(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラー，ガスタービン、前記ボイラーで発生した高温ガスを前記ガスタービンに供給する高温ガス配管、及び前記ボイラーからの高温ガスを前記ガスタービンをバイパスしてその下流側に供給するタービンバイパス配管を有する高温ガス系統を備えた火力発電プラントにおいて、前記ガスタービンを出た高温ガスの一部を前記タービンバイパス配管に還流させる戻り配管を設け、前記戻り配管のうち、前記タービンバイパス配管に合流する部分が複数の細管に分岐していることを特徴とする火力発電プラント。
【請求項２】
請求項１において、前記戻り配管の細管は、前記タービンバイパス配管の周方向に一定間隔で、その壁面に対して水平方向及び鉛直方向のどちらにも傾いた角度を持って合流する構造を有することを特徴とする火力発電プラント。
【請求項３】
請求項１において、前記戻り配管は、前記タービンバイパス配管の管軸方向の複数の位置で合流することを特徴とする火力発電プラント。
【請求項４】
請求項１に記載の火力発電プラントの運転方法において、通常運転時にも、前記戻り配管を介して前記タービンバイパス配管に高温ガスを一定量還流させ、前記タービンバイパス配管を一定温度以上に保持することを特徴とする火力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】
本発明は火力発電プラントに係り、特にガスタービンバイパス配管を有する加圧流動床発電プラント（ＰＦＢＣ）などに好適な火力発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラントの中で、ＰＦＢＣのようにボイラーで生成した高温ガスを直接ガスタービンに送り込む構成のプラントでは、起動時およびプラント異常事象発生時に高温ガスをガスタービンに流入させずバイパスさせて放出するバイパス配管が設けられる。
【０００３】
図２に、従来の火力発電プラントの高温ガス系統の概略図を示す。まず、ボイラー４に燃料（微粉炭）１３と空気１４を供給し、ボイラー４内での燃焼により高温ガスを発生させる。ボイラー４で発生した高温ガスは、サイクロン５により灰粒子が分離され、高温ガス主配管３によりガスタービン８に流入する。ガスタービン８には発電機９が繋がっており、高温ガスによるガスタービン８の回転により発電機９が作動する。
【０００４】
また、ガスタービン８の入口側には、高温ガス遮断弁７が設けられ、起動時の一定時間やプラント異常事象発生時には高温ガス遮断弁７が閉じられ、ガスタービン８への高温ガスの流入を停止する。この高温ガス遮断弁７の上流において、この弁が閉じられた場合に高温ガスをバイパスさせるガスタービンバイパス配管１が高温ガス主配管３から分岐している。
【０００５】
このガスタービンバイパス配管１は、高温ガス主配管３から分岐した直後にバイパス流量調整弁６が設けられ、プラント通常運転時は閉状態、起動時の一定時間やプラント異常事象発生時には開状態となり、高温ガスをガスタービンからバイパスさせる。このガスタービンバイパス配管１は、ガスタービン８の下流の高温ガス主配管３に合流する。ガスタービン８およびガスタービンバイパス配管１から高温ガス主配管３に流入した高温ガスは、脱硝装置１０および排熱回収熱交換器１１を通り煙突１２から外部へ放出される。
【０００６】
この従来の火力発電プラントでは、起動時の一定時間およびプラント異常事象発生時にのみガスタービンバイパス配管１に高温ガスが流れ、プラント通常運転時は、定常的なガス流れはなく一時的に流された高温ガスの残留分が滞留する状態となる。このガスタービンバイパス配管１に滞留した高温ガスは、自然放熱により徐々に冷却され、一定温度以下になると配管内で結露する。石炭燃焼排ガス中には、微量ではあるがＳＯｘ，ＮＯｘが残留しており結露した場合には強酸性溶液が生成される。そのため、配管内壁面に酸腐食が発生し、配管減肉による強度低下や貫通孔発生によるガス漏れが生じる可能性がある。
【０００７】
そのため、従来プラントでは、図２に示したように、ガスタービンバイパス配管１に残留水を引き抜いて除去するドレン系統１５を設け、これにより結露が発生した場合の配管腐食を防止してきた。このドレン系統１５を正常に作動させるには制御系，各種弁，計装系など種々の機器が必要となる。また、各種プラント運転状態に適合した適切なドレン系統の運転管理が必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、プラント建設コストおよび運転方法を簡素化するためには、プラント全体の配管系統構成の見直しが必要であり、ガスタービンバイパス配管１に設けられるドレン系統１５もその対象となる。結露による配管腐食防止方法としては、原理的に、結露が発生する温度以上に常にガスタービンバイパス配管１を保温すればよい。その保温方法としては、通常運転時にガスタービンバイパス配管１の全領域で高温ガスの結露点以上の保温が成立し、同時に従来のドレン系統１５より配管系統構成および使用方法が簡素化される必要がある。
【０００９】
さらに、通常運転時にガスタービンバイパス配管１の全領域で結露点以上の保温を実施する方法としては種々の方法が考えられるが、最も低コストで効率的な方法は、高温ガスの一部をガスタービンバイパス配管１に還流させる方法である。同方法によれば、新たな熱源を設ける必要はない。
【００１０】
一方、同方法によれば、ガスタービンバイパス配管の除熱された低温の滞留ガス中に、まだ除熱されていない高温ガスが流入することになる。このような場合、ガスの温度差による浮力により高温ガスが配管内上部に上昇し、配管内部で高温領域と低温領域が分離された状態となる温度成層化現象が発生しやすい。このような事象が発生した場合には、高温ガスを常時ガスタービンバイパス配管１に還流させているにも関わらず、配管内壁面内の低温領域で部分的に結露が発生し、腐食が進行する可能性がある。
【００１１】
本発明の目的は、構成簡単かつ簡便にして、効果的にガスタービンバイパス配管系統の結露による配管腐食を防止することができる火力発電プラント及びその運転方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための第１の発明は、ボイラー，ガスタービン、前記ボイラーで発生した高温ガスを前記ガスタービンに供給する高温ガス配管、及び前記ボイラーからの高温ガスを前記ガスタービンをバイパスしてその下流側に供給するタービンバイパス配管を有する高温ガス系統を備えた火力発電プラントにおいて、前記ガスタービンを出た高温ガスの一部を前記タービンバイパス配管に還流させる戻り配管を設け、前記戻り配管のうち、前記タービンバイパス配管に合流する部分が複数の細管に分岐している。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明の火力発電プラントの運転方法において、通常運転時にも、前記戻り配管を介して前記タービンバイパス配管に高温ガスを一定量還流させ、前記タービンバイパス配管を一定温度以上に保つ。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１に、本発明による火力発電プラントの第１実施例の高温ガス系統を示す。流入した燃料１３と空気１４により高温のボイラー４に燃焼ガスが発生する。この高温ガスは、サイクロン５でガス中の灰粒子を一定スケール（粒子径）以下に分離した後、高温ガス主配管３によりガスタービン８に流入する。
【００１５】
通常運転時は、ガスタービン８の上流にある高温ガス遮断弁７は開状態、ガスタービンバイパス配管１の最上流にあるバイパス流量調整弁６は閉状態にある。これにより、ボイラー４で発生する高温ガスはすべてガスタービン８に流入する。ガスタービン８を出た高温ガスは、脱硝装置１０，排熱回収熱交換器１１を通過して煙突１２から放出される。したがって、ガスタービンバイパス配管１には、高温ガスは流入しない。
【００１６】
一方、起動時初期の一定時間およびプラント異常事象発生時には、高温ガス遮断弁７は閉状態、バイパス流量調整弁６は開状態になり、高温ガスは全てガスタービンバイパス配管１に流入する。この場合、高温ガスは、ガスタービン８の下流で高温ガス主配管３に再び流入し（図１のＤ点）、脱硝装置１０，排熱回収熱交換器１１を通過して煙突１２から放出される。
【００１７】
本実施例では、ガスタービンバイパス配管１を通常運転時に保温するために、ガスタービン８の下流の高温ガス主配管３のＣ点から、ガスタービンバイパス配管１のバイパス流量調整弁６の下流直後（Ｂ点）に連結する戻り配管である保温配管２を設置する。これらの配管構成では、ガスタービンバイパス配管１と保温配管２を通過する流れ（Ｃ点→Ｂ点→Ｄ点）による圧力損失が高温ガス主配管の直通路（Ｃ点→Ｄ点）での圧力損失より小さければ、Ｃ点→Ｂ点→Ｄ点の流れは新たな駆動機構なしで実現できる。即ち、高温ガス主配管の直通路(Ｃ点→Ｄ点)間に、流量調整弁を設けるか、大きな圧力損失を発生する機器を配置すれば、Ｃ点→Ｂ点→Ｄ点の還流が自然に実現できる。
【００１８】
したがって、保温配管２を設置して、高温ガスの一部をＣ点からＢ点，Ｄ点に還流させることにより、常時、ガスタービンバイパス配管１の保温に必要な流量を流すことが可能となる。また、この配管系統設置により従来のドレン系統は不要となる。そのため、本実施例では、ドレン系統に比べ運転に必要な計装，制御系および弁数を大幅に削減できる。また、ガスタービンバイパス配管１の保温に必要な高温ガス流量は、高温ガス全流量の２〜３％であり、プラント全体の熱効率や成立性にはほとんど影響はない。
【００１９】
図３は、図１のように、ガスタービンバイパス配管１に保温配管２を合流させた配管構成で、実際のプラント建屋内における３次元構造の一例を示す。実プラントでは、各種機器との取り合い、および配管熱膨張による曲げの吸収のため、ガスタービンバイパス配管１は、図３に示したような３次元的に曲がりの多い配管経路となることが多い。また、本実施例では、保温配管２は、ガスタービンバイパス配管１に一本の細管として合流している。図４に合流部であるＢ点近傍の拡大図を示す。前述したように、ガスタービンバイパス配管１内の除熱された低温の滞留ガス中に、まだ除熱されていない高温ガスが流入すると、ガス温度差による浮力により、高温ガスが配管内上部に上昇し、配管内部で高温領域と低温領域が分離された状態となる温度成層化現象が発生しやすい。
【００２０】
図５に、図３に示した実施例の配管構成および構造において、１３０℃の残留ガスで満たされたガスタービンバイパス配管１に、４２４℃の高温ズスを保温配管２のノズルから還流させた場合の配管内温度分布の解析結果を示す。この構造の場合、還流高温ガスは図３の白抜き矢印の方向に流れる。図５に示した温度分布は、図３における水平配管部分の鉛直方向（ポイントＸ−ポイントＸ′間）の分布を示している。同図から分かるように、水平配管部分で温度成層化が発生していることが分かる。配管下部では約１２０℃であるが、上部では約２７０℃を示している。
【００２１】
本実施例では、還流する高温ガス流量を十分確保しているため、温度成層化は発生するが配管下部の最低温度は、高温ガスの結露発生温度約５０℃より十分高い。従って、保温配管２を設けるだけで、ガスタービンバイパス配管１の結露による腐食を効果的に防止できる。
【００２２】
より少ない高温ガスの還流量で、ガスタービンバイパス配管１を保温するためには、上記温度成層化を緩和する必要がある。図６に、これを実現するためのガスタービンバイパス配管１と保温配管２の合流部の概略構成を示す。本実施例構造では、保温配管２の先端が複数の細管に分岐し、それぞれの細管が、ガスタービンバイパス配管１の周方向に一定間隔で、ガスタービンバイパス配管１の壁面に対して水平方向と鉛直方向のどちらにも傾いた角度を持って合流する構造を持つ。このような合流部構造を持つことにより、ガスタービンバイパス配管１に高温ガスが流入した時に、図６のような強い旋回流が発生する。この旋回流により、合流部近傍での温度混合が強化され、ガスタービンバイパス配管１内での温度成層化が緩和される。そのため、より少ない高温ガスの還流量で確実にガスタービンバイパス配管１の保温を実現でき、結露による腐食防止を更に効果的に図れる。
【００２３】
また、ガスタービンバイパス配管１内への高温ガスの還流方法としては、図１の第１実施例のように、バイパス流量調整弁６の直後に還流させるだけでなく、図７に示すように、ガスタービンバイパス配管１の管軸方向の複数の箇所に保温配管系からの分岐管２ａを合流させる構成も考えられる。図７は、本発明による火力発電プラントの第２実施例の高温ガス系統を示す。図８は、図７のガスタービンバイパス配管１の３次元構造の一例を示す。同図のような配管構成を用いても、前記した温度成層化を防止し、確実にガスタービンバイパス配管１の保温を実現できる。従って、本実施例でも第１実施例と同じ効果が得られる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、構成簡単かつ簡便にして、効果的にガスタービンバイパス配管系統の結露による配管腐食を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の火力発電プラントの第１実施例の高温ガス系統を示す概略構成図。
【図２】従来の火力発電プラントの高温ガス系統を示す概略構成図。
【図３】図１のタービンバイパス配管の３次元構造の一例を示す図。
【図４】図３のＢ点近傍の拡大図。
【図５】図３の配管内の鉛直方向における温度分布の解析結果の一例を示す図。
【図６】図１のタービンバイパス配管と保温配管の合流部の他の実施例を示す概略構成図。
【図７】本発明の火力発電プラントの第２実施例の高温ガス系統を示す概略構成図。
【図８】図７のタービンバイパス配管の３次元構造の一例を示す図。
【符号の説明】
１…ガスタービンバイパス配管、２…保温配管、３…高温ガス主配管、４…ボイラー、５…サイクロン、６…バイパス流量調整弁、７…高温ガス遮断弁、８…ガスタービン、９…発電機、１０…脱硝装置、１１…排熱回収熱交換器、１２…煙突、１３…燃料、１４…空気。
【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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【図８】
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