JP2012082971A - ボイラ、ガスタービンコンバインドサイクルプラント、及び温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過熱蒸気の温度をより効率的に制御することができるボイラ、ガスタービンコンバインドサイクルプラント、及び温度制御方法を得ることを目的とする。
【解決手段】排ガスボイラ２０は、高圧蒸気タービン用過熱器４０によって、ガスタービンから排気される排ガスと、複数段とされた伝熱管４０Ａ内を流れる蒸気とが熱交換され、該蒸気が過熱される。そして、バイパス管６０によって、蒸気の流れが上流側の段の伝熱管４０Ａに流れる蒸気が下流側の伝熱管４０Ａへ供給され、該下流側の伝熱管４０Ａを流れる蒸気の温度が所定温度とされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボイラ、ガスタービンコンバインドサイクルプラント、及び温度制御方法
に関するものである。

ガスタービンコンバインドサイクル（Gas Turbine Combined Cycle）プラントは、ガスタービンから排気される排ガスから熱回収する排ガスボイラ（Heat Recovery Steam Generator：「ＨＲＳＧ」ともいう。）によって蒸気を過熱し、過熱蒸気を蒸気タービンに供給する。
ここで、蒸気タービンに対して供給される過熱蒸気の温度が適切でない場合は、タービンの摩耗及び損耗等を生じさせることになり、蒸気タービンを劣化させる原因となる。
このため、図６（Ａ）に示すように、従来の排ガスボイラ１００は、蒸気タービンに供給する蒸気を過熱させる過熱器１０２の伝熱管１０４に対して、スプレー１０６を用いて冷却水を噴霧することによって、伝熱管１０４内を流れる過熱蒸気を冷却し、蒸気タービンの入口温度を制御していた。しかし、噴霧される水が蒸気タービン内に混入し、蒸気タービンを劣化させる原因となる可能性があった。
そのため、特許文献１には、図６（Ｂ）に示すように、過熱器１１２に、伝熱管１１４内の蒸気とドラム１１８内の飽和水とを熱交換させるためのバイパス管１２０が設けられ、冷却された蒸気を伝熱管１１４へ戻すことによって、伝熱管１１４内の蒸気を減温する排ガスボイラ１１０が開示されている。

特開２００７−１６３１２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、バイパス管１２０の入口と出口とが近い位置（同じ段）にあるため、バイパス管１２０に設けられている減温用弁１２２の前後における差圧が小さく、減温用弁１２２の弁サイズを大きくする必要があり、コスト増を招く。また、蒸気の差圧を大きくすると、蒸気が有するエネルギーが減少し、蒸気タービンの効率の低下を招く。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、過熱蒸気の温度をより効率的に制御することができるボイラ、ガスタービンコンバインドサイクルプラント、及び温度制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のボイラ、ガスタービンコンバインドサイクルプラント、及び温度制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るボイラは、燃料の燃焼熱によって過熱蒸気を生成するボイラであって、前記燃焼熱と、複数段とされた伝熱管内を流れる蒸気とを熱交換し、該蒸気を過熱させる過熱器と、前記蒸気の流れが上流側の段の伝熱管に流れる前記蒸気を下流側の段の伝熱管へ供給することによって、該下流側の伝熱管を流れる前記蒸気の温度を所定温度とするバイパス管と、を備える。

本発明によれば、過熱器によって、燃焼熱と、複数段とされた伝熱管内を流れる蒸気とが熱交換され、該蒸気が過熱される。そして、バイパス管によって、蒸気の流れが上流側の段の伝熱管に流れる蒸気が下流側の伝熱管へ供給され、該下流側の伝熱管を流れる蒸気の温度が所定温度とされる。
このように、本発明は、下流側の蒸気の温度を、より温度の低い上流側の蒸気を用いて減温することができ、蒸気に対して蒸気を混合するため、下流側の蒸気を均一な温度にし易い。また、上流側の段の伝熱管の蒸気を下流側の段の伝熱管に供給するため蒸気に圧損が生じ、バイパス管に弁を設けた場合に弁差圧が大きくなるので、弁サイズを小さくすることができ、弁に対するコストを低減することができる。以上のことから、本発明は、過熱蒸気の温度をより効率的に制御することができる。

また、本発明のボイラは、前記バイパス管が、前記過熱器から流出した過熱蒸気に、前記上流側の伝熱管に流れる蒸気を供給してもよい。
本発明によれば、バイパス管は、過熱器から流出した過熱蒸気に、上流側の伝熱管に流れる蒸気を供給する、すなわち、バイパス管は、最終段の伝熱管の出口と上流側の伝熱管とを接続する。これにより、過熱蒸気の温度制御をより精度よく行うことができる。

また、本発明のボイラは、前記バイパス菅が、熱交換器に接続され、前記バイパス管を流れる蒸気が、前記熱交換器を流れる給水との間で熱交換されてもよい。
本発明によれば、下流側の蒸気と混合される蒸気の温度がより低くなるので、過熱蒸気の温度の制御性を向上させることができる。

また、本発明のボイラは、前記過熱器から流出した過熱蒸気が、蒸気タービンへ供給され、前記給水を、前記蒸気タービンから排気された蒸気が液化され、前記過熱器へ供給される復水としてもよい。
本発明によれば、バイパス管を流れる蒸気の熱量は、蒸気とするために加熱する復水に与えられるので、系としての熱損失を抑制することができる。

一方、本発明に係るボイラは、ガスタービンコンバインドサイクルプラントは、ガスタービンと、前記ガスタービンから排気される排ガスの熱を燃焼熱として用いる請求項１から請求項４の何れか１項に記載のボイラと、前記ボイラからの過熱蒸気が供給される蒸気タービンと、を備える。
本発明によれば、上記記載のボイラを備えるので、蒸気タービンへ供給する過熱蒸気の温度をより効率的に制御することができる。

さらに、本発明に係る温度制御方法は、燃料の燃焼熱によって過熱蒸気を生成するボイラに設けられ、燃焼熱と、複数段とされた伝熱管内を流れる蒸気とを熱交換し、該蒸気を過熱させる過熱器の温度制御方法であって、前記蒸気の流れが上流側の段の伝熱管に流れる前記蒸気を下流側の段の伝熱管へ供給することによって、該下流側の伝熱管を流れる前記蒸気の温度を所定温度とする。
本発明によれば、下流側の蒸気の温度を、より温度の低い上流側の蒸気を用いて減温することができ、蒸気に対して蒸気を混合するため、下流側の蒸気を均一な温度にし易い。また、上流側の段の伝熱管の蒸気を下流側の段の伝熱管に供給するため蒸気に圧損が生じ、バイパス管に弁を設けた場合に弁差圧が大きくなるので、弁サイズを小さくすることができ、弁に対するコストを低減することができる。以上のことから、本発明は、過熱蒸気の温度をより効率的に制御することができる。

本発明によれば、過熱蒸気の温度をより効率的に制御することができる、という優れた効果を有する。

本発明の第１実施形態に係るＧＴＣＣプラントの構成図である。 本発明の第１実施形態に係る排ガスボイラの構成図である。 本発明の第１実施形態に係る減温用弁制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る排ガスボイラの変形例の構成図である。 本発明の第２実施形態に係る排ガスボイラの構成図である。 従来の排ガスボイラの構成図である。

以下に、本発明に係る、ボイラ、ガスタービンコンバインドサイクル（以下、「ＧＴＣＣ」という。）プラント、及び温度制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。

図１に、本第１実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成を示す。
ＧＴＣＣプラント１０は、回転軸１２により駆動されることで、空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機１４、燃料と圧縮機１４によって生成された圧縮空気とを燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器１６、及び燃焼器１６によって生成された燃焼ガスにより駆動し、排気口から排ガスを排気するガスタービン１８を備える。
また、ＧＴＣＣプラント１０は、ガスタービン１８の排ガスの熱を燃焼熱として用いることによって、該排ガスから熱回収して蒸気を生成させる排ガスボイラ２０、排ガスボイラ２０によって生成された高圧の過熱蒸気により駆動する高圧蒸気タービン２２、排ガスボイラ２０によって生成された低圧の過熱蒸気と高圧蒸気タービン２２から排気される過熱蒸気により駆動する低圧蒸気タービン２４、及び低圧蒸気タービンから排気される蒸気を復水し、排ガスボイラ２０へ給水する復水器２６を備えている。

そして、圧縮機１４、ガスタービン１８、高圧蒸気タービン２２、低圧蒸気タービン２４、及び発電機２８は、回転軸１２によって連結され、ガスタービン１８、高圧蒸気タービン２２、及び低圧蒸気タービン２４に生じる回転駆動力は、回転軸１２によって圧縮機１４及び発電機２８に伝達される。これにより、発電機２８は、ガスタービン１８、高圧蒸気タービン２２、及び低圧蒸気タービン２４の回転駆動力によって発電する。
また、高圧蒸気タービン２２の過熱蒸気の入口には、供給される過熱蒸気の温度（以下、「入口蒸気温度」という。）を測定する温度測定部３０が備えられている。なお、本第１実施形態では、温度測定部３０として熱電対を用いるが、これに限らず、測温抵抗体等の他の測定器を用いてもよい。

図２は、本第１実施形態に係る排ガスボイラ２０の構成図である。
排ガスボイラ２０は、ガスタービン１８からの排ガスが流入する上流側（図２の下側）から、高圧蒸気タービン用過熱器４０、高圧蒸気タービン用蒸発器４２、エコノマイザー４４，低圧蒸気タービン用過熱器４６、低圧蒸気タービン用蒸発器４８、及びエコノマイザー４９が備えられている。
排ガスボイラ２０に供給される給水は、復水器２６で復水されたものであり、流路５０Ａ及び流路５０Ｂへ供給される。

流路５０Ａに供給された給水は、弁５２を介して、低圧蒸気タービン用蒸発器４８で蒸気とされ、該蒸気は、低圧蒸気タービン用過熱器４６へ供給される。
低圧蒸気タービン用過熱器４６は、排ガスと伝熱管４６Ａ内を流れる蒸気とを熱交換することによって蒸気を過熱し、過熱蒸気とする。そして、この過熱蒸気は、弁５４を介して低圧蒸気タービン２４へ供給される。

一方、流路５０Ｂに供給された給水は、エコノマイザー４９及びエコノマイザー４４へ供給されることによって加熱された後に、高圧蒸気タービン用蒸発器４２で蒸気とされ、該蒸気は、弁５６を介して高圧蒸気タービン用過熱器４０へ供給される。
高圧蒸気タービン用過熱器４０は、排ガスと伝熱管４０Ａ内を流れる蒸気とを熱交換することによって蒸気を過熱し、過熱蒸気とする。そして、この過熱蒸気は、弁５８を介して高圧蒸気タービン２２へ供給される。

本第１実施形態に係る高圧蒸気タービン用過熱器４０は、伝熱管４０Ａが折り曲げられ、伝熱管４０Ａが複数段（本第１実施形態では、一例として３段）とされている。なお、以下の説明において、蒸気の流れの上流側から、１段目、２段目、３段目（最終段）と称呼する。さらに、本第１実施形態に係る高圧蒸気タービン用過熱器４０は、上流側の段の伝熱管４０Ａに流れる蒸気を下流側の段の伝熱管４０Ａへ供給することによって、該下流側の伝熱管４０Ａを流れる蒸気の温度を所定温度とするバイパス管６０を備えている。
具体的には、図２に示すように、２段目出口の伝熱管４０Ａと、最終段である３段目出口の伝熱管４０Ａとが減温用弁６２を介してバイパス管６０によって接続されている。そして、減温用弁６２が開状態とされることで、バイパス管６０は、高圧蒸気タービン用過熱器４０から流出した過熱蒸気に、上流側の伝熱管４０Ａに流れる蒸気を希釈用蒸気として供給する。これにより、高圧蒸気タービン用過熱器４０出口の過熱蒸気に温度の低い希釈用蒸気が混合され、過熱蒸気の温度を低下させることができる。

なお、減温用弁６２は、弁制御装置６４に接続されている。
弁制御装置６４は、温度測定部３０で測定された高圧蒸気タービン２２の過熱蒸気の入口温度を示す信号が入力される。そして、弁制御装置６４は、該信号により示される過熱蒸気の温度が、高圧蒸気タービン２２に適した所定温度となるように、減温用弁６２の開度を調整する減温用弁制御処理を行い、高圧蒸気タービン用過熱器４０出口の過熱蒸気により混合される希釈用蒸気の流量を調整する。

図３は、減温用弁制御処理を行う場合に、弁制御装置６４によって実行される減温用弁制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートであり、該減温用弁制御プログラムは弁制御装置に備えられている不図示の記憶手段（例えば、半導体記憶装置又は磁気記憶装置）の所定領域に予め記憶されている。なお、本プログラムは、排ガスボイラ２０の運転が開始されると共に開始され、排ガスボイラ２０の運転が停止されると共に停止される。

まず、ステップ１００では、温度測定部３０を用いて高圧蒸気タービン２２の入口蒸気温度を測定する。

次のステップ１０２では、測定した入口蒸気温度が、高圧蒸気タービン２２に適した所定温度（予め定められた温度範囲内）であるか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１００へ戻り、否定判定の場合は、ステップ１０４へ移行する。

ステップ１０４では、測定した入口蒸気温度が所定温度を超えているか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１０６へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１０８へ移行する。

ステップ１０６では、減温用弁６２の開度を所定量上げ、高圧蒸気タービン用過熱器４０出口の過熱蒸気に混合される希釈蒸気の流量を多くすることによって、過熱蒸気の温度を下げ、ステップ１００へ戻る。

ステップ１０８では、測定した入口蒸気温度が所定温度未満の場合であるため、減温用弁６２の開度を所定量下げ、高圧蒸気タービン用過熱器４０出口の過熱蒸気に混合される希釈蒸気の流量を少なくすることによって、過熱蒸気の温度を上げ、ステップ１００へ戻る。

以上説明したように、本第１実施形態に係る排ガスボイラ２０は、高圧蒸気タービン用過熱器４０によって、排ガスと、複数段とされた伝熱管４０Ａ内を流れる蒸気とが熱交換され、該蒸気が過熱される。そして、バイパス管６０によって、蒸気の流れが上流側の段の伝熱管４０Ａに流れる蒸気が下流側の伝熱管４０Ａへ供給され、該下流側の伝熱管４０Ａを流れる蒸気の温度が所定温度とされる。
これによって、下流側の段の伝熱管４０Ａの蒸気の温度を、より温度の低い上流側の段の伝熱管４０Ａの蒸気を用いて減温することができ、蒸気に対して蒸気を混合するため、下流側の蒸気を均一な温度にし易い。また、上流側の段の伝熱管４０Ａの蒸気を下流側の段の伝熱管４０Ａに供給するため蒸気に圧損が生じ、減温用弁６２の前後の弁差圧が大きくなるので、弁サイズを小さくすることができ、減温用弁６２に対するコストを低減することができる。以上のように、本第１実施形態に係る排ガスボイラ２０は、過熱蒸気の温度をより効率的に制御することができる。

また、本第１実施形態に係る排ガスボイラ２０は、バイパス管６０によって、高圧蒸気タービン用過熱器４０から流出した過熱蒸気に、上流側の伝熱管４０Ａに流れる蒸気が供給される。すなわち、バイパス管６０は、最終段の伝熱管４０Ａの出口と上流側の伝熱管とを接続する。これにより、高圧蒸気タービン２２へ供給する過熱蒸気の温度制御をより精度よく行うことができる。

なお、図４は、本第１実施形態に係る排ガスボイラ２０の変形例を示す。
図４に示される排ガスボイラ２０に備えられている高圧蒸気タービン用過熱器４０は、
１段目出口の伝熱管４０Ａと３段目出口の伝熱管４０Ａとが減温用弁６２を介してバイパス管６０によって接続されている。そして、減温用弁６２が開状態とされることで、バイパス管６０は、高圧蒸気タービン用過熱器４０から流出した過熱蒸気に、１段目の伝熱管４０Ａを流れた蒸気を希釈用蒸気として供給する。なお、図４に示すように１段目出口の伝熱管４０Ａと３段目出口の伝熱管４０Ａとをバイパス管６０で接続する方が、２段目出口と３段目出口とを接続する場合に比較して、蒸気のエンタルピー差並びに圧力差が大きくなるため、減温用弁６２の弁サイズを小さくすることができ、バイパス管６０を流す蒸気の流量も小さくすることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
なお、本第２実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成は、図１に示される第１実施形態に係るＧＴＣＣプラント１０の構成と同様であるので説明を省略する。
図５、本第２実施形態に係る排ガスボイラ２０の構成を示す。なお、図５における図２と同一の構成部分については図２と同一の符号を付して、その説明を省略する。

本第２実施形態に係る高圧蒸気タービン用過熱器４０は、１段目出口の伝熱管４０Ａと３段目出口の伝熱管４０Ａとが減温用弁６２を介してバイパス管６０によって接続される。
そして、バイパス管６０は、熱交換器７０に接続され、バイパス管６０を流れる希釈用蒸気は、熱交換器７０を流れる給水との間で熱交換される。なお、熱交換器７０を流れる給水は、低圧蒸気タービン２４から排気された蒸気が復水器２６によって液化され、高圧蒸気タービン用過熱器４０へ供給される水であり、本第２実施形態に係る熱交換器７０は、一例として、エコノマイザー４４と高圧蒸気タービン用蒸発器４２の上流側に設置されている弁５６との間に設けられている。これにより、希釈用蒸気は、高圧蒸気タービン用蒸発器４２に供給される前の給水に熱を与えることによって、温度が低下する。

このように、本第２実施形態に係る排ガスボイラ２０では、希釈用蒸気の温度を第１実施形態に係る排ガスボイラ２０に比較して、より温度を低くすることができるため、高圧蒸気タービン２２の入口蒸気温度の制御性を向上させることができる。また、希釈用蒸気の熱量を、高圧蒸気タービン用蒸発器４２に供給される前の給水に与えるため、排ガスボイラ２０としての熱損失を抑制することができる。

なお、本第２実施形態に係る排ガスボイラ２０では、１段目出口の伝熱管４０Ａと３段目出口の伝熱管４０Ａとをバイパス管６０によって接続する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、２段目出口の伝熱管４０Ａと３段目出口の伝熱管４０Ａとをバイパス管６０によって接続する形態としてもよい。

また、熱交換器７０は、エコノマイザー４４とエコノマイザー４９との間に設けられてもよい。

以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、本発明に係るボイラを、ＧＴＣＣプラント１０の排ガスボイラ２０として適用する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明に係るボイラを、ＧＴＣＣプラント１０に組み込まれない単独の蒸気タービンへ過熱蒸気を供給するための、燃料の燃焼熱によって過熱蒸気を生成するボイラに適用する形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、高圧蒸気タービン２２へ供給する過熱蒸気の温度を制御する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、低圧蒸気タービン２４へ供給する過熱蒸気の温度を制御するために、低圧蒸気タービン用過熱器４６を上記各実施形態に係る高圧蒸気タービン用過熱器４０と同様の構成とする形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、ＧＴＣＣプラント１０が高圧蒸気タービン２２及び低圧蒸気タービン２４を備える形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ＧＴＣＣプラントが単一の蒸気タービンを備える形態、又はＧＴＣＣプラントが高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、及び低圧蒸気タービン等、３つ以上の蒸気タービンを備える形態としてもよい。

１０ ＧＴＣＣプラント
１８ ガスタービン
２０ 排ガスボイラ
２２ 高圧蒸気タービン
２４ 低圧蒸気タービン
４０ 高圧蒸気タービン用過熱器
４０Ａ 伝熱管
６０ バイパス管
７０ 熱交換器

Claims (6)

1. 燃料の燃焼熱によって過熱蒸気を生成するボイラであって、
   前記燃焼熱と、複数段とされた伝熱管内を流れる蒸気とを熱交換し、該蒸気を過熱させる過熱器と、
   前記蒸気の流れが上流側の段の伝熱管に流れる前記蒸気を下流側の段の伝熱管へ供給することによって、該下流側の伝熱管を流れる前記蒸気の温度を所定温度とするバイパス管と、
   を備えるボイラ。
2. 前記バイパス管は、前記過熱器から流出した過熱蒸気に、前記上流側の伝熱管に流れる蒸気を供給する請求項１記載のボイラ。
3. 前記バイパス菅は、熱交換器に接続され、
   前記バイパス管を流れる蒸気は、前記熱交換器を流れる給水との間で熱交換される請求項１又は請求項２記載のボイラ。
4. 前記過熱器から流出した過熱蒸気は、蒸気タービンへ供給され、
   前記給水は、前記蒸気タービンから排気された蒸気が液化され、前記過熱器へ供給される復水である請求項３記載のボイラ。
5. ガスタービンと、
   前記ガスタービンから排気される排ガスの熱を燃焼熱として用いる請求項１から請求項４の何れか１項に記載のボイラと、
   前記ボイラからの過熱蒸気が供給される蒸気タービンと、
   を備えたガスタービンコンバインドサイクルプラント。
6. 燃料の燃焼熱によって過熱蒸気を生成するボイラに設けられ、燃焼熱と、複数段とされた伝熱管内を流れる蒸気とを熱交換し、該蒸気を過熱させる過熱器の温度制御方法であって、
   前記蒸気の流れが上流側の段の伝熱管に流れる前記蒸気を下流側の段の伝熱管へ供給することによって、該下流側の伝熱管を流れる前記蒸気の温度を所定温度とする温度制御方法。

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