JP2018096300A - 冷却系統を備えるガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却系統を備えるガスタービンエンジシステムにおいて、冷却用空気の圧力損失を抑制しながら、システム全体を小型化し、かつ信頼性を向上させる。【解決手段】ガスタービン（ＧＴ）の出力軸（７）の回転出力を変速して、ガスタービンの駆動対象である負荷装置（ＧＥ）へ伝達する変速機（９）と、圧縮機（１）から抽気した作動ガス（Ｇ）を冷却媒体として前記ガスタービン（ＧＴ）の圧縮機（１）よりも下流部分を冷却するガスタービン冷却系統（ＣＳ）とを備えるガスタービンエンジンシステム（Ｓ）において、圧縮機（１）から作動ガス（Ｇ）を抽気して、圧縮機（１）よりも下流部分へ冷却ガス（ＣＧ）として供給する冷却ガス通路（１１）の途中に、前記作動ガス（Ｇ）を加圧する加圧機（１５）を設け、この加圧機（１５）を前記変速機（９）によって駆動する。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却系統を備えるガスタービンを含むシステムに関する。

一般に、ガスタービンにおいて、高温になる燃焼器およびタービンを冷却するために、圧縮機から圧縮空気の一部を抽気して、冷却器により冷却したうえで冷却用空気として利用することが知られている。また、その場合、冷却用空気の通路に加圧機を設けて冷却用空気を加圧してから冷却対象に供給することにより、冷却用空気の圧力損失を抑制することが提案されている。

特開２００８−０８２２４７号公報

しかし、上記のように加圧機を設ける場合、一般に、加圧機を駆動するため、追加のモータ等の、ガスタービンの駆動系とは別系統の駆動源が必要になるので、ガスタービンを含むシステム全体のサイズが増大する。また、ガスタービンの駆動系とは別系統の駆動源を設けることにより、システム全体として故障の確率が高まり、信頼性が低下する。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、冷却系統を備えるガスタービンエンジシステムにおいて、冷却用空気の圧力損失を抑制しながら、システム全体を小型化し、かつ信頼性を向上させることにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービンシステムは、圧縮機で圧縮した作動ガスを燃焼器で燃焼させて、燃焼した作動ガスによってタービンを駆動するガスタービンと、
前記ガスタービンの出力軸の回転出力を変速して、前記ガスタービンの駆動対象である負荷装置へ伝達する変速機と、
前記圧縮機から抽気した作動ガスを冷却媒体として前記ガスタービンの圧縮機よりも下流部分を冷却するガスタービン冷却系統であって、
前記圧縮機から作動ガスを抽気して、前記ガスタービンの圧縮機よりも下流部分へ冷却ガスとして供給する冷却ガス通路と、
前記冷却ガス通路の途中に設けられて、前記作動ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却ガス通路の途中に設けられて前記作動ガスを加圧する加圧機であって、前記変速機によって駆動される加圧機と、
を有するガスタービン冷却系統と、
を備えている。

この構成によれば、冷却系統に設けられた加圧機を変速機を用いて駆動するので、加圧機駆動用の外部装置が不要となる。したがって、冷却ガスの圧力損失を低減しながら、システム全体を小型化することができる。また、外部装置を使用しないから、通常、ガスタービンが正常に作動している間は加圧機の駆動も継続されるので、システム全体の信頼性が向上する。

本発明の一実施形態において、前記加圧機が前記冷却器の下流に配置されていてもよい。この構成によれば、加圧機に流入する前の冷却ガスを冷却し、冷却ガスの温度および圧力を低下させるので、加圧機を小型化することができる。

本発明の一実施形態において、さらに、前記冷却器からの排熱を利用して冷水を生成する吸収式冷凍機を備えていてもよい。吸収式冷凍機で生成された冷水は、例えば、前記圧縮機に吸入される作動ガスの冷却や、ガスタービンと組み合わせられる蒸気タービンの復水器に利用することができる。この構成によれば、冷却器からの排熱を再利用することにより、システム全体の効率を高めることができる。

本発明の一実施形態において、さらに、前記冷却器から前記吸収式冷凍機への排熱が不足の場合に、前記吸収式冷凍機に追加の加熱媒体を供給する補助熱源を備えていてもよい。この構成によれば、吸収式冷凍機からの冷水の供給量を必要に応じて調整することが可能になる。

本発明の一実施形態において、前記冷却系統に、前記冷却ガス通路に設けられた機器を迂回可能なバイパス通路が設けられていてもよい。この構成によれば、冷却ガス通路に設けられた機器に何らかの原因により不具合が生じた場合にも、この機器を迂回して作動ガスを冷却対象に供給し、最低限必要な冷却を行いながらシステム全体の運転を継続することが可能になる。

本発明の一実施形態において、さらに、前記圧縮機、燃焼器、タービンおよび変速機が設置される基台を備え、前記基台上または基台内部に、前記冷却ガス通路に設けられた機器の少なくとも一部が設置されていてもよい。この構成によれば、システム全体を一層コンパクトに構成することが可能となる。

以上のように、本発明に係るガスタービンシステムによれば、冷却用空気の圧力損失を抑制しながら、システム全体を小型化し、かつ信頼性を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンシステムの全体構成を示すブロック図である。 図１のガスタービンエンジンシステムに使用される吸収式冷凍機の概略構成を示すブロック図である。 図２の変形例に係るガスタービンエンジンシステムの全体構成を示すブロック図である。 図１のガスタービンエンジンシステムの設置構造を模式的に示す側面図である。 図１のガスタービンエンジンシステムの設置構造における配管構成を示す斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は本発明の一実施形態に係るガスタービンＧＴシステム（以下、単に「ガスタービンシステム」という。）Ｓを示す概略構成図である。このガスタービンシステムＳは、ガスタービンエンジン（以下、単に「ガスタービン」という。）ＧＴと、ガスタービンＧＴの構成要素を冷却するためのガスタービン冷却系統ＣＳとを備えている。

ガスタービンＧＴは、作動ガスＧを圧縮する圧縮機１、圧縮機１で圧縮された作動ガスＧに燃料を混合して燃焼させる燃焼器３、およびこの燃焼した作動ガスＧによって駆動されるタービン５を備えている。本実施形態では、作動ガスＧとして空気を使用している。ガスタービンＧＴは、その駆動対象として、例えば発電機ＧＥのような負荷装置を駆動する。本実施形態に係るガスタービンＧＴは、タービン５と圧縮機１が共通の回転軸Ｒによって直接連結されている一軸式であり、前記回転軸Ｒが出力軸７として発電機ＧＥを駆動する。ガスタービンＧＴの出力軸７は、変速機である減速機９を介して発電機ＧＥに連結されており、ガスタービンＧＴの回転出力が減速機９によって減速されて発電機ＧＥへ伝達される。減速機９は複数の歯車を組み合わせて構成されている。

なお、ガスタービンＧＴは、圧縮機１とタービン５がそれぞれ別体の回転軸を有する二軸式ガスタービンであってもよい。また、ガスタービンＧＴの用途や仕様に応じて、上記減速機９は変速機である増速機であってもよい。例えば、二軸式ガスタービンにおいては、変速機として、始動装置の回転出力を圧縮機の回転軸へ伝達する減速機または増速機を使用することができる。

ガスタービンシステムＳには、圧縮機１で圧縮された作動ガスＧを利用して、ガスタービンＧＴの高温部である圧縮機１よりも下流部分、例えば燃焼器３やタービン５を冷却するためのガスタービン冷却系統ＣＳが設けられている。本実施形態では、燃焼器３およびタービン５がガスタービン冷却系統ＣＳによる冷却対象部ＣＴである。以下の説明では、特定する必要がある場合を除き、ガスタービンＧＴの高温部である圧縮機１よりも下流部分の冷却対象となり得る部分を指して、単に「冷却対象部ＣＴ」と称する。

ガスタービン冷却系統ＣＳは、圧縮機１の途中段から作動ガスＧを抽気して、抽気した作動ガスＧを冷却対象部ＣＴへ冷却ガスＣＧとして供給する冷却ガス通路１１を備える。冷却ガス通路１１の途中に、作動ガスＧを冷却する冷却器１３と、作動ガスＧを加圧する加圧機１５とが配設されている。図示の例では、冷却ガス通路１１において、加圧機１５が冷却器１３の下流に配置されている。

本実施形態では、加圧機１５は、減速機９によって駆動される。具体的には、減速機９は、ガスタービンＧＴの出力軸７に連結された入力ギヤ２１と、入力ギヤ２１に直接または間接的に係合して、ガスタービンＧＴから減速機９に入力された回転動力を減速して発電機ＧＥに出力する主出力ギヤ２３とを備える。減速機９は、さらに、主出力ギヤ２３とは別に、入力ギヤ２１に直接または間接的に係合して、ガスタービンＧＴから減速機９に入力された回転動力を加圧機１５に出力する補助出力ギヤ２５を備える。加圧機１５のロータ２７は、減速機９の補助出力ギヤ２５に連結されており、補助出力ギヤ２５の回転によって駆動される。

加圧機１５は、冷却器１３の上流に配置してもよいが、冷却器１３の下流に配置することにより、加圧機１５に流入する前の冷却ガスＣＧを冷却し、冷却ガスＣＧの温度および圧力を低下させるので、加圧機１５を小型化することができる。なお、冷却ガス通路１１における加圧機１５の下流には、冷却ガスＣＧ中の不純物を除去するためのフィルタ２９が配設されている。もっとも、フィルタ２９は省略してもよい。

ガスタービンシステムＳは、さらに、冷却器１３からの排熱を利用して冷水ＣＷを生成する吸収式冷凍機３１を備えている。図２に、吸収式冷凍機３１の概略構成を示す。吸収式冷凍機３１は、蒸発器３３において水を蒸発させることにより、蒸発潜熱によって冷水管３５を通る水を冷却して冷水ＣＷを生成する。蒸発器３３へは、凝縮器３７で水蒸気を凝縮することにより得られた水Ｗ１が供給される。蒸発器３３で発生した水蒸気Ｗ２は、吸収器３９において、吸湿媒体（例えば臭化リチウム水溶液）に吸収される。吸収器３９で水蒸気を吸収した低濃度の吸湿媒体Ｍ１は、再生器４１へ送給され、再生器４１で加熱されて水蒸気と高濃度の吸湿媒体Ｍ２に分離される。再生器４１で生成された水蒸気Ｗ３は凝縮器３７へ供給され、高濃度の吸湿媒体Ｍ２は吸収器３９へ返送される。冷却器１３（図１）の冷却媒体（本実施形態では水）ＣＭは、吸収式冷凍機３１において、再生器４１における熱源として利用される。

図１に示すように、本実施形態では、吸収式冷凍機３１からの冷水ＣＷをガスタービンＧＴの吸気の冷却に利用している。すなわち、ガスタービンシステムＳは、吸収式冷凍機３１からの冷水ＣＷを冷却媒体として圧縮機１に吸入される作動ガスＧを冷却する吸気冷却系統ＩＣを備えている。吸気冷却系統ＩＣは、吸収式冷凍機３１と圧縮機１の入口との間で冷水ＣＷの供給および回収を行う冷水通路４３と、冷水通路４３の途中に設けられて、冷水ＣＷを冷却媒体として作動ガスＧを冷却する吸気冷却器４５とを備えている。

もっとも、吸収式冷凍機３１からの冷水ＣＷは、吸気の冷却の代わりに、または追加して、他の用途に利用してもよい。例えば、図３の変形例に示すように、ガスタービンシステムＳに、ガスタービンＧＴからの排ガスの熱を利用して発生させた水蒸気を作動媒体とする蒸気タービンＳＴを組み合わせ、この蒸気タービンから排出された水蒸気を冷却する復水器４６の冷媒として、吸収式冷凍機３１からの冷水ＣＷを利用してもよい。このように、吸収式冷凍機３１を介して冷却器１３からの排熱を再利用することにより、システム全体の効率を高めることができる。

図１に示すように、本実施形態では、さらに、冷却器１３から吸収式冷凍機３１への排熱が不足の場合に、吸収式冷凍機３１に追加の加熱媒体を供給する補助熱源４７を備えている。補助熱源４７としては、例えば、ガスタービンＧＴの燃焼器３に供給される燃料を利用することができる。あるいは、上述のように蒸気タービンをガスタービンＧＴと組み合わせてガスタービンシステムＳを構成する場合には、蒸気タービンからの蒸気を利用してもよい。このように補助熱源４７を設けることにより、必要に応じて冷水ＣＷの温度を制御することが可能になる。

また、ガスタービン冷却系統ＣＳには、冷却ガス通路１１に設けられた装置を迂回可能なバイパス通路４９が設けられている。ここでの「冷却ガス通路に設けられた機器」とは、本実施形態において作動ガスＧを冷却して冷却対象部ＣＴへ供給するために必要な冷却器１３および加圧機１５のほか、選択的に設けられる補助的な装置、例えば上述のフィルタ２９を含む。

本実施形態では、冷却ガス通路１１における、冷却器１３の上流部と加圧機１５の下流部（フィルタ２９が設けられている図示の例ではフィルタ２９の下流部）間を接続するバイパス通路４９が設けられている。このようにバイパス通路４９を設けることにより、冷却ガス通路１１に設けられた装置のいずれか、例えば冷却器１３に何らかの原因により不具合が生じた場合に、この装置を迂回して作動ガスＧを冷却対象部ＣＴに供給し、最低限必要な冷却を行いながらシステム全体の運転を継続することが可能になる。

なお、冷却ガス通路１１上に設けられた加圧機１５は減速機９によって駆動されるので、ガスタービンＧＴの駆動系統が正常に動作していれば、通常は加圧機１５も正常に動作し続ける。もっとも、何らかの原因により減速機９と加圧機１５との間の駆動系統に不具合が発生した場合にも、システム全体の運転を継続することが可能になる。

次に、上記のように構成されたガスタービンシステムＳの具体的な設置構造について説明する。

図４に示すように、ガスタービンシステムＳは、ガスタービンＧＴの主要要素である圧縮機１、燃焼器３およびタービン５と、減速機９とが設置される基台５１を備えている。図示の例では、基台５１上に、減速機９、ガスタービンＧＴ（圧縮機１、燃焼器３、タービン５）の順に配置されている。なお、同図には、複数のキャン型の燃焼器３が周方向に沿って等間隔に配置されたタイプのガスタービンＧＴを示すが、ガスタービンＧＴのタイプはこれに限定されない。

具体的には、基台５１は扁平なほぼ直方体形状の支持部材である。基台５１は複数（この例では２つ）の区画壁５３によって、水平方向に３つの領域に区画されている。以下の説明では、これら３つの領域のうち、減速機９が設置されている側の領域から順に、前方部５１ａ、中間部５１ｂ、後方部５１ｃと呼ぶ。また、前方部５１ａと中間部５１ｂとの間の隔壁５３を前方隔壁５３Ｆと呼び、中間部５１ｂと後方部５１ｃとの間の隔壁５３を後方隔壁５３Ｒと呼ぶ。中間部５１ｂおよび後方部５１ｃには、下方に凹む空間である中間収容室５５および後方収容室５７が形成されている。

より具体的には、減速機９は、基台５１の前方部５１ａの上面に直接載置されている。ガスタービンＧＴは、前方隔壁５３Ｆ上に固定された前方サポート６１および後方隔壁５３Ｒ上に固定された後方サポート６３を介して基台５１上に設置されている。図示の例では、前方サポート６１は圧縮機１部分を支持し、後方サポート６３はタービン５部分を支持している。

基台５１上または基台５１内部に、ガスタービン冷却系統ＣＳの冷却ガス通路１１（図１）に設けられた機器である冷却器１３および加圧機１５が設置されている。なお、図４では、ガスタービン冷却系統ＣＳの冷却ガス通路１１を形成する配管を省略しており、これについては後述する。本実施形態では、減速機９が設置されている前方部５１ａの上面に加圧機１５が配設されている。また、後方収容室５７に冷却器１３が配設されている。さらに、ガスタービン冷却系統ＣＳの冷却ガス通路１１に設けられた機器であるフィルタ２９が中間収容室５５に設置されている。

このように、ガスタービン冷却系統ＣＳの冷却ガス通路１１に設けられた機器を基台５１上または基台５１内部にまとめて設置することにより、システム全体を小型化できるとともに、冷却系統を形成する配管構成が簡素化される。なお、本実施形態では、冷却ガス通路１１に設けられた機器の全部を基台５１上または基台５１内部に設置したが、冷却ガス通路１１に設けられた機器の一部のみ、例えば冷却器１３および加圧機１５のみを基台５１上または基台５１内部に設置してもよい。また、図５の基台５１における配管構成例に示すように、冷却ガス通路１１（図１）を形成する冷却ガス通路管Ｐも基台５１上または基台５１内部に配設することが可能になる。図示の例では、冷却ガス通路管Ｐの全体、すなわち、圧縮機１（図４）からの抽気部分と冷却器１３とを接続する第１冷却ガス通路管Ｐ１、冷却器１３と加圧機１５を接続する第２冷却ガス通路管Ｐ２、加圧機１５とフィルタ２９を接続する第３冷却ガス通路管Ｐ３、およびフィルタ２９と冷却対象部ＣＴを接続する第４冷却ガス通路管Ｐ４の一部、およびバイパス通路４９（図１）を形成する第５冷却ガス通路管Ｐ５が基台５１上または基台５１内部に配設されている。

基台５１に形成された、隔壁５３で隔離された複数の収容室５５，５７に渡って延設される冷却ガス通路管Ｐは、隔壁５３に設けられた挿通孔を挿通させて延設されている。図示の例では、第１冷却ガス通路管Ｐ１および第２冷却ガス通路管Ｐ２が、それぞれ、後方隔壁５３Ｒに設けられた２つの隔壁挿通孔６５，６５に挿通されている。さらには、冷却器１３と吸収式冷凍機３１との間で冷水通路を形成する冷水通路管Ｑの一部も基台５１内部に配設されている。

このように、ガスタービンＧＴの構成要素等を設置するための基台５１にガスタービン冷却系統ＣＳの構成要素を設置することにより、システム全体を一層コンパクトに構成することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るガスタービンシステムＳによれば、ガスタービン冷却系統ＣＳに設けられた加圧機１５を減速機９を用いて駆動するので、加圧機１５駆動用の外部装置が不要となる。したがって、冷却ガスＣＧの圧力損失を低減しながら、システム全体を小型化することができる。また、外部装置を使用しないから、通常、ガスタービンＧＴが正常に作動している間は加圧機１５の駆動も継続されるので、システム全体の信頼性が向上する。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 圧縮機
３ 燃焼器
５ タービン
７ 出力軸
９ 減速機（変速機）
１１ 冷却ガス通路
１５ 加圧機
ＣＧ 冷却ガス
ＣＳ ガスタービン冷却系統
Ｇ 作動ガス
ＧＥ 負荷装置
ＧＴ ガスタービン
Ｓ ガスタービンエンジンシステム

Claims (8)

1. 圧縮機で圧縮した作動ガスを燃焼器で燃焼させて、燃焼した作動ガスによってタービンを駆動するガスタービンと、
   前記ガスタービンの出力軸の回転出力を変速して、前記ガスタービンの駆動対象である負荷装置へ伝達する変速機と、
   前記圧縮機から抽気した作動ガスを冷却媒体として前記ガスタービンの圧縮機よりも下流部分を冷却するガスタービン冷却系統であって、
   前記圧縮機から作動ガスを抽気して、前記ガスタービンの圧縮機よりも下流部分へ冷却ガスとして供給する冷却ガス通路と、
   前記冷却ガス通路の途中に設けられて、前記作動ガスを冷却する冷却器と、
   前記冷却ガス通路の途中に設けられて前記作動ガスを加圧する加圧機であって、前記変速機によって駆動される加圧機と、
   を有するガスタービン冷却系統と、
   を備えるガスタービンシステム。
2. 請求項１に記載のガスタービンシステムにおいて、前記加圧機が前記冷却器の下流に配置されているガスタービンシステム。
3. 請求項１または２に記載のガスタービンシステムにおいて、さらに、前記冷却器からの排熱を利用して冷水を生成する吸収式冷凍機を備えるガスタービンシステム。
4. 請求項３に記載のガスタービンにおいて、さらに、前記吸収式冷凍機からの冷水を冷却媒体として前記圧縮機に吸入される作動ガスを冷却する吸気冷却系統を備えるガスタービンシステム。
5. 請求項３または４に記載のガスタービンにおいて、さらに、前記ガスタービンからの排ガスの熱を利用して発生させた水蒸気を作動媒体とする蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された水蒸気を前記吸収式冷凍機からの冷水を冷却媒体として冷却する復水器とを備えるガスタービンシステム。
6. 請求項３から５のいずれか一項に記載のガスタービンシステムにおいて、さらに、前記冷却器から前記吸収式冷凍機への排熱が不足の場合に、前記吸収式冷凍機に追加の加熱媒体を供給する補助熱源を備えるガスタービンシステム。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のガスタービンシステムにおいて、前記ガスタービン冷却系統に、前記冷却ガス通路に設けられた機器を迂回可能なバイパス通路が設けられているガスタービンシステム。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のガスタービンシステムにおいて、さらに、前記圧縮機、燃焼器、タービンおよび変速機が設置される基台を備え、前記基台上または基台内部に、前記冷却ガス通路に設けられた機器の少なくとも一部が設置されているガスタービンシステム。

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