JP2010053864A - ガスタービン入口の温度管理システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンにおける熱エネルギーを管理し、効率を損なうことなくガスタービン入口の効率的な温度管理を可能にする改善されたシステム及び方法を提供すること。
【解決手段】 温度管理システムは、入口ハウジング（１２）、該入口ハウジング（１２）と流体連通した圧縮機（１４）、該圧縮機（１４）と流体連通した出力タービン（１６）、及び該出力タービン（１６）と流体連通した排気ガス組立体を含むタービン組立体（１０）と、入口ハウジング（１２）と熱連通して配置された第１の部分（３２）及び排気ガス組立体と熱連通して配置された第２の部分（３４、６６）を有する少なくとも１つのヒートパイプ（３０）と、を備え、少なくとも１つのヒートパイプ（３０）が、排気ガス組立体から入口ハウジング（１２）及び入口ハウジング（１２）の少なくとも１つの部品に流入する入力ガスの少なくとも１つに熱エネルギーを伝達するよう構成される。
【選択図】 図２

Description

本明細書で開示される対象は、ガスタービンに関し、より詳細にはタービン部品の温度を管理する方法及びシステムに関する。

凍結条件、特に凍結条件と降雨が存在する場合、ガスタービンその他のターボ機械は損傷を受けやすい。例えば、フィルタハウジング及び入口案内翼などのガスタービンの入口部分の内外に着氷すると、タービン部品の適切な動作を妨げる可能性がある。加えて、氷塊がタービン内に取り込まれて内部の部品に衝突し、部品を損傷させ、場合によっては故障を生じさせる恐れがある。

着氷を除去又は防止する最新の技術では、蒸気又は圧縮機吐出空気を用いて入口部分を加熱している。例えば、ある技術では、排熱回収ボイラから入口組立体内のフィルタハウジングの前方に配置されたコイルに蒸気を送ることを含む。別の技術では、圧縮機吐出空気を入口ハウジングに抽気して入口空気を加温することを含む。このような技術は極めて高価であり、タービンサイクル効率全体にとって好ましくない影響を及ぼす。従って、ガスタービンにおける熱エネルギーを管理し、効率を損なうことなくガスタービン入口の効率的な温度管理を可能にする改善されたシステム及び方法に対する必要性がある。

本発明の例示的な実施形態に従って構成された温度管理システムは、入口ハウジング、該入口ハウジングと流体連通した圧縮機、該圧縮機と流体連通した出力タービン、及び該出力タービンと流体連通した排気ガス組立体を含むタービン組立体と、入口ハウジングと熱連通して配置された第１の部分及び排気ガス組立体と熱連通して配置された第２の部分を有する少なくとも１つのヒートパイプとを含み、少なくとも１つのヒートパイプが、排気ガス組立体から入口ハウジング及び入口ハウジングの少なくとも１つの部品に流入する入力ガスの少なくとも１つに熱エネルギーを伝達するよう構成される。

本発明の他の例示的な実施形態は、ターボ機械の温度管理方法を含む。本方法は、入力ガスを入口ハウジング及び圧縮機を通じてタービン組立体に導入する段階と、入力ガスと燃料を組み合わせて該燃料を点火して排気ガスを生成する段階と、入口ハウジングと熱連通して配置された第１の部分及び排気ガスと熱連通して配置された第２の部分を有する少なくとも１つのヒートパイプに対して排気ガスから熱エネルギーを伝達する段階と、入口ハウジング及び入口ハウジングの少なくとも１つの部品に流入する入力ガスの少なくとも１つに少なくとも１つのヒートパイプから熱エネルギーを伝達する段階とを含む。

付加的な特徴及び利点が、本発明の例示的な実施形態の技術により実現される。本明細書では、本発明の他の実施形態及び態様を詳細に説明しており、これらの実施形態及び態様は、本特許請求した発明の一部と考えられる。本発明をその利点及び特徴と共に一層よく理解するために、以下の説明及び図面を参照されたい。

本発明の例示的な実施形態による温度管理システムを含みガスタービンの側面図。 温度管理システムの別の例示的な実施形態。 ガスタービンにおける入口空気を加熱する例示的な方法を提供するフローチャート。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態に従って構成されたガスタービン組立体全体を符号１０で示す。ガスタービン組立体１０は、入口ハウジング１２、圧縮機１４、及びロータ１８を介して圧縮機１４に接続された出力タービン１６を含む。燃焼室２０は、圧縮機１４及び出力タービン１６両方と流体連通しており、更に燃料源２２と連通している。燃料源２２からの燃料と圧縮機１４からの加圧空気とが混合されて、燃焼室２０で点火される。燃焼の高温ガス生成物２４は、出力タービン１６に流れ、高温ガス２４から仕事が取り出された後、排気ダクト２６に流れる。一実施形態では、タービン組立体１０は排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２８を含み、該排熱回収ボイラは、高温排気ガス２４から熱を回収して、例えば発電システムにおける蒸気タービンで使用可能な蒸気を生成する。

一実施形態では、タービン組立体は、ヒートパイプ３０のような１つ又はそれ以上の熱導管を含む。ヒートパイプ３０は、シール筐体を形成し、入口ハウジング１２の一部と熱的に連通した第１の部分３２と、圧縮機１４、排気ダクト２６及び／又はＨＲＳＧ２８などの熱エネルギー源と熱連通した第２の部分３４とを含む。一実施形態では、ヒートパイプ３０の一部３２は、フィルタ３６、消音装置３８、及び／又は入口案内翼のような他の入口部品に近接して入口ハウジング１２内部に配置される。一実施形態では、複数のヒートパイプ３０が含まれる。ヒートパイプ３０の数、位置、及び構成は限定されず、入力ガス及び／又は入口部品を熱エネルギーに曝すのに適したあらゆる好適な構成で配置することができる。

一実施形態では、ヒートパイプ３０は、１つ又はそれ以上の流体が配置されたシールパイプ又は管体である。使用時、第２の部分３４などのある部分が加熱すると、そこにある流体が蒸発し、結果として生じる蒸発気体が、一般に低温の第１の部分３２に流れる。蒸発気体は、第１の部分３２においてパイプ３０の壁で凝縮し、熱を放出して周囲の入口空気を加熱させるようにする。別の実施形態では、第１の部分３２は、入口部品の１つ又はそれ以上と接触して配置される。一実施形態では、対流によって第１の部分３２から熱エネルギーが奪われて入口ハウジング１２に取り込まれ、周囲の入口空気及び／又は入口部品の温度を上昇させる。

別の実施形態では、各ヒートパイプ３０は、固体ヒートパイプ（ＳＳＨＰ）であり、ここでは、圧縮機１４、排気ダクト２６及び／又はＨＲＳＧ２８からの熱エネルギーが、ヒートパイプ３０内に形成された真空キャビティに配置され及び／又はヒートパイプ３０の内表面上に配置される高熱伝導性の固体媒体により吸収される。熱エネルギーは、固体媒体を介して高温の第２の部分３４から低温の第１の部分３２に移動し、ここで周囲空気を加熱する。

１つの実施例において、ヒートパイプ３０は、Ｑｕ材料でコーティングした内表面を有するシール真空管体である。Ｑｕ材料は、熱エネルギーを第２の部分３４から第１の部分３２に伝達する働きをする。

ヒートパイプ３０は、高温ガス及び／又は蒸気通路４０などの流体導管と熱連通して配置される。一実施形態では、高温ガス及び／又は蒸気通路４０は、断熱パイプのようなあらゆる好適な流体又はガス導管である。一実施形態では、通路４０は、１つ又はそれ以上の圧縮機抽気弁４２及びＨＲＳＧ２８に流体連通して接続され、高温ガス及び／又は蒸気が通路４０に導入され、ヒートパイプ３０に送給することができるようにする。通路は、本明細書ではＨＲＳＧ２８に接続されるように図示されているが、他の実施形態では、通路は、圧縮機抽気弁４２、ＨＲＳＧ２８、排気ダクト２６、及び／又は加熱ガス又は液体の他の発生源に接続される。

通路４０は、圧縮機抽気４２、ＨＲＳＧ２８及び／又は排気ダクト２６を含む熱源をヒートパイプ３０と接続するループを形成する。ループは、熱源からの高温ガスの流れをヒートパイプ３０に移送して、排気ダクト２６の下流側の位置に戻すように構成される。このようにして、高温ガス及び／又は蒸気はタービンシステム内に留まり、高温ガス及び／又は蒸気の熱エネルギーを十分に利用してこれから出力を取り出すことができるようになる。一実施形態では、ブロア４４又は他のポンプ装置が、通路４０と流体連通して配置され、ガス及び／又は蒸気を通路を介してヒートパイプ３０に向けて強制的に送り込む。任意選択の弁４７が通路４０と流体連通して配置され、通路４０内の流体流を更に制御する。

一実施形態では、熱伝達構造部４６は、通路４０と流体連通及び／又は熱連通して配置され、通路４０とヒートパイプ３０との間で熱エネルギーを伝達する。熱伝達構造部４６は、通路４０とヒートパイプ３０との間で熱エネルギーを伝導するのに十分なあらゆる好適な形態のものである。一実施形態では、構造部４６は、通路４０と流体連通して形成された中空チャンバである。ヒートパイプ３０の第２の部分３４は、構造部４６の内部に配置され、或いは、熱エネルギーを受け取るために構造部４６と接触している。

図２を参照すると、別の実施形態では、ヒートパイプ３０は、高温ガス通路２を含むシール流体導管６０と熱連通して配置されている。一実施形態では、高温ガス通路６２は、ボックス又はパイプなどの筐体として構成されたあらゆる好適な流体又はガス導管である。二次パイプ又は他の通路６４は、ＨＲＳＧ２８及び／又は排気ダクト２６と高温ガス通路６２との間で流体連通して接続され、高温ガスを通路６２に導入して、熱エネルギーをヒートパイプ３０に送球することができるようにする。１つ又はそれ以上のヒートパイプ部分６６（例えば、１つ又はそれ以上の分岐ヒートパイプ）は、高温ガス通路６２に熱的に接続されている。一実施形態では、１つ又はそれ以上の分岐ヒートパイプ６６は、高温ガス通路６２の内部に延びて、高温ガスから熱エネルギーを受け取る。一実施形態では、分岐ヒートパイプはヒートパイプヘッダ６８に接続され、該ヘッダは、分岐ヒートパイプ６６から熱エネルギーを収集して、この熱エネルギーをヒートパイプ３０の低温セクション３２及び入口１２に伝達する。１つ又はそれ以上の弁７０、７２は、流体導管６０内に含められ、入口１２に伝達される熱エネルギー量を制御することができる。

図３は、ガスタービン又は他のターボ機械の温度管理の例示的な方法５０を示している。方法５０は、１つ又はそれ以上のステージ５１〜５４を含む。例示的な実施形態では、本方法は、記載の順序でステージ５１〜５４全てを実行することを含む。しかしながら、特定のステージは省略してもよく、又はステージを付加してもよく、或いはステージの順序を変えてもよい。

第１のステージ５１では、周囲空気のような入力ガスが入口ハウジング１２を通じて導入される。入力ガスは圧縮機１４に流れ、そこで連続的に加圧される。

第２のステージ５２では、加圧入力ガスは燃料と組み合わされ、この混合気が燃焼室２０において点火され、高温ガス生成物２４のような排気ガスを生成する。高温ガス生成物２４は、排気導管２６及び／又はＨＲＳＧ２８に進む。

第３のステージ５３では、熱エネルギーが排気ガス及び／又はＨＲＳＧ２８から少なくとも１つのヒートパイプ３０に伝達される。一実施形態では、熱エネルギーは、排気ガスから第２の部分３４に伝達される。一実施形態では、熱エネルギーは、排気ガスから伝達されて、第３の導管４０又は流体導管６０を通って循環される。別の実施形態では、追加の熱エネルギーが、例えば圧縮機抽気弁４２を通じて圧縮機１４から流体導管４０に直接伝達される。一実施形態では、圧縮機抽気弁は、タービン組立体１０の始動及び運転停止中、すなわち定格速度への加速中及び定格速度からの減速中に開放されて、これを用いて通路４０に熱エネルギーを提供する。通常運転中、熱エネルギーは、ＨＲＳＧ２８及び／又は排気ダクト２６から通路４０に提供される。

第４のステージ５４において、ヒートパイプ３０からの熱エネルギーは、ハウジング１２及び／又は入口ハウジング１２の少なくとも１つの部品に入る入力ガスに伝達される。一実施形態では、熱エネルギーは、第２の部分３４に配置された液体を蒸発させ、熱エネルギーの一部を凝縮により第１の部分３２に伝達することにより、ヒートパイプ３０の第１の部分３２から第２の部分３４に伝達される。別の実施形態では、熱エネルギーは、第２の部分３４から熱伝導性固体を通じて第１の部分３２に熱エネルギーを伝導することによって、ヒートパイプ３０から伝達される。

本明細書で説明するシステム及び方法は、ガスタービンと連動して提供されているが、入口及び／又は排気材料を組み込む他のあらゆる好適なタービン、ターボ機械又は他の装置を用いることもできる。例えば、本明細書で説明するシステム及び方法は、蒸気タービン、或いはガスと蒸気両方の生成を含むタービンと共に用いることができる。

本明細書で説明するシステム及び方法は、従来技術のシステムよりも優れた多くの利点を提供する。

本システム及び方法は、除氷及び／又は防氷のために入口又は他の部品を効果的に加熱すると同時に、タービンシステムの効率を高めることを可能にする。複合サイクルユニットにおいて、例えば、本明細書で説明する伝達システムは、ＨＲＳＧシステムに組み込んで、蒸気タービン効率に対する影響を最小限にすることができる。他の利点には、システム簡素化、蒸気を移送する必要性の回避、ノイズ低減、及び圧縮機動作への悪影響の排除を挙げることができる。

入口への圧縮機空気の吐出を利用する技術のような従来技術は、極めて高価であり、複合サイクル効率にとって犠牲が大きい。例えば、周囲温度が４０°Ｆを下回り、相対湿度が６７％より高くなると、防氷用に圧縮機吐出空気の２．５％が必要とされ、これはガスタービン効率を２％〜４％低下させることになる。入口空気を加熱するのに蒸気を用いると、機器コストの点で極めて高価になり、蒸気タービン出力を低下させる。従って、本明細書で説明するシステム及び方法は潜在的に、例えば他の技術に比べて、防氷が必要とされるときにガスタービン効率を１％〜２％節約し、除氷が必要とされるときに２％〜３％節約することができる。

本明細書で開示された実施形態の能力は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はこれらの何れかの組み合わせにおいて実装することができる。一例として、開示された実施形態の１つ又はそれ以上の態様は、例えばコンピュータ利用可能な媒体を有する製造物品（例えば、１つ又はそれ以上のコンピュータプログラム製品）に含めることができる。媒体には、例えば、本発明の機能を備え且つ可能にするためのコンピュータ読取り可能プログラムコード手段がその中に具現化されている。製造物品は、コンピュータシステムの一部として含まれるか、又は別個に販売することができる。加えて、開示した実施形態の機能を実行するために機械により実行可能な命令の少なくとも１つのプログラムを有形的に具現化した機械読取り可能な少なくとも１つのプログラム記憶装置を設けることができる。

全体として、本明細書は、最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して本発明を開示し、更にあらゆる装置又はシステムを実施及び使用してあらゆる組込み方法を実行することを含む、本発明の当業者による実施を可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定まり、当業者に想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の例示的な実施形態の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン組立体
１２ 入口ハウジング
１４ 圧縮機
１６ 出力タービン
１８ ロータ
２０ 燃焼室
２２ 燃料源
２４ ガス生成物
２６ 排気ダクト
２８ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
３０ ヒートパイプ
３２ 第１の部分
３４ 第２の部分
３６ フィルタ
３８ 消音装置
４０ 蒸気通路
４２ 抽気弁
４４ ブロア
４６ 熱伝達構造部
４７ 任意選択弁
６０ 流体導管
６２ ガス通路
６４ 他の通路
６６ ヒートパイプ部分
６８ ヒートパイプヘッダ
７０、７２ 弁
５０ 方法
５１〜５４ ステージ

Claims (10)

1. 温度管理システムであって、
   入口ハウジング（１２）、該入口ハウジング（１２）と流体連通した圧縮機（１４）、該圧縮機（１４）と流体連通した出力タービン（１６）、及び該出力タービン（１６）と流体連通した排気ガス組立体を含むタービン組立体（１０）と、
   前記入口ハウジング（１２）と熱連通して配置された第１の部分（３２）及び前記排気ガス組立体と熱連通して配置された第２の部分（３４、６６）を有する少なくとも１つのヒートパイプ（３０）と、
   を備え、
   前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）が、前記排気ガス組立体から前記入口ハウジング（１２）及び前記入口ハウジング（１２）の少なくとも１つの部品に流入する入力ガスの少なくとも１つに熱エネルギーを伝達するよう構成される、
   温度管理システム。
2. 前記入力ガスが周囲空気である、
   請求項１に記載の温度管理システム。
3. 前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）が、液体及び熱伝導性固体の少なくとも１つを含むシール筐体である、
   請求項１に記載の温度管理システム。
4. 前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）が、少なくとも１つの液体を含むシール筐体であり、前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）が、熱エネルギーに応じて前記第２の部分（３４、６６）において少なくとも１つの液体を蒸発させ、前記熱エネルギーの一部を凝縮器を介して前記第１の部分（３２）に伝達するよう構成されている、
   請求項１に記載の温度管理システム。
5. 前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）が、該少なくとも１つのヒートパイプ（３０）の内表面上に配置された熱伝導性固体を含む固体ヒートパイプ（３０）である、
   請求項１に記載の温度管理システム。
6. 前記排気ガス組立体と流体連通したシール導管を更に備え、前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）の第２の部分（３４、６６）が、前記シール導管と熱連通してその内部に配置されている、
   請求項５に記載の温度管理システム。
7. ターボ機械の温度管理方法（５０）であって、
   入力ガスを入口ハウジング（１２）及び圧縮機（１４）を通じてタービン組立体（１０）に導入する段階と、
   前記入力ガスと燃料を組み合わせて該燃料を点火して排気ガスを生成する段階と、
   前記入口ハウジング（１２）と熱連通して配置された第１の部分（３２）及び前記排気ガスと熱連通して配置された第２の部分（３４、６６）を有する少なくとも１つのヒートパイプ（３０）に対して前記排気ガスから熱エネルギーを伝達する段階と、
   前記入口ハウジング（１２）及び前記入口ハウジング（１２）の少なくとも１つの部品に流入する入力ガスの少なくとも１つに前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）から熱エネルギーを伝達することで、前記ターボ機械を温度管理する段階と、
   を含む方法。
8. 前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）が、液体及び熱伝導性固体の少なくとも１つを含むシール筐体である、
   請求項７に記載の方法（５０）。
9. 前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）から熱エネルギーを伝達する段階が、前記熱エネルギーに応じて前記第２の部分（３４、６６）において液体を蒸発させて、前記熱エネルギーの一部を凝縮器を介して前記第１の部分（３２）に伝達する段階を含む、
   請求項８に記載の方法（５０）。
10. 前記少なくとも１つのヒートパイプ（３０）から熱エネルギーを伝達する段階が、前記熱エネルギーを前記第２の部分（３４、６６）から熱伝導性固体を通じて前記第１の部分（３２）に伝導する段階を含む、
    請求項８に記載の方法（５０）。

Images