(57)【要約】【課題】ガスタービンの高温部品を蒸気で冷却しつつも、蒸気タービンを短命化させずに、蒸気のエネルギー損失を抑える。【解決手段】ガスタービンコンバイドプラントは、ガスタービン１０と、排熱回収ボイラー１１０及び蒸気タービン１２１ｃを有する排熱回収装置１００と、を備えている。さらに、ガスタービンコンバインドプラントは、ガスタービン１０の高温部品に、蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した蒸気を冷却蒸気ＣＳとして供給する冷却蒸気ライン５１と、排熱回収装置１００の蒸気流路中で、蒸気タービン１２１ｃの翼が存在しない領域であって、蒸気タービン１２１ｃの中間段における蒸気の圧力よりも圧力が低い領域に高温部品を通過した冷却蒸気を戻す冷却蒸気回収ライン５２と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び該燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、
前記ガスタービンからの排気ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラー、及び前記排熱回収ボイラーで発生した前記蒸気で駆動する蒸気タービンを有する排熱回収装置と、
前記燃焼器と前記タービンとのうちのいずれかの部品であって前記燃焼ガスに接する高温部品に、前記蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を冷却蒸気として供給する冷却蒸気ラインと、
前記排熱回収装置の蒸気流路中で、蒸気タービンの翼が存在しない領域であって、前記中間段における前記蒸気の圧力よりも圧力が低い領域に前記高温部品を通過した前記冷却蒸気を戻す冷却蒸気回収ラインと、
を備えていることを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記蒸気タービンの前記中間段から抽気した前記冷却蒸気を前記高温部品の冷却に適切な温度の調節する温度調節器を備えている、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記温度調節器は、前記排熱回収装置中を流れる蒸気又は水を利用して、前記冷却蒸気を前記高温部品の冷却に適切な温度の調節する、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項４】
請求項３に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記温度調節器で利用する前記蒸気又は前記水の温度は、前記冷却蒸気の温度よりも低い、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記排熱回収装置は、前記排熱回収ボイラーで加熱する水を昇圧するポンプを有し、
前記温度調節器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気に前記ポンプで昇圧された水の一部を、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気中に噴霧するスプレー装置を有する、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項６】
請求項３又は４に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記温度調節器は、前記排熱回収装置中を流れる蒸気であって、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気の温度と異なる温度の蒸気と、該高温部品に供給される該冷却蒸気とを混合する混合器を有する、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記排熱回収ボイラーは、前記蒸気タービンに供給する第一蒸気を生成する第一蒸気発生部と、前記第一蒸気よりも圧力が低い第二蒸気を生成する第二蒸気発生部と、を有し、
前記混合器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気と前記第二蒸気とを混合する、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項８】
請求項２から４のいずれか一項に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記温度調節器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気と温度調節媒体とを熱交換させる熱交換器を有する、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項９】
請求項８に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記ガスタービンは、前記燃焼器に前記燃料を導く燃料ラインを有し、
前記熱交換器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気と前記燃料ラインを流れる前記燃料とを熱交換させる、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記熱交換器である第一熱交換器の他に、前記燃料ラインを流れる前記燃料と前記排熱回収装置中を流れる蒸気又は水とを熱交換させる第二熱交換器を備えている、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項１１】
請求項８に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記熱交換器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気と前記排熱回収装置中を流れる蒸気又は水とを熱交換させる
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項１２】
請求項１１に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記排熱回収ボイラーは、水を加熱する節炭器を有し、
前記熱交換器は、前記冷却蒸気と前記節炭器で加熱された水とを熱交換させる、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項１３】
請求項８から１２のいずれか一項に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記排熱回収装置中を流れる蒸気であって、前記中間段における前記蒸気よりも圧力が低い蒸気と、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気とを混合する混合器を備えている、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記排熱回収装置は、前記排熱回収ボイラーの一部として蒸気を再熱する再熱器と、前記蒸気タービンから排気された蒸気である排気蒸気を前記再熱器に戻す排気蒸気回収ラインと、を有し、
前記冷却蒸気回収ラインは、前記再熱器で再熱された蒸気中に前記高温部品を通過した前記冷却蒸気を戻す、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項１５】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のガスタービンコンバインドプラントにおいて、
前記排熱回収装置は、前記蒸気タービンである第一蒸気タービンの他に、前記排熱回収ボイラーで発生した蒸気であって該第一蒸気タービンを駆動させる前記蒸気である第一蒸気より低い圧力の第二蒸気で駆動する第二蒸気タービンと、該第二蒸気を該第二蒸気タービンに供給する第二蒸気供給ラインと、を有し、
前記冷却蒸気回収ラインは、前記第二蒸気供給ライン中に、前記高温部品を通過した前記冷却蒸気を戻す、
ことを特徴とするガスタービンコンバインドプラント。
【請求項１６】
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスで駆動するタービンとのうちのいずれかの部品であって、前記燃焼ガスに接する高温部品を冷却する高温部品の冷却方法において、
前記タービンからの排気ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラー、及び該排熱回収ボイラーで発生した前記蒸気で駆動する蒸気タービンを有する排熱回収装置の蒸気流路の一部である、前記蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を冷却蒸気として前記高温部品に供給し、
前記排熱回収装置の前記蒸気流路中で、蒸気タービンの翼が存在しない領域であって、前記前記中間段における前記蒸気の圧力よりも圧力が低い領域に前記高温部品を通過した前記冷却蒸気を戻す、
ことを特徴とする高温部品の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンと、ガスタービンから排気された排気ガスの熱を回収する排熱回収装置と、を備えているガスタービンコンバインドプラント、及びガスタービンにおける高温部品の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスにより駆動するタービンと、を有している。このガスタービンでは、高効率化を図るために、燃焼ガスの温度が次第に高まっている。このため、燃焼器やタービンを構成する部品で燃焼ガスに接する高温部品を燃焼ガスの熱から保護する必要性が生じる。
【０００３】
そこで、例えば、以下の特許文献１に記載のガスタービンコンバインドプラントでは、ガスタービンからの排気ガスの熱を利用して、排熱回収ボイラーで蒸気を発生し、この蒸気をガスタービンの動翼や静翼等の高温部品に供給して、高温部品を冷却している。このガスタービンコンバインドプラントの排熱回収装置は、前述の排熱回収ボイラーの他に、排熱回収ボイラーからの高圧蒸気で駆動する高圧蒸気タービンと、この高圧蒸気タービンから排気された蒸気が排熱回収ボイラーで再過熱された再熱蒸気で駆動する中圧蒸気タービンと、を備えている。このガスタービンプラントでは、高圧蒸気タービンに供給する高圧蒸気の一部をガスタービンの高温部品に供給し、高温部品を冷却した蒸気を再熱蒸気と共に中圧蒸気タービンに供給している。
【０００４】
また、例えば、以下の特許文献２に記載のガスタービンコンバインドプラントは、排熱回収ボイラー及び蒸気タービンを備えている。このガスタービンコンバインドプラントでは、蒸気タービンの中間段から蒸気を抽気し、この蒸気で燃焼器の高温部品を冷却してから、この蒸気を蒸気タービンの中間段であって抽気位置よりも下流の位置に戻している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１６３９６０号公報
【特許文献２】特開平５−１４１２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の技術では、蒸気タービンを駆動させる蒸気の一部を利用して、高温部品を冷却し、この高温部品を冷却した蒸気をこの蒸気タービンの排気側に戻している。蒸気タービンに供給された蒸気は、この蒸気タービンの駆動により圧力降下する。このため、蒸気タービンの上流側（蒸気供給側）と下流側（蒸気排気側）との間の圧力差は大きい。一方、高温部品に供給する蒸気の圧力は、この高温部品の下流側の圧力よりも、この高温部品を通過する際の蒸気に対する流路抵抗分の圧力だけ高ければよい。つまり、高温部品の上流側と下流側との間に、この流路抵抗分の圧力差があれば、蒸気は高温部品を通過する。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、高温部品の上流側が蒸気タービンの上流側の圧力になり、高温部品の下流側が蒸気タービンの下流側の圧力になるため、高温部品の上流側と下流側の圧力差が大きくなる。よって、特許文献１に記載の技術では、本来、蒸気タービンを駆動させる圧力を持っている蒸気を高温部材の冷却に用いることで、無駄な圧力損失が発生し、熱効率及び得られる出力が低下する、という問題点がある。
【０００８】
一方、特許文献２に記載の技術では、前述したように、蒸気タービンの中間段から蒸気を抽気し、この蒸気で燃焼器の高温部品を冷却してから、この蒸気を蒸気タービンの中間段の位置に戻しているため、蒸気の圧力損失を最小限に抑えることができる。
【０００９】
ところで、高温部品に供給された蒸気は、高温部品との熱交換で加熱されて、その温度が高まる。一方、蒸気タービン内の蒸気は、下流側に向かう過程で仕事をするため、下流側に向かうに連れてその温度が低下する。このため、特許文献２に記載の技術では、蒸気タービン内の下流側部分には、上流側の抽気位置よりも温度が低い蒸気と上流側の抽気位置よりも温度が高い蒸気とが混在し、蒸気タービン内の下流側部分を構成する部品に大きな熱応力が生じる。その上、蒸気タービン内の下流側部分は、蒸気タービンの中間段の範囲であるため、熱変形により、例えば、ここに存在する動翼と静止部であるケーシング等との間のクリアランスが部分的に狭まり、動翼と静止部とが接触して、これらが損傷する恐れもある。よって、特許文献２に記載の技術では、蒸気タービンの寿命が短くなる、という問題点がある。
【００１０】
そこで、本発明は、ガスタービンの高温部品を蒸気で冷却しつつも、蒸気タービンを短命化させずに、蒸気の圧力損失を抑え、高出力及び高効率を得ることができるガスタービンコンバインドプラント、及びガスタービンにおける高温部品の冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題点を解決するための発明に係る一態様としてのガスタービンコンバインドプラントは、
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び該燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、前記ガスタービンからの排気ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラー、及び前記排熱回収ボイラーで発生した前記蒸気で駆動する蒸気タービンを有する排熱回収装置と、前記燃焼器と前記タービンとのうちのいずれかの部品であって前記燃焼ガスに接する高温部品に、前記蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を冷却蒸気として供給する冷却蒸気ラインと、前記排熱回収装置の蒸気流路中で、蒸気タービンの翼が存在しない領域であって、前記中間段における前記蒸気の圧力よりも圧力が低い領域に前記高温部品を通過した前記冷却蒸気を戻す冷却蒸気回収ラインと、を備えていることを特徴とする。
【００１２】
当該ガスタービンコンバインドプラントでは、蒸気タービンの中間段から高温部品の冷却蒸気を抽気しているので、この蒸気タービンの上流側からの蒸気を高温部品の冷却蒸気とする場合よりも、圧力落差が小さく、蒸気の圧力損失を抑え、高出力及び高効率を得ることができる。
【００１３】
また、当該ガスタービンコンバインドプラントでは、高温部品を冷却して過熱された冷却蒸気である過熱蒸気を、排熱回収装置の蒸気流路中で、蒸気タービンの翼が存在しない領域に戻しているので、蒸気タービンの損傷等を抑えることができ、蒸気タービンの短命化を防ぐことができる。具体的に、燃焼器を冷却して過熱された蒸気を蒸気タービン内であって、この蒸気タービンの中間段の範囲に戻すと、この中間段内に温度が高い蒸気と温度が低い蒸気とが混在することになる。このため、蒸気タービン内の中間段を構成する部品に大きな熱応力が生じる。
さらに、大きな熱変形により、中間段を構成する部品のうち、動翼と静止部であるケーシング等との間のクリアランスが部分的に狭まり、動翼と静止部とが接触して、これらが損傷する恐れもある。これに対して、当該ガスタービンコンバインドプラントでは、繰り返すことになるが、高温部品を冷却して過熱された冷却蒸気を蒸気タービンの翼が存在しない蒸気流路中に戻しているので、蒸気タービンの短命化を防ぐことができると共に信頼性を高めることができる。
【００１４】
ここで、前記ガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記蒸気タービンの前記中間段から抽気した前記冷却蒸気を前記高温部品の冷却に適切な温度の調節する温度調節器を備えていてもよい。
【００１５】
当該ガスタービンコンバインドプラントでは、蒸気タービンの中間段から抽気した冷却蒸気の温度を温度調節器で調節するので、高温部品が適切な温度に冷却され、熱応力や熱変形がより低減し、高温部品の短命化を防ぐことができると共に信頼性を高めることができる。さらに、コンバインドプラントの効率面から効率よく高温部品を冷却することができる。
【００１６】
また、前記温度調節器を備えている前記ガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記温度調節器は、前記排熱回収装置中を流れる蒸気又は水を利用して、前記冷却蒸気を前記高温部品の冷却に適切な温度の調節するものであってもよい。
【００１７】
また、前記温度調節器を備えている以上のいずれかの前記ガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記温度調節器で利用する前記蒸気又は前記水の温度は、前記冷却蒸気の温度よりも低くてもよい。
【００１８】
また、前記温度調節器を備えている以上のいずれかのガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記排熱回収装置は、前記排熱回収ボイラーで加熱する水を昇圧するポンプを有し、前記温度調節器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気に前記ポンプで昇圧された水の一部を、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気中に噴霧するスプレー装置を有してもよい。
【００１９】
当該ガスタービンコンバインドプラントでは、温度調節器を備えているので、コンバインドプラントの効率面から効率よく高温部品を冷却することができる。さらに、当該コンバインドプラントでは、蒸気タービンの中間段から抽気した冷却蒸気中に水を噴霧し、これを冷却蒸気として高温部品に供給しているので、蒸気タービンの中間段から抽気する冷却蒸気の流量を抑えることができる。
【００２０】
また、前記温度調節器を備えている以上のいずれかのガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記温度調節器は、前記排熱回収装置中を流れる蒸気であって、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気の温度と異なる温度の蒸気と、該高温部品に供給される該冷却蒸気とを混合する混合器を有してもよい。
【００２１】
当該ガスタービンコンバインドプラントにおいても、スプレー装置を有するガスタービンコンバインドプラントと同様、コンバインドプラントの効率面から効率よく高温部品を冷却することができると共に、蒸気タービンの中間段から抽気する冷却蒸気の流量を抑えることができる。
【００２２】
前記混合器を有するガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記排熱回収ボイラーは、前記蒸気タービンに供給する第一蒸気を生成する第一蒸気発生部と、前記第一蒸気よりも圧力が低い第二蒸気を生成する第二蒸気発生部と、を有し、前記混合器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気と前記第二蒸気とを混合してもよい。
【００２３】
また、温度調節器を備えている以上のいずれかのガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記温度調節器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気と温度調節媒体とを熱交換させる熱交換器を有してもよい。
【００２４】
前記熱交換器を有する前記ガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記ガスタービンは、前記燃焼器に前記燃料を導く燃料ラインを有し、前記熱交換器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気と前記燃料ラインを流れる前記燃料とを熱交換させてもよい。
【００２５】
当該ガスタービンコンバインドプラントでも、コンバインドプラントの効率面から効率よく高温部品を冷却することができる。さらに、当該ガスタービンコンバインドプラントでは、高温部品との熱を冷却蒸気で回収し、この熱で燃料を予熱するので、ガスタービンコンバインドプラントの効率を高めることができる。
【００２６】
燃料と冷却蒸気とを熱交換させる熱交換器を有する前記ガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記熱交換器である第一熱交換器の他に、前記燃料ラインを流れる前記燃料と前記排熱回収装置中を流れる蒸気又は水とを熱交換させる第二熱交換器を備えてもよい。
【００２７】
当該ガスタービンコンバインドプラントでは、燃料の温度をより高くすることができるので、ガスタービンコンバインドプラントの効率をさらに高めることができる。
【００２８】
また、燃料と冷却蒸気とを熱交換させる前記熱交換器を除く熱交換器を有するガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記熱交換器は、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気と前記排熱回収装置中を流れる蒸気又は水とを熱交換させてもよい。
【００２９】
冷却蒸気と蒸気又は水と熱交換させる前記熱交換器を有するガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記排熱回収ボイラーは、水を加熱する節炭器を有し、前記熱交換器は、前記冷却蒸気と前記節炭器で加熱された水とを熱交換させてもよい。
【００３０】
また、前記熱交換器を有する、いずれかの前記ガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記排熱回収装置中を流れる蒸気であって、前記中間段における前記蒸気よりも圧力が低い蒸気と、前記高温部品に供給される前記冷却蒸気とを混合する混合器を備えてもよい。
【００３１】
当該ガスタービンコンバインドプラントでは、蒸気タービンの中間段から抽気する冷却蒸気の流量を抑えることができる。
【００３２】
また、以上のいずれかの前記ガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記排熱回収装置は、前記排熱回収ボイラーの一部として蒸気を再熱する再熱器と、前記蒸気タービンから排気された蒸気である排気蒸気を前記再熱器に戻す排気蒸気回収ラインと、を有し、
前記冷却蒸気回収ラインは、前記再熱器で再熱された蒸気中に前記高温部品を通過した前記冷却蒸気を戻してもよい。
【００３３】
また、以上のいずれかの前記ガスタービンコンバインドプラントにおいて、前記排熱回収装置は、前記蒸気タービンである第一蒸気タービンの他に、前記排熱回収ボイラーで発生した蒸気であって該第一蒸気タービンを駆動させる前記蒸気である第一蒸気より低い圧力の第二蒸気で駆動する第二蒸気タービンと、該第二蒸気を該第二蒸気タービンに供給する第二蒸気供給ラインと、を有し、前記冷却蒸気回収ラインは、前記第二蒸気供給ライン中に、前記高温部品を通過した前記冷却蒸気を戻してもよい。
【００３４】
上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての高温部品の冷却方法は、
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスで駆動するタービンとのうちのいずれかの部品であって、前記燃焼ガスに接する高温部品を冷却する高温部品の冷却方法において、前記タービンからの排気ガスの熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラー、及び該排熱回収ボイラーで発生した前記蒸気で駆動する蒸気タービンを有する排熱回収装置の蒸気流路の一部である、前記蒸気タービンの中間段から抽気した蒸気を冷却蒸気として前記高温部品に供給し、前記排熱回収装置の前記蒸気流路中で、蒸気タービンの翼が存在しない領域であって、前記前記中間段における前記蒸気の圧力よりも圧力が低い領域に前記高温部品を通過した前記冷却蒸気を戻すことを特徴とする。
【００３５】
当該高温部品の冷却方法では、以上で説明したガスタービンコンバインドプラントと同様、蒸気タービンの中間段から高温部品の冷却蒸気を抽気しているので、この蒸気タービンの上流側からの蒸気を高温部品の冷却蒸気とする場合よりも、圧力落差が小さく、蒸気の圧力損失を抑え、高出力及び高効率を得ることができる。さらに、当該高温部品の冷却方法でも、蒸気タービンの損傷等を抑えることができ、蒸気タービンの短命化を防ぐことができると共に、信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明では、ガスタービンの高温部品を蒸気で冷却しつつも、蒸気タービンの短命化を防ぎ、信頼性を高めることができると共に、蒸気の圧力損失を抑え、高出力及び高効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンコンバインドプラントの系統図である。
【図２】本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンの模式的な断面図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態における蒸気タービンの模式的な断面図である。
【図４】本発明に係る第二実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。
【図５】冷却蒸気の温度とコンバインドプラントの効率との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る第三実施形態におけるガスタービンコンバインドプラントの系統図である。
【図７】本発明に係る第四実施形態におけるガスタービンコンバインドプラントの系統図である。
【図８】本発明に係る第五実施形態におけるガスタービンコンバインドプラントの系統図である。
【図９】本発明に係る第六実施形態におけるガスタービンコンバインドプラントの系統図である。
【図１０】本発明に係る第七実施形態におけるガスタービンコンバインドプラントの系統図である。
【図１１】本発明に係る第八実施形態におけるガスタービンコンバインドプラントの系統図である。
【図１２】本発明に係る第九実施形態におけるガスタービンコンバインドプラントの系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明に係るガスタービンコンバインドプラントの各種実施形態について、図面を用いて説明する。
【００３９】
「第一実施形態」
まず、図１〜図３を参照して、本発明に係るガスタービンコンバインドプラントの第一実施形態について説明する。なお、以下では、ガスタービンコンバインドプラントを単にコンバインドプラントと言う。
【００４０】
本実施形態のコンバインドプラントは、図１に示すように、ガスタービン１０と、ガスタービン１０の駆動で発電する発電機１５と、ガスタービン１０から排気された排気ガスＥＧの熱で蒸気を発生させる排熱回収装置１００と、排熱回収装置１００を通過した排気ガスＥＧを大気に放出する煙突４０と、を備えている。
【００４１】
ガスタービン１０は、空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された空気中で燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２１と、高温高圧の燃焼ガスにより駆動するタービン３１と、を備えている。タービン３１のタービンロータと圧縮機１１の圧縮機ロータとは、同一の軸線を中心として回転するもので、相互に連結されて、ガスタービンロータを成している。このガスタービンロータには、発電機１５のロータが接続されている。
【００４２】
燃焼器２１は、図２に示すように、圧縮機１１からの空気Ａ中で燃料Ｆが燃焼し、燃焼ガスが生成される燃焼筒（又は尾筒）２３と、この燃焼筒２３内に圧縮機１１からの空気Ａ及び燃料Ｆを噴射する噴射器２２と、を有している。噴射器２２には、外部の燃料供給源からの燃料Ｆをこの噴射器２２に供給する燃料ライン２９が接続されている。また、燃焼筒２３を形成する部材には、この部材を冷却するために、蒸気が通る蒸気流路２４が形成されている。
【００４３】
タービン３１は、燃焼器２１からの燃焼ガスにより、軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ３２と、このタービンロータ３２を回転可能に覆うタービンケーシング３５と、を有している。タービンロータ３２は、軸線Ａｒと平行な軸方向に延びるロータ本体３３と、このロータ本体３３の外周に固定されている複数の動翼３４と、を有している。また、タービンケーシング３５の内周面には、複数の静翼３６が固定されている。タービンロータ３２は、前述の軸方向に並ぶ複数の動翼段を有している。各動翼段は、いずれも、軸線Ａｒを基準とした周方向に並ぶ前述の複数の動翼３４で構成されている。また、タービンケーシング３５の内周面には、軸方向に並び各動翼段の上流側の位置に静翼段が固定されている。各静翼段は、軸線Ａｒを基準とした周方向に並ぶ前述の複数の静翼３６で構成されている。タービンケーシング３５の内周面とロータ本体３３の外周面との間は、燃焼器２１からの燃焼ガスが通る燃焼ガス流路３７を成す。燃焼器２１は、タービンケーシング３５に固定されている。
【００４４】
排熱回収装置１００は、図１に示すように、タービン３１を駆動させた燃焼ガス、つまりガスタービン１０から排気された排気ガスＥＧの熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラー１１０と、排熱回収ボイラー１１０で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃと、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの駆動で発電する発電機１２２と、蒸気タービン１２１ａを駆動させた蒸気を水に戻す復水器１２３と、復水器１２３中の水を排熱回収ボイラー１１０に戻す給水ポンプ１２４と、を備えている。
【００４５】
排熱回収装置１００は、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとして、低圧蒸気タービン１２１ａ、中圧蒸気タービン１２１ｂ、高圧蒸気タービン１２１ｃを有している。また、排熱回収ボイラー１１０は、低圧蒸気ＬＳを発生する低圧蒸気発生部１１１ａと、中圧蒸気ＩＳを発生する中圧蒸気発生部１１１ｂと、高圧蒸気ＨＳを発生する高圧蒸気発生部１１１ｃと、高圧蒸気タービン１２１ｃを駆動させた蒸気を再過熱する再熱部１１５と、を有している。なお、ここでは、低圧蒸気タービン１２１ａ、中圧蒸気タービン１２１ｂ、高圧蒸気タービン１２１ｃの合計３基の蒸気タービンに対して、１基の発電機１２２を設けているが、各蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに発電機を設けてもよい。
【００４６】
低圧蒸気発生部１１１ａは、水を加熱する低圧節炭器１１２ａと、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を蒸気にする低圧蒸発器１１３ａと、低圧蒸発器１１３ａで発生した蒸気を過熱して低圧蒸気ＬＳを生成する低圧過熱器１１４ａと、を有している。
【００４７】
中圧蒸気発生部１１１ｂは、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を昇圧する中圧ポンプ１１６ｂと、この中圧ポンプ１１６ｂで昇圧された水を加熱する中圧節炭器１１２ｂと、中圧節炭器１１２ｂで加熱された水を蒸気にする中圧蒸発器１１３ｂと、中圧蒸発器１１３ｂで発生した蒸気を過熱して中圧蒸気ＩＳを生成する中圧過熱器１１４ｂと、を有している。
【００４８】
高圧蒸気発生部１１１ｃは、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を昇圧する高圧ポンプ１１６ｃと、この高圧ポンプ１１６ｃで昇圧された水を加熱する第一高圧節炭器１１２ｃと、第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水をさらに加熱する第二高圧節炭器１１２ｄと、第二高圧節炭器１１２ｄで加熱された水を蒸気にする高圧蒸発器１１３ｃと、高圧蒸発器１１３ｃで発生した蒸気を過熱する第一高圧過熱器１１４ｃと、第一高圧過熱器１１４ｃで過熱された蒸気をさらに過熱して高圧蒸気ＨＳを生成する第二高圧過熱器１１４ｄと、を有している。
【００４９】
再熱部１１５は、高圧蒸気タービン１２１ｃを駆動させた蒸気を加熱する第一再熱器１１５ａと、第一再熱器１１５ａで過熱された蒸気をさらに過熱して再熱蒸気ＲＨＳを生成する第二再熱器１１５ｂと、有している。
【００５０】
再熱部１１５、高圧蒸気発生部１１１ｃ、中圧蒸気発生部１１１ｂ、低圧蒸気発生部１１１ａのそれぞれを構成する要素は、タービン３１から煙突４０に向かう排気ガスＥＧの下流側に向かって、第二再熱器１１５ｂ及び第二高圧過熱器１１４ｄ、第一再熱器１１５ａ、第一高圧過熱器１１４ｃ、高圧蒸発器１１３ｃ、第二高圧節炭器１１２ｄ、中圧過熱器１１４ｂ及び低圧過熱器１１４ａ、中圧蒸発器１１３ｂ、第一高圧節炭器１１２ｃ及び中圧節炭器１１２ｂ、低圧蒸発器１１３ａ、低圧節炭器１１２ａの順序で並んでいる。
【００５１】
復水器１２３と低圧節炭器１１２ａとは、給水ライン１３１で接続されている。この給水ライン１３１には、前述の給水ポンプ１２４が設けられている。低圧過熱器１１４ａと低圧蒸気タービン１２１ａの蒸気入口とは、低圧過熱器１１４ａからの低圧蒸気ＬＳを低圧蒸気タービン１２１ａに送る低圧蒸気ライン１３２で接続されている。低圧蒸気タービン１２１ａの蒸気出口と復水器１２３とは、低圧蒸気タービン１２１ａを駆動させた低圧蒸気ＬＳが復水器１２３に供給されるよう互いに接続されている。第二高圧過熱器１１４ｄと高圧蒸気タービン１２１ｃの蒸気入口とは、第二高圧過熱器１１４ｄからの高圧蒸気ＨＳを高圧蒸気タービン１２１ｃに送る高圧蒸気ライン１３８で接続されている。高圧蒸気タービン１２１ｃの蒸気出口と第一再熱器１１５ａの蒸気入口とは、高圧蒸気タービン１２１ｃからの高圧蒸気ＨＳを第一再熱器１１５ａに送る高圧蒸気回収ライン（排気蒸気回収ライン）１３９で接続されている。第一再熱器１１５ａと第二再熱器１１５ｂとは、再熱器間蒸気ライン１３５で接続されている。第二再熱器１１５ｂの蒸気出口と中圧蒸気タービン１２１ｂの蒸気入口とは、第二再熱器１１５ｂで過熱された蒸気を再熱蒸気ＲＨＳとして中圧蒸気タービン１２１ｂに送る再熱蒸気ライン１３６で接続されている。中圧蒸気タービン１２１ｂの蒸気出口には、中圧蒸気回収ライン１３７が接続されている。この中圧蒸気回収ライン１３７は、低圧蒸気ライン１３２に合流している。中圧過熱器１１４ｂの蒸気出口には、中圧蒸気ライン１３３が接続されている。この中圧蒸気ライン１３３は、高圧蒸気回収ライン１３９に合流している。
【００５２】
本実施形態のコンバインドプラントは、さらに、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から蒸気を抽出し、この蒸気を冷却蒸気ＣＳとしてガスタービン１０の燃焼器２１に供給する冷却蒸気ライン５１と、燃焼器２１を冷却した冷却蒸気ＣＳを排熱回収装置１００に戻す冷却蒸気回収ライン５２と、を備えている。
【００５３】
図３に示すように、高圧蒸気タービン１２１ｃは、高圧蒸気ＨＳにより軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ１２５と、このタービンロータ１２５を回転可能に覆うタービンケーシング１２８と、を有している。タービンロータ１２５は、軸線Ａｒと平行な軸方向に延びるロータ本体１２６と、このロータ本体１２６の外周に固定されている複数の動翼１２７と、を有している。また、タービンケーシング１２８の内周面には、複数の静翼１２９が固定されている。タービンロータ１２５は、軸方向に並ぶ複数の動翼段を有している。各動翼段は、いずれも、軸線Ａｒを基準とした周方向に並ぶ前述の複数の動翼１２７で構成されている。また、タービンケーシング１２８の内周面には、軸方向に並び各動翼段の上流側の位置に静翼段が固定されている。各静翼段は、軸線Ａｒを基準とした周方向に並ぶ前述の複数の静翼１２９で構成されている。タービンケーシング１２８で、この高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段の位置、つまり、タービンケーシング１２８内で動翼１２７及び静翼１２９が存在する領域内の位置には、外部に蒸気を抽気するための抽気ポート１２８ｐが形成されている。この抽気ポート１２８ｐには、前述の冷却蒸気ライン５１の一端が接続されている。
【００５４】
この冷却蒸気ライン５１の他端は、図２に示すように、燃焼器２１の燃焼筒２３に形成されている蒸気流路２４の一端に接続されている。また、前述の冷却蒸気回収ライン５２の一端は、蒸気流路２４の他端に接続されている。この冷却蒸気回収ライン５２の他端は、図１に示すように、排熱回収装置１００における再熱部１１５の再熱器間蒸気ライン１３５に接続されている。この再熱器間蒸気ライン１３５内の圧力は、高圧蒸気タービン１２１ｃの抽気ポート１２８ｐ内の圧力よりも、蒸気が燃焼筒２３の蒸気流路２４を通過する際の圧力損失分以上低く、高圧蒸気タービン１２１ｃの蒸気出口における蒸気圧力とほぼ等しい。
【００５５】
次に、以上で説明した本実施形態のコンバインドプラントの動作について説明する。
【００５６】
ガスタービン１０の圧縮機１１は、図２に示すように、大気中の空気Ａを圧縮し、圧縮した空気Ａを燃焼器２１に供給する。また、燃焼器２１には、燃料ライン２９からの燃料Ｆも供給される。燃焼器２１の燃焼筒２３内では、圧縮された空気Ａ中で燃料Ｆが燃焼して、高温高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、燃焼筒２３からタービン３１の燃焼ガス流路３７内に送られ、このタービン３１のタービンロータ３２を回転させる。このタービンロータ３２の回転で、ガスタービン１０に接続されている発電機１５は発電する。
【００５７】
タービン３１のタービンロータ３２を回転させた燃焼ガスは、排気ガスＥＧとしてガスタービン１０から排気され、排熱回収ボイラー１１０を介して、煙突４０から大気に放出される。排熱回収装置１００は、ガスタービン１０からの排気ガスＥＧが排熱回収ボイラー１１０を通る過程で、この排気ガスＥＧに含まれている熱を回収する。
【００５８】
排熱回収ボイラー１１０中で、最も下流側（煙突４０側）の低圧節炭器１１２ａには、復水器１２３からの水が給水ライン１３１を介して供給される。低圧節炭器１１２ａは、この水を排気ガスＥＧと熱交換させて加熱する。低圧節炭器１１２ａで加熱された水の一部は、低圧蒸発器１１３ａでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、低圧過熱器１１４ａでさらに過熱されて低圧蒸気ＬＳとして、低圧蒸気ライン１３２を介して低圧蒸気タービン１２１ａに供給される。低圧蒸気タービン１２１ａを駆動させた蒸気は、復水器１２３で水に戻る。この水は、復水器１２３から給水ライン１３１を介して再び低圧節炭器１１２ａに供給される。
【００５９】
低圧節炭器１１２ａで加熱された水の他の一部は、中圧ポンプ１１６ｂで昇圧されて中圧節炭器１１２ｂに送られ、低圧節炭器１１２ａで加熱された残りの水は、高圧ポンプ１１６ｃで昇圧されて第一高圧節炭器１１２ｃに送られる。
【００６０】
第一高圧節炭器１１２ｃは、高圧ポンプ１１６ｃから送られてきた水を排気ガスＥＧと熱交換させて加熱する。第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水は、第二高圧節炭器１１２ｄでさらに過熱される。この水は、高圧蒸発器１１３ｃでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、第一高圧過熱器１１４ｃ及び第二高圧過熱器１１４ｄでさらに過熱されて高圧蒸気ＨＳとなる。この高圧蒸気ＨＳは、高圧蒸気ライン１３８を介して高圧蒸気タービン１２１ｃに供給される。
【００６１】
中圧節炭器１１２ｂは、中圧ポンプ１１６ｂから送られてきた水を排気ガスＥＧと熱交換させて加熱する。中圧節炭器１１２ｂで加熱された水は、中圧蒸発器１１３ｂでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、中圧過熱器１１４ｂでさらに過熱されて、中圧蒸気ＩＳとなる。この中圧蒸気ＩＳは、中圧蒸気ライン１３３を介して、高圧蒸気回収ライン１３９を流れる蒸気と合流し、第一再熱器１１５ａ及び第二再熱器１１５ｂで再過熱され、再熱蒸気ＲＨＳとなる。この再熱蒸気ＲＨＳは、再熱蒸気ライン１３６を介して、中圧蒸気タービン１２１ｂに供給される。
【００６２】
中圧蒸気タービン１２１ｂを駆動させた再熱蒸気ＲＨＳは、中圧蒸気回収ライン１３７及び低圧蒸気ライン１３２を介して、低圧蒸気タービン１２１ａに供給される。
【００６３】
高圧蒸気タービン１２１ｃに供給された高圧蒸気ＨＳの一部は、この高圧蒸気タービン１２１ｃの抽気ポート１２８ｐから、冷却蒸気ＣＳとして、冷却蒸気ライン５１を介して、燃焼器２１に送られる。冷却蒸気ライン５１からの冷却蒸気ＣＳは、燃焼器２１の燃焼筒２３に形成されている蒸気流路２４に流入する。冷却蒸気ＣＳは、この蒸気流路２４を通る過程で、火炎及び燃焼ガスで加熱される燃焼筒２３と熱交換し、燃焼筒２３を冷却する。一方、冷却蒸気ＣＳは、過熱されて過熱蒸気ＳＳとなる。
【００６４】
この過熱蒸気ＳＳは、冷却蒸気回収ライン５２を介して、高圧蒸気タービン１２１ｃから排気された蒸気が流れる再熱部１１５の再熱器間蒸気ライン１３５中に流れ込む。
【００６５】
以上、本実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から燃焼器２１の冷却蒸気ＣＳを抽気し、この冷却蒸気を高圧蒸気タービン１２１ｃの下流側に戻しているので、高圧蒸気タービンの蒸気入口より上流側からの蒸気で燃焼器を冷却し、この蒸気を高圧蒸気タービンの蒸気出口より下流側に戻すよりも、圧力落差が小さく、蒸気の圧力損失を抑えることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、燃焼器２１を冷却して過熱された冷却蒸気ＣＳである過熱蒸気ＳＳを蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ外に戻しているので、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの損傷等を抑えることができ、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの短命化を防ぐことができる。具体的に、燃焼器２１を冷却して過熱された過熱蒸気ＳＳを蒸気タービン内であって、この蒸気タービンの中間段の範囲に戻すと、この中間段内に温度が高い蒸気と温度が低い蒸気とが混在することになる。このため、蒸気タービン内の中間段を構成する部品に大きな熱応力が生じる。さらに、大きな熱変形が発生し、中間段を構成する部品のうち、動翼と静止部であるケーシング等との間のクリアランスが部分的に狭まり、動翼と静止部とが接触して、これらが損傷する恐れもある。これに対して、本実施形態では、繰り返すことになるが、燃焼器２１を冷却して過熱された過熱蒸気ＳＳを蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ外に戻しているので、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの短命化を防ぎ、信頼性を向上させることができる。
【００６７】
また、本実施形態では、燃焼器２１を冷却して過熱された過熱蒸気ＳＳを再熱器間蒸気ライン１３５を形成する配管内に戻している。このため、仮に、再熱器間蒸気ライン１３５を流れてきた蒸気と、燃焼器２１を冷却して過熱された過熱蒸気ＳＳとの間に温度差があっても、配管の取り回しを考慮することで、この配管に発生する熱応力を逃がすことができ、配管の熱損傷を容易に抑えることができる。また、本実施形態では、再熱器間蒸気ライン１３５では、高圧蒸気タービン１２１ｃから排気され第一再熱器１１５ａで再過熱された蒸気と、高圧蒸気タービン１２１ｃから抽気され燃焼器２１で過熱された過熱蒸気ＳＳとは、いずれも、高圧蒸気タービン１２１ｃからの蒸気を過熱したものであるため、両蒸気の温度差は小さい。このため、両蒸気が再熱器間蒸気ライン１３５中に混在しても、この再熱器間蒸気ライン１３５に大きな熱応力は生じない。よって、本実施形態では、再熱器間蒸気ライン１３５を形成する配管に生じる熱応力を最小限に抑えることができる。
【００６８】
「第二実施形態」
次に、図４及び図５を参照して、本発明に係るコンバインドプラントの第二実施形態について説明する。
【００６９】
本実施形態のコンバインドプラントも、第一実施形態のコンバインドプラントと同様、ガスタービン１０と排熱回収装置１００と冷却蒸気ライン５１と冷却蒸気回収ライン５２とを備えている。本実施形態のコンバインドプラントは、さらに、冷却蒸気ライン５１を流れる冷却蒸気に水を噴霧するスプレー装置５３と、このスプレー装置５３に水を供給するスプレー水ライン５６と、を備えている。
【００７０】
スプレー装置５３は、燃焼器２１に供給される冷却蒸気ＣＳの温度を調節する温度調節器として機能し、内部を冷却蒸気が流れる温度調節容器５４と、この温度調節容器５４内に水を噴霧するスプレー５５と、を有している。温度調節容器５４は、冷却蒸気ライン５１中に設けられている。スプレー水ライン５６の一端は、スプレー装置５３のスプレー５５に接続されている。また、このスプレー水ライン５６の他端は、排熱回収装置１００における高圧ポンプ１１６ｃの吐出口に接続されている。
【００７１】
高圧ポンプ１１６ｃの吐出口からの水の圧力は、例えば、１００００ＫＰａ程度である。一方、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気の圧力は、例えば、３０００〜５０００ＫＰａである。このため、高圧ポンプ１１６ｃからの水がスプレー５５から温度調節容器５４内に噴霧されると、減圧により気化する。そして、この気化により蒸気となった水は、温度調節容器５４内で、高圧ポンプ１１６ｃからの水よりも温度の高い冷却蒸気と混じ合う。この結果、温度調節容器５４内から流出する冷却蒸気ＣＳの温度が低下する。
【００７２】
燃焼器２１の燃焼筒２３には、この温度が低下した冷却蒸気ＣＳが供給され、この燃焼筒２３と熱交換し、燃焼筒２３を冷却する。一方、冷却蒸気ＣＳは、過熱されて過熱蒸気ＳＳとなる。この過熱蒸気ＳＳは、第一実施形態と同様に、冷却蒸気回収ライン５２を介して、再熱部１１５の再熱器間蒸気ライン１３５中に流れ込む。
【００７３】
燃焼器２１の燃焼筒２３に供給される冷却蒸気ＣＳは、燃焼筒２３の入口部分での圧力に対する飽和温度よりも高い必要がある。仮に、冷却蒸気ＣＳが飽和温度以下である場合、液滴が燃焼筒２３の蒸気流路２４に流入し、この蒸気流路２４の壁面に液滴が付着する。この結果、蒸気流路２４の壁面が局部的に急冷却され、熱応力により燃焼筒２３が損傷する可能性がある。また、液滴により蒸気流路２４内に錆が発生し、この錆により蒸気流路２４が閉塞して、燃焼筒２３を十分冷却できなくなって、燃焼筒２３が損傷する可能性もある。このため、図５に示すように、燃焼筒２３等の高温部品に供給する冷却蒸気ＣＳの温度は、飽和温度よりも高い必要がある。
【００７４】
但し、この冷却蒸気ＣＳの温度は、燃焼筒２３等の高温部品の温度より低ければ、いくら高くてもよい分けでない。冷却蒸気ＣＳの温度が燃焼筒２３等の高温部品の温度に近ければ、高温部品を十分に冷却するための冷却蒸気ＣＳの流量を多くする必要が生じ、高圧蒸気タービン１２１ｃの抽気ポート１２８ｐ（図３）よりも下流側を通過する高圧蒸気ＨＳの流量が少なくなる。この結果、高圧蒸気タービン１２１ｃの出力が低下し、コンバインドプラントの効率が低下する。
【００７５】
一方、冷却蒸気ＣＳの温度は、飽和温度より高ければ、低い方が好ましい分けでもない。冷却蒸気ＣＳの温度を冷却で低下させると、冷却に伴うエネルギー損失が発生し、コンバインドプラントの効率が低下する。
【００７６】
すなわち、コンバインドプラントの効率は、図５に示すように、冷却蒸気ＣＳの温度が飽和温度よりも高く且つ高温部品の温度よりも低い温度範囲中のある温度Ｔのときに最も高く、この温度Ｔよりも冷却蒸気ＣＳの温度が低くなっても高くなっても低下する。従って、燃焼筒２３等の高温部品に供給する冷却蒸気ＣＳの温度は、飽和温度よりも高く且つ高温部品の温度よりも低い温度範囲内であって、温度Ｔを中心として所定の範囲内の温度になるよう調節することが好ましい。なお、コンバインドプラントの効率とは、ガスタービン１０の出力と蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの出力とを合せた値を、ガスタービン１０に供給した燃料Ｆの単位時間当たり発熱量で割った値である。
【００７７】
以上、本実施形態でも、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から燃焼器２１の冷却蒸気を抽気し、この蒸気を高圧蒸気タービン１２１ｃの下流側に戻しているので、第一実施形態と同様、蒸気タービンの短命化を防ぎ、信頼性を高めつつ、蒸気の圧力損失を抑え、高出力及び高効率を得ることができる。
【００７８】
また、本実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気に水を噴霧して、燃焼器２１に供給する冷却蒸気ＣＳの温度を調節しているので、高温部品を適切な温度に冷却することができる。このため、本実施形態では、熱応力や熱変形がより低減し、高温部品の短命化を防ぐことができると共に信頼性を高めることができる。さらに、本実施形態では、コンバインドプラントの効率面から効率よく燃焼器２１を適切な温度に冷却することができる。また、本実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃから抽気した冷却蒸気のみならず、この冷却蒸気に水を混ぜて、混合後の蒸気を冷却蒸気ＣＳとして燃焼器２１に供給しているので、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気する冷却蒸気の流量を減らすことができる。このため、本実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃの抽気ポート１２８ｐ（図３）よりも下流側を通過する高圧蒸気ＨＰの流量を増やすことができ、高圧蒸気タービン１２１ｃの出力を増大させることができる。よって、本実施形態では、コンバインドプラントの効率をより高めることができる。
【００７９】
「第三実施形態」
次に、図６を参照して、本発明に係るコンバインドプラントの第三実施形態について説明する。
【００８０】
本実施形態のコンバインドプラントも、以上の各実施形態のコンバインドプラントと同様、ガスタービン１０と排熱回収装置１００と冷却蒸気ライン５１と冷却蒸気回収ライン５２とを備えている。本実施形態のコンバインドプラントは、さらに、冷却蒸気ライン５１を流れる冷却蒸気と他の蒸気を混合する混合器５８と、この混合器５８に他の蒸気を供給する混合蒸気ライン５９と、を備えている。
【００８１】
混合器５８は、燃焼器２１に供給される冷却蒸気ＣＳの温度を調節する温度調節器として機能し、冷却蒸気ライン５１中に設けられている。混合蒸気ライン５９の一端は、この混合器５８に接続されている。また、この混合蒸気ライン５９の他端は、排熱回収装置１００における中圧蒸気ライン１３３に接続されている。
【００８２】
この中圧蒸気ライン１３３中を流れる中圧蒸気ＩＳは、中圧蒸気発生部（第二蒸気発生部）１１１ｂで生成された蒸気（第二蒸気）である。この中圧蒸気ＩＳの圧力は、高圧蒸気発生部（第一蒸気発生部）１１１ｃから高圧蒸気タービン１２１ｃに供給される高圧蒸気（第一蒸気）ＨＳの圧力よりも低い。また、この中圧蒸気ＩＳの温度は、例えば、２５０〜３５０℃程度である。一方、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気の温度は、例えば、３５０〜５００℃程度である。このため、中圧蒸気ＩＳと高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気とが混合器５８内で混ざると、この混合器５８から流出する冷却蒸気ＣＳの温度は、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気よりも低くなる。
【００８３】
燃焼器２１の燃焼筒２３には、この温度が低下した冷却蒸気ＣＳが供給され、この燃焼筒２３と熱交換し、燃焼筒２３を冷却する。一方、冷却蒸気ＣＳは、過熱されて過熱蒸気ＳＳとなる。この過熱蒸気ＳＳは、以上の各実施形態と同様に、冷却蒸気回収ライン５２を介して、再熱部１１５の再熱器間蒸気ライン１３５中に流れ込む。
【００８４】
なお、本実施形態においても、第二実施形態において、図５を用いて説明したように、燃焼器２１の燃焼筒２３に供給される冷却蒸気ＣＳは、混合する中圧蒸気ＩＳの流量調節により、適切な温度にする必要がある。
【００８５】
以上、本実施形態でも、以上の各実施形態と同様、蒸気タービンの短命化を防ぎ、信頼性を高めつつ、蒸気の圧力損失を抑え、高出力及び高効率を得ることができる。
【００８６】
また、本実施形態では、第二実施形態と同様、燃焼器２１に供給する冷却蒸気ＣＳの温度を調節しているので、高温部品を適切な温度に冷却することができる。このため、本実施形態では、熱応力や熱変形がより低減し、高温部品の短命化を防ぐことができると共に信頼性を高めることができる。さらに、本実施形態でも、コンバインドプラントの効率面から効率よく燃焼器２１を冷却することができると共に、コンバインドプラントの効率を高めることができる。
【００８７】
「第四実施形態」
次に、図７を参照して、本発明に係るコンバインドプラントの第四実施形態について説明する。
【００８８】
本実施形態のコンバインドプラントも、以上の各実施形態のコンバインドプラントと同様、ガスタービン１０と排熱回収装置１００と冷却蒸気ライン５１と冷却蒸気回収ライン５２とを備えている。本実施形態のコンバインドプラントは、さらに、冷却蒸気ライン５１を流れる冷却蒸気とガスタービン１０に供給する燃料Ｆと熱交換する熱交換器６０を備えている。
【００８９】
この熱交換器６０の管内側又は管外側は、ガスタービン１０の燃焼器２１に燃料Ｆを供給する燃料ライン２９に接続されている。また、熱交換器６０の管外側又は管内側は、冷却蒸気ライン５１に接続されている。
【００９０】
ガスタービン１０の燃焼器２１に供給される燃料Ｆは、この熱交換器６０を通ることで、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気された冷却蒸気と熱交換して、加熱される。この加熱された燃料Ｆは、燃料ライン２９を介して燃焼器２１に供給される。一方、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気は、燃料Ｆとの熱交換で冷却される。冷却された冷却蒸気ＣＳは、燃焼器２１の燃焼筒２３に供給され、この燃焼筒２３と熱交換し、燃焼筒２３を冷却する。この冷却蒸気ＣＳは、過熱されて過熱蒸気ＳＳとなり、以上の各実施形態と同様に、冷却蒸気回収ライン５２を介して、再熱部１１５の再熱器間蒸気ライン１３５中に流れ込む。すなわち、この熱交換器６０は、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気の温度調節器としての機能と、燃料Ｆの予熱器としての機能とを有している。
【００９１】
なお、本実施形態においても、第二及び第三実施形態と同様、燃焼器２１の燃焼筒２３に供給される冷却蒸気ＣＳは、熱交換器６０の伝熱面積や熱交換器６０内を流れる各流体の流速等の調節により、適切な温度にする必要がある。
【００９２】
以上、本実施形態でも、以上の各実施形態と同様、蒸気タービンの短命化を防ぎ、信頼性を高めつつ、蒸気の圧力損失を抑え、高出力及び高効率を得ることができる。
【００９３】
また、本実施形態では、第二及び第三実施形態と同様、燃焼器２１に供給する冷却蒸気ＣＳの温度を調節しているので、高温部品を適切な温度に冷却することができる。このため、本実施形態では、熱応力や熱変形がより低減し、高温部品の短命化を防ぐことができると共に信頼性を高めることができる。さらに、本実施形態でも、コンバインドプラントの効率面から効率よく燃焼器２１を冷却することができると共に、コンバインドプラントの効率を高めることができる。
コンバインドプラントの効率面から効率よく燃焼器２１を冷却することができると共に、コンバインドプラントの効率を高めることができる。
【００９４】
さらに、本実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気の熱を、このコンバインドプラントのより上流側の燃料Ｆの予熱に利用しているので、この観点からもコンバインドプラントの効率を高めることができる。
【００９５】
また、本実施形態では、燃料Ｆと蒸気とを熱交換して燃料を予熱しているため、燃料Ｆの予熱にあたり、熱交換器６０の伝熱管が破損しても発火するおそれがない。
【００９６】
「第五実施形態」
次に、図８を参照して、本発明に係るコンバインドプラントの第五実施形態について説明する。
【００９７】
本実施形態のコンバインドプラントは、第四実施形態のコンバインドプラントにさらに燃料Ｆを予熱する熱交換器を追加したものである。そこで、第四実施形態における熱交換器６０を第一熱交換器６０とし、本実施形態において追加する熱交換器を第二熱交換器６１とする。
【００９８】
第一熱交換器６０及び第二熱交換器６１は、いずれも、燃料ライン２９中に設けられている。第二熱交換器６１は、第一熱交換器６０に対して、燃料Ｆの流れの上流側に配置されている。具体的に、この第二熱交換器６１の管内側又は管外側には、燃料ライン２９に接続されている。また、この第二熱交換器６１の管外側又は管内側には、中圧節炭器１１２ｂで加熱された水を第二熱交換器６１に送る中圧加熱水ライン６２が接続されている。さらに、この第二熱交換器６１の管外側又は管内側には、ここに流れ込んだ水を給水ライン１３１に戻す中圧加熱水回収ライン６３が接続されている。具体的に、中圧加熱水ライン６２は、第二熱交換器６１に接続されていると共に、中圧節炭器１１２ｂと中圧蒸発器１１３ｂとを接続するラインに接続されている。また、中圧加熱水回収ライン６３は、第二熱交換器６１に接続されていると共に、給水ライン１３１中であって給水ポンプ１２４よりも下流側の位置に接続されている。
【００９９】
本実施形態では、第四実施形態のコンバインドプラントの構成を備えているので、第四実施形態と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態では、第四実施形態のコンバインドプラントに第二熱交換器６１を追加したので、燃焼器２１に供給される燃料Ｆの温度を第四実施形態よりも高めることができる。しかも、本実施形態では、第二熱交換器６１による燃料Ｆの予熱で、このコンバインドプラントの比較的下流側の中圧節炭器１１２ｂで加熱された水を利用しているので、コンバインドプラントの効率を高めることができる。
【０１００】
「第六実施形態」
次に、図９を参照して、本発明に係るコンバインドプラントの第六実施形態について説明する。
【０１０１】
本実施形態のコンバインドプラントも、第四実施形態と同様、冷却蒸気ライン５１を流れる冷却蒸気の温度を調節する温度調節器としての熱交換器６５を備えている。但し、本実施形態の熱交換器６５は、冷却蒸気ライン５１を流れる冷却蒸気と第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水とを熱交換させる。
【０１０２】
このため、本実施形態の熱交換器６５の管内側又は管外側には、燃料ライン２９に接続されている。また、この熱交換器６５の管外側又は管内側には、第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水を熱交換器６５に送る高圧加熱水ライン６６が接続されている。さらに、この熱交換器６５の管外側又は管内側には、ここに流れ込んだ水を第二高圧節炭器１１２ｄで加熱された水中に戻す高圧加熱水回収ライン６７が接続されている。具体的に、高圧加熱水ライン６６は、熱交換器６５に接続されていると共に、第一高圧節炭器１１２ｃと第二高圧節炭器１１２ｄとを接続するラインに接続されている。また、高圧加熱水回収ライン６７は、熱交換器６５に接続されていると共に、第二高圧節炭器１１２ｄと高圧蒸発器１１３ｃとを接続するラインに接続されている。
【０１０３】
本実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃから抽気した冷却蒸気と第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水とを熱交換器６５で熱交換させる。この結果、高圧蒸気タービン１２１ｃから抽気した冷却蒸気は、冷却される。この冷却された冷却蒸気ＣＳは、燃焼器２１の燃焼筒２３に供給され、この燃焼筒２３と熱交換し、燃焼筒２３を冷却する。この冷却蒸気ＣＳは、過熱されて過熱蒸気ＳＳとなり、以上の各実施形態と同様に、冷却蒸気回収ライン５２を介して、再熱部１１５の再熱器間蒸気ライン１３５中に流れ込む。また、第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水は、高圧蒸気タービン１２１ｃから抽気した冷却蒸気との熱交換で加熱されて、高圧加熱水回収ライン６７を介して、第二高圧節炭器１１２ｄで加熱された水中に戻る。
【０１０４】
以上、本実施形態でも、第二〜第五実施形態と同様、燃焼器２１に供給する冷却蒸気ＣＳの温度を調節しているので、コンバインドプラントの効率面から効率よく燃焼器２１を冷却することができる。また、本実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃから抽気した冷却蒸気との熱交換で加熱された第一高圧節炭器１１２ｃから水は、第二高圧節炭器１１２ｄで加熱された水中に戻さるので、冷却蒸気の熱を有効利用することができる。
【０１０５】
「第七実施形態」
次に、図１０を参照して、本発明に係るコンバインドプラントの第七実施形態について説明する。
【０１０６】
本実施形態のコンバインドプラントは、第五実施形態のコンバインドプラントにさらに第一熱交換器で冷却された冷却蒸気に中圧蒸気ＩＳを混合させる混合器６８を追加したものである。
【０１０７】
混合器６８は、第一熱交換器６０と燃焼器２１との間の冷却蒸気ライン５１中に設けられている。また、この混合器６８には、中圧蒸気ライン１３３から分岐した中圧蒸気分岐ライン６９が接続されている。
【０１０８】
このため、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気された冷却蒸気は、第一熱交換器６０で燃料Ｆとの熱交換で冷却された後、混合器６８で中圧蒸気分岐ライン６９からの中圧蒸気ＩＳと混合する。第一熱交換器６０で冷却された冷却蒸気と中圧蒸気ＩＳとが混合器６８内で混ざった気体は、この混合器６８から冷却蒸気ＣＳとして、燃焼器２１に供給される。
【０１０９】
よって、本実施形態では、第一熱交換器６０と混合器６８とが冷却蒸気の温度調節器として機能する。なお、第一熱交換器６０で冷却された冷却蒸気の温度と中圧蒸気ＩＳの温度とのうち、いずれが高くてもよい。言い換えると、第一熱交換器６０で冷却された冷却蒸気が中圧蒸気ＩＳにより過熱されても、第一熱交換器６０で冷却された冷却蒸気が中圧蒸気ＩＳにより冷却されてもよい。要は、燃焼器２１に供給される冷却蒸気ＣＳの温度が、図５を用いて前述したように、コンバインドプラントの効率面から効率よく燃焼器２１を冷却することができる温度になればよい。
【０１１０】
以上、本実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃから抽気した冷却蒸気のみならず、この冷却蒸気に中圧蒸気ＩＳを混ぜて、混合後の蒸気を冷却蒸気ＣＳとして燃焼器２１に供給しているので、第二及び第三実施形態と同様、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気する冷却蒸気の流量を減らすことができる。よって、本実施形態でも、第二及び第三実施形態と同様、この高エネルギーの冷却蒸気の流量を減らすことができる。このため、本実施形態でも、高圧蒸気タービン１２１ｃの抽気ポート１２８ｐ（図３）よりも下流側を通過する高圧蒸気ＨＰの流量を増やすことができ、高圧蒸気タービン１２１ｃの出力を増大させることができる。よって、本実施形態では、コンバインドプラントの効率をより高めることができる。
【０１１１】
なお、本実施形態では、第一熱交換器６０で冷却された冷却蒸気に中圧蒸気ＩＳを混合しているが、第二実施形態にように、冷却蒸気に高圧ポンプ１１６ｃからの水を噴霧してもよい。つまり、本実施形態の混合器６８の替りに、第二実施形態のスプレー装置５３を設けてもよい。
【０１１２】
また、本実施形態は、第五実施形態の変形例であるが、熱交換器を備えている第四実施形態や第六実施形態についても、同様に混合器又はスプレー装置を設けてもよい。
【０１１３】
「第八実施形態」
次に、図１１を参照して、本発明に係るコンバインドプラントの第八実施形態について説明する。
【０１１４】
本実施形態のコンバインドプラントは、第五実施形態のコンバインドプラントの冷却蒸気回収ライン５２の接続先を変更したものである。具体的に、本実施形態のコンバインドプラントでは、一端が燃焼器２１に接続されている冷却蒸気回収ライン５２ａの他端は、再熱蒸気ライン１３６に接続されている。
【０１１５】
すなわち、本実施形態では、中圧蒸気タービン（第二蒸気タービン）１２１ｂに供給される再熱蒸気ＲＨＳ中に、燃焼器２１との熱交換で過熱された冷却蒸気、つまり過熱蒸気ＳＳを混入させている。よって、以上の各実施形態において、過熱蒸気ＳＳを再熱器間蒸気ライン１３５を流れてきた蒸気中に混入させる場合と同様、混合前の両蒸気間に温度差があっても、再熱蒸気ライン１３６を形成する配管の取り回しを考慮することで、この配管に発生する熱応力を逃がすことができ、配管の熱損傷を容易に抑えることができる。また、本実施形態では、高圧蒸気タービン（第一蒸気タービン）１２１ｃから排気され第一再熱器１１５ａ及び第二再熱器１１５ｂで再過熱された蒸気と、高圧蒸気タービン１２１ｃから抽気され燃焼器２１で過熱された過熱蒸気ＳＳとは、いずれの、高圧蒸気タービン１２１ｃからの蒸気を過熱したものであるため、両蒸気の温度差は小さい。このため、両蒸気が再熱蒸気ライン１３６中に混在しても、この再熱蒸気ライン１３６に大きな熱応力は生じない。よって、本実施形態では、再熱蒸気ライン１３６を形成する配管に生じる熱応力を最小限に抑えることができる。
【０１１６】
以上のように、燃焼器２１との熱交換で過熱された冷却蒸気、つまり過熱蒸気ＳＳを戻す領域は、排熱回収装置１００の蒸気流路中で、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの翼が存在しない領域であって、高圧蒸気タービン１２１ｃの抽気ポート１２８ｐ（図３に示す）内の圧力よりも、蒸気が燃焼筒２３の蒸気流路２４を通過する際の圧力損失分以上低い領域であれば、如何なる領域であってもよい。よって、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃのケーシング内であっても、以上の圧力条件を満たせば、動翼や静翼が存在しない入口ポートや出口ポートに過熱蒸気ＳＳを戻してもよい。但し、高圧蒸気タービン１２１ｃの抽気ポート１２８ｐ内の圧力よりも遥かに低い圧力の領域に、過熱蒸気ＳＳを戻すと、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した冷却蒸気の圧力損失が大きくなる。このため、過熱蒸気ＳＳを戻す領域は、排熱回収装置１００の蒸気流路中で、以上の圧力条件を満たしつつも、できる限り圧力の高い領域であることが好ましい。
【０１１７】
また、過熱蒸気ＳＳを戻す領域は、熱応力の発生を抑えるという観点から、排熱回収装置１００の蒸気流路中で、この過熱蒸気ＳＳの温度に近い温度の蒸気が流れている領域であることが好ましい。
【０１１８】
なお、本実施形態は、第五実施形態の変形例であるが、第一〜第四、第六、第七実施形態においても、同様に過熱蒸気ＳＳを再熱蒸気ＲＨＳ中に戻してもよい。
【０１１９】
「第九実施形態」
次に、図１２を参照して、本発明に係るコンバインドプラントの第九実施形態について説明する。
【０１２０】
本実施形態のコンバインドプラントは、第五実施形態のコンバインドプラントの冷却蒸気ライン５１の接続先を変更したものである。具体的に、本実施形態のコンバインドプラントでは、第一熱交換器で冷却された冷却蒸気ＣＳが流れる冷却蒸気ライン５１ｂをガスタービン１０のタービン３１に接続したものである。
【０１２１】
ガスタービン１０は、図２を用いて前述したように、高温の燃焼ガスに接する高温部品として、燃焼器２１の燃焼筒２３の他に、タービン３１の動翼３４、静翼３６、さらにタービン３１のタービンケーシング３５の内周面のうちで動翼３４に対向する部分を構成する分割環等がある。本実施形態では、タービン３１の動翼３４又は静翼３６等の高温部品に蒸気流路３９を形成し、この蒸気流路３９の一端に冷却蒸気ライン５１ｂを接続している。この蒸気流路３９の他端には、冷却蒸気回収ライン５２ｂの一端が接続され、この冷却蒸気回収ライン５２ｂの他端は、再熱器間蒸気ライン１３５、又は再熱蒸気ライン１３６等に接続されている。
【０１２２】
以上のように、冷却蒸気による冷却対象は、燃焼器２１の燃焼筒２３に限定されず、タービン３１の動翼３４や静翼３６等、燃焼ガスが接する高温部品であれば如何なる部品であってもよい。
【０１２３】
「その他の変形例」
第二実施形態のスプレー装置５３、第三実施形態の混合器５８、第四、第五、第七〜第九実施形態の第一熱交換器６０、第六実施形態の熱交換器６５は、冷却蒸気の温度調節器として、いずれも、冷却蒸気を冷却している。しかしながら、図５を用いて前述したように、高温部品に供給する冷却蒸気は、飽和温度より高い必要があるため、蒸気タービンの中間段から抽気した冷却蒸気が飽和蒸気に近い温度である場合には、以上の温度調節器で冷却蒸気を過熱することになる。
【０１２４】
また、以上の実施形態では、高圧蒸気タービン１２１ｃの中間段から抽気した蒸気を高温部品の冷却に用いているが、他の蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂの中間段から抽気した蒸気を高温部品の冷却に用いてもよい。また、以上の実施形態の排熱回収装置１００は、低圧蒸気タービン１２１ａ、中圧蒸気タービン１２１ｂ、高圧蒸気タービン１２１ｃの３基の蒸気タービンを備えているが、蒸気タービンが１基又は２基の場合でも、以上の実施形態で示した高温部品の冷却構造を適宜採用することができる。また、以上の各実施形態では、排熱回収ボイラーが三圧であるが、単圧、複圧、四圧等とすることもできる。また、以上の各実施形態の排熱回収装置は再熱サイクルであるが、非再熱サイクルとすることもできる。また、排熱回収ボイラー１１０内の各節炭器、蒸気発生部、過熱器、再熱器等の配置は適宜変更することができる。以上のように本発明の趣旨に反しない限り、多様な構成とすることが可能である。
【符号の説明】
【０１２５】
１０：ガスタービン、１１：圧縮機、２１：燃焼器、２２：噴射器、２３：燃焼筒、２４，３９：蒸気流路、２９：燃料ライン、３１：タービン、３２：タービンロータ、３３：動翼、３５：ケーシング、３６：静翼、４０：煙突、５１，５１ｂ：冷却蒸気ライン、５２，５２ａ，５２ｂ：冷却蒸気回収ライン、５３：スプレー装置、５６：スプレー水ライン、５８，６８：混合器、６０：熱交換器（第一熱交換器）、６１：第二熱交換器、６２：中圧加熱水ライン、６３：中圧加熱水回収ライン、６５：熱交換器、６６：高圧加熱水ライン、６７：高圧加熱水回収ライン、６９：中圧蒸気分岐ライン、１００：排熱回収装置、１１０：排熱回収ボイラー、１１１ａ：低圧蒸気発生部、１１１ｂ：中圧蒸気発生部、１１１ｃ：高圧蒸気発生部、１２１ａ：低圧蒸気タービン、１２１ｂ：中圧蒸気タービン、１２１ｃ：高圧蒸気タービン（又は、単に蒸気タービン）、１２３：復水器、１２８ｐ：抽気ポート、１３１：給水ライン、１３３：中圧蒸気ライン、１３５：再熱器間蒸気ライン、１３６：再熱蒸気ライン、１３９：高圧蒸気回収ライン（排気蒸気回収ライン）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014181651.tif 000009
【図８】
2014181651.tif 000010
【図９】
2014181651.tif 000011
【図１０】
2014181651.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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