WO1999040306A1 - Turbine a gaz refroidie a la vapeur - Google Patents

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Kazuo Uematsu
Hideaki Sugishita
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Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F02C7/18—Cooling of plants characterised by cooling medium the medium being gaseous, e.g. air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine for steam-cooling a combustor wall surface, a moving blade, and a stationary blade.
  • FIG. 2 is a schematic system diagram of a gas turbine and a potting cycle in a conventional combined cycle plant.
  • the high-temperature moving blades and the stationary blades of the gas turbine 1 are cooled by the bleed air 3 of the compressor 2, and the steam of the potting cycle 11 is unrelated to the gas turbine 1.
  • the entire exhaust gas from the high-pressure turbine 4 in the potting cycle 11 enters the exhaust gas boiler 10 in the exhaust gas boiler 10, is heated to an appropriate temperature, and is then sent to the medium-pressure turbine 6. High efficiency is achieved in the system.
  • the potting cycle 11 enclosed by a dashed line includes a low-pressure turbine 7, a condenser 8, a water supply pump 9, and the like, in addition to the above-described equipment.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned object, and a path for branching off a cooling steam supply line or a recovery line that forms a path for steam-cooling a moving blade or a stationary blade, and for steam-cooling a combustor wall surface.
  • a steam-cooled gas turbine equipped with a cooling blade and make use of the fact that the cooling steam flow rate of the blade cooling system is sufficiently large, and not only use this cooling steam to cool the moving blades or stationary blades, but also It is branched off from the supply line or recovery line and is also used for cooling the wall of the combustor.
  • the present invention provides a heat exchanger for recovering heat from the cooling steam supplied to the same path, upstream of the cooling section in the path for steam cooling the rotor blades and the path for steam cooling the combustor wall.
  • a steam cooling gas evening bin cooling the combustor wall depends on the design, but the temperature rise is usually large, and evening bin cooling may require a reduction in the rotor system temperature.
  • the cooling of the rotor blade and combustor wall is performed by passing the cooling steam before reaching the cooling section through a heat exchanger that recovers heat from the cooling steam, such as a fuel heater. The aim is to reduce the temperature of the steam.
  • route which vapor-cooled the combustor wall surface was provided from the cooling steam supply line or the recovery line which forms the path
  • the steam cooling of the rotor blades, stator blades, and the combustor wall is standardized at all times during startup, operation on the potting side, and during shutdown, simplifying the system and providing sufficient cooling steam. As a result, stable operation can be achieved.
  • a heat exchanger for recovering heat from the cooling steam supplied to the same path is provided upstream of the cooling section in the path for steam cooling the rotor blades and the path for steam cooling the combustor wall.
  • the heat recovery from the cooling steam can be further performed and effectively used for, for example, fuel heating, and the overall thermal efficiency can be further improved.
  • FIG. 1 is a system diagram of steam cooling according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a system diagram of conventional air cooling. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. Fig. 1 is a system diagram of steam cooling of the combustor and the moving blades and the stationary blades.
  • 21 is a high-pressure turbine
  • 22 is a medium-pressure turbine
  • 23 is a low-pressure turbine, which is mechanically connected to each other (not shown) to drive a generator.
  • Reference numeral 31 denotes an exhaust gas poiler, which includes a reheater 32 together with a plurality of evaporators, superheaters, etc., not shown.
  • Reference numeral 41 is a gas turbine
  • 42 is a combustor
  • 43 is a compressor, which together constitute a gas turbine device.
  • Reference numeral 51 denotes one exhaust line from the high-pressure evening bin 21, which communicates with the reheater 32.
  • Reference numeral 52 denotes another exhaust line that branches out of the high-pressure turbine 21 and communicates with the above gas bin 41 and the like.
  • the other exhaust line 52 becomes a cooling steam line 53 and another cooling steam line 54 that branch off on the way and lead to the stationary blade portion of the gas bin 41, and the other cooling steam line 5
  • the cooling steam line 4 further branches into a cooling steam line 55 leading to the rotor blade portion of the gas turbine 41 and a cooling steam line 56 leading to the wall of the combustor.
  • Each of the cooling steam lines 53, 55, and 56 passes through the cooling section and is given heat, and is collected in a recovery line 57 and communicates with the reheater 32.
  • Reference numeral 58 denotes a fuel heating device, which is disposed upstream of the cooling steam line 55 leading to the rotor blades and the cooling steam line 56 leading to the combustor wall, and heats the fuel by inducing heat of the cooling steam passing therethrough. This is a heat exchanger that cools the cooling steam.
  • 59 is an auxiliary steam supply line communicating from the auxiliary poiler 59a to the exhaust line 52
  • 60 is a purge air 60a supply line communicating from the external air source to the exhaust line 52
  • 61 is a recovery line 5 This is a purge line that leads from 7 to the air line 62 of the exhaust gas boiler 31.
  • the main exhaust stream of the high-pressure evening bin 21 is branched from the exhaust line 51 that goes to the reheater 32, and the moving blades and static It is supplied to the other exhaust line 52 as cooling steam for the blades.
  • the exhaust line 52 branches off on the way, and the cooling steam line 53 for the stator vanes is designed to use the exhaust of the high-pressure turbine 21 as it is for cooling the stator vanes. 4 heats the fuel with the retained heat of the cooling steam in the fuel heating device 5 8 After lowering the temperature, it communicates with the cooling steam line 55 on the rotor blades and the cooling steam line 56 on the combustor wall to cool each cooling section.
  • the cooling steam that has cooled the rotor blades, the stationary blades, and the combustor wall in this way is collected in the recovery line 57 and returned to the intermediate position of the reheater 32 as the recovered steam.
  • the location where this recovered steam enters the reheater 32 is determined by the relationship with the pressure and temperature of the high-pressure turbine exhaust entering the reheater 32 from the exhaust line 51 described above. Considering the presence of pressure loss as steam in the cooling parts such as the moving blades, stationary blades, and the combustor wall, it is common that they merge at an intermediate position of the reheater 32, but the exhaust line 51, etc. Depending on the design conditions and the like of the reheater 32, it is naturally possible to join at the inlet side of the reheater 32.
  • the cooling steam lines 53, 55, and 56 have a gas turbine as long as the steam on the potting side at the time of startup does not reach the conditions sufficient for startup due to its flow rate, pressure, temperature, etc.
  • Appropriate steam is supplied from the auxiliary boiler via the supply line 50 so as to prevent combustion gas, etc. from entering the steam cooling passage in the rotor blade, stator blade, or low temperature section, which is a high temperature part of the gas turbine. I have.
  • cooling steam of the cooling steam line 55 leading to the rotor blade section and the cooling steam of the cooling steam line 56 leading to the combustor wall were exchanged by the fuel heating device 58.
  • the device 58 may be separately arranged in each of the cooling steam lines 55, 56 described above.
  • cooling steam line 56 for cooling the combustor wall described above is described as being branched from the cooling steam line 55 for cooling the gas turbine blades, but this is a cooling steam line for cooling the gas turbine stationary blades. It is also possible to branch off from the cooling steam recovery line after cooling, instead of from the cooling steam lines 53 and 55 that are on the cooling steam supply side. is there.

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Description

明細書 蒸気冷却ガスタービン 技術分野
本発明は燃焼器壁面及び動翼、 静翼を蒸気冷却するガスタービンに関する。 背景技術
図 2に基づいて従来の技術について説明する。 図 2は従来のコンバインドサイ クルプラントに於けるガスタービン及びポトミングサイクルの概略系統図である。 ガスタービン 1の高温動翼及び静翼は、 圧縮機 2の抽気空気 3により冷却され ており、 ポトミングサイクル 1 1の蒸気は、 ガスタービン 1とは無縁の存在であ る。
即ち、 ポトミングサイクル 1 1の高圧タービン 4の排気は、 全量が排ガスボイ ラ 1 0中のリヒ一夕 5に入り、 適切な温度に昇温された後中圧タービン 6に送気 される系統システムで高効率化が図られている。
なお一点破線で囲ったポトミングサイクル 1 1内には上記した機器の他、 低圧 タービン 7、 復水器 8、 給水ポンプ 9等が含まれている。
従来、 実用に供されているコンバインドサイクルプラントの概要は上記した通 りであるが、 昨今、 効率、 出力等の向上を狙いとして、 ポトミングサイクル側か ら供給される蒸気によつて動翼及び静翼を冷却し、 この蒸気を回収して再びポト ミング側に戻す蒸気冷却ガス夕一ビンが提案されるに至っている。
しかし、 そのような蒸気冷却ガスタービンにおいては、 本来ボトミング内を流 れていた蒸気のかなりの量がガスタービンへ流れることになるため、 同ガス夕一 ビンとポトミングサイクルとの間は、 互に大きく影響し合うこととなる。 発明の開示
本発明はこのような相互影響のうち、 悪いものの発生を抑え、 互いのシステム を最適条件によって起動し、 運転し、 停止しうるようにしたものを提供すること を目的とするものである。
本発明は、 上記した目的を解決するべくなされたもので、 動翼または静翼を蒸 気冷却する径路を形成する冷却蒸気供給ラインまたは回収ラインから分岐して、 燃焼器壁面を蒸気冷却する径路を設けた蒸気冷却ガスタービンを提供し、 翼冷却 系統の冷却蒸気流量が充分多いことを利用し、 この冷却蒸気を動翼または静翼の 冷却に供するだけではなく、 同動翼または静翼の供給ラインまたは回収ラインか ら分岐させて燃焼器の壁面冷却にも供するようにしたものである。
また、 本発明は、 上記動翼を蒸気冷却する径路と燃焼器壁面を蒸気冷却する径 路に於ける冷却部の上流に、 同径路に供給される冷却蒸気から熱回収する熱交換 器を設けた蒸気冷却ガス夕一ビンを提供し、 燃焼器壁面の冷却は設計いかんにも よるが通常温度上昇が大きいこと、 及び夕一ビン動翼冷却はロータ系の温度低減 の必要を伴う場合があること等を考慮して、 動翼及び燃焼器壁面冷却については 冷却部に至る前の冷却蒸気を、 燃料加熱装置等のように冷却蒸気から熱回収する 熱交換器を経由させることにより、 同冷却蒸気の温度低減を図るようにしたもの である。
本発明の蒸気冷却ガス夕一ビンによれば、 動翼または静翼を蒸気冷却する径路 を形成する冷却蒸気供給ラインまたは回収ラインから分岐して、 燃焼器壁面を蒸 気冷却する径路を設けたことにより、 動翼、 静翼、 そして燃焼器壁面の蒸気冷却 が起動時、 ポトミング側稼動時、 そして停止時の全てに亘つて共通化され、 シス テムがシンプルとなり、 かつ、 充分存在する冷却蒸気により、 操業の安定化を達 成することができる。
また、 特に、 上記動翼を蒸気冷却する径路と燃焼器壁面を蒸気冷却する径路に 於ける冷却部の上流に、 同径路に供給される冷却蒸気から熱回収する熱交換器を 設けたものにあっては、 冷却蒸気から更に熱回収を行い、 例えば燃料加熱等に有 効に活用し、 全体の熱効率を一段と向上することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の一形態に係る蒸気冷却の系統図である。
図 2は、 従来の空気冷却の系統図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を実施するための一形態を図 1に基づいて説明する。 図 1は、 燃 焼器、 および動翼、 静翼の蒸気冷却の系統図である。
2 1は高圧タービン、 2 2は中圧夕一ビン、 2 3は低圧タービンで、 図示省略 しているが互に機械的に連結され、 発電機を駆動する。 3 1は排ガスポイラで、 図示省略の複数の蒸発器、 過熱器等と共に再熱器 3 2を内蔵している。
4 1はガスタービン、 4 2は燃焼器、 4 3は圧縮機で、 併せてガスタービン装 置を構成している。 5 1は上記高圧夕一ビン 2 1から出た一方の排気ラインで、 上記再熱器 3 2へ連通している。 5 2は同高圧タービン 2 1から出て分岐した他 方の排気ラインで、 上記ガス夕一ビン 4 1等へ連通している。
即ち、 同他方の排気ライン 5 2は、 途中で分岐してガス夕一ビン 4 1の静翼部 へ通じる冷却蒸気ライン 5 3と他の冷却蒸気ライン 5 4となり、 同他の冷却蒸気 ライン 5 4は更に分岐してガスタービン 4 1の動翼部へ通じる冷却蒸気ライン 5 5と燃焼器壁面へ通じる冷却蒸気ライン 5 6となる。
各冷却蒸気ライン 5 3， 5 5， 5 6は夫々冷却部を通過して熱を与えられ、 回 収ライン 5 7にまとめられて再熱器 3 2の途中に連通している。
5 8は燃料加熱装置で、 動翼へ至る冷却蒸気ライン 5 5と燃焼器壁面へ至る冷 却蒸気ライン 5 6の上流側に配置され、 ここを通る冷却蒸気の熱を奮って燃料を 加熱し、 同冷却蒸気を冷却する熱交換器である。
5 9は補助ポイラ 5 9 aから排気ライン 5 2へ連通した補助蒸気の供給ライン、 6 0は外部空気源から排気ライン 5 2へ連通したパージエア 6 0 aの供給ライン、 6 1は回収ライン 5 7から排ガスポイラ 3 1のお気ライン 6 2へ通じるパージラ インである。
本実施の形態は上記のように構成されているので、 高圧夕一ビン 2 1の排気主 流を再熱器 3 2へ行く排気ライン 5 1から分岐してガスタービン 4 1の動翼、 静 翼等の冷却蒸気として他方の排気ライン 5 2へ供給する。
排気ライン 5 2は途中で分岐し、 静翼の冷却蒸気ライン 5 3は高圧タービン 2 1の排気をそのまま静翼の冷却に充当するようになっているが、 分岐した他の冷 却蒸気ライン 5 4は燃料加熱装置 5 8において冷却蒸気の保有熱で燃料を加熱し て自身は温度を下げた後、 動翼の冷却蒸気ライン 5 5及び燃焼器壁面の冷却蒸気 ライン 5 6へ連通し、 夫々の冷却部を冷却する。
このようにして動翼、 静翼及び燃焼器壁面を冷却した冷却蒸気は回収ライン 5 7に集められ、 回収蒸気として再熱器 3 2の中間位置に戻している。 この回収蒸 気が再熱器 3 2に入る位置は、 上記した排気ライン 5 1から同再熱器 3 2に入る 高圧タービン排気の圧力及び温度等との関連によって決められるものであり、 冷 却蒸気として動翼、 静翼及び燃焼器壁面等の冷却部内で生じた圧力損失の存在を、 考慮すると再熱器 3 2の中間位置で合流するのが普通であるが、 上記排気ライン 5 1等の設計条件等によっては、 再熱器 3 2の入口側で合流する場合も当然あり 得る。
なお、 上記各冷却蒸気ライン 5 3 , 5 5 , 5 6には、 起動の際にポトミング側 の蒸気がその流量、 圧力、 温度状態等で起動に十分な条件に達していない間は、 ガスタービン燃焼ガス等がガスタービンの高温部である動翼、 静翼またはロー夕 内の蒸気冷却通路に侵入するのを防止するように補助ボイラから適切な蒸気が供 給ライン 5 0を経て供給されている。
又起動前には各蒸気冷却通路内には空気があり、 補助ポイラの蒸気が注入され ると蒸気に空気が混入するので、 この蒸気がポ卜ミング側に流入するのを防止す るためパージライン 6 0が設けられていて、 パージされた空気はパージライン 6 1を通って排ガスポイラ 3 1の排気ライン 6 2に排出される。
なお、 ここでは動翼部へ通じる冷却蒸気ライン 5 5と燃焼器壁面へ通じる冷却 蒸気ライン 5 6の冷却蒸気を併せて燃料加熱装置 5 8で熱交換する例について説 明したが、 この燃料加熱装置 5 8は上記各冷却蒸気ライン 5 5， 5 6に夫々分か れて配置されてもよい。
また、 上記した燃焼器壁面を冷却する冷却蒸気ライン 5 6は、 ガスタービン動 翼を冷却する冷却蒸気ライン 5 5と分岐するものとして説明したが、 これはガス タービン静翼を冷却する冷却蒸気ライン 5 3から分岐することも可能であり、 更 に冷却蒸気の供給側に当る各冷却蒸気ライン 5 3， 5 5ではなく、 冷却部を冷却 後の冷却蒸気回収ラインから分岐させることもできるものである。
以上、 本発明を図示の実施の形態について説明したが、 本発明はかかる実施の 形態に限定されず、 本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよい ことはいうまでもない。

Claims

請求の範囲
1 . 動翼または静翼を蒸気冷却する径路を形成する冷却蒸気供給ラインまたは 回収ラインから分岐して、 燃焼器壁面を蒸気冷却する径路を設けた蒸気冷却ガス タービン。
2 . 前記動翼を蒸気冷却する径路と燃焼器壁面を蒸気冷却する径路に於ける冷 却部の上流に、 同径路に供給される冷却蒸気から熱回収する熱交換器を設けた請 求項 1に記載の蒸気冷却ガスタービン。
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