JP4191894B2 - ガス・蒸気複合タービン設備の運転方法とこの方法を実施するためのガス・蒸気複合タービン設備 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ガス並びに油を燃料として運転されるガスタービンからの膨張した作動媒体に含まれる熱を、少なくとも高圧段を含む蒸気タービンに対する蒸気を発生するために利用するガス・蒸気複合タービン設備の運転方法に関する。本発明は更に、ガス並びに油を燃料として運転されるガスタービンと、このガスタービンの排気ガス側に後置接続され、少なくとも低圧段と高圧段を含む蒸気タービンに対する蒸気を発生するための廃熱ボイラとを備えたガス・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において、ガスタービンからの膨張した作動媒体に含まれる熱は、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。こ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１つあるいは複数の、例えば２つあるいは３つの圧力段を有し、その各圧力段はそれぞれ通常、加熱器（エコノマイザ）、蒸発器および過熱器を有している。例えばヨーロッパ特許第０１４８９７３号明細書で知られているこのようなガス・蒸気複合タービン設備によれば、蒸気タービンの水・蒸気回路内における圧力比に応じて、約５０％以上の熱力学的効率が得られる。
【０００３】
このようなガス・蒸気複合タービン設備のガスタービンは、異種の燃料による運転に対して設計される。しかし、その設計上の燃料の種類に応じて、ガスタービンの排気ガス側に後置接続された廃熱ボイラについての要件が異なる。例えばガスタービンの燃料としてのガスは、通常高い純度を有しているので、この場合ガスタービンから流出する排気ガスは、少量の不純物しか含まない。
【０００４】
これに対して、ガスタービンの燃料として燃料油が利用される場合、ガスタービンから流出する排気ガスがひどく汚染されていることが予測される。特に二酸化硫黄（ＳＯ₂）あるいは三酸化硫黄（ＳＯ₃）が生じ、これは水と反応した後、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）の形で廃熱ボイラにおける伝熱面に付着し、これを腐食させてしまう。従って、ガスタービンに対する燃料として油を利用する場合、廃熱ボイラに、ガスタービンに対する燃料としてガスを利用する場合と異なった要件を課さねばならない。
【０００５】
特にガスタービンに対する燃料として油を利用する場合、蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている廃熱ボイラ内における伝熱器および配管構成要素が、十分高い温度、つまり硫酸の露点より高い温度を有していなければならないことに注意する必要がある。そのために、ガスタービンの油燃料運転の際、廃熱ボイラに流入する水あるいは復水の入口温度は、ガスタービンのガス燃料運転の場合に比べて高められ、約１２０から１３０℃にされる。
【０００６】
ガスタービンの燃料として燃料油が短い運転期間でしか利用されない、例えば天然ガスに対する「バックアップ」燃料として５００〜１５００時間／年しか利用されないようなガス・蒸気複合タービン設備は、通常ガスタービンの天然ガス燃料運転に関し優先的に設計され、最適化されている。ガスタービンの油燃料運転の際に、廃熱ボイラに流入する復水の十分高い入口温度を保証するために、必要な熱は種々の方式で廃熱ボイラ自体から取り出される。
【０００７】
通常用意されている復水加熱器を完全にあるいは部分的に迂回して復水を導き、水・蒸気回路に接続されている給水タンクに低圧蒸気を導入して、ここで復水を加熱する方式がある。しかしこの方式は、低い蒸気圧力のために非常にかさばり、事情によっては多段式とせざるを得ない加熱蒸気系統を給水タンク内に設ける必要がある。これは、大きな加熱スパンの場合に、給水タンク内で通常行われる脱気機能を害してしまう。
【０００８】
復水の効果的な脱気を保証するために、給水タンク内における復水温度は、常に１３０〜１６０℃の温度範囲に保たれねばならず、給水タンク内における復水の加熱スパンはできるだけ小さくしなければならない。これは例えば、蒸気加熱式補助加熱器による復水の予熱によって行われる。
【０００９】
そのために十分な熱を供給できるようにするために、二圧式あるいは三圧式設備において、しばしば廃熱ボイラの高圧エコノマイザから熱水を抽出しなければならない。もっともこれは、特に三圧式設備の場合、通常設けられている高圧給水ポンプの搬送量が影響を及ぼされるという欠点、および補助復水加熱器を高い圧力および大きな温度差に対して特に不経済に、不利に設計しなければならないという欠点がある。
【００１０】
更にまた、油燃料運転の際に、１つあるいは複数の給水ポンプの絞り損失が生ずると言う欠点がある。更に、高圧エコノマイザからの熱水の抽出は、いわゆる高圧アプローチ温度の低下により、高圧蒸気量を減少してしまい、これはまた設備効率を減少させてしまう。
【００１１】
ガスタービンの油燃料運転の際、給水タンク内あるいは脱気器内における復水加熱を、再熱器配管から抽出した蒸気で支援する方式が、既に実証されている。しかしこの方式は、給水タンクあるいは脱気器が存在していない設備では利用できない。
【００１２】
ガスタービンの燃料として油を利用する場合の、上述した復水加熱方法は、必要な構成要素およびガス・蒸気複合タービン設備の運転様式についても、経費がかかる。更にまた、ガスタービンの油燃料運転の際、設備効率が低く制限される。
【００１３】
本発明の課題は、ガスタービンに対して採用される燃料と無関係に、僅かな構造費用および運転費用で特に高い設備効率が得られるような、冒頭に述べた形式のガス・蒸気複合タービン設備の運転方法を提供することにある。更に本発明の課題は、この方法を実施するために適したガス・蒸気複合タービン設備を提供することにある。
【００１４】
この方法に関する本発明の課題は、本発明に基づいて、ガスタービンがガス燃料運転から油燃料運転に切り換えられた後、高圧段に導入すべき給水を第１部分流と第２部分流に分割し、その部分流の一方だけを加熱することによって解決される。
【００１５】
本発明は、ガスタービンの油燃料運転の際に補助的に必要な復水加熱が、そのために必要な熱を水・蒸気回路を介してではなく、ガスタービンからの排気ガスから復水に伝達することによって、特に単純な手段で且つ特に単純な方式で保証できるという考えから出発している。その場合、水・蒸気回路を介して熱伝達する際に必要な、例えば熱交換器、混合加熱器、蒸気減少ステーション（Dampfreduzierstation）および／又はその配管のような構成要素が省かれる。その代わりに、ガスタービンの油燃料運転の際、適正な場所におけるガスタービンの排気ガスからの熱抽出は、ガスタービンのガス燃料運転の際に比べて減少されるので、復水加熱に対して十分に多量の排気ガス熱が用立てられる。
【００１６】
ガスタービンの排気ガスからの熱の取り出しを適当に変更するために、蒸気タービンの高圧段における給水の加熱が考えられる。その代わりにあるいはそれに加えて、三圧式設備として形成されたガス・蒸気複合タービン設備において、中圧段において運転に応じて給水を加熱することが考えられる。
【００１７】
有利な改良形態において、ガスタービンがガス燃料運転から油燃料運転に切り換えられた後、蒸気タービンの低圧段における運転圧力が高められる。これによって、ガスタービンの油燃料運転の際、高圧段における給水加熱が非常に僅かであるために、排気ガス内に存在する熱は低圧伝熱器を介して蒸気タービンの水・蒸気回路に伝達されず、実際には排気ガス内においてもっと先に導かれて、復水加熱に対して確実に利用することが保証される。
【００１８】
その場合、低圧段における運転圧力は、低圧段における蒸気発生が停止するように設定される。しかし蒸気タービンの低圧段における運転圧力は、この低圧段において系統機能を維持するための或る最低蒸気発生がなお維持されるように、例えば約１０〜１５バールに高められることが有利である。
【００１９】
ガスタービンの運転様式の切り換え後における移行過程においても特に高い効率を得るために、第１部分流と第２部分流との分岐状態を、高圧段に導入すべき復水の温度に関係して調整することが有利である。その場合、廃熱ボイラに流入する復水の温度は特に好適な方法で監視される。
【００２０】
本発明のガス・蒸気複合タービン設備についての課題は、本発明に基づいて、蒸気タービンの高圧段に付属された給水加熱器に、バイパス管を並列接続することによって解決される。
【００２１】
その都度の運転条件についての給水加熱の特に良好な適合は、特にバイパス管に、高圧段に導入すべき復水の温度に関係して調整される止め弁を接続することにより実現可能である。
【００２２】
本発明によって得られる利点は、特にガスタービンの油燃料運転の際に必要なガスタービンのガス燃料運転の際に比べて高められた廃熱ボイラへの水入口温度が、特に単純な手段で保証されることにある。そのために必要な補助的な復水加熱において通常用意される高価な構成要素、即ち例えば低圧蒸気を導入することによって水・蒸気回路からの熱を復水に伝達する構成要素が要らなくなる。その代わりに、復水への十分な熱伝達は、ガスタービンからの排気ガスに復水加熱器の範囲においてなお十分な熱が含まれていることによって保証される。即ち、ガスタービンの油燃料運転の際に必要な復水加熱用の補助的な熱は、排気ガスを介して復水に直接伝達される。そのために必要な構造費用および運転費用は特に安価である。
【００２３】
更に、例えば高圧給水ポンプのような水・蒸気回路の構成要素は、これがガスタービンの油燃料運転の際にエコノマイザから補助的に水を抽出するバイパス運転に対して設計する必要がないので、比較的小さく寸法づけられる。更にまた、蒸気タービンの低圧段および復水ポンプの設計に応じて、１３０℃以上もの廃熱ボイラの水入口温度が生ずる。従って実際に、この目的における油燃料運転（バックアップ燃料運転）の全動作形態がカバーされるので、標準化が可能である。
【００２４】
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２５】
図１におけるガス・蒸気複合タービン設備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と、このガスタービン２に前置接続され空気圧縮機４の主空気管８に接続されている燃焼器６とを有している。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。この燃料供給管１０を介して燃焼器６に、選択的にガスあるいは油が、ガスタービン２用の燃料Ｂとして供給される。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。
【００２６】
蒸気タービン設備１ｂは、発電機２２に連結されている蒸気タービン２０と、水・蒸気回路２４内で蒸気タービン２０に後置接続された復水器２６と、廃熱ボイラ３０とを有している。蒸気タービン２０は、第１圧力段、即ち高圧部２０ａと、第２圧力段、即ち中圧部２０ｂと、第３圧力段、即ち低圧部２０ｃとから成り、これらは共通の軸３２を介して発電機２２を駆動する。
【００２７】
ガスタービン２内で膨張した作動媒体ＡＭあるいは排気ガスを廃熱ボイラ３０に導入するために、排気ガス管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。
【００２８】
廃熱ボイラ３０は第１復水加熱器４０を有している。この第１復水加熱器４０は入口側に復水器２６から復水管４２を介して復水Ｋを供給される。その復水管４２には復水ポンプ４４が接続されている。復水加熱器４０は出口側が高圧ポンプ４６に接続されている。復水加熱器４０の上流側の復水管４２は、更に止め弁４７を備えた循環管４８を介して、復水加熱器４０の下流側の復水管４５に接続されている。その循環管４８に循環ポンプ４９が挿入接続されている。従って循環管４８、復水管４２、復水加熱器４０および復水管４５によって、復水Ｋの循環回路が形成されるので、給水タンクは不要である。必要に応じて高圧加熱器４０を迂回するために、復水管４２はバイパス管（図示せず）を介して高圧ポンプ４６に直結される。
【００２９】
高圧ポンプ４６は復水加熱器４０から流出する加熱済み復水Ｋの圧力を、水・蒸気回路２４の蒸気タービン２０に付属された高圧段５０に適した圧力レベルにする。加圧復水は高圧段５０に給水Ｓとして給水加熱器５２を介して導入される。この給水加熱器５２は、出口側が止め弁５４を備えた給水管５６を介して、高圧気水分離器５８に接続されている。高圧気水分離器５８は、水・蒸気循環路６２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６０に接続されている。高圧気水分離器５８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６４に接続されている。この高圧過熱器６４は出口側が蒸気タービン２０の高圧部２０ａの蒸気入口６６に接続されている。
【００３０】
蒸気タービン２０の高圧部２０ａの蒸気出口６８は、再熱器７０を介して蒸気タービン２０の中圧部２０ｂの蒸気入口７２に接続されている。蒸気タービン２０の中圧部２０ｂからの蒸気出口７４は、オーバーフロー管７６を介して蒸気タービン２０の低圧部２０ｃの蒸気入口７８に接続されている。蒸気タービン２０の低圧部２０ｃの蒸気出口８０は、蒸気管８２を介して復水器２６に接続されているので、水・蒸気密閉回路２４が生じている。
【００３１】
復水Ｋが中圧に達している場所で、高圧ポンプ４６から分岐管８４が分岐している。この分岐管８４は第２給水加熱器８６を介して、蒸気タービン２０に付属した水・蒸気回路の中圧段９０に接続されている。第２給水加熱器８６は出口側が止め弁９２付き給水管９４を介して、中圧段９０の中圧気水分離器９６に接続されている。この中圧気水分離器９６は水・蒸気循環路を形成するために廃熱ボイラ３０内に配置された中圧蒸発器９８に接続されている。中圧気水分離器９６は中圧・主蒸気Ｆ′を排出するために、蒸気管１０２を介して再熱器に、従って蒸気タービン２０の中圧部２０ｂの蒸気入口７２に接続されている。
【００３２】
復水Ｋの流れ方向に見て復水ポンプ４４の下流で、復水管４２からもう１つの復水管１０４が分岐している。この復水管１０４は廃熱ボイラ３０内に配置された第２復水加熱器１０６に開口している。第２復水加熱器１０６は出口側が止め弁１０８付きの復水管１１０を介して、蒸気タービン２０に付属する水・蒸気回路２４の低圧段１２０に接続されている。
【００３３】
低圧段１２０は低圧気水分離器１２２を有し、この低圧気水分離器１２２は水・蒸気循環路１２６を形成するために廃熱ボイラ３０内に配置された低圧蒸発器１２４に接続されている。低圧気水分離器１２２は低圧・主蒸気Ｆ″を排出するために、蒸気管１２８を介してオーバーフロー管７６に接続されている。復水管１１０は止め弁１３０付き循環管１３２を介して、復水管１０４に接続されている。その循環管１３２には循環ポンプ１３４が挿入接続されている。復水Ｋは循環ポンプ１３４によって、循環管１３２、復水管１０４、復水加熱器１０６および復水管１１０によって形成された循環路内を循環されるので、給水タンクは不要である。必要に応じて復水加熱器１０６をバイパスするために、復水管１０４はバイパス管（図示せず）を介して復水管１１０に直結される。
【００３４】
高圧段５０に付属する給水加熱器５２に、止め弁１４０付きのバイパス管１４２が並列接続されている。その止め弁１４０は高圧段５０あるいは中圧段９０に導入すべき復水Ｋの温度に関係して調整される。そのために止め弁１４０は、高圧段５０ないし中圧段９０に導入すべき復水Ｋの温度を特色づける入力信号が供給される制御装置に、図示しない方式で接続されている。
【００３５】
中圧段９０に付属する給水加熱器８６にも同様に、止め弁１４４付きのバイパス管１４６が並列接続されている。この止め弁１４６は、止め弁１４０と同じようにして、高圧段５０ないし中圧段９０に導入すべき復水Ｋの温度に関係して調整される。
【００３６】
ガス・蒸気複合タービン設備１のガスタービン２は、ガス並びに燃料油を燃料Ｂとして運転される。ガスタービン２がガス燃料運転する際、廃熱ボイラ３０に導入される作動媒体ＡＭが比較的高い純度を有しているので、この運転状態において水・蒸気回路はその効率が最良となる。この運転状態において止め弁１４０および止め弁１４４は閉じられ、これによって高圧ポンプ４６で搬送される給水Ｓは全部、給水加熱器５２ないし給水加熱器８６を通って導かれ、そこで加熱される。
【００３７】
ガスタービン２ａが油燃料運転する際、廃熱ボイラ３０に導入される作動媒体ＡＭに不純物、特に二酸化硫黄ＳＯ₂および硫酸Ｈ₂ＳＯ₄が含まれる。この運転状態において廃熱ボイラ３０内の構造部品の損傷を確実に防止するために、廃熱ボイラ３０内に配置されたすべての伝熱器は、即ち特に復水加熱器４０および復水加熱器１０６も、硫酸の露点より高い温度で運転される。そのために、廃熱ボイラ３０に流入する復水Ｋの入口温度は、ガスタービン２のガス燃料運転と比べて高くしなければならない。従って比較的強い復水加熱が必要となる。
【００３８】
この比較的強い復水加熱は、水・蒸気回路２４から復水Ｋへの熱伝達によってではなく、作動媒体ＡＭから復水Ｋへの直接的な熱伝達によって達成される。そのために、ガスタービン２をガス燃料運転から油燃料運転に切り換えた後、高圧段５０および中圧段９０に導入すべき給水Ｓをそれぞれ第１部分流Ｔ１と第２部分流Ｔ２に分割し、その部分流Ｔ１、Ｔ２の一方だけを加熱する。
【００３９】
これを達成するために、高圧段５０に導入すべき給水流が給水加熱器５２およびバイパス管１４２に分配されるように、止め弁１４０および止め弁１４４をそれぞれ部分的に開く。同様に中圧段９０に導入すべき給水流も、給水加熱器８６およびバイパス管１４６に分配する。これによって、ガスタービン２がガス燃料で運転される場合に比べて、給水加熱器５２、８６の範囲において作動媒体ＡＭから少量の熱しか取り出されない。
【００４０】
作動媒体ＡＭ内に存在するこの熱の復水Ｋへの確実な伝達を保証するために、低圧段１２０における運転圧力は約１０〜１５バールに高められる。従って、作動媒体ＡＭ内に追加的に残存する熱が、低圧蒸発器１２４によって奪われることは防止される。これによって、復水加熱器４０、１０６による復水Ｋの確実な、追加的な加熱が保証される。
【００４１】
ガス・蒸気複合タービン設備１は、廃熱ボイラ３０への１３０℃以上に達する復水入口温度で運転される。従って、ガスタービン２のために幅広い種類の燃料油（バックアップ燃料）を利用できるので、燃料油と無関係にガス・蒸気複合タービン設備１の標準化を図ることが可能である。
【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概略構成図。
【符号の説明】
１ ガス・蒸気複合タービン設備
２ ガスタービン
２０ 蒸気タービン
３０ 廃熱ボイラ
５０ 高圧段
５２ 給水加熱器
１２０ 低圧段
１４０ 止め弁
１４２ バイパス管
ＡＭ 作動媒体
Ｋ 復水
Ｓ 給水
Ｔ１ 第１部分流
Ｔ２ 第２部分流

Claims (4)

1. ガス並びに油を燃料として運転されるガスタービン（２）からの膨張した作動媒体（ＡＭ）に含まれる熱を、少なくとも高圧段（５０）を含む蒸気タービン（２０）に対する蒸気を発生するために利用するガス・蒸気複合タービン設備（１）の運転方法において、ガスタービン（２）をガス燃料運転から油燃料運転に切り換えた後、高圧段（５０）に導入すべき給水（Ｓ）を第１部分流（Ｔ１）と第２部分流（Ｔ２）に分割し、前記第１部分流（Ｔ１）を硫酸の露点温度より高い温度に加熱することを特徴とするガス・蒸気複合タービン設備の運転方法。
2. ガスタービン（２）をガス燃料運転から油燃料運転に切り換えた後、蒸気タービン（２０）の低圧段（１２０）における運転圧力を高めることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 第１部分流（Ｔ１）と第２部分流（Ｔ２）との分岐状態を、高圧段（５０）に導入すべき復水（Ｋ）の温度に関係して調整することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ガス並びに油が燃料として運転されるガスタービン（２）と、このガスタービン（２）の排気ガス側に後置接続され、少なくとも低圧段（１２０）と高圧段（５０）を含む蒸気タービン（２０）に対する蒸気を発生するための廃熱ボイラ（３０）とを備えたガス・蒸気複合タービン設備（１）において、高圧段（５０）に付属された給水加熱器（５２）に、バイパス管（１４２）が並列接続されており、前記バイパス管（１４２）に、高圧段（５０）に導入すべき復水（Ｋ）の温度が、硫酸の露点温度より高い温度となるように調整される止め弁（１４０）が接続されていることを特徴とするガス・蒸気複合タービン設備。

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