JP2004504538A - ガス・蒸気複合タービン設備の運転方法とその設備 - Google Patents

Abstract

気体燃料と油燃料で運転されるガスタービン（２）を備えたガス・蒸気複合タービン設備（１）の運転方法において、気体燃料運転から油燃料運転に切換える際、加熱済み給水（Ｓ′）からの第１部分流（ｔ_１）と比較的冷たい給水（Ｓ）とから形成した混合部分流（ｔ１、_２）を、冷復水（Ｋ）に直接、即ち熱交換なしに混合する。そのため、本発明に基づく設備は、比較的冷たい給水（Ｓ）を導入する混合器（１０３）を備え、復水加熱器（３６）に導かれる加熱済み給水（Ｓ′）用の供給管（１０４）を備える。

Description

【０００１】
本発明は、気体並びに油燃料で運転されるガスタービンから出る燃焼ガスを廃熱ボイラを経て導き、該ボイラの加熱器を、複数の圧力段を有する蒸気タービンの水・蒸気回路に接続し、廃熱ボイラで加熱された復水を、該復水に比べて高圧の給水として加熱し、蒸気として蒸気タービンに供給するガス・蒸気複合タービン設備の運転方法に関する。
【０００２】
ガス・蒸気複合タービン設備において、ガスタービンからの膨張された作動媒体や燃焼ガスに含まれる熱は、水・蒸気回路に接続された蒸気タービンに対する蒸気を発生するために利用される。その熱伝達はガスタービンに後置接続された廃熱ボイラで行われる。その廃熱ボイラ内に加熱器（伝熱面）が管や管束の形で配置され、また蒸気タービンの水・蒸気回路に接続される。該水・蒸気回路は通常、複数、例えば２つ又は３つの圧力段を有し、各圧力段に加熱器として、予熱器、蒸発器並びに過熱器を備えている。この種ガス・蒸気複合タービン設備は、例えば欧州特許第０５２３４６７号明細書で公知である。
【０００３】
水・蒸気回路内を導かれる総水量は、廃熱ボイラから出る燃焼ガスを熱伝達により約７０〜１００℃の温度に冷やすよう決められている。これは、特に高温燃焼ガスに曝される加熱器と気水分離用の圧力ドラムが、今日、約５５〜６０％のプラント効率が達成される全負荷運転或いは定格運転に対し設計されることを意味する。またその際、熱力学的理由から、個々の加熱器内を導かれ、種々の圧力状態にある給水の温度を、廃熱ボイラに沿って熱交換により冷却される燃焼ガスの温度経過に可能な限り近付けるよう努めている。廃熱ボイラの全範囲で、個々の加熱器を経て導かれる給水と燃焼ガスの温度差を最小化するためである。その際、燃焼ガスに含まれる熱量を最大限に利用すべく、廃熱ボイラ内に追加的に、蒸気タービンからの凝縮水を加熱する復水加熱器（予熱器）を設けている。
【０００４】
この種ガス・蒸気複合タービン設備のガスタービンは、種々の燃料での運転に対応すべく設計される。ガスタービンが燃料油と天然ガスに対応して設計される場合、ガスタービンに対する燃料としての燃料油は、所謂天然ガスに対するバックアップ燃料として短い運転時間、例えば１００〜５００Ｈ／ａに対してしか考慮されない。ガス・蒸気複合タービン設備は通常、優先的にガスタービンの天然ガス運転に対し設計され、最適化されている。油燃料運転時特に気体燃料運転から油燃料運転に切換える際、廃熱ボイラに流入する復水の十分に高い入口温度を保障すべく、必要な熱量が種々の方式で廃熱ボイラ自体から抽出される。
【０００５】
復水加熱器を完全に又は部分的に迂回し、水・蒸気回路に接続された給水タンク内における復水を低圧蒸気の供給によって加熱する方式がある。しかしこの方式は、蒸気圧が低い場合、給水タンク内に場合によっては多段式の非常にかさばった加熱蒸気系統を必要とする。このために、加熱幅が大きい場合、給水タンク内において通常行われる脱気作用が害される。
【０００６】
特に復水の効果的な脱気作用を保障するために、給水タンク内における復水温度は、通常１３０〜１６０℃の温度範囲に保たれる。その場合、一般に給水タンク内の復水の加熱幅をできるだけ小さくするため、復水の加熱は、エコノマイザからの低圧蒸気や熱水が供給される加熱器により行われる。特に二圧力段形設備や三圧力段形設備の場合、十分な熱利用を可能とすべく、高圧エコノマイザから熱水を抽出する必要がある。しかしこれは特に、三圧力段形の設備又は回路の場合、高圧高温ないし大きな圧力差に対し設計せねばならない補助的な外部復水加熱器が必要となる大きな欠点がある。従ってこの方式は、復水加熱器に対する大きな経費と追加的な所要場所のために甚だ好ましくない。
【０００７】
また、ガスタービンの油燃料運転時、給水タンク或いは脱気器における復水加熱を、再熱器から導かれる蒸気の部分流で行うか支援する方式もある。しかしこの方式は、特に給水タンクも脱気器もなく、つまり混合加熱用の装置や設備が存在しない最新の設備回路には適用できない。
【０００８】
また独国特許第１９７３６８８９号明細書により、上述の方式に比べて安価な設備および運転費で実施できる方法が公知である。この方法は、低圧範囲での分解による復水加熱への排気熱の転用とエコノマイザの水側バイパス路の設置とに基礎を置く。しかし、この方式も所定の要件において実現限界に突き当たる。
【０００９】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のガス・蒸気複合タービン設備の運転方法を、安価な設備および運転費で、効率的でプラント効率に関し良好な方式で、廃熱ボイラに流入する復水入口温度が広い温度範囲において、気体燃料運転から油燃料運転への切換を保障するよう改良することにある。またこの方法を実施するために適したガス・蒸気複合タービン設備を提供することにある。
【００１０】
方法に関する課題は、本発明に基づき請求項１に記載の特徴によって解決される。そのため、復水に比べ高圧且つ高温の給水を、補助配管を経て冷復水に熱交換なしに、従って直接混合する。二圧力系統、即ち二圧力段設備の場合は高圧ドラムから、三圧力系統や三圧力段設備の場合は高圧ドラムおよび／又は中圧ドラムから、加熱済み給水又は熱水を第１部分流として抽出する。或いは第１部分流の抽出は、高圧又は中圧エコノマイザの出口でも行える。
【００１１】
必要に応じ補助的に、燃焼ガス内に含まれる熱を、低圧系統から燃焼ガス側において該系統の後方に配置された復水加熱器に移すべく、低圧系統の圧力が高められる。その際重要なのは、水・蒸気回路の適当な個所から抽出された加熱済み給水が、異なった温度の給水部分流から成る混合部分流の形で、先行加熱なしに、即ち補助熱交換器での熱交換なしに、冷復水に混合されることである。
【００１２】
本発明は、水・蒸気回路から抽出した加熱済み給水又は熱水を、その減圧前に復水系統の温度レベルに冷却する補助熱交換器を省けるという考えから出発している。減圧に従った蒸気発生は、加熱済み給水にその減圧前に高圧であるが比較的低温の給水部分流を混合し、その混合温度を復水系統における沸騰温度より低い温度にすることで阻止される。
【００１３】
その際、特に三圧力系統の場合、加熱済み給水は中圧系統、高圧系統或いはその両系統から抽出される。その抽出は、主に復水に対し必要な加熱熱量と、ガスタービンのバックアップとしてしか使用しない油燃料運転中に少なくとも維持せねばならないプラント効率とに左右される。
【００１４】
設備に関する課題は、本発明に基づき請求項６に記載の特徴によって解決される。気体燃料運転から油燃料運転に切換える際、加熱済み給水の第１部分流と比較的冷たい給水の第２部分流とからなる混合部分流を、冷復水に直接、即ち熱交換なしに混合すべく、本発明に基づく設備は、比較的冷たい給水を導入する混合器を備え復水加熱器に導かれている加熱済み給水用の供給管を備える。
【００１５】
本発明の有利な実施態様は、従属請求項７〜１０に示す。
【００１６】
本発明の利点は、特にガスタービンの油燃料運転中に必要なガスタービンの気体燃料運転に比べ高い廃熱ボイラの給水入口温度が、補助熱交換器や外部復水加熱器なしでも、適当な混合温度にした高圧の加熱済み給水を冷復水に直接、即ち熱交換なし混合することで、特に簡単な手段で得られることにある。その際、異なる温度の２つの給水部分流から混合部分流を用意することで、特に簡単且つ効果的に、油燃料運転中に冷復水に直接混合される混合部分流の温度を、加熱済み又は加熱すべき復水の沸騰温度より低温にできる。また還流する給水により復水加熱器の流量がそれに応じ高まるので、従来必要であった復水循環ポンプを省ける。特に回路変更なしに、ボイラの給水入口温度を広い温度範囲にできる。
【００１７】
このようにして、自明のように、通常、油燃料運転の際には気体燃料運転に比べて低いガスタービン出力のために僅かな給水搬送量しか必要ないため、高圧給水ポンプの予備容量も利用できる。回路技術的に特に効果的に広げられた運転範囲のために、標準化もできる。また、設備費が特に安い。
【００１８】
調整と切換が比較的簡単なため、一方では単純な運転が得られ、他方では全体として能動構成要素が左程必要ないので、高い信頼性が得られる。比較的少ない周辺構成要素のため、点検費と予備品管理も減少する利点がある。
【００１９】
以下図を参照し本発明の実施例を詳細に説明する。図は、気体燃料から油燃料の運転に切換えるべく設計したガス・蒸気複合タービン設備を概略的に示す。
【００２０】
図１のガス・蒸気複合タービン設備１はガスタービン設備１ａと蒸気タービン設備１ｂを備える。ガスタービン設備１ａは、空気圧縮機４が連結されたガスタービン２と、このタービン２に前置接続された燃焼器６とを備える。該燃焼器６は圧縮機４の圧縮空気管８に接続されている。燃焼器６に燃料管１０が開口している。この管１０を経て、燃焼器６に燃料Ｂとしてガスや油が供給される。燃料Ｂは圧縮空気Ｌの導入下に燃焼し、ガスタービン２用の作動媒体や燃焼ガスを発生する。ガスタービン２、空気圧縮機４および発電機１２は共通のタービン軸１４上に置かれている。
【００２１】
蒸気タービン設備１ｂは、発電機２２が連結された蒸気タービン２０を有し、更に水・蒸気回路２４に蒸気タービン２０に後置接続された復水器２６と廃熱ボイラ３０を備える。タービン２０は第１圧力段、即ち高圧部２０ａと、第２圧力段、即ち中圧部２０ｂと、第３圧力段、即ち低圧部２０ｃを有し、これら圧力段２０ａ、２０ｂ、２０ｃは共通のタービン軸３２を経て発電機２２を駆動する。
【００２２】
ガスタービン２で膨張した作動媒体、即ち燃焼ガスＡＭを廃熱ボイラ３０に導入するため、排気管３４が廃熱ボイラ３０の入口３０ａに接続されている。ガスタービン２からの燃焼ガスＡＭは、廃熱ボイラ３０に沿って流れ、水・蒸気回路２４内を導かれる復水Ｋおよび給水Ｓとの間接熱交換により冷却される。冷却された燃焼ガスＡＭは、廃熱ボイラ３０からその出口３０ｂを通って煙突（図示せず）に向かって流れ出る。
【００２３】
廃熱ボイラ３０は加熱器として復水加熱器（予熱器）３６を備える。該加熱器３６の入口側に復水管３８を経て復水器２６からの復水Ｋが供給される。復水管３８には復水ポンプ４０が挿入接続されている。復水加熱器３６の出口側は給水ポンプ４２の吸込み側に接続されている。復水加熱器３６を必要に応じ迂回すべく、復水加熱器３８を弁４６が挿入接続したバイパス管４４を設けている。
【００２４】
給水ポンプ４２は、中圧抽出口付きの高圧給水ポンプとして形成される。該ポンプ４２は復水Ｋを、蒸気タービン２０の高圧部２０ａに付属の水・蒸気回路２４の高圧段５０に適した約１２０〜１５０バールの圧力値にする。復水Ｋは給水ポンプ４２で中圧抽出口を経て、蒸気タービン２０の中圧部２０ｂに付属する水・蒸気回路２４の中圧段７０に適した約４０〜６０バールの圧力値にする。
【００２５】
給水ポンプ４２で導かれる復水Ｋは、給水ポンプ４２の吐出し側では給水Ｓと呼ばれる。該給水Ｓはその一部が高圧で、第１高圧エコノマイザ、即ち給水加熱器５１に導かれ、これを経て第２高圧エコノマイザ５２に流れる。エコノマイザ５２は出口側が弁５７を経て高圧ドラム（気水分離器）５４に接続されている。
【００２６】
給水Ｓはその一部が中圧で、逆止めフラッパ７１とこれに後置接続された弁７２を経て給水加熱器、即ち中圧エコノマイザ７３に導かれる。該エコノマイザ７３は出口側が弁７４を経て中圧ドラム７５に接続されている。復水加熱器３６は同様に、蒸気タービン２０の低圧部２０ｃに付属した水・蒸気回路２４の低圧段９０の一部として、出口側が弁９１を経て低圧ドラム９２に接続されている。低圧ドラム９０における圧力レベルは、適宜に設定されている。
【００２７】
中圧ドラム７５は廃熱ボイラ３０内に配置され、中圧蒸発器７６に水・蒸気循環路７７を形成すべく接続されている。中圧ドラム７５の蒸気側は再熱器７８に接続されている。該再熱器７８の出口側は蒸気タービン２０の中圧部２０ｂの入口７９に接続され、再熱器７８の入口側に、蒸気タービン２０の高圧部２０ａの出口８０に接続された排気管８１が導かれている。
【００２８】
給水ポンプ４２は高圧側が、２つの弁５５、５６、第１エコノマイザ５１、第１エコノマイザ５１に給水側で後置接続され、燃焼ガス側で廃熱ボイラ３０の内部に前置された第２エコノマイザ５２と、必要に応じ設けられた別の弁５７とを経て、高圧ドラム５４に導かれている。この高圧ドラム５４は、廃熱ボイラ３０内に配置された高圧蒸発器５８に水・蒸気循環路５９を形成すべく接続されている。高圧ドラム５４は主蒸気Ｆを排出するために廃熱ボイラ３０内に配置された高圧過熱器６０に接続されている。この過熱器６０は、出口側で蒸気タービン２０の高圧部２０ａの入口６１に接続されている。
【００２９】
高圧エコノマイザ５１、５２、高圧蒸発器５８および高圧過熱器６０は、蒸気タービン２０の高圧部２０ａと共に水・蒸気回路２４の高圧段５０を形成する。中圧蒸発器７６と再熱器７８は、蒸気タービン２０の中圧部２０ｂと共に水・蒸気回路２４の中圧段７０を形成している。同様に、廃熱ボイラ３０内に配置され水・蒸気循環路９３を形成すべく低圧ドラム９２に接続された低圧蒸発器９４は蒸気タービン２０の低圧部２０ｃと共に、水・蒸気回路２４の低圧段９０を形成している。そのために、低圧ドラム９２は蒸気側が蒸気管９５を経て蒸気タービン２０の低圧部２０ｃの入口９６に接続されている。蒸気管９５は、中圧部２０ｂの出口９７に接続された転流管９８につながっている。低圧部２０ｃの出口９９は、蒸気管１００を経て復水器２６に接続されている。
【００３０】
ガス・蒸気複合タービン設備１のガスタービン２は、天然ガスと燃料油を燃料Ｂとして運転できる。ガスタービン２の気体燃料運転中、廃熱ボイラ３０に導入される作動媒体、即ち燃焼ガスＡＭは非常に高い純度を有し、水・蒸気回路２４と設備構成要素はその運転状態に対し設計され、その効率に関して最適化されている。この運転状態において、給水ポンプ４２の吐出し側に弁５５を経て接続された部分流管１０２に存在する弁１０１は閉じられている。
【００３１】
ガスタービン２を気体燃料から油燃料運転に切換える際、弁１０１を開く。部分流管１０２は供給管１０４の混合器１０３に接続されている。該供給管１０４は流れ方向１０５においてその下流側で、混合器１０６を経て復水管３８に接続されている。供給管１０４には、流れ方向１０５において混合器１０３の上流に逆止めフラッパ１０７、混合器１０３の下流に弁１０８が各々存在する。
【００３２】
ガスタービン２の油燃料運転時、弁１０１の開放に伴って、又はその開放に続いて、加熱済み給水Ｓ′の調整可能な第１部分流ｔ_１が供給管１０４に導入される。加熱済み給水Ｓ′は弁１０９を経て特に高圧ドラム５４の水側から抽出される。或いは又、加熱済み給水Ｓ′は弁１１０を経て第１高圧エコノマイザ５１の出口側から、或いは弁１１１を経て第２高圧エコノマイザ５２の出口側からも、調整可能な第１部分流ｔ_１として抽出できる。
【００３３】
図示の三圧力系において、加熱済み給水Ｓ′は、それに加えて又はそれに代えて、中圧エコノマイザ７３の出口側から弁１１２を経て、又は中圧ドラム７５の水側から弁１１３を経て、調整可能な第１部分流ｔ_１として抽出できる。
【００３４】
加熱済み給水Ｓ′の第１部分流ｔ_１に混合器１０３で、比較的冷たい給水Ｓの第２部分流ｔ_２を混合する。部分流管１０２を経て導かれるこの第２部分流ｔ_２は、弁１０１で調整できる。その混合で生じた混合部分流ｔ１、_２は、混合器１０６を経て冷復水Ｋに混入する。その第１部分流ｔ_１の温度Ｔ_Ｓ′は、加熱済み給水Ｓ′を高圧ドラム５４から抽出する場合、例えば３２０℃である。
【００３５】
比較的冷たい給水Ｓとしての第２部分流ｔ_２の温度Ｔ_Ｓが例えば１５０℃の場合、第１、第２の両部分流ｔ_１、ｔ_２の量を弁１０９〜１１２又は弁１０１により調整することで、混合部分流ｔ１、_２の温度Ｔ_Ｍは例えば２１０℃となる。温度（Ｔ_Ｓ′、Ｔ_Ｓ）が異なる第１、第２両部分流ｔ_１、ｔ_２の混合に伴い、水・蒸気回路２４から抽出した加熱済み給水又は熱水Ｓ′を、その減圧前に混合器１０６を経て復水管３８に導入する際、復水系の温度レベルに、従って２００℃より低い温度に冷却できる。この結果、減圧による蒸気発生を防止し、その際弁１０８を混合部分流ｔ１、_２の減圧のために使える。
【００３６】
異なる温度Ｔ_Ｓ′、Ｔ_Ｓの第１、第２両部分流ｔ_１、ｔ_２から形成された混合部分流ｔ_１、_２の冷復水Ｋへの直接混合、即ち熱交換なしの混合で、特に簡単に、補助熱交換器なしで、ガスタービン２の油燃料運転時に必要であり気体燃料運転に比べ高い、例えば１２０〜１３０℃のボイラ給水入口温度Ｔ_Ｋ′が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に基づくガス・蒸気複合タービン設備の概略配管系統図。
【符号の説明】
１　　　　　ガス・蒸気複合タービン設備
２　　　　　ガスタービン
２０　　　　　蒸気タービン
２４　　　　　水・蒸気回路
２６　　　　　復水加熱器
３０　　　　　廃熱ボイラ
４２　　　　　給水ポンプ
５０　　　　　高圧段
５１、５２　　エコノマイザ
５４、７５　　ドラム
７０　　　　　中圧段
１０１　　　　　弁
１０２　　　　　部分流管
１０３　　　　　混合器
１０４　　　　　供給管
１０５　　　　　流れ方向
１０８、１０９　弁
Ｓ、Ｓ′　　　　給水

Claims (10)

1. 気体並びに油燃料で運転されるガスタービン（２）から出る燃焼ガス（ＡＭ）を廃熱ボイラ（３０）を経て導き、該ボイラ（３０）の加熱器を、複数の圧力段（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を持つ蒸気タービン（２０）の水・蒸気回路（２４）に接続し、廃熱ボイラ（３０）で加熱された復水を、該復水に比べて高圧の給水（Ｓ）として加熱し、蒸気（Ｆ）として蒸気タービン（２０）に供給するガス・蒸気複合タービン設備（１）の運転方法において、
   気体燃料運転から油燃料運転に切換える際、加熱済み給水（Ｓ′）からの第１部分流（ｔ_１）と比較的冷たい給水（Ｓ）とからなる混合部分流（ｔ_１、２）を冷復水（Ｋ）に直接混合することを特徴とする運転方法。
2. 第１部分流（ｔ_１）を復水（Ｋ）の圧力レベルに減圧する前に、前記第１部分流（ｔ_１）に混合する第２部分流（ｔ_２）を、混合部分流（ｔ_１、_２）の温度（Ｔ_Ｍ）が加熱すべき復水（Ｋ）の沸騰温度より低いように調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 第１部分流（ｔ_１）を、水・蒸気回路（２４）の高圧段（５０）および／又は中圧段（７０）から抽出することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 第１部分流（ｔ_１）を、廃熱ボイラ（３０）内に加熱器として設けた高圧エコノマイザ（５１、５２）又は中圧エコノマイザ（７３）の出口側から抽出することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 第１部分流（ｔ_１）を、水・蒸気回路（２４）に接続された高圧ドラム（５４）又は中圧ドラム（７５）から抽出することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 気体燃料並びに油燃料で運転されるガスタービン（２）と、該タービン（２）の排気側に後置接続された廃熱ボイラ（３０）とを備え、該ボイラ（３０）の加熱器が、少なくとも低圧段（２０ｃ）と高圧段（２０ａ）とを有する蒸気タービン（２０）の水・蒸気回路（２４）に接続されたガス・蒸気複合タービン設備（１）において、
   混合器（１０３）を有し、かつ出口側で加熱器として廃熱ボイラ（３０）内に配置された復水加熱器（３６）の入口側に導かれる供給管（１０４）を備え、
   該供給管（１０４）が入口側で水・蒸気回路（２４）に接続された圧力ドラム（５４、７５）の水側におよび／又は加熱器として廃熱ボイラ（３０）内に配置されたエコノマイザ（５１、５２、７３）の出口側に導かれ、圧力ドラム（５４、７５）ないしエコノマイザ（５１、５２、７３）から取り出され供給管（１０４）を経て導かれる加熱済み給水（Ｓ′）の第１部分流（ｔ_１）に、比較的冷たい給水（Ｓ）の調整可能な第２部分流（ｔ_２）が混合器（１０３）を経て導入されることを特徴とする設備。
7. 第１部分流（ｔ_１）と第２部分流（ｔ_２）とからなる混合部分流（ｔ１、_２）の流れ方向（１０５）において、混合器（１０３）の下流で供給管（１０４）に、第１部分流（ｔ_１）および／又は混合部分流（ｔ１、_２）の減圧用の弁（１０８）が接続されたことを特徴とする請求項６記載の設備。
8. 第１部分流（ｔ_１）を調整すべく、その流れ方向（１０５）において混合器（１０３）の上流で供給管（１０４）に少なくとも１つの弁（１０９〜１１３）が接続されたことを特徴とする請求項６又は７記載の設備。
9. 出口側が混合器（１０３）に開口する部分流管（１０２）が、入口側で給水ポンプ（４２）の吐出し側に接続されたことを特徴とする請求項６から８の１つに記載の設備。
10. 部分流管（１０２）に、第２部分流（ｔ_２）を調整するための弁（１０１）が接続されたことを特徴とする請求項９記載の設備。