JP2558855B2 - 蒸気ーガス複合サイクル発電プラントの運転方法およびその発電プラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、再熱器を有する排熱回収ボイラと蒸気ター
ビンとを組み合わせた蒸気−ガス複合サイクル発電プラ
ントの運転方法およびその装置に関する。

（従来の技術） 蒸気−ガス複合サイクル発電プラントは、近年有力な
高効率発電技術として建設される数が増加しており、一
方、さらに高効率化を図るためガスタービン入口の高温
化、蒸気サイクルの再熱化などの対応が検討されてい
る。

すなわち、第３図は上記蒸気−ガス複合サイクル発電
プラントの典型例を示す系統図であって、空気圧縮機１
で昇圧された空気は、燃料制御弁２を介して供給される
燃料とともに燃焼器３に供給され、そこで燃焼して高温
高圧燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはガスタービン４に
導入され、そこで膨張して仕事を行ない、排気ガスとし
て排熱回収ボイラ５に送られる。

この排気ガスは十分高温であり、それぞれ排熱回収ボ
イラ５内に設置されている過熱器６、再熱器７、高圧蒸
気発生器８、高圧エコノマイザ９、中圧蒸気発生器10、
中圧エコノマイザ11、低圧蒸気発生器12および低圧エコ
ノマイザ13を加熱しながら排気され、ガスサイクルを形
成する。

一方、高圧蒸気発生器８で発生した蒸気は、過熱器６
を経由し主蒸気管14を通り、主蒸気止め弁15、主蒸気加
減弁16を介して高圧タービン17に送られ、そこで膨張し
て仕事を行ない、その排気は逆止弁18を経て低温再熱管
19を通って再熱器７に送られる。上記高圧タービン17か
らの排気は再熱器７で加熱され、高温の再熱蒸気となっ
て高温再熱管20を通って再熱蒸気止め弁21および再熱蒸
気制御弁22を介して中圧タービン23に導かれ、中圧ター
ビン23および低圧タービン24内で膨張して仕事を行な
い、その後復水器25で循環水ポンプ26により送られる冷
却水と熱交換して復水となる。

上記復水器25で復水となった復水は、復水ポンプ27に
より排熱回収ボイラ５の低圧エコノマイザ13に送られ、
そこで加熱された後、低圧蒸気発生器12に戻される。こ
の低圧蒸気発生器12で発生した低圧蒸気は低圧蒸気管28
を通って低圧蒸気止め弁29および低圧蒸気制御弁30を介
して、前記中圧タービン23からの排気とともに低圧ター
ビン24に送られる。

ところで、前記低圧蒸気発生器12内に残った缶水は、
昇圧ポンプ31で昇圧され、昇圧ポンプ31の途中の一部の
缶水は中圧エコノマイザ11で加熱された後中圧蒸気発生
器10へ送られ、残りは高圧エコノマイザ９で加熱され高
圧蒸気発生器８へ送られる。中圧蒸気発生器10で発生し
た中圧蒸気は、中圧蒸気管32を通って逆止弁33を経て前
記低温再熱管19に送られ高圧タービン排気と混合され
る。

なお、前記主蒸気管14には、タービンバイパス弁34を
介して復水器25へ分岐するタービンバイパス管35が分岐
されており、低温再熱管19の途中には、他ユニット或は
プラント補助蒸気などに使用するために、抽気弁36を介
して抽気可能なラインが接続されている。また、主蒸気
管14にはドレン弁37、中圧蒸気管32にはドレン弁38、低
圧蒸気管28にはドレン弁39、高圧再熱管20にはドレン管
40がそれぞれ設けられている。このようにして、水−蒸
気系に関する一つのサイクルが構成されている。

一方、ガスタービン４、空気圧縮機１、高圧タービン
17、中圧タービン23、低圧タービン24は一軸でパワート
レイン系を構成し、その軸に発電機41および起動電動機
42が連結されている。

ところで、上記構成による蒸気−ガス複合サイクル発
電プラントの起動においては、停止中に燃料が万一漏洩
してガスタービン本体に流れ込んだ状態や、ガスタービ
ン着火失敗で流出した未燃焼燃料が残留した状態で着火
を行なうと、爆発や火災を招く危険性があり、これを防
止するためにガスタービン着火前には必ずガスタービン
系を安全な空気に置換する必要がある。

このため、プラント起動時には、起動発電機42によっ
てパワートレイン系を回転上昇させ、略30％の回転速度
を保持することで空気圧縮機１からの空気によって燃焼
器３およびガスタービン４の内部の空気を置換する。こ
のような空気の置換操作をパージ運転という。そして、
このパージ運転完了後は、燃焼器３に点火しガスタービ
ン４を着火し、再び起動電動機42によりパワートレイン
系を昇速して略50％の回転速度を保持する。

上記回転速度の保持によって、排熱回収ボイラ５はガ
スタービン排ガスによって暖められ、高圧蒸気発生器
８、中圧蒸気発生器10、低圧蒸気発生器12の各々におい
て蒸気が発生するようになるが、これらの蒸気の各々は
蒸気タービンに使用可能な圧力条件となるまでは高圧、
中圧、低圧の各蒸気管14,32,28で発生するドレンを各ド
レン弁37,38,39から排出しながら各蒸気管の暖管作用を
行なう。

その後、低圧蒸気発生器12の蒸気が所定圧力まで上昇
すると、ドレン弁39が閉じられ低圧タービン24の冷却用
として低圧蒸気制御弁30を介して低圧タービン24に導か
れる。同様に中圧蒸気発生器10の蒸気が所定圧力まで上
昇した時点で、ドレン弁38が閉じられ、再熱器７の冷却
用として逆止弁33を介して低温再熱管19に導かれる。こ
の時、高圧タービン排気側の逆止弁18は全閉し、再熱蒸
気止め弁21および再熱蒸気制御弁22は全開状態にあるの
で、通常中圧蒸気発生器10の蒸気圧力を所定圧力に制御
するために別途圧力調整装置（図示せず）が設けられて
いる。一方、高圧蒸気発生器８からの蒸気が所定圧力ま
で上昇した時点で、ドレン弁37が閉じられ、上記高圧蒸
気発生器８からの蒸気がタービンバイパス弁34を介して
復水器25に導かれる。

そこで、この間ガスタービン４への燃料供給量を増加
させつつパワートレイン系を昇速し、略70％速度に到達
すると、空気圧縮機１から送られる空気で燃焼した燃焼
ガスによるガスタービン４の作動によってパワートレイ
ン系の回転速度が維持できるようになるので、起動電動
機42が停止される。しかして、これに引き続いて燃料を
増加してガスタービン４によりパワートレイン系を昇速
し、定格速度において発電機41を併入して初負荷をと
る。さらにガスタービン４による負荷上昇を続行し、高
圧蒸気発生器８からの蒸気が高圧タービン17のロータ温
度に対して適する温度に達すると、タービンバイパス弁
34が閉じられ、その蒸気が蒸気加減弁16を介して高圧タ
ービン17に導かれ、その後は、ガスタービン４と高圧タ
ービン17の負荷を上昇しながらプラントの負荷上昇を行
なっていく。

（発明が解決しようとする課題） ところが、このような起動においては、パワートレイ
ン系の最初の回転上昇時から低圧蒸気発生器12よりの蒸
気が低圧タービン24に導入されるまでの間、長翼を有す
る低圧タービン24が空回り状態となり、回転による摩擦
エネルギーのために高温となり、低圧タービン24に使用
される部品にとって好ましくない状態に置かれることに
なる等の問題がある。また、ガスタービン着火後、中圧
蒸気発生器10からの蒸気が低温再熱管19に導かれるまで
の間、再熱器７には蒸気が流れていない状態でガスター
ビン４の排ガスによって加熱され続けることになり、再
熱器７の加熱管の燃損を招くような状態が予想される。

また、上述の如き蒸気−ガス複合サイクル発電プラン
トの運転中には、低温再熱管19の圧力は中圧タービン23
の入口蒸気流量に略比例して変化する。このため他ユニ
ット或はプラント補助蒸気などに使用するために抽気弁
36を介して抽気する時には、低温再熱管内圧力は通常運
転中の圧力より低下することになる。この場合、抽気量
が中圧タービン入口蒸気流量に対して少ない場合には問
題ないが、例えば略20％を超えるような多量の場合には
低温再熱管内の圧力降下が大きくなる。

このような状態においては、排熱回収ボイラ５の高
圧、中圧、低圧の各蒸気発生器での収熱バランスがそれ
ぞれの計画条件と大きく異なり、発生蒸気量が計画値と
大きくずれて性能低下を助長するだけでなく、高圧ター
ビン最終段羽根に過大な応力を発生させることになる等
の問題がある。

本発明はこのような点に鑑み、プラント起動時に、低
圧タービンおよび再熱器の過熱を防止する蒸気−ガス複
合サイクル発電プラントの運転方法およびその装置を得
ることを目的とする。また、本発明の別の目的は、プラ
ント運転時に低温再熱管より抽気する場合に、性能低下
を極力減らし、しかも高圧タービン最終段羽根に過大な
応力を発生させることがないようにした蒸気−ガス複合
サイクル発電プラントの運転方法およびその装置を得る
ことにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、ガスタービンおよび空気圧縮機、そのガス
タービンからの排熱によって発生する蒸気によって作動
する高圧側タービンおよび低圧側タービンからなる蒸気
タービン、並びに発電機を各々同一軸上に配置構成し
た、パワートレイン系を有する蒸気−ガス複合サイクル
発電プラントの運転方法において、プラント起動用蒸気
供給装置からの蒸気を再熱器を経て低圧側タービンに導
きパワートレイン系を昇速し、次にその速度を保持して
空気圧縮機からの空気でガスタービン設備内の空気を置
換し、その後ガスタービンを着火するとともに、引き続
いてプラント起動用蒸気供給装置からの蒸気によってパ
ワートレイン系を昇速し、ガスタービンが自立できる回
転速度到達後には、プラント起動用蒸気供給装置からの
蒸気は再熱器および低圧側タービンの冷却用として確保
するとともに、再熱蒸気制御弁の制御によって低圧側タ
ービンの入口蒸気圧力を一定に制御しながら、燃料制御
弁によってパワートレイン系の昇速制御を行うことを特
徴とする。

また、冷機起動時においては再熱器が十分に暖まって
おらず、起動用蒸気を再熱器に通すと蒸気が冷やされて
過ぎて低圧側タービン入口部の起動状態に対してかえっ
て好ましくないことになるため、このような場合には起
動用蒸気を再熱器の下流側の高温再熱管に導いて起動で
きるようにしたことを特徴とする。

さらに、本発明は排熱回収ボイラからの蒸気が高圧側
タービンに導入されるようになった後は、低圧側タービ
ン入口圧力を発電機の負荷を介して再熱蒸気制御弁によ
って制御するようにしてもよい。

また、本発明に係わる装置は、ガスタービンおよび空
気圧縮機、そのガスタービンからの排熱によって発生す
る蒸気によって作動する高圧側タービン、低圧側タービ
ンからなる蒸気タービン、並びに発電機を各々同一軸上
に配置構成したパワートレイン系を有する蒸気−ガス複
合サイクル発電プラントにおいて、高圧側タービンの排
気側の低温再熱管に起動用蒸気供給装置を接続したこと
を特徴とするものである。

（作用） プラント起動過程においては起動用蒸気供給装置から
蒸気を低温再熱管に導入し、その蒸気によって低圧側タ
ービンを駆動し、それによってガスタービンの起動を行
なう。したがって、パワートレイン系の回転中は低温再
熱管を通して常に再熱器ならびに低圧側タービンに蒸気
が流れ、ガスタービンの排ガスによって再熱器の加熱管
が損傷に至るほど加熱されることがなく、また風損によ
って低圧側タービンが高温となることがない。また、再
熱器が十分暖まっていない場合には、高温再熱管を通し
て低圧側タービンに蒸気を切替え送給するので、低圧側
タービンが低温蒸気で作動されることもない。

また、排熱回収ボイラからの蒸気が高圧側タービンに
導入されるようになった後は、低圧側タービン入口圧力
を発電機の負荷を介して再熱蒸気制御弁によって制御す
る。したがって、プラント運転中に他ユニット或はプラ
ント補助蒸気などに抽気しても、低温再熱管内圧力が通
常運転中発電機負荷に応じて変化する圧力より低下する
ことはない。そのため、中圧蒸気発生器での収熱バラン
スが発電機の負荷に応じて安定に変化し、中圧発生蒸気
量はほぼ計画値通りに得ることができ、さらに高圧ター
ビン最終段羽根にかかる蒸気負荷すなわち応力は計画値
に対して過大になることはなく、プラント運転中の性能
および高圧タービン最終段羽根にかかる応力がほぼ計画
値通りに維持されることになる。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説
明する。なお、第１図中第３図と同一部分には同一符号
を付しその詳細な説明は省略する。

第１図において、高圧タービン17の排気側に接続され
た低温再熱管19には、弁43を介して起動用蒸気供給装置
44が接続されている。また、上記起動用蒸気供給装置44
は弁45を介して再熱器７の下流側の高温再熱管20にも接
続されている。

しかして、プラントの起動に際しては、まず逆止弁1
8,33および再熱蒸気制御弁22が全閉の状態で、弁43を開
き起動用蒸気供給装置44から起動用蒸気を低温再熱管19
に導入する。するとこの蒸気によって低温再熱管19、再
熱器７、高温再熱管20からなる再熱ラインが徐々に暖め
られ、この間に発生するドレンはドレン弁40から排出さ
れる。また、起動用蒸気を再熱器７を通さずに起動する
場合には、弁43を閉じた状態で弁45を開き、起動用蒸気
供給装置からの起動用蒸気を高温再熱管20に導入する。

ドレンの発生がなくなり再熱ライン内の蒸気圧力が所
定の圧力となったら、再熱蒸気制御弁22を微開して蒸気
を中圧タービンに導き、その後上記再熱蒸気制御弁22に
よってパワートレイン系の回転速度を一定に制御する。

そこで、上記パワートレイン系の回転速度を30％の回
転速度に保持して、ガスタービン設備のパージ運転を行
ない、このパージ運転の完了後一旦パワートレイン系の
回転速度を略16％まで下げてガスタービンを着火する。
その後再び起動用蒸気供給装置44からの蒸気によりパワ
ートレイン系を昇速して略50％の回転速度に保持する。
この間、再熱器７および低圧タービン24等は起動用蒸気
供給装置44から供給される蒸気によってその冷却が維持
され、排熱回収ボイラ５はガスタービン排ガスによって
暖められる。そして、高圧蒸気発生器８、中圧蒸気発生
器10、および低圧蒸気発生器12において発生する蒸気が
それぞれ蒸気タービンに使用可能な圧力条件となるまで
は、高圧蒸気管14、中圧蒸気管32、および低圧蒸気管28
の各々で発生するドレンを各ドレン弁37,38,39より排出
しながら各蒸気管の暖管操作を行なう。

その後、低圧蒸気発生器12の蒸気が所定圧力まで上昇
すると、ドレン弁39が閉じられるとともにその蒸気が低
圧蒸気制御弁30を介して低圧タービン24に導かれ熱回収
される。同様に、中圧蒸気発生器10の蒸気が所定圧力ま
で上昇すると、ドレン弁38が閉じられ、上記中圧蒸気発
生器10からの蒸気が逆止弁33を介して低温再熱管19に導
かれ熱回収される。また、高圧蒸気発生器８の蒸気も、
所定圧力まで上昇すると、ドレン弁37が閉じられタービ
ンバイパス弁34を介して復水器25に導かれる。

一方、この間、ガスタービン４への燃料供給量を増加
させながらパワートレイン系を昇速し、略70％速度に到
達すると、空気圧縮機１から送られる空気で燃焼した燃
焼ガスがガスタービン４で仕事をしてパワートレイン系
の回転速度を維持できるようになるので、この後は起動
用蒸気供給装置44からの蒸気は再熱蒸気制御弁22によっ
て中圧タービンの入口圧力を一定にするように制御され
る。そこで、引き続き燃料制御弁２によって燃料を増加
してガスタービン４によりパワートレイン系を昇速し、
その後定格速度において発電機41を併入して初負荷をと
る。

さらに、ガスタービン４による負荷上昇を続行し、高
圧蒸気発生器８からの蒸気が高圧タービン17のロータ温
度に対して適する温度になったら、主蒸気止め弁15を全
開し、主蒸気加減弁16を介してこの蒸気を高圧タービン
17に導く。同時にタービンバイパス弁34は閉じられる。

この後は、ガスタービン４と高圧タービン17の負荷を
上昇しながらプラントの負荷上昇を行なうとともに、中
圧タービンの入口圧力は発電機の負荷を介して再熱蒸気
制御弁22によって制御するようにする。

第２図は、中圧タービン入口圧力と発電機負荷の関係
の一例を示す図であって、プラント起動時からパワート
レイン系の回転速度が略70％速度に到達するまでは、再
熱蒸気制御弁22を速度制御するため、この制御によって
決まる中圧タービン入口圧力となる。その後は再熱蒸気
制御弁22が中圧タービン入口圧力の一定圧力制御に用い
られる。そして、高圧蒸気発生器の蒸気が高圧タービン
に導入されるようになると、中圧タービンの入口圧力は
発電機の負荷上昇とともに上昇する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においてはプラント起動
を起動用蒸気供給装置から送給される起動用蒸気による
蒸気タービンによって行なうようにしたので、再熱器お
よび低圧タービンに常に冷却蒸気を確保することがで
き、再熱器の加熱管の損傷を招いたり、或は低圧タービ
ンの異常高温による不都合を防止することができる。ま
た、低圧側タービンの入口圧力を発電機の負荷に応じて
制御するようにした場合には、プラント運転中の性能お
よび高圧タービン最終段羽根にかかる応力をほぼ計画値
通りに維持しながら他ユニット或はプラント補助蒸気な
どに抽気することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸気−ガス複合サイクル発電プラント
の系統図、第２図は本発明方法における中圧タービン入
口圧力と発電機負荷の関係を示す説明図、第３図は従来
の蒸気−ガス複合サイクル発電プラントの系統図であ
る。 １…空気圧縮機、３…燃焼器、４…ガスタービン、５…
排熱回収ボイラ、７…再熱器、８…高圧蒸気発生器、10
…中圧蒸気発生器、12…低圧蒸気発生器、16…主蒸気加
減弁、17…高圧タービン、19…低温再熱管、22…再熱蒸
気制御弁、23…中圧タービン、24…低圧タービン、34…
タービンバイパス弁、44…起動用蒸気供給装置。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンおよび空気圧縮機、ガスター
   ビンからの排熱によって発生する蒸気によって作動する
   高圧側タービンおよび低圧側タービンからなる蒸気ター
   ビン、並びに発電機を各々同一軸上に配置構成したパワ
   ートレイン系を有する蒸気−ガス複合サイクル発電プラ
   ントの運転方法において、プラント起動用蒸気供給装置
   からの蒸気を再熱器を経て低圧側タービンに導きパワー
   トレイン系を昇速し、次にその速度を保持して空気圧縮
   機からの空気でガスタービン設備内の空気を置換し、そ
   の後ガスタービンを着火するとともに、引き続いてプラ
   ント起動用蒸気供給装置からの蒸気によってパワートレ
   イン系を昇速し、ガスタービンが自立できる回転速度到
   達後には、プラント起動用蒸気供給装置からの蒸気は再
   熱器および低圧側タービンの冷却用として確保するとと
   もに、再熱蒸気制御弁の制御によって低圧側タービンの
   入口蒸気圧力を一定に制御しながら、燃料制御弁によっ
   てパワートレイン系の昇速制御を行なうことを特徴とす
   る、蒸気−ガス複合サイクル発電プラントの運転方法。
2. 【請求項２】排熱回収ボイラからの蒸気が高圧側タービ
   ンに導入されるようになった後は、低圧側タービン入口
   圧力を発電機の負荷を介して再熱蒸気制御弁によって制
   御するようにした、請求項１記載の蒸気−ガス複合サイ
   クル発電プラントの運転方法。
3. 【請求項３】プラント起動用蒸気供給装置からの蒸気
   を、再熱器が暖機状態にある時は再熱器を経て低圧側タ
   ービンに導き、再熱器が冷機状態にある時は再熱器を経
   ずに直接低圧側タービンに導くようにしたことを特徴と
   する請求項１記載の蒸気−ガス複合サイクル発電プラン
   トの運転方法。
4. 【請求項４】ガスタービンおよび空気圧縮機、そのガス
   タービンからの排熱によって発生する蒸気によって作動
   する高圧側タービンおよび低圧側タービンからなる蒸気
   タービン、並びに発電機を各々同一軸上に配置構成した
   パワートレイン系を有する蒸気−ガス複合サイクル発電
   プラントにおいて、高圧側タービンの排気側の低温再熱
   管に起動用蒸気供給装置を接続したことを特徴とする、
   蒸気−ガス複合サイクル発電プラント。
5. 【請求項５】起動用蒸気供給装置を再熱器の下流側の高
   温再熱管に接続して、低温再熱管への接続ラインとの切
   替を可能としたことを特徴とする、請求項４記載の蒸気
   −ガス複合サイクル発電プラント。