JPH06500374A - ガス・蒸気タービン複合設備 - Google Patents

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】 ガス・蒸気タービン複合設備 本発明は、ガスタービンの排気ガス側に後置接続された燃焼設備とこの燃焼設備 からの燃焼ガスで貫流されるボイラとを有し、このボイラが蒸気タービンの水・ 蒸気回路に接続された予熱装置およびこの予熱装置に後置接続された蒸気タービ ンの高圧段の高圧・加熱装置を有しているようなガス・蒸気タービン複合設備に 関する。

燃焼設備を存するボイラを持ったガス・蒸気タービン複合設備の場合、一般には ガスタービンの排気ガスが燃焼設備の燃焼空気として利用される。その場合蒸気 タービン、ガスタービンおよびボイラの出力は互いに関係しているので、かかる 設備を設計する際にそれらの出力は互いに同調しなければならない、その同調は 一般に、定格出力運転の際に燃焼設備の酸素需要がガスタービンの排気ガスによ って負担されるようにして行われる。しかしガスタービンは僅かな種類の出力例 えば５０ＭＷ、１５０ＭＷあるいは２００ＭＷの出力のものしか製造せずまた需 要もないので、ガスタービンを蒸気タービンおよびボイラの出力に適合させるこ とは非常に困難である。

従って所定の大きさのガス・蒸気タービン複合設備の場合、ガスタービンは全負 荷範囲において燃焼設備にとって必要な排気ガス量に比べて、過剰あるいは過少 の排気ガス量を供給する。全負荷範囲において排気ガス量が過少である場合、ガ ス・蒸気タービン複合設備の効率は低くなるが、部分負荷範囲では効率が良くな る。この場合、燃焼設備に対して不足する酸素は一般に補助的な新鮮空気送風機 によって用意される。

これに対して部分負荷範囲において排気ガス量が過剰である場合、ガスタービン の出力は非常に早い時点で減少されねばならない、これは一般に最近のガスター ビンの場合にはガスタービンの案内羽根の調整によって行われ、従ってガスター ビンを通る空気流量が減少される。ガスタービンの出力が減少するにつれて、ガ ス・蒸気タービン複合設備の効率は部分負荷範囲において低下する。換言すれば いずれの場合にも所望の総合効率は限られてしまう。

本発明の課題は、ガス・蒸気タービン複合設備においてすべての運転状態即ち全 負荷範囲および部分負荷範囲でもできるだけ高い総合効率を達成することにある 。

本発明によればこの課題は、茶気タービンの高圧段に対して中圧加熱装置が並列 接続して設けられ、この中圧加熱装置が燃焼ガスの流れ方向に見てボイラ内にお いて予熱装置の前に配置されていることによって解決される。これによってガス タービンからの排気ガスが多い場合に部分負荷範囲においても高い効率が達成さ れるので、ガス・蒸気タービン複合設備の高い総合効率が達成される。

本発明に基づく設備の有利な実施Ｓ様において、中圧加熱装置は、予熱装置と高 圧加熱装置と蒸気タービンの高圧段との直列回路に対して並列接続されている。

中圧加熱装置において必要な圧力を形成し維持するために、中圧加熱装置の給水 用の流入配管にポンプが設けられていると好適である。

蒸気タービンの中圧段に対してボイラから追加的な熱を得るために、蒸気タービ ンの高圧段に中間過熱装置が後置接続される。

高い蒸気圧力および高い温度で蒸発過程を実施するために、ガスタービンからの 排気ガスの少なくとも一部が燃焼設備を迂回して直接ボイラに導入されると有利 である。上述の排気ガス部分は２つの部分流に分けられる。その第１の部分流は 燃焼ガスの流れ方向に見て中間過熱装置の後ろで、第２の部分流は中間過熱装置 の前でボイラに導入される。しかし中間過熱装置が予熱段およびこれに後置接続 された最終過熱段を有し、第２の部分流を予熱段と最終過熱段との間に導入する こともできる。

これによってガスタービンの出力を低下することなしに、排気ガス内に含まれる 熱はガス・蒸気タービン複合設備の部分負荷範囲でも十分に利用でき、蒸発過程 に対して利用されるので、蒸発過程の高い効率が得られる。更に部分負荷範囲に おいて過剰なガスタービンからの排気ガスを２つの部分流に制御あるいは調整し て分けることによって、中間過熱装置に対する補助的な冷却装置は省略できる。

これはガス・蒸気タービン複合設備の総合効率に特に良好に作用する。

本発明に基づく設備の有利な実施態様においては、予熱装置が、ボイラ内に配置 された第１の熱交換器とボイラの外部に配置された第２の熱交換器とから成る並 列回路およびこの並列回路に後置接続されボイラ内に配置されたエコノマイザを 有するように形成されている。その場合、中圧加熱装置は、第１の熱交換器と第 ２の熱交換器との並列回路に後置接続されている。これは更に中圧・加熱装置の 予熱段に後置接続され、中間過熱装置の最終過熱段に前置接続される。これによ ってボイラにおける熱の特にを利な利用が達成される。

本発明に基づく設備の有利な他の実施態様においては、中圧加熱装置および高圧 加熱装置がそれぞれ予熱段とこれに後置接続された過熱段とを有するように形成 されている。

本発明によって得られる利点は特に、中圧加熱装置の利用によって（燃焼ガスの 流れ方向に見て）ボイラの中において予熱装！の前に高温燃焼ガスに対する補助 的なヒートシンクが作られることにある。これによって一方では部分負荷範囲に おいて水・蒸気回路に導入される水量を減少する場合に予熱装置の伝熱面特にエ コノマイザの伝熱面の蒸発が確実に避けられる。他方ではガスタービンからの排 気ガスの一部をボイラの一次側に導入することによって、排気ガスでボイラに導 入される熱量が蒸気発生のために補助的に利用されるので、部分負荷範囲並びに 全負荷範囲において蒸発過程の効率従ってガス・蒸気タービン複合設備の総合効 率を向上できる。かかる設備は、定格負荷運転の場合に必要な排気ガス量よりも 排気ガス量が多い市販のガスタービンで有利に運転される。

本発明を一層明らかにするために図面を参照して実施例を説明する。

第１図はガス・蒸気タービン複合設備のボイラにおける本発明に基づく中圧加熱 装置の配置構造および回路の概略系統図、第２図は第１図のボイラにおける中圧 加熱装置の変形例の概略系統図である。

第１図におけるガス・蒸気タービン複合設備はガスタービン設備１ａと蒸気ター ビン設（Ｉｌｂとを有している。ガスタービン設備１ａには、空気圧縮機３が連 結されているガスタービン２、発電機４およびガスタービン２に前置接続されて いる燃焼室５が設けられている。この燃焼室５は空気圧縮機３の新鮮空気配管６ に接続されている。

蒸気タービン設備１ｂには、発電機１１が連結されている蒸気タービン１ｏ、こ の蒸気タービン１０に後Ｗ接続されている復水器１２、この復水器１２に後置接 続されている給水タンク１３およびボイラ１４が設けられている。蒸気タービン ＩＯの水・蒸気回路は全体を符号１５で表している。

ガスタービン２の出口２ｂは排気ガス配管１６に接続されている。ガスタービン ２には排気ガス側において燃焼設備２２が後置接続されている。この実施例の場 合燃焼設備２２はボイラ１４の内部に配置されている。そのために排気ガス配管 １６に、供給配管２４〜２日を介して燃焼段［２２に開口している分岐配管２３ が接続されている。

分岐配管２３にフラップ弁２９が接続されている。燃焼設備２２は例えば、供給 配管２４〜２８によって示されているように、上下に位置する５つの平面内に全 部で２０個のバーナ（図示せず）を有しており、その場合各平面にそれぞれ４個 のバーナが付設されている。

ガスタービン２からボイラ１４に排気ガスａの部分流しを供給するために、第１ の部分流配管１７がボイラ１４の入口１４ａに接続され、第２の部分流配管１８ がボイラ１４の入口１４ｂに接続されている。排気ガス配管１６並びに部分流配 管１７．１８にそれぞれフラップ弁１９．２０．２１例えばスロットル弁あるい は他の制御機構が接続されている。そのフラップ弁１９．２０．２１は電動機（ 図示せず）によって駆動される。

ボイラ１４は予熱装置３０、中圧加熱装２３１、中間過熱装置３２および高圧加 熱装置３３を有している。

予熱装置３０はボイラ１４の内部に配置されている第１の熱交換器３４、ボイラ １４の外部で熱交換器３４に並列接続されている第２の熱交換器３５およびエコ ノマイザ３６を存している。熱交換器３４．３５はポンプ３８を有する共通の供 給配管３７を介して給水タンク１３に接続されている。熱交換器３４．３５は共 通の流出配管３９を介してエコノマイザ３６に接続されている。その流出配管３ ９は分岐管４０を介して水・蒸気タンク４３に接続されている０分岐管４０には 電動機４１で駆動される弁４２が接続されている。

水・Ｔ気タンク４３は配管４４を介して給水タンク１３に直接接続されている。

配管４４には弁４５およびポンプ４６が設けられている。弁４５は電動ｌ！４７ によって駆動される。

高圧加熱装置３３は入口側が配管５０を介してエコノマイザ３６に接続されてい る。高圧加熱装置３３はボイラ１４における外壁側に燃焼設備２２の範囲に配置 されている管装置５１を有している。この管装置５１は出口側が配管５２を介し て気水分離器５３に接続されている。更に高圧加熱装置３３は予熱段５４および これに後置接続されている過熱段５５を有している。予熱段５４は入口側が気水 分離器５３に接続されている。過熱段５５は出口側が蒸気タービン１ｏの高圧部 １０ａに接続されている。予熱装置３０と高圧加熱装置３３と蒸気タービンｌＯ の高圧部１０ａとの直列回路は高圧段５６を形成している。

中間過熱装！３２は、出口側が配管５８に接続されている予熱段５７と、入口側 が配管５日に接続されている最終過熱段５９とを有している。

中圧加熱装Ｗ３１は萎発段あるいは予熱段６ｏおよび過熱段６１を育している。

予熱段６０は入口側が循環ポンプ６２を介して水・蒸気タンク４３に接続されて いる。水・蒸気タンク４３は蒸気側が予熱段６０並びに過熱段６１に接続されて いる。過熱段６１は出口側が電動機６３で駆動される弁６４が接続されている配 管５日を介して中間過熱装置３２に接続され、中圧加熱装置ｔ３１は、エコノマ イザ３６と高圧加熱装置３３と蒸気タービンｌＯの高圧部１０ａとの直列回路に 並列接続されている。その場合中圧加熱装置３１において必要な圧力は弁４２を 介して調整される。しかし中圧加熱装置は配管４４を介して給水タンク１３に直 接接続することもできる。その場合にもこの加熱装！は高圧段５６に並列接続さ れている。この実施例の場合ポンプ４６が給水を必要な圧力にする。

蒸気タービン設ｆＩ１１０の高圧部１０ａは出口側が中間過熱装置３２の予熱段 ５７に接続されている。中間過熱装置３２の最終過熱段５９は出口側が蒸気ター ビン設備１０の中圧部１０ｂに接続されている。中圧部１０ｂは蒸気タービン設 備１０の低圧部１０ｃに接続されている。低圧部１０ｃは出口側が復水器１２に 接続されている。

ガス・蒸気タービン複合設備１を運転する際、燃焼室５は詳細に図示していない 方式で石炭にあるいは他の燃料例えば油又はガスが供給配管５ａを介して導入さ れる０石炭には燃焼室５において空気圧縮機３がらの新鮮圧縮空気ｌで燃焼する 、燃焼の際に生ずる高温燃焼ガスｇは燃焼ガス配管５ｂを介してガスタービン２ に導かれる。燃焼ガスはそこで膨張してガスタービン２を駆動する。このガスタ ービン２は更に空気圧縮機３および発電機４を駆動する。ガスタービン２から流 出する高温排気ガスａは分岐配管２３および供給配管２４〜２８を介して燃焼空 気Ｓとしてボイラ１４の燃焼設備２２に導かれる。燃焼設備２２における燃焼に 対して不要な高温排気ガスａの部分流ｔは分岐管１７．１８を介してボイラ１４ に導入される。その場合第１の部分流すは特に中間過熱装置３２の予熱段５７と 最終過熱段５９との間に導かれる。第２の部分流Ｃは分岐管１８を介して（燃焼 段［２２内で発生した燃焼ガスｒの流れ方向に見て）中間過熱装置３２の後ろで ボイラ１４に導入される０部分流すと部分流Ｃとの間の流量比はフラップ弁２０ ないし２１で調整できる。ボイラにとって必要でない高Ｉ！ｌ排気ガスａの部分 流しはフラップ弁１９を介して煙突（図示せず）の方向に排出される。

給水タンク１３からの給水はポンプ３８を介して予熱装！３０に搬送され、熱交 換器３４．３５およびエコノマイザ３６を貫流する。給水は予熱段３０において 約３３０“Ｃの温度Ｔ１に加熱される。弁４２で調整される給水の部分流量が分 岐管４０を介して水・蒸気タンク４３に流入する。熱交換器３５において給水を 加熱するために詳細に図示していない方式で蒸気タービン１０からの高温運気ｄ が配管７０を介してこの熱交換器３５に導入される。その代わりに配管４４を介 して給水を予熱装置３０を迂回して水・蒸気タンク４３に直接搬送することもで きる。

予熱装２３０内で予熱された給水は配管５０を介して高圧加熱装置３３に流入す る。その場合給水は燃焼設備２２からの高温燃焼ガスｒで加熱される管装置５１ を貫流し、加熱され、蒸発され、過熱される。燃焼設備２２からの燃焼ガスｒの 温度Ｔ２は約１１００°Ｃである。まだ湿り蒸気を含んでいる過熱済みの斑気は 配管５２を介して気水分離器５３に流れる。そこで蒸気は水と分離される。蒸気 は高圧加熱装置３３の予熱段５４および過熱段５５を介して環気タービン１０の 高圧部１０ａに流入する。水は集合容器６７とポンプ６８とを有する配管６６を 介して配管５０に給水される。高圧部１０ａの排出蒸気は約４００’Ｃの温度Ｔ ３で中間過熱装！３２の予熱段５７および最終過熱段５９を通って流れる。この 蒸気はそこで新たに加熱され、続いて蒸気タービン１ｏの中圧部１０ｂに流入す る。

中圧部１０ｂからの排出蒸気は蒸気タービン１０の低圧部１０ｃの中に流れ、そ こから配管７２を介して復水器１２に流入し、そこで復水する。復水は復水器１ ２から配管７３を介して給水タンク１３に流れる。

燃焼設備２２からの高温燃焼ガスｒの温度は中間過熱装置３２および中圧加熱装 置３１の範囲においてはまだ約４００℃である。ガスタービン２がらの高温排気 ガスａ（その温度Ｔ５は約５００℃である）を部分流配管１７．１８を介して混 合することによって、ボイラ１４の内部において中間過熱装置３２および中圧加 熱装置３１の範囲で混合温度Ｔ４が生ずる。この混合温度Ｔ４は約４５０　’Ｃ である。排気ガスａの両部分流す、ｃ並びに燃焼ガスｒはボイラ１４をその出口 １４Ｃを通って煙突（図示せず）の方向に排出する。

水・蒸気タンク４３における給水はポンプ６２を介して中圧加熱装置３１の予熱 段６０を通して搬送され、そこから水・蒸気タンク４３に戻される。その場合給 水は加熱され、蒸気として中圧加熱装置３１の過熱段６１に到達する。その蒸気 は配管５日を介して、中間過熱装置３２の予熱段５７の中で加熱された蒸気ター ビンＩＯの高圧部１０ａからの排出蒸気と一緒に中間過熱装置３２の最終過熱段 ５９の中に流れ、そこから蒸気タービン１０の中圧部１０ｂに流れる。その場合 中圧加熱装置３１から配管５８を介して流れる蒸気量は弁６４で調整できる。

全負荷運転の場合、本発明に基づいて補助的に設けられた中圧加熱装置３１と、 部分流す、ｃで補助的にボイラ１４に与えられる熱量とによって、蒸気タービン 設備１０の中圧部１０ｂの中に補助的な蒸気量が入れられる。これによってボイ ラ１４の効率は増大する。

部分負荷運転の場合、一般に燃焼設備２２に導入される単位時間当たりの燃料ｆ の量が減少する。従って燃焼設備２２に対する燃焼空気Ｓの量も減少するので、 排気ガスａの相応して増大した部分流が部分流配管１７．１８を介してボイラ１ ４に導かれる。燃焼設備２２への燃料供給の減少によって、燃料ガスｒの発生量 が減少し、対応して蒸気タービン１０の高圧部１０ａに対する発生蒸気量は減少 される。更に水・蒸気回路１５における蒸気量の減少によって、蒸気タービンｌ Ｏの中圧部１０ｂにおける温度並びに圧力が低下する。エコノマイザ３６の伝熱 面における１発を避けるために、従来においてはガスタービン２の排気ガス量あ るいは排気ガス温度を低下させ、場合によっては中間過熱装！を外部の冷却装！ で冷却しなければならなかった。これはガス・蒸気タービン複合設備ｌの総合効 率を低下するという欠点をもたらした。

従って本発明に基づいて補助的に設けられた中圧加熱装２３１によって（燃焼ガ スｒおよび排気ガスａの流れ方向に見て）エコノマイザ３６の前にヒートシンク が作られる。これによって燃焼ガスｒおよび場合によっては補助的に導入された 排気ガスａから補助的な熱が抽出されるので、エコノマイザ３６の伝熱面の蓬発 は確実に避けられる。更に中圧加熱装置３１内で補助的に発生する蒸気によって 、蒸気タービン設備１０の中圧部１０ｂを貫流する蒸気量は増大するので、過熱 装！３２は部分負荷範囲においてもガスタービン２から大量の排気ガスを部分流 配管１７を介して供給され、その場合冷却なしに運転できる。その場合過熱装置 ３２における混合温度Ｔ４が部分流す、ｃの量並びに中圧加熱装置３１からの遍 気量の制御あるいは調整によって一定に維持される。

第２図には第１図におけるボイラ１４の中圧加熱装置３１の変形例が示されてい る。その場合過熱段６１はボイラ１４の内部において予熱段６０に直接後置接続 されている。過熱段６１は出口側において水・蒸気分離器７４に接続されている 。予熱段６０において予熱され続いて過熱段６１で過熱された給水は水・蒸気分 離器７４に流れる。そこで蒸気は水と分離される。蒸気は配管５８ａを介して上 述したように中間過熱装置３２に流入する。水は配管４４ａを介して給水タンク １３に導かれる。

ＦＩＧ　２ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガスタービン（２）の排気ガス側に後置接続された燃焼設備（２２）とこの 燃焼設備（２２）からの燃焼ガス（ｒ）で貫流されるボイラ（１４）とを有し、 このボイラ（１４）が蒸気タービン（１０）の水・蒸気回路（１５）に接続され た予熱装置（３０）およびこの予熱装置（３０）に後置接続された蒸気タービン （１０）の高圧段（５６）の高圧加熱装置（３３）を有しているガス・蒸気ター ビン複合設備において、蒸気タービン（１０）の高圧段（５６）に対して中圧加 熱装置（３１）が並列接続され、この中圧加熱装置（３１）が燃焼ガス（ｒ）の 流れ方向に見てボイラ（１４）内において予熱装置（３０）の前に配置されてい ることを特徴とするガス・蒸気タービン複合設備。 ２．中圧加熱装置（３１）が、予熱装置（３０）と高圧加熱装置（３３）と蒸気 タービン（１０）の高圧部（１０ａ）との直列回路に対して並列接続されている ことを特徴とする請求の範囲１記載のガス・蒸気タービン複合設備。 ３．中圧加熱装置（３１）の給水用の流入配管（４４）にポンプ（４６）が設け られていることを特徴とする請求の範囲２記載のガス・蒸気タービン複合設備。 ４．ガスタービン（２）からの排気ガス（ａ）の少なくとも一部（ｔ）が燃焼設 備（２２）を迂回して直接ボイラ（１４）に導入されることを特徴とする請求の 範囲１ないし３のいずれか一つに記載のガス・蒸気タービン複合設備。 ５．蒸気タービン（１０）の高圧段（５６）に中間過熱装置（３２）が後置接続 されていることを特徴とする請求の範囲１ないし４のいずれか一つに記載のガス 蒸気タービン複合設備。 ６．燃焼ガス（ｒ）の流れ方向に見て中間過熱装置（３２）の後ろでガスタービ ン（２）からの排気ガス（ａ）の部分流（ｃ）がボイラ（１４）に導入されるこ とを特徴とする請求の範囲５記載のガス・蒸気タービン複合設備。 ７．燃焼ガス（ｒ）の流れ方向に見て中間過熱装置（３２）の前でガスタービン （２）からの排気ガス（ａ）の部分流（ｂ）がボイラ（１４）に導入されること を特徴とする請求の範囲５又は６記載のガス・蒸気タービン複合設備。 ８．中間過熱装置（３２）が予熱段（５７）およびこれに後置接続された最終過 熱段（５９）を有し、ガスタービン（２）からの排気ガス（ａ）の部分流（ｂ） が予熱段（５７）と最終過熱段（５９）との間からボイラ（１４）に導入される ことを特徴とする請求の範囲５又は６記載のガス・蒸気タービン複合設備。 ９．予熱装置（３０）が、ボイラ（１４）内に配置された第１の熱交換器（３４ ）とボイラ（１４）の外部に配置された第２の熱交換器（３５）とからなる並列 回路およびこの並列回路に後置接続されボイラ（１４）内に配置されたエコノマ イザ（３６）を有していることを特徴とする請求の範囲第１ないし８のいずれか 一つに記載のガス・蒸気タービン複合設備。 １０．中圧加熱装置（３１）が、第１の熱交換器（３４）と第２の熱交換器（３ ５）との並列回路に後置接続されていることを特徴とする請求の範囲９記載のガ ス・蒸気タービン複合設備。 １１．中圧加熱装置（３１）が、予熱段（６０）およびこれに後置接続された過 熱段（６１）を有していることを特徴とする請求の範囲第１ないし１０のいずれ か一つに記載のガス・蒸気タービン複合設備。 １２．高圧加熱装置（３３）が予熱段（５４）およびこれに後置接続された過熱 段（５５）を有していることを特徴とする請求の範囲１ないし１１のいずれか一 つに記載のガス・蒸気タービン複合設備。 １３．中圧加熱装置（３１）が中間過熱装置（３２）の予熱段（５７）に後置接 続され、中間過熱装置（３２）の最終過熱段（５９）に前置接続されていること を特徴とする請求の範囲５ないし１２のいずれか一つに記載のガス・蒸気タービ ン複合設備。