JP2010242749A - 圧縮機抽気の冷却を達成するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機抽気の冷却を達成する方法及び装置の実施形態を提供する。
【解決手段】一例示的実施形態に従って、圧縮機１０２とタービン１０４部とからなるガスタービン１００において、圧縮機抽気１１４を冷却するシステム１２０を提供する。システム１２０は、冷却媒体１２２を貯蔵する１個以上の貯蔵装置１２４と、冷却媒体１２２を１個以上の貯蔵装置１２４から受ける１個以上の分配装置１２６とを含む。１個以上の分配装置１２６は更に、圧縮機抽気１１４に冷却媒体１２２が導入される前又は導入される時に、冷却媒体１２２の少なくとも一部分を導入し、圧縮機抽気１１４は、タービン１０４部への導入前に、冷却媒体１２２により冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機械に関し、特に圧縮機抽気の冷却を達成するシステム及び方法に関する。

一般に、ガスタービンの圧縮機部から抽出される冷却空気は、ガスタービンの全体性能の低下を引き起こす。冷却空気の抽出量を少なくすると、その結果としてガスタービンの全体性能は向上するが、ガスタービン構成要素の寿命の低下も生じ得る。

少なくとも一つの従来のガスタービンは、圧縮機部から抽出される冷却済み冷却空気を用いて、例えばタービン部の様々な高温ガス流路構成要素を冷却する。この従来のガスタービンでは、プラントのボトミングサイクルからの水を用いる熱交換器により、圧縮機から抽出される空気を冷却する。圧縮機から抽出される空気を最初に熱交換器に通すことによって、熱交換器は、プラントのボトミングサイクルからの水を手段として、空気がタービン部に送られる前に、空気から熱を除去する。抽出された圧縮空気の冷却に熱交換器を用いる方法は、熱交換器と付帯設備との保全費及び運転費により、相対的に高い費用を要する。

米国出願第７，３６７，１７８号

従って、圧縮機抽気の冷却を達成するシステム及び方法が求められている。

本発明の実施形態は、上記の必要性の一部又は全部に対処し得るものである。本発明の一実施形態に従って、圧縮機抽気の冷却を達成する方法を開示する。この方法は、冷却媒体を供給する段階を含む。この方法は、ガスタービンに付随する圧縮機から空気を抽出する段階を含む。この方法は、更にまた、冷却媒体を圧縮機抽気に導入する段階であって、圧縮機抽気がタービン部への導入前又は導入時に冷却媒体によって冷却される段階を含む。

本発明のまた他の実施形態に従って、圧縮機抽気の冷却を達成するシステムを開示する。このシステムは、冷却媒体を貯蔵する１個以上の貯蔵装置を含む。また、このシステムは、１個以上の貯蔵装置から冷却媒体を受ける１個以上の分配装置を含む。これらの１個以上の分配装置は更に、圧縮機抽気に冷却媒体が導入される前又は導入される時に冷却媒体の少なくとも一部分を導入し、圧縮機抽気は、タービン部への導入前に、冷却媒体により冷却される。

本発明の更に他の実施形態に従って、ガスタービンを開示する。このガスタービンは、タービン部と圧縮機部とを含み、空気は、圧縮機の少なくとも一部分から抽出されて、タービン部内に導入される。このガスタービンは更に、冷却媒体を貯蔵する１個以上の貯蔵装置を含む。このガスタービンは更に、１個以上の貯蔵装置から冷却媒体を受ける１個以上の分配装置を含む。また、これらの１個以上の分配装置は更に、圧縮機の少なくとも一部分から抽出される空気に冷却媒体が導入される前又は導入される時に冷却媒体の少なくとも一部分を導入し、空気は、タービン部への導入前に、冷却媒体により冷却される。

本発明のその他の実施形態、態様及び特徴は、以下の詳細な説明、添付図面および添付の特許請求の範囲から当業者には明らかになろう。

本発明の実施形態に従った、例示的なシステム及びガスタービンの略図である。 本発明の実施形態に従った、システム及びガスタービンの例示的な分配装置の図である。 本発明の実施形態に従った、例示的な方法を示す図である。

本発明の実施形態を一般的な観点から説明したが、次に、必ずしも一定の比率ではない添付図面を参照する。

以下に、添付図面を参照して、本発明の例示的実施形態をより完全に説明する。実際に、本発明は多くの異なる形態で実施され、本明細書に示す実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、むしろこれらの実施形態の提示は、本開示が当該の法的要件を満たすようにするためのものである。同様の符号は、図面全体を通して同様の要素を示す。

圧縮機抽気の冷却を達成するシステム及び方法を開示する。一実施形態において、方法は、冷却媒体を供給する段階を含む。この方法は、ガスタービンに付随する圧縮機から空気を抽出する段階を含む。この方法は、更にまた、冷却媒体を圧縮機抽気に導入する段階であって、圧縮機抽気がタービン部への導入前又は導入時に冷却媒体により冷却される段階を含む。本発明の他の実施形態によれば、圧縮機抽気の冷却を達成するシステムが得られる。このシステムは、冷却媒体を貯蔵する１個以上の貯蔵装置を含む。また、このシステムは、１個以上の貯蔵装置から冷却媒体を受ける１個以上の分配装置を含む。これらの１個以上の分配装置は更に、圧縮機抽気に冷却媒体が導入される前又は導入される時に冷却媒体の少なくとも一部分を導入し、圧縮機抽気は、タービン部への導入前に、冷却媒体により冷却される。いずれの実施形態でも、このシステム及び／又は方法のある実施形態を用いる新品及び／又は改装ガスタービンは、相対的に高温の周囲温度において略定格燃焼温度で運転される。このため、圧縮機抽気の温度低下により、ある実施形態のシステム及び方法と付随するガスタービンとは、ガスタービン性能の向上及びガスタービン構成要素の寿命の維持、又は長寿命化という技術的効果を有する。

図１は、本発明の実施形態に従った、例示的なシステム及びガスタービンの略図である。図１に、圧縮機１０２と、タービン１０４と、圧縮機１０２とタービン１０４とを接続する軸１０６と、燃焼器１０８とを含む例示的なガスタービン１００のある構成要素を示す。図１に示す実施形態において、圧縮機１０２は、ガスを圧縮して放出し、燃焼器１０８は、圧縮されたガスを受けて燃焼プロセスを開始させる。燃焼器１０８からの燃焼ガスは、タービン１０４を駆動し、このタービンが軸１０６を回転させて、発電機１１０を駆動する。発電機１１０は更に、発電を行なって、送電網１１２に出力する。図１に示す実施形態において、圧縮機からの空気１１４は、圧縮機１０２に付随する１個以上の段１１６から抽出される。このような段１１６からの空気１１４は、一般に「圧縮機抽気」と呼ばれる。一般に、圧縮機抽気は、タービン１０４の１個以上の部分１１８に送出又は送給され、そこで空気１１４は、タービン１０４に付随する相対的に高温のガス流路構成要素を冷却する。

図１に示すように、ガスタービン１００のある部分に関連する温度と圧力を、それぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３で示す。例えば、圧縮機抽気冷却空気の温度はＴ１で示され、圧縮機抽気冷却空気の圧力はＰ１で示される。その他の温度Ｔ２及びＴ３と圧力Ｐ２及びＰ３とについては、以下で詳細に説明する。周囲温度及び圧力Ｔａ及びＰａは、ガスタービン１００の外側において測定されて示される。ガスタービン１００の全体にわたる上記及びその他の温度と圧力は、それぞれのセンサ、熱電対又はその他の監視装置により測定又は取得される。

同じく図１に示すように、圧縮機抽気システム１２０は、ガスタービン１００に取り付けられるか、又は後付けされる。システム１２０は、水１２２等の１つ以上の冷却媒体の供給源を含む。水１２２等の１つ以上の冷却媒体は、１個以上のそれぞれの貯蔵装置１２４内において貯蔵される。その他の実施形態では、複数の冷却媒体が、１２４と同様のそれぞれの貯蔵装置内において貯蔵される。冷却媒体、すなわち本例では水１２２の温度は、Ｔ２で示される。

ある実施形態において、冷却媒体は、水、流体、ガス又は何らかの液体又は圧縮ガスを含むが、これらに限定されない。

ある実施形態において、貯蔵装置は、タンク、貯蔵器又は上記の冷却媒体を貯蔵することができる何らかのその他の装置を含むが、これらに限定されない。一部の実施形態において、冷却媒体は、ガスタービンから離れた場所又は遠隔位置において貯蔵され、周期的又は連続的に配管又はその他の適切な装置によりガスタービンに送給される。

同じく図１に示すように、システム１２０は、１個以上の貯蔵装置１２４と連通する１個以上の分配装置１２６を含む。本実施形態において、これらの１個以上の分配装置１２６は、水１２２等の冷却媒体の少なくとも一部分を１個以上の貯蔵装置１２４から受ける。１個以上の分配装置１２６は更に、受けた冷却媒体又は水１２２の少なくとも一部分を圧縮機抽気１１４に導入し、圧縮機抽気１１４は、タービン１０４への導入前又は導入時に、冷却媒体又は水１２２により冷却される。その他の実施形態では、複数の分配装置が、複数の貯蔵装置等からの複数のそれぞれの冷却媒体を圧縮機抽気１１４に導入する。いかなる場合も、冷却媒体、本例では水１２２の相対的により低い温度Ｔ２は、タービン１０４への導入時に、圧縮機抽気１１４の相対的により高い温度Ｔ１を温度Ｔ３に低下させる。本例において、Ｔ１及びＰ１は、測定値が圧縮機抽気への冷却媒体の導入前に得られるため、乾式測定値として知られ、Ｔ３及びＰ３は、測定値が圧縮機抽気への冷却媒体の導入時又は導入後に得られるため、湿式測定値として知られる。このように、圧縮機抽気の温度を低下するので、例示的実施形態のシステムは、タービン性能を実質的に向上させるという技術的効果を有する。

一実施形態において、水１２２等の冷却媒体は、直接噴射によりタービン１０４内に導入される。冷却媒体がタービン１０４内に直接噴射される場合は、冷却媒体を圧縮機抽気に導入することが不要となり、上記の実施形態と同様の技術的効果が達成され、すなわち、タービンの性能が実質的に向上する。このような実施形態において、２００と同様の１個以上の分配装置を用いて、冷却媒体を直接噴射することができる。

他の実施形態では、タービン１０４内への冷却媒体の直接噴射と圧縮機抽気中への冷却媒体の導入とを組み合わせたものが実施される。組合せ方式を用いる場合は、２つの冷却媒体は、互いに同一とするか、又は相違する。

ある実施形態において、分配装置は、アトマイザ、噴霧器、散水器、ノズル、マニホルド又は冷却媒体を分配することができる何らかのその他の装置を含むが、これらに限定されない。

同じく図１に示すように、圧縮機抽気システム１２０は、１個以上の分配装置１２６と圧縮機１０２の少なくとも一部分から抽出される空気１１４への水１２２等の冷却媒体のそれぞれの導入量とを制御する１個以上の処理装置１２８を含む。本実施形態において、１個以上の処理装置１２８は、ガスタービン１００全体にわたって配置されるいくつかのセンサからフィードバックを得て、１個以上の分配装置１２６を制御又は操作する。

図２は、上記のシステムの実施形態に従ったシステム及びガスタービンの例示的な分配装置の図である。図２に示す分配装置２００は、例えば入口２０２とノズルヘッド部２０４と分配部２０６とを含む。図２に示す例では、分配装置２００は、図１の１００等のガスタービンの一部分において、図１の１１６等の少なくとも１個の圧縮段と図１の１１８等のタービンの少なくとも一部分との間に取り付けられる。図２に示すように、入口２０２は、図１の水１２０等の少なくとも１つの冷却媒体を受ける。入口２０２と連通するノズルヘッド部２０４は、入口２０２から水１２０等の少なくとも１つの冷却媒体を受ける。ノズルヘッド部２０４と連通する分配部２０６は、水１２０等の少なくとも１つの冷却媒体を分配し、水１２０等の少なくとも１つの媒体の少なくとも一部分を図１の１０４等のタービン部に導入する。

一実施形態において、２００等の分配装置は、圧縮機抽気を運ぶ付属配管内に取り付けられる。このような場合は、分配装置は、既存の圧縮機抽気配管に穴を形成することにより、配管内に挿入される。圧縮機抽気は、分配装置の周りを流れて、冷却媒体と混合され、該冷却媒体をタービン部の方へと下流方向に運ぶ。

図３は、本発明の実施形態に従って、ガスタービンにおいて圧縮機抽気の冷却を達成する例示的な方法３００を示す流れ図である。図の実施形態において、例示的な方法３００は、図１のガスタービン１００等のガスタービンに関連ある圧縮機抽気を冷却するために実施される。

この例示的な方法は、ブロック３０２から始まる。ブロック３０２において、冷却媒体が供給される。本実施形態では、供給される冷却媒体は、１個以上のそれぞれの貯蔵装置１２４内に貯蔵される図１の１２２等の水とする。

実施形態の一態様において、冷却媒体を供給する段階は、冷却媒体の少なくとも一部分を圧縮機抽気への冷却媒体の導入前又は導入時に分配する１個以上の分配装置を設ける段階を含む。

ブロック３０２に続くブロック３０４において、ガスタービンに付随する圧縮機から空気が抽出される。本実施形態では、１０２等の圧縮機からの、図１の１１４等の空気は、圧縮機１０２に付随する１１６等の１個以上の段から抽出される。

ブロック３０４に続くブロック３０６において、冷却媒体が、圧縮機抽気に導入され、圧縮機抽気は、タービン部への導入前又は導入時に、冷却媒体により冷却される。本実施形態では、図１の１２６等の１個以上の分配装置が、受けた冷却媒体又は水１２２の少なくとも一部分を圧縮機抽気１１４に導入し、圧縮機抽気１１４は、１０４等のタービンへの導入前又は導入時に、冷却媒体又は水１２２により冷却される。

実施形態の一態様において、冷却媒体を圧縮機抽気に導入する段階は、冷却媒体の少なくとも一部分を分配する段階と、少なくとも分配された冷却媒体部分を圧縮機抽気に導入する段階とを含む。

実施形態の一態様において、冷却媒体を圧縮機抽気に導入する段階は、少なくとも１個の処理装置により制御される。

一実施形態において、方法３００は、圧縮機抽気への冷却媒体の導入前又は導入時に、冷却媒体の少なくとも一部分を分配する１個以上の分配装置をガスタービンに取り付ける段階を含む。

一実施形態において、方法３００は、冷却媒体を貯蔵する１個以上の貯蔵装置をガスタービンに取り付ける段階を含む。

一実施形態において、方法３００は、圧縮機抽気への冷却媒体の導入前又は導入時に、冷却媒体の少なくとも一部分を分配する段階を含み、圧縮機抽気は、タービン部への導入前に、分配される冷却媒体により冷却される。

実施形態の一態様において、冷却媒体は、水、流体、ガス又は何らかの液体又は圧縮ガスの少なくとも一つを含む。

方法３００は、ブロック３０６後に終了する。

図３の例示的な要素は、例示であり、その他の方法の実施形態は、より少数又は多数の要素を有し、このような要素は、本発明のその他の実施形態によれば、また別の構成に配置される。

現在最も実用的と考えられるものと様々な実施形態とに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示の実施形態に限定されるわけではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲内に含まれる様々な改良及び同等の構成を含むことを意図するものであることを理解されたい。

本明細書は、最良の形態を含む例を用いて本発明を開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用と本明細書に組み込まれたあらゆる方法の実行とを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により限定されるとともに、当業者が想到するその他の例を含む。このようなその他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない同等の構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図している。

１００ ガスタービン
１０２ 圧縮機
１０４ タービン
１０６ 軸
１０８ 燃焼器
１１０ 発電機
１１２ 送電網
１１４ 空気
１１６ 段
１１８ 部分
１２０ システム
１２２ 水
１２４ 貯蔵装置
１２６ 分配装置
１２８ 処理装置
２００ 分配装置
２０２ 入口
２０４ ズルヘッド部
２０６ 分配部
３００ 方法
３０２ ブロック
３０４ ブロック
３０６ ブロック

Claims (10)

1. 圧縮機（１０２）とタービン（１０４）部とを含むガスタービン（１００）において圧縮機抽気（１１４）を冷却するシステム（１２０）であって、
   冷却媒体（１２２）を貯蔵する１個以上の貯蔵装置（１２４）と、
   １個以上の分配装置（１２６）であって、
   前記冷却媒体（１２２）を前記１個以上の貯蔵装置（１２４）から受け、
   前記圧縮機抽気（１１４）に前記冷却媒体（１２２）が導入される前又は導入される時に前記冷却媒体（１２２）の少なくとも一部分を導入して、前記圧縮機抽気（１１４）を、前記タービン（１０４）部への導入前に、前記冷却媒体（１２２）により冷却する分配装置（１２６）とを含むシステム（１２０）。
2. 前記１個以上の分配装置（１２６）と、前記圧縮機抽気（１１４）への前記冷却媒体（１２２）のそれぞれの導入量とを制御する１個以上の処理装置を更に含む、請求項１に記載のシステム（１２０）。
3. 前記１個以上の分配装置（１２６）は更に、前記圧縮機抽気（１１４）に前記冷却媒体（１２２）が導入される前又は導入される時に前記冷却媒体（１２２）の少なくとも一部分を分配して、前記圧縮機抽気（１１４）を、前記タービン（１０４）部への導入前に、前記分配される冷却媒体（１２２）により冷却する、請求項１に記載のシステム（１２０）。
4. 前記１個以上の貯蔵装置（１２４）は、タンク、貯蔵器又は冷却媒体の貯蔵装置の少なくとも１個を含む、請求項１に記載のシステム（１２０）。
5. 前記１個以上の分配装置（１２６）は、アトマイザ、噴霧器、散水器、ノズル又はマニホルドの少なくとも１個を含む、請求項１に記載のシステム（１２０）。
6. 前記冷却媒体（１２２）は、水、流体、ガス、液体又は圧縮ガスの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のシステム（１２０）。
7. タービン（１０４）部と、
   自身の少なくとも一部分から空気が抽出されて前記タービン（１０４）部に導入される圧縮機（１０２）と、
   冷却媒体（１２２）を貯蔵する１個以上の貯蔵装置（１２４）と、
   １個以上の分配装置（１２６）であって、
   前記冷却媒体（１２２）を前記１個以上の貯蔵装置（１２４）から受け、
   前記圧縮機（１０２）の前記少なくとも一部分から抽出される前記空気（１１４）に前記冷却媒体（１２２）が導入される前又は導入される時に前記冷却媒体（１２２）の少なくとも一部分を導入して、前記空気（１１４）を、前記タービン（１０４）部への導入前に、前記冷却媒体（１２２）により冷却する分配装置（１２６）とを含む、ガスタービン（１００）。
8. 前記１個以上の分配装置（１２６）と、前記圧縮機（１０２）の前記少なくとも一部分から抽出される前記空気（１１４）への前記冷却媒体（１２２）のそれぞれの導入量とを制御する１個以上の処理装置（１２８）を更に含む、請求項７に記載のガスタービン（１００）。
9. 前記冷却媒体（１２２）は、水、流体、ガス、液体又は圧縮ガスの少なくとも一つを含む、請求項７に記載のガスタービン（１００）。
10. 圧縮機（１０２）とタービン（１０４）部とを含むガスタービン（１００）において圧縮機抽気の冷却を達成する方法であって、
    冷却媒体（１２２）を供給する段階と、
    前記ガスタービン（１００）に付随する前記圧縮機（１０２）から空気（１１４）を抽出する段階と、
    前記冷却媒体（１２２）を前記圧縮機抽気（１１４）に導入する段階であって、前記圧縮機抽気（１１４）は、前記タービン（１０４）部への導入前又は導入時に、前記冷却媒体（１２２）により冷却される段階とを含む、方法。

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