JP5119676B2 - 高湿分利用ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに供給される空気を加湿および再熱して、高湿分の燃焼ガスによりタービンを駆動することで、出力と効率向上を図る高湿分利用ガスタービンに関する。

ガスタービンに供給される空気を加湿および再熱して、高湿分の燃焼ガスによりタービンを駆動する高湿分ガスタービンの運転制御に関する技術に関し、燃焼用空気温度が変動した場合でも、安定かつ高速にプラントを起動可能にするために、タービン起動時の回転数に基づいて、燃焼器に供給する燃料流量を制御する技術が特許文献１に記載されている。

特開２００６−５７６０７号公報

高湿分利用ガスタービンは、シンプルサイクルガスタービンと比べ、圧縮機の吸込み流量が小さい。また、高湿分利用ガスタービンは、起動時には圧縮機吸気への加湿を行わない。そのため、高湿分利用ガスタービンは起動のために要する動力が大きい。つまり、高湿分利用ガスタービンの駆動モータは、シンプルサイクルガスタービンを駆動する駆動モータに比べて大容量となり、設置スペースの拡大と、コストが増加する可能性がある。また、駆動モータが小容量であると、起動時に燃焼器への供給される空気流量が低減し、ガスタービンの排気温度が上昇するという問題もある。

特許文献１には、高湿分利用ガスタービンの運転制御と制御装置について開示されているが、高湿分利用ガスタービンの圧縮機とタービンの流量バランスに起因したガスタービン圧縮機の起動に関しては記載されていない。

本発明の目的は、圧縮機吸気空気に湿分を加える吸気加湿器を備えたガスタービンにおいて、圧縮機駆動のために要する動力を削減することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンと、前記圧縮機の吸気空気に湿分を加える吸気加湿器とを備えたガスタービンにおいて、前記圧縮機は抽気口を有し、起動時に回転数に応じて前記抽気口からの空気の抽気量を抑制可能な抽気空気量抑制手段を設け、前記抽気空気量抑制手段は、前記圧縮機の中段または後段側静翼に設けられた翼の角度を可変にできる可変機構であることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機吸気空気に湿分を加える吸気加湿器を備えたガスタービンにおいて、圧縮機駆動のために必要な動力を削減できる。

（比較例）
比較例として、従来の高湿分利用ガスタービンを図１０を用いて説明する。図１０は比較例である高湿分利用ガスタービンの概略図を示す。

始めに、高湿分利用サイクル内で圧縮機に吸込まれた大気が湿分空気となり、最終的に外部に排ガスとして放出されるまでの動作を説明する。圧縮機吸気に湿分を加える吸気加湿器である混合器１２では吸気空気４１に水６１が噴霧され、湿分空気４２が生成される。混合器１２で生成された湿分空気４２は圧縮機１で圧縮される。圧縮機１で生成された圧縮空気はガスパス出口で一度、全流量が抽気される。圧縮機出口から抽気された高圧空気４３は冷却器１０に供給され、水回収装置９からの回収水と加湿装置１１からの回収水６３とで冷却される。冷却器１０で冷却された高圧空気４４は、冷却器１０で加熱された水６４と、給水加熱器７で加熱された水６６とを用いて加湿装置１１で加湿される。加湿装置１１で加湿された湿分空気４５は再生熱交換器６に供給され、タービン３からの排ガス４８で過熱される。そして、再生熱交換器６で生成された湿分空気４６は燃焼器２に供給される。燃焼器２に供給された湿分空気４６は、燃焼器２で燃料３１と混合燃焼する。そして、生成された燃焼ガス４７はタービン３に流入し、タービン３を回転駆動させる。タービン３から排出された排ガス４８は、再生熱交換器６で熱回収された後、排ガス５２として給水加熱器７に供給される。給水加熱器７で水６５と熱交換した排ガス５２は、排ガス５３として排ガス再加熱器８に供給される。排ガス再加熱器８にて排ガス５０と熱交換した排ガス５３は、排ガス４９として水回収装置９に供給される。水回収装置９にて、排ガス４９は冷却水６２で冷却され、排ガス４９中の湿分は凝縮し、水として回収される。水回収装置９から排出された排ガス５０は、排ガス再加熱器８にて排ガス５３と熱交換することにより、排ガス５１として系外に排出される。この排ガス５１は、排ガス再過熱器８で加熱されることにより、白煙の発生可能性が抑えられている。なお、圧縮機１とタービン３とは中間軸により連結されている。また、タービン３により発生した軸動力を電力に変換する発電機４も圧縮機１の回転軸に連結されている。

次に、図１０を用いて、水の循環系統について説明する。排ガス４９を冷却し水分を回収する水回収装置９に水を供給するために、本比較例の高湿分利用ガスタービンシステムは水を系統内に補給する水タンク１３を備える。水タンク１３から供給される水は冷却器１４に供給され、冷却される。水回収装置９は、この冷却された冷却水６２で排ガス再加熱器８から排出された排ガス４９を冷却し湿分を凝縮させて水分を回収する。また、水回収装置９から排出された水は再び冷却器１４に供給されるとともに、ガスタービン側に供給するために水を前処理する水処理装置１５にも供給される。水処理装置１５により処理された水６１は、吸気空気４１に水６１を噴霧し湿分空気４２を生成する混合器１２に供給される、一方、水処理装置１５により処理された水６３は、高圧空気４３を冷却する冷却器１０にも供給される。冷却器１０に供給された水６３は冷却器１０で加熱され、加熱された水６４が加湿装置１１に供給される。水６４は、加湿装置１１にて、冷却器１０から供給された高圧空気４４を加湿するために利用される。使用後の水は再び冷却器１０に供給されるとともに、給水加熱器７にも供給される。給水加熱器７では、排ガス５２を熱源とし加湿装置１１から排出された給水循環系の水６５を加熱して加熱水６６を生成する。この加熱水６６は加湿装置１１に供給される。このように加湿装置１１には、冷却器
１０からだけではなく給水加熱器７からも加熱された水が加湿装置１１に供給されている。

高湿分利用ガスタービンは定格運転時、混合器１２にて圧縮機吸気が加湿され、さらに圧縮機１出口から抽気された高圧空気４３にも加湿装置１１にて湿分が追加されるので、追加された湿分だけ空気流量が増加する。通常のシンプルサイクルガスタービンにおけるタービンと圧縮機の流量バランスは、タービンの作動流量を１００％とした場合、圧縮機の作動空気流量は９８％、燃焼器で供給される燃料流量は２％となる。しかし、高湿分を利用したガスタービンでは、圧縮機から全量抽気された高圧空気４３に湿分が加えられることで、空気流量が約２０％増加する。従って、高湿分利用ガスタービンでは、この空気流量の増加を考慮し、圧縮機の吸込み流量をシンプルサイクルガスタービンに対して約
７８％にする必要がある。

高湿分利用ガスタービンの起動時には、シンプルサイクルガスタービンと同様、圧縮機の安定起動のために、圧縮機における旋回失速やサージング現象を回避する必要がある。ここで、サージングとは、圧力比を上げていくと、ある圧力比において急に強い音響を伴う圧力と流れの激しい脈動と機械の振動を引き起こし運転が不安定になる現象である。

高湿分利用ガスタービンの起動時において、圧縮機の吸入空気に湿分を加えると、圧縮機の後段側の翼負荷が増加して、サージマージンが低下する恐れがある。また、圧縮機から抽気される抽気空気を、加湿装置により加湿すると、タービン流量が多くなり、タービンと連結された圧縮機の作動圧力比が上昇し、サージマージンが減少する。そのため、高湿分利用ガスタービンの起動時には、圧縮機吸気に湿分を追加しないことが望ましい。

高湿分利用ガスタービンでは、タービンと圧縮機の流量比率は、定格運転時の圧縮機吸気への加湿を考慮して設定されている。そのため、圧縮機吸気に加湿しない起動時には、流量バランスは保持されない。すなわち、ガスタービン起動時の湿分を追加しない場合、タービンへの作動流量がシンプルサイクルガスタービンに比べて小流量であるため、圧縮機の駆動動力が相対的に減少する。

この駆動動力の相対的減少を補うための方策の一つとして、圧縮機の駆動モータを大容量化にすることが考えられる。しかし駆動モータを大容量化すると、ガスタービンの設置スペースが拡大し、コストも増加する。ガスタービンの本体部分は、箱型のエンクロージャ内に収納されているため、既存のガスタービンを高湿分利用サイクルへ転用する場合、駆動モータが大容量化することで、既存のエンクロージャ内に設置することが不可能となる恐れがある。

また、駆動モータの容量が不足している状態でガスタービンを駆動すると、軸流圧縮機の後段側で流れがチョークし、燃焼器への空気流量が低減し、タービンの排気温度が高温となる可能性がある。この排気温度が、設定している排気温度制御ラインを超えた場合、ガスタービンがトリップし、安定な起動を確保できなくなる。

以下、図１，図２を用いて本発明の実施例１である高湿分利用ガスタービンの圧縮機の構造について説明する。図１は、実施例１である高湿分利用ガスタービンの軸流圧縮機１における主流流路の断面図を示す。なお、図１では中間部の静翼と動翼とは省略し、静翼と動翼とを省略した圧縮機流路を点線で表記する。図２は、図１のＡ−Ａ断面図を示す。なお図２では、簡単のため翼の断面図は省略した。圧縮機１は、タービン３と同じ回転軸で回転する圧縮機ロータと、その回転する圧縮機ロータに植設された動翼７１と、動翼
７１の前後間に位置し外側のケーシング７３に固定された静翼７２とで構成される。圧縮機主流流体である空気４２が通過する圧縮機１の流路は圧縮機ロータ７４の外周面である内面８１とケーシング７３の内周面である外面８２とで形成される。また、ケーシング
７３には、抽気スリット９１，抽気口９２が設けられ、周方向に複数の抽気配管９３（図２では４本である）が配置されている。圧縮機の前段側の静翼７２には、起動時の旋回失速防止とサージマージンを確保するために、翼の角度を可変にできる可変機構１０１を備える。

本実施例の特徴は、圧縮機の中間段もしくは後段側の静翼に、前段側の静翼７２の可変機構１０１とは別の、可変機構１０２を備えたことである。図１では可変機構１０２は１段の静翼にしか設けられていないが、可変機構１０２は複数段の静翼に設けても構わない。

図３を用いて、ガスタービン起動時の動作について説明する。図３（ａ）は本実施例の高湿分利用ガスタービンの簡略化した系統図を示す。図３（ｂ）は、圧縮機の回転数に対する可変静翼の開度を示す。図３（ｃ）は、圧縮機の回転数に対する抽気弁開度を示す。圧縮機１を安定に起動するために、圧縮機の前段側の可変機構１０１を備えた静翼７２および、抽気口９２および抽気配管９３がスケジューリングされる。可変の静翼７２は、ガスタービンの回転数によって制御され、起動時からある回転数までは、角度は開度最小の状態とし、圧縮機前段側の翼列のマッチングを向上させる。そして、回転数の増加に伴い、開度を徐々に開き、定格回転数で最大となるように、スケジュールされている。また、抽気も回転数により制御され、起動時からある回転数までは抽気弁を開度最大とし、ある回転数以降は開度最小とし、開度最小での抽気空気は、タービンの翼冷却に利用される。抽気弁の開度最大の場合、抽気された圧縮空気の一部は、タービンの翼冷却系統に導入され、その他は、タービンの排気ダクトを介して、大気へ放出される。

圧縮機の中間段もしくは後段側の静翼に可変機構１０２を有しない圧縮機を用いた高湿分利用ガスタービンでは、起動時における抽気の空気流量は、圧縮機吸込み流量の約２０〜２５％と大きい。従って、高湿分利用ガスタービンの起動時は、この抽気流量を低減させることで、燃焼器２へ供給される空気量を増やし、タービンを駆動する作動流体流量を増加させ、圧縮機の駆動モータ４０２容量を出来る限り小さくする必要がある。

圧縮機起動時における抽気の目的には、圧縮機前段側における翼列のストール抑制と、圧縮機後段側の翼列のチョーク抑制がある。圧縮機の前段側の静翼７２が可変機構１０１を具備することにより、翼列のチョーク抑制が可能になる。本実施例の高湿分利用ガスタービンでは、圧縮機の中間段もしくは後段側の静翼に可変機構１０２を備えることで、圧縮機中段もしくは後段側の翼列のチョーク抑制が可能となり、抽気流量を低減することができる。これにより、燃焼器２へ供給される圧縮空気の流量を増やすことができるため、タービンの作動流体流量を増加させ、圧縮機の駆動モータ４０２容量を低減することができる。また、圧縮機翼列のマッチングを最適にすることが可能となるので、部分回転数での圧縮機の効率向上と安定起動の信頼性も向上できる。

本実施例のガスタービンのように、圧縮機の途中段から抽気して直接大気に排出される空気の流量を削減可能な空気排出量抑制手段を備えることで、燃焼器へ供給可能な空気量やタービンの作動流体流量を増やすことができ、起動時に必要な圧縮機駆動力を削減できる。本実施例のガスタービンの空気排出量抑制手段は、前段側静翼に設けられた可変機構１０１と、中間段もしくは後段側静翼に設けられた可変機構１０２である。

なお、本実施例で圧縮機前段側翼とは、圧縮機起動時に適切に空気を抽気しない場合の問題点として、特にストールが懸念される位置に設置された翼を意味する。同様に、圧縮機後段側翼とは、特にチョークが懸念される位置に設置された翼を意味する。また、圧縮機中間段翼とは、前段側翼と後段側翼との間に設置された圧縮機翼を意味する。

本発明の実施例２である高湿分利用ガスタービンを、図４，図５，図６を用いて説明する。なお、図１−図３と重複する機器については、番号を同一とし、詳細な説明は省略する。図４は、実施例２である高湿分利用ガスタービンの軸流圧縮機１における主流流路の断面図を示す。なお、図４では中間部の静翼と動翼とは省略し、静翼と動翼とを省略した圧縮機流路を点線で表記する。図５は、図４のＡ−Ａ断面図を示す。なお図４では、簡単のため翼の断面図は省略した。図６は、実施例２である高湿分利用ガスタービンの簡略化した系統図を示す。

本実施例の高湿分利用ガスタービンは、実施例１と同様、圧縮機中段または後段に可変機構１０２を設けた静翼を単数または複数備えている。さらに、可変機構１０２を設けたことによる圧縮機起動時の抽気量削減効果を利用し、タービンの排気ダクトを介して大気へ放出される抽気系統を省略した。すなわち、圧縮機から抽気され、ケーシング７３の周方向に配置された複数の抽気配管９４を通過する空気の全量をタービンの翼冷却に用いるよう構成している。翼冷却用の空気は、可変機構１０２を有しない圧縮機の起動時に大気へ放出される空気に比べて極少量であるため、抽気部へ設けられた配管の径をはるかに小さくすることが可能である。

本実施例の高湿分ガスタービンは、実施例１と同様、抽気流量の低減により、圧縮機駆動モータの大容量化を抑制することができる。その上、抽気配管の径をはるかに小さくできるので、組立時や点検時における作業性を向上することが出来る。大幅なコスト低減も見込める。また本実施例のガスタービンでは、起動時に抽気された空気の全量がタービン翼の冷却に有効利用されているため、起動時に排気ダクトを介して大気に放出する空気がなく、効率の高い運転が可能である。

本発明の実施例３である高湿分利用ガスタービンを、図７を用いて説明する。図１と重複する機器については、番号を同一とし、詳細な説明は省略する。図７は、実施例３である高湿分利用ガスタービンの軸流圧縮機１における主流流路の断面図を示す。なお、図７では中間部の静翼と動翼とは省略し、静翼と動翼とを省略した圧縮機流路を点線で表記する。

本実施例の高湿分利用ガスタービンは、実施例１と同様、圧縮機中段または後段に可変機構１０２を設けた静翼を単数または複数備えている。さらに、可変機構１０２を設けたことによる圧縮機起動時の抽気量削減効果を利用し、抽気系統を省略した。すなわち、圧縮機１に流入した空気の全量が燃焼器２に流入するよう構成している。

本実施例のガスタービンは、起動時に圧縮機１からの空気を抽気しないため、圧縮機吸気空気の全量を燃焼用空気として利用できる。そのため、圧縮機１の駆動に用いる駆動モータ容量を低減できる。また、抽気配管が不要なため、コストを低減できる。組立時や、点検時における作業性も向上できる。さらに、通常の圧縮機ケーシングは、抽気口の加工のため、抽気口部で分割され、この分割部分がボルトで締結されている。本実施例のように抽気口を設けない圧縮機を用いれば、定格運転時の圧縮機ケーシングの温度変化による、抽気口部のケーシングの接触面からの空気漏れをなくすことができ、圧縮機の効率を向上できる。そして、ケーシング構造を単純化することができるので、コスト低減も可能である。また、高湿分利用ガスタービンの定格運転時には、圧縮機の吸気に水噴霧するが、圧縮機の側壁付近では、水分が蒸発されずに、ドレインとなって蓄積する恐れがある。このドレインの蓄積は、構造が複雑な抽気部で特に起こりやすく、抽気配管を含む抽気部はドレインの蓄積による影響で腐食する可能性がある。本実施例のガスタービンの圧縮機には、ドレインが蓄積し易い抽気部が存在しないため、ドレインの蓄積による腐食を抑制することができ、ガスタービンの信頼性を向上できる。

なお、本実施例のガスタービンではタービン翼の冷却に圧縮機抽気空気を用いない。タービン翼の冷却用空気としては、例えば、加湿装置１１で加湿された後の湿分空気４５などが利用可能である。

本発明の実施例４である高湿分利用ガスタービンを、図８を用いて説明する。図８は、実施例４である高湿分利用ガスタービンの系統図を示す。なお、図１０と重複する機器については、番号を同一とし、詳細な説明は省略する。本実施例のガスタービンの特徴は、圧縮機１から抽気された抽気空気を昇圧する別置圧縮機２０１を有する点である。この別置圧縮機２０１はモータ２０２で駆動される。

高湿分利用ガスタービンの起動時には、圧縮機で抽気した抽気空気をタービンの作動流体として利用することが望ましい。そのため、圧縮機から抽気した抽気空気３０１をモータ２０２で駆動される別置圧縮機２０１へ導入する。抽気空気３０１は、圧縮機１で圧縮され加湿装置１１で加湿，再生熱交換器６で熱交換した加湿空気４６の圧力よりも高圧になるように、別置圧縮機２０１で昇圧される。昇圧された圧縮空気３０２は、燃焼器２へ供給され、加湿空気４６と同様に、燃料３１と混合され、燃焼空気として利用される。この燃焼ガス４７はタービン３へ供給され、タービン３を駆動する。このように構成することで、圧縮機１から抽気された空気は大気へ放出することなく、燃焼用空気として有効利用できる。圧縮機１で吸込んだ空気の全流量をタービンの作動空気として使用することができ、圧縮機を起動する駆動モータ大容量化の抑制，効率の向上が可能である。

なお、ガスタービンを駆動する駆動モータ４０２に対して、昇圧用の別置圧縮機２０１は、容量が小さいので、駆動モータを大容量化するのに比べて、コスト的には安価である。

本発明の実施例５である高湿分利用ガスタービンを、図９を用いて説明する。図９は、実施例５である高湿分利用ガスタービンの系統図を示す。なお、図８，図１０と重複する機器については、番号を同一とし、詳細な説明は省略する。本実施例のガスタービンの特徴は、別置圧縮機２０１で昇圧した抽気空気３０３を加湿装置１１に供給する点である。

本実施例のガスタービンの動作について説明する。圧縮機から抽気した抽気空気３０１は、モータ２０２で駆動される別置圧縮機２０１へ導入される。そして、圧縮機１で圧縮され、冷却器１０で冷却された後、加湿装置１１に供給される圧縮空気４４の圧力よりも高圧になるように、別置圧縮機２０１で昇圧される。昇圧された圧縮空気３０３は、加湿装置１１へ供給され、加湿装置１１で、圧縮空気４４と混合され、加湿される。この混合された湿分空気４５は、再生熱交換器６で熱交換した後、燃焼器２で燃料と混合され、燃焼ガス４７でタービン３を駆動する。

本実施例のガスタービンでは、圧縮機１から抽気された抽気空気３０１を別置圧縮機
２０１で昇圧して加湿装置１１へ導入し、最終的にタービンの作動ガスとして利用しているので、圧縮機を起動する駆動モータの大容量化を抑制することができる。また、別置圧縮機２０１で昇圧した圧縮空気３０３を加湿装置１１へ導入して圧縮空気と混合させるため、配管内で流体を混合するよりも混合促進の効果が高い。また、起動時に、圧縮機抽気空気にも加湿装置１１による加湿がなされるため、空気流量が増加することにより駆動モータの大容量化抑制効果はさらに高くなる。

実施例１である高湿分利用ガスタービンの軸流圧縮機１における主流流路の断面図を示す。 図１のＡ−Ａ断面図を示す。 （ａ）は、本実施例の高湿分利用ガスタービンの簡略化した系統図を示す。（ｂ）は、圧縮機の回転数に対する可変静翼の開度を示す。（ｃ）は、圧縮機の回転数に対する抽気弁開度を示す。 実施例２である高湿分利用ガスタービンの軸流圧縮機１における主流流路の断面図を示す。 図４のＡ−Ａ断面図を示す。 実施例２である高湿分利用ガスタービンの簡略化した系統図を示す。 実施例３である高湿分利用ガスタービンの軸流圧縮機１における主流流路の断面図を示す。 実施例４である高湿分利用ガスタービンの系統図を示す。 実施例５である高湿分利用ガスタービンの系統図を示す。 比較例である高湿分利用ガスタービンの概略図を示す。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 発電機
６ 再生熱交換器
７ 給水加熱器
１１ 加湿装置
１２ 混合器
７１ 動翼
７２ 静翼
７３ ケーシング
９１ 抽気スリット、
９２ 抽気口
９３，９４ 抽気配管
１０１，１０２ 可変機構
２０１ 別置圧縮機
４０２ 駆動モータ

Claims (5)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンと、前記圧縮機の吸気空気に湿分を加える吸気加湿器とを備えたガスタービンにおいて、
   前記圧縮機は抽気口を有し、起動時に回転数に応じて前記抽気口からの空気の抽気量を抑制可能な抽気空気量抑制手段を設け、
   前記抽気空気量抑制手段は、前記圧縮機の中段または後段側静翼に設けられた翼の角度を可変にできる可変機構であることを特徴とする高湿分利用ガスタービン。
2. 請求項１に記載のガスタービンにおいて、
   前記圧縮機の抽気空気の全量が、タービン翼の冷却流路に供給されるよう構成されたことを特徴とするガスタービン。
3. 請求項１に記載のガスタービンにおいて、
   前記圧縮機の吸気空気の全量が、前記燃焼器に供給されるよう構成されたことを特徴とするガスタービン。
4. 請求項３に記載のガスタービンにおいて、
   前記圧縮機から抽気された空気を圧縮する別置圧縮機を有することを特徴とするガスタービン。
5. 圧縮機吸気空気に湿分を加える吸気加湿器を備えたガスタービンの運転方法において、起動時に、前記圧縮機途中段から空気を抽気して直接大気に排出する際、前記圧縮機の中段または後段側静翼に設けられた翼の角度を可変にできる可変機構である空気排出量抑制手段を用いて排出空気量を削減することを特徴とするガスタービンの運転方法。

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