JP3646314B2

JP3646314B2 - Waste heat recovery gas turbine power generation facility

Info

Publication number: JP3646314B2
Application number: JP29022493A
Authority: JP
Inventors: 俊幸高田; 宣雄三島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-11-19
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: JPH07139309A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は排熱回収ガスタービン発電設備に係り、特にガスタービンの排ガスが有する熱エネルギーの有効利用を図った排熱回収ガスタービン発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン排ガスを大気に放出するバイパススタックと大気（フレッシュエア）を煙風道に送給する押込通風器（ＦＤＦ）を有するガスタービン・ボイラ複合プラントの従来の一例を図３に示す。
【０００３】
ガスタービン排ガスの熱エネルギーをボイラで回収するガスタービン・ボイラ連結運転時には、まずガスタービン１は発電機４を駆動させ、一方、ガスタービン１からの排ガスは、バイパススタックダンパ１０，押込通風器出口ダンパ１１を閉じボイラ入口ダンパ９を開くことによって、煙風道６を経由しボイラ２に供給される。ボイラ２に供給されたガスタービン排ガスは、その残存酸素によって燃料を燃焼させ追焚きすることによって蒸気を発生させ、スチームタービン７に供給している。スチームタービン７は発電機８を駆動し、発電機８は発電する。ところで、上記したガスタービン・ボイラ複合プラントでは、ガスタービントリップ時、ガスタービン始動時等において、ガスタービンとボイラを切離す必要がある。このようなガスタービン・ボイラ切離運転時には、バイパススタックダンパ１０，押込通風器出口ダンパ１１を開きボイラ入口ダンパ９を閉じてガスタービン排ガスをバイパススタック５からバイパスさせ大気に開放し、ガスタービン１を運転する。この時、ボイラ２にはガスタービン排ガスが供給されないため、その排ガスの熱量，酸素量を補うために、押込通風器３によりボイラ燃焼空気を供給すると共に、燃料も増加させ発生蒸気量をガスタービン・ボイラ時と同じにしている。
【０００４】
一般にガスタービンで発電機を駆動しその排熱をボイラで回収する排熱回収ガスタービン発電設備では、ボイラへの熱供給はガスタービン排ガスだけであるので、ボイラで発生させる蒸気量はガスタービン排ガス量に依っている。もしくはボイラでガスタービン排ガスに再び燃料を供給し燃焼させる追焚き方式でも、ボイラでの燃料供給量はガスタービン排ガスの残存酸素で制限されるので、ボイラでの蒸気発生量には限界があった。また、押込通風器を煙風道に設置しているものでも、押込通風器からの大気（フレッシュエア）は、ガスタービン排ガスの供給のないときのバックアップ用として使用していた。
【０００５】
尚、このような排熱回収ガスタービン発電設備に関しては、特開昭64−75803号公報，特開平5−5405 号公報等に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
最近、自家発電用としてボイラ・スチームタービン発電設備がある生産工場等では、自家発電電力量のアップ，熱効率のアップを図るためにガスタービンを導入するケースがある。従来の技術では、既存ボイラが最大出力を得るために必要とする排ガス量を排出する出力クラスのガスタービンを選択していた。要するに、ガスタービンを新たに導入する場合は、既存ボイラの容量、例えばボイラ定格運転時の所定蒸気量を得るために必要な燃焼空気（排ガス）を排出するガスタービンを選択する必要があるため、工場で新しく自家発電したい電力量より大きい出力クラスのガスタービンを設置しなければならなかった。しかし、そのような場合、電力を売電できない一般の工場では、電力が余剰となってしまうことがある。
【０００７】
即ち、従来ではガスタービンを新たに設置する場合、要求する電力量に見合ったガスタービンを選択することができないため、上述した電力余剰などの不具合が生ずるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、従来の技術では既設ボイラの容量を基にガスタービン出力クラスを選択していたのを、必要とする電力量を基にガスタービンを選択できるような排熱回収ガスタービン発電設備を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスを燃焼空気として蒸気を発生させるボイラと、前記ガスタービンと前記ボイラを連結し、前記排ガスを通気させる煙風道と、該煙風道の途中から分岐して前記排ガスを大気へ放出するバイパススタックと、前記煙風道のバイパススタック下流側に設けられ、前記煙風道中に大気を導入する押込通風器と、前記分岐部に設けられ、前記ガスタービンの通常運転時にはバイパススタックの入口を閉口させて前記排ガスをボイラへ導くように構成された切替ダンパとを備えている排熱回収ガスタービンにおいて、前記ガスタービンにトリップ検知器を設け、このトリップ検知器の出力信号がない時は所定量の大気が前記排ガスと混合するように前記押込通風器を駆動させ、前記トリップ検知器の出力信号が発生した時は、前記バイパススタックの入口を開口して前記排ガスのボイラへの通気を遮断させると共に、前記所定量よりも多い大気を前記ボイラへ供給するように前記押込通風器を駆動させるように構成した排熱回収ガスタービン発電設備により達成される。
【００１２】
【作用】
ガスタービン排ガスと大気（フレッシュエア）を混合してボイラの燃焼用空気を増大させるため、ガスタービンの排ガス量を、ボイラが所定の出力を得るのに必要な燃焼空気量よりも少なくすることができ、ボイラ容量に合わせてガスタービン出力クラスを選択する必要が無くなる。
【００１３】
そして、押込通風器により供給される大気を、ガスタービンの通常運転時においてはボイラが所定の出力を得るのに必要な燃焼空気量とガスタービンの所定出力時に排出する排ガス量との差に実質的に等しいものとすることによって、要求電力量に見合った出力を有するガスタービンを選択した場合でも、ボイラが必要とする燃焼空気量の不足分を押込通風器により補うことができるため、ボイラの容量に関係なく設置するガスタービン出力クラスを自由に設定できると共に、ガスタービンのトリップ時には、押込通風器により供給される大気の量を、ボイラが所定の出力を得るのに必要な燃焼空気量と実質的に等しいものとすることによって、トリップ時でもボイラの出力を通常時の状態に維持できる。
【００１４】
【実施例】
以下、発明の実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例を示す系統図である。１はガスタービンで、２はボイラである。ガスタービン１とボイラ２の間には煙風道６があり、煙風道６にはバイパススタック５が設置されている。バイパススタック５とボイラ２の間には、押込通風器３が設けてある。また、バイパススタック５と煙風道６の結合部には、１個の切替ダンパ１０がある。切替ダンパ１０には、切替ダンパ駆動用電動機９が設置されている。また、７はスチームタービンで、８は発電機である。
【００１５】
ガスタービン１は供給された燃料を燃焼することで直結された発電機４を駆動し、自家発電用電力を発電する。ガスタービン・ボイラ連結運転時、切替ダンパ１０はボイラ側を開、バイパススタック側を閉とし、ガスタービン１からの排ガスは煙風道６を経由し、ボイラ燃焼空気としてボイラ２に送給される。押込通風器３からの大気（フレッシュエア）も、ガスタービン排ガスと混合され、ボイラ燃焼空気としてボイラ２に送給される。ボイラ２では前記燃焼空気で燃料を燃焼させて蒸気を発生させ、スチームタービンを駆動し、発電機８で発電する。スチームタービン７で仕事した蒸気は、工場に送気される。
【００１６】
この時の大気（フレッシュエア）の量Ｑｏとすると、Ｑｏは、ボイラが最大出力、例えば最大蒸気量（ｔ／ｈ）を得るのに必要な燃焼空気量をＱａ、ガスタービンの定格運転時の排ガス量をＱｂとすれば、
Ｑｏ＝Ｑａ−Ｑｂ …（数１）
にほぼ等しくする。
【００１７】
また、ガスタービン・ボイラ連結運転からガスタービン・ボイラ切離運転に切替える時、制御室で操作者がスイッチを押すことにより電気信号が切替ダンパ駆動用電動機９に電送されダンパ駆動用電動機９が駆動し、図２に示すように切替ダンパ１０をボイラ側を閉、バイパススタック側を開とする。前記操作によって、押込通風器３からの大気（フレッシュエア）の逆流を防止し、且つ、ガスタービン排ガスの出口を確保することができる。さらにガスタービン排ガスの熱量，酸素量を補うために、ガスタービン１にトリップ検知器１２を設け、このトリップ検知器１１の出力信号を受けて押込通風器によりボイラ燃焼空気を増加させると共に、燃料も増加させ発生蒸気を排気再燃時と同じにする。この時の大気（フレッシュエア）の量Ｑｏは、前述のＱａとほぼ等しくする。
【００１８】
ガスタービントリップによりガスタービン・ボイラ連結運転からボイラ単独運転に切替える時には、前述したトリップ検知器１２のトリップ信号が切替ダンパ駆動用電動機９に電送されることによって切替ダンパ駆動用電動機９が駆動し、自動で図２に示すように切替ダンパ８をボイラ側を閉、バイパススタック側を開とする。
【００１９】
逆に、ガスタービン・ボイラ切離運転からガスタービン・ボイラ連結運転に切り替える時、操作者がスイッチを押すことにより電気信号が切替ダンパ駆動用電動機９に電送され切替ダンパ駆動用電動機９が駆動し、図２から図１のように移行し、ボイラ側を開、バイパススタック側を閉とする。
【００２０】
前記実施例は、自家発電設備を示しているが、一般火力発電設備にも使用できる。
【００２１】
この実施例の効果は、以下の通りである。
【００２２】
１．ボイラ容量に関係なく必要とする電力量を基にガスタービン出力クラスを選択できる。
【００２３】
２．バイパススタック側とボイラ入口側のダンパを兼用する切替ダンパを１個設けることによって、２個のダンパを複雑に操作することなく、ガスタービン・ボイラ複合プラントの運転モードの切替(ガスタービン・ボイラの連結・切離)が容易にできる。
【００２４】
３．操作中に両方のダンパが閉じてしまう危険がなく、確実にガスタービン・ボイラの連結・切離ができる。
【００２５】
４．複雑な操作をしなくてよいため、運転モードの切替の不安定な時間を短くできる。
【００２６】
５．ガスタービントリップ時でも、自動でダンパが作動しボイラ燃焼用空気を確保するのでボイラを継続的に運転できる。
【００２７】
６．２個必要であったダンパが１個ですむため、コストを抑えることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ガスタービン・ボイラ複合プラントにおいて、ガスタービンの排ガス量に伴うガスタービンの出力クラスをボイラ容量に依存して選択する必要がないので、自家発電設備においては、過剰に電力を生産することなく、経済性に優れた自家発電設備が実現できる。また煙風道の切替ダンパを１個にすることでガスタービン・ボイラ複合プラントの運転モードの切替（ガスタービン・ボイラの連結・切離）を容易，確実且つ安全に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す系統図であり、ガスタービン・ボイラの連結時を示すものである。
【図２】本発明の一実施例を示す系統図であり、ガスタービン・ボイラ切離運転時もしくはボイラ単独運転時を示すものである。
【図３】従来のバイパススタックと押込通風器を有するガスタービン・ボイラ複合プラントの一例をしめす系統図である。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…ボイラ、３…押込通風器（ＦＤＦ）、４，８…発電機、５…バイパススタック、６…煙風道、７…スチームタービン、９…切替ダンパ駆動用電動機、１０…切替ダンパ、１１…押込通風器出口ダンパ、１２…トリップ検知器。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a waste heat recovery gas turbine power generation facility, the heat recovery gas turbine onset electric facility Bei relates in particular aimed at effective use of the thermal energy of the exhaust gases of the gas turbine.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows a conventional example of a gas turbine / boiler combined plant having a bypass stack that discharges gas turbine exhaust gas to the atmosphere and a forced air ventilator (FDF) that supplies the atmosphere (fresh air) to the flue.
[0003]
At the time of gas turbine / boiler connection operation in which the thermal energy of the gas turbine exhaust gas is recovered by the boiler, the gas turbine 1 first drives the generator 4, while the exhaust gas from the gas turbine 1 is supplied to the bypass stack damper 10 and the outlet of the forced air vent By closing the damper 11 and opening the boiler inlet damper 9, it is supplied to the boiler 2 via the smoke passage 6. The gas turbine exhaust gas supplied to the boiler 2 generates steam by burning and chasing fuel with the residual oxygen and supplying the steam to the steam turbine 7. The steam turbine 7 drives a generator 8, and the generator 8 generates electricity. Incidentally, in the gas turbine / boiler combined plant described above, it is necessary to separate the gas turbine from the boiler when the gas turbine is tripped or when the gas turbine is started. During such gas turbine / boiler disconnection operation, the bypass stack damper 10 and the forced ventilator outlet damper 11 are opened, the boiler inlet damper 9 is closed, the gas turbine exhaust gas is bypassed from the bypass stack 5 and opened to the atmosphere, and the gas turbine 1 To drive. At this time, since gas turbine exhaust gas is not supplied to the boiler 2, in order to compensate for the heat amount and oxygen amount of the exhaust gas, the boiler combustion air is supplied by the forced air blower 3 and the fuel is also increased to reduce the generated steam amount to the gas turbine.・ Same as the boiler.
[0004]
Generally, in an exhaust heat recovery gas turbine power generation facility in which a generator is driven by a gas turbine and the exhaust heat is recovered by a boiler, the heat supply to the boiler is only the gas turbine exhaust gas, so the amount of steam generated by the boiler is the gas turbine exhaust gas It depends on the quantity. Or, even in a refueling system in which fuel is supplied again to the gas turbine exhaust gas with a boiler and burned, the amount of fuel supply in the boiler is limited by the residual oxygen in the gas turbine exhaust gas, so there was a limit to the amount of steam generated in the boiler . Moreover, even if the insufflator is installed in the smoke channel, the atmosphere (fresh air) from the insufflator is used as a backup when no gas turbine exhaust gas is supplied.
[0005]
Such exhaust heat recovery gas turbine power generation facilities are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 64-75803 and 5-5405.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, production plants with boiler / steam turbine power generation facilities for private power generation have introduced gas turbines in order to increase the amount of private power generation and heat efficiency. In the prior art, an output class gas turbine that emits the amount of exhaust gas required for an existing boiler to obtain maximum output has been selected. In short, when a gas turbine is newly introduced, it is necessary to select a gas turbine that discharges combustion air (exhaust gas) necessary for obtaining the capacity of an existing boiler, for example, a predetermined steam amount during boiler rated operation. The factory had to install a gas turbine with a higher output class than the amount of power they would like to generate in-house. However, in such a case, in a general factory that cannot sell power, the power may become surplus.
[0007]
That is, conventionally, when a gas turbine is newly installed, there is a problem in that the above-described problems such as surplus electric power occur because a gas turbine that matches the required amount of electric power cannot be selected.
[0008]
The object of the present invention is to select a gas turbine output class based on the capacity of an existing boiler in the prior art, but to use an exhaust heat recovery gas turbine power generation system that can select a gas turbine based on the required amount of power. It is to provide the facilities.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The above-described objects include a gas turbine, a boiler that generates steam using the exhaust gas of the gas turbine as combustion air, a smoke air passage that connects the gas turbine and the boiler and vents the exhaust gas, and a middle of the smoke air passage A bypass stack that branches off from the atmosphere and discharges the exhaust gas to the atmosphere, provided on the downstream side of the bypass stack of the flue duct, a forced air ventilator that introduces the atmosphere into the flue path, and provided in the branch portion, In a waste heat recovery gas turbine comprising a switching damper configured to close an inlet of a bypass stack and to guide the exhaust gas to a boiler during normal operation of the gas turbine, the gas turbine is provided with a trip detector. When there is no output signal of the trip detector, the push ventilator is driven so that a predetermined amount of air mixes with the exhaust gas, and the trip detector When an output signal is generated, the inlet of the bypass stack is opened to block ventilation of the exhaust gas to the boiler, and the forced air ventilator is driven so as to supply more air than the predetermined amount to the boiler This is achieved by an exhaust heat recovery gas turbine power generation facility configured to cause the exhaust heat recovery.
[0012]
[Action]
In order to increase the combustion air of the boiler by mixing the gas turbine exhaust gas and the atmosphere (fresh air), the amount of exhaust gas of the gas turbine may be less than the amount of combustion air necessary for the boiler to obtain a predetermined output This eliminates the need to select the gas turbine output class according to the boiler capacity.
[0013]
The atmospheric air supplied by the forced air ventilator is substantially equal to the difference between the amount of combustion air required for the boiler to obtain a predetermined output during normal operation of the gas turbine and the amount of exhaust gas discharged at the predetermined output of the gas turbine. Therefore, even when a gas turbine having an output that matches the required power amount is selected, the insufficiency of the combustion air required by the boiler can be compensated by the forced air blower. Regardless of the capacity, the installed gas turbine output class can be set freely, and when the gas turbine trips, the amount of air supplied by the forced draft fan is the amount of combustion air necessary for the boiler to obtain a predetermined output. By making them substantially equal, the output of the boiler can be maintained in the normal state even during a trip.
[0014]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of the present invention. 1 is a gas turbine and 2 is a boiler. There is a smoke air passage 6 between the gas turbine 1 and the boiler 2, and a bypass stack 5 is installed in the smoke air passage 6. Between the bypass stack 5 and the boiler 2, a forced air ventilator 3 is provided. In addition, there is one switching damper 10 at the joint between the bypass stack 5 and the smoke path 6. The switching damper 10 is provided with a switching damper driving motor 9. 7 is a steam turbine, and 8 is a generator.
[0015]
The gas turbine 1 drives the generator 4 directly connected by burning the supplied fuel to generate electric power for private power generation. During the gas turbine / boiler connection operation, the switching damper 10 opens the boiler side and closes the bypass stack side, and the exhaust gas from the gas turbine 1 is sent to the boiler 2 as boiler combustion air via the flue 6. . The atmosphere (fresh air) from the forced air ventilator 3 is also mixed with the gas turbine exhaust gas and fed to the boiler 2 as boiler combustion air. In the boiler 2, the fuel is burned with the combustion air to generate steam, the steam turbine is driven, and the generator 8 generates power. The steam that has worked in the steam turbine 7 is sent to the factory.
[0016]
Assuming that the amount of air (fresh air) Qo at this time is Qo, Qa is the amount of combustion air necessary for the boiler to obtain the maximum output, for example, the maximum amount of steam (t / h), and at the rated operation of the gas turbine. If the amount of exhaust gas is Qb,
Qo = Qa−Qb (Equation 1)
Almost equal to
[0017]
In addition, when switching from gas turbine / boiler connection operation to gas turbine / boiler disconnection operation, an electric signal is transmitted to the switching damper drive motor 9 by the operator pressing a switch in the control room, and the damper drive motor 9 is driven. Then, as shown in FIG. 2, the switching damper 10 is closed on the boiler side and opened on the bypass stack side. By the above operation, the backflow of the atmosphere (fresh air) from the forced air ventilator 3 can be prevented, and the outlet of the gas turbine exhaust gas can be secured. Further, in order to supplement the heat amount and oxygen amount of the gas turbine exhaust gas, a trip detector 12 is provided in the gas turbine 1, and the boiler combustion air is increased by the forced air blower in response to the output signal of the trip detector 11, and the fuel is also used. Increase the generated steam to be the same as when exhausting again. At this time, the amount Qo of the atmosphere (fresh air) is made substantially equal to the above-mentioned Qa.
[0018]
When the gas turbine / boiler connection operation is switched from the gas turbine / boiler connection operation to the boiler single operation by the gas turbine trip, the trip signal of the trip detector 12 described above is transmitted to the switching damper driving motor 9, thereby driving the switching damper driving motor 9. As shown in FIG. 2, the switching damper 8 is automatically closed on the boiler side and opened on the bypass stack side.
[0019]
Conversely, when switching from gas turbine / boiler disconnection operation to gas turbine / boiler connection operation, the operator presses the switch to send an electrical signal to the switching damper driving motor 9 to drive the switching damper driving motor 9. 2 to FIG. 1, the boiler side is opened and the bypass stack side is closed.
[0020]
Although the said Example has shown the private power generation installation, it can be used also for a general thermal power generation installation.
[0021]
The effects of this embodiment are as follows.
[0022]
1. The gas turbine output class can be selected based on the required electric energy regardless of the boiler capacity.
[0023]
2. By providing one switching damper that serves as both a bypass stack side and boiler inlet side damper, the operation mode of the gas turbine / boiler complex plant can be switched without complicated operation of the two dampers (gas turbine / boiler Easy connection and disconnection.
[0024]
3. There is no danger of both dampers closing during operation, and the gas turbine and boiler can be connected and disconnected reliably.
[0025]
4). Since it is not necessary to perform complicated operations, the unstable time for switching the operation mode can be shortened.
[0026]
5. Even when a gas turbine trip occurs, the damper is automatically operated to secure boiler combustion air, so that the boiler can be operated continuously.
[0027]
6.2 Costs can be reduced because only one damper is required.
[0028]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the gas turbine / boiler combined plant, it is not necessary to select the output class of the gas turbine depending on the amount of exhaust gas from the gas turbine depending on the boiler capacity. Can realize private power generation equipment with excellent economic efficiency without producing excessive power. In addition, by using one smoke path switching damper, it is possible to easily, reliably and safely switch the operation mode of the gas turbine / boiler combined plant (gas turbine / boiler connection / disconnection).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of the present invention, and shows a state in which a gas turbine and a boiler are connected.
FIG. 2 is a system diagram showing an embodiment of the present invention, showing a gas turbine / boiler disconnecting operation or a boiler independent operation.
FIG. 3 is a system diagram showing an example of a gas turbine / boiler combined plant having a conventional bypass stack and a forced air ventilator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas turbine, 2 ... Boiler, 3 ... Pushing ventilator (FDF), 4,8 ... Generator, 5 ... Bypass stack, 6 ... Smoke wind path, 7 ... Steam turbine, 9 ... Electric motor for driving a switching damper, 10 ... switching damper, 11 ... push-in ventilator outlet damper, 12 ... trip detector.

Claims

A gas turbine, a boiler that generates steam using the exhaust gas of the gas turbine as combustion air, a smoke air passage that connects the gas turbine and the boiler and allows the exhaust gas to flow, and a branch from the middle of the smoke air passage A bypass stack that discharges the exhaust gas to the atmosphere, a push-in ventilator that is provided on the downstream side of the bypass stack of the smoke air passage, introduces air into the smoke air passage, and is provided in the branch portion. In an exhaust heat recovery gas turbine comprising a switching damper configured to close an inlet of a bypass stack during operation and guide the exhaust gas to a boiler,
A trip detector is provided in the gas turbine, and when there is no output signal of the trip detector, the push ventilator is driven so that a predetermined amount of air is mixed with the exhaust gas, and an output signal of the trip detector is generated. When this is done, the inlet of the bypass stack is opened to block the ventilation of the exhaust gas to the boiler, and the pushing ventilator is driven so as to supply more air than the predetermined amount to the boiler An exhaust heat recovery gas turbine power generation facility characterized by that.