JPH10504630A - ガスタービンの出力調節及び増大方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 タービンへ流れ込む流体の温度を一定値に維持しながら燃焼器に注入する蒸気の流量を変えることにより出カ条件を満足させるガスタービンの運転方法。蒸気注入流量は、タービンから排気ガスを受ける排熱回収蒸気発生器の蒸発器の圧力を変えることにより変化させる。好ましくは、タービンの流れ面積を蒸気注入速度を特に高くできるように増加させる。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービンの出力調節及び増大方法及び装置 発明の背景 本発明はガスタービン発電所とそれを運転する方法に関する。さらに詳細には 、本発明はガスタービンの燃焼器に注入される蒸気の流量を変えることによって ガスタービン発電所の出力を調節及び増大させる方法及び装置に関する。 ガスタービンは圧縮空気を発生させる圧縮機区分を含み、その圧縮空気はその 後燃焼部で燃料を燃やすことにより加熱される。燃焼部からの高温ガスはタービ ン区分へ送られ、そこで高温ガスによりロータの軸が駆動されて軸出力が発生す る。軸出力が圧縮機の駆動にも用いられる。圧縮機により消費されない余分の出 力は電力を発生させる発電機を駆動する。軸に付与されるエネルギーの量は流量 とタービンを流れる高温ガスの温度との関数である。 ガスタービンはその迅速な応答により電力需要が変化する環境で用いられるこ とが多い。従来、電力の変動は、燃焼器内での燃料の燃焼量、従って、タービン 内で膨張する高温ガスの温度を変えることによって達成される。しかしながら、 出力を調節するかかる方法には幾つかの問題点がある。まず第１に、高温ガスを 加熱する最高温度は高温におけるタービンの構成要素の強度に限界があるため制 約を受ける。第２に、ガス温度の変動により異なる熱膨張率に起因してタービン 構成要素に過渡的な熱応力が誘起される。従って、高温ガス温度がしばしば変動 するとタービン構成要素の熱疲労寿命に悪影響が出る恐れがある。 ガスタービンの燃焼プロセスは通常、大気汚染物質と考えられる窒素酸化物（ ＮＯｘ）を発生させる。従来、蒸気または水を燃焼器に注入することにより炎の 温度、従ってＮＯｘの生成率を下げることが行われている。燃焼器に蒸気を注入 するとタービンの出力が増加することが知られているが、過去において、圧縮機 の背圧を過大にすることなく安全に注入できる蒸気の量には、乾式運転用に普通 設計されたタービンの要領による制約があった。したがって、出力増大のため蒸 気注入を利用する能力には限界があった。 したがって、タービンの出力を増大させるため多量の蒸気を安全に導入するこ とができ、導入する蒸気の量を変えることよって出力を調節可能なガスタービン を提供することが望ましい。 発明の概要 従って、本発明の一般的な目的は、タービンの出力を増大させるため多量の蒸 気を安全に導入することができ、導入する蒸気の量を変えることによって出力を 調節可能なガスタービンを提供することである。 本発明の上記目的及び他の目的は、簡潔に述べると、(i)空気を圧縮し、(ii) 圧縮された空気を加熱して高温ガスを発生させ、(iii)高温ガスに可変流量の蒸 気を差し向けて高温のガスと蒸気の混合物を発生させ、(iv)高温のガスと蒸気の 混合物をタービン内で膨張させることにより膨張したガスを発生させ、高温のガ スと蒸気の混合物の膨張によりタービンの軸にエネルギーが付与され、そのエネ ルギーは高温のガスの流量と蒸気の流量との関数であり、(v)蒸気の流量を所望 の蒸気流量に調節してタービンの軸に所望の軸出力を得ると共にタービン内で膨 張する高温のガスと蒸気の混合物の温度をほぼ一定に維持することより成る、ガ スタービン発電所の運転を所望の軸出力が得られるように調節する方法により実 現される。 この方法の一実施例によると、可変流量の蒸気を高温ガスに差し向けるステッ プは、給水を可変圧力の蒸気に変換することによって可変流量の蒸気を発生させ ることよりなる。蒸気の流量は蒸気が発生される圧力を調節して給水の飽和温度 を変えることにより所望の蒸気流量が得られるように調節する。さらに、この実 施例では、給水を可変圧力の蒸気に変換するステップは、給水及び膨張したガス を排熱回収蒸気発生器を通すことより成る。 本発明はまた、(i)圧縮状態の空気を発生させる圧縮機であって、圧縮空気が 出る環状出口部を有する圧縮機と、(ii)燃料を燃焼させて圧縮空気を加熱する燃 焼器と、(iii)蒸気の流れを発生させその蒸気の流れを燃焼器に差し向けて燃焼 器により高温の圧縮ガスと蒸気の混合物を発生させる手段と、(iv)高温の圧縮ガ スと蒸気の混合物を膨張させて膨張ガスと蒸気の混合物を生成させるタービンと より成り、タービンは燃焼器から高温圧縮ガスと蒸気の混合物を受ける入口を備 え、タービンの入口の流れ面積の圧縮機の環状出口の面積に対する比率が少なく ともほぼ１．０５の値を有するガスタービン発電所を包含する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に従って燃焼器に注入される蒸気の流量を変えることによって 出力を加減及び増大させることのできるガスタービン発電所の概略図である。 図２は、(i)飽和温度（Ｔ_SAT）対水の圧力の関係を示す曲線と、(ii)図１の蒸 発器の内部で維持される圧力Ｐ_ev（従ってその内部の水の飽和温度）が排気温度 ５７５°Ｃ（1070°Ｆ）の典型的なガスタービンの蒸発器に向けられる排気ガス の流量に対する蒸発器により生成される飽和蒸気の流量の比率（Ｇ_st／Ｇ_ex）に 対して与える影響を示す曲線のグラフ図である。 図３は、図１に示すタイプの典型的なガスタービンにおいて比率Ｇ_st／Ｇ_exで 表わされる燃焼器への注入蒸気の増加が百分率で表わされる（１００％は蒸気の 注入を行わないときの出力及びその効率）出力Ｐと効率Ｅに与える影響を示すグ ラフ図である。 図４は、図１に示すガスタービンの縦方向断面図の一部を示す。 図５は、図４の線Ｖ−Ｖに沿う横方向断面図である。 図６は、図４に示すタービンの第１列の２つの隣接するタービン翼の断面図で ある。 好ましい実施例の説明 図面を参照して図１はガスタービン発電所の概略図である。発電所の主要構成 要素はタービン１と排熱回収蒸気発生器１２を含む。ガスタービン１は、圧縮機 ２と、ロータ軸８が圧縮機と発電機１０に連結されたタービン４と、燃焼器６と を含む。排熱回収蒸気発生器１２は過熱器１６、蒸発器１８、蒸気ドラム２０、 エコノマイザ２２、圧力制御弁２４とを含む。 作動について説明すると、圧縮機２は周囲の空気２６を取り込み、圧縮して圧 縮空気２８を発生させる。圧縮空気の圧力はガスタービンの燃焼温度によるが、 典型的には７００乃至２１００ｋＰａ（１００乃至３００ｐｓｉ）の範囲内にあ る。圧縮機２に取り込まれた空気の一部３は、段間圧縮機抽気管を経てタービン ４へその冷却のために送られる。圧縮空気２８の残りの部分は燃料３０と共に燃 焼器６へ送られる。 燃料３０、典型的には天然ガスまたは留出油はノズル（図示せず）を介して圧 縮空気２８内へ導入される。燃料３０の流量は流量制御弁４６により調節される 。燃料３０は圧縮空気内で燃焼して高温ガスを発生させる。本発明によると、排 熱回収蒸気発生器１２からの過熱蒸気の流れ４４が高温ガス中に導入されて高温 ガス及び蒸気の混合物３２が発生される。蒸気４４は従来と同様、燃料を導入す るノズル内の通路により、或いは燃焼器６もしくは関連の導管内の別の入口を介 して燃焼器６内に導入可能である。別の方法として、蒸気４４の一部または全部 を燃焼器６への導入に先立って圧縮空気２８に導入してもよい。 高温ガス及び蒸気の混合物３２はその後タービン４へ送られる。本発明による と好ましくは、燃焼器６の内部で燃焼する燃料３０の流量を流量制御弁４６によ り制御するが、その場合必要とされる出力がある特定の最小値（即ち蒸気の注入 が０であるときの出力）以下に減少しない限り、タービン４から必要とされる出 力とは無関係に高温のガスと蒸気の混合物３２の温度が一定値に維持されるよう にする。この一定の温度はタービン４の最適継続運転温度に基づき、現代のガス タービンでは１２６０°Ｃ（２３００°Ｆ）またはそれよりも高い温度である。 タービン４において、高温のガスと蒸気の混合物３２は膨張することによりロ ータ軸８に出力を発生させ、それによりロータの圧縮機区分と発電機１０の両方 を駆動する。この出力は高温のガスと蒸気の混合物３２の温度、圧力及び流量の 関数である。膨張したガスと蒸気の混合物３４はその後タービン４から排出され る。タービン４の内部で膨張した結果、膨張ガスと蒸気の混合物３４の温度は低 下している。高温のガスと蒸気の混合物３２が最適温度範囲で運転中の現代のガ スタービンでは膨張ガスと蒸気の混合物３４の温度は通常４５０乃至６００°Ｃ （８５０乃至１１００°Ｆ）の範囲内にある。 膨張したガスと蒸気の混合物３４はその後排熱回収蒸気発生器１２へ送られる 。この排熱回収蒸気発生器１２の内部で膨張ガスと蒸気の混合物３４は配管を介 して過熱器１６、蒸発器１８及びエコノマイザ２２を順次流れる。ガスと蒸気の 混合物３６はその後大気中に放出される。従来と同様、過熱器１６、蒸発器１８ 及びエコノマイザ２２はフィン付きの管よりなる伝熱面をもつ。膨張ガスと蒸気 の混合物３４はこれらのフィン付き管の上を流れ、これらの管の内部を給水と蒸 気 が流れる。排熱回収蒸気発生器１２では、膨張ガスと蒸気の混合物３４がその熱 のかなりの部分を給水と蒸気へ伝達する。その結果、排熱回収蒸気発生器１２か ら出るガスと蒸気の混合物３６の温度は排熱回収蒸気発生器へ入る膨張ガスと蒸 気の混合物３４よりもかなり低くなり、その温度は１５０°Ｃ（３００°Ｆ）ま たはそれよりも低いものであろう。 給水源１４からの給水３８はポンプ４８を介して加圧されエコノマイザ２２へ 送られる。エコノマイザ２２は給水３８を蒸発器１８の内部で維持すべき最小圧 力における給水の飽和温度に近いが、好ましくはそれよりも低い温度に加熱する に充分な伝熱表面積を有する。加熱された給水４０はその後蒸発器１８に連結し た蒸気ドラム２０へ送られる。 従来と同様、ドラム２０内の加熱給水４０は蒸発器１８の伝熱管を循環される 。このような循環は自然的な方法または強制的な循環によるものであろう。蒸発 器１８は給水４０を飽和蒸気４２へ変える。給水４０が蒸気４２へ変換される率 、即ち蒸気発生量は、蒸発器の伝熱表面積とその作動圧力だけでなく以下におい て説明するように膨張ガスと蒸気の混合物３４の温度及び流量の関数である。給 水制御弁、液面センサなどを含む従来型給水制御装置を用いてドラム内の給水４ ０のレベルを蒸気発生量が変化してもドラムが満液状態にならないようにまた蒸 発器１８が干上がった状態にならないように適当な範囲内に維持することが可能 である。 蒸発器１８の上を流れる膨張ガスと蒸気の混合物３４の保持する熱のうち蒸発 器を循環する給水４０の飽和温度よりも高い部分だけが給水を蒸気４２へ変える ことができる。従って、例えば、蒸発器１８の上を流れる膨張ガスと蒸気の混合 物３４の温度Ｔ_exが蒸発器内の給水４０の飽和温度Ｔ_SATに等しいかそれよりも 低い場合、蒸発器の蒸気発生量Ｇ_stは０であろう。従って、蒸発器１８内の水の 飽和温度が低ければ低いほど蒸気発生量は高くなる。 図２は、水の飽和温度Ｔ_SATがその圧力Ｐ_evの変化に応じて普通興味の対象と なる範囲内で変動する様子を示す。理解できるように、圧力Ｐ_evが２０００ｋPa （３００ｐｓｉｇ）から１０００ｋＰａ（１５０ｐｓｉｇ）へ減少すると飽和温 度が２１４°Ｃ（４１７°Ｆ）から１８０°Ｃ（３５８°Ｆ）へ減少する。従っ て、蒸発器の圧力が低ければ低いほど蒸気発生量が多い。 図２はまた、蒸発器１８により発生される飽和蒸気４２の流量Ｇ_st（膨張ガス と蒸気の混合物３４の単位流量Ｇ_exにより規準化されている）が温度が約５４０ °Ｃ（１０００°Ｆ）の普通の膨張ガスと蒸気の混合物３４において蒸発器１８ 内で維持される圧力の変化と共に変動する様子を示す。理解できるように、蒸発 器の圧力Ｐ_evが１８００ｋＰａから１４００ｋＰａに低下すると蒸気発生量は３ 倍以上に増大し、約０．０８ｋｇ／ｋｇ（即ち、排熱回収蒸気発生器１２を流れ る膨張ガス３４の１キログラム毎について０．０８キログラムの蒸気）から約０ ．２６ｋｇ／ｋｇに増加する。かくして、蒸発器１８の蒸気発生速度は蒸発器内 に維持される圧力に大きく左右される関数であり、また排熱回収蒸気発生器１２ を流れる膨張ガスと蒸気の混合物３４の温度及び流量にも依存する。 飽和蒸気４２は、蒸発器１８から過熱器１６へ送られ、そこでその温度が過熱 領域に上昇する。タービンへ送られる高温ガスと蒸気の混合物３２を所望の温度 へ過熱するために燃焼器１６内で燃焼する必要のある余分な燃料３０を減らすに は或る量の過熱が望ましいのであるが、過熱量は本発明の利点を実現する上で重 要ではない。加えて、膨張ガスと蒸気の混合物３４は蒸発器１８に到達する前に 過熱器１６でその熱の一部を放出するため、過熱量が大きければ多いほど蒸気発 生速度は低い。 上述したように、タービン４で発生される出力は、それを流れる高温のガスと 蒸気の混合物３２の温度と流量の関数である。従って、燃焼器６または圧縮空気 ２８内に蒸気４４を注入すると高温のガスと蒸気の混合物３２の流量、従ってタ ービンの出力が増大する効果がある。図３は、蒸発発生速度が増加するにつれて 発電機１０における正味の出力Ｐが増加する様子を百分率で示す。理解できるよ うに、蒸気発生速度が膨張バスと蒸気の混合物３４の流量の１５％に等しく（即 ちＧ_st／Ｇ_ex＝０．１５）、タービンに入る流体の温度が一定値に維持されると 、蒸気を注入しない場合と比較して正味の出力がほぼ９０％、熱効率はほぼ４０ ％増加する。 しかしながら、過熱器１６内である一定量の過熱が行われるにもかかわらず、 蒸気４４の温度は最適動作が得られるタービン４内で膨張する流体の最適温度 （即ち、ベース負荷タービン入口設計温度）よりも低い。加えて、蒸気発生速度 が大きければ大きいほど、実現可能な過熱の量は低い。従って、蒸気注入量を増 加し蒸気温度を減少させるにつれて高温ガスと蒸気の混合物３２の温度を最適の 一定値に維持するには燃焼器６内でさらに多くの燃料を燃焼する必要がある。こ のように燃料の流量を増加するとガスタービン１の熱効率が図３に示すようにあ る一定の蒸気流量を越えると減少し始める。 本発明によると、ガスタービン１の出力条件の変動は、タービンに入る高温ガ スの温度を変えるのではなくて、注入蒸気の流量、従ってタービン４に入るガス と蒸気の混合物の流量を変えることによって対処することが可能である。加えて 、注入蒸気の変動は上述のように、蒸発器１８内の圧力、従って蒸気発生速度を 変えることによって実現できる。圧力のこの変化は過熱蒸気１４を過熱器１６か ら燃焼器６へ送る配管に取り付けた圧力制御弁２４を操作して容易に実現できる 。例えば、出力の約３５％の増大は、蒸発器１８内の圧力が１８００ｋＰａから １６００ｋＰａに低下するに充分なだけ圧力制御弁２４をただ開いてやるだけで 蒸気発生量の比Ｇ_st／Ｇ_exを図２に示すように０．０８５から０．１７５に増加 させ、従って図３に示すように出力を蒸気を注入しない燃焼出力の１５０％から ２０５％へ増加させることによって実現できる。 容易に理解できるように、本発明による運転方法を用いると、ガスタービンの 出力をタービン４の安全運転温度レベルを越えることなくタービンの蒸気注入の ない運転で得られるよりも大きい需要に対応できるように増大することが可能で ある。加えて、この方法によると、タービンに供給される流体の温度を変えずに 負荷の変動を吸収できるためタービンの構成要素が受ける周期的な熱応力を最小 限に抑えることができる。 上述したように出力を増大させるため蒸気の注入を利用しやすくするタービン 装置の変形例を説明する。図４はガスタービン１の一部の断面図である。理解で きるように、ガスタービンの圧縮機２は、そのシリンダ６０に固着した複数の静 翼列と、ロータ８の圧縮機側部分に取り付けたディスクに固着した複数の回転翼 列より成る。出口案内翼５９は、回転する圧縮機翼５８の最後の列の直ぐ下流に 位置している。図５に示すように、圧縮機２の環状出口部５６は圧縮機のシリン ダ６０と、最終列の翼５８の直ぐ下流にある出口案内翼５９の内側シュラウド６ ２との間の横断面領域により形成される。 圧縮機２から排出される圧縮空気２８は燃焼部のシリンダ７０により形成され るチャンバ７２へ送られる。このチャンバ７２から、圧縮空気２８は燃焼器６（ 図４にその１つだけを示す）へ入り、そこで上述したように燃料３０を燃焼させ て過熱される。また、上述したように、本発明によると、過熱蒸気４４が燃焼器 ６へ導入される。 高温の蒸気とガスの混合物３２は燃焼器６から配管７４によりタービン区分４ へ送られる。タービン４は内側シリンダ６４を囲む外側シリンダ６６を含む。内 側シリンダ６４の内部では、高温の蒸気とガスの混合物３２が、交互に並んだ静 翼列と回転翼列上を流れる。静翼列は内側シリンダ６４に固着してある。回転翼 列はロータ８のタービン側部分を形成するディスクに固着してある。 図６はタービン４の第１段の２つの隣接する翼５０を示す。１つの翼５０の後 縁部５２から隣接する翼の負圧面５４への最短距離をＴで示すが、これはその段 の出口開口またはのど部を形成する。その段の流れ面積はのど部Ｔに翼５０の高 さを掛け合わせた値に等しい。この流れ面積はタービン４の入口容量を決定する 。圧縮機２から抽出した冷却空気３は最終的に第１段の翼５０の下流で作動流体 に戻されるため、タービンの下流段は作動流体へ冷却空気が戻されることに起因 する流量の増加に対応するような大きさの流れ面積を有する。 典型的な現代のガスタービンでは、圧縮機を流れる圧縮空気の一部、普通は圧 縮機入口空気流量のほぼ５乃至１２％は冷却に用いるため抽気される。圧縮機の 排出環状部５６の横断面積は、圧縮機から流出する圧縮空気２８の流量（上述の 理由により圧縮機の入口空気２６の流量よりも小さい）に対応する大きさになっ ている。燃料３０の流量は通常圧縮機の入口空気の流量の約２乃至３％に等しい 。従って、従来型ガスタービンでは、タービン４に入る高温ガスの流量は圧縮機 から出る圧縮機の空気２８の流量のほぼ１０２乃至１０３％であり、第１段のタ ービン翼の流れ面積はそれに応じて設定される（これはマッチングと呼ばれるこ とがあるプロセスである）。 圧縮機の出口環状部５６の面積は圧縮機２から出る空気２８の流量の関数であ り、また第１段のタービン翼の流れ面積はタービンの入口容量の関数であるため 、これら２つの面積の比率がタービンと圧縮機の間のマッチングを示す。蒸気の 注入を利用しない、または注入したとしてもＮＯｘを抑制するために必要な比較 的少量の蒸気を注入するにすぎない設計の従来型ガスタービンでは、圧縮機の出 口環状部の面積に対する第１段タービン翼ののど部の面積の比率はほぼ０．７５ 乃至０．８５の範囲内にある。従って、燃焼器６に導入することの可能な蒸気４ ４の両方はタービン４に入る高温ガスと蒸気の混合物３２の流量をあまり大きく 増加させると圧縮機２にかかる背圧が過大になるため限界がある。このような過 大な背圧が発生すると、それが原因で流れが不安定になり、例えば、圧縮機サー ジが生じる場合がある。 従って、本発明によると、タービン４の容量は、蒸気注入を利用してタービン の出力をオペレータが増大させる能力を最大限にするためこれまで可能であった 量よりも多量の蒸気４４を使用できるように増加する。本発明の好ましい実施例 では、第１段のタービン翼５０の流れ面積を、圧縮機の出口環状部５６の横断面 積に対する第１段のタービン翼５０ののど部の面積の比率が少なくともほぼ1.05 になるように増加させている。タービン４の入口の圧力は、タービンを流れるガ スと蒸気の混合物の流量の関数であり、従って蒸気４４の流量の関数でもある。 かくして、このようなマッチングを行うことによって燃焼器６内に蒸気４４を注 入しない状態で運転したときのガスタービンの効率が減少するが、これはガスタ ービンがその理想圧力比よりもかなり低いところで運転されるからである。しか しながら、このようなマッチングにより蒸気４４の流速をタービン４から排出さ れるガスと蒸気の混合物３４の流速のほぼ２５％もの高い値にすることが可能で ある。この値は現代のガスタービンの排気ガス３４から熱を回収することによっ て生成可能な本質的に最大の蒸気量である。 本発明の好ましい実施例によると、排熱回収蒸気発生器１２の伝熱面積は、燃 焼器６に導入される蒸気４４の流速がタービン４から出るガスと蒸気の混合物３ ４の流速の少なくとも１５％になるようなものである。所望であれば、蒸発器１ ８の蒸気圧力を上述のように調節して最適のタービン圧力比、従って最適の性能 をもたらす蒸気流量を得ることが可能である。 本発明を排熱回収蒸気発生器により蒸気を発生させる例について説明したが、 本発明は他の蒸気発生方法にも利用可能である。従って、本発明はその精神また は本質的な特徴部分から逸脱することなく他の特定な対応で実施可能であり、従 って、本発明の技術的範囲を定めるに当たっては、上記の明細書でなく、添付の 請求の範囲を参照する必要がある。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年８月１日 【補正内容】 ガスタービンの燃焼プロセスは通常、大気汚染物質と考えられる窒素酸化物（ ＮＯｘ）を発生させる。従来、蒸気または水を燃焼器に注入することにより炎の 温度、従ってＮＯｘの生成率を下げることが行われている。燃焼器に蒸気を注入 するとタービンの出力が増加することが知られているが、過去において、圧縮機 の背圧を過大にすることなく安全に注入できる蒸気の量には、乾式運転用に普通 設計されたタービンの要領による制約があった。したがって、出力増大のため蒸 気注入を利用する能力には限界があった。 ドイツ国特許出願ＤＥ３４１９５６０Ａ１は、過熱蒸気を燃焼ガスと混合させ るガスタービン装置の作動方法及び該方法を実施する装置を開示している。温度 調節を行うのに、水を追加してガスタービンに流入する作業流体の温度がガスタ ービン装置の可能な限り大きな部分負荷範囲にわたって一定のままであるように する。 したがって、タービンの出力を増大させるため多量の蒸気を安全に導入するこ とができ、導入する蒸気の量を変えることよって出力を調節可能なガスタービン を提供することが望ましい。 発明の概要 従って、本発明の一般的な目的は、タービンの出力を増大させるため多量の蒸 気を安全に導入することができ、導入する蒸気の量を変えることによって出力を 調節可能なガスタービンを提供することである。 本発明の上記目的及び他の目的は、簡潔に述べると、ガスタービン発電所にお いて軸出力を制御する方法であって、ａ）圧縮機で空気を圧縮し、ｂ）燃焼器内 で燃料を燃焼させることにより前記圧縮空気を燃焼器内で加熱することによって 高温ガス流を発生させ、ｃ）給水の流れを蒸発器内へ送り込み、それにより或る 蒸気発生量で蒸気流を発生させ、ｄ）前記蒸発器内の前記給水の圧力を変えるこ とにより前記蒸気発生量を調節し、ｅ）前記発生した蒸気流を高温ガス流に導入 して、前記蒸気発生量に比例する流量で流れる高温ガスと発生蒸気の混合物を発 生させ、ｆ）高温ガスと発生蒸気の前記混合物を回転軸を有するタービンに送り 込んでその内部で膨張させ、それにより前記回転軸に高温ガスと発生蒸気の前記 混合物の前記流量に比例する出力を発生させて、前記軸出力を前記蒸発器内の前 記給水の前記圧力を変えることにより調節し、ｇ）高温ガスと発生蒸気の前記混 合物を前記膨張プロセス後、前記タービンから排出し、前記排出された混合物を 前記蒸発器上を流れるように差し向け、それにより前記排出した混合物からの熱 を前記蒸発器内を流れる前記給水に伝達し、前記熱伝達により前記蒸気を発生さ せることを特徴とする制御方法によって達成される。 １．ガスタービン発電所において軸出力を制御する方法であって、 ａ）圧縮機で空気を圧縮し、 ｂ）燃焼器内で燃料を燃焼させることにより前記圧縮空気を燃焼器内で加熱 することによって高温ガス流を発生させ、 ｃ）給水の流れを蒸発器内へ送り込み、それにより或る蒸気発生量で蒸気流 を発生させ、 ｄ）前記蒸発器内の前記給水の圧力を変えることにより前記蒸気発生量を調 節し、 ｅ）前記発生した蒸気流を高温ガス流に導入して、前記蒸気発生量に比例す る流量で流れる高温ガスと発生蒸気の混合物を発生させ、 ｆ）高温ガスと発生蒸気の前記混合物を回転軸を有するタービンに送り込ん でその内部で膨張させ、それにより前記回転軸に高温ガスと発生蒸気の前記混合 物の前記流量に比例する出力を発生させて、前記軸出力を前記蒸発器内の前記給 水の前記圧力を変えることにより調節し、 ｇ）高温ガスと発生蒸気の前記混合物を前記膨張プロセス後、前記タービン から排出し、前記排出された混合物を前記蒸発器上を流れるように差し向け、そ れにより前記排出した混合物からの熱を前記蒸発器内を流れる前記給水に伝達し 、前記熱伝達により前記蒸気を発生させることを特徴とする制御方法。 ２．前記蒸発器内の前記給水の前記圧力を変えることにより前記蒸気発生量を調 節するステップでは、前記発生蒸気を前記蒸発器から送り出す導管内に位置する 弁を制御自在に調節することを特徴とする請求項１０の制御方法。 ３．燃料を前記圧縮空気内で燃焼させて前記圧縮空気を加熱して前記高温ガスを 発生させるステップでは、高温ガスと発生蒸気の前記混合物の温度を、前記蒸気 発生量の変動にかかわらず、所定値に維持するように前記燃料の燃焼量を調節す ることを特徴とする請求項１１の制御方法。 【図６】 【図５】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ソートホール，レスリー，アール アメリカ合衆国，フロリダ州 32779，ロ ングウッド，ティンバー・リッジ・ドライ ブ 450

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所望の軸出力を得るようにガスタービン発電所の運転を制御する方法であっ て、 （a）空気を圧縮し、 （b）前記圧縮した空気を加熱して高温ガスを発生させ、 （c）可変流量の蒸気を前記高温ガスに送り込んで高温ガスと蒸気の混合物 を内部に回転軸を有するタービンの中で膨張させて膨張ガス／蒸気混合物を発生 させることにより前記高温ガスと蒸気の混合物の前記膨張により前記軸に出力を 付与し、 （e）前記タービン軸からの前記所望の軸出力を維持すると共に前記タービ ンの中で膨張される前記ガス／蒸気混合物の温度をほぼ一定に維持するように前 記蒸気の前記流速を調節することにより前記ガス／蒸気混合物の前記流速を調節 するステップより成る方法。 ２．前記可変流量の状況前記高温ガスに送り込むステップは、吸水を可変圧力の 前記蒸気に変換することにより前記可変流量の状況発生させるステップより成り 、前記蒸気の前記流量は前記蒸気が発生される前記圧力を調節して前記給水の飽 和温度を変えることにより変化させる、請求項１の運転方法。 ３．前記給水を可変圧力の前記蒸気に変換するステップは、前記給水と前記膨張 ガス／蒸気混合物を排熱回収蒸気発生器に通すことより成る請求項２の運転方法 。 ４．前記給水を可変圧力の前記蒸気に変換するステップは、 （a）前記給水を前記膨張ガス／蒸気混合物がその上を流れるエコノマイザ を介して流すことにより前記給水を余熱し、 （b）前記余熱した給水を前記膨張ガス／蒸気混合物がその上を流れる蒸発 器を介して流すことにより前記給水を前記蒸気に変換して前記蒸気を前記蒸発器 から放出するステップより成る請求項２の運転方法。 ５．前記蒸気が発生される前記圧力を調節するステップは、前記蒸発器からの前 記蒸気の放出を制御する弁の開度を調節するステップより成る請求項４の運転 方法。 ６．前記蒸気を発生させるステップは前記タービンにより発生される前記膨張ガ ス／蒸気混合物から熱を前記給水に伝達するステップより成り、このため発生さ れる前記蒸気の前記流量は前記膨張ガス／蒸気の温度と前記給水の飽和温度との 差の関数である請求項２の運転方法。 ７．前記高温ガスを発生させるように前記圧縮空気を加熱するステップは、前記 蒸気の前記流量の変動にもかかわらず前記ガス/蒸気混合物の温度を所定の値に 維持するように前記高温ガスの温度を調節するステップより成る請求項６の運転 方法。 ８．前記圧縮ガスを加熱するステップは前記圧縮空気内で燃料を燃焼させるステ ップより成り、前記高温ガスの前記温度は前記燃料が燃焼する速度を調節するこ とにより調節される請求項７の運転方法。 ９．前記蒸気の前記流量は前記膨張ガス／蒸気混合物の流量の０％乃至少なくと も２０％の範囲内で変動する請求項１の運転方法。 10．ガスタービン発電所において軸出力を制御する方法であって、 ａ）圧縮機で空気を圧縮し、 ｂ）燃焼器内で燃料を燃焼させることにより前記圧縮空気を燃焼器内で加熱 することによって高温ガス流を発生させ、 ｃ）給水の流れを蒸発器内へ送り込み、それにより或る蒸気発生量で蒸気流 を発生させ、 ｄ）前記蒸発器内の前記給水の圧力を変えることにより前記蒸気発生量を調 節し、 ｅ）前記発生した蒸気流を高温ガス流に導入して、前記蒸気発生量に比例す る流量で流れる高温ガスと発生蒸気の混合物を発生させ、 ｆ）高温ガスと発生蒸気の前記混合物を回転軸を有するタービンに送り込ん でその内部で膨張させ、それにより前記回転軸に高温ガスと発生蒸気の前記混合 物の前記流量に比例する出力を発生させて、前記軸出力を前記蒸発器内の前記給 水の前記圧力を変えることにより調節し、 ｇ）高温ガスと発生蒸気の前記混合物を前記膨張プロセス後、前記タービン から排出し、前記排出された混合物を前記蒸発器上を流れるように差し向け、そ れにより前記排出した混合物からの熱を前記蒸発器内を流れる前記給水に伝達し 、前記熱伝達により前記蒸気を発生させることを特徴とする制御方法。 11．前記蒸発器内の前記給水の前記圧力を変えることにより前記蒸気発生量を調 節するステップでは、前記発生蒸気を前記蒸発器から送り出す導管内に位置する 弁を制御自在に調節することを特徴とする請求項１０の制御方法。 12．燃料を前記圧縮空気内で燃焼させて前記圧縮空気を加熱して前記高温ガスを 発生させるステップでは、高温ガスと発生蒸気の前記混合物の温度を、前記蒸気 発生量の変動にかかわらず、所定値に維持するように前記燃料の燃焼量を調節す ることを特徴とする請求項１１の制御方法。 13．圧縮空気が流出する環状出口部を有する圧縮空気を発生させる圧縮機と、 （b）前記圧縮空気をその内部で燃料を燃焼させることにより加熱する燃焼 器と、 （c）蒸気の流れを発生させて前記燃焼器に送り込むことにより前記燃焼器 が高温の圧縮ガス／蒸気混合物を発生させるようにする手段と、 （d）膨張したガス／蒸気の混合物を発生させるように前記高温圧縮ガス／ 蒸気混合物を膨張させるタービンとより成り、前記タービンは前記燃焼器から前 記高温圧縮ガス／蒸気混合物を受ける入口を有し、前記圧縮機の環状出口部面積 に対する前記タービンの入口流れ面積の比率は少なくともほぼ１．０５の値であ るガスタービン発電所。 14．蒸気を発生させる前記手段は熱を前記膨張ガス／蒸気混合物から給水へ伝達 する手段より成る請求項１３のガスタービン発電所。 15．蒸気を発生させる電気手段は前記膨張ガス／蒸気混合物の流量の少なくとも １５％の流量で蒸気を発生させる手段を有する請求項１４のガスタービン発電所 。