JP2015514179A - コンバインドサイクル発電プラントおよびコンバインドサイクル発電プラントを運転する方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ガスタービン（１１ａ，ｂ）を備えるコンバインドサイクル発電プラントであって、ガスタービンの排ガス出口は、水／蒸気サイクル（３５）の一部である排熱回収ボイラ（１９）に接続されており、ベース負荷で運転されているときに大きな予備電力およびそれと同時により高い設計性能を有するために、ガスタービン（１１ａ）は電力増強のために蒸気噴射能力（２６）を備えて設計されている。プラントがベース負荷で運転されているときに、改良および最適化された設計性能において大きな予備電力を有するために、ガスタービン（１１ａ）は、少なくとも１つの燃焼器（１５，１６）と、ガスタービン（１１ａ，ｂ）用の冷却空気を提供するための圧縮機（１２）とを有し、冷却空気は、圧縮機（１２）から抽出され、少なくとも１つの冷却空気冷却器（１７，１８）において冷却される。蒸気噴射用の蒸気は、前記冷却空気冷却器（１７，１８）において発生され、前記蒸気は、前記冷却空気冷却器（１７，１８）の空気側入口または出口内へおよび／または直接に前記少なくとも１つの燃焼器（１５，１６）内へ噴射される。排熱回収ボイラ（１９）には、補助燃焼部（２２，２２’）が装備されており、前記補助燃焼部は、高圧蒸気発生を増大するための少なくとも一段補助燃焼部（２２）であり、必要なときに送電網への予備電力としての増強電力を提供する。

Description

発明の背景
本発明は、火力発電プラントに関する。本発明は、請求項１の前提部に記載のコンバインドサイクル発電プラントに関する。本発明は、さらに、このようなコンバインドサイクル発電プラントを運転する方法に関する。
従来技術
一部の地域における送電網は、プラント総電力出力の１０％以下、またはそれよりもさらに高いレベルにおける、コンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）からのかなり大規模な予備電力を必要とする。
従来技術において、この大量の予備電力は、通常、プラントの排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）内の大型の補助燃焼部（ＳＦ）を備えるＣＣＰＰを設計することによって得られる（ＣＣＰＰにおける補助燃焼の一般的概念について、例えば米国特許第３８７９６１６号明細書または国際公開第２０１０／０７２７２９号を参照）。補助燃焼は以下の２つの結果につながる：
１）補助燃焼のために圧力マージンが確保されなければならないので、ＳＦがオフの状態での、ベース負荷および部分負荷蒸気タービン生蒸気圧は、許容作動圧力よりも低くなる。ＳＦが大きいほど、ＳＦがオフのときの生蒸気圧およびプラント性能は低くなる。一例として、約５００ＭＷの電力出力のトリプル圧力再熱ＣＣＰＰの場合、総電力出力の１０％が予備電力として補助燃焼によって提供されるとすると、要求される生蒸気圧力設計マージンは、ベース負荷における生蒸気圧の大幅な低下を生じることがあり、これに対応して、プラント性能低下を生じることがある（それは０．５％に達し得る）。
２）蒸気タービンの生蒸気圧作動範囲およびＨＲＳＧの補助燃焼設計限界により、ベース負荷における生蒸気圧が低下させられた補助燃焼のみに依存することは、蒸気タービンＳＴおよびＨＲＳＧの構成の変更、例えば３ｐ（ｐ＝圧力）設計から２ｐまたは１ｐ設計への切換えなしには、十分な予備電力を提供することができないことがある。これは、ＳＦがオフのときのさらなるプラント性能低下につながる。
米国特許第５４９５７０９号明細書は、圧縮空気貯蔵部に接続されたガスタービン群を有する空気貯蔵タービン設備であって、高温水貯蔵部と、ガスタービンの下流の排ガス流を受け取るように接続された排熱回収ボイラとを備え、ガスタービン群は、圧縮機ユニットと、少なくとも１つの燃焼器と、少なくとも１つのタービンとを有し、排熱回収ボイラは、少なくとも１つのタービンの出力を増大させるためにガスタービン群に蒸気を導入するように接続されており、さらに、圧縮機ユニットによって圧縮された作動空気を冷却するための少なくとも１つの熱交換器と、作動空気に水蒸気を導入するための部分圧力蒸発器とを備え、少なくとも１つの熱交換器は、部分圧力蒸発器に加熱された水を供給するように接続されている、空気貯蔵タービン設備を開示している。
米国特許第４５０９３２４号明細書は、船舶搭載エンジンシステムおよびその作動方法を開示している。船舶搭載エンジンシステムは、中間冷却器を備える２つの圧縮機と、圧縮機タービンと、発電タービンと、燃料、空気および水を組み合わせるための燃焼器とを有する。熱交換器は、排気から熱を取り出し、燃焼器への水を予熱するためにこれを利用する。スプレー凝縮器は、再利用のために排気から水分を回収する。水から酸を除去するために、浄水装置が利用される。このシステムは、全負荷時の理論的動作のために設計されており、部分負荷時により高い効率で稼働し、全体でより低い燃料消費を生じる。
米国特許出願公開第２００６／２４８８９６号明細書は、ガスタービン発電プラントを運転する方法であって、ガスタービン発電プラントは、互いに機械的に接続された圧縮機およびタービンから成る第１のガスタービン群と、ガス流路において第１の群の圧縮機とタービンとの間に配置された燃焼装置を有する第２のガスタービン群とから成り、第２のガスタービン群は、圧縮機と、燃料噴射装置と、燃焼器と、タービンとから成り、第２のガスタービン群の圧縮機とタービンとは、互いに機械的に接続されており、ガスタービン群のうちの少なくとも一方は、仕事の抽出のための装置を有し、水および／または蒸気の第１の流れが第１の群のタービンからの煙道ガスの熱で加熱され、水および／または蒸気の別の量が、第１の群の圧縮機によって圧縮されたガス流の熱で加熱され、発生された水および／または蒸気が、流れにおける空気の酸素含有量の少なくとも６０％が燃焼装置における燃焼によって消費されるような量でガス流内へ噴射され、第２のガスタービン群のタービン内へ供給される燃焼ガスが５０〜３００ｂａｒの範囲の圧力を有する、ガスタービン発電プラントを運転する方法を開示している。
発明の概要
本発明の課題は、コンバインドサイクル発電プラントであって、プラントがベース負荷で運転されているときに、改良されかつ最適化された設計性能において大きな予備電力を提供するコンバインドサイクル発電プラントを提供することである。
本発明の別の課題は、このようなコンバインドサイクル発電プラントを運転する方法を提供することである。
これらの課題およびその他の課題は、請求項１に係るコンバインドサイクル発電プラントおよび請求項６に係る運転方法によって解決される。
本発明によれば、コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンを備え、ガスタービンの排ガス出口は、水／蒸気サイクルの一部である排熱回収ボイラに接続されており、ベース負荷で運転されているときに大きな予備電力、および同時により高い設計性能を有するために、ガスタービンは、電力増強のための蒸気噴射能力を備えて設計されており、ガスタービンは、少なくとも１つの燃焼器と、圧縮機とを有し、圧縮機は、圧縮機から抽出されて少なくとも１つの冷却空気冷却器において冷却された、前記ガスタービンを冷却するための冷却空気を提供し、蒸気噴射用の蒸気は、前記冷却空気クーラにおいて発生され、前記蒸気を、前記冷却空気冷却器の空気側入口または出口内へおよび／または直接前記少なくとも１つの燃焼器内へ噴射することができる。排熱回収ボイラには、補助燃焼部が装備されている。補助燃焼部は、高圧蒸気発生を増大するための少なくとも一段の補助燃焼部であり、必要なときに送電網への予備電力としての増強電力を提供する。
本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの冷却空気冷却器は、貫流冷却器（ＯＴＣ）である。
本発明の別の実施形態によれば、蒸気噴射用の蒸気は、前記排熱回収ボイラから取り出される。
本発明の別の実施形態によれば、補助燃焼部は、高圧生蒸気の発生を増大し、予備電力としての増強電力を送電網へ提供するための第１の段と、中圧生蒸気の発生を増大し、必要なときに予備電力としての付加的な電力を送電網へ提供するための、排熱回収ボイラ内で高圧蒸発器の後に配置された第２の段とを備える、２段補助燃焼部である。
本発明の別の実施形態によれば、高圧蒸気タービンモジュールは、自動クラッチによって蒸気タービンに接続されている。
本発明によるコンバインドサイクル発電プラントを運転する第１の方法は、予備電力が必要な場合に、プラント電力は、第１のステップにおいて、ガスタービンへの蒸気噴射によって増大させられ、第２のステップにおいて、蒸気タービンの電力は、補助燃焼部の負荷を増大させることによって増強されることを特徴とする。
特に、高圧蒸気タービンモジュールが自動クラッチによって蒸気タービンに接続されているとき、前記方法は以下のステップを含む：
ａ）迅速な電力増強を提供するため、分離された蒸気タービンモジュールが、主蒸気タービンまたは排熱回収ボイラからの抽出蒸気によって暖機され、蒸気タービンを温暖に保つ
ｂ）予備電力が必要なとき、蒸気がガスタービン内へ噴射され、補助燃焼が開始され、
ａ．プラント電力がまず蒸気噴射によって増大され、
ｂ．次いで、蒸気タービン電力が、補助燃焼負荷の増大によって増強される
ｃ）高圧蒸気タービンモジュールが始動される
ｄ）補助燃焼負荷の間に蒸気タービン生蒸気作動圧力が所定の限界に達する前に、高圧蒸気タービンモジュールは、同期のための準備がなされ、自動クラッチを作動させることによって接続される。
これに代えて、方法は、以下のステップを含む：
ａ）予定された、より大きな量の電力増強が必要とされるとき、予備電力が必要とされる前に、蒸気タービンは、高圧蒸気タービンモジュールへ蒸気を進入させることによって暖機される
ｂ）予備電力が必要なとき、蒸気がガスタービン内へ噴射され、補助燃焼が開始され、
ａ．プラント電力がまず蒸気噴射によって増大され、
ｂ．次いで、蒸気タービン電力が、補助燃焼負荷の増大によって増強される
ｃ）高圧蒸気タービンモジュールが始動される
ｄ）補助燃焼負荷の間に蒸気タービン生蒸気作動圧力が所定の限界に達する前に、高圧蒸気タービンモジュールは、同期のための準備がなされ、自動クラッチを作動させることによって接続される。
ここで様々な実施の形態によって、添付の図面を参照しながら発明をより詳細に説明する。
ＨＲＳＧにおける補助燃焼およびＯＴＣによるガスタービン内への蒸気噴射を備える、本発明の第１の実施形態によるコンバインドサイクル発電プラントの概略図である。 ＨＲＳＧにおける補助燃焼およびＨＲＳＧからガスタービンの燃焼器内への直接的な蒸気噴射を備える、本発明の第２の実施形態によるコンバインドサイクル発電プラントの概略図である。 ＨＲＳＧにおける補助燃焼およびＯＴＣによるＨＲＳＧからガスタービン内への蒸気噴射を備える、本発明の第３の実施形態によるコンバインドサイクル発電プラントの概略図である。 自動クラッチによって接続された付加的な高圧蒸気タービンモジュールを備える、図１から図３と同様の、本発明の第４の実施形態によるコンバインドサイクル発電プラントの概略図である。
発明の様々な実施の形態の詳細な説明
本発明は、基本的に、補助燃焼ＳＦがオフのときのプラントの性能を高め、必要なときの予備電力の能力を増大させるために、ＣＣＰＰにおいてガスタービン蒸気噴射とＨＲＳＧ一段または二段補助燃焼とを組み合わせるものである。
蒸気噴射のために、貫流冷却器（ＯＴＣ）から発生された蒸気を直接使用することは、ＨＲＳＧからの蒸気抽出と比較して、設計単純化という形での利点を有する。
分離された第２の高圧蒸気タービンは、プラントの性能および電力予備能力をさらに高める。
図１に示したように、コンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）１０ａは、圧縮機１２と、２つの燃焼器１５，１６と、２つのタービン１３，１４とを備えるガスタービン１１ａを有する。ガスタービン１１ａは、貫流冷却器１７，１８などの冷却空気冷却器から発生された蒸気を利用して、蒸気ライン２６を通じて、電力増強のための蒸気噴射を行うように設計されている。前記空気冷却器１７の空気側入口または空気側出口内へおよび／または直接に燃焼器１５内へ蒸気を噴射することができる（図１参照）。
冷却空気冷却器の高温空気側（空気側入口）への蒸気噴射は、水滴を回避するという利点を有する。水滴は、冷却空気冷却器の低温空気側（空気側出口）へ蒸気を噴射した時に生じている。ガスタービン電力増強（必ずしも補助燃焼と組み合わされているわけではない）のための冷却空気冷却器の高温空気側へのこのような蒸気噴射は、好適な実施形態である。
ガスタービン１１ａは、圧縮機１２から空気ライン２３ａ，２３ｂを通る冷却空気によって冷却される。排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１９は、蒸気タービン２０、凝縮器２１、高圧生蒸気ライン３３および給水ライン３４を含む水／蒸気サイクル３５の一部であり、高圧蒸気発生を増大させるための一段補助燃焼部２２を備えて設計されており、必要なときに送電網への予備電力としての増強電力を提供する。
これに代えて、二段補助燃焼部２２，２２’を備えたＨＲＳＧ設計が用いられてもよい。一方の燃焼段２２は、高圧生蒸気発生を増大させ、必要なときに送電網への予備電力としての増強電力を提供するためのものであり、ＨＲＳＧ内の高圧蒸発器の後の別の中間段補助燃焼部２２’は、中圧生蒸気発生を増大させ、必要なときに送電網への予備電力としての付加的な増強電力を提供するためのものである。
第２の段の補助燃焼部２２’用の増強空気または酸素は、第２の段の補助燃焼部の断面積にわたって十分なＯ2を提供するために必要となり得る。その可能性の１つは、給水、排ガス、コジェネレーション戻り水、ＣＣＳ戻り凝縮物、または効率を高めるためのその他の供給源によって増強空気を予熱することである。
任意の割合、例えばプラントの総ベース負荷電力出力の１０％の予備電力ために、ガスタービン１１ａにおいてガスタービン蒸気噴射のために冷却空気冷却器（ＯＴＣ１７，１８）からの蒸気が部分的にまたは完全に利用されるので、補助燃焼がオフのときにより高い生蒸気圧を利用することができ、プラント性能が高められる。
他方で、これは、必要であれば大きな予備電力を許容する。さらに大きな電力予備が必要とされ、かつ補助燃焼がオンのときに生蒸気圧力が限界に達しているとき、２段式補助燃焼設計（２２および２２’）が付加的な予備電力を提供することができる。任意の予備電力割合のための高圧および中圧の圧力マージンを最適化することは、他方では、電力増強なしにベース負荷におけるプラントの性能を高めることができる。
図２に示したように、ＣＣＰＰ１０ｂは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１９からの蒸気を使用する、電力増強のための、燃焼器１５における蒸気噴射を備えて設計されたガスタービン１１ｂを有する。この場合も、高圧蒸気発生を増大し、必要なときに送電網への予備電力として増強電力を提供するために、一段式補助燃焼２２を備えて設計されたＨＲＳＧが使用されてよい。
この場合も、代替手段として、二段補助燃焼部２２，２２’を備えたＨＲＳＧ設計が用いられてもよい。一方の燃焼段２２は、高圧生蒸気発生を増大させ、必要なときに送電網への予備電力としての増強電力を提供するためのものであり、高圧蒸発器の後の別の第２段補助燃焼部２２’は、中圧生蒸気発生を増大させ、必要なときに送電網への予備電力としての付加的な増強電力を提供するためのものである。
この場合も、第２の段の補助燃焼部２２’用の増強空気または酸素は、第２の段の補助燃焼部の断面積にわたって十分なＯ2を提供するために必要となり得る。増強空気を、給水、排ガス、コジェネレーション戻り水、ＣＣＳ戻り凝縮物、または効率を高めるためのその他の供給源によって予熱することができる。
図３に示したように、本発明の別の実施形態によるコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）１０ｃは、図１のものと同様である。電力増強用の蒸気を、冷却空気冷却器１７，１８の空気側出口または入口、または燃焼器１５内へ直接に噴射することができる。加えて、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１９から蒸気ライン２８を通じて蒸気を利用することができる。ＨＲＳＧ設計は、図１のものと同じである。
図４に示したように、図１および図３のものと同様のコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）１０ｄは、自動クラッチ３１（ＳＳＳクラッチなど）および蒸気ライン３２によって（第１の）蒸気タービン２０に接続された（第２の）高圧蒸気タービンモジュール３０をさらに有している。
図１から図４までの各実施の形態において、運転方法は以下のとおりである：
・予備電力が必要なとき、ガスタービン蒸気噴射および補助燃焼ＳＦが開始する
・プラント電力がまず蒸気噴射によって増大される
・次いで、蒸気タービン電力が補助燃焼負荷増大によって増強される。
図４に示したコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）１０ｄにおいて、運転ステップは以下のとおりである：
・大きな電力増強が必要なときであって、予備電力が必要とされる前に、蒸気タービン２０を暖機するために、第２の高圧蒸気タービン３０への蒸気供給が開始される
・予備電力が必要なとき、ガスタービン蒸気噴射および補助燃焼ＳＦが開始する
・プラント電力がまず蒸気噴射によって増大される
・次いで、蒸気タービン電力が補助燃焼負荷増大によって増強される
・第２の蒸気タービン高圧モジュール３０が始動する
・補助燃焼負荷の間に蒸気タービン生蒸気作動圧力が限界に達する前に、第２の蒸気タービン３０は、同期のための準備がなされ、ＳＳＳクラッチ３１は係合し始める。
図４に示したコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）１０ｄにおいて、別の運転ステップは以下を含む：
・迅速に始動することができるように蒸気タービンを温暖に保つため、分離された蒸気タービンモジュールは、主蒸気タービンまたは排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）からの抽出蒸気によって暖機される。
１０ａ〜ｄ コンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）
１１ａ，ｂ ガスタービン
１２ 圧縮機
１３，１４ タービン
１５，１６ 燃焼器
１７，１８ 貫流冷却器（ＯＴＣ）
１９ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
２０，３０ 蒸気タービン
２１ 凝縮器
２２，２２’ 補助燃焼（ＳＦ）
２３ａ，ｂ 冷却空気ライン
２４ 給水ライン
２５〜２８，３２ 蒸気ライン
３０ 高圧蒸気タービンモジュール
３１ クラッチ（自動）
３３ 高圧生蒸気ライン
３４ 給水ライン
３５ 水／蒸気サイクル

Claims (8)

  1. コンバインドサイクル発電プラント（１０ａ〜ｄ）であって、ガスタービン（１１ａ，ｂ）を備え、該ガスタービンの排ガス出口は、水／蒸気サイクル（３５）の一部である排熱回収ボイラ（１９）に接続されており、ベース負荷で運転されているときに大きな予備電力、および同時により高い設計性能を有するために、前記ガスタービン（１１ａ，ｂ）は、電力増強のための蒸気噴射能力（２６，２７）を備えて設計されており、前記ガスタービン（１１ａ）は、少なくとも１つの燃焼器（１５，１６）と、圧縮機（１２）とを有し、該圧縮機は、該圧縮機（１２）から抽出されて少なくとも１つの冷却空気冷却器（１７，１８）において冷却された、前記ガスタービン（１１ａ，ｂ）用の冷却空気を提供し、蒸気噴射用の蒸気は、前記冷却空気冷却器（１７，１８）において発生され、前記蒸気を、前記冷却空気冷却器（１７，１８）の空気側入口または出口内へおよび／または直接に前記少なくとも１つの燃焼器（１５，１６）内へ噴射することができ、前記排熱回収ボイラ（１９）には、補助燃焼部（２２，２２’）が装備されている、コンバインドサイクル発電プラント（１０ａ〜ｄ）において、前記補助燃焼部は、高圧蒸気発生を増大するための少なくとも一段補助燃焼部（２２）であり、必要なときに電力網への予備電力としての増強電力を提供することを特徴とする、コンバインドサイクル発電プラント（１０ａ〜ｄ）。
  2. 前記少なくとも１つの冷却空気冷却器（１７，１８）は、貫流冷却器（ＯＴＣ）である、請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラント。
  3. 蒸気噴射用の蒸気は、前記排熱回収ボイラ（１９）から取り出される、請求項１または２記載のコンバインドサイクル発電プラント。
  4. 前記補助燃焼部は、高圧生蒸気の発生を増大し、予備電力としての増強電力を送電網へ提供するための第１の段（２２）と、中圧生蒸気の発生を増大し、必要なときに予備電力としての付加的な電力を前記送電網へ提供するための、前記排熱回収ボイラ（１９）内で高圧蒸発器の後に配置された第２の段（２２’）とを備える、２段補助燃焼部（２２，２２’）である、請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラント。
  5. 付加的な高圧蒸気タービンモジュール（３０）が、自動クラッチ（３１）によって前記蒸気タービン（２０）に接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント。
  6. 請求項１から５までのいずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラントを運転する方法であって、予備電力が必要な場合に、プラント電力を、第１のステップにおいて、前記ガスタービン（１１ａ，ｂ）への蒸気噴射によって増大させ、第２のステップにおいて、前記蒸気タービン（２０）の電力を、前記補助燃焼部（２２，２２’）の負荷を増大させることによって増強することを特徴とする、コンバインドサイクル発電プラントを運転する方法。
  7. 以下のステップ：
    ａ）迅速な電力増強を提供するため、分離された蒸気タービンモジュールが、主蒸気タービンおよび前記排熱回収ボイラ（１９）からの抽出蒸気によって暖機され、前記蒸気タービンを温暖に保つ
    ｂ）予備電力が必要なとき、蒸気が前記ガスタービン内へ噴射され、補助燃焼が開始され、
    ａ．プラント電力がまず蒸気噴射によって増大され、
    ｂ．次いで、蒸気タービン電力が、補助燃焼負荷の増大によって増強される
    ｃ）前記付加的な高圧蒸気タービンモジュール（３０）が始動される
    ｄ）補助燃焼負荷の間に蒸気タービン生蒸気作動圧力が所定の限界に達する前に、前記高圧蒸気タービンモジュール（３０）は、同期のための準備がなされ、前記自動クラッチ（３１）を作動させることによって接続される
    を含む、請求項５記載のコンバインドサイクル発電プラントを運転するための、請求項６記載の方法。
  8. 以下のステップ：
    ａ）予定された、より大きな量の電力増強が必要とされるとき、予備電力が必要とされる前に、前記蒸気タービンを、前記付加的な高圧蒸気タービンモジュール（３０）へ蒸気を進入させることによって暖機する
    ｂ）予備電力が必要なとき、蒸気を前記ガスタービン（１１ａ）内へ噴射し、補助燃焼（２２）を開始し、
    ａ．プラント電力をまず蒸気噴射によって増大し、
    ｂ．次いで、蒸気タービン電力を、補助燃焼負荷の増大によって増強する
    ｃ）前記高圧蒸気タービンモジュール（３０）を始動させる
    ｄ）補助燃焼負荷の間に蒸気タービン生蒸気作動圧力が所定の限界に達する前に、前記付加的な高圧蒸気タービンモジュール（３０）は、同期のための準備がなされ、前記自動クラッチ（３１）を作動させることによって接続される
    を含む、請求項５記載のコンバインドサイクル発電プラントを運転するための、請求項７記載の方法。
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