JP2015081560A - コンバインドサイクルプラント - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、ガスタービンの経年劣化によりガスタービンの効率が低下してガスタービン排熱量が増加した場合でも、排熱回収ボイラの効率を下げずに排熱回収ボイラで生成する蒸気流量を増加させて、プラント出力が低下する割合を抑制したコンバインドサイクルプラントを提供する。
【解決手段】ガスタービンと、ガスタービンの排熱を用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで生成した蒸気を該排熱回収ボイラから蒸気系統を通じて供給する蒸気タービンを有するコンバインドサイクルプラントにおいて、蒸気系統は、蒸気タービンの初段入口に蒸気を導く第１の蒸気系統と、蒸気タービンの初段よりも下流側の段落入口に蒸気を導く第２の蒸気系統に分岐して配設し、排熱回収ボイラで生成される蒸気流量に基づいて第１の蒸気系統及び第２の蒸気系統を通じて蒸気タービンに供給する蒸気の流量を調節するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、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プラントに関するものである。
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プラントの従来技術として、特開平８−２４６８１４号には、ガスタービンの排熱を利用して、ごみ焼却炉で発生した蒸気を加熱する排熱回収ボイラを備えたコンバインドサイクルプラントにおいて、排熱回収ボイラの中間と蒸気タービンの中間段落を接続する系統を配設して、ガスタービンがトリップして排熱回収ボイラで発生する蒸気温度が急激に低下した場合に、この系統に設けた排熱回収ボイラ中間出口弁を開いて蒸気タービンの中間段落に蒸気を直接導入することで、過大な熱応力を防止する技術が開示されている。
特開２０００−１５４７０４号には、ガスタービン及び蒸気タービンと、このガスタービンの排熱を利用して前記蒸気タービンに供給する蒸気を発生させる排熱回収ボイラを有するコンバインドサイクルプラントにおいて、蒸気タービンの高圧タービンの排気の一部を冷却用としてガスタービン翼に供給して冷却し、このガスタービン翼を冷却した蒸気を蒸気タービンの中圧タービンの中間段落部に回収する蒸気冷却の技術が開示されている。
また、特開昭５８−２３２０６号公報には、蓄熱器を備えた蒸気タービンにおいて、蒸気圧力の異なる複数の蓄熱器から蒸気タービンの互いに異なる圧力段に蒸気を供給すると共に、複数の蓄熱器から供給される蒸気圧力に応じて蒸気弁を操作して蒸気タービンの高圧段部又は低圧段部に蒸気の供給先を切り換える構成にして、蓄熱器が低圧状態でも運用することを可能にした技術が開示されている。
特開２００６−１６１６９８号公報には、排熱回収ボイラで発生した蒸気を供給する蒸気タービンにおいて、主蒸気加減弁の入口側から分岐して蒸気タービンの再熱部の入口側にオーバーロード弁を介して連通させて高温高圧蒸気を導入する構成にして、主蒸気圧力を押さえながら蒸気タービンの出力を増加させることができる蒸気タービンの過負荷運転装置の技術が開示されている。
特開平８−２４６８１４号公報 特開２０００−１５４７０４号公報 特開昭５８−２３２０６号公報 特開２００６−１６１６９８号公報
特開２０００−１５４７０４号公報（特許文献２）に記載されたような構成のコンバインドサイクルプラントでは、ガスタービンの排熱を用いて排熱回収ボイラが蒸気を生成するため、蒸気タービンに流入する蒸気流量が排熱回収ボイラでの交換熱量に依存する。この排熱回収ボイラの効率を一定とした場合、交換熱量はガスタービン排熱量に比例する。
石炭火力などのコンベンショナルな火力プラントでは、ボイラに投入する石炭などの燃料の量によって蒸気流量を制御することが出来るのに対し、コンバインドサイクルプラントでは排熱回収ボイラの効率を一定とした場合、排熱回収ボイラで発生する蒸気流量を変えるためには、ガスタービンから排熱回収ボイラに供給されるガスタービン排熱量を変える、即ち、ガスタービン出力を変える必要があり、実質的に制御不能である。
ところで、コンバインドサイクルプラントにおいては、経年劣化によりガスタービンが劣化した場合はガスタービン効率が低下するため、同じガスタービン出力に対して径年劣化したガスタービンから排熱回収ボイラに排出されるガスタービン排熱量が増加する。
ガスタービンの経年劣化に起因したガスタービンの効率低下によりガスタービンから排熱回収ボイラに排出されるガスタービン排熱量が増加し、排熱回収ボイラでの熱交換熱量の増加により発生する蒸気流量が増加するが、この排熱回収ボイラで発生する蒸気流量の増加によって蒸気タービン内部の差圧（入口圧力と出口圧力（圧力一定）の圧力差）も増加するが、蒸気タービン出口圧力は圧力一定なので蒸気タービン入口圧力が増加する、即ち、排熱回収ボイラ内部圧力が増加することになる。
排熱回収ボイラ内部においては、飽和蒸気とガスタービン排気ガスとの熱交換を行っているが、蒸気圧力の増加に伴い飽和蒸気の温度が増加し、ガスタービン排気ガスとの温度差が小さくなる。即ち、排熱回収ボイラの効率が低下する。
この結果、コンバインドサイクルプラントを構成するガスタービンの経年劣化に起因したガスタービン排熱量の増加割合に対して、排熱回収ボイラでの蒸気流量の増加割合は小さくなってしまうという課題がある。
本発明の目的は、ガスタービンの経年劣化によりガスタービンの効率が低下してガスタービン排熱量が増加した場合でも、排熱回収ボイラの効率を下げずに排熱回収ボイラで生成する蒸気流量を増加させて、プラント出力が低下する割合を抑制したコンバインドサイクルプラントを提供することにある。
本発明のコンバインドサイクルプラントは、ガスタービンと、ガスタービンの排熱を用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで生成した蒸気を該排熱回収ボイラから蒸気系統を通じて供給する蒸気タービンを有するコンバインドサイクルプラントにおいて、前記蒸気系統は、蒸気タービンの初段入口に蒸気を導く第１の蒸気系統と、蒸気タービンの初段よりも下流側の段落入口に蒸気を導く第２の蒸気系統に分岐して配設し、前記排熱回収ボイラで生成される蒸気流量に基づいて第１の蒸気系統及び第２の蒸気系統を通じて蒸気タービンに供給する蒸気の流量を調節するように構成したことを特徴とする。
本発明によれば、ガスタービンの経年劣化によりガスタービンの効率が低下してガスタービン排熱量が増加した場合でも、排熱回収ボイラの効率を下げずに排熱回収ボイラで生成する蒸気流量を増加させて、プラント出力が低下する割合を抑制したコンバインドサイクルプラントが実現できる。
本発明の実施例である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プラントの概略構成を示す系統図である。
本発明の実施例である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プラントについて、図１を用いて以下に説明する。
図１は本発明の実施例である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プラントの概略構成を示す系統図である。
図１に示した本実施例のコンバインドサイクルプラントは、ガスタービンと、ガスタービンの排熱を用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラ１と、排熱回収ボイラ１で生成した蒸気を該排熱回収ボイラ１から蒸気系統を通じて供給する蒸気タービンとから構成されている。
図１に示したように、本実施例のコンバインドサイクルプラントを構成するガスタービンは、空気を圧縮して加圧した燃焼用空気にする圧縮機６１と、圧縮機６１で加圧した燃焼用空気と燃料を混合して燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生する燃焼器６３と、燃焼器６３で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービン６２と、このタービン６２の駆動によって回転され、発電する発電機６５から構成されている。
このタービン６２を駆動して該タービン６２から排出された排ガスを熱源として、蒸気を発生する排熱回収ボイラ１が設置されており、この排熱回収ボイラ１の内部にタービン６２の排ガスと熱交換して過熱蒸気を発生させる過熱器１ａと、タービン６２の排ガスと熱交換して再熱蒸気を発生させる再熱器１ｂがそれぞれ備えられている。
本実施例のコンバインドサイクルプラントを構成する蒸気タービンは、高圧タービン３と、中圧タービン６と、低圧タービン９から構成されており、更に、これらの高圧タービン３、中圧タービン６、低圧タービン９で駆動されて発電する発電機１３と、低圧タービン９から排出された蒸気を冷却して復水にする復水器１１と、復水器１１の復水を排熱回収ボイラ１に供給する復水ポンプ１４が備えられている。
そして本実施例のコンバインドサイクルプラントにおいては、排熱回収ボイラ１の過熱器１ａで発生した高圧の過熱蒸気は、排熱回収ボイラ１の過熱器１ａから蒸気系統２を通じて蒸気タービンの高圧タービン３に供給され、高圧タービン３を駆動する。
排熱回収ボイラ１の再熱器１ｂで再熱され、前記過熱蒸気よりも低圧の再熱蒸気は、排熱回収ボイラ１の再熱器１ｂから蒸気系統５を通じて蒸気タービンの中圧タービン６に供給され、中圧タービン６を駆動する。
中圧タービン６を駆動した蒸気は、中圧タービン６から蒸気系統７を通じて蒸気タービンの低圧タービン９に供給され、低圧タービン９を駆動する。
低圧タービン９を駆動した蒸気は、低圧タービン９から排出されて蒸気系統１１を通じて蒸気タービンの復水器１１に供給され、この復水器１１で冷却して復水となる。
そして、復水器１１の復水は、復水ポンプ１４によって排熱回収ボイラ１に供給されるように構成されている。
排熱回収ボイラ１の過熱器１ａで発生した高圧の過熱蒸気を蒸気タービンの高圧タービン３に供給する前記蒸気系統２は、この蒸気系統２の途中で第１の蒸気系統２１と第２の蒸気系統２２に分岐して高圧タービン３に接続している。
分岐した第１の蒸気系統２１は、排熱回収ボイラ１の過熱器１ａで発生した高圧の過熱蒸気の一部を、蒸気タービンを構成する高圧タービン３の初段入口に導くように配設されている。
また、分岐した第２の蒸気系統２２は、排熱回収ボイラ１の過熱器１ａで発生した高圧の過熱蒸気の他の一部を、蒸気タービンを構成する高圧タービン３の前記初段よりも下流側の段落入口（段落として１〜３段程度下流側の段落入口）に導くように配設されている。
この第１の蒸気系統２１には蒸気の流量を調節する第１蒸気弁３１が設置され、第２の蒸気系統２２には蒸気の蒸気流量を調節する第２蒸気弁３２がそれぞれ設置されている。
更に、排熱回収ボイラ１の過熱器１ａで発生した過熱蒸気の蒸気流量の値に基づいて、第１の蒸気系統２１に設けた第１蒸気弁３１の弁開度を操作して高圧タービン３の初段入口に供給する過熱蒸気の一部の蒸気流量を調節すると共に、第２の蒸気系統２２に設けた第２蒸気弁３２の弁開度を操作して高圧タービン３の前記初段よりも下流側の段落入口に供給する過熱蒸気の他の一部の蒸気流量を調節する制御装置５０が設置されている。
前述したように、ガスタービンの経年劣化に起因したガスタービンの効率低下によりガスタービンから排熱回収ボイラ１に排出されるガスタービン排熱量が増加し、排熱回収ボイラ１での熱交換熱量の増加により排熱回収ボイラ１で発生する蒸気流量が増加するので、前記制御装置５０では、排熱回収ボイラ１の過熱器１ａで発生した過熱蒸気の蒸気流量の増加値に基づいて、第１蒸気弁３１の弁開度及び第２蒸気弁３２の弁開度を操作して高圧タービン３の初段及び前記初段よりも下流側の段落入口に供給する蒸気流量をそれぞれ調節するように構成したものである。
そこで、ガスタービンの経年劣化に起因して排熱回収ボイラ１で発生する蒸気流量の増加を検出するために、排熱回収ボイラ１に設置した過熱器１ａで発生した過熱蒸気の蒸気流量を検出する検出手段として、過熱器１ａの出口側に配設した蒸気系統２に過熱蒸気の蒸気流量に対応する蒸気圧力を検出する圧力検出器４１を設置している。
この圧力検出器４１によって、蒸気系統２を流下する排熱回収ボイラ１の過熱器１ａで発生した過熱蒸気の蒸気流量に対応した蒸気圧力を検出して制御装置５０に入力する。
前記制御装置５０には、ガスタービンの経年劣化に応じて排熱回収ボイラ１で発生する蒸気流量の増加量に対応する閾値として、第１蒸気弁３１の弁開度が全開の状態で第２蒸気弁３２の弁開度を全開となるように操作する第１の閾値７１と、第１蒸気弁３１の弁開度が全開の状態で第２蒸気弁３２の弁開度を所定の開度を保持するように操作する第２の閾値７２をそれぞれ設定している（第１の閾値７１＞第２の閾値７２）。
そして、圧力検出器４１で検出された過熱器１ａで発生した過熱蒸気の蒸気流量に対応する蒸気圧力の検出値の増加状況に基づいて、制御装置５０に設置した第１の閾値７１として設定した第１圧力設定値、及び第２の閾値７２として設定した第２圧力設定値とそれぞれ比較し、制御装置５０から操作信号を第１の蒸気系統２１に設けた第１蒸気弁３１に出力して第１蒸気弁３１の弁開度を調節すると共に、操作信号を第２の蒸気系統２２に設けた第２蒸気弁３２に出力して第２蒸気弁３２の弁開度を調節する。
即ち、前記制御装置５０においては、ガスタービンの経年劣化に起因して排熱回収ボイラ１で発生する蒸気流量の増加に対応して、圧力検出器４１で検出した蒸気圧力が定格の蒸気流量に対応する蒸気圧力よりも増加して、第１の閾値７１である第１蒸気圧力値（例えば、定格時の蒸気圧力値よりも約２％増加した蒸気圧力値）を越えた場合に、前記制御装置５０から操作信号を第１の蒸気系統２１に設けた第１蒸気弁３１に出力して第１蒸気弁３１の弁開度を全開に保持し、第１蒸気系統２１を通じて高圧タービン３の初段入口に供給する過熱蒸気の一部の蒸気流量を維持する。
同時に、前記制御装置５０から操作信号を第２蒸気系統２２に設けた第２蒸気弁３２に出力して第２蒸気弁３２の弁開度を開操作し、第２蒸気系統２２を通じて高圧タービン３の初段よりも下流側の段落（段落として１〜３段程度下流側の段落入口）の段落入口から高圧タービン３に蒸気を供給するように第２蒸気弁３２の弁開度を調節する。
この結果、本実施例のコンバインドサイクルプラントでは、ガスタービンの経年劣化によりガスタービンの効率が低下してガスタービン排熱量が増加した場合でも、第２蒸気系統２２を通じて高圧タービン３の前記初段よりも下流側の段落の段落入口から供給する蒸気流量を調節することによって、排熱回収ボイラの効率を下げずに排熱回収ボイラで生成する蒸気流量を増加させて、プラント出力が低下する割合を抑制したコンバインドサイクルプラントが実現できる。
上記したように前記制御装置５０による第１蒸気弁３１の弁開度の操作によって高圧タービン３の初段入口に供給する蒸気の蒸気流量を維持し、第２蒸気弁３２の弁開度の操作によって高圧タービン３の初段よりも下流側の段落入口に供給する蒸気の蒸気流量を調節する制御を適用したことによって、圧力検出器４１で検出した蒸気圧力の検出信号が、第１の閾値７１として設定した第１圧力設定値（例えば、定格時の蒸気圧力値よりも約２％増加した蒸気圧力値）の蒸気圧力値から低下して、第２の閾値７２である第２圧力設定値の蒸気圧力値（例えば、定格時の蒸気圧力値よりも約１％増加した蒸気圧力値）よりも高い蒸気圧力値（第１の閾値７１＞第２の閾値７２）に到達した場合に、前記制御装置５０から操作信号を第１の蒸気系統２１に設けた第１蒸気弁３１に出力して第１蒸気弁３１の弁開度を全開に保持し、第１蒸気系統２１を通じて高圧タービン３の初段入口に供給する蒸気の蒸気流量を維持する。
同時に、前記制御装置５０から操作信号を第２蒸気系統２２に設けた第２蒸気弁３２に出力して第２蒸気弁３２の弁開度を開操作して所定の開度に保持し、第２蒸気系統２２を通じて高圧タービン３の前記初段よりも下流側の段落（段落として１〜３段程度下流側の段落入口）の段落入口に供給する蒸気の蒸気流量が予定の流量を維持するように第２蒸気弁３２の弁開度を調節する。
この結果、本実施例のコンバインドサイクルプラントでは、ガスタービンの経年劣化によりガスタービンの効率が低下してガスタービン排熱量が増加した場合でも、第２蒸気系統２２を通じて高圧タービン３の前記初段よりも下流側の段落の段落入口から供給する蒸気流量が予定の流量を維持するように調節することによって、排熱回収ボイラの効率を下げずに排熱回収ボイラで生成する蒸気流量を増加させて、プラント出力が低下する割合を抑制したコンバインドサイクルプラントが実現できる。
一般的に、蒸気タービンは、高圧タービン３、中圧タービン６、及び低圧タービン９の三セクションで構成されるが、本実施例のコンバインドサイクルプラントでは、蒸気タービンの形式、構成は問わない。
コンバインドサイクルプラントでは、一般的に、ガスタービンの経年劣化による排熱増加量は数％オーダであるのに対し、蒸気タービンは高圧タービン３、中圧タービン５、低圧タービン９の合計２０〜３０段程度で設計されることが多い。
そこで、本実施例のコンバインドサイクルプラントにおいては、排熱回収ボイラ１で発生した蒸気を高圧タービン３に導入する第１の蒸気系統２１と第２の蒸気系統２２が該高圧タービン３に接続している両者の間の距離は、高圧タービン３の内部で段落として１〜３段程度であり、よって、第１の蒸気系統２１と共に第２の蒸気系統２２も高圧タービン３に配設されることになる。
蒸気タービンは一般的に入口圧力が高いほどランキンサイクル上の理論熱効率が良くなるが、蒸気タービンの入口圧力が高すぎると排熱回収ボイラ１の効率低下によって蒸気流量そのものが減ってしまい、蒸気流量×蒸気タービン効率＝蒸気タービン出力は低下することになる。
コンバインドサイクルプラントを構成する蒸気タービン及び排熱回収ボイラはコスト等とのバランスを考慮して適切に設計されているため、本実施例のコンバインドサイクルプラントでは、そのバランスが崩れることを防ぐように構成している。
本実施例のコンバインドサイクルプラントでは、排熱回収ボイラ１で発生する蒸気を通常は第１の蒸気系統２１を通じて高圧タービン３の初段入口に供給して運用するが、ガスタービン排熱量が増加することで蒸気流量が増加し、蒸気タービン入口の圧力が増加して排熱回収ボイラ内部の蒸気圧力が増加した場合は、第１の蒸気系統２１を通じて排熱回収ボイラ１で発生する蒸気の一部を高圧タービン３の初段に供給することに加えて、第２の蒸気系統２２を通じて排熱回収ボイラ１で発生する蒸気の他の一部を高圧タービン３の初段よりも下流側の段落入口に供給するようにすることで、蒸気が通過する蒸気タービン内部段落を調整して蒸気タービン入口圧力及び排熱回収ボイラ内部圧力を調整することが可能となる。
この結果、本実施例のコンバインドサイクルプラントでは、ガスタービンの経年劣化によりガスタービンの効率が低下してガスタービン排熱量が増加した場合でも、第２蒸気系統２２を通じて高圧タービン３の前記初段よりも下流側の段落の段落入口から供給する蒸気流量が予定の流量を維持するように調節することによって、排熱回収ボイラの効率を下げずに排熱回収ボイラで生成する蒸気流量を増加させて、プラント出力が低下する割合を抑制したコンバインドサイクルプラントが実現できる。
以上説明したように、本実施例によれば、ガスタービンの経年劣化によりガスタービンの効率が低下してガスタービン排熱量が増加した場合でも、排熱回収ボイラの効率を下げずに排熱回収ボイラで生成する蒸気流量を増加させて、プラント出力が低下する割合を抑制したコンバインドサイクルプラントが実現できる。
１：排熱回収ボイラ、２：蒸気系統、３：高圧タービン、４、５、１０：蒸気系統、６：中圧タービン、９：低圧タービン、１１：復水器、１２：タービンロータ、１３：発電機、１４：給水ポンプ、２１：第１の蒸気系統、２２：第２の蒸気系統、３１：第１蒸気弁、３２：第２蒸気弁、５０：制御装置、６１：圧縮機、６２：ガスタービン、６３：燃焼器、６５：発電機、７１：第１の閾値、７２：第２の閾値。

Claims (3)

  1. ガスタービンと、ガスタービンの排熱を用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで生成した蒸気を該排熱回収ボイラから蒸気系統を通じて供給する蒸気タービンを有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
    前記蒸気系統は、蒸気タービンの初段入口に蒸気を導く第１の蒸気系統と、蒸気タービンの初段よりも下流側の段落入口に蒸気を導く第２の蒸気系統に分岐して配設し、
    前記排熱回収ボイラで生成される蒸気流量に基づいて第１の蒸気系統及び第２の蒸気系統を通じて蒸気タービンに供給する蒸気の流量を調節するように構成したことを特徴とするコンバインドサイクルプラント。
  2. 請求項１に記載のコンバインドサイクルプラントにおいて、
    前記蒸気タービンは、供給される蒸気の圧力が高い高圧タービンと、供給される蒸気の圧力が低い中低圧タービンから構成されており、
    前記第１の蒸気系統は排熱回収ボイラから蒸気タービンの高圧タービンの初段入口に排熱回収ボイラで発生した蒸気の一部を供給するように配設されており、
    前記第２の蒸気系統は前記排熱回収ボイラから蒸気タービンの高圧タービンの初段よりも下流側の段落入口に排熱回収ボイラで発生した蒸気の他の一部を供給するように配設されており、
    高圧タービンの初段入口に供給する蒸気の供給量を調節する第１の蒸気弁を前記第１の蒸気系統に設置すると共に、高圧タービンの初段よりも下流側の段落入口に供給する蒸気の供給量を調節する第２の蒸気弁を前記第２の蒸気系統に設置し、
    前記排熱回収ボイラで生成される蒸気流量に基づいて前記第１の蒸気弁及び第２の蒸気弁を操作して前記第１の蒸気系統及び前記第２の蒸気系統を通じて蒸気タービンの高圧タービンの初段入口及び初段よりも下流側の段落入口にそれぞれに供給する蒸気の流量を調節する制御装置を設置したことを特徴とするコンバインドサイクルプラント。
  3. 請求項２に記載のコンバインドサイクルプラントにおいて、
    前記排熱回収ボイラで生成される蒸気流量を検出する検出手段として排熱回収ボイラで発生した蒸気の圧力を測定する圧力検出器を排熱回収ボイラから蒸気タービンに供給する前記蒸気系統に設置し、
    前記制御装置では前記圧力検出器で測定した排熱回収ボイラで発生した蒸気の圧力の測定値に基づいて前記第１の蒸気弁及び第２の蒸気弁の開度を操作して第１の蒸気系統及び第２の蒸気系統を通じて蒸気タービンに供給する蒸気の流量を調節するように構成したことを特徴とするコンバインドサイクルプラント。
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