JPH09184429A - ガスタービン群を駆動するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 主に、少なくとも１つの圧縮機と少なくとも
１つの燃焼室と少なくとも１つのタービンと少なくとも
１つの電気機械とから成るガスタービン群を駆動し、高
熱で負荷された装置を冷却するための方法を改良して、
プロセスからの最小の空気量によって、ガスタービン群
の高熱負荷された装置の最大冷却効率が得られるように
する。 【解決手段】 圧縮機１の空気の一部１８を、転化作業
を行う熱交換機として働く少なくとも１つの触媒ゼネレ
ータ１４に供給し、このゼネレータに天然ガスと水との
混合物又は天然ガスと蒸気との混合物１５を貫流させ、
前記ゼネレータ内で圧縮機空気１８を冷却させて、前記
混合物を吸熱反応させるために必要なエネルギーを解放
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも１つの
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
ービンと少なくとも１つの電気機械とから成るガスター
ビン群を駆動し、高熱で負荷された装置を冷却するため
の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近のゼネレータのガスタービン群にお
いては、熱的に強く負荷された装置は中央のローラによ
って冷却されるようになっている。基本的に、適当な箇
所において空気をプロセスから取り出し、この取り出し
た空気を、冷却しようとする装置に供給し、次いでこの
空気を再び適当な箇所でガスタービン群の循環経路内に
戻し案内しなければならない。このような冷却形式にお
いては、装置を貫流する有効なマスフロー(mass flow）
が常に減少されることになり、これは、装置の効率損失
を招くことになる。これは基本的には、このようなガス
タービン群において一般的に、出力及び効率の損失なし
に分岐させることができる余剰の空気が提供されていな
いことに起因している。高熱によって負荷された装置の
冷却に関連した初期位置は、ガスタービン群が蒸気循環
経路と組み合わされると、つまり組み合わせ装置として
駆動されると明らかになる。何故ならば高品質の蒸気を
できるだけ多く得るようにするために、蒸気形成のため
に本来の熱的なポテンシャルを提供する、ガスタービン
群の最後のタービンから排出される排ガスは６００℃以
上の温度を有していなければならないからである。この
ような排ガス温度は必然的に、上流で、燃焼室からの排
ガスの温度に影響を及ぼす。従って燃焼室の冷却を相応
に集中的に行わなければならない。分かっている限りで
は、このような冷却のためには、冷却能力及び装置の効
率に関する一定の妥協が必要となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、冒頭に述べた方法を改良して、プロセスからの最小
の空気量によって、ガスタービン群の高熱負荷された装
置の最大冷却効率が得られるようにすることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の方法によれば、圧縮機の空気の一部を、転化作業を
行う熱交換機として働く少なくとも１つのゼネレータに
供給し、このゼネレータに天然ガスと水との混合物又は
天然ガスと蒸気との混合物を貫流させ、前記ゼネレータ
内で圧縮機空気を冷却させて、前記混合物を吸熱反応さ
せるために必要なエネルギーを解放(release）させるよ
うにした。

【０００５】

【発明の効果】本発明によれば、前記課題は、天然ガス
の転化に関連した回路によって解決された。この転化
は、熱化学的な復熱に基づいていて、エネルギー供給時
に、天然ガスに比較して高い発熱量を有する燃料を準備
するという目的を有している。転化させようとする混合
物の組成から、反応：ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＋Ｑ→ＣＯ＋３Ｈ
２が吸熱的に開始される。この場合、Ｑは供給しようと
するエネルギーである。この吸熱反応は、このエネルギ
ーが圧縮機空気から取り出されることによって、つまり
圧縮機空気の一部が転化のために分岐されて、天然ガス
と水の混合物又は天然ガスと蒸気の混合物が貫流する触
媒ゼネレータ内に導入されることによって、本発明に利
用される。つまりこの場合、ゼネレータは熱交換器とし
て働き、取り出された圧縮機空気が実質的に冷却される
ので、高品質の冷却空気として、冷却しようとする装置
のための適当な箇所において使用することができる。

【０００６】本発明の主要な利点は、吸熱プロセスのた
めに、いずれの場合でも結果的に効率損失を招くエネル
ギーを分岐させるか又は供給する必要がないという点に
ある。それと同時に、圧縮機空気を熱処理して冷却空気
にするために付加的なエネルギーを浪費する必要がな
い。また、この冷却空気は、ガスタービン群の熱的に強
く負荷される装置を所望に冷却するために少量で十分で
ある程度に高品質である。

【０００７】本発明の課題を解決するための有利な変化
実施例は、請求項２以下に記載されている。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
示した実施例を用いて詳しく説明する。

【０００９】本発明を理解するために直接必要ではない
部材は省いた。媒体の流れ方向は矢印で示されている。

【００１０】図面には、高品位エネルギーの燃料及び高
品質の冷却空気を準備するための熱化学的なプロセスを
有するガスタービン群が示されている。

【００１１】このガスタービン群は連続的な（シーケン
ス的な）燃焼に基づいて構成されている。このガスター
ビン群は、独立したユニットとみなして、圧縮機１と、
この圧縮機１に後置接続された第１の燃焼室２と、この
燃焼室２に後置接続された第１のタービン３と、この第
１のタービン３に後置接続された第２の燃焼室４と、こ
の第２の燃焼室４に後置接続された第２のタービン５と
から成っている。圧縮機１と第１のタービン３と第２の
タービン５とは、一体的なロータシャフト１２を有して
いる。このロータシャフト１２自体は有利には、図示し
ていない２つの軸受に支承されており、これらの軸受
は、圧縮機１のヘッド側及び第２のタービン５の下流に
配置されている。圧縮機１は設計に応じて、例えば特別
に出力を高めるために、図示していない２つの部分圧縮
機に分割されている。このような構造においては、第１
の圧縮機の下流及び第２の圧縮機の上流に中間冷却装置
が介在されており、この中間冷却装置で、部分的に圧縮
された空気が中間冷却される。同様に図示していない中
間冷却装置内に溜まる熱は、最適につまり有益に、例え
ばプロセス内に戻し案内される。吸い込まれた空気６
は、圧縮された空気７として、詳しく図示していないケ
ーシング内に流入する。このケーシングは、圧縮機出口
及び第１のタービン３を含んでいる。このケーシング内
には第１の燃焼室２も設けられており、この第１の燃焼
室２は有利にはまとめられた環状燃焼室として構成され
ている。勿論、第１の燃焼室２へ供給される圧縮された
空気７は、図示されていない空気貯蔵装置から供給され
る。第１の燃焼室２は、ヘッド側で外周部において分配
された多数のバーナ（図示せず）を有しており、これら
のバーナは、有利には予混合バーナとして構成されてい
る。また拡散バーナを使用してもよい。燃焼時における
有害物質発生、特にＮＯｘ発生を減少させるために、ヨ
ーロッパ特許公開第０３２１８０９号明細書に記載され
たような予混合バーナを設けると有利である。この場
合、この公知の明細書に記載された構成の主要部は、本
発明の不可欠な構成部分であって、また前記公知の明細
書に記載された燃料供給装置も本発明の構成部分であ
る。予混合バーナを環状の燃焼室２の周方向の配置に関
しては、場合によっては、一般的な構成の同じバーナと
は異なる配置で、種々異なる大きさの予混合バーナを設
けてもよい。これは有利には、それぞれ２つの大きい予
混合バーナ間に、同じ構成の小さい予混合バーナを配置
することによって達成される。小さい予混合バーナ（燃
焼室のパイロットバーナである）に対する、主バーナの
機能を行う大きい予混合バーナの寸法は、これらのバー
ナを貫流する燃焼空気、つまり圧縮機１から供給される
圧縮された空気に関連して、それぞれの場合に応じて規
定される。燃焼室の全負荷範囲において、パイロットバ
ーナは自動予混合バーナとして働く。この場合空気係数
は一定に維持される。主バーナのオン・オフは、装置の
規定された特性に従って行われる。理想的な混合におい
ては全負荷範囲においてパイロットバーナが始動される
ので、部分負荷時においてもＮＯｘ発生は非常にわずか
である。このような構成においては、環状の燃焼室２の
フロント領域を貫流する流れラインは、パイロットバー
ナの渦流中心に非常に近くなるので、点火はこのパイロ
ットバーナによってのみ可能である。高回転時には、パ
イロットバーナを介して供給される燃料量は、パイロッ
トバーナが調節されるまで、つまり完全な燃料量が供給
されるまで増量される。この構成は、完全な燃料量が供
給される時点が、ガスタービン群のそれぞれの負荷中断
条件に相当するように選定されている。次いで負荷のさ
らなる上昇は主バーナを介して行われる。従って、ガス
タービン群のピーク負荷時において主バーナも完全に調
節される。パイロットバーナによって準備された、「小
さく」熱い渦中心の構成は、主バーナから発生する「大
きく」冷たい渦中心間で非常に不安定になるので、希薄
な混合気によって運転される部分負荷範囲においても、
ＮＯｘ発生と共に、低いＣＯ及びＵＨＣ発生を伴う良好
な燃焼が得られる。つまり、パイロットバーナの熱い渦
流が直ちに主バーナの小さい渦流内に侵入する。勿論、
環状の燃焼室２を多数の個別の管状の燃焼スペースから
構成してもよい。これらの多数の個別の管状の燃焼室は
同様に、傾斜リング状又はしばしば螺旋状にロータ軸線
を巡って配置してもよい。この環状の燃焼室２は、その
構成とは無関係に、幾何学的には、その長さがガスター
ビン群の全ロータ長さに影響を与えないように配置され
ている。環状の燃焼室２からの高温ガス８は、直接的に
後置接続された第１のタービン３を負荷する。この第１
のタービンの、熱的に負荷軽減されて高温ガスに働く作
用は意図的に最小に維持される。つまりこの第１のター
ビン３は、２つよりも多くない動翼列より成っている。
このようなタービン３においては、軸方向でずれないよ
うに安定化させるために端面に圧力補償装置が設けられ
ている。第２の燃焼室４内に直接流入して、第２の燃焼
室４タービン３内で部分的に負荷軽減された高温ガス
は、前述の理由により非常に高い温度を有しているが、
この温度は運転特性的な理由により有利には、なお約１
０００℃であるように設計されている。この第２の燃焼
室４は、軸方向又はほぼ軸方向の、組み合わされた環状
で円筒形の形状を有していて、しかも、軸方向、ほぼ軸
方向又は螺旋状に配置された、閉鎖されている多数の燃
焼室より成っていてよい。唯一の燃焼スペースより成る
環状の燃焼室４の構成とは、シリンダの周方向及び半径
方向に多数の燃料１７先端が配置されているということ
である。燃焼室４は、バーナを有していない。タービン
３から供給される、部分的に負荷解除されて高温ガス９
に噴射して加えられる燃料の燃焼は、勿論このような運
転形式を前記の温度レベルが許容する場合に限って、自
己点火によって行われる。燃焼室４がガス状の燃料つま
り例えば天然ガスによって運転されるということを前提
として、自己点火のためには、タービン３から供給され
る部分的に負荷解除された高温ガス９の温度は約１００
０℃でなければならない。これはタービン２の設計にと
って決定的な役割を果たす。自己点火用に設計された燃
焼室において運転確実性及び高い効率を保証するため
に、火炎のフロントを局所的に安定維持することが非常
に重要である。このために、燃焼室４内有利には内周壁
及び外周壁で周方向に、詳しく図示していない部材の列
が設けられている。これらの部材の列は、軸方向で有利
には燃料先端の上流に配置されている。これらの部材の
課題は、逆流ゾーン（ヨーロッパ特許公開第０３２１８
０９号明細書で既に述べられた予混合バーナにおけるの
と類似の）を誘発する渦流を生ぜしめるという点にあ
る。このような燃焼室４は、軸方向の配置及び構造長さ
に基づいて、作業ガスの平均速度が約６０ｍ／ｓ以上で
ある高速燃焼室であるので、渦流を発生させる部材は作
業ガスを流れやすくするように構成しなければならな
い。渦流を発生させる部材は、有利には、流入側で傾斜
した面を有する正四面体状の形状を有していなければな
らない。渦流を発生させる部材は、外周面及び／又は内
周面に配置することができる。勿論、渦流を発生させる
部材は、軸方向で互いにずらすこともできる。この渦流
を発生させる部材の流入側の面は、ほぼ半径方向につま
り燃焼室壁に対して垂直に延びているので、この箇所か
ら逆流ゾーンが形成される。従って燃焼室４内の自己点
火は、一時的な負荷領域においても、またガスタービン
群の部分負荷領域においても安全に保たれなければなら
ない。つまり、補助手段を設ける必要がある。この補助
手段は、何らかの理由によって、燃料の噴射領域におけ
るタービン３から供給される部分的に負荷解除された高
温ガス９の温度を低下させる必要がある場合において
も、燃焼室４内で自己点火を確実にするためのものであ
る。次いで燃焼室４内で処理された高温ガス１０は、後
置接続された第２のタービン５を負荷する。ガスタービ
ン群の熱力学的な特性値は、図示していない後置接続さ
れた蒸気循環経路を駆動させるために、第２のタービン
５から供給される排ガス１１が、まだ多くの熱的なポテ
ンシャルを有するように設計することができる。第２の
燃焼室４は、有利には第１のタービン３の流出面と、第
２のタービン５の流入面との間に配置される。さらにま
た、第１のタービン３内での高温ガスの負荷解除は、前
述の理由により、少数の動翼列を介して行われるので、
長さが短くされていることに基づいてロータシャフト１
２が技術的に申し分なく２つの軸受で支承され得るよう
なガスタービン群を提供することができる。タービン機
械の出力は、連結されたゼネレータ（混合物１５）を介
して取り出される。このゼネレータは始動用小型モータ
（ポニーモータ；pony motor）としても使用することが
できる。タービン５内での負荷解除後に、まだ高い熱的
なポテンシャルを有する排ガス１１は、詳しく図示して
いない排熱蒸気発生器内を貫流する。この排熱蒸気発生
器内で熱交換によって蒸気が発生され、次いでこの蒸気
が有利には、同様に詳しく図示していない蒸気タービン
の作業媒体として使用される。圧縮機空気の一部１８
は、第１の燃焼室２内に流入する手前で分岐して、転化
作業を行う熱交換機として働くゼネレータ１４にガイド
されている。この触媒ゼネレータ１４は対抗流の原理
で、天然ガスと水若しくは蒸気とから成る混合物１５に
よって貫流される。転化に関して、ゼネレータは触媒コ
ーティングを備えている。この触媒コーティングは、低
い温度において所定のプロセスを開始することができ
る。８００℃〜８５０℃の温度レベルにおいて、ニッケ
ルコーティングされた触媒によって１００％の天然ガス
転化が得られる。これに応じて低い温度においては、部
分転化だけを行うことができるが、このような部分転化
は多くの場合まだ不十分である。触媒ゼネレータ１４内
で行われる吸熱プロセスによって、圧縮機空気の一部１
８は約４００℃に冷却され、この際に、吸熱されたエネ
ルギーが、混合物１５をより高い発熱量に転化させるこ
とを可能にする。次いで触媒ゼネレータ１４から流出す
る冷却空気１９は、ガスタービン群の熱的に強く負荷さ
れた少なくとも１つの装置を冷却するために使用され
る。図面では例えば冷却空気１９が３つの経路１９ａ，
１９ｂ，１９ｃに分割されていて、第１の燃焼室２と、
第１のタービン３と第２の燃焼室４とを冷却する。ここ
では装置の冷却が平行して行われる。勿論、この冷却を
連続的に行うこともできる。ここで記載された冷却空気
１９の準備は、冷却しようとする装置を効率的に冷却す
ることを可能にし、これによって効率を著しく高めるこ
とができる。前記形式による燃料の転化は、２つの燃焼
室のために共通の又は別個の触媒ゼネレータを用いるこ
とによって、第２の燃焼室４のためにも行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】高品位燃料及び高品質冷却空気を準備するため
の熱化学的なプロセスを示すガスタービン群の概略図で
ある。

【符号の説明】

１ 圧縮機、 ２ 第１の燃焼室、 ３ 第１のタービ
ン、 ４ 第２の燃焼室、 ５ 第２のタービン、 ６
吸込み空気、 ７ 圧縮された空気、８ 高温ガス、
９ 部分的に膨張された高温ガス、 １０ 高温ガ
ス、 １１ 排ガス、 １２ ロータシャフト、 １３
電気機械、 １４ 触媒ゼネレータ、１５ 天然ガス
と水の混合物、 １６ 高品位燃料、 １７ 第２の燃
焼室４のための燃料、 １８ 圧縮機空気の一部、 １
９ 冷却空気、 １９ａ，１９ｂ，１９ｃ 圧縮機空気
の経路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主に、少なくとも１つの圧縮機と少なく
   とも１つの燃焼室と少なくとも１つのタービンと少なく
   とも１つの電気機械とから成るガスタービン群を駆動
   し、熱的に強く負荷された装置を冷却するための方法に
   おいて、 圧縮機の空気の一部（１８）を、転化作業を行う熱交換
   器として働く少なくとも１つのゼネレータ（１４）に供
   給し、このゼネレータ（１４）を通して天然ガスと水と
   の混合物又は天然ガスと蒸気との混合物（１５）を貫流
   させ、前記ゼネレータ（１４）内で圧縮機空気（１８）
   を冷却させて、前記混合物（１５）を吸熱反応させるた
   めに必要なエネルギーを解放させることを特徴とする、
   ガスタービン群を駆動するための方法。
2. 【請求項２】 圧縮機空気（１９）の冷却をゼネレータ
   （１４）内で部分的に又は１００％の吸熱反応で行う、
   請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 ゼネレータ（１４）内での転化を、この
   ゼネレータ（１４）内に存在する触媒コーティングとの
   作用接続によって行う、請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 ガスタービン群が、シーケンスな燃焼に
   よって駆動される、請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 ガスタービン群を、排熱蒸気発生器及び
   蒸気循環との協働作用によって駆動する、請求項１記載
   の方法。