JP2007170384A - タービンホイールスペース温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホイールスペースに供給される圧縮機抽出空気を増減するための期待される調整能力を十分に提供できるホイールスペース温度を制御する方法を提供する。
【解決手段】 ガスタービン（１０）におけるホイールスペース温度を制御する方法は、（ａ）燃焼を目的としてガスタービンに圧縮空気を供給するために使用される圧縮機（１２）から空気を抽出するステップと、（ｂ）工程（ａ）において抽出された空気をガスタービンのホイールスペースに供給するステップと、（ｃ）所望のホイールスペース温度を実現するために、工程（ｂ）において供給された空気の流れを制御するステップと、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、陸上発電タービンの動作に関し、特に、タービンホイールスペース温度の制御に関する。

タービンホイールスペースは、タービン羽根のそれぞれの列を支持する回転子円板又は回転子ホイールの間の領域である。従って、ホイールスペースは、隣接する段を通るガスの主流れの半径方向内側に位置している。通常、半径方向内側の円板は、動翼からの熱伝導、主流れのホイールスペース空洞部への侵入及びホイールスペース内部における風損加熱により加熱される。

実際のタービンホイールスペース温度は、タービン出力、周囲温度及び装置劣化又は装置状態の関数である。現在、ホイールスペース温度は監視され、温度の読取り値が許容値を超えると、それを報知するために警報が使用される。現在、操作担当者は、許容値を越えるホイールスペース温度にならぬよう、出力を低下して、そのような警報を阻止する。この操作は、収益の損失を引き起こし、暑い日には発電所の総出力を制限してしまうおそれがある。ホイールスペース温度の低下を実現するための別の選択肢は、装置の動作を停止し、冷却空気供給回路のオリフィス板を交換し、その後、装置を再始動することを含む。しかし、この手順は、運転停止／始動による遅延を招き、外部周囲温度の関数として頻繁に調整を実行することを必要とする。

別の選択肢は、冷却流れを減少することにより、ホイールスペース温度に逆の影響を与えることを含む。ホイールスペース温度をより高い値に設定すると、その結果、性能は向上するが、装置の使用年数は短縮される。
米国特許第６，７６０，６８９号公報 米国特許第６，７１９，５２６号公報 米国特許第６，５１７，３１２号公報 米国特許第６，５０６，０１３号公報 米国特許第６，４９９，９４５号公報 米国特許第６，４９９，１１４号公報 米国特許第６，４７８，５４０号公報 米国特許第６，４３５，８１４号公報 米国特許第６，４３１，８２４号公報 米国特許第６，４２８，２７０号公報 米国特許第６，４２２，８１７号公報 米国特許第６，４１２，２７０号公報 米国特許第６，３６４，６１３号公報 米国特許第５，６１１，６６２号公報 米国特許第５，５９１，００２号公報 米国特許第５，５３６，１４３号公報 米国特許第４，６６６，３６８号公報

本発明によれば、操作担当者は、調整弁を使用することにより、装置の状態、周囲温度及び指示されるホイールスペース温度に基づいて冷却流れを増加（又は減少）できる。冷却流れを減少することにより拡張範囲での動作を可能にし且つ／又は冷却流れを増加することにより悪条件の下で回転子の耐用年数を改善するために、調整を実行できる。この点に関して、システムの連続監視により、暑い日にホイールスペース温度限界以下で装置を高出力で動作させ続けることが可能になり、他の優先的動作及び拡張範囲を支援するための融通性が得られる。

タービン圧縮機から空気を抽出し、固定オリフィスを通してパージ／冷却空気をホイールスペース空洞部に供給するという現在の操作は維持されるが、新たに追加される調整制御弁により、圧縮機から抽出されホイールスペース空洞部に向かう冷却空気の流れを増加又は減少できるように、より広いオリフィスが採用される。更に、通常はホイールスペースに抽出空気を供給するために採用される複数の導管に、ただ１つの制御弁を設置するだけでよい。換言すれば、１つの制御弁で、ホイールスペースに供給される圧縮機抽出空気を増減するための期待される調整能力を十分に提供できる。

実施形態においては、本発明は、タービンホイールスペースを冷却し且つパージングするために戻される圧縮機抽出気流を制御する。冷却流れは、圧縮機抽気からタービンホイールスペースに向かう流れを所望の量にするように作動される調整弁を介して、ほぼ連続して制御される。流れの量は、所望のホイールスペース温度を実現するように選択される制御設定値により判定される。

また、本明細書では、開ループ制御構成が開示され、調整弁を所定の位置に設定できる。監視されたホイールスペース温度が許容できない値である場合、操作担当者は、弁を別の位置へ動かすことができる。

更に、閉ループ構成が開示され、弁の位置は、ホイールスペース温度を１つの設定値に保持するように自動的に変更される。

従って、１つの面においては、本発明は、ガスタービンにおけるホイールスペース温度を制御する方法であって、（ａ）主に燃焼を目的としてガスタービンに圧縮空気を供給するために使用される圧縮機から空気を抽出することと；（ｂ）工程（ａ）において抽出された空気をガスタービンのホイールスペースに供給することと；（ｃ）所望のホイールスペース温度を実現するために、工程（ｂ）において供給された空気の流れを制御することとから成る方法に関する。

別の面においては、本発明は、ガスタービンにおけるホイールスペース温度を制御する方法であって、（ａ）主に燃焼を目的としてガスタービンに圧縮空気を供給するために使用される圧縮機から空気を抽出することと；（ｂ）工程（ａ）において抽出された空気をガスタービンのホイールスペースに供給することと；（ｃ）所望のホイールスペース温度を実現するように、工程（ｂ）において供給された空気の流れを制御することとから成り、工程（ｃ）は、抽出された冷却空気をホイールスペースに供給する導管に抽気制御弁を設置することにより実行され、抽気制御弁の制御設定値は、ガスタービンの耐用年数を延長することと両立させて、所望のホイールスペース温度を実現するように選択される方法に関する。

更に、本明細書では、ガスタービンにおいて圧縮機からの抽出空気をホイールスペースに供給する装置が開示され、該装置は、圧縮機とタービンホイールスペースとの間に延出する１つ以上の空気供給導管と；１つ以上の導管に設けられる少なくとも１つの制御弁と；少なくとも周囲温度及びホイールスペース温度の関数として制御弁を制御する手段とを具備する。

以下に、添付の図面に関連して本発明を詳細に説明する。

図面を参照すると、ガスタービン構成要素１０は、圧縮機１２を介して圧縮空気を供給される。圧縮機１２は、長手方向中心線１４により表される単一の軸に軸方向に整列されてもよい。圧縮空気の大半は、タービン燃焼器（図示せず）に供給されるが、その一部は、他の用途のために抽出される。例えば、１つの回路においては、圧縮機の抽出口１６、１８から冷却空気が抽出される。冷却空気は、ライン２０、２２を通り、入口ポート２４、２６、２８及び３０を経て、タービン内のホイールスペース領域又は空洞部（単にホイールスペースとも呼ばれる）に供給される。別の回路においては、冷却空気は、圧縮機のポート３２、３４から抽出され、ライン３６、３８を通り、入口ポート４０、４２、４４及び４６を経てホイールスペースに供給される。

更に、例えば、始動中など、一時的に使用するための回路も設けられる。この場合、余剰圧縮機空気は、それぞれ対応するオン／オフ弁５６、５８、６０及び６２の制御の下で、ライン４８、５０、５２及び５４を経てタービン排気へ放出される。従来のシステムでは、種々の回路の導管又はラインにおいて、流れは固定オリフィス６４によって制御される。特定の用途及び配管構成に適合するように、抽出口、入口などの数を変更してもよい。

本発明によれば、冷却回路のうち少なくとも１つを通る流れを抽気制御弁又は調整制御弁によって制御することにより、タービンホイールスペースへの冷却流れを改善できるが、必要に応じて、追加の制御弁を採用してもよい。本実施形態によれば、（抽出口１８を経て）圧縮機から抽出され、（入口２４、２６を経て）タービンホイールスペースに供給される冷却空気を調整できるように、ライン２２に閉ループ配列で調整制御弁６６が挿入される。この点に関して、調整制御弁６６は、マイクロプロセッサ６８により制御されてもよく、例えば、装置の状態（例えば、圧縮機排出圧力により判定される）、周囲温度及び指示される瞬時ホイールスペース温度の関数として冷却流れの量を自動的に変化するようにプログラムされてもよい。制御は現在の温度の読取り値に基づいているので、拡張範囲での動作及び／又は悪条件の下での回転子寿命の改善を可能にするために、調整が自動的に実行されることが可能である。換言すれば、暑い日に装置を高出力で動作させ続けるために、システムの連続監視が採用されてもよいが、他の優先的動作及び拡張範囲を支援するための融通性も提供されるということになる。この点に関して、調整制御弁６６は、冷却流れを増加し、それにより、耐用年数を延長するために、幅広い開放位置に向かって調整されてもよく、あるいは耐用年数を犠牲にしても性能を向上するために、閉鎖位置に向かって調整されてもよい。弁６０を既存のパージ空気構造と両立させるために、最大限の流れ限界を設定する一方で所望の範囲の流れが容易に得られるように、ライン２２のオリフィス６４を拡大してもよい。あるいは、オリフィス６４を取り除いてもよいが、弁が故障した場合に備えてある程度の制御を確保するために、オリフィスを保持するのが好ましい。

上述の構造の変形においては、調整制御弁６６が１つの位置へ調整されたとき、開ループ構成が採用されてもよく、所望のホイールスペース温度が実現されない場合には、操作担当者は弁を別の位置へ選択的に動かすことができ、所望の温度又は所望の範囲内の温度を実現するために、このプロセスは必要に応じて繰り返される。

現時点で最も実用的で好適な実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる種々の変形及び等価の構成を含むことが意図されると理解すべきである。

本発明の一実施形態に従ってタービンホイールスペースを冷却し且つパージングするために使用される圧縮機抽出空気を制御するシステムを概略的に示した図である。

符号の説明

１０…ガスタービン構成要素、１２…圧縮機、２２…ライン、２４、２６、２８、３０…入口ポート、６４…固定オリフィス、６６…調整制御弁

Claims (9)

1. ガスタービン（１０）におけるホイールスペース温度を制御する方法において、
   （ａ）燃焼を主目的として前記ガスタービンに圧縮空気を供給するために使用される圧縮機（１２）から空気を抽出することと；
   （ｂ）工程（ａ）において抽出された空気を前記ガスタービンのホイールスペースに供給することと；
   （ｃ）所望のホイール温度を実現するために、工程（ｂ）において供給された空気の流れを制御することとから成る方法。
2. 工程（ｃ）は、抽出された冷却空気を前記ホイールスペースに供給する導管（２２）に抽気制御弁（６６）を設置することにより実行され、前記抽気制御弁の制御設定値は、所望のホイールスペース温度を実現するように自動的に選択される請求項１記載の方法。
3. 前記抽気制御弁（６６）の制御設定値が手動操作により入力される請求項１記載の方法。
4. 工程（ｂ）は、抽出された空気を複数の入口（２４、２６、２８、３０）を経て前記ホイールスペースに供給することを含む請求項１記載の方法。
5. 工程（ｃ）は、ホイールスペース温度を低下するために実行される請求項１記載の方法。
6. 工程（ｃ）は、ホイールスペース温度を上昇するために実行される請求項１記載の方法。
7. 工程（ｃ）は、圧縮機排出圧力により測定されるタービン装置条件の関数として実行される請求項１記載の方法。
8. 工程（ｃ）は、周囲温度及びホイールスペース温度の関数として実行される請求項１記載の方法。
9. 前記抽気制御弁の下流側に、少なくとも１つの固定オリフィス（６４）が位置する請求項２記載の方法。

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