JP3614949B2 - 複合発電プラント - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン系統と、蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統とを組み合わせた複合発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、火力発電プラントの高効率化が強く望まれており、この要望に沿うために、新設の火力発電所は勿論のこと、既設の火力発電所においても、リパワリングによる複合サイクル化が進められている。
【０００３】
図１３は、従来の代表的な複合発電プラントを示す系統図である。この複合発電プラントは、ガスタービン系統１と、このガスタービン系統１の排熱エネルギで駆動される蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統２とを備えた構成とされている。
【０００４】
ガスタービン系統１は、ガスタービン１１と、このガスタービン１１に軸１２を介して連結された圧縮機１３と、この圧縮機１３から送り出された高圧空気と燃料とを導入して燃焼させ、この燃焼によって得られた高温高圧ガスでガスタービン１１を駆動する燃焼器１４とで構成されている。
【０００５】
圧縮機１３では、空気通路１５を介して導かれた常温空気が圧縮され、圧縮機１３から送り出された高圧空気は、一部がガスタービン１１内の翼の冷却や回転部のシール用として使用され、残りが燃焼器１４へ導かれる。
【０００６】
燃焼器１４では、高圧空気を支燃ガスとして図示しない燃料供給系統から供給された燃料が燃焼される。燃焼によって得られた高温ガスは、燃焼ガス通路１６を介してガスタービン１１に供給され、膨張してガスタービン１１に駆動力を与えた後、排ガス通路１７へと流れる。
【０００７】
一方、蒸気サイクル系統２は、蒸気タービン１８と、軸１９を介して蒸気タービン１８に連結された発電機２０とを有し、前述したガスタービン系統１の排熱で蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービン１８を駆動する蒸気サイクルを形成している。なお、図１３では、蒸気タービン１８のロータとガスタービン１１のロータとを軸２２で連結した構成を例示している。
【０００８】
蒸気サイクル系統２は、排ガス通路１７を介して導かれたガスタービン１１の排ガスから熱を回収して蒸気タービン１８の駆動に必要な高温高圧蒸気を発生させる排熱回収ボイラ２３を備えている。排熱回収ボイラ２３を通った排ガスは、煙道２７を介して大気中に排出される。
【０００９】
排熱回収ボイラ２３内には、上流側から下流側に向って順に高圧過熱器２４、高圧蒸発器２５および高圧予熱器２６が設けられ、これらと蒸気タービン１８とが次のような関係で接続されて蒸気サイクル２が形成されている。
【００１０】
すなわち、蒸気タービン１８から排出された蒸気は、排出蒸気通路２８を介して復水器２９に導かれ、この復水器２９で常温水に戻される。この戻された常温水は、循環ポンプ３０および循環通路３１を介して高圧予熱器２６に導かれて予熱された後、ドラム用通路３２を介して高圧ドラム３３に導入される。
【００１１】
そして、高圧ドラム３３内の高圧水は、高圧水循環ポンプ３４および高圧水循環通路３５を介して高圧蒸発器２５に導かれて蒸発し、この蒸発によって生成された高温高圧の蒸気が戻し通路３６を介して高圧ドラム３３の上部空間に戻される。この戻された蒸気が蒸気通路３７を介して高圧過熱器２４に導かれ、ここで再加熱された後、蒸気供給通路３８を介して蒸気タービン１８に供給される。
【００１２】
ところで、このような複合発電プラントでは、熱効率を一層向上させるためにガスタービン１１の入口ガス温度を高めることが望まれる。このガスタービン１１の入口ガス温度の上昇に伴い、燃焼器１４や、ガスタービン１１の静翼、動翼を高温に耐え得る材料で形成する必要がある。
【００１３】
しかし、タービン用部材として使用できる耐熱性超合金材料の限界温度は、現在のところ８００〜９００℃である。一方、最近のガスタービンにおけるタービン入口温度は約１３００℃にも達しており、耐熱性超合金材料の限界温度を遥かに越えている。したがって、何等かの手段でタービン１１の翼を耐熱性超合金材料の限界温度まで冷却する必要があり、タービン入口温度が１３００℃級のガスタービンでは、通常、圧縮機１３から吐出された空気の一部で翼を冷却する空冷方式を採用している。
【００１４】
しかしながら、冷却媒体として空気を使用する空冷方式では本質的に冷却特性が低い。このため、ガスタービン入口温度が１３００℃を越えるものでは翼の冷却に必要な冷却空気流量が著しく増大する。しかも翼内部での対流冷却だけでは十分な冷却効果が得られず、翼有効部の翼表面に形成した小孔から翼外に向けて冷却用空気を吹出すフィルム冷却方式を併用せざるを得ない。
【００１５】
このフィルム冷却方式を採用すると、吹出された冷却空気と主流ガスとが混合するため、主流ガスの温度が低下する。このため、燃焼器１４の出口温度をより高い温度にするための設計を余儀なくされるだけでなく、高温度場でも低ＮＯｘ型の新たな燃焼器１４の開発が要求され、しかも燃焼器１４で消費される空気および燃料の増加を免れない。
【００１６】
このように、タービンの翼を空気冷却する方式では、ガスタービンの熱効率の低下を招き、これが原因となって複合発電プラント全体の熱効率の低下を招く問題があった。また、不純物が混在するような粗悪燃料に対しては、翼表面に形成した小孔に目詰まりが生じる恐れがあるため適用できない問題もあった。
【００１７】
そこで、このような不具合を解消するために、最近、特公昭６３−４０２４４号公報や、特開平４−１２４４１４号公報に示されているように、空気に較べて比熱が約２倍と大きい蒸気を冷却媒体として使用することが考えられている。すなわち、蒸気タービンで用いる蒸気の一部をガスタービンの翼に設けられている冷却通路に流通させて翼を冷却し、冷却に供した蒸気を残りの蒸気と一緒に蒸気タービンに供給するようにしている。
【００１８】
このような複合発電プラントでは、空気より少ない量の蒸気を使用し、しかも、この蒸気を翼外に吹出さずに翼を良好に冷却でき、そのうえ翼の冷却に用いた蒸気を回収して蒸気タービンに送り込むことができる。したがって、この方式を採用すると、主流ガスの温度を低下させることがなく、燃焼器での燃料および空気の増加を抑制できるので熱効率を向上でき、しかも粗悪燃料にも対応できる。
【００１９】
しかし、ガスタービンの翼を蒸気で冷却する従来の複合発電プラントにあっては、蒸気タービンで用いる蒸気の一部を、ガスタービンの翼に設けられた冷却通路に通流させ、この冷却通路に通流させた後の蒸気と残りの蒸気とを蒸気タービンの入口で合流させ、この合流した蒸気を蒸気タービンに供給するようにしているので、蒸気タービンの入口における蒸気流量、蒸気圧および蒸気温度を目標値に合せることが困難で、制御性に劣り、これが原因となって最大の熱効率で運転することが困難であった。
【００２０】
また、このような不具合を解消するために、最近では特開平６−９３８１０号公報に示されているように、前記冷却通路を通った蒸気のほぼ全量を前記蒸気サイクルの加熱過程領域へ戻すことが提案されている。
【００２１】
このような複合発電プラントでは、蒸気タービンの入口における蒸気流量、蒸気圧および蒸気温度を目標値に合せることが可能であるが、この場合、翼の冷却を終了して回収された蒸気の温度上昇が、せいぜい５０〜２００℃程度であり、依然として冷却能力を有しており、熱の有効利用が最大限生かされていないことが分かった。
【００２２】
また、蒸気による冷却を必要とするのは前記ガスタービン翼だけでなく、例えば燃焼器や燃焼器尾筒等のガスタービンコンポーネントキットも同様であり、これらの部分に蒸気を供することにより、更なる熱効率向上が期待できることも分かった。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来の複合発電プラントで、特にガスタービンコンポーネントキットを蒸気で冷却する方式を採用したものにあっては、蒸気タービンを最大の熱効率で運転することが困難で、これが原因となって総合熱効率を目標通りに上げることが困難であった。
【００２４】
本発明が解決しようとする課題は、蒸気冷却方式の特徴を損なうことなく、総合熱効率の向上が図れる複合発電プラントを提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ガスタービン系統と、このガスタービン系統の排熱を回収する排熱回収ボイラおよびこの排熱回収ボイラで得た蒸気によって駆動される蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統とを備えた複合発電プラントであって、前記蒸気サイクル系統で得られる流体の一部または全量を冷却媒体として前記ガスタービン系統のガスタービン内に供給して前記蒸気サイクル系統へ戻すガスタービン冷却系統を設けたものにおいて、前記ガスタービン冷却系統は、２以上の被冷却要素に冷却通路を介して冷却媒体を供給するとともに、前記冷却通路を通過した冷却媒体の一部または全量を前記蒸気サイクル系統の蒸気ドラムへ戻す構成としたことを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複合発電プラントの実施形態について、図１〜図１２を参照して説明する。
【００４１】
実施形態１（図１、図２）
図１は本発明の実施形態１に係る複合発電プラントの系統図である。
【００４２】
この複合発電プラントは概述して、ガスタービン系統４１と、このガスタービン系統４１の排熱エネルギで駆動される蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統４２と、この蒸気サイクル系統４２の蒸気の一部を使用してガスタービンの翼および燃焼器周りを冷却するガスタービン冷却系統４３とからなっている。
【００４３】
ガスタービン系統４１は、ガスタービン１１１と、このガスタービン１１１に軸１１２を介して連結された圧縮機１１３と、この圧縮機１１３から送り出された高圧空気と燃料とを導入して燃焼させ、この燃焼によって得られた高温高圧ガスでガスタービン１１１を駆動する燃焼器１１４とを有する構成とされている。
【００４４】
圧縮機１１３では、空気通路１１５を介して導かれた常温空気が圧縮され、圧縮機１１３から送り出された高圧空気は、燃焼器１１４へ導かれる。燃焼器１１４では、高圧空気を支燃ガスとして図示しない燃料供給系統から供給された燃料が燃焼される。燃焼によって得られた高温ガスは、燃焼ガス通路１１６を介してガスタービン１１１に供給され、膨張してガスタービン１１１に駆動力を与えた後、排ガス通路１１７へと流れる。
【００４５】
蒸気サイクル系統４２は、蒸気タービン１１８と、軸１１９を介して蒸気タービン１１８に連結された発電機１２０とを備え、前述したガスタービン系統４１の排熱で蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービン１１８を駆動する蒸気サイクルを形成している。なお、図１では蒸気タービン１１８のロータとガスタービン１１１のロータとが軸１２２で連結されている例が示されている。
【００４６】
蒸気サイクル系統４２は、排ガス通路１１７を介して導かれたガスタービン１１１の排ガスから熱を回収して蒸気タービン１１８の駆動に必要な高温高圧蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２３を備えている。排熱回収ボイラ１２３を通った排ガスは、煙道１２４を介して大気中へ排出される。排熱回収ボイラ１２３内には上流側から下流側にかけて順に高圧過熱器１２５、第２の高圧蒸発器１２６、第１の高圧蒸発器１２７および高圧予熱器１２８が設けてあり、これらと蒸気タービン１１８とが次のような関係で接続されて蒸気サイクル系統４２が構成されている。
【００４７】
すなわち、蒸気タービン１１８から排出された蒸気は、排出蒸気通路１２９を介して復水器１３０へ供給され、この復水器１３０で常温水に戻される。この戻された常温水が循環ポンプ１３１および循環通路１３２を介して高圧予熱器１２８に導かれて予熱された後、ドラム用通路１３３を介して高圧ドラム１３４に導入される。そして、高圧ドラム１３４内の高圧水が、循環ポンプ１３５を介して第１の高圧蒸発器１２７に導かれて蒸発され、この蒸発によって生成された高温高圧の蒸気が戻し通路１３６を介して高圧ドラム１３４の上部空間に戻される。この戻された蒸気が蒸気通路１３７、合流点１３８および蒸気通路１３９を介して高圧加熱器１２５に導かれ、ここで再加熱された後、蒸気供給通路１４０を介して蒸気タービン１１８に供給される。
【００４８】
一方、ガスタービン冷却系統４３は、次のように構成されている。
【００４９】
すなわち、高圧ドラム１３４内に存在する高圧水の一部が高圧水供給ポンプ１４１、および高圧水供給通路１４２，１４５を介して第２の高圧蒸発器１２６に導かれて蒸発し、この蒸発によって生成された高温高圧の蒸気が蒸気通路１４６を介して、直列に連結されている２つの被冷却要素、つまりガスタービンの翼１４９に形成されている冷却通路１５０と、燃焼器１１４周りの冷却部１６０とに供給される。そして、この２つの被冷却要素を通った蒸気が、蒸気通路１５１を介して合流点１３８で高圧ドラム１３４側から案内された蒸気と合流するようになっている。なお、図示していないが、これら蒸気配管途中に流量調整弁やバイパス弁、蒸気止め弁等を設けることも可能である。
【００５０】
このような構成によると、通路１４６を介して案内された蒸気は、直列に連結されている２つの冷却要素であるガスタービンの翼１４９の冷却通路１５０と、燃焼器１１４周りの冷却部１６０とに流れ、蒸気冷却に供される。冷却に用いられた蒸気の全て、またはその一部は、通路１５１で回収されるため、この回収された分だけ蒸気は主流ガスに混在することがなく、主流ガスの温度を低下させることがないので、燃焼器１１４での燃料および空気の増加を抑制でき、熱効率の向上を図ることができる。
【００５１】
また、２種類の冷却要素を直列で冷却するため、蒸気の冷却能力を最大限に利用でき、また燃焼器ライナーや燃焼器尾筒も蒸気冷却するため、冷却用空気の増加も抑制できる。しかも、対流冷却主体の冷却翼内部構造にすることで、粗悪燃料にも対応できる。
【００５２】
さらに、比出力を大きくしたり、燃焼器部で発生するＮＯｘ低減化対策を目的として冷却用蒸気の一部を燃焼器内に噴射して使用したり、ガスタービン翼面から吹き出すいわゆるフィルム冷却として使用することもできる。
【００５３】
そして、この実施形態１においては、ガスタービン冷却系統４３を通過した蒸気を蒸気通路１５１を介して合流点１３８、つまり蒸気サイクル系統４２の加熱過程領域において高圧ドラム１３４側から案内された蒸気と合流させ、この合流蒸気を高圧過熱器１２５で再加熱した後に蒸気タービン１１８に供給するようにしているので、ガスタービン冷却系統４３の影響を受けずに蒸気タービン１１８の入口における蒸気流量、蒸気圧力および蒸気温度を目標値に容易に合わせることができ、最大の熱効率で運転することが可能となる。
【００５４】
また、従来のプラントでは、冷却用蒸気をガスタービンから蒸気タービンに流通させていたので、蒸気タービンの負荷や蒸気温度が変化した場合に蒸気タービンの運転が不安定となったが、本発明ではそのようなことが防止できる。しかも、蒸気をドラム側に戻すので、ドラムへの圧力を設定することで部分負荷でも運転が可能となる。
【００５５】
図２は本発明に係る複合発電プラントの総合効率と、従来のプラントとを対比して示している。この図２に示したように、本発明に係る複合発電プラントでは蒸気タービン側の効率を向上させることができるので、特にガスタービン入口温度の高い領域において総合効率を大幅に向上させることができる。
【００５６】
実施形態２（図３）
図３は本発明の実施形態２に係る複合発電プラントの系統図である。
【００５７】
この実施形態２に係るプラントが図１に示すものと異なる点は、ガスタービン冷却系統４３ａの被冷却要素を複数とした点にある。すなわち、このガスタービン冷却系統４３ａでは、ガスタービン翼１４９の複数段の冷却通路１５０，１５８が蒸気によって冷却されるようになっている。なお、他の構成については、図１のものと略同様であるから、同一構成部分に同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００５８】
このような構成によると、図１に示した実施形態１と同様の効果が得られるのは勿論であるが、次世代機と見られている多段ガスタービンに有効なものとなる。
【００５９】
実施形態３（図４）
図４は本発明の実施形態３に係る複合発電プラントの系統図である。
【００６０】
この実施形態３に係るプラントは図３に示すプラントから変化させたものであり、その異なる点は、ガスタービン冷却系統４３ｂの被冷却要素を複数種類とした点にある。すなわち、このガスタービン冷却系統４３ｂでは、流量調整弁１４８と冷却通路１５０との間に位置する通路を、流量調整弁１５３を介して圧縮機１１３の出口に接続可能にするとともに、バイパス弁１５２と合流点１３８との間に位置する通路に弁１５４を介在させ、さらにバイパス弁１５２と弁１５４との間に位置する通路を弁１５５を介して排ガス通路１１７に接続可能とし、またバイパス弁１５２と弁１５４との間に位置する通路を弁１５６および排出通路１５７を介して復水器１３０に接続可能としている。なお、他の構成については、図３のものと略同様であるから、同一構成部分に同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００６１】
このような構成によると、図３に示した実施形態２と同様の効果が奏されることは勿論であるが、さらにタービンの起動および停止時や、部分負荷運転時のように、第２の高圧蒸気発生器１２６から冷却用の蒸気を供給することが著しく困難な場合に、蒸気に代えて圧縮機１１３から吐出された空気の一部を冷却通路１５０，１５２に通流させて翼１４９を空気冷却することが可能となり、また起動，停止時の蒸気通路に滞留する水分の空気によるパージ等も可能となる。
【００６２】
すなわち、流量調節弁１４８、バイパス弁１５２および弁１５４を“閉”に制御するとともに、流量調節弁１５３、弁１５５，１５６を“開”に制御すると、圧縮機１１３から吐出された高圧空気の一部を流量調節弁１５３、冷却通路１５０，１５８、排ガス通路１１７および排気通路１５７の経路で通流させることができ、蒸気経路を切り離して本来の蒸気冷却部の空気冷却、または蒸気通路に滞留する水分のパージを行うことができ、前述の蒸気経路のバルブ開度を必要に応じて操作することによって、蒸気から空気または空気から蒸気に置換することが可能となる。
【００６３】
したがって、本実施形態３によると、タービンの起動および停止時、部分負荷運転時、定常運転時のいかなる運転状況においても、ガスタービン１１１の蒸気冷却を良好に行うことができる。また、本実施形態３では特に図示しないが、ガスタービン冷却系統は、蒸気サイクルから冷却通路を切り離し、この状態で他の高圧空気供給装置により冷却通路に流通可能とする切替手段を備えるようにしてもよく、また、蒸気冷却部を有するガスタービンへの蒸気供給を他の蒸気機関により行って構成してもよい。このような構成によっても、前記同様の効果が奏されることは勿論である。
【００６４】
実施形態４（図５）
図５は本発明の実施形態４に係る複合発電プラントの系統図である。
【００６５】
この実施形態４に係るプラントが図１に示すものと異なる点は、蒸気サイクル系統１２１ｃの構成にある。すなわち、この蒸気タービン系統４２ｃでは、ガスタービン冷却系統４３を通過してきた回収蒸気が高圧過熱器１２５から蒸気供給通路１４０を介して蒸気タービン１１８へ供給される途中の新たな合流点１３８ｃ、すなわち蒸気加熱過程を終了した部分へ導かれるようになっている。なお、他の構成については、図１のものと略同様であるから、同一部分に同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００６６】
このような構成においても、ガスタービン１１３の複数の冷却要素を冷却した蒸気は十分な熱交換が行われるため、排熱回収ボイラ１２３内の高圧過熱器１２５を通過させなくてもよく、付帯設備のコンパクト化とともに、より一層の総合熱効率向上に寄与するものとなる。
【００６７】
実施形態５（図６）
図６は本発明の実施形態５に係る複合発電プラントの系統図である。
【００６８】
本実施形態では、高圧ドラム３３で発生した蒸気の全てを、通路３７を介してガスタービン冷却翼１４９の冷却通路１５０、燃焼器周りの蒸気冷却部１６０およびガスタービン冷却翼１４９の冷却通路１５８に順次流通させ、それぞれ複数の冷却要素を蒸気冷却した後、蒸気通路１５１を介して蒸気タービン１１８に供給するようになっている。なお、他の構成については、図１３に示したものと略同様であるから、同一部分に同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００６９】
また、この実施形態のプラントでは比出力を大きくしたり、燃焼器１４部で発生するＮＯｘ低減化対策を目的として、冷却用蒸気の一部を燃焼器１４内に噴射する蒸気噴射装置１７０が設置されている。
【００７０】
このような構成によっても、ガスタービン１１１の複数の被冷却要素を冷却した蒸気は十分な熱交換が行われるため、排熱回収ボイラ２３内の高圧過熱器２５を通過させなくてもよく、また蒸気通路の合流点もなくなって、さらなる付帯設備のコンパクト化とより一層の総合熱効率向上が可能となる。
【００７１】
また、本実施形態５では図示しないが、冷却用蒸気の供給法については複数の被冷却要素に対して並列に、または直列および並列の組み合わせとして適用してもよい。
【００７２】
実施形態６（図７）
図７は本発明の実施形態６に係る複合発電プラントの系統図である。
【００７３】
この図７では、図１３に示した従来のプラントと本発明のプラントとを結合適用した実施形態を示している。
【００７４】
すなわち、本実施形態６では、高圧ドラム３３内の高圧水を循環ポンプ３４’および高圧水通路１４２を介し、直列に連結されている２つの被冷却要素のうち、まずガスタービンの翼１４９に形成されている冷却通路１５０を冷却し、その後燃焼器１４周りの冷却部１６０を冷却するようになっている。
【００７５】
そして、この２つの冷却要素を通った高圧加熱水は通路１５１を介して高圧蒸発器２５に供給されるようになっている。
【００７６】
このような構成においては、ガスタービンの複数の被冷却要素を圧力水によって冷却する場合に有効な冷却効果が得られる。
【００７７】
実施形態７（図８）
図８は、本発明の実施形態７に係る複合発電プラントの系統図である。
【００７８】
本実施形態では冷却通路１５０，１５２および回収用の通路１５１を高圧ドラム１３４に導くようにして、通路１５１の通過中に高圧水の一部が蒸発するようにしたものであり、気液の２相になる場合に有効な手段である。回収用の通路１５１は、高圧ドラム１３４の上部に連絡するように構成すると効果的である。
【００７９】
このような構成においては、気液２相流体は高圧ドラム１３４によって気液分離される。
【００８０】
なお、回収用の通路１５１内の流体については高圧水または蒸気の単相流れとなるようにして使用しても差し支えない。
【００８１】
実施形態８（図９）
図９は本発明の実施形態８に係る複合発電プラントを示すもので、複数台のガスタービン、ガスタービンシステムで構成する複合発電プラントの系統図である。
【００８２】
この複合発電プラントは、従来のガスタービンプラント２０１と、このガスタービンプラント２０１の排熱を利用した排熱回収ボイラ２２１とで発生した蒸気を、別置きの蒸気冷却系統を有するガスタービン系統３０１，４０１，５０１に並列に供給し、蒸気冷却を行うようにしたものである。冷却を終えた蒸気は回収通路３０６，４０６，５０６を介してそれぞれ蒸気集合通路２２９に導かれ、上述の蒸気タービン２１８に蒸気源として供給されるようになっている。
【００８３】
なお、蒸気タービン２１８を通過した蒸気は復水器２２４により常温水に戻され、循環ポンプ２２５により排熱回収ボイラ２２１の蒸気発生部２２２に導かれて第１の閉ループを構成している。
【００８４】
一方、蒸気冷却部を有するガスタービンプラント３０１，４０１，５０１には、このガスタービンプラント３０１，４０１，５０１の排熱を利用した排熱回収ボイラ３０９，４０９，５０９が設置されており、この排熱回収ボイラ３０９，４０９，５０９の蒸気発生部３０８，４０８，５０８で発生した蒸気が蒸気回収通路３１１，４１１，５１１を介して蒸気集合通路２３０に導かれ、別置きの大型蒸気タービン２３１に蒸気源として供給される。
【００８５】
この大型蒸気タービン２３１を通過した蒸気は、通路２３２を介して復水器２３３に導かれ、この復水器２３３によって常温水に戻されて通路２３４、循環ポンプ２３５により排熱回収ボイラ３０９，４０９，５０９の蒸気発生部３０８，４０８，５０８に導かれ、第２の閉ループを構成している。
【００８６】
なお圧縮機２１３，３０２，４０２，５０２、燃焼器２１４，３０３，４０３，５０３、燃焼ガス通路２１５、ガスタービン２１１，３０４，４０４，５０４、回転軸２１２，２１９、発電機２２０，３０５，４０５，５０５，６０５等については、図１３の従来例および図１の本発明の実施形態１で述べたとおりであり、重複する説明は省略する。
【００８７】
このような構成によると、既設の複合発電プラントで発生した蒸気を、新設したガスタービン３０４，４０４，５０４の蒸気冷却部に供給すすることが可能となり、また冷却に使用した蒸気は、上述の複合発電システムの蒸気サイクルで熱エネルギを回収できる。
【００８８】
一方、蒸気冷却部を有する複数のガスタービン３０４，４０４，５０４の排熱を利用した排熱回収ボイラ３０９，４０９，５０９で発生した蒸気を集合して、別置きの大型蒸気タービン２３に導くことにより、一層有効な発電が可能となり、最大の熱効率で運転することが可能となる。
【００８９】
したがって、上記のように構成することによって、単体の複合サイクル発電で構成した場合でも、複数の複合サイクル発電を組み合わせて適用してもいずれも良好な総合熱効率を得ることが可能となる。
【００９０】
ガスタービンの翼やその他のガスタービンコーポーネントキットを、直列または並列、さらには直列と並列とを組み合わせた複数の被冷却要素に通過して冷却した蒸気を蒸気サイクルへ戻すことにより、冷却用蒸気の冷却能力を最大限有効利用することが可能となる。
【００９１】
実施形態９（図１０）
図１０は本発明の実施形態９に係る複合発電プラントの系統図である。
【００９２】
この実施形態に係る複合発電プラントでは、ガスタービン冷却系統４３ａの被冷却要素がガスタービン翼１４９と燃焼器１１４周りの冷却部１６０とされており、これらガスタービン翼１４９と燃焼器１１４周りの冷却部１６０とが、冷却蒸気供給通路１４６から２系統に並列分岐して構成されている。その他の構成については、図１のものと略同様であるから、図１と同一部分に同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００９３】
このような構成においても、図１に示した実施形態１と同様の効果が得られることは勿論、さらに燃焼器１１４周りの冷却部１６０およびタービン冷却翼１４９への冷却用蒸気流量をそれぞれ調節することが可能となり、ガスタービンコンポーネント各部をより効率よく冷却することが可能となる。
【００９４】
実施形態１０（図１１）
図１１は本発明の実施形態１０に係る複合発電プラントの系統図である。
【００９５】
この実施形態に係る複合発電プラントは、前述した図５に示す実施形態を変形したものであり、その異なる点は、蒸気タービン系統４２および排熱回収ボイラ１２３の構成にある。
【００９６】
すなわち、この実施形態では、蒸気タービン１１８が、高圧蒸気タービン１１８ａと低圧蒸気タービン１１８ｂとで構成されており、排熱回収ボイラ１２３の高圧加熱器１２５から蒸気供給通路１４０を介して高圧蒸気タービン１１８ａに蒸気が供給されるようになっている。この高圧蒸気タービン１１８ａで膨張仕事を終えた蒸気が蒸気通路Ａで回収され、再び上記排熱回収ボイラ１２３に戻され再熱された後、蒸気通路Ｂから低圧蒸気タービン１１８ｂに供給されるようになっている。また、この低圧蒸気タービン１１８ｂの入口には、ガスタービン冷却系統４３ａを通過してきた冷却用回収蒸気も供給されるようになっている。その他の構成については、図５に示したものと略同様であるから、図１１では図５と同一部分に同一符号を付して、重複する部分の説明は省略する。
【００９７】
このような構成においても、図５に示した実施形態と同様の効果が奏されることは勿論、さらに蒸気サイクルを再熱サイクルにすることで、より一層の熱効率の高いプラントを供給することが可能となる。
【００９８】
実施形態１１（図１２）
図１２は本発明の実施形態１１に係る複合発電プラントの系統図である。
【００９９】
この実施形態１１に係る複合発電プラントは図１１に示す実施形態１０の変形例であり、その異なる点は、蒸気タービン１１８の高圧蒸気タービン１１８ａで膨張仕事を終え、蒸気通路Ｃから回収された蒸気が排熱回収ボイラ１２３を介さず直接ガスタービン冷却系統４３に供給され、このガスタービン冷却系統４３を冷却することにより、蒸気の再熱過程を形成している点である。他の構成については、図１１に示したものと略同様であるから、図１２では、図１１と同一部分に同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【０１００】
このような構成においても、図１１に示した実施形態１０と略同様の効果が奏されることは勿論、蒸気サイクルシステムを簡素化することが可能となり、一層の熱効率向上とコスト低減化とが可能となる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明によれば、蒸気サイクル系統の作動媒体の一部または全量をガスタービン冷却部の冷却媒体として使用し、さらに冷却に用いた冷却媒体を回収して蒸気サイクル系統の蒸気ドラムへ戻す際、回収用の通路の通過中、蒸気ドラムで気液二相流を促進させ、蒸気ドラムで液体部分と気体部分を分離させ、良質の蒸気を生成し、生成した良質の蒸気を蒸気タービンに供給するので、蒸気タービンにより一層高い仕事をさせることができ、プラント熱効率を向上させることができ、さらに冷却後の冷却媒体を良好に回収させることにより、冷却用媒体の冷却能力を最大限有効利用することができる。
【０１０４】
また、冷却通路を通過した冷却媒体の一部または全量を他の蒸気機関の蒸気サイクルへ供給できるため、例えば、複数台のガスタービン、蒸気タービンとで構成される複合発電システムではガスタービン翼やその他のガスタービンコンポーネントキットの蒸気冷却のための蒸気発生器（排熱回収ボイラ）を専用で持つことができ、複数台の蒸気冷却部を有するガスタービン、蒸気タービンを適正配置することにより、より一層の総合熱効率の向上が図れる。
【０１０５】
しかも、冷却用蒸気の流量配分を可能としたり、また蒸気の再熱サイクルをも効率よく利用できるため、より一層の総合熱効率を向上させることができる。さらに構成の簡素化も可能であり、製造コストも大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る複合発電プラントの系統図。
【図２】本発明に係る複合発電プラントの総合発電効率と従来の複合発電プラントとを比較して示す図。
【図３】本発明の実施形態２に係る複合発電プラントの系統図。
【図４】本発明の実施形態３に係る複合発電プラントの系統図。
【図５】本発明の実施形態４に係る複合発電プラントの系統図。
【図６】本発明の実施形態５に係る複合発電プラントの系統図。
【図７】本発明の実施形態６に係る複合発電プラントの系統図。
【図８】本発明の実施形態７に係る複合発電プラントの系統図。
【図９】本発明の実施形態８に係る複合発電プラントの系統図。
【図１０】本発明の実施形態９に係る複合発電プラントの系統図。
【図１１】本発明の実施形態１０に係る複合発電プラントの系統図。
【図１２】本発明の実施形態１１に係る複合発電プラントの系統図。
【図１３】従来の複合発電プラントの系統図。
【符号の説明】
４１ ガスタービン系統
４２ 蒸気サイクル系統
４３，４３ａ，４３ｂ ガスタービン冷却系統
１１１，２１１，３０４，４０４，５０４ ガスタービン
１１３，２１３，３０２，４０２，５０２ 圧縮機
１１４，２１４，３０３，４０３，５０３ 燃焼器
１１８，２１８，２３１ 蒸気タービン
１２０，２２０，３０５，４０５，５０５，６０５ 発電機
１２５ 高圧加熱器
１２３，２２１，３０９，４０９，５０９ 排熱回収ボイラ
１２６ 第２の高圧蒸発器
１２７ 第１の高圧蒸発器
１２８ 高圧予熱器
１３０，２２４，２３３ 復水器
１３４ 高圧ドラム
１３８，１３８ｃ 合流点
１４８，１５３ 流量調整弁
１５２ バイパス弁
１５４，１５５ 弁
１６０ 燃焼器周り冷却部
１５０，１５８ ガスタービン翼冷却通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン系統と、蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統とを組み合わせた複合発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、火力発電プラントの高効率化が強く望まれており、この要望に沿うために、新設の火力発電所は勿論のこと、既設の火力発電所においても、リパワリングによる複合サイクル化が進められている。
【０００３】
図１３は、従来の代表的な複合発電プラントを示す系統図である。この複合発電プラントは、ガスタービン系統１と、このガスタービン系統１の排熱エネルギで駆動される蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統２とを備えた構成とされている。
【０００４】
ガスタービン系統１は、ガスタービン１１と、このガスタービン１１に軸１２を介して連結された圧縮機１３と、この圧縮機１３から送り出された高圧空気と燃料とを導入して燃焼させ、この燃焼によって得られた高温高圧ガスでガスタービン１１を駆動する燃焼器１４とで構成されている。
【０００５】
圧縮機１３では、空気通路１５を介して導かれた常温空気が圧縮され、圧縮機１３から送り出された高圧空気は、一部がガスタービン１１内の翼の冷却や回転部のシール用として使用され、残りが燃焼器１４へ導かれる。
【０００６】
燃焼器１４では、高圧空気を支燃ガスとして図示しない燃料供給系統から供給された燃料が燃焼される。燃焼によって得られた高温ガスは、燃焼ガス通路１６を介してガスタービン１１に供給され、膨張してガスタービン１１に駆動力を与えた後、排ガス通路１７へと流れる。
【０００７】
一方、蒸気サイクル系統２は、蒸気タービン１８と、軸１９を介して蒸気タービン１８に連結された発電機２０とを有し、前述したガスタービン系統１の排熱で蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービン１８を駆動する蒸気サイクルを形成している。なお、図１３では、蒸気タービン１８のロータとガスタービン１１のロータとを軸２２で連結した構成を例示している。
【０００８】
蒸気サイクル系統２は、排ガス通路１７を介して導かれたガスタービン１１の排ガスから熱を回収して蒸気タービン１８の駆動に必要な高温高圧蒸気を発生させる排熱回収ボイラ２３を備えている。排熱回収ボイラ２３を通った排ガスは、煙道２７を介して大気中に排出される。
【０００９】
排熱回収ボイラ２３内には、上流側から下流側に向って順に高圧過熱器２４、高圧蒸発器２５および高圧予熱器２６が設けられ、これらと蒸気タービン１８とが次のような関係で接続されて蒸気サイクル２が形成されている。
【００１０】
すなわち、蒸気タービン１８から排出された蒸気は、排出蒸気通路２８を介して復水器２９に導かれ、この復水器２９で常温水に戻される。この戻された常温水は、循環ポンプ３０および循環通路３１を介して高圧予熱器２６に導かれて予熱された後、ドラム用通路３２を介して高圧ドラム３３に導入される。
【００１１】
そして、高圧ドラム３３内の高圧水は、高圧水循環ポンプ３４および高圧水循環通路３５を介して高圧蒸発器２５に導かれて蒸発し、この蒸発によって生成された高温高圧の蒸気が戻し通路３６を介して高圧ドラム３３の上部空間に戻される。この戻された蒸気が蒸気通路３７を介して高圧過熱器２４に導かれ、ここで再加熱された後、蒸気供給通路３８を介して蒸気タービン１８に供給される。
【００１２】
ところで、このような複合発電プラントでは、熱効率を一層向上させるためにガスタービン１１の入口ガス温度を高めることが望まれる。このガスタービン１１の入口ガス温度の上昇に伴い、燃焼器１４や、ガスタービン１１の静翼、動翼を高温に耐え得る材料で形成する必要がある。
【００１３】
しかし、タービン用部材として使用できる耐熱性超合金材料の限界温度は、現在のところ８００〜９００℃である。一方、最近のガスタービンにおけるタービン入口温度は約１３００℃にも達しており、耐熱性超合金材料の限界温度を遥かに越えている。したがって、何等かの手段でタービン１１の翼を耐熱性超合金材料の限界温度まで冷却する必要があり、タービン入口温度が１３００℃級のガスタービンでは、通常、圧縮機１３から吐出された空気の一部で翼を冷却する空冷方式を採用している。
【００１４】
しかしながら、冷却媒体として空気を使用する空冷方式では本質的に冷却特性が低い。このため、ガスタービン入口温度が１３００℃を越えるものでは翼の冷却に必要な冷却空気流量が著しく増大する。しかも翼内部での対流冷却だけでは十分な冷却効果が得られず、翼有効部の翼表面に形成した小孔から翼外に向けて冷却用空気を吹出すフィルム冷却方式を併用せざるを得ない。
【００１５】
このフィルム冷却方式を採用すると、吹出された冷却空気と主流ガスとが混合するため、主流ガスの温度が低下する。このため、燃焼器１４の出口温度をより高い温度にするための設計を余儀なくされるだけでなく、高温度場でも低ＮＯｘ型の新たな燃焼器１４の開発が要求され、しかも燃焼器１４で消費される空気および燃料の増加を免れない。
【００１６】
このように、タービンの翼を空気冷却する方式では、ガスタービンの熱効率の低下を招き、これが原因となって複合発電プラント全体の熱効率の低下を招く問題があった。また、不純物が混在するような粗悪燃料に対しては、翼表面に形成した小孔に目詰まりが生じる恐れがあるため適用できない問題もあった。
【００１７】
そこで、このような不具合を解消するために、最近、特公昭６３−４０２４４号公報や、特開平４−１２４４１４号公報に示されているように、空気に較べて比熱が約２倍と大きい蒸気を冷却媒体として使用することが考えられている。すなわち、蒸気タービンで用いる蒸気の一部をガスタービンの翼に設けられている冷却通路に流通させて翼を冷却し、冷却に供した蒸気を残りの蒸気と一緒に蒸気タービンに供給するようにしている。
【００１８】
このような複合発電プラントでは、空気より少ない量の蒸気を使用し、しかも、この蒸気を翼外に吹出さずに翼を良好に冷却でき、そのうえ翼の冷却に用いた蒸気を回収して蒸気タービンに送り込むことができる。したがって、この方式を採用すると、主流ガスの温度を低下させることがなく、燃焼器での燃料および空気の増加を抑制できるので熱効率を向上でき、しかも粗悪燃料にも対応できる。
【００１９】
しかし、ガスタービンの翼を蒸気で冷却する従来の複合発電プラントにあっては、蒸気タービンで用いる蒸気の一部を、ガスタービンの翼に設けられた冷却通路に通流させ、この冷却通路に通流させた後の蒸気と残りの蒸気とを蒸気タービンの入口で合流させ、この合流した蒸気を蒸気タービンに供給するようにしているので、蒸気タービンの入口における蒸気流量、蒸気圧および蒸気温度を目標値に合せることが困難で、制御性に劣り、これが原因となって最大の熱効率で運転することが困難であった。
【００２０】
また、このような不具合を解消するために、最近では特開平６−９３８１０号公報に示されているように、前記冷却通路を通った蒸気のほぼ全量を前記蒸気サイクルの加熱過程領域へ戻すことが提案されている。
【００２１】
このような複合発電プラントでは、蒸気タービンの入口における蒸気流量、蒸気圧および蒸気温度を目標値に合せることが可能であるが、この場合、翼の冷却を終了して回収された蒸気の温度上昇が、せいぜい５０〜２００℃程度であり、依然として冷却能力を有しており、熱の有効利用が最大限生かされていないことが分かった。
【００２２】
また、蒸気による冷却を必要とするのは前記ガスタービン翼だけでなく、例えば燃焼器や燃焼器尾筒等のガスタービンコンポーネントキットも同様であり、これらの部分に蒸気を供することにより、更なる熱効率向上が期待できることも分かった。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来の複合発電プラントで、特にガスタービンコンポーネントキットを蒸気で冷却する方式を採用したものにあっては、蒸気タービンを最大の熱効率で運転することが困難で、これが原因となって総合熱効率を目標通りに上げることが困難であった。
【００２４】
本発明が解決しようとする課題は、蒸気冷却方式の特徴を損なうことなく、総合熱効率の向上が図れる複合発電プラントを提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ガスタービン系統と、このガスタービン系統の排熱を回収する排熱回収ボイラおよびこの排熱回収ボイラで得た蒸気によって駆動される蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統とを備えた複合発電プラントであって、前記蒸気サイクル系統で得られる流体の一部または全量を冷却媒体として前記ガスタービン系統のガスタービン内に供給して前記蒸気サイクル系統へ戻すガスタービン冷却系統を設けたものにおいて、前記ガスタービン冷却系統は、２以上の被冷却要素に冷却通路を介して冷却媒体を供給するとともに、前記冷却通路を通過した冷却媒体の一部または全量を前記蒸気サイクル系統の蒸気ドラムへ戻す構成としたことを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複合発電プラントの実施形態について、図１〜図１２を参照して説明する。
【００４１】
実施形態１（図１、図２）
図１は本発明の実施形態１に係る複合発電プラントの系統図である。
【００４２】
この複合発電プラントは概述して、ガスタービン系統４１と、このガスタービン系統４１の排熱エネルギで駆動される蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統４２と、この蒸気サイクル系統４２の蒸気の一部を使用してガスタービンの翼および燃焼器周りを冷却するガスタービン冷却系統４３とからなっている。
【００４３】
ガスタービン系統４１は、ガスタービン１１１と、このガスタービン１１１に軸１１２を介して連結された圧縮機１１３と、この圧縮機１１３から送り出された高圧空気と燃料とを導入して燃焼させ、この燃焼によって得られた高温高圧ガスでガスタービン１１１を駆動する燃焼器１１４とを有する構成とされている。
【００４４】
圧縮機１１３では、空気通路１１５を介して導かれた常温空気が圧縮され、圧縮機１１３から送り出された高圧空気は、燃焼器１１４へ導かれる。燃焼器１１４では、高圧空気を支燃ガスとして図示しない燃料供給系統から供給された燃料が燃焼される。燃焼によって得られた高温ガスは、燃焼ガス通路１１６を介してガスタービン１１１に供給され、膨張してガスタービン１１１に駆動力を与えた後、排ガス通路１１７へと流れる。
【００４５】
蒸気サイクル系統４２は、蒸気タービン１１８と、軸１１９を介して蒸気タービン１１８に連結された発電機１２０とを備え、前述したガスタービン系統４１の排熱で蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービン１１８を駆動する蒸気サイクルを形成している。なお、図１では蒸気タービン１１８のロータとガスタービン１１１のロータとが軸１２２で連結されている例が示されている。
【００４６】
蒸気サイクル系統４２は、排ガス通路１１７を介して導かれたガスタービン１１１の排ガスから熱を回収して蒸気タービン１１８の駆動に必要な高温高圧蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２３を備えている。排熱回収ボイラ１２３を通った排ガスは、煙道１２４を介して大気中へ排出される。排熱回収ボイラ１２３内には上流側から下流側にかけて順に高圧過熱器１２５、第２の高圧蒸発器１２６、第１の高圧蒸発器１２７および高圧予熱器１２８が設けてあり、これらと蒸気タービン１１８とが次のような関係で接続されて蒸気サイクル系統４２が構成されている。
【００４７】
すなわち、蒸気タービン１１８から排出された蒸気は、排出蒸気通路１２９を介して復水器１３０へ供給され、この復水器１３０で常温水に戻される。この戻された常温水が循環ポンプ１３１および循環通路１３２を介して高圧予熱器１２８に導かれて予熱された後、ドラム用通路１３３を介して高圧ドラム１３４に導入される。そして、高圧ドラム１３４内の高圧水が、循環ポンプ１３５を介して第１の高圧蒸発器１２７に導かれて蒸発され、この蒸発によって生成された高温高圧の蒸気が戻し通路１３６を介して高圧ドラム１３４の上部空間に戻される。この戻された蒸気が蒸気通路１３７、合流点１３８および蒸気通路１３９を介して高圧加熱器１２５に導かれ、ここで再加熱された後、蒸気供給通路１４０を介して蒸気タービン１１８に供給される。
【００４８】
一方、ガスタービン冷却系統４３は、次のように構成されている。
【００４９】
すなわち、高圧ドラム１３４内に存在する高圧水の一部が高圧水供給ポンプ１４１、および高圧水供給通路１４２，１４５を介して第２の高圧蒸発器１２６に導かれて蒸発し、この蒸発によって生成された高温高圧の蒸気が蒸気通路１４６を介して、直列に連結されている２つの被冷却要素、つまりガスタービンの翼１４９に形成されている冷却通路１５０と、燃焼器１１４周りの冷却部１６０とに供給される。そして、この２つの被冷却要素を通った蒸気が、蒸気通路１５１を介して合流点１３８で高圧ドラム１３４側から案内された蒸気と合流するようになっている。なお、図示していないが、これら蒸気配管途中に流量調整弁やバイパス弁、蒸気止め弁等を設けることも可能である。
【００５０】
このような構成によると、通路１４６を介して案内された蒸気は、直列に連結されている２つの冷却要素であるガスタービンの翼１４９の冷却通路１５０と、燃焼器１１４周りの冷却部１６０とに流れ、蒸気冷却に供される。冷却に用いられた蒸気の全て、またはその一部は、通路１５１で回収されるため、この回収された分だけ蒸気は主流ガスに混在することがなく、主流ガスの温度を低下させることがないので、燃焼器１１４での燃料および空気の増加を抑制でき、熱効率の向上を図ることができる。
【００５１】
また、２種類の冷却要素を直列で冷却するため、蒸気の冷却能力を最大限に利用でき、また燃焼器ライナーや燃焼器尾筒も蒸気冷却するため、冷却用空気の増加も抑制できる。しかも、対流冷却主体の冷却翼内部構造にすることで、粗悪燃料にも対応できる。
【００５２】
さらに、比出力を大きくしたり、燃焼器部で発生するＮＯｘ低減化対策を目的として冷却用蒸気の一部を燃焼器内に噴射して使用したり、ガスタービン翼面から吹き出すいわゆるフィルム冷却として使用することもできる。
【００５３】
そして、この実施形態１においては、ガスタービン冷却系統４３を通過した蒸気を蒸気通路１５１を介して合流点１３８、つまり蒸気サイクル系統４２の加熱過程領域において高圧ドラム１３４側から案内された蒸気と合流させ、この合流蒸気を高圧過熱器１２５で再加熱した後に蒸気タービン１１８に供給するようにしているので、ガスタービン冷却系統４３の影響を受けずに蒸気タービン１１８の入口における蒸気流量、蒸気圧力および蒸気温度を目標値に容易に合わせることができ、最大の熱効率で運転することが可能となる。
【００５４】
また、従来のプラントでは、冷却用蒸気をガスタービンから蒸気タービンに流通させていたので、蒸気タービンの負荷や蒸気温度が変化した場合に蒸気タービンの運転が不安定となったが、本発明ではそのようなことが防止できる。しかも、蒸気をドラム側に戻すので、ドラムへの圧力を設定することで部分負荷でも運転が可能となる。
【００５５】
図２は本発明に係る複合発電プラントの総合効率と、従来のプラントとを対比して示している。この図２に示したように、本発明に係る複合発電プラントでは蒸気タービン側の効率を向上させることができるので、特にガスタービン入口温度の高い領域において総合効率を大幅に向上させることができる。
【００５６】
実施形態２（図３）
図３は本発明の実施形態２に係る複合発電プラントの系統図である。
【００５７】
この実施形態２に係るプラントが図１に示すものと異なる点は、ガスタービン冷却系統４３ａの被冷却要素を複数とした点にある。すなわち、このガスタービン冷却系統４３ａでは、ガスタービン翼１４９の複数段の冷却通路１５０，１５８が蒸気によって冷却されるようになっている。なお、他の構成については、図１のものと略同様であるから、同一構成部分に同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００５８】
このような構成によると、図１に示した実施形態１と同様の効果が得られるのは勿論であるが、次世代機と見られている多段ガスタービンに有効なものとなる。
【００５９】
実施形態３（図４）
図４は本発明の実施形態３に係る複合発電プラントの系統図である。
【００６０】
この実施形態３に係るプラントは図３に示すプラントから変化させたものであり、その異なる点は、ガスタービン冷却系統４３ｂの被冷却要素を複数種類とした点にある。すなわち、このガスタービン冷却系統４３ｂでは、流量調整弁１４８と冷却通路１５０との間に位置する通路を、流量調整弁１５３を介して圧縮機１１３の出口に接続可能にするとともに、バイパス弁１５２と合流点１３８との間に位置する通路に弁１５４を介在させ、さらにバイパス弁１５２と弁１５４との間に位置する通路を弁１５５を介して排ガス通路１１７に接続可能とし、またバイパス弁１５２と弁１５４との間に位置する通路を弁１５６および排出通路１５７を介して復水器１３０に接続可能としている。なお、他の構成については、図３のものと略同様であるから、同一構成部分に同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００６１】
このような構成によると、図３に示した実施形態２と同様の効果が奏されることは勿論であるが、さらにタービンの起動および停止時や、部分負荷運転時のように、第２の高圧蒸気発生器１２６から冷却用の蒸気を供給することが著しく困難な場合に、蒸気に代えて圧縮機１１３から吐出された空気の一部を冷却通路１５０，１５２に通流させて翼１４９を空気冷却することが可能となり、また起動，停止時の蒸気通路に滞留する水分の空気によるパージ等も可能となる。
【００６２】
すなわち、流量調節弁１４８、バイパス弁１５２および弁１５４を“閉”に制御するとともに、流量調節弁１５３、弁１５５，１５６を“開”に制御すると、圧縮機１１３から吐出された高圧空気の一部を流量調節弁１５３、冷却通路１５０，１５８、排ガス通路１１７および排気通路１５７の経路で通流させることができ、蒸気経路を切り離して本来の蒸気冷却部の空気冷却、または蒸気通路に滞留する水分のパージを行うことができ、前述の蒸気経路のバルブ開度を必要に応じて操作することによって、蒸気から空気または空気から蒸気に置換することが可能となる。
【００６３】
したがって、本実施形態３によると、タービンの起動および停止時、部分負荷運転時、定常運転時のいかなる運転状況においても、ガスタービン１１１の蒸気冷却を良好に行うことができる。また、本実施形態３では特に図示しないが、ガスタービン冷却系統は、蒸気サイクルから冷却通路を切り離し、この状態で他の高圧空気供給装置により冷却通路に流通可能とする切替手段を備えるようにしてもよく、また、蒸気冷却部を有するガスタービンへの蒸気供給を他の蒸気機関により行って構成してもよい。このような構成によっても、前記同様の効果が奏されることは勿論である。
【００６４】
実施形態４（図５）
図５は本発明の実施形態４に係る複合発電プラントの系統図である。
【００６５】
この実施形態４に係るプラントが図１に示すものと異なる点は、蒸気サイクル系統１２１ｃの構成にある。すなわち、この蒸気タービン系統４２ｃでは、ガスタービン冷却系統４３を通過してきた回収蒸気が高圧過熱器１２５から蒸気供給通路１４０を介して蒸気タービン１１８へ供給される途中の新たな合流点１３８ｃ、すなわち蒸気加熱過程を終了した部分へ導かれるようになっている。なお、他の構成については、図１のものと略同様であるから、同一部分に同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００６６】
このような構成においても、ガスタービン１１３の複数の冷却要素を冷却した蒸気は十分な熱交換が行われるため、排熱回収ボイラ１２３内の高圧過熱器１２５を通過させなくてもよく、付帯設備のコンパクト化とともに、より一層の総合熱効率向上に寄与するものとなる。
【００６７】
実施形態５（図６）
図６は本発明の実施形態５に係る複合発電プラントの系統図である。
【００６８】
本実施形態では、高圧ドラム３３で発生した蒸気の全てを、通路３７を介してガスタービン冷却翼１４９の冷却通路１５０、燃焼器周りの蒸気冷却部１６０およびガスタービン冷却翼１４９の冷却通路１５８に順次流通させ、それぞれ複数の冷却要素を蒸気冷却した後、蒸気通路１５１を介して蒸気タービン１１８に供給するようになっている。なお、他の構成については、図１３に示したものと略同様であるから、同一部分に同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００６９】
また、この実施形態のプラントでは比出力を大きくしたり、燃焼器１４部で発生するＮＯｘ低減化対策を目的として、冷却用蒸気の一部を燃焼器１４内に噴射する蒸気噴射装置１７０が設置されている。
【００７０】
このような構成によっても、ガスタービン１１１の複数の被冷却要素を冷却した蒸気は十分な熱交換が行われるため、排熱回収ボイラ２３内の高圧過熱器２５を通過させなくてもよく、また蒸気通路の合流点もなくなって、さらなる付帯設備のコンパクト化とより一層の総合熱効率向上が可能となる。
【００７１】
また、本実施形態５では図示しないが、冷却用蒸気の供給法については複数の被冷却要素に対して並列に、または直列および並列の組み合わせとして適用してもよい。
【００７２】
実施形態６（図７）
図７は本発明の実施形態６に係る複合発電プラントの系統図である。
【００７３】
この図７では、図１３に示した従来のプラントと本発明のプラントとを結合適用した実施形態を示している。
【００７４】
すなわち、本実施形態６では、高圧ドラム３３内の高圧水を循環ポンプ３４’および高圧水通路１４２を介し、直列に連結されている２つの被冷却要素のうち、まずガスタービンの翼１４９に形成されている冷却通路１５０を冷却し、その後燃焼器１４周りの冷却部１６０を冷却するようになっている。
【００７５】
そして、この２つの冷却要素を通った高圧加熱水は通路１５１を介して高圧蒸発器２５に供給されるようになっている。
【００７６】
このような構成においては、ガスタービンの複数の被冷却要素を圧力水によって冷却する場合に有効な冷却効果が得られる。
【００７７】
実施形態７（図８）
図８は、本発明の実施形態７に係る複合発電プラントの系統図である。
【００７８】
本実施形態では冷却通路１５０，１５２および回収用の通路１５１を高圧ドラム１３４に導くようにして、通路１５１の通過中に高圧水の一部が蒸発するようにしたものであり、気液の２相になる場合に有効な手段である。回収用の通路１５１は、高圧ドラム１３４の上部に連絡するように構成すると効果的である。
【００７９】
このような構成においては、気液２相流体は高圧ドラム１３４によって気液分離される。
【００８０】
なお、回収用の通路１５１内の流体については高圧水または蒸気の単相流れとなるようにして使用しても差し支えない。
【００８１】
実施形態８（図９）
図９は本発明の実施形態８に係る複合発電プラントを示すもので、複数台のガスタービン、ガスタービンシステムで構成する複合発電プラントの系統図である。
【００８２】
この複合発電プラントは、従来のガスタービンプラント２０１と、このガスタービンプラント２０１の排熱を利用した排熱回収ボイラ２２１とで発生した蒸気を、別置きの蒸気冷却系統を有するガスタービン系統３０１，４０１，５０１に並列に供給し、蒸気冷却を行うようにしたものである。冷却を終えた蒸気は回収通路３０６，４０６，５０６を介してそれぞれ蒸気集合通路２２９に導かれ、上述の蒸気タービン２１８に蒸気源として供給されるようになっている。
【００８３】
なお、蒸気タービン２１８を通過した蒸気は復水器２２４により常温水に戻され、循環ポンプ２２５により排熱回収ボイラ２２１の蒸気発生部２２２に導かれて第１の閉ループを構成している。
【００８４】
一方、蒸気冷却部を有するガスタービンプラント３０１，４０１，５０１には、このガスタービンプラント３０１，４０１，５０１の排熱を利用した排熱回収ボイラ３０９，４０９，５０９が設置されており、この排熱回収ボイラ３０９，４０９，５０９の蒸気発生部３０８，４０８，５０８で発生した蒸気が蒸気回収通路３１１，４１１，５１１を介して蒸気集合通路２３０に導かれ、別置きの大型蒸気タービン２３１に蒸気源として供給される。
【００８５】
この大型蒸気タービン２３１を通過した蒸気は、通路２３２を介して復水器２３３に導かれ、この復水器２３３によって常温水に戻されて通路２３４、循環ポンプ２３５により排熱回収ボイラ３０９，４０９，５０９の蒸気発生部３０８，４０８，５０８に導かれ、第２の閉ループを構成している。
【００８６】
なお圧縮機２１３，３０２，４０２，５０２、燃焼器２１４，３０３，４０３，５０３、燃焼ガス通路２１５、ガスタービン２１１，３０４，４０４，５０４、回転軸２１２，２１９、発電機２２０，３０５，４０５，５０５，６０５等については、図１３の従来例および図１の本発明の実施形態１で述べたとおりであり、重複する説明は省略する。
【００８７】
このような構成によると、既設の複合発電プラントで発生した蒸気を、新設したガスタービン３０４，４０４，５０４の蒸気冷却部に供給すすることが可能となり、また冷却に使用した蒸気は、上述の複合発電システムの蒸気サイクルで熱エネルギを回収できる。
【００８８】
一方、蒸気冷却部を有する複数のガスタービン３０４，４０４，５０４の排熱を利用した排熱回収ボイラ３０９，４０９，５０９で発生した蒸気を集合して、別置きの大型蒸気タービン２３に導くことにより、一層有効な発電が可能となり、最大の熱効率で運転することが可能となる。
【００８９】
したがって、上記のように構成することによって、単体の複合サイクル発電で構成した場合でも、複数の複合サイクル発電を組み合わせて適用してもいずれも良好な総合熱効率を得ることが可能となる。
【００９０】
ガスタービンの翼やその他のガスタービンコーポーネントキットを、直列または並列、さらには直列と並列とを組み合わせた複数の被冷却要素に通過して冷却した蒸気を蒸気サイクルへ戻すことにより、冷却用蒸気の冷却能力を最大限有効利用することが可能となる。
【００９１】
実施形態９（図１０）
図１０は本発明の実施形態９に係る複合発電プラントの系統図である。
【００９２】
この実施形態に係る複合発電プラントでは、ガスタービン冷却系統４３ａの被冷却要素がガスタービン翼１４９と燃焼器１１４周りの冷却部１６０とされており、これらガスタービン翼１４９と燃焼器１１４周りの冷却部１６０とが、冷却蒸気供給通路１４６から２系統に並列分岐して構成されている。その他の構成については、図１のものと略同様であるから、図１と同一部分に同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００９３】
このような構成においても、図１に示した実施形態１と同様の効果が得られることは勿論、さらに燃焼器１１４周りの冷却部１６０およびタービン冷却翼１４９への冷却用蒸気流量をそれぞれ調節することが可能となり、ガスタービンコンポーネント各部をより効率よく冷却することが可能となる。
【００９４】
実施形態１０（図１１）
図１１は本発明の実施形態１０に係る複合発電プラントの系統図である。
【００９５】
この実施形態に係る複合発電プラントは、前述した図５に示す実施形態を変形したものであり、その異なる点は、蒸気タービン系統４２および排熱回収ボイラ１２３の構成にある。
【００９６】
すなわち、この実施形態では、蒸気タービン１１８が、高圧蒸気タービン１１８ａと低圧蒸気タービン１１８ｂとで構成されており、排熱回収ボイラ１２３の高圧加熱器１２５から蒸気供給通路１４０を介して高圧蒸気タービン１１８ａに蒸気が供給されるようになっている。この高圧蒸気タービン１１８ａで膨張仕事を終えた蒸気が蒸気通路Ａで回収され、再び上記排熱回収ボイラ１２３に戻され再熱された後、蒸気通路Ｂから低圧蒸気タービン１１８ｂに供給されるようになっている。また、この低圧蒸気タービン１１８ｂの入口には、ガスタービン冷却系統４３ａを通過してきた冷却用回収蒸気も供給されるようになっている。その他の構成については、図５に示したものと略同様であるから、図１１では図５と同一部分に同一符号を付して、重複する部分の説明は省略する。
【００９７】
このような構成においても、図５に示した実施形態と同様の効果が奏されることは勿論、さらに蒸気サイクルを再熱サイクルにすることで、より一層の熱効率の高いプラントを供給することが可能となる。
【００９８】
実施形態１１（図１２）
図１２は本発明の実施形態１１に係る複合発電プラントの系統図である。
【００９９】
この実施形態１１に係る複合発電プラントは図１１に示す実施形態１０の変形例であり、その異なる点は、蒸気タービン１１８の高圧蒸気タービン１１８ａで膨張仕事を終え、蒸気通路Ｃから回収された蒸気が排熱回収ボイラ１２３を介さず直接ガスタービン冷却系統４３に供給され、このガスタービン冷却系統４３を冷却することにより、蒸気の再熱過程を形成している点である。他の構成については、図１１に示したものと略同様であるから、図１２では、図１１と同一部分に同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【０１００】
このような構成においても、図１１に示した実施形態１０と略同様の効果が奏されることは勿論、蒸気サイクルシステムを簡素化することが可能となり、一層の熱効率向上とコスト低減化とが可能となる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明によれば、蒸気サイクル系統の作動媒体の一部または全量をガスタービン冷却部の冷却媒体として使用し、さらに冷却に用いた冷却媒体を回収して蒸気サイクル系統の蒸気ドラムへ戻す際、回収用の通路の通過中、蒸気ドラムで気液二相流を促進させ、蒸気ドラムで液体部分と気体部分を分離させ、良質の蒸気を生成し、生成した良質の蒸気を蒸気タービンに供給するので、蒸気タービンにより一層高い仕事をさせることができ、プラント熱効率を向上させることができ、さらに冷却後の冷却媒体を良好に回収させることにより、冷却用媒体の冷却能力を最大限有効利用することができる。
【０１０４】
また、冷却通路を通過した冷却媒体の一部または全量を他の蒸気機関の蒸気サイクルへ供給できるため、例えば、複数台のガスタービン、蒸気タービンとで構成される複合発電システムではガスタービン翼やその他のガスタービンコンポーネントキットの蒸気冷却のための蒸気発生器（排熱回収ボイラ）を専用で持つことができ、複数台の蒸気冷却部を有するガスタービン、蒸気タービンを適正配置することにより、より一層の総合熱効率の向上が図れる。
【０１０５】
しかも、冷却用蒸気の流量配分を可能としたり、また蒸気の再熱サイクルをも効率よく利用できるため、より一層の総合熱効率を向上させることができる。さらに構成の簡素化も可能であり、製造コストも大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る複合発電プラントの系統図。
【図２】本発明に係る複合発電プラントの総合発電効率と従来の複合発電プラントとを比較して示す図。
【図３】本発明の実施形態２に係る複合発電プラントの系統図。
【図４】本発明の実施形態３に係る複合発電プラントの系統図。
【図５】本発明の実施形態４に係る複合発電プラントの系統図。
【図６】本発明の実施形態５に係る複合発電プラントの系統図。
【図７】本発明の実施形態６に係る複合発電プラントの系統図。
【図８】本発明の実施形態７に係る複合発電プラントの系統図。
【図９】本発明の実施形態８に係る複合発電プラントの系統図。
【図１０】本発明の実施形態９に係る複合発電プラントの系統図。
【図１１】本発明の実施形態１０に係る複合発電プラントの系統図。
【図１２】本発明の実施形態１１に係る複合発電プラントの系統図。
【図１３】従来の複合発電プラントの系統図。
【符号の説明】
４１ ガスタービン系統
４２ 蒸気サイクル系統
４３，４３ａ，４３ｂ ガスタービン冷却系統
１１１，２１１，３０４，４０４，５０４ ガスタービン
１１３，２１３，３０２，４０２，５０２ 圧縮機
１１４，２１４，３０３，４０３，５０３ 燃焼器
１１８，２１８，２３１ 蒸気タービン
１２０，２２０，３０５，４０５，５０５，６０５ 発電機
１２５ 高圧加熱器
１２３，２２１，３０９，４０９，５０９ 排熱回収ボイラ
１２６ 第２の高圧蒸発器
１２７ 第１の高圧蒸発器
１２８ 高圧予熱器
１３０，２２４，２３３ 復水器
１３４ 高圧ドラム
１３８，１３８ｃ 合流点
１４８，１５３ 流量調整弁
１５２ バイパス弁
１５４，１５５ 弁
１６０ 燃焼器周り冷却部
１５０，１５８ ガスタービン翼冷却通路
Claims (1)
- ガスタービン系統と、このガスタービン系統の排熱を回収する排熱回収ボイラおよびこの排熱回収ボイラで得た蒸気によって駆動される蒸気タービンを有する蒸気サイクル系統とを備えた複合発電プラントであって、前記蒸気サイクル系統で得られる流体の一部または全量を冷却媒体として前記ガスタービン系統のガスタービン内に供給して前記蒸気サイクル系統へ戻すガスタービン冷却系統を設けたものにおいて、前記ガスタービン冷却系統は、２以上の被冷却要素に冷却通路を介して冷却媒体を供給するとともに、前記冷却通路を通過した冷却媒体の一部または全量を前記蒸気サイクル系統の蒸気ドラムへ戻す構成としたことを特徴とする複合発電プラント。
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