JP2012021447A5

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Publication number: JP2012021447A5
Application number: JP2010159304A
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Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2030-07-14

Description

コンバインドサイクル発電装置

本発明は、ガスタービンの排熱によって蒸気タービンの高圧室から排出された蒸気を再熱し、該再熱した蒸気を中圧室に導入して、前記蒸気タービンを駆動するコンバインドサイクル発電装置に関するものであって、特に前記中圧タービンのタービンロータを効果的に冷却することができるコンバインドサイクル発電装置に関するものである。

従来より、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電装置が知られている。ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電装置は、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ことによって効率良く発電出来るため、燃料消費が少なく、排出ＣＯ２も少ないので、近年需要が拡大している。

前記コンバインドサイクル発電装置は、ガスタービンの排熱によって、蒸気タービンの高圧室から排出された蒸気を再熱し、該再熱された蒸気（再熱蒸気）を中圧室に導入する事で、前記蒸気タービンを駆動するものである。

前述のガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電装置では、高圧タービンに導入される主蒸気と中圧タービンに導入される再熱蒸気の温度は略同等であるが、中圧タービンは高圧タービンと比較すると使用される翼の翼径が大きいため、蒸気タービンの駆動に伴う翼の遠心力が大きく、特に中圧タービンの蒸気入口部付近におけるタービンロータや翼根部ではクリープ強度の面で課題が残る。そのため、コンバインドサイクル発電装置における中圧タービンではタービンロータを冷却する必要がある。

図４は、従来のコンバインドサイクル発電装置における中圧タービンのタービンロータの冷却に係る説明図であって、コンバインドサイクル発電装置を構成する蒸気タービンシステムの高圧タービン入口部周辺及び中圧タービン入口部周辺を示したものである。

蒸気タービンシステム０３は、中圧タービン２及び高圧タービン４を有している。中圧タービン２は、複数の静翼２４ａ、２４ｂ、２４ｃ・・・からなる静翼列と、第１段目の静翼２４ａの翼根２３ａ及び先端２３ｂを支持するとともに第２段目以降の静翼２４ｂ、２４ｃ・・・の翼根を支持する中圧車室２２と、複数の動翼２６ａ、２６ｂ、２６ｃ・・・からなる動翼列を有している。また高圧タービン４は、複数の静翼４４ａ、４４ｂ、４４ｃ・・・からなる静翼列と、第１段目の静翼４４ａの翼根４３ａ及び先端４３ｂを支持するとともに第２段目以降の静翼４４ｂ、４４ｃ・・・の翼根を支持する高圧車室４２と、複数の動翼４６ａ、４６ｂ、４６ｃ・・・からなる動翼列を有している。

また、中圧タービン２に再熱蒸気を導入する再熱蒸気入口３と、高圧タービン４に主蒸気を導入する主蒸気入口５が設けられており、中圧タービン２の蒸気入口と高圧タービン４の蒸気入口は対向する向きに配置されている。また中圧タービン２と高圧タービン４との間には、中圧タービン２で発生するスラスト力とのバランスをとるための中圧ダミー部６と、高圧タービン４で発生するスラスト力とのバランスをとるための高圧ダミー部７とが設けられており、中圧ダミー部６と高圧ダミー部７との間には空間部８が設けられている。

図４に示した蒸気タービンシステム０３においては、高圧タービン４の第１段目の静翼４４ａと第１段目の動翼４４ｂとの間から、第１段目の静翼４４ａによって減圧された主蒸気の一部を冷却蒸気として抜き出し、高圧ダミー部７及び低圧ダミー部６を介して、中圧室４に導入することで中圧タービン２内のタービンロータ２８を冷却している。なお、図４中にＣで示した黒塗りの矢印は前記冷却蒸気の流れを示しており、該冷却蒸気は、一部はタービンロータ２８の冷却に使用され、一部は空間部８を介して高圧タービン４の排気と合流して、再熱器（不図示）によって再熱されて再熱蒸気の一部となる。

しかしながら、近年、図４に示したようなコンバインドサイクル発電装置では、ガスタービンの高温化技術開発の進展に伴い、高圧タービンに導入される主蒸気温度と、ガスタービンの排熱によって再熱されて中圧タービンに導入される再熱蒸気温度が高温化している。さらに、コンバインドサイクル発電装置全体のサイクルの効率化のために高圧タービンで用いられる翼の反動翼化が進んでおり、従来の衝動翼を用いた場合と比較して前記冷却蒸気温度が高くなる傾向がある。そのため、図４に示した技術では、中圧タービンのタービンロータ２８の冷却効果が充分とはならない可能性がある。

また、コンバインドサイクル発電装置において、中圧タービンのタービンロータ２８を冷却することができるその他の技術として、特許文献１には、圧縮機、燃焼器、ガスタービンを含むガスタービンプラントと、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンを含む蒸気タービンプラントを組み合わせ、ガスタービン排熱を利用して前記各蒸気タービンを駆動する高圧蒸気、中圧蒸気、低圧蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えたコンバインド発電プラントにおいて、排熱回収ボイラの中圧発生蒸気であって中圧ドラムの飽和温度より高い温度の蒸気を燃焼器尾筒の冷却蒸気として用い、冷却後昇温した冷却蒸気を中圧タービンへ回収するとともに、高圧タービン出口より抽気した蒸気を用いてガスタービン翼を冷却し、冷却後昇温した冷却蒸気を排熱回収ボイラの再熱器の中間部へ回収する技術が開示されている。

特許第３５０００２０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、前記排熱回収ボイラの中圧発生蒸気であって中圧ドラムの飽和温度より高い温度の蒸気を、燃焼器尾筒の冷却蒸気として用いた後昇温して中圧タービンへ回収することで、該蒸気（尾筒冷却蒸気）を中圧タービンのタービンロータの冷却に用いることができるものの、該尾筒冷却蒸気を中圧タービンに導入する再熱蒸気と混合してから尾筒冷却蒸気を中圧タービンに導入している。これにより、中圧タービンの冷却は可能であるが、尾筒冷却蒸気を中圧タービン導入前の再熱蒸気と混合するため、尾筒冷却蒸気により再熱蒸気までもが冷却されてしまい、コンパインド発電プラント全体の熱サイクル効率が低下してしまうという課題がある。

従って、本発明は従来技術の問題点に鑑み、全体の熱サイクル効率を低下させることなく、中圧タービンのタービンロータを効率的に冷却することができるコンバインドサイクル発電装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため本発明においては、ガスタービンの排熱によって、蒸気タービンの高圧室から排出された蒸気を再熱し、該蒸気を中圧室に導入して、前記蒸気タービンを駆動するコンバインドサイクル発電装置であって、前記ガスタービンを冷却した後の冷却蒸気を、前記ガスタービンの排熱によって再熱された再熱蒸気が導入される再熱蒸気入口とは別個の冷却蒸気入口から、前記中圧室に導入してこの中圧室を冷却するようにしたことを特徴とする。

前記冷却蒸気を、前記再熱蒸気と別個の冷却蒸気入口から前記中圧室に導入することで、再熱蒸気を冷却してしまうことなく前記冷却室を中圧室に導入することができ、コンバインド発電プラント全体の熱サイクル効率の低下を免れることができる。
さらに、前記ガスタービンを冷却した後の冷却蒸気は、前記再熱蒸気よりも低温であるので、該冷却蒸気を中圧室に導入することで、中圧タービンのタービンロータを効率的に冷却することができる
なお、前記冷却蒸気として、前記高圧室から排出された蒸気よりも高温である蒸気を使用してもよい。典型的には前記高圧室の出口蒸気は再熱蒸気と比較すると大幅に低温であるので、仮に高圧室の出口蒸気を前記冷却蒸気として使用すると、再熱蒸気と高圧室の出口蒸気との大きな温度差により、中圧室内の温度を制御することが難しくなる。この点、前記冷却蒸気として前記高圧室から排出された蒸気よりも高温である蒸気を使用すれば、中圧室内の温度管理が容易になる。

また、前記中圧室は、前記再熱蒸気入口の直後に配置された第１段目の静翼の翼根および先端を支持するとともに、第２段目以降の静翼列の翼根を支持する中圧車室と、中圧動翼列を有し、前記中圧車室に収納される中圧ロータとを含み、前記冷却蒸気入口は、前記第１段目の静翼が前記中圧車室に支持された位置における、前記中圧車室と前記中圧ロータとの間隙を介して、前記第１段目の静翼と第１段目の動翼との間に連通しているとよい。
これにより、再熱蒸気が第１段目の静翼で仕事をして前記冷却蒸気と近い温度まで低下した後に前記冷却蒸気が中圧室に導入される。そのため、前記冷却蒸気によって再熱温度を低下させることなく中圧室に導入することができ、再熱蒸気に中圧室でさらに効率的に仕事をさせることができる。

また、前記冷却蒸気は、前記再熱蒸気よりも高圧であり、前記中圧室と高圧室との間に前記高圧室および前記中圧室を仕切るダミー部を設け、該ダミー部を前記再熱蒸気入口と連通させるとよい。
これにより、前記冷却蒸気によって前記ダミー部も冷却することができて冷却範囲が広がる。

また、前記冷却蒸気は、前記ガスタービンの燃焼器を冷却した後の尾筒冷却蒸気であるとよい。
前記尾筒冷却蒸気は通常再熱蒸気と混合して処理するので、該尾筒冷却蒸気により再熱蒸気が冷却され熱効率が低下する。しかし、前記尾筒冷却蒸気を前記冷却蒸気として使用することで、尾筒冷却蒸気を再熱蒸気と混合する必要がなく、尾筒冷却蒸気によって再熱蒸気を冷却し熱効率が低下することを防止することができる。

本発明によれば、全体の熱サイクル効率を低下させることなく、中圧タービンのタービンロータを効率的に冷却することができるコンバインドサイクル発電装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係るコンバインドサイクル発電装置の概略系統図である。本発明の実施形態１に係るコンバインドサイクル発電装置における中圧タービンのタービンロータの冷却に係る説明図である。本発明の実施形態２に係るコンバインドサイクル発電装置における中圧タービンのタービンロータの冷却に係る説明図である。従来のコンバインドサイクル発電装置における中圧タービンのタービンロータの冷却に係る説明図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るコンバインドサイクル発電装置の概略系統図である。
コンバインドサイクル発電装置１は、ガスタービン０１、排熱回収ボイラ０２、並びに高圧タービン４、中圧タービン及び低圧タービン１０からなる蒸気タービンシステム０３を備えている。

図１に示したコンバインドサイクル発電装置１におけるガスタービン０１を構成する圧縮機１２により大気を吸い込んで所定の圧力まで圧縮した後に、燃焼器１３において、タービン１１の入口で所定の温度になるように調整された燃料と圧縮機１２により加圧された空気を混合して燃焼させている。燃焼器１３で仕事を終えた排ガスは、排ガスダクト９から排熱回収ボイラ０２へ供給される。

また、排熱回収ボイラ０２では、低圧ドラム１４、中圧ドラム１５、高圧ドラム１６で過熱蒸気を発生させ、高圧ドラム１６で発生した蒸気は高圧蒸気配管１７により主蒸気として高圧タービン４に導かれ、高圧タービン４で膨張して出力を発生する。高圧タービン４の出口蒸気は、排熱回収ボイラ０２の再熱器１８に導かれて再熱され、再熱蒸気として中圧タービン２に導かれる。

また、中圧ドラム１５で発生した蒸気は、冷却蒸気配管１８により燃焼器１３の尾筒に導かれ、燃焼器６の尾筒を冷却する。燃焼器６の尾筒を冷却することによって加温された前記蒸気は、高圧タービン４から排出される蒸気よりも高温まで加温され、冷却蒸気回収配管１９を介して後述するように中圧タービン２に導かれる。

また、中圧タービン２に導かれた前記再熱蒸気は、中圧タービン２で膨張されて出力を発生した後、低圧ドラム１４で発生して低圧蒸気配管２０を介して供給された過熱蒸気と混合し、低圧タービン１０の入口へ供給される。

低圧タービン１０の入口へ供給された蒸気は低圧タービン１０により膨張し、発電機（不図示）への出力を発生する。その後、復水器（復水）により蒸気を復水させ、加圧ポンプにより所定の圧力まで加圧した後、給水配管を経て排熱回収ボイラ０２に復水した水を供給する。

次に、図１に示したコンバインドサイクル発電装置１に係る、中圧タービン２の冷却について説明する。図２は、本発明の実施形態１に係るコンバインドサイクル発電装置における中圧タービンのタービンロータの冷却に係る説明図であって、蒸気タービンシステムの高圧タービン入口部周辺及び中圧タービン入口部周辺を示したものである。

蒸気タービンシステム０３は、図１にも示したように中圧タービン２及び高圧タービン４を有している。中圧タービン２は、複数の静翼２４ａ、２４ｂ、２４ｃ・・・からなる静翼列と、第１段目の静翼２４ａの翼根２３ａ及び先端２３ｂを支持するとともに第２段目以降の静翼２４ｂ、２４ｃ・・・の翼根を支持する中圧車室２２と、複数の動翼２６ａ、２６ｂ、２６ｃ・・・からなる動翼列から構成される。また高圧タービン４は、複数の静翼４４ａ、４４ｂ、４４ｃ・・・からなる静翼列と、第１段目の静翼４４ａの翼根４３ａ及び先端４３ｂを支持するとともに第２段目以降の静翼４４ｂ、４４ｃ・・・の翼根を支持する高圧車室４２と、複数の動翼４６ａ、４６ｂ、４６ｃ・・・からなる動翼列から構成される。

図２に示した蒸気タービンシステム０３においては、高圧タービン４の第１段目の静翼４４ａと第１段目の動翼４４ｂとの間と、中圧タービン２の第１段目の静翼２４ａと第１段目の動翼２６ａとの間とを、高圧ダミー部７及び低圧ダミー部６を介して連通する連通路３１が設けられている。これにより、高圧タービン４の第１段目の静翼４４ａと第１段目の動翼４４ｂとの間から、第１段目の静翼４４ａによって減圧された主蒸気の一部が冷却蒸気として抜き出され、該冷却蒸気が、連通路３１を介して中圧タービン４に中圧タービン２の第１段目の静翼２４ａと第１段目の動翼２６ａとの間に導入され、中圧タービン２内のタービンロータ２８を冷却している。なお、図２中にＢで示した黒塗りの矢印は高圧タービン４からの前記冷却蒸気の流れを示しており、該冷却蒸気は、一部は中圧タービン２のタービンロータ２８の冷却に使用され、一部は空間部８、及び図１に示したａ部にて高圧タービン４の排気が流れる配管と合流する配管８’を介して高圧タービン４の排気と合流して、再熱器１８によって再熱されて再熱蒸気の一部となる。

さらに、本発明に特徴的な構成として、燃焼器６の尾筒を冷却することで加熱された冷却蒸気（以下尾筒冷却蒸気と称する）が流れる冷却蒸気回収配管１９が、中圧ダミー部６と中圧タービン２との間で連通路３１に合流している。これにより、ガスタービン０１の燃焼器６の尾筒を冷却した尾筒冷却蒸気を、冷却蒸気回収配管１９及び連通路３１を経て中圧タービン２の第１段目の静翼２４ａと第１段目の動翼２６ａとの間に導入し、前記尾筒冷却蒸気により中圧タービン２内のタービンロータ２８を冷却している。なお、図２中にＡで示した黒塗りの矢印は前記尾筒冷却蒸気の流れを示している。

本実施形態によれば、図２に矢印Ｂで示したように流れる高圧タービン４から中圧タービン２に流れる冷却蒸気に加えて、図２に矢印Ａで示したように流れる尾筒冷却蒸気を用いて中圧タービン２のタービンロータ２８の冷却を行っている。前記尾筒冷却蒸気は、図２に矢印Ｂで示したように流れる冷却蒸気よりも低温であるため、中圧タービン２のタービンロータの冷却に尾筒冷却蒸気を用いることで冷却効率を高めることができる。
なお、コンバインド発電装置のプロセス中において前記尾筒冷却蒸気よりも低温の蒸気として、高圧タービン４の出口蒸気を使用することも考えられるが、該出口空気を使用すると、該出口蒸気は前記再熱蒸気と比較すると極端に温度が低いため、冷却効果が大きすぎ中圧タービン２における温度管理が難しくなる。そのため、高圧タービン４の出口空気よりも高温であって、図２に矢印Ｂで示したように流れる冷却蒸気よりも低温である蒸気を使用することが好ましく、当該条件にあてはまる蒸気として前記尾筒冷却蒸気が最適である。

さらに、前記冷却蒸気及び尾筒冷却蒸気を中圧タービン２の第１段目の静翼２４ａと第１段目の動翼２６ａとの間に導入している。これにより、再熱蒸気を前記冷却蒸気及び尾筒冷却蒸気によって温度を低下させることなく中圧タービン２に導入することができ、再熱蒸気に中圧タービン２で効率的に仕事をさせることができる。
即ち、全体の熱サイクル効率を低下させることなく、中圧タービンのタービンロータを効率的に冷却することができる。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係るコンバインドサイクル発電装置における中圧タービンのタービンロータの冷却に係る説明図であって、蒸気タービンシステムの高圧タービン入口部周辺及び中圧タービン入口部周辺を示したものである。
図３において、図２と同一符号は同一物を表しその説明を省略する。また、実施形態２において、コンバインドサイクル発電装置全体の系統図は、空間部８の接続先以外は実施形態１にて図１に示した系統図と同様であるため、図１を援用しその説明を省略する。

図３においては、配管８’を図１におけるｂ’部と合流させている。
空間部８は、配管８’の接続先と略同圧となる。そのため図３においては空間部は中圧タービン２の入口と略同圧になり、これは前記尾筒冷却蒸気よりも低圧である。
従って、実施形態２においては、尾筒冷却蒸気は図３に矢印Ａ’で示したように、一部は中圧タービン２のタービンロータ２８の冷却に用いられ、残りの一部は中圧ダミー部６を経て空間部８から中圧タービン入口（図１に示したｂ部）に流れて再熱蒸気と合流する。またこの時、高圧タービン４からの冷却蒸気は図３に矢印Ｂ’で示したように全量が空間部８から配管８’を介して中圧タービン入口（図１に示したｂ部）に流れて再熱蒸気と合流する。

実施形態２においては、実施形態１と同様の効果に加えて、尾筒冷却蒸気によって中圧ダミー部６も冷却することができて冷却範囲が広がる。

全体の熱サイクル効率を低下させることなく、中圧タービンのタービンロータを効率的に冷却することができるコンバインドサイクル発電装置として利用することができる。

１コンバインドサイクル発電装置
０１ガスタービン
０２排熱回収ボイラ
０３蒸気タービンシステム
２中圧タービン
４高圧タービン
６中圧ダミー部
７高圧ダミー部
１０低圧タービン
１９冷却蒸気回収配管
２４ａ第１段目の静翼
２６ａ第１段目の動翼

Claims

ガスタービンの排熱によって、蒸気タービンの高圧室から排出された蒸気を再熱し、該蒸気を中圧室に導入して、前記蒸気タービンを駆動するコンバインドサイクル発電装置であって、
前記ガスタービンを冷却した後の冷却蒸気を、前記ガスタービンの排熱によって再熱された再熱蒸気が導入される再熱蒸気入口とは別個の冷却蒸気入口から、前記中圧室に導入してこの中圧室を冷却するようにしたコンバインドサイクル発電装置。
前記中圧室は、前記再熱蒸気入口の直後に配置された第１段目の静翼の翼根および先端を支持するとともに、第２段目以降の静翼列の翼根を支持する中圧車室と、中圧動翼列を有し、前記中圧車室に収納される中圧ロータとを含み、
前記冷却蒸気入口は、前記第１段目の静翼が前記中圧車室に支持された位置における、前記中圧車室と前記中圧ロータとの間隙を介して、前記第１段目の静翼と第１段目の動翼との間に連通していることを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電装置。
前記冷却蒸気は、前記再熱蒸気よりも高圧であり、
前記中圧室と高圧室との間に前記高圧室および前記中圧室を仕切るダミー部を設け、該ダミー部を前記再熱蒸気入口と連通させたことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンバインドサイクル発電装置。
前記冷却蒸気は、前記ガスタービンの燃焼器を冷却した後の尾筒冷却蒸気であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のコンバインドサイクル発電装置。