(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンプラントに、蒸気タービンプラントおよび排熱回収ボイラを組み合せたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、上記ガスタービンプラントのガスタービンと同軸上に設置された空気圧縮機を備え、上記ガスタービンを高圧ガスタービンと低圧ガスタービンに区分けし、上記高圧ガスタービンの入口側にガスタービン高圧燃焼器を設置し、上記低圧ガスタービンの入口側にガスタービン再燃器を設置し、上記低圧ガスタービンの出口側と上記排熱回収ボイラの入口側との間に設けられ、上記空気圧縮機からの高圧空気を上記低圧ガスタービンの排ガスで加熱し、この高圧空気を上記ガスタービン高圧燃焼器に供給する再生器を設置する一方、上記蒸気プラントの蒸気タービンからのタービン抽気で上記高圧ガスタービンおよび上記低圧ガスタービンの高温部を冷却させた後、上記排熱回収ボイラに回収させる蒸気冷却供給・回収系を備え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。
【請求項２】
請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、上記ガスタービンプラントの空気圧縮機からの空気圧縮機抽気で上記ガスタービン高圧燃焼器およびガスタービン再燃器の高温部を冷却させた後、上記空気圧縮機から上記再生器を介して上記ガスタービン高圧燃焼器に回収する高圧空気に合流させる循環空気系を備え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。
【請求項３】
請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、再生器と排熱回収ボイラとを、連続一体接続および別置き配置のいずれか一方を選択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。
【請求項４】
請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、低圧ガスタービンから再生器に供給される排ガス温度を、６５０℃〜８５０℃の範囲に設定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。
【請求項５】
請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、再生器から排熱回収ボイラに供給される排ガス温度を、５００℃〜６５０℃の範囲に設定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。
【請求項６】
請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、空気圧縮機から高圧ガスタービンに供給される高圧空気の圧力比を、１５〜３５の範囲に設定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、プラント熱効率の向上を図っ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】
最近の火力発電プラントでは、原動機としての蒸気タービン単体またはガスタービン単体に代って、両者の利点を巧みに組み合せたコンバインドサイクル発電プラントが主流を占めつつある。
【０００３】
コンバインドサイクル発電プラントは、高温域側に作動流体として燃焼ガスを使用し、比較的低温域側に作動流体として蒸気を使用する二流体を組み合せたもので、高温域側のサイクルにブレイトンサイクルを、また比較的定温域側のサイクルにランキンサイクルを用いてプラント熱効率の向上を図ったものである。
【０００４】
このようなコンバインドサイクル発電プラントには、例えば図７に示すように、一軸タイプのものがある。
【０００５】
一軸タイプのコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン１と蒸気タービンプラント２とを互いに軸直結させるとともに、排熱回収ボイラ３を別置きにした構成になっている。
【０００６】
ガスタービンプラント１は、空気圧縮機４、ガスタービン燃焼器５、ガスタービン６、発電機７を備え、空気圧縮機４で吸い込んだ大気ＡＲを圧縮して高圧空気にし、高圧空気を燃料Ｆとともにガスタービン燃焼器５に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、燃焼ガスをガスタービン６で膨張仕事をさせ、その回転トルクにより発電機７を駆動するブレイトンサイクルになっている。
【０００７】
また、蒸気タービンプラント２は、蒸気タービン８、復水器９、給水ポンプ１０を備え、排熱回収ボイラ３から供給された蒸気を蒸気タービン８で膨張仕事をさせ、その膨張仕事による回転トルクで発電機７を駆動する一方、膨張仕事後のタービン排気を復水器９により凝縮して常温水（給水）にし、その常温水（給水）を給水ポンプ１０で昇圧させ排熱回収ボイラ３に還流させるランキンサイクルになっている。
【０００８】
また、排熱回収ボイラ３は、ガスタービンプラント１から供給された排ガス（排熱）を熱源とし、蒸気タービンプラント２から供給された常温水（給水）を、器内に収容した熱交換器で熱交換させて蒸気を発生させるようになっている。
【０００９】
このように、コンバインドサイクル発電プラントは、ブレイトンサイクルとランキンサイクルを組み合せるとともに、ガスタービンプラント１から排出される排ガスを巧みに利用してプラント熱効率の向上を図っており、コンベンショナル発電プラントに較べてプラント熱効率を３〜８％向上させていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンプラント１に適用されているブレイトンサイクルにしろ、蒸気タービンプラント２に適用されているランキンサイクルにしろ、もともとカルノーサイクルから出発したものであり、このカルノーサイクルの理論によれば、原動機に供給される作動流体の温度が増せば、その増す分だけプラント出力および熱効率が向上することが知られている。
【００１１】
しかし、原動機に供給される作動流体の温度を例えば１５００℃に高めた場合、現在、原動機、例えばガスタービンの高温部品に適用されているＮｉ−Ｃｒ基またはＣｏ基の耐熱合金鋼の材力を考えると、もはや許容応力の限界値を超えている。このため、最近では、ガスタービンの高温部品、例えばタービン静翼、タービン動翼、タービンロータ（回転軸）等に冷却媒体として空気を使用してガスタービン１の高温化に対処させた発明が数多く公表されている。
【００１２】
しかし、そもそもガスタービンプラント１の高温部品に冷却媒体としての空気を供給すること自体は、その高温部品の材力を維持するためのものであり、動力発生には寄与していない。このため、ヒートバランス（熱精算）を子細に考察してみると、計画値通りのプラント熱効率を向上させることができず、ガスタービンプラント１を高温化させる度合に較べてプラント熱効率は、むしろ低下する傾向にある。
【００１３】
したがって、コンバインドサイクル発電プラントのプラント熱効率をより一層向上させるには、ガスタービンプラント１の高温部品に供給される冷却媒体の消費を少なくさせる新たな代替技術の実現が必要とされている。
【００１４】
本発明は、このような現状を踏まえてなされたもので、ガスタービンプラントから排出される排ガスを、より一層巧みに活用してプラント熱効率を図ったコンバインドサイクル発電プラントを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、ガスタービンプラントに、蒸気タービンプラントおよび排熱回収ボイラを組み合せたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、上記ガスタービンプラントのガスタービンと同軸上に設置された空気圧縮機を備え、上記ガスタービンを高圧ガスタービンと低圧ガスタービンに区分けし、上記高圧ガスタービンの入口側にガスタービン高圧燃焼器を設置し、上記低圧ガスタービンの入口側にガスタービン再燃器を設置し、上記低圧ガスタービンの出口側と上記排熱回収ボイラの入口側との間に設けられ、上記空気圧縮機からの高圧空気を上記低圧ガスタービンの排ガスで加熱し、この高圧空気を上記ガスタービン高圧燃焼器に供給する再生器を設置する一方、上記蒸気プラントの蒸気タービンからのタービン抽気で上記高圧ガスタービンおよび上記低圧ガスタービンの高温部を冷却させた後、上記排熱回収ボイラに回収させる蒸気冷却供給・回収系を備えたものである。
【００１６】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上記目的を達成するために、請求項２に記載したように、請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、上記ガスタービンプラントの空気圧縮機からの空気圧縮機抽気で上記ガスタービン高圧燃焼器およびガスタービン再燃器の高温部を冷却させた後、上記空気圧縮機から上記再生器を介して上記ガスタービン高圧燃焼器に回収する高圧空気に合流させる循環空気系を備えたものである。
【００１７】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上記目的を達成するために、請求項３に記載したように、請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、再生器と排熱回収ボイラとを、連続一体接続および別置き配置のいずれか一方を選択したものである。
【００１８】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上記目的を達成するために、請求項４に記載したように、請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、低圧ガスタービンから再生器に供給される排ガス温度を、６５０℃〜８５０℃の範囲に設定したものである。
【００１９】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上記目的を達成するために、請求項５に記載したように、請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、再生器から排熱回収ボイラに供給される排ガス温度を、５００℃〜６５０℃の範囲に設定したものである。
【００２０】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、上記目的を達成するために、請求項６に記載したように、請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、空気圧縮機から高圧ガスタービンに供給される高圧空気の圧力比を、１５〜３５の範囲に設定したものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの実施形態を添付図面および図中に付した符号を引用して説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第１実施形態を示す概略系統図である。
【００２４】
本実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントは、共通のタービンロータ（回転軸）１１に軸直結させたガスタービンプラント１２および蒸気タービンプラント１３と、別置き配置の排熱回収ボイラ１４とから構成されている。
【００２５】
ガスタービンプラント１２は、空気圧縮機１５、ガスタービン高圧燃焼器１６、高圧ガスタービン１７、ガスタービン再燃器１８、低圧ガスタービン１９、再生器２０を備えたブレイトンサイクルになっている。
【００２６】
また、蒸気タービンプラント１３は、蒸気タービン２１、復水器２２、給水ポンプ２３、発電機２４を備えたランキンサイクルになっている。
【００２７】
また、排熱回収ボイラ１４は、ガスタービンプラント１２の再生器２０の出口側に接続される。この場合、排熱回収ボイラ１４および再生器２０は、熱交換器としての機能を備えている点で同質であるので、図２に示すように、フランジあるいは溶接等で接合させてもよく、また別置きにしてもよい。なお、再生器２０は、図２に示すように器壁に沿って伝熱管２５を配置し、伝熱管２５内を空気圧縮機１５からの高圧空気を供給し、管外を低圧ガスタービン１９からのガスタービン排ガスを流し、高圧空気を加熱させてガスタービン排ガスの熱の有効活用を図っている。さらに、排熱回収ボイラ１４は、長筒状のケーシング２６で形成し、器内に過熱器、蒸発器、節炭器（ともに図示せず）等の熱交換器を収容し、器外に三つの蒸気ドラム２７を設置した、いわゆる複圧タイプになっている。
【００２８】
このような構成を備えたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、ガスタービンプラント１２は、空気圧縮機１５で吸い込んだ大気を圧縮して高圧空気にし、高圧空気を再生器２０に案内し、ここで低圧ガスタービン１９からの排ガスの熱の有効活用を図って高温化させ、燃料Ｆ1 とともにガスタービン高圧燃焼器１６に供給し、燃焼ガスを生成する。
【００２９】
ガスタービン高圧燃焼器１６は、生成した燃焼ガスを高圧ガスタービン１７に供給して膨張仕事をさせ、膨張仕事後のガスタービン排気を再び燃料Ｆ2 とともにガスタービン再燃器１８に供給して燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスを低圧ガスタービン１９で再び膨張仕事をさせてタービンロータ１１に回転トルクを与えている。
【００３０】
低圧ガスタービン１９は、膨張仕事を終えたガスタービン排気を再生器２０に案内し、上述空気圧縮機１５からの高圧空気を加熱させた後、排熱回収ボイラ１４に供給する。
【００３１】
排熱回収ボイラ１４は、再熱器２０から供給されたガスタービン排熱ガスを熱源として蒸気を発生させ、その蒸気を蒸気タービンプラント１３の蒸気タービン２１に供給し、膨張仕事をさせてタービンロータ１１に回転トルクを与えて発電機２４を駆動する。この場合、発電機２４は、高圧ガスタービン１７、低圧ガスタービン１９、蒸気タービン２１からタービンロータ１１に与えられた回転トルクから空気圧縮機１５、発電機２４および各タービン１７，１９，２１自身を回転させるに必要な回転トルクを差し引いた分を電気出力として変換している。
【００３２】
また、蒸気タービン２１は、膨張仕事を終えたタービン排気を復水器２２に供給し、冷却水、例えば海水で常温水（復水・給水）に凝縮させ、その常温水を給水として給水ポンプ２３で昇圧させた後、排熱回収ボイラ１４に還流させる。
【００３３】
このように、本実施形態では、ガスタービンプラント１２に高圧ガスタービン１７と低圧ガスタービン１９を区分けして備え、各ガスタービン１７，１９の入口側にガスタービン高圧燃焼器１６、ガスタービン再燃器１８を設置する一方、低圧ガスタービン１９の出口側に再生器２０を設け、再生器２０で低圧ガスタービン１９からのガスタービン排ガスの熱を利用して空気圧縮機１５からの高圧空気をさらに高温化させ、高圧空気を高温化させたガスタービン排ガスの熱を再活用して排熱回収ボイラ１４で蒸気を発生させ、各ガスタービン１７，１９からのガスタービン排ガスの熱をあますことなく活用したので、ガスタービン高圧燃焼器１６およびガスタービン再燃器１８に投入する燃料Ｆ1 ，Ｆ2 を少なくさせることができ、図５に示す従来のコンバインドサイクル発電プラントに較べてプラント熱効率をより一層向上させることができる。
【００３４】
図３は、縦軸に温度を、横軸に空気圧縮機１５から高圧ガスタービン１７に供給される高圧空気の圧力比をあらわした場合、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントのガスタービン排ガス温度（低圧ガスタービンから再生器に供給される排ガス温度）、再生器出口空気温度（再生器からガスタービン高圧燃焼器に供給される空気温度）、再生器出口ガス温度（再生器から排熱回収ボイラに供給される排ガス温度）、空気圧縮機吐出空気温度の特性線図である。
【００３５】
この特性線図によれば、空気圧縮機１５から高圧ガスタービン１７に供給される高圧空気の圧力比を、１５〜３５の範囲に設定すれば、低圧ガスタービン１９の出口から再生器２０に供給される排ガス温度を６５０℃〜８５０℃の範囲に設定することができ、再生器２０から排熱回収ボイラ１４に供給される排ガス温度を５００℃〜６５０℃の範囲に設定することができる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、低圧ガスタービン１９の排ガスの熱を有効に活用して再生器２０で空気圧縮機１５から供給された吐出空気（高圧空気）を加熱して高温化させているので、従来のコンバインドサイクル発電プラントに較べてガスタービン高圧燃焼器１６およびガスタービン再燃器１８に投入する燃料Ｆ1 ，Ｆ2 を少なくさせることができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、再生器２０から排熱回収ボイラ１４に供給されるガスタービン排ガスの温度を５００℃〜６５０℃の範囲に設定することにより、排熱回収ボイラ１４から蒸気タービンプラント１３の蒸気タービン２１に供給される蒸気の温度を４８０℃〜６３０℃とし、蒸気圧力を７ＭＰａ〜１５ＭＰａにすることができ、従来からコンバインドサイクル発電プラントに適用される蒸気タービン２１をそのまま適用でき、好都合になる。なお、排熱回収ボイラ１４に供給される再生器２０からのガスタービン排ガス温度は、再生器２０の温度効率により決定されるものであり、蒸気タービン２１に供給される蒸気温度を４８０℃以下にすると、蒸気タービン２１の出力が低下する。また、蒸気温度を６３０℃以上にすると、蒸気タービン出力が増加するものの、蒸気タービン２１の各構成部品の高温化対策が必要となり、コストアップにつながり好ましくない。
【００３８】
図４は、縦軸にプラント熱高率を、横軸に空気圧縮機１５から高圧ガスタービン１７に供給される高圧空気の圧力比をあらわし、従来のプラント熱効率と本発明によるプラント熱効率とを対比させたプラント熱効率線図である。
【００３９】
このプラント熱効率線図によれば、空気圧縮機１５から高圧ガスタービン１７に供給される圧力比を１５〜３５の範囲に設定することにより、従来の非再燃式ガスタービンプラントを備えたコンバインドサイクル発電プラントに較べて本発明による再燃式ガスタービンプラントを備えたコンバインドサイクル発電プラントの方がプラント熱効率をより一層向上できることが認められる。なお、空気圧縮機１５から高圧ガスタービン１７に供給される高圧空気の圧力比を４０以上に設定すると、空気圧縮機１５に失速が発生し、危険を伴う。
【００４０】
図５は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付す。
【００４１】
本実施形態は、蒸気タービンプラント１３の蒸気タービン２１から抽気したタービン抽気を高圧ガスタービン１７、低圧ガスタービン１９のガスタービン高温部、例えばガスタービン静翼、ガスタービン動翼、シュラウドセグメントに冷却用として供給し、ガスタービン高温部を冷却後のタービン抽気を排熱回収ボイラ１４の、例えば再熱部に回収させる蒸気冷却供給・回収系２８を設けたものである。なお、蒸気冷却供給・回収系２８は、蒸気タービンプラント１３が高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンに区分けされている場合、ガスタービン高温部を冷却後のタービン抽気を中圧タービンに回収させてもよい。
【００４２】
このように、本実施形態では、タービン抽気を、冷却用としてガスタービン高温部に供給し、冷却後のタービン抽気を排熱回収ボイラ１４に回収させる蒸気冷却供給・回収系２８を設けたので、ガスタービンを高温化することができ、プラント熱効率を向上させることができる。特に、蒸気は比熱が高いので、ガスタービン高温部の冷却に有効である。
【００４３】
図６は、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第３実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００４４】
本実施形態は、空気圧縮機１５で圧縮された高圧空気の一部を抽気し、その空気圧縮機抽気を、ガスタービン高圧燃焼器１６、ガスタービン再燃器１８の高温部、例えば燃焼器ライナ、トラジションピース（燃焼器尾筒）に冷却用として供給し、各燃焼器１６，１８の高温部を冷却後の空気圧縮機抽気をガスタービン高圧燃焼器１６の入口側に回収させる循環空気系２９を設けたものである。なお、各燃焼器１６，１８の高温部を冷却後の空気圧縮機抽気は、再生器２０に回収させてもよい。
【００４５】
このように、本実施形態では、空気圧縮機抽気を冷却用として各燃焼器１６，１８の高温部に供給し、冷却後の空気圧縮機抽気をガスタービン高圧燃焼器１６の入口側に回収させる循環空気系２９を設けたので、空気圧縮抽気を高圧ガスタービン１７、低圧ガスタービン１９の動力（回転トルク）の発生に寄与させることができ、ガスタービンの高温化の下、プラント熱効率を向上させることかできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンを高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとに区分けし、空気圧縮機から高圧ガスタービンに供給される高圧空気を適性圧力比に設定して膨張仕事をさせるとともに、低圧ガスタービンの出口側と排熱回収ボイラの入口側との間に再生器を設け、空気圧縮機からの高圧空気を、再生器で低圧ガスタービンからの排ガスにより熱交換させてガスタービン高圧燃焼器に供給し、排ガスの熱をあますことなく充分に活用し、ガスタービン高圧燃焼器に投入する燃料を少なくさせたので、プラント熱効率を従来に較べてより一層向上させることができる。
【００４７】
その際、再生器は、低圧ガスタービンからの排ガスを適正な圧力・温度にして排熱回収ボイラに供給し、排熱回収ボイラから発生する蒸気を適正・適温にして蒸気タービンプラントの蒸気タービンに供給するので、従来の蒸気タービンの構造を改造することなくそのまま適用することができる。
【００４８】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、蒸気タービンプラントの蒸気タービンから抽気した蒸気で、高圧ガスタービンおよび低圧ガスタービンの高温部を冷却させた後、排熱回収ボイラに回収させる蒸気冷却供給・回収系を備え、各ガスタービンの高温化に対処させて各ガスタービン高温部の強度維持を図るとともに、排熱回収ボイラで回収した蒸気を再び蒸気タービンに供給するので、蒸気の有効活用を図ることができ、プラント熱効率を向上させることができる。
【００４９】
また、本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントは、空気圧縮機からの空気圧縮機抽気をガスタービン高圧燃焼器およびガスタービン再燃器の高温部に供給して冷却し、冷却後の空気圧縮機抽気を、空気圧縮機から再生器を介してガスタービン高圧燃焼器に供給される高圧空気に合流させる循環空気系を備え、ガスタービン高圧燃焼器およびガスタービン再燃器の高温部を冷却させた空気圧縮機抽気を無駄にすることなく、高圧ガスタービンおよび低圧ガスタービンの動力発生用に回収させたので、エネルギの有効活用を図ることができ、プラント熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第１実施形態に適用する再生器と排熱回収ボイラを示す概略斜視図。
【図３】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントに使用されるガスタービン排ガス温度、再生器出口空気温度、再生器出口ガス温度、空気圧縮機吐出空気温度のそれぞれを示す特性線図。
【図４】本発明によるプラント熱効率と従来のプラント熱効率とを対比させたプラント熱効率線図。
【図５】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第２実施形態を示す概略系統図。
【図６】本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの第３実施形態を示す概略系統図。
【図７】従来のコンバインドサイクル発電プラントを示す概略系統図。
【符号の説明】
１  ガスタービンプラント
２  蒸気タービンプラント
３  排熱回収ボイラ
４  空気圧縮機
５  ガスタービン燃焼器
６  ガスタービン
７  発電機
８  蒸気タービン
９  復水器
１０  給水ポンプ
１１  タービンロータ
１２  ガスタービンプラント
１３  蒸気タービンプラント
１４  排熱回収ボイラ
１５  空気圧縮機
１６  ガスタービン高圧燃焼器
１７  高圧ガスタービン
１８  ガスタービン再燃器
１９  低圧ガスタービン
２０  再生器
２１  蒸気タービン
２２  復水器
２３  給水ポンプ
２４  発電機
２５  伝熱管
２６  ケーシング
２７  蒸気ドラム
２８  蒸気冷却供給・回収系
２９  循環空気系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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