JP4172914B2 - ガス・蒸気複合タービン設備 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ガスタービンに廃熱ボイラが後置接続され、この廃熱ボイラの加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。
【０００２】
ガス・蒸気複合タービン設備の場合、ガスタービンからの膨張した作動媒体あるいは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。その際の熱伝達はガスタービンに後置接続された廃熱ボイラで行われる。この廃熱ボイラには管あるいは管束の形をした複数の加熱器が配置され、これらの加熱器は蒸気タービンの水・蒸気回路に挿入接続されている。この水・蒸気回路は通常複数（例えば２つ）の圧力段を有し、その各圧力段は通常、給水加熱器および蒸発器を有している。
【０００３】
このようなガスタービン設備のガスタービンにおいて通常タービン翼を冷却する必要がある。これは特に、ガスタービンへの作動媒体の入口温度のためにタービン翼が特に大きな熱負荷を受ける場合である。
【０００４】
タービン翼を冷却するために、ガスタービン設備の圧縮機の下流から空気が取り出される。空気圧縮機での空気の圧縮によって、その空気はかなり加熱される。このためにガスタービンのタービン翼の十分な冷却を保証するためには、取り出された圧縮空気を冷却する必要がある。この冷却のために、圧縮空気が加熱媒体として供給される熱交換器が設けられる。この熱交換器は二次側が蒸発器として形成され、圧縮空気内に含まれる熱を回収するために蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。
【０００５】
その蒸発器から水・蒸気混合物を廃熱ボイラに搬送する間に、二相混合物の分離が生じないように注意しなければならない。二相混合物の分離が生ずると、復水の逆流が生じてしまう。この復水の逆流は配管内における復水衝撃を引き起し、このために構成要素を損傷してしまうことがある。
【０００６】
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、蒸発器から水・蒸気混合物を廃熱ボイラに搬送する間における二相混合物の分離が、特に安価な技術的経費で、特に確実に防止されるように改良することにある。
【０００７】
こ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において本発明に基づいて、ガスタービンに、そのタービン翼を冷却するために導入すべき冷却空気が加熱媒体として蒸発器を介して導入され、この蒸発器の二次側が水・蒸気回路に接続され、蒸気出口側が蒸気集合室に開口し、この蒸気集合室が蒸気側を並列接続された多数の供給管を介して気水分離ドラムに接続され、蒸気集合室が多数の仕切り板の配置によって形成された多数の互いに連通している部分空間を有し、各部分空間にそれぞれ供給管が付設されていることによって解決される。この本発明に基づく形態において、蒸気集合室内に存在する水・蒸気混合物は個々の供給管に特に一様に導入される。
【０００８】
本発明は、水・蒸気混合物が圧力に関係して所定の流速を下回ったときに、二相混合物の分離が生ずるという考えから出発している。二相混合物の限界速度以下において二相混合物の分離が生ずる。この限界速度は二相混合物が通流する管の内径に左右される。その内径が比較的小さいとき、二相混合物の分離が生ずることなしに比較的大きな流速が得られるが、他方ではその流量がこの供給管によって制限される。この両条件を満足するために、比較的小さな内径の多数の供給管が並列接続されている。その各供給管に一様に供給することを保証しなければならない。各供給管への蒸気の一様な供給は、各供給管にほぼ同じ蒸気量が送られ且つ蒸気集合室の供給管への入口範囲にほぼ同じ圧力がかかっているときに、保証される。このために、蒸気集合室は多数の互いに連通する部分空間を有し、各部分空間に供給管が付設されている。
【０００９】
膨大な実験で明らかになっているように、水・蒸気・混合物の流速の特に有効な下限値は３５ｍ／ｓであり、これを下回ってはならない。即ちこの限界値以上において、圧力損失、浸食および腐食の危険、二相混合物分離の確実な防止は、特に釣合った状態にある。そのために供給管の数および内径が、ガス・蒸気複合タービン設備の全運転状態においてその供給管内を流れる水・蒸気・混合物が３５ｍ／ｓの流速を下回らないように設計されていると有利である。
【００１０】
気水分離ドラムの入口側および出口側が水・蒸気循環路を形成するために廃熱ボイラ内に配置された蒸発器に接続されていると有利である。
【００１１】
本発明によって得られる利点は特に、蒸気集合室の各部分空間にそれぞれ供給管が付設され、これらの供給管が並列接続されていることによって、水・蒸気混合物が蒸発器から廃熱ボイラに搬送される間の二相混合物の分離が特に確実に防止されることにある。これによって、対応した構成要素の損傷が確実に防止されるので、ガス・蒸気複合タービン設備は特に長い寿命を有する。更にタービン翼を冷却するために用いられた空気に含まれる熱エネルギを、ガス・蒸気複合タービン設備の蒸気発生プロセスに特に有利に戻すことができる。
【００１２】
以下において図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００１３】
図１に概略的に示されているガス・蒸気複合タービン設備２はガスタービン設備２ａおよび蒸気タービン設備２ｂを有している。ガスタービン設備２ａは空気圧縮機６が連結されたガスタービン４を有している。その空気圧縮機６は入口側が空気Ｌの吸込み管８に接続されている。ガスタービン４に作動媒体ＡＭの供給管１０を介して燃焼室１２が前置接続され、この燃焼室１２は空気圧縮機６の主空気管１４に接続されている。ガスタービン４の燃焼室１２に燃料Ｂの供給管１６が開口している。ガスタービン４、空気圧縮機６および発電機１８は共通の軸２０に固定されている。
【００１４】
蒸気タービン設備２ｂは発電機２４が連結された蒸気タービン２２を有し、更にその水・蒸気回路２６において蒸気タービン２２に後置接続された復水器２８および廃熱ボイラ３０を有している。蒸気タービン２２は第１圧力段あるいは高圧部２２ａ、第２圧力段あるいは中圧部２２ｂおよび第３圧力段あるいは低圧部２２ｃから成り、これらの圧力段は共通の軸３２を介して発電機２４を駆動する。
【００１５】
ガスタービン４で膨張した作動媒体ＡＭ′あるいは煙道ガスを廃熱ボイラ３０に導入するために、排気管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４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。
【００１６】
廃熱ボイラ３０は水・蒸気回路２６の第１圧力段あるいは高圧段における高圧給水加熱器あるいはエコノマイザ３６を有し、これは気水分離ドラム３８に接続されている。気水分離ドラム３８は廃熱ボイラ３０内に配置された蒸発器４０に水・蒸気循環路４２を形成するために接続されている。気水分離ドラム３８は主蒸気Ｆを排出するために廃熱ボイラ３０内に配置された高圧過熱器４４に接続されている。この高圧過熱器４４は出口側が蒸気タービン２２の高圧部２２ａの蒸気入口４６に接続されている。
【００１７】
蒸気タービン２２の高圧部２２ａの蒸気出口４８は蒸気管５０を介して再熱器５２に接続されている。この再熱器５２の出口５４は蒸気管５６を介して蒸気タービン２２の中圧部２２ｂの蒸気入口５８に接続されている。中圧部２２ｂの蒸気出口６０はオーバフロー管６２を介して蒸気タービン２２の低圧部２２ｃの蒸気入口６４に接続されている。蒸気タービン２２の低圧部２２ｃの蒸気出口６６は蒸気管６８を介して復水器２８に接続されている。この復水器２８は、給水タンク７２および給水ポンプ７４が挿入接続されている給水管７０を介してエコノマイザ３６に接続され、これによって水・蒸気回路２６が形成されている。
【００１８】
従って図１の実施例には水・蒸気回路２６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、それぞれ水・蒸気回路２６の中圧段あるいは低圧段に付設された別の複数の加熱器（図示せず）も配置されている。それらの加熱器は適当な方式で蒸気タービン２２の中圧部２２ｂの蒸気入口５８あるいは蒸気タービン２２の低圧部２２ｃの蒸気入口６０に接続されている。
【００１９】
ガスタービン設備２ａのガスタービン４はタービン翼冷却装置を備えている。ガスタービン４の被冷却タービン翼に冷却空気Ｌ″が供給される。そのために空気圧縮機６の主空気管１４から圧縮空気Ｌ′の空気管７６が分岐し、この圧縮空気管７６は蒸発器７８に開口している。蒸発器７８は出口側が冷却空気管８０を介してガスタービン４に接続されている。
【００２０】
蒸発器７８は二次側が蒸気タービン設備２ｂの水・蒸気回路２６に接続されている。そのために蒸発器７８は入口側が給水管８２を介して給水タンク７２に接続されている。蒸発器７８の蒸気出口側に蒸気集合室８４が接続されている。この蒸気集合室８４は多数の供給管８６を介して気水分離ドラム３８に接続されている。
【００２１】
図２に詳細に示されている蒸気集合室８４は仕切り板８８によって多数の互いに連通されている部分空間９０に分割されている。蒸気集合室８４は入口側が蒸発器７８の多数の蒸発管９２に接続されている。蒸気集合室８４は出口側が多数の供給管８６に接続されている。蒸気集合室８４の部分空間９０にそれぞれ供給管８６が付設されている。
【００２２】
ガスタービン４のタービン翼冷却に必要な空気Ｌは空気吸込み管８を介して空気圧縮機６に導かれ、空気圧縮機６の出口側における主空気管１４から取り出される。しかし圧縮空気Ｌ′はタービン翼の冷却に対しては高温過ぎる。そのために圧縮空気Ｌ′を冷却する必要がある。この冷却は蒸発器７８において行われる。冷却済み空気Ｌ″は空気管８０を介してガスタービン４にそのタービン翼を冷却するために導入される。
【００２３】
その冷却で生じた熱は蒸気タービン設備２ｂの水・蒸気回路２６に導入される。このために給水が給水タンク７２から給水管８２を介して蒸発器７８に導入される。この給水は蒸発器７８において圧縮空気Ｌ′の冷却によって部分的に蒸発される。その際に蒸発器７８で生じた水・蒸気混合物は多数の供給管８６を介して気水分離ドラム３８に導入される。水・蒸気混合物を蒸発器７８から気水分離ドラム３８に搬送する間に二相混合物の分離が生じないようにするために、供給管８６は二相混合物の流速が３５ｍ／ｓを下回らないことを保証する管内径ｄ_iを有している。更に供給管８６と蒸発器７８との間に蒸気集合室８４が接続されている。この蒸気集合室８４は仕切り板８８によって多数の互いに連通している部分空間９０に分割されている。これらの各部分空間９０はほぼ同じ圧力を有している。各部分空間９０にそれぞれ供給管８６が付設されている。これによって各供給管８６に水・蒸気混合物が特に一様に供給されることが保証される。
【００２４】
供給管８６と蒸発器７８との間に蒸気集合室８６を挿入接続することによって、水・蒸気混合物を蒸発器７８から気水分離ドラム３８に搬送する間に二相混合物の分離が生じないことが、特に安価な技術的経費で保証される。これによって個々の構成要素の損傷が特に確実に防止されるので、ガス・蒸気複合タービン設備２は特に長い寿命を有する。またガス・蒸気複合タービン設備内で生ずる熱の特に有効利用が保証される。
【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概略系統図。
【図２】 図１における蒸気集合室の概略構成図。
【符号の説明】
２ ガス・蒸気複合タービン設備
４ ガスタービン
２２ 蒸気タービン
２６ 水・蒸気回路
３０ 廃熱ボイラ
７８ 蒸発器
８４ 蒸気集合室
８６ 供給管
８８ 仕切り板
９０ 部分空間

Claims (3)

1. ガスタービン（４）に廃熱ボイラ（３０）が後置接続され、この廃熱ボイラ（３０）の加熱器が蒸気タービン（２２）の水・蒸気回路（２６）に接続されているガス・蒸気複合タービン設備（２）において、ガスタービン（４）に、そのタービン翼を冷却するために導入すべき冷却空気（Ｌ″）が蒸発器（７８）を介して導入され、この蒸発器（７８）の二次側が水・蒸気回路（２６）に接続され蒸気出口側が蒸気集合室（８４）に開口し、この蒸気集合室（８４）が蒸気側を並列接続された多数の供給管（８６）を介して気水分離ドラム（３８）に接続され、蒸気集合室（８４）が多数の仕切り板（８８）の配置によって形成された多数の互いに連通している部分空間（９０）を有し、各部分空間（９０）にそれぞれ供給管（８６）が付設されているガス・蒸気複合タービン設備。
2. 供給管（８６）の数および内径（ｄ_i）が、ガス・蒸気複合タービン設備（２）の全運転状態においてその供給管内を流れる水・蒸気混合物が３５ｍ／ｓの流速を下回らないように設計されている請求項１記載のガス・蒸気複合タービン設備。
3. 気水分離ドラム（３８）が水・蒸気循環路（４２）を形成するために廃熱ボイラ（３０）内に配置された蒸発器（４０）に接続されている請求項１又は２記載のガス・蒸気複合タービン設備。

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