JPH04148035A

JPH04148035A - 蒸気冷却ガスタービンシステム

Info

Publication number: JPH04148035A
Application number: JP27051790A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yuya; 油谷　好浩; Takanari Okamura; 岡村　隆成
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 1992-05-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、ガスタービン高温部材の冷却媒体として蒸気
を使用するガスタービンを備えたコンバインドサイクル
プラントあるいはコジェネレーションプラント等の蒸気
冷却ガスタービンシステムに係り、特にガスタービンの
起動時および停止時における冷却方式の改良に関する。

（従来の技術）コンバインドサイクル発電プラントあるいはコジェネレ
ーションプラントの熱効率を向上させるためには、ガス
タービンのタービン入口温度を高温化する必要がある。

このタービン入口温度の高温化を達成するために、従来
よりタービンの高温部分にＮｉ基合金やＣｏ基合金等の
耐熱材料を用い、さらに圧縮機の吐出空気または圧縮機
途中段からの抽気空気を、タービン高温部材の内部に流
し冷却することによりタービン高温部材の温度を下げ、
高温ガス中での強度を保っている。

現在の商用プラントで用いられている高性能ガスタービ
ンのタービン入口温度は１１００℃から、高いもので１
３００℃に達しているものもある。

これら従来型の空気冷却型ガスタービンでは、冷却空気
はタービン高温部材の冷却を行った後、タービンの主流
ガスに合流するため、タービンの途中段の主流ガス温度
を下げてしまう。これはプラントの熱効率を下げること
につながっている。

また、今後さらに熱効率を向上させるためには上述のよ
うに、タービン入口温度をさらに上げなければならない
が、これに伴いタービン高温部材の冷却を一層強化しな
くてはならない。そのためには、従来の空気冷却の方法
によるガスタービンでは多量の冷却空気が必要となる。

ところが冷却空気を増すことはタービンの主流ガス温度
を下げ、ひいてはプラントの熱効率を下げることにつな
がる。すなわちタービンの高温化を行うと、タービン入
口温度の上昇による効率向上と主流ガス温度降下による
効率低下の要素が共存しているため、タービン入口温度
を上げていくと、ある温度から後者の影響が大きくなり
逆に熱効率の低下を来すようになる。つまり、従来の空
気冷却の方法によるガスタービンでは熱効率に限界が生
じる。

この対策として、蒸気を冷却媒体としてタービンの高温
部材の内部に流して冷却する方法がある。

この蒸気源としてはガスタービンの排熱を回収して蒸気
発生を行う排熱回収ボイラの蒸気を利用するのが効率上
、信頼性確保上、系統構成上張も好ましい。またタービ
ン冷却後の蒸気は、ガスタービンの主流ガス中に合流さ
せるのではなく、ガスタービンから回収し蒸気タービン
あるいは工場プロセス蒸気として再利用することが、プ
ラントの熱効率上の点から好ましい方法である。

（発明が解決しようとする課題）しかし、排熱回収ボイラーの発生蒸気をガスタービンの
冷却に使用した場合、次のような不具合点がある。すな
わち、ガスタービン起動時、停止時、あるいは低負荷時
においては、排熱回収ボイラからの発生蒸気圧力が低く
、流量も少ないためガスタービンの高温部材の冷却に必
要な条件が満足されない。このため、高温部材の温度を
必要な値以下に保つことが出来ず、強度上問題が生じる
。

また、ガスタービン主流ガスの圧力よりも蒸気圧力が低
い場合、接合部等のわずかな隙間からのリークによるガ
スタービン燃焼ガスが蒸気ラインにリークし、混入する
可能性がある。この場合、回収蒸気は排熱回収ボイラの
蒸気系を循環することになり、内部腐食の原因となる。

これらの対策として起動、停止時あるいは低負荷時の必
要蒸気確保のための補助ボイラを設置する必要がある。

しかし補助ボイラを設置することはシステムの構成要素
が増し、複雑化するため、プラントの信頼性低下につな
がる。また、プラントの運転方法も複雑となるため運転
員の負担が増すことにもなる。

本発明は、かかる現況に鑑みなされたもので、ガスター
ビン起動時、停止時あるいは低負荷運転時等、排熱回収
ボイラからの発生蒸気がガスタービン高温部材の冷却に
必要な条件を満たしていない場合であっても、補助ボイ
ラを用いることなく、ガスタービン高温部材を充分に冷
却することができる蒸気冷却ガスタービンシステムを提
供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は、前記目的を達成する手段として、圧縮機から
の高圧空気が供給される燃焼器と、この燃焼器からの高
温高圧ガスにより駆動されるタービンとからなるガスタ
ービンを有し、このガスタービンからの排ガスを、排熱
回収ボイラに導いて蒸気を発生させ、この蒸気を、冷却
蒸気ラインを介し前記タービンの高温部材冷却部に供給
してタービン高温部材の内部を冷却する蒸気冷却ガスタ
ービンシステムにおいて、前記圧縮機からの高圧空気を
冷却空気として前記高温部材冷却部に供給する冷却空気
ラインと、この冷却空気による冷却と前記蒸気による冷
却とお切換える切換機構と、前記蒸気が冷却に必要な条
件を満たしているか否かを検出して前記切換機構を作動
させる蒸気状態検出手段とをそれぞれ設けるようにした
ことを特徴とする。

（作用）本発明に係る蒸気冷却ガスタービンシステムにおいて、
通常時には、切換機構が蒸気冷却側に切換えられ、排熱
回収ボイラからの蒸気が、冷却蒸気ラインを介しタービ
ンの高温部材冷却部に供給される。そして、この蒸気に
より、タービン高温部材の内部が冷却される。

一方、ガスタービン起動時、停止時あるいは低負荷運転
時等、排熱回収ボイラからの発生蒸気が、ガスタービン
高温部材の冷却に必要な条件を満たしていない場合には
、これが蒸気状態検出手段により検出され、切換機構が
空気冷却側に切換えられる。これにより、圧縮機からの
高圧空気が、冷却空気ラインを介し冷却空気として高温
部材冷却部に供給され、この冷却空気によりタービン高
温部の内部が冷却される。このため、補助ボイラを用い
ることなく、ガスタービン高温部材を充分に冷却するこ
とが可能となる。

（実施例）以下、本発明の第１実施例を第１図および第２５！Ｊを
参照して説明する。

第１図は、本発明に係る蒸気冷却ガスタービンシステム
の一例を示すもので、図中、符号１は圧縮機であり、こ
の圧縮機１は、燃焼器２とタービン３とともにガスター
ビンを構成している。そして、この圧縮機１で昇圧され
た空気は、前記燃焼器２での燃焼により高温高圧ガスと
なり、この高温高圧ガスは、前記タービン３に送られて
タービン３を回転駆動するようになっている。

このタービン３からの排ガスは、第１図に示すように、
排熱回収ボイラ４を介し煙突５から排出されるようにな
っており、前記排熱回収ボイラ４内において、排熱回収
ボイラ４に注入する蒸気または水と熱交換し、高温高圧
の蒸気を発生させるようになっている。そして、この蒸
気は、蒸気供給ライン６を介し蒸気タービン７に送られ
て動力を発生させ、蒸気タービン７の排気蒸気は、復水
器８で水となった後、給水ポンプ９により再び排熱回収
ボイラ４に送られるようになっている。

前記排熱回収ボイラ４で発生した蒸気の一部は、第１図
に示すように、冷却蒸気ライン１０を介しタービン高温
部材冷却部１１に送気されるようになっており、タービ
ン高温部材は、この冷却蒸気により内部から冷却される
ようになっている。そして、この冷却により加熱された
冷却蒸気は、蒸気回収ライン１２を介し蒸気タービン７
の低圧段に回収されるようになっている。

前記圧縮機１の吐出空気の一部は、第１図に示すように
、冷却空気ライン１３を介し前記冷却蒸気ライン１０の
下流端に供給されるようになっており、この空気は、排
熱回収ボイラ４からの発生蒸気が充分でないときに、タ
ービン高温部材冷却部１１に供給されてタービン高温部
材を冷却するようになっている。

前記冷却空気ライン１３には、第１図に示すように、タ
ービン冷却流体としての空気と蒸気とを切換えるための
冷却空気調節弁１４および冷却空気遮断弁１５がそれぞ
れ設けられており、また前記冷却蒸気ライン１０にも、
同様の目的で冷却蒸気調節弁１６および冷却蒸気遮断弁
１７がそれぞれ設けられている。この冷却蒸気ライン１
０にはまた、第１図に示すように、その上流端に、排熱
回収ボイラ４からの発生蒸気がタービン高温部材冷却部
１１の冷却に必要な条件を満たしているか否かを検出す
るための温度検出器１８および圧力検出器１９がそれぞ
れ設けられている。

前記蒸気回収ライン１２には、第１図に示すように、回
収蒸気遮断弁２０が設けられており、この回収蒸気遮断
弁２０の入側には、冷却流体放出弁２１を有する冷却流
体放出ライン２２が接続され、後に詳述するように、タ
ービン高温部材冷却部１１を冷却した冷却空気あるいは
冷却空気と冷却蒸気との混合体は、この冷却流体放出ラ
イン２２を介し煙突５から大気放出されるようになって
いる。

前記冷却蒸気ライン１０の冷却蒸気遮断弁１７人側位置
と、前記蒸気回収ライン１２の回収蒸気遮断弁２０出側
位置との間は、第１図に示すように、冷却蒸気バイパス
弁２３を有する冷却蒸気パイパスライン２４により接続
されており、タービン高温部材冷却部１１を空気冷却し
ている際に、前記冷却蒸気バイパス弁２３を開にするこ
とにより、ガスタービン直前までの冷却蒸気ライン１０
に蒸気が流れてウオームアツプされるようになっている
。

また、前記蒸気回収ライン１２の回収蒸気遮断弁２０出
側位置と、蒸気タービン７の出側位置との間は、第１図
に示すように、蒸気タービンバイパス弁２５を有する蒸
気タービンバイパスライン２６により接続されており、
蒸気タービン７が故障した際に、前記蒸気タービンバイ
パス弁２５を開にすることにより、ガスタービンからの
回収蒸気が蒸気タービン７をバイパスして復水器８に戻
り、ガスタービンのみで運転ができるようになっている
。

前記冷却蒸気ライン１０の冷却蒸気調節弁１６出側位置
および冷却蒸気遮断弁１７人側位置には、第１図に示す
ように、蒸気ドレン回収弁２７，２８がドレン回収ライ
ン２９．３０を介しそれぞれ接続されており、前記各蒸
気ドレン回収弁２７゜２８を開にすることにより、冷却
蒸気ライン１０で発生したドレンがドレン回収ライン２
９．３０に回収され、タービン高温部材冷却部１１にド
レンが流入することのないようになっている。

次に、本実施例の作用について説明する。

タービン高温部材冷却部１１は、通常は冷却蒸気ライン
１０からの冷却蒸気により冷却されるが、ガスタービン
の起動時、停止時あるいは低負荷運転時のように、前記
冷却蒸気がタービン高温部材冷却部１１の冷却に必要な
条件を満たしていない場合には、冷却空気ライン１３か
らの冷却空気により冷却される。

この冷却媒体を切換える際の多弁の動作タイミングおよ
び作用を、起動時および停止時を例に採って、以下に説
明する。

第２図は、起動時におけるガスタービンおよび排熱回収
ボイラ４からの発生蒸気の状態量変化の一例を示すもの
で、第２図を参照して、まず起動時の手順を説明する。

まず、冷却空気調節弁１４、冷却空気遮断弁１５、冷却
流体放出弁２１、および冷却蒸気バイパス弁２３を開と
し、また冷却蒸気調節弁１６、冷却蒸気遮断弁１７およ
び回収蒸気遮断弁２０を閉としてガスタービンを起動す
る。すると、圧縮機１の吐出空気がタービン高温部材冷
却部１１に流れ、この冷却空気により空気冷却がなされ
る。冷却後の空気は、冷却流体放出ライン２２を介し煙
突５から大気放出される。

一方、冷却蒸気は、冷却蒸気バイパス弁２３を介し流れ
、冷却蒸気ラインｌＯのウオームアツプがなされる。こ
のため、ドレンが生じることがない。

この状態で、第２図の点Ａまでガスタービンの運転がな
される。そして、第２図の点Ａにおいて、ガスタービン
負荷が保持される。この状態は、タービン高温部材のメ
タル温度が、空気冷却により許容温度以下に保持できる
ガスタービン運転の状態である。逆に、この状態より負
荷を上げた場合には、タービン高温部材のメタル温度を
、許容温度以下に保持することができなくなる。したが
って、この負荷状態で保持することにより、排熱回収ボ
イラ４からの発生蒸気が、ガスタービン高温部材の冷却
に必要な温度、圧力条件を満たすようになるまで、排熱
回収ボイラ４のウオームアツプを行なう。

排熱回収ボイラ４からの発生蒸気が、ガスタービン高温
部材の冷却に必要な温度、圧力条件を満たしたことを、
温度検出器１８および圧力検出器１９により確認した時
点（第２図の点Ｂ）で、冷却蒸気遮断弁１７を開とし、
タービン高温部材冷却部１１の冷却に必要な冷却用流体
量を確保しながら、冷却空気調節弁１４を絞り冷却蒸気
調節弁１６を徐々に開けていき、冷却用流体を、空気１
００％から蒸気１００％に切換える。

冷却蒸気１００％に移行後、冷却空気遮断弁１５は閉に
する。この際、冷却流体放出弁２１は開、回収蒸気遮断
弁２０は閉の状態のままであるため、冷却空気、冷却蒸
気は大気に放出され、冷却空気が蒸気回収ライン１２に
混入することはない。なお、冷却蒸気バイパス弁２３は
、空気から蒸気への移行開始後に閉にし、蒸気のバイパ
スを止める。

また、蒸気ドレン回収弁２７．２８は、冷却用流体の空
気から蒸気への移行開始時に一定時間だけ開とし、ドレ
ン回収を行なった後に閉とする。

このようにして、タービン高温部材冷却部１１の冷却媒
体を、空気から蒸気に切換えることにより、高温部材の
冷却効率が増大し、第２図に示すように高温部材のメタ
ル温度は減少する。

冷却空気遮断弁１５が開となり、タービン高温部材冷却
部１１、冷却蒸気ライン１０および蒸気回収ライン１２
内の冷却空気が、大気放出により完全にパージされた後
、回収蒸気遮断弁２０を開にするとともに、冷却流体放
出弁２１を閉とする。

これにより、冷却蒸気が回収され、蒸気冷却ガスタービ
ンシステムとしての運転が可能となる（第２図の点Ｃ）
。そこでその後、負荷上昇、定格運転を行なう。

次に、停止時の手順について説明する。

ガスタービン負荷を降下させ、空気冷却によるガスター
ビン高温部材の冷却が可能なタービン入口温度範囲で、
排熱回収ボイラ４からの発生蒸気が、ガスタービン高温
部材の冷却に必要な条件を満たすようなガスタービン運
転状態にする。そして、この状態で、冷却流体放出弁２
１を開とするとともに、回収蒸気遮断弁２０を閉とし、
冷却流体の大気放出を開始する。

次いで、冷却空気遮断弁１５を開とし、ガスタービン高
温部材の冷却に必要な冷却用流体量を確保しながら、冷
却蒸気調節弁１６を絞り冷却空気調節弁１４を徐々に開
けていき、冷却用流体を、蒸気１００％から空気１００
％に切換える。冷却蒸気遮断弁１７は、冷却蒸気調節弁
１６の全閉確認後に閉とする。これにより、空気冷却に
移行し、排熱回収ボイラ４からの発生蒸気が減少しても
、ガスタービン高温部材の冷却が可能となる。そこで、
ガスタービンを無負荷運転状態にした後、ガスタービン
を停止させる。

しかして、排熱回収ボイラ４からの発生蒸気が、ガスタ
ービン高温部材の冷却に必要な条件を満たさない運転状
態でも、空気冷却によりガスタービンの運転を行なうこ
とができ、補助ボイラを設置する必要がない。このため
、補助ボイラを設置することによるシステムの構成要素
の増加、複雑化を避けることができ、プラントの信頼性
を向上させることができる。また、プラントの運転方法
も、補助ボイラを設置したプラントに比べ簡素化され、
運転員の負担を軽減することができる。

なお、前記実施例では特に説明しなかったが、冷却蒸気
調節弁１６に対し、負荷運転中（蒸気冷却運転中）にお
ける冷却蒸気流量最適化のための流量調節機能を併せ持
った制御を行なうようにすることも可能である。

第３図は、本発明の第２実施例を示すもので、前記第１
実施例における冷却空気調節弁１４および冷却蒸気調節
弁１６に代え、三方切換弁３１を用いるようにしたもの
である。

なお、その他の点については、前記第１実施例と同一構
成となっており、作用も同一である。

しかして、三方切換弁３１を用いることにより、制御装
置の制御端の数を減少させることができる。

なお、三方切換弁３１には、冷却空気遮断弁１５が閉の
状態で、負荷運転中（蒸気冷却運転中）における冷却蒸
気流量最適化のための流量調節機能を持たせるようにし
てもよい。

第４図は、本発明の第３実施例を示すもので、前記第１
実施例における回収蒸気遮断弁２０および冷却流体放出
弁２１に代え、三方切換弁３２を用いるようにしたもの
である。

しかして、三方切換弁３２を用いることにより、制御装
置の制御端の数を減少させることができ、また大気放出
と蒸気回収との切換時の圧力変動を、前記第１実施例に
比例して少なく抑えることができる。

第５図は、本発明の第４実施例を示すもので、前記第２
実施例のシステムに、冷却蒸気調節弁１６を追設し、こ
の冷却蒸気調節弁１６に、負荷運転中（蒸気冷却運転中
）における冷却蒸気流量最適化のための流量調節機能を
持たせるようにしたものである。

なお、その他の点については、前記第２実施例と同一構
成となっており、作用も同一である。

しかして、このように構成することにより、ガスタービ
ン運転効率をさらに向上させることができる。

第６図は、本発明の第５実施例を示すもので、前記第１
実施例における冷却蒸気バ、イパス弁２３に代え、冷却
蒸気バイパス調節弁３３を用いるようにしたものである
。

しかして、冷却蒸気バイパス調節弁３３を用いることに
より、冷却蒸気バイパス流量を徐々に絞ることができ、
締切り時の冷却蒸気の圧力変動を少なく抑えることがで
きる。

第７図は、本発明の第６実施例を示すもので、前記第１
実施例における蒸気タービン７に代え、蒸気利用プラン
ト３４を用い、排熱回収ボイラ４からの発生蒸気および
回収冷却蒸気を、工場プロセス蒸気として利用するコジ
ェネレーションプラントを構成するようにしたものであ
る。

しかして、このように構成しても、前記第１実施例と同
様の効果が期待できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、排熱回収ボイラからの発
生蒸気が、タービン高温部材の冷却に必要な条件を満た
していない場合には、空気冷却によりガスタービンの運
転を行なうようにしているので、補助ボイラを設置する
必要がなく、補助ボイラの設置に伴なうシステムの構成
要素の増加、複雑化を避けて、プラントの信頼性を向上
させることができる。また、プラントの運転方法も、補
助ボイラを設置したプラントよりも簡素化され、運転員
の負担を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る蒸気冷却ガスタービ
ンシステムを示す系統図、第２図はこのシステムの起動
時におけるガスタービンおよび排熱回収ボイラからの発
生蒸気の状態量変化の一例を示すグラフ、第３図は本発
明の第２実施例を示す第１図相当図、第４図は本発明の
第３実施例を示す第１図相当図、第５図は本発明の第４
実施例を示す第３図相当図、第６図は本発明の第５実施
例を示す第１図相当図、第７図は本発明の第６実施例を
示す第１図相当図である。１・・・圧縮機、２・・・燃焼器、３・・・タービン、
４・・・排熱回収ボイラ、７・・・蒸気タービン、１０
・・・冷却蒸気ライン、１１・・・タービン高温部材冷
却部、１２・・・蒸気回収ライン、１３・・・冷却空気
ライン、１４・・・冷却空気調節弁、１５・・・冷却空
気遮断弁、１６・・・冷却蒸気調節弁、１７・・・冷却
蒸気遮断弁、１８・・・温度検出器、１９・・・圧力検
出器、２０・・・回収蒸気遮断弁、２１・・・冷却流体
放出弁、２２・・・冷却流体放出ライン、３１゜３２・・・三方切換弁、４・・・蒸気利用プラント。

Claims

【特許請求の範囲】

圧縮機からの高圧空気が供給される燃焼器と、この燃焼
器からの高温高圧ガスにより駆動されるタービンとから
なるガスタービンを有し、このガスタービンからの排ガ
スを、排熱回収ボイラに導いて蒸気を発生させ、この蒸
気を、冷却蒸気ラインを介し前記タービンの高温部材冷
却部に供給してタービン高温部材の内部を冷却する蒸気
冷却ガスタービンシステムにおいて、前記圧縮機からの
高圧空気を冷却空気として前記高温部材冷却部に供給す
る冷却空気ラインと、この冷却空気による冷却と前記蒸
気による冷却とを切換える切換機構と、前記蒸気が冷却
に必要な条件を満たしているか否かを検出して前記切換
機構を作動させる蒸気状態検出手段とを具備することを
特徴とする蒸気冷却ガスタービンシステム。