JP2013249745A - ガスタービン冷却システム、石炭ガス化複合発電システム及びガスタービン冷却方法 - Google Patents

ガスタービン冷却システム、石炭ガス化複合発電システム及びガスタービン冷却方法 Download PDF

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Abstract

【課題】中圧蒸気の発生量を増加させるために高圧蒸気の発生を減少させるような排熱回収ボイラとすることなく、効率良くガスタービンを蒸気によって冷却することが可能なガスタービン冷却システム、石炭ガス化複合発電システム及びガスタービン冷却方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ガスタービン冷却システムは、排熱回収ボイラ2の高圧系統6、同中圧系統7からガスタービン3の冷却系統8へ高圧蒸気又は中圧蒸気を供給する高圧蒸気管28及び中圧蒸気管と、石炭ガス化炉にて熱交換して蒸気を発生させるガス化炉SGC20からガスタービン3の冷却系統8へ蒸気を供給するSGC蒸気管24とを備え、各蒸気の圧力に基づいて冷却系統へ8供給する冷却蒸気が選択され、選択された冷却蒸気が冷却系統8へ供給される。
【選択図】図1

Description

本発明は、排熱回収ボイラで発生した蒸気によってガスタービンを冷却するガスタービン冷却システム、石炭ガス化複合発電システム及びガスタービン冷却方法に関するものである。
ガスタービン複合発電システム(GTCC)や石炭ガス化複合発電システム(IGCC)に設けられる排熱回収ボイラ(HRSG)は、ガスタービンからの排熱を利用して蒸気タービンを駆動させるための蒸気を発生させている。ところで、高効率化が図られたガスタービンの高温化に伴い、機器保護の観点から、運転時に高熱となるガスタービン燃焼器の尾筒やその他の部位などが冷却される必要がある。そこで、上記発電プラントにおいて、ガスタービンを冷却させるため、冷却媒体として空気が使用されるだけでなく、排熱回収ボイラで発生した蒸気が使用されることがある。
特許文献1では、石炭ガス化コンバインドサイクル発電プラントにおいて、石炭ガス化プラントの冷却器で発生した蒸気を用いてガスタービン高温部を冷却し、同蒸気を回収させて再活用を図る技術が開示されている。
特開2000−291411号公報
石炭ガス化複合発電システムにおいて、ガスタービン冷却に使用される蒸気源としては、排熱回収ボイラで発生する高圧蒸気と中圧蒸気がある。このうち、中圧蒸気は5MPaA程度であり、被冷却対象(ガスタービン)において要求される冷却条件と合致する。そのため、排熱回収ボイラで発生した蒸気を冷却媒体として使用する場合、プラント定格運転点及び高負荷帯では、中圧蒸気のみが用いられることが多い。
冷却蒸気源の選定に当たっては、プラントの負荷変化時や燃料性状のずれを考えると、冷却蒸気の必要量には適切な余裕を加味することが重要である。このため、中圧蒸気を主として冷却媒体とする場合であっても、変動条件に対応するため、排熱回収ボイラで発生した高圧蒸気の一部を冷却媒体のバックアップとして用いることが考えられる。しかし、高温かつ高圧である蒸気をわざわざ減温、減圧することになり、中圧蒸気の場合と比較して損失が生じる。そのため、プラント効率の低下を避けるため、極力中圧蒸気を使用することが望ましい。
一方、ガスタービンの大型化や高温化に合わせて、機器保護に必要な蒸気量を増加させる必要がある。このとき、従来と同様の排熱回収ボイラの設計では、プラント定格運転時における冷却蒸気量を中圧蒸気のみで賄うことができない。高圧蒸気量を抑制し中圧蒸気量を増やした設計を採用することが考えられるが、プラント性能への寄与度が大きい高圧蒸気が減少することから、この方法ではプラント効率が低下する。
また、ガスタービンの尾筒冷却系統は、高熱負荷にさらされている。したがって、熱衝撃などによるトラブルを防止するため、尾筒冷却系統に流入させる冷却蒸気に水滴又はミスト状の水などが含まれることは避けるべきである。
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、中圧蒸気の発生量を増加させるために高圧蒸気の発生を減少させるような排熱回収ボイラとすることなく、効率良くガスタービンを蒸気によって冷却することが可能なガスタービン冷却システム、石炭ガス化複合発電システム及びガスタービン冷却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、本発明のガスタービン冷却システム、石炭ガス化複合発電システム及びガスタービン冷却方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るガスタービン冷却システムは、ガスタービンと、ガスタービンからの排熱と熱交換して第1蒸気を発生させる第1系統と、ガスタービンからの排熱と熱交換して第1蒸気よりも低圧の第2蒸気を発生させる第2系統とを有する排熱回収ボイラと、第1系統とガスタービンの冷却系統とを接続し、第1系統から冷却系統へ第1蒸気を供給する第1冷却蒸気供給路と、第2系統とガスタービンの冷却系統とを接続し、第2系統から冷却系統へ第2蒸気を供給する第2冷却蒸気供給路と、石炭ガス化炉にて生成された石炭ガスと熱交換して第3蒸気を発生させる冷却器と、冷却器とガスタービンの冷却系統とを接続し、冷却器から冷却系統へ第3蒸気を供給する第3冷却蒸気供給路と、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気の圧力に基づいて、冷却系統へ供給する冷却蒸気を、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気のうち少なくともいずれか一つから選択し、第1冷却蒸気供給路、第2冷却蒸気供給路及び第3冷却蒸気供給路を切り替えて、選択された冷却蒸気を冷却系統へ供給させる制御部とを備える。
この発明によれば、排熱回収ボイラの第1系統で発生した第1蒸気、排熱回収ボイラの第2系統で発生した第2蒸気、及び石炭ガス化炉の冷却器で発生した第3蒸気が、ガスタービンの冷却系統へ供給されて、ガスタービンを冷却する。
そして、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気の圧力に基づいて、冷却系統へ供給する冷却蒸気が選択され、第1冷却蒸気供給路、第2冷却蒸気供給路及び第3冷却蒸気供給路が切り替えられて、選択された冷却蒸気が冷却系統へ供給される。
例えば、プラントの起動時などにおいて、排熱回収ボイラの第2系統からの第2蒸気の蒸気量や、石炭ガス化炉の冷却器からの第3蒸気の蒸気量が十分ではない場合に、排熱回収ボイラの第1系統からの第1蒸気を用いることによって、ガスタービンの冷却系統へ冷却蒸気を供給できる。また、石炭ガス化炉の冷却器からの第3蒸気が確立した後の、プラントの定格運転点及び高負荷帯においては、第1蒸気を供給することなく、第2蒸気及び第3蒸気を用いてガスタービン冷却のための蒸気を供給することができる。
その結果、冷却蒸気の切り替わりが行われることによって、効率良くガスタービンを蒸気によって冷却することができる。さらに、プラントの定格運転点及び高負荷帯において、第1蒸気を用いる必要がなく、また、排熱回収ボイラの設計に当たって、第2蒸気の発生量を増加させるため、第1蒸気の発生を減少させる必要がない。
上記発明において、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気の温度に基づいて、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気のうち少なくともいずれか一つから冷却蒸気を選択してもよい。
この発明によれば、圧力条件に加えて、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気の温度に基づいて、冷却系統へ供給する冷却蒸気が選択され、第1冷却蒸気供給路、第2冷却蒸気供給路及び第3冷却蒸気供給路が切り替えられて、選択された冷却蒸気が冷却系統へ供給される。その結果、冷却蒸気の確実な切り替わりが行われ、効率良くガスタービンを蒸気によって冷却することができる。
上記発明において、第4蒸気を発生させる外部機器とガスタービンの冷却系統とを接続し、外部機器から冷却系統へ第4蒸気を供給する第4冷却蒸気供給路を更に備え、制御部は、第1蒸気、第2蒸気、第3蒸気及び第4蒸気の圧力、又は、第1蒸気、第2蒸気、第3蒸気及び第4蒸気の圧力及び温度に基づいて、第1蒸気、第2蒸気、第3蒸気及び第4蒸気のうち少なくともいずれか一つから冷却蒸気を選択し、第1冷却蒸気供給路、第2冷却蒸気供給路、第3冷却蒸気供給路及び第4冷却蒸気供給路を切り替えて、選択された冷却蒸気を冷却系統へ供給させてもよい。
この発明によれば、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気に加えて、外部機器で発生した第4蒸気が、ガスタービンの冷却系統へ供給されて、ガスタービンを冷却する。そして、第1蒸気、第2蒸気、第3蒸気及び第4蒸気の圧力に基づいて、冷却系統へ供給する冷却蒸気が選択され、第1冷却蒸気供給路、第2冷却蒸気供給路、第3冷却蒸気供給路及び第4冷却蒸気供給路が切り替えられて、選択された冷却蒸気が冷却系統へ供給される。これにより、第2蒸気や第3蒸気の蒸気量が十分ではない場合、第1蒸気だけではなく、第4蒸気を用いることによって、ガスタービンの冷却系統へ冷却蒸気を供給できる。また、石炭ガス化炉の冷却器からの第3蒸気が確立した後の、プラントの定格運転点及び高負荷帯においては、第4蒸気や第1蒸気を供給することなく、第2蒸気及び第3蒸気を用いてガスタービン冷却のための蒸気を供給することができる。
上記発明において、制御部は、ガスタービンの起動後から排熱回収ボイラからの第1蒸気及び第2蒸気が確立するまでの間、冷却蒸気として第4蒸気を選択し、第4冷却蒸気供給路を介して冷却系統へ第4蒸気を供給し、排熱回収ボイラの第1蒸気が確立してから冷却器から発生する第3蒸気が確立するまでの間、冷却蒸気として第1蒸気を選択し、第1冷却蒸気供給路を介して冷却系統へ第1蒸気を供給し、排熱回収ボイラの第2蒸気が確立してから、冷却蒸気として第2蒸気を選択し、第2冷却蒸気供給路を介して冷却系統へ第2蒸気を供給し、冷却器から発生する第3蒸気が確立してから、冷却蒸気として第3蒸気を選択し、第3冷却蒸気供給路を介して冷却系統へ第3蒸気を供給してもよい。
この発明によれば、プラントにおける蒸気の供給状況(蒸気圧力や温度)に応じて、ガスタービンの冷却に適切な蒸気が、冷却蒸気としてガスタービンに供給される。ガスタービンの冷却に適切な蒸気とは、ガスタービン側が低圧となるような圧力を有する蒸気であって、プラント全体の効率と蒸気の供給状況を鑑みて高圧側よりも低圧側から供給される蒸気である。また、例えば、ガスタービンの起動から、排熱回収ボイラの第1蒸気及び第2蒸気の確立、及び冷却器から発生する第3蒸気の確立に到るまでの間、第4蒸気→第1蒸気→第2蒸気→第3蒸気と、条件確立の順に冷却蒸気源を切り替えて運用することもできる。さらに、石炭ガス化炉の冷却器からの第3蒸気が供給できなくなった場合などにおいても、プラント全体の効率と蒸気の供給状況を鑑みてガスタービンの冷却に適切な蒸気が、冷却蒸気としてガスタービンに供給される。
上記発明において、ガスタービンの冷却状態に基づいて、第3冷却蒸気供給路を流れる第3蒸気の蒸気量を調整する第1蒸気量調整手段を更に備えてもよい。
この発明によれば、ガスタービンの冷却状況に応じて、第3冷却蒸気供給路を介して石炭ガス化炉の冷却器からガスタービンの冷却系統へ供給される蒸気量が変化することから、第2系統からの冷却蒸気と合わせて、適切な蒸気量でガスタービンを冷却できる。ガスタービンの冷却状況は、例えばガスタービンの冷却系統の入口と出口の差圧等に基づいて判断される。
上記発明において、ガスタービンの冷却状態に基づいて、第3冷却蒸気供給路を流れる第3蒸気の温度を調整する第3温度調整手段を更に備えてもよい。
この発明によれば、ガスタービンの冷却状況に応じて、第3冷却蒸気供給路を介して石炭ガス化炉の冷却器からガスタービンの冷却系統へ供給される蒸気の温度が変化することから、ガスタービンの被冷却箇所の温度を調整できる。
上記発明において、蒸気量調整手段は、第3冷却蒸気供給路を流れる第3蒸気を蒸気タービンへ排気する蒸気排出路と、蒸気排出路上に設けられ、蒸気排出路を流れる第3蒸気の蒸気量を調整する第2蒸気量調整手段とを有してもよい。
この発明によれば、蒸気排出路を介して第3冷却蒸気供給路を流れる第3蒸気が排出され、石炭ガス化炉の冷却器からガスタービンの冷却系統へ供給される蒸気量が変化する。したがって、ガスタービンの冷却系統へ蒸気が適切に供給される。また、ガスタービンの冷却系統へ蒸気が過度に供給されることを防止できる。
上記発明において、ガスタービンの冷却状態に基づいて、第1冷却蒸気供給路を流れる第1蒸気の温度を調整する第1温度調整手段を更に備えてもよい。
この発明によれば、ガスタービンの冷却状況に応じて、第1冷却蒸気供給路を介して排熱回収ボイラの第1系統からガスタービンの冷却系統へ供給される蒸気の温度が変化することから、ガスタービンの被冷却箇所の温度を調整できる。
また、本発明に係る石炭ガス化複合発電システムは、石炭ガス化炉と、第1系統から第1蒸気が供給される蒸気タービンと、上記のガスタービン冷却システムとを備える。
また、本発明に係るガスタービン冷却方法は、ガスタービンと、ガスタービンからの排熱と熱交換して第1蒸気を発生させる第1系統と、ガスタービンからの排熱と熱交換して第1蒸気よりも低圧の第2蒸気を発生させる第2系統とを有する排熱回収ボイラと、石炭ガス化炉にて生成された石炭ガスと熱交換して第3蒸気を発生させる冷却器とを備えるガスタービン冷却システムにおけるガスタービン冷却方法であって、第1系統からガスタービンの冷却系統へ第1蒸気を供給するステップと、第2系統から冷却系統へ第2蒸気を供給するステップと、冷却器から冷却系統へ第3蒸気を供給するステップと、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気の圧力に基づいて、冷却系統へ供給する冷却蒸気を、第1蒸気、第2蒸気及び第3蒸気のうち少なくともいずれか一つから選択するステップと、選択された冷却蒸気を冷却系統へ供給させるステップとを備える。
本発明によれば、中圧蒸気の発生量を増加させるために高圧蒸気の発生を減少させるような排熱回収ボイラとすることなく、効率良くガスタービンを蒸気によって冷却することができる。
本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合発電システムにおける排熱回収システム及びガスタービン冷却システムを示す概略構成図である。 同実施形態に係る排熱回収システム及びガスタービン冷却システムを示す概略構成図である。 同実施形態に係る排熱回収システム及びガスタービン冷却システムにおける制御弁の制御動作を示す一覧である。 従来の排熱回収システム及びガスタービン冷却システムを示す概略構成図である。 従来の石炭ガス化複合発電システムにおける排熱回収システムを示す概略構成図であって、ガスタービンの蒸気冷却システムを備えないケースである。 従来の石炭ガス化複合発電システムにおける排熱回収システム及びガスタービン冷却システムを示す概略構成図である。
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係る排熱回収システム及びガスタービン冷却システムは、例えば、排熱回収ボイラ2とガスタービン3と蒸気タービン4を有する石炭ガス化複合発電システム(IGCC)のプラント1に適用される。
ガスタービン冷却システムは、例えばガスタービン3と、排熱回収ボイラ2と、排熱回収ボイラ2の高圧系統6からガスタービン3の冷却系統8へ高圧蒸気を供給する高圧蒸気管28(第1冷却蒸気供給路)と、同中圧系統7からガスタービン3の冷却系統8へ中圧蒸気を供給する中圧蒸気管19(第2冷却蒸気供給路)と、石炭ガス化炉(図示せず。)にて生成された石炭ガスと熱交換して蒸気を発生させるガス化炉SGC20(冷却器)と、ガス化炉SGC20からガスタービン3の冷却系統8へ蒸気を供給するSGC蒸気管24(第3冷却蒸気供給路)と、蒸気を発生させる補助ボイラ40からガスタービン3の冷却系統8へ蒸気を供給する補助ボイラ蒸気管27(第4冷却蒸気供給路)等からなる。
排熱回収ボイラ(HRSG)2は、排ガス供給路14を介してガスタービン3から排出された排ガスが供給される。そして、排熱回収ボイラ2は、排ガスの熱(排熱)と熱交換して蒸気を生成する。排熱回収ボイラ2には、図1に示すように、例えば再熱系統5、高圧系統6、中圧系統7等が設けられる。なお、図1では、排ガス供給路14に沿って、再熱系統5、高圧系統6及び中圧系統7が順に配置されるように記載しているが、実際には、再熱系統5よりも上流に高圧系統6の高圧過熱器が配置される。
再熱系統5は、再熱器を備え、蒸気タービン4から抽気された蒸気は、低温再熱蒸気管15を介して再熱系統5へ供給され、再熱系統5の再熱器で加熱される。再熱系統5で加熱された蒸気は、高温再熱蒸気管16を介して蒸気タービン4へ供給されて、蒸気タービン4を駆動する。
高圧系統6は、高圧節炭器、高圧蒸発器、高圧過熱器を備え、高圧系統6の高圧蒸発器には、高圧ドラムから水が供給される。高圧ドラムから供給された水は、高圧系統6の高圧蒸発器で加熱され、蒸気が生成される。生成された蒸気は、高圧過熱器で加熱されて、高圧蒸気が生成される。生成された高圧蒸気は、高圧蒸気管17を介して蒸気タービン4へ供給されて、蒸気タービン4を駆動する。
中圧系統7は、中圧節炭器、中圧蒸発器、中圧過熱器を備え、中圧系統7の中圧蒸発器には、中圧ドラムから水が供給される。中圧ドラムから供給された水は、中圧系統7の中圧蒸発器で加熱され、蒸気が生成される。生成された蒸気は、中圧過熱器で加熱されて、中圧蒸気が生成される。生成された中圧蒸気は、中圧蒸気管19を介してガスタービン3の冷却系統8へ供給されて、ガスタービン3の被冷却箇所を冷却する。ガスタービン3の冷却系統8は、例えば、ガスタービン3に設けられた燃焼器の尾筒、車室などの高温部分に設けられる。
ガスタービン3の冷却に使用された蒸気は、冷却蒸気排出管26を介して、例えば高温再熱蒸気管16へ供給されて蒸気タービン4の駆動に再使用される。
ガスタービン3は、燃料ガスを燃焼して、タービンを駆動し、発電機と連結された主軸がタービンと共に回転することで、発電機を駆動させて発電を行う。ガスタービン3にて燃焼された燃料ガスは、排ガスとして排出される。ガスタービン3は、燃料ガスの燃焼によって高温になることから、熱による影響を低減するため、冷却媒体によって冷却される。冷却媒体は、例えば排熱回収ボイラ2で生成された中圧蒸気やガス化炉SGC20で生成された蒸気が使用される。
蒸気タービン4は、排熱回収ボイラ2で生成された再熱蒸気や高圧蒸気が供給されて、タービンを駆動する。蒸気タービン4は、図1に示すように、排熱回収ボイラ2の再熱系統5と高圧系統6それぞれから再熱蒸気と高圧蒸気が供給される。蒸気タービン4の主軸は、図2に示す発電機43と連結され、タービンと共に回転することで、発電機43を駆動させて発電を行う。なお、発電機43は、1台の発電機がガスタービン3と蒸気タービン4の両者に連結されてもよいし、ガスタービン3と蒸気タービン4それぞれに異なる発電機が連結されてもよい。
ガス化炉SGC20は、蒸発器を備え、ガス化炉SGC20の蒸発器は、SGCドラムから水が供給される。SGCドラムから供給された水は、ガス化炉SGC20の蒸発器で加熱され、蒸気が生成される。生成された蒸気は、SGC蒸気管22を介して高圧系統6へ供給される。なお、SGCドラムへ供給される水は、図1に示すように、SGC給水管21を介して高圧系統6から供給される。
また、ガス化炉SGC20で生成された蒸気は、SGC蒸気管22から分岐したSGC蒸気管24を介してガスタービン3の冷却系統8へ供給されて、ガスタービン3の被冷却箇所を冷却する。SGC蒸気管24は、図1に示すように、中圧蒸気管19の経路の途中で中圧蒸気管19と合流してもよい。
SGC蒸気排出管35(蒸気排出路)は、SGC蒸気管24を流れるガス化炉SGC20で生成された蒸気を低温再熱蒸気管15へ排出する。例えば、ガスタービン冷却に要する蒸気量が減少したとき、ガス化炉SGC20で生成された蒸気をガスタービン3の冷却系統8ではなく、排熱回収ボイラ2の再熱系統5に流すことで、ガスタービン3の被冷却箇所を冷却しすぎたり、プラント1の各部の蒸気圧を上昇させすぎたりすることを防止できる。
補助ボイラ40は、外部機器の一例であり、石炭ガス化複合発電システム(IGCC)のプラント1の定格運転時には用いられない。補助ボイラ40は、蒸気を発生させて、発生した蒸気をガスタービン3の冷却系統8へ供給する。補助ボイラ40は、プラント1の起動時の数時間、例えばガス化炉や排熱回収ボイラ2が起動する前に、蒸気を冷却系統8へ供給するために用いられる。補助ボイラ40ではなく、他のユニットから蒸気を冷却系統8へ供給できる場合は、補助ボイラ40の代わりに該ユニットを用いてもよい。
以上、本実施形態によれば、上記構成を有するプラント1において、プラント定格運転点及び高負荷帯でのガスタービン3の冷却蒸気として、排熱回収ボイラ2から中圧蒸気を供給するだけでなく、ガス化炉SGC20から排熱回収ボイラ2へ供給される蒸気の一部を供給する。これにより、中圧蒸気だけでは必要冷却蒸気が不足する場合でも、高圧蒸気を用いることなく、また高圧蒸気の発生を減少させたりすることなく冷却蒸気を補うことができる。
その結果、プラント定格運転点及び高負荷帯において、排熱回収ボイラ2で発生する高圧蒸気を用いたり、排熱回収ボイラ2の設計に当たって、中圧蒸気の発生量を増加させるために高圧蒸気の発生を減少させたりすることなく、効率良くガスタービン3を蒸気によって冷却することができる。
次に、プラント1の運転動作について説明する。
ガスタービン3の冷却系統8へ冷却蒸気を供給する場合、関連技術として、排熱回収ボイラ2からの中圧蒸気を使用せずに、ガス化炉SGC20からの蒸気のみを使用することが考えられる。しかし、この場合、ガス化炉SGC20の蒸気確立前には、ガスタービン3の冷却系統8へ蒸気を供給することができない。そのため、ガス化炉がガスタービン3に先行して起動している必要がある。
そこで、ガス化炉をガスタービン3に先行して起動することによって、ガスタービン3の起動に先立ちガス化炉SGC20からの蒸気を準備できればよいが、以下のとおり、ガスタービン3がガス化炉に先行して起動している必要がある場合や、ガスタービン3がガス化炉に先行して起動したほうが望ましい場合がある。
すなわち、起動用の空気圧縮機を持たずガスタービン3からの抽気連携によってガス化炉の起動を行う石炭ガス化複合発電システムでは、ガス化炉は、ガスタービン3が起動していないと起動できない。例えば、空気吹きガス化炉を用いる場合では、主たる酸化剤の供給源であるガスタービン圧縮機からの抽気空気を必要とする。また、酸素吹きガス化炉を用いる場合でも、空気分離装置で酸素を製造する際の原料となる空気の全部又は一部をガスタービン圧縮機からの抽気空気で賄うときには、ガスタービン3が先行して起動している必要がある。
更に、石炭ガス化複合発電システムのプラント1の起動時には、空気分離装置や酸化剤、イナートガスの圧縮機など消費動力の大きい機器を運転する必要がある。これを外部からの購入電力で賄うよりは、起動用燃料でガスタービン3及び複合発電部分を先行して起動し、自らの製造電力で賄うほうが経済的である。したがって、石炭ガス化複合発電システムのプラント1では、経済性の観点からガスタービン3をガス化炉に先行して起動するケースも多い。このように、ガスタービン3をガス化炉に先行して起動しようとする場合において、ガス化炉SGC20からの蒸気のみを使用して、ガスタービン3の冷却系統8へ冷却蒸気を供給する構成では、ガスタービン3の起動時に蒸気を供給することができない。
一方、本実施形態では、排熱回収ボイラ2の中圧蒸気をガスタービン3の冷却系統8へ供給することから、ガス化炉SGC20の蒸気確立前でもガスタービン3の被冷却箇所を適切に冷却できる。また、図1及び図2に示すように、補助ボイラ40で発生した蒸気や高圧系統6で発生した高圧蒸気を冷却系統8へ供給できるようにしておくことで、ガスタービン3を損傷させることなく停止状態から起動できる。また、何らかの原因でガス化炉SGC20から蒸気を供給できなくなった場合にも、他の系統から冷却系統8へ蒸気を供給できる。
本実施形態のプラント1の運転動作は、図3に示すように、(1)ガスタービン3の起動・着火から排熱回収ボイラ2の高圧蒸気確立まで、(2)排熱回収ボイラ2の高圧蒸気確立から排熱回収ボイラ2の中圧蒸気確立まで、(3)排熱回収ボイラ2の中圧蒸気確立からガス化炉蒸気確立まで、(4)ガス化炉蒸気確立後の4過程に分けられる。
そして、各過程にて、冷却蒸気の蒸気流量は、ガスタービン3の被冷却箇所(燃焼器など)の冷却に必要な流量が確保される。蒸気流量の制御は燃焼器の差圧で実施され、流量計は制御に使用されない。冷却蒸気の蒸気温度は、ガスタービン3の翼環を暖気して、クリアランスを確保する温度、かつ高温とならないようにガスタービン3本体が保護される温度(例えば570℃以下、好ましくは500〜600℃の範囲)に保たれる。冷却蒸気の蒸気圧力は、燃焼器車室からの燃焼ガスが蒸気タービン4側へ侵入しないように、冷却蒸気排出管26又は高温再熱蒸気管16がガスタービン3よりも高圧に維持される。
なお、以下で説明する冷却蒸気の切り替えは、図示しない制御部が、制御弁C1〜C7、インターセプト弁ICVを制御することによって行われる。制御部は、排熱回収ボイラ2で発生した高圧蒸気や中圧蒸気、ガス化炉SGC20からの蒸気、及び補助ボイラ40からの蒸気の温度や圧力に基づいて、冷却系統8へ供給する冷却蒸気を選択し、冷却蒸気の切り替えを行う。
(1)ガスタービン起動・着火から排熱回収ボイラ2の高圧蒸気確立までは、補助ボイラ蒸気管27に設けられた制御弁C1を固定開度に保ち、制御弁C2,C3,C4,C5,C6及びインターセプト弁ICVを閉状態にする。蒸気排出管37に設けられた制御弁C7は、燃焼器の内圧を測定する圧力計P1と、冷却蒸気排出管26に設けられた圧力計P2に基づいて、圧力差P2−P1が0.3〜0.4MPa程度よりも大きくなるように制御される。これにより、補助ボイラ40からガスタービン3の冷却系統8へ蒸気が供給され、冷却に使用された蒸気が蒸気排出管37に接続された復水器36へ排出される。なお、排熱回収ボイラ2から高圧蒸気が発生すると、高圧蒸気管17を介して高圧系統6から高圧蒸気タービン42まで高圧蒸気が供給される。
(2)排熱回収ボイラ2の高圧蒸気確立から排熱回収ボイラ2の中圧蒸気確立までは、制御弁C1を固定開度に保ち、高圧蒸気管28に設けられた制御弁C2を差圧計DPに基づいて制御し、排熱回収ボイラ2からの高圧蒸気を負荷見合いで流量制御する。差圧計DPは、ガスタービン3の冷却系統8の入口と出口の差圧を測定する。制御弁C3,C4,C5,C6及びインターセプト弁ICVは、閉状態にされる。制御弁C7は、圧力計P1,P2に基づいて、圧力差P2−P1が0.3〜0.4MPa程度よりも大きくなるように制御される。これにより、補助ボイラ40と排熱回収ボイラ2の高圧系統6から冷却蒸気が供給され、冷却に使用された蒸気が復水器36へ排出される。なお、排熱回収ボイラ2から中圧蒸気が発生すると、中圧蒸気管19を介して中圧系統7からガスタービン3の冷却系統8まで中圧蒸気が供給される。
(3)排熱回収ボイラ2の中圧蒸気確立からガス化炉蒸気確立までは、制御弁C1を閉状態にする。また、制御弁C2を差圧計DPに基づいて制御し、排熱回収ボイラ2からの高圧蒸気を冷却蒸気のバックアップ蒸気として流量制御する。中圧蒸気管19に設けられた温度計T1と、冷却蒸気排出管26に設けられた温度計T2に基づいて、スプレイ29(第1温度調整手段)を作動させて、高圧蒸気の温度を調整する。温度調整後の高圧蒸気は、例えば280℃であり、過熱度が確保される。スプレイ29は、高圧蒸気管28に設けられている。温度計T1による測定によって、ガスタービン3の翼環を暖気してクリアランスを確保する温度と、ガスタービン3へのドレン侵入を防止する温度が管理される。温度計T2による測定によって、高温とならないようにガスタービン3本体が保護される温度が管理される。
さらに、中圧蒸気排出管30に設けられた制御弁C3を差圧計DPに基づいて制御し、排熱回収ボイラ2からの中圧蒸気を負荷見合いで流量制御するか、又は制御弁C3をミニマム開度にして中圧蒸気を低温再熱蒸気管15へ供給する。これにより、排熱回収ボイラ2で発生した中圧蒸気は、ガスタービン3の冷却系統8へ供給されるだけでなく、排熱回収ボイラ2の再熱系統5を通過して中圧蒸気タービン41まで供給される。また、制御弁C3の開閉動作によって、中圧蒸気管19を流れガスタービン3の冷却系統8へ供給される中圧蒸気の蒸気量が調整される。
制御弁C4,C6及びC7は、閉状態にされる。高圧蒸気排出管34に設けられた制御弁C5は、ガスタービン3の被冷却対象である高温部へ供給する必要蒸気量が計画当初とずれて、設計時の流量を必要としないとき、開操作される。その結果、排熱回収ボイラ2からの高圧蒸気が高圧蒸気排出管34を介して高温再熱蒸気管16へ排出され、中圧蒸気タービン41へ供給される。また、ガスタービン3の冷却系統8へ供給される蒸気流量が抑制される。そして、この制御弁C5を備える高圧蒸気排出管34が設けられることによって、計画時に蒸気タービン4の入口圧力に不要なマージンを持たせて性能を低下させることや、設備費を増加させることを回避できる(表中※印)。なお、高圧蒸気排出管34は、高温再熱蒸気管16ではなく、低温再熱蒸気管15に接続されてもよい。
インターセプト弁ICVは、圧力計P1,P2に基づいて、圧力差P2−P1が0.3〜0.4MPaよりも大きくなるように制御される。圧力計P2は、実線で示すように、冷却蒸気排出管26に設けられてもよいし、破線で示すように、高温再熱蒸気管16に設けられてもよい。以上より、排熱回収ボイラ2の高圧系統6と中圧系統7から冷却蒸気が供給され、冷却に使用された蒸気が中圧蒸気タービン41へ排出される。なお、ガス化炉SGC20から蒸気が発生すると、SGC蒸気管22を介して排熱回収ボイラ2の高圧系統6へ蒸気が供給される。
(4)ガス化炉蒸気確立後は、制御弁C1,C2を閉状態にする。また、制御弁C3を差圧計DPに基づいて制御し、排熱回収ボイラ2からの中圧蒸気を負荷見合いで流量制御するか、又は制御弁C3をミニマム開度にして中圧蒸気を低温再熱蒸気管15へ供給する。これにより、排熱回収ボイラ2で発生した中圧蒸気は、ガスタービン3の冷却系統8へ供給されるだけでなく、排熱回収ボイラ2の再熱系統5を通過して中圧蒸気タービン41まで供給される。
SGC蒸気管24に設けられた制御弁C4(第1蒸気量調整手段)を差圧計DPに基づいて制御し、ガス化炉SGC20からの蒸気を冷却蒸気のバックアップ蒸気として流量制御する。温度計T1,T2に基づいて、スプレイ33(第3温度調整手段)を作動させて、ガス化炉SGC20からの蒸気の温度を調整する。スプレイ33は、SGC蒸気管24に設けられている。温度調整後の蒸気は、例えば280℃であり、過熱度が確保される。制御弁C5,C7は、閉状態にされる。SGC蒸気排出管35(蒸気排出路)に設けられた制御弁C6(第2蒸気量調整手段)は、ガスタービン3の被冷却対象である高温部へ供給する必要蒸気量が計画当初とずれて、設計時の流量を必要としないとき、開操作される。その結果、ガス化炉SGC20からの蒸気がSGC蒸気排出管35を介して低温再熱蒸気管15へ排出され、中圧蒸気タービン41へ供給される。また、ガスタービン3の冷却系統8へ供給される蒸気流量が抑制される。そして、この制御弁C6を備えるSGC蒸気排出管35が設けられることによって、計画時に蒸気タービン4の入口圧力に不要なマージンを持たせて性能を低下させることや、設備費を増加させることを回避できる(表中※印)。なお、SGC蒸気排出管35は、低温再熱蒸気管15ではなく、高温再熱蒸気管16に接続されてもよい。
インターセプト弁ICVは、圧力計P1,P2に基づいて、圧力差P2−P1が0.3〜0.4MPaよりも大きくなるように制御される。以上より、排熱回収ボイラ2の中圧系統7とガス化炉SGC20から冷却蒸気が供給され、冷却に使用された蒸気が中圧蒸気タービン41へ排出される。
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
排熱回収ボイラ2の中圧系統7で発生する中圧蒸気によってガスタービン3を冷却している場合、ガスタービン3への冷却系統8へ供給する蒸気合計量を増加させるため、図4の関連技術のプラント10に示すように、高圧系統6で発生した高圧蒸気を使用することが考えられる。すなわち、高圧系統6から蒸気タービン4までの高圧蒸気管17を分岐して、高圧蒸気を減温器31へ導き、高圧蒸気を減温、減圧する。そして、高圧蒸気を減温、減圧した蒸気を冷却蒸気としてガスタービン3の冷却系統8へ供給する。
また、図5に、石炭ガス化複合発電システムの一般的なプラント11の概略構成図を示す。このプラント11にて、ガス化炉SGC20は、石炭ガス化炉(図示せず。)で発生するガスと熱交換して蒸気を発生させる。ここで、ガス化炉SGC20で発生する蒸気が蒸気タービン4の駆動に使用されることによって、サイクル効率の向上を図ることができる。しかし、ガス化炉SGC20の出口蒸気温度は、伝熱管の高温腐食抑制の観点から低くなっており、同蒸気は、蒸気タービン4へ投入される前に、排熱回収ボイラ2で昇温させる必要がある。そのため、図5に示すように、SGC蒸気管22を介して、ガス化炉SGC20で発生した蒸気を排熱回収ボイラ2の高圧系統6に合流させることによって、所定温度まで加熱された蒸気が蒸気タービン4へ供給される。なお、排熱回収ボイラ2の中圧系統7で発生した中圧蒸気は、中圧蒸気管23を介して低温再熱蒸気管15へ供給されている。
そして、図4及び図5の構成を組み合わせると、図6に示すプラント12の構成とすることが考えられる。プラント12では、排熱回収ボイラ2の中圧系統7で発生する中圧蒸気によってガスタービン3を冷却しており、ガスタービン3への冷却系統8へ供給する蒸気合計量を増加させるため、高圧系統6で発生した高圧蒸気を使用する。しかし、この方法による場合は、中圧系統7からガスタービン3への冷却系統8へ供給する蒸気を増加させずにすむが、高温かつ高圧である蒸気をわざわざ減温、減圧することになり、このような減温プロセスは、プラント効率の低下を招きかねない。
一方、本実施形態によれば、ガス化炉SGC20の出口蒸気温度は、材料上の制約から排熱回収ボイラ2の高圧主蒸気ほど高温にならない。また、ガス化炉SGC20から発生する蒸気の過熱度は、100℃以下であり、減圧後蒸気が湿り蒸気となることもない。
また、石炭ガス化複合発電システムにて、ガス化炉SGC20からの発生蒸気は、排熱回収ボイラ2の高圧系統6、特に高圧過熱器に流入する。そのため、排熱回収ボイラ2内部に設置する蒸発器と過熱器のバランスを従来と異ならせる必要がある。このとき、通常のガスタービン複合発電システムの排熱回収ボイラとは異なり、蒸気系統での圧力損失の増加や伝熱面積の増加などが懸念される。一方、本実施形態では、図5や図6に示すような従来の石炭ガス化複合発電システムとも異なり、ガス化炉SGC20から排熱回収ボイラ2へ流入する蒸気量が減少することから、圧力損失が低減し、伝熱面積も低減でき、より経済的な設計が可能となる。
低負荷時など、ガスタービン3の冷却系統8にて必要な蒸気量が変化した場合、各蒸気供給源(排熱回収ボイラ2の中圧蒸気確立後は、排熱回収ボイラ2の中圧系統7からの中圧蒸気、及びガス化炉SGC20からの蒸気)からの蒸気を調整することによって対応できる。このとき、部分負荷運転において、冷却蒸気中の中圧蒸気の割合を増加させることができるため、ガス化炉SGC20からの発生蒸気のみで対応する場合に比べて、性能の落ち込みを抑えることができる。その結果、部分負荷運転時の効率低下を抑制することができる。また、ガス化炉SGC20側の圧力とガスタービン3の冷却系統8側との圧力差が大きく、良好な制御性も維持できる。
排熱回収ボイラ2の中圧系統7からの中圧蒸気だけで冷却蒸気を供給する場合は、中圧蒸気を増加させようとするとき、高圧蒸気量の発生を抑制する必要があり、不経済な排熱回収ボイラ2の設計となる。一方、プラント定格運転点や高負荷帯における冷却蒸気量を中圧蒸気とガス化炉SGC20からの発生蒸気によって供給することによって、不経済な排熱回収ボイラ2の設計を回避でき、バランス良い設計が可能になる。また、プラント1の負荷変化時や燃料性状のずれを考慮した冷却蒸気量の変動に対して、中圧蒸気量に裕度を見込んだ排熱回収ボイラ2の伝熱面設計にする必要がなくなり、性能へのロバスト性を高めることができる。
プラント定格運転点における冷却蒸気量を中圧蒸気とガス化炉SGC20からの発生蒸気によって供給することによって、ガス化炉SGC20からの発生蒸気全量で冷却蒸気を供給する場合に比べて、プラント効率の低下を大幅に抑えるとともに、燃焼器の冷却水配管サイズを実設計において現実的なものにすることができる。
プラント定格運転点における冷却蒸気量を中圧蒸気とガス化炉SGC20からの発生蒸気によって供給することによって、ガス化炉SGC20からの発生蒸気の一部のみで冷却蒸気を供給する場合に比べて、プラント効率の低下を最小限に抑えることができる。
なお、上記実施形態において、排熱回収ボイラ2は、高圧系統6と中圧系統7を有する二重圧方式であり、ガス化炉SGC20は、単圧方式である場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、排熱回収ボイラ2は、高圧系統、中圧系統及び低圧系統を有する三重圧方式であってもよい。また、ガス化炉SGC20は、二重圧方式など複圧方式でもよいし、ガス化炉SGC20の低温部から冷却蒸気を抽出するとしてもよい。
また、上記実施形態では、ガスタービン3がガス化炉に先行して起動する場合について記載したが、本発明はこの例に限定されない。ガス化炉をガスタービン3に先行して起動させることにより、ガス化炉SGC20からの蒸気をガスタービン3の冷却蒸気にあててもよい。この場合、補助ボイラ40等からの蒸気を冷却蒸気として使用しなくてもよい。
1,10,11,12 プラント
2 排熱回収ボイラ
3 ガスタービン
4 蒸気タービン
5 再熱系統
6 高圧系統(第1系統)
7 中圧系統(第2系統)
8 冷却系統
14 排ガス供給路
15 低温再熱蒸気管
16 高温再熱蒸気管
17 高圧蒸気管
19 中圧蒸気管(第2冷却蒸気供給路)
20 ガス化炉SGC(冷却器)
22 SGC蒸気管
24 SGC蒸気管(第3冷却蒸気供給路)
26 冷却蒸気排出管
27 補助ボイラ蒸気管(第4冷却蒸気供給路)
28 高圧蒸気管(第1冷却蒸気供給路)
29 スプレイ(第1温度調整手段)
30 中圧蒸気排出管
33 スプレイ(第3温度調整手段)
34 高圧蒸気排出管
35 SGC蒸気排出管(蒸気排出路)
40 補助ボイラ
C4 制御弁(第1蒸気量調整手段)
C6 制御弁(第2蒸気量調整手段)

Claims (10)

  1. ガスタービンと、
    前記ガスタービンからの排熱と熱交換して第1蒸気を発生させる第1系統と、前記ガスタービンからの排熱と熱交換して前記第1蒸気よりも低圧の第2蒸気を発生させる第2系統とを有する排熱回収ボイラと、
    前記第1系統と前記ガスタービンの冷却系統とを接続し、前記第1系統から前記冷却系統へ前記第1蒸気を供給する第1冷却蒸気供給路と、
    前記第2系統と前記ガスタービンの冷却系統とを接続し、前記第2系統から前記冷却系統へ前記第2蒸気を供給する第2冷却蒸気供給路と、
    石炭ガス化炉にて生成された石炭ガスと熱交換して第3蒸気を発生させる冷却器と、
    前記冷却器と前記ガスタービンの冷却系統とを接続し、前記冷却器から前記冷却系統へ前記第3蒸気を供給する第3冷却蒸気供給路と、
    前記第1蒸気、前記第2蒸気及び前記第3蒸気の圧力に基づいて、前記冷却系統へ供給する冷却蒸気を、前記第1蒸気、前記第2蒸気及び前記第3蒸気のうち少なくともいずれか一つから選択し、前記第1冷却蒸気供給路、前記第2冷却蒸気供給路及び前記第3冷却蒸気供給路を切り替えて、選択された前記冷却蒸気を前記冷却系統へ供給させる制御部と、
    を備えるガスタービン冷却システム。
  2. 前記制御部は、前記第1蒸気、前記第2蒸気及び前記第3蒸気の温度に基づいて、前記第1蒸気、前記第2蒸気及び前記第3蒸気のうち少なくともいずれか一つから前記冷却蒸気を選択する請求項1に記載のガスタービン冷却システム。
  3. 第4蒸気を発生させる外部機器と前記ガスタービンの冷却系統とを接続し、前記外部機器から前記冷却系統へ前記第4蒸気を供給する第4冷却蒸気供給路を更に備え、
    前記制御部は、前記第1蒸気、前記第2蒸気、前記第3蒸気及び前記第4蒸気の圧力、又は、前記第1蒸気、前記第2蒸気、前記第3蒸気及び前記第4蒸気の圧力及び温度に基づいて、前記第1蒸気、前記第2蒸気、前記第3蒸気及び前記第4蒸気のうち少なくともいずれか一つから前記冷却蒸気を選択し、前記第1冷却蒸気供給路、前記第2冷却蒸気供給路、前記第3冷却蒸気供給路及び前記第4冷却蒸気供給路を切り替えて、選択された前記冷却蒸気を前記冷却系統へ供給させる請求項1又は2に記載のガスタービン冷却システム。
  4. 前記制御部は、
    前記ガスタービンの起動後から前記排熱回収ボイラからの前記第1蒸気及び前記第2蒸気が確立するまでの間、前記冷却蒸気として前記第4蒸気を選択し、前記第4冷却蒸気供給路を介して前記冷却系統へ前記第4蒸気を供給し、
    前記排熱回収ボイラの前記第1蒸気が確立してから前記冷却器から発生する前記第3蒸気が確立するまでの間、前記冷却蒸気として前記第1蒸気を選択し、前記第1冷却蒸気供給路を介して前記冷却系統へ前記第1蒸気を供給し、
    前記排熱回収ボイラの前記第2蒸気が確立してから、前記冷却蒸気として前記第2蒸気を選択し、前記第2冷却蒸気供給路を介して前記冷却系統へ前記第2蒸気を供給し、
    前記冷却器から発生する前記第3蒸気が確立してから、前記冷却蒸気として前記第3蒸気を選択し、前記第3冷却蒸気供給路を介して前記冷却系統へ前記第3蒸気を供給する請求項3に記載のガスタービン冷却システム。
  5. 前記ガスタービンの冷却状態に基づいて、前記第3冷却蒸気供給路を流れる前記第3蒸気の蒸気量を調整する第1蒸気量調整手段を更に備える請求項1から4のいずれか1項に記載のガスタービン冷却システム。
  6. 前記ガスタービンの冷却状態に基づいて、前記第3冷却蒸気供給路を流れる前記第3蒸気の温度を調整する第3温度調整手段を更に備える請求項1から5のいずれか1項に記載のガスタービン冷却システム。
  7. 前記第3冷却蒸気供給路を流れる前記第3蒸気を蒸気タービンへ排気する蒸気排出路と、
    前記蒸気排出路上に設けられ、前記蒸気排出路を流れる前記第3蒸気の蒸気量を調整する第2蒸気量調整手段と、
    を有する請求項1から6のいずれか1項に記載のガスタービン冷却システム。
  8. 前記ガスタービンの冷却状態に基づいて、前記第1冷却蒸気供給路を流れる前記第1蒸気の温度を調整する第1温度調整手段を更に備える請求項1から7のいずれか1項に記載のガスタービン冷却システム。
  9. 石炭ガス化炉と、
    前記第1系統から前記第1蒸気が供給される蒸気タービンと、
    請求項1から8のいずれか1項に記載のガスタービン冷却システムと、
    を備える石炭ガス化複合発電システム。
  10. ガスタービンと、前記ガスタービンからの排熱と熱交換して第1蒸気を発生させる第1系統と、前記ガスタービンからの排熱と熱交換して前記第1蒸気よりも低圧の第2蒸気を発生させる第2系統とを有する排熱回収ボイラと、石炭ガス化炉にて生成された石炭ガスと熱交換して第3蒸気を発生させる冷却器とを備えるガスタービン冷却システムにおけるガスタービン冷却方法であって、
    前記第1系統から前記ガスタービンの冷却系統へ前記第1蒸気を供給するステップと、
    前記第2系統から前記冷却系統へ前記第2蒸気を供給するステップと、
    前記冷却器から前記冷却系統へ前記第3蒸気を供給するステップと、
    前記第1蒸気、前記第2蒸気及び前記第3蒸気の圧力に基づいて、前記冷却系統へ供給する冷却蒸気を、前記第1蒸気、前記第2蒸気及び前記第3蒸気のうち少なくともいずれか一つから選択するステップと、
    選択された前記冷却蒸気を前記冷却系統へ供給させるステップと、
    を備えるガスタービン冷却方法。
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