JP2008291829A

JP2008291829A - ガスタービン設備

Info

Publication number: JP2008291829A
Application number: JP2008003809A
Authority: JP
Inventors: Hisato Tagawa; 久人田川; Shigeo Hatamiya; 重雄幡宮; Hidefumi Araki; 秀文荒木; Shinya Marushima; 信也圓島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: JP5256335B2; JP2012021534A; JP4919975B2

Abstract

【課題】
圧縮機の吸気中に水噴霧するガスタービン設備において、吸気中の水分が凍結する外気温度においてもガスタービン設備を安全に運転する。
【解決手段】
圧縮機１から抽気したタービン冷却用空気に水噴霧する水噴霧器１０と噴霧水供給ライン１２を設け、圧縮機吸気温度を温度測定器２１，吸気流量を流量測定器３１，圧縮機入口空気温度を温度測定器２２，圧縮機抽気温度を温度測定器２３，抽気流量を流量測定器３３で測定し、測定信号を制御装置５１へ送る。制御装置５１は圧縮機入口空気温度と噴霧水凍結の制限温度を比較し、制限温度より低い場合には流量調節弁４１へ制御信号Ｓ４１を送って弁開度を調節することにより噴霧水量を低減する。一方、流量調節弁４２へ制御信号Ｓ４２を送って弁開度を調節することにより噴霧水量を調節し、タービン冷却空気温度が必要な設定温度となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機の吸気中に水を噴霧するガスタービン設備に関する。

圧縮機吸気に水噴霧して、吸気温度を外気温より低下させ、さらに高湿分空気とすることにより、ガスタービンの出力と熱効率を向上するガスタービンシステムとして、例えば
ＷＯ９８／４８１５９に記載の技術がある。

なお、ガスタービンでは、高温の燃焼排ガスによる材料劣化を防止するため、タービンを冷却する必要がある。この冷却空気としては、通常、圧縮機で圧縮された空気を一部抽気した圧縮空気をタービン冷却に使用しており、これは圧縮機の吸気に水噴霧するシステムにおいても同様の方法をとっている。

国際公開ＷＯ９８／４８１５９号

ここで、圧縮機の吸気に水噴霧するガスタービンシステムでは、冬期のように外気温度が低下して凍結のため噴霧水量が制限される場合には、圧縮機に供給される空気の湿分が低下するため、圧縮機で圧縮された空気温度は通常運転時よりも上昇してしまう。数ＭＷ規模のシステムでは、圧縮機の圧縮比がさほど大きくないため、水噴霧したときと比較して水噴霧しないときの圧縮後の空気温度上昇は、外気温度低下と相殺する程度であり、タービン冷却のために圧縮機から抽気する空気温度は、タービン冷却上、特に問題となっていなかった。

しかし、数１０ＭＷ程度のシステムになると、圧縮機の圧縮比が大きくなるため、圧縮機吸気に水噴霧しない場合の圧縮後の空気温度は、冷却設計で想定した温度よりも、例えば１００℃程度高くなり、圧縮機から抽気した冷却空気では、十分なタービン冷却が困難になる。

本発明の目的は、圧縮機の吸気に水噴霧するガスタービンにおいて、外気温度の低下により噴霧水量を制限された場合でも、タービン冷却空気の温度上昇を抑制することができるガスタービン設備を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のガスタービン設備は、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記圧縮機の上流側に設置され、前記圧縮機に供給される空気に水を噴霧する噴霧装置と、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を前記タービンに供給する抽気経路とを備えたガスタービン設備において、前記抽気経路で抽気された圧縮空気に水を噴霧する水噴霧器を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機の吸気に水噴霧するガスタービンにおいて、外気温度の低下により噴霧水量を制限した場合でも、タービン冷却空気の温度上昇を抑制することができるガスタービン設備を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示すガスタービン設備のシステム系統図である。

本実施例のガスタービン設備は、空気を圧縮して吐出する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮して得た圧縮空気と燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器４と、燃焼器４で生成された前記燃焼ガスにより駆動されるガスタービン２と、このガスタービン２によって駆動される発電機３と、圧縮機１で圧縮された空気を冷却する空気冷却器５と、空気冷却器５で冷却された圧縮空気に水を加湿する増湿器６と、ガスタービン２から排出された排気ガスの熱を利用して圧縮機１から燃焼器４へ供給される前記圧縮空気を加熱する再生器７と、再生器７を経た排ガスと熱交換させて増湿器６で加湿する給水を加熱する給水加熱器８と、圧縮機１の吸気に水を噴霧する水噴霧器９（噴霧装置）を備えている。圧縮機１の吐出または途中段で抽気された圧縮空気は、抽気ライン１１によってガスタービンへ送られ、タービン翼やタービンケーシングを冷却してタービン主流ガスと合流する。また、抽気ライン１１には水噴霧器１０が設けられ、噴霧水供給ライン１２により供給される水を、抽気された圧縮空気に噴霧してガスタービン冷却空気の温度を低下させる。

以上のように構成された本実施形態では、圧縮機から抽気されたタービン冷却空気に水噴霧する設備を設けたことに特徴がある。

図２は、外気温度が低く、圧縮機吸気への噴霧水量が制限される場合に、タービン冷却空気温度が上昇する問題を図示したもので、圧縮機吸気への噴霧水量に対する圧縮機入口空気温度と抽気された空気温度の変化を模式的に示している。

通常運転時には、圧縮機吸気へ水噴霧することにより圧縮機入口空気温度は低下し、これにより圧縮機から抽気した空気温度も低下する。圧縮機吸気への噴霧水量が十分であれば、抽気温度はタービン冷却に必要な冷却空気設計温度Ｔｄ以下にすることができる。しかし、外気温度が低く、圧縮機入口空気温度が凍結を生じる制限温度Ｔｏまで低下する場合には、噴霧水量が制限される。このような場合には、圧縮機からの抽気温度を冷却空気設計温度Ｔｄまで下げることができず、十分なタービン冷却が困難になる。

次に、図１のシステム系統図と図３の制御ブロック図とを用いて、本発明のシステムの制御方法を説明する。

圧縮機１の吸気温度と吸気流量は温度測定器２１と流量測定器３１で測定され、制御装置５１に温度測定信号Ｔ２１と流量測定信号Ｖ３１が送られる。これらの信号に基づいて、制御装置５１は圧縮機入口空気温度が制限温度Ｔｏまで低下しないような最大噴霧水量を計算し（Ｗmax＝ｆ１（Ｔ２１，Ｖ３１，Ｔｏ））、流量調節弁４１に制御信号Ｓ４１を送って弁開度を調節することにより水噴霧器９での噴霧水量を制御する。また、水噴霧器９で水噴霧された圧縮機入口空気温度は温度測定器２２で測定され、測定信号Ｔ２２が制御装置５１に送られる。制御装置５１は圧縮機入口空気温度Ｔ２２と制限温度Ｔｏとを比較し、圧縮機入口空気温度Ｔ２２が制限温度Ｔｏより低い場合には、流量調節弁４１へ制御信号Ｓ４１を送って弁開度を調節し、水噴霧器９での噴霧水量を減らす（Ｗ＝Ｗ−ΔＷ）。以上の制御方法により、圧縮機吸気中の水分が凍結することによる圧縮機効率低下や翼信頼性低下を防止することができる。

一方、タービン冷却のために圧縮機から抽気された空気温度と流量は温度測定器２３と流量測定器３３で測定され、制御装置５１に温度測定信号Ｔ２３と流量測定信号Ｖ３３が送られる。これらの信号に基づいて、制御装置５１は抽気への噴霧水量を計算し、流量調節弁４２に制御信号Ｓ４２を送って弁開度を調節することにより水噴霧器１０での噴霧水量を制御する（Ｗｃ＝ｆ２（Ｔ２３，Ｖ３３））。さらに制御装置５１は抽気温度Ｔ２３と冷却空気設計温度Ｔｄを比較し、抽気温度Ｔ２３が設計温度Ｔｄより高い場合には流量調節弁４２に制御信号Ｓ４２を送って弁開度を調節することにより噴霧水量を増加させ（Ｗｃ＝Ｗｃ＋ΔＷｃ）、抽気温度Ｔ２３が設計温度Ｔｄ以下になるようにフィードバック制御をする。

以上の制御方法により、外気温度が低くて圧縮機吸気への噴霧水量が制限される場合でも、タービン冷却のために圧縮機から抽気した空気温度を設計温度以下に制御して、ガスタービン設備を運転することができる。

図４は、本発明の他の実施形態を示すガスタービン設備である。本実施形態では、空気冷却器５から増湿器６に供給される圧縮空気の一部を分岐させて、この圧縮空気を圧縮機の抽気ライン１１に供給する空気供給ライン１３を設けたことに特徴がある。

図４のシステム系統図と図５の制御ブロック図とを用いて、本発明のシステムの制御方法を説明する。

圧縮機の吸気温度と吸気流量は温度測定器２１と流量測定器３１で測定され、制御装置５２に温度測定信号Ｔ２１と流量測定信号Ｖ３１が送られる。これらの信号に基づいて、制御装置５２は圧縮機入口空気温度が制限温度Ｔｏまで低下しないような最大噴霧水量を計算し（Ｗmax＝ｆ１（Ｔ２１，Ｖ３１，Ｔｏ））、流量調節弁４１に制御信号Ｓ４１を送って弁開度を調節することにより水噴霧器９での噴霧水量を制御する。圧縮機入口空気温度は温度測定器２２で測定され、測定信号Ｔ２２が制御装置５２に送られる。制御装置５２は圧縮機入口空気温度Ｔ２２と制限温度Ｔｏとを比較し、圧縮機入口空気温度Ｔ２２が制限温度Ｔｏより低い場合には、流量調節弁４１へ制御信号Ｓ４１を送って弁開度を調節し、水噴霧器９での噴霧水量を減らす（Ｗ＝Ｗ−ΔＷ）。以上の制御方法により、圧縮機吸気中の水分が凍結することによる圧縮機効率低下や翼信頼性低下を防止することができる。

一方、タービン冷却のために圧縮機から抽気された空気温度と流量は温度測定器２３と流量測定器３３で測定され、制御装置５２に温度測定信号Ｔ２３と流量測定信号Ｖ３３が送られる。さらに、空気冷却器５で冷却された空気の一部を分岐させた冷却空気温度は温度測定器２４で測定され、測定信号Ｔ２４が制御装置５２に送られる。これらの信号に基づいて、制御装置５２は抽気ライン１１への冷却空気供給量Ｖｂと圧縮機からの抽気流量Ｖｃを計算し（Ｖｂ＝ｆ３（Ｔ２３，Ｖ３３，Ｔ２４）、Ｖｃ＝（Ｔ２３，Ｖ３３，Ｔ２４））、流量調節弁４３と４４にそれぞれ制御信号Ｓ４３とＳ４４を送って弁開度を調節することにより、冷却空気供給量と抽気流量を制御する。

制御装置５２は抽気温度Ｔ２３と冷却空気設計温度Ｔｄを比較し、抽気温度Ｔ２３が設計温度Ｔｄより高い場合には、流量調節弁４３と４４に制御信号Ｓ４３とＳ４４を送って弁開度を調節することにより冷却空気供給量Ｖｃの割合を増加させ（Ｖｃ＝Ｖｃ＋ΔＶｃ）、抽気温度Ｔ２３が設計温度Ｔｄ以下になるようにフィードバック制御をする。タービン冷却に使用する空気量が増加するとガスタービンの熱効率が低下するため、空気冷却器５からの冷却空気供給量Ｖｃと圧縮機１からの抽気流量Ｖｂの合計はなるべく少なくすることが好ましい。したがって、流量調節弁４３と４４を使って、タービン冷却に使用する空気量を最小限に抑えるように制御装置５２で制御する。例えば、冷却空気供給量Ｖｃを増加させた場合には、抽気流量Ｖｂを減少させる制御（Ｖｂ＝Ｖｂ−ΔＶｂ）を行う。

以上の制御方法により、外気温度が低くて圧縮機吸気への噴霧水量が制限される場合でも、タービン冷却に使用する空気温度を設計温度以下に制御し、また使用空気流量を最小限としてガスタービン設備を運転することができる。

図６は、本発明の他の実施形態を示すガスタービン設備である。本実施形態では、圧縮機からの抽気の一部を圧縮機の吸気へ戻す空気供給ライン１４を設けたことに特徴がある。

図６のシステム系統図と図７の制御ブロック図とを用いて、本発明のシステムの制御方法を説明する。

圧縮機１の吸気温度と吸気流量は温度測定器２１と流量測定器３１で測定され、制御装置５３に温度測定信号Ｔ２１と流量測定信号Ｖ３１が送られる。これらの信号に基づいて、制御装置５３は圧縮機入口空気温度が制限温度Ｔｏまで低下しないような最大噴霧水量を計算し（Ｗmax＝ｆ１（Ｔ２１，Ｖ３１，Ｔｏ））、流量調節弁４１に制御信号Ｓ４１を送って弁開度を調節することにより水噴霧器９での噴霧水量を制御する。圧縮機入口空気温度は温度測定器２２で測定され、測定信号Ｔ２２が制御装置５３に送られる。制御装置５３は圧縮機入口空気温度Ｔ２２と制限温度Ｔｏとを比較し、圧縮機入口空気温度Ｔ２２が制限温度Ｔｏより低い場合には、流量調節弁４１へ制御信号Ｓ４１を送って弁開度を調節し、水噴霧器９での噴霧水量を減らす（Ｗ＝Ｗ−ΔＷ）。以上の制御方法により、圧縮機吸気中の水分が凍結することによる圧縮機効率低下や翼信頼性低下を防止することができる。

続いて、タービン冷却のために圧縮機１から抽気された空気温度と流量は温度測定器２３と流量測定器３３で測定され、制御装置５３に温度測定信号Ｔ２３と流量測定信号Ｖ３３が送られる。制御装置５３は抽気温度Ｔ２３と冷却空気設計温度Ｔｄを比較し、抽気温度Ｔ２３が設計温度Ｔｄより高い場合には、流量調節弁４４と４５に制御信号Ｓ４４とＳ４５を送って弁開度を調節することにより、圧縮機抽気の一部を吸気ライン１５へ供給して吸気加熱する。なお、流量調節弁４４と４５の開度を同時に調節するのは、タービン冷却空気量を一定に保つためである。

この後、最初に説明した吸気噴霧水量の制御手順へ戻り、温度上昇した吸気への噴霧水量を増加させて湿分を増やし、最終的にタービン冷却に使用する圧縮機からの抽気温度が設計値以下となるようにフィードバック制御する。

以上の制御方法により、外気温度が低くて圧縮機吸気への噴霧水量が制限される場合でも、タービン冷却に使用する空気温度を設計温度以下に制御して、ガスタービン設備を運転することができる。また、外気温度に関わらず圧縮機吸気温度を最適制御できるという利点がある。さらに、通常、圧縮機吸気への水噴霧ができないような寒冷地においても空気への水噴霧が可能であり、ガスタービンの出力と効率を向上した運転ができ、設備稼働率を向上することができる。

圧縮機の吸気中に水噴霧するガスタービン設備において、噴霧水が凍結する外気温度においてもガスタービン設備を安全に運転することができる。

本発明によるガスタービン設備の系統図である。吸気噴霧水量に対する圧縮機入口空気温度と抽気温度の変化の模式図である。本発明によるガスタービン設備の制御ブロック図である。本発明によるガスタービン設備の系統図である。本発明によるガスタービン設備の制御ブロック図である。本発明によるガスタービン設備の系統図である。本発明によるガスタービン設備の制御ブロック図である。

符号の説明

１圧縮機
２ガスタービン
３発電機
４燃焼器
５空気冷却器
６増湿器
７再生器
８給水加熱器
９，１０水噴霧器
１１抽気ライン
１２噴霧水供給ライン
１３，１４空気供給ライン
１５吸気ライン
２１，２２，２３，２４温度測定器
３１，３３流量測定器
４１，４２，４３，４４，４５流量調節弁
５１，５２，５３制御装置

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機から吐出した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
該燃焼器の燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記圧縮機の上流側に設置され、前記圧縮機に供給される空気に水を噴霧する噴霧装置と、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気を前記タービンに供給する抽気経路とを備えたガスタービン設備において、
前記抽気経路で抽気された圧縮空気に水を噴霧する水噴霧器を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機から吐出した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
該燃焼器の燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記圧縮機の上流側に設置され、前記圧縮機に供給される空気に水を噴霧する噴霧装置と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を加湿する増湿器と、
該増湿器で加湿された圧縮空気を前記タービンの排ガスにより加熱する再生器と、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気を前記タービンに供給する抽気経路とを備えたガスタービン設備において、
前記抽気経路で抽気された圧縮空気に水を噴霧する水噴霧器を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
請求項１に記載のガスタービン設備において、
前記圧縮機の吸気温度を測定する吸気温度測定器と、前記圧縮機から抽気した空気温度を測定する抽気温度測定器と、前記吸気温度測定器と抽気温度測定器の測定値により前記圧縮機の吸気に対する噴霧水量と前記圧縮機から抽気された空気への噴霧水量を調節する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
請求項３に記載のガスタービン設備において、
前記制御装置は、前記噴霧装置により噴霧される噴霧水が凍結する条件を満足する場合には前記噴霧装置による水噴霧量を低減させ、この水噴霧量の低減により上昇する抽気空気の温度を低下させる水量に前記水噴霧器を制御することを特徴とするガスタービン設備。
空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機から吐出した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
該燃焼器の燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記圧縮機の上流側に設置され、前記圧縮機に供給される空気に水を噴霧する噴霧装置と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を冷却する空気冷却器と、
該空気冷却器で冷却された圧縮空気を加湿する増湿器と、
該増湿器で加湿された圧縮空気を前記タービンの排ガスにより加熱する再生器と、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気を前記タービンに供給する抽気経路とを備えたガスタービン設備において、
前記空気冷却器で冷却された圧縮空気の一部を前記抽気経路に供給する空気供給経路を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
請求項５に記載のガスタービン設備において、
前記圧縮機の吸気温度を測定する吸気温度測定器と、前記圧縮機から抽気された空気と前記空気冷却器から導入された空気との混合温度を測定する混合温度測定器と、前記混合温度測定器の測定値により前記圧縮機の吸気に供給する噴霧水量と、前記空気冷却器で冷却された空気を前記圧縮機の抽気に供給する量を調節する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
請求項５に記載のガスタービン設備において、
前記制御装置は、前記噴霧装置により噴霧される噴霧水が凍結する条件を満足する場合には前記噴霧装置による水噴霧量を低減させ、前記低温空気供給経路から抽気経路に供給する空気流量を、前記水噴霧量の低減により上昇する抽気空気の温度を低下させるように制御することを特徴とするガスタービン設備。
空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機から吐出した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
該燃焼器の燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記圧縮機の上流側に設置され、前記圧縮機に供給される空気に水を噴霧する噴霧装置と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を加湿する増湿器と、
該増湿器で加湿された圧縮空気を前記タービンの排ガスにより加熱する再生器と、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気を前記タービンに供給する抽気経路とを備えたガスタービン設備において、
前記抽気経路を流れる圧縮空気の一部を分岐させて、前記圧縮機の吸気に供給する空気供給経路を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
請求項８に記載のガスタービン設備において、
前記圧縮機の吸気温度を測定する吸気温度測定器と、前記温度測定器の測定値により前記圧縮機から抽気された空気を前記圧縮機の吸気へ供給する量を調節する制御装置とを備えたことを特徴とするガスタービン設備。
請求項９に記載のガスタービン設備において、
前記制御装置は、前記噴霧装置により噴霧される噴霧水が凍結する条件を満足する場合に、前記圧縮空気供給経路から前記圧縮機の吸気に圧縮空気を供給して、前記圧縮機の吸気温度を噴霧水の凍結温度よりも上昇させることを特徴とするガスタービン設備。
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出した空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記圧縮機の上流側に設置され、前記圧縮機に供給される空気に水を噴霧する噴霧装置と、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を前記タービンに供給する抽気経路と、前記抽気経路で抽気された圧縮空気に水を噴霧する水噴霧器を備え、前記抽気経路で抽気された抽気温度が前記タービンの冷却に必要な冷却空気設計温度より高い場合に、前記水噴霧器の噴霧水量を増加させることを特徴とするガスタービン設備の制御方法。