JP3712554B2

JP3712554B2 - ガスタービン装置

Info

Publication number: JP3712554B2
Application number: JP04302199A
Authority: JP
Inventors: 友則渡辺; 聡安田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2019-02-22
Also published as: JP2000240470A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン装置の改良に係わり、特にタービンの翼表面を洗浄する洗浄装置を備えたガスタービン装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に、発電用あるいは動力用に採用されているガスタービンは、使用する燃料の種類の制限が比較的緩やかなのが特長である。すなわち、始動燃焼した後には、すすなどの塵埃を発生しやすい品質の低い燃料を利用することもある。このように品質の低い燃料を用いて運転を続けると、燃焼で生じた塵埃がタービンの翼に付着し、タービン効率を徐々に低下させることになる。
【０００３】
したがって、タービン効率を回復させるには、時折、タービン翼を洗浄する必要がある。タービン翼の洗浄には種々の方法が考えられ、それぞれ採用されているが、ごく一般にはガスタービンの運転中に、洗浄材（硬質の粒子）をタービン上流側より投入し、タービン内のガス流に乗った粒子がタービン翼に衝突する衝撃を利用して翼表面に付着した塵埃を取り除く、いわゆる乾式洗浄が採用されている。
【０００４】
この乾式洗浄の洗浄材には、適切な硬度を有するものが選ばれ、硬質な植物の種子の殻の粉砕したナッツシェルとも呼ばれるものが利用される。タービンへ洗浄材を投入する方法は、タービン上流側に位置する燃焼器近傍に、予め噴射ノズルを取り付けておき、配管およびこのノズルを介して洗浄材を投入するようにしたものが一般的である。
【０００５】
噴射ノズルには、洗浄材が燃焼器内の圧力より高い圧力の圧縮空気との混合流体となって供給される。最も多く塵埃が付着する最上流側のタービン静翼の洗浄を効果的に行うためには、噴射ノズルから噴射された洗浄材がタービン静翼に直接衝突できる位置に噴射ノズルが取り付けられる。タービン静翼はタービンケーシングに放射状に固定され、円環を形成するので、噴射ノズルもこの円環を等分するように複数個配置される。
【０００６】
このように噴射ノズルはガスタービン一台に複数個あるわけであるが、経済的な関係から洗浄材と圧縮空気の混合流体の生成器は一台にするのが普通である。混合流体生成器と噴射ノズルとの間は配管で結合されることになるが、この配管の内部には、固体の粒子である洗浄材が引っかかり、固着し、流路の閉塞を引き起こすような突起物または障害物があってはならない。
【０００７】
また、流路の断面積は途中で大きく変化しない、すなわち大きな圧力損失が生じない配管経路になっている必要がある。それは、混合流体生成器から供給される圧縮空気の圧力、流量、混合される洗浄材の量は、それぞれ調整されて供給されているわけであるが、流路に大きな圧力損失が生じた場合には、所定の流量、密度、流速、圧力などが失われ、予定の洗浄効果が得られなくなるためである。このため、混合流体生成器から噴射ノズルの間は一本の配管でつなぐことが望ましい。
【０００８】
通常用いられているこの配管は、流路断面積が一様で、かつフレキシブルであり、また容易に脱着可能なコネクタを持っている。そして、洗浄に際しては、任意の噴射ノズルにこのフレキシブル配管をつなぎ、タービン静翼セクタを洗浄する。タービン静翼セクタを洗浄し終えた後は、別の噴射ノズルへフレキシブル配管をつなぎかえ洗浄を行う。このようにして順次セクタ別に洗浄をする。なお、それぞれの噴射ノズルの接続口には、配管を接続していない間に内部の燃焼ガスが逆流して噴出しないよう閉めておける弁が取り付けられている。
【０００９】
なお、この種の洗浄装置を有するガスタービン装置に関連するものとしては、例えば特開昭５７−１８６０２１号公報，特開平７−１６４３２１号公報あるいは特開平９−１７０４５２号公報などが挙げられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したようにガスタービン装置におけるタービン翼洗浄は、タービンの運転中に行われる。すなわち、燃焼器やガスタービン本体は高温の状態になっており、また燃焼器に取り付けられた噴射ノズルも高温になっている状態で行われる。さらに、タービン内部は高圧となっているので、配管の取付けあるいは取外し時に、噴射ノズルの配管接続口が一時的に開放状態となり、内部の燃焼ガスが噴射ノズルから逆流し、噴出する恐れがある。この配管のつなぎ替え作業には、高温部品に触れる危険を伴い、また、作業ミスにより内部の高温ガスが大気中に噴出する恐れもあり、この作業には多くの時間および神経が費やされる嫌いがあった。
【００１１】
また、ガスタービンを経済的に運用するためには、タービン効率が低下した場合に直ちにタービン洗浄をする必要があるが、従来においては前述したように作業中の危険を伴うため、タービン洗浄を頻度高く行うことはできず、その結果ガスタービンは効率が低下した状態で運転される期間が長くなり、経済性に悪影響を与える嫌いがあった。
【００１２】
本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、タービン洗浄作業が危険性を伴なうことなく容易に実施することが可能なこの種のガスタービン装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、粒子状体と高圧空気との混合流体を生成する混合流体生成器と、タービン翼の上流側に円環状に配置された複数の噴射ノズルとを備え、前記混合流体生成器で生成された混合流体を前記ノズルから噴射し、混合流体のタービン翼への衝突衝撃によりタービン翼表面の洗浄を行うようになしたガスタービン装置において、前記混合流体生成器と前記複数の噴射ノズルとの間を配管あるいは分岐した配管で結合するとともに、前記配管の途中に、前記混合流体生成器からの混合流体を前記複数の噴射ノズルに交互に供給する混合流体切替え手段を設けるようになし所期の目的を達成するようにしたものである。
【００１４】
また、この場合、前記分岐配管の分岐部に三方弁を設け、この三方弁により配管の分岐と前記混合流体の供給切替を行うようにしたものである。また、前記配管と前記混合流体切替え手段の内部流路断面積を同一に形成するようにしたものである。また、前記混合流体切替え手段をボール弁にて形成するようにしたものである。
【００１５】
すなわちこのように形成されたガスタービン装置であると、混合流体生成器と複数の噴射ノズルとの間が配管で結合され、かつ配管の途中に、混合流体生成器からの混合流体を複数の噴射ノズルに交互に供給する混合流体切替え手段が設けられていることから、混合流体切替え手段を操作するだけで、混合流体を効率的にタービン洗浄ができる流量、密度、流速、圧力をそれぞれ保ったまま、複数あるうちのいずれの噴射ノズルにも対しても搬送することができ、タービン洗浄作業を危険性を伴なうことなく容易に実施することができるのである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１にはそのガスタービン装置および洗浄装置が線図で示されている。図中４２がタービンであり、４０が空気圧縮機、４１が燃焼器、４２１がタービン静翼、５が混合流体生成器、１が洗浄材タンク、９が噴射ノズルである。
【００１７】
ガスタービンは、空気圧縮機４０、燃焼器４１、タービン４２より構成され、その運転は次のように行われる。すなわち、空気圧縮機４０に吸い込まれた空気が空気圧縮機４０の出口で高圧空気となり、燃焼器４１に入る。圧縮された空気は、燃焼器４１で燃料と混合され、点火装置により点火されて高圧燃焼ガスの発生となる。高圧燃焼ガスはタービン４２を駆動する。
【００１８】
タービンは、タービンケーシングに放射状に固定された数十枚のタービン静翼４２１と、回転軸に同じく放射状に固定された数十枚のタービン動翼４２２の組み合わせで１段をなし、静翼と動翼の組み合わせを数段持っている。燃焼器４１で発生した燃焼ガスは、タービン静翼４２１の間を通過する時膨張し、熱的エネルギーを運動エネルギーに変える。タービン動翼４２２は燃焼ガスの運動エネルギーを受け止め、回転軸をまわす力、すなわち機械的エネルギーに変える。燃焼ガスの熱的エネルギーを運動エネルギーに変換できる比率がガスタービンの効率を決定付ける要素の一つになる。
【００１９】
ガスタービンの効率は、燃焼器で消費される燃料と、タービン４２で得られる機械的エネルギーの比率で評価される。タービン４２の翼表面に塵埃が付着して、そこを通過する燃焼ガスの流れが乱されると、燃焼ガスの熱的エネルギーが運動エネルギーに変換される比率が減少し、タービン４２で得られる機械的エネルギーが減少する。このタービン効率の減少を回復させる手段としてガスタービン乾式洗浄が用いられる。
【００２０】
ガスタービン乾式洗浄装置は、タンク１、タンク出口弁２、ホッパ３、ホッパ出口弁４、混合流体生成器５、圧縮空気止め弁６、圧力計７、大気開放弁８、方向切替え弁２０〜２８と、止め弁２９から構成される。放射状に並設されたタービン静翼４２１を１０個のセクタＳ０〜Ｓ９に分割し、それぞれのセクタに噴射ノズル９が、噴射ノズルから噴射された洗浄材がタービン静翼４２１に直接当たるような位置に取り付けられている。
【００２１】
タービン乾式洗浄の過程を以下に説明する。（ステップ１）（後述）から（ステップ８）までの操作を洗浄１サイクルとして、洗浄サイクルを合計１０サイクル繰り返し、タービン１台の洗浄が完了する。ただし、（ステップ５）においては、サイクルの進行に伴い、洗浄材を搬送する先のセクタを変えるので、切替え弁２０〜２８と、止め弁２９の操作がそれぞれ異なる。図２に、サイクル進行に伴う切替え弁２０〜２８と止め弁２９の操作チャートが示されている。
【００２２】
（ステップ１）タンク１にはタービン１台を洗浄するのに必要な量の洗浄材が貯蔵されている。方向切替え弁２０〜２８は流路が下流側の切替え弁に向かう位置にある。他の弁は全て閉じている。圧縮空気は、圧縮空気止め弁６の入口まで供給されている。図１はこの状態を表わしている。
【００２３】
（ステップ２）大気開放弁８を開けて、ホッパ３以降の洗浄装置内の圧力を大気圧と同等にする。
【００２４】
（ステップ３）タンク出口弁２開け、洗浄材を自由落下により、ホッパ３へ移動させる。タンク出口弁２は、一定時間経過した後、閉める。
【００２５】
（ステップ４）大気開放弁８を閉め、圧縮空気止め弁６を開けると、圧縮空気がホッパ３と混合流体生成器５に供給され、ホッパ３と混合流体生成器５の内部圧力は等しくなる。
【００２６】
（ステップ５）図２のチャートに従い管路を切り替え、所定のセクタへ向かう経路を形成すると、圧縮空気だけが、混合流体生成器５を通って所定のセクタに流れる。
【００２７】
（ステップ６）ホッパ出口弁４を開くと、ホッパ３から洗浄材が自由落下により混合流体生成器５に入り、圧縮空気と混合された混合流体となり、所定のセクタに配管を通って搬送される。
【００２８】
（ステップ７）所定のセクタに搬送された混合流体は、噴射ノズルからそのセクタの範囲内にあるタービン静翼に向かって噴射され、翼表面に付着した塵埃を除去する。
【００２９】
（ステップ８）ホッパ出口弁４を閉め、方向切替え弁２０〜２８および止め弁２９を（ステップ１）の時と同じ状態に戻し、このセクタにおける洗浄作業は終了する。
【００３０】
図３および図４に、本実施例で分岐切替え機構として用いる方向切替え弁２０〜２８と止め弁２９の構造図が示されている。これは、一般にボール弁として知られているもので、既に広い産業分野で利用されている。方向切替え弁２０〜２８は三方向切替え式のボール弁である。弁箱５１の中に、中心軸廻りに回転する球体の弁体５２が納められている。弁体５２には貫通した穴が空いており、弁体を回転させることで入口から出口Ａまたは出口Ｂに通じる経路を選択できる。
【００３１】
止め弁２９は二方向切替え式のボール弁である。弁箱５３の中に、中心軸廻りに回転する球体の弁体５４が納められている。弁体５４にも、貫通した穴が空いており、弁体を回転させると、入口から出口へ通じる経路を開閉できる。いずれの弁体に開けられている貫通穴も、弁に接続される配管の内径とほぼ同じになっていて、弁を通過する前後で流体の圧力損失はほとんど生じない。また、弁内部に流体の経路に突起物、障害物などを持たないので、固形物である洗浄材が引っかかり、固着し、いずれは経路の閉塞を引き起こすこともない。
【００３２】
タービン乾式洗浄の効果は、噴射ノズルから噴射される洗浄材の流量、密度、流速といった性状に依存する。それらは人為的には、タービン洗浄装置に供給する圧縮空気の圧力、流量で調整する。一つの混合流体生成器から一つの噴射ノズルに洗浄材を搬送する場合には、搬送経路の途中で予測されない圧力損失が生じることがないので、確実に、予定された性状の混合流体を搬送し、どの噴射ノズルからも予定通りの洗浄材を噴射させることができた。
【００３３】
複数の噴射ノズルに同時に搬送しようとして、分岐配管で接続すると、分岐部分で、不用意な圧力損失を生じるため、あるセクタの噴射ノズルでは予定通りの性状であっても、別のセクタでは圧力が下がり、予定の通りの噴射ができず、洗浄効果が低下する。逆に、圧力損失を見込んで、供給圧力を高くすると、今度はあるセクタでは過剰な流速の洗浄材を噴射してしまうことになり、タービン翼を摩耗させてしまう。
【００３４】
一つの混合流体生成器から、複数の噴射ノズルに同時に接続された配管を持ちながらも、分岐部分でボール弁を利用した切替え機構を用い、一つの選択された噴射ノズルにつながる一本の配管経路を形成しながら搬送をすると、不用意な圧力損失を起こすことがないので、いずれのセクタにあるタービン翼に対しても効果的な洗浄が保証できる。
【００３５】
以上説明してきたようにこのように形成されたガスタービン装置であると、方向切替え機構を有する分岐配管で、混合流体生成器と各噴射ノズルがつながれているので、効率的にタービン洗浄ができる流量、密度、流速、圧力をそれぞれ保ったまま混合流体を、複数あるうちのいずれの噴射ノズルにも対しても取付け取外しをすることなく搬送することが可能で、そのノズル切替作業に危険性を伴なうことなく実施することができ、作業中の人身に及ぶ危険を回避することができるのである。また、タービン洗浄が頻度高く行えることで、ガスタービン運用の経済性の向上も図れるのである。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、タービン洗浄作業が危険性を伴なうことなく実施することが可能なこの種のガスタービン装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン装置の一実施例を示す縦断側面線図である。
【図２】本発明のガスタービン装置おける洗浄装置の配管経路を切り替える時の切替え弁の状態を示す図である。
【図３】本発明の実施例に使用される分岐切替え手段の構造図である。
【図４】本発明の実施例に使用される分岐切替え手段の構造図である。
【符号の説明】
１…洗浄材タンク、２…タンク出口弁、３…ホッパ、４…ホッパ出口弁、５…混合流体生成器、６…圧縮空気止め弁、７…圧力計、８…大気開放弁、９…噴射ノズル、２０〜２８…切替え弁、２９…止め弁、４０…圧縮機、４１…燃焼器、４２…タービン、４２１…タービン静翼、４２２…タービン動翼、Ｓ０〜Ｓ９…タービン静翼が成す環を等分したセクタ、５１…弁箱、５２…弁体、５３…弁箱、５４…弁体。

Claims

粒子状体と高圧空気との混合流体を生成する混合流体生成器と、タービン翼の上流側に円環状に配置された複数の噴射ノズルとを備え、前記混合流体生成器で生成された混合流体を前記ノズルから噴射し、混合流体のタービン翼への衝突衝撃によりタービン翼表面の洗浄を行うようになしたガスタービン装置において、
前記混合流体生成器と前記複数の噴射ノズルとの間を配管で結合するとともに、前記配管の途中に、前記混合流体生成器からの混合流体を前記複数の噴射ノズルに交互に供給する混合流体切替え手段を設けるようにしたことを特徴とするガスタービン装置。
粒子状体と高圧空気との混合流体を生成する混合流体生成器と、タービン翼の上流側に円環状に配置された複数の噴射ノズルとを備え、前記混合流体生成器で生成された混合流体を前記ノズルから噴射し、混合流体のタービン翼への衝突衝撃によりタービン翼表面の洗浄を行うようになしたガスタービン装置において、
前記混合流体生成器と前記複数の噴射ノズルとの間を分岐配管で結合するとともに、前記分岐配管の途中に、前記混合流体生成器からの混合流体を前記複数の噴射ノズルに交互に供給する混合流体切替え手段を設けるようにしたことを特徴とするガスタービン装置。
前記分岐配管の分岐部に三方弁を設け、この三方弁により配管の分岐と前記混合流体の供給切替を行うようにしたものである請求項２記載のガスタービン装置。
前記分岐配管と前記混合流体切替え手段の内部流路断面積が同一に形成されたものである請求項２または３記載のガスタービン装置。
前記混合流体切替え手段がボール弁にて形成されたものである請求項１〜４いずれかの項に記載のガスタービン装置。