(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン排気をボイラの燃焼用空気として用いる複合プラントにおいて、上記ガスタービン排気を上記ボイラに導くダクト内に設けられた風道蒸発器と、同風道蒸発器の水／蒸気系統の入口と出口を連通するバイパスラインと、上記ボイラの排ガスによってボイラ給水を加熱するガス給水加熱器とを備え、ガスタービンの運転条件の変化に対応して前記風道蒸発器の通過流量とバイパス流量の配分を変えることを特徴とするガスタービン排気再燃複合プラント。
【請求項２】
ガスタービン排気をボイラの燃焼用空気として用いる複合プラントにおいて、上記ボイラの排ガスによってボイラ給水を加熱するガス給水加熱器と、上記ガスタービン排気によってボイラ給水を加熱する風道給水加熱器と、同風道給水加熱器の給水系統の入口と出口を連通するバイパスラインとを備え、同バイパスラインを流れる給水の流量と前記風道給水加熱器を流れる給水の流量との配分を前記風道給水加熱器の熱回収量の変動に応じ制御することを特徴とするガスタービン排気再燃複合プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの排気をボイラの燃焼用空気として用いる複合プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の発電プラントの一例を示す概略系統図である。空気（大気）は、押込通風機（１）により昇圧されて昇圧空気となり、再生式空気予熱器（２）でボイラ出口により加熱されて温空気となる。その温空気は、風箱（３）に入り、バーナ部から投入される燃料を、ボイラ（４）内で燃焼させる。燃焼により発生したガスは、過熱器（５）、再熱器（６）、節炭器（７）の水／蒸気と熱交換したのち、ボイラ出口ガスとしてボイラ（４）から出てゆく。そしてボイラ（４）の燃焼用として使用される昇圧空気を再生式空気予熱器（２）で加熱し、排ガスとして煙突（８）から大気に放出される。
【０００３】
一方、水／蒸気系では、復水器（９）で凝縮した復水が、復水ポンプ（１０）で加圧されたのち、低圧給水加熱器（１１）において蒸気タービンからの抽気蒸気で加熱され、低圧給水となる。その低圧給水は、脱気器（１２）で給水中に溶存している気体を除去されたのち、給水ポンプ（１３）で加圧され、高圧給水となる。その後、高圧給水加熱器（１４）において蒸気タービンからの抽気蒸気で加熱され、ボイラ給水としてボイラ（４）内へ入り、節炭器（７）、過熱器（５）等でボイラの燃焼ガスと熱交換して過熱蒸気となる。そして高圧蒸気タービン（１５）を駆動し、高圧蒸気タービン排気として再びボイラ（４）内の再燃器（６）へ入り過熱される。その再熱蒸気は、中圧蒸気タービン（１６）を駆動し、更に低圧蒸気タービン（１７）を駆動したのち、復水器（６）へ導かれ、復水（１０８）に戻される。
【０００４】
また、高圧蒸気タービン（１５）、中圧蒸気タービン（１６）、低圧蒸気タービン（１７）は、蒸気タービン発電機（１８）を駆動し、発電する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の発電プラントには次のような解決すべき課題があった。
【０００６】
１）ボイラの燃焼用空気の加熱に排ガスと熱交換を行なう再生式空気予熱器を用いている。したがって空気のガスへのリークが生じる。
【０００７】
２）ガスタービン排気をボイラの燃焼用空気として使用する場合、高温の空気で体積流量が増加すると共に低Ｏ2 であるため、従来のバーナでは対応できない。
【０００８】
３）ガスタービン排気を直接ボイラの燃焼用空気として供給する場合、ガスタービンの排気温度がその運転条件で定まり、ボイラの燃焼用空気の温度を制御できない。また風箱、バーナ、搬送用ダクト等の材料、耐力が許容を越える。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記従来の課題を解決するものとして、次の手段を提案するものである。（１）ガスタービン排気をボイラの燃焼用空気として用いる複合プラントにおいて、上記ガスタービン排気を上記ボイラに導くダクト内に設けられた風道蒸発器と、同風道蒸発器の水／蒸気系統の入口と出口を連通するバイパスラインと、上記ボイラの排ガスによってボイラ給水を加熱するガス給水加熱器とを備え、ガスタービンの運転条件の変化に対応して前記風道蒸発器の通過流量とバイパス流量の配分を変えることを特徴とするガスタービン排気再燃複合プラント。
（２）ガスタービン排気をボイラの燃焼用空気として用いる複合プラントにおいて、上記ボイラの排ガスによってボイラ給水を加熱するガス給水加熱器と、上記ガスタービン排気によってボイラ給水を加熱する風道給水加熱器と、同風道給水加熱器の給水系統の入口と出口を連通するバイパスラインとを備え、同バイパスラインを流れる給水の流量と前記風道給水加熱器を流れる給水の流量との配分を前記風道給水加熱器の熱回収量の変動に応じ制御することを特徴とするガスタービン排気再燃複合プラント。
【００１０】
ガスタービンの排気は、酸素を１４％程度含むので、ボイラの燃焼用空気として十分利用できる。また温度も６００℃程度なので、これをボイラへ投入することは、熱回収の面でも有効であり、これによりプラント効率が向上する。
【００１１】
そこで本発明ではガスタービン排気をボイラの燃焼用空気として用いるのであるが、上記第１の解決手段においては、ガスタービン排気をボイラに導くダクト内に設けられた風道蒸発器と、同風道蒸発器の水／蒸気系統の入口と出口を連通するバイパスラインを備えているので、ガスタービンの運転条件の変化に対応して風道蒸発器の通過流量とバイパス流量の配分を変えることにより、ガスタービン排気をボイラの安定した燃焼が確保できる最適な温度に調整し、ボイラの燃焼用空気として投入することができる。
【００１２】
また、ボイラの燃焼用空気の温度を低減することにより風箱、バーナ、搬送用ダクト等の材料、耐力も保持できる。
【００１３】
一方、ボイラ排ガスの熱回収には、再生式空気予熱器の代わりに、ボイラの排ガスによってボイラ給水を加熱するガス給水加熱器を用いるので、プラント効率の低下を防止できる。
【００１４】
また上記第２の解決手段においては、ガスタービン排気によってボイラ給水を加熱する風道給水加熱器と、同風道給水加熱器の給水系統の入口と出口を連通するバイパスラインとを備えているので、同風道給水加熱器により、ボイラの安定した燃焼が確保でき風道・風箱が低合金鋼ですむ最適な温度にガスタービン排気の温度を調整して、ボイラの燃焼用空気として投入することができる。
【００１５】
そして、この第２の解決手段でもボイラ排ガスの熱をガス給水加熱器で回収するので、再生式空気予熱器が不要となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の第１形態を示す概略系統図である。この図において、前記図５により説明した従来のプラントと同様の部分については、冗長になるのを避けるため、同一の符号を付け詳しい説明を省く。
【００１７】
空気（大気）はコンプレッサ（２１）により加圧されて加圧空気となり、コンバスタ（２２）へ供給される。そのコンバスタ（２２）にはガスタービン燃料が投入され、上記加圧空気により燃焼してガスタービン入口ガスを発生する。このガスタービン入口ガスは、ガスタービン（２３）を駆動してガスタービン排気となる。ガスタービン（２３）は、ガスタービン発電機（２４）とコンプレッサ（２１）を駆動する。
【００１８】
ガスタービン排気は、風道蒸発器（２５）に導入され、図示しない節炭器へ送られる給水から一部分岐した給水によって冷却された後、ボイラ（４）の燃焼用空気として、風箱（３）を通りボイラ（４）へ供給される。風道蒸発器（２５）には入口部から出口部へ給水をバイパスするバイパスライン（２６）が設けられており、そのバイパスライン（２６）を通る給水の流量と風道蒸発器（２５）を通過する給水の流量との配分を風道蒸発器（２５）の熱吸収量の変動に応じて制御することによりボイラ燃焼用空気の温度をボイラに最適な温度に制御する。風道蒸発器（２５）を通った給水とバイパスライン（２６）を流れた給水は合流して、図示しないセパレータへ導かれる。
【００１９】
最適温度まで冷却されてボイラ（４）へ供給された燃焼用空気は、ボイラ燃料を燃焼し、ボイラ（４）内の節炭器、過熱器、再熱器等の水／蒸気系と熱交換を行なった後、ボイラ出口ガスとしてガス高圧給水加熱器（２８）へ入り、ここで図示しない給水ポンプから送り出された高圧給水の一部により冷却される。高圧給水の残部は、分岐して高圧給水加熱器（１４）に導入される。ガス高圧給水加熱器（２８）では、熱吸収量の増減に対して、高圧給水加熱器（１４）を通る給水の流量を制御することにより対応する。高圧給水加熱器（１４）とガス高圧給水加熱器（２８）を出た給水は、その後合流し図示しない節炭器へ導かれる。
【００２０】
ガス高圧給水加熱器（２８）を出た排ガスは、ガス低圧給水加熱器（２９）へ入り、図示しない低圧給水加熱器からの給水により冷却される。ガス低圧給水加熱器（２９）を出た給水は、図示しない脱気器へ導かれる。但し、ガス低圧給水加熱器（２９）へ入る給水は、ガス低圧給水加熱器（２９）が硫酸腐食を発生しない温度（１２０℃）に制御する必要があるので、熱負荷に応じて、再循環ポンプ（３０）を運転し、ガス低圧給水加熱器（２９）出口の給水の一部を入口に戻す。
【００２１】
低圧ガス給水加熱器（２９）で熱回収された排ガスは、図示しない煙突から、大気へ放出される。
【００２２】
本実施形態のように、ガスタービン（２３）の排気をボイラ（４）の燃焼用空気として用いるプラントで、風道蒸発器（２５）を設けるとともにボイラ排ガスの熱回収をガス給水加熱器（２８）、（２９）で行なうことにより、次の効果が得られる。
【００２３】
１）図２に示されるようにプラント効率が従来と比較して３％程度向上する。
２）再生式空気予熱器が不要となり、空気のリークがなくなる。
３）起動時にガスタービン排気熱量が減少した場合は、風道蒸発器（２５）をバイパスさせることにより、蒸気温度制御の応答性を向上させることができる。
４）風箱、バーナ、搬送用ダクトの材料、耐力を強化する必要が軽減され、コストが低減される。
【００２４】
次に図３は本発明の実施の第２形態を示す概略系統図である。この図においても、前記と同様の部分については同一の符号を付け、詳しい説明を省く。
【００２５】
本実施形態においても、空気（大気）はコンプレッサ（２１）により加圧されて加圧空気となり、コンバスタ（２２）へ供給される。そのコンバスタ（２２）にはガスタービン燃料が投入され、上記加圧空気により燃焼してガスタービン入口ガスを発生する。このガスタービン入口ガスは、ガスタービン（２３）を駆動してガスタービン排気となる。ガスタービン（２３）はガスタービン発電機（２４）とコンプレッサ（２１）を駆動する。
【００２６】
本実施形態では、ガスタービン排気は、風道給水加熱器（３１）に導入され、復水ポンプ（１０）出口の復水（給水）の一部によって冷却された後、ボイラ（４）の燃焼用空気として、風箱（３）を通り、ボイラ（４）へ供給される。風道給水加熱器（３１）には、給水系の入口部から出口部へバイパスするバイパスライン（３２）が設けられており、そのバイパスライン（３２）を流れる給水の流量と風道給水加熱器（３１）を流れる給水の流量との配分を風道給水加熱器（３１）の熱回収量の変動に応じ制御することによって、ボイラ燃焼用空気の温度をボイラ（４）に最適な温度に制御する。風道給水加熱器（３１）を通った給水とバイパスライン（３２）を通った給水は合流した後、前記復水ポンプ（１０）出口給水の残部と合流する。
【００２７】
最適温度まで冷却されてボイラ（４）に供給された燃焼用空気は、ボイラ燃料を燃焼し、ボイラ（４）内の節炭器、過熱器、再熱器等の水／蒸気系と熱交換を行なった後、ボイラ出口ガスとしてガス高圧給水加熱器（２８）へ入り、ここで給水によって冷却され、更にガス低圧給水加熱器（２９）でも給水によって冷却された後、排ガスとして図示しない煙突から大気へ放出される。
【００２８】
給水系統について述べると、低圧蒸気タービン排気が復水器（９）で復水となり、復水ポンプ（１０）で加圧されたのち、低圧給水加熱器（１１）、ガス低圧給水加熱器（２９）、風道給水加熱器（３１）に分岐する。
【００２９】
風道給水加熱器（３１）へ流れる給水は、前記のとおり風道給水加熱器（３１）の熱吸収量の増減に応じて風道給水加熱器（３１）とバイパスライン（３２）とに流量分配されたのち、合流して前記復水ポンプ（１０）の出口給水の一部と合流する。そして、ガス低圧給水加熱器（２９）で排ガスを冷却し、自らは加熱される。しかし、低負荷における硫酸腐食対策として、ガス低圧給水加熱器（２９）内の給水が酸露点温度を下廻らないように、出口の給水の一部が再循環ポンプ（３０）により入口へ戻される。
【００３０】
復水ポンプ（１０）出口給水の一部は、低圧給水加熱器（１１）で加熱された後、ガス低圧給水加熱器（２９）の出口給水と合流し、低圧給水として脱気器（１２）へ導かれる。そして給水中に溶存している気体が除去され、給水ポンプ（１３）で加圧されて高圧給水となった後、高圧給水加熱器（１４）とガス高圧給水加熱器（２９）に分配される。高圧給水加熱器（１０）では蒸気タービン抽気により給水が加熱される。また、ガス高圧給水加熱器（２８）ではボイラ出口ガスによって給水が加熱される。高圧給水加熱器（１４）を出た給水とガス高圧給水加熱器（２８）を出た給水は合流し、ボイラ給水としてボイラ（４）内の節炭器へ供給される。
【００３１】
本実施形態においては、ガスタービン（２３）の排気をボイラ（４）に導くダクト内に風道給水加熱器（３１）を設けるとともに、ボイラ排ガスの熱回収をガス給水加熱器（２８）、（２９）で行なうので、プラント効率が従来と比較して２％程度向上し、また再生式空気予熱器が不要となる等、前記第１の実施形態と同様の効果が得られる他、ガスタービン排気およびボイラ排ガスによる低圧給水系の熱回収量を、排ガスによる高圧給水系の熱吸収量よりも大きく配分することにより、高圧給水系のスピルオーバを開始する点を低くすることができて、部分負荷運用性を高めることができる。すなわち給水系統において、ガスタービン排気から風道給水加熱器（３１）で熱回収を行ない、更にボイラ排ガスからガス低圧給水加熱器（２９）で熱回収することにより、これらの熱吸収量の合計がガス高圧給水加熱器（２８）の熱吸収量よりも大きくなるので、高圧給水側でのスピルオーバを開始する点を低くすることができ、部分負荷運用性を高めることができる。但し脱気器の圧力を高める必要はある。
【００３２】
図４は本発明の実施の第３形態を示す概略系統図である。この図においても、前記と同様の部分については同一の符号を付けて詳しい説明を省略する。
【００３３】
本実施形態においても、空気（大気）はコンプレッサ（２１）により加圧されて加圧空気となり、コンバスタ（２２）へ供給される。そのコンバスタ（２２）にはガスタービン燃料が投入され、上記加圧空気により燃焼してガスタービン入口ガスを発生する。このガスタービン入口ガスは、ガスタービン（２３）を駆動しガスタービン排気となる。ガスタービン（２３）はガスタービン発電機（２４）とコンプレッサ（２１）を駆動する。
【００３４】
また本実施形態でも、ガスタービン排気は、風道給水加熱器（３１）に導入され、ガス高圧給水加熱器（２８）から来た給水で冷却された後、ボイラ（４）の燃焼用空気として、風箱（３）を通りボイラ（４）へ供給される。風道給水加熱器（３１）には、給水を入口部から出口部へバイパスするバイパスライン（３２）が設けられており、風道給水加熱器（３１）を通る給水量とバイパスライン（３２）を通る給水量との配分を風道給水加熱器（３１）の熱吸収量の変動に対応して制御することにより、ボイラ（４）の燃焼用空気の温度をボイラに最適な温度に制御する。
【００３５】
最適温度まで冷却されてボイラ（４）に供給された燃焼用空気は、ボイラ燃料を燃焼し、ボイラ（４）内の節炭器、過熱器、再熱器等の水／蒸気系と熱交換を行なった後、ボイラ出口ガスとしてガス高圧給水加熱器（２８）へ入り、更にガス低圧給水加熱器（２９）へ入って、給水により冷却され、排ガスとして煙突から大気へ放出される。
【００３６】
給水系統では、低圧蒸気タービン排気が復水器（９）で復水となり、復水ポンプ（１０）で加圧された後、分岐して低圧給水加熱器（１１）とガス低圧給水加熱器（２９）に導かれる。
【００３７】
ガス低圧給水加熱器（２９）に導入された給水は、ここでガス高圧給水加熱器（２８）を出た排ガスを冷却して自らは加熱されるが、低負荷域では硫酸腐食対策として、給水の温度が酸露点温度を下廻らないように、再循環ポンプ（３０）によりガス低圧給水加熱器（２９）出口の給水の一部が入口へ戻される。
【００３８】
低圧給水加熱器（１１）に導入された給水は、タービン抽気で加熱され、ガス低圧給水加熱器（２９）出口の給水と合流して低圧給水となる。その低圧給水は脱気器（１２）へ導かれ、給水中に溶存している気体が除去されたのち、給水ポンプ（１３）で加圧されて高圧給水となる。その後、高圧給水加熱器（１４）の入口とガス高圧給水加熱器（２８）の入口に分岐する。
【００３９】
高圧給水加熱器（１４）に導入された給水は、タービン抽気により加熱されたのち、ボイラ給水としてボイラ（４）内の節炭器（１１）へ供給される。一方、ガス高圧給水加熱器（２８）に導入された給水は、ボイラ（４）の出口ガスと熱交換して加熱されたのち、風道給水加熱器（３１）へ導かれてガスタービン（２３）の排気を冷却する。その際、前記のように風道給水加熱器（３１）の熱吸収量の変動に対応して一部がバイパスライン（３２）に分岐するが、その後、風道給水加熱器（３１）を通過した給水とバイパスした給水は合流し、更に上記高圧給水加熱器（１４）を出た給水と合流して、ボイラ（４）へ供給される。
【００４０】
本実施形態においても、ガスタービン（２３）の排気を風道給水加熱器（３１）で冷却するとともに、ボイラ排ガスの熱回収をガス給水加熱器（２８）、（２９）により行なうので、前記実施形態と同様、プラント効率が３％程度向上し、また再生式空気予熱器が不要となるので、その設置スペースにガス給水加熱器が設置でき、敷地を削減できる。風箱、バーナ、搬送用ダクトの材料、耐力を強化する必要がなく、コストが低減されることも、前記実施形態と同様である。
【００４１】
更に本実施形態では、ガスタービン排気を冷却する風道給水加熱器（３１）とボイラ出口ガスを冷却するガス高圧給水加熱器（２８）で高圧給水系を構成することにより、高圧給水系の熱吸収量が増大し、ボイラへの給水温度を最大限に上げることができて、プラント効率の向上に寄与する。すなわち、給水系統としては、ガスタービン排気から高圧給水系の風道給水加熱器（３１）で熱回収を行ない、更にボイラ排ガスからの熱回収を高圧給水系と低圧給水系のガス給水加熱器（２８）、（２９）で行なうので、高圧給水系の熱吸収量が増大し、ボイラへの給水温度が上がりやすくなって、プラント効率を高めることができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば次の効果が得られる。
【００４３】
１）プラント効率が従来と比較して２％〜３％程度向上する。
２）再生式空気予熱器が不要となり、空気のリークがなくなる。
３）風箱、バーナ、搬送用ダクト等の材料、耐力を強化する必要が軽減されるので、コストが低減する。
【００４４】
４）起動時にガスタービン排気熱量が減少した場合、風道蒸発器等をバイパスさせることにより、蒸気温度制御の応答性を向上させることができる。
【００４５】
５）ガスタービンの排気およびボイラの排ガスによる低圧給水系の熱吸収量を、排ガスによる高圧給水系の熱吸収量よりも大きく配分することにより、高圧給水系のスピルオーバを開始する点を低くすることができて、部分負荷運用性を高めることができる。
【００４６】
６）ガスタービン排気を冷却する風道給水加熱器とボイラ出口排ガスを冷却するガス高圧給水加熱器で高圧給水系を構成することにより、高圧給水系の熱吸収量を増大させ、ボイラへの給水温度を最大限に上げることができ、プラント効率の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の第１形態を示す概略系統図である。
【図２】図２は本発明の効果を例示する図である。
【図３】図３は本発明の実施の第２形態を示す概略系統図である。
【図４】図４は本発明の実施の第３形態を示す概略系統図である。
【図５】図５は従来の発電プラントの一例を示す概略系統図である。
【符号の説明】
（１）    押込通風機
（２）    再生式空気予熱器
（３）    風箱
（４）    ボイラ
（５）    過熱器
（６）    再熱器
（７）    節炭器
（８）    煙突
（９）    復水器
（１０）  復水ポンプ
（１１）  低圧給水加熱器
（１２）  脱気器
（１３）  給水ポンプ
（１４）  高圧給水加熱器
（１５）  高圧蒸気タービン
（１６）  中圧蒸気タービン
（１７）  低圧蒸気タービン
（１８）  蒸気タービン発電機
（２１）  コンプレッサ
（２２）  コンバスタ
（２３）  ガスタービン
（２４）  ガスタービン発電機
（２５）  風道蒸発器
（２６）  バイパスライン
（２８）  ガス高圧給水加熱器
（２９）  ガス低圧給水加熱器
（３０）  再循環ポンプ
（３１）  風道給水加熱器
（３２）  バイパスライン
【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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