JPH0486308A

JPH0486308A - 蒸気冷却ガスタービンコンバインドプラント

Info

Publication number: JPH0486308A
Application number: JP20126490A
Authority: JP
Inventors: Kazue Nagata; 永田　一衛; Hitoshi Tanabe; 田邊　仁志; Masafumi Fukuda; 雅文福田; Toshimi Matsuura; 松浦　敏美
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-03-18
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JP2685336B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、ガスタービンの動静翼の冷却媒体として蒸気
を用いる蒸気冷却ガスタービンコンバインドプラントに
係り、特に排熱回収ボイラからの蒸気を冷却蒸気として
用いる際の冷却蒸気制御装置に関する。

（従来の技術）一般に、コンバインドサイクル発電の熱効率向上は、ガ
スタービンの高温化により達成され、近年のガスタービ
ンでは、タービン入１」温度で１１００°Ｃ〜１３００
°Ｃとなっている。

一方、タービン通路の動静翼は、従来から、コンプレッ
サの吐出空気またはコンプレッサ途中段からの抽気空気
をタービン動静翼の内部に流すことにより冷却され、高
温ガス中での強度が保たれている。

ところで、タービン入口温度は、今後型々高温化してい
くことが予想され、それに伴ないタービン動静翼の冷却
を一層強化しなければならないが、そのためには、多量
の冷却空気が必要となる。ところが、冷却空気は翼を冷
却した後、タービンの主流ガスに合流するため、タービ
ンの途中段の主流ガス温度を下げてしまい、プラント効
率が低下するという問題がある。

すなわち、タービンの高温化を行なうと、タービンの入
口温度の上昇による効率向上と、冷却空気で主流ガス温
度が降下することによる効率低下との両要素が共存して
いるため、タービン入口温度を徐々に上げていくと、１
３００°Ｃの近傍において後者の影響が大きくなり、空
気冷却の方法では、１３００℃以上の高温では、逆に熱
効率の低下を来たすようになる。第７図はその一例を示
すもので、タービン入口温度１３００℃、１４００℃に
おいて、コンバインドプラント熱効率は、それぞれ４７
．２％、４７．０％になっている。

この対策として、蒸気を冷却媒体にしてタービンの動静
翼内に流し冷却する方法が提案されており、その蒸気源
としては、ガスタービンの排熱を回収して蒸気発生を行
なう排熱回収ボイラ（以下ＨＲ３Ｇと称す）の蒸気を利
用するのが、効率上、信頼性確保上、および系統構成上
から好ましい。

また、高温部材冷却後の蒸気は、それ自身加熱されて高
いエンタルピを有しているので、コンパイドサイクルの
蒸気タービンに流入させて動力として回収することが、
全体の熱効率向上の観点からも好ましい。

（発明が解決しようとする課題）ところで、蒸気冷却ガスタービンコンバインドプラント
において、ＨＲ３Ｇの発生蒸気を、ガスタービンの冷却
用に使用するとともに、冷却後の蒸気を蒸気タービンに
回収することを考えた場合、冷却蒸気の流量が適切であ
るとともに、冷却蒸気の圧力が適切であることが要求さ
れる。

すなわち、冷却蒸気流量は、ＨＲ８Ｇの取出し部の蒸気
圧力と、蒸気回収部（蒸気タービンへの流入部）との圧
力差で決まるため、−旦冷却蒸気系統を決めてしまえば
、ガスタービンの負荷により冷却蒸気流量は自動的に決
まってしまう。したがって、いかなるガスタービン負荷
においても冷却蒸気流量の下限を下廻らないよう、ＨＲ
８Ｇの蒸気取出し部位と蒸気タービンの蒸気回収部位を
設計上の圧力バランスにより決定するため、負荷帯を通
じて設計流量より多めの冷却蒸気流量となるような系統
設計となってしまう。

この方法では、ガスタービンの高温部材の保護は可能で
あるか、必要以上に冷却することにより、高温部材の熱
応力の負荷帯による不均一、全体効率の低下を来たす。

冷却蒸気は、必要最少限を流し、余剰の蒸気は蒸気ター
ビンで仕事をさせた方か、全体の熱効率上からは好まし
い。

また、冷却蒸気は、ガスタービンの動静翼等の高温部材
の内部を流れて内側より高温部材を冷却するものである
ので、本来はガスタービンのガスとは接触しないのが原
則であるが、接合部や静止部と回転部との摺動部等のわ
ずかな隙間からのリークが皆無とはいえない。そして、
ガス圧力よりも蒸気圧力が低く、ガスが蒸気流路側に混
入した場合には、回収蒸気に不純ガス成分が溶存したり
混入することになり、それが蒸気タービンを通ってｆ（
Ｒ８Ｇの蒸気系を循環するため、内部腐食等が問題とな
る。このため、常に蒸気側の圧力をガス圧力よりも高く
保ち、仮えリークが発生しても、蒸気がガス側にリーク
するようにしておく必要がある。

本発明は、かかる現況に鑑みなされたもので、各運転負
荷において、必要最少限の冷却蒸気流量を過不足なく供
給することができるとともに、常に蒸気側の圧力をガス
圧力よりも高く保つことができる蒸気冷却ガスタービン
コンバインドプラントを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は、前記目的を達成する手段として、ガスタービ
ン高温部材を、排熱回収ホイラから冷却蒸気調節手段を
介し供給される蒸気により冷却するとともに、冷却後の
蒸気を、蒸気タービンに回収する蒸気冷却ガスタービン
コンバインドプラントにおいて、ガスタービン高温部材
への熱負荷を表わすパラメータを検出する熱負荷検出手
段と、この熱負荷検出手段からの信号に基づき冷却蒸気
要求値を演算する演算手段と、前記冷却蒸気要求値と冷
却蒸気流量検出手段からの冷却蒸気流量信号との偏差に
応じた制御信号を出力する第１制御手段と、ガスパス圧
力を表わす運転パラメータを検出する圧力検出器と、こ
の圧力検出器からの信号にバイアス値を加え蒸気圧力設
定信号として出力する加算器と、前記蒸気圧力設定信号
と冷却蒸気圧力検出手段からの冷却蒸気圧力信号との偏
差に応じた制御信号を出力する第２制御手段と、前記両
制御手段からの制御信号のうち高い値の信号により前記
冷却蒸気調節手段を制御する高値選択手段とをそれぞれ
設けるようにしたことを特徴とする。

（作用）本発明に係る蒸気冷却ガスタービンコンバインドプラン
トにおいては、ガスタービン高温部材への熱負荷を表わ
すパラメータが熱負荷検出器により検出されるとともに
、この信号に基づき演算手段において冷却に必要な最少
限の冷却蒸気要求値が演算される。そして、この冷却蒸
気要求値と実際の冷却蒸気流量との偏差に応じた制御信
号が、第１制御手段から出力される。したがって、この
制御信号を用いて冷却蒸気調節手段を制御することによ
り、ガスタービンの熱負荷に応じた必要最少限の冷却蒸
気流量が得られる。

一方、圧力検出器では、ガスパス圧力を表わす運転パラ
メータが検出されるとともに、加算手段においてこの信
号にバイアス値が加えられ、蒸気圧力設定信号として出
力される。そして、この蒸気圧力設定信号と実際の冷却
蒸気圧力との偏差に応じた制御信号が、第２制御手段か
ら出力される。

したがって、この制御信号を用いて冷却蒸気調節手段を
制御することにより、冷却蒸気の圧力を、ガス圧力より
も前記バイアス値分だけ常に高く保つことが可能となる
。

ところで、前記第１制御手段からの制御信号のみにより
冷却蒸気調節手段を制御する場合、冷却には最適である
が圧力が不足するおそれがあり、逆に前記第２制御手段
からの制御信号のみにより冷却蒸気調節手段を制御する
場合、圧力は適切であるが流量が不足するおそれがある
。

そこで、本発明においては、高値選択手段で両制御信号
のうちの高い値の信号を選択し、この信号により冷却蒸
気調節手段を制御することで、このような不具合を解消
している。

（実施例）以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第４図を参照
して説明する。

第２図は、本発明に係る蒸気冷却ガスタービンコンバイ
ンドプラントの一例を示すもので、図中、符号１は、タ
ービン２および燃焼器３とともにカスタービンを構成す
るコンプレッサであり、このコンプレッサ１で昇圧され
た空気と燃料制御弁４で流量制御された燃料とは、燃焼
器３で混合燃焼され、タービン２を駆動して発電を行な
うようになっている。そして、ガスタービンの排ガスは
、第２図に示すように、ＨＲ８Ｇ５に送られて蒸気また
は水と熱交換した後、排出されるようになっており、Ｈ
Ｒ８Ｇ５で発生した高温の蒸気は、蒸気タービン６に流
入して発電するようになっている。

この蒸気タービン６の排気蒸気は、第２図に示すように
、復水器７で水となるとともに、給水ポンプ８でＨＲＳ
　Ｇ　５に送られ、節炭器９でガスタービン排ガスと熱
交換し昇温して蒸気ドラム１０に流入するようになって
いる。

この蒸気ドラム１０には、第２図に示すように、蒸発器
１１が設けられ、ガスタービンの排ガスの熱を受けてド
ラム水の昇温、蒸発を行なうようになっており、蒸気ド
ラム１０で発生した飽和蒸気は、加熱器１−２において
ガスタービンの高温の排ガスでさらに加熱され、過熱蒸
気として蒸気タービン６に送られるようになっている。

前記加熱器１２人側の蒸気の一部は、第２図に示すよう
に、冷却蒸気調節弁１−３を介しガスタービン冷却器１
４に導かれ、ガスタービンの高温部の動静翼内部を冷却
するようになっており、この冷却により加熱された冷却
蒸気は、前記蒸気タービン６の低圧段に回収されるよう
になっている。

そして、前記冷却蒸気調節弁１３は、第２図に示すよう
に、コンプレッサ出Ｌ１圧力検出器１５、冷却蒸気流量
検出器１６および冷却蒸気圧力検出器Ｊ７からの各出力
信号がフィードバック要素として入力される制御装置２
０により、開度制御されるようになっている。

前記制御装置２０は、第１−図に示すように、前記コン
プレッサ出口圧力検出器１５からの出力信号とバイアス
設定器２１からのバイアス信号とを加算する加算器２２
を備えており、この加算器２２から出力される蒸気圧力
設定信号２３は、前記冷却蒸気圧力検出器１７からの実
際の冷却蒸気圧力信号とともに減算器２４に入力され、
その偏差が演算されるようになっている。そしてこの偏
差は、Ｐ■コントローラ２５で処理された後、蒸気圧力
確保のための制御信号２６として後述する高値選択器２
７に入力されるようになっている。

前記コンプレッサ出口圧力検出器１５がらの圧力信号は
また、第１−図に示すように、ガスタービンの運転負荷
を適確に表わすパラメータとして関数発生器２８に入力
されるようになっており、この関数発生器２８から出方
される冷却蒸気要求値２９は、前記冷却蒸気流量検出器
１６がらの実際の冷却蒸気流量信号とともに減算器３ｏ
に入力され、その偏差が演算されるようになっている。

そしてこの偏差は、ＰＩコントローラ３１で処理された
後、必要最少限の冷却蒸気流量を得るための制御信号３
２として高値選択器２７に入力されるようになっている
。

この高値選択器２７は、第１図に示すように、入力され
る両制御信号２６．３２を比較し、そのうちの高い値の
信号を常に選択するようになって１　］おり、選択された信号は、弁開度制御信号３３として前
記冷却蒸気調節弁１３に与えられるようになっている。

そしてこれにより、ガスタービンの高温部材への冷却蒸
気流量が制御されるとともに、冷却蒸気流量が少なくて
もよい場合でも、蒸気圧力がガス圧力子バイアス信号下
に低下しないよう制御されるようになっている。

次に、本実施例の作用について説明する。

コンプレッサ出口圧力検出器１５からの圧力信号は、バ
イアス設定器２１からのバイアス信号と加算器２２で加
算され、加算器２２からの蒸気圧力設定信号２３と冷却
蒸気圧力検出器１７からの冷却蒸気圧力信号とは、減算
器２４でその偏差が求められる。そして、この偏差は、
ＰＩコントローラ２３を介し、蒸気圧力確保のための制
御信号２６として高値選択器２７に入力される。

一方、冷却蒸気流量要求値は、ガスタービンの運転負荷
を適確に表わすコンプレッザ出［−１圧力信号を関数発
生器２８に入力することにより求められる６、このよう
にして求められた冷却蒸気要求値２９は、減算器３０に
おいて、冷却蒸気流量検出器１−６からの冷却蒸気流量
信号との間で偏差が求められ、この偏差は、ＰＩコント
ローラ３１を介し、冷却蒸気流量制御用の制御信号３２
として高値選択器２７に入力される。

高値選択器２７は、入力された両制御信号２６゜３２を
比較し、そのうちの高い値の信号を常に選択し、弁開度
制御信号３３として冷却蒸気調節弁１３に与える。冷却
蒸気調節弁１３は、この弁開度制御信号３３により開度
制御され、ガスタービンの高温部材への冷却蒸気流量が
制御される。

第３図は、関数発生器２８のカーブの一例を示すもので
、このカーブは、燃焼ガス温度のト昇とガスタービン高
温部材の冷却必要蒸気量とから決定される。

第４図は、ガスタービン負荷に対する燃焼ガス温度と冷
却必要蒸気量との関係を示すもので、図中、符号Ａは燃
焼ガス温度、符号Ｂは、冷却なしの場合のガスタービン
高温部の平均メタル温度、符号Ｃは翼メタル温度の制限
値、符号りは冷却した場合のガスタービン高温部の平均
メタル温度、符号Ｅは必要交換熱は、符号Ｆは冷却必要
蒸気量をそれぞれ示す。

第４図からも明らかなように、翼メタル温度が制限値Ｃ
を越えたＸ点から冷却蒸気が必要となり、その量はガス
タービン負荷の上昇に伴ない増加する。冷却蒸気の増加
により、冷却なしの場合のガスタービン高温部の平均メ
タル温度Ｂは、Ｘ点で冷却を開始することにより、符号
りで示すようになり、制限値Ｃ内に制限される。

コンプレッサ出口圧力は、ガスタービン負荷とほぼ等価
の量であるため、第３図のカーブは、横軸をコンプレッ
サ出口圧力として第４図の冷却必要蒸気量Ｆを決定して
いる。

なお、前述のように、第４図のＸ意思下では、翼メタル
温度が許容値以下であるため、本来蒸気冷却は必要ない
が、冷却蒸気調節弁１３を全閉してしまうと、ガスター
ビン冷却器１４内の冷却蒸気圧力が下かり、ガス圧力よ
りも低くなってしまう。そこで本実施例では、高値選択
器２７により、冷却蒸気圧力が、ガス圧力にバイアス値
を加えた値より低くならないようにしている。

しかして、冷却蒸気流量を過不足なく供給でき、余剰供
給による効率低下や冷却不足によるガスタービン翼の損
傷を防ＩＦすることができる。また、ガスの蒸気ライン
への混入も確実に防止することができる。

第５図および第６図は、本発明の第２実施例を示すもの
で、前記第１実施例における制御装置２０に代え、排ガ
ス温度検出器４１からの排ガス温度信号もフィードバッ
ク要素とする制御装置４０を用いるようにしたものであ
る。

すなわち、この制御装置４０は、第５図に示すように、
演算器４２を備えており、この演算器４２は、排ガス温
度検出器４１からの排ガス温度信号と、コンプレッサ出
口圧力検出器１５からの圧力比に関する信号とでガスタ
ービン入口温度を演算するとともに、この温度を変換（
例えば係数で変換）して翼メタル温度の推定値を求める
ようになっている。

この演算器４２で求められた推定値は、第５図に示すよ
うに、設定器４３からの翼メタルの制御制限目標温度と
の偏差が減算器４４で求められ、この信号は、Ｐ■コン
トローラ４５を介し出力されてＰＩコントローラ３１か
らの出力信号とかけ算器４６で１つ制御信号３２とされ
た後、高値選択器２７に入力されるようになっている。

前記演算器４２での計算式の例を以下に示す。

（演算器４２の出力）−（係数Ｋ　１）×（排ガス温度
）×（コンプレッサ出口圧力）×（係数に２）・・・・・・（１）なお、その他の点については、前記第１実施例と同一構
成となっており、作用も同一である。

しかして、このように構成しても、Ａｉｆ記第１実施例
と同様の効果が期待できる。

なお、前記両実施例では、冷却蒸気調節手段として調節
弁１３を用いる場合について説明したが、電動弁、ピス
トン弁、可変オリフィス等、他の調節手段を用いるよう
にしてもよい。また、冷却器気必要量をコンプレッサ出
口圧力で決定せず、燃料流量やガスタービン負荷等、ガ
スタービンの運転負荷を表わすパラメータであれば、ど
のようなものを用いてもよい。

また、前記両実施例では、蒸気流量の検出手段として、
蒸気流量を直接検出する検出器１６を用いる場合につい
て説明したが、冷却部前後の蒸気圧力や温度と冷却蒸気
流路部の抵抗係数とから、実蒸気流量を推定計算し、こ
の信号をフィードバック信号とするようにしてもよい。

また、コンプレッサ出［１圧力をカス圧力信号とせず、
ガスパス圧力を用いるようにしてもよい。

また、■Ｉ記両実施例では、蒸気流量の設定に対して、
蒸気流量を合致すべく制御しているか、第４図に示すよ
うに、必要交換熱量がガスタービン負荷によって与えら
れるので、この必要交換熱量を設定値として蒸気流量制
御するようにしてもよい。この場合のフィードバック量
は、交換熱量でなければならないので、実交換熱量は、
冷却器の入口と出Ｉ」の蒸気圧力からゴンタルピと蒸気
流量とにより演算して求めることになる。

また、前記両実施例では、冷却蒸気調節弁を計算で求め
る場合について説明したか、直接計測された高温部の翼
メタル温度またはこの温度を推定できる近傍の温度が、
設定温度（翼メタルの制御制限目標温度）になるよう蒸
気流量を制御するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、蒸気冷却ガスタ
ービンの冷却蒸気流量を、最適かつ確実に制御すること
ができ、効率および信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る蒸気冷却ガスタービ
ンコンバインドプラントの制御装置を示すブロック図、
第２図はプラントの全体構成図、第３図は関数発生器の
カーブの一例を示すグラフ、第４図はガスタービン負荷
に対する燃焼ガス温度、冷却蒸気要求量、熱交換量、高
温部の平均メタル温度の推移を示すグラフ、第５図は本
発明の第２実施例を示す第１図相当図、第６図は同様の
第２図相当図、第７図はタービン入口温度とコンバイン
ドサイクル熱効率との関係を示すグラフである。１・・・コンプレッサ、２・・・タービン、５・・・Ｈ
Ｒ８Ｇ、６・・・蒸気タービン、１３・・・冷却蒸気調
節弁、１４・・・ガスタービン冷却器、１５・・・コン
プレッサ出口圧力検出器、１６・・・冷却蒸気流量検出
器、１−７・・・冷却蒸気圧力検出器、２０．４０・・
・制御装置、２１・・・バイアス設定器、２２．　２４
．　３０．　４４・・・減算器、２３・・・蒸気圧力設
定信号、２５．　３１゜４５・・・ＰＩコントローラ、
２６．３２・・・制御信号、２７・・・高値選択器、２
８・・・関数発生器、２９・・・冷却蒸気要求値、３３
・・・弁開度制御信号、４１・・・排ガス温度検出器、
４２・・・演算器、４３・・・メタルの制御制限目標温
度設定器、４６・・・かけ算器。

Claims

【特許請求の範囲】

ガスタービン高温部材を、排熱回収ボイラから冷却蒸気
調節手段を介し供給される蒸気により冷却するとともに
、冷却後の蒸気を、蒸気タービンに回収する蒸気冷却ガ
スタービンコンバインドプラントにおいて、ガスタービ
ン高温部材への熱負荷を表わすパラメータを検出する熱
負荷検出手段と、この熱負荷検出手段からの信号に基づ
き冷却蒸気要求値を演算する演算手段と、前記冷却蒸気
要求値と冷却蒸気流量検出手段からの冷却蒸気流量信号
との偏差に応じた制御信号を出力する第１制御手段と、
ガスパス圧力を表わす運転パラメータを検出する圧力検
出器と、この圧力検出器からの信号にバイアス値を加え
蒸気圧力設定信号として出力する加算手段と、前記蒸気
圧力設定信号と冷却蒸気圧力検出手段からの冷却蒸気圧
力信号との偏差に応じた制御信号を出力する第２制御手
段と、前記両制御手段からの制御信号のうち高い値の信
号により前記冷却蒸気調節手段を制御する高値選択手段
とを具備することを特徴とする蒸気冷却ガスタービンコ
ンバインドプラント。