JP5675516B2 - コンバインドサイクル発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンと、このガスタービンから排出される排気ガスの排熱を利用して主蒸気を生成する排熱回収ボイラと、蒸気タービンとからなるコンバインドサイクル発電プラントに関する。

コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン、排熱回収ボイラ、蒸気タービン、発電機などから構成されており、ガスタービンで発電機を回転させると共に、ガスタービンから排出される排気を利用して排熱回収ボイラで主蒸気を生成し、蒸気タービンにおいても発電のための動力を得る発電プラントである。
コンバインドサイクル発電プラントの中でも、ガスタービンと蒸気タービンとが同一軸上に構成されるものは一軸型コンバインドサイクル発電プラントと呼ばれている。一軸型コンバインドサイクル発電プラントは、全軸長の短縮、ロータ数減による軸系の信頼性向上、運用性・保守性の向上に大きな効果がある。

図２に、従来のコンバインドサイクル発電プラント（以下、コンバインドプラントと呼ぶ）１０１の概略系統図を示す。
図２に示すように、従来のコンバインドプラント１０１は、ガスタービン２と、蒸気タービン３と、排熱回収ボイラ４と、補助蒸気設備７とを有している。コンバインドプラント１０１の起動時においては、排熱回収ボイラ４で発生する蒸気が少なく充分な蒸気量が得られないため、補助蒸気設備７からの補助蒸気によって、ガスタービン２の高温部（ＧＴ高温部５６）、及び低圧蒸気タービン１３を冷却している。また、補助蒸気は、グランド蒸気としても利用されており、グランド蒸気によって蒸気タービン３の軸封部をシールしている。このような補助蒸気設備としては、例えば特許文献１、２にその記載がある。

具体的には、補助蒸気は、ＧＴ高温部補助配管６４及びＧＴ高温部冷却配管５５Ａを介してＧＴ高温部５６に供給され、ＧＴ高温部５６の冷却に利用される。同様に補助蒸気は、ＳＴ補助蒸気配管６５を介してグランド蒸気として利用されるとともに、低圧蒸気タービン冷却補助蒸気配管６６及び低圧主蒸気供給配管２３Ｂを介して低圧蒸気タービン１３に供給される。

コンバインドプラント１０１は、定常状態に至ると補助蒸気設備７の作動が停止され、ガスタービン２のＧＴ高温部５６は、中圧過熱器１５からＧＴ高温部冷却配管５５Ａを介して供給される蒸気によって冷却される。同様に低圧蒸気タービン１３は、低圧過熱器１６から低圧主蒸気供給配管２３Ａを介して供給される主蒸気によって冷却される。

特許第４５９８９４３号公報 特許第４０５２４０５号公報

しかしながら、ガスタービンの高効率化及び蒸気タービンの長翼化に伴い、起動に必要な補助蒸気量が多量となっている。多量の補助蒸気を生成するためには、補助蒸気を供給するための大規模な設備が必要となる。また、起動の際に大量の蒸気を使用するため、経済性が悪化するという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、補助蒸気を生成する補助蒸気設備の小型化、及び起動時における補助蒸気の低減を実現するコンバインドサイクル発電プラントを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンと、該ガスタービンに接続された蒸気タービンと、前記ガスタービンの排気により主蒸気を発生する排熱回収ボイラと、補助蒸気を発生する補助蒸気設備と、前記補助蒸気の一部又は前記主蒸気の一部により前記ガスタービンの高温部を冷却するＧＴ高温部冷却用蒸気路と、前記補助蒸気の一部又は前記主蒸気の一部により前記ガスタービンの高温部冷却以外の所定作用に供する補助蒸気路を備えたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、前記ガスタービンの高温部の出口から分岐し、前記補助蒸気路に接続された分岐管と、前記分岐管を通る蒸気が目的に応じた温度となるように前記分岐管内の蒸気を冷却する減温器と、をさらに備え、前記高温部を通過した蒸気が前記補助蒸気路に導入されて再利用されることを特徴とする。

上記構成によれば、ガスタービンの高温部を通過した蒸気が、分岐管をバイパス通過して、補助蒸気路に導入される。ここで、ガスタービンの高温部を通過した蒸気というのは、高温部を出た後においても圧力・温度が高く維持されている。本発明では、この高温且つ高圧の蒸気を、ガスタービンの高温部冷却以外の所定作用に再利用する。これによって補助蒸気設備が生成する補助蒸気が低減されるため、補助蒸気設備の容量を低減することができる。さらに、補助蒸気が有効利用されるため、コンバインドサイクル発電プラント起動時の経済性を向上させることができる。

また、前記蒸気タービンは前記ガスタービンと同軸状に接続されていてもよい。

また、前記減温器は、前記分岐管を通る蒸気に対して水を散水するスプレー部と、該スプレー部に供給する水量を制御する制御弁とを備えることが好ましい。
上記構成によれば、分岐管を通る蒸気の温度をより早く下げることができる。

また、前記制御弁の開度は、前記減温器の下流側に設けられた温度計の信号に基づいて調整されることが好ましい。
上記構成によれば、分岐管を通る蒸気の温度をより確実に調整することができる。

また、前記ガスタービンの高温部冷却以外の所定作用が、グランド蒸気によるシール、及び蒸気タービンの冷却の少なくとも一つであることが好ましい。
上記構成によれば、ガスタービンの高温部を通過した蒸気が、グランド蒸気によるシール、又は蒸気タービンの冷却に再利用されることによって、補助蒸気設備及び起動時に必要な補助蒸気を低減することができる。

本発明によれば、ガスタービンの高温部を通過した蒸気が、分岐管をバイパス通過して、補助蒸気路に導入される。ここで、ガスタービンの高温部を通過した蒸気というのは、高温部を出た後においても圧力・温度が高く維持されている。本発明では、この高温且つ高圧の蒸気を、ガスタービンの高温部冷却以外の所定作用に再利用する。これによって補助蒸気設備が生成する補助蒸気が低減されるため、補助蒸気設備の容量を低減することができる。さらに、補助蒸気が有効利用されるため、コンバインドサイクル発電プラント起動時の経済性を向上させることができる。

本発明の実施形態のコンバインドサイクル発電プラントの概略系統図である。 従来のコンバインドサイクル発電プラントの概略系統図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の一軸型コンバインドプラント１は、ガスタービン２（以下、ＧＴと略すこともある）に蒸気タービン３（以下、ＳＴと略すこともある）を１軸により、同軸状に接続したものであり、ガスタービン２と蒸気タービン３の回転駆動力により発電機５を駆動して発電させるように構成されている。ガスタービン２の排出ガス出口は、排熱回収ボイラ４（ＨＲＳＧ）に接続されている。また、蒸気タービン３には、復水器６及び復水ポンプ１８が設けられており、蒸気タービン３で膨張仕事をして駆動した後の蒸気を復水器６に排出させて復水に凝縮するようになっている。また、コンバインドプラント１は、補助蒸気を生成する補助蒸気設備７を備えている。補助蒸気は、ＳＴグランド蒸気、ＳＴ冷却蒸気、及びＧＴ冷却蒸気として利用される。

ガスタービン２には、燃焼用空気を圧縮する圧縮機８（Ｃ）と、圧縮された高圧空気と燃料との混合気を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを供給する燃焼器９と、タービン１０（Ｔ）とが設けられている。
蒸気タービン３は、高圧蒸気タービン１１（ＨＰ）、中圧蒸気タービン１２（ＩＰ）、低圧蒸気タービン１３（ＬＰ）の３つのタービンを具備している。
排熱回収ボイラ４には、高圧蒸気タービン１１に供給される高圧蒸気を過熱する高圧過熱器１４（ＨＰＳＨ）、中圧蒸気タービン１２に中圧蒸気を供給する中圧過熱器１５（ＩＰＳＨ）、低圧蒸気タービン１３に低圧蒸気を供給する低圧過熱器１６（ＬＰＳＨ）が設けられている。さらに、排熱回収ボイラ４には、高圧蒸気タービン１１に対して仕事をした蒸気を再加熱する、再熱器１７（ＲＨ）が設けられている。
なお、図１においては、排熱回収ボイラ４を構成する高圧過熱器１４、中圧過熱器１５、低圧過熱器１６、及び再熱器１７は、系統図の簡略化のため、排熱回収ボイラ４から独立して図示してある。同様に、ＧＴ高温部５６はガスタービン２から独立して図示してある。

高圧過熱器１４と高圧蒸気タービン１１とを接続する高圧主蒸気供給配管２１、再熱器１７を介して高圧蒸気タービン１１と中圧蒸気タービン１２とを接続する再熱蒸気配管２４Ｂ、及び低圧過熱器１６と低圧蒸気タービン１３とを接続する低圧主蒸気供給配管２３Ａには、それぞれタービンバイパス配管２５，２６，２７が設けられている。低圧主蒸気供給配管２３Ａの下流側には、主蒸気の供給を遮断するための低圧主蒸気供給弁３６が設けられている。

このうち、中圧タービンバイパス配管２６、及び低圧タービンバイパス配管２７は、それぞれ復水器６にバイパス接続されている。高圧蒸気タービンバイパス配管２５は、減温器５１を介して再熱蒸気配管２４Ａに接続されている。
また、タービンバイパス配管２５，２６，２７には、それぞれタービンバイパス弁２８が設けられている。タービンバイパス弁２８は、各主蒸気供給配管２１，２２，２３の圧力を監視する圧力計５２によって制御されており、排熱回収ボイラ４の主蒸気圧力が上昇するに伴い徐々に閉じられるように構成されている。

高圧主蒸気供給配管２１の下流には、主蒸気止め弁３１と主蒸気調整弁３２が設けられており、高圧蒸気タービン１１への主蒸気の供給を主蒸気止め弁３１の全閉により阻止、又は主蒸気の供給流量を主蒸気調整弁３２によって調整するようになっている。同様の主蒸気止め弁３１と主蒸気調整弁３２が、低圧主蒸気供給配管２３Ｂにも設けられている。

また、再熱蒸気配管２４Ｂの途中であって、タービンバイパス配管２６との接続部の下流、かつ、中圧蒸気タービン１２入口側には、再熱蒸気止め弁４６（ＲＳＶ）、及びインターセプト弁４７（ＩＣＶ）が設けられており、主蒸気止め弁３１と主蒸気調整弁３２とそれぞれ同様の作動をする。

また、中圧過熱器１５は、中圧主蒸気供給配管２２を介して、再熱蒸気配管２４Ａの途中であって再熱器１７の入口に接続されている。中圧主蒸気供給配管２２には、中圧主蒸気供給弁５３及び中圧主蒸気圧力調整弁５４が設けられている。

また、中圧主蒸気供給配管２２の途中からは、ＧＴ高温部冷却配管５５Ａが分岐している。ＧＴ高温部冷却配管５５Ａは、ガスタービン２の高温部５６を冷却するために中圧主蒸気を供給するための配管である。ＧＴ高温部冷却配管５５ＡはＧＴ高温部５６及びＧＴ高温部冷却配管５５Ｂを介して、再熱蒸気配管２４Ｂに接続されている。またＧＴ高温部冷却配管５５Ａの途中であって、ＧＴ高温部５６入口には、ＧＴ冷却蒸気供給弁５７が設けられている。同様に、再熱蒸気配管２４ＢとＧＴ高温部冷却配管５５Ｂとの接続部入口には、ＧＴ冷却蒸気回収弁５８が設けられている。

また、ＧＴ高温部冷却配管５５Ｂの途中であって、ＧＴ高温部５６とＧＴ冷却蒸気回収弁５８との間からは、ダンプ配管５９が分岐しており、ダンプ弁６０を介して復水器６と接続されている。ダンプ弁６０は、ダンプ配管５９分岐部の上流側に設けられた圧力計６１の計測値に対応して、圧力が所定圧力よりも高くなった場合に開状態とされ、ＧＴ冷却蒸気を逃がすように構成されている。

次に、補助蒸気設備７と、この補助蒸気設備７で生成された補助蒸気が供給される部位との接続構成について説明する。
補助蒸気設備７は、ＧＴ高温部５６に冷却蒸気を供給するための系統、ＳＴグランド蒸気を供給するための系統、及び低圧蒸気タービン１３に冷却蒸気を供給するための系統の３つの系統を有している。ＧＴ高温部５６に冷却蒸気を供給するための系統は、補助蒸気配管３０から分岐されるＧＴ高温部補助配管６４によって構成される。同様に、ＳＴグランド蒸気を供給するための系統、及び低圧蒸気タービン１３に冷却蒸気を供給するための系統は、ＳＴ補助蒸気配管６５を介して構成される。

ＧＴ高温部補助配管６４は、ＧＴ高温部冷却配管５５Ａの途中であって、ＧＴ冷却蒸気供給弁５７とＧＴ高温部５６との間に接続されている。また、ＧＴ高温部補助配管６４には、ＧＴ高温部補助調整弁６７が設けられている。

補助蒸気配管３０から分岐するＳＴ補助蒸気配管６５は、ＳＴグランド蒸気を供給するための系統と、低圧蒸気タービン１３に冷却蒸気を供給する系統とに分岐し、ＳＴグランド蒸気を供給する系統については、蒸気タービン３の軸封部に供給され、蒸気タービンの蒸気が軸の隙間から漏れ出るのを防止している。ＳＴグランド蒸気を供給する系統には、グランド蒸気圧力調整弁６８が設けられている。グランド蒸気圧力調整弁６８は、グランド蒸気供給口入口に設けられている圧力計６９によって制御されている。本実施形態においては、グランド蒸気は０．０３ＭＰａとなるように調整される。

低圧蒸気タービン冷却補助蒸気配管６６はＳＴ補助蒸気配管６５よりさらに分岐された蒸気配管であり、低圧主蒸気供給配管２３Ａ，２３Ｂの途中であって低圧主蒸気供給弁３６の下流側に接続されている。低圧蒸気タービン冷却補助蒸気配管６６の最も上流側（補助蒸気設備７側）には、ＳＴ冷却蒸気圧力調整弁４５が設けられている。ＳＴ冷却蒸気圧力調整弁４５の更に下流側には、減温器３７が設けられており、この減温器３７には減温水供給配管３８が接続されている。減温器３７と低圧主蒸気供給配管２３Ｂの間には温度計３９が設置され、温度計３９の更に下流側にはＳＴ冷却蒸気供給弁４０が設けられている。

減温器３７は、補助蒸気設備７により供給される補助蒸気をスプレー水により減温する装置である。スプレー水は、減温水供給配管３８を介して復水配管２０よりバイパス供給されている。減温水供給配管３８には、冷却蒸気温度調整弁４３が設けられている。補助蒸気設備７によって供給される補助蒸気は、温度計３９によって計測された蒸気温度に基づいて調節される。具体的には、温度計３９が計測した補助蒸気温度に基づいて、図示しない制御器が冷却蒸気温度調整弁４３を制御することにより調整される。

また、低圧蒸気タービン冷却補助蒸気配管６６において、減温器３７の下流側には圧力計４４が設けられている。圧力計４４は、減温後の補助蒸気の圧力を計測しており、圧力に応じてＳＴ冷却蒸気圧力調整弁４５を制御している。

次に、本実施形態の特徴部である分岐管４８及びその周辺部位について説明する。
分岐管４８は、ＧＴ高温部冷却配管５５Ｂの途中であって、ＧＴ高温部５６とＧＴ冷却蒸気回収弁５８の間から分岐する配管である。ＧＴ高温部冷却配管５５Ｂから分岐された分岐管４８は、ＳＴ補助蒸気配管６５の途中であって、ＳＴ補助蒸気圧力調整弁７７（後述する）の下流、かつ、グランド蒸気圧力調整弁６８の上流に接続されている。
分岐管４８の上流には、分岐蒸気調整弁７０が設けられている。分岐蒸気調整弁７０は、ＧＴ高温部冷却配管５５Ｂの途中であって、分岐管４８の分岐部の上流に設けられている圧力計６１によって制御される。

分岐管４８には、分岐管４８を通る蒸気を冷却する減温器４９が設けられている。減温器４９は、分岐管４８を通る蒸気に水を散水するスプレー部５０を備えている。スプレー部５０は、分岐管冷却配管７１を介して中圧給水ポンプ７２と接続されており、中圧給水ポンプ７２により水が供給されている。また、分岐管冷却配管７１には、分岐管冷却水調整弁７３が設けられている。
また、減温器４９の下流には、減温器４９によって冷却された蒸気の温度を測定する温度計７４が設けられている。この温度計７４によって計測された蒸気の温度に基づいて、分岐管冷却水調整弁７３が図示しない制御器によって制御され、減温器４９のスプレー部５０に供給される水量が制御される。

また、この分岐管４８の設置に伴い、分岐管４８が接続されるＳＴ補助蒸気配管６５にはバイパス配管７５が設けられている。バイパス配管７５は、復水器６にバイパス接続されており、その途中にはバイパス調整弁７６が設けられている。
さらに、本実施形態の補助蒸気配管３０には、ＧＴ高温部補助配管６４の分岐部と低圧蒸気タービン冷却補助蒸気配管６６の分岐部との間にＳＴ補助蒸気圧力調整弁７７が設けられているとともに、ＳＴ補助蒸気配管６５には、圧力計７８が設けられている。
ＳＴ補助蒸気配管６５の蒸気の圧力は、圧力計７８において検出された圧力に基づいて図示しない制御器がＳＴ補助蒸気圧力調整弁７７、及びバイパス調整弁７６の制御を行うことにより、例えば０．８ＭＰａ程度に調整される。

次に、本実施形態のコンバインドプラント１の作用について説明する。
ガスタービン２が起動すると、ガスタービン２から排出される排気ガスが排熱回収ボイラ４に送られる。次いで、排熱回収ボイラ４の過熱器１４，１５，１６において、主蒸気が生成され、各主蒸気供給配管２１，２２，２３に送られる。
この段階においては、排熱回収ボイラ４において蒸気が十分に沸いていないため、主蒸気止め弁３１、主蒸気調整弁３２、及び低圧主蒸気供給弁３６は閉状態とされていると共に、タービンバイパス弁２８は開状態とされており、主蒸気は蒸気タービン３には供給されず、タービンバイパス配管２５，２６，２７を介して再熱蒸気配管２４Ａ、又は復水器６にバイパスされる。また、ＧＴ高温部冷却配管５５ＡのＧＴ冷却蒸気供給弁５７も閉状態とされており、中圧過熱器１５で生成された蒸気は、再熱蒸気配管２４Ａの途中に送られる。

一方、ガスタービン２の起動にあたって事前に補助蒸気設備７が起動され、補助蒸気が生成される。補助蒸気は、ＧＴ高温部補助配管６４、ＳＴ補助蒸気配管６５、及び低圧蒸気タービン冷却補助蒸気配管６６を介してＧＴ高温部５６の冷却、ＳＴグランド蒸気、及び低圧蒸気タービン１３の冷却に利用される。
この補助蒸気において、ＧＴ高温部５６を冷却するために利用されたＧＴ冷却蒸気は、ＧＴ高温部５６を通過した出口においても圧力及び温度が高く維持されている。一方、ガスタービン２の起動時においては、ＧＴ冷却蒸気回収弁５８及びダンプ弁６０は閉状態とされているため、ＧＴ冷却蒸気は、分岐管４８に導入される。

次いで、ＧＴ冷却蒸気は、分岐管４８を介してＳＴ補助蒸気配管６５に導入され、一部はグランド蒸気圧力調整弁６８を介してＳＴグランド蒸気として、また、一部はＳＴ冷却蒸気圧力調整弁４５を介して低圧蒸気タービン１３の冷却用蒸気として再利用される。この際、分岐管４８を通る蒸気は、減温器４９によって冷却される。減温器４９のスプレー部５０に供給される水の水量は、温度計７４によって計測された分岐管４８内の冷却用蒸気温度に基づいて制御される。
つまり、ＧＴ冷却蒸気は、再熱蒸気配管２４や復水器６に戻されることなく、再利用される。

そして、排熱回収ボイラ４で生成される主蒸気が十分発生した段階で、タービンバイパス弁２８が閉状態とされるとともに、主蒸気止め弁３１及び主蒸気調整弁３２が開状態とされ、主蒸気が蒸気タービン３に供給され、コンバインドプラント１は定常状態となる。

上記実施形態によれば、ＧＴ高温部５６を冷却した冷却蒸気が、分岐管４８をバイパス通過して、ＳＴ補助蒸気配管６５に導入される。ここで、ＧＴ高温部５６を通過した蒸気というのは、ＧＴ高温部５６を出た後においても圧力・温度が高く維持されている。上記実施形態においては、この高温且つ高圧の蒸気がグランド蒸気、もしくは低圧蒸気タービン１３の冷却蒸気として再利用されるため、補助蒸気設備が生成する補助蒸気が低減される。これにより、補助蒸気設備７の容量を低減することができる。さらに、補助蒸気が有効利用されるため、コンバインドプラント１起動時の経済性を向上させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

１…コンバインドサイクル発電プラント、２…ガスタービン、３…蒸気タービン、４…排熱回収ボイラ、７…補助蒸気設備、４８…分岐管、４９…減温器、５０…スプレー部、５５…ＧＴ高温部冷却配管（ＧＴ高温部冷却用蒸気路）、５６…ＧＴ高温部（高温部）、６５…ＳＴ補助蒸気配管（補助蒸気路）、６６…低圧蒸気タービン冷却補助蒸気配管（補助蒸気路）、７３…分岐管冷却弁（制御弁）、７４…温度計。

Claims (5)

1. ガスタービンと、
   該ガスタービンに接続された蒸気タービンと、
   前記ガスタービンの排気により主蒸気を発生する排熱回収ボイラと、
   補助蒸気を発生する補助蒸気設備と、
   前記補助蒸気の一部又は前記主蒸気の一部により前記ガスタービンの高温部を冷却するＧＴ高温部冷却用蒸気路と、
   前記補助蒸気の一部又は前記主蒸気の一部により前記ガスタービンの高温部冷却以外の所定作用に供する補助蒸気路と、を備えたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
   前記ガスタービンの高温部の出口から分岐し、前記補助蒸気路に接続された分岐管と、
   前記分岐管を通る蒸気が目的に応じた温度となるように前記分岐管内の蒸気を冷却する減温器と、をさらに備え、
   前記高温部を通過した蒸気が前記補助蒸気路に導入されて再利用され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。
2. 前記蒸気タービンは前記ガスタービンと同軸状に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラント。
3. 前記減温器は、前記分岐管を通る蒸気に対して水を散水するスプレー部と、該スプレー部に供給する水量を制御する制御弁とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコンバインドサイクル発電プラント。
4. 前記制御弁の開度は、前記減温器の下流側に設けられた温度計の信号に基づいて調整されることを特徴とする請求項３に記載のコンバインドサイクル発電プラント。
5. 前記ガスタービンの高温部冷却以外の所定作用が、グランド蒸気によるシール、及び蒸気タービンの冷却の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のコンバインドサイクル発電プラント。

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