JP5932121B1 - ガスタービンプラント及び既設ガスタービンプラントの改良方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの負担の増大を抑制しつつ、タービン側へと流入するガス流量を増やしてガスタービンの出力を向上させることができるガスタービンプラント及び既設ガスタービンプラントの改良方法を提供する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、圧縮機とロータで接続され、燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却空気としてタービンに供給する抽気配管と、を有するガスタービンと、圧縮機とは異なる別置圧縮機及び別置圧縮機を回転させる原動機を有する補助圧縮空気供給設備と、別置圧縮機と抽気配管とを接続し、抽気配管に別置圧縮機で圧縮された補助圧縮空気を供給する補助圧縮空気配管と、補助圧縮空気配管に設けられた制御弁と、を有する補助圧縮空気供給装置と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンプラント及び既設ガスタービンプラントの改良方法に関する。

従来、ガスタービンプラントは、圧縮機と燃焼器とタービンとを有し、圧縮機で圧縮した空気を燃料が供給される燃焼器で燃焼させ燃焼ガスを生成する。そして、生成された燃焼ガスをタービンに供給し、タービンを回転させることで、熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。

特許文献１には、ガスタービンプラントのタービンと連結した圧縮機とは、別置きの圧縮機を設け、別置きの圧縮機で圧縮した空気をガスタービンプラントに供給する構成が記載されている。

特表２００２−５１９５８０号公報

特許文献１に記載の装置のように別置の圧縮機を設け、供給する空気の流量を増加させることで、外気の温度が高く空気密度が低い空気を吸気する環境であっても、低下したガスタービンプラントの出力を増加させることができる。しかしながら、特許文献１に記載の装置では、別置圧縮機から供給した圧縮空気がガスタービンに与える負荷の増加が大きくなる場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガスタービンの負担の増大を抑制しつつ、タービン側へと流入するガス流量を増やしてガスタービンの出力を向上させることができるガスタービンプラント及び既設ガスタービンプラントの改良方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ガスタービンプラントであって、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気と燃料を混合して燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記圧縮機と接続され、前記燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却空気としてタービンに供給する抽気配管と、を有するガスタービンと、前記圧縮機とは異なる別置圧縮機と、前記別置圧縮機を回転させる原動機と、前記別置圧縮機と前記抽気配管とを接続し、前記抽気配管に前記別置圧縮機で圧縮された補助圧縮空気を供給する補助圧縮空気配管と、前記補助圧縮空気配管に設けられた制御弁と、を有する補助圧縮空気供給装置と、を備えることを特徴とする。

また、前記ガスタービンは、前記抽気配管に接続された冷却空気を冷却する冷却装置を備え、前記補助圧縮空気配管は、前記抽気配管のうち前記冷却装置と前記圧縮機の間の抽気配管に接続されることが好ましい。

また、前記抽気配管は、前記冷却装置により冷却された冷却空気を前記タービンに供給することが好ましい。

また、前記別置圧縮機で生成される補助圧縮空気が所定の条件になると前記制御弁を開き、前記補助圧縮空気配管を介して前記抽気配管に補助圧縮空気を供給する制御部を備えることが好ましい。

また、前記制御部は、所定の条件になるまでに生成される補助圧縮空気をブローすることが好ましい。

また、前記別置圧縮機は、多段圧縮機であることが好ましい。

また、本発明は、既設ガスタービンプラントの改良方法であって、タービン建屋内に配置された圧縮機と、前記タービン建屋内に配置され、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記タービン建屋内に配置され、前記燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却空気としてタービンに供給する抽気配管と、を備える既設ガスタービンプラントの改良方法であって、圧縮空気を生成する別置圧縮機と前記別置圧縮機を駆動させる原動機を備える補助圧縮空気供給設備を前記タービン建屋の外に配置するステップと、前記補助圧縮空気供給設備の前記別置圧縮機で生成される補助圧縮空気が流れる補助圧縮空気配管を前記抽気配管の前記タービン建屋外に配置された部分に接続するステップと、を有することを特徴とする。

本発明は、別置圧縮機から供給する圧縮空気を冷却空気として供給することでガスタービンの圧縮機から供給する圧縮空気をより多く燃焼に用いることができる。これにより、ガスタービンの負担の増大を抑制しつつ、タービン側へと流入するガス流量を増やしてガスタービンの出力を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態に係るガスタービンプラントの一例を示す概略構成図である。 図２は、第１実施形態に係るガスタービンの一例を示す概略構成図である。 図３Ａは、第１実施形態に係るガスタービンプラントの動作の一例を説明する説明図である。 図３Ｂは、第１実施形態に係るガスタービンプラントの動作の一例を説明する説明図である。 図４Ａは、既設ガスタービンプラントの改良方法の一例を示す概略構成図である。 図４Ｂは、既設ガスタービンプラントの改良方法の一例を示す概略構成図である。 図４Ｃは、既設ガスタービンプラントの改良方法の一例を示す概略構成図である。 図５は、第２実施形態に係るガスタービンプラントの一例を示す概略構成図である。 図６は、第２実施形態に係るガスタービンと補助圧縮空気供給装置の一例を示す概略構成図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、本発明にかかる第１実施形態によるガスタービンプラントの概略構成図である。図２は、第１実施形態に係るガスタービンの一例を示す概略構成図である。図１に示すように、ガスタービンプラント１００は、ガスタービン１０２と、発電機１０４と、補助圧縮空気供給装置１０６と、制御装置１０８と、を有する。制御装置１０８は、ガスタービンプラント１００の各部の運転を制御する。ガスタービンプラント１００は、図示しないガスタービン１０２から排出される排ガスを処理する排ガス処理装置等、ガスタービンプラントが備えている各種構成を備えていてもよい。また、本実施形態のガスタービンプラント１００は、ガスタービン１０２がタービン建屋１１０に配置され、発電機１０４がタービン建屋１１０に配置され、補助圧縮空気供給装置１０６が別置建屋１１２に配置されている。タービン建屋１１０と別置建屋１１２のそれぞれに配置されたガスタービンプラント１００の各部は、圧縮空気が流れる配管で接続されている。

図１及び図２に示すように、ガスタービン１０２は、圧縮機１と、車室２と、燃焼器３と、タービン４と、ＴＣＡ（Turbine Cooling Air）ライン５と、タービン軸７と、ＴＣＡクーラ８と、ＴＣＡフィルタ９と、を有する。圧縮機１、燃焼器３及びタービン４は、タービン軸７の軸心ＣＬに沿って、圧縮空気または燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって順に並設されている。ガスタービン１０２は、圧縮機１と、車室２と、燃焼器３と、タービン４と、ＴＣＡライン５の一部と、タービン軸７と、がタービン建屋１１０内に配置されている。また、ガスタービン１０２は、ＴＣＡライン５の一部と、ＴＣＡクーラ８と、ＴＣＡフィルタ９と、がタービン建屋１１０外に配置されている。

圧縮機１は、空気を圧縮して圧縮空気とするものである。圧縮機１は、空気を取り込む空気取入口１１を有した圧縮機ケーシング１２内に配置され、複数段の圧縮機静翼１３及び複数段の圧縮機動翼１４が設けられている。各段の圧縮機静翼１３は、圧縮機ケーシング１２に取り付けられて周方向に複数環状に配置され、各段の圧縮機動翼１４は、タービン軸７に取り付けられて周方向に複数環状に配置されている。これら複数段の圧縮機静翼１３と複数段の圧縮機動翼１４とは、軸方向に沿って交互に設けられている。

車室２は、いわゆる燃兼圧車室であり、圧縮機１の最終段、つまり圧縮機１の最もタービン４側の部分と繋がっている。また、車室２は、ＴＣＡライン５と接続されている。車室２内において、圧縮機１から流入された圧縮空気が燃焼器３に供給され、一部の圧縮空気がＴＣＡライン５に供給される。

燃焼器３は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給することで、高温・高圧の燃焼ガスを生成するものである。燃焼器３は、例えば、圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる内筒と、内筒から燃焼ガスをタービン４に導く尾筒と、内筒の外周を覆い、圧縮機１からの圧縮空気を内筒に導く外筒とを有している。燃焼器３は、車室２内に配置され、周方向に複数配置されている。

タービン４は、燃焼器３で生成された燃焼ガスにより回転動力を生じるものである。タービン４には、タービンケーシング３１内に配置され、複数段のタービン静翼３２及び複数段のタービン動翼３３が設けられている。各段のタービン静翼３２は、タービンケーシング３１に取り付けられて周方向に複数環状に配置され、各段のタービン動翼３３は、タービン軸７の軸心ＣＬを中心とした円盤状のディスクの外周に固定されて周方向に複数環状に配置されている。これら複数段のタービン静翼３２と複数段のタービン動翼３３とは、軸方向に沿って複数交互に設けられている。タービンケーシング３１の軸方向の下流側には、タービン４に連続するディフューザ部を内部に有した排気室３４が設けられている。

ＴＣＡライン５は、車室２と接続し、他方の端部がタービン４のロータ（回転部）内に形成された空間と接続している。ＴＣＡライン５は、経路中にＴＣＡクーラ８とＴＣＡフィルタ９が設けられている。ＴＣＡライン５は、車室２とＴＣＡクーラ８とを接続する抽気配管５ａと、ＴＣＡクーラ８を通過した圧縮空気（冷却空気）をタービン４のロータに送る抽気配管５ｂと、を有する。

ＴＣＡクーラ８は、ＴＣＡライン５に設けられた熱交換器である。ＴＣＡクーラ８は、抽気配管５ａから供給される圧縮空気と冷媒とを熱交換させ、圧縮空気の温度を低下させ、熱交換後の圧縮空気（冷却空気）を抽気配管５ｂに排出する。ＴＣＡフィルタ９は、抽気配管５ｂ、つまり圧縮空気の流れ方向において、ＴＣＡクーラ８の下流側に配置されている。ＴＣＡフィルタ９は、圧縮空気中に含まれる異物を捕集する。

上述したように、ＴＣＡクーラ８とＴＣＡフィルタ９は、タービン建屋１１０外に配置されている。このため、ＴＣＡライン５の抽気配管５ａ、５ｂは、一部がタービン建屋１１０の外に引き出されてＴＣＡクーラ８に接続されている。

発電機１０４は、駆動軸１０５を介してタービン軸７に接続されている。発電機１０４は、駆動軸１０５がタービン軸７とともに回転することで、タービン軸７の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

補助圧縮空気供給装置１０６は、別置圧縮機５０と、原動機５２と、補助圧縮空気配管５４と、制御弁５６と、熱交換器５８と、ブロー配管６０と、ブロー制御弁６２と、バイパス配管６４と、バイパス制御弁６６と、第１計測部６８と、第２計測部６９と、制御部７０と、を有する。補助圧縮空気供給装置１０６の各部は、別置建屋１１２に配置されている。

別置圧縮機５０は、圧縮機１とは別に設けられた圧縮機である。別置圧縮機５０は、例えば、多段遠心圧縮機を用いることができる。

原動機５２は、駆動軸７２で別置圧縮機５０と接続されている。原動機５２は、駆動軸７２を回転させることで、別置圧縮機５０のロータを回転させ、別置圧縮機５０を駆動させる。原動機５２は、燃料を燃焼して別置圧縮機５０を回転させる原動機を用いることが好ましい。原動機５２は、例えば、ガスエンジン、ガソリンエンジン等の化石燃料を燃焼させる原動機を用いることができる。

補助圧縮空気配管５４は、一方の端部が別置圧縮機５０と接続し、他方の端部がＴＣＡライン５ａと接続している。補助圧縮空気配管５４は、別置建屋１１２の中にある補助圧縮空気配管５４ａと、別置建屋１１２の外にある補助圧縮空気配管５４ｂと、を有する。補助圧縮空気配管５４は、圧縮機５０により圧縮された空気である補助圧縮空気をＴＣＡライン５ａに送出する。

制御弁５６は、補助圧縮空気配管５４に設けられている。制御弁５６は、開閉を切り換えることで、別置圧縮機５０により圧縮された空気である補助圧縮空気をＴＣＡライン５ａに送出する状態と停止する状態とを切り換えることができる弁である。また、制御弁５６は、開度を調整な流量調整弁でもよい。制御弁５６に流量調整弁を用いることで、補助圧縮空気配管５４を流れ、ＴＣＡライン５ａに供給する圧縮空気の流量を調整することができる。また、補助圧縮空気供給装置１０６は、機能が異なる複数の制御弁５６を複数設けてもよい。

熱交換器５８は、補助圧縮空気の流れ方向において、制御弁５６よりも上流側の補助圧縮空気配管５４に配置されている。熱交換器５８は、原動機５２から排出される排ガス供給流路７４を有し、排ガス供給流路７４を流れる排ガスを熱媒として、排ガスと補助圧縮空気との間で熱交換を行い、補助圧縮空気の温度を上昇させる。なお、熱交換器５８は、補助圧縮空気の温度を上昇できればよく、排ガス以外の流体を熱媒として用いてもよい。

ブロー配管６０は、一方の端部が補助圧縮空気の流れ方向において、熱交換器５８よりも下流側で制御弁５６よりも上流側の部分の補助圧縮空気配管５４と接続し、他方の端部が大気に開放されている。ブロー制御弁６２は、ブロー配管６０に配置されている。ブロー制御弁６２は、開閉を切り換えることができる開閉弁である。補助圧縮空気供給装置１０６は、補助圧縮空気配管５４にブロー配管６０及びブロー制御弁６２を設けることで、ブロー制御弁６０の開閉を切り換えることで、補助圧縮空気配管５４を流れる補助圧縮空気をブロー配管６０から大気に排出する状態と、排出しない状態とを切り換えることができる。

バイパス配管６４は、一方の端部が補助圧縮空気の流れ方向において、熱交換器５８よりも上流側の部分の補助圧縮空気配管５４と接続し、他方の端部が補助圧縮空気の流れ方向において、熱交換器５８よりも下流側でブロー配管６０との接続部分よりも上流側の部分の補助圧縮空気配管５４と接続している。つまり、バイパス制御弁６６は、補助圧縮空気配管５４を流れる補助圧縮空気が熱交換器５８をバイパスする配管となる。バイパス制御弁６６は、バイパス配管６４に配置されている。バイパス制御弁６６は、流量調整弁であり、開度を調整することで、熱交換器５８を通過する圧縮空気と熱交換器５８をバイパスする圧縮空気との割合を調整する。

第１計測部６８は、別置圧縮機５０と熱交換器５８との間の部分の補助圧縮空気配管５４に配置されている。第１計測部６８は、別置圧縮機５０から排出された補助圧縮空気の状態を計測する。第２計測部６９は、バイパス配管６４との接続部と制御弁５６との間の部分の補助圧縮空気配管５４に配置されている。第２計測部６９は、補助圧縮空気配管５４を流れ、熱交換器５８を通過した補助圧縮空気とバイパス配管６４を通過した圧縮空気とが合流した後の補助圧縮空気の状態を計測する。第１計測部６８と第２計測部６９は、補助圧縮空気の状態として、温度及び圧力を計測する。

制御部７０は、制御装置１０８からの指令や第１計測部６８、第２計測部６９の計測結果に基づいて、補助圧縮空気供給装置１０６の各部、具体的には原動機５２、制御弁５６、ブロー制御弁６２、バイパス制御弁６６の各部の動作を制御する。

次に、図１及び図２に加え、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、ガスタービンプラント１００の運転について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、第１実施形態に係るガスタービンプラントの動作の一例を説明する説明図である。図３Ａは、補助圧縮空気供給装置１０６の停止状態におけるガスタービンプラントの動作を示している。図３Ｂは、補助圧縮空気供給装置１０６の稼動状態におけるガスタービンプラントの動作を示している。

まず、図３Ａを用いて、補助圧縮空気供給装置１０６が停止状態である場合のガスタービンプラント１００の動作について説明する。図３Ａに示すガスタービンプラント１００は、制御弁５６が閉じられている。ガスタービンプラント１００は、タービン軸７を回転させると、圧縮機１の空気取入口１１から空気が取り込まれる。圧縮機１に取り込まれた空気は、複数段の圧縮機静翼１３と複数段の圧縮機動翼１４を通過することにより圧縮されることで、高温・高圧の圧縮空気となる。圧縮機１で生成された圧縮空気１３０は、車室２に流入して、一部の圧縮空気１３２が燃焼器３に供給される。また、圧縮空気１３０の一部の圧縮空気１３４は、車室２から抽気配管５ａに供給される。

ガスタービンプラント１００は、燃焼器３で圧縮空気１３２に燃料を混合させて、燃料を燃焼させることで燃焼ガスを生成する。ガスタービンプラント１００は、燃焼ガスがタービン４の複数段のタービン静翼３２と複数段のタービン動翼３３とを通過することでタービン軸７が回転駆動する。ガスタービンプラント１００は、タービン軸７が回転し、タービン軸７と一体で駆動軸１０５が回転することで、発電機１０４が発電を行う。また、タービン軸７を回転駆動した後の燃焼ガスは、排気室３４から系外に排出される。

また、圧縮機１で圧縮された圧縮空気１３０のうち、抽気配管５ａに供給される圧縮空気１３４は、ＴＣＡクーラ８を通過して冷却され、ＴＣＡフィルタ９で異物が除去される。そして、圧縮空気１３４は、タービン４のロータ、つまり、タービン軸７やタービン動翼３３に供給され、タービン軸７やタービン動翼３３を冷却する。

ここで、大気温度が上昇すると空気の密度が小さくなり、圧縮機１により取り込まれる空気の質量流量が減少するため、ガスタービン出力が低下する。本実施形態のガスタービンプラント１００では、ガスタービン１０２が定格で運転しているときに、上記の理由により低下したガスタービン出力を増加させるために、補助圧縮空気供給装置１０６を起動させる。

補助圧縮空気供給装置１０６が起動すると、制御部７０は、原動機５２を駆動させて、別置圧縮機５０により圧縮空気を生成させる。このとき、制御部７０は、制御弁５６を閉とし、ブロー制御弁６２を開とする。駆動時に別置圧縮機５０から排出される補助圧縮空気は、所定の圧力よりも圧力が低く、温度も低い状態のため、ブロー配管６０から外部に排出される。また、制御部７０は、バイパス制御弁６６の開度を調整し、熱交換器５８を通過する補助圧縮空気の流量を調整する。

制御部７０は、第２計測部６９で計測した補助圧縮空気の状態が所定の条件になると制御弁５６を開く。この所定の条件としては、例えば、補助圧縮空気の圧力が車室２に流入されている圧縮空気１３２の圧力よりも高い値であり、補助圧縮空気の温度が車室２に流入されている圧縮空気１３０の温度に近い値である。制御弁５６が開くことで、補助圧縮空気供給装置１０６からガスタービン１０２に補助圧縮空気の供給が開始する。

ガスタービンプラント１００は、制御弁５６を開くことで、図３Ｂに示すように、補助圧縮空気供給装置１０６から補助圧縮空気配管５４ａが接続された抽気配管５ａに補助圧縮空気１４０を供給する。ガスタービンプラント１００は、補助圧縮空気１４０が供給されることで、補助圧縮空気供給装置１０６の停止状態に比べて、圧縮機１で生成した圧縮空気１３０のうち、車室２から抽気配管５ａに供給される圧縮空気１３４が減り、燃焼器３に供給される圧縮空気１３２ａが増加する。これにより、ガスタービンプラント１００は、圧縮機１で生成した圧縮空気１３０をより多く燃焼器３に供給することができ、燃焼器３で生成される燃料ガスの流量をより多くすることができる。したがって、ガスタービンプラント１００は、ガスタービン出力を増加させることができ、発電量を増加させることができる。また、補助圧縮空気供給装置１０６から供給される補助圧縮空気１４０は冷却空気としてガスタービン１０２に供給されるので、ガスタービン１０２の各部を適切に冷却することができる。

このように、本実施形態のガスタービンプラント１００は、ガスタービン１０２に圧縮機１で生成された圧縮空気１３０とは別の圧縮空気である補助圧縮空気１４０を供給できる別置圧縮機５０を有した補助圧縮空気供給装置１０６を備えている。このため、ガスタービンプラント１００は、圧縮機１により圧縮された圧縮空気１３０と別置圧縮機５０により圧縮された補助圧縮空気１４０の圧縮空気を用いて、ガスタービン出力を増加させることができる。

また、本実施形態のガスタービンプラント１００は、補助圧縮空気供給装置１０６から供給される補助圧縮空気１４０をタービン４のロータを冷却する冷却空気として用いることで、圧縮機１で生成した圧縮空気１３０のうち、タービン４のロータを冷却する冷却空気に用いる圧縮空気量を減少させる又は無くすことができる。これにより、圧縮機１で生成した圧縮空気１３０から燃焼器３に供給する圧縮空気の流量を増加させつつ、タービン４のロータの冷却用の冷却空気を確保することができる。

ガスタービンプラント１００は、別置圧縮機５０により圧縮された補助圧縮空気１４０が流れる補助圧縮空気配管５４をＴＣＡライン５に接続している。具体的には、補助圧縮空気配管５４が車室２から抽気された圧縮空気（冷却空気）をＴＣＡクーラ８に送出する抽気配管５ａに接続されている。すなわち、補助圧縮空気供給装置１０６から供給される補助圧縮空気１４０は、ＴＣＡクーラ８やＴＣＡフィルタ９を有するＴＣＡライン５を通って、ガスタービン１０２に供給され、タービン４のロータを冷却する冷却空気として利用される。

これにより、例えば、従来技術のように補助圧縮空気を車室（燃兼圧車室）に供給する構造の場合に比べて、本実施形態のガスタービンプラント１００は、燃焼器３に供給される圧縮空気の変化を抑制することができる。つまり、補助圧縮空気と圧縮空気が混合して燃焼器３に供給されることで、燃焼器３における燃焼状態にばらつきが生じることを抑制することができる。このため、補助圧縮空気と圧縮空気の温度差によって燃焼用空気密度の偏りが発生し、燃焼器毎に燃焼状態が異なることを抑制することができる。したがって、排気室３４に流れる燃焼ガス温度の偏差が大きくなることで生じるインターロックによる運転制限や燃焼ガス温度の偏差によるタービン内部での燃焼ガス流れの不均一によるタービン部品への悪影響を抑制することができる。

さらに、従来技術のように補助圧縮空気を車室に供給する場合では、マニホールド等を設けて補助圧縮空気を車室の周方向の複数の位置から供給する構造が考えられる。しかしながら、この構造では、車室周りに十分にスペースがないため、既存配管を避けるような構造になり複雑な形状のマニホールドを設ける必要がある。これに対して、本実施形態のガスタービンプラント１００は、タービン建屋１１０外に配置された抽気配管５ａに補助圧縮空気配管５４ｂを接続する構造であるため、補助圧縮空気を供給する構造を簡素化することができる。

また、本実施形態のガスタービンプラント１００は、圧縮機１で生成した圧縮空気１３０と補助圧縮空供給装置１０６から供給される補助圧縮空気１４０の温度差を小さくすることで、抽気配管５ａに熱応力が発生することを抑制することができる。また、本実施形態のガスタービンプラント１００は、ＴＣＡクーラ８の上流側に補助圧縮空気１４０を供給する補助圧縮空気配管５４ｂを接続する構造にすることで、圧縮空気１３４を冷却空気に用いた場合と補助圧縮空気１４０を冷却空気に用いた場合とで、タービン４のロータに供給される冷却空気の変化を少なくすることができる。このため、補助圧縮空気１４０をタービン４のロータの冷却空気として用いても、圧縮空気１３４を冷却空気とした場合と同様の冷却効果を得ることができる。

本実施形態のガスタービンプラント１００は、制御部７０により、補助圧縮空気１４０が圧縮機１から車室２に供給される圧縮空気１３２の圧力よりも高くなると、補助圧縮空気１４０の供給を開始する。このため、圧縮空気１３４が流れる抽気配管５ａに制御弁を設けなくても、供給される補助圧縮空気１４０は抽気配管５ａに流入し、ＴＣＡクーラ８に向けて流れるようになる。また、予期せぬ現象で補助圧縮空気供給装置１０６から補助圧縮空気１４０の供給が停止した場合でも、圧縮機１で生成された圧縮空気１３４が抽気配管５ａに流入するため、タービン４のロータの冷却を適切に維持することができる。

ここで、上述の実施形態のガスタービンプラント１００は、補助圧縮空気供給装置１０６を備えていない既設のガスタービンプラントに、補助圧縮空気供給装置１０６を設置する改良を行うことでも実現することができる。

以下、図４Ａから図４Ｃを用いて、改良方法の一例を説明する。図４Ａから図４Ｃは、それぞれ既設ガスタービンプラントの改良方法の一例を示す概略構成図である。既設ガスタービンプラント２００は、図４Ａに示すように、ガスタービン１０２と発電機１０４とを有する。ガスタービン１０２と発電機１０４は、上述したガスタービンプラント１００と同様の各部を備えているが説明は省略する。また、ガスタービンプラント２００は、制御装置等も備えている。既設ガスタービンプラント２００の圧縮機１、タービン４、発電機１０４等は、タービン建屋１１０に設置されている。また、ＴＣＡクーラ８と、ＴＣＡフィルタ９とそれに接続するＴＣＡライン５の一部は、タービン建屋１１０の外に設置されている。ＴＣＡクーラ８及びＴＣＡフィルタ９がタービン建屋１１０の外に設置されており、圧縮機１とＴＣＡクーラ８とを接続する抽気配管５ａと、ＴＣＡクーラ８とタービン４とを接続する抽気配管５ｂとがタービン建屋１１０の中からタービン建屋１１０の外に延びている。

既設ガスタービンプラント２００を改良する場合、図４Ｂに示す既設ガスタービンプラント２００ａのように、タービン建屋１１０の外に補助圧縮空気供給装置１０６の別置圧縮機５０と、原動機５２と、補助圧縮空気配管５４ａと、制御弁５６と、熱交換器５８とを設置する。さらに、ブロー配管６０と、ブロー制御弁６２と、バイパス配管６４と、バイパス制御弁６６と、第１計測部６８と、第２計測部６９と、制御部７０と、をさらに設置してもよい。つまり、補助圧縮空気供給装置１０６の補助圧縮空気配管５４ｂ以外を設置する。また、本実施形態において、別置圧縮機５０と、原動機５２と、補助圧縮空気配管５４ａと、制御弁５６と、熱交換器５８とを別置建屋１１２内に設置する。

既設ガスタービンプラント２００ａに示すように、別置圧縮機５０と、原動機５２と、補助圧縮空気配管５４ａと、制御弁５６と、熱交換器５８とを設置した後、ガスタービン１０２の運転が停止状態のきに、補助圧縮空気配管５４ｂをタービン建屋１１０の外に配置された抽気配管５ａに接続する。これにより、図４Ｃに示す既設ガスタービンプラント２００ｂのように、補助圧縮空気供給装置１０６がガスタービン１０２に接続することができ、既設ガスタービンプラント２００に補助圧縮空気供給装置１０６が設ける改良を実現することができる。

本実施形態の既設ガスタービンプラントの改良方法は、補助圧縮空気供給装置１０６をタービン建屋１１０の外に設けることで、既設ガスタービンプラントの運転中に、補助圧縮空気供給装置１０６の各部を設置することができる。また、既設ガスタービンプラントの改良方法は、補助圧縮空気配管５４を抽気配管５ｂに接続する作業以外は、ガスタービンを停止させずに行うことができる。これにより、改良の作業中もガスタービンプラントの運転を継続することができる。また、ガスタービンを止めて行う作業を少なくできるため、ガスタービンプラントの定期点検の期間中に改良を行うことができ、ガスタービンプラントの操業に与える影響を少なくしつつ、改良を行うことができる。

また、既設ガスタービンプラントの改良方法は、補助圧縮空気供給装置１０６から圧縮空気を供給する配管をＴＣＡラインに設置するため、タービン建屋１１０の外に配置された部分に配管を設置することができる。このように、抽気配管５ａは建屋外に存在するため、補助圧縮空気供給装置１０６の補助圧縮空気配管５４を抽気配管５ａに接続する際に、補助圧縮空気供給装置１０６の一部をタービン建屋１１０内へと持ち運んで作業する必要はない。これにより、作業者が補助圧縮空気供給装置１０６をタービン建屋１１０内へ運び込む手間が省け、作業の簡素化及び高効率化が可能となる。

ここで、第１実施形態のガスタービンプラント１００は、補助圧縮空気１４０を、タービン４を冷却するロータ冷却空気として用いることで、補助圧縮空気１４０をタービン４のロータの冷却空気として用いても、圧縮空気１３４を冷却空気とした場合と同様の冷却効果を得ることができるが、本発明はこれに限定されない。ガスタービンプラントは、補助圧縮空気を他の冷却空気として用いてもよい。

図５は、第２実施形態に係るガスタービンプラントの一例を示す概略構成図である。図６は、第２実施形態に係るガスタービンと補助圧縮空気供給装置の一例を示す概略構成図である。図５に示すガスタービンプラント１００ａは、ガスタービン１０２ａと、発電機１０４と、補助圧縮空気供給装置１０６ａと、制御装置１０８と、を有する。発電機１０４と、制御装置１０８は、ガスタービンプラント１００と同様の構造であるので、説明を省略する。

ガスタービン１０２ａは、ガスタービン１０２と同様の構造であり、圧縮機１と、車室２と、燃焼器３と、タービン４と、ＴＣＡ（Turbine Cooling Air）ライン５と、タービン軸７と、ＴＣＡクーラ８と、ＴＣＡフィルタ９と、を有する。また、ガスタービン１０２ａは、タービン翼冷却機構６をさらに備える。なお、ガスタービン１０２もタービン翼冷却機構６を備えていてもよい。

タービン翼冷却機構６は、圧縮機１の途中段の圧縮空気を抽気し、抽気した圧縮空気をタービン４の翼環及び静翼に供給し、各部を冷却する。タービン翼冷却機構６は、圧縮機１の３つの途中段で圧縮空気を抽気し、それぞれの圧縮空気でタービン４の別々の段の静翼を冷却する。

タービン冷却機構６は、抽気配管２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃと、逆止弁２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃと、を有する。抽気配管２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃは、一方の端部が圧縮機１に接続され、他方の端部がタービン４に接続されている。抽気配管２０２ａは、抽気配管２０２ｂよりも高圧の圧縮空気、燃焼ガスが流れる位置に接続されている。抽気配管２０２ｂは、抽気配管２０２ｃよりも高圧の圧縮空気、燃焼ガスが流れる位置に接続されている。逆止弁２０４ａは、抽気配管２０２ａに設けられている。逆止弁２０４ｂは、抽気配管２０２ｂに設けられている。逆止弁２０４ｃは、抽気配管２０２ｃに設けられている。逆止弁２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃは、圧縮機１からタービン４に向けて圧縮空気が流れ、タービン４から圧縮機１に向けて圧縮空気が流れないように、圧縮空気の流れを一方向に制限する弁である。タービン冷却機構６は、圧縮機１から抽気した圧縮空気をタービン４に供給し、タービン４の静翼、翼環、ケーシング等を通過させることで、通過する領域の部品を冷却する。タービン冷却機構６からタービン４に供給された圧縮空気は、フィルム空気、シール空気として燃焼ガスが流れる流路に排出されたり、より低圧な領域の冷却空気として別の領域に供給されたりする。

補助圧縮空気供給装置１０６ａは、別置圧縮機５０と、原動機５２と、制御弁５６と、供給配管２２０、２２２、２２４と、回収配管２２６、２２８、２３０と、制御弁２３１と、を有する。補助圧縮空気供給装置１０６ａは、補助圧縮空気供給装置１０６と同様に、熱交換器５８、ブロー配管６０及びブロー制御弁６２、バイパス配管６４及びバイパス制御弁６６と、計測部と、制御部等を備えていてもよい。別置圧縮機５０と、原動機５２と、制御弁５６とは、補助圧縮空気供給装置１０６の各部同様の構造であるので、説明を省略する。

補助圧縮空気供給装置１０６ａは、別置圧縮機５０で生成した圧縮空気が流れる配管として、供給配管２２０、２２２、２２４と、回収配管２２６、２２８、２３０を有する。供給配管２２０は、一方の端部が別置圧縮機５０と接続し他方の端部が供給配管２２２及び供給配管２２４と接続している。供給配管２２２は、一方の端部が供給配管２２０と接続し、他方の端部が抽気配管２０２ａと接続している。供給配管２２４は、一方の端部が供給配管２２０と接続し、他方の端部が抽気配管２０２ｂと接続している。回収配管２２６は、一方の端部がタービン４と接続し、他方の端部が回収配管２３０と接続している。回収配管２２８は、一方の端部がタービン４と接続し、他方の端部が回収配管２３０と接続している。回収配管２３０は、一方の端部が回収配管２２６及び回収配管２２８と接続し、他方の端部が車室２と接続している。制御弁２３１は、回収配管２３０に設けられている。制御弁２３１は、回収管２３０に流入した空気を車室２に供給するか否かを切り換える弁である。

次に、図６を用いて、補助圧縮空気が流れる経路について説明する。図６に示すように、タービン４の複数段のタービン静翼３２は、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側から順に、第１タービン静翼３２ａと、第２タービン静翼３２ｂと、第３タービン静翼３２ｃと、第４タービン静翼３２ｄとを含む。タービン静翼３２は、外シュラウド５１と、外シュラウド５１から径方向内側に延びた翼形部５３と、翼形部の径方向内側に設けられた内シュラウド（図示していない）とにより一体に形成されている。更に、タービン静翼３２は、遮熱環、翼環を介して、タービンケーシング３１から支持され、固定側となっている。

複数段のタービン動翼３３は、複数の分割環５２に対向して、径方向の内側にそれぞれ配置されている。各段のタービン動翼３３は、各分割環５２に対して所定の隙間を空けて離間して設けられており、可動側となっている。複数段のタービン動翼３３は、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側から順に、第１タービン動翼３３ａと、第２タービン動翼３３ｂと、第３タービン動翼３３ｃと、第４タービン動翼３３ｄとを含む。

このため、複数段のタービン静翼３２及び複数段のタービン動翼３３は、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側から順に、第１タービン静翼３２ａ、第１タービン動翼３３ａ、第２タービン静翼３２ｂ、第２タービン動翼３３ｂ、第３タービン静翼３２ｃ、第３タービン動翼３３ｃ、第４タービン静翼３２ｄ、第４タービン動翼３３ｄとなるように配置され、それぞれ軸方向に対向するように設けられている。

図２に示すように、タービンケーシング３１は、その径方向内側に配置され、タービンケーシング３１から支持された翼環４５を有している。翼環４５は、タービン軸７廻りに環状に形成され、周方向及び軸方向に複数に分割されて、タービンケーシング３１から支持されている。翼環４５の径方向内側には、遮熱環４６が配設され、タービン静翼３２は、遮熱環４６を介して翼環４５から支持されている。翼環４５の内側には、複数のタービン静翼３２と、複数の分割環５２とが互いに軸方向に隣接して設けられている。

供給配管２２２は、第１タービン静翼３２ａの外側シュラウド５１ａ（５１）及び第１タービン動翼３３ａと対面する翼環となる分割環５２ａ（５２）に形成された空間に接続している。また、タービン４は、外側シュラウド５１ａ（５１）の外側の翼環に形成された空間が、第１タービン静翼３２ａの外側シュラウド５１ａ及び翼形部５３に形成された冷却通路２３２と繋がっている。また、冷却通路２３２は、回収流路２２６と繋がっている。

次に、供給配管２２４は、第２タービン静翼３２ｂの外側シュラウド５１ｂ（５１）及び第２タービン動翼３３ｂと対面する翼環となる分割環５２ｂ（５２）に形成された空間に接続している。また、タービン４は、外側シュラウド５１ｂ（５１）の外側の翼環に形成された空間が、第１タービン静翼３２ａの外側シュラウド５１ａ及び翼形部５３に形成された冷却通路２３４と繋がっている。また、冷却通路２３４は、回収流路２２８と繋がっている。

ガスタービンプラント１００ａは、補助圧縮空気供給装置１０６ａが停止状態である場合、制御弁５６及び制御弁２３１を閉じている。この場合、ガスタービンプラント１００ａは、タービン冷却機構６で圧縮機１から抽気した圧縮空気をタービン４に供給し、タービン４の各部が冷却する。

補助圧縮空気供給装置１０６ａは、補助圧縮空気供給装置１０６と同様にガスタービン出力を増加させるために稼働される。補助圧縮空気供給装置１０６ａは、補助圧縮空気の状態が所定の条件になると制御弁５６及び制御弁２３１を開く。所定の条件とは、例えば、補助圧縮空気供給装置１０６ａの別置圧縮機５０で生成される補助圧縮空気の圧力が供給可能な圧力、つまり、補助圧縮空気の圧力の値がタービン冷却機構６で供給する圧縮空気の圧力がよりも高い値となった場合、制御弁５６及び制御弁２３１を開く。制御弁５６及び制御弁２３１が開くことと、補助圧縮空気供給装置１０６ａから供給配管２２０、２２２、２２４、抽気配管２０２ａ、２０２ｂを通過してタービン４に補助圧縮空気の供給が開始する。

供給配管２２２から供給された補助圧縮空気は、外側シュラウド５１ａ（５１）の外側の翼環に形成された空間を通過した後、第１タービン静翼３２ａの冷却通路２３２を通過する。冷却通路２３２を通過した補助圧縮空気は、回収流路２２６、回収流路２３０を通過した後、車室２に流入する。また、供給配管２２４から供給された補助圧縮空気は、外側シュラウド５１ｂ（５１）の外側の翼環に形成された空間を通過した後、第２タービン静翼３２ｂの冷却通路２３４を通過する。冷却通路２３４を通過した補助圧縮空気は、回収流路２２８、回収流路２３０を通過した後、車室２に流入する。また、補助圧縮空気の一部は、圧縮空気と同様に、シール空気、フィルム空気として、燃焼ガスが流れる流路内に排出される。各部を流れ、冷却空気として使用され、回収流路２３０から車室２に供給された補助圧縮空気は、圧縮機１から排出される圧縮空気とともに燃焼器３に供給される。

これにより、ガスタービンプラント１００ａは、圧縮機１で圧縮した圧縮空気のうち、冷却のために燃焼器３を経由せず、タービン４に供給する補助圧縮空気の流量を少なくすることができる。これにより、圧縮機１で圧縮した圧縮空気をより多く燃焼器に供給することができる。

また、本実施形態のガスタービンプラント１００ａは、別置圧縮機５０で必要圧力まで圧縮された補助圧縮空気をタービン４の翼環まで送り込み、補助圧縮空気でタービン翼環を冷却する。さらに、ガスタービンプラント１００ａは、タービン４の翼環冷却に用いた補助圧縮空気を、第１タービン静翼３２ａ及び第２タービン静翼３２ｂに送り込み、補助圧縮空気で各段のタービン静翼を冷却する。ガスタービンプラント１００ａは、各タービン静翼を冷却した補助圧縮空気を、各段のタービン静翼の冷却通路に繋がった回収配管２３２、２３４を通じて回収し、回収した圧縮空気を燃焼器３に供給し、ガスタービン用燃焼空気として用いる。ガスタービンプラント１００ａは、補助圧縮空気をタービン翼環及びタービン静翼の冷却に用いることで、圧縮機で圧縮され、タービン静翼に冷却空気として供給される圧縮空気の流量を低減することができ、タービン静翼の内部を通過後に燃焼ガスの流路に流出する圧縮空気の流量を削減できる。また、一部の補助圧縮空気を回収することで、タービン静翼等を流れる圧縮空気をより多くしても効率の低下を抑制することができる。

また、ガスタービンプラント１００ａは、回収配管を流れる補助圧縮空気の圧力を上昇させる圧縮機をさらに別に設けてよい。

１ 圧縮機
２ 車室
３ 燃焼器
４ タービン
５ ＴＣＡライン
５ａ抽気配管
５ｂ抽気配管
６ タービン冷却機構
７ タービン軸
８ ＴＣＡクーラ
９ ＴＣＡフィルタ
５０ 別置圧縮機
５２ 原動機
５４ 補助圧縮空気配管
５６ 制御弁
５８ 熱交換器
６０ ブロー配管
６２ ブロー制御弁
６４ バイパス配管
６６ バイパス制御弁
６８ 第１計測部
６９ 第２計測部
７０ 制御部
７２ 駆動軸
７４ 排ガス供給流路
１００、１００ａ ガスタービンプラント
１０２ ガスタービン
１０４ 発電機
１０５ 駆動軸
１０６、１０６ａ 補助圧縮空気供給装置
１０８ 制御装置
１１０ タービン建屋
１１２ 別置建屋
２００、２００ａ。２００ｂ 既設ガスタービンプラント
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ 抽気配管
２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ 逆止弁
２２０、２２２、２２４ 供給配管
２２６、２２８、２３０ 回収配管
２３１ 制御弁

Claims (6)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気と燃料を混合して燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記圧縮機と接続され、前記燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却空気としてタービンに供給する抽気配管と、を有するガスタービンと、
   前記圧縮機とは異なる別置圧縮機と、前記別置圧縮機を回転させる原動機と、前記別置圧縮機と前記抽気配管とを接続し、前記抽気配管に前記別置圧縮機で圧縮された補助圧縮空気を供給する補助圧縮空気配管と、を有する補助圧縮空気供給装置と、を備え、
   前記ガスタービンは、前記抽気配管に接続された冷却空気を冷却する冷却装置を備え、
   前記補助圧縮空気配管は、前記抽気配管のうち前記冷却装置と前記圧縮機の間の抽気配管に接続されることを特徴とするガスタービンプラント。
2. 前記抽気配管は、前記冷却装置により冷却された冷却空気を前記タービンに供給することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンプラント。
3. 前記補助圧縮空気供給装置は、前記補助圧縮空気配管に設けられた制御弁を備え、
   前記別置圧縮機で生成される補助圧縮空気が所定の条件になると前記制御弁を開き、前記補助圧縮空気配管を介して前記抽気配管に補助圧縮空気を供給する制御部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービンプラント。
4. 前記制御部は所定の条件になるまでに生成される補助圧縮空気をブローすることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンプラント。
5. 前記別置圧縮機は、多段圧縮機であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガスタービンプラント。
6. タービン建屋内に配置された圧縮機と、
   前記タービン建屋内に配置され、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記タービン建屋内に配置され、前記燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
   前記圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却空気としてタービンに供給する抽気配管と、
   前記抽気配管に接続された冷却空気を冷却する冷却装置と、を備える既設ガスタービンプラントの改良方法であって、
   圧縮空気を生成する別置圧縮機と前記別置圧縮機を駆動させる原動機を備える補助圧縮空気供給設備を前記タービン建屋の外に配置するステップと、
   前記補助圧縮空気供給設備の前記別置圧縮機で生成される補助圧縮空気が流れる補助圧縮空気配管を前記抽気配管の前記タービン建屋外に配置された部分に接続するステップと、を有し、
   前記補助圧縮空気配管は、前記抽気配管のうち前記冷却装置と前記圧縮機の間の抽気配管に接続されることを特徴とする既設ガスタービンプラントの改良方法。

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