特許 6022712 調整バルブを用いて熱パワープラントを制御する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6022712

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月9日

(54)【発明の名称】調整バルブを用いて熱パワープラントを制御する方法

(51)【国際特許分類】

   F01K 23/10 20060101AFI20161027BHJP

   F01D 17/04 20060101ALI20161027BHJP

   F01D 17/00 20060101ALI20161027BHJP

   F01K 3/02 20060101ALI20161027BHJP

   F01D 17/08 20060101ALI20161027BHJP

【ＦＩ】

   F01K23/10 H

   F01K23/10 X

   F01D17/04

   F01D17/00 K

   F01K3/02 Z

   F01D17/08 A

【請求項の数】10

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-548536(P2015-548536)

(86)(22)【出願日】2013年12月18日

(65)【公表番号】特表2016-506472(P2016-506472A)

(43)【公表日】2016年3月3日

(86)【国際出願番号】EP2013077232

(87)【国際公開番号】WO2014096097

(87)【国際公開日】20140626

【審査請求日】2015年9月8日

(31)【優先権主張番号】1262334

(32)【優先日】2012年12月19日

(33)【優先権主張国】FR

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504462489

【氏名又は名称】エレクトリシテ・ドゥ・フランス

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】ドゥフォセ，イヴ

【審査官】 米澤 篤

(56)【参考文献】

【文献】 仏国特許発明第１１３４５０３（ＦＲ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１５５６０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４２７４２５６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−５４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−３３２１０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｋ ２３／１０

Ｆ０１Ｄ １７／００ − １７／１４

Ｆ０１Ｋ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電用の熱パワープラントを制御する方法であって、
前記パワープラントは、作動流体循環回路に熱エネルギーを供給する少なくとも一つの熱源を有し、
前記回路は、少なくとも、
発電機に機械的に接続された高圧タービンと、
高圧貯蔵タンクに対応する高圧過熱器から前記高圧タービンへの蒸気供給を制御する高圧調整バルブであって、高圧蒸気発生器から前記高圧貯蔵タンクへの流体供給は、高圧供給バルブにより制御される、高圧調整バルブと、
を有し、
追加の電力の必要性に応じて、
前記高圧調整バルブの開状態が高められ、
前記高圧供給バルブの開状態が抑制されることを特徴とする方法。

【請求項2】

前記回路は、さらに、
発電機に接続された少なくとも一つの低圧タービンであって、該低圧タービンの圧力は、前記高圧タービンの圧力よりも低い低圧タービンと、
低圧貯蔵タンクに関連する低圧過熱器から前記低圧タービンへの蒸気供給を制御する低圧調整バルブであって、前記低圧貯蔵タンクへの、低圧蒸気発生器から生じる流体供給は、低圧供給バルブにより制御される、低圧調整バルブと、
を有し、
追加の電力の需要に応じて、前記低圧調整バルブの開状態が高められることを特徴とする請求項1に記載の制御方法。

【請求項3】

追加の電力の需要に応じて、前記低圧供給バルブの開状態が高められることを特徴とする請求項2に記載の制御方法。

【請求項4】

前記高圧貯蔵タンク内の蒸気は、300から350℃の間の温度であり、密度は、60から80kg・m-³の間であり、
前記低圧貯蔵タンク内の蒸気は、200から250℃の間の温度であり、密度は、7から11kg・m-³の間であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の制御方法。

【請求項5】

発電熱パワープラントは、燃焼タービンを有するコンバインドサイクルプラントであり、
前記回路において、前記燃焼タービンから熱交換器に、排気ガスが供給されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の制御方法。

【請求項6】

低圧タービンは、前記高圧タービンからの出力の下流、および低圧タービンの上流に設けられた中圧タービンであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の制御方法。

【請求項7】

請求項1乃至6のいずれか一つに記載の方法のステップを実行する、プログラムコード指令を有するコンピュータプログラムであって、
当該プログラムは、コンピュータ上でランされる、コンピュータプログラム。

【請求項8】

発電熱パワープラントであって、
作動流体循環回路に熱エネルギーを供給する少なくとも一つの熱源を有し、
前記回路は、少なくとも：
発電機に機械的に接続された高圧タービンと、
高圧貯蔵タンクに関連する高圧過熱器から前記高圧タービンへの蒸気供給を制御する、高圧調整バルブと、
を有し、
高圧蒸気発生器から生じた前記高圧貯蔵タンクへの流体供給は、高圧供給バルブにより制御され、
当該パワープラントは、前記高圧調整バルブを制御する手段と、前記高圧供給バルブを制御する手段と、を有し、
追加の電力に対する需要を受けた際に、
前記高圧調整バルブの開状態を高め、
前記高圧供給バルブの開状態を抑制する
ように構成されることを特徴とする発電熱パワープラント。

【請求項9】

前記回路は、さらに、
発電機に接続された少なくとも一つの低圧タービンであって、該低圧タービンの圧力は、前記高圧タービンの圧力よりも低い低圧タービンと、
低圧貯蔵タンクに関連する低圧過熱器から前記低圧タービンへの蒸気供給を制御する低圧調整バルブであって、前記低圧貯蔵タンクへの低圧蒸気発生器から生じた流体供給は、低圧供給バルブにより制御される低圧調整バルブと、
を有し、
当該パワープラントは、
前記低圧調整バルブを制御する手段と、前記低圧供給バルブを制御する手段とを有し、
追加の電力の必要性に応じて、前記低圧調整バルブの開状態を高めるように構成されることを特徴とする請求項8に記載の発電熱パワープラント。

【請求項10】

追加の電力の需要に応じて、前記低圧供給バルブの開状態が高められることを特徴とする請求項9に記載の発電熱パワープラント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、発電用の熱パワープラントを制御する方法に関する。前記パワープラントは、作動流体循環回路に熱エネルギーを供給する、少なくとも1つの熱源を有し、前記回路は、発電機に機械的に接続された少なくとも一つの高圧タービンを有する。

【背景技術】

【0002】

また、回路は、発電機に接続された少なくとも一つの低圧タービンを有することが好ましく、前記低圧は、高圧タービンの高圧よりも低い。通常、2つの低圧タービンが存在し、それぞれ、中圧タービンおよび低圧タービンと称される。中圧タービンは、高圧タービンの下流側であって、低圧タービンの上流側にある。

【0003】

通常、電力は、高圧タービンへの蒸気供給を制御する高圧調整バルブの開状態を高めることにより、電力需要に呼応して高められる。実際には、高圧調整バルブは、バルブ組で構成されるが、以下の記載では、明確化および簡略化のため、前記組の複数のバルブが、同じ機能を実施し、これらが単一のバルブと同様であると見なされる限り、1つのバルブは、一組のバルブを表す。

【0004】

高圧調整バルブは、高圧タービンに入る蒸気の量、結果的に、高圧タービンの下流の低圧タービンに入る蒸気の量を調節し、発電機に結合されたタービンの回転により生じる電力が変化する。

【0005】

しかしながら、供給され得る追加の電力は限られ、蒸気サイクルの熱力学的平衡が影響を受け、セットポイントおよび／または低い効率および／または機器の過負荷に関する問題が生じ得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の一つの概略的な目的は、従来技術に関する制御プロセスの問題のいくつかまたは全てを克服することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

特に、発電熱パワープラントのような制御プロセスについて開示し、前記パワープラントは、作動流体循環回路に熱エネルギーを供給する少なくとも一つの熱源を有し、
そのような回路は、少なくとも、
発電機に機械的に接続された高圧タービンと、
高圧貯蔵タンクに対応する高圧過熱器から前記高圧タービンへの蒸気供給を制御する高圧調整バルブであって、高圧蒸気発生器から前記高圧貯蔵タンクへの流体供給は、高圧供給バルブにより制御される、高圧調整バルブと、
を有し、
追加の電力の必要性に応じて、
前記高圧調整バルブの開状態を高め、
前記高圧供給バルブの開状態を抑制する。

【0008】

そのようなプロセスは、熱力学的サイクルにおける平衡の欠如を抑制したまま、より効率的に電力需要を満たすという利点を有する。

【0009】

また、好ましくは、前記回路は、さらに、
発電機に接続された少なくとも一つの低圧タービンであって、前記低圧は、前記高圧タービンの高圧よりも低い低圧タービンと、
低圧貯蔵タンクに関連する低圧過熱器から前記低圧タービンへの蒸気供給を制御する低圧調整バルブであって、前記中圧貯蔵タンクへの、低圧蒸気発生器から生じる流体供給は、低圧供給バルブにより制御される、低圧調整バルブと、
を有し、
追加の電力の需要に応じて、前記低圧調整バルブの開状態が高められる。

【0010】

利用可能な予備のパワーも、同様に高められ、これにより、熱パワープラントの制御および電気ネットワークの管理がより柔軟になる。

【0011】

この装置は、以下の特徴を単独で、またはこれらのいかなる技術的に可能な組み合わせにより、有意に補完される：
−追加の電力の需要に応じて、前記低圧供給バルブの開状態が高められ；
−前記高圧貯蔵タンク内の蒸気は、300から350℃の間の温度であり、密度は、60から80kg・m-³の間であり、前記低圧貯蔵タンク内の蒸気は、200から250℃の間の温度であり、密度は、7から11kg・m-³の間であり；
−発電熱パワープラントは、燃焼タービンを有するコンバインドサイクルプラントであり、前記回路において、前記燃焼タービンから熱交換器に、排気ガスが供給され；
−低圧タービンは、前記高圧タービンからの出力の下流、および低圧タービンの上流に設けられた中圧タービンである。

【0012】

また、本発明は、本発明による方法のステップを実行する、プログラムコード指令を有するコンピュータプログラムに関し、当該プログラムは、コンピュータ上でランされる。通常、このコンピュータプログラムは、コンピュータで可読のデータ媒体の形態である。

【0013】

また、本発明は、発電熱パワープラントに関し、当該発電熱パワープラントは、
作動流体循環回路に熱エネルギーを供給する少なくとも一つの熱源を有し、
前記回路は、少なくとも：
発電機に機械的に接続された高圧タービンと、
高圧貯蔵タンクに関連する高圧過熱器から前記高圧タービンへの蒸気供給を制御する、高圧調整バルブと、
を有し、
高圧蒸気発生器から生じた前記高圧貯蔵タンクへの流体供給は、高圧供給バルブにより制御され、
当該パワープラントは、前記高圧調整バルブを制御する手段と、前記高圧供給バルブを制御する手段と、を有し、
追加の電力に対する需要を受けた際に、
前記高圧調整バルブの開状態を高め、
前記高圧供給バルブの開状態を抑制する
ように構成される。

【0014】

好ましくは、前記回路は、さらに、
発電機に接続された少なくとも一つの低圧タービンであって、前記低圧は、前記高圧タービンの高圧よりも低い低圧タービンと、
低圧貯蔵タンクに関連する低圧過熱器から前記低圧タービンへの蒸気供給を制御する低圧調整バルブであって、前記低圧貯蔵タンクへの、低圧蒸気発生器から生じた流体供給は、低圧供給バルブにより制御される低圧調整バルブと、
を有し、
当該パワープラントは、
前記低圧調整バルブを制御する手段と、前記低圧供給バルブを制御する手段とを有し、
追加の電力の必要性に応じて、前記低圧調整バルブの開状態を高めるように構成される。また、好ましくは、前記パワープラントは、追加の電力需要に応じて、前記低圧供給バルブの開状態が高められるように構成される。

【0015】

本発明の他の特徴、目的および利点は、以下の単に一例としての非限定的な記載から明らかになる。係る記載は、図1を参照して読む必要がある。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図1は、コンバインドサイクルガスタイプの熱パワープラントの作動原理を、主要部材とともに示した外観図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明は、図1に示したパワープラントに関する以下の記載を読むことにより、より良く理解される。図1では、作動流体として、水が使用される。

【0018】

そのようなパワープラントは、少なくとも一つの燃焼部2を有し、作動流体循環回路1に、熱エネルギーが供給される。この場合、水は、蒸気および液体状態である。この場合、燃焼タービン3は、発電機4に機械的に接続され、ガスの燃焼で電気が発生する。燃焼タービン3を通過した後、この燃焼からの排気ガス5の出力は、前記部材用の熱源を形成するため、回路1の異なる部材の間に分配される。この場合、熱交換器は、各種機能を実施する。通常、これらの熱交換器は、必要な温度の関数として分散される。最高温度のものは、排気ガス5の経路から上流にあり、最低温度のものは、排気ガス5の経路から下流にある。しかしながら、簡略化のため、排気ガス回路は、単に、前記熱交換器をつなぐ破線の矢印で示されており、これらは、排気ガス5からのそれらの熱を示す。

【0019】

回路は、3つのタービンを有する。高圧タービン10、中圧タービン20、および低圧タービン30であり、これらを介して、主蒸気回路は、サクセションを通る。

【0020】

低圧タービン30からの出口では、蒸気は、外部冷却源を有する熱交換器を介して凝縮され、この熱交換器は、凝縮器7を形成する。次に、形成された液体水は、ポンプ8により排出された後、各種熱交換器を通り加熱される。

【0021】

これらの熱交換器の最後のものは、高圧蒸気発生器15であり、ここには、排気ガス5により熱が供給される。従って、この高圧蒸気発生器15で加熱された水は、次に、高圧供給バルブ14を通り、高圧貯蔵タンク13に供給される供給水が制御される。

【0022】

貯蔵タンクは、蒸気の形態の水と、液体の形態の水とを収容する。液体および蒸気は、同じ圧力および温度条件にあり、タンクは、熱力学的平衡にある。必要な熱力学的平衡を維持するため、排気ガス5により熱が供給されても良い。液相の供給水は、貯蔵タンクの底部を介してもたらされるのに対し、気相の蒸気は、貯蔵タンクの上部から排出される。

【0023】

いったん蒸気がタンクから排出されると、蒸気は、蒸気を加熱する高圧過熱器12に入り、より高温の蒸気が得られ、サイクルの効率が向上する。

【0024】

高圧調整バルブ11は、高圧過熱器12から高圧タービンへの蒸気供給を制御する。

【0025】

次に、蒸気は、高圧タービン10を通り、ここで、前記蒸気が膨脹する。従って、高圧タービン10は、蒸気に含まれるエネルギーを機械的エネルギーに変換し、発電機6に接続されたシャフトが回転される。

【0026】

高圧蒸気発生器15の下流側には、排気ガス5からの熱が供給される中圧蒸気発生器25があり、これは、液体水を加熱する。

【0027】

従って、加熱された液体水の一部は、高圧蒸気発生器15に進み、加熱された水の一部は、中圧貯蔵タンク23への液体水供給を制御する中圧供給バルブ24を通る。このタンクには、液体／蒸気平衡の水が貯蔵される。

【0028】

次に、中圧貯蔵タンク23からの蒸気出力は、中圧過熱器22に入る。中圧過熱器22には、高圧タービン10の出力からの蒸気も供給される。

【0029】

従って、この中圧過熱器22は、2つの役割を有する；一つは、中圧貯蔵タンク23からの蒸気出力を加熱することであり（従って、これは、高圧用の過熱器12と同じ機能を果たす）、もう一つは、高圧タービン10で膨脹した蒸気を加熱することである。タービン内の蒸気の通過により、蒸気温度は低下する。中圧過熱器22により、中圧タービン20に入る蒸気が高温化され、これによりサイクルの効率が向上する。

【0030】

中圧調整バルブ21は、中圧過熱器22から中圧タービン20への蒸気供給を制御する。

【0031】

従って、蒸気は、中圧調整バルブ21を介して中圧タービン20に入り、ここで前記蒸気が膨脹する。従って、中圧タービン20は、蒸気に含まれるエネルギーを機械的エネルギーに変換し、発電機6に接続されたシャフトが回転する。

【0032】

低圧蒸気発生器35は、排気ガス5により熱供給される中圧蒸気発生器25の下流側に配置され、液体水を加熱する。

【0033】

従って、加熱された液体水の一部は、中圧蒸気発生器25に継続的に進行する一方、他の液体水は、低圧貯蔵タンク33への供給水の供給を制御する低圧供給バルブ34を通過する。低圧貯蔵タンクは、低圧蒸気発生器35から出力される再加熱水を保管する。

【0034】

次に、低圧貯蔵タンク33からの蒸気出力は、低圧過熱器32を通る。低圧過熱器32には、中圧タービン20からの蒸気出力も供給される。

【0035】

従って、この低圧過熱器32は、2つの役割を実行する；第1に、これは、低圧貯蔵タンク33からの蒸気出力を加熱する（従って、これは、高圧用の過熱器12と同じ機能を実施する）とともに、これは、中圧タービン20で膨脹した蒸気を加熱する。蒸気がタービンを通過した際に、その温度は低下する。低圧過熱器32により、低圧タービン30に入る蒸気は、より高温となり、サイクルの効率が向上する。

【0036】

低圧調整バルブ31は、低圧過熱器32から低圧タービン30への蒸気供給を制御する。

【0037】

従って、蒸気は、低圧調整バルブ31を介して低圧タービン30に入り、ここで、前記蒸気は膨脹する。従って、低圧タービン30は、蒸気に含まれるエネルギーを機械的エネルギーに変換し、発電機6に接続されたシャフトが回転する。

【0038】

最後に、蒸気は、凝縮器7に戻り、新たな液体／蒸気サイクルが開始される。

【0039】

電力を高める必要がある場合、高圧調整バルブ11の開状態が高められる。高圧調整バルブ11の開状態が高められると、高圧貯蔵タンク13および高圧過熱器12からの蒸気流出力が増え、従って、高圧タービン10に入る蒸気流出力が増加する。従って、高圧タービン10における蒸気流が上昇し、パワープラントにより生じる電力が一時的に増加する。

【0040】

高圧貯蔵タンク13から排出される蒸気は、高圧貯蔵タンク13における水分子量の低下により、前記高圧貯蔵タンク13の圧力を低下させる。タンクは、熱力学的平衡にあり、圧力の低下は、タンク内の液体レベルの上昇により補填される。

【0041】

水分子量の増加による高圧貯蔵タンク13における圧力の回復のため、この圧力低下は、高圧供給バルブ14の開状態により補填されると考えられる。出願人は、そのような作動では、実際に、前記タンク13内の圧力が低下するという驚くべきことを観測した。実際、タンクに注入される水は、既にタンク内にある水よりも冷たい。そのような水の追加により、高圧タンク13の温度は、低下する傾向にあり、従って、平衡状態が新たな平衡状態に変化する。タンクに注入される水は、飽和温度を下げ、これは飽和圧力を低下させ、温度および圧力が低くなる。従って、高圧供給バルブ14の開状態により、蒸気圧力の低下により生じる電力が減少する。

【0042】

その結果、発生電力を高めるため、高圧供給バルブ14の開状態を抑制することが好ましい。従って、追加の電力に対する需要に応じて、
−高圧調整バルブ11の開状態が高められ、
−高圧供給バルブ14の開状態が抑制される。

【0043】

従って、高圧調整バルブ11は、パワーを高めるために開にされ、高圧供給バルブ14の開状態は、十分な圧力を維持するために抑制される。貯蔵タンク内の圧力の低下は、高圧供給バルブ14の開状態の抑制により減速される。

【0044】

しかしながら、高圧貯蔵タンク13の圧力低下を低減するため、高圧貯蔵タンク13で生じたパワーは、制限されたまま維持される。次に、低圧貯蔵タンクを用いて、この場合、中圧貯蔵タンク23または低圧貯蔵タンク23から発生するパワー量が高められる。この動作は、高圧貯蔵タンク13での動作と同時に行われる。

【0045】

実際には、回路は、発電機に接続された少なくとも一つの低圧タービンを有し、前記低圧は、高圧タービンの高圧よりも低い。

【0046】

低圧調整バルブは、低圧貯蔵タンクに対応する低圧過熱器から前記低圧タービンへの蒸気供給を制御し、蒸気発生器から生じた前記低圧貯蔵タンクへの流体供給は、低圧供給バルブにより制御される。図1における例では、作動流体は、水である。

【0047】

追加の電力に対する需要に応じて：
−低圧調整バルブの開状態が高められ、
−低圧供給バルブの開状態が高められる。

【0048】

動作は、低圧貯蔵タンクとして作動する、中圧貯蔵タンク23で行われることが好ましい。この場合の、プロセスの効果については本願に記載されている。より一般的には、動作は、高圧タンク13の圧力に最も近い貯蔵タンクで行われることが好ましく、その後、動作は、（必要な場合）低圧貯蔵タンク33で行われる。

【0049】

高圧タービン10の場合、中圧バルブ21の開状態は、中圧タービン20に入る、中圧貯蔵タンク23からの蒸気流出力を増加させ、これによりパワープラントで生じる電力が増加する。

【0050】

しかしながら、高圧の場合とは異なり、中圧供給バルブ24の開状態は、驚くべきことに、中圧貯蔵タンク23の圧力を高める。従って、この中圧タービン20を通る蒸気量の増加と、前記蒸気圧力の増加の両方により、中圧タービン20のパワーの上昇が結果として得られる。

【0051】

この驚くべき効果は、中圧過熱器22に、中圧貯蔵タンク23および高圧タービン10の出力の両方から、蒸気が供給されることによるものであり、前記出力からの蒸気量は、中圧調整バルブ21の同時開放により、増加する。高圧タービン10からのこの追加の蒸気により、中圧供給バルブ24の開状態を高めなくても、中圧貯蔵タンク23における圧力の減少は、高圧貯蔵タンク13における圧力減少よりも小さくなる。

【0052】

中圧供給バルブ24の高められた開状態により、中圧貯蔵タンク23における圧力が維持され、または増加する。その結果、追加の発生電力が長期間維持され、短期間および長期間の何れにおいても、設定パワーのモニタリングに対して、より良好なフレキシビリティが得られる。蒸気流の増加、および可能な場合、中圧タービン20における蒸気圧力の増加により生じる追加の発生パワーは、高圧タービン10における圧力低下によるパワーの低下を補填することができる。

【0053】

前述の結果は、蒸気の以下の作動条件でのパワープラントで得られたものであるが、パワープラント制御プロセスが、必要な結果を得ることのできる作動条件での他の構成に適合され得ることは、当業者には明らかである。

【0054】

【表1】

本プロセスは、当業者には良く知られた制御器、例えば単一のもしくはいくつかの比例積分動作（PI）制御器または比例積分微分動作（PID）制御器を用いて、実施されても良い。

【図1】