JP2013104372A - ２軸式ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】２軸式ガスタービンを、減速機を用いることなく６０Ｈｚと５０Ｈｚの発電用として共用できるようにする。
【解決手段】ガスジェネレータ２１は、圧縮空気を生成する圧縮機１１と、圧縮機からの圧縮空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動されて圧縮機の駆動力を発生する高圧タービン１３とを有する。出力タービン２２は、高圧タービンからの排気ガスで駆動する低圧タービン１４と、低圧タービンにより駆動される発電機１５を有する。制御装置３０は、圧縮機１１のＩＧＶ開度を小さくすることで、圧縮機の動力を低減して、発電機１５が無負荷定格回転数状態（ＦＳＮＬ）におけるガスジェネレータ２１の回転数を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、２軸式ガスタービンに係り、特に、６０Ｈｚ及び５０Ｈｚに共用するに好適な２軸式ガスタービンに関する。

一般に、２軸式ガスタービンは、圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンで構成されるガスジェネレータを備えるとともに、負荷に接続される低圧タービン（パワータービン）を備え、ガスジェネレータにおける回転軸（ガスジェネレータ軸）が低圧タービンの回転軸に対して分離されている（例えば、特許文献１参照）。そして、そのガスジェネレータでは、圧縮機が圧縮空気を生成し、燃焼器において燃料を圧縮機からの圧縮空気と混合燃焼させて燃焼ガスを生成し、その燃焼器で生成された燃焼ガスは、高圧タービンを回転駆動して圧縮機の駆動力を発生させた後、低圧タービンに送られてそれを回転駆動する。

このような２軸式ガスタービンでは、一般に減速機を用いるものについては、減速機を変更することで、６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機をともに駆動することができる。一方、減速機を用いず、ガスタービンと発電機を直接結合するものについては、６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機では異なるガスタービンを使用する。

特開２０１０−２５０６９号公報

上述のように従来の２軸式ガスタービンでは減速機を用いず、ガスタービンと発電機を直接結合するものについては、６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機では異なるガスタービンを使用する。しかし、６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機でガスタービンを共用できれば、開発コスト低減・信頼性メンテナンス性が向上する。

一方、無負荷状態における低圧タービン回転数が低下すると、ガスジェネレータ回転数も低下する。このため、６０Ｈｚ発電機用ガスタービンでと５０Ｈｚ発電機を駆動すると、ガスジェネレータ回転数が低下する。共振回避の観点からガスジェネレータ回転数には一般に下限値が存在し、この下限値以下で回転数を保持することはできない。

本発明の目的は、減速機を用いることなく６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機を共用できる２軸式ガスタービンを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動されて前記圧縮機の駆動力を発生する高圧タービンとを有するガスジェネレータと、前記高圧タービンからの排気ガスで駆動する低圧タービンと、該低圧タービンにより駆動される発電機とを有する出力タービンとを有する２軸式ガスタービンであって、前記低圧タービンで、前記発電機が無負荷定格回転数状態（ＦＳＮＬ）における前記ガスジェネレータの回転数を増加させる制御装置を備えるようにしたものである。
かかる構成により、減速機を用いることなく６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機を共用できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記圧縮機の動力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記高圧タービンの出力を増加することにより、前記ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記低圧タービンの出力を低減することにより、ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（５）上記（２）において、好ましくは、前記制御装置は、前記圧縮機のＩＧＶ開度を小さくすることで、前記圧縮機の動力を低減して、前記ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（６）上記（２）において、好ましくは、前記圧縮機に抽気する圧縮機抽気弁を備え、前記制御装置は、前記圧縮機抽気弁を開くことで前記圧縮機の動力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（７）上記（２）において、好ましくは、前記圧縮機の軸に接続されたモータを備え、前記制御装置は、前記モータにより動力を付加することで前記圧縮機の動力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（８）上記（７）において、好ましくは、前記モータとして、起動時に使用するモータを用いるようにしたものである。

（９）上記（３）において、好ましくは、前記制御装置は、冷却空気流量調整弁の開度を小さくすることで、前記高圧タービンの出力を増加することにより、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（１０）上記（４）において、好ましくは、前記低圧タービンから排出される排ガス流路中に設けられた排気ダクトダンパを備え、前記制御装置は、前記排気ダクトダンパの開度を小さくすることで低前記圧タービンの出力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（１１）上記（４）において、好ましくは、前記低圧タービンの軸に接続された燃料ガス圧縮機を備え、前記燃料ガス圧縮機により前記低圧タービンの出力を低減することで、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

（１２）上記（４）において、好ましくは、前記低圧タービンの軸に接続された蒸気タービンを備え、前記蒸気タービンの復水器の圧力を増加すること前記で低圧タービンの出力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させるようにしたものである。

無負荷状態で低圧タービン回転数を６０Ｈｚから５０Ｈｚに低下させた場合の、ガスジェネレータ回転数の低下を抑制できるため、６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機でガスタービンを共用することができる。

本発明の一実施形態による２軸式ガスタービンの構成図である。 従来例における２軸式ガスタービンの制御動作の説明図である。 本発明の一実施形態による２軸式ガスタービンの制御動作の説明図である。

以下、図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態による２軸式ガスタービンの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による２軸式ガスタービンの構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による２軸式ガスタービンの構成図である。

本実施形態による２軸式ガスタービン２０は、ガスジェネレータ２１と出力タービン２２で構成される。

出力タービン２２は、低圧タービン１４と発電機１５を主な要素として構成され、低圧タービン１４にそのロータでもある出力タービン軸１６を介して発電機１５が接続されている。

一方、ガスジェネレータ２１は、圧縮機１１、燃焼器１２、高圧タービン１３を主な要素として構成されている。

圧縮機１１は、大気中から取り込む空気を圧縮して圧縮空気を生成する。また圧縮機１１は、空気取込み側にＩＧＶ（入口案内翼）１が設けられている。そしては、ＩＧＶ１はＩＧＶ駆動装置２８により開度を変えることができるようにされ、それにより圧縮機１１の空気取込み量を変化させる。

燃焼器１２は、圧縮機１１からの圧縮空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガス１７を生成する。

高圧タービン１３は、そのロータでもあるガスジェネレータ軸を介して圧縮機１１に駆動力を伝達できるようにされ、燃焼器１２からの燃焼ガス１７で回転駆動されて圧縮機１１の駆動力を発生する。高圧タービン１３の回転駆動に働いて圧力を低下させた排気ガス１８は、高圧タービン１３から低圧タービン１４に送られてそれを回転駆動する。

次に、図２及び図３を用いて、本発明の一実施形態による２軸式ガスタービンの制御原理について、従来例と比較して説明する。
図２は、従来例における２軸式ガスタービンの制御動作の説明図である。図３は、本発明の一実施形態による２軸式ガスタービンの制御動作の説明図である。

従来の２軸式ガスタービンでは減速機を用いず、ガスタービンと発電機を直接結合するものについては、６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機では異なるガスタービンを使用する。しかし、６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機でガスタービンを共用できれば、開発コスト低減・信頼性メンテナンス性が向上する。

ここで、図２は、横軸をガスジェネレータ回転数とし、縦軸を低圧タービン回転数としたときの無負荷バランスを示している。図２に示すように、無負荷状態における低圧タービン回転数が低下すると、ガスジェネレータ回転数も低下する。このため、６０Ｈｚ発電機用ガスタービンで５０Ｈｚ発電機を駆動すると、ガスジェネレータ回転数が低下する。共振回避の観点からガスジェネレータ回転数には一般に下限値（図示のガスジェネレータ回転数下限）が存在し、下限値で回転数を保持することはできない。

図３は、図２と同様に、横軸をガスジェネレータ回転数とし、縦軸を低圧タービン回転数としたときの無負荷バランスを示している。ここで、図３に示すように、ガスジェネレータのバランスを改善して、同一の低圧タービン回転数でガスジェネレータ回転数を増加させることで、上述の問題を解決することができるものである。また、同一のガスジェネレータ回転数で低圧タービン回転数を低下させることでも、上述の問題を解決することができるものである。

図１に示した制御装置３０は、１）同一の低圧タービン回転数でガスジェネレータ回転数を増加させるか、２）同一のガスジェネレータ回転数で低圧タービン回転数を低下させることにより、減速機を用いることなく６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機を共用できるようにしている。

以下、具体的な制御装置３０の制御内容について説明する。

同一の低圧タービン回転数で、発電機が無負荷定格回転数状態（ＦＳＮＬ）におけるガスジェネレータの回転数を増加させる。ガスジェネレータ回転数を増加させるためには、同一のガスジェネレータからの排ガスエネルギーを発生させる、ガスジェネレータの回転数を増加させる。ここで、圧縮機の動力を低減することにより、ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させる。逆にいえば、同一のガスジェネレータ回転数でガスジェネレータからの排ガスエネルギーを小さくする。

このため、制御装置３０は、第1の方法として、ＩＧＶ駆動装置２８を制御して、ＩＧＶ１の開度を小さくすることでガスジェネレータ２１からの流量を小さくすると同時に、同一ガスジェネレータ回転数を維持するために必要な燃料流量を低減することでガスジェネレータからの排ガス１８のエネルギーを小さくする。

また、第２の方法として、制御装置３０は、圧縮機抽気弁２を開し、圧縮機抽気の一部を系外に放出することでガスジェネレータ２１からの流量を小さくすると同時に、同一ガスジェネレータ回転数を維持するために必要な燃料流量を低減することでガスジェネレータからの排ガス１８のエネルギーを小さくする。

圧縮機抽気の圧力が増加すると、圧縮機抽気弁を開した場合の同一ガスジェネレータ回転数を維持するために必要な燃料流量が増加し、圧縮機抽気弁が閉の場合の燃料流量を超えることがあるが、これによる排ガス１８のエネルギーの増加が、流量低下による排ガス１８のエネルギーの低減よりも小さければ効果が得られる。

また、第３の方法として、制御装置３０は、モータ３により動力を付加ことで圧縮機１１の動力を低減すれることで、同一ガスジェネレータ回転数を維持するために必要な燃料流量を低減することでガスジェネレータ２１からの排ガス１８のエネルギーを小さくする。このとき、モータ３として、起動時に使用するモータを用いることができる。

また、別の方法として、同一の低圧タービン回転数で、発電機が無負荷定格回転数状態（ＦＳＮＬ）におけるガスジェネレータの回転数を増加させるためには、高圧タービンの出力を増加する。

そこで、第４の方法として、制御装置３０は、冷却空気流量調整弁４の開度を小さくすることで高圧タービン１３の出力を増加し、同一ガスジェネレータ回転数を維持するために必要な燃料流量を低減することでガスジェネレータ２１からの排ガス１８のエネルギーを小さくする。

さらに、その他の方法として、同一の低圧タービン回転数で、発電機が無負荷定格回転数状態（ＦＳＮＬ）におけるガスジェネレータの回転数を増加させるためには、低圧タービンの出力を低減する。

そこで、第５の方法として、制御装置３０は、排気ダクトダンパ５の開度を小さくすることで低圧タービン１４の排気圧損を増加させることで、蒸気タービンの損失を増加させ、低圧タービン負荷を増加させる。

また、第６の方法として、制御装置３０は、燃料ガス圧縮機６を設置して低圧タービン負荷を増加させること、蒸気タービンの損失を増加させ、低圧タービン負荷を増加させる。

また、第７の方法として、制御装置３０は、蒸気タービン７を設置し、蒸気タービンの復水器の圧力を増加することで、蒸気タービンの損失を増加させ、低圧タービン負荷を増加させる。

なお、上記の第１〜第７の方法は、個別に実施してもよいし、複数の制御方法を同時に実施してもよいものである。

例えば、第１の方法のＩＧＶ１の開度を小さくすることと、第２の方法の圧縮機抽気弁２を開し、圧縮機抽気の一部を系外に放出することは組み合わせることにより、サージマージン等の圧縮機の信頼性を維持しながら、よりＩＧＶ１の開度を小さくすること若しくは圧縮機抽気量を増大させることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、無負荷状態で低圧タービン回転数を６０Ｈｚから５０Ｈｚに低下させた場合の、ガスジェネレータ回転数の低下を抑制できるため、６０Ｈｚ発電機と５０Ｈｚ発電機でガスタービンを共用することができるものとなる。

１…ＩＧＶ（入口案内翼）
２…圧縮機抽気弁
３…モータ
４…冷却空気流量調整弁
５…排気ダクトダンパ
６…燃料ガス圧縮機
７…蒸気タービン
１１…圧縮機
１２…燃焼器
１３…高圧タービン
１４…低圧タービン
１５…発電機
１６…低圧タービン軸
１７…燃焼ガス
１８…ガスジェネレータ排気ガス
１９…排気ガス
２０…ガスタービン
２１…ガスジェネレータ
２２ 出力タービン
２８…ＩＧＶ駆動装置
３０…制御装置

Claims (12)

1. 圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料を混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動されて前記圧縮機の駆動力を発生する高圧タービンとを有するガスジェネレータと、
   前記高圧タービンからの排気ガスで駆動する低圧タービンと、該低圧タービンにより駆動される発電機とを有する出力タービンとを有する２軸式ガスタービンであって、
   前記低圧タービンで、前記発電機が無負荷定格回転数状態（ＦＳＮＬ）における前記ガスジェネレータの回転数を増加させる制御装置を備えることを特徴とする２軸式ガスタービン。
2. 請求項１記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、前記圧縮機の動力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
3. 請求項１記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、前記高圧タービンの出力を増加することにより、前記ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
4. 請求項１記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、前記低圧タービンの出力を低減することにより、ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
5. 請求項２記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、前記圧縮機のＩＧＶ開度を小さくすることで、前記圧縮機の動力を低減して、前記ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
6. 請求項２記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記圧縮機に抽気する圧縮機抽気弁を備え、
   前記制御装置は、前記圧縮機抽気弁を開くことで前記圧縮機の動力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
7. 請求項２記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記圧縮機の軸に接続されたモータを備え、
   前記制御装置は、前記モータにより動力を付加することで前記圧縮機の動力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
8. 請求項７記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記モータとして、起動時に使用するモータを用いることを特徴とする２軸式ガスタービン。
9. 請求項３記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、冷却空気流量調整弁の開度を小さくすることで、前記高圧タービンの出力を増加することにより、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
10. 請求項４記載の２軸式ガスタービンにおいて、
    前記低圧タービンから排出される排ガス流路中に設けられた排気ダクトダンパを備え、
    前記制御装置は、前記排気ダクトダンパの開度を小さくすることで低前記圧タービンの出力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおけるガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
11. 請求項４記載の２軸式ガスタービンにおいて、
    前記低圧タービンの軸に接続された燃料ガス圧縮機を備え、
    前記燃料ガス圧縮機により前記低圧タービンの出力を低減することで、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。
12. 請求項４記載の２軸式ガスタービンにおいて、
    前記低圧タービンの軸に接続された蒸気タービンを備え、
    前記蒸気タービンの復水器の圧力を増加すること前記で低圧タービンの出力を低減することにより、前記ＦＳＮＬにおける前記ガスジェネレータの回転数を増加させることを特徴とする２軸式ガスタービン。

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