JP2020076362A - ガスタービンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】高効率かつ低コストで発電出力を高めることが可能なガスタービンシステムを提供する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器（３）と、前記燃焼器（３）で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービン（５）とを有するガスタービンエンジン本体（ＧＴ）と、前記圧縮機（１）の吸気通路（７）に設けられて、前記圧縮機（１）に吸入される空気に水を噴霧する噴霧ノズル（３１）とを備えるガスタービンシステム（Ｓ）において、前記噴霧ノズル（３１）に噴霧のための圧縮空気（ＣＡ）を供給する圧縮空気供給系統（３３）に、前記圧縮機（１）の出口よりも上流側の段落から抽気する抽気ポート（３７）を設ける。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンエンジンを備えるシステム、特にはガスタービンエンジンの吸気を冷却する噴霧ノズルを備えるシステムに関する。
近年、風力や太陽光といった再生可能エネルギーの積極的な活用が求められてきているとともに、近い将来電力供給事業における発送電の分離が予定されているなど、電力供給の自由化が進展しつつある。再生エネルギーの活用や電力供給の自由化が進めば、需給状況に応じて発電量を変動させることのできる発電システムが求められるようになると予想される。発電システムの駆動源として期待されるガスタービンエンジンにおいて発電出力を変動させる技術として、エンジンに吸入される空気に対して、微粒化した水を噴霧して冷却することによって発電出力を向上させることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
水を微粒化するための技術として、水に高圧をかけてノズルの微細孔から噴霧する手法と、水を圧縮空気とともに噴射することにより噴霧する手法とが知られている。前者の手法ではノズル当りの噴霧量が少ないため、必要なノズル数が膨大となり大量噴霧の手段としては経済的でない。そこで、特許文献１に記載のガスタービン吸気冷却装置では、圧縮空気を用いて噴霧する手法を採用しており、具体的には圧縮機の出口から抽気した圧縮空気を噴霧に利用している。
特開２０１１−０８５１０２号公報
しかしながら、圧縮機から高圧の圧縮空気を抽気して噴霧に利用する場合、圧縮空気を抽気する分の出力損失が大きくなるとともに、ガスタービンエンジンの効率低下も大きくなる。
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、システム全体として高効率かつ低コストで発電出力を高めることが可能なガスタービンシステムを提供することにある。
前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービンシステムは、
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンエンジン本体と、
前記圧縮機の吸気通路に設けられて、前記圧縮機に吸入される空気に水を噴霧する噴霧ノズルと、
前記噴霧ノズルに噴霧のための圧縮空気を供給する圧縮空気供給系統であって、前記圧縮機の出口よりも上流側の段落から抽気する抽気ポートを有する圧縮空気供給系統と、
を備えている。
この構成によれば、吸気を冷却するための噴霧ノズルとして、水を圧縮空気ともに噴射する、ノズル当りの噴霧量が多い二流体ノズルを採用したことにより、少ないノズル数でも十分な噴霧量を確保できる。さらに、噴霧に用いる圧縮空気は、圧縮機の出口部分における高圧部ではなく、これよりも上流段落の比較的低圧の部分から抽気するので、圧縮空気を抽気することによる出力損失および効率低下を抑制できる。したがって、システム全体として高効率かつ低コストで発電出力を高めることが可能となる。
本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムにおいて、さらに、前記圧縮機の静翼の取付角度を調節可能な可変静翼調節機構と、前記可変静翼調節機構を前記抽気ポートからの抽気量に応じて制御する可変静翼制御装置とを備えていてもよい。この構成によれば、可変静翼を制御することにより、圧縮機からの抽気量に応じて圧縮機へ吸入される空気量を調節することが可能になり、その結果、圧縮空気を抽気することによる出力損失および効率低下をさらに抑制することができる。
本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムにおいて、請求項１または２に記載のガスタービンシステムにおいて、さらに、前記タービンからの排ガスを加熱媒体として水蒸気を発生させる排熱ボイラを有するランキンサイクルエンジンと、前記排熱ボイラによって生成された水蒸気を凝縮して得られた水を前記噴霧ノズルに噴霧用水として供給する噴霧用水供給系統とを備えていてもよい。ボイラで加熱された水はミネラルなどの不純物の含有率が極めて低く、実用上は純水に近い腐食防止効果を有する。したがって、この構成によれば、噴霧水によるガスタービン構成部材の腐食を低コストで効果的に抑制することができる。
本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムにおいて、前記圧縮機の動翼および静翼の少なくとも一方がチタンを含む金属材料から形成されていてもよい。この構成によれば、圧縮機の動翼および静翼の水による腐食をより効果的に抑制することができる。
以上のように、本発明に係るガスタービンシステムによれば、システム全体として高効率かつ低コストで発電出力を高めることが可能になる。
本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムの概略構成を示すブロック図である。 図１のガスタービンシステムのガスタービンエンジン本体を示す部分破断側面図である。 図１のガスタービンシステムの圧縮機の周辺部分を示す縦断面図である。 図１のガスタービンシステムの圧縮機の静翼および動翼の翼列を示す周方向断面図である。 図３のV−V線断面図である。 図１のガスタービンシステムにおける可変静翼の制御態様を模式的に示すグラフである。
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明する。
図１に、本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムＳの概略構成を示す。このガスタービンシステムＳは、圧縮機１、燃焼器３およびタービン５を備えるガスタービンエンジン本体（以下、単に「ガスタービン」と称する。）ＧＴによって負荷である第１発電機ＧＥ１を駆動する。
ガスタービンＧＴは、外部から吸気通路７を介して導入された空気ＩＡを圧縮機１で圧縮して圧縮空気ＣＡとして燃焼器３に導き、燃料Ｆを燃焼器３内に噴射して圧縮空気ＣＡとともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＢＧによりタービン５を駆動する。タービン５の回転によって、ガスタービンＧＴの回転軸９に連結された第１発電機ＧＥ１が駆動される。
図２に示すように、この実施形態では、圧縮機１として軸流型のものを用いている。圧縮機１は、ガスタービンＧＴの回転軸９の一部を構成する圧縮機ロータ９ａと、圧縮機ケーシング１１とを備えている。圧縮機ケーシング１１の内周部には複数段の圧縮機静翼１３が所定間隔をおいて取り付けられている。一方、圧縮機ロータ９ａの外周部には、各段の圧縮機静翼１３の下流側に位置するように複数段の圧縮機動翼１５が設けられている。これら圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１５との組み合わせにより、吸気通路７から吸入した空気ＩＡを圧縮する。
また、図１に示すように、本実施形態に係るガスタービンシステムＳは、ガスタービンＧＴの排ガスＥＧの熱を利用して運転されるランキンサイクルエンジンＲＥを備えるコージェネレーションシステムとして構成されている。図示の例では、ランキンサイクルエンジンＲＥは、主要な構成要素として、排熱ボイラ２１と、蒸気タービン２３と、復水器２５とを備えている。排熱ボイラ２１は、タービン５からの排ガスＥＧを外部へ排出する排気通路２７を形成する排気ダクトに設けられている。タービン５から排出された排ガスＥＧは、加熱媒体として排熱ボイラ２１を通過した後に排気通路２７から外部へ排出される。
ランキンサイクルエンジンＲＥでは、給水ポンプ（図示せず）を介して供給された水が排熱ボイラ２１において加熱されて水蒸気ＳＴが生成され、この水蒸気ＳＴによって蒸気タービン２３が駆動される。蒸気タービン２３の回転によって、蒸気ガスタービンＧＴの回転軸に連結された第２発電機ＧＥ２が駆動される。蒸気タービン２３から排出された水蒸気ＳＴは、復水器２５によって凝縮されて水に戻される。
なお、ランキンサイクルエンジンＲＥの具体的な構成は、上記で説明した例に限定されず、ガスタービンＧＴとの組合せ構成において、あるいはランキンサイクルエンジンＲＥ自体の構成において、例えば高効率化を図るための追加の各種熱交換器等の装置が適宜設けられていてよい。また、ガスタービンシステムＳがコージェネレーションシステムとして構成されていることは必須ではない。
ガスタービンシステムＳは、圧縮機１の吸気通路７に設けられて、圧縮機１に吸入される空気ＩＡに水を噴霧する噴霧ノズル３１を備えている。噴霧ノズル３１は、噴霧用水Ｗを圧縮空気ＣＡとともに噴射することにより微粒化する二流体ノズルとして構成されている。したがって、ガスタービンシステムＳは、さらに、噴霧ノズル３１に噴霧用の圧縮空気ＣＡを供給する圧縮空気供給系統３３と、噴霧ノズル３１に噴霧用水Ｗを供給する噴霧用水供給系統３５とを備えている。
図３に示すように、圧縮空気供給系統３３は、圧縮機出口よりも上流側の段落から抽気する抽気ポート３７を有している。換言すれば、圧縮空気供給系統３３は、圧縮機出口１ａよりも低圧の段落から圧縮空気ＣＡを噴霧ノズル３１に供給する。なお、本明細書において「段落から抽気する」とは、当該段落の動翼１５の直下流側の空間から抽気することを意味する。この例では、圧縮機１は全部で１１の段落から構成されており、抽気ポート３７は第４段落から抽気するように（第４段落の動翼１５の下流側に）配置されている。抽気ポート３７は圧縮機ケーシング１１の外周部に設けられている。抽気ポート３７から抽気された圧縮空気ＣＡは、抽気ポート３７と噴霧ノズル３１を連通させる圧縮空気供給通路４１を形成する圧縮空気供給管を通って噴霧ノズル３１へ供給される。抽気ポート３７および圧縮空気供給通路４１によって圧縮空気供給系統３３が形成されている。
本実施形態で用いる噴霧ノズル３１は、圧縮機出口１ａよりも低圧の段落からの圧縮空気ＣＡによっても十分な量の水を微粒化することができる。具体的には、噴霧ノズル３１は、例えば、気水比（噴霧水の単位流量当り必要な空気流量）が０．２程度のものであり、０．３〜０．４ＭＰａ程度の空気圧によって従来のガスタービンに要求される６〜７ＭＰａ程度の給水圧で噴霧することが可能である。
本実施形態に係るガスタービンＧＴは、圧縮機１の静翼１３の取付角度を調節可能な可変静翼調節機構４５と、可変静翼調節機構４５を抽気ポート３７からの抽気量に応じて制御する可変静翼制御装置４７とを備えている。
可変静翼調節機構４５によって圧縮機静翼１３の取付角度を調節することにより、圧縮機１に吸入される空気量を調整することができる。具体的には、この可変静翼調節機構４５は、図４に示すように、静翼の流出角αを変更するよう、圧縮機１の周方向断面における静翼１３の取付角度θを調節することにより、圧縮機１の流入空気量を調整するようになっている。ここで、上記の取付角度θは、静翼１３の周方向線Ｈと翼弦Ｌ（前縁と後縁を結ぶライン）とがなす角度である。この取付角度θを大きくなるように、つまり流出角αが小さくなるように調節すると、空気の軸流速度が大きくなり、圧縮機１への流入空気量が増大する。本実施形態では、図３に示すように、可変静翼調節機構４５は、圧縮機１の第１段落（最上流側の段落）から第４段落までの４つの段落の静翼１３の取付角度θを調節するように設けられている。
可変静翼調節機構４５の具体的構成例について説明する。図５に示すように、圧縮機ケーシング１１の外周部に、円環状の回転リング４９が、図３に示す各段の静翼１３の配列位置に近接した位置において、圧縮機ケーシング１１の周方向に沿って回転自在に設けられている。回転リング４９と静翼１３の翼軸５１とが、連結アーム５３によって連結されている。図５に示すように、回転リング４９は、例えば電動のアクチュエータを備える駆動機構５５により回転駆動される。なお、図３では駆動機構５５を省略している。回転リング４９が回転駆動されることにより、連結アーム５３を介して翼軸５１が回転し、翼軸５１を中心として静翼１３が回動することによって取付角度が調節される。なお、可変静翼調節機構４５の具体的な構成はこの例に限定されない。
図３に示すように、圧縮空気供給系統３３（図示の例では圧縮空気供給通路４１）には、圧縮機１からの圧縮空気ＣＡの抽気量をモニタするための流量測定装置５７が設けられている。可変静翼制御装置４７は、流量測定装置５７から受けた抽気量測定値に応じて、可変静翼調節機構４５の圧縮機静翼１３の取付角度を制御し、これによって圧縮機１への流入空気量を調整する。
具体的には、可変静翼制御装置４７は、圧縮機１から噴霧用の圧縮空気ＣＡの抽気が開始されたときに静翼の取付角度θが所定値大きくなるように可変静翼調節機構４５を制御し、圧縮機１から圧縮空気ＣＡの抽気が停止したときに静翼１３の取付角度θが所定値小さくなるように可変静翼調節機構４５を制御する。可変静翼制御装置４７のこのような制御によって、図６に示すように、抽気量に対応した流入空気量の調整が行われる。すなわち、圧縮機１から噴霧用の抽気が行われている間は、抽気量分に応じて圧縮機１への流入空気量を増大させる。可変静翼調節機構４５を利用してこのような制御を行うことにより、圧縮機１からの抽気による出力損失および効率低下を極めて効果的に抑制することができる。
圧縮空気供給系統３３の抽気ポート３７は、圧縮機出口１ａよりも上流側の段落であれば、図示の例に限定されず、いずれの段落から抽気するように配置されていてもよい。もっとも、噴霧ノズル３１から噴霧するための圧力の確保し、かつ抽気することによるガスタービンＧＴの効率低下を抑制するために、圧縮機１の中段の段落から抽気することが好ましい。具体的には圧縮機１がＮ個の段落からなる場合にＮ／４≦ｎ≦３Ｎ／４（ｎ：自然数）を満たす第ｎ段落から抽気することが好ましい。
さらに、ガスタービンシステムＳに上記の可変静翼調節機構４５が設けられている場合、圧縮空気供給系統３３の抽気ポート３７は、可変静翼調節機構４５によって制御される最も下流側の段落に設けられていることが好ましい。このように構成することにより、抽気ポート３７から流出した空気を可変静翼調節機構４５の制御によって効率的に補填することができる。
図１に示すように、本実施形態における噴霧用水供給系統３５は、ランキンサイクルエンジンＲＥの排熱ボイラ２１によって生成された水蒸気ＳＴを凝縮して得られた水を噴霧ノズル３１に噴霧用水Ｗとして供給する。より具体的には、復水器２５の下流側に、復水器２５で凝縮された水を噴霧用水Ｗとして貯留する噴霧用水貯留タンク６１が設けられている。復水器２５による凝縮で得られた水は、一部が排熱ボイラ２１へ戻され、他の一部が噴霧用水貯留タンク６１内に貯留される。噴霧用水供給系統３５は、噴霧用水貯留タンク６１内の水を給水ポンプ（図示せず）によって噴霧ノズル３１へ供給する。
噴霧用水供給系統３５は、例えば、ランキンサイクルエンジンＲＥとは独立に設けられた純水源から純水を噴霧ノズル３１へ供給するように構成されていてもよい。噴霧用水Ｗとして純水を使用することにより、ガスタービンＧＴを構成する部材の腐食が防止される。もっとも、純水は高コストであるので、本実施形態では、排熱ボイラ２１によって生成された水蒸気ＳＴを凝縮して得られた水を噴霧用水Ｗとして利用している。排熱ボイラ２１で加熱された水はミネラルなどの不純物の含有率が極めて低いので、低コストでありながら実用上は純水に近い腐食防止効果を有する。
また、本実施形態では、圧縮機１の動翼１５および静翼１３の少なくとも一方がチタンを含む金属材料から形成されている。この例では、圧縮機動翼１５がチタンを含む金属材料から形成されている。このように構成することにより、圧縮機１の動翼１５および／または静翼１３の噴霧水による腐食をより効果的に抑制することができる。特に、上述したように、噴霧用水Ｗとして純水ではなく、ランキンサイクルエンジンＲＥで凝縮された水を用いる場合には、チタンを含む金属材料から形成された動翼または静翼を用いることが好ましい。
本実施形態に係るガスタービンシステムＳによれば、吸入する空気ＩＡを冷却するための噴霧ノズル３１として、噴霧用水Ｗを圧縮空気ＣＡともに噴射する、ノズル当りの噴霧量が多い二流体ノズルを採用したことによって、少ないノズル数でも十分な噴霧量を確保できる。さらに、噴霧に用いる圧縮空気ＣＡは、圧縮機１の出口部分における高圧部ではなく、これよりも上流段落の低圧部分から抽気するので、圧縮空気ＣＡを抽気することによる出力損失および効率低下を抑制できる。したがって、システム全体として高効率かつ低コストで発電出力を高めることが可能となる。
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
１ 圧縮機
３ 燃焼器
５ タービン
７ 吸気通路
３１ 噴霧ノズル
３３ 圧縮空気供給系統
３５ 噴霧用水供給系統
３７ 抽気ポート
４５ 可変静翼調節機構
４７ 可変静翼制御装置
ＧＴ ガスタービン（ガスタービンエンジン本体）
ＲＥ ランキンサイクルエンジン
Ｓ ガスタービンシステム

Claims (4)

  1. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンエンジン本体と、
    前記圧縮機の吸気通路に設けられて、前記圧縮機に吸入される空気に水を噴霧する噴霧ノズルと、
    前記噴霧ノズルに噴霧のための圧縮空気を供給する圧縮空気供給系統であって、前記圧縮機の出口よりも上流側の段落から抽気する抽気ポートを有する圧縮空気供給系統と、
    を備えるガスタービンシステム。
  2. 請求項１に記載のガスタービンシステムにおいて、さらに、前記圧縮機の静翼の取付角度を調節可能な可変静翼調節機構と、前記可変静翼調節機構を前記抽気ポートからの抽気量に応じて制御する可変静翼制御装置とを備えるガスタービンシステム。
  3. 請求項１または２に記載のガスタービンシステムにおいて、さらに、
    前記タービンからの排ガスを加熱媒体として水蒸気を発生させる排熱ボイラを有するランキンサイクルエンジンと、
    前記排熱ボイラによって生成された水蒸気を凝縮して得られた水を前記噴霧ノズルに噴霧用水として供給する噴霧用水供給系統と、
    を備えるガスタービンシステム。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービンシステムにおいて、前記圧縮機の動翼および静翼の少なくとも一方がチタンを含む金属材料から形成されているガスタービンシステム。
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