JPH06241006A - 複合発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、既設汽力発電設備を排気再
燃型の複合発電設備に改造する場合に、最低連続運転負
荷を極力低減することのできるものを得ることである。 【構成】 本発明は、ボイラ排気に設置したボイラ排気
冷却器およびガスタービン排気に設置したガスタービン
排気冷却器で過熱蒸気を発生させること、その過熱蒸気
により駆動する蒸気タービンを設置すること、蒸気ター
ビン排気を凝縮する凝縮器から凝縮水ポンプにより給水
を上記のボイラ排気冷却器に供給して、閉ループのラン
キンサイクルを構成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複合発電設備に係わ
り、特にガスタービン排気をボイラの燃焼用空気として
使用する排気再燃型の複合発電設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】蒸気タービンとボイラから構成される汽
力発電設備にガスタービン設備を追設し、ガスタービン
の排気をボイラの燃焼用空気として使用するとともに、
ボイラ排ガスの有する熱を蒸気タービンサイクル系に回
収するようにした発電設備は排気再燃型複合発電サイク
ルとして知られている。特に、既設の汽力発電設備にガ
スタービン発電設備を追設して排気再燃型複合発電設備
に改造し、発電容量を増加させるリパワリングシステム
は一般に知られている。そして、該リパワリングシステ
ムは、以下のような特徴を有している。第１に、ガスタ
ービン発電設備を追設するため、発電所全体としての発
生電力量を増加させることができる。第２に、ガスター
ビン発電設備を追設して、既設の汽力発電設備を複合発
電化することにより、プラント熱効率を向上させること
ができる。第３に、既設汽力発電設備の改造部分が少な
いため、比較的短期間でリパワリングシステムへの変換
ができる。

【０００３】近年の大幅な電力需要の伸び及びそれに伴
う電力予備率の低下に対処するために、新たな発電所を
早急に建設することの困難さ等を考えると、前記リパワ
リングシステムは、これらの問題を解決するための有力
な手段の一つである。また、新設の石炭利用火力発電設
備においても、発電容量の大容量化・プラント熱効率の
向上に寄与する手段の一つである。図３は、ボイラ・蒸
気タービン発電設備にガスタービン発電設備を設置した
排気再燃型複合発電サイクルの従来の系統の一例を示す
ものである。

【０００４】ボイラ・蒸気タービン発電設備では、ボイ
ラ１で発生した蒸気は蒸気タービン２に導入それ、そこ
で仕事を行い蒸気タービン発電機３を駆動する。蒸気タ
ービン２で仕事を終えた蒸気は復水器４に流入してそこ
で復水せしめられ、該復水はボイラへの給水として、ポ
ンプ５によって昇圧され、給水加熱器６を通過し、加熱
された後、前記ボイラ１に還流される。前記給水加熱器
６で給水を加熱するために抽気逆止弁７を設置した抽気
蒸気管８を介して蒸気タービン２の途中段落の抽気点９
から抽気して蒸気を導入している。また、蒸気タービン
２の排出蒸気を復水に凝縮するために、冷却水ポンプ10
から吐出した冷却水が前記復水器４に導入される。

【０００５】一方、圧縮器11・燃焼器12・タービン13・
発電機14などで構成されるガスタービン発電設備では、
圧縮器11で加圧された空気は燃焼器12で燃焼に供され、
該燃焼ガスは、タービン13で仕事を行い発電機14を駆動
する。仕事を終えた燃焼ガスは、ガスタービン排気冷却
器15で冷却された後、ボイラ１の燃焼用空気として利用
するために、ボイラ１に導入される。ボイラ燃焼用空気
として、ガスタービン排気に含まれる未燃空気が使用さ
れるため、従来の汽力発電設備で設置されているボイラ
排気の熱によって空気を加熱するガス空気加熱器は不要
であり、代わりに、ボイラ１の高温排気を冷却するため
にボイラ排気冷却器16が設置されている。該ボイラ排気
16及びガスタービン冷却器15では、給水管17から分岐し
た給水とボイラ１の排気及びガスタービン13の排気とが
それぞれ順次熱交換を行って給水が加熱され、昇温した
給水は再び給水加熱器６出口側の給水管17に戻されてい
る。

【０００６】また、ボイラ排気冷却器16に導入される給
水温度が低すぎると、ボイラ排気冷却器16の伝熱管表面
に排ガス中の硫黄酸化物や炭酸ガスなどによる腐食生成
物が凝結して信頼性を損ない、給水温度が高すぎると、
大気に捨てられるボイラ排気の温度が高くなりプラント
効率を損なうため、ある範囲の給水温度になるように制
御する必要があるが、給水温度は蒸気タービンの負荷に
応じて変化するため、従来の排気再燃型複合発電設備で
は、ボイラ排気冷却器16出口の高温給水の一部を分岐
し、循環ポンプ18及び循環ポンプ19により、ボイラ排気
冷却器15の入口給水と混合させるように構成し、循環流
量を循環配管18の途中に設置された調整弁20で制御する
ことによって、ボイラ排気冷却器16に導入される給水温
度を制御している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図３に示す従来の排気
再燃型複合発電設備において、給水加熱器６へ供給され
る給水流量は、負荷によって決まるボイラ１への給水流
量及び復水器４からの給水流量からボイラ排気冷却器16
への必要給水流量を差し引いた残りである。従って、排
気再燃型複合発電運転においては、給水加熱器６での熱
交換量はボイラ・蒸気タービン単独運転時の熱交換量よ
りも少なく、該給水加熱器６加熱用の蒸気タービン抽気
蒸気量も少なくなる。給水加熱器６加熱用の蒸気タービ
ン抽気蒸気量が少なくなることによって、蒸気タービン
抽気点９から下流を流れる蒸気量が増加し、蒸気タービ
ン２全体に対する蒸気タービン抽気点９以降での翼列の
負荷分担が増加する。同時に、蒸気タービン２の排気蒸
気量も増加し、復水器４での排気蒸気の凝縮熱量も増加
する。蒸気タービン２の抽気点９以降で通過する蒸気流
量が増大すると、蒸気タービンの翼列の通過蒸気量が設
計流量を越えて、強度的余裕が不足するとともに、翼の
入り口蒸気圧力・温度が上昇し、抽気管の設計圧力・温
度を越える場合があり、蒸気圧力を下げるために翼列の
取り替えなどの改造が必要となる。

【０００８】一方、復水器において蒸気を凝縮するに必
要な交換熱量は増大するので、蒸気を凝縮するに必要な
冷却水量を変えない場合には、復水器内の圧力が上昇し
発生電力が低減するとともに、当該冷却水の出口温度が
上昇し、環境への悪影響が懸念される。これを避けるた
め、必要冷却水流量を増加し、復水器を改造するととも
に、冷却水を復水器に送る冷却水ポンプの改造または取
り替えを行う場合もある。

【０００９】また、部分負荷での排気再燃型複合発電運
転では、負荷に応じて給水流量が低減するにもかかわら
ず、タービン13に直結する圧縮機11の回転数は一定のた
め、圧縮機11からタービン13に供給される空気量は、負
荷の低減ほど減少せず、タービン13からガスタービン排
気冷却器15及びボイラ１からボイラ排気冷却器16に導出
される排気流量は、定格負荷運転時に比較してさほど低
減しない。従って、ガスタービン排気冷却器15及びボイ
ラ排気冷却器16での熱交換量は定格負荷運転時に比較し
てさほど低減しないため、ガスタービン排気冷却器15及
びボイラ排気冷却器16に必要な給水流量も低減せず、あ
る部分負荷以下においては給水の大半がガスタービン排
気冷却器15及びボイラ排気冷却器16に導入されることに
なる。このことから、蒸気タービン２から給水加熱器６
に供給される抽気蒸気量も減少することになる。この抽
気蒸気量が減少し微少となり、抽気蒸気管８の途中に設
置してある抽気逆止弁７は、該抽気逆止弁７の前後の差
圧が小さくなり、抽気蒸気量の変動によって開閉を頻繁
に繰り返す領域に達する。長期に渡ってこの領域の負荷
で連続運転を行うと、前記抽気逆止弁７が破損に至るこ
とが懸念される。従って、微小抽気蒸気量の変動で頻繁
に開閉を繰り返さないように該抽気逆止弁７の改造か最
低連続運転負荷の大幅な引き上げが必要となる。

【００１０】さらに、前記ガスタービン排気冷却器15及
びボイラ排気冷却器16での必要交換熱量が余り低減しな
いにもかかわらず、給水流量は負荷に応じて低減するた
め、ガスタービン排気冷却器15及びボイラ排気冷却器16
出口での給水温度が上昇し、ボイラの節炭器出口、さら
にはガスタービン排気冷却器15出口で給水が蒸発現象を
起こすことが懸念され、最低連続運転負荷を大幅に引き
上げる必要がある。

【００１１】以上の記述のように、既設汽力発電設備を
排気再燃型複合発電設備に改造するに当たっては、実際
には改造範囲が多くなる場合があり、既設汽力発電設備
を排気再燃型複合発電設備に改造する特徴の一つである
比較的短期間に改造を行えるという効果が十分発揮でき
ないという問題がある。場合によっては、改造を短期間
に実施するために、改造範囲を極力小さくできる負荷ま
で、蒸気タービン発電機出力を下げて運転している。し
かし、この選択は、既設汽力発電設備を排気再燃型複合
発電設備に改造するもう一つの特徴である発電所全体と
しての発生電力を増加させるという効果を減少させるこ
ととなり、電力需要の増大への十分な対応ができないと
いう問題がある。さらに、排気再燃型複合発電設備の最
低連続運転負荷の大幅な引き上げは、電力需要の変動へ
の対応が十分でなくなり、運用性が悪化するという問題
がある。

【００１２】本発明はこのような点に鑑み、既設汽力発
電設備を排気再燃型複合発電設備に改造する場合に、既
設汽力発電設備の給水加熱用の蒸気タービン抽気蒸気量
の減少を防止することにより、既設汽力発電設備の改造
範囲を極力小さくして、かつ、発電所全体としての発生
電力およびプラント熱効率を効果的に増大させるととも
に、排気再燃型複合発電設備の最低連続運転負荷を極力
低減する排気再燃型複合発電設備を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、蒸気タービンとボイラで構成される汽力
発電設備にガスタービン発電設備を追設し、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とともに、
ボイラの排気ガスで給水を加熱するボイラ排気冷却器お
よびガスタービン排気で給水または蒸気を加熱するガス
タービン排気冷却器を設置して排気再燃型複合発電設備
を構成した汽力発電設備の発電容量増加設備において、
ボイラ排気に設置したボイラ排気冷却器およびガスター
ビン排気に設置したガスタービン排気冷却器で過熱蒸気
を発生させるとともに、その過熱蒸気により駆動する蒸
気タービンを設置し、また、蒸気タービン排気を凝縮す
る凝縮器から凝縮水ポンプにより給水を蒸気のボイラ排
気冷却器に供給して、閉ループのランキンサイクルを構
成する事を特徴とするものである。

【００１４】

【作用】本発明によれば、複合発電運転時に、ボイラに
供給される給水を加熱するのに、ガスタービン排気ある
いはボイラ排気の両方が寄与しないこととなり、ボイラ
に供給される給水の温度の過度の上昇を抑えることがで
き、蒸気タービンからの抽気蒸気量を低負荷運転時でも
確保することができ、既設の蒸気タービンの抽気点より
下流の翼列を通過する蒸気流量の増加を抑えることがで
きる。即ち、複合発電運転時にも、ボイラと蒸気タービ
ンを単独運転時と同様の熱バランスで運転できるという
利点がある。

【００１５】また、低負荷時のガスタービン排気冷却器
の蒸発現象を考慮する必要がなくなり、最低連続運転負
荷を極力低減することができる。さらに、蒸気発生装置
でガスタービン排気熱量あるいはボイラ排気の熱量によ
って給水から蒸気を発生させ、該蒸気を追設の蒸気ター
ビンに導入して発電機を駆動して電力を発生させるの
で、既設発電設備の改造範囲を極力小さくして、発電所
全体としての発生電力を従来のリパワリングシステム以
上に効果的に増大させることができる。

【００１６】

【実施例】以下、図１を参照して本発明の一実施例につ
いて説明する。なお、図中、図３と同一の部分には同一
符号を付し、図３に示される従来例と同一の構成部分に
ついては、既に説明したので、説明を省略する。

【００１７】図１において、節炭器23、蒸発器21′、ド
ラム22′を設けたボイラ排気冷却器16が、ボイラからの
排気を大気へ流す導管の途中に設置してあり、また、蒸
発器21、ドラム22及び過熱器29を設けたガスタービン排
気冷却器15がタービン13から出る排気をボイラ１に流通
させる導管の途中に設置してある。追設蒸気タービン24
は圧縮器11とタービン13の軸に直結に接続されている。
また、該追設蒸気タービン24に前記過熱器29からの蒸気
を導入する蒸気管25が設置されている。そして、前記追
設蒸気タービン24の排出する蒸気を復水に凝縮せしめる
凝縮器26が設置され、該凝縮器26とボイラ排気冷却器16
の中の節炭器23とを接続する給水導管27が設けられ、該
給水導管27の途中には凝縮水ポンプ28が設置されてい
る。

【００１８】なお、追設蒸気タービン24は、圧縮機11と
タービン13の軸に直結に接続せずに、別置きの発電機に
直結する場合もある。凝縮器26は空気冷却式でもよい
し、冷却水ポンプ10に余裕があれば、該冷却水ポンプ吐
出の冷却水の一部を導出してもよいし、新たに冷却水供
給設備も設けてもよい。次に、本実施例の作用を説明す
る。

【００１９】ボイラ排気冷却器16の節炭器23で加熱され
た給水の一部は、ガスタービン排気冷却器15内のドラム
22へ給水されると共に、ボイラ排気冷却器16のドラム2
2′で発生した蒸気は、ガスタービン排気冷却器15のド
ラム22で発生した蒸気と混合して過熱器29で更に過熱さ
れ、追設蒸気タービン24に導入される。追設蒸気タービ
ン24に導入された蒸気は、追設蒸気タービン24で仕事を
し、タービン13と共に発電機14を駆動した後、凝縮器26
に送られる。凝縮器26で復水に凝縮された復水は、給水
ポンプ28で昇圧され、給水導管27を流通して、ボイラ排
気冷却器16の節炭器23に供給される。

【００２０】従って、ボイラと蒸気タービンの給水系統
と追設蒸気タービンの給水系統が、縁が切れているの
で、複合発電運転時の給水加熱器６に供給される給水量
の減少量は小さくなり、通常の蒸気タービン運転時とほ
ぼ同等の給水量となり、蒸気タービン２から給水加熱器
６への抽気蒸気量の減少も小さくなり、蒸気タービン抽
気点９以降の蒸気タービン２の翼列を流れる蒸気流量の
増加も、抑えることができる。さらに、蒸気タービン２
から排出される蒸気流量の増加も抑えることができ、復
水器４でのタービン排気蒸気の凝縮に必要な交換熱量の
増加も抑えられ、復水器４に必要な冷却水流量の増加あ
るいは該冷却水の温度上昇を抑えることができる。ま
た、複合発電運転の低負荷運転時においても、給水加熱
器６を通過する給水量が確保でき、ガスタービン排気の
熱量による給水の温度上昇幅を考慮する必要もなくな
る。即ち、複合発電運転時にも、ボイラと蒸気タービン
を単独運転時と同様の熱バランスで運転できる。

【００２１】図２は、他の実施例を示している。この実
施例では、蒸気発生器21、ドラム22、給水予熱器23およ
び過熱器29から構成されたガスタービン排気冷却器15が
設置され、ボイラ排気冷却器16の中に給水予熱器が設置
されている場合の構成である。他の機器は図１に示され
ているものと同じである。

【００２２】これによれば、ボイラ排気冷却器16で給水
を加熱した後、ガスタービン排気冷却器の節炭器23でも
給水を加熱し、ガスタービン排気冷却器15内の蒸発器21
で発生した蒸気をドラム22を介して、過熱器29に導入
し、前記蒸気を過熱蒸気とし、追設蒸気タービン24に導
入することにより、上記の図１で説明した作用とほぼ同
じ作用となる。

【００２３】

【発明の効果】以上の発明から明らかなように、本発明
によれば、蒸気タービンとボイラで構成される汽力発電
設備にガスタービン設備を追設し、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とともに、ボイラの
排ガスで蒸気タービン系の給水または復水を加熱するボ
イラ排気冷却器を設置して排気再燃型複合発電設備を構
成した汽力発電設備の発電容量増加設備において、蒸気
タービンを追加設置するとともに、該追設蒸気タービン
に蒸気を供給する蒸気発生装置をガスタービン排気冷却
器またはボイラ排気冷却器に、あるいはガスタービン排
気冷却器及びボイラ排気冷却器のいずれにも設置し、そ
こで発生した過熱蒸気を追加設置した蒸気タービンに供
給して動力を発生するようにした複合発電設備とするも
のであり、既設汽力発電設備を排気再燃型複合発電設備
に改造する場合に、既設汽力発電設備の改造範囲を極力
小さくして、かつ、既設蒸気タービンの出力に加えて、
ガスタービンおよび追設蒸気タービンの出力分を増加す
る事が出来、かつ、プラント熱効率を大幅に向上する事
が出来るとともに、最低連続運転負荷の引き上げを極力
低減する排気再燃型複合発電設備を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す系統図

【図２】本発明の他の実施例を示す系統図

【図３】従来例を示す系統図

【符号の説明】 １…ボイラ、２…蒸気タービン、４…復水器、５…ポン
プ、６…給水加熱器、７…抽気逆止弁、９…蒸気タービ
ン抽気点、10…冷却水ポンプ、11…圧縮機、13…タービ
ン、15…ガスタービン排気冷却器、16…ボイラ排気冷却
器、17…給水管、21，21′…蒸発器、22，22′…ドラ
ム、24…追設蒸気タービン、26…凝縮器、28…凝縮水ポ
ンプ、29…過熱器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気タービンとボイラで構成される汽力
   発電設備にガスタービン設備を追設し、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とともに、ボイ
   ラの排気で給水または復水を加熱するボイラ排気冷却器
   を設置する排気再燃型複合発電設備において、ボイラ排
   気に設置したボイラ排気冷却器およびガスタービン排気
   に設置したガスタービン排気冷却器で過熱蒸気を発生さ
   せること、その過熱蒸気により駆動する蒸気タービンを
   設置すること、蒸気タービン排気を凝縮する凝縮器から
   凝縮水ポンプにより給水を上記のボイラ排気冷却器に供
   給して、閉ループのランキンサイクルを構成する事を特
   徴とする複合発電設備。
2. 【請求項２】 上記蒸気タービンをガスタービン発電設
   備の軸に直結して一軸構成としたことを特徴とする請求
   項１記載の複合発電設備。