特開 2024-27574 コンバインドサイクル発電設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024027574

(43)【公開日】2024-03-01

(54)【発明の名称】コンバインドサイクル発電設備

(51)【国際特許分類】

   F01K 3/24 20060101AFI20240222BHJP

   F01K 21/04 20060101ALI20240222BHJP

   F01K 23/10 20060101ALI20240222BHJP

   F02C 6/18 20060101ALI20240222BHJP

【ＦＩ】

F01K3/24

F01K21/04 A

F01K23/10 W

F02C6/18 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022130462

(22)【出願日】2022-08-18

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥山 知視

(72)【発明者】

【氏名】島田 秀顕

(72)【発明者】

【氏名】伊東 正雄

(72)【発明者】

【氏名】森澤 優一

(72)【発明者】

【氏名】糟谷 宏樹

(72)【発明者】

【氏名】平山 龍

(72)【発明者】

【氏名】多田 宏次郎

【テーマコード（参考）】

3G081

【Ｆターム（参考）】

3G081BA02

3G081BA11

3G081BC07

3G081DA03

(57)【要約】

【課題】蒸気タービンに導入される蒸気の高温化が可能であり、熱サイクルにおいて大きな熱落差が得られ熱効率を向上させるコンバインドサイクル発電設備を提供する。
【解決手段】実施形態のコンバインドサイクル発電設備１は、ガスタービン１０の排気を利用する高圧蒸気生成部４１および再熱部５０を備える第１の排熱回収ボイラ３０と、高圧蒸気生成部４１から蒸気が導入される高圧タービン７１と、水素と酸素を燃焼させる燃焼器７５と、再熱部５０を介在して高圧タービン７１と燃焼器７５とを連結する再熱蒸気管６３と、燃焼器７５から蒸気が導入される酸素－水素燃焼用タービン７２と、酸素－水素燃焼用タービン７２の排気を利用する蒸気生成部９０を備える第２の排熱回収ボイラ８０と、蒸気生成部９０から蒸気が導入される低圧タービン７３と、低圧タービン７３から排出された蒸気を復水とする復水器７４とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスタービンと、
前記ガスタービンからの排気の熱量を利用して、蒸気を発生させる第１の蒸気生成部および蒸気を再熱する再熱部を備える第１の排熱回収ボイラと、
前記第１の蒸気生成部で発生した蒸気が導入される第１の蒸気タービンと、
水素と酸素とを燃焼させる燃焼器と、
前記再熱部を介在して前記第１の蒸気タービンの蒸気出口と前記燃焼器とを連結する再熱蒸気管と、
前記燃焼器と連結され、前記燃焼器から排出された蒸気が導入される第２の蒸気タービンと、
前記第２の蒸気タービンから排出された蒸気の熱量を利用して蒸気を発生させる第２の蒸気生成部を備える第２の排熱回収ボイラと、
前記第２の蒸気生成部で発生した蒸気が導入される第３の蒸気タービンと、
前記第３の蒸気タービンから排出された蒸気を復水とする復水器と
を具備することを特徴とするコンバインドサイクル発電設備。

【請求項2】

前記第３の蒸気タービンに導入される蒸気の圧力は、前記第２の蒸気タービンから排出される蒸気の圧力よりも高いことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電設備。

【請求項3】

前記第２の排熱回収ボイラから排出された蒸気が前記第３の蒸気タービンの所定のタービン段落に導入されることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電設備。

【請求項4】

前記第１の排熱回収ボイラが、前記第１の蒸気生成部で発生する蒸気の圧力よりも低い圧力の蒸気を発生させる第３の蒸気生成部を備え、
前記第３の蒸気生成部で発生した蒸気が前記第３の蒸気タービンの所定のタービン段落に導入されることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電設備。

【請求項5】

前記復水器で生成された復水を前記第１の排熱回収ボイラおよび前記第２の排熱回収ボイラに供給する復水供給系統を備えることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電設備。

【請求項6】

前記燃焼器で生成した水蒸気が凝縮した分の水量を前記復水器で生成された復水から除去するための復水排出系統を備えることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、コンバインドサイクル発電設備に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の火力発電プラントにおいては、高い熱効率が得られるコンバインドサイクル発電設備の需要が高まっている。従来のコンバインドサイクル発電設備は、ガスタービン、排熱回収ボイラ、蒸気タービン、発電機を備える。このコンバインドサイクル発電設備において、ガスタービンからの高温の排気は、排熱回収ボイラに導入される。排熱回収ボイラにおいて発生した蒸気は、蒸気タービンに導入される。

【0003】

このようなコンバインドサイクル発電設備において、サイクルの熱効率を向上させるための技術が検討されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－８５６０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のコンバインドサイクル発電設備の排熱回収ボイラにおいて、発生する蒸気の温度は、ガスタービンの排気温度よりも低い。また、従来のガスタービンの排気温度が維持された条件で、蒸気タービンに導入される蒸気の温度をさらに高温化することには限界がある。そのため、従来のガスタービンの排気温度が維持された条件で、サイクルの熱効率をさらに向上させることは困難である。

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、蒸気タービンに導入される蒸気の高温化が可能であり、熱サイクルにおいて大きな熱落差が得られ、熱効率を向上させることができるコンバインドサイクル発電設備を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態のコンバインドサイクル発電設備は、ガスタービンと、前記ガスタービンからの排気の熱量を利用して、蒸気を発生させる第１の蒸気生成部および蒸気を再熱する再熱部を備える第１の排熱回収ボイラと、前記第１の蒸気生成部で発生した蒸気が導入される第１の蒸気タービンとを備える。

【0008】

また、コンバインドサイクル発電設備は、水素と酸素とを燃焼させる燃焼器と、前記再熱部を介在して前記第１の蒸気タービンの蒸気出口と前記燃焼器とを連結する再熱蒸気管と、前記燃焼器と連結され、前記燃焼器から排出された蒸気が導入される第２の蒸気タービンと、前記第２の蒸気タービンから排出された蒸気の熱量を利用して蒸気を発生させる第２の蒸気生成部を備える第２の排熱回収ボイラと、前記第２の蒸気生成部で発生した蒸気が導入される第３の蒸気タービンと、前記第３の蒸気タービンから排出された蒸気を復水とする復水器とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態のコンバインドサイクル発電設備の構成を模式的に示す系統図である。

【図2】実施の形態のコンバインドサイクル発電設備の熱サイクルの一部を示したｈ-ｓ線図である。

【図3】比較例のコンバインドサイクル発電設備の熱サイクルの一部を示したｈ-ｓ線図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

【0011】

図１は、実施の形態のコンバインドサイクル発電設備１の構成を模式的に示す系統図である。図１に示すように、コンバインドサイクル発電設備１は、ガスタービン１０と、蒸気タービンシステム７０と、発電機２０とを主たる構成機器として備える。

【0012】

ガスタービン１０は、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３とを備える。発電機２０は、圧縮機１１およびタービン１３と同一の軸線上に配置されている。圧縮機１１、タービン１３および発電機２０のそれぞれのロータは、一体的に回転するように構成されている。

【0013】

圧縮機１１は、例えば、空気を吸入して圧縮し、燃焼器１２に供給する。燃料供給部１４は、燃料を燃焼器１２に供給する。燃焼器１２では、燃料と圧縮空気とが燃焼し、燃焼ガスが生成される。

【0014】

なお、ここでは、酸化剤として圧縮空気を使用した一例を示すが、酸化剤は空気に限られない。酸化剤として、例えば、酸素が使用されてもよい。燃料は、特に限定されるものではない。燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素、水素、アンモニア、炭化水素と水素の複合燃料、炭化水素とアンモニアの複合燃料などが使用されてもよい。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料、またはアンモニアを含む石炭ガス化ガス燃料が使用されてもよい。

【0015】

燃焼器１２で生成された燃焼ガスは、タービン１３に供給され、タービン１３を回動させる。タービン１３の回動によって発電機２０や圧縮機１１が駆動される。タービン１３から排出された燃焼ガスは、排気として第１の排熱回収ボイラ３０に導かれる。

【0016】

蒸気タービンシステム７０は、第１の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）３０と、複数の蒸気タービンと、燃焼器７５と、第２の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）８０と、復水器７４とを備える。また、蒸気タービンシステム７０は、復水供給系統と、復水排出系統とを備える。

【0017】

第１の排熱回収ボイラ３０は、ガスタービン１０からの排気が導入される流路３１、流路３１に設けられた蒸気生成部４０および再熱部５０、蒸気生成部４０を通過した排気を外部に排出する煙突３２を備える。蒸気生成部４０は、排気が有する熱量を利用して蒸気を発生させる。再熱部５０は、排気が有する熱量を利用して蒸気を再熱する。

【0018】

蒸気生成部４０は、例えば、高圧蒸気生成部４１と、中圧蒸気生成部４２と、低圧蒸気生成部４３とを備える。そして、これらの蒸気生成部は、排気が導入される側から、高圧蒸気生成部４１、中圧蒸気生成部４２、低圧蒸気生成部４３の順に配置されている。

【0019】

高圧蒸気生成部４１は、第１の高圧過熱器４１ａ、第２の高圧過熱器４１ｂ、高圧蒸気ドラム４１ｃ、高圧蒸発器４１ｄ、高圧節炭器４１ｅを備える。高圧蒸気ドラム４１ｃは、高圧蒸発器４１ｄに接続されている。高圧節炭器４１ｅは、復水器７４からの給水を導く給水管６７と連結されている。なお、ここでは、２つの高圧過熱器を備えた一例が示されているが、一つの高圧過熱器を備える構成でもよい。

【0020】

高圧節炭器４１ｅで加熱された水は、高圧蒸気ドラム４１ｃに導入され、高圧蒸発器４１ｄで蒸気となる。高圧蒸発器４１ｄで発生した蒸気は、第２の高圧過熱器４１ｂ、第１の高圧過熱器４１ａに導かれて過熱される。過熱された蒸気は、主蒸気管６０を介して高圧タービン７１に導かれる。

【0021】

中圧蒸気生成部４２は、中圧過熱器４２ａ、中圧蒸気ドラム４２ｂ、中圧蒸発器４２ｃ、中圧節炭器４２ｄを備える。中圧蒸気ドラム４２ｂは、中圧蒸発器４２ｃに接続されている。中圧節炭器４２ｄは、例えば、低圧節炭器４３ｄと連結されている。

【0022】

低圧節炭器４３ｄから供給された水は、中圧節炭器４２ｄにおいて加熱される。中圧節炭器４２ｄで加熱された水は、中圧蒸気ドラム４２ｂに導入され、中圧蒸発器４２ｃで蒸気となる。中圧蒸発器４２ｃで発生した蒸気は、中圧過熱器４２ａに導かれて過熱される。過熱された蒸気は、蒸気管６２を介して後述する低温再熱蒸気管６４に導かれる。蒸気管６２には、低温再熱蒸気管６４に導入する蒸気の流量を調整する蒸気弁６２ａが介在している。

【0023】

低圧蒸気生成部４３は、低圧過熱器４３ａ、低圧蒸気ドラム４３ｂ、低圧蒸発器４３ｃ、低圧節炭器４３ｄを備える。なお、低圧蒸気生成部４３は、第３の蒸気生成部として機能する。低圧蒸気ドラム４３ｂは、低圧蒸発器４３ｃに接続されている。低圧節炭器４３ｄは、復水器７４からの給水を導く給水管６７ａと連結されている。

【0024】

低圧節炭器４３ｄで加熱された水は、低圧蒸気ドラム４３ｂに導入され、低圧蒸発器４３ｃで蒸気となる。なお、低圧節炭器４３ｄで加熱された水の一部は、中圧節炭器４２ｄに導入される。低圧蒸発器４３ｃで発生した蒸気は、低圧過熱器４３ａに導かれて過熱される。過熱された蒸気は、蒸気供給管６１を介して低圧タービン７３の所定のタービン段落に導かれる。なお、蒸気供給管６１には、低圧タービン７３に導入する蒸気の流量を調整する蒸気弁６１ａが介在している。

【0025】

蒸気は、蒸気供給管６１を介して、例えば、初段のタービン段落よりも下流側のタービン段落に導入される。このように、所定のタービン段落に蒸気を導入することで、タービン出力は増加される。

【0026】

再熱部５０は、例えば、第１の高圧過熱器４１ａと第２の高圧過熱器４１ｂとの間に配置される。再熱部５０の蒸気入口は、低温再熱蒸気管６４に連結され、再熱部５０の蒸気出口は、高温再熱蒸気管６５に連結されている。

【0027】

複数の蒸気タービンとして、高圧タービン７１と、酸素－水素燃焼用タービン７２と、低圧タービン７３とを備える。なお、高圧タービン７１は、第１の蒸気タービンとして機能し、酸素－水素燃焼用タービン７２は、第２の蒸気タービンとして機能し、低圧タービン７３は、第３の蒸気タービンとして機能する。

【0028】

図１に示す形態では、圧縮機１１、タービン１３、発電機２０、高圧タービン７１、酸素－水素燃焼用タービン７２および低圧タービン７３は、同一の軸線上に配置され、それぞれのロータは、一体的に回転するように構成されている。なお、例えば、ガスタービン１０、蒸気タービン７１、７２、７３は、それぞれ別体の発電機に連結されてもよい。

【0029】

高圧タービン７１の蒸気入口は、主蒸気管６０を介して第１の高圧過熱器４１ａと連結されている。主蒸気管６０には、高圧タービン７１に導入する蒸気の流量を調整する蒸気弁６０ａが介在している。

【0030】

高圧タービン７１の蒸気出口は、再熱部５０を介在する再熱蒸気管６３を介して燃焼器７５と連結されている。再熱蒸気管６３は、高圧タービン７１の蒸気出口と再熱部５０との間を連結する低温再熱蒸気管６４と、再熱部５０と燃焼器７５との間を連結する高温再熱蒸気管６５とを備える。例えば、高温再熱蒸気管６５には、燃焼器７５に導入する蒸気の流量を調整する蒸気弁６５ａが介在している。

【0031】

燃焼器７５は、燃料と酸化剤とを燃焼させる。燃焼器７５は、例えば、酸素－水素燃焼用タービン７２の蒸気入口部に備えられる。燃焼器７５は、燃料を供給する燃料供給部７５ａと、酸化剤を供給する酸化剤供給部７５ｂとを備える。燃焼器７５に供給される燃料は、水素（Ｈ_２）である。また、燃焼器７５に供給される酸化剤は、酸素（Ｏ_２）である。そのため、燃焼器７５では、燃焼ガスとして水蒸気が生成される。

【0032】

燃焼器７５で生成された水蒸気は、高温再熱蒸気管６５を介して燃焼器７５に導入された蒸気と混ざり、酸素－水素燃焼用タービン７２に導入される。すなわち、酸素－水素燃焼用タービン７２には、再熱部５０で再熱された蒸気と燃焼器７５で生成された水蒸気とが混合した蒸気が導入される。

【0033】

酸素－水素燃焼用タービン７２の蒸気出口は、蒸気管１０２を介して第２の排熱回収ボイラ８０と連結されている。すなわち、蒸気管１０２は、酸素－水素燃焼用タービン７２の蒸気出口と第２の排熱回収ボイラ８０の蒸気入口とを連結している。

【0034】

低圧タービン７３の蒸気入口は、蒸気管１００を介して、第２の排熱回収ボイラ８０の過熱器９０ａと連結されている。蒸気管１００には、低圧タービン７３に導入する蒸気の流量を調整する蒸気弁１００ａが介在している。低圧タービン７３の蒸気出口は、排気管６６を介して復水器７４に連結されている。

【0035】

第２の排熱回収ボイラ８０は、酸素－水素燃焼用タービン７２からの排気が導入される流路８１、流路８１に設けられた蒸気生成部９０を備える。蒸気生成部９０は、酸素－水素燃焼用タービン７２から排出された蒸気の熱量を利用して蒸気を発生させる。なお、蒸気生成部９０は、第２の蒸気生成部として機能する。

【0036】

蒸気生成部９０は、過熱器９０ａ、蒸気ドラム９０ｂ、蒸発器９０ｃ、節炭器９０ｄを備える。蒸気ドラム９０ｂは、蒸発器９０ｃに接続されている。節炭器９０ｄは、復水器７４からの給水を導く給水管６７ｂと連結されている。第２の排熱回収ボイラ８０の蒸気出口は、蒸気管１０１を介して蒸気供給管６１に連結されている。なお、蒸気管１０１には、蒸気供給管６１に導入する蒸気の流量を調整する蒸気弁１０１ａが介在している。

【0037】

節炭器９０ｄで加熱された水は、蒸気ドラム９０ｂに導入され、蒸発器９０ｃで蒸気となる。蒸発器９０ｃで発生した蒸気は、過熱器９０ａに導かれて過熱される。過熱された蒸気は、蒸気管１００を介して低圧タービン７３に導かれる。

【0038】

第２の排熱回収ボイラ８０から排出された蒸気は、蒸気管１０１を介して蒸気供給管６１に導入される。蒸気供給管６１に導入された蒸気は、低圧過熱器４３ａから排出された蒸気とともに低圧タービン７３の所定のタービン段落に導かれる。

【0039】

復水供給系統は、復水器７４で生成された復水を第１の排熱回収ボイラ３０および第２の排熱回収ボイラ８０に供給する。復水供給系統は、給水管６７、６７ａ、６７ｂと、低圧給水ポンプ７６と、高圧給水ポンプ７７ａ、７７ｂとを備える。

【0040】

給水管６７の一端は、復水器７４に連結され、給水管６７の他端は、高圧節炭器４１ｅに連結されている。給水管６７には、低圧給水ポンプ７６、高圧給水ポンプ７７ａが介在している。

【0041】

給水管６７ａの一端は、高圧給水ポンプ７７ａの下流で給水管６７に連結されている。給水管６７ａの他端は、低圧節炭器４３ｄに連結されている。

【0042】

給水管６７ｂの一端は、低圧給水ポンプ７６と高圧給水ポンプ７７ａとの間で給水管６７に連結されている。給水管６７ｂの他端は、節炭器９０ｄに連結されている。給水管６７ｂには、高圧給水ポンプ７７ｂが介在している。

【0043】

復水器７４で生成された復水は、低圧給水ポンプ７６、高圧給水ポンプ７７ａによって、高圧節炭器４１ｅ、低圧節炭器４３ｄに圧送される。また、復水器７４で生成された復水は、低圧給水ポンプ７６、高圧給水ポンプ７７ｂによって、節炭器９０ｄに圧送される。

【0044】

復水排出系統は、燃焼器７５で生成した水蒸気が凝縮した分の水量を復水器７４で生成した復水から除去する。復水排出系統は、排出管６９と、流量調整弁６９ａとを備える。

【0045】

排出管６９の一端は、低圧給水ポンプ７６と高圧給水ポンプ７７ａとの間で給水管６７に連結されている。流量調整弁６９ａは、排出管６９に設けられ、排出する水量を調整する。なお、排出管６９の他端は、例えば、外部に開放されている。

【0046】

低圧給水ポンプ７６によって圧送された復水のうち、燃焼器７５で生成した水蒸気が凝縮した分の水量に相当する分は、排出管６９を介して外部に排出される。

【0047】

ここで、蒸気タービンシステム７０における作用について説明する。

【0048】

主蒸気管６０を介して高圧タービン７１に導入された蒸気は、高圧タービン７１を回動させた後、低温再熱蒸気管６４に排出される。低温再熱蒸気管６４に排出された蒸気は、再熱部５０に導かれる。この際、例えば、低温再熱蒸気管６４には、蒸気管６２を介して中圧過熱器４２ａから蒸気が導入される。

【0049】

低温再熱蒸気管６４を介して再熱部５０に導かれた蒸気は、再熱され、高温再熱蒸気管６５に導かれる。そして、蒸気は、高温再熱蒸気管６５を介して燃焼器７５に導入される。

【0050】

燃焼器７５では、水素と酸素の燃焼によって高温の水蒸気が生成される。燃焼器７５で生成された水蒸気は、高温再熱蒸気管６５を介して燃焼器７５に導入された蒸気と混合されて、酸素－水素燃焼用タービン７２に導入される蒸気となる。燃焼器７５に導入された蒸気の温度は、燃焼器７５で生成された水蒸気と混合されることによって上昇する。すなわち、燃焼器７５を備えることで、酸素－水素燃焼用タービン７２には、再熱部５０において再熱された蒸気の温度を超える温度の蒸気が導入される。

【0051】

酸素－水素燃焼用タービン７２に導入された蒸気は、酸素－水素燃焼用タービン７２を回動させた後、蒸気管１０２を介して第２の排熱回収ボイラ８０に導入される。第２の排熱回収ボイラ８０の蒸気生成部９０で発生した蒸気は、蒸気管１００を介して低圧タービン７３に導入される。低圧タービン７３に導入された蒸気は、低圧タービン７３を回動させた後、排気管６６に排出される。

【0052】

なお、酸素－水素燃焼用タービン７２に導入される蒸気の状態は、燃焼器７５における投入熱量などの設定によって調整される。酸素－水素燃焼用タービン７２から排出される蒸気の状態は、酸素－水素燃焼用タービン７２の構成、燃焼器７５における投入熱量などの設定によって調整される。低圧タービン７３に導入される蒸気の圧力および温度は、第２の排熱回収ボイラ８０に導入される蒸気の状態および蒸気生成部９０の構成などによって調整される。

【0053】

ここで、蒸気管１００を介して低圧タービン７３に導入される蒸気の圧力は、酸素－水素燃焼用タービン７２から排出される蒸気の圧力よりも高くなるように設定される。なお、燃焼器７５の蒸気入口から低圧タービン７３の蒸気出口までの蒸気の状態については、後に詳しく説明する。

【0054】

低圧過熱器４３ａから排出された蒸気は、蒸気供給管６１を介して低圧タービン７３の所定のタービン段落に導かれる。さらに、第２の排熱回収ボイラ８０から排出された蒸気は、蒸気管１０１および蒸気供給管６１を介して低圧タービン７３の所定のタービン段落に導かれる。低圧過熱器４３ａから排出された蒸気および第２の排熱回収ボイラ８０から排出された蒸気を所定のタービン段落に導入することで、タービン出力が増加される。

【0055】

低圧タービン７３に導入された蒸気は、低圧タービン７３を回動させた後、排気管６６に排出される。排気管６６に排出された蒸気は、復水器７４に導入され、復水となる。

【0056】

復水器７４の復水は、前述したように、低圧給水ポンプ７６、高圧給水ポンプ７７ａ、７７ｂよって圧送され、給水管６７、６７ａ、６７ｂを介して、高圧節炭器４１ｅ、低圧節炭器４３ｄ、節炭器９０ｄに導かれる。なお、燃焼器７５で生成した水蒸気が復水器７４で凝縮した分の水量は、排出管６９を介して排出される。

【0057】

次に、燃焼器７５の蒸気入口から低圧タービン７３の蒸気出口までの蒸気の状態について説明する。

【0058】

図２は、実施の形態のコンバインドサイクル発電設備１の熱サイクルの一部を示したｈ-ｓ線図である。図２には、燃焼器７５の蒸気入口から低圧タービン７３の蒸気出口までの蒸気の状態が示されている。

【0059】

図２において、横軸は、蒸気の比エントロピ（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））を示し、縦軸は、蒸気の比エンタルピｈ（ｋＪ／ｋｇ）を示している。また、図２において、等圧線は、一点鎖線で示され、等温線は、二点鎖線で示されている。なお、図２において、飽和限界線は、ＢＣで示されている。

【0060】

図２において、状態ａは、高温再熱蒸気管６５を介して燃焼器７５に導入される蒸気の状態である。

【0061】

状態ｂは、燃焼器７５から排出される蒸気、換言すれば、酸素－水素燃焼用タービン７２の蒸気入口に導入される蒸気の状態である。なお、状態ｂにおける蒸気の温度は、高圧タービン７１に導入される蒸気の温度よりも高い。また、状態ｂにおける蒸気の温度は、ガスタービン１０から第１の排熱回収ボイラ３０に導入される排気の温度よりも高くすることができる。図２において、燃焼器７５において投入された水素投入熱量は、Ｈ１で示されている。

【0062】

状態ｃは、酸素－水素燃焼用タービン７２の蒸気出口における蒸気の状態、換言すれば、第２の排熱回収ボイラ８０に導入される蒸気の状態である。状態ｂと状態ｃとを結ぶ線は、酸素－水素燃焼用タービン７２における膨張線である。

【0063】

状態ｄは、蒸気管１００を介して低圧タービン７３の蒸気入口に導入される蒸気の状態である。状態ｅは、低圧タービン７３の蒸気出口における蒸気の状態、換言すれば、復水器７４に導入される蒸気の状態である。状態ｄと状態ｅとを結ぶ線は、低圧タービン７３における膨張線である。図２に示すように、状態ｅの蒸気は、湿り蒸気となる。

【0064】

ここで、図２には、従来のコンバインドサイクル発電設備の中圧タービンおよび低圧タービンにおける膨張線（状態ａと状態ｆとを結ぶ線）を破線で示している。

【0065】

従来のコンバインドサイクル発電設備は、中圧タービンに燃焼器を備えていない。また、従来のコンバインドサイクル発電設備は、第２の排熱回収ボイラも備えていない。そのため、再熱部５０において再熱された蒸気は、高温再熱蒸気管を介して中圧タービンに導入される。そして、中圧タービンから排出された蒸気は、低圧タービンに導入される。

【0066】

そのため、従来のコンバインドサイクル発電設備において、状態ａは、高温再熱蒸気管を介して中圧タービンの蒸気入口に導入される蒸気の状態である。また、状態ｆは、低圧タービンの蒸気出口における蒸気の状態である。

【0067】

図２に示すように、本実施の形態の酸素－水素燃焼用タービン７２の蒸気入口における蒸気のエンタルピは、従来のコンバインドサイクル発電設備の中圧タービンの蒸気入口における蒸気のエンタルピよりも水素投入熱量Ｈ１相当分高い。また、本実施の形態の低圧タービン７３の蒸気出口における蒸気の圧力およびエンタルピは、従来のコンバインドサイクル発電設備の低圧タービンの蒸気出口における蒸気の圧力およびエンタルピと同じレベルまで低下している。

【0068】

図２に示すように、本実施の形態のコンバインドサイクル発電設備１では、低圧タービン７３の蒸気入口に導入される蒸気の圧力（状態ｄの圧力）は、酸素－水素燃焼用タービン７２の蒸気出口における蒸気の圧力（状態ｃの圧力）よりも高く設定されている。そのため、低圧タービン７３における膨張線は、図２のｈ-ｓ線図上で左側にシフトしている。

【0069】

そして、図２に示すように、低圧タービン７３から排出される蒸気のエンタルピは、従来の低圧タービンから排出される蒸気のエンタルピと同程度に維持されている。すなわち、酸素－水素燃焼用タービン７２に導入される蒸気の温度を高めた場合においても、低圧タービン７３から排出される蒸気のエンタルピを従来の低圧タービンから排出される蒸気のエンタルピと同程度に維持することができる。

【0070】

これによって、酸素－水素燃焼用タービン７２および低圧タービン７３において大きな熱落差が得られる。そのため、燃焼器７５における水素投入熱量Ｈ１は有効に動力に変換され、熱効率は向上する。

【0071】

また、状態ｄの圧力を状態ｃの圧力よりも高く設定することで、状態ｆの蒸気を湿り蒸気とすることができる。これによって、下流段のタービン段落の静翼や動翼が湿り蒸気に対応して設計されている既存の低圧タービン７３を使用しつつ、酸素－水素燃焼用タービン７２の蒸気入口における蒸気の温度を上昇させることができる。

【0072】

ここで、図３は、比較例のコンバインドサイクル発電設備の熱サイクルの一部を示したｈ-ｓ線図である。

【0073】

比較例のコンバインドサイクル発電設備では、従来のコンバインドサイクル発電設備の中圧タービンの蒸気入口に燃焼器が備えられることを想定している。なお、中圧タービンに備えられる燃焼器の構成は、本実施の形態の燃焼器７５と同じ構成である。なお、比較例は、本実施の形態との比較のために示されており、本実施の形態には含まれない。

【0074】

ここで、従来のコンバインドサイクル発電設備では、排熱回収ボイラからの蒸気は、高圧タービンに導入される。高圧タービンから排出された蒸気は、排熱回収ボイラ内の再熱部で再熱され、中圧タービンに導入される。中圧タービンから排出された蒸気は、低圧タービンに導入される。

【0075】

比較例のコンバインドサイクル発電設備は、この従来のコンバインドサイクル発電設備における中圧タービンの蒸気入口に燃焼器が備えられることを想定している。そのため、比較例のコンバインドサイクル発電設備では、高圧タービンから排出された蒸気は、排熱回収ボイラ内の再熱部で再熱され、高温再熱蒸気管を介して燃焼器に導入される。燃焼器から排出された蒸気は、中圧タービンに導入される。中圧タービンから排出された蒸気は、低圧タービンに導入される。比較例のコンバインドサイクル発電設備は、本実施の形態のコンバインドサイクル発電設備１が備える第２の排熱回収ボイラ８０を備えていない。

【0076】

図３には、燃焼器の蒸気入口から低圧タービンの蒸気出口までの蒸気の状態が示されている。

【0077】

図３において、状態ａは、高温再熱蒸気管を介して燃焼器に導入される蒸気の状態である。なお、状態ｆは、図２を参照して説明したように、中圧タービンに燃焼器を備えない従来のコンバインドサイクル発電設備の低圧タービンの蒸気出口における蒸気の状態である。

【0078】

状態ｍは、燃焼器から排出される蒸気、換言すれば、中圧タービンの蒸気入口に導入される蒸気の状態である。図３において、燃焼器において投入された水素投入熱量は、Ｈ２で示されている。

【0079】

状態ｎは、低圧タービンの蒸気出口における蒸気の状態、換言すれば、復水器に導入される蒸気の状態である。状態ｍと状態ｎとを結ぶ線は、中圧タービンおよび低圧タービンにおける膨張線である。

【0080】

図３において、中圧タービンの蒸気入口に導入される蒸気の温度を上昇させることに伴う低圧タービンから排出される蒸気におけるエンタルピの増加分をＨ３で示している。すなわち、エンタルピの増加分Ｈ３は、燃焼器を備えた場合における低圧タービンから排出される蒸気のエンタルピと、燃焼器を備えない場合における低圧タービンから排出される蒸気のエンタルピとの差である。

【0081】

上記したように、比較例において、燃焼器を備えることで、中圧タービンおよび低圧タービンにおける膨張線が、状態ａと状態ｆを結ぶ線から状態ｍと状態ｎを結ぶ線にシフトする。ここで、水素投入熱量Ｈ２は、状態ｎの蒸気が湿り蒸気となるように調整されている。

【0082】

図３に示した比較例において、燃焼器を備えることによる中圧タービンおよび低圧タービンにおける熱落差の増加分ΔＨは、Ｈ２－Ｈ３となる。図３に示すように、比較例では、燃焼器を備えたとしても、水素投入熱量Ｈ２に対する熱落差の増加分ΔＨは小さい。この傾向は、水素投入熱量Ｈ２をさらに増加した場合においても、同様である。なお、状態ｎのエンタルピを湿り蒸気となるエンタルピまで低下させるため、水素投入熱量Ｈ２は、制限される。

【0083】

このように、第２の排熱回収ボイラ８０を備えない比較例では、燃焼器を備えたとしても、十分な熱効率の向上は期待できない。

【0084】

これに対して、実施の形態のコンバインドサイクル発電設備１によれば、燃焼器７５および第２の排熱回収ボイラ８０を備えることで、酸素－水素燃焼用タービン７２に導入される蒸気の温度を上昇させつつ、低圧タービン７３に導入される蒸気の圧力を酸素－水素燃焼用タービン７２から排気される蒸気の圧力よりも高くできる。

【0085】

これによって、熱サイクルにおいて大きな熱落差が得られ、燃焼器７５における水素投入熱量Ｈ１が有効に利用されて熱効率が向上する。また、低圧タービン７３から排出される蒸気を湿り蒸気とすることでき、低圧タービン７３として既存の低圧タービンを使用することができる。

【0086】

以上説明した実施形態によれば、蒸気タービンに導入される蒸気の高温化が可能であり、熱サイクルにおいて大きな熱落差が得られ、熱効率を向上させることが可能となる。

【0087】

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。

【符号の説明】

【0088】

１…コンバインドサイクル発電設備、１０…ガスタービン、１１…圧縮機、１２、７５…燃焼器、１３…タービン、１４、７５ａ…燃料供給部、２０…発電機、３０…第１の排熱回収ボイラ、３１、８１…流路、３２…煙突、４０、９０…蒸気生成部、４１…高圧蒸気生成部、４１ａ…第１の高圧過熱器、４１ｂ…第２の高圧過熱器、４１ｃ…高圧蒸気ドラム、４１ｄ…高圧蒸発器、４１ｅ…高圧節炭器、４２…中圧蒸気生成部、４２ａ…中圧過熱器、４２ｂ…中圧蒸気ドラム、４２ｃ…中圧蒸発器、４２ｄ…中圧節炭器、４３…低圧蒸気生成部、４３ａ…低圧過熱器、４３ｂ…低圧蒸気ドラム、４３ｃ…低圧蒸発器、４３ｄ…低圧節炭器、５０…再熱部、６０…主蒸気管、６０ａ、６１ａ、６２ａ、６５ａ、１００ａ、１０１ａ…蒸気弁、６１…蒸気供給管、６２、１００、１０１、１０２…蒸気管、６３…再熱蒸気管、６４…低温再熱蒸気管、６５…高温再熱蒸気管、６６…排気管、６７、６７ａ、６７ｂ…給水管、６９…排出管、６９ａ…流量調整弁、７０…蒸気タービンシステム、７１…高圧タービン、７２…酸素－水素燃焼用タービン、７３…低圧タービン、７４…復水器、７５ｂ…酸化剤供給部、７６…低圧給水ポンプ、７７ａ、７７ｂ…高圧給水ポンプ、８０…第２の排熱回収ボイラ、９０ａ…過熱器、９０ｂ…蒸気ドラム、９０ｃ…蒸発器、９０ｄ…節炭器、ＢＣ…飽和限界線。

【図1】

【図2】

【図3】