JP2019173723A - ガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】低廉に建造できるとともに、より安定的な運用が可能なガスタービンプラントを提供する。【解決手段】ガスタービンプラント１００は、圧縮機１１、燃焼器１２、及びタービン１３を有するガスタービン１と、ガスタービン１から排出された排ガスの熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラー２と、蒸気によって駆動される蒸気タービン３と、タービン１３を冷却するタービン冷却系統５と、を備える。タービン冷却系統５は、排ガスを加熱するとともに高温空気を冷却して冷却空気を生成する熱交換部５２と、タービン１３における高温部材内に形成され、冷却空気が流通することで高温部材を冷却するとともに、冷却空気を加熱して高温空気を生成する冷却流路５３と、高温空気又は冷却空気を、冷却流路５３と熱交換部５２との間で圧送するブースト圧縮機５１と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンプラントに関する。

ガスタービンは、高圧空気を生成する圧縮機と、高圧空気と燃料の混合気を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備えている。タービンから排出される排ガスは数百度程度の高温に達する。この排ガスの熱エネルギーの有効活用を目指して、ガスタービンコンバインドサイクル（Gas Turbine Combined Cycle／ＧＴＣＣ）を利用したガスタービンプラントが実用化されている。この種のガスタービンプラントは、ガスタービンと、ガスタービンの排ガスを用いて蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、蒸気によって駆動される蒸気タービンと、を備えている。ＧＴＣＣを発電所に適用する場合、蒸気タービンの動力は発電機の駆動に利用される。

ところで、上述のガスタービンでは、タービン入口における燃焼ガスの温度（タービン入口温度）が高いほど効率を向上させることができる。近年では効率向上を進めるために、タービン入口温度のさらなる高温化が進められている。これに伴って、ガスタービンの冷却性能を高める必要がある。ＧＴＣＣを利用したガスタービンプラントにおけるガスタービンを冷却するための技術として、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。

特許文献１には、圧縮機の吐出空気をプリクーラ、及びブースト圧縮機によって冷却・昇圧して冷却空気として用いるとともに、冷却後の空気を燃焼空気として燃焼器に回収するクローズド空気冷却ガスタービンと、ガスタービンの排ガスによって蒸気を発生する排熱回収ボイラーと、蒸気タービンと、を備えるコンバインド発電システムが記載されている。このシステムでは、プリクーラとして冷却媒体の温度が異なる複数の熱交換器が用いられている。各熱交換器は、排熱回収ボイラーを通過した蒸気と、蒸気タービンの給水の一部を冷却媒体として使用する。

特開２００３−１４８１６６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたシステムでは、冷却媒体を冷却するために熱交換器を別途設ける必要があるため、システムの構成が複雑化して建造に要するコストが上昇してしまうという課題がある。特に上記のシステムでは、冷却媒体の温度ごとに複数の熱交換器が必要とされることから、コストに与える影響が大きい。加えて、蒸気タービンを駆動できる程度に高圧の蒸気を冷却媒体として用いていることから、熱交換器のチューブや配管には相応の耐圧性が要求される。この点もコストを押し上げる要因となるとともに、チューブや配管が破損した場合にはプラントの安定的な運用が阻害される可能性もある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、低廉に建造できるとともに、より安定的な運用が可能なガスタービンプラントを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、ガスタービンプラントは、空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機、前記高圧空気と燃料との混合気を燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動され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排出された排ガスの熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、前記蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記タービンを冷却するタービン冷却系統と、を備え、前記タービン冷却系統は、前記排熱回収ボイラー内に配置され、高温空気と前記排ガスとの間で熱交換することで、該排ガスを加熱するとともに前記高温空気を冷却して低温の冷却空気を生成する熱交換部と、前記タービンにおける前記燃焼ガスに接する高温部材内に形成され、前記熱交換部から導入される冷却空気が流通することで前記高温部材を冷却するとともに、該冷却空気を加熱して前記高温空気を生成する冷却流路と、前記高温空気又は前記冷却空気を、前記冷却流路と前記熱交換部との間で圧送するブースト圧縮機と、を備える。

この構成によれば、冷却流路は、排熱回収ボイラー内に配置された熱交換部で生成された冷却空気によってタービンを冷却する。したがって、排熱回収ボイラーの外部に熱交換器を独立して設けることなく、タービンを冷却することができる。これにより、ガスタービンプラントの建造コストを低減することができる。さらに、この熱交換部では、冷却媒体として、比較的に低圧の空気（冷却空気）が用いられる。その結果、熱交換部を構成する配管やチューブの耐圧性に対する要求が緩和され、その分だけコストを低減することができる。一方で、空気ではなく、蒸気タービンを駆動する蒸気の一部を冷却媒体として用いる場合、この蒸気は非常に高圧であるため、熱交換部を構成する配管やチューブの耐圧性を相当程度に高める必要があり、コストの上昇につながる可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。

本発明の第二の態様によれば、前記熱交換部は、前記排熱回収ボイラーにおいて前記排ガスの温度が前記高温空気よりも低い領域に設けられていてもよい。

この構成によれば、熱交換部が、排熱回収ボイラーにおける排ガスの温度が高温空気よりも低い領域に設けられることで、高温空気と排ガスとの間の熱交換をより効率的に行うことができる。即ち、当該領域における熱交換によって、排ガスの加熱と、高温空気の冷却（冷却空気の生成）とを促進することができる。

本発明の第三の態様によれば、前記タービン冷却系統は、前記冷却流路の出口と前記熱交換部とを接続する高温空気ラインと、前記熱交換部と前記冷却流路とを接続する冷却空気ラインと、前記高温空気ラインと前記冷却空気ラインとを接続する第一バイパスラインと、前記第一バイパスラインに設けられた第一弁と、前記冷却空気ラインに設けられ、冷却空気の温度を計測する第一温度計測部と、前記第一温度計測部の計測結果に応じて前記第一弁を調整する第一調整部と、を有してもよい。

この構成によれば、第一温度計測部によって計測された冷却空気の温度に応じて、第一調整部が第一弁を調整する。第一弁が調整されることで、第一バイパスラインを通じて高温空気ラインから冷却空気ラインに流れる高温空気の流量が変化する。即ち、冷却空気の温度を変化させることができる。

本発明の第四の態様によれば、前記熱交換部は、前記排熱回収ボイラーにおいて前記排ガスの温度が相対的に高い領域に設けられた高温熱交換部と、前記排ガスの温度が相対的に低い領域に設けられた低温熱交換部と、前記高温熱交換部から排出された前記高温空気を前記低温熱交換部に導く接続ラインと、を有してもよい。

この構成によれば、熱交換部が高温熱交換部と低温熱交換部とを有することから、排熱回収ボイラー内におけるさらに広い範囲で排ガスと高温空気との熱交換が行われる。これにより、排ガスの加熱と、高温空気の冷却（冷却空気の生成）とをさらに促進することができる。

本発明の第五の態様によれば、前記タービン冷却系統は、前記冷却流路の出口と前記熱交換部とを接続する高温空気ラインと、前記熱交換部と前記冷却流路とを接続する冷却空気ラインと、前記高温空気ラインと前記低温熱交換部とを接続する第二バイパスラインと、前記第二バイパスラインに設けられた第二弁と、前記接続ラインに設けられ、前記高温熱交換部から排出された前記高温空気の温度を計測する第二温度計測部と、前記第二温度計測部の計測結果に応じて前記第二弁を調整することで前記第二バイパスラインを流れる前記高温空気の流量を変化させる第二調整部と、を有してもよい。

この構成によれば、第二温度計測部によって計測された高温空気の温度に応じて、第二調整部が第二弁を調整する。第二弁が調整されることで、第二バイパスラインを通じて高温空気ラインから接続ラインに向かう高温空気の流量が変化する。これにより、高温熱交換部における熱交換と、低温熱交換部における熱交換とのバランスを適正化することができる。即ち、排熱回収ボイラーを流れる排ガスの温度を適正化することができる。

本発明の第六の態様によれば、前記ブースト圧縮機は、前記タービンに内蔵され、かつ該タービンと同軸で駆動されてもよい。

この構成によれば、ブースト圧縮機がタービンに内蔵されていることから、ブースト圧縮機をタービンと独立して設けた場合に比べて、機器の設置スペースの節約を実現することができる。さらに、ブースト圧縮機がタービンと同軸で駆動されることから、ブースト圧縮機の駆動に要する動力を低減することもできる。

本発明の第七の態様によれば、前記タービン冷却系統は、前記圧縮機から前記高圧空気の少なくとも一部を抽気して前記冷却空気として前記冷却流路に供給する高圧空気抽気ラインと、該高圧空気抽気ラインに設けられた第三弁と、を有してもよい。

この構成によれば、高圧空気抽気ラインを通じて高圧空気が冷却空気ラインに供給される。ここで、冷却空気ライン、冷却流路、及び高温空気ラインを流通する中途で、やむを得ず発生する漏れにより冷却空気の流量が減少する。上記の構成によれば、高圧空気を冷却空気ラインに供給することによって、冷却空気の流量を維持することができる。これにより、タービンの冷却をさらに促進することができる。

本発明によれば、低廉に建造できるとともに、より安定的な運用が可能なガスタービンプラントを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係るガスタービンプラントの構成を示す系統図である。 本発明の第二実施形態に係るガスタービンプラントの構成を示す系統図である。 本発明の第三実施形態に係るガスタービンプラントの構成を示す系統図である。 本発明の各実施形態に係るタービン冷却系統の変形例を示す模式図である。 本発明の各実施形態に係るタービン冷却系統の他の変形例を示す模式図である。 本発明の各実施形態に係るタービン冷却系統のさらなる変形例を示す模式図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１を参照して説明する。本実施形態に係るガスタービンプラント１００は、ガスタービン１と、排熱回収ボイラー２と、蒸気タービン３と、復水器４と、タービン冷却系統５と、を備えている。

ガスタービン１は、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３と、を有している。圧縮機１１は、外部の空気を圧縮して高圧空気を生成する。燃焼器１２は、圧縮機１１で生成された高圧空気と燃料との混合気を燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する。タービン１３は、燃焼器１２で生成された燃焼ガスのエネルギーによって回転駆動するとともに、排ガスを排出する。タービン１３の回転力によって、軸端に接続された発電機Ｇ１が駆動される。

排熱回収ボイラー２は、タービン１３の排ガスによって高温高圧の蒸気を発生させる。この蒸気は蒸気タービン３（高圧蒸気タービン３１、及び低圧蒸気タービン３２）の駆動に用いられる。高圧蒸気タービン３１、及び低圧蒸気タービン３２は、それぞれ発電機Ｇ２、発電機Ｇ３を駆動する。なお、高圧蒸気タービン３１、及び低圧蒸気タービン３２は同軸上で接続されており、ともに同一の回転数で運転される。復水器４は、低圧蒸気タービン３２から排出された蒸気と、外部から供給された冷媒との間で熱交換することで水に戻す。

排熱回収ボイラー２の詳細な構成について説明する。排熱回収ボイラー２は、排ガスが流通する筒状のボイラー筒２０と、低圧節炭器２１と、低圧蒸発器２２と、高圧節炭器２３と、第一低圧再熱器２４と、高圧蒸発器２５と、第一高圧過熱器２６と、第二低圧再熱器２７と、第二高圧過熱器２９と、を有する。なお、以降の説明では、ボイラー筒２０の延びる方向において、排ガスが流れ込む側を上流側と呼び、排ガスが流れ出る側を下流側と呼ぶことがある。さらに、上流側から下流側に向かう方向を流通方向と呼ぶことがある。

ボイラー筒２０内には、上流側から下流側に向かって順に、第二高圧過熱器２９、第二低圧再熱器２７、第一高圧過熱器２６、高圧蒸発器２５、第一低圧再熱器２４、高圧節炭器２３、低圧蒸発器２２、低圧節炭器２１が設けられている。なお、より詳細には第一低圧再熱器２４と高圧節炭器２３とは、流通方向における同一の位置に設けられている。低圧節炭器２１と、低圧蒸発器２２と、高圧節炭器２３と、第一低圧再熱器２４と、高圧蒸発器２５と、第一高圧過熱器２６と、第二低圧再熱器２７と、第二高圧過熱器２９との内部には、気体、又は液体としての水が流通しており、この水とボイラー筒２０内を流通する排ガスとの間でそれぞれ熱交換が行われる。

低圧節炭器２１は、上記の復水器４と復水ライン８１によって接続されている。復水ライン８１上には復水ポンプ８２が設けられている。復水ポンプ８２は復水ライン８１の水を低圧節炭器２１に圧送する。低圧節炭器２１は、復水ライン８１から供給された水と排ガスとの間で熱交換をすることで水を加熱して、低圧加熱水を生成する。低圧節炭器２１と低圧蒸発器２２とは、第一加熱水ライン８３によって接続されている。低圧加熱水は、第一加熱水ライン８３を通じて低圧蒸発器２２に供給される。低圧蒸発器２２は、低圧節炭器２１で加熱された低圧加熱水と排ガスとを熱交換させることで低圧加熱水を加熱して、低圧蒸気を生成する。低圧蒸発器２２は、低圧蒸気ライン８４によって第一低圧再熱器２４と接続されている。第一低圧再熱器２４は、低圧蒸気ライン８４を通じて低圧蒸発器２２から供給された低圧蒸気と排ガスとを熱交換させることで低圧蒸気を過熱する。第一低圧再熱器２４は、再熱器ライン８５によって第二低圧再熱器２７と接続されている。第二低圧再熱器２７は、第一低圧再熱器２４で過熱された蒸気をさらに過熱して、低圧過熱蒸気を生成する。低圧過熱蒸気は、低圧蒸気供給ライン８６を通じて低圧蒸気タービン３２に供給される。低圧蒸気タービン３２は、低圧過熱蒸気によって駆動される。低圧蒸気タービン３２から排出された蒸気は、第一蒸気回収ライン８７を通じて復水器４に供給される。復水器４は、低圧蒸気タービン３２から排出された蒸気と、外部から供給された冷媒との間で熱交換することで蒸気を水に戻す。

高圧節炭器２３は、第一加熱水ライン８３から分岐する第二加熱水ライン９１によって低圧節炭器２１と接続されている。第二加熱水ライン９１上には、高圧ポンプ９２が設けられている。高圧ポンプ９２は、低圧加熱水を昇圧することで高圧加熱水を生成して高圧節炭器２３に供給する。高圧節炭器２３は、高圧加熱水と排ガスとを熱交換させることで、高圧加熱水をさらに加熱する。高圧節炭器２３は、高圧加熱水ライン９３によって高圧蒸発器２５と接続されている。高圧蒸発器２５は、高圧節炭器２３で加熱された高圧加熱水と排ガスとを熱交換させることで、高圧蒸気を生成する。高圧蒸発器２５は、第一高圧蒸気ライン９４によって第一高圧過熱器２６と接続されている。第一高圧過熱器２６は、高圧蒸発器２５で生成された高圧蒸気と排ガスとを熱交換させることで、高圧蒸気を過熱する。第一高圧過熱器２６で過熱された高圧蒸気は、第二高圧蒸気ライン９５を通じて第二高圧過熱器２９に供給される。第二高圧過熱器２９は、第一高圧過熱器２６で過熱された高圧蒸気と排ガスとを熱交換させることで、高圧蒸気をさらに過熱して高圧過熱蒸気を生成する。高圧過熱蒸気は、高圧蒸気供給ライン９６を通じて高圧蒸気タービン３１に供給される。高圧蒸気タービン３１は、高圧過熱蒸気によって駆動される。高圧蒸気タービン３１から排出された低圧の蒸気は、第二蒸気回収ライン９７を通じて上述の第一低圧再熱器２４に供給される。

続いて、タービン冷却系統５の構成について説明する。タービン冷却系統５は、上述のガスタービン１において特に高温となるタービン１３を冷却することを目的として設けられる。タービン冷却系統５は、熱交換部５２と、冷却流路５３と、高温空気ライン６１と、冷却空気ライン６２と、ブースト圧縮機５１と、を有している。これら熱交換部５２、冷却流路５３、高温空気ライン６１、冷却空気ライン６２、及びブースト圧縮機５１には、タービン１３を冷却する冷却媒体としての空気が流通している。詳しくは後述するが、冷却流路５３を流通する空気は、タービン１３の高温部材を冷却することで加熱されて高温空気となる。高温空気は、高温空気ライン６１を通じて冷却流路５３からボイラー筒２内に設けられた熱交換部５２に供給される。熱交換部５２は、この高温空気と排ガスとを熱交換させることで、排ガスを加熱するとともに高温空気を冷却することで冷却空気を生成する。冷却空気は、冷却空気ライン６２を通じて熱交換部５２から冷却流路５３に供給される。

ブースト圧縮機５１は、上記の高温空気ライン６１上に設けられている。ブースト圧縮機５１は、タービン１３に内蔵された小型のコンプレッサーであり、タービン１３と同軸に駆動される。即ち、ブースト圧縮機５１とタービン１３とは、同一の回転数で駆動される。ブースト圧縮機５１は、高温空気ライン６１を流通する高温空気を昇圧して、冷却流路５３から熱交換部５２に向かって圧送する。熱交換部５２は、ブースト圧縮機５１によって高温空気ライン６１上を圧送されてきた高温空気と排ガスとを熱交換させることで排ガスを加熱するとともに、高温空気を冷却することで相対的に低温の冷却空気を生成する。熱交換部５２は、冷却流路５３と冷却空気ライン６２によって接続されている。冷却流路５３は、冷却媒体としての冷却空気によってタービン１３を冷却する。タービン１３の冷却に伴って、冷却流路５３は冷却空気を加熱して高温空気を生成する。高温空気は上記のブースト圧縮機５１によって昇圧されて再び高温空気ライン６１上を流通する。即ち、これらブースト圧縮機５１、高温空気ライン６１、熱交換部５２、冷却空気ライン６２、及び冷却流路５３を以上の順で空気が循環している。

熱交換部５２は、高温熱交換部５２Ａと、低温熱交換部５２Ｂと、これら高温熱交換部５２Ａと低温熱交換部５２Ｂとを接続する接続ライン９８と、を有している。高温熱交換部５２Ａは、上記の高温空気ライン６１を通じて供給された高温空気と排ガスとを熱交換させることで、排ガスを加熱するとともに高温空気を冷却する。高温熱交換部５２Ａによって冷却された高温空気は、接続ライン９８を通じて低温熱交換部５２Ｂに供給される。低温熱交換部５２Ｂは、接続ライン９８を通じて供給された高温空気と排ガスとを熱交換させることで、排ガスをさらに加熱するとともに高温空気をさらに冷却することで、冷却空気を生成する。

高温熱交換部５２Ａ、及び低温熱交換部５２Ｂは、いずれもボイラー筒２０内に配置されている。具体的には、高温熱交換部５２Ａは、排ガスの流通方向において上述の高圧蒸発器２５と第一高圧過熱器２６との間に配置されている。低温熱交換部５２Ｂは、排ガスの流通方向において上述の低圧蒸発器２２と第一低圧再熱器２４（又は高圧節炭器２３）との間に配置されている。ここで、上述した水と排ガスとの熱交換が行われることから、ボイラー筒２０内における排ガスの温度は、上流側から下流側に向かうに従って低くなる。特に、第一高圧過熱器２６よりも下流側の領域では、排ガスの温度が上記の高温空気よりも低くなる。即ち、これら高温熱交換部５２Ａ、及び低温熱交換部５２Ｂは、ボイラー筒２０内における排ガスの温度が高温空気の温度よりも低い領域に設けられている。さらに、高温熱交換部５２Ａは、低温熱交換部５２Ｂよりも上流側の領域（即ち、排ガスの温度が相対的に高い領域）に設けられている。反対に、低温熱交換部５２Ｂは、高温熱交換部５２Ａよりも下流側の領域（即ち、排ガスの温度が相対的に低い領域）に設けられている。なお、このように排ガスの温度が高温空気の温度よりも低い限りにおいては、熱交換部５２（高温熱交換部５２Ａ、及び低温熱交換部５２Ｂ）を上記以外の領域に配置することも可能である。

冷却流路５３は、タービン１３における高温部材内に形成されている。高温部材は例えばタービン１３における動翼や静翼等の燃焼ガスに接する部材である。冷却流路５３内を冷却空気が流通することではタービン１３の各高温部材が冷却される。タービン１３の冷却に伴って生成された上記の高温空気は、高温空気ライン６１を通じて再びブースト圧縮機５１の入口に供給される。

以上、説明したように、本実施形態に係る構成によれば、冷却流路５３は、排熱回収ボイラー２内に配置された熱交換部５２で生成された冷却空気によってタービン１３を冷却する。したがって、排熱回収ボイラー２の外部に熱交換器を独立して設けることなく、タービン１３を冷却することができる。これにより、ガスタービンプラント１００の建造コストを低減することができる。さらに、この熱交換部５２では、冷却媒体として、比較的に低圧の空気（冷却空気）が用いられる。その結果、熱交換部５２を構成する配管やチューブの耐圧性に対する要求が緩和され、その分だけコストを低減することができる。一方で、空気ではなく、蒸気タービン３を駆動する蒸気の一部を冷却媒体として用いる場合、この蒸気は一例として数百ＭＰａに達するほどの高圧状態であることから、熱交換部５２を構成する配管やチューブの耐圧性を相当程度に高める必要がある。加えて、高圧下に曝される配管やチューブの劣化状態を長期にわたって監視する必要がある。その結果、コストの上昇につながる可能性がある。しかしながら、上記の構成によれば、このような可能性を低減し、ガスタービンプラント１００を低廉に建造できるとともに、より安定的にガスタービンプラント１００を運用することができる。

さらに、上記の構成によれば、熱交換部５２が、排熱回収ボイラー２における排ガスの温度が高温空気よりも低い領域に設けられることで、高温空気と排ガスとの間の熱交換をより効率的に行うことができる。即ち、当該領域における熱交換によって、排ガスの加熱と、高温空気の冷却（冷却空気の生成）とを促進することができる。

加えて、上記の構成によれば、熱交換部５２が高温熱交換部５２Ａと低温熱交換部５２Ｂとを有する。これら高温熱交換部５２Ａと低温熱交換部５２Ｂは、ボイラー筒２０内における互いに排ガス温度の異なる領域にそれぞれ配置されている。したがって、排熱回収ボイラー２内におけるさらに広い範囲で排ガスと高温空気との熱交換が行われる。その結果、排ガスの加熱と、高温空気の冷却（冷却空気の生成）とをさらに促進することができる。

さらに加えて、上記の構成によれば、ブースト圧縮機５１がタービン１３に内蔵されていることから、ブースト圧縮機５１をタービン１３と独立して設けた場合に比べて、機器の設置スペースの節約を実現することができる。さらに、ブースト圧縮機５１がタービン１３と同軸で駆動されることから、ブースト圧縮機５１の駆動に要する動力を低減することもできる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図２を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るガスタービンプラント２００では、タービン冷却系統５は、上記第一実施形態で説明した構成に加えて、第一バイパスライン７１と、第一弁７２と、第一温度計測部７３と、第二バイパスライン７４と、第二弁７５と、第二温度計測部７６と、蒸気温度計測部７７と、調整装置７８と、をさらに備えている。

第一バイパスライン７１は、高温空気ライン６１と冷却空気ライン６２とを接続している。即ち、第一バイパスライン７１は、ブースト圧縮機５１から圧送されてきた高温空気を、上記の排熱回収ボイラー２をバイパスさせて直接的に冷却流路５３に供給する。第一バイパスライン７１には第一弁７２が設けられている。第一弁７２を調整することで、第一バイパスライン７１を流れる高温空気の流量が変化する。なお、第一弁７２として、開度を連続的に変化させることが可能な流量調整弁を用いてもよいし、流路の開閉状態を選択的に変化させることが可能な開閉弁を用いてもよい。

さらに、冷却空気ライン６２上であって、上記の第一バイパスライン７１よりも下流側（即ち、冷却流路５３に近い側）には、第一温度計測部７３が設けられている。第一温度計測部７３は、冷却空気ライン６２を流通する冷却空気の温度を計測する。第一温度計測部７３の計測結果は、電気信号として調整装置７８に入力される。

第二バイパスライン７４は、高温空気ライン６１と低温熱交換部５２Ｂとを接続している。第二バイパスライン７４上には、第二弁７５が設けられている。第二弁７５を調整することで、第二バイパスライン７４を流れる高温空気の流量が変化する。なお、第二弁７５として、開度を連続的に変化させることが可能な流量調整弁を用いてもよいし、流路の開閉状態を選択的に変化させることが可能な開閉弁を用いてもよい。

さらに、接続ライン９８上には、第二温度計測部７６が設けられている。第二温度計測部７６は、接続ライン９８を流通する高温空気の温度を計測する。より具体的には、第二温度計測部７６は、高温熱交換部５２Ａにおいて排ガスとの熱交換を終えた後の高温空気の温度を計測する。第二温度計測部７６の計測結果は、電気信号として調整装置７８に入力される。加えて、上述の第一高圧蒸気ライン９４上には、蒸気温度計測部７７が設けられている。蒸気温度計測部７７は、第一高圧蒸気ライン９４を流通する高圧蒸気の温度を計測する。蒸気温度計測部７７の計測結果は、電気信号として調整装置７８に入力される。

調整装置７８は、第一温度計測部７３、第二温度計測部７６、及び蒸気温度計測部７７の計測結果に応じて、第一弁７２、及び第二弁７５を調整する。具体的には、調整装置７８は、第一温度計測部７３、第二温度計測部７６、及び蒸気温度計測部７７の計測結果と、各温度と第一弁７２、及び第二弁７５の開度との関係を示すテーブルとを比較する比較部７８Ａと、比較部７８Ａの比較結果に基づいて第一弁７２の開度を調整する第一調整部７８Ｂと、比較結果に基づいて第二弁７５の開度を調整する第二調整部７８Ｃと、を有している。なお、第一弁７２、及び第二弁７５が流量調整弁でなく、開閉弁である場合には、第一調整部７８Ｂ、及び第二調整部７８Ｃは、比較部７８Ａの比較結果に基づいてそれぞれ第一弁７２、及び第二弁７５の開閉状態を選択的に切り換える構成を採ることが望ましい。

本実施形態に係る構成によれば、第一温度計測部７３によって計測された冷却空気の温度に応じて、第一調整部７８Ｂが第一弁７２を調整する。第一弁７２が調整されることで、第一バイパスライン７１を通じて高温空気ライン６１から冷却空気ライン６２に流れる高温空気の流量が変化する。即ち、冷却空気の温度を変化させることができる。これにより、例えばタービン１３を構成する部材の温度と作動流体の温度との乖離を小さくすることができる。その結果、タービン１３における熱応力の発生と、これに起因するクラックの発生・進展等を回避することができる。

さらに、本実施形態に係る構成によれば、第二温度計測部７６によって計測された高温空気の温度に応じて、第二調整部７８Ｃが第二弁７５を調整する。第二弁７５が調整されることで、第二バイパスライン７４を通じて高温空気ライン６１から接続ライン９８に向かう高温空気の流量が変化する。これにより、高温熱交換部５２Ａにおける熱交換と、低温熱交換部５２Ｂにおける熱交換とのバランスを適正化することができる。その結果、冷却空気の温度が調節され、排熱回収ボイラー２を流れる排ガスの温度を適正化することができる。さらに、蒸気タービン３に供給される蒸気の流量が増加するため、当該蒸気タービン３の出力、及び熱効率を向上させることができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るガスタービンプラント３００では、タービン冷却系統５は、上記第一実施形態に係るガスタービンプラント１００の構成に加えて、高圧空気抽気ライン１３１と、当該高圧空気抽気ライン１３１上に設けられた第三弁１３２と、をさらに備えている。

高圧空気抽気ライン１３１は、ガスタービン１の圧縮機１１と、冷却空気ライン６２とを接続している。第三弁１３２は、高圧空気抽気ライン１３１の流通状態を変化させる。なお、第三弁１３２としては、上述した流量調整弁、及び開閉弁のいずれをも用いることが可能である。これにより、圧縮機１１で生成された高圧空気の少なくとも一部が抽気され、高圧空気抽気ライン１３１、及び冷却空気ライン６２を通じて冷却流路５３に供給される。

本実施形態に係る構成によれば、高圧空気抽気ライン１３１を通じて高圧空気が冷却空気ライン６２に供給される。ここで、冷却空気ライン６２、冷却流路５３、及び高温空気ライン６１を流通する中途で、やむを得ず発生する漏れにより冷却空気の流量が減少する。上記の構成によれば、圧縮機１１で生成された高圧空気を冷却空気ライン６２に供給することによって、冷却空気の流量を維持することができる。これにより、タービン１３の冷却をさらに促進することができる。加えて、第三弁１３２を調整することで、高圧空気抽気ライン１３１を流通する高圧空気の流量を自在に変化させることができる。即ち、冷却空気ライン６２を通じて冷却流路５３に供給される冷却空気の流量をさらに精緻に調整することができる。

以上、本発明の第一実施形態から第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記各実施形態では、熱交換部５２がそれぞれ１つずつの高温熱交換部５２Ａ、及び低温熱交換部５２Ｂを有する構成について説明した。しかしながら、熱交換部５２の構成は上記に限定されない。上記の各実施形態に共通する変形例として、熱交換部５２が、それぞれ複数ずつの高温熱交換部５２Ａ、及び低温熱交換部５２Ｂを有する構成を採ることも可能である。

さらに、上述した排熱回収ボイラー２の構成、及び蒸気タービン３の数は上記に限定されず、ガスタービンプラント１００，２００，３００の仕様や設計に応じて、ボイラー筒２０内に設けられる機器の種類や数を変更したり、蒸気タービン３の数を変更したりすることが可能である。

加えて、上記の各実施形態では、ブースト圧縮機５１がタービン１３に内蔵され、当該タービン１３と同軸で駆動される構成について説明した。しかしながら、ブースト圧縮機５１の態様は上記に限定されず、他の例としてブースト圧縮機５１をタービン１３とは独立して設けるとともに、タービン１３以外の他の動力源によって駆動される構成を採ることも可能である。

さらに、上記の各実施形態に共通する変形例として、図４から図６に示す構成を採ることも可能である。図４の例では、上記の各実施形態とは異なり、ブースト圧縮機５１が冷却流路５３の中途に設けられている。即ち、同図の例では冷却流路が、相対的に上流側に位置する上流側冷却流路５３Ａと、相対的に下流側に位置する下流側冷却流路５３Ｂと、を有している。ブースト圧縮機５１は、上流側冷却流路５３Ａと下流側冷却流路５３Ｂとの間に設けられている。この構成によれば、ブースト圧縮機５１によって当該冷却流路５３の中途位置で冷却空気が昇圧されることから、冷却流路５３の流路長が比較的に長い場合であっても、上流側から下流側にかけて安定的に冷却空気を供給することができる。言い換えると、タービン１３内における広い範囲（又は、多くの部位）を冷却することができる。

さらに図５の例では、上記の各実施形態と異なり、ブースト圧縮機５１が冷却空気ライン６２上に設けられている。即ち、このブースト圧縮機は、冷却流路５３よりも上流側に設けられている。この構成によっても、上記の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

加えて図６の例では、タービン冷却系統５は、複数（２つ）の冷却流路５３と、これら冷却流路５３の下流側（即ち、高温空気ライン６１上）にそれぞれ設けられた複数（２つ
のブースト圧縮機５１と、を有している。この構成によれば、タービン１３内におけるさらに広い範囲（又は、さらに多くの部位）を冷却することができる。

１…ガスタービン
２…排熱回収ボイラー
３…蒸気タービン
４…復水器
５…タービン冷却系統
１１…圧縮機
１２…燃焼器
１３…タービン
２０…ボイラー筒
２１…低圧節炭器
２２…低圧蒸発器
２３…高圧節炭器
２４…第一低圧再熱器
２５…高圧蒸発器
２６…第一高圧過熱器
２７…第二低圧再熱器
２９…第二高圧過熱器
３１…高圧蒸気タービン
３２…低圧蒸気タービン
５１…ブースト圧縮機
５２…熱交換部
５２Ａ…高温熱交換部
５２Ｂ…低温熱交換部
５３…冷却流路
５３Ａ…上流側冷却流路
５３Ｂ…下流側冷却流路
６１…高温空気ライン
６２…冷却空気ライン
７１…第一バイパスライン
７２…第一弁
７３…第一温度計測部
７４…第二バイパスライン
７５…第二弁
７６…第二温度計測部
７７…蒸気温度計測部
７８…調整装置
７８Ａ…比較部
７８Ｂ…第一調整部
７８Ｃ…第二調整部
８１…復水ライン
８２…復水ポンプ
８３…第一加熱水ライン
８４…低圧蒸気ライン
８５…再熱器ライン
８６…低圧蒸気供給ライン
８７…第一蒸気回収ライン
９１…第二加熱水ライン
９２…高圧ポンプ
９３…高圧加熱水ライン
９４…第一高圧蒸気ライン
９５…第二高圧蒸気ライン
９６…高圧蒸気供給ライン
９７…第二蒸気回収ライン
９８…接続ライン
１００，２００，３００…ガスタービンプラント
１３１…高圧空気抽気ライン
１３２…第三弁
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…発電機

Claims (7)

1. 空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機、前記高圧空気と燃料との混合気を燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動され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排出された排ガスの熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、
   前記蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   前記タービンを冷却するタービン冷却系統と、
   を備え、
   前記タービン冷却系統は、
   前記排熱回収ボイラー内に配置され、高温空気と前記排ガスとの間で熱交換することで、該排ガスを加熱するとともに前記高温空気を冷却して低温の冷却空気を生成する熱交換部と、
   前記タービンにおける前記燃焼ガスに接する高温部材内に形成され、前記熱交換部から導入される冷却空気が流通することで前記高温部材を冷却するとともに、該冷却空気を加熱して前記高温空気を生成する冷却流路と、
   前記高温空気又は前記冷却空気を、前記冷却流路と前記熱交換部との間で圧送するブースト圧縮機と、
   を備えるガスタービンプラント。
2. 前記熱交換部は、前記排熱回収ボイラーにおいて前記排ガスの温度が前記高温空気よりも低い領域に設けられている請求項１に記載のガスタービンプラント。
3. 前記タービン冷却系統は、
   前記冷却流路の出口と前記熱交換部とを接続する高温空気ラインと、
   前記熱交換部と前記冷却流路とを接続する冷却空気ラインと、
   前記高温空気ラインと前記冷却空気ラインとを接続する第一バイパスラインと、
   前記第一バイパスラインに設けられた第一弁と、
   前記冷却空気ラインに設けられ、前記冷却空気の温度を計測する第一温度計測部と、
   前記第一温度計測部の計測結果に応じて前記第一弁を調整することで前記冷却空気の流量を変化させる第一調整部と、
   を有する請求項１又は２に記載のガスタービンプラント。
4. 前記熱交換部は、
   前記排熱回収ボイラーにおいて前記排ガスの温度が相対的に高い領域に設けられた高温熱交換部と、
   前記排ガスの温度が相対的に低い領域に設けられた低温熱交換部と、
   前記高温熱交換部から排出された前記高温空気を前記低温熱交換部に導く接続ラインと、
   を有する請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービンプラント。
5. 前記タービン冷却系統は、
   前記冷却流路の出口と前記熱交換部とを接続する高温空気ラインと、
   前記熱交換部と前記冷却流路とを接続する冷却空気ラインと、
   前記高温空気ラインと前記低温熱交換部とを接続する第二バイパスラインと、
   前記第二バイパスラインに設けられた第二弁と、
   前記接続ラインに設けられ、前記高温熱交換部から排出された前記高温空気の温度を計測する第二温度計測部と、
   前記第二温度計測部の計測結果に応じて前記第二弁を調整することで前記第二バイパスラインを流れる前記高温空気の流量を変化させる第二調整部と、
   を有する請求項４に記載のガスタービンプラント。
6. 前記ブースト圧縮機は、前記タービンに内蔵され、かつ該タービンと同軸で駆動される請求項１から５のいずれか一項に記載のガスタービンプラント。
7. 前記タービン冷却系統は、前記圧縮機から前記高圧空気の少なくとも一部を抽気して前記冷却空気として前記冷却流路に供給する高圧空気抽気ラインと、該高圧空気抽気ラインに設けられた第三弁と、を有する請求項１から６のいずれか一項に記載のガスタービンプラント。

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