JP2015214978A

JP2015214978A - 圧縮機吐出空気とタービン区画空気との混合物を用いる強化されたタービン冷却システム

Info

Publication number: JP2015214978A
Application number: JP2015095301A
Authority: JP
Inventors: オールストン・イルフォード・シピオ; Ilford Scipio Alston; ロバート・フランク・ホスキン; Frank Hoskins Robert; ジェイソン・ブライアン・シェーファー; Brian Shaffer Jason; サンジ・エカナヤケ; Sanji Ekanayake
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-12-03
Also published as: US20150322866A1; DE102015107002A1

Abstract

【課題】極度のターンダウン運転中でも、全体的な効率の損失や部品寿命の低下、或いは望ましくない排出物の増加を伴うことなく、十分な冷却をもたらすようなガスタービン冷却システムを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン１００は、圧縮機吐出空気流を含む圧縮機１１０と、タービン区画空気流２２５を含むタービン区画１９０と、タービン１７０と、エダクタとを備えることができる。エダクタ２３０は、圧縮機吐出空気流とタービン区画空気流とを混合して、タービンの冷却に使用する混合空気流２８０にする。【選択図】図２

Description

本出願及びその結果の特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、極度のターンダウン運転時の冷却用に、圧縮機吐出空気とタービン区画空気との混合物を用いる、強化されたタービン冷却システムに関する。

電気グリッドの需要は、１日刻みで、さらには１時間刻みで大きく変化し得る。このような変動は、再生可能エネルギー、例えば、風力、太陽光、その他の種類の代替エネルギー源をかなりの割合で使用している地域において、特に当てはまる場合がある。しかし、ガスタービン及び発電プラントの全体的な効率のためには、一般に、ベース負荷でガスタービンを運転することが必要とされる。ベース負荷よりも減少すると、効率が低下するだけでなく、部品寿命が低下し、望ましくない排気が増大する場合もある。

それでもなお、グリッド上の負荷でこの変動に対応するため、運転予備電力に対する商業的な必要性が存在する。このようなことから、従来の発電設備が「休止」性能を持つことが望まれている。つまり、発電設備は、オンラインであっても、極度の低電力、低出力、即ち極度のターンダウン負荷で運転されている。このような運転モードは、圧縮機空気流の貴重なエネルギーが、吐出空気として排出されて無駄になる場合があるため、非常に非効率的である。さらに、圧縮機の失速やサージの危険性がある。

発電設備は、長時間にわたって、ベース負荷の約４５％程度の休止モードに制限することができる。さらにターンダウンすると、タービン段の動翼の冷却が不十分になるだけでなく、タービンの後段において、構成部品の動作上の制約条件、即ち「ピンチポイント」を超えるおそれもある。特に、機械特性の制限、運転パラメータの制限、及び排出量の制限は、安全に到達できる全体的なターンダウンの割合に影響を及ぼす場合がある。

したがって、極度のターンダウン運転中でも、全体的な効率の損失や部品寿命の低下、或いは望ましくない排出物の増加を伴うことなく、十分な冷却をもたらすように、ガスタービン冷却システムを改良することが求められている。さらに、ガスタービンエンジンは、必要に応じてベース負荷まで迅速に上昇する能力を維持する必要がある。

米国特許出願公開第２０１３／０３４０４３９号明細書

したがって、本出願及びその結果の特許は、低ターンダウン運転を行うためのガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、圧縮機吐出空気流を含む圧縮機と、タービン区画空気流を含むタービン区画と、タービンと、エダクタとを備えることができる。エダクタは、圧縮機吐出空気流とタービン区画空気流とを混合して、タービンの冷却に使用する混合空気流にする。

本出願及びその結果の特許は、低ターンダウンでガスタービンエンジンを運転する方法をさらに提供する。この方法は、ベース負荷の約３０％未満でガスタービンエンジンを運転するステップと、圧縮機吐出空気流をエダクタに導くステップと、タービン区画空気流をエダクタに導くステップと、圧縮機吐出空気流とタービン区画空気流とをエダクタ内で
混合して混合空気流にするステップと、１つ以上の段を冷却するために、タービンに混合空気流を供給するステップとを含むことができる。

本出願及びその結果の特許は、ガスタービンエンジンで使用するための、低ターンダウン冷却システムをさらに提供する。このターンダウン冷却システムは、ガスタービンエンジンの圧縮機からの圧縮機吐出空気流と、タービン区画空気供給源からのタービン区画空気流と、圧縮機吐出空気流とタービン区画空気流とを混合して、ガスタービンエンジンのタービンの１つ以上の段を冷却するための混合空気流にする、エダクタとを有することができる。

本出願及びその結果の特許の、上記その他の特徴及び改良は、いくつかの図面及び添付の特許請求の範囲と関連させて、以下の詳細な説明を検討することにより、当業者に明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、及び負荷を示すガスタービンエンジンの概略図である。本明細書で説明できるような、ターンダウン冷却システムを備えたガスタービンエンジンの概略図である。図２のターンダウン冷却システムの別の概略図である。ターンダウン冷却システムの代替実施形態の概略図である。

図面を参照すると、いくつかの図面を通して、同様の番号は同様の要素を示しており、図１は、本明細書で使用できるような、ガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を備えることができる。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮した空気流２０を燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０を加圧された燃料の流れ３０と混合して、燃焼ガス流３５を生成するために、この混合物に点火する。燃焼器２５が１つだけ示されているが、ガスタービンエンジン１０は、円周配列で配置するか、又はその他の方法で、任意の数の燃焼器２５を備えることができる。次に、燃焼ガス流３５は、タービン４０に送られる。燃焼ガス流３５は、機械的仕事を生成するように、タービン４０を駆動させる。タービン４０で生成された機械的仕事は、軸４５を介して圧縮機１５を駆動させ、かつ発電機等の外部負荷５０を駆動させる。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々な種類の合成ガス、及び／又はその他の種類の燃料、並びにこれらの組み合わせを使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社が提供する、様々なガスタービンエンジンのいずれかであってもよく、これにはＦｒａｍｅ６、Ｆｒａｍｅ７、又はＦｒａｍｅ９シリーズの高出力ガスタービンエンジン等が含まれるが、これに限定されるものではない。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有していてもよく、他の種類の構成部品を使用することができる。また、他の種類のガスタービンエンジンも、ここで用いることができる。複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、その他の種類の発電装置もまた、ここで併せて使用することができる。

ガスタービンエンジン１０は、コンバインドサイクルシステム（図示せず）の一部であってもよい。典型的なコンバインドサイクルシステムについて一般的に説明すると、タービン４０からの高温の排気ガス流は、熱回収蒸気発生器や他の種類の熱交換器と連通させることができる。熱回収蒸気発生器は、次に、負荷を駆動させるように、多段蒸気タービン等と連通させることができる。この負荷は、ガスタービンエンジン１０によって駆動す
る同一の負荷５０か又は別の負荷、或いはその他の種類の装置とすることができる。他の構成部品、及び他の構成が、ここで用いられてもよい。

図２及び図３は、本明細書で説明できるような、ガスタービンエンジン１００の一例を示す図である。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１１０を備えることができる。空気流２０は、吸気フィルタ室１２０を介して圧縮機１１０に供給され得る。吸気フィルタ室１２０は、その中にいくつかのフィルタ１３０を有することができる。空気流２０は、入口抽気加熱マニホールド１４０で加温することができる。入口抽気加熱マニホールド１４０は、圧縮機吐出空気流その他の流れと連通することができる。圧縮機１１０はまた、流入する空気流２０の角度を変化させるように、その表面に配置された、いくつかの入口案内ベーン１５０を有することができる。圧縮機１１０、フィルタ１３０を有する吸気フィルタ室１２０、入口抽気加熱マニホールド１４０、及び入口案内ベーン１５０は、従来設計であってもよく、任意適当なサイズ、形状、構成、又は性能を有する。他の構成部品、及び他の構成が、ここで用いられてもよい。

ガスタービンエンジン１００は、空気流２０及び燃料の流れ３０と連通する、燃焼器１６０も備えることができる。上述したように、燃焼器１６０は、燃焼ガス流３５をタービン１７０に供給する。次に、排気ガス流１８０がタービン１７０を出て、熱回収蒸気発生器、排気筒、その他の場所に送られ得る。ガスタービンエンジン１００の、タービン１７０その他の構成部品は、タービン区画１９０内に配置することができる。ガスタービンエンジン１００の運転中に、タービン区画１９０内に廃熱が放出され、その中の空気が加熱される場合がある。この廃熱は、一般的に、大気中に放出されるか、そうでなければ放散する。他の構成部品、及び他の構成が、ここで用いられてもよい。

ガスタービンエンジン１００は、ターンダウン冷却システム２００を備えることができる。ターンダウン冷却システム２００は、圧縮機吐出空気流２１５を含む圧縮機吐出空気供給源２１０を備えることができる。圧縮機吐出空気供給源２１０は、圧縮機吐出空気や、圧縮機吐出ケーシングの抽出空気等であってもよい。ターンダウン冷却システム２００は、タービン区画空気流２２５を含むタービン区画空気供給源２２０も備えることができる。タービン区画空気供給源２２０は、タービン区画空気流２２５を取得するように、適切なダンパー、送風機、及びコントローラを有するダクトを介して、タービン区画１９０その他の場所と連通することができる。タービン区画空気供給源２２０は、フィルタリング及び／又は他の方法で処理することができる。

圧縮機吐出空気流２１５及びタービン区画空気流２２５は、エダクタ２３０において接触することができる。エダクタ２３０は、可動部品が使用されていない機械装置である。エダクタ２３０は、駆動流体と吸込流体との間で移動する運動量に基づいて、２つの流体流を混合する。駆動入口２４０は、圧縮機吐出空気流２１５と連通することができる。エダクタ２３０は、吸込口２５０も備えることができる。吸込口２５０は、タービン区画空気流２２５と連通することができる。したがって、圧縮機吐出空気流２１５は、タービン区画空気流２２５の吸込をもたらす駆動流体である。エダクタ２３０は、混合管２６０と、ディフューザ２７０とを備えることができる。エダクタ２３０は任意適当なサイズ、形状、構成、又は性能を有することができる。他のタイプのミキサー、混合ポンプ等が、エダクタ２３０等として用いられ得る。他の構成部品、及び他の構成が、ここで用いられてもよい。

圧縮機吐出空気流２１５は、駆動流として駆動入口２４０に流入し、吸込流が促進されるように、タービン区画空気流２２５よりも減圧される。これらの流れは、混合管２６０内で混合され、混合空気流２８０として、ディフューザ２７０を通って流れる。したがって、混合空気流２８０は、全体の温度の均一性を実現するために混合された、タービン区
画空気と抽気熱との組み合わせである。混合空気流２８０は、吸込流よりも高いが駆動流よりはまだ低い圧力で、排出することができる。このようなことから、吸込口２５０におけるタービン区画空気流２２５は、負圧又は真空であってもよい。具体的には、エダクタ２３０の全体的な吸込性能は、有効吸込ヘッドに基づくことができる。冷却その他の目的で、任意の数の混合空気流２８０を供給するように、ここで複数のエダクタ２３０が使用されてもよい。

混合空気流２８０は、後段及びその構成部品を冷却するように、タービン１７０に送ることができる。いくつかの制御弁２９０、制御センサ３００、温度センサ３１０その他の種類の制御装置及びセンサが、ここで使用されてもよい。ターンダウン冷却システム２００の全体的な動作は、ガスタービン制御（例えば、「ＧＥＳｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ」コントローラ又は同様の装置）の全体によって、又は最適化論理による専用コントローラによって制御することができる（「Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ」は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社の商標）。他の構成部品、及び他の構成が、ここで用いられてもよい。

図３は、ターンダウン冷却システム２００をより詳細に示す。具体的には、圧縮機吐出空気供給源２１０は、第９段圧縮機吐出空気の抽気３２０、第１３段圧縮機吐出空気の抽気３３０、及び／又は他の場所からの抽気であってもよい。一般的に説明すると、圧縮機吐出空気の抽気３２０、３３０は、タービン１７０の後段を冷却するために使用することができる。この例では、第１３段圧縮機吐出空気の抽気３３０は、タービンの第２段３４０を冷却するために使用することができる。第９段圧縮機吐出空気の抽気３２０は、タービン１７０の第３段３５０その他の後段を混合空気流２８０で冷却するために、上述したようにエダクタ２３０と連通することができる。混合空気流２８０は、複数の段及びその構成部品を冷却することができる。他の構成部品、及び他の構成が、ここで用いられてもよい。

したがって、ターンダウン冷却システム２００は、後段の冷却を最適化するための混合空気流２８０を形成するように、圧縮機吐出空気流２１５とタービン区画空気流２２５とを混合する。ターンダウン冷却システム２００は、主として休止モードで運転されているガスタービンエンジン１００が、全体的な排気を既存の規格内に制限するような所望の燃空比を維持できるように、圧縮機入口又はタービン排気への影響をほとんど或いは全くなくすことができる。したがって、ガスタービンエンジン１００は、全体的なコンバインドサイクルの性能及び蒸気生成能力を向上させるために、どのような運転モード中でも、熱回収蒸気発生器の吸気温度限界内で、排気ガス温度で運転することができる。さらに、ターンダウン冷却システム２００はまた、ベース負荷まで急速に上昇させる調整能力を有する、ガスタービンエンジン１００を提供することができる。したがって、ガスタービンエンジン１００は、ベース負荷の約３０％未満、場合によっては、約２０〜２５％の負荷の範囲、或いは約１０％程度にまで低下した、休止モードに到達することができる。ここでは、他のパーセンテージや他の負荷を用いることができる。

したがって、ターンダウン冷却システム２００は、ガスタービンエンジン１００の以前は得られなかった運転範囲を実現する。ターンダウン冷却システム２００は、ガスタービンエンジン１００全体の設計変更を伴わず、最小限の追加構成部品しか必要としない。ターンダウン冷却システム２００は、混合空気流２８０を介して、後段のタービン動翼の温度を最適化することができる。このような冷却によって、部品寿命を向上させるように、タービンが全体的な温度限界を超えるのを防止することができる。ターンダウン冷却システム２００は、運転パラメータ及び／又は排気の超過による強制的な機能停止を削減できる点において、発電プラント全体の信頼性を高めることができる。さらに、部分負荷の加熱速度の向上に伴ってターンダウンが制限される傾向を軽減することによって、全体的な
性能の向上がもたらされる。さらに、ガスタービンエンジン１００全体の運転時間の総数を増大させることができる。ターンダウン冷却システム２００は、オリジナルの装置であるか、又は改修装置の一部であってもよい。

図４は、本明細書で説明できるような、ターンダウン冷却システム３６０の別の実施形態を示している。この例では、圧縮機吐出空気供給源２１０は、第９段圧縮機吐出空気の抽気３２０、及び第１３段圧縮機吐出空気の抽気３３０の両方を含むことができる。これらの流れは、エダクタ２３０、又は他の場所に送られる前に、混合マニホールド３７０で混合することができる。この例では、混合空気流２８０は、タービン１７０の第３段３５０、もしくは、第４段その他の段等、他の後段の冷却に使用することができる。他の構成部品、及び他の構成が、ここで用いられてもよい。

前述の記載は、本出願、及び結果として得られる特許の、いくつかの実施形態のみに関するものであることは明らかである。当業者であれば、添付の特許請求の範囲、及びその均等物によって定義される、本発明の一般的な精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更及び修正を行うことが可能である。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０空気流
２５燃焼器
３０燃料の流れ
３５燃焼ガス流
４０タービン
４５軸
５０負荷
１００ガスタービンエンジン
１１０圧縮機
１２０吸気フィルタ室
１３０フィルタ
１４０入口抽気加熱マニホールド
１５０入口案内ベーン
１６０燃焼器
１７０タービン
１８０排気ガス流
１９０タービン区画
２００ターンダウン冷却システム
２１０圧縮機吐出空気供給源
２１５圧縮機吐出空気流
２２０タービン区画空気供給源
２２５タービン区画空気流
２３０エダクタ
２４０駆動入口
２５０吸込口
２６０混合管
２７０ディフューザ
２８０混合空気流
２９０制御弁
３００制御センサ
３１０温度センサ
３２０第９段圧縮機吐出空気の抽気
３３０第１３段圧縮機吐出空気の抽気
３４０タービンの第２段
３５０タービンの第３段
３６０ターンダウン冷却システム
３７０混合マニホールド

Claims

圧縮機（１５）と、
圧縮機吐出空気流（２１５）を含む前記圧縮機（１５）と、
タービン区画（１９０）と、
タービン区画空気流（２２５）を含む前記タービン区画（１９０）と、
タービン（４０）と、
エダクタ（２３０）とを備え、
前記エダクタ（２３０）が、前記圧縮機吐出空気流（２１５）と前記タービン区画空気流（２２５）とを混合して、前記タービン（４０）の冷却に使用するための混合空気流（２８０）にする、
低ターンダウン運転用のガスタービンエンジン（１０）。
前記圧縮機吐出空気流（２１５）が、第９段圧縮機吐出空気の抽気（３２０）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記圧縮機吐出空気流（２１５）が、第１３段圧縮機吐出空気の抽気（３３０）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記圧縮機吐出空気流（２１５）が、混合マニホールド（３７０）を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記圧縮機吐出空気流（２１５）が、第９段圧縮機吐出空気の抽気（３２０）と、第１３段圧縮機吐出空気の抽気（３３０）との混合物を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記タービン区画（１９０）が、タービン区画空気供給源（２２０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記エダクタ（２３０）が、前記圧縮機吐出空気流（２１５）と連通する駆動入口（２４０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記エダクタ（２３０）が、前記タービン区画空気流（２２５）と連通する吸込口（２５０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記エダクタ（２３０）が、混合管（２６０）とディフューザ（２７０）とを備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記タービン（４０）が、複数の段を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記混合空気流（２８０）が、前記タービン（４０）の第２段（３４０）を冷却する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記混合空気流（２８０）が、前記タービン（４０）の第３段（３５０）又は第４段を冷却する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
前記低ターンダウン運転が、ベース負荷の約３０％未満である、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記低ターンダウン運転が、ベース負荷の約２０％〜約２５％である、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
低ターンダウンでガスタービンエンジン（１０）を運転する方法であって、
ベース負荷の約３０％未満で前記ガスタービンエンジン（１０）を運転するステップと、
圧縮機吐出空気流（２１５）をエダクタ（２３０）に導くステップと、
タービン区画空気流（２２５）を前記エダクタ（２３０）に導くステップと、
前記エダクタ（２３０）内で、前記圧縮機吐出空気流（２１５）と前記タービン区画空気流（２２５）とを混合して、混合空気流（２８０）にするステップと、
１つ以上の段を冷却するために、タービン（４０）に前記混合空気流（２８０）を供給するステップとを含む、
低ターンダウンでガスタービンエンジン（１０）を運転する方法。
ガスタービンエンジン（１０）で使用するための低ターンダウンシステムであって、
前記ガスタービンエンジン（１０）の圧縮機（１５）からの圧縮機吐出空気流（２１５）と、
タービン区画（１９０）からのタービン区画空気流（２２５）と、
前記圧縮機吐出空気流（２１５）と前記タービン区画空気流（２２５）とを混合して、前記ガスタービンエンジン（１０）のタービン（４０）の１つ以上の段を冷却する混合空気流（２８０）にするためのエダクタ（２３０）とを備える、
低ターンダウンシステム。
前記圧縮機吐出空気流（２１５）が、第９段圧縮機吐出空気の抽気（３２０）、及び／又は第１３段圧縮機吐出空気の抽気（３３０）、並びに／或いは前記第９段圧縮機吐出空気の抽気（３２０）と、前記第１３段圧縮機吐出空気の抽気（３３０）との混合物を含んでいる、請求項１６に記載の低ターンダウンシステム。
前記タービン区画（１９０）が、タービン区画空気供給源（２２０）を備える、請求項１６に記載の低ターンダウンシステム。
前記エダクタ（２３０）が、前記圧縮機吐出空気流（２１５）と連通する駆動入口（２４０）と、前記タービン区画空気流（２２５）と連通する吸込口（２５０）とを含む、請求項１６に記載の低ターンダウンシステム。
前記ガスタービンエンジン（１０）が、ベース負荷の約３０％未満の低ターンダウン運転を有する、請求項１６に記載の低ターンダウンシステム。