JP2006220350A - Gas turbine equipment and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービン設備及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a gas turbine facility and an operation method thereof.
従来から、圧縮機で圧縮された作動流体を抽気し、再生器においてタービンの排ガスとの熱交換によって加熱して、燃焼器へ注入することにより、燃焼器に投入する燃料を減らして熱効率を向上させるようにした技術が知られている。 Conventionally, the working fluid compressed by the compressor is extracted, heated in the regenerator by heat exchange with the exhaust gas of the turbine, and injected into the combustor, thereby reducing the fuel input to the combustor and improving the thermal efficiency. The technology that makes it possible is known.
例えば、下記特許文献1には、再生器への抽気構造を燃焼器尾筒外筒及び本体ケーシングで構成し、再生器からの注入構造を燃焼器ケーシングで構成することにより、燃焼器ケーシングを小型化したガスタービン燃焼器が記載されている。
For example, in
また、下記特許文献2には、多缶型のガスタービン燃焼器において、燃焼器ケーシングから空気を抽気して再生器を通し、再度燃焼器ケーシングへ注入することが記載されている。
しかしながら、上記特許文献1のガスタービンは、単缶の燃焼器を前提としており、ガスタービンを大型化する場合に、大型の燃焼器自体の製作が容易でなくなる傾向にある。
However, the gas turbine of
一方、特許文献2には、多缶型の燃焼器が記載されているが、再生器から燃焼器へ注入するための配管を燃焼器ケーシング毎に複数設けているので、各燃焼器への空気配分に偏差が生じる可能性があるだけでなく、燃焼器ケーシングの周囲の構造が複雑となり、製作や組立てのコストの増加が懸念される。
On the other hand,
本発明の目的は、全体の構造が小さく製作や組立てが容易な多缶型のガスタービン燃焼器、それを用いたガスタービン設備及びその運転方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a multi-can gas turbine combustor having a small overall structure and easy to manufacture and assemble, a gas turbine facility using the same, and an operating method thereof.
上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービン設備の本体ケーシングに取付けられる燃焼器ケーシングと、該燃焼器ケーシングに格納されて燃焼室を形成する燃焼器ライナを複数備えたガスタービン燃焼器において、前記本体ケーシングに設けられた抽気ポートを介して抽気された作動流体を、前記燃焼室ケーシングに設けられた注入ポートを介して前記燃焼器ケーシング内に注入する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a gas turbine combustor comprising a combustor casing attached to a main casing of a gas turbine facility, and a plurality of combustor liners housed in the combustor casing to form a combustion chamber. The working fluid extracted through an extraction port provided in the main body casing is injected into the combustor casing through an injection port provided in the combustion chamber casing.
本発明によれば、全体の構造が小さく製作や組立てが容易な多缶型のガスタービン燃焼器、それを用いたガスタービン設備及びその運転方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a multi-can gas turbine combustor having a small overall structure and easy to manufacture and assemble, a gas turbine facility using the same, and an operating method thereof.
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施例を示すガスタービン設備の断面図であり、図2は、図1の燃焼器部分の断面を軸方向から見た図である。本実施例のガスタービン設備は、圧縮機1,燃焼器2,タービン3,再生器4から構成され、タービン3の出力により発電機5を回転させて電力を得る発電用再生型ガスタービンである。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas turbine facility showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the combustor portion of FIG. 1 as viewed from the axial direction. The gas turbine equipment of this embodiment is a regenerative gas turbine for power generation that includes a
ここで、本実施例の燃焼器2は、未燃の空気と既燃の燃焼ガス105を隔てて燃焼室を形成する略円筒状の複数の燃焼器ライナ10と、この燃焼器ライナ10を格納する燃焼器ケーシング7と、各燃焼器ライナ10の上流中央にある燃料ノズル9と、この燃料ノズル9が貫通する燃焼器カバー8と、各燃焼器ライナ10の下流にあって燃料ガスをタービン3へ導く燃焼器尾筒12を有する多缶型の燃焼器である。
Here, the
更に、各燃焼器ライナ10の外周には、空気流路を形成すると共に、空気の流れを制御するためのフローガイド11が設けられている。このフローガイド11は、燃焼器ライナ10よりも直径が大きく、燃焼器ライナ10に対して略同心円筒状に位置しており、燃焼器ライナ10の下流側が開口部となるように燃焼器ケーシング7に取付けられている。
Further, on the outer periphery of each
また、燃焼器ケーシング7の形状は、図2に示す通り、略二重円筒型であり、その2つの円筒で挟まれた略環状空間内に、複数の燃焼器ライナ10が略円周状に配置されている。ここで、略二重円筒型とは、軸方向について径の大きさが異なる形状を含むものとする。更に、燃焼器ケーシング7には、1つの注入ポート14が設けられており、これにより、再生器4から燃焼器ケーシング7内に高温空気103が注入される。
Further, as shown in FIG. 2, the shape of the
一方、燃焼器ケーシング7が取付けられる本体ケーシング6には、1つの抽気ポート
13が設けられており、これにより、本体ケーシング6内から再生器4へ高圧空気101が抽気される。尚、本実施例では、本体ケーシング6は、燃焼器尾筒12だけでなく、圧縮機1及びタービン3も格納しているが、圧縮機1を格納する圧縮機ケーシングやタービン3を格納するタービンケーシングを別個にしても良い。
On the other hand, the
次に、上記構成のガスタービン設備において、作動媒体としての空気の流れについて説明する。まず、大気100が圧縮機1で圧縮されて高圧空気101となり、この高圧空気101が本体ケーシング6内に充満した後、本体ケーシング6の抽気ポート13を介して本体ケーシング6外へと抽気される。ここで、高圧空気101が複数の燃焼器尾筒12間をすり抜けて流れる際に、燃焼器尾筒12を外壁面から対流冷却する。更に、本体ケーシング6外へと抽気された空気102は、再生器4において、タービン排ガス106との熱交換により加熱されて高温空気103となり、燃焼器ケーシング7の注入ポート14を介して燃焼器ケーシング7内に注入される。
Next, the flow of air as a working medium in the gas turbine equipment configured as described above will be described. First, the
そして、注入された高温空気103は、燃焼器ケーシング7の周方向,径方向及び軸方向へ拡散し、燃焼器ケーシング7内に充満する。その後、フローガイド11の開口部から、フローガイド11と燃焼器ライナ10の間の略環状の空間内を通って、燃焼器ライナ
10の軸方向に下流側から上流側へ流れるが(図1の104)、その際、燃焼器ライナ
10の対流冷却にも使用される。また、その高温空気103の一部は、燃焼器ライナ10に設けられた冷却孔から燃焼器ライナ10内へ流入し、フィルム冷却に使用される。そして、残りの高温空気103は、燃焼器ライナ10に設けられた燃焼孔や燃料ノズル9に設けられた空気孔から燃焼器ライナ10内に燃焼用空気として流入し、燃料ノズル9から噴出される燃料200と共に燃焼ガス105として燃焼に使用される。この燃焼ガス105は、燃焼器尾筒12を通ってタービン3へ送られ、タービン3を出た低圧のタービン排ガス106が再生器4で熱回収された後、排気される(図1の107)。
The injected high-
更に、図3を用いて、燃焼器ライナ10と燃焼器尾筒12とが接続される部分に設置した隔壁部材15の構成について説明する。この隔壁部材15は、本体ケーシング6内と燃焼器ケーシング7内の空間を隔てる働きをし、主として、フランジ部15a,隔壁部15b、シール円筒部15cからなる。ここで、フランジ部15aは、隔壁部材15を本体ケーシング6に固定するためのものであり、このフランジ部15aに設けられた穴にボルトを通し、本体ケーシング6に設けられたボルト穴に固定する。また、隔壁部15bは、本体ケーシング6内と燃焼器ケーシング7内の空間を隔てるためのものであり、これにより、本体ケーシング6内に充満した空気の大部分が再生器4へと送られ、熱回収を効率よく行うことができる。そして、シール円筒部15cは、燃焼器尾筒12に対して略同心円筒状に位置するものであり、その円筒周方向に板バネシール16が取付けられている。ここで、シール円筒部15cと燃焼器尾筒12の間は、ガスタービン起動時と定常運転時の熱伸び差を考慮し、板バネシール16によるシール性が所定の条件を維持できるような間隔に設定されている。尚、通常運転時に燃焼器尾筒12が燃焼器2の上流側に熱伸びしても、シール円筒部15cが燃焼器尾筒12に対して略同心円筒状にあるので、燃焼器尾筒12の熱伸びを拘束することなくシールできる。
Furthermore, the structure of the
また、隔壁部材15は、本体ケーシング6の外側から抜き差し可能な構造となっているため、燃焼器2の分解・組立てが容易である。そこで、燃焼器2の組立方法について具体的に説明すると、まず、本体ケーシング6内に燃焼器尾筒12を取付け、その後、各燃焼器尾筒12に対して隔壁部材15を本体ケーシング6に固定する。次に、燃焼器ケーシング7を本体ケーシング6に取付け、燃焼器ケーシング7にフローガイド11を挿入取付けした後、燃焼器ライナ10を燃焼器2の上流側から燃焼器ケーシング7内に配置する。そして最後に、燃焼器カバー8及び燃焼ノズル9を設置する。尚、燃焼器2の分解方法は、上記と逆の手順で行えばよい。
Moreover, since the
上述した本実施例の構成によれば、次のような効果が達成される。まず、再生器4へ抽気するための抽気ポート13と再生器4から注入するための注入ポート14を、それぞれ本体ケーシング6と燃焼器ケーシング7に別個に設けたことにより、燃焼器ケーシング7には抽気ポート13を設ける必要がなく、燃焼器ケーシング7を小型化できる。
According to the configuration of this embodiment described above, the following effects are achieved. First, an
また、略二重円筒型の燃焼器ケーシング7の内部空間が、各燃焼器ライナ10に対して共通の空間となっており、この空間で各燃焼器ライナ10に対して略均一に空気が分配されるため、各燃焼器ライナ10に流入する空気の流量を略均一化できる。その際、燃焼器ライナ10の外周にフローガイド11を設け、燃焼器ケーシング7内の主として周方向の流れと主として軸方向の流れを隔てることにより、燃焼器ケーシング7のもつ流量均一化の機能を一層高めることができる。尚、燃焼器ライナ10とフローガイド11の間の少なくとも一部における流速が、燃焼器ケーシング7内の流速よりも早くなるように設定すると、流量均一化の機能がより高まる。こうして、空気の配分に偏差が生じにくくなると、部分的高温化や窒素酸化物(NOx)の増加が抑制できる。
In addition, the internal space of the substantially double
更に、フローガイド11の開口部を燃焼器ライナ10の下流側に設けたため、燃焼器2の上流側で燃焼に使用される空気も含めて燃焼器ライナ10の対流冷却に使用することができる。その結果、燃焼器ライナ10のフィルム冷却に消費される空気が低減し、その分燃焼器2の上流側の火炎温度が低下し、NOx生成量の抑制やライナメタル温度の低減が可能となる。
Further, since the opening of the
また、本実施例の燃焼器2は、その上流側から順番に分解することができるので、燃焼空気の高温化によって寿命の低下が懸念される燃焼器部品の点検,補修,交換を容易に行うことができる。更に、多缶型ガスタービンに再生サイクルを適用する場合であっても、各燃焼器ライナ10に空気を分配するための複雑な配管等を設けることなく、1つの注入ポート14を介して各燃焼器ライナ10に空気を供給できるので、全体構造が小さく製作も容易な燃焼器2となる。仮に、複数の燃焼器ライナ10ごとに注入ポート14を設けた場合、その配管の長さや分岐部,曲がり部の数の違いによって、各燃焼器ライナ10へ流入する空気の配分に偏差が生じ、燃焼器2の部分的高温化やNOxの発生量増加につながる恐れがある。
In addition, since the
更に、本実施例の燃焼器2は多缶型であるため、単缶型の場合と比べて、ガスタービンが大型化しても個々の燃焼器ライナ10を小型化できる。したがって、燃焼器ライナ10の座屈強度を高く維持できると共に開発コストを抑制できる。
Furthermore, since the
尚、本実施例では、注入ポート14を1つとしたが、燃焼器ライナ10の数よりも少ない数、例えば、2つ又は4つの注入ポート14を燃焼器ケーシング7に設けても構わない。
In the present embodiment, the number of
図4は、本発明の第2の実施例を示すガスタービン設備の燃焼器尾筒12付近の断面図である。本実施例におけるガスタービン設備は、基本的には第1の実施例と同じ構成であるので、第1の実施例と異なる点、すなわち、燃焼器尾筒12の冷却機能を強化した点について説明する。
FIG. 4 is a sectional view of the vicinity of the
本実施例では、燃焼器尾筒12の外周側に尾筒外筒17を配置し、この尾筒外筒17に設けられたフランジ部18によって本体ケーシング6に固定する。また、尾筒外筒17の外周側における空気の流れのうち、燃焼器尾筒12の下流側から上流側へ向かう空気の流れをフランジ部18によって遮断したので、圧縮機1から抽気ポート13へ高圧空気101が直接的に流入するのを防ぐことができる。このため、燃焼器尾筒12と尾筒外筒17との間の空間が、高圧空気101aの流路となり、図4に示す通り、高圧空気101aは、燃焼器尾筒12の下流側から流入して上流側へ流出することになる。また、流出した空気は、隣り合う燃焼器尾筒12の間をすり抜けて流れ、抽気ポート13へ集まる。このとき、燃焼器尾筒12は、その外周を流れる高圧空気101aによって対流冷却されるが、燃焼器尾筒12外周の流路内の高圧空気101aは、ほぼ全面にわたって一方向に流れるので、その流れが淀むことなく、効果的な冷却が可能となる。
In this embodiment, a tail cylinder
尚、本実施例では、冷却流路の流入側と流出側の開口部は、尾筒外筒17の長さを燃焼器尾筒12の長さよりも短くして、尾筒外筒17の両端に隙間を設けることによって形成したが、このように隙間を形成しなくても、所定の形状の穴を尾筒外筒17に設けることによって、開口部を形成してもよい。
In this embodiment, the opening on the inflow side and the outflow side of the cooling flow path is such that the length of the tail cylinder
また、本実施例では、図5に示すように、尾筒外筒17のフランジ部18に、複数のバイパス孔19が設けられている。このため、本体ケーシング6内に充満した高圧空気101の一部が、バイパス孔19を通って抽気ポート13へ流入する。このバイパス孔19を通るバイパス流101bは、燃焼器尾筒12の冷却には寄与しないので、圧縮機1から出た高圧空気101をすべて燃焼器尾筒12の冷却に用いた場合と比べて、燃焼器尾筒12を過度に冷却することがなく、燃焼ガス105の熱エネルギーの低下を防ぐため、ガスタービン設備を効率よく運転できる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, a plurality of bypass holes 19 are provided in the
しかも、燃焼器尾筒12と尾筒外筒17との間の空間にすべての空気を流す場合と比べて、流速が過度に早くなることはないので、圧力損失が低下し、熱効率が向上する。また、流速を下げるために、尾筒外筒17を大きくしたり本体ケーシング6の外部に分岐・合流配管を設けたりする必要がないので、小型化,部品点数の低減,構造の簡略化,分解組立の容易化,コスト低減などが期待できる。
Moreover, compared to the case where all the air flows through the space between the
図6は、本発明の第3の実施例を示すガスタービン設備の断面図である。本実施例は、基本的には第1の実施例と同じ構成であるが、加湿・再生型ガスタービンを採用している点が異なるので、以下、この点について具体的に説明する。 FIG. 6 is a sectional view of the gas turbine equipment showing the third embodiment of the present invention. The present embodiment basically has the same configuration as that of the first embodiment, but is different in that a humidification / regeneration gas turbine is employed. This will be specifically described below.
本実施例では、まず、本体ケーシング6の抽気ポート13から抽気した抽気空気102に対して、加湿装置20で高圧水を混合し、高湿空気とする。次に、空気中の水滴を低温再生器21で完全に蒸発させた後、再生器4においてタービン排ガス106との熱交換により高温・高湿空気とし、注入ポート14から燃焼器ケーシング7内に注入する。このとき、燃焼用空気には、通常の濃度以上の水分が含まれているので、燃焼器2の上流側の火炎温度が低下し、NOxの発生を抑制できる。つまり、燃焼に用いられる作動流体が高温である再生型ガスタービンであっても、NOxの排出量を低く抑えることが可能となる。また、加湿・再生型サイクルでは、再生サイクルと比べて、空気中に水分が含まれている分だけ燃焼器2に注入される空気量が増加するため、燃焼器2の構造が大型化する傾向にあるが、上記第1の実施例のような構成を採用すれば、燃焼器2の構造を小さく維持できる。
In the present embodiment, first, high-pressure water is mixed with the
また、上記第1〜第3の実施例の多缶再生型ガスタービンは、発電,圧縮機駆動,ポンプ駆動などに利用できるほか、排熱回収ボイラと組合せることで、発電と蒸気発生のコジェネレーションにも利用できる。尚、ガスタービン設備で利用する燃料200は、天然ガス・石炭ガス化ガス等の気体燃料、灯油・経由・重油・アルコール類等の液体燃料など、ガスタービン設備で使用可能な燃料であれば、種類を問わない。更に、ガスタービン設備の作動流体として、上記第1〜第3の実施例では、空気を用いたが、窒素,水蒸気,二酸化炭素やそれらの混合されたものなどでも良い。
The multi-can regenerative gas turbines of the first to third embodiments can be used for power generation, compressor drive, pump drive, etc., and can be combined with an exhaust heat recovery boiler to generate power and generate steam. It can also be used for generation. The
1…圧縮機、2…燃焼器、3…タービン、4…再生器、5…発電機、6…本体ケーシング、7…燃焼器ケーシング、8…燃焼器カバー、9…燃料ノズル、10…燃焼器ライナ、
11…フローガイド、12…燃焼器尾筒、13…抽気ポート、14…注入ポート、15…隔壁部材、16…板バネシール、17…尾筒外筒、18…フランジ部、19…バイパス孔、20…加湿装置、21…低温再生器、22…水ポンプ、100…大気、101…高圧空気、102…抽気空気、103…高温空気、104…ライナ冷却空気、105…燃焼ガス、106…タービン排ガス、107…排気ガス、200…燃料、301…低圧水、302…高圧水。
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (10)
The compressor compresses the working fluid and heats it by exchanging heat between the compressed working fluid and the turbine exhaust gas. The heated working fluid and fuel are combusted to generate combustion gas, and the combustion gas drives the turbine. In the operating method of the gas turbine equipment, the working fluid compressed by the compressor is extracted out of the main casing through the extraction port of the main casing, and the working fluid heated by the heat exchange is injected into the combustor casing. It is injected into the combustion casing through a port, the working fluid is diffused in the combustor casing, and at least a part of the working fluid is supplied to a plurality of combustor liners arranged substantially circumferentially. A method for operating a gas turbine facility.
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