JP3650112B2 - ガス・蒸気タービン複合設備のガスタービン冷却媒体の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに後置接続されている廃熱ボイラを有し、その加熱面が蒸気タービンの水・蒸気循環路に接続されているようなガス・蒸気タービン複合設備のガスタービン冷却媒体の冷却装置に関する。
かかるガス・蒸気タービン複合設備は一般に電気エネルギーを発生するために採用されている。ガスタービンの出力を増大するため従ってできるだけ大きな効率を得るために、タービンの入口における作動媒体の温度は特に高く例えば1200〜1500℃にすることが熱望されている。しかしこのような高いタービン入口温度は特にタービン翼の耐熱性に関する材料上の問題を生ずる。
タービン入口温度の増大はタービン翼がそれが常に材料の許容温度以下になっているように十分に冷却されるときに許される。このためにヨーロッパ特許第0379880号明細書において、ガスタービンに付設された圧縮機で圧縮された空気を分岐し、冷却媒体として作用するこの空気をガスタービンの入口の前で冷却することが知られている。その場合、空気・水冷却器が使用され、これで冷却媒体を冷却した際に得られた熱がそのために利用された給水を介して水・蒸気循環路に導入される。しかしその場合、特に冷却媒体を冷却するために水・蒸気循環路から取り出された給水の圧力を維持し流量を調節するために測定および調節費用が高くなるという欠点がある。
本発明の課題は、冷却媒体を冷却する装置を、上述の欠点を除去して良好なガスタービンの冷却が保証され、その際に得られた熱を有効に利用することによってガス・蒸気タービン複合設備の高い総合効率が得られるように形成することにある。更にこれをできるだけわずかな技術的費用で達成するものである。
本発明によればこの課題は、中間回路が設けられ、この中間回路が冷却媒体を冷却するための第１の熱交換器およびその際に得られた熱を伝達するための水・蒸気循環路に接続された第２の熱交換器にそれぞれ連結されることによって解決される。
冷却媒体を冷却する際に得られた熱は従って中間回路を介して即ち別個の密閉冷却回路を介してガス・蒸気タービンプロセスに伝達されるので、中間回路に存在する二次媒体の量が一定であることに基づいて量を調節する必要はない。水・蒸気循環路が中間回路から流れ技術的に切り離されているので、中間回路において二次媒体を搬送するためのポンプ動力は特に小さくてすむ。
ガスタービンを冷却するための冷却媒体は液状あるいはガス状をしている。好適には冷却媒体としてガスタービンに付設された空気圧縮機からの圧縮空気が利用される。
第２の熱交換器は、必要な温度レベルに応じて廃熱ボイラの種々の加熱面に接続できる。好適には中間回路に二次側で接続された第２の熱交換器は一次側が低圧蒸発器加熱面に接続された水・蒸気分離器に接続されている。この水・蒸気分離器は水側が第２の熱交換器の一次側入口に、蒸気側が一次側の出口にそれぞれ接続される。
中間回路内を流れかつ冷却媒体を冷却する二次媒体を搬送するために、好適には一次側が中間回路に接続された第１の熱交換器にポンプが前置接続される。更に第２の熱交換器に、その中を貫流する水あるいは水・蒸気混合物（三次媒体）を水・蒸気循環路から搬送する作用をするポンプが前置接続されると好適である。
補給水特に脱イオン水を密閉冷却回路に入れることができるようにするため、中間回路には供給配管が通じている。
運転条件により蒸気発生が減少するときにも、特に純粋なガスタービン運転（単一サイクル運転）の際にも十分な冷却作用を保証するために、中間回路には第１の熱交換器に対して並列に位置する補助冷却器が接続される。
本発明によって得られる利点は、特に密閉中間回路において二つの熱交換器を利用することによって、単純な運転方式で僅かな測定・調整技術費用において総合プロセスに特に適切に熱を回収することができることである。更に同じ系統技術を利用して中間回路の二次媒体を異種のものに交換しようとしなければ、冷却媒体の交換は不要である。
以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図面はガスタービン用の冷却媒体を冷却する装置を備えたガス・蒸気タービン複合設備を概略的に示している。
図面に概略的に示されているガス・蒸気タービン複合設備はガスタービン２を有している。このガスタービン２には燃焼室４が前置接続され、ガス側に廃熱ボイラ６が後置接続されている。この廃熱ボイラ６の加熱面は蒸気タービン10の水・蒸気循環路に接続されている。加熱面は詳細には低圧予熱面12、低圧蒸発器14および低圧過熱器16である。
蒸気タービン10に復水器18が後置接続され、この復水器18は復水ポンプ20を介して低圧予熱面12に接続されている。この低圧予熱面12は出口側が直接また入口側が循環ポンプ22を介してそれぞれ給水タンク24に接続されている。給水タンク24は出口側が給水ポンプ26を介して水・蒸気分離器28に接続されている。この水・蒸気分離器28の水側はポンプ30を介して低圧蒸発器14並びに（第２の）熱交換器32の一次側入口に接続されている。更にその蒸気側は低圧過熱器16および熱交換器32の一次側出口に接続されている。従って熱交換器32は低圧蒸発器14に水・蒸気分離器28を介して並列接続されている。
（第２の）熱交換器32は二次側が中間回路34に接続され、この中間回路34に（第１の）熱交換器36の一次側が接続されている。この熱交換器36は二次側がガスタービン２に通じている冷却空気配管38に接続されている。
冷却空気配管38はガスタービン２に付設された空気圧縮機40に接続されている。この空気圧縮機40並びにガスタービン２で駆動される発電機42は共通の軸44上に置かれている。冷却空気配管38の分岐管46はガスタービン２に付設された燃焼室４に通じている。
中間回路34にポンプ48並びに電動調整可能な二つの弁50、52が接続されている。これらの弁50、52並びに同様に電動調整可能な弁54を介して中間回路34に補助冷却器56が接続できる。この補助冷却器56には配管58を介して膨張タンク60が接続されている。膨張タンク60は配管61を介して中間回路34にも直接接続されている。中間回路34には更に弁62を備えた補給水Ｄ例えば脱イオン水の供給配管64が通じている。
ガス・蒸気タービン複合設備を運転する際、燃焼室４に燃料Ｂが導入される。燃料Ｂは燃焼室４においてガスタービン２用の作動媒体を発生するために空気圧縮機40から分岐管46を介して導入される圧縮空気Ｌで燃焼される。その燃焼の際に生ずる高温高圧の作動媒体あるいは燃焼ガスRGはガスタービン２内において膨張し、その際にガスタービン２を駆動し、従って空気圧縮機40並びに発電機42を駆動する。ガスタービン２から流出する膨張済み燃焼ガスRG′は燃焼ガス配管66を介して廃熱ボイラ６に導入され、そこで蒸気タービン10用の蒸気を発生するために利用される。この目的のために燃焼ガス流および水・蒸気循環路８は対向流方式で互いに結合されている。
特に良好な熱効率を得るために一般に蒸気は種々の圧力レベルで発生され、そのエンタルピーは発電機68を駆動する蒸気タービン10において発電用に利用される。この実施例では低圧段しか示さず説明しない。
蒸気タービン10から流出する膨張済み蒸気は復水器18に到達し、そこで凝縮して復水となる。この復水は復水ポンプ20および低圧予熱面12を通して給水タンク24に搬送される。給水の一部はもっと加熱するために循環ポンプ22によって再び低圧予熱面12に搬送され、そこから給水タンク24に戻される。加熱済み給水は給水タンク24から給水ポンプ26によって水・蒸気分離器28に搬送される。そこから加熱済み給水ポンプ30を介して低圧蒸発器14に導入され、そこで蒸発する。この蒸気は水・蒸気分離器28において残存する水を分離して、低圧過熱器16に導入される。そこから過熱蒸気は蒸気タービン10に送られる。過熱蒸気は蒸気タービン10内で膨張し、その際に蒸気タービン10を駆動し、発電機68を駆動する。
水・蒸気分離器28からの加熱済み水の部分流t₁は熱交換器32を通して導かれ、その水は少なくとも一部が蒸発する。そのために必要な熱は中間回路34内を流れる二次媒体Ｓから取り出される。熱交換器32内で発生した蒸気あるいは水・蒸気混合物も水・蒸気分離器28に導かれる。
熱交換器32における熱移転の際に冷却された中間回路34の二次媒体Ｓは、空気圧縮機40からガスタービン２に導入される圧縮空気Ｌを冷却するために使用される。圧縮空気Ｌから二次媒体Ｓへの熱移転は熱交換器36において行われる。熱交換器36において冷却された空気Ｌ（以下冷却空気Ｋと呼ぶ）は配管70を介してガスタービン２の動翼に並びに配管72を介してガスタービン２の静翼に導かれる。
ガスタービン２用の冷却空気Ｋを更に冷却する必要がある場合、例えば蒸気タービンが停止していることにより熱交換器32だけでは二次媒体Ｓを確実に十分に再冷却できないとき、補助冷却器56が運転される。そのために弁50、52は少なくとも部分的に閉じられ、弁54が開かれる。同時に補助冷却器56に冷却媒体Ｗ例えば水が導入される。中間回路34の内部における二次媒体Ｓの容積変化は膨張タンク60により補償される。更に中間回路34に供給配管64を介して脱イオン水Ｄが導入される。
二つの熱交換器32、36を備えた中間回路34を利用することによって、一方では流れ技術的な切り離しが達成され、他方では蒸気タービン設備の水・蒸気循環路８と（主に冷却空気配管38と熱交換器36で代表される）冷却系統との間の熱的な連結が達成される。その場合冷却系統および中間回路34に対する測定技術および調整技術的な費用並びに中間回路34の内部における必要なポンプ動力は特に僅かである。

Claims (7)

1. ガスタービン（２）に後置接続されている廃熱ボイラ（６）を有し、その加熱面（12、14、16）が蒸気タービン（10）の水・蒸気循環路（８）に接続されているようなガス・蒸気タービン複合設備のガスタービン（２）の冷却媒体の冷却装置において、
   中間回路（34）が設けられ、該中間回路（34）が、冷却媒体（Ｌ）を冷却するための第１の熱交換器（36）と、その際に得られた熱を伝達するための水・蒸気循環路（８）に接続された第２の熱交換器（32）の二次側とにそれぞれ連結されており、
   しかも第２の熱交換器（32）の一次側が、低圧・蒸発器 加熱面（14）に接続された水・蒸気分離器（28）に接続 され、該水・蒸気分離器（28）が水側で第２の熱交換器 （32）の一次側入口に、蒸気側で該第２の熱交換器（3 2）の一次側の出口にそれぞれ接続されている
   ことを特徴とするガス・蒸気複合設備のガスタービン冷却媒体の冷却装置。
2. 冷却媒体がガスタービン（２）に付設された空気圧縮機（40）からの圧縮空気（Ｌ）であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 第１の熱交換器（36）に中間回路（34）における媒体（Ｓ）を搬送するためのポンプ（48）が前置接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 第２の熱交換器（32）に水・蒸気循環路（８）からの三次媒体として使用される水を搬送するためのポンプ（30）が前置接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の装置。
5. 中間回路（34）に補給水（Ｄ）の供給配管（64）が通じていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の装置。
6. 中間回路（34）に補助冷却器（56）が接続されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の装置。
7. 中間回路（34）に膨張タンク（60）が接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の装置。

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