(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントを組合せるとともに、ガスタービンの排熱を利用して蒸気タービン駆動用蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えて構成した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ガスタービンの高温部に供給する冷却蒸気供給経路に、中圧蒸発器から前記高圧蒸気タービン排気と圧力がほぼ等しい中圧蒸気を供給して混入し、前記冷却蒸気の温度を低下させると共に、前記冷却蒸気供給経路には中圧給水ポンプに通じるバックアップスプレー水供給経路を連絡し、同冷却蒸気供給経路中に温水をスプレー可能としたことを特徴とする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】
本発明はガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを組み合わせた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】
【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、冷却媒体として中圧蒸気を使用することから高圧排気の使用へと進展して、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。
【０００８】
高温に耐えられる材料は、その特性を厳しく要求されることから、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きびし問題があるのが実態である。
【０００９】
本発明はこのような実態に鑑み、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タービンを製作し得るようにしたものを提供することを課題とするものである。
【００１０】
【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、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントを組合せるとともに、ガスタービンの排熱を利用して蒸気タービン駆動用蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えて構成した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ガスタービンの高温部に供給する冷却蒸気供給経路に、中圧蒸発器から前記高圧蒸気タービン排気と圧力がほぼ等しい中圧蒸気を供給して混入し、前記冷却蒸気の温度を低下させると共に、前記冷却蒸気供給経路には中圧給水ポンプに通じるバックアップスプレー水供給経路を連絡し、同冷却蒸気供給経路中に温水をスプレー可能とした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。
【００１１】
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、それと共に排熱回収ボイラの中圧蒸発器からいわゆる中圧蒸気を導いて前記高圧蒸気タービン排気に混入して温度を低下した冷却媒体を作成し、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。
【００１２】
この様に、分量的に十分の高圧排気に対して、温度の低い、しかし高圧排気とは圧力がほぼ等しい中圧蒸気を混入し、これにより高圧排気の温度を低下させるようにしたことにより、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、しかも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。
そしてまた、前記中圧蒸気の混入に止まらず、前記冷却蒸気供給経路には中圧給水ポンプに通じるバックアップスプレー水供給経路を連絡しているので、前記中圧蒸気が予定通りに得られなかった場合等においては、同バックアップスプレー水供給経路から冷却蒸気供給経路中に中圧給水ポンプにより温水をスプレーすることも可能であり、冷却蒸気供給経路中の冷却蒸気の温度を確実に低下することが出来る様になっている。
【００１３】
【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。
【００１４】
本実施の形態は、ガスタービン、蒸気タービン及び排熱回収ボイラの３者を組み合わせて構成されるコンバインドサイクル発電プラントを基本とするものであり、まずその全貌から説明する。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、中圧第１再熱器２７、中圧第２再熱器２８等で構成されている。
【００２０】
更に最後の高圧蒸気発生部は、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。
【００２１】
４０は蒸気タービンプラントで、前記排熱回収ボイラ２０の高圧第２過熱器３４から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から低圧蒸気とを供給される低圧タービン４３から構成されている。
【００２２】
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へと循環されるように構成されている。そして、５０は煙突、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。
【００２３】
以上各種機器を羅列して概略的に説明したが、本実施の形態は前記ガスタービンプラント１０と排熱回収ボイラ２０と蒸気タービンプラント４０とによりコンバインドサイクルプラントを構成し、更に次の構成を含んでいる。
【００２４】
即ち、前記排熱回収ボイラ２０中の中圧蒸発器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。
【００２５】
また、冷却蒸気供給経路１４には、中圧蒸気供給経路３５の連絡位置のさらに下流の位置でバックアップスプレー水供給経路３６が連絡しており、その上流の中圧給水ポンプ２５に通じている。
【００２６】
なお、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
しかしここで、冷却蒸気供給経路１４からガスタービン１１に供給される冷却蒸気には、中圧蒸気供給経路３５により中圧蒸発器２６から供給される中圧蒸気が混入し、冷却蒸気供給経路１４中の冷却蒸気は温度を低下される。
【００３０】
その温度低下の一例を示せば、高圧タービン４１を出る高圧排気の温度は、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。
【００３１】
しかし、中圧蒸発器２６から出る中圧蒸気の温度は、約２５０℃であるので、この中圧蒸気を前記約３７０℃の高圧排気に混入すれば、その混合蒸気の温度は約３３０℃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。
【００３２】
また、ここで高圧排気に混入するべく中圧蒸発器２６から供給された中圧蒸気は、高圧タービン４１を出た高圧排気と圧力がほぼ等しいことから、この混入によって全体の効率は何ら低下することもなく、所期の温度低下を行うことが出来るものである。
【００３３】
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。
【００３４】
なおまた、中圧蒸気が予定通りに得られなかった場合等のバックアップとして、バックアップスプレー水供給経路３６から冷却蒸気供給経路１４中に中圧給水ポンプ２５から温水がスプレーされ、冷却蒸気供給経路１４中の冷却蒸気の温度は確実に低下される様になっている。
【００３５】
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を経て中圧第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を経て前記中圧第２再熱器２８の出口側に至り、同中圧第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。
【００３６】
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の高圧排気に中圧蒸発器２６の中圧蒸気を混入させて温度低下して用いることにより、ガスタービン１１の高温部１１ａは耐熱性を厳しく要求されなこととなり、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。
【００３７】
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。
【００３８】
【発明の効果】
以上本発明によれば、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントを組合せるとともに、ガスタービンの排熱を利用して蒸気タービン駆動用蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えて構成した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ガスタービンの高温部に供給する冷却蒸気供給経路中に、中圧蒸発器から前記高圧蒸気タービン排気と圧力がほぼ等しい中圧蒸気を供給して混入することにより、全体の効率は何ら低下させることはなく冷却蒸気の温度を低下させるようにしているので、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なり、比較的安価で入手性の良い材料で設計製作を対応でき、しかも冷却蒸気の分量としては十分な分量を確保して確実に安定した冷却を行い、コスト節減面でもまた冷却性能面でも格段に優れた好ましいコンバインドサイクル発電プラントを得ることができたものである。
また、これに加えて本発明は、前記冷却蒸気供給経路には中圧給水ポンプに通じるバックアップスプレー水供給経路を連絡しているので、前記中圧蒸気が予定通りに得られなかった場合等においては、前記バックアップスプレー水供給経路から冷却蒸気供給経路中に中圧給水ポンプにより温水をスプレーすることも可能であり、冷却蒸気供給経路中の冷却蒸気の温度を確実に低下することが出来、前記好適なコンバインドサイクル発電プラントの高感度を一段と向上するものである。
【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
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        中圧第１再熱器
２８        中圧第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        バックアップスプレー水供給経路
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
５０        煙突
５１        発電機
５２        発電機
【図１】
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