルからのＮＯ
ｘ排出量を規制値以内に容易に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における一実施例を説明する図。

【図２】本発明における他の実施例を説明する図。

【図３】本発明の他の実施例における圧縮送風機回転羽
根角度の制御説明図。

【図４】本発明におけるコンバインドサイクル・プラン
トの系統図。

【図５】従来技術におけるコンバインドサイクル・プラ
ントの系統図。

【図６】脱硝触媒の温度特性を示す図。

【図７】従来技術におけるコンバインドサイクル・プラ
ントの起動状態説明図。

【符号の説明】

１…ガスタービン、１Ｒ…回転計、２…サイレンサ、３
…排熱回収ボイラ、４…過熱器、５ａ、５ｂ…高圧蒸発
管、６…脱硝装置、７…高圧節炭器、８…低圧蒸発器、
９…低圧節炭器、１０…煙突、１１…圧縮送風機、１２
…起動用電動機、１３…空気吸込口、１４…燃焼器、１
５…発電機、１６…低圧ドラム、１６ａ…降水管、１７
…高圧ドラム、１７ａ…降水管、１８…低圧給水ポン
プ、１９…高圧給水ポンプ、２０…燃料供給管、２０ａ
…燃料制御弁、２１…蒸気管、２２…蒸気タービン、２
３…発電機、２４…脱硝装置入口ガス温度計、２５…排
ガス流量計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 洸 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 Ｆターム(参考） 3G081 BA02 BA11 BB00 BC07 BD00 DA14 DA21

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発電機駆動用ガスタービンと、該ガスタ
   ービン排ガスの排熱回収ボイラと、該ボイラに内蔵され
   た脱硝装置とを備えたコンバインドサイクル・プラント
   の制御方法において、該プラントの起動に際し、前記脱
   硝装置入口排ガス温度が脱硝装置の脱硝適温に達するま
   では、該プラントからのＮＯｘ排出量が規制値以下とな
   るように、ガスタービンから脱硝装置に流入する排ガス
   流量を抑制制御することを特徴とするガスタービンと排
   熱回収ボイラとを備えたコンバインドサイクル・プラン
   トの制御方法。
2. 【請求項２】 圧縮送風機と、該圧縮送風機から供給さ
   れる空気により燃料を燃焼させてガスタービン駆動用燃
   焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより回転し、
   かつ発電機を駆動するガスタービンと、該ガスタービン
   の排熱回収用ボイラと、該ボイラに内蔵された脱硝装置
   とを備えたコンバインドサイクル・プラントの制御方法
   において、該プラントの起動に際し、ガスタービンの回
   転数をその定格回転数に昇速するとともに、前記脱硝装
   置入口排ガス温度が脱硝適温に達するまでは、該プラン
   トからの排出ＮＯｘ量が規制値以下となるように、圧縮
   送風機から燃焼器へ供給する空気量と燃焼器に供給する
   燃料量を調整して、ガスタービンから排熱回収ボイラに
   流入する排ガス流量を適正量に抑制制御することを特徴
   とするガスタービンと排熱回収ボイラとを備えたコンバ
   インドサイクル・プラントの制御方法。
3. 【請求項３】 同軸に連結され回転する圧縮送風機、ガ
   スタービンおよび発電機と、前記圧縮送風機からの空気
   により燃料を燃焼してガスタービン駆動用ガスを生成す
   る燃焼器と、ガスタービン排ガスの排熱回収ボイラと、
   該ボイラに内蔵された脱硝装置とを備えたコンバインド
   サイクル・プラントの制御装置において、該プラント起
   動時に、圧縮送風機、ガスタービンおよび発電機を定格
   回転数まで昇速させる手段と、脱硝装置入口排ガス温度
   が脱硝適温に達するまでは、該プラントからのＮＯｘ排
   出量が規制値以下となるように、ガスタービンから排熱
   回収ボイラに流入する排ガス流量を適正量に抑制するた
   め、圧縮送風機の回転羽根取付角度を制御して吐出風量
   を所定量以下にする手段と、前記脱硝装置入口排ガス温
   度が脱硝適温に達した後は、順次圧縮送風機の回転羽根
   取付角度を定格時状態に回復させる手段とを設けたこと
   を特徴とするガスタービンと排熱回収ボイラとを備えた
   コンバインドサイクル・プラントの制御装置。