CN106795778A - 燃气涡轮机、联合循环机组以及燃气涡轮机的启动方法 - Google Patents

燃气涡轮机、联合循环机组以及燃气涡轮机的启动方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的燃气涡轮机以及联合循环机组、燃气涡轮机的启动方法，通过设置：空气冷却器(31)，其将从压缩机(21)抽取的压缩空气进行热交换并将冷却后的压缩空气供应至涡轮机(23)的转子系的冷却系统；空气冷却器旁路管线(34)，其将导入空气冷却器(31)的压缩空气进行旁路；电动阀(35)，其设置在空气冷却器旁路管线(34)上；以及控制部(101)，其对电动阀(35)进行开闭控制，使得在燃气涡轮机(20)启动过程中电动阀(35)的阀开度为低水平开度以下，在燃气涡轮机(20)的负荷上升后电动阀(35)的阀开度比低水平开度大，从而将涡轮缸体侧与动叶的间隔设为适当量，可实现安全性的确保和性能的提高。

Description

燃气涡轮机、联合循环机组以及燃气涡轮机的启动方法
技术领域
本发明例如涉及一种向压缩后的高温、高压的空气供应燃料并使其燃烧，将产生的燃烧气体供应至涡轮机来获得旋转动力的燃气涡轮机、应用该燃气涡轮机的联合循环机组以及该燃气涡轮机的启动方法。
背景技术
一般的燃气涡轮机由压缩机、燃烧器和涡轮机构成。压缩机通过压缩从进气口吸入的空气，生成高温、高压的压缩空气。燃烧器向该压缩空气供应燃料使其燃烧，从而得到高温、高压的燃烧气体。涡轮机通过该燃烧气体进行驱动，并驱动同轴连结的发电机。
该燃气涡轮机的涡轮机构成为在缸体内沿燃烧气体的流动方向交互配设多个静叶和动叶，在燃烧器中生成的燃烧气体经过多个静叶和动叶而驱动旋转转子，驱动与该转子连接的发电机。
然而，在燃气涡轮机中，在压缩机中压缩的压缩空气其一部分被抽出用来对涡轮缸体或静叶进行冷却。并且，该压缩空气的一部分在被引导至外部并被空气冷却器冷却后，对涡轮盘或动叶进行冷却。在这种情况下，空气冷却器通过例如来自废热回收锅炉的供水(冷却水)对压缩空气进行冷却。在涡轮机中，构成如下结构，即在动叶的前端与涡轮缸体的内周面之间，于二者不产生干扰的范围内缩小间隙(间隔)，从而抑制燃烧气体的间隙流，并保持燃气涡轮机的性能不会下降。
作为这种燃气涡轮机，例如有专利文献1中记载的燃气涡轮机。该专利文献1中记载的联合循环发电设备设置有：抽出空气冷却器，其将在省煤器中加热的水与从压缩机抽出的压缩空气进行热交换并生成冷却空气；旁路系统，其将抽出空气冷却器进行旁路；以及调节阀，其对旁路管中流动的空气量进行调节，当机组发生急剧的负荷变化时，通过空气量控制空气温度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4488631号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，当燃气涡轮机启动时，由于涡轮机的动叶在高速旋转的同时较早受到燃烧气体的影响，因此前端部向径向的外侧扩张。另一方面，涡轮缸体由于热容量较大而向径向的外侧的扩张量较小。因此，涡轮机的动叶的前端与涡轮缸体的内周面的间隔变小。在这种情况下，存在如下间题：当按照燃气涡轮机启动时的距离设定涡轮机的动叶的前端与涡轮缸体的内周面的间隔时，在燃气涡轮机稳态运转时，导致该间隔扩大到需求以上，并导致由涡轮机产生的驱动力的回收效率降低，燃气涡轮机本身的性能降低。这时，虽然可以考虑将空气冷却器的旁路系统的调节阀作为控制阀，但当连接不到驱动源或失去控制信号时，存在如下问题：无法维持开度，在全开的情况下冷却空气温度上升产生接触的危险，并且，在全闭的情况下冷却空气温度降低，间隔扩张性能降低。
本发明是解决上述课题的发明，其目的在于，提供一种燃气涡轮机，其将涡轮缸体侧与动叶的间隙设为适当量并可实现安全性的确保和性能的提高。
技术方案
为了达到上述目的的本发明的燃气涡轮机，其特征在于，具有：压缩机，其对空气进行压缩；燃烧器，其将所述压缩机压缩的压缩空气与燃料混合并使其燃烧；涡轮机，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体获取旋转动力；空气冷却器，其将从所述压缩机抽取的压缩空气进行热交换并将冷却后的压缩空气供应至所述涡轮机的转子系的冷却系统；空气冷却器旁路管线，其对导入所述空气冷却器的压缩空气进行旁路；第一阀，其设置在所述空气冷却器旁路管线上；以及控制部，其对所述第一阀进行开闭控制，使得在燃气涡轮机的启动过程中所述第一阀的阀开度在预先设定的规定的低水平开度以下，并且使得在所述燃气涡轮机的负荷上升后所述第一阀的阀开度比所述低水平开度大。
因此，燃气涡轮机启动过程中，当将第一阀的阀开度设定为低水平开度以下时，不但通过空气冷却器旁路管线的压缩空气量减少，而且导入空气冷却器的压缩空气量增加。因此，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度降低，抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，将动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)设为适当量，防止了动叶的前端与涡轮缸体的内周面的接触危险，能够确保安全性。
并且，通过在负荷上升后将第一阀的阀开度设为比低水平开度大，不但通过空气冷却器旁路管线的压缩空气量增加，而且导入空气冷却器的压缩空气量减少。因此，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度的降低程度与启动过程中相比变小了。由此，上述间隙变窄，能够提高性能。
本发明的燃气涡轮机，其特征在于，设置有检测所述第一阀的阀开度的检测部，当所述检测部检测到所述第一阀的阀开度在所述低水平开度以下时，所述控制部开始启动所述燃气涡轮机。
因此，通过在燃气涡轮机启动前，确认第一阀的阀开度在低水平开度以下，从而以导入空气冷却器的压缩空气量较少的状态进行燃气涡轮机的启动，使转子系未被充分冷却，如此能够防止动叶的前端与涡轮缸体的内周面陷入接触危险。
本发明的燃气涡轮机，其特征在于，所述第一阀为在切断指示阀开度的控制信号或阀驱动源时能够保持当时的阀开度的阀。
因此，通过将第一阀设定为在切断控制信号或阀驱动源时能够保持当时的阀开度，即使连接不到控制系统或电源系统时，由于第一阀维持了当前的开度，所以导入空气冷却器的压缩空气量不会发生变动，能够适当冷却转子系并适当保持动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)。
本发明的燃气涡轮机，其特征在于，在所述燃气涡轮机的旋转系与静止系的间隔变小的异常状态时，所述控制部对所述第一阀的阀开度进行闭阀控制，直至达到所述低水平开度以下。
因此，当发生旋转系与静止系的间隔因某种原因而变小的异常状态时，由于可将第一阀的阀开度进行闭阀控制直至达到低水平开度以下，因此导入空气冷却器的压缩空气量增加，并且向转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度降低。于是，抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，通过扩大动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)，能够提高安全性。
本发明的燃气涡轮机，其特征在于，在进行所述燃气涡轮机的旋转系与静止系的间隔变小的运转的情况下，所述控制部对所述第一阀的阀开度进行闭阀控制，直至达到所述低水平开度以下。
因此，当进行燃气涡轮机的旋转系与静止系的间隔随负荷变动等而变小的运转时，由于对第一阀的阀开度进行闭阀控制直至达到低水平开度以下，因此导入空气冷却器的压缩空气量增加，并且向转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度降低。于是，抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，通过扩大动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)，能够提高安全性。
本发明的燃气涡轮机，其特征在于，被设为所述规定的低水平开度以下的所述第一阀的开度为微开状态。
若将第一阀的低水平以下的阀开度完全进行闭阀控制，则空气冷却器旁路管线的压缩空气的流动停滞，有可能因温度低下而产生液化。然而，通过将第一阀的低水平开度以下的阀开度设为微开状态，很少的压缩空气在空气冷却器旁路管线中流动，能够抑制液化的产生。
另外，本发明的联合循环机组具有：所述燃气涡轮机；废热回收锅炉，其通过从所述燃气涡轮机排出的废气的废热生成蒸汽；蒸汽涡轮机，其通过由所述废热回收锅炉生成的蒸汽驱动；冷凝器，其使从所述蒸汽涡轮机排出的蒸汽凝缩而生成水；供水管线，其从所述冷凝器将经由省煤器获得的供水输送至所述空气冷却器而与压缩空气进行热交换；省煤器旁路管线，其将导入所述省煤器的供水进行旁路；以及第二阀，其设置在所述省煤器旁路管线上，其中，所述控制部在所述燃气涡轮机的启动过程中，为了减少向所述空气冷却器旁路管线的压缩空气的旁路量，对所述第一阀进行闭阀控制，使得所述第一阀的阀开度在所述低水平开度以下，并且为了增加向所述省煤器旁路管线的供水的旁路量，对所述第二阀的阀开度进行开阀控制，在所述燃气涡轮机的负荷上升后，为了增加向所述空气冷却器旁路管线的压缩空气的旁路量，对所述第一阀进行开阀控制，使得所述第一阀的阀开度大于所述低水平开度，并且为了减少向所述省煤器旁路管线的供水的旁路量，对所述第二阀的阀开度进行闭阀控制。
因此，燃气涡轮机启动过程中，为了减少向空气冷却器旁路管线的压缩空气的旁路量，将第一阀的阀开度设为低水平开度以下，并且为了增加向省煤器旁路管线供水的旁路量，对第二阀的阀开度进行开阀控制。即，在燃气涡轮机启动过程中，若通过空气冷却器旁路管线的压缩空气量减少，则导入空气冷却器的压缩空气量增加。并且，当通过省煤器旁路管线的供水量增加时，导入省煤器的供水量减少。因此，由于导入空气冷却器的压缩空气量增加，并且冷却该压缩空气的供水的温度降低，从而能够降低向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度。其结果抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，将动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)设为适当量，防止了动叶的前端与涡轮缸体的内周面的接触危险，能够确保安全性。
此外，负荷上升后，为了增加向空气冷却器旁路管线的压缩空气的旁路量，将第一阀的阀开度设为比低水平开度大，并且为了减少向省煤器旁路管线的供水的旁路量，对第二阀的阀开度进行闭阀控制。即，在燃气涡轮机的负荷上升后，当通过空气冷却器旁路管线的压缩空气量增加时，导入空气冷却器的压缩空气量减少。并且，当通过省煤器旁路管线的供水量减少时，导入省煤器的供水量增加。因此，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度的降低程度与启动过程中相比变小了。由此，上述间隙变窄，能够提高性能。
此外，本发明的燃气涡轮机的启动方法中，所述燃气涡轮机具有：压缩机，其对空气进行压缩；燃烧器，其将所述压缩机压缩的压缩空气与燃料混合并使其燃烧；涡轮机，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体获取旋转动力；空气冷却器，其将从所述压缩机抽取的压缩空气进行热交换并将冷却后的压缩空气供应至所述涡轮机的转子系的冷却系统；空气冷却器旁路管线，其将导入所述空气冷却器的压缩空气进行旁路；以及第一阀，其设置在所述空气冷却器旁路管线上，所述燃气涡轮机的启动方法的特征在于，在燃气涡轮机启动过程中将所述第一阀的阀开度设为预先设定的规定的低水平开度以下，并且在所述燃气涡轮机的负荷上升后将所述第一阀的阀开度设为比所述低水平开度大。
因此，燃气涡轮机启动过程中，当将第一阀的阀开度设定为低水平开度以下时，不但通过空气冷却器旁路管线的压缩空气量减少，而且导入空气冷却器的压缩空气量增加。因此，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度降低，抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，将动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)设为适当量，防止了动叶的前端与涡轮缸体的内周面的接触危险，能够确保安全性。
并且，通过在负荷上升后将第一阀的阀开度设为比低水平开度大，不但通过空气冷却器旁路管线的压缩空气量增加，而且导入空气冷却器的压缩空气量减少。因此，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度的降低程度与启动过程中相比变小了。由此，上述间隙变窄，能够提高性能。
发明效果
根据本发明的燃气涡轮机、联合循环机组、燃气涡轮机的启动方法，燃气涡轮机启动过程中，由于将第一阀的阀开度设为低水平开度以下，因此导入空气冷却器的压缩空气量增加，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度降低，从而抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，将动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)设为适当量，能够防止动叶的前端与涡轮缸体的内周面的接触危险并确保安全性，并且向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度的降低程度与启动过程中相比变小，间隙变窄并能够提高性能。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃气涡轮机联合循环机组的概略构成图。
图2是表示通向空气冷却器的压缩空气的供应管线以及供水的供应管线的概略图。
图3是表示燃气涡轮机启动时的状态变化的时间图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明所涉及的燃气涡轮机、联合循环机组以及燃气涡轮机的启动方法的优选实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明并不受该实施方式的限定，此外，在具有多个实施方式的情况下，也包含将各实施方式进行组合而构成的方式。
图1是表示本实施方式的燃气涡轮机联合循环机组的概略构成图。
在本实施例中，如图1所示，燃气涡轮机联合循环机组11由燃气涡轮机部12和蒸汽涡轮机部13构成。燃气涡轮机部12具有燃气涡轮机20。该燃气涡轮机20具有压缩机21、燃烧器22以及涡轮机23，压缩机21和涡轮机23通过旋转轴(转子)24可一体化旋转地连接在一起。压缩机21将从空气吸入管线25吸入的空气加以压缩。燃烧器22将从压缩机21通过压缩空气供应管线26供应的压缩空气和从燃料气体供应管线27供应的燃料气体混合并使其燃烧。涡轮机23借助从燃烧器22通过燃烧气体供应管线28供应的燃烧气体进行旋转。发电机29与压缩机21以及涡轮机23同轴设置，能够通过涡轮机23旋转而进行发电。
并且，燃气涡轮机部12具有空气冷却器31，其将从压缩机21抽取的压缩空气进行冷却并供应至涡轮机23的转子系(旋转系)的冷却系统。即，在设置有从压缩机21抽出压缩空气的抽气管线32的同时，还设置有将抽取的压缩空气进行冷却并供应至涡轮机23的转子系的冷却系统的冷却空气供应管线33。空气冷却器31设置在抽气管线32与冷气空气供应管线33之间，对来自压缩机21的压缩空气进行冷却。另外，设置有将导入空气冷却器31的压缩空气进行旁路的空气冷却器旁路管线34，在该空气冷却器旁路管线34上设置有电动阀(第一阀)35。该空气冷却器旁路管线34以将空气冷却器31进行旁路的方式连接抽气管线32与冷却空气供应管线33，不会对通过抽气管线32从压缩机21抽出的压缩空气造成任何负荷，以维持当前的压力、温度、流量等的状态在冷却空气供应管线33中流动。另外，虽然图中未示出，但燃气涡轮机部12具有空气冷却通道，其将从压缩机21的抽气室抽取的压缩空气供应至涡轮机23的涡轮缸体(静止系)的冷却系统。
蒸汽涡轮机部13具有废热回收锅炉40。该废热回收锅炉40通过从燃气涡轮机20经由废气排出管线30排出的废气的废热而产生蒸汽，并且具有高压单元41和低压单元51。该废热回收锅炉40通过在内部将来自燃气涡轮机20的废气向上方移送，按照高压单元41、低压单元51的顺序进行热回收而产生蒸汽。
高压单元41具有高压省煤器42、高压滚筒43、高压蒸发器44以及高压过热器45。因此，在高压省煤器42中加热后的供水通过第一高压供水管线46被输送至高压滚筒43，经由第二高压供水管线47的高压滚筒降水管47a和高压滚筒上升管47b在高压蒸发器44中被加热产生高压蒸汽，产生的高压蒸汽经由高压饱和蒸汽管48被输送至高压过热器45，并在此处被过热。并且，在第一高压供水管线46上设置有流量调节阀49。
低压单元51具有低压省煤器52、低压滚筒53、低压蒸发器54以及低压过热器55。因此，在低压省煤器52中加热后的供水通过第一低压供水管线56被输送至低压滚筒53，经由第二低压供水管线57的低压滚筒降水管57a和低压滚筒上升管57b在低压蒸发器54中被加热产生低压蒸汽，产生的低压蒸汽经由低压饱和蒸汽管58被输送至低压过热器55，并在此处被过热。
第一高压供水管线46包括供水管线59，其通过供水泵60将第一低压供水管线56的供水输送至高压省煤器42。即，供水管线59设置在第一低压供水管线56与高压省煤器42之间，并具有供水泵60。因此，低压省煤器52的供水的一部分通过供水泵60经由供水管线59被输送至高压省煤器42。设置有从供水管线59的比供水泵60靠下游侧分支并到达空气冷却器31的第一冷却水供应管线61，并且设置有从空气冷却器31至第一高压供水管线46的比流量调节阀49靠上游侧的第二冷却水供应管线62。并且，在第二冷却水供应管线62上设置有温度调节阀63。
另外，蒸汽涡轮机部13具有蒸汽涡轮机70。蒸汽涡轮机70通过由废热回收锅炉40生成的蒸汽而驱动，并且具有高压涡轮机71和低压涡轮机72。高压涡轮机71和低压涡轮机72配置在同轴上，并与发电机73连接。高压过热器45的高压蒸汽通过高压蒸汽供应通道74被供应至高压涡轮机71，低压过热器55的低压蒸汽通过低压蒸汽供应通道75被供应至低压涡轮机72。并且，从高压涡轮机71排出的高压蒸汽通过高压蒸汽排出通道76被供应至低压蒸汽供应通道75，从低压涡轮机72排出的低压蒸汽通过低压蒸汽排出通道77被供应至冷凝器78。
冷凝器78利用海水对回收的蒸汽进行冷却并生成冷凝水。该冷凝器78将生成的冷凝水通过冷凝水供应管线81输送至低压省煤器52。在冷凝水供应管线81上设置有接地电容器82。并且，设置有对从冷凝水供应管线81导入低压省煤器52的冷凝水(供水)进行旁路的省煤器旁路管线83，并且在该省煤器旁路管线83上设置有旁路调节阀(第二阀)84。另外，设置有从第二冷却水供应管线62的比温度调节阀63靠上游侧分支并到达冷凝器78的供水回收管线85，并且在供水回收管线85上设置有用于确保向空气冷却器31供应的冷却水流量的流量调节阀86。
在如此构成的燃气涡轮机联合循环机组11中，涡轮机23的动叶的前端与涡轮缸体侧的间隔是考虑了动叶或涡轮缸体等的热膨胀的间隔量，涡轮机23所产生的驱动力的回收效率降低，勉强来说，从燃气涡轮机20本身的性能降低的角度来看，期望涡轮机23的动叶的前端与涡轮缸体侧的间隔的量尽可能小。然而，燃气涡轮机20启动时，由于涡轮机23的动叶在高速旋转的同时较早受到燃烧气体的影响，因此前端部向径向的外侧扩张。另一方面，涡轮缸体由于热容量较大而向径向的外侧的扩张量比动叶少。因此，涡轮机23的动叶的前端与涡轮缸体的内周面的间隔减小，导致干扰的危险性提高。
因此，在本实施方式中，如图2所示，设置有能够对电动阀35进行开闭控制的控制部101，在燃气涡轮机20启动过程中，该控制部101将电动阀35的阀开度设为预先设定的规定的低水平开度以下，在燃气涡轮机20的负荷上升后，将电动阀35的阀开度设为比低水平开度大。
即，冷凝器78经由冷凝水供应管线81与低压省煤器52连接，低压省煤器52经由具有供水泵60的供水管线59与高压省煤器42连接。并且，设置有从冷凝水供应管线81绕过低压省煤器52与供水管线59连接的省煤器旁路管线83，并且在省煤器旁路管线83上设置有旁路调节阀84。高压省煤器42经由具有流量调节阀49的第一高压供水管线46与高压滚筒43连接，在供水管线59的比高压省煤器42靠上游侧设置有压力调节阀91。
并且，从供水管线59分支的第一冷却水供应管线61与空气冷却器31连接，在第一冷却水供应管线61上串连设置有作为冷却水切断阀的主阀92和副阀93。引自空气冷却器31的第二冷却水供应管线62上设置有在第一高压供水管线46的比高压省煤器42靠下游侧，并且与比流量调节阀49靠上游侧连接的温度调节阀63。
并且，在第一冷却水供应管线61的比主阀92和副阀93靠上游侧设置有第一温度传感器111，在第二冷却水供应管线62的比温度调节阀63靠上游侧设置有第二温度传感器112。第一、第二温度传感器111、112将测定的供水(冷凝水)输出至控制部101。
另一方面，设置有将从压缩机21抽取的压缩空气供应至空气冷却器31的抽气管线32，并且设置有将在空气冷却器31中冷却的压缩空气供应至涡轮机23的转子系的冷却系统的冷却空气供应管线33。并且，设置有从抽气管线32绕过空气冷却器31到达冷却空气供应管线33的空气冷却器旁路管线34，并且在空气冷却器旁路管线34上设置有电动阀35。
另外，在冷却空气供应管线33的比空气冷却器旁路管线34的连接部靠下游侧设置有第三温度传感器113。第三温度传感器113将测定的压缩空气(冷却空气)的温度输出至控制部101。
在此，电动阀35为当切断来自控制部101的指示阀开度的控制信号或者切断来自阀驱动源(图中未示出的电力装置)的电力时，能够保持当时的阀开度的阀。即，虽图中未示出，但电动阀35能够通过减速机对电动机的驱动旋转力进行减速并传递给阀体，从而移动该阀体并改变其开度，即使控制信号或供应电力被切断，也不会向开放侧或闭合侧移动，能够在当前位置停止并保持阀开度。
该电动阀35设置有检测其阀开度的开度传感器(检测部)121。开度传感器121将检测出的电动阀35的阀开度输出至控制部101。并且，当开度传感器121检测到电动阀35的阀开度在低水平开度以下时，控制部101开始启动燃气涡轮机20。
另外，在燃气涡轮机20的旋转系与静止系的间隔变小的异常状态时，控制部101对电动阀35的阀开度进行闭阀控制，直至达到低水平开度以下。进而，在进行燃气涡轮机20的旋转系与静止系的间隔变小的运转的情况下，控制部101对电动阀35的阀开度进行闭阀控制，直至达到低水平开度以下。在此，设为低水平开度以下的电动阀35的阀开度优选设定为微开状态，但也可以设定为0度(全闭)。
再者，控制部101在燃气涡轮机20的启动过程中，为了减少向空气冷却器旁路管线34的压缩空气的旁路量，对电动阀35进行闭阀控制，使得电动阀35的阀开度为低水平开度以下，并且为了增加向省煤器旁路管线83的供水的旁路量，对旁路调节阀84的阀开度进行开阀控制。另一方面，在涡轮机20的负荷上升后，为了增加向空气冷却器旁路管线34的压缩空气的旁路量，对电动阀35进行开发控制，使得电动阀35的阀开度大于低水平开度，并且为了减少向省煤器旁路管线83的供水的旁路量，对旁路调节阀84的阀开度进行闭阀控制。
在此，对燃气涡轮机20的启动方法进行说明。如图2和图3所示，在时间t1，当燃气涡轮机20启动时，转子24的转速上升，在时间t2，转子24的转速达到额定转速并维持固定值。在此期间，压缩机21从空气吸入管线25吸入空气，空气通过多个静叶以及动叶而被压缩，从而生成高温、高压的压缩空气。燃烧器22在转子24的转速达到额定转速之前点火，通过向压缩空气供应燃料使其燃烧，生成高温、高压的燃烧气体。涡轮机23借助燃烧气体经过多个静叶和动叶而驱动旋转转子24。因此，燃气涡轮机20在之后负荷(输出)上升，达到额定负荷(额定输出)并维持固定值。
这种燃气涡轮机20启动时，涡轮机23的动叶通过高速旋转向径向的外侧位移(扩张)，之后，通过接收来自高温、高压的燃烧气体的热量而进一步向外侧位移(扩张)。另一方面，涡轮缸体侧的叶片环也通过接收来自高温、高压的燃烧气体的热量而向外侧位移(扩张)。这时，从压缩机21抽取的压缩空气被空气冷却器31冷却，通过向涡轮机23的转子24或动叶供应而被冷却。并且，从压缩机21的抽气室抽取的压缩空气通过向涡轮机23的涡轮缸体供应而被冷却。
但是，由于涡轮机23的转子24或动叶与涡轮缸体侧的叶片环相比，从高温、高压的燃烧气体接收较多的热量，因此向外侧的位移量较大。因此，导致产生动叶的前端与叶片环的内周面的间隔暂时大幅度减少的夹点(最小间隙)。即，图3所示的动叶的前端与叶片环的内周面的间隔S2(虚线)在转子24的转速达到额定转速之前的过渡期大幅度减少。
因此，在本实施方式中，在燃气涡轮机20的启动过程中，将电动阀35的阀开度设为预先设定的规定的低水平开度以下，在燃气涡轮机20的负荷上升后，将电动阀35的阀开度设为比低水平开度大。另外，电动阀35的低水平开度以下的开度为微开状态(开度A)，但也可以是0度(全闭)。并且，控制部101在燃气涡轮机20的启动过程中，对旁路调节阀84进行开阀控制，在燃气涡轮机20的负荷上升后，对旁路调节阀84的阀开度进行闭阀控制。
即，在时间t1，当燃气涡轮机20启动时，将电动阀35的阀开度设为低水平开度(开度数％)，将旁路调节阀84的阀开度设为预先设定的规定开度(例如，开度50％)。当将电动阀35的阀开度为低水平开度时，不但通过空气冷却器旁路管线34的压缩空气量减少，而且导入空气冷却器31的压缩空气量增加。并且，当旁路调节阀84的阀开度增大至规定开度时，通过省煤器旁路管线83的供水量增加，导入低压省煤器52的供水量减少。
于是，空气冷却器31中，不但从压缩机21通过抽气管线32导入的压缩空气量增加，而且从冷凝器78通过第一冷却水供应管线61导入的供水的温度降低。因此，在空气冷却器31中，从压缩机21导入的大量的压缩空气被从冷凝器78导入的低温的供水冷却。也就是说，启动过程中，提高了对向冷却空气供应管线33送出的冷却用的压缩空气进行冷却的程度。
例如，当来自冷凝器78的供水(冷凝水)为40℃时，通过低压省煤器52的供水和通过省煤器旁路管线83的供水发生混合变成50℃的供水。并且，50℃的供水通过供水泵60经由第一冷却水供应管线61被导入至空气冷却器31。另一方面，从压缩机21抽取的压缩空气的温度为400℃。因此，空气冷却器31利用50℃的供水冷却400℃的压缩空气。其结果400℃的压缩空气在被冷却至200℃后供应至涡轮机23的冷却系统，50℃的供水温度上升至300℃。在此，控制部101监视各个温度传感器111、112、113检测出的供水以及压缩空气的温度，对电动阀35和旁路调节阀84进行开闭控制，使得从空气冷却器31通过冷却空气供应管线33向涡轮机23的冷却系统供应的压缩空气的温度为第一目标温度(例如，200℃)。
其结果空气冷却器31通过将较低温度的压缩空气供应至涡轮机23的冷却系统，从而有效地对涡轮机23的转子24或动叶片进行冷却。于是，燃烧气体所造成的转子24或动叶的位移(扩张)受到抑制，能够将动叶的前端与涡轮缸体侧的间隔维持在适当值。也就是说，启动过程中，通过提高冷却涡轮机23的转子24或动叶的程度，大幅度抑制了它们的扩张，切实防止了与静止系的接触危险。
随后，当燃气涡轮机20达到额定转速时，涡轮缸体侧的叶片环也从高温、高压的燃烧气体接收较多的热量，向外侧的位移量变大。所以，动叶的前端与叶片环的内周面的间隔逐渐增大。因此，在时间t2，将电动阀35的阀开度设为比低水平开度大(例如，开度10％)，并且对旁路调节阀84的阀开度进行闭阀将其控制为预先设定的规定开度(例如，开度0％)。当电动阀35的阀开度变大时，通过空气冷却器旁路管线34的压缩空气量增加，导入空气冷却器31的压缩空气量减少。并且，当旁路调节阀84的阀开度变小时，通过省煤器旁路管线83的供水量减少，导入低压省煤器52的供水量增加。
于是，空气冷却器31中，从压缩机21通过抽气管线32而导入的压缩空气量减少，并且从低压省煤器52通过第一冷却水供应管线61导入的供水的温度上升。因此，在空气冷却器31中，从压缩机21导入的适量的压缩空气被从冷凝器78导入的供水冷却。
例如，当来自冷凝器78的供水(冷凝水)为40℃时，其供水并不通过省煤器旁路管线83，而是全部通过低压省煤器52，通过后的供水的温度变成50℃。并且，150℃的供水通过供水泵60经由第一冷却水供应管线61被导入至空气冷却器31。另一方面，从压缩机21抽取的压缩空气的温度为500℃。因此，空气冷却器31用150℃的供水冷却500℃的压缩空气，在空气冷却器31中冷却后的低温的压缩空气和通过空气冷却器旁路管线34的高温的空气混合。其结果500℃的压缩空气在被冷却至250℃后供应至涡轮机23的冷却系统，150℃的供水温度上升至350℃。在此，控制部101监视各个温度传感器111、112、113检测出的供水以及压缩空气的温度，对温度调节阀63进行开闭控制，使得从空气冷却器31通过冷却空气供应管线33向涡轮机23的冷却系统供应的压缩空气的温度为第二目标温度(例如，250℃)。
其结果空气冷却器31通过将适当温度的压缩空气供应至涡轮机23的冷却系统，从而有效地对涡轮机23的转子24或动叶片进行冷却。于是，燃烧气体所造成的转子24或动叶的位移(扩张)受到抑制，能够将动叶的前端与涡轮缸体侧的间隔维持在适当值。也就是说，负荷上升后，通过降低对涡轮机23的转子24或动叶进行冷却的程度，与启动过程中相比进一步抑制它们的延伸，缩小与静止系的间隔并提高性能。
在此，对压缩空气和供水的温度变化、涡轮机23的旋转系与静止系的间隔的变化进行说明。燃气涡轮机20启动时，导入空气冷却器31的供水的温度T1例如为50℃，在燃气涡轮机20达到额定转速后上升至150℃。另外，燃气涡轮机20启动时，从空气冷却器31排出的供水的温度T2例如为300℃，在燃气涡轮机20达到额定转速后上升至350℃。进而，燃气涡轮机20启动时，在空气冷却器31中被冷却后输送至涡轮机23的压缩空气的温度T3例如为200℃，在燃气涡轮机20达到额定转速后上升至250℃。
因此，虽然涡轮机23的旋转系与静止系的间隔S1在涡轮机23的转速上升的过渡期稍微减少，但维持在大致固定值。这样，由于将间隔S1维持在大致固定值，能够变更为比间隔S1小的间隔S3。在这种情况下，例如，将燃气涡轮机20的负荷上升后的电动阀35的阀开度设为例如大于开度10％，通过升高作为目标的压缩空气的温度，能够缩小涡轮机23的旋转系与静止系的间隔S2。
另外，在燃气涡轮机20中，在涡轮机23的旋转系与静止系的间隔变小的异常状态时，对电动阀35的阀开度进行闭阀控制，直至达到低水平开度以下。异常的状态时是指例如如下的时候。即，向涡轮机23的静止系供应的冷却空气的温度降低或冷却空气的量增加的时候。并且，还包括向空气冷却器31供应的供水的温度上升或供水的量下降的时候。进而，从压缩机21抽取的压缩空气的温度上升或压缩空气的量下降的时候。这时，由于涡轮机23的旋转系与静止系的间隔变小，因此对电动阀35的阀开度进行闭阀控制，直至达到低水平开度以下，增加了在空气冷却器31中冷却的压缩空气的量，降低了向涡轮机23供应的压缩空气的温度。
进而，在燃气涡轮机20中，在进行涡轮机23的旋转系与静止系的间隔变小的运转的情况下，对电动阀35的阀开度进行闭阀控制，直至达到低水平开度以下。例如，在将燃气涡轮机负荷提高至需求以上的过渡时，旋转系的温度上升，间隔变小。这时，对电动阀35的阀开度进行闭阀控制，直至达到低水平开度以下，增加了在空气冷却器31中冷却的压缩空气的量，降低了向涡轮机23供应的压缩空气的温度。
如此，在本实施方式的燃气涡轮机中，在设置有压缩机21、燃烧器22以及涡轮机23的同时，还设置有：空气冷却器31，其将从压缩机21抽取的压缩空气进行热交换并将冷却后的压缩空气供应至涡轮机23的转子系的冷却系统；空气冷却器旁路管线34，其将导入空气冷却器31的压缩空气进行旁路；电动阀35，其设置在空气冷却器旁路管线34上；以及控制部101，其对电动阀35进行开闭控制，使得在燃气涡轮机20启动过程中电动阀35的阀开度为低水平开度以下，在燃气涡轮机20的负荷上升后电动阀35的阀开度大于低水平开度。
所以，燃气涡轮机20启动过程中，当将电动阀35的阀开度设为低水平开度以下时，不但通过空气冷却器旁路管线34的压缩空气量减少，而且导入空气冷却器31的压缩空气量增加。因此，向涡轮机23的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度降低，抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，将动叶与涡轮缸体侧的间隔设为适当量，防止了动叶的前端与涡轮缸体的内周面的接触危险，能够确保安全性。并且，通过在负荷上升后将电动阀35的阀开度设为比低水平开度大，不但通过空气冷却器旁路管线34的压缩空气量增加，而且导入空气冷却器31的压缩空气量减少。因此，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度的降低程度与启动过程中相比变小了。由此，上述间隙变窄，能够提高性能。
在本实施方式的燃气涡轮机中，设置有检测电动阀35的阀开度的检测传感器121，当检测传感器121检测到电动阀35的阀开度在低水平开度以下时，控制部101开始启动燃气涡轮机20。因此，通过在燃气涡轮机20启动前，确认电动阀35的阀开度在低水平开度以下，从而以导入空气冷却器31的压缩空气量较少的状态进行燃气涡轮机20的启动，使转子系未被充分冷却，如此能够防止动叶的前端与涡轮缸体的内周面陷入接触危险。
在本实施方式的燃气涡轮机中，电动阀35是在指示阀开度的控制信号或阀驱动源切断时能够保持当时的阀开度的阀。因此，由于电动阀35维持了当前的开度，即使连接不到控制系统或电源系统时，导入空气冷却器31的压缩空气量也不会发生变动，能够适当冷却转子系并适当保持动叶与涡轮缸体侧的间隔。
在本实施方式的燃气涡轮机中，在燃气涡轮机20的旋转系与静止系的间隔变小的异常状态时，控制部101对电动阀35的阀开度进行闭阀控制，直至达到低水平开度以下。因此，当发生旋转系与静止系的间隔因某种原因而变小的异常状态时，由于可将电动阀35的阀开度进行闭阀控制直至达到低水平开度以下，因此导入空气冷却器31的压缩空气量增加，并且向转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度降低。于是，抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，通过扩大动叶与涡轮缸体侧的间隔，能够提高安全性。
在本实施方式的燃气涡轮机中，在进行燃气涡轮机20的旋转系与静止系的间隔变小的运转的情况下，控制部101对电动阀35的阀开度进行闭阀控制，直至达到低水平开度以下。因此，当进行燃气涡轮机20的旋转系与静止系的间隔因负荷变动等而变小的运转时，由于对电动阀35的阀开度进行闭阀控制直至达到低水平开度以下，因此导入空气冷却器31的压缩空气量增加，并且向转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度降低。于是，抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，通过扩大动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)，能够提高安全性。
在本实施方式的燃气涡轮机中，将电动阀35的低水平开度以下的阀开度设为微开状态。若将电动阀35的阀开度完全进行闭阀控制，则空气冷却器旁路管线34的压缩空气的流动停滞，有可能因温度降低而产生液化。然而，通过将低水平开度以下的阀开度设为微开状态，很少的压缩空气在空气冷却器旁路管线34中流动，能够抑制液化的产生。
另外，在本实施方式的燃气涡轮机联合循环机组中，在设置有燃气涡轮机20、废热回收锅炉40、蒸汽涡轮机70、冷凝器78以及空气冷却器31的同时，还设置有对导入低压省煤器52的供水进行旁路的省煤器旁路管线83以及设置在省煤器旁路管线83上的旁路调节阀84，控制部101在燃气涡轮机20的启动过程中，为了减少向空气冷却器旁路管线34的压缩空气的旁路量，对电动阀35进行闭阀控制，使得电动阀35的阀开度在低水平开度以下，并且为了增加向省煤器旁路管线83的供水的旁路量，对旁路调节阀84的阀开度进行开阀控制，在燃气涡轮机20的负荷上升后，为了增加对空气冷却器旁路管线34的压缩空气的旁路量，对电动阀35进行开阀控制，使得电动阀35的阀开度大于低水平开度，并且为了减少向省煤器旁路管线83的供水的旁路量，对旁路调节阀84的阀开度进行闭阀控制。
因此，由于在燃气涡轮机20的启动过程中导入空气冷却器31的压缩空气量增加，并且冷却该压缩空气的供水的温度降低，因此能够降低向涡轮机23的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度。其结果抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，将动叶与涡轮缸体侧的间隔设为适当量，防止了动叶的前端与涡轮缸体的内周面的接触危险，能够确保安全性。
此外，负荷上升后，为了增加向空气冷却器旁路管线34的压缩空气的旁路量，将电动阀35的阀开度设为比低水平开度大，并且为了减少向省煤器旁路管线83供水的旁路量，对旁路调节阀84的阀开度进行闭阀控制。即，在燃气涡轮机20的负荷上升后，当通过空气冷却器旁路管线34的压缩空气量增加时，导入空气冷却器31的压缩空气量减少。并且，当通过省煤器旁路管线83的供水量减少时，导入低压省煤器52的供水量增加。因此，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度的降低程度与启动过程中相比变小了。由此，上述间隙变窄，能够提高性能。
并且，根据本实施方式的燃气涡轮机的启动方法，在燃气涡轮机20启动过程中，将电动阀35的阀开度设为规定的低水平开度以下，在燃气涡轮机20的负荷上升后，将电动阀35的阀开度设为比低水平开度大。因此，在燃气涡轮机20的启动过程中，向涡轮机23的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度更进一步降低，抑制了燃烧气体造成的转子系的热膨胀，燃气涡轮机20的负荷上升后，将动叶与涡轮缸体侧的间隙(间隔)设为适当量，防止了动叶的前端与涡轮缸体的内周面的接触危险，能够确保安全性。
此外，负荷上升后，为了增加向空气冷却器旁路管线34的压缩空气的旁路量，将电动阀35的阀开度设为比低水平开度大，并且为了减少向省煤器旁路管线83供水的旁路量，对旁路调节阀84的阀开度进行闭阀控制。即，在燃气涡轮机20的负荷上升后，当通过空气冷却器旁路管线34的压缩空气量增加时，导入空气冷却器31的压缩空气量减少。并且，当通过省煤器旁路管线83的供水量减少时，导入低压省煤器52的供水量增加。因此，向涡轮机的转子系的冷却系统供应的压缩空气的温度的降低程度与启动过程中相比变小了。由此，上述间隙变窄，能够提高性能。
另外，在上述实施方式中，将本发明的燃气涡轮机应用于联合循环机组进行了说明，但并不限定于该结构，也可以应用于没有废热回收锅炉的简单循环。
附图标记说明
11 燃气涡轮机联合循环机组
12 燃气涡轮机部
13 蒸汽涡轮机部
20 燃气涡轮机
21 压缩机
22 燃烧器
23 涡轮机
31 空气冷却器
34 空气冷却器旁路管线
35 电动阀(第一阀)
40 废热回收锅炉
41 高压单元
42 高压省煤器
51 低压单元
52 低压省煤器
70 蒸汽涡轮机
71 高压涡轮机
72 低压涡轮机
78 冷凝器
83 省煤器旁路管线
84 旁路调节阀(第二阀)
101 控制部
111 第一温度传感器
112 第二温度传感器
113 第三温度传感器
121 开度传感器(检测部)

Claims (8)

1.一种燃气涡轮机，其特征在于，具有：
压缩机，其对空气进行压缩；
燃烧器，其将所述压缩机压缩的压缩空气与燃料混合并使其燃烧；
涡轮机，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体获取旋转动力；
空气冷却器，其将从所述压缩机抽取的压缩空气进行热交换并将冷却后的压缩空气供应至所述涡轮机的转子系的冷却系统；
空气冷却器旁路管线，其对导入所述空气冷却器的压缩空气进行旁路；
第一阀，其设置在所述空气冷却器旁路管线上；以及
控制部，其对所述第一阀进行开闭控制，使得在燃气涡轮机的启动过程中所述第一阀的阀开度在预先设定的规定的低水平开度以下，并且使得在所述燃气涡轮机的负荷上升后所述第一阀的阀开度比所述低水平开度大。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，设置有检测所述第一阀的阀开度的检测部，当所述检测部检测到所述第一阀的阀开度在所述低水平开度以下时，所述控制部开始启动所述燃气涡轮机。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述第一阀为在切断指示阀开度的控制信号或阀驱动源时能够保持当时的阀开度的阀。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，在所述燃气涡轮机的旋转系与静止系的间隔变小的异常状态时，所述控制部对所述第一阀的阀开度进行闭阀控制，直至达到所述低水平开度以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，在进行所述燃气涡轮机的旋转系与静止系的间隔变小的运转时，所述控制部对所述第一阀的阀开度进行闭阀控制，直至达到所述低水平开度以下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，被设为所述规定的低水平开度以下的所述第一阀的开度为微开状态。
7.一种联合循环机组，具有：
权利要求1至6中任一项所述的燃气涡轮机；
废热回收锅炉，其通过从所述燃气涡轮机排出的废气的废热生成蒸汽；
蒸汽涡轮机，其通过由所述废热回收锅炉生成的蒸汽驱动；
冷凝器，其使从所述蒸汽涡轮机排出的蒸汽凝缩而生成水；
供水管线，其从所述冷凝器将经由省煤器获得的供水输送至所述空气冷却器而与压缩空气进行热交换；
省煤器旁路管线，其将导入所述省煤器的供水进行旁路；以及
第二阀，其设置在所述省煤器旁路管线上，
所述联合循环机组的特征在于，
所述控制部
在所述燃气涡轮机的启动过程中，为了减少向所述空气冷却器旁路管线的压缩空气的旁路量，对所述第一阀进行闭阀控制，使得所述第一阀的阀开度在所述低水平开度以下，并且为了增加向所述省煤器旁路管线的供水的旁路量，对所述第二阀的阀开度进行开阀控制，
在所述燃气涡轮机的负荷上升后，为了增加向所述空气冷却器旁路管线的压缩空气的旁路量，对所述第一阀进行开阀控制，使得所述第一阀的阀开度大于所述低水平开度，并且为了减少向所述省煤器旁路管线的供水的旁路量，对所述第二阀的阀开度进行闭阀控制。
8.一种燃气涡轮机的启动方法，其中所述燃气涡轮机具有：
压缩机，其对空气进行压缩；
燃烧器，其将所述压缩机压缩的压缩空气与燃料混合并使其燃烧；
涡轮机，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体获取旋转动力；
空气冷却器，其将从所述压缩机抽取的压缩空气进行热交换并将冷却后的压缩空气供应至所述涡轮机的转子系的冷却系统；
空气冷却器旁路管线，其对导入所述空气冷却器的压缩空气进行旁路；以及
第一阀，其设置在所述空气冷却器旁路管线上，
所述燃气涡轮机的启动方法的特征在于，
在燃气涡轮机启动过程中将所述第一阀的阀开度设为预先设定的规定的低水平开度以下，并且在所述燃气涡轮机的负荷上升后将所述第一阀的阀开度设为比所述低水平开度大。
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