JP5901194B2 - ガスタービン冷却システム及びガスタービン冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収ボイラで発生した蒸気によってガスタービンを冷却するガスタービン冷却システム及びガスタービン冷却方法に関するものである。

ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）や石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）に設けられる排熱回収ボイラは、ガスタービンからの排熱を利用して蒸気タービンを駆動させるための蒸気を発生させている。ところで、高効率化が図られたガスタービンの高温化に伴い、機器保護の観点から、運転時に高温となるガスタービン燃焼器の尾筒やその他の部位などを冷却する必要がある。そこで、上記発電システムにおいて、ガスタービンを冷却するため、冷却媒体として空気を使用するだけでなく、排熱回収ボイラで発生した蒸気を冷却媒体として使用することがある。

特許文献１では、稼動時において異常が発生した場合、排熱回収ボイラの高圧蒸気又は中圧蒸気を蒸気冷却システムに導くことによって、蒸気による冷却を維持する技術が開示されている。

特許文献２では、蒸気による動翼と翼環部間のクリアランス制御と、蒸気による燃焼器等の高温部品の冷却制御とを両立させる技術が開示されている。

特開平１０−３７７１１号公報 特開２００２−４８０７号公報

排熱回収ボイラで発生する4.0MPaから5.0MPa程度の中圧蒸気は、被冷却対象（ガスタービン）において要求される冷却条件と合致することから、排熱回収ボイラで発生した蒸気を冷却媒体として使用する場合、中圧蒸気が用いられることが多い。

一方、プラント効率改善のため、排熱回収ボイラで発生する高圧蒸気量の増加が求められていることから、排熱回収ボイラで発生する中圧蒸気量は、被冷却対象（ガスタービン）において冷却に使用される必要蒸気量との差が可能な限り小さいことが要求されている。しかし、その結果、発電負荷や燃料条件によっては、被冷却対象における必要蒸気量に対して中圧蒸気量が不足する可能性が生じる。

そこで、排熱回収ボイラで発生する高圧蒸気の一部を冷却媒体として用いることが考えられるが、高温かつ高圧である蒸気をわざわざ減温、減圧することになり、プラント効率の低下を招きかねない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排熱回収ボイラで発生する高圧蒸気を用いたり、高圧蒸気の発生を減少させたりすることなく、効率良くガスタービンを蒸気によって冷却することが可能なガスタービン冷却システム及びガスタービン冷却方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガスタービン冷却システム及びガスタービン冷却方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るガスタービン冷却システムは、ガスタービンと、ガスタービンからの排熱と熱交換して第１蒸気を発生させる第１系統と、第１系統へ水及び蒸気を供給する第１ドラムと、ガスタービンからの排熱と熱交換して第１蒸気よりも低圧の第２蒸気を発生させる第２系統と、第２系統へ水及び蒸気を供給する第２ドラムとを有する排熱回収ボイラと、第２系統とガスタービンの冷却系統とを接続し、第２系統から冷却系統へ第２蒸気を供給する第１流路と、第１ドラムと第２ドラムとを接続し、第１ドラムから第２ドラムへ第１ドラム内の飽和蒸気を供給する第２流路とを備える。

この発明によれば、第２ドラムの水及び蒸気が、排熱回収ボイラの第２系統へ供給され、第２系統でガスタービンからの排熱と熱交換して第２蒸気が発生する。第２蒸気は、第１流路を介して第２系統からガスタービンの冷却系統へ供給されて、ガスタービンを冷却する。また、第１ドラム内の飽和蒸気が、第２流路を介して第１ドラムから第２ドラムへ供給される。その結果、第２ドラムから第２系統へ供給される蒸気の蒸気量を増加させることができることから、第２系統からガスタービンの冷却系統へ供給される蒸気の蒸気量も増加させることができる。

上記発明において、ガスタービンの冷却状態に基づいて、第２流路を流れる飽和蒸気の蒸気量を調整する蒸気量調整手段を更に備えてもよい。

この発明によれば、ガスタービンの冷却状況に応じて、第２流路を介して第１ドラムから第２ドラムへ供給される飽和蒸気の蒸気量が変化することから、ガスタービンを冷却するのに適切な量の飽和蒸気を第２ドラムへ供給できる。ガスタービンの冷却状況は、ガスタービンの出口温度をガスタービン側で監視・管理しており、例えばガスタービンの冷却系統から排出されたガスタービン冷却後の蒸気の蒸気量等に基づいて間接的に判断されてもよい。

上記発明において、第２流路の下流であって、第２ドラムの上流又は第２ドラム内に汽水分離装置が設けられてもよい。

この発明によれば、第２流路を介して第１ドラムから第２ドラムへ供給される飽和蒸気は、汽水分離装置によって水と蒸気に分離されるため、分離された蒸気をガスタービン冷却系統へ供給することができ、水を含まない蒸気によってガスタービンを冷却できる。その結果、蒸気に含まれる水を原因とする冷却系統の腐食や破損を防止できる。また、蒸気が凝縮することによって第２ドラム内で短時間に水位が上がることがないため、第２ドラムの水位変動を抑制できる。

また、本発明に係るガスタービン冷却方法は、ガスタービンと、ガスタービンからの排熱と熱交換して第１蒸気を発生させる第１系統と、第１系統へ水及び蒸気を供給する第１ドラムと、ガスタービンからの排熱と熱交換して第１蒸気よりも低圧の第２蒸気を発生させる第２系統と、第２系統へ水及び蒸気を供給する第２ドラムとを有する排熱回収ボイラとを備えるガスタービン冷却システムにおけるガスタービン冷却方法であって、第２系統からガスタービンの冷却系統へ第２蒸気を供給するステップと、第１ドラムから第２ドラムへ第１ドラム内の飽和蒸気を供給するステップとを備える。

本発明によれば、排熱回収ボイラで発生する高圧蒸気を用いたり、高圧蒸気の発生を減少させたりすることなく、効率良くガスタービンを蒸気によって冷却することができる。

本発明の一実施形態に係る排熱回収システム及びガスタービン冷却システムを示す概略構成図である。 同実施形態に係るガスタービン冷却システムを示す概略構成図である。 従来の排熱回収システム及びガスタービン冷却システムを示す概略構成図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係る排熱回収システム及びガスタービン冷却システムは、例えば、排熱回収ボイラ２とガスタービン３を有するガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）や石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）等のプラント１に適用される。

ガスタービン冷却システムは、例えば排熱回収ボイラ２と、ガスタービン３と、排熱回収ボイラ２の中圧系統７からガスタービン３へ中圧蒸気を供給する中圧蒸気管１９（第１流路）と、高圧ドラム１１から中圧ドラム１２へ飽和蒸気を供給する蒸気供給管２０（第２流路）等からなる。

排熱回収ボイラ２は、排ガス供給路１４を介してガスタービン３から排出された排ガスが供給される。そして、排熱回収ボイラ２は、排ガスの熱（排熱）と熱交換して蒸気を生成する。排熱回収ボイラ２には、図１に示すように、例えば再熱系統５、高圧系統６、中圧系統７、低圧系統８、高圧ドラム１１、中圧ドラム１２及び低圧ドラム１３等が設けられる。

排熱回収ボイラ２では、排ガスの流れ方向に沿って、再熱系統５、高圧系統６、中圧系統７、低圧系統８が順に配置される。再熱系統５は、再熱器を含み、蒸気タービン４から抽気された蒸気は、低温再熱蒸気管１５を介して再熱系統５へ供給され、再熱系統５の再熱器で加熱される。再熱系統５で加熱された蒸気は、高温再熱蒸気管１６を介して蒸気タービン４へ供給されて、蒸気タービン４を駆動する。

高圧系統６は、高圧過熱器、高圧蒸発器を含み、高圧系統６の高圧蒸発器は、高圧ドラム１１から水が供給される。高圧ドラム１１から供給された水は、高圧系統６の高圧蒸発器で加熱され、蒸気が生成される。生成された蒸気は、高圧過熱器で過熱されて、高圧蒸気が生成される。生成された高圧蒸気は、高圧蒸気管１７を介して蒸気タービン４へ供給されて、蒸気タービン４を駆動する。

低圧系統８は、低圧蒸発器、低圧過熱器を含み、低圧系統８の低圧蒸発器は、低圧ドラム１３から水が供給される。低圧ドラム１３から供給された水は、低圧系統８の低圧蒸発器で加熱され、蒸気が生成される。生成された蒸気は、低圧過熱器で過熱されて、低圧蒸気が生成される。生成された低圧蒸気は、低圧蒸気管１８を介して蒸気タービン４へ供給されて、蒸気タービン４を駆動する。

中圧系統７は、中圧蒸発器、中圧過熱器を含み、中圧系統７の中圧蒸発器は、中圧ドラム１２から水が供給される。中圧ドラム１２から供給された水は、中圧系統７の中圧蒸発器で加熱され、蒸気が生成される。生成された蒸気は、中圧過熱器で過熱されて、中圧蒸気が生成される。生成された中圧蒸気の全量又は一部が、中圧蒸気管１９を介してガスタービン３の冷却系統へ供給されて、該当箇所を冷却する。ガスタービン３の冷却系統は、例えば、ガスタービン３に設けられた燃焼器の尾筒、車室などの高温部分に設けられる。中圧蒸気管１９を介して、中圧ドラム１２からガスタービン３へ供給される中圧蒸気の必要蒸気量は、ガスタービン３の冷却状態に基づいて調整される。中圧蒸気管１９には制御弁２５が設けられ、蒸気量が調整される。

ガスタービン３の冷却状態は、ガスタービン３の出口温度をガスタービン３側で監視・管理しており、例えばガスタービン３の冷却系統から排出されたガスタービン３冷却後の蒸気の蒸気量、温度、圧力などに基づいて間接的に判断される。例えば、ガスタービン３が冷却不足と判断された場合、制御弁２５が開放側に調整されて、ガスタービン３の冷却系統へ供給する中圧蒸気の蒸気量を増加させる。一方、ガスタービン３を過剰に冷却していると判断された場合、制御弁２５が閉鎖側に調整されて、中圧蒸気の蒸気量を減少させる。

蒸気供給管２０は、高圧ドラム１１から中圧ドラム１２へ飽和蒸気を供給する。ガスタービン３の冷却に要する蒸気量に対して、中圧ドラム１２から供給された水に基づいて中圧系統７で生成される中圧蒸気だけでは、不足していると判断された場合、蒸気供給管２０を介して、高圧ドラム１１から中圧ドラム１２へ飽和蒸気を供給する。これにより、ガスタービン３の冷却系統へ供給する中圧蒸気を高圧ドラム１１から中圧ドラム１２へ供給される蒸気によって補うことができる。

ガスタービン３の冷却に使用された蒸気は、例えば高温再熱蒸気管１６へ供給されて蒸気タービン４の駆動に再使用される。

ガスタービン３は、燃料ガスを燃焼して、タービンを駆動し、発電機と連結された主軸がタービンと共に回転することで、発電機を駆動させて発電を行う。ガスタービン３にて燃焼された燃料ガスは、排ガスとして排出される。ガスタービン３は、燃料ガスの燃焼によって高温になることから、熱による影響を低減するため、冷却媒体によって冷却される。冷却媒体は、例えば排熱回収ボイラ２で生成された蒸気が使用される。

蒸気タービン４は、排熱回収ボイラ２で生成された蒸気が供給されて、タービンを駆動する。蒸気タービン４の主軸は、発電機と連結され、タービンと共に回転することで、発電機を駆動させて発電を行う。なお、発電機は、１台の発電機がガスタービン３と蒸気タービン４の両者に連結されてもよいし、ガスタービン３と蒸気タービン４それぞれに異なる発電機が連結されてもよい。

図１に示す例では、蒸気タービン４は、排熱回収ボイラ２の再熱系統５、高圧系統６、低圧系統８それぞれから再熱蒸気、高圧蒸気、低圧蒸気が供給されて、タービンを駆動する。

次に、図２を参照して、本実施形態に係るガスタービン冷却システムについて説明する。
本実施形態では、高圧ドラム１１（第１ドラム）と中圧ドラム１２（第２ドラム）を連結する蒸気供給管２０が設けられる。蒸気供給管２０には、図２に示すように、制御弁２１と、流量計２２と、オリフィス２３、汽水分離装置２４などからなる。

蒸気供給管２０の制御弁２１は、中圧蒸気管１９の制御弁２５の指令に応じて、開閉動作する。ガスタービン３の冷却において、中圧系統７で生成された蒸気では足りない場合は、蒸気供給管２０を介して、高圧ドラム１１内の飽和蒸気が、中圧ドラム１２へ供給される。高圧ドラム１１から中圧ドラム１２へ供給される飽和蒸気の蒸気量は、中圧蒸気管１９を流れる蒸気量に基づいて決定される。

例えば、ガスタービン３の冷却に要する蒸気量に対して、中圧ドラム１２から供給された水に基づいて中圧系統７で生成される中圧蒸気だけでは、不足していると判断された場合、制御弁２１が開放側に調整されて、飽和蒸気の蒸気量を増加させる。一方、ガスタービン３を過剰に冷却していると判断されたとき、制御弁２１が閉鎖側に調整されて、飽和蒸気の蒸気量を減少させる。

流量計２２は、蒸気供給管２０に設けられ、蒸気供給管２０を流れる飽和蒸気の蒸気量を測定する。オリフィス２３は、蒸気供給管２０のうち制御弁２１の後段に設けられる。オリフィス２３は、制御弁２１における圧力の急激な低下を抑制でき、蒸気供給管２０を流れる蒸気によって生じる制御弁２１への飽和水の衝突を低減できる。その結果、制御弁２１の破損や腐食を防止できる。なお、オリフィス２３で飽和蒸気を減圧する際に発生する水によるトラブルを防止するため、オリフィス２３の後段に邪魔板が設けられてもよい。

汽水分離装置２４は、蒸気供給管２０の下流側であって、中圧ドラム１２の上流側又は中圧ドラム１２内に設けられる。汽水分離装置２４は、蒸気供給管２０を流れる飽和蒸気から蒸気と液体を分離する。汽水分離装置２４は、流体を金網や波板に通過させて蒸気と液体を分離させる方式や、遠心力を利用して蒸気と液体を分離させる方式などいずれでもよい。分離して得られる蒸気は、中圧系統７へそのまま供給され、分離して得られる液体は、中圧ドラム１２内に一旦貯留される。

汽水分離装置２４が設けられない場合、蒸気供給管２０を介して供給された飽和蒸気の一部が中圧ドラム１２にて凝縮し、その結果、最悪の条件下では、供給される飽和蒸気量によって、中圧ドラム１２の水位が急激に上昇するおそれがある。一方、汽水分離装置２４が設けられることによって、中圧ドラム１２内の水位は、汽水分離装置２４で分離された液体のみに影響を受ける。したがって、中圧ドラム１２内の水位変動を最小化できる。

また、中圧ドラム１２内の水位は、通常三要素（水位、給水量、発生蒸気量）によって制御されるが、本実施形態では、高圧ドラム１１から中圧ドラム１２へ供給される飽和蒸気の蒸気量を測定することによって、高圧ドラム１１も中圧ドラム１２も通常と同じドラム水位制御が可能である。また、上述したとおり、汽水分離装置２４が中圧ドラム１２の上流側又は中圧ドラム１２内に設けられることによって、中圧ドラム１２内の水位変動を最小化できることから、中圧ドラム１２への飽和蒸気の供給の有無による中圧ドラム１２の運転変動も最小化できる。

以下、本実施形態の作用効果について説明する。
ガスタービン３への冷却系統へ供給する蒸気合計量を増加させるため、本実施形態と異なり、図３の関連技術のプラント１０に示すように、高圧系統６で発生した高圧蒸気を使用することが考えられる。すなわち、高圧系統６から蒸気タービン４までの高圧蒸気管１７を分岐して、高圧蒸気を減温器３１へ導き、高圧蒸気を減温、減圧する。そして、減温、減圧された高圧蒸気が蒸気管３２及び中圧蒸気管１９を介してガスタービン３の冷却系統へ供給される。しかし、この方法によれば、中圧系統７からガスタービン３の冷却系統へ供給する蒸気を増加させずにすむが、高温かつ高圧である蒸気をわざわざ減温、減圧することになり、このような減温プロセスは、プラント効率の低下を招きかねない。

また、減温プロセスを要する高圧系統６からではなく、高圧ドラム１１から低温の飽和蒸気を抽出してガスタービン３を冷却することも考えられる。しかし、高圧ドラム１１から飽和蒸気を抽出して減圧した後に飽和水が発生し、その発生した水が後段の機器や配管に損傷を与える可能性があり、採用することは困難である。

一方、本実施形態によれば、高圧ドラム１１の飽和蒸気を減圧して中圧ドラム１２へ供給し、中圧ドラム１２内にて汽水分離を行う。そして、中圧ドラム１２自体の制御を従来方法と変更することなく、中圧蒸気をガスタービンの冷却蒸気として使用する。このとき、高圧蒸気量を抑制し、中圧蒸気量を増加させる設計を採用することなく、ガスタービン３を冷却する蒸気を増加させることができる。したがって、中圧蒸気量を増加させて、プラント性能への寄与度が高い高圧蒸気量を抑制することなく、経済的な排熱回収ボイラ２とすることができる。また、冷却用蒸気中に含まれる水滴やミスト状の水を低減できるため、高熱負荷にさらされている尾筒冷却系統等において、熱衝撃等によるトラブルを回避できる。

なお、本実施形態では、高圧ドラム１１と中圧ドラム１２を連結して、高圧ドラム１１から中圧ドラム１２へ飽和蒸気を供給し、その蒸気を用いて、中圧系統７で生成する蒸気量を増加させる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、低圧ドラム１３から他の機器類へ蒸気を供給するシステムにも、本発明を適用できる。この場合、高圧ドラム１１と低圧ドラム１３を連結、又は中圧ドラム１２と低圧ドラム１３を連結し、高圧ドラム１１又は中圧ドラム１２から低圧ドラム１３へ飽和蒸気を供給することによって、低圧系統８で生成する蒸気量を増加させる。

１，１０ プラント
２ 排熱回収ボイラ
３ ガスタービン
４ 蒸気タービン
５ 再熱系統
６ 高圧系統（第１系統）
７ 中圧系統（第２系統）
８ 低圧系統
１１ 高圧ドラム（第１ドラム）
１２ 中圧ドラム（第２ドラム）
１３ 低圧ドラム
１４ 排ガス供給路
１５ 低温再熱蒸気管
１６ 高温再熱蒸気管
１７ 高圧蒸気管
１８ 低圧蒸気管
１９ 中圧蒸気管（第１流路）
２０ 蒸気供給管（第２流路）
２１ 制御弁（蒸気量調整手段）
２２ 流量計
２３ オリフィス
２４ 汽水分離装置
２５ 制御弁
３１ 減温器
３２ 蒸気管

Claims (4)

1. ガスタービンと、
   前記ガスタービンからの排熱と熱交換して第１蒸気を発生させる第１系統と、前記第１系統へ水及び蒸気を供給する第１ドラムと、前記ガスタービンからの排熱と熱交換して前記第１蒸気よりも低圧の第２蒸気を発生させる第２系統と、前記第２系統へ水及び蒸気を供給する第２ドラムとを有する排熱回収ボイラと、
   前記第２系統と前記ガスタービンの冷却系統とを接続し、前記第２系統から前記冷却系統へ前記第２蒸気を供給する第１流路と、
   前記第１ドラムと前記第２ドラムとを接続し、前記第１ドラムから前記第２ドラムへ前記第１ドラム内の飽和蒸気を供給する第２流路と、
   を備えるガスタービン冷却システム。
2. 前記ガスタービンの冷却状態に基づいて、前記第２流路を流れる前記飽和蒸気の蒸気量を調整する蒸気量調整手段を更に備える請求項１に記載のガスタービン冷却システム。
3. 前記第２流路の下流であって、前記第２ドラムの上流又は前記第２ドラム内に汽水分離装置が設けられる請求項１又は２に記載のガスタービン冷却システム。
4. ガスタービンと、
   前記ガスタービンからの排熱と熱交換して第１蒸気を発生させる第１系統と、前記第１系統へ水及び蒸気を供給する第１ドラムと、前記ガスタービンからの排熱と熱交換して前記第１蒸気よりも低圧の第２蒸気を発生させる第２系統と、前記第２系統へ水及び蒸気を供給する第２ドラムとを有する排熱回収ボイラと、
   を備えるガスタービン冷却システムにおけるガスタービン冷却方法であって、
   前記第２系統から前記ガスタービンの冷却系統へ前記第２蒸気を供給するステップと、
   前記第１ドラムから前記第２ドラムへ前記第１ドラム内の飽和蒸気を供給するステップと、
   を備えるガスタービン冷却方法。

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