(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを組合せ、ガスタービンからの排熱を利用して蒸気タービン駆動用蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えるとともに、前記ガスタービンの高温被冷却部を蒸気で冷却する蒸気冷却システムを設け、この蒸気冷却システムからの過熱蒸気を蒸気タービンに回収させるように構成したコンバインドサイクル発電プラントにおいて、前記蒸気タービンプラントを少なくとも高圧タービンと低圧タービンとから構成するとともに、前記高圧タービンの排気の全量を直接前記蒸気冷却システムに導き、かつ、同蒸気冷却システムを出たあと後続の蒸気タービンの初段入口へ直接供給するように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２】
前記排熱回収ボイラが少なくとも高圧、中圧、低圧の３圧力式であることを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電プラント。
【請求項３】
前記高温被冷却部の複数の被冷却部に対して前記高圧タービンの排気を並列に流通させることを特徴とする請求項１または２に記載の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】
本発明はガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを組み合わせたコンバインドサイクル発電プラントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントを組み合わせた発電システムであり、熱エネルギーの高温域をガスタービンで、また、低温域を蒸気タービンでそれぞれ分担して受持ち、熱エネルギーを有効に回収し、利用するようにしたものであり、近年特に脚光を浴びている発電システムである。
【０００３】
このコンバインドサイクル発電プラントでは、効率向上のための一つのポイントを、高温域を何処まで高め得るか、と言う点に置いて研究開発が進められてきた。
【０００４】
一方、高温域の形成には、タービン構造体の耐熱性の面から冷却システムを設けねばならず、この冷却システムにおける冷却媒体としては従来から空気が用いられて来た。
【０００５】
しかし、冷却媒体として空気を用いる限り、例え高温域を達成し得たとしても、冷却に要した空気を自らの空気圧縮機で必要圧力迄昇圧するのに要した動力損失と、また、高温ガスの通過するタービン流路内に部品の冷却に使用した空気を最終的に混合させる事により平均ガス温度を低下させてガスの持つエネルギーを低下せしめる結果になることとの両方を考慮すると、熱効率のこれ以上の向上は期待できないところまで来ている。
【０００６】
この問題点を解決し更に効率向上を図るべく、ガスタービンの冷却媒体として前記した空気に替えて、蒸気を採用するものが現れ、例えば、特開平５−１６３９６０号公報に示されるものが提案されるに至った。
【０００７】
この特開平５−１６３９６０号公報のものを、その主要部を抜き出して、図２に示して説明すれば、次の様な構成となっている。
【０００８】
ガスタービン１３、空気圧縮機１８、燃焼器１９を主要構成とするガスタービンプラント１１、同ガスタービンプラント１１の排気ガスを加熱源として、高圧ドラム２０、中圧ドラム２１、低圧ドラム２２を主要構成とする排熱回収ボイラ１４、及び同排熱回収ボイラ１４から蒸気を供給される高圧タービン１５ａ、中圧タービン１５ｂ、低圧タービン１５ｃを主要構成とする蒸気タービンプラント１２によりコンバインドサイクル発電プラント１０が構成されている。
【０００９】
そして、ここに組入れられた冷却システムは、蒸気冷却システム５０であり、前記排熱回収ボイラ１４の中圧ドラム２１を出た中圧蒸気を冷却蒸気として、蒸気供給経路５１を経てガスタービン１３の高温被冷却部に設けた蒸気冷却系統５２に導き、この高温被冷却部を冷却することにより同冷却蒸気は加熱され、即ち熱エネルギーを与えられ、蒸気回収系統５３を経て蒸気タービンプラント１２の中圧タービン１５ｂへ供給され、有効に回収されるものである。
【００１０】
なお、蒸気系統６０はバックアップ系統であり、バックアップ蒸気を排熱回収ボイラ１４の高圧ドラム２０から高圧蒸気ライン４２を経て供給可能にしたもので、ガスタービン１３の起動直後等に使用されるものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように従来のものは、冷却蒸気として中圧ドラム２１を出た中圧蒸気を用いているものであるために、ガスタービンのタービン入口温度が更に上昇し、または、ガスタービンの高温被冷却部が拡張し、しかも同タービン部の被冷却部の範囲が動翼、静翼そして環状部と広がり、これら高温被冷却部の熱負荷が増える程に前記中圧蒸気では、排熱回収ボイラーでの蒸気の発生量の限界からガスタービンの高温被冷却部での冷却能力が不足し、初期の目的である高温被冷却部の十分にして確実な冷却を行うことは出来なくなると言う問題がある。
【００１２】
本発明はこのような従来のものにおける問題点を解消し、ガスタービンの高温被冷却部を常に確実に且つ十分に冷却すると共に、この冷却によって得た熱量を確実に回収し、効率の向上を図るようにしたものを提供することを課題とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を解決すべくなされものであり、ガスタービンプラントと蒸気タービンプラントとを組合せ、ガスタービンからの排熱を利用して蒸気タービン駆動用蒸気を発生させる排熱回収ボイラを備えるとともに、前記ガスタービンの高温被冷却部を蒸気で冷却する蒸気冷却システムを設け、この蒸気冷却システムからの過熱蒸気を蒸気タービンに回収させるように構成したコンバインドサイクル発電プラントにおいて、前記蒸気タービンプラントを少なくとも高圧タービンと低圧タービンとから構成するとともに、前記高圧タービンの排気の全量を直接前記蒸気冷却システムに導き、かつ、同蒸気冷却システムを出たあと後続の蒸気タービンの初段入口へ直接供給するようにしたコンバインドサイクル発電プラントを提供し、ガスタービンの高温被冷却部を蒸気で冷却する蒸気冷却システムに導く冷却蒸気として高圧タービンの排気を特定し、その全量を直接前記蒸気冷却システムに導いてこの高圧排気のもつ量的、圧力的、又は温度的特性を利用して同ガスタービンの高温被冷却部を効率的に、かつ適格に冷却し、かつ、この冷却蒸気として特定された高圧タービンの排気は、前記高温被冷却部で所定の仕事をした後に、例えばボイラーの再熱器等の機器に寄り道することなく、後続の蒸気タービンの初段入口へ直接供給されることにより、排熱回収ボイラに再熱器を設ける必要もなしに同後続の蒸気タービンで十分に所定の仕事を成し得るようにしたものである。
【００１５】
また、本発明は、前記排熱回収ボイラが少なくとも高圧、中圧、低圧の３圧力式であるコンバインドサイクル発電プラントを提供し、ガスタービンの高温被冷却部を高圧タービンを出た高圧排気で冷却し、次いで中圧タービンに導入するので、排熱回収ボイラが高圧、中圧、低圧の３圧力式であっても再熱器を必ずしも設ける必要のないようにするものである。
【００１６】
更にまた、本発明は、前記高温被冷却部の複数の被冷却部に対して前記高圧タービンの排気を並列に流通させるコンバインドサイクル発電プラントを提供し、高圧タービンを出た高圧排気は分流し、並列に配置された高温被冷却部を流れるので、特定の経路の圧力損失は、その特定経路を流れる分流分だけで分担するようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１に基づいて説明する。
【００１８】
１０１はガスタービン、１０２は同ガスタービン１０１で駆動される空気圧縮機、１０３は燃焼器で空気圧縮機１０２から供給される圧縮空気を燃料と共に燃焼させ、前記ガスタービン１０１を駆動する。１０４は発電機で、前記空気圧縮機１０２と共に駆動される。このガスタービン１０１、空気圧縮機１０２燃焼器１０３及び発電機１０４とによりガスタービンプラント１００が構成される。
【００１９】
前記ガスタービン１０１の排気ガスは、排気ダクト１０５を経て排熱回収ボイラ２００に導かれる。この排熱回収ボイラ２００は、高圧過熱器２０４、高圧蒸発器２０５、高圧節炭器２０６、中圧過熱器２０７、低圧過熱器２０８、中圧蒸発器２０９、高中圧節炭器２１０、低圧蒸発器２１１、低圧節炭器２１２、更に前記高圧蒸発器２０５、中圧蒸発器２０９、及び低圧蒸発器２１１にそれぞれ連接した高圧ドラム２０１、中圧ドラム２０２及び低圧ドラム２０３等で構成され、前記排気ガスを加熱源として、高圧、中圧、及び低圧の各圧力の蒸気を発生する。
【００２０】
３０１は高圧タービン、３０２は中圧タービンまた３０３は低圧タービンで、高圧タービン３０１は前記排熱回収ボイラ２００の高圧過熱器２０４から高圧蒸気ライン３０６を経て供給される高圧蒸気で駆動され、また、低圧タービン３０３は同排熱回収ボイラ２００の低圧過熱器２０８から低圧蒸気ライン３０７を経て供給される低圧蒸気と、後記する中圧タービン３０２の排気との混合蒸気で駆動される。
【００２１】
他方、中圧タービン３０２は、前記排熱回収ボイラ２００から中圧蒸気ライン３１１を経て供給される中圧蒸気のみに依存するのではなく、後述する蒸気冷却システム４００で高温被冷却部を冷却し、蒸気回収系統４０５から供給される高圧タービン３０１の高圧排気を主体とする蒸気により駆動される。
【００２２】
そしてこの高圧タービン３０１、中圧タービン３０２及び低圧タービン３０３は、発電機３０４と併せて軸直結され、かつ、前記低圧タービン３０３に連結したコンデンサ３０５を含めて蒸気タービンプラント３００が構成される。
【００２３】
４０１は冷却蒸気供給系統で、前記高圧タービン３０１の排気部３１０に連結しており、同高圧タービン３０１の排気を受け入れるように構成されている。
４０２は第１の蒸気冷却系統で、前記冷却蒸気供給系統４０１から分岐して前記燃焼器１０３を冷却する。また、４０３は第２の蒸気冷却系統、４０４は第３の蒸気冷却系統で、前記第１の蒸気冷却系統４０２と並列に配置され、それぞれ前記冷却蒸気供給系統４０１から分岐して前記ガスタービン１０１の高温被冷却部を冷却する。
【００２４】
そしてこの並列に分岐した第１、第２、第３の蒸気冷却系統４０２、４０３、４０４により蒸気冷却システム４００を構成し、それぞれに供給される高圧排気を冷却媒体として高温被冷却部を冷却した後、同冷却媒体を再び合流し、蒸気回収系統４０５を経て、前記中圧タービン３０２へ供給する。
【００２５】
なお、図中１０６は空気圧縮機１０２への空気供給系統、３０８はコンデンサ３０５の冷却水供給系統、また、３０９はコンデンサ３０５で得た復水が排熱回収ボイラ２００へ供給される給水系統を示す。
【００２６】
このように本実施の形態によれば、ガスタービンプラント１００の高温被冷却部を冷却するに際し、蒸気タービンプラント３００中の高圧排気、中圧排気及び低圧排気、若しくは、排熱回収ボイラ２００中の高圧蒸気、中圧蒸気及び低圧蒸気のなかで、量的、圧力的、又は温度的にみて最適なものである高圧タービンの高圧排気に着目して、その実質的全量を冷却媒体として使用し、その結果、このガスタービンプラント１００の被冷却部の冷却によって得た熱量を中圧タービン３０２に持込み、系外に捨てることなくこれを回収して、熱効率を向上させるようにしたものである。
【００２７】
即ち、前記排熱回収ボイラ２００で得られる各蒸気のうち、まず、高圧蒸気について考察してみると、蒸気量は申し分ないものの圧力が高いのでガスタービンプラント１００の高温被冷却部を強固な構造にする必要があり、その分肉厚が増し、かえって熱応力の増大を招くのみなず、この被冷却部の構造設計が非常に高価で難しいものとなる。
【００２８】
また、中圧蒸気については、被冷却部の必要熱量に対し蒸気量が不十分であるので、ボイラー側を設計変更して中圧蒸気量を増やすことが対策として考えられるが、それをするとボイラーでの排熱回収効率が悪くなるという相反する結果となる。
【００２９】
さらに、低圧蒸気は、通常、ガスタービンプラント１００の高温被冷却部の雰囲気圧力より低い圧力となり、ガスタービンの高温ガスを蒸気系統側に漏洩させないという安全設計の原則を守れなくなる。
【００３０】
この様に個別に追求していくと、高圧排気以外の他のものが不適格であることが明らかになるが、それ以上に、このガスタービンプラントの高温被冷却部の冷却において、高圧タービンの高圧排気がいかに適格であるか、ということがここでの大きな発見であった。
【００３１】
そして中圧タービン３０２の作動蒸気は、そのほとんどがガスタービンプラント１００の蒸気冷却システム４００から供給されるので、通常のこの種プラントに不可欠である排熱回収ボイラ２００中の再熱器を設置する必要はなく、プラントの設計製作に際し大幅なコストダウンとなるものである。
【００３２】
なお、高圧タービンの高圧排気を直接利用する際には、プラント効率を維持するために、ガスタービンプラント１００の被冷却部での圧力損失を極力抑えることが望ましいので、この被冷却部では、第１、第２、第３の蒸気冷却系統４０２、４０３、４０４を並列に分岐して構成するのは勿論のこと、更に被冷却部各部位においても蒸気の流れを極力並列として圧力損失を抑えると共に、局部閉塞による過熱の危険を分散することが出来たものである。
【００３３】
以上、本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、ガスタービンプラントの高温被冷却部の冷却に、冷却蒸気として量的、圧力的、又は温度的にみて最適な高圧タービンの高圧排気の全量を直接導いて用いることにより、高温被冷却部の温度が高温化しても、また被冷却部の範囲が拡張しても追随して対処でき、しかも、この高温被冷却部に再熱器の役をさせ、排熱回収ボイラ中に再熱器を設置する必要はなくなるので、プラントの設計製作にさいし大幅なコストダウンを図ることができたものである。
【００３５】
また、本発明によれば、上記高圧タービンの排気は、ガスタービンの高温被冷却部で所定の仕事をした後に、例えばボイラーの再熱器等の機器に寄り道することなく、後続の例えば中圧タービン等の蒸気タービンの初段入口へ直接供給されるので、前記した排熱回収ボイラ中に再熱器は全く不要となることが明白なものである。
【００３６】
また、請求項２の発明によれば、排熱回収ボイラが高圧、中圧、低圧の３圧力方式のものにおいて、３圧力方式であるが故に定番品として不可欠であった再熱器を省略することができ、これによるコストダウンの効果は、大きくかつ、顕著なものである。
【００３７】
更にまた、請求項３の発明によれば、高温被冷却部を複数並列に分岐して構成することにより、同高温被冷却部での圧力損失を抑え、高圧タービンの高圧排気を直接有効に利用することができたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係わるコンバインドサイクル発電プラントの系統図。
【図２】従来のコンバインドサイクル発電プラントの系統図。
【符号の説明】
１００    ガスタービンプラント
１０１    ガスタービン
１０３    燃焼器
２００    排熱回収ボイラ
２０１    高圧ドラム
２０２    中圧ドラム
２０３    低圧ドラム
３００    蒸気タービンプラント
３０１    高圧タービン
３０２    中圧タービン
３０３    低圧タービン
４００    蒸気冷却システム
４０１    冷却蒸気供給系統
４０２    第１の蒸気冷却系統
４０３    第２の蒸気冷却系統
４０４    第３の蒸気冷却系統
【図１】
0003825088.tif 000002
【図２】
0003825088.tif 000003