JPH09510276A - ガス及び蒸気タービン複合プラントの運転方法並びにこの方法により作動するプラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、ガスタービン（２）からの膨張した作動媒体（Ａ’）中に含まれる熱を水−蒸気−循環路（１２）に接続された蒸気タービン（１０）のための蒸気の発生に利用し、、その際ガスタービン（２）の作動媒体（Ａ）は燃料（Ｂ、Ｂ’）を加圧された空気（Ｌ）を供給しながら燃焼することによって作られるようにしたガス及び蒸気タービン複合プラント（１）の運転方法に関する。プラントの効率を向上させるために、この発明によれば、発生した蒸気が蒸気タービン（１０）に入る前に水素−酸素−燃焼に際して生じた熱により過熱される。プラント（１）はガスタービン（２）に廃ガス側に後置接続された廃熱蒸気発生器（１４）を含み、この廃熱蒸気発生器には蒸気タービン（１０）の水−蒸気−循環路（１２）に接続された多数の加熱面（２０乃至２８）が配置され、廃熱蒸気発生器（１４）と蒸気タービン（１０）との間には水−蒸気−循環路（１２）に接続されている水素−酸素−燃焼器（５８）が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス及び蒸気タービン複合プラントの運転方法 並びにこの方法により作動するプラント この発明は、ガスタービンからの膨張した作動媒体中に含まれる熱を水−蒸気 −循環路に接続された蒸気タービンのための蒸気の発生に利用する、ガス及び蒸 気タービン複合プラントの運転方法に関する。この場合ガスタービンの作動媒体 は燃料に加圧された空気を供給しながらこの燃料を燃焼することによって得られ る。さらに、この発明はこの方法により作動するガス及び蒸気タービン複合プラ ントに関する。 ガス及び蒸気タービン複合プラントにおいては、ガスタービンからの膨張した 作動媒体中に含まれる熱が蒸気タービンのための蒸気を発生するために利用され る。この場合熱伝達は、ガスタービンに後置接続され、管或いは管束の形で加熱 面が配置されている蒸気発生器或いは廃熱ボイラにおいて行われる。加熱面はま た蒸気タービンの水−蒸気−循環路に接続されている。水−蒸気−循環路は、複 数の例えば２つの圧力段を含み、、この各圧力段はそれぞれ予熱、蒸発及び過熱 用の加熱面を備えている。このような例えばヨーロッパ特許第０１４８９７３号 明細書から公知のガス及び蒸気タービン複合プラントによれば、蒸気タービンの 水−蒸気−循環路に支配している圧力状況に応じて約５０％乃至５５％の熱力学 上の効率が達成される。 この発明の課題は、さらに効率の向上を達成することができるこのようなガス 及び蒸気タービン複合プラントの運転方法を提供することにある。そしてこれを 特に簡単な手段を備えた好適なガス及び蒸気タービン複合プラントにおいて達成 しようとするものである。 運転方法に関してこの課題は、この発明によれば、発生された蒸気が蒸気ター ビンに入る前に、水素−酸素−燃焼の際に生じた熱により過熱され、しかもその 水素は燃料から分離されることによりプロセス内で作られることにより解決され る。 この発明は、その場合、本来のガス及び蒸気タービンプロセスにおいて発生さ れ過熱された蒸気を特に効果的な方法で連続的に約８００乃至１１００℃の高温 に過熱し、このためにそれ自体は公知の水素−酸素−蒸気発生器を使用するとい う考察にその基礎をおいている。 例えば、雑誌「ファウデーイー報告第６０２号」１９８７年、第２３１乃至２ ４５頁から公知の水素−酸素−蒸気発生器においては、水素及び酸素は燃焼室に 導入され、そこで点火フレームによって点火される。ここに発生する３０００℃ 以上の高温燃焼ガスは水を付加することによって望ましい蒸気温度に冷却され、 また蒸気温度は燃焼ガスに対して噴霧される水の流量比によって調整される。こ のようにして発生された蒸気は秒的予備量（瞬間的予備量）として或いは蒸気タ ービンプラントにおける短時間のピークカバーのために使用されるものである。 この発明によるガス及び蒸気タービン複合プラントの運転方法の有利な構成に よれば、燃焼に必要な水素も、また酸素もプロセス内で発生される。その場合水 素−酸素−燃焼のための水素は、合目的的には、ガス及び蒸気タービン複合プラ ントに供給される燃料を処理することにより発生される。これは、例えばガスタ ービンに対するガス状燃料においては部分或いは予備燃焼（部分酸化）或いは他 の適当な方法により実現される。 酸素は、合目的的には、空気を分解することにより発生される。その場合、好 ましくは、ガスタービンプラントに付設されるコンプレッサからの加圧された空 気が使用される。石炭のガス化装置を組み込んでいるガス及び蒸気タービン複合 プラントにおいては、石炭のガス化に必要な酸素を発生するためこのような空気 分解装置が既に備わっている。またこのようなプラントにおいて水素は既にプロ セス内で発生される。 この発明の有利な構成においては、水素−酸素−燃焼には、蒸気タービンの水 −蒸気−循環路の高圧段において発生されそこで既に約５００乃至５５０℃に過 熱された蒸気が供給される。 ガスタービンのための燃料は、合目的的には、２つの段で燃焼される。その場 合、第１の段における燃料の部分燃焼に際して生じた熱が蒸気発生に利用される 。このようにして発生された蒸気は、好ましくは、水素−酸素−燃焼により高温 に 過熱される蒸気に混合される。 ガスタービンに前置接続され圧縮器に接続された第１の燃焼室と、並びに蒸気 タービンの水−蒸気−循環路に接続された廃熱蒸気発生器とを備え、この廃熱蒸 気発生器に水−蒸気−循環路に接続された複数の加熱面が配置されているガス及 び蒸気タービン複合プラントに関しては、この発明の課題は、この発明によれば 、廃熱蒸気発生器と蒸気タービンとの間において水−蒸気−循環路に接続された 水素−酸素−燃焼器或いは蒸気発生器を備え、この燃焼に必要な水素をプロセス 内で発生させるために第２の燃焼室が設けられることによって、解決される。こ の構成においてはガスタービンの作動媒体を発生するために使用される燃料が水 素成分を発生させるために処理される。その場合、第２の燃焼室は第１の燃焼室 に燃料ガス配管を介して接続されており、第２の燃焼室において処理された燃料 が燃料ガスとして本来の第１のガスタービン燃焼室にこの燃料ガス配管を介して 供給される。さらに第２の燃焼室は水素−酸素−燃焼器に水素配管を介して接続 されている。 燃料の精製に際して、即ち燃料の部分燃焼に際して第２の燃焼室に生じた熱を 蒸気発生のために利用するために、合目的的には、一次側で第２の燃焼室が接続 された燃料ガス配管に、二次側で水−蒸気−循環路が接続されている熱交換器が 設けられる。その場合、合目的的には、熱交換器に水−蒸気−循環路から給水が 供給され、その際この給水は熱交換器において先ず蒸発され、続いて過熱される 。従って熱交換器は高圧蒸発器と高圧過熱器とを備えた廃熱ボイラとして形成さ れる。 燃料の部分燃焼により生じた燃料ガスから水素を分離するために、水素−酸素 −燃焼器に接続される水素配管に接続されている分離装置が設けられる。 第２の燃焼室における燃料の部分燃焼のために必要な空気は、合目的的には、 第１の燃焼室に接続された圧縮器から取り出される。 この発明の１つの実施例を図面を参照して詳細に説明する。図は発生された蒸 気を過熱するための水素−酸素−燃焼器を備えたガス及び蒸気タービン複合プラ ントを示す。 図においてガス及び蒸気タービン複合プラント１は、空気圧縮器３を接続した ガスタービン２を備えたガスタービン設備と、このガスタービン２に前置接続さ れかつ空気圧縮器３の新鮮空気配管５に接続されている燃焼室４とを備えている 。ガスタービン２の燃焼室４には燃料或いは燃料ガス配管６が接続されている。 ガスタービン２及び空気圧縮器３並びに発電機７は共通の軸８に載置されている 。 ガス及び蒸気タービン複合プラント１はさらに、発電機１１を接続した蒸気タ ービン１０を備えた蒸気タービン設備と、水−蒸気−循環路１２において蒸気タ ービン１０に後置接続された復水器１３並びに廃熱蒸気発生器１４とを備えてい る。 蒸気タービン１０は高圧部１０ａと低圧部１０ｂとからなり、低圧部１０ｂは 共通の軸１５を介して発電機１１を駆動している。 ガスタービン２において膨張した作動媒体Ａ’或いは排気ガスを廃熱蒸気発生 器１４に導くために廃熱蒸気発生器１４の入口１４ａに排気管１７が接続されて いる。ガスタービン２からの膨張した作動媒体Ａ’は廃熱蒸気発生器１４をその 出口１４ｂから離れ、（図示されてない）煙突の方向に向かう。 廃熱蒸気発生器１４は水−蒸気−循環路１２の低圧段に加熱面として予熱器２ ０及び低圧蒸発器２２並びに低圧過熱器２４とを備えている。廃熱蒸気発生器１ ４はさらに水−蒸気−循環路１２の高圧段に加熱面として高圧蒸発器２６及び高 圧過熱器２８を備えている。低圧過熱器２４は蒸気配管３０を介して蒸気タービ ン１０の低圧部１０ｂに接続されている。高圧過熱器２８は蒸気配管３１を介し て蒸気タービン１０の高圧部１０ａに接続されている。蒸気タービン１０の低圧 部１０ｂはその二次側で蒸気配管３２を介して復水器１３に接続されている。 図に示された水−蒸気−循環路１２はそれ故２つの圧力段から構成されている 。しかしまたこの循環路は３つの圧力段から構成することもできる。この場合に は廃熱蒸気発生器１４は、図示されていない方法で、付加的に中圧蒸発器及び中 圧過熱器を備え、これらは水−蒸気−循環路１２に接続され、かつ蒸気タービン １０の中圧部に接続されている。 復水器１３は、復水ポンプ３６が接続されている復水管３４を介して予熱器２ ０に接続されている。復水管３４はさらに直列接続された３つの熱交換器３８、 ４０及び４２を介して給水タンク４４に接続されている。予熱器２０の出力側は 配管４６を介して熱交換器３８と４０との間で復水管３４に接続されている。 給水タンク４４はその出力側において給水管４８を介して低圧段の汽水分離器 ５０に接続されている。この汽水分離器５０には低圧過熱器２４と低圧蒸発器２ ２とが接続されている。給水タンク４４の出力側は、さらに、高圧ポンプ５２が 接続されている給水管５１を介して高圧段の汽水分離器５４に接続されている。 この汽水分離器５４には高圧過熱器２８と高圧蒸発器２６とが接続されている。 さらに脱気器としても作用している給水タンク４４には蒸気管３０に接続された 蒸気管５６が接続されている。 廃熱蒸気発生器１４と蒸気タービン１０との間において水−蒸気−循環路１２ には水素−酸素−燃焼器５８が接続されている。このために燃焼器５８はその入 力側で高圧過熱器２８の出口に、その出力側で蒸気タービン１０の高圧部１０ａ の入口に接続されている。水素−酸素−燃焼器５８にはさらに酸素配管６０並び に水素配管６２が接続されている。酸素配管６０は熱交換器４２及び４０を介し て空気分解装置６４に接続されている。熱交換器４２と４０との間において並び に熱交換器４０と空気分解装置６４との間において酸素配管６０にはそれぞれ１ つのポンプ６６、６８が接続されている。空気分解装置６４には加圧された空気 Ｌを供給するため、熱交換器３８を介して圧縮器３に接続されている配管６９が 接続されている。 水素配管６２はポンプ７０及び分離装置７２を介して並びに廃熱ボイラ７４を 介してもう１つの燃焼室７６に接続されている。この燃焼室もまた新鮮空気配管 ５の分岐管７８を介して圧縮器３に接続されている。燃焼室７６には燃料配管８ ０が接続されている。 ガス及び蒸気タービン複合プラントを運転する際には燃焼室７６に燃料配管８ ０を介して液状、ガス状或いは固体の燃料Ｂ、例えば灯油、天然ガス或いは図示 されていない石炭ガス化装置からの石炭が供給される。燃料Ｂは燃焼室７６にお いて圧縮器３から加圧された空気Ｌを供給されながら部分的に燃焼し、その際精 製されて燃料ガスＢ’の他に水素成分も生成される。この部分燃焼の際に発生し た熱は廃熱ボイラ７４或いは熱交換器において蒸気発生に利用される。このため 廃熱ボイラ７４は加熱或いは加熱面として蒸発器８４及び過熱器８６を備え、こ れらは汽水分離器８８に接続されている。汽水分離器８８には、高圧ポンプ５２ の高圧側において給水タンク４４と接続されている給水管９０を介して、高圧の 給水が給水タンク４４から供給される。蒸発器８４において発生され続いて過熱 器８６において過熱された蒸気は、蒸気配管９２を介して、高圧過熱器２８から 流出した蒸気に、水素−酸素−燃焼器５８に入る前に混合される。その場合、燃 料ガスＢ’との熱交換により発生されたこの蒸気の圧力は高圧過熱器２８から流 出した蒸気の圧力Ｐ_Hに一致する。 燃焼室７６における燃料の精製の際発生された水素Ｈ₂は冷却された燃料ガス Ｂ’から分離装置７２により分離され、水素配管６２を介して水素−酸素−燃焼 器５８に供給される。燃料ガスＢ’はガスタービン２の燃焼室４に供給され、そ こで空気圧縮器３からの加圧された空気Ｌと共に燃焼される。燃焼の際生じた高 温、高圧の作動媒体Ａはガスタービン２で膨張し、その際ガスタービン及び空気 圧縮器３並びに発電機７を駆動する。ガスタービン２から約６００℃の温度Ｔ_A' で流出し膨張した排気ガス或いは作動媒体Ａ’は排気ガス配管１７を介して廃熱 蒸気発生器１４に導かれ、そこで蒸気タービン１０用の蒸気の発生に利用される 。この目的のため排気ガス流と水−蒸気−循環路１２とは互いに逆流に結合され ている。 その場合特に熱利用を良くするために、蒸気は、そのエンタルピーが蒸気ター ビン１０において発電に利用される異なる圧力レベルにおいて発生される。例え ば低圧段においては圧力Ｐ_Nが約７．５バールで温度Ｔ_Nが２３０℃の蒸気が発生 される。高圧段においては圧力Ｐ_Hが約８０バールで、温度Ｔ_Hが５３０℃の蒸気 が発生される。 燃焼室５８における燃焼のために必要な水素Ｈ₂は燃料Ｂから取り出されるが 、酸素Ｏ₂は空気分解装置６４において作られる。その場合、酸素Ｏ₂は圧縮器３ により加圧された空気Ｌから分離される。燃焼室５８における燃焼に不必要な酸 素Ｏ₂成分並びに空気分解装置６４における空気の分解の際発生した窒素Ｎ₂は例 えばガスタービン２の燃焼室４に導かれる。 高圧段の高圧過熱器２８から出る過熱された蒸気は蒸気タービン１０に入る前 に、水素Ｈ₂及び酸素Ｏ₂の燃焼の際に生じた熱により６００℃より高い、特に 約１１００℃の温度Ｔ’_Hに過熱される。その際燃焼器５８に供給された蒸気は 水素−酸素−燃焼の際に生じた高温の燃焼ガスを冷却する。高温に過熱された蒸 気の圧力ｐ’_Hは依然として約８０バールを維持している。 燃焼器５８に導かれた酸素Ｏ₂はポンプ６８及び６６により２つの段で約２バ ールの圧力ｐ₁から先ず約２０バールの圧力ｐ₂に、次いで約８０バールの圧力ｐ₃ に加圧される。この加圧の際に生じた熱は第２及び第３の段でそれぞれ熱交換 器４０及び４２により、給水タンク４４に供給された復水器３０からの復水Ｋの 予熱に有利に利用される。第１段における復水予熱には、圧縮器３からの加圧空 気Ｌに含まれる熱を復水Ｋに伝達する熱交換器３８も作用する。 酸素Ｏ₂と同様に、水素Ｈ₂も燃焼器５８に入る前にポンプ７０により約８０バ ールの圧力ｐ₄にされる。 石炭ガス化装置を組み込んだガス及び蒸気タービン複合プラントにおいて水素 −酸素−燃焼器５８を高温に過熱された蒸気の発生に使用することは特に有効で ある。このようなプラントにおいては水素Ｈ₂も酸素Ｏ₂も通常プロセス内で発生 されるからである。水素−酸素−燃焼により高温に過熱された蒸気を発生するこ とによりガス及び蒸気タービン複合プラントの特に高い効率が得られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガスタービン（２）からの膨張した作動媒体（Ａ）に含まれる熱が水−蒸気 −循環路（１２）に接続された蒸気タービン（１０）のための蒸気の発生に利用 され、その際ガスタービン（２）の作動媒体（Ａ）は燃料（Ｂ、Ｂ’）を加圧さ れた空気（Ｌ）を供給しながら燃焼することにより作られるようにしたガス及び 蒸気タービン複合プラントにおいて、発生された蒸気が蒸気タービン（１０）に 入る前に水素−酸素−燃焼の際生じた熱により過熱され、しかもその水素（Ｈ₂ ）は燃料（Ｂ、Ｂ’）から分離されることによってプロセス内で発生されること を特徴とするガス及び蒸気タービン複合プラントの運転方法。 ２．酸素（Ｏ₂）が加圧された空気（Ｌ）から分離されることによりプロセス内 で発生されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．ガスタービン（２）のための燃料（Ｂ、Ｂ’）が２つの段（７６、４）で燃 焼され、その際第１段（７６）における部分燃焼（部分酸化）の際生じた熱が付 加的に蒸気の発生に利用されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。 ４．部分燃焼の際発生された蒸気が水素−酸素−燃焼によりさらに過熱される蒸 気に混合されることを特徴とする請求項３記載の方法。 ５．低圧段（２０、２２、２４）と高圧段（２６、２８）とから構成される水− 蒸気−循環路（１２）を備え、その際高圧段（２６、２８）において発生された 蒸気が水素−酸素−燃焼により６００℃より高い温度（Ｔ_H'）に過熱される請求 項１乃至４の１つに記載の方法。 ６．ガスタービン（２）に前置接続され圧縮器（３）に接続された第１の燃焼室 （４）、並びに蒸気タービン（１０）の水−蒸気−循環路（１２）に接続された 廃熱蒸気発生器（１４）を備え、この廃熱蒸気発生器に水−蒸気−循環路（１２ ） に接続された複数の加熱面（２０乃至２８）が配置されているガス及び蒸気ター ビン複合プラントにおいて、廃熱蒸気発生器（１４）と蒸気タービン（１０）と の間において水−蒸気−循環路（１２）に接続されかつ水素（Ｈ₂）及び酸素（ Ｏ₂）が供給される燃焼器（５８）を備え、さらに第１の燃焼室（４）に燃料ガ ス配管（６）を介して、燃焼器（５８）に水素配管（６２）を介して接続されて いる第２の燃焼室（７６）を備えていることを特徴とするガス及び蒸気タービン 複合プラント。 ７．一次側で燃料ガス配管（６）に、二次側で水−蒸気−循環路（１２）に接続 されている熱交換器（７４、８４、８６）を備えていることを特徴とする請求項 ６記載のプラント。 ８．熱交換器（７４）が廃熱ボイラとして形成され、このボイラが過熱された高 圧（ｐ_H）の蒸気を発生するために複数の加熱面（８４、８６）を備えているこ とを特徴とする請求項７記載のプラント。 ９．燃料ガス配管（６）に、第１の燃焼室（４）に供給される燃料ガス（Ｂ’） から水素（Ｈ₂）を分離するための、水素ガス配管（６２）と接続された分離装 置（７２）が接続されていることを特徴とする請求項６乃至８の１つに記載プラ ント。 １０．第２の燃焼室（７６）が圧縮器（３）に接続されていることを特徴とする 請求項６乃至９の１つに記載のプラント。