JP6265536B2

JP6265536B2 - 排熱回収システム、これを備えているガスタービンプラント、及び排熱回収方法

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Publication number: JP6265536B2
Application number: JP2014060840A
Authority: JP
Inventors: 上地　英之; 英之上地; 椙下　秀昭; 秀昭椙下; 行政中本; 直樹久田
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: JP2015183596A

Description

本発明は、冷却空気を生成する際の排熱を回収する排熱回収システム、これを備えているガスタービンプラント、及び排熱回収方法に関する。

ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスにより駆動するタービンとを有している。このガスタービンでは、圧縮機からの抽気を静翼等の高温部品に供給してこれら高温部品の冷却を行う場合がある。

以下の特許文献１には、圧縮機からの抽気を空気冷却器によって冷却し、冷却空気を生成する際に排熱ボイラからの蒸気を熱媒体として空気冷却器に導入し、空気冷却器の排熱回収を行っている構成が開示されている。

特開平１０−１６９４１４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された冷却空気クーラ（空気冷却器）には、節炭器（エコノマイザ）、蒸発器、及び過熱器が設けられており、排熱ボイラからの水を冷却空気クーラで相変化させている。このため、水が相変化している状態では、水の温度は上昇せず、この相変化領域では冷却空気クーラを流通する空気との温度差が大きくなってしまう。この結果、空気との間の温度差が大きくなってしまい、冷却空気クーラでの排熱回収の効率向上に余地が残されている。即ち、十分に温度の高い熱媒体に排熱を回収できていないのが現状である。

そこで、本発明は、圧縮機から抽気した空気から冷却空気を生成する際に生じる排熱の回収効率を向上させ、効率的に冷却空気の生成が可能な排熱回収システム、ガスタービンプラント、及び排熱回収方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための発明に係る一態様としての排熱回収システムは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンにおける前記圧縮機から前記空気を抽気して、抽気した該空気を冷却して高温部品を冷却する冷却空気を生成する冷却空気クーラと、前記冷却空気クーラからの排熱を回収する排熱回収装置と、を備え、前記排熱回収装置は、前記冷却空気クーラに熱媒体としての流体を流入させ、相変化させないまま流出させる回収部と、前記冷却空気クーラと前記燃焼器との間に設けられた補助圧縮機と、を有し、前記補助圧縮機によって、前記圧縮機から抽気した前記空気を前記冷却空気クーラに導入した後に昇圧して圧力、及び温度を調整し、燃焼器へ直接に導入可能とする。

このような排熱回収システムによれば、回収部では、熱媒体としての流体の相変化をさせずに冷却空気クーラからの排熱を回収することができる。流体が相変化を伴う場合、この相変化の領域では流体の温度が上昇せず、冷却空気クーラでの空気との温度差が大きくなってしまうが、本発明では、流体が相変化しないことで、空気と熱媒体としての流体との温度差を小さく抑えることができる。

また、上記の排熱回収システムにおいて、前記排熱回収装置は、前記回収部として、前記冷却空気クーラに水蒸気を流入させ、水蒸気のまま流出させる蒸気流回収部を有していてもよい。

圧縮機から抽気した空気が高温であって水の飽和温度以上である場合、熱媒体に液体の水を用いた場合には、空気と熱媒体との温度差が大きくなってしまい、十分に冷却空気クーラからの排熱回収を行うことができない。ここで、蒸気流回収部を設け、熱媒体に水蒸気を用いることで、空気と熱媒体との温度差を小さく抑えることが可能となり、十分に温度の高い熱媒体に排熱を回収し、排熱の回収効率を向上することが可能である。

また、上記の排熱回収システムにおいて、前記排熱回収装置は、前記回収部として、前記蒸気流回収部に加え、該蒸気流回収部よりも前記冷却空気の流れの下流側に配されて、前記冷却空気クーラに前記流体として水を流入させ、水のまま流出させる水流回収部を有していてもよい。

このように、水流回収部では流体としての水が相変化しないことで、空気と水との温度差を小さく抑え、空気との間の温度差を低減できる。さらに、蒸気流回収部でまず冷却空気クーラからの排熱を回収した後に、水流回収部によってさらに排熱を回収することができる。従って、空気の温度に見合った熱媒体、即ち、水蒸気と水とを用いて二段階に排熱回収を行うことができるため、排熱の回収効率を向上しつつ、空気の温度低下量を大きくし、十分に低い温度の空気を得ることが可能となる。

また、上記の排熱回収システムにおいて、前記蒸気流回収部では、前記水蒸気の質量流量が、前記冷却空気クーラで生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さくともよい。

空気に比べて水蒸気の比熱は大きいため、水蒸気の質量流量を空気の質量流量よりも小さくすることによって、空気の温度低下量と水蒸気の温度上昇量を同等レベルとすることができる。これにより、熱交換時の空気と水蒸気との温度差を低減することができ、排熱を十分温度の高い熱媒体に回収し、冷却空気クーラでの熱交換の効率化による排熱の回収効率のさらなる向上が可能となる。

また、上記の排熱回収システムにおいて、前記蒸気流回収部では、前記水蒸気の質量流量が前記冷却空気クーラで生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さく、前記水流回収部では、前記水の質量流量が前記水蒸気の質量流量よりも小さくともよい。

空気、水蒸気、及び液体の水の比熱の大小関係は、空気＜水蒸気＜水となっている。従って、これらの質量流量の大小関係を、空気＞水蒸気＞水とすることで、前記蒸気流回収部における空気の温度低下量と水蒸気の温度上昇量、前記水流回収部における空気の温度低下量と水の温度上昇量をそれぞれ同等レベルにすることができる。よって、熱交換時の空気と水蒸気との間の温度差、及び、空気と水との温度差を低減することがで、冷却空気クーラでの熱交換の効率化による排熱の回収効率のさらなる向上が可能となる。

また、上記の排熱回収システムにおいて、前記排熱回収装置は、前記タービンからの排気ガスで水を加熱して水蒸気を生成する排熱回収ボイラを有し、前記回収部では、前記流体として、前記排熱回収ボイラからの前記水及び前記水蒸気の少なくとも一方が流通してもよい。

このような排熱回収ボイラを設けることで、排熱回収システムをコージェネレーションシステムやガスタービン／蒸気タービンコンバインドシステムの一部として機能させることができ、設備の共通化によるコストダウンにつながる。また、流体としての水、水蒸気を、その温度、相（気相、液相）に応じた排熱回収ボイラの箇所に回収することで、冷却空気クーラからの排熱のさらなる有効利用が可能となる。

また、上記の排熱回収システムにおいて、前記排熱回収装置は、前記排熱回収ボイラに加え、前記排熱回収ボイラで生成された前記水蒸気を作動媒体として駆動する蒸気タービンを有し、前記回収部では、前記流体として、前記蒸気タービンの出口からの前記水蒸気が流通してもよい。

このように、蒸気タービンの出口からの蒸気を冷却空気クーラへ供給して冷却空気クーラからの排熱の回収を行うため、比較的圧力及び温度の低い蒸気を冷却空気クーラへ供給することになる。従って、冷却空気クーラでの耐熱強度を抑えることができ、冷却空気クーラのコストダウンを図ることが可能となる。また、蒸気タービンからの蒸気を冷却空気クーラからの排熱で再熱することができ、排熱の有効利用が可能となる。

また、上記の排熱回収システムにおいて、前記冷却空気クーラは、前記高温部品として前記タービン及び前記燃焼器の構成部品のうちの少なくとも一方の冷却を行う冷却空気を生成してもよい。

このように、冷却空気クーラによって生成した冷却空気によって、特に高温となるタービンや燃焼器の構成部品の冷却を行うことで、冷却効果の向上が可能となる。
さらに、上記目的を達成するための発明に係る一態様としての排熱回収システムは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンにおける前記圧縮機から前記空気を抽気して、抽気した該空気を冷却して高温部品を冷却する冷却空気を生成する冷却空気クーラと、前記冷却空気クーラからの排熱を回収する排熱回収装置と、を備え、前記排熱回収装置は、前記冷却空気クーラに熱媒体としての流体を流入させ、相変化させないまま流出させる回収部を有し、前記排熱回収装置は、前記回収部として、前記冷却空気クーラに水蒸気を流入させ、水蒸気のまま流出させる蒸気流回収部と、蒸気流回収部よりも前記冷却空気の流れの下流側に配されて、前記冷却空気クーラに前記流体として水を流入させ、水のまま流出させる水流回収部とを有し、前記蒸気流回収部での前記空気の温度低下量と前記水蒸気の温度上昇量とを、及び、前記水流回収部での前記空気の温度低下量と前記水の温度上昇量とをそれぞれ同等レベルに近づけるように、前記蒸気流回収部では、前記水蒸気の質量流量が前記冷却空気クーラで生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さく、前記水流回収部では、前記水の質量流量が前記水蒸気の質量流量よりも小さくなっている。

さらに、上記目的を達成するための発明に係る一態様としてのガスタービンプラントは、上記の排熱回収システムと、空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンとを備えている。

このようなガスタービンプラントによれば、排熱回収システムを備えていることで、回収部では、熱媒体としての流体の相変化をさせずに冷却空気クーラからの排熱を回収する。そして流体が相変化しないことで、空気と熱媒体としての流体との温度差を小さく抑えることができる。

また、上記目的を達成するための発明に係る一態様としての排熱回収方法は、空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンにおける前記圧縮機から前記空気を抽気する抽気工程と、抽気した前記空気を冷却して高温部品を冷却する冷却空気を生成する冷却工程と、前記冷却空気を生成した際の排熱を、熱媒体としての流体を相変化させないまま回収する排熱回収工程と、前記抽気工程で前記圧縮機から抽気した前記空気を前記冷却工程の後に昇圧して圧力、及び温度を調整し、燃焼器へ直接に導入する工程と、を含んでいる。

このような排熱回収方法によれば、熱媒体としての流体の相変化をさせずに冷却空気を生成した際の排熱を回収する。そして流体が相変化しないことで、空気と熱媒体としての流体との温度差を小さく抑えることができる。

また、上記の排熱回収方法において、前記排熱回収工程では、前記流体としての水蒸気によって前記排熱を回収してもよい。

圧縮機から抽気した空気が高温であって水の飽和温度以上である場合、熱媒体に液体の水を用いた場合には、空気と熱媒体との温度差が大きくなってしまい、十分に排熱を回収することができない。ここで、熱媒体に水蒸気を用いることで空気と熱媒体との温度差を小さく抑えることが可能となり、十分に温度の高い熱媒体に排熱を回収し、排熱の回収効率を向上することが可能である。

上記の排熱回収方法において、前記排熱回収工程では、前記水蒸気によって前記排熱を回収した後に、前記流体としての水によって前記排熱をさらに回収してもよい。

このように、まず冷却空気クーラからの排熱を回収した後に、さらに排熱を回収することで、空気の温度に見合った熱媒体を用いて二段階に排熱回収を行うことができるため、排熱の回収効率を向上しつつ、空気の温度低下量を大きくし、十分に低い温度の空気を得ることが可能となる。

また、上記の排熱回収方法において、前記排熱回収工程では、前記冷却工程で生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水蒸気によって前記排熱を回収してもよい。

空気に比べて水蒸気の比熱は大きいため、水蒸気の質量流量を空気の質量流量よりも小さくすることによって、空気の温度低下量及び水蒸気の温度上昇量を同等レベルに近づけることができる。従って、熱交換時の空気と水蒸気との間の温度差を低減でき、冷却空気クーラでの熱交換の効率化による排熱の回収効率のさらなる向上が可能となる。

上記の排熱回収方法において、前記排熱回収工程では、前記冷却工程で生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水蒸気によって前記排熱を回収した後に、前記水蒸気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水によって前記排熱をさらに回収してもよい。

空気、水蒸気、及び液体の水の比熱の大小関係は、空気＜水蒸気＜水となっている。そして、これらの質量流量の大小関係を、空気＞水蒸気＞水とする。これにより、空気の温度低下量と水蒸気の温度上昇量、及び、空気の温度低下量と水の温度上昇量を同等レベルに近づけることができる。よって、熱交換時の空気と水蒸気との間の温度差、及び、空気と水との間の温度差を低減でき、冷却空気クーラでの熱交換の効率化による排熱の回収効率を向上しつつ、空気の温度低下量を大きくし、十分に低い温度の空気を得ることが可能となる。

上記の排熱回収方法において、前記排熱回収工程では、前記流体として、前記タービンからの排気ガスで水を加熱して水蒸気を生成する排熱回収ボイラからの前記水及び前記水蒸気の少なくとも一方によって前記排熱を回収してもよい。

このような排熱回収ボイラに排熱を回収することで、排熱回収システムをコージェネレーションシステムやガスタービン／蒸気タービンコンバインドシステムの一部として機能させることができ、設備の共通化によるコストダウンにつながる。また、流体としての水、水蒸気を、その温度、相（気相、液相）に応じた排熱回収ボイラの箇所に回収することで、排熱のさらなる有効利用が可能となる。

上記の排熱回収方法において、前記排熱回収工程では、前記排熱回収ボイラで生成された前記水蒸気を作動媒体として駆動する蒸気タービンの出口からの前記水蒸気によって前記排熱を回収してもよい。

比較的圧力及び温度の低い蒸気タービンの出口からの蒸気によって排熱の回収を行うため、排熱回収を行う部位の構成部品の耐熱強度を抑えることができ、この部品のコストダウンを図ることが可能となる。また、蒸気タービンからの蒸気を排熱で再熱することができ、排熱の有効利用が可能となる。
また、上記目的を達成するための発明に係る一態様としての排熱回収方法は、空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンにおける前記圧縮機から前記空気を抽気する抽気工程と、抽気した前記空気を冷却して高温部品を冷却する冷却空気を生成する冷却工程と、前記冷却空気を生成した際の排熱を、熱媒体としての流体を相変化させないまま回収する排熱回収工程と、を含み、前記排熱回収工程では、前記流体としての水蒸気によって前記排熱を回収し、前記水蒸気によって前記排熱を回収した後に、前記流体としての水によって前記排熱をさらに回収し、前記排熱回収工程では、前記水蒸気によって前記排熱を回収する際の前記空気の温度低下量と前記水蒸気の温度上昇量とを、及び、前記水によって前記排熱を回収する際の前記空気の温度低下量と水の温度上昇量とをそれぞれ同等レベルに近づけるように、前記冷却工程で生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水蒸気によって前記排熱を回収した後に、前記水蒸気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水によって前記排熱をさらに回収する。

上記した排熱回収システム、ガスタービンプラント及び排熱回収方法によれば、相変化しない流体によって冷却空気を生成する際に生じる排熱を回収することで、排熱の回収効率を向上させ、効率的に冷却空気の生成が可能である。

本発明に係る参考例におけるガスタービンプラントの系統図である。本発明に係る参考例におけるガスタービンプラントでの、排熱回収方法の手順を示すフロー図である。各種熱媒体と圧縮機から抽気した空気とでの、熱交換量と温度の関係を示すグラフであって、実線は冷却対象としての空気、一点鎖線は熱媒体としての水蒸気、二点鎖線は熱媒体としての液体の水、破線は熱媒体として、液相と気相との間で相変化を伴う場合の水を示す。本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。本発明に係る第二実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。本発明に係る第三実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。本発明に係る第四実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。

以下、本発明に係るガスタービンプラントの各種実施形態及び参考例について、図面を用いて説明する。
「参考例」
図１を参照して、本発明に係るガスタービンプラント１の参考例について説明する。

本参考例のガスタービンプラント１は、ガスタービン１０と、ガスタービン１０の駆動で発電する発電機４１と、高温部品を冷却する冷却空気ＣＡを生成する冷却空気クーラ５４、及び冷却空気クーラ５４からの排熱を回収する排熱回収装置５１を有する排熱回収システム６１とを備えている。

ガスタービン１０は、空気Ａを圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された空気Ａ中で燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスＧを生成する燃焼器２１と、高温高圧の燃焼ガスＧにより駆動するタービン３１とを備えている。

圧縮機１１は、軸線Ｏを中心として回転する圧縮機ロータ１３と、この圧縮機ロータ１３を回転可能に覆う圧縮機ケーシング１７と有している。

タービン３１は、燃焼器２１からの燃焼ガスＧにより、軸線Ｏを中心として回転するタービンロータ３３と、このタービンロータ３３を回転可能に覆うタービンケーシング３７とを有している。

タービンロータ３３は、軸線Ｏと平行な軸方向に延びるロータ軸３４と、このロータ軸３４の外周に固定されている複数段に配列された動翼３５とを有している。また、タービンケーシング３７の内周面には、複数段に配列された静翼３８が固定されている。タービンケーシング３７の内周面とロータ軸３４の外周面との間は、燃焼器２１からの燃焼ガスＧが通る燃焼ガス流路となっている。ロータ軸３４及び静翼３８には、冷却空気ＣＡが流れる冷却空気流路（不図示）が形成されている。

燃焼器２１は、タービンケーシング３７に固定されている。タービンロータ３３と圧縮機ロータ１３とは、同一の軸線Ｏを中心として回転するもので、相互に連結されて、ガスタービンロータ４０を成している。このガスタービンロータ４０には、前述の発電機４１のロータが接続されている。

排熱回収システム６１は、圧縮機１１から抽気した空気Ａを冷却する冷却空気クーラ５４と、冷却空気クーラ５４に熱媒体Ｍを導入することで冷却空気クーラ５４の排熱を回収する排熱回収装置５１とを有している。

冷却空気クーラ５４は、圧縮機１１で圧縮された空気Ａの一部を抽気し（抽気工程Ｓ１、図２参照）、水等の熱媒体Ｍとの熱交換によって抽気した空気を冷却し、これをタービン３１における冷却空気流路に送り、高温部品の冷却を行う。

そして本参考例では、圧縮機１１の出口から空気Ａを抽気して、冷却空気ＣＡを生成する（冷却工程Ｓ２、図２参照）。なお、例えば圧縮機１１の中間段から空気Ａを抽気してもよく、抽気位置は本参考例の場合に限定されない。

また、冷却空気クーラ５４で生成される冷却空気ＣＡは、例えば燃焼器２１の構成部品の冷却に用いてもよいし、動翼３５の冷却に用いてもよく、本参考例の場合に限定されない。

排熱回収装置５１は、冷却空気クーラ５４内に設けられ、冷却空気クーラ５４を流通する空気Ａとの間で熱交換を行う蒸気流回収部７０と、熱媒体Ｍとして水蒸気Ｓ（以下、単に蒸気Ｓ）を供給する排熱回収ボイラ６５と、排熱回収ボイラ６５に水Ｗを供給する給水ポンプ６６とを有している。
さらに、排熱回収装置５１は、排熱回収ボイラ６５で発生した水蒸気Ｓを作動媒体として駆動する蒸気タービン６７と、蒸気タービン６７の駆動で発電する発電機６８と、蒸気タービン６７を駆動させた蒸気Ｓを水Ｗに戻す復水器６９とを有している。

また、排熱回収ボイラ６５は、タービン３１を駆動させた燃焼ガスＧ、つまりガスタービン１０から排気された排気ガスＥＧの熱で蒸気Ｓを発生させる蒸気発生部７２を有している。蒸気発生部７２は、即ち、蒸気Ｓとして低圧蒸気ＬＳを発生する低圧蒸気発生部７４と、中圧蒸気ＭＳを発生する中圧蒸気発生部７５と、高圧蒸気ＨＳを発生する高圧蒸気発生部７６となっている。

低圧蒸気発生部７４は、水Ｗを加熱する低圧節炭器７４ａと、低圧節炭器７４ａで加熱された水Ｗを蒸気Ｓにする低圧蒸発器７４ｂと、低圧蒸発器７４ｂで発生した蒸気Ｓを過熱して低圧蒸気ＬＳを生成する低圧過熱器７４ｃとを有している。

中圧蒸気発生部７５は、低圧節炭器７４ａで加熱された水Ｗを昇圧する中圧給水ポンプ７５ｄと、この中圧給水ポンプ７５ｄで昇圧された水Ｗを加熱する中圧節炭器７５ａと、中圧節炭器７５ａで加熱された水Ｗを蒸気Ｓにする中圧蒸発器７５ｂと、中圧蒸発器７５ｂで発生した蒸気Ｓを過熱して中圧蒸気ＭＳを生成する中圧過熱器７５ｃとを有している。

高圧蒸気発生部７６は、低圧節炭器７４ａで加熱された水Ｗを昇圧する高圧給水ポンプ７６ｆと、この高圧給水ポンプ７６ｆで昇圧された水Ｗを加熱する第一高圧節炭器７６ａと、第一高圧節炭器７６ａで加熱された水Ｗをさらに加熱する第二高圧節炭器７６ｂと、第二高圧節炭器７６ｂで加熱された水Ｗを蒸気Ｓにする高圧蒸発器７６ｃと、高圧蒸発器７６ｃで発生した蒸気Ｓを過熱して高圧蒸気ＨＳを生成する第一高圧過熱器７６ｄ、及び第二高圧過熱器７６ｅとを有している。

高圧蒸気発生部７６、中圧蒸気発生部７５、及び低圧蒸気発生部７４のそれぞれを構成する要素は、タービン３１から排気ガスＥＧの下流側に向かって、第二高圧過熱器７６ｅ、第一高圧過熱器７６ｄ、高圧蒸発器７６ｃ、第二高圧節炭器７６ｂ、中圧過熱器７５ｃ及び低圧過熱器７４ｃ、中圧蒸発器７５ｂ、第一高圧節炭器７６ａ及び中圧節炭器７５ａ、低圧蒸発器７４ｂ、低圧節炭器７４ａの順序で並んでいる。

蒸気タービン６７としては、排熱回収ボイラ６５からの低圧蒸気ＬＳで駆動する低圧蒸気タービン７７と、中圧蒸気ＭＳで駆動する中圧蒸気タービン７８と、高圧蒸気ＨＳで駆動する高圧蒸気タービン７９とが設けられている。

高圧蒸気タービン７９は、その入口で排熱回収ボイラ６５における第二高圧過熱器７６ｅに接続されている。

ここで、排熱回収ボイラ６５は、高圧蒸気タービン７９を駆動させた後に高圧蒸気タービン７９から排出された蒸気Ｓと、中圧過熱器７５ｃの出口からの中圧蒸気ＭＳとを過熱する第一再熱器８３、及び第二再熱器８４をさらに有している。第一再熱器８３は、第一高圧過熱器７６ｄよりも排気ガスＥＧの流れの上流側に配され、第二再熱器８４は、第一再熱器８３よりもさらに上流側であって、排気ガスＥＧの流れ方向に第二高圧過熱器７６ｅと略同じ位置に配されている。

即ち、高圧蒸気タービン７９は、その出口で第一再熱器８３の入口に接続されている。また、中圧蒸気タービン７８は、その入口で第二再熱器８４の出口に接続されている。

低圧蒸気タービン７７は、その入口で低圧過熱器７４ｃ及び中圧蒸気タービン７８の出口に接続されている。また、出口で復水器６９に接続されている。

発電機６８は、低圧蒸気タービン７７、中圧蒸気タービン７８、及び高圧蒸気タービン７９の各々に設けられている。なお、この発電機６８は、これら蒸気タービン６７の各々に設けられている場合に限らず、全ての蒸気タービン６７に共通で一つのみが設けられていてもよい。

復水器６９は、低圧蒸気タービン７７の出口から蒸気Ｓを回収し、液相の水Ｗを生成する。

蒸気流回収部７０は、冷却空気クーラ５４に設けられた熱交換器であって、その入口が排熱回収ボイラ６５における高圧蒸発器７６ｃの出口に接続され、出口が第二高圧過熱器７６ｅの入口に接続されている。そして、熱媒体Ｍとして高圧蒸発器７６ｃからの蒸気Ｓ（流体）を冷却空気クーラ５４に流通させた後に第二高圧過熱器７６ｅに流入させ、圧縮機１１から抽気した空気Ａと高圧蒸発器７６ｃからの蒸気Ｓとの間で熱交換を行うことで冷却空気クーラ５４からの排熱を回収する（排熱回収工程Ｓ３、図２参照）。

蒸気流回収部７０では、熱媒体Ｍとしての蒸気Ｓが、相変化しないまま冷却空気クーラ５４に流入させられた後に、流出するようになっている。

給水ポンプ６６は、復水器６９と低圧節炭器７４ａとの間に設けられ、低圧蒸気タービン７７から回収した蒸気Ｓから生成した水Ｗを、低圧節炭器７４ａに導入する。

このようなガスタービンプラント１によると、蒸気流回収部７０では、熱媒体Ｍとしての水蒸気Ｓの相変化をさせずに冷却空気クーラ５４からの排熱を回収する。
ここで、図３の破線に示すように、熱媒体Ｍ１が液相から気相へと流体が相変化を伴う場合には、この相変化領域では熱媒体Ｍ１は熱交換を行いつつも、回収した熱を潜熱として利用するため自身の温度が変化しない状態となる（図３の破線参照）。一方で空気Ａ１（図３の実線参照）は相変化を伴わないため、温度の変化に伴って熱交換量も単調に変化する。従って、熱媒体Ｍ１の相変化が起きる領域では、熱媒体Ｍ１と空気Ａ１との温度差が大きくなってしまう。
この点、本参考例では熱媒体Ｍである水蒸気Ｓが相変化しないことで、熱交換時の熱媒体Ｍと空気Ａとの温度差を小さく抑えることができ、冷却空気クーラ５４からの排熱の回収効率を向上することができる。

また、本参考例では蒸気流回収部７０を設け、熱媒体Ｍに水蒸気Ｓを用いている。
ここで、圧縮機１１から抽気した空気Ａが高温であって水の飽和温度以上となっている場合、熱媒体Ｍに液相の水を用いると空気Ａと熱媒体Ｍとの温度差が大きくなってしまい、十分に冷却空気クーラ５４からの排熱を回収することができない。
この点、本参考例では、空気Ａと熱媒体Ｍとの温度差を小さく抑えることが可能となり、十分に温度の高い熱媒体に排熱を回収し、排熱の回収効率を向上することが可能である。

また、排熱回収ボイラ６５からの水蒸気Ｓが、熱媒体Ｍとして蒸気流回収部７０を流通する。従って、排熱回収システム６１をコージェネレーションシステム、またはガスタービン／蒸気タービンコンバインドシステムの一部として機能させることができ、設備の共通化によるコストダウンにつながる。

また、水蒸気Ｓを、その温度（圧力）に応じた排熱回収ボイラ６５の箇所に回収することで、冷却空気クーラ５４からの排熱のさらなる有効利用が可能となる。

ここで、本参考例では、熱媒体Ｍとして水蒸気Ｓを用いており、この水蒸気Ｓは湿り蒸気であってもよいが、乾き飽和蒸気や過熱蒸気であることがより好ましい。

また、本参考例では、熱媒体Ｍとして排熱回収ボイラ６５からの水蒸気Ｓを用いて冷却空気クーラ５４からの排熱を回収しているが、例えば排熱回収ボイラ６５とは別途に設けられた蒸発器からの水蒸気を用いてもよい。

さらに、本参考例では、熱媒体Ｍとしての水蒸気Ｓの質量流量を、冷却空気クーラ５４で生成される冷却空気ＣＡ（冷却空気クーラ５４に流入する空気Ａ）の質量流量よりも小さくすることが好ましい。空気に比べて水蒸気の比熱は大きいため、水蒸気Ｓの質量流量を冷却空気ＣＡ（圧縮機１１から抽気した空気Ａ）の質量流量よりも小さくすることによって、水蒸気Ｓの温度上昇量と空気Ａの温度低下量を同等レベルとすることができる。
よって、熱交換時の水蒸気Ｓと空気Ａとの温度差を低減しつつ熱交換を行わせることが可能となる。

具体的には図３に示すように、実線（空気Ａ１）と二点鎖線（水蒸気Ｓ１）とが略平行となって互いに近接しつつ、水蒸気Ｓ１の温度の方が空気Ａ１の温度よりも低い状態を維持しながら熱交換を行わせることが可能となる。よって、冷却空気クーラ５４での熱交換の効率化による排熱の回収効率のさらなる向上が可能となる。

「第一実施形態」
次に、図４を参照して、本発明に係るガスタービンプラント１Ａの第一実施形態について説明する。

本実施形態のガスタービンプラント１Ａは、参考例におけるガスタービンプラント１Ａを基本構成として、排熱回収装置５１Ａが蒸気流回収部７０に加え、水流回収部７１をさらに有している。

水流回収部７１は、蒸気流回収部７０よりも冷却空気ＣＡの流れの下流側に配されて、冷却空気クーラ５４に熱媒体Ｍとして液相の水Ｗ（流体）を流入させ、液相のまま流出させる熱交換器である。

水流回収部７１は、その入口が第一高圧節炭器７６ａに接続され、出口が高圧蒸発器７６ｃの入口に接続されている。そして、熱媒体Ｍとして第一高圧節炭器７６ａからの水Ｗを冷却空気クーラ５４に流通させた後に高圧蒸発器７６ｃに流入させ、蒸気流回収部７０との間で熱交換を行った後の空気Ａに対し、さらに熱交換を行うことで冷却空気クーラ５４からの排熱を回収する。

このように、冷却空気クーラ５４を流通する空気Ａは、まず蒸気流回収部７０との間で熱交換を行って冷却され、その後、水流回収部７１との間で熱交換を行って冷却されることで、冷却空気ＣＡとされる。

本実施形態のガスタービンプラント１Ａによると、水流回収部７１では熱媒体Ｍである水Ｗが相変化しないことで、熱交換時に空気Ａと熱媒体Ｍとの温度差を低減できる。即ち、図３の実線（空気Ａ１）と二点鎖線（水Ｗ１）とが略平行となって互いに近接した状態で熱交換を行わせることができる。よって、排熱の回収効率を向上することができる。

さらに、蒸気流回収部７０でまず冷却空気クーラ５４からの排熱を回収した後に、水流回収部７１によってさらに排熱を回収することができる。従って、空気Ａの温度に見合った熱媒体Ｍを用いて二段階に排熱回収を行うことができるため、空気Ａの温度低下量を大きくすることができる。

この結果、排熱の回収効率を向上しつつ、十分に温度の低い冷却空気ＣＡを生成でき、高温部品の冷却に用いることができるため、高温部品の損傷防止効果を向上できる。また、冷却空気ＣＡの温度を低くできることで、冷却空気ＣＡの流量を小さくしても高温部品を十分に冷却することができる。よって、圧縮機１１から抽気する空気Ａの流量を低減でき、ガスタービン１０の運転効率や出力を向上することができる。

ここで、空気Ａ、水蒸気Ｓ、及び液体の水Ｗの比熱の大小関係は、空気＜水蒸気＜水となっている。本実施形態では、これらの質量流量の大小関係を、空気＞水蒸気＞水とすることがより好ましい、この場合、蒸気流回収部７０における空気Ａの温度低下量と水蒸気Ｓの温度上昇量、水流回収部７１における空気Ａの温度低下量と水Ｗの温度上昇量をそれぞれ同等レベルとすることができる。よって、熱交換時の空気Ａと水蒸気Ｓとの温度差、及び、空気Ａと水Ｗとの温度差を低減することができる。

即ち、図３に示すように、まず、実線（空気Ａ１）と一点鎖線（水蒸気Ｓ１）とが略平行となって互いに近接した状態で、かつ、水蒸気Ｓ１の温度の方が空気Ａ１の温度よりも低い状態を維持しつつ熱交換を行わせることが可能となる。このようにして空気Ａ１の温度が低下した後に、さらに、実線（空気Ａ１）と二点鎖線（水Ｗ１）とが略平行となって互いに近接した状態で、かつ、水Ｗ１の温度の方が空気Ａ１の温度よりも低い状態を維持しつつ熱交換を行わせることができる。よって、冷却空気クーラ５４での熱交換の効率化による排熱の回収効率のさらなる向上が可能であると共に、空気Ａの温度低下量を増大し、十分に温度の低い冷却空気ＣＡを生成することができる。

「第二実施形態」
次に、図５を参照して、本発明に係るガスタービンプラント１Ｂの第二実施形態について説明する。

本実施形態のガスタービンプラント１Ｂは、第一実施形態におけるガスタービンプラント１Ａを基本構成として、排熱回収装置５１Ｂにおける蒸気流回収部７０Ｂを流通する熱媒体Ｍが第一実施形態とは異なっている。

蒸気流回収部７０Ｂは、その入口が高圧蒸気タービン７９の出口、及び、排熱回収ボイラ６５における中圧過熱器７５ｃの出口に接続され、出口が第二再熱器８４の入口に接続されている。そして、熱媒体Ｍとして高圧蒸気タービン７９からの蒸気Ｓ、及び、中圧過熱器７５ｃからの中圧蒸気ＭＳ（流体）を冷却空気クーラ５４に流通させた後に第二再熱器８４に流入させる。これにより冷却空気クーラ５４からの排熱を回収する。

このように、冷却空気クーラ５４を流通する空気Ａは、まず蒸気流回収部７０Ｂとの間で熱交換を行って冷却され、その後、水流回収部７１との間で熱交換を行って冷却されることで、冷却空気ＣＡとされる。

本実施形態のガスタービンプラント１Ｂによると、高圧蒸気タービン７９からの蒸気Ｓ、及び、中圧過熱器７５ｃからの中圧蒸気ＭＳを冷却空気クーラ５４へ供給することで冷却空気クーラ５４からの排熱の回収を行う。このため、比較的圧力及び温度の低い蒸気Ｓを冷却空気クーラ５４へ供給することになる。従って、冷却空気クーラ５４や蒸気流回収部７０Ｂでの耐熱（耐圧）強度を抑えることができ、冷却空気クーラ５４のコストダウンを図ることが可能となる。
「第三実施形態」
次に、図６を参照して、本発明に係るガスタービンプラント１Ｃの第三実施形態について説明する。

本実施形態のガスタービンプラント１Ｃは、第二実施形態におけるガスタービンプラント１Ｂを基本構成として、排熱回収装置５１Ｃが、圧縮機１１から抽気した空気Ａを昇圧する補助圧縮機５５Ｃをさらに有している。

補助圧縮機５５Ｃは、冷却空気クーラ５４と燃焼器２１との間に設けられて、空気Ａを圧縮機１１から抽気して冷却空気クーラ５４に導入した後に昇圧する。即ち、冷却空気クーラ５４内で、蒸気流回収部７０Ｂ、及び水流回収部７１によって空気Ａが冷却された後に昇圧されて冷却空気ＣＡとされ、燃焼器２１に導入される。

本実施形態のガスタービンプラント１Ｃによると、補助圧縮機５５Ｃによって圧縮機１１から抽気した空気Ａの圧力、温度を調整しつつ、この空気Ａを冷却空気ＣＡとして燃焼器２１へ導入することができる。このため、冷却空気Ａと燃焼器２１との間の熱交換量の調整が可能となり、燃焼器２１での高温部品の冷却効果を向上できる。

「第四実施形態」
次に、図７を参照して、本発明に係るガスタービンプラント１Ｄの第四実施形態について説明する。

本実施形態のガスタービンプラント１Ｄは、第一実施形態におけるガスタービンプラント１Ａを基本構成として、排熱回収装置５１Ｄの排熱回収ボイラ６５Ｄが第二実施形態とは異なるとともに、第一実施形態における蒸気タービン６７、発電機６８、及び復水器６９が設けられていない。

排熱回収ボイラ６５Ｄは、排熱回収ボイラ６５における第一再熱器８３及び第二再熱器８４が設けられていない点を除き、第一実施形態の排熱回収ボイラ６５と同一構成となっている。

本実施形態のガスタービンプラント１Ｄによると、熱媒体Ｍとして、排熱回収ボイラ６５Ｄの水Ｗ、水蒸気Ｓによって冷却空気クーラ５４からの排熱を回収することで、設備の共通化によるコストダウンが可能となる。即ち、排熱回収システム６１Ｄをコージェネレーションシステムの一部として機能させることができる。また、熱媒体Ｍとしての水、水蒸気を、その温度、相（気相、液相）に応じた排熱回収ボイラ６５Ｄの箇所に回収することで、冷却空気クーラ５４からの排熱のさらなる有効利用が可能となる。

「ガスタービンプラントの他の変形例」
以上の各実施形態及び変形例のガスタービンプラントについて説明を行ったが、下記の通り、その他様々な変形例を採用することができる。

例えば、排熱回収装置における上記の回収部として、蒸気流回収部、水流回収部は、それぞれ二つ以上設けられていてもよいし、水流回収部のみを設けてもよい。

さらに、排熱回収ボイラ６５、６５Ｄは必ずしも設けられなくともよく、熱媒体Ｍとして排熱回収ボイラ６５、６５Ｄからの水蒸気Ｓとは異なる流体を用いて排熱を回収してもよい。

排熱回収ボイラ６５、６５Ｄの構造、即ち、節炭器、蒸発器、過熱器の数量、配置については一例であって、上述した実施形態の場合に限定されない。

また、上述した各実施形態の構成は、適宜組み合わせることが可能である。

１…ガスタービンプラント
１０…ガスタービン
１１…圧縮機
１３…圧縮機ロータ
１７…圧縮機ケーシング
２１…燃焼器
３１…タービン
３３…タービンロータ
３４…ロータ軸
３５…動翼
３７…タービンケーシング
３８…静翼
４０…ガスタービンロータ
４１…発電機
５４…冷却空気クーラ
５１…排熱回収装置
６１…排熱回収システム
６５…排熱回収ボイラ
６６…給水ポンプ
６７…蒸気タービン
６８…発電機
６９…復水器
７０…蒸気流回収部
７２…蒸気発生部
７４…低圧蒸気発生部
７５…中圧蒸気発生部
７６…高圧蒸気発生部
７４ａ…低圧節炭器
７４ｂ…低圧蒸発器
７４ｃ…低圧過熱器
７５ａ…中圧節炭器
７５ｂ…中圧蒸発器
７５ｃ…中圧過熱器
７５ｄ…中圧給水ポンプ
７６ａ…第一高圧節炭器
７６ｂ…第二高圧節炭器
７６ｃ…高圧蒸発器
７６ｄ…第一高圧過熱器
７６ｅ…第二高圧過熱器
７６ｆ…高圧給水ポンプ
７７…低圧蒸気タービン
７８…中圧蒸気タービン
７９…高圧蒸気タービン
８３…第一再熱器
８４…第二再熱器
Ｏ…軸線
ＣＡ…冷却空気
Ｍ…熱媒体
Ａ…空気
Ｆ…燃料
Ｇ…燃焼ガス
Ｓ…水蒸気
ＥＧ…排気ガス
Ｗ…水
ＬＳ…低圧蒸気
ＭＳ…中圧蒸気
ＨＳ…高圧蒸気
Ｓ１…抽気工程
Ｓ２…冷却工程
Ｓ３…排熱回収工程
１Ａ…ガスタービンプラント
５１Ａ…排熱回収装置
７１…水流回収部
１Ｂ…ガスタービンプラント
５１Ｂ…排熱回収装置
７０Ｂ…蒸気流回収部
１Ｃ…ガスタービンプラント
５１Ｃ…排熱回収装置
５５Ｃ…補助圧縮機
１Ｄ…ガスタービンプラント
６１Ｄ…排熱回収システム
６５Ｄ…排熱回収ボイラ

Claims

空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンにおける前記圧縮機から前記空気を抽気して、抽気した該空気を冷却して高温部品を冷却する冷却空気を生成する冷却空気クーラと、
前記冷却空気クーラからの排熱を回収する排熱回収装置と、
を備え、
前記排熱回収装置は、前記冷却空気クーラに熱媒体としての流体を流入させ、相変化させないまま流出させる回収部と、前記冷却空気クーラと前記燃焼器との間に設けられた補助圧縮機と、を有し、
前記補助圧縮機によって、前記圧縮機から抽気した前記空気を前記冷却空気クーラに導入した後に昇圧して圧力、及び温度を調整し、燃焼器へ直接に導入可能とする排熱回収システム。
請求項１に記載の排熱回収システムにおいて、
前記排熱回収装置は、前記回収部として、前記冷却空気クーラに水蒸気を流入させ、水蒸気のまま流出させる蒸気流回収部を有する排熱回収システム。
請求項２に記載の排熱回収システムにおいて、
前記排熱回収装置は、前記回収部として、前記蒸気流回収部に加え、該蒸気流回収部よりも前記冷却空気の流れの下流側に配されて、前記冷却空気クーラに前記流体として水を流入させ、水のまま流出させる水流回収部を有する排熱回収システム。
請求項２又は３に記載の排熱回収システムにおいて、
前記蒸気流回収部では、前記水蒸気の質量流量が前記冷却空気クーラで生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さい排熱回収システム。
請求項３に記載の排熱回収システムにおいて、
前記蒸気流回収部では、前記水蒸気の質量流量が前記冷却空気クーラで生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さく、
前記水流回収部では、前記水の質量流量が前記水蒸気の質量流量よりも小さい排熱回収システム。
請求項１から５のいずれか一項に記載の排熱回収システムにおいて、
前記排熱回収装置は、前記タービンからの排気ガスで水を加熱して水蒸気を生成する排熱回収ボイラを有し、
前記回収部では、前記流体として、前記排熱回収ボイラからの前記水及び前記水蒸気の少なくとも一方が流通する排熱回収システム。
請求項６に記載の排熱回収システムにおいて、
前記排熱回収装置は、前記排熱回収ボイラに加え、前記排熱回収ボイラで生成された前記水蒸気を作動媒体として駆動する蒸気タービンを有し、
前記回収部では、前記流体として、前記蒸気タービンの出口からの前記水蒸気が流通する排熱回収システム。
請求項１から７のいずれか一項に記載の排熱回収システムにおいて、
前記冷却空気クーラは、前記高温部品として前記燃焼器の構成部品の冷却を行う冷却空気を生成する排熱回収システム。
空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンにおける前記圧縮機から前記空気を抽気して、抽気した該空気を冷却して高温部品を冷却する冷却空気を生成する冷却空気クーラと、
前記冷却空気クーラからの排熱を回収する排熱回収装置と、
を備え、
前記排熱回収装置は、前記冷却空気クーラに熱媒体としての流体を流入させ、相変化させないまま流出させる回収部を有し、
前記排熱回収装置は、前記回収部として、前記冷却空気クーラに水蒸気を流入させ、水蒸気のまま流出させる蒸気流回収部と、蒸気流回収部よりも前記冷却空気の流れの下流側に配されて、前記冷却空気クーラに前記流体として水を流入させ、水のまま流出させる水流回収部とを有し、
前記蒸気流回収部での前記空気の温度低下量と前記水蒸気の温度上昇量とを、及び、前記水流回収部での前記空気の温度低下量と前記水の温度上昇量とをそれぞれ同等レベルに近づけるように、前記蒸気流回収部では、前記水蒸気の質量流量が前記冷却空気クーラで生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さく、前記水流回収部では、前記水の質量流量が前記水蒸気の質量流量よりも小さくなっている排熱回収システム。
請求項１から９のいずれか一項に記載の排熱回収システムと、
空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、
を備えるガスタービンプラント。
空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンにおける前記圧縮機から前記空気を抽気する抽気工程と、
抽気した前記空気を冷却して高温部品を冷却する冷却空気を生成する冷却工程と、
前記冷却空気を生成した際の排熱を、熱媒体としての流体を相変化させないまま回収する排熱回収工程と、
前記抽気工程で前記圧縮機から抽気した前記空気を前記冷却工程の後に昇圧して圧力、及び温度を調整し、燃焼器へ直接に導入する工程と、
を含む排熱回収方法。
請求項１１に記載の排熱回収方法において、
前記排熱回収工程では、前記流体としての水蒸気によって前記排熱を回収する排熱回収方法。
請求項１２に記載の排熱回収方法において、
前記排熱回収工程では、前記水蒸気によって前記排熱を回収した後に、前記流体としての水によって前記排熱をさらに回収する排熱回収方法。
請求項１２又は１３に記載の排熱回収方法において、
前記排熱回収工程では、前記冷却工程で生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水蒸気によって前記排熱を回収する排熱回収方法。
請求項１３に記載の排熱回収方法において、
前記排熱回収工程では、前記冷却工程で生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水蒸気によって前記排熱を回収した後に、前記水蒸気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水によって前記排熱をさらに回収する排熱回収方法。
請求項１１から１５のいずれか一項に記載の排熱回収方法において、
前記排熱回収工程では、前記流体として、前記タービンからの排気ガスで水を加熱して水蒸気を生成する排熱回収ボイラからの前記水及び前記水蒸気の少なくとも一方によって前記排熱を回収する排熱回収方法。
請求項１６に記載の排熱回収方法において、
前記排熱回収工程では、前記排熱回収ボイラで生成された前記水蒸気を作動媒体として駆動する蒸気タービンの出口からの前記水蒸気によって前記排熱を回収する排熱回収方法。
空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンにおける前記圧縮機から前記空気を抽気する抽気工程と、
抽気した前記空気を冷却して高温部品を冷却する冷却空気を生成する冷却工程と、
前記冷却空気を生成した際の排熱を、熱媒体としての流体を相変化させないまま回収する排熱回収工程と、
を含み、
前記排熱回収工程では、前記流体としての水蒸気によって前記排熱を回収し、前記水蒸気によって前記排熱を回収した後に、前記流体としての水によって前記排熱をさらに回収し、
前記排熱回収工程では、前記水蒸気によって前記排熱を回収する際の前記空気の温度低下量と前記水蒸気の温度上昇量とを、及び、前記水によって前記排熱を回収する際の前記空気の温度低下量と水の温度上昇量とをそれぞれ同等レベルに近づけるように、前記冷却工程で生成される前記冷却空気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水蒸気によって前記排熱を回収した後に、前記水蒸気の質量流量よりも小さい質量流量の前記水によって前記排熱をさらに回収する排熱回収方法。