JP2000297611A - 排熱回収装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高圧過熱器のバイパス管と、前記高圧過熱器よ
りも排ガス上流側に設置された高圧過熱器の出口連絡管
の蒸気温度差によりその合流部に発生する熱応力の低減
を図った排熱回収装置およびその運転方法を提供する。 【解決手段】ガスタービンと蒸気タービンを備えたコン
バインドサイクル発電プラントの排ガスの熱を回収する
排熱回収ボイラ内に蒸発器と過熱器を有し、蒸発器の排
ガス上流側、蒸発器の中間または蒸発器の排ガス下流側
に配設された過熱器の一部出口蒸気を、排ガス上流側に
配設された高温過熱器出口蒸気と第１の調節弁を介して
混合させることによって、過熱器出口蒸気温度の調節を
行う排熱回収装置において、排ガス下流側過熱器出口蒸
気の一部を排ガス上流側高温過熱器出口へ合流させる蒸
気配管へ、排ガス上流側高温過熱器中段における蒸気の
一部を第２の調節弁を介して合流させるようにする。ま
た第１の調節弁または第２の調節弁の少なくともいずれ
か一方をその所定の開度以上で運転するようにする。

Description

【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と蒸気
タービンの組み合わせによるコンバインドサイクル発電
プラントの排ガスの熱を回収する排熱回収装置およびそ
の運転方法に係り、好適な蒸気性状および温度の蒸気を
蒸気タービン駆動用蒸気及びガスタービン冷却用蒸気と
して供給し得るような排熱回収装置およびその運転方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンと蒸気タービンを組み合わ
せたコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービ
ンの高温部の材料と冷却技術の向上によりガスタービン
の入口温度を向上させることができるため、近年発電設
備の主流となりつつある。コンバインドサイクル発電の
高効率化の一環として、ガスタービンの高温部、特に翼
の冷却媒体として蒸気を使用することが検討されてお
り、技術的には特開平5-163960号公報、特願平9-019528
号などに記載されている。ガスタービンの入口ガス温度
は現在でも1300℃に達しており、今後1500℃を超えるこ
とが予想されている。

【０００３】このような高温下では従来の空気を用いた
翼の冷却では冷却効果が不十分となることから、蒸気を
使用した翼冷却を用いたガスタービンが開発され、これ
を用いたガスタービン蒸気タービンコンバインドサイク
ル発電プラントが計画されている。前記文献にはこのよ
うな蒸気冷却ガスタービンを使用したコンバインドサイ
クル発電設備が記載されている。

【０００４】蒸気をガスタービンの冷却媒体として使用
する場合に問題となることは、冷却用の蒸気温度と蒸気
性状である。高温のガスタービンの翼の中を流れること
と、非常に微細に形成された流路を流れることから、た
とえ微小な蒸気中の不純物でも高温下で翼内面の微細流
路への不純物の付着を引き起こす可能性があり、一度不
純物が付着すると複雑な流路形状のため、翼の冷却不全
を引き起こし翼の損傷につながる可能性がある。このた
め、ガスタービンの翼冷却用の蒸気は高い清浄度が要求
されることから、従来給水を蒸気中にスプレーして行っ
ていた蒸気温度制御が使用できず、過熱器を分割して一
部過熱器をバイパスする事によって蒸気温度を制御する
方式がとられていた。以下、図４を用いて従来技術のガ
スタービン蒸気タービンコンバインドサイクル発電設備
の概要を説明する。

【０００５】図４において、大気から圧縮機１に吸い込
まれた空気は圧縮機１で圧縮された後、燃焼器で燃料と
ともに燃焼し高温のガスとなってガスタービン２に流入
する。ガスタービンを出たガスは 600℃程度の温度のガ
スとなって排熱回収ボイラ８に流入する。排熱回収ボイ
ラ８で熱吸収され、温度の低下したガスは 100℃程度と
なって排熱回収ボイラ８から大気へ流出する。

【０００６】一方、水は復水器７から低圧給水ポンプ41
によって排熱回収ボイラ８に給水される。まず、低圧節
炭器21に給水され、ここで温度が上昇した後、一部の給
水は低圧ドラム24に給水され、蒸発後、低圧飽和蒸気管
45から低圧過熱器17を通った後、低圧過熱器出口連絡管
46によって低圧蒸気タービン６へ供給される。

【０００７】また、他の給水は中圧給水ポンプ43、高圧
給水ポンプ44でそれぞれ圧力を高められた後、中圧ドラ
ム23、高圧ドラム22に給水される。中圧ドラム23に給水
された給水は中圧蒸発器18で蒸気となった後、中圧飽和
蒸気管36を経て中圧過熱器15を通った後、低温再熱蒸気
管34で低温再熱蒸気と混合された後、ガスタービンの翼
冷却蒸気としてガスタービン冷却蒸気管38からガスター
ビン蒸気冷却管路39に供給され、ガスタービンの翼等を
冷却した後、再熱器12で再熱され高温の蒸気となって高
温再熱蒸気管40に合流し、中圧蒸気タービン５に流れ込
む。

【０００８】さらに、高圧蒸気ドラム22に給水された給
水は、高圧蒸発器13，14で蒸発した後、高圧飽和蒸気管
25より高圧１次過熱器11に流入する。これは高圧１次過
熱器で過熱された後、蒸気は高圧２次過熱器10に流れ込
む。また一部の蒸気は高圧２次過熱器10をバイパスする
高圧２次過熱器バイパス管27、高圧２次過熱器バイパス
流量調節弁28を介して高圧２次過熱器出口連絡管29に合
流し、高圧２次過熱器10出口の蒸気温度を低下さた後、
高圧３次過熱器入口連絡管32から高圧３次過熱器９に流
入し、蒸気タービン入口蒸気として 540℃の蒸気となっ
て高圧蒸気タービン４に供給される。高圧蒸気タービン
４で膨張した蒸気は低温再熱管34に流入する。

【０００９】一部の低温再熱蒸気は中圧蒸気とともにガ
スタービン冷却用蒸気としてガスタービン冷却蒸気管38
からガスタービン蒸気冷却管路39に流入する。また、一
部の蒸気は再熱器12によって温度を上昇して高温再熱蒸
気となって高温再熱蒸気管40から中圧蒸気タービン５に
流入する。最終的に蒸気タービンで膨張し仕事をした蒸
気は復水器７によって復水となり、再びサイクルに供給
される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような構成のガス
タービン蒸気タービンコンバインドサイクル発電プラン
トにおいては、高圧２次過熱器バイパス管27と高圧２次
過熱器出口連絡管29の蒸気合流部においては、両者の蒸
気温度差が最大で約 180℃〜 190℃となるため、配管合
流部で非常に大きな熱応力，熱衝撃が生じるという問題
がある。

【００１１】また、高圧２次過熱器バイパス管27を通過
する蒸気流量は、設計計画点（定格負荷）ではバイパス
蒸気が不要であるのに対し、部分負荷時にはバイパス蒸
気が必要となるというように、運転状態に左右されるた
め、運転状態が変わり、バイパス管内の蒸気流量が急激
に変化した場合、短時間で大きな熱応力，熱衝撃が配管
合流部に生じるという問題がある。

【００１２】これは図５に示すようにガスタービンの特
性として部分負荷においてガス温度が高温になること、
および蒸気流量が少なくなることによって伝熱面が余
り、過熱器出口蒸気温度が高温となることが重なり、高
圧３次過熱器出口蒸気温度を制御するために２次節炭器
のバイパスによる蒸気冷却が多くなることによってさら
に高圧２次過熱器出口蒸気温度が上昇する事による。

【００１３】本発明は以上のような従来技術の問題を解
決するためになされたもので、高圧過熱器のバイパス管
と、前記高圧過熱器よりも排ガス上流側に設置された高
圧過熱器の出口連絡管の蒸気温度差によりその合流部に
発生する熱応力の低減を図った排熱回収装置およびその
運転方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、ガ
スタービンと蒸気タービンを備えたコンバインドサイク
ル発電プラントの排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラ
内に蒸発器と過熱器を有し、蒸発器の排ガス上流側、蒸
発器の中間または蒸発器の排ガス下流側に配設された過
熱器の一部出口蒸気を、排ガス上流側に配設された高温
過熱器出口蒸気と第１の調節弁を介して混合させること
によって、過熱器出口蒸気温度の調節を行う排熱回収装
置において、排ガス下流側過熱器出口蒸気の一部を排ガ
ス上流側高温過熱器出口へ合流させる蒸気配管へ、排ガ
ス上流側高温過熱器中段における蒸気の一部を第２の調
節弁を介して合流させるようにしたことを特徴とする。
また本発明の請求項２は、第１の調節弁または第２の調
節弁の少なくともいずれか一方をその所定の開度以上で
運転するようにしたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１，図
２，図３を参照して説明する。なお、図中図４と同一部
分には同一符号をつけて、説明は省略する。図１におい
て、高圧１次過熱器11は高圧蒸発器（＃１）13と高圧蒸
発器（＃２）14の間に配設されている。高圧１次過熱器
11を出た蒸気は、高圧１次過熱器出口連絡管26と高圧２
次過熱器10を介して高圧２次過熱器出口連絡管29へ向か
う系統と、高圧２次過熱器バイパス管27と高圧２次過熱
器バイパス流量調節弁28を介して高圧２次過熱器出口連
絡管29へ向かう系統に分岐された後、高圧２次過熱器出
口連絡管29で合流し、高圧３次過熱器９の入口の蒸気温
度を調節し得るようになっている。さらに、高圧２次過
熱器バイパス管27には、高圧２次過熱器10の中段から抽
出した蒸気の一部を、高圧２次過熱器中段連絡管30と高
圧２次過熱器中段流量調節弁31を介して合流させること
によって、高圧２次過熱器バイパス管内蒸気温度を調節
し得るようになっている。

【００１６】図２に示す通り、高圧２次過熱器中段連絡
管30により高圧２次過熱器バイパス管27へ蒸気を合流さ
せ、バイパス管内の蒸気温度を調節することによって、
従来の系統においては蒸気合流部で最大約 180℃〜 190
℃であった蒸気温度差を小さくすることができるため、
合流部配管に生じる熱応力，熱衝撃を緩和することがで
きる。

【００１７】また図３に示す通り、高圧２次過熱器バイ
パス流量調節弁28を常に一定開度以上で運転すること
で、弁を閉から開とした時の配管合流部での急激な温度
変化を抑え、図中「本発明による作用１」に示すよう
に、従来のものに比べ熱応力，熱衝撃を緩和することが
できる。

【００１８】また、高圧２次過熱器中段流量調節弁31を
常に一定開度以上で運転することで、調節弁を閉から開
とした時の配管合流部での急激な温度変化を抑え、図中
「本発明による作用２」に示すように熱応力，熱衝撃を
さらに緩和する事ができる。

【００１９】

【発明の効果】本発明の排熱回収装置およびその運転方
法によれば、高圧過熱器出口における各合流蒸気の温度
差を小さくする事ができ、配管合流部に発生する熱応力
を小さくする事ができる。そのため、配管材料を高級化
しなくてよい、熱応力が緩和され寿命が延びるなどの効
果がある。また、合流部形状についても、熱応力が低減
される事で選択幅が広がり、熱応力低減のための特殊な
合流部形状を採用する必要がなくなるという効果が期待
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の排熱回収装置を備えたコ
ンバインドサイクル発電プラントの図。

【図２】本発明の実施の形態の排熱回収装置およびその
運転方法の作用を説明する図。

【図３】本発明の実施の形態の排熱回収装置およびその
運転方法の作用を説明する図。

【図４】従来の排熱回収装置を備えたコンバインドサイ
クル発電プラントの図。

【図５】１次，２次過熱器の出口温度とバイパス流量比
を示す説明図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…ガスタービン、３…発電機、４…高圧
蒸気タービン、５…中圧蒸気タービン、６…低圧蒸気タ
ービン、７…復水器、８…排熱回収ボイラ、９…高圧３
次過熱器、10…高圧２次過熱器、11…高圧１次過熱器、
12…再熱器、13…高圧蒸発器（＃１）、14…高圧蒸発器
（＃２）、15…中圧過熱器、16高圧節炭器、17…低圧過
熱器、18…中圧蒸発器、19…中圧節炭器、20…低圧蒸発
器、21…低圧節炭器、22…高圧ドラム、23…中圧ドラ
ム、24…低圧ドラム、25…高圧飽和蒸気管、26…高圧１
次過熱器出口連絡管、27…高圧２次過熱器バイパス管、
28…高圧２次過熱器バイパス流量調節弁、29…高圧２次
過熱器出口連絡管、30…高圧２次過熱器中段連絡管、31
…高圧２次過熱器中段流量調節弁、32…高圧３次過熱器
入口連絡管、33…高圧主蒸気管、34…低温再熱蒸気管、
35…再熱器入口連絡管、36…中圧飽和蒸気管、37…中圧
過熱器出口連絡管、38…ガスタービン冷却蒸気管、39…
ガスタービン蒸気冷却管路、40…高温再熱蒸気管、41…
低圧給水ポンプ、42…低圧給水管、43…中圧給水ポン
プ、44…高圧給水ポンプ、45…低圧飽和蒸気管、46…低
圧過熱器出口連絡管。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンと蒸気タービンを備えたコ
   ンバインドサイクル発電プラントの排ガスの熱を回収す
   る排熱回収ボイラ内に蒸発器と過熱器を有し、蒸発器の
   排ガス上流側、蒸発器の中間または蒸発器の排ガス下流
   側に配設された過熱器の一部出口蒸気を、排ガス上流側
   に配設された高温過熱器出口蒸気と第１の調節弁を介し
   て混合させることによって、過熱器出口蒸気温度の調節
   を行う排熱回収装置において、排ガス下流側過熱器出口
   蒸気の一部を排ガス上流側高温過熱器出口へ合流させる
   蒸気配管へ、排ガス上流側高温過熱器中段における蒸気
   の一部を第２の調節弁を介して合流させるようにしたこ
   とを特徴とする排熱回収装置。
2. 【請求項２】 第１の調節弁または第２の調節弁の少な
   くともいずれか一方をその所定の開度以上で運転するよ
   うにしたことを特徴とする請求項１記載の排熱回収装置
   の運転方法。