JP5554273B2

JP5554273B2 - 複合発電プラント

Info

Publication number: JP5554273B2
Application number: JP2011074473A
Authority: JP
Inventors: 俊一石井; 真人岸; 隆園田; 一也東
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012207607A

Description

本発明は、ガスタービンおよび蒸気タービンを組み合わせて発電を行うようにした複合発電プラントに関するものである。

ガスタービンおよび蒸気タービンを組み合わせて発電を行うようにした複合発電プラントとしては、カリーナサイクルを利用して、電力出力の増大とシステム効率の向上を図ろうとするものが知られている（例えば、特許文献１）。

特許第４５０９４５３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された複合発電プラントでは、カリーナサイクルを循環するアンモニアと水の混合物は、ガスタービンから排出された燃焼ガスとのみ熱交換されるようになっている。すなわち、上記特許文献１に開示された複合発電プラントの電力出力とシステム効率は、ガスタービンから排出された燃焼ガスが有する熱量のみで決まってしまうことになる。そのため、上記特許文献１に開示された複合発電プラントでは、電力出力を増大させ、システム効率を向上させるのに限界があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電力出力をさらに増大させ、システム効率をさらに向上させることができる複合発電プラントを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る複合発電プラントは、ガスタービンおよび蒸気タービンを組み合わせて発電を行うようにした複合発電プラントであって、前記蒸気タービンに供給されて、前記蒸気タービンを回転駆動するとともに、カリーナサイクルを循環する水の沸点よりも低温で気体を発生、あるいは相変化する作動流体を、前記ガスタービンから導かれた燃焼ガスと熱交換させ、前記燃焼ガスから奪った熱で飽和蒸気にする排熱回収ボイラーと、前記排熱回収ボイラーから流出した前記飽和蒸気を、気体と液体とに分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された気体を、前記ガスタービンにより回転駆動される圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱交換させ、前記圧縮空気から奪った熱で過熱蒸気にする過熱器が、前記蒸気タービンの上流側に設けられている。

本発明に係る複合発電プラントによれば、蒸気タービンに供給されて、蒸気タービンを回転駆動する蒸気は、ガスタービンにより回転駆動される圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱交換されて過熱蒸気とされた後、蒸気タービンに流入することになる。
これにより、蒸気タービンに流入する蒸気のエンタルピーを従来のもの（例えば、特許文献１に開示されたもの）よりも増加させることができ、電力出力を従来のものよりも増大させ、システム効率を従来のものよりも向上させることができる。
また、蒸気タービンに流入する蒸気のかわき度を上げる（しめり度を下げる）ことができ、蒸気タービン内における結露を防止することができ、蒸気タービンを構成する動翼等の損傷を防止することができる。

上記複合発電プラントにおいて、排熱回収ボイラーに、前記気液分離器で分離された気体を、前記燃焼ガスよりも上流側を流れる温度の高い燃焼ガスと熱交換させ、前記燃焼ガスから奪った熱でさらに加熱する配管が設けられているとさらに好適である。

このような複合発電プラントによれば、気液分離器で分離された気体は、排熱回収ボイラーで再加熱された後、過熱器に流入することになる。
これにより、蒸気タービンに流入する蒸気のエンタルピーをさらに増加させることができ、電力出力をさらに増大させ、システム効率をさらに向上させることができる。
また、蒸気タービンに流入する蒸気のかわき度をさらに上げる（しめり度を下げる）ことができ、蒸気タービン内における結露をさらに防止することができ、蒸気タービンを構成する動翼等の損傷をさらに防止することができる。

上記複合発電プラントにおいて、前記排熱回収ボイラーから流出して前記気液分離器に流入する飽和蒸気を、前記気液分離器から導かれた液体と熱交換させ、前記液体から奪った熱で加熱する熱交換器が設けられているとさらに好適である。

このような複合発電プラントによれば、排熱回収ボイラーから流出して気液分離器に流入する飽和蒸気は、熱交換器で加熱された後、気液分離器に流入することになる。
これにより、蒸気タービンに流入する蒸気のエンタルピーをより一層増加させることができ、電力出力をより一層増大させ、システム効率をより一層向上させることができる。
また、蒸気タービンに流入する蒸気のかわき度をより一層上げる（しめり度を下げる）ことができ、蒸気タービン内における結露をより一層防止することができ、蒸気タービンを構成する動翼等の損傷をより一層防止することができる。

本発明に係る複合発電プラントによれば、電力出力を従来のものよりも増大させ、システム効率を従来のものよりも向上させることができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る複合発電プラントの概略構成図である。本発明の第２実施形態に係る複合発電プラントの概略構成図である。本発明の第３実施形態に係る複合発電プラントの概略構成図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る複合発電プラントについて、図１を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る複合発電プラントの概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係る複合発電プラント１０は、ガスタービン１１と、空気圧縮機１２と、（第１の）発電機１３と、蒸気タービン１４と、（第２の）発電機１５と、排熱回収ボイラー（Heat Recovery Steam Generator）１６と、過熱器（熱交換器）１７と、を備えている。

ガスタービン１１は、図示しない燃焼器内で発生した燃焼ガス２１により回転駆動される回転機械であり、ガスタービン１１が回転駆動されることにより、回転軸２２を介して連結された空気圧縮機１２および発電機１３が回転駆動される。
なお、燃焼器内では、燃料と、空気圧縮機１２（本実施形態では、高圧圧縮機３２）から供給された高圧の圧縮空気２３とが混合されて燃焼し、燃焼ガス２１が発生する仕組みになっている。

本実施形態に係る空気圧縮機１２は、回転軸２２を介して連結されたガスタービン１１により回転駆動される回転機械であり、低圧圧縮機３１と、高圧圧縮機３２とを備えている。
低圧圧縮機３１は、大気（外気）２４を取り入れて圧縮し、低圧の圧縮空気２５を作り出す空気圧縮機であり、低圧圧縮機３１で作り出された低圧の圧縮空気２５は、加熱器１７を通って高圧圧縮機３２に供給される。
高圧圧縮機３２は、低圧圧縮機３１から供給された低圧の圧縮空気２５を取り入れて、低圧の圧縮空気２５をさらに圧縮し、高圧の圧縮空気２３を作り出す空気圧縮機であり、高圧圧縮機３２で作り出された高圧の圧縮空気２３は、図示しない燃焼器に供給される。

発電機１３は、回転軸２２を介して連結されたガスタービン１１により回転駆動されて、電力を発生する回転機械である。
蒸気タービン１４は、過熱器１７で低圧の圧縮空気２５と熱交換されることによって過熱された過熱蒸気４１により回転駆動される回転機械であり、蒸気タービン１４が回転駆動されることにより、回転軸４２を介して連結された発電機１５が回転駆動される。
発電機１５は、回転軸４２を介して連結された蒸気タービン１４により回転駆動されて、電力を発生する回転機械である。

排熱回収ボイラー１６は、液相で供給されたアンモニアと水の混合物（水の沸点よりも低温で気体を発生、あるいは相変化する作動流体）４３を、ガスタービン１１から供給された燃焼ガス２１と熱交換させ、燃焼ガス２１から奪った熱で飽和蒸気４４にする熱交換器である。排熱回収ボイラー１６から流出した飽和蒸気４４は、気液分離器４５に導かれ、気液分離器４５で高濃度アンモニア蒸気（気体）４６と低濃度アンモニア水（液体）４７とに分離される。気液分離器４５で分離された高濃度アンモニア蒸気４６は、過熱器１７に導かれ、気液分離器４５で分離された低濃度アンモニア水４７は、（第１の）再生器（熱交換器）５１、復水器（冷却器）５２を順に通って冷却、減圧され、吸収器５３に導かれる。
過熱器１７は、排熱回収ボイラー１６から供給された高濃度アンモニア蒸気４６を、低圧圧縮機３１から供給された低圧の圧縮空気２５と熱交換させ、低圧の圧縮空気２５から奪った熱で過熱蒸気４１にする熱交換器である。

蒸気タービン１４を回転駆動した（蒸気タービン１４での仕事を終えた）高濃度アンモニアガス４８は、冷却、減圧されて流入してくる低濃度アンモニア水４７に一気に凝縮吸収され、液化する。
再生器５１は、吸収器５３から液相で供給されたアンモニアと水の混合物４３を、気液分離器４５から導かれた低濃度アンモニア水４７と熱交換させ、低濃度アンモニア水４７から奪った熱で予熱する熱交換器である。
復水器５２は、再生器５１で熱を奪われた低濃度アンモニア水４７を海水等の冷却媒体で冷却して凝縮させる熱交換器である。

なお、吸収器５３、再生器５１、排熱回収ボイラー１６、気液分離器４５、過熱器１７、蒸気タービン１４、復水器５２、およびこれらを接続（連通）する配管によりカリーナサイクルが形成されることになる。

本実施形態に係る複合発電プラント１０によれば、蒸気タービン１４に供給されて、蒸気タービン１４を回転駆動する蒸気は、ガスタービン１１により回転駆動される圧縮機１２（本実施形態では低圧圧縮機３１）で圧縮された圧縮空気２５と熱交換されて過熱蒸気４１とされた後、蒸気タービン１４に流入することになる。
これにより、蒸気タービン１４に流入する過熱蒸気４１のエンタルピーを従来のもの（例えば、特許文献１に開示されたもの）よりも増加させることができ、電力出力を従来のものよりも増大させ、システム効率を従来のものよりも向上させることができる。
また、蒸気タービン１４に流入する過熱蒸気４１のかわき度を上げる（しめり度を下げる）ことができ、蒸気タービン１４内における結露を防止することができ、蒸気タービン１４を構成する図示しない動翼等の損傷を防止することができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係る複合発電プラントについて、図２を参照しながら説明する。
図２は本実施形態に係る複合発電プラントの概略構成図である。

本実施形態に係る複合発電プラント６０は、排熱回収ボイラー１６の代わりに、排熱回収ボイラー６１が設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

排熱回収ボイラー６１は、液相で供給されたアンモニアと水の混合物（水の沸点よりも低温で気体を発生、あるいは相変化する作動流体）４３を、ガスタービン１１から供給された燃焼ガス２１と熱交換させ、燃焼ガス２１から奪った熱で飽和蒸気４４にするという点で、上述した排熱回収ボイラー１６と何ら変わるところはないが、気液分離器４５で分離された高濃度アンモニア蒸気４６を、ガスタービン１１から供給された燃焼ガス２１（アンモニアと水の混合物４３と熱交換される燃焼ガスよりも上流側を流れる温度の高い燃焼ガス２１）と熱交換させ、燃焼ガス２１から奪った熱でさらに加熱するという点で、上述した排熱回収ボイラー１６と異なる。すなわち、排熱回収ボイラー６１には、気液分離器４５で分離された高濃度アンモニア蒸気４６を、アンモニアと水の混合物４３と熱交換される燃焼ガスよりも上流側を流れる温度の高い燃焼ガス２１と熱交換させ、この燃焼ガス２１から奪った熱でさらに加熱する配管が設けられていることになる。

また、本実施形態では、（低圧）蒸気タービン１４の他に図示しない高圧蒸気タービンを備えており、排熱回収ボイラー６１に供給されたボイラー水６２を、ガスタービン１１から供給された燃焼ガス２１（高濃度アンモニア蒸気４６と熱交換される燃焼ガスよりも上流側を流れる温度の高い燃焼ガス２１）と熱交換させ、燃焼ガス２１から奪った熱で高圧蒸気タービンに供給される蒸気６３を作り出しており、この点でも本実施形態のものは、上述した第１実施形態のものと異なる。

なお、吸収器５３、再生器５１、排熱回収ボイラー６１、気液分離器４５、過熱器１７、蒸気タービン１４、復水器５２、およびこれらを接続（連通）する配管によりカリーナサイクルが形成されることになる。

本実施形態に係る複合発電プラント６０によれば、気液分離器４５で分離された高濃度アンモニア蒸気（気体）４６は、排熱回収ボイラー６１で再加熱された後、過熱器１７に流入することになる。
これにより、蒸気タービン１４に流入する過熱蒸気４１のエンタルピーをさらに増加させることができ、電力出力をさらに増大させ、システム効率をさらに向上させることができる。
また、蒸気タービン１４に流入する過熱蒸気４１のかわき度をさらに上げる（しめり度を下げる）ことができ、蒸気タービン１４内における結露をさらに防止することができ、蒸気タービン１４を構成する図示しない動翼等の損傷をさらに防止することができる。

〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態に係る複合発電プラントについて、図３を参照しながら説明する。
図３は本実施形態に係る複合発電プラントの概略構成図である。

本実施形態に係る複合発電プラント７０は、（第２の）再生器（熱交換器）７１をさらに備えているという点で上述した第２実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第２実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第２実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

再生器７１は、排熱回収ボイラー１６から流出して気液分離器４５に流入する飽和蒸気４４を、再生器５１の上流側で、気液分離器４５から導かれた低濃度アンモニア水４７と熱交換させ、低濃度アンモニア水４７から奪った熱で予熱する熱交換器である。

なお、吸収器５３、再生器５１、排熱回収ボイラー６１、再生器７１、気液分離器４５、過熱器１７、蒸気タービン１４、復水器５２、およびこれらを接続（連通）する配管によりカリーナサイクルが形成されることになる。

本実施形態に係る複合発電プラント７０によれば、排熱回収ボイラー６１から流出して気液分離器４５に流入する飽和蒸気４４は、再生器７１で加熱された後、気液分離器４５に流入することになる。
これにより、蒸気タービン１４に流入する過熱蒸気４１のエンタルピーをより一層増加させることができ、電力出力をより一層増大させ、システム効率をより一層向上させることができる。
また、蒸気タービン１４に流入する過熱蒸気４１のかわき度をより一層上げる（しめり度を下げる）ことができ、蒸気タービン１４内における結露をより一層防止することができ、蒸気タービン１４を構成する図示しない動翼等の損傷をより一層防止することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形・変更実施可能である。
例えば、上述した実施形態では、低圧圧縮機３１から吐出された低圧の圧縮空気２５を過熱器１７に供給するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、高圧圧縮機３２から吐出された高圧の圧縮空気２３を過熱器１７に供給するようにしてもよい。
また、本実施形態では、圧縮機１２として２つの圧縮機（低圧圧縮機３１と高圧圧縮機３２と）を備えたものを一具体例として挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つの圧縮機（低圧圧縮機３１）だけを備えたものにも適用することができる。この場合、圧縮機の中間段から抽気された圧縮空気が過熱器１７に供給され、過熱器１７で熱交換された圧縮空気は、圧縮機に戻され、圧縮機の高圧段側で再圧縮されることになる。

１０複合発電プラント
１１ガスタービン
１４蒸気タービン
１６排熱回収ボイラー
１７過熱器
２１燃焼ガス
２５圧縮空気
３１低圧圧縮機
４１過熱蒸気
４４飽和蒸気
４５気液分離器
４６高濃度アンモニア蒸気（気体）
４７低濃度アンモニア水（液体）
６０複合発電プラント
６１排熱回収ボイラー
７０複合発電プラント
７１再生器（熱交換器）

Claims

ガスタービンおよび蒸気タービンを組み合わせて発電を行うようにした複合発電プラントであって、
前記蒸気タービンに供給されて、前記蒸気タービンを回転駆動するとともに、カリーナサイクルを循環する水の沸点よりも低温で気体を発生、あるいは相変化する作動流体を、前記ガスタービンから導かれた燃焼ガスと熱交換させ、前記燃焼ガスから奪った熱で飽和蒸気にする排熱回収ボイラーと、
前記排熱回収ボイラーから流出した前記飽和蒸気を、気体と液体とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された気体を、前記ガスタービンにより回転駆動される圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱交換させ、前記圧縮空気から奪った熱で過熱蒸気にする過熱器が、前記蒸気タービンの上流側に設けられていることを特徴とする複合発電プラント。
排熱回収ボイラーに、前記気液分離器で分離された気体を、前記燃焼ガスよりも上流側を流れる温度の高い燃焼ガスと熱交換させ、前記燃焼ガスから奪った熱でさらに加熱する配管が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の複合発電プラント。
前記排熱回収ボイラーから流出して前記気液分離器に流入する飽和蒸気を、前記気液分離器から導かれた液体と熱交換させ、前記液体から奪った熱で加熱する熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の複合発電プラント。