(57)【要約】ガスタービン（２）用冷却材の冷却装置（１００）を、非常に単純な構造と安価な経費で、ガスタービン用冷却材の冷却時に生ずる熱を利用する際に特に高効率が得られるよう改良する。本発明では、ガスタービンに接続された冷却材通路（１０２）内に、強制貫流ボイラを形成すべく流れ媒体に関し直列接続した複数の蒸発管（１４０、１５０、１６０、１７０）を配置する。冷却材の冷却装置は、燃焼ガス側に後置接続した廃熱ボイラ（３０）を備え、このボイラの伝熱器を蒸気タービン（２０）の水・蒸気回路（２４）に接続されたガス・蒸気複合タービン設備（１、１′、１″）に設ける。その際、冷却材冷却装置の蒸発管の入口側を、供給管（１１２）を経て、蒸気タービンの水・蒸気回路（２４）の給水系に接続する。
2004526900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（２）用冷却材の冷却装置（１００）において、ガスタービン（２）に接続された冷却材通路（１０２）内に、強制貫流ボイラを形成するために流れ媒体に関し直列接続された複数の蒸発管（１４０、１５０、１６０、１７０）が配置されたことを特徴とする装置。
【請求項２】
冷却材通路（１０２）に、ガスタービン（２）からの圧縮空気（Ｌ）が供給されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
ガスタービン（２）用冷却材が貫流する冷却材通路（１０２）が水平に形成され、蒸発管（１４０、１５０、１６０、１７０）の長手軸線が垂直に延びることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
蒸発管（１４０、１５０、１６０、１７０）が各々内側フィンを有することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
【請求項５】
蒸発管（１４０、１５０、１６０、１７０）に、その入口側に前置接続された供給管（４０、１１２）を経て流れ媒体が供給され、該供給管（４０、１１２）に、流れ媒体の流量を調整する手段が接続されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
【請求項６】
流れ媒体の流量を調整する手段が、供給管（４０、１１２）に接続された絞り弁（１１０、２０６、１１６、２２６）を含むことを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
流れ媒体の流量を調整する手段に調整装置（１８０）が付属し、該調整装置（１８０）の入力側に、冷却材通路（１０２）に付属して温度センサ（１８６、１９０）が接続されたことを特徴とする請求項５又は６記載の装置。
【請求項８】
ガスタービン（２）に付属する請求項１から７の１つに記載の冷却材冷却装置（１００）と、ガスタービン（２）の燃焼ガス側に後置接続された廃熱ボイラ（３０）とを備え、廃熱ボイラ（３０）の伝熱器が蒸気タービンの水・蒸気回路（２４）に接続されたガス・蒸気複合タービン設備（１、１′、１″）において、冷却材冷却装置（１００）の蒸発管（１４０、１５０、１６０、１７０）の入口側が、供給管（４０、１１２）を経て、蒸気タービンの水・蒸気回路（２４）の給水系に接続されたことを特徴とする設備。
【請求項９】
ガスタービン（２）に付属する冷却材冷却装置（１００）の蒸発管（１４０、１５０、１６０、１７０）の出口側が、水・蒸気回路（２４）の高圧段に接続されたことを特徴とする請求項８記載の設備。
【請求項１０】
供給管（４０、１１２）の入口側が、第１部分流管（２０２）を経て給水系の給水加熱器（４４）に前置接続された第１部分領域に接続され、第２部分流管（２１４）を経て給水系の給水加熱器（４４）に後置接続された第２部分領域に接続されたことを特徴とする請求項８記載の設備。
【請求項１１】
第１および第２の部分流管（２０２、２１４）に、各々流れ媒体部分流の流量を調整する手段が接続され、該手段に調整装置（１８０）が付属され、この装置（１８０）を経て、第１、第２の両部分流管（２０２、２１４、２２２）における部分流の流量比が、冷却すべき冷却材の温度を特色づける特性値に応じて調整されることを特徴とする請求項１０記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン用冷却材の冷却装置に関する。また本発明は、ガスタービンの燃焼ガス側に廃熱ボイラが後置接続され、該ボイラの伝熱器が蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されているガス・蒸気複合タービン設備に関する。
【０００２】
特にガス・蒸気複合タービン設備のガスタービンは、通常電気エネルギを発生すべく利用される。ガスタービンの出力性能を高め、もってできるだけ高い効率を得るため、ガスタービンの入口での作動媒体の温度を、例えば１２００〜１５００℃の高い温度にすべく努めている。もっとも、かかる高いタービン入口温度は、特にタービン翼の耐熱性に関し材料上の問題を生ずる。
【０００３】
そのような高いタービン入口温度でも長期にわたり確実な運転を確保するため、最新のガスタービンでは、通常、例えば動翼や静翼等の過熱されるタービン部品を冷却するよう設計している。そのため、タービン部品に冷却材、例えば冷却空気を供給する。冷却空気として、特にガスタービンの圧縮機から供給される圧縮空気の部分流が利用される。圧縮空気の温度は、ガスタービンの運転様式に応じ４００℃より高くなっている。圧縮空気の部分流をガスタービン用冷却材として利用可能とするため、通常、その部分流を、例えば２００℃より低い温度迄冷却するよう配慮している。
【０００４】
ガスタービン用冷却材の冷却は、通常ガスタービンに付属の冷却材冷却器で行なう。該冷却器で、冷却材の冷却は熱交換により行なう。この意味で熱交換器として形成した冷却材冷却器は、二次側を低圧蒸発器として形成している。低圧蒸発器で流れ媒体が蒸発し、その際発生した蒸気は、エネルギを回収すべく、蒸気タービンの水・蒸気回路に供給され或いは遠隔暖房系に導かれる。その際、飽和蒸気を発生する所謂水管ボイラや煙管ボイラが採用される。
【０００５】
ガス・蒸気複合タービン設備を設計する際、燃料の含有エネルギを電気エネルギに変換する際の特に高い設備効率は、ごく慣用的な設計目標である。この目標に関し、ガスタービン用冷却材の冷却時に生ずる熱を、蒸気タービンの水・蒸気回路に伝達した際に今迄に得られた結果は限られていた。即ち、ガスタービン用冷却材の冷却時に生ずる熱を利用する際に得られる効率を高めるべく、冷却材の冷却時に低圧および中圧蒸気を発生する２段冷却材冷却器による組合せ方式も考えられた。しかし自明のように、かかる方式では、ガスタービン用冷却材の冷却時に生ずる熱の利用に関し、ほんの僅かな効率増加しか得られず、他方では、設備技術的に非常に高い経費がかかる。
【０００６】
本発明の課題は、非常に単純な構造かつ安価な経費で、ガスタービン用冷却材の冷却時に生ずる熱を利用する際に特に高い効率が得られるガスタービン用冷却材の冷却装置を提供することにある。また、一方ではガスタービンの良好な冷却を保証し、他方ではその際に回収した熱の特に効果的な利用により、ガス・蒸気複合タービン設備の高い総合効率が得られる、冒頭に述べた形式のガス・蒸気複合タービン設備を提供することにある。
【０００７】
ガスタービン用冷却材の冷却装置についての課題は、本発明に基づき、ガスタービンに接続された冷却材通路内に、強制貫流ボイラを形成するために流れ媒体について直列接続された複数の蒸発管を配置することにより解決される。
【０００８】
本発明は、ガスタービン用冷却材の冷却時に生ずる熱を利用する際の高い効率が、冷却材冷却時に比較的高価値の蒸気を発生することで得られるという考えから出発する。従って本発明では、圧縮空気からの比較的高価値のエネルギを比較的低価値の蒸気に変換する従来の構想から転じ、比較的高価値の蒸気、即ち高温高圧の蒸気を発生すべく計画する。蒸気を飽和蒸気でなく、特に過熱蒸気として用意すると、該蒸気は、熱力学的に特に有利であり、この意味で高価値である。これは、冷却材冷却器を所謂ベンソン原理に基づき、即ち強制貫流ボイラとして設計することで、非常に大きな運転パラメータ範囲でも、冷却材冷却器の非常に安価な構造費用で達成できる。そのように設計したボイラでは、流れ媒体が蒸発管を一回通過する間に完全に蒸発する。冷却材冷却器のこの設計は、直列接続された蒸発管内で最終蒸発点が、運転に無関係に非常に広い範囲にわたり変動することを可能にする。その際、蒸発管の最終蒸発点に続く部分で、蒸気の過熱を行なう。
【０００９】
非常に単純な構造とすべく、ガスタービン用冷却材として、ガスタービンからの圧縮空気を利用するとよい。従って、冷却材通路に、ガスタービンからの圧縮空気を供給する。ガスタービン用冷却材の冷却装置は空気冷却器である。
【００１０】
冷却材冷却装置、即ち冷却空気の冷却器を、所謂「横形」に形成すると、故障の少ない特に安定した運転性能が得られる。そのため、ガスタービン用冷却材が貫流する冷却材通路を水平に形成し、蒸発管の長手軸線を垂直に延ばすとよい。かかる構造では、流れ媒体側の圧力損失は非常に低下し、特に蒸発管の最低流量の下限は生じない。
【００１１】
従ってそのように設計した場合、特に低出力時や始動時に、特に確実に運転できる。またこの「横形」の場合、冷却空気冷却器を、高価な支持架台なしに、非常に簡単に得られる帯板状の基礎上に簡単に設置できる。また本来の冷却材通路への接近が容易である。このように形成した冷却空気冷却器の保守点検作業は、特に簡単に行なえ、かつ蒸発管により形成した伝熱器を横に引き出せる。
【００１２】
冷却すべき冷却材から蒸発管の二次側を貫流する流れ媒体への特に良好な熱伝達を保証し、従って全運転状態で蒸発管の確実な冷却を確保すべく、蒸発管が各々内側フィンを持つとよい。このフィンにより、各蒸発管を貫流する流れ媒体に旋回が起る。この旋回により、流れ媒体は、発生する遠心力で各蒸発管の内側壁に特に確実に押し付けられる。その際、蒸発管の内側壁から蒸発管内を流れる流れ媒体への特に良好な熱伝達が起る。
【００１３】
その代わりに又は加えて、蒸発管に外側フィンを設けるとよい。該フィンは、例えば各蒸発管の周りにスパイラル状に巻かれた帯金である。これは、蒸発管の高温ガス流に曝される面積を増大し、この結果蒸発管への入熱に追加的に貢献する。
【００１４】
蒸発管内で流れ媒体が完全に蒸発し、続いて過熱される故、冷却材冷却器の冷却力は、或る範囲内で流れ媒体の流量に関係する。冷却材冷却装置の冷却力をガスタービンの変動する運転状態に適合させるため、蒸発管への流れ媒体の供給を調整するとよい。そのため蒸発管の入口側に、前置接続した供給管を経て流れ媒体を供給するとよい。該供給管に、流れ媒体の流量を調整する手段を接続しておく。流れ媒体の流量を調整する手段は、好適には供給管に接続された絞り弁を含む。
【００１５】
ガスタービン用冷却材の冷却時に特に大きな柔軟性を得るため、冷却力を冷却すべき冷却材の温度と冷却材の設定温度に応じ調整するとよい。そのため流れ媒体の流量を調整する手段は、本発明の特に有利な実施態様では、調整の一部であり、ガスタービン用冷却材の温度を指令量として用い、運転点に関係する設定値と比較する。好適には流れ媒体の流量を調整する手段に、調整装置を付属させ、この装置の入力側に冷却材通路に付属した温度センサを接続する。かかる配置構造では、冷却力を実際の運転状態と冷却要求に柔軟に適合可能なため、この冷却材冷却器を、多くの慣用的なガスタービンに適用できる。
【００１６】
冒頭に述べた形式のガス・蒸気複合タービン設備についての課題は、ガスタービンに上述した形式の冷却材冷却装置を付属させ、この装置の蒸発管の入口側を、蒸気タービンの水・蒸気回路の給水系に接続することで解決できる。
【００１７】
ガス・蒸気複合タービン設備に採用した際、強制貫流ボイラとして形成した冷却材冷却器により達成可能な高い効率は、ガスタービン用冷却材の冷却時に入手した熱の利用に際し、特に有利な方法で、いずれにせよガス・蒸気複合タービン設備の設計時に通常課せられる設計目標に寄与する。冷却材冷却器の蒸発管に供給される流れ媒体は給水系から部分流として分岐され、給水系は、通常の配管方式で、蒸気タービンのガス・蒸気複合タービン設備の復水器から蒸発器迄の部分領域を含む。給水系から冷却材冷却器の蒸発管に供給される流れ媒体として、復水器から流出する復水や加熱器に流入する給水を用いる。
【００１８】
前置接続された給水ポンプにより通常大きな圧力下にある給水は、冷却材冷却器の蒸発管に直接導入できる。蒸発管を貫流するのに必要な圧力は、蒸気タービンの本来の水・蒸気回路に接続された加熱器と同様に、給水ポンプで与えられる。冷却材冷却器の蒸発管に流れ媒体として復水を供給する場合、その貫流に必要な圧力レベルは、蒸気タービンの水・蒸気回路の給水ポンプを迂回し、固有の圧縮ポンプにより発生してもよい。
【００１９】
ガス・蒸気複合タービン設備の構造様式に応じ、蒸気タービンの水・蒸気回路は複数の圧力段、特に２つ又は３つの圧力段を含む。水・蒸気回路をそのような多段に形成した場合、冷却材冷却器を比較的高価値の蒸気を用意すべく蒸気タービンの多段水・蒸気回路の最高圧力段に合わせることで、ガスタービン用冷却材の冷却時に生ずる熱を、特に効果的に利用できる。そのため、ガスタービンに付属する冷却材冷却装置の蒸発管は、出口側を蒸気タービンの水・蒸気回路の高圧段に接続するとよい。その際、冷却材冷却器で生じた蒸気は、例えば高圧ドラムに供給され、或いは廃熱ボイラが高圧範囲において強制貫流ボイラとして形成されている場合、高圧分離タンクに供給される。
【００２０】
通常、ガス・蒸気複合タービン設備における蒸気タービンの水・蒸気回路の給水系には予熱器が接続される。この予熱器は、エコノマイザとも呼ばれる復水加熱器および／又は給水加熱器である。特に有利な実施態様では、冷却材冷却装置の蒸発管の流れ媒体側に未予熱流れ媒体並びに予熱済み流れ媒体（即ち給水又は復水）を供給することで、冷却材の冷却は変動し、ガスタービンの各運転状態に特に柔軟に適合させられる。その場合、予熱済み流れ媒体と未予熱流れ媒体との混合率は、必要に応じ調整できる。そのため、冷却材冷却器の蒸発管の入口側に前置接続した供給管を、入口側で、第１部分流管を経て給水予熱器に前置接続された給水系の第１部分領域に接続し、第２部分流管を経て給水予熱器に後置接続された給水系の第２部分領域に接続する。その際、第１部分流管を経て冷却材冷却器の蒸発管に比較的冷たい流れ媒体を供給し、これに対し第２部分流管を経て冷却材冷却器の蒸発管に予熱済み流れ媒体を供給する。
【００２１】
未予熱流れ媒体と予熱済み流れ媒体との混合率は、冷却材冷却器の蒸発管への供給時に調整するとよい。そのため、本発明の有利な実施態様では、第１と第２の部分流管に各々流れ媒体部分流の流量を調整する手段を接続する。それら手段に調整装置を付属させ、この装置を経て、第１、第２の両部分流管における部分流の流量比を、冷却すべき冷却材の温度を特色づける特性値に関係して調整するのが望ましい。
【００２２】
その場合、冷却材冷却器の蒸発管に導入される流れ媒体の主流は、給水ポンプから供給される予熱済み給水から成り、冷たい復水は、冷却材冷却器の蒸発管に流入する流れ媒体の温度を調整すべく、目的に応じて混入される。
【００２３】
本発明による利点は、特に冷却材冷却器を流れ媒体に対し強制貫流形ボイラとして形成したことで、ガスタービン用冷却材の冷却時、熱力学的に非常に価値ある蒸気を用意できることにある。強制貫流ボイラとしての構造に基づき、冷却材冷却器は、非常に単純な構造で、超臨界圧範囲でも未臨界圧範囲でも採用でき、この結果、大きな設計圧力の最新の発電所でも、既存の設備に追加装備する場合でも、非常に単純な手段で、確実な冷却材冷却を保証できる。冷却材冷却器は、特に発生した蒸気を付属の蒸気タービン設備で利用しない、所謂単独運転にも適する。
【００２４】
しかし、発生した高価値の蒸気を蒸気タービンの水・蒸気回路の相応した圧力段で利用すると特に有利である。貫流ボイラとしての設計は、変動最終蒸発点のため、非常に大きな運転パラメータ範囲を確実にカバーできる。特に、１３ＣｒＭｏ４４或いは１５ＣｒＭｏ３のような耐熱鋼を利用し、ガスタービンの圧縮機から流出する約５００℃迄の圧縮空気を冷却材として利用する場合、あらゆる運転状態において過熱の危険は殆ど回避できる。従って、特に蒸発管に最低量の流れ媒体を供給する必要はなくなる。この結果、冷却材冷却器を強制貫流原理に基づくボイラとして形成した場合、蒸発器の個々の圧力段間に非常に高価な分離タンクを配置する必要なしに、乾いた蒸発器或いは部分充填された蒸発器で、始動運転或いは低出力運転が行なえる。
【００２５】
従って、冷却材冷却器を強制貫流ボイラとすると、設備の始動直後でも、ガスタービン用冷却材の温度に影響を与えることができる。蒸発管が「乾いた」状態で冷却材冷却器が始動可能なので、ガスタービンの始動直後に、冷却材冷却器で多量の水を加熱する必要がない。従って、ガスタービン・冷却空気の意図しない過冷却の危険は存在しない。かかる過冷却は、特に冷却空気と共に運ばれる水蒸気を露点以下に冷し、凝縮させてしまう。
【００２６】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において、同一部分には同一符号を付している。
【００２７】
図１〜３のガス・蒸気複合タービン設備１、１′、１″は、各々ガスタービン設備１ａと蒸気タービン設備１ｂを含む。設備１ａは、ガスタービン２とこれに前置接続された燃焼器６を持つ。ガスタービン２に空気圧縮機４が連結され、燃焼器６が空気圧縮機４の新鮮空気管８に接続されている。ガスタービン２の燃焼器６に燃料供給管１０が開口し、ガスタービン２、空気圧縮機４および発電機１２は、共通の軸１４上に置かれている。
【００２８】
蒸気タービン設備１ｂは、発電機２２が連結された蒸気タービン２０、水・蒸気回路２４内で蒸気タービン２０に後置接続された復水器２６およびガス・蒸気複合タービン設備１に対する廃熱ボイラとして用意されたボイラ３０を含む。蒸気タービン２０は、第１圧力段、即ち高圧部２０ａと、第２圧力段、即ち中圧部２０ｂと、第３圧力段、即ち低圧部２０ｃとから成り、これら各圧力段は、共通の軸３２を経て発電機２２を駆動する。
【００２９】
廃熱ボイラとして形成したボイラ３０の入口３０ａに、ガスタービン２で膨張した作動媒体ＡＭ又はボイラ３０での燃焼ガスを導入すべく、排気管３４を接続している。ガスタービン２からの膨張済み作動媒体ＡＭは、ボイラ３０からその出口３０ｂを経て煙突（図示せず）に向けて排出される。
【００３０】
蒸気タービン２０に後置接続された復水器２６は、復水ポンプ３６が接続された復水管３５を経て、ボイラ３０内に配置されたエコノマイザ或いは復水加熱器３８に接続されている。復水加熱器３８は出口側が、高圧ポンプとして形成された給水ポンプ４２を接続した供給管４０を経て、ボイラ３０内に配置された高圧加熱器或いは給水加熱器４４に接続されている。この結果復水管３５は、復水加熱器３８と供給管４０と給水加熱器４４と共に、蒸気タービン設備１ｂの給水系を形成している。
【００３１】
蒸気タービン設備１ｂの水・蒸気回路２４の高圧部は、密閉蒸発器回路を形成すべく入口側と出口側を高圧ドラムに接続した高圧蒸発器を持つ循環蒸発器として形成できる。しかし本実施例では、ボイラ３０の高圧範囲を貫流ボイラとして形成すべく、給水加熱器４４の出口側を、貫流運転用に設計した蒸発器４６に接続している。該蒸発器４６の出口側は、分離タンクとも呼べる水分離器５０を接続した蒸気管４８を経て、過熱器５２に接続している。換言すれば、水分離器５０を蒸発器４６と過熱器５２の間に接続している。
【００３２】
水分離器５０は、蒸気管４８を経て、蒸発器４６からの主蒸気Ｆを供給される。また水分離器５０に、弁５３で遮断できる排出管５４を接続している。この排出管５４は、水分離器５０から水Ｗを排出するために使われる。
【００３３】
過熱器５２の出口側は、蒸気タービン２０の高圧部２０ａの蒸気入口５５に接続されている。蒸気タービン２０の高圧部２０ａの蒸気出口５６は、ボイラ３０内に配置された再熱器５８を経て、蒸気タービン２０の中圧部２０ｂの蒸気入口６０に接続されている。蒸気出口６２は、転流管６４を経て蒸気タービン２０の低圧部２０ｃの蒸気入口６６に接続されている。蒸気タービン２０の低圧部２０ｃの蒸気出口６８は、蒸気管７０を経て復水器２６に接続され、この結果水・蒸気閉回路２４が生じている。
【００３４】
また、ガス・蒸気複合タービン設備１、１′、１″の給水系は、適当な個所、即ち特に復水又は給水の流れ方向に見て給水ポンプ４２の上流に、給水として必要な復水を一時的に貯蔵し、かつ必要に応じ復水を脱気するための給水タンクを備えてもよい。しかしこの実施例では、給水系から給水タンクを省いており、必要に応じ復水Ｋを一時的に貯蔵すべく循環回路７２を設けている。この回路７２を形成すべく、給水ポンプ４２の中圧範囲に分岐管７６を接続している。該分岐管７６は弁７４で遮断でき、復水加熱器３８の上流に置いた注水個所７８で復水管３５に開口している。従って循環回路７２は、復水加熱器３８と供給管４０と分岐管７６とで形成している。
【００３５】
この実施例で、ボイラ３０は、中圧段として形成したもう１つの圧力段に中圧ドラム８０を含む。加熱済み復水Ｋを供給すべく、中圧ドラム８０は、弁８２で遮断可能な分岐管８４を経て供給管４０に接続している。更に中圧ドラム８０は、水・蒸気循環路８８を形成すべく、ボイラ３０内に配置した中圧蒸発器８６に接続している。中圧ドラム８０は、主蒸気Ｆを排出するため、蒸気管９０を経て再熱器５８に接続している。
【００３６】
本実施例では、水・蒸気循環路を自然循環回路とし、循環を維持するための圧力勾配を測地学的圧力差で得ている。しかし、水・蒸気循環路８８を強制循環回路とし、又は中圧段全体を、中圧ドラム８０を省いた上で、強制貫流蒸発器として形成できる。
【００３７】
従って本実施例で、水・蒸気回路２４は２つの圧力段を含む。しかし水・蒸気回路２４は異なる数の圧力段、特に３段に形成してもよい。ガス・蒸気複合タービン設備１、１′、１″は、特に高効率用に設計されている。そのため、特に熱力学的理由から、ガスタービンの運転は、燃焼器６からの流出時に、例えば１２００℃以上の非常に高い温度を持つ作動媒体ＡＭで行なうよう計画している。かかる高いタービン入口温度で、特にガスタービン２のタービン翼の耐熱性に関する材料上の問題を、長期運転時にも確実に回避すべく、ガスタービン２は少なくとも過熱される部分を冷却可能に形成してある。そのための冷却材として、空気圧縮機４から流出する圧縮空気Ｌの部分流を、燃焼器６を迂回して、ガスタービン２に冷却材として供給することが考えられる。
【００３８】
その際、冷却材又は冷却空気として利用する部分流の確実で十分な冷却作用を保証すべく、部分流の冷却をガスタービン２への流入前に行なうよう考慮している。そのため空気圧縮機４から流出する圧縮空気の部分流を、それがガスタービン２に流入する前に、例えば４００℃以上から約２００℃に冷却する冷却材又は冷却空気冷却装置１００を、ガスタービン２に付属させている。この冷却装置１００は冷却材通路１０２を備える。該通路１０２は、空気圧縮機４の新鮮空気管８から分岐し、ガスタービン２に開口する冷却空気管１０４に接続されている。従って、冷却材冷却装置１００の冷却材通路１０２は、冷却空気管１０４を経てガスタービン２に接続されている。
【００３９】
ガス・蒸気複合タービン設備１、１′、１″の高い総合効率のため、ガスタービン２の冷却材冷却装置１００も、ガスタービン２用冷却空気の冷却時に生ずる熱を特に効果的に利用すべく設計している。その熱を特に有効に蒸気タービン設備１ｂの水・蒸気回路２４で回収するため、ガスタービン２の冷却材冷却装置１００は、一次側にガスタービン２の冷却すべき冷却空気を供給され、二次側は強制貫流ボイラを形成するために流れ媒体に関して直列接続された多数の蒸発管を有する熱交換器として形成されている。流れ媒体として、蒸気タービン設備１ｂの水・蒸気回路２４からの給水や復水を利用できる。
【００４０】
流れ媒体の案内のため、供給管１１２の入口側を蒸気タービン設備１ｂの水・蒸気回路２４の給水系に接続している。供給管１１２は、絞り弁や絞り装置１１０で遮断できる。供給管１１２は出口側が第１蒸発器１２０に開口し、該蒸発器１２０は、圧力容器１１６で包囲され、内側ハウジング１１４で形成された冷却材通路１０２内に配置されている。流れ媒体側第１蒸発器１２０に、同様に冷却材冷却装置１００の冷却材通路１０２内に配置された第２蒸発器１２２と第３蒸発器１２４が後置接続されている。該蒸発器１２０、１２２、１２４は強制貫流蒸発器として形成され、流れ媒体は、直列接続された蒸発器１２０、１２２、１２４を貫流する際に完全に蒸発する。その最終蒸発点は貫流ボイラ原理に基づき変動し、最終蒸発点の下流の高温範囲で、発生蒸気を過熱する。その際に得られた蒸気Ｄを蒸気タービン設備１ｂの水・蒸気回路２４に有益に帰還するため、第３蒸発器１２４を、蒸気管１２６を経て水分離器５０に接続している。
【００４１】
図１〜３に破線で示す如く、必要に応じ、第３蒸発器１２４に過熱器１２８を後置接続してもよい。この過熱器１２８で用意した過熱蒸気を、転流管１３０を経て、過熱器５２から流出する蒸気タービン２０の高圧部２０ａに対する主蒸気に混入させる。
【００４２】
蒸発器１２０、１２２、１２４を強制貫流ボイラとして形成したため、蒸気タービン設備１ｂの水・蒸気回路２４への帰還に対し、比較的高価値の蒸気Ｄを準備できる。この結果、ガスタービン２用冷却空気の冷却時に生ずる熱を、特に有益に回収できる。従ってこの実施例で、冷却材冷却装置１００でガスタービン２用冷却空気の冷却時に発生する過熱蒸気Ｄを、水・蒸気回路２４の高圧段或いは最高圧力段に供給する。しかし特に他の周辺条件に応じ、別の圧力段、特に中圧段に供給してもよい。
【００４３】
低出力範囲でも冷却材冷却装置１００の確実な運転を可能にすべく、第１蒸発器１２０は必要に応じ迂回可能に形成できる。そのため、第１蒸発器１２０の入口側に三方弁１３１を前置接続し、該弁１３１を経て、バイパス管１３２を供給管１１２から分岐する。この管１３２は、出口側が第１蒸発器１２０の出口範囲に設けた注入個所、特にその最後から２番目の中間管寄せに開口する。この結果、非常に僅かな流れ媒体しか準備できない低出力範囲でも、第１蒸発器１２０で決して蒸発は生ぜず、従って蒸気成分を含まない専ら液状の流れ媒体が後置接続された蒸発器に流入することを保証できる。必要なら、特に低出力範囲において、三方弁１３１の適当な切換に伴い、流れ媒体はバイパス管１３２を経て大部分が、第１蒸発器１２０の多数の伝熱管を迂回して流れる。
【００４４】
ガスタービン２の冷却材冷却装置１００の詳細な構造を、図４の縦断面図と図５の横断面図で示す。冷却材冷却装置１００は、外被として比較的厚肉に形成した圧力容器１１６を含む。この容器１１６内に、冷却材通路１０２を形成すべく設けた内側ハウジング１１４を配置している。その際、冷却材冷却装置１００は水平に延びる冷却材通路１０２のため横形に形成している。換言すれば、冷却材冷却装置１００の冷却材通路１０２は、ガスタービン２用冷却材が水平に貫流するように形成してある。
【００４５】
特に図４から解る如く、冷却材通路１０２に、第１蒸発器１２０、第２蒸発器１２２、第３蒸発器１２４並びに過熱器１２８を配置している。その際、第１蒸発器１２０は予熱器又はエコノマイザとして形成し、流れ媒体に関し並列接続された多数の蒸発管１４０により形成している。これら蒸発管１４０に、第１蒸発器１２０を形成すべく、適当に位置づけて、入口分配器とも呼べる多数の入口管寄せ１４２を前置接続し、適当に位置づけた多数の出口管寄せ１４４を後置接続している。これら蒸発管１４０は、入口側で供給管１１２に接続している。蒸発管１４０に対し後置接続した出口管寄せ１４４を転流管１４６に接続し、この管１４６に、第２蒸発器１２２に付属する多数の入口管寄せ１４８を接続している。これら入口管寄せ１４８の入口側は、図４に詳細に示さない方式で三方弁１３１に接続したバイパス管１３２につないでいる。
【００４６】
入口管寄せ１４８を、第２蒸発器１２２を形成する多数の蒸発管１５０に前置接続している。特に第２蒸発器１２２は、それを形成する蒸発管１５０の寸法と位置決めに関し、固有の蒸発器として形成している。蒸発管１５０は、出口側を第２蒸発器１２２に付属する多数の出口管寄せ１５２に接続している。
【００４７】
これら管寄せ１５２は、転流系１５４を経て、出口側を第３蒸発器１２４に付属の多数の入口管寄せ１５６に接続している。これら入口管寄せ１５６を、第３蒸発器１２４を形成する多数の蒸発管１６０に前置接続し、蒸発管１６０の出口側を第３蒸発器１２４に付属する多数の出口管寄せ１６２に開口させている。その際、第３蒸発器１２４も固有の蒸発器として形成している。
【００４８】
第３蒸発器１２４に付属する出口管寄せ１６２の出口側は、過熱器１２８を形成する多数の蒸発管１７０に接続している。
【００４９】
従って冷却材冷却装置１００は横形貫流ボイラを形成する。この「横形」は、運転安定性が高く、流れ媒体側の圧力損失が小さく、特に冷却材冷却装置１００の単純で丈夫な運転挙動を可能にする。また、横形は、高価な支持架台なしに、冷却材冷却装置１００を非常に単純な帯板状の基礎上に設置することを可能にする。貫流ボイラを形成すべく流れ媒体側を直列接続した蒸発管１４０、１５０、１６０、１７０は、各々垂直に、即ちその長手軸線が垂直に向いている。冷却材通路１０２を貫流する冷却空気から、蒸発管１４０、１５０、１６０、１７０を貫流する流れ媒体への大きな熱伝達を保証すべく、前記蒸発管に、夫々内側および／又は外側フィンを設けている。
【００５０】
ガスタービン２用冷却材を、ガス・蒸気複合タービン設備１、１′、１″の各運転状態に特に柔軟に適合させて冷却すべく、ガスタービン２用冷却材の冷却装置１００の冷却力を調整し、各運転状態に適合させる。そのため図１〜３から明らかな如く、冷却材冷却装置１００に、内部を流れる流れ媒体の流量を調整する装置１８０を付属させている。該装置１８０の出力側は、操作信号Ｓの操作指令を伝達すべく、冷却材冷却装置１００の供給管１１２に接続された絞り弁１１０に、信号配線１８２を経て接続している。従って、調整装置１８０を経る操作指令又は信号Ｓの付与により、絞り弁１１０の弁位置を調整し、冷却材冷却装置１００への二次冷却材としての流れ媒体の供給量を調整できる。調整装置１８０は、入力側で、第１信号配線１８４を経て第１温度センサ１８６、第２信号配線１８８を経て第２温度センサ１９０に各々接続している。第１温度センサ１８６は冷却材冷却装置１００の上流範囲で冷却空気管１０４に配置し、これに対し第２温度センサ１９０は冷却材冷却装置１００の下流範囲で冷却空気管１０４に配置している。従って調整装置１８０に、ガスタービン２用の冷却空気が冷却材冷却装置１００に流入する前の温度と、そこから流出した後の温度の測定値が入力される。更に、矢印１９２で示す如く、調整装置１８０に、例えば設定温度値又は手動で設定した調整値が入力される。
【００５１】
従って調整装置１８０は、ガスタービン２用の冷却すべき冷却空気の温度の設定値と実際値を比較し、冷却空気の再冷却に必要な冷却特性値を求める。この特性値に関係して、操作信号Ｓを絞り弁１１０に対し出力し、この信号Ｓで冷却材冷却装置１００を貫流する流れ媒体の流量を、冷却空気の再冷却における冷却需要に適合させる。
【００５２】
ガスタービン２用の冷却空気の再冷却時における冷却材冷却装置１００の冷却力を特に柔軟且つ精確に調整するため、冷却材冷却装置１００にも、異なる温度の流れ媒体から成る混合媒体を供給する。そのため、冷却材冷却装置１００の供給管１１２を入口側で、加熱器の上流個所並びに下流個所で、夫々蒸気タービン設備１ｂの水・蒸気回路２４の給水系に接続している。そのため、図１の実施例では、供給管１１２を、一方では給水ポンプ４２の下流個所２００で水・蒸気回路２４の給水系に接続している。従って、この個所２００で供給管１１２に供給される給水は、一方で復水加熱器３８を貫流し終え、従って比較的高い温度を有している。他方で給水は、その個所で給水ポンプ４２により発生された比較的大きな圧力下にあるので、この給水は、冷却材冷却装置１００の蒸発器１２０、１２２、１２４に、特別の増圧手段なしに、導入できる。
【００５３】
しかも、図１の実施例では、供給管１１２を、追加的に部分流管２０２を経て復水管３５に接続している。この部分流管２０２には、復水混入ポンプ２０４並びに絞り弁２０６を接続している。従って、復水加熱器３８の上流個所２０８で取り出された比較的冷たい復水Ｋが、部分流管２０２を経て供給管１１２に供給される。その復水Ｋを供給管１１２に供給するために必要な圧力は、復水混入ポンプ２０４で発生する。
【００５４】
部分流管２０２に接続した絞り弁２０６は、更に、信号配線２１０を経て調整装置１８０の信号Ｓを与えられる。従って、調整装置１８０を経て、各運転状態、特に冷却需要に応じ供給管１１２に比較的冷たい復水Ｋが混入する。換言すれば、図１の実施例では、絞り弁１１０、２０６は、冷却材冷却装置１００の流れ媒体供給に対し用意した種々の流れ媒体部分流の流量を調整する手段となっている。これら手段に調整装置１８０が付属し、該装置は部分流の流量比を、ガスタービン２用の冷却すべき冷却材の温度値を特色づける特性値に関し、特にこの特性値と設定値とを比較して調整する。
【００５５】
図２の実施例、即ちガス・蒸気複合タービン設備１′では、同様に復水加熱器３８の貫流前に取り出した復水Ｋと、復水加熱器３８の貫流後に取り出した復水Ｋとから成る調整可能な混合物を、冷却材冷却装置１００に供給する。しかし図２の実施例では、供給管１１２の入口側を供給管４０、即ち復水Ｋが給水ポンプ４２に流入する前に接続している。
【００５６】
図２の実施例では、冷却材冷却装置１００に流入させるために必要な流れ媒体の圧力を得るべく、供給管１１２に増圧ポンプ２１２を接続している。冷却材冷却装置１００の流れ媒体として供給管４０から分岐した加熱済み復水Ｋの部分流に、比較的冷たい復水Ｋを必要に応じて混入するため、図２のガス・蒸気複合タービン設備１′の場合も部分流管２１４を設けている。該管２１４は、入口側が復水管３５に接続され、出口側が増圧ポンプ２１２の上流個所で供給管１１２に開口している。供給管１１２への冷たい復水Ｋの混合率を必要に応じ調整すべく、部分流管２１４に絞り弁２１６を接続している。この弁２１６に、信号配線２１８を経て、調整装置１８０から設定値Ｓを与える。
【００５７】
図３のガス・蒸気複合タービン設備１″は、未加熱給水と加熱済み給水を適宜混合し、該混合物を冷却材冷却装置１００に供給する。そのため供給管１１２は、水・蒸気回路２４の給水系から給水ポンプ４２の下流個所２２０で分岐している。この結果、給水ポンプ４２により高圧であるが、給水加熱器４４で未加熱の給水が供給管１１２に送られる。本実施例では、比較的細かく温度調整すべく、水・蒸気回路２４の給水系から給水加熱器４４の下流個所２２４で分岐する部分流管２２２を設けている。該管２２２に絞り弁２２６が接続され、出口側で供給管１１２に開口している。このため、給水加熱器４４で一層加熱された高圧下の給水が、部分流管２２２を経て供給管１１２に混入する。
【００５８】
絞り弁２２６は、信号配線２２８を経て調整装置１８０から操作信号Ｓを与えられ、従ってこの実施例でも、温かい流れ媒体と冷たい流れ媒体の部分流の混合率を、需要、特にガスタービン２用の冷却すべき冷却空気の測定した温度特性値に応じて調整できる。上述の３つの各実施例で、流れ媒体の異なる温度の部分流混合物が実際の冷却需要に合わせて混合されて供給される冷却材冷却装置１００は、蒸発器１２０、１２２、１２４、１２８間に分離タンクが接続されていない強制貫流ボイラとして形成されている。
【００５９】
この実施例では、冷却材冷却装置１００の、蒸発器１２０、１２２、１２４、１２８が未充填（乾燥）状態又は部分充填状態での始動を考慮している。これは、特にガスタービン２用の冷却すべき冷却材の約５００℃迄の予期される温度について、蒸発管１４０、１５０、１６０、１７０に、例えば１３ＣｒＭｏ４４や１５ＣｒＭｏ３のような材料を利用する場合、顕著な過熱を生ずる危険なしに可能である。従って冷却材冷却装置１００は、比較的単純な構造で既に、始動時に特に良好に利用でき、その場合、特に始動中にガスタービン２用冷却材が過度に冷却される危険を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明によるガス・蒸気複合タービン設備の配管系統図。
【図２】本発明によるガス・蒸気複合タービン設備の他の実施例の配管系統図。
【図３】本発明によるガス・蒸気複合タービン設備の更に別の実施例の配管系統図。
【図４】図１〜図３の設備のガスタービンに付属した冷却材冷却装置の縦断面図。
【図５】図４における冷却材冷却装置の横断面図。
【符号の説明】
【００６１】
１、１′、１″  ガス蒸気複合タービン設備、２  ガスタービン、２４  水・蒸気回路、３０  廃熱ボイラ、４０、１１２  供給管、４４  給水加熱器、１００  冷却材冷却装置、１１０、１１６  絞り弁、１４０、１５０、１６０、１７０  蒸発器、１８０  調整装置、１８６、１９０  温度センサ、２０２、２１４、２２２  部分流管
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2004526900.tif 000038
2004526900.tif 000039
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