JP4272718B2 - ガスターボグループの熱的に高負荷を受ける機械ユニットを冷却する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は請求項１の上位概念部に記載した方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
ガスターボグループの熱的に高い負荷を受ける機械ユニット、例えば燃焼室を冷却するためには通常は圧縮空気が使用される。この圧縮空気は中間的に又は圧縮が行なわれたあとでこの目的のために分岐される。しかしながらこの場合には最近のガスタービンにおいては最大の燃料効率で有害物質の少ない燃焼を達成するために燃料をできるだけ全圧縮空気と前混合することが望まれている。熱的に高い負荷を受ける機械ユニットの公知の空気冷却で発生するような空気損失はしたがって回避される必要がある。このような空気冷却の別の問題は、熱的に使用された空気がそれぞれ適合する個所でタービンプロセスに戻されなければならないことである。この場合、例えばタービンを冷却した空気量は簡単には冷却媒体として燃焼室に導くことはできない。なぜならば燃焼室においては通常はより高い圧力が形成されているからである。したがってこの冷却空気をタービンプロセスに戻す場合には、他の手段で代替されなければならない冷却ポテンシャルが常に失われる。
【０００３】
この出発状態は、例えばガスターボグループが連続的な燃焼に設計されていると強調される。
【０００４】
下流側に接続された蒸気回路とのコンビネーションで運転されるガスターボグループにおいては、最後のガスタービンから与えられる廃熱が、蒸気回路に所属する蒸気タービンを運転するために必要であるよりも多くの蒸気を発生させることができるという事実から出発して、もともと与えられている蒸気が、熱的に高い負荷を受ける機械ユニットの冷却に用いられるようになった。この自由にできる蒸気をガスタービンプロセスにおける出力上昇のために導入することは公知である。この場合にはサーモダイナミック及び流体技術的な考えから、燃焼空気との混合が燃焼そのものを妨げないように注意が払われている。しかしこれは通常は複雑な吹込み技術を必要とする。この吹込み技術は温度、圧力及び動作の異なる２つの媒体の混合物の形成に関連するだけではなく、この場合には燃料調整を行なうことがきわめて困難である。
【０００５】
【発明の課題】
本発明の目的は前記欠点を除くことである。
【０００６】
【課題を解決する手段】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法において、自由に用いることのできる蒸気量を一層活用し、該蒸気量を適当な個所でガスターボグループへ混入することで燃焼室における燃焼が妨げられないようにしたことで解決された。
【０００７】
本発明では燃焼室の冷却は所定量の蒸気量で実施しようとしている。この蒸気は上記考えから、自由に使用できるように与えられているので、この蒸気量は従来の形式で回路内で案内されるのではなく、冷却目的に使用されたあとで適当な個所で、先きに冷却された燃焼室の熱ガス流内へ混入され、これによってなかんづく冷却部材の構成が、それ自体考えられ得る閉じられた冷却蒸気回路に較べて著しく簡易化される。何故ならば本発明の提案では蒸気損失は所定の範囲内で甘受できるからである。
【０００８】
先きに冷却目的のために使用した蒸気量を混入するために適した個所は、燃焼を減少された有害物質エミッション（これは特にＮＯｘエミッションである）で保証するという目的と相互に依存する関係にある。稀薄な燃焼で低いＮＯｘエミッションが期待できるので、一方では先きに冷却目的に使用された蒸気量の混入はこの燃焼により開始され、他方では完全なバーンアウトが行なわれたあとで行ない、ＣＯ及びＵＨＣ−エミッションも減少させられるようにしたい。前記適切個所はこのような燃焼室の最後の１／３に配置されている。提案した蒸気冷却はもちろん、各燃焼室において使用することができる。つまり、この場合には適正な吹込みのための修正はケース・バイ・ケースで、このために適した個所を当該燃焼室のバーンアウトゾーンの広がりに関連して決定することで行なわれる。
【０００９】
この混入は周方向に一様に分配されて行なわれる。何故ならば行なわれた冷却によって蒸気は既に周方向に分配されて存在するからである。さらにこの場合にはタービンの上流側の吹込み開口の簡単な設計によってタービンの負荷のために適正な燃焼出口プロフィールを生ぜしめることができる。
【００１０】
冷却は熱ガス流と同じ方向の流れ又は反対方向の流れで実施することができる。又、両方の形式の組合わせも可能である。さらに燃焼室の冷却に先立って、冷却目的の蒸気量を閉じた流路内でタービンを通して流すことも簡単に可能である。これは、タービンと蒸気量との間の圧力関係がこのような案内を可能にするのでここでのみ許される。
【００１１】
本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載してある。
【００１２】
【実施例】
図面にはガスターボグループと下流側に接続された蒸気回路７とから成る組合わせ設備が示されている。ガスターボグループは、圧縮機ユニット１、該圧縮機ユニット１の下流側に接続された第１の燃焼室２（以後ＨＤ燃焼室と呼ぶ）、この燃焼室２の下流側で作用するＨＤタービン３、該ＨＤタービン３の下流側に接続された第２の燃焼室４（以後ＮＤ燃焼室と呼ぶ）及び該燃焼室の下流側で作用するＮＤタービンから構成されている。発電機６は電流を発生させる。圧縮機ユニット１により吸込まれた空気１６は圧縮が行なわれたあとで圧縮された空気としてＨＤ燃焼室２内へ導かれる。この燃焼室２ではこの燃焼室において使用されたバーナの形式に応じてガス状及び又は液状であることのできる燃料が着火される。燃焼室は通常は拡散バーナで運転される。つまり、この燃焼室２はＥＰ−Ｂ１−０３２１８０９号明細書に記述されているような前混合バーナで稼働させたい。この場合、本発明のこの対象は前記明細書の統合された構成部分である。ＨＤ燃焼室２からの熱ガス１０はまずＨＤタービン３を負荷する。この場合、このタービン３はここで最小の膨張が行なわれ、その廃ガス１１が比較的に高い温度を有するように構成されている。このタービン３の下流側にはＮＤ燃焼室４がある。このＮＤ燃焼室４はほぼリング形のシリンダを有している。この燃焼室４は従来のバーナ構造を有していない。つまり、この場合には燃焼は、熱ガス１１に吹込まれた燃料１３の自己点火によって行なわれる。この場合にはガス状の燃料、つまり例えば天然ガスであるので、自己着火のためには不可欠な前提条件が充たされなければならない。つまり、自己着火はこの場合には１０００℃近くの温度で行なわれ、これは部分負荷運転でも行なわれなければならない。しかしながらこの要求はガスタービンプロセスの適正なサーモダイナミック的な設定に不都合な影響を及ぼす。したがってサーモダイナミック的な理由からＨＤタービン３の圧力比は、下流側に接続された燃焼室の確実な運転のために有利であると思われるような例えば５００℃の低い出口温度が生じるようになるまでは上昇させられない。ＮＤ燃焼室４における確実な自己着火を不利な条件でも保証するために、ＮＤ燃焼室４に吹込まれたガス状の燃料１３は、低い着火温度を有する別の燃料１２の量と混合されることができる。ガス状のベース燃料の補助燃料としてはこの場合にはオイルがすぐれている。この液状の補助燃料１２は適当に吹込まれ、いわゆる点火紐として働き、ＨＤタービン３からの廃ガス１１が適正な自己着火温度よりも低い温度を有していてもＮＤ燃焼室４における自己着火を可能にする。ＮＤ燃焼室４内で準備された熱ガス１４は次いでＮＤタービン５を負荷する。このＮＤタービン５からの廃ガス１５のカロリーポテンシャルはさらに、蒸気タービンを運転するための蒸気量を準備するため及び又は噴射水を予熱するために蒸気回路７を下流側に接続することで利用することができる。
【００１３】
特にこのような構成では、燃焼室並びにタービンの熱的な負荷はきわめて高い。したがって冷却はきわめて効果的に成されなければならない。さらにこの場合にはこの高出力段のガスターボグループが一般的に冷却を目的としてわずかな空気しか準備できず、効率と固有出力とがはっきりと低下してはならないことも考慮されなければならない。しかし熱的に負荷された機械ユニットの冷却は、この場合には下流側に接続された蒸気回路７において十分な量でかつ質で存在する蒸気で行なわれると有利である。このような蒸気回路が存在していないと、このために必要とされた蒸気量は最後のタービンの廃熱の分岐された部分量に基づき容易に準備することができる。
【００１４】
高カロリーの廃ガス１５は熱交換法で、発電機２０に連結された、下流側に接続された蒸気タービン１８のための作業媒体を形成する廃熱蒸気発生器を貫流する。この場合には熱的に利用された廃ガスは煙ガス１９として有利には図示されていない浄化設備を介して大気へ流出する。この煙ガスをさらに別の目的のために活用することも可能である。もちろん廃熱蒸気発生器１７との作用結合で中間過熱を行なうこともできる。前記の蒸気タービン１８からの弛緩した蒸気２１は冷又は空冷された凝縮器２２で凝縮される。凝縮器２２の下流側に配置された搬送ポンプ２３によって凝縮水２４は給水タンクと脱気器２５に送られる。蒸気タービン１８から所定量の抽出蒸気を取出すことによって、飛散った凝縮水２４は沸騰状態にもたらされかつ脱気される。すると下流側に接続された搬送ポンプ２６が水２７を廃熱蒸気発生器１７を通して搬送する。水２７はまずＮＤ蒸気発生器１７ａを通過し、次いでこの蒸気はボイラドラム２８に流入する。閉じられた回路でボイラドラム２８はＭＤ蒸気発生器１７ｂと接続され、ここで飽和蒸気２９が発生させられる。この飽和蒸気はＨＤ蒸気発生器１７ｃを通して送られる。このＨＤ蒸気発生器１７ｃにおいて蒸気タービン１８を負荷するために質的な蒸気準備が行なわれる。
【００１５】
ガスターボグループの機械ユニットを冷却するためにはボイラドラム２８から過剰な蒸気３０が取出される。調整機構によって必要な蒸気量は個々の機械ユニット３１，３２に供給される。図面には２つの冷却蒸気導管３１，３２が示されている。蒸気量３２ではまずＨＤタービン３が閉じられた通路で、つまり混合なしで冷却され、次いでこの蒸気量で燃焼室２が、熱ガス流と同じ流れで又はこれに対して反対の流れで冷却される。冷却が終ったあとで、蒸気量は適当な個所で、有利にはこの燃料室の最後の１／３内で、熱ガス流に混入される。ＮＯｘエミッションが最少になるように構成された燃焼に影響を及ぼすことなしに、設備の出力を最大に上昇させることが達成された。さらに吹込みはサーモダイナミック的にかつ流体技術的に適正な個所で行なわれる。この場合にはこの手段によってバーンアウトゾーンからのＣＯ及びＵＨＣエミッションの著しい減少が達成される。他の蒸気量３１は同じ冷却目的のために上述の冷却通路に類似した形式でＮＤ燃焼室４とＮＤタービン５とのために使用される。この場合に必要な冷却蒸気の取出しはボイラドラム２８に限定されるものではない。
【００１６】
冷却しようとする機械ユニット２，３，４，５は、図示の直列的な接続とは異って個別に冷却することもできる。この場合には個々の蒸気量を熱ガス流に混入することはケース・バイ・ケースで行なわれなければならない。この場合には原理的には冷却を目的として使用された蒸気量を個別に各燃焼室に、バーンアウトゾーンの流出側で混入することもできる。ガスターボグループの熱的に高い負荷を受ける機械ユニットの個別の冷却の場合には種々の蒸気量を、これらが燃焼室２，４に導入される前にまとめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱的に負荷された、特に高負荷された機械ユニットの冷却を目的とした蒸気量の案内回路を有する組合わされたガス／蒸気設備を示した図。
【符号の説明】
１ 圧縮機ユニット
２ 高圧燃焼室
３ 高圧タービン
４ 低圧燃焼室
５ 低圧燃焼室
６ 発電機
７ 蒸気回路
８ 圧縮された空気
９ 燃料
１０ 熱ガス
１１ 熱い廃ガス
１２ 補助燃料
１３ 燃料
１４ 熱ガス
１５ 廃ガス
１６ 吸込み空気
１７ 廃熱蒸気発生器
１７ａ 低圧蒸気発生器
１７ｂ 中間圧蒸気発生器
１７ｃ 高圧蒸気発生器
１８ 蒸気タービン
１９ 煙ガス
２０ 発電機
２１ 廃蒸気、弛緩された蒸気
２２ 凝縮器
２３ 搬送ポンプ
２４ 凝縮水
２５ 給水タンク及び脱気器
２６ 搬送ポンプ
２７ 水
２８ ボイラドラム
２９ 飽和蒸気
３０ 冷却蒸気
３１ 冷却蒸気通路
３２ 冷却蒸気通路

Claims (5)

1. 主として１つの圧縮機ユニット（１）と、少なくとも１つの燃焼室（２，４）と、少なくとも１つのタービン（３，５）と、少なくとも１つの発電機（６，２０）とから成るガスターボグループの熱的に高負荷を受ける機械ユニットを蒸気量（３１，３２）を用いて冷却する方法において、冷却のために必要とされる蒸気量（３１，３２）でまずタービン（３，５）を閉じられた流路で冷却し、次いで開かれた流路で燃焼室（２，４）を冷却し、冷却プロセスが行なわれたあとで前記蒸気量（３１，３２）を燃焼室（２，４）の熱ガス流に、該燃焼室（２，４）において作用するバーンアウトゾーンの流出側で混入させることを特徴とする、ガスターボグループの熱的に高負荷を受ける機械ユニットを冷却する方法。
2. 冷却を目的として使用した前記蒸気量（３１，３２）を、ガスターボグループの下流に接続された蒸気回路（７）から取出す、請求項１記載の方法。
3. 冷却を目的として使用した前記蒸気量（３１，３２）を、前記蒸気回路（７）に所属する廃熱蒸気発生器（１７）から取出す、請求項２記載の方法。
4. 冷却を目的として使用した前記蒸気量（３１，３２）を廃熱蒸気発生器（１７）と作用的に結合されたボイラドラム（２８）から取出す、請求項３記載の方法。
5. 使用した前記蒸気量（３１，３２）を冷却の行なわれたあとで混入することを燃焼室（２，４）の最後の１／３内で行なう、請求項１又は２記載の方法。

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