复合发电设备及其运用方法与流程

[0001]
本发明涉及复合发电设备(组合循环发电设备：c/c)及其运用方法，尤其涉及适于适用利用了向燃烧用空气添加湿气进行加湿的高湿气空气的燃气轮机的结构的复合发电设备及其运用方法。


背景技术：

[0002]
复合发电设备是在燃气轮机中将蒸汽轮机与废热回收锅炉组合、利用从燃气轮机排出的废热在废热回收锅炉中产生蒸汽并向蒸汽轮机中供给其蒸汽进行发电的设备(参照专利文献1)。
[0003]
使用图1说明该复合发电设备的一构成例。
[0004]
如图1所示，复合发电设备概略地由燃气轮机3、蒸汽轮机9、废热回收锅炉5构成。
[0005]
燃气轮机3具备燃烧器2与压缩机1，将由压缩机1吸入的空气高压化，向该高压空气中添加燃气轮机燃料气体并在燃烧器2中生成燃烧气体，将该生成的燃烧气体作为驱动气体驱动燃气轮机3。
[0006]
此时，向在压缩机1中压缩的压缩空气中添加水分，通过增加向燃烧器2供给的动作流体的流量而增加燃气轮机3的输出的技术是高湿气利用燃气轮机系统。
[0007]
另一方面，废热回收锅炉5进行来自燃气轮机3的尾气与来自低压供水泵12的供水的热交换，产生蒸汽轮机9的驱动蒸汽。而且，废热回收锅炉5包括由产生各个压力水平不同的蒸汽的高压节碳器、高压蒸发器、过热器构成的高压系统、由低压节碳器、低压蒸发器构成的低压系统。
[0008]
另外，向高压鼓7、低压鼓6供给的供水在高压蒸发器、低压蒸发器中成为饱和蒸汽。高压饱和蒸汽在过热器中被加热而成为高压蒸汽。高压蒸汽以及低压蒸汽作为驱动用蒸汽向蒸汽轮机9供给。
[0009]
其次，说明向蒸汽轮机9中供给蒸汽的系统。
[0010]
首先，向废热回收锅炉5的高压节碳器供给的供水在高压节碳器中与来自燃气轮机3的尾气进行热交换，在高压鼓7以及高压蒸发器中成为饱和蒸汽。该饱和蒸汽在过热器中加热而成为过热蒸汽，作为高压蒸汽向蒸汽轮机9供给。
[0011]
另外，向废热回收锅炉5的低压节碳器供给的供水在低压节碳器中与来自燃气轮机3的尾气进行热交换，在低压鼓6以及低压蒸发器中成为饱和蒸汽。该饱和蒸汽作为低压蒸汽向蒸汽轮机9供给。蒸汽轮机9的尾气向冷凝器11排出。
[0012]
并且，在图1中，4是燃气轮机用发电机，8是高压供水泵，10是蒸汽轮机用发电机，13是大型蒸汽冷凝器，14是将尾气排出的排气塔。
[0013]
现有技术文献
[0014]
专利文献
[0015]
专利文献1：日本特开平10-306708号公报


技术实现要素：

[0016]
发明所要解决的课题
[0017]
可是，现有的复合发电设备在燃气轮机3起动之后，从作为校形设备的蒸汽轮机9的金属匹配(蒸汽轮机9因金属温度与通气蒸汽温度差的热应力限制而产生的温度变化幅度以及温度变化率的限制)的观点出发，存在燃气轮机3的升速率、负载变化率的限制，即使热起动也在到达作为复合发电设备的额定负载之前，在燃气轮机3的点火之后需要50分钟左右，需要相当长的时间。
[0018]
另外，燃气轮机3起动时的复合发电设备的部分负载时性能(发电端效率)依存于燃气轮机3的依存于负载的蒸汽流量特性(尾气温度特性)，由于不能够实现急剧的负载上升，因此效率上升率也会被限制。
[0019]
本发明是鉴于上述方面的内容，作为其目的在于提供一种通过适用利用了高湿气空气的燃气轮机而可实现复合发电设备的起动时间缩短(缩短到达额定负载的时间)、及起动时高效率运用的复合发电设备及其运用方法。
[0020]
用于解决课题的方案
[0021]
本发明的复合发电设备为了实现上述目的，是具备燃气轮机、将该燃气轮机的尾气作为热源而产生蒸汽的废热回收锅炉、通过由该废热回收锅炉产生的蒸汽被驱动的蒸汽轮机，作为上述燃气轮机适用了以向燃烧器注入由上述废热回收锅炉产生的蒸汽的方式构成的高湿气燃烧燃气轮机的复合发电设备，具备控制由上述废热回收锅炉产生的蒸汽通过上述燃烧器注入上述高湿气燃烧燃气轮机的量的控制装置，在上述高湿气燃烧燃气轮机的起动时，利用上述控制装置控制由上述废热回收锅炉产生的蒸汽注入上述高湿气燃烧燃气轮机的量，通过上述燃烧器向上述高湿气燃烧燃气轮机注入由上述废热回收锅炉产生的蒸汽的全量并起动。
[0022]
另外，本发明的复合发电设备的运用方法为了实现上述目的，是具备燃气轮机、将该燃气轮机的尾气作为热源而产生蒸汽的废热回收锅炉、通过由该废热回收锅炉产生的蒸汽被驱动的蒸汽轮机、作为上述蒸汽轮机适用以向燃烧器注入由上述废热回收锅炉产生的蒸汽的方式构成的高湿气燃烧燃气轮机的复合发电设备的运用方法，在上述高湿气燃烧燃气轮机的起动时，通过上述燃烧器向上述高湿气燃烧燃气轮机注入由上述废热回收锅炉产生的蒸汽的全量并起动。
[0023]
发明效果
[0024]
根据本发明，可通过适用利用了高湿气空气的燃气轮机实现复合发电设备的起动时间缩短(缩短达到额定负载的时间)及在起动时高效运用。
附图说明
[0025]
图1是表示现有的复合发电设备的概略构成图。
[0026]
图2是表示本发明的复合发电设备的实施例1的概略构成图。
[0027]
图3是表示适用本发明的复合发电设备的实施例1中的高湿气燃烧燃气轮机时的复合发电设备的起动运转顺序的图。
[0028]
图4是表示比较适用本发明的复合发电设备的实施例1中的高湿气燃烧燃气轮机时的起动特性与现有的复合发电设备的起动特性的特性图。
[0029]
图5是表示比较适用本发明的复合发电设备的实施例1中的高湿气燃烧燃气轮机时的负载运用特性(高速负载变化对应运用)与现有的复合发电设备的负载运用特性(高速负载变化对应运用)的特性图。
具体实施方式
[0030]
以下，基于图示的实施例说明本发明的复合发电设备以及其运用方法。
[0031]
并且，在各图中，对同一结构部件使用相同符号。
[0032]
实施例1
[0033]
在图2中表示本发明的复合发电设备的实施例1的概略结构。
[0034]
图2所示的本实施例的复合发电设备与现有的复合发电设备相同，具备燃气轮机、将尾气作为热源而产生蒸汽的废热回收锅炉5、通过在该废热回收锅炉5中产生的蒸汽驱动的蒸汽轮机9，在本实施例中，作为燃气轮机是适用以向燃烧器中注入废热回收锅炉5中产生的蒸汽的方式构成的高湿气燃烧燃气轮机3a的复合发电设备。伴随此，压缩机适用高湿气压缩机1a，燃烧器适用高湿气燃烧器2a。
[0035]
并且，在本实施例中，具备控制在废热回收锅炉5中产生的蒸汽通过高湿气燃烧器2a向高湿气燃烧燃气轮机3a中注入的量的控制装置32，在高湿气燃烧燃气轮机3a的起动时，用控制装置32控制在废热回收锅炉5中产生的蒸汽向高湿气燃烧燃气轮机3a注入的量，通过高湿气燃烧器2a向高湿气燃烧燃气轮机3a中注入在废热回收锅炉5中产生的蒸汽(高压蒸汽)的全部，起动高湿气燃烧燃气轮机3a。
[0036]
另外，在本实施例中，在高湿气燃烧燃气轮机3a的稳定运转之后，通过由废热回收锅炉产生的低压蒸汽暖机运转蒸汽轮机9，在使蒸汽轮机9的金属温度上升至因通气蒸汽温度差的热应力限制而产生的温度变化幅度以及温度变化率的预定温度之后，将向高湿气燃烧燃气轮机3a通气的蒸汽(高压蒸汽)切换为向蒸汽轮机9的通气而作为复合发电运用，在高湿气燃烧燃气轮机3a的高速负载变化运用时将向蒸汽轮机9通气的蒸汽(高压蒸汽)的全量切换为向高湿气燃烧燃气轮机3a的通气而运用。
[0037]
在本实施例的控制装置32中，废热回收锅炉5的低压鼓出口蒸汽压力p1、低压鼓出口蒸汽温度t1、低压鼓出口蒸汽流量f1、蒸汽轮机入口低压蒸汽压力p2、蒸汽轮机入口低压蒸汽温度t2、低压蒸汽分支流量f2、过热器出口蒸汽压力p3、过热器出口蒸汽温度t3、过热器出口蒸汽流量f3、蒸汽轮机入口高压蒸汽压力p4、蒸汽轮机入口高压蒸汽温度t4、高压蒸汽分支流量f4、燃气轮机蒸汽喷射压力p5、燃气轮机蒸汽喷射温度t5、燃气轮机蒸汽喷射流量f5、后述的水回收装置15中的回收水流量p6、压缩机入口空气压力p7、压缩机入口空气流量f7、压缩机出口空气压力p8、燃料流量f9、燃气轮机尾气压力p10、燃气轮机尾气温度t10、燃气轮机发电机输出e1、蒸汽轮机发电机输出e2、燃气轮机发电机转数r1以及蒸汽轮机发电机转数r2作为计测信号输入，控制低压蒸汽分支阀25、高压蒸汽分支阀26、燃气轮机蒸汽喷射阀27、高压蒸汽加减阀28、低压蒸汽加减阀29、压缩机入口引导叶片30以及燃料流量调节阀31的开闭。
[0038]
废热回收锅炉5的低压鼓出口蒸汽压力p1、低压鼓出口蒸汽温度t1、低压鼓出口蒸汽流量f1、蒸汽轮机入口低压蒸汽压力p2、蒸汽轮机入口低压蒸汽温度t2、低压蒸汽分支流量f2、过热器出口蒸汽压力p3、过热器出口蒸汽温度t3、过热器出口蒸汽流量f3、蒸汽轮机
入口高压蒸汽压力p4以及蒸汽轮机入口高压蒸汽温度t4作为从起动至负载运转基于废热回收锅炉5与蒸汽轮机9的稳定运转的协调控制信号被收入控制装置32，高压蒸汽分支流量f4作为向冷凝器11流入的蒸汽量过大时的保护动作而将信号收入控制装置32。
[0039]
在本实施例中，由废热回收锅炉5产生的蒸汽的过热器出口蒸汽压力p3、过热器出口蒸汽温度t3以及过热器出口蒸汽流量f3向控制装置32输入，在在利用控制装置32判断为确立了过热器24的出口蒸汽条件之后开始蒸汽喷射系统的暖机运转，在蒸汽喷射系统的暖机运转结束之后，基于来自控制装置32的指令而打开燃气轮机蒸汽喷射阀27，通过高湿气燃烧器2a向高湿气燃烧燃气轮机3a注入由废热回收锅炉产生的蒸汽(高压蒸汽)的全量。
[0040]
即，如图3所示，过热器24的出口蒸汽条件确立是指过热器出口蒸汽压力p3、过热器出口蒸汽温度t3以及过热器出口蒸汽流量f3的条件确立，在该条件确立之后，成为蒸汽喷射系统的暖机(暖管)暖气运转开始，燃气轮机蒸汽喷射阀27的开始动为蒸汽喷射系统的暖机运转结束之后。
[0041]
一边以在打开了燃气轮机蒸汽喷射阀27之后废热回收锅炉5的出口蒸汽压力不会下降的方式利用控制装置32控制设置于冷凝器11的上游侧的高压蒸汽分支阀26一边打开控制燃气轮机蒸汽喷射阀27，最终，通过高湿气燃烧器2a向高湿气燃烧燃气轮机3a注入由废热回收锅炉5产生的蒸汽(高压蒸汽)的全量。
[0042]
另外，燃气轮机蒸汽喷射阀27的打开通过利用控制装置32确认燃气轮机蒸汽喷射压力p5以及燃气轮机蒸汽喷射温度t5达到高湿气燃烧燃气轮机3a的通气条件而进行。
[0043]
即，从废热回收锅炉5的出口到高湿气燃烧燃气轮机3a的入口、涡轮分支系统的暖机运转结束(暖机运转结束条件为蒸汽轮机入口高压蒸汽温度t4与燃气轮机蒸汽喷射温度t5为预定温度以上则结束)之后，利用控制装置32确认高湿气燃烧燃气轮机3a的入口的燃气轮机蒸汽喷射压力p5以及燃气轮机蒸汽喷射温度t5达到燃气轮机通气条件，打开燃气轮机蒸汽喷射阀27。
[0044]
但是，一边以废热回收锅炉5的出口蒸汽压力不会下降的方式利用控制装置32控制高压蒸汽分支阀26一边打开燃气轮机蒸汽喷射阀27。
[0045]
另外，在负载上升时，运算由燃料流量f9与压缩机入口空气压力流量f7的比率设定的燃空比、比预定湿气量低在低nox上必要的蒸汽量与增输出用蒸汽量，打开燃气轮机蒸汽喷射阀27。此时，作为燃气轮机蒸汽喷射阀27的打开控制的反馈信号，使用燃气轮机蒸汽喷射流量f5。
[0046]
另外，如图3所示，低压蒸汽分支阀25以及高压蒸汽分支阀26在燃气轮机点火之后进行打开动作，高压蒸汽分支阀26在利用燃气轮机蒸汽喷射阀27使由废热回收锅炉5产生的高压蒸汽为全量通气状态下成为全闭。
[0047]
高压蒸汽加减阀28在过热器24的出口蒸汽条件(过热器出口蒸汽压力p3以及过热器出口蒸汽温度t3)确立之后，确认蒸汽轮机入口高压蒸汽压力p4以及蒸汽轮机入口高压蒸汽温度t4达到蒸汽轮机9的通气条件而进行打开控制。
[0048]
低压蒸汽分支阀25在蒸汽轮机9的暖机运转开始以后控制低压蒸汽加减阀29而成为全闭。
[0049]
另外，具备在高湿气燃烧燃气轮机3a的起动初期时直到废热回收锅炉5的产生蒸汽确立高湿气燃烧燃气轮机3a以及蒸汽轮机9的通气条件，通过低压蒸汽分支阀25、高压蒸
汽分支阀26向冷凝器11排出废热回收锅炉5的产生蒸汽的分支系统设备。
[0050]
另外，具备在来自废热回收锅炉5的低压蒸发器22以及高压蒸发器23的产生蒸汽确立了蒸汽轮机9的通气条件之后，通过设置于蒸汽轮机9的上游侧的高压蒸汽加减阀28以及低压蒸汽加减阀29向蒸汽轮机9中导入废热回收锅炉5的产生蒸汽，通过蒸汽轮机用发电机10作为电力输出而回收蒸汽能量的蒸汽轮机设备。
[0051]
而且，在本实施例中，具备设置于废热回收锅炉5的下游侧并回收向高湿气燃烧燃气轮机3a通气的蒸汽与燃烧生成中产生的水蒸气的水回收装置15，作为废热回收锅炉5的供水再利用由该水回收装置15回收的水蒸气。
[0052]
即，水回收装置15具备在内部填充填充物16且排出尾气的排气塔14，水回收装置15内的水蒸气在利用水回收循环泵17回收并利用水回收循环水冷却器18进行冷却之后，作为循环水返回水回收装置15。
[0053]
由水回收循环水冷却器18冷却之后的循环水的一部分(回收水)储存于补给水罐19，将该补给水罐19内的回收水通过回收水送水泵20导入向废热回收锅炉5供给由低压供水泵12供给的锅炉供水的系统并作为废热回收锅炉5的供水进行再利用。
[0054]
使用图4以及图5说明这样的本实施例产生的效果。
[0055]
图4是表示比较适用本实施例中的高湿气燃烧燃气轮机时的起动特性与现有的复合发电设备的起动特性的图，图5是表示比较适用本实施例中的高湿气燃烧燃气轮机时的负载运用特性(高速负载变化对应运用)与现有的复合发电设备的负载运用特性(高速负载变化对应运用)的图。
[0056]
图4以及图5(a)在横轴上表示时间，在纵轴上表示负载运转的比例，图4以及图5(b)在横轴上表示时间，在纵轴上表示发电端效率，图4以及图5(c)在横轴上表示时间，在纵轴上表示蒸汽流量。
[0057]
在图4的适用高湿气燃烧燃气轮机时的起动特性以及图5的适用高湿气燃烧燃气轮机时的负载运用特性(高速负载变化对应运用)的任一情况下都会明白，本实施例(a)的方式与现有的复合发电设备(b)相比，缩短高湿气燃烧燃气轮机3a的起动时间3a。
[0058]
尤其在本实施例(a)中，在高湿气燃烧燃气轮机3a的起动初期阶段中，向高湿气燃烧燃气轮机3a注入由废热回收锅炉5产生的蒸汽(高压蒸汽)的全量，通过作为复合发电设备的负载直到相当于约90％负载单独运转高湿气燃烧燃气轮机3a，可将从高湿气燃烧燃气轮机3a的点火至90％负载(将复合发电设备的100％负载时发电端输出作为基准的相对值)的起动时间缩短为1/5(约10分钟)。
[0059]
另外，在高湿气燃烧燃气轮机3a的稳定运转之后，使蒸汽轮机9进行暖机运转，在将蒸汽轮机9的金属温度提升至由通气蒸汽温度差的热应力限制而产生的温度变化幅度以及温度变化率的预定温度之后，通过将向高湿气燃烧燃气轮机3a通气的蒸汽中的、除了用于降低从燃气轮机中排出的氮氧化物(nox)的注入量以外的剩余的蒸汽向蒸汽轮机9中通气并成为复合发电运用，可实现复合发电设备的高效运转。
[0060]
另外，在高湿气燃烧燃气轮机3a的起动时，通过向高湿气燃烧燃气轮机3a注入由废热回收锅炉5产生的蒸汽(高压蒸汽)的全量，可提高高湿气燃烧燃气轮机3a的起动时间以及起动时的部分负载时性能(发电端效率)。
[0061]
即，在一般的复合发电设备中的起动运转中，通过校形设备(蒸汽轮机)的热应力
限制，在蒸汽轮机的负载运转的开始时刻的燃气轮机运转状态成为部分负载运转，那之后成为向额定提升负载的运用。
[0062]
相对于此，在本实施例中，在蒸汽轮机的负载运转开始前(燃气轮机与蒸汽轮机的复合运用前)使高湿气燃烧燃气轮机单独地达到额定负载，从该状态向复合运用转移。因此，复合发电设备到达额定负载之前的期间中的燃气轮机的额定负载运转期间的比率提高，可成为提高了起动时的热效率的运转。
[0063]
而且，通过在高湿气燃烧燃气轮机3a的高速负载变化运用时将向蒸汽轮机9通气的蒸汽(高压蒸汽)的全量切换为向高湿气燃烧燃气轮机3a的通气而运用，可实现高速负载应答。
[0064]
另外，本实施例中的复合发电设备的控制装置除了复合发电设备的通常起动模式与通常负载运转模式，还具备起动时间缩短运用模式与高速负载变化运用模式。
[0065]
起动时间缩短运用模式在复合发电设备的起动时，向高湿气燃烧燃气轮机的燃烧器注入由废热回收锅炉产生的高压蒸汽的全量并将高湿气燃烧燃气轮机上升至额定负载，并且，在利用由废热回收锅炉产生的低压蒸汽进行的蒸汽轮机的暖机结束之后，向蒸汽轮机流通高压蒸汽。通过使起动时间缩短运用模式进行运转，如上述，可将高湿气燃烧燃气轮机急速起动至额定负载，能够大幅地缩短起动时间。而且，可提高起动时的燃气轮机的热效率。
[0066]
另外，高速负载变化运用模式在复合发电设备的起动结束之后的负载运转时，将向蒸汽轮机通气的高压蒸汽的供给端切换为燃烧器，单独运转高湿气燃烧燃气轮机。在高速负载变化运用模式中，从蒸汽轮机与燃气轮机的复合运转(重视热性能运转)向高湿气燃烧燃气轮机的单独运转(重视负载应答性运转)转移。由于是由高湿气燃烧燃气轮机进行的单独运转，不会被校形设备(蒸汽轮机)的热应力限制拘束，可实现高速的负载变化运转。
[0067]
并且，本发明并不限于上述的实施例，包括多种变形例。
[0068]
例如，上述实施例是为了容易理解本发明而详细地说明的内容，未必限于具备说明的全部结构的内容。另外，可将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，另外，也可在某实施例的结构中追加其他实施例的结构。另外，关于各实施例结构的一部分可进行其他结构的追加、删除、置换。
[0069]
符号说明
[0070]
1—压缩机，1a—高湿气压缩机，2—燃烧器，2a—高湿气燃烧器，3—燃气轮机，3a—高湿气燃烧燃气轮机，4—燃气轮机用发电机，5—废热回收锅炉，6—低压鼓，7—高压鼓，8—高压供水泵，9—蒸汽轮机，10—蒸汽轮机用发电机，11—冷凝器，12—低压供水泵，13—大型蒸气冷凝器，14—排气塔，15—水回收装置，16—填充物，17—水回收循环泵，18—水回收循环水冷却器，19—补给水罐，20—回收水送水泵，21—节碳器，22—低压蒸发器，23—高压蒸发器，24—过热器，25—低压蒸汽分支阀，26—高压蒸汽分支阀，27—燃气轮机蒸汽喷射阀，28—高压蒸汽加减阀，29—低压蒸汽加减阀，30—压缩机入口引导叶片，31—燃料流量调节阀，32—控制装置，p1—低压鼓出口蒸汽压力，t1—低压鼓出口蒸汽温度，f1—低压鼓出口蒸汽流量，p2—蒸汽轮机入口低压蒸汽压力，t2—蒸汽轮机入口低压蒸汽温度，f2—低压蒸汽分支流量，p3—过热器出口蒸汽压力，t3—过热器出口蒸汽温度，f3—过热器出口蒸汽流量，p4—蒸汽轮机入口高压蒸汽压力，t4—蒸汽轮机入口高压蒸汽温度，
f4—高压蒸汽分支流量，p5—燃气轮机蒸汽喷射压力，t5—燃气轮机蒸汽喷射温度，f5—燃气轮机蒸汽喷射流量，f6—水回收装置中的回收水流量，p7—压缩机入口空气压力，f7—压缩机入口空气流量，p8—压缩机出口空气压力，f9—燃料流量，p10—燃气轮机排气压力，t10—燃气轮机排气温度，e1—燃气轮机发电机输出，e2—蒸汽轮机发电机输出，r1—燃气轮机发电机转数，r2—蒸汽轮机发电机转数。