JP2009062981A - ガスタービンの部分負荷運転条件のための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機（１１０）、燃焼器（１２０）及びタービン（１３０）を有するガスタービンシステム（１００）を部分負荷で運転するための方法及びシステムを提供する。
【解決手段】本方法及びシステムは、燃焼器（１２０）に対する燃料流量を低下させることと、燃焼器（１２０）に対する空気流量を低下させるために圧縮機（１１０）から空気を抽出することと、抽出した空気をタービン（１３０）に又は燃焼器以外（１２０）のガスタービンシステム（１００）の部品に戻すこととを含むことができる。圧縮機（１１０）から空気を抽出することは、燃焼器（１２０）内の燃焼温度を上昇させる。燃焼温度を上昇させることは、燃焼排気ガスを所定のレベル以下に維持し、安定燃焼を維持し、かつタービンターンダウン値を拡大する。
【選択図】 図１

Description

本出願は、総括的にはガスタービンに関し、より具体的には部分負荷運転時にガスタービンターンダウン値を拡大するための方法及びシステムに関する。

ガスタービンは一般的に、ピーク及びベース負荷運転において高い効率を有する。しかしながら、この効率は一般的に、部分負荷運転時に低下する。タービン運転及び排気エミッション順守は、そのようなより低負荷時に問題となる可能性がある。具体的には、タービンにおける負荷を減少させることすなわち「ターンダウン」は一般的に、燃焼器に対する燃料流量を低下させることによって達成することができる。しかしながら、この燃料流量の低下は、空気−燃料混合気をより希薄にして、燃焼温度が低下するので燃焼を持続させることがより大きな問題となる。不安定燃焼は、過度のガスエミッションレベル及び機械的不安定性を招くおそれがある。そのような不安定性は、場合によってはガスタービンシステムの要素を総じて損傷させるおそれがある。エミッション順守を維持した状態で、全負荷の約４０％〜約３０％の典型的なターンダウン値を期待することができるのが好ましい。
米国特許第７２１９０４０号明細書 米国特許第６７４８７４５号明細書 米国特許第５８９６７４１号明細書 米国特許第５５８１９９６号明細書

従って、ガスタービン部分負荷運転条件のための方法及びシステムの改良に対する要望が存在する。改良型の方法及びシステムは、全体システム効率を維持するか又は向上させながらエミッション順守の範囲内でガスタービンのターンダウン値を拡大することができるのが好ましい。

従って、本出願は、圧縮機、燃焼器及びタービンを有するガスタービンシステムを部分負荷で運転する方法を提供する。本方法は、燃焼器に対する燃料流量を低下させるステップと、燃焼器に対する空気流量を低下させるために圧縮機から空気を抽出するステップと、抽出した空気をタービンに又は燃焼器以外のガスタービンシステムの部品に戻すステップとを含むことができる。圧縮機から空気を抽出するステップは、燃焼器内の燃焼温度を上昇させる。燃焼温度を上昇させるステップは、燃焼排気ガスを所定のエミッション順守レベルのような所定のレベル以下に維持する。

本出願はさらに、ガスタービンシステムについて記述する。本ガスタービンシステムは、圧縮機吐出口を備えた圧縮機と、該圧縮機と連通した燃焼器と、該燃焼器と連通したタービンとを含むことができる。圧縮機吐出口抽気は、圧縮機吐出口からタービンまで延びて、部分負荷運転時に圧縮機吐出口から空気を抽出しかつタービンに戻すことができる。

本出願はさらに、ガスタービンシステムについて記述する。本ガスタービンシステムは、圧縮機と、該圧縮機と連通した燃焼器とを含むことができる。圧縮機は、部分負荷運転時に該圧縮機からの空気を抽出することができるようにする圧縮機吐出口バルブを含むことができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

次に、幾つかの図全体にわたって同じ参照符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、ガスタービンシステム１００の実施例の概略図である。一般的に記述すると、ガスタービンシステム１００は、圧縮機１１０、幾つかの缶１２５を備えた燃焼器１２０、及びタービン１３０を含むことができる。ガスタービンシステム１００は、圧縮機１１０内で外気を加圧する。外気は次に、燃焼器１２０に送給され、燃焼器１２０において、外気は、燃料流を燃焼させて高温燃焼ガスを生成するために使用される。高温燃焼ガスは、タービン１３０に送給され、タービン１３０おいて、高温燃焼ガスは膨張して高温ガス通路内の幾つかのブレードを介して機械エネルギーとなる。タービン１３０及び圧縮機１２０は一般的に、共通のシャフト１４０に連結され、このシャフト１４０は、発電機又はその他の形式の負荷１５０に連結することができる。ガスタービンシステム１００の負荷は、負荷センサ１５５によって測定することができる。負荷センサ１５５は、従来型の設計のものとすることができる。ガスタービンシステム１００は、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システム又はいずれかの形式の燃焼システムとすることができる。ガスタービンシステム１００は、複合サイクル発電プラント又はその他の形式の発電装置の一部とすることができる。

エミッション順守レベルは、立地、発電装置の形式、運転条件、及びその他の変数に従って変更することができる。本明細書の目的では、エミッション順守は、超えてはならないガスタービンエミッションにおける所定の限界値を意味する。エミッション順守は一般的に、ＮＯｘ及びＣＯｘエミッションとその他の種類の副生成物とに焦点を当てている。

部分負荷運転時にエミッション順守の範囲内に留める１つの公知の方法は、圧縮機１１０の周りで入口ガイドベーンの角度を小さくし、また燃料ストローク基準を考慮しながら入口ブリード加熱流を作動させることである。そのような制御システムは、本出願と同一出願人の「高出力ガスタービンのモデルベース制御方法及びシステム」の名称の米国特許第７２１９０４０号に記載されている。

現存のタービン設計に加えて、別のエミッション順守方法は、加圧吐出空気が燃焼器１２０に到達する前に、該加圧吐出空気の一部を圧縮機１１０から抽気（ブリード）することである。具体的には、燃焼器１２０への燃料流量は、ターンダウン時に低下させることができる。燃料流量の低下は、空気／燃料混合をより希薄にしかつ燃焼器１２０内の温度を低下させる。圧縮機空気の一部をブリードすることはまた、燃焼器１２０内の温度を強制的に上昇させて、ガスタービンシステム１００を総じてその意図した燃料混合気で運転することを可能にする。

燃焼器１２０内の温度を上昇させるのに加えて、このブリード空気を使用して、既存の圧縮機抽気と同様の方法で高温ガス通路内のタービン１３０の部品を冷却することができる。具体的には、現存の抽気に加えて、ガスタービンシステム１００はまた、幾つかの冷却圧縮機段抽気１６０を有することができる。例えば、第９段圧縮機抽気１６０は、第２及び第３タービン段を冷却するのに使用することができるが、第１３段、第１７段及び第１８段からの圧縮機抽気１６０は、タービン１３０の第１段、第２段及び第３段を冷却するために使用することができる。本明細書では、その他の抽気位置及び組合せも使用することができる。

この実施例では、圧縮機１１０の圧縮機吐出口１７５からの圧縮機吐出口抽気１７０もまた、上記の圧縮機段抽気１６０と同様の方法でタービン１３０の早期段を冷却するために使用することができる。圧縮機段抽気１７０は、圧縮機吐出口１７５からタービン１３０の第１又は第２段まで延びることができる。本明細書では、その他の位置も使用することができる。

それに代えて、圧縮機吐出口抽気１７０のエネルギーは、熱交換器１８０又はその他の形式の熱伝達装置を介して総じてガスタービンシステム１００又は発電プラントに関するあらゆる所望の運転のために使用することができる。熱交換器１８０は、従来型の設計のものとすることができる。例えば、熱交換器１８０は、上記のように圧縮機吐出口１７５及び複合サイクル発電プラントの他の要素と連通していてもよい。

抽気１６０、１７０の作動は、排気温度センサ１９０により実行することができる。排気温度センサ１９０は、タービン１３０からの排気流と連通して、該排気流内の出力温度を検知するようにすることができる。排気温度センサ１９０は、従来型の設計のものとすることができる。排気温度センサ１９０は、抽気流量制御バルブ２００と交信状態にすることができる。抽気流量制御バルブ２００は、圧縮機吐出口抽気１７０の空気を、タービン内を冷却するためにタービン１３０に向けてか或いは複合サイクル発電プラント又はそれ以外で使用するために熱交換器１８０に向けてかのいずれかに向けて送る従来型の三方弁とすることができる。タービン１３０の高温ガス通路内の部品に関して、さらに別のタービン温度センサ１９５を使用することができる。本明細書では、その他のセンサも使用することができる。

圧縮機段抽気１６０の周りに同様の流量制御バルブ１６５を配置して、圧縮機段抽気をまた、燃焼器１２０の温度を制御するために又はその他の目的のために使用することができるようにすることができる。例えば、圧縮機抽気１６０は、部分負荷運転時に上記のようにタービン１３０の様々な段を冷却するためにだけでなく燃焼器１２０の安定性のために使用することができる。具体的には、圧縮機段抽気１６０は、部分負荷運転時に、タービン１３０又はその他を冷却すると同時に燃焼器１２０に空気を送るのを制限するように使用することができる。抽気流量制御バルブ１６５は、上記のように三方弁とすることができ、また熱交換器１８０又は同様の形式の装置と連通して、圧縮機段抽気１６０の熱及びエネルギーがまた上記のような複合サイクル発電プラントのその他の要素に伝達状態になることができるようにすることができる。

抽気１６０、１７０の量、位置及び温度は、コントローラ２１０と共同して温度センサ１９０、１９５によって測定することができる。コントローラ２１０は、あらゆる形式のプログラム可能マイクロプロセッサとすることができる。１つよりも多いコントローラ２１０を使用することができる。コントローラ２１０は、特性パラメータ、曲線、数式、参照テーブル、その他のデータ構造だけでなく、温度センサ１９０、１９５からの、負荷センサ１５５からの、及び他の種類の入力からの直接のフィードバックを保存することができる。具体的には、コントローラ２１０は、総じて排気温度、タービン１３０の高温ガス通路内の部品の温度、及び／又はガスタービンシステム１００の負荷に基づいて、供給源の位置及びボリューム並びに抽気１６０、１７０の送給先を選択的に調整することができる。コントローラ２１０はまた、燃焼器１２０内の特定の缶１２５を完全に活動停止させることができる。燃焼器缶１２５を活動停止させることにより、ターンダウン値をさらに拡大することができる。コントローラ２１０は、缶１２５の１以上の活動停止を行いまた抽気１６０、１７０を変更して、所定の排気温度を維持しかつガスタービンシステム１００をエミッション順守の範囲内に維持することができる。

図１に示すように、タービン１３０への排気ガス再循環２２０は一般的に、全負荷運転において特定のエミッションを低減するために使用することができる。図２は、部分負荷運転の場合での排気ガス再循環２２０の使用を示す。具体的には、排気ガス再循環は、圧縮機１１０及び／又は燃焼器１２０に対して供給することができる。排気ガス再循環２２０を使用して圧縮機１１０に送られる空気中の酸素量を制御して、排気ガスの熱及びエネルギーを利用することによって燃焼器１２０の温度を上昇させるようにすることができる。それに代えて、排気ガス再循環２２０は、タービン１３０の早期段内の作動に応じて決まる選択的な基準でタービン１３０に送給することができる。排気ガス再循環２２０は、圧縮機１１０又はタービン１３０の入口、吐出口又はいずれかの段に、或いはいずれかの燃焼器位置に送給することができる。排気ガス再循環２２０は、運転状況に基づいて選択的に送給することができる。

使用中に、これらの様々な技術的方法の組合せは、総じてガスタービン１００のターンダウン値を、燃料消費量を約９パーセント（９％）又はそれ以上減少させた状態で全負荷の約１４．３％又はそれ以下に低下させることができる。これらのターンダウン値は、吸入空気量を制御することにより燃焼器１２０の温度を最少作動限界値以上に維持することによって達成することができる。部分負荷運転のための空気は、圧縮機吐出口１７５及び圧縮機段からの選択的抽気１６０、１７０によって、作動している圧縮機缶１２５の数を減少させることによって、並びに／或いは排気ガスを燃焼器１２０、圧縮機１１０及び／又はタービン１３０に選択的に戻すことによって制御することができる。これら技術的方法の様々な組合せもまた、使用することができる。同様に、圧縮機抽気１６０、１７０の使用は、タービン１３０の高温ガス通路内の部品の温度を低下させて、部品寿命を延長する。抽気１６０、１７０の熱及びエネルギーは、全体プラント熱効率を高めるために又は他の目的のために、さらに熱交換器１８０に送給することができる。

以上の説明は本出願の好ましい実施形態のみに関連していること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的な技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく当業者が本明細書において多くの変更及び修正を行うことができることは明らかであろう。

本明細書に説明するガスタービンシステムの概略図。 本明細書に説明するガスタービンシステムの別の実施形態の概略図。

符号の説明

１００ ガスタービンシステム
１１０ 圧縮機
１２０ 燃焼器
１２５ 燃焼器缶
１３０ タービン
１４０ シャフト
１５０ 負荷
１５５ 負荷センサ
１６０ 圧縮機段抽気
１６５ 圧縮機段抽気バルブ
１７０ 圧縮機吐出口抽気
１７５ 圧縮機吐出口
１８０ 熱交換器
１９０ 排気温度センサ
１９５ タービン通路温度センサ
２００ 圧縮機吐出口抽気制御バルブ
２１０ コントローラ
２２０ 排気ガス再循環

Claims (9)

1. 圧縮機（１１０）、燃焼器（１２０）及びタービン（１３０）を有するガスタービンシステム（１００）を部分負荷で運転する方法であって、
   前記燃焼器（１２０）に対する燃料流量を低下させるステップと、
   前記燃焼器（１２０）に対する空気流量を低下させるために前記圧縮機（１１０）から空気を抽出するステップと、
   前記抽出した空気を前記タービン（１３０）に又は前記燃焼器以外（１２０）の前記ガスタービンシステム（１００）の部品に戻すステップと
   を含む方法。
2. 前記圧縮機（１００）から空気を抽出するステップが、該圧縮機（１００）の吐出口（１７５）から空気を抽出するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記燃焼器（１２０）に対する空気流量を低下させるために前記圧縮機（１１０）から空気を抽出するステップが、該燃焼器（１２０）内の燃焼温度を上昇させるステップを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記燃焼器（１２０）内の燃焼温度を上昇させるステップが、該燃焼器（１２０）の燃焼排気ガスを所定のレベル以下に維持するステップを含む、請求項３記載の方法。
5. 前記抽出した空気を前記タービン（１３０）に戻すステップが、該タービン（１３０）を冷却するステップを含む、請求項１記載の方法。
6. 前記抽出した空気を前記燃焼器（１２０）以外の前記ガスタービンシステム（１００）の部品に戻すステップが、該抽出した空気を熱交換器（１８０）に導くステップを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記圧縮機（１１０）から空気を抽出するステップが、１以上の圧縮機段抽気（１６０）を含み、当該方法が、部分負荷運転時に前記１以上の圧縮機段抽気（１６０）を前記タービン（１３０）に導くステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
8. 前記抽出する空気のボリュームが、前記ガスタービンシステム（１００）の負荷、前記タービン（１３０）からの排気温度又は前記タービン（１３０）内の温度に応じて変化する、請求項１記載の方法。
9. 圧縮機（１１０）と、
   前記圧縮機（１１０）と連通した燃焼器（１２０）と
   を含み、前記圧縮機（１１０）が、部分負荷運転時に該圧縮機（１１０）からの空気を抽出することができるようにする圧縮機吐出口バルブ（２００）を含む、ガスタービンシステム（１００）。

Images