JP5292347B2 - 発電プラント、および発電プラントの運用方法 - Google Patents

Description

本発明は、火力発電プラントの蒸気機関、特に再熱・再生過程を有する蒸気タービンシステムに関するものである。

火力発電プラントの蒸気機関はランキンサイクルを基本とする。ランキンサイクルは凝縮性の蒸気を作動媒体とするサイクルであり、次の４つの過程からなる。（１）給水を加熱し熱水を生成する。（２）熱水をさらに加熱し蒸気を生成する。（３）蒸気をタービンに送り膨張させ、動力を得る。（４）蒸気を凝縮し、給水とする。通常の発電プラントでは、これらの４つの過程を、次のように各機器に割り当てる。（１）（２）はボイラまたは原子炉、（３）は蒸気タービン、（４）は復水器が担い、作動媒体を定常的に循環させる。

ランキンサイクルの効率を向上する方式として、通常、再生過程が用いられている。これは過程（１）での給水の加熱を、タービンから抽気した蒸気を用いて行わせ、タービンからの抽気により熱が回収される。抽気に伴いタービン出力は減少するが、回収した熱が、給水の加熱に有効に使われるため効率が向上する。

また、タービン内の湿り度を抑制するため、過程（３）の膨張の途中で、蒸気を再加熱する再熱過程が、通常、用いられる。再熱過程の付加的な効果として効率と出力が増加する。

これらの再生・再熱過程の導入に加え、タービンへ送る蒸気を、温度と圧力を増加させて超臨界圧とする効率向上策が図られている。蒸気温度の増加により、再生過程でタービンから抽気される蒸気は過熱蒸気となりやすい。抽気蒸気が過熱蒸気となると、過熱蒸気と加熱される給水との温度差が拡大する。すなわち、温度の高い過熱蒸気により、温度の低い給水を加熱することになり、再生過程による効率向上が小さくなる問題が有る。

この問題を解決するために、特許文献１では、過熱除去ヒータを設け温度の高い給水を加熱している。また、同様の過熱除去ヒータは特許文献２にも記載されている。

米国特許２６４３５１９号公報 特開２００４−３４６９３２号公報

しかしながら、前者の特許文献１は再熱過程について考慮しておらず、現在のほとんどを占める再熱過程のある火力発電プラントへは適用できない。また、後者の特許文献２では、過熱除去ヒータが給水系に一つのみ設けてあり、ボイラを含めた効率で考えると効果は限定的である。

ボイラは、外気と燃料を取り込んで火炉で燃焼させ燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、ボイラ各部で給水および蒸気を加熱した後、最終的に給水を加熱して外部に排気される。給水温度の上昇は、燃焼ガスから給水への熱移動量を減らし、ボイラ排ガスの温度を上昇させ、ボイラ排ガスによる排熱を増加させる。したがって、過熱除去ヒータを給水系統に設けても、給水温度が上昇するため、タービン効率は高まるが、ボイラを含めた効率が高まるとは限らない。

現在の火力発電プラントは、通常、再熱を有する。さらに、新鋭機では超臨界圧のボイラが導入されるなど、高温・高圧化が進められている。本発明が解決しようとする課題は高温・高圧で、再熱のある蒸気タービンを備えた発電プラントにおいて、最適な再生過程を提供することに有る。

即ち、本発明が解決しようとする課題は、高温・高圧で、再熱・再生過程を有する蒸気タービンを備えた発電プラントにおいて、蒸気タービン、およびボイラを含めた熱効率を向上できる発電プラントを提供することにある。

上記課題を解決するため、再熱・再生過程を有する蒸気タービンを備えた発電プラントにおいて、タービンから抽気された過熱蒸気により再熱蒸気を加熱し、過熱度が減少した蒸気により給水を加熱する。

本発明によれば、高温・高圧で、再熱・再生過程を有する蒸気タービンを備えた発電プラントにおいて、抽気された過熱蒸気の熱量のうち、過熱分の熱量により再熱するので、抽気蒸気量が増え、排熱を低減できるので、蒸気タービン、および、ボイラを含めた熱効率を向上できる。

本発明の実施例１に係る火力発電プラントの構成図である。 本発明の実施例２に係る火力発電プラントの構成図である。 一般的な再熱過程を有する蒸気機関の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。なお、各図面を通し、同等の構成要素には同一の符号を付してある。

図１に本発明の１実施例に係る、高温・高圧の代表例として超臨界圧の蒸気を用いた、再熱・再生過程を有する蒸気タービンを備えた火力発電プラントの構成図を示す。

１は高圧タービン、２は中低圧タービン、３は復水器、４ａ，４ｂ，４ｄは給水加熱器、５ａ，５ｂは過熱除去ヒータ、６はボイラ、６０はエコノマイザ、６１は水壁、６２は過熱器、６３は再熱器、１５は発電機である。また、７は過熱器６２から高圧タービン１へ主蒸気を導く主蒸気系統、８は高圧タービン１出口から排出された再熱蒸気を再熱器６３へ導く再熱系統、９は再熱器６３から中低圧タービン２へ再熱蒸気を導く中低圧タービン系統、１０は復水器３からエコノマイザ６０へ給水を導く給水系統である。

蒸気は、復水器３で凝縮した後、凝縮液を給水として給水系統１０を介してボイラ６に送られる。ボイラ６に供給された給水は、順にエコノマイザ６０，水壁６１，過熱器６２に送られて加熱され、主蒸気が作られる。ボイラ６で生成された主蒸気は、過熱器６２から主蒸気系統７を流下して高圧タービン１に送られ仕事をする。高圧タービン１で仕事をした主蒸気は、再熱蒸気として再熱系統８を流下して再熱器６３に送られ、再度加熱される。再熱器６３で再加熱された再熱蒸気は、再熱器６３から中低圧タービン系統９を流下して中低圧タービン２に送られ仕事をする。タービンから排出された蒸気を一旦再熱器６３で再加熱する過程を再熱過程と称する。この過程により、付加的に熱効率の向上効果と、湿り度抑制効果が得られる。中低圧タービン２で仕事をした蒸気は、復水器３で冷却され凝縮した後、給水として給水系統１０を流下し、再びボイラ６に還流する。

高圧タービン１，中低圧タービン２、および発電機１５は図示しないタービンロータで接続されており、タービンロータを介してタービンの仕事が発電機１５に伝えられ、電力に変換される。

給水系統１０には、給水を加熱する複数の給水加熱器４ｄが設けられている。給水加熱器４ｄには、加熱源として高圧タービン１および中低圧タービン２から抽気された抽気蒸気が供給されている。復水器３で凝縮した凝縮液は、給水加熱器４ｄでタービンから抽気された抽気蒸気と熱交換して抽気蒸気が有する熱を回収し、昇温する。タービンから抽気した蒸気で給水を加熱する過程を再生過程と称する。この過程により抽気蒸気の潜熱が給水の予熱に用いられ、復水器で捨てられる熱が減じるので効率向上効果が得られる。

再熱系統８には、高圧タービンから排出された再熱蒸気を加熱する過熱除去ヒータ５ａ，５ｂが設けられている。過熱除去ヒータ５ａには、高圧タービン１から抽気した過熱蒸気が加熱源として供給される。一方、過熱除去ヒータ５ｂには、中低圧タービン２から抽気した過熱蒸気が加熱源として供給される。この過熱除去ヒータ５ａ，５ｂには再熱蒸気を加熱するために、再熱蒸気の少なくとも低温側よりも高い温度の抽気が用いられる。さらに、過熱除去ヒータ５ａ，５ｂは、再熱蒸気の流れ方向上流側から下流側に向かって、抽気温度の低い順に再熱蒸気を加熱するように配置されている。高圧タービン１から再熱器６３へ排出される再熱蒸気を、タービンから抽気した過熱蒸気と熱交換させ、過熱蒸気が有する熱を回収する。再熱蒸気を加熱して、過熱度が低下した蒸気は、給水系統に設けられた給水加熱器４ａ，４ｂにそれぞれ送られる。給水加熱器４ａは、過熱除去ヒータ５ａから送られた蒸気を導入する。給水加熱器４ｂは、過熱除去ヒータ５ｂから送られた蒸気を導入する。給水加熱器４ａ，４ｂでは、過熱除去ヒータ５ａ，５ｂから導入した蒸気と給水との熱交換が行われ、蒸気が有する熱が給水に回収される。蒸気は給水によって冷却され、凝縮してドレン化し、ドレン管１１を介して給水系統に戻される。

給水加熱器４ａ，４ｂは、過熱除去ヒータ５ａ，５ｂで過熱が除去され，ほぼ飽和となった蒸気で給水を加熱する。従って、給水加熱器４ａ，４ｂ，４ｄは、給水の流れ方向上流側から下流側に向かって、飽和蒸気温度が低い、すなわち、圧力が低い抽気から順に給水を加熱するように配置される。

ボイラ６は、外部から供給された外気と燃料を混合して火炉１２で燃焼し、燃焼ガスを生成する。火炉１２で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス流れ方向上流側から下流側に向かって順に過熱器６２，再熱器６３で給水および蒸気を加熱する。再熱器６３で再熱蒸気を再加熱した燃焼ガスは、最終的にエコノマイザ６０に送られ、給水を加熱した後、ボイラ排ガスとしてボイラ６から排気される。

次に本実施例の効果の理解を容易にするために、比較例として図３に示した超臨界圧の蒸気を用いた蒸気機関の一般的なＴ−Ｓ（温度−比エントロピー）線図について説明する。

図３で実線が主となる蒸気の状態変化、点線が再生過程に用いられる蒸気の状態変化を表す。主となる蒸気は復水器で凝縮した後、凝縮液を給水としてボイラに送られる。ボイラに送られる途中、給水は抽気された蒸気で加熱される。ボイラ内では臨界点温度を超え、まず、主蒸気の温度まで加熱される。主蒸気はタービン内で等エントロピー的に膨張する。その後、ボイラに戻され等圧的に再熱され、再熱蒸気はタービン内で等エントロピー的に膨張し、復水器に戻る。

抽気された蒸気により給水を加熱することを再生過程と称する。再生過程において、抽気される蒸気量が増加すれば、復水器に排出される蒸気量すなわち熱量が減少する。一方で、抽気される蒸気量の増加はボイラで入熱される熱量を減少させる。得られる仕事量が保たれるから、蒸気タービンの熱効率（＝仕事量／入熱量）が増加する。なお、図では抽気間の温度差をこれまで最適と考えられている等間隔とした。

一方、本実施例においても、給水系統１０に、タービンから抽気された抽気蒸気と給水とを熱交換させる給水加熱器４を設けて、再生過程を実現しており、蒸気タービン単体の熱高効率の向上が図れる。

ところで、図３から、超臨界圧の蒸気を用いた蒸気機関では、ほとんどの抽気で蒸気が過熱蒸気となることが分かる。加熱後の給水温度は抽気される蒸気の過熱度にほとんどよらず、主に飽和蒸気温度で決まる。エントロピー変化をδＳとすると、単位質量当たりの熱量は一般的にＴ・δＳであるから、過熱蒸気は過熱分の余剰な熱量を有する。したがって、同一圧力の飽和蒸気よりも抽気量が減少する。

そこで、本実施例では、過熱除去ヒータ５ａ，５ｂを再熱系統８に設けることによって、抽気した過熱蒸気と再熱蒸気とを熱交換させ、過熱蒸気が有する過熱エネルギーを再熱器６３上流の再熱蒸気を用いて回収する。これにより、ボイラ６への給水温度を変えずにタービンからの抽気量を増やすことができるので、排熱が減り、ボイラを含めた効率を向上できる。

さらに、この方式によれば蒸気タービンから抽気した抽気蒸気のうち、飽和蒸気温度が最も高い蒸気の過熱分を温度の高い再熱蒸気の加熱に用いることが可能となる。従って、給水と熱交換させていた従来の方式と比較して、過熱蒸気の熱量を有効に利用することができる。

以上により、本実施例によれば、従来の給水を加熱する方式に比べ、過熱蒸気の熱量を再熱蒸気の加熱に用いるため、抽気される蒸気量が増加する。従って、抽気蒸気量を増やすことができ、排熱が減るため、蒸気タービン単独、および、ボイラを含めた熱効率を向上できる。

図２は、本発明の他の１実施例に係る超臨界圧の蒸気を用いた、再熱・再生過程を有する蒸気タービンを備えた火力発電プラントの構成図である。本実施例は、給水系統での給水の加熱をベースに実施例１の最も高い飽和蒸気温度の抽気の抽気量の増加を組み合わせた例である。なお、先に説明した実施例１と同様の部分に相当する箇所には同符号を付して説明を省略する。

本実施例では、過熱除去ヒータ５ａ，５ｂは再熱蒸気の加熱および、温度の上昇した給水の加熱に用いられる。

具体的には、高圧タービンから抽気した過熱蒸気を加熱源とする過熱除去ヒータ５ａを再熱系統８に設ける。また、過熱除去ヒータ５ａで再熱蒸気を加熱し、過熱度が低下した蒸気を導入する給水加熱器４ａを給水系統１０の後段に設ける。通常、高圧タービンの下流側でも過熱蒸気であり、高圧タービンからの抽気蒸気は必ず、過熱しており、再熱蒸気を加熱できる。

一方、中低圧タービン２から抽気した過熱蒸気を加熱源とする過熱除去ヒータ５ｂを給水系統１０の給水加熱器４ａの下流側に設置する。また、過熱除去ヒータ５ｂで給水を加熱して過熱度が低下した蒸気を導入する給水加熱器４ｂを、過熱除去ヒータ５ｂの上流側に設置する。

給水系統１０に設けられた過熱除去ヒータ５ｂのうち、給水加熱後の蒸気に相当程度の過熱エネルギーが残っている場合は、さらに給水系統１０の上流側に設置した過熱除去ヒータ５ｃに蒸気を供給する。また、過熱除去ヒータ５ｃで給水を加熱して過熱度が低下した蒸気を導入する給水加熱器４ｃを、過熱除去ヒータ５ｃの上流側に設置する。

給水は、給水加熱器４ａ〜４ｄに送られた蒸気と熱交換し、蒸気が有する熱を回収する。一方、蒸気は凝縮してドレン化し、ドレン管１１を介して給水系統に戻される。

給水加熱器４ａ〜４ｄおよび過熱除去ヒータ５ｂ，５ｃの配置は、実施例１と同様に、給水の流れ方向上流側から下流側に向かって飽和蒸気温度が低い、すなわち、圧力が低い抽気から順に給水を加熱するように配置される。従って、図２に示した配置に限定されるものではない。

本実施例によれば、実施例１と同様に過熱除去ヒータ５ａを再熱系統８に設けることによって、抽気した過熱蒸気と再熱蒸気とを熱交換させ、過熱蒸気が有する過熱エネルギーを再熱器６３上流の再熱蒸気を用いて回収する。これにより、ボイラ６への給水温度を変えず、タービンからの抽気量を増やすことができるので、ボイラを含めた効率を向上できる。

さらに、この方式によれば飽和蒸気温度が最も高い蒸気の過熱分を再熱蒸気の加熱に用いることが可能となる。従来の給水を加熱する方式に比べ、過熱蒸気の熱量を再熱蒸気の加熱に用いるため、抽気される蒸気量が増加する。従って、抽気蒸気量を増やすことができ、復水器への排熱が減るため、蒸気タービン単独、および、ボイラを含めた熱効率を向上できる。

また、過熱除去ヒータ５ａ，５ｂを給水および再熱蒸気の加熱の両方に割り当てることにより、最適化が可能となり、熱効率を向上できる。即ち、この実施例では高圧タービン１からの抽気蒸気の過熱分で再熱蒸気を加熱している。このため、再熱蒸気は高圧タービン１の排気から導かれるため、加熱する抽気蒸気の温度が再熱の開始温度をより高くなることが保障される。中低圧タービン２からの抽気を専ら給水の加熱に用いることで、再熱蒸気の温度に影響を与えないようにできるメリットがある。

１ 高圧タービン
２ 中低圧タービン
３ 復水器
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 給水加熱器
５ａ，５ｂ，５ｃ，１３ 過熱除去ヒータ
６ ボイラ
７ 主蒸気系統
８ 再熱系統
９ 中低圧タービン系統
１０ 給水系統
１１ ドレン管
１２ 火炉
１５ 発電機
６０ エコノマイザ
６１ 水壁
６２ 過熱器
６３ 再熱器

Claims (8)

1. ボイラと、該ボイラで生成した蒸気で駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンを駆動
   した前記蒸気を凝縮する復水器と、該復水器で前記蒸気を凝縮して得た給水を前記ボイラ
   に導く給水系統と、該給水系統に設けられ、前記蒸気タービンの抽気蒸気を導入し、該抽
   気蒸気で前記給水を加熱する給水加熱器と、前記蒸気タービンを構成する高圧タービンか
   ら排出された前記蒸気を前記ボイラの再熱器に導く再熱系統とを有する火力発電プラントであって、
   前記再熱系統に設けられ、前記蒸気タービンから抽気した過熱蒸気を導入し、該過熱蒸気を用いて前記再熱系統を流下する前記蒸気の加熱を行う過熱除去ヒータと、
   該過熱除去ヒータで前記蒸気を加熱し過熱度が低下した抽気蒸気を導入し、該導入した
   抽気蒸気で前記給水系統を流下する給水を加熱する給水加熱器とを備えることを特徴とする火力発電プラント。
2. 請求項１記載の火力発電プラントであって、
   前記給水系統に設けられ、前記蒸気タービンから抽気した過熱蒸気を導入し、該過熱蒸気で前記給水を加熱する第２の過熱除去ヒータと、
   該第２の過熱除去ヒータで前記給水を加熱し、過熱度が低下した抽気蒸気を導入し、該
   抽気蒸気で前記給水を加熱する給水加熱器とを備えることを特徴とする火力発電プラント。
3. 請求項１または２記載の火力発電プラントであって、
   前記蒸気タービンから抽気した前記過熱蒸気のうち、飽和蒸気温度が最も高い蒸気を前記再熱系統に設けられた過熱除去ヒータに供給することを特徴とする火力発電プラント。
4. 請求項２記載の火力発電プラントであって、
   前記高圧タービンから抽気した過熱蒸気を前記再熱系統に設けられた前記過熱除去ヒータに供給し、
   前記蒸気タービンを構成する中低圧タービンから抽気した過熱蒸気を前記給水系統に設けられた前記第２の過熱除去ヒータに供給することを特徴とする火力発電プラント。
5. ボイラと、再熱・再生過程を有する蒸気タービンを備えた火力発電プラントの運用方法であって、
   前記蒸気タービンから抽気された過熱蒸気により、前記蒸気タービンを構成する高圧タ
   ービンから前記ボイラの再熱器へ排出される蒸気を加熱し、該加熱により過熱度が低下した蒸気により前記蒸気タービンの給水を加熱する火力発電プラントの運用方法。
6. 請求項５記載の火力発電プラントの運用方法であって、
   前記蒸気タービンから抽気した過熱蒸気で、前記給水を加熱し、該加熱により過熱度が
   低下した蒸気により前記給水を加熱する火力発電プラントの運用方法。
7. 請求項５または６記載の火力発電プラントの運用方法であって、
   前記蒸気タービンから抽気した過熱蒸気のうち、飽和蒸気温度が最も高い蒸気で前記高圧タービンから前記再熱器へ排出される蒸気を加熱することを特徴とする火力発電プラントの運用方法。
8. 請求項６記載の火力発電プラントの運用方法であって、
   前記高圧タービンから抽気した過熱蒸気により、前記高圧タービンから前記再熱器へ排
   出される蒸気を加熱し、
   前記蒸気タービンを構成する中低圧タービンから抽気した過熱蒸気により、前記給水を
   加熱することを特徴とする火力発電プラントの運用方法。

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