JP7086516B2 - ガスタービン出力増大システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、電力網に電力を供給するためのガスタービン及び発電機を有する発電プラントに関する。具体的には、本発明は、不足周波数イベント時にガスタービンからの出力を増大させるための出力増大システムに関する。

電力分配網に課せられる電力需要の大幅な増加は、電気的な動作周波数を低下させる傾向があり、「不足周波数」イベントを引き起こす。例えば、大きな又は突然の電力需要は、公称動作周波数５０Ｈｚの特定の電力分配網が瞬間的に４９Ｈｚで動作されるようにする可能性がある。不足周波数イベントは、数秒から数分続く場合があり、一般的に短期間である。

従来の電力網に電力を供給するために１又は２以上の高出力産業用ガスタービンを利用する発電システムにおいて、電力網に電力を供給する各タービンの回転速度は、電力網の電気周波数に同期化される。他の条件が同じでガスタービンの回転速度が低下すると、これに対応して出力が低下する。結果的に、不足周波数イベント時、ガスタービンは低い出力を発生することになる。

一般に、電力網運用規則は、発電機器が不足周波数イベント時に負荷を維持する能力をもつことを要求する。一般に、電力網不足周波数イベントに応答して、ガスタービンのオペレータは、スタービンの燃焼温度を高くして発電機出力を要求の範囲に維持することでこの要求に対応する。燃焼温度が高くなると、所定の圧力比での出力が増大し、これは、ガスタービンが最大圧力比性能又は最大入口ガイドベーン（ＩＧＶ）位置等の何らかの動作限界に達していない場合に、適切に機能する。

一般に、燃焼温度の増大は、燃焼器に供給される燃料流量を増やすことで実現される。条件が同じであれば、燃料流量が増えると、タービン入口の圧力が高くなり、結果として圧縮機に背圧が加わる。最終的に、流量が増えると圧縮機の圧力限界につながり、これは一般に圧縮機吐出空気の入口（吸入抽気加熱）への分流によってタービンを通る流れを制限することで及び／又は燃料流量（結果的に燃焼温度）を低下させることで維持される。しかしながら、この方法は、低温環境条件及び／又は低カロリーガス（例えば、シンガス）用途では、ガスタービン圧縮機が遭遇する作動限界に起因して、電力網運用要件を満たすように十分に機能しない。

従来のいくつかの発電用ガスタービンは、可変入口ガイドベーン（ＩＧＶ）を含む。このような可変ガイドベーンは、圧縮機の前段において、入射角（すなわち、圧縮機ブレードの前縁での空気角度と翼型中心線角度との間の偏差）を変更することで圧縮機空気流を調節する能力をもたらす。この可変式ＩＧＶによって、許容可能な圧縮機サージ無し動作マージンを維持することができる。一般的に、サージ無し動作を維持することは、ガスタービン用の圧縮機構成要素の重要な動作基準である。しかしながら、全てのガスタービンがこのような技術の利用を可能にするＩＧＶを備えているわけではない。さらに、出力を増大させようとする際に最大ベーン位置に達しかつ同時に圧力比限界に直面する場合に、この方策だけでは十分でない。この状况において、他の方策を採用して圧力限界を緩和する必要がある。

従って、不足周波数イベント時にガスタービンの出力を一時的に増大させて改善された電力網運用適合性をもたらすシステムが望ましいことになる。

米国特許第８７９６８７４号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の１つの態様は電力網に電気的に結合したガスタービンのための出力増大システムに関し、システムは、加圧空気供給装置と、加圧空気供給装置に流体連通している加圧空気貯蔵タンクと、加圧空気貯蔵タンクの下流に配置された膨張タービンとを含む。膨張タービンの排出口は、ガスタービンの吸入セクション又は圧縮機のうちの少なくとも１つに流体連通している。

本開示の他の実施形態は、発電プラントに関する。発電プラントは、吸入セクションと、該吸入セクションから下流の圧縮機と、該圧縮機から下流の燃焼セクションと、該燃焼セクションから下流のタービンと、電力網に電力を供給するための発電機とを有するガスタービンを含む。発電プラントは出力増大システムをさたに含む。出力増大システムは、加圧空気供給装置と、加圧空気供給装置に流体連通している加圧空気貯蔵タンクと、加圧空気貯蔵タンクの下流に配置された膨張タービンとを備える。膨張タービンの排出口は、ガスタービンの吸入セクション又は圧縮機のうちの少なくとも１つに流体連通している。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の少なくとも１つの実施形態による出力増大システムを含む例示的なガスタービンの機能ブロック図。 本発明の少なくとも１つの実施形態による出力増大システムを含む例示的なガスタービンの機能ブロック図。

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

ここで図面全体を通して同一の符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本発明の少なくとも１つの実施形態によるガスタービン１０及び出力増大システム１００を含む例示的な発電プラントの機能ブロック図を提示する。図示のように、ガスタービン１０は、全体として、一連のフィルター、冷却コイル、湿分分離器、及び／又はガスタービン１０に流入する空気１４又は他の作動流体を浄化又は調整するための他のデバイスを含むことができる、吸入セクション１２を備える。空気１４は圧縮機セクションに流入し、圧縮機１６は、空気１４に運動エネルギーを漸増的に与えて加圧空気１８をもたらすようになっている。

加圧空気１８は、１又は２以上の燃焼器２４内で燃料供給システム２２からの燃料２０と混合して可燃混合気を生成する。可燃混合気は燃焼して高温高圧及び高速の燃焼ガス２６を生成する。燃焼ガス２６は、タービンセクションのタービン２８を通過して仕事を発生する。例えば、タービン２８は、シャフト３０に結合することができ、タービン２８が回転して圧縮機１６が駆動されて加圧空気１８が生成される。代替的に又は追加的に、シャフト３０は、タービン２８を発電用の発電機３２に結合することができる。発電機３２は、電力網ＰＧに電気的に接続又は結合する及び／又は電力網ＰＧに同期する。タービン２８からの排出ガス３４は排出セクション３６を通過し、排出セクション３６は、タービン２８を下流側の排出スタック３８に接続する。例えば、排出セクション３６は、排出ガス３４を周囲に放出する前に浄化すると共にそこから余分な熱を抽出するための熱回収蒸気発電機（図示せず）を含むことができる。

種々の実施形態において、出力増大システム１００又は「システム」は、直列流れ順で、少なくとも１つの加圧空気供給装置１０２、本明細書では「空気タンク」と呼ぶ加圧空気貯蔵タンク１０４、及び膨張タービン１０６を含む。加圧空気供給装置１０２は、概略的に矢印２００で示すように、種々の流体導管、バルブ及び／又はカップリングを経由して空気タンク１０４に加圧空気を供給する。

加圧空気供給装置１０２は、１又は複数の加圧空気供給装置を備えることができる。例えば、１つの実施形態において、加圧空気供給装置１０２は、ガスタービン１０の圧縮機１６とは独立して作動する補助圧縮機１０８を含む。補助圧縮機１０８は、任意の適切な圧縮機タイプとすることができる。例えば、補助圧縮機１０８は、往復圧縮機、回転スクリュー圧縮機、又は遠心圧縮機とすることができる。１つの実施形態において、図１に示すように、補助圧縮機１０８は、軸流圧縮機である。特定の実施形態において、補助圧縮機１０８は、電気モータ１１０及び／又はシャフト１１２で駆動することができる。シャフト１１２は、補助圧縮機１０８をモータ１１０に結合すること及び／又は補助圧縮機１０８を膨張タービン１０６に結合することができる。１つの実施形態において、加圧空気供給装置１０２は、ガスタービン１０の圧縮機１６を含むことができる。１つの実施形態において、システム１００は、補助圧縮機１０８及びガスタービン１０の圧縮機１６の両方を含むことができ、両方とも空気タンク１０４に流体連通する。

特定の実施形態において、熱交換器１１４は、空気タンク１０４に熱的に結合することができる。このようにして、空気タンク１０４に貯蔵された加圧空気２００の温度を調節することができる。特定の実施形態において、発電機１１６は、シャフト１１８を介して膨張タービン１０６に結合することができる。発電機１１６は、発電用に使用することができる。発電機１１６は、電力網ＰＧに電気的に接続すること及び／又は加圧空気供給装置１０２のモータ１１０に接続することができる。膨張タービン１０６は、該膨張タービン１０６の排出口１１８に流体結合した種々の流体導管、バルブ及び／又はカップリングを介してガスタービン１０及び／又は加圧空気供給装置１０２に流体結合することができる。１つの実施形態において、膨張タービン１０６は、吸入セクション１２に流体結合する。１つの実施形態において、膨張タービン１０６の排出口１１８は、圧縮機１６に流体結合する。１つの実施形態において、膨張タービン１０６の排出口１１８は、吸入セクション１２及び圧縮機１６の両方に流体結合することができる。

作動時、加圧空気供給装置１０２は、加圧空気２００を空気タンク１０４に充填するか又は所望の圧力Ｐ１に加圧する。特定の実施形態において、補助圧縮機１０８は、モータ１１０で作動させて加圧空気２００を空気タンク１０４に供給することができる。追加的に又は代替的に、加圧空気２００の少なくとも一部は、ガスタービンの圧縮機１６から空気タンク１０４に流れることができる。

空気タンク１０４に貯蔵される加圧空気２００の圧力は、空気タンク１０４内の動作圧力を維持するために、種々の圧力センサを用いてモニタして、加圧空気供給装置１０２及び／又は必要に応じて種々のバルブによって調節することができる。この機能がある場合、熱交換器１１４は、空気タンク１０４内の加圧空気２００を所望の又は動作可能な温度まで冷却又は加熱することができる。例えば、熱交換器１１４は、空気タンク１０４に貯蔵された加圧空気２００をほぼ外気温に又は外気温以下に維持するのを助けることができる。

不足周波数電力網イベント時、シャフト３０の回転速度が低下した場合、シャフト３０は電力網周波数に同期して同じ回転速度で稼働するので、ガスタービン１０の出力は少なくとも幾分低下する。これに応答して、システム１００は自動的に又はコントローラ（図示せず）によって作動させることができ、調量様式で加圧空気２００を膨張タービン１０６に放出するようになっている。圧縮空気２００が膨張タービン１０６を通って流れる際に加圧空気２００は急速に膨張する。膨張タービン１０６内の加圧空気２００の急速膨張によって、膨張タービン１０６の排出口１１８から流出する吐出空気２０２は、外気温よりも低くなる。例えば、吐出空気２０２は、システム１００及び／又はガスタービン１０の運転条件に応じて華氏－２００°に達する場合がある。

この時点で、吐出空気２０２の少なくとも一部又は全部は、圧縮機１６及び／又は吸入セクション１２の一方又は両方に供給することができ、次に圧縮機１６に取り込むことができる。１つの実施形態において、吐出空気２０２は圧縮機１６の入口に送られる。比較的低温の吐出空気２０２は周囲空気１４と混合するので、圧縮機入口温度が低下する。この冷却効果はガスタービン１０の出力を一時的に増強又は増大させるので、出力を一時的に増大させるためにガスタービン１０をオーバーファイアリングする潜在的な負の熱的影響及び／又は機械的影響を低減又は排除する。

特定の実施形態において、膨張タービン１０６内の加圧空気の急速膨張でもたらされる運動エネルギーは、シャフトに結合したタービンブレード（図示せず）によって回転エネルギーに変換することができるので、膨張タービン１０６を発電機１１６に結合するシャフト１２０が回転して、発電機１１６は、追加の電力網のための電力、及び／又は補助圧縮機１０８に取り付けられたモータ１１０を作動させるための電力、及び／又は現場の他の補助機器のための電力を発生する。

特定の実施形態において、ガスタービン１０の通常動作時（すなわち、不足周波数動作ではない）、加圧空気２００の一部は、調量様式で、空気タンク１０４から膨張タービン１０６を通って送ることができるので、シャフト１２０が回転して電力網のための電力、及び／又は補助圧縮機１０８に取り付いたモータ１１０を作動させるための電力、及び／又は現場の他の補助機器のための電力が発生する。この時点で、吐出空気２０２の少なくとも一部又は全部は、圧縮機１６及び／又は吸入セクション１２の一方又は両方に供給することができ、次に圧縮機１６に取り込むことができる。追加的に又は代替的に、吐出空気２０２は、補助圧縮機１０８のもとに分配することができる。

図２は、本発明の少なくとも１つの実施形態によるガスタービン１０及び出力増大システム１００を含む例示的な発電プラントの機能ブロック図を提示する。特定の実施形態において、図２に示すように、膨張タービン１０６は、シャフト１２０、及び／又はタービンギヤ（図示せず）を含む種々の他の構成要素、及び／又は他の手段を介してガスタービンのシャフト３０に結合することができる。このようにして、膨張タービン１０６は、起動モータ又は負荷転流インバータ、ＬＣＩとして使用することができる。１つの実施形態において、膨張タービン１０６は、発電用の発電機３２及び／又は発電機１１６に結合することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
１２ 吸入セクション
１４ 作動流体
１６ 圧縮機
１８ 加圧作動流体
２０ 燃料
２２ 燃料供給装置
２４ 燃焼器
２６ 燃焼ガス
２８ タービン
３０ シャフト
３２ 発電機／モータ
３４ 排出ガス
３６ 排出セクション
３８ 排出スタック
１００ システム
１０２ 加圧空気供給装置
１０４ 加圧空気貯蔵タンク
１０６ 膨張タービン
１０８ 補助圧縮機
１１０ 電気モータ
１１２ シャフト（電気モータ）
１１４ 熱交換器
１１６ 発電機
１１８ 排出口
１２０ シャフト（発電機）
２００ 加圧空気
２０２ 排出空気
ＰＧ 電力網

Claims (9)

1. 電力網（ＰＧ）に電気的に結合したガスタービン（１０）のための出力増大システムにおいて、
   前記ガスタービン（１０）の圧縮機（１６）を含む加圧空気供給装置（１０２）と、
   前記加圧空気供給装置に流体連通し、前記ガスタービン（１０）の前記圧縮機（１６）から加圧空気を受けるように構成されている加圧空気貯蔵タンク（１０４）と、
   前記加圧空気貯蔵タンクの下流に配置された膨張タービン（１０６）と、
   を備え、
   前記膨張タービン（１０６）の排出口（１１８）が、前記ガスタービンの前記圧縮機（１６）と流体連通し、
   前記加圧空気貯蔵タンク（１０４）は、前記膨張タービン（１０６）を介して前記ガスタービン（１０）の前記圧縮機（１６）に加圧空気を供給するように構成され、
   前記膨張タービンのシャフトが、前記ガスタービンの回転シャフトに結合し、
   前記加圧空気供給装置が補助圧縮機を備え、前記補助圧縮機が軸流圧縮機であり、
   前記回転シャフトの回転速度を検出する手段と、
   前記回転シャフトの回転速度の低下に応答して、調量様式で前記加圧空気貯蔵タンクの加圧空気を前記膨張タービン（１０６）に放出させ、前記圧縮機（１６）の入口温度を一時的に低下させ、前記ガスタービン（１０）の出力を一時的に増強又は増大させるコントローラとを備える、出力増大システム。
2. 前記膨張タービンが熱回収ユニットを介さずに前記加圧空気貯蔵タンクに接続され、
   前記膨張タービンにシャフトを介して結合した発電機をさらに備え、
   前記発電機が、電力網に電気的に結合する、請求項１に記載の出力増大システム。
3. 前記システムが前記加圧空気供給装置に結合した電気モータをさらに備え、前記発電機が前記モータに電気的に結合する、請求項２に記載の出力増大システム。
4. 前記膨張タービンの前記排出口が前記補助圧縮機に流体結合する、請求項１乃至３のいずれかに記載の出力増大システム。
5. 前記システムが、前記補助圧縮機を前記膨張タービンに機械的に結合するシャフトをさらに備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の出力増大システム。
6. 前記加圧空気貯蔵タンク（１０４）は、前記ガスタービン（１０）の出力を一時的に増強又は増大させるように、前記膨張タービン（１０６）を介して前記ガスタービン（１０）の前記圧縮機（１６）に加圧空気を供給するように構成されており、
   前記出力増大システムは、前記加圧空気貯蔵タンクと熱的に連通し、前記加圧空気貯蔵タンクに貯蔵された加圧空気の温度を調節する熱交換器を備える、請求項１乃至５のいずれかに記載の出力増大システム。
7. 吸入セクション（１２）と、前記吸入セクションから下流の圧縮機（１６）と、前記圧縮機から下流の燃焼セクション（２４）と、前記燃焼セクションから下流のタービン（２８）と、電力網（ＰＧ）に電力を供給するための発電機（３２）とを有するガスタービンと、
   出力増大システムと、
   を備える発電プラントであって、
   前記出力増大システムは、
   前記ガスタービン（１０）の圧縮機（１６）を含む加圧空気供給装置（１０２）と、
   前記加圧空気供給装置に流体連通し、前記ガスタービン（１０）の前記圧縮機（１６）から加圧空気を受けるように構成されている加圧空気貯蔵タンク（１０４）と、
   前記加圧空気貯蔵タンクの下流に配置された膨張タービン（１０６）と、
   を備え、
   前記膨張タービンの排出口（１１８）が、前記ガスタービンの前記圧縮機と流体連通し、
   前記加圧空気貯蔵タンク（１０４）は、前記膨張タービン（１０６）を介して前記ガスタービンの前記圧縮機（１６）に加圧空気を供給するように構成され、
   前記膨張タービンのシャフトが、前記ガスタービンの回転シャフトに結合し、
   前記加圧空気供給装置が補助圧縮機を備え、前記補助圧縮機が軸流圧縮機であり、
   前記回転シャフトの回転速度を検出する手段と、
   前記回転シャフトの回転速度の低下に応答して、調量様式で前記加圧空気貯蔵タンクの加圧空気を前記膨張タービン（１０６）に放出させ、前記圧縮機（１６）の入口温度を一時的に低下させ、前記ガスタービン（１０）の出力を一時的に増強又は増大させるコントローラとを備える、発電プラント。
8. 前記膨張タービンが熱回収ユニットを介さずに前記加圧空気貯蔵タンクに接続され、
   前記膨張タービンにシャフトを介して結合した発電機をさらに備え、前記発電機が、前記電力網に電気的に結合する、請求項７に記載の発電プラント。
9. 前記加圧空気貯蔵タンク（１０４）は、前記ガスタービン（１０）の出力を一時的に増強又は増大させるように、前記膨張タービン（１０６）を介して前記ガスタービン（１０）の前記圧縮機（１６）に加圧空気を供給するように構成されており、
   前記発電プラントは、前記加圧空気貯蔵タンクと熱的に連通し、前記加圧空気貯蔵タンクに貯蔵された加圧空気の温度を調節する熱交換器を備える、請求項７または８に記載の発電プラント。

Images