JP2005529280A - ガスタービン設備を運転するための方法とガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

ガスタービン設備（１）の運転をするための方法を開示する。気体の媒体（２）は、コンプレッサ（３）によって吸入され、コンプレッサ空間内で圧縮され、その際、気体の媒体（２）内に、液体の媒体（１０）が噴射され、従って、少なくともコンプレッサ（３）の部分領域内で、気体と液体の相を有する２相流が生じる。気体の媒体（２）は、引き続き燃焼室（６）内で燃料（５）と燃焼されて高温の気体（７）に成り、この高温の気体（７）は、タービン（８）内で膨張され、その際、ガスタービン設備（１）の高温の構造部分は、冷却空気システムの冷却空気（１４）によって冷却される。本発明は、コンプレッサ（３）もしくは冷却空気システムの領域において液相が存在しているかが測定されることによって際立っている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念によるガスタービン設備を運転するための方法と請求項１０の上位概念によるガスタービン設備に関する。

ガスタービンのパワーアップのためにコンプレッサの質量流を冷却できることが、従来技術から公知である。ガスタービンによって収容される空気質量流の冷却は、機械の高いパワー出力に導く。これに対する理由は、一方では、冷却によって高められる空気の質量流、並びに入口温度が低い場合のコンプレッサの出力消費量の軽減である。基本的に、冷却の２つの様式が公知であり、これは、コンプレッサに流れる入口空気の冷却と、分離された２つのコンプレッサ段間の中間冷却である。

特許ン文献１から公知であるような、圧縮中の空気の中間冷却は、圧縮作業の軽減のためにターボコンプレッサの出力消費量を軽減する。しかしながら、この場合、入口冷却とは対照的に、空気質量流の拡大は何ら得られない。大抵の場合、中間冷却のために、旧式の熱交換器が使用される。

最近では、所望の冷却を、入口冷却の場合でも中間冷却の場合でも水を噴射することによって達成するという強い努力がある。中間冷却に対して、これは、模範的に特許文献２から公知である。この場合、これまで専ら、空気流に微細に噴霧された脱塩水を与える気化による冷却のコンセプトが追及される。中間冷却の場合、これは、コンプレッサの内部で、個々のコンプレッサ段間で行なわれ（いわゆる「スプレーインタークーリング」）、これに対して入口冷却の場合、既にコンプレッサの上流で空気の入口で行なわれる。水滴の付加は、コンプレッサが入力位置の下流で部分的に「湿式」で、即ち２相の媒体を含んだ状態で、運転される。（吸入された空気質量流に関して）噴射された１〜１．５％だけの水の比較的僅かな量に対してでさえ、コンプレッサの湿った領域は、５〜８段にわたって延在することができる。湿ったコンプレッサ部分の長さは、その際、付加された水量の機能ではなく、加えて粒径スペクトル並びに空気の入口温度に依存している。水が完全に気化した後に初めて、コンプレッサは、再び乾燥した気体で作動する。これまでのコンプレッサの「湿式」での運転では、どのような粒径スペクトルがコンプレッサによって吸入された空気内を占めているか、並びにどのような粒径スペクトルがコンプレッサ内に生じるかという設定を可能にする特殊な予防措置は何らとられていない。吸入された空気流内での粒径スペクトルが、使用されるスプレー技術、空気入口での速度分布及びスプレー装置の位置決めに依存するのに対し、（下流で連続的に変化する）コンプレッサ内の粒径スペクトルは、コンプレッサ内の圧力変化、温度上昇、並びに全く一般的にコンプレッサ流の空気力学的な特性によって影響を受ける。

特別な困難は、コンプレッサの「湿式」での運転を適用する場合に、コンプレッサ内の液滴が、一方では高速でブレード及び他の表面に衝突でき、他方ではブレード及びハウジングにおける水膜の構成に導くことから生じる。これは、一連の問題を避けられないが、これらの問題の内、ここでは、４つだけ実例を挙げる。
（Ｉ） ブレードの空気力学的な特性が変化する。
（ＩＩ） 水が、冷却空気ライン及び冷却空気システムの他の構成要素内に侵入し、タービン冷却を侵害する。
（ＩＩＩ）存在する圧力及び温度センサが、乾燥しているか、湿っているかによって、他の測定結果を供給する。
（ＩＶ） 衝突する水滴が、ブレード及び他の構造部分を浸食し、膜の構成によって高い腐食に導く。この場合、膜の構成の様式及び範囲は、また液滴の衝突の強さも、強く２相流における粒径スペクトルに依存している。

これらの例は、ガスタービン及びコンプレッサの「湿式」での運転の監視をするため−従って、確実な運転の保証をするため−、コンプレッサ及び２次空気システム内に存在する液体の水を検出できること、もしくはコンプレッサの流路内の粒径スペクトルを設定できることが大変重要である。但し、これまでに商業的なガスタービン設備に設置される測定装置は、このために適していない。従って、コンプレッサ内の水の存在の確実な設定、即ち湿式での運転もしくは粒径スペクトルの広がりの設定は、この様式の設備において、今日では可能でない。
独国特許出願公開第４２ ３７ ６６５号明細書 欧州特許出願公開第０ ７７０ ７７１号明細書

従って、本発明の基本にある課題は、湿ったコンプレッサ段と乾燥したコンプレッサ段、コンプレッサ内の粒径スペクトル、並びに可能な冷却空気システム内の水の存在を確定できるガスタービン設備を運転するための方法を提供することである。

本発明により、この課題は、請求項１の上位概念による方法によれば、コンプレッサ及び／又は冷却空気システム内のどの位置又はどの領域に液相が存在するかが、液体センサによって測定されることによって解決される。このようにして、例えば、２相流が存在するコンプレッサの部分領域を設定することができる。

「液相」とは、表面での可能な液膜とも、空気流内に存在する液滴とも、理解すべきである。前記センサによる液相の測定に関して、以下のことが当て嵌まる。
１．液膜の確認のために、液体センサとして有利なことに、導電率の原理により作動する水分検出器を使用できる。別の適当な測定技術は、後方散乱原理により作動し、従って場合によっては液膜の厚さの測定も可能にするレーザ光学による方法である。
２．気相内の液滴の測定のために、液体センサとして、いわゆるレーザ光学によるドロップレットサイザを使用できる。これらは、例えば、回折方法により作動できるか、位相ドップラ流速法の原理により作動できる。特に有利であるのは、ここでもレーザ光の後方散乱の原理に基づく（例えば、レーザスペックル法）測定方法であるが、何故なら、この場合、唯一の光学的アクセスしか必要でないから、即ち、送受信ユニットがセンサヘッド内に統合されているからである。

本発明による方法によって、コンプレッサ及び冷却空気システム内の湿った領域と乾燥した領域の同定が可能である。複数のコンプレッサ段及び冷却空気システムの大部分にわたって複数のセンサを使用する場合、湿った領域と乾燥した領域を同定するためのコンプレッサ及び冷却空気システムの現在の運転状態の監視が可能である。コンプレッサ内に噴射される液体の媒体の量は、このような場合、同定された領域及び／又は同定された粒径スペクトルに依存して調整できる。ガスタービンも、同定された領域及び／又は一定の粒径スペクトルに依存して調整できる。

多数の液体センサがコンプレッサ空間の周囲にわたって存在する場合、液相の周囲への分布を同定できる。使用される液体センサに応じて、液体の媒体の品質も、即ち化学的組成も、監視できる。

有利な実施例において、コンプレッサ内の気体の媒体は空気であり、液体の媒体は、空気内に噴射される水である。

本発明により、この課題は、請求項１０の上位概念によるコンプレッサによれば、液体センサが、コンプレッサの内壁、コンプレッサの軸の表面、コンプレッサのブレーディングの表面、及び／又は冷却空気システムの壁に沿って存在することによって解決される。

即ち、液体センサは、有利なことにコンプレッサの内壁、コンプレッサの軸の表面、コンプレッサのブレーディングの表面、又は冷却空気システムの壁に沿って存在できる。

コンプレッサ壁及び／又は冷却空気システムの壁の液体センサは、壁面と同一平面上に位置決めすることができる。固定は、永続的にか、液体センサを取り外し、交換することを可能にするネジ又はフランジ接続によるかのいずれかで行なわれる。コンプレッサの周囲にわたる複数の液体センサの配設は、噴射される水量の周囲への分布のオンライン分析を可能にする。液体センサは、システム監視ユニットと接続できる。

図１は、ガスタービン設備１を図示する。空気２は、コンプレッサ３によって吸入される。圧縮された空気４は、燃料５と燃焼室６内で燃焼されて、高温の気体７を発生させる。これにより、高温の気体７は、タービン８内に誘導され、このタービンは、図示されてない電気エネルギを発生させるためのジェネレータを作動させる。生じる排気９は、廃熱蒸気発生器において、又は他の方式で更に使用することができる。出力上昇のために、コンプレッサ３に水１０が噴射される。これは、図１に図示されているように、吸入された空気２内に行なわれても、又はコンプレッサ３の一定の段内に行なわれてもよい。この方式で、コンプレッサ３の一定の領域内で、気体と液体の相を有する２相流が生じる。噴射された水１０が気化したら直ちに、２相流は、再び気相だけを有する単相流へと変化する。更に、ガスタービン設備１の高温の構造部分は、概略的に図示された冷却空気システムを流れる冷却空気１４によって、設備の運転中に冷却される。

本発明によれば、コンプレッサ３のコンプレッサ空間内には、気相内の液滴の同定をするため、もしくは液膜の同定をするために、コンプレッサ３のブレード通路の洗われる表面及び／又は冷却空気システム内に、液体センサ１１が配設されている。この目的のため、液体センサ１１が取り付けられており、その測定要素は、コンプレッサ空間又は冷却システム内に、まさに壁面と同一平面上に位置決めすることができる。固定は、永続的にか、液体センサ１１を取り外し、交換することを可能にするネジ又はフランジ接続によるかのいずれかで行なわれる。本発明は、ガスタービン設備１の典型的な運転条件下での確実な使用を可能にするあらゆる測定原理の液体センサ１１に及ぶ。

この適用例で、液膜の測定をするために、特に、導電率測定方法により作動する水分検出器を使用することができる。この場合、周辺の媒体の電気抵抗が、プローブ体の自由端において測定される。空気と水の電気抵抗における相違は、存在する液体の検出を可能にする。このような測定原理による水分検出器のための供給電圧として、水膜での電気分解による飽和効果を防止するために、有利なことに交流電圧を使用することができる。選択的に、後方散乱原理によるレーザ光学による方法も使用することができ、この方法は、加えて、液膜の厚さの測定を可能にする。

本発明は、コンプレッサの「湿式」での運転の監視を目的とするコンプレッサの流路内の適当な位置での粒径スペクトルの設定にも関係する。この監視は、（例えば、直接、測定されるスプレーの密度を介して）質量流に関連付けることも、スプレーシステムによる噴霧の品質に関連付けることもできる。このような監視によって、品質の欠如及びシステムの機能不全も、場合によっては生じ得る老化又は摩耗を条件としたシステム性能の劣化も、適時に検出することができる。後者は、例えば、ノズルの部分的又は完全な詰り又はノズルの浸食を条件とすることができる。粒径スペクトルの設定をするためのこの発明は、ガスタービンの典型的な運転条件下での確実な使用を可能にするあらゆる測定原理の測定装置に及んでいる。特に、レーザ光学による回折測定法により作動するこのような装置を使用することができる。更なる適当な測定方法は、位相ドップラ流速法、シャドウグラフィ技術、並びに例えばレーザスペックル法のような後方へと拡散するレーザ光を分析する原理による方法を含む。本発明には、コンプレッサに取り付けられるセンサが属するが、このセンサは、（測定原理に応じて）粒径スペクトルを、流路内の（部分）容積内、噴流に沿って、又は測定面内で測定する。加えて、場合によっては用いることのできる送受信ユニットは、運転中のコンプレッサの振動が直接測定装置に伝達されないように取り付けられる。このような取付けは、特に光学的な測定方法の場合に有利である。何故なら、これらの方法においては、低振動における高い要求を満足しなければならないからである。

信号の伝送をするための接続部１２は、信号を測定し、適当な出力信号に変化させる液体センサ１１を評価ユニットもしくはシステム監視部１３と接続する。接続部１２は、信号要求に応じて外乱から保護されている。別の評価（例えば、傾向分析のためのデータの記憶）もしくはシステム監視機能は、同様に評価ユニット１３に統合することができる。評価ユニット１３への信号伝送は、通常の様式で、即ち、例えば４〜２０ｍＡのバイナリの電圧信号又はデジタル信号によって、行なわれる。

本発明による方法によって、コンプレッサ３内の湿った領域と乾燥した領域の同定が、またガスタービン設備１の冷却空気システムへの水の可能な侵入の確定が、並びにコンプレッサ内の粒径スペクトルの設定が可能である。複数のコンプレッサ段と冷却空気システムの大部分にわたる粒径スペクトルの設定をするために複数の液体センサ１１を使用する場合、問題の表面上の液膜の存在及び／又は気相内の液滴の存在に関するコンプレッサ及び冷却空気システムの現在の運転状況の包括的な監視が可能である。加えて、コンプレッサ３の周囲にわたる複数の液体センサ１１の配設は、噴射される水量の周囲への分布（画一性）のオンライン分析を可能にする。

図１で点線によって図示されているように、付加的な測定信号は、基本的に水の噴射をする場合のガスタービン設備１の保護及び運転構想のために利用することができ、従って、例えば、ガスタービン設備１の調整をするための信号としての、また所定の限度を下回るか上回った場合の保護工程（例えば、噴射される水量の低減又は調整可能な機械パラメータの他の変更）の開始をするための噴射される水１０の量の調整をするための信号としてのトリップシグナルのために利用することができる。検出器１１もしくは評価ユニット１３の出力信号の、運転性能の最適化、危険な運転状態の回避、又は他の適用等の目的による機械状態の予測のための温度、圧力、放出物又は他のガスタービンパラメータのような他の運転特性値との相関も考慮可能である。得られた情報は、例えばガスタービン設備１のパフォーマンスモデルにおけるコンプレッサ特性を適合させるために使用することもでき、並びに運転中の現在のポンプ限界間隔を設定するために使用することもできる。

本発明によるガスタービン設備を示す。

符号の説明

１ ガスタービン設備
２ 気体の媒体、空気
３ コンプレッサ
４ 圧縮された空気
５ 燃料
６ 燃焼室
７ 高温の気体
８ タービン
９ 排気
１０ 液体の媒体、水
１１ 液体センサ
１２ 接続部
１３ 評価ユニット、システム監視部
１４ 冷却空気

Claims (17)

1. −気体の媒体（２）が、コンプレッサ（３）によって吸入され、コンプレッサ空間内で圧縮され、この気体の媒体（２）内に液体の媒体（１０）が噴射され、従って、コンプレッサ（３）の少なくとも１つの部分領域内で、気体と液体の相を有する２相流が生じ、
   −気体の媒体（２）が、燃焼室（６）内で燃料（５）と共に燃焼されて高温の気体（７）と成り、
   −この高温の気体（７）が、タービン（８）内で膨張され、
   −ガスタービン設備（１）の高温の構造部分が、冷却空気システムの冷却空気（１４）によって冷却される
   ように構成されている、ガスタービン設備（１）を運転するための方法において、
   コンプレッサ（３）及び／又は冷却空気システム内のどの位置又はどの領域に液相が存在するかが、液体センサ（１１）によって測定されることを特徴とする方法。
2. ２相流が存在するコンプレッサ（３）の部分領域が設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 存在する液膜の厚さが設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. コンプレッサ（３）内の２相流の粒径スペクトルが、特別な位置又は一定の領域で設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. コンプレッサ（３）内に噴射された液体の媒体の量が、同定された領域及び／又は同定された粒径スペクトルに依存して調整されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. コンプレッサ（３）内の液相の周囲への分布が確定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
7. 液体の媒体の化学的な組成が測定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
8. タービン（８）が、同定された領域及び／又は一定の粒径スペクトルに依存して調整されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
9. 空気が、気体の媒体（２）としてコンプレッサ内で圧縮され、水が、液体の媒体（１０）として気体の媒体内に噴射されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法。
10. コンプレッサ空間を有するコンプレッサ（３）と燃焼室（６）とタービン（８）と冷却空気システムとを有する、請求項１〜９のいずれか１つに記載の方法を実施するためのガスタービン設備（１）において、
    液体センサ（１１）が、コンプレッサ（３）の内壁、コンプレッサ（３）の軸の表面、コンプレッサ（３）のブレーディングの表面、及び／又は冷却空気システムの壁に沿って存在することを特徴とするガスタービン設備。
11. 液体センサ（１１）が、コンプレッサ空間及び／又は冷却空気システムの壁面と同一平面上に取り付けられていることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービン設備。
12. 液体センサ（１１）が、導電率測定方法により作動する水分検出器であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のガスタービン設備。
13. コンプレッサ（３）内に、液体センサ（１１）として、２相流の液相の粒径の設定をするための測定器が存在することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のガスタービン設備。
14. 粒径の設定をするための測定器として、ディフラクトメータ、位相ドップラ流速計、又はレーザスペックル装置が存在することを特徴とする請求項１３に記載のガスタービン設備。
15. 液体センサ（１１）が、取外し可能にコンプレッサ空間及び／又は冷却空気システム内に取り付けられていることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１つに記載のガスタービン設備。
16. 液体センサ（１１）が、コンプレッサ空間の壁の周囲にわたって取り付けられていることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１つに記載のガスタービン設備。
17. 液体センサ（１１）が、評価ユニットもしくはシステム監視ユニット（１３）と接続されていることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１つに記載のガスタービン設備。

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