JP2000511258A - ガスタービンの運転方法とこの方法で運転されるガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃焼室（８）に圧縮空気（ＦＬ）および燃料（Ｂ）が供給されるガスタービン（１）の運転中において、ガスタービン（１）に供給された冷却材（ＫＭ_L、ＫＭ_R）が加熱される。特に高い効率を得るために本発明に基づいて、冷却材（ＫＭ_R）として炭化水素を含む第１の混合成分（ＥＧ）および水を含む第２の混合成分（ＷＤ）が使用され、これらの混合成分（ＥＧ、ＷＤ）はガスタービン（１）内で吸熱反応し、その際に変換および加熱された冷却材（ＨＫＭ_R）が燃焼室（８）に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービンの運転方法とこの方法で運転されるガスタービン 本発明は、燃焼室に圧縮空気および燃料が供給され、ガスタービンに冷却材が 供給されるようなガスタービンの運転方法に関する。本発明は更にこの方法で運 転されるガスタービンに関する。 ガスタービンの運転中に通常は、燃焼室に燃焼用空気として圧縮空気が供給さ れ、そこで化石燃料と一緒に燃焼される。その際に発生された高温煙道ガスはタ ービン内で膨張して仕事をする。高い効率を得るために圧縮空気をタービンから の排気と間接的に熱交換して加熱することは、１９７４年フォーゲル社出版のフ リッツ・ディーツェル著の文献「ガスタービン（Ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｎ）」、 第２７〜２８頁から知られている。 更にガスタービンは運転中に冷却される。そのためにガスタービンにおいてタ ービン翼内を開放サイクル式に圧縮冷却空気を貫通させることは、文献「モータ ーテヒニッシェ・ツァイトシュリフト（Ｍｏｔｏｒｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅ ｉｔｓｃｈｒｉｆｔ）」、４９（１９８８年）、第２３９〜２４０頁から知られ ている。その場合圧縮機で圧縮された空気の一部が冷却空気として利用され、こ の冷却空気はその後でタービン内で開放タービン翼から流出し、煙道ガス流に混 合される。このタービン翼の開放サイクル式の空気冷却方式は、静翼および動翼 から冷却空気が流出するためにタービンの内部およびタービンの下流側における 煙道ガスの温度を低下させてしまう。これによってガスタービンの効率は制限さ れる。 更にヨーロッパ特許出願公開第６７０４１８号明細書から、メタンの改質によ って発生される冷却材が使用される改質装置の冷却方法が知られている。その際 冷却材の原料はタービンの外部で反応する。 本発明の課題は、特に高い効率が得られるようなガスタービンの運転方法を提 供することにある。更に本発明はこの方法を実施するために特に適したガスター ビンを提供することにある。 この方法についての課題は本発明によれば請求項１に記載の手段によって解決 される。 冷却材としては炭化水素を含む第１の混合成分および水を含む第２の混合成分 が使用される。ガスタービンの内部特にタービン翼の中で混合成分の吸熱反応が 行われる。その際に冷却材はタービン翼を洗流する高温煙道ガスからエネルギー を吸収する。その反応で変換された冷却材即ち反応生成物は続いて燃焼室に供給 される。変換および加熱された冷却材を燃焼室に運び入れることによって、化学 的に閉じ込められた反応エネルギーおよび吸収されていた熱は、ここで燃焼過程 中に発散させられる。 本発明は、効率を高めるために化学反応の際に蓄え得るエネルギーを使用する という考えから出発している。このことは、冷却材として少なくとも二つの物質 から成る混合物が使用され、その際反応物質が吸熱反応することによって行われ る。吸熱反応にとって必要なエネルギーは適当な個所で特に有効に吸収される必 要がある。これは高温煙道ガス流の熱を吸収することによって行われる。その際 に吸収されたエネルギーは続いて燃焼過程中に特に有効に発散され、従ってプロ セスに組み入れられる。 ガスタービンにおいて冷却材を特に効果的に使用するために、第１の混合成分 として天然ガスが、第２の混合成分として水蒸気が使用される。天然ガス・水蒸 気・混合気によって冷却されないすべての部材は好適には圧縮機から取り出され た空気で冷却される。その場合、化学反応で形成された冷却材の量と圧縮機から 取り出されガスタービンを冷却するために使用される冷却材（冷却空気）の量と の比率は任意に決定される。空冷される部材は閉鎖サイクル式冷却系並びに開放 サイクル式冷却系を有することができる。 冷却材は冷却回路内にある一つあるいは各タービン翼、特に動翼および静翼を 貫流すると有利である。更に冷却材はタービン翼に加えてタービン軸および／又 はタービン車室も特に閉鎖通路系において貫流する。 冷却材の第１および第２の混合成分の化学反応の際にできるだけ高い反応変換 率を得るために触媒が使用される。その際触媒材料としては特にニッケルが使用 される。触媒は例えばタービン翼の内部空間、特に中空室の触媒被膜の形をした 冷却すべきタービン翼の構成部材であると有利である。 圧縮機、燃焼室、タービン、冷却空気を供給するための冷却空気管および圧縮 空気を燃焼室に供給するための新鮮空気管を備えたガスタービンについての本発 明の上述の課題は、本発明に基づいて、炭化水素を含む第１の混合成分および水 を含む第２の混合成分から冷却材を発生するために混合装置が設けられ、この混 合装置が多数の冷却材通路を介してタービンに開口し、タービンの内部空間が少 なくとも部分的に触媒で被覆されることによって解決される。 混合成分の化学反応を助成するための触媒あるいは触媒被膜は混合装置の構成 部材であってもよい。 個々のタービン翼列に別々に冷却材を供給できるようにするために、好適には 冷却材管として形成された各冷却材通路がタービン翼列に開口している。従って 加熱された冷却材を排出するために冷却材通路又は管の数に対応した数の排出管 が設けられていると有利である。冷却材管およびタービン翼を通る冷却回路並び に排出管は好適には閉鎖通路系として形成される。この通路系はタービン翼だけ でなく、好適にはタービン軸および／又はタービン車室も貫通している。 タービン内で変換および加熱された冷却材を特に簡単に燃焼室に供給できるよ うにするために、好適には燃焼室にタービンから流出する冷却材に対する配管が 接続される。 本発明によって得られる利点は特に、タービン内において化学反応によって変 換および加熱された冷却材を燃焼室に供給することによって、化学的に閉じ込め られた反応エネルギー並びに吸収された熱が燃焼室内における燃焼過程中に発散 されることにある。これは燃料消費量を減少させる。従ってガスタービンの効率 が高められる。 以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。 図１は冷却材を発生するための混合装置を備えたガスタービンの概略構成図、 図２は図１のタービンにおける冷却通路付きの静翼および動翼の概略構成図で ある。 各図において同一部分には同一符号が付されている。 図１におけるガスタービン１はタービン２を有し、このタービンはタービン軸 ３を介して空気圧縮機４および発電機６に連結されている。タービン２には燃焼 室８が前置接続されている。空気圧縮機４は吸込み側に吸込み管１０を有し、吐 圧側にそれぞれタービン２に開口している多数の冷却空気管１１、１２、１３を 有している。空気圧縮機４は更に吐圧側に燃焼室８に開口している新鮮空気管１ ６を有している。タービン２には燃焼室８に開口している変換および加熱された 冷却材Ａに対する配管１８が接続されている。タービン２は更に排気管２０を有 している。煙道ガス管２２は燃焼室８をタービン２に接続している。 ガスタービン１の運転中に燃焼室８には燃料管２４を介して化石燃料Ｂ例えば 天然ガスあるいは石炭ガスが供給される。また燃焼室８には変換および加熱され た冷却材Ａが配管１８を介して供給される。燃料Ｂは燃焼室８内で配管１８を介 して供給される変化および加熱された冷却材Ａおよび新鮮空気管１６を介して供 給される圧縮空気あるいは新鮮空気Ｃと一緒に燃焼される。その燃焼の際に生ず る高温煙道ガスあるいは作動媒体Ｄは煙道ガス管２２を介してタービン２に導か れる。煙道ガスＤはそこで膨張し、タービン２を駆動する。このタービン２はま た空気圧縮機４および発電機６を駆動する。煙道ガスＤはタービン２から排気Ｅ として出て排気管２０を介して煙突（図示せず）に向かって流れる。排気Ｅはガ ス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラにおいて蒸気を発生するためにも使用で きる。そのようなガス・蒸気複合タービン設備は例えばヨーロッパ特許第０４１ ０１１１号明細書から知られている。 煙道ガスＤはタービン２に流入する際に１１００℃を超える高い温度を有して いる。従ってタービン２の部材特にタービン翼（図２参照）は冷却される必要が ある。このタービン２の冷却はこの実施例の場合一部が開放サイクル式に、一部 が閉鎖サイクル式に形成されている冷却系２６における冷却材Ｆ、Ｇによって行 われる。 冷却系２６の開放サイクル式部分においては、圧縮空気の一部が空気圧縮機４ の吐圧側で冷却材あるいは冷却空気Ｆとして取り出される。この冷却空気Ｆはタ ービン２に冷却空気管１１、１２、１３を介して供給される。各冷却空気管１１ 、１２、１３はタービン翼列２８、２８’、２８”に開口している。冷却空気Ｆ はタービン翼列２８、２８’、２８”を貫流し、その際に加熱される。加熱され た 冷却空気は図示されていない方式でタービン翼の流出開口から流出し、タービン ２の内部で煙道ガスＤの流れに供給される。 冷却系２６の閉鎖サイクル式部分においては、混合装置２９で発生される天然 ガス・水蒸気・混合気が冷却材Ｇとして使用される。そのために混合装置２９に 炭化水素を含む天然ガスＩが配管３０を介して、水を含む水蒸気Ｋが配管３１を 介してそれぞれ供給される。冷却材Ｇをタービン２に運び入れるために混合装置 ２９に多数の別個の冷却材管３３、３４、３５が接続されている。各冷却材管３ ３、３４、３５はタービン翼列３８、３８’、３８”に開口している。 タービン２は加熱された冷却材Ａに対する多数の排出管４０、４１、４２を有 している。その際各冷却材管３３、３４、３５にはそれぞれ、タービン翼列３８ 、３８’、３８”から別々に出ている変換および加熱された冷却材Ａに対する排 出管４０、４１、４２が付設されている。冷却系２６を閉回路にするために、各 排出管４０、４１、４２は燃焼室８に結合されている変換および加熱された冷却 材Ａに対する配管１８にそれぞれ接続されている。 原理的には、冷却系２６の開放サイクル式部分および閉鎖サイクル式部分並び に使用される冷却材即ち冷却空気Ｆあるいは冷却材Ｇを任意に組み合わせること ができる。その場合タービン翼列２８、２８’、２８”、３８、３８’、３８” は冷却系２６の開放サイクル式部分あるいは閉鎖サイクル式部分に結合れる。し かし好適には冷却系２６の開放サイクル式部分に対しては冷却空気Ｆだけが使用 される。これに対して冷却系２６の閉鎖サイクル式部分に対しては冷却材Ｇが使 用されるか、冷却材Ｇ並びに冷却空気Ｆが使用される。冷却系２６の閉鎖サイク ル式部分に対して冷却空気Ｆが使用されるとき、これは図示していない方式で加 熱された冷却空気として燃焼過程の前にあるいはそこに直接供給される。 図２はそれぞれ冷却回路５０ないし５０’の冷却通路４８、４８’を備えたタ ービン２の動翼列３８’の動翼４４および静翼列３８の静翼４６を示している。 動翼４４並びに静翼４６は冷却回路５０ないし５０’内を導かれる冷却材Ｇによ って冷却される。動翼４４の中および静翼４６の中でそれぞれ冷却材Ｇの原料が 即ち第１の混合成分としての天然ガスＩおよび第２の混合成分としての水蒸気Ｋ が反応し、次式に応じて水素と一酸化炭素を発生する。 ＣＨ₄＋Ｈ₂⇒３Ｈ₂＋ＣＯ この冷却材Ｇが変換する際に高温煙道ガスＤから約２０６ｋＪ／ｍｏｌのエネ ルギーが吸収される。更に変換された冷却材Ｇは高温煙道ガスＤとの間接熱交換 によって加熱され、その際に変換および加熱された冷却材Ａが生ずる。 できるだけ高い反応率あるいは転換率を得るために触媒Ｈが使用され、その触 媒材料は例えばニッケルである。触媒Ｈは反応室例えば動翼４４および静翼４６ の内部空間の被膜として設けられている。動翼４４および静翼４６の内部空間の 被膜に加えてあるいはそれに代えて、混合装置２９の内部空間を触媒材料Ｈで被 覆することもできる（図１参照）。 冷却材Ｇはタービン車室５２に設けられている通路５４を通って静翼４６に供 給される。その際通路５２は詳細には示していない方式で対応した冷却材管３４ に接続されている。静翼４６の変換および加熱された冷却材Ａはタービン車室５ ２に設けられている通路５４’を通って排出され、この通路５４’は対応した排 出管４１に接続されている。 同じように動翼４４に冷却材Ｇがタービン軸３に設けられている通路５６を通 して導かれ、この通路は対応した冷却材管３３に接続されている。変換および加 熱された冷却材Ａはタービン軸３に設けられている通路５６’を通して排出され 、これは対応した排出管４０に接続されている。 従って冷却系２６の閉鎖サイクル式部分は動翼４４および静翼４６に対して、 冷却材Ｇを供給すべき通路５６ないし５４、冷却通路４８ないし４８’、冷却回 路５０ないし５０’並びに変換および加熱された冷却材Ａを排出する通路５６’ ないし５４’を有している。 タービン翼４４、４６内で変換および加熱された冷却材Ａは続いて燃料Ｂおよ び新鮮空気Ｃと一緒に燃焼室８内で燃焼される。変換および加熱された冷却材Ａ の中に化学的に閉じ込められた約２０６ｋＪ／ｍｏｌのエネルギーおよび吸収熱 は燃焼過程中に特に効果的に発散され、従ってプロセスに組み入れられる。この 結果、燃料消費量は減少され、従ってガスタービンの効率は高められる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼室（８）に圧縮空気（ＦＬ）および燃料（Ｂ）が供給され、ガスタービ ン（１）に冷却材（ＫＭ_L、ＫＭ_R）が供給されるガスタービン（１）の運転方法 において、冷却材（ＫＭ_R）として炭化水素を含む第１の混合成分（ＥＧ）およ び水を含む第２の混合成分（ＷＤ）が使用され、これらの混合成分（ＥＧ、ＷＤ ）がガスタービン（１）内で吸熱反応し、その際に変換および加熱された冷却材 （ＨＫＭ_R）が燃焼室（８）に供給されることを特徴とするガスタービンの運転 方法。 ２．第１の混合成分として天然ガス（ＥＧ）が、第２の混合成分として水蒸気（ ＷＤ）が使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．両混合成分（ＥＧ、ＷＤ）を反応させるために触媒（ＮＩ）が使用されるこ とを特徴とする請求項１又は２記載の方法。 ４．触媒としてニッケルが使用されることを特徴とする請求項３記載の方法。 ５．冷却材（ＫＭ_R）が冷却回路（４８、４８’）内にある一つあるいは各ター ビン翼（４４、４６）を貫流することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか １つに記載の方法。 ６．冷却材（ＫＭ_R）がタービン軸（３）および／又はタービン車室（５２）を 少なくとも部分的に貫流することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つ に記載の方法。 ７．冷却材（ＫＭ_L）として圧縮空気（ＦＬ）の一部が使用されることを特徴と する請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。 ８．燃焼室（８）、タービン（２）、圧縮機（４）、冷却空気（ＫＭ_L）を供給 するための冷却空気管（１１、１２、１３）および圧縮空気（ＦＬ）を燃焼室（ ８）に供給するための新鮮空気管（１６）を備えたガスタービン（１）において 、炭化水素を含む第１の混合成分（ＥＧ）と水を含む第２の混合成分（ＷＤ）と から冷却材（ＫＭ_R）を発生するためにこれらを混合する混合装置（２９）が設 けられ、この混合装置（２９）が多数の冷却材通路（３３、３４、３５）を介し てタービン（２）に開口し、タービン（２）の内部空間が少なくとも部分的に触 媒で被覆されていることを特徴とするガスタービン。 ９．タービン（２）から流出する加熱された冷却材（ＨＫＭ_R）に対する配管（ １８）が燃焼室（８）に接続されていることを特徴とする請求項８記載のガスタ ービン。 １０．各冷却材通路（３３、３４、３５）がタービン（２）の翼列（３８、３８ ’、３８”）に開口していることを特徴とする請求項８又は９記載のガスタービ ン。 １１．加熱された冷却材（ＨＫＭ_R）に対して冷却材通路（３３、３４、３５） の数に対応した数の排出管（４０、４１、４２）が設けられていることを特徴と する請求項８ないし１０のいずれか１つに記載のガスタービン。 １２．冷却材（ＫＭ_R）に対して、タービン（２）の翼列（３８、３８’、３８ ”）および／又はタービン軸（３）および／又はタービン車室（５２）を通る閉 鎖通路系（２６）が設けられていることを特徴とする請求項８ないし１１のいず れか１つに記載のガスタービン。 １３．混合装置および／又は一つあるいは各タービン翼（４４、４６）の内部に 触媒（ＮＩ）が設けられていることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか １つに記載のガスタービン。