JP2014514481A - コンバインドサイクル発電プラント - Google Patents

Abstract

本発明は、単一軸（２）上に配置されたガスタービンシステム（ＧＴ）と蒸気タービンシステム（ＳＴ）と単一の発電機（Ｇ）を含み、蒸気タービンシステムは、少なくとも高圧蒸気タービン（６）と中圧蒸気タービン（７）と低圧蒸気タービン（８）とを有するコンバインドサイクル発電プラントに関する。本発明によれば前記発電プラントが地面上に直接配置された基礎プレートと共に前記単一軸（２）上に配設され、前記中圧蒸気タービンが蒸気抽出配管内に配置された流量制御弁と共にタービンケーシングの半殻上部（７′）に配置され、蒸気抽出配管並びに前記流量制御弁は基礎プレート上へのターボ機械の取り付けを可能にするために前記単一軸の回転軸線よりも高く配置されている。

Description

本発明は、ガスタービン及び蒸気タービンと、排熱回収ボイラとを含んでいるコンバインドサイクル発電プラントであって、より詳細には蒸気抽出による地域暖房及び/又はコージェネレーションプラントに統合化されるコンバインドサイクルパワープラントに関している。特に本発明は、床にマウントされる一軸型の発電機の配置構成とガスタービン及び蒸気タービンにかかわっている。

蒸気タービンを備えた火力発電プラントはしばしば、工業プラントや地域暖房システムなどの別プラントを動作させるための熱エネルギーを提供する蒸気抽出部を具備している。例えば、米国特許第４，４９２，０８４号明細書に、蒸気タービンと、中間圧力蒸気タービンの排気口から低圧蒸気タービンの入口に案内された交差パイプに配置される蒸気抽出部とを含んだ発電プラントが開示されている。ここでの抽出された蒸気は、熱交換器とリザーバとを有するリモート暖房システムのために使用されている。このシステムは、電気的負荷のピーク期間中及び蒸気抽出における縮小フローの期間中に熱を提供している。さらにこのリモート加熱システムは、再加熱のためにリザーバから熱交換器に熱媒体を循環させる管路も含んでいる。

米国特許第２００８／００１０９６８号明細書には、一軸上に多重の蒸気タービンを備え、並列に配置された２つの複流中圧蒸気タービンの排気側に蒸気抽出部を備えた蒸気発電プラントが開示している。ここでの蒸気抽出部は、リモート加熱回路に直列に配置された２つの熱交換器に接続されている。この装置は、加熱蒸気の速い流れを安全に制御している。

上述したような発電プラントにおいて蒸気抽出部は、大きな安定性と高い安全性の理由からケーシングの半殻下部、例えば蒸気タービンの底部に伝統的に配置されている。

発明の概要
本発明の課題は、この種の従来技法によるコンバインドサイクル発電プラントのさらに改良された、コージェネレーションプラント又は地域暖房システムに統合化するための蒸気抽出部を備えたコンバインドサイクル発電プラントを提供することである。

コンバインドサイクル発電プラントは、発電機を駆動するために単一軸上に配置された複数の蒸気タービンとガスタービンとを備えている。前記蒸気タービンは、ガスタービンから排出された高温の排気ガスの熱エネルギーを利用する排熱回収ボイラで発生した蒸気によって駆動される。これらの複数の蒸気タービンには、単一軸上に配置された少なくとも高圧タービン、中圧タービン、及び低圧タービンが含まれる。中圧蒸気タービンは、１つ以上の蒸気抽出部を有し、そこから蒸気がコージェネレーションプラント、地域暖房システム、又は熱消費を伴う工業プラントに導かれる。本発明によれば、一軸型発電プラントが床面に設置され、中圧蒸気タービンの蒸気抽出部は、タービンケーシングの上部に配置され、換言すればタービンケーシングの半殻上部内に配置されている。床面設置とは、メインターボ機械、すなわち、ガスタービンシステムと蒸気タービンシステムと単一の発電機とが取り付けられている基礎プレートが、地面に直接設置されることを意味している。ここでの地面とは、発電所の建物の床やその基礎のことである。従ってメインターボ機械と地面との間に、枕や懸架装置、スプリングなどは不要なので配置されていない。基礎プレートの典型は大規模なコンクリートブロックである。その接地面積は、対応するターボ機械が支持されるように設計されている。１つの単一軸のパワートレインの基礎プレートの高さは、接地固定から各基板に搭載される対応するターボ機械の軸までの高さと、基礎プレートの高さの和が一定となるように設計されている。その結果、パワートレインの全てのターボ機械の軸を１つのレベルに整列させることができる。１つ以上の蒸気抽出部は、タービンの全ての蒸気を、中圧タービンの蒸気の任意の部分を抽出し、抽出された蒸気によって熱交換媒体が加熱されるように配置されている１つ以上の熱交換器に導かれるように構成されている。この熱抽出は、蒸気流の抽出量を制御することによって制御できる。蒸気流の抽出量を制御可能にするために、抽出流量制御弁が蒸気抽出配管に配置されている。床への設置を可能にするために、蒸気抽出配管のみならず流量制御弁が単一軸のパワートレインの回転軸よりも高く配置される。流量制御弁の動作のために、排水システムは、単一軸のパワートレインの回転軸線よりも上方に高められた位置に配置されている。熱交換器は、熱交換器で抽出された蒸気によって加熱された熱交換媒体によって供給される熱エネルギーによって動作可能な地域暖房システム、工業プラント、又はコージェネレーションプラントに配置されている。

有利な実施形態によれば、タービンが動作していない場合に、排熱回収ボイラによって生成された総蒸気質量流量を第１の熱交換器及び/又は第２の熱交換器にバイパスさせるのに十分な通流能力がバイパス配管によって提供される。これはガスタービンシステムの独立した動作を可能にし、当該プラントの運転に対する柔軟性を高める。

別の有利な実施形態によれば、逆止弁が、単一軸の回転軸線よりも上に高められた位置にある蒸気抽出配管に配置されている。この逆止弁は、蒸気抽出なしの蒸気タービンの運転中に、蒸気タービンのセーブ運転を保証するために使用される。蒸気交換器の蒸気供給が例えば地域暖房のレベル制御装置の故障のために妨害されると、流量制御弁が閉鎖される。それによって逆止弁も閉じ、いずれの逆流も防止される。これにより、蒸気タービンからの蒸気抽出なしの安全運転が可能となる。

上記プラントの運転に係る柔軟性をさらに向上させる別の実施形態によれば、蒸気抽出部が、蒸気タービンシステム周辺のバイパス配管として設計される。そのような蒸気抽出配管は、蒸気タービンからガスタービンシステムの独立した動作を可能にする蒸気タービンチップの場合の燃料蒸気質量流量を得るのに十分な通流能力を備えている。このバイパス動作のために、蒸気は熱交換器に入る前にメインの蒸気配管から直接供給される。

本発明の別の実施形態によれば、蒸気抽出部が、タービンケーシングの半殻上部と中圧蒸気タービンの選択されたステージの位置において対になって配置される。各抽出対の２つの抽出部は、ケーシングの最上点の両側に配置される。そのような抽出対は、中圧蒸気タービンの１つ又は複数の位置又はステージ、例えばタービンの中間ステージ又は最終ステージにて配置することができる。抽出される蒸気体積量に応じて抽出対か又は単一の抽出部が有利となり得る。本発明のさらなる実施形態では、唯１つの抽出部がタービンの次のように選択されたステージに配置される。すなわち抽出部が、タービンケーシングの半殻上部の最上点若しくは最上点近傍に配置されるステージである。

複流中圧蒸気タービンの場合には、１つ以上の蒸気抽出部が、タービンの両通流側に配置され、そこでは各通流側に、単一若しくは対の抽出部がケーシングの半殻上部に配置される。

中圧タービンの半殻上部への蒸気抽出部の配置は、発電プラント全体に特定の利益をもたらす床面へのタービン設置を容易にする。多軸型でテーブル取り付け方式のコンバインドサイクル発電プラントに比べて、本発明に係る発電プラントの単軸型で床面設置式の配置構成は、とりわけコストとスペース効率の向上を実現可能にする。具体的には、発電プラントのための機械室に必要な高さを大幅に低減することができる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、水冷式の蒸気復水器が低圧蒸気タービンに対して横方向の構成で配置されている。それにより、垂直に配置する場合の復水器に必要とされていた余分な空間が回避される。

本発明によるコンバインドサイクル発電プラントは、部分負荷運転時のみでなく、全負荷運転時においても、従来のこの種の発電プラントに比べて、より高い効率での発電プラント運転を可能にする。単軸型の配置構成のために、より大型でより効率的な発電機を駆動することができる一方、対照的に、多軸型の配置構成では、ガスタービンと蒸気タービンの各々が小さくて低い効率の発電機を駆動する。さらに、単軸型で床置き配置の構成はより簡単で低コストなメンテナンスを可能にする。

抽出される蒸気流量の制御を可能にするために、中圧蒸気タービンの上部の抽出配管にはバタフライバルブ及び／又は逆止弁が含まれる。

本発明に係るコンバインドサイクル発電プラントの例示的な実施形態の概略図 中圧蒸気タービンの蒸気抽出部の配置構成と本発明によるコンバインドサイクル発電プラントを示す側面図 中圧蒸気タービンケーシングの半殻上部の蒸気抽出部の上部平面図 図３の中圧蒸気タービンの子午断面図 図４のラインＶ−Ｖに沿った中圧蒸気タービンの軸方向で見た断面図

図１には、単一軸２上に配置されているコンバインドサイクル発電プラント１が示されており、前記単一軸２上には、発電機Ｇを駆動している蒸気タービンシステムＳＴとガスタービンシステムＧＴが配置されている。発電プラント１は、コージェネレーションプラント１００と統合されている。このコージェネレーションプラント１００とは、工場プラント、又は熱消費部３０を含む地域暖房システム１００などである。熱消費部に提供される熱は、蒸気抽出部によって蒸気タービンシステムＳＴ及び１つ若しくは複数の熱交換器３１、３２から抽出される。

ガスタービンシステムＧＴは、例えば圧縮機３、燃焼室４、膨張タービン５を含み、そこからは排気ガスが排熱回収ボイラＨ（図示せず）に向けられる。蒸気タービンシステムＳＴは、前記排熱回収ボイラＨで生成された蒸気によって駆動され、高圧蒸気タービン６と中圧蒸気タービン７と複流低圧蒸気タービン８とを備えている。

低圧蒸気タービンにより膨張し、排気された蒸気は凝縮器Ｃに配向され、そこで凝縮された給水が蒸気発生器Ｈに再循環される。これによって発電プラントの水蒸気循環が完了する。中圧蒸気タービン７は蒸気発生器Ｈにおいて再加熱され、配管９若しくは任意の配管１０によってタービンに配向された蒸気によって駆動される。

蒸気抽出部の対、例えば蒸気抽出部１２ａ及び１２ｂは、蒸気タービン７の中間ステージに配置され、蒸気抽出部１１ａ及び１１ｂは、中圧蒸気タービン７の最終ステージに配置されている。コージェネレーションプラント１００の加熱媒体は、熱消費部３０から配管３０′を介して再加熱すべく直列に配置された第１及び第２の熱交換器３１及び３２にそれぞれ向けられる。蒸気はその後、配管３０″を介して熱消費部３０に向けられる。前記タービン７の最終ステージにおいて抽出部１１ａ，１１ｂから抽出された蒸気は、第１の熱交換器３１に導かれる。ここでは前記蒸気タービン７の中間ステージにおける抽出部１２ａ及び１２ｂからの蒸気は、第２の熱交換器３２に誘導される。抽出配管１１ａ，１１ｂを介した蒸気流は、各配管においてバタフライバルブ１１′によって制御される。ここでは蒸気流の圧力が、熱交換器３１の動作仕様に応じて制御され、例えば約1バールの蒸気圧に制御される。バタフライバルブ１１″は、抽出配管１１ａ，１１ｂから低圧蒸気タービン８への入口側に分岐された配管１１ｃ内に配置されている。ここではこのバタフライバルブ１１″は蒸気圧を２バール高めることができる。同様に、抽出配管１２ａ，１２ｂを介して蒸気流が、熱交換器３２の仕様に応じてバタフライバルブ１２′によって制御される。前記バルブ１１′，１１″，１２′は、コージェネレーションプラント１００における熱エネルギーのニーズと、発電プラントの負荷に応じて、熱交換器３１及び３２と低圧蒸気タービンへの蒸気流量を制御するために操作される。フル蒸気抽出の場合には、前記低圧タービンは、タービンのみの冷却を可能にするのに十分な最小の蒸気流で運転される。前記バルブは、低圧蒸気タービンのゼロ％抽出及びフル運転から、コージェネレーションプラントを運転するための中圧蒸気タービンからの完全な蒸気抽出の伴う発電プラントの運転に至るまでの、抽出の度合いを制御できる。そのようなケースで低圧タービンは、冷却のためだけに最小負荷で運転される。

本発明による発電プラント1は、図２に示すように、単一の発電機Ｇによって回転される単一軸２上に配置された蒸気タービンシステムＳＴとガスタービンシステムＧＴを含む。この発電プラントの全ての要素は、床面レベルＦＬに設置されている。メインターボ機械装置の各々は、地面に直接設置される床面ＦＬ若しくは基礎プレートに取り付けられている。図示の例では、ガスタービンシステムＧＴは、基礎プレート２３に取り付けられ、発電機Ｇは、基礎プレート２４に取り付けられている。また高圧蒸気タービン６は、基礎プレート２５に取り付けられており、中圧蒸気タービン７は、基礎プレート２６に取り付けられている。低圧蒸気タービン８はここでは十分に強固な基礎であるコンバインドサイクル発電プラント１の床面ＦＬに直接取り付けられている。典型的には低圧蒸気タービン８は、基礎プレート上に取り付けられる。さらにこのレイアウトは、コンバインドサイクル発電プラント１の地面上の低圧蒸気タービン８と同レベルで、低圧蒸気タービン８の圧縮機Ｃの配置を可能にする。したがって、地下構成は回避することができ、これは大幅なコスト削減につながる。中圧蒸気タービン７での蒸気抽出配管の配置は、より詳細には、蒸気タービン７の半殻上部７′に配置されることが示されており、これは特に発電プラントの床面取り付けを容易にしている。第１のアダプタ２１は、前記中圧蒸気タービン7の最後のステージでタービンケーシングの半殻状部７′に配置されており、そこでは前記アダプタがケーシングを介して２つの蒸気出口の対か又は図１中に符号１１ａ，１１ｂで示されている抽出部を収容している。この２つの蒸気出口は、前記ケーシング７′の最上部の両側に配置されている。単一の蒸気配管１１は、アダプタ２１から離れて第１の熱交換器３１に導かれている。低圧蒸気８のレベルでは、配管１１ｃが配管１１から離れて低圧蒸気タービン８の入口に導かれている（蒸気タービン制御弁は、この図には示されていない）。低圧蒸気タービン８への下流側には流量制御弁１２′が蒸気抽出配管１１に配置されており、この制御弁は第１の熱交換器３１への蒸気抽出の制御を可能にしている。蒸気抽出配管１１と同じように前記流量制御弁１２′も軸２の上方に配置されている。安全な過渡運転のために逆止弁１４′もまた前記蒸気抽出配管１１に配設されている。図２に示されている例示的な実施形態では、第２のアダプタ２２がタービン７の中間ステージに配置されており、これは、図１中に符号１２ａ及び１２ｂで示されている第２の抽出部対と、タービンケーシングを通る蒸気出口対を含んでいる。これらの蒸気出口対もタービンケーシングの半殻上部７′の最上点の両側に配置されている。アダプタ２２から引き出されている単一蒸気配管は、中間ステージにて前記タービン７から排出された蒸気体積を収容し、第２の熱交換器３２に導く。流量制御弁１１′は、蒸気抽出配管１２に配置されており、この制御弁は第２の熱交換器３２への蒸気抽出の制御を可能にしている。蒸気抽出配管１２自体のように流量制御弁１２′は、前記単一軸２の上方に配置されている。さらに、抽出蒸気排出システム１３′，１３″が、前記流量制御弁１１′，１２′と逆止弁１４′に配置されている。有利には前記排出システム１３′，１３″も前記単一軸２の上方に配置される。

前述の例示的な実施形態は、中圧蒸気タービンの異なるステージでの蒸気抽出部の２つの対を示したものであるが、コージェネレーションプラントのニーズに応じて１つの抽出部対のみを備えた実施形態も可能である。本発明の変化実施例では、少なくとも蒸気体積流量がシングル配管によって収容されるタービンの中間ステージでの抽出に対する蒸気抽出が、蒸気抽出部対に代えて抽出配管を用いるだけで実現することもできる。

図３は、蒸気抽出のための中圧蒸気タービン７ケーシング内の蒸気出口の一実施形態を示している。この実施例は、前記タービンの最終ステージにおける抽出出口対１１ａ及び１１ｂと、前記タービンの中間ステージにおける第２の抽出出口対１２ａ及び１２ｂの配置構成を示した図である。これらはケーシング半殻部の最上位点に関連して両側に対称に配置されてもよい。

図４には、前記タービン７の最終ステージにおける抽出部１１ａと中間ステージにおける抽出部１２ａが示されており、これらはそれぞれケーシングの最上位位置近傍に配置されている。同じ様に、図５は、タービンの最終ステージにおける対称的な配置構成での抽出部対１１ａ及び１１ｂの実施例を示している。

１ コンバインドサイクル発電プラント
２ 軸
３ ガスタービン圧縮機
４ ガスタービン燃焼室
５ ガス膨張タービン
６ 高圧蒸気タービン
７ 中圧蒸気タービン
８ 低圧蒸気タービン
９ 蒸気入口配管
１０ 蒸気出口配管
１１ 蒸気抽出配管
１１ａ，ｂ 蒸気抽出出口
１１ｃ 低圧蒸気タービンへの蒸気交差配管
１１′，１１″ 流量制御弁
１２ａ 蒸気抽出出口
１２ｂ 蒸気抽出出口
１２′ 流量制御弁
１２ 蒸気配管
１３′，１３″ 抽出蒸気排出システム
１４′ 逆止弁
１５ バイパス配管
２１ タービンの最終ステージにおける第１のアダプタ
２２ タービンの中間ステージにおける第２のアダプタ
２３ ガスタービン基礎プレート
２４ 発電機基礎プレート
２５ 高圧蒸気タービン基礎プレート
２６ 中圧蒸気タービン基礎プレート
３０ 熱消費部
３０′ 熱消費部からの配管
３０″ 熱消費部への配管
３１ 第１の熱交換器
３２ 第２の熱交換器
１００ コージェネレーションプラント、地域暖房システム
Ｈ 排熱回収ボイラ
Ｃ 凝縮器
ＦＬ 床面レベル
ＧＴ ガスタービンシステム
ＳＴ 蒸気タービンシステム
Ｇ 発電機

Claims (12)

1. 単一軸（２）上に配置されたガスタービンシステム（ＧＴ）と、蒸気タービンシステム（ＳＴ）と、単一の発電機（Ｇ）とを含むコンバインドサイクル発電プラント（１）であって、
   前記蒸気タービンシステム（ＳＴ）は、少なくとも高圧蒸気タービン（６）と中圧蒸気タービン（７）と低圧蒸気タービン（８）とを有しており、
   前記発電プラント（１）は、中圧蒸気タービン（７）からコージェネレーションプラント、地域暖房システム、又は工業プラント（１００）へ導かれた蒸気抽出配管（１１、１２）を用いて、熱消費部（３０）を備えたコージェネレーションプラント、地域暖房システム、又は工業プラント（１００）と統合化される、コンバインドサイクル発電プラント（１）において、
   前記コンバインドサイクル発電プラント（１）が、前記コンバインドサイクル発電プラント（１）の地面上に直接配置された基礎プレート（２３，２４，２５，２６）と共に前記単一軸（２）上に配設されており、
   前記基礎プレート上には、前記ガスタービンシステム（ＧＴ）と前記蒸気タービンシステム（ＳＴ）と、前記単一の発電機（Ｇ）とが直接取り付けられており、
   前記中圧蒸気タービン（７）は、蒸気抽出流量の制御を可能にすべく前記蒸気抽出配管（１１，１２）内に配置された流量制御弁（１１′，１２′）と共に、タービンケーシングの半殻上部（７′）に配置された１つ以上の蒸気抽出部（１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ）を含んでおり、さらに、
   前記蒸気抽出配管（１１，１２）並びに前記流量制御弁は（１１′，１２′）が、前記基礎プレート（２３，２４，２５，２６）上へのターボ機械の取り付けを可能にするために、前記単一軸（２）の回転軸線よりも高く配置されていることを特徴とする、コンバインドサイクル発電プラント（１）。
2. 前記中圧蒸気タービン（７）の１つ以上の蒸気抽出部（１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ）は、抽出された蒸気を用いて前記コージェネレーションプラント、地域暖房システム又は工業プラントの熱交換媒体を加熱するように配置された１つ以上の熱交換器（３１、３２）につながる前記蒸気抽出配管（１１，１２）と前記中圧タービン（７）の蒸気流の全体が、前記中間圧タービン（７）の蒸気流の任意の部分を抽出できるように構成され配置されている、請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
3. 前記中圧蒸気タービン（７）における前記蒸気抽出部（１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ）は、前記中圧蒸気タービン（７）の所定のステージにおけるタービンケーシングの半殻上部（７′）に対で配置されており、該蒸気抽出部対の２つの個別抽出部（１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ）は、前記中圧蒸気タービン（７）のケーシング（７′）最上位点のいずれかの側に位置付けされている、請求項２記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
4. 前記中圧蒸気タービン（７）の所定のステージに１つの蒸気抽出部が配置され、該蒸気抽出部は前記タービンケーシングの半殻状部（７′）の最上位点か若しくは該最上位点の近傍に位置付けされている、請求項２記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
5. 前記中圧蒸気タービンは複流蒸気タービンであり、該タービンの両流路に１つ若しくはそれ以上の蒸気抽出部が配置されており、各流路毎に単一の蒸気抽出部又は蒸気抽出部対のどちらかが前記ケーシングの半殻状部に配置されている、請求項２記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
6. 水冷式蒸気凝縮器（Ｃ）が前記低圧蒸気タービン（８）に対して横方向の構成で配置されている、請求項１から５いずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
7. 水冷式蒸気凝縮器（Ｃ）が前記低圧蒸気タービン（８）と同じ地面レベルに配置されている、請求項１から６いずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
8. 前記中圧蒸気タービン（７）からの前記抽出配管（１１、１２）は、バタフライバルブ及び／又は逆止弁（１１′，１１″，１２′）を含む、請求項１から７いずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
9. 前記ガスタービンシステム（ＧＴ）及び前記蒸気タービンシステム（ＳＴ）は、単一の発電機（Ｇ）を駆動する、請求項１から８いずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
10. 逆止弁（１４′）が前記単一軸（２）の回転軸線よりも上昇した位置にある蒸気抽出配管（１１，１２）に配設されている、請求項１から９いずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
11. 流量制御弁（１１′，１２′）及び／又は逆止弁（１４′）のための排水システム（１３′，１３″）が前記単一軸（２）の回転軸線よりも上昇した位置に配設されている、請求項１から１０いずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。
12. 前記蒸気タービン（ＳＴ）が動作しない場合に、排熱回収ボイラ（Ｈ）によって生成された総蒸気質量流量を、第１の熱交換器（３１）及び／又は第２の熱交換器（３２）に迂回するためのバイパス配管が設けられており、それによって前記ガスタービンシステム（ＧＴ）の独立した動作が可能となる、請求項１から１１いずれか１項記載のコンバインドサイクル発電プラント（１）。

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