JP2002309909A - コンバインドサイクル発電プラントおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】プラント起動・停止時のような非定常な状態に
おいてもガスタービン高温部に確実に冷却媒体を供給し
て冷却を行うことができ、安全に運転することができる
コンバインドサイクル発電プラントおよびその運転方法
を提供する。 【解決手段】空気圧縮機４、燃焼器５、および燃焼ガス
によって回転駆動されるガスタービン本体６を備えたガ
スタービン１と、このガスタービン１の排熱を利用して
蒸気を発生させる排熱回収ボイラ３と、この排熱回収ボ
イラ３からの蒸気によって駆動される蒸気タービン２と
を備え、前記ガスタービン１の高温部へ冷却媒体として
前記空気圧縮機４の圧縮空気と前記蒸気タービン２の排
気蒸気と前記排熱回収ボイラの高圧過熱器（９，10）蒸
気とを切り替え供給する冷却媒体経路（14，12，16，1
7）を設けた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの高
温部を蒸気タービンの排気によって冷却するコンバイン
ドサイクル発電プラントおよびその運転方法に係り、高
温部を蒸気によって冷却されるガスタービンと、このガ
スタービンの排熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収
ボイラと、この排熱回収ボイラからの蒸気によって駆動
される蒸気タービンと、前記ガスタービンの冷却蒸気を
供給する系統の一つとして蒸気タービンの排気をガスタ
ービンの高温部へ導く配管を有するコンバインドサイク
ル発電プラントおよびその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの排熱を利用して蒸気ター
ビンを駆動するコンバインドサイクル発電プラントにお
いては、ガスタービン入口温度とプラント出力および熱
効率には密接な関係があり、近年はガスタービン入口温
度の高温化が進められている。そのため、ガスタービン
高温部をいかに効果的に冷却するかが重要な問題になっ
てきた。

【０００３】従来の空気冷却型ガスタービンの場合は、
ガスタービン高温部の冷却には空気圧縮機の吐出もしく
は抽気の圧縮空気を用いるため、ガスタービン運転中は
いつでも冷却媒体を供給できる状態にあり、特別な操作
を行わずとも安全に運転することができた。

【０００４】現在では、さらなるガスタービン入口温度
の高温化およびプラント効率向上を達成するために、空
気に替わって、冷却性能が良く熱回収もできる蒸気を冷
却媒体として使用する蒸気冷却型ガスタービンを使用し
たコンバインドサイクル発電プラントの検討が進められ
ている。

【０００５】このような蒸気を用いてガスタービンを冷
却するコンバインドサイクル発電プラントにおいては、
蒸気条件（流量、温度、圧力）およびプラント効率の観
点から、通常時のガスタービン冷却媒体に主として高圧
蒸気タービンの排気を使用することが多い（特開平10−
37711号公報、特開2000−161014号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プラン
ト起動・停止時のような非定常な状態では、通常時ガス
タービン高温部冷却に使用している高圧蒸気タービン排
気が、ガスタービン冷却に必要とされる流量を下回る場
合がある。ガスタービン高温部の冷却が確実に行われな
いと機器損傷に至ることもあるため、供給可能な冷却媒
体に適宜切り替えてガスタービン高温部を冷却すること
が必要となる。

【０００７】そこで、本発明は、プラント起動・停止時
のような非定常な状態においてもガスタービン高温部に
確実に冷却媒体を供給して冷却を行うことができ、安全
に運転することができるコンバインドサイクル発電プラ
ントおよびその運転方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明のコンバ
インドサイクル発電プラントは、空気圧縮機、燃焼器、
および燃焼ガスによって回転駆動されるガスタービン本
体を備えたガスタービンと、このガスタービンの排熱を
利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、この排熱
回収ボイラからの蒸気によって駆動される蒸気タービン
とを備え、前記ガスタービンの高温部へ冷却媒体として
前記空気圧縮機の圧縮空気と前記蒸気タービンの排気蒸
気と前記排熱回収ボイラの高圧過熱器蒸気とを切り替え
供給する冷却媒体経路を設けた構成としたものである。
この発明によれば、ガスタービン高温部へ確実に冷却媒
体を供給することができるため、安全にプラントを運転
することができる。

【０００９】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、空気圧縮機からガスタービン高温部への冷却媒体経
路に所定の圧力差で順方向開する逆止弁を設けた構成と
したものである。

【００１０】この発明によれば、空気圧縮機で加圧され
た空気を所定の圧力差で自動的にガスタービン高温部に
供給することができるとともに、蒸気タービンの排気蒸
気および排熱回収ボイラの高圧過熱器蒸気が空気圧縮機
へ侵入することを防ぐことができる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１記載のコンバ
インドサイクル発電プラントにおいて、プラント起動時
は圧縮空気、高圧過熱器蒸気、高圧蒸気タービン排気の
順序で冷却媒体を切り替え、プラント停止時は高圧蒸気
タービン排気、高圧過熱器蒸気、圧縮空気の順序で冷却
媒体を切り替える構成としたものである。この発明によ
れば、プラントの起動時および停止時にガスタービン負
荷に応じた冷却媒体をガスタービン高温部に供給するこ
とができる。

【００１２】請求項４の発明のコンバインドサイクル発
電プラントの運転方法は、請求項１記載のコンバインド
サイクル発電プラントにおいて、プラント起動過程のガ
スタービン冷却媒体を、高圧過熱器の蒸気流量が必要流
量以上になるまでの間は空気圧縮機からの圧縮空気と
し、高圧過熱器の蒸気流量が必要流量以上になってから
蒸気タービン排気が必要流量以上になるまでの間は高圧
過熱器の蒸気とし、蒸気タービン排気が必要流量以上に
なった以降は蒸気タービン排気とする構成としたもので
ある。この発明によれば、プラント起動過程においてガ
スタービン高温部へ確実に冷却媒体を供給することがで
きるため、安全にプラントを起動することができる。

【００１３】請求項５のコンバインドサイクル発電プラ
ントの運転方法は、請求項１記載のコンバインドサイク
ル発電プラントにおいて、プラント停止過程のガスター
ビン冷却媒体を、蒸気タービン排気が必要流量以上ある
間は蒸気タービン排気とし、蒸気タービン排気が必要流
量に満たなくなってからは高圧過熱器の蒸気とし、ガス
タービン解列後に空気圧縮機の圧縮空気とする構成とし
たものである。この発明によれば、プラント停止過程に
おいてガスタービン高温部へ確実に冷却媒体を供給する
ことができるため、安全にプラントを停止することがで
きる。

【００１４】請求項６のコンバインドサイクル発電プラ
ントの運転方法は、請求項１記載の蒸気冷却型コンバイ
ンドサイクル発電プラントにおいて、定常運転時に蒸気
タービン排気が絶たれた場合に、ガスタービン高温部に
供給する冷却媒体を空気圧縮機の圧縮空気または高圧過
熱器の蒸気に切り替える構成としたものである。この発
明によれば、異常時にもガスタービン高温部へ確実に冷
却媒体を供給することができるため、安全にプラントを
運転することができる。

【００１５】請求項７のコンバインドサイクル発電プラ
ントの運転方法は、請求項３または４または５または６
記載の運転方法において、高圧過熱器の蒸気をガスター
ビン冷却媒体として供給する際に、高圧過熱器高温部か
らの蒸気と高圧過熱器低温部からの蒸気を混合して温度
調整した蒸気をガスタービンの冷却媒体として供給する
構成としたものである。この発明によれば、ガスタービ
ン高温部へ適切な温度の蒸気を冷却媒体として供給する
ことができるため、安全にプラントを運転することがで
きる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態につい
て以下に説明する。図１は本実施の形態のコンバインド
サイクル発電プラントの構成を示している。主な構成
は、空気圧縮機４、燃焼器５、ガスタービン本体６から
なる蒸気冷却型のガスタービン１と、高圧蒸気タービン
７、中圧蒸気タービン８および図示していない低圧蒸気
タービンからなる蒸気タービン２と、排熱回収ボイラ３
である。

【００１７】ガスタービン本体６の例えば動翼、静翼、
シュラウド部のような高温になる部位（以下、高温部と
称する）には、冷却のための蒸気が冷却蒸気供給経路12
によって供給され、あるいは冷却のための空気が冷却空
気供給経路14によって供給されるようになっている。

【００１８】通常運転時のガスタービン高温部の冷却
は、高圧蒸気タービン７の排気の一部もしくは全部が冷
却蒸気供給経路12を通じてガスタービン本体６の高温部
へ供給されて冷却を行う。ここでは高圧蒸気タービン排
気のみとしているが、排熱回収ボイラ３からの中圧蒸気
を高圧タービン排気に混合させてガスタービン高温部へ
供給する場合もある。

【００１９】ガスタービン高温部と熱交換を行った蒸気
は、冷却蒸気回収経路13を経て、ガスタービン冷却に供
給されない高圧タービン排気の残りがある場合はそれと
合流した後、再熱器11へと回収される。ここでは再熱器
に回収されるとしているが、中圧加減弁24の上流に回収
される場合もある。

【００２０】プラント起動時においては、高圧蒸気ター
ビン７に通気する前は高圧蒸気タービン排気流量が無い
ので、それまでの間はガスタービン冷却蒸気として高圧
蒸気タービン排気を供給することはできない。さらに、
排熱回収ボイラ３はその特性として蒸気発生に遅れを持
っていることから、ガスタービン起動後高圧蒸気タービ
ンへ通気するに適する蒸気条件（通気条件）が整うまで
に数分間かかり、その間は高圧蒸気タービンに通気され
ないのでガスタービン高温部へ冷却蒸気を供給できない
ことになる。

【００２１】そこで、図２に示すように起動過程の経過
とともに、圧縮空気、高圧過熱器蒸気、高圧蒸気タービ
ン排気、と冷却媒体の切り替えを行う。まず、起動に際
しては冷却蒸気回収経路13に設置されている弁19と冷却
蒸気供給経路12に設置されている弁18を閉止しておき、
蒸気サイクル側に空気が混入しないようにしておく。

【００２２】空気圧縮機４の吐出あるいは途中段と冷却
蒸気供給経路12とを連絡する冷却空気供給経路14には逆
止弁25が設置されており、ガスタービン１が起動して圧
縮機吐出圧力が上昇してくると、自動的にガスタービン
高温部へ圧縮空気が供給されるようになっている。ガス
タービン高温部を冷却した後の空気は、冷却空気排出経
路15および弁20を通って排ガスダクトへ排出される。こ
のようにして、ガスタービン起動から高圧蒸気発生まで
の間は、空気圧縮機４の圧縮空気を冷却空気供給経路14
を介してガスタービン高温部へ供給する。

【００２３】ガスタービン起動から数分後、ガスタービ
ン負荷を空気冷却で支えられる負荷（図２ではガスター
ビン負荷10%）で待機させておく。排熱回収ボイラ３か
ら蒸気が発生し始めたところで、高圧過熱器高温部蒸気
供給経路16に設置されている弁21および高圧過熱器低温
部蒸気供給経路17に設置されている弁22により高圧蒸気
を所要の温度に調整し、冷却蒸気供給経路12に設置され
ている弁18を開いて、前記温度調整された高圧蒸気をガ
スタービン高温部へ供給する。通常、冷却蒸気の圧力
は、ガスタービン作動ガスが蒸気側にリークしないよう
に圧縮機４の吐出圧力よりもやや高めの圧力で供給する
ので、逆止弁25が閉じて空気圧縮機４からの圧縮空気の
供給が停止される。

【００２４】空気圧縮機４からの圧縮空気の供給が停止
してから数秒ないし数分間は冷却空気排出経路15上の弁
20を開けておいて、ガスタービン高温部および冷却蒸気
系統配管内に残留する空気をパージし、その後弁20を閉
めると同時に冷却蒸気回収経路13上の弁19を開けて冷却
蒸気の回収を始める。

【００２５】なお、ここでは高圧過熱器を２分割とし、
高圧過熱器高温部蒸気に高圧第２過熱器10の出口蒸気
を、高圧過熱器低温部蒸気に高圧第１過熱器９の出口蒸
気を使用しているが、これに限定されるものではなく熱
交換器途中から抽気する等してもよい。このようにし
て、高圧蒸気が発生してから高圧蒸気タービン排気が使
用できるようになるまでの間は、高圧過熱器蒸気をガス
タービン高温部へ供給する。

【００２６】その後、ガスタービン負荷上昇を再開し
て、蒸気タービン２へ通気するのに適する負荷（図２で
はガスタービン負荷30%）で再び負荷上昇を中断し、通
気条件が整うのを待機する。

【００２７】ここで、蒸気タービン２へ通気するのに適
するガスタービン負荷について説明すると、蒸気タービ
ン２にかかる熱応力の観点から、蒸気タービンへ通気す
る蒸気温度は、蒸気タービンロータ温度との温度差（ミ
スマッチ）が小さい方が望ましい。一方、高圧過熱器出
口の蒸気温度は、ガスタービン排ガス温度に追従して変
化するから、蒸気タービンロータとのミスマッチを小さ
くできる排ガス温度になるまでガスタービン１を負荷上
昇してから、蒸気タービン２への通気を行う。

【００２８】このようにして高圧蒸気タービン７への通
気がなされ、高圧蒸気タービン排気がガスタービン冷却
に必要な流量を上回ったら、弁21と弁22を閉止して高圧
過熱器蒸気の供給を停止し、高圧蒸気タービン排気によ
る冷却に切り替える。この切り替えが完了したところ
で、ガスタービン１の負荷上昇を再開し、ガスタービン
負荷100%に至る。

【００２９】このような運転により、ガスタービン起動
過程においてガスタービン冷却媒体が途切れることなく
供給されるため、ガスタービン高温部を確実にかつ効果
的に冷却することができ、プラントを安全に起動するこ
とが可能となる。

【００３０】プラント停止過程においても、図３に示す
ように停止過程の経過にともなって冷却媒体の切り替え
を行う。停止の場合は、蒸気タービン２に通気されてい
る状態、つまり、高圧蒸気タービン７の排気による冷却
が行われている状態からガスタービン１の負荷降下が行
われるが、ガスタービン負荷がある程度まで下がったと
ころ（図３ではガスタービン負荷40%）でガスタービン
負荷降下を一度中断し、高圧加減弁23をゆっくり閉じて
蒸気タービンへの通気を停止する。これは、ガスタービ
ン負荷とともに蒸気温度が低下して蒸気タービンが冷え
てしまうと、次回の起動時に蒸気タービンの寿命を余計
に消費してしまうので、蒸気温度が下がり始める前に蒸
気タービンへの通気を止めるためである。

【００３１】高圧加減弁23が閉まるにつれて高圧蒸気タ
ービン７の排気の流量は減少していく。しかしこの時の
ガスタービン負荷は、まだ蒸気による冷却が必要な程度
に高い状態であるから、冷却蒸気の供給元を高圧蒸気タ
ービン排気から別の蒸気源へと切り替える必要がある。
そこで、高圧蒸気タービン７への流入蒸気が減少して、
高圧蒸気タービン排気流量が所要の流量を下回ったら、
弁21と弁22によりガスタービン高温部に入る冷却蒸気の
温度を調整しながら高圧過熱器蒸気を冷却蒸気供給経路
12へと供給しはじめ、高圧加減弁23が全閉したところで
完全に高圧過熱器蒸気へと冷却蒸気を切り替える。この
切り替え動作が完了したところで、再びガスタービン負
荷を降下する。

【００３２】ガスタービンが解列した後に、冷却空気排
出経路15の弁20を開けると同時に冷却蒸気回収経路13の
弁19を閉止し、弁18と弁21と弁22を閉止して高圧過熱器
蒸気の供給を停止する。これによって冷却空気供給経路
14にある逆止弁25の２次側圧力が下がるため、空気圧縮
機４からの圧縮空気が逆止弁25を通じてガスタービン高
温部へ供給され、ガスタービン冷却媒体が圧縮空気に切
り替えられる。冷却空気は、弁18と弁19は閉止している
から蒸気サイクル側に混入することはなく、弁20から排
ガスダクトへと排出される。

【００３３】この運転により、ガスタービン停止過程に
おいてガスタービン冷却媒体が途切れることなく供給さ
れるため、ガスタービン高温部を確実にかつ効果的に冷
却することができ、プラントを安全に停止することが可
能となる。

【００３４】負荷遮断時の場合には、高圧加減弁23が急
閉した時に、冷却蒸気供給経路12に設置された弁18およ
び冷却蒸気回収経路13に設置された弁19を閉じると同時
に、冷却空気排出経路15に設置された弁20を開けてもよ
い。このようにすることで、冷却空気供給経路14の逆止
弁25の２次側圧力が下がるため、逆止弁25が開いて空気
圧縮機４から圧縮空気が供給される。負荷遮断後のガス
タービンは無負荷定速の状態であり、燃焼温度が低いた
め空気による冷却でも損傷には至らない。

【００３５】この運転により、負荷遮断時においてもガ
スタービン冷却媒体が途切れることなく供給されるた
め、ガスタービン高温部を確実にかつ効果的に冷却する
ことができ、プラントを安全に運転することが可能とな
る。FCB（Fast Cut Back）動作の場合も同様である。

【００３６】また、負荷遮断の他の実施例としては、高
圧加減弁23が急閉するため、高圧蒸気タービン排気も急
減することになる。そこで高圧加減弁23閉止と同時に、
高圧過熱器高温部蒸気供給経路16に設置された弁21と、
高圧過熱器低温部蒸気供給経路17に設置された弁22によ
り、高圧蒸気を温度調整しながら冷却蒸気供給経路12へ
と供給する。負荷遮断後のガスタービンの運転状態は無
負荷定速であり、燃焼が継続されている状態であるか
ら、蒸気の発生も継続されている。この運転により、負
荷遮断時においてもガスタービン冷却媒体が途切れるこ
となく供給されるため、ガスタービン高温部を確実にか
つ効果的に冷却することができ、プラントを安全に運転
することが可能となる。FCB動作の場合も同様である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、起動および停止および
負荷遮断を含む非定常運転時においてもガスタービン高
温部に確実に冷却媒体を供給して冷却を行うことがで
き、安全に運転することができるコンバインドサイクル
発電プラントおよびその運転方法を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のコンバインドサイクル発
電プラントの構成図。

【図２】本発明の実施の形態のコンバインドサイクル発
電プラントの起動時における供給可能な冷却媒体の変化
を示す曲線図。

【図３】本発明の実施の形態のコンバインドサイクル発
電プラントの停止時における供給可能な冷却媒体の変化
を示す曲線図。

【符号の説明】

１…ガスタービン、２…蒸気タービン、３…排熱回収ボ
イラ、４…空気圧縮機、５…燃焼器、６…ガスタービン
本体、７…高圧蒸気タービン、８…中圧蒸気タービン、
９…高圧第１過熱器、10…高圧第２過熱器、11…再熱
器、12…冷却蒸気供給経路、13…冷却蒸気回収経路、14
…冷却空気供給経路、15…冷却空気排出経路、16…高圧
過熱器高温部蒸気供給経路、17…高圧過熱器低温部蒸気
供給経路、18〜22…弁、23…高圧加減弁、24…中圧加減
弁、25…逆止弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G002 CB01 GB01 3G081 BA02 BA11 BB00 BC07 BD00 DA06 DA23

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気圧縮機、燃焼器、および燃焼ガスに
   よって回転駆動されるガスタービン本体を備えたガスタ
   ービンと、このガスタービンの排熱を利用して蒸気を発
   生させる排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラからの
   蒸気によって駆動される蒸気タービンとを備え、前記ガ
   スタービンの高温部へ冷却媒体として前記空気圧縮機の
   圧縮空気と前記蒸気タービンの排気蒸気と前記排熱回収
   ボイラの高圧過熱器蒸気とを切り替え供給する冷却媒体
   経路を設けたことを特徴とするコンバインドサイクル発
   電プラント。
2. 【請求項２】 空気圧縮機からガスタービン高温部への
   冷却媒体経路に所定の圧力差で順方向開する逆止弁を設
   けたことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイ
   クル発電プラント。
3. 【請求項３】 請求項１記載のコンバインドサイクル発
   電プラントにおいて、プラント起動時は圧縮空気、高圧
   過熱器蒸気、高圧蒸気タービン排気の順序で冷却媒体を
   切り替え、プラント停止時は高圧蒸気タービン排気、高
   圧過熱器蒸気、圧縮空気の順序で冷却媒体を切り替える
   ことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの
   運転方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載のコンバインドサイクル発
   電プラントにおいて、プラント起動過程のガスタービン
   冷却媒体を、高圧過熱器の蒸気流量が必要流量以上にな
   るまでの間は空気圧縮機からの圧縮空気とし、高圧過熱
   器の蒸気流量が必要流量以上になってから蒸気タービン
   排気が必要流量以上になるまでの間は高圧過熱器の蒸気
   とし、蒸気タービン排気が必要流量以上になった以降は
   蒸気タービン排気とすることを特徴とするコンバインド
   サイクル発電プラントの運転方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載のコンバインドサイクル発
   電プラントにおいて、プラント停止過程のガスタービン
   冷却媒体を、蒸気タービン排気が必要流量以上ある間は
   蒸気タービン排気とし、蒸気タービン排気が必要流量に
   満たなくなってからは高圧過熱器の蒸気とし、ガスター
   ビン解列後に空気圧縮機の圧縮空気とすることを特徴と
   するコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。
6. 【請求項６】 請求項１記載の蒸気冷却型コンバインド
   サイクル発電プラントにおいて、定常運転時に蒸気ター
   ビン排気が絶たれた場合に、ガスタービン高温部に供給
   する冷却媒体を空気圧縮機の圧縮空気または高圧過熱器
   の蒸気に切り替えることを特徴とするコンバインドサイ
   クル発電プラントの運転方法。
7. 【請求項７】 高圧過熱器の蒸気をガスタービン冷却媒
   体として供給する際に、高圧過熱器高温部からの蒸気と
   高圧過熱器低温部からの蒸気を混合して温度調整した蒸
   気を供給することを特徴とする請求項３または４または
   ５または６記載のコンバインドサイクル発電プラントの
   運転方法。