JPH09166028A - 排熱回収および圧縮中に中間冷却を行う開放ガスタービン - Google Patents

排熱回収および圧縮中に中間冷却を行う開放ガスタービン

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JPH09166028A
JPH09166028A JP28437796A JP28437796A JPH09166028A JP H09166028 A JPH09166028 A JP H09166028A JP 28437796 A JP28437796 A JP 28437796A JP 28437796 A JP28437796 A JP 28437796A JP H09166028 A JPH09166028 A JP H09166028A
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cooler
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ニールセン ヘンリク
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    • F04D29/5846—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling by injection

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンにおいて、一層の中間冷却によ
って圧縮最終温度ないしは圧縮仕事を低減する。 【解決手段】 少なくとも第１の圧縮機部分（１Ａ）が
複数の水噴射手段（１２）を備えており、冷却器（５）
が水−熱交換のための手段（１３）を備えており、かつ
水−熱交換のための手段がフィードポンプ（１４）を介
して水噴射手段（１２）と接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、排熱回収および圧
縮中に中間冷却を行う開放ガスタービンであって、ガス
タービンが主に、２部分から成っていてこれらの間に冷
却器が接続された軸流圧縮機と、少なくとも１つの燃焼
室と、少なくとも１つのタービンと、回収熱交換器とを
備えており、圧縮空気が回収熱交換器内で燃焼室の入口
温度へ加熱されるようになっている形式のものに関す
る。また本発明はこのようなガスタービンの運転方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】このようなガスタービンは十分に知られ
ている。排熱回収と圧縮中の中間冷却とは効率向上およ
びまたは出力増大のために使用される工程の改善手段と
考えられる。中間冷却は効率曲線の平準化をもたらし、
特に高い圧力比を持つプラントでは重要である。したが
って軸流圧縮機は作動媒体の中間冷却のために普通多ケ
ーシングに構成されている。作動媒体（ここでは周囲か
ら吸引される燃焼空気）は低圧圧縮の後圧縮機ケーシン
グの外部に配置された中間冷却器内で、別の圧縮機部分
内で最終圧力に圧縮される前に冷却される。中間冷却の
繰返しも勿論可能である。
【０００３】半径流多段圧縮機ではさらに、中間冷却の
ために蒸発する液体をガス流内へ噴射することが知られ
ている。米国特許第２７８６６２６号明細書には、蒸発
可能な液体が圧縮機入口内にも、個々の段の移動ディス
クと案内ディスクとの間の横通路内にも噴射されるよう
な遠心圧縮機が記載されている。しかしこの噴射は低流
速の領域内で実施されるので、液体の限られた以上の蒸
発、ひいては送られた作動媒体の冷却がこの方法で達成
できるかどうかは疑問である。この理由から段相互間に
もそれぞれ排水が配慮されている。その上に実際に蒸発
され得るよりも多量の液体を噴射する可能性すらある。
この蒸発されない液体は圧縮機の出口で圧縮ガスに混合
される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に挙げられた形式のガスタービンにおいて、一層の中間
冷却によって圧縮最終温度ないしは圧縮仕事を低減する
ことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、本発明に
より、少なくとも第１の圧縮機部分が複数の水噴射手段
を備えており、冷却器が水−熱交換（または水−再生）
（Wassser-Rekuperation）のための手段を備えており、
かつ水−熱交換のための手段が供給ポンプを介して水噴
射手段と接続されていることによって解決される。
【０００６】
【発明の効果】本発明の利点は特にプラントの著しい効
率の増大に見ることができる。それというのも圧縮仕事
の減少とともに低い圧縮最終温度が得られるので、ター
ビン入口温度を上げることができるからである。“低温
の”圧縮燃焼空気によって熱いタービン部分に対する卓
越した冷却剤が得られる。その上にロータおよび翼に関
して高価な材料を使用する必要がない。
【０００７】水噴射手段が圧縮機内で各案内翼の平面内
に配置されており、かつ該水噴射手段が、貫流される圧
縮機通路の全高にわたって配置されていると特に有利で
ある。貫流される圧縮機通路への有利な水噴射が中空の
案内翼を通ってまたは格子状に配置された噴射ノズルを
介して行なうことができる。この手段によって圧力損失
をもたらす付加的な構成部材を省略し、かつ流れに適合
した噴射が可能である。
【０００８】プラントを運転するための方法は、圧縮中
に発生する蒸気−空気混合物が水の飽和曲線を下回らな
いような量の水を複数の水噴射手段を介してその都度供
給し、かつ中間圧に圧縮された空気を、噴射された水の
少なくともほぼ全量が凝縮され、かつ清浄化の後に再度
水噴射手段へ供給されるような程度に最終冷却器内で冷
却することを特徴とする。
【０００９】この方法によれば水はほとんど消費されな
い。さらに噴射される水に圧縮機清浄化剤を添加して圧
縮機運転中に連続的に清浄化する方法が与えられる。
【００１０】
【実施例】図面には２軸ガスタービンでの本発明の実施
例が示されている。
【００１１】本発明の理解に必要な部材のみが図面には
示されているにすぎない。作動媒体の流れ方向は矢印で
示されている。
【００１２】図示のプラントは、低圧圧縮機１Ａおよび
高圧圧縮機１Ｂ並びに圧縮機タービン２Ｂおよび有効出
力タービン２Ａが直列に接続されているが、別個の軸３
Ａ，３Ｂに配置された複合回路である。力の取出しは発
電機４が配置された低圧軸３Ａの圧縮機側で行われる。
高圧軸３Ｂは実施例では中空軸として構成されている。
【００１３】２つの軸流圧縮機は直列に接続され、第１
の中間冷却を備えている。中間冷却には通常水冷冷却器
５が両圧縮機ケーシング間の外部に配置されている。高
圧圧縮機１Ｂの出口からは最終的に圧縮された空気が向
流で回収熱交換器６を貫流し、回収熱交換器は有効出力
タービン２Ａの煙道ガスによって負荷される。この装置
では燃焼空気は高圧燃焼室７の入口で意図された温度に
加熱される。この燃焼室内では燃料１７の添加によって
作動媒体の所定のタービン入口温度への加熱が行われ
る。
【００１４】直列の２つのタービンは中間加熱を配慮さ
れている。そのためには圧縮機タービン２Ｂの出口と有
効出力タービン２Ａの入口との間にもう１つの燃料供給
部１８が設けられている。略示された個別の燃焼室７，
８は環状の燃焼室であってもよい。
【００１５】ここまでは工程改善を配慮されたオープン
ガスタービンとして公知である。所で本発明によれば第
１の圧縮機部分、すなわち低圧圧縮機１Ａ内にもう１つ
作動媒体の中間冷却が設けられている。このもう１つの
中間冷却は内部式中間冷却であり、貫流される圧縮機通
路内へ蒸発すべき水を噴射することによって実現され
る。
【００１６】そのために低圧圧縮機（その翼については
動翼９しか示されていない）に沿って水導管路１０が延
びており、水導管路からは各圧縮段に対して供給管路１
１が分岐している。実際の水の噴射は噴射ノズル１２を
介して通路内部で行われ、噴射ノズルは通路内に適切な
方法で格子状に配置されている。この格子はそれぞれ図
示されない案内翼の平面内に存在する。噴射ノズルは通
路全高にわたって均一に分配されている。噴射量は、噴
霧された水の全量が直接蒸発するように設定される。圧
縮の経過中噴射量は、水蒸気の飽和曲線を下回ることが
ないように調量されるべきである。
【００１７】噴射ノズルは別体の格子の代りに案内翼自
体に存在するか、または案内翼自体内に存在していてよ
く、例えば空間を介して案内翼内へ供給される。この場
合空間は付属の供給管路１１と接続されている。
【００１８】部分圧縮された燃焼空気と水蒸気との混合
物は低圧圧縮機の出口から冷却器５内へ送られる。ここ
で水蒸気が完全に凝縮されるまで冷却される。したがっ
て低圧圧縮機の入口で大気から吸引された新鮮空気より
も原則的に乾燥している可能性のある空気が高圧圧縮機
内へ達する。
【００１９】冷却器５内で生じた凝縮物は容器１３内へ
集められる。凝縮物はここからフィードポンプ１４によ
って調整装置１５（水はここで特に浄化される）を介し
てまた水導管路１０内および噴射ノズルへ戻される。
【００２０】以下の数値の例は、達成される熱の回収の
尺度を示すものである。最終圧力３０バールおよび吸引
新鮮空気量３７０Ｋｇ／秒の圧縮機が基本とされてい
る。多段の低圧圧縮機は空気を１５バールに圧縮する。
低圧圧縮機は複数の段で、水の噴射を備えている。全噴
射量２８Ｋｇ／秒でもって（これは複数の段にわたって
適切に分配される）、単に約１５０℃の低圧圧縮機の出
口温度が達成される。混合物は中間冷却器５内で約５０
℃に、すなわち支配的な圧力において噴射された水蒸気
の完全な凝縮に導く温度に冷却される。高圧圧縮機内に
おける最終圧縮はその出口における燃焼空気の温度を約
１２０℃へ上昇させる。さらに今日の入口温度で作動す
る高負荷のタービンが基本とされた場合、回収熱交換器
６へ入る際のタービン排ガスは約６００℃の温度を持
つ。この熱い排ガスは入口側で１２０℃の温度を持つに
すぎない燃焼空気と熱を交換し、１６０℃の回収熱交換
器出口温度にする。
【００２１】上記のプロセスは図２の自明の、温度（縦
軸）−エントロピー（横軸）グラフから認められる。こ
れについては以下で簡単に説明される：１５℃で吸引さ
れた新鮮空気は低圧圧縮機内で内部の段冷却によってＡ
−Ｂの鋸歯状に圧縮される。 Ｂ−Ｃで水熱交換での中
間冷却が行われる。Ｃ−Ｄで高圧圧縮機内で最終圧力に
圧縮される．Ｄ−Ｅで燃焼空気は熱交換によって加熱さ
れる．Ｅ−Ｆでは熱の供給が高圧燃焼を介して行われ
る．Ｆ−Ｇでは圧縮機タービン内で膨張される．Ｇにお
ける圧力レベルは、２軸プラントの場合には高圧圧縮機
と圧縮機タービンとが平衡になるように選択される．Ｇ
−Ｈでは低圧燃焼室内で中間加熱が行われる．Ｈ−Ｉで
は煙道ガスが発電機への出力取出し下に煙道ガスが有効
出力タービン内で膨張せしめられる．Ｉ−Ｊでは回収熱
交換器内で燃焼空気への熱の放出が行われる．Ｊ−Ｋで
は排ガスの残留熱が大気へ放出される。
【００２２】段階的に中間冷却する際に低圧圧縮の間混
合物が飽和曲線２０を下回らないことが判る。
【００２３】したがって、この新規の手段を用いた場合
には、さもなければはるかに複雑な複合プラントでしか
達成し得ないようなプラント効率を達成できることが認
められる。
【００２４】もちろん、本発明は上記の図示のプラント
に限定されない。図示の２軸プラントから離れて１軸の
プラントであってもよい。この場合には圧縮機ユニット
の冷却部分と非冷却部分への分割に関して一層の自由度
がある。原則的に第２の圧縮機部分を全く省略すること
すら可能である。このような排水される冷却器と回収熱
交換器との直列接続ではガス燃焼プラントの場合排ガス
のエネルギー含量は回収熱交換器内で最大限利用され、
したがって燃料利用に関するこれ以上の“基本サイクル
（bottoming cycle）”を省略することができる。水噴
射についても、水が中空のロータ内を案内され、かつ遠
心力によって半径方向の孔を経て貫流される圧縮機通路
内へ達する変更形が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中間冷却、中間加熱および熱の回収を行うガス
タービンの略示図である。
【図２】図１で示された工程の温度−エントロピーのグ
ラフである。
【符号の説明】
１Ａ 低圧圧縮機、 １Ｂ 高圧圧縮機、 ２Ａ 有効
出力タービン、 ２Ｂ圧縮機タービン、 ３Ａ 低圧
軸、 ３Ｂ 高圧軸、 ４ 発電機、 ５ 中間冷却
器、 ６ 回収熱交換器、 ７ 高圧燃焼室、 ８ 低
圧燃焼室、 ９動翼、 １０ 水導管路、 １１ 供給
管路、 １２噴射ノズル、 １３ 容器、 １４ フィ
ードポンプ、 １５ 調整装置、 １７，１８ 燃料、
２０飽和曲線

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排熱回収および圧縮中に中間冷却を行う
    開放ガスタービンであって、ガスタービンが主に、２部
    分から成っていてこれらの間に冷却器（５）が接続され
    た軸流圧縮機（１Ａ，１Ｂ）と、少なくとも１つの燃焼
    室（７，８）と、少なくとも１つのタービン（２Ａ，２
    Ｂ）と、回収熱交換器（６）とを備えており、圧縮空気
    が回収熱交換器内で燃焼室（７）の入口温度へ加熱され
    るようになっている形式のものにおいて、少なくとも第
    １の圧縮機部分（１Ａ）が複数の水噴射手段（１２）を
    備えており、冷却器（５）が水−熱交換のための手段
    （１３）を備えており、かつ水−熱交換のための手段が
    フィードポンプ（１４）を介して水噴射手段（１２）と
    接続されていることを特徴とする、排熱回収および圧縮
    中に中間冷却を行う開放ガスタービン。
  2. 【請求項２】 水噴射手段（１２）が圧縮機内で各案内
    翼の平面内に配置されている、請求項１記載のガスター
    ビン。
  3. 【請求項３】 水噴射手段（１２）が、貫流される圧縮
    機通路の全高にわたって配置されている、請求項２記載
    のガスタービン。
  4. 【請求項４】 貫流される圧縮機通路への水噴射（１
    ２）が中空の案内翼を通って行われる、請求項２記載の
    ガスタービン。
  5. 【請求項５】 貫流される圧縮機通路への水噴射（１
    ２）が格子状に配置された噴射ノズルを介して行われ
    る、請求項２記載のガスタービン。
  6. 【請求項６】 請求項１によるガスタービンを運転する
    ための方法において、圧縮中に発生する蒸気空気混合物
    が水の飽和曲線を下回らないような量の水を複数の水噴
    射手段（１２）を介してその都度供給し、かつ中間圧に
    圧縮された空気を、噴射された水の少なくともほぼ全量
    が凝縮され、かつ清浄化の後に再度水噴射手段へ供給さ
    れるような程度に冷却器（５）内で冷却することを特徴
    とする、方法。
JP28437796A 1995-10-26 1996-10-25 排熱回収および圧縮中に中間冷却を行う開放ガスタービン Pending JPH09166028A (ja)

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