JP4316572B2 - コンバインドサイクル発電プラントの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンプラントの高温部に、冷却媒体として蒸気を用いて冷却するコンバインドサイクル発電プラントの運転方法に関する。

最近のコンバインドサイクルでは、高出力化・高熱効率化の開発が進められており、これに伴ってガスタービン入口の燃焼ガス温度も従来の１３００℃から１５００℃以上に上昇させる高温化が計画されている。

ガスタービン入口の燃焼ガス温度を高温化させる場合、従来のように、ガスタービンプラントの高温部、例えばガスタービン翼等に、例えば高クロム鋼材を使用し、空気圧縮機の圧縮空気の一部を冷却用としてガスタービンプラントの高温部に供給していたのでは、その強度保証上、限界になりつつある。このため、ガスタービンプラントの高温部に供給する冷却媒体として、従来の圧縮空気の代替として新たな冷却媒体の模索が開始され、その一つに蒸気が選定され、蒸気冷却のコンバインドサイクル発電プラントとして、例えば特開平５−１６３９６０号公報、特開平６−９３８７９号公報が既に公表されている。

蒸気は、圧縮空気に較べ比熱が高く、ガスタービンプラントの高温化に伴うその高温部、例えばガスタービン静翼・動翼等の熱吸収に適している。しかし、ガスタービン静翼・動翼等は、その翼内部が複雑に入り組んだサーペンタイン状の狭い通路になっているため、ここを通過する蒸気に不純物、例えばシリカ等が混入していると、目詰り等の発生により偏った冷却が行なわれ、冷却不均一に伴う熱ひずみにより翼を破損させるおそれがある。このため、冷却用蒸気は、清浄度の高いものが求められている。

また、ガスタービンプラントの高温部に冷却用蒸気を供給する場合、適正温度の蒸気を供給できる蒸気供給源を選定しておかないと、ガスタービンプラントの高温部は、ガスタービン駆動ガス（主流ガス）の温度差との関係から過度な熱応力を発生し、破損するおそれがある。このため、ガスタービンプラントの高温部は、適正温度の冷却用蒸気を供給できる蒸気供給源の確保を必要としている。

一方、ガスタービンプラントの高温化に伴って排熱回収ボイラから蒸気タービンプラントに供給する蒸気も高温化するが、この場合、蒸気温度が高過ぎると、蒸気タービンプラントは、過度な熱応力が発生し、その材力強度の維持が難しくなる。このため、蒸気タービンプラントは、適正温度の蒸気を供給できる蒸気供給源の確保を必要としている。

このように、コンバインドサイクル発電プラントでは、冷却用蒸気の清浄度といい、適正温度の蒸気供給といい、ガスタービンプラントおよび蒸気タービンプラントにとって必要不可欠な技術事項を考察して排熱回収ボイラの中圧過熱器を蒸気供給源に設定しており、その例示として図９に示すものが既に提案されている。

このコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント１と蒸気タービンプラント２とを共通の回転軸３で結合させるとともに、排熱回収ボイラ４を別置き配置としている。

ガスタービンプラント１は、発電機５、空気圧縮機６、燃焼器７、ガスタービン８を備え、空気圧縮機６で吸い込んだ大気ＡＲを高圧の圧縮空気にして燃焼器７に案内し、ここで燃料を加えて燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスをガスタービン８で膨張させ、その動力により発電機５を駆動させるようになっている。

蒸気タービンプラント２は、高圧タービン９、中圧タービン１０、低圧タービン１１、復水器１２をそれぞれ備え、高圧タービン９で膨張後のタービン排気を排熱回収ボイラ４の再熱器１３に案内して加熱させ、再熱蒸気として中圧タービン１０に案内して膨張させ、そのタービン排気を低圧タービン１１で再び膨張させた後、復水器１２で復水に凝縮させ、給水としてポンプ１３ａを介して排熱回収ボイラ４に供給するようになっている。

一方、排熱回収ボイラ４は、ガスタービンプラント１の排ガスＧの流れに沿ってその上流側から下流側に向って順に、第３高圧過熱器１４、再熱器１３、第２高圧過熱器１５、第１高圧過熱器１６、高圧ドラム１７を備えた高圧蒸発器１８、中圧過熱器１９、高圧節炭器２０、低圧過熱器２１、中圧ドラム２２を備えた中圧蒸発器２３、中圧節炭器２４、低圧ドラム２５を備えた低圧蒸発器２６、低圧節炭器２７をそれぞれ収容し、各熱交換器と排ガスＧとの熱交換により蒸気を発生させるようになっている。

すなわち、排熱回収ボイラ４は、蒸気タービンプラント２の復水器１２からポンプ１３を介して供給される給水を低圧節炭器２７で予熱させて低圧ドラム２５に案内し、ここでドラム水の密度差を利用して低圧蒸発器２６に循環させて蒸気を生成し、その蒸気を低圧過熱器２１を介して低圧タービン１１に供給するようになっている。

また、低圧節炭器２７は、その出口側で分流させた飽和水の一部を低圧ポンプ２８、中圧節炭器２４を介して中圧ドラム２２に案内し、ここでもドラム水の密度差を利用して中圧蒸発器２３に循環させて蒸気を生成し、その蒸気を中圧過熱器１９を介してガスタービンプラント１に供給し、ガスタービン８の高温部を冷却するようになっている。

また、低圧節炭器２７は、その残りの飽和水を高圧ポンプ２９、高圧節炭器２０を介して高圧ドラム１７に案内し、高圧蒸発器１８で循環させて蒸気を生成し、その蒸気を第１高圧過熱器１６に案内するようになっている。

一方、第１高圧過熱器１６は、蒸気を第２高圧過熱器１５に案内する蒸気管３０と、バイパス弁３１を介装したバイパス管３２をそれぞれ備えており、第２高圧過熱器１５で発生した過熱蒸気にバイパス管３２の蒸気を合流させ、適正温度に下げてから第３高圧過熱器１４を介して蒸気タービンプラント２の高圧タービン９に供給するようになっている。

このように、既に提案されているコンバインドサイクル発電プラントでは、排熱回収ボイラ４から高圧タービン９に蒸気を供給する際、その蒸気供給源を第１高圧過熱器１６に設定し、ここから発生する蒸気を第２高圧過熱器１５を介して過熱蒸気にするとき、バイパス管３２を介してその蒸気温度を下げ、第３高圧過熱器１４から主蒸気管３３を介して高圧タービン９に適温の過熱蒸気、例えば５４０℃として供給している。

また、ガスタービン８の高温部に冷却蒸気を供給する場合、排熱ボイラ４は、中圧過熱器１９で生成した飽和蒸気と高圧タービン９のタービン排気とを合流させ、その合流蒸気をガスタービン８に供給し、ガスタービン入口のガスタービン駆動ガスの高温化に伴うガスタービン部材の強度維持を図っている。なお、ガスタービン８の高温部を冷却した蒸気は、再熱器１３の再熱蒸気とともに再熱蒸気管３４を介して中圧タービン１０に供給される。

このように、図９に示したコンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービン８の高温部を冷却するにあたり、高圧タービン９のタービン排気に、中圧過熱器１９の過熱蒸気を合流させ、その合流蒸気を適温にしてガスタービン８の高温部に供給し、ガスタービンプラント１の高温化に対処させていた。
特開平５−１６３９６０号公報 特開平６−９３８７９号公報

ところで、既に提案されているコンバインドサイクル発電プラントには、ガスタービン８の高温部を冷却する場合、幾つかの問題点が含まれている。

図９で示したコンバインドサイクル発電プラントは、起動運転中、まず空気圧縮機６の高圧空気をガスタービン８の高温部に供給し、その高温部に残留するドレンを大気にパージする、いわゆるパージ運転を行い、ドレンを器外にパージ後、その高温部に冷却蒸気を供給する冷却蒸気供給運転に切り替えているが、その高温部の構造が複雑になっているため、ドレンを器外にブローできず、パージ運転に長時間を要し、直ぐさま負荷併入ができない問題点があった。特に、ガスタービン８の高温部のうち、タービン静翼やタービン動翼等は、その翼内通路がサーペンタイン状に形成されているため、サーペンタイン状のコーナ部にドレンが残り、そのドレンを取り除くことが難しい。ドレンを取り除くことができないまま、蒸気冷却運転に入ると、ガスタービン８の高温部は、ドレンと蒸気との温度差の相違から局所的に熱応力、熱変形が発生し、これに伴って軸振動、翼損傷を発生させるおそれがある。

また、ドレン運転中、冷却蒸気供給管のコーナ部などが冷態になっていると、冷却蒸気を供給する際、その部分からドレンが発生し、そのドレンがガスタービン８の高温部に入るとき、熱衝撃の要因になるおそれがある。

一般に、ガスタービン８の高温部は、起動・停止運転時に発生する圧縮応力および引張応力の繰り返しによる材料の疲労の大小によってその寿命が支配される。材料の疲労は、最大圧縮応力と最大引張応力との差、言い換えれば応力振幅値に依存し、応力振幅値が小さいほどその寿命が長くなる。

最近のコンバインドサイクル発電プラントは、高出力化、高プラント熱効率化のためにガスタービンプラントの高温化を目指しており、その高温化に伴う上述応力振幅の増加や上述ドレンの処理等幾つかの問題点を抱えていた。

本発明は、このような問題点を対処するもので、適正温度の冷却用蒸気を供給できる蒸気供給源を確保し、ガスタービンの高温部に発生する圧縮応力や引張応力を低く抑えて安定運転を行わせるコンバインドサイクル発電プラントの運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法は、上記の目的を達成するために、請求項１に記載したように、ガスタービンプラントに、蒸気タービンプラントおよび排熱回収ボイラを組み合せ、上記ガスタービンプラントの高温部を冷却媒体として蒸気を用いて冷却するコンバインドサイクル発電プラントの運転方法において、補助ボイラからの蒸気でガスタービンプラントの高温部を冷却させる一方、排熱回収ボイラから発生した蒸気で蒸気タービンプラントに通気運転を行わせ、この通気運転中、上記排熱回収ボイラの第１高圧過熱器から発生した蒸気に、上記補助ボイラからの蒸気を合流させて上記ガスタービンプラントの高温部を冷却させ、その後、上記蒸気タービンプラントの高圧タービンからのタービン排気に、上記排熱回収ボイラの中圧過熱器からの蒸気を合流させて上記ガスタービンプラントの高温部を冷却させる方法である。

本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法は、上記の目的を達成するために、請求項２に記載したように、上記冷却蒸気に、高圧ガスを混入させ、上記冷却蒸気の凝縮熱伝達係数を高めることを特徴とする。

本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法は、上記の目的を達成するために、請求項３に記載したように、上記高圧ガスは、不活性ガスであることを特徴とする。

以上の説明の通り、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法は、ガスタービンの高温部の冷却運転に際し、最初、補助ボイラからの蒸気でガスタービンの高温部を冷却させ、次に補助ボイラからの蒸気と排熱回収ボイラの第１高圧過熱器からの蒸気との合流蒸気でガスタービンの高温部を冷却させ、最後、高圧タービンのタービン排気と中圧過熱器からの蒸気との合流蒸気でガスタービンの高温部を冷却させるので、ガスタービンの高温部を確実に冷却することができ、ガスタービンプラントの高温化に充分に対処することができる。

また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法は、ガスタービンの高温部に冷却蒸気を供給する際、その冷却蒸気に凝縮熱伝達係数の高い媒体を加えているので、ガスタービンの高温部での冷却蒸気のドレン化を確実に防止することができる。

以下、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法の実施の形態を図面およびその図中に付した符号を引用して説明する。なお、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法の説明に先立ち、その構成について説明する。

図１は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの実施形態を示す概略系統図である。

本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラント３５に回転軸３６を介して蒸気タービンプラント３７に結合させるとともに、ガスタービンプラント３５に冷却蒸気を供給する一方、蒸気タービンプラント３７にタービン駆動用蒸気を供給する排熱回収ボイラ３８を別置きに設置する構成になっている。

ガスタービンプラント３５は、発電機３９、空気圧縮機４０、燃焼器４１、ガスタービン４２を備え、空気圧縮機４０で吸い込んだ大気ＡＲを高圧の圧縮空気にして燃焼器４１に案内し、ここで燃料を加えて燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスをガスタービン４２で膨張させ、その動力により発電機３９を駆動するようになっている。

蒸気タービンプラント３７は、高圧タービン４３、中圧タービン４４、低圧タービン４５、復水器４６をそれぞれ備え、高圧タービン４３で、膨張後のタービン排気を排熱回収ボイラ３８の再熱器４７に案内して過熱させ、再熱蒸気として中圧タービン４４に案内して膨張させ、そのタービン排気を低圧タービン４５で再び膨張させた後、復水器４６で復水に凝縮させ、給水としてポンプ４８を介して排熱ボイラ３８に供給するようになっている。

一方、排熱回収ボイラ３８は、ガスタービンプラント３５の排ガスＧの流れに沿ってその上流側から下流側に向って順に、第３高圧過熱器４９、再熱器４７、第２高圧過熱器５０、第１高圧過熱器５１、高圧ドラム５２を備えた高圧蒸発器５３、中圧過熱器５４、高圧節炭器５５、低圧過熱器５６、中圧ドラム５７を備えた中圧蒸発器５８、中圧節炭器５９、低圧ドラム６０を備えた低圧蒸発器６１、低圧節炭器６２をそれぞれ収容し、各熱交換器と排ガスＧとの熱交換により蒸気を発生させるようになっている。なお、符号６３は、低圧節炭器６２の飽和水の一部を中圧節炭器５９に供給する低圧ポンプであり、また符号６４は、その飽和水の一部を高圧節炭器５５に供給する高圧ポンプである。

また、第１高圧過熱器５１は、その出口側から第２高圧過熱器５０の入口に接続させた過熱蒸気系６５と、その出口側から調整弁６６を備えて第２高圧過熱器５０の出口に接続させた第１バイパス系６７と、その出口側から調整弁６８を備えて第３高圧過熱器４９の調整弁６９の出口側に接続させた第２バイパス系７０を備えている。この第２バイパス系７０は、第１高圧過熱器５１から発生した蒸気に、第３高圧過熱器４９から発生した蒸気を合流させ、その合流蒸気を冷却蒸気としてガスタービン４２の高温部７１、例えばガスタービン静翼、ガスタービン動翼等に供給する冷却蒸気供給系７２に接続している。

冷却蒸気供給系７２は、ガスタービンプラント３５の高温化に伴ってガスタービン４２の高温部７１の材力強度を維持するために設けたもので、上述の第２バイパス系７０からの蒸気のほかに、高圧タービン４３の低温再熱蒸気系７３からの蒸気に、中圧過熱器５４の中圧蒸気系７４からの蒸気を合流させ、その合流蒸気をガスタービン４２の高温部７１に冷却用として供給できるようになっている。

また、冷却蒸気供給系７２は、上述の第２バイパス系７０からの蒸気に、調整弁７５を備えた補助ボイラ７６からの蒸気を合流させ、その合流蒸気をガスタービン４２の高温部７１の冷却用として供給できるようになっている。

また、冷却蒸気供給系７２は、起動運転中、ガスタービン４２の高温部７１をウォーミングするために、その入口側に設けた温度計７７、圧力計７８、復水器４６に接続する第１ウォーミング回収系７９を備えている。

他方、ガスタービン４２の高温部７１は、その出口側に高温部７１の冷却中の冷却蒸気を復水器４６に回収させる冷却蒸気回収系８０と、ウォーミング中の蒸気を復水器４６に回収させる第２ウォーミング回収系８１とを備えている。なお、冷却蒸気回収系８０は、温度計８２、圧力計８３、調整弁８４、減温器８５を備えている。

次に、本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法を説明する。

本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン４２の起動前から復水器４６を真空に維持してガスタービン４２の高温部７１のパージ運転を行い、次にガスタービン４２の起動運転を行っている間にウォーミング運転を行った後、ガスタービン４２の高温部７１の蒸気冷却運転に移行するようになっている。

（１）パージ運転起動前、コンバインドサイクル発電プラントは、第２バイパス系７０の調整弁６８、第３高圧過熱器４９の出口側の調整弁６９および補助ボイラ７６の調整弁７５を閉弁させた後、復水器４６の真空ポンプ（図示せず）を駆動し、復水器４６およびこれに連通する第１ウォーミング回収系７９、冷却蒸気回収系８０、第２ウォーミング回収系８１、冷却蒸気回収系７２、ガスタービン４２の高温部７１、低温再熱蒸気系７３および第２バイパス系７０を真空状態に維持する。この真空状態は、例えば飽和圧力０．０５ａｔａ、飽和温度３３℃に維持される。

ガスタービン４２の高温部７１を真空状態に維持したコンバインドサイクル発電プラントは、その圧力差によりガスタービン４２の高温部７１に残留する空気やドレンを復水器４６に誘引させるパージ運転を行う。

（２）ウォーミング運転復水器４６の真空を利用してガスタービン４２の高温部７１に残留する空気やドレンをパージさせたコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン４２を起動させ、これに伴って燃焼器４１で生成したガスタービン駆動ガスによりガスタービン４２の高温部７１の外表面を加熱させる。この場合、ガスタービン４２の高温部７１は、そのメタル温度を温度計８６により検出させ、温度計８６の検出温度がその高温部７１内の真空状態における飽和温度（真空状態時の飽和温度、飽和圧力は、例えば３３℃、０．０５ａｔａ）を超えると、補助ボイラ７６の調整弁７５を開弁させる。

調整弁７５が開弁すると、補助ボイラ７６は、冷却蒸気供給系７２を介してガスタービン４２の高温部７１に蒸気を供給し、この間、その一部を第１ウォーミング回収系７９を介して復水器４６に回収させる。また、残りの蒸気はガスタービン４２の高温部７１を通過後、第２ウォーミング回収系８１および冷却蒸気回収系８０を介して復水器４６に回収させる。

補助ボイラ７６の蒸気によりガスタービン４２の高温部７１がウォーミング中、コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン駆動ガスにより加熱された高温部７１のメタル温度を温度計８６で検出させ、その検出温度がウォーミング蒸気の飽和温度、飽和圧力を超えるようになると、ウォーミング蒸気からドレンが発生しなくなるので、このとき、図２に表示の「ウォーミングおよび蒸気冷却する際、ガスタービンの高温部に供給される蒸気圧力」の破線で示すように、冷却蒸気回収系８０の調整弁８４の開度を絞ってウォーミング蒸気の圧力を上げ、しかも図２に表示の「ウォーミングおよび蒸気冷却する際、ガスタービンの高温部のメタル温度に相当する飽和圧力」の実線で示すガスタービンの高温部のメタル温度に相当する飽和圧力よりも低くなるように制御し、ウォーミング運転を継続する。ウォーミング蒸気がその飽和圧力よりも若干低い一定圧力に安定すると、コンバインドサイクル発電プラントは、ウォーミング運転を終了させ、ガスタービン負荷運転に移行させる。

（３）蒸気冷却運転ガスタービン負荷運転中、コンバインドサイクル発電プラントは、排熱回収ボイラ３８の第１高圧過熱器５１から発生する蒸気がガスタービン４２の高温部７１に冷却蒸気として供給するに必要な温度・圧力になるまで待ち、この間、補助ボイラ７６から発生する蒸気がガスタービン４２の高温部７１の冷却運転を行う。

コンバインドサイクル発電プラントは、排熱回収ボイラ３８の高圧ドラム５２から発生する蒸気が設計温度・圧力になると、蒸気タービンプラント３７への通気運転を開始する。この通気運転中、コンバインドサイクル発電プラントは、第３高圧過熱器４９の出口側の調整弁６９を開弁させ、その一部の蒸気を第２バイパス系７０、冷却蒸気供給系７２を介して補助ボイラ７６からの蒸気に合流させ、その合流蒸気でガスタービン４２の高温部７１を冷却するが、第３高圧過熱器４７から発生する蒸気の温度が予め定められた温度よりも高いと、第２バイパス系７０の調整弁６８を開弁させ、第１高圧過熱器５１から発生する蒸気に、第３高圧過熱器４９から発生する蒸気を合流させて温度を低くし、温度の低くなった合流蒸気を補助ボイラ６からの蒸気とともにガスタービン４２の高温部７１に供給し、冷却後、冷却蒸気回収系８１を介して復水器４６に回収させる。

蒸気タービンプラント３７の通気運転が終了すると、コンバインドサイクル発電プラントは、第２バイパス系７０の調整弁６８、第３高圧過熱器４９の出口側の調整弁６９および補助ボイラ７６の調整弁７５を閉弁させ、高圧タービン４３の低温再熱蒸気系７３からのタービン排気に、中圧過熱器５４の中圧蒸気系７４からの蒸気を合流させ、その合流蒸気により冷却蒸気供給系７２を介してガスタービン４２の高温部７１を冷却させ、以後、その合流蒸気のみによる蒸気冷却運転を行う。なお、低温再熱蒸気系７３からのタービン排気に、中圧蒸気系７４からの蒸気を合流させた、その合流蒸気の一部は、排熱回収ボイラ３８の再熱器４７に供給され、ここで加熱され、再熱蒸気として中圧タービン４４に供給される。

図２は、コンバインドサイクル発電プラントの起動時におけるウォーミングおよび蒸気冷却運転中、ガスタービン４２の高温部７１に供給されるウォーミングおよび冷却蒸気の温度・圧力とその高温部７１のメタル温度との関係を示す線図である。

コンバインドサイクル発電プラントは、起動前からガスタービン４２の高温部７１を、復水器４６により真空状態に維持させ、さらに、起動中、その高温部７１を、ガスタービン駆動ガスの熱により高温状態にさせているので、そのメタル温度の飽和圧力よりもウォーミング蒸気および冷却蒸気の圧力を低くしてもドレンを発生させることがなく、安定運転を行わせることができる。また、ウォーミングおよび冷却蒸気温度は、破線で示す比較的低い温度でもガスタービン４２の高温部７１を図示の斜線で示す領域までウォーミングおよび冷却することができる。

他方、停止運転時、コンバインドサイクル発電プラントは、温度計８６で検出したガスタービン４２の高温部７１のメタル温度に対する冷却蒸気の圧力が飽和圧力以下になるように冷却蒸気回収系８０の調整弁８１を徐々に開弁させ、第２バイパス系７０の調整弁６８および第３高圧過熱器４９の出口側の調整弁６９を閉弁させた後、上述の調整弁８１を全開させ、ガスタービン４２の高温部７１に残留する蒸気の全てを、復水器４６の真空を利用して復水器４６に流出させて停止運転を終了させる。

このときのガスタービン４２の高温部７１に供給される冷却蒸気の温度・圧力と、その高温部７１のメタル温度との関係は、図３に示すようになり、ガスタービン４２の高温部７１が真空に維持され、その高温部７１のメタル温度が高いので、冷却蒸気の圧力・温度を、メタル温度およびそれに相当する飽和圧力よりも低くしてもドレンを発生させることがない。

このように、本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法では、復水器４６の真空を巧みに利用し、復水器４６に連通する第１ウォーミング回収系７９、冷却蒸気回収系８０、第２ウォーミング回収系８１、冷却蒸気供給系７２、第２バイパス系７０を真空状態に維持し、真空状態の下、パージ運転、ウォーミング運転、蒸気冷却運転、蒸気冷却停止運転を行うので、サーペンタイン状に形成されたガスタービン４２の高温部７１に残留する空気やドレンをことごとく、より一層早く、かつ確実に復水器４６に抽気および抽水することができ、比較的低い温度・圧力の蒸気で起動運転時間および停止運転時間を大幅に短縮させることができる。

なお、コンバインドサイクル発電プラントが、毎日、起動運転、停止運転を繰り返す場合（以下、ＤＳＳ運転という）、ガスタービン４２の高温部７１は冷却蒸気をドレン化させない温度以上に維持されているから、この場合、温度計８６から検出されたその高温部７１のメタル温度が排熱回収ボイラ３８の高圧ドラム５２から発生する蒸気の飽和温度よりも高いとき、コンバインドサイクル発電プラントは、冷却蒸気回収系８０の調整弁８４を閉弁させておき、第２バイパス系７０の調整弁６８を開弁させ、ガスタービン４２の高温部７１を真空状態に維持させないで第１高圧過熱器５１から発生する蒸気を第２バイパス系７０、冷却蒸気供給系７２を介してガスタービン４２の高温部７１に直接供給し、ガスタービン４２の高温部７１の冷却起動運転を行ってもよい。また、ＤＳＳ運転の場合、温度計８６から検出された、その高温部７１のメタル温度が排熱回収ボイラ３８のドラム５２から発生する蒸気の飽和温度よりも低いとき、コンバインドサイクル発電プラントは、補助ボイラ７６の調整弁７５を開弁させ、補助ボイラ７６の蒸気を冷却蒸気供給系７２を介してガスタービン４２の高温部７１に供給し、ガスタービン４２の高温部７１の冷却起動運転を行ってもよい。

図４は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法の第１実施形態における第１変形例を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一または対応する部分には同一符号を付す。

コンバインドサイクル発電プラントの起動運転時、ガスタービン４２の高温部７１を通過する冷却蒸気は、その圧力が、温度計８６で検出したガスタービン４２の高温部７１のメタル温度に対する飽和圧力よりも高いとき、その高温部７１のメタルに接触する際、熱が吸収され、ドレン化され易い。冷却蒸気は、凝縮熱伝達係数を、例えば１０，０００ｋｃａｌ／ｍ^２ｈｒ℃以上にしておくならば、その圧力が上述ガスタービン４２の高温部７１のメタル温度に対する飽和圧力以上になっていても凝縮しにくいことが知見されている。

本実施例は、このような点に着目したもので、補助ボイラ７６から発生する蒸気を、冷却蒸気供給系７２を介してガスタービン４２の高温部７１に供給する際、または排熱回収ボイラ３８の第１高圧過熱器５１から発生した蒸気を、第２バイパス系７０、冷却蒸気供給系７２を介してガスタービン４２の高温部７１に供給する際、空気圧縮機４０からの抽気した高圧空気を、フィルタ８７で清浄化させ、調整弁８８で流量コントロールして冷却蒸気供給系７２を通る蒸気に混入させ、凝縮熱伝達係数を非常に高い数値にしたものである。

このように、本実施例では、ガスタービン４２の高温部７１に供給する冷却蒸気に、空気圧縮機４０からの高圧空気を混入させ、凝縮熱伝達係数を非常に高い数値にしたから、ガスタービン４２の高温部７１を冷却する際、冷却蒸気のドレン化を抑制でき、ガスタービン４２の高温部７１を安全に冷却運転させることができる。

図５は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法の第１実施形態における第２変形例を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一または対応する部分には同一符号を付す。

本実施例は、第１変形例と同様に、冷却蒸気供給系７２を通る冷却蒸気の凝縮熱伝達係数を非常に高い数値に維持するために、高圧ガス設備９０からの高圧ガス、例えば窒素等の不活性ガスを調整弁８９で流量コントロールして冷却蒸気に混入させたものである。

このように、本実施例では、ガスタービン４２の高温部７１に供給する冷却蒸気に、高圧ガス設備９０からの高圧ガスを混入させ、冷却蒸気の凝縮熱伝達係数を非常に高い数値に維持させたので、冷却蒸気のドレン化を抑制することができる。

図６は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一または対応する部分には同一符号を付す。

本実施形態は、起動および停止時に発生する圧縮応力および引張応力の繰り返しによるガスタービン４２の高温部７１、例えばガスタービン静翼およびガスタービン動翼等の材料が疲労を受け、その寿命が短くなることを考慮し、ガスタービン４２の高温部７１に演算処理部９１を設け、この演算処理部９１によりその高温部７１を通る冷却蒸気の圧力上昇率および圧力減少率を冷却蒸気回収系８０の調整弁８４で適正にコントロールし、その高温部７１の内圧により引張応力または圧縮応力を発生させ、ガスタービン４２の高温部７１の材料強度を高い状態に維持できるよう図ったものである。

一般に、ガスタービン４２の高温部７１、例えばガスタービン動翼では、図７に示すように、起動時、ガスタービン駆動ガスが流れる際、そのメタルに圧縮応力が発生し、また停止時、引張応力が発生することが知られている。

本実施形態は、起動時に発生する圧縮応力および停止時に発生する引張応力を抑制するために演算処理部９１を備えている。この演算処理部９１は、予め定められたプログラムに基づいて計算する計算部９２と、計算部９２の演算信号で応力を算出する応力算出部９３と、応力算出部９３の演算信号で冷却蒸気回収系８０の調整弁８４の弁開度を設定する関数器９４を備え、温度計９５により検出されたガスタービン駆動ガス温度信号および温度計９６により検出されたガスタービン４２の高温部７１のメタル温度信号に基づいて計算部９２でプログラム計算し、その計算結果を応力算出部９３で応力を算出し、その算出応力値に基づいて関数器９４で弁開度を決定し、調整弁８４を弁開閉制御させ、起動時、ガスタービン駆動ガスによりガスタービン４２の高温部７１に発生する圧縮応力に対し、冷却蒸気の圧力上昇率を調整して、その高温部７１の内部から引張応力を発生させる一方、停止時、ガスタービン駆動ガスによりガスタービン４２の高温部７１に発生する引張応力に対し、冷却蒸気の圧力減少率を調整して、その高温部７１の内部から圧縮応力を発生させるようになっている。なお、計算部９２には、起動および停止の運転スケジュールがプログラムとして組み込まれている。

このように、本実施形態では、起動時、ガスタービン駆動ガスによる圧縮応力に対し、冷却蒸気の圧力上昇率を調整し、ガスタービン４２の高温部７１の内部から引張応力を発生させ、停止時、ガスタービン駆動ガスによる引張応力に対し、冷却蒸気の圧力減少率を調整し、ガスタービン４２の高温部７１の内部から引張応力を発生させる演算処理部９１を備えたので、ガスタービン４２の高温部７１に発生する圧縮応力および引張応力を低く抑えることができ、ガスタービン４２の高温部７１の材料強度を高い状態に維持して安定運転を行わせることができる。

図８は、ガスタービン４２の高温部７１の外内部に発生する圧縮応力および引張応力を、本発明と従来とで対比させた応力線図である。

図８に示した応力線図によれば、起動時、ガスタービン４２の高温部７１に供給する冷却蒸気の圧力上昇率を調整して、その高温部７１の内部から引張応力を発生させる一方、停止時、冷却蒸気の圧力減少率を調整して、その高温部７１の内部から圧縮応力を発生させるので、実線で示す従来の応力値に比べて破線で示す本発明の応力値が低くなっていることが認められる。

本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法の第１実施形態を説明する概略系統図。 コンバインドサイクル発電プラントの起動時、ガスタービンの高温部に供給される冷却蒸気の温度・圧力とその高温部のメタル温度との関係を示す線図。 コンバインドサイクル発電プラントの停止時、ガスタービンの高温部に供給される冷却蒸気の温度・圧力とその高温部のメタル温度との関係を示す線図。 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法の第１実施形態における第１変形例を説明する概略系統図。 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法の第１実施形態における第２変形例を説明する概略系統図。 本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの運転方法の第２実施形態を説明する概略系統図。 ガスタービンの高温部に発生する応力を説明する模式図。 ガスタービンの高温部に発生する応力を、従来と本発明とで対比させた応力線図。 従来のコンバインドサイクル発電プラントを示す概略系統図。

符号の説明

１ ガスタービンプラント
２ 蒸気タービンプラント
３ 回転軸
４ 排熱回収ボイラ
５ 発電機
６ 空気圧縮機
７ 燃焼器
８ ガスタービン
９ 高圧タービン
１０ 中圧タービン
１１ 低圧タービン
１２ 復水器
１３ 再熱器
１３ａ ポンプ
１４ 第３高圧過熱器
１５ 第２高圧過熱器
１６ 第１高圧過熱器
１７ 高圧ドラム
１８ 高圧蒸発器
１９ 中圧過熱器
２０ 高圧節炭器
２１ 低圧過熱器
２２ 中圧ドラム
２３ 中圧蒸発器
２４ 中圧節炭器
２５ 低圧ドラム
２６ 低圧蒸発器
２７ 低圧節炭器
２８ 低圧ポンプ
２９ 高圧ポンプ
３０ 蒸気管
３１ バイパス弁
３２ バイパス管
３３ 主蒸気管
３４ 再熱蒸気管
３５ ガスタービンプラント
３６ 回転軸
３７ 蒸気タービンプラント
３８ 排熱回収ボイラ
３９ 発電機
４０ 空気圧縮機
４１ 燃焼器
４２ ガスタービン
４３ 高圧タービン
４４ 中圧タービン
４５ 低圧タービン
４６ 復水器
４７ 再熱器
４８ ポンプ
４９ 第３高圧過熱器
５０ 第２高圧過熱器
５０ 第１高圧過熱器
５２ 高圧ドラム
５３ 高圧過熱器
５４ 中圧過熱器
５５ 高圧過熱器
５６ 低圧過熱器
５７ 中圧ドラム
５８ 中圧蒸発器
５９ 中圧節炭器
６０ 低圧ドラム
６１ 低圧蒸発器
６２ 低圧節炭器
６３ 低圧ポンプ
６４ 高圧ポンプ
６５ 過熱蒸気系
６６ 調整弁
６７ 第１バイパス系
６８，６９ 調整弁
７０ 第２バイパス系
７１ 高温部
７２ 冷却蒸気供給系
７３ 低温再熱蒸気系
７４ 中圧蒸気系
７５ 調整弁
７６ 補助ボイラ
７７ 温度計
７８ 圧力計
７９ 第１ウォーミング回収系
８０ 冷却蒸気回収系
８１ 第２ウォーミング回収系
８２ 温度計
８３ 圧力計
８４ 調整弁
８５ 減温器
８６ 温度計
８７ フィルタ
８８，８９ 調整弁
９０ 高圧ガス設備
９１ 演算処理部
９２ 計算部
９３ 応力算出部
９４ 関数器
９５，９６ 温度計

Claims (3)

1. ガスタービンプラントに、蒸気タービンプラントおよび排熱回収ボイラを組み合せ、上記ガスタービンプラントの高温部を冷却媒体として蒸気を用いて冷却するコンバインドサイクル発電プラントの運転方法において、
   補助ボイラからの蒸気でガスタービンプラントの高温部を冷却させる一方、排熱回収ボイラから発生した蒸気で蒸気タービンプラントに通気運転を行わせ、この通気運転中、上記排熱回収ボイラの第１高圧過熱器から発生した蒸気に、上記補助ボイラからの蒸気を合流させて上記ガスタービンプラントの高温部を冷却させ、
   その後、上記蒸気タービンプラントの高圧タービンからのタービン排気に、上記排熱回収ボイラの中圧過熱器からの蒸気を合流させて上記ガスタービンプラントの高温部を冷却させることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。
2. 上記冷却蒸気に、高圧ガスを混入させ、上記冷却蒸気の凝縮熱伝達係数を高めることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。
3. 上記高圧ガスは、不活性ガスであることを特徴とする請求項２記載のコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。

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