JPH07301127A - ガスタービン発電プラント及びガスタービン発電プラントにおける冷却方法 - Google Patents
ガスタービン発電プラント及びガスタービン発電プラントにおける冷却方法Info
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- JPH07301127A JPH07301127A JP7102593A JP10259395A JPH07301127A JP H07301127 A JPH07301127 A JP H07301127A JP 7102593 A JP7102593 A JP 7102593A JP 10259395 A JP10259395 A JP 10259395A JP H07301127 A JPH07301127 A JP H07301127A
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Abstract
に際し、信頼性を向上する。 【構成】 主として蒸気からなる蒸気50と圧縮空気1
2の混合体18が、タービン4の静翼44の冷却に使用
される。圧縮空気12は、圧縮機1から抽出される。圧
縮空気12に混入される蒸気50の流量は、圧縮空気1
2がタービン4へ流れる際に受けるオリフィス94前後
の圧力降下を所定範囲内に維持するように制御される。
オリフィス94前後の圧力降下は、圧力差変換器90に
より感知され、その信号110が制御器96に伝送され
る。制御器96からの制御信号112が、制御弁76を
操作して蒸気50の流量を調節する。
Description
ン部分を冷却する方法及び装置に関する。特に、仮に蒸
気の供給が遮断されても、タービンを過熱する危険が無
くタービンを蒸気冷却する方法及び装置に関する。
燃焼器内で燃料を燃焼することによって加熱される圧縮
空気を作る圧縮機部分を有している。燃焼器からの高温
ガスは、タービン部分に導かれ、そこで該高温ガスは、
回転軸を駆動するために使用され、動力を発生する。
互の列を複数使用している。その静翼及び動翼は、燃焼
器から出される高温のガスに曝されるので、これらの部
品の冷却はこの上なく重要である。従来、冷却は、圧縮
器で発生された圧縮空気を抽出し、そして燃焼器をバイ
パスするように冷却用空気をタービンに導くことによっ
て行われていた。使用の形態によっては、抽出空気は、
タービンに導入する前に空気対空気の冷却器によって冷
却される場合もあった。タービンに導入された後、冷却
空気は、翼型に形成された半径方向通路を通って流れ
た。一般的に、多数の小さい軸方向通路が静翼及び動翼
の翼型に形成されており、それらは、一つまたは複数の
半径方向通路に連通していて、翼型の表面の全体に亘っ
て、例えば前縁及び後縁もしくは負圧面及び正面に亘っ
て導かれていた。冷却空気は、静翼または動翼を出た
後、タービン部分に入り、そしてタービン部分を流れる
高温ガスと混合していた。
の冷却方法は、ガスタービンの熱効率に対して決定的な
影響力を有していた。冷却空気は、結局はタービンの中
で膨脹する高温ガスと混合するけれども、それは燃焼過
程をバイパスするので圧縮された冷却空気の膨脹によっ
て回復される仕事量は、燃焼器内で加熱される圧縮空気
の膨張によって回復される仕事量よりも少ない。実際、
圧力降下および機械効率による損失により、冷却空気か
ら回復される仕事量は、圧縮機内で空気を圧縮するのに
要する仕事量よりも少ない。このようなわけで、圧縮機
から抽出した圧縮空気を使用しないで静翼及び動翼を冷
却することは、望ましいのである。
は、その圧縮空気を排熱によって発生される蒸気に置換
することであった。不幸にして、このアプローチでは、
蒸気の供給の遮断があると、タービン部分が過熱する速
度が大きいので悲惨な結果を招くかもしれないものであ
った。圧縮機からの圧縮空気が空気のバックアップ源と
して使用し得るものであったが、タービンへのかかる空
気の供給が伝統的に遮断弁によって調節されていると、
この弁が、誤作動をしたり、或いはタービンの過熱を防
止するために充分に速く応答しないという危険がある。
更に蒸気がうっかりして圧縮機に入りそして中の部品を
損傷しないことを確実にするために、従来のアプローチ
は、また圧縮空気の配管に逆止弁を必要としている。再
び、この弁の存在は、弁の誤作動が蒸気の供給の中断の
ときにタービンから冷却を奪ったり蒸気が圧縮機に入っ
たりすることを許す危険性を生ずる。従って、蒸気を使
用してガスタービンのタービン部分を冷却するための非
常に信頼性のある方法及び装置を提供することが、望ま
れている。従って、本発明の一般的な目的は、蒸気を使
用してガスタービンのタービン部分を冷却するための非
常に信頼性のある方法及び装置を提供することである。
この目的は、他の目的と同様に、(i)圧縮機の中で空
気を圧縮し、これにより圧縮空気を作る段階と、(ii)
燃焼器内においてその圧縮空気の第1部分の中で燃料を
燃やすことによりこの圧縮空気の第1部分を加熱して高
温圧縮ガスを作る段階と、(iii)タービンを通してそ
の高温圧縮ガスを流してこの高温圧縮ガスを膨脹させ、
これにより膨脹ガスと動力とを発生する段階と、(iv)
その圧縮空気の第2部分をタービンに導き、これにより
該圧縮空気の第2部分をしてタービンをバイパスさせ、
そしてその圧縮空気の第2部分をタービンにその冷却の
ために導入する段階と、そして(v)タービンに導入す
る前のその圧縮空気の第2部分に蒸気流を混入し、これ
により蒸気と空気の混合体がタービンに導入される段階
とから構成されるガスタービン発電プラントの冷却方法
において達成される。一つの実施態様において、この方
法は、その中で混合される蒸気の流量を調節することに
よりその圧縮空気の第2部分の流量を調節する段階をさ
らに有している。この実施態様において、圧縮空気の第
2部分をタービンに導く段階は、その圧縮空気の第2部
分をして圧力降下を受けしめることを含み、そして蒸気
流を圧縮空気の第2部分に混入する段階は、前述の圧力
降下の作用として蒸気流量を調節することを含んでい
る。
縮機と、(ii)その圧縮空気をその中で燃料を燃焼する
ことによって加熱し、これにより高温圧縮ガスを作る燃
焼器と、(iii)内部に形成された複数の冷却通路を有
し、その高温圧縮ガスを膨脹させ、これにより膨脹ガス
を作るタービンと、(iv)その圧縮空気の第2部分をタ
ービンに導き、これにより圧縮空気の第2部分をして燃
焼器をバイパスさせ、その圧縮空気の第2部分をそのタ
ービンの冷却通路へ導くための手段と、そして,(v)
その圧縮空気の第2部分をタービンに導入する前にその
圧縮空気の第2部分に蒸気流を混入し、これにより空気
と蒸気の混合体がタービンに導入される手段とを有する
ガスタービン発電プラントを包含している。
るガスタービン発電プラントの構成ダイヤグラムが示さ
れている。該発電プラントの主要部分には、圧縮機1、
燃焼器2、タービン4、ロータ6、熱回収蒸気発生器
8、給水源9及び発電機10が含まれている。運転時、周
囲の空気11は、圧縮機1に吸引される。そして、圧縮
機1からの圧縮空気13は燃焼器2に導かれ、その中
で、一般には油または天然ガスである燃料7が燃焼され
て、高温圧縮ガス16を作る。最新のガスタービンにお
いて、燃焼器2から出される高温圧縮ガスは、1370
℃(2500°F)を越えることがある。それから、高
温圧縮ガス16はタービン部分4に導かれ、そこで膨脹
して膨脹ガス21を発生し、そしてロータ6を駆動する
動力を発生する。ロータ6は、圧縮機1と電力を発生す
る発電機10とを駆動する。
機筒22に取り付けられた静翼とロータ6の圧縮機部分
に取着されたディスクに固定された動翼を複数列有す
る。圧縮機1から排出された圧縮空気13は、燃焼部分
筒24によって形成された室20に導かれる。室20か
ら、圧縮空気13の一部が、燃焼器2(図2において只
1個のみ示されている)に入り、そして前述したよう
に、燃料7の燃焼により加熱される。燃焼器2から、高
温ガス16がダクト17によりタービン部分4に導かれ
る。タービン4は、内筒28を取り囲む外筒26を有す
る。その内筒28の中で、高温ガス16は、交互にある
静翼と動翼の列を越えて流れる。静翼の列は、内筒28
に取り付けられている。動翼の列は、ロータ6のタービ
ン部分を形成するディスクに取り付けられている。本発
明は、第一段の動翼46と第二段の静翼44の冷却に関
連してここに詳細に図示されているが、本発明は、ター
ビンのディスクの冷却と同様タービンの他の段の動翼及
び静翼の冷却にも等しく適用され得ることを理解すべき
である。
膨脹ガス21は、タービン4を貫流する間にその温度が
低下しているけれども、なお相対的に高温、一般的には
少なくとも480−540℃(900−1000°
F)、である。本発明の好適な実施例によれば、膨脹ガ
ス21は、熱回収蒸気発生器8に導かれる。熱回収蒸気
発生器8は、過熱器86、蒸発器82、およびエコノマ
イザ80といった種々の熱交換部を取り囲むダクトを有
している。膨脹ガス21から給水3へ熱伝達して、後述
するように過熱蒸気を発生した後、膨脹ガス29は、今
度はかなり冷却されて大気中に放出される。ポンプ(図
示しない。)は、給水源9から熱回収蒸気発生器8へ給
水3を導く。熱回収蒸気発生器8において、給水3はエ
コノマイザ80を貫流し、ここで膨脹ガス21から給水
へ熱が伝達される。エコノマイザ80から、加熱給水5
は蒸気ドラム84へ導かれ、加熱給水5は、ここから蒸
発器82を通って循環され、そして蒸気48に転換され
る。それから、ドラム84からの飽和蒸気48は、過熱
器86の中で過熱される。それから、過熱蒸気49は二
つの流れ50,52に分割される。蒸気流50は、静翼
を冷却するためにタービン4に導かれ、そして蒸気流5
2は、ロータ6及びその動翼46を以下に詳述するよう
に冷却するためにタービン4に導かれる。
冷却系統を説明する。部分的に圧縮された空気12が圧
縮機1の中間段から抽出され、そして圧縮機筒22によ
って形成されたマニホールド47に集められる。圧縮空
気12は、マニホールド47から管30により導かれる
が、これにはオリフィス94が設けられている。オリフ
ィス94からの圧縮空気12が、熱回収蒸気発生器8か
らの蒸気50と合体される。オリフィス94を貫流する
結果、圧縮空気12は、速度に比例した圧力降下を受け
るが、この圧力降下は、後述するように圧縮空気12に
混入される蒸気50の流量を調整するために利用され
る。それから、蒸気と圧縮空気の混合体18は、外筒2
6の穴を経由し、内筒28と外筒26の間に形成された
マニホールド29の中に導かれる。
の一部が説明されるが、これは通常のものである。蒸気
と空気の混合体18は、マニホールド29から内筒28
の通路58を経由して静翼44に流れる。静翼外側シュ
ラウド70の通路60は、蒸気と空気の混合体18が静
翼翼型74の内部の中央空間72に入るのを許容する。
中央空間72から、蒸気と空気の混合体18は、静翼翼
型74の後縁の穴62を通って流れ、そしてタービン4
を貫流する高温ガス16と混合する。更に複雑な静翼冷
却構成が、例えば、負圧面或いは正圧面上と同様前縁上
にフィルム冷却を出現させるために中央空間72内に挿
入体を使用することにより或いは静翼翼型に穴を追加形
成することにより使用できることは、当業者が容易に理
解できるであろう。
ば、圧力差変換器90がオリフィス94の両側に接続さ
れ、オリフィス94を貫流する圧縮空気12が受ける圧
力降下が感知される。変換器90は、感知された圧力降
下を示す電気信号110を発生し、それをマイクロプロ
セッサベースでよい制御器96へ伝送する。当技術分野
で周知の技術を使用している制御器96は、感知された
圧力降下に応答する制御信号112を発生するロジック
を含んでいる。制御信号112は、圧縮空気12に混入
される熱回収蒸気発生器8からの蒸気50の流量を調整
する制御弁76を操作する。
空気が抽出される精確な位置及び運転諸元(例えば、タ
ービンの点火温度、外気条件等)に依存する。いずれに
せよ、圧縮空気12の圧力は、与えられた如何なる運転
条件に於いてもほぼ一定である。定格基底負荷点火温度
で運転され、且つ圧縮機1の第11段から空気が抽出さ
れる典型的なガスタービンにおいて、圧縮空気12の圧
力は、約415 kPa(60psia)である。対照的に、
熱回収蒸気発生器8は、かなり高い圧力で(即ち、68
95 kPa (1000psia)を越える圧力)蒸気を発生
することができる。このようにして、流量が流れを駆動
する圧力差の関数であることを認識すると、圧縮空気1
2の流量は、蒸気と圧縮空気とが流れる共通配管32内
の蒸気流によって形成される圧力に依存する…即ち、蒸
気流量が増えるにつれて、圧縮機の抽出点からオリフィ
スまでの圧力降下は減少し、このようにしてオリフィス
を通る圧縮空気の流量を減少する。任意の運転条件に於
いて、蒸気の流量が大きくなれば配管32の圧力が高く
なり、そして圧縮空気12の流量が小さくなる。蒸気流
量の減少は、配管32内の圧力を低下し、結果として圧
縮空気12の流量の増加をもたらす。
を冷却する蒸気と空気の混合体18が主として蒸気から
形成されるように、そして最も好ましくは、蒸気と空気
の混合体18が重量ベースで少なくとも90%の蒸気を
持つように、蒸気50の流量を調節するように作動され
る。これは、制御器96を、変換器90によって感知さ
れるオリフィス94前後の圧力降下を所定の最大値以下
に維持するのに必要とされるように制御器96が制御弁
76を操作するようなロジックでプログラミングするこ
とによって実現される。例えば、圧縮空気12が、圧力
が415 kPa(60psia)である圧縮機1の第11段
から抽出されるとき、オリフィス94前後の圧力降下の
所定の最大値は、好ましくは約21 kPa (3psi )で
ある。
の圧力降下がいつもプラスに維持されるように、即ち、
所定の最小値、例えば7 kPa (1psi )を越えるよう
にプログラミングされ、その結果オリフィス94の下流
の圧力が常に上流の圧力より低くなる。したがって、タ
ービン4への圧縮空気12の流れが常に存在する。上流
への流れは圧縮機内部の部品を損傷するかもしれないの
だが、このことは、蒸気が上流に流れて圧縮機1に入ら
ないことを確実にする。したがって、本発明によれば、
蒸気の圧縮機1への逆流を防止するために圧縮空気配管
に逆止弁を設けることを必要としない。このようにし
て、制御器96は、また当技術分野でよく知られている
技術を使用して、オリフィス94前後の圧力降下が、所
定の範囲、即ち、例えば7乃至21 kPa (1乃至3ps
i )、に維持されるように蒸気の流れ50を調節するよ
うなロジックを以て制御弁76を作動せしめるようにプ
ログラミングされる。もし、圧力降下が所定の最小値以
下に低下すれば、制御器96は、蒸気50の流れを減少す
るように制御弁76を閉じ始め、そして、そのため圧縮
空気12がタービン4に入るためには対抗して流れなけ
ればならない共通配管内の圧力を減少することにより圧
縮空気12の流量を増大する。もし圧力降下が所定の最大
値を越えて増大すれば、制御器96は蒸気50の流れを
増大するために制御弁76を開放し始め、そのため圧縮
空気12がタービン4に入るためには対抗して流れなけ
ればならない共通配管内の圧力を増大することにより圧
縮空気の流れを減少する。
気12の流量は、その圧縮空気に混入される蒸気50の
流量を調整することにより調節され、そして蒸気50の
流量は、運転諸元の変化の結果として、要求通りに、自
動的かつ連続的に調整される。例えば、タービン点火温
度の上昇は、圧縮機1が受ける背圧を増大し、そして圧
縮空気12の圧力の中で背圧が増大する。この空気圧力
の増加は、圧縮空気の流量の一時的な増加をもたらし、
そのためオリフィス94前後の圧力降下の一時的増加を
齎す。しかしながら、この圧力降下の増大は、前述の制
御器96及び制御弁76の働きにより、圧力降下そして
そのゆえに圧縮空気12の流量を好もしい値に戻すに十
分な蒸気50の流量増加を齎す。
気12の量を最小に維持して熱力学的性能を改善するよ
うに蒸気を主冷却材として使用することを許容する。ま
た、本発明によれば、静翼44を貫流する蒸気50は、
前述したようにタービン4を貫流する高温ガス16に結
局は入るので、タービン4内で膨張する作動流体の質量
流量が増加し、更にガスタービン1の出力を増大する。
されているけれども、圧縮機1からの圧縮空気12は、
熱回収蒸気発生器8が未だ蒸気を発生し始めていない始
動時や、運転中蒸気の流れに遮断が生じたときにも、連
続的にかつ瞬時に利用可能であり、全冷却負荷を制御で
きる。本発明によれば、蒸気流量の急激な減少が、配管
12内の圧力の急激な低下、ひいては、圧縮空気12の
流量の急激な増加を生じる。重要なことであるが、この
蒸気のバックアップとしての圧縮空気の使用は、いかな
る弁を作動させる必要がなく実現される。事実、好適な
実施例において、圧縮機1からの圧縮空気12をタービ
ン4に導く配管にはいかなる弁も(即ち、流量制御弁
も、遮断弁も、逆止弁も)存在しない。このようにし
て、弁の誤作動によるタービンの過熱の危険性は皆無と
なっている。
は、蒸気50が流れなければならない配管は、外気温度
である。好適な実施例において、蒸気50は過熱されて
いるけれども、蒸気が凝縮し、水をタービン4に入れる
危険性がある。この状態は、タービンの部品に損傷を与
える結果を招くので、本発明によれば、図2に示される
ように、蒸気50をタービン4に導く配管には、排気系
100が接続されている。弁77が、制御器96によっ
て操作され、蒸気配管が所定の温度に達するまで蒸気5
0が排出されるようにする。好適な実施例において、熱
電対98が、蒸気50をタービン4に導く配管の金属温
度を計測するために設けられている。制御器96は、熱
電対98から出力信号114を受け取り、そして制御器
96は、凝縮が生じないことを確実にするために配管が
望ましい最低温度に達するまで排気弁77を開放し、そ
して制御弁76を閉鎖したままに維持する制御信号11
4を発生せしめるようなロジックを以てプログラムされ
ている。
をこれから説明する。図3に示されるように、圧縮機1
から導出された圧縮空気13の一部14は、配管36に
よって室20から導かれる。通常のもののように、配管
36は、冷却器75を通して圧縮空気14を導くが、こ
の冷却器75は、圧縮空気14が内部を流れる鰭付き管
型のものでよい。ファン38が、外気39を配管を越え
て流し、圧縮空気14を冷却する。本発明の重要な特徴
によれば、冷却器75を通って流れる結果として、圧縮
空気14は、流量に比例する圧力降下を受け、そして圧
力降下は前述のように圧縮空気14に混入される蒸気5
2の流量を調節するために利用される。
蒸気発生器8からの蒸気52と合体される。それから、
蒸気と圧縮空気の混合体19が、ロータ6の一部を取り
囲むハウジング37によって形成されたマニホールド4
0へ管34によって導かれる。図4を参照して、通常の
ものである動翼冷却通路の細部の一部をこれから説明す
る。蒸気と圧縮空気の混合体19は、マニホールド40
から、動翼46が取り付けられている円板42の中の通
路64を経由して動翼46へ流れる。動翼46の中の半
径方向通路66は、蒸気と圧縮空気の混合体19が動翼
46を貫流するようにしている。通路66からの蒸気と
圧縮空気の混合体19は、動翼46の先端から流出し、
或いは後縁の軸方向穴68を通って流れる。いずれの場
合も、蒸気と圧縮空気の混合体19は、タービン4を貫
流する高温ガス16と混合する。当業者は、更に複雑な
円板及び動翼冷却構成が、例えば、動翼内の更に複雑な
流路を採用することにより、或いは、負圧面或いは正圧
面と同様前縁に亙ってフィルム冷却がされるように穴を
追加形成することにより使用できることは容易に理解し
得るであろう。
の蒸気冷却が、上述した静翼の冷却と同様な方法で為さ
れることが判る。変換器92は、冷却器75前後の圧力
降下を感知し、そして表示信号118を制御器96に伝
送する。制御器96は、冷却器75前後の圧力降下が、
所定の範囲、例えば2.5−5.0cm(1−2インチ)
水柱、内に維持されるように制御弁79を操作する制御
信号120を発生する。このようにして、ロータ6へ供
給された蒸気と圧縮空気の混合体19は、主として、蒸
気52から成っている。前のように、圧縮空気14に混
入される蒸気52の流量は、ガスタービンの運転が変動
するにつれて連続的に調整され、そして圧縮空気14
は、蒸気流が遮断された場合にバックアップ冷却源とし
て直ちに利用される。その上、空気流の配管に弁が全く
設けられていないので、弁の誤作動によりタービン動翼
或いはロータを過熱する危険性は全くない。最後に、配
管の熱電対99が、制御器96のために、配管温度が、
凝縮水がタービンに入ることを防止するための所定の最
小値に達するまでは、制御信号124により排気弁78
を開放したままに維持する信号122を発生する。
に関連づけて示されているけれども、本発明は、また補
助ボイラや蒸気タービンからの抽出蒸気の様な他の蒸気
源と共に使用され得る。従って、本発明は、その精神ま
たは本質的な特性から離れることなく他の特徴的形態で
実施され得る、従って、発明の範囲を示すものとして
は、前述の説明よりは、添付の請求の範囲に拠る可きで
ある。
ン発電プラントの構成ダイヤグラムである。
成を有する、図1に図示のガスタービンの部分縦断面図
である。
する、図1に図示のガスタービンの部分縦断面図であ
る。
通る冷却流路の簡略図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 a)圧縮空気を作る圧縮機、 b)該圧縮空気の第1部分をその中で燃料を燃焼させる
ことにより加熱し、これにより高温圧縮ガスを作る燃焼
器、 c)内部に形成された複数の冷却通路を有し、該高温圧
縮ガスを膨張させて膨張ガスを作るタービン、 d)該タービンへ該圧縮空気の第2部分を導いて該圧縮
空気の第2部分をして該燃焼器をバイパスさせ、そして
該圧縮空気の第2部分を該タービンの冷却通路に導入す
る手段、及び e)該圧縮空気の第2部分の該タービンへの導入に先立
って該圧縮空気の第2部分に蒸気流を混入し、これによ
り蒸気と空気の混合体が該タービンに導入されるように
する手段 を有するガスタービン発電プラント。 - 【請求項2】 該ガスタービン発電プラントが、更に、
混合される蒸気の流量を調節することにより該圧縮空気
の第2部分の流量を調節する手段を含んでいる請求項1
記載のガスタービン発電プラント。 - 【請求項3】 ガスタービン発電プラントにおいて、 a)圧縮機において空気を圧縮して圧縮空気を作る段
階、 b)燃焼器において該圧縮空気の第1部分をその中で燃
料を燃焼させることにより加熱し、高温圧縮ガスを作る
段階、 c)該高温圧縮ガスをタービンに貫流して該高温圧縮ガ
スを膨張させ、これにより膨張ガスと動力とを発生する
段階、 d)該タービンへ該圧縮空気の第2部分を導いて該圧縮
空気の第2部分をして該燃焼器をバイパスさせ、そして
該圧縮空気の第2部分を冷却のために該タービン内へ導
入する段階、及び e)該圧縮空気の第2部分の該タービンへの導入に先立
って該圧縮空気の第2部分に蒸気流を混入し、これによ
り蒸気と空気の混合体が該タービンに導入されるように
する段階 からなるガスタービン発電プラントにおける冷却方法。 - 【請求項4】 該冷却方法が、更に、混合される蒸気の
流量を調節することにより該圧縮空気の第2部分の流量
を調節する段階を含んでいる請求項3記載のガスタービ
ン発電プラントにおける冷却方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/234040 | 1994-04-28 | ||
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