JP5860597B2 - 排熱回収ボイラ配管を予熱するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、概して複合サイクル発電プラントに関し、特に、排熱回収ボイラ配管を予熱することによって応力を緩和すると共に発電プラント全体のスタートアップ時間を改善するシステム及び方法に関する。

一般的に、複合サイクル発電プラントは、ガスタービンと蒸気タービンとを組合せたものを用いて発電する。具体的には、ガスタービンサイクルが排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）等を介して蒸気タービンサイクルと作動的に組み合わされる。

蒸気タービンサイクルはガスタービンの排気により駆動されるので、ガスタービンサイクルが蒸気タービンサイクルを適切な温度に高めるまで、ＨＲＳＧは完全に動作可能にはならない。例えば、排気ガスの温度は、スタートアップ時にガスタービンの燃焼温度が上昇するのに伴って次第に上昇する。ガスタービンからの高温の排気ガスがＨＲＳＧを通って流れるが、当初は低温のＨＲＳＧが十分な圧力及び温度の蒸気を生成できるようになるまでに相当な時間がかかることがある。そのため、従来のシステムでは、ＨＲＳＧが所望の圧力及び温度の蒸気を生成できるレベルにＨＲＳＧの温度が上昇するまで、ガスタービンの負荷が比較的低く保たれる。

ＨＲＳＧで生成される過熱蒸気は、蒸気タービンから数百フィート以上離れた位置にあることもある。このため、ＨＲＳＧと蒸気タービンとを接続する配管の温度は、生成される過熱蒸気よりも数百度低いこともある。しかし、蒸気と比べて低い金属温度の配管を介して過熱蒸気を流すと、蒸気タービン内への導入時点における蒸気温度が低くなることがある。この温度低下は、設備寿命を縮めたり、不適切な配管予熱時間によるタービンへの蒸気導入の遅延に繋がったりすることがある。同様に、配管を徐々に予熱するために蒸気の導入を遅らせると、生成された蒸気が仕事の生成に用いられずに復水器等へとバイパスされるので、運転コストが増大することがある。

米国特許出願公開第２００９／０１５８７３８Ａ１号

したがって、排熱回収ボイラシステムと関連の配管のスタートアップ及び予熱手順の改良が望ましい。こうした改良型のシステムと手順は、配管内の応力を緩和するだけでなくスタートアップ時間も改善するものであることが好ましい。

そこで、本出願は排熱回収ボイラを開示する。この排熱回収ボイラは、過熱器と、第１のタービン部と、過熱器及び第１のタービン部と連通する第１の主蒸気管路と、過熱器からの蒸気流が第１のタービン部内に流入することなく第１の主蒸気管路を予熱するように第１の主蒸気管路の下流に設置された第１の予熱管路とを含む。

本出願は、更に、排熱回収ボイラのスタートアップ方法を提供する。この方法は、過熱器内で蒸気流を生成するステップと、第１の主蒸気管路を介して蒸気流を導くステップと、蒸気流が所定の温度に達するまで第１の予熱管路を介して蒸気流を迂回させるステップと、所定の温度に達すると、蒸気流を第１のタービン部へと導くステップとを含む。

本出願は、更に、排熱回収ボイラを提供する。この排熱回収ボイラは、過熱器と、第１のタービン部と、過熱器及び第１のタービン部と連通する第１の主蒸気管路と、過熱器からの蒸気流が第１のタービン部内に流入することなく第１の主蒸気管路を予熱するように第１の主蒸気管路の下流に設置された第１の予熱管路と、第２のタービン部と、第１のタービン部の下流の再熱器と、再熱器及び第２のタービン部と連通する第２の主蒸気管路と、再熱器からの蒸気が第２のタービン部内に流入することなく第２の主蒸気管路を予熱するように第２の主蒸気管路の下流に設置された第２の予熱管路とを含む。

幾つかの図面と添付の特許請求の範囲に関連して以下の詳細な説明を検討すると、本出願のこれら及びその他の特徴、並びに改良が当業者には明らかとなる。

周知の排熱回収ボイラシステムの概略図である。 本明細書で説明する排熱回収ボイラシステムの概略図である。

次に、複数の図面を通して同様の符号で同様の部品を示す図面を参照すると、図１に、従来の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム１００を示す。蒸気流１０５は、高圧段１１０と中圧段１２０と低圧段１３０とを含む一連のタービン段を通って循環する。復水器１４０は、低圧段１３０に接続されると共に、バイパス管路１４５等を介して高圧段１２０に間接的に接続される。復水器１４０は、様々な段１１０、１２０、１３０で用いられる蒸気、水、又はこれらの混合物を回収する。

過熱蒸気流１０５は、高圧過熱器１６０により供給される。高圧過熱器１６０は、ガスタービンからの排気等により加熱される。高圧過熱器１６０は、高圧段主蒸気管路１７０を介して過熱蒸気流１０５を高圧段１２０へと導く。高圧段主蒸気管路遮断弁１８０が、自身を通る蒸気流を制御するように高圧過熱器１６０と高圧段主蒸気管路１７０との間に設置される。同様に、高圧段主蒸気管路制御弁１９０は、圧力と自身を通る蒸気流とを制御するように高圧段主蒸気管路１７０と高圧段１１０との間に設置される。

蒸気流１０５が高圧段１１０を駆動させた後、この蒸気流１０５は低温再熱管路２１０を介して再熱器２００へと導かれる。この上に、低温再熱管路弁２２０が設置される。また、高圧段カスケードバイパス管路２３０が、高圧過熱器１６０の下流に、低温再熱管路２１０と連通して設置される。この上に、高圧段カスケードバイパス管路弁２４０が設置される。

低温再熱管路２１０及び／又は高圧段カスケードバイパス管路２３０の出力は、その後、再熱器２００内で加熱される。再熱器２００も、ガスタービンからの排気等により加熱される。再熱器２００からの蒸気流１０５は、中圧段主蒸気管路２５０を介して中圧段１２０の方へと導かれる。再熱器２００と中圧段主蒸気管路２５０との間の流れは、高温再熱遮断弁２６０により制御される。同様に、中圧段主蒸気管路２５０と中圧段１２０との間の流れ及び圧力は、中圧段主蒸気管路制御弁２７０により制御される。また、高温再熱バイパス管路２８０が、再熱器２００の下流に、復水器１４０と連通して設置される。この上に、高温再熱バイパス管路弁２９０が設置される。上述の各構成部品は１つしか図示されていないが、ＨＲＳＧシステム１００全体で同様の構成部品を幾つ用いてもよい。

蒸気タービンサイクルは蒸気流１０５から機械エネルギーを引き出すので、蒸気タービンサイクル部品とその関連の蒸気管路とは、極めて高温で動作する。しかし、これらの部品及び蒸気管路が所望の動作範囲を外れることがある。例えば、ＨＲＳＧシステム１００が、長時間にわたる非動作状態の後に「低温」の熱的状態条件となることがある。低温時に単純にＨＲＳＧシステム１００を作動させると、急激な熱膨張によって部品と蒸気管路に物理的応力がかかり、これが耐用寿命の短縮及び／又は損傷に繋がることがある。

図２に、本明細書に開示する排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム３００を示す。ＨＲＳＧシステム３００は、ＨＲＳＧシステム１００と概ね同じであってよい。ＨＲＳＧシステム３００は、更に、高圧段予熱管路３１０を含む。高圧段予熱管路３１０は、高圧段主蒸気管路１７０の下流且つ高圧段主蒸気管路制御弁１９０の直ぐ上流に設置される。高圧段予熱管路３１０は、高圧段カスケードバイパス管路２３０まで延在する。この上に、更に、高圧段予熱弁３２０が設置される。高圧段予熱管路３１０は、高圧段主蒸気管路１７０がなるべく大きく確実に温まるように、高圧段主蒸気管路制御弁１９０のなるべく近くに設置される。

同様に、中圧段予熱管路３３０は、中圧段主蒸気管路制御弁２７０の直ぐ上流から復水器１４０付近の高温再熱バイパス管路２８０まで延在する。この上に、中圧段予熱管路弁３４０が設置される。

運転時、高圧過熱器１６０及び再熱器２００からの蒸気流１０５は、有用な仕事を行わずにバイパス管路１４５、２８０等を介して復水器１４０に直接的又は間接的に放出されるのではなく、高圧段主蒸気管路１７０と中圧段主蒸気管路２５０との加温に用いられる。具体的には、高圧段主蒸気管路遮断弁１８０と高圧段予熱管路弁３２０とを開弁すると共に、高圧段主蒸気管路制御弁１９０と高圧段カスケードバイパス弁２４０とを閉弁することによって、高圧段主蒸気管路１７０を加温する。

同様に、高温再熱遮断弁２６０と中圧段予熱管路弁３４０とを開弁すると共に中圧段主蒸気管路制御弁２７０と高温再熱バイパス弁２９０とを閉弁することによって、中圧段主蒸気管路２５０を加温する。このように、この予熱によって主蒸気管路１７０、２５０を加温し、この予熱シーケンスが完了すると、段１１０、１２０に流入する蒸気流１０５の温度が確実にほぼ適正になる。蒸気流１０５がこうした温度を適当な時間にわたって維持すると、予熱シーケンスが終了し、蒸気１０５が通常の態様で段等を流れる。

複数の過熱器又は出口を用いる場合は、予熱に使用できる蒸気を確保するために、高圧段カスケードバイパス弁２４０が所定のストロークに達すると、高圧段予熱管路弁３２０と高圧段主蒸気管路遮断弁１８０とを開弁する。残りの予熱管路弁３４０と遮断弁２６０とは、正方向の流れを確保できるように、高圧過熱器１６０の出口圧力が高圧段主蒸気管路１７０内の圧力よりも高くなると開弁する。これによって、予熱の動作的柔軟性が得られ、様々な負荷で動作するガスタービンに対応できるようになる。

このように、本明細書に記載のＨＲＳＧシステム３００は、追加のエネルギーコストを全く要さずに主蒸気管路１７０、２５０を加熱できる。この蒸気流１０５は、再熱器２００等にも適用可能である。この予熱の概念は、低圧部１３０等にも適用可能である。

明らかなように、前述の内容は本出願の一部の実施形態のみに関するものであって、当業者は、添付の特許請求の範囲とその等価物の全体的な技術的範囲を逸脱することなく、これに多数の改変及び修正を加えることができる。

１００ 排熱回収ボイラ
１０５ 蒸気流
１１０ 高圧段
１２０ 中圧段
１３０ 低圧段
１４０ 復水器
１６０ 高圧過熱器
１７０ 高圧段主蒸気管路
１８０ 高圧段主蒸気管路弁
１９０ 高圧段主蒸気管路制御弁
２００ 再熱器
２１０ 低温再熱管路
２２０ 低温再熱管路弁
２３０ 高圧カスケードバイパス管路
２４０ 高圧カスケード管路カスケード弁
２５０ 中圧段主蒸気管路
２６０ 高温再熱遮断弁
２７０ 中圧段主蒸気管路制御弁
２８０ 高圧再熱バイパス管路
２９０ 高圧再熱バイパス管路弁
３００ 排熱回収ボイラ
３１０ 高圧部予熱管路
３２０ 高圧部予熱管路弁
３３０ 中圧部予熱管路
３４０ 中圧部予熱管路弁

Claims (12)

1. 排熱回収ボイラ（３００）であって、
   ガスタービンからの排気により加熱される過熱器（１６０）と、
   第１のタービン部（１１０）と、
   前記過熱器（１６０）及び前記第１のタービン部（１１０）と連通する第１の主蒸気管路（１７０）と、
   前記第１の主蒸気管路（１７０）の上流にある第１のバイパス管路（２３０）と、
   前記第１のタービン部（１１０）の下流にある再熱器（２００）と、
   前記ガスタービンからの排気により加熱された前記過熱器（１６０）からの蒸気流（１０５）が前記第１のタービン部（１１０）内に流入することなく前記第１の主蒸気管路（１７０）を予熱し、蒸気の再熱された流れが生成されるように前記再熱器（１６０）に導くように前記第１の主蒸気管路（１７０）の下流に設置された第１の予熱管路（３１０）と、を有し、
   前記蒸気の再熱された流れが前記排熱回収ボイラ（３００）で再利用される、
   排熱回収ボイラ（３００）。
2. 前記第１のタービン部（１１０）は高圧部（１１０）を有し、前記第１の主蒸気管路（１７０）は高圧部主蒸気管路（１７０）を有する、請求項１に記載の排熱回収ボイラ（３００）。
3. 前記第１の予熱管路（３１０）が前記第１のバイパス管路（２３０）と連通する、請求項１または２に記載の排熱回収ボイラ（３００）。
4. 前記第１のバイパス管路（２３０）はカスケードバイパス管路（２３０）を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の排熱回収ボイラ（３００）。
5. 前記第１のバイパス管路（２３０）は第１のバイパス管路弁（２４０）を自身の上に有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の排熱回収ボイラ（３００）。
6. 前記第１の主蒸気管路（１７０）は自身の上流に遮断弁（１８０）を有し、自身の下流に制御弁（１９０）を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の排熱回収ボイラ（３００）。
7. 再熱器（２００）と、第２の主蒸気管路（２５０）と、前記第１のタービン部（１１０）の下流の第２のタービン部（１２０）とを更に有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の排熱回収ボイラ（３００）。
8. 前記再熱器（２００）からの蒸気流（１０５）が前記第２のタービン部（１２０）内に流入することなく前記第２の主蒸気管路（２５０）を予熱するように前記第２の主蒸気管路（２５０）の下流に設置された第２の予熱管路（３３０）を更に有する、請求項７に記載の排熱回収ボイラ（３００）。
9. 前記第２のタービン部（１２０）は中圧部（１２０）を有し、前記第２の主蒸気管路（２５０）は中圧部主蒸気管路（２５０）を有する、請求項８に記載の排熱回収ボイラ（３００）。
10. 前記第２の主蒸気管路（２５０）の上流にあって前記第２の予熱管路（３３０）と連通する第２のバイパス管路（２８０）を更に有する、請求項８に記載の排熱回収ボイラ（３００）。
11. ガスタービンからの排気により過熱器（１６０）を加熱して、前記過熱器（１６０）内で蒸気流（１０５）を生成するステップと、
    第１の主蒸気管路（１７０）を介して前記蒸気流（１０５）を導くステップと、
    前記蒸気流（１０５）が所定の温度に達するまで第１の予熱管路（３１０）と第１のバイパス管路（２３０）を介して前記蒸気流（１０５）を迂回させるステップと、
    前記所定の温度に達すると、第１のタービン部（１１０）へと前記蒸気流（１０５）を導くステップとを含む、排熱回収ボイラ（３００）のスタートアップ方法。
12. 再熱器（２００）内で前記蒸気流（１０５）を再加熱するステップと、
    第２の主蒸気管路（２５０）を介して前記蒸気流（１０５）を導くステップと、
    前記蒸気流（１０５）が所定の温度に達するまで第２の予熱管路（３３０）を介して前記蒸気流（１０５）を迂回させるステップと、
    前記所定の温度に達すると、第２のタービン部（１２０）へと前記蒸気流（１０５）を導くステップとを更に含む、請求項１１に記載の方法。