JPH09166002A

JPH09166002A - コンバインドサイクル発電プラント

Info

Publication number: JPH09166002A
Application number: JP7325375A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Sasaki; 俊彦佐々木; Taiji Takeda; 泰司武田; Shinichi Hoizumi; 真一保泉; Kazuya Sagawa; 和也佐川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 1997-06-24
Also published as: KR970044623A

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ガスタービンを冷却するに際し蒸気
を用い、非再熱蒸気サイクルの中小容量の蒸気冷却型の
ガスタービンを用いたプラントであって、コンパクトで
高効率なプラントを提供する。【解決手段】ガスタービン１３と蒸気タービン３１を組
合せ、ガスタービン１３からの排熱を利用して蒸気ター
ビン３１を駆動する蒸気を発生させる排熱回収ボイラ２
１を有するプラントであって、ガスタービン１３の高温
部を、蒸気を媒体として冷却を行う蒸気冷却型ガスター
ビンを用いたコンバインドサイクル発電プラントであ
る。そして、ガスタービンの冷却部１４へ排熱回収ボイ
ラ２１の過熱器２５からの蒸気を供給し、冷却後の蒸気
を蒸気タービン３１の高圧部へ回収する。【効果】本発明によれば、ガスタービン冷却用蒸気を有
効に利用することができ、コンパクトで高効率が達成可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンバインドサイ
クル発電プラント（以下「プラント」という）に関し、
特に、蒸気を用いてガスタービンを冷却するプラントに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の蒸気を用いてガスタービンを冷却
するプラントには、例えば、特開平4−148035号公報に
記載されているようなものがある。この公報には、排熱
回収ボイラから発生する蒸気の一部をガスタービンに導
き、ガスタービンから排出された蒸気を蒸気タービンの
中圧部に導くことが記載されている。

【０００３】更に、蒸気を用いてガスタービンを冷却す
るプラントを記載した公知例には、特開平5−163960号
公報，特開平5−163961号公報，特開平7−4210 号公
報，特開平6−93810号公報，エーエスエムイーの論文
９２−ＧＴ−２４０「１５００℃級ガスタービンの最新
の冷却技術及び材料」(ASME paper 92−GT−240,“NewA
dvanced Cooling Technology and Material of the 150
0℃ Class Gas Turbine”）並びにガスタービンワール
ド２５巻３号１９９５年５−６月号(Gas TurbineWorld
Ｖol.２５Ｎo.３ＭＡＹ−ＪＵＮＥ１９９５）があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、何れ
も非再熱蒸気サイクルを有する中小容量のプラントであ
って、ガスタービンを蒸気を用いて冷却する蒸気冷却型
のガスタービンを採用したプラントに関し、充分な検討
がなされていないという問題があった。

【０００５】そこで、本発明は、ガスタービンを冷却す
るに際し蒸気を用い、非再熱蒸気サイクルの中小容量の
蒸気冷却型のガスタービンを用いたプラントであって、
コンパクトで高効率なプラントを提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のプラントは、動
翼と静翼とを有するガスタービンと、ガスタービンから
の排気ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ
と、蒸気によって駆動する蒸気タービンとを有するもの
である。

【０００７】ガスタービンに導入される燃焼ガスは、圧
縮機によって圧縮された圧縮空気と天然ガス，油等の燃
料とを燃焼器にて燃焼して生成されるものである。ガス
タービンは、この燃焼ガスにより動翼を回転させ、発電
機にその回転エネルギーを伝達する。ガスタービンにて
仕事をした燃焼ガスは、排気ガスとして排熱回収ボイラ
に導かれる。排熱回収ボイラには、その上流側から過熱
器，蒸発器，節炭器が形成される。節炭器では水の温度
を上昇させ、蒸発器では温度の上昇した水を蒸気化し、
過熱器では蒸発した蒸気を更に過熱し過熱蒸気とする。

【０００８】そして、排熱回収ボイラに設けられた過熱
器からの出口蒸気をガスタービンに導く系統を設け、排
熱回収ボイラから導かれた蒸気を用いてガスタービンを
冷却する。ガスタービンを冷却した蒸気は、蒸気タービ
ンの高圧部に導く系統によって蒸気タービンに導かれ、
蒸気タービンの駆動源となる。つまり、ガスタービンか
ら導かれた蒸気によって蒸気タービンを駆動する。ここ
で、蒸気タービンに導かれる蒸気は、蒸気タービンの初
段側へ導かれることが好ましい。

【０００９】なお、排熱回収ボイラに設けられた過熱器
は、高圧蒸気系統に形成されることが好ましい。

【００１０】また、本発明のプラントは、蒸気タービン
から排出された蒸気を凝縮し、水（復水）にする復水器
を有する。つまり、蒸気タービンに供給された蒸気は、
復水器にて水とし、更に、排熱回収ボイラにて水（給
水）を蒸気にする。つまり、排熱回収ボイラからの蒸気
はガスタービン→蒸気タービン→復水器の順に導かれ、
復水器からの水は排熱回収ボイラに導かれ循環する。排
熱回収ボイラ→ガスタービン→蒸気タービン→復水器→
排熱回収ボイラのサイクルを形成する。

【００１１】また、本発明のプラントは、蒸気タービン
とガスタービンとが一つの軸で連結される、いわゆる一
軸型のプラントであることが好ましく、また、本発明に
使用される蒸気タービンは、一車室であることが好まし
く、シングルフロー型であることが好ましい。

【００１２】また、本発明のプラントは、プラントの容
量により規定される蒸気条件に応じて、排熱回収ボイラ
に設けられた第一次過熱器の出口蒸気をガスタービンに
導く系統と、ガスタービンを冷却した蒸気を排熱回収ボ
イラに設けられ第一次過熱器より上流側に形成された第
二次過熱器に導く系統と、第二次過熱器の出口蒸気を蒸
気タービンの高圧部へ導く系統とを有することが好まし
い。

【００１３】そして、排熱回収ボイラからの蒸気又は復
水器からの水は、排熱回収ボイラ，ガスタービン，排熱
回収ボイラ，蒸気タービン，復水器，排熱回収ボイラの
サイクルを循環する。

【００１４】また、本発明は、中小容量、すなわち出力
が４０〜８０ＭＷ級の蒸気タービンを使用し、プラント
の出力が１５０ＭＷ以下のものを達成する。このために
は、圧力条件として、排熱回収ボイラの出口蒸気の圧力
を３０〜７０ａｔｇとしてガスタービンに導き、ガスタ
ービンを冷却した蒸気の圧力を２０〜６０ａｔｇとして
蒸気タービンへ導くことが好ましい。また、温度条件と
して、排熱回収ボイラの出口蒸気の温度を３５０〜４５
０℃でガスタービンに導く、ガスタービンを冷却した蒸
気の温度を４５０〜５００℃で蒸気タービンへ導くこと
が好ましい。

【００１５】また、本発明のプラントは、排熱回収ボイ
ラに設けられた過熱器の出口蒸気をガスタービンの冷却
部に導く第１系統と、冷却部を冷却した蒸気を蒸気ター
ビンに導く第２系統と、第１系統と第２系統とを連結し
ガスタービンに導かれる蒸気をバイパスする第３系統と
を有してもよい。つまり、この場合、蒸気タービンは第
１系統及び／又は第３系統から導かれた蒸気によっての
み駆動する。

【００１６】本発明は、ガスタービンの高温部を冷却す
るために蒸気を用い、非再熱蒸気サイクルを有するもの
である。ガスタービンの高温部とは、ガスタービンの動
翼や静翼，燃焼器のトランジションピース（尾筒）等で
ある。本発明で使用する冷却媒体としての蒸気は、空気
に比較して冷却効率が１.２〜１.５程度高いものであ
る。非再熱蒸気サイクルとは、蒸気タービンからの蒸気
を再び排熱回収ボイラに導き、排熱回収ボイラにて再熱
された蒸気を再び蒸気タービンに導くという再熱蒸気サ
イクルではないことを意味する。

【００１７】本発明は、ガスタービンを冷却した蒸気を
回収して直接或いは更に過熱して、蒸気タービンへ供給
するものであり、排熱回収ボイラに形成される過熱器と
ガスタービンの冷却部（高温部）とをシリーズに連絡す
る、いわゆる蒸気冷却式ガスタービンである。

【００１８】ガスタービンに導かれる蒸気の圧力は、燃
焼器からガスタービンに導かれる燃焼ガスの圧力より高
いことが必要である。これは、燃焼ガスの蒸気への流入
を防止するためである。１５〜３０ａｔｇの燃焼ガス圧
力に対して、３０〜７０atgの蒸気圧力であることが好
ましい。

【００１９】ガスタービンに導かれる蒸気量は、排熱回
収ボイラで発生した蒸気のほぼ全量であることが好まし
く、この蒸気はガスタービンに導かれる過程で排熱回収
ボイラ以外の加熱源を通らないことが好ましい。つま
り、ガスタービンを蒸気タービンに導くための蒸気の過
熱器の一つとして利用し、排熱回収ボイラ，ガスタービ
ン，蒸気タービンを蒸気系統にとってシリーズに連結す
ることが好ましい。

【００２０】また、本発明のプラントは、排熱回収ボイ
ラから蒸気タービンへの蒸気サイクル系統に温度制御装
置を形成し、蒸気の温度制御を行う機能を有することが
好ましい。これにより、ガスタービンに供給される蒸気
の温度や蒸気タービンに供給される蒸気の温度を制御す
る。特に、排熱回収ボイラとガスタービンとを接続する
蒸気管に温度制御装置を設けることが好ましい。なお、
ガスタービンと排熱回収ボイラに設けた二次過熱器とを
接続する蒸気管に温度制御装置を設けてもよい。

【００２１】また、排熱回収ボイラとガスタービンとを
接続する蒸気管から、ガスタービンの燃焼器に蒸気を噴
射するための系統を分岐して形成してもよい。

【００２２】また、蒸気タービンの入口側系統に蒸気加
減弁を設置することが好ましい。これにより、例えば、
５０％以下の部分負荷運転時等の蒸気圧力を制御し、ガ
スタービンに供給される蒸気の圧力を、燃焼器からガス
タービンに導かれる燃焼ガスの圧力（所要圧力）以上に
維持することが可能となり、低負荷時の圧力低下を補
う。

【００２３】本発明は、ガスタービンの冷却に蒸気を用
いた非再熱蒸気サイクルを有する中小容量のプラントに
関するものである。

【００２４】一方、再熱蒸気サイクルを有するプラント
は、排熱回収ボイラで発生した例えば５４０℃・１００
ａｔｇ程度の高温・高圧の蒸気を、蒸気タービンへ導く
ものである。蒸気の温度や圧力の上昇は蒸気サイクル効
率を向上させ得るが、ガスタービンの排気ガスの熱回収
により蒸気を発生するプラントでは、現状、ガスタービ
ン最終段落に使用される翼の材料強度の観点から、排気
ガスの温度は約６００℃程度が限度であり、蒸気温度に
は自ずと限界が生じる。

【００２５】また、蒸気温度を一定として蒸気圧力を高
めた場合には、蒸気タービン排気の蒸気湿り度が増大
し、エロージョンや効率が低下する原因となるため、蒸
気圧力にも自ずと限界が生じる。

【００２６】再熱蒸気サイクルでは、蒸気タービンの低
圧域における蒸気湿り度を制限内に維持した上で、蒸気
圧力を高めることが可能となり蒸気サイクルの高効率化
にも寄与する。

【００２７】しかしながら、再熱蒸気サイクルは、構成
の複雑さや蒸気圧力の高圧化に伴う蒸気タービンの翼高
さの減少における効率低下等の要因により、蒸気タービ
ンの出力は８０ＭＷ級以上と比較的大容量のプラントに
対して適用され、プラントの出力も２００ＭＷ級以上の
大容量プラントとなる。

【００２８】そこで、本発明のプラントは、２００ＭＷ
級以下、特に１５０ＭＷ級以下の中小容量のプラントを
前提とし、蒸気冷却型ガスタービンを用いた非再熱蒸気
サイクルを有することを特徴とする。

【００２９】また、本発明の蒸気冷却型ガスタービンを
用いた非再熱蒸気サイクルを有するプラントは、蒸気タ
ービンへ蒸気を供給する蒸気系統とは別にガスタービン
へ蒸気を供給する蒸気供給系統を形成するものではない
ことが好ましく、本発明における蒸気供給系統は、補助
的な系統ではなく、蒸気サイクルの蒸気系統としての主
蒸気系統として構成されることが好ましい。

【００３０】したがって、この場合において、本発明は
ガスタービンの冷却後の蒸気と別系統の蒸気との合流点
（蒸気の回収点）が存在せず、ガスタービンの冷却後の
蒸気と別系統の蒸気との回収点における温度差を考慮す
る必要がほとんどない。そして、システム構成や運用条
件の制限が緩やかになる。

【００３１】また、本発明において、蒸気冷却を行うべ
きガスタービンの高温部を広範囲にわたって対象とした
場合、例えば、第１段静翼，第１段動翼並びに第２段静
翼等を対象とした場合、ガスタービンへの蒸気供給量の
割合は、排熱回収ボイラからの蒸気量の大部分を占める
ことが好ましいことが分かった。つまり、この場合冷却
部の拡大に伴い、冷却蒸気量が増加し、最適な蒸気サイ
クルを構成するためには、主蒸気系統のサイクル内にガ
スタービンの冷却部を組み込み、蒸気を供給・回収する
ことが必要となる。

【００３２】非再熱蒸気サイクルにおいては、蒸気ター
ビンの容量に応じて適切な主蒸気圧力が選定されてお
り、一般に容量が大きくなるにつれて主蒸気圧力を高め
て選定することが可能となる。一例として、蒸気タービ
ンに関しては、７０〜８０ＭＷ級では７０ａｔｇ級が、
４０〜６０ＭＷ級では５０〜６０ａｔｇ級が、４０ＭＷ
級の小容量のものでは３０〜４０ａｔｇ級の採用が好ま
しい。これらは、熱力学的に主蒸気圧力を高めることで
熱効率が向上する。しかしながら、蒸気タービンの翼高
さは物理的制限を受けてタービン段落の効率は低下する
ため、蒸気の体積流量に応じて適切な蒸気圧力が規定さ
れる。蒸気の体積流量は、ガスタービンの排気ガスの流
量及び温度と密接に関連するため、ガスタービンの容量
及び燃焼温度等によって適切な蒸気圧力が規定される。

【００３３】一方、蒸気温度に関しては、ガスタービン
の排気ガスの温度に応じて規定することが可能である。
例えば、約６００℃のガスタービンの排気ガスが得られ
る場合には、蒸気温度が５３８℃程度まで規定できる。

【００３４】しかしながら、蒸気条件の規定に関して
は、蒸気タービン排気の蒸気湿り度を６〜１３％程度の
範囲制約を考慮することが必要である。蒸気湿り度の上
限は、エロージョンや効率低下が要因であり、その下限
は、部分負荷運転時に蒸気タービン排気が乾き蒸気とな
り、温度上昇を避けることが主な要因である。

【００３５】これらの制約を考慮し、蒸気圧力が高い場
合には蒸気温度を高く規定し、蒸気圧力が低い場合には
蒸気温度を低く規定する必要がある。

【００３６】すなわち、蒸気タービンの容量に応じた蒸
気圧力が規定され、この圧力に適した蒸気温度が規定さ
れることになる。これにより、プラントの容量によって
適切な蒸気サイクルを持つシステム構成を選定すること
が必要であることがわかる。なお、蒸気タービンの容量
はガスタービンの容量に基づいて定まる。

【００３７】プラントにおけるガスタービンの設計点作
動圧力は、効率を最大にするように選択され、入口温度
が１３００〜１５００℃のガスタービンでは、圧力は１
４ａｔｇ〜２３ａｔｇ程度である。

【００３８】ガスタービンを冷却するための蒸気圧力
は、ガスタービンの燃焼ガスの圧力との関係及び蒸気サ
イクル効率の観点から、ガスタービンの設計点作動圧力
よりもある程度高く設定する必要がある。一方、ガスタ
ービンの冷却部の耐圧構造の観点から、蒸気圧力は極力
下げることが好ましい。これらの条件を考慮すると、ガ
スタービンの冷却部の蒸気圧力は、３０〜７０ａｔｇと
することが好ましい。

【００３９】また、ガスタービンの高温部とこの高温部
を冷却するための蒸気との温度差による熱応力を考慮し
て、ガスタービンの冷却部出口の蒸気温度は、４５０〜
500℃程度が好ましい。

【００４０】ガスタービンの冷却部入口における蒸気温
度は、熱応力及びガスタービンの冷却部へのウォーター
インダクションによる損傷の防止を考慮し、過熱蒸気を
供給することが要求されるため、２５０〜３００℃程度
又は３００℃以上が好ましい。

【００４１】このようなガスタービンの冷却部及び蒸気
サイクルの条件の選定に関する制約を勘案すると、蒸気
タービン入口の蒸気圧力３０〜５０ａｔｇが選定される
小容量蒸気タービンのプラントに対しては、４００〜５
００℃の比較的低い蒸気温度が、蒸気圧力５０〜７０ａ
ｔｇが選定される中容量蒸気タービンのプラントに対し
ては、４５０〜５４０℃の比較的高い蒸気温度が、各々
最適な蒸気条件として選定されることになる。

【００４２】ガスタービンを冷却した後、回収された蒸
気温度は、４５０〜５００℃程度に設定されるので、小
容量のプラントに対しては、ガスタービンを冷却した後
の蒸気をそのまま蒸気タービンへ回収することで、コン
パクトで適正なシステムを構成することができる。ま
た、中容量のプラントに対しては、ガスタービンを冷却
した後の蒸気を、再度、排熱回収ボイラで温度を高め
て、蒸気タービンへ供給することで、高効率で適正なシ
ステムを構成することができる。

【００４３】また、ガスタービンの冷却部入口における
温度条件としては、排熱回収ボイラにて予め蒸気過熱を
行い、この過熱蒸気をガスタービンの冷却部へ供給する
ことで、信頼性の高いシステムを構成することができ
る。

【００４４】ガスタービンは部分負荷運転において、排
気ガスの流量とその温度が変化する特性があり、排熱回
収ボイラの発生蒸気量に加えて、発生蒸気温度も変化す
る。プラントは、優れた負荷運用性を有しており、プラ
ントの実際の運用においても頻繁に負荷変化を行ってお
り、蒸気タービン及び排熱回収ボイラの熱応力を考慮し
ている。

【００４５】さらに、ガスタービンの高温部を冷却する
系統が加わったプラントは、蒸気温度の変化はさらに大
きなものとなり、特に、蒸気タービン入口の蒸気温度が
高い場合には、材料の許容温度を考慮して高い使用温度
に耐え得る高級な材料を選定するか、もしくは蒸気ター
ビン入口の蒸気温度の制御を行うことが必要となる。ま
た、蒸気タービン入口の蒸気条件により蒸気タービン排
気の蒸気湿り度が影響を受けるため、蒸気圧力と蒸気温
度との関係によっては、運用範囲が制約されることがあ
る。この観点から蒸気タービン入口の蒸気温度を制御す
る手段を備えることが好ましい。したがって、より信頼
性の高いプラントを達成するためには、蒸気タービン入
口の蒸気温度を制御する手段を備えることが大切であ
る。

【００４６】中小容量のプラントにおいては、大容量の
プラントで多く用いられているような天然ガス等の気体
燃料に限らず、軽油や灯油といった液体燃料を用いる場
合が多い。液体燃料を用いる場合には、気体燃料を用い
る場合と異なり、燃焼器で生成される燃焼ガス中のＮＯ
ｘ濃度を下げる技術、いわゆる低ＮＯｘ燃焼技術の適用
が困難であり、ＮＯｘ低減のために燃焼器へ蒸気を噴射
することが好ましい。また、気体燃料を用いる場合にお
いても、出力を増強する対策の一つとして、蒸気噴射を
行ってもよい。

【００４７】蒸気噴射用蒸気の条件としては、燃焼器の
内部の燃焼ガス圧力より高く、過熱された蒸気が供給さ
れることが必要である。

【００４８】この蒸気噴射用の蒸気供給系統として、中
小容量の蒸気冷却型ガスタービンを用いたプラントで
は、ガスタービンの冷却部へ蒸気を供給する系統と共用
することが好ましいことが分かった。

【００４９】つまり、ガスタービンの冷却部へ供給する
蒸気の条件と燃焼器へ噴射する蒸気の条件とはほぼ同じ
であることが好ましく、したがって、ガスタービンの冷
却部へ蒸気を供給する連絡管（ガスタービン冷却蒸気系
統）から分岐して、燃焼器へ蒸気を噴射する配管を設置
する。

【００５０】これにより、蒸気圧力や蒸気温度等の制御
もそれぞれについて行う必要がなくなり、簡素な系統構
成を有するプラントが実現できる。

【００５１】プラントの部分負荷運転時においては、発
生蒸気量が減少するため、特別に制御を行わない限り、
蒸気圧力は低下する。その傾向は、負荷に対して略比例
して減少する。

【００５２】一方、プラントの部分負荷運転時において
は、燃焼ガスの圧力も低下することになるが、たとえ無
負荷時においても、圧縮機を駆動するための動力はガス
タービンがまかなっており、燃焼ガスの圧力は部分負荷
運転時においても、所定の圧力以上となる。

【００５３】両者の特性の違いから、ガスタービンの冷
却部へ供給する蒸気圧力に対しては、定格運転時に高く
設定するか，部分負荷運転時に圧力制御を行うか等の考
慮が必要となる。

【００５４】供給する蒸気圧力を定格運転時に高く設定
することは、熱損失を増大させることになり、熱効率の
点から望ましくない。また、部分負荷運転時に圧力制御
を行うことも、蒸気タービンの膨張過程の途中からガス
タービンへの冷却蒸気を供給する場合には、その制御が
困難であった。

【００５５】そこで、本発明の一つの態様である排熱回
収ボイラから蒸気タービン入口までの主蒸気系統にガス
タービンの冷却部が設けられたプラントでは、蒸気ター
ビン入口の蒸気加減弁により容易に蒸気圧力を制御する
ことが可能となり、運用性や熱効率に優れたプラントが
実現できる。

【００５６】本発明の一つの態様では、適正な温度範囲
で蒸気タービンへ蒸気を供給することができ、蒸気ター
ビンの主要部の材質を過剰な仕様とすることなく、ま
た、熱応力を緩和し、安価で（経済的に優れた）信頼性
の高いプラントが実現できる。また、本発明の別の態様
では、液体燃料用燃焼器における低ＮＯｘ化或いはガス
タービンの出力増加が見込め、系統構成が簡素なプラン
トが実現できる。

【００５７】更に、本発明の別の態様では、運用性に優
れたプラントが実現できる。

【００５８】本発明に係るプラントは、排熱回収ボイラ
からの過熱蒸気を、ガスタービン冷却用蒸気としてガス
タービンに導入する。そして、ガスタービンを冷却する
ことにより熱交換を行い加熱された蒸気を、蒸気タービ
ンに導入する。また、ガスタービンを冷却することによ
り熱交換を行い加熱された蒸気を、再度、排熱回収ボイ
ラに導入し、加熱後の蒸気を蒸気タービンへ導入する。

【００５９】これにより、コンパクトな排熱回収ボイラ
が実現できると共に、蒸気タービン入口の蒸気温度を所
要温度に設定することが容易となり、プラントの効率を
有効に向上できる。

【００６０】また、排熱回収ボイラに形成される過熱器
から出口蒸気のほぼ全量をガスタービンの冷却部へ供給
する態様を用いることにより、蒸気系統の分岐や合流を
行うことなく蒸気系統を構成できる。したがって、系統
構成や系統制御が簡素にできると共に、合流点での蒸気
温度差の問題を解決することができ、信頼性を高めるこ
とができる。

【００６１】また、蒸気サイクルの連絡管に温度制御装
置を設けることにより、運転中におけるガスタービンの
冷却部や蒸気タービンに供給する蒸気温度を適正な温度
範囲に制御することができ、高温部での熱応力を緩和さ
せることができる。更に、信頼性を向上させ高温部の材
料の寿命を延ばすことができる。

【００６２】更に、燃焼器への蒸気噴射系統を、ガスタ
ービンの冷却部の冷却蒸気系統から分岐する系統構成と
することで、システム構成を簡素にでき、安価なプラン
トを実現できる。

【００６３】更に、蒸気タービン入口に設けられた蒸気
加減弁を制御することにより、部分負荷運転時の蒸気圧
力を所要の圧力以上に維持することができ、定格運転時
での蒸気圧力を必要以上に高めることなく、プラントと
して適正な蒸気圧力を選定でき効率向上が図れると共
に、運用性を向上することができる。

【００６４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。

【００６５】図１は、本発明の蒸気冷却型ガスタービン
を用いたプラントの一例を示す系統図である。このプラ
ントは一軸型プラントの一例を示すもので、ガスタービ
ン１３と排熱回収ボイラ２１と蒸気タービン３１と発電
機３２とを有する。

【００６６】ガスタービン装置では、空気圧縮機１１に
て空気４６が圧縮され、圧縮された吐出空気は燃焼器１
２へ導入される。燃料供給系統４７から供給された例え
ば軽油等の燃料と吐出空気とを燃焼することにより、高
温の燃焼ガスが得られる。

【００６７】この高温の燃焼ガスはガスタービン１３へ
供給され、ガスタービン１３，空気圧縮機１１と同軸上
に設けられた発電機３２を駆動する。その後、ガスター
ビン１３からの排気ガス６１は、排熱回収ボイラ２１で
給水４２との熱交換を行った後、最終的には低温の排気
ガス６２となって煙突等から大気に放出される。

【００６８】一方、排熱回収ボイラ２１には、排気ガス
６１の上流側から過熱器２５，蒸発器２４（ドラム２
３）、及び節炭器２２が順に配置されている。そして、
復水器３３から給水ポンプ３４を介して給水された給水
を節炭器２２で温度上昇させ、蒸発器２４（ドラム２
３）で飽和蒸気を発生させる。更に、蒸発器２４で発生
した飽和蒸気を過熱器２５で過熱して、排熱回収ボイラ
２１から過熱蒸気を取り出す。なお、ドラム２３では、
水と蒸気とを分離し効率よく飽和蒸気を生成する。過熱
蒸気は、ガスタービンの冷却部１４へ供給され、ガスタ
ービンの高温部を冷却したのち、蒸気タービンへ３１の
高圧部に供給される。そして、蒸気タービン３１が回転
駆動し、発電機３２を駆動し、電気出力を得る。

【００６９】蒸気タービン３１で仕事をした蒸気は、低
温低圧蒸気４１となって復水器３３で海水等と熱交換さ
れ、凝縮して復水となる。復水は給水ポンプ３４にて昇
圧され、排熱回収ボイラ２１へ送られる。

【００７０】本発明の実施の形態では、ガスタービン冷
却系統は、排熱回収ボイラ２１で発生した蒸気（過熱器
２５で過熱された蒸気）のほぼ全量を、排熱回収ボイラ
２１の出口蒸気管４３を介してガスタービン１３に供給
する。そして、冷却部１４を冷却した後、この蒸気を蒸
気タービンの入口蒸気管４４を介して、蒸気タービン３
１へ供給する。

【００７１】ガスタービンの冷却部１４は、排熱回収ボ
イラ２１の過熱器２５とシリーズに構成され、ガスター
ビンの冷却部１４を蒸気過熱器の一部として用いてい
る。

【００７２】排熱回収ボイラ２１の過熱器２５出口の蒸
気温度を３００〜３５０℃程度の低温としたままで、４
００〜５００℃程度の高温蒸気を得ることが可能であ
り、排熱回収ボイラ２１の伝熱面積を小さくできる。一
方で、蒸気温度を所要温度に高めることができるので、
経済的かつコンパクトで、高効率なプラントを提供する
ことができる。

【００７３】また、過熱器２５出口の蒸気のほぼ全量を
ガスタービンの冷却部１４へ供給することにより、蒸気
系統の分岐や合流を行うことなく、蒸気系統を構成でき
るので、系統構成及び制御が簡素にでき、また、合流点
での蒸気温度差の問題を解決することができ、信頼性の
高いプラントを提供することができる。

【００７４】ガスタービンの冷却部１４が、蒸気タービ
ン３１入口の蒸気加減弁５３の上流に設けられる。この
ため、部分負荷運転時の蒸気圧力をガスタービンの冷却
部１４における所要圧力以上に維持するよう制御するこ
とが容易となる。

【００７５】更に、定格運転時での蒸気圧力を必要以上
に高めて設定することなく、プラントとして適正な蒸気
圧力設定値が選定でき、効率向上が図れると共に運用性
の向上を図ることができる。

【００７６】尚、ガスタービンの冷却部１４をバイパス
する系統８１が設けられている。これらは、起動・停止
時や低負荷運転時にガスタービンの冷却部１４へ供給す
る蒸気条件が満たされていない場合に、蒸気冷却をバッ
クアップするためのガスタービンを冷却する他の媒体、
例えば空気との切り替えを可能としている。なお、蒸気
と空気との切り替えは弁８２を制御し、空気の取り入れ
は空気供給系統８３により行う。

【００７７】また、本発明の実施の形態では、排熱回収
ボイラ２１の蒸気系統が単一の圧力レベルのものについ
て記載しているが、熱回収条件によっては複数の圧力レ
ベルを有する排熱回収ボイラを用いて、さらに有効な熱
回収を図ることも可能である。

【００７８】また、排熱回収ボイラ２１で発生した蒸気
を、ガスタービンの冷却部１４に供給する出口蒸気管４
３に、蒸気温度の制御を行う減温装置７１を設置する。
減温装置７１は、過熱器２５とガスタービンの冷却部１
４との間に設けられている。減温装置７１により、ガス
タービンの冷却部１４へ供給する冷却蒸気の温度を制御
することができ、ガスタービンの冷却部１４の出口蒸気
温度を制御することができる。したがって、蒸気タービ
ン３１入口の蒸気温度を制御することが可能となり、蒸
気タービン３１の高温部の材料の性質を過剰とすること
がない。そして、信頼性の高いプラントを提供すること
ができる。なお、減温装置７１には、蒸気供給系統７２
より蒸気を噴射し、出口蒸気管４３の蒸気温度を制御す
る。

【００７９】また、排熱回収ボイラ２１の過熱器２５と
ガスタービンの冷却部１４との間に減温装置７１が設け
られているため、減温装置７１で発生する可能性がある
ミストが、蒸気タービン３１へ混入する可能性を少なく
することができ、信頼性向上が図れるというメリットが
ある。尚、この減温装置７１は、燃焼器１２に供給され
る燃料が天然ガス等のときに特に有効である。

【００８０】尚、ガスタービンの冷却部１４への供給蒸
気は過熱蒸気であるため、蒸気温度の制御範囲が制限さ
れることになる。この制御範囲の拡大を図るために、過
熱器２５の出口蒸気の温度を予め高い温度に設定し、通
常運転時の減温装置７１での温度低減量を大きくしてお
くことも可能である。

【００８１】また、本発明の実施の形態では、排熱回収
ボイラ２１で発生した蒸気を、ガスタービンの冷却部１
４に供給する出口蒸気管４３から、燃焼器１２への蒸気
噴射用蒸気系統（管）７４を分岐し、蒸気噴射を行って
いる。

【００８２】蒸気噴射用蒸気系統をガスタービンの冷却
部１４へ蒸気を供給する出口蒸気管４３と共用したこと
により、簡素な系統構成をもつプラントが提供可能とな
り、蒸気圧力や蒸気温度等の制御も個別に行う必要がな
くなるというメリットも得られる。なお、符号７３は、
蒸気噴射用蒸気系統７４を流れる蒸気の量を制御する調
節弁である。なお、蒸気噴射用蒸気系統７４は、燃焼器
１２に供給される燃料が軽油等のときに特に有効であ
る。

【００８３】また、蒸気管４５は、蒸気タービン３１の
蒸気バイパス系統であり、弁５４はこの蒸気バイパス系
統を流れる蒸気の量を制御する調節弁である。

【００８４】図２には、本発明の他の実施の形態を示す
ものである。図２の実施の形態と図１の実施の形態との
異なる点は、系統構成上では、ガスタービンの冷却部１
４を冷却後の蒸気が、ガスタービン１３の出口蒸気管４
９を介して、排熱回収ボイラ２１の二次過熱器２６へ供
給される点である。そして、二次過熱器２６の出口蒸気
を、蒸気タービン３１の入口蒸気管４４を介して、蒸気
タービン３１へ供給する。

【００８５】ガスタービンの冷却部１４は、排熱回収ボ
イラ２１の一次過熱器２５及び二次過熱器２６とシリー
ズに構成され、かつ一次過熱器２５と二次過熱器２６と
の間に設けられている。

【００８６】図１に記載した実施の形態に比べ、蒸気タ
ービン３１の入口温度を４５０〜５４０℃と高温にする
ことができるのでプラント効率をさらに向上させること
が可能となる。

【００８７】また、図１に記載した実施の形態と同様
に、ガスタービンの冷却部１４が、蒸気タービン３１入
口側に形成される蒸気加減弁５３の上流に設けられるた
め、部分負荷運転時の蒸気圧力をガスタービンの冷却部
１４に対して、所要圧力以上に維持するよう制御するこ
とができる。

【００８８】そして、定格運転時での蒸気圧力を必要以
上に高めて設定することなく、プラントとして適正な蒸
気設定値が選定でき、効率向上が図れるとともに運用性
の向上を図ることが可能である。

【００８９】また、ガスタービンの冷却部１４の冷却後
の蒸気を減温する減温装置７１を、ガスタービンの冷却
部１４と排熱回収ボイラ２１の二次過熱器２６とを連絡
する出口蒸気管４９に設ける。

【００９０】減温装置７１により、二次過熱器２６へ供
給する蒸気温度を制御することができ、二次過熱器２６
の出口蒸気温度を制御することができる。したがって、
蒸気タービン３１の入口蒸気温度を制御することが可能
となり、蒸気タービン３１の高温部の材質を過剰とする
ことなく、信頼性の高いプラントを提供することができ
る。

【００９１】また、ガスタービンの冷却部１４と排熱回
収ボイラ２１の二次過熱器２６との間に減温装置７１が
設けられているため、減温装置７１で発生する可能性が
あるミストが、蒸気タービン３１へ混入する可能性をな
くすことができ、信頼性向上が図れるというメリットが
ある。

【００９２】さらに、ガスタービンの冷却部１４の出口
蒸気は、充分に高い過熱度をもっているため、蒸気温度
の制御範囲が大きく、運用性の向上が図れるというメリ
ットが得られる。

【００９３】図３には、非再熱蒸気サイクルにおける蒸
気タービン入口蒸気条件（圧力及び温度）と蒸気タービ
ン排気での蒸気湿り度との関係を示している。蒸気ター
ビン排気での蒸気湿り度の制約により、適正な蒸気条件
として、高い蒸気圧力に対しては高い蒸気温度、低い蒸
気圧力に対しては低い蒸気温度が選定されることがわか
る。

【００９４】一方、蒸気圧力は、主として蒸発量（＝蒸
気タービン容量）により選定され、小容量のプラントに
対しては低い蒸気圧力が、中容量以上のプラントに対し
ては高い蒸気圧力が、適正な蒸気条件として選定され
る。

【００９５】したがって、小容量のプラントに対して
は、図１に示される蒸気サイクル構成を、また中容量以
上のプラントに対しては、図２に示される蒸気サイクル
構成を、採用することにより、各々のプラント容量に応
じた最適なプラント構成を有したプラントを提供でき
る。

【００９６】なお、蒸気タービンの膨張線の傾きは、蒸
気タービンの内部効率を示すものであり、通常ほぼ一定
で８０〜９０％の値を示す。

【００９７】以上述べたように、本発明の実施の形態に
係るプラントは、排熱回収ボイラからの過熱蒸気のほぼ
全量を、ガスタービン冷却用蒸気としてガスタービンに
導入し、ガスタービン冷却による熱交換によって加熱さ
れた蒸気を、蒸気タービンに導入するもの、或いはガス
タービン冷却による熱交換によって加熱された蒸気を、
再度、排熱回収ボイラに導入し加熱後蒸気タービンへ導
入するものとしたことにより、コンパクトな排熱回収ボ
イラが実現できると共に、蒸気タービンの入口蒸気温度
を所要温度に設定することが容易に実現でき、プラント
効率を有効に向上することができる。

【００９８】また、蒸気系統の分岐や合流を行うことな
く、蒸気系統を構成できるので、系統構成及び制御が簡
素にでき、合流点での蒸気温度差の問題を解決すること
ができ信頼性の高いプラントを提供することができる。

【００９９】また、蒸気サイクルの連絡管の途中に減温
装置を設け、運転中におけるガスタービンの冷却部や蒸
気タービンへの供給蒸気温度を適正な温度範囲に制御し
たことによって、高温部での熱応力を緩和させることが
でき、信頼性を向上させ、高温部材の寿命を延ばすこと
ができる。

【０１００】また、燃焼器への蒸気噴射系統を、ガスタ
ービン冷却部の冷却蒸気系統から分岐した系統構成とし
たことで、システム構成を簡素にでき、安価なプラント
を提供することができる。

【０１０１】また、蒸気タービン入口に設けられた蒸気
加減弁を制御することにより、部分負荷運転時の蒸気圧
力を所要圧力以上に維持することができ、定格運転時で
の蒸気圧力を必要以上に高めることなく、プラントとし
て適正な値を選定でき、効率向上が図られるとともに運
用性を向上することができる。

【０１０２】

【発明の効果】本発明は、ガスタービンを冷却するに際
し蒸気を用い、非再熱蒸気サイクルの中小容量の蒸気冷
却型のガスタービンを用いたプラントであって、コンパ
クトで高効率なプラントを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示すプラント系統図。

【図２】本発明の第２実施形態を示すプラント系統図。

【図３】非再熱蒸気サイクルの入口蒸気条件とタービン
排気の湿り度との関係を示す図。

【符号の説明】

１１…空気圧縮器、１２…燃焼器、１３…ガスタービ
ン、１４…ガスタービン冷却部、２１…排熱回収ボイ
ラ、２２…節炭器、２３…ドラム、２４…蒸発器、２５
…過熱器（一次）、２６…過熱器（二次）、３１…蒸気
タービン、３２…発電機、３３…復水器、３４…給水ポ
ンプ、４３〜４５…蒸気管、５３…蒸気加減弁、７１…
減温装置、７４…蒸気噴射用蒸気管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐川和也茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】動翼と静翼とを有するガスタービンと、前
記ガスタービンからの排気ガスにより水を蒸気にする排
熱回収ボイラと、蒸気によって駆動し前記ガスタービン
と一つの軸で連結する一車室の蒸気タービンと、前記蒸
気タービンから排出された蒸気を水にする復水器とを有
するコンバインドサイクル発電プラントにおいて、前記排熱回収ボイラの高圧蒸気系統に設けられた過熱器
の出口蒸気を前記ガスタービンに導く系統と、前記ガス
タービンを冷却した蒸気を前記蒸気タービンの高圧部へ
導く系統とを有し、前記ガスタービンから導かれた蒸気
によって前記蒸気タービンを駆動すると共に、前記蒸気
又は水が、排熱回収ボイラ，ガスタービン，蒸気タービ
ン，復水器，排熱回収ボイラのサイクルを循環すること
を特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
【請求項２】動翼と静翼とを有するガスタービンと、前
記ガスタービンからの排気ガスにより水を蒸気にする排
熱回収ボイラと、蒸気によって駆動し前記ガスタービン
と一つの軸で連結する一車室の蒸気タービンと、前記蒸
気タービンから排出された蒸気を水にする復水器とを有
するコンバインドサイクル発電プラントにおいて、前記排熱回収ボイラに設けられた第一次過熱器の出口蒸
気を前記ガスタービンに導く系統と、前記ガスタービン
を冷却した蒸気を前記排熱回収ボイラに設けられ前記第
一次過熱器より上流側に形成された第二次過熱器に導く
系統と、前記第二次過熱器の出口蒸気を前記蒸気タービ
ンの高圧部へ導く系統とを有し、前記第二次過熱器から
導かれた蒸気によって前記蒸気タービンを駆動すると共
に、前記蒸気又は水が、排熱回収ボイラ，ガスタービ
ン，排熱回収ボイラ，蒸気タービン，復水器，排熱回収
ボイラのサイクルを循環することを特徴とするコンバイ
ンドサイクル発電プラント。
【請求項３】動翼と静翼とを有するガスタービンと、前
記ガスタービンからの排気ガスを熱源として蒸気を発生
する排熱回収ボイラと、前記蒸気によって駆動する蒸気
タービンとを有するコンバインドサイクル発電プラント
において、前記排熱回収ボイラの高圧蒸気系統に設けられた過熱器
の出口蒸気を前記ガスタービンに導く系統と、前記ガス
タービンを冷却した蒸気を前記蒸気タービンの高圧部へ
導く系統とを有することを特徴とするコンバインドサイ
クル発電プラント。
【請求項４】動翼と静翼とを有するガスタービンと、前
記ガスタービンからの排気ガスを熱源として蒸気を発生
する排熱回収ボイラと、前記蒸気によって駆動する蒸気
タービンとを有するコンバインドサイクル発電プラント
において、前記排熱回収ボイラに設けられた第一次過熱器の出口蒸
気を前記ガスタービンに導く系統と、前記ガスタービン
を冷却した蒸気を前記排熱回収ボイラに設けられ前記第
一次過熱器より上流側に形成された第二次過熱器に導く
系統と、前記第二次過熱器の出口蒸気を前記蒸気タービ
ンの高圧部へ導く系統とを有することを特徴とするコン
バインドサイクル発電プラント。
【請求項５】動翼と静翼とを有するガスタービンと、前
記ガスタービンからの排気ガスを熱源として蒸気を発生
する排熱回収ボイラと、前記蒸気によって駆動し、出力
４０〜８０ＭＷ級の蒸気タービンとを有する出力１５０
ＭＷ以下のコンバインドサイクル発電プラントにおい
て、前記排熱回収ボイラの出口蒸気を圧力３０〜７０ａｔｇ
で前記ガスタービンに導く系統と、前記ガスタービンを
冷却した蒸気を圧力２０〜６０ａｔｇで前記蒸気タービ
ンへ導く系統とを有することを特徴とするコンバインド
サイクル発電プラント。
【請求項６】動翼と静翼とを有するガスタービンと、前
記ガスタービンからの排気ガスを熱源として蒸気を発生
する排熱回収ボイラと、前記蒸気によって駆動し、出力
４０〜８０ＭＷ級の蒸気タービンとを有する出力１５０
ＭＷ以下のコンバインドサイクル発電プラントにおい
て、前記排熱回収ボイラの出口蒸気を温度３５０〜４５０℃
で前記ガスタービンに導く系統と、前記ガスタービンを
冷却した蒸気を温度４５０〜５００℃で前記蒸気タービ
ンへ導く系統とを有することを特徴とするコンバインド
サイクル発電プラント。
【請求項７】動翼と静翼とを有するガスタービンと、前
記ガスタービンからの排気ガスを熱源として蒸気を発生
する排熱回収ボイラと、前記蒸気によって駆動し前記ガ
スタービンと一つの軸で連結する蒸気タービンとを有す
るコンバインドサイクル発電プラントにおいて、前記排熱回収ボイラに設けられた過熱器の出口蒸気を前
記ガスタービンの冷却部に導く第１系統と、前記冷却部
を冷却した蒸気を前記蒸気タービンに導く第２系統と、
第１系統と第２系統とを連結し前記ガスタービンに導か
れる蒸気をバイパスする第３系統とを有し、前記第１系
統及び／又は第３系統から導かれた蒸気によってのみ前
記蒸気タービンを駆動することを特徴とするコンバイン
ドサイクル発電プラント。
【請求項８】動翼と静翼とを有するガスタービンと、前
記ガスタービンからの排気ガスを熱源として蒸気を発生
する排熱回収ボイラと、前記蒸気によって駆動するシン
グルフロー型蒸気タービンとを有するコンバインドサイ
クル発電プラントにおいて、前記排熱回収ボイラに設けられた過熱器の出口蒸気を前
記ガスタービンに導く系統と、前記ガスタービンを冷却
した蒸気を前記蒸気タービンの初段側へ導く系統とを有
し、前記ガスタービンから導かれた蒸気によって前記蒸
気タービンを駆動することを特徴とするコンバインドサ
イクル発電プラント。