CN112534121A - 联合循环发电设备 - Google Patents

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Abstract

提供能够在避免燃气轮机的效率降低的同时进行废热回收锅炉内的清除的联合循环发电设备。联合循环发电设备具有：燃气轮机，其具有压缩机和轮机，该压缩机生成压缩空气，该轮机具有排气口，该轮机被通过燃料和由压缩机生成的压缩空气的燃烧而生成的燃烧气体驱动，从排气口排出废气；立式废热回收锅炉，其从废气回收热量而产生蒸汽；管道，其连接排气口与废热回收锅炉的下部；第1清除配管，其一端与管道连接，另一端向大气中开放而流入空气；第1清除阀，其设置于第1清除配管；以及控制装置，其控制第1清除阀，以使得第1清除配管开放。

Description

联合循环发电设备
技术领域
本发明涉及联合循环发电设备。
背景技术
近年来，为了更有效地利用能量，使用联合循环发电设备。联合循环发电设备具有燃气轮机、蒸汽轮机、废热回收锅炉等，采用组合了燃气轮机和蒸汽轮机的发电方式。在这样的联合循环发电设备中，将在燃气轮机中做功后的废气导入废热回收锅炉，利用废气的热产生蒸汽，利用该蒸汽驱动蒸汽轮机进行发电。
在联合循环发电设备中，在其启动时，需要清除残留在废热回收锅炉内的废气(可燃性气体等)。
例如在专利文献1的联合循环发电设备中，设置有用于将来自压缩机的压缩空气向废热回收锅炉抽气的抽气管。在该抽气管上设置有阀，该阀在打开状态下将压缩空气抽气到废热回收锅炉，在关闭状态下遮断压缩空气向废热回收锅炉的抽气。另外，经由抽气管抽出到废热回收锅炉的压缩空气是由压缩机生成的压缩空气的一部分。
燃气轮机的轮机的排气口经由管道(在专利文献1中称为旁路)与废热回收锅炉连接。在上述管道中设置有排气旁通挡板，该排气旁通挡板配置在使从轮机排出的废气流入烟管并且遮断废气向废热回收锅炉流入的第1位置或者使上述废气流入废热回收锅炉并且遮断废气流入烟管的第2位置。
在清除废热回收锅炉内的废气时，通过控制装置控制排气旁通挡板和阀，使得在驱动燃气轮机的状态(燃烧中的状态)下，排气旁通挡板配置在第1位置且阀成为打开状态。由此，压缩空气的一部分通过抽气管被抽到废热回收锅炉，废热回收锅炉内的废气被清除。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5550461号公报
发明内容
发明要解决的课题
在停止燃气轮机后再次启动时，需要清除残留在废热回收锅炉中的废气。在该情况下，通过在启动燃气轮机之前利用电动机使燃气轮机的转子旋转，不进行燃烧器中的燃烧，利用通过燃气轮机的空气对废热回收锅炉进行换气(有时称为预清除)。在这种情况下，不仅是废热回收锅炉，残留在燃气轮机内的废气也需要清除，因此预清除需要时间。
另外，在燃气轮机单体运转中准备向复合发电转换时，需要一边使燃气轮机单体运转一边对废热回收锅炉内进行清除。此时，从压缩机抽气用的压缩空气作为清除用空气使用。但是，若使用抽气用的压缩空气，则导致燃气轮机的效率降低。
因此，本发明的目的在于提供能够通过自然通风进行废热回收锅炉内的清除的联合循环发电设备。
用于解决课题的手段
本发明的联合循环发电设备具有：燃气轮机，其具有压缩机和轮机，该压缩机生成压缩空气，该轮机具有排气口，该轮机被通过燃料和由所述压缩机生成的所述压缩空气的燃烧而生成的燃烧气体驱动，从所述排气口排出废气；立式废热回收锅炉，其从所述废气回收热量而产生蒸汽；管道，其连接所述排气口与所述废热回收锅炉的下部；第1清除配管，其一端与所述管道连接，另一端向大气中开放而流入空气；第1清除阀，其设置于所述第1清除配管；以及控制装置，其控制所述第1清除阀，以使得所述第1清除配管开放。
根据本发明，在燃气轮机停止后再次使燃气轮机启动的情况下，使第1清除阀成为打开状态而开放第1清除配管。在这种情况下，在废热回收锅炉内处于高温状态的管群周围的空气被加热，因此比外部气体温度的空气的比重小。由此，外部气体通过第1清除配管从废热回收锅炉的下部流入该废热回收锅炉内，因此通过自然通风起到清除效果。因此，不一定需要在启动燃气轮机之前利用通过电动机使燃气轮机旋转而产生的空气流来对废热回收锅炉内进行清除，即不一定需要通过使燃气轮机旋转而进行预清除。通过这样的结构，在燃气轮机的停止中能够通过自然通风对废热回收锅炉内进行清除，因此能够缩短燃气轮机以及设备的启动时间。另外，在燃气轮机运转时(在燃气轮机以单体运转中准备向复合发电(燃气轮机运转和废热回收锅炉运转)转移时)，能够通过同样的自然通风对废热回收锅炉内进行清除。由此，由于不使用来自压缩机的抽气用的压缩空气即可，因此不会导致燃气轮机的效率降低。
在上述发明中，优选在所述第1清除配管中，在所述第1清除阀的上游侧设置有止回阀。
根据上述结构，在燃气轮机运转时废热回收锅炉内的压力成为正压的情况下，能够通过止回阀防止空气的逆流。另外，通过将止回阀配置在第1清除阀的上游侧，在该止回阀产生卡住等不良情况的情况下，如果使第1清除阀成为关闭状态，则即使在废热回收锅炉运转中也能够修理或更换止回阀。
在上述发明中，可以是，联合循环发电设备还具有：第1温度传感器，其检测所述废热回收锅炉内的温度；以及第2温度传感器，其在所述第1清除配管中配置于所述止回阀的上游侧，对所述第1清除配管内的所述空气的温度进行检测，所述控制装置构成为根据由所述第1温度传感器检测出的温度与由所述第2温度传感器检测出的温度之差，控制所述第1清除阀，以使得所述第1清除配管关闭。
根据上述结构，基于由第1温度传感器检测出的温度和由第2温度传感器检测出的温度之差，可知应完成清除的时期。由此，能够防止进行必要以上的清除。
在上述发明中，优选所述轮机具有在通过电动机旋转的状态和与所述电动机分离的状态之间切换的转子，所述控制装置构成为控制所述第1清除阀，以使得在所述燃气轮机的燃烧结束后且所述转子通过所述电动机而旋转时，所述第1清除配管开放。
在压缩空气的燃烧结束后停止燃气轮机之后，为了避免该燃气轮机以及被驱动机转子的歪斜的产生或为了在启动前减少轴心的弯曲，进行旋转。根据上述结构，由于在实施旋转的过程中控制第1清除阀而清除废热回收锅炉内的气体，因此与实施旋转后进行清除的情况相比，能够缩短清除的时间。
在上述发明中，可以是，联合循环发电设备还具有：烟管，其与所述管道连接，将所述废气排放到大气中；以及排气旁通挡板，其设置于所述管道，配置在使所述废气流入所述烟管并且遮断所述废气向所述废热回收锅炉的流入的第1位置或者使所述废气流入所述废热回收锅炉并且遮断所述废气向所述烟管的流入的第2位置，所述控制装置构成为控制所述排气旁通挡板和所述第1清除阀，以使得在所述燃气轮机运转时，所述排气旁通挡板配置于所述第1位置且所述第1清除配管开放。
根据上述结构，在燃气轮机运转时(从燃气轮机的单独运转向复合运转转移时)，排气旁通挡板配置在第1位置，且使第1清除阀处于打开状态，打开第1清除配管。在这种情况下，在废热回收锅炉内处于高温状态的管群周围的空气被加热，因此比外部空气温度的空气的比重小。由此，外部气体通过第1清除配管从废热回收锅炉的下部流入该废热回收锅炉内，起到清除效果。因此，压缩机在运转中可以不使用该压缩空气进行清除。由此，不会导致燃气轮机的效率降低。
在上述发明中，可以是，所述压缩机具有使所述压缩空气流出的抽气口，联合循环发电设备还具有连接所述抽气口与所述管道的第2清除配管以及设置于所述第2清除配管的第2清除阀，所述控制装置构成为控制所述第2清除阀，以使得在所述燃气轮机运转时，所述第2清除配管开放。
根据上述结构，在对废热回收锅炉内的气体进行清除时，能够使用通过第2清除配管流入的压缩空气，因此燃气轮机的效率有可能稍微降低，但通过使用的压缩空气量能够缩短清除所需的时间。
发明效果
根据本发明，能够在避免燃气轮机的效率降低的同时进行废热回收锅炉内的清除。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的联合循环发电设备的概略结构图。
图2的(a)是示出图1的燃气轮机及其周边结构的概略结构图，图2的(b)是示出燃气轮机及其周边结构的其他例的概略结构图。
图3是示出第1实施方式的控制装置的处理流程的流程图。
图4是本发明的第2实施方式的联合循环发电设备的概略结构图。
图5是示出第2实施方式的控制装置的处理流程的流程图。
具体实施方式
(第1实施方式)
以下，参照附图说明本发明的实施方式的联合循环发电设备(CCPP：CombinedCycle Power Plant)。以下说明的联合循环发电设备只不过是本发明的一个实施方式。因此，本发明并不限定于以下的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行追加、删除以及变更。
如图1所示，第1实施方式的联合循环发电设备1具有：燃气轮机2，其与发电机34(参照图2的(a)、图2的(b))连接；立式构造的废热回收锅炉3，其从来自燃气轮机2的废气回收热量并产生蒸汽；管道4；第1清除配管5；第1清除阀6；止回阀7；第1温度传感器10；第2温度传感器11以及控制装置12。控制装置12例如是具有ROM或RAM等存储器以及CPU的计算机，由CPU执行存储在ROM中的程序。另外，由废热回收锅炉3产生的蒸汽被用于未图示的蒸汽轮机的发电。
燃气轮机2具有压缩机21、燃烧器25(参照图2的(a)、图2的(b))以及设置有排气口23的轮机22。在燃气轮机2中，使由压缩机21压缩而生成的压缩空气和燃料在燃烧器25中混合燃烧，将产生的燃烧气体向轮机22供给而使轮机22的叶片旋转，将燃气热能转化为旋转动能。来自轮机22的废气(燃烧气体)从排气口23排出。另外，作为燃气轮机2的燃料，可举出LNG(天然气)、氢气、副产气体以及液体燃料等。
这里，关于燃气轮机，存在如图2的(a)所示的单轴型燃气轮机2和如图2的(b)所示的双轴型燃气轮机2a。另外，对于图2的(b)的结构要素中的与图2的(a)的结构要素相同的部分，标注与图2的(a)的标号相同的标号。
在图2的(a)的燃气轮机2中，燃气轮机2的输出轴32经由联轴器35与减速机33连接。减速机33上连接有兼作启动电动机和旋转电动机的电动机36，并且通过联轴器37连接有发电机34。轮机22的转子31通过减速机33在通过电动机36旋转的状态和与电动机36分离的状态之间切换。在进行上述的旋转时，转子31通过电动机36而旋转。另外，在图2的(a)的燃气轮机2中，也可以分别装备启动电动机和旋转电动机。
另外，在图2的(b)的燃气轮机2a中，分别设置有作为启动电动机的电动机39和作为旋转电动机的电动机36。电动机39通过减速机38与压缩机21连接。另外，在燃气轮机2a中，设置有气体发生器轮机26和动力轮机27。动力轮机27的输出轴(转子)32经由联轴器35与减速机33连接。在减速机33上连接有电动机36并且经由联轴器37连接有发电机34。动力轮机27的输出轴32通过减速机33在由电动机36旋转的状态和与电动机36分离的状态之间切换。在进行旋转时，输出轴32通过电动机36旋转。另外，在图2的(b)的燃气轮机2a中，也可以设置兼作启动电动机和旋转电动机的电动机。
返回图1，管道4的一端与排气口23连接，管道4的另一端与废热回收锅炉3的下部连接。从排气口23排出的废气通过管道4流入废热回收锅炉3内。
第1清除配管5的一端与管道4连接。第1清除配管5的另一端向大气中开放，外部气体从该另一端流入。在第1清除配管5上从上游侧依次设置有止回阀7以及第1清除阀6。在本实施方式中，作为第1清除阀6，可以采用控制第1清除配管5内的空气量的流量控制阀(风门)，但不限于此，也可以采用能够打开和关闭第1清除配管5的开闭阀。后述的第2清除阀9也同样。
第1温度传感器10检测废热回收锅炉3的出口附近的温度，并将其检测结果的信号输出到控制器12。第2温度传感器11在第1清除配管5中配置于止回阀7的上游侧，检测第1清除配管5内的空气的温度，将其检测结果的信号输出至控制装置12。
在联合循环发电设备1中，废热回收锅炉3内的清除是在燃气轮机2停止后再次使燃气轮机2启动的情况下(即燃气轮机2中的燃烧结束后且转子31通过电动机36旋转时)(旋转时)进行的。
控制装置12在进行清除时，以开放第1清除配管5的方式控制第1清除阀6。在这种情况下，由于在燃烧结束后的废热回收锅炉3内处于高温状态的管群周围的空气被加热，因此比外部空气温度的空气比重小。由此，外部气体通过第1清除配管5从废热回收锅炉3的下部流入该废热回收锅炉3内，起到清除效果。
另外，控制装置12如下判断清除结束时。控制装置12根据由第1温度传感器10检测出的温度和由第2温度传感器11检测出的温度之差计算出废热回收锅炉3内的浮力，计算出流入废热回收锅炉3内的空气的累计流量。构成为，如果累计流量达到规定量，则控制装置12判断为清除结束，控制第1清除阀6以关闭第1清除配管5。
接着，对基于控制装置12的清除时的控制方法进行说明。图3是示出控制装置12的处理流程的流程图。
如图3所示，控制装置12在燃气轮机2的燃烧结束后，驱动电动机36实施旋转(步骤S1)。然后，控制装置12在进行旋转时将第1清除阀6设为打开状态(步骤S2)。于是，外部气体通过第1清除配管5从废热回收锅炉3的下部流入该废热回收锅炉3内，起到清除效果。
接着，控制装置12判别清除累计流量是否达到规定量(步骤S3)。判别方法如上所述。在清除累计流量达到规定量的情况下(在步骤S3中为“是”)，前进到步骤S4，在清除累计流量未达到规定量的情况下(在步骤S3中为“否”)，再次进行步骤S3的处理。
在步骤S4中，控制装置12使第1清除阀6为关闭状态。由此，外部气体不会通过第1清除配管5流入废热回收锅炉3内。然后，控制装置12使电动机36停止，结束旋转(步骤S5)。
如以上说明的那样，在本实施方式的联合循环发电设备1中，在燃烧结束后进行运转时，使外部气体通过第1清除配管5流入到废热回收锅炉3内，因此通过自然通风起到清除效果。因此，在启动燃气轮机2之前，不一定需要利用由电动机36使燃气轮机2旋转而产生的空气流的废热回收锅炉3内的清除。通过这样的结构，在燃气轮机2的停止中能够通过自然通风对废热回收锅炉3内进行清除，因此能够缩短燃气轮机2以及设备1的启动时间。另外，需要通过使燃气轮机2旋转来进行该燃气轮机2的扫气用的清除。
(第2实施方式)
接着，参照附图对本发明的第2实施方式的联合循环发电设备1a进行说明。此外，在本实施方式中，对与上述第1实施方式相同的结构部件标注相同的标号，并省略其说明。
如图4所示，第2实施方式的联合循环发电设备1a还具有：烟管13，其与管道4连接，将来自燃气轮机2的废气排放到大气中；排气旁通挡板41，其设置在管道4上；第2清除配管8，其连接压缩机21的抽气口24和管道4；以及第2清除阀9，其设置在第2清除配管8上。另外，在图4中，第2清除配管8的下游端与第1清除配管5的中途部分连接，由此抽气口24和管道4通过第2清除配管8间接地连接。
排气旁通挡板41在控制装置12的控制下位于使废气流入烟管13并遮断废气向废热回收锅炉3的流入的第1位置P1或使废气流入废热回收锅炉3并遮断废气向烟管13的流入的第2位置P2。排气旁通挡板41位于第1位置P1的情况是指，由于废气不流入到废热回收锅炉3内，因此废热回收锅炉3不产生蒸汽的情况。即，是不进行未图示的蒸汽轮机的发电的情况。与此相对，排气旁通挡板41位于第2位置P2的情况是指，由于废气流入到废热回收锅炉3内，因此燃气轮机2的发电和上述蒸汽轮机的发电复合地进行的情况(复合发电)。此外，在图4中，用实线表示排气旁通挡板41位于第1位置P1的状态，用双点划线表示排气旁通挡板41位于第2位置P2的状态。
在上述结构中，控制装置12构成为控制排气旁通挡板41和第1清除阀6，以使在进行清除时，在燃气轮机2运转时(在燃气轮机2以单体运转中准备向复合发电转移时)，排气旁通挡板41配置在第1位置P1，并且第1清除配管5开放。在该情况下，与第1实施方式同样地，由于在之前高温的废气流入的废热回收锅炉3内处于高温状态的管组周围的空气被加热，因此比外部空气温度的空气的比重小。由此，外部气体通过第1清除配管5从废热回收锅炉3的下部流入该废热回收锅炉3内，因此通过自然通风起到清除效果。
这里，利用燃气轮机2运转的情况，即压缩机21运转的情况，控制装置12也可以控制第2清除阀9以使第2清除配管8开放。此时，由压缩机21生成的压缩空气从抽气口24通过第2清除配管8流入到废热回收锅炉3内。由此，虽然存在燃气轮机2的效率稍微降低的可能性，但通过使用的压缩空气量能够缩短清除所需的时间。另外，即使使第1清除阀6和第2清除阀8并行地成为打开状态，也不会形成从第1清除配管5向废热回收锅炉3的空气流。另外，由控制装置12进行的清除结束时的判定方法与第1实施方式相同。
接着，对基于控制装置12的清除时的控制方法进行说明。图5是示出控制装置12的处理流程的流程图。
如图5所示，控制装置12在燃气轮机2运转时(燃气轮机2以单体运转中准备向复合发电转移时)，判别排气旁通挡板41是否位于第1位置P1(步骤S11)。在排气旁通挡板41位于第1位置P1的情况下(在步骤S11中为“是”)，进入步骤S13，在排气旁通挡板41没有位于第1位置P1的情况下(在步骤S11中为“否”)，控制装置12使排气旁通挡板41位于第1位置P1(步骤S12)。
在步骤S13中，控制装置12在使第1清除阀6为打开状态后，使第2清除阀9为打开状态。由此，外部气体通过第1清除配管5流入到废热回收锅炉3内，之后来自压缩机21的压缩空气通过第2清除配管8流入到废热回收锅炉3内。
接着，控制装置12判别清除累计流量是否达到规定量(步骤S14)。在清除累计流量达到规定量的情况下(在步骤S14中为“是”)，前进到步骤S15，在清除累计流量未达到规定量的情况下(在步骤S14中为“否”)，再次进行步骤S14的处理。
在步骤S15中，控制装置12使第1清除阀6以及第1清除阀9为关闭状态。由此，外部气体和压缩空气不流入废热回收锅炉3内。
如以上说明，在第2实施方式的联合循环发电设备1a中，能够在清除时使用通过第1清除配管5流入的外部气体和通过第2清除配管8流入的压缩空气，虽然燃气轮机2的效率有可能稍微降低，但通过使用的压缩空气量能够缩短清除所需的时间。
(其他实施方式)
本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内可进行各种变形。例如如下所述。
在上述第1以及第2实施方式中，构成为，根据由第1温度传感器10检测出的温度和由第2温度传感器11检测出的温度之差计算出废热回收锅炉3内的浮力，计算出流入废热回收锅炉3内的空气的累计流量，如果该累计流量达到规定量，则判断为清除结束，将第1清除阀6设为关闭状态。但是，并不限定于此，也可以在由第1温度传感器10检测出的温度与由第2温度传感器11检测出的温度之差处于规定范围内时，判定为清除结束而使第1清除阀6成为关闭状态。或者，也可以在开始清除后经过一定时间后使第1清除阀6成为关闭状态。
另外，在上述第1实施方式中，对在燃气轮机2中的燃烧结束后且旋转时进行清除的情况进行了说明，但并不限定于此，只要是在燃气轮机2中的燃烧结束后即可，可以在旋转之前或之后进行清除。
另外，在上述第2实施方式中，对在燃气轮机2运转时进行清除的情况进行了说明，但不限于此，与第1实施方式同样，在第2实施方式的联合循环发电设备1a中也可以，在旋转时能够进行基于自然通风的清除。
另外，在上述第2实施方式中，对使用通过第1清除配管5流入的空气和通过第2清除配管8流入的压缩空气进行清除的情况进行了说明，但也可以与上述第1实施方式同样，仅使用通过第1清除配管5流入的外部气体进行清除。
进而，在上述第1以及第2实施方式中，构成为通过控制装置12控制第1清除阀6以及第2清除阀9，但也可以分开设置控制第1清除阀6的控制装置和控制第2清除阀9的控制装置。
标号说明
1：联合循环发电设备；2：燃气轮机；3：废热回收锅炉；4：管道；5：第1清除配管；6：第1清除阀；7：止回阀；8：第2清除配管；9：第2清除阀；10：第1温度传感器；11：第2温度传感器；12：控制装置；13：烟管；21：压缩机；22：轮机；23：排气口；24：抽气口；31：转子；36：电动机；41：排气旁通挡板；P1：第1位置；P2：第2位置。

Claims (6)

1.一种联合循环发电设备，其具有：
燃气轮机，其具有压缩机和轮机，该压缩机生成压缩空气，该轮机具有排气口，该轮机被通过燃料和由所述压缩机生成的所述压缩空气的燃烧而生成的燃烧气体驱动，从所述排气口排出废气；
立式废热回收锅炉，其从所述废气回收热量而产生蒸汽；
管道，其连接所述排气口与所述废热回收锅炉的下部；
第1清除配管，其一端与所述管道连接，另一端向大气中开放而流入空气；
第1清除阀，其设置于所述第1清除配管；以及
控制装置，其控制所述第1清除阀，以使得所述第1清除配管开放。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其中，
在所述第1清除配管中，在所述第1清除阀的上游侧设置有止回阀。
3.根据权利要求2所述的联合循环发电设备，其中，
该联合循环发电设备还具有：
第1温度传感器，其检测所述废热回收锅炉内的温度；以及
第2温度传感器，其在所述第1清除配管中配置于所述止回阀的上游侧，对所述第1清除配管内的所述空气的温度进行检测，
所述控制装置构成为根据由所述第1温度传感器检测出的温度与由所述第2温度传感器检测出的温度之差，控制所述第1清除阀，以使得所述第1清除配管关闭。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的联合循环发电设备，其中，
所述轮机具有在通过电动机旋转的状态和与所述电动机分离的状态之间切换的转子，
所述控制装置构成为控制所述第1清除阀，以使得在所述燃气轮机的燃烧结束后且所述转子通过所述电动机而旋转时，所述第1清除配管开放。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的联合循环发电设备，其中，
该联合循环发电设备还具有：
烟管，其与所述管道连接，将所述废气排放到大气中；以及
排气旁通挡板，其设置于所述管道，配置在使所述废气流入所述烟管并且遮断所述废气向所述废热回收锅炉的流入的第1位置或者使所述废气流入所述废热回收锅炉并且遮断所述废气向所述烟管的流入的第2位置，
所述控制装置构成为控制所述排气旁通挡板和所述第1清除阀，以使得在所述燃气轮机运转时，所述排气旁通挡板配置于所述第1位置且所述第1清除配管开放。
6.根据权利要求5所述的联合循环发电设备，其中，
所述压缩机具有使所述压缩空气流出的抽气口，
该联合循环发电设备还具有连接所述抽气口与所述管道的第2清除配管以及设置于所述第2清除配管的第2清除阀，
所述控制装置构成为控制所述第2清除阀，以使得在所述燃气轮机运转时，所述第2清除配管开放。
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