JPH10153127A

JPH10153127A - 外燃式ガスタービンシステム

Info

Publication number: JPH10153127A
Application number: JP31388696A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Murata; 健一村田; Hajime Toritani; 初鳥谷; Shinichi Nakahara; 信一中原; Hiroyuki Doi; 裕之土井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】大容量機また多缶型のガスタービンであって
も、起動時等の熱追従性が良く、過大な熱応力が抑制さ
れ、かつ各燃焼器位置からの吐出空気を集めることが容
易にでき、また微小な流量偏差量で各燃焼器位置に燃焼
ガスを分配することが可能な外燃式ガスタ−ビンシステ
ムを提供する。【解決手段】燃焼用空気を供給する空気圧縮機１と、燃
焼ガスにより駆動されるタービン２を備えたガスタービ
ン本体と、このガスタービン本体とは別に設置され、燃
焼ガスを発生する燃焼設備３とを備え、前記空気圧縮機
１からの吐出空気を導管部を介して前記燃焼設備に供給
し、燃焼設備にて発生した燃焼ガスを導管部を介して前
記ガスタ−ビン本体に供給するように形成されている外
燃式ガスタービンシステムにおいて、前記空気圧縮機１
からの吐出空気を燃焼設備３に供給する導管部に、第１
の圧力ヘッダ２２を設けるとともに、前記燃焼設備の燃
焼ガスをタービンに供給する導管部に第２の圧力ヘッダ
を設け、かつこの第２の圧力ヘッダ３２を前記第１の圧
力ヘッダに内包されるように形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば加圧流動床
（ＰＦＢＣ）など燃焼設備がガスタービン本体とは別に
設置されている外燃式ガスタービンシステムの改良に係
わり、特にその作動流体の結合部の構成に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンとは別に設置されている燃
焼設備を有するガスタービンを用いたプラントとして
は、加圧流動床ボイラ（ＰＦＢＣ）プラントがある。

【０００３】化石燃料の資源問題や地球規模の環境問題
が問われている現在、火力発電プラントには、高効率、
環境保全性、経済性が求められており、今後の火力発電
プラントは化石燃料のなかでも比較的埋蔵量が豊富で安
定供給の可能な石炭を用いるものが主力になると予想さ
れている。この石炭を用いる次期火力発電プラントに
は、研究開発中の石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）や実
用化段階にある加圧流動床ボイラ（ＰＦＢＣ）複合発電
がある。

【０００４】現在実用化段階にあるＰＦＢＣは、ガスタ
ービン圧縮機により圧縮した空気をＰＦＢＣボイラは加
圧されたボイラ内で、石灰等の流動媒体とともに送られ
た石炭をボイラー底部から熱風であおり、流動層を形成
させながら燃焼させるものである。

【０００５】このものは、従来の石炭火力に比べ熱効率
が高く、石灰石により燃焼時に発生する硫黄酸化物（Ｓ
Ｏｘ）を炉内脱硫でき、かつ燃焼温度が低いことから窒
素酸化物（ＮＯｘ）を低減でき、環境保全性に優れてい
る。また、排煙脱硫装置の省スペース化、紛炭の使用に
よる粉砕装置の簡略化が可能となり、さらには、ボイラ
の小型化、パッケージ化も可能となる。

【０００６】しかし、このものは通常の複合発電プラン
トと異なり、ガスタービンとその別置式燃焼設備である
ＰＦＢＣボイラを接続する構成が、その燃焼用加圧空気
と高温作動ガスとの両者の結合関係で非常に複雑なもの
となる。

【０００７】すなわちこの種のＰＦＢＣプラントは、図
２にも示されているように、石炭の燃焼により蒸気を発
生するボイラ本体４、燃焼用空気をボイラ本体４に導く
ための容器であるボイラ圧力容器５、ボイラより導入す
る蒸気により動力を発生する蒸気タービン６、蒸気ター
ビン用発電機７、圧縮機インレットダクト８より吸い込
んだ空気をボイラに燃焼用空気として供給する圧縮機
１、ボイラ４にて燃焼したガスを膨張させ動力を発生す
るタービン２、タービン用発電機９、タービンの排ガス
の熱を熱交換により回収して給水を加熱する排熱回収装
置１０より形成されている。そして、ＰＦＢＣボイラと
の接続は本来ガスタービン付属の燃焼器がある位置で導
管（配管）により行われ、スクロール構造を経てタービ
ンに導かれる構成のものが多い。

【０００８】図３には、このスクロール構造を用いたガ
スタービンの例が示されている。ガスタービン圧縮機１
により圧縮された圧縮空気は、スクロール構造１３の外
側を通り燃焼設備へと流入し、前記燃焼設備にて燃焼ガ
ス生成に使用される。生成された燃焼ガスは前記スクロ
ール構造１３内側に導入され、タービン２に送られる。
タービン２にて燃焼ガスを膨張させ、前記圧縮機１の駆
動力および発電機９の出力を得る。前記スクロール構造
１３は外側を圧縮空気が流れる構造であり、冷却効果に
より材料強度の向上を計り、座屈強度を高めるようにし
ている。

【０００９】なお、この種ＰＦＢＣプラント、またガス
タービン本体と燃焼設備との結合構成に関連するものと
しては、例えば特開昭６３−２３０９２７号公報あるい
は特開平５−２４００６２号公報などが挙げられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように形成されて
いる外燃式ガスタービンシステムであると、ガスタービ
ン単機出力が中小容量機であれば、特に問題になること
もないのであるが、しかしながら最近のようにガスター
ビンの単機出力が増大、例えば単機出力１０万ｋｗ程度
の大容量機ともなると、燃焼器については２個以上の多
缶式の燃焼器となり、この大容量のガスタービンに前述
したスクロール構造の単なる採用では、大型化による過
大な熱応力の問題や起動時等の熱追従性の問題、さらに
は大流量による偏差流量の増大等の問題があり、タービ
ン効率低下を招く嫌いがあった。

【００１１】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、大容量機また多缶型のガスタービ
ンであっても、起動時等の熱追従性が良く、過大な熱応
力が抑制され、かつ各燃焼器位置からの吐出空気を集め
ることが容易にでき、また、微小な流量偏差量で各燃焼
器位置に燃焼ガスを分配することが可能なこの種のガス
タービンシステムを提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、燃焼
用空気を供給する空気圧縮機と、燃焼ガスにより駆動さ
れるタービンを備えたガスタービン本体と、燃焼ガスを
発生する燃焼設備とを備え、前記空気圧縮機からの吐出
空気を導管部を介して前記燃焼設備に供給し、燃焼設備
にて発生した燃焼ガスを導管部を介して前記ガスタービ
ン本体に供給するように形成されている外燃式ガスター
ビンシステムにおいて、前記空気圧縮機からの吐出空気
を燃焼設備に供給する導管部に、第１の圧力ヘッダを設
けるとともに、前記燃焼設備の燃焼ガスをタービンに供
給する導管部に第２の圧力ヘッダを設け、かつこの第２
の圧力ヘッダを、前記第１の圧力ヘッダに内包されるよ
うに形成し所期の目的を達成するようにしたものであ
る。

【００１３】またこの場合、前記第２の圧力ヘッダと前
記タービン間の導管部に、各々伸縮自在な伸縮継手を設
けるようにしたものである。また、第１の圧力ヘッダお
よび前記第２の圧力ヘッダが、それぞれ円筒形状に形成
されるとともに、前記第２の圧力ヘッダを反タービン側
に偏心させて設置するようにしたものである。

【００１４】すなわちこのように形成された外燃式ガス
タービンシステムであると、空気圧縮機の吐出空気を燃
焼設備に供給する導管部に第１の圧力ヘッダを設けら
れ、また燃焼設備の燃焼ガスをタービンに供給する導管
部には第２の圧力ヘッダを設けられ、そしてこの第２の
圧力ヘッダが、前記第１の圧力ヘッダに内包されるよう
に形成されているので、大容量の多缶燃焼器型のガスタ
ービンへの適用に際して、各燃焼器位置からの吐出空気
を集めることが容易にでき、また、微小な流量偏差量で
各燃焼器位置に燃焼ガスを分配できる。

【００１５】また、外側を圧縮空気、内側を燃焼ガスが
通る二重管構造であるため、起動時等の熱追従性が良
く、過大な熱応力が生じず、圧縮空気により内管が冷却
されることから、メタル温度が低減され材料強度の低下
と材料劣化を抑制できる。また、冷却時に空気側に燃焼
ガスの熱が伝わり、系外への熱の損失を防ぐため効率ア
ップに寄与するのである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその外燃式ガスタービ
ンのシステムが線図で示されている。１がガスタービン
圧縮機であり、２がタ−ビン、３が別置きの燃焼設備、
２２が吐出空気側圧力ヘッダ、２３が吐出空気導管部
（燃焼設備側）である。

【００１７】ガスタービン圧縮機１で圧縮された吐出空
気はガスタービン吐出空気出口より吐出空気導管部（ガ
スタービン側）２１を通り、吐出空気側圧力ヘッダ２２
を経て、吐出空気導管部（燃焼設備側）２３を通り、別
置された燃焼設備３に送られる。送られた吐出空気を用
いて別置式燃焼設備３で燃焼を行い、燃焼ガスを発生さ
せる。

【００１８】別置式燃焼設備３により生じた燃焼ガス
は、燃焼ガス導管部（燃焼設備側）３１を通り、燃焼ガ
ス側圧力ヘッダ３２を経て、燃焼ガス導管部（ガスター
ビン側）３３を通り、ガスタービンのタービン部燃焼ガ
ス入口へと送られ、タービン２を駆動し動力を得る。吐
出空気側圧力ヘッダ２２および燃焼ガス側圧力ヘッダ３
２は本図では円柱となっているがこの形状に限定するも
のではない。

【００１９】燃焼ガス側圧力ヘッダ３２および燃焼ガス
導管部（ガスタービン側）３３は、それぞれ吐出空気側
圧力ヘッダ２２および吐出空気導管部（ガスタービン
側）２１に内包され、二重管構造となっている。このた
め、外部を流れる吐出空気の冷却効果により、内部を燃
焼ガスが流れる燃焼ガス側圧力ヘッダ３２および燃焼ガ
ス導管部（ガスタービン側）３３のメタル温度の上昇を
抑え、材料強度の低下と材料の劣化を抑制し、部品寿命
を延ばすことができる。

【００２０】また、高温の燃焼ガス側圧力ヘッダ３２お
よび燃焼ガス導管部３３の内外差圧を小さくでき応力低
減による信頼性向上が図れる。冷却媒体として外部の空
気でなく、別置式燃焼器に燃焼用空気として送る吐出空
気を用いることにより、燃焼ガスから冷却により奪われ
る熱は、吐出空気により回収され、燃焼設備での燃焼時
に有効に利用されるため、熱損失を低減させることがで
きる。また、燃焼ガス導管系統が吐出空気導管系統内に
設置されるため、全体として、コンパクトな構造にする
ことができる。

【００２１】次に、吐出空気導管部（ガスタービン側）
２１はガスタービンの圧縮機吐出空気出口となっている
外部ケーシングに接続され、燃焼ガス導管部（ガスター
ビン側）３３はガスタービンの燃焼ガス入口部であるタ
ービン内部に接続されているため、それぞれの接続部と
雰囲気条件がほぼ同等であり、温度差が少ないため、起
動時等の温度変化が大きいときにも熱追従性が良い。

【００２２】図４にはもう一つの実施例が示されてい
る。この実施例は前述した図１の構造の内、吐出空気導
管部（ガスタービン側）２１および燃焼ガス導管部（ガ
スタービン側）３３がそれぞれ２本ずつある構造であ
る。本図では吐出空気導管部（ガスタービン側）２１お
よび燃焼ガス導管部（ガスタービン側）３３はそれぞれ
２本ずつであるが、２本に限定するものではない。

【００２３】このような構造とすることにより、前記図
１の説明で述べた効果に加え、採用するガスタービンの
構造が多缶型の燃焼器構造を持つ場合でも、容易に別置
式燃焼設備を持つ外燃式ガスタービンに適用可能とな
る。複数の吐出空気導管部（ガスタービン側）２１を通
った吐出空気は、吐出空気側圧力ヘッダ２２にて一つに
集められるため、別置式燃焼設備へ吐出空気を送る導管
２３は、採用したガスタービンの燃焼器個数分は必ずし
も必要ではなく、別置式燃焼設備への吐出空気の導入が
容易となる。

【００２４】また、燃焼ガス導管部（燃焼設備側）３１
より送られる燃焼ガスは、燃焼ガス側圧力ヘッダ３２に
集められ、複数の燃焼ガス導管部（ガスタービン側）３
３を通りガスタービンへと導入されるため、個々の燃焼
ガス導管部（ガスタービン側）３３に流れる流量および
燃焼ガスの状態に大きな相違は無く、タービン内流量の
周方向偏差は微小となる。

【００２５】図５および図６にはさらに他の実施例が示
されている。図６は図５のＡ−Ａ面での断面図を示す。
本図は前述した図４の構造の内、燃焼ガス導管部（ガス
タービン側）３３のヘッダ側およびガスタービン側にそ
れぞれ伸縮継手（ヘッダ側）４１および伸縮継手（ＧＴ
側）４２を追加した構造である。

【００２６】この構造とすることにより、前記図４の説
明で述べた効果に加え、さらに、発生する熱応力の低減
および分解組立性の向上が可能となる。通常配管は配管
曲げ部の曲率半径を大きくし、配管全長を長くすること
により、応力集中を逃がす構造とするが、本図の構造と
することにより、配管構造をコンパクト化する事が可能
である。

【００２７】ガスタービンタービン部からの熱伸び，燃
焼ガス導管部（ガスタービン側）３３の熱伸びおよび燃
焼ガス側圧力ヘッダ３２からの熱伸びを吸収できるた
め、熱伸び拘束による過大な熱応力の発生を防ぐことが
でき、固定部によって接続する吐出空気導管部（ガスタ
ービン側）２１，吐出空気側圧力ヘッダ２２および吐出
空気導管部（燃焼設備側）２３への影響を微小にするこ
とができる。また、伸縮継手による配管接続としたこと
により、配管の分解組立が容易に行える。

【００２８】図７および図８にはさらに本発明の他の実
施例が示されている。図８は図７のＡ−Ａ面での断面図
を示す。本図は前述した図５，６の構造の内、吐出空気
側圧力ヘッダ２２および燃焼ガス側圧力ヘッダ３２を円
筒形状とし、吐出空気側圧力ヘッダ２２と燃焼ガス側圧
力ヘッダ３２を偏心させて設置した構造である。本図の
構造とすることにより、前記図７，８の説明で述べた効
果に加え、小スペースで伸縮継手の分解組立スペースの
確保が可能となる。

【００２９】圧力ヘッダの断面形状としては、円形とす
ると応力集中が無く、強度的に良好であるが、吐出空気
側圧力ヘッダ２２と燃焼ガス側圧力ヘッダ３２を同心の
円形断面形状とすると、伸縮継手の分解あるいは組立ス
ペースを得るために、吐出空気側圧力ヘッダ２２の大き
さを大きくしなければならない。しかし、本図の構造の
ように吐出空気側圧力ヘッダ２２と燃焼ガス側圧力ヘッ
ダ３２を偏心させて設置すると、両圧力ヘッダの断面形
状を円形にしたまま、圧力ヘッダを同心に設置したとき
に比べ、伸縮継手の組立スペースをコンパクトな構造で
確保することが可能となる。

【００３０】図９，１０に本発明のさらに他の実施例を
示す。図１０は図９のＡ−Ａ面での断面図を示す。本図
は前述した図７，８の構造の内、吐出空気導管部（ガス
タービン側）２１および燃焼ガス導管部（ガスタービン
側）３３の本数を５本とし、吐出空気導管部（ガスター
ビン側）２１と吐出空気側圧力ヘッダ２２の接続部に半
割フランジ５１を用い、燃焼ガス導管部（燃焼設備側）
３１をはさんで吐出空気導管部（燃焼設備側）２３を２
本配置したものである。

【００３１】本図の構造とすることにより、前記図７，
８の説明で述べた効果に加え、以降に述べる効果があ
る。まず初めに、吐出空気導管部（ガスタービン側）２
１と吐出空気側圧力ヘッダ２２の接続部に半割フランジ
５１を用いることにより、吐出空気導管部（ガスタービ
ン側）２１の組込みスペースが広くなり、ガスタービン
と本図の構造を接続するのが容易となる。次に、燃焼ガ
ス導管部（燃焼設備側）３１をはさんで吐出空気導管部
（燃焼設備側）２３を２本配置する事により、吐出空気
の流れが図９の上下にほぼ対称に流れるため、吐出空気
側圧力ヘッダ２２内部にある燃焼ガス側圧力ヘッダ３２
を均等に冷却することができる。

【００３２】図１１，１２にさらに他の実施例を示す。
図１２は、図１１を上方より見た図を示している。本図
は前述した図９，１０の構造をガスタービンをはさんで
ガスタービン軸の左右対称に配置したものである。本図
ではガスタービン軸対称に２セットであるが、２セット
に限るものではない。

【００３３】本図の構造とすることにより、前記図９，
１０の説明で述べた効果に加え、荷重のバランス、ヘッ
ダの小型化が可能となる。ガスタービンに対し左右対称
に配置することにより、ヘッダによりかかる荷重はガス
タービンに対し左右対称にかかることになり、ガスター
ビンおよび入口構造に偏差により起こるよけいな荷重が
かからない。また、入口構造を２セットにすることによ
り、各入口構造で処理する流量が減少し、小型化が可能
になる。

【００３４】以上説明してきたようにこのように形成さ
れた外燃式ガスタービンであると、以下に示されるよう
な効果を得る。すなわち、ヘッダを介する構造を採用し
たことにより、多缶燃焼器型のガスタービンへの適用に
際して、各燃焼器位置からの吐出空気を集めることが容
易にできるとともに、微小な流量偏差量で各燃焼器位置
に燃焼ガスを分配することができる。

【００３５】さらに実績のある従来のガスタービン本体
をそのまま採用し、燃焼器部で取り合うことができるた
め信頼性が確保される。また、外側を圧縮空気、内側を
燃焼ガスが通る二重管構造であるため、起動時等の熱追
従性が良く、過大な熱応力が生じない。圧縮空気により
内管が冷却されるため、メタル温度が低減され材料強度
の低下と材料劣化を抑制できる。また、冷却時に空気側
に燃焼ガスの熱が伝わり、系外への熱の損失を防ぐため
効率アップにも寄与するのである。

【００３６】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、大容量機また多缶型のガスタービンであっても、起
動時等の熱追従性良好にして過大な熱応力が抑制され、
かつ各燃焼器位置からの吐出空気を集めることが容易に
でき、また、微小な流量偏差量で各燃焼器位置に燃焼ガ
スを分配することが可能なこの種のガスタ−ビンシステ
ムを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の外燃式ガスタービンの一実施例を示す
系統線図である。

【図２】従来のＰＦＢＣプラントの系統線図である。

【図３】従来の外燃式ガスタービンのスクロール構造を
示す線図である。

【図４】本発明の外燃式ガスタービンの他の実施例を示
す線図である。

【図５】本発明の外燃式ガスタービンの他の実施例を示
す線図である。

【図６】図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図７】本発明の外燃式ガスタービンの他の実施例を示
す線図である。

【図８】図７のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図９】本発明の外燃式ガスタービンの他の実施例を示
す線図である。

【図１０】図９のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図１１】本発明の外燃式ガスタービンの他の実施例を
示す線図である。

【図１２】図１１を上方から見た図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…タービン、３…燃焼設備、４…ＰＦＢ
Ｃボイラ、５…ボイラ圧力容器、６…蒸気タービン、７
…蒸気タービン用発電機、８…圧縮機インレットダク
ト、９…タービン用発電機、１０…排熱回収装置、１１
…復水器、１２…煙突、１３…スクロール構造、１４…
ロータ、１５…空気配管、１６…高温ガス配管、２１−
１〜１０…吐出空気導管部（ガスタービン側）、２２−
１〜２…吐出空気側圧力ヘッダ、２３−１〜４…吐出空
気導管部（燃焼設備側）、２４…ＧＴバルクヘッド（外
部ケーシング）、３１−１〜２…燃焼ガス導管部（燃焼
設備側）、３２−１〜２…燃焼ガス側圧力ヘッダ、３３
−１〜１０…燃焼ガス導管部（ガスタービン側）、３４
−１〜１０…トランジションピース、４１−１〜１０…
伸縮継手（ヘッダ側）、４２−１〜１０…伸縮継手（Ｇ
Ｔ側）、５１−１〜１０…半割フランジ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者土井裕之茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼用空気を供給する空気圧縮機と、燃
焼ガスにより駆動されるタービンを備えたガスタービン
本体と、燃焼ガスを発生する燃焼設備とを備え、前記空
気圧縮機からの吐出空気を導管部を介して前記燃焼設備
に供給し、燃焼設備にて発生した燃焼ガスを導管部を介
して前記ガスタービン本体に供給するように形成されて
いる外燃式ガスタービンシステムにおいて、前記空気圧縮機からの吐出空気を燃焼設備に供給する導
管部に、第１の圧力ヘッダを設けるとともに、前記燃焼
設備の燃焼ガスをタービンに供給する導管部に第２の圧
力ヘッダを設け、かつこの第２の圧力ヘッダを、前記第
１の圧力ヘッダに内包されるように形成したことを特徴
とする外燃式ガスタービンシステム。
【請求項２】前記第２の圧力ヘッダと前記タービン間
の導管部に、各々伸縮自在な伸縮継手を設けてなる請求
項１記載の外燃式ガスタービンシステム。
【請求項３】第１の圧力ヘッダおよび前記第２の圧力
ヘッダが、それぞれ円筒形状に形成されるとともに、前
記第２の圧力ヘッダが反タービン側に偏心して設置され
ている請求項１または２記載の外燃式ガスタービンシス
テム。