JP4738158B2 - ガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構及び残留蒸気除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構及び残留蒸気除去方法に関する。

コンバインドサイクルプラントでは、ガスタービンから排出される高温・高圧の排気ガスのエネルギーを、排熱回収ボイラにより回収し、回収した熱により高温・高圧の蒸気を発生させ、この蒸気により蒸気タービンを回転させている。

ガスタービンの燃焼器の冷却は、従来では空気により行っていた。つまり、ガスタービンの圧縮機により圧縮した空気の一部を、燃焼器を冷却する冷却媒体として使用していた。

ところで近年では、燃焼器の冷却媒体として、空気の代わりに、空気に比較して熱容量が大きく冷却能力が高い蒸気が冷却媒体として使用されている。具体的には、排熱回収ボイラの中圧ドラムから蒸気を抜き出し、この蒸気を燃焼器に導いて冷却をしている。
このように、燃焼器の冷却媒体として、空気に代えて蒸気を用いることにより、圧縮機で圧縮した空気の全てを燃焼に用いることができるため、ガスタービン入口温度を上げることができ、効率を向上させることができる。

このように、燃焼器の冷却媒体として蒸気を用いる場合には、ガスタービンを停止した時に、燃焼器を冷却する蒸気冷却系統に残っていた蒸気を外部に排出して、蒸気冷却系統に凝縮水が残留したり、この凝縮水による錆が発生しないようにしなければならない。

そこで従来では、ガスタービンを停止した時には、制御空気（または所内空気）を蒸気冷却系統に連続的に流して、内部に残留している蒸気を排出するようにしていた。

ここで図２を参照して、蒸気によりガスタービンの燃焼器を冷却する従来の蒸気冷却系統、並びに、従来の残留蒸気排出方法を説明する。

ガスタービンの燃焼器１０の尾筒には、この尾筒を冷却するための蒸気冷却配管１１が備えられている。図２では、蒸気冷却配管１１を簡略化して描いているが、この蒸気冷却配管１１は、実際には枝分かれした多数の配管群により構成されており、その配管の中には、細い部分や、急峻に湾曲している部分もある。
この蒸気冷却配管１１には、弁Ｖ１２が介装されたドレン配管１２が接続されている。

蒸気供給配管２０の先端は、蒸気冷却配管１１の入口部（図２ではａの部分）に接続されている。この蒸気供給配管２０の途中（図２ではｂ，ｃの部分）には、弁Ｖ２１が介装されたドレン配管２１と、弁Ｖ２２が介装されたドレン配管２２とが接続されている。

更に、蒸気供給配管２０の基端部分（図２ではｄ，ｅ，ｆの部分）には、補助蒸気配管３０と、主蒸気配管４０と、気体配管５０が接続されている。

補助蒸気配管３０の途中には、弁Ｖ３１が介装されたドレン配管３１が接続されている。また、補助蒸気配管３０には、弁Ｖ３２，Ｖ３３，Ｖ３４が介装されている。この補助蒸気配管３０には、補助蒸気源（図示省略）から蒸気が供給される。

主蒸気配管４０の途中は、弁Ｖ４１が介装されたドレン配管４１が接続されている。また、主蒸気配管４０には弁Ｖ４２が介装されている。この主蒸気配管４０には、排熱回収ボイラ６０の中圧ドラムから蒸気が供給される。

気体配管５０には、弁Ｖ５１や逆止弁Ｖ５２が介装されている。この気体配管５０には、弁Ｖ５１を開とすることにより、図示しない制御空気源（所内空気源）から空気が供給される。

蒸気排出配管７０の基端は、蒸気冷却配管１１の出口部（図２ではｇの部分）に接続されている。この蒸気排出配管７０の途中には、弁Ｖ７１が介装されたドレン配管７１と、弁Ｖ７２が介装されたドレン配管（起動時逃し系統）７２が接続されている。また、蒸気排出配管７０の途中には弁Ｖ７３，弁Ｖ７４が備えられている。
ドレン配管７１は、弁Ｖ７１が開となると大気に開放となる。ドレン配管（起動時逃し系統）７２は、弁Ｖ７２が開となると復水器９０に接続される。蒸気排出配管７０は、弁Ｖ７４が開となると蒸気タービンに接続される。

次に、上述した構成となっている従来の蒸気冷却系統により、燃焼器１０の尾筒を蒸気冷却するときの動作状態を説明する。このときには、各ドレン配管１２，２１，２２，３１，４１，７１，７２に介装した弁Ｖ１２，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ３１，Ｖ４１，Ｖ７１，Ｖ７２は閉としておく。

起動時には、補助蒸気源（図示省略）からの蒸気を蒸気供給配管２０に供給するように、蒸気供給配管３０に介装した弁Ｖ３２，Ｖ３３，Ｖ３４を開とし、主蒸気配管４０に介装した弁Ｖ４２を閉とする。

このようにすることにより、補助蒸気源から補助蒸気配管３０を通って蒸気供給配管２０に供給された蒸気は、図２中で点線の矢印で示すように、蒸気供給配管２０→蒸気冷却配管１１→蒸気排出配管７０を通り、弁Ｖ７４を通って蒸気タービンに送られる。
このように、燃焼器１０の尾筒に備えた蒸気冷却配管１１に蒸気が流れることにより、燃焼器１０の尾筒の冷却を行うことができる。

排熱回収ボイラ６０で発生した蒸気が、所定圧力及び所定温度を越えたら、排熱回収ボイラ６０の中圧ドラムからの蒸気を蒸気供給配管２０に供給するように、主蒸気配管４０に介装した弁Ｖ４２を開とし、蒸気供給配管３０に介装した弁Ｖ３２，Ｖ３３，Ｖ３４を閉とする。

このようにすることにより、排熱回収ボイラ６０の中圧ドラムから主蒸気配管４０を通って蒸気供給配管２０に供給された蒸気は、図２中で点線の矢印で示すように、蒸気供給配管２０→蒸気冷却配管１１→蒸気排出配管７０を通り、弁Ｖ７４を通って蒸気タービンに送られる。
このように、燃焼器１０の尾筒に備えた蒸気冷却配管１１に蒸気が流れることにより、燃焼器１０の尾筒の冷却を行うことができる。

次にガスタービンを停止して、蒸気冷却配管１１に凝縮水が残らないようにパージ処理をするときの動作を説明する。
このときには、各ドレン配管１２，２１，２２，３１，４１，７２に介装した弁Ｖ１２，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ３１，Ｖ４１，Ｖ７２は閉とし、ドレン配管７１に介装した弁Ｖ７１を開にしておく。
更に、補助蒸気配管３０に介装した弁Ｖ３４を閉とし、主蒸気配管４０に介装した弁Ｖ４２を閉とし、蒸気排出配管７０に介装した弁Ｖ７３を閉とする。

そして、気体配管５０に介装した弁Ｖ５１を開として、この気体配管５０に制御空気源（所内空気源）から空気を供給する。

このようにすることにより、制御空気源から気体配管５０を通って蒸気供給配管２０に供給された空気は、図２中で二点鎖線の矢印で示すように、蒸気供給配管２０→蒸気冷却配管１１→蒸気排出配管７０を通り、更にドレン配管７１を通って大気中に排出される。このとき、空気は連続的に（例えば３０分間程度）流す。

このように、燃焼器１０に備えた蒸気冷却配管１１に空気が連続的に流れることにより、燃焼器１０に備えた蒸気冷却配管１１に残留していた蒸気を外部に押し出す（パージする）ようにしている。これにより、蒸気冷却配管１１内に凝縮水が残ったり、残った凝縮水により錆が発生したりするのを防止していた。

特開２００２−１４７２０５ 特開２００３−２９３７０７

ところで上記従来技術では、パージ処理をする際に空気を連続的に（例えば３０分間）流しているため、多量の制御空気が必要であった。制御空気はプラント内において各種の動作源として使用されるものであり、これを、パージ処理のために使用するため、制御空気源を作動源とする他の機器の動作の負担になったり、制御空気源の容量を余裕をもって大きくしておかなければならなかった。

更に、空気を連続的に流してはいるが、蒸気冷却配管１１のうち、細い部分や急峻に湾曲した部分では、空気が流れにくく、この部分での残留蒸気を完全に押し出せていない可能性が懸念としてあった。

蒸気冷却配管１１内に空気と蒸気が滞留して凝縮水が溜まると、錆の要因のリスクが増大する。錆は、尾筒の冷却蒸気フィンの詰まりの要因となることがあるため、かかる事態は重要な課題となる。

また蒸気を押し出す気体（パージ気体）として、空気を使用しているが、空気は凝縮水と反応して錆を発生させ易いという懸念もあった。

なお最近では、ガスタービンの燃焼器のみならず、ガスタービンの翼にも蒸気冷却配管を配置して冷却を行うことが行われている。
ガスタービンの翼に蒸気冷却配管を備えた場合にも、燃焼器に蒸気冷却配管を備えたときと同じ課題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、ガスタービンの被冷却部材（燃焼器や翼）に備えた蒸気冷却配管に残留した蒸気を、従来に比して少ない気体（空気や窒素）で押し出し、しかも、かかるパージ処理を短時間で行うことができる、ガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構及び残留蒸気除去方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明のガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構の構成は、
コンバインドサイクルプラントのガスタービンの被冷却部材に備えられた蒸気冷却配管と、
前記蒸気冷却配管の入口部に接続されており、蒸気を前記蒸気冷却配管に供給する蒸気供給配管と、
前記蒸気冷却配管の出口部に接続されており、前記蒸気冷却配管を通ってきた蒸気を排出すると共に、途中に弁が介装された蒸気排出配管と、
基端が気体源に接続されると共に、先端が前記蒸気供給配管に接続され、更に途中に弁が介装された気体配管と、
前記蒸気排出配管のうち、前記蒸気冷却配管に接続された部分と当該蒸気排出配管に介装された前記弁との間の位置に基端が接続され、先端が復水器に接続されると共に、途中に弁が介装されたドレン配管と、
それぞれ弁が介装されると共にそれぞれが前記蒸気供給配管または前記蒸気冷却配管に接続された各種配管と、
前記各弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、
まず、前記蒸気排出配管に介装された前記弁と、前記気体配管に介装された前記弁と、前記ドレン配管に介装された前記弁と、前記各種配管に介装された前記弁を閉とし、
その後に、前記ドレン配管に介装された前記弁を、開とすることにより前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管の内部空間を前記復水器に接続して真空引きし、真空引きした後に再び閉とし、
次に、前記気体配管に介装された前記弁を、開とすることにより真空引きされた前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管の内部空間に気体を充填し、気体を充填した後に再び閉とする開閉制御をすることを特徴とする。

また本発明のガスービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去方法の構成は、
コンバインドサイクルプラントのガスタービンの被冷却部材に備えられた蒸気冷却配管と、蒸気を前記蒸気冷却配管に供給する蒸気供給配管と、前記蒸気冷却配管を通ってきた蒸気を排出する蒸気排出配管とからなる配管系統を、当該配管系統に介装した弁および当該配管系統に接続した配管に介装した弁を閉じることにより、密閉した配管系統とする工程と、
密閉した配管系統となった、前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管の内部空間を、復水器に接続して真空引きし、真空引きした後に復水器との接続を遮断して、前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管を密閉した配管系統に戻す工程と、
真空引きされた、前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管の内部空間
に、気体を充填する工程とを有することを特徴とする。

また本発明は、
前記気体源から供給する気体は窒素であること、または、
前記気体源から供給する気体は空気であること、または
前記被冷却部材はガスタービンの燃焼器であること、または、
前記被冷却部材はガスタービンの翼であることを特徴とする。

本発明では、パージ処理をする際に、弁の開閉制御をすることにより、蒸気冷却配管及び蒸気供給配管ならびに蒸気排出配管を、密閉した配管系統とし、この密閉した配管系統を、真空状態となっている復水器に接続することにより真空引きするため、残留蒸気の外部除去を短時間で確実に行うことができる。
そして、この密閉した配管系統に、窒素や空気を供給することにより、残留蒸気に置換して窒素（または空気）を張り込むことができ、確実に残留蒸気の除去ができると共に、供給する窒素（または空気）の量を、従来に比べて少なくすることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、ガスタービンの燃焼器に備えた蒸気冷却配管に残留した蒸気を除去する実施例１に係る機構を示す。
本実施例は、コンバインドサイクルプラントを前提としており、ガスタービン、蒸気タービン、排熱回収ボイラ、復水器を備えているプラントに適用したものである。

同図に示すように、ドレン配管７１の先端は、復水器９０に接続されている。復水器９０では、蒸気が凝縮する気液体積変化が発生していると共に真空ポンプ（図示省略）により真空引きしているため、復水器９０の内部空間は高度の真空になっている。
なおドレン配管７１の基端は、蒸気排出配管７０の基端（図１ではｇの部分）と弁Ｖ７３が介装されている間の所に接続されている。
ちなみに、図２に示す従来技術では、ドレン配管７１の先端は大気に開放していた。

また、気体配管５０の基端には窒素源８０が接続されており、気体配管５０の先端は蒸気供給配管２０の基端に接続されている。
更に、図１に示す各弁の開閉をシーケンス制御により行う制御部１００が備えられている。

他の部分の構成は、図２に示す従来技術と同一であり、同一部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。
また、燃焼器１０の尾筒に備えた蒸気冷却配管１１に蒸気を通して、燃焼器１０の尾筒を冷却する手順も、従来手順と同じなので、その説明は省略する。

次にガスタービンを停止して、蒸気冷却配管１１に凝縮水が残らないようにパージ処理をするときの動作を説明する。この動作は各弁を開閉制御して行うが、この弁の開閉制御は制御部１００の制御により行われる。制御部１００は以下のように弁の開閉制御をして、パージ処理をする。

（１）まず、蒸気供給配管２０と、蒸気冷却配管１１と、蒸気排出配管７０のうちその基端側の配管部分（図１ではｇの部分と弁Ｖ７３が介装されている間の配管部分）とを、密閉した配管系統にする。
具体的には、図１において黒塗りして示した各弁を閉じる。即ち、
（ａ）蒸気冷却配管１１に接続したドレン配管１２に介装されている弁Ｖ１２を閉とし、
（ｂ）蒸気供給配管２０に接続した配管２１，２２，３０，４０，４１，５０に介装されている弁Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ３４，Ｖ４２，Ｖ４１，Ｖ５１を閉とし、
（ｃ）蒸気排出配管７０に介装されている弁Ｖ７３を閉とすると共に、蒸気排出配管７０に接続したドレン配管７１に介装されている弁Ｖ７１を閉とする。

（２）次に閉となっていた弁Ｖ７１を開とする。そうすると、密閉した配管系統にとなっている蒸気供給配管２０と、蒸気冷却配管１１と、蒸気排出配管７０のうちその基端側の配管部分に残留している蒸気が、復水器９０により真空引きされる。この結果、蒸気供給配管２０の内部空間と、蒸気冷却配管１１の内部空間と、蒸気排出配管７０のうちその基端側の配管部分の内部空間は、真空状態となり、確実に蒸気が排出される。このように真空引きするため、残留蒸気の排出は短時間で確実に行うことができる。
このようにして密閉した配管系統（配管１０，２０の内部空間と、配管７０の基端側の内部空間）を真空引きして真空にした後に、弁Ｖ７１を閉とする。

（３）次に、気体配管５０に介装した弁Ｖ５１を閉から開とする。そうすると、窒素源８０から気体配管５０を通って、蒸気供給配管２０の内部空間と、蒸気冷却配管１１の内部空間と、蒸気排出配管７０のうちその基端側の配管部分の内部空間に窒素を供給する（窒素を張り込む）。そして、配管２０，１１，７０内の窒素圧力が所定圧力（例えば０．０５ＭＰａ）になったら、弁Ｖ５１を閉として窒素の供給を停止する。窒素の供給は、配管２０，１１，７０内に窒素が充満して所定圧になれば良いため、窒素の供給時間は短く（例えば数分）、窒素の供給量は、従来の空気の供給量に比べて極めて少なくて済む。

このように、燃焼器１０に備えた蒸気冷却配管１１の内部空間や、蒸気供給配管２０の内部空間や、蒸気排出配管７０の基端側の内部空間に残留していた蒸気を完全に除去してから（真空引きしてから）窒素に置換する。この結果、蒸気冷却配管１１内に凝縮水が残る虞がなくなり、また、窒素で置換するため錆の発生を確実に防止することができる。

しかも、残留蒸気を除去するのは短時間で行うことができ、また、窒素を張り込むのも短時間で行うことができるので、パージ処理のための操作時間が短くなる。

なお上記の（１）〜（３）の処理を行った後に、再度（２）と（３）の処理を行い、最初に充填した窒素を一旦真空引きして、真空引きした後に、再び窒素を張り込むようにすれば、残留蒸気の排出と、凝縮水の発生防止や錆の発生防止をより確実に行うことができる。

図１に示す実施例１では、気体配管５０の基端に窒素源８０を接続していたが、気体配管５０の基端に制御空気源を接続するようにしてもよい。そして、密閉した配管系統（配管１０，２０の内部空間と、配管７０の基端側の内部空間）を復水器９０を利用して真空引きして真空にした後に、制御空気源から空気を供給して、密閉した配管系統に空気を張り込むようにしてもよい。

このようにした場合には、密閉した配管系統の容量だけ制御空気を供給（張り込む）するだけでよいため、使用する空気量は、従来技術に比べて極めて少なくなる。

また上記従来技術では、燃焼器に蒸気冷却配管を備えていたが、ガスタービンの翼に蒸気冷却配管を配置している場合にも、本願発明を適用することができる。

本発明の実施例１に係る、ガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構を示す構成図。 従来技術に係る、ガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構を示す構成図。

符号の説明

１０ 燃焼器
１１ 蒸気冷却配管
２０ 蒸気供給配管
３０ 補助蒸気配管
４０ 主蒸気配管
５０ 気体配管
６０ 排熱回収ボイラ
７０ 蒸気排出配管
８０ 窒素源
９０ 復水器
１００ 制御部

Claims (10)

1. コンバインドサイクルプラントのガスタービンの被冷却部材に備えられた蒸気冷却配管と、
   前記蒸気冷却配管の入口部に接続されており、蒸気を前記蒸気冷却配管に供給する蒸気供給配管と、
   前記蒸気冷却配管の出口部に接続されており、前記蒸気冷却配管を通ってきた蒸気を排出すると共に、途中に弁が介装された蒸気排出配管と、
   基端が気体源に接続されると共に、先端が前記蒸気供給配管に接続され、更に途中に弁が介装された気体配管と、
   前記蒸気排出配管のうち、前記蒸気冷却配管に接続された部分と当該蒸気排出配管に介装された前記弁との間の位置に基端が接続され、先端が復水器に接続されると共に、途中に弁が介装されたドレン配管と、
   それぞれ弁が介装されると共にそれぞれが前記蒸気供給配管または前記蒸気冷却配管に接続された各種配管と、
   前記各弁の開閉制御をする制御部とを有し、
   前記制御部は、
   まず、前記蒸気排出配管に介装された前記弁と、前記気体配管に介装された前記弁と、前記ドレン配管に介装された前記弁と、前記各種配管に介装された前記弁を閉とし、
   その後に、前記ドレン配管に介装された前記弁を、開とすることにより前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管の内部空間を前記復水器に接続して真空引きし、真空引きした後に再び閉とし、
   次に、前記気体配管に介装された前記弁を、開とすることにより真空引きされた前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管の内部空間に気体を充填し、気体を充填した後に再び閉とする開閉制御をすることを特徴とするガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構。
2. 前記気体源は窒素を供給する窒素源であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構。
3. 前記気体源は空気を供給する空気源であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構。
4. 前記被冷却部材はガスタービンの燃焼器であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構。
5. 前記被冷却部材はガスタービンの翼であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去機構。
6. コンバインドサイクルプラントのガスタービンの被冷却部材に備えられた蒸気冷却配管と、蒸気を前記蒸気冷却配管に供給する蒸気供給配管と、前記蒸気冷却配管を通ってきた蒸気を排出する蒸気排出配管とからなる配管系統を、当該配管系統に介装した弁および当該配管系統に接続した配管に介装した弁を閉じることにより、密閉した配管系統とする工程と、
   密閉した配管系統となった、前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管の内部空間を、復水器に接続して真空引きし、真空引きした後に復水器との接続を遮断して、前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管を密閉した配管系統に戻す工程と、
   真空引きされた、前記蒸気冷却配管と前記蒸気供給配管と前記蒸気排出配管の内部空間
   に、気体を充填する工程とを有することを特徴とするガスービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去方法。
7. 前記気体は窒素であることを特徴とする請求項６に記載のガスービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去方法。
8. 前記気体は空気であることを特徴とする請求項７に記載のガスービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去方法。
9. 前記被冷却部材はガスタービンの燃焼器であることを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れかに記載のガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去方法。
10. 前記被冷却部材はガスタービンの翼であることを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れかに記載のガスタービンの蒸気冷却配管の残留蒸気除去方法。

Images