JP7143107B2 - 複合発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、複合発電プラントに関するものである。

高い発電効率を発揮する発電システムとして、ガスタービンの駆動力によって発電を行うとともに、ガスタービンから排出される高温の排ガスから熱エネルギーを回収して蒸気を生成し、この生成した蒸気によって蒸気タービンを駆動することでさらに発電を行う複合発電システムが知られている。このような複合発電システムでは、排熱回収ボイラにおいて、ガスタービンから排出される排ガスの熱エネルギーを回収して蒸気を生成する。

複合発電システムに用いられる排熱回収ボイラとして、発電効率を向上させる等の目的から、蒸気タービンに供給する過熱蒸気を生成する過熱器と、蒸気タービンから排出された蒸気を再度加熱する再熱器と、を有するものが知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載の再熱型排熱回収ボイラは、主蒸気を過熱する過熱器、再熱蒸気を加熱する再熱器を具備している。過熱器は再熱型蒸気タービンの一部を構成する高圧蒸気タービンへ主蒸気配管によって連絡され、該高圧蒸気タービンよりの排気は低温再熱蒸気配管を介し、前記排熱回収ボイラ内に具備された再熱器に導かれ、該再熱器で加熱された蒸気は高温再熱蒸気配管を介し、再熱型蒸気タービンの一部を構成する再熱タービンに導入される。

特開平１－３１８８０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の排熱回収ボイラは、１つの排熱回収ボイラ内に過熱器及び再熱器を配置している。このように、１つの排熱回収ボイラに対して、複数の熱交換器を設ける構成とした場合には、排熱回収ボイラが大型化してしまう可能性がある。また、過熱器及び再熱器を配置する際に、互いの配置を制限し合い、レイアウト上の自由度が低減してしまう可能性がある。
排熱回収ボイラが大型化するとともに、過熱器及び再熱器の配置のレイアウト上の自由度が低減すると、過熱器及び再熱器を所望の位置に配置することができないという問題を招来していた。

過熱器及び再熱器を所望の位置に配置することができないと、例えば、過熱器と蒸気タービンとを接続する配管及び再熱器と蒸気タービンとを接続する配管が長くなる可能性がある。過熱器と蒸気タービンとを接続する配管及び再熱器と蒸気タービンとを連絡する配管は、排ガスの熱で加熱された蒸気が流通し高温となるので、材料単価の高い耐熱性能の優れた材料によって構成する必要がある。よって、このような配管が長くなることで、複合発電プラントの製造コストが増大する可能性がある。

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、ボイラに設けられた熱交換器を所望の位置に配置し易くできる複合発電プラントを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の複合発電プラントは以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る複合発電プラントは、１または複数の熱機関または燃料電池と、前記熱機関または燃料電池からの排ガスの熱によって蒸気を加熱する第１熱交換器及び前記第１熱交換器へ供給する蒸気を加熱する第１予熱器を有する第１ボイラと、前記第１ボイラで加熱された蒸気によって駆動する第１蒸気タービンと、前記第１熱交換器と前記第１蒸気タービンとを接続し、前記第１ボイラで加熱された蒸気を前記第１蒸気タービンに導く第１蒸気配管と、前記熱機関または燃料電池からの排ガスの熱によって前記第１蒸気タービンから排出された蒸気を加熱する第２熱交換器及び前記第１熱交換器へ供給する蒸気を加熱する第２予熱器を有し、前記第１ボイラとは異なる第２ボイラと、前記第２ボイラで加熱された蒸気によって駆動する第２蒸気タービンと、前記第２熱交換器と前記第２蒸気タービンとを接続し、前記第２ボイラで加熱された蒸気を前記第２蒸気タービンに導く第２蒸気配管と、を備えている。

上記構成では、第１熱交換器を有する第１ボイラと第２熱交換器を有する第２ボイラとが、別のボイラで構成されている。これにより、第１熱交換器及び第２熱交換器を１つのボイラに設ける構成と比較して、各ボイラを小型化することができる。したがって、複合発電プラントを構成するボイラを、簡易に設置することができる。また、各ボイラを小型化することができるので、ボイラの配置におけるレイアウト上の自由度を向上させることができる。したがって、例えば、狭所で複雑なスペースや地形であっても、複合発電プラントを構成するボイラを設置することができる。

また、第１熱交換器を有する第１ボイラと第２熱交換器を有する第２ボイラとが、別のボイラで構成されているので、第１熱交換器及び第２熱交換器を１つのボイラに設ける構成と比較して、各ボイラに設けられる熱交換器の数が少ない。これにより、各ボイラにおける熱交換器の配置について、レイアウト上の自由度を向上させることができる。すなわち、各ボイラにおいて、熱交換器を配置する際に、他の熱交換器を合わせて１つのボイラに設ける構成と比較して配置上の制約を低減または失くすことができる。したがって、熱交換器を所望の位置に配置し易くできる。
よって、例えば、ボイラにおいて、熱交換器を、該熱交換器と蒸気配管で接続される蒸気タービンの近傍に配置した場合には、蒸気配管の長さを短くすることができるので、蒸気配管を短くした分だけコストを低減することができる。
なお、第１ボイラに供給される排ガスを排出する熱機関または燃料電池と、第２ボイラに供給される排ガスを排出する熱機関または燃料電池とは、同一の熱機関または燃料電池であってもよく、別の熱機関または燃料電池であってもよい。

本発明の一態様に係る複合発電プラントは、前記第１ボイラと前記第１蒸気タービンとは隣接して配置されていてもよい。

第１蒸気配管は、排ガスの熱で加熱された蒸気が流通するため、耐熱性能の優れた材料によって構成する必要がある。このため、第１蒸気配管は、単位長さあたりのコストが比較的高い。
上記構成では、第１ボイラと第１蒸気タービンとが隣接して配置されている。これにより、第１熱交換器と第１蒸気タービンとを接続する第１蒸気配管を短くすることができる。したがって、比較的高価な第１蒸気配管の配管長さを短くすることができるので、コストを大幅に低減することができる。

本発明の一態様に係る複合発電プラントは、前記熱機関または燃料電池からの排ガスの熱によって前記第２蒸気タービンから排出された蒸気を加熱する第３熱交換器を有し、前記第１ボイラ及び前記第２ボイラとは異なる第３ボイラと、前記第３ボイラで加熱された蒸気によって駆動する第３蒸気タービンと、前記第３熱交換器と前記第３蒸気タービンとを接続し、前記第３ボイラで生成された蒸気を前記第３蒸気タービンに導く第３蒸気配管と、前記熱機関または燃料電池からの排ガスの熱によって前記第３蒸気タービンから排出された蒸気を加熱する第４熱交換器を有し、前記第１ボイラ、前記第２ボイラ及び前記第３ボイラとは異なる第４ボイラと、前記第４ボイラで加熱された蒸気によって駆動する第４蒸気タービンと、前記第４熱交換器と前記第４蒸気タービンとを接続し、前記第４ボイラで生成された蒸気を前記第４蒸気タービンに導く第４蒸気配管と、を備えてもよい。

上記構成では、蒸気タービンで仕事をした蒸気を再熱する再熱器を３つ設け、いわゆる３段再熱サイクルとしている。
このように、３段再熱サイクルとすることで、熱機関または燃料電池の排ガスから多くの熱を回収することができる。したがって、発電効率を向上させることができる。

また、第３熱交換器を有する第３ボイラと第４熱交換器を有する第４ボイラとを、他のボイラと別のボイラで構成されている。これにより、第３ボイラ及び第４ボイラを小型化することができるとともに、各ボイラにおける熱交換器の配置について、レイアウト上の自由度を向上させることができる。

本発明の一態様に係る複合発電プラントは、前記第１ボイラの入口側に配置され、前記第１熱交換器へ導かれる排ガスを加熱する第１助燃バーナと、前記第２ボイラの入口側に配置され、前記第２熱交換器へ導かれる排ガスを加熱する第２助燃バーナと、を備えていてもよい。

上記構成では、第１ボイラの入口側に第１助燃バーナが配置され、第２ボイラの入口側に第２助燃バーナが配置されている。このように、各熱交換器に導かれる排ガスを加熱する助燃バーナが、熱交換器ごとに設けられている。これにより、各ボイラにおいて、熱交換に導かれる排ガスの温度を、各助燃バーナによって、各熱交換器の状態に応じた温度に調整することができる。排ガスの温度を調整することができるので、各熱交換器において蒸気を所望の温度となるように加熱することができる。このように、各熱交換器から各蒸気タービンへ供給される蒸気の温度を所望の温度とすることができるので、各蒸気タービンに対して、蒸気タービンに応じた温度の蒸気を供給することができる。したがって、蒸気タービンの駆動効率を向上させることができる。

本発明によれば、ボイラに設けられた熱交換器を所望の位置に配置し易くできる。

本発明の実施形態に係る複合発電プラントを示す概略構成図である。 図１の第１排熱回収ボイラを示す側面図である。 図１の第５排熱回収ボイラ及び凝縮器を示す側面図である。

以下に、本発明に係る複合発電プラントの一実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本実施形態に係る複合発電プラントついて、図１から図３を用いて説明する。
複合発電プラント１は、図１に示すように、ガスタービン（熱機関）１１の駆動力によって発電するガスタービン発電部１０と、ガスタービン１１から排出される排燃料ガス（以下、「排ガス」という。）の熱を回収することで発電する蒸気タービン発電部２０と、を備えている。

ガスタービン発電部１０は、図１及び図２に示すように、燃料ガスによって駆動する１台のガスタービン１１と、ガスタービン１１の駆動力によって発電する発電機１２とを有する。
ガスタービン１１は、大気供給ライン１４を介して供給された大気（空気）を用いて、燃料ガス供給ライン１５から供給された燃料ガスを燃焼させることで、タービン（図示省略）を回転駆動させる。また、ガスタービン１１には、必要に応じて吸気冷却器１６（図２参照）が設けられており、大気供給ライン１４を介して供給される空気を冷却している。
発電機１２は、回転軸１３によって、ガスタービン１１に設けられたタービンと連結されており、タービンの回転駆動力によって発電を行う。

蒸気タービン発電部２０は、ガスタービン１１から排出される排ガスが供給される複数の排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラからの蒸気によって駆動する複数の蒸気タービンと、蒸気タービンの駆動力によって発電する発電機２１と、を備えている。また、蒸気タービン発電部２０は、ガスタービン１１から排出された排ガスを内部に流通させる排ガスダクト２２と、排ガス中の水分を凝縮する凝縮器２３と、各種装置に蒸気（または、給水）を供給する蒸気配管（または、給水配管）が設けられている。

排ガスダクト２２は、ダクト状の部材であって、内部に排ガスが流通している。また、排ガスダクト２２は、上流端がガスタービン１１の排ガス出口部に接続されており、下流端が接続される凝縮器２３に接続されている。すなわち、排ガスダクト２２は、ガスタービン１１から排出される排ガスを、凝縮器２３へ導いている。排ガスダクト２２は、途中位置で４つに分岐している。詳細には、第１排ガスダクト２２ａ、第２排ガスダクト２２ｂ、第３排ガスダクト２２ｃ及び第４排ガスダクト２２ｄに分岐している。分岐した第１～第４排ガスダクト２２ｄは、下流端において合流している。

本実施形態に係る複合発電プラントでは、排熱回収ボイラが５台設けられている。詳細には、ガスタービン１１から排出される排ガス流れにおいて、並列に配置される第１排熱回収ボイラ（第１ボイラ）２４、第２排熱回収ボイラ（第２ボイラ）２５、第３排熱回収ボイラ（第３ボイラ）２６及び第４排熱回収ボイラ（第４ボイラ）２７及び、排ガス流れにおいて、第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７の下流に配置される第５排熱回収ボイラ２８が設けられている。第１排熱回収ボイラ２４～第５排熱回収ボイラ２８は、各々、筐体によって外殻が構成されている。各排熱回収ボイラの外殻を構成する筐体は、別体となっている。すなわち、第１排熱回収ボイラ２４～第５排熱回収ボイラ２８は、個別に設けられており、各々、筐体の内部に隔絶された空間を形成している。

第１排熱回収ボイラ２４は、第１排ガスダクト２２ａの途中位置に設けられており、第１排ガスダクト２２ａを流通する排ガスが導入されるとともに、第１排ガスダクト２２ａに排ガスを排出している。第１排熱回収ボイラ２４には、排ガスが流通する煙道が設けられており、この煙道内に、超高圧過熱器（第１熱交換器）３１及び第１超高圧熱交換器３２が配置されている。超高圧過熱器３１は、排ガス流れの上流側に配置され、第１超高圧熱交換器３２は、超高圧過熱器３１よりも排ガス流れの下流側に配置されている。超高圧過熱器３１及び第１超高圧熱交換器３２は、各々、伝熱管を有し、伝熱管の内部を流通する蒸気と、伝熱管の外部を流通する排ガスとの熱交換を行う熱交換器である。
また、第１排ガスダクト２２ａには、第１排熱回収ボイラ２４の排ガスの入口側に、第１排熱回収ボイラ２４へ導かれる排ガスを加熱する第１助燃バーナ３３が設けられている。第１助燃バーナ３３は、第１排ガスダクト２２ａ内を流通する排ガスの一部に、燃料ガス供給系統３０から供給された燃料ガスを投入するとともに、投入した燃料ガスに点火して火炎を形成することで、排ガスを加熱する。

第２排熱回収ボイラ２５は、第２排ガスダクト２２ｂの途中位置に設けられており、第２排ガスダクト２２ｂを流通する排ガスが導入されるとともに、第２排ガスダクト２２ｂに排ガスを排出している。第２排熱回収ボイラ２５には、排ガスが流通する煙道が設けられており、この煙道内に、高圧再熱器（第２熱交換器）３４及び第２超高圧熱交換器３５が配置されている。高圧再熱器３４は、排ガス流れの上流側に配置され、第２超高圧熱交換器３５は、高圧再熱器３４よりも排ガス流れの下流側に配置されている。高圧再熱器３４及び第２超高圧熱交換器３５は、各々、伝熱管を有し、伝熱管の内部を流通する蒸気と、伝熱管の外部を流通する排ガスとの熱交換を行う熱交換器である。
また、第２排ガスダクト２２ｂには、第２排熱回収ボイラ２５の排ガスの入口側に、第２排熱回収ボイラ２５へ導かれる排ガスを加熱する第２助燃バーナ３６が設けられている。第２助燃バーナ３６は、第２排ガスダクト２２ｂ内を流通する排ガスの一部に、燃料ガス供給系統３０から供給された燃料ガスを投入するとともに、投入した燃料ガスに点火して火炎を形成することで、排ガスを加熱する。

第３排熱回収ボイラ２６は、第３排ガスダクト２２ｃの途中位置に設けられており、第３排ガスダクト２２ｃを流通する排ガスが導入されるとともに、第３排ガスダクト２２ｃに排ガスを排出している。第３排熱回収ボイラ２６には、排ガスが流通する煙道が設けられており、この煙道内に、中圧再熱器（第３熱交換器）３７及び第３超高圧熱交換器３８が配置されている。中圧再熱器３７は、排ガス流れの上流側に配置され、第３超高圧熱交換器３８は、中圧再熱器３７よりも排ガス流れの下流側に配置されている。中圧再熱器３７及び第３超高圧熱交換器３８は、各々、伝熱管を有し、伝熱管の内部を流通する蒸気と、伝熱管の外部を流通する排ガスとの熱交換を行う熱交換器である。
また、第３排ガスダクト２２ｃには、第３排熱回収ボイラ２６の排ガスの入口側に、第３排熱回収ボイラ２６へ導かれる排ガスを加熱する第３助燃バーナ３９が設けられている。第３助燃バーナ３９は、第３排ガスダクト２２ｃ内を流通する排ガスの一部に、燃料ガス供給系統３０から供給された燃料ガスを投入するとともに、投入した燃料ガスに点火して火炎を形成することで、排ガスを加熱する。

第４排熱回収ボイラ２７は、第４排ガスダクト２２ｄの途中位置に設けられており、第４排ガスダクト２２ｄを流通する排ガスが導入されるとともに、第４排ガスダクト２２ｄに排ガスを排出している。第４排熱回収ボイラ２７には、排ガスが流通する煙道が設けられており、この煙道内に、低圧再熱器（第４熱交換器）４０及び第４超高圧熱交換器４１が配置されている。低圧再熱器４０は、排ガス流れの上流側に配置され、第４超高圧熱交換器４１は、低圧再熱器４０よりも排ガス流れの下流側に配置されている。低圧再熱器４０及び第４超高圧熱交換器４１は、各々、伝熱管を有し、伝熱管の内部を流通する蒸気と、伝熱管の外部を流通する排ガスとの熱交換を行う熱交換器である。
また、第４排ガスダクト２２ｄには、第４排熱回収ボイラ２７の排ガスの入口側に、第４排熱回収ボイラ２７へ導かれる排ガスを加熱する第４助燃バーナ４２が設けられている。第４助燃バーナ４２は、第４排ガスダクト２２ｄ内を流通する排ガスの一部に、燃料ガス供給系統３０から供給された燃料ガスを投入するとともに、投入した燃料ガスに点火して火炎を形成することで、排ガスを加熱する。

第５排熱回収ボイラ２８は、第１排ガスダクト２２ａ～第４排ガスダクト２２ｄの合流地点よりも排ガス流れにおける下流側の排ガスダクト２２に設けられており、排ガスダクト２２を流通する排ガスが導入されるとともに、排ガスダクト２２に排ガスを排出している。第５排熱回収ボイラ２８には、排ガスが流通する煙道が設けられており、この煙道内に、第１節炭器４３及び第２節炭器４４が配置されている。第１節炭器４３は、排ガス流れの上流側に配置され、第２節炭器４４は、第１節炭器４３よりも排ガス流れの下流側に配置されている。第１節炭器４３及び第２節炭器４４は、各々、伝熱管を有し、伝熱管の内部を流通する蒸気及び／又は給水と、伝熱管の外部を流通する排ガスとの熱交換を行う熱交換器である。

第１助燃バーナ３３～第４助燃バーナ４２は、制御装置（図示省略）によって、起動及び停止を制御されている。また、制御装置によって、所望の排ガス温度となるように、火炎を形成するように制御されている。
本実施形態では、第１助燃バーナ３３～第４助燃バーナ４２は、各々、第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７から排出される蒸気の温度が計画温度となるように、制御装置によって制御されている。

制御装置は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

凝縮器２３は、排ガスダクト２２の下流端が接続されており、排ガスダクト２２を流通する排ガスが導入される。凝縮器２３には、排ガスが流通する煙道が設けられており、この煙道内に、予熱器４５が配置されている。予熱器４５は、伝熱管を有し、伝熱管の内部を流通する給水と、伝熱管の外部を流通する排ガスとの熱交換を行う熱交換器である。凝縮器２３は、排ガスと給水とを熱交換することで、排ガスを冷却し、排ガス中の水分を凝縮させる。凝縮器２３の下部には、凝縮水貯留部４６が設けられており、凝縮させた凝縮水を貯留している。また、凝縮器２３の上部には、熱交換を終えた排ガスを大気に放出する煙突４７が設けられている。
凝縮水貯留部４６には、凝縮器２３から凝縮水を排出する凝縮水配管４８が接続されている。凝縮水配管４８の下流端は、ガスタービン１１に設けられた吸気冷却器１６に接続されており、ガスタービン１１に供給される空気の冷却に供される。

本実施形態に係る複合発電プラント１では、蒸気タービンが４台設けられている。詳細には、回転軸５５に対して、同軸状に、超高圧蒸気タービン（第１蒸気タービン）５１、高圧蒸気タービン（第２蒸気タービン）５２、中圧蒸気タービン（第３蒸気タービン）５３及び低圧蒸気タービン（第４蒸気タービン）５４が設けられている。また、回転軸５５には、発電機２１が連結されており、この発電機２１は、各蒸気タービンの回転駆動力によって発電を行う。各蒸気タービンは、地面に立設するタービン架台５６（図２参照）上に設けられている。

また、各蒸気タービンは、蒸気の供給元となる排熱回収ボイラに隣り合うように配置されている。具体的には、超高圧蒸気タービン５１は、第１排熱回収ボイラ２４に隣接するように配置されている。詳細には、超高圧過熱器３１の伝熱管の出口と、超高圧蒸気タービン５１の入口とが近接するように配置されている。また、高圧蒸気タービン５２は、第２排熱回収ボイラ２５に隣接するように配置されている。詳細には、高圧再熱器３４の伝熱管の出口と、高圧蒸気タービン５２の入口とが近接するように配置されている。また、中圧蒸気タービン５３は、第３排熱回収ボイラ２６に隣接するように配置されている。詳細には、中圧再熱器３７の伝熱管の出口と、中圧蒸気タービン５３の入口とが近接するように配置されている。また、低圧蒸気タービン５４は、第４排熱回収ボイラ２７に隣接するように配置されている。詳細には、低圧再熱器４０の伝熱管の出口と、低圧蒸気タービン５４の入口とが近接するように配置されている。

次に、各種機器を接続する蒸気配管及び給水配管について説明する。各蒸気配管及び各給水配管は、内部を流通する蒸気又は給水の温度及び圧力に応じて、その材質や配管の厚さ（内周面と外周面との距離）等が設定されている。

予熱器４５に設けられた伝熱管の出口と、第２節炭器４４に設けられた伝熱管の入口とは、第１給水配管６１によって接続されている。第１給水配管６１の内部には、給水が流通している。
第２節炭器４４に設けられた伝熱管の出口と、第１節炭器４３に設けられた伝熱管の入口とは、第２給水配管６２によって接続されている。第２給水配管６２の内部には、給水が流通している。また、第２給水配管６２には、超高圧給水ポンプ６０が設けられており、内部を流通する給水を昇圧し、超高圧状態とする。

第１節炭器４３に設けられた伝熱管の出口には、第１超高圧蒸気配管６３が接続されている。第１超高圧蒸気配管６３は、途中位置で分岐し、下流端が４つの熱交換器に接続される。詳細には、第１超高圧蒸気配管６３の４つの下流端は、第１超高圧熱交換器３２の伝熱管の入口、第２超高圧熱交換器３５の伝熱管の入口、第３超高圧熱交換器３８の伝熱管の入口及び第４超高圧熱交換器４１の伝熱管の入口に、各々接続されている。

第１超高圧熱交換器３２の伝熱管の出口、第２超高圧熱交換器３５の伝熱管の出口、第３超高圧熱交換器３８の伝熱管の出口及び第４超高圧熱交換器４１の伝熱管の出口には、各々、第２超高圧蒸気配管６４の上流端が接続されている。各出口に接続される第２超高圧蒸気配管６４は、途中位置で合流する。合流した１本の第２超高圧蒸気配管６４の下流端は、超高圧過熱器３１の伝熱管の入口に接続されている。

超高圧過熱器３１の伝熱管の入口と、超高圧蒸気タービン５１の入口とは、第３超高圧蒸気配管（第１蒸気配管）６５によって接続されている。第３超高圧蒸気配管６５の内部には、超高圧過熱器３１で過熱された高温（約６００℃またはそれ以上の温度）の蒸気が流通する。このため、第３超高圧蒸気配管６５は、耐熱性能の優れた材料で形成される。また、第３超高圧蒸気配管６５には、超高圧状態（約３０ＭＰａまたはそれ以上の圧力）の蒸気が流通する。このため、第３超高圧蒸気配管６５の厚さ（内周面と外周面との距離）は、超高圧に耐えうるように厚く形成されている。

超高圧蒸気タービン５１の出口と、高圧再熱器３４の伝熱管の入口とは、第１高圧蒸気配管６６によって接続されている。また、高圧再熱器３４の伝熱管の出口と、高圧蒸気タービン５２の入口とは、第２高圧蒸気配管（第２蒸気配管）６７によって接続されている。第１高圧蒸気配管６６及び第２高圧蒸気配管６７の内部には、高圧の蒸気が流通している。第２高圧蒸気配管６７の内部には、高圧再熱器３４で加熱された高温（約６００℃またはそれ以上の温度）の蒸気が流通する。このため、第２高圧蒸気配管６７は、耐熱性能の優れた材料で形成される。

高圧蒸気タービン５２の出口と、中圧再熱器３７の伝熱管の入口とは、第１中圧蒸気配管６８によって接続されている。また、中圧再熱器３７の伝熱管の出口と、中圧蒸気タービン５３の入口とは、第２中圧蒸気配管（第３蒸気配管）６９によって接続されている。第１中圧蒸気配管６８及び第２中圧蒸気配管６９の内部には、中圧の蒸気が流通している。第２中圧蒸気配管６９の内部には、中圧再熱器３７で加熱された高温（約６００℃またはそれ以上の温度）の蒸気が流通する。このため、第２中圧蒸気配管６９は、耐熱性能の優れた材料で形成される。

中圧蒸気タービン５３の出口と、低圧再熱器４０の伝熱管の入口とは、第１低圧蒸気配管７０によって接続されている。また、低圧再熱器４０の伝熱管の出口と、低圧蒸気タービン５４の入口とは、第２低圧蒸気配管（第４蒸気配管）７１によって接続されている。第１低圧蒸気配管７０及び第２低圧蒸気配管７１の内部には、低圧の蒸気が流通している。第２低圧蒸気配管７１の内部には、低圧再熱器４０で加熱された高温（約６００℃またはそれ以上の温度）の蒸気が流通する。このため、第２低圧蒸気配管７１は、耐熱性能の優れた材料で形成される。

低圧蒸気タービン５４の出口には、第３低圧蒸気配管７２の上流端が接続されている。第３低圧蒸気配管７２の下流端は、復水器７３の入口に接続されている。復水器７３では、導入された蒸気を凝縮することで、給水を生成する。
復水器７３の出口と、予熱器４５の伝熱管の入口とは、第３給水配管７４によって接続されている。第３給水配管７４の内部には、復水器７３で凝縮された給水が流通している。また、第３給水配管７４には、第３給水配管７４の内部を流通する給水を昇圧し、凝縮器２３へ導く復水ポンプ７５が設けられている。

また、複合発電プラント１には、図３に示すように、蒸気を貯留する蓄熱ドラムが設けられている。蓄熱ドラムは、内部に蒸気を貯留している。本実施形態の複合発電プラント１では、蓄熱ドラムとして、高圧蓄熱ドラム７７、中圧蓄熱ドラム７８及び低圧蓄熱ドラム７９を備えている。高圧蓄熱ドラム７７は、配管７７ａによって高圧蒸気タービン５２と接続されており、例えば、高圧蒸気タービン５２の急速始動時等に内部に貯留している蒸気を高圧蒸気タービン５２に供給する。また、中圧蓄熱ドラム７８は、配管７８ａによって中圧蒸気タービン５３と接続されており、例えば、中圧蒸気タービン５３の急速始動時等に内部に貯留している蒸気を中圧蒸気タービン５３に供給する。低圧蓄熱ドラム７９は、配管７９ａによって低圧蒸気タービン５４と接続されており、例えば、低圧蒸気タービン５４の急速始動時等に内部に貯留している蒸気を低圧蒸気タービン５４に供給する。

次に、本実施形態に係る複合発電プラント１における排ガスの流れについて説明する。
ガスタービン１１から排出された排ガスは、排ガスダクト２２を流通し、分岐位置において、第１排ガスダクト２２ａ～第４排ガスダクト２２ｄに流入する。

第１排ガスダクト２２ａに流入した排ガスは、第１排ガスダクト２２ａ内を流通するとともに、第１助燃バーナ３３によって所定の温度まで加熱される。助燃バーナによって加熱された排ガスは、第１排熱回収ボイラ２４に導入され、第１排熱回収ボイラ２４内に形成された煙道を流通する。煙道内を流通する排ガスは、煙道内に設けられた超高圧過熱器３１及び超高圧熱交換器で蒸気と熱交換を行い、冷却される。冷却された排ガスは、第１排熱回収ボイラ２４から第１排ガスダクト２２ａ内に排出される。そして、第１排ガスダクト２２ａ内に排出された排ガスは、第１排ガスダクト２２ａ内を流通し、合流位置において、他の排ガスダクトを流通した排ガスと合流する。

他の排ガスダクト（第２排ガスダクト２２ｂ～第４排ガスダクト２２ｄ）に流入した排ガスも、第１排ガスダクト２２ａに流入した排ガスと同様に、各排ガスダクトに設けられた助燃バーナによって所定の温度まで加熱され、排熱回収ボイラに導入され、各排熱回収ボイラに設けられた再熱器及び熱交換器において蒸気と熱交換を行い、冷却される。そして、各排熱回収ボイラから排出され、合流位置において、他の排ガスダクトを流通した排ガスと合流する。

合流した排ガスは、第５排熱回収ボイラ２８に導入される。第５排熱回収ボイラ２８に導入された排ガスは、第５排熱回収ボイラ２８内に形成された煙道を流通する。煙道内を流通する排ガスは、煙道内に設けられた第１節炭器４３及び第２節炭器４４で蒸気及び／または給水と熱交換を行い、冷却される。冷却された排ガスは、第５排熱回収ボイラ２８から排出され、排ガスダクト２２を介して凝縮器２３に導入される。

凝縮器２３では、排ガスが予熱器４５で給水と熱交換を行い、冷却される。このとき、排ガス中に含有する水分は、冷却されることで凝縮し、凝縮水として凝縮水貯留部４６へ落下する。一方、熱交換を行った排ガスが、第５排熱回収ボイラ２８から排出され、煙突４７を介して大気に排出される。

次に、本実施形態に係る複合発電プラント１における蒸気及び給水の流れについて説明する。
復水器７３において、生成された給水は、第３給水配管７４内を流通するとともに、復水ポンプ７５で昇圧され、凝縮器２３に導入される。凝縮器２３に導入された給水は、予熱器４５を構成する伝熱管内を流通するとともに、排ガスと熱交換を行い、加熱される。

凝縮器２３で加熱された給水は、予熱器４５から排出され、第１給水配管６１を流通し、第５排熱回収ボイラ２８に設けられた第２節炭器４４に導入される。第２節炭器４４に導入された給水は、第２節炭器４４を構成する伝熱管内を流通するとともに、排ガスと熱交換を行い、加熱される。加熱された給水は、第２節炭器４４から排出され、第２給水配管６２を流通するとともに、第２給水配管６２に設けられた超高圧給水ポンプ６０によって昇圧され、超高圧状態となる。超高圧給水ポンプ６０によって昇圧された給水は、第１節炭器４３に導入され、第１節炭器４３を構成する伝熱管内を流通するとともに、排ガスと熱交換を行い、加熱され、蒸気となる。

第５排熱回収ボイラ２８で加熱された蒸気は、第１節炭器４３から排出され、第１超高圧蒸気配管６３を介して、第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７に設けられた各超高圧熱交換器（第１超高圧熱交換器３２～第４超高圧熱交換器４１）に導入される。各超高圧熱交換器に導入された蒸気は、各超高圧熱交換器を構成する伝熱管内を流通するとともに、排ガスと熱交換を行うことで過熱され、過熱蒸気となる。生成された過熱蒸気は、各超高圧熱交換器から排出され、合流して第２超高圧蒸気配管６４内を流通する。
第２超高圧蒸気配管６４内を流通した蒸気は、第１排熱回収ボイラ２４に設けられた超高圧過熱器３１に導入される。超高圧過熱器３１に導入された蒸気は、第１排熱回収ボイラ２４内を流通する排ガスによってさらに過熱され、第３超高圧蒸気配管６５に排出される。

第３超高圧蒸気配管６５に排出された蒸気は、同配管内を流通し、超高圧蒸気タービン５１に導入される。導入された蒸気は、超高圧蒸気タービン５１に設けられたタービン（図示省略）を回転させる。タービンを回転させた蒸気は、膨張し高圧状態となって超高圧蒸気タービン５１から排出される。排出された蒸気は、第１高圧蒸気配管６６を介して、第２排熱回収ボイラ２５に設けられた高圧再熱器３４に導入される。高圧再熱器３４に導入された蒸気は、第２排熱回収ボイラ２５内を流通する排ガスと熱交換することで再度加熱され、第２高圧蒸気配管６７に排出される。

第２高圧蒸気配管６７に排出された蒸気は、同配管内を流通し、高圧蒸気タービン５２に導入される。導入された蒸気は、高圧蒸気タービン５２に設けられたタービン（図示省略）を回転させる。タービンを回転させた蒸気は、膨張し中圧状態となって高圧蒸気タービン５２から排出される。排出された蒸気は、第１中圧蒸気配管６８を介して、第３排熱回収ボイラ２６に設けられた中圧再熱器３７に導入される。中圧再熱器３７に導入された蒸気は、第３排熱回収ボイラ２６内を流通する排ガスと熱交換することで再度加熱され、第２中圧蒸気配管６９に排出される。

第２中圧蒸気配管６９に排出された蒸気は、同配管内を流通し、中圧蒸気タービン５３に導入される。導入された蒸気は、中圧蒸気タービン５３に設けられたタービン（図示省略）を回転させる。タービンを回転させた蒸気は、膨張し低圧状態となって中圧蒸気タービン５３から排出される。排出された蒸気は、第１低圧蒸気配管７０を介して、第４排熱回収ボイラ２７に設けられた低圧再熱器４０に導入される。低圧再熱器４０に導入された蒸気は、第４排熱回収ボイラ２７内を流通する排ガスと熱交換することで再度加熱され、第２低圧蒸気配管７１に排出される。

第２低圧蒸気配管７１に排出された蒸気は、同配管内を流通し、低圧蒸気タービン５４に導入される。導入された蒸気は、低圧蒸気タービン５４に設けられたタービン（図示省略）を回転させる。タービンを回転させた蒸気は、低圧蒸気タービン５４から排出され、復水器７３へ導入される。

復水器７３では、導入された蒸気を凝縮することで給水を生成する。生成された給水は、上述のように、第３給水配管７４内を流通し、凝縮器２３に導入される。
本実施形態に係る複合発電プラント１における蒸気及び給水は、このように循環している。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態では、超高圧過熱器３１を有する第１排熱回収ボイラ２４と、高圧再熱器３４を有する第２ボイラと、中圧再熱器３７を有する第３排熱回収ボイラ２６と、低圧再熱器４０を有する第４排熱回収ボイラ２７とが、別のボイラで構成されている。
これにより、超高圧過熱器３１、高圧再熱器３４、中圧再熱器３７及び低圧再熱器４０を１つの排熱回収ボイラに設ける構成と比較して、各排熱回収ボイラを小型化することができる。したがって、複合発電プラント１を構成する排熱回収ボイラを、簡易に設置することができる。また、各排熱回収ボイラを小型化することができるので、各排熱回収ボイラの配置におけるレイアウト上の自由度を向上させることができる。したがって、例えば、狭所や複雑な地形であっても、複合発電プラント１を構成する各排熱回収ボイラを設置することができる。

また、本実施形態では、超高圧過熱器３１、高圧再熱器３４、中圧再熱器３７及び低圧再熱器４０を１つの排熱回収ボイラに設ける構成と比較して、各排熱回収ボイラに設けられる熱交換器の数が少ない。これにより、各排熱回収ボイラにおける熱交換器の配置について、レイアウト上の自由度を向上させることができる。すなわち、各排熱回収ボイラにおいて、熱交換器を配置する際に、他の熱交換器の影響を低減または失くすことができる。したがって、各熱交換器を所望の位置に配置し易くできる。

各排熱回収ボイラから排出される蒸気は、排ガスの熱によって加熱されているため、高温の蒸気が流通する。したがって、各排熱回収ボイラと各蒸気タービンとを接続する配管は、耐熱性能の優れた材料によって構成する必要があるので、単位長さあたりのコストが比較的高い。
本実施形態では、各排熱回収ボイラを小型化するとともに、レイアウト上の自由度を向上させることで、各排熱回収ボイラと、蒸気の供給先となる各蒸気タービンとを隣り合うように配置させている。これにより、各排熱回収ボイラと、蒸気の供給先となる各蒸気タービンとを接続する配管（第３超高圧蒸気配管６５、第２高圧蒸気配管６７、第２中圧蒸気配管６９及び第２低圧蒸気配管７１）を短くすることができる。このように、高価な配管の配管長さを短くすることができるので、コストを大幅に低減することができる。

超高圧過熱器３１から排出される過熱蒸気は、高温、かつ、超高圧であるので、第３超高圧蒸気配管６５は、材料単価の高い耐熱性能の優れた材料で形成するとともに、超高圧に耐え得る配管の厚さ（配管の内周面と外周面との距離）とする必要がある。このため、特に、第３超高圧蒸気配管６５は単位長さあたりのコストが高い。
本実施形態では、第１排熱回収ボイラ２４と第１蒸気タービンとが隣接して配置されているので、第３超高圧蒸気配管６５の配管長さを短くしている。したがって、コストをより大幅に低減することができる。

また、本実施形態では、第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７の入口側に、各々、第１助燃バーナ３３～第４助燃バーナ４２が配置されている。このように、各排熱回収ボイラに、各々、排ガスを加熱する助燃バーナが設けることにより、各排熱回収ボイラにおいて排ガスの温度を、各助燃バーナによって各熱交換器の状態に応じた温度に調整することができる。排ガスの温度を調整することができるので、第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７に設けられた各熱交換器において、蒸気を所望の温度となるように加熱することができる。このように、各熱交換器から各蒸気タービンへ供給される蒸気の温度を所望の温度とすることができるので、各蒸気タービン（超高圧蒸気タービン５１、高圧蒸気タービン５２、中圧蒸気タービン５３及び低圧蒸気タービン５４）に対して、各蒸気タービンの性能に応じた温度の蒸気を供給することができる。したがって、各蒸気タービンの駆動効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、助燃バーナが設けられている第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７を、排ガス流れにおいて、並列に設けている。これにより、各々の排熱回収ボイラにおいて、他の排熱回収ボイラの影響を受けることなく、排ガスの温度を調整することができる。したがって、各排熱回収ボイラにおいて、より精密に排ガス温度を調整することができので、各蒸気タービンに対して、より精密に、各蒸気タービンに応じた温度の蒸気を供給することができる。

本実施形態に係る複合発電プラント１では、過熱器（超高圧過熱器３１）の蒸気流れの下流側に、再熱器（高圧再熱器３４、中圧再熱器３７、低圧再熱器４０）を３つ設けた、いわゆる３段再熱サイクルを適用している。
このように、３段再熱サイクルとすることで、ガスタービン１１の排ガスから多くの熱を回収することができる。したがって、発電効率を向上させることができる。

このように、本実施形態では、３段再熱サイクルを適用することで、発電効率の向上を図るとともに、過熱器及び各再熱器を設ける排熱回収ボイラを個別に設けることで、過熱器及び再熱器と、蒸気タービンとを接続する高価な配管を短くすることができ、コストを低減させることができる。

また、本実施形態では、各排熱回収ボイラを小型化することで、排熱回収ボイラの運搬及び現場（設置場所）での施工を容易にすることができる。

また、本実施形態では、排ガス流れにおける下流側（排ガス温度の低温部）に第１節炭器４３及び第２節炭器４４を設けて、排ガスの熱を回収している。したがって、第１節炭器４３及び第２節炭器４４を設けていない構成と比較して、複合発電プラント１全体におけるエネルギー効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、排ガス流れにおける最下流側（排ガス温度の最低温部）に凝縮器２３を設けている。これにより、排ガス中の水分を凝縮させて回収することができる。また、本実施形態では、回収した凝縮水を吸気冷却器１６に導き、ガスタービン１１の吸気冷却に利用している。吸気冷却に利用された凝縮水は、ガスタービン１１から排出される排ガス中に含有することとなり、上述の排ガスの流れを経た後に、再度凝縮器２３に導かれ、凝縮する。このように、凝縮器２３で凝縮した凝縮水を循環させ、ガスタービン１１の給気を冷却する冷却水として利用することができる。したがって、ガスタービン１１の吸気を冷却する冷却水を供給するための冷却水を外部から供給する必要がないため、簡易な構成とすることができるとともに、ランニングコストを低減することができる。

また、本実施形態では、高圧蓄熱ドラム７７、中圧蓄熱ドラム７８及び低圧蓄熱ドラム７９を設けている。これにより、各蒸気タービンに貯留した蒸気を供給することができるので、各排熱回収ボイラや蒸気タービン停止中の暖気や急速起動時などに、蒸気タービンに蒸気を供給することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、ガスタービン１１から排出される排ガスを各排熱回収ボイラへ導入する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガスタービン以外の熱機関から排出されるガスを排熱回収ボイラへ導入してもよい。また、例えば、燃料電池から排出されるガスを排熱回収ボイラへ導入してもよい。
また、上記実施形態では、再熱器を３台設ける３段再熱サイクルを適用する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。再熱器の数は、３台より少なくてもよく、また、４台以上であってもよい。すなわち、本発明は、１段再熱サイクルであっても、いずれの段数の多段再熱サイクルであっても適用可能である。

また、上記実施形態では、超高圧過熱器３１、高圧再熱器３４、中圧再熱器３７及び低圧再熱器４０を、すべて個別の排熱回収ボイラに設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。いずれか一つでも、個別の排熱回収ボイラに設けていればよく、例えば、超高圧過熱器３１のみを個別の排熱回収ボイラに設け、３台の再熱器を１つの排熱回収ボイラに設けてもよい。

また、上記実施形態では、１台のガスタービン１１からの排ガスを分岐させて、第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７に供給する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガスタービンを２台設けて、２台のガスタービンからの排ガスを分岐させて、各排熱回収ボイラに供給してもよい。また、ガスタービンを４台設けて、第１～４排熱回収ボイラと１対１対応としてもよい。
また、上記実施形態では、ガスタービン１１に連結される回転軸１３と、各蒸気タービンに連結される回転軸５５とを別軸とする構成について説明したが、ガスタービンが１台の場合には、ガスタービンと各蒸気タービンとを同軸に設けてもよい。

なお、第１排熱回収ボイラ２４に設けられた第１超高圧熱交換器３２は省略してもよい。一般に、過熱器は、再熱器よりも熱吸収率が高いが、過熱器が設けられた第１排熱回収ボイラ２４に設けられた第１超高圧熱交換器３２を省略し、第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７における各々の熱吸収量を同程度としてもよい。第１排熱回収ボイラ２４～第４排熱回収ボイラ２７における各々の熱吸収量を同程度とすることで、設計を容易にすることができる。

１ 複合発電プラント
１１ ガスタービン（熱機関）
２４ 第１排熱回収ボイラ（第１ボイラ）
２５ 第２排熱回収ボイラ（第２ボイラ）
２６ 第３排熱回収ボイラ（第３ボイラ）
２７ 第４排熱回収ボイラ（第４ボイラ）
３１ 超高圧過熱器（第１熱交換器）
３３ 第１助燃バーナ
３４ 高圧再熱器（第２熱交換器）
３６ 第２助燃バーナ
３７ 中圧再熱器（第３熱交換器）
４０ 低圧再熱器（第４熱交換器）
５１ 超高圧蒸気タービン（第１蒸気タービン）
５２ 高圧蒸気タービン（第２蒸気タービン）
５３ 中圧蒸気タービン（第３蒸気タービン）
５４ 低圧蒸気タービン（第４蒸気タービン）
６５ 第３超高圧蒸気配管（第１蒸気配管）
６７ 第２高圧蒸気配管（第２蒸気配管）
６９ 第２中圧蒸気配管（第３蒸気配管）
７１ 第２低圧蒸気配管（第４蒸気配管）

Claims (4)

1. １または複数の熱機関または燃料電池と、
   前記熱機関または燃料電池からの排ガスの熱によって蒸気を加熱する第１熱交換器及び前記第１熱交換器へ供給する蒸気を加熱する第１予熱器を有する第１ボイラと、
   前記第１ボイラで加熱された蒸気によって駆動する第１蒸気タービンと、
   前記第１熱交換器と前記第１蒸気タービンとを接続し、前記第１ボイラで加熱された蒸気を前記第１蒸気タービンに導く第１蒸気配管と、
   前記熱機関または燃料電池からの排ガスの熱によって前記第１蒸気タービンから排出された蒸気を加熱する第２熱交換器及び前記第１熱交換器へ供給する蒸気を加熱する第２予熱器を有し、前記第１ボイラとは異なる第２ボイラと、
   前記第２ボイラで加熱された蒸気によって駆動する第２蒸気タービンと、
   前記第２熱交換器と前記第２蒸気タービンとを接続し、前記第２ボイラで加熱された蒸気を前記第２蒸気タービンに導く第２蒸気配管と、
   前記第１ボイラから排出された排ガス及び前記第２ボイラから排出された排ガスによって、前記第１熱交換器へ導かれる蒸気及び／または給水を加熱する低温熱交換器を有する低温ボイラと、
   前記低温ボイラから排出された排ガスと、前記低温熱交換器へ供給される給水とを熱交換することで、排ガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、を備える複合発電プラント。
2. 前記第１ボイラと前記第１蒸気タービンとは隣接して配置されている請求項１に記載の複合発電プラント。
3. 前記熱機関または燃料電池からの排ガスの熱によって前記第２蒸気タービンから排出された蒸気を加熱する第３熱交換器を有し、前記第１ボイラ及び前記第２ボイラとは異なる第３ボイラと、
   前記第３ボイラで加熱された蒸気によって駆動する第３蒸気タービンと、
   前記第３熱交換器と前記第３蒸気タービンとを接続し、前記第３ボイラで生成された蒸気を前記第３蒸気タービンに導く第３蒸気配管と、
   前記熱機関または燃料電池からの排ガスの熱によって前記第３蒸気タービンから排出された蒸気を加熱する第４熱交換器を有し、前記第１ボイラ、前記第２ボイラ及び前記第３ボイラとは異なる第４ボイラと、
   前記第４ボイラで加熱された蒸気によって駆動する第４蒸気タービンと、
   前記第４熱交換器と前記第４蒸気タービンとを接続し、前記第４ボイラで生成された蒸気を前記第４蒸気タービンに導く第４蒸気配管と、を備える請求項２に記載の複合発電プラント。
4. 前記第１ボイラの入口側に配置され、前記第１熱交換器へ導かれる排ガスを加熱する第１助燃バーナと、
   前記第２ボイラの入口側に配置され、前記第２熱交換器へ導かれる排ガスを加熱する第２助燃バーナと、を備えた請求項１から請求項３のいずれかに記載の複合発電プラント。

Images