(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮機、燃焼器、および燃焼ガスによって回転駆動されるガスタービン本体を備えたガスタービンと、このガスタービンの排熱を利用して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によって駆動される蒸気タービンとを備え、前記ガスタービンの高温部へ冷却媒体として前記空気圧縮機の圧縮空気と前記蒸気タービンの排気蒸気と前記排熱回収ボイラの高圧過熱器蒸気とを切り替え供給する冷却媒体経路を設けたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
プラント停止過程のガスタービン冷却媒体を、蒸気タービン排気が必要流量以上ある間は蒸気タービン排気とし、蒸気タービン排気が必要流量に満たなくなってからは高圧過熱器の蒸気とし、ガスタービン解列後に空気圧縮機の圧縮空気とすることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。
【請求項２】
プラント起動時は圧縮空気、高圧過熱器蒸気、高圧蒸気タービン排気の順序で冷却媒体を切り替え、プラント停止時は高圧蒸気タービン排気、高圧過熱器蒸気、圧縮空気の順序で冷却媒体を切り替えることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。
【請求項３】
プラント起動過程のガスタービン冷却媒体を、高圧過熱器の蒸気流量が必要流量以上になるまでの間は空気圧縮機からの圧縮空気とし、高圧過熱器の蒸気流量が必要流量以上になってから蒸気タービン排気が必要流量以上になるまでの間は高圧過熱器の蒸気とし、蒸気タービン排気が必要流量以上になった以降は蒸気タービン排気とすることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。
【請求項４】
定常運転時に蒸気タービン排気が絶たれた場合に、ガスタービン高温部に供給する冷却媒体を空気圧縮機の圧縮空気または高圧過熱器の蒸気に切り替えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。
【請求項５】
高圧過熱器の蒸気をガスタービン冷却媒体として供給する際に、高圧過熱器高温部からの蒸気と高圧過熱器低温部からの蒸気を混合して温度調整した蒸気を供給することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のコンバインドサイクル発電プラントの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの高温部を蒸気タービンの排気によって冷却するコンバインドサイクル発電プラントおよびその運転方法に係り、高温部を蒸気によって冷却されるガスタービンと、このガスタービンの排熱を利用して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によって駆動される蒸気タービンと、前記ガスタービンの冷却蒸気を供給する系統の一つとして蒸気タービンの排気をガスタービンの高温部へ導く配管を有するコンバインドサイクル発電プラントの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの排熱を利用して蒸気タービンを駆動するコンバインドサイクル発電プラントにおいては、ガスタービン入口温度とプラント出力および熱効率には密接な関係があり、近年はガスタービン入口温度の高温化が進められている。そのため、ガスタービン高温部をいかに効果的に冷却するかが重要な問題になってきた。
【０００３】
従来の空気冷却型ガスタービンの場合は、ガスタービン高温部の冷却には空気圧縮機の吐出もしくは抽気の圧縮空気を用いるため、ガスタービン運転中はいつでも冷却媒体を供給できる状態にあり、特別な操作を行わずとも安全に運転することができた。
【０００４】
現在では、さらなるガスタービン入口温度の高温化およびプラント効率向上を達成するために、空気に替わって、冷却性能が良く熱回収もできる蒸気を冷却媒体として使用する蒸気冷却型ガスタービンを使用したコンバインドサイクル発電プラントの検討が進められている。
【０００５】
このような蒸気を用いてガスタービンを冷却するコンバインドサイクル発電プラントにおいては、蒸気条件（流量、温度、圧力）およびプラント効率の観点から、通常時のガスタービン冷却媒体に主として高圧蒸気タービンの排気を使用することが多い（特開平10−37711号公報、特開2000−161014号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プラント起動・停止時のような非定常な状態では、通常時ガスタービン高温部冷却に使用している高圧蒸気タービン排気が、ガスタービン冷却に必要とされる流量を下回る場合がある。ガスタービン高温部の冷却が確実に行われないと機器損傷に至ることもあるため、供給可能な冷却媒体に適宜切り替えてガスタービン高温部を冷却することが必要となる。
【０００７】
そこで、本発明は、プラント起動・停止時のような非定常な状態においてもガスタービン高温部に確実に冷却媒体を供給して冷却を行うことができ、安全に運転することができるコンバインドサイクル発電プラントの運転方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のコンバインドサイクル発電プラントは、空気圧縮機、燃焼器、および燃焼ガスによって回転駆動されるガスタービン本体を備えたガスタービンと、このガスタービンの排熱を利用して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によって駆動される蒸気タービンとを備え、前記ガスタービンの高温部へ冷却媒体として前記空気圧縮機の圧縮空気と前記蒸気タービンの排気蒸気と前記排熱回収ボイラの高圧過熱器蒸気とを切り替え供給する冷却媒体経路を設けたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、プラント停止過程のガスタービン冷却媒体を、蒸気タービン排気が必要流量以上ある間は蒸気タービン排気とし、蒸気タービン排気が必要流量に満たなくなってからは高圧過熱器の蒸気とし、ガスタービン解列後に空気圧縮機の圧縮空気とする構成としたものである。
この発明によれば、プラント停止過程においてガスタービン高温部へ確実に冷却媒体を供給することができるため、安全にプラントを停止することができる。
【００１１】
請求項２の発明は、プラント起動時は圧縮空気、高圧過熱器蒸気、高圧蒸気タービン排気の順序で冷却媒体を切り替え、プラント停止時は高圧蒸気タービン排気、高圧過熱器蒸気、圧縮空気の順序で冷却媒体を切り替える構成としたものである。
この発明によれば、プラントの起動時および停止時にガスタービン負荷に応じた冷却媒体をガスタービン高温部に供給することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、プラント起動過程のガスタービン冷却媒体を、高圧過熱器の蒸気流量が必要流量以上になるまでの間は空気圧縮機からの圧縮空気とし、高圧過熱器の蒸気流量が必要流量以上になってから蒸気タービン排気が必要流量以上になるまでの間は高圧過熱器の蒸気とし、蒸気タービン排気が必要流量以上になった以降は蒸気タービン排気とする構成としたものである。
この発明によれば、プラント起動過程においてガスタービン高温部へ確実に冷却媒体を供給することができるため、安全にプラントを起動することができる。
【００１４】
請求項４の発明は、定常運転時に蒸気タービン排気が絶たれた場合に、ガスタービン高温部に供給する冷却媒体を空気圧縮機の圧縮空気または高圧過熱器の蒸気に切り替える構成としたものである。
この発明によれば、異常時にもガスタービン高温部へ確実に冷却媒体を供給することができるため、安全にプラントを運転することができる。
【００１５】
請求項５の発明は、高圧過熱器の蒸気をガスタービン冷却媒体として供給する際に、高圧過熱器高温部からの蒸気と高圧過熱器低温部からの蒸気を混合して温度調整した蒸気をガスタービンの冷却媒体として供給する構成としたものである。
この発明によれば、ガスタービン高温部へ適切な温度の蒸気を冷却媒体として供給することができるため、安全にプラントを運転することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態について以下に説明する。図１は本実施の形態のコンバインドサイクル発電プラントの構成を示している。主な構成は、空気圧縮機４、燃焼器５、ガスタービン本体６からなる蒸気冷却型のガスタービン１と、高圧蒸気タービン７、中圧蒸気タービン８および図示していない低圧蒸気タービンからなる蒸気タービン２と、排熱回収ボイラ３である。
【００１７】
ガスタービン本体６の例えば動翼、静翼、シュラウド部のような高温になる部位（以下、高温部と称する）には、冷却のための蒸気が冷却蒸気供給経路12によって供給され、あるいは冷却のための空気が冷却空気供給経路14によって供給されるようになっている。
【００１８】
通常運転時のガスタービン高温部の冷却は、高圧蒸気タービン７の排気の一部もしくは全部が冷却蒸気供給経路12を通じてガスタービン本体６の高温部へ供給されて冷却を行う。ここでは高圧蒸気タービン排気のみとしているが、排熱回収ボイラ３からの中圧蒸気を高圧タービン排気に混合させてガスタービン高温部へ供給する場合もある。
【００１９】
ガスタービン高温部と熱交換を行った蒸気は、冷却蒸気回収経路13を経て、ガスタービン冷却に供給されない高圧タービン排気の残りがある場合はそれと合流した後、再熱器11へと回収される。ここでは再熱器に回収されるとしているが、中圧加減弁24の上流に回収される場合もある。
【００２０】
プラント起動時においては、高圧蒸気タービン７に通気する前は高圧蒸気タービン排気流量が無いので、それまでの間はガスタービン冷却蒸気として高圧蒸気タービン排気を供給することはできない。さらに、排熱回収ボイラ３はその特性として蒸気発生に遅れを持っていることから、ガスタービン起動後高圧蒸気タービンへ通気するに適する蒸気条件（通気条件）が整うまでに数分間かかり、その間は高圧蒸気タービンに通気されないのでガスタービン高温部へ冷却蒸気を供給できないことになる。
【００２１】
そこで、図２に示すように起動過程の経過とともに、圧縮空気、高圧過熱器蒸気、高圧蒸気タービン排気、と冷却媒体の切り替えを行う。まず、起動に際しては冷却蒸気回収経路13に設置されている弁19と冷却蒸気供給経路12に設置されている弁18を閉止しておき、蒸気サイクル側に空気が混入しないようにしておく。
【００２２】
空気圧縮機４の吐出あるいは途中段と冷却蒸気供給経路12とを連絡する冷却空気供給経路14には逆止弁25が設置されており、ガスタービン１が起動して圧縮機吐出圧力が上昇してくると、自動的にガスタービン高温部へ圧縮空気が供給されるようになっている。ガスタービン高温部を冷却した後の空気は、冷却空気排出経路15および弁20を通って排ガスダクトへ排出される。
このようにして、ガスタービン起動から高圧蒸気発生までの間は、空気圧縮機４の圧縮空気を冷却空気供給経路14を介してガスタービン高温部へ供給する。
【００２３】
ガスタービン起動から数分後、ガスタービン負荷を空気冷却で支えられる負荷（図２ではガスタービン負荷10%）で待機させておく。排熱回収ボイラ３から蒸気が発生し始めたところで、高圧過熱器高温部蒸気供給経路16に設置されている弁21および高圧過熱器低温部蒸気供給経路17に設置されている弁22により高圧蒸気を所要の温度に調整し、冷却蒸気供給経路12に設置されている弁18を開いて、前記温度調整された高圧蒸気をガスタービン高温部へ供給する。通常、冷却蒸気の圧力は、ガスタービン作動ガスが蒸気側にリークしないように圧縮機４の吐出圧力よりもやや高めの圧力で供給するので、逆止弁25が閉じて空気圧縮機４からの圧縮空気の供給が停止される。
【００２４】
空気圧縮機４からの圧縮空気の供給が停止してから数秒ないし数分間は冷却空気排出経路15上の弁20を開けておいて、ガスタービン高温部および冷却蒸気系統配管内に残留する空気をパージし、その後弁20を閉めると同時に冷却蒸気回収経路13上の弁19を開けて冷却蒸気の回収を始める。
【００２５】
なお、ここでは高圧過熱器を２分割とし、高圧過熱器高温部蒸気に高圧第２過熱器10の出口蒸気を、高圧過熱器低温部蒸気に高圧第１過熱器９の出口蒸気を使用しているが、これに限定されるものではなく熱交換器途中から抽気する等してもよい。
このようにして、高圧蒸気が発生してから高圧蒸気タービン排気が使用できるようになるまでの間は、高圧過熱器蒸気をガスタービン高温部へ供給する。
【００２６】
その後、ガスタービン負荷上昇を再開して、蒸気タービン２へ通気するのに適する負荷（図２ではガスタービン負荷30%）で再び負荷上昇を中断し、通気条件が整うのを待機する。
【００２７】
ここで、蒸気タービン２へ通気するのに適するガスタービン負荷について説明すると、蒸気タービン２にかかる熱応力の観点から、蒸気タービンへ通気する蒸気温度は、蒸気タービンロータ温度との温度差（ミスマッチ）が小さい方が望ましい。一方、高圧過熱器出口の蒸気温度は、ガスタービン排ガス温度に追従して変化するから、蒸気タービンロータとのミスマッチを小さくできる排ガス温度になるまでガスタービン１を負荷上昇してから、蒸気タービン２への通気を行う。
【００２８】
このようにして高圧蒸気タービン７への通気がなされ、高圧蒸気タービン排気がガスタービン冷却に必要な流量を上回ったら、弁21と弁22を閉止して高圧過熱器蒸気の供給を停止し、高圧蒸気タービン排気による冷却に切り替える。この切り替えが完了したところで、ガスタービン１の負荷上昇を再開し、ガスタービン負荷100%に至る。
【００２９】
このような運転により、ガスタービン起動過程においてガスタービン冷却媒体が途切れることなく供給されるため、ガスタービン高温部を確実にかつ効果的に冷却することができ、プラントを安全に起動することが可能となる。
【００３０】
プラント停止過程においても、図３に示すように停止過程の経過にともなって冷却媒体の切り替えを行う。停止の場合は、蒸気タービン２に通気されている状態、つまり、高圧蒸気タービン７の排気による冷却が行われている状態からガスタービン１の負荷降下が行われるが、ガスタービン負荷がある程度まで下がったところ（図３ではガスタービン負荷40%）でガスタービン負荷降下を一度中断し、高圧加減弁23をゆっくり閉じて蒸気タービンへの通気を停止する。これは、ガスタービン負荷とともに蒸気温度が低下して蒸気タービンが冷えてしまうと、次回の起動時に蒸気タービンの寿命を余計に消費してしまうので、蒸気温度が下がり始める前に蒸気タービンへの通気を止めるためである。
【００３１】
高圧加減弁23が閉まるにつれて高圧蒸気タービン７の排気の流量は減少していく。しかしこの時のガスタービン負荷は、まだ蒸気による冷却が必要な程度に高い状態であるから、冷却蒸気の供給元を高圧蒸気タービン排気から別の蒸気源へと切り替える必要がある。そこで、高圧蒸気タービン７への流入蒸気が減少して、高圧蒸気タービン排気流量が所要の流量を下回ったら、弁21と弁22によりガスタービン高温部に入る冷却蒸気の温度を調整しながら高圧過熱器蒸気を冷却蒸気供給経路12へと供給しはじめ、高圧加減弁23が全閉したところで完全に高圧過熱器蒸気へと冷却蒸気を切り替える。この切り替え動作が完了したところで、再びガスタービン負荷を降下する。
【００３２】
ガスタービンが解列した後に、冷却空気排出経路15の弁20を開けると同時に冷却蒸気回収経路13の弁19を閉止し、弁18と弁21と弁22を閉止して高圧過熱器蒸気の供給を停止する。これによって冷却空気供給経路14にある逆止弁25の２次側圧力が下がるため、空気圧縮機４からの圧縮空気が逆止弁25を通じてガスタービン高温部へ供給され、ガスタービン冷却媒体が圧縮空気に切り替えられる。冷却空気は、弁18と弁19は閉止しているから蒸気サイクル側に混入することはなく、弁20から排ガスダクトへと排出される。
【００３３】
この運転により、ガスタービン停止過程においてガスタービン冷却媒体が途切れることなく供給されるため、ガスタービン高温部を確実にかつ効果的に冷却することができ、プラントを安全に停止することが可能となる。
【００３４】
負荷遮断時の場合には、高圧加減弁23が急閉した時に、冷却蒸気供給経路12に設置された弁18および冷却蒸気回収経路13に設置された弁19を閉じると同時に、冷却空気排出経路15に設置された弁20を開けてもよい。このようにすることで、冷却空気供給経路14の逆止弁25の２次側圧力が下がるため、逆止弁25が開いて空気圧縮機４から圧縮空気が供給される。負荷遮断後のガスタービンは無負荷定速の状態であり、燃焼温度が低いため空気による冷却でも損傷には至らない。
【００３５】
この運転により、負荷遮断時においてもガスタービン冷却媒体が途切れることなく供給されるため、ガスタービン高温部を確実にかつ効果的に冷却することができ、プラントを安全に運転することが可能となる。FCB（Fast Cut Back）動作の場合も同様である。
【００３６】
また、負荷遮断の他の実施例としては、高圧加減弁23が急閉するため、高圧蒸気タービン排気も急減することになる。そこで高圧加減弁23閉止と同時に、高圧過熱器高温部蒸気供給経路16に設置された弁21と、高圧過熱器低温部蒸気供給経路17に設置された弁22により、高圧蒸気を温度調整しながら冷却蒸気供給経路12へと供給する。負荷遮断後のガスタービンの運転状態は無負荷定速であり、燃焼が継続されている状態であるから、蒸気の発生も継続されている。この運転により、負荷遮断時においてもガスタービン冷却媒体が途切れることなく供給されるため、ガスタービン高温部を確実にかつ効果的に冷却することができ、プラントを安全に運転することが可能となる。FCB動作の場合も同様である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、起動および停止および負荷遮断を含む非定常運転時においてもガスタービン高温部に確実に冷却媒体を供給して冷却を行うことができ、安全に運転することができるコンバインドサイクル発電プラントの運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のコンバインドサイクル発電プラントの構成図。
【図２】本発明の実施の形態のコンバインドサイクル発電プラントの起動時における供給可能な冷却媒体の変化を示す曲線図。
【図３】本発明の実施の形態のコンバインドサイクル発電プラントの停止時における供給可能な冷却媒体の変化を示す曲線図。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…蒸気タービン、３…排熱回収ボイラ、４…空気圧縮機、５…燃焼器、６…ガスタービン本体、７…高圧蒸気タービン、８…中圧蒸気タービン、９…高圧第１過熱器、10…高圧第２過熱器、11…再熱器、12…冷却蒸気供給経路、13…冷却蒸気回収経路、14…冷却空気供給経路、15…冷却空気排出経路、16…高圧過熱器高温部蒸気供給経路、17…高圧過熱器低温部蒸気供給経路、18〜22…弁、23…高圧加減弁、24…中圧加減弁、25…逆止弁。
【図１】
0004473464.tif 000002
【図２】
0004473464.tif 000003
【図３】
0004473464.tif 000004