(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（６）の煙道ガス側に後置接続された廃熱蒸気発生器（４）を備え、その伝熱面が蒸気タービン（２１）の水―蒸気循環路（２０）に接続されているガス・蒸気タービン設備（１）において、ガスタービン（６）の冷却媒体の冷却のために設けられた熱交換器（７４）がその二次側に蒸気タービン（２１）の水―蒸気循環路（２０）と遮断可能に接続された分離形水―蒸気循環路（７６）を接続されているガス・蒸気タービン設備（１）。
【請求項２】
熱交換器（７４）が分離形水―蒸気循環路（７６）の蒸発器として構成されている請求項１記載のガス・蒸気タービン設備（１）。
【請求項３】
分離形水―蒸気循環路（７６）に蒸気ドラム（８０）が接続されている請求項１又は２記載のガス・蒸気タービン設備（１）。
【請求項４】
分離形水―蒸気循環路（７６）に接続された蒸気ドラム（８０）が復水器を組込まれている請求項３記載のガス・蒸気タービン設備（１）。
【請求項５】
分離形水―蒸気循環路（７６）に発生した蒸気が、遮断可能な蒸気配管（９２）を介して蒸気タービン（２１）の水―蒸気循環路（２０）に接続されている蒸気ドラム（５６、６０）に供給可能である請求項１乃至４の１つに記載のガス・蒸気タービン設備（１）。
【請求項６】
分離形水―蒸気循環路（７６）が自然循環にて運転可能である請求項１乃至５の１つに記載のガス・蒸気タービン設備（１）。
【請求項７】
分離形水―蒸気循環路（７６）に接続されている蒸気ドラム（８０）が二次冷却循環路（１０２）に接続されている請求項３乃至６の１つに記載のガス・蒸気タービン設備（１）。
【請求項８】
冷却媒体が蒸気タービン（２１）から独立した水―蒸気循環路（７６）に導かれた媒体（Ｍ）との熱交換により冷却されるガス・蒸気タービン設備（１）における+ガスタービン（６）の冷却媒体の冷却方法。
【請求項９】
独立した水―蒸気循環路（７６）に導かれた媒体（Ｍ）が冷却媒体との熱交換の際に少なくとも部分的に蒸発する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
独立した水―蒸気循環路（７６）が自然循環で運転される請求項８又は９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、ガスタービンの煙道ガス側に後置接続された廃熱蒸気発生器を備え、その伝熱面が蒸気タービンの水―蒸気循環路に接続されているガス・蒸気タービン設備に関する。本発明は、更にこのガス・蒸気タービン設備におけるガスタービンの冷却媒体の冷却方法に関する。
ガス・蒸気タービン設備においては、ガスタービンからの膨張した作動媒体（煙道ガス）に含まれている熱が、蒸気タービンのための蒸気発生に利用される。その熱伝達は、ガスタービンの煙道ガス側に後置接続され伝熱面が複数の管或いは管束の形で配列されている廃熱蒸気発生器の中で起こる。これらの管或いは管束は同様に蒸気タービンの水―蒸気循環路に接続されている。その水―蒸気循環路は、通常多数の圧力段、例えば二つの圧力段を持ち、その際各圧力段は予熱伝熱面と蒸発器伝熱面を持っている。
自然循環と呼ばれる蒸発器循環路では、蒸発器において導かれた作動媒体の部分的な蒸発が起こる。その際、作動媒体の循環は、蒸発プロセスにおいて発生する圧力差によって、及び／又は蒸発器と蒸気ドラムとの配置の仕方によって保証される。また蒸発器循環路を強制循環とすることも可能である。その際、作動媒体の循環は循環ポンプにより保証され、蒸発器において作動媒体は同様に少なくとも部分的に蒸発する。自然循環の場合も、また強制循環の場合も、水―蒸気混合物は蒸発器から蒸発器循環路に接続されている蒸気ドラムに供給される。蒸気ドラムにおいて水と蒸気が分離され、その際水は蒸気ドラムから蒸発器に新たに供給される。
強制貫流蒸気発生器として設計された蒸発器循環路の場合、蒸発器を貫流している間に部分過熱することによって作動媒体を完全に蒸発させることもできる。その際、蒸発器を通る作動媒体の貫流は同様にポンプにより保証される。
蒸気タービン設備で自然循環、強制循環、或いは強制貫流循環が利用されているか否かには無関係に、ガスタービンの出力の上昇と共にこのようなガス・蒸気タービン設備の可能な限り高い効率の達成のために、ガスタービンの入口で煙道ガスの例えば1000℃〜1200℃の特に高い温度が得られるように努められている。このような高いタービン入口温度はとりわけ特にタービン翼の耐熱性に関して材料上の問題を引き起こす。
タービン翼が常に材料許容温度より低い温度を維持するように冷却されている限り、タービンの入口温度の上昇は許容できる。このため、ガスタービンに組み込まれた圧縮機より流出する圧縮空気流の一部を分岐させ、ガスタービンにこの部分流を冷却媒体として供給することがヨーロッパ特許第０３７９８８０号明細書により公知である。冷却媒体として使われる空気はガスタービンの入口の前で冷却される。冷却空気から冷却時に取り出された熱は、蒸発熱として利用され、蒸気タービンの駆動に使用される。蒸発器システムとしては、循環ポンプと吹き出しタンクとを持ったフラッシュ蒸発器が使用される。その際、蒸発器循環路の蒸気ドラムから水が取り出され、ガスタービン用の冷却媒体として使われる冷却空気との熱交換によって加熱され、引き続いて吹き出しタンクの中で膨張することによって蒸発させられる。このようにして発生した蒸気が蒸気タービンに供給される。
ガスタービンの冷却空気を冷却するためのこのような装置は、蒸気ドラムから取り出された水と冷却空気との間に一定の温度差があるものとして設計されている。その際ガスタービンの確実な冷却のためには廃熱蒸気発生器全体の運転が必要である。このようなガス・蒸気タービン設備はそれゆえフレキシブルな使用を制限されている。
それ故、本発明の課題は、冒頭で述べた種類のガス・蒸気タービン設備において、種々の運転条件の下でもガスタービンの確実な冷却を保証することにある。さらに、種々の運転条件に特に適したガス・蒸気タービン設備におけるガスタービンの冷却媒体の冷却方法を提供することにある。
この課題は、冒頭で述べた種類のガス・蒸気タービン設備に関しては、本発明によれば、ガスタービンの冷却媒体の冷却のために設けられた熱交換器がその二次側に蒸気タービンの水―蒸気循環路と遮断可能に接続された分離形水―蒸気循環路を接続されることによって解決される。
本発明は、特にフレキシブルに使用可能なガス・蒸気タービン設備では、ガスタービンは廃熱蒸気発生器から独立し、そして蒸気タービンからも独立して運転可能であるべきであるという考えに基づいている。ガスタービンの単独運転に際してもそのタービン翼の確実な冷却が保証されるべきである。そのために、ガスタービンの冷却媒体の冷却には蒸気タービンの水―蒸気循環路から独立した冷却システムが設けられている。
熱交換器が分離形水―蒸気循環路のための蒸発器として構成されていると好ましい。ガス・蒸気タービン設備の通常運転の際、分離形水―蒸気循環路で得られた蒸気が蒸気タービンの水―蒸気循環路に供給可能であると有効である。
熱交換器から排出された水―蒸気混合物から蒸気を分離するために、分離形水―蒸気循環路に蒸気ドラムが接続されていると有効である。この蒸気ドラムが復水装置を組込まれていると有効である。
冷却媒体から冷却時に取り出された熱を特に有利に回収するために、遮断可能な蒸気配管が分離形水―蒸気循環路に接続されている蒸気ドラムに接続され、その蒸気配管を介して、分離形水―蒸気循環路で発生した蒸気が蒸気タービンの水―蒸気循環路に接続されている蒸気ドラムに供給可能であると好ましい。
分離形水―蒸気循環路は特に簡単な構造にするために、かつ特に少ない組立及び据付経費とするために、自然循環で運転できるようにすると有効である。
冷却空気からその冷却時に取り出された熱をガスタービンの単独運転においても確実に排出するために、分離形水―蒸気循環路に接続されている蒸気ドラムが二次冷却循環路に接続されていると有利である。その場合二次冷却循環路は例えば冷却塔を含むことが可能である。
ガス・蒸気タービン設備におけるガスタービンの冷却媒体の冷却方法に関して、上述の課題は、冷却媒体が蒸気タービンから独立した水―蒸気循環路に導かれた媒体との熱交換により冷却されることによって解決される。
独立した水―蒸気循環路に導かれた媒体が冷却媒体との熱交換の際に少なくとも部分的に蒸発すると有効である。その独立した水―蒸気循環路が自然循環で運転されると有利である。
本発明で得られた利点は、蒸気タービンから独立した水―蒸気循環路に導かれた媒体との熱交換によってガスタービンの冷却媒体の冷却を行うことで、ガスタービンの確実な冷却が蒸気タービンの運転状態とは無関係に保証されることにある。ガスタービンはそれでもってガス・蒸気タービン設備の種々の運転状態の際にも、特に単独運転においても確実に運転可能である。さらに分離形水―蒸気循環路を蒸気タービンの水―蒸気循環路に遮断可能に接続することによって、ガス・蒸気タービン設備の通常運転時に、ガスタービンの冷却空気から冷却時に取り出された熱の回収は、エネルギー発生プロセスにおいて可能となる。従って、ガス・蒸気タービン設備はその通常運転時に特に経済的に運転可能である。
本発明の一つの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図は、ガスタービンの冷却媒体の冷却のための冷却システムを持ったガス・蒸気タービン設備を概略的に示している。
図に概略的に示されたガス・蒸気タービン設備１は、その煙道ガス側に後置接続された廃熱蒸気発生器４を持ったガスタービン設備２を含んでいる。ガスタービン設備２は空気圧縮機８に結合されたガスタービン６を含んでいる。ガスタービン６には、空気圧縮機８の未使用空気配管１２に接続されている燃焼室１０が前置接続されている。ガスタービン６の燃焼室１０に燃料配管１４が開口している。ガスタービン６及び空気圧縮機８並びに発電機１６が共通軸１８に取り付けられている。
ガスタービン設備２のガスタービン６の煙道ガス側に後置接続された廃熱蒸気発生器４は、蒸気タービン２１の水―蒸気循環路２０に接続されている多数の伝熱面を有している。この伝熱面はこの場合、復水予熱器２２、低圧蒸発器２４、低圧過熱器２６、高圧予熱器２８、高圧蒸発器３０、並びに二つの部品３２、３４から成る高圧過熱器３６として構成されている。
蒸気タービン２１には蒸気側に復水器４０が後置接続されており、この復水器は復水ポンプ４２と、廃熱蒸気発生器４の外に配置された予熱器４４と、復水配管４６とを介して復水予熱器２２に接続されている。この予熱器は出口側が制御弁４８で遮断可能な配管５０を介して給水タンク５２に接続されている。給水タンク５２の出口側には、低圧蒸発器２４に接続されている蒸気ドラム５６に給水するための配管５４が配置されている。更にその給水タンク５２はその出口側が配管５８を介して高圧予熱器２８と接続されており、この高圧予熱器の出口側は高圧蒸発器３０に接続された蒸気ドラム６０に接続されている。配管５４、５８はそれぞれ制御弁６２、６４でもって遮断可能である。
蒸気ドラム５６、６０は低圧過熱器２６と高圧過熱器３６とを介して蒸気タービン２１の低圧部及び高圧部にそれぞれ接続され、このようにして閉鎖された水―蒸気循環路２０が形成される。
ガスタービン設備２は特に高い効率を得るために設計されている。そのために、ガスタービン設備２の運転時に、ガスタービン６に約１０００℃〜１２００℃の温度を持った煙道ガスＢが導入されている。その際特にガスタービン６のタービン翼の耐熱性に関する材料上の問題を確実に回避するために、ガスタービン設備２に冷却システム７０が付設されている。
ガスタービンの冷却媒体として、その際空気圧縮機８からの空気Ｌが用いられている。その空気は未使用空気配管１２より分岐した冷却媒体配管７２を介して燃焼室１０を迂回して直接ガスタービン６に供給される。冷却媒体として用いられる空気Ｌの冷却のために、冷却システム７０は一次側を冷却媒体配管７２に接続された熱交換器７４を含んでいる。
熱交換器７４の二次側には、蒸気タービン２１の水―蒸気循環路２０から独立した分離形水―蒸気循環路７６が接続されている。そのために熱交換器７４は、分離形水―蒸気循環路７６を循環する媒体Ｍの蒸発器として設計され、その出口側が水―蒸気配管７８を介して復水器を組込まれている蒸気ドラム８０に接続されている。蒸気ドラム８０は復水配管８２を介して熱交換器７４と接続されている。分離形水―蒸気循環路７６はその際自然循環用に設計されている。始動時だけは復水配管８２のバイパスループ８４に接続されている循環ポンプ８６が用いられる。
分離形水―蒸気循環路７６は、蒸気タービン２１の水―蒸気循環路２０と遮断可能に接続されている。そのために蒸気ドラム８０は弁９０でもって遮断可能な蒸気配管９２を介して低圧蒸気ドラムとして設計されている蒸気ドラム５６に接続されている。蒸気ドラム８０は、その水側が制御弁９４で遮断可能な配管９６を介して給水配管５４に接続されている。
蒸気ドラム８０の中には、二次冷却循環路１０２に接続されている熱交換器１００が配置されている。二次冷却循環路１０２に冷却塔１０４が接続されている。
ガス・蒸気タービン設備１は、種々の運転状態にあってもガスタービン６の確実な冷却でもって確実な運転が保証されるように設計されている。このためにガスタービン６の冷却媒体として用いられた空気Ｌは、蒸気タービン２１から独立した水―蒸気循環路７６に導かれた媒体Ｍとの熱交換によって冷却される。熱交換器７４で空気Ｌと熱交換される際に少なくとも部分的に蒸発した媒体Ｍは蒸気ドラム８０に導かれ、発生した蒸気はそこで未蒸発の媒体Ｍと分離される。ガス・蒸気タービン設備１の通常運転において、すなわち、ガスタービン６と蒸気タービン２１との共同運転の際、蒸気ドラム８０で分離された蒸気Ｄは、弁９０が開かれている際に蒸気配管９２を介して蒸気ドラム５６に供給される。それによって、熱交換器７４での空気の冷却の際にその空気Ｌから取り出された熱は蒸気タービン２１の水―蒸気循環路２０に供給され、エネルギーの発生に用いられる。このようにしてこのガス・蒸気タービン設備１は特に高い効率で作動する。
蒸気タービン２１の水―蒸気循環路２０に蒸気Ｄを供給することにより生ずる分離形水―蒸気循環路７６の媒体Ｍの減量分は、必要により制御弁９４を開いて配管９６を介して蒸気ドラム８０へ給水することによって補償される。これによって分離形水―蒸気循環路７６の確実かつ永続的な運転が保証される。
しかしながら、ガス・蒸気タービン設備１は、ガスタービン設備２の単独運転においても、すなわち蒸気タービン２１を切り離してガスタービン６を運転する際にも、ガスタービン６の確実な冷却が可能である。このためにガスタービン設備２の単独運転に際して弁９０と制御弁９４は閉じられているので、分離形水―蒸気循環路７６は蒸気タービン２１の水―蒸気循環路２０から完全に切り離されている。ガスタービン６の冷却は蒸気タービン２１とその水―蒸気循環路２０の構成要素との完全な停止状態でも保証される。この運転状態では空気Ｌからその冷却時に取り出された熱は二次冷却循環１０２を介して周囲に放出される。熱交換器７４で発生した蒸気はその際蒸気ドラム８０においてその中に組込まれている復水器で凝縮される。
分離形水―蒸気循環路７６の中を循環している媒体Ｍの温度レベルを空気Ｌの冷却の際に変化する必要条件に適合させることを可能にするために、蒸気タービン２１の水―蒸気循環路２０と分離形水―蒸気循環路７６の間に、別の結合配管１０６が設けられている。結合配管１０６は、媒体の流れ方向に見て復水器４０の後で蒸気タービン２１の水―蒸気循環路２０から分岐し、復水配管８２に接続されているインジェクタ１０８に開口している。必要によりインジェクタ１０８を介して冷たい復水が分離形水―蒸気循環路７６に注入可能である。冷たい復水の注入により、分離形水―蒸気循環路７６を循環している媒体Ｍの温度を変えることができ、そして空気Ｌとの熱交換に際しての特別な要求に適合させることができる。
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