JP4275690B2 - ガスタービンシステム - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンシステムに係り、特に、ガスタービンに供給する気体を加湿し、出力及び効率向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントに用いるに好適なガスタービンシステムに関する。
ガスタービンに供給する気体(空気)に水分を注入して加湿し、出力及び効率の向上を図る高湿分ガスタービンシステムは、従来ガスタービン発電プラントに比して高効率であり、工場向け小規模発電、あるいは熱電併給(コジェネレーション)用途としての利用が期待されている。さらに、小規模発電プラント等では、日々起動停止・負荷変化といった柔軟な運転が要求されるため、負荷追従性の向上が課題となる。
このような柔軟な負荷運転に対応するため、高湿分ガスタービンシステムにおいて、圧縮機で圧縮された空気の一部を直接増湿塔出口にバイパスする系統を設置し、このバイパス系統にはスプレ噴霧による加湿手段を備え、空気の加湿量を制御するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−307861公報
しかしながら、特許文献1記載の加湿量制御手段を備えていたとしても、負荷変化時の応答特性について、以下のような問題が生じる。高湿分ガスタービンシステムはガスタービンから排出した排気と燃焼用空気とを再生熱交換器で熱交換し、燃焼用空気の温度を上げ、燃焼器での燃料消費量を削減できるため、部分負荷効率が高いという特徴がある。その特徴を最大限に活かすため、高湿分ガスタービンシステムには圧縮機の上流側に圧縮機入口案内翼を設置し、部分負荷運転時の圧縮機への空気量を調節することで、部分負荷運転時の排気温度を定格負荷運転時に近い値で制御し、効率向上を図る運転を実施する。そこで、高湿分ガスタービンシステムでは圧縮した空気は空気冷却器,増湿塔,再生熱交換器といった大型圧力容器を介して燃焼器へ流入するため、部分負荷運転時に空気流量を絞った状態から負荷上昇させる際に、これら圧力容器がバッファとなり空気の応答が遅れ、負荷上昇応答が悪化するという問題が生じる。また、負荷降下時には再生熱交換器の熱容量が過大なため、燃焼用空気の温度が下がらず負荷降下応答が悪化する課題がある。
本発明の目的は、負荷上昇時や負荷下降時のような負荷変化時における応答特性の向上したガスタービンシステムを提供することにある。
(1)上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機に流入する空気流量を調節する圧縮機入口案内翼と、前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する増湿塔と、この増湿塔で加湿された空気(加湿空気)と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、このタービンから排出された排気ガスと前記増湿塔から燃焼器に供給される加湿空気と熱交換する再生熱交換器と、負荷に応じて前記圧縮機入口案内翼の開度を調節し、部分負荷運転時の排気温度を高く保つ制御装置とを有するガスタービンシステムであって、前記タービンの負荷上昇時に、前記圧縮機で圧縮された空気の一部を、前記増湿塔及び前記再生熱交換器をバイパスさせ、前記再生熱交換器から前記燃焼器に供給される加湿空気に合流させる流入バイパス系統を備えるようにしたものである。
かかる構成により、負荷上昇時のような負荷変化時における応答特性を向上し得るものとなる。
(2)上記(1)において、好ましくは、さらに、前記再生熱交換器でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気をタービンをバイパスさせ、前記再生熱交換器でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気の一部を排気ダクトに排出する排出バイパス系統を備えるようにしたものである。
(3)上記(1)において、好ましくは、前記流入バイパス系統に設置されたバイパス弁の開度を調節し、燃焼器に流入する空気量を調節する空気量制御手段を備えるようにしたものである。
(4)また、上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機に流入する空気流量を調節する圧縮機入口案内翼と、前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する増湿塔と、この増湿塔で加湿された空気(加湿空気)と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、このタービンから排出された排気ガスと前記増湿塔から燃焼器に供給される加湿空気と熱交換する再生熱交換器と、負荷に応じて前記圧縮機入口案内翼の開度を調節し、部分負荷運転時の排気温度を高く保つ制御装置を備えたガスタービン設備であって、前記タービンの負荷下降時に、前記再生熱交換器でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気を前記燃焼器及び前記タービンをバイパスさせ、前記再生熱交換器でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気の一部を排気ダクトに排出する排出バイパス系統を備えるようにしたものである。
かかる構成により、負荷下降時のような負荷変化時における応答特性を向上し得るものとなる。
(5)上記(4)において、好ましくは、前記排出バイパス系統に設置されたバイパス弁の開度を調節し、燃焼器に流入する空気量を調節する空気量制御手段を備えるようにしたものである。
本発明によれば、負荷上昇時や負荷下降時のような負荷変化時における応答特性を向上することができる。
以下、図1〜図4を用いて、本発明の一実施形態によるガスタービンシステムの構成及び動作について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態によるガスタービンシステムを適用する高湿分ガスタービン発電プラントのシステム構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるガスタービンシステムの構成を示す制御系統図である。
ガスタービン1の燃焼に使用する空気は、圧縮機入口案内翼18で調節され、吸気噴霧器10で加湿された後、圧縮機2で加圧され、空気冷却器7で熱交換をし、また増湿塔8にて加湿され、再生熱交換器11で加熱する。再生熱交換器11の熱源は、ガスタービン1からの排気ガスである。再生熱交換器11から熱を回収した結果、高温・高湿分の燃焼用空気が得られる。
一方、燃料調節弁5で流量調節した燃料は、燃焼器3において先に得られた高温・高湿分の燃焼用空気を燃焼する。燃料、空気及び蒸気の燃焼により発生する燃焼ガスは、ガスタービン1を駆動した後排ガスとなり、給水加熱器12,煙道17を経てタービン外へ排出される。タービン外に排出された排ガスの熱エネルギーは、再生熱交換器11で回収し、燃焼用空気中の加熱に用いられる。
また、燃焼排ガス中の水分は、水回収装置9で回収する。水回収の方式は、煙道17に水を噴霧し、ガス中の水分を凝集、落下させて回収する方式としている。水回収後の排ガスは、煙突16を用いて大気に放散する。
ガスタービンで得られた駆動力は、シャフト6を通じて圧縮機2及び発電機4に伝えられる。駆動力の一部は、圧縮機2において空気の加圧に用いられる。また、発電機4の駆動力を電力に変換する。
なお、水回収装置9で回収された水は、水回収タンクに貯蔵し、ポンプ13,14によってスプレや水回収装置9に供給され、スプレヘの加湿水、あるいは水回収装置9への噴霧水として再利用する。煙突16から大気放散された水分は、補給水ポンプ15によって補われる。
なお、図1に示すガスタービンシステムは、増湿塔8及び再生熱交換器11をバイパスさせ、圧縮機2で圧縮された空気の一部を直接燃焼器3に流入する圧力容器バイパス弁19,再生熱交換器11でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気をタービン1をバイパスさせ、再生熱交換器11でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気の一部を排気ダクトに排出するタービンバイパス弁20,及びこれらのバイパス弁19,20の開閉等を制御するタービン制御装置21を備えているが、これらの動作については後述する。
次に、図2を用いて、本実施形態によるガスタービンシステムが定格負荷運転から負荷を減少させる場合に利用する圧縮機入口案内翼の制御内容について説明する。
図2は、本発明の一実施形態によるガスタービンシステムにおける圧縮機入口案内翼の制御説明図である。図2において、横軸はガスタービン圧縮機の出口の空気圧力を示し、縦軸はガスタービンの排気温度を示している。
図2において、実線は排気温度制御線を示し、定格負荷運転時に利用する制御関数である。波線は圧縮機入口の案内翼の制御線を示し、部分負荷運転時に利用する制御関数である。
ここで、図2に示すA点は、定格負荷運転時に利用する制御関数(実線)の上の点であり、定格負荷運転時においてこのA点で燃料流量を制御しているとする。この状態から部分負荷運転に移行する際には、まず、圧縮機入口案内翼18を定格負荷運転時のA点と同じ開度のまま保持すると共に燃料調節弁5を絞って負荷を下げることにより、部分負荷運転時に利用する制御関数(波線)の上のB点まで移行させる。この場合、空気流量が同じまま燃料供給量を絞るため排気温度は低下する。
さらに負荷を下げる場合には、B点に達した時点から排気をB点からC点へ、そしてD点へと順に移行させる。D点では圧縮機入口案内翼18の開度は最小となっており、D点から更に負荷を下げるには、燃料調節弁5を絞る必要があるため、排気温度の設定値はD点からE点へ単調に減少することになる。
このように波線で示す制御線上で排気温度が制御されるように、圧縮機入口案内翼18の開度を調節して空気流量を変化させることで、部分負荷運転時においても排気温度を高く保つことができる。これにより、再生熱交換器での排気と燃焼用空気との熱交換量が増大し、燃焼器3における燃料使用量を削減できるため、タービン効率の向上が図られ、圧縮機入口案内翼制御を適用した場合の部分負荷運転時の発電効率は同制御を適用しない場合に対し、0.5%〜1.0%程度向上する。
上述したように、圧縮機入口案内翼制御を適用した場合に、部分負荷運転時には、圧縮機吸気流量を絞ることになる。高湿分ガスタービンシステムでは圧縮機2で圧縮された空気は、空気冷却器7,増湿塔8,再生熱交換器11を介して燃焼器3に流入するため、負荷上昇時に空気流量を増加する際に、これらの圧力容器がバッファとなり空気の応答に遅れが生じる。
そこで、本実施形態では、負荷上昇時には、タービン制御装置21は、圧力容器バイパス弁19を開くことにより、図1で圧縮機入口案内翼18により制御され圧縮機2で圧縮された空気の一部(10%程度)は圧縮機出口から燃焼器入口にかけたバイパス弁19を通り、加湿されずに燃焼器3に流入することとなる。残りの空気(90%程度)は空気冷却器7,増湿塔8,再生熱交換器11を介し燃焼器3へ流入するため負荷の指令に対し、空気の応答が遅れる。しかし、バイパスされた空気により一時的に空気流量が増加し、これら空気の応答遅れを補助する形態となる。これにより、負荷上昇指令に対する空気の増加遅れによる負荷応答特性の悪化が改善される。
次に、負荷降下時にも空気の応答遅れが発生する。負荷降下時には再生熱交換器11の熱容量過大なため、燃焼器3に流入する空気の温度が下がらず、負荷降下応答に遅れが生じる。
そこで、本実施形態では、負荷降下時には、タービン制御装置21は、タービンバイパス弁20を開くことにより、再生熱交換器11から燃焼器3へ流入する空気の一部(10%程度)を再生熱交換器出口から排気ダクトにかけたバイパス弁20を開し、排出することで、燃焼用空気の熱降下の遅れを燃焼器3へ流入する空気流量を一時的に減らすことで改善される。
次に、図3及び図4を用いて、本実施形態の作用及び効果について説明する。
図3は、本発明の一実施形態によるガスタービンシステムにおいて、部分負荷運転時から定格負荷運転まで負荷上昇させた場合の発電機出力のタイムチャートである。図4は、本発明の一実施形態によるガスタービンシステムにおいて、定格負荷運転時から部分負荷運転まで負荷降下させた場合の発電機出力のタイムチャートである。
まず、図3により、負荷上昇時において圧縮機出口から燃焼器入口にかけたバイパス系統を利用した場合の作用及び効果を説明する。
図3において、MWDは発電量指令を示している。太い実線は本実施形態によりバイパス系統を使用した場合の発電機出力を示し、波線は本実施形態によるバイパス系統を使用しない場合における発電機出力を示している。
本実施形態では、負荷上昇指令時に図1における圧力容器バイパス弁19を開し、圧縮機出口空気の一部(10%程度)をバイパスさせ、燃焼器に流入する空気を一時的に増加させることで、図3に太い実線で示すように、負荷の応答が改善される。負荷が目標負荷に到達付近でバイパス弁を閉し、空気量を調節することで、負荷到達時のオーバーシュートも軽減され、バイパス系統を使用しない場合に対し、定格負荷への到達時間が短縮される。
図4において、MWDは発電量指令を示している。太い実線は本実施形態によりバイパス系統を使用した場合の発電機出力を示し、波線は本実施形態によるバイパス系統を使用しない場合における発電機出力を示している。
本実施形態では、負荷降下指令時に図1におけるタービンバイパス弁20を開し、燃焼器に流入する空気の一部(10%程度)を排気ダクトにバイパスさせ、燃焼器に流入する空気量を一時的に減少させることで、再生熱交換器の熱容量過大による空気温度の降下遅れによる負荷降下開始直後の応答遅れを改善でき、バイパス系統を使用しない場合に対し、部分負荷への到達時問が短縮される。
本発明の一実施形態によるガスタービンシステムの構成を示す制御系統図である。 本発明の一実施形態によるガスタービンシステムにおける圧縮機入口案内翼の制御説明図である。 本発明の一実施形態によるガスタービンシステムにおいて、部分負荷運転時から定格負荷運転まで負荷上昇させた場合の発電機出力のタイムチャートである。 本発明の一実施形態によるガスタービンシステムにおいて、定格負荷運転時から部分負荷運転まで負荷降下させた場合の発電機出力のタイムチャートである。
符号の説明
1…ガスタービン
2…圧縮機
3…燃焼器
4…発電機
5…燃料調節弁
6…シャフト
7…空気冷却器
8…増湿塔
9…水回収装置
10…吸気噴霧器
11…再生熟交換器
12…給水加熱器
13…水噴霧ポンプ
14…給水ポンプ
15…補給水ポンプ
16…煙突
17…煙道
18…圧縮機入口案内翼
19…圧力容器バイパス弁
20…タービンバイパス弁
21…タービン制御装置

Claims (5)

  1. 空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機に流入する空気流量を調節する圧縮機入口案内翼と、前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する増湿塔と、この増湿塔で加湿された空気(加湿空気)と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、このタービンから排出された排気ガスと前記増湿塔から燃焼器に供給される加湿空気と熱交換する再生熱交換器と、負荷に応じて前記圧縮機入口案内翼の開度を調節し、部分負荷運転時の排気温度を高く保つ制御装置とを有するガスタービンシステムであって、
    前記タービンの負荷上昇時に、前記圧縮機で圧縮された空気の一部を、前記増湿塔及び前記再生熱交換器をバイパスさせ、前記再生熱交換器から前記燃焼器に供給される加湿空気に合流させる流入バイパス系統を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
  2. 請求項1記載のガスタービンシステムにおいて、さらに、
    前記再生熱交換器でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気をタービンをバイパスさせ、前記再生熱交換器でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気の一部を排気ダクトに排出する排出バイパス系統を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
  3. 請求項1記載のガスタービンシステムにおいて、
    前記流入バイパス系統に設置されたバイパス弁の開度を調節し、燃焼器に流入する空気量を調節する空気量制御手段を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
  4. 空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機に流入する空気流量を調節する圧縮機入口案内翼と、前記圧縮機で圧縮された空気を加湿する増湿塔と、この増湿塔で加湿された空気(加湿空気)と燃料とを燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、このタービンから排出された排気ガスと前記増湿塔から燃焼器に供給される加湿空気と熱交換する再生熱交換器と、負荷に応じて前記圧縮機入口案内翼の開度を調節し、部分負荷運転時の排気温度を高く保つ制御装置を備えたガスタービンシステムであって、
    前記タービンの負荷下降時に、前記再生熱交換器でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気を前記燃焼器及び前記タービンをバイパスさせ、前記再生熱交換器でタービン排気ガスと熱交換した加湿空気の一部を排気ダクトに排出する排出バイパス系統を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
  5. 請求項4記載のガスタービンシステムにおいて、
    前記排出バイパス系統に設置されたバイパス弁の開度を調節し、燃焼器に流入する空気量を調節する空気量制御手段を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
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