JP4153662B2 - ガス・蒸気複合タービン設備とその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ガスタービンに煙道ガス側において廃熱ボイラが後置接続され、この廃熱ボイラの伝熱器が蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されているガス・蒸気複合タービン設備に関する。また本発明はこのガス・蒸気複合タービン設備の運転方法に関する。
【０００２】
ガス・蒸気複合タービン設備において、ガスタービンからの膨張した作動媒体（煙道ガス）に含まれる熱は、蒸気タービン用の蒸気を発生するために利用される。その熱伝達はガスタービンに煙道ガス側において後置接続された廃熱ボイラにおいて行われる。この廃熱ボイラには管あるいは管束の形で伝熱器が配置されている。その伝熱器は蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。この水・蒸気回路は通常、複数（例えば２つ）の圧力段を有し、各圧力段は予熱器および蒸発器を有している。
【０００３】
廃熱ボイラで発生された蒸気は蒸気タービンに導入され、そこで、膨張して仕事をする。その蒸気タービンは多数の圧力段を有し、その数および設計は、廃熱ボイラの設計に合わされている。蒸気タービンで膨張した蒸気は通常復水器に導かれて、そこで凝縮する。蒸気が凝縮して生ずる復水は、廃熱ボイラにあらためて給水として導入されるので、閉ループの水・蒸気回路が生じている。
【０００４】
このようなガス・蒸気複合タービン設備の復水器は通常熱交換器の様式で、蒸気を凝縮するために蒸気から熱を奪う冷却材が供給される。その冷却材として通常、水が利用され、あるいはまた復水器は、冷却材として空気が供給される空冷復水器として形成することもできる。
【０００５】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のガス・蒸気複合タービン設備を、種々の運転状態においても特に高いプラント効率を有するように形成することにある。また本発明の課題は、このガス・蒸気複合タービン設備において特に高いプラント効率を達成する運転方法を提供することにある。
【０００６】
このガス・蒸気複合タービン設備に関する本発明の課題は、本発明に基づいて、蒸気タービンに付設された主復水器に水・蒸気側において補助復水器が並列接続され、この補助復水器がガスタービンに導入すべき吸込み空気を介して冷却されることによって解決される。
【０００７】
本発明は、特に高いプラント効率を得るために、プラントプロセスで生ずる熱をできるだけ十分に有効利用しようという考えから出発している。その場合、蒸気が凝縮する際に奪われた熱も（少なくとも一部を）プラントプロセスに回収しようとしている。蒸気が凝縮する際に約６０℃の温度レベルにあることから、凝縮の際に奪われた熱をガスタービンに導入すべき吸込み空気に転送することが特に有利である。
【０００８】
ガスタービンの吸込み空気を予熱することによって、単位時間当たりガスタービンに導入される燃料・空気混合体の総質量流量が減少し、これによって、ガスタービンによって達成可能な最大出力発生は、吸込み空気が予熱されない場合よりも少なくなる。ただし明らかに分かっているように、凝縮熱を導入することによって吸込み空気を予熱する場合、燃料消費量が達成可能な最大出力発生の低下よりも大きく節約されるので、総合効率は増大する。
【０００９】
その場合、復水器は補助復水器の様式で、蒸気タービンからの抽気蒸気が供給される。この配置構造において、補助復水器は即座に予備出力を提供するために特に有利に利用される。この即座の予備出力の提供は例えば、ガス・蒸気複合タービン設備によって給電される電源系統における系統周波数を短い反応時間で支援するためにも必要である。予備出力を提供する運転を実施するために、補助復水器への蒸気の導入が中断され、全蒸気流が主復水器を介して導かれる。これによって、ガスタービン用の吸込み空気の予熱が中断され、これは、ガスタービンから供給される最大出力を即座に増大する。
【００１０】
通常、ガスタービンに圧縮機が付設され、この圧縮機にガスタービン用の吸込み空気が吸込み空気管を通して導入される。本発明の有利な実施態様において、補助復水器は冷却材側がこの吸込み空気管に直結されている。このような実施態様において、補助復水器が空冷復水器として形成されてことが有利であり、その場合、凝縮する蒸気から吸込み空気に単段で熱伝達されるために、変換プロセスによる損失は特に僅かにされる。
【００１１】
本発明の他の有利な実施態様において、補助復水器の冷却材側は、中間冷却回路を介して熱交換器に接続され、この熱交換器の二次側が、ガスタービンに前置接続された吸込み空気管に接続されている。このような配置構造において、中間回路内を導かれる媒体に凝縮中に伝達される熱を、長い距離にわたっても比較的簡単に搬送することができる。
【００１２】
補助復水器に導入すべき部分蒸気流と主復水器に導入すべき部分蒸気流との蒸気量比を、特にガス・蒸気複合タービン設備の負荷状態に関係して調整することができると有利である。このような設備の運転中において、主復水器を通して導かれる部分蒸気流は普通、外部冷却材を利用して凝縮される。部分蒸気流間の蒸気量比を調整することによって、補助復水器を通して導かれる部分蒸気流の運転温度を、特に簡単にほぼ一定に維持できるので、このような設備は特に確実に運転される。そのほかにこれによって、設備のあらゆる運転状態において吸込み空気を、その都度の運転状態において達成可能な最高温度まで予熱することもできる。
【００１３】
その場合、主復水器に復水予熱器が後置接続され、補助復水器から流出する復水が、復水の流れ方向に見て復水予熱器の下流で、蒸気タービンの水・蒸気回路に注入されると有利である。これによって、蒸気の凝縮後に復水内に残存する熱は、水・蒸気回路に特に有効に運び入れられる。
【００１４】
ガス・蒸気複合タービン設備の運転方法に関する本発明の課題は、本発明に基づいて、ガスタービンに導入すべき吸込み空気が、蒸気タービンから流出する蒸気が凝縮する際に奪われた熱を介して予熱されることによって解決される。
【００１５】
凝縮して得られた復水が、蒸気タービンの水・蒸気回路内を導かれる予熱された復水に混合されると有利である。
【００１６】
本発明によって得られる利点は特に、蒸気が凝縮する際に奪われた熱をガスタービン用の吸込み空気に伝達することによって、この熱がプラントプロセスに利用されるという点にある。従ってこのようなガス・蒸気複合タービン設備は、特に高いプラント効率を有する。ガスタービンの最大出力発生が比較的僅かしか低下しないので、特にガスタービンの部分負荷範囲において、ガス・蒸気複合タービン設備の良好な効率が得られる。
【００１７】
更に明らかに分かっているように、このようなガス・蒸気複合タービン設備は有害物の放出も比較的少ない。ガス・蒸気複合タービン設備の有害物の放出に関しては殊に、どのような出力においてガスタービンを拡散運転から予混合運転に切り換えねばならないかを示すいわゆる転換点が重要である。ガスタービン用の吸込み空気を予熱して運転するガス・蒸気複合タービン設備は、比較的低い転換点を有しているので、このガス・蒸気複合タービン設備は、比較的低い負荷状態においても、有害物の放出の少ない好ましい予混合運転で運転することができる。
【００１８】
本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００１９】
図１および図２にそれぞれ概略的に示されているガス・蒸気複合タービン設備１、１′は、ガスタービン設備１ａと蒸気タービン設備１ｂとを有している。ガスタービン設備１ａは、空気圧縮機４が連結されているガスタービン２を有している。空気圧縮機４は入口側が空気吸込み管５に接続されている。ガスタービン２に燃焼器６が前置接続され、この燃焼器６は空気圧縮機４の主空気配管８に接続されている。ガスタービン２の燃焼器６に燃料供給管１０が開口している。ガスタービン２および空気圧縮機４並びに発電機１２は共通の軸１４上に存在している。
【００２０】
蒸気タービン設備１ｂは、発電機２２が連結されている蒸気タービン２０、水・蒸気回路２４において蒸気タービン２０に後置接続された主復水器２６および廃熱ボイラ３０を有している。蒸気タービン２０は第１圧力段すなわち高圧部２０ａ、第２圧力段すなわち中圧部２０ｂおよび第３圧力段すなわち低圧部２０ｃから成り、これらは共通の軸３２を介して発電機２２を駆動する。
【００２１】
ガスタービン２内で膨張した作動媒体ＡＭ′すなわち煙道ガスを廃熱ボイラ３０に導入するために、廃ガス管３４が廃熱ボイラ３０の入口３０ａに接続されている。ガスタービン２からの膨張した作動媒体ＡＭ′は廃熱ボイラ３０からその出口３０ｂを通って煙突（図示せず）に向かって流れ出る。
【００２２】
廃熱ボイラ３０は水・蒸気回路２４の第１圧力段すなわち高圧段において高圧予熱器すなわちエコノマイザ３６を有している。これは弁３８で遮断できる配管４０を介して高圧ドラム（気水分離器）４２に接続されている。高圧ドラム４２は水・蒸気循環路４６を形成するために、廃熱ボイラ３０内に配置された高圧蒸発器４４に接続されている。高圧ドラム４２は主蒸気Ｆを発生するために廃熱ボイラ３０内に配置された高圧過熱器４８に接続されている。この高圧過熱器４８は出口側が蒸気タービン２０の高圧部２０ａの蒸気入口４９に接続されている。
【００２３】
蒸気タービン２０の高圧部２０ａにおける蒸気出口５０は、蒸気管５２を介して再熱器５４に接続されている。再熱器５４の蒸気出口５６は蒸気管５８を介して蒸気タービン２０の中圧部２０ｂにおける蒸気入口６０に接続されている。中圧部２０ｂの蒸気出口６２は溢流管６４を介して蒸気タービン２０の低圧部２０ｃにおける蒸気入口６６に接続されている。蒸気タービン２０の低圧部２０ｃにおける蒸気出口６８は、蒸気管７０を介して主復水器２６に接続されている。この主復水器２６は給水管７２を介してエコノマイザ３６に接続され、これによって、閉ループの水・蒸気回路２４が生じている。給水管７２には給水ポンプ７４および復水予熱器７６が挿入接続されている。
【００２４】
図１および図２の実施例には、水・蒸気回路２４の第１圧力段しか詳細に示されていない。しかし廃熱ボイラ３０には、水・蒸気回路２４の中圧段あるいは低圧段にそれぞれ付設されている他の伝熱器（図示せず）も配置されている。これらの伝熱器は適当な方式で、蒸気タービン２０の中圧部２０ｂにおける蒸気入口６０に、あるいは蒸気タービン２０の低圧部２０ｃにおける蒸気入口６６に接続されている。
【００２５】
このガス・蒸気複合タービン設備１、１′は、特に高い効率を得るために設計されている。そのために、補助復水器として形成された復水器８０が、蒸気タービン２０に蒸気側において後置接続されている。この補助復水器８０はガスタービン設備１ａに導入すべき吸込み空気Ａで冷却される。補助復水器８０は蒸気タービン２０に、弁８２で遮断可能に抽気蒸気管８４を介して後置接続されている。補助復水器８０は出口側が復水管８６を介して給水管７２に接続されているので、蒸気タービン２０に付設された主復水器２６に対して、補助復水器８０の水・蒸気側並列回路が生じている。その復水管８６は注入個所８８で給水管７２に接続されている。注入個所８８は主復水器２６から流出する復水Ｋの流れ方向に見て復水予熱器７６の下流に配置されている。主復水器２６に導入された部分蒸気流と補助復水器８０に導入された部分蒸気流との蒸気量比は、弁８２を介して調整することができる。この蒸気量比を調整することによって、ガス・蒸気複合タービン設備１、１′のそれぞれ実際の出力発生に対して、吸込み空気Ａを最高温度に達するまで予熱することができる。
【００２６】
図１におけるガス・蒸気複合タービン設備１は、補助復水器８０内で凝縮すべき部分蒸気流とガスタービン設備１ａに導入すべき吸込み空気Ａが単段で熱交換するように形成されている。そのために補助復水器８０として、冷却材として冷却空気が供給される空冷復水器が設けられている。この場合、補助復水器８０は冷却材側が吸込み空気管５に直結されている。このガス・蒸気複合タービン設備１の場合、補助復水器８０で凝縮する蒸気から吸込み空気Ａに熱伝達する際に、転換プロセスのために生ずる損失は特に小さい。
【００２７】
これに対して図２の実施例においては、補助復水器８０内で凝縮すべき蒸気から吸込み空気Ａに２段階で熱伝達が行われるようにされている。そのために図２のガス・蒸気複合タービン設備１′の場合、吸込み空気管５に別個の熱交換器９０が接続されている。この別個の熱交換器９０は一次側が中間回路９２に接続され、この中間回路９２に補助復水器８０の冷却材側が接続されている。中間回路９２内を導かれる熱担体Ｗは、中間回路９２に接続されている循環ポンプ９４によって循環される。
【００２８】
ガス・蒸気複合タービン設備１あるいはガス・蒸気複合タービン設備１′の運転中、蒸気タービン２０の低圧部２０ｃから取り出された部分蒸気流が、抽気蒸気として補助復水器８０を介して導かれる。この部分蒸気流は補助復水器８０内で凝縮し、その凝縮の際に蒸気から奪われた熱は、ガスタービン設備１ａ用の吸込み空気Ａに伝達される。補助復水器８０内で蒸気が凝縮して得られた復水は、主復水器２６から流出する予熱された復水Ｋに混合される。
【００２９】
部分蒸気流が補助復水器８０内で凝縮する際に奪われた熱を、ガスタービン設備１ａ用の吸込み空気Ａに伝達することによって、その熱は、ガス・蒸気複合タービン設備１ないしガス・蒸気複合タービン設備１′のエネルギ変換プロセスに回収される。従って、ガス・蒸気複合タービン設備１ないしガス・蒸気複合タービン設備１′は特に高いプラント効率を有する。他方では、ガスタービン設備１ａ用の吸込み空気Ａが予熱されることによって、ガスタービン２に導入される作動媒体ＡＭの総質量流量は、吸込み空気Ａが予熱されない場合よりも少なくされる。従って、ガスタービン２の運転中に達成される最大出力発生は比較的僅かになる。補助復水器８０内における抽気蒸気の凝縮によって吸込み空気Ａを予熱しながらのガス・蒸気複合タービン設備１、１′の運転は、特に部分負荷運転に対して適している。更にまた、この運転様式の場合特に簡単な形式で、ガス・蒸気複合タービン設備１、１′は即座に予備出力を提供することができる。これは、吸込み空気Ａの予熱を急速遮断した際、ガスタービン２に供給される作動媒体ＡＭの総質量流量が比較的増大するために、ガスタービン２の出力発生が即座に増大するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくガス・蒸気複合タービン設備の一実施例の概略構成図。
【図２】 本発明に基づくガス・蒸気複合タービン設備の異なった実施例の概略構成図。
【符号の説明】
１、１′ ガス・蒸気複合タービン設備
２ ガスタービン
５ 吸込み空気管
２０ 蒸気タービン
２４ 水・蒸気回路
２６ 主復水器
７６ 復水予熱器
８０ 補助復水器
９０ 熱交換器

Claims (7)

1. ガスタービン（２）に煙道ガス側において廃熱ボイラ（３０）が後置接続され、この廃熱ボイラ（３０）の伝熱器が蒸気タービン（２０）の水・蒸気回路（２４）に接続され、蒸気タービン（２０）に付設された主復水器（２６）に水・蒸気側において補助復水器（８０）が並列接続され、この補助復水器（８０）がガスタービン（２）に導入すべき吸込み空気（Ａ）を介して冷却されるガス・蒸気複合タービン設備（１、１′）。
2. ガスタービン（２）に付設された圧縮機に吸込み空気管（５）が前置接続され、この吸込み空気管（５）に補助復水器（８０）の冷却材側が直結されている請求項１記載のガス・蒸気複合タービン設備（１、１′）。
3. 補助復水器（８０）の冷却材側が中間冷却回路（９２）を介して熱交換器（９０）に接続され、この熱交換器（９０）の二次側が、ガスタービン（２）に付設された圧縮機に前置接続されている吸込み空気管（５）に接続されている請求項１記載のガス・蒸気複合タービン設備（１、１′）。
4. 補助復水器（８０）に導入すべき蒸気流と主復水器（２６）に導入すべき蒸気流との蒸気量比を調整することができる請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガス・蒸気複合タービン設備（１、１′）。
5. 主復水器（２６）に復水予熱器（７６）が後置接続され、補助復水器（８０）から流出する復水が、復水の流れ方向に見て復水予熱器（７６）の下流で、蒸気タービン（２０）の水・蒸気回路（２４）に注入される請求項１ないし４のいずれか１つに記載のガス・蒸気複合タービン設備（１、１′）。
6. ガスタービンに導入すべき吸込み空気（Ａ）が、蒸気タービン（２０）から流出する蒸気が凝縮する際に奪われた熱を介して予熱される請求項１ないし５のいずれか１つに記載のガス・蒸気複合タービン設備の運転方法。
7. 凝縮して得られた復水が、蒸気タービン（２０）の水・蒸気回路（２４）に導入される予熱された復水に混合される請求項６記載の方法。

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