JP2015036551A - ガスタービン発電プラントにおける改良されたインテーク配列 - Google Patents

ガスタービン発電プラントにおける改良されたインテーク配列 Download PDF

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Abstract

【課題】再循環された煙道ガスと新鮮な周囲空気との混合を高めるための改良されたインテーク配列を開示する。【解決手段】圧縮機翼配列14を有する圧縮機12用のインテーク配列100は、隔壁116によって2つの区域118,120に分割されたマニホルド110を有し、一方の区域118からは煙道ガス流を、他方の区域120からは空気流を搬送する。インテーク配列は、マニホルドに構成されかつ先細りながら圧縮機12まで延びる先細り区域130を有し、圧縮機翼配列14への入口16を形成している。先細り区域130は、互いに同軸に配置された内側および外側の環状部材132,134を有し、これらの間に、同軸にかつ先細りながら、隔壁116が少なくとも先細り区域130内の所定の距離まで延び、その間に先細りノズル140を形成している。先細りノズルは、煙道ガスおよび空気流の混合を高める混合手段144を有する。【選択図】図2

Description

努力の分野
本開示は、ガスタービン発電プラント、特に、煙道ガス再循環を行うガスタービン発電プラントにおけるインテーク配列に関する。
関連技術の簡単な説明
排ガスの再循環において、排ガスの実質的な部分は、排ガス全体から分離され、通常、冷却および浄化の後、圧縮機へ再び供給される。排ガス組成は、新鮮な周囲空気の組成とは著しく異なる。ガスタービン構成の慣用の煙道ガス再循環における、再循環された煙道ガス流は、周囲環境からの新鮮な周囲空気と混合され、この混合物はその後圧縮機へ供給される。
新鮮な周囲空気との煙道ガスの適切な混合は、ガスタービンエンジンの有効な作動のために要求される。適切な混合を可能にするために、慣用的に、フィンガタイプミキサのような、ブロワを備えたミキサが一般的に使用される。しかしながら、ブロワにコストがかかること、および発電プラントにおいて付加的なスペースが要求されることにより、その使用は、発電プラントの電力および効率にとってさらに不利である。すなわち、このようなブロワまたはミキサを必要とすることなく、経済的かつ有効な形式で、煙道ガスと新鮮な周囲空気との混合を高めることができるこのようなシステムの必要性が存在する。
本開示は、ガスタービン発電プラントにおける再循環された煙道ガスと新鮮な周囲空気との混合が高められた改良されたインテーク配列を開示し、このインテーク配列は、開示の1つ以上の態様の基本的な理解を提供するために、以下の単純化された概要において提示される。1つ以上の態様は、検討された欠点を克服することが意図されているが、幾つかの付加的な利点を提供するとともに、その全ての利点を含むことが意図されている。この概要は、開示の広範囲な概略ではない。概要は、開示の重要なもしくは決定的な要素を特定することも、本開示の範囲を画定することも意図されていない。むしろ、この概要の唯一の目的は、開示の幾つかの概念、その態様及び利点を、単純化された形式で、後に提示されるより詳細な記載への序章として提示することである。
本開示の課題は、ガスタービン発電プラントにおける再循環された煙道ガスと新鮮な周囲空気との混合を高めるための改良されたインテーク配列を開示することである。本開示の別の課題は、適応可能かつ経済的な形式で、ガスタービン発電プラントにおいて再循環された煙道ガスと新鮮な周囲空気とを混合するのに有効な、改良されたインテーク配列を開示することである。本開示の様々な他の課題及び特徴は以下の詳細な説明及び請求項から明らかになるであろう。
上述の課題およびその他の課題は、1つの態様において、圧縮機と、圧縮機上に構成された圧縮機翼配列とを有するガスタービンエンジン用のインテーク配列によって達成され得る。インテーク配列は、マニホルドを有する。マニホルドは、第1の端部と、第2の端部とを有する。第2の端部は、第1の端部よりも遠位にある。第2の端部は、圧縮機の近傍に位置する。マニホルドは、少なくとも1つの隔壁を有する。隔壁は、分割された区域がマニホルドに沿って第1の端部から第2の端部まで延びるように、マニホルドを少なくとも2つの区域に分割するように構成されている。分割された区域は、そのうちの少なくとも一方の区域から煙道ガス流を、またそのうちの他方の区域から空気流を搬送するように適応されている。煙道ガス流と空気流とは、それぞれの区域を通ってマニホルドの第1の端部から搬送される。
さらに、インテーク配列は、マニホルドの第2の端部に沿って構成された先細り区域を有する。先細り区域は、圧縮機に向かって先細りして延びるように適応されており、これにより、圧縮機の入口を形成している。先細り区域は、互いに同軸に配置された内側および外側の環状部材を有する。
内側および外側の環状部材の間には、同軸にかつ先細りして、少なくとも1つの隔壁が、少なくとも先細り区域内の所定の距離まで延びており、これにより、それらの間に先細りノズルを形成している。先細りノズルは、混合手段を有しており、この混合手段は、可能な限り最良の結果を提供するためにあらゆる所望の位置において先細りノズルに配置または構成されてよい。
混合手段は、混合手段からの流出の際に煙道ガスおよび空気流に乱流を提供するように適応されており、先細り区域に高い渦度の領域“R”を生ぜしめる。混合手段は、圧縮機翼配列への煙道ガスおよび空気流の混合された配合物を搬送するために、煙道ガスと空気流との混合を促進する。煙道ガスと空気流との混合された配合物は、圧縮機の作動効率および作動範囲を増大させ得る。
1つの実施の形態では、マニホルドの少なくとも1つの隔壁は、複数の隔壁を含んでよい。このような複数の隔壁は、マニホルドを、マニホルドの第1の端部から第2の端部まで延びた複数の区域に分割する。複数の区域は、複数の区域の1つのセットから煙道ガス流を、複数の区域の別のセットから空気流を搬送するように適応されている。複数の隔壁は、上述のように、内側および外側の環状部材の間で先細りしながら、少なくとも先細り区域内の所定の距離まで延びており、これにより、それらの間に複数の先細りノズルを形成している。さらに、それぞれのこのような先細りノズルは、混合手段を有する。
先細り区域内で隔壁が延びる距離は、高い渦度の領域“R”の後方である。
本開示の1つの実施の形態において、混合手段は、先細りノズルに沿って周方向に構成されるように適応されていてよい。
1つの実施の形態では、混合手段は、交互に位置する、隣接する溝および峰の組合せを含んでよい。このような溝および峰は、先細りノズルの周面に沿った基準面から内方および外方へそれぞれ曲げられていてよい。溝および峰の組合せは、波形および円錐形構成のうちの少なくとも一方であってよい。
別の実施の形態では、混合手段は、交互に位置する、隣接する山および谷の組合せを含んでよい。このような山および谷は、先細りノズルの周面に沿った基準面に沿って構成されてよい。山および谷の組合せは、波形および円錐形構成のうちの少なくとも一方であってよい。
1つの別の実施の形態では、混合手段は、先細りノズルに沿って配置された複数の付加的な面によって構成されていてよい。
これらは、本開示の他の態様とともに、本開示を特徴付ける新規性の様々な特徴と相まって、本開示における詳細事項とともに指摘される。本開示、その作動の利点、及びその使用をより理解するために、本開示の典型的な実施の形態が例示されている添付の図面及び説明が参照されるべきである。
本開示の利点及び特徴は、同一の要素が同一の符号によって識別されている添付の図面に関連した以下の詳細な説明及び請求項に関してより理解されるであろう。
本開示の典型的な実施の形態による、インテーク配列を示すガスタービン発電プラントの一例を例示する図である。 本開示の典型的な実施の形態による、図1のインテーク配列の側面図である。 本開示の典型的な実施の形態による、図2のインテーク配列の混合手段の例示的な斜視図である。 本開示の典型的な実施の形態による、図2のインテーク配列の混合手段の例示的な斜視図である。
同一の参照符号は、複数の図面の説明を通じて同一の部材を示している。
本開示の詳細な説明
本開示の十分な理解のために、上述の図面に関連した、添付の請求項を含む以下の詳細な説明が参照される。以下の記載において、説明のために、本開示の十分な理解を提供するために多数の特定の詳細が示されている。しかしながら、これらの特定の詳細なしに本開示を実施できることが当業者に明らかになるであろう。他の例において、開示を不明確にすることを回避するために、構造及び装置はブロック図の形式でのみ示されている。この明細書において、“1つの実施の形態”、“一実施の形態”、“別の実施の形態”、“様々な実施の形態”とは、その実施の形態に関して説明される特定の特徴、構造又は特性が、本開示の少なくとも1つの実施の形態に含まれていることを意味する。明細書における様々な箇所における「1つの実施の形態では」との語句の出現は、必ずしも全て同じ実施の形態を云うのでもないし、他の実施の形態を相互に排除する別個の若しくは択一的な実施の形態であるわけでもない。さらに、幾つかの実施の形態によって示されるが、他の実施の形態によっては示されない様々な特徴が記載されている。同様に、幾つかの実施の形態のための要求であるが、他の実施の形態の要求ではない様々な実施の形態が記載されている。
以下の記載は、例示の目的のための多くの具体的事項を含むが、当業者は、これらの具体的事項に対する多くのバリエーション及び/又は変更が本開示の範囲に含まれることを認めるであろう。同様に、本開示の多くの特徴は、互いに置き換えて、又は互いに関連して記載されているが、当業者は、これらの特徴の多くを、他の特徴から独立して提供することができることを認めるであろう。したがって、本開示のこの記載は、本開示に対する一般性のいかなる損失なく、また本開示に制限を課することなく示されている。さらに、“第1”、“第2”、“第3”のような相対的な用語は、ここではいかなる順序、高さ、又は重要性をも示すものではなく、むしろ1つの要素を別の要素から区別するために用いられている。さらに、ここでの単数の記載は、量の制限を意味するのではなく、むしろその引用された物の少なくとも1つの存在を意味する。
図1〜図3Bは、ガスタービン発電プラント1000(“プラント1000”)のガスタービンエンジン10に関して構成されるように適応された、インテーク配列100およびその構成部材の様々な例を示している。ガスタービンエンジン10は圧縮機12を有し、この圧縮機12には、圧縮機翼配列14が構成されている。図1および図2はそれぞれ、プラント1000およびプラント1000の一部の複数の例を示しており、受動的インテーク配列100とともに圧縮機12を示している。さらに、図3Aおよび図3Bは、受動的インテーク配列100の構成部材の様々な例を様々な図で示している。受動的インテーク配列100、関連する受動的インテーク配列100が適応可能なプラント1000、および使用される様々な関連する要素の構成および配列は、全て当業者に公知であるので、本開示の理解を獲得する目的で、構造的詳細の全て及びその説明がここに示されることは必要であると考えられない。むしろ、図1〜図3Bに示されているように、受動的インテーク配列100、および関連する受動的インテーク配列100が適応可能なプラント1000において、本開示の様々な実施の形態の説明のために関連する構成部材のみが示されているということを単に述べれば十分であると考えられる。
図1を参照すると、煙道ガス再循環を行うプラント1000の複数の要素の概略図が、本開示の典型的な実施の形態に従って例示されている。プラント1000は、圧縮機12と、この圧縮機12に構成された圧縮機翼配列14(図2に示されている)とを有するガスタービンエンジン10を含む。圧縮機12は、空気流1を受け取るように適応されており、この空気流1は、燃焼室18へ供給されるために圧縮機12において圧縮され、燃焼室18において燃料はこの圧縮空気とともに燃焼させられる。高温の燃焼ガスは、その後、タービン20において膨張させられる。次いで、タービン20において生ぜしめられた有効エネルギは、発電機によって電気エネルギに変換される。タービン20から出た高温の煙道ガスは、煙道ガスにまだ含有されるエネルギの最適利用のために、排熱回収ボイラ(HRSG)22において利用されてよい。さらに、排熱回収ボイラ(HRSG)22からの煙道ガス流は2つの部分に分割されてよく、煙道ガス2の一方の部分は、インテーク配列100内へ再循環されてもよく、そこで空気流1と混合され、圧縮機12へ供給される。再循環される煙道ガス2を空気流1と混合する前に、煙道ガスを、浄化および冷却区域23において浄化および冷却に関して調整することが本質的に要求される。さらに、戻されない残りの部分は、煙突24を通じて周囲環境へ排出されてよいか、または冷却および浄化の前または後に、他の目的のために利用されてもよい。
図2には、インテーク配列100の一例が例示されており、このインテーク配列100は、圧縮機12へ再循環された煙道ガスと空気との混合を高めるために利用されてよい。インテーク配列100は、マニホルド110と、マニホルド110に構成された先細り区域130とを有するように示されている。
マニホルド110は、第1の端部112と、第1の端部112よりも遠位の第2の端部114とを有する延在した構成を有してよい。マニホルド110は、マニホルド110の第2の端部114が圧縮機12の近傍に位置するように配置されている。マニホルド110は、煙道ガス流および空気流を搬送するために、区域118,120のような2つ以上の区域に分割されるように構成されている。
本開示の1つの実施の形態において、マニホルド110は、従来公知のように、2つの区域118,120のみに分割されていてよい。そのために、マニホルド110は、1つの隔壁116を有する。隔壁116は、マニホルド110を、第1の端部112から第2の端部114まで延びた2つの区域118,120に分割している。さらに、区域118によって煙道ガス流が搬送され、他方の区域120から空気流が搬送される。本開示の別の実施の形態では、マニホルド110は、様々な区域118および様々な区域120のような様々な区域に分割されていてよい。そのために、マニホルド110は、隔壁116のような様々な隔壁を有してよく、この隔壁は、複数の区域118の一方のセットから煙道ガス流を、複数の区域120の他方のセットから空気流を搬送するために、マニホルド110を上記のように様々な区域118および様々な区域120のような複数の区域に分割するように構成されている。
さらに、インテーク配列100の先細り区域130は、マニホルド110の第2の端部114に沿って構成されている。先細り区域130は、圧縮機12まで先細りして延びており、圧縮機翼配列14への入口16を形成していてよい。先細り区域130は、先細りしてかつ互いに同軸に配置された内側および外側の環状部材132および134(以後“環状部材132,134”と呼ぶ)を有する。さらに、環状部材132,134の間には、同軸にかつ先細りして、隔壁116が、先細り区域130内の少なくとも所定の距離まで、例えば136まで延びており、それらの間に先細りノズル140を形成している。環状部材132,134および隔壁116に対する構造的支持を提供するために、環状部材132,134および隔壁116に関連して構成された翼輪郭エレメントが設けられていてもよい。先細りノズル140は、図3Aおよび図3Bに示したように、混合手段144を有しており、これに関連して後で説明される。
隔壁116のような様々な隔壁が設けられている1つの実施の形態では、各隔壁は、環状部材132,134のような環状部材の間において先細りして、少なくとも、先細り区域130のような先細り区域における距離136のような所定の距離まで延びており、これにより、環状部材の間に先細りノズル140のような複数の先細りノズルを形成しており、それぞれの先細りノズルは、混合手段144のような混合手段を有している。ここでは、簡潔かつ単純にするために、インテーク配列100は、2つの区域118,120のみが構成されているマニホルド110に関連して説明され、それに関する全ての説明は、様々な区域118および様々な区域120まで拡張されると考えられる。
混合手段144は、混合手段からの流出時に煙道ガスおよび空気流に乱流を提供するように適応されており、先細り区域130に高い渦度の領域“R”を生ぜしめる。特に、混合手段144は、入口16において、空気と煙道ガス流とが接触する箇所において、高い渦度の領域“R”に沿って、混合を促進するように適応されている。圧縮機翼配列14に進入する、高い渦度の領域“R”からの混合された空気および煙道ガス流の流れは、温度、圧力、速度および組成において均一に著しくより近くてよく、これは、圧縮機12の作動範囲、サージマージンおよび効率に対する不利な影響を軽減する効果を有してよい。先細り区域130内で隔壁116が延びる距離136は、高い渦度の領域“R”の後方のあらゆる適切な位置までであってよい。
ここで図3Aおよび図3Bを参照すると、混合手段144およびその構成の様々な例が例示されている。混合手段144は、先細りノズル140に沿って周方向に適応させられてよい。本開示の1つの実施の形態では、混合手段144は、先細りノズル140の先細り側142の周方向エッジ146に沿って構成されていてよい。このような混合手段144は、周方向エッジ146から、先細り側142のある部分まで延びている。しかしながら、本開示の範囲から逸脱することなく、混合手段144は、所望の煙道ガスおよび空気混合物を得るために、先細り側142または周方向エッジ146の他に、先細りノズル140のあらゆる部分に沿って構成されていてよい。
図3Aに示したような1つの実施の形態では、混合手段144は、それぞれ先細りノズル140のプレーンにおいて曲がるおよびプレーンから曲げられた、交互に位置しかつ隣接する溝150および峰152の組合せを有する。溝150および峰152の組合せは、波形および円錐形構成のうちの少なくとも一方であってよい。図3Aに示したように、溝150および峰152の組合せは波形であるが、本開示の範囲から逸脱することなく、溝150および峰152の組合せは円錐形であってよい。
別の実施の形態では、図3Bに示したように、混合手段144は、先細りノズル140のプレーンに沿って構成された、交互に位置しかつ隣接する山160および谷162の組合せを含む。交互に位置しかつ隣接する山160および谷162の組合せは、波形および円錐形構成のうちの少なくとも一方であってよい。特に、図3Bにおいて、円錐形構成が示されている。
しかしながら、本開示の範囲から逸脱することなく、開示されたものの他に、混合手段144の様々な他の構成が可能であってもよく、これは開示の一部であると考えられる。例えば、本開示の別の実施の形態において、混合手段144は、煙道ガスと空気流との混合を高めるために、先細りノズル140に沿って先端渦を生ぜしめるために先細りノズル140に沿って配置された複数の付加的な面によって得られてもよい。煙道ガスと空気流との混合を高めるために先端渦を生ぜしめることによって煙道ガスおよび空気流を再活性化することができる混合手段144の様々なこのような他の構成も可能であってよい。混合手段144のこのような構成は、あらゆる不均一なまたはジグザグの形状、このようなノズルのプレーンから外側にのみ曲げられたまたは内側にのみ曲げられた峰、またはあらゆるその他のパターンを含んでもよい。
本開示のインテーク配列100は、様々な観点から有利である。本開示のインテーク配列は、ガスタービン発電プラントおける再循環された煙道ガスと新鮮な周囲空気との混合が高められた改良されたインテーク配列である。特に、混合手段は、圧縮機翼配列の前に高い渦度の領域を生ぜしめる際に煙道ガスおよび空気流に乱流を提供するように適応されている。このような混合手段は、空気と煙道ガス流とが接触する箇所において、高い渦度の領域に沿って、混合を促進する。圧縮機翼配列に進入する、高い渦度の領域“R”からの混合された空気および煙道ガスの流れは、温度、圧力、速度および組成に関して均一に著しくより近く、これは、圧縮機の作動範囲、サージマージンおよび効率に対する不利な影響を軽減する。さらに、改良されたインテーク配列は、ガスタービン発電プラントにおいて、適応可能および経済的な形式で、再循環された煙道ガスと新鮮な周囲空気とを混合するときに有効である。本明細書で上述された混合手段は、発電プラントの構成部材のいずれも妨害せず、むしろ、上述のように様々な観点から有利である。
本開示の特定の実施の形態の前記説明は、例示及び説明の目的のために提示されている。本開示の特定の実施の形態は、網羅的であること又は本開示を開示されたまさにその形態に限定しようとしているわけではなく、前記説明に照らして多くの変更及びバリエーションが明らかに可能である。実施の形態は、本開示の原理及びその実用的な用途を最もよく説明し、これにより当業者が、本開示及び意図した特定の使用に適した様々な変更を備えた様々な実施の形態を最もよく利用することを可能にするために、選択及び説明された。状況が示唆する又は好適であるとするように、様々な省略及び均等物の代用が想定されているが、それらは、本開示の請求項の思想又は範囲から逸脱することなく適用及び実施を網羅することが意図されている。
1000 ガスタービン発電プラント
100 インテーク配列
110 マニホルド
112 第1の端部
114 第2の端部
116 隔壁
118,120 煙道ガス流および空気流を搬送するための区域
130 先細り区域
132,134 内側および外側の先細り環状部材
136 先細り区域内の距離
140 先細りノズル
142 先細り側
144 混合手段
146 周方向エッジ
150,152 溝および峰
160,162 山および谷
10 ガスタービンエンジン
12 圧縮機
14 圧縮機翼配列
16 入口
18 燃焼室
20 タービン
22 排熱回収ボイラ(HRSG)
23 浄化および冷却区域
24 煙突
“R” 高い渦度の領域

Claims (10)

  1. ガスタービンエンジン(10)用のインテーク配列(100)であって、圧縮機(12)と、該圧縮機に構成された圧縮機翼配列(14)とを有し、前記インテーク配列(100)は、
    マニホルド(110)であって、第1の端部(112)と、遠位の第2の端部(114)とを有し、該第2の端部(114)は前記圧縮機(12)の近傍にあり、前記マニホルド(110)は、該マニホルド(110)を、前記第1の端部(112)から前記第2の端部(114)まで延びる少なくとも2つの区域(118,120)に分割するように構成された、少なくとも1つの隔壁(116)を有しており、これにより、前記第1の端部(112)から進入する煙道ガス流を少なくとも一方の区域(118)から、また空気流を少なくとも他方の区域(120)から搬送するようになっている、マニホルド(110)と、
    前記マニホルド(110)の前記第2の端部(114)に沿って構成されかつ前記圧縮機(12)に向かって先細りながら延びておりかつ前記圧縮機翼配列(14)への入口(16)を形成している、先細り区域(130)であって、該先細り区域(130)は、互いに同軸に配置された内側および外側の環状部材(132,134)を有し、該内側および外側の環状部材(132,134)の間に、同軸にかつ先細りながら、少なくとも1つの隔壁(116)が、少なくとも前記先細り区域(130)における所定の距離(136)まで延びており、これにより、前記内側および外側の環状部材の間に先細りノズル(140)を形成しており、該先細りノズル(140)は、該先細りノズル(140)からの流出時に前記煙道ガスおよび前記空気流に乱流を提供し、前記先細り区域(130)において高い渦度の領域“R”を生ぜしめ、前記煙道ガスおよび空気流の混合を促進し、煙道ガスおよび空気流の混合された配合物を前記圧縮機翼配列(14)へ搬送して、前記圧縮機(12)の作動範囲を改良するように適応された混合手段(144)を有する、先細り区域(130)と、
    を備えることを特徴とする、ガスタービンエンジン(10)用のインテーク配列(100)。
  2. 前記マニホルド(110)の前記少なくとも1つの隔壁(116)は、前記マニホルド(110)を、前記第1の端部(112)から前記第2の端部(114)まで延びた複数の区域(118,120)に分割するように構成された、複数の隔壁(116)を含むように適応されており、前記複数の区域(118)の一方のセットから煙道ガス流を、前記複数の区域(120)の他方のセットから空気流を搬送するようになっている、請求項1記載のインテーク配列(100)。
  3. 前記複数の隔壁(116)は、先細りながら、前記内側および外側の環状部材(132,134)の間で、少なくとも前記先細り区域(130)における前記所定の距離(136)まで延びており、前記内側および外側の環状部材(132,134)の間に複数の先細りノズル(140)を形成しており、各先細りノズルは前記混合手段(144)を有する、請求項2記載のインテーク配列(100)。
  4. 前記先細り区域(130)内で前記隔壁(116)が延びている前記所定の距離(136)は、前記高い渦度の領域“R”の後方にある、請求項1記載のインテーク配列(100)。
  5. 前記混合手段(144)は、前記先細りノズル(140)に沿って周方向で構成されるように適応されている、請求項1記載のインテーク配列(100)。
  6. 前記混合手段(144)は、前記先細りノズル(140)の周面に沿った基準面から内方および外方へそれぞれ曲げられた、交互に位置しかつ隣接する溝(150)および峰(152)の組合せを含む、請求項1記載のインテーク配列(100)。
  7. 前記溝(150)および前記峰(152)の組合せは、波形および円錐形構成のうちの少なくとも一方である、請求項6記載のインテーク配列(100)。
  8. 前記混合手段(144)は、前記先細りノズル(140)の周面に沿った基準面に沿って構成された、交互に位置しかつ隣接する山(160)および谷(162)の組合せを含む、請求項1記載のインテーク配列(100)。
  9. 前記山(160)および前記谷(162)の組合せは、波形および円錐形構成の少なくとも一方である、請求項8記載のインテーク配列(100)。
  10. 前記混合手段(144)は、前記先細りノズル(140)に沿って配置された複数の付加的な面を含む、請求項1記載のインテーク配列(100)。
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