JP2013249832A - ガスタービン圧縮機入口加圧及び流れ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンシステム用の過給システムを提供すること。
【解決手段】過給システムは、タービンシステムのタービン軸に機械的に連結されたファンを有する。バイパスサブシステムは、空気流排出の一部を他の利用物に選択的に送るために設けられる。また、過給システムは、複合サイクル発電システムと共に用いることもでき、バイパスサブシステムは、空気流排出の一部を排熱回収ボイラへと選択的に送る。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、一般に、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、圧縮機入口加圧及び流れ制御システムを用いたガスタービンシステムに関する。

商用電気事業者は、元来高効率で設置コストが有利であるため、複合サイクルシステムを利用する。複合サイクルシステムは、通常、ガスタービン、排熱回収ボイラ、発電機、制御器及び蒸気タービンを備える。複合サイクルシステムは、ガスタービンからの高温の排気ガスを用いて蒸気を作り出し、その蒸気は蒸気タービンを駆動する。ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせることで、それぞれが可能な効率よりも優れた効率を達成する。複合サイクルシステムの出力は、高度及び周囲温度の変化によって影響される。

様々な方法が、複合サイクル発電所の性能を向上するために利用できる。向上は、発電所の出力又は効率において、より高い蒸気温度、つまり、複数の蒸気圧レベルもしくは再熱サイクルを通じて達成可能な出力又は効率の及ばない所でも行うことができる。例えば、発電所の効率を向上させるために、新規の複合サイクル発電所にガス燃料を加熱するものを設けることは、ありふれたことになっている。また、ガスタービン入口空気を冷却することが、ガスタービン及び複合サイクルの出力を増加させるために検討されることがある。別の手法は、過給すること（圧縮機入口加圧）である。ガスタービンの過給は、圧縮機の入口に入る空気の圧力を増加させるファンの追加を必要とする。通常、過給する場合には、圧縮の追加の段は、ガスタービンの主軸によって駆動されるのではなく、電気モータによって駆動される。場合によっては、ファンモータの寄生電力はガスタービンの増加した出力よりも大きくなり、正味の結果は能力の損失となる。

米国特許出願公開第２０１３／４８５２７３号

１つの例示の非限定的な実施形態によれば、本発明は、圧縮機、燃焼器及びタービンを備えるガスタービンシステム用の過給システムに関する。過給システムは、タービン軸に機械的に連結されたファン組立体と、ファンの空気流排出の第１の部分を圧縮機に送るためのサブシステムとを備える。また、空気流排出の第２の部分を他の利用物に選択的に送るためのバイパスサブシステムも備えられる。

別の実施形態では、ガスタービンシステムは排熱回収ボイラをさらに具備し、バイパスサブシステムは、空気流の第２の部分を排熱回収ボイラに送る。

別の実施形態では、ガスタービンシステムは、圧縮機、燃焼器、タービン及びタービンに連結された軸を備える。空気流を発生させるファンは、軸に機械的に連結される。また、ガスターシステムは、空気流を圧縮機と他の利用物との間に割り当てるバイパスサブシステムを備える。

別の実施形態では、ガスタービンを運転する方法は、空気流をファン組立体から供給するステップと、圧縮機に供給される空気流の第１の部分及び他の利用物に供給される空気流の第２の部分を決定するステップと、空気流の第１の部分を圧縮機に所望の温度で供給し、空気流の第２の部分を他の利用物に供給するように、空気流を制御するステップとを含む。

本発明の他の特徴及び利点は、例を用いて本発明の原則を示す添付の図面と共に、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。

過給システムの概略図である。 過給システムを運転する方法のフローチャートである。

図１には、ガスタービンシステム１３、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧシステム１５）、過給機／バイパスシステム１７及び制御システム１９を備える過給システム１１が示される。

ガスタービンシステム１３は、燃焼器２３及びタービン２５に連結される圧縮機２１を具備する。軸２７は、圧縮機２１をタービン２５に連結し、発電機及び／又は機械的負荷２９を駆動するのに用いられてもよい。燃料及び空気は、燃焼器２３において混合されて点火され、圧縮機２１からのガス流にエネルギーを与える。燃焼排気はタービン２５へと送り込まれ、そこで、高速で大流量のガス流は、ノズル（図示せず）を通過してタービン２５の動翼（図示せず）へと向かわされ、タービン２５を回転させ、さらに軸２７を回転させる。軸２７は、圧縮機２１に動力を与え、発電機及び／又は機械的負荷２９を駆動するのに使用され得る。

ＨＲＳＧシステム１５は、燃焼排気から熱を回収する熱交換器である。場合によっては、ＨＲＳＧシステム１５には、追加の燃料又は補助蒸気３１が供給されてもよい。追加燃料は、二次燃焼室で燃焼させて蒸気の産出速度を増加させるのに使用することができる。蒸気を発生させる水は、給水供給部３３によって供給される。水の供給は、弁３５によって制御される。

ＨＲＳＧシステム１５は、蒸気を産出し、蒸気タービンなどの外部蒸気ホスト３７を駆動するのに用いられ得る。ガスタービンシステム１３と蒸気タービンとのこの組合せは、ガスタービン又は蒸気タービンのいずれかだけよりも、電力をより効率良く作り出せる。また、ＨＲＳＧによって発生された蒸気は、地域暖房又は他のプロセス加熱などの、他の過程に用いることもできる。

過給機／バイパスシステム１７は、ファン４１を具備するファン組立体３９を備える。ファン４１は、軸２７に直に連結され、軸２７によって機械的に直に駆動されてガスタービンと同じ回転軸速度で運転するか、或いは、ギア組立体又はベルト組立体（図示せず）を介して間接的に駆動されて異なる速度比で作動する。ファン４１は、固定ピッチ翼又は可変ピッチ翼であってもよい。ファン組立体３９は、特定の温度及び圧力で空気流を供給する。

過給機／バイパスシステム１７は、空気流の温度を制御するために、空気冷却サブシステム４３を備えることができる。ファン組立体は、ガスタービン入口温度を上昇させることができ、そのため、空気冷却サブシステム４３は、圧縮機温度限界及び高入口体積流量を超えないようにする必要がある。空気冷却サブシステム４３は、機械式冷凍機、媒体式蒸発冷却器及び吸収式冷凍機などの、従来の冷却技術を利用することができる。

また、過給機／バイパスシステム１７は、ダンパ及びバイパス管（図示せず）を含み得る可変構造分流器４５を備えることができる。可変構造分流器４５は、ガスタービンシステム１３の加速中及び動力増加シーケンス中に、ファン組立体３９からの空気流の流れと吐出圧との両方を最適化するように利用され得る。また、可変構造分流器４５は、変化する周囲条件に関連して決定されるものとして動力出力を調整するのに使用され得る。過給機／バイパスシステム１７は、空気冷却導管４７、分流導管４９、ＨＲＳＧ導管５１と共に、空気冷却サブシステム４３及びＨＲＳＧシステム１５に向けられる空気流の量を管理するように運転する。ファン組立体３９によって供給された空気流は、空気冷却サブシステム４３に送られる第１の部分と、ＨＲＳＧシステム１５に送られる第２の部分とに分配されてもよい。ファン組立体３９から排気流への吐出空気は、ファン組立体３９からの空気流及び吐出圧力を制御するために使用され得る。

制御システム１９は、過給システム１１の運転を制御するために使用され得る。制御システム１９は、タービンの運転を制御するタービン制御サブシステム５３、ＨＲＳＧシステム１５の運転を制御するＨＲＳＧ制御サブシステム５５を備えることができる。過給機／バイパス制御サブシステム５７が、ファン組立体３９及び可変構造分流器４５を制御するために設けられてもよい。バイパスサブシステム５９は、分流導管４９、可変構造分流器４５及び過給機／バイパス制御サブシステム５７を備えることができる。タービン制御サブシステム５３、ＨＲＳＧ制御サブシステム５５及び過給機／バイパス制御サブシステム５７は、一体の制御システムの一部であってもよく、或いは、ネットワークで共に結ばれた別々の制御器であってもよい。

図１に示された実施形態は、代表的な構成を示しているが、軸の構成は再構成されてもよいことは留意されたい。例として、ガスタービンシステムは、発電機及び／又は機械的負荷２９を、図は圧縮機側から駆動されるとして示しているが、排気（タービン）側から駆動してもよい。また、ガスタービンシステム１３、発電機及び／又は機械的負荷２９及びファン組立体３９は、複数の軸を具備してもよい。

図２は、過給システム１１で実施することができる方法を示すフローチャートである。過給システム１１は、操作者に、多くの利点を生み出すガスタービンシステムを運転する方法（方法８１）を提供する。高いレベルで、方法８１は、空気流を供給することができる（ステップ８３）。方法８１は、圧縮機に供給されるべき空気流の第１の部分を決定することができる（ステップ８５）。第１の部分は、運転状態及びガスタービンシステム１３の運転範囲に基づいて決定され得る。例えば、過給のレベルは、動力出力をより速い速度で増加しようという要望によって決定されても、又は、ＨＲＳＧシステム１５を備えた過給システム１１の場合には、ＨＲＳＧシステム１５をパージするのに必要とされる空気の量によって決定されてもよい。圧縮機ファンの制限、ファン運転レベル（サージライン）、ガスタービンシステムが始動サイクルで運転しているかどうかなどの他の要因によって、圧縮機に供給されるべき空気流の第１の部分を決定してもよい。また、第１の部分は、第２の部分についての利用物に関連して決定されるものであってもよい。例えば、ガスタービンシステム１３が、ダクト燃焼を行うＨＲＳＧシステムを備えた過給複合サイクルシステム１１の一部である場合、第２の部分は、ダクト燃焼に必要な酸素レベルに基づいて決定され、それによって第１の部分を決定してもよい。方法は、システムがＨＲＳＧシステム１５を含むかどうかを決定することができる（ステップ８７）。過給システム１１がＨＲＳＧシステム１５を含んでいない場合、方法８１は、空気流の第２の部分を他の利用物に供給するように決定することができる（ステップ８９）。方法は、空気流の第１の部分を圧縮機２１に供給し、第２の部分を他の利用物に供給するように、空気流を制御することができる（ステップ９１）。また、方法は、空気流の第１の部分の温度を制御することができる（ステップ９２）。過給システム１１がＨＲＳＧシステム１５を含んでいる場合、方法８１は、空気流の第２の部分をＨＲＳＧシステム１５に供給するように決定することができる（ステップ９３）。方法は、空気流の第１の部分を圧縮機２１に供給し、第２の部分をＨＲＳＧシステム１５に供給するように、空気流を制御することができる（ステップ９５）。また、方法は、空気流の第１の部分の温度を制御することができる（ステップ９７）。

より具体的には、過給システム１１は、作り出される出力を増加させる方法を提供する。ファン組立体３９によって供給される質量流量がより大きくなると、ガスタービンシステム１３が自然吸気する場合に利用可能な酸素よりも多くの酸素が供給されて燃焼が行われる。これによって、より多くの燃料を燃やすことができ、サイクルごとでより多くの仕事を行うことができ、ガスタービンシステム１３の動力出力を増加させる。燃料入力の化学エネルギーの増加は、ガスタービン軸の動力出力及び排気エネルギーの両方を増加させる。

過給システム１１によって、発電所は、より高い周囲温度において及び／又は、より低い大気圧において、設備の材料上の限界を超えることなく、比較的少ない資本投資で、より高い定格電力出力を得ることができる。これにより、発電所は、材料上の限界を超えることなく、比較的少ない資本投資の設備で、より高い定格電力出力を得ることができる。ガスタービンシステム１３の性能は入口空気温度に依存する。ガスタービンの動力出力は、それを通る質量の流れに依存する。暑い日には、空気の密度が低く、動力出力は、典型的には低下することになる。

ファン組立体３９からの吐出空気流の一部を転用できることで、ファン４１は、ガスタービンシステム１３によって直に軸２７によって機械的に駆動させることができ、加速中及び動力増加中における失速を防ぎ、さらに、ファン吐出圧を調整して、制御運転限度を超えてガスタービンを過負荷させてしまうことも防げる。

始動中に、ガスタービンシステム１３を迂回して排気へと向かう空気は、ガスタービンの動力をより速く増加させるのに用いることができる。それは、迂回した空気は、ガスタービンの排気温度を効果的に低下させ、再熱サイクル及び蒸気サイクルの両方の機器における熱ひずみを低減するためである。また、ＨＲＳＧシステム１５に迂回する空気は、ガスタービンシステム１３の始動シーケンス中におけるＨＲＳＧシステム１５へのパージの時間を、より短くすることになる。また、迂回された空気は、排気ガス流中の酸素量を増加し、さらなる／増大した補助燃焼を可能にする。ファン組立体３９によって供給される空気流は、部屋の換気、発電所の冷暖房空調設備及び他の冷却／遮断用の空気の供給など、他の送風の供給のために用いられてもよい。

ガスタービンシステム１３の軸２７によってファン組立体３９を直に駆動すると、発電機（発電機及び／又は機械的負荷２９）の実際の電力出力を低下させるが、所与の周囲条件における発電機の冷却限度に対して、過給の程度をより高くすることができる。これは、独立したファン（つまり、例えば、電気モータによって駆動されるファンなどの、軸２７に機械的に連結されていないファン）で過給する場合とは異なる。独立したファンは、別途動力源が必要となる。高い周囲温度において電力出力を増加させることは、典型的に、発電機２９の冷却容量によって制限される。ファン４１を軸２７に機械的に連結することで、より高い程度の過給を、発電機２９の容量を超えることなく達成することができる。

過給システム１１は、多くの利点を提供する。技術的には、過給システムは、ガスタービンの基底負荷容量を変化させ増加させる。過給機／バイパスシステム１７は、ファン４１を、何らかの形式の可変速駆動を用いる代わりに、全ての運転条件においてガスタービンシステム１３と共に一定速で連続して運転させることができる。可変速駆動は、コストが高く複雑になりやすいが、より優れたプラント効率を得ることができる。また、機械的に連結されたファン組立体３９は、大型の電気モータにより駆動する過給機にある運転上の複雑性がない。つまり、ガスタービンシステム１３の制御器と連携してモータを始動したり停止したりするのは、ガスタービンシステム１３が運転している間は、サージ又は減圧の切り換えのため、問題となることがある。過給システム１１は、モータ駆動機器に関連する電気損失がない。

商業的には、周囲温度が高く及び／又は、大気圧が低い設計（定格）条件の大規模な発電施設については、過給システム１１は所望の電力出力容量を達成するためにより少数のガスタービンシステム１３と共に運転することができる。これは、燃料源のコストがより安い場合での適用に及び／又は、最大電力需要での運転が季節的に限られている場合に、特に有益である。

ここで記載した説明は、例を用いて、最適な態様を含めて本発明を開示し、また、任意の装置又はシステムを製作及び使用すること、並びに、任意の組み入れられた方法を実行することを含めて当業者に本発明を実施させることができる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者の思いつく他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を備える場合、又は、特許請求の範囲の文言と実質的には相違点を伴わない同等の構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあると意図されている。

１１ 過給複合サイクルシステム
１３ ガスタービンシステム
１５ ＨＲＳＧシステム
１７ 過給機／バイパスシステム
１９ 制御システム
２１ 圧縮機
２３ 燃焼器
２５ タービン
２７ 軸
２９ 発電機及び／又は機械的負荷
３１ 燃料又は補助蒸気
３３ 給水供給部
３５ 弁
３７ 外部蒸気ホスト
３９ ファン組立体
４１ ファン
４３ 空気冷却サブシステム
４５ 可変構造分流器
４７ 空気冷却導管
４９ 分流導管
５１ ＨＲＳＧ導管
５３ タービン制御サブシステム
５５ ＨＲＳＧ制御サブシステム
５７ 過給機／バイパス制御サブシステム
５９ バイパスサブシステム

Claims (20)

1. 圧縮機、燃焼器及びタービンを備えるガスタービンシステム用の過給システムであって、
   タービン軸に機械的に連結され、空気流排出をもたらすファン組立体と、
   前記空気流排出の第１の部分を前記圧縮機に送るためのサブシステムと、
   前記空気流排出の第２の部分を他の利用物に選択的に送るためのバイパスサブシステムと
   を備える、過給システム。
2. 前記バイパスサブシステムを制御する制御システムをさらに備える、請求項１記載の過給システム。
3. 前記ファン組立体と前記圧縮機との間に配置された空気冷却組立体をさらに備える、請求項１記載の過給システム。
4. 前記バイパスサブシステムは可変構造分流器を具備する、請求項１記載の過給システム。
5. 前記制御システムは過給機制御器を具備する、請求項２記載の過給システム。
6. 前記ガスタービンシステムは排熱回収ボイラをさらに具備し、前記バイパスサブシステムは、前記空気流排出の前記第２の部分を前記排熱回収ボイラに送る、請求項５記載の過給システム。
7. 前記過給機制御器は、前記空気流排出の前記第２の部分を制御する、請求項５記載の過給システム。
8. 圧縮機と、
   燃焼器と、
   タービンと、
   前記タービンに連結された軸と、
   前記軸に機械的に連結され、空気流を発生させるファンと、
   前記空気流を前記圧縮機と他の利用物との間に割り当てるバイパスサブシステムと
   を備える、ガスターシステム。
9. 前記ファンと前記圧縮機との間に配置された空気冷却システムをさらに備える、請求項８記載のガスターシステム。
10. 前記タービンに連結された排熱回収ボイラ及び前記ファンと前記排熱回収ボイラとの間に配置された可変構造分流器をさらに備える、請求項８記載のガスタービンシステム。
11. 前記バイパスサブシステムは可変構造分流器を具備する、請求項８記載のガスタービンシステム。
12. 前記ファンは、ギア機構を介して前記軸に機械的に連結される、請求項８記載のガスタービンシステム。
13. 前記可変構造分流器は導管及びダンパを具備する、請求項１１記載のガスタービンシステム。
14. 前記ファンは可変ピッチ翼を具備する、請求項８記載のガスタービンシステム。
15. 前記バイパスサブシステムを制御する制御システムをさらに備える、請求項８記載のガスタービンシステム。
16. ガスタービンを運転する方法であって、
    空気流をファン組立体から供給するステップと、
    前記ガスタービンにおける圧縮機に供給されるべき前記空気流の第１の部分及び他の利用物に供給されるべき前記空気流の第２の部分を決定するステップと、
    前記空気流の前記第１の部分を前記圧縮機に所望の温度で供給し、前記空気流の前記第２の部分を前記他の利用物に供給するように、前記空気流を制御するステップと
    を含む、ガスタービンを運転する方法。
17. 前記ガスタービンは、排熱回収ボイラを具備する複合サイクルシステムの一部であり、前記方法は、前記排熱回収ボイラを前記空気流の前記第２の部分でパージするステップをさらに含む、請求項１６記載のガスタービンを運転する方法。
18. 前記空気流の前記第１の部分を前記圧縮機に増加した質量流量及び上昇した圧力で供給することで、前記複合サイクルシステムの出力を増加するステップをさらに含む、請求項１７記載のガスタービンを運転する方法。
19. 空気流をファン組立体から供給する前記ステップが、前記複合サイクルシステムの軸に機械的に連結されるファン組立体から空気流を供給するステップを含む、請求項１６記載のガスタービンを運転する方法。
20. 前記複合サイクルシステムは、排気ガスを排気温度で発生させるタービンを含み、前記方法は、前記複合サイクルシステムによって作り出される出力を、前記空気流の前記第２の部分を増加させて前記排気温度を低下させることによって、より速い速度で増加させるステップをさらに含む、請求項１７記載のガスタービンを運転する方法。