JP2011007101A

JP2011007101A - 再生サイクルガスタービンシステム

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Publication number: JP2011007101A
Application number: JP2009150905A
Authority: JP
Inventors: Susumu Nakano; 晋中野; Tadaharu Kishibe; 忠晴岸部; Manabu Yagi; 学八木; Hiroyuki Shiraiwa; 弘行白岩
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: JP5023107B2

Abstract

【課題】タービン出力を増加させるために、圧縮機翼車よりも半径の大きいタービン翼車を用いた場合でも、着火回転数までの安定した起動を確保できるようにした再生サイクルガスタービンシステムを提供する。
【解決手段】外気を吸い込み圧縮する遠心圧縮機と、圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される半径流タービンと、半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが熱交換する再生熱交換器と、半径流タービンの膨張仕事を電力に変える発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムにおいて、燃焼器の着火前に半径流タービンの入口における圧縮空気のエンタルピーを、半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピー以上に増加させるエンタルピー増加手段を更に備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、再生サイクルガスタービンシステムに係り、さらに詳しくは、遠心圧縮機及び半径流タービンを用いた再生サイクルガスタービンシステムに関する。

分散電源として開発されたマイクロガスタービンと称される小型ガスタービン発電装置がある。この小型ガスタービン発電装置は、タービン，圧縮機，発電機，燃焼器，再生熱交換器，双方向電力変換器等から構成されていて、特に、タービンと圧縮機は、半径流形の翼を用いた遠心圧縮機と半径流タービンの組み合わせによるものが多い（例えば、特許文献１参照。）。これは、半径流形の翼車であれば、小型でしかも単段での圧力比を、比較的大きく取れるためである。

一方、半径流タービンの場合、翼車を通過する流体に遠心力が作用するため、タービン出入口における流体の流入条件が整わないと、遠心力による昇圧作用で流体がタービン入口から出口に膨張しない、いわゆる空転状態を発生させるという半径流形流体機械固有の問題を有している。小型ガスタービン発電装置において、例えば、燃焼器の着火前に半径流タービンの空転状態が発生すると、遠心圧縮機からの圧縮空気が半径流タービンに流入できなくなることから、遠心圧縮機と半径流タービン間に空気が封入され、ついには遠心圧縮機のサージを発生させることになる。この結果、燃焼器の着火は不可能となり、ガスタービンの起動ができなくなる。

流体の膨張流が発生してタービンとして始動する直前の空転状態を流量ウィンディッジ点と称し、ターボチャージャーを対象としたウィンディッジ特性の影響についての研究が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

特開２００６−８３７１５号公報渡辺、他４名、「過給機タービン性能予測に与えるウィンディッジ特性の影響」第２８回ガスタービン定期講演会講演論文集、２０００年６月、ｐｐ５３−５８

半径流タービンの流量ウィンディッジ点を引き起こす要因としては、タービン入口における流体のエンタルピーの値が、半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに必要な値にまで高まっていないことが挙げられる。再生サイクルガスタービンにおいて、燃焼器の着火後には、再生熱交換器で加熱された圧縮空気と燃料とからなる燃焼ガスが流体となってタービンに流入するため、タービン入口のエンタルピーは十分に高まり、流量ウィンディッジ点の問題は発生しにくい。

一方、燃焼器の着火前には、例えば、発電機を電動機として使用し、双方向電力変換器からの可変周波数電源によって、遠心圧縮機と半径流タービンを着火回転数まで昇速する。外気から取り込まれた空気は、遠心圧縮機の断熱圧縮による昇圧昇温により、エンタルピーを増加させてタービン入口に送られる。このタービン入口における圧縮空気のエンタルピーが、半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピーよりも十分に大きければ流量ウィンディッジ点の問題は発生しない。しかし、この場合、圧縮空気のエンタルピー増加は、遠心圧縮機の断熱圧縮のみによるものであることから、以下の事項が問題になってくる。
（１）圧縮空気のタービン入口圧力は、遠心圧縮機の吐出圧力により定まり、これは、遠心圧縮機の翼車の半径に依存する。
（２）半径流タービンでは、タービン翼車の遠心力による昇圧作用は、タービン翼車の半径に依存する。
（３）半径流タービンでは、回転数が同一であれば、タービン翼車の半径が大きい方が発電機出力は増加する。

例えば、遠心圧縮機の翼車の半径と半径流タービンの翼車の半径とが同一の場合、タービン入口における圧縮空気のエンタルピーは、半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝ってタービン入口から出口への空気膨張に要するエンタルピーよりも大きいことが多く、問題が発現しない。しかし、上述した（３）から発電機出力の増加を図るために、半径流タービンの翼車の半径を遠心圧縮機の翼車の半径より大きくすると、半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用がタービン半径の増加により高まり、タービン入口における圧縮空気のエンタルピーが、半径流タービン内で発生する遠心力に打ち勝ってタービン入口から出口への空気膨張に要するエンタルピーより小さくなってしまい、流量ウィンディッジ点の状態になってしまう場合がある。この結果、遠心圧縮機からの圧縮空気が半径流タービンに流入できなくなり、ついには遠心圧縮機のサージを発生させ、着火回転数までの昇速ができず、タービンシステムとして機能しなくなってしまう。

本発明は、上述の事項に基づいてなされたもので、その目的は、タービン出力を増加させるために、圧縮機翼車よりも半径の大きいタービン翼車を用いた場合でも、着火回転数までの安定した起動を確保できるようにした再生サイクルガスタービンシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、外気を吸込み圧縮する遠心圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される半径流タービンと、この半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と前記燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが相互に熱交換する再生熱交換器と、前記半径流タービンの膨張仕事を電力に変える発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムにおいて、前記燃焼器の着火前に前記半径流タービンの入口における前記圧縮空気のエンタルピーを、前記半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピー以上に増加させるエンタルピー増加手段を更に備えるものとする。

また、第２の発明は、上記第１の発明において、前記エンタルピー増加手段は、ヒータで加熱昇温した外気を前記再生熱交換器の第１の熱交換部に配管を介して送風する送風機と、前記配管の連通を遮断する遮断弁とを備え、前記燃焼器の着火前に前記再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温するものとする。

更に、第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、前記エンタルピー増加手段は、前記再生熱交換器の第１の熱交換部に一端を接続した配管と、前記配管内における流体の連通を遮断する遮断弁と、前記配管を加熱するヒータと、前記配管の他端に設けられ、外気を前記配管内に送風する送風機とを備えるものとする。

また、第４の発明は、上記第１乃至第３の発明のいずれかの再生サイクルガスタービンシステムからなる第１のタービンシステムと、外気を吸込み圧縮する第２遠心圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる第２燃焼器と、前記第２燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される第２半径流タービンと、この第２半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と前記第２燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが相互に熱交換する第２再生熱交換器と、前記第２半径流タービンの膨張仕事を電力に変える第２発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムからなる第２のタービンシステムと、前記第１のタービンシステムと前記第２のタービンシステムとを備える再生サイクルガスタービンシステムにおいて、前記第２のタービンシステムは、前記第２燃焼器の着火前に前記第２半径流タービンの入口における前記圧縮空気のエンタルピーを、前記第２半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピー以上に増加させる第２エンタルピー増加手段を備えるものとする。

更に、第５の発明は、上記第４の発明において、前記第２エンタルピー増加手段は、前記第１のタービンシステムの半径流タービンの排気を前記第２のタービンシステムの前記第２再生熱交換器の第１の熱交換部に減圧弁を介して導入する管路から構成され、前記第２燃焼器の着火前に前記第２再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温するものとする。

また、第６の発明は、上記第４又は第５の発明において、前記第２エンタルピー増加手段は、前記第１のタービンシステムの再生熱交換器の第１の熱交換部に一端を接続した配管と、前記配管内における流体の圧力を減圧可能とする減圧弁とを備え、前記配管の他端を前記第２のタービンシステムの前記第２再生熱交換器の第１の熱交換部に接続するものとする。

更に、第７の発明は、上記第４の発明において、前記第２エンタルピー増加手段は、前記第１のタービンシステムの半径流タービンの排気を前記第２のタービンシステムの前記第２再生熱交換器の外部を加熱する熱交換部に減圧弁を介して導入する管路から構成され、前記第２燃焼器の着火前に前記第２再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温するものとする。

また、第８の発明は、上記第４又は第７の発明において、前記第２エンタルピー増加手段は、前記第１のタービンシステムの再生熱交換器の第１の熱交換部に一端を接続した配管と、前記配管内における流体の圧力を減圧可能とする減圧弁と、前記第２のタービンシステムの前記第２再生熱交換器を外部から加熱する外周熱交換部とを備え、前記配管の他端を前記外周熱交換部に接続するものとする。

更に、第９の発明は、上記第４乃至第８の発明のいずれかにおいて、外気を吸込み圧縮する第３遠心圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる第３燃焼器と、前記第３燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される第３半径流タービンと、この第３半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と前記第３燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが相互に熱交換する第３再生熱交換器と、前記第３半径流タービンの膨張仕事を電力に変える第３発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムからなる第３のタービンシステムをさらに並設し、前記第２のタービンシステムと前記第３のタービンシステムの間には、前記第２のタービンシステムの第２半径流タービンの排気を前記第３のタービンシステムの前記第３再生熱交換器の第１の熱交換部に減圧弁を介して導入する管路を設け、前記第３のタービンシステムにおける、前記第３燃焼器の着火前に前記第３再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温するものとする。

また、第１０の発明は、上記第４乃至第８の発明のいずれかにおいて、外気を吸込み圧縮する第３遠心圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる第３燃焼器と、前記第３燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される第３半径流タービンと、この第３半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と前記第３燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが相互に熱交換する第３再生熱交換器と、前記第３半径流タービンの膨張仕事を電力に変える第３発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムからなる第３のタービンシステムをさらに並設し、前記第２のタービンシステムと前記第３のタービンシステムの間には、前記第２のタービンシステムの第２半径流タービンの排気を前記第３のタービンシステムの前記第３再生熱交換器の外部を加熱する熱交換部に減圧弁を介して導入する管路を設け、前記第３のタービンシステムにおける、前記第３燃焼器の着火前に前記第３再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温するものとする。

本発明の再生サイクルガスタービンシステムによれば、着火前の圧縮空気を加温し、そのエンタルピーを高めたので、タービン翼車の外径を圧縮機翼車よりも大きくした場合でも、タービンの流量ウィンディッジ点を回避することができる。この結果、タービン本体の着火回転数までの安定した昇速が可能となり、タービン出力の増加も可能となる。

本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第３の実施の形態を示すシステム構成図である。

以下に、本発明の再生サイクルガスタービンシステムの実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。図１において、タービン本体は、永久磁石式３相発電機１と、遠心圧縮機２と、半径流タービン３とから構成されており、遠心圧縮機２の翼車と半径流タービン３の翼車とを結合するタービンロータ４が、同一軸の延長端で発電機ロータと結合している。また、半径流タービン３の上流側には管路１０を介して燃焼器５が、下流側には管路１１を介して再生熱交換器６が、それぞれ設置されている。

遠心圧縮機２は、外気９を吸い込み、断熱圧縮した圧縮空気を再生熱交換器６に管路７を介して送る。この圧縮空気は、再生熱交換器６の第２の熱交換部としての熱交換部１５を通過して管路８を介して燃焼器５に送られる。

燃焼器５では、燃料ライン１４から供給される燃料を、上述した圧縮空気と共に燃焼させて、燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスは、管路１０を介して半径流タービン３の入口に供給される。さらに、燃焼ガスは、半径流タービン３の内部で膨張して仕事を発生する。膨張後の燃焼ガス（タービン排気）は管路１１を介して再生熱交換器６の第１の熱交換部としての熱交換部１６を通過し、管路１２によって排ガス１３としてタービンシステム外に排気される。

本実施の形態においては、上述したタービン排気が再生熱交換器６の熱交換部１６に入る管路１１の部位に、管路２０の一端部を接続して、エンタルピー増加手段を設けている点が特徴である。管路２０には、他端部に外気を送風可能な送風機１７が接続され、一端部の近傍に管路２０の連通を遮断する遮断弁１９が設けられ、この遮断弁１９と送風機１７との間に例えば管路２０を加熱し、管路内部を通過する外気を昇温可能とするヒータ１８が設けられている。

次に、上述した本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第１の実施の形態の動作を説明する。
まず、タービン起動前に、送風機１７とヒータ１８を作動させ、また、遮断弁１９を開放して加熱した外気を再生熱交換器６の熱交換部１６に送風して、再生熱交換器６を加温する。

次に、タービン起動に際し、図示していない双方向電力変換器によって、系統側からタービン回転数に合わせた周波数の電力を発電機１に送電する。これにより、発電機１は電動機として作用して、タービンロータ４が静止状態から徐々に回転数を増加させる。タービンロータ４の回転数の増加によって遠心圧縮機２からの圧縮空気は流量と圧力を徐々に増加させて燃焼器５に送られる。

ここで、遠心圧縮機２からの圧縮空気は、再生熱交換器６の熱交換部１５を通過する際に、ヒータ１８と送風機１７と外気とによって加熱された熱交換部１６との熱交換によって昇温される。この結果、タービン入口における圧縮空気は、半径流タービン３内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピーよりも十分に大きなエンタルピーを確保することができる。つまり、着火回転数以下の起動時において、半径流タービン３の入口エンタルピーの低下による流量ウィンディッジを避けることができ、結果として、遠心圧縮機２のサージを回避でき安定に起動することができる。

タービンロータ４が着火回転数に到達して、燃焼器５が着火した後は、半径流タービン３に送られる流体は圧縮空気から燃焼ガスに変わり、燃焼により昇温する。つまり着火後のタービンシステムは、遠心圧縮機２からの圧縮空気が再生熱交換器６でタービン排気によって加温される再生サイクルとなる。本実施の形態においては、タービン排気が送風機１７側に流れ込むことを防ぐために、遮断弁１９の閉止と共に、ヒータ１８と送風機１７の運転を停止する制御が実施される。

上述した本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第１の実施の形態によれば、着火前に、遠心圧縮機２からの圧縮空気は再生熱交換器６によって、ヒータ１８で加温された外気との熱交換で昇温する。この結果、タービン入口における圧縮空気は、半径流タービン３内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピーよりも十分に大きなエンタルピーを確保することができる。したがって、着火回転数までの起動状態で、半径流タービン３の入口エンタルピーの低下による流量ウィンディッジの発生を避けることができる。この結果、遠心圧縮機２のサージが回避できて、タービン本体の安定した起動が可能になる。

また、上述した本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第１の実施の形態によれば、着火前の圧縮空気を加温して、そのエンタルピーを高めたので、タービン翼車の外径を圧縮機翼車よりも大きくした場合でも、タービンの流量ウィンディッジ点を回避することができる。この結果、タービン本体の着火回転数までの安定した昇速が可能となり、タービン出力の増加も可能となる。

次に、本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第２の実施の形態を図２を用いて説明する。図２は本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。なお、図２において、図１に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。

本実施の形態は、再生サイクルガスタービンシステムを２台並べて運用するように構成したものである。図２の上部に示す第１のタービンシステムは、図１に示す本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムと同じ構成である。一方、図２の下部に示す第２のタービンシステムは、基本構成は、図１に示す本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムと同じであるが、送風機１７とヒータ１８と遮断弁１９とを備えた管路２０が設けられていない点が異なる。

具体的には、図２の下部に示す第２のタービンシステムにおいて、各構成部品の符合は、図２の上部に示す第１のタービンシステムに示す各構成部品の符合に３０を加算したものであって、例えば、発電機は、第１のタービンシステムにおいて符合１で示されるが、第２のタービンシステムにおいては、第２発電機として符合３１で示されている。このように、第２のタービンシステムにおける各構成部品の名称については、先頭部に第２を付加し、例えば第２半径流タービン３３と称する。

また、第２エンタルピー増加手段として、第１のタービンシステムの管路２０における遮断弁１９と再生熱交換器６との間の部位に、第１と第２のタービンシステムを連結する管路２２の一端部が接続されている。管路２２には、一端部の近傍に管路２２内を通過する流体の圧力を減圧可能とする減圧弁２１が設けられている。また、管路２２の他端部が、第２のタービンシステムにおける第２半径流タービン３３の排気を第２再生熱交換器３６に送る第２管路４１に接続されている。

次に、上述した本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第２の実施の形態の動作を説明する。
本実施の形態においては、第１のタービンシステムと第２のタービンシステムとの起動において、順次起動を行うことを特徴とする。つまり、第１のタービンシステムが起動した後に、第１のタービンシステムのタービン排気を第２のタービンシステムの第２再生熱交換器３６に導入して、第２再生熱交換器３６を加熱して第２のタービンシステムを起動するものである。

具体的には、まず、第１のタービンシステムにおいて、上述した第１の実施の形態に従って起動する。そして、第１のタービンシステムが再生サイクルとなった後に、遮断弁１９を閉止すると共に、ヒータ１８と送風機１７の運転を停止させる。

次に、管路２２に設けられた減圧弁２１を除徐に開操作する。この結果、第１のタービンシステムの半径流タービン３の排気の一部が、第２のタービンシステムの第２再生熱交換器３６の第１の熱交換部４６を介して第２管路４２によって排ガス４３として第２のタービンシステム外に排気される。これにより、第２再生熱交換器３６を加温する。

次に、図示していない双方向電力変換器によって、系統側からタービン回転数に合わせた周波数の電力を第２発電機３１に送電する。これにより、第２発電機３１は電動機として作用して、第２タービンロータ３４が静止状態から徐々に回転数を増加させる。第２タービンロータ３４の回転数の増加によって第２遠心圧縮機３２からの圧縮空気は流量と圧力を徐々に増加させて第２燃焼器３５に送られる。

ここで、第２遠心圧縮機３２からの圧縮空気は、第２再生熱交換器３６の第２の熱交換部４５を通過する際に、第１のタービンシステムのタービン排気によって加熱された第１の熱交換部４６との熱交換によって昇温される。この結果、タービン入口における圧縮空気は、第２半径流タービン３３内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピーよりも十分に大きなエンタルピーを確保することができる。つまり、着火回転数以下の起動時において、第２半径流タービン３３の入口エンタルピーの低下による流量ウィンディッジを避けることができ、結果として、第２遠心圧縮機３２のサージを回避でき安定に起動することができる。

第２タービンロータ３４が着火回転数に到達して、第２燃焼器３５が着火した後は、第２半径流タービン３３に送られる流体は圧縮空気から燃焼ガスに変わり、燃焼により昇温する。つまり着火後の第２のタービンシステムは、第２遠心圧縮機３２からの圧縮空気が、第２再生熱交換器３６でタービン排気によって加温される再生サイクルとなる。本実施の形態においては、タービン排気が第１のタービンシステム側に流れ込むことを防ぐために、減圧弁２１を閉止する制御が実施される。

上述した本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第２の実施の形態によれば、１台目の第１のタービンシステムで第１の実施の形態に示したような安定した起動が実現でき、更に、２台目の第２のタービンシステムは、第１のタービンシステムの排気を利用して、着火前に第２遠心圧縮機３２からの圧縮空気を昇温する。この結果、タービン入口における圧縮空気は、第２半径流タービン３３内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピーよりも十分に大きなエンタルピーを確保することができる。したがって、着火回転数までの起動状態で、第２半径流タービン３３の入口エンタルピーの低下による流量ウィンディッジの発生を避けることができる。この結果、第２遠心圧縮機３２のサージが回避できて、タービン本体の安定した起動が可能になる。

また、上述した本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第２の実施の形態によれば、着火前の圧縮空気のエンタルピーを加温して高めたので、タービン翼車の外径を圧縮機翼車よりも大きくした場合でも、タービンの流量ウィンディッジ点を回避することができる。この結果、タービン本体の着火回転数までの安定した昇速が可能となり、タービン出力の増加も可能となる。

なお、本実施の形態においては、２台のタービンシステムが結合した状態における運転について説明したが、２台に限られるものではない。起動完了したタービンシステムのタービン排気を２台目以降のタービンシステムに送ることにより、複数台のタービンシステムを運用する場合にも適用することができる。

次に、本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第３の実施の形態を図３を用いて説明する。図３は本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第３の実施の形態を示すシステム構成図である。なお、図３において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。

本実施の形態は、再生サイクルガスタービンシステムを２台並べて運用するように構成したものであって、上述した第２の実施の形態とほぼ同じ構成からなる。
第２の実施の形態においては、第２エンタルピー増加手段として、第１のタービンシステムのタービン排気が、直接第２のタービンシステムの第２熱交換器３６に導入される構成であったのに対し、本実施の形態においては、第１のタービンシステムのタービン排気が、第２のタービンシステムの第２熱交換器３６を外部から加熱する構成である点が異なる。

具体的には、第２エンタルピー増加手段として、第１のタービンシステムの管路２０における遮断弁１９と再生熱交換器６との間の部位に、第１と第２のタービンシステムを連結する管路２２の一端部が接続されている。管路２２には、一端部の近傍に管路２２内を通過する流体の圧力を減圧可能とする減圧弁２１が設けられている。また、管路２２の他端部が、第２のタービンシステムの第２再生熱交換器３６を外部から加熱する外周熱交換部２３の一端に接続されている。外周熱交換部２３の他端には、管路２４が接続されている。

次に、上述した本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第２の実施の形態の動作を説明する。
本実施の形態においては、第１のタービンシステムと第２のタービンシステムとの起動において、順次起動を行うことを特徴とする。つまり、第１のタービンシステムが起動した後に、第１のタービンシステムのタービン排気を第２のタービンシステムの外周熱交換部２３を通して排気することにより、第２再生熱交換器３６を外部から加熱して第２のタービンシステムを起動するものである。

次に、管路２２に設けられた減圧弁２１を除徐に開操作する。この結果、第１のタービンシステムの半径流タービン３の排気の一部が、第２のタービンシステムの外周熱交換部２３を介して管路２４によって排ガス２５として第２のタービンシステム外に排気される。これにより、第２再生熱交換器３６は外部から加温される。

ここで、第２遠心圧縮機３２からの圧縮空気は、第１のタービンシステムのタービン排気が通過した外周熱交換部２３により加熱された第２再生熱交換器３６の第２の熱交換部４５を通過することによって昇温される。この結果、タービン入口における圧縮空気は、第２半径流タービン３３内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピーよりも十分に大きなエンタルピーを確保することができる。つまり、着火回転数以下の起動時において、第２半径流タービン３３の入口エンタルピーの低下による流量ウィンディッジを避けることができ、結果として、第２遠心圧縮機３２のサージを回避でき安定に起動することができる。

第２タービンロータ３４が着火回転数に到達して、第２燃焼器３５が着火した後は、第２半径流タービン３３に送られる流体は圧縮空気から燃焼ガスに変わり、燃焼により昇温する。つまり着火後の第２のタービンシステムは、第２遠心圧縮機３２からの圧縮空気が第２再生熱交換器３６でタービン排気によって加温される再生サイクルとなる。第１のタービンシステムのタービン排気による第２再生熱交換器３６の加熱が不必要となることから、減圧弁２１を閉止する制御が実施される。

上述した本発明の再生サイクルガスタービンシステムの第３の実施の形態によれば、上述した第１及び第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、第１のタービンシステムのタービン排気が、第２のタービンシステムに導入されず、それぞれの配管系統を独立して施工できることから、例えば、他のタービンシステムへの配管の施工が容易に実施できる。

また、第１のタービンシステムのタービン排気が、第２のタービンシステムに導入されないことから、減圧弁２１の開閉制御が、第２の実施の形態に比較すると容易に行える。つまり、第１のタービンシステムの運転状態と第２のタービンシステムの運転状態がお互いに影響を与えないため、タービン排気に伴う各構成要素の制御が容易に行える。

また、本発明は、マイクロガスタービンと称される小型ガスタービン発電装置に適用すれば有効である。

１発電機
２遠心圧縮機
３半径流タービン
４タービンロータ
５燃焼器
６再生熱交換器
７管路
８管路
９外気
１３排気
１４燃料供給ライン
１５第２の熱交換部
１６第１の熱交換部
１７送風機
１８ヒータ
１９遮断弁
２０管路
２１減圧弁
２３外周熱交換部
３１第２発電機
３２第２遠心圧縮機
３３第２半径流タービン
３５第２燃焼器
３６第２再生熱交換器

Claims

外気を吸込み圧縮する遠心圧縮機と、
圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される半径流タービンと、
この半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と前記燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが相互に熱交換する再生熱交換器と、
前記半径流タービンの膨張仕事を電力に変える発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
前記燃焼器の着火前に前記半径流タービンの入口における前記圧縮空気のエンタルピーを、前記半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピー以上に増加させるエンタルピー増加手段を更に備える
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項１に記載の再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
前記エンタルピー増加手段は、ヒータで加熱昇温した外気を前記再生熱交換器の第１の熱交換部に配管を介して送風する送風機と、前記配管の連通を遮断する遮断弁とを備え、前記燃焼器の着火前に前記再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温する
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項１または２に記載の再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
前記エンタルピー増加手段は、
前記再生熱交換器の第１の熱交換部に一端を接続した配管と、
前記配管内における流体の連通を遮断する遮断弁と、
前記配管を加熱するヒータと、
前記配管の他端に設けられ、外気を前記配管内に送風する送風機とを備える
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の再生サイクルガスタービンシステムからなる第１のタービンシステムと、
外気を吸込み圧縮する第２遠心圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる第２燃焼器と、前記第２燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される第２半径流タービンと、この第２半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と前記第２燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが相互に熱交換する第２再生熱交換器と、前記第２半径流タービンの膨張仕事を電力に変える第２発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムからなる第２のタービンシステムと、
前記第１のタービンシステムと前記第２のタービンシステムとを備える再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
前記第２のタービンシステムは、前記第２燃焼器の着火前に前記第２半径流タービンの入口における前記圧縮空気のエンタルピーを、前記第２半径流タービン内で発生する遠心力の昇圧作用に打ち勝って流体をタービン入口から出口に膨張させるのに要するエンタルピー以上に増加させる第２エンタルピー増加手段を備える
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項４に記載の再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
前記第２エンタルピー増加手段は、前記第１のタービンシステムの半径流タービンの排気を前記第２のタービンシステムの前記第２再生熱交換器の第１の熱交換部に減圧弁を介して導入する管路から構成され、前記第２燃焼器の着火前に前記第２再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温する
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項４又は５に記載の再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
前記第２エンタルピー増加手段は、
前記第１のタービンシステムの再生熱交換器の第１の熱交換部に一端を接続した配管と、
前記配管内における流体の圧力を減圧可能とする減圧弁とを備え、
前記配管の他端を前記第２のタービンシステムの前記第２再生熱交換器の第１の熱交換部に接続する
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項４に記載の再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
前記第２エンタルピー増加手段は、前記第１のタービンシステムの半径流タービンの排気を前記第２のタービンシステムの前記第２再生熱交換器の外部を加熱する熱交換部に減圧弁を介して導入する管路から構成され、前記第２燃焼器の着火前に前記第２再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温する
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項４又は７に記載の再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
前記第２エンタルピー増加手段は、
前記第１のタービンシステムの再生熱交換器の第１の熱交換部に一端を接続した配管と、
前記配管内における流体の圧力を減圧可能とする減圧弁と、
前記第２のタービンシステムの前記第２再生熱交換器を外部から加熱する外周熱交換部とを備え、
前記配管の他端を前記外周熱交換部に接続する
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項４乃至８のいずれか１項に記載の再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
外気を吸込み圧縮する第３遠心圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる第３燃焼器と、前記第３燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される第３半径流タービンと、この第３半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と前記第３燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが相互に熱交換する第３再生熱交換器と、前記第３半径流タービンの膨張仕事を電力に変える第３発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムからなる第３のタービンシステムをさらに並設し、
前記第２のタービンシステムと前記第３のタービンシステムの間には、前記第２のタービンシステムの第２半径流タービンの排気を前記第３のタービンシステムの前記第３再生熱交換器の第１の熱交換部に減圧弁を介して導入する管路を設け、
前記第３のタービンシステムにおける、前記第３燃焼器の着火前に前記第３再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温する
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
請求項４乃至８のいずれか１項に記載の再生サイクルガスタービンシステムにおいて、
外気を吸込み圧縮する第３遠心圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる第３燃焼器と、前記第３燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される第３半径流タービンと、この第３半径流タービンの排気が通過する第１の熱交換部と前記第３燃焼器に導入される圧縮空気が通過する第２の熱交換部とが相互に熱交換する第３再生熱交換器と、前記第３半径流タービンの膨張仕事を電力に変える第３発電機とを有する再生サイクルガスタービンシステムからなる第３のタービンシステムをさらに並設し、
前記第２のタービンシステムと前記第３のタービンシステムの間には、前記第２のタービンシステムの第２半径流タービンの排気を前記第３のタービンシステムの前記第３再生熱交換器の外部を加熱する熱交換部に減圧弁を介して導入する管路を設け、
前記第３のタービンシステムにおける、前記第３燃焼器の着火前に前記第３再生熱交換器の第２の熱交換部を通過する前記圧縮空気を加温する
ことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。