JP2004504582A - ガスタービンとその運転方法 - Google Patents

Abstract

流れ方向において冷却空気流（６５）の分岐点の手前に、燃焼空気流（６１）に燃料（６３）を添加する燃料添加装置（３７）を設け、タービン部分（１１）内で再熱する形式のガスタービン（３）に関する。燃焼空気流への燃料の早期混入により、燃料と燃焼空気流との良好な混合が生じ、同時に、冷却空気流を燃焼空気として利用でき、この結果、ガスタービンの比出力および効率が高まる。燃料として気体燃料、特にメタンガスを用いた場合、混合気の自己着火は起こり難く、所期の性能を発揮できる。

Description

【０００１】
本発明は、圧縮機と、燃焼器と、タービン部分と、燃焼空気流から冷却空気流を分岐して該空気流を熱的に負荷される部品に供給する冷却空気供給装置とを備えたガスタービンに関する。また本発明はガスタービンの運転方法にも関する。
【０００２】
独国特許出願公開第４３３０６１３号明細書に、ガスタービンの運転方法とその装置が開示されている。このガスタービンは、膨張して機械仕事をする駆動ガスが貫流するタービン部分を備える。その駆動ガスに燃料が導入され、該燃料がタービン部分内で燃焼する。タービン部分内で燃焼する燃料は、タービン部分に導入すべき冷却空気流に混入される。冷却空気流内における燃料の分量は、混合気の自己着火を防止できるように決められている。
【０００３】
国際公開第９７／２９２７４号パンフレットに、タービン内における燃焼ガス流の膨張方法とそれに応じたタービンが示されている。タービンの熱的に大きく負荷される部品は冷却ガス流で冷却され、冷却ガス流はそれらの部品を貫流し、そこから出て、燃焼ガス流内に入れられる。タービン内における燃焼ガス流に燃料が配合され、その燃料配合は、燃料配合なしに冷却ガス流の導入に伴い生ずる燃焼ガス流の温度低下がその配合燃料の燃焼により補償されるように行われる。この追加的な燃料の燃焼に伴い、タービンへの流入時の燃焼ガスの温度を高める必要なしに、タービンの出力が増大する。タービンが同じように設計され、利用材料が同じように選定されている場合、これによって、そのタービンが属するガスタービンで行われる有効仕事が著しく増大する。また燃焼ガス流が膨張による温度低下によって一層冷えることが防止される。これはタービンの熱効率を改善する。追加的な燃料の燃焼によってタービン内に、冷却ガス流の存在しない状態が作られる。冷却ガス流が主に空気から成る場合、燃料は冷却ガス流にたかだか２重量％混合される。この混合率で、特に燃料が冷却ガス流に均質に混合されているとき、空気と燃料とから成る混合気の意図しない着火を防止できる。
【０００４】
本発明の課題は、非常に安価な費用で、特に高い効率、高い比出力および特に窒素酸化物の発生抑制が可能なガスタービンを提供することにある。また、それに応じたガスタービンの運転方法を提供することにある。
【０００５】
ガスタービンに対する課題は、本発明に基づき、流れ方向に沿って流れる圧縮燃焼空気流を発生する圧縮機と、高温ガス流路付きタービン部分および燃焼器を含む高温ガス範囲と、燃焼空気流から分岐点で冷却空気流を分岐して高温ガス範囲の熱的に負荷される高温ガス部品に供給する冷却空気供給装置とを備えたガスタービンにおいて、燃料添加点で燃焼空気流に燃料を添加する燃料添加装置を設け、燃料添加点を流れ方向において分岐点の前に配置することで解決される。
【０００６】
即ち本発明は、燃焼空気流から分岐されてタービン部分迄非常に短い距離しか流れない冷却空気流に燃料を添加するのとは異なる新方式を採用する。即ち、燃料を冷却空気流の分岐前に混合する。この結果、冷却空気供給装置全体を燃料・燃焼空気混合気が貫流する。この貫流は一見不適当と思えるが、本発明は、冷却空気供給装置の範囲でこの混合気の自己着火の危険を実際に抑制可能という考えから出発する。本発明の認識に従い、一般の支配的な考え方と異なり、冷却空気供給装置内で生ずる混合気の着火温度と着火遅延時間を考慮し、自己着火を実際に防ぐ。この従来全く考慮されていなかった方式は、一連の利点を有する。
【０００７】
即ち、冷却空気供給装置内を流れる冷却空気は、従来熱的に大きく負荷される部品の冷却にしか使われず、燃焼過程に関与しないので、機械エネルギを発生する本来のガスタービン過程に対し無駄になる。冷却空気への燃料の混入により、かくして燃料が添加された冷却空気流を、冷却の後、ガスタービンの高温ガス範囲で燃焼させられる。この結果、冷却空気流によっても仕事が行われ、ガスタービンの効率が高まる。しかも同時に、例えばガスタービン翼を冷却すべく冷却空気流を用いる場合、ガスタービンのＩＳＯ温度は上昇しない。このＩＳＯ温度とは冷却形ガスタービンのタービン設計入口温度である。これは燃焼器の一次領域における燃焼温度より低い。燃焼温度とＩＳＯ温度との差は冷却空気量と共に増大し、冷却空気量はＩＳＯ温度と共に増大する。大形定置形ガスタービンの典型的ＩＳＯ温度は例えば１２００℃であり、燃焼温度は約１４００℃である。ガスタービンの高い効率と高い比出力のため、燃焼温度とＩＳＯ温度との差はできるだけ小さくされる。即ち、所定の燃焼温度でＩＳＯ温度を、又は所定のＩＳＯ温度において燃焼温度を高めるべく努力される。燃焼温度は燃料量と燃焼空気量との比で定まる。冷却空気は燃焼空気流から分岐される。従って、通常残存する燃焼空気量は、圧縮機により吸い込まれた空気量から冷却空気量を差し引いた量である。燃料量と燃焼空気量との比を小さくする第１の方式は、冷却空気量の減少による燃焼空気量の増大である。従って従来においてともかく、冷却空気量をできるだけ少なくすることが試みられている。もっともこの処置の効果には限界がある。冷却空気系を最良に設計した場合、冷却空気を殆ど節約できず、部品が過熱する恐れが高まる。
【０００８】
燃料量と燃焼空気量との比を小さくする第２の方式は、燃焼器内で燃焼させる燃料量の減少にある。これは、燃料量が運転すべき出力で表されるので、燃料の一部を燃焼器に流入する燃焼空気から適当な別の補助燃焼空気流に移し、燃焼器内ではなく、熱力学的に好適な高い温度範囲で（できるだけタービンにおける膨張前に）燃焼させることによってのみ可能である。これは本発明によれば、燃料を冷却空気流の分岐前に混入させ、ガスタービンの高温ガス範囲における高温ガス部品の冷却後に燃焼させることにより実現できる。
【０００９】
ガスタービンの高い効率と比出力の他に、別の非常に重要な要件は有害物質の発生抑制であり、特に窒素酸化物の発生抑制が問題である。窒素酸化物の発生は火炎温度上昇に指数関数的に関係する。燃焼領域内の温度分布が不均一である場合、窒素酸化物発生は主に最高温度で定まる。従って、できるだけ均一な温度分布を得るよう努める。これは、特に燃料と燃焼空気の十分な混合で達成される。通常構造のガスタービンでは、燃料の主要分量は燃焼器への流入時に初めて混入される。流速が高いと非常に短い混合時間となり、このため燃料と燃焼空気は最良・均質には混合されない。同様の問題は、公知のように燃料を個々の冷却空気流に、タービン部分に流入する直前に添加する際にも生ずる。通常、燃料・燃焼空気混合気を強く混合することで均質化する処置を講じている。しかしこの処置では、基本的に燃焼空気流内で大きな乱流が発生し、その結果、冷却空気流に追加的な圧力損失が生ずる。これに対し本発明によれば、大きな混合距離を得ることで、冷却空気流内に補助的な混合器を配置することなく、燃料と燃焼空気との極めて良好な混合が行える。従って、追加的な圧力損失は生じない。
【００１０】
単位時間毎に燃焼すべき総燃料質量流量の少なくとも８０％を、燃料添加装置を経て供給するよう、該装置を設計するとよい。この結果、ガスタービン内で燃焼すべき燃料の大部分を分岐点の前で燃焼空気流に混入できる。上述のように、従来の冷却空気の再熱方式では、燃料をタービン部分の範囲に冷却空気流の分岐後にのみ導入する。又自己着火の危険を減らすため、従来燃料は非常に僅かしか配合しない。本発明に基づきいまや冷却空気流も、燃焼器内で燃焼される混合気に匹敵する混合気が生ずるよう、燃料で十分に富化させる。燃料主要分量の添加を従来の方式に比べてかなり前で行うことは、いわば、ガスタービンの燃焼器内に配置されるバーナが適当な排出路状開口の形に低減されることを意味する。この結果、燃料注入をバーナではなく、流れ方向においてバーナのかなり前方で行う。この結果、燃焼器への流入前に燃料と燃焼空気の良好な混合が起る。バーナは、例えば適当に形成した旋回羽根により、火炎安定にも使われる。更に、希薄予混合燃焼の安定化に用いるパイロットバーナが設けられる。尤もこのバーナには、燃焼すべき総燃料量中のほんの僅かな量の燃料しか導入しない。
【００１１】
燃料添加装置を、気体燃料、特にメタンの燃料貯蔵タンクに接続するとよい。気体燃料、特にメタンは、その着火温度と着火遅延時間に関し、冷却空気流を分岐する前に燃焼空気流内に早期混入するのに特に適する。メタン・空気混合気の自己着火に関する多くの試験の結果、燃料の早期混入にも係らず、自己着火の危険を実際に防止できることを確認した。場合によっては、着火温度および／又は着火遅延時間は、鎖式炭化水素の混入により一層良好な影響を受ける。
【００１２】
好適には、高温ガス部品はタービン翼であり、特に静翼又は動翼である。本発明の有利な実施態様では、静翼は高温ガス流路内の流れ方向において最初の静翼列に属し、動翼は高温ガス流路内の流れ方向において最初の動翼列に属する。正に第１静翼列は、燃焼器から流出する高温ガスのなお極めて高い温度により特に大きな熱負荷に受ける。それに応じてこの静翼列を冷却すべく、特に多量の冷却空気を利用せねばならない。これは第１動翼列に対しても当てはまる。この冷却に利用する冷却空気に、本発明に基づいて燃料を添加することにより、この冷却空気を冷却の終了後、更に高温ガス流路内に流出させ再燃焼に利用できる。この燃焼は、高温ガス流路内の高温のために瞬時に始まる。従って、冷却空気は冷却目的に利用されるだけでなく、ガスタービンの仕事過程にも関与する。
【００１３】
好適には、高温ガス部品は燃焼器の内張りの壁セグメントである。該壁セグメントは、例えば燃焼器耐火レンガである。ガスタービンの内張りも大きな熱負荷のために冷却せねばならない。この冷却空気への燃料の混入に伴い、燃焼器に流出する冷却空気を燃焼にも利用できる。この燃焼は燃焼器の壁範囲で行わせ、その一次領域では行わないので、この追加燃焼は、燃焼温度を高めない。同時に、燃焼器へのエネルギ供給が増大し、従ってタービン入口温度も上昇する。
【００１４】
燃料添加点が圧縮機内に位置し、本発明の他の実施態様で、燃料添加装置が圧縮機静翼を含んでいるとよい。例えば燃料ポンプをも含む燃料添加装置は、その出口範囲に圧縮機静翼を有し、該翼を経て、燃料を圧縮燃焼空気内に導入する。
【００１５】
方法ついての課題は、本発明に基づき、圧縮機と、燃焼器および高温ガス流路付きタービン部分を含む高温ガス範囲とを備えたガスタービンの運転方法において、流れ方向に沿って流れる圧縮燃焼空気流を圧縮機で発生させ、該空気流に燃料添加点で燃料を導入し、かくして発生した燃焼空気・燃料混合気から冷却空気流を分岐させ、該冷却空気流を、高温ガス範囲に配置した熱的に大きく負荷される高温ガス部品に導入することにより解決できる。
【００１６】
この方法の利点は、ガスタービンの利点についての上述の説明に対応する。
【００１７】
燃料としてメタンが適する。更に、メタンに鎖式炭化水素を混入してもよい。
【００１８】
好適には、冷却空気流により、タービン部分の流れ方向において第１静翼列の静翼を冷却する。
【００１９】
冷却空気流により、タービン部分の流れ方向において第１動翼列の動翼を冷却するとよい。
【００２０】
本発明の有利な実施態様では、燃焼空気流への燃料の導入を、圧縮機静翼を経て、好適には流れ方向において圧縮機の最終静翼列の圧縮機静翼を経て行う。
【００２１】
燃料添加点で、燃焼空気流に単位時間毎に燃焼する総燃料質量流量の少なくとも８０％を導入するとよい。
【００２２】
本発明の有利な全実施態様は、その全てを組み合わせて、即ち一緒に採用できる。特に複数の高温ガス部品、特に第１静翼列と第１動翼列を冷却するため複数の冷却空気供給装置を設けるとよい。冷却空気への上述の燃料添加は、全体としてガスタービンの冷却に用いる総冷却空気量の少なくとも５０％で行うとよい。
【００２３】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。図は本発明に基づくガスタービン３を尺度通りでなく、概略縦断面図で示す。
【００２４】
軸５に沿い、圧縮機７と燃焼器９とタービン部分１１とが連続して配置されている。圧縮機７と燃焼器９は共通のロータ１３上に配置されている。圧縮機７は燃焼器９に燃焼空気通路１５を経て接続されている。燃焼空気通路１５は分岐点１７で冷却空気供給装置１９に接続されている。該供給装置１９は第１冷却空気通路２０を有し、それから第１二次冷却空気通路２１と第２二次冷却空気通路２３が分岐している。第１二次冷却空気通路２１はタービン部分１１の静翼列２８の中空静翼２５に接続されている。静翼列２８は流れ方向においてタービン部分１１の第１静翼列２８である。第２二次冷却空気通路２３はタービン部分１１の動翼列３０の動翼２７に接続されている。その動翼列３０は流れ方向においてタービン部分１１の第１動翼列３０である。静翼列２８と動翼列３０は、タービン部分１１の高温ガス流路２６内に配置されている。動翼列３０はロータ１３に、静翼列２８はタービン部分１１の車室に各々結合されている。タービン部分１１は他の静翼列と動翼列を持つが、分かり易くするため図示を省略している。
【００２５】
圧縮機７にも同様に静翼列と動翼列が連続して配置されている。ここには最終動翼列３２と最終静翼列３６しか示していない。静翼列３６は、主燃料管３３を経て燃料貯蔵タンク３１に接続された圧縮機中空静翼３５を備える。主燃料管３３に主燃料ポンプ４０Ａが配置されている。主燃料管３３と主燃料ポンプ４０Ａと圧縮機静翼３５は、燃料添加装置３７の一部となっている。圧縮機中空静翼３５から開口を経て、該開口で規定された燃料添加点３８で燃料が添加される。
【００２６】
燃料貯蔵タンク３１は二次燃料管３９に接続され、該管３９に二次燃料ポンプ４０Ｂが配置されている。二次燃料管３９はパイロットバーナ４１に接続されており、該バーナ４１は予混合通路４２で同心的に取り囲まれている。この予混合通路４２に旋回羽根４３が配置されている。予混合通路４２は燃焼器９に開口する。予混合通路４２の反燃焼器９側端は燃焼空気通路１５に開口している。燃焼器９は内張り５１を備え、内張り壁セグメント５３で形成される。ここではその１つだけ例示する。内張り５１は燃焼器９の支持構造物５２に取り付けられ、該構造物５２と内張り５１との間に中間空間５４が存在している。
【００２７】
ガスタービン３の運転中、外気が圧縮機７により吸い込まれ、圧縮機空気６１として強く圧縮される。かくして生じた圧縮空気流は、燃焼空気流６１として流れ方向６２に沿って燃焼空気通路１５に導かれる。燃料貯蔵タンク３１から主燃料管３３を経て主燃料ポンプ４０Ａにより、燃料６３が圧縮機静翼３５に導かれる。燃料６３は圧縮機静翼３５の開口６４を出て、燃焼空気流６１に流入する。燃料６３は燃焼空気通路１５に沿って流れる間に燃焼空気流６１の燃焼空気と良好に混合される。その後、燃焼空気流６１は分岐される。
【００２８】
燃焼空気流６１の第１部分は、分岐点で冷却空気６５Ａとして冷却空気供給装置１９に導かれる。燃焼空気流６１の第２部分は、燃焼器９の中間空間５４に冷却空気流６５Ｂとして導かれる。かくして複数に分岐して導かれる冷却空気流６５は、ガスタービン３の燃焼器９とタービン部分１１とを含む高温ガス範囲を形成する部分の、熱的に強く負荷される高温ガス部品５３、２５、２７を冷却するために使用される。冷却空気流６５Ａは第１二次冷却空気通路２１を経て、中空に形成された静翼２５に導入される。中空静翼２５に流入する冷却空気流６５Ａは、開口を経てタービン部分１１の高温ガス流路２６内に流出する。それと同様に、冷却空気流６５Ａの一部は第２二次冷却空気通路２３を経て中空の動翼２７に導入され、そこから開口を経て同様に高温ガス流路２６内に流出する。燃焼器９の中間空間５４に導入された冷却空気流６５Ｂは、内張り５１の冷却後、この内張り５１の開口を経て燃焼器９内に流入する。
【００２９】
燃焼空気流６１の大部分は予混合通路４２に導入され、該通路４２を経て燃焼器９内に流入する。
【００３０】
燃料添加装置３７を経て燃料添加点３８で燃焼空気流６１に燃料６３を混ぜ、流れ方向の後方で冷却空気流６５を冷却空気部分流６５Ａ、６５Ｂの形に分岐することで、冷却空気流６５と燃料６３が混合される。その際、ガスタービン３で単位時間毎に燃焼すべき燃料６３の大部分が既に燃料添加装置３７を経て導入される。この装置３７は主燃料管３３、主燃料ポンプ４０Ａおよび圧縮機静翼３５の相応の構成により、大量の燃料を導入できるよう設計されている。燃焼空気流６１の一次燃焼部に導入される燃料・燃焼空気混合気は、従って冷却空気流６５と同じ混合率を持つ。この空気流６５は、燃焼器９の一次領域における、本来の燃焼部に導入される混合気と同じ着火性混合気を有する。この冷却空気流６５による冷却は、冷却空気流６５内での自己着火が、ガスタービン３を全壊する迄に及ぶ重大な損傷をもたらしそうで、一見不適当な方式である。しかし驚くべきことに、燃料６３としてメタンを利用すると、自己着火の危険がなくなる程に、その着火温度が高く、同時に着火遅延時間が長くなる。即ちその結果、燃焼器９内と高温ガス流路２６内に流出する冷却空気流６５が、そこで高温のため瞬時に着火・燃焼するので、ガスタービン３の冷却に用いる総冷却空気量の主要分量、特にその総冷却空気量の少なくとも半分を、冷却と燃焼に利用できる。従って、ガスタービン３の比出力と効率が高まる。又燃焼空気通路１５での長い混合距離に伴い、燃料６３と燃焼空気流６１との極めて良好な混合が起る。この結果、窒素酸化物の発生が大幅に減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に基づくガスタービンの概略構成図。
【符号の説明】
３　　ガスタービン
７　　圧縮機
９　　燃焼器
１１　　タービン部分
１２　　高温ガス範囲
１７　　燃焼空気流の分岐点
１９　　冷却空気供給装置
２５　　タービン静翼
２６　　高温ガス流路
２７　　タービン動翼
３１　　燃料貯蔵タンク
３８　　燃料添加点
５１　　燃焼器の内張り
５３　　壁セグメント
６１　　燃焼空気流
６２　　燃焼空気流の流れ方向
６３　　燃料
６５　　冷却空気流

Claims (19)

1. 流れ方向（６２）に沿う圧縮燃焼空気流（６１）を発生する圧縮機（７）と、高温ガス流路（２６）付きタービン部分（１１）および燃焼器（９）を含む高温ガス範囲（１２）と、燃焼空気流（６１）から分岐点（１７）で冷却空気流（６５）を分岐し高温ガス範囲（１２）の熱的に負荷される高温ガス部品（５３、２５、２７）に供給する冷却空気供給装置（１９）とを備えたガスタービン（３）において、燃料添加点（３８）で燃焼空気流（６１）に燃料（６３）を添加する燃料添加装置（３７）を備え、前記添加点（３８）が流れ方向（６２）において分岐点（１７）の前に配置されたことを特徴とするガスタービン。
2. 燃料添加装置（３７）が、単位時間毎に燃焼すべき総燃料質量流量の少なくとも８０％を、この燃料添加装置（３７）を経て供給することを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
3. 燃料添加装置（３７）が、気体燃料（６３）の貯蔵タンク（３１）に接続されたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン。
4. 高温ガス部品（５３、２５、２７）がタービン翼（２５、２７）であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載のガスタービン。
5. 高温ガス部品（５３、２５、２７）が静翼（２５）であることを特徴とする請求項４記載のガスタービン。
6. 高温ガス部品（５３、２５、２７）が、高温ガス流路（２６）内における流れ方向において最前の静翼列（２８）の静翼（２５）であることを特徴とする請求項５記載のガスタービン。
7. 高温ガス部品（５３、２５、２７）が、高温ガス流路（２６）内の流れ方向で最前の動翼列（３０）の動翼（２７）であることを特徴とする請求項５記載のガスタービン。
8. 高温ガス部品（５３、２５、２７）が、燃焼器（９）の内張り（５１）の壁セグメント（５３）であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
9. 燃料添加点（３８）が圧縮機（７）内に位置することを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
10. 燃料添加装置（３７）が圧縮機静翼（３５）を含むことを特徴とする請求項９記載のガスタービン。
11. 圧縮機静翼（３５）が、流れ方向（６２）で最終の圧縮機静翼列（３４）の部分であることを特徴とする請求項１０記載のガスタービン。
12. 圧縮機（７）および燃焼器（９）と、高温ガス流路（２６）付きタービン部分（１１）とを含む高温ガス範囲（１２）を備えたガスタービン（３）の運転方法において、流れ方向（６２）に沿って流れる圧縮燃焼空気流（６１）を圧縮機（７）で発生し、該空気流（６１）に燃料添加点（３８）で燃料（６３）を導入し、かくして生じた燃焼空気・燃料混合気から冷却空気流（６５）を分岐し、該空気流（６５）を、高温ガス範囲（１２）に配置した熱的に大きく負荷される高温ガス部品（５３、２５、２７）に導入することを特徴とする方法。
13. 燃料（６３）としてメタンを用いることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 燃料（６３）に鎖式炭化水素を混合することを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. 流れ方向におけるタービン部分（１１）の第１静翼列（２８）の静翼（２５）を、冷却空気流（６５）により冷却することを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 流れ方向におけるタービン部分（１１）の第１動翼列（３０）の動翼（２７）を、冷却空気流（６５）により冷却することを特徴とする請求項１２記載の方法。
17. 燃焼空気流（６１）への燃料（６３）の導入を、圧縮機静翼（３５）を経て行うことを特徴とする請求項１２記載の方法。
18. 燃焼空気流（６１）への燃料（６３）の導入を、圧縮機（７）の流れ方向（６２）において最終の静翼列（３４）の圧縮機静翼（３５）を経て行うことを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 燃料添加点（３８）で燃焼空気流（６１）に、単位時間毎に燃焼する総燃料質量流量の少なくとも８０％を導入することを特徴とする請求項１２記載の方法。