JP6557491B2 - ガスタービン及びその運転方法、並びにコンバインドサイクルプラント - Google Patents

Description

本開示は、ガスタービン及びその運転方法、並びにコンバインドサイクルプラントに関する。

従来から、燃焼器に投入される空気又は燃料を予熱することにより、燃料投入量を節約可能としたガスタービンが知られている。

例えば、特許文献１には、自動車に搭載される２軸式ガスタービン機関として、燃焼器に投入される燃料を排ガスによって予熱するようにした再生ガスタービンが開示されている。
なお、特許文献１の再生ガスタービンでは、起動直後等の予熱器の暖気が十分でない場合において、低温の予熱器を圧縮空気が通過することで圧縮空気温度が却って低下してしまう事態を回避すべく、予熱器をバイパスして圧縮空気を直接燃焼器に導くようになっている。

実開平２−０６３０３９号公報

しかしながら、ガスタービンの高出力時、空気又は燃料の予熱を無制限に行うと、ガスタービンの車室又はロータの温度が過度に上昇し、場合によっては、車室又はロータの材料によって定まる許容温度を超えてしまう事態も起こり得る。この場合、車室又はロータをより高価な材料に変更する必要が生じる。
また、ガスタービンの高出力時、空気又は燃料の予熱を無制限に行うと、燃焼器において逆火が発生し、燃焼が不安定になる可能性がある。

この点、特許文献１は、予熱器の暖気が十分でない起動直後の非定常状態における予熱実施の弊害をなくすための技術を開示しているものの、予熱実施に起因した車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生の問題への対策は特許文献１には記載されていない。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生の抑制と運転効率の向上とを両立可能なガスタービン及びその運転方法、並びにコンバインドサイクルプラントを提供する点にある。

（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るガスタービンは、
圧縮空気を生成するための圧縮機と、
前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するための燃焼器と、
前記燃焼ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、
前記燃焼器の上流側において、前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方を予熱するための予熱器と、を備えるガスタービンであって、
前記予熱器は、前記ガスタービンの少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方の温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう予熱量を制御するように構成される。

ガスタービンの高出力時においては、無制限に予熱実施すると、車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生のリスクが高まる。一方、ガスタービンの低出力時においては、ガスタービンの特性上もともと効率が低いから予熱の必要性が大きいことに加えて、車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生のリスクはそれほど高くない。
この点、上記（１）の構成では、少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した圧縮空気又は燃料の少なくとも一方の温度上昇量をガスタービン出力の増大とともに減少させるようになっている。このように、ガスタービン出力に応じて予熱量を制御することで、ガスタービン高出力時における車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制するとともに、ガスタービン低出力時における運転効率の向上を実現することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記予熱器は、前記少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した前記圧縮空気の温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう、前記圧縮空気の予熱量を制御するように構成される。

ガスタービンでは、燃焼器に投入される圧縮空気は燃料に比べて質量流量が極めて多い（典型的なガスタービンの場合、空気質量流量／燃料質量流量＝２０〜５０）。このため、予熱実施によるガスタービン低出力時の運転効率向上効果は、圧縮空気に対して予熱を行う場合の方が、燃料に対して予熱を行う場合に比べて大きい。しかしながら、圧縮機から出た圧縮空気は、通常、ガスタービン車室内部を流れて燃焼器に到達するから、圧縮空気に対して予熱を行う場合には、ガスタービン高出力時における車室又はロータの過度な温度上昇のリスクがある。
上記（２）の構成では、ガスタービンの出力圧縮空気の予熱量を制御して、少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した圧縮空気の温度上昇量をガスタービン出力の増大とともに減少させるようになっている。このように、ガスタービン出力に応じて圧縮空気の予熱量を制御することで、ガスタービン高出力時における車室又はロータの過度な温度上昇を抑制しながら、ガスタービン低出力時における大きな運転効率向上効果を享受することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記予熱器は、前記少なくとも一部の出力範囲において、前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方の前記予熱器出口における温度が制限温度以下になるよう、前記ガスタービンの出力に応じて前記予熱量を制御するように構成される。

上記（３）の構成によれば、予熱器出口における圧縮空気又は燃料の温度を制限温度以下に抑えて、車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記予熱器は、前記少なくとも一部の出力範囲において、前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方の前記予熱器出口における温度が前記制限温度に固定されるよう、前記ガスタービンの出力に応じて前記予熱量を制御するように構成される。

上記（４）の構成によれば、予熱器出口における圧縮空気又は燃料の温度を制限温度に固定することで、車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制する観点から許容されるほぼ最大の予熱量にて予熱を行って、運転効率を大きく向上させることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の構成において、
前記予熱器は、少なくとも、前記ガスタービンの最大出力よりも小さい第１出力閾値以上、且つ、該第１出力閾値よりも大きい第２出力閾値以下の予熱制限出力範囲において、前記温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう前記予熱量を制御するように構成される。

上記（５）の構成によれば、第１出力閾値〜第２出力閾値の予熱制限出力範囲においてガスタービン出力に応じて予熱量を制御するようにしたので、予熱制限出力範囲のうち比較的高出力の領域において車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制しながら、予熱制限出力範囲のうち比較的低出力の領域において運転効率を向上させることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記予熱器は、少なくとも、前記ガスタービンの最大出力よりも小さい第１出力閾値と前記ガスタービンの定格出力との間の予熱制限出力範囲において、前記温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう前記予熱量を制御するように構成される。

上記（６）の構成によれば、第１出力閾値〜定格出力の予熱制限出力範囲においてガスタービン出力に応じて予熱量を制御するようにしたので、予熱制限出力範囲のうち比較的高出力の領域において車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制しながら、予熱制限出力範囲のうち比較的低出力の領域において運転効率を向上させることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）の構成において、
前記予熱器は、少なくとも前記予熱制限出力範囲における出力上限値において前記予熱量をゼロとするように構成される。

上記（７）の構成によれば、車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生のリスクが予熱制限出力範囲内で最も大きい予熱制限出力範囲の出力上限値にて予熱量をゼロ（予熱なし）にすることで、車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を効果的に抑制できる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（５）乃至（７）の何れかの構成において、
前記予熱器は、前記予熱制限出力範囲内において、前記温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに絶えず減少するよう前記予熱量を制御するように構成される。

上記（８）の構成によれば、予熱制限出力範囲内において圧縮空気又は燃料の少なくとも一方の温度上昇量をガスタービン出力の増大とともに絶えず減少させることで、車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生の抑制と運転効率の向上との両立を効果的に実現できる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の構成において、
前記予熱器は、前記ガスタービンからの排ガスとの熱交換によって、前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方を予熱するように構成される。
（１０）他の幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の構成において、
前記予熱器は、前記ガスタービンおよび前記ガスタービンの排ガスの熱を用いて高温の蒸気または水の少なくとも一方を生成する排熱回収ボイラを備えたガスタービンプラントの排熱回収ボイラにおいて生成された蒸気との熱交換によって、前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方を予熱するように構成される。
（１１）さらに他の幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の構成において、
前記予熱器は、前記ガスタービンおよび蒸気タービンを備えたコンバインドサイクルプラントの排熱回収ボイラにおいて生成された蒸気との熱交換によって、前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方を予熱するように構成される。

上記（９）乃至（１１）の構成によれば、ガスタービンからの排ガスを有効活用してガスタービンプラントの効率を高めることができる。
また、上記（１０）又は（１１）の構成によれば、予熱器における熱媒体として、圧力および熱伝導率に優れた蒸気を使用することで、予熱器（熱交換器）を小型化することができる。

（１２）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るコンバインドサイクルプラントは、
上記（１）乃至（１１）の何れかに記載のガスタービンを備える。
これにより、ガスタービン高出力時における車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制するとともに、ガスタービン低出力時におけるガスタービンの運転効率の向上を実現することができるので、不具合が少なく、効率的なコンバインドサイクルプラントを提供できる。

（１３）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るガスタービンの運転方法は、
圧縮空気を生成するための圧縮機と、
前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するための燃焼器と、
前記燃焼ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、を備えるガスタービンの運転方法であって、
前記燃焼器の上流側において、前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方を予熱するための予熱ステップを備え、
前記予熱ステップでは、前記ガスタービンの少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した前記圧縮空気または前記燃料の少なくとも一方の温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう予熱量を制御する。

上記（１３）の方法では、少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した圧縮空気又は燃料の少なくとも一方の温度上昇量をガスタービン出力の増大とともに減少させるようになっている。このように、ガスタービン出力に応じて予熱量を制御することで、ガスタービン高出力時における車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制するとともに、ガスタービン低出力時における運転効率の向上を実現することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、ガスタービン高出力時における車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制するとともに、ガスタービン低出力時における運転効率の向上を実現することができる。

一実施形態に係るガスタービンの構成図である。 一実施形態における圧縮空気の予熱量制御を示す図である。 一実施形態における燃料の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における圧縮空気の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における燃料の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における圧縮空気の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における燃料の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における圧縮空気の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における燃料の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における圧縮空気の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における燃料の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における圧縮空気の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における燃料の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における圧縮空気の予熱量制御を示す図である。 他の実施形態における燃料の予熱量制御を示す図である。 一実施形態に係るガスタービンプラントの構成図である。 他の実施形態に係るガスタービンの構成図である。 他の実施形態に係るガスタービンの構成図である。 他の実施形態に係るガスタービンの構成図である。 燃焼器の具体的構成例を示す断面図である。 一実施形態おける予熱器の予熱量制御を説明するための図である。 他の実施形態おける予熱器の予熱量制御を説明するための図である。 他の実施形態おける予熱器の予熱量制御を説明するための図である。 他の実施形態おける予熱器の予熱量制御を説明するための図である。 他の実施形態おける予熱器の予熱量制御を説明するための図である。 他の実施形態おける予熱器の予熱量制御を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

最初に、図１、図９乃至図１２を参照して、幾つかの実施形態に係るガスタービン１の全体構成について説明する。
幾つかの実施形態に係るガスタービン１は、圧縮空気を生成するための圧縮機２と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器３と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン４と、を備える。圧縮機２の圧縮機ロータとタービン４のタービンロータとは、同一の軸線を中心として回転するように構成されている。すなわち、圧縮機ロータとタービンロータとが互いに連結されて、タービンロータ（以下、ロータと称する）５を成している。図示されるガスタービン１は発電用に用いられる構成を例示しており、この場合、ロータ５に発電機６のロータが接続され、タービン４の回転エネルギーによって発電機６が駆動されて発電を行うようになっている。

また、上記ガスタービン１は、燃焼器３の上流側に、圧縮空気を予熱するための予熱器８または燃料を予熱するための予熱器９の少なくとも一方を含む予熱装置７をさらに備えている。なお、図１、図９乃至図１２に示す構成例では、予熱装置７が、圧縮空気を予熱するための第１予熱器８と、燃料を予熱するための第２予熱器９との両方を含む構成を示している。但し、他の構成例では、予熱装置７は、圧縮空気を予熱するための第１予熱器８、または、燃料を予熱するための第２予熱器９の一方のみを含む構成としてもよい。

ここで、一例として、燃焼器３の具体的な構成例を図１３に示す。なお、同図には一つの燃焼器３を例示しているが、通常、燃焼器３は、ロータ５を中心として環状に複数配置される。
図１３に示すように、燃焼器３は、ケーシング３１により画定される車室３２に設けられた燃焼器ライナ３３と、燃焼器ライナ３３内にそれぞれ配置されたパイロット燃焼バーナ３４及び複数のメイン燃焼バーナ（予混合燃焼バーナ）３５と、を含む。なお、燃焼器３は、燃焼ガスをバイパスさせるためのバイパス管（不図示）等の他の構成要素を備えていてもよい。
上記構成を有する燃焼器３においては、図１、図９乃至図１２に示すように、圧縮機２で生成された圧縮空気が、第１予熱器８によって予熱された後、図１３に示すように車室入口３２ａから車室３２内に供給される。この車室３２内に供給された圧縮空気は、車室３２からメインバーナ筒３６内に流入し、燃料ポート３７から供給された燃料と予混合された後、燃焼器ライナ３３に流れ込む。また、圧縮空気と、燃料ポート３８を介してパイロット燃焼バーナ３４から噴射された燃料とが燃焼器ライナ３３で混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスが発生する。なお、燃料ポート３７，３８から供給される燃料は、図１、図９乃至図１２に示すように、第２予熱器９によって予熱されている。

図１、図９乃至図１２に示すように、上記構成を有するガスタービン１において、圧縮機２は、大気中の空気を圧縮し、圧縮空気Ａ１は第１予熱器８によって予熱された後、予熱圧縮空気Ａ２として燃焼器３に供給される。また、燃焼器３には、燃料Ｆ１が第２予熱器９によって予熱された後、予熱燃料Ｆ２として供給される。燃焼器３内では、圧縮空気Ａ２と燃料Ｆ２とが混合して燃焼して、高温高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスはタービン４に送られて、タービン４が駆動することによって発電機６が発電を行うようになっている。

ところで、ガスタービン１の高出力時においては、圧縮機２の圧力比が高く、圧縮機２の出口の圧縮空気の温度が高いため、無制限に予熱実施すると、車室３２（図１３参照）又はロータ５（図１、図９乃至図１２参照）の過度な温度上昇や逆火発生のリスクが高まる。一方、ガスタービン１の低出力時においては、ガスタービン１の特性上もともと効率が低いから予熱の必要性が大きいことに加えて、圧縮機２の圧力比が低く、圧縮機２の出口の圧縮空気の温度が低いため、車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生のリスクはそれほど高くなく、また、特に燃焼器３の入口の圧縮空気を予熱する場合においては、温度上昇量を大きくすることが容易であり、大きな効率向上効果を得ることができる。

そこで、上記ガスタービン１は、ガスタービン１の高出力時における車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を抑制するとともに、ガスタービン１の低出力時における運転効率の向上を実現するために、以下の構成をさらに備えている。

図１、図９乃至図１２に示すガスタービン１において、第１予熱器８は、ガスタービン１の少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した圧縮空気の温度上昇量がガスタービン１の出力増大とともに減少するよう予熱量を制御するように構成される。
同様に、第２予熱器９は、ガスタービン１の少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した燃料の温度上昇量がガスタービン１の出力増大とともに減少するよう予熱量を制御するように構成される。
具体的には、ガスタービン１の出力に関連する量に基づいて、第１予熱器８における圧縮空気の温度上昇量または第２予熱器９における燃料の温度上昇量の少なくとも一方が制御される。ここで、ガスタービン１の出力に関連する量とは、例えば、ガスタービン１の出力自体でもよいし、他の指標として、圧縮機２出口（第２予熱器９入口）における圧縮空気Ａ１の温度又は圧力、あるいは、タービン４の入口温度であってもよい。

上記構成においては、ガスタービン１の少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した圧縮空気Ａ２又は燃料Ｆ２の少なくとも一方の温度上昇量をガスタービン１の出力の増大とともに減少させるようになっている。このように、ガスタービン１の出力に応じて予熱量を制御することで、ガスタービン１の高出力時における車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を抑制するとともに、ガスタービン１の低出力時における運転効率の向上を実現することができる。

ここで、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱量の具体的な制御について説明する。なお、以下の説明では、ガスタービン１の出力に関連する量として、ガスタービン１の出力自体を用いた場合を例示しているが、上述したようにガスタービン１の出力に関連する量として他の指標を用いてもよい。

図２Ａ乃至図８Ａは、各実施形態における圧縮空気の予熱量制御を示す図であり、ガスタービン１の出力と空気温度との関係を示すグラフとなっている。図２Ｂ乃至図８Ｂは、各実施形態における燃料の予熱量制御を示す図であり、ガスタービン１の出力と燃料温度との関係を示すグラフとなっている。これらの図において、破線は予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度であり、実線は予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度である。すなわち、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度と、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度との差が温度上昇量（予熱量）となる。

図２Ａ及び図２Ｂは、一実施形態における圧縮空気及び燃料の予熱量制御を示す図である。
図２Ａは、ガスタービン１が第１予熱器８を備える場合に適用される。
同図に示すように、一実施形態では、ガスタービン１の出力が第１出力閾値と第２出力閾値との間であるとき、第１予熱器８における圧縮空気の予熱量は、ガスタービン１の出力が増大するにつれて減少するように制御される。なお、第２出力閾値は、第１出力閾値よりも大きい。
すなわち、ガスタービン１の出力が第１出力閾値未満のとき、圧縮空気Ａ１に対する予熱量は一定であり、予熱後の圧縮空気Ａ２の温度は、予熱前の圧縮空気Ａ１の温度と同じ傾きで上昇する。ガスタービン１の出力が第１出力閾値以上且つ第２出力閾値以下のとき、ガスタービン１の出力が増大するにつれて予熱前の圧縮空気Ａ１の温度も上昇するが、圧縮空気Ａ１に対する予熱量はガスタービン１の出力増大とともに減少するため、予熱後の圧縮空気Ａ２の温度上昇（出力に対応した温度変化）の傾きは、予熱前の圧縮空気Ａ１の温度上昇の傾きよりも小さくなる。例えば、図示されるように予熱後の圧縮空気Ａ２の温度上昇の傾きは０であり、第１出力閾値と第２出力閾値の間において予熱後の圧縮空気Ａ２の温度は概ね一定である。

また、ガスタービン１では、燃焼器３に投入される圧縮空気Ａ１は燃料Ｆ１に比べて質量流量が極めて多い（典型的なガスタービン１の場合、空気質量流量／燃料質量流量＝２０〜５０）。このため、予熱実施によるガスタービン１の低出力時の運転効率向上効果は、圧縮空気Ａ１に対して予熱を行う場合の方が、燃料Ｆ１に対して予熱を行う場合に比べて大きい。しかしながら、圧縮機２から出た圧縮空気Ａ１は、通常、ガスタービン１の車室内部を流れて燃焼器３に到達するから、圧縮空気Ａ１に対して予熱を行う場合には、ガスタービン１の高出力時における車室３２又はロータ５の過度な温度上昇のリスクがある。
そこで、ガスタービン１の出力圧縮空気の予熱量を制御して、少なくとも一部の出力範囲（第１出力閾値以上且つ第２出力閾値以下の範囲）において、予熱に起因した圧縮空気の温度上昇量をガスタービン１の出力の増大とともに減少させる。このように、ガスタービン１の出力に応じて圧縮空気の予熱量を制御することで、ガスタービン１の高出力時における車室３２又はロータ５の過度な温度上昇を抑制しながら、ガスタービン１の低出力時における大きな運転効率向上効果を享受することができる。

図２Ｂは、ガスタービン１が第２予熱器９を備える場合に適用される。
同図に示すように、一実施形態では、ガスタービン１の出力が第１出力閾値と第２出力閾値との間であるとき、第２予熱器９における燃料の予熱量は、ガスタービン１の出力が増大するにつれて減少するように制御される。なお、第２出力閾値は、第１出力閾値よりも大きい。
すなわち、ガスタービン１の出力が第１出力閾値未満のとき、燃料Ｆ１に対する予熱量は一定であり、予熱後の燃料Ｆ２の温度は、予熱前の燃料Ｆ１の温度と同じ傾きで上昇する。ガスタービン１の出力が第１出力閾値以上且つ第２出力閾値以下のとき、ガスタービン１の出力が増大するにつれて予熱前の燃料Ｆ１の温度も上昇するが、燃料Ｆ１に対する予熱量はガスタービン１の出力増大とともに減少するため、予熱後の燃料Ｆ２の温度上昇温度上昇（出力に対応した温度変化）の傾きは、予熱前の燃料Ｆ１の温度上昇の傾きよりも小さくなる。例えば、図示されるように予熱後の燃料Ｆ２の温度上昇の傾きは０であり、第１出力閾値と第２出力閾値の間において予熱後の燃料Ｆ２の温度は一定である。
なお、ガスタービン１が第１予熱器８及び第２予熱器９の両方を備える場合、第１予熱器８における第１出力閾値及び第２出力閾値と、第２予熱器９における第１出力閾値及び第２出力閾値とは、同一であってもよいし、相違していてもよい。

図３Ａ及び図３Ｂに、図２Ａ及び図２Ｂに示した一実施形態に係る構成の変形例を示す。
図３Ａは、ガスタービン１が第１予熱器８を備える場合に適用され、図３Ｂは、ガスタービン１が第２予熱器９を備える場合に適用される。
図３Ａ又は図３Ｂに示すように、一実施形態の変形例においては、ガスタービン１の出力が第１出力閾値以上且つ第２出力閾値以下のとき、または、ガスタービン１の出力が第２出力閾値超過のときの少なくとも一方において、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度が上昇傾向となるように第１予熱器８または第２予熱器９が制御される。
すなわち、ガスタービン１の出力が第１出力閾値未満のとき、圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１に対する予熱量は一定であり、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度と同じ傾きで上昇する。ガスタービン１の出力が第１出力閾値以上且つ第２出力閾値以下のとき、圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１に対する予熱量はガスタービン１の出力増大とともに減少するため、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度上昇の傾きは、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度上昇の傾きよりも小さくなる。例えば、図示されるように予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度上昇の傾きは０より大きく、第１出力閾値と第２出力閾値の間において予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は出力が増加するにつれて上昇傾向となる。さらに、ガスタービン１の出力が第２出力閾値超過のとき、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の出力に対応した温度上昇の傾きは、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度上昇の傾きよりも小さく、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は出力が増加するにつれて上昇傾向となる。ガスタービン１の出力が第１出力閾値以上且つ第２出力閾値以下のときと、第２出力閾値超過のときとは、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度上昇の傾きは同一であってもよいし、相違していてもよい。

図４Ａ及び図４Ｂは、他の実施形態に係るガスタービン１に関する図である。
図４Ａは、ガスタービン１が第１予熱器８を備える場合に適用される。
同図に示すように、他の実施形態では、第１予熱器８は、ガスタービン１の少なくとも一部の出力範囲において、第１予熱器８の出口における圧縮空気Ａ２の温度が制限温度以下になるよう、ガスタービン１の出力に応じて予熱量を制御するように構成される。この場合、第１予熱器８は、ガスタービン１の少なくとも一部の出力範囲において、第１予熱器８の出口における圧縮空気Ａ２の温度が制限温度に固定されるよう、ガスタービン１の出力に応じて予熱量を制御するように構成されてもよい。
すなわち、ガスタービン１の出力増加に伴って第１予熱器８に供給される圧縮空気Ａ１の温度は上昇し、圧縮空気Ａ１の温度が制限温度未満のとき、圧縮空気Ａ１は第１予熱器８において一定の予熱量で予熱されるため、予熱後の圧縮空気Ａ２の温度は、予熱前の圧縮空気Ａ１の温度と同じ傾きで上昇する。圧縮空気Ａ１の温度が制限温度以上になったとき、第１予熱器８における予熱量を減少させることによって、予熱前の圧縮空気Ａ１の温度上昇に関わらず、予熱後の圧縮空気Ａ２の温度は概ね一定となる。

これにより、第１予熱器８の出口における圧縮空気Ａ２の温度を制限温度以下に抑えて、車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を抑制することができる。また、図示されるように、第１予熱器８の出口における圧縮空気Ａ２の温度を制限温度に固定することで、車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を抑制する観点から許容されるほぼ最大の予熱量にて予熱を行って、運転効率を大きく向上させることができる。

図４Ｂは、ガスタービン１が第２予熱器９を備える場合に適用される。
同図に示すように、他の実施形態では、第２予熱器９は、ガスタービン１の少なくとも一部の出力範囲において、第２予熱器９の出口における燃料Ｆ２の温度が制限温度以下になるよう、ガスタービン１の出力に応じて予熱量を制御するように構成される。
すなわち、ガスタービン１の出力増加に伴って第２予熱器９に供給される燃料Ｆ１の温度は上昇し、燃料Ｆ１の温度が制限温度未満のとき、燃料Ｆ１は第２予熱器９において一定の予熱量で予熱されるため、予熱後の燃料Ｆ２の温度は、予熱前の燃料Ｆ１の温度と同じ傾きで上昇する。燃料Ｆ１の温度が制限温度以上になったとき、第２予熱器９における予熱量を減少させることによって、予熱前の燃料Ｆ１の温度上昇に関わらず、予熱後の燃料Ｆ２の温度は概ね一定となる。

これにより、第２予熱器９の出口における燃料Ｆ２の温度を制限温度以下に抑えて、車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を抑制することができる。また、図示されるように、第２予熱器９の出口における燃料Ｆ２の温度を制限温度に固定することで、車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を抑制する観点から許容されるほぼ最大の予熱量にて予熱を行って、運転効率を大きく向上させることができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、さらに他の実施形態に係るガスタービン１に関する図である。
図５Ａは、ガスタービン１が第１予熱器８を備える場合に適用され、図５Ｂは、ガスタービン１が第２予熱器９を備える場合に適用される。
図５Ａ又は図５Ｂに示すように、さらに他の実施形態では、第１予熱器８または第２予熱器９は、少なくとも、ガスタービン１の最大出力よりも小さい第１出力閾値以上、且つ、該第１出力閾値よりも大きい第２出力閾値以下の予熱制限出力範囲において、温度上昇量がガスタービン１の出力増大とともに減少するよう予熱量を制御するように構成される。
すなわち、ガスタービン１の出力増加に伴って第１予熱器８または第２予熱器９に供給される圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度は上昇し、圧縮空気Ａ１の温度または燃料Ｆ１が制限温度未満のとき、圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１は、第１予熱器８または第２予熱器９において一定の予熱量で予熱されるため、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度と同じ傾きで上昇する。ガスタービン１の出力が第１出力閾値以上且つ第２出力閾値以下の予熱制限出力範囲のとき、ガスタービン１の出力が増大するにつれて予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度も上昇するが、圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１に対する予熱量はガスタービン１の出力増大とともに減少するため、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度上昇の傾きは、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度上昇の傾きよりも小さくなる。例えば、図示されるように予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度上昇の傾きは０であり、第１出力閾値と第２出力閾値の間において予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は概ね一定である。

この構成によれば、第１出力閾値から第２出力閾値の予熱制限出力範囲においてガスタービン１の出力に応じて予熱量を制御するようにしたので、予熱制限出力範囲のうち比較的高出力の領域において車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を抑制しながら、予熱制限出力範囲のうち比較的低出力の領域において運転効率を向上させることができる。

また、第１予熱器８または第２予熱器９は、少なくとも予熱制限出力範囲における出力上限値において予熱量をゼロとするように構成されてもよい。
これにより、車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生のリスクが予熱制限出力範囲内で最も大きい予熱制限出力範囲の出力上限値にて予熱量をゼロ（予熱なし）にすることで、車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を効果的に抑制できる。

さらに、第１予熱器８または第２予熱器９は、予熱制限出力範囲内において、温度上昇量がガスタービン１の出力増大とともに絶えず減少するよう予熱量を制御するように構成されてもよい。
このように、予熱制限出力範囲内において圧縮空気又は燃料の少なくとも一方の温度上昇量をガスタービン１の出力の増大とともに絶えず減少させることで、車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生の抑制と運転効率の向上との両立を効果的に実現できる。

図６Ａ及び図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂは、さらに他の実施形態に係るガスタービン１に関する図である。
これらの図に示すように、さらに他の実施形態においては、第１予熱器８または第２予熱器９は、少なくとも、ガスタービン１の最大出力よりも小さい第１出力閾値とガスタービン１の定格出力との間の予熱制限出力範囲において、温度上昇量がガスタービンの出力増大とともに減少するよう予熱量を制御するように構成される。

図６Ａは、ガスタービン１が第１予熱器８を備える場合に適用され、図６Ｂは、ガスタービン１が第２予熱器９を備える場合に適用される。
これらの図に示す例では、ガスタービン１の出力が第１閾値未満のとき、圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１に対する予熱量は一定であり、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ２の温度と同じ傾きで、出力の増大に伴って上昇する。
ガスタービン１の出力が第１出力閾値以上且つ定格出力以下の予熱制限出力範囲のとき、ガスタービン１の出力が増大するにつれて予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度も上昇するが、圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１に対する予熱量はガスタービン１の出力増大とともに減少するため、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度上昇の傾きは、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度上昇の傾きよりも小さくなる。例えば、図示されるように、第１出力閾値と定格出力との間において予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度上昇の傾きは大部分の出力範囲において０であり、このときの予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は概ね一定である。

また、ガスタービン１の出力が第１出力閾値以上のとき、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度上昇量は部分的に０以上となっている。具体的には、予熱制限出力範囲のうち部分範囲１００では、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度が一定の割合で上昇する。この部分範囲１００の前後の出力においては、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は一定の値である。
さらに、ガスタービン１の出力が定格出力以上のとき、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱量は０であり、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度上昇と一致する。

図７Ａ及び図８Ａは、ガスタービン１が第１予熱器８を備える場合に適用され、図７Ｂ及び図８Ｂは、ガスタービン１が第２予熱器９を備える場合に適用される。
これらの図に示すように、さらに他の実施形態においては、第１予熱器８または第２予熱器９は、定格出力以下の通常の運転範囲内において、制限温度以下となるように制御されてもよい。なお、通常の運転範囲とは、ガスタービン１の設計寿命（例えば運転時間や起動回数）の運転が可能な運転範囲をいう。

これらの図において、ガスタービン１の出力増加に伴って第１予熱器８に供給される圧縮空気Ａ１の温度は上昇し、圧縮空気Ａ１の温度が制限温度未満のとき、圧縮空気Ａ１は第１予熱器８において一定の予熱量で予熱されるため、予熱後の圧縮空気Ａ２の温度は、ガスタービン１の出力増大に伴って、予熱前の圧縮空気Ａ１の温度と同じ傾きで上昇する。
圧縮空気Ａ１の温度が制限温度以上になったとき、ガスタービン１の出力が定格出力以下の通常の運転範囲においては、第１予熱器８における予熱量を減少させることによって、予熱前の圧縮空気Ａ１の温度上昇に関わらず、予熱後の圧縮空気Ａ２の温度は概ね一定となる。
ガスタービン１の出力が定格出力以上のとき、すなわち、通常の運転範囲以外のとき、図７Ａ又は図７Ｂに示す例では、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱量は０であり、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の温度は予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の温度上昇と一致する。一方、図８Ａ又は図８Ｂに示す例では、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱量は０以上であり、予熱後の圧縮空気Ａ２または燃料Ｆ２の出力に対応した温度上昇は、予熱前の圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の出力に対応した温度上昇よりも大きくなる。

上記構成によれば、第１出力閾値から定格出力の予熱制限出力範囲においてガスタービン１の出力に応じて予熱量を制御するようにしたので、予熱制限出力範囲のうち比較的高出力の領域において車室３２又はロータ５の過度な温度上昇や逆火発生を抑制しながら、予熱制限出力範囲のうち比較的低出力の領域において運転効率を向上させることができる。

図９は、一実施形態に係るガスタービンプラント６０の構成図である。
一実施形態において、ガスタービンプラント（コンバインドサイクルプラント）６０は、ガスタービン（ガスタービンシステム）１及び蒸気タービンシステム４０を備えている。
ガスタービン１は、図１に示したように、圧縮機２と、燃焼器３と、第１予熱器８及び第２予熱器９と、タービン４と、発電機６と、を含んでいる。
蒸気タービンシステム４０は、ガスタービン１から排気された排ガスＥＧの熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ４１と、排熱回収ボイラ４１で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、蒸気タービン４２ａ，４２ｂ，４２ｃにより駆動されて発電を行う発電機４３と、蒸気タービン４２ａを駆動させた蒸気を水に戻す復水器４４と、復水器４４中の水を排熱回収ボイラ４１に戻す給水ポンプ４５と、排熱回収ボイラ４１を通過した排ガスＥＧを大気に放出する煙突４６と、を備えている。

蒸気タービン４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、低圧蒸気タービン４２ａと、中圧蒸気タービン４２ｂと、高圧蒸気タービン４２ｃと、を含む。高圧蒸気タービン４２ｃを駆動させた蒸気は、再熱器４７によって加熱されるようになっている。
また、排熱回収ボイラ４１は、低圧蒸気を発生する低圧蒸気発生部４１ａと、中圧蒸気を発生する中圧蒸気発生部４１ｂと、高圧蒸気を発生する高圧蒸気発生部４１ｃと、を含む。
なお、図示される例では、各々の蒸気タービン４２ａ，４２ｂ，４２ｃに発電機４３が設けられた構成を示しているが、低圧蒸気タービン４２ａ、中圧蒸気タービン４２ｂ、高圧蒸気タービン４２ｃの合計３基の蒸気タービンに対して１基の発電機４３を設けた構成としてもよい。

また、蒸気タービンシステム４０の排熱回収ボイラ４１で生成された蒸気の一部は、予熱蒸気ライン５０を介してガスタービン１の予熱装置７に供給される。具体的には、予熱蒸気ライン５０は、予熱装置７の入口側において第１分岐供給ライン５０ａおよび第２分岐供給ライン５０ｂに分岐しており、第１分岐供給ライン５０ａは第１予熱器８の入口側に接続され、第２分岐供給ライン５０ｂは第２予熱器９の入口側に接続されている。一方、予熱装置７の出口側には、予熱蒸気回収ライン５１が設けられている。予熱蒸気回収ライン５１は、予熱装置７の出口側において第１分岐回収ライン５１ａおよび第２分岐回収ライン５１ｂに分岐しており、第１分岐回収ライン５１ａは第１予熱器８の出口側に接続され、第２分岐回収ライン５１ｂは第２予熱器９の出口側に接続されている。そして、第１予熱器８および第２予熱器９において予熱に用いられた後の蒸気は、第１分岐回収ライン５１ａ、第２分岐回収ライン５１ｂ、および予熱蒸気回収ライン５１を介して排熱回収ボイラ４１にて過熱された後、第２予熱蒸気ライン５２を介して排熱回収ボイラ４１に戻される。なお、図示される例では、第１予熱器８および第２予熱器９において予熱に用いられた後の蒸気は、再熱器４７を介して中圧蒸気タービン４２ｂに導かれた後、排熱回収ボイラ４１に戻されている。

上記構成を有するガスタービンプラント６０において、ガスタービン１の圧縮機２は、大気中の空気ＮＡを圧縮し、圧縮空気Ａ１は第１予熱器８によって予熱された後、予熱圧縮空気Ａ２として燃焼器３に供給される。また、燃焼器３には、燃料Ｆ１が第２予熱器９によって予熱された後、予熱燃料Ｆ２として供給される。燃焼器３内では、圧縮空気Ａ２と燃料Ｆ２とが混合して燃焼して、高温高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスはタービン４に送られて、タービン４が駆動することによって発電機６が発電を行うようになっている。

タービン４から排出された燃焼ガスは、排ガスＥＧとして排熱回収ボイラ４１に送られて、排熱回収ボイラ４１において蒸気生成のための熱源として用いられる。
排熱回収ボイラ４１では、低圧蒸気発生部４１ａにおいて、復水器４４からの水と排ガスとを熱交換することによって低圧蒸気を生成する。ここで生成された低圧蒸気は、低圧蒸気タービン４２ａに供給されて該低圧蒸気タービン４２ａを駆動する。低圧蒸気タービン４２ａから排出された蒸気は、復水器４４で水に戻される。
低圧蒸気発生部４１ａで加熱された水の一部は中圧蒸気発生部４１ｂに送られ、他の一部は高圧蒸気発生部４１ｃに送られる。

高圧蒸気発生部４１ｃは、低圧蒸気発生部４１ａで加熱された水を排ガスＥＧと熱交換させて加熱し、高圧蒸気を生成する。この高圧蒸気は、高圧蒸気タービン４２ｃに供給されて高圧蒸気タービン４２ｃを駆動する。
中圧蒸気発生部４１ｂは、低圧蒸気発生部４１ａで加熱された水を排ガスＥＧと熱交換させて加熱し、中圧蒸気を生成する。この中圧蒸気は、高圧蒸気タービン４２ｃから排出された蒸気と合流し、再熱器４７で再加熱される。

再熱器４７で再加熱された蒸気は、予熱蒸気ライン５０を介して予熱装置７に送られ、第１予熱器８および第２予熱器９の予熱を行った後、再熱器４７を通って中圧蒸気タービン４２ｂに供給され、該中圧蒸気タービン４２ｂを駆動する。
中圧蒸気タービン４２ｂから排出された蒸気は、低圧蒸気タービン４２ａに供給される。

上記構成によれば、ガスタービン１からの排ガスを有効活用してガスタービンプラント６０の効率を高めることができる。
また、第１予熱器８または第２予熱器９における熱媒体として、圧力および熱伝導率に優れた蒸気（例えば排熱回収ボイラ４１の蒸気）を使用することで、第１予熱器８または第２予熱器９を小型化することができる。

本実施形態では、排熱回収ボイラ４１で発生した蒸気で蒸気タービンシステム４０を駆動し、電力を得るコンバインドサイクルプラントの例を示したが、排熱回収ボイラ４１で発生した蒸気をプラント外部で熱源として利用するガスタービンコージェネレーションプラントにも本実施形態を適用することもできる。

図１０は、他の実施形態に係るガスタービンの構成図である。
同図に示すように他の実施形態では、第１予熱器８または第２予熱器９の少なくとも一方は、ガスタービン１からの排ガスＥＧとの熱交換によって、圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の少なくとも一方を予熱するように構成される。
具体的には、ガスタービン１は、タービン４から排出された排ガスＥＧの少なくとも一部を第１予熱器８に導く排ガスライン１０と、タービン４から排出された排ガスの少なくとも一部を第２予熱器９に導く排ガスライン１１と、を備えている。そして、これらの排ガスライン１０，１１を介して第１予熱器８または第２予熱器９に供給される排ガス量を調節することによって、圧縮空気Ａ１または燃料Ｆ１の予熱量を制御するようになっている。
なお、図示される例では、第１予熱器８及び第２予熱器の両方が、ガスタービン１からの排ガスとの熱交換によって予熱を行うように構成されている。但し、他の構成例では、第１予熱器８または第２予熱器９の一方のみが、ガスタービン１からの排ガスＥＧとの熱交換によって予熱を行うように構成されてもよい。
この構成によれば、ガスタービン１からの排ガスＥＧを有効活用してガスタービンプラントの効率を高めることができる。

図１１は、さらに他の実施形態に係るガスタービン１の構成図である。
同図に示すように他の実施形態では、第１予熱器８または第２予熱器９の少なくとも一方における予熱の熱源が太陽熱である。図示される例では、ガスタービン１は、第１予熱器８に太陽熱を供給するための反射鏡１２と、第２予熱器９に太陽熱を供給するための反射鏡１３と、を備えている。
上記構成によれば、自然エネルギーを有効利用することによって、ガスタービン１の効率を向上させることができる。

図１２は、さらに他の実施形態に係るガスタービン１の構成図である。
同図に示すように他の実施形態では、第１予熱器８または第２予熱器９の少なくとも一方における予熱の熱源が、廃棄物焼却によって生じた排熱である。図示される例では、廃棄物焼却炉１４（二点鎖線）において廃棄物が焼却処理され、第１予熱器８または第２予熱器９の少なくとも一方では、廃棄物焼却炉１４での焼却により発生した排熱によって、圧縮空気または燃料が予熱される。例えば、第１予熱器８または第２予熱器９は廃棄物焼却炉１４の炉壁に設けられ、圧縮空気または燃料と排熱とが熱交換する構成としてもよい。あるいは、第１予熱器８または第２予熱器９は廃棄物焼却炉１４とは別に設けられ、廃棄物焼却炉１４からの排ガス、または該排ガスによって生成された蒸気が第１予熱器８または第２予熱器９に導かれる構成としてもよい。なお、廃棄物焼却炉１４から排出された排ガスは、排気浄化装置１５にて排ガス処理を施された後、煙突から大気放出される。

ここで、図１４Ａ乃至図１４Ｆを参照して、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱量制御の具体例について説明する。
これらの図において、第１予熱器８または第２予熱器９は、胴体内に複数の伝熱管を備える構成を有しており、伝熱管の内部に圧縮空気または燃料が流通するとともに、胴体の内部（伝熱管の外部）を熱源である高温の流体（以下、高温流体と称する）が流入することで熱交換が行われるようになっている。

図１４Ａに示すように、一実施形態において、第１予熱器８または第２予熱器９は、第１予熱器８または第２予熱器９に高温流体を供給するための熱源ライン７０と、該熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を調整する第１バルブ７１と、を有している。
この構成においては、ガスタービン１の出力に応じて、第１バルブ７１の開度を制御することで第１予熱器８または第２予熱器９に供給される高温流体の流量を調整し、圧縮空気または燃料の予熱量を制御するようになっている。

予熱器出口における圧縮空気または燃料の温度が制限温度以下になるように予熱量を制御する場合においては、第１予熱器８または第２予熱器９の出口の圧縮空気、または燃料の温度を計測する、予熱器出口温度計９７ｂを設け、ガスタービン１の出力に応じて、例えば図４Ａや図４Ｂに示したように圧縮空気または燃料の制限温度を設定し、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度以上となる場合に第１バルブ７１の開度を下げて、熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を減少させ、圧縮空気または燃料の予熱量を減少させる。逆に、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度未満の場合は、第１バルブ７１の開度を上げて、熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を増加させ、圧縮空気または燃料の予熱量を増大する。なお、第１バルブ７１の開度を上げて、熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を増加させても、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度に到達しない場合は、第１バルブ７１を全開とし、可能な限り予熱量を増大する。このようにすることで、圧縮空気または前記燃料の予熱器出口における温度が制限温度以下になるよう、ガスタービンの出力に応じて予熱量を制御することが可能となる。

一方、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱に起因した圧縮空気の温度上昇量がガスタービン１の出力増大とともに減少するよう、圧縮空気の予熱量を制御する場合においては、第１予熱器８または第２予熱器９の出口の圧縮空気、または燃料の温度を計測する、予熱器出口温度計９７ｂ、および、第１予熱器８または第２予熱器９の入口の圧縮空気、または燃料の温度を計測する、予熱器入口温度計９７ａを設け、ガスタービン１の出力に応じて、例えば図２Ａや図２Ｂに示したように、予熱に起因した圧縮空気または燃料の温度上昇量がガスタービンの出力増大とともに減少するように、圧縮空気または燃料の予熱による温度上昇量を設定し、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量以上となる場合に第１バルブ７１の開度を下げて、熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を減少させ、圧縮空気または燃料の予熱量を減少させる。逆に、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量未満の場合は、第１バルブ７１の開度を上げて、熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を増加させ、圧縮空気または燃料の予熱量を増大する。なお、第１バルブ７１の開度を上げて、熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を増加させても、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量に到達しない場合は、第１バルブ７１を全開とし、可能な限り予熱量を増大する。このようにすることで、予熱に起因する圧縮空気または前記燃料の温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう予熱量を制御することが可能となる。

あるいは、第１バルブ７１は開閉制御される構成であってもよく、その場合、熱源である高温流体の供給をＯＮ又はＯＦＦすることによって、圧縮空気または燃料の予熱量を制御する。
これらの構成によれば、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱量制御機構の簡素化が図れる。

図１４Ｂに示すように、他の実施形態において、第１予熱器８または第２予熱器９は、第１予熱器８または第２予熱器９に高温流体を供給するための熱源ライン７０と、該熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を調整する第１バルブ７１と、第１予熱器８または第２予熱器９の出口側と入口側において熱源ライン７０をバイパスするバイパスライン７２と、該バイパスライン７２上に設けられた第２バルブ７３と、を有している。
この構成においては、ガスタービン１の出力に応じて、第１バルブ７１の開度を制御することで第１予熱器８または第２予熱器９に供給される高温流体の流量を調整し、圧縮空気または燃料の予熱量を制御するとともに、第２バルブ７３の開度を制御してバイパスライン７２を流れる高温流体の流量を調整する。このように、バイパスライン７２によって、一部の高温流体が第１予熱器８または第２予熱器９を通らずに下流側へバイパスされることによって、熱源ライン７０を流れる高温流体の流量を一定の範囲内に維持することができる。なお、図１４Ｂにおいて、バイパスライン７２以外の構成については、図１４Ａと同一の構成であってもよい。

図１４Ｃに示すように、他の実施形態において、第１予熱器８または第２予熱器９は、第１予熱器８または第２予熱器９に圧縮空気または燃料を流すための予熱流体ライン７５と、第１予熱器８または第２予熱器９の出口側と入口側において予熱流体ライン７５をバイパスするバイパスライン７６と、該バイパスライン７６上に設けられた第３バルブ７７と、を有している。
この構成においては、ガスタービン１の出力に応じて第３バルブ７７の開度を制御することで、バイパスライン７６を介して第１予熱器８または第２予熱器９をバイパスする圧縮空気または燃料の流量が調整される。そのため、第１予熱器８または第２予熱器９に流入する圧縮空気または燃料の流量が調整され、圧縮空気または燃料の予熱量が制御される。この場合、必要に応じて、圧縮空気または燃料の全量をバイパスして、熱交換量をゼロとしてもよい。

本構成では、予熱器出口における圧縮空気または燃料の温度が制限温度以下になるように予熱量を制御する場合においては、第１予熱器８または第２予熱器９の出口の圧縮空気、または燃料の温度を計測する、予熱器出口温度計９７ｂを設け、ガスタービン１の出力に応じて、例えば図４Ａや図４Ｂに示したように圧縮空気または燃料の制限温度を設定し、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度以上となる場合に第３バルブ７７の開度を上げて、バイパスライン７６を流れる圧縮空気または燃料の流量を増大させ、圧縮空気または燃料の予熱量を減少させる。逆に、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度未満の場合は、第３バルブ７７の開度を下げて、バイパスライン７７を流れる圧縮空気または燃料の流量を減少させ、圧縮空気または燃料の予熱量を増大する。なお、第３バルブ７７の開度を下げて、バイパスライン７６を流れる高温流体の流量を減少させても、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度に到達しない場合は、第３バルブ７７を全閉とし、可能な限り予熱量を増大する。このようにすることで、圧縮空気または前記燃料の予熱器出口における温度が制限温度以下になるよう、ガスタービンの出力に応じて予熱量を制御することが可能となる。

一方、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱に起因した圧縮空気の温度上昇量がガスタービンの出力増大とともに減少するよう、圧縮空気の予熱量を制御する場合においては、第１予熱器８または第２予熱器９の出口の圧縮空気、または燃料の温度を計測する、予熱器出口温度計９７ｂ、および、第１予熱器８または第２予熱器９の入口の圧縮空気または燃料の温度を計測する、予熱器入口温度計９７ａを設け、ガスタービン１の出力に応じて、例えば図２Ａや図２Ｂに示したように、予熱に起因した圧縮空気または燃料の温度上昇量がガスタービンの出力増大とともに減少するように、圧縮空気または燃料の予熱による温度上昇量を設定し、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量以上となる場合に第３バルブ７７の開度を上げて、バイパスライン７６を流れる圧縮空気または燃料の流量を増大させ、圧縮空気または燃料の予熱量を減少させる。逆に、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量未満の場合は、第３バルブ７７の開度を下げて、バイパスライン７６を流れる圧縮空気または燃料の流量を減少させ、圧縮空気または燃料の予熱量を増大する。なお、第３バルブ７６の開度を下げて、バイパスライン７６を流れる圧縮空気または燃料の流量を減少させても、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量に到達しない場合は、第３バルブ７７を全閉とし、可能な限り予熱量を増大する。
このようにすることで、予熱に起因する圧縮空気または前記燃料の温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう予熱量を制御することが可能となる。

図１４Ｄに示すように、他の実施形態において、第１予熱器８または第２予熱器９は、熱源である高温流体と中間熱輸送媒体とを熱交換するための熱交換器８０と、第１予熱器８または第２予熱器９と熱交換器８０との間を中間熱輸送媒体が循環するための循環ライン８１と、を備える。循環ライン８１には、中間熱輸送媒体を循環させるためのポンプ８２と、中間熱輸送媒体の循環量を調整するための第４バルブ８３と、が設けられている。
この構成においては、ガスタービン１の出力に応じて第４バルブ８３を開度制御することによって中間熱輸送媒体の循環量が調整され、第１予熱器８または第２予熱器９における圧縮空気または燃料の予熱量が制御される。なお、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱が不要な場合には、第４バルブ８３を閉にし、且つ、ポンプ８２を停止して、中間熱輸送媒体の循環量をゼロとしてもよい。

本構成において、予熱器出口における圧縮空気または燃料の温度が制限温度以下になるように予熱量を制御する場合においては、第１予熱器８または第２予熱器９の出口の圧縮空気、または燃料の温度を計測する、予熱器出口温度計９７ｂを設け、ガスタービン１の出力に応じて、例えば図４Ａや図４Ｂに示したように圧縮空気または燃料の制限温度を設定し、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度以上となる場合に第４バルブ８３の開度を下げて、循環ライン８１を流れる中間熱輸送媒体の流量を減少させ、圧縮空気または燃料の予熱量を減少させる。逆に、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度未満の場合は、第４バルブ８３の開度を上げて、循環ライン８１を流れる中間熱輸送媒体の流量を増加させ、圧縮空気または燃料の予熱量を増大する。なお、第４バルブ８３の開度を上げて、循環ライン８１を流れる中間熱輸送媒体の流量を増加させても、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度が、制限温度に到達しない場合は、第４バルブ８３を全開とし、可能な限り予熱量を増大する。このようにすることで、圧縮空気または前記燃料の予熱器出口における温度が制限温度以下になるよう、ガスタービンの出力に応じて予熱量を制御することが可能となる。

一方、第１予熱器８または第２予熱器９における予熱に起因した圧縮空気の温度上昇量がガスタービンの出力増大とともに減少するよう、圧縮空気の予熱量を制御する場合においては、第１予熱器８または第２予熱器９の出口の圧縮空気、または燃料の温度を計測する、予熱器出口温度計９７ｂ、および、第１予熱器８または第２予熱器９の入口の圧縮空気、または燃料の温度を計測する、予熱器入口温度計９７ａを設け、ガスタービン１の出力に応じて、例えば図２Ａや図２Ｂに示したように、予熱に起因した圧縮空気または燃料の温度上昇量がガスタービンの出力増大とともに減少するように、圧縮空気または燃料の予熱による温度上昇量を設定し、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量以上となる場合に第４バルブ８３の開度を下げて、循環ライン８１を流れる中間熱輸送媒体の流量を減少させ、圧縮空気または燃料の予熱量を減少させる。逆に、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量未満の場合は、第４バルブ８３の開度を上げて、循環ライン８１を流れる中間熱輸送媒体の流量を増加させ、圧縮空気または燃料の予熱量を増大する。なお、第４バルブ８３の開度を上げて、循環ライン８１を流れる中間熱輸送媒体の流量を増加させても、予熱器出口温度計９７ｂで計測される温度と予熱器入口温度計９７ａで計測される温度との差が、設定された温度上昇量に到達しない場合は、第４バルブ８３を全開とし、可能な限り予熱量を増大する。
このようにすることで、予熱に起因する圧縮空気または前記燃料の温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう予熱量を制御することが可能となる。

図１４Ｅに示すように、他の実施形態において、第１予熱器８または第２予熱器９は、伝熱面積が分割された複数のユニット８Ａ〜８Ｃまたは９Ａ〜９Ｃを含み、熱源である高温流体が流れる第１予熱器８または第２予熱器９の伝熱面積を調整することによって、圧縮空気または燃料の予熱量が制御されるようになっている。図示される例では、高温流体が流れる熱源ライン９０は、第１ユニット８Ａまたは９Ｂに高温流体を供給する第１熱源ライン９０Ａと、第２ユニット８Ｂまたは９Ｂに高温流体を供給する第２熱源ライン９０Ｂと、第３ユニット８Ｃまたは９Ｃに高温流体を供給する第３熱源ライン９０Ｃと、第３ユニット８Ｃまたは９Ｃの出口側に高温流体を供給する第４熱源ライン９０Ｄと、第１ユニット８Ａ、第２ユニット８Ｂ、第３ユニット８Ｃを直列に接続する直列熱源ライン９１と、を含む。すなわち、第１熱源ライン９０Ａから供給された高温流体は、第１ユニット８Ａ〜８Ｃまたは９Ａ〜９Ｃの全てを通過する。第２熱源ライン９０Ｂから供給された高温流体は、第２ユニット８Ｂまたは９Ｂと、第３ユニット８Ｃまたは９Ｃとを通過する。第３熱源ライン９０Ｃから供給された高温流体は、第３ユニット８Ｃまたは９Ｃのみ通過する。そして、第４熱源ライン９０Ｄから供給された高温流体は、第１予熱器８または第２予熱器９をバイパスするようになっている。また、各熱源ライン９０Ａ〜９０Ｄには、それぞれ、バルブ９２Ａ〜９２Ｄが設けられている。

この構成においては、ガスタービン１の出力に応じて、各バルブ９２Ａ〜９２Ｄを開閉制御して高温流体の流れる流路を切り替えることによって、第１予熱器８または第２予熱器９の伝熱面積を変更することができ、これにより圧縮空気または燃料の予熱量を調整することができる。
なお、図示される例では、高温流体の流路を切り替える構成としたが、他の構成例として、圧縮空気または燃料の流路を切り替えるようにしてもよい。また、第１ユニット８Ａまたは９Ｂの出口側（圧縮空気または燃料の出口側）に位置する予熱器出口温度計９７ｂ、若しくは、第１ユニット８Ａまたは９Ｂの入口側（圧縮空気または燃料の入口側）に位置する予熱器入口温度計９７ａの少なくとも一方を設けてもよい。この場合、例えば、図１４Ａ、図１４Ｃ又は図１４Ｄにおいて説明したように、各バルブ９２Ａ〜９２Ｄの制御に際して、予熱器出口温度計９７ｂ又は予熱器入口温度計９７ａで計測される温度が用いられる。

図１４Ｆに示すように、他の実施形態において、第１予熱器８または第２予熱器９は、熱交換効果が異なる複数のユニット８Ａ，８Ｂまたは９Ａ，９Ｂを含む。ユニット８Ａ，８Ｂまたは９Ａ，９Ｂは、圧縮空気または燃料が流れる予熱流体ライン９４に対して並列に設けられている。ここで、第１予熱器８または第２予熱器９において熱交換効果を変える方法として、例えば、ユニット８Ａまたは９Ａと、ユニット８Ｂまたは９Ｂとの間で、伝熱面積を異ならせてもよい。あるいは、ユニット８Ａまたは９Ａにおいては伝熱管の内外面が滑らかな伝熱管を用い、ユニット８Ｂまたは９Ｂにおいては伝熱管内外面の少なくとも一方に乱流促進体が施工された伝熱管を用いてもよい。
また、第１予熱器８または第２予熱器９は、熱源である高温流体が流れる熱源ライン９５を有しており、この熱源ライン９５は、ユニット８Ａまたは９Ａに高温流体を供給する第１熱源ライン９５Ａと、ユニット８Ｂまたは９Ｂに高温流体を供給する第２熱源ライン９５Ｂと、から構成される。第１熱源ライン９５Ａ及び第２熱源ライン９５Ｂには、それぞれ、バルブ９６Ａ，９６Ｂが設けられている。

この構成においては、ガスタービン１の出力に応じて、各バルブ９６Ａ，９６Ｂを開閉制御して、予熱に用いられるユニット８Ａ，８Ｂまたは９Ａ，９Ｂを切り替えるようにしてもよいし、各バルブ９６Ａ，９６Ｂを開度制御して、ユニット８Ａ，８Ｂまたは９Ａ，９Ｂに流れる高温流体の流量を調整してもよい。また、第１ユニット８Ａまたは９Ｂの出口側（圧縮空気または燃料の出口側）に位置する予熱器出口温度計９７ｂ、若しくは、第１ユニット８Ａまたは９Ｂの入口側（圧縮空気または燃料の入口側）に位置する予熱器入口温度計９７ａの少なくとも一方を設けてもよい。この場合、例えば、図１４Ａ、図１４Ｃ又は図１４Ｄにおいて説明したように、各バルブ９６Ａ，９６Ｂの制御に際して、予熱器出口温度計９７ｂ又は予熱器入口温度計９７ａで計測される温度が用いられる。

次に、一実施形態に係るガスタービン１の運転方法について説明する。なお、以下の説明では、適宜、図１乃至図１３に示す符号を用いている。
一実施形態において、ガスタービン１の運転方法は、燃焼器３の上流側において、圧縮空気または燃料の少なくとも一方を予熱するための予熱ステップを備えている。
予熱ステップでは、予熱ステップでは、ガスタービン１の少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した圧縮空気または燃料の少なくとも一方の温度上昇量がガスタービン１の出力増大とともに減少するよう予熱量を制御する。

この方法によれば、少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した圧縮空気又は燃料の少なくとも一方の温度上昇量をガスタービン１の出力の増大とともに減少させるようになっている。このように、ガスタービン１の出力に応じて予熱量を制御することで、ガスタービン１の高出力時における車室又はロータの過度な温度上昇や逆火発生を抑制するとともに、ガスタービン１の低出力時における運転効率の向上を実現することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ロータ
６ 発電機
７ 予熱装置
８ 第１予熱器
９ 第２予熱器
４１ 排熱回収ボイラ
４１ａ 低圧蒸気発生部
４１ｂ 中圧蒸気発生部
４１ｃ 高圧蒸気発生部
４２ａ 低圧蒸気タービン
４２ｂ 中圧蒸気タービン
４２ｃ 高圧蒸気タービン
４３ 発電機
４４ 復水器
４５ 給水ポンプ
４７ 再熱器
５０ 予熱蒸気ライン
５０ａ 第１分岐供給ライン
５０ｂ 第２分岐供給ライン
５１ 予熱蒸気回収ライン
５１ａ 第１分岐回収ライン
５１ｂ 第２分岐回収ライン
５２ 第２予熱蒸気ライン
６０ ガスタービンプラント
９７ａ 予熱器入口温度計
９７ｂ 予熱器出口温度計

Claims (14)

1. 圧縮空気を生成するための圧縮機と、
   前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するための燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、
   前記燃焼器の上流側において、少なくとも前記圧縮空気を予熱するための予熱器と、を備えるガスタービンであって、
   前記予熱器は、前記ガスタービンの少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した前記圧縮空気の温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう予熱量を制御するように構成されたことを特徴とするガスタービン。
2. 前記予熱器は、前記少なくとも一部の出力範囲において、前記圧縮空気の前記予熱器出口における温度が制限温度以下になるよう、前記ガスタービンの出力に応じて前記予熱量を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記予熱器は、前記少なくとも一部の出力範囲において、前記圧縮空気の前記予熱器出口における温度が前記制限温度に固定されるよう、前記ガスタービンの出力に応じて前記予熱量を制御するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン。
4. 前記予熱器は、少なくとも、前記ガスタービンの最大出力よりも小さい第１出力閾値以上、且つ、該第１出力閾値よりも大きい第２出力閾値以下の予熱制限出力範囲において、前記温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう前記予熱量を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のガスタービン。
5. 前記予熱器は、少なくとも、前記ガスタービンの最大出力よりも小さい第１出力閾値と前記ガスタービンの定格出力との間の予熱制限出力範囲において、前記温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう前記予熱量を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のガスタービン。
6. 前記予熱器は、少なくとも前記予熱制限出力範囲における出力上限値において前記予熱量をゼロとするように構成されたことを特徴とする請求項４又は５に記載のガスタービン。
7. 前記予熱器は、前記予熱制限出力範囲内において、前記温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに絶えず減少するよう前記予熱量を制御するように構成されたことを特徴とする請求項４乃至６の何れか一項に記載のガスタービン。
8. 前記予熱器は、前記ガスタービンの定格出力よりも大きい出力範囲において、前記余熱量をゼロとするように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のガスタービン。
9. 前記予熱器は、前記ガスタービンの定格出力では前記余熱量をゼロとし、前記定格出力よりも大きい出力範囲では前記余熱量をセロよりも大きくするように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のガスタービン。
10. 前記予熱器は、前記ガスタービンからの排ガスとの熱交換によって、前記圧縮空気を予熱するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のガスタービン。
11. 前記予熱器は、前記ガスタービンおよび前記ガスタービンの排ガスの熱を用いて高温の蒸気または水の少なくとも一方を生成する排熱回収ボイラを備えたガスタービンプラントの排熱回収ボイラにおいて生成された蒸気との熱交換によって、前記圧縮空気を予熱するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のガスタービン。
12. 前記予熱器は、前記ガスタービンおよび蒸気タービンを備えたコンバインドサイクルプラントの排熱回収ボイラにおいて生成された蒸気との熱交換によって、前記圧縮空気を予熱するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のガスタービン。
13. 請求項１乃至１２何れか一項に記載のガスタービンを備えることを特徴とするコンバインドサイクルプラント。
14. 圧縮空気を生成するための圧縮機と、
    前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するための燃焼器と、
    前記燃焼ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、を備えるガスタービンの運転方法であって、
    前記燃焼器の上流側において、少なくとも前記圧縮空気を予熱するための予熱ステップを備え、
    前記予熱ステップでは、前記ガスタービンの少なくとも一部の出力範囲において、予熱に起因した前記圧縮空気の温度上昇量が前記ガスタービンの出力増大とともに減少するよう予熱量を制御することを特徴とするガスタービンの運転方法。

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