JP3890104B2 - コンバインドサイクル発電プラントおよびその冷却用蒸気供給方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱回収ボイラから発生する蒸気を、適正温度にして蒸気タービンプラントに供給する一方、排熱回収ボイラから発生する蒸気を、ガスタービンプラントに冷却用蒸気として供給するコンバインドサイクル発電プラントおよびその冷却用蒸気供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のコンバインドサイクルでは、高出力化・高熱効率化の開発が進められており、これに伴ってガスタービン入口の燃焼ガス温度も従来の１３００℃から１５００℃以上に上昇させる高温化が計画されている。
【０００３】
ガスタービン入口の燃焼ガス温度を高温化させる場合、従来のように、ガスタービンプラントの構成部品に、例えば高クロム鋼材を使用し、空気圧縮機の圧縮空気の一部を冷却用としてガスタービンプラントの構成部品に供給していたのでは、その強度保証上、限界になりつつある。このため、ガスタービンプラントの構成部品に供給する冷却媒体として、従来の圧縮空気の代替として新たな冷却媒体の模索が開始され、その一つに蒸気が選定され、蒸気冷却のコンバインドサイクル発電プラントとして、例えば特開平５−１６３９６０号公報、特開平６−９３８７９号公報が既に公表されている。
【０００４】
蒸気は、圧縮空気に較べ比熱が高く、ガスタービンプラントの高温化に伴うその構成部品、例えばガスタービン静翼・動翼の熱吸収に適している。しかし、ガスタービン静翼・動翼は、その翼内部が複雑に入り組んだ蛇行状の狭い通路になっているため、ここを通過する蒸気に不純物、例えばシリカ等が混入していると、目詰り等の発生により偏った冷却が行なわれ、冷却不均一に伴う熱ひずみにより翼を破損させるおそれがある。このため、冷却用蒸気は、清浄度の高いものが求められている。
【０００５】
また、ガスタービンプラントの構成部品に冷却用蒸気を供給する場合、適正温度の蒸気を供給できる蒸気供給源を選定しておかないと、ガスタービンプラントの構成部品は、駆動流体である燃焼ガスとの温度差との関係から過度な熱応力を発生し、破損するおそれがある。このため、ガスタービンプラントの構成部品は、適正温度の冷却用蒸気が供給できる蒸気供給源の確保を必要としている。
【０００６】
一方、ガスタービンプラントの高温化に伴って排熱回収ボイラから蒸気タービンプラントに供給する蒸気も高温化するが、この場合、蒸気温度が高過ぎると、蒸気タービンプラントは、過度な熱応力が発生し、その材力強度の維持が難しくなる。このため、蒸気タービンプラントは、適正温度の蒸気が供給できる蒸気供給源の確保を必要としている。
【０００７】
このように、コンバインドサイクル発電プラントでは、冷却用蒸気の清浄度といい、適正温度の蒸気供給といい、ガスタービンプラントおよび蒸気タービンプラントにとって必要不可欠な技術事項を考察して排熱回収ボイラの第１高圧過熱器を蒸気供給源に設定しており、その例示として図６に示すものが既に提案されている。
【０００８】
このコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント１と蒸気タービンプラント２とを共通の回転軸３で結合させるとともに、排熱回収ボイラ４を別置き配置としている。
【０００９】
ガスタービンプラント１は、発電機５、空気圧縮機６、燃焼器７、ガスタービン８を備え、空気圧縮機６で吸い込んだ大気ＡR を高圧の圧縮空気にして燃焼器７に案内し、ここで燃料を加えて燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスをガスタービン８で膨張させ、その動力により発電機５を駆動させるようになっている。
【００１０】
蒸気タービンプラント２は、高圧タービン９、中圧タービン１０、低圧タービン１１、復水器１２をそれぞれ備え、高圧タービン９で膨張後の排気蒸気を排熱回収ボイラ４の再熱器１３に案内して過熱させ、再熱蒸気として中圧タービン１０に案内して膨張させ、その排気蒸気を低圧タービン１１で再び膨張させた後、復水器１２で復水に凝縮させ、給水としてポンプ１３を介して排熱回収ボイラ４に供給するようになっている。
【００１１】
一方、排熱回収ボイラ４は、ガスタービンプラント１の排ガスＧの流れに沿ってその上流側から下流側に向って順に、第３高圧過熱器１４、再熱器１３、第２高圧過熱器１５、第１高圧過熱器１６、高圧ドラム１７を備えた高圧蒸発器１８、中圧過熱器１９、高圧節炭器２０、低圧過熱器２１、中圧ドラム２２を備えた中圧蒸発器２３、中圧節炭器２４、低圧ドラム２５を備えた低圧蒸発器２６、低圧節炭器２７をそれぞれ収容し、各熱交換器と排ガスＧとの熱交換により蒸気を発生させるようになっている。
【００１２】
すなわち、排熱回収ボイラ４は、蒸気タービンプラント２の復水器１２からポンプ１３を介して供給される給水を低圧節炭器２７で予熱させて低圧ドラム２５に案内し、ここでドラム水の密度差を利用して低圧蒸発器２６に循環させて蒸気を生成し、その蒸気を低圧過熱器２１を介して低圧タービン１１に供給するようになっている。
【００１３】
また、低圧節炭器２７は、その出口側で分流させた飽和水の一部を低圧ポンプ２８、中圧節炭器２４を介して低圧ドラム２２に案内し、ここでもドラム水の密度差を利用して低圧蒸発器２３に循環させて蒸気を生成し、その蒸気を中圧過熱器１９を介してガスタービンプラント１に供給し、ガスタービン８の構成部品を冷却するようになっている。
【００１４】
また、低圧節炭器２７は、その残りの飽和水を高圧ポンプ２９、高圧節炭器２０を介して高圧ドラム１７に案内し、高圧蒸発器１８で循環させて蒸気を生成し、その蒸気を第１高圧過熱器１６に案内するようになっている。
【００１５】
一方、第１高圧過熱器１６は、蒸気を第２高圧過熱器１５に案内する蒸気管３０と、バイパス弁３１を介装したバイパス管３２をそれぞれ備えており、第２高圧過熱器１５で発生した過熱蒸気にバイパス管３２の蒸気を合流させ、適正温度に下げてから第３高圧過熱器１４を介して蒸気タービンプラント２の高圧タービン９に供給するようになっている。
【００１６】
このように、既に提案されているコンバインドサイクル発電プラントでは、排熱回収ボイラ４から高圧タービン９に蒸気を供給する際、その蒸気供給源を第１高圧過熱器１６に設定し、ここから発生する蒸気を第２高圧過熱器１５を介して過熱蒸気にするとき、バイパス管３２を介してその蒸気温度を下げ、第３高圧過熱器１４から高圧タービン９に適温の過熱蒸気として供給している。
【００１７】
また、ガスタービン８の構成部品に冷却用蒸気を供給する場合、排熱ボイラ４は、中圧過熱器１９で生成した飽和蒸気と高圧タービン９の排気蒸気とを合流させ、その合流蒸気をガスタービン８に供給し、ガスタービン入口の燃焼ガスの高温化に伴うガスタービン部材の強度維持を図っている。なお、ガスタービン８の構成部品を冷却した蒸気は、再熱器１３の再熱蒸気とともに中圧タービン１０に案内される。
【００１８】
ところで、図６で示すコンバインドサイクル発電プラントでは、起動運転時、排熱回収ボイラ４から未だ蒸気を生成させていないので、中圧過熱器１９や高圧タービン９からガスタービン８に冷却用蒸気を供給することができない。このため、ガスタービン８の構成部品の冷却にあたり、排熱回収ボイラ４の高圧ドラム１７に残っている蒸気を利用する計画が進められている。この場合、排熱回収ボイラ４は、第１高圧過熱器１６、第２高圧過熱器１５、第３高圧過熱器１４の残留熱が利用できるので、図７に示すように、第１高圧過熱器１６の出口側にバイパス管３２と平行させて調節弁３３を備えた冷却蒸気管３４を設け、高圧ドラム１７の残留蒸気を第１高圧過熱器１６に案内して過熱させ、その蒸気の一部を第２高圧過熱器１５、第１高圧過熱器１４に案内するとともに、残りの蒸気を冷却蒸気管３４にも案内し、第３高圧過熱器１４の出口側で合流させ、その合流蒸気によりガスタービン８の高温部を暫定的に冷却しておき、ガスタービンプラント１が高負荷になったとき、図６で示す中圧過熱器１９と高圧タービン９との合流蒸気によりガスタービン８の構成部品を蒸気冷却する設計が進められている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６に示すコンバインドサイクル発電プラントでは、定格運転時、排熱回収ボイラ４から高圧タービン９に適温の蒸気を供給する計画を進めていても、部分負荷運転になると、ガスタービン８から排熱回収ボイラ４に供給される排ガスＧがさらに高まる。
【００２０】
一般に、ガスタービンプラント１は、部分負荷運転を行う場合、図８の破線で示すように、排ガスＧの温度が上昇する。この排ガスＧの温度上昇に対し、第１高圧過熱器１６の蒸気温度は、図示の一点鎖線で示すように、ほぼ一定であるにも拘らず、第２高圧過熱器１５の蒸気温度は、図示の実線で示すように、高温化する。また、第３高圧過熱器１４の蒸気温度も、第２高圧過熱器１５の蒸気温度と同様に上昇する。この場合、排熱回収ボイラ４は、第３高圧過熱器１４の過熱蒸気を適温にして高圧タービン９に供給するため、第１高圧過熱器１６の蒸気をバイパス管３２を介して第３高圧過熱器１４に供給する際、図示の実線で示すように、バイパス蒸気流量を増加させるようにしている。このため、第２高圧過熱器１５は、排ガスＧの高温化に伴ってその熱交換量が増加するにも拘らず、その被加熱対象の蒸気量が激減し、熱交換の際、偏った温度分布になって過度な熱応力が発生し、伝熱管を焼損または破損させるおそれがある。
【００２１】
このような問題点に対し、図６で示すコンバインドサイクル発電プラントでは、部分負荷運転の際、第２高圧過熱器１５が過酷な状態にならないように、現在模索中である。
【００２２】
他方、起動運転時、図７で示すコンバインドサイクル発電プラントでは、第１高圧過熱器１６の出口側にバイパス管３２と平行に冷却蒸気管３４を設け、高圧ドラム１７に残っている蒸気を利用し、その蒸気を第１高圧過熱器１５に案内し、第１高圧過熱器１５を冷却蒸気供給源として、その蒸気の一部を冷却蒸気管３４に、またその残りを第２高圧過熱器１５を介して第３高圧過熱器１４にそれぞれ供給し、第３高圧過熱器１４の出口側で合流させ、その合流蒸気をガスタービン８に供給し、ガスタービン８の構成部品を冷却する構成になっている。しかしながら、起動運転時でも例えばホットスタートやベリーホットスタートのとき、各熱交換器の残留熱が未だ高いため、ガスタービン８が求めている冷却用蒸気の温度を超えることがある。冷却用蒸気を適温にするためには、図７に示すように、ガスタービン８の入口側に比較的温度の低い蒸気を生成する蒸気発生装置３５を設置する必要があるが、設備のコストを考えると得策な手段ではない。
【００２３】
なお、図７においては、ガスタービン８の出口側には、復水器１２に接続する第１バイパス管１２ａが設けられ、さらに高圧タービン９の入口側には復水器１２に接続する第２バイパス管１２ｂが設けられている。
【００２４】
このように、既に提案されている図６および図７で示すコンバインドサイクル発電プラントでは、図８に示すように、負荷の変動にも拘らず安定した蒸気温度を生成する第１高圧過熱器１６を蒸気供給源に設定し、ここから高圧タービン９に適温蒸気を供給し、またガスタービン８に適温の冷却用蒸気を供給する設計であるが、子細に考察してみると、上述諸種の問題点を備えており、ガスタービンプラントの高温化に充分に対処できる改善策が必要とされる。
【００２５】
本発明は、このような技術背景の下になされたもので、部分負荷運転になっても排熱回収ボイラから蒸気タービンプラントに適温の蒸気を安定供給できるコンバインドサイクル発電プラントを提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明の他の目的は、起動運転時、排熱回収ボイラから適温の冷却用蒸気をガスタービンプラントに供給するコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法を提供することにある。
【００２７】
また、本発明の他の目的は、排熱回収ボイラから発生する蒸気を他のプラントに供給できるコンバインドサイクル発電プラントを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを備え、ガスタービンプラントの排ガスを利用して蒸気タービンプラントの駆動蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、上記排熱回収ボイラに収容する蒸発器を第１蒸発器と第２蒸発器とに分割し、第１蒸発器と第２蒸発器との中間部であって過熱度の低い過熱蒸気を発生させる位置に過熱器を設置したものである。
【００２９】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、蒸発器は高圧蒸発器であり、過熱器は高圧過熱器であることを特徴とするものである。
【００３１】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、蒸発器を２分割したその中間部に設置した過熱器は、その上流側に位置した別の過熱器から発生する過熱蒸気に、上記過熱器から発生した過熱蒸気を合流させるバイパス管を備えたものである。
【００３２】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、バイパス管は、バイパス弁を備えたものである。
【００３３】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、過熱器は、発生した過熱蒸気を他のプラントのプロセス蒸気に利用するものである。
【００３４】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、排熱回収ボイラからガスタービンプラントに冷却用蒸気を供給するコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法において、起動運転時、上記排熱回収ボイラの高圧ドラムに残っている蒸気を、蒸発器を２分割しその中間部に設置した過熱器に供給し、この過熱器から発生する蒸気を冷却用蒸気としてガスタービンプラントに供給し、蒸気タービンプラントが通気運転を開始した後、蒸気タービンプラントの排気蒸気と上記排熱回収ボイラから発生する蒸気とを合流させ、その合流蒸気を上記ガスタービンプラントに冷却用蒸気として供給する方法である。
【００３６】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、過熱器は、発生する蒸気を、冷却蒸気管を介して冷却用蒸気としてガスタービンプラントに供給する際、上記過熱器の上流側に設置した別の過熱器から発生する蒸気に合流させる方法である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントおよびその冷却用蒸気供給方法の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの実施形態を示す概略図である。
【００３９】
本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント３６に蒸気タービンプラント３７を回転軸３８で結合させるとともに、ガスタービンプラント３６に冷却用蒸気を供給する一方、蒸気タービンプラント３７に駆動用蒸気を供給する排熱回収ボイラ３９を別置きに設置する構成になっている。
【００４０】
ガスタービンプラント３６は、発電機４０、空気圧縮機４１、燃焼器４２、ガスタービン４３を備え、空気圧縮機４１で吸い込んだ大気ＡR を高圧の圧縮空気にして燃焼器４２に案内し、ここで燃料を加えて燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスをガスタービン４３で膨張させ、その動力により発電機４０を駆動するようになっている。
【００４１】
蒸気タービンプラント３７は、高圧タービン４４、中圧タービン４５、低圧タービン４６、復水器４７をそれぞれ備え、高圧タービン４４で、膨張後の排気蒸気を排熱回収ボイラ３９の再熱器４８に案内して過熱させ、再熱蒸気として中圧タービン４５に案内して膨張させ、その排気蒸気を低圧タービン４６で再び膨張させた後、復水器４７で復水に凝縮させ、給水としてポンプ４９を介して排熱ボイラ３９に供給するようになっている。
【００４２】
一方、排熱回収ボイラ３９は、ガスタービンプラント４３の排ガスＧの流れに沿ってその上流側から下流側に向って順に、第３高圧過熱器５０、再熱器４８、第２高圧過熱器５１、高圧ドラム５２を備えた高圧蒸発器５３、中圧過熱器５７、高圧節炭器５８、低圧過熱器５９、中圧ドラム６０を備えた中圧蒸発器６１、中圧節炭器６２、低圧ドラム６３を備えた低圧蒸発器６４、低圧節炭器６５をそれぞれ収容し、各熱交換器と排ガスＧとの熱交換により蒸気を発生させるようになっている。なお、符号６８は、低圧節炭器６５の飽和水の一部を中圧節炭器６２に供給する低圧ポンプであり、また符号６９は、その飽和水の一部を高圧節炭器５８に供給する高圧ポンプである。
【００４３】
また、高圧蒸発器５３は、２区分に分割された第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とを備える一方、第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５との中間部に第１高圧過熱器５６を設置する構成になっている。高圧蒸発器５３を第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とにそれぞれ２分割し、第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５との中間部に第１高圧過熱器５６を設置するのは、次の理由からである。
【００４４】
高圧蒸発器５３を通過する排ガスＧの温度は、図２に示すように、その入口側で飽和温度＋１７０℃であるが、その中央部よりも後流側になると、飽和温度差が小さくなることが知られている。このため、本実施形態では、排ガス温度が飽和温度＋３０℃〜１０℃になる領域Ａに第１高圧過熱器５６を設置すれば、ここから発生する過熱蒸気の過熱度を１０℃〜２０℃と比較的低く抑えることができる。この場合、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気と排ガスＧとのピンチポイントは、試算によれば、約８℃になっている。また、蒸気タービンプラント３７が過熱度５℃〜１０℃程度の低過熱度の過熱蒸気を必要とする場合、第１高圧過熱器５６は、高圧蒸発器５３を２分割にした第１高圧蒸発器５５の後流側に設置することが望ましい。
【００４５】
次に作用を説明する。
【００４６】
コンバインドサイクル発電プラントが部分負荷運転に入ると、ガスタービンプラント３６から排熱回収ボイラ３９に供給される排ガスＧの温度は上昇し、これに伴って第３高圧過熱器５０、第２高圧過熱器５１、第１高圧過熱器５６のそれぞれの熱交換器から発生する蒸気の温度も上昇し、蒸気タービンプラント３７の高圧タービン４４が要求する駆動蒸気の温度を超える。
【００４７】
しかし、本実施形態では、高圧蒸発器５３を第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とに分割し、これら２分割した高圧蒸発器５３の中間部に第１高圧過熱器５６を設置し、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気の過熱度を、図２に示すように、１０℃〜２０℃の範囲に低く抑えている。このため、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気の一部を、バイパス弁６６を備えたバイパス管６７にバイパス蒸気量として供給する場合、その流量を低く抑えることができ、また、その残りの過熱蒸気を第２高圧過熱器５１に供給し、ここから発生する過熱蒸気の温度を低く抑えることができる。試算によれば、本実施形態に係る第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気温度は、既に提案されている図６に示す第１高圧過熱器１６の過熱蒸気温度４００℃以上に対し、約１００℃低くなっている。
【００４８】
図３は、ガスタービンプラント３６の負荷変動に対し、破線で示す排ガスＧの温度分布、実線で示す第２高圧過熱器５１から発生する過熱蒸気の温度分布、一点鎖線で示す第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気の温度分布、実線で示すバイパス蒸気量割合をそれぞれ示す特性図である。
【００４９】
この図からも理解できるように、ガスタービンプラント１の負荷変動に対し、排ガスＧの温度は上昇するが、その上昇に較べて第２高圧過熱器５１から発生する過熱蒸気の温度およびバイパス蒸気量は低くなっている。
【００５０】
このように、過熱度の比較的低い過熱蒸気を発生させる第１高圧過熱器５６は、その過熱蒸気を第２高圧過熱器５１により多く供給し、バイパス管６７に相対的に低く供給し、そのバイパス蒸気量に第２高圧過熱器５１から発生する蒸気蒸気を合流させて温度を下げ、温度の低くなった合流蒸気を第３高圧過熱器５０で部分負荷運転に必要な適温の駆動蒸気にして高圧タービン４４に供給し、高圧タービン４４を駆動する。高圧タービン４４は、駆動蒸気を膨張させて発電機４０を回転駆動する一方、その排気蒸気を中圧過熱器５７から発生する蒸気に合流させ、その合流蒸気をガスタービン４３に供給し、ガスタービン４３の構成部品を冷却した後、再熱器４８から発生する再熱蒸気に合流させ、この合流蒸気を中圧タービン４５で膨張させた後、低圧タービン４６に供給する。
【００５１】
本実施形態によれば、高圧蒸発器５３を第２高圧過熱器５４と第１高圧過熱器５５とに２分割し、これら高圧蒸発器５３の中間部に第１高圧過熱器５６を設置し、この第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気の過熱度を低くしたから、部分負荷運転時、第２高圧過熱器５１により多くの過熱蒸気を供給でき、バイパス管６７に相対的に少ない過熱蒸気を供給でき、第３高圧過熱器５０に減温手段を設けることなく高圧タービン４４に適温の駆動蒸気を供給することができる。
【００５２】
その際、第２高圧過熱器５１は、より多くの過熱蒸気が流れるから、熱交換の際の熱応力発生の低い均一な温度分布にでき、伝熱管の材力強度を長く維持することができる。また、バイパス管６７には、従来よりも少ない過熱蒸気が流れるから、バイパス弁６６の選定の際、比較的小口径のものを選択でき、コストの低減を図ることができる。
【００５３】
また、第１高圧過熱器５６は、一般的に高圧ドラム５２から供給される飽和蒸気に含まれているシリカ等の不純物をその伝熱管に付着させて、その飽和蒸気の清浄度を高くする機能を備えているので、ガスタービン４３の構成部品に冷却用蒸気を供給する際、比較的高清浄の冷却用蒸気を供給でき、ガスタービン４３の構成部品の目詰り等を低く抑えることができる。
【００５４】
図４は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法の実施形態を示す概略系統図である。なお、図１で示したコンバインドサイクル発電プラントの実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【００５５】
本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法の説明に先立ち、まずその構成を説明する。
【００５６】
高圧蒸発器５３を第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とに分割し、これら高圧蒸発器５３の中間部に設置する第１高圧過熱器５６の出口側には、ガスタービン４３の入口側に接続する調節弁７０を介装する冷却蒸気管７１を備えている。また、ガスタービン４３の出口側には、復水器４７に接続する第１バイパス管７２が設けられ、さらに高圧タービン４４の入口側には、復水器４７に接続する第２バイパス管７３が設けられている。
【００５７】
ところで、コンバインドサイクル発電プラントは、コンベンショナル発電プラントと異なり、デイリースタート・ストップ運転（以下ＤＳＳと記す）が多い。ＤＳＳ運転の場合、その起動運転前の排熱回収ボイラ３９に収容している第３高圧過熱器５０、第２高圧過熱器５１、高圧蒸発器５３を２分割する第２高圧蒸発器５４、第１高圧蒸発器５５のそれぞれは、ウォーミング状態に維持されており、その残留熱も高い。
【００５８】
また、高圧ドラム５２は、圧力が約６０kg／cm2 の蒸気を、中圧ドラム６０は、圧力が約１２kg／cm2 の蒸気を、低圧ドラム６３は約４kg／cm2 の蒸気をそれぞれ保有している。
【００５９】
また、ガスタービン４３の構成部品に冷却用蒸気を供給する場合、諸損失を考慮して試算すると、冷却用蒸気は、その圧力が２０kg／cm2 必要とされる。さらに、第１高圧過熱器５６は、高圧ドラム５２から供給される蒸気に対し、過熱度１０℃〜２０℃に低く抑えることができる。このため、第１高圧過熱器５６は、ホットスタート起動運転時、冷却用蒸気の温度を約３００℃にできるので、ガスタービン４３の構成部品が求めている冷却用蒸気の温度３５０℃以下に対し、充分に供給可能である。
【００６０】
本実施形態は、このような試算に基づくもので、以下に冷却用蒸気供給方法を説明する。
【００６１】
コンバインドサイクル発電プラントの起動運転前、先ず、第１高圧過熱器５６は、高圧ドラム５２の蒸気を第２高圧過熱器５１、第３高圧過熱器５０を介して第２バイパス管７３により復水器４７に流入させ、各高圧過熱器５１，５０内のシリカ等の不純物をブローする。次に、バイパス管６７のバイパス弁６６を絞って冷却蒸気管７１の調節弁７０を開口させて高圧ドラム５２の蒸気を冷却用蒸気としてガスタービン４３に供給する。このとき、冷却用蒸気の温度が低過ぎてガスタービン４３の構成部品に熱応力を発生させるような場合、第３高圧過熱器５０の出口側に設けた調節弁７４を開口させ、第３高圧過熱器５０の蒸気を合流させ、その合流蒸気の温度を適温の冷却用蒸気温度に調節する。冷却用蒸気は、ガスタービン４３の構成部品を冷却した後、第１バイパス管７２から復水器４７に流入させるか、または排熱回収ボイラ３９の煙突（図示せず）に放出させる。
【００６２】
ガスタービン４３の起動運転が終了し、蒸気タービンプラント３７が通気運転を開始すると、高圧タービン４４の排気蒸気と中圧過熱器５７の蒸気とを合流させ、その合流蒸気によりガスタービン４３の構成部品の冷却運転を行う。
【００６３】
本実施形態によれば、高圧ドラム５２に残っている蒸気を利用し、その蒸気を第１高圧過熱器５６からガスタービン４３の構成部品に冷却用蒸気として供給する際、適温の冷却用蒸気に調節したから、排熱回収ボイラ３９の各熱交換器が未だ蒸気を発生させていなくとも、ガスタービン４３の構成部品を確実に冷却することができ、ガスタービン４３に安定運転を行わせることができる。
【００６４】
図５は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、図１に示した実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付す。
【００６５】
本実施形態は、高圧蒸発器５３を、第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とに分割し、これら高圧蒸発器５３の中間部に設置した第１高圧過熱器５６にプロセス蒸気供給管７５を設け、石炭ガス化、残渣油ガス化プラント等のガス化炉へ第１高圧過熱器５６の蒸気を供給できるようにしたものである。
【００６６】
排熱回収ボイラ３９からガスタービン４３の構成部品に冷却用蒸気を供給しないコンバインドサイクル発電プラントでは、第３高圧過熱器５０の蒸気を、適温の駆動蒸気にして高圧タービン４４に供給する場合、第２高圧過熱器５１の出口側に減温器７６を設け、この減温器７６に高圧節炭器５８からの蒸気を高圧過熱器減温水管７７から第２または第３高圧過熱器５１，５０の出口温度によって制御される弁７８を介して供給し、第２高圧過熱器５１の過熱蒸気の温度を下げて第３高圧過熱器５０に供給している。このため、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気は、その圧力が１００kg／cm2 、その温度が約３５０℃になっている。
【００６７】
本実施形態は、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気を、石炭ガス化プラント等のガス化炉に、プロセス蒸気として供給できるようにしたから、排熱回収ボイラから発生する過熱蒸気の有効活用を図ることができる。特に、ガス化発電プラントは、最近注目されているので、排熱回収ボイラから過熱蒸気を受けられれば熱精算上、有益である。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、高圧蒸発器を２分割に形成し、その２分割された高圧蒸発器の中間部の比較的過熱度の低い過熱蒸気を発生する位置に第１高圧過熱器を設置し、第１高圧過熱器から発生する過熱蒸気を調整して高圧タービンに供給したので、部分負荷運転でも減温手段を特別に設けることもなく、適温の駆動蒸気として高圧タービンに供給することができる。
【００６９】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法は、高圧ドラムの蒸気を第１高圧過熱器で比較的過熱度の低い過熱蒸気を発生させ、その過熱蒸気を調整してガスタービンの構成部品に供給するので、起動運転時、排熱回収ボイラの各熱交換器から未だ蒸気が発生していなくとも、適温の冷却用蒸気としてガスタービンの構成部品に確実に供給することができる。
【００７０】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、第１高圧過熱器で発生した過熱蒸気をプロセス蒸気として他のプラントに供給するので、熱の有効活用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの実施形態を示す概略図。
【図２】本発明に係る第１高圧過熱器の設置位置を設定する場合の説明図。
【図３】本発明により得られた負荷変動に対する蒸気温度、バイパス蒸気流量の分布を示すグラフ。
【図４】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法を説明する概略系統図。
【図５】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第２実施形態を示す概略図。
【図６】従来のコンバインドサイクル発電プラントの実施形態を示す概略図。
【図７】従来のコンバインドサイクル発電プラントの別の実施形態を示す概略図。
【図８】従来の負荷変動に対する蒸気温度、バイパス蒸気流量の分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１ ガスタービンプラント
２ 蒸気タービンプラント
３ 回転軸
４ 排熱回収ボイラ
５ 発電機
６ 空気圧縮機
７ 燃焼器
８ ガスタービン
９ 高圧タービン
１０ 中圧タービン
１１ 低圧タービン
１２ 復水器
１３ 再熱器
１４ 第３高圧過熱器
１５ 第２高圧過熱器
１６ 第１高圧過熱器
１７ 高圧ドラム
１８ 高圧蒸発器
１９ 中圧過熱器
２０ 高圧節炭器
２１ 低圧過熱器
２２ 中圧ドラム
２３ 中圧蒸発器
２４ 中圧節炭器
２５ 低圧ドラム
２６ 低圧蒸発器
２７ 低圧節炭器
２８ 低圧ポンプ
２９ 高圧ポンプ
３０ 蒸気管
３１ バイパス弁
３２ バイパス管
３３ 調節弁
３４ 冷却蒸気管
３５ 蒸気発生装置
３６ ガスタービンプラント
３７ 蒸気タービンプラント
３８ 回転軸
３９ 排熱回収ボイラ
４０ 発電機
４１ 空気圧縮機
４２ 燃焼器
４３ ガスタービン
４４ 高圧タービン
４５ 中圧タービン
４６ 低圧タービン
４７ 復水器
４８ 再熱器
４９ ポンプ
５０ 第３高圧過熱器
５１ 第２高圧過熱器
５２ 高圧ドラム
５３ 高圧蒸発器
５４ 第２高圧過熱器
５５ 第１高圧蒸発器
５６ 第１高圧過熱器
５７ 中圧過熱器
５８ 高圧節炭器
５９ 低圧過熱器
６０ 中圧ドラム
６１ 中圧蒸発器
６２ 中圧節炭器
６３ 低圧ドラム
６４ 低圧過熱器
６５ 低圧節炭器
６６ バイパス弁
６７ バイパス管
６８ 低圧ポンプ
６９ 高圧ポンプ
７０ 調節弁
７１ 冷却蒸気管
７２ 第１バイパス管
７３ 第２バイパス管
７４ 調節弁
７５ プロセス蒸気供給管
７６ 減温器
７７ 高圧過熱器減温水管
７８ 弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱回収ボイラから発生する蒸気を、適正温度にして蒸気タービンプラントに供給する一方、排熱回収ボイラから発生する蒸気を、ガスタービンプラントに冷却用蒸気として供給するコンバインドサイクル発電プラントおよびその冷却用蒸気供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のコンバインドサイクルでは、高出力化・高熱効率化の開発が進められており、これに伴ってガスタービン入口の燃焼ガス温度も従来の１３００℃から１５００℃以上に上昇させる高温化が計画されている。
【０００３】
ガスタービン入口の燃焼ガス温度を高温化させる場合、従来のように、ガスタービンプラントの構成部品に、例えば高クロム鋼材を使用し、空気圧縮機の圧縮空気の一部を冷却用としてガスタービンプラントの構成部品に供給していたのでは、その強度保証上、限界になりつつある。このため、ガスタービンプラントの構成部品に供給する冷却媒体として、従来の圧縮空気の代替として新たな冷却媒体の模索が開始され、その一つに蒸気が選定され、蒸気冷却のコンバインドサイクル発電プラントとして、例えば特開平５−１６３９６０号公報、特開平６−９３８７９号公報が既に公表されている。
【０００４】
蒸気は、圧縮空気に較べ比熱が高く、ガスタービンプラントの高温化に伴うその構成部品、例えばガスタービン静翼・動翼の熱吸収に適している。しかし、ガスタービン静翼・動翼は、その翼内部が複雑に入り組んだ蛇行状の狭い通路になっているため、ここを通過する蒸気に不純物、例えばシリカ等が混入していると、目詰り等の発生により偏った冷却が行なわれ、冷却不均一に伴う熱ひずみにより翼を破損させるおそれがある。このため、冷却用蒸気は、清浄度の高いものが求められている。
【０００５】
また、ガスタービンプラントの構成部品に冷却用蒸気を供給する場合、適正温度の蒸気を供給できる蒸気供給源を選定しておかないと、ガスタービンプラントの構成部品は、駆動流体である燃焼ガスとの温度差との関係から過度な熱応力を発生し、破損するおそれがある。このため、ガスタービンプラントの構成部品は、適正温度の冷却用蒸気が供給できる蒸気供給源の確保を必要としている。
【０００６】
一方、ガスタービンプラントの高温化に伴って排熱回収ボイラから蒸気タービンプラントに供給する蒸気も高温化するが、この場合、蒸気温度が高過ぎると、蒸気タービンプラントは、過度な熱応力が発生し、その材力強度の維持が難しくなる。このため、蒸気タービンプラントは、適正温度の蒸気が供給できる蒸気供給源の確保を必要としている。
【０００７】
このように、コンバインドサイクル発電プラントでは、冷却用蒸気の清浄度といい、適正温度の蒸気供給といい、ガスタービンプラントおよび蒸気タービンプラントにとって必要不可欠な技術事項を考察して排熱回収ボイラの第１高圧過熱器を蒸気供給源に設定しており、その例示として図６に示すものが既に提案されている。
【０００８】
このコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント１と蒸気タービンプラント２とを共通の回転軸３で結合させるとともに、排熱回収ボイラ４を別置き配置としている。
【０００９】
ガスタービンプラント１は、発電機５、空気圧縮機６、燃焼器７、ガスタービン８を備え、空気圧縮機６で吸い込んだ大気ＡR を高圧の圧縮空気にして燃焼器７に案内し、ここで燃料を加えて燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスをガスタービン８で膨張させ、その動力により発電機５を駆動させるようになっている。
【００１０】
蒸気タービンプラント２は、高圧タービン９、中圧タービン１０、低圧タービン１１、復水器１２をそれぞれ備え、高圧タービン９で膨張後の排気蒸気を排熱回収ボイラ４の再熱器１３に案内して過熱させ、再熱蒸気として中圧タービン１０に案内して膨張させ、その排気蒸気を低圧タービン１１で再び膨張させた後、復水器１２で復水に凝縮させ、給水としてポンプ１３を介して排熱回収ボイラ４に供給するようになっている。
【００１１】
一方、排熱回収ボイラ４は、ガスタービンプラント１の排ガスＧの流れに沿ってその上流側から下流側に向って順に、第３高圧過熱器１４、再熱器１３、第２高圧過熱器１５、第１高圧過熱器１６、高圧ドラム１７を備えた高圧蒸発器１８、中圧過熱器１９、高圧節炭器２０、低圧過熱器２１、中圧ドラム２２を備えた中圧蒸発器２３、中圧節炭器２４、低圧ドラム２５を備えた低圧蒸発器２６、低圧節炭器２７をそれぞれ収容し、各熱交換器と排ガスＧとの熱交換により蒸気を発生させるようになっている。
【００１２】
すなわち、排熱回収ボイラ４は、蒸気タービンプラント２の復水器１２からポンプ１３を介して供給される給水を低圧節炭器２７で予熱させて低圧ドラム２５に案内し、ここでドラム水の密度差を利用して低圧蒸発器２６に循環させて蒸気を生成し、その蒸気を低圧過熱器２１を介して低圧タービン１１に供給するようになっている。
【００１３】
また、低圧節炭器２７は、その出口側で分流させた飽和水の一部を低圧ポンプ２８、中圧節炭器２４を介して低圧ドラム２２に案内し、ここでもドラム水の密度差を利用して低圧蒸発器２３に循環させて蒸気を生成し、その蒸気を中圧過熱器１９を介してガスタービンプラント１に供給し、ガスタービン８の構成部品を冷却するようになっている。
【００１４】
また、低圧節炭器２７は、その残りの飽和水を高圧ポンプ２９、高圧節炭器２０を介して高圧ドラム１７に案内し、高圧蒸発器１８で循環させて蒸気を生成し、その蒸気を第１高圧過熱器１６に案内するようになっている。
【００１５】
一方、第１高圧過熱器１６は、蒸気を第２高圧過熱器１５に案内する蒸気管３０と、バイパス弁３１を介装したバイパス管３２をそれぞれ備えており、第２高圧過熱器１５で発生した過熱蒸気にバイパス管３２の蒸気を合流させ、適正温度に下げてから第３高圧過熱器１４を介して蒸気タービンプラント２の高圧タービン９に供給するようになっている。
【００１６】
このように、既に提案されているコンバインドサイクル発電プラントでは、排熱回収ボイラ４から高圧タービン９に蒸気を供給する際、その蒸気供給源を第１高圧過熱器１６に設定し、ここから発生する蒸気を第２高圧過熱器１５を介して過熱蒸気にするとき、バイパス管３２を介してその蒸気温度を下げ、第３高圧過熱器１４から高圧タービン９に適温の過熱蒸気として供給している。
【００１７】
また、ガスタービン８の構成部品に冷却用蒸気を供給する場合、排熱ボイラ４は、中圧過熱器１９で生成した飽和蒸気と高圧タービン９の排気蒸気とを合流させ、その合流蒸気をガスタービン８に供給し、ガスタービン入口の燃焼ガスの高温化に伴うガスタービン部材の強度維持を図っている。なお、ガスタービン８の構成部品を冷却した蒸気は、再熱器１３の再熱蒸気とともに中圧タービン１０に案内される。
【００１８】
ところで、図６で示すコンバインドサイクル発電プラントでは、起動運転時、排熱回収ボイラ４から未だ蒸気を生成させていないので、中圧過熱器１９や高圧タービン９からガスタービン８に冷却用蒸気を供給することができない。このため、ガスタービン８の構成部品の冷却にあたり、排熱回収ボイラ４の高圧ドラム１７に残っている蒸気を利用する計画が進められている。この場合、排熱回収ボイラ４は、第１高圧過熱器１６、第２高圧過熱器１５、第３高圧過熱器１４の残留熱が利用できるので、図７に示すように、第１高圧過熱器１６の出口側にバイパス管３２と平行させて調節弁３３を備えた冷却蒸気管３４を設け、高圧ドラム１７の残留蒸気を第１高圧過熱器１６に案内して過熱させ、その蒸気の一部を第２高圧過熱器１５、第１高圧過熱器１４に案内するとともに、残りの蒸気を冷却蒸気管３４にも案内し、第３高圧過熱器１４の出口側で合流させ、その合流蒸気によりガスタービン８の高温部を暫定的に冷却しておき、ガスタービンプラント１が高負荷になったとき、図６で示す中圧過熱器１９と高圧タービン９との合流蒸気によりガスタービン８の構成部品を蒸気冷却する設計が進められている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６に示すコンバインドサイクル発電プラントでは、定格運転時、排熱回収ボイラ４から高圧タービン９に適温の蒸気を供給する計画を進めていても、部分負荷運転になると、ガスタービン８から排熱回収ボイラ４に供給される排ガスＧがさらに高まる。
【００２０】
一般に、ガスタービンプラント１は、部分負荷運転を行う場合、図８の破線で示すように、排ガスＧの温度が上昇する。この排ガスＧの温度上昇に対し、第１高圧過熱器１６の蒸気温度は、図示の一点鎖線で示すように、ほぼ一定であるにも拘らず、第２高圧過熱器１５の蒸気温度は、図示の実線で示すように、高温化する。また、第３高圧過熱器１４の蒸気温度も、第２高圧過熱器１５の蒸気温度と同様に上昇する。この場合、排熱回収ボイラ４は、第３高圧過熱器１４の過熱蒸気を適温にして高圧タービン９に供給するため、第１高圧過熱器１６の蒸気をバイパス管３２を介して第３高圧過熱器１４に供給する際、図示の実線で示すように、バイパス蒸気流量を増加させるようにしている。このため、第２高圧過熱器１５は、排ガスＧの高温化に伴ってその熱交換量が増加するにも拘らず、その被加熱対象の蒸気量が激減し、熱交換の際、偏った温度分布になって過度な熱応力が発生し、伝熱管を焼損または破損させるおそれがある。
【００２１】
このような問題点に対し、図６で示すコンバインドサイクル発電プラントでは、部分負荷運転の際、第２高圧過熱器１５が過酷な状態にならないように、現在模索中である。
【００２２】
他方、起動運転時、図７で示すコンバインドサイクル発電プラントでは、第１高圧過熱器１６の出口側にバイパス管３２と平行に冷却蒸気管３４を設け、高圧ドラム１７に残っている蒸気を利用し、その蒸気を第１高圧過熱器１５に案内し、第１高圧過熱器１５を冷却蒸気供給源として、その蒸気の一部を冷却蒸気管３４に、またその残りを第２高圧過熱器１５を介して第３高圧過熱器１４にそれぞれ供給し、第３高圧過熱器１４の出口側で合流させ、その合流蒸気をガスタービン８に供給し、ガスタービン８の構成部品を冷却する構成になっている。しかしながら、起動運転時でも例えばホットスタートやベリーホットスタートのとき、各熱交換器の残留熱が未だ高いため、ガスタービン８が求めている冷却用蒸気の温度を超えることがある。冷却用蒸気を適温にするためには、図７に示すように、ガスタービン８の入口側に比較的温度の低い蒸気を生成する蒸気発生装置３５を設置する必要があるが、設備のコストを考えると得策な手段ではない。
【００２３】
なお、図７においては、ガスタービン８の出口側には、復水器１２に接続する第１バイパス管１２ａが設けられ、さらに高圧タービン９の入口側には復水器１２に接続する第２バイパス管１２ｂが設けられている。
【００２４】
このように、既に提案されている図６および図７で示すコンバインドサイクル発電プラントでは、図８に示すように、負荷の変動にも拘らず安定した蒸気温度を生成する第１高圧過熱器１６を蒸気供給源に設定し、ここから高圧タービン９に適温蒸気を供給し、またガスタービン８に適温の冷却用蒸気を供給する設計であるが、子細に考察してみると、上述諸種の問題点を備えており、ガスタービンプラントの高温化に充分に対処できる改善策が必要とされる。
【００２５】
本発明は、このような技術背景の下になされたもので、部分負荷運転になっても排熱回収ボイラから蒸気タービンプラントに適温の蒸気を安定供給できるコンバインドサイクル発電プラントを提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明の他の目的は、起動運転時、排熱回収ボイラから適温の冷却用蒸気をガスタービンプラントに供給するコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法を提供することにある。
【００２７】
また、本発明の他の目的は、排熱回収ボイラから発生する蒸気を他のプラントに供給できるコンバインドサイクル発電プラントを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを備え、ガスタービンプラントの排ガスを利用して蒸気タービンプラントの駆動蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、上記排熱回収ボイラに収容する蒸発器を第１蒸発器と第２蒸発器とに分割し、第１蒸発器と第２蒸発器との中間部であって過熱度の低い過熱蒸気を発生させる位置に過熱器を設置したものである。
【００２９】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、蒸発器は高圧蒸発器であり、過熱器は高圧過熱器であることを特徴とするものである。
【００３１】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、蒸発器を２分割したその中間部に設置した過熱器は、その上流側に位置した別の過熱器から発生する過熱蒸気に、上記過熱器から発生した過熱蒸気を合流させるバイパス管を備えたものである。
【００３２】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、バイパス管は、バイパス弁を備えたものである。
【００３３】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、過熱器は、発生した過熱蒸気を他のプラントのプロセス蒸気に利用するものである。
【００３４】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、排熱回収ボイラからガスタービンプラントに冷却用蒸気を供給するコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法において、起動運転時、上記排熱回収ボイラの高圧ドラムに残っている蒸気を、蒸発器を２分割しその中間部に設置した過熱器に供給し、この過熱器から発生する蒸気を冷却用蒸気としてガスタービンプラントに供給し、蒸気タービンプラントが通気運転を開始した後、蒸気タービンプラントの排気蒸気と上記排熱回収ボイラから発生する蒸気とを合流させ、その合流蒸気を上記ガスタービンプラントに冷却用蒸気として供給する方法である。
【００３６】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、過熱器は、発生する蒸気を、冷却蒸気管を介して冷却用蒸気としてガスタービンプラントに供給する際、上記過熱器の上流側に設置した別の過熱器から発生する蒸気に合流させる方法である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントおよびその冷却用蒸気供給方法の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの実施形態を示す概略図である。
【００３９】
本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント３６に蒸気タービンプラント３７を回転軸３８で結合させるとともに、ガスタービンプラント３６に冷却用蒸気を供給する一方、蒸気タービンプラント３７に駆動用蒸気を供給する排熱回収ボイラ３９を別置きに設置する構成になっている。
【００４０】
ガスタービンプラント３６は、発電機４０、空気圧縮機４１、燃焼器４２、ガスタービン４３を備え、空気圧縮機４１で吸い込んだ大気ＡR を高圧の圧縮空気にして燃焼器４２に案内し、ここで燃料を加えて燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスをガスタービン４３で膨張させ、その動力により発電機４０を駆動するようになっている。
【００４１】
蒸気タービンプラント３７は、高圧タービン４４、中圧タービン４５、低圧タービン４６、復水器４７をそれぞれ備え、高圧タービン４４で、膨張後の排気蒸気を排熱回収ボイラ３９の再熱器４８に案内して過熱させ、再熱蒸気として中圧タービン４５に案内して膨張させ、その排気蒸気を低圧タービン４６で再び膨張させた後、復水器４７で復水に凝縮させ、給水としてポンプ４９を介して排熱ボイラ３９に供給するようになっている。
【００４２】
一方、排熱回収ボイラ３９は、ガスタービンプラント４３の排ガスＧの流れに沿ってその上流側から下流側に向って順に、第３高圧過熱器５０、再熱器４８、第２高圧過熱器５１、高圧ドラム５２を備えた高圧蒸発器５３、中圧過熱器５７、高圧節炭器５８、低圧過熱器５９、中圧ドラム６０を備えた中圧蒸発器６１、中圧節炭器６２、低圧ドラム６３を備えた低圧蒸発器６４、低圧節炭器６５をそれぞれ収容し、各熱交換器と排ガスＧとの熱交換により蒸気を発生させるようになっている。なお、符号６８は、低圧節炭器６５の飽和水の一部を中圧節炭器６２に供給する低圧ポンプであり、また符号６９は、その飽和水の一部を高圧節炭器５８に供給する高圧ポンプである。
【００４３】
また、高圧蒸発器５３は、２区分に分割された第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とを備える一方、第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５との中間部に第１高圧過熱器５６を設置する構成になっている。高圧蒸発器５３を第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とにそれぞれ２分割し、第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５との中間部に第１高圧過熱器５６を設置するのは、次の理由からである。
【００４４】
高圧蒸発器５３を通過する排ガスＧの温度は、図２に示すように、その入口側で飽和温度＋１７０℃であるが、その中央部よりも後流側になると、飽和温度差が小さくなることが知られている。このため、本実施形態では、排ガス温度が飽和温度＋３０℃〜１０℃になる領域Ａに第１高圧過熱器５６を設置すれば、ここから発生する過熱蒸気の過熱度を１０℃〜２０℃と比較的低く抑えることができる。この場合、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気と排ガスＧとのピンチポイントは、試算によれば、約８℃になっている。また、蒸気タービンプラント３７が過熱度５℃〜１０℃程度の低過熱度の過熱蒸気を必要とする場合、第１高圧過熱器５６は、高圧蒸発器５３を２分割にした第１高圧蒸発器５５の後流側に設置することが望ましい。
【００４５】
次に作用を説明する。
【００４６】
コンバインドサイクル発電プラントが部分負荷運転に入ると、ガスタービンプラント３６から排熱回収ボイラ３９に供給される排ガスＧの温度は上昇し、これに伴って第３高圧過熱器５０、第２高圧過熱器５１、第１高圧過熱器５６のそれぞれの熱交換器から発生する蒸気の温度も上昇し、蒸気タービンプラント３７の高圧タービン４４が要求する駆動蒸気の温度を超える。
【００４７】
しかし、本実施形態では、高圧蒸発器５３を第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とに分割し、これら２分割した高圧蒸発器５３の中間部に第１高圧過熱器５６を設置し、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気の過熱度を、図２に示すように、１０℃〜２０℃の範囲に低く抑えている。このため、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気の一部を、バイパス弁６６を備えたバイパス管６７にバイパス蒸気量として供給する場合、その流量を低く抑えることができ、また、その残りの過熱蒸気を第２高圧過熱器５１に供給し、ここから発生する過熱蒸気の温度を低く抑えることができる。試算によれば、本実施形態に係る第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気温度は、既に提案されている図６に示す第１高圧過熱器１６の過熱蒸気温度４００℃以上に対し、約１００℃低くなっている。
【００４８】
図３は、ガスタービンプラント３６の負荷変動に対し、破線で示す排ガスＧの温度分布、実線で示す第２高圧過熱器５１から発生する過熱蒸気の温度分布、一点鎖線で示す第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気の温度分布、実線で示すバイパス蒸気量割合をそれぞれ示す特性図である。
【００４９】
この図からも理解できるように、ガスタービンプラント１の負荷変動に対し、排ガスＧの温度は上昇するが、その上昇に較べて第２高圧過熱器５１から発生する過熱蒸気の温度およびバイパス蒸気量は低くなっている。
【００５０】
このように、過熱度の比較的低い過熱蒸気を発生させる第１高圧過熱器５６は、その過熱蒸気を第２高圧過熱器５１により多く供給し、バイパス管６７に相対的に低く供給し、そのバイパス蒸気量に第２高圧過熱器５１から発生する蒸気蒸気を合流させて温度を下げ、温度の低くなった合流蒸気を第３高圧過熱器５０で部分負荷運転に必要な適温の駆動蒸気にして高圧タービン４４に供給し、高圧タービン４４を駆動する。高圧タービン４４は、駆動蒸気を膨張させて発電機４０を回転駆動する一方、その排気蒸気を中圧過熱器５７から発生する蒸気に合流させ、その合流蒸気をガスタービン４３に供給し、ガスタービン４３の構成部品を冷却した後、再熱器４８から発生する再熱蒸気に合流させ、この合流蒸気を中圧タービン４５で膨張させた後、低圧タービン４６に供給する。
【００５１】
本実施形態によれば、高圧蒸発器５３を第２高圧過熱器５４と第１高圧過熱器５５とに２分割し、これら高圧蒸発器５３の中間部に第１高圧過熱器５６を設置し、この第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気の過熱度を低くしたから、部分負荷運転時、第２高圧過熱器５１により多くの過熱蒸気を供給でき、バイパス管６７に相対的に少ない過熱蒸気を供給でき、第３高圧過熱器５０に減温手段を設けることなく高圧タービン４４に適温の駆動蒸気を供給することができる。
【００５２】
その際、第２高圧過熱器５１は、より多くの過熱蒸気が流れるから、熱交換の際の熱応力発生の低い均一な温度分布にでき、伝熱管の材力強度を長く維持することができる。また、バイパス管６７には、従来よりも少ない過熱蒸気が流れるから、バイパス弁６６の選定の際、比較的小口径のものを選択でき、コストの低減を図ることができる。
【００５３】
また、第１高圧過熱器５６は、一般的に高圧ドラム５２から供給される飽和蒸気に含まれているシリカ等の不純物をその伝熱管に付着させて、その飽和蒸気の清浄度を高くする機能を備えているので、ガスタービン４３の構成部品に冷却用蒸気を供給する際、比較的高清浄の冷却用蒸気を供給でき、ガスタービン４３の構成部品の目詰り等を低く抑えることができる。
【００５４】
図４は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法の実施形態を示す概略系統図である。なお、図１で示したコンバインドサイクル発電プラントの実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【００５５】
本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法の説明に先立ち、まずその構成を説明する。
【００５６】
高圧蒸発器５３を第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とに分割し、これら高圧蒸発器５３の中間部に設置する第１高圧過熱器５６の出口側には、ガスタービン４３の入口側に接続する調節弁７０を介装する冷却蒸気管７１を備えている。また、ガスタービン４３の出口側には、復水器４７に接続する第１バイパス管７２が設けられ、さらに高圧タービン４４の入口側には、復水器４７に接続する第２バイパス管７３が設けられている。
【００５７】
ところで、コンバインドサイクル発電プラントは、コンベンショナル発電プラントと異なり、デイリースタート・ストップ運転（以下ＤＳＳと記す）が多い。ＤＳＳ運転の場合、その起動運転前の排熱回収ボイラ３９に収容している第３高圧過熱器５０、第２高圧過熱器５１、高圧蒸発器５３を２分割する第２高圧蒸発器５４、第１高圧蒸発器５５のそれぞれは、ウォーミング状態に維持されており、その残留熱も高い。
【００５８】
また、高圧ドラム５２は、圧力が約６０kg／cm2 の蒸気を、中圧ドラム６０は、圧力が約１２kg／cm2 の蒸気を、低圧ドラム６３は約４kg／cm2 の蒸気をそれぞれ保有している。
【００５９】
また、ガスタービン４３の構成部品に冷却用蒸気を供給する場合、諸損失を考慮して試算すると、冷却用蒸気は、その圧力が２０kg／cm2 必要とされる。さらに、第１高圧過熱器５６は、高圧ドラム５２から供給される蒸気に対し、過熱度１０℃〜２０℃に低く抑えることができる。このため、第１高圧過熱器５６は、ホットスタート起動運転時、冷却用蒸気の温度を約３００℃にできるので、ガスタービン４３の構成部品が求めている冷却用蒸気の温度３５０℃以下に対し、充分に供給可能である。
【００６０】
本実施形態は、このような試算に基づくもので、以下に冷却用蒸気供給方法を説明する。
【００６１】
コンバインドサイクル発電プラントの起動運転前、先ず、第１高圧過熱器５６は、高圧ドラム５２の蒸気を第２高圧過熱器５１、第３高圧過熱器５０を介して第２バイパス管７３により復水器４７に流入させ、各高圧過熱器５１，５０内のシリカ等の不純物をブローする。次に、バイパス管６７のバイパス弁６６を絞って冷却蒸気管７１の調節弁７０を開口させて高圧ドラム５２の蒸気を冷却用蒸気としてガスタービン４３に供給する。このとき、冷却用蒸気の温度が低過ぎてガスタービン４３の構成部品に熱応力を発生させるような場合、第３高圧過熱器５０の出口側に設けた調節弁７４を開口させ、第３高圧過熱器５０の蒸気を合流させ、その合流蒸気の温度を適温の冷却用蒸気温度に調節する。冷却用蒸気は、ガスタービン４３の構成部品を冷却した後、第１バイパス管７２から復水器４７に流入させるか、または排熱回収ボイラ３９の煙突（図示せず）に放出させる。
【００６２】
ガスタービン４３の起動運転が終了し、蒸気タービンプラント３７が通気運転を開始すると、高圧タービン４４の排気蒸気と中圧過熱器５７の蒸気とを合流させ、その合流蒸気によりガスタービン４３の構成部品の冷却運転を行う。
【００６３】
本実施形態によれば、高圧ドラム５２に残っている蒸気を利用し、その蒸気を第１高圧過熱器５６からガスタービン４３の構成部品に冷却用蒸気として供給する際、適温の冷却用蒸気に調節したから、排熱回収ボイラ３９の各熱交換器が未だ蒸気を発生させていなくとも、ガスタービン４３の構成部品を確実に冷却することができ、ガスタービン４３に安定運転を行わせることができる。
【００６４】
図５は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、図１に示した実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付す。
【００６５】
本実施形態は、高圧蒸発器５３を、第２高圧蒸発器５４と第１高圧蒸発器５５とに分割し、これら高圧蒸発器５３の中間部に設置した第１高圧過熱器５６にプロセス蒸気供給管７５を設け、石炭ガス化、残渣油ガス化プラント等のガス化炉へ第１高圧過熱器５６の蒸気を供給できるようにしたものである。
【００６６】
排熱回収ボイラ３９からガスタービン４３の構成部品に冷却用蒸気を供給しないコンバインドサイクル発電プラントでは、第３高圧過熱器５０の蒸気を、適温の駆動蒸気にして高圧タービン４４に供給する場合、第２高圧過熱器５１の出口側に減温器７６を設け、この減温器７６に高圧節炭器５８からの蒸気を高圧過熱器減温水管７７から第２または第３高圧過熱器５１，５０の出口温度によって制御される弁７８を介して供給し、第２高圧過熱器５１の過熱蒸気の温度を下げて第３高圧過熱器５０に供給している。このため、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気は、その圧力が１００kg／cm2 、その温度が約３５０℃になっている。
【００６７】
本実施形態は、第１高圧過熱器５６から発生する過熱蒸気を、石炭ガス化プラント等のガス化炉に、プロセス蒸気として供給できるようにしたから、排熱回収ボイラから発生する過熱蒸気の有効活用を図ることができる。特に、ガス化発電プラントは、最近注目されているので、排熱回収ボイラから過熱蒸気を受けられれば熱精算上、有益である。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、高圧蒸発器を２分割に形成し、その２分割された高圧蒸発器の中間部の比較的過熱度の低い過熱蒸気を発生する位置に第１高圧過熱器を設置し、第１高圧過熱器から発生する過熱蒸気を調整して高圧タービンに供給したので、部分負荷運転でも減温手段を特別に設けることもなく、適温の駆動蒸気として高圧タービンに供給することができる。
【００６９】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法は、高圧ドラムの蒸気を第１高圧過熱器で比較的過熱度の低い過熱蒸気を発生させ、その過熱蒸気を調整してガスタービンの構成部品に供給するので、起動運転時、排熱回収ボイラの各熱交換器から未だ蒸気が発生していなくとも、適温の冷却用蒸気としてガスタービンの構成部品に確実に供給することができる。
【００７０】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、第１高圧過熱器で発生した過熱蒸気をプロセス蒸気として他のプラントに供給するので、熱の有効活用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの実施形態を示す概略図。
【図２】本発明に係る第１高圧過熱器の設置位置を設定する場合の説明図。
【図３】本発明により得られた負荷変動に対する蒸気温度、バイパス蒸気流量の分布を示すグラフ。
【図４】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法を説明する概略系統図。
【図５】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第２実施形態を示す概略図。
【図６】従来のコンバインドサイクル発電プラントの実施形態を示す概略図。
【図７】従来のコンバインドサイクル発電プラントの別の実施形態を示す概略図。
【図８】従来の負荷変動に対する蒸気温度、バイパス蒸気流量の分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１ ガスタービンプラント
２ 蒸気タービンプラント
３ 回転軸
４ 排熱回収ボイラ
５ 発電機
６ 空気圧縮機
７ 燃焼器
８ ガスタービン
９ 高圧タービン
１０ 中圧タービン
１１ 低圧タービン
１２ 復水器
１３ 再熱器
１４ 第３高圧過熱器
１５ 第２高圧過熱器
１６ 第１高圧過熱器
１７ 高圧ドラム
１８ 高圧蒸発器
１９ 中圧過熱器
２０ 高圧節炭器
２１ 低圧過熱器
２２ 中圧ドラム
２３ 中圧蒸発器
２４ 中圧節炭器
２５ 低圧ドラム
２６ 低圧蒸発器
２７ 低圧節炭器
２８ 低圧ポンプ
２９ 高圧ポンプ
３０ 蒸気管
３１ バイパス弁
３２ バイパス管
３３ 調節弁
３４ 冷却蒸気管
３５ 蒸気発生装置
３６ ガスタービンプラント
３７ 蒸気タービンプラント
３８ 回転軸
３９ 排熱回収ボイラ
４０ 発電機
４１ 空気圧縮機
４２ 燃焼器
４３ ガスタービン
４４ 高圧タービン
４５ 中圧タービン
４６ 低圧タービン
４７ 復水器
４８ 再熱器
４９ ポンプ
５０ 第３高圧過熱器
５１ 第２高圧過熱器
５２ 高圧ドラム
５３ 高圧蒸発器
５４ 第２高圧過熱器
５５ 第１高圧蒸発器
５６ 第１高圧過熱器
５７ 中圧過熱器
５８ 高圧節炭器
５９ 低圧過熱器
６０ 中圧ドラム
６１ 中圧蒸発器
６２ 中圧節炭器
６３ 低圧ドラム
６４ 低圧過熱器
６５ 低圧節炭器
６６ バイパス弁
６７ バイパス管
６８ 低圧ポンプ
６９ 高圧ポンプ
７０ 調節弁
７１ 冷却蒸気管
７２ 第１バイパス管
７３ 第２バイパス管
７４ 調節弁
７５ プロセス蒸気供給管
７６ 減温器
７７ 高圧過熱器減温水管
７８ 弁
Claims (7)
- ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを備え、ガスタービンプラントの排ガスを利用して蒸気タービンプラントの駆動蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、上記排熱回収ボイラに収容する蒸発器を第１蒸発器と第２蒸発器とに分割し、第１蒸発器と第２蒸発器との中間部であって過熱度の低い過熱蒸気を発生させる位置に過熱器を設置したことを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
- 蒸発器は高圧蒸発器であり、過熱器は高圧過熱器であることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラント。
- 蒸発器を２分割したその中間部に設置した過熱器は、その上流側に位置した別の過熱器から発生する過熱蒸気に、上記過熱器から発生した過熱蒸気を合流させるバイパス管を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のコンバインドサイクル発電プラント。
- バイパス管は、バイパス弁を備えたことを特徴とする請求項３記載のコンバインドサイクル発電プラント。
- 過熱器は、発生した過熱蒸気を他のプラントのプロセス蒸気に利用することを特徴とする請求項１または２記載のコンバインドサイクル発電プラント。
- 排熱回収ボイラからガスタービンプラントに冷却用蒸気を供給するコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法において、起動運転時、上記排熱回収ボイラの高圧ドラムに残っている蒸気を、蒸発器を２分割しその中間部に設置した過熱器に供給し、この過熱器から発生する蒸気を冷却用蒸気としてガスタービンプラントに供給し、蒸気タービンプラントが通気運転を開始した後、蒸気タービンプラントの排気蒸気と上記排熱回収ボイラから発生する蒸気とを合流させ、その合流蒸気を上記ガスタービンプラントに冷却用蒸気として供給することを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法。
- 過熱器は、発生する蒸気を、冷却蒸気管を介して冷却用蒸気としてガスタービンプラントに供給する際、上記過熱器の上流側に設置した別の過熱器から発生する蒸気に合流させることを特徴とする請求項６記載のコンバインドサイクル発電プラントの冷却用蒸気供給方法。
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