(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン、蒸気タービン及び熱回収蒸気発生器を含み、ガスタービン排ガスを前記熱回収蒸気発生器で用いて前記蒸気タービン用の蒸気を加熱し、ガスタービン排ガスが前記熱回収蒸気発生器の入口端部から出口端部へ流れ、前記熱回収蒸気発生器が、過熱器に蒸気を供給する様に配置された少なくとも１つの高圧蒸発器を含み、前記過熱器が、前記蒸発器に隣接したその一方の端部に設けられた最初のパス、前記熱回収蒸気発生器の入口端部に隣接したその反対側の端部に設けられた最終パス、及び前記最初のパスと前記最終パスとの間の１つ以上の中間パスを含む多数のパスを有している複合サイクル・システムにおいて、
前記過熱器の前記一方の端部と前記反対側の端部とを接続して、前記中間パスをバイパスし、これにより前記一方の端部からの一層低い温度の過熱蒸気を前記反対側の端部へ導入するようにした、ガスタービン排ガスに露出されない温度調整用導管を設けたことを特徴とする複合サイクル・システム。
【請求項２】
前記温度調整用導管中に流れ制御弁が設けられている請求項１記載の複合サイクル・システム。
【請求項３】
前記蒸気タービンの高圧部分からガスタービン冷却用蒸気を取り出して、該ガスタービン冷却用蒸気を前記ガスタービンに通して前記ガスタービンの高温部品を冷却する手段と、前記ガスタービン冷却用蒸気を前記蒸気タービンの中圧部分に戻す手段とを含んでいる請求項１記載の複合サイクル・システム。
【請求項４】
前記ガスタービン冷却用蒸気が前記蒸気タービンの中圧部分に戻される前に、前記熱回収蒸気発生器内の再熱器からの蒸気が前記ガスタービン冷却用蒸気と混合される請求項３記載の複合サイクル・システム。
【請求項５】
再熱蒸気サイクル方式の蒸気タービン−ガスタービン複合サイクル・システムにおいて、
負荷に接続された蒸気タービンと、該蒸気タービンからの排出蒸気を受取って、該排出蒸気を凝縮する復水器と、該復水器からの水を受取って、該水を前記蒸気タービンに戻す為の蒸気に変換する少なくとも１つの熱回収蒸気発生器と、排ガスの形で前記熱回収蒸気発生器に熱を供給する少なくとも１つのガスタービンとを有し、
前記少なくとも１つの熱回収蒸気発生器が、前記蒸気タービンから低温の再熱蒸気を受取る再熱器、及び前記熱回収蒸気発生器内の高圧蒸発器から高圧蒸気を受取る過熱器を含み、前記過熱器はその両端部に最初のパス及び最終パスを有していると共に、それらの間に１つ以上の中間パスを有しており、前記低温の再熱蒸気及び前記高圧蒸気は前記ガスタービンからの排ガスの流れに対して反対向きに流れ、前記過熱器の最終パスは、前記熱回収蒸気発生器内でガスタービン排ガス温度が最高である所に配置されており、更に、前記熱回収蒸気発生器の外側を伸びていて、前記過熱器の両端部を接続している温度調整用導管が設けられていることを特徴する再熱蒸気サイクル方式の蒸気タービン−ガスタービン複合サイクル・システム。
【請求項６】
前記温度調整用導管中に流れ制御弁が設けられている請求項５記載の複合サイクル・システム。
【請求項７】
前記蒸気タービンの高圧部分からガスタービン冷却用蒸気を取り出して、該ガスタービン冷却用蒸気を前記ガスタービンに通して前記ガスタービンの高温部品を冷却する手段と、前記ガスタービン冷却用蒸気を前記蒸気タービンの中圧部分に戻す手段とを含んでいる請求項５記載の複合サイクル・システム。
【請求項８】
互いに反対側にある第１及び第２の端部を有すると共に、それらの間に１つ以上の中間パスを有する過熱器、並びに少なくとも１つの蒸発器を含んでいる熱回収蒸気発生器で過熱蒸気の温度を制御する方法において、
ａ）前記少なくとも１つの蒸発器に隣接する前記過熱器の第１の端部から過熱器蒸気を抽出し、ｂ）この抽出した蒸気を前記熱回収蒸気発生器の外側に導き、ｃ）次いで、この抽出した蒸気を前記過熱器の第２の端部に再び導入する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記工程ｃ）において再び導入される蒸気の量を制御弁によって決定する工程を含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の端部での過熱蒸気が前記第１の端部での過熱蒸気より一層高温である請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願】
この出願は１９９３年１１月４日出願の米国特許出願第０８／１４５，６３３号及び１９９３年１２月３日出願の米国特許出願第０８／１６１，０７０号に関連している。
【０００２】
【技術分野】
本発明は動力発生システムに関し、特にガスタービンからの排ガスを非燃焼式（ｕｎｆｉｒｅｄ）又は燃焼式（ｆｉｒｅｄ）熱回収蒸気発生器で回収して、蒸気タービンを動作させる複合サイクルに関する。更に詳しくは、本発明は熱回収蒸気発生器における過熱蒸気の温度調整に関する。
【０００３】
【背景の従来技術】
典型的な複合サイクル動力発生システムでは、ガスタービンの高温部品の冷却及びそれに伴う蒸気サイクルは、普通は次に述べる様な形式である。
（１）空冷ガスタービン：  ガスタービンの高温部品が、ガスタービン・サイクル内の他の部品から抽出または導かれた空気によって冷却される。蒸気サイクル及びガスタービンの冷却流は一緒にならない。
【０００４】
（２）水冷ガスタービン：  ガスタービンの高温部品が液相の水で冷却される。ガスタービンの高温部品から抽出された熱が、複合サイクル蒸気ボトミング・サイクルと一緒にされる。ガスタービンの高温部分から抽出されたエネルギが蒸気サイクルの低温部分に運ばれて、水を液相に保ち、こうしてサイクルの熱効率と折り合いをつける。
【０００５】
（３）多重圧力を持つ複合サイクルに一体化された蒸気冷却ガスタービン：  このサイクルは多重圧力複合サイクルの熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）の低圧部分からの蒸気を使って、ガスタービンの高温部品を冷却し、ガスタービンから抽出されたエネルギを蒸気サイクルの低圧部分に戻す。こう云うシステムが米国特許第４，４２４，６６８号に記載されている。
【０００６】
前掲の関連する米国特許出願第０８／１６１，０７０号に記載されているような複合サイクル・システムでは、ＨＲＳＧを出る過熱蒸気温度が、過熱器の最終パスより上流側に配置された普通の蒸気温度調整器内で水のスプレーを噴射することによって制御される（そして冷却される）。典型的には、水の供給源は、ＨＲＳＧエコノマイザの上流側に配置された高圧給水ポンプである。しかし、浄化されていない水が温度調整器に導入されることが原因で、ＨＲＳＧ過熱器、並びに最終的にはガスタービン及び／又は蒸気タービン自体の汚染が起こることがあることが判った。
【０００７】
【発明の要約】
本発明の主な目的は、ＨＲＳＧの高圧（ＨＰ）蒸発器及び蒸気ドラム内で浄化された、過熱器の上流側部分からの蒸気を、下流側の場所（ここで、上流及び下流という用語は、ガスタービン排気流の方向とは逆の方向である蒸気の流れの方向に対して用い、従って下流側の場所とは、ガスタービンの排ガスが導入される場所、すなわちガスタービンの排気温度が最高であるＨＲＳＧの前方端部の場所である）で過熱器の別のパスに注入することによって、ＨＲＳＧの過熱器内の蒸気温度を制御し、これにより上に述べた汚染の問題を解決することである。この注入する回路に制御弁を用いて、温度調整用蒸気の取込みを制御し、従ってＨＲＳＧを出て行く蒸気温度を制御する。
【０００８】
更に具体的に云うと、ＨＲＳＧのＨＰ蒸発器に隣接する過熱器の一方の端部（後方端部）から蒸気を抽出し、この蒸気を過熱器の１つ以上の中間パスをバイパスさせて、過熱器の後方端部から離れていて且つＨＲＳＧのガスタービン排ガス入口端部に隣接する過熱器の前方端部へ、依然として過熱された温度であるが一層低い温度で再び導入する。このように抽出された蒸気はバイパスの際にガスタービン排ガスに露出されず、従って過熱器の前方端部に再び導入される時には一層低い温度である。
【０００９】
複合サイクルのＨＲＳＧシステムにおける複合流の温度を制御する為に低温蒸気を高温蒸気と混合することに関係する従来技術は、ＨＲＳＧガス通路の外側の導管で過熱器全体をバイパスして、蒸気ドラムから蒸気を抽出し、この蒸気を、過熱器より下流側に設けられた混合個所で、過熱器を通った蒸気と混合することであった。この方式には下記の２つの問題があった。
【００１０】
１．蒸気ドラムからの飽和蒸気の圧力が６００ｐｓｉａ（４１．３バール）より高い場合、この蒸気が制御弁を通過する時に蒸気の圧力が低下すると、蒸気の一部分が凝縮し、従って復水を除く為に連続的な排水が必要となるという問題がある。
２．ガスタービン排ガス温度が高い時、温度制御のために蒸気ドラムから大量の蒸気を混合点にバイパスして、過熱器を通る流量を減らす状況が生じ、これにより過熱器の管を冷却する蒸気が不十分になり、管の過熱及び損傷が起こるという問題がある。
【００１１】
本発明による新規な蒸気温度調整技術は、過熱器の前方端部における過熱蒸気温度を低減し、且つ（この時一層低い温度の過熱蒸気への付加的な熱の吸収により）ガスタービン排ガス温度を低減することによって、過熱器並びに再熱器（存在する場合）を制御する。
従って、広義に見ると、本発明は、ガスタービン、蒸気タービン及び熱回収蒸気発生器を含む複合サイクル・システムであって、ガスタービン排ガスを熱回収蒸気発生器で使って蒸気タービン用の蒸気を発生して加熱し、ガスタービン排ガスが熱回収蒸気発生器の入口端部から出口端部へ流れ、熱回収蒸気発生器が、過熱器に蒸気を供給する様に配置された少なくとも１つの高圧蒸発器を含み、過熱器が、蒸発器に隣接したその一方の端部に設けられた最初のパス、熱回収蒸気発生器の入口端部に隣接したその反対側の端部に設けられた最終パス、及び最初のパスと最終パスとの間の１つ以上の中間パスを含む多数のパスを有している複合サイクル・システムに関するものである。本発明では、過熱器の一方の端部と反対側の端部とを接続して、中間パスをバイパスし、これにより前記一方の端部からの一層低い温度の過熱蒸気を前記反対側の端部へ導入するようにした、ガスタービン排ガスに露出されない温度調整用導管を設ける。
【００１２】
本発明の別の一面は、負荷に接続された蒸気タービンと、該蒸気タービンからの排出蒸気を受取って凝縮する復水器と、該復水器からの水を受取って蒸気に変換し、この蒸気を蒸気タービンに戻す為の少なくとも１つの熱回収蒸気発生器と、排ガスの形で熱を熱回収蒸気発生器に供給する少なくとも１つのガスタービンとを有する蒸気タービン−ガスタービン複合サイクル・システムに対する再熱蒸気サイクル方式であって、前記少なくとも１つの熱回収蒸気発生器が、蒸気タービンから低温の再熱蒸気を受取る再熱器、及び熱回収蒸気発生器内の高圧蒸発器から高圧蒸気を受取る過熱器を含み、該過熱器が、その一方の端部に最初のパス及び反対側の端部に最終パスを含むと共に、それらの間に１つ以上の中間パスを含み、低温の再熱蒸気及び高圧蒸気がガスタービンからの排ガスに対して反対向きに流れ、過熱器の最終パスが、熱回収蒸気発生器内でのガスタービン排ガス温度が最高である場所に配置されている再熱蒸気サイクル方式に関していて、前記熱回収蒸気発生器の外側を伸びて、過熱器の両端部を接続する温度調整用導管を設ける。
【００１３】
更に別の一面では、本発明は、少なくとも１つの蒸発器、及び一方の端部と反対側の端部との間に１つ以上の中間パスを持つ過熱器を含む熱回収蒸気発生器の中の過熱蒸気の温度を制御する方法に関する。本発明の方法は、ａ）前記少なくとも１つの蒸発器に隣接した過熱器の一方の端部又は蒸気ドラムから過熱器蒸気を抽出し、ｂ）抽出した蒸気を熱回収蒸気発生器の外側に導き、ｃ）抽出した蒸気を過熱器の反対側の端部に再び導入する工程を含む。
【００１４】
ガスタービン及び蒸気タービンが独立に動作して、何れも専用の発電機を駆動するガスタービン−蒸気タービン複合サイクル・システムは、ガスタービンを高負荷で運転して高温の排ガスをＨＲＳＧに供給しながら、蒸気タービンを始動するために蒸気タービンに低温の蒸気を供給することが必要である。この条件を充たすために第２の温度調整段を設けて、蒸気ドラムから蒸気の全部又は一部分を抽出して、この抽出蒸気が、最高温度にあるガスタービン排ガスに露出される高温パスを除いて、過熱器の全部をバイパスして、高温パスより上流側で過熱器に再び導入されるようにする。高温パスに導入される低温蒸気は排ガスを十分に冷却して、蒸気の流れていない過熱器の面又は再熱器（使われている場合）の面が過熱されて損傷することがない様にする。主過熱器回路に弁を設けて、この伝熱面を通る蒸気の流れを制限し又は閉め切ることが出来る。第２の温度調整段を作動する時点は、蒸発器ドラムから抽出された飽和蒸気を、流れ制御弁によって圧力が低下した時に凝縮させるような圧力以下に蒸気圧力が下がった時である。
【００１５】
次に図面を参照して本発明を更に詳しく説明する。
【００１６】
【発明を実施する最善の態様】
図２及び３を参照すると、本発明が単一圧力又は多重圧力再熱形複合サイクル発電システム１０に用いられる。この実施例は、圧縮機１８、燃焼装置１６及びガスタービン１４で構成されたガスタービン装置１２を含む。蒸気タービン装置２０が、高圧部分２２、中圧部分２４及び１つ以上の低圧部分２６を含み、圧力の異なる所に多数の蒸気導入個所がある。低圧部分２６から復水器２８へ排気される。蒸気タービンは発電機３０を駆動する。ガスタービン１２、蒸気タービン２０及び発電機３０が１本の軸３２上に縦続的に配置されている。
【００１７】
蒸気タービン装置２０が多重圧力熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）３６に関連している。ＨＲＳＧは、低圧（ＬＰ）エコノマイザ３８、ＬＰ蒸発器４０、高圧（ＨＰ）及び中圧（ＩＰ）エコノマイザ４２、低圧過熱器４４、ＩＰ蒸発器４６、ＨＰエコノマイザ４８、随意選択のＩＰ過熱器５０、ＨＰ蒸発器５２、最初のＨＰ過熱器部分５３、少なくとも１つの中間ＨＰ過熱器部分５４、ＩＰ再熱器５６及び最終ＨＰ過熱器部分５８を含み、これらすべては、前掲の関連する米国特許出願第０８／１６１，０７０号に記載されている様に配置されている。
【００１８】
復水器２８からの復水が、復水ポンプ６２の助けを借りて、導管６０を介してＨＲＳＧ３６に供給される。この後、復水はＬＰエコノマイザ３８を通ってＬＰ蒸発器４０へ供給される。ＬＰ蒸発器４０からの蒸気が導管６４を介してＬＰ過熱器４４に供給され、その後、導管６６及び適切なＬＰ導入停止／制御弁（図に示してない）を介して、蒸気タービンの低圧部分２６に戻される。
【００１９】
給水がポンプ６８、６９の助けを借りて、導管７０、７１を介してＨＰ及びＩＰエコノマイザ４２に送られ、その後、導管７２を介して最終ＨＰエコノマイザ４８に送られる。同時に、ＩＰ蒸発器４６からの蒸気が導管７４を介して随意選択のＩＰ過熱器５０に通され、その後、導管７８、８０を介して再熱器５６の１つのパス７６を流れ、そして導管８４を介して温度調整器８２を通る。再熱器５６の２番目のパス８６を流れた後、再熱蒸気が導管８８、９０、９２（及び図面に示してない適切な停止／制御弁）を介して蒸気タービン２０のＩＰ部分２４に戻される。
【００２０】
一方、最終ＨＰエコノマイザ４８の復水が導管９４を介してＨＰ蒸発器５２へ送られる。導管９６を介してＨＰ蒸発器５２を出て行く蒸気が、過熱器部分５３、５４、５８を通り、導管９８、１００及び（必要とする場合は、図面に示していない）適切な停止／制御弁を介して、蒸気タービン２０のＨＰ部分２２に戻される。過熱器部分５８からのＨＰ蒸気の一部分は、導管１０２及びバイパス弁１０４を介して温度調整器１０６に送ることが出来、その後（典型的には始動時に）導管１０８を介して復水器２８に戻る。
【００２１】
ガスタービン２２から導管１１０を介してＨＲＳＧ３６に導入される排ガスによってＨＲＳＧ３６に熱が供給され、この排ガスは導管１１２から煙道（図に示してない）を通ってＨＲＳＧ３６を出て行く。導管１１４を介してＨＲＳＧ３６に随意選択によって燃料を加えることが出来る。
低圧冷却蒸気（これはガスタービン冷却蒸気とも呼ばれる）が蒸気タービンのＨＰ部分２２の吐出口（即ち、通常のＨＰ部分の吐出口又は排気出口）から取り出され、導管１１６、１１８を介してガスタービン１２のタービン部分１４に供給され、高温のガス通路の部品を冷却する。ガスタービン冷却動作によって加熱された冷却蒸気は、この後、導管１２０を介して蒸気タービン２０のＩＰ部分２４の入口に直接的に通されるが、好ましい実施例では、（この時加熱されている）冷却蒸気は、ＨＲＳＧ３６内の再熱器５６からの導管８８の蒸気と混合されてから、導管９２を介して蒸気タービン２０のＩＰ部分２４に導入されて更に膨張する。更に図面にはパッキン漏れ導管１２２が示されており、これによってガスタービンの回転子のパッキンからの極少量の蒸気の漏れが、蒸気タービン２０のＩＰ部分２４の排出口に戻される。
【００２２】
他の点では図２及び図３に示す通りのシステムは、前掲の関連する米国特許出願第０８／１６１，０７０号に略記載されている通りのもであり、これ以上詳しく説明する必要がない。前に述べた様に、この実施例の重要な面、即ち低圧ガスタービン冷却蒸気の構成は、冷却されるガスタービン部品を（高圧冷却蒸気を用いた時に要求される一層厚手の壁に較べて）一層薄手の壁にすることが出来る点で、こう云う部品の機械的な設計を最適にする。
【００２３】
上に述べたフローチャートは、自然循環のドラム形蒸発器を用いたサイクルを示している。こゝで説明するシステムは、貫流式蒸気発生器又は強制循環式蒸発器を用いても実施することが出来る。
前に述べた様に、蒸気の温度を制御する為に、過熱器の最初のパス５３より下流側に設けた温度調整器に導入する水のスプレイにより、過熱器５６の前方部分５８内の蒸気温度を制御するのが従来のやり方であった。これは、ガスタービンの排ガスが通常蒸気タービンの動作温度を約１００°Ｆ越えることが許されているからであり、加熱蒸気を適切な動作温度に冷却する為に水のスプレイ／温度調整器システムが使われてきた。
【００２４】
しかし、例えば（前掲の関連する米国特許出願第０８／１６１，０７０号の図４に示されている配置と同様な）給水ポンプ６８から温度調整器への水のスプレイ入力は、この水が不純物を含んでいる場合に問題であることが判った。その結果、純粋な蒸気が、従来の水のスプレイに代わる魅力的な代案であると判断された。
【００２５】
この為、本発明では、過熱器の一方の端部すなわち過熱器部分５３内のパスからの蒸気を利用して、反対側の端部の過熱器部分５８内の過熱蒸気の温度を制御（冷却）する。その為に、図示の様に導管１２６を設けて、この導管により、再熱器５６より前方にあって最終パスの所又はその近くにある過熱器部分５８の前方端部へ、過熱器部分５３の最初のパスからの過熱蒸気を導入する。この温度調整用の蒸気は、弁１２８の制御のもとに、ガスタービンの排ガスに露出しない様にＨＲＳＧの外側に取り出される。云い換えれば、導管１２６を介して抽出される過熱蒸気は、前方の過熱器部分５８内の過熱蒸気よりも一層低温である。その結果、過熱器部分５８に入る過熱蒸気は一層低温になり、過熱器部分５８で過熱蒸気に吸収される熱が一層増大することにより、ガスタービン排ガス温度を一層大幅に低減することが出来る。これによって過熱器及び再熱器５６の両方の温度制御が行われる。
【００２６】
低温の蒸気タービンを始動する為に低温蒸気を必要とするシステムに対しては、随意選択により第２の温度調整段を設ける。この第２の温度調整段では、導管１２７を介して蒸気ドラムから蒸気を抽出し、弁１２９を開くと共に、弁１２８、１３１によって流れを閉じ又は制限することにより、抽出した蒸気を過熱器１３０の高温パスに導入する。この場合、蒸気の流れの全部又は一部分が全ての過熱器部分５３、５４をバイパスする。これによって、蒸気は排ガスの流れ１１０を冷却しながら、１つの過熱器伝熱パス１３０だけを通過するので、蒸気の過熱が制限され、この為、残りの過熱器の面又は再熱器８６の面が過熱されて損傷することがない。
【００２７】
導管１２６を介して過熱器から取り出される蒸気は、高圧蒸発器５２のドラム内で実質的に浄化されており、従って従来の温度調整器に伴う汚染の問題が実質的になくなることが理解されよう。
上に述べた構成は、再熱サイクルでも、非再熱サイクルでも、任意の複合サイクル・システムに応用し得る。
【００２８】
本発明を現在最も実用的で好ましい実施例と考えられるものについて説明したが、本発明はこゝに示した実施例に制限されず、特許請求の範囲内に含まれる種々の変更並びに均等物をカバーするものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２と図３の組合せ方を示す図。
【図２】本発明による複合サイクル・システムの一部の簡略フローチャート。
【図３】本発明による複合サイクル・システムの他の部分の簡略フローチャート。
【符号の説明】
１４    ガスタービン
２０    蒸気タービン
３６    熱回収蒸気発生器
５２    高圧蒸発器
５３    最初のＨＰ過熱器部分
５４    中間ＨＰ過熱器部分
５６    再熱器
５８    最終ＨＰ過熱器部分
１１０    排ガス導管
１２６，１２７    温度調整用の導管
１２８，１２９、１３１    弁
【図１】
0003681464.tif 000002
【図２】
0003681464.tif 000003
【図３】
0003681464.tif 000004