JP4923014B2 - ２軸式ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、２軸式ガスタービンおよびその制御方法に関する。

ガスタービンにおいて、圧縮機を駆動する高圧タービンと、発電機あるいはポンプ等の負荷を駆動する低圧タービンとが別軸構成となっている２軸式ガスタービンが、例えば特許文献１に開示されている。

２軸式ガスタービンは、ポンプ等の被駆動機の回転数が定格回転数より低い場合でも、これらを駆動する低圧タービンの作動ガスを発生させるガスジェネレータ、すなわち圧縮機と高圧タービンを、低圧タービンとは異なる回転数で運転することができる。そのため、圧縮機と高圧タービンとを含むガスジェネレータを高速回転させ、低圧タービンにおける膨張仕事能力がより一層高い作動ガスを発生させることができる。低圧タービンの低回転数域でのトルクを大きくすることができるため、２軸式ガスタービンはポンプ等の機械駆動用として用いられることが多い。しかし、低圧タービンで発電機を駆動する発電用として用いることも有用である。減速機なしで使用する場合には、圧縮機を高速回転させることで高効率化が図れる利点がある。また、減速機を使用する場合でも、減速比を小さくできるため、コスト低減，効率向上が可能である。

一方、ガスタービン作動流体（たとえば空気）に水分を添加して加湿し、この加湿空気によってガスタービン排ガスの持つ熱エネルギーを回収することで、出力および効率の向上を図る高湿分利用ガスタービンシステムが特許文献２に開示されている。

特開平５−１８２７１号公報 国際公開第００／２５００９号パンフレット

２軸式ガスタービンに高湿分利用ガスタービンシステムを適用すれば、２軸式ガスタービンの出力および効率の向上を図れる。しかし高湿分利用ガスタービンのように、圧縮機作動ガスに比べて高圧タービン作動ガスの流量が比較的多いタイプの２軸式ガスタービンの場合、圧縮機の消費動力と高圧タービンの出力のバランスが特にくずれやすい。

本発明の目的は、圧縮機作動ガスに比べて高圧タービン作動ガスの流量が比較的多いタイプでも、圧縮機の消費動力と高圧タービンの出力とのバランスを簡単に取ることが可能な２軸式ガスタービンを提供することにある。

空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気に流体を追加する手段と、圧縮空気と該追加された流体との混合物と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、該高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、該圧縮機と該高圧タービンとを接続する第一回転軸と、該低圧タービンの回転軸である第二回転軸と、該第二回転軸に接続された第一負荷を備えた２軸式ガスタービンにおいて、該第一回転軸に接続された第二負荷と、前記高圧タービンの回転数に基づいて前記第二の負荷を制御する制御装置と、前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスを前記低圧タービンに供給する流路の途中に、前記第一負荷と前記第二負荷への負荷配分を調整するために燃焼器に供給する流体の一部を合流させる合流流路を有し、前記合流流路が負荷配分を調整するための流量調整弁を備える。

本発明によると、圧縮機作動ガスに比べて高圧タービン作動ガスの流量が比較的多いタイプでも、圧縮機の消費動力と高圧タービンの出力とのバランスを簡単に取ることが可能な２軸式ガスタービンを提供できる。

２軸式ガスタービンの出力は、１軸式ガスタービンと同じように、投入燃料量を調整することにより制御する。１軸式ガスタービンとの大きな違いは、２軸式ガスタービンは圧縮機の消費動力（損失含む、以下同様）と高圧タービンの出力（損失含む、以下同様）をバランスさせて回転数を一定に保たなければならないことである。ガスタービン出力を調整するために投入燃料量を変更すると、圧縮機消費動力と高圧タービン出力がそれぞれ変動し、動力バランスが壊れて回転数を一定に保つことができなくなる。動力バランスを取るためには、圧縮機作動ガス流量を調整したり、バランス時の回転数を変更したり、高圧タービン入口の圧力を調整したり、あるいは低圧タービン入口の圧力を調整したりする必要がある。これらの制御方法のうち、高圧タービン入口の圧力調整および低圧タービン入口の圧力調整は、非常に高温であるタービン入口付近に可変静翼等を設置することが必要となるため、採用は敬遠される傾向にある。一般には、圧縮機に設置された入口案内羽根による圧縮機作動ガス流量の調整と、バランス時の回転数の変更が、バランス制御方法として採用されることが多い。このような背景から、一般的に２軸式ガスタービンの圧縮機は、１軸式ガスタービンの圧縮機と比較して、より広い圧縮機作動ガス流量の範囲と、より広い運転回転数の範囲を許容するように設計される。すなわち、２軸式ガスタービンの圧縮機は、１軸式ガスタービンの圧縮機と比較して、より広い運転条件での安定運転が、設計上、要求される。広い運転範囲の信頼性を確保しようとすると、効率低下やコスト上昇を招くのが一般的である。例えば、より広範な圧縮機作動ガス流量を実現するために可変静翼を適用する段数を拡大させたり、流れのはく離などの不安定現象が発生しにくい翼形を採用したり、共振回避のために翼形を制限したりすることが、効率低下やコスト上昇を招く可能性がある。

ここで、圧縮機作動ガスに比べて、高圧タービン作動ガスの流量が比較的多い２軸式ガスタービンについて考える。その代表例として、２軸式の高湿分利用ガスタービンを考える。湿分空気利用ガスタービンでは、シンプルサイクルガスタービンと比べて、作動ガスに添加される湿分の影響により、さらに広い運転条件での安定運転が、設計上、要求される。すなわち２軸式の高湿分利用ガスタービンでは、湿分を利用しない２軸式ガスタービンと比べ、さらなる効率低下及びコスト上昇を招く可能性がある。

そもそも、高湿分利用ガスタービンでは、圧縮機作動ガスに添加された湿分は単位質量当たりの圧縮機消費動力の低減に寄与する。逆に、高圧タービン作動ガスに添加された湿分は単位質量当たりの高圧タービン出力の増大に寄与する。すなわち、ヒートサイクル上、圧縮機消費動力に比べて高圧タービン出力が大きくなる。添加される湿分の影響が大きい場合には、前述した入口案内羽根による圧縮機作動ガス流量の調整と、バランス時の回転数の変更だけでは、ヒートサイクル上、バランス制御方法として成立しない。圧縮機に設置した入口案内羽根で調整可能な流量は５％程度であり、これ以上の調整は圧縮機性能を大きく損なう。例えば、高圧タービンの排気流量が、圧縮機の吸込み流量に比べて１０％増加するような２軸式ガスタービンでは、従来一般的に用いられる手法でのバランス制御は困難である。

また、シンプルサイクルガスタービンと高湿分利用ガスタービンでは高圧タービンと低圧タービンの出力配分が異なる。高圧タービン出力と低圧タービン出力の合計に対する低圧タービン出力の割合は、高湿分利用ガスタービンの方がシンプルサイクルガスタービンよりも大きくなる。高圧タービンと低圧タービンを所望の出力または所望の回転数で運転したい場合には、これらの出力配分を変更する必要がある。

圧縮機作動ガスに比べて、高圧タービン作動ガスの流量が比較的多い、他のタイプの２軸式ガスタービンについても、２軸式の高湿分利用ガスタービンと同様、従来一般的に用いられる手法でのバランス制御が困難なほど、圧縮機消費動力に比べて高圧タービン出力が大きくなる。また、出力の合計に対する低圧タービン出力の割合が、高圧タービン出力に比べて大きくなる傾向もある。他のタイプのガスタービンとしては、排熱回収ボイラで生成した蒸気を燃焼器に注入するタイプの２軸式ガスタービンや、低カロリー燃料を利用するガスタービンシステムなどがある。低カロリー燃料を利用するガスタービンは、一般的な燃料を利用するものと比べ、燃料の必要量が多くなり、高圧タービン作動ガス流量に占める燃料流量が多くなるため、圧縮機作動ガスに比べて、高圧タービン作動ガスの流量が比較的多くなる。

本発明の目的は、２軸式高湿分利用ガスタービンにおいて、圧縮機駆動動力と圧縮機を駆動するタービン出力のバランスを簡単に取ることが出来る高湿分利用ガスタービンの構成を提供することにある。

以下説明する各実施例のガスタービンによれば、２軸式高湿分利用ガスタービン等、圧縮機作動ガスに比べて高圧タービン作動ガスの流量が比較的多いガスタービンにおいて、圧縮機の消費動力と高圧タービンの出力とのバランスを簡単に取ることができる。そうすると、熱効率と信頼性の高い２軸式ガスタービンを提供することができる。

具体的には、起動運転，停止運転，負荷運転を含めた全ての運転において、以下のことがいえる。圧縮機と該圧縮機を駆動するタービンとから成るガスジェネレータに関し、その回転軸に連結あるいは接続された負荷を制御することにより、容易にガスジェネレータ回転数を調整することができる。これにより、ガスジェネレータについても１軸式ガスタービンに近い運転制御が可能となり、一般的な２軸式ガスタービンの運転制御方法に比べ、運転制御方法が非常に簡単になる。そうすると制御ロジックが容易になり運転時における信頼性が向上する。また、２軸式ガスタービンの圧縮機に要求される圧縮機作動ガス流量範囲と運転回転数範囲は、一般的に１軸式ガスタービンの圧縮機よりも広いが、この範囲を縮小する或いは同等にすることが可能となる。従来一般の手法では、広い運転条件下で安定運転を確保することの代償として、効率低下とコスト上昇を避けることは困難であった。しかし本発明によると、圧縮機作動ガス流量範囲と運転回転数範囲を狭い範囲に抑えることができるため、効率低下やコスト上昇を抑制することが可能となる。さらには、１軸式ガスタービンの圧縮機を流用することも可能になり、開発・設計・製造に要するコスト及び時間を低減或いは削減することもできる。また、部品の流用は新規開発品の減少にもつながり、信頼性確保及び管理の観点からも有利となる。

以下、図面を用いて本発明の各実施例である２軸式ガスタービンついて説明する。

図１は本発明の実施例１である２軸式高湿分利用ガスタービンプラントの全体構成を表す回路図である。

本プラントは、主として圧縮機１，燃焼器２，高圧タービン３Ｈ，低圧タービン３Ｌ，第一発電機７Ｌ，第二発電機７Ｈ，制御装置８，吸気噴霧冷却装置１１，空気冷却器１２，加湿装置１３，再生熱交換器１４，給水加熱器１５，水回収装置１６，排ガス再加熱装置１７，分岐流路１９，合流流路２０，流量調整弁２１とから構成される。

圧縮機１に流入させるための大気１０１は吸気噴霧冷却装置１１に導かれる。吸気噴霧冷却装置１１において、供給された水３０１が微粒子化された後に噴霧され、その一部が蒸発する。蒸発の際、雰囲気である大気１０１から熱エネルギーを吸収するため、圧縮機１に流入する際には大気１０１の温度は大気温よりも低くなる。一方、蒸発せずに残った噴霧水は、液体のまま圧縮機１に導かれる。すなわち吸気噴霧装置１１から排出される主流である作動流体１０２は、大気１０１と、噴霧水３０１の一部が蒸発した水蒸気と、蒸発せず液体のままの噴霧水３０１である水粒子の混合物となる。

圧縮機１において、導入された大気１０１と水蒸気と水粒子の混合物である作動流体１０２は、所定の圧力まで圧縮された後に、下流に配置された空気冷却器１２に導かれる。その際、水粒子が徐々に蒸発し水蒸気となる。この際、雰囲気から熱エネルギーを吸収するため、水粒子が存在しない場合と比べて、作動流体の温度上昇が緩和される。

空気冷却器１２に導かれた圧縮空気１０３は、冷却された後に下流に配置された加湿装置１３に導かれる。空気冷却器１２では、冷媒として前記加湿装置１３の回収水３０２が利用される。回収水３０２は、熱交換により圧縮空気１０３を冷却し、温度が上昇した後に前記加湿装置１３へ供給水３０３として回収される。すなわち冷媒の一部は空気冷却器１２と加湿装置１３を循環する。この作用により、空気冷却器１２において作動流体から吸収した熱エネルギーは加湿装置１３に輸送される。

空気冷却器１２から供給される、冷却された圧縮空気１０４は、加湿装置１３で加湿されて高湿分空気１０５となり、下流に配置された再生熱交換器１４に導かれる。加湿方法として本実施例では増湿塔方式を採用したが、濡壁塔方式、或いは圧縮空気１０４にスプレイノズルを用いて水を噴霧するスプレイ方式等を用いても構わない。加湿に利用される高温水は空気冷却器１２と給水加熱器１５から供給される。蒸発せずに回収された水のうち、一部は空気冷却器１２の冷媒として、一部は後述する排ガス再加熱装置１７の熱源として利用される。

高湿分空気１０５は再生熱交換器１４で加熱され、高温の高湿分空気１０６となって分岐流路１９に導かれる。再生熱交換器１４の熱源には、低圧タービン３Ｌからの排ガス１１２が利用される。再生熱交換器１４での熱交換によって温度が低下した排ガス１１３は下流に配置された給水加熱器１５に熱源として導かれる。

分岐流路１９では、導かれた高温の高湿分空気１０６のうち、所定の流量が高湿分空気１０７として燃焼器２へ導かれ、残りが高湿分空気１０８として合流流路２０へ導かれる。なお、流量配分は流量調整弁２１により制御される。制御方法は後述する。

燃焼器２に導かれた高湿分空気１０７は、燃料２０１を燃焼させるのに利用され、燃焼ガス１０９が生成される。燃焼ガス１０９は下流に配置された高圧タービン３Ｈに導かれる。

高圧タービン３Ｈに導かれた燃焼ガス１０９は膨張仕事をし、高圧タービン３Ｈに回転動力が発生する。圧縮機１と変速機６と第二発電機７Ｈとは回転軸４を介して接続されており、高圧タービン３Ｈに発生した動力のうち、一部が圧縮機１で消費され、残りが第二発電機７Ｈによって電力に変換されて本プラントの外部で利用される。また、膨張仕事をし、温度と圧力が低下した燃焼ガス１１０は合流流路２０に導かれる。なお、本実施例では負荷として発電機を接続したが、ポンプ等の負荷、あるいは発電機と他の負荷とを組合せたものを接続しても構わない。

燃焼ガス１１０と高湿分空気１０８は合流流路２０で合流し、燃焼ガスと高湿分空気の混合ガス１１１として下流に配置された低圧タービン３Ｌに導かれる。

低圧タービン３Ｌに導かれた燃焼ガスと高湿分空気の混合ガス１１１は膨張仕事をし、低圧タービン３Ｌに回転動力を発生させる。回転軸５を介して第一発電機７Ｌが接続されており、低圧タービン３Ｌに発生した動力が第一発電機７Ｌによって電力に変換されて本プラントの外部で利用される。また、膨張仕事をし、温度と圧力が低下した燃焼ガスと高湿分空気の混合ガスである排ガス１１２は、再生熱交換器１４に熱源として導かれる。なお、本実施例では負荷として発電機を接続したが、ポンプ等の負荷、あるいは発電機と他の負荷とを組合せたものを接続しても構わない。

給水加熱器１５において、水３０５は加熱され、その後、高温水３０６として加湿装置１３に導かれる。熱源は排ガス１１３である。熱エネルギーを回収して温度の低下した排ガス１１４は、下流に配置された水回収装置１６に導かれる。

水回収装置１６に導かれた排ガス１１４は、冷却水３０７との接触によって、内在する湿分を回収される。湿分が回収された後の排ガス１１５は、下流に配置された排ガス再加熱装置１７に導かれる。

排ガス再加熱装置１７に導かれた、湿分回収後の排ガス１１５は、再加熱された後に排ガス１１６として煙突１８に導かれ、大気に放出される。熱源には加湿装置１３の回収水３０４が利用される。

次に、本実施の２軸式ガスタービンの出力調整方法に関して説明する。

本実施例で利用している発電機は出力３ＭＷ以上のガスタービン用発電機において最も一般的な２極式の交流発電機とする。この発電機を使用すると、回転数と同じ周波数の交流電力が発生する。例えば、発電機を毎分３６００回転で運転すると６０ヘルツの電力が発生する。運用上、発電機は一定の回転数で運転されなければならない。したがって、発電機の負荷、すなわち要求電力に対応させてガスタービンの出力を調整し、回転数を一定に保つことが必要である。本実施例のガスタービンでは、制御装置８が要求電力から投入燃料流量を計算すると共に、第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈの電力配分を制御する。すなわち、第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈの合計電力が要求電力となり、かつ第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈが所定の回転数となるように制御される。

要求電力が増えた場合、制御装置８が電力の増大分をそれぞれの発電機に分配する。発電量を増やす際には負荷が増大する。そのため、第一発電機７Ｌが接続された回転軸５と、第二発電機７Ｈが接続された回転軸４の両回転軸ともに回転数が低下する。回転数が低下すると、制御装置８は、回転数を所定の回転数に戻すために燃料投入量を増やすよう制御する。燃料流量が増えると、高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌの出力が増大し、回転数が上昇する。このような制御により、要求電力を得つつタービン出力と発電機出力をバランスさせることができ、回転数も定常回転数とすることができる。

この一連の制御の中で、第一発電機７Ｌの回転数が所定回転数よりも小さく、且つ第二発電機７Ｈの回転数が所定回転数よりも大きい場合には、制御装置８は第一発電機７Ｌの負荷を小さくするよう制御する。第一発電機７Ｌの負荷を下げた分の電力不足分は、第二発電機７Ｈの負荷を増やして補うよう制御する。

逆に、第一発電機７Ｌの回転数が所定回転数よりも大きく、且つ第二発電機７Ｈの回転数が所定回転数よりも小さい場合には、制御装置８は第二発電機７Ｈの負荷を小さくし、その分を第一発電機７Ｌに追加するよう制御する。

第一発電機７Ｌの回転数が所定回転数よりも小さく、且つ第二発電機７Ｈの回転数も所定回転数よりも小さい場合には、制御装置８は燃料投入量を増やすよう制御する。逆に、第一発電機７Ｌの回転数が所定回転数よりも大きく、且つ第二発電機７Ｈの回転数も所定回転数よりも大きい場合には、制御装置８は燃料投入量を減らすよう制御する。

このようにして制御装置８は、要求電力が増大した場合に第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈで発電される合計電力が要求電力となり、発電機出力をバランスさせ、かつ第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈが所定回転数となるように制御する。

要求電力が減少した場合は、制御装置８が電力の減少分をそれぞれの発電機に分配する。発電量を減らす際には負荷が減少する。そのため、第一発電機７Ｌが接続された回転軸５と、第二発電機７Ｈが接続された回転軸４の両回転軸ともに回転数が増大する。回転数が増大すると、制御装置８は、回転数を所定の回転数に戻すために燃料投入量を減らすよう制御する。燃料流量が減ると、高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌの出力が低下し、回転数が減少する。この一連の制御の中で、第一発電機７Ｌや第二発電機７Ｈの回転数の調整が必要な場合には、前述のように、負荷の分配調整や燃料の投入量の調整により制御する。このようにして制御装置８は、要求電力が減少した場合に第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈで発電される合計電力が要求電力となり、発電機出力をバランスさせ、かつ第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈが所定回転数となるように制御する。

高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌの回転数に基づき、第二の負荷である第二発電機７Ｈに必要な負荷を調節することにより、高圧タービン３Ｈの回転数を所望の回転数に近づければ、圧縮機１の消費動力と高圧タービン３Ｈの出力とのバランスを簡単に取ることができる。

なお、本実施例の２軸式ガスタービンは、高圧タービン３Ｈを駆動した燃焼ガス１１０を低圧タービン３Ｌに供給する流路の途中に、燃焼器２に供給する流体である高湿分空気１０６の一部を合流させる合流流路２０を有している。そのため、分岐流路１９と合流流路２０との間に設置された流量調整弁２１により、それぞれの負荷への負荷配分、すなわち第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈの電力配分を調整することも可能である。この機能は、少なくともどちらかの負荷が発電機ではなくポンプ等のターボ機械である場合に、それぞれの負荷を独立に調整する手段として特に有効である。この流量調整に加え、前述した、それぞれの負荷の大きさを調整する制御を行えば、より最適な回転数制御が可能となる。

ここで、本発明の各実施例に係るガスタービンの優位性を説明する、比較例としての２軸式高湿分利用ガスタービンについて、図５を用いて説明する。

図５は比較例の２軸式高湿分利用ガスタービンの概略回路図である。図１と同符号の要素は同じ機能を有しているものとする。簡単のため圧縮機１は同一性能を有しているものとすると、高圧タービン３Ｈは圧縮機１のみを駆動すればよいので、実施例１の高圧タービン３Ｈよりも発生動力は小さくなっている。その分、低圧タービン３Ｌの出力が大きくなっている。すなわち、高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌの出力配分は、実施例１のものと異なっている。

次に、出力調整方法について説明する。要求電力から燃料流量２０１が計算され、燃焼器２に投入される。要求電力が定格電力よりも少ない場合、投入燃料流量２０１も定格流量より少なくなる。この場合、高圧タービン３Ｈの出力が低下するため第一回転軸４の回転数も低下する。それにより圧縮機１の吸込流量と圧力比が減少し消費動力も減少し、最終的に定格回転数よりも小さい回転数において圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力バランスがとれる。すなわち、要求電力に応じて第一回転軸４の運転回転数が変化する。これは前記したように、２軸式ガスタービンの特徴でもある。運用する要求出力範囲に対応して第一回転軸４の回転数が変化するために、圧縮機１及び高圧タービン３Ｈは、この回転数範囲において安全に運用できることが要求される。つまり、圧縮機翼，タービン翼および回転軸の共振回避設計をこの回転数範囲において行う必要がある。通常、共振を回避しなければならない回転数範囲が広くなると、圧縮機翼，タービン翼および回転軸の形状に対する制約が大きくなる。これらの制約は、性能，コストあるいは信頼性に影響を与える。

以上説明した比較例の２軸式ガスタービンに比べ、本発明の各実施例である２軸式ガスタービンが優れている点につき説明する。

本実施例の２軸式ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された圧縮空気に流体を追加する手段である、圧縮機１から吐出された圧縮空気１０３に湿分を添加する加湿装置１３と、圧縮空気と追加された流体との混合物である高湿分空気１０７と燃料とを燃焼させて燃焼ガス１０９を生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成された燃焼ガス１０９によって駆動される高圧タービン３Ｈと、高圧タービン３Ｈを駆動した燃焼ガス１１０により駆動される低圧タービン３Ｌと、圧縮機１と高圧タービン３Ｈとを接続する第一回転軸４と、低圧タービン３Ｌの回転軸である第二回転軸５と、第二回転軸５に接続された第一負荷である発電機７Ｌを備えた２軸式ガスタービンであり、第一回転軸４に接続された第二負荷である発電機７Ｈを有している。第一回転軸４に負荷を有しているため、この負荷を調節することにより、圧縮機１の消費動力と高圧タービン３Ｈの出力とのバランスを簡単に取ることができる。さらに、高圧タービン３Ｈの回転数に基づいて、第二の負荷である発電機７Ｈを制御する制御装置８を有しているため、このバランス制御を制御装置８により実現できる。

本実施例の２軸式ガスタービンは、双方の回転軸に負荷である発電機を有するため、運転制御、特に回転数の制御が容易である。高圧タービン３Ｈまたは低圧タービン３Ｌの回転数に基づいて、第一の負荷である発電機７Ｌおよび第二の負荷である発電機７Ｈを制御する制御装置８を有している。この制御装置８は、高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌが所定の回転数で回転するように第一発電機７Ｌ及び第二発電機７Ｈを制御している。本実施例の２軸式ガスタービンはこのように構成されることにより、負荷配分調整により回転数を所定値に保つことが可能となっている。そのため、特に発電用などに用いられる場合に、所定の回転数での運用の要求を満たすことができる。また、共振回避などの設計上の制約が緩和される。設計上の制約の緩和により、性能，コスト及び信頼性が向上する。所定の回転数のみで運転するため、発電用などの既に開発されたガスタービンの圧縮機或いはタービンを流用することもできる。これにより、さらにコストの低減が図れると同時に、管理部品点数の削減により信頼性向上にもつながる。

なお、制御装置８が第二の負荷を制御することにより、圧縮機作動ガスに比べて、高圧タービン作動ガスの流量が比較的多い２軸式ガスタービンでは、前述のように、圧縮機消費動力と高圧タービン出力とのバランスを簡単にとれるという効果も得られる。この負荷を発電機による発電や、ポンプの駆動等に用いれば、動力を有効利用できることはいうまでもない。

図２は本発明の実施例２である２軸式高湿分利用ガスタービンプラントの全体構成を表す回路図である。

実施例２のプラントは、主として圧縮機１，燃焼器２，高圧タービン３Ｈ，低圧タービン３Ｌ，第一発電機７Ｌ，第二発電機７Ｈ，制御装置８，排熱回収ボイラ２２，分岐流路１９，合流流路２０，流量調整弁２１とから構成される。前述の実施例１と同様な構成については説明を省略する。

圧縮機１に導入された大気１０１は、所定の圧力まで圧縮された後に下流に配置された燃焼器２に導かれる。

燃焼器２に導かれた圧縮空気１０３は燃料２０１を燃焼させるのに利用され、燃焼ガス１０９が生成される。燃焼ガス１０９は下流に配置された高圧タービン３Ｈに導かれる。

合流流路２０に導かれた燃焼ガス１１０と後述する蒸気５０８は合流し、燃焼ガスと蒸気の混合ガス１１１として、下流に配置された低圧タービン３Ｌに導かれる。

低圧タービン３Ｌ周りについては、実施例１のものと同様である。なお、本実施例における排ガス１１２は、膨張仕事をし、温度と圧力が低下した燃焼ガスと高湿分空気の混合ガスである。

排熱回収ボイラ２２において、給水４０１は加熱されて蒸気５０６となり、後述する分岐流路１９に導かれる。排熱回収ボイラ２２の熱源としては、前記した低圧タービン３Ｌからの排ガス１１２が利用される。熱交換によって温度が低下した排ガス１１３は、下流に配置された煙突１８に導かれて大気に開放される。

分岐流路１９に導かれた蒸気５０６のうち、所定の流量が蒸気５０７として燃焼器２へ導かれ、残りが蒸気５０８として合流流路２０へ導かれる。なお、流量配分は流量調整弁２１により制御される。

本実施例の２軸式ガスタービンは、圧縮機１で圧縮された圧縮空気に流体を追加する手段として、排熱回収ボイラ２２で生成された蒸気を燃焼器２に供給するよう構成されている点で実施例１のものと異なる。出力調整方法は、実施例１のものと同様である。流量調整弁２１により第一発電機７Ｌと第二発電機７Ｈの電力配分を調整することも可能である。効果についても前述の実施例１の場合と同様である。

図３は本発明の実施例３である２軸式高湿分利用ガスタービンプラントの全体構成を表す回路図である。図２と同符号の要素は同等の機能を有しているものとし、説明は省略する。

高圧タービン３Ｈに導かれた燃焼ガス１０９は膨張仕事をし、高圧タービン３Ｈに回転動力が発生させる。前記圧縮機１と変速機６と燃料昇圧用圧縮機７ｈとは回転軸４を介して接続されている。高圧タービン３Ｈに発生した動力のうち、一部が圧縮機１で消費され、残りが燃料昇圧用圧縮機７ｈで消費される。燃料昇圧用圧縮機７ｈは自らが消費する燃料２０１を昇圧する。昇圧した燃料は制御装置８により流量を計算された後、前記燃焼器２に供給される。また、膨張仕事をし、温度と圧力が低下した燃焼ガス１１０は後述する合流流路２０に導かれる。

次に、この２軸式ガスタービンの出力調整方法に関して説明する。

本実施例の２軸式ガスタービンでは、制御装置８が要求電力から投入燃料流量を計算し投入する。また、流量調整弁２１により燃料昇圧用圧縮機７ｈ及び発電機７Ｌが所定の回転数となるように制御する。

本実施例の２軸式ガスタービンでは、双方の回転軸に負荷を有するため、運転制御、特に回転数の制御が容易となっている。

図４は本発明の実施例４である２軸式ガスタービンプラントの全体構成を表す回路図である。

本プラントは、主として圧縮機１，燃焼器２，高圧タービン３Ｈ，低圧タービン３Ｌ，発電機７Ｌ，燃料昇圧用圧縮機７ｈ，制御装置８とから構成される。

該燃焼器２に導かれた圧縮空気１０３は燃料２０１を燃焼させるのに利用され、燃焼ガス１０９が生成される。燃焼ガス１０９は下流に配置された高圧タービン３Ｈに導かれる。

高圧タービン３Ｈに導かれた燃焼ガス１０９は膨張仕事をし、高圧タービン３Ｈに回転動力を発生させる。前記圧縮機１と変速機６と燃料昇圧用圧縮機７ｈとは回転軸４を介して接続されている。高圧タービン３Ｈに発生した動力のうち、一部が圧縮機１で消費され、残りが燃料昇圧用圧縮機７ｈにより消費される。燃料昇圧用圧縮機７ｈは自らが消費する燃料２０１を昇圧する。昇圧した燃料は制御装置８により流量を計算された後、燃焼器２に供給される。また、膨張仕事をし、温度と圧力が低下した燃焼ガス１１０は下流に配置された低圧タービン３Ｌに導かれる。

低圧タービン３Ｌに導かれた燃焼ガス１０９は膨張仕事をし、低圧タービン３Ｌに回転動力を発生させる。回転軸５を介して発電機７Ｌが接続されており、低圧タービン３Ｌに発生した動力が発電機７Ｌによって電力に変換されて本プラントの外部で利用される。また、膨張仕事をし、温度と圧力が低下した排ガス１１２は下流に配置された煙突１８に導かれ、大気に開放される。なお、本実施例では負荷として発電機を接続したが、他にポンプ等の負荷あるいは発電機と他の負荷の組合せたものを接続してもよい。

次に、この２軸式ガスタービンの出力調整方法に関して説明する。

本実施例では、制御装置８が要求電力から投入燃料流量を計算し、適切な量の燃料を投入する。

本発明の効果は以下の点に認められる。

本実施例のガスタービンは、基準となる２軸式ガスタービン（以下、ベースガスタービン）を利用し、このベースガスタービンが計画していた燃料よりも発熱量が小さい燃料を用いる２軸式ガスタービンにおいて特に有効である。ベースガスタービンと同じ燃焼温度を達成するためには、燃料発熱量に応じた燃料を投入しなければならない。例えば、燃料として液化天然ガスを計画していたベースガスタービンにおいて、ガス化石炭を使用する場合には、燃料発熱量が５分の１程度になるため、投入燃料流量が５倍以上必要となる。計画よりも多い燃料の投入により高圧タービン３Ｈの流量が計画よりも大きくなり、計画よりも大きい動力が発生する。それにより圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力バランスが壊れ、計画回転数での運転が不可能となる。特に、燃料発熱量の変化が大きい場合には、投入燃料が大きく変化するために動力のアンバランスが大きくなる。本実施例ではこの課題を解決するために、高圧タービン３Ｈ側にも負荷である圧縮機７ｈを設けてある。これにより動力アンバランスを解消あるいは緩和している。本実施例のガスタービンでは、双方の回転軸に負荷を有するため、運転制御、特に回転数の制御が容易となっている。

本発明の実施例１である２軸式高湿分利用ガスタービンプラントの全体構成を表す回路図である。 本発明の実施例２である２軸式高湿分利用ガスタービンの全体構成を表す回路図である。 本発明の実施例３である２軸式高湿分利用ガスタービンの全体構成を表す回路図である。 本発明の実施例４である２軸式ガスタービンの全体構成を表す回路図である。 比較例の２軸式高湿分利用ガスタービンの概略回路図である。

符号の説明

１，７ｈ 圧縮機
２ 燃焼器
３Ｈ 高圧タービン
３Ｌ 低圧タービン
４，５ 回転軸
７Ｌ，７Ｈ 発電機
８ 制御装置
１３ 加湿装置
１４ 再生熱交換器
１９ 分岐流路
２０ 合流流路
２１ 流量調整弁
２２ 排熱回収ボイラ
１０１ 大気
１０２ 作動流体
１０３，１０４ 圧縮空気
１０５，１０６，１０７，１０８ 高湿分空気
１０９，１１０ 燃焼ガス
１１１ 混合ガス
１１２ 排ガス
５０６，５０７，５０８ 蒸気

Claims (7)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気に流体を追加する手段と、
   該圧縮空気と該追加された流体との混合物と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、該高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、該圧縮機と該高圧タービンとを接続する第一回転軸と、該低圧タービンの回転軸である第二回転軸と、該第二回転軸に接続された第一負荷を備えた２軸式ガスタービンにおいて、
   該第一回転軸に接続された第二負荷と、
   前記高圧タービンの回転数に基づいて前記第二の負荷を制御する制御装置と、
   前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスを前記低圧タービンに供給する流路の途中に、前記第一負荷と前記第二負荷への負荷配分を調整するために燃焼器に供給する流体の一部を合流させる合流流路を有し、前記合流流路が負荷配分を調整するための流量調整弁を備えることを特徴とする２軸式ガスタービン。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された圧縮空気に湿分を添加する加湿装置と、加熱後の圧縮空気と燃料とから燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動され、前記圧縮機と第一回転軸で接続される高圧タービンと、該高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、該低圧タービンと第二回転軸で接続される第一負荷とを備えた２軸式ガスタービンにおいて、
   該第一回転軸に接続された第二負荷と、
   前記高圧タービンの回転数に基づいて前記第二の負荷を制御する制御装置と、
   前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスを前記低圧タービンに供給する流路の途中に、前記第一負荷と前記第二負荷への負荷配分を調整するために燃焼器に供給する流体の一部を合流させる合流流路を有し、前記合流流路が負荷配分を調整するための流量調整弁を備えることを特徴とする２軸式ガスタービン。
3. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気に流体を追加する手段と、該圧縮空気と該追加された流体との混合物と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、該高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、該圧縮機と該高圧タービンとを接続する第一回転軸と、該低圧タービンの回転軸である第二回転軸と、該第二回転軸に接続された第一負荷を備え、該圧縮機の吸込流量よりも前記高圧タービンを駆動する流体の流量が１０％以上増大する２軸式ガスタービンにおいて、
   該第一回転軸に接続された第二負荷と、
   前記高圧タービンの回転数に基づいて前記第二の負荷を制御する制御装置と、
   前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスを該低圧タービンに供給する流路の途中に、前記第一負荷と前記第二負荷への負荷配分を調整するために燃焼器に供給する流体の一部を合流させる合流流路を有し、前記合流流路が負荷配分を調整するための流量調整弁を備えることを特徴とする２軸式ガスタービン。
4. 請求項１−３のいずれかに記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記合流流路で合流する前記燃焼器に供給する流体は、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を含むことを特徴とする２軸式ガスタービン。
5. 請求項４に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記合流流路で合流する前記燃焼器に供給する流体は、システムの主流流体であることを特徴とする２軸式ガスタービン。
6. 請求項１−５のいずれかに記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記第一の負荷，前記第二の負荷はそれぞれ第一発電機，第二発電機であり、
   前記制御装置は、高圧タービン及び低圧タービンが所定の回転数で回転するように、前記第一発電機及び第二発電機を制御することを特徴とする２軸式ガスタービン。
7. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気に流体を追加する手段と、該圧縮空気と該追加された流体との混合物と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動される高圧タービンと、該高圧タービンを駆動した燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、該圧縮機と該低圧タービンとを接続する第一回転軸と、該高圧タービンの回転軸である第二回転軸と、該第二回転軸に接続された第一負荷と該第一回転軸に接続された第二負荷と、前記高圧タービンを駆動した燃焼ガスを前記低圧タービンに供給する流路の途中に、燃焼器に供給する流体の一部を合流させる合流流路とを備えた２軸式ガスタービンの制御方法であって、
   前記高圧タービンの回転数に基づき、前記合流流路の流量を調整する流量調整弁による前記第一負荷と前記第二負荷への負荷配分の調整に加えて前記第二の負荷を調節することにより、前記高圧タービンの回転数を所望の回転数に近づけることを特徴とする２軸式ガスタービンの制御方法。

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