特許 6265535 給水予熱装置、これを備えているガスタービンプラント、及び給水予熱方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6265535

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】給水予熱装置、これを備えているガスタービンプラント、及び給水予熱方法

(51)【国際特許分類】

   F01K 23/10 20060101AFI20180115BHJP

   F01D 25/12 20060101ALI20180115BHJP

   F01D 25/16 20060101ALI20180115BHJP

   F01D 25/18 20060101ALI20180115BHJP

   F02C 7/143 20060101ALI20180115BHJP

   F02C 7/06 20060101ALI20180115BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20180115BHJP

   F02C 6/18 20060101ALI20180115BHJP

   F22D 1/18 20060101ALI20180115BHJP

   F22B 1/18 20060101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   F01K23/10 W

   F01D25/12 E

   F01D25/16 H

   F01D25/18 B

   F02C7/143

   F02C7/06 E

   F02C7/18 Z

   F02C6/18 A

   F22D1/18

   F22B1/18 E

【請求項の数】12

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2014-60838(P2014-60838)

(22)【出願日】2014年3月24日

(65)【公開番号】特開2015-183594(P2015-183594A)

(43)【公開日】2015年10月22日

【審査請求日】2016年7月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100126893

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(72)【発明者】

【氏名】上地 英之

(72)【発明者】

【氏名】椙下 秀昭

(72)【発明者】

【氏名】中本 行政

(72)【発明者】

【氏名】岡 雄一

【審査官】 山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１４９４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０１８２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１７５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３０１１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１７３１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１９６３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２８０１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２５７４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−２４８２６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｋ ２３／１０

Ｆ０１Ｄ ２５／１２

Ｆ０１Ｄ ２５／１６

Ｆ０１Ｄ ２５／１８

Ｆ０２Ｃ ６／１８

Ｆ０２Ｃ ７／０６

Ｆ０２Ｃ ７／１４３

Ｆ０２Ｃ ７／１８

Ｆ２２Ｂ １／１８

Ｆ２２Ｄ １／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、
前記タービンからの排気ガスで水を加熱して蒸気を発生させる少なくとも１以上の蒸発器、及び、１以上の前記蒸発器のうちで最も内圧の低い低圧蒸発器に送る水を前記排気ガスで加熱する節炭器を有する排熱回収ボイラと、
を備えるガスタービンプラントの給水予熱装置において、
前記ガスタービンにおける冷却対象と水と熱交換させて、前記冷却対象を冷却すると共に、前記水を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器で加熱された水を前記節炭器に送る予熱済み給水ラインと、
を備え、
前記熱交換器は、複数の冷却器を含み、
複数の前記冷却器のうちの一の冷却器は、前記圧縮機の中段からの圧縮空気を前記冷却対象として水と熱交換させて前記圧縮空気を冷却し、冷却した前記圧縮空気を前記圧縮機の中段以降の部分に戻す中間冷却器、又は、前記圧縮機からの圧縮空気の一部を前記冷却対象として水と熱交換させて前記圧縮空気を冷却し、前記ガスタービン中で前記燃焼ガスと接する高温部品に冷却した前記圧縮空気に送る冷却用空気冷却器であり、
前記中間冷却器又は前記冷却用空気冷却器は、前記中間冷却器及び前記冷却用空気冷却器を除く冷却器で加熱された水を加熱する、
給水予熱装置。

【請求項2】

請求項１に記載の給水予熱装置において、
前記熱交換器は、複数の前記冷却器のうちの一の冷却器として、前記ガスタービンのロータを回転可能に支持する軸受からの潤滑油を前記冷却対象として水と熱交換させて前記潤滑油を冷却する一方で前記水を加熱し、冷却された前記潤滑油を前記軸受に戻す潤滑油冷却器を含み、
前記中間冷却器又は前記冷却用空気冷却器は、前記潤滑油冷却器で加熱された水を加熱する、
給水予熱装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の給水予熱装置において、
前記タービンには、前記タービンの駆動で発電する発電機が接続されており、
前記熱交換器は、複数の前記冷却器のうちの一の冷却器として、前記発電機の構成部品を冷却する冷却媒体を前記冷却対象として水と熱交換させて前記冷却媒体を冷却する発電機冷却器を含み、
前記中間冷却器又は前記冷却用空気冷却器は、前記発電機冷却器で加熱された水を加熱する、
給水予熱装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の給水予熱装置において、
前記冷却器は、前記低圧蒸発器内における水の飽和温度よりも低い温度の前記冷却対象と前記水とを熱交換する、
給水予熱装置。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか一項に記載の給水予熱装置において、
前記熱交換器は、前記中間冷却器を含み、
前記中間冷却器は、前記節炭器に送られる水の流れに対して最も下流側の冷却器を成し、前記低圧蒸発器内における水の飽和温度よりも低い温度の前記冷却対象と前記水とを熱交換する、
給水予熱装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載の給水予熱装置において、
前記熱交換器は、前記節炭器に送られる前記水を、前記節炭器の排気ガス出口における前記排気ガスの露点温度よりも高い温度に加熱する、
給水予熱装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一項に記載の給水予熱装置において、
前記ガスタービンプラントは、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気で駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの駆動で発電する発電機とを備え、
前記熱交換器は、
前記蒸気タービンのロータを回転可能に支持する軸受からの潤滑油を冷却対象として水とを熱交換させて前記潤滑油を冷却し、冷却された前記潤滑油を前記軸受に戻す潤滑油冷却器、又は、前記蒸気タービンで駆動する前記発電機の構成部品を冷却する冷却媒体を冷却対象として水と熱交換させて前記冷却媒体を冷却する発電機冷却器を含む、
給水予熱装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の給水予熱装置と、
前記ガスタービンと、
前記排熱回収ボイラと、
を備えるガスタービンプラント。

【請求項9】

空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、
前記タービンからの排気ガスで水を加熱して蒸気を発生させる少なくとも１以上の蒸発器、及び、１以上の前記蒸発器のうちで最も内圧の低い低圧蒸発器に送る水を前記排気ガスで加熱する節炭器を有する排熱回収ボイラと、
を備えるガスタービンプラントの給水予熱方法において、
前記ガスタービンにおける冷却対象と水と熱交換させて、前記冷却対象を冷却すると共に、前記水を加熱する熱交換工程と、
前記熱交換工程で加熱された水を前記節炭器に送る給水工程と、
を実行し、
前記熱交換工程は、複数の冷却工程を含み、
複数の前記冷却工程のうちの一の冷却工程は、前記圧縮機の中段からの圧縮空気を前記冷却対象として水と熱交換させて前記圧縮空気を冷却し、冷却した前記圧縮空気を前記圧縮機の中段以降の部分に戻す中間冷却工程、又は、前記圧縮機からの圧縮空気の一部を前記冷却対象として水と熱交換させて前記圧縮空気を冷却し、前記ガスタービン中で前記燃焼ガスと接する高温部品に冷却した前記圧縮空気に送る冷却用空気冷却工程であり、
前記中間冷却工程又は前記冷却用空気冷却工程は、前記中間冷却工程及び前記冷却用空気冷却工程を除く冷却工程で加熱された水を加熱する、
給水予熱方法。

【請求項10】

請求項９に記載の給水予熱方法において、
前記冷却対象の温度は、前記低圧蒸発器内における水の飽和温度よりも低い温度である、
給水予熱方法。

【請求項11】

請求項９に記載の給水予熱方法において、
前記熱交換工程は、前記中間冷却工程を含み、
前記圧縮機の中段からの圧縮空気と水との熱交換が、前記節炭器におくる水の最後の加熱工程であり、
前記圧縮機の中段からの圧縮空気の温度は、前記低圧蒸発器内における水の飽和温度よりも低い温度である、
給水予熱方法。

【請求項12】

請求項９から１１のいずれか一項に記載の給水予熱方法において、
前記熱交換工程では、前記節炭器に送られる前記水を、前記節炭器の排気ガス出口における前記排気ガスの露点温度よりも高い温度に加熱する、
給水予熱方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、排熱回収ボイラに送る水を加熱する給水予熱装置、これを備えているガスタービンプラント、及び給水予熱方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスにより駆動するタービンと、を有している。このガスタービンには、タービンからの排気される排気ガスの熱を有効利用するために排熱回収ボイラが接続されていることがある。

【0003】

以下の特許文献１には、ガスタービンと排熱回収ボイラとを備えているガスタービンプラントが開示されている。ガスタービンは、空気を圧縮する第一圧縮機と、この第一圧縮機で圧縮された空気をさらに圧縮する第二圧縮機と、第二圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスで駆動するタービンと、を有する。また、排熱回収ボイラは、ガスタービンからの排気ガスとの熱交換で水を加熱する給水加熱器と、この給水加熱器で加熱された水を排気ガスとの熱交換で蒸気にする第一ボイラと、第一ボイラで発生した蒸気をさらに過熱する過熱器と、排気ガスとの熱交換で水を蒸気にする第二ボイラと、を有する。第二ボイラは、第一ボイラに対する給水加熱器よりも、排熱回収ボイラを流れる排気ガスの流れの下流側に配置されている。よって、第一ボイラを高圧ボイラとすると、第二ボイラは第一ボイラの内圧よりも低い低圧ボイラである。

【0004】

第一圧縮機で圧縮された空気を第二圧縮機に送る圧縮空気ラインには、ここを通る空気と水とを熱交換させて、水を加熱する中間冷却器が設けられている。この中間冷却器で加熱された水は、第一ボイラ（高圧ボイラ）に対する給水加熱器及び第二ボイラ（低圧ボイラ）の蒸発ドラムに送られる。空気中間冷却器は、第一圧縮機から２５６℃の空気を受け入れ、これを水との熱交換で３５℃にまで冷却して、第二圧縮機に送る。さらに、この空気中間冷却器は、１５℃の水を受け入れ、これを空気との熱交換で２０５℃にまで加熱して、第一ボイラ（高圧ボイラ）に対する給水加熱器及び第二ボイラ（低圧ボイラ）の蒸発ドラムに送る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１０−３２５３３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１に記載の技術では、ガスタービンにおける冷却対象の一つである圧縮空気の熱を利用して、排熱回収ボイラに送る水を加熱している。しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、２５６℃の高温の圧縮空気を用いて、１５℃の水を２０５℃まで加熱しているため、つまり高温側の媒体と低温側の媒体との温度差が大きいため、熱交換の効率が低く、冷却対象の熱を効率よく利用できない、という問題点がある。また、産業界や電気業界では、水の加熱源として、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に低温の冷却対象の熱もできる限り有効に利用したい、という要望もある。

【0007】

そこで、本発明は、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に低温の冷却対象の熱も利用でき、しかも、冷却対象の熱を効率よく利用できる給水加熱装置、これを備えているガスタービンプラント、及び給水予熱方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するための発明に係る一態様としての給水加熱装置は、
空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、前記タービンからの排気ガスで水を加熱して蒸気を発生させる少なくとも１以上の蒸発器、及び、１以上の前記蒸発器のうちで最も内圧の低い低圧蒸発器に送る水を前記排気ガスで加熱する節炭器を有する排熱回収ボイラと、を備えるガスタービンプラントの給水予熱装置において、前記ガスタービンにおける冷却対象と水と熱交換させて、前記冷却対象を冷却すると共に、前記水を加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱された水を前記節炭器に送る予熱済み給水ラインと、を備え、前記熱交換器は、複数の冷却器を含み、複数の前記冷却器のうちの一の冷却器は、前記圧縮機の中段からの圧縮空気を前記冷却対象として水と熱交換させて前記圧縮空気を冷却し、冷却した前記圧縮空気を前記圧縮機の中段以降の部分に戻す中間冷却器、又は、前記圧縮機からの圧縮空気の一部を前記冷却対象として水と熱交換させて前記圧縮空気を冷却し、前記ガスタービン中で前記燃焼ガスと接する高温部品に冷却した前記圧縮空気に送る冷却用空気冷却器であり、前記中間冷却器又は前記冷却用空気冷却器は、前記中間冷却器及び前記冷却用空気冷却器を除く冷却器で加熱された水を加熱する。

【0009】

当該給水予熱装置では、ガスタービンにおける冷却対象の熱を利用して、節炭器に送る水を加熱するので、ガスタービンの排熱を有効利用することできる。また、１以上の蒸発器のうちで最も内圧の低い低圧蒸発器に送る水を加熱する節炭器には、ガスタービンプラントのうちで相対的に低い温度の水を送ればよい。このため、当該給水予熱装置では、低温の排熱を有効利用できる。さらに、当該給水予熱装置では、水の加熱源として、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に高温の冷却対象から相対的に低温の冷却対象まで利用できるので、ガスタービンプラントに応じた冷却対象を節炭器におくる水の加熱源に利用することができる。仮に、当該給水予熱装置において、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に低温の冷却対象を節炭器におくる水の熱源に利用すれば、この低温の冷却対象の熱でも有効利用することができる。
さらに、当該給水予熱装置では、冷却対象の異なる少なくとも二種類の冷却器で節炭器に送る水を段階的に加熱する。このため、当該給水予熱装置の各冷却器では、冷却対象と水との温度差が小さく、しかも水の入口温度と出口温度との差が小さくなり、冷却対象と水との熱交換の効率を高めることができる。

【0010】

ここで、前記給水予熱装置において、前記熱交換器は、複数の前記冷却器のうちの一の冷却器として、前記ガスタービンのロータを回転可能に支持する軸受からの潤滑油を前記冷却対象として水と熱交換させて前記潤滑油を冷却する一方で前記水を加熱し、冷却された前記潤滑油を前記軸受に戻す潤滑油冷却器を含み、前記中間冷却器又は前記冷却用空気冷却器は、前記潤滑油冷却器で加熱された水を加熱してもよい。

【0011】

また、以上のいずれかの前記給水予熱装置において、前記タービンには、前記タービンの駆動で発電する発電機が接続されており、前記熱交換器は、複数の前記冷却器のうちの一の冷却器として、前記発電機の構成部品を冷却する冷却媒体を前記冷却対象として水と熱交換させて前記冷却媒体を冷却する発電機冷却器を含み、前記中間冷却器又は前記冷却用空気冷却器は、前記発電機冷却器で加熱された水を加熱してもよい。

【0014】

また、以上のいずれかの前記給水予熱装置において、前記冷却器は、前記低圧蒸発器内における水の飽和温度よりも低い温度の前記冷却対象と前記水とを熱交換してもよい。

【0015】

当該給水予熱装置では、低温の排熱を有効に活用してガスタービンプラントの出力及び効率を高めることができる。さらに、当該給水予熱装置では、前記給水予熱装置における高温側の媒体と低温側の媒体の温度差が小さくなり、低温の排熱を効率よく回収することができ、ガスタービンプラントの出力及び効率を高めることができる。

【0016】

以上のいずれかの前記給水予熱装置において、前記熱交換器は、前記中間冷却器を含み、前記中間冷却器は、前記節炭器に送られる水の流れに対して最も下流側の冷却器を成し、前記低圧蒸発器内における水の飽和温度よりも低い温度の前記冷却対象と前記水とを熱交換してもよい。

【0017】

当該給水予熱装置では、節炭器に送る水の温度をより低くすることができる。しかも、当該給水予熱装置では、節炭器及び低圧蒸発器での水への加熱が不要になることがなく、節炭器及び低圧蒸発器を通る排気ガスの熱を有効利用することができる。さらに、当該給水予熱装置では、燃焼器の空気入口温度の低下に伴ってガスタービン効率が低下するものの、圧縮機の駆動に必要な動力が小さくなり、ガスタービン効率の低下をより抑えることができる。

【0020】

以上のいずれかの前記給水予熱装置において、前記熱交換器は、前記節炭器に送られる前記水を、前記節炭器の排気ガス出口における前記排気ガスの露点温度よりも高い温度に加熱してもよい。

【0021】

当該給水予熱装置では、節炭器を構成する伝熱管に排気ガス中の水分が凝縮することを抑えることができる。このため、当該給水予熱装置では、節炭器を構成する伝熱管の腐食を抑えることができる。

【0022】

以上のいずれかの前記給水予熱装置において、前記ガスタービンプラントは、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気で駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの駆動で発電する発電機とを備え、前記熱交換器は、前記蒸気タービンのロータを回転可能に支持する軸受からの潤滑油を冷却対象として水とを熱交換させて前記潤滑油を冷却し、冷却された前記潤滑油を前記軸受に戻す潤滑油冷却器、又は、前記蒸気タービンで駆動する前記発電機の構成部品を冷却する冷却媒体を冷却対象として水と熱交換させて前記冷却媒体を冷却する発電機冷却器を含んでもよい。

【0023】

当該給水予熱装置では、ガスタービンにおける冷却対象以外の冷却対象も、水の加熱源として有効利用することができる。

【0024】

上記目的を達成するための発明に係る一態様としてのガスタービンプラントは、
以上のいずれかの前記給水予熱装置と、前記ガスタービンと、前記排熱回収ボイラと、を備える。

【0025】

当該ガスタービンプラントは、前記給水予熱装置を備えるので、排熱回収ボイラへ送る水の加熱にあたり、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に低温の冷却対象の熱も利用でき、しかも、冷却対象の熱を効率よく利用できる。よって、当該ガスタービンプラントでは、ガスタービンプラントの排熱を有効利用することができる。

【0026】

上記目的を達成するための発明に係る一態様としてのガスタービンプラントの給水予熱方法は、
空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、及び、燃焼ガスで駆動するタービンを有するガスタービンと、前記タービンからの排気ガスで水を加熱して蒸気を発生させる少なくとも１以上の蒸発器、及び、１以上の前記蒸発器のうちで最も内圧の低い低圧蒸発器に送る水を前記排気ガスで加熱する節炭器を有する排熱回収ボイラと、を備えるガスタービンプラントの給水予熱方法において、前記ガスタービンにおける冷却対象と水と熱交換させて、前記冷却対象を冷却すると共に、前記水を加熱する熱交換工程と、前記熱交換工程で加熱された水を前記節炭器に送る給水工程と、を実行し、前記熱交換工程は、複数の冷却工程を含み、複数の前記冷却工程のうちの一の冷却工程は、前記圧縮機の中段からの圧縮空気を前記冷却対象として水と熱交換させて前記圧縮空気を冷却し、冷却した前記圧縮空気を前記圧縮機の中段以降の部分に戻す中間冷却工程、又は、前記圧縮機からの圧縮空気の一部を前記冷却対象として水と熱交換させて前記圧縮空気を冷却し、前記ガスタービン中で前記燃焼ガスと接する高温部品に冷却した前記圧縮空気に送る冷却用空気冷却工程であり、前記中間冷却工程又は前記冷却用空気冷却工程は、前記中間冷却工程及び前記冷却用空気冷却工程を除く冷却工程で加熱された水を加熱する。

【0027】

当該給水予熱方法では、ガスタービンにおける冷却対象の熱を利用して、節炭器に送る水を加熱するので、ガスタービンの排熱を有効利用することできる。また、１以上の蒸発器のうちで最も内圧の低い低圧蒸発器に送る水を加熱する節炭器には、ガスタービンプラントのうちで相対的に低い温度の水を送ればよい。このため、当該給水予熱方法では、節炭器に送る水を加熱する関係上、比較的低温の冷却対象から低温の排熱を効率よく利用できる。さらに、当該給水予熱方法では、熱交換工程での冷却対象と水との温度差が小さくなり、冷却対象の熱を効率よく利用できる。さらに、当該給水予熱方法では、水の加熱源として、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に高温の冷却対象から相対的に低温の冷却対象まで利用できるので、ガスタービンプラントに応じた冷却対象を節炭器におくる水の加熱源に利用することができる。仮に、当該給水予熱方法において、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に低温の冷却対象を節炭器におくる水の熱源に利用すれば、この低温の冷却対象の熱でも有効利用することができる。
さらに、当該給水予熱方法では、各冷却工程での冷却対象と水との温度差が小さくなり、冷却対象と水との熱交換の効率を高めることができる。

【0030】

また、以上のいずれかの前記給水予熱方法において、前記冷却対象の温度は、前記低圧蒸発器内における水の飽和温度よりも低い温度であってもよい。

【0031】

当該給水予熱方法では、低低温の排熱を有効利用することができる。さらに、当該給水予熱方法では、熱交換工程での冷却対象と水との温度差が小さくなり、冷却対象の熱を効率よく利用できる。

【0033】

前記給水予熱方法において、前記熱交換工程は、前記中間冷却工程を含み、前記圧縮機の中段からの圧縮空気と水との熱交換が、前記節炭器におくる水の最後の加熱工程であり、前記圧縮機の中段からの圧縮空気の温度は、前記低圧蒸発器内における水の飽和温度よりも低い温度であってもよい。

【0034】

当該給水予熱方法では、低温の排熱を有効利用することができる。さらに、当該給水予熱方法では、熱交換工程での冷却対象と水との温度差が小さくなり、冷却対象の熱を効率よく利用できる。しかも、当該給水予熱方法では、節炭器及び低圧蒸発器での水への加熱が不要になることがなく、節炭器及び低圧蒸発器を通る排気ガスの熱を有効利用することができる。さらに、当該給水予熱方法では、燃焼器の空気入口温度の低下に伴ってガスタービン効率が低下するものの、圧縮機の駆動に必要な動力が小さくなり、ガスタービン効率の低下をより抑えることができる。
また、以上のいずれかの前記給水予熱方法において、前記熱交換工程では、前記節炭器に送られる前記水を、前記節炭器の排気ガス出口における前記排気ガスの露点温度よりも高い温度に加熱してもよい。

【0035】

当該給水予熱方法では、節炭器を構成する伝熱管に排気ガス中の水分が凝縮することを抑えることができる。このため、当該給水予熱方法では、節炭器を構成する伝熱管の腐食を抑えることができる。

【発明の効果】

【0036】

本発明では、排熱回収ボイラへ送る水の加熱にあたり、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に低温の冷却対象の熱も利用でき、しかも、冷却対象の熱を効率よく利用できる。よって、本発明によれば、ガスタービンプラントの排熱を有効利用することができ、結果として、ガスタービンプラントの出力及び効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。

【図2】本発明に係る第一実施形態の変形例における燃焼器の模式的な断面図である。

【図3】本発明に係る第二実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。

【図4】本発明に係る第二実施形態における低圧圧縮機及び高圧圧縮機の各種条件を示す説明図である。

【図5】本発明に係る第二実施形態における低圧圧縮機の圧力比と低圧圧縮機における空気の出口温度との関係を示すグラフである。

【図6】本発明に係る第二実施形態における低圧圧縮機の圧力比と中間冷却器における排熱量との関係を示すグラフである。

【図7】本発明に係る第二実施形態における低圧圧縮機の圧力比と圧縮機の合計動力との関係を示すグラフである。

【図8】本発明に係る第三実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。

【図9】本発明に係る第二及び第三実施形態における圧縮機の変形例の要部断面図である。

【図10】本発明に係る第二実施形態における熱交換器の変形例を示す説明図である。

【図11】本発明に係る各実施形態における排熱回収設備の変形例の系統図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下、本発明に係るガスタービンプラントの各種実施形態について、図面を用いて説明する。

【0039】

「第一実施形態」
図１を参照して、本発明に係るガスタービンプラントの第一実施形態について説明する。

【0040】

本実施形態のガスタービンプラントは、ガスタービン１０と、ガスタービン１０の駆動で発電する発電機４１と、ガスタービン１０から排気された排気ガスＥＧの熱で水を加熱して蒸気を発生させる排熱回収装置１００と、排熱回収装置１００を通過した排気ガスＥＧを大気に放出する煙突６０と、給水予熱装置５０と、を備えている。

【0041】

ガスタービン１０は、空気Ａを圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された空気中で燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２１と、高温高圧の燃焼ガスにより駆動するタービン３１と、を備えている。

【0042】

圧縮機１１は、軸線を中心として回転する圧縮機ロータ１３と、この圧縮機ロータ１３を回転可能に覆う圧縮機ケーシング１７と、有する。

【0043】

タービン３１は、燃焼器２１からの燃焼ガスにより、軸線を中心として回転するタービンロータ３３と、このタービンロータ３３を回転可能に覆うタービンケーシング３７と、を有している。タービンロータ３３は、軸線と平行な軸方向に延びるロータ軸３４と、このロータ軸３４の外周に固定されている複数の動翼３５と、を有している。ロータ軸３４及び複数の動翼３５には、冷却空気が流れる冷却空気流路３６が形成されている。また、タービンケーシング３７の内周面には、複数の静翼３８が固定されている。タービンケーシング３７の内周面とロータ軸３４の外周面との間は、燃焼器２１からの燃焼ガスが通る燃焼ガス流路を成す。

【0044】

燃焼器２１は、タービンケーシング３７に固定されている。タービンロータ３３と圧縮機ロータ１３とは、同一の軸線を中心として回転するもので、相互に連結されて、ガスタービンロータ４０を成している。このガスタービンロータ４０には、前述の発電機４１のロータが接続されている。発電機４１のロータやステータは、例えば水素等の冷却媒体で冷却される。このため、発電機４１にはこの冷却媒体を水との熱交換で冷却する発電機冷却器５１が設けられている。ガスタービンロータ４０は、回転可能に軸受４５で支持されている。この軸受４５には、軸受４５からの潤滑油を水との熱交換で冷却して軸受４５に戻す潤滑油冷却器５２が設けられている。

【0045】

圧縮機１１には、圧縮機１１で圧縮された空気Ａの一部を水との熱交換で冷却して、これをタービン３１の冷却空気流路３６に送る冷却用空気冷却器５４が設けられている。

【0046】

排熱回収装置１００は、タービン３１を駆動させた燃焼ガス、つまりガスタービン１０から排気された排気ガスＥＧの熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１１０と、排熱回収ボイラ１１０で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃと、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの駆動で発電する発電機１２２と、蒸気タービン１２１ａを駆動させた蒸気を水に戻す復水器１２３と、復水器１２３中の水を排熱回収ボイラ１１０に戻す給水ポンプ１２４と、を備えている。

【0047】

排熱回収装置１００は、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとして、低圧蒸気タービン１２１ａ、中圧蒸気タービン１２１ｂ、高圧蒸気タービン１２１ｃを有している。また、排熱回収ボイラ１１０は、低圧蒸気ＬＳを発生する低圧蒸気発生部１１１ａと、中圧蒸気ＩＳを発生する中圧蒸気発生部１１１ｂと、高圧蒸気ＨＳを発生する高圧蒸気発生部１１１ｃと、高圧蒸気タービン１２１ｃを駆動させた蒸気を再過熱する再熱部１１５と、を有している。なお、ここでは、低圧蒸気タービン１２１ａ、中圧蒸気タービン１２１ｂ、高圧蒸気タービン１２１ｃの合計３基の蒸気タービンに対して、１基の発電機１２２を設けているが、各蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに発電機を設けてもよい。

【0048】

低圧蒸気発生部１１１ａは、水を加熱する低圧節炭器１１２ａと、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を蒸気にする低圧蒸発器１１３ａと、低圧蒸発器１１３ａで発生した蒸気を過熱して低圧蒸気ＬＳを生成する低圧過熱器１１４ａと、を有している。

【0049】

中圧蒸気発生部１１１ｂは、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を昇圧する中圧ポンプ１１６ｂと、この中圧ポンプ１１６ｂで昇圧された水を加熱する中圧節炭器１１２ｂと、中圧節炭器１１２ｂで加熱された水を蒸気にする中圧蒸発器１１３ｂと、中圧蒸発器１１３ｂで発生した蒸気を過熱して中圧蒸気ＩＳを生成する中圧過熱器１１４ｂと、を有している。

【0050】

高圧蒸気発生部１１１ｃは、低圧節炭器１１２ａで加熱された水を昇圧する高圧ポンプ１１６ｃと、この高圧ポンプ１１６ｃで昇圧された水を加熱する第一高圧節炭器１１２ｃと、第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水をさらに加熱する第二高圧節炭器１１２ｄと、第二高圧節炭器１１２ｄで加熱された水を蒸気にする高圧蒸発器１１３ｃと、高圧蒸発器１１３ｃで発生した蒸気を過熱する第一高圧過熱器１１４ｃと、第一高圧過熱器１１４ｃで過熱された蒸気をさらに過熱して高圧蒸気ＨＳを生成する第二高圧過熱器１１４ｄと、を有している。

【0051】

再熱部１１５は、高圧蒸気タービン１２１ｃを駆動させた蒸気を加熱する第一再熱器１１５ａと、第一再熱器１１５ａで過熱された蒸気をさらに過熱して再熱蒸気ＲＨＳを生成する第二再熱器１１５ｂと、有している。

【0052】

再熱部１１５、高圧蒸気発生部１１１ｃ、中圧蒸気発生部１１１ｂ、低圧蒸気発生部１１１ａのそれぞれを構成する要素は、タービン３１から煙突６０に向かう排気ガスＥＧの下流側に向かって、第二再熱器１１５ｂ及び第二高圧過熱器１１４ｄ、第一再熱器１１５ａ、第一高圧過熱器１１４ｃ、高圧蒸発器１１３ｃ、第二高圧節炭器１１２ｄ、中圧過熱器１１４ｂ及び低圧過熱器１１４ａ、中圧蒸発器１１３ｂ、第一高圧節炭器１１２ｃ及び中圧節炭器１１２ｂ、低圧蒸発器１１３ａ、低圧節炭器１１２ａの順序で並んでいる。

【0053】

復水器１２３と低圧節炭器１１２ａとは、給水ライン１３１で接続されている。この給水ライン１３１には、前述の給水ポンプ１２４が設けられている。低圧過熱器１１４ａと低圧蒸気タービン１２１ａの蒸気入口とは、低圧過熱器１１４ａからの低圧蒸気ＬＳを低圧蒸気タービン１２１ａに送る低圧蒸気ライン１３２で接続されている。低圧蒸気タービン１２１ａの蒸気出口と復水器１２３とは、低圧蒸気タービン１２１ａを駆動させた低圧蒸気ＬＳが復水器１２３に供給されるよう互いに接続されている。第二高圧過熱器１１４ｄと高圧蒸気タービン１２１ｃの蒸気入口とは、第二高圧過熱器１１４ｄからの高圧蒸気ＨＳを高圧蒸気タービン１２１ｃに送る高圧蒸気ライン１３８で接続されている。高圧蒸気タービン１２１ｃの蒸気出口と第一再熱器１１５ａの蒸気入口とは、高圧蒸気タービン１２１ｃからの高圧蒸気ＨＳを第一再熱器１１５ａに送る高圧蒸気回収ライン１３９で接続されている。第二再熱器１１５ｂの蒸気出口と中圧蒸気タービン１２１ｂの蒸気入口とは、第二再熱器１１５ｂで過熱された蒸気を再熱蒸気ＲＨＳとして中圧蒸気タービン１２１ｂに送る再熱蒸気ライン１３６で接続されている。中圧蒸気タービン１２１ｂの蒸気出口には、中圧蒸気回収ライン１３７が接続されている。この中圧蒸気回収ライン１３７は、低圧蒸気ライン１３２に合流している。中圧過熱器１１４ｂの蒸気出口には、中圧蒸気ライン１３３が接続されている。この中圧蒸気ライン１３３は、高圧蒸気回収ライン１３９に合流している。

【0054】

給水予熱装置５０は、ガスタービン１０における冷却対象と水とを熱交換させる熱交換器と、熱交換器で加熱された水を低圧節炭器１１２ａに送る給水ライン１３１と、を有する。熱交換器は、冷却対象の一つである圧縮機１１からの空気の一部と水とを熱交換させる冷却用空気冷却器５４と、冷却対象の一つである軸受４５の潤滑油と水とを熱交換させる潤滑油冷却器５２と、冷却対象の一つである発電機４１の冷却媒体と水とを熱交換させる発電機冷却器５１と、有する。

【0055】

給水ライン１３１は、給水ポンプ１２４の下流側で二つのラインに分岐している。一方のラインは、第一冷却水ライン５５を成し、他方のラインは、第二冷却水ライン５６を成す。第一冷却水ライン５５は、発電機冷却器５１の水入口に接続されている。第二冷却水ライン５６は、潤滑油冷却器５２の水入口に接続されている。発電機冷却器５１の水出口及び潤滑油冷却器５２の水出口には、それぞれ第三冷却水ライン５７が接続されている。各水出口に接続されている第三冷却水ライン５７は、合流して、冷却用空気冷却器５４の水入口に接続されている。この冷却用空気冷却器５４の水出口には、予熱済み給水ライン５９が接続されている。この予熱済み給水ライン５９は、低圧節炭器１１２ａに接続されている。なお、給水ライン１３１は、以上で説明した、第一冷却水ライン５５、第二冷却水ライン５６、第三冷却水ライン５７、予熱済み給水ライン５９を有している。

【0056】

次に、本実施形態のガスタービンプラントの動作について説明する。

【0057】

ガスタービン１０の圧縮機１１は、空気Ａを圧縮し、圧縮した空気Ａを燃焼器２１に供給する。また、燃焼器２１には、燃料Ｆも供給される。燃焼器２１内では、圧縮された空気Ａ中で燃料Ｆが燃焼して、高温高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、燃焼器２１からタービン３１内の燃焼ガス流路に送られ、タービンロータ３３を回転させる。このタービンロータ３３の回転で、ガスタービン１０に接続されている発電機４１は発電する。

【0058】

タービンロータ３３を回転させた燃焼ガスは、排気ガスＥＧとしてガスタービン１０から排気され、排熱回収ボイラ１１０を介して、煙突６０から大気に放出される。排熱回収装置１００は、ガスタービン１０からの排気ガスＥＧが排熱回収ボイラ１１０を通る過程で、この排気ガスＥＧに含まれている熱を回収する。

【0059】

排熱回収ボイラ１１０中で、最も下流側（煙突６０側）の低圧節炭器１１２ａには、給水ライン１３１から水が供給される。低圧節炭器１１２ａは、この水を排気ガスＥＧと熱交換させて加熱する。低圧節炭器１１２ａで加熱された水の一部は、低圧蒸発器１１３ａでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、低圧過熱器１１４ａでさらに過熱されて低圧蒸気ＬＳとして、低圧蒸気ライン１３２を介して低圧蒸気タービン１２１ａに供給される。低圧蒸気タービン１２１ａを駆動させた蒸気は、復水器１２３で水に戻る。

【0060】

低圧節炭器１１２ａで加熱された水の他の一部は、中圧ポンプ１１６ｂで昇圧されて中圧節炭器１１２ｂに送られ、低圧節炭器１１２ａで加熱された残りの水は、高圧ポンプ１１６ｃで昇圧されて第一高圧節炭器１１２ｃに送られる。

【0061】

第一高圧節炭器１１２ｃは、高圧ポンプ１１６ｃから送られてきた水を排気ガスＥＧと熱交換させて加熱する。第一高圧節炭器１１２ｃで加熱された水は、第二高圧節炭器１１２ｄでさらに加熱される。この水は、高圧蒸発器１１３ｃでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、第一高圧過熱器１１４ｃ及び第二高圧過熱器１１４ｄでさらに過熱されて高圧蒸気ＨＳとなる。この高圧蒸気ＨＳは、高圧蒸気ライン１３８を介して高圧蒸気タービン１２１ｃに供給され、高圧蒸気タービン１２１ｃを駆動する。高圧蒸気タービン１２１ｃを駆動させた蒸気は、高圧蒸気回収ライン１３９を介して、第一再熱器１１５ａに送られる。

【0062】

中圧節炭器１１２ｂは、中圧ポンプ１１６ｂから送られてきた水を排気ガスＥＧと熱交換させて加熱する。中圧節炭器１１２ｂで加熱された水は、中圧蒸発器１１３ｂでさらに加熱されて蒸気になる。この蒸気は、中圧過熱器１１４ｂでさらに過熱されて、中圧蒸気ＩＳとなる。この中圧蒸気ＩＳは、中圧蒸気ライン１３３を介して、高圧蒸気回収ライン１３９を流れる蒸気と合流し、第一再熱器１１５ａ及び第二再熱器１１５ｂで再過熱され、再熱蒸気ＲＨＳとなる。この再熱蒸気ＲＨＳは、再熱蒸気ライン１３６を介して、中圧蒸気タービン１２１ｂに供給される。

【0063】

中圧蒸気タービン１２１ｂを駆動させた再熱蒸気ＲＨＳは、中圧蒸気回収ライン１３７及び低圧蒸気ライン１３２を介して、低圧蒸気タービン１２１ａに供給される。

【0064】

復水器１２３中の水は、給水ポンプ１２４で昇圧され、給水ライン１３１中の第一冷却水ライン５５を経て発電機冷却器５１に送れると共に、給水ライン１３１中の第二冷却水ライン５６を経て潤滑油冷却器５２に送られる。発電機冷却器５１では、発電機４１のロータやステータを冷却する冷却媒体と復水器１２３からの水とが熱交換され、冷却媒体が冷却される一方で、水が加熱される（熱交換工程）。また、潤滑油冷却器５２では、軸受４５の潤滑油と復水器１２３からの水とが熱交換され、潤滑油が冷却される一方で、水が加熱される（熱交換工程）。

【0065】

発電機冷却器５１及び潤滑油冷却器５２で一次加熱された水は、第三冷却水ライン５７を経て冷却用空気冷却器５４に送られる。冷却用空気冷却器５４では、この一次加熱された水と圧縮機１１で圧縮された空気の一部とが熱交換され、この空気が冷却される一方で、水がさらに加熱される（熱交換工程）。冷却された空気は、タービンロータ３３の冷却空気流路３６に送られ、タービンロータ３３を冷却する。一方、冷却用空気冷却器５４でさらに加熱された水は、給水ライン１３１中の予熱済み給水ライン５９を介して、低圧節炭器１１２ａに送られる（給水工程）。

【0066】

低圧節炭器１１２ａに送られた水は、前述したように、排気ガスとの熱交換で加熱されてから、低圧蒸発器１１３ａ等に送られる。

【0067】

以上、本実施形態では、ガスタービン１０における冷却対象の熱を利用して、低圧節炭器１１２ａにおくる水を加熱するので、ガスタービン１０の排熱を有効利用することできる。

【0068】

ところで、排熱回収ボイラ１１０の複数の蒸発器１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃのうちで最も内圧の低い低圧蒸発器１１３ａに送る水を加熱する低圧節炭器１１２ａには、ガスタービンプラントのうちで相対的に低い温度の水を送ればよい。よって、本実施形態の給水予熱装置５０では、低圧節炭器１１２ａにおける比較的低温の水を加熱する関係上、比較的低温の冷却対象の熱を効率よく利用できる。しかも、本実施形態の給水予熱装置５０では、発電機冷却器５１及び潤滑油冷却器５２で水を一次加熱した後、冷却用空気冷却器５４で一次加熱された水をさらに二次加熱する。このため、熱交換器を構成する各冷却器５１，５２，５４では、冷却対象と水との温度差が小さくなる上に、水の入口温度と出口温度との差が小さくなり、冷却対象と水との熱交換の効率を高めることができる。

【0069】

また、本実施形態の給水予熱装置５０では、ガスタービンプラントのうちで相対的に低い温度の水を低圧節炭器１１２ａに送ればよく、水の加熱源として、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に高温の冷却対象から相対的に低温の冷却対象まで利用できることになる。よって、本実施形態の給水予熱装置５０では、ガスタービンプラントに応じた冷却対象を低圧節炭器１１２ａにおくる水の加熱源に利用することができる。

【0070】

さらに、本実施形態では、低圧節炭器１１２ａを構成する伝熱管に排気ガス中の水が凝縮することによる伝熱管の腐食を抑えることができる。ガスタービン１０からの排気ガス中には、気体の水が含まれている。さらに、燃料の性状によっては、この排気ガス中に硫黄分が含まれている場合もあり、この場合、水との反応で硫酸が生成される。低圧節炭器１１２ａを通る排気ガスの温度が排気ガスの露点温度より高い場合でも、低圧節炭器１１２ａを構成する伝熱管内を流れる水の温度が低ければ、伝熱管に接した排気ガス中の水は凝縮する。伝熱管の表面で水が凝縮すると、この伝熱管は腐食する可能性が高まる。さらに、硫酸等の腐食成分が水に含まれると、伝熱管が腐食する可能性がより高まる。

【0071】

本実施形態では、排熱回収ボイラ１１０中で最も下流側に位置して、排熱回収ボイラ１１０中で最も温度が低下した排気ガスが通る低圧節炭器１１２ａに送る水を加熱しているので、前述したように、低圧節炭器１１２ａを構成する伝熱管表面での排気ガス中の水の凝縮を抑えることができる。よって、本実施形態では、低圧節炭器１１２ａを構成する伝熱管の腐食を抑えることができる。

【0072】

「第一実施形態の変形例」
図２を参照して、第一実施形態のガスタービンプラントの変形例について説明する。

【0073】

以上の第一実施形態では、冷却用空気冷却器５４で冷却された圧縮機１１からの空気をタービンロータ３３に送っている。しかしながら、ガスタービン１０を構成する部品のうちで燃焼ガスに接する高温部品であれば、タービンロータ３３以外の高温部品に、冷却用空気冷却器５４で冷却された圧縮機１１からの空気を送ってもよい。

【0074】

例えば、冷却用空気冷却器５４で冷却された圧縮機１１からの空気を燃焼器２１に送ってもよい。燃焼器２１は、図２に示すように、圧縮機１１からの空気Ａ中で燃料Ｆが燃焼し、燃焼ガスが生成される燃焼筒（又は尾筒）２３と、この燃焼筒２３内に圧縮機１１からの空気Ａ及び燃料Ｆを噴射する噴射器２２と、を有している。燃焼筒２３を形成する部材には、この部材を冷却するために、冷却空気が通る冷却空気流路２４が形成されている。冷却用空気冷却器５４で冷却された圧縮機１１からの空気は、この燃焼筒２３の冷却空気流路２４に送られ、燃焼筒２３を冷却する。

【0075】

また、冷却用空気冷却器５４で冷却された圧縮機１１からの空気を高温部品のタービン３１の静翼３８に送り、この静翼３８を冷却してもよい。

【0076】

「第二実施形態」
図３〜図７を参照して、本発明に係るガスタービンプラントの第二実施形態について説明する。

【0077】

本実施形態のガスタービンプラントも、第一実施形態と同様、ガスタービン１０ａと、ガスタービン１０ａの駆動で発電する発電機４１と、ガスタービン１０ａから排気された排気ガスＥＧの熱で水を加熱して蒸気を発生させる排熱回収装置１００と、排熱回収装置１００を通過した排気ガスＥＧを大気に放出する煙突６０と、給水予熱装置５０ａと、を備えている。

【0078】

ガスタービン１０ａも、第一実施形態と同様、圧縮機１１ａと燃焼器２１とタービン３１と有している。但し、本実施形態の圧縮機１１ａは、大気を圧縮する低圧圧縮機１２ａと、低圧圧縮機１２ａで圧縮された空気をさらに圧縮して、これを燃焼器２１に送る高圧圧縮機１２ｂと、を有する。本実施形態のガスタービン１０ａは、さらに、低圧圧縮機１２ａで圧縮された空気を水との熱交換で冷却して高圧圧縮機１２ｂに送る中間冷却器５３を有する。すなわち、本実施形態の圧縮機１１ａでは、圧縮機１１ａの中段から圧縮空気が抽気されて、これが中間冷却器５３で冷却された後、冷却された圧縮空気が圧縮機１１ａの中段以降に戻される。

【0079】

低圧圧縮機１２ａ及び高圧圧縮機１２ｂは、いずれも、軸線を中心として回転する圧縮機ロータ１３ａ，１３ｂと、この圧縮機ロータ１３ａ，１３ｂを回転可能に覆う圧縮機ケーシング１７ａ，１７ｂと、有する。低圧圧縮機１２ａの圧縮機ロータ１３ａと高圧圧縮機１２ｂの圧縮機ロータ１３ｂとは、同一の軸線を中心として回転するもので、相互に連結されたガスタービンロータ４０ａの一部を成している。

【0080】

給水予熱装置５０ａは、第一実施形態と同様、ガスタービン１０ａにおける冷却対象と水とを熱交換させる熱交換器と、熱交換器で加熱された水を低圧節炭器１１２ａに送る給水ライン１３１と、を有する。熱交換器は、冷却対象の一つである低圧圧縮機１２ａからの空気と水とを熱交換させる前述の中間冷却器５３と、冷却対象の一つである軸受４５の潤滑油と水とを熱交換させる潤滑油冷却器５２と、冷却対象の一つである発電機４１の冷却媒体と水とを熱交換させる発電機冷却器５１と、有する。このため、中間冷却器５３は、ガスタービン１０aの構成要素を成すと共に、給水予熱装置５０ａの構成要素も成す。

【0081】

給水ライン１３１も、第一実施形態と同様、発電機冷却器５１の水入口に接続されている第一冷却水ライン５５と、潤滑油冷却器５２の水入口に接続されている第二冷却水ライン５６と、を有する。さらに、この給水ライン１３１は、発電機冷却器５１の水出口及び潤滑油冷却器５２の水出口と中間冷却器５３の水入口とを接続する第三冷却水ライン５７ａと、中間冷却器５３の水出口と低圧節炭器１１２ａとを接続する予熱済み給水ライン５９ａと、を有している。

【0082】

次に、本実施形態のガスタービンプラントの動作について説明する。
復水器１２３中の水は、第一実施形態と同様、給水ポンプ１２４で昇圧され、給水ライン１３１中の第一冷却水ライン５５を経て発電機冷却器５１に送れると共に、給水ライン１３１中の第二冷却水ライン５６を経て潤滑油冷却器５２に送られる。発電機冷却器５１では、発電機４１のロータやステータを冷却する冷却媒体と復水器１２３からの水とが熱交換され、冷却媒体が冷却される一方で、水が加熱される。また、潤滑油冷却器５２では、軸受４５の潤滑油と復水器１２３からの水とが熱交換され、潤滑油が冷却される一方で、水が加熱される。

【0083】

発電機冷却器５１及び潤滑油冷却器５２で一次加熱された水は、第三冷却水ライン５７ａを経て中間冷却器５３に送られる。中間冷却器５３では、この一次加熱された水と低圧圧縮機１２ａで圧縮された空気とが熱交換され、この空気が冷却される一方で、水がさらに加熱される。冷却された空気は、高圧圧縮機１２ｂに送られ、さらに圧縮された後、燃焼器２１に送られる。

【0084】

よって、高圧圧縮機１２ｂの出口における空気温度は、中間冷却器５３が無い場合よりも、低くなる。このため、本実施形態の高圧圧縮機１２ｂは、その出口を構成する部材の熱環境を緩和することができ、高圧圧縮機１２ｂの耐久性を高めることができる。

【0085】

中間冷却器５３でさらに加熱された水は、給水ライン１３１中の予熱済み給水ライン５９ａを介して、低圧節炭器１１２ａに送られる。低圧節炭器１１２ａに送られた水は、前述したように、排気ガスとの熱交換で加熱されてから、低圧蒸発器１１３ａ等に送られる。

【0086】

以上、本実施形態でも、第一実施形態と同様、ガスタービン１０ａにおける冷却対象の熱を利用して、低圧節炭器１１２ａにおくる水を加熱するので、ガスタービン１０ａの排熱を有効利用することできる。

【0087】

また、本実施形態の給水予熱装置５０ａでも、低圧節炭器１１２ａに送る比較的低温の水を加熱する関係上、比較的低温の冷却対象の熱を効率よく利用できる。しかも、本実施形態の給水予熱装置５０ａでも、熱交換器を構成する各冷却器５１，５２，５３における冷却対象と水との温度差が小さくなるため、冷却対象と水との熱交換の効率をさらに高めることができる。

【0088】

さらに、本実施形態の給水予熱装置５０ａでも、低圧節炭器１１２ａに送る水を加熱する関係上、水の加熱源として、ガスタービンプラントの各種冷却対象のうちで、相対的に高温の冷却対象から相対的に低温の冷却対象まで利用できることになる。

【0089】

ところで、前述した様に、中間冷却器５３による空気の冷却を強化して、高圧圧縮機１２ｂにおける空気の出口温度を下げるほど、高圧圧縮機１２ｂの耐久性等の観点から好ましい。しかしながら、高圧圧縮機１２ｂにおける空気の出口温度が下がると、言い換えると、燃焼器２１に流入する空気の温度が下がると、ガスタービン効率が低下する。これは、燃焼器２１に流入する空気の温度が下がると、タービン３１入口の温度を一定に保つために燃料の投入量が増加してガスタービン出力が増加するものの、燃料の投入量の増加に対するガスタービン出力の増加の割合が小さいからである。

【0090】

従って、高圧圧縮機１２ｂにおける空気の出口温度は、高圧圧縮機１２ｂの出口を構成する部材の強度や耐久性等が許容される限り、できる限り高い方が好ましい。このため、本実施形態では、中間冷却器５３で空気を冷却し、高圧圧縮機１２ｂにおける空気の出口温度を下げるものの、この出口温度は、高圧圧縮機１２ｂの出口を構成する部材の強度や耐久性等が許容され得る範囲内で高い温度にしている。

【0091】

ここで、図４に示すように、低圧圧縮機１２ａにおける空気の入口温度をＴｃ１、低圧圧縮機１２ａにおける空気の出口温度をＴｃ２、高圧圧縮機１２ｂにおける空気の入口温度をＴｃ３、高圧圧縮機１２ｂにおける空気の出口温度をＴｃ４とする。また、低圧圧縮機１２ａの圧力比をＰＲ１、高圧圧縮機１２ｂの圧力比をＰＲ２、低圧圧縮機１２ａの駆動に必要な動力をＷｃ１、高圧圧縮機１２ｂの駆動に必要な動力をＷｃ２とする。

【0092】

仮に、以下の条件下で、低圧圧縮機１２ａの圧力比ＰＲ１を変化させたとする。
条件
（１）低圧圧縮機１２ａにおける空気の入口温度Ｔｃ１が一定
（２）高圧圧縮機１２ｂにおける空気の出口温度Ｔｃ４が前述した温度で一定
（３）低圧圧縮機１２ａ及び高圧圧縮機１２ｂでの全体圧力比ＰＲ（＝ＰＲ１×ＰＲ２）が一定

【0093】

この場合、図５に示すように、低圧圧縮機１２ａの圧力比ＰＲ１が小さくなるに連れて、次第に低圧圧縮機１２ａにおける空気の出口温度Ｔｃ２が低下する。これに伴い、図６に示すように、次第に中間冷却器５３における排熱量Ｑが小さくなると共に、図７に示すように、次第に低圧圧縮機１２ａ及び高圧圧縮機１２ｂの駆動に必要な合計動力Ｗｃ（＝Ｗｃ１＋Ｗｃ２）も小さくなる。

【0094】

そこで、本実施形態では、低圧圧縮機１２ａ及び高圧圧縮機１２ｂの駆動に必要な合計動力Ｗｃを抑えるために、低圧圧縮機１２ａの圧力比ＰＲ１を小さくし、相対的に高圧圧縮機１２ｂの圧力比ＰＲ２を大きくしている。この結果、本実施形態では、低圧圧縮機１２ａにおける空気の出口温度Ｔｃ２が下がって、中間冷却器５３における排熱量Ｑ、言い換えると、水を加熱する熱量Ｑが小さくなる。本実施形態では、発電機冷却器５１及び潤滑油冷却器５２で一次加熱することで、以上のように、中間冷却器５３で水を加熱する熱量Ｑを小さくする分を補っている。また、本実施形態では、低圧圧縮機１２ａにおける空気の出口温度Ｔｃ２を、低圧蒸発器１１３ａにおける飽和温度Ｔｂ１（図３参照）よりも低くしている。このため、本実施形態では、低圧節炭器１１２ａに供給される水の温度Ｔｗｓ（図３参照）が確実に低圧蒸発器１１３ａにおける飽和温度Ｔｂ１よりも低くなる。

【0095】

但し、低圧節炭器１１２ａに供給される水の温度Ｔｗｓは、低圧節炭器１１２ａの排気ガス出口における排気ガスの露点温度よりも高い温度である。なお、排気ガスの露点温度は、燃料成分等にもよるが５０℃前後である。本実施形態では、低圧節炭器１１２ａに供給される水の温度Ｔｗｓを低圧節炭器１１２ａの排気ガス出口における排気ガスの露点温度よりも高い温度にするため、低圧圧縮機１２ａの圧力比ＰＲ１及び高圧圧縮機１２ｂの圧力比ＰＲ２を適宜設定すると共に、各冷却器５１，５２，５３の伝熱面積や、各冷却器５１，５２，５３における水の流速等を設定している。

【0096】

以上のように、本実施形態では、低圧圧縮機１２ａの圧力比ＰＲ１を小さく設定し、相対的に高圧圧縮機１２ｂの圧力比ＰＲ２を大きく設定することで、高圧圧縮機１２ｂの出口を構成する部材の耐久性等を目的の範囲内に収めつつ、燃焼器２１の空気入口温度の低下に伴うガスタービン効率の低下を抑えている。さらに、本実施形態では、低圧圧縮機１２ａの圧力比ＰＲ１等を上記のように設定することで、低圧圧縮機１２ａ及び高圧圧縮機１２ｂの駆動に必要な合計動力Ｗｃを小さくなり、燃焼器２１の空気入口温度の低下に伴うガスタービン効率の低下をより抑えることができる。

【0097】

また、本実施形態では、低圧圧縮機１２ａにおける空気の出口温度Ｔｃ２を低圧蒸発器１１３ａにおける飽和温度Ｔｂ１よりも低くし、低圧節炭器１１２ａに供給される水の温度を確実に低圧蒸発器１１３ａにおける飽和温度Ｔｂ１よりも低くしている。このため、本実施形態では、低圧圧縮機１２ａ及び高圧圧縮機１２ｂの駆動に必要な合計動力Ｗｃの低減と、比較的低温な冷却対象の排熱の有効利用とを同時に実現することができる。さらに、本実施形態では、低圧節炭器１１２ａ及び低圧蒸発器１１３ａでの水への加熱が不要になることがなく、低圧節炭器１１２ａ及び低圧蒸発器１１３ａを通る排気ガスの熱を有効利用することができる。よって、本実施形態では、ガスタービンプラントの出力及び効率を高めることができる。

【0098】

また、本実施形態では、低圧節炭器１１２ａに供給される水の温度Ｔｗｓを、低圧節炭器１１２ａの排気ガス出口における排気ガスの露点温度よりも高くし、低圧節炭器１１２ａを構成する伝熱管の表面に排気ガス中の水が凝縮することを抑えている。このため、本実施形態では、低圧節炭器１１２ａを構成する伝熱管の腐食をより抑えることができる。

【0099】

なお、本実施形態では、低圧圧縮機１２ａにおける空気の出口温度Ｔｃ２を、低圧蒸発器１１３ａにおける飽和温度Ｔｂ１よりも低くし、且つ、低圧節炭器１１２ａに供給される水の温度Ｔｗｓを、低圧節炭器１１２ａの排気ガス出口における排気ガスの露点温度よりも高くしている。しかしながら、以上の二つの温度条件をいずれも満たさなくても、又は以上の二つの温度条件のうちの一方のみを満たすようにしてもよい。但し、温度条件を満たさない場合には、温度条件を満たすことによる効果が得られなくなることは言うまでもない。

【0100】

また、第一実施形態においても、本実施形態と同様、低圧節炭器１１２ａに供給される水の温度Ｔｗｓを、低圧節炭器１１２ａの排気ガス出口における排気ガスの露点温度よりも高くし、且つ低圧蒸発器１１３ａにおける飽和温度Ｔｂ１よりも低くすることが好ましい。

【0101】

「第三実施形態」
図８を参照して、本発明に係るガスタービンプラントの第三実施形態について説明する。

【0102】

本実施形態のガスタービンプラントは、第二実施形態のガスタービンプラントに、第一実施形態の給水予熱装置５０における冷却用空気冷却器５４を追加したものである。よって、本実施形態のガスタービンプラントにおける給水予熱装置５０ｂは、発電機冷却器５１、潤滑油冷却器５２、中間冷却器５３、さらに、冷却用空気冷却器５４を有する。

【0103】

本実施形態では、中間冷却器５３の水出口と冷却用空気冷却器５４の水入口とが第四冷却水ライン５８で接続されている。また、冷却用空気冷却器５４の水出口と低圧節炭器１１２ａとが予熱済み給水ライン５９ｂで接続されている。

【0104】

本実施形態では、冷却用空気冷却器５４の排熱も有効に回収することができる。また、本実施形態では、中間冷却器５３の存在により高圧圧縮機１２ｂにおける空気の出口温度が低くなるため、冷却用空気冷却器５４で冷却される空気の温度をさらに下げることができ、ガスタービン１０ａの高温部品の耐久性を高めることができる。

【0105】

しかも、低圧節炭器１１２ａにおくる水を中間冷却器５３で二次加熱した後、さらに、冷却用空気冷却器５４で三次加熱するため、第二実施形態よりも、低圧圧縮機１２ａの圧力比をより下げて、高圧圧縮機１２ｂ及び低圧圧縮機１２ａの駆動に必要な合計動力Ｗｃを小さくすることができる。

【0106】

なお、本実施形態でも、第二実施形態と同様、低圧節炭器１１２ａに供給される水の温度Ｔｗｓを、低圧節炭器１１２ａの排気ガス出口における排気ガスの露点温度よりも高くし、且つ低圧蒸発器１１３ａにおける飽和温度Ｔｂ１よりも低くすることが好ましい。

【0107】

「圧縮機の変形例」
第二実施形態及び第三実施形態の圧縮機１１ａは、互い独立した圧縮機ケーシングを有する低圧圧縮機１２ａと高圧圧縮機１２ｂとを含んで構成されている。しかしながら、第二実施形態及び第三実施形態の圧縮機は、図９に示すように、一つの圧縮機ケーシング１７ｃを有するものであってもよい。

【0108】

この場合、一つの圧縮機ケーシング１７ｃの中段に抽気ポート１８を形成すると共に、抽気ポート１８に隣接し且つこの抽気ポート１８よりも高圧側に吸気ポート１９を形成する。抽気ポート１８には中間冷却器５３の空気入口を接続し、吸気ポート１９には中間冷却器５３の空気出口を接続する。このような圧縮機１１ｂでは、抽気ポート１８よりも低圧側が低圧圧縮部１４ａを成し、吸気ポート１９よりも高圧側が高圧圧縮部１４ｂを成す。

【0109】

「給水予熱装置の熱交換器の変形例」
第二実施形態における給水予熱装置５０ａの熱交換器は、発電機冷却器５１、潤滑油冷却器５２、及び中間冷却器５３を有する。しかしながら、給水予熱装置５０ｃの熱交換器は、さらに、図１０に示すように、低圧蒸気タービン１２１ａにおける軸受の潤滑油を冷却する潤滑油冷却器５２ｃ、低圧蒸気タービン１２１ａに接続されている発電機１２２の冷却媒体を冷却する発電機冷却器５１ｃを有してもよい。

【0110】

給水ライン１３１は、ガスタービン１０ａに接続されている発電機４１の発電機冷却器５１に復水器１２３からの水を送る第一冷却水ライン５５、低圧蒸気タービン１２１ａに接続されている発電機１２２の発電機冷却器５１ｃに復水器１２３からの水を送る第一冷却水ライン５５ｃ、ガスタービン１０ａにおける軸受４５の潤滑油冷却器５２に復水器１２３からの水を送る第二冷却水ライン５６、低圧蒸気タービン１２１ａにおける軸受の潤滑油冷却器５２ｃに復水器１２３からの水を送る第二冷却水ライン５６ｃを有する。さらに、給水ライン１３１は、各発電機冷却器５１，５１ｃの水出口及び各潤滑油冷却器５２,５２ｃの水出口と中間冷却器５３の水入口とを接続する第三冷却水ライン５７ｃと、中間冷却器５３の水出口と低圧節炭器１１２ａとを接続する予熱済み給水ライン５９ａと、を有している。

【0111】

なお、ここでは、第二実施形態における給水予熱装置５０ａの熱交換器の変形例を例示したが、第一実施形態や第三実施形態における給水予熱装置５０，５０ｂの熱交換器を構成する冷却器として、蒸気タービンに接続されている発電機の発電機冷却器、及び蒸気タービンにおける軸受の潤滑油冷却器を追加してもよい。

【0112】

「排熱回収装置の変形例」
以上の各実施形態及び変形例の排熱回収装置１００は、蒸気タービン１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃを備えている。しかしながら、排熱回収装置１００ａは、図１１に示すように、節炭器（例えば、低圧節炭器１１２ａ）と、節炭器で加熱された水をさらに加熱して蒸気にする蒸発器（例えば、低圧蒸発器１１３ａ）を有する排熱回収ボイラ１１０ａを備えていれば、蒸気タービンは無くてもよい。この場合、冷却対象の排熱を有効に回収することによるプラントの出力及び効率の増大は、外部で熱源などとして利用可能な蒸気量の増大として現れる。

【0113】

図１１に示す排熱回収ボイラ１１０ａでは、低圧蒸気発生部１１１ａからの低圧蒸気ＬＳは、低圧蒸気利用設備７１ａに送られ、中圧蒸気発生部１１１ｂからの中圧蒸気ＩＳは、中圧蒸気利用設備７１ｂに送られ、高圧蒸気発生部１１１ｃからの高圧蒸気ＨＳは、高圧蒸気利用設備７１ｃに送られる。各蒸気利用設備７１ａ，７１ｂ，７１ｃに送られた蒸気は、液体の水にされた後、給水ポンプ１２４に戻される。

【0114】

また、ここでは、低圧蒸気発生部１１１ａ、中圧蒸気発生部１１１ｂ、高圧蒸気発生部１１１ｃを有する排熱回収ボイラ１１０ａを例示しているが、節炭器と、節炭器で加熱された水をさらに加熱して蒸気にする蒸発器を有するものであれば、如何なる排熱回収ボイラであってもよい。

【符号の説明】

【0115】

１０，１０ａ：ガスタービン、１１，１１ａ，１１ｂ：圧縮機、１２ａ：低圧圧縮機、１２ｂ：高圧圧縮機、２１：燃焼器、３１：タービン、３３：タービンロータ、３６：冷却空気流路、４０，４０ａ：ガスタービンロータ、４１：発電機、４５：軸受、５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ：給水予熱装置、５１，５１ｃ：発電機冷却器（熱交換器）、５２，５２ｃ：潤滑油冷却器（熱交換器）、５３：中間冷却器（熱交換器）、５４：冷却用空気冷却器（熱交換器）、５５：第一冷却水ライン、５６：第二冷却水ライン、５７，５７ａ，５７ｃ：第三冷却水ライン、５８：第四冷却水ライン、５９，５９ａ，５９ｂ：予熱済み給水ライン、７１ａ：低圧蒸気利用設備、７１ｂ：中圧蒸気利用設備、７１ｃ：高圧蒸気利用設備、１００，１００ａ：排熱回収装置、１１０，１１０ａ：排熱回収ボイラ、１１１ａ：低圧蒸気発生部、１１１ｂ：中圧蒸気発生部、１１１ｃ：高圧蒸気発生部、１１２ａ：低圧節炭器、１１３ａ：低圧蒸発器、１２１ａ：低圧蒸気タービン、１２１ｂ：中圧蒸気タービン、１２１ｃ：高圧蒸気タービン、１２２：発電機、１２３：復水器、１２４：給水ポンプ、１３１：給水ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】