JP2015068314A - 燃料ガス加熱設備およびコンバインドサイクル発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】複圧式の排熱回収ボイラを採用するに際し、プラント出力を低下させずにプラント効率を向上させること。
【解決手段】 燃料ガス加熱設備は、排熱回収ボイラ４に設置される中圧節炭器１９の加熱水出口より加熱水を抽水する抽水ラインＬ１と、抽水ラインＬ１を通じて抽水された加熱水を用いて、ガスタービンプラント２で使用する燃料ガスを加熱する低温燃料加熱装置３３と、排熱回収ボイラ４に設置される中圧節炭器１９よりも排ガス流路上流に位置する高圧二次節炭器１４の加熱水出口より加熱水を抽水する抽水ラインＬ２と、抽水ラインＬ２を通じて抽水された加熱水を用いて、低温燃料加熱装置３３により加熱された燃料ガスをさらに加熱する高温燃料加熱装置３１と、高温燃料加熱装置３１における燃料ガス加熱後の加熱水を中圧節炭器１９の加熱水出口へ戻す加熱水戻しラインＬ３とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ガスタービンプラント、蒸気タービンプラント、および排熱回収ボイラを組み合わせたコンバインドサイクル発電プラントに適用される燃料ガス加熱設備に関する。

コンバインドサイクル発電プラントにおいて、燃料ガスを加熱することでプラント効率を向上させる技術がある（例えば、特許文献１）。これを実現する基本構成を図３に示す。

コンバインドサイクル発電プラント４０は、ガスタービンプラント４１、蒸気タービンプラント４２、および排熱回収ボイラ４３を組み合わせて成る。

ガスタービンプラント４１は、空気圧縮機４４、ガスタービン燃焼器４５、ガスタービン４６、燃料加熱装置５７を備え、空気圧縮機４４で吸い込んだ大気を高圧化し、その高圧空気に燃料加熱装置５７からの加熱された燃料ガスを加えてガスタービン燃焼器４５で燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスを駆動ガスとしてガスタービン４６を駆動する。

蒸気タービンプラント４２は、発電機５２に軸直結した蒸気タービン５３、復水器５４、復水ポンプ５５、給水ポンプ５６を備え、排熱回収ボイラ４３から供給されたタービン駆動蒸気を蒸気タービン５３で膨張仕事をさせ、その膨張仕事の際に発生した回転トルクで発電機５２を回転駆動して電気出力を得る一方、膨張仕事を終えたタービン排気を復水器５４で凝縮させて復水にし、その復水を復水ポンプ５５、給水ポンプ５６で昇圧し、排熱回収ボイラ４３に給水する。

排熱回収ボイラ４３は、ガスタービン４６から出た排ガスの流れに沿ってその上流側から下流側に向って配置された過熱器４７、蒸気ドラム４８に連通する蒸発器４９、節炭器５０をケーシング５８に収容し、蒸気タービンプラント４２からの給水を節炭器５０で予熱し、調節弁５１を介して蒸気ドラム４８に案内し、ここで加熱水を比重を利用して蒸発器４９で自然循環させて飽和蒸気にし、その飽和蒸気を再び過熱器４７で加熱して過熱蒸気を発生させ、その過熱蒸気をタービン駆動蒸気として蒸気タービンプラント４２に供給する。

この従来技術では、排熱回収ボイラ４３の節炭器５０で加熱される給水の温度に着目し、負荷変動があっても熱影響の少ない、その加熱水の熱エネルギを巧みに利用して、プラント熱効率の向上を図っている。すなわち、ガスタービン燃焼器４５に投入される燃料ガスの発熱量を高めることにより、プラント効率の改善に努めている。より具体的には、ガスタービンプラント４１に燃料加熱装置５７を設け、この燃料加熱装置５７の加熱源として負荷変動の影響の少ない排熱回収ボイラ４３の節炭器５０の出口側の加熱水に求め、燃料ガスを加熱させ、燃料ガスに含まれる水蒸気が蒸発する際に必要な潜熱を取り除いて、結果として発熱量を高めることにより、相対的に少ない燃料流量で燃焼ガスを生成し、プラント熱効率の向上に努めている。

上記技術を複圧式の排熱回収ボイラに適用する際は、中圧節炭器の出口側から加熱水を抽水する構成が広く用いられている。

特開平０２−２８３８０３号公報

上述のように、複圧式の排熱回収ボイラでは、プラント効率を向上させるべく燃料ガス温度を高めるために、中圧節炭器の出口側からの抽水を熱源に燃料ガス温度を上げる手法が広く用いられている。

しかし、複圧式の排熱回収ボイラにおいて、中圧節炭器の出口側からの抽水を熱源に燃料ガス温度を上げる場合、燃料ガス温度は２００℃程度までしか高めることが出来ないため、その際のプラント効率の向上には限度がある。一方、排熱回収ボイラの高圧節炭器の出口側からの抽水を熱源にすることで燃料ガス温度を２００℃以上に上げることは可能であるが、プラント出力の観点では、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの仕事量の減少につながるため、中圧節炭器の出口側からの抽水する場合（この場合は中圧タービン、低圧タービンの仕事量が減少）に比べてプラント出力が低下してしまうことから、通常行われていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複圧式の排熱回収ボイラを採用するに際し、プラント出力を低下させずにプラント効率を向上させることが可能な燃料ガス加熱設備およびコンバインドサイクル発電プラントを提供することを目的とする。

実施形態の燃料ガス加熱設備は、ガスタービンプラントに蒸気タービンプラントおよび排熱回収ボイラを組み合わせたコンバインドサイクル発電プラントに適用される燃料ガス加熱設備であって、前記排熱回収ボイラに設置される第１の節炭器の加熱水出口より加熱水を抽水する第１の抽水ラインと、前記第１の抽水ラインを通じて抽水された加熱水を用いて、前記ガスタービンプラントで使用する燃料ガスを加熱する第１の燃料加熱装置と、前記排熱回収ボイラに設置される前記第１の節炭器よりも排ガス流路上流に位置する第２の節炭器の加熱水出口より加熱水を抽水する第２の抽水ラインと、前記第２の抽水ラインを通じて抽水された加熱水を用いて、前記第１の燃料加熱装置により加熱された燃料ガスをさらに加熱する第２の燃料加熱装置と、前記第２の燃料加熱装置における燃料ガス加熱後の加熱水を前記第１の節炭器の加熱水出口へ戻す第１の加熱水戻しラインとを具備する。

実施形態によれば、複圧式の排熱回収ボイラを採用するに際し、プラント出力を低下させずにプラント効率を向上させることができる。

第１の実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの構成を示す概略系統図。 第２の実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの構成を示す概略系統図。 従来のコンバインドサイクル発電プラントの構成を示す概略系統図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
最初に、図１を参照して第１の実施形態を説明する。

図１は、第１の実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの構成を示す概略系統図である。

コンバインドサイクル発電プラント１は、ガスタービンプラント２、蒸気タービンプラント３、および排熱回収ボイラ４を組み合わせて成る。

ガスタービンプラント２は、空気圧縮機５、ガスタービン燃焼器６、ガスタービン７、高温燃料加熱装置３１、低温燃料加熱装置３３を備え、空気圧縮機５で吸い込んだ大気を高圧化し、その高圧空気に高温燃料加熱装置３１および低温燃料加熱装置３３からの加熱された燃料ガスを加えてガスタービン燃焼器６で燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスを駆動ガスとしてガスタービン７を駆動する。

蒸気タービンプラント３は、発電機２７に軸直結した蒸気タービン２８、復水器２９、低圧給水ポンプ３０を備え、排熱回収ボイラ４から供給されたタービン駆動蒸気を蒸気タービン２８で膨張仕事をさせ、その膨張仕事の際に発生した回転トルクで発電機２７を回転駆動して電気出力を得る一方、膨張仕事を終えたタービン排気を復水器２９で凝縮させて復水にし、その復水を低圧給水ポンプ３０で昇圧し、排熱回収ボイラ４へ給水ラインＬ０を通じて給水する。

排熱回収ボイラ４は、高圧、中圧、低圧からなる複圧式の排熱回収ボイラであり、ガスタービン７から出た排ガスの流れに沿ってその上流側から下流側に向って配置された高圧過熱器８、再熱器９、高圧蒸気ドラム１０に連通する高圧蒸発器１１、高圧三次節炭器１２、中圧過熱器１３、高圧二次節炭器１４、中圧蒸気ドラム１５に連通する低圧蒸発器１６、低圧過熱器１７、高圧一次節炭器１８、中圧節炭器１９、低圧蒸気ドラム２０に連通する低圧蒸発器２１、低圧節炭器２２をケーシング３７に収容し、蒸気タービンプラント３からの給水を低圧節炭器２２で予熱し、調節弁２３を介して低圧蒸気ドラム２０に案内し、ここで加熱水の一部を比重を利用して低圧蒸発器２１でそれぞれ自然循環させて飽和蒸気にし、その飽和蒸気を再び低圧過熱器１７で加熱して過熱蒸気を発生させ、その過熱蒸気をタービン駆動蒸気として蒸気タービンプラント３に供給する。また、残りの加熱水の一部を高中圧給水ポンプ２４、中圧節炭器１９、調節弁２５、中圧蒸気ドラム１５を介して中圧過熱器１３に、さらに残りの加熱水の一部を高中圧給水ポンプ２４、高圧一次節炭器１８、高圧二次節炭器１４、高圧三次節炭器１２、調節弁２６、高圧蒸気ドラム１０を介して高圧過熱器８にそれぞれ連続的に供給する。また、高圧蒸気ドラム１０および中圧蒸気ドラム１５にそれぞれにおいて、加熱水の比重を利用して高圧蒸発器１１および中圧蒸発器１６でそれぞれ自然循環させて飽和蒸気にし、その飽和蒸気を再び高圧過熱器８および中圧過熱器１３でそれぞれ加熱して過熱蒸気を発生させ、その過熱蒸気をタービン駆動蒸気として蒸気タービンプラント３に供給する。

高温燃料加熱装置３１は、高圧二次節炭器１４と高圧三次節炭器１２とを結ぶ連絡管より抽水ラインＬ２を通じて抽水した温水を加熱源として燃料ガスを加熱する。高温燃料加熱装置３１で燃料ガスを加熱した加熱水は加熱水戻しラインＬ３に送られる。加熱水戻しラインＬ３は、中圧節炭器１９から中圧蒸気ドラム１５への連絡ラインのうち、低温燃料加熱装置３３へ通じる抽水ラインＬ１への分岐点３５と中側節炭器出口３６との間の区間に接続される。

燃料ガス温度の制御は、制御装置１００からの操作信号もしくは手動により、高温燃料加熱装置３１の加熱水出口に高温燃料加熱装置出口温度調節弁３２にて行う。このとき、例えば図示しない温度検出器により高温燃料加熱装置３１の加熱水出口の温度および中圧節炭器出口３６の温度を計測し、高温燃料加熱装置出口温度調節弁３２により高温燃料加熱装置３１の加熱水出口の温度が中圧節炭器出口３６の温度と同等になるよう温度調節し、熱バランスを変えないようにする。

低温燃料加熱装置３３は、中圧節炭器１９と中圧蒸気ドラム１５とを結ぶ連絡管より抽水ラインＬ１を通じて抽水した温水を加熱源として加熱する。低温燃料加熱装置３３で燃料ガスを加熱した加熱水は加熱水戻しラインＬ４に送られる。加熱水戻しラインＬ４は、低圧給水ポンプ３０から低圧節炭器２２へ通じる給水ラインＬ０に還流するように接続される。

燃料ガス温度の制御は、制御装置１００からの操作信号もしくは手動により、低温燃料加熱装置３３の加熱水出口に低温燃料加熱装置出口温度調節弁３４にて行う。このとき、例えば図示しない温度検出器により低温燃料加熱装置３３の加熱水出口の温度および低圧節炭器２２へ通じる給水ラインＬ０の温度を計測し、低温燃料加熱装置出口温度調節弁３４により低温燃料加熱装置３３の加熱水出口の温度が低圧節炭器２２へ通じる給水ラインＬ０の温度と同等になるよう温度調節し、熱バランスを変えないようにする。

なお、高温燃料加熱装置出口温度調節弁３２や低温燃料加熱装置出口温度調節弁３４は、必ずしも設置を必要とするものではない。同様な温度調節を行えるものであれば、別のものを採用しても構わない。また、温度調節を行わなくとも所望の温度が継続して得られるのであれば、これら温度調節弁の設置を省くことができる。

このように燃料ガスを段階的に加熱する複数の加熱温度が異なる加熱装置として低温燃料加熱装置３３および高温燃料加熱装置３１を設け、燃料ガスを加熱する加熱源としてそれぞれ中圧節炭器１９の出口側および高圧二次節炭器１４の出口側より抽水ラインＬ１，Ｌ２を通じて抽水される温水を用いることで、燃料ガスの段階的な３００℃程度までの加熱が可能となることに加え、高温燃料加熱装置３１および低温燃料加熱装置３３での燃料ガス加熱後の加熱水をそれぞれ加熱水戻しラインＬ３，Ｌ４を通じて中圧節炭器１９の出口側および給水ラインＬ０に戻し、それぞれの燃料ガス加熱後の加熱水の温度を、戻し先の温水の温度と同等になるように温度調節を行うことで、熱バランスの崩れを防ぐことができる。すなわち、プラント出力低下を抑えつつ、燃料ガス温度を３００℃程度まで効率良く高め、かつプラントの熱バランスを保ち、プラント効率を高めることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、図２を参照して第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図２は、第２の実施形態に係るコンバインドサイクル発電プラントの構成を示す概略系統図である。

第２の実施形態では、高温燃料加熱装置３１を経由せずに高温燃料加熱装置３１の加熱水入口側の抽水ラインＬ２と加熱水出口側の加熱水戻しラインＬ３とを結ぶバイパスラインＬ５を設け、加熱水戻しラインＬ３とバイパスラインＬ５との合流点に三方弁３８を設ける。なお、加熱水戻しラインＬ３とバイパスラインＬ５との合流点に三方弁３８を設ける代わりに、抽水ラインＬ２とバイパスラインＬ５との分岐点に三方弁３８を設けるようにしてもよい。

また、低温燃料加熱装置３３を経由せずに低温燃料加熱装置３３の加熱水入口側の抽水ラインＬ１と加熱水出口側の加熱水戻しラインＬ４とを結ぶバイパスラインＬ６を設け、加熱水戻しラインＬ４とバイパスラインＬ６との合流点に三方弁３９を設ける。なお、加熱水戻しラインＬ４とバイパスラインＬ６との合流点に三方弁３９を設ける代わりに、抽水ラインＬ１とバイパスラインＬ６との分岐点に三方弁３９を設けるようにしてもよい。

三方弁３８，３９は、それぞれ、高温燃料加熱装置３１、低温燃料加熱装置３３に流入する加熱水の一部をバイパスさせ、制御装置１００からの操作信号もしくは手動により、それぞれの加熱水流量が一定となるように調整する。

高中圧給水ポンプ２４は、高温燃料加熱装置３１および低温燃料加熱装置３３に加熱水を供給するとともに、排熱回収ボイラ４内の高・中圧系統に加熱水を給水しているため、上記加熱水流量が一定となることにより、給水系統での流量変動要因が少なくなり、プラント効率を高めるとともに、系統の安定性を高めることができる。

以上詳述したように、各実施形態によれば、複圧式の排熱回収ボイラを採用するに際し、プラント出力を低下させずにプラント効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…コンバインドサイクル発電プラント、２…ガスタービンプラント、３…蒸気タービンプラント、４…排熱回収ボイラ、５…空気圧縮機、６…ガスタービン燃焼器、７…ガスタービン、８…高圧過熱器、９…再熱器、１０…高圧蒸気ドラム、１１…高圧蒸発器、１２…高圧三次節炭器、１３…中圧過熱器、１４…高圧二次節炭器、１５…中圧蒸気ドラム、１６…中圧蒸発器、１７…低圧過熱器、１８…高圧一次節炭器、１９…中圧節炭器、２０…低圧蒸発ドラム、２１…低圧蒸発器、２２…低圧節炭器、２３…調節弁、２４…高中圧給水ポンプ、２５，２６…調節弁、２７…発電機、２８…蒸気タービン、２９…復水器、３０…低圧給水ポンプ、３１…高温燃料加熱装置、３２…高温燃料加熱装置出口温度調節弁、３３…低温燃料加熱装置、３４…低温燃料加熱装置出口温度調節弁、３５…中圧蒸気ドラム連絡管低温燃料加熱装置加熱水抽水点、３６…中側節炭器出口、３７…ケーシング、３８，３９…三方弁、４０…コンバインドサイクル発電プラント、４１…ガスタービンプラント、４２…蒸気タービンプラント、４３…排熱回収ボイラ、４４…空気圧縮機、４５…ガスタービン燃焼器、４６…ガスタービン、４７…過熱器、４８…蒸気ドラム、４９…蒸発器、５０…節炭器、５１…調節弁、５２…発電機、５３…蒸気タービン、５４…復水器、５５…復水ポンプ、５６…給水ポンプ、５７…燃料加熱装置、５８…ケーシング、１００…制御装置、Ｌ１，Ｌ２…抽水ライン、Ｌ３，Ｌ４…加熱水戻しライン、Ｌ５，Ｌ６…バイパスライン。

Claims (9)

1. ガスタービンプラントに蒸気タービンプラントおよび排熱回収ボイラを組み合わせたコンバインドサイクル発電プラントに適用される燃料ガス加熱設備であって、
   前記排熱回収ボイラに設置される第１の節炭器の加熱水出口より加熱水を抽水する第１の抽水ラインと、
   前記第１の抽水ラインを通じて抽水された加熱水を用いて、前記ガスタービンプラントで使用する燃料ガスを加熱する第１の燃料加熱装置と、
   前記排熱回収ボイラに設置される前記第１の節炭器よりも排ガス流路上流に位置する第２の節炭器の加熱水出口より加熱水を抽水する第２の抽水ラインと、
   前記第２の抽水ラインを通じて抽水された加熱水を用いて、前記第１の燃料加熱装置により加熱された燃料ガスをさらに加熱する第２の燃料加熱装置と、
   前記第２の燃料加熱装置における燃料ガス加熱後の加熱水を前記第１の節炭器の加熱水出口へ戻す第１の加熱水戻しラインと
   を具備することを特徴とする燃料ガス加熱設備。
2. 前記第１の加熱水戻しライン上に設けられ、前記第２の燃料加熱装置の加熱水出口における加熱水の温度を前記第１の節炭器の加熱水出口における加熱水の温度と同等になるように温度調節する温度調節弁をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス加熱設備。
3. 前記第２の燃料加熱装置を経由せずに前記第２の燃料加熱装置の加熱水入口と加熱水出口とを結ぶ第１のパイパスラインと、
   前記第１の加熱水戻しライン上にて前記第１のパイパスラインを合流させる三方弁であって、前記第２の燃料加熱装置を経由する加熱水の流量が一定となるように調節する三方弁と
   をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス加熱設備。
4. 前記第２の燃料加熱装置を経由せずに前記第２の燃料加熱装置の加熱水入口と加熱水出口とを結ぶ第１のパイパスラインと、
   前記第２の抽水ライン上にて前記第１のパイパスラインを分岐させる三方弁であって、前記第２の燃料加熱装置を経由する加熱水の流量が一定となるように調節する三方弁と
   をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス加熱設備。
5. 前記第１の燃料加熱装置における燃料ガス加熱後の加熱水を前記排熱回収ボイラへの給水を行う給水ラインへ戻す第２の加熱水戻しラインをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料ガス加熱設備。
6. 前記第２の加熱水戻しライン上に設けられ、前記第１の燃料加熱装置の加熱水出口における加熱水の温度を前記給水ラインにおける給水の温度と同等になるように温度調節する温度調節弁をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の燃料ガス加熱設備。
7. 前記第１の燃料加熱装置を経由せずに前記第１の燃料加熱装置の加熱水入口と加熱水出口とを結ぶ第２のパイパスラインと、
   前記第２の加熱水戻しライン上にて前記第２のパイパスラインを合流させる三方弁であって、前記第１の燃料加熱装置を経由する加熱水の流量が一定となるように調節する三方弁と
   をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の燃料ガス加熱設備。
8. 前記第１の燃料加熱装置を経由せずに前記第１の燃料加熱装置の加熱水入口と加熱水出口とを結ぶ第２のパイパスラインと、
   前記第１の抽水ライン上にて前記第２のパイパスラインを分岐させる三方弁であって、前記第１の燃料加熱装置を経由する加熱水の流量が一定となるように調節する三方弁と
   をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の燃料ガス加熱設備。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料ガス加熱設備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。

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