JP6239739B2 - 排熱蒸気発生器を有する複合サイクルガスタービンプラント - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１のプリアンブルに基づく、排熱蒸気発生器を有する複合サイクル発電施設に関し、かつそうした複合サイクル発電施設を運転するための対応する方法に関するものである。

複合サイクル発電施設は、ガスタービン発電施設の原理と蒸気タービン発電施設の原理とを組み合わせた施設である。排熱蒸気発生器では、ガスタービンからの高温の燃料ガスが、蒸気タービンのための蒸気を発生させるために使用される。これに関して、熱伝達は、排熱蒸気発生器内にチューブまたはチューブ束の形態で構成された複数の加熱面を用いて行われる。これらチューブまたはチューブ束は続いて、蒸気タービンのうち少なくとも１つの加圧段を備える水蒸気回路に接続される。これに関して、各加圧段は通常は、加熱面として予熱器またはエコノマイザと蒸発器と過熱器とを有する。

排熱蒸気発生器の構成は現在では経済的な面から厳しく制限されている。特に、排熱蒸気発生器によって生じる蒸気に関する圧力および温度や排熱蒸気発生器における加熱面の数などのプロセスパラメータの選択は、今日では重要であり、ガスタービン流出温度と複合サイクル発電施設のオペレーションに関する境界条件との両方に左右される。これに関して、排熱蒸気発生器における各ポイントでの蒸気生成器の品質に関する１つの基準は、そうしたポイントにおける燃料ガスと蒸気との間の温度差である。

複合サイクル発電施設の経済的な継続性に関する要求は常に増大するため、これまでは火力蒸気発生器と同様に、超臨界プロセスパラメータを排熱蒸気発生器に導入するというさらなる努力がなされている。こうした状況において所定の圧力範囲では二相範囲を超えるので密度が異なる液相と蒸気相との混合物は存在しないため、特に関連するドラムを備える自然の循環システムはもはや混合物の分離のためには使用できない。このとき貫流原理が使用できる、つまり排熱蒸気発生器の流出部において既定のガス側の熱供給と連携して蒸気（フレッシュ蒸気とも称される）の対応する量が必要な超臨界蒸気パラメータを用いて明らかとなるように、水蒸気回路における高圧ポンプが、制御された様式で適正な量の水（給水とも称される）を正確に排熱蒸気発生器に運搬する。貫流原理に基づいて作動する少なくとも１つの加圧段を備えるそうした排熱蒸気発生器は、例えば引用文献１から公知となっている。

貫流原理に基づいて作動する排熱蒸気発生器は、システム圧力に十分耐えるよう強固となるよう厚手の壁が必須となる大容量のドラムを必要としないため、そうした蒸気発生器は始動時間が短いという特徴を有する。しかしながら、そうした排熱蒸気発生器の構成に関する重要な変数は、依然として、複合サイクル発電施設の全負荷範囲にわたって蒸発器加熱面の安定した貫流である。

熱効率を高めるために、現在公知の複合サイクル発電施設は通常は燃料予熱器を有する。これは、排熱蒸気発生器の中圧段の予熱器の流出部において、約２２０℃〜２４０℃の温度に予熱器で加熱された給水の一部の、水蒸気回路からの、制御された引き出しを伴い、この給水は燃料の予熱のために熱交換回路に供給される。これに関して、全負荷範囲にわたって、水蒸気回路中を循環する媒体の、上述の引き出しポイントにおける、十分な温度は、中圧段の適切な圧力制御戦略によってさらに保証される。

貫流原理に基づいて設計された排熱蒸気発生器に関するより最近の研究では、予熱器の配管および蒸発器の配管がワンパスで達成されるつまり付加的な均圧化を伴わない場合に、そこでは優勢な低圧であっても、中圧段の蒸発器を通る安定した流れが実現可能であること、および、この複合加熱面の予熱領域において、十分な高い圧力降下が発生することが示された。これは、中圧蒸発器を通る安定した流れに必要なスロットル圧力降下が達成されるように、この加熱面のうち独占的にサブクール水が全負荷範囲にわたって流動する配管を、流入領域において小さな内径を有するよう設計することによって、保証可能となる。なお、この目的のために、予熱器の流出部における流出コレクタと後続の蒸発器流入部における流入分配器とを用いた分配が必要となる。しかしながら、これは、燃料の予熱のために加熱された水を転用すべく、現在一般的に提供される分岐ラインを排除する。現在の複合サイクル発電施設では、こうした燃料の予熱の省略は全体としてはプラントの運転の観点から望ましくない。中圧段の予熱器の流出部から高圧段の予熱器の流出部にかけて、予熱された給水を燃料の予熱のための熱交換回路に部分的に転用する目的で分岐ラインを再配置した結果、熱交換回路の構成要素を際立って高い圧力のために構成しかつ固定する必要があり、それによって実質的なコストの増加が引き起こされ得る。低圧段では燃料の予熱に必要な熱量および温度は得られないため、低圧段への切換は不可能である。

国際公開第９９／０１６９７号パンフレット

したがって本発明は、複合サイクル発電施設での燃料の予熱を伴う排熱蒸気発生器のための接続構造を特定すること、および貫流原理に基づいて構成される排熱蒸気発生器に適した、そうした複合サイクル発電施設を運転するための対応する方法を特定することを目的とする。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載される特徴を有する複合サイクル発電施設によって、かつそのように構成された複合サイクル発電施設を運転するための方法によって、達成される。

複数の加熱面であって、ガスタービンの排ガスダクトに配置される複数の加熱面であって、蒸気タービンの水蒸気回路の低圧段と中圧段と高圧段とからなる三段加圧システムを形成するために互いに接続された複数の加熱面を有する排熱蒸気発電機を有する複合サイクル発電施設において、圧力段の各々は、いずれも、予熱のための、蒸発のための、かつ過熱のための少なくとも１つの加熱面を有しており、中圧段の蒸発器加熱面の流出部と前記過熱器加熱面の流入部との間に配置される水蒸気分離器であって、その内部で過剰水を蒸気から分離できる水蒸気分離器には、過剰水を転用するための分岐ラインが設けられており、この分岐ラインは、ガスタービンのための燃料を予熱するための熱交換回路に対して、水蒸気分離器で分離された規定量の過剰水が熱交換回路に導入されるように、接続されており、複合サイクル発電施設の負荷運転中に、排熱蒸気発生器に供給される水質量流量が、中圧段の蒸発器加熱面が過剰供給されて、それによって、蒸発器加熱面で加熱される一方で気化されない規定量の過剰水が、水蒸気分離器を介して、ガスタービンのための燃料を予熱するための熱交換回路に転用されるように設定されるという事実によって、そうした回路において、中圧段の蒸発器加熱面の、静的および動的の両方において安定した貫流を、全負荷範囲にわたって実現することができる。

したがって本発明に基づいて構成されたそうした複合サイクル発電施設は、施設の運転の観点および経済的な面の両方から効果的に運転できる。それゆえ、本発明に基づく接続構造および本発明に基づく方法によって、貫流原理に基づいて作動する排熱蒸気発生器の利点および燃料の予熱の利点の両方を効果的に利用できる。例えば自然な貫流原理に基づいて作動する蒸発器に必要なドラムを省略できる。質量流量密度が、蒸発器および特にエコノマイザ加熱面の両方で高まり、流動安定性に必要な圧力降下をもたらすため、燃料の予熱に必要な過剰供給は付加的に蒸発器のさらなる安定性を保証する。したがって、全体的な施設のフレキシビリティの向上に寄与する中圧段の許容負荷範囲を広げること、あるいは、同様に必要な負荷範囲を前提とすると、材料の節約ひいてはコストの削減をもたらす中圧エコノマイザ加熱面パイプの（圧力降下の発生に必要な）内径を低減することが可能となる。加えて、そうした運転の場合、隣接する加熱面チューブの温度不均衡および蒸発器加熱面においてそれからもたらされる応力は、さらに、システム関連の理由とはみなされない。なぜなら蒸発器チューブのすべてが同じ沸騰温度レベルとなるからである。

中圧段の蒸発器が本発明に基づいて過剰供給されることによって、水が常に水蒸気分離器の下流に蓄積する。こうした水蒸気分離器では過剰水が蒸気から分離される。蒸気は中圧段の過熱器へ流動し、一方で加熱されかつ分離された水はここで燃料予熱器に供給される。これに関して、複合サイクル発電施設の負荷運転中に、蒸発器は、分離された水が燃料の予熱に十分となるように、排熱蒸気発生器に供給される給水の質量流量の対応する制御によって過剰供給される。制御された蒸発器貫流は、特に燃料予熱器に必要な熱量によって調整される。

例えばオイル運転において、燃料の予熱が必要でない場合、それに反して、付加的な水が水蒸気分離器内に蓄積しないように（必要であれば付加的な水を廃水として排出すべきである）、給水質量流量の対応する設定によって、蒸発器流出部において例えば１０〜１５Ｋの最小の過熱で中圧段の蒸発器を運転できる。中圧段が水蒸気分離器の分岐ラインにおいて付加的に組み込まれた再循環ポンプを有する場合、それに反して、オイル運転において、過剰供給される中圧蒸発器をさらに用いて、水蒸気分離器で分離された残留水を、復水予熱器の流入部に適切に戻すことが可能となる。それは復水再循環の再循環量を低減させ、そうした状況においては場合によってはより小さな復水再循環ポンプを使用できる（オイル運転ではシステムはより大きな復水再循環を必要とする）。さらに、こうした背景に対して潜在的なコスト削減も想定され、あるいは中圧再循環ポンプに関する付加的な財政支出が低減され得る。

したがって、原理的には本発明に基づく方法によって複合サイクル発電施設のさまざまな運転状態にフレキシブルに対応できる。

以下では本発明について図面を参照して例示的に説明する。

排熱蒸気発生器のための公知の機構を概略的に示す図である。 排熱蒸気発生器のための本発明の回路図を概略的に示す図である。

排熱蒸気発生器１の右側構造が図示されており、該排熱蒸気発生器１を通ってガスタービンからの高温の燃料ガスＲＧが流れる。冷却された燃料ガスＲＧはチムニー（詳細には図示せず）の方向へ向けて排熱蒸気発生器１を出る。排熱蒸気発生器では、高温の燃料ガスは蒸気タービンのための蒸気を発生するために使用される。これに関して、熱伝達は、排熱蒸気発生器内のチューブまたはチューブ束の形態で構成される複数の加熱面を用いて実施される。これらチューブまたはチューブ束は、蒸気タービンのうち少なくとも１つの加圧段を備える水蒸気回路に接続される。ここで図示される排熱蒸気発生器の加熱面は、高圧段と中圧段と低圧段とからなる三段加圧システムを形成する。これに関して、これら加圧段のそれぞれは、予熱器またはエコノマイザ、蒸発器および過熱器として機能する加熱面を有する。そこでは、複合サイクル発電施設の蒸気タービン（詳細には図示せず）の水蒸気回路からの給水が、段階的に加熱されて蒸発し、その蒸気は蒸気タービンに供給可能となる。加えて、図示される排熱蒸気発生器はさらに復水予熱器２を有する。

したがって中圧段では、給水は、給水ラインＳＭを介して予熱器４に制御された様式で供給される。流出側では、予熱器４のチューブは、予熱器４の下流に接続された蒸発器６の流入分配器１３に接続された共通の流出コレクタ１２へ向けて開口している。流出側では、蒸発器６の加熱面チューブは、蒸気ラインを介して水蒸気分離器１１へ向けて開口している。蒸気ラインの接続は、水蒸気分離器１１の蒸気側ヘッドエンドに設けられており、それにはさらなる蒸気ラインが接続される。この蒸気ラインは、過熱器８の加熱面へ向けて開口している。本発明の例では、過熱器８の流出部と主要蒸気ラインＤＭとの間には、さらに中間過熱面１０が設けられる。水蒸気分離器１１は、その水側の底端部において、過剰水を転用するための分岐ラインを有する。そのため、排熱蒸気発生器１の中圧段の加熱面４，６，８および１０は、給水ラインＳＭおよび主要蒸気ラインＤＭを介して、より詳細には示さない様式で、蒸気タービンの水蒸気回路に接続される。低圧段の加熱面および高圧段の加熱面は対応する様式で接続される。低圧段では、給水は、給水ラインＳＮから直接蒸発器３へ流れ、そして給水が低圧蒸気としての排熱蒸気発生器１を離れて低圧主要蒸気ラインＤＮへ供給される前に過熱器５へと流れる。高圧段では、給水ラインＳＨからの給水は、高圧蒸気が蒸気タービンの水蒸気回路の高圧主要蒸気ラインＤＨへ戻るように、予熱器４へ、そこからさらなるエコノマイザ７へ、続いて蒸発器９へ、そして過熱器１０を経由して流動する。構成に関して、本発明の実施形態では、高圧段の第１のエコノマイザ加熱面チューブと中圧段のエコノマイザ加熱面チューブとは、共通の加熱面４となるようまとめられており、また、高圧段の過熱器加熱面チューブは、共通の加熱面１０となるように、中圧段の中間過熱段の加熱面チューブとまとめられている。

図２には、貫流原理に基づいて作動する排熱蒸気発生器１のための中圧段の加熱面に関する本発明の接続構造の実施形態が示される。低圧段および高圧段の加熱面の接続構造は変更されないままである。中圧段に関して、中圧エコノマイザ加熱面４の流出部における個別の流出コレクタと、中圧蒸発器加熱面６の個別の流入コレクタとの両方が省略されている。こうした状況において、中圧エコノマイザ加熱面４のチューブは、物理的に分離されることなく、中圧蒸発器加熱面６のチューブへ直接移行する。中圧エコノマイザと中圧蒸発器とを接続するこの方法は、蒸発器安定性をもたらすのに必要なサブクール流入媒体の圧力降下を、特筆すべき欠点なく中圧エコノマイザ加熱面４に事前に適切な手段によって発生できるため、蒸発器の静的な流動安定性と動的な流動安定性の両方を保証することに関して本質的に有利となる。このタイプの接続構造を考慮すると、中圧段では、ガスタービンのための燃料の予熱のための熱交換回路に加熱された水を転用するための分岐ラインは図１に図示される要素１２および１３の間には設けられていないが、水蒸気分離器１１に設けられている。本発明によれば、複合サイクル発電施設の負荷運転中に、排熱蒸気発生器に供給される水質量流量を、中圧段の蒸発器加熱面６が過剰供給されかつそれによって蒸発器加熱面６で加熱されたが気化されていない規定量の過剰水が水蒸気分離器１１と分岐ラインとを介してガスタービンの燃料の予熱のための熱交換回路に転用されるように、設定することが可能となる。本発明の例示的な実施形態では、分岐ライン１５には、燃料の予熱のための熱交換回路における圧力比がポンプを必要とする場合に、サポートのための再循環ポンプ１４が配置される。こうした状況において、エコノマイザ加熱面と蒸発器加熱面との間に例えば付加的なコレクタや分配器などの物理的な分離を有しないつまりエコノマイザを含む蒸発器接続部の中圧段を使用できるという事実により、流動媒体は常に、負荷範囲全体にわたって加熱面の流入部において十分なサブ冷却を有する。こうした状況では、エコノマイザバイパス接続もまた省略でき、これはさらなる潜在的なコスト削減に寄与する。

１ 排熱蒸気発生器
４ 予熱器の加熱面
６ 蒸発器の加熱面
８ 過熱器の加熱面
１０ 加熱面
１１ 水蒸気分離器
１３ 流入分配器
１４ 再循環ポンプ
１５ 分岐ライン

Claims (2)

1. 複数の加熱面（２〜１０）を有する排熱蒸気発生器（１）を有する複合サイクル発電施設を運転するための方法であって、
   前記複数の加熱面（２〜１０）は、ガスタービンの排ガスダクトに設けられ、かつ蒸気タービンの水蒸気回路のための低圧段と中圧段と高圧段とからなる三段加圧システムを形成するよう互いに接続されており、
   前記低圧段と前記中圧段と前記高圧段とのそれぞれは、いずれも、予熱のための、蒸発のための、および過熱のための少なくとも１つの加熱面を有しており、
   前記中圧段は、前記複数の加熱面（２〜１０）のうちの蒸発器加熱面（６）と過熱器加熱面（８）とを有しており、
   前記中圧段の前記蒸発器加熱面（６）の流出部と前記過熱器加熱面（８）の流入部との間に配置された水蒸気分離器（１１）であって、前記水蒸気分離器（１１）内で過剰水を蒸気から分離できる水蒸気分離器（１１）が、前記過剰水を転用するための分岐ライン（１５）を備えており、
   前記分岐ライン（１５）は、前記ガスタービンのための燃料を予熱するための熱交換回路に接続されており、
   前記水蒸気分離器（１１）で分離された規定量の過剰水が、前記熱交換回路に導入される方法において、
   前記複合サイクル発電施設の負荷作動中に、貫流原理に基づいて構成された排熱蒸気発生器に供給される水質量流量が、
   前記中圧段の前記蒸発器加熱面（６）が過剰供給され、かつそれによって、前記蒸発器加熱面（６）で加熱されたが気化されなかった規定量の過剰水が、前記水蒸気分離器（１１）を介して前記ガスタービンのための燃料を予熱するための熱交換回路に転用されるように、
   設定されることを特徴とする方法。
2. 前記分岐ライン（１５）は再循環ポンプ（１４）を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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