JP6235159B2 - アクティブ油圧式ギャップ調整によるガスタービンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、部分負荷でのアクティブ油圧式ギャップ調整を有する定置ガスタービンの運転方法、およびこのような方法を採用するよう設計されたガスタービンに関する。

高効率でガスタービン運転するために、または特に始動中、また始動後に出力を増加させるために、ガスタービンにおける主流れ方向と逆にガスタービンローターを移動させることが好都合である。そのためには、ガスタービンは、油圧式ギャップ調整手段を好ましく設け、タービンブレード先端および膨張タービンのケーシング内壁の間のギャップ間隔をより小さくおよび、対応する圧縮機ブレード先端および圧縮機のケーシング内壁の間のギャップ間隔をより大きく設定するようにガスタービンローターを移動させることができる。典型的には、このようなガスタービンの幾何学的形状は、ギャップ間隔の減少により膨張タービンにおける出力の増加よりも圧縮機において生じる損失がより少なくなることを意味する。

このようにガスタービンローターの位置を変えることは、通常十分温められたガスタービンにおいてのみ行うことができる。そうでなければ、ブレード先端およびケーシング内壁の間の間隔が一時的に不所望に変化するという危険性があり、これは、ガスタービンの損傷を導くことがある。本明細書において、ギャップ調整とは、典型的には軸方向ストップの領域における油圧式移動手段の形をとることを意味し、それらは、アキシアル軸受における主および二次トラックの領域における油圧ピストンによる正確な経路変位を許容する。油圧式ギャップ調整手段はまた、これらの油圧式移動手段に加えて、適切な閉ループまたは開ループ制御手段を備え、これによって所望のギャップ間隔調整を実行することができる。

油圧式ギャップ調整手段による調整により、膨張タービンは、より効果的に動作することができ、それにより、熱エネルギーから力学的エネルギーへの変換を向上させることができる。したがって、これは、タービン入口温度が一定の場合に排ガスのタービン出口温度を低減することができる。ガスタービンが一定のタービン出口温度となるように設定された場合、ギャップ調整があるか、実施される場合に限り、逆にタービン入口温度を上げる必要がある。

定格負荷での運転の場合、ガスタービンの過燃焼の結果により、膨張タービンの第１ブレード列の損傷をもたらす可能性がある。このような損傷を防ぐために、油圧式ギャップ調整のための手段を作動する前に、排ガス温度制御（ＡＴＫ制御）によってタービン出口温度を低下させるようにガスタービンの運転が常に調整される。このような種類の調整は、通常バーナーに供給される燃料の量を制御することによって実行され、それによって、許容タービン入口温度を確実に越えないことが可能となる。

この点において、特に第１タービンステージの領域における材料の負荷をできるだけ低く維持するために、ＡＴＫ制御は、タービン入口温度を可能な限り低く設定することを保証する。さらに、ＡＴＫ制御はまた、できるだけ高いガスタービン効率を達成するために、最大可能タービン入口温度を利用するのに役立つ。

しかし、従来技術において既知のこれらの方法における欠点は、部分負荷の場合、ＡＴＫ制御されたタービン出口温度の低下は、また同時に不所望のガスタービンの効率の低下を導くということである。したがって特に、タービンが部分負荷運転となるガスタービンの始動の間、例えばガスタービンの潜在能力および全ての効率を使用することが不可能となる。

この点に関して、従来技術において生じる欠点を回避、または低減することができる方法を提案することが技術的に必要である。したがって、目的は、油圧式ギャップ調整手段の動作中に、同時に効率を向上させることができる運転方法を提案することである。

本発明の基礎となるこの目的は、請求項１に記載の方法、および請求項７に記載のガスタービンによって達成される。

特に、本発明の基礎となるこの目的は、部分負荷で定置ガスタービンを運転する方法によって達成され、定置ガスタービンは、少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの膨張タービン、および少なくとも１つのバーナーが設けられた燃焼室を有し、ガスタービンは、油圧式ギャップ調整手段をさらに備え、方法は、以下のステップ：
− ガスタービンを部分負荷で運転するステップ
− 油圧式ギャップ調整手段を動作させるステップ
− 油圧式ギャップ調整手段を動作させる間に、バーナーに供給する燃料を増やし、燃焼温度を上げるステップ
を有する。

本発明の基礎となる目的はまた、少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの膨張タービン、および少なくとも１つのバーナーが設けられた燃焼室を有する定置ガスタービンによって達成され、ガスタービンはさらに、油圧式ギャップ調整手段を備え、また前述および／または後述の方法の１つによってガスタービンを運転するように設計されるガスタービン閉ループ制御ユニットを備える。

この点において、部分負荷運転範囲がこの場合定格負荷運転範囲より下の運転範囲であることが理解されるべきであることに留意されたい。特に、部分負荷範囲は、ガスタービンの定格速度に達する前の比較的冷たい運転状態からの始動中の負荷範囲に関連する。

また油圧式ギャップ調整手段の動作は、典型的にはギャップ制御として実行される能動的な移動プロシージャとして理解することができることに留意されたい。同様に、これらの手段が非活性化することなしに作動手段によってギャップ調整が既に行われている場合、手段の動作は、既に存在する。このタイプの制御の場合、したがって調整の動作状態は、調整が行われないメンテナンス運転の動作状態と交代することが時々発生する。したがって、油圧式ギャップ調整手段の動作は、ギャップ制御が厳密には非活性化されない全ての活性動作状態を包含する。したがって言い換えれば、手段の動作は、ギャップ間隔の調整を行う必要はないが、関連する手段が作動される場合に既に存在し、それによりギャップ調整をいつでも行うことができる。

また「'燃焼ガス」という用語は、膨張タービンに入る前に燃焼室から流出するガスに関連するということに留意されたい。したがって燃焼ガス温度は主に、タービン入口温度を決定するこれらのガスの温度に関連する。

タービン入口温度は、膨張タービンを通過する間の温度低下に関する技術的な推測に基づくと、タービン出口温度から概ね計算することができる。したがって、測定可能なタービン出口温度は、このタービン入口温度の指標として機能することができる。

したがって本発明は、油圧式ギャップ調整手段の動作中にバーナーに供給される燃料が増加する、部分負荷運転中の方法を提案する。この燃料供給の増加は、よりリッチな燃焼を作りだし、これにより膨張タービンに供給される燃焼ガスの温度が上昇する。したがってこの点において、燃焼ガスの温度上昇はまた、タービン出口温度の上昇につながるため、油圧式ギャップ調整手段の動作中に、同時にガスタービンの効率を向上させることができる。本明細書において、部分負荷においてのみこの動作が行われることが本発明にとって重要である。なぜなら、これによって過燃焼を行うことができ、それにより最大許容タービン入口温度を越えることができるからである。しかし、油圧式ギャップ調整手段は、典型的にはガスタービンの始動中、つまり部分負荷運転に動作するため、２つの方法ステップの組み合わせが特に効率的なガスタービン運転を保証することができる。

本発明による方法の第１の特に好ましい実施形態によると、ガスタービンのガイドベーン調整装置が設けられ、燃焼ガスの温度をさらに上昇させるように、ガイドベーン調整装置は、燃料供給の増加中、またはその後で調整される。本明細書において、ガイドベーン調整装置によって覆われるガイドベーンの軸方向位置を好都合に調整することによって、ガイドベーン調整装置により、ガスタービンによって吸引される空気の質量流の設定を調整することが可能となる。したがって実施形態によると、例えばガイドベーン調整装置が比較的小さい質量流を設定することが可能であり、それにより燃焼室における燃焼がますますリッチになる。しかし、これはまた、膨張タービンに供給される燃焼ガスの温度を上昇させる。したがってガイドベーン調整装置の調整は、油圧式ギャップ調整手段の動作中にガスタービンのパワーを増加させるための効率的なサポート手法である。

本発明による方法の別の特に好都合な態様によると、別のステップを含む。この方法ステップは、燃料ガスを決定するために、測定によって燃焼ガスの温度に関連する物理的な運転パラメータを記録するステップ、および物理的な運転パラメータの記録される値が所定の制限値を越える場合に、バーナーへの燃料供給を増加し始めるステップである。このような適切な物理的な運転パラメータは、例えばガスタービンパワーまたはガイドベーン調整装置の設定とすることができる。また、物理的な運転パラメータとして排ガス温度を使用することが可能であり、これによってタービン入口における燃焼ガスの温度に関する結論に結び付けることができる。したがって、例えばタービン出口温度または排ガス温度の値が所定の制限値（下限値）に達する場合、バーナーへの燃料供給の増加を引き起こすことができる。結果として、本発明による方法は、容易に決定される変数によって開始することができる。

本発明による方法の好ましい実施形態によると、部分負荷におけるタービン出口温度が定格負荷におけるタービン出口温度より低くなるように、バーナーへの燃料供給および／またはガイドベーン調整装置の設定が行われる。したがって、タービン入口温度の最大許容温度を越えないようにすることが可能である。特に、方法が行われている場合に、物理的な運転パラメータの開始点、変化中の勾配、および／または最大値をガスタービンの過燃焼を回避するように選択することができる。

また、ガイドベーン調整装置の設定に応じてバーナーの燃料供給を増加することができる。したがってガイドベーン設定は、燃料供給のための制御パラメータとして提供され得る。

あるいは、またはこれに加えて、周囲温度および／または周囲圧力に応じてバーナーへの燃料供給を増加することができる。

以下に、個々の図を参照して本発明が詳細に説明される。本明細書において、図は、単に概略図として理解されるべきであること、また有効化に関していかなる制限がなされないことに留意されるべきである。

また同じ参照符号の技術的な特徴は、同じ技術効果を有するというに留意すべきである。

さらに、以下に示される本発明の技術的な特徴は、この組み合わせが本発明の目的を達成することが可能である限り、互いに組み合わせることができる。

本発明による方法の第１の例示的な実施形態をフローチャートの形で示す図である。 本発明による方法の第１の例示的な実施形態をフローチャートの形で示す図である。

図１は、本発明による定置ガスタービン１を部分負荷で運転する方法の実施形態をフローチャートの形で図に示したものであり、ガスタービン１は、例えば図２に描かれるように設計される。本明細書において、ガスタービン１は、圧縮機１１、少なくとも１つの膨張タービン１４、および少なくとも１つのバーナー１３が設けられた燃焼室１２を有し、油圧式ギャップ調整手段２０をさらに備える。本明細書において、実施形態による方法は、以下の３つのステップ：
− ガスタービン１を部分負荷で運転するステップ（第１方法ステップ１０１）
− 油圧式ギャップ調整手段２０を動作させるステップ（第２方法ステップ１０２）、および
− 油圧式ギャップ調整手段２０を動作させる間、バーナー１３への燃料供給を増加させ、膨張タービン１４へ供給される燃焼ガス１５の温度を上昇させるステップ（第３方法ステップ１０３）
を備える。

図２は、圧縮機１１、膨張タービン１４、および燃焼のために燃焼室１２と協働する少なくとも１つのバーナー１３を有する本発明による定置ガスタービン１の実施形態を示す。ガスタービン１は、圧縮機１１および膨張タービン１４を接続するガスタービンローター１０を軸方向に移動するよう設計された油圧式ギャップ調整手段２０をさらに備える。

上述のように、所望の調整工程において、タービンブレード先端（図示せず）が膨張タービン１４の内側のケーシング壁に対してより小さいギャップ間隔を有するように、ガスタービンローター１０が移動される。ギャップ間隔の減少により、流体動的損失が低減され（そうでなければ内部の表面に沿って流れるガスが膨張タービン１４内での膨張の仕事に貢献しない）、ガスタービン１の出力が向上する。

したがって、油圧式ギャップ調整手段２０を同時に動作させながらガスタービン１が部分負荷で運転する場合、燃料ライン１６を介したバーナー１３への燃料供給を増加させることができる。実施形態によると、この増加は、燃料ライン１６に接続された燃料弁１７と協働するガスタービン閉ループ制御ユニット４０によって行われる。

同時に、ガスタービン閉ループ制御ユニット４０は、油圧式ギャップ調整手段２０と、圧縮機１１の入口領域におけるガイドベーン調整装置３０と、測定によって排ガス温度またはタービン出口温度を記録することができるようにガスタービン１の排ガス流と相互作用する温度センサ１９と通信する。

実施形態によると、温度センサ１９は、膨張タービンから出る排ガスを通す排ガスライン１８に接続される。

ガスタービン閉ループ制御ユニット４０が油圧式ギャップ調整手段の起動または動作を検出する場合、またはガスタービン閉ループ制御ユニット４０が油圧式ギャップ調整手段２０の動作を開始する場合、燃料ライン１６の燃料弁を適切に調整することによってバーナー１３への燃料供給が行われる。特に、燃料供給が増加する。

実施形態によると、特に燃焼ガスの温度を決定するための燃焼ガス１５の温度に関連付けられる物理的な運転パラメータが記録される場合、バーナー１３へ供給される燃料の増加が開始される。特に、これは、ガイドベーン調整装置３０の設定、または排ガスライン１８の温度センサ１９によって記録される排ガス温度とすることができる。

本発明の代替の実施形態によると、またガスタービン１のガイドベーン調整装置が油圧式ギャップ調整手段２０の動作中に追加的に設定される。

この変更はまた、閉ループ、または開ループ制御に関しては、例えばガスタービン閉ループ制御ユニット４０によって開始されることが可能である。

実施形態によると、ガスタービン閉ループ制御ユニット４０はまた、ガスタービン開ループ制御ユニット４０として設計され得る。

両方の調整の形は、ガスタービン閉ループ制御ユニット４０によって包含されるべきである。

さらなる実施形態は、従属請求項に記載される。

１ ガスタービン
１０ ガスタービンローター
１１ 圧縮機
１２ 燃焼室
１３ バーナー
１４ 膨張タービン
１５ 燃焼ガス
１６ 燃料ライン
１７ 燃料弁
１８ 排ガスライン
１９ 温度センサ
２０ 油圧式ギャップ調整手段
３０ ガイドベーン調整装置
４０ ガスタービン閉ループ制御ユニット

Claims (8)

1. 定置ガスタービン（１）を部分負荷で運転する方法であって、該ガスタービンは、少なくとも１つの圧縮機（１１）と、少なくとも１つの膨張タービン（１４）と、少なくとも１つのバーナー（１３）が設けられた燃焼室（１２）とを有し、ガスタービン（１）は、油圧式ギャップ調整手段（２０）をさらに備え、以下のステップ
   − 前記ガスタービン（１）を部分負荷で運転するステップと、
   − 所望の調整工程において、前記膨張タービン（１４）のタービンブレード先端が前記膨張タービン（１４）の内側ケーシング壁に対してより小さいギャップ間隔を有するように、前記油圧式ギャップ調整手段（２０）を動作させるステップと、
   − 油圧式ギャップ調整手段（２０）を動作させる間、前記バーナー（１３）への燃料供給を増加させ、前記膨張タービン（１４）へ供給される燃焼ガス（１５）の温度を上昇させるステップと、
   を有する、方法。
2. 前記膨張タービン（１４）へ供給される前記燃焼ガス（１５）の温度が定格負荷運転の所定の温度上限より低い、請求項１に記載の方法。
3. 前記燃焼ガス（１５）の温度がさらに上昇するように、前記燃料供給の増加中、またはその後で前記ガスタービン（１）のガイドベーン調整装置（３０）が調整されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 燃焼ガスの温度を決定するために、前記燃焼ガス（１５）の温度に関連付けられる物理的な運転パラメータを測定によって記録するステップ、および前記物理的な運転パラメータの記録された値が所定の制限値を越える場合に、前記バーナー（１３）への前記燃料供給を増加し始めるステップが追加的に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 部分負荷におけるタービン出口温度が定格負荷におけるタービン出口温度よりも低くなるように、前記バーナー（１３）への前記燃料供給、および／またはガイドベーン調整装置（３０）の設定が行われることを特徴とする、請求項３または４に記載の方法。
6. ガイドベーン調整装置（３０）の設定に応じて、前記バーナー（１３）への前記燃料供給の増加が行われることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 周囲温度および／または周囲圧力に応じて、前記バーナー（１３）への前記燃料供給の増加が行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも１つの圧縮機（１１）と、少なくとも１つの膨張タービン（１４）と、少なくとも１つのバーナー（１３）が設けられた燃焼室（１２）とを有する定置ガスタービン（１）であって、ガスタービン（１）は、油圧式ギャップ調整手段（２０）をさらに備え、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法で前記ガスタービン（１）を運転するよう設計されたガスタービン閉ループ制御ユニット（４０）をまた備えることを特徴とする、定置ガスタービン。

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