JP5550787B2

JP5550787B2 - 閉サイクルガスタービン

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Publication number: JP5550787B2
Application number: JP2013521315A
Authority: JP
Inventors: 敏彦福島; 敬山本; 忠彦高松
Original assignee: Thermal Engineering & Development Co., Ltd.
Current assignee: Thermal Engineering & Development Co., Ltd.
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-06-20
Also published as: WO2012176257A1; JPWO2012176257A1

Description

本発明は、始動を容易とする閉サイクルガスタービンに関するものである。

現在、広く使用されているガスタービンは一般にタービン出力の約５５％で圧縮機を駆動し、残りの４５％が動力として利用されている。このため、ガスタービンの効率を向上させるには極力圧縮機駆動動力を低減する必要がある。

圧縮機駆動動力を低減する手段として、一般に圧縮効率の向上が図られている。しかしながら、圧縮機の効率向上だけでは圧縮動力を半減できるような大幅な改善は期待できない。これに対し、特許文献１や非特許文献１に開示されているように作動流体をＣＯ_２とした閉サイクルガスタービンを超臨界圧力で運転すれば、圧縮機を駆動する動力をタービン出力の２０％程度に低減できることが知られている。

しかし、これは設計点の状態で運転できたときの評価であり、ガスタービンを始動してこの設計点の状態まで立ち上げる方法についてはこれらの文献では考慮されていない。即ち閉サイクルガスタービンにＣＯ_２を封入した始動前の状態は、各構成機器における作動流体の温度や圧力は等しく、また超臨界圧力ではない。そこでこの状態から設計点の状態まで立ち上げるには圧縮機をモータで駆動して作動流体を昇圧、循環させ加熱器で加熱してタービンを自立させる始動運転を行わなければならない。

ここでタービンとして半径流タービンを使用する場合、非特許文献２に記載されている問題が生じる。即ち、半径流タービンと遠心圧縮機は、作動流体の流れ方向と羽根車の回転方向が逆向きである点を除けば構造的には全く同じであるので、ガスタービンの始動時に半径流タービンをモータで駆動すると羽根車内の作動流体にはタービン出口から入口へ向かう方向へ遠心力が働く。始動時にタービン入口から出口へ向かう流れを生じさせるには、この遠心力に打ち勝つ入口出口間圧力差を圧縮機で与える必要がある。

しかしＣＯ_２を作動流体とする該閉サイクルガスタービンでは、圧縮機入口状態を密度の大きい擬臨界点付近とし、タービン入口を完全ガスに近い状態で運転することにより圧縮動力の低減を図っているので、この条件で圧縮機とタービンを設計するとタービンの羽根車外径は圧縮機羽根車外径の約２倍となる。ここで遠心圧縮機の出入口圧力差は回転速度が同じであれば羽根車外径の２乗に比例するので、タービンの羽根車外径が圧縮機羽根車の外径より大きすぎると、始動時に圧縮機で生じるタービン入口出口間圧力差よりタービン羽根車内で生じる遠心力の方が勝り、タービン入口から圧縮機出口に向かう逆流を生じてガスタービンが始動できないという問題を生じる。

またこのとき圧縮機出口圧力はサージ圧以上となるので、圧縮機にサージングを生じ管路の異常振動や羽根車、軸受等の破損を惹起する可能性がある。なお非特許文献２によれば、圧縮機のサージングを回避してタービンを始動するには、圧縮機羽根車外径に対しタービン羽根車の外径は１．３倍以下でなければならないとしている。

一方タービンが軸流型の場合には、半径流タービンのように始動時に逆流することは無いが、圧縮機とタービンの質量流量に大幅な乖離を生じる。即ち上述のように、ＣＯ_２を作動流体とする閉サイクルガスタービンの設計点では、圧縮機入口における作動流体の密度はタービン入口における密度の４倍以上であるので、設計点で圧縮機とタービンの質量流量を等しくするには圧縮機の風量をタービン風量の１/４以下にしなければならない。始動時にはこの圧縮機とタービンの入口における作動流体の密度は等しいので、モータで駆動すると圧縮機の質量流量はタービンの１/４以下となり閉サイクルは昇圧できず運転条件に到達できない。

またこのとき、タービン入口における作動流体の密度は設計点における値の２倍程度であるので、風量が低下して翼の周速に対し作動流体の軸流速度が相対的に低下しタービン翼の仰角が増加して流れが剥離する。剥離が成長し旋回失速が発生するとタービン翼の振動や破損を惹起する可能性がある。

さらに閉サイクルガスタービンでは停止時にＣＯ_２が飽和状態となりＣＯ_２液が部分的に滞留し、始動時に液滴となって圧縮機やタービンの翼車に衝突してこれを損傷する場合がある。そこでこれを避けるため始動前に暖機運転を行わなければならない。また高温のまま停止するとタービンロータの熱曲がりや翼車に損傷を生じるので停止時には冷却運転を行う必要もある。これらの暖機運転や冷却運転では圧縮機やタービンを所定時間、低速度で回転させるターニングが必要となる。

特許文献２には、タービンをバイパスするためのバイパス弁を設け始動時にバイパス弁を全閉にした後、バイパス弁の開度を調整してガスタービンを安全に制御する技術が開示されている。しかし該技術ではタービンは主流に設置され作動流体は常時通過可能となっているので、半径流タービンを使用した場合には始動時の逆流を防止できない。また、軸流タービンを使用した場合にはタービン流量が過大となりサイクルは昇圧できない。

特許文献３には太陽熱ガスタービン発電装置において、圧縮機とタービンを分離して圧縮機には駆動用モータを、タービンには発電機を接続する技術が開示されている。該技術では始動時には圧縮機のみ運転できるので半径流タービンを使用した場合の逆流や、軸流タービンを使用した場合の流量過大は生じない。しかしながら、タービンには発電機のみ接続されているので、ターニングができず、暖機運転や冷却運転が不可能である。

国際公開第２００６／０２５４４９号パンフレット特開２００５-２３３１４８号公報特開２０１０-２７５９９７号公報

Hasuike,H. ,et al., Test plant and preliminary test result of a bench scale closed cycle gas turbine with super-critical CO2 as working fluid, Proceedings of ASME Turbo Expo 2010 (2010) 中野晋他４：再生サイクル用半径流タービンの始動特性に関する研究：日本機械学会論文集（Ｂ編），７５巻７５９号（２００９-１１）

本発明は、閉サイクルガスタービンの始動時の課題、すなわち、
（１）半径流タービンを使用した場合に始動時にタービンに逆流を生じ、圧縮機にサージングが発生する
（２）軸流タービンを使用した場合、始動時にタービン流量が過大となりサイクルを昇圧できない点やタービン翼に失速を生じる
（３）始動前や停止時に圧縮機やタービンのターニングを可能とする
上述の課題を解決し、安定して始動することが出来る閉サイクルガスタービンを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、圧縮機、タービン、再生器、加熱器、冷却器からなる閉サイクルガスタービンは、前記圧縮機に回転軸で動力伝達可能に接続された駆動用モータと、前記タービンに動力伝達可能に接続されたモータ・ジェネレータと、前記駆動用モータに電気的に接続されたインバータと、前記モータ・ジェネレータに電気的に接続された双方向インバータと、を備える。前記圧縮機と前記タービンとは、動力伝達可能には接続されていない。

前記閉サイクルガスタービンにおいては、前記モータ・ジェネレータで発電した電力を前記駆動用モータに供給可能に電力線を結線していてもよい。

本発明の第２の態様によれば、前記閉サイクルガスタービンは、前記タービン入口に、前記加熱器から流入する作動流体の流量を調整するための制御弁を更に備える。

本発明の第３の態様によれば、前記閉サイクルガスタービンは、前記タービン出口に、前記タービンから流出する作動流体の流量を調整するための制御弁を更に備える。

本発明の第４の態様によれば、前記閉サイクルガスタービンは、前記圧縮機に回転軸で動力伝達可能に連結された補助タービンを更に備える。そして、前記閉サイクルガスタービンは、前記タービンの入口上流から分岐して前記補助タービンの入口へ至る補助タービン入口流路と、前記タービンの出口から前記再生器へ至る作動流体流路へ合流する、補助タービン出口流路を有する。

本発明の第５の態様によれば、前記駆動用モータと前記圧縮機を連結する前記回転軸に、適宜動力を伝達または遮断可能とするクラッチが設けられている。

本発明によれば、圧縮機とタービンとが動力伝達可能には接続されていないため、閉サイクルガスタービンの始動時に圧縮機とタービンとを異なる回転速度で運転できる。このため、半径流タービンを使用する場合には逆流を生じることがない。また軸流タービンの場合にはタービン流量が過大となることがない。このため、安定してガスタービンを始動できる。また、始動前や停止時にはタービンに接続したモータ・ジェネレータをモータとして使用できるので、タービンのターニングが可能となり暖機運転や冷却運転ができる。

さらに圧縮機とタービンが異なる回転速度で運転できるので、部分負荷や過負荷など設計点と異なる条件で運転する場合にも、圧縮機とタービンの特性が適合する回転速度に制御でき、閉サイクルガスタービンの効率を向上できる効果もある。

本発明の第１実施形態に係る閉サイクルガスタービンを示す図である。本発明の実施形態に係る閉サイクルの運転状態を説明する図である。本発明の第２実施形態に係る閉サイクルガスタービンを示す図である。本発明の第３実施形態に係る閉サイクルガスタービンを示す図である。本発明の第４実施形態に係る閉サイクルガスタービンを示す図である。本発明の第５実施形態に係る閉サイクルガスタービンを示す図である。本発明の第６実施形態に係る閉サイクルガスタービンを示す図である。

本発明にあっては、閉サイクルガスタービンを安定して始動し、始動前の暖機運転や停止時の冷却運転も可能にするという目的を、圧縮機とタービンを駆動軸で直結せず圧縮機に駆動用モータを、タービンにモータ・ジェネレータを持つことで達成することができる。以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態に係る閉サイクルガスタービン（以下、「サイクル」と称する）１００を示す。サイクル１００は、圧縮機１と、タービン２と、再生器３と、加熱器４と、冷却器５とを備える。本実施の形態において、タービン２には従来技術のタービンを用いることができ、その形式は問わない。すなわち、タービン２としては、半径流タービン、軸流タービンいずれの形式のタービンも使用可能である。

圧縮機１には、駆動用モータである圧縮機モータ６が、回転軸２１によって動力伝達可能に接続されている。タービン２には、モータ・ジェネレータ７が回転軸２２によって動力伝達可能に接続されている。ここで、本実施形態に係るサイクル１００にあっては、圧縮機１とタービン２は、それぞれ個別に圧縮機モータ６及びモータ・ジェネレータ７に接続されている。すなわち、圧縮機１とタービン２とは、動力伝達可能には接続されていない。

圧縮機モータ６にはインバータ８が電気的に接続されている。モータ・ジェネレータ７には双方向インバータ９が電気的に接続されている。インバータ８と、双方向インバータ９とは、電力線１０によって電気的に接続されている。上記構成により、圧縮機６には電力線１０からインバータ８を介して電力が供給される。

圧縮機１の出口とタービン２の入口は、再生器３および加熱器４を介して配管で接続されている。タービン２出口と圧縮機１の入口は、再生器３および冷却器５を介して配管で接続されている。このようにして、サイクル１００は閉サイクルを構成している。

本実施形態に係るサイクル１００は、作動流体としてＣＯ_２を用いる。サイクル１００には、真空引きした後、ＣＯ_２が所定の量封入してある。加熱器４の熱源として各種燃料のほか、３００℃以下の排熱も利用可能である。冷却器５は、外気温度程度の冷却熱媒で冷却される。

［動作］
以下、図１に基づいて、サイクル１００の動作を説明する。サイクル１００の始動時には、冷却器５に冷却熱媒（図示せず）を流した後、圧縮機モータ６を使用して圧縮機１を指定の回転速度で駆動するとともに加熱器４でＣＯ_２を加熱する。このときタービン２は、逆流や流量過多を生じることなく出力を発生できる状態を判定するための式である式（１）で求める値がタービン特性から定まる所定の値以上になるようにモータ・ジェネレータ７をモータとして使用して回転速度を増加させていく。ここでｐは圧力（Ｐａ）、ρは密度（ｋｇ/ｍ^３）、Ｕは半径流タービンの場合は羽根車の周速度（ｍ/ｓ）、軸流タービンの場合は平均軸流流速（ｍ/ｓ）である。また添字i、oはそれぞれ入口および出口を表す。

Ψ＝（ｐ_ｉ−ｐ_ｏ）／（ρ_ｉＵ^２／２）・・・（１）

タービン２の入口温度が所定の値となると、タービン出力が増加してやがて自立運転に入りモータ・ジェネレータ７が発電機として作動して電気出力が得られる。この電気出力は双方向インバータ９を介して電力線１０に送られ、インバータ８を介して圧縮機モータ６を駆動する。

［運転特性］
図２は、本実施形態に係るサイクル１００の始動から定格運転までの状態を、縦軸圧力（ＭＰａ）、横軸比エンタルピー（ｋＪ/ｋｇ）で表したモリエル線図上に示したものである。ここで、臨界点（７．３８ＭＰａ、３１．０６℃）より左側の曲線は飽和液線、右側の曲線は飽和蒸気線であり、飽和液線より左は過冷却液、飽和蒸気線より右側は過熱蒸気、両曲線に囲まれた部分は気液二相の状態である。また、臨界点から上方に伸びる破線は各圧力で比熱が温度変化に対し急峻に最大値を示す点を連ねた擬臨界線である。臨界点より圧力が高い状態では臨界温度３１．０６℃の等温線の左側が液相、右側が気相であるが、密度は擬臨界線付近で大きく変化する。

図中に白丸（○）で記したサイクル点は、本実施形態に係るサイクル１００の運転結果の一例を示す。始動前と記した黒丸（●）（４．８ＭＰａ，２５．３℃）はサイクル１００にＣＯ_２を所定量封入した後、雰囲気温度で平衡に達した状態である。各構成機器内のＣＯ_２の温度は等しい。また、各構成機器内のＣＯ_２の圧力も等しい。このとき、圧縮機１の入口とタービン２の入口におけるＣＯ_２の密度は共に１２２．８ｋｇ/ｍ^３と等しい。

このときの運転では、サイクル１００の始動６０分後にはサイクルは安定し定常運転状態になった。このとき圧縮機１の入口で圧力７．５ＭＰａ、温度３１℃であったＣＯ_２は約１１ＭＰａまで圧縮され、再生器３でタービン２を流出した高温のＣＯ_２と熱交換した後、加熱器４で加熱され２６４℃の過熱ガスとなってタービン２に流入する。この高温、高圧のＣＯ_２はタービン２で７．８ＭＰａまで膨脹する際、モータ・ジェネレータ７を駆動して２４０℃程度まで温度が低下し、再生器３で圧縮機２から吐出されたＣＯ_２と熱交換した後、冷却器５で冷却され圧縮機１へ戻る。ここで、圧縮機１の入口におけるＣＯ_２の密度は５８２ｋｇ/ｍ^３と、タービン２の入口におけるＣＯ_２の密度１１０ｋｇ/ｍ^３の約５．３倍となっている。

このように、本実施形態によれば、サイクル１００の始動時に、回転軸２１によって接続された駆動用モータである圧縮機モータ６によって圧縮機１を駆動するとともに、圧縮機１とは独立してタービン２をモータ・ジェネレータ７によって駆動することが出来る。そして、圧縮機１の駆動状態に影響されること無く、タービン２の回転数を増加させることができる。そして、サイクル１００の運転条件に到達した後は、タービン２を作動させて、自立運転をすることができる。従って、タービン２の種類に関わらず、安定してサイクル１００を始動することが可能となる。即ち、タービン２が半径流タービンであったとしても、軸流タービンであったとしても、安定してサイクル１００を始動することが可能となる。

即ち、本実施形態は、閉サイクルガスタービンにおいてタービンと圧縮機を駆動軸で直結せず、圧縮機には駆動用モータを、タービンにはモータ・ジェネレータを接続して始動前および停止時の圧縮機とタービンのターニングが可能となる。さらに始動時には圧縮機とタービンの特性に適合した回転速度で運転し、発電開始後は発電出力の一部で圧縮機モータを駆動することを特徴としている。

［第２実施形態］
以下、図３に基づいて、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と共通する構成要件については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図３に、本発明の第２実施形態に係るサイクル２００を示す。サイクル２００は、タービン２の上流に流量制御弁１１を設置した点が第１実施形態に係るサイクル１００と異なる。

このように構成すると、上述の第１実施形態で得られる効果に加えて、サイクル２００の始動時に流量制御弁１１を絞ることにより圧縮機１の出入口差圧を大きくすることができるという効果が得られる。これにより、タービン２が逆流や流量過多を生じることなく出力を発生できる状態を判定するための式（１）の分子を速やかに増加でき、サイクル２００の始動に要する時間を短くできるという利点を有する。

［第３実施形態］
以下、図４に基づいて、本発明の第３実施形態を説明する。なお、前記実施形態と共通する構成要件については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図４に、本発明の第３実施形態に係るサイクル３００を示す。サイクル３００は、タービン２の下流に流量制御弁１１を設置した点が第２実施形態に係るサイクル２００と異なる。

このように構成すると、タービン２の出口における密度の小さいＣＯ_２を流さなければならないため、流量制御弁１１の容量は図３に示す第２実施形態に比べ大きくなる。しかしながら、特に出力を増加させるためにタービン２の入口温度が高くなるようにサイクル３００を設計した場合には、タービン２の入口より温度の低いＣＯ_２が流れることになるので流量制御弁１１の耐久性や信頼性を向上できるという効果が得られる。

なお、上記実施形態において、モータ・ジェネレータ７の代わりに、発電機とターニング用のモータをタービン２に個別に設置しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

［第４実施形態］
以下、図５に基づいて、本発明の第４実施形態を説明する。なお、前記実施形態と共通する構成要件については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図５に、本発明の第４実施形態に係るサイクル４００を示す。サイクル４００は、圧縮機１に動力伝達可能に連結された補助タービン１２を有する点が第１実施形態に係るサイクル１００と異なる。

補助タービン１２は、回転軸２１によって圧縮機１に動力伝達可能に連結される。補助タービン１２は、タービン２と並列に接続される。即ち、サイクル４００を構成する配管は、タービン２の上流において、分岐部３１において二股に分岐する。分岐部３１において分岐した一方の配管はタービン２に接続される。分岐部３１において分岐した他方の配管は、補助タービン入口流路である入口流路３２となって、補助タービン１２に接続される。補助タービン１２の出口には、補助タービン出口流路である出口流路３３が接続される。出口流路３３は、タービン２の出口配管と合流部３４にて合流し、タービン２の出口配管と共に再生器３に接続される。

タービン２の上流から分岐部３１において分岐した高温、高圧のＣＯ_２は、入口流路３２によって補助タービン１２に導かれる。補助タービン１２に導かれた高温、高圧のＣＯ_２は、補助タービン１２において膨張される。補助タービン１２で膨脹したＣＯ_２は、出口流路３３によって合流部３４まで導かれる。そして、合流部３４において、タービン２で膨脹したＣＯ_２と合流して再生器３へ流入する。

ここで、補助タービン１２が半径流タービンの場合には、翼車外径を圧縮機１の翼車の略１．３倍以下となるように設計するとよい。また、補助タービン１２が軸流タービンの場合には、風量がタービン２の１/３程度となるように設計するとよい。このように構成すると、始動時にタービン２を停止しておけば、補助タービン１２の容量が小さいので、圧縮機１を所定の回転速度で回転させながら加熱器４でＣＯ_２を加熱することによりサイクル４００を昇圧することができる。そして、タービン出力を発生できる状態を判定するための式（１）で求める値がタービン２の特性から定まる所定の値以上になった時点で、モータ・ジェネレータ７でタービン２を始動し加熱器４の出力を増加させる。そうすると、タービン２は自立状態になりモータ・ジェネレータ７が発電機として作動して電気出力が得られる。

更にこのとき、補助タービン１２も圧縮機１を駆動するので、圧縮機モータ６へ供給する電力を低減できサイクルの発電効率を増加できる。特に加熱器４の熱源がガスタービンやガスエンジン及び各種熱システムの排熱の場合、排熱量が増加したとき補助タービン１２の出力を増加させ圧縮機モータ６へ供給する電力を大幅に低減できる効果を得ることが可能となる。

［第５実施形態］
以下、図６に基づいて、本発明の第５実施形態を説明する。なお、前記実施形態と共通する構成要件については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図６に、本発明の第５実施形態に係るサイクル５００を示す。サイクル５００は、本発明の第４実施形態に係るサイクル４００と基本的な構成が同じであるが、タービン２の下流に流量制御弁１１を設置した点がサイクル４００と異なる。

このように構成すると、サイクル５００の始動時に流量制御弁１１を閉じることにより、タービン２へＣＯ_２が流入することを確実に防止できる。このため、逆流や流量過多を生じることなく出力を発生できる状態を判定するための式（１）の分子を速やかに増加でき始動に要する時間を短くできるという効果が得られる。

［第６実施形態］
以下、図７に基づいて、本発明の第６実施形態を説明する。なお、前記実施形態と共通する構成要件については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図７に、本発明の第６実施形態に係るサイクル６００を示す。サイクル６００は、本発明の第５実施形態に係るサイクル５００と基本的な構成が同じであるが、圧縮機駆動用の圧縮機モータ６と圧縮機１及び補助タービン１２を連結する回転軸２１にクラッチ２３を設けた点が異なる。

このように構成すると、特に加熱器４の熱源がガスタービンやガスエンジン及び各種熱システムの排熱の場合、排熱量が増加したとき補助タービン１２の出力を増加させクラッチ１３により圧縮機モータ６から圧縮機１への動力を遮断し、圧縮機モータ６へ電力を供給することなく補助タービン１２でのみ圧縮機１を駆動できるので、更にサイクルの発電効率を向上できる効果がある。

本発明によれば、圧縮機やタービンに損傷を与えることなく安定に閉サイクルガスタービンを始動できるので、各種燃料や太陽熱、バイオマス、工業排熱などを使用する閉サイクルガスタービンに適用できる。

１圧縮機
２タービン
３再生器
４加熱器
５冷却器
６圧縮機モータ
７モータ・ジェネレータ
８インバータ
９双方向インバータ
１０電力線
１１流量制御弁
１２補助タービン
２３クラッチ

Claims

圧縮機、タービン、再生器、加熱器、冷却器からなる閉サイクルガスタービンであって、
前記圧縮機に回転軸で動力伝達可能に接続された駆動用モータと、
前記タービンに動力伝達可能に接続されたモータ・ジェネレータと、
前記駆動用モータに電気的に接続されたインバータと、
前記モータ・ジェネレータに電気的に接続された双方向インバータと、
を備え、
前記圧縮機と前記タービンとは、動力伝達可能には接続されていない
閉サイクルガスタービン。
請求項１に記載の閉サイクルガスタービンであって、
前記モータ・ジェネレータで発電した電力を前記駆動用モータに供給可能に電力線を結線した閉サイクルガスタービン。
請求項１に記載の閉サイクルガスタービンであって、
前記タービン入口に、前記加熱器から流入する作動流体の流量を調整するための制御弁を更に備える閉サイクルガスタービン。
請求項１に記載の閉サイクルガスタービンであって、
前記タービン出口に、前記タービンから流出する作動流体の流量を調整するための制御弁を更に備える閉サイクルガスタービン。
請求項１から４のいずれか１項に記載の閉サイクルガスタービンであって、
前記圧縮機に回転軸で動力伝達可能に連結された補助タービンを更に備え、
前記タービンの入口上流から分岐して前記補助タービンの入口へ至る補助タービン入口流路と、
前記タービンの出口から前記再生器へ至る作動流体流路へ合流する、補助タービン出口流路を有する
閉サイクルガスタービン。
請求項５に記載の閉サイクルガスタービンであって、
前記駆動用モータと前記圧縮機を連結する前記回転軸に、適宜動力を伝達または遮断可能とするクラッチが設けられた閉サイクルガスタービン。