JP2001241332A

JP2001241332A - ガスタービンプラント

Info

Publication number: JP2001241332A
Application number: JP2000055951A
Authority: JP
Inventors: Masahito Machida; 雅人町田; Isao Takehara; 竹原　　勲; Takeshi Kudo; 健工藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービンの信頼性を向上させたガスタービ
ンプラントを提供する。【解決手段】加圧流動床ボイラ４と、加圧流動床ボイラ
４からの燃焼排ガスによって駆動されるガスタービン２
と、加圧流動床ボイラ４で発生する燃焼排ガスをガスタ
ービン２に導く経路の途中に、コーティング材を供給す
るコーティング材供給装置１２を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンプラ
ントに関する。

【０００２】

【従来の技術】粉塵を含む圧力をもったガスで駆動され
るガスタービンとしては、近年、高効率プラントとして
注目されている、加圧流動床発電プラント用ガスタービ
ンがある。本プラントでは、圧力容器内に設置されたボ
イラにガスタービン圧縮機からの高圧空気を送り、その
ボイラで石炭を燃焼し、蒸気を発生させ、蒸気タービン
を駆動して発電すると共に、その燃焼排ガスでもガスタ
ービンを駆動し発電する。なお、この燃焼排ガス中には
石炭灰が含まれるため、ボイラー〜ガスタービン間に、
燃焼排ガス中から石炭灰を除去するための脱塵装置を設
置して、燃焼排ガス中の石炭灰を除去し、ガスタービン
翼の摩耗を防止している。

【０００３】ところで、燃焼排ガス中から石炭灰を除去
する脱塵装置は、その性能、つまり、燃焼排ガス中の石
炭灰の濃度，粒径分布等は、選定した脱塵装置の型式や
使用する石炭の種類及びプラントの運転状況等により変
化する。また、脱塵装置自身に詰まりやリークなどの故
障が発生してしまう可能性がある。よって、これらのこ
とを考慮し、ガスタービン翼にも耐摩耗性のコーティン
グを実施し、翼の摩耗寿命を延ばす対策が施される。こ
れらのコーティングは、硬度の高い材料を用いてガスタ
ービン翼表面に被覆皮膜を形成させるもので、その施工
は、工場内でのガスタービンの製作時に、予め翼にパッ
ク処理または溶射等の方法により実施される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンプラント
では、翼に摩耗が発生した場合にはガスタービンの分
解，翼の抜き取り及びコーティングの補修や再施工な
ど、期間やコストのかかる作業の作業が必要となってし
まう。特に、加圧流動床発電プラント用ガスタービンで
は、燃焼排ガス中に含まれる石炭灰による翼の摩耗を低
減して、ガスタービンの信頼性を向上させることが望ま
れていた。

【０００５】本発明の目的は、ガスタービンの信頼性を
向上させたガスタービンプラントを提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為
に、本発明のガスタービンプラントは、加圧流動床ボイ
ラと、該加圧流動床ボイラからの燃焼排ガスによって駆
動されるガスタービンと、前記加圧流動床ボイラで発生
する燃焼排ガスを前記ガスタービンに導く経路の途中
に、コーティング材を供給するコーティング材供給装置
とを備えたことを特徴とする。

【０００７】また、本発明のガスタービンプラントの運
転方法は、加圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラか
らの燃焼排ガスによって駆動されるガスタービンとを備
え、前記加圧流動床ボイラの起動時に起動用燃焼器にて
燃焼ガスを発生させ、該起動用燃焼器で発生した燃焼ガ
スにコーティング材を供給することを特徴とする。

【０００８】また、本発明の加圧流動床複合発電プラン
トは、蒸気を発生させる加圧流動床ボイラと、該加圧流
動床ボイラで発生する蒸気によって駆動される蒸気ター
ビンと、前記加圧流動床ボイラからの燃焼排ガスによっ
て駆動されるガスタービンとを備え、前記加圧流動床ボ
イラで発生する燃焼排ガスを前記ガスタービンに導く経
路の途中に、コーティング材を供給するコーティング材
供給装置とを備えたことを特徴とする。

【０００９】また、本発明のガスタービンのコーティン
グ方法は、空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮機
から導かれる空気と燃料とを供給されて燃焼させる加圧
流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラからの燃焼排ガス
により駆動されるガスタービンとを備え、前記加圧流動
床ボイラの起動時に、前記空気圧縮機で圧縮され前記加
圧流動床ボイラに導かれる空気を分岐させて起動用燃焼
器に供給して、該起動用燃焼器で発生した燃焼ガスにコ
ーティング材を供給して該コーティング材を溶融させ、
溶融されたコーティング材をガスタービン翼表面に付着
させることを特徴とする。

【００１０】なお、前述したコーティング材として、石
炭灰を使用することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例であ
る、加圧流動床プラントの系統図を示したものである。

【００１２】図１に示す本実施例の加圧流動床プラント
の構成について説明する。本実施例では、空気を圧縮す
るガスタービン圧縮機１と、ガスタービン圧縮機１から
の圧縮空気と石炭とを燃焼させる加圧流動床ボイラ４
と、加圧流動床ボイラ４での石炭の燃焼により発生した
石炭灰を含む燃焼排ガスを除塵する除塵装置５と、除塵
装置５で除塵された燃焼排ガスによって駆動されるガス
タービン２と、ガスタービン２の回転によって駆動され
る発電機９とを備えている。また、前述した脱塵装置５
には、脱塵装置５で集塵した石炭灰を処理する灰処理装
置１１が設置され、また、ガスタービン圧縮機１には起
動用モータ１０が接続されている。さらに、ガスタービ
ン２の入口には、加圧流動床プラントの起動時に使用す
る燃焼器３が設置されている。なお、特に図示していな
いが、加圧流動床ボイラ４では石炭の燃焼排ガスによっ
て蒸気が発生され、この発生蒸気によって蒸気タービン
を駆動することで、さらにプラントの効率向上が図れ
る。

【００１３】また、本実施例では、ガスタービン圧縮機
出口側であってガスタービン圧縮機１と加圧流動床ボイ
ラ４とを接続する経路に、圧縮空気の供給量を調節する
圧縮空気出口弁６が、ガスタービン入口側であってガス
タービン２と加圧流動床ボイラ４とを接続する経路に、
燃焼排ガスの供給量を制御するガスタービン入口弁７が
設置されている。そして、圧縮空気出口弁６より上流側
であって、ガスタービン圧縮機１で圧縮された空気を加
圧流動床ボイラ４に導く経路の途中から、ガスタービン
入口弁７より下流側であって、加圧流動床ボイラ４から
の燃焼排ガスををガスタービン２に導く経路の途中に接
続するバイパス経路８ａが設置される。このバイパス経
路８ａにはバイパス弁８が設置され、このバイパス弁８
によって分岐させる圧縮空気の制御が行なわれる。

【００１４】さらに、本実施例の加圧流動床プラントに
は、コーティング材を貯蔵するコーティング材貯蔵タン
ク１３が備えられ、このコーティング材貯蔵タンク１３
に貯蔵されたコーティング材料は、コーティング材投入
配管１７によって、燃焼器３からの燃焼ガスをガスター
ビンに供給する経路の途中に供給される。コーティング
材投入配管１７には、コーティング材の供給量や供給時
間を調節するためにコーティング材投入弁１６が設置さ
れている。また、コーティング材貯蔵タンク１３には貯
蔵タンクを加圧するための加圧空気配管１５が接続さ
れ、加圧空気配管１５にはその加圧圧力を調整するため
のタンク加圧弁１４が設置される。なお、コーティング
材貯蔵タンク１３にはコーティング材の一例として石炭
灰が充填されている。

【００１５】以上のように構成された本実施例の加圧流
動床プラントでは、通常運転時には圧縮空気出口弁６お
よびガスタービン入口弁７は開状態、バイパス弁８は閉
状態にされており、ガスタービン圧縮機１からの圧縮空
気は加圧流動床ボイラ４に導かれる。加圧流動床ボイラ
４では、供給された圧縮空気を石炭と共に燃焼させて、
高温・高圧の燃焼排ガスを発生させる。この燃焼排ガス
中は、石炭の燃焼により発生した石炭灰を含有した状態
となっているため、除塵装置５によって排ガス中の石炭
灰を含む塵芥が除塵される。除塵装置５を通過した燃焼
排ガスは、ガスタービン２に導かれてタービンを駆動す
る。そして、ガスタービンと連結された発電機９を駆動
することで発電を行なっている。なお、除塵装置５で燃
焼排ガス中から除塵して回収した石炭灰は灰処理装置１
１に供給される。

【００１６】また、加圧流動床プラントの起動運転時に
は、圧縮空気出口弁６およびガスタービン入口弁７は開
状態、バイパス弁８は閉状態に操作される。ガスタービ
ン圧縮機１からの圧縮空気は、バイパス弁８が開状態に
されたバイパス経路によって起動用の燃焼器３に供給さ
れる。燃焼器３では、別途供給される燃料とバイパスし
て供給される空気とを燃焼させ、その高温の燃焼ガスに
よってガスタービンを駆動する。

【００１７】次に、本実施例の起動運転方法について説
明する。まず、起動前の準備として、圧縮空気出口弁６
及びガスタービン入口弁７を閉止し、バイパス弁８を開
操作する。コーティング材投入装置１２のコーティング
材貯蔵タンク１３には、コーティング材として使用す
る、未燃分の石炭を含む石炭灰を充填しておく。起動準
備が整ったら、起動用モータ１０を起動し、ガスタービ
ン２を着火回転数まで昇速する。その後、燃焼器３に燃
料を送り、燃焼器３を着火させる。燃焼器３着火後は、
高温の燃焼ガスにより、ガスタービン３を定格回転数ま
で昇速し保持する。本実施例ではこの運転状態中に、コ
ーティング材投入装置１２を使用して、ガスタービン翼
にコーティングを実施する。その操作は、以下のように
なる。

【００１８】まず、加圧空気弁１４の開操作を行ない、
コーティング材貯蔵タンク１３を燃焼器３の下流の圧力
より高く加圧して、保持する。その後、コーティング材
投入弁１６を開することにより、コーティング材貯蔵タ
ンク１３内の石炭灰を加圧空気と共に燃焼器３の下流に
投入する。ガスタービン２が定格回転数で運転されてい
る場合の燃焼器３の下流の温度は、約７００℃、燃焼ガ
ス中の酸素濃度も１５％以上はあると予想される。排ガ
ス温度が４００℃以上あれば未燃分に着火できるが、前
述したように、燃焼ガス温度は石炭の着火温度を十分に
上回っているため、投入された石炭灰の未燃分は着火さ
れる。このときの未燃分は、燃焼ガス中で自由に燃焼
し、燃焼温度を制限するものがないため、その燃焼温度
は、燃焼器３の燃焼ガス温度約７００℃を上回り、１２
００〜１５００℃程度となり、石炭灰の融点を越える温
度となる。つまり、投入された石炭灰は溶融した状態
で、ガスタービン２に流入する。また、灰の燃焼温度は
灰の融点を上回るため、溶融灰を飛散させることが可能
となる。

【００１９】次に、ガスタービン翼内の燃焼ガスの流れ
について図２を用いて説明する。ガスタービン２は、図
２示すような数段の静翼２０と動翼２１の翼列とで構成
されている。ガスタービン２に流入した燃焼ガスは、矢
印２２で示す方向から静翼２０に流入する。そして、実
線２３で示すような流線を描いて、静翼２０の翼列内を
通過し、静翼２０から流出する。静翼２０の翼列内を通
過した燃焼ガスは、矢印２４で示した方向から動翼２１
側に流入する。そして、実線２５で示した流線を描いて
動翼２１の翼列内を通過し、動翼２１から流出し、後流
段に流入する。

【００２０】図３は、ガスタービン翼内の石炭灰の流れ
を示す図である。ガスタービン２に流入した燃焼ガスに
溶融した石炭灰が含まれた場合、この溶融した石炭灰翼
列内の挙動は図３の破線で示したような挙動になる。つ
まり、溶融した石炭灰は、ガスよりも慣性力が大きいた
め、翼入口部及び翼間の翼に近接した部分に流入した溶
融灰は、図中に破線で示したような軌跡で静翼２０・動
翼２１の翼表面に衝突し、付着する。翼表面に付着した
溶融灰は、後に未燃分が燃えつきること及び翼表面は境
界層によって温度が低いことの影響により、冷却され、
融点以下となり、石炭灰のコーティング層が形成され
る。以上のようにして、溶融してガスタービン２に流入
した石炭灰は、ガスタービン翼にコーティング皮膜を形
成している。

【００２１】このように、投入されたコーティング材
は、燃焼器の燃焼ガスの熱の作用によりガスタービン翼
までに到達するまでに溶融し、翼表面に衝突して、コー
ティング皮膜を形成する。コーティング層が形成される
部分は、図３の破線で示した軌跡より、図６に示す静翼
のガス入り口部２６と静翼の腹側２７の出口部、動翼２
１についても同様に、動翼のガス入り口部２８と動翼の
腹側２９の出口部の部分となる。

【００２２】通常運転時には、加圧流動床ボイラ４か
ら、翼の摩耗の原因となる石炭灰を含んだ燃焼排ガスが
ガスタービン４に流入するが、この灰の静翼２０及び動
翼２１の翼列内での挙動は、その慣性力がガスよりも大
きいため、図３の破線で示したものと同様となる。つま
り、溶融灰が付着してコーティング皮膜が形成される図
４で示した部分は、通常運転時には石炭灰が衝突し、摩
耗の発生しやすい部分と同一である。よって、本実施例
により、コーティング材投入装置１２を設置し、起動時
に石炭灰によるコーティングを実施することにより、そ
の後の通常運転時に摩耗が発生する可能性のある部位
に、事前にコーティング皮膜を形成できる。石炭灰の成
分は、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃などの、硬質な成分が主であ
るため、こうして形成された皮膜は、耐摩耗性のコーテ
ィング皮膜として十分に機能すると考えられ、翼の摩耗
寿命を延ばすことが可能となる。

【００２３】以上説明したように、本実施例によれば、
ガスタービン翼表面にコーティング皮膜を形成すること
で摩耗寿命を延長させることができるので、ガスタービ
ンプラントの信頼性を向上させることが可能となる。ま
た、ガスタービンを分解することなく運転しながら、具
体的にはガスタービンの起動運転時に翼コーティング作
業を行なうことができるため、分解作業を必要とする従
来と比べて作業時間の短縮を図ることができる。さら
に、翼の摩耗寿命を延長させることで、翼の補修や交
換，コーティングの補修，再施工といった作業が必要と
なるまでの運転時間が延長できるので、プラント停止に
よる点検期間の短縮及び点検費用が削減できる。

【００２４】なお、コーティング材として使用する石炭
灰は、図１に示すように、脱塵装置５で回収した石炭灰
を使用することも可能である。このとき、脱塵装置５で
脱塵され灰処理装置１１を介した石炭灰は、石炭灰供給
弁１９を備えた石炭灰供給配管１８によってコーティン
グ材貯蔵タンク１３に供給される。このように構成する
ことで、通常運転中に石炭灰供給弁１９を開して、コー
ティング材貯蔵タンク１３に石炭灰を送ることにより、
次回の起動での投入準備を完了できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、ガスタービン翼の耐摩
耗性を向上させることができるため、ガスタービンの信
頼性を向上させたガスタービンプラントを提供すること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である加圧流動床プラントの
系統図。

【図２】ガスタービン翼内のガスの流れを示す図。

【図３】ガスタービン翼内の石炭灰の流れを示す図。

【図４】本実施例により翼のコーティング皮膜ができる
部分を示す図。

【符号の説明】

１…ガスタービン圧縮機、２…ガスタービン、３…燃焼
器、４…加圧流動床ボイラ、５…脱塵装置、６…圧縮空
気出口弁、７…ガスタービン入口弁、８…バイパス弁、
９…発電機、１０…起動用モータ、１１…灰処理装置、
１２…コーティング材投入装置、１３…コーティング材
貯蔵タンク、１４…タンク加圧弁、１５…加圧空気配
管、１６…コーティング材投入弁、１７…コーティング
材投入配管、１８…石炭灰供給配管、１９…石炭灰供給
弁、２０…静翼、２１…動翼、２２〜２５…燃焼ガス、
２６…静翼のガス入り口部、２７…静翼の腹側、２８…
動翼のガス入り口部、２９…動翼の腹側。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者工藤健茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所火力・水力事業部内Ｆターム(参考） 3G002 EA05 EA07 3G081 BA02 BA13 BB00 BC05 DA21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラ
からの燃焼排ガスによって駆動されるガスタービンと、
前記加圧流動床ボイラで発生する燃焼排ガスを前記ガス
タービンに導く経路の途中に、コーティング材を供給す
るコーティング材供給装置とを備えたことを特徴とする
ガスタービンプラント。
【請求項２】空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮
機から導かれる空気と燃料とを供給されて燃焼させる加
圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラからの燃焼排ガ
スにより駆動されるガスタービンと、前記加圧流動床ボ
イラで発生する燃焼排ガスを前記ガスタービンに導く経
路の途中に設置される燃焼器と、該燃焼器より後流側の
経路にコーティング材を供給するコーティング材供給装
置とを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項３】空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮
機から導かれる空気と燃料とを供給されて燃焼させる加
圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラからの燃焼排ガ
スにより駆動されるガスタービンと、前記加圧流動床ボ
イラで発生した燃焼排ガスを前記ガスタービンに導く経
路の途中に設置される燃焼器と、前記空気圧縮機で圧縮
された空気を前記燃焼器の上流側の経路にバイパスさせ
るバイパス経路と、該燃焼器より後流側の経路にコーテ
ィング材を供給するコーティング材供給装置とを備えた
ことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項４】空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮
機から導かれる空気と燃料とを供給されて燃焼させる加
圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラで発生した燃焼
排ガスにより駆動されるガスタービンと、燃焼排ガスか
ら塵芥を脱塵する脱塵装置と、前記加圧流動床ボイラで
発生する燃焼排ガスを前記ガスタービンに導く経路の途
中に設置される燃焼器と、該燃焼器より後流側の経路に
コーティング材を供給するコーティング材供給装置と、
前記脱塵装置で燃焼排ガスから分離された石炭灰を前記
コーティング材供給装置に供給する石炭灰供給装置とを
備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項５】蒸気を発生させる加圧流動床ボイラと、該
加圧流動床ボイラで発生する蒸気によって駆動される蒸
気タービンと、前記加圧流動床ボイラからの燃焼排ガス
によって駆動されるガスタービンとを備え、前記加圧流
動床ボイラで発生する燃焼排ガスを前記ガスタービンに
導く経路の途中に、コーティング材を供給するコーティ
ング材供給装置とを備えたことを特徴とする加圧流動床
複合発電プラント。
【請求項６】加圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラ
からの燃焼排ガスによって駆動されるガスタービンとを
備え、前記ガスタービンの起動時に起動用燃焼器にて燃
焼ガスを発生させ、該起動用燃焼器で発生した燃焼ガス
にコーティング材を供給することを特徴とするガスター
ビンプラントの運転方法。
【請求項７】空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮
機から導かれる空気と燃料とを供給されて燃焼させる加
圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラからの燃焼排ガ
スにより駆動されるガスタービンとを備え、前記ガスタ
ービンの起動時に、前記空気圧縮機で圧縮された空気を
起動用燃焼器に供給して燃焼ガスを発生させ、前記ガス
タービンに導く起動用燃焼器で発生した燃焼ガスにコー
ティング材を供給することを特徴とするガスタービンプ
ラントの運転方法。
【請求項８】空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮
機から導かれる空気と燃料とを供給されて燃焼させる加
圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラからの燃焼排ガ
スにより駆動されるガスタービンと、前記加圧流動床ボ
イラで発生する燃焼排ガスから塵芥を除塵する脱塵装置
とを備え、前記ガスタービンの起動時に、前記空気圧縮
機で圧縮され前記加圧流動床ボイラに導かれる空気を分
岐させて起動用燃焼器に供給して、該起動用燃焼器で発
生した燃焼ガスを前記ガスタービンに導く経路の途中
に、前記脱塵装置で燃焼排ガスから分離された石炭灰を
供給することを特徴とするガスタービンプラントの運転
方法。
【請求項９】空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮
機から導かれる空気と燃料とを供給されて燃焼させる加
圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラからの燃焼排ガ
スにより駆動されるガスタービンとを備え、前記ガスタ
ービンの起動運転時に、前記空気圧縮機で圧縮され前記
加圧流動床ボイラに導かれる空気を分岐させて起動用燃
焼器に供給して、該起動用燃焼器で発生した燃焼ガスに
コーティング材を供給して該コーティング材を溶融さ
せ、溶融されたコーティング材をガスタービン翼表面に
付着させることを特徴とするガスタービンのコーティン
グ方法。
【請求項１０】空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧
縮機から導かれる空気と燃料とを供給されて燃焼させる
加圧流動床ボイラと、該加圧流動床ボイラからの燃焼排
ガスにより駆動されるガスタービンと、前記加圧流動床
ボイラで発生する燃焼排ガスから塵芥を除塵する脱塵装
置とを備え、前記ガスタービンの起動運転時に、前記空
気圧縮機で圧縮され前記加圧流動床ボイラに導かれる空
気を分岐させて起動用燃焼器に供給して、該起動用燃焼
器で発生した燃焼ガスに、前記脱塵装置で燃焼排ガスか
ら分離された石炭灰を供給して該石炭灰を溶融させ、溶
融された溶融灰をガスタービン翼表面に付着させること
を特徴とするガスタービンのコーティング方法。