JP2011007111A - 再生サイクルガスタービンシステム、およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機と半径流タービンと再生熱交換器を有する再生サイクルガスタービンシステムにおいて、タービンの流量ウィンディッジ点を避け、着火回転数までの昇速を安定にすることができ、結果として、タービン出力の増加が得られる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】大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機２と、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器５と、燃焼ガスによって駆動する半径流タービン３と、半径流タービン３から排出された排ガスと遠心圧縮機２から燃焼器５へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器６と、遠心圧縮機２から吐出した圧縮空気を再生熱交換器６をバイパスして燃焼器５に導くバイパス管路９とを備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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のシステム構造に関する。

特許文献１に記載されているように、発電出力が１００ｋＷ程度の比較的小型のガスタービンでは、圧縮機とタービンに、半径流形の翼を用いることが多い。つまり、遠心圧縮機と、半径流形タービンである。これは、半径流形の翼車は、小型でしかも単段での圧力比が比較的大きく取れるためである。また、ガスタービンは小型になると発電効率が低下する傾向にあるが、発電効率の低下を補うために、タービン排ガスの熱で、圧縮機吐出空気を加熱して、燃焼器入口の空気温度を昇温させるという、いわゆる再生サイクルを適用することが多い。

一方、半径流形タービンでは、翼車の回転による遠心力で、タービン出口から入口に流体を流出させる力が作用するため、タービン入口の圧力や温度等の流入条件が整わないと、流れが逆流する場合がある。これは、半径流タービンの流量ウィンディッジ点として知られ、ターボチャージャーを対象とした研究では、非特許文献１に示すものがある。特に、ガスタービンシステムの場合、燃焼器での着火前では、タービン入口の圧力温度条件は、圧縮機の吐出圧及び吐出空気温度以上にはならないため、圧縮機の吐出状態で制限される。

特開２００５−１４７０７９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、ｐｐ５３−５８、２０００年６月．

半径流タービンでは、回転数が同一であれば、翼車の半径が大きい方が、発電出力は増加するため、与えられた条件の中では、なるべくタービン半径を大きく取ることが、望まれる。しかし、タービン半径を大きくとると、タービン出口から入口に流体を流出させる力も増大してしまう。一方、タービン入口の圧縮空気の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。タービン入口の圧力は、遠心圧縮機の吐出圧力以上に大きくは取れず、また、圧縮機とタービン間に設置される再生熱交換器による圧力損失によって、タービン入口圧は遠心圧縮機の吐出圧よりも低減する。タービンが流量ウィンディッジにあると、圧縮機からの空気は下流域に流動できなくなり、ついにはサージに突入し、着火回転数までの昇速ができず、ガスタービンシステムとして機能しなくなる。これを避けるため、遠心圧縮機と半径流タービンを適用した既存のタービンシステムでは、タービン翼車外径と圧縮機翼車外径比は１.１６以下に設定していた。しかし、この方法だと、タービン出力をより増加することは困難であった。

本発明では、流量ウィンディッジを避けて、更にタービン出力を増加できるようにタービンシステムを構成したものであり、出力増大のためにタービン翼車外径と圧縮機翼車外径の比を１.１６以上に大きくとった場合でも、流量ウィンディッジ点に入らないで、圧縮機のサージを避けて、タービンを着火回転数まで安定に起動できるようにしたものである。

本発明の目的は、タービン出力を増加させるために、タービン翼車外径を圧縮機翼車外径の１.１６倍以上の大きさにした場合でも、着火回転数までの安定な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。

上記課題を解決するため、大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機と、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって駆動する半径流タービンと、半径流タービンから排出された排ガスと遠心圧縮機から燃焼器へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器と、遠心圧縮機から吐出した圧縮空気を再生熱交換器をバイパスして燃焼器に導くバイパス管路とを備えた。

上記構成によれば、燃焼器の着火に十分な空気量に達するまでは、遠心圧縮機からの吐出空気を直接に燃焼器に送れる。圧縮機吐出空気は再生熱交換器を迂回させることで、再生熱交換器での圧力損失を回避できるため、半径流タービンの入口部に圧力低下の少ない状態の空気を送ることができる。そのため、流量ウィンディッジ点に入らないで、圧縮機のサージを避けて、タービンを着火回転数まで安定に起動することができる。

また、第２の発明として、大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機と、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって駆動する半径流タービンと、半径流タービンから排出された排ガスと遠心圧縮機から燃焼器へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器と、半径流タービンから排出された排ガスを再生熱交換器へ導く排ガス管路とを備えたガスタービンシステムを複数台有し、ガスタービンシステムのうち、少なくとも１台のガスタービンシステムは、遠心圧縮機から吐出した前記圧縮空気を再生熱交換器をバイパスして燃焼器に導くバイパス管路を備え、バイパス管路を備えるガスタービンシステムから排出された排ガスを、他のガスタービンシステムの再生熱交換器内に流入する圧縮空気温度を昇温する熱源として用いる。

タービン入口での空気圧力と温度が低い程、流量ウィンディッジ点に入りやすいため、上記構成は、タービン入口に供給される空気温度を昇温させるものである。複数台のタービンを運転する場合、タービンの起動時間をずらす。例えば１台目が既に着火を終了している場合、１台目のタービンからの排気ガスの排熱を利用して、２台目のタービンの入口空気温度を昇温して起動運転を行う。これにより、２台目以降のタービンシステムの起動時に、流量ウィンディッジ点に入らないで、圧縮機のサージを避けて、タービンを着火回転数まで安定に起動させることができる。

本発明によれば、再生サイクルガスタービンシステムにおいて、タービン翼車外径と圧縮機翼車外径の比を１.１６以上に大きくとった場合でも、タービンの流量ウィンディッジ点を避けて、着火回転数までの昇速を安定にすることができ、タービン出力を増加することができる。

本発明を適用した第１の実施例に係る再生サイクルガスタービンのシステム図である。 本発明を適用した第２の実施例に係る再生サイクルガスタービンのシステム図である。 本発明を適用した第３の実施例に係る再生サイクルガスタービンのシステム図である。

以下、本発明を実施するための形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。

本発明による再生サイクルガスタービンシステムの一実施例を図１に示す。発電機１，遠心圧縮機２，半径流タービン３から、タービン本体は構成されており、遠心圧縮機２と半径流タービン３は、図示していない発電機ロータと一体に共通軸上に設置されるようにタービンロータ４によって、発電機ロータ，圧縮機翼車，タービン翼車が結合されている。また、タービンの上流側に燃焼器５が、下流側に再生熱交換器６が設置されている。外気１７は、遠心圧縮機２によって吸気され、昇圧され管路７を介して再生熱交換器６に送られ、再生熱交換器６を通過して燃焼器５に送られる。燃焼器５では、燃料供給ライン１４から供給される燃料を、再生熱交換器６からの空気と混合し燃焼させて半径流タービン３に燃焼ガスを供給する。燃焼ガスは、半径流タービン３で膨張して仕事を発生する。膨張後の燃焼ガスは管路１２を介して再生熱交換器６に送られ、再生熱交換器６を通過して管路１３によって排ガス１６としてガスタービンシステム外に排気される。ここで、図１に示したガスタービンシステムでは、遠心圧縮機２の吐出側に設置される管路７に、再生熱交換器６を経ないで直接燃焼器５につながるバイパス管路９を設け、圧縮機吐出側に設置される管路７から分岐する管路１０と管路９には、それぞれ遮断弁８と、遮断弁１８が設置されている。

上記のガスタービンシステムで、発電機ロータには永久磁石を装着したロータとして、タービン起動時には、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気を送電する。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を静止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からの吐出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、燃焼器５の着火に十分な空気量に達するまでは、遮断弁８を閉じて、管路９側に通じる遮断弁１８を開放して、遠心圧縮機２からの吐出空気を直接に燃焼器５に送るようにする。圧縮機吐出空気は再生熱交換器６を迂回させることで、再生熱交換器６での圧力損失を回避できるため、半径流タービン３の入口部に圧力低下の少ない状態の空気を送ることができる。着火回転数に到達後は、半径流タービン３に送られる空気は燃焼により昇温するため、管路９側に通じる遮断弁１８を閉じ、再生熱交換器６側に通じる遮断弁８を開けて、遠心圧縮機２の吐出空気を再生熱交換器６を介して燃焼器５に送るようにする。遮断弁８と遮断弁１８の開閉操作に伴う、流れの急激な変化を避けるため、弁８と弁１８を遮断弁に変えて、電動弁として、弁の開閉操作をゆっくりと行うようにしても良い。また、図示していないが、管路７と管路９及び管路１０の分岐点に三方弁を設置しても良い。

本実施例では、タービン翼車外径を圧縮機翼車外径よりも１.１６倍以上に大きくした場合でも、着火前の状態では、遠心圧縮機２の吐出空気は再生熱交換器６を通過しないため、圧力損失による圧力低下が防げ、着火回転数までの起動状態で、半径流タービン入口圧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、圧縮機のサージを回避でき安定に起動できる。また、着火後は、圧縮機吐出空気は、再生熱交換器６を通過するため、ガスタービンシステムとしては再生サイクルとなる。本実施例から、タービン翼車外径を圧縮機翼車外径よりも１.１６倍以上に大きく取り、タービン出力を増加させる場合にも、起動から着火まで安定した運転が確保できるという効果がある。

本発明の別の実施例を図２に示す。図２の実施例では再生サイクルガスタービンシステムを２台並べて運用するケースを示したものである。図２のガスタービンシステム１０１は図１に示したガスタービンシステムと同じであり、同様の部分に相当する箇所には同符号を付して説明を省略する。

一方、ガスタービンシステム１０２は、基本構成は図１に示したガスタービンシステムと同じであるが管路２７には、再生熱交換器２６を経ないで直接、燃焼器２５につながる流路は設けられていない。両ガスタービンシステムにはガスタービンシステム１０１の管路１２から減圧バルブ３６を介してガスタービンシステム１０２の管路３２に接続される管路３７が設置されている。

図２において、タービンの起動方法は、ガスタービンシステム１０１と１０２で時間をずらして行う。つまり、ガスタービンシステム１０１が着火してタービン排ガス温度が上昇したら、その排ガスをガスタービンシステム１０２の再生熱交換器２６に導入して、再生熱交換器２６を加熱してガスタービンシステム１０２の起動を開始する。タービンの回転開始時に、減圧バルブ３６を調整して、半径流タービン３の排気の一部をガスタービンシステム１０２の再生熱交換器２６を介してダクト３３によってタービンシステム外に排気する。これによって、ガスタービンシステム１０２の遠心圧縮機２２からの吐出空気を再生熱交換器２６で昇温させる。空気温度が上昇しているため、半径流タービン２３の流量ウィンディッジを避けることができ、ガスタービンシステム１０２は安定起動できる。

本実施例では、１台目のガスタービンシステムは第一の実施例に示したように安定な起動が実現でき、更に、２台目のガスタービンシステムは１台目のガスタービンシステムの排熱を利用することによって安定起動が実現できる。これにより、タービン翼車外径を圧縮機翼車外径よりも１.１６倍以上に大きく取り、タービン出力を増加させる場合にも、起動から着火まで安定した運転が確保できるという効果がある。

本実施例では２台のガスタービンシステムを繋げた運転方法を示したが、２台目以降の排ガスを次のガスタービンシステムに送ることにより、複数台のガスタービンシステムを運用する場合にも適用できる。

本発明の別の実施例を図３に示す。図３の実施例では再生サイクルガスタービンシステムを２台並べて運用するケースを示したものである。図３のガスタービンシステム１０３は図１に示したガスタービンシステムと同じである。一方、ガスタービンシステム１０４の基本構成は図２に示したガスタービンシステム１０２と同じである。従って、図２と同様の部分に相当する箇所には同符号を付して説明を省略する。

本実施例では、再生熱交換器２６の外壁を、上方タービンシステムの排ガスの一部により加温する熱交換器３８を設置した。熱交換器３８の上流側は、ガスタービンシステム１０３の管路１２から減圧バルブ３６を介して接続する配管３７に接続されており、下流側は、配管３９に接続されている。熱交換器３８を通過した上方タービンシステムのタービン排ガスの一部は配管３９から排ガス１６として排気される。

図３において、タービンの起動方法は、ガスタービンシステム１０３とガスタービンシステム１０４で時間をずらして行う。つまり、ガスタービンシステム１０３が着火してタービン排ガス温度が上昇したら、その排ガスの一部を減圧バルブ３６を調整して、ガスタービンシステム１０４の熱交換器３８を通して排気して再生熱交換器２６を加熱してガスタービンシステム１０４の起動を開始する。これによって、ガスタービンシステム１０４の遠心圧縮機２２からの吐出空気を再生熱交換器２６で昇温させる。空気温度が上昇しているため、半径流タービン２３の流量ウィンディッジを避けることができ、ガスタービンシステム１０４は安定起動できる。

本実施例では、１台目のガスタービンシステム１０３は第一の実施例に示したように安定な起動が実現でき、更に、２台目のガスタービンシステム１０４は１台目のタービンシステムの排熱を利用することによって安定起動が実現できる。これにより、タービン翼車外径を圧縮機翼車外径よりも１.１６倍以上に大きく取り、タービン出力を増加させる場合にも、起動から着火まで安定した運転が確保できるという効果がある。

本実施例では２台のガスタービンシステムを繋げた運転方法を示したが、２台目以降の排ガスを次のガスタービンシステムに送ることにより、複数台のガスタービンシステムを運用する場合にも適用できる。

１，２１ 発電機
２，２２ 遠心圧縮機
３，２３ 半径流タービン
４，２４ タービンロータ
５，２５ 燃焼器
６，２６ 再生熱交換器
７，９，１０，１１，１２，１３，２７，３１，３２，３３，３５，３７ 管路
８ 遮断弁
１４，４０ 燃料供給ライン
１６ 排ガス
１７ 外気
３６ 減圧バルブ
３８ 熱交換器
１０１，１０２，１０３，１０４ ガスタービンシステム

Claims (8)

1. 大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機と、
   前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって駆動する半径流タービンと、
   該半径流タービンから排出された排ガスと前記遠心圧縮機から前記燃焼器へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器と、
   前記遠心圧縮機から吐出した前記圧縮空気を前記再生熱交換器をバイパスして前記燃焼器に導くバイパス管路とを備えたことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
2. 請求項１記載の再生サイクルガスタービンシステムであって、
   前記半径流タービンの翼車外径は、前記遠心圧縮機の翼車外径の１.１６倍より大きいことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
3. 大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機と、
   前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって駆動する半径流タービンと、
   該半径流タービンから排出された排ガスと前記遠心圧縮機から前記燃焼器へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器と、
   前記半径流タービンから排出された排ガスを前記再生熱交換器へ導く排ガス管路とを備えたガスタービンシステムを複数台有し、
   該ガスタービンシステムのうち、少なくとも１台のガスタービンシステムは、前記遠心圧縮機から吐出した前記圧縮空気を前記再生熱交換器をバイパスして前記燃焼器に導くバイパス管路を備え、
   該バイパス管路を備えるガスタービンシステムから排出された排ガスを、他のガスタービンシステムの再生熱交換器内に流入する前記圧縮空気を昇温する熱源として用いる加熱装置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。
4. 大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機と、
   前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって駆動する半径流タービンと、
   該半径流タービンから排出された排ガスと前記遠心圧縮機から前記燃焼器へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器と、
   前記半径流タービンから排出された排ガスを前記再生熱交換器へ導く排ガス管路とを備えたガスタービンシステムを複数台有し、
   該ガスタービンシステムのうち、少なくとも１台のガスタービンシステムは、前記遠心圧縮機から吐出した前記圧縮空気を前記再生熱交換器をバイパスして前記燃焼器に導くバイパス管路を備え、
   前記バイパス管路を備えるガスタービンシステムは、前記排ガスを他の前記ガスタービンシステムの前記排ガス管路に導く管路を有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。
5. 大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機と、
   前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって駆動する半径流タービンと、
   該半径流タービンから排出された排ガスと前記遠心圧縮機から前記燃焼器へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器と、
   前記半径流タービンから排出された排ガスを前記再生熱交換器へ導く排ガス管路とを備えるガスタービンシステムを複数台有し、
   該ガスタービンシステムのうち、少なくとも１台のガスタービンシステムは、前記遠心圧縮機から吐出した前記圧縮空気を前記再生熱交換器をバイパスして前記燃焼器に導くバイパス管路を備え、
   前記バイパス管路を備えるガスタービンシステムは、前記排ガスを他の前記ガスタービンシステムの再生熱交換器を加熱する加熱器に熱源として導入され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。
6. 請求項３又は４記載の再生サイクルガスタービンシステムであって、
   前記半径流タービンの翼車外径は、前記遠心圧縮機の翼車外径の１.１６倍より大きいことを特徴とする再生サイクルガスタービンシステム。
7. 大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機と、
   前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって駆動する半径流タービンと、
   該半径流タービンから排出された排ガスと前記遠心圧縮機から前記燃焼器へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器とを備えた再生サイクルガスタービンシステムの運転方法であって、
   前記燃焼器での燃料着火に必要な圧縮空気量に達するまで、前記遠心圧縮機からの圧縮空気を前記再生熱交換器を迂回させて、直接に前記燃焼器に送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の運転方法。
8. 大気を吸入して圧縮空気を生成する遠心圧縮機と、
   前記圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって駆動する半径流タービンと、
   該半径流タービンから排出された排ガスと前記遠心圧縮機から前記燃焼器へ供給される圧縮空気とを熱交換させる再生熱交換器と、
   前記半径流タービンから排出された排ガスを前記再生熱交換器へ導く排ガス管路とを備えたガスタービンシステムを複数台有する再生サイクルガスタービンシステムの運転方法であって、
   該ガスタービンシステムのうち、少なくとも１台の前記ガスタービンシステムでは、燃料着火に必要な圧縮空気量に達するまで、前記遠心圧縮機からの圧縮空気を前記再生熱交換器を迂回させて、直接に前記燃焼器に送り、前記排ガスを用いて、他の前記ガスタービンシステムの前記再生熱交換器を、前記他のガスタービンシステムが燃料着火に必要な圧縮空気量に達するまで、加熱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の運転方法。

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