JP3032005B2 - ガス・蒸気タービン複合設備 - Google Patents

ガス・蒸気タービン複合設備

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JP3032005B2
JP3032005B2 JP3503650A JP50365091A JP3032005B2 JP 3032005 B2 JP3032005 B2 JP 3032005B2 JP 3503650 A JP3503650 A JP 3503650A JP 50365091 A JP50365091 A JP 50365091A JP 3032005 B2 JP3032005 B2 JP 3032005B2
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boiler
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンの排気ガス側に後置接続され
たボイラを備え、このボイラが燃焼設備と、予熱装置
と、この予熱装置に後置接続された蒸気タービンの高圧
段の高圧加熱装置と、この高圧段に後置接続された中間
過熱装置とを有して、蒸気タービンの水・蒸気回路に接
続され、蒸気タービンの高圧段に並列接続された中圧加
熱装置が燃焼ガスの流れ方向に見てボイラ内において高
圧加熱装置と予熱装置との間に配置されているガス・蒸
気タービン複合設備に関する。
燃焼設備を有するボイラを持ったガス・蒸気タービン
複合設備の場合、一般にはガスタービンの排気ガスが燃
焼設備の燃焼空気として利用される。その場合蒸気ター
ビン、ガスタービンおよびボイラの出力は互いに関係し
ているので、かかる設備を設計する際にそれらの出力は
互いに同調しなければならない。その同調は一般に、定
格出力運転の際に燃焼設備の酸素需要がガスタービンの
排気ガスによって負担されるようにして行われる。しか
しガスタービンは僅かな種類の出力例えば50MW、150MW
あるいは200MWの出力のものしか製造せずまた需要もな
いので、ガスタービンを蒸気タービンおよびボイラの出
力に適合させることは非常に困難である。
従って所定の大きさのガス・蒸気タービン複合設備の
場合、ガスタービンは全負荷範囲において燃焼設備にと
って必要な排気ガス量に比べて、過剰あるいは過少の排
気ガス量を供給する。全負荷範囲において排気ガス量が
過少である場合、ガス・蒸気タービン複合設備の効率は
低くなるが、部分負荷範囲では効率が良くなる。この場
合、燃焼設備に対して不足する酸素は一般に補助的な新
鮮空気送風機によって用意される。
これに対して部分負荷範囲において排気ガス量が過剰
である場合、ガスタービンの出力は非常に早い時点で減
少されねばならない。これは一般に最近のガスタービン
の場合にはガスタービンの案内羽根の調整によって行わ
れ、従ってガスタービンを通る空気流量が減少される。
ガスタービンの出力が減少するにつれて、ガス・蒸気タ
ービン複合設備の効率は部分負荷範囲において低下す
る。換言すればいずれの場合にも所望の総合効率は限ら
れてしまう。
本発明の課題は、ガス・蒸気タービン複合設備におい
てすべての運転状態即ち全負荷範囲および部分負荷範囲
でもできるだけ高い総合効率を達成することにある。
本発明によれば、この課題は、中圧加熱装置は出口側
が中間過熱装置に接続されることによって解決される。
これによってガスタービンからの排気ガスが多い場合に
部分負荷範囲においても高い効率が達成されるので、ガ
ス・蒸気タービン複合設備の高い総合効率が達成され
る。
本発明に基づく設備の有利な実施態様において、中圧
加熱装置は、予熱装置と高圧加熱装置と蒸気タービンの
高圧段との直列回路に対して並列接続されている。中圧
加熱装置において必要な圧力を形成し維持するために、
中圧加熱装置の給水用の流入配管にポンプが設けられて
いると好適である。
蒸気タービンの中圧段に対してボイラから追加的な熱
を得るために、蒸気タービンの高圧段に中間過熱装置が
後置接続される。
高い蒸気圧力および高い温度で蒸発過程を実施するた
めに、ガスタービンからの排気ガスの少なくとも一部が
燃焼設備を迂回して直接ボイラに導入されると有利であ
る。上述の排気ガス部分は２つの部分流に分けられる。
その第１の部分流は燃焼ガスの流れ方向に見て中間過熱
装置の後ろで、第２の部分流は中間過熱装置の前でボイ
ラに導入される。しかし中間過熱装置が予熱段およびこ
れに後置接続された最終過熱段を有し、第２の部分流を
予熱段と最終過熱段との間に導入することもできる。
これによってガスタービンの出力を低下することなし
に、排気ガス内に含まれる熱はガス・蒸気タービン複合
設備の部分負荷範囲でも十分に利用でき、蒸発過程に対
して利用されるので、蒸発過程の高い効率が得られる。
更に部分負荷範囲において過剰なガスタービンからの排
気ガスを２つの部分流に制御あるいは調整して分けるこ
とによって、中間過熱装置に対する補助的な冷却装置は
省略できる。これはガス・蒸気タービン複合設備の総合
効率に特に良好に作用する。
本発明に基づく設備の有利な実施態様においては、予
熱装置が、ボイラ内に配置された第１の熱交換器とボイ
ラの外部に配置された第２の熱交換器とから成る並列回
路およびこの並列回路に後置接続されボイラ内に配置さ
れたエコノマイザを有するように形成されている。その
場合、中圧加熱装置は、第１の熱交換器と第２の熱交換
器との並列回路に後置接続されている。この中圧加熱装
置は更に中間過熱装置の予熱段に並列接続され、中間過
熱装置の最終過熱段に前置接続される。これによってボ
イラにおける熱の特に有利な利用が達成される。
本発明に基づく設備の有利な他の実施態様において
は、中圧加熱装置および高圧加熱装置がそれぞれ予熱段
とこれに後置接続された過熱段とを有するように形成さ
れている。
本発明によって得られる利点は特に、中圧加熱装置の
利用によって（燃焼ガスの流れ方向に見て）ボイラの中
において予熱装置の前に高温燃焼ガスに対する補助的な
ヒートシンクが作られることにある。これによって一方
では部分負荷範囲において水・蒸気回路に導入される水
量を減少する場合に予熱装置の伝熱面特にエコノマイザ
の伝熱面の蒸発が確実に避けられる。他方ではガスター
ビンからの排気ガスの一部をボイラの一次側に導入する
ことによって、排気ガスでボイラに導入される熱量が蒸
気発生のために補助的に利用されるので、部分負荷範囲
並びに全負荷範囲において蒸発過程の効率従ってガス・
蒸気タービン複合設備の総合効率を向上できる。かかる
設備は、定格負荷運転の場合に必要な排気ガス量よりも
排気ガス量が多い市販のガスタービンで有利に運転され
る。
本発明を一層明らかにするために図面を参照して実施
例を説明する。
第１図はガス・蒸気タービン複合設備のボイラにおけ
る本発明に基づく中圧加熱装置の配置構造および回路の
概略系統図、 第２図は第１図のボイラにおける中圧加熱装置の変形
例の概略系統図である。
第１図におけるガス・蒸気タービン複合設備はガスタ
ービン設備1aと蒸気タービン設備1bとを有している。ガ
スタービン設備1aには、空気圧縮機３が連結されている
ガスタービン２、発電機４およびガスタービン２に前置
接続されている燃焼室５が設けられている。この燃焼室
５は空気圧縮機３の新鮮空気配管６に接続されている。
蒸気タービン設備1bには、発電機11が連結されている
蒸気タービン10、この蒸気タービン10に後置接続されて
いる復水器12、この復水器12に後置接続されている給水
タンク13およびボイラ14が設けられている。蒸気タービ
ン10の水・蒸気回路は全体を符号15で表している。
ガスタービン２の出口2bは排気ガス配管16に接続され
ている。ガスタービン２には排気ガス側において燃焼設
備22が後置接続されている。この実施例の場合燃焼設備
22はボイラ14の内部に配置されている。そのために排気
ガス配管16に、供給配管24〜28を介して燃焼設備22に開
口している分岐配管23が接続されている。
分岐配管23にフラップ弁29が接続されている。燃焼設
備22は例えば、供給配管24〜28によって示されているよ
うに、上下に位置する５つの平面内に全部で20個のバー
ナ（図示せず）を有しており、その場合各平面にそれぞ
れ４個のバーナが付設されている。
ガスタービン２からボイラ14に排気ガスａの部分流ｔ
を供給するために、第１の部分流配管17がボイラ14の入
口14aに接続され、第２の部分流配管18がボイラ14の入
口14bに接続されている。排気ガス配管16並びに部分流
配管17、18にそれぞれフラップ弁19、20、21例えばスロ
ットル弁あるいは他の制御機構が接続されている。その
フラップ弁19、20、21は電動機（図示せず）によって駆
動される。
ボイラ14は予熱装置30、中圧加熱装置31、中間過熱装
置32および高圧加熱装置33を有している。
予熱装置30はボイラ14の内部に配置されている第１の
熱交換器34、ボイラ14の外部で熱交換器34に並列接続さ
れている第２の熱交換器35およびエコノマイザ36を有し
ている。熱交換器34、35はポンプ38を有する共通の供給
配管37を介して給水タンク13に接続されている。熱交換
器34、35は共通の流出配管39を介してエコノマイザ36に
接続されている。その流出配管39は分岐管40を介して水
・蒸気タンク43に接続されている。分岐管40には電動機
41で駆動される弁42が接続されている。
水・蒸気タンク43は配管44を介して給水タンク13に直
接接続されている。配管44には弁45およびポンプ46が設
けられている。弁45は電動機47によって駆動される。
高圧加熱装置33は入口側が配管50を介してエコノマイ
ザ36に接続されている。高圧加熱装置33はボイラ14にお
ける外壁側に燃焼設備22の範囲に配置されている管装置
51を有している。この管装置51は出口側が配管52を介し
て気水分離器53に接続されている。更に高圧加熱装置33
は予熱段54およびこれに後置接続されている過熱段55を
有している。予熱段54は入口側が気水分離器53に接続さ
れている。過熱段55は出口側が蒸気タービン10の高圧部
10aに接続されている。予熱装置30と高圧加熱装置33と
蒸気タービン10の高圧部10aとの直列回路は高圧段56を
形成している。
中間過熱装置32は、出口側が配管58に接続されている
予熱段57と、入口側が配管58に接続されている最終過熱
段59とを有している。
中圧加熱装置31は蒸発段あるいは予熱段60および過熱
段61を有している。予熱段60は入口側が循環ポンプ62を
介して水・蒸気タンク43に接続されている。水・蒸気タ
ンク43は蒸気側が予熱段60並びに過熱段61に接続されて
いる。過熱段61は出口側が電動機63で駆動される弁64が
接続されている配管58を介して中間過熱装置32に接続さ
れ、中圧加熱装置31は、エコノマイザ36と高圧加熱装置
33と蒸気タービン10の高圧部10aとの直列回路に並列接
続されている。その場合中圧加熱装置31において必要な
圧力は弁42を介して調整される。しかし中圧加熱装置は
配管44を介して給水タンク13に直接接続することもでき
る。この場合にもこの加熱装置は高圧段56に並列接続さ
れている。この実施例の場合ポンプ46が給水を必要な圧
力にする。
蒸気タービン10の高圧部10aは出口側が中間過熱装置3
2の予熱段57に接続されている。中間過熱装置32の最終
過熱段59は出口側が蒸気タービン10の中圧部10bに接続
されている。中圧部10bは蒸気タービン10の低圧部10cに
接続されている。低圧部10cは出口側が復水器12に接続
されている。
ガス・蒸気タービン複合設備１を運転する際、燃焼室
５は詳細に図示していない方式で石炭ｋあるいは他の燃
料例えば油又はガスが供給配管5aを介して導入される。
石炭ｋは燃焼室５において空気圧縮機３からの新鮮圧縮
空気１で燃焼する。燃焼の際に生ずる高温燃焼ガスｇは
燃焼ガス配管5bを介してガスタービン２に導かれる。燃
焼ガスはそこで膨張してガスタービン２を駆動する。こ
のガスタービン２は更に空気圧縮機３および発電機４を
駆動する。ガスタービン２から流出する高温排気ガスａ
は分岐配管23および供給配管24〜28を介して燃焼空気ｓ
としてボイラ14の燃焼設備22に導かれる。燃焼設備22に
おける燃焼に対して不要な高温排気ガスａの部分流ｔは
分岐管17、18を介してボイラ14に導入される。その場合
第１の部分流ｂは特に中間過熱装置32の予熱段57と最終
過熱段59との間に導かれる。第２の部分流ｃは分岐管18
を介して（燃焼設備22内で発生した燃焼ガスｒの流れ方
向に見て）中間過熱装置32の後ろでボイラ14に導入され
る。部分流ｂと部分流ｃとの間の流量比はフラップ弁20
ないし21で調整できる。ボイラにとって必要でない高温
排気ガスａの部分流ｔはフラップ弁19を介して煙突（図
示せず）の方向に排出される。
給水タンク13からの給水はポンプ38を介して予熱装置
30に搬送され、熱交換器34、35およびエコノマイザ36を
貫流する。給水は予熱段30において約330℃の温度T1に
加熱される。弁42で調整される給水の部分流量が分岐管
40を介して水・蒸気タンク43に流入する。熱交換器35に
おいて給水を加熱するために詳細に図示していない方式
で蒸気タービン10からの高温蒸気ｄが配管70を介してこ
の熱交換器35に導入される。その代わりに配管44を介し
て給水を予熱装置30を迂回して水・蒸気タンク43に直接
搬送することもできる。
予熱装置30内で予熱される給水は配管50を介して高圧
加熱装置33に流入する。その場合給水は燃焼設備22から
の高温燃焼ガスｒで加熱される管装置51を貫流し、加熱
され、蒸発され、過熱される。燃焼設備22からの燃焼ガ
スｒの温度T2は約1100℃である。まだ湿り蒸気を含んで
いる過熱済みの蒸気は配管52を介して気水分離器53に流
れる。そこで蒸気は水と分離される。蒸気は高圧加熱装
置33の予熱段54および過熱段55を介して蒸気タービン10
の高圧部10aに流入する。水は集合容器67とポンプ68と
を有する配管66を介して配管50に給水される。高圧部10
aの排出蒸気は約400℃の温度T3で中間過熱装置32の予熱
段57および最終過熱段59を通って流れる。この蒸気はそ
こで新たに加熱され、続いて蒸気タービン10の中圧部10
bに流入する。中圧部10bからの排出蒸気は蒸気タービン
10の低圧部10cの中に流れ、そこから配管72を介して復
水器12に流入し、そこで復水する。復水は復水器12から
配管73を介して給水タンク13に流れる。
燃焼設備22からの高温燃焼ガスｒの温度は中間過熱装
置32および中圧加熱装置31の範囲においてはまだ約400
℃である。ガスタービン２からの高温排気ガスａ（その
温度T5は約500℃である）を部分流配管17、18を介して
混合することによって、ボイラ14の内部において中間過
熱装置32および中圧加熱装置31の範囲で混合温度T4が生
ずる。この混合温度T4は約450℃である。排気ガスａの
両部分流ｂ、ｃ並びに燃焼ガスｒはボイラ14をその出口
14cを通って煙突（図示せず）の方向に排出する。
水・蒸気タンク43における給水はポンプ62を介して中
圧加熱装置31の予熱段60を通して搬送され、そこから水
・蒸気タンク43に戻される。この場合給水は加熱され、
蒸気として中圧加熱装置31の過熱段61に到達する。その
蒸気は配管58を介して、中間過熱装置32の予熱段57の中
で加熱された蒸気タービン10の高圧部10aからの排出蒸
気と一緒に中間過熱装置32の最終過熱段59の中に流れ、
そこから蒸気タービン10の中圧部10bに流れる。その場
合中圧加熱装置31から配管58を介して流れる蒸気量は弁
64で調整できる。
全負荷運転の場合、本発明に基づいて補助的に設けら
れた中圧加熱装置31と、部分流ｂ、ｃで補助的にボイラ
14に与えられる熱量とによって、蒸気タービン10の中圧
部10bの中に補助的な蒸気量が入れられる。これによっ
てボイラ14の効率は増大する。
部分負荷運転の場合、一般に燃焼設備22に導入される
単位時間当たりの燃料ｆの量が減少する。従って燃焼設
備22に対する燃焼空気ｓの量も減少するので、排気ガス
ａの相応して増大した部分流が部分流配管17、18を介し
てボイラ14に導かれる。燃焼設備22への燃料供給の減少
によって、燃料ガスｒの発生量が減少し、対応して蒸気
タービン10の高圧部10aに対する発生蒸気量は減少され
る。更に水・蒸気回路15における蒸気量の減少によっ
て、蒸気タービン10の中圧部10bにおける温度並びに圧
力が低下する。エコノマイザ36の伝熱面における蒸発を
避けるために、従来においてはガスタービン２の排気ガ
ス量あるいは排気ガス温度を低下させ、場合によっては
中間過熱装置を外部の冷却装置で冷却しなければならな
かった。これはガス・蒸気タービン複合設備１の総合効
率を低下するという欠点をもたらした。
従って本発明に基づいて補助的に設けられた中圧加熱
装置31によって（燃焼ガスｒおよび排気ガスａの流れ方
向に見て）エコノマイザ36の前にヒートシンクが作られ
る。これによって燃焼ガスｒおよび場合によっては補助
的に導入された排気ガスａから補助的な熱が抽出される
ので、エコノマイザ36の伝熱面の蒸発は確実に避けられ
る。更に中圧加熱装置31内で補助的に発生する蒸気によ
って、蒸気タービン10の中圧部10bを貫流する蒸気量は
増大するので、過熱装置32は部分負荷範囲においてもガ
スタービン２から大量の排気ガスを部分流配管17を介し
て供給され、その場合冷却なしに運転できる。その場合
過熱装置32における混合温度T4が部分流ｂ、ｃの量並び
に中圧加熱装置31からの蒸気量の制御あるいは調整によ
って一定に維持される。
第２図には第１図におけるボイラ14の中圧加熱装置31
の変形例が示されている。その場合過熱段61はボイラ14
の内部において予熱段60に直接後置接続されている。過
熱段61は出口側において水・蒸気分離器74に接続されて
いる。予熱段60において予熱され続いて過熱段61で過熱
された給水は水・蒸気分離器74に流れる。そこで蒸気は
水と分離される。蒸気は配管58aを介して上述したよう
に中間過熱装置32に流入する。水は配管44aを介して給
水タンク13に導かれる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−156912（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−99401（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01K 23/10 F22B 1/18

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガスタービン（２）の排気ガス側に後置接
    続されたボイラ（14）を備え、このボイラ（14）が燃焼
    設備（22）と、予熱装置（30）と、この予熱装置（30）
    に後置接続された蒸気タービン（10）の高圧段（56）の
    高圧加熱装置（33）と、その高圧段（56）に後置接続さ
    れた中間過熱装置（32）とを有して、蒸気タービン（1
    0）の水・蒸気回路（15）に接続され、蒸気タービン（1
    0）の高圧段（56）に並列接続された中圧加熱装置（3
    1）が燃焼ガス（ｒ）の流れ方向に見てボイラ（14）内
    において高圧加熱装置（33）と予熱装置（30）との間に
    配置されているガス・蒸気タービン複合設備において、
    中圧加熱装置（31）は出口側が中間過熱装置（32）に接
    続されていることを特徴とするガス・蒸気タービン複合
    設備。
  2. 【請求項２】中圧加熱装置（31）が、予熱装置（30）と
    高圧加熱装置（33）と蒸気タービン（10）の高圧部（10
    a）との直列回路に対して並列接続されていることを特
    徴とする請求項１記載のガス・蒸気タービン複合設備。
  3. 【請求項３】中圧加熱装置（31）の給水用の流入配管
    （44）にポンプ（46）が設けられていることを特徴とす
    る請求項２記載のガス・蒸気タービン複合設備。
  4. 【請求項４】ガスタービン（２）からの排気ガス（ａ）
    の少なくとも一部（ｔ）が燃焼設備（22）を迂回して直
    接ボイラ（14）に導入されることを特徴とする請求項１
    乃至３の一つに記載のガス・蒸気タービン複合設備。
  5. 【請求項５】燃焼ガス（ｒ）の流れ方向に見て中間過熱
    装置（32）の後ろでガスタービン（２）からの排気ガス
    （ａ）の部分流（ｃ）がボイラ（14）に導入されること
    を特徴とする請求項４記載のガス・蒸気タービン複合設
    備。
  6. 【請求項６】燃焼ガス（ｒ）の流れ方向に見て中間過熱
    装置（32）の前でガスタービン（２）からの排気ガス
    （ａ）の部分流（ｂ）がボイラ（14）に導入されること
    を特徴とする請求項５記載のガス・蒸気タービン複合設
    備。
  7. 【請求項７】中間過熱装置（32）が予熱段（57）および
    これに後置接続された最終過熱段（59）を有し、ガスタ
    ービン（２）からの排気ガス（ａ）の部分流（ｂ）が予
    熱段（57）と最終過熱段（59）との間からボイラ（14）
    に導入されることを特徴とする請求項５記載のガス・蒸
    気タービン複合設備。
  8. 【請求項８】予熱装置（30）が、ボイラ（14）内に配置
    された第１の熱交換器（34）とボイラ（14）の外部に配
    置された第２の熱交換器（35）とから成る並列回路およ
    びこの並列回路に後置接続されボイラ（14）内に配置さ
    れたエコノマイザ（36）を有していることを特徴とする
    請求項１乃至７の一つに記載のガス・蒸気タービン複合
    設備。
  9. 【請求項９】中圧加熱装置（31）が、第１の熱交換器
    （34）と第２の熱交換器（35）との並列回路に後置接続
    されていることを特徴とする請求項８記載のガス・蒸気
    タービン複合設備。
  10. 【請求項１０】中圧加熱装置（31）が、予熱段（60）お
    よびこれに後置接続された過熱段（61）を有しているこ
    とを特徴とする請求項１乃至９の一つに記載のガス・蒸
    気タービン複合設備。
  11. 【請求項１１】高圧加熱装置（33）が予熱段（54）およ
    びこれに後置接続された過熱段（55）を有していること
    を特徴とする請求項１乃至10の一つに記載のガス・蒸気
    タービン複合設備。
  12. 【請求項１２】中圧加熱装置（31）が中間過熱装置（3
    2）の予熱段（57）に並列接続され、中間過熱装置（3
    2）の最終過熱段（59）に前置接続されていることを特
    徴とする請求項５乃至11の一つに記載のガス・蒸気ター
    ビン複合設備。
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