JP3993823B2 - ガス・蒸気複合タービン設備の燃料加熱装置と方法 - Google Patents
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Description
本発明は、給水を加熱し、蒸発させ、過熱するための少なくとも1つの蒸気発生器を備え、該発生器が、給水加熱器或いは復水加熱器と蒸発器と過熱器とを有し、加熱済み給水の少なくとも一部を燃料を加熱すべく利用し、燃料加熱器に給水入口管を経て所定温度の給水を供給し、燃料加熱後の冷えた給水を給水出口管により排出するガス・蒸気複合タービン設備の燃料加熱装置に関する。
【0002】
蒸気タービンを駆動する蒸気を用意すべく、給水を加熱し、蒸発させ、高圧下で過熱する。これは通常、複数の蒸気発生段で行われ、一般には低圧蒸気発生段、中圧蒸気発生段および高圧蒸気発生段で行われる。その各蒸気発生段は、給水加熱器或いは復水加熱器、蒸気発生器および過熱器から成っている。給水ポンプにより搬送される給水を、各圧力段に付属するドラム(気水分離器)に流入する前に、給水加熱器或いは復水加熱器で沸騰温度に加熱し、一部を蒸発させる。そして、ドラムに接続された蒸発器で飽和蒸気を発生させる。ドラムの蒸気範囲に接続された過熱器は、飽和蒸気に飽和蒸気圧の上昇なしに熱を導入する。その飽和蒸気を、各々の蒸気圧力に対応した蒸気タービン部分(低圧・中圧・高圧タービン部分)に導く。蒸気発生段への熱の供給は、ガス・蒸気複合タービン設備の場合、ガスタービンの高温廃ガスにより行う。また中圧蒸気発生段で、高圧タービン部分から取り出した排気蒸気を、過熱済み中圧蒸気に混入させ、再熱器でもう一度加熱して、中圧タービン部分に導入する。或いはまた、蒸気を相応の蒸気タービン部分に導入すべく、蒸気タービン復水器にも導入する。そして復水ポンプが復水器で生ずる復水を復水加熱器に搬送することで、水・蒸気回路を形成する。ガス・蒸気複合タービン設備におけるガスタービン用ガスを発生するためのエネルギ或いは蒸気タービンの蒸気発生器に対する追加的な熱を発生するためのエネルギを用意すべく、燃料、例えば天然ガスを燃焼させる。この燃焼を効果的に行うため、燃料を予熱する。その燃料の予熱は、燃料加熱器により行う。そのため、例えば既に加熱した中圧給水の一部を、中圧給水加熱器の下流で中圧ドラムに流入する前に分岐し、燃料と熱交換しながら導き、復水ポンプと復水加熱器との間で再び水・蒸気回路に導入する。その際、燃料は200℃迄の温度に達する。或いはまた、中圧給水が中圧給水加熱器に流入する前に早くも分岐させる。その場合、約140〜160℃の燃料温度が得られる。
【0003】
上述の燃料加熱方式の場合、燃料加熱器を高圧用に設計せねばならず、そのため、燃料加熱器は温度変化に敏感となり、高い製造費と点検費を要する欠点がある。また、最新のガスタービン設備でも、燃料の200℃迄の実行可能な加熱は、大きな加熱時に、例えば所謂「燃焼器うなり音」の問題を伴い、殆ど利用できない。そのため、敷設形の高価な加熱系統は、従来殆ど採用されていない。
【0004】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の燃料加熱装置を、種々のガスタービン設備に採用でき、且つその加熱出力について所定の燃料加熱需要に迅速・経済的に適合できるよう改良することにある。
【0005】
この課題は、燃料の加熱を、必要に応じ個々に接続でき燃料が順々に導かれる複数の燃料加熱段において行うことで解決される。
【0006】
本発明に基づく装置により、計画および実現において反復性のある高い標準化度が得られる。必要に応じて採用できる複数の燃料加熱段から構成することで、燃料加熱段の数と配置および蒸気発生器への接続に応じて、種々の温度範囲が段階的に形成できる。従って、モジュール構造が可能となり、この燃料加熱装置は種々のガス・蒸気複合タービン設備に対して採用でき、或いはまた、単純な変更により適合できる(モジュール効果)。
【0007】
燃料の加熱を第1段で、例えば復水循環により行う場合、次のことが当てはまる。給水加熱器を2つの部分から構成し、これら部分を廃ガスに対し並列接続し、両給水加熱器部分間に燃料加熱段を接続し、給水入口管を第1給水加熱器部分の出口から燃料加熱段に連結し、給水出口管を燃料加熱段から第2給水加熱器部分の入口に通じさせることで、全給水量を燃料加熱に利用する。この燃料加熱装置の場合、全給水量をまず給水加熱器の第1部分を貫流させ、加熱し、それから、燃料加熱段を貫流させ、この加熱段で、それ以前に吸収した熱を全部或いは一部放出させる。そして、冷えた給水を第2給水加熱器部分を貫流させ、そこで再加熱する。このため、給水分岐の際に生ずる、絞りに基づく損失は発生しない。また僅かなポンプ動力しか必要ない。更に、給水の補助的な循環が行う必要がない利点がある。その結果、燃料加熱段の効率が向上する。
【0008】
燃料加熱段が、復水加熱器、中圧給水加熱器又は高圧給水加熱器に付属することで、燃料の加熱時、燃料温度を必要に応じ所望の温度できる。この結果、給水加熱段の種々の圧力と温度範囲を、補助的な処置なしに、燃料加熱に同時に利用できる。特に、加熱需要に応じ、種々の段を組み合わせることができる。
【0009】
3つの燃料加熱段を設け、第1燃料加熱段を復水加熱器、第2燃料加熱段を中圧給水加熱器、第3燃料加熱段を高圧給水加熱器に各々付属させると、蒸気発生器における給水エネルギを特に有利に利用できる。これにより、燃料は段階的に優しく非常に高い温度に加熱できる。ただ同時に、燃料加熱段を各々作用する圧力と温度に合わせて設計する必要がある。従って、低い圧力段の場合、安価に設計でき、安全性が制限されず、費用が節約できる。
【0010】
燃料加熱段の給水入口管が復水加熱器の下流で給水ポンプに接続され、燃料加熱段の給水出口管が復水加熱器の上流に通じていることで、給水ポンプにより与えられる圧力に基づいて、補助的な復水帰還ポンプは不要である。
【0011】
燃料加熱段の給水入口管を復水加熱器の下流、同給水出口管を復水ポンプの上流に各々つなぐと、低圧レベル、例えば約4〜5バール迄の絞りは不要となる。
【0012】
燃料加熱段の給水入口管を中圧ドラムと中圧給水加熱器との間に接続し、燃料加熱段の給水出口管を低圧ドラムに連通させると蒸発は僅かとなる。
【0013】
第1燃料加熱段、第2燃料加熱段および第3燃料加熱段の少なくとも1つを、第1燃料加熱段は両復水加熱器部分間に、第2燃料加熱段は両中圧給水加熱器部分間にそして第3燃料加熱段は両高圧器加熱器部分間に各々接続することで、補助的に給水を循環する必要がなくなる利点がある。
【0014】
混合管が復水ポンプとフラップ弁との間で始まり、燃料加熱段への給水入口に通じていることで、小さな温度勾配によるゆっくりした始動が保障される。混合された低温給水の量は、連続して調整でき、これにより、温度を制御できる。
【0015】
給水ポンプと中圧給水加熱器との間で始まる混合管を、燃料加熱段の入口で中圧給水入口管に接続することで、中圧燃料加熱器における制御始動が行える。
【0016】
本発明の目的は、給水を、少なくとも1つの蒸気発生器で復水加熱器又は復水加熱器で加熱し、蒸発器で蒸発させ、過熱器で過熱し、加熱済み給水の少なくとも一部を燃料加熱器で燃料を加熱すべく利用し、燃料加熱器に給水入口管を経て所定温度の給水を供給し、燃料加熱後の冷えた給水を給水出口管により排出するガス・蒸気複合タービン設備における燃料加熱方法を改善することにある。
【0017】
従って本発明の課題は、種々のガスタービン設備に採用でき、燃料加熱器の加熱出力が所定の燃料加熱需要に迅速に経済的に合わせられる、ガス・蒸気複合タービン設備の燃料加熱方法を提供することにある。
【0018】
この方法に関する課題は、燃料の加熱を、必要に応じて個々に接続でき燃料を順々に導く複数の燃料加熱段で行うことで解決できる。燃料の段階的な加熱により、燃料加熱温度を設備の要求に、柔軟に、最適に、且つ安価に適合できる。これは、採用する構成要素を全て圧力要件および温度要件に同時に合わせる必要がなく、各々局所的に実際に合わせるだけでよいからである。
【0019】
給水をまず第1給水加熱器部分を経て導き、次に燃料加熱段に導き、第2給水加熱器部分を経て導き、両給水加熱器部分を廃ガスに対し並列接続することで、まず給水を直接所望の温度に加熱し、加熱済みの全給水量を、燃料を加熱すべく利用できる。そして冷えた給水を、第2給水加熱器部分で再び加熱する。時間のかかる、迂回による絞りや万一の熱損失に基づく圧力損失は生じない。
【0020】
復水加熱器からの給水を第1燃料加熱段、中圧給水加熱器からの給水を第2燃料加熱段そして高圧給水加熱器からの給水を第3燃料加熱段を経て各々導くことで、給水の個々の温度・圧力状態を有効に利用し、個々の燃料加熱段を各段の要件に合わせるだけで足り、個の結果費用を節減できる(モジュール構造)。
【0021】
以下図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【0022】
図1は、ガス・蒸気複合タービン設備を概略的に示す。蒸気タービン1は3つのタービン段、即ち低圧蒸気段2、中圧蒸気段3および高圧蒸気段4からなる。各タービン段2、3、4への蒸気の供給は3つの蒸気発生器5、6、7、即ち低圧蒸気発生器5、中圧蒸気発生器6および高圧蒸気発生器7により行われる。
【0023】
各蒸気発生器5、6、7は原理的に同様に構成してある。蒸気発生器5、6、7は、各々蒸発器8、9、10、過熱器11、12、13、復水加熱器42或いは給水加熱器15、16、復水および給水蒸気が集められるドラム(気水分離器)17、18、19、並びにこの実施例の場合はガスタービン21の廃ガスにより供給される熱源20から成っている。
【0024】
給水をまず復水加熱器42で加熱する。続いて、その給水の一部を分岐し、低圧給水入口管35を経て低圧ドラム17に導く。残りの給水は給水ポンプ24により中圧給水入口管36を経て中圧ドラム18にそして高圧給水入口管37を経て高圧ドラム19に導く。各ドラム17、18、19からの給水から、まず低圧蒸発器8、中圧蒸発器9から高圧蒸発器10において、飽和蒸気を発生させる。その場合、低圧蒸気発生器5において低圧過熱器11が続き、そこで飽和蒸気を所望の過熱温度に加熱する。低圧蒸気タービン入口管25が、低圧過熱器11から蒸気を低圧タービン段2に供給するか、バイパス運転の際、低圧蒸気バイパス管40を経てタービン復水器23に供給する。そのタービン復水器23で蒸気を凝縮させ、復水ポンプ41により復水加熱器42に導く。中圧蒸気発生器6において、給水をまず中圧給水加熱器15で加熱し、続いて、中圧蒸発器9で飽和蒸気を発生させ、この飽和蒸気を中圧過熱器12に導く。その過熱蒸気を、続いて高圧タービン部分4から出る蒸気を案内する高圧タービン出口管28に導き、中圧再熱器22で中圧蒸気と共に再び過熱し、続いて、中圧タービン入口管26を経て蒸気タービン1の中圧蒸気段3に導く。或いはまた、中圧蒸気を中圧蒸気バイパス管39を経てタービン復水器23に導入する。高圧蒸気発生器7に導入した給水を、まず高圧給水加熱器16で加熱し、その後でもう1つの高圧給水加熱器43で加熱する。高圧蒸発器10で発生した飽和蒸気を、高圧過熱器13の2つの段で過熱し、高圧タービン入口管27を経て蒸気タービン1の高圧蒸気段4に導入する。或いはまた、高圧蒸気バイパス管29を経て高圧タービン入口管27から高圧タービン出口管28に蒸気を導く。全てのドラム17、18、19からのドラム水を、低圧ドラム出口管32、中圧ドラム出口管33から高圧ドラム出口管34を経て共通のタンク38に送る。また、過熱済み中圧蒸気と過熱済み高圧蒸気を、中圧タービン入口管26又は高圧タービン入口管27に組み込んだ中圧蒸気冷却器30又は高圧蒸気冷却器31(噴射冷却器)において、給水ポンプの下流で取り出した給水の導入により冷却する。
【0025】
また、通常の配管には、蒸気流或いは給水流を制御できるように、電動弁或いはフラップ弁を組み込んでいる。
【0026】
ガスタービン21を運転するガスを発生するには、燃料、例えば天然ガスや燃料油が必要である。その燃料を加熱すべく、従来は図1に示すように、中圧蒸気発生器6からの加熱済み給水を利用していた。給水は中圧給水加熱器15での加熱後に、燃料加熱器44に導かれる。燃料加熱器44で対向流式熱交換原理に基づき、熱エネルギが給水から燃料に伝達される。そこで冷えた給水は復水加熱器42の上流で給水回路に再び供給される。燃料の加熱中、給水は60〜80℃に冷却され、燃料は200℃迄加熱される。この大きな加熱量は、燃料が大きく加熱された際にガスタービン21の燃焼器における燃焼時に所謂「燃焼器うなり音」が生ずるような問題があるために、常に十分には利用できない。
【0027】
図2は、本発明に従う燃料加熱段48を示す。復水加熱器42で加熱された給水が、高圧給水ポンプの抽出口から低圧給水を取り出す低圧給水入口管58を経て燃料加熱段48に導かれる。該給水は燃料加熱段48での熱交換で燃料を加熱した後、低圧給水出口管59を経て復水加熱器42の上流に導かれる。低圧給水入口管58に、給水の貫流を遮断又は調整できるように、電動調整装置付きの弁63を設けている。過圧による損傷から保護すべく、リリーフ弁(圧力調整弁)45が存在する。小さな温度勾配で優しく始動すべく混合管46を設けている。この混合管46は復水加熱器42の上流で、しかも燃料加熱により冷えた給水の導入個所65の上流で始まっている。混合管46は燃料加熱段48の上流に開口し、調整可能な弁64を有する。また、全燃料加熱段48は、必要に応じ採用できるよう、低圧給水入口管58、低圧給水出口管59および混合管46と共に追加装備系を形成している。低圧給水入口管58および低圧給水出口管59と並行に、給水並行管66が給水ポンプ24から復水加熱器42迄延びている。この並行管66に弁68の他に絞り47が設けられ、この絞り47で、燃料加熱器を迂回する際、高い給水圧力を復水系統のレベルに下げられる。
【0028】
図3aは、2つの燃料加熱段48、49を備えたガス・蒸気複合タービン設備の配管系統の一部を示す。低圧燃料加熱段48は図2で述べた如く付けてある。加熱段48で加熱された燃料は、続いて第2燃料加熱段、即ち中圧加熱段49に送られる。この加熱段49は、中圧給水加熱器15、51の下流で取り出した給水を、中圧給水入口管56を経て供給される。中圧給水加熱器15、51は、直列接続の2つの部分15、51からなる。第1中圧給水加熱器部分15の上流で取り出した低温給水を、第2中圧給水加熱器部分51の上流に導入することで、第2中圧給水加熱器部分51における蒸発が防止される。これは特に流量が少ない、例えば中圧燃料加熱段49が運転されていないときに重要である。中圧ドラム18と中圧給水入口管56の接続点との間に絞り54が設けられている。その目的は、蒸気発生時の圧力せき止めにより中圧加熱器51で蒸発が起るのを防止することにある。更に蒸気泡分離器71が存在する。その機能について図3bを参照して後述する。優しく始動すべく、燃料加熱段49の上流で三方弁68により、中圧給水加熱器部分15に開口する入口管69を経て、低温給水を供給できる。燃料加熱段49の下流の冷えた給水は、給水ポンプ24の上流に開口する中圧給水出口管57を経て排出される。この中圧給水出口管57は、過圧を防止するためのリリーフ弁53を備える。ただ復水加熱圧力、例えば25〜30バールに対して設計せねばならない。燃料加熱を望まない場合、燃料加熱段48、49への給水入口管は、必要に応じ複数の弁70により遮断する。
【0029】
図3bは、蒸気泡分離器71を詳細に示す。例えば給水温度や圧力が低下し、給水内で蒸気が過飽和状態になると、蒸発が生ずる。蒸気泡分離器71により、中圧給水加熱器部分51からの給水の流速が低下し、場合により蒸気泡が真上に上がり、中圧ドラム18に運ばれる。蒸気泡を含まない給水が蒸気泡分離器下部72に集まり、ここから中圧給水入口管56を経て燃料加熱段49に送られる。
【0030】
図3cは、2つの燃料加熱段48、49を備えたガス・蒸気複合タービン設備の配管系統の一部を示す。第1燃料加熱段48は図3aにおける燃料加熱段に相当する。第2燃料加熱段49の中圧給水出口管61/62は低圧ドラム17に延びている。この場合、給水が熱くなっており、多少の蒸発問題が生ずる。
【0031】
図4は、2つの燃料加熱段48、49を備えたガス・蒸気複合タービン設備の配管系統の一部を示す。中圧給水加熱器は2つの部分15、51からなり、これら給水加熱器部分15、51は廃ガスに対し並列接続されている。燃料加熱段49は両中圧給水加熱器部分15、51間に接続され、給水入口管73は第1給水加熱器部分15の出口から燃料加熱段49に導かれ、燃料加熱段49からの給水出口管74は第2給水加熱器部分51の入口に導かれている。燃料加熱段49に対し並行してバイパス管75が設けられている。給水は、燃料加熱段49を通って流れる必要がないとき、バイパス管75を経て導かれる。
【0032】
図5は、3つの燃料加熱段48、49、50を備えたガス・蒸気複合タービン設備の配管系統の一部を示す。第1燃料加熱段48は、中圧給水加熱器15の上流の範囲から給水を受ける。第2燃料加熱段49は両中圧給水加熱器部分15、51間に接続され、第3燃料加熱段50は両高圧給水加熱器部分16、43間に接続されている。その際、燃料は第1燃料加熱段48で約130〜150℃に加熱され、第2燃料加熱段49で200〜220℃に加熱され、第3燃料加熱段50で約300℃に加熱される。燃料加熱器は各々給水バイパス管80、81、82により必要時にバイパスされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ガス・蒸気複合タービン設備の概略構成図。
【図2】 燃料加熱段の概略構成図。
【図3】 aは2つの燃料加熱段から成る燃料加熱器の概略構成図、bは気水分離装置の詳細図、cは2つの燃料加熱段から成る燃料加熱器の異なった例の概略構成図。
【図4】 2つの燃料加熱段から成る燃料加熱器の概略構成図。
【図5】 3つの燃料加熱段の概略構成図。
【符号の説明】
1 蒸気タービン、5〜7 蒸気発生器、8〜10 蒸発器、11〜13 過熱器、15、16、51 給水加熱器、17〜19 ドラム、24、41 ポンプ、
42、43 加熱器、46 混合管、48〜50 燃料加熱段、56 給水入口管、61 給水出口管、76 フラップ弁、77 入口
Claims (10)
- 給水加熱器(15、16、43、51)と蒸発器(8、9、10)と過熱器(11、12、13)とを備える少なくとも1つの蒸気発生器と、必要に応じて個々に接続され、燃料が順々に導かれる複数の燃料加熱段(48、49、50)とを備え、この際 加熱済み給水の少なくとも一部が給水入口管(35、36、37、56、58、60、73)を経て燃料加熱段(48、49、50)に供給され、かつ給水出口管(57、59、61、74)を経て燃料加熱段(48、49、50)から排出されるガス‐蒸気複合タービン設備における燃料加熱装置において、
該燃料加熱装置が3つの燃料加熱段(48、49、50)を備え、第1燃料加熱段(48)が給水入口管(35、36、37、58、60、73)を経て復水加熱器(42)、第2燃料加熱段(49)が中圧給水加熱器(15、51)、第3燃料加熱段(50)が高圧給水加熱器(16、43)に各々接続されたことを特徴とする装置。 - 中圧給水加熱器が2つの給水加熱器部分(15、51)から構成され、これら両部分(15、51)が廃ガスに対し並列接続され、第2燃料加熱段(49)が前記両部分(15、51)間に接続され、その際 給水入口管(73)が第1給水加熱器部分(15)の出口および第2の燃料加熱段(49)と、そして給水出口管(74)が第2の燃料加熱段(49)および給水加熱器の第2の部分(51)の入口とそれぞれ結合されたことを特徴とする請求項1記載の装置。
- 第1の燃料加熱段(48)の給水入口管(58)が、復水加熱器(42)の下流で給水ポンプ(24)に接続され、該第1の燃料加熱段(48)の給水出口管(59)が復水加熱器(42)の上流に接続されたことを特徴とする請求項1又は2記載の装置。
- 第2の燃料加熱段(49)の給水入口管(56)が中圧給水加熱器(15、51)の下流に接続され、該第2の燃料加熱段(49)の給水出口管(57)が復水ポンプ(24)の上流に接続されたことを特徴とする請求項3記載の装置。
- 第2の燃料加熱段(49)の給水入口管(56)が、中圧ドラム(18)と中圧給水加熱器(15、51)との間に接続され、該第2の燃料加熱段(49)の給水出口管(57)が低圧ドラム(17)の1つに接続されたことを特徴とする請求項1から3の1つに記載の装置。
- 第2の燃料加熱段(49)の給水入口管(56)が中圧ドラム(18)と中圧給水加熱器(15、51)との間に接続され、該第2の燃料加熱段(49)の給水出口管(60)が復水加熱器(42)と低圧ドラム(17)の1つとの間に接続されたことを特徴とする請求項1から3の1つに記載の装置。
- 復水加熱器(42)、中圧給水加熱器(15、51)および高圧給水加熱器(16、43)の少なくとも1つが2つの部分から形成されており、 復水加熱器(42)が2つの部分からなるときは、該部分間に第1の燃料加熱段(48)が、 中圧給水加熱器(15、51)が2つの部分からなるときは、該部分間に第2の燃料加熱段(48)が、そして 高圧給水加熱器(16、43)が2つの部分からなるときは、該部分間に第3の燃料加熱段(50)がそれぞれ接続されることを特徴とする請求項1から6の1つに記載の装置。
- 給水ポンプ(24)と中圧給水加熱器(15)との間で始まる他の混合管(78)が、第2の燃料加熱段(49)の他の入口(79)で中圧給水入口管(56)に接続されたことを特徴とする請求項3から7の1つに記載の装置。
- 給水を、給水加熱器(15、16、43、51)内の少なくとも1つの蒸気発生器(5、6、7)又は復水加熱器(42)で加熱し、蒸発器(8、9、10)で蒸発させ、過熱器(11、12、13)で過熱し、加熱済み給水の少なくとも一部を、燃料加熱器において燃料を加熱すべく利用し、燃料加熱器に給水入口管(35、36、37、56、58、73)を経て所定温度の給水を供給し、燃料加熱後の冷えた給水を、各 1個の給水出口管(57、59、61、74)により排出する、請求項1から8の1つに記載の装置によりガス・蒸気複合タービン設備の燃料を加熱する方法において、
燃料の加熱を、必要に応じて接続可能な複数の燃料加熱段(48、49、50)内で行い、この際燃料を順に燃料加熱段を通して導き、
第1の燃料加熱段(48)を通して復水加熱器(42)から給水を、
第2の燃料加熱段(48)を通して中圧給水加熱器(15、51)から給水を、そして 第3の燃料加熱段(50)を通して高圧給水加熱器(16、43)から給水をそれぞれ導くことを特徴とするガス・蒸気複合タービン設備における燃料加熱方法。 - 給水をまず中圧給水加熱器の第1の部分(15)を経て導き、続いて、給水入口管(73)を経て第2の燃料加熱段(49)に導き、しかる後給水出口管(74)を経て中圧給水加熱器の第2の部分(51)に導き、この際前記第1および第2部分(15、51)を廃ガスに対し並列接続することを特徴とする請求項9記載の方法。
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