(57)【要約】【課題】ガスタービン高温部を冷却することで得た熱を燃焼器の導入空気，燃料の昇温に利用することで熱効率の向上を図る。【解決手段】ガスタービンプラントＰは、ガスタービン１０と、ガスタービン高温部（動翼１３Ａ、静翼１３Ｂ）を冷却する閉ループ循環系１００とを備える。閉ループ循環系１００は、媒体として蒸気を循環させるもので、循環経路上に、ガスタービン高温部に配した熱交換器４２Ａ、４２Ｂと、圧縮機１１から燃焼器１２への空気導入通路に配した熱交換器１０２と、熱交換器１０２通過後の蒸気を凝縮させる凝縮器１０４と、凝縮後の水を強制循環させるポンプ１０６と、ポンプ１０６で送り出された水を加熱して蒸気を発生させる加熱ヒータ１０８とを備え、ガスタービン高温部の冷却で得た熱で燃焼器１２に導入する空気又は燃料を昇温させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機、該圧縮機から吐出される空気と共に燃料を燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器からの高温燃焼ガスを膨張させて機械的出力を得るタービンよりなるガスタービンと、
該ガスタービンの高温部に配置した第１熱交換器と、前記圧縮機から前記燃焼器への空気導入通路及び前記燃焼器への燃料導入通路の少なくとも一方に配置した第２熱交換器との間で媒体を循環させ、ガスタービンの高温部を冷却することにより得た熱で、前記燃焼器に導入する空気または燃料の少なくとも一方を昇温させる閉ループ循環系と、
を備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記閉ループ循環系に循環させる媒体が蒸気であり、該閉ループ循環系の中に、蒸気を強制循環させるための送気装置を設けたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービンプラントにおいて、
プラント起動時に前記閉ループ循環系の中に蒸気を供給する補助ボイラを設けたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項４】
請求項１に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記閉ループ循環系に循環させる媒体が蒸気であり、該閉ループ循環系の中に、前記第２熱交換器を通過した後の蒸気を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器による凝縮後の水を強制循環させるポンプと、該ポンプと前記第１熱交換器との間に介在され、前記ポンプで送り出された水を加熱して蒸気を発生させる加熱ヒータとを設けたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のガスタービンプラントに、前記ガスタービンからの排ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラからの蒸気で回転される蒸気タービンとを組み合わせたことを特徴とするコンバインドプラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン高温部の冷却機構を備えたガスタービンプラント及びコンバインドプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの高効率化のために、燃焼ガスのタービン入口温度は年々上昇を続けており、近時、この温度を１５００℃レベルにしたＨ型ガスタービンが開発されている。
従来のガスタービンプラントでは、ガスタービン系統の高温ガスに曝される部位、例えばタービンの静翼、動翼、燃焼器等の高温部を、圧縮機から抽気した空気の供給によって冷却するのが一般的であった（下記特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、前述の如くタービン入口温度の高温化が進むにつれて、タービン部品の一層の冷却性向上が求められるようになってきており、その実現のために、従来の空気による冷却に代えて、蒸気により冷却する蒸気冷却ガスタービンの開発が進められている。
蒸気冷却方式は、近年の発電プラントの高温、高効率化に伴ってコンバインドプラントが多く建設されるようになるに従い、ガスタービンの有力な冷却方式として、空気冷却方式に代わり、広く採用が検討されている。
【０００４】
特にコンバインドプラントにおいては、ボトミングサイクルである蒸気タービン系で発生した蒸気の一部を抽気してガスタービンに導き、ガスタービンを冷却した後の温度上昇した蒸気を回収して再び蒸気タービン側へ戻すことができるので、蒸気の有効活用が図れる。従って、蒸気冷却ガスタービンは、発電プラントの効率化に貢献するものとして、近年注目を集めている（下記特許文献２、特許文献３参照）。
【０００５】
図２は、コンバインドプラントにおいて蒸気冷却ガスタービンを採用した一般的な例を示す概念図である。このコンバインドプラントは、ガスタービン１０と、排熱回収ボイラ２０と、蒸気タービン３０とで構成されている。
【０００６】
ガスタービン１０は、空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１から吐出される空気と共に燃料を燃焼させる燃焼器１２と、燃焼器１２からの高温燃焼ガスを膨張させて発電機１５を回すタービン１３とからなり、発電機１５が、圧縮機１１の駆動出力分を差し引いた電力を生成する。ガスタービン１０から排気される燃焼ガスは、排熱回収ボイラ２０に供給され、ボイラ２０ではガスタービン１０からの高温燃焼ガスとで蒸気を発生し、排ガスが煙突２５から大気へ放出される。発生した蒸気は、温度圧力条件に応じて高圧蒸気タービン３０Ａ、中低圧蒸気タービン３０Ｂへ供給され、発電機１００を回して電力を生成する。中低圧蒸気タービン３０Ｂの出口蒸気は、復水器３２にて蒸気から水へ変換され、その後の水は給水ポンプ３３にて加圧されて排熱回収ボイラ２０に戻される。
【０００７】
このプラントにおいては、ガスタービン１０の高温部（タービン動翼１３Ａ、タービン静翼１３Ｂ）の冷却のために、高圧蒸気タービン３０Ａの出口蒸気の一部を抽気し、冷却蒸気供給配管４１を介して、タービン翼冷却用の熱交換器４２Ａ、４２Ｂに供給し、冷却による昇温後の蒸気を冷却蒸気回収配管４３より、ボイラ２０に戻している。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１９６３１６号公報
【特許文献２】
特開２００２−５４４０５号公報
【特許文献３】
特開２００１−９８９０２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の空気冷却式ガスタービンを採用したプラントでは、圧縮機から抽気した空気の供給によってガスタービン高温部を冷却しているが、冷却を、空気で行うので燃焼用空気が減少し、熱効率向上への貢献度が低いという問題があった。
【００１０】
また、従来の蒸気冷却ガスタービンを採用したプラントでは、蒸気を冷媒として使用するので、冷却効率を高められる上、ガスタービンを冷却した後の昇温した蒸気を再びボトミングサイクルへ戻すので、効率向上の点で良好な成果を上げることができるものの、作動温度域が６００〜１５００℃のガスタービンサイクル（ブレイトンサイクル）と作動温度域が６００℃以下のボトミングサイクル（ランキンサイクル）との作動温度域が大きく異なる２系統のサイクル間で熱移動を行うので、熱損失を生じやすく、熱効率向上の点で依然として改善の余地が残されていた。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高温側のサイクル（ガスタービンをなすブレイトンサイクル）で得た熱を高温側のサイクル内で利用することにより、一層の熱効率向上を図ることのできるガスタービンプラント及びコンバインドプラントを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のガスタービンプラントは、空気を圧縮する圧縮機、該圧縮機から吐出される空気と共に燃料を燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器からの高温燃焼ガスを膨張させて機械的出力を得るタービンよりなるガスタービンと、該ガスタービンの高温部に配置した第１熱交換器と、前記圧縮機から前記燃焼器への空気導入通路及び前記燃焼器への燃料導入通路の少なくとも一方に配置した第２熱交換器との間で媒体を循環させ、ガスタービンの高温部を冷却することにより得た熱で、前記燃焼器に導入する空気または燃料の少なくとも一方を昇温させる閉ループ循環系と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明のガスタービンプラントでは、ガスタービン高温部の冷却系を閉ループ型の循環系で構成しているが、例えば媒体として蒸気を採用することにより、ガスタービンの冷却方式を蒸気冷却方式とすることができる。また、ガスタービン高温部の冷却で得た熱を、第２熱交換器を介して燃焼器への導入空気や導入燃料の昇温に利用するようにしているので、作動温度域の大きく異なるサイクル間での熱の移動をなくすことができ、熱移動に伴う熱損失を減らすことができる。例えば、蒸気を冷媒として使用した場合でも、ガスタービン高温部を冷却する蒸気をボトミングサイクルから持ってくる必要がないので、作動温度域の大きく異なるガスタービンサイクル（ブレイトンサイクル）とボトミングサイクル（ランキンサイクル）間での熱移動がなくなり、熱損失を減らすことができる。また、冷却により高温となった媒体を利用して、燃焼器への導入空気温度や導入燃料温度を高めることができるので、燃焼器への燃料入熱量の減少が図れ、ガスタービンの熱効率向上に大きく寄与することができる。
【００１４】
請求項２に記載のガスタービンプラントは、請求項１に記載のガスタービンプラントにおいて、前記閉ループ循環系に循環させる媒体が蒸気であり、該閉ループ循環系の中に、蒸気を強制循環させるための送気装置を設けたことを特徴とする。
【００１５】
この発明のガスタービンプラントでは、閉ループ循環系の中に、媒体としての蒸気を送気装置によって強制循環させるので、ボトミングサイクルからの蒸気の供給を受けずに、効率のよい蒸気冷却ガスタービンサイクルを作ることができる。
【００１６】
請求項３に記載のガスタービンプラントは、請求項２に記載のガスタービンプラントにおいて、プラント起動時に前記閉ループ循環系の中に蒸気を供給する補助ボイラを設けたことを特徴とする。
【００１７】
この発明のガスタービンプラントでは、運転初期の蒸気を補助ボイラで発生させることができるので、運転当初から効率のよい蒸気冷却ガスタービンサイクルを実現することができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１に記載のガスタービンプラントにおいて、前記閉ループ循環系に循環させる媒体が蒸気であり、該閉ループ循環系の中に、前記第２熱交換器を通過した後の蒸気を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器による凝縮後の水を強制循環させるポンプと、該ポンプと前記第１熱交換器との間に介在され、前記ポンプで送り出された水を加熱して蒸気を発生させる加熱ヒータとを設けたことを特徴とする。
【００１９】
この発明のガスタービンプラントでは、媒体である蒸気を水に変換してポンプで循環させるようにしているので、送気装置で蒸気を循環させる場合よりも、装備の簡略化が図れる。
【００２０】
請求項５の発明のコンバインドプラントは、請求項１〜４のいずれかに記載のガスタービンプラントに、前記ガスタービンからの排ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラからの蒸気で回転される蒸気タービンとを組み合わせたことを特徴とする。
【００２１】
この発明のコンバインドプラントでは、ガスタービンプラント側でガスタービン高温部を冷却して得た熱を消費するので、作動温度域の大きく異なるサイクル間での熱移動がなくなり、それに伴う熱損失を減らすことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、既に説明した要素については、図中に同一符号または相当符号を付すことにより、説明を簡略化あるいは省略する。
【００２３】
図１は、本発明のガスタービンプラントＰを含んだコンバインドプラントの構成を示す概略系統図である。このコンバインドプラントは、ガスタービン１０と、排熱回収ボイラ２０と、蒸気タービン３０と、ガスタービン１０の高温部を冷却するための閉ループ冷媒循環系１００とを備えている。
【００２４】
ガスタービン１０は、空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１から吐出される空気と共に燃料を燃焼させる燃焼器１２と、燃焼器１２からの高温燃焼ガスを膨張させて発電機１５を回すタービン１３とからなる。ガスタービン１０から排気される燃焼ガスは、排熱回収ボイラ２０に供給され、排熱回収ボイラ２０では主燃料とガスタービン１０からの高温燃焼ガスとで蒸気を発生し、排ガスは煙突２５から大気へと放出される。発生した蒸気は、温度圧力条件に応じて高圧蒸気タービン３０Ａ、中低圧蒸気タービン３０Ｂへと供給され、発電機１０１を回して電力を生成する。中低圧蒸気タービン３０Ｂの出口蒸気は、復水器３２にて蒸気から水へ変換され、その後の水は、給水ポンプ３３にて加圧されてボイラ２０に戻される。
【００２５】
このプラントにおいては、ガスタービン１０の高温部（タービン動翼１３Ａ、タービン静翼１３Ｂ）の冷却のための閉ループ循環系１００を設けている。この閉ループ循環系１００は、蒸気を冷媒として循環させるもので、循環経路上に、ガスタービン高温部に配した熱交換器４２Ａ、４２Ｂ（第１熱交換器）と、圧縮機１１から燃焼器１２への空気導入通路に配した熱交換器１０２（第２熱交換器）と、熱交換器１０２通過後の蒸気を凝縮させる凝縮器１０４と、凝縮後の水を強制循環させるポンプ１０６と、ポンプ１０６で送り出された水を加熱して蒸気を発生させる加熱ヒータ１０８とを備えている。
【００２６】
このガスタービンプラントＰでは、閉ループ循環系１００の中を循環する蒸気によって、熱交換器４２Ａ、４２Ｂでガスタービン高温部を冷却し、熱交換器１０２で燃焼器１２に導入する空気を加熱することができる。従って、蒸気冷却ガスタービンを採用するものの、同じガスタービンサイクル内での熱のやりとりになるので、作動温度域の大きく異なるサイクル間での熱の移動がなくなり、熱移動に伴う熱損失を減らすことができる。また、冷却により高温となった蒸気を利用して、燃焼器１２への導入空気温度を高めることができるので、燃焼器１２への燃料入熱量の減少が図れて、ガスタービン１０の熱効率向上に大きく寄与することができる。この場合、圧縮機１１から燃焼器１２に導入する空気の温度は、２０〜３０℃程度昇温させることができる。
【００２７】
なお、実際の運転に際しては、循環蒸気の洩れを考慮して、凝縮器１０４において洩れ蒸気量に応じた量の水を補給するようにする。また、運転初期のウォームアップを考慮した場合、補助ボイラ１１０を設けて初期蒸気を循環経路内に供給するのがよい。
【００２８】
また、上記実施形態では、熱交換器１０２を通過した後の蒸気を凝縮器１０４で水に一旦戻してポンプ１０４で送り出し、加熱ヒータ１０８で加熱し再び蒸気にして、ガスタービン高温部の熱交換器４２Ａ、４２Ｂに向かわせるようにしているが、蒸気のまま全経路を循環させてもよい。その場合は、凝縮器１０４、ポンプ１０６、加熱ヒータ１０８の代わりに送気装置を設ければよい。但し、送気装置を設ける場合は装置が大型化する可能性があるので、本実施形態のようにする方が装置の小型化を図る場合には好ましい。
【００２９】
また、上記実施形態では、ガスタービン高温部の冷却で得た熱で、圧縮機１１から燃焼器１２への導入空気を昇温させるようにした場合を説明したが、燃焼器１２への燃料導入通路に熱交換器を配置することにより、燃焼器１２に導入する燃料を昇温させることもできる。
【００３０】
また、上記実施形態では、ガスタービン高温部の例として動翼と静翼の場合を示したが、燃焼器１２の高温部の冷却に本発明を適用してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、ガスタービン高温部の冷却で得た熱を、第２熱交換器を介して燃焼器への導入空気や導入燃料の昇温に利用するので、作動温度域の大きく異なるサイクル間での熱の移動をなくすことができ、熱移動に伴う熱損失を減らすことができる。また、導入空気や導入燃料の昇温分だけ入熱量を減らすことができるので、ガスタービンの熱効率向上に大きく寄与することができる。また、ガスタービン高温部の冷却系を閉ループ循環系で構成しているので、媒体として何を使用することも可能であり、蒸気を使用することで、ガスタービンの冷却方式を冷却性能の高い蒸気冷却方式とすることができる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、媒体としての蒸気を送気装置によって強制循環させるようにしたので、ボトミングサイクルからの蒸気の供給を受けずに、熱効率の高い蒸気冷却ガスタービンサイクルを作ることができる。
【００３３】
請求項３の発明によれば、補助ボイラの付加により、運転当初から効率のよい蒸気冷却ガスタービンサイクルを実現することができる。
【００３４】
請求項４の発明によれば、冷媒としての蒸気を水に変換してポンプで循環させるようにしているので、装備の簡略化が図れる。
【００３５】
請求項５の発明によれば、ガスタービンプラント側でガスタービン高温部を冷却して得た熱を消費するので、作動温度域の大きく異なるサイクル間での熱移動をなくせ、それに伴う熱損失を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のガスタービンプラントを含むコンバインプラントの概略系統図である。
【図２】従来の蒸気冷却ガスタービンを含むコンバインプラントの概略系統図である。
【符号の説明】
Ｐ  ガスタービンプラント
１０  ガスタービン
１１  圧縮機
１２  燃焼器
１３  タービン
１３Ａ  動翼（ガスタービン高温部）
１３Ｂ  静翼（ガスタービン高温部）
４２Ａ，４２Ｂ  熱交換器（第１熱交換器）
１００  閉ループ循環系
１０２  熱交換器（第２熱交換器）
１０４  凝縮器
１０６  ポンプ
１０８  加熱ヒータ
１１０  補助ボイラ
【図１】
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【図２】
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