(57)【要約】      （修正有）【課題】必要な空気循環装置の数が少なく、排気の希釈損失が減少し、寄生負荷が低減し、複合サイクル効率と出力を改善することができ、必要な空気循環装置の数が少なく、システムの一体化により、設置費用及び始動費用を低減することができる冷却システムの提供。【解決手段】ターボ機械１００を構成するガスタービン装置の複数の区画１０５，１１０のそれぞれを冷却する一体型冷却回路を流体連通させ、これら回路間に区空気からなる冷却流体を循環させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械（１００）の複数の区画を冷却するためのシステムにおいて、
少なくとも第１区画（１０５）及び第２区画（１１０）を有する複数の区画から成るターボ機械（１００）と、
前記複数の区画の各区画（１０５、１１０）の温度を低下させる冷却システムであって、
少なくとも前記第１区画（１０５）及び前記第２区画（１１０）と流体連通している冷却回路であって、該冷却回路の第１部分（１５５）が前記第１区画（１０５）内に位置し、該冷却回路の第２部分（１７５）が前記第２区画（１１０）内に位置する冷却回路と、
周囲から得た空気である冷却流体を前記冷却回路を介して移動させる少なくとも１つの空気循環装置（１６０、１８０）とから成る前記冷却システムと
を備え、
空気が第１温度範囲で前記第１区画（１０５）に導入され、第２温度範囲で前記第１区画（１０５）から排出された後、前記第２温度範囲で前記第２区画（１１０）に導入され、第３温度範囲で前記第２区画（１１０）から排出されることを特徴とする、システム。
【請求項２】
前記冷却回路の前記第１部分（１５５）が、
空気を前記第１区画（１０５）に導入するための第１区画（ＦＣ）供給管路（１６５）と、
空気を前記第１区画（１０５）から排出するための第１区画（ＦＣ）排出管路（１７０）とから成る、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１区画（１０５）が少なくとも１つのターボ機械構成部品を取り囲んでおり、前記少なくとも１つのターボ機械構成部品が、
圧縮機部分（１２５）、
燃焼システム（１３０）、又は
タービン部分（１４０）である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記冷却回路の前記第２部分（１７５）が、
第２区画（ＳＣ）供給管路（１８５）と、
前記ＳＣ供給管路（１８５）を前記冷却回路の前記第１部分（１５５）の排出端に一体化させる少なくとも１つの区画リンクとから成る、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２区画（１７５）が、シェルから成る排気フレーム（１４５）を取り囲んでおり、前記ＳＣ供給管路（１８５）が前記シェルに一体化されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記シェルが二重壁（１５０）であり、前記ＳＣ供給管路（１８５）により前記二重壁（１５０）から空気が排出される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２区画（１１０）の後端において一体化されたＨＲＳＧ（１１５）を更に含んでおり、前記ＨＲＳＧ（１１５）が、前記ターボ機械（１００）からの排気を受け入れ、前記冷却回路（１５５、１７５）の排出部分からの空気を受け入れる、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの空気循環装置（１６０、１８０）がファンから成り、前記ＦＣ供給管路（１６５）の吸気端に接続される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ファンにより、周囲から得た空気を受け入れ、前記ＦＣ供給管路（１６５）、前記ＦＣ排出管路（１７０）、前記ＳＣ供給管路（１８５）、前記少なくとも１つの区画リンク（２０５）、及び前記ＳＣ排出管路を介して空気を移動させて、前記排気フレーム（１４５）に排出する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
空気の一部を前記冷却回路（１５５、１７５）から排出するためのバイパスシステム（２１０）を更に含む、請求項８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ターボ機械用の冷却システムに関する。本発明は、特に、少ないエネルギーで作動する一体型冷却システムに関するが、これに限定されるわけではない。
【背景技術】
【０００２】
発電所の多くの構成部品及び／又はシステムは、基本的に、冷却を必要とする。図１Ａ及び図１Ｂ（まとめて「図１」）は、ターボ機械用の既知の独立型冷却システムの概略図である。図１に、ターボ機械１００、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１１５、及び排気筒１２０を示す。
【０００３】
ターボ機械１００は、基本的に、ターボ機械１００の構成部品を取り囲む複数の区画から成る。図１に、複数の区画のうちの２つである、第１区画１０５及び第２区画１１０を示す。本明細書では、第１区画１０５及び第２区画１１０を繰り返し参照して説明しているが、本発明の実施は、第１区画１０５及び第２区画１１０に限定されるものではない。また、本発明を複数の区画の各々において実施可能であるが、必ずしも全てが図示されているわけではない。
【０００４】
第１区画１０５は、矢印で示すように周囲空気を吸い込む圧縮機部分１２５を取り囲んでいる。周囲空気は圧縮機部分１２５に導入され、圧縮されて、燃焼システム１３０に排出される。燃焼システム１３０において、天然ガス等の燃料が燃焼し、高エネルギー燃焼ガスが生成されて、タービン部分１４０が駆動される。タービン部分１４０において、燃焼ガスのエネルギーが動力に変換されて、その一部を圧縮機部分１２５の駆動に使用し、残りを、例えば発電機（図示せず）又はこれに限定されない負荷の駆動に利用することができる。ターボ機械１００の作動中、これらの構成部品は、第１区画１０５によって取り囲まれた領域の温度を上昇させる熱を放射する。
【０００５】
第１区画１０５は、更に、第１区画１０５内の温度を低下させるための第１区画（ＦＣ）冷却回路１５５を含む。ＦＣ冷却回路１５５は、一実施形態において、ＦＣ空気循環装置１６０と、ＦＣ供給管路１６５と、ＦＣ排出管路１７０とから成る。ＦＣ空気循環装置１６０は、一実施形態において、少なくとも１つのファンから成る。周囲空気を吸い込むのは、ＦＣ冷却回路１５５からであってよい。例えば、これらに限定されないが、周囲から直接空気を流し込んでも、周囲空気を調節する配管システムから空気を流し込んでもよい。
【０００６】
ＦＣ冷却回路１５５では、周囲空気を、ＦＣ供給管路１６５を介して第１区画１０５に移動させてよい。このとき、第１区画１０５から熱が部分的に除去されることに伴って、周囲空気が加熱される。加熱された空気は、その後、ＦＣ排出管路１７０を介して大気中へ排出される。
【０００７】
例えば、これに限定されないが、ＦＣ冷却回路１５５を用いて周囲空気を吸い込み、第１区画１０５から熱を除去することができる。この加熱された空気は、その後、華氏２００度以上で大気中に排出される。
【０００８】
第２区画１１０は、基本的に、ターボ機械１００からの排気をＨＲＳＧ１１５へ移動させるための排気フレーム１４５を取り囲んでいる。排気フレーム１４５は、タービン部分１４０からの排気を、シェルを介してＨＲＳＧ１１５へと導く。シェルは、一実施形態において、二重壁１５０である。二重壁１５０は、図１Ｂでは、排気フレーム１４５を取り囲む円形の環状部分から成る。シェルは、代替的な実施形態において、排気フレーム１４５を冷却するための冷却孔及び／又は蛇行冷却路を備えた、単一のシェルであってもよい。
【０００９】
第２区画１１０は、更に、第２区画１１０内の温度を低下させるための第２区画（ＳＣ）冷却回路１７５を含む。ＳＣ冷却回路１７５は、一実施形態において、ＳＣ空気循環装置１８０と、ＳＣ供給管路１８５とから成る。ＳＣ空気循環装置１８０は、一実施形態において、少なくとも１つの送風機から成る。ＳＣ冷却回路１７５により、周囲空気を吸い込んだ後、周囲空気を、ＳＣ供給管路１８５を介して二重壁１５０に移動させることができる。このとき、周囲空気は、内部を流れる排気により加熱される排気フレーム１４５を冷却する。その結果、周囲空気は加熱され、ＨＲＳＧ１１５に排出されて、この加熱された空気と排気とが混ざり合う。
【００１０】
例えば、これに限定されないが、ＳＣ冷却回路１７５により、周囲空気を吸い込み、その周囲空気を華氏３５０度まで加熱させることができる。この加熱された空気の温度は、その後、排気と混ざり合って、華氏１１５０度以上になる場合がある。
【００１１】
現在の冷却システムに関してはいくつかの懸念がある。ＦＣ空気循環装置１６０及びＳＣ空気循環装置１８０を作動させるには、通常、電力が必要となる。装置１６０、１８０は、ターボ機械１００の寄生負荷と考えられる。寄生負荷は、概して、ターボ機械が生成するエネルギーの一部を消費するので、全体的な効率を低下させることがある。
【００１２】
更に、二重壁１５０から排出される比較的低温の空気が排気フレーム１４５の内部から排出される非常に高温の排気と混ざり合う時に、温度希釈が生じる。温度希釈は、不可逆的なエネルギー損失と考えられ、ＨＲＳＧ１１５のボトミングサイクルに利用可能なエネルギーの減少に繋がる。この温度希釈により、温度が約１０〜２０度も低下し、ターボ機械１００及びＨＲＳＧ１１５の効率が低下してしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述の理由により、一体型ターボ機械冷却システムが求められている。このシステムでは、複数のターボ機械区画の冷却を一体化する必要がある。更に、このシステムでは、ターボ機械の寄生負荷の量を低減する必要がある。また更に、このシステムでは、温度希釈による影響を緩和する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一実施形態において、ターボ機械の複数の区画を冷却するためのシステムを開示する。このシステムは、少なくとも第１区画及び第２区画を有する複数の区画から成るターボ機械と、これら複数の区画それぞれの温度を低下させる冷却システムであって、少なくとも第１区画及び第２区画と流体連通した冷却回路であって、第１部分が第１区画内に位置し、第２部分が第２区画内に位置する冷却回路と、周囲から得た空気である冷却流体を冷却回路を介して移動させる少なくとも１つの空気循環装置とから成る前記冷却システムとを備える。このとき、空気は、第１温度範囲で第１区画に導入され、第２温度範囲で第１区画から排出された後、第２温度範囲で第２区画に導入され、第３温度範囲で第２区画から排出される。
【００１５】
全図面を通じて同様の構成要素に同様の参照符号が付与された添付図面に対応する以下の詳細な説明により、本発明のこれら及びその他の特徴、態様及び利点が更に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ターボ機械用の既知の独立型冷却システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、ターボ機械用の一体型冷却システムの概略図である。
【図３】本発明の代替実施形態による、ターボ機械用の一体型冷却システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
これより、具体的な実施形態を図示した添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳説する。なお、これらと異なる構造及び作用を有している場合も、本発明の別の実施形態として認められる。
【００１８】
本明細書では、説明の便宜上、特定の用語を使用しているが、これらは本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。例えば、「上方」、「下方」、「左側」、「右側」、「前方」、「後方」、「頂部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前部」、「後部」などのような用語は、図示における配置を説明するものにすぎない。実際、本発明の実施形態において、構成要素を任意の方向に配向することができるので、特に明示しない限り、これらの用語は、そのような変更も含むものとして理解されたい。
【００１９】
本発明による冷却システムを適用することにより、使用者は次のような利益を得ることができる。まず、複合サイクルの効率と出力が改善する。これは、必要な空気循環装置の数が少ないことにより、排気の希釈損失が減少し、寄生負荷が低減するためである。更に、必要な空気循環装置の数が少ないこと、及び、冷却システムの一体化により、冷却システムの設置費用及び始動費用を低減させることができる。本発明の一実施形態では、ターボ機械１００の複数の区画のそれぞれと流体連通する一体型冷却回路を介して、冷却流体を循環させることができる。
【００２０】
再び図面を参照されたい。複数の図面を通じて様々な番号が構成要素ごとに付与されている。図２及び図３は、一体型冷却システムの概略図である。図２及び図３の説明は、あくまでも個々の実施形態に関するものであって、図示するその他の構成要素は、図１の説明における構成要素と同じである。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態による、ターボ機械１００用の一体型冷却システムの概略図である。この実施形態では、第１区画１０５及び第２区画１１０を冷却するために、第１の一体型冷却回路２００を用いる。第１の一体型冷却回路２００は、一実施形態において、ＦＣ空気循環装置１６０と、ＦＣ供給管路１６５と、ＦＣ排出管路１７０と、ＳＣ供給管路１８５と、区画リンク２０５とから成る。
【００２２】
一実施形態において、ＦＣ冷却回路１５５とＳＣ冷却回路１７５とが、第１の一体型冷却回路２００により、１つの回路として一体化される。これにより、第１区画１０５及び第２区画１１０が、より効率的に同時に冷却される。冷却区画リンク２０５により、加熱された空気を排出し、排気フレーム１４５用の冷却流体として機能させることができる。そのためには、例えば、ＦＣ排出管路１７０の排出端を冷却区画リンク２０５の第１端と接続してもよいが、これに限定されるわけではない。次に、冷却区画リンク２０５の第２端が、ＳＣ供給管路１８５の供給端に接続される。
【００２３】
動作時、第１の一体型冷却回路２００は、一実施形態において以下のように作動する。ＦＣ空気循環装置１６０により、周囲から空気を吸い込む。この周囲空気は加圧され、ＦＣ供給管路１６５を介して第１区画１０５に排出される。排出された暖かい空気は、その後、ＦＣ排出管路１７０を介して第１区画１０５から排出され、冷却区画リンク２０５を通ってＳＣ供給管路１８５へと流れる。更に、暖かい空気が、二重壁１５０を通ることにより、排気フレーム１４５が冷却される。このとき、空気は再加熱され、排気フレーム１４５から排出され、排気と混ざり合う。
【００２４】
例えば、ＦＣ空気循環装置１６０によって、周囲から空気を吸い込むことができるが、これに限定されない。空気は、華氏約９０度の温度で第１区画１０５に流入する。空気温度は、空気が第１区画１０５から熱を除去するにつれて、上昇する。空気は、華氏約３００度の温度で第１区画１０５から排出される。空気は、その後、周囲温度よりも非常に高い華氏約３００度の温度で二重壁１５０に流入する。空気は、排気フレーム１４５を冷却するにつれて、更に加熱される。空気は、華氏約３６０度の温度で二重壁１５０を抜ける。空気は、その後、排気と混ざり合って、華氏約１２００度の温度に達する。このように、効果的に排気温度を上昇させ、ＨＲＳＧ１１５の出力と効率を向上させることができる。
【００２５】
第１の一体型冷却回路２００の第１の代替的実施形態として、ＦＣ空気循環装置１６０とＦＣ排出管路１７０とを一体化することができる。このとき、ＦＣ空気循環装置１６０を用いて、第１区画１０５内で空気を循環させてもよい。
【００２６】
第１の一体型冷却回路２００の第２の代替的実施形態として、バイパス管路２１０を第１の一体型冷却回路２００の内部に組み込むことができる。ターボ機械１００及び／又は排気フレーム１４５の設計によっては、必要な冷却流量が第１の一体型冷却回路２００からの冷却流量を下回る場合がある。このとき、バイパス管路２１０から、第１の一体型冷却回路２００内の空気の一部を除去してもよい。一実施形態では、バイパス管路２１０の余分な空気を大気中に排出することができる。
【００２７】
第１の一体型冷却回路２００の第３の代替的実施形態として、ブースタ装置２１５を、第１の一体型冷却回路２００の内部に組み込むことができる。排気フレーム１４５に必要な空気の吐出圧力によっては、ブースタ装置２１５が必要となる場合がある。ブースタ装置２１５は、圧力を上昇させるために用いられる。ブースタ装置２１５は、送風機などを備えてもよい。上述のように、ブースタ装置２１５は、ＳＣ空気循環装置１８０に比して、非常に小さい寸法で、エネルギー消費を少なく抑えることができる。
【００２８】
図３は、本発明の代替的実施形態による、ターボ機械用の一体型冷却システムの概略図である。この実施形態では、第１区画１０５及び第２区画１１０を冷却するために、第２の一体型冷却回路３００を用いる。第２の一体型冷却回路３００は、一実施形態において、ＦＣ供給管路１６５と、ＦＣ排出管路１７０と、ＳＣ空気循環装置１８０と、ＳＣ供給管路１８５とから成る。
【００２９】
一実施形態において、第２の一体型冷却回路３００により、ＦＣ冷却回路１５５及びＳＣ冷却回路１７５を１つの回路として一体化することができる。その結果、第１区画１０５及び第２区画１１０を、より効率的に同時に冷却することができる。ＳＣ空気循環装置１８０により、第１区画１０５と第２区画１１０をリンクさせることができる。ＳＣ空気循環装置１８０により、第１区画１０５の加熱された空気を排出し、排気フレーム１４５のための冷却流体として機能させることができる。そのために、例えば、ＦＣ排出管路１７０の排出端を、ＳＣ空気循環装置１８０の入口部分と接続してもよいが、これに限定されるわけではない。ＳＣ空気循環装置１８０の排出部分は、更に、ＳＣ供給管路１８５の供給端に接続される。
【００３０】
動作時、第２の一体型冷却回路３００は、一実施形態において以下のように作動する。ＳＣ空気循環装置１８０により、周囲から空気を吸い込む。この空気は、ＦＣ供給管路１６５を介して第１区画１０５に流入する。流入した暖かい空気は、その後、ＦＣ排出管路１７０を介して第１区画１０５から排出される。暖かい空気は、更に、ＳＣ空気循環装置１８０によって加圧され、ＳＣ供給管路１８５を介して二重壁１５０に排出されて排気フレーム１４５を冷却する。このとき、空気は再加熱され、排気フレーム１４５から排出され、排気と混ざり合う。
【００３１】
以上、本発明を、一部の実施形態を用いて詳細に図示し説明してきたが、本発明の実施形態がこれらに限定されないことは、当業者には明らかであろう。というのも、これらには様々な修正、省略、追加の措置が可能であり、かかる措置を加えた形態も、特に上述の内容に鑑み、本発明の教示内容及び利点を有するものとして認められるからである。従って、このような修正、省略、及び等価の措置は、添付の特許請求の範囲に基づき、本発明の企図に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００３２】
１００  ターボ機械
１０５  第１区画
１１０  第２区画
１１５  ＨＲＳＧ
１２０  排気筒
１２５  圧縮機部分
１３０  燃焼システム
１４０  タービン部分
１４５  排気フレーム
１５０  二重壁
１５５  ＦＣ（第１区画）冷却回路
１６０  ＦＣ空気循環装置
１６５  ＦＣ供給管路
１７０  ＦＣ排出管路
１７５  ＳＣ（第２区画）冷却回路
１８０  ＳＣ空気循環装置
１８５  ＳＣ供給管路
２００  第１の一体型冷却回路
２０５  区画リンク
２１０  パイパス管路
２１５  ブースタ装置
３００  第２一体型冷却回路
【図１】
2010133408.tif 000003
【図２】
2010133408.tif 000004
【図３】
2010133408.tif 000005