JP4245678B2 - 複合サイクルプラントを運転する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合サイクルプラントを運転する方法であって、該複合サイクルプラントが、主としてガスタービン群と廃熱蒸気発生器と少なくとも１つの蒸気タービンを備えた蒸気回路とから成っており、ガスタービン群が１つのコンプレッサユニットと、それぞれ少なくとも１つの燃焼室とタービンとジェネレータとから成っている形式の複合サイクルプラントを運転する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような形式の今日の複合サイクルプラントは、通常の形式で以下に記載の調整動作で運転される：出力又は回転数調整器によって制御される調整部材、つまりコンプレッサガイド列調整と吸込み空気予加熱と、廃熱蒸気発生器からの蒸気量による蒸気噴射は、質量流及び圧力比の変化のような、回路の熱力学的な変化を生ぜしめる。これらの変化は燃料量の適合を必要とする。このような燃料量の適合は、燃料を調量する相応な調整部材を介して行われる。コンプレッサ系に中間冷却器が設けられている場合には、部分コンプレッサの空気力学比を最適化するために、冷却水量を冷却水調量を介して変えることができる。
【０００３】
例えばコンプレッサガイド列の部分的な閉鎖及び／又は吸込み空気の予加熱によって、循環空気流が減じられ、これによってタービンの吸込み原理（Schluckgesetz）を介して圧力比が低下する。両方の燃焼室における温度上昇を回避するためには、燃料量が減じられねばならない。このことは有利には、良好にかつ確実に検出可能な２つのパラメータ、つまりタービン出口温度及びコンプレッサ系の出口における圧力の使用に基づいて、行われる。しかしながら、そこにおいて生じる極めて高い温度レベルに起因して高圧タービンの出口温度及び高温ガス温度を直に検出することは、それ自体問題がある。
【０００４】
逆に、コンプレッサガイド列を大きく開放した場合には、燃焼室への両燃料量が増大されねばならず、このことは、上に述べたのと同じ調整機構を介して行われる。これによって得られる出力上昇は、高められた燃焼室流及びタービン質量流に基づいており、この燃焼室流及びタービン質量流は、圧力比を上昇させる。低圧側のタービン出口温度のこれによって生ぜしめられる低下は、増大する質量流によって高められた蒸気製造をわずかしか減じないので、有効出力は、コンプレッサによって圧送される空気量の上昇に対してほぼ正比例的に増大する。したがって蒸気タービンの運転出力を著しく高めることは、不可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法を改良して、運転出力を高めることができ、同時に最大の効率と最少の有害物質放出とを達成することができる方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の方法では、蒸気タービンの運転出力を高めるために、圧力的に適宜な箇所において、調整装置によって調量された少なくとも１つの蒸気量を取り出し、該蒸気量を適宜な箇所においてガスタービン群に供給し、このようにして生ぜしめられた出力を維持するために、少なくとも、少なくとも１つの燃焼室の燃料量の調量に対して影響を与えるようにした。
【０００７】
【発明の効果】
蒸気タービンから適宜な圧力箇所において規定の蒸気量を取り出すこと、及びこの蒸気量を適宜な箇所においてガスタービンプロセス内に噴射することによって、ガスタービン出力は、蒸気タービン出力の低下に比べて著しく高まる。この結果全体として、１０〜１５％の出力上昇を達成することができる。
【０００８】
蒸気の噴射は有利には、高圧燃焼室のバーナの上流において行われ、この場合燃料への該蒸気の添加混合は、熱力学的に等価である。噴射される蒸気は、この燃焼室内において準備された高温ガスの温度レベルにもたらされ、このことはもちろん付加的な燃料量を必要とするので、廃熱蒸気発生器においては付加的に蒸気が製造される。確かに、この出力上昇が複合サイクルプラントの効率を幾分低下させることは確かである。それというのは、煙突においては、このことが蒸気タービンの復水器において行われるよりも高い価の潜熱が失われるからである。しかしながら、ガスタービン内に噴射される蒸気タービンの蒸気は、圧力的に適宜な箇所において取り出されるので、この蒸気タービンの蒸気が蒸気タービン出力全体をそれほど低下させることはない。
【０００９】
上に述べた効率の低下は以下のことによって補償することができる：
コンプレッサを少なくとも２つの部分コンプレッサに分割して、中間冷却器を導入することによって、ガスタービンの出力、ひいては複合サイクルプラントの出力が高められる。有利に選択された回路圧比を有利に選択しかつコンプレッサ部分の両部分圧比を圧力的に有利に分割すると、ガスタービンの効率は上昇するが、これに対してこの効率は、複合サイクルに関しては幾分低下する。なぜならば、中間冷却器において失われる燃料エネルギ分は、蒸気製造のための廃熱蒸気発生器において存在しないからである。しかしながらこの効率低下は次のことによって抑えられる。すなわちこの場合、中間冷却器における冷却水量が可能な限り少なく保たれ、これによって高温の圧力水が発生し、この高温の圧力水は蒸発カスケードにおいて部分的に蒸気に変換され、この蒸気は次いで蒸気タービン内に導かれてそこで作業を行う。
【００１０】
したがって冷却水量の変化によって、第２のコンプレッサ部分への入口温度に影響を与えることができ、この結果、公称ポイントから運転ポイントがずれている場合には両コンプレッサ部分は調整することができ、これによって両コンプレッサ部分の効率は最大になり、このことはまた複合サイクルプラントの効率全体に反映する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に図面につき本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１に示された複合サイクルプラントは、主として符号１ａ〜１２，１６，５３で示された構成要素から成るガスタービン群と、廃熱蒸気発生器１４と蒸気回路とから成っている。自発的な（autonom）ユニットとして運転可能なガスタービン群は、後で詳しく述べるコンプレッサユニット１ａ，１ｂと、このコンプレッサユニットに後置された第１の燃焼室４と、この燃焼室に後置された第１のタービン７と、このタービン７に後置された第２の燃焼室９と、この燃焼室９に後置された第２のタービン１２とから成っている。前記流体機械１，７，１２は、一体的なロータ軸５３を有しており、このロータ軸５３は、図示されていないクラッチによってジェネレータ１６と連結されている。ロータ軸５３は有利には、図示されていない２つの軸受に支承されており、両軸受は有利にはコンプレッサユニットのヘッド側と第２のタービン１２の下流に配置されている。コンプレッサユニットは図示の実施例では、例えば比出力（spezifische Leistung）を上昇させるために、間に中間冷却器３７を備えた２つの部分コンプレッサ１ａ，１ｂに分割されており、第１の部分コンプレッサ１ａは、コンプレッサガイド列調整装置５２を備えて構成されている。吸い込まれた空気２は、第１のコンプレッサ１ａにおいて前圧縮される前に、吸込み空気予加熱器３４を貫いて流れる。次いでこの前圧縮された空気２ａは、既に述べた中間冷却器３７を通して案内され、中間冷却されかつ前圧縮された空気２ｂとして、第２のコンプレッサ１ｂに流入する。最終圧縮された後で、圧縮された空気３は有利には、コンプレッサ出口と第１のタービン７とを内部に有するケーシング（図示せず）に流入する。このケーシング内にはまた第１の燃焼室４が設けられており、この燃焼室４は有利には、連続的なリング燃焼室として構成されていて、その中に圧縮された空気３が流入する。もちろん、第１の燃焼室４を運転するための圧縮された空気は、図示されていない空気アキュムレータシステムからもたらすことも可能である。リング燃焼室４はヘッド側に、全周に分配されて、燃焼のために働く複数のバーナ（図示せず）を有している。燃料５の供給は有利には、図示されていないリング導管を介して行われ、この場合には少なくとも１つの調整部材５ａが設けられている。ここではディフュージョンバーナ（Diffusionsbrenner）を使用することができる。特にＮＯｘ放出のような有害物質放出を減じるため及び効率を高めるために、欧州特許第０３２１８０９号明細書記載の前混合バーナが配置されていると有利である。この欧州特許明細書には、例えば戻される煙ガスによってリッチにされる燃焼空気の組成や燃料供給形式についても記載されているが、燃焼空気の組成及び供給の形式に関して述べられていることは、第２の燃焼室９に対しても当てはまる。リング燃焼室の周方向におけるこの前混合バーナの配置形式に関して言えば、この配置形式は、必要とあらば、同じ大きさのバーナの通常の輪郭形状と異なっていてもよく、その代わりに、等しい又は異なった輪郭形状の異なった大きさの前混合バーナを使用することができる。このことは、パイロットバーナとメインバーナとの間における分割もしくは分配にとって有利である。もちろん、リング燃焼室４は複数の個々の管状の燃焼室から成っていることができ、これらの燃焼室は、いずれにせよ傾斜リング形状に、場合によっては螺旋形状に、ロータ軸５３の回りに配置されている。このリング燃焼室４はその設計とは無関係に、該リング燃焼室がロータ長さに対して事実上影響を与えないように、幾何学的に配置されている。このような配置形式によって結果として得られる利点については、後でさらに詳しく述べる。このリング燃焼室４から出る高温ガス６は、直後に配置された第１のタービン７を負荷し、高温ガス６に対するこのタービン７の熱膨張作用は、意識的に最小に保たれており、つまりこのタービン７はしたがって、１つ又は２つの回転羽根列よりも多くの回転羽根列からは成っていない。このようなタービン７においては、軸方向スラストを安定化するために端面において圧力補償を行うことが必要になる。タービン７において部分的に膨張されて直ぐに第２の燃焼室９に流入する高温ガス８は、上述の理由から、かなり高い温度を有しており、運転に応じて有利には、なお１０００℃ほどの温度を有するようになっている。この第２の燃焼室９は有利には、軸方向又はほぼ軸方向の連続的なリング状のシリンダの形を有している。もちろんこの第２の燃焼室９はまた、軸方向に、ほぼ軸方向に又は螺旋状に配置されていてそれ自体閉じられている複数の燃焼室から成っていてもよい。個々の燃焼室から成るリング状の燃焼室９の輪郭形状について述べれば、このリング状のシリンダの周方向には複数の燃料ランス１０が配置されており、これらの燃料ランス１０はもちろんリング導管（図示せず）を介して互いに結合されていてもよい。この燃料供給部にもまた少なくとも１つの調整部材１０ａが設けられている。燃焼室９は、通常の意味におけるバーナを有していない。すなわち、タービン７からもたらされる高温の排ガス８内に噴出される燃料１０の燃焼は、任意に温度レベルがこのような運転形式を許す限りにおいては、ここでは自己点火によって行われる。燃焼室９が気体燃料例えば天然ガスで運転されると仮定すれば、このような自己点火のために、タービン７からの高温の排ガス８の温度は１０００℃であることが望ましく、このことはもちろん部分負荷運転においても言えることであり、このことはこのタービン７を設計するために大きな役割を果たす。自己点火式に設計されている燃焼室において運転確実性と高い効率とを保証するためには、炎前面（Flammenfront）が位置的に安定していることが極めて重要である。このためにこの燃焼室９には、有利には内壁及び外壁に周方向に配置されて、一連の渦流発生器が設けられており、これらの渦流発生器は、流れ方向において有利には燃料ランス１０の上流に配置されている。これらの渦流発生器の課題は、渦流を発生させることであり、この渦流には次いで燃料が供給され、燃料を供給された渦流はさらに下流において、リング燃焼室４における前混合バーナからの渦流と同様に、安定した逆流ゾーン（Rueckstroemzone）を生ぜしめる。この燃焼室９は、軸方向の配置及びその構造長さに基づいて、約６０ｍ／ｓよりも大きな平均速度を有する高速燃焼室であるので、渦流発生エレメント、つまり渦流発生器は流れに合わせて形成されていなくてはならない。流入側において渦流発生器は有利には、流入に対して傾斜した面を備えた四面体形状から成っており、渦流発生エレメントは、既に述べたように、燃焼室９の外面に配置されていても又は内面に配置されていても、又は両方の面において作用するようになっていてもよい。外側に位置する渦流発生エレメントと内側に位置する渦流発生エレメントとの間における傾斜した面は、有利には鏡像的に配置されていて、燃焼室９の流過横断面が当該箇所の下流で燃料１０の噴射領域において拡大されて、逆流を生ぜしめるように、構成されている。もちろん渦流発生エレメントは軸方向において互いにずらされていてもよい。渦流発生エレメントの流出側の面は、実質的に鉛直に内壁に向かって方向付けられており、この結果当該箇所の下流において所望の逆流ゾーンを生ぜしめることができる。渦流発生器の特殊な構成に関しては、欧州特許公開第０６１９１３３号明細書に記載されている。いかしながら燃焼室９における自己点火は、種々異なった燃料においてガスタービン群の一時的な（transient）負荷範囲においても部分負荷範囲においても保証されねばならず、つまり、燃料１０の噴射部の領域において高温の排ガス８の温度の変化を調節することが望ましい場合でも、燃焼室９における自己点火を保証するような補助処置が設けられねばならない。このことを保証するために、主燃料に、低温の点火温度をもつ他の燃料を少量加えることができる。「補助燃料」としてはこの場合例えば燃焼オイルが極めて適している。液体の補助燃料は、相応に噴射されて、いわゆる「導火線」として働くという課題を満たし、次のような場合、すなわち第１のタービン７からの高温の排ガス８が所望の最適なレベルを下回る温度を有しているような場合でも、燃焼室９における自己点火を生ぜしめる。自己点火を保証するための燃焼オイルを与えるというこの処置は、ガスタービン群が減じられた値で運転される場合に、特に有利であるということが証明されている。この処置はさらに、燃焼室９が最小の軸方向長さを有することができるということのためにも、特に有利である。燃焼室９の短い構造長さ、混合物形成及び炎安定化のための有利な渦流発生器の作用、並びに自己点火の絶え間ない保証によって、燃焼は極めて迅速に行われ、高温の炎前面の領域における燃料の滞在時間は最小になる。直接的に燃料固有に測定可能な作用に基づいて、ＮＯｘ放出は最小になり、 ＮＯｘ放出に関する問題はもはや存在しなくなる。この出発状況はさらに、燃焼の箇所を明確に規定することを可能にし、このことによって、この燃焼室９の構造体の最適化された冷却が達成される。燃焼室９内において調整された高温ガス１１は、次いで後置の第２のタービン１２を負荷する。ガスタービン群の熱力学的な特性値は次のように、すなわち第２のタービン１２から出た排ガス１３がなお十分な熱量ポテンシャルを有していて、これによって後置の廃熱蒸気発生器１４を運転することができるように、設計されることができる。既にリング燃焼室４の記載において触れたように、このリング燃焼室４はジオメトリ的に、ロータ長さに対して実質的に影響を加えないように、配置されている。さらにまた、第２の燃焼室９は第１のタービン７の流出平面と第２のタービン１２の流入平面との間において最小の長さを占めるということを、確認することができた。さらに第１のタービン７における高温ガス６の膨張は、上に述べた理由から、数少ない回転羽根列を介して行われるので、単軸のコンパクトなガスタービン群を準備することができる。第２の燃焼室９の前に図示されていない小型ディフューザが設けられると、ガスタービン群の効率を高めるために有利である。このように構成されていると、系全体における総圧力損失を減じることができる。汎用のディフューザ設計ダイアグラムによって、既にディフューザの最小の長さにおいて動圧の大きな回収率を達成することができる、ということを証明することができる。上に述べたように、コンプレッサ段１ａ，１ｂは中間冷却装置を備えていてもよい。このような考えに基づいた場合でも、図面に示されているようなガスタービン群のジオメトリックな基本構想を変えないために、中間冷却器３７は、有利にはコンプレッサ段の直接的な流れ方向において、ステータケーシングに一体に組み込まれている。この中間冷却器３７における冷却は、間接的に又は直接的に行われる。直接的な中間冷却の場合には、このことは、例えばユニットによって行うことができ、このユニットの運転は、噴射された水が蒸発するように設計されている。これによって得られる構成では、ステータケーシングの外側に配置された中間冷却器に通じていて、この中間冷却器からステータケーシングを貫いて次のコンプレッサ段に通じる汎用の結合導管を、完全に省くことができる。
【００１３】
既に述べたように、第２のタービン１２からの排ガス１３は、廃熱蒸気発生器１４を貫流し、次いで煙ガス１５として煙突を介して排出される。図面に示されている廃熱蒸気発生器１４は、新鮮蒸気３１を生ぜしめる。もちろん、複合圧力系に基づいて作動して相応に複数の蒸気品質を得ることができる廃熱蒸気発生器を、設けることも可能である。
【００１４】
廃熱蒸気発生器１４において生ぜしめられた新鮮蒸気３１は、調整部材３２を介して蒸気タービン１７内に流入し、この蒸気タービン１７の軸は、既に述べたジェネレータ１６とも連結されている。蒸気タービン１７から出た膨張した蒸気１８は、次いで有用な冷却媒体２０によって運転される復水器１９を貫いて流れる。これによって生ぜしめられた復水２１には必要とあらば添加水２２が補足され、これにより冷却水２１ａが生ぜしめられ、この冷却水２１ａは、次いでフィードポンプ２３によって圧送されて、コンプレッサ系の中間冷却器３７に向かって流れ、この際にこの冷却水２１ａの第１の量２４はまず初めに混合予加熱器２６内に導かれる。残りは別のフィードポンプ２５を介して、前記中間冷却器３７に導かれる。混合予加熱器２６から出た蒸気２７は、調整部材２８を介して蒸気タービン１７内に流入し、そこで作業を行う。この混合予加熱器２６からはまた供給水２９が準備され、この供給水２９はフィードポンプ３０を介して廃熱蒸気発生器１４に流入し、そこで熱交換によって蒸気タービン１７を負荷するための蒸気に変換される。中間冷却器３７における前圧縮された空気２ａの冷却によって、冷却水２１ａから相応な量調整により高温の圧力水３８が生ぜしめられ、この圧力水３８は、調整部材３９，４２によって構成された蒸発カスケード４０，４１，４３において部分的に蒸気４８，４９に変換され、この蒸気４８，４９は適宜な箇所において蒸気タービン１７に導入される。前記カスケードのための第３の蒸発は、第２の蒸発フラスコ４３の下流において行われ、つまり導管４４が調整部材４７を介して、残りの高温の圧力水を混合予加熱器２６内に導き、この場合この混合予加熱器２６の上流においては、調整部材４６を備えた分岐導管４５が冷却水量を、別の冷却水導管２１ａ内に案内する。混合予加熱器２６からの蒸気排出については、既に述べられている。蒸気タービン１７からは、圧力的に適宜な箇所において蒸気量３３が取り出され、この蒸気量３３は吸込み空気２を予加熱するために働く。この吸込み空気予加熱器３４を通過した後で復水３５は調整部材３６を介して、冷却水導管２１ａ内に導かれる。蒸気タービン１７から出た第２の蒸気量５０は、調整部材５１を介してガスタービン群の第１の燃焼室４の上流に導入され、高温ガス製造に関与し、この場合この蒸気噴射は、「発明の効果」で既に詳しく述べたように、複合サイクルプラントの運転出力を著しく高める。
【００１５】
このプラントの調整は、少なくとも、制御される下記の調整部材を介して行われる。すなわち出力・回転数調整は、コンプレッサガイド列調整Ａと、調整部材３６における吸込み予加熱Ｂと、調整部材５１におけるガスタービン群への蒸気噴射Ｃとを介して行われる。これによって生ぜしめられる、回路の熱力学的な変化、つまり質量流と圧力比の変化は、調整部材５ａ，１０ａによって行われる燃料量の適合Ｄ，Ｅを望んでいる。さらに、コンプレッサガイド列調整装置Ａ及び吸込み空気予加熱装置Ｂの制御時に、公称出力の約５０％を下回る出力のためには、一次的な調整方法として燃料調量Ｄ，Ｅが制御される。部分コンプレッサ１ａ，１ｂの空気力学的な関係を最適化するためには、中間冷却器３７の上流の調整部材２５における冷却水調量Ｆが行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】逐次燃焼するガスタービン群を備えた複合サイクルプラントを示す概略図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 部分コンプレッサ、 ２，２ａ，２ｂ，３ 空気、 ４ 第１の燃焼室、 ５ 燃料、 ５ａ 調整部材、 ６ 高温ガス、 ７ 第１のタービン、 ８ 排ガス、 ９ 第２の燃焼室、 １０ 燃料ランス、 １０ａ 調整部材、 １１ 高温ガス、 １２ 第２のタービン、 １３ 排ガス、 １４ 廃熱蒸気発生器、 １５ 煙ガス、 １６ ジェネレータ、 １７ 蒸気タービン、 １８ 蒸気、 １９ 復水器、 ２０ 冷却媒体、 ２１ 復水、 ２１ａ 冷却水、 ２２ 添加水、 ２３ フィードポンプ、 ２４ 第１の量、 ２５ フィードポンプ、 ２６ 混合予加熱器、 ２７ 蒸気、 ２８ 調整部材、 ２９ 供給水、 ３０ フィードポンプ、 ３１ 新鮮蒸気、 ３２ 調整部材、 ３３ 蒸気量、 ３４ 空気予加熱器、 ３５ 復水、 ３６ 調整部材、 ３７ 中間冷却器、 ３８ 圧力水、 ３９，４２ 調整部材、 ４０，４３ 蒸気フラスコ、 ４４ 導管、 ４５ 分岐導管、 ４６ 調整部材、４７ 調整部材、 ４８，４９ 蒸気、 ５０ 蒸気量、 ５１ 調整部材、
５２ ガイド列調整装置、 ５３ ロータ軸

Claims (5)

1. 複合サイクルプラントを運転する方法であって、該複合サイクルプラントが、１つのコンプレッサユニットと少なくとも１つの燃焼室と少なくとも１つのガスタービンとを備えたガスタービン群と、少なくとも１つのガスタービンからの排ガスを受容するためにガスタービン群に接続された廃熱蒸気発生器と、少なくとも１つの蒸気タービンを備えた蒸気回路と、少なくとも１つのガスタービン及び少なくとも１つの蒸気タービンによって駆動されるジェネレータとから成っている形式の複合サイクルプラントを運転する方法において、
   廃熱蒸気発生器において圧縮された蒸気の流れを発生させ、
   圧縮された蒸気を少なくとも１つの蒸気タービンに供給し、
   該少なくとも１つの蒸気タービンから部分的に膨張した蒸気量を取り出し、
   取り出された蒸気を、少なくとも１つのガスタービンの上流側においてガスタービン群における燃焼空気流に供給し、
   取り出された蒸気を加熱するために少なくとも１つの燃焼室への燃料流の量を調整し、
   ガスタービン群の出力を加熱された取り出された蒸気によって上昇させ、ガスタービン群の排ガスが、廃熱蒸気発生器において生ぜしめられる蒸気量を増加させるために、廃熱蒸気発生器に付加的な熱を提供し、
   蒸気タービンの出力を上昇させるために、増加された蒸気量を蒸気タービンに供給することを特徴とする、複合サイクルプラントを運転する方法。
2. ガスタービン群におけるコンプレッサユニットの間に中間冷却器が配置されており、取り出される蒸気量の制御を、コンプレッサガイド列の調整と、コンプレッサへの吸込み空気の予加熱の程度の制御と、中間冷却器への冷却水の流量の調整と共に実行する、請求項１記載の方法。
3. 取り出された蒸気量をコンプレッサユニットの下流においてガスタービン群に導入する、請求項１記載の方法。
4. ガスタービン群が、第１のガスタービンの上流側における第１の燃焼室と、第１のガスタービンの下流側でかつ第２のガスタービンの上流側に接続された第２の燃焼室とを備えており、燃焼のために第１のガスタービンから第２の燃焼室に排ガスを導入する、請求項１記載の方法。
5. 第１のタービンから第２の燃焼室にもたらされる排ガスが、第２の燃焼室内に噴射される燃料の自己点火温度を上回る温度レベルを有している、請求項４記載の方法。

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