JP2016510849A - 再熱および容量整合によるコージェネ熱負荷整合 - Google Patents

Abstract

一例のガスタービンエンジンは、ガス発生機と、当該ガス発生機より下流に配置された再熱燃焼器と、当該再熱燃焼器より下流に配置された出力タービンとを有することができ、当該出力タービンは複数のノズル案内羽根を有する。再熱燃焼器は、当該再熱燃焼器の温度を上昇させて所要の排気温度に整合するために、燃料流を増加させるように構成されている。ノズル案内羽根は、前記所要排気温度に比例して、出力タービン入口における実容量を増加させるように構成されている。再熱燃焼器より上流のガス発生機出口における一定の見かけ容量は、温度および実容量の相互の比例増加に応じて、一定に保たれる。

Description

関連出願の相互引用
本願は、米国仮出願第６１／７８５，９５０号（出願日：２０１３年３月１４日）、米国仮出願第６１／７７３，１０３号（出願日：２０１３年３月５日）、米国仮出願第６１／７７３，１００号（出願日：２０１３年３月５日）および米国特許出願第１４／１３５，３５２号（出願日：２０１３年１２月１９日）の利益を主張するものである。

本発明は、コンバインドサイクル発電プラントにおいて電気および熱を生成するコージェネレーションシステム用のガスタービンエンジンを開示するものであり、具体的には、当該プラントの熱負荷要求を整合するように構成された再熱燃焼器および出力タービンを使用するガスタービンエンジンに関する。

熱電併給（「ＣＨＰ」または「コージェネ」）とは、火力発電所によって電気および熱を同時に生産するものである。具体的には、典型的な発電所は、発電する１つまたは複数のガスタービンエンジンを有し、このガスタービンエンジンは、発電の副産物として、ある程度の量の熱を生じさせる。ＣＨＰはこの熱のうち一部または全部を捕捉して、病院、商業用ビル、または、発電所に地理的に近い場所に位置する他の種々の建物の暖房に用いる。他の一例としては、地区給水を加熱するためにＣＨＰを用いることも可能である。

通常のガスタービンエンジンには２種類あり、これには、元々工業発電用に設計されたもの（「工業用機」）と、典型的には航空エンジンから派生したもの（「航空用機由来型」）とが含まれる。前者は高重量であり、メンテナンスオーバーホールを行う頻度を少なくして長寿命を実現するため、ロバストな構成となっている。後者は、始動、負荷変動および遮断が工業用機よりも迅速に行われる。その上、航空用機由来型の圧力比は工業用機よりも大きく、高効率であり、かつ排気温度が低いので、複合サイクル型およびＣＨＰ型においてこの航空用機由来型が生成する蒸気は比較的少ない。ＣＨＰについて障害となり得るものに、発電所によって要求された通りに熱負荷および電気的負荷の量的および時期的な整合を行うことが含まれる。

よって、ノズル案内羽根（「ＮＧＶ」）の十分なセットを有する出力タービンおよび再熱燃焼器を用いて、または択一的に、熱負荷が可変である場合には可変ノズル案内羽根（「ＶＮＧＶ」）を用いて、いかなる熱負荷要求も満たすガスタービンエンジンを実現する必要がある。

特許請求の範囲は、特定の実施例に限定されることはないが、その複数の実施例についての説明を読めば、本発明の種々の対象を最も良好に理解することができる。図面を参照すると、実施例の詳細が示されている。図面に実施例を示しているが、本図面は必ずしも実寸の比率通りであるとは限らず、実施例の特徴的な構成をより分かりやすく説明するため、特定の構成を誇張して示している場合がある。さらに、ここで開示している実施例は、以下の詳細な説明および図面にて記載および図示した具体的な形状や配置構成に絶対的に限定または減縮等するものではない。以下、図面を参照して、実施例を詳細に説明する。

再熱および容量整合によってコージェネ熱負荷整合を実現するように互いに協働する再熱燃焼器と出力タービンとを含む、一実施例のガスタービンエンジンの分解組立図である。 可変面積ノズル案内羽根を備えた出力タービンを含む、他の一実施例のガスタービンエンジンの分解組立図である。 図１の出力タービンの実容量に対応するコージェネレーション熱負荷のグラフである。 図１に示したガスタービンエンジンの概略図である。 他の一実施例のガスタービンエンジンの概略図である。

詳細な説明
以下の記載と図面とを参照すれば、実施例の詳細が分かる。図面には、一部の実施可能な態様を示しているが、本図面は必ずしも実寸の比率通りであるとは限らず、本発明をより分かりやすく説明するため、特定の構成を誇張もしくは除去し、または特定の構成の一部断面のみを示している場合がある。さらに、ここで記載している説明は、特許請求の範囲を、以下の詳細な説明および図面にて記載および図示した具体的な形状や配置構成に絶対的に限定または減縮等するものではない。

一例のガスタービンエンジンは、ガス発生機と、当該ガス発生機より下流に配置された再熱燃焼器と、当該再熱燃焼器より下流に配置された出力タービンとを有することができ、当該出力タービンは複数のノズル案内羽根を有する。再熱燃焼器は、当該再熱燃焼器の温度を上昇させて所要の排気温度に整合するために、燃料流を増加させるように構成されている。ノズル案内羽根は、前記所要排気温度に比例して、出力タービン入口における実容量を増加させるように構成されている。再熱燃焼器より上流のガス発生機出口における一定の見かけ容量は、温度および実容量の相互の比例増加に応じて、一定に保たれる。

他の一例のガスタービンエンジンは、ガス発生機と、当該ガス発生機より下流に配置された再熱燃焼器と、当該再熱燃焼器より下流に設けられた出力タービンとを有することができ、当該再熱燃焼器は、再熱燃焼器の温度を上昇させて所要の排気温度に整合するために、燃料流を増加させるように構成されている。出力タービンは、コージェネレーションプラントの熱負荷に整合するように構成された複数のノズル案内羽根を有し、当該ノズル案内羽根は、再熱燃焼器の温度上昇に応じて、出力タービン入口において複数の実容量を設定すべく変化するように構成された可変面積ノズル案内羽根（「ＶＮＧＶ」）である。このような構成により、ガスタービンエンジンはコージェネレーションプラントの可変の熱負荷に整合することとなり、再熱燃焼器より上流のガス発生機出口における見かけ容量を一定に維持することができる。

コージェネ発電所により要求される熱負荷に整合する方法の一例は、再熱燃焼器の温度を上昇させて所要排気温度に整合するため、当該再熱燃焼器への燃料流を増加させるステップを含むことができる。この方法はまた、再熱燃焼器の上昇した当該温度に比例して、当該再熱燃焼器より下流の出力タービン入口における実容量を増加させるステップも含むことができる。さらに前記方法は、前記実容量と温度との相互の比例増加に応じて、前記再熱燃焼器より上流のガス発生機出口における見かけ容量を一定に維持することも含むことができる。

図１を参照すると、一実施例のガスタービンエンジン１００は一般的に、ガス発生機１０２と、出力タービン１０４と、再熱燃焼器１０６とを有することができ、当該再熱燃焼器１０６はガス発生機１０２と出力タービン１０４との間に配置される。一例では、出力タービン１０４は、ノズル案内羽根のセット１０７（「ＮＧＶ」）を有することができ、このノズル案内羽根セット１０７は、出力タービン１０４の入口１０８において実容量を、または当該出力タービン１０４内を流れる体積流量を設定するように構成されている。とりわけ、前記ＮＧＶセットは、コージェネ発電所により要求される熱負荷のための最適容量に対応する高容量と低容量との間の範囲内に実容量を設定するように構成することができる。コージェネ発電所熱負荷のためのこの最適容量は、２つのＮＧＶセット間に貯蔵しておくことが可能である。その際には、２つ以上のＮＧＶセットを混合して整合することにより、たとえば、１つのセットは使用可能な高実容量を設定し、他の１つのセットは使用可能な低実容量を設定し、これらを合わせて得られる実容量が、コージェネ発電所により要求された熱負荷に相応する熱負荷を生成するようにすることが可能である。

図２に示した他の一実施例のガスタービンエンジン２００は出力タービン２０４を有する。同図のガスタービンエンジン２００の大部分は、図１のガスタービンエンジン１００と同様の構成であり、その出力タービン２０４の、出力タービン１０４と同様の構成要素には、２００番台の同様の符号を付している。しかし、それぞれ１つの実容量のみを設定するように構成された２つ以上の固定面積ＮＧＶセットを組み合わせたものを有する図１の出力タービン１０４とは異なり、図２の出力タービン２０４は、可変面積ノズル案内羽根のセット２０７（「ＶＮＧＶ」）を有することができ、この可変面積ノズル案内羽根セット２０７の構成は、複数の実容量を設定し、コージェネ発電所により要求された可変の熱負荷に整合ために変化するように構成されている。よって、ＶＮＧＶを変化または調整することにより、出力タービン入口２０８内に流れる体積流量または実容量を調整し、コージェネ発電所の可変の熱負荷に整合することが可能である。たとえば、コージェネ発電所が日中に必要とする熱負荷は、夜間に必要とされる熱負荷より高くなることがある。したがって、日中には、出力タービン入口における体積流量または実容量を増大させて、ＶＮＧＶが夜間に設定する実容量または体積流量より大きくするため、当該ＶＮＧＶを開放または変化させることが可能である。

再び図１を参照すると、再熱燃焼器１０６は流入部１１０と流出部１１２とを有することができる。流入部１１０はガス発生機出口１１４に対して設けられており、当該流入部１１０は、出力タービン１０４内における、当該ガス発生機出口１１４に対応した見かけ容量または体積流量に対応して設けられている。また、流出部１１２は出力タービン入口１０８に対して設けられており、当該流出部１１２は、出力タービン１０４内における、当該出力タービン入口１０８に対応した実容量または実体積流量に対応して設けられている。流入部１１０と流出部１１２との間における再熱燃焼器１０６の圧力降下は無視できる程度のものであり（Ｐ_２＝Ｐ_１）、燃焼過程の効率は最大１００％とすることができ、２つの平面間において冷却空気が取り出されたり注入されることはない（Ｗ１＝Ｗ_２−Ｗ_ｆｕｅｌ）。これらの条件に基づき、タービンエンジン１００の下流タービン容量Ｑを以下の数式セットによって表すことができる。

ガス発生機（ＧＧ）出口流における出力タービン１０４の見かけ容量Ｑ_１と流入部１１０とに関する流れ関数は、以下のようになる：
（数式１） Ｑ_１＝Ｗ_１√Ｔ_１／Ｐ_１

さらに、出力タービン１０４の入口１０８における当該出力タービン１０４の実容量Ｑ_２と流出部１１２とに相当する流れ関数は、以下のようになる：
（数式２） Ｑ_２＝Ｗ_２√Ｔ_２／Ｐ_２

Ｐ_２＝Ｐ_１であると仮定すると、数式２は、
Ｑ_２＝Ｗ_２√Ｔ_２／Ｐ_１
Ｐ_１＝Ｗ_２√Ｔ_２／Ｑ_２
となる。

数式１に代入すると、以下のようになる：
Ｑ_１＝Ｗ_１√Ｔ_１／（Ｗ_２√Ｔ_２／Ｑ_２）
＝（Ｗ_１／Ｗ_２）＊（√Ｔ_１／√Ｔ_２）＊Ｑ_２
＝（（Ｗ_２−Ｗ_ｆｕｅｌ）／Ｗ_２）＊（√Ｔ_１／√Ｔ_２）＊Ｑ_２
＝（１−（Ｗ_ｆｕｅｌ／Ｗ_２））＊（√Ｔ_１／√Ｔ_２）＊Ｑ_２

本実施例の燃料流がコア流の２％であると仮定すると、Ｗ_ｆｕｅｌ＝Ｗ_２の２％となる。
（数式３） Ｑ_１＝０．９８＊（√Ｔ_１／√Ｔ_２）＊Ｑ_２

したがって、数式３から、実容量Ｑ_２を比例増加して見かけ容量Ｑ_１を一定値に維持することにより熱負荷要求に整合するためには、再熱温度Ｔ_２を上昇して排気温度を上昇させることが可能であることが分かる。

図３に、数式３によるガスタービンエンジン１００の動作を示す。また、ガス発生機１０２の作動サイクル全体における熱負荷が変化する場合、可変の実容量Ｑ_２を設定するように構成された出力タービン１０４を用いることによって、ガス発生機出口１１４における所望の見かけ容量を維持できることが、数式３から明らかである。したがって、１つのガス発生機を複数の用途に用いることができ、これにより、インベントリとエンジンの変形態様とを最小限にすることができ、かつ、ガスタービンサイクルを熱負荷要求に合わせて調整することにより、コージェネ発電所効率と出力とを改善することもできる。

図３には、複数のガスタービンエンジンにより設定される複数の異なる熱負荷を示している。たとえば、データ項目１１６は、コージェネ熱負荷供給所要量が低いコージェネプラントに設置される、複数のＮＧＶセットを組み合わせたものを備えたガスエンジンタービンの一例を表している。この組み合わされた複数のＮＧＶセットは、固定熱負荷のプラントの第１の熱負荷要求１１８に一致するかまたは当該第１の熱負荷要求１１８を満たすのに十分な低い再熱出口温度Ｔ_２で、ガス発生機の所要見かけ容量Ｑ_１を規定値に維持するため、小さい容量Ｑ_２を設定するように構成されている。データ項目１２０は、複数のＮＧＶセットを組み合わせたものを備えた、中間的なコージェネ熱負荷の他の一例のガスエンジンタービンを表しており、当該ＮＧＶセットは、固定熱負荷プラントの第２の熱負荷要求１２２を満たすかまたは当該第２の熱負荷要求１２２に一致するのに十分な中程度の再熱出口温度Ｔ_２で、ガス発生機の所要見かけ容量Ｑ_１を事例１１６と同じ規定値に維持するため、中程度の容量Ｑ_２を設定するように構成されている。データ項目１２４は、複数のＮＧＶセットを組み合わせたものを備えた、さらに他の一例のガスエンジンタービンを表しており、当該ガスタービンエンジンのコージェネ熱負荷は高い。この複数のＮＧＶセットは、固定熱負荷プラントの第３の熱負荷要求１２６を満たすかまたは当該第３の熱負荷要求１２６に一致するのに十分な高い再熱出口温度Ｔ_２で、ガス発生機の所要見かけ容量Ｑ_１を事例１１６と同じ規定値に維持するため、高い容量Ｑ_２を設定するように構成されている。さらに、連続体バー１２８は、可変面積ノズル案内羽根を備えたガスタービンエンジンの一例を表しており、この可変面積ノズル案内羽根は、コージェネプラント所要排気熱要求に応じて低い再熱出口温度１１８から高い再熱温度１２６まで変化する可変の再熱出口温度Ｔ_２の組合せに応じて、ガス発生機の所要見かけ容量Ｑ_１を一定の規定値に維持するため、事例１１６と事例１２４との間で実容量Ｑ_２を変化させるように構成されている。この可変容量は、上記の数式３を満たすように、再熱燃料流量に相関する再熱出口温度に比例して変化させることができる。

図４を参照すると、２軸ガス発生機４０２が再熱燃焼器４０６に連通しており、この再熱燃焼器４０６は、出力タービン４０４または低圧タービンに連通している。このガス発生機４０２は、高圧圧縮機４５０と、高圧タービン４５２と、第１のシャフト４５４とを有しており、当該第１のシャフト４５４は高圧圧縮機４５０と高圧タービン４５２との間に接続されている。ガス発生機４０２はさらに、中圧圧縮機４５６と、中圧タービン４５８と、第２のシャフト４６０とを有することもでき、当該第２のシャフト４６０は中圧圧縮機４５６と中圧タービン４５８との間に接続される。また、前記低圧タービン４０４を中圧タービン４５８より下流に配置して、外部負荷４６２に結合することも可能である。第１のシャフト４５４および第２のシャフト４６０は相互に分離している。

低圧タービンまたは出力タービン４０４は、たとえばノズル案内羽根セット等の、複数の異なる部品セットを有することができ、各セットがそれぞれ、出力タービン入口４０８において異なる実容量Ｑ_２を生成することができる。出力タービンの見かけ容量と実容量との比は、再熱燃焼器４０６における所望の温度上昇量に依存するので、ガス発生機出口４１４における容量Ｑ_１が一定に保たれる場合、より大きな容量を設定するように構成された出力タービン部品セットによって、再熱温度Ｔ_２を高くすることができる。よって、高温を必要とする場合には、コージェネ発電所の温度を高くすることができる。

図５を参照すると、３軸ガスタービンエンジン５００が低圧タービン５０４を有しており、この３軸ガスタービンエンジン５００の大部分は、低圧タービン４０４を備えた図４の２軸ガスタービンエンジン４００と同様の構成である。しかし、ガスタービンエンジン５００はさらに低圧圧縮機５５０を有し、前記低圧タービン５０４は第３のシャフト５６４によって低圧圧縮機５５０に結合されている。低圧タービンはさらに、外部負荷５６２にも結合されている。外部負荷５６２の例として、発電機、ガス圧縮機または冷蔵冷凍装置が含まれる。低圧タービン５０４は、たとえばノズル案内羽根セット等の、複数の異なるタービン部品セットを有することができ、各セットがそれぞれ、出力タービン入口５０８において異なる実容量を生成することができる。タービン見かけ容量とタービン実容量との比は、再熱モジュールにおける温度上昇量に依存するので、より大容量のセットを用いることにより、再熱温度Ｔ_２を高くすることができ、よって、高温を必要とする場合、コージェネ発電所の排気温度をより高くすることができる。

上記方法および装置は、一部の構成要素やステップを除くように変更することができ、または、他の構成要素やステップを追加して変更することも可能であり、これらの変更はすべて、本発明の思想の範囲内であるとみなされるものであることは明らかである。特定の実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の思想を逸脱することなく、これらの特定の実施形態に施すことが可能な改良や変更は、種々存在することが明らかである。本願明細書および図面は、本発明の思想を限定するものではなく、単なる一例であると解すべきものである。

Claims (18)

1. ガス発生機と、
   前記ガス発生機より下流の再熱燃焼器と、
   複数のノズル案内羽根を備えた、前記再熱燃焼器より下流の出力タービンと
   を有するガスタービンエンジンであって、
   前記再熱燃焼器は、当該再熱燃焼器の温度を上昇させて所要排気温度に整合するために、燃料流を増加させるように構成されており、
   前記ノズル案内羽根は、前記所要排気温度に比例して、前記出力タービンの入口における実容量を増加させるように構成されており、
   前記再熱燃焼器より上流の、前記ガス発生機の出口における一定の見かけ容量は、前記温度および前記実容量の相互の比例増加に応じて、一定に保たれる
   ことを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記再熱燃焼器と、前記出力タービンの部品セットとは、前記ガス発生機の出口における当該出力タービンの見かけ容量を設定するように構成されている、
   請求項１記載のガスタービンエンジン。
3. 前記ノズル案内羽根は、前記出力タービンの入口における実容量を設定するように構成されており、
   前記見かけ容量が一定に保たれる場合、前記出力タービンにおける実容量によって排気ガスの温度が決定される、
   請求項２記載のガスタービンエンジン。
4. 前記ガス発生機は、前記再熱燃焼器に連通している２軸ガス発生機であり、
   前記再熱燃焼器は、前記出力タービンに連通している、
   請求項１記載のガスタービンエンジン。
5. 前記２軸ガス発生機は、
   高圧圧縮機と、
   高圧タービンと、
   前記高圧圧縮機と前記高圧タービンとの間に接続された第１のシャフトと、
   中圧圧縮機と、
   中圧タービンと、
   前記中圧圧縮機と前記中圧タービンとの間に接続された第２のシャフトと、
   外部負荷に結合されている、前記中圧タービンより下流に設けられた低圧タービンと、
   を有し、
   前記第１のシャフトと前記第２のシャフトとは相互に分離されている、
   請求項４記載のガスタービンエンジン。
6. 前記ガス発生機は、前記再熱燃焼器に連通している３軸ガス発生機であり、
   前記再熱燃焼器は、前記出力タービンに連通している、
   請求項１記載のガスタービンエンジン。
7. 前記３軸ガス発生機は、
   高圧圧縮機と、
   高圧タービンと、
   前記高圧圧縮機と前記高圧タービンとの間に接続された第１のシャフトと、
   中圧圧縮機と、
   中圧タービンと、
   前記中圧圧縮機と前記中圧タービンとの間に接続された第２のシャフトと、
   低圧圧縮機と、
   外部負荷に結合された低圧タービンと、
   前記低圧圧縮機と前記低圧タービンとの間に接続された第３のシャフトと
   を有し、
   前記第１のシャフトと、前記第２のシャフトと、前記第３のシャフトとは、相互に結合されていない、
   請求項６記載のガスタービンエンジン。
8. 前記外部負荷は、発電機、ガス圧縮機および冷蔵装置のいずれか１つである、
   請求項７記載のガスタービンエンジン。
9. 前記ガス発生機の出口から前記出力タービンの入口までの前記再熱燃焼器における圧力降下は、無視できる程度である、
   請求項１記載のガスタービンエンジン。
10. 前記複数のノズル案内羽根は、コージェネレーション発電所により要求される熱負荷に対応する最適容量の一対の上下限を成す高実容量との低実容量との間の範囲内に、前記出力タービンの入口における実容量を設定するように構成されている、
    請求項１記載のガスタービンエンジン。
11. ガス発生機と、
    前記ガス発生機より下流に配置された再熱燃焼器と、
    前記再熱燃焼器より下流の出力タービンと
    を有するガスタービンエンジンであって、
    前記再熱燃焼器は、当該再熱燃焼器の温度を上昇させて所要排気温度に整合するために、燃料流を増加させるように構成されており、
    前記出力タービンは、コージェネレーションプラントの熱負荷に整合するように構成された複数のノズル案内羽根を有し、
    前記複数のノズル案内羽根は、複数の可変面積ノズル案内羽根であり、
    前記可変面積ノズル案内羽根は、コージェネレーションプラントの可変の熱負荷に整合して、前記再熱燃焼器より上流の前記ガス発生機の出口における見かけ容量を一定に維持するため、当該再熱燃焼器の温度上昇に応じて、前記出力タービンの入口において複数の実容量を設定すべく変化するように構成されている
    ことを特徴とするガスタービンエンジン。
12. 前記再熱燃焼器と、前記出力タービンの部品セットとは、前記ガス発生機の出口における当該出力タービンの見かけ容量を設定するように構成されている、
    請求項１１記載のガスタービンエンジン。
13. 前記ノズル案内羽根は、前記出力タービンの入口における実容量を設定するように構成されており、
    前記見かけ容量が一定に保たれる場合、前記出力タービンにおける実容量によって排気ガスの温度が決定される、
    請求項１２記載のガスタービンエンジン。
14. 前記ガス発生機は、２軸ガス発生機および３軸ガス発生機のうちいずれか１つである、
    請求項１１記載のガスタービンエンジン。
15. コージェネレーションプラントの熱負荷要求に整合する方法であって、
    再熱燃焼器の温度を上昇して所要排気温度に整合するため、当該再熱燃焼器の燃料流を増加させることと、
    前記再熱燃焼器の上昇した前記温度に比例して、当該再熱燃焼器より下流の出力タービン入口における実容量を増加させることと、
    前記実容量と前記温度との相互の比例増加に応じて、前記再熱燃焼器より上流のガス発生機出口における見かけ容量を一定に維持することと
    を含むことを特徴とする方法。
16. ノズル案内羽根の少なくとも２つのセットを組み合わせて、コージェネレーション発電所の最適容量を実現する構成にする、
    請求項１５記載の方法。
17. さらに、セットを成す複数の可変面積ノズル案内羽根を変化させることを含む、
    請求項１５記載の方法。
18. さらに、前記出力タービン入口における実容量を増加させるため、前記セットの前記可変面積ノズル案内羽根を開放することを含む、
    請求項１７記載の方法。

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