JP2001241333A - 二元燃料ガスタービン用のデュアルオリフィスバイパスシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換器を出る圧縮機吐出空気を所定の温度
に維持する一方熱交換器に供給される冷却用媒体の入口
温度を広い変動範囲で許容する。 【解決手段】 圧縮機の吐出空気が、冷却水と熱交換関
係で熱交換器を通って流れ、霧化用空気およびパージモ
ードにおいて低下された温度で二元燃料ガスタービンの
燃焼器に供給される。熱交換器は、この熱交換器を出る
圧縮機吐出空気の温度に応答して熱交換器を通る水の流
れを制御する温度調節弁と並列に一対のバイパス通路を
もっている。空気霧化モードで圧縮機吐出空気の低い温
度に応答して流量制御弁が閉じると、オリフィスを有す
るバイパス通路が冷却水の最小保護の流れを熱交換器に
提供する。熱交換器で空気流と熱除去が半分しか必要と
されないパージモードにおいては、バイパス通路の一方
のバイパス弁が閉じて熱交換器を通る冷却水の流れを低
減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二元燃料ガスター
ビンの圧縮機吐出空気の温度を制御するシステムに係
り、特に、単一の熱交換器を用いつつ２つの異なる熱除
去モードを必要とする液体燃料と気体燃料のいずれの運
転中にも圧縮機吐出空気の温度を制御するための多段式
デュアルバイパスシステムに係る。

【０００２】

【従来の技術】二元燃料ガスタービンにおいてタービン
は気体状燃料と液体状燃料のいずれかを燃焼させること
によって作動する。この際後者の燃料は通常留出油であ
る。一方の燃料が燃焼する場合、他方の燃料のノズルは
連続的にパージされなければならない。たとえば、ター
ビン燃焼器で気体状燃料が燃焼する場合、燃焼器の液体
燃料ノズル、霧化用空気ノズルおよび水噴射ノズルは冷
却された圧縮機吐出空気を用いてパージされる。液体燃
料を燃焼させる場合、その液体燃料を霧化するための霧
化用空気を燃焼器に供給し、一方気体燃料ノズルは直接
ケーシングからの圧縮機吐出空気を用いてパージする。
液体燃料運転中の空気霧化モードでは、低温、たとえば
２２５°Ｆの圧縮機吐出空気を供給して液体燃料ノズル
を通って流れる液体燃料を霧化し、一方、パージモード
中はパージ用空気として低温・低圧の圧縮機吐出空気を
液体燃料ノズル、霧化用空気ノズルおよび水噴射ノズル
に供給する。液体燃料運転の霧化空気モード中、燃料油
を霧化するために圧力比が高くなり、すなわち、単にノ
ズル通路を清浄に保つためよりも高い圧力比が必要にな
ることが分かる。したがって、気体燃料運転中のパージ
モードでは、圧縮機吐出パージ空気の流れは低くなり、
たとえば空気霧化モードで同じ温度にある場合の約半分
の流れに減少される。

【０００３】よく知られているように、ガスタービンの
圧縮機は実質的に一定の温度、たとえば８００°Ｆ程度
で空気を吐出する。霧化空気モードでは液体燃料を霧化
するために系の空気の１００％を燃焼器で使用するが、
パージモードではパージのために系の空気の約５０％の
みを使用する。霧化空気モードとパージ空気モードのい
ずれにおいても、圧縮機吐出空気は温度が低下され、す
なわち熱交換器で約２２５°Ｆまで冷却される。冷却用
媒体（通常は水であり、以後水という）を圧縮機吐出空
気と熱交換関係に置いて空気の温度を所望の温度に低下
させる。この低下した空気温度は熱交換器を通る水の流
れを制御することによって得られる。熱交換器への冷却
水入口温度は季節の周囲条件に基づいてかなり変化す
る。また、パージモードでの熱交換器内における冷却水
への熱の除去は霧化空気モードにおける熱の除去のほぼ
半分であるから、システムは最悪の条件、すなわち霧化
空気条件に合った大きさでなければならない。

【０００４】圧縮機吐出空気の温度を制御する従来のシ
ステムでは、熱交換器を通る冷却用媒体の流れは、熱交
換器を出る圧縮機吐出空気の温度に応答する温度調節弁
によって制御される。しかし、冷却水の周囲温度が低い
場合、たとえば冬季に供給される冷却水を用いる場合、
水流の低下により熱交換器内で水が沸騰することがあ
る。そうすると、熱交換器が損傷を受け、タービンの運
転停止に至ることがある。この問題が認識された結果、
水流調節弁の周りにオリフィスバイパスを設けることが
提案された。これにより、熱交換器を出る空気の温度が
温度調節弁を閉じなければならない温度に低下するよう
な程度の量の熱が熱交換器内で冷却水に除去される場合
にも熱交換器を通る保護的な最小の水流が確保される。
吐出空気が過冷却されると凝縮が増大し、これは除かな
ければならず、さもないとシステムが妥協を受けるので
不利である。

【０００５】熱交換器の入口における水の周囲温度が低
いときに水流を十分に低下させることができないという
問題は、そのシステムを霧化空気モードではなくパージ
モードで運転したときの方が悪化する。パージモードの
場合、熱交換器内で冷却水に除去される熱は霧化空気モ
ードの場合の熱除去と比べて大きく低下し、たとえば半
分程度になり、したがって必要とされる冷却水流が減少
する。熱交換器は最高の冷却水温度における最大の熱除
去に合うような大きさとなっているので、最小の熱除去
および低い周囲冷却水入口温度の条件で２２５°Ｆとい
う所望の圧縮機吐出空気温度を維持することは不可能で
あり、圧縮機吐出空気の過冷却が生じる。

【０００６】

【発明の要約】本発明により、単一の熱交換器を使用し
て霧化空気モードとパージモードの両方の作動の要件を
満足する、温度応答流量調節弁と協同する多段式デュア
ルバイパスシステムが提供される。このためには、冷却
用媒体、たとえば水の流れは、すでに開示されている慣
用のシステムと同様に、熱交換器を出る圧縮機吐出空気
の温度に応答する温度調節弁によって制御する。しか
し、対照的に、本発明では温度調節弁のバイパスとなる
一対の通路を設ける。この通路は各々がオリフィスをも
っている。第一のバイパス通路内のオリフィスの絞り
は、温度調節弁が閉じられているパージモードの運転中
熱交換器を通る冷却水の流れを可能にするような大きさ
である。これにより、圧縮機吐出空気を約２２５°Ｆに
冷却するために熱交換器を通る冷却用媒体の流れが低減
され、その結果過冷却が阻止される。すなわち、このオ
リフィスの絞りをもつ第一のバイパス通路はパージモー
ド運転に合った大きさであり、その結果熱交換器を通る
低減された流量の冷却水が熱交換器を出る圧縮機吐出空
気の温度を約２２５°Ｆに維持することができる。霧化
空気モードでは第二のバイパス通路内のバイパス遮断弁
が開く。入口における周囲冷却水温度が低く、したがっ
て熱交換器を出る空気温度が低下し、これに応答して温
度調節弁が閉じた場合、霧化空気モードの２つのバイパ
ス通路により、熱交換器を通る最小の保護的な冷却水流
が得られ、熱交換器内における冷却水の熱の蓄積（これ
は熱交換器に損傷を起こし、タービンの運転停止を必要
とする）が阻止される。このように、２つのバイパス通
路内のオリフィスは霧化空気モードにおける最悪の状況
に合った大きさとなっている。結果として、本発明の多
段式デュアルバイパスシステムは単一の熱交換器を使用
して２つの異なるシステム運転モードの熱除去の性能要
件を満たす。

【０００７】本発明の好ましい態様においては、二元燃
料ガスタービンにおいて、気体燃料運転中のパージモー
ドおよび液体燃料運転中の霧化空気モードで供給される
圧縮機吐出空気の温度を制御するための装置が提供され
る。この装置は、圧縮機吐出空気から熱を抽出するため
に圧縮機吐出空気を圧縮機吐出空気温度より低い熱交換
器入口温度の冷却用媒体と熱交換関係に置くための熱交
換器と、熱交換器を通る冷却用媒体の流れを制御するた
めの弁と、流れ制御弁の両側と並列に連結されており、
各々が所定の流れを可能にするオリフィスを有している
第一および第二のバイパス流路と、第二の流路内のバイ
パス弁とからなっており、このバイパス弁は、霧化空気
モードでは開いて第一および第二のバイパス流路および
オリフィスを通る冷却用媒体の流れを可能にし、パージ
モードでは閉じて第二のバイパス通路を通る流れを阻止
する。

【０００８】本発明の別の好ましい態様では、気体およ
び液体燃料の運転モードを有する二元燃料ガスタービン
において圧縮機吐出空気の温度を制御する方法が提供さ
れる。この方法は、圧縮機吐出空気温度より低い熱交換
器入口温度を有する冷却用媒体と熱交換関係で圧縮機吐
出空気を熱交換器に通し、熱交換器を通る冷却用媒体の
流れを制御して熱交換器を出る圧縮機吐出空気の温度を
調節し、ガスタービンを液体燃料モードで運転する場合
には熱交換器を通る冷却用媒体の最小流れを維持し、ガ
スタービンを気体燃料モードで運転する場合には熱交換
器を通る冷却用媒体の流れを最小流れより少ない流れに
低減させることからなっている。

【０００９】したがって、本発明の主たる目的は、霧化
空気モードまたはパージ空気モードのいずれかで作動す
る二元燃料ガスタービン用の圧縮機吐出空気温度調節シ
ステムを提供して、熱交換器を出る圧縮機吐出空気を所
定の温度、たとえば約２２５°Ｆに維持し、一方熱交換
器に供給される冷却用媒体の入口温度を広い変動範囲で
許容することである。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１の従来技術のシステムを参照
すると、２つの媒体間で熱交換をすることにより圧縮機
吐出空気温度を約８００°Ｆから約２２５°Ｆまで下げ
ることができる、圧縮機吐出空気入口１２と冷却用媒
体、たとえば水の入口１４とを有する熱交換器１０が概
略的に示されている。このために、熱交換器を通る冷却
用媒体の流れは、図１に点線１７で示されているように
熱交換器１０を出る圧縮機吐出空気の温度に応答して温
度調節弁１６によって制御される。すなわち、熱交換器
１０を出る空気の温度が所望の温度より高く上昇したり
所望の温度より低く低下したりしたときにはそれぞれ冷
却用媒体の流れを増大または減少させる。熱交換器１０
は並流式の熱交換器でも向流式の熱交換器でもよい。い
ずれの場合も、圧縮機吐出空気の温度は、熱交換器１０
を通る冷却用媒体、たとえば水の流れを制御することに
よって熱交換器１０の出口で所定の温度に維持される。

【００１１】この従来技術のシステムでは、バイパス通
路１８内にバイパスオリフィス２０を有する通路１８は
弁１６と並列になっている。冷却用媒体入口温度が正常
より低いとき、たとえば周囲温度の水を冷却用媒体とし
て使用する場合で冬季条件のとき、熱交換器を通る水の
流れは熱交換器を出る空気の所望の温度を維持し、それ
により過冷却を避けるために減少させなければならない
ことが分かる。しかし、水の流れを下げ過ぎると熱交換
器１０内で水が沸騰し、その結果熱交換器が損傷を受
け、タービンの運転停止に至ることがあり得る。したが
って、制御弁１６を迂回してバイパス通路１８とオリフ
ィス２０を設けて、熱交換器１０を出る圧縮機吐出空気
の温度が低くなり過ぎ弁１６を閉じたとき保護的な最小
の流れを確保する。

【００１２】図１の従来技術のシステムの場合、吐出さ
れる空気は水分分離器２２とフィルター２４を通って流
れ、２つの通路２６と２８中に分割される。通路２６は
霧化空気（ＡＡ）／パージモード弁３０を含んでおり、
通路２８はパージオリフィス３２をもっている。通路２
６と２８は弁３０およびオリフィス３２の下流側で一緒
になる。次いで吐出空気は霧化空気圧縮機３４に流れ
る。この霧化空気圧縮機の出口は通路３６と３８に分割
されている。パージモードの運転では霧化空気（ＡＡ）
／パージモード弁３０が閉じ、空気流はほぼ半分に減少
し、通路２８とパージオリフィス３２を通って流れる。
圧縮機３４の出口で空気は分割され、通路３６を介して
図には示してない燃焼器の霧化空気ノズルへと流れ、一
方パージ空気マニホルド弁４０が図には示してないパー
ジ空気マニホルドにパージ空気を供給して気体燃料運転
中に燃焼器の液体燃料噴射ノズルと水噴射ノズルにパー
ジ空気を流す。逆に、霧化空気モード運転中は、霧化空
気（ＡＡ）／パージモード弁３０が開き、パージ空気マ
ニホルド弁４０が閉じる。

【００１３】冷却水入口温度が低いと熱交換器１０を通
って流れる最小の許容可能な水流により、パージモード
で運転したとき熱交換器を出る圧縮機吐出空気の過冷却
が生じ得ることが分かる。これはパージモード運転中の
熱交換器を通る空気流が減少する結果であり、この際冷
却用媒体に除去される熱は霧化空気モードの場合より実
質的に少なくなり、たとえば霧化空気モードの熱除去の
約半分である。

【００１４】図２を参照すると、単一の熱交換器を用い
て霧化空気モードとパージモードの両方の運転条件の性
能要件を満たす多段式デュアルバイパスシステムを使用
する、熱交換器を出る圧縮機吐出空気の温度を制御する
ための温度制御システムが示されている。図２には、圧
縮機吐出空気入口５２、冷却用媒体、たとえば水の入口
５４および熱交換器５０から出る圧縮機吐出空気の出口
５６を有する熱交換器５０が示されている。熱交換器５
０を通る冷却用媒体、たとえば水の流れは、点線６０で
示されているように熱交換器５０を出る圧縮機吐出空気
の温度に応答する温度調節弁５８によって制御される。
図２に示したシステムでは、並流式熱交換器５０の下流
側の吐出ライン６２中に温度調節弁５８が設けられてい
る。熱交換器５０を出る圧縮機吐出空気の温度に従って
熱交換器５０を通る水の流れを調節することによって、
空気の温度は正常な運転条件下で約２２５°Ｆに維持さ
れ得る。しかし、冷却用媒体の入口温度が低い場合、た
とえば冬季条件下の水を冷却用媒体として用いる場合、
調節弁５８が水流を減らし、最終的には、熱交換器内で
圧縮機吐出空気から除去される熱が熱交換器の出口空気
温度を２２５°Ｆに維持するのに必要な熱除去を越えた
ときに調節弁５８が閉じる。システムをパージモードで
運転する場合に熱交換器に入る水の入口温度が低いとき
水流を十分に減らすことができないという問題を解決す
るために、本発明では一対のバイパス通路６４と６６を
設ける。第一のバイパス通路６４はバイパスオリフィス
６８をもっており、弁５８の両側で冷却用媒体吐出ライ
ン６２および冷却用媒体排出ライン７０と連通してい
る。通路６６はバイパスオリフィス７２とバイパス遮断
弁７４をもっており、同様に弁５８の両側で冷却用媒体
吐出ライン６２および冷却用媒体排出ライン７０と連通
している。

【００１５】熱交換器５０の下流には、フィルター７
６、そして場合によって、図１の従来のシステムと同様
に水分分離器が設けられる。水の温度が極端に低いとき
発生する最小量の凝縮は連続ブローダウン７７を通って
システムから吹き出し得る。フィルター７６の下流で空
気ライン７８は分割され、霧化空気圧縮機８０へ通じる
通路８１と、霧化空気（ＡＡ）／パージモードバイパス
弁８４を含有する通路８２とになる。弁８４の下流で通
路８２は分割され、ライン８６およびライン８８を介し
て図には示してない霧化空気マニホルドへ空気を供給
し、一方通路９０とパージ空気マニホルド弁９２を介し
て同様に図には示してないパージ空気マニホルドへ空気
を供給する。ライン８６と８８の接点と圧縮機８０との
間にはこの圧縮機への逆流を防止するために逆止め弁９
４が設けられている。

【００１６】ここで図３を参照すると図２と同様なシス
テムが示されているが、ひとつの違いは図２の並流式熱
交換器の代わりに向流式熱交換器を用いることであり、
別の相違点は図２のフィルターの代わりに図１と同様に
水分分離器を場合に応じて用いることである。水分分離
器の粒子除去能力はこのシステムの作動流量範囲ではフ
ィルターに匹敵する。図３では図２と類似の部分には同
じ参照番号に「ａ」の符号を後ろに付けて使用した。図
３に示してあるように、向流式熱交換器５０ａには、圧
縮機吐出空気入口５２ａと冷却用媒体、たとえば水の入
口１４ａとが設けられている。熱交換器５０ａを通る冷
却用媒体流は、点線１７ａで示されているように熱交換
器５０ａを出る圧縮機吐出空気の温度に応答する温度調
節弁５８ａによって制御される。前述の態様と同様に第
一と第二のバイパス通路６４ａと６６ａが温度調節弁５
８ａの両側に並列に設けられている。通路６４ａと６６
ａはそれぞれオリフィス６８ａと７２ａをもっており、
通路６６ａはさらにバイパス遮断弁７４ａももってい
る。バイパス通路６４ａと６６ａは冷却用媒体排出ライ
ン７０ａに接続している。ライン５６ａには水分分離器
７９が設けられている。空気ライン７８ａは、圧縮機８
０ａおよび霧化空気（ＡＡ）／パージモードバイパス弁
８４ａをそれぞれ含有する通路８１ａと８２ａに分割さ
れる。通路８２ａは分割され、ライン８６ａおよびライ
ン８８ａを介して図には示してない霧化空気マニホルド
へ空気を供給し、一方通路９０ａとパージ空気マニホル
ド弁９２ａを介して同様に図には示してないパージ空気
マニホルドへ空気を供給する。ライン８６ａと８８ａの
接点と圧縮機８０ａとの間には逆止め弁９４ａが設けら
れている。

【００１７】霧化空気モード運転および液体燃料を用い
たタービン運転の間、霧化空気バイパス弁８４（８４
ａ）とパージ空気マニホルド弁９２（９２ａ）が閉じら
れて、熱交換器５０（５０ａ）内での完全な空気流と熱
除去が提供される。また、冷却用媒体の周囲温度が非常
に低く、圧縮機吐出空気の過冷却と温度調節弁５８（５
８ａ）の閉鎖を起こす場合には、弁７４（７４ａ）が開
いて、バイパス通路６４（６４ａ）と６６（６６ａ）の
両方を通るバイパス水の完全なまたは一緒になった流れ
が可能になる。すなわち、この対のバイパス通路６４
（６４ａ）と６６（６６ａ）は、空気霧化運転モード
中、熱交換器への損傷を防止するため弁５８（５８ａ）
を閉じる場合に熱交換器を通る最小の水流を維持するよ
うな大きさになっている。この液体燃料運転中液体燃料
を霧化するために高圧の霧化用空気が液体燃料ノズルに
供給される。

【００１８】パージモードではバイパス弁８４（８４
ａ）とパージ空気マニホルド弁９２（９２ａ）が開く。
弁８４（８４ａ）が開くと、弁７４（７４ａ）が閉じ、
温度調節弁５８（５８ａ）が閉じたときの通路６４（６
４ａ）へのバイパス冷却用媒体流を制限する。通路６４
（６４ａ）内のオリフィス６８（６８ａ）はパージモー
ドでの作動に合った大きさである。したがって、パージ
空気運転中に、霧化空気モードでの運転に必要な最小水
流よりさらに少なくなった水流が得られる。パージ空気
モードでのタービンの気体燃料運転中パージ空気は低圧
でパージ空気マニホルドに供給され、このマニホルドは
次いで水噴射ノズル、霧化空気ノズルおよび液体燃料ノ
ズルにパージ空気を供給する。

【００１９】バイパス通路６４と６６を通る流れは、霧
化空気モードとパージ空気モードのどちらの運転が使用
されるかに応じて温度調節弁が閉じられるとき多段式で
あることが分かる。

【００２０】図４を参照すると、図３と類似のシステム
が示されているが、ひとつの違いは図２と３の非ブース
トパージの代わりに図１と同様にブーストパージを用い
た点である。図４では前述の態様と類似の部分には同じ
参照番号に「ｂ」を後ろに付けて示してある。すなわ
ち、液体燃料を用いたタービンの霧化空気モード運転
中、フィルター７６ｂを出た空気はオリフィス３２ｂと
並列の開いた霧化空気（ＡＡ）／パージモード弁３０ｂ
を通って霧化空気圧縮機３４ｂへ流れ、そしてライン３
６ｂを介して霧化空気マニホルドへと流れる。この場合
パージ空気マニホルド弁４０ｂは閉じている。ブースト
パージモードでは霧化空気（ＡＡ）／パージモード弁３
０ｂが閉じ、低減された空気流が通路２８ｂとオリフィ
ス３２ｂを通って霧化空気圧縮機３４ｂへ流れ、通路３
６ｂを介して燃焼器の霧化空気ノズルへ、そしてパージ
空気マニホルド弁４０ｂとライン３８ｂを介してパージ
空気マニホルドへと流れる。

【００２１】このようにして、熱交換器内で異なる熱除
去を利用する霧化空気モードとパージモードの運転に対
する異なる性能要件が、単一の熱交換器を用いて達成さ
れる。

【００２２】現状でもっとも実用的で好ましいと考えら
れる具体例に関連して本発明を説明して来たが、本発明
はここに開示された具体例に限られることはなく、逆
に、特許請求の範囲に記載の思想と範囲内に含まれる様
々な修正や等価な変更をすべて包含するものと考えられ
たい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の圧縮機吐出空気温度制御システムの
概略図である。

【図２】並流式熱交換器および非ブーストパージを用い
る本発明の圧縮機吐出空気温度制御システムの概略図で
ある。

【図３】向流式熱交換器および非ブーストパージを用い
た図２と類似の図である。

【図４】並流式ヒーターおよびブーストパージを用いた
図２と類似の図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョエル・トーマス・スティンプソン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、サラト ガ・スプリングズ、チャーチ・ストリー ト、199番

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二元燃料ガスタービンにおいて、気体燃
   料運転中のパージモードおよび液体燃料運転中の霧化空
   気モードで供給される圧縮機吐出空気の温度を制御する
   ための装置であって、 圧縮機吐出空気から熱を抽出するために圧縮機吐出空気
   を圧縮機吐出空気温度より低い熱交換器入口温度の冷却
   用媒体と熱交換関係に置くための熱交換器と、 熱交換器を通る冷却用媒体の流れを制御するための弁
   と、 前記流れ制御弁の両側と並列に連結されており、各々が
   所定の流れを可能にするオリフィスを有している第一お
   よび第二のバイパス流路と、 前記第二の流路内にあり、前記霧化空気モードでは開い
   て前記第一および第二のバイパス流路およびオリフィス
   を通る冷却用媒体の流れを可能にし、前記パージモード
   では閉じて前記第二のバイパス通路を通る流れを阻止す
   るバイパス弁とを含んでなる前記装置。
2. 【請求項２】 前記熱交換器が並流式熱交換器である、
   請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 前記熱交換器が向流式熱交換器である、
   請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】 気体および液体燃料の運転モードを有す
   る二元燃料ガスタービンにおいて圧縮機吐出空気の温度
   を制御する方法であって、 圧縮機吐出空気温度より低い熱交換器入口温度を有する
   冷却用媒体と熱交換関係で圧縮機吐出空気を熱交換器に
   通し、 熱交換器を通る冷却用媒体の流れを制御して熱交換器を
   出る圧縮機吐出空気の温度を調節し、 ガスタービンを液体燃料モードで運転する場合には前記
   熱交換器を通る冷却用媒体の最小流れを維持し、 ガスタービンを気体燃料モードで運転する場合には前記
   熱交換器を通る冷却用媒体の流れを前記最小流れより少
   ない流れに低減させることを含んでなる、前記方法。