JP4004800B2 - コンバインドサイクル発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気圧縮機からの圧縮空気によりガスタービンや当該空気圧縮機の高熱負荷部材の冷却を行う際に、当該圧縮空気の熱回収を行うことにより冷却効率及び熱利用効率を向上させたコンバインドサイクル発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、電力産業においては消費電力の増加に伴いプラント熱効率が優れたコンバインドサイクル発電システムが脚光を浴びている。
【０００３】
このような発電システムとしては、蒸気タービン設備、ガスタービン設備及び排熱回収装置を組み合せてコンバインドサイクル化したものがあり、立地条件、建設から据付までの長期間を考慮すると、既に実績を多く積み重ねた蒸気タービン設備と新設のガスタービン設備とを巧みに組み合せて工期の短縮を図る、いわゆるリパワリング発電システムが一般的で、ガスタービン設備からの排熱を有効活用することによる熱効率の大幅な改善によりプラント効率が向上する利点がある。
【０００４】
即ち、このようなコンバインドサイクル発電システムにおけるガスタービン設備は空気圧縮機、燃焼器、ガスタービンを備えて、空気圧縮機からの圧縮空気に燃料を混合させて燃焼器で燃焼し、その際の燃焼ガスによりガスタービンを駆動するようになっている。
【０００５】
また、排熱回収装置には蒸気タービン設備で仕事した蒸気が復水して流動し、ガスタービン設備からの排ガスにより当該水を加熱することで熱回収を行って高温蒸気を発生し、この蒸気を蒸気タービン設備等に供給するようになっている。
【０００６】
このような状況にあって、さらなるプラント効率の向上に対する要求に応えるべく、例えばガスタービン翼の耐熱化を図り、これによりガスタービン入口燃焼ガス温度を１３００℃から１５００℃以上に上げることが行われている。
【０００７】
ガスタービンの耐熱化による燃焼器における燃焼温度の上昇に対応するために当該空気圧縮機の吐出空気も高温、高圧となる傾向にある。
【０００８】
従って、ガスタービンと同様に空気圧縮機も熱負荷の高い状況下で用いられることとなり、ガスタービンにおけるガスタービン翼等の高熱負荷を受ける部材のみならず空気圧縮機の吐出部や空気圧縮機車軸等の高熱負荷を受ける部材も効率的な冷却が強く望まれるようになってきている。
【０００９】
かかる高熱負荷部材の冷却には、空気圧縮機から抽気された圧縮空気が用いられるが、この圧縮空気は高温であるため冷却効率が悪く、冷却に大量の空気が必要となる問題がある。
【００１０】
そこで、抽気した圧縮空気を冷却（中間冷却）して低温化を図り、その空気で空気圧縮機車軸やガスタービン翼等の高熱負荷部材を冷却する方法が採用されるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では抽気した圧縮空気を冷却した際の熱は、系外に排熱されるため、熱効率が向上せずプラント効率を低下させる問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却する際に、その熱を回収してプラント効率を高めることができるようにしたコンバインドサイクル発電システム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】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、空気を圧縮する空気圧縮機、該空気圧縮機からの圧縮空気と混合された燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンを備えたガスタービン設備と、蒸気により駆動される蒸気タービンを備えた蒸気タービン設備と、ガスタービン設備で仕事して排気された排ガスの熱により蒸気タービン設備で仕事し復水した水を高温の蒸気にする排熱回収装置とを備えてなるコンバインドサイクル発電システムにおいて、前記排熱回収装置が前記ガスタービン設備からの排ガスと前記蒸気タービン設備からの蒸気が復水した水とを熱交換させて、前記排ガスの熱で当該水を加熱する節炭器と、該節炭器で温度上昇した水を蒸気にする蒸発器およびドラムを備え、前記ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材の冷却用空気として、当該空気圧縮機から抽気した圧縮空気を供給する冷却空気供給系統を設け、該冷却空気供給系統の途中に抽気した前記圧縮空気と前記蒸発器に供給される水とを熱交換させて当該水に圧縮空気の熱を回収させて蒸発させる熱交換器を備え、当該熱交換器にて圧縮空気の熱回収を行った水より発生した蒸気を前記蒸発器のドラムに直接供給する熱回収装置とを設けて、空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却する際に、その熱を回収利用できるようにしてプラント効率を高めることができるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２にかかる発明は、熱回収装置が、熱交換器で熱交換した圧縮空気に含まれる湿分を分離除去する湿分分離器を備えて、当該圧縮空気を高熱負荷部材に導入した際に水分で高熱負荷部材が損傷を受けないようにして信頼性を向上させたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３にかかる発明は、湿分分離器が、除去した圧縮空気に含まれる水の貯留量を検出する液量検出器と、該液量検出器が所定量以上の水の貯留を検出した際には、当該水を系外に排出させる排水系統と、該排水系統が排水動作中は、少なくとも圧縮空気が該湿分分離器をバイパスして当該湿分分離器に供給されないようにするバイパス系統とを設けて、湿分分離器に貯留された水量を自動検出し、所定量の水が貯留されると排水できるようにして、常に圧縮空気を高熱負荷部材に導入した際に水分で高熱負荷部材が損傷を受けないようにして信頼性を向上させたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４にかかる発明は、湿分分離器で湿分が除去された空気を分流して、ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材の冷却にそれぞれ供給されるようにする分岐部を設けて、供給先に応じた空気が供給できるようにしてかかる高熱負荷部材の冷却効率を高めたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５にかかる発明は、空気圧縮機から熱交換器に流入する圧縮空気の一部を抽気して、分岐部で分流された後の圧縮空気に混合させることによりガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材に供給される圧縮空気の温度調整を行う温度調整器を設けて、供給先に適した温度の圧縮空気が供給できるようにして冷却効率の向上及び信頼性を高めたことを特徴とする。
【００１８】
請求項６にかかる発明は、空気圧縮機からの圧縮空気が圧縮機中段及び圧縮機終段から抽気されると共に、熱回収装置が該圧縮機中段から抽気された圧縮空気の熱を回収する熱交換器と圧縮機終段から抽気された圧縮空気の熱を回収する熱交換器とにより形成されて、圧縮機終段から抽気された空気が空気圧縮機に供給され、圧縮機中段から抽気された空気がガスタービンに供給されるようにして、供給先に適した温度の圧縮空気が供給できるようにすることで空気圧縮機の負荷軽減による信頼性を高めたことを特徴とする。
【００２０】
請求項７にかかる発明は、節炭器及び蒸発器が、動作圧の異なる２以上の節炭器及び蒸発器により形成されると共に、熱回収装置が直列接続された２以上の熱交換器により形成されて、動作圧の低い節炭器からの水が熱交換する熱交換器を、動作圧の高い節炭器からの水が熱交換する熱交換器の前記冷却空気供給系統における下流側に配置して、熱交換器での熱回収を高めたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、本実施の形態の説明に適用されるコンバインドサイクル発電システムの概略構成を示す図である。
【００２２】
当該コンバインドサイクル発電システムは、ガスタービン設備１、蒸気タービン設備２、排熱回収装置３を組み合わせ、発電機４を駆動する構成となっている。
【００２３】
ガスタービン設備１は、外気を取入れ圧縮して吐出す空気圧縮機５、該空気圧縮機５からの圧縮空気と混合された燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器６、該燃焼器６からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービン７等を備えている。
【００２４】
排熱回収装置３は、横長筒に形成されたケーシング８を有し、ガスタービン設備１で仕事して排気された排ガスが図示しないダクトを通り当該ケーシング８内に導入されるようになっている（図１では左から右方向に排ガスが導かれる）。
【００２５】
そして、ケーシング８内には、図示しない熱伝達用の多数の管を備えて当該管を流動する水をガスタービン設備１からの排ガスで加熱する複数の節炭器、水を蒸気にする複数の蒸発器、蒸気を更に加熱して過熱蒸気にする過熱器を複数備え、また後述する高圧タービンからの蒸気を再加熱する再熱器も備えている。なお、これらの節炭器及び蒸発器は、その動作圧により高、中、低圧側に分けられている。
【００２６】
また、ケーシング８の外に本発明の要部をなす熱回収装置５０が設けられている。
【００２７】
節炭器は、中圧側の第１中圧節炭器２６及び第２中圧節炭器２２、高圧側の第１高圧節炭器２７、第２高圧節炭器２３、第３高圧節炭器２１、第４高圧節炭器２０、及び第５高圧節炭器１７等により構成されている。
【００２８】
蒸発器は、低圧側、中圧側、高圧側に設けられた低圧蒸発器２５、中圧蒸発器１９、高圧蒸発器１４を有し、これらの蒸発器はそれぞれ低圧ドラム２４、中圧ドラム１８、高圧ドラム１３を備え、低圧蒸発器２５からの蒸気は低圧過熱器１５により、中圧蒸発器１９からの蒸気は中圧過熱器１６により、高圧蒸発器１４からの蒸気は第１高圧過熱器１２、第２高圧過熱器１１及び第３高圧過熱器９により過熱される。
【００２９】
また、熱回収装置５０は、空気圧縮機５で圧縮された空気を抽気してガスタービン７や空気圧縮機５の高熱負荷部材に供給する冷却空気供給系統５１が設けられている。
【００３０】
そして、当該冷却空気供給系統５１の途中には、圧縮空気と排熱回収装置３を流動する水とを熱交換させて、当該水により圧縮空気の熱を回収する熱交換器５５、該熱交換器５５で熱回収された空気から水分を除去してガスタービン７や空気圧縮機５の高熱負荷部材に供給する湿分分離器５６が設けられている。
【００３１】
なお、以下の説明では、空気圧縮機５から抽気された圧縮空気が流動する管を冷却空気管５２と記載する。また、ガスタービン７に供給する圧縮空気が流動する管をガスタービン側空気供給管５４、空気圧縮機５に供給する圧縮空気が流動する管を圧縮機側空気供給管５３と記載する。そして、ガスタービン側空気供給管５４と圧縮機側空気供給管５３とは分岐部５７に湿分分離器５６からの圧縮空気が分流するようになっている。
【００３２】
蒸気タービン設備２は、排熱回収装置３から高、中、低圧蒸気が供給される高圧タービン３０、中圧タービン３１、低圧タービン３２を備え、また低圧タービン３２からの蒸気を復水させる復水器３３、該復水器３３からの水を送る復水ポンプ２８、該復水ポンプ２８からの水を排熱回収装置３に圧送する高中圧給水ポンプ２９等を有している。
【００３３】
そして、ガスタービン７、空気圧縮機５、高圧タービン３０、中圧タービン３１、低圧タービン３２及び発電機４が同軸に接続されて、ガスタービン７が回転することにより空気圧縮機５が回転して機外空気（外気）が吸気されて圧縮される。
【００３４】
圧縮された空気は高温高圧となり、一部は抽気されて冷却空気管５２に流入し、残りは図示しない吐出部から吐出されて燃料と混合して燃焼器６で燃焼され燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、ガスタービン７に案内されてここで膨張仕事することによりガスタービン７の駆動力となり、その後排熱回収装置３に排気される。
【００３５】
一方、冷却空気管５２により空気圧縮機５から抽気された圧縮空気は、熱交換器５５に導かれ、ここで排熱回収装置３を循環する水と熱交換して熱回収が行われる。従って、圧縮空気の温度は下がり、水の温度は上がり蒸気となる。
【００３６】
熱交換器５５で熱回収された空気は、湿分分離器５６に供給されて、その中に含まれる水分が除去されて、分岐部５７で分流されてガスタービン側空気供給管５４を経てガスタービン翼等の高熱負荷部材に供給されると共に、圧縮機側空気供給管５３を経て空気圧縮機５の空気圧縮機車軸等の高熱負荷部材に供給されて、これらの高熱負荷部材の冷却に用いられる。
【００３７】
排熱回収装置３では、高中圧給水ポンプ２９の中段等から分岐された中圧の水が第１中圧節炭器２６に給水され、高中圧給水ポンプ２９の終段からの高圧の水が第１高圧節炭器２７に給水される。
【００３８】
第１高圧節炭器２７は、第２高圧節炭器２３、第３高圧節炭器２１、第４高圧節炭器２０、第５高圧節炭器１７に順次接続されて、当該第５高圧節炭器１７が高圧ドラム１３に接続されている。また、第１中圧節炭器２６は、低圧ドラム２４に接続されると共に第２中圧節炭器２２、中圧ドラム１８に順次接続されている。
【００３９】
従って、高中圧給水ポンプ２９からの水は、各節炭器を通過する際に排ガスにより加熱されて温度上昇して、各ドラムに供給され、当該ドラムにおける蒸発器で蒸発となる。
【００４０】
このようにして発生された蒸気は、その蒸気温度を更に高めるべく、過熱器に供給される。即ち、低圧ドラム２４は低圧過熱器１５に、中圧ドラム１８は中圧過熱器１６にそれぞれ接続され、また高圧ドラム１３は第１高圧過熱器１２、第２高圧過熱器１１及び第３高圧過熱器９に順次接続されて過熱される。
【００４１】
そして、低圧過熱器１５で過熱された蒸気は低圧タービン３２に、第３高圧過熱器９で過熱された蒸気は高圧タービン３０に供給されて、これらのタービンの駆動源として作用する。
【００４２】
一方、中圧過熱器１６で過熱された蒸気は、図示しない系統によりガスタービン７に供給されて、タービン翼の内部等を循環して当該タービン翼の冷却を行い最終的に排熱回収装置３に回収される。
【００４３】
高圧タービン３０で膨張仕事をした蒸気は、排熱回収装置３に設けられた再熱器１０で再度過熱されて、中圧タービン３１に供給され、当該中圧タービン３１で膨張仕事をした蒸気は低圧タービン３２に供給される。
【００４４】
低圧タービン３２で膨張仕事をした蒸気は、上述したように復水器３３で凝縮して復水し、復水ポンプ２８、高中圧給水ポンプ２９を経て排熱回収装置３へと戻る。
【００４５】
ところで、先に説明したように空気圧縮機５から抽気された圧縮空気は、冷却空気管５２を介して熱交換器５５に供給され、ここで排熱回収装置３の水と熱交換して湿分分離器５６へと供給される。
【００４６】
このとき、熱交換器５５に供給される排熱回収装置３の水は、第５高圧節炭器１７から高圧ドラム１３に供給される水（温度の高い水）である。このような、水は蒸気のような気体に比べ熱伝導特性が優れているため、空気圧縮機５からの圧縮空気の熱を効率的に回収でき、これにより熱交換器５５の小型化が可能になる利点がある。
【００４７】
また、熱交換器５５で圧縮空気の熱回収を行った水は、その回収熱で蒸気となり高圧ドラム１３に供給されるので、高圧蒸発器１４で発生する蒸気量の減少が防止され、例えば既存のコンバインドサイクル発電システムに本発明にかかる熱回収装置を追加設置する際も蒸気量の変動を考慮する必要がなくなるので設置が容易になる利点がある。
【００４８】
また、熱交換器５５で熱回収する熱量に相当する分だけ高圧蒸発器１４で排ガスからの交換熱量を少なくすることができるので、排ガスの温度が高いままその分中圧蒸発器１９で熱交換することが可能になって中圧蒸発器１９における発生蒸気量を増加させることができる。従って、中圧タービン３１での仕事量を増加させることが可能となる。
【００４９】
以上により、コンバインドサイクル発電システムにおけるプラント効率が向上する。
【００５０】
さらに、湿分分離器５６で水分が除去された圧縮空気が冷却に用いられるので、水分を含む圧縮空気がガスタービン翼等の高熱負荷部材に導入した際に発生する水分による腐食等の損傷を防止することが可能になって、安全性及び信頼性が向上する。
【００５１】
なお、上記説明では熱交換器５５で空気圧縮機５からの圧縮空気の冷却（熱回収）は、高圧ドラム１３に供給される水の一部を分岐して行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図２に示すように第２中圧節炭器２２から中圧ドラム１８に供給される水の一部を分岐して、当該水で圧縮空気の熱回収を行うようにしてもよい。これにより、上述したと同様の効果を得ることが可能になる。
【００５２】
無論、このような構成にした場合には、熱交換器５５で圧縮空気と熱交換する水の温度が異なるため、他の構成が全く同じであるならば同じプラント効率を得ることが困難となる場合もあり得る。
【００５３】
このようなときには、例えば高圧タービン３０より低圧タービン３２の方が蒸気タービン設備２でメインの仕事をしているときには、図２に示すような構成の方がプラント効率を高める上で有効になり、また高圧蒸発器１４と中圧蒸発器１９とで要求される蒸気量が中圧蒸発器１９の方が多い場合には図２の構成の方がプラント効率を高める上で有効になる場合が生じ得るので、これらの構成の選択は適用されるプラントの仕様にあわせて適宜選択することが好ましい。
【００５４】
従って、適用するプラントの仕様においては、例えば図３に示すように熱交換器５５を２つ設け、それぞれに高圧ドラム１３及び中圧ドラム１８に供給される水を供給して、当該水で圧縮空気の熱を回収するような構成にしてもよい。
【００５５】
図３に示すような構成の場合には、高圧ドラム１３に供給される水が圧縮空気と最初に熱交換し、その後に低圧ドラム２４に供給される水が熱交換するようにして、それぞれの水による熱回収を効率的に行うようにすることが好ましい。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００５７】
これまで説明したコンバインドサイクル発電システムにおいては、空気圧縮機５からの空気を抽気し、当該空気の熱回収を行って高熱負荷部材の冷却に用いた。この際、熱回収された空気は湿分分離器５６から出た際にガスタービン側空気供給管５４及び圧縮機側空気供給管５３に分流されて各高熱負荷部材に供給されるようになっていた。
【００５８】
これに対して、本実施の形態では、図４に示すようにガスタービン７や空気圧縮機５に供給する冷却用の圧縮空気の熱回収を２つの熱交換器５５を設けて行うようにしたものである。
【００５９】
即ち、図４に示すように圧縮機側熱交換器５５ａとガスタービン側熱交換器５５ｂを設けると共に、各熱交換器５５ａ，５５ｂに湿分分離器５６ａ，５６ｂを設けている。
【００６０】
そして、空気圧縮機５の圧縮機中段から抽気した圧縮空気はガスタービン側熱交換器５５ｂに供給され、それより温度の高い空気圧縮機５の圧縮機終段から抽気された空気は圧縮機側熱交換器５５ａに供給されて、それぞれに接続されている湿分分離器５６ａ，５６ｂで湿分が除去された後にガスタービン７や空気圧縮機５に供給するようにしている。
【００６１】
なお、図４では第５高圧節炭器１７からの水は、圧縮機側熱交換器５５ａ及びガスタービン側熱交換器５５ｂに並列に分流するようになっているが、本発明はこれに限定されるものではなく直列に流入するようにしてもよい。
【００６２】
このような構成では、先に述べた実施の形態における効果に加え、ガスタービン７に供給する冷却空気を圧縮機中段から抽気するためその分だけ空気圧縮機５の負荷が小さくなり、プラント効率を更に向上させることが可能になる。
【００６３】
また、これまでの説明では圧縮空気の熱回収を行うことにのみ注目していたが、実際には空気圧縮機５に用いる圧縮空気とガスタービン７の冷却に用いる圧縮空気とにはそれぞれに最適な温度が存在する。
【００６４】
例えば、空気圧縮機５の車軸を冷却する場合には、当該車軸が軸受け等と所定のクリアランスをなして回転するように冷却する必要があり、このときの空気の温度が不適切であると当該クリアランスを適正に保つことが困難になり回転エネルギーのロスが発生する（摩擦が増えたりする）。
【００６５】
また、ガスタービン翼の冷却に用いる空気の温度が低すぎると、当該ガスタービン翼に大きな熱応力が加わるようになるため、寿命低下の要因となることが危惧され、この意味でも最適な冷却空気の温度が存在する。
【００６６】
従って、上述したように別々の冷却空気供給系統を構成して最適温度の圧縮空気が供給できるようにすることでプラントの信頼性や寿命等の向上が可能となる。
【００６７】
無論、ガスタービン７や空気圧縮機５に供給する圧縮空気の温度を適切な温度にする構成は、他にも例示でき例えば図５に示すような構成が可能である。
【００６８】
図５に示す構成は、空気圧縮機５からの圧縮空気の抽気は終段から行い、冷却空気管５２とガスタービン側空気供給管５４とを間にガスタービン側流量調整弁６２を設け、また冷却空気管５２と圧縮機側空気供給管５３との間に圧縮機側流量調整弁６１を設けている。
【００６９】
これにより熱交換器５５で熱回収されてガスタービン７や空気圧縮機５に供給される圧縮空気に空気圧縮機５から抽気された高温高圧の空気を混合させて、冷却に用いる空気の温度調整を行うようにしている。
【００７０】
なお、各流量調整弁はガスタービン７や空気圧縮機５に供給される空気が所望の温度になるように、図示しない制御装置（温度調整器）、空気圧縮機５からの空気との混合比率をそれぞれの流量調整弁における開度を調整することにより行うことはいうまでもなく、これらの開度調整は自動的に又は手動により行う。
【００７１】
次に、本発明の第３の実施の形態を図６を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００７２】
熱交換器５５には熱回収用の水が循環して冷却用の空気の熱を回収し、その後湿分分離器５６で当該空気に含まれる水分を除去して冷却に用いていた。これは先に説明したように、水分が含まれた空気を例えばタービン翼に導入すると、水分がタービン翼の内部に設けられた冷却流体路に当たることにより当該タービン翼が腐食等による損傷を受けたりするためである。
【００７３】
しかし、湿分分離器５６では、分離した水分を貯留する構成なので、何れは貯留能力に達する場合が生じ、また熱交換器５５が故障して（溶接部分等にピンホールが空く場合等が例示できる）、熱回収用の水が空気に混入してしまう場合が生じる。
【００７４】
このような場合には、湿分分離器５６のみで混入した水を除去することが不可能になってタービン翼の破損等の故障の原因となる恐れがある。
【００７５】
そこで、本実施の形態では、図６に示すように湿分分離器５６に貯留される水位を検出する液量検出器７１を設け、また当該湿分分離器５６に排出系統７２ａを設け、該系統にドレイン遮断弁７２を設けている。また当該ドレイン遮断弁７２が開放された際に、空気圧縮機５からの空気が少なくとも湿分分離器５６をバイパスするバイパス系統７３ａにバイパス遮断弁７３を設けている。
【００７６】
このような構成で、液量検出器７１が所定量以上の水位を検出した場合には、ドレイン遮断弁７２が開弁して湿分分離器５６に貯留された水を排水し、同時にバイパス遮断弁７３が開弁して空気圧縮機５からの空気が湿分分離器５６に供給されないようにする。
【００７７】
このとき、熱交換器５５が故障していなければ、湿分分離器５６の水は短時間のうちに排水されてなくなるので、これを液量検出器７１で検出すると、ドレイン遮断弁７２及びバイパス遮断弁７３が閉じて元の状態に復帰する。
【００７８】
しかし、熱交換器５５が故障し、当該熱交換器５５から水が流入しているような場合には液量検出器７１が水位の低下を検出できないので、ドレイン遮断弁７２及びバイパス遮断弁７３が閉じて元の状態に復帰することがない。
【００７９】
従って、液量検出器７１がいつまでも（所定時間経過しても）水位の低下を検出しない場合には、熱交換器５５の故障と判断して警報を発したりプラントを停止させたりすることも可能になる。
【００８０】
なお、図６では空気圧縮機５からの空気が熱交換器５５及び湿分分離器５６をバイパスできるように設けられている。これは先に説明したように、熱交換器５５が故障して熱回収用の水が空気に混入する場合も対応できるようにしたためである。従って、かかる故障が起きない構成の場合には、バイパス遮断弁７３は湿分分離器５６のみをバイパスできるような構成であればよい。
【００８１】
以上により、ガスタービン７や空気圧縮機５に供給される冷却空気に水分が含まれる事態が確実に防止でき、先に述べた実施の形態における効果に加えてよりプラントの信頼性を向上させることが可能になる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材の冷却に、当該空気圧縮機から圧縮空気を抽気して当該高熱負荷部材に供給する冷却空気供給系統を設けると共に、該冷却空気供給系統の途中に空気圧縮機から抽気した圧縮空気と排熱回収装置を流動する水とを熱交換させて当該水に圧縮空気の熱を回収させる熱交換器を備えた熱回収装置を設けたので、空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却する際に、その熱を回収利用できるようになりプラント効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明に適用されるコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態の説明に適用される他の構成のコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図３】第１の実施の形態の説明に適用される他の構成のコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の説明に適用されるコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図５】第２の実施の形態の説明に適用される他の構成のコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の説明に適用されるコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン設備
２ 蒸気タービン設備
３ 排熱回収装置
４ 発電機
５ 空気圧縮機
６ 燃焼器
７ ガスタービン
９，１１，１２ 第３〜第１高圧過熱器
１０ 再熱器
１３ 高圧ドラム
１４ 高圧蒸発器
１５ 低圧過熱器
１６ 中圧過熱器
１８ 中圧ドラム
１９ 中圧蒸発器
２４ 低圧ドラム
２５ 低圧蒸発器
１７，２０，２１，２３，２７ 第５〜第１高圧節炭器
２６，２２ 第１及び第２中圧節炭器
５０ 熱回収装置
５１ 冷却空気供給系統
５２ 冷却空気管
５３ 圧縮機側空気供給管
５４ ガスタービン側空気供給管
５５ 熱交換器
５５ａ 圧縮機側熱交換器
５５ｂ ガスタービン側熱交換器
５６ 湿分分離器
５７ 分岐部
６１ 圧縮機側流量調整弁
６２ ガスタービン側流量調整弁
７１ 液量検出器
７２ ドレイン遮断弁
７２ａ 排水系統
７３ バイパス遮断弁
７３ａ バイパス系統
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気圧縮機からの圧縮空気によりガスタービンや当該空気圧縮機の高熱負荷部材の冷却を行う際に、当該圧縮空気の熱回収を行うことにより冷却効率及び熱利用効率を向上させたコンバインドサイクル発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、電力産業においては消費電力の増加に伴いプラント熱効率が優れたコンバインドサイクル発電システムが脚光を浴びている。
【０００３】
このような発電システムとしては、蒸気タービン設備、ガスタービン設備及び排熱回収装置を組み合せてコンバインドサイクル化したものがあり、立地条件、建設から据付までの長期間を考慮すると、既に実績を多く積み重ねた蒸気タービン設備と新設のガスタービン設備とを巧みに組み合せて工期の短縮を図る、いわゆるリパワリング発電システムが一般的で、ガスタービン設備からの排熱を有効活用することによる熱効率の大幅な改善によりプラント効率が向上する利点がある。
【０００４】
即ち、このようなコンバインドサイクル発電システムにおけるガスタービン設備は空気圧縮機、燃焼器、ガスタービンを備えて、空気圧縮機からの圧縮空気に燃料を混合させて燃焼器で燃焼し、その際の燃焼ガスによりガスタービンを駆動するようになっている。
【０００５】
また、排熱回収装置には蒸気タービン設備で仕事した蒸気が復水して流動し、ガスタービン設備からの排ガスにより当該水を加熱することで熱回収を行って高温蒸気を発生し、この蒸気を蒸気タービン設備等に供給するようになっている。
【０００６】
このような状況にあって、さらなるプラント効率の向上に対する要求に応えるべく、例えばガスタービン翼の耐熱化を図り、これによりガスタービン入口燃焼ガス温度を１３００℃から１５００℃以上に上げることが行われている。
【０００７】
ガスタービンの耐熱化による燃焼器における燃焼温度の上昇に対応するために当該空気圧縮機の吐出空気も高温、高圧となる傾向にある。
【０００８】
従って、ガスタービンと同様に空気圧縮機も熱負荷の高い状況下で用いられることとなり、ガスタービンにおけるガスタービン翼等の高熱負荷を受ける部材のみならず空気圧縮機の吐出部や空気圧縮機車軸等の高熱負荷を受ける部材も効率的な冷却が強く望まれるようになってきている。
【０００９】
かかる高熱負荷部材の冷却には、空気圧縮機から抽気された圧縮空気が用いられるが、この圧縮空気は高温であるため冷却効率が悪く、冷却に大量の空気が必要となる問題がある。
【００１０】
そこで、抽気した圧縮空気を冷却（中間冷却）して低温化を図り、その空気で空気圧縮機車軸やガスタービン翼等の高熱負荷部材を冷却する方法が採用されるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では抽気した圧縮空気を冷却した際の熱は、系外に排熱されるため、熱効率が向上せずプラント効率を低下させる問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却する際に、その熱を回収してプラント効率を高めることができるようにしたコンバインドサイクル発電システム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】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、空気を圧縮する空気圧縮機、該空気圧縮機からの圧縮空気と混合された燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンを備えたガスタービン設備と、蒸気により駆動される蒸気タービンを備えた蒸気タービン設備と、ガスタービン設備で仕事して排気された排ガスの熱により蒸気タービン設備で仕事し復水した水を高温の蒸気にする排熱回収装置とを備えてなるコンバインドサイクル発電システムにおいて、前記排熱回収装置が前記ガスタービン設備からの排ガスと前記蒸気タービン設備からの蒸気が復水した水とを熱交換させて、前記排ガスの熱で当該水を加熱する節炭器と、該節炭器で温度上昇した水を蒸気にする蒸発器およびドラムを備え、前記ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材の冷却用空気として、当該空気圧縮機から抽気した圧縮空気を供給する冷却空気供給系統を設け、該冷却空気供給系統の途中に抽気した前記圧縮空気と前記蒸発器に供給される水とを熱交換させて当該水に圧縮空気の熱を回収させて蒸発させる熱交換器を備え、当該熱交換器にて圧縮空気の熱回収を行った水より発生した蒸気を前記蒸発器のドラムに直接供給する熱回収装置とを設けて、空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却する際に、その熱を回収利用できるようにしてプラント効率を高めることができるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２にかかる発明は、熱回収装置が、熱交換器で熱交換した圧縮空気に含まれる湿分を分離除去する湿分分離器を備えて、当該圧縮空気を高熱負荷部材に導入した際に水分で高熱負荷部材が損傷を受けないようにして信頼性を向上させたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３にかかる発明は、湿分分離器が、除去した圧縮空気に含まれる水の貯留量を検出する液量検出器と、該液量検出器が所定量以上の水の貯留を検出した際には、当該水を系外に排出させる排水系統と、該排水系統が排水動作中は、少なくとも圧縮空気が該湿分分離器をバイパスして当該湿分分離器に供給されないようにするバイパス系統とを設けて、湿分分離器に貯留された水量を自動検出し、所定量の水が貯留されると排水できるようにして、常に圧縮空気を高熱負荷部材に導入した際に水分で高熱負荷部材が損傷を受けないようにして信頼性を向上させたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４にかかる発明は、湿分分離器で湿分が除去された空気を分流して、ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材の冷却にそれぞれ供給されるようにする分岐部を設けて、供給先に応じた空気が供給できるようにしてかかる高熱負荷部材の冷却効率を高めたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５にかかる発明は、空気圧縮機から熱交換器に流入する圧縮空気の一部を抽気して、分岐部で分流された後の圧縮空気に混合させることによりガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材に供給される圧縮空気の温度調整を行う温度調整器を設けて、供給先に適した温度の圧縮空気が供給できるようにして冷却効率の向上及び信頼性を高めたことを特徴とする。
【００１８】
請求項６にかかる発明は、空気圧縮機からの圧縮空気が圧縮機中段及び圧縮機終段から抽気されると共に、熱回収装置が該圧縮機中段から抽気された圧縮空気の熱を回収する熱交換器と圧縮機終段から抽気された圧縮空気の熱を回収する熱交換器とにより形成されて、圧縮機終段から抽気された空気が空気圧縮機に供給され、圧縮機中段から抽気された空気がガスタービンに供給されるようにして、供給先に適した温度の圧縮空気が供給できるようにすることで空気圧縮機の負荷軽減による信頼性を高めたことを特徴とする。
【００２０】
請求項７にかかる発明は、節炭器及び蒸発器が、動作圧の異なる２以上の節炭器及び蒸発器により形成されると共に、熱回収装置が直列接続された２以上の熱交換器により形成されて、動作圧の低い節炭器からの水が熱交換する熱交換器を、動作圧の高い節炭器からの水が熱交換する熱交換器の前記冷却空気供給系統における下流側に配置して、熱交換器での熱回収を高めたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、本実施の形態の説明に適用されるコンバインドサイクル発電システムの概略構成を示す図である。
【００２２】
当該コンバインドサイクル発電システムは、ガスタービン設備１、蒸気タービン設備２、排熱回収装置３を組み合わせ、発電機４を駆動する構成となっている。
【００２３】
ガスタービン設備１は、外気を取入れ圧縮して吐出す空気圧縮機５、該空気圧縮機５からの圧縮空気と混合された燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器６、該燃焼器６からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービン７等を備えている。
【００２４】
排熱回収装置３は、横長筒に形成されたケーシング８を有し、ガスタービン設備１で仕事して排気された排ガスが図示しないダクトを通り当該ケーシング８内に導入されるようになっている（図１では左から右方向に排ガスが導かれる）。
【００２５】
そして、ケーシング８内には、図示しない熱伝達用の多数の管を備えて当該管を流動する水をガスタービン設備１からの排ガスで加熱する複数の節炭器、水を蒸気にする複数の蒸発器、蒸気を更に加熱して過熱蒸気にする過熱器を複数備え、また後述する高圧タービンからの蒸気を再加熱する再熱器も備えている。なお、これらの節炭器及び蒸発器は、その動作圧により高、中、低圧側に分けられている。
【００２６】
また、ケーシング８の外に本発明の要部をなす熱回収装置５０が設けられている。
【００２７】
節炭器は、中圧側の第１中圧節炭器２６及び第２中圧節炭器２２、高圧側の第１高圧節炭器２７、第２高圧節炭器２３、第３高圧節炭器２１、第４高圧節炭器２０、及び第５高圧節炭器１７等により構成されている。
【００２８】
蒸発器は、低圧側、中圧側、高圧側に設けられた低圧蒸発器２５、中圧蒸発器１９、高圧蒸発器１４を有し、これらの蒸発器はそれぞれ低圧ドラム２４、中圧ドラム１８、高圧ドラム１３を備え、低圧蒸発器２５からの蒸気は低圧過熱器１５により、中圧蒸発器１９からの蒸気は中圧過熱器１６により、高圧蒸発器１４からの蒸気は第１高圧過熱器１２、第２高圧過熱器１１及び第３高圧過熱器９により過熱される。
【００２９】
また、熱回収装置５０は、空気圧縮機５で圧縮された空気を抽気してガスタービン７や空気圧縮機５の高熱負荷部材に供給する冷却空気供給系統５１が設けられている。
【００３０】
そして、当該冷却空気供給系統５１の途中には、圧縮空気と排熱回収装置３を流動する水とを熱交換させて、当該水により圧縮空気の熱を回収する熱交換器５５、該熱交換器５５で熱回収された空気から水分を除去してガスタービン７や空気圧縮機５の高熱負荷部材に供給する湿分分離器５６が設けられている。
【００３１】
なお、以下の説明では、空気圧縮機５から抽気された圧縮空気が流動する管を冷却空気管５２と記載する。また、ガスタービン７に供給する圧縮空気が流動する管をガスタービン側空気供給管５４、空気圧縮機５に供給する圧縮空気が流動する管を圧縮機側空気供給管５３と記載する。そして、ガスタービン側空気供給管５４と圧縮機側空気供給管５３とは分岐部５７に湿分分離器５６からの圧縮空気が分流するようになっている。
【００３２】
蒸気タービン設備２は、排熱回収装置３から高、中、低圧蒸気が供給される高圧タービン３０、中圧タービン３１、低圧タービン３２を備え、また低圧タービン３２からの蒸気を復水させる復水器３３、該復水器３３からの水を送る復水ポンプ２８、該復水ポンプ２８からの水を排熱回収装置３に圧送する高中圧給水ポンプ２９等を有している。
【００３３】
そして、ガスタービン７、空気圧縮機５、高圧タービン３０、中圧タービン３１、低圧タービン３２及び発電機４が同軸に接続されて、ガスタービン７が回転することにより空気圧縮機５が回転して機外空気（外気）が吸気されて圧縮される。
【００３４】
圧縮された空気は高温高圧となり、一部は抽気されて冷却空気管５２に流入し、残りは図示しない吐出部から吐出されて燃料と混合して燃焼器６で燃焼され燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、ガスタービン７に案内されてここで膨張仕事することによりガスタービン７の駆動力となり、その後排熱回収装置３に排気される。
【００３５】
一方、冷却空気管５２により空気圧縮機５から抽気された圧縮空気は、熱交換器５５に導かれ、ここで排熱回収装置３を循環する水と熱交換して熱回収が行われる。従って、圧縮空気の温度は下がり、水の温度は上がり蒸気となる。
【００３６】
熱交換器５５で熱回収された空気は、湿分分離器５６に供給されて、その中に含まれる水分が除去されて、分岐部５７で分流されてガスタービン側空気供給管５４を経てガスタービン翼等の高熱負荷部材に供給されると共に、圧縮機側空気供給管５３を経て空気圧縮機５の空気圧縮機車軸等の高熱負荷部材に供給されて、これらの高熱負荷部材の冷却に用いられる。
【００３７】
排熱回収装置３では、高中圧給水ポンプ２９の中段等から分岐された中圧の水が第１中圧節炭器２６に給水され、高中圧給水ポンプ２９の終段からの高圧の水が第１高圧節炭器２７に給水される。
【００３８】
第１高圧節炭器２７は、第２高圧節炭器２３、第３高圧節炭器２１、第４高圧節炭器２０、第５高圧節炭器１７に順次接続されて、当該第５高圧節炭器１７が高圧ドラム１３に接続されている。また、第１中圧節炭器２６は、低圧ドラム２４に接続されると共に第２中圧節炭器２２、中圧ドラム１８に順次接続されている。
【００３９】
従って、高中圧給水ポンプ２９からの水は、各節炭器を通過する際に排ガスにより加熱されて温度上昇して、各ドラムに供給され、当該ドラムにおける蒸発器で蒸発となる。
【００４０】
このようにして発生された蒸気は、その蒸気温度を更に高めるべく、過熱器に供給される。即ち、低圧ドラム２４は低圧過熱器１５に、中圧ドラム１８は中圧過熱器１６にそれぞれ接続され、また高圧ドラム１３は第１高圧過熱器１２、第２高圧過熱器１１及び第３高圧過熱器９に順次接続されて過熱される。
【００４１】
そして、低圧過熱器１５で過熱された蒸気は低圧タービン３２に、第３高圧過熱器９で過熱された蒸気は高圧タービン３０に供給されて、これらのタービンの駆動源として作用する。
【００４２】
一方、中圧過熱器１６で過熱された蒸気は、図示しない系統によりガスタービン７に供給されて、タービン翼の内部等を循環して当該タービン翼の冷却を行い最終的に排熱回収装置３に回収される。
【００４３】
高圧タービン３０で膨張仕事をした蒸気は、排熱回収装置３に設けられた再熱器１０で再度過熱されて、中圧タービン３１に供給され、当該中圧タービン３１で膨張仕事をした蒸気は低圧タービン３２に供給される。
【００４４】
低圧タービン３２で膨張仕事をした蒸気は、上述したように復水器３３で凝縮して復水し、復水ポンプ２８、高中圧給水ポンプ２９を経て排熱回収装置３へと戻る。
【００４５】
ところで、先に説明したように空気圧縮機５から抽気された圧縮空気は、冷却空気管５２を介して熱交換器５５に供給され、ここで排熱回収装置３の水と熱交換して湿分分離器５６へと供給される。
【００４６】
このとき、熱交換器５５に供給される排熱回収装置３の水は、第５高圧節炭器１７から高圧ドラム１３に供給される水（温度の高い水）である。このような、水は蒸気のような気体に比べ熱伝導特性が優れているため、空気圧縮機５からの圧縮空気の熱を効率的に回収でき、これにより熱交換器５５の小型化が可能になる利点がある。
【００４７】
また、熱交換器５５で圧縮空気の熱回収を行った水は、その回収熱で蒸気となり高圧ドラム１３に供給されるので、高圧蒸発器１４で発生する蒸気量の減少が防止され、例えば既存のコンバインドサイクル発電システムに本発明にかかる熱回収装置を追加設置する際も蒸気量の変動を考慮する必要がなくなるので設置が容易になる利点がある。
【００４８】
また、熱交換器５５で熱回収する熱量に相当する分だけ高圧蒸発器１４で排ガスからの交換熱量を少なくすることができるので、排ガスの温度が高いままその分中圧蒸発器１９で熱交換することが可能になって中圧蒸発器１９における発生蒸気量を増加させることができる。従って、中圧タービン３１での仕事量を増加させることが可能となる。
【００４９】
以上により、コンバインドサイクル発電システムにおけるプラント効率が向上する。
【００５０】
さらに、湿分分離器５６で水分が除去された圧縮空気が冷却に用いられるので、水分を含む圧縮空気がガスタービン翼等の高熱負荷部材に導入した際に発生する水分による腐食等の損傷を防止することが可能になって、安全性及び信頼性が向上する。
【００５１】
なお、上記説明では熱交換器５５で空気圧縮機５からの圧縮空気の冷却（熱回収）は、高圧ドラム１３に供給される水の一部を分岐して行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図２に示すように第２中圧節炭器２２から中圧ドラム１８に供給される水の一部を分岐して、当該水で圧縮空気の熱回収を行うようにしてもよい。これにより、上述したと同様の効果を得ることが可能になる。
【００５２】
無論、このような構成にした場合には、熱交換器５５で圧縮空気と熱交換する水の温度が異なるため、他の構成が全く同じであるならば同じプラント効率を得ることが困難となる場合もあり得る。
【００５３】
このようなときには、例えば高圧タービン３０より低圧タービン３２の方が蒸気タービン設備２でメインの仕事をしているときには、図２に示すような構成の方がプラント効率を高める上で有効になり、また高圧蒸発器１４と中圧蒸発器１９とで要求される蒸気量が中圧蒸発器１９の方が多い場合には図２の構成の方がプラント効率を高める上で有効になる場合が生じ得るので、これらの構成の選択は適用されるプラントの仕様にあわせて適宜選択することが好ましい。
【００５４】
従って、適用するプラントの仕様においては、例えば図３に示すように熱交換器５５を２つ設け、それぞれに高圧ドラム１３及び中圧ドラム１８に供給される水を供給して、当該水で圧縮空気の熱を回収するような構成にしてもよい。
【００５５】
図３に示すような構成の場合には、高圧ドラム１３に供給される水が圧縮空気と最初に熱交換し、その後に低圧ドラム２４に供給される水が熱交換するようにして、それぞれの水による熱回収を効率的に行うようにすることが好ましい。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００５７】
これまで説明したコンバインドサイクル発電システムにおいては、空気圧縮機５からの空気を抽気し、当該空気の熱回収を行って高熱負荷部材の冷却に用いた。この際、熱回収された空気は湿分分離器５６から出た際にガスタービン側空気供給管５４及び圧縮機側空気供給管５３に分流されて各高熱負荷部材に供給されるようになっていた。
【００５８】
これに対して、本実施の形態では、図４に示すようにガスタービン７や空気圧縮機５に供給する冷却用の圧縮空気の熱回収を２つの熱交換器５５を設けて行うようにしたものである。
【００５９】
即ち、図４に示すように圧縮機側熱交換器５５ａとガスタービン側熱交換器５５ｂを設けると共に、各熱交換器５５ａ，５５ｂに湿分分離器５６ａ，５６ｂを設けている。
【００６０】
そして、空気圧縮機５の圧縮機中段から抽気した圧縮空気はガスタービン側熱交換器５５ｂに供給され、それより温度の高い空気圧縮機５の圧縮機終段から抽気された空気は圧縮機側熱交換器５５ａに供給されて、それぞれに接続されている湿分分離器５６ａ，５６ｂで湿分が除去された後にガスタービン７や空気圧縮機５に供給するようにしている。
【００６１】
なお、図４では第５高圧節炭器１７からの水は、圧縮機側熱交換器５５ａ及びガスタービン側熱交換器５５ｂに並列に分流するようになっているが、本発明はこれに限定されるものではなく直列に流入するようにしてもよい。
【００６２】
このような構成では、先に述べた実施の形態における効果に加え、ガスタービン７に供給する冷却空気を圧縮機中段から抽気するためその分だけ空気圧縮機５の負荷が小さくなり、プラント効率を更に向上させることが可能になる。
【００６３】
また、これまでの説明では圧縮空気の熱回収を行うことにのみ注目していたが、実際には空気圧縮機５に用いる圧縮空気とガスタービン７の冷却に用いる圧縮空気とにはそれぞれに最適な温度が存在する。
【００６４】
例えば、空気圧縮機５の車軸を冷却する場合には、当該車軸が軸受け等と所定のクリアランスをなして回転するように冷却する必要があり、このときの空気の温度が不適切であると当該クリアランスを適正に保つことが困難になり回転エネルギーのロスが発生する（摩擦が増えたりする）。
【００６５】
また、ガスタービン翼の冷却に用いる空気の温度が低すぎると、当該ガスタービン翼に大きな熱応力が加わるようになるため、寿命低下の要因となることが危惧され、この意味でも最適な冷却空気の温度が存在する。
【００６６】
従って、上述したように別々の冷却空気供給系統を構成して最適温度の圧縮空気が供給できるようにすることでプラントの信頼性や寿命等の向上が可能となる。
【００６７】
無論、ガスタービン７や空気圧縮機５に供給する圧縮空気の温度を適切な温度にする構成は、他にも例示でき例えば図５に示すような構成が可能である。
【００６８】
図５に示す構成は、空気圧縮機５からの圧縮空気の抽気は終段から行い、冷却空気管５２とガスタービン側空気供給管５４とを間にガスタービン側流量調整弁６２を設け、また冷却空気管５２と圧縮機側空気供給管５３との間に圧縮機側流量調整弁６１を設けている。
【００６９】
これにより熱交換器５５で熱回収されてガスタービン７や空気圧縮機５に供給される圧縮空気に空気圧縮機５から抽気された高温高圧の空気を混合させて、冷却に用いる空気の温度調整を行うようにしている。
【００７０】
なお、各流量調整弁はガスタービン７や空気圧縮機５に供給される空気が所望の温度になるように、図示しない制御装置（温度調整器）、空気圧縮機５からの空気との混合比率をそれぞれの流量調整弁における開度を調整することにより行うことはいうまでもなく、これらの開度調整は自動的に又は手動により行う。
【００７１】
次に、本発明の第３の実施の形態を図６を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００７２】
熱交換器５５には熱回収用の水が循環して冷却用の空気の熱を回収し、その後湿分分離器５６で当該空気に含まれる水分を除去して冷却に用いていた。これは先に説明したように、水分が含まれた空気を例えばタービン翼に導入すると、水分がタービン翼の内部に設けられた冷却流体路に当たることにより当該タービン翼が腐食等による損傷を受けたりするためである。
【００７３】
しかし、湿分分離器５６では、分離した水分を貯留する構成なので、何れは貯留能力に達する場合が生じ、また熱交換器５５が故障して（溶接部分等にピンホールが空く場合等が例示できる）、熱回収用の水が空気に混入してしまう場合が生じる。
【００７４】
このような場合には、湿分分離器５６のみで混入した水を除去することが不可能になってタービン翼の破損等の故障の原因となる恐れがある。
【００７５】
そこで、本実施の形態では、図６に示すように湿分分離器５６に貯留される水位を検出する液量検出器７１を設け、また当該湿分分離器５６に排出系統７２ａを設け、該系統にドレイン遮断弁７２を設けている。また当該ドレイン遮断弁７２が開放された際に、空気圧縮機５からの空気が少なくとも湿分分離器５６をバイパスするバイパス系統７３ａにバイパス遮断弁７３を設けている。
【００７６】
このような構成で、液量検出器７１が所定量以上の水位を検出した場合には、ドレイン遮断弁７２が開弁して湿分分離器５６に貯留された水を排水し、同時にバイパス遮断弁７３が開弁して空気圧縮機５からの空気が湿分分離器５６に供給されないようにする。
【００７７】
このとき、熱交換器５５が故障していなければ、湿分分離器５６の水は短時間のうちに排水されてなくなるので、これを液量検出器７１で検出すると、ドレイン遮断弁７２及びバイパス遮断弁７３が閉じて元の状態に復帰する。
【００７８】
しかし、熱交換器５５が故障し、当該熱交換器５５から水が流入しているような場合には液量検出器７１が水位の低下を検出できないので、ドレイン遮断弁７２及びバイパス遮断弁７３が閉じて元の状態に復帰することがない。
【００７９】
従って、液量検出器７１がいつまでも（所定時間経過しても）水位の低下を検出しない場合には、熱交換器５５の故障と判断して警報を発したりプラントを停止させたりすることも可能になる。
【００８０】
なお、図６では空気圧縮機５からの空気が熱交換器５５及び湿分分離器５６をバイパスできるように設けられている。これは先に説明したように、熱交換器５５が故障して熱回収用の水が空気に混入する場合も対応できるようにしたためである。従って、かかる故障が起きない構成の場合には、バイパス遮断弁７３は湿分分離器５６のみをバイパスできるような構成であればよい。
【００８１】
以上により、ガスタービン７や空気圧縮機５に供給される冷却空気に水分が含まれる事態が確実に防止でき、先に述べた実施の形態における効果に加えてよりプラントの信頼性を向上させることが可能になる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材の冷却に、当該空気圧縮機から圧縮空気を抽気して当該高熱負荷部材に供給する冷却空気供給系統を設けると共に、該冷却空気供給系統の途中に空気圧縮機から抽気した圧縮空気と排熱回収装置を流動する水とを熱交換させて当該水に圧縮空気の熱を回収させる熱交換器を備えた熱回収装置を設けたので、空気圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却する際に、その熱を回収利用できるようになりプラント効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明に適用されるコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態の説明に適用される他の構成のコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図３】第１の実施の形態の説明に適用される他の構成のコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の説明に適用されるコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図５】第２の実施の形態の説明に適用される他の構成のコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の説明に適用されるコンバインドサイクル発電システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン設備
２ 蒸気タービン設備
３ 排熱回収装置
４ 発電機
５ 空気圧縮機
６ 燃焼器
７ ガスタービン
９，１１，１２ 第３〜第１高圧過熱器
１０ 再熱器
１３ 高圧ドラム
１４ 高圧蒸発器
１５ 低圧過熱器
１６ 中圧過熱器
１８ 中圧ドラム
１９ 中圧蒸発器
２４ 低圧ドラム
２５ 低圧蒸発器
１７，２０，２１，２３，２７ 第５〜第１高圧節炭器
２６，２２ 第１及び第２中圧節炭器
５０ 熱回収装置
５１ 冷却空気供給系統
５２ 冷却空気管
５３ 圧縮機側空気供給管
５４ ガスタービン側空気供給管
５５ 熱交換器
５５ａ 圧縮機側熱交換器
５５ｂ ガスタービン側熱交換器
５６ 湿分分離器
５７ 分岐部
６１ 圧縮機側流量調整弁
６２ ガスタービン側流量調整弁
７１ 液量検出器
７２ ドレイン遮断弁
７２ａ 排水系統
７３ バイパス遮断弁
７３ａ バイパス系統
Claims (7)
- 空気を圧縮する空気圧縮機、該空気圧縮機からの圧縮空気と混合された燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、前記燃焼ガスにより駆動されるガスタービンを備えたガスタービン設備と、蒸気により駆動される蒸気タービンを備えた蒸気タービン設備と、前記ガスタービン設備で仕事して排気された排ガスの熱により前記蒸気タービン設備で仕事し復水した水を高温の蒸気にする排熱回収装置とを備えてなるコンバインドサイクル発電システムにおいて、
前記排熱回収装置が前記ガスタービン設備からの排ガスと前記蒸気タービン設備からの蒸気が復水した水とを熱交換させて、前記排ガスの熱で当該水を加熱する節炭器と、該節炭器で温度上昇した水を蒸気にする蒸発器およびドラムを備え、
前記ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材の冷却用空気として、当該空気圧縮機から抽気した圧縮空気を供給する冷却空気供給系統を設け、該冷却空気供給系統の途中に抽気した前記圧縮空気と前記蒸発器に供給される水とを熱交換させて当該水に圧縮空気の熱を回収させて蒸発させる熱交換器を備え、当該熱交換器にて圧縮空気の熱回収を行った水より発生した蒸気を前記蒸発器のドラムに直接供給する熱回収装置を設けたことを特徴とするコンバインドサイクル発電システム。 - 前記熱回収装置が、前記熱交換器で熱交換した圧縮空気に含まれる湿分を分離除去する湿分分離器を備えていることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電システム。
- 前記湿分分離器が、圧縮空気から除去して貯留した水の貯留量を検出する液量検出器と、
該液量検出器が所定量以上の水の貯留を検出した際には、当該水を系外に排出させる排水系統と、
該排水系統が排水動作中は、少なくとも圧縮空気が該湿分分離器をバイパスして当該湿分分離器に供給されないようにするバイパス系統とを設けたことを特徴とする請求項２記載のコンバインドサイクル発電システム。 - 前記湿分分離器で湿分が除去された圧縮空気を分流して、前記ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材の冷却にそれぞれ供給されるようにする分岐部を設けたことを特徴とする請求項２又は３記載のコンバインドサイクル発電システム。
- 前記空気圧縮機から前記熱交換器に流入する圧縮空気の一部を抽気して、前記分岐部で分流された後の圧縮空気に混合させることにより前記ガスタービン及び空気圧縮機における高熱負荷部材に供給される圧縮空気の温度調整を行う温度調整器を設けたことを特徴とする請求項４記載のコンバインドサイクル発電システム。
- 前記空気圧縮機からの圧縮空気が圧縮機中段及び圧縮機終段から抽気されると共に、前記熱回収装置が該圧縮機中段から抽気された圧縮空気の熱を回収するガスタービン側熱交換器と前記圧縮機終段から抽気された圧縮空気の熱を回収する圧縮機側熱交換器とにより形成されて、前記圧縮機終段から抽気された圧縮空気が前記圧縮機側熱交換器を介して前記空気圧縮機に供給され、前記圧縮機中段から抽気された圧縮空気が前記ガスタービン側熱交換器を介して前記ガスタービンに供給されるようにしたことを特徴とする請求項４又は５記載のコンバインドサイクル発電システム。
- 前記節炭器及び蒸発器が、動作圧の異なる２以上の節炭器及び蒸発器により形成されると共に、前記熱回収装置が直列接続された２以上の熱交換器により形成されて、動作圧の低い節炭器からの水が熱交換する熱交換器を、動作圧の高い節炭器からの水が熱交換する熱交換器の前記冷却空気供給系統における下流側に配置したことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載のコンバインドサイクル発電システム。
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