(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンと同ガスタービンの排気を熱源とする排熱回収ボイラとの組合せを複数列設け、各排熱回収ボイラの発生蒸気を集合して単一の蒸気タービンに供給する多軸コンバインドサイクル発電プラントにおいて、高圧蒸気タービン排気を冷却蒸気として各ガスタービンの高温部に供給する冷却蒸気供給経路に減温装置を配設し、同減温装置に中圧節炭器または高圧節炭器の少なくとも何れか一方から高圧水を供給して前記冷却蒸気の温度を低下させたことを特徴とする多軸コンバインドサイクル発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数のガスタービンと排熱回収ボイラの組合せに対して単一の蒸気タービンを当てて構成した多軸コンバインドサイクル発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントを組み合わせた発電システムであり、熱エネルギーの高温域をガスタービンで、また、低温域を蒸気タービンでそれぞれ分担して受持ち、熱エネルギーを有効に回収し、利用するようにしたものであり、近年特に脚光を浴びている発電システムである。
【０００３】
このコンバインドサイクル発電プラントでは、効率向上のための一つのポイントを、ガスタービンの高温化に置いて研究開発が進められてきた。
【０００４】
一方、高温化の達成には、タービン構造体の耐熱性の面から冷却システムを追求する必要があり、この分野でも種々の試行錯誤が行われており、冷却媒体として旧来の圧縮空気の利用から脱して、蒸気を用いて蒸気冷却を行う形態へと進展してきている。
【０００５】
一例として挙げれば、特開平０５−１６３９６０号公報のものがあるが、ここに記載されたものは、ガスタービンの冷却媒体として蒸気を採用するという概念の開示はともかくとして、その冷却蒸気は排熱回収ボイラの中圧蒸気を用いるものであり、蒸気のトータル分量が十分ではなく、安定した確実な冷却を確保するには必ずしも十分とは言い難いものであった。
【０００６】
従って、昨今では、これから更に一歩進んで、前記冷却蒸気として、分量的に十分であり、安定した冷却を実施できる点に着目して、高圧タービンの排気を前記冷却蒸気として用いるものが検討されるに至っている。
【０００７】
また一方、コンバインドサイクル発電プラントそのものについてみれば、ガスタービンと排熱回収ボイラと蒸気タービンを全て１対１の関係で配列した単軸形式のものから、ガスタービンと排熱回収ボイラとの組合せを複数系列設け、これらを併せて１基の蒸気タービンと組合せる多軸形式のものまで考案され、これら単軸、多軸の何れを問わずに冷却媒体として冷却蒸気の採用が検討されている状況にある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように従来の蒸気冷却方式は、冷却媒体として排熱回収ボイラの中圧蒸気を使用することから脱皮して、蒸気タービンの高圧排気の使用へと進展することによりその実用性を一段と高めたが、高圧排気はその温度も高いことから被冷却部に当たるガスタービンの高温部は、この高温に耐えられる材料を選択して作らなければならない。
【０００９】
しかし、高温に耐え得る材料はその特性を厳しく要求されること等から、自ずと高価なものとなり、なかでもタービンディスク等に至っては、コストダウン等の要求も有って、適切な素材の入手に苦慮するという設計製作上も厳しい問題があるのが実態である。
【００１０】
しかも、ガスタービンと排熱回収ボイラと蒸気タービンとをそれぞれ１対１の関係で組み合わせたいわゆる単軸型のコンバインドサイクル発電プラントはともかく、ガスタービンと排熱回収ボイラとを一つの単位として１セットとし、複数のセットにおける各排熱回収ボイラで発生する蒸気を集合して蒸気タービンに供給するようにしたいわゆる多軸型のコンバインドサイクル発電プラントにおいては、多セットのガスタービンがアンバランスな出力で運転された場合には、蒸気タービンへの供給蒸気量の減少等に起因して、高圧タービン排気である冷却蒸気温度が異常に高温となるケースも発生し、燃焼器や翼の耐熱強度もさることながら、ディスクの耐熱強度が非常に問題となる。
【００１１】
本発明はこのような状況に鑑み、特に多軸型のものに適用して好ましい結果の得られるようにし、蒸気冷却の機能の安定性を何ら損ずることなく、冷却媒体として用いる冷却蒸気の温度を適切に調整して、入手性の良い素材を使用してガスタービンを製作し得るコンバインドサイクル発電プラントを提供することを課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を解決すべくなされたもので、ガスタービンと同ガスタービンの排気を熱源とする排熱回収ボイラとの組合せを複数列設け、各排熱回収ボイラの発生蒸気を集合して単一の蒸気タービンに供給する多軸コンバインドサイクル発電プラントにおいて、高圧蒸気タービン排気を冷却蒸気として各ガスタービンの高温部に供給する冷却蒸気供給経路に減温装置を配設し、同減温装置に中圧節炭器または高圧節炭器の少なくとも何れか一方から高圧水を供給して前記冷却蒸気の温度を低下させた多軸コンバインドサイクル発電プラントを提供するものである。
【００１３】
即ち、ガスタービンの高温部の冷却媒体として先ず高圧蒸気タービン排気を選んで採用し、かつ、この高圧蒸気タービン排気を冷却蒸気として供給する冷却蒸気供給経路において、中圧節炭器または高圧節炭器の少なくとも何れか一方から高圧水を供給される減温装置により同冷却蒸気の温度を低下させ、これをガスタービンの高温部へ供給することにより冷却を行うものである。
【００１４】
この様に、分量的に十分の高圧排気をその供給経路において減温装置を介して温度を低下させるようにしたことにより、同高圧排気の温度を大幅、かつ、確実に低下させ、被冷却部に当たるガスタービン高温部は耐熱性能を低下した素材を採用可能とし、多軸コンバインドサイクル発電プラントとして全体効率を低下することなく安定した冷却の実施を可能としたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１に基づいて説明する。
【００１６】
本実施の形態は、多軸コンバインドサイクル発電プラントの基本型を示し、ガスタービンプラントと排熱回収プラントとを組み合わせたものを２系列配置し、両系列で発生する蒸気を単一の蒸気タービンプラントに供給するようにしたものであり、ガスタービンプラントと排熱回収プラントのセットは各系列同一であるので一方の系列を説明し、他方の系列については説明を省略する。
【００１７】
１０はガスタービンプラントで、ガスタービン１１、同ガスタービン１１で駆動される空気圧縮機１２、同空気圧縮機１２から供給される圧縮空気を燃料と共に燃焼させる燃焼器１３を主要機器として構成されている。
【００１８】
このガスタービン１１内には、図示省略の動翼、静翼等が内在し、これ等が冷却を必要とする高温部１１ａに相当することになる。また燃焼器１３は燃焼室後域から燃焼ガス出口にかけて尾筒冷却部１３ａを有しており、同尾筒冷却部１３ａも前記高温部１１ａ同様に冷却を必要とする部位となっている。
【００１９】
そして、前記ガスタービン１１の高温部１１ａに向かって、冷却蒸気を供給する冷却蒸気供給経路１４と、また同冷却蒸気供給経路１４から分岐して、前記燃焼器１３の尾筒冷却部１３ａへ冷却蒸気を供給する冷却蒸気分岐経路１５がそれぞれ設けられている。
【００２０】
また、１６は減温装置で、ガスタービン１１の高温部１１ａへ冷却蒸気を供給する冷却蒸気供給経路１４に配置され、後述する排熱回収ボイラ２０等からの高温水をスプレーして前記冷却蒸気の温度を低下させるものである。
【００２１】
なお、前記排熱回収ボイラ２０中の後述する中圧蒸発器２６には、中圧蒸気を取り出す中圧蒸気供給経路３５が連絡しており、同中圧蒸気供給経路３５は前記冷却蒸気供給経路１４から冷却蒸気分岐経路１５が分岐した後流位置に連絡し、同冷却蒸気供給経路１４中に中圧蒸気を混入するように配置されている。
【００２２】
また、３７はガスタービン冷却蒸気回収経路で、中圧第２再熱器２８の入口側に連通し、また３８は尾筒冷却蒸気回収経路で、前記中圧第２再熱器２８の出口側に連通している。
【００２３】
２０は排熱回収ボイラで、前記ガスタービン１１の排気を加熱源とし、その内部は、高圧蒸気発生部と、中圧蒸気発生部と、低圧蒸気発生部とに区分されて構成されている。
【００２４】
各蒸気発生部に区画される機器を蒸気のマクロな流れ順に従って羅列すれば、低圧蒸気発生部は、低圧節炭器２１、低圧蒸発器２２、低圧過熱器２３等で構成され、中圧蒸気発生部は、中圧節炭器２４、中圧給水ポンプ２５、中圧蒸発器２６、第１再熱器２７、第２再熱器２８等で構成されている。
【００２５】
そして高圧蒸気発生部は、高圧第１節炭器２９、高圧給水ポンプ３０、高圧第２節炭器３１、高圧蒸発器３２、高圧第１過熱器３３、そして高圧第２過熱器３４等で構成されている。
【００２６】
また、これら排熱回収ボイラ２０の高圧蒸気発生部、中圧蒸気発生部および低圧蒸気発生部で発生する蒸気および高温水は、後述の蒸気タービンプラント４０およびガスタービンプラント１０の冷却蒸気となる高圧排気の冷却蒸気供給経路１４等へ供給されるが、その詳細は後に説明する。
【００２７】
本実施の形態においては、前記の様に構成されたガスタービンプラント１０と排熱回収ボイラ２０の組合せで１セットの配列構成とし、このセットを図示の様に２系列（２セット）並行に配置してこれを単一の蒸気タービンプラント４０に組合せている。
【００２８】
即ち、４０は蒸気タービンプラントを示し、前記排熱回収ボイラ２０の高圧第２過熱器３４から途中を省略して図示した経路※２を経て高圧蒸気を供給される高圧タービン４１、中圧第２再熱器２８から経路※３を経て中圧蒸気を供給される中圧タービン４２、そして同中圧タービン４２の排気、および前記低圧過熱器２３から経路※４を経て低圧蒸気を供給される低圧タービン４３から構成されている。
【００２９】
そして経路※３については図示した様に前記各系列の排熱回収ボイラ２０からの再熱蒸気が合流して中圧タービン４２に供給されているが、経路※２の高圧過熱蒸気および経路※４の低圧過熱蒸気は、図示省略するが経路※３と同様に前記２系列が合流して高圧タービン４１または低圧タービン４３にそれぞれ供給されている。
【００３０】
なお、低圧タービン４３の排気は、その下流に設けられた復水器４４で凝縮され、ボイラ給水ポンプ４５、グランドコンデンサ４６と順次経由して前記排熱回収ボイラ２０へと循環される。
【００３１】
なおまた、５１はガスタービンプラント１０で駆動される発電機、５２は蒸気タービンプラント４０で駆動される発電機を示している。
【００３２】
以上各種機器を羅列して概略的に説明したが、本実施の形態は各系列においてガスタービン１１の高温部１１ａへ冷却蒸気を供給する冷却蒸気供給経路１４に減温装置１６を配置し、排熱回収ボイラ２０の中圧節炭器２４、高圧第２節炭器３１から経路※１で示すように高温水供給経路３６に連通し、減温装置１６で冷却蒸気である高圧排気中に熱水をスプレーして前記冷却蒸気の温度を低下させるようにしている。
【００３３】
なお、ここでは経路※１として中圧節炭器２４から連通するものと高圧第２節炭器３１からのものの２経路を示しているが、両方の経路を共に使用しても、また、いずれか一方のみを使用するように切り換えてもよいことは勿論である。
【００３４】
本実施の形態は前記した様に構成されており、定常状態に於けるガスタービン１１の高温部１１ａ、および燃焼器１３の尾筒冷却部１３ａの冷却は次のようにおこなわれる。
【００３５】
即ち、高圧タービン４１の高圧排気が冷却蒸気供給経路１４を経て供給され、一部は途中で分流して冷却蒸気分岐経路１５から燃焼器１３に至り、尾筒冷却部１３ａを冷却し、また、分流しなかった残部はそのまま冷却蒸気供給経路１４を経てガスタービン１１に至りその高温部１１ａ冷却する。
【００３６】
高圧タービン４１を出る高圧排気の温度は、その温度低下の一例を示せば約３７０℃であり、この温度の蒸気に晒されるとタービン動翼及びそのディスクのような可動部分は特に耐熱条件が厳しくなり、それをクリヤーするために高価な材料を必要とし、経済的条件が悪くなる。
【００３７】
しかも本実施の形態のものは、ガスタービンプラント１０と排熱回収ボイラ２０とを１セットとし、複数セットのものの排熱回収ボイラで発生する蒸気を集合して蒸気タービンに供給するように構成した多軸型のコンバインドサイクル発電プラントであるために、何れか一方のガスタービン１１の機能低下等により同ガスタービン１１がアンバランスな出力で運転された場合には、蒸気タービンプラント４０への供給蒸気量の減少等に起因して、高圧タービン排気温度が異常に高温となるケースも発生し、燃焼器や翼の耐熱強度もさることながら、ディスクの耐熱強度が非常に問題となる。
【００３８】
しかし、排熱回収ボイラ２０の中圧節炭器２４、高圧第２節炭器３１から経路※１、高温水供給経路３６を経て供給される高温水は、１００〜３００℃であるので、これを減温装置１６で高圧排気中にスプレーすれば前記冷却蒸気の温度は大幅に低下し、前記タービン動翼及びそのディスクのような可動部分を製作する素材として比較的安価で入手性の良い材料で対応でき、経済的条件は大幅に好転する。
【００３９】
なお、燃焼器１３の尾筒冷却部１３ａは固定構造物であるため、同じ３７０℃の温度条件であっても、比較的安価な材料で対応出来るので、冷却蒸気分岐経路１５に対しては中圧蒸気を混入する必要はない。
【００４０】
そしてガスタービン１１の高温部１１ａを冷却した冷却蒸気は、ガスタービン冷却蒸気回収経路３７を経て第２再熱器２８に回収され、また燃焼器１３の尾筒冷却部１３ａを冷却して冷却蒸気は、尾筒冷却蒸気回収経路３８を経て前記第２再熱器２８の出口側に至り、同第２再熱器２８を経て加熱された他の蒸気と共に中圧タービン４２に供給されて回収される。
【００４１】
この様に本実施の形態によれば、ガスタービン１１の高温部１１ａを冷却する冷却蒸気は、高圧タービン４１の高圧排気に中圧節炭器２４、高圧第２節炭器３１等から高温水をスプレーして冷却蒸気を温度低下して用いることにより、多軸型のコンバインドサイクル発電プラントでガスタービン１１がアンバランスな出力で運転された場合であっても、ガスタービン１１の高温部１１ａは耐熱要求をクリヤーすることができ、タービンの製作コストを大幅に節減することができるものである。
【００４２】
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もよいことはいうまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
以上本発明によれば、ガスタービンと同ガスタービンの排気を熱源とする排熱回収ボイラとの組合せを複数列設け、各排熱回収ボイラの発生蒸気を集合して単一の蒸気タービンに供給する多軸コンバインドサイクル発電プラントにおいて、高圧蒸気タービン排気を冷却蒸気として各ガスタービンの高温部に供給する冷却蒸気供給経路に減温装置を配設し、同減温装置に中圧節炭器または高圧節炭器の少なくとも何れか一方から高圧水を供給して前記冷却蒸気の温度を低下させるように構成し、ガスタービンの高温部の冷却媒体として選んだ高圧蒸気タービン排気中に減温装置で高温水をスプレーして加え、同冷却蒸気の温度を低下させてこれをガスタービンの高温部へ供給することにより冷却を行うものである。
【００４４】
従って本発明では、分量的に十分の高圧排気を減温装置を介して温度を低下させた上で冷却蒸気として用いることにより、同高圧排気の温度を大幅、かつ、確実に低下させ、被冷却部に当たるガスタービン高温部は耐熱性能を低下した素材を採用可能とし、多軸コンバインドサイクル発電プラントとして全体効率を低下することなく安定した冷却の実施を可能とすることが出来たものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係わる多軸コンバインドサイクル発電プラントの概要を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
１０        ガスタービンプラント
１１        ガスタービン
１１ａ      高温部
１２        空気圧縮機
１３        燃焼器
１３ａ      尾筒冷却部
１４        冷却蒸気供給経路
１５        冷却蒸気分岐経路
１６        減温装置
２０        排熱回収ボイラ
２１        低圧節炭器
２２        低圧蒸発器
２３        低圧過熱器
２４        中圧節炭器
２５        中圧給水ポンプ
２６        中圧蒸発器
２７        第１再熱器
２８        第２再熱器
２９        高圧第１節炭器
３０        高圧給水ポンプ
３１        高圧第２節炭器
３２        高圧蒸発器
３３        高圧第１過熱器
３４        高圧第２過熱器
３５        中圧蒸気供給経路
３６        高温水供給経路
３７        ガスタービン冷却蒸気回収経路
３８        尾筒冷却蒸気回収経路
４０        蒸気タービンプラント
４１        高圧タービン
４２        中圧タービン
４３        低圧タービン
４４        復水器
４５        ボイラ給水ポンプ
４６        グランドコンデンサ
５１        発電機
５２        発電機
【図１】
0003586542.tif 000002