JP6183994B2 - トルクコンバータシステムを有するガスタービン圧縮機入口加圧 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は一般に、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、圧縮機入口加圧およびフローコントロールシステムを有するガスタービンシステムに関する。

公共電力会社は、それらに固有の高い効率および設置費用の利点から、複合サイクルシステムを使用する。複合サイクルシステムは一般に、ガスタービン、排熱回収ボイラ、発電機、制御部、および蒸気タービンを含む。複合サイクルシステムは、ガスタービンからの高温の排気を使用して、蒸気タービンを駆動する蒸気を生成する。ガスタービンおよび蒸気タービンの組み合わせによって、個々に可能なものより高い効率を達成する。複合サイクルシステムの出力は、周囲温度の高さおよび変動によって影響される。

複合サイクル発電プラントの性能を改善するために、様々な方法が利用可能である。より高い蒸気温度、複数蒸気圧レベルまたは再加熱サイクルによって達成可能なものより高いプラント出力または効率を改善することができる。例えば、プラント効率を改善するために、新しい複合サイクル発電プラントにガス燃料加熱を設置することが一般的になってきている。さらに、ガスタービンおよび複合サイクル出力を高めるために、ガスタービン入口空冷が考慮されることがある。別のアプローチは過給（圧縮機入口加圧）である。ガスタービンの過給は、圧縮機の入口に入る空気の圧力を高めるようにファンの追加を必要とする。一般に、過給の場合、圧縮の追加段は主要ガスタービンシャフトによって駆動されないが、電気モータによって駆動される。場合によってはファンモータの寄生電力がガスタービンの追加的な出力より高く、最終結果が容量損失となる。

米国特許出願公開第２０１３／４８５，１６０号明細書

１つの例示的な非限定的な実施形態によれば、本発明は、圧縮機、燃焼器、タービン、およびシャフトを有するガスタービンシステムのための過給システムに関する。過給システムは、空気流を供給するファンアセンブリ、およびシャフトおよびファンアセンブリに結合されたトルクコンバータを含む。過給システムはまた、空気流出力の第１の部分を圧縮機へと運ぶためのサブシステム、および空気流出力の第２の部分を他の用途のために任意で運ぶためのバイパスサブシステムも含む。

別の実施形態では、ガスタービンシステムは圧縮機、燃焼器、タービン、およびタービンに結合されたシャフトを含む。ガスタービンシステムは、トルクコンバータ、およびトルクコンバータに結合された空気流を生成するファンを含む。バイパスサブシステムは、空気流を圧縮機および他の用途に割り当てる。

別の実施形態では、ガスタービンを操作する方法は、ファンアセンブリをトルクコンバータを有するタービンシステムシャフトに結合することを含む。方法はまた、ガスタービンの圧縮機へと供給される第１の流速を決定し、他の用途のために供給される第２の流速を決定し、第１の流速を圧縮機へと供給し、第２の流速を他の用途へと供給することも含む。

本発明の他の特徴および利点は、例を使用して本発明の原理を示す添付の図面と併せて、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明を読めば明らかになるであろう。

過給システムの概略図である。 トルクコンバータの実施形態の簡略化した側面図である。 過給システムを操作する例示的な方法のフローチャートである。 ガスタービンシステムからファンを分離する例示的な方法のフローチャートである。

図１は、ガスタービンシステム１３を含む過給システム１１を示す。過給システム１１は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧシステム１５）、過給機およびバイパスシステム１７、および制御システム１９も含むことができる。

ガスタービンシステム１３は、燃焼器２３およびタービン２５に結合された圧縮機２１を含む。シャフト２７は圧縮機２１をタービン２５に結合し、発電機および／または機械的負荷２９を駆動するために使用することができる。燃料および空気が燃焼器２３内で混合され、次いで点火され、圧縮機２１からのガス流にエネルギーを与える。燃焼排気はタービン部へと送り込まれ、そこで高速および大量のガス流がノズル（図示せず）を通ってタービン２５のブレード（図示せず）へと向かい、タービン２５を回転し、タービン２５はシャフト２７を回転する。シャフト２７は圧縮機２１に動力を供給し、発電機および／または機械的負荷２９を駆動するために使用することができる。

ＨＲＳＧシステム１５は、燃焼排気から熱を回収する熱交換器である。いくつかの場合では、ＨＲＳＧシステム１５は燃料または補助蒸気３１を備えることができる。燃料を使用して、生産速度を上げるように２次燃焼室に点火することができる。蒸気を生成するように、給水装置３３によって水が供給される。給水はバルブ３５によって制御することができる。

ＨＲＳＧシステム１５を使用して、蒸気を生成し、蒸気タービンなど外部蒸気ホスト３７を駆動することができる。ガスタービンおよび蒸気タービンをこのように組み合わせることによって、ガスタービンまたは蒸気タービン単独よりも効率的に電気を生成する。ＨＲＳＧシステム１５によって生成された蒸気は、地域暖房または他のプロセス加熱など、他のプロセスで使用することもできる。

過給機およびバイパスシステム１７は、ファンアセンブリ３９、空冷サブシステム４３、可変形状のダイバータ４５、およびトルクコンバータシステム４６を含むことができる。

ファンアセンブリ３９はファン４１を含むことができる。ファン４１はトルクコンバータシステム４６を通してシャフトに結合される。ファン４１は一定または可変ピッチブレードを含むことができる。ファンアセンブリ３９は、軸受、シュラウド、導管、フィルタなど（図示せず）、他の構成部品を含むことができる。ファンアセンブリ３９は、特定の温度および圧力で空気流を供給する。

過給機およびバイパスシステム１７は、空気流の温度を制御する空冷サブシステム４３を含むことができる。ファンアセンブリ３９は、ガスタービン入口温度を上昇させることがあり、従って圧縮機温度制限の過超および高い体積流量を避けるために空冷サブシステム４３が必要である。空冷サブシステム４３は、機械的冷却器、媒体式蒸発冷却器、および吸収冷却器など、従来の冷却技術を使用することができる。

過給機およびバイパスシステム１７は、ダンパおよびバイパス管を含むことができる可変形状ダイバータ４５を備えることもできる。可変形状ダイバータ４５を使用して、ファンアセンブリ３９からの空気流ならびにガスタービンシステム１３の加速および動力荷重シーケンス中の吐出圧力の両方を最適化することができる。可変形状ダイバータ４５はまた、変化する周囲環境に応じて出力を調整するために使用することもできる。過給機およびバイパスシステム１７は、空冷サブシステム４３およびＨＲＳＧシステム１５に向かう空気流の量を管理するために、空冷管４７、ダイバータ管４９、およびＨＲＳＧ管５１とともに動作する。ファンアセンブリ３９によって供給される空気流は、空冷サブシステム４３へと運ばれる第１の部分およびＨＲＳＧシステム１５へと運ばれる第２の部分に分割することができる。ファンアセンブリ３９から排気流への排気を使用して、ファンアセンブリ３９からの空気流および吐出圧力を制御することができる。

制御システム１９を使用して、過給システム１１の動作を制御することができる。制御システム１９は、タービン動作を制御するタービン制御サブシステム５３、ＨＲＳＧシステム１５の動作を制御するＨＲＳＧ制御サブシステム５５、ファンアセンブリ３９および可変形状ダイバータ４５を制御する過給機およびバイパス制御システム５７、およびトルクコンバータシステム４６を制御するトルクコンバータ制御サブシステム５８を含むことができる。バイパスサブシステム５９は、ダイバータ管４９、可変形状ダイバータ４５、ならびに過給機およびバイパス制御サブシステム５７を含む。タービン制御サブシステム５３、ＨＲＳＧ制御サブシステム５５、過給機およびバイパス制御サブシステム５７、ならびにトルクコンバータ制御サブシステム５８は、複合制御システムの一部とすることができ、または互いにネットワーク接続された別個の制御部とすることができる。

トルクコンバータシステム４６は、トルクコンバータ６０、ならびに作動流体リザーバ、潤滑液リザーバ、充填および排出バルブなど（図示せず）、追加の構成部品を含むことができる。制御サブシステムが別個であるいくつかの場合では、トルクコンバータシステム４６は、別個のトルクコンバータ制御サブシステム５８を含むこともできる。トルクコンバータ６０（流体継手）は、ハウジング６１、ポンプホイール６３、タービンホイール６５、および調整可能ガイドベーン６７を含むことができる。ポンプホイール６３、タービンホイール６５、および調整可能ガイドベーン６７は、作動流体が流れる流体キャビティ内で相互作用する。トルクコンバータ６０は、調整可能ガイドベーン６７を配置するガイドベーンアクチュエータ６９も含むことができる。トルクコンバータ６０はまた、作動流体供給部７１および作動流体戻り部７２に結合された作動流体ポンプ７０も含む。ガスタービンシステムシャフト２７は、ポンプホイール６３に連結することができる入口シャフト７５に連結することができる。出力シャフト７７は、タービンホイール６５に連結することができ、ファン４１に結合することができる。

動作時には、入力シャフト７５の機械エネルギーは、ポンプホイール６３を通して流体エネルギーへと変換される。タービンホイール６５は、流体エネルギーを出力シャフト７７へと伝達される機械エネルギーへと再び変換する。調整可能ガイドベーン６７は回路内の質量流量を規制する。調整可能ガイドベーン６７が閉じている（質量流量が小さい）とき、出力伝達は最小限である。調整可能ガイドベーンが完全に空いている（質量流量が大きい）とき、出力伝達は最大限である。質量流量が（調整可能ガイドベーン６７によって）変化するので、タービンホイール６５の速度を、ファン４１の様々な動作点に一致するように調整することができる。タービンは、低速時に最も高いトルクを生成する。タービン速度が上がると、出力トルクは低下する。

作動流体の体積を変えることによって、入力シャフト７５から出力シャフト７７への結合度を変えることができる。これによって、ファン４１の回転速度を変えることができる。

ファン４１は、トルクコンバータ６０の作動流体を空にすることによって、シャフト２７から分離することができる。

ファン４１を、直接駆動構成の代わりに、可変速流体継手（トルクコンバータ６０）とともに駆動することによって、ファン４１を可変速で作動することができ、それによりファン４１によって供給される空気流の流速の制御が可能になる。ファン４１はトルクコンバータシステム４６とともに、システムの部分負荷効率および全体的な可橈性および信頼性を向上させる。可変速流体継手（トルクコンバータ６０）は、一定速度過給機ファンへの流れをスロットル調整する必要性を最小限にすることによって、システムの部分負荷効率を向上させる。トルクコンバータ６０は、過給機およびバイパスシステム１７のファン４１または他の構成部品の故障の場合、ファン４１をシャフト２７から迅速に分離する手段を設けることによって、システムの全体的な信頼性を向上させる。

図３は過給システム１１を操作する方法（方法８１）を示す。方法８１は、圧縮機に供給される第１の流速を決定することができる（方法要素８３）。第１の流速は、パラメータのなかでも、ガスタービンシステム１３の動作条件、所望の出力、および動作範囲に基づいて決定することができる。例えば、より速い速度で出力を上げることを望むことによって、またはＨＲＳＧシステム１５を有する過給システム１１の場合、ＨＲＳＧシステム１５をパージするのに必要な空気の量によって、過給のレベルを決定することができる。圧縮機ファン制限、ファン操作性レベル（サージライン）、ガスタービンシステムが開始サイクルで動作しているかなどの他の要素によって、圧縮機２１に供給される第１の流速を決定することができる。方法８１は、他の用途のために供給される第２の流速を決定することができる（方法要素８５）。第１の流速は第２の流速のための用途の関数とすることもできる。例えば、ガスタービンシステム１３が管燃焼を備えたＨＲＳＧシステム１５を有する過給システム１１の一部である場合、次いで管燃焼のために望ましい酸素レベルに基づいて第２の部分を決定することができ、それにより第１の流速を決定する。第２の流速のための他の用途には、排気ガス温度の管理、排気の酸素含有量の管理、コンパートメント換気、プラントＨＶＡＣおよび他の冷却／加熱空気供給を含むことができる。方法８１は、過給機およびバイパスシステム１７によって供給される総流速を決定することができる（方法要素８７）。次いで、方法８１は、トルクコンバータ６０に供給される作動流体の適切な体積を決定することができる（方法要素８９）。方法８１は、調整可能ガイドベーン６７の適切な位置を決定することができる（方法要素９１）。方法８１は、適切な体積の作動流体を供給するように、作動流体ポンプ７０を作動させる（方法要素９３）ことができる。方法８１は、調整可能ガイドベーン６７を適切な位置に配置するように、ガイドベーンアクチュエータ６９と係合することができる（方法要素９５）。方法８１は、第１の流速を圧縮機２１に供給し、第２の流速を他の使用のために供給するバイパスサブシステム５９を制御することができる（方法要素９７）。

図４は、ファン４１をガスタービンシステム１３から分離し再結合するための方法を示す（方法９９）。方法９９は、分離イベントを検出することができる（方法要素１０１）。分離イベントは、ファン４１または過給機およびバイパスシステム１７の他の構成部品の故障とすることができる。方法９９は、作動流体をトルクコンバータから排出するように（方法要素１０５）、作動流体ポンプに係合することができる（方法要素１０３）。トルクコンバータ６０を再結合するために、方法９９は再結合が望ましいときを決定することができる（方法要素１０７）。方法９９は、ファン４１をガスタービンシステム１３に再結合するように、作動流体をトルクコンバータに供給することができる（方法要素１０９）。

過給システム１１は多くの利点をもたらす。技術的には、過給システムはガスタービンのベース負荷容量をシフトし、増加する。トルクコンバータシステム４６と連結された過給機およびバイパスシステム１７によって、ファン４１は可変速で動作することができる。過給システム１１は、モータ駆動機器に関連する電気的損失を有さない。

商業的には、過給システム１１は、高い周囲温度および／または低い周囲圧力の設計（評価）点のより大規模な発電施設で所望の電気出力容量を達成するために、より少ないガスタービンシステム１３で動作することができる。これは特に、より低コストの燃料源および／またはピーク電気需要時の限られた季節的運転の用途に有用である。

本明細書は、最良の形態を含む発明を開示するため、および任意のデバイスまたはシステムの作製および使用を含み、および任意の組み込まれた方法の実施を含む発明を当業者が実行することができるように、例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文字通りの用語と同じ構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文字通りの用語とごくわずかしか違わない構成要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

１１ 過給システム
１３ ガスタービンシステム
１５ ＨＲＳＧシステム
１７ 過給機およびバイパスシステム
１９ 制御システム
２１ 圧縮機
２３ 燃焼器
２５ タービン
２７ シャフト
２９ 発電機および／または機械的負荷
３１ 燃料または補助蒸気
３３ 給水
３５ バルブ
３７ 外部蒸気ホスト
３９ ファンアセンブリ
４１ ファン
４３ 空冷サブシステム
４５ 可変形状ダイバータ
４６ トルクコンバータシステム
４７ 空冷管
４９ ダイバータ管
５１ ＨＲＳＧ管
５３ タービン制御サブシステム
５５ ＨＲＳＧ制御サブシステム
５７ 過給機およびバイパス制御サブシステム
５８ トルクコンバータ制御サブシステム
５９ バイパスサブシステム
６０ トルクコンバータ
８３ 圧縮機に供給される第１の流速を決定する
８５ 他の用途のために供給される第２の流速を決定する
８７ 総過給機流速を決定する
８９ 供給される作動流体の適切な体積を決定する
９１ 適切な調整可能ガイドベーンの位置を決定する
９３ 適切な体積の作動流体を供給するように作動流体ポンプを作動する
９５ ガイドベーンを適切な位置に配置するようにガイドベーンアクチュエータを作動する
９７ 第１の流速を圧縮機に供給し、第２の流速を他の使用のために供給するように、バイパスサブシステムを制御する
１０１ 分離イベントを検出する
１０３ 作動流体ポンプに係合する
１０５ 作動流体をトルクコンバータから排出する
１０７ 再結合が望ましいときを決定する
１０９ 作動流体をトルクコンバータに供給する

Claims (14)

1. 圧縮機、燃焼器、タービン、およびシャフトを有するガスタービンシステムのための過給システムであって、
   空気流を供給するファンアセンブリと、
   前記シャフトおよび前記ファンアセンブリに結合されたトルクコンバータと、
   空気流出力の第１の部分を前記圧縮機へと運ぶためのサブシステムと、
   空気流出力の第２の部分を他の用途のために任意で運ぶためのバイパスサブシステムと、
   前記トルクコンバータを制御し、それにより前記空気流の流速を制御する制御サブシステムと、
   を含み、
   前記トルクコンバータを制御する前記制御サブシステムが、前記トルクコンバータの作動流体ポンプおよび調整可能ガイドベーンを制御するトルクコンバータ制御サブシステムを含み、
   前記ガスタービンシステムがさらに排熱回収ボイラを含み、前記バイパスサブシステムが前記空気流出力の第２の部分を前記排熱回収ボイラへと運ぶ、
   過給システム。
2. 前記バイパスサブシステムを制御する制御システムをさらに含む、請求項１に記載の過給システム。
3. 前記バイパスサブシステムが可変形状ダイバータを含む、請求項１に記載の過給システム。
4. 過給機制御部が前記空気流出力の第２の部分を制御する、請求項１に記載の過給シ
   ステム。
   
5. ガスタービンシステムであって、
   圧縮機と、
   燃焼器と、
   タービンと、
   前記タービンに結合されたシャフトと、
   トルクコンバータと、
   前記トルクコンバータに結合された空気流を生成するファンと、
   前記空気流を前記圧縮機および他の用途に割り当てるバイパスサブシステムと、
   前記バイパスサブシステムを制御する制御システムと、
   を含み、
   前記ガスタービンシステムがさらに排熱回収ボイラを含み、前記バイパスサブシステムが前記空気流出力の第２の部分を前記排熱回収ボイラへと運ぶ、
   ガスタービンシステム。
6. 前記トルクコンバータが作動流体ポンプおよび調整可能ガイドベーンを含む、請求項５に記載のガスタービンシステム。
7. 前記作動流体ポンプおよび前記調整可能ガイドベーンを制御する制御サブシステムをさらに含む、請求項６に記載のガスタービンシステム。
8. 前記タービンに結合された排熱回収ボイラおよび前記ファンと前記排熱回収ボイラとの間に配設された可変形状ダイバータをさらに含む、請求項５に記載のガスタービンシステム。
9. 前記バイパスサブシステムが可変形状ダイバータを含む、請求項５に記載のガスタービンシステム。
10. 前記可変形状ダイバータが管およびダンパを含む、請求項９に記載のガスタービンシステム。
11. 前記ファンが可変ピッチブレードを含む、請求項５に記載のガスタービンシステム。
12. ガスタービンを操作する方法であって、
    ファンアセンブリをトルクコンバータを有するタービンシステムシャフトに結合するステップと、
    前記ガスタービンの圧縮機へと供給される第１の流速を決定するステップと、
    他の用途のために供給される第２の流速を決定するステップと、
    前記第１の流速を前記圧縮機へと供給し、前記第２の流速を前記他の用途へと供給するステップと、
    を含む方法であって、
    前記ガスタービンが排熱回収ボイラを有する複合サイクルシステムの一部であって、前記排熱回収ボイラを前記第２の流速でパージするステップをさらに含み、
    前記方法が、前記第２の流速で前記排熱回収ボイラへと運ぶステップを含み、
    前記第１の流速を前記圧縮機へと供給し、前記第２の流速を前記他の用途へと供給するステップが、前記トルクコンバータの作動流体ポンプおよび調整可能ガイドベーンを制御するステップを含む、
    方法。
13. 前記ファンアセンブリのファンの前記トルクコンバータからの分離イベントを検出するステップと、
    作動流体を前記トルクコンバータから排出するステップと、
    をさらに含む、請求項１２に記載のガスタービンを操作する方法。
    
14. 前記ファンの前記トルクコンバータへの再結合が望ましいときを決定するステップと、
    前記作動流体を前記トルクコンバータへと供給するステップと、
    をさらに含む、請求項１３に記載のガスタービンを操作する方法。