JP5317833B2 - 蒸気タービン発電設備 - Google Patents

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Description

本発明は、蒸気タービン、ボイラ、タービン発電機などを備えた蒸気タービン発電設備およびその運転方法に係り、特に、蒸気の温度を上昇させることによって発電効率を向上させるとともに、ボイラから排出された燃焼ガスに含まれるＣＯ２を分離して回収する装置を備えた蒸気タービン発電設備に関する。
従来の蒸気タービン発電設備においては、蒸気の温度条件が６００℃以下であるため、高温に晒される、例えば、タービンロータ、動翼、ノズルなどの構成部の部材は、製造性や経済性に優れたフェライト系耐熱鋼で構成されていた。一方、高温に晒されない、例えば、給水加熱器を構成する材料には、炭素鋼が採用されてきた。
一方、近年、燃料節約や環境保全を背景とした蒸気タービン発電設備の高効率化が積極的に進められている。例えば、６００℃程度（６２０℃以下）の温度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが運転されている。このような高温蒸気を利用した蒸気タービンにおいては、フェライト系耐熱鋼の諸特性では要求特性を満たすことのできない部品が少なからず存在する。そのため、より高温特性に優れたオーステナイト系耐熱鋼等が使用されている。しかし、オーステナイト系耐熱鋼を使用することは、設備コストの上昇を招く。さらに、オーステナイト系耐熱鋼は、フェライト系耐熱鋼に比較して熱伝導率が低く、かつ線膨張係数が大きいため、プラント起動時やプラント停止時などの負荷変化時に熱応力が発生しやすいという問題を有している。
さらに、現在、蒸気温度を７００℃以上とする７００℃超臨界圧発電システム、いわゆるＡ−ＵＳＣ（Advanced Ultra-Supercritical）が検討されている。蒸気タービンの入口蒸気温度が６５０℃以上になると、タービン抽気が５８０℃を超える部分が生じ、その抽気で加熱する給水加熱器にも耐熱鋼を使用する必要がある。しかし、５８０℃を超えるタービン抽気を給水加熱器に導入することは、給水温度と抽気温度の差に比例して発生する熱応力の観点から好ましくない。これを回避するために、高圧タービンから排出される蒸気の一部を一旦抽気背圧タービンに導入して仕事を取り出し、圧力および温度が低下した抽気背圧タービンからの抽気を給水加熱器に供給するサイクルが考案されている。また、この抽気背圧タービンは、従来、給水ポンプ駆動用として給水ポンプに直結されている。
また、地球温暖化現象の原因の一つとして二酸化炭素（ＣＯ２）による温室効果が指摘されている。そのため、例えば、大量の化石燃料を使用する火力発電所などを対象に、燃焼排ガスを吸収液と接触させ、燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去して回収する方法が精力的に研究されている。
図８は、燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去して回収する従来の二酸化炭素回収システム３００の一例を示す図である。
図８に示された従来の二酸化炭素回収システム３００において、例えば、ボイラにおいて化石燃料を燃焼して排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス供給口３１１から吸収塔３１０内に導かれる。吸収塔３１０の上部には、二酸化炭素を吸収する吸収液３２０が供給され、この供給された吸収液３２０は、導入された燃焼排ガスと気液接触して、燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収する。
二酸化炭素を吸収した吸収液３２０は、吸収塔３１０の下部から吸収液循環ポンプ３３０によって熱交換器３４０を通過して、再生塔３５０に導かれる。なお、二酸化炭素を吸収した吸収液３２０の温度は、その吸収による反応熱、および燃焼排ガスが有する顕熱によって、二酸化炭素を吸収する前の吸収液３２０の温度よりも高くなる。
一方、吸収液３２０に二酸化炭素を吸収された残りの燃焼排ガスは、吸収塔３１０の上部から大気へ放出される。
再生塔３５０に導かれた吸収液３２０は、リボイラ３６０によって加熱され、吸収した二酸化炭素を放散し、再び二酸化炭素を吸収できる吸収液３２０に再生される。再生された吸収液３２０は、吸収液循環ポンプ３３１により、熱交換器３４０を介して吸収塔３１０の上部へ戻される。
一方、吸収液３２０から放散された二酸化炭素は、冷却器３４１を介して汽水分離器３７０に導かれ、水分が取り除かれた後に、二酸化炭素圧縮機３８０に導かれ回収される。また、汽水分離器３７０で分離された凝縮水は、再生塔３５０に導かれる。また、リボイラ３６０の加熱源としては、火力発電プラント等内の蒸気タービンサイクルから抽気した蒸気を主に利用するが、二酸化炭素を圧縮する過程における高温化した二酸化炭素ガスを用いることもできる（例えば、特許文献１−２参照。）。
例えば、特許文献２には、高圧タービンから排出された蒸気の一部を、二酸化炭素圧縮機を駆動するための背圧タービンに導入し、中圧タービンから排出された蒸気の一部を、補機駆動用（例えば、給水ポンプ駆動用）の背圧タービンに導入し、それぞれの蒸気タービンから排出された蒸気を二酸化炭素回収システムの加熱用に利用する技術が開示されている。
特許第２８０９３８１号公報 特開２００４−３２３３３９号公報
高圧タービンから排出される蒸気の一部を作動蒸気として導入する従来の抽気背圧タービンは、サイクル効率を向上するために、給水ポンプの駆動源として適用されたことがあった。この抽気背圧タービンにおける各抽気圧力は、抽気背圧タービンの抽気段落後の作動蒸気流量、すなわち給水ポンプの動力に見合った駆動蒸気流量（給水流量の１５％程度）から給水加熱器への各抽気流量（給水流量の３〜５％程度）を順次差し引いた蒸気流量にほぼ比例するため、変動しやすく運用性が悪いという欠点を有する。そのため、最近では、抽気背圧タービンにおける抽気は、給水加熱器の加熱用の蒸気として採用されていない。
また、上記した従来の、高圧タービンから排出された蒸気の一部を、二酸化炭素圧縮機を駆動するための背圧タービンに導入し、中圧タービンから排出された蒸気の一部を、補機駆動用の背圧タービンに導入し、これらの背圧タービンから排出された蒸気を吸収液の加熱蒸気として利用する二酸化炭素回収システムでは、二酸化炭素圧縮機および補機の必要とする駆動蒸気流量の合計が必ずしも二酸化炭素回収システムに必要な加熱蒸気流量と一致するとは限らなかった。そのため、必要な蒸気流量よりも駆動蒸気流量が多い場合には、余った蒸気は復水器などに捨てられることとなる。この場合、エクセルギの高い蒸気を、直接二酸化炭素回収システムに供給しているので、エネルギの損失となる。
また、従来の二酸化炭素回収システムにおいては、燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収した吸収液から、何らかの方法によって、二酸化炭素を分離して回収しなければならない。この二酸化炭素の分離は、通常、吸収液を加熱して行うことが最も簡単であるため、従来から加熱放散方式が採用されてきた。しかし、二酸化炭素を分離する場合、分離に使用される熱量が大きく、蒸気タービンサイクル内の蒸気を抽出すると、発電効率が相対値で３０％程度低下すると言われている。
例えば、吸収液として、二酸化炭素の吸収性能が高いアミン系の吸収液を使用した場合、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱して二酸化炭素を分離する温度は、１００〜１５０℃程度である。この際必要となる熱量は、２．５〜３．５ＭＪ／（ｋｇ−ＣＯ２）、すなわち二酸化炭素１ｋｇ当たり２．５〜３．５ＭＪと言われている。この熱量は、例えば、ボイラの燃料として石炭を用いる場合、石炭の発熱量の１０〜２０％程度に相当する。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、二酸化炭素回収システムに必要なエネルギ源として、背圧タービンで発電をした後のエクセルギの低い排出蒸気を利用することにより、エネルギの損失を抑制し、高い発電効率が得られる蒸気タービン発電設備を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、燃焼熱を利用して蒸気を発生させるボイラからの蒸気によって蒸気タービンを駆動し、復水器によって蒸気タービンを駆動した蒸気を復水とし、給水加熱器を介して前記復水を前記ボイラに導入する蒸気タービン設備と、前記ボイラからの燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収設備とを具備する蒸気タービン発電設備において、前記蒸気タービン設備が、前記ボイラの過熱器からの主蒸気が導入される第１の蒸気タービンと、前記第１の蒸気タービンから排出された蒸気を再加熱する再熱器と、前記再熱器で再加熱された蒸気が導入される第２の蒸気タービンと、前記第２の蒸気タービンから排出された蒸気が導入される第３の蒸気タービンと、前記第３の蒸気タービンによって駆動される第１の発電機と、前記第１の蒸気タービンから排出された蒸気の一部が導入される第４の蒸気タービンと、前記第４の蒸気タービンによって駆動される第２の発電機とを備え、前記二酸化炭素回収設備が、前記ボイラからの燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液により吸収する吸収塔と、前記第４の蒸気タービンから排出された蒸気を利用して、二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱し、当該吸収液から二酸化炭素を分離する再生塔と、前記再生塔で分離された二酸化炭素を回収する回収装置とを備えることを特徴する蒸気タービン発電設備が提供される。
本発明の蒸気タービン発電設備によれば、二酸化炭素回収システムに必要なエネルギ源として、背圧タービンで発電をした後のエクセルギの低い排出蒸気を利用することにより、エネルギの損失を抑制し、高い発電効率が得られる。
本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備の概要を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備における二酸化炭素回収設備の概要を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備における蒸気の状態変化をＴ−ｓ線図（温度−エントロピ線図）で示した図である。 本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備の概要を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備における蒸気の状態変化をＴ−ｓ線図（温度−エントロピ線図）で示した図である。 本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備の概要を示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備における蒸気の状態変化をＴ−ｓ線図（温度−エントロピ線図）で示した図である。 燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去して回収する従来の二酸化炭素回収システム３００の一例を示す図である。
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０の概要を示す図である。
第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０は、燃焼熱を利用して蒸気を発生させるボイラ２１などからの蒸気によって蒸気タービンを駆動し発電を行う蒸気タービン設備２０と、ボイラ２１などからの燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収設備５０とを備えている。
まず、蒸気タービン設備２０について説明する。
図１に示すように、蒸気タービン設備２０は、ボイラ２１、ボイラ２１内に設けられた過熱器２１ａ、第１の蒸気タービンとして機能する高圧タービン２２、再熱器２３、第２の蒸気タービンとして機能する中圧タービン２４、第３の蒸気タービンとして機能する低圧タービン２５、低圧タービン２５用の発電機２６、第４の蒸気タービンとして機能する背圧タービン２７、復水器２８、復水ポンプ２９、グランド蒸気復水器３０、低圧給水加熱器３１、脱気器３２、ボイラ給水ポンプ３３、高圧給水加熱器３４を備えている。なお、ここでは、再熱器２３は、過熱器２１ａと同様にボイラ２１に併設されている。
また、背圧タービン２７には、背圧タービン２７用の発電機３５が備えられている。なお、背圧タービン２７から排出された蒸気の一部は、二酸化炭素回収設備５０へ供給される構成となっている。
この蒸気タービン設備２０では、ボイラ２１の過熱器２１ａで発生した高温の蒸気は、高圧タービン２２に導入され、膨張仕事をした後、再熱器２３に導入される。ここで、過熱器２１ａから高圧タービン２２に導入される蒸気の温度は、発電効率を向上させる観点から、６５０℃以上とすることが好ましい。例えば、７００℃程度、あるいはそれ以上の温度の蒸気を高圧タービン２２に導入することもできる。
再熱器２３で再び高温の蒸気に加熱された蒸気は、中圧タービン２４に導入され、膨張仕事をした後、低圧タービン２５に導入される。ここで、再熱器２３で加熱され、中圧タービン２４に導入される蒸気の温度は、発電効率を向上させる観点から、６５０℃以上とすることが好ましい。高圧タービン２２と同様に、例えば７００度程度、あるいはそれ以上の高温の蒸気を中圧タービン２４に導入することもできる。また、中圧タービン２４から排出された蒸気の一部を、脱気器３２に導いて、脱気器３２に必要な熱源としてもよい。
低圧タービン２５に導入され、膨張仕事をした蒸気は、復水器２８に導かれ、復水となる。また、低圧タービン２５から抽気された蒸気は、低圧給水加熱器３１に導かれ、給水を加熱する。また、低圧タービン２５は、発電機２６を駆動して発電する。
復水器２８の復水は、復水ポンプ２９によって、グランド蒸気復水器３０、低圧給水加熱器３１、脱気器３２へ送られ、ボイラ給水ポンプ３３によって昇圧され、高圧給水加熱器３４を経てボイラ２１に給水される。
また、高圧タービン２２で膨張仕事をした後の蒸気の一部は、背圧タービン２７に導入される。そのため、高圧タービン２２から排出された蒸気を再熱器２３に導く配管４０から分岐して、高圧タービン２２から排出された蒸気の一部を背圧タービン２７に導くための配管４１が設けられている。背圧タービン２７に導かれた蒸気は、膨張仕事をした後、その一部が、配管４２を介して二酸化炭素回収設備５０へ供給され、その残りは、配管４２から分岐された配管４３を介して、上記した低圧タービン２５から抽気された蒸気とともに低圧給水加熱器３１に導かれる。
また、背圧タービン２７から抽気された蒸気は、高圧給水加熱器３４に導かれ、給水を加熱する。また、背圧タービン２７は、発電機３５を駆動して発電する。
また、高圧タービン２２で膨張仕事をした後の蒸気の一部は、高圧給水加熱器３４に供給され、給水を加熱する。
なお、例えば、高圧タービン２２に導入される主蒸気の温度が７００℃程度の場合、背圧タービン２７には、高圧タービン２２で膨張仕事をした後の、温度が５９０℃〜６２０℃程度の蒸気を導入することができる。そのため、背圧タービン２７から抽気された蒸気の温度は５８０℃以下にすることができるので、背圧タービン２７と高圧給水加熱器３４との間の抽気管や高圧給水加熱器３４を構成する材料として、それらに従来使用されていた、例えば炭素鋼などの材料と同じものを使用することができる。また、高圧給水加熱器３４を流れる給水の温度と高圧給水加熱器３４に導かれる抽気の温度との差によって生じる熱応力の増加を防止することができる。
また、高圧タービン２２で膨張仕事をした後の、温度が５９０℃〜６２０℃程度の蒸気を高圧給水加熱器３４に導入する場合には、例えば、高圧給水加熱器３４とボイラ２１との間の配管を流れる給水と、高圧タービン２２から排出された蒸気を高圧給水加熱器３４に導く配管を流れる蒸気との間で熱交換可能な熱交換器（図示しない）を設けることが好ましい。これによって、高圧給水加熱器３４に導入される蒸気の温度を５８０℃以下とすることができる。
ここで、配管４１には、背圧タービン２７に導く蒸気の流量を調整するための流量調整弁Ｖ１が設けられている。また、配管４３には、背圧タービン２７から排出される蒸気の圧力を調整するための圧力調整弁Ｖ２が設けられている。また、配管４２には、配管４２内を流れる蒸気の流量に関する情報を検知するための蒸気流量検出器Ｆ１が設けられている。また、配管４２には、配管４２内を流れる蒸気の温度に関する情報を検知するための蒸気温度検出器Ｔ１が設けられている。
これらの蒸気流量検出器Ｆ１および蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報は、図示しない制御装置に出力される。また、制御装置は、流量調整弁Ｖ１や圧力調整弁Ｖ２を制御可能に設けられ、蒸気流量検出器Ｆ１および蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報に基づいて、流量調整弁Ｖ１や圧力調整弁Ｖ２の、弁の開閉や弁開度などを調整する。制御装置は、例えば、蒸気流量検出器Ｆ１からの検知情報に基づいて、流量調整弁Ｖ１を制御し、蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報に基づいて、圧力調整弁Ｖ２を制御する。このように、検出器、調整弁、制御装置を設けることで、配管４２を介して二酸化炭素回収設備５０へ導入される蒸気の流量や温度を適正に制御することができる。
また、二酸化炭素回収設備５０へ導入する蒸気の温度は、所定の温度に制御する必要がある。流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整し、蒸気流量検出器Ｆ１および蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報に基づいてフィードバック制御することによって、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度、すなわち二酸化炭素回収設備５０へ導入する蒸気の温度を所定の温度に制御することができる。具体的には、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が、二酸化炭素回収設備５０で必要とする蒸気の温度よりも低い場合には、圧力調整弁Ｖ２を絞ることにより、背圧タービン２７から排出される蒸気の圧力を上昇させる。これによって、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が上昇して、所定の温度に近づけることができる。なお、温度の微調整が必要な場合には、例えば、配管４２の一部をスプレー水などで冷却して温度調整を行ってもよい。また、二酸化炭素回収設備５０に導入される蒸気の流量が、所定の流量より少ない場合は、流量調整弁Ｖ１の開度を大きくすることにより、所定の流量に近づけることができる。
なお、ここでは、二酸化炭素回収設備５０へ導入する蒸気の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整する一例を示したが、例えば、後述する、二酸化炭素回収設備５０の再生塔における吸収液の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整してもよい。このように、吸収液の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整することで、適正な制御をするための時間遅れを小さくすることができる。この際、制御を安定化するために、吸収液の流量を関数として流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を制御してもよい。
ここで、蒸気タービン発電設備１０における発電出力は、低圧タービン２５用の発電機２６と、背圧タービン２７用の発電機３５の合計出力が目標出力に合うように、高圧タービン２２に導入する主蒸気の流量を調整する蒸気加減弁（図示しない）によって制御される。
次に、二酸化炭素回収設備５０について説明する。
図２は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０における二酸化炭素回収設備５０の概要を示す図である。
図２に示すように、二酸化炭素回収設備５０は、吸収塔６０と、再生塔７０と、二酸化炭素回収装置８０とを備えている。
吸収塔６０は、ボイラ２１や再熱器２３から排出された燃焼ガスを導入し、この燃焼ガスに吸収液９０を気液接触させて、燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液９０に吸収させるための塔である。
再生塔７０は、吸収塔６０において二酸化炭素を吸収した吸収液９０を、背圧タービン２７から排出される蒸気の熱を利用して加熱し、吸収液９０から二酸化炭素を分離するための塔である。
二酸化炭素回収装置８０は、再生塔７０で分離された二酸化炭素を回収するための装置である。二酸化炭素回収装置８０は、例えば、分離された二酸化炭素を圧縮して回収する圧縮回収機などで構成される。
ここで、吸収液としては、二酸化炭素を吸収し、所定の条件で放散可能なものであればよく、例えば、アミン系水溶液などを使用することができる。アミン系水溶液として、具体的には、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン等のアルカノールアミンのいずれか１つの水溶液、またはこれらのうちから２種以上を混合した水溶液を使用することができる。
上記した、二酸化炭素回収設備５０において、例えば、ボイラ２１や再熱器２３において化石燃料を燃焼して排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス供給口６１から吸収塔６０内に導かれる。吸収塔６０の上部には、二酸化炭素を吸収する吸収液９０が供給され、この供給された吸収液９０は、例えば、下方に向けて噴霧され、導入された燃焼排ガスと気液接触して、燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収する。
二酸化炭素を吸収した吸収液９０は、吸収塔６０の下部から吸収液循環ポンプ１００によって熱交換器１１０を通過して、再生塔７０に導かれる。ここで、吸収液９０は、熱交換器１１０を通過する際、再生塔７０から吸収塔６０に導かれる吸収液９０によって加熱される。また、二酸化炭素を吸収した吸収液９０の温度は、その吸収による反応熱、および燃焼排ガスが有する顕熱によって、二酸化炭素を吸収する前の吸収液９０の温度よりも高くなる。
一方、吸収液９０に二酸化炭素を吸収させた残りの燃焼排ガスは、吸収塔６０の上部から大気へ放出される。
再生塔７０に導かれた吸収液９０は、リボイラ１２０によって加熱され、吸収した二酸化炭素を放散し、再び二酸化炭素を吸収できる吸収液９０に再生される。リボイラ１２０には、配管４２を介して背圧タービン２７から排出された蒸気が導入される。この背圧タービン２７から排出された蒸気によって、二酸化炭素を吸収した吸収液９０が加熱される。
ここで、リボイラ１２０に導入される、背圧タービン２７から排出された蒸気の温度は、前述した蒸気タービン設備２０における制御によって、所定の温度に設定されている。ここで、この所定の温度は、再生塔７０において効果的に二酸化炭素を放散できる温度に吸収液９０を加熱するのに必要な温度であり、使用する吸収液９０に対応して適宜に設定される。例えば、上記したアミン系水溶液を吸収液９０として使用した場合、効果的に二酸化炭素を放散できる温度は１００〜１２０℃である。すなわち、再生塔７０に導入された吸収液９０の温度を１００〜１２０℃に加熱できる熱量をリボイラ１２０で吸収液９０に与えられればよい。すなわち、二酸化炭素回収設備５０へ導入する蒸気の所定の温度は、加熱する吸収液９０の流量やリボイラ１２０に導入される蒸気の流量によっても異なるが、これらの流量を考慮すると、１３０〜１５０℃程度に設定されることが好ましい。
リボイラ１２０によって吸収液９０に熱を放出した蒸気は、図１に示すように、復水器２８に導かれ、復水となる。
また、二酸化炭素を放散し、再生された吸収液９０は、吸収液循環ポンプ１０１により、熱交換器１１０を介して再び吸収塔６０の上部へ戻される。ここで、吸収液９０は、熱交換器１１０を通過する際、吸収塔６０から再生塔７０に導かれる吸収液９０を加熱する。これにより、吸収塔６０に戻される吸収液９０の温度は、再生塔７０における温度よりも低い、吸収塔６０における燃焼排ガスの二酸化炭素の吸収に適した温度とされる。すなわち、熱交換器１１０は、リボイラ１２０から吸収液循環ポンプ１０１を介して供給された、比較的温度が高い再生済みの吸収液９０の熱を、吸収塔６０の下部から吸収液循環ポンプ１００を介して供給された、比較的温度が低く、吸収した二酸化炭素を放散させるために加熱が必要な二酸化炭素を吸収済みの吸収液９０に再生させる再生熱交換器である。
一方、再生塔７０において、吸収液９０から放散された二酸化炭素は、冷却器１１１を介して汽水分離器１３０に導かれ、水分が取り除かれた後に、二酸化炭素回収装置８０に導かれ回収される。また、汽水分離器１３０で分離された凝縮水は、再生塔７０に導かれる。
なお、吸収液循環ポンプ１００、吸収液循環ポンプ１０１、二酸化炭素回収装置８０等は、前述した制御装置（図示しない）によって制御される。
次に、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０におけるサイクル効率について説明する。
図３は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０における蒸気の状態変化をＴ−ｓ線図（温度−エントロピ線図）で示した図である。なお、図３には、比較のため、従来の一段再熱サイクルにおける状態変化も示している。また、ここでは、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０の高圧タービン２２に導入される蒸気の温度を６５０℃、従来の蒸気タービン発電設備における高圧タービン２２に導入される蒸気の温度を６２０℃とした一例を示している。なお、図３において、各タービンにおける膨張過程は断熱膨張を仮定している。
従来の蒸気タービン発電設備において、６→１は、ボイラ２１での等圧昇温、１→２は、高圧タービンにおける断熱膨張、２→３は、再熱器における等圧再熱、３→４は、中圧タービンおよび低圧タービンにおける断熱膨張を示す。また、４→５は、復水器における等温凝縮、５→６は、給水ポンプおよび給水加熱器における昇圧、昇温を示す。
一方、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０では、高圧タービン２２に導入される蒸気の温度は、従来の蒸気タービン発電設備の高圧タービンに導入される蒸気の温度よりも高いため、高圧タービン２２での断熱膨張は、１ａ→２ａとなる。また、中圧タービン２４および低圧タービン２５での断熱膨張は、３ａ→４ａとなる。
図３において、従来の蒸気状態値から上の蒸気状態値で囲まれる面積（図３の斜線で示された部分の面積）が仕事として取り出せるエネルギ増加分、すなわち高温化による効率向上の寄与分である。
また、背圧タービン２７における断熱膨張は、２ａ→７で表され、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度は、排出される蒸気の圧力Ｐｅｘにより決まる。例えば、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が、二酸化炭素回収設備５０で必要とする蒸気の温度（例えば、１５０℃）よりも低い場合には、圧力調整弁Ｖ２を絞ることにより、背圧タービン２７から排出される蒸気の圧力Ｐｅｘを上昇させる。これによって、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が上昇して、所定の温度に近づけることができる。また、二酸化炭素回収設備５０に導入される蒸気の流量が、所定の流量より少ない場合は、流量調整弁Ｖ１の開度を大きくすることにより、所定の流量に近づけることができる。
この際、高圧給水加熱器３４に供給される背圧タービン２７からの抽気流量は、従来と同様に給水流量（ボイラ負荷にほぼ比例）と抽気圧力に依存して高圧給水加熱器３４の能力により制御され、ほぼ給水流量に比例する。すなわち、配管４１を介して背圧タービン２７に導入される蒸気の流量は、背圧タービン２７から排出される蒸気の流量と高圧給水加熱器３４に供給される抽気流量との合計となる。この合計した流量は、ほぼ給水流量（ボイラ負荷）に比例する。
一般に、抽気流量は、給水加熱器一段あたりの給水流量の５％程度である。例えば、図１に示すような、高圧給水加熱器３４の３段に抽気する場合には、二酸化炭素回収設備５０に導入する蒸気の流量を給水流量の４０％とすると、「４０％＋３段×５％＝５５％」の蒸気流量が背圧タービン２７に導入されることになる。これは、前述した従来の給水ポンプ駆動用の抽気排圧タービンの負荷がボイラ負荷の２％程度（駆動蒸気流量では給水流量の１５％程度）と少ないことが原因で生じる、段落蒸気流量に比例する抽気圧力の変動や低運用性を克服するには十分な蒸気流量である。また、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０では、背圧タービン２７を駆動するための蒸気の流量は、給水流量にほぼ比例（すなわちボイラ負荷にほぼ比例）するため、抽気圧力は、ボイラ負荷に対してほぼ比例する。そのため、通常の蒸気タービン発電設備の抽気圧力の変化と同等の特性となり、運用性上の問題は生じない。
上記した制御により、背圧タービン２７用の発電機３５の出力は、流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整することで制御され、蒸気タービン発電設備１０全体の出力は、低圧タービン用の発電機２６と背圧タービン２７用の発電機３５の合計で決まる。そのため、所定の出力を得るには、高圧タービンに導入する蒸気の流量を、蒸気加減弁（図示しない）によって制御し、発電機２６、３５の出力を制御することにより可能となる。なお、発電機３５の出力は、ボイラ負荷にほぼ比例するため、発電機２６の出力にもほぼ比例し、制御性に優れる。
なお、二酸化炭素回収装置８０の吸収液９０の交換などのために、リボイラ１２０に導入する蒸気を遮断して蒸気タービン発電設備１０を運転する場合には、背圧タービン２７の出力を安定運転できる最低出力となるように流量調整弁Ｖ１を制御して、背圧タービン２７に導入される蒸気の流量を調整する。そして、配管４２に設けられた遮断弁（図示しない）を閉じて、二酸化炭素回収装置８０への蒸気の流入を遮断する。さらに、圧力調整弁Ｖ２を全開にして、背圧タービン２７から排出される蒸気の全量が、低圧給水加熱器３１に導入されるように制御する。
上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０によれば、高圧タービン２２から排出された蒸気を利用して、背圧タービン２７を駆動し、背圧タービン２７に設けられた発電機３５を駆動して発電を行うことができる。さらに、二酸化炭素回収装置８０の再生塔７０に必要なエネルギとして、背圧タービン２７で膨張仕事をした後のエクセルギの低い蒸気を利用することができる。これによって、エネルギの損失を抑制し、高い発電効率を得ることができる。
さらに、背圧タービン２７から抽気された蒸気の温度は５８０℃以下にすることができるので、背圧タービン２７と高圧給水加熱器３４との間の抽気管や高圧給水加熱器３４を構成する材料として、それらに従来使用されていた、例えば炭素鋼などの材料と同じものを使用することができる。また、高圧給水加熱器３４を流れる給水の温度と高圧給水加熱器３４に導かれる抽気の温度との差によって生じる熱応力の増加を防止することができる。
（第２の実施の形態）
図４は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１の概要を示す図である。図５は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１における蒸気の状態変化をＴ−ｓ線図（温度−エントロピ線図）で示した図である。なお、図５には、比較のため、従来の一段再熱サイクルにおける状態変化も示している。また、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。また、図５においては図３と同様に、各タービンにおける膨張過程は断熱膨張を仮定している。
第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１は、燃焼熱を利用して蒸気を発生させるボイラからの蒸気によって蒸気タービンを駆動し発電を行う蒸気タービン設備２０と、ボイラからの燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収設備５０とを備えている。
本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１では、蒸気タービン設備２０の背圧タービン２７の所定の段落に、中圧タービン２４から排出された蒸気の一部を導入する構成を備えた以外は、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０における構成と同じである。ここでは、この構成の異なる構成について主に説明する。なお、二酸化炭素回収装置８０の構成は、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０における二酸化炭素回収装置８０の構成と同じである。
また、ここでは、高圧タービン２２に導入される蒸気の温度が６５０℃よりも低く、高圧タービン２２から排出される蒸気の温度が、前述した第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０の高圧タービン２２から排出される蒸気の温度よりも低く、背圧タービン２７から排出される蒸気の状態が湿り域（図５に示された飽和蒸気線よりも下側の領域）に属するような場合を想定している。
なお、背圧タービン２７から排出される蒸気の状態が湿り域に属する場合には、タービンの最終段翼の侵食などの問題を有し、蒸気タービンの信頼性が低下する。
背圧タービン２７から排出される蒸気が湿り域にある場合、背圧タービン２７から排出される蒸気の圧力を高めることによって、蒸気の温度を飽和蒸気温度より高くすることができる。しかし、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度を、二酸化炭素回収設備５０で必要とする蒸気の温度（例えば、１５０℃）にするためには、背圧タービン２７から排出される蒸気の減圧減温が必要になり、エネルギ損失となる。
そこで、第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１では、中圧タービン２４から排出された蒸気の一部を背圧タービン２７の所定の段落に導入して蒸気の温度を上昇させることで、排出される蒸気の温度を適切に制御する。
第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１では、中圧タービン２４から排出された蒸気の一部を、脱気器３２に導く配管４４から分岐して、背圧タービン２７の所定の段落に導く配管４５を備えている。また、配管４５には、背圧タービン２７に導く蒸気の流量を調整するための流量調整弁Ｖ３が設けられている。この流量調整弁Ｖ３は、配管４２に設けられた蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報に基づいて、制御装置（図示しない）によって制御される。また、配管４２には、配管４２内の圧力に関する情報を検知するための圧力検出器Ｐ１が設けられている。圧力検出器Ｐ１からの検知情報は、制御装置に出力される。配管４３に設けられた圧力調整弁Ｖ２は、圧力検出器Ｐ１からの検知情報に基づいて、制御装置（図示しない）によって制御される。
なお、配管４５が連通する背圧タービン２７の所定の段落は、配管４５が連通する段落の圧力が、配管４５によって導かれる蒸気の圧力よりも低くなる段落である。すなわち、配管４５は、配管４５を流れる中圧タービン２４からの蒸気が、加圧装置等で加圧することなく流入することができる段落に連通するように設けられている。
上記した構成を備える第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１において、背圧タービン２７から排出される蒸気の圧力が一定（例えば、４００ｋＰａ程度）となるように圧力調整弁Ｖ２を制御する。さらに、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が、二酸化炭素回収設備５０で要求される所定の温度（例えば１５０℃）になるように流量調整弁Ｖ３を制御する。また、背圧タービン２７から排出される蒸気の流量は、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０の場合と同様に、流量調整弁Ｖ１によって調整される。また、流量調整弁Ｖ１、圧力調整弁Ｖ２および流量調整弁Ｖ３を制御することで、背圧タービン２７用の発電機３５の出力を調整することもできる。さらに、蒸気タービン発電設備１１全体の出力は、高圧タービン２２に導入する蒸気の流量を、蒸気加減弁（図示しない）によって制御することで調整することができる。
なお、ここでは、二酸化炭素回収設備５０へ導入する蒸気の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１、圧力調整弁Ｖ２および流量調整弁Ｖ３を調整する一例を示したが、例えば、二酸化炭素回収設備５０の再生塔７０における吸収液９０の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１、圧力調整弁Ｖ２および流量調整弁Ｖ３を調整してもよい。このように、吸収液９０の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１、圧力調整弁Ｖ２および流量調整弁Ｖ３を調整することで、適正な制御をするための時間遅れを小さくすることができる。この際、制御を安定化するために、吸収液９０の流量を関数として、流量調整弁Ｖ１、圧力調整弁Ｖ２および流量調整弁Ｖ３を制御してもよい。
次に、第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１におけるサイクル効率について、図５を参照して説明する。
第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１における背圧タービン２７に導入される蒸気の温度（２ａにおける温度）は、高圧タービン２２に導入する蒸気の温度が６５０℃よりも低いため、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０の背圧タービン２７に導入される蒸気の温度（図３の２ａにおける温度）よりも低くなる。また、第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１における背圧タービン２７から排出される蒸気の状態が湿り域（図５に示された飽和蒸気線よりも下側の領域）に属することが想定される。
そこで、第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１では、流量調整弁Ｖ３を調整し、飽和蒸気線より高温側（図５では、飽和蒸気線よりも上方側）の蒸気状態（ここでは、７ａとする）である、タービンの段落に、中圧タービン２４から排出された蒸気を混入する。そして、蒸気混入後の蒸気の温度を７ｂ（混入蒸気圧Ｐｍ）に示す蒸気状態の温度とし、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度を７ｃに示す蒸気状態の温度とする。それによって、背圧タービン２７から排出される蒸気状態を、飽和蒸気線より高温側（図５では、飽和蒸気線よりも上方側）の蒸気状態とすることができる。
このように、第２の実施の形態の蒸気タービン発電設備１１によれば、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０の作用効果に加えて、高圧タービン２２に導入される蒸気の温度が６５０℃よりも低い場合であっても、背圧タービン２７から排出される蒸気の状態を、飽和蒸気線より高温側（図５では、飽和蒸気線よりも上方側）の蒸気状態とすることができる。これによって、背圧タービン２７から排出される蒸気は、過熱蒸気の状態を維持することができる。そのため、タービンの最終段翼の侵食などの問題を生じることなく、高い信頼性を有する蒸気タービン発電設備が得られる。
（第３の実施の形態）
図６は、本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備１２の概要を示す図である。なお、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備１０と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備１２は、燃焼熱を利用して蒸気を発生させるボイラ２１などからの蒸気によって蒸気タービンを駆動し発電を行う蒸気タービン設備２０と、ボイラ２１などからの燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収設備５０とを備えている。
まず、蒸気タービン設備２０について説明する。
図６に示すように、蒸気タービン設備２０は、ボイラ２１、ボイラ２１内に設けられた過熱器２１ａ、第１の蒸気タービンとして機能する超高圧タービン３６、２つの蒸気タービンで構成される第２の蒸気タービンのうちの一方の蒸気タービンとして機能する高圧タービン２２、再熱器２３ａ、２３ｂ、第２の蒸気タービンのうちの他方の蒸気タービンとして機能する中圧タービン２４、第３の蒸気タービンとして機能する低圧タービン２５、低圧タービン２５用の発電機２６、第４の蒸気タービンとして機能する背圧タービン２７、復水器２８、復水ポンプ２９、グランド蒸気復水器３０、低圧給水加熱器３１、脱気器３２、ボイラ給水ポンプ３３、高圧給水加熱器３４を備えている。なお、ここでは、再熱器２３ａ、２３ｂは、過熱器２１ａと同様にボイラ２１に併設されている。
また、背圧タービン２７には、背圧タービン２７用の発電機３５が備えられている。なお、背圧タービン２７から排出された蒸気の一部は、二酸化炭素回収設備５０へ供給される構成となっている。
この蒸気タービン設備２０では、ボイラ２１の過熱器２１ａで発生した高温の蒸気は、超高圧タービン３６に導入され、膨張仕事をした後、再熱器２３ａに導入される。ここで、超高圧タービン３６に導入される蒸気の温度は、発電効率を向上させる観点から、６５０℃以上とすることが好ましい。例えば、７００℃程度、あるいはそれ以上の温度の蒸気を超高圧タービン３６に導入することもできる。
再熱器２３ａで再び高温の蒸気に加熱された蒸気は、高圧タービン２２に導入され、膨張仕事をした後、再熱器２３ｂに導入される。
再熱器２３ｂで再び高温の蒸気に加熱された蒸気は、中圧タービン２４に導入され、膨張仕事をした後、低圧タービン２５に導入される。
ここで、再熱器２３ａ、２３ｂで加熱され、高圧タービン２２や中圧タービン２４に導入される蒸気の温度は、発電効率を向上させる観点から、少なくともいずれか一方が６５０℃以上であることが好ましい。再熱器２３ａ、２３ｂから高圧タービン２２や中圧タービン２４に導入される蒸気の温度を、７００℃程度、あるいはそれ以上の温度とすることも可能である。
低圧タービン２５に導入され、膨張仕事をした蒸気は、復水器２８に導かれ、復水となる。また、低圧タービン２５から抽気された蒸気は、低圧給水加熱器３１に導かれ、給水を加熱する。また、低圧タービン２５は、発電機２６を駆動して発電する。
復水器２８の復水は、復水ポンプ２９によって、グランド蒸気復水器３０、低圧給水加熱器３１、脱気器３２へ送られ、ボイラ給水ポンプ３３によって昇圧され、高圧給水加熱器３４を経てボイラ２１に給水される。
また、超高圧タービン３６で膨張仕事をした後の蒸気の一部は、背圧タービン２７に導入される。そのため、超高圧タービン３６から排出された蒸気を再熱器２３ａに導く配管１５０から分岐して、超高圧タービン３６から排出された蒸気の一部を背圧タービン２７に導くための配管１５１が設けられている。背圧タービン２７に導かれた蒸気は、膨張仕事をした後、その一部が、配管４２を介して二酸化炭素回収設備５０へ供給され、その残りは、配管４２から分岐された配管４３を介して、上記した低圧タービン２５から抽気された蒸気とともに低圧給水加熱器３１に導かれる。また、配管４２から分岐された配管１５２を介して、背圧タービン２７から排出された蒸気の一部が脱気器３２に導かれ、脱気器３２に必要な熱源として利用される。
ここで、背圧タービン２７に導入される蒸気の温度は、５９０℃〜６２０℃程度である。また、背圧タービン２７から抽気された蒸気は、高圧給水加熱器３４に導かれ、給水を加熱する。また、背圧タービン２７は、発電機３５を駆動して発電する。
また、超高圧タービン３６で膨張仕事をした後の蒸気の一部は、高圧給水加熱器３４に供給され、給水を加熱する。
なお、例えば、超高圧タービン３６に導入される主蒸気の温度が７００℃程度の場合、背圧タービン２７には、超高圧タービン３６で膨張仕事をした後の、温度が５９０℃〜６２０℃程度の蒸気を導入することができる。そのため、背圧タービン２７から抽気された蒸気の温度は５８０℃以下にすることができるので、背圧タービン２７と高圧給水加熱器３４との間の抽気管や高圧給水加熱器３４を構成する材料として、それらに従来使用されていた、例えば炭素鋼などの材料と同じものを使用することができる。また、高圧給水加熱器３４を流れる給水の温度と高圧給水加熱器３４に導かれる抽気の温度との差によって生じる熱応力の増加を防止することができる。
一般に、二段再熱サイクルの超高圧タービン３６から排出される蒸気の温度（後述する図７の２ａにおける温度）は、例えば、第１の実施の形態で示したような一段再熱サイクルの高圧タービン２２から排出される蒸気の温度（図３の２ａにおける温度）よりも高い。そのため、超高圧タービン３６から排出される蒸気の温度は、５８０℃を超える可能性が高い。そこで、超高圧タービン３６から排出される蒸気の温度が５８０℃を超える場合には、図６に示すように、例えば、高圧給水加熱器３４とボイラ２１との間の配管を流れる給水と、超高圧タービン３６から排出された蒸気を高圧給水加熱器３４に導く配管を流れる蒸気との間で熱交換可能な熱交換器１６０を設けることが好ましい。これによって、高圧給水加熱器３４に導入される蒸気の温度を５８０℃以下とすることができる。
ここで、配管１５１には、背圧タービン２７に導く蒸気の流量を調整するための流量調整弁Ｖ１が設けられている。また、配管４３には、背圧タービン２７から排出される蒸気の圧力を調整するための圧力調整弁Ｖ２が設けられている。また、配管４２には、配管４２内を流れる蒸気の流量に関する情報を検知するための蒸気流量検出器Ｆ１が設けられている。また、配管４２には、配管４２内を流れる蒸気の温度に関する情報を検知するための蒸気温度検出器Ｔ１が設けられている。
これらの蒸気流量検出器Ｆ１および蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報は、図示しない制御装置に出力される。また、制御装置は、流量調整弁Ｖ１や圧力調整弁Ｖ２を制御可能に設けられ、蒸気流量検出器Ｆ１および蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報に基づいて、流量調整弁Ｖ１や圧力調整弁Ｖ２の、弁の開閉や弁開度などを調整する。制御装置は、例えば、蒸気流量検出器Ｆ１からの検知情報に基づいて、流量調整弁Ｖ１を制御し、蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報に基づいて、圧力調整弁Ｖ２を制御する。このように、検出器、調整弁、制御装置を設けることで、配管４２を介して二酸化炭素回収設備５０へ導入される蒸気の流量や温度を適正に制御することができる。
また、二酸化炭素回収設備５０へ導入する蒸気の温度は、所定の温度に制御する必要がある。流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整し、蒸気流量検出器Ｆ１および蒸気温度検出器Ｔ１からの検知情報に基づいてフィードバック制御することによって、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度、すなわち二酸化炭素回収設備５０へ導入する蒸気の温度を所定の温度に制御することができる。具体的には、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が、二酸化炭素回収設備５０で必要とする蒸気の温度よりも低い場合には、圧力調整弁Ｖ２を絞ることにより、背圧タービン２７から排出される蒸気の圧力を上昇させる。これによって、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が上昇して、所定の温度に近づけることができる。なお、温度の微調整が必要な場合には、例えば、配管４２の一部をスプレー水などで冷却して温度調整を行ってもよい。また、二酸化炭素回収設備５０に導入される蒸気の流量が、所定の流量より少ない場合は、流量調整弁Ｖ１の開度を大きくすることにより、所定の流量に近づけることができる。
なお、ここでは、二酸化炭素回収設備５０へ導入する蒸気の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整する一例を示したが、例えば、二酸化炭素回収設備５０の再生塔における吸収液の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整してもよい。このように、吸収液の温度に基づいて、流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整することで、適正な制御をするための時間遅れを小さくすることができる。この際、制御を安定化するために、吸収液の流量を関数として流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を制御してもよい。
ここで、蒸気タービン発電設備１２における発電出力は、低圧タービン２５用の発電機２６と、背圧タービン２７用の発電機３５の合計出力が目標出力に合うように、超高圧タービン３６に導入する主蒸気の流量を調整する蒸気加減弁（図示しない）によって制御される。
次に、第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備１２におけるサイクル効率について説明する。
図７は、本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備１２における蒸気の状態変化をＴ−ｓ線図（温度−エントロピ線図）で示した図である。なお、図７には、比較のため、従来の二段再熱サイクルにおける状態変化も示している。また、ここでは、第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備１２の超高圧タービン３６に導入される蒸気の温度を６５０℃、従来の蒸気タービン発電設備における超高圧タービンに導入される蒸気の温度を６２０℃とした一例を示している。さらに、図７においては、図３および図５と同様に、各タービンにおける膨張過程は断熱膨張を仮定している。
従来の蒸気タービン発電設備において、８→１は、ボイラ２１での等圧昇温、１→２は、超高圧タービンにおける断熱膨張、２→３は、再熱器における等圧再熱、３→４は、高圧タービンにおける断熱膨張、４→５は、再熱器における等圧再熱、５→６は、中圧タービンおよび低圧タービンにおける断熱膨張を示す。また、６→７は、復水器における等温凝縮、７→８は、給水ポンプおよび給水加熱器における昇圧、昇温を示す。
一方、第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備１２では、超高圧タービン３６に導入される蒸気の温度は、従来の蒸気タービン発電設備の超高圧タービンに導入される蒸気の温度よりも高いため、超高圧タービン３６での断熱膨張は、１ａ→２ａとなる。また、高圧タービン２２での断熱膨張は、３ａ→４ａとなる。また、中圧タービン２４および低圧タービン２５での断熱膨張は、５ａ→６ａとなる。
図７において、従来の蒸気状態値から上の蒸気状態値で囲まれる面積（図７の斜線で示された部分の面積）が仕事として取り出せるエネルギ増加分、すなわち高温化による効率向上の寄与分である。
また、背圧タービン２７における断熱膨張は、２ａ→９で表され、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度は、排出される蒸気の圧力Ｐｅｘにより決まる。例えば、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が、二酸化炭素回収設備５０で必要とする蒸気の温度（例えば、１５０℃）よりも低い場合には、圧力調整弁Ｖ２を絞ることにより、背圧タービン２７から排出される蒸気の圧力Ｐｅｘを上昇させる。これによって、背圧タービン２７から排出される蒸気の温度が上昇して、所定の温度に近づけることができる。また、二酸化炭素回収設備５０に導入される蒸気の流量が、所定の流量より少ない場合は、流量調整弁Ｖ１の開度を大きくすることにより、所定の流量に近づけることができる。
この際、高圧給水加熱器３４に供給される背圧タービン２７からの抽気流量は、従来と同様に給水流量（ボイラ負荷にほぼ比例）と抽気圧力に依存して高圧給水加熱器３４の能力により制御され、ほぼ給水流量に比例する。すなわち、配管１５１を介して背圧タービン２７に導入される蒸気の流量は、背圧タービン２７から排出される蒸気の流量と高圧給水加熱器３４に供給される抽気流量との合計となる。この合計した流量は、ほぼ給水流量（ボイラ負荷）に比例する。
一般に、抽気流量は、給水加熱器一段あたりの給水流量の５％程度である。例えば、図６に示すような、高圧給水加熱器３４の４段に抽気する場合には、二酸化炭素回収設備５０に導入する蒸気の流量を給水流量の４０％とすると、「４０％＋４段×５％＝６０％」の蒸気流量が背圧タービン２７に導入されることになる。これは、前述した従来の給水ポンプ駆動用の抽気排圧タービンの負荷がボイラ負荷の２％程度（駆動蒸気流量では給水流量の１５％程度）と少ないことが原因で生じる、段落蒸気流量に比例する抽気圧力の変動や低運用性を克服するには十分な蒸気流量である。また、第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備１２では、背圧タービン２７を駆動するための蒸気の流量は、給水流量にほぼ比例（すなわちボイラ負荷にほぼ比例）するため、抽気圧力は、ボイラ負荷に対してほぼ比例する。そのため、通常の蒸気タービン発電設備の抽気圧力の変化と同等の特性となり、運用性上の問題は生じない。
上記した制御により、背圧タービン２７用の発電機３５の出力は、流量調整弁Ｖ１および圧力調整弁Ｖ２を調整することで制御され、蒸気タービン発電設備１０全体の出力は、低圧タービン用の発電機２６と背圧タービン２７用の発電機３５の合計で決まる。そのため、所定の出力を得るには、高圧タービンに導入する蒸気の流量を、蒸気加減弁（図示しない）によって制御し、発電機２６、３５の出力を制御することにより可能となる。なお、発電機３５の出力は、ボイラ負荷にほぼ比例するため、発電機２６の出力にもほぼ比例し、制御性に優れる。
なお、二酸化炭素回収装置８０の吸収液９０の交換などのために、リボイラ１２０に導入する蒸気を遮断して蒸気タービン発電設備１２を運転する場合には、背圧タービン２７の出力を安定運転できる最低出力となるように流量調整弁Ｖ１を制御して、背圧タービン２７に導入される蒸気の流量を調整する。そして、配管４２に設けられた遮断弁（図示しない）を閉じて、二酸化炭素回収装置８０への蒸気の流入を遮断する。さらに、圧力調整弁Ｖ２を全開にして、背圧タービン２７から排出される蒸気の全量が、低圧給水加熱器３１に導入されるように制御する。
上記したように、第３の実施の形態の蒸気タービン発電設備１２によれば、超高圧タービン３６から排出された蒸気を利用して、背圧タービン２７を駆動し、背圧タービン２７に設けられた発電機３５を駆動して発電を行うことができる。さらに、二酸化炭素回収装置８０の再生塔７０に必要なエネルギとして、背圧タービン２７で膨張仕事をした後のエクセルギの低い蒸気を利用することができる。これによって、エネルギの損失を抑制し、高い発電効率を得ることができる。
さらに、背圧タービン２７から抽気された蒸気の温度は５８０℃以下にすることができるので、背圧タービン２７と高圧給水加熱器３４との間の抽気管や高圧給水加熱器３４を構成する材料として、それらに従来使用されていた、例えば炭素鋼などの材料と同じものを使用することができる。また、高圧給水加熱器３４を流れる給水の温度と高圧給水加熱器３４に導かれる抽気の温度との差によって生じる熱応力の増加を防止することができる。
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
１０，１１，１２…蒸気タービン発電設備、２０…蒸気タービン設備、２１…ボイラ、２１ａ…過熱器、２２…高圧タービン、２３，２３ａ，２３ｂ…再熱器、２４…中圧タービン、２５…低圧タービン、２６，３５…発電機、２７…背圧タービン、２８…復水器、２９…復水ポンプ、３０…グランド蒸気復水器、３１…低圧給水加熱器、３２…脱気器、３３…ボイラ給水ポンプ、３４…高圧給水加熱器、３６…超高圧タービン、４０，４１，４２，４３，４４，４５，１５０，１５１，１５２…配管、５０…二酸化炭素回収設備、６０…吸収塔、６１…燃焼排ガス供給口、７０…再生塔、８０…二酸化炭素回収装置、９０…吸収液、１００，１０１…吸収液循環ポンプ、１１０，１６０…熱交換器、１１１…冷却器、１２０…リボイラ、１３０…汽水分離器、Ｆ１…蒸気流量検出器、Ｐ１…圧力検出器、Ｔ１…蒸気温度検出器、Ｖ１，Ｖ３…流量調整弁、Ｖ２…圧力調整弁。

Claims (7)

  1. 燃焼熱を利用して蒸気を発生させるボイラからの蒸気によって蒸気タービンを駆動し、復水器によって蒸気タービンを駆動した蒸気を復水とし、給水加熱器を介して前記復水を前記ボイラに導入する蒸気タービン設備と、前記ボイラからの燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収設備とを具備する蒸気タービン発電設備において、
    前記蒸気タービン設備が、
    前記ボイラの過熱器からの主蒸気が導入される第１の蒸気タービンと、
    前記第１の蒸気タービンから排出された蒸気を再加熱する再熱器と、
    前記再熱器で再加熱された蒸気が導入される第２の蒸気タービンと、
    前記第２の蒸気タービンから排出された蒸気が導入される第３の蒸気タービンと、
    前記第３の蒸気タービンによって駆動される第１の発電機と、
    前記第１の蒸気タービンから排出された蒸気の一部が導入される第４の蒸気タービンと、
    前記第４の蒸気タービンによって駆動される第２の発電機と
    を備え、
    前記二酸化炭素回収設備が、
    前記ボイラからの燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液により吸収する吸収塔と、
    前記第４の蒸気タービンから排出された蒸気を利用して、二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱し、当該吸収液から二酸化炭素を分離する再生塔と、
    前記再生塔で分離された二酸化炭素を回収する回収装置と
    を備えることを特徴する蒸気タービン発電設備。
  2. 前記第２の蒸気タービンが２つの蒸気タービンで構成され、一方の蒸気タービンには、前記第１の蒸気タービンから排出された蒸気を前記再熱器で再加熱した蒸気が導入され、他方の蒸気タービンには、前記一方の蒸気タービンから排出された蒸気を前記再熱器で再加熱した蒸気が導入され、前記他方の蒸気タービンから排出された蒸気が前記第３の蒸気タービンに導入されることを特徴する請求項１記載の蒸気タービン発電設備。
  3. 前記第４の蒸気タービンから抽気された蒸気が前記給水加熱器に導かれることを特徴する請求項１または２項記載の蒸気タービン発電設備。
  4. 前記第４の蒸気タービンから排出される蒸気の圧力を調整する圧力調整弁を備えることを特徴する請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン発電設備。
  5. 前記第２の蒸気タービンから排出される蒸気の一部を、前記第４の蒸気タービンの所定の段落に流量を調整しながら導入するための流量調整弁を備えることを特徴する請求項１記載の蒸気タービン発電設備。
  6. 前記再生塔における吸収液の温度に基づいて、前記再生塔における前記吸収液の加熱に利用される、前記第４の蒸気タービンから排出された蒸気の流量を調整する流量調整弁を備えることを特徴する請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン発電設備。
  7. 前記再生塔における吸収液の流量に基づいて、前記再生塔における前記吸収液の加熱に利用される、前記第４の蒸気タービンから排出された蒸気の流量を調整する流量調整弁を備えることを特徴する請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン発電設備。
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