JP2015214973A

JP2015214973A - 圧縮機ブリード空気および周囲空気の混合を用いる強化されたタービン冷却システム

Info

Publication number: JP2015214973A
Application number: JP2015090936A
Authority: JP
Inventors: オールストン・イルフォード・シピオ; Ilford Scipio Alston; ウーラン・エドウィーン・クリスウィンダート; Edwien Chriswindarto Wulang; サンジ・エカナヤケ; Sanji Ekanayake
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2015-12-03
Also published as: CN105089816A; CH709625A2; DE102015106677A1; US20150322861A1

Abstract

【課題】全体の効率の損失、構成要素の寿命の低下、または望ましくない排出の増加を伴わずに極端なターンダウン運転中であっても十分な冷却を実現するように改善されたガスタービン冷却システムを提供する。
【解決手段】本出願は、低ターンダウン運転用のガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、圧縮機ブリード空気流に関わる圧縮機と、周囲空気流に関わる周囲空気源と、タービンと、エダクタとを含んでもよい。エダクタは、圧縮機ブリード空気流と周囲空気流とを混合して、タービンの冷却で用いる混合された空気流にする。
【選択図】図２

Description

本出願および結果として得られる特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、極端なターンダウン運転中の冷却のために圧縮機ブリード空気および周囲空気の混合を用いる強化されたタービン冷却システムに関する。

電力網への需要は、一日ごとに、また一時間ごとにも大きく変動する場合がある。これらの変動は、風力、太陽光、および他の種類の代替的なエネルギー源などの再生可能エネルギーが大きなパーセンテージを占める地域に特に当てはまり得る。しかしながら、一般に、ガスタービンおよび発電所の全体の効率は、ベース負荷でのガスタービン運転を必要とする。ベース負荷からの低下は、効率を低下させるだけでなく、構成要素の寿命を低下させ、望ましくない排出を増加させ得る。

それにもかかわらず、電力網における負荷のこの変動に対応するために運転予備力が商業的に必要とされる。このような場合、従来の発電ユニットには「休止」能力を有することが求められる。すなわち、発電ユニットは、稼働中であるものの、極端に低い電力、出力（すなわち、極端なターンダウン負荷）で運転される。このような運転モードは、圧縮機空気流の貴重なエネルギーが、ブリード空気として放出され、この結果、無駄になり得るため、非常に非効率的である。さらに、圧縮機のストールまたはサージの危険性があり得る。

電流発生ユニットは、持続時間の延長のためにベース負荷の約４５パーセント（４５％）程度の休止モードに制限される場合がある。これ以上のターンダウンは、タービン段の動翼の不十分な冷却および場合によってはより後のタービン段における構成要素の運転制約（すなわち、「ピンチポイント（ｐｉｎｃｈｐｏｉｎｔ）」）の超過をもたらし得る。具体的には、機械的性質の限界、運転パラメータの限界、および排出限界が、安全に達せられ得る全体のターンダウンパーセンテージに影響を及ぼし得る。

したがって、全体の効率の損失、構成要素の寿命の低下、または望ましくない排出の増加を伴わずに極端なターンダウン運転中であっても十分な冷却を実現するように改善されたガスタービン冷却システムが求められている。さらに、ガスタービンエンジンは、必要なときにベース負荷に迅速に上昇する能力を維持すべきである。

したがって、本出願および結果として得られる特許は、低ターンダウン運転用のガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、圧縮機ブリード空気流に関わる圧縮機と、周囲空気流に関わる周囲空気源と、タービンと、エダクタとを含んでもよい。エダクタは、圧縮機ブリード空気流と周囲空気流とを混合して、タービンの冷却で用いる混合された空気流にする。

本出願および結果として得られる特許は、低ターンダウンでガスタービンエンジンを運転する方法をさらに提供する。本方法は、ベース負荷の約３０パーセント（３０％）未満でガスタービンエンジンを運転するステップと、圧縮機ブリード空気流をエダクタに導くステップと、周囲空気流をエダクタに導くステップと、エダクタ内で圧縮機ブリード空気流および周囲空気流を混合して混合された空気流にするステップと、混合された空気流をタービンに供給してその中の１つ以上の段を冷却するステップとを含んでもよい。

本出願および結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンシステムと共に使用するための低ターンダウン冷却システムをさらに提供する。低ターンダウン冷却システムは、ガスタービンエンジンの圧縮機からの圧縮機ブリード空気流と、周囲空気源からの周囲空気流と、ガスタービンエンジンのタービンの１つ以上の段を冷却するために圧縮機ブリード空気流および周囲空気流を混合して混合された空気流にするためのエダクタとを含んでもよい。

本出願および結果として得られる特許におけるこれらのおよび他の特徴および改善点は、複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を検討することによって当業者に明らかとなる。

圧縮機、燃焼器、タービン、および負荷を示すガスタービンエンジンの概略図である。本明細書で説明され得るターンダウン冷却システムを有するガスタービンエンジンの概略図である。図２のターンダウン冷却システムのさらなる概略図である。ターンダウン冷却システムの代替的な実施形態の概略図である。

次に、図面（図面では、同じ符号が、複数の図を通して同じ要素を指示している）を参照すると、図１は、本発明において使用され得るガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含んでもよい。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０と加圧された燃料流３０とを混合し、この混合物に点火して燃焼ガス流３５を生成する。１つの燃焼器２５しか示されていないが、ガスタービンエンジン１０は、環状配列でまたは他の仕方で配置される任意の数の燃焼器２５を含んでもよい。次に、燃焼ガス流３５は、タービン４０に供給される。燃焼ガス流３５は、機械的仕事を発生させるためにタービン４０を駆動する。タービン４０で発生した機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５および外部負荷５０（発電機など）を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々な種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料、ならびにこれらの組み合わせを使用してもよい。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州のスケネクタディ市にあるゼネラル・エレクトリック・カンパニイ（ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙ）によって販売されている多数の様々なガスタービンエンジン（これらは、フレーム６、７、または９シリーズの重荷重ガスタービンエンジンなどのガスタービンエンジンを含むが、これらに限定されない）のうちの任意のものであってもよい。ガスタービンエンジン１０は、様々な構成を有してもよく、また、他の種類の構成要素を使用してもよい。また、本発明において、他の種類のガスタービンエンジンが使用されてもよい。また、本発明において、複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電装置が一緒に使用されてもよい。

ガスタービンエンジン１０は、複合サイクルシステム（図示せず）の一部であってもよい。典型的な複合サイクルシステムに関して一般的に説明するならば、タービン４０からの高温の排気ガス流は、熱回収蒸気発生器または他の種類の熱交換装置と連絡してもよい。さらに、熱回収蒸気発生器は、負荷を駆動するために多段蒸気タービンなどと連絡してもよい。負荷は、ガスタービンエンジン１０によって駆動されるのと同じ負荷５０もしくはさらなる負荷または他の種類の装置であってもよい。また、本発明において、他の構成要素および他の構成が使用されてもよい。

図２および図３は、本明細書で説明され得るガスタービンエンジン１００の例を示している。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１１０を含んでもよい。空気流２０は、入口フィルタハウス１２０を介して圧縮機１１０に供給されてもよい。入口フィルタハウス１２０は、その中に多数のフィルタ１３０を有してもよい。また、空気流２０は、入口ブリード熱マニホルド（ｉｎｌｅｔｂｌｅｅｄｈｅａｔｍａｎｉｆｏｌｄ）１４０によって加温されてもよい。入口ブリード熱マニホルド１４０は、圧縮機ブリード空気流または他の流れと連絡してもよい。また、圧縮機１１０は、流入する空気流２０の角度を変化させるために、その上に配置される多数の入口案内羽根１５０を有してもよい。圧縮機１１０、フィルタ１３０を有する入口フィルタハウス１２０、入口ブリード熱マニホルド１４０、および入口案内羽根１５０は、従来の設計のものであってもよく、また、任意の適切なサイズ、形状、構成、または能力を有してもよい。本発明において、他の構成要素および他の構成が使用されてもよい。

また、ガスタービンエンジン１００は、空気流２０および燃料流３０と連絡する燃焼器１６０を含んでもよい。上で説明したように、燃焼器１６０は、燃焼ガス流３５をタービン１７０に供給する。次に、排気ガス流１８０は、タービン１７０から流出してもよく、熱回収蒸気発生器、排気スタック、またはその他の場所に送られてもよい。本発明において、他の構成要素および他の構成が使用されてもよい。

ガスタービンエンジン１００は、ターンダウン冷却システム２００を含んでもよい。ターンダウン冷却システム２００は、圧縮機ブリード空気流２１５に関わる圧縮機ブリード空気源２１０を含んでもよい。圧縮機ブリード空気源２１０は、圧縮機放出空気および圧縮機放出ケーシング抽出空気などであってもよい。また、ターンダウン冷却システム２００は、周囲空気流２２５に関わる周囲空気源２２０を含んでもよい。周囲空気源２２０は、周囲空気流２２５を得るために、適切なダンパおよび制御器を有するダクトを介して入口フィルタハウス１２０またはその他の場所と連絡してもよい。周囲空気源２２０は、濾過され、および／または他の方法で処理されてもよい。

圧縮機ブリード空気流２１５および周囲空気流２２５は、エダクタ２３０で合流してもよい。エダクタ２３０は、いかなる可動部も有さない機械装置である。エダクタ２３０は、駆動流体と吸引流体との間の運動量移動に基づいて２つの流体の流れを混合する。駆動用入口２４０は、圧縮機ブリード空気流２１５と連絡してもよい。また、エダクタ２３０は、吸引用入口２５０を含んでもよい。吸引用入口２５０は、周囲空気流２２５と連絡してもよい。このように、圧縮機ブリード空気流２１５は、周囲空気流２２５に対して吸引力を発生させる駆動流体である。また、エダクタ２３０は、混合管２６０およびディフューザ２７０を含んでもよい。エダクタ２３０は、任意の適切なサイズ、形状、構成、または能力を有してもよい。他の種類の混合器および混合ポンプなどが、エダクタ２３０などとして使用されてもよい。本発明において、他の構成要素および他の構成が使用されてもよい。

圧縮機ブリード空気流２１５は、駆動流として駆動用入口２４０に流入し、その圧力は、吸引流が加速されるように周囲空気流２２５の圧力未満に低下する。これらの流れは、混合管２６０内で混合され、混合された空気流２８０としてディフューザ２７０を通って流れる。このように、混合された空気流２８０は、全体の温度均一性を達成するために混合された周囲空気およびブリード熱（ｂｌｅｅｄｈｅａｔ）の組み合わせである。混合された空気流２８０は、吸引流よりは高いが、駆動流よりは低い圧力で放出されてもよい。このような場合、吸引用入口２５０における周囲空気流２２５は、負圧または真空になり得る。具体的には、エダクタ２３０の全吸引能力は、その中で利用可能な有効吸込みヘッド（ｎｅｔｐｏｓｉｔｉｖｅｓｕｃｔｉｏｎｈｅａｄ）に基づくものであってもよい。本発明において、多数のエダクタ２３０が、冷却または他の目的のために任意の数の混合流２８０を供給するために使用されてもよい。

混合流２８０は、より後の段およびその構成要素を冷却するためにタービン１７０に送られてもよい。本発明において、多数の制御弁２９０、制御センサ３００、温度センサ３１０、ならびに他の種類の制御器およびセンサが使用されてもよい。ターンダウン冷却システム２００の全体の動作は、最適化ロジックに従って、全体のガスタービン制御部（例えば、「ＧＥＳｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ」コントローラもしくは同様の装置）または専用コントローラによって制御されてもよい。（「Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ」は、ニューヨーク州のスケネクタディ市にあるゼネラル・エレクトリック・カンパニイの商標である。）また、本発明において、他の構成要素および他の構成が使用されてもよい。

図３は、ターンダウン冷却システム２００をさらに詳細に示している。具体的には、圧縮機ブリード空気源２１０は、第９の段の圧縮機ブリード空気抽出３２０、第１３の段の圧縮機ブリード空気抽出３３０、および／またはその他の場所からの抽出であってもよい。一般的に説明するならば、圧縮機ブリード空気抽出３２０、３３０は、タービン１７０より後の段を冷却するために使用されてもよい。この例では、第１３の段の圧縮機ブリード空気抽出３３０は、タービンの第２の段３４０を冷却するために使用されてもよい。第９の段の圧縮機ブリード空気抽出３２０は、混合された空気流２８０によってタービン１７０の第３の段３５０または他のより後の段をするために、上で説明したようにエダクタ２３０と連絡してもよい。混合された空気流２８０は、段およびその構成要素を冷却してもよい。本発明において、他の構成要素および他の構成が使用されてもよい。

以上のように、ターンダウン冷却システム２００は、より後の段の冷却を最適化するように混合された空気流２８０を生成するために圧縮機ブリード空気流２１５と周囲空気流２２５とを組み合わせる。ターンダウン冷却システム２００は、主に休止モードで運転されるガスタービンエンジン１００が、全体の排出を既存の基準内に制限するために所望の燃料空気比を維持することができるように圧縮機入口またはタービン排気にほとんど影響を及ぼし得ない。このように、ガスタービンエンジン１００は、全体の複合サイクル能力および蒸気発生能力を改善するために、任意の運転モードの間にわたって熱回収蒸気発生器の入口温度限界内の排気ガス温度で運転され得る。さらに、ターンダウン冷却システム２００は、ベース負荷に急速に上昇する能力を有するガスタービンエンジン１００を実現することができる。したがって、ガスタービンエンジン１００は、ベース負荷の約３０パーセント（３０％）未満、場合により約２０〜２５パーセント（２０〜２５％）の負荷範囲内、または場合により約１０パーセント（１０％）程度の低さの休止モードに達することができる。本発明において、他のパーセンテージおよび他の負荷が使用されてもよい。

以上のように、ターンダウン冷却システム２００は、以前は利用不可能だった運転範囲をガスタービンエンジン１００にもたらす。ターンダウン冷却システム２００は、全体のガスタービンエンジン１００の設計変更を伴わずに、最小限の付加的な構成要素のみを必要とし得る。ターンダウン冷却システム２００は、混合された空気流２８０によってより後の段のタービン動翼の温度を最適化することができる。このような冷却は、構成要素の寿命を改善するために、タービンが全体の温度限界を超えることを防止することができる。ターンダウン冷却システム２００は、運転パラメータおよび／または排出の超過に起因する強制停止を減少させることができる点において発電所の全体的な信頼性を高めることができる。さらに、改善された全体性能は、部分負荷発熱率の改善によりターンダウン限界への傾向を低減することによって実現されてもよい。さらに、全体的なガスタービンエンジン１００は、運転の合計時間を増加させることができる。ターンダウン冷却システム２００は、元からある装置であってもよいし、あるいは、後付け装置の一部であってもよい。

図４は、本明細書で説明され得るターンダウン冷却システム３６０のさらなる実施形態を示している。この例では、圧縮機ブリード空気源２１０は、第９の段の圧縮機ブリード空気抽出３２０および第１３の段の圧縮機ブリード空気抽出３３０の両方を含んでもよい。これらの流れは、エダクタ２３０またはその他の場所に送られる前に混合マニホルド３７０で合流してもよい。この例では、混合流２８０は、タービン１７０の第３の段３５０もしくは他のより後の段（第４の段など）または他の場所を冷却するために使用されてもよい。本発明において、他の構成要素および他の構成が使用されてもよい。

これまでの記述が、本出願および結果として得られる特許の特定の実施形態のみに関することは明らかなはずである。以下の特許請求の範囲およびその均等物によって規定される本発明の一般的な精神および範囲から逸脱することなく、本発明に関して多くの変更および修正が、当業者によってなされてもよい。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０空気流、空気
２５燃焼器
３０燃料流、燃料
３５燃焼ガス流、燃焼ガス
４０タービン
４５シャフト
５０負荷
１００ガスタービンエンジン
１１０圧縮機
１２０入口フィルタハウス
１３０フィルタ
１４０入口ブリード熱マニホルド
１５０入口案内羽根
１６０燃焼器
１７０タービン
１８０排気ガス流、排気ガス
２００ターンダウン冷却システム
２１０圧縮機ブリード空気源
２１５圧縮機ブリード空気流
２２０周囲空気源
２２５周囲空気流
２３０エダクタ
２４０駆動用入口
２５０吸引用入口
２６０混合管
２７０ディフューザ
２８０混合流、混合された空気流
２９０制御弁
３００制御センサ
３１０温度センサ
３２０第９の段の圧縮機ブリード空気抽出
３３０第１３の段の圧縮機ブリード空気抽出
３４０第２の段
３５０第３の段
３６０ターンダウン冷却システム
３７０混合マニホルド

Claims

低ターンダウン運転用のガスタービンエンジン（１００）であって、
圧縮機ブリード空気流（２１５）を含む圧縮機（１１０）と、
周囲空気流（２２５）を含む周囲空気源（２２０）と、
タービン（１７０）と、
エダクタ（２３０）と
を備え、
前記エダクタ（２３０）が、前記圧縮機ブリード空気流（２１５）および前記周囲空気流（２２５）を混合して、前記タービン（１７０）の冷却で用いる混合された空気流（２８０）にするガスタービンエンジン（１００）。
前記圧縮機ブリード空気流（２１５）が、第９の段の圧縮機ブリード空気抽出（３２０）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記圧縮機ブリード空気流（２１５）が、第１３の段の圧縮機ブリード空気抽出（３３０）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記圧縮機ブリード空気流（２１５）が、混合マニホルド（３７０）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記圧縮機ブリード空気流（２１５）が、第９の段の圧縮機ブリード空気抽出（３２０）と第１３の段の圧縮機ブリード空気抽出（３３０）との混合を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記周囲空気源（２２０）が、入口フィルタハウス（１２０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記エダクタ（２３０）が、前記圧縮機ブリード空気流（２１５）と連絡する駆動用入口（２４０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記エダクタ（２３０）が、前記周囲空気流（２２５）と連絡する吸引用入口（２５０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記エダクタ（２３０）が、混合管（２６０）およびディフューザ（２７０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記タービン（１７０）が、複数の段を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記混合された空気流（２８０）が、前記タービン（１７０）の第２の段（３４０）を冷却する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記混合された空気流（２８０）が、前記タービン（１７０）の第３の段（３５０）または第４の段を冷却する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記低ターンダウン運転が、ベース負荷の約３０パーセント（３０％）未満を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
前記低ターンダウン運転が、ベース負荷の約２０〜約２５パーセント（２０〜２５％）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
低ターンダウンでガスタービンエンジン（１００）を運転する方法であって、
ベース負荷の約３０パーセント（３０％）未満で前記ガスタービンエンジン（１００）を運転するステップと、
圧縮機ブリード空気流（２１５）をエダクタ（２３０）に導くステップと、
周囲空気流（２２５）を前記エダクタ（２３０）に導くステップと、
前記エダクタ（２３０）内で前記圧縮機ブリード空気流（２１５）および前記周囲空気流（２２５）を混合して混合された空気流（２８０）にするステップと、
前記混合された空気流（２８０）をタービン（１７０）に供給してその中の１つ以上の段を冷却するステップと
を含む方法。
ガスタービンエンジン（１００）と共に使用するための低ターンダウン冷却システム（２００）であって、
前記ガスタービンエンジン（１００）の圧縮機（１１０）からの圧縮機ブリード空気流（２１５）と、
周囲空気源（２２０）からの周囲空気流（２２５）と、
前記ガスタービンエンジン（１００）のタービン（１７０）の１つ以上の段を冷却するために前記圧縮機ブリード空気流（２１５）および前記周囲空気流（２２５）を混合して混合された空気流（２８０）にするためのエダクタ（２３０）と
を含む低ターンダウン冷却システム（２００）。
前記圧縮機ブリード空気流（２１５）が、第９の段の圧縮機ブリード空気抽出（３２０）および／もしくは第１３の段の圧縮機ブリード空気抽出（３３０）ならびに／または前記第９の段の圧縮機ブリード空気抽出（３２０）と前記第１３の段の圧縮機ブリード空気抽出（３３０）との混合を含む、請求項１６に記載の低ターンダウン冷却システム（２００）。
前記周囲空気源（２２０）が、入口フィルタハウス（１２０）を備える、請求項１６に記載の低ターンダウン冷却システム（２００）。
前記エダクタ（２３０）が、前記圧縮機ブリード空気流（２１５）と連絡する駆動用入口（２４０）および前記周囲空気流（２２５）と連絡する吸引用入口（２５０）を備える、請求項１６に記載の低ターンダウン冷却システム（２００）。
前記ガスタービンエンジン（１００）が、ベース負荷の約３０パーセント（３０％）未満の低ターンダウン運転を含む、請求項１６に記載の低ターンダウン冷却システム（２００）。