JP2016003579A - コンバインドサイクル設備 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスタービンコンバインドサイクルのサイクル効率の向上を図ることができるコンバインドサイクル設備を提供する。【解決手段】パワータービン16を駆動し、燃焼排ガス排出ラインL4で排出される燃焼排ガス18を分岐して第1燃焼排ガス18Aと第2燃焼排ガス18Bとする分岐部19と、分岐された第1燃焼排ガス18Aからの熱エネルギーを用いて超臨界水ラインL10により供給される超臨界水21と熱交換する第1排熱回収部(第1熱交換部20A)22と、第1排熱回収部22からの第1蒸気23により駆動される高圧蒸気タービン24と、高圧蒸気タービン24を駆動した後の排気蒸気25を、分岐した第2燃焼排ガス18Bからの熱エネルギーにより熱交換して再加熱する第2排熱回収部(第2熱交換部20B)26と、再加熱した第2蒸気27により駆動される低圧蒸気タービン28と、を備える。【選択図】図1−1

Description

本発明は、コンバインドサイクル設備に関するものである。
例えば、ガスタービン(G/T)コンバインドサイクル効率を向上させるために、ガスタービンからの燃焼排ガスを有効利用するための排熱回収ボイラが用いられている。この排熱回収ボイラ(Heat Recovery Steam Generator:HRSG)は、ガスタービン等の排熱発生源から排出される高温の燃焼排ガスを利用して蒸気を生成する装置であり、例えば、排熱回収ボイラで生成した蒸気を蒸気タービン(S/T)に供給し、発電機を駆動させるガスタービンコンバインドサイクル(Gas Turbine Combined Cycle:GTCC)発電プラントなどにおいて広く用いられている(特許文献1及び2)。
特開2003−83003号公報 特開2013−171001号公報
しかしながら、従来の排熱回収ボイラでは、高温の燃焼排ガスからの熱回収を複数段の例えば高圧・中圧・低圧の各節炭器、蒸発器、過熱器及び再熱器等を用いて、臨界圧以下の温度で熱回収しているので、燃焼排ガスの温度降下線とピンチポイントに至らないよう熱交換を行っていた。また再熱器での再熱も温度が600℃程度での再熱しかできない、という問題がある。
よって、ガスタービン入口温度が例えば1500℃級の高圧・高温の場合においてもガスタービン効率(%LHV)が60%程度であった。なお、ガスタービン入口温度を例えば1700℃に上昇させる場合には、タービン冷却技術、遮熱コーティング技術、耐熱材料技術等の様々な障壁がある、という問題がある。
よって、入口温度が例えば1500℃級のガスタービン設備であってもシステム効率の向上を図るシステムの出現が切望されている。
本発明は、前記問題に鑑み、ガスタービンコンバインドサイクルのサイクル効率の向上を図ることができるコンバインドサイクル設備を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、空気を圧縮する空気圧縮機と、前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの高温・高圧の燃焼ガスにより駆動されるパワータービンとを備えたガスタービンと、前記パワータービンを駆動した燃焼排ガスからの熱エネルギーを用いて超臨界水ラインにより供給される超臨界水と熱交換する第1熱交換部と、前記第1熱交換部からの第1蒸気により駆動される高圧蒸気タービンと、前記高圧蒸気タービンを駆動した後の排気蒸気を、前記燃焼排ガスからの熱エネルギーにより熱交換して再加熱する第2熱交換部と、再加熱した第2蒸気により駆動される低圧蒸気タービンと、を備えたことを特徴とするコンバインドサイクル設備にある。
第2の発明は、第1の発明において、前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが、各々独立していると共に、前記パワータービンを駆動した燃焼排ガスを第1燃焼排ガスと第2燃焼排ガスとに分岐する分岐部と、前記第1燃焼排ガスを用い、前記第1熱交換部で熱交換すると共に、第2燃焼排ガスを用い、前記第2熱交換部で熱交換することを特徴とするコンバインドサイクル設備にある。
第3の発明は、第1又は2の発明において、前記第2熱交換部の後流側に、該第2熱交換部で熱交換した後の前記燃焼排ガスと前記超臨界水の一部とを間接熱交換する第3熱交換部を備えることを特徴とするコンバインドサイクル設備にある。
第4の発明は、第1又は2の発明において、前記第2熱交換部で熱交換した後の前記燃焼排ガスを、前記第1熱交換部へ導入する導入ラインを備えることを特徴とするコンバインドサイクル設備にある。
第5の発明は、第1の発明において、前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが、一つの排熱回収装置内に並列して設けられることを特徴とするコンバインドサイクル設備にある。
第6の発明は、第5の発明において、前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが、前記燃焼排ガスを分岐する分岐用仕切部により仕切られていることを特徴とするコンバインドサイクル設備にある。
第7の発明は、第1乃至6のいずれか一つの発明において、前記低圧蒸気タービンからの第3水蒸気中の水分を凝縮する復水器と、前記復水器で凝縮した復水を臨界圧以上に昇圧する昇圧ポンプと、を備え、前記昇圧ポンプで昇圧された超臨界水を、前記第1熱交換部に供給することを特徴とするコンバインドサイクル設備にある。
本発明によれば、ガスタービンからの燃焼排ガスを分岐して第1燃焼排ガスと第2燃焼排ガスとし、一方の第1燃焼排ガスを用いて超臨界水排熱回収ボイラで超臨界水と熱回収し、ここで得られた第1蒸気を高圧蒸気タービンで動力を回収した後、その排気蒸気を第2燃焼排ガスで熱回収して第2蒸気として、低圧蒸気タービンで動力を回収している。これによって、超臨界水排熱回収ボイラにおける排熱回収の蒸気効率を極めて高くすることができる。この結果、コンバインドサイクルでのサイクル効率の向上を図ることができる。
図1−1は、実施例1に係るコンバインドサイクル設備の概略図である。 図1−2は、実施例1に係るコンバインドサイクル設備の温度・圧力条件の一例を示した概略図である。 図2は、実施例2に係るコンバインドサイクル設備の概略図である。 図3−1は、実施例3に係るコンバインドサイクル設備の概略図である。 図3−2は、実施例3に係る他のコンバインドサイクル設備の概略図である。 図4は、燃焼排ガスの温度降下線と従来の排熱回収ボイラの給水温度上昇線とにおける温度とエンタルピーとの関係図である。 図5は、燃焼排ガスの温度降下線と本実施例の第1排熱回収部の超臨界水温度上昇線とにおける温度とエンタルピーとの関係図である。 図6は、燃焼排ガスの温度降下線と本実施例の第2排熱回収部の給水及び蒸気温度上昇線とにおける温度とエンタルピーとの関係図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図1−1は、実施例1に係るコンバインドサイクル設備の概略図である。図1−2は、実施例1に係るコンバインドサイクル設備の温度・圧力条件の一例を示した概略図である。
図1−1に示すように、本実施例に係るコンバインドサイクル設備10Aは、空気(大気)11を圧縮する空気圧縮機12と、空気圧縮機12で圧縮された圧縮空気11Aと燃料13とを燃焼する燃焼器14と、燃焼器14からの高温・高圧の燃焼ガス15により駆動されるパワータービン16とを備えたガスタービン17と、パワータービン16を駆動し、燃焼排ガス排出ラインL4で排出される燃焼排ガス18を分岐して第1燃焼排ガス18Aと第2燃焼排ガス18Bとする分岐部19と、分岐された第1燃焼排ガス18Aからの熱エネルギーを用いて超臨界水ラインL10により供給される超臨界水21と熱交換する第1排熱回収部(第1熱交換部20A)22と、第1排熱回収部22からの第1蒸気23により駆動される高圧蒸気タービン24と、高圧蒸気タービン24を駆動した後の排気蒸気25を、分岐した第2燃焼排ガス18Bからの熱エネルギーにより熱交換して再加熱する第2排熱回収部(第2熱交換部20B)26と、再加熱した第2蒸気27により駆動される低圧蒸気タービン28と、を備えている。
本実施例では、さらに低圧蒸気タービン28からの第3蒸気29中の水分を凝縮して復水とする復水器30と、復水器30で凝縮した復水31を臨界圧以上に昇圧する昇圧ポンプ32と、を備えており、昇圧ポンプ32で昇圧された超臨界水21を、超臨界水ラインL10により第1排熱回収部22に供給している。
なお、図1中、符号29は第3蒸気、30は第3の蒸気29を復水する復水器、31は復水、32は昇圧ポンプ、G1、G2はガスタービン(G/T)17及び蒸気タービン24、28に連結され発電する発電機、L1は空気導入ライン、L2は圧縮空気供給ライン、L3は燃焼ガス供給ライン、L4は燃焼排ガス排出ライン、L11は高圧蒸気タービン24からの高圧排気蒸気25を供給する第1蒸気ライン、L12は第2蒸気27を低圧蒸気タービン28へ供給する第2蒸気ライン、L13は低圧蒸気タービン28からの低圧排気蒸気29を供給する第3蒸気ライン、L21は第1排熱回収部22からの第1燃焼排ガス41Aを排出する第1排気ライン、L22は第2排熱回収部26からの第2燃焼排ガス41Bを排出する第2排気ライン、41Cは合流排ガス、42は煙突を各々図示する。
ガスタービン17は、空気圧縮機12と、燃焼器14と、パワータービン16とを備えており、空気圧縮機12で外部から導入された空気11を圧縮して、高温・高圧とした圧縮空気11Aは燃焼器14側に導かれる。燃焼器14では、この高温・高圧の圧縮空気11Aに、燃料13を噴射して燃焼させて高温(例えば1500℃)の燃焼ガス15を発生させる。燃焼ガス15はパワータービン16へ噴射され、パワータービン16で高温高圧の燃焼ガス15が持つ熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーによって同軸の空気圧縮機12が駆動され、空気圧縮機12を駆動した残りの回転エネルギーによって発電機G1が駆動されて電力を発生する。
次に、パワータービン16を駆動した燃焼排ガス18は、その熱エネルギーを回収するため分岐部19で分岐され、第1排熱回収部22と第2排熱回収部26とへ導かれる。
本実施例では、パワータービン16からの燃焼排ガス18を分岐部19で分岐し、
燃焼排ガス排出ラインL4A及び燃焼排ガス排出ラインL4Bを介して第1排熱回収部22及び第2排熱回収部26に、第1燃焼排ガス18Aと第2燃焼排ガス18Bとをそれぞれ供給している。
そして、第1排熱回収部22の第1熱交換部20Aでは、超臨界水21と第1燃焼排ガス18Aとを熱交換し、第1蒸気23を得ている。この得られた第1蒸気23で高圧蒸気タービン24を駆動している。
この高圧蒸気タービン24からの排気蒸気25は、第1蒸気ラインL11を介して、第2排熱回収部26に導入され、第2熱交換部20Bにおいて、第2燃焼排ガス18Bと熱交換して第2蒸気27を得ている。この第2蒸気27で低圧蒸気タービン28を駆動している。
また、本実施例では、第2排熱回収部26において、第2熱交換部20Bで熱交換した後の第3燃焼排ガス18Cを用いて、昇圧ポンプ32により超臨界水21とした一部21aを超臨界水ラインL10aにより第2排熱回収部26内に供給し、第3排熱回収部である第3熱交換部20Cとして、熱交換している。この熱交換後の超臨界水21bは、第1排熱回収部22内の超臨界水ラインL10に合流させている。
これにより第2熱交換後の第3燃焼排ガス18Cを有効利用することができる。
よって、本実施例のコンバインドサイクル設備10Aでは、第1熱交換部20Aである第1排熱回収部22と、第2熱交換部20Bである第2排熱回収部26と第3熱交換部20Cである第3排熱回収部の3つの熱交換部20A〜20Cにより排熱回収装置を構成している。ここで、第2排熱回収部26内には第2熱交換部20Bの後流側に第3熱交換部20Cを設置している。なお、この第3熱交換部20Cは必要に応じて省略してもよい。
ここで、第1排熱回収部22は、給水の臨界圧力より高い圧力で、運転されるボイラである。水の場合、臨界圧力22.064MPa(218.3気圧)及び臨界温度374.2℃において、臨界点という特殊な状態をとる。
臨界圧力以下の圧力で、液体の水を温めてゆくと、一部が蒸気(気体)になって、気泡となり、液体と気体が共存する状態となる。これに対し、臨界圧力以上の圧力(超臨界圧)では、この液体と気体が共存する状態とならず、水(液体)に熱を加えてゆくと、臨界温度374.2℃付近で、一瞬にして全体が蒸気(気体)になる。すなわち、水の中に気泡の状態(共存領域)が存在しないものとなる。
よって、ボイラの構造としては、従来の水蒸気発電に蒸気を供給する臨界圧以下のボイラでは、気水分離のためのドラム(高圧ドラム、中圧ドラム、低圧ドラム)が必要であったが、超臨界水排熱回収ボイラは、ドラムが不要となる貫流ボイラとなる。
図4は、燃焼排ガスの温度降下線と従来の臨界圧以下の排熱回収ボイラの給水温度上昇線とにおける温度とエンタルピーとの関係図である。
図5は、燃焼排ガスの温度降下線と本実施例の第1排熱回収部の超臨界水温度上昇線とにおける温度とエンタルピーとの関係図である。
図4に示すように、従来のドラムを有する排熱回収ボイラでは、燃焼排ガスの温度降下線と給水の温度上昇線とが略平行とはならず、屈曲したエンタルピー線となり、複数(図4では3か所)のピンチポイントが近接し、これ以上熱回収ができないものとなる。
これに対して、図5に示すように、本実施例のように、超臨界水21を用いて熱回収して第1蒸気23を得る場合には、燃焼排ガス18Aの温度降下線と略平行した比較的フラットなエンタルピー線となるので、第1排熱回収部22で熱回収し易いものとなる。
この結果、本実施例のように、超臨界水21で熱回収することでエンタルピー線が排ガス温度降下線と略リニアな関係でもって温度が上昇することとなる。
ただし、第1排熱回収部22のみでは、従来のような蒸気の再加熱をすることはできないので、このままでは熱回収効率が低いものとなる。
そこで、本実施例では、第1排熱回収部22で得られた第1蒸気23を高圧蒸気タービン24で動力を回収した後、その排気蒸気25を第1蒸気ラインL11により、第2排熱回収部26内に供給し、第2熱交換部20Bで、分岐した燃焼排ガス18Bと熱交換させて、第2蒸気27を再加熱するようにしている。
また、この得られた第2蒸気27を低圧蒸気タービン28で動力を回収している。
図6は、燃焼排ガスの温度降下線と本実施例の第2排熱回収部の給水及び蒸気温度上昇線とにおける温度とエンタルピーとの関係図である。
図6に示すように、本実施例のように、排気蒸気25を用いて熱回収して第2蒸気27を得る場合には、分岐した燃焼排ガス18Bの温度降下線と略平行した比較的フラットなエンタルピー線となるので、第2排熱回収部26の第2熱交換部20Bでは熱回収し易いものとなる。
これによって、第2排熱回収部26における排熱回収の蒸気効率を極めて高くすることができる。
すなわち、排気蒸気25自体を、第2排熱回収部26の第2熱交換部20Bにおいて、分岐した他方の燃焼排ガス18Bを用いて再加熱させることができるので、コンバインドサイクルでのサイクル効率の向上を図ることができる。
また、図6に示すように、本実施例のように、第2排熱回収部26の後段側の第3熱交換部20Cにおいて、第2熱交換部20Bで熱回収した後の第3燃焼排ガス18Cを用いて分岐した超臨界水21の一部21aを熱交換しているので、第3燃焼排ガス18Cの温度降下線と略平行した比較的フラットなエンタルピー線となり、第3熱交換部20Cで熱回収し易いものとなる。
このように、本実施例では、燃焼排ガス18を分岐して第1燃料排ガス18Aと第2燃焼排ガス18Bとし、並列に設置された第1排熱回収部22と第2排熱回収部26とに各々導入している。そして、第1排熱回収部22においては、第1熱交換部20Aとして超臨界水21を熱交換し、第2排熱回収部26においては、第2熱交換部20B及び第3熱交換部20Cで、排気蒸気25及び超臨界水21の一部21aを各々熱交換するようにしている。
そして、第1熱交換部20Aでは、図1−2に示すように、パワータービン16から排出される高温(例えば617℃)の燃焼排ガス18Aを用いて、超臨界水(30℃/300BarG(30MPa))21を熱交換して、第1蒸気(550℃/300BarG(30MPa))23としている。
また、第2熱交換部20Bでは、燃焼排ガス(617℃)18Bを用いて、高圧蒸気タービン24からの排気蒸気(温度220℃/20BarG)25を熱交換し、第2蒸気(580℃/20BarG)27としている。
さらに、第2熱交換部20Bを通過した第3燃焼排ガス(250℃)18Cを用いて、超臨界水21の分岐した一部(30℃/300BarG(30MPa))21aを熱交換して、蒸気(220℃/300BarG(30MPa))21bとして、超臨界水ラインL10の途中に導入している。
なお、第1排熱回収部22からの第1燃焼排ガス(125℃)41Aは、第2排熱回収部26からの第2燃焼排ガス(80℃)41Bと合流して、41Cとして、煙突42から排出するようにしている。
表1は、従来技術と本実施例の比較の一例を示す対比表である。
Figure 2016003579
以上より、従来の高圧・中圧・低圧ボイラを用いた排熱回収ボイラを備えたガスコンバインドサイクル(Gas Turbine Combined Cycle:GTCC)発電プラントのボイラ効率(LHV)が60.09%であったものが、本実施例では62.17%まで上昇することができる。
次に、本発明の実施例2に係るコンバインドサイクル設備について、図2を参照して説明する。図2は、実施例2に係るコンバインドサイクル設備の概略図である。なお、実施例1と同様の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
本実施例に係るコンバインドサイクル設備10Bは、図2に示すように、実施例1に係るコンバインドサイクル設備10Aにおいて、第3熱交換部20Cを設置せず、第2排熱回収部26から排出する第3燃焼排ガス18Cをガス導入ラインL30により、第1排熱回収部22内に直接導入している。これにより、第1熱交換部20Aでの熱交換効率の向上を図るようにしている。
次に、本発明の実施例3に係るコンバインドサイクル設備について、図3−1、3−2を参照して説明する。図3−1は、実施例3に係るコンバインドサイクル設備の概略図である。図3−2は、実施例3に係る他のコンバインドサイクル設備の概略図である。なお、実施例1と同様の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図1に示す実施例1に係るコンバインドサイクル設備10Aでは、燃焼排ガス18を分岐して、第1排熱回収部22と第2排熱回収部26とを並列に設置していたが、図3−1に示すように、本実施例のコンバインドサイクル設備10Cでは、一台の排熱回収装置45を設け、この排熱回収装置45の内部を2つの通路46A、46Bに仕切る分岐用仕切部47を燃焼排ガス18のガス流れ方向に沿って設けて、第1排熱回収部22と第2排熱回収部26とを並列して設置するようにしている。
そして、ガスタービン17からの燃焼排ガス18を2つの第1通路46A、第2通路46Bに仕切る分岐用仕切部47を設け、第1通路46A内では、第1熱交換部20Aとし、第2通路46B内では第2熱交換部20Bとし、分岐用仕切部47の後流側では、熱交換後の燃焼排ガスを用いた第3熱交換部20Cを構成している。
本実施例では、実施例1と同様に、第1熱交換部20Aにおいては、超臨界水21と第1燃焼排ガス18Aとを熱交換し、第1蒸気23を得ている。この得られた第1蒸気23で高圧蒸気タービン24を駆動している。
また、第2熱交換部20Bにおいては、第2燃焼排ガス18Bと熱交換して第2蒸気27を得ている。この第2蒸気27で低圧蒸気タービン28を駆動している。
さらに、第3熱交換部20Cにおいては、超臨界水21の一部21aを、両者の熱交換後の燃焼排ガスで熱交換し、熱交換後の超臨界水21bは、第1熱交換部20Aに導入している。
本実施例では、実施例1及び2のように排熱回収部を2台設置することがないので、コンパクトな設備で熱交換効率の向上を図るようにしている。
また、図3−1に示すコンバインドサイクル設備10Cでは、排熱回収装置45の内部を2つの通路46A、46Bに仕切る分岐用仕切部47を設けていたが、図3−2に示すコンバインドサイクル設備10Dでは、この分岐用仕切部47を設置せずに、第1排熱回収部22と、第2排熱回収部26とを並列して設置するようにしている。この分岐用仕切部47を設置しない場合には、部品点数の削減となる。
10A〜10D コンバインドサイクル設備
11 空気(大気)
11A 圧縮空気
12 空気圧縮機
13 燃料
14 燃焼器
15 燃焼ガス
16 パワータービン
17 ガスタービン
18 燃焼排ガス
18A 第1燃焼排ガス
18B 第2燃焼排ガス
18C 第3燃焼排ガス
21 超臨界水
22 第1排熱回収部
23 第1蒸気
24 高圧蒸気タービン
25 高圧排気蒸気
26 第2排熱回収部
27 第2蒸気
28 低圧蒸気タービン
29 低圧排気蒸気
41A、41B 燃焼排ガス
41C 合流排ガス


Claims (7)

  1. 空気を圧縮する空気圧縮機と、前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの高温・高圧の燃焼ガスにより駆動されるパワータービンとを備えたガスタービンと、
    前記パワータービンを駆動した燃焼排ガスからの熱エネルギーを用いて超臨界水ラインにより供給される超臨界水と熱交換する第1熱交換部と、
    前記第1熱交換部からの第1蒸気により駆動される高圧蒸気タービンと、
    前記高圧蒸気タービンを駆動した後の排気蒸気を、前記燃焼排ガスからの熱エネルギーにより熱交換して再加熱する第2熱交換部と、
    再加熱した第2蒸気により駆動される低圧蒸気タービンと、を備えたことを特徴とするコンバインドサイクル設備。
  2. 請求項1において、
    前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが、各々独立していると共に、
    前記パワータービンを駆動した燃焼排ガスを第1燃焼排ガスと第2燃焼排ガスとに分岐する分岐部と、
    前記第1燃焼排ガスを用い、前記第1熱交換部で熱交換すると共に、
    第2燃焼排ガスを用い、前記第2熱交換部で熱交換することを特徴とするコンバインドサイクル設備。
  3. 請求項1又は2において、
    前記第2熱交換部の後流側に、該第2熱交換部で熱交換した後の前記燃焼排ガスと前記超臨界水の一部とを間接熱交換する第3熱交換部を備えることを特徴とするコンバインドサイクル設備。
  4. 請求項1又は2において、
    前記第2熱交換部で熱交換した後の前記燃焼排ガスを、前記第1熱交換部へ導入する導入ラインを備えることを特徴とするコンバインドサイクル設備。
  5. 請求項1において、
    前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが、一つの排熱回収装置内に並列して設けられることを特徴とするコンバインドサイクル設備。
  6. 請求項5において、
    前記第1熱交換部と、前記第2熱交換部とが、前記燃焼排ガスを分岐する分岐用仕切部により仕切られていることを特徴とするコンバインドサイクル設備。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一つにおいて、
    前記低圧蒸気タービンからの第3水蒸気中の水分を凝縮する復水器と、
    前記復水器で凝縮した復水を臨界圧以上に昇圧する昇圧ポンプと、を備え、
    前記昇圧ポンプで昇圧された超臨界水を、前記第1熱交換部に供給することを特徴とするコンバインドサイクル設備。
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