JP2023096366A - ガスタービンの排気ガス再循環装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンにおいて、冷却装置を大型化することなく、再循環排気ガスを要求される温度にまで冷却すること。【解決手段】ガスタービン10の燃焼室74から排出される排気ガスの一部を燃焼室74に供給する排気再循環通路20の途中に、空冷クーラ34と、ガスタービン10の潤滑油による油冷クーラ36とを設ける。【選択図】図2
Description
本発明は、ガスタービンの排気ガス再循環装置に関する。
ガスタービンにおいて、ガスタービンから排出される排気ガス中のNOXを低減するために、排気ガスの一部を吸気系に供給する排気ガス再循環装置が知られている。ガスタービンの排気ガス再循環装置では、吸気系に供給する排気ガス(以下、再循環排気ガスと言うことがある)がガスタービンの燃焼プロセスに悪影響を与えないように、再循環排気ガスを冷却装置によって冷却することが行われている(例えば、特許文献1、2)。
ガスタービンから排出される排気ガスは高温であるため、再循環排気ガスを、ガスタービンの燃焼プロセスに悪影響を与えない温度にまで冷却するためには、大型の冷却装置が必要になる。しかし、大型の冷却装置を設けると、排気ガス再循環装置のコスト及び重量が増加し、スペース効率も低下する。
本発明は、以上の背景に鑑み、冷却装置を大型化することなく、再循環排気ガスを要求される温度にまで冷却することを課題とする。
上記課題を解決するために本発明のある態様は、ガスタービン(10)の排気ガス再循環装置であって、前記ガスタービンの燃焼器(18)から排出される排気ガスの一部を前記燃焼器に供給する排気再循環通路(32)と、前記排気再循環通路の途中に設けられ、前記排気再循環通路を流れる排気ガスを空気との熱交換によって冷却する空冷クーラ(34)と、前記排気再循環通路の途中に設けられ、前記排気再循環通路を流れる排気ガスを前記ガスタービンの潤滑油との熱交換によって冷却する油冷クーラ(36)とを有する。
この態様によれば、空冷クーラだけである場合、或いは油冷クーラだけである場合に比して冷却装置を大型化することなく、再循環排気ガスが要求される温度にまで冷却される。
上記の態様において、好ましくは、前記空冷クーラは前記排気再循環通路を流れる排気ガスの流れで見て前記油冷クーラよりも上流に配置されている。
この態様によれば、油冷クーラには空冷クーラによって冷却された排気ガスが流れるから、油冷クーラが空冷クーラより上流側にある場合に比して油冷クーラの冷却負荷が低減される。これにより、油冷クーラの小型化が図られると共にガスタービンの潤滑油が過剰に高温になることが回避される。
上記の態様において、好ましくは、前記ガスタービンを外囲し、前記ガスタービンとの間にファンダクト(44)を画定するシェル(42)と、前記ファンダクト内に冷却風を発生するべく所定の駆動源により駆動される送風ファン(48)とを有し、前記空冷クーラは前記冷却風により前記排気ガスを冷却する。
この態様によれば、空冷クーラによる排気ガスの冷却効率が向上し、空冷クーラの小型化が図られる。或いは、空冷クーラによる排気ガスの温度低下量が大きくなり、油冷クーラの小型化が図られる。
上記の態様において、好ましくは、前記空冷クーラ及び前記油冷クーラは、前記ガスタービンの外側にて、前記ガスタービンの周方向に沿って配列されている。
この態様によれば、ガスタービンの外方に設けられる空冷クーラ及び油冷クーラの配置のための占有スペース、特に径方向スペースが、空冷クーラ及び油冷クーラがガスタービンの径方向に沿って配列されている場合に比して小さくて済む。
以上の態様によれば、冷却装置を大型化することなく、再循環排気ガスを要求される温度にまで冷却することができる。
以下、図面を参照して、本発明に係るガスタービンの排気ガス再循環装置の実施形態について説明する。
先ず、図1を参照して本実施形態の排気ガス再循環装置を取り付けられたガスタービンの概要を説明する。
ガスタービン10は、回転軸12によって互いに同軸上に連結されたコンプレッサ14及びタービン16と、燃焼器18とを有する。コンプレッサ14は、吸入空気を圧縮加圧し、圧縮加圧された吸入空気を吸気(抽気)通路20によって燃焼器18に供給する。燃焼器18は、吸入空気と燃料との混合気を燃焼させ、高圧の燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービン16を回転駆動する。タービン16を回転駆動した燃焼ガスは排気ガスとして排気ガス通路22から大気中に排出される。
タービン16の出力軸24には発電機26が連結されている。これにより、発電機26はガスタービン10によって回転駆動され、発電を行う。ガスタービン10は発電機26と共にガスタービン発電プラントをなす。
ガスタービン10には排気再循環装置30が取り付けられている。排気再循環装置30は、排気ガス通路22から排気ガスの一部(再循環排気ガス)を吸気通路20に供給する排気再循環通路(EGR通路)32を有する。EGR通路32の途中には、排気再循環通路32を流れる排気ガスの流れで見て上流側から順に、空冷クーラ34、油冷クーラ36及びEGR制御弁38が設けられている。
空冷クーラ34はEGR通路32を流れる再循環排気ガスを空気(冷却空気)との熱交換によって冷却する。空冷クーラ34としては、ラジエータや、再循環排気ガスが流れる複数のパイプが各々冷却空気流に曝されるように互いに並列接続された構造のものが用いられてよい。
これにより、EGR通路32を流れる再循環排気ガスは、先ず、空冷クーラ34によって冷却され、その後に、油冷クーラ36によって冷却される。
油冷クーラ36は、EGR通路32を流れる再循環排気ガスをガスタービン10の潤滑油との熱交換によって冷却する。ガスタービン10の潤滑油は、ガスタービン10の内部を循環し、ガスタービン10の回転部の軸受等の潤滑を行う。油冷クーラ36としては、潤滑油が流れる複数のパイプが各々再循環排気ガスに曝されるように互いに並列接続された構造のものが用いられてよい。
EGR制御弁38は、電磁式の流量制御弁であり、EGR制御装置40により制御される。EGR制御装置40は、電子制御式のものであり、ガスタービン10の運転状態に応じた流量をもって排気ガス再循環が行われるべく、EGR制御弁38を制御する。
これにより、EGR通路32を流れる再循環排気ガスは、先ず、空冷クーラ34によって冷却され、その後に油冷クーラ36によって冷却される。この再循環排気ガスは空冷クーラ34及び油冷クーラ36によって冷却された後にEGR制御弁38によって流量を調節される。
ガスタービン10は筒状のシェル42内に配置されている。シェル42は、ガスタービン10を外囲し、ガスタービン10との間にファンダクト(冷却風通路)44を画定している。ファンダクト44には空冷クーラ34及び油冷クーラ36が配置されている。
ファンダクト44内には、発電機26の回転軸46、換言すると、タービン16によって回転駆動される送風ファン48が設けられている。送風ファン48はファンダクト44内に冷却風を発生する。冷却風は空冷クーラ34へ向けて流れる。空冷クーラ34は送風ファン48が発生する冷却風により強制空冷式に再循環排気ガスを冷却する。
これにより空冷クーラ34の冷却効率が向上し、空冷クーラ34の小型化が図られる。或いは、空冷クーラ34による排気ガスの温度低下量が大きくなり、油冷クーラ36の小型化が図られる。
次に、図2を参照して本実施形態の排気ガス再循環装置を取り付けられたガスタービンの構成を詳細に説明する。なお、図2において、図1に対応する部分は、図1に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
ガスタービン10は、軸線方向に順に連結された前部端板50と前部ハウジング52と中間ハウジング54と後部ハウジング56とを有する。
コンプレッサ14は、遠心式のものであり、前部ハウジング52に取り付けられてコンプレッサ室58を画定するコンプレッサハウジング60及び抽気出口62を画定する抽気出口部材64と、前部端板50に取り付けられた空気取入案内部材66とを有する。空気取入案内部材66はコンプレッサハウジング60と協働して空気取入口68を画定している。コンプレッサ室58には回転軸12に取り付けられたコンプレッサホイール70が回転可能に配置されている。コンプレッサホイール70は回転軸12により回転駆動される。
抽気出口部材64にはディフューザ72が取り付けられている。後部ハウジング56内にはガスタービン10の中心軸線周りに複数の燃焼器18が設けられている。各燃焼器18は燃焼室74を画定している。各燃焼器18には噴射ノズル77が取り付けられている。噴射ノズル77は燃焼室74に燃料を噴射する。後部ハウジング56はディフューザ72から各燃焼器18の吸気取入口75に吸気(抽気)を導く吸気通路20を画定している。
各燃焼室74では、噴射ノズル77により燃焼室74に噴射された燃料とコンプレッサ14からの吸入空気との混合気が燃焼し、高圧の燃焼ガスが発生する。
タービン16は、遠心式のものであり、後部ハウジング56の内側部分によって画定されたタービン室76を有する。タービン室76は隔壁部材79によってコンプレッサ室58と隔てられている。タービン室76には回転軸12を一体的に有するタービンホイール80が回転可能に配置されている。
タービンホイール80は各燃焼室74からタービン室78に噴出した燃焼ガスを噴き付けられることにより回転し、出力軸24を兼ねている回転軸12を回転駆動する。タービン室78に噴出した燃焼ガスは、タービンホイール80の回転に供されたのち、排気ガスとして後部ハウジング56に連結されている排気管82の排気通路84に排出される。
回転軸12には発電機26のロータ軸86が同軸に連結されている。ロータ軸86は前部端板50を軸線方向に貫通して延在している。前部端板50は軸受88によってロータ軸86を回転可能に支持している。これにより、回転軸12はロータ軸86を介して前部端板50より回転可能に支持される。
排気管82にはEGRのための排気ガス取出口90が形成されている。後部ハウジング56にはEGRのための排気ガス供給口92が形成されている。排気ガス取出口90と排気ガス供給口92との間には、EGR供給管94、空冷クーラ34、EGR供給管96、油冷クーラ36、EGR供給管98、EGR制御弁38及びEGR供給管100が順に接続されている。EGR供給管94、96、98、100が図1のEGR通路32をなす。
これにより、排気通路84を流れる排気ガスの一部が、再循環排気ガスとして、排気ガス取出口90からEGR供給管94、空冷クーラ34、EGR供給管96、油冷クーラ36、EGR供給管98、EGR制御弁38及びEGR供給管100を順に流れて排気ガス供給口92に至り、吸気通路20に供給される。
吸気通路20に供給される再循環排気ガスは、吸気通路20を流れる排気ガスと共に燃焼室74に供給される。これにより、排気ガス中のNOxの低減が図られる。
排気ガス取出口90からEGR供給管94に取り出された再循環排気ガスは、先ず空冷クーラ34によって冷却される。空冷クーラ34によって冷却された再循環排ガスは、次に油冷クーラ36によって冷却される。
これにより、空冷クーラ34だけである場合、或いは油冷クーラ36だけである場合に比して各クーラを大型化することなく、再循環排気ガスが要求される温度にまで冷却される。
空冷クーラ34は、オイルが油冷クーラ36よりも軽量であり、大型化されても、油冷クーラ36に比して重量増加が少ない。このことにより、空冷クーラ34を油冷クーラ36に比して大型化することにより、空冷クーラ34による再循環排気ガスの冷却度合いを、油冷クーラ36による再循環排気ガスの冷却度合いより大きくしても、重量増加を抑えて再循環排気ガスを要求される温度にまで冷却することができる。
油冷クーラ36には空冷クーラ34によって冷却された排気ガスが流れるから、油冷クーラ36が空冷クーラ34より上流側にある場合に比して油冷クーラ36の冷却負荷が低減される。これにより、油冷クーラ36の小型化が図られると共にガスタービン10の潤滑油が過剰に高温になることが回避される。
次に、図3を参照して他の実施形態の排気ガス再循環装置を取り付けられたガスタービンの構成を詳細に説明する。なお、図3において、図2に対応する部分は、図2に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
この実施形態では、空冷クーラ34、油冷クーラ36及びEGR制御弁38がガスタービン10の外側にて、ガスタービン10の周方向に沿って配列されている。
この構成によれば、ガスタービン10の外方に設けられる空冷クーラ34、油冷クーラ36及びEGR制御弁38の配置のための占有スペース、特に径方向スペースが、空冷クーラ34、油冷クーラ36及びEGR制御弁38がガスタービン10の径方向に沿って配列されている場合に比して小さくて済む。
以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、再循環排気ガスは、図1に仮想線により示されているEGR供給管100によって、吸気通路20に代えても燃焼室74に供給されてもよい。送風ファン48の回転駆動は、タービン16に限られることなく、図1に仮想線により示されているように、電動機102によって行われてもよい。
10 :ガスタービン
12 :回転軸
14 :コンプレッサ
16 :タービン
18 :燃焼器
20 :吸気通路
22 :排気ガス通路
24 :出力軸
26 :発電機
30 :排気再循環装置
32 :排気再循環通路(EGR通路)
34 :空冷クーラ
36 :油冷クーラ
38 :EGR制御弁
40 :EGR制御装置
42 :シェル
44 :ファンダクト
46 :回転軸
48 :送風ファン
50 :前部端板
52 :前部ハウジング
54 :中間ハウジング
56 :後部ハウジング
58 :コンプレッサ室
60 :コンプレッサハウジング
62 :抽気出口
64 :抽気出口部材
66 :空気取入案内部材
68 :空気取入口
70 :コンプレッサホイール
72 :ディフューザ
74 :燃焼室
75 :吸気取入口
76 :タービン室
77 :噴射ノズル
78 :タービン室
79 :隔壁部材
80 :タービンホイール
82 :排気管
84 :排気通路
86 :ロータ軸
88 :軸受
90 :排気ガス取出口
92 :排気ガス供給口
94 :排気ガEGR供給管
96 :EGR供給管
98 :EGR供給管
100 :EGR供給管
102 :電動機
12 :回転軸
14 :コンプレッサ
16 :タービン
18 :燃焼器
20 :吸気通路
22 :排気ガス通路
24 :出力軸
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30 :排気再循環装置
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34 :空冷クーラ
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42 :シェル
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46 :回転軸
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96 :EGR供給管
98 :EGR供給管
100 :EGR供給管
102 :電動機
Claims (4)
- ガスタービンの排気ガス再循環装置であって、
前記ガスタービンの燃焼器から排出される排気ガスの一部を前記燃焼器に供給する排気再循環通路と、
前記排気再循環通路の途中に設けられ、前記排気再循環通路を流れる排気ガスを空気との熱交換によって冷却する空冷クーラと、
前記排気再循環通路の途中に設けられ、前記排気再循環通路を流れる排気ガスを前記ガスタービンの潤滑油との熱交換によって冷却する油冷クーラとを有するガスタービンの排気ガス再循環装置。 - 前記空冷クーラは前記油冷クーラよりも上流側に配置されている請求項1に記載のガスタービンの排気ガス再循環装置。
- 前記ガスタービンを外囲し、前記ガスタービンとの間にファンダクトを画定するシェルと、
前記ファンダクト内に冷却風を発生するべく所定の駆動源により駆動される送風ファンとを有し、
前記空冷クーラは前記冷却風により前記排気ガスを冷却する請求項1又は2に記載のガスタービンの排気ガス再循環装置。 - 前記空冷クーラ及び前記油冷クーラは、前記ガスタービンの外側にて、前記ガスタービンの周方向に沿って配列されている請求項1~3の何れか一項に記載のガスタービンの排気ガス再循環装置。
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