JP2014190195A - ガスタービンプラント、及びガスタービンプラントの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンプラントの効率の向上を図る。
【解決手段】燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２１、及び燃焼ガスで駆動するタービン３１を有するガスタービン１０と、ガスタービンからの排ガスＥＧの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１１０と、排熱回収ボイラの排ガスから見た最上流部において、排ガスの一部に燃料を投入して燃焼させる助燃燃焼器１４１と、助燃燃焼器の下流に設置された助燃部熱交換器１４２と、を備え、助燃燃焼器１４１を通る排ガスの一部と、助燃燃焼器１４１を通らない排ガスの残りの部分とが、排熱回収ボイラ１１０の内部で合流することを特徴とするガスタービンプラント。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンと、ガスタービンからの排ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、を備えるガスタービンプラント、及びガスタービンプラントの運転方法に関する。

ガスタービンコンバインドプラントは、ガスタービン、排熱回収ボイラ、蒸気タービン、発電機などから構成されており、ガスタービンで発電機を回転させると共に、ガスタービンから排出される排ガスを利用して排熱回収ボイラで主蒸気を生成し、蒸気タービンにおいても発電のための動力を得るプラントである。

例えば、特許文献１には、排熱回収ボイラの上流側に助燃バーナを設置することによって、燃料をガスタービンの燃焼器のみならず排熱回収ボイラ側にも投入する構成が記載されている。
このガスタービンコンバインドプラントは、ガスタービンの起動時において助燃バーナにより排熱回収ボイラでの蒸気発生を促進させることによって、プラントの全負荷到達時間に至る時間を短縮することができる。

また、助燃バーナを用いて、排熱回収ボイラの流路入口の全域にわたって排ガスに燃料を投入して追い焚きすることによって、蒸気発生量を増大可能である。発生した蒸気で蒸気タービンを運転する場合、追い焚きを行わないよりも出力を増大することが可能となる。

特開平１１−２２４１９号公報

上述したように、助燃バーナを用いることで蒸気タービンなどのボトミングサイクルへの出力を増大させることができるが、ガスタービンコンバインドプラント全体の熱効率は改善の余地が多々あるため、ガスタービンコンバインドプラントの全体の熱効率を高めることが要求されている。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ボトミングサイクルに出力するエネルギーを維持しながら、プラント全体の熱効率の低下を抑制することができるガスタービンプラントを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明のガスタービンプラントは、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び該燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、前記ガスタービンからの排ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラの排ガスから見た最上流部において、前記排ガスの一部に燃料を投入して燃焼させる助燃燃焼器と、前記助燃燃焼器の下流に設置された助燃部熱交換器と、を備え、前記助燃燃焼器を通る排ガスの一部と、前記助燃燃焼器を通らない排ガスの残りの部分とが、前記排熱回収ボイラの内部で合流することを特徴とする。

上記構成によれば、同じ量の燃料を投入する場合、排ガスの全部に燃料を投入する場合と比較して、助燃部熱交換器に供給される少量の排ガスの温度が高くなる。
加熱される媒体が水の場合、全ての排ガスに助燃燃料を投入した場合を比較例とすると、本発明のガスタービンプラントでは、排ガスの一部に比較例と同量の燃料を供給して助燃するため、排ガスの一部の温度が比較例の排ガスの温度と比較して高温となり、蒸気の温度も比較例の温度と比較して、高くすることができる。
比較例では、助燃後の排ガスに含まれている熱が蒸気の過熱に多く利用されないため、本実施形態と比べて水の蒸発に利用される熱量が多くなる。よって、比較例においては低温の蒸気が大量に発生し、対して、本実施形態においては高温の蒸気が少量発生することとなる。比較例においては、大量の蒸気流量となるので、復水器で放出されるエネルギー量が大きくなるのに対し、本実施形態においては、少量の蒸気流量となるので、復水器で放出されるエネルギーは小さくなる。よって、本実施形態は熱効率を高めることができる。
一方、加熱される媒体が、ガスタービンの燃焼器に供給される空気や燃料の場合、ガスタービンの燃焼ガスのエネルギーが増加するため、ガスタービンの熱効率を高めることができる。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記排ガスの一部と、前記排ガスの残りの部分とは、前記排熱回収ボイラ中の最も上流側に設けられた蒸発器よりも上流側で合流することが好ましい。

上記構成によれば、蒸発器での蒸気発生量の低減を抑制することができる。

上記ガスタービンプラントにおいて、蒸気タービンを備え、前記助燃部熱交換器で加熱する流体は前記蒸気タービンに供給される蒸気であることが好ましい。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記排熱回収ボイラで発生した第一蒸気で駆動する第一蒸気タービンと、前記第一蒸気より低圧の蒸気である第二蒸気で駆動する第二蒸気タービンとを備え、前記助燃部熱交換器は、前記第一蒸気と前記第二蒸気のうち少なくとも一方を過熱することが好ましい。

上記構成によれば、プラントの仕様や要求される温度に応じて、蒸気発生部を適宜選択することができる。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記助燃部熱交換器は、前記燃焼器に供給される前記空気と前記燃料のうち少なくとも一方を加熱する構成としてもよい。

上記構成によれば、助燃部熱交換器で得られる熱によって空気と燃料のうち少なくとも一方が予熱されるため、ガスタービンの熱効率を高めることができる。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記燃焼器に供給される前記空気と前記燃料のうち少なくとも一方を予熱する予熱器と、前記予熱器に前記助燃部熱交換器で過熱された蒸気を供給する予熱蒸気ラインと、を備える構成としてもよい。

上記構成によれば、熱伝導率、密度、比熱の高い蒸気を用いて予熱することができ、予熱器を小型化することができる。また、燃料を予熱する場合は、蒸気で燃料を予熱するため、熱交換器の伝熱管が損傷して伝熱管内外の流体が混合しても発火の恐れがない。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記助燃燃焼器を通る前記排ガスの前記一部と、前記助燃燃焼器を通らない前記排ガスの前記残りの部分との流量配分を調整する流量調整手段が設けられていることが好ましい。

上記構成によれば、流量調整手段を用いて、排ガスの好適な流量配分を得ることができる。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記流量調整手段は、前記助燃燃焼器を通らない前記排ガスの前記残りの部分の流れの抵抗となる圧損体であることが好ましい。

上記構成によれば、圧損体によって助燃燃焼器を通らない排ガスの流量が少なくなるため、比較的簡素な構成で好適な流量配分を得ることができる。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記流量調整手段は、前記助燃燃焼器を通る前記排ガスの前記一部の流れの流量を増加させる流量増加手段としてもよい。

上記構成によれば、助燃燃焼器を通る排ガスの流量を確保し、排ガスの好適な流量配分を得ることができる。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記助燃燃焼器に供給される燃料の投入量を調整する助燃燃料調整手段を有することが好ましい。

上記構成によれば、ガスタービンプラントの高い熱効率を維持しつつ、需要に応じた出力を得ることができる。

上記ガスタービンプラントにおいて、前記助燃燃焼器を通る排ガスの一部と、前記助燃燃焼器を通らない排ガスの残りの部分とは、排熱回収ボイラ内に設けられた区画壁によって分離されていることが好ましい。

上記構成によれば、助燃燃焼器を通る排ガスと助燃燃焼器を通らない排ガスとの混合を防止することができる。

また、本発明は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び該燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、前記ガスタービンからの排ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、を有するガスタービンプラントの運転方法であって、排熱回収ボイラの排ガスから見た最上流部において、前記排ガスの一部に前記燃料を投入して助燃させる工程と、前記助燃により得られる熱を回収する熱回収工程と、を有するガスタービンプラントの運転方法を提供する。

本発明によれば、ガスタービンプラントの熱効率を向上させることができる。

本発明の第一実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。 排ガスと水の流れに伴うそれぞれの熱量と温度の関係を示す図である。 本発明の第一実施形態の変形例におけるガスタービンプラントの系統図である。 本発明の第一実施形態の変形例におけるガスタービンプラントの系統図である。 本発明の第二実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。 本発明の第二実施形態の変形例におけるガスタービンプラントの系統図である。 本発明の第三実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。 本発明の第四実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。 流量調整手段の一例を示す図である。 流量調整手段の一例を示す図である。 流量調整手段の一例を示す図である。 本発明の第五実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。

本実施形態のガスタービンプラントは、図１に示すように、ガスタービン１０と、ガスタービン１０の駆動で発電する発電機１５と、ガスタービン１０から排気された排ガスＥＧの熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１１０と、排熱回収ボイラ１１０で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃと、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの駆動で発電する発電機１２２と、蒸気タービン１２１ａを駆動させた蒸気を水に戻す復水器１２３と、復水器１２３中の水を排熱回収ボイラ１１０に戻す給水ポンプ１２４と、排熱回収ボイラ１１０を通過した排ガスＥＧを大気に放出する煙突４０と、を備えている。

ガスタービン１０は、空気ＮＡを圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された空気Ａ中で燃料流路２９を介して供給された燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の燃焼器２１と、高温高圧の燃焼ガスにより駆動するタービン３１と、を備えている。タービン３１のタービンロータと圧縮機１１の圧縮機ロータとは、同一の軸線を中心として回転するもので、相互に連結されて、ガスタービンロータを成している。このガスタービンロータには、発電機１５のロータが接続されている。
圧縮機１１の出口と燃焼器２１とは圧縮空気流路１２によって接続されており、この圧縮空気流路１２を介して圧縮機１１で圧縮された圧縮空気Ａが燃焼器２１に供給される。

蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃは、低圧蒸気タービン１２１ａと中圧蒸気タービン１２１ｂ（第二蒸気タービン）と高圧蒸気タービン１２１ｃ（第一蒸気タービン）とを有している。
また、排熱回収ボイラ１１０は、低圧蒸気ＬＳを発生する低圧蒸気発生部１１１ａと、中圧蒸気ＩＳを発生する中圧蒸気発生部１１１ｂと、高圧蒸気ＨＳ（第一蒸気）を発生する高圧蒸気発生部１１１ｃと、高圧蒸気タービン１２１ｃを駆動させた蒸気を再過熱する再熱部１１５と、排ガスＥＧの一部に燃料Ｆを投入して燃焼させる助燃燃焼器１４１と、助燃燃焼器１４１の下流に設置された助燃部熱交換器１４２と、を有している。また、排熱回収ボイラ１１０は、図示しないが、助燃燃焼器１４１に供給される燃料の投入量は、助燃燃料調整手段を有している。
なお、ここでは、各々の蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに発電機１２２が設けられているが、低圧蒸気タービン１２１ａ、中圧蒸気タービン１２１ｂ、高圧蒸気タービン１２１ｃの合計３基の蒸気タービンに対して、１基の発電機１２２を設けてもよい。

低圧蒸気発生部１１１ａは、水を加熱する低圧節炭器１１２ａと、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を蒸気にする低圧蒸発器１１３ａと、低圧蒸発器１１３ａで発生した蒸気を過熱して低圧蒸気ＬＳを生成する低圧過熱器１１４ａと、を有している。

中圧蒸気発生部１１１ｂは、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を昇圧する中圧ポンプ１１６ｂと、この中圧ポンプ１１６ｂで昇圧された水を加熱する中圧節炭器１１２ｂと、中圧節炭器１１２ｂで加熱された水を蒸気にする中圧蒸発器１１３ｂと、中圧蒸発器１１３ｂで発生した蒸気を過熱して中圧蒸気ＩＳ（第二蒸気）を生成する中圧過熱器１１４ｂと、を有している。

高圧蒸気発生部１１１ｃは、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を昇圧する高圧ポンプ１１６ｃと、この高圧ポンプ１１６ｃで昇圧された水を加熱する第一高圧節炭器１１２ｃと、第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水をさらに加熱する第二高圧節炭器１１２ｄと、第二高圧節炭器１１２ｄで加熱された水を蒸気にする高圧蒸発器１１３ｃと、高圧蒸発器１１３ｃで発生した蒸気を過熱する第一高圧過熱器１１４ｃと、第一高圧過熱器１１４ｃで過熱された蒸気をさらに過熱して高圧蒸気ＨＳを生成する第二高圧過熱器１１４ｄと、を有している。

助燃燃焼器１４１は、排熱回収ボイラ１１０の排ガスＥＧから見た最上流部に配置されている。助燃部熱交換器１４２は、助燃燃焼器１４１の下流であって、第二高圧過熱器１１４ｄ及び第二再熱器１１５ｂよりもさらに上流側に設けられている。助燃部熱交換器１４２は、第二高圧過熱器１１４ｄの蒸気出口に接続されている。

また、排熱回収ボイラ１１０の内部には、区画壁１４３が設けられている。区画壁１４３は、排ガスＥＧの流れ方向（以下、単に流れ方向と呼ぶ）に沿う主面を有しており、排熱回収ボイラ１１０の流れ方向に直交する断面を二つの区画に分けるように流れ方向に延在している。区画壁１４３が設置されている流れ方向に沿う範囲は、助燃燃焼器１４１及び助燃部熱交換器１４２が配置されている位置に対応している。

区画壁１４３は、助燃燃焼器１４１及び助燃部熱交換器１４２が配置されている流れ方向の範囲を二つの区画に分けるように延在しており、助燃燃焼器１４１及び助燃部熱交換器１４２は、これら区画のうち一方に配置されている。
即ち、区画壁１４３は、排熱回収ボイラ１１０に導入される排ガスＥＧが、排熱回収ボイラ１１０内で、区画壁１４３の一方側と他方側とに分かれて流れるように配置されている。

再熱部１１５は、高圧蒸気タービン１２１ｃを駆動させた蒸気を加熱する第一再熱器１１５ａと、第一再熱器１１５ａで過熱された蒸気をさらに過熱して再熱蒸気ＲＨＳを生成する第二再熱器１１５ｂと、有している。

排熱回収ボイラ１１０を構成する要素は、タービン３１から煙突４０に向かう排ガスＥＧの下流側に向かって、助燃燃焼器１４１、助燃部熱交換器１４２、第二再熱器１１５ｂ及び第二高圧過熱器１１４ｄ、第一再熱器１１５ａ、第一高圧過熱器１１４ｃ、高圧蒸発器１１３ｃ、第二高圧節炭器１１２ｄ、中圧過熱器１１４ｂ及び低圧過熱器１１４ａ、中圧蒸発器１１３ｂ、第一高圧節炭器１１２ｃ及び中圧節炭器１１２ｂ、低圧蒸発器１１３ａ、低圧節炭器１１２ａの順序で並んでいる。

復水器１２３と低圧節炭器１１２ａとは、給水ライン１３１で接続されている。この給水ライン１３１には、前述の給水ポンプ１２４が設けられている。
低圧過熱器１１４ａと低圧蒸気タービン１２１ａの蒸気入口とは、低圧過熱器１１４ａからの低圧蒸気ＬＳを低圧蒸気タービン１２１ａに送る低圧蒸気ライン１３２で接続されている。

低圧蒸気タービン１２１ａの蒸気出口と復水器１２３とは、低圧蒸気タービン１２１ａを駆動させた低圧蒸気ＬＳが復水器１２３に供給されるよう互いに接続されている。助燃部熱交換器１４２と高圧蒸気タービン１２１ｃの蒸気入口とは、高圧蒸気ＨＳを高圧蒸気タービン１２１ｃに送る高圧蒸気ライン１３８で接続されている。
高圧蒸気タービン１２１ｃの蒸気出口と第一再熱器１１５ａの蒸気入口とは、高圧蒸気タービン１２１ｃからの高圧蒸気ＨＳを第一再熱器１１５ａに送る高圧蒸気回収ライン１３９で接続されている。

第二再熱器１１５ｂの蒸気出口と中圧蒸気タービン１２１ｂの蒸気入口とは、第二再熱器１１５ｂで過熱された蒸気を再熱蒸気ＲＨＳとして中圧蒸気タービン１２１ｂに送る再熱蒸気ライン１３６で接続されている。中圧蒸気タービン１２１ｂの蒸気出口には、中圧蒸気回収ライン１３７が接続されている。この中圧蒸気回収ライン１３７は、低圧蒸気ライン１３２に合流している。中圧過熱器１１４ｂの蒸気出口には、中圧蒸気ライン１３３が接続されている。この中圧蒸気ライン１３３は、高圧蒸気回収ライン１３９に合流している。

次に、以上で説明した本実施形態のコンバインドプラントの動作について説明する。
ガスタービン１０の圧縮機１１は、大気中の空気ＮＡを圧縮し、圧縮した空気Ａを圧縮空気流路１２を介して燃焼器２１に供給する。また、燃焼器２１には、燃料流路２９からの燃料Ｆも供給される。燃焼器２１内では、圧縮空気Ａ中で燃料Ｆが燃焼して、高温高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、タービン３１に送られ、このタービン３１のタービンロータを回転させる。このタービンロータの回転で、ガスタービン１０に接続されている発電機１５は発電する。

タービン３１のタービンロータを回転させた燃焼ガスは、排ガスＥＧとしてガスタービン１０から排気され、排熱回収ボイラ１１０を介して、煙突４０から大気に放出される。排熱回収ボイラ１１０は、ガスタービン１０からの排ガスＥＧが通る過程で、この排ガスＥＧに含まれている熱を回収する。

排熱回収ボイラ１１０内に流入した排ガスＥＧは、区画壁１４３によって助燃燃焼器１４１側と、空隙Ｓ側とに分離される。即ち、排ガスＥＧの一部が助燃燃焼器１４１側に流入し、排ガスＥＧの残りの部分が空隙Ｓに流入する。
一方、助燃燃焼器１４１には、第二燃料流路２９ｂを介して燃料Ｆが供給される。燃料量は、助燃燃料調整手段によって調整される。これにより、助燃燃焼器１４１で助燃が実施され、助燃燃焼器１４１下流側の排ガスＥＧの温度が上昇する。

区画壁１４３によって分離された排ガスＥＧは、区画壁１４３の下流側で合流する。即ち、排ガスＥＧは、第二再熱器１１５ｂ及び第二高圧過熱器１１４ｄの上流側で合流し、さらに下流側に流れる。第二再熱器１１５ｂ及び第二高圧過熱器１１４ｄは、最も上流側に設けられた蒸発器である、高圧蒸発器１１３ｃよりも上流側に設けられているので、排ガスＥＧは、排熱回収ボイラ１１０中の最も上流側に設けられた蒸発器よりも上流側で合流する。

なお、蒸発器としては、亜臨界圧ボイラ、即ち、自然循環ボイラ、強制循環ボイラ、貫流ボイラ等の区別を問わない。また、貫流ボイラで蒸発のみでなく、水の飽和温度までの加熱や、発生した蒸気を過熱も含めて行う場合も含む。
さらに、超臨界圧ボイラ（温度が擬臨界温度よりも低い超臨界圧の水を擬臨界温度を超えて加熱する装置、ただし、擬臨界温度とは定圧比熱が極大となる温度をいう）も含むものとする。

排熱回収ボイラ１１０中で、最も下流側（煙突４０側）の低圧節炭器１１２ａには、復水器１２３からの水が給水ライン１３１を介して供給される。低圧節炭器１１２ａは、この水を排ガスＥＧと熱交換させて加熱する。低圧節炭器１１２ａで加熱された水の一部は、低圧蒸発器１１３ａでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、低圧過熱器１１４ａでさらに過熱されて低圧蒸気ＬＳとして、低圧蒸気ライン１３２を介して低圧蒸気タービン１２１ａに供給される。低圧蒸気タービン１２１ａを駆動させた蒸気は、復水器１２３で水に戻る。この水は、復水器１２３から給水ライン１３１を介して再び低圧節炭器１１２ａに供給される。

低圧節炭器１１２ａで加熱された水の他の一部は、中圧ポンプ１１６ｂで昇圧されて中圧節炭器１１２ｂに送られ、低圧節炭器１１２ａで加熱された残りの水は、高圧ポンプ１１６ｃで昇圧されて第一高圧節炭器１１２ｃに送られる。

第一高圧節炭器１１２ｃは、高圧ポンプ１１６ｃから送られてきた水を排ガスＥＧと熱交換させて加熱する。第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水は、第二高圧節炭器１１２ｄでさらに過熱される。この水は、高圧蒸発器１１３ｃでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、第一高圧過熱器１１４ｃ及び第二高圧過熱器１１４ｄでさらに過熱される。
そして、この蒸気は、助燃部熱交換器１４２でさらに過熱されて高圧蒸気ＨＳとなる。この高圧蒸気ＨＳは、高圧蒸気ライン１３８を介して高圧蒸気タービン１２１ｃに供給される。

中圧節炭器１１２ｂは、中圧ポンプ１１６ｂから送られてきた水を排ガスＥＧと熱交換させて加熱する。中圧節炭器１１２ｂで加熱された水は、中圧蒸発器１１３ｂでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、中圧過熱器１１４ｂでさらに過熱されて、中圧蒸気ＩＳとなる。この中圧蒸気ＩＳは、中圧蒸気ライン１３３を介して、高圧蒸気回収ライン１３９を流れる蒸気と合流し、第一再熱器１１５ａ及び第二再熱器１１５ｂで再加熱され、再熱蒸気ＲＨＳとなる。この再熱蒸気ＲＨＳは、再熱蒸気ライン１３６を介して、中圧蒸気タービン１２１ｂに供給される。
中圧蒸気タービン１２１ｂを駆動させた再熱蒸気ＲＨＳは、中圧蒸気回収ライン１３７及び低圧蒸気ライン１３２を介して、低圧蒸気タービン１２１ａに供給される。

上記実施形態によれば、排ガスの一部のみを助燃することによって、ガスタービンプラントの熱効率を向上させることができる。
以下、その原理を説明する。
図２（ａ）、図２（ｂ）に、排ガスと水（蒸気）の流れに伴うそれぞれの熱量と温度の関係（ＴＱ線図）を図示する。図２において、縦軸が温度であり、横軸が熱量である。図２（ａ）は、全ての排ガスＥＧに助燃燃料を投入した場合（以下、比較例と呼ぶ）のＴＱ線図である。図２（ｂ）は、排ガスＥＧの一部に助燃燃料を投入した本実施形態の場合のＴＱ線図である。また、図２（ｃ）は、図２（ａ）と図２（ｂ）とを重ね合わせたうえで、重複する部分を白抜きで示した図である。
なお、比較例と、本実施形態とでは、投入する燃料の量を同じとする。また、助燃後の排ガス中に含まれる熱量も同じである。

排ガスは過熱器、蒸発器、節炭器の順に流れる。排ガスの熱量は、この過程において水（蒸気）に熱を与えることによって低下する。
一方、水は図２において右から左に行くに従って、節炭器で予熱された後、蒸発器で蒸発し、過熱器で過熱される。

本実施形態のガスタービンプラントでは、排ガスの一部に比較例と同量の燃料を供給して助燃するため、排ガスの一部の温度が比較例の排ガスの温度（図２（ｃ）の符号Ｆ）と比較して高温となる（図２（ｃ）の符号Ｇ）。よって、過熱器によって得られる蒸気の温度も比較例の温度（図２（ｃ）の符号Ｄ）と比較して、高くすることができる（図２（ｃ）の符号Ｅ）。

比較例では、排ガスの全体に本実施形態と同じ量の燃料が投入されるため、排ガスの温度が本実施形態よりも上昇することがない。つまり、比較例では、助燃後の排ガスに含まれている熱が蒸気の過熱に多く利用されない。
しかしながら、助燃後の排ガスに含まれる熱量は、本実施形態と比較例は同じである。このため、比較例は、本実施形態と比べて水の蒸発に利用される熱量が多くなる。
この結果、比較例は本実施形態と比べて蒸気発生量が多くなる。よって、比較例においては低温の蒸気が大量に発生し、対して、本実施形態においては高温の蒸気が少量発生することとなる。

本実施形態と比較例とで、蒸気タービンへ流入する蒸気のエネルギーはほぼ同じである。ところで、蒸気タービンからの蒸気を水に戻す復水器では、蒸気が持つエネルギーを外部に放出することになる。比較例においては、大量の蒸気流量となるので、放出されるエネルギー量が大きくなる。本実施形態においては、少量の蒸気流量となるので、放出されるエネルギーは小さくなる。よって、本実施形態は熱効率を高めることができる。即ち、少量でも高温の蒸気を蒸気タービンに供給する方が、大量の低温の蒸気を蒸気タービンに供給するよりも効率がよくなる。

ここで、助燃後の排ガスに含まれる熱を有効に利用するためには、排ガスと水（蒸気）の温度差を小さくすることが必要である。図２（ａ）、図２（ｂ）中でハッチングで示す領域が小さい方が効果的な熱利用となる。

本実施形態のガスタービンプラントでは、排ガスの一部のみを助燃するため、この部分の排ガスの熱容量が小さく、同等の熱交換量に対して温度低下が大きくなるので、図２（ｂ）に示すように、負の傾きが大きくなる。その結果、過熱器における（排ガス−蒸気）の温度差が小さくなり、ハッチング部の面積が小さくなる。
即ち、比較例と本実施形態を比較した図２（ｃ）において、Ａ部の面積よりＢ＋Ｃ部の面積の方が小さくなり、熱を有効に利用できたことになる。

また、区画壁１４３が、排ガスＥＧが高圧蒸発器１１３ｃよりも上流側で合流するように形成されていることによって、蒸発器に合流後の排ガスＥＧが流れるため、排ガスＥＧが与える熱量に対して排ガスＥＧの温度低下が小さくなる。これにより、本実施形態は比較例と比べて蒸発量が少なくなるものの、その低下を最小限に抑えることができる。

仮に、排ガスの合流がより蒸発器より下流側であるとすると、蒸発器を通過する排ガスの流量が少なく、温度低下が急になる。熱交換を行うためには排ガスの温度が常に水の温度よりも高くならなければならないので、水の量を減らさなければならず、蒸気発生量が少なくなる。

また、区画壁１４３を設置したことによって、助燃燃焼器１４１を通る排ガスＥＧと助燃燃焼器１４１を通らない排ガスＥＧとの混合を防止することができる。

また、助燃部熱交換器１４２によって加熱される媒体が蒸気であることによって、助燃部熱交換器１４２における排ガスＥＧと蒸気との温度差を小さくして、効率的に熱回収することができる。

（変形例１）
次に、第一実施形態のガスタービンプラントの変形例について説明する。
図３に示すように、変形例１のガスタービンプラントは、助燃部熱交換器１４２が第二再熱器１１５ｂの蒸気出口に接続され、助燃燃焼器１４１が、第二再熱器１１５ｂの蒸気出口に接続された助燃部熱交換器１４２の熱交換に用いられる排ガスＥＧを昇温するように配置されていることを特徴としている。
即ち、本実施形態の助燃部熱交換器１４２は、中圧蒸気ＩＳを過熱するように構成されている。換言すれば、助燃部熱交換器１４２によって過熱される蒸気は、高圧蒸気ＨＳに限ることはない。

助燃部熱交換器１４２が中圧蒸気ＩＳを過熱するか、高圧蒸気ＨＳを過熱するかは、プラントの仕様や要求される温度に応じて、蒸気発生部を適宜選択することができる。
なお、本変形例のように助燃部熱交換器１４２が中圧蒸気ＩＳを過熱する構成では、高圧蒸気ＨＳを過熱する場合と比較して、蒸気としては最も温度が高い、助燃部熱交換器１４２で過熱された蒸気の圧力が低く、助燃部熱交換器１４２の伝熱管や助燃部熱交換器で過熱された蒸気を輸送する配管の応力を低減し、クリープ強度の条件を緩和することができる。

（変形例２）
次に、第一実施形態のガスタービンプラントの別の変形例について説明する。
図４に示すように、本実施形態のガスタービンプラントの助燃燃焼器１４１及び助燃部熱交換器１４２は、排熱回収ボイラ１１０のケーシングに対して独立したケーシング１４５に収められていることを特徴としている。排熱回収ボイラ１１０のケーシングと、ケーシング１４５とは、助燃部熱交換器１４２によって利用された排ガスＥＧを排熱回収ボイラ１１０のケーシングに導入する排ガス配管１４６によって接続されている。

上記変形例によれば、区画壁１４３（図１参照）を設けることなく、排ガスＥＧを分離することができる。また、既存の排熱回収ボイラ１１０への導入が容易となる。

（第二実施形態）
図５に示すように、本実施形態のガスタービンプラントは、助燃部熱交換器１４２を用いて圧縮機１１から供給される圧縮空気Ａを予熱することを特徴としている。即ち、助燃部熱交換器１４２によって加熱される流体は、蒸気に限ることはない。

具体的には、助燃部熱交換器１４２の伝熱管の両端には、圧縮空気流路１２が接続されている。換言すれば、助燃部熱交換器１４２は、圧縮空気流路１２上に配置されている。これにより、圧縮空気Ａは、助燃燃焼器１４１の助燃で得られる熱を回収する助燃部熱交換器１４２によって予熱される。

上記実施形態によれば、圧縮空気Ａが予熱されることによって、ガスタービン１０や排熱を利用するボトミングサイクルの熱効率を高めることができる。
また、助燃部熱交換器１４２で得られる熱をより効率的に圧縮空気Ａに与えることができるため、ガスタービンや排熱を利用するボトミングサイクルの熱効率をより高めることができる。

（変形例３）
次に、第二実施形態のガスタービンプラントの変形例について説明する。
図６に示すように、本変形例のガスタービンプラントは、助燃部熱交換器１４２を用いて燃焼器２１に供給される燃料Ｆを予熱することを特徴としている。

具体的には、助燃部熱交換器１４２の伝熱管の両端には、燃料流路２９が接続されている。換言すれば、助燃部熱交換器１４２は、燃料流路２９上に配置されている。これにより、燃料Ｆは、助燃燃焼器１４１の助燃で得られる熱を回収する助燃部熱交換器１４２によって予熱される。

上記実施形態によれば、燃料Ｆが予熱されることによって、ガスタービン１０や排熱を利用するボトミングサイクルの熱効率を高めることができる。
例えば、予熱前後で燃料流量を一定とした場合、予熱により燃焼器２１に持ち込む熱量が増大し、（ガスタービン１０の）タービン入口温度が上昇、（圧力比一定であれば）排ガス温度も上がり、蒸気温度を高くできるため、ボトミングサイクルの効率も上がる。
また、（ガスタービン１０の）タービン入口温度を一定とする場合、予熱により、単位質量の燃料が持つ熱量が増大し、同等のタービン入口温度を得るのに必要な燃料が減少する。熱効率の分母が小さくなることになり、ガスタービン／ボトミング共に効率が上がる。

また、助燃部熱交換器１４２で得られる熱をより効率的に燃料Ｆに与えることができるため、ガスタービンや排熱を利用するボトミングサイクルの熱効率をより高めることができる。

（第三実施形態）
図７に示すように、本実施形態のガスタービンプラントは、助燃部熱交換器１４２によって過熱された蒸気を用いて、圧縮空気Ａ及び燃料Ｆを予熱することを特徴としている。
具体的には、助燃部熱交換器１４２によって過熱された蒸気は、予熱蒸気ライン１４７を介して圧縮空気流路１２上、及び燃料流路２９上に設置され、予熱器として機能する熱交換器５１，５２の伝熱管に導入されるようになっている。熱交換器５１，５２にて利用された蒸気は、予熱蒸気回収ライン１４８を介して第二再熱器１１５ｂで再び過熱された後、中圧蒸気タービン１２１ｂに供給される。

上記実施形態によれば、熱伝導率、密度、比熱の高い蒸気を用いて予熱することができ、熱交換器５１，５２を小型化できる。また、燃料Ｆを予熱する場合は、蒸気で燃料Ｆを予熱するため、熱交換器５１，５２の伝熱管が損傷して伝熱管内外の流体が混合しても発火の恐れがない。

なお、上記実施形態においては、二つの熱交換器５１，５２を用いて圧縮空気Ａ及び燃料Ｆの両方を予熱する構成を示したが、必ずしも圧縮空気Ａと燃料Ｆの両方を予熱する必要はない。

（第四実施形態）
図８に示すように、本実施形態のガスタービンプラントは、区画壁１４３の助燃燃焼器１４１及び助燃部熱交換器１４２が配置されている一方側とは反対側の他方側に形成される空隙Ｓに、流量調整手段６０が設けられていることを特徴としている。流量調整手段６０は、助燃燃焼器１４１を通る排ガスＥＧと助燃燃焼器１４１を通らない排ガスＥＧの流量配分を調整する手段である。

流量調整手段６０は、排ガスＥＧの抵抗となり排ガスＥＧの圧力損失（圧損）となるような圧損体である。図９に示すように、流量調整手段６０は、熱交換器と同様の複数の円管からなる管群６１によって構成されている。この管群６１は、圧力損失を生じさせることが目的であるため、流体は流されていない。

流量調整手段６０の形態は、管群６１に限ることはなく、図１０（ａ）、及び図１０（ａ）のＡ矢視図である図１０（ｂ）に示すように、複数の金属線を格子状に配した金網６２を設けてもよい。
または、図１１に示すように、ダンパ６３を設けてもよい。ダンパ６３は、一対のダンパ本体６４と、ダンパ本体６４を回動自在に保持する回転軸６５とを有しており、排ガスＥＧの流量を調整可能に構成されている。

上記実施形態によれば、流量調整手段６０によって、助燃燃焼器１４１を通る排ガスＥＧと助燃燃焼器１４１を通らない排ガスＥＧの流量配分を調整されることによって、好適な流量配分を得ることができる。

（第五実施形態）
図１２に示すように、本実施形態の流量調整手段は、助燃燃焼器１４１を通る排ガスＥＧの流路に設けられ、流量増加手段として機能する昇圧手段６７である。即ち、流量調整手段６０は、排ガスＥＧの助燃部熱交換器１４２によって損失した圧力を回復させる昇圧手段６７である。
具体的には、昇圧手段６７は、流通する流体の流速を高めるファンや、ブロワなどによって構成することができる。

上記実施形態によれば、助燃燃焼器１４１を通る排ガスＥＧの流量を確保し、排ガスＥＧの好適な流量配分を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等は一例であり、適宜変更が可能である。

１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 圧縮空気流路
１５ 発電機
２１ 燃焼器
２９ 燃料流路
２９ｂ 第二燃料流路
３１ タービン
５１，５２ 熱交換器（予熱器）
４０ 煙突
６０ 流量調整手段
６７ 昇圧手段（流量増加手段）
１００ 排熱回収装置
１１１ａ 低圧蒸気発生部
１１１ｂ 中圧蒸気発生部
１１１ｃ 高圧蒸気発生部
１１２ａ 低圧節炭器
１１２ｂ 中圧節炭器
１１２ｃ 第一高圧節炭器
１１２ｄ 第二高圧節炭器
１１３ａ 低圧蒸発器
１１３ｂ 中圧蒸発器
１１３ｃ 高圧蒸発器
１１４ａ 低圧過熱器
１１４ｂ 中圧過熱器
１１４ｃ 第一高圧過熱器
１１４ｄ 第二高圧過熱器
１１５ 再熱部
１１５ａ 第一再熱器
１１５ｂ 第二再熱器
１１６ｂ 中圧ポンプ
１１６ｃ 高圧ポンプ
１２１ａ 低圧蒸気タービン（蒸気タービン）
１２１ｂ 中圧蒸気タービン（第二蒸気タービン）
１２１ｃ 高圧蒸気タービン（第一蒸気タービン）
１２２ 発電機
１２３ 復水器
１２４ 給水ポンプ
１３１ 給水ライン
１３２ 低圧蒸気ライン
１３３ 中圧蒸気ライン
１３６ 再熱蒸気ライン
１３７ 中圧蒸気回収ライン
１３８ 高圧蒸気ライン
１３９ 高圧蒸気回収ライン
１４１ 助燃燃焼器
１４２ 助燃部熱交換器
１４３ 区画壁
１４５ ケーシング
１４６ 排ガス配管
１４７ 予熱蒸気ライン
１４８ 予熱蒸気回収ライン
Ａ 圧縮空気
ＥＧ 排ガス
Ｆ 燃料
ＬＳ 低圧蒸気
ＩＳ 中圧蒸気（第二蒸気）
ＨＳ 高圧蒸気（第一蒸気）
Ｓ 空隙

Claims (12)

1. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び該燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、
   前記ガスタービンからの排ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
   排熱回収ボイラの排ガスから見た最上流部において、前記排ガスの一部に燃料を投入して燃焼させる助燃燃焼器と、
   前記助燃燃焼器の下流に設置された助燃部熱交換器と、を備え、
   前記助燃燃焼器を通る排ガスの一部と、前記助燃燃焼器を通らない排ガスの残りの部分とが、前記排熱回収ボイラの内部で合流することを特徴とするガスタービンプラント。
2. 前記排ガスの一部と、前記排ガスの残りの部分とは、前記排熱回収ボイラ中の最も上流側に設けられた蒸発器よりも上流側で合流することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンプラント。
3. 蒸気タービンを備え、
   前記助燃部熱交換器で加熱する流体は前記蒸気タービンに供給される蒸気であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービンプラント。
4. 前記排熱回収ボイラで発生した第一蒸気で駆動する第一蒸気タービンと、前記第一蒸気より低圧の蒸気である第二蒸気で駆動する第二蒸気タービンとを備え、
   前記助燃部熱交換器は、前記第一蒸気と前記第二蒸気のうち少なくとも一方を過熱することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガスタービンプラント。
5. 前記助燃部熱交換器は、前記燃焼器に供給される空気と燃料のうち少なくとも一方を加熱することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービンプラント。
6. 前記燃焼器に供給される空気と燃料のうち少なくとも一方を予熱する予熱器と、
   前記予熱器に前記助燃部熱交換器で過熱された蒸気を供給する予熱蒸気ラインと、を備えることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンプラント。
7. 前記助燃燃焼器を通る前記排ガスの前記一部と、前記助燃燃焼器を通らない前記排ガスの前記残りの部分との流量配分を調整する流量調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガスタービンプラント
8. 前記流量調整手段は、前記助燃燃焼器を通らない前記排ガスの前記残りの部分の流れの抵抗となる圧損体であることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンプラント。
9. 前記流量調整手段は、前記助燃燃焼器を通る前記排ガスの前記一部の流れの流量を増加させる流量増加手段であることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンプラント。
10. 前記助燃燃焼器に供給される燃料の投入量を調整する助燃燃料調整手段を有する請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のガスタービンプラント。
11. 前記助燃燃焼器を通る排ガスの一部と、前記助燃燃焼器を通らない排ガスの残りの部分とは、排熱回収ボイラ内に設けられた区画壁によって分離されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のガスタービンプラント。
12. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び該燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、前記ガスタービンからの排ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、を有するガスタービンプラントの運転方法であって、
    排熱回収ボイラの排ガスから見た最上流部において、前記排ガスの一部に前記燃料を投入して助燃させる工程と、
    前記助燃により得られる熱を回収する熱回収工程と、を有することを特徴とするガスタービンプラントの運転方法。

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