JP4341827B2 - コンバインドサイクルの排ガス通路構成とその運用方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として発電用に使用される複数のガスタービンと、その排ガスを熱源とする単一の排熱回収ボイラを有するコンバインドサイクルプラントに関し、その排ガスの逆流を防止する排ガス通路の構成及び運用方法に関する。

複数のガスタービンとその排ガスを熱源とする単一の排熱回収ボイラを有するコンバインドサイクルプラントにおいて、複数のガスタービンから排出される排ガスを各排ガス通路を介して合流させ単一の排熱回収ボイラに回収して、排ガスの排熱有効利用を図る試みがなされている。

この場合、ガスタービンから排出される排ガスは一定の圧力を有しているので、例えば１台のガスタービンが停止していると、他の運転中のガスタービンからの排ガスが逆流して停止中のガスタービンの下流側の排ガス通路に背圧となって掛かる。このため、この背圧の影響を受けて停止しているガスタービンの円滑な再起動が困難となるので、これを防止するシステムが必要となる。

図３に、従来のコンバインドサイクルプラントの排ガス逆流防止方法の一例を示す。この例では２台のガスタービン１ａ、１ｂに対して排熱回収ボイラ３が一台設けられており、各ガスタービン１ａ、１ｂからの排ガスが流れるガスタービン出口ダクト１２ａ、１２ｂにそれぞれバイパス煙突５ａ、５ｂを備えた切替ダンパ４ａ、４ｂと抽気ダンパ２０ａ、２０ｂを備えた抽気ダクト２２ａ、２２ｂとスライドゲートダンパ２１ａ、２１ｂを備えている。

また、ガスタービン出口ダクト１２ａ、１２ｂの後端部は排ガスを合流させる排ガス通路１５に接続され、排ガス通路１５から排熱回収ボイラ３に排ガスが供給される。排熱回収ボイラ３で図示しない伝熱管群を介して蒸気を生成させた後の排ガスは低温となり、煙突９から大気中に排出される。

上記プラントの構成において、例えば第１のガスタービン１ａが運転中で第２のガスタービン１ｂが停止している場合に、第２のスライドゲートダンパ２１ｂは図示しない油圧シリンダを操作してダンパ２１ｂを下方向に移動させてガスタービン出口ダクト１２ｂを閉状態にし、第１のガスタービン１ａの排ガス通路１５から排出される排ガスが第２のガスタービン１ｂ側に流れないように遮断する。一方、第２のガスタービン１ｂ側の切替ダンパ４ｂは第１のガスタービン１ａからの排ガスによって、ガスタービン出口ダクト１２ｂが正圧であっても、第２のガスタービン１ｂが円滑に再起動できるように図示の通り、ガスタービン出口ダクト１２ｂのダンパ２１ｂを閉じて、バイパス煙突５ｂ側のガスタービン出口ダクト１２ｂ内を開状態にして排ガスをバイパス煙突５ｂより外部に排出する。

このとき、切替ダンパ４ｂとスライドゲートダンパ２１ｂにより、排ガス通路１５側からの排ガスがガスタービン出口ダクト１２ｂ内に流入するのを遮断するだけでは完全なシールができない。そのため、スライドゲートダンパ２１ｂの隙間から排ガスがガスタービン出口ダクト１２ｂ内に廻り込んで、停止しているガスタービン１ｂの背圧となってしまう場合がある。

停止しているガスタービン１ｂ近くのガスタービン出口ダクト１２ｂ内に廻り込んだ排ガスを排出するために抽気ダンパ２０ｂと抽気ダクト２２ｂを設け、抽気ダンパ２０ｂを図示しない手動スイッチで開けて、抽気ダクト２２ｂから外部に排ガスを排出するようにしている。
特許第３２０９８８９号公報

上記従来の複数のガスタービン１とその排ガスを熱源とする単一の排熱回収ボイラ３を有するコンバインドサイクルプラントにおいては、運転中のガスタービン１から排出される排ガスが停止中のガスタービン出口ダクト１２に逆流することを防止するための構成機器が比較的多くなるため、構造が複雑化するという問題があった。また、バイパス煙突５に加えて抽気ダクト２２からも排ガスを外部に排出することになるので、消音のために抽気ダクト２２にサイレンサーを設置する必要もあることから、設備スペースが大きくなるという問題があった。

また、抽気ダンパ２０及びスライドゲートダンパ２１を自動的に駆動させようとすると構造的に複雑になり、また、コストが上昇するという問題があった。

さらに、運転中のガスタービン１から排出される排ガスを停止中のガスタービン出口ダクト１２に設けた抽気ダクト２２の通風力によって排ガスを放出していたので、停止中のガスタービン１の背圧が０以下とはならず、排ガスの漏洩防止面で信頼性が低いという問題もあった。

本発明の課題は、上記の問題点を解決して、信頼性を向上させ小型化しつつ自動化が可能なコンバインドサイクルのガスタービン排ガスがガスタービンへ逆流することを防止する排ガス通路構成とその運用方法を提供することである。

請求項１記載の発明は、複数のガスタービンから排出される排ガスの熱回収を行う排熱回収ボイラおよび前記排熱回収ボイラから供給される蒸気で駆動する蒸気タービンを備えたコンバインドサイクルの排ガス通路構成において、前記複数のガスタービンからの排ガスを流すガスタービン出口排ガスダクトと、該ガスタービン出口排ガスダクトからの排ガスを合流させて単一の排熱回収ボイラへ導入する排ガス通路と、前記各ガスタービン出口排ガスダクトに接続された排ガスを外部に排出させるバイパス煙突と、前記各ガスタービン出口排ガスダクトからの排ガスを排熱回収ボイラとバイパス煙突のいずれに導入するかを選択的に設定できる切替ダンパと、前記それぞれのガスタービン出口排ガスダクトに接続したバイパス煙突に他のガスタービン出口排ガスダクトからの排ガスを流す排ガス供給ダクトと、該排ガス供給ダクト内に導入する排ガス流量を調節する調節ダンパとを備えたことを特徴とするコンバインドサイクルの排ガス通路構成である。

請求項２記載の発明は、それぞれの排ガス供給ダクトと該排ガス供給ダクトに接続するバイパス煙突との接続位置をそれぞれのガスタービン出口ダクトの上端以上の高さとすること特徴とする請求項１記載の排ガス通路構成である。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の排ガス通路構成において、一部のガスタービンのみを運転するときに停止しているガスタービン側のバイパス煙突の入口に運転中のガスタービン出口排ガスを必要量供給して、停止しているガスタービン側のバイパス煙突の入口の圧力を低下させて当該バイパス煙突の通風力を向上させ、停止中のガスタービン側の切替ダンパから排ガスが漏洩しても停止中のガスタービン側のバイパス煙突から外部へ排ガスを排出することで、停止中のガスタービンへの排ガスの逆流を防止することを特徴とする排ガス通路構成の運用方法である。

請求項４記載の発明は、停止しているガスタービン側のバイパス煙突の入口の圧力が規定値（正圧）以上となったとき、自動的に運転中のガスタービン側から必要量の排ガスを停止しているガスタービン側のバイパス煙突入口に供給することで前記停止しているガスタービン側のバイパス煙突の入口の圧力を規定値（正圧）以下として、停止中のガスタービンへの排ガスの逆流を防止することを特徴とする請求項３記載の排ガス通路の運用方法である。

本発明によれば、一部のガスタービンのみを運転するとき、停止中のガスタービン側のバイパス煙突入口に運転側のガスタービン出口排ガスを必要量供給することにより、停止ガスタービンのガスタービン出口ダクト内の圧力を低下させ、又は規定圧以下とし、且つ停止中のガスタービン側のガスタービン出口ダクトの切替ダンパから漏洩した排ガスも停止側のガスタービン側のガスタービン出口ダクトのバイパス煙突の通風力により外部へ排出し、停止側ガスタービンへ運転側のガスタービン出口排ガスが逆流しないようにすることができる。

こうして、従来技術で設置していた抽気ダンパ及び抽気ダクト、サイレンサ等の設備は不要となる。

また、それぞれの各排ガス供給ダクトと該排ガス供給ダクトに接続するバイパス煙突との接続位置をガスタービン出口ダクトの上端以上の高さとすることで、このバイパス煙突に接続される排ガス供給ダクトからガスタービン出口ダクト側への排ガスの流入を防ぐことができる。

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に本実施例に関わるコンバインドサイクルプラントにおける排ガス通路構成の平面図を示し、図２に側面図を示す。

このプラントシステムは複数（この例では２つ）のガスタービン１ａ、１ｂを駆動し、発電機２ａ、２ｂのロータを回転させて発電電力を得る。また、各ガスタービン１ａ、１ｂから排出される排ガスはガスタービン出口ダクト１２ａ、１２ｂからの合流ダクトである排ガス通路１５に流れ、排ガス通路１５からの排ガスを熱源とする単一の排熱回収ボイラ３に送り、図２の側面図に示すように排熱回収ボイラ３内に供給された給水１７を蒸気化し、得られた蒸気１８は、例えば図示しない発電用の蒸気タービン等に供給され、排熱の有効利用が図られる。排熱回収ボイラ３で熱を回収されて低温化した排ガスは煙突９から排出される。

このコンバインドサイクルプラントのガスタービン出口ダクト１２ａ、１２ｂに設けた排ガス逆流防止構造は次の通りである。
すなわち、各ガスタービン出口ダクト１２ａ、１２ｂには排ガスの流路を切り替える切替ダンパ４ａ、４ｂを設け、該切替ダンパ４ａ、４ｂで切り替えられる切替流路１０ａ、１０ｂにはバイパス煙突５ａ、５ｂを接続している。また切替ダンパ４ａ、４ｂよりガスタービン１ａ、１ｂ側のガスタービン出口ダクト１２ａ、１２ｂにガスタービン出口ダクト１２ａ、１２ｂ同士を接続する連絡ダクト１４を設け、該連絡ダクト１４にはバイパス煙突５ａ、５ｂにそれぞれ接続する排ガス供給ダクト１３ａ、１３ｂをそれぞれ設ける。前記連絡ダクト１４とガスタービン出口ダクト１２ａ、１２ｂの接続部分に仕切ダンパ７ａ、７ｂをそれぞれ設け、さらに排ガス供給ダクト１３ａ、１３ｂには、そのダクト内の排ガスの流通量を調節する調節ダンパ６ａ、６ｂを設ける。また切替流路１０ａ、１０ｂにはバイパス煙突入口圧力計８ａ、８ｂを設ける。

表１は各ダンパの運用状態の概要を示す。

上記プラントにおいて、例えばガスタービン１ａが運転中でガスタービン１ｂが停止している場合、ガスタービン１ｂ側のバイパス煙突５ｂ入口の圧力を圧力計８ｂで検出し、規定値（正圧）以上になるとガスタービン１ａ側の仕切ダンパ７ａが開、調節ダンパ６ａが閉、ガスタービン１ｂ側の仕切ダンパ７ｂは閉となり、ガスタービン１ｂ側のバイパス煙突５ｂへの排ガス供給系統が確立される。その後、ガスタービン１ｂ側の調節ダンパ６ｂにより必要量の排ガスがガスタービン１ｂ側のバイパス煙突５ｂの入口に供給され、通風力向上によりガスタービン出口ダクト１２ｂが規定値（正圧）以下に維持される。
上記各ダンパ６ａ、７ａ、及び７ｂの開閉制御は制御装置１６で行うこともできる。また、切替えダンパ４ａ、４ｂの開閉制御も制御装置１６で行っても良い。

このバイパス煙突５ｂに接続される排ガス供給ダクト１３ｂのバイパス煙突５ｂへの接続位置は、ガスタービン出口ダクト１２ｂ側への排ガスの流入を防ぐためガスタービン出口ダクト１２ｂの上端以上の高さとしている。これによりバイパス煙突５ｂで先ず通風力を得ることができるため、運転中であるガスタービン１ａ側の排ガスは停止しているガスタービン１ｂ側のガスタービン出口ダクト１２ｂには逆流しない。

また、バイパス煙突５ａに接続される排ガス供給ダクト１３ａのバイパス煙突５ａへの接続位置もガスタービン出口ダクト１２ａの上端以上の高さとしており、ガスタービン１ａを停止し、ガスタービン１ｂを運転している場合にガスタービン１ａ側のガスタービン出口ダクト１２ａにガスタービン１ｂからの排ガスが逆流しないようになっている。

ガスタービン１ｂが回転し始め、バイパス煙突入口圧力計８ｂの圧力が規定値以上となったら、調節ダンパ６ｂと仕切ダンパ７ａをそれぞれ閉じ、次に切替ダンパ４ｂをボイラ側へ切替えて起動が完了する。

なお、ガスタービン１ａ、１ｂを同時に起動する場合、それぞれ独立にバイパス煙突５ａ、５ｂへ通じる通路が確立される。ガスタービン１ａ、１ｂが無負荷の状態で定格回転数まで上昇したら切替ダンパ４ａ、４ｂを徐々にボイラ３側へ切替え、起動が完了する。

本発明は、排熱回収ボイラを用いるコンバインドサイクルプラントに利用できる。

本発明の排ガス通路構成の概念を示す平面図である。 本発明の排ガス通路構成の概念を示す平面図である。 従来のコンバインドサイクルプラントのガス逆流防止方法の一例を示す概念図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ ガスタービン ２ａ、２ｂ 発電機
３ 排熱回収ボイラ ４ａ、４ｂ 切替ダンパ
５ａ、５ｂ バイパス煙突 ６ａ、６ｂ 調節ダンパ
７ａ、７ｂ 仕切ダンパ
８ａ、８ｂ バイパス煙突入口圧力計
９ 煙突 １０ａ、１０ｂ 切替流路
１２ａ、１２ｂ ガスタービン出口ダクト
１３ａ、１３ｂ 排ガス供給ダクト
１４ 連絡ダクト １５ 排ガス通路
１６ 制御装置 １７ 給水
１８ 蒸気 ２０ａ、２０ｂ 抽気ダンパ
２１ａ、２１ｂ スライドゲートダンパ
２２ａ、２２ｂ 抽気ダクト

Claims (4)

1. 複数のガスタービンから排出される排ガスの熱回収を行う排熱回収ボイラおよび前記排熱回収ボイラから供給される蒸気で駆動する蒸気タービンを備えたコンバインドサイクルの排ガス通路構成において、
   前記複数のガスタービンからの排ガスを流すガスタービン出口排ガスダクトと、
   該ガスタービン出口排ガスダクトからの排ガスを合流させて単一の排熱回収ボイラへ導入する排ガス通路と、
   前記各ガスタービン出口排ガスダクトに接続された排ガスを外部に排出させるバイパス煙突と、
   前記各ガスタービン出口排ガスダクトからの排ガスを排熱回収ボイラとバイパス煙突のいずれに導入するかを選択的に設定できる切替ダンパと、
   前記それぞれのガスタービン出口排ガスダクトに接続したバイパス煙突に他のガスタービン出口排ガスダクトからの排ガスを流す排ガス供給ダクトと、
   該排ガス供給ダクト内に導入する排ガス流量を調節する調節ダンパと
   を備えたことを特徴とするコンバインドサイクルの排ガス通路構成。
2. それぞれの排ガス供給ダクトと該排ガス供給ダクトに接続するバイパス煙突との接続位置をそれぞれのガスタービン出口ダクトの上端以上の高さとすること特徴とする請求項１記載の排ガス通路構成。
3. 請求項１記載の排ガス通路構成において、一部のガスタービンのみを運転するときに停止しているガスタービン側のバイパス煙突の入口に運転中のガスタービン出口排ガスを必要量供給して、停止しているガスタービン側のバイパス煙突の入口の圧力を低下させて当該バイパス煙突の通風力を向上させ、停止中のガスタービン側の切替ダンパから排ガスが漏洩しても停止中のガスタービン側のバイパス煙突から外部へ排ガスを排出することで、停止中のガスタービンへの排ガスの逆流を防止することを特徴とする排ガス通路構成の運用方法。
4. 停止しているガスタービン側のバイパス煙突の入口の圧力が規定値（正圧）以上となったとき、自動的に運転中のガスタービン側から必要量の排ガスを停止しているガスタービン側のバイパス煙突入口に供給することで前記停止しているガスタービン側のバイパス煙突の入口の圧力を規定値（正圧）以下として、停止中のガスタービンへの排ガスの逆流を防止することを特徴とする請求項３記載の排ガス通路の運用方法。

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