(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段圧縮機からタービンに空気を供給するためのシステムであって、当該システムが、
高圧入力ポート（４２）、中圧入力ポート（４１）及び低圧入力ポート（４０）を含む複数の抽出空気入力ポート（４０〜４２）を備えたタービン（２）と、
高圧抽出空気出力（３４）、中圧抽出空気出力（２８）及び低圧抽出空気出力（２２）を含む複数の抽出空気出力を備えた多段圧縮機（４）と、
前記低圧抽出空気出力及び高圧抽出空気出力を前記タービンの低圧入力ポートと流体連通させる１以上の制御弁と
を含んでおり、前記１以上の制御弁が、正常運転状態の間には前記低圧抽出空気出力を前記低圧入力ポートと流体連通し、またターンダウン状態及び設計温度以下での運転の一方に際して前記高圧抽出空気出力を前記低圧入力ポートと流体連通するように選択的に作動する、システム。
【請求項２】
前記１以上の制御弁が、前記低圧抽出空気出力と前記低圧入力ポートとの間に設けられた第１の制御弁（６４）と、前記高圧抽出空気出力と前記低圧入力ポートとの間に設けられた第２の制御弁（８８）とを含んでいて、前記ターンダウン状態及び設計温度以下での運転の一方に際して、前記第１の制御弁が閉じかつ前記第２の制御弁が開く、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記１以上の制御弁が、前記低圧抽出空気出力と前記低圧入力ポートとの間に設けられた第１の制御弁（６４）と、前記高圧抽出空気出力と前記低圧入力ポートとの間に設けられた第２の制御弁（８８）とを含んでいて、前記ターンダウン状態及び設計温度以下での運転の一方に際して、前記第１及び第２の制御弁の各々が開く、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の制御弁と前記低圧入力ポートとの間に配置されたエジェクタ（６５）をさらに含む、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記１以上の制御弁が、前記中圧抽出空気出力と前記中圧入力ポートとの間に配置された第３の制御弁（７４）と、前記高圧抽出空気出力と前記中圧入力ポートとの間に設けられた第４の制御弁（８７）とをさらに含んでいて、前記ターンダウン状態及び設計温度以下での運転の一方に際して、前記第３の制御弁が閉じかつ前記第４の制御弁が開く、請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記１以上の制御弁が、前記中圧抽出空気出力と前記中圧入力ポートとの間に配置された第３の制御弁（７４）と、前記高圧抽出空気出力と前記中圧入力ポートとの間に設けられた第４の制御弁（８７）とをさらに含んでいて、前記ターンダウン状態及び設計温度以下での運転の一方に際して、前記第３及び第４の制御弁の各々が開く、請求項３又は請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記第４の制御弁と前記中圧入力ポートとの間に配置されたエジェクタ（７５）をさらに含む、請求項６記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの技術に関し、より具体的には、低ターンダウン及び／又は設計温度以下での運転の間にタービンエンジン性能を高めるためにガスタービンエンジンの多段圧縮機からタービン部分に空気を送給するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンは、国際標準化機構（ＩＳＯ）条件の全速で運転するように設計される。つまり、タービンエンジンは、例えば設計点温度、気圧、燃料タイプなどのような規定の入力条件範囲を利用して、規定の速度帯域内で運転されて最適な高出力を生成するように設計され、それ以下では運転は効率がより低いものとなる。しかしながら、多くの場合に、入力条件は設計点以外のものとなり、また／又は全出力よりも低い出力が所望される。ＩＳＯでの運転の間には、空気は、燃焼器内に供給されて燃料と混合して、高圧高温燃焼成生物を形成し、この高圧高温燃焼成生物は、タービンに送給される。全速時には、燃焼器は、タービンを駆動するのに十分な燃焼生成物を生成するために大量の空気を必要とする。加えて、ロータブレードのようなタービンの様々な部品は、冷却を必要とする。
【０００３】
タービン部品の冷却回路は、ガスタービンの全運転範囲の大部分にわたって適切な圧力を送給する圧縮機段からの送給空気を使用する。大半の燃焼タービンは、一体形圧縮機部品の１以上の圧縮機抽気段から抽気した空気を使用して、タービン部品内での冷却及びシールを行うようにする。この目的のために圧縮機から抽出した空気は、圧縮機−タービンロータ組立体又は同様のもの内に形成された通路を通してタービン部品内で冷却及びシールを必要とする部位に内部的に送ることができる。それに代えて、空気は、圧縮機部品とタービン部品との間で延びる配管を通して外部的に送ることもできる。
【０００４】
多くの場合、最適運転状態の間に十分な圧力を有する抽出空気は、設計点温度以下で運転している時のような最適状態以下の間及び／又は出力が低下した時のターンダウンの間には十分な圧力を有していない。最適状態以下の間に十分な圧力を供給するために、一次抽出空気は、高圧縮機段からの付加的な高圧力抽出空気で補足される。より高い段からの空気を冷却空気圧力に付加した場合には、高圧空気の使用は、全体的エネルギー生成プロセスにとって極めて非効率なもの或いは有害なものとなる不利益がある。つまり、高い圧力の空気を形成するのには、より低い圧力の抽出空気を生成するために必要となるよりもより多くの仕事が入力される。このために、補足空気は一般的に、中間レベルの圧縮機段に限定される。より高い圧縮機段から補足空気を抜き取る場合には、高い段の空気は、中間段一次抽出空気と単に混合されて抽出段間のあらゆる圧力差を最少にし、それによって少量のみの高段抽出空気が必要となるようになる。このようにして、エンジン運転は、低温日及びターンダウン期間の間に費用効果がある状態に維持される。
【特許文献１】米国特許第６６１５５７４号明細書
【特許文献２】米国特許第６４８１２１２号明細書
【特許文献３】米国特許第６５８４７７９号明細書
【特許文献４】米国特許第６３８９７９３号明細書
【特許文献５】米国特許第６２２６９７４号明細書
【特許文献６】米国特許第７１６８９２１号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００１／００２５４７６号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様によると、低ターンダウン及び／又は設計温度以下での運転の間にタービン性能を最適化するために多段圧縮機から空気を抽気してタービンにバイパス空気を供給するためのシステムを提供する。本システムは、高圧入力ポート、中圧入力ポート及び低圧入力ポートを含む複数の抽出空気入力ポートを有するタービンを含む。タービンに加えて、本システムは、１以上の高圧抽出空気出力、１以上の中圧抽出空気出力及び１以上の低圧抽出空気出力を含む複数の抽出空気出力を有する多段圧縮機を含む。弁は、１以上の高圧抽出空気出力及び１以上の低圧抽出空気出力とタービンの低圧入力ポートとに流体連通される。弁は、正常運転状態の間には１以上の低圧抽出空気出力を低圧入力ポートと流体連通しまた低ターンダウン状態及び設計温度以下での運転の一方に際して１以上の高圧抽出空気出力を低圧入力ポートと流体連通するように選択的に作動する。
【０００６】
本発明の別の態様によると、低ターンダウン及び／又は設計温度運転以下の間にタービンエンジンの性能を最適化するために多段圧縮機から抽気空気を供給してタービンにバイパス空気を与える方法を提供する。本方法は、最適運転状態の間にタービンエンジンを運転する段階と、非最適状態の間にタービンエンジンを運転する段階とを含む。最適運転状態の間には、高圧抽出空気が、高圧圧縮機抽出口からタービン上の高圧入力ポートに送給され、また低圧抽出空気が、低圧圧縮機抽出口からタービン上の低圧入力ポートに送給される。非最適運転状態の間には、高圧バイパス抽出空気が、高圧圧縮機抽出口からタービン上の高圧入力ポート及び低圧入力ポートの両方に送給される。
【０００７】
ターンダウン及び設計温度以下での運転の間には、高圧抽気は、タービンに対して高圧入力を適切に供給するのに十分な圧力を有する。しかしながら、中圧及び低圧抽気は、それぞれの中圧及び低圧タービン入力ポートに適切に供給するのに十分な圧力をもはや有していない。これ迄は、高圧抽出空気を使用することは、極めて非効率であると考えられていた。たかだか、高圧空気を使用して、中圧タービン入力ポートに送給する中圧空気を補足していた。高圧及び低圧空気を混合することは、非効率であり、従って費用効果がないと思われていた。
【０００８】
しかしながら、意外なことに、高圧抽気を低圧タービン入力ポートに送ることは、低圧入力ポート上において設計圧力比よりもより高い状態を生じさせることになることが判明した。低圧入力ポートへの空気の増大は、タービンエンジン内で燃焼器に流れる空気をより少なくする。より少ない空気が燃焼器に流れる場合には、燃焼器燃焼温度をエミッションコンプライアンス性の範囲内に維持するために、より少ない燃料が必要になる。より少ない燃料を使用することはまた、燃料燃焼量を減少させ、結果として、プラント出力は、現在可能であるものを超えたレベルまで低下させることができる、つまり、本発明は、全出力の１５％〜２０％までエンジンターンダウンを可能にする。このようにして、発電プラントは、低需要期間の間に非常な低ターンダウンで運転しかつ電力網に対して維持さると同時に、費用効果のある方法で発電機を作動させることができる。その結果、発電プラントは、別のシステムが機能停止した場合に、付加的出力を供給するように迅速に立ち上がることがでる。さらに、電力網に対して維持さていることによって、需要が増大した時には、発電機は、最初にインライン状態になり、発電機出力をベース負荷レベルまで上昇させることができる。
【０００９】
本発明の例示的な実施形態の様々な態様の付加的目的、特徴及び利点は、幾つかの図において同じ参照符号が対応する部分を表わす図面と共に行った場合の以下の詳細な説明から一層容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
先ず図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態により構成したガスタービンエンジンを、その全体を参照符号２で示している。エンジン２は、シャフト（別個には符号付けせず）を介してタービン６に作動連結された圧縮機４を含む。エンジン２はさらに、燃焼室１２を備えた燃焼器組立体８を含むものとして示している。下記でより十分に説明するように、燃焼ガスは、燃焼器組立体８内で生成されかつタービン６を駆動するために使用される。
【００１１】
運転中に、空気は、圧縮機４内に流入しかつ高圧ガスに加圧される。高圧ガスは、燃焼器組立体８に供給されかつ例えばプロセスガス及び／又は合成ガス（シンガス）などの燃料と混合される。燃料／空気又は可燃性混合気は、燃焼室１２内に流れかつ点火されて、約８７１℃〜１６２１℃（約１６００°Ｆ〜２９５０°Ｆ）の高圧高温燃焼ガスストリームを形成する。それに代えて、燃焼器組立体８は、それに限定されないが、天然ガス及び／又は石油燃料を含む燃料を燃焼させることができる。いづれにしても、燃焼器組立体８は、燃焼ガスストリームをタービン６に送り、タービン６は、熱エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する。エンジン２内部で発生した高温度により、燃焼器組立体８並びにタービン６のその他の様々な部品の冷却が必要になる。その目的のために、エンジン２は、冷却システム１７を含む。
【００１２】
この図示した例示的な実施形態によると、冷却システム１７は、圧縮機４の第９段のような低圧段に流体連通された低圧抽出空気出口２２を備えた第１のケーシング又はプレナム部分２０を含む。冷却システム１７はまた、圧縮機４の第１３段のような中圧段に流体連通された中圧抽出空気出力２８を有する第２のケーシング又はプレナム部分２６と、圧縮機４の第１８段のような高圧段に流体連通された高圧抽出空気出力３４を有する第３のケーシング又はプレナム部分３２とを含む。下記でより十分に説明するように、第１のプレナム部分２０は、タービン６上に設けられた低圧入力ポート４０に流体連通される。同様に、第２のプレナム部分２６は、タービン６上に設けられた中圧入力ポート４１に流体連通され、また第３のプレナム部分３２は、タービン６上に設けられた高圧入力ポート４２に流体連通される。
【００１３】
図示するように、冷却システム１７は、低圧抽気回路５１、中圧抽気回路５２及び高圧抽気回路５３を含む。低圧抽気回路５１は、低圧制御弁６４に至る低圧出力管路部分６０を含む。低圧制御弁６４から、低圧抽気回路５１は次に、低圧エジェクタ６５まで進みまた低圧出力管路部分６６上を進んだ後に、低圧入力ポート４０で終端する。中圧抽気回路５２は、中圧制御弁７４まで延びる中圧出力管路部分７０を含む。中圧制御弁７４から、中圧抽気回路５２は、中圧エジェクタ７５まで延びまた中圧出力管路部分７６上を延びた後に、タービン６上の中圧入力ポート４１で終端する。最後に、高圧抽気回路５３は、タービン６上の高圧入力ポート４２に連結した直接管路８０を含む。高圧抽気回路５３はまた、第１及び第２の高圧フィーダ管路８５及び８６を有する分岐管路８２を含む。各高圧フィーダ管路８５及び８６は、対応する弁８７及び８８を含む。弁８７及び８８から、高圧フィーダ管路８５及び８６は、それぞれ低圧エジェクタ６５及び中圧エジェクタ７５に連結される。
【００１４】
この構成の場合には、正常ＩＳＯ運転条件下で、翼形部及びバケットのようなタービン６の様々な部分には、低圧及び中圧抽出空気出口２２及び２８から冷却ガス流が供給される。例えば、高圧抽気出口３４からの高圧空気は、燃焼器組立体８及びタービン６上の高圧入力ポート４２に供給される。しかしながら、低ターンダウン状態下では及び／又は例えば５９°Ｆ（１５°Ｃ）のような設計温度以下で運転している時には、低圧抽気回路５１及び中圧抽気回路５２内の圧力は、低圧入力ポート４０及び中圧入力ポート４１のそれぞれの１つに冷却空気の十分な質量流量を供給するには不十分である。勿論、５９°Ｆ（１５°Ｃ）は、設計点温度の単なる１つの実施例に過ぎないものであり、様々な他の設計温度を運転場所、周囲条件、高度等に応じて設定することができることを理解されたい。いづれにしても、適切な圧力がない状態では、低圧及び中圧抽気には、付加的空気を補足するか又はタービン６における十分な冷却を保証しかつエンジン２がエミッションコンプライアンス性を維持するレベルまで出力を増大させるかのいずれかとしなければならない。高圧抽出空気を発生させることは、圧縮機４には多大な仕事が要求される。従って、これ迄は、より低い圧力抽気入力ポート内に高圧抽出空気を使用することは不利益と考えられていた。しかしながら、意外なことに、高圧空気を使用して、エンジン２がより低いレベルの出力を達成するのを可能にすることができると同時に、運転が一般的に効率的レベル以下である時のような設計パラメータ以下で運転されている場合でさえもエミッションコンプライアンス性を維持することができる利点があることが判明した。
【００１５】
本発明の１つの態様によると、低ターンダウン期間の間及び／又は設計温度以下で運転している時のような非最適運転状態の間に低圧入力ポート４０及び中圧入力ポート４１に適切な空気供給を行うために、低圧制御弁６４及び中圧制御弁７４は閉じられ、また高圧制御弁８７及び８８が開かれる。このようにして、圧縮機４からの高圧空気は、低圧入力ポート４０及び中圧入力ポート４１に導かれる。高圧空気は、タービン６の翼形部並びに関連する冷却及びパージ回路部分内にオーバフローを生じさせ、かつより低い出力レベルで十分な冷却を行う。同時に、高圧抽出空気は、高圧入力ポート４２に流れ続けてタービン６に高圧空気を供給する。この構成の場合には、大量の空気が、燃焼器組立体８を迂回してリーン状態を形成し、それにより、エミッション基準を満たす状態に維持された燃焼温度が生じる。さらに、タービン６内部の温度は、より低い出力レベルのためにより低いものとなり、従って、冷却に対する要求は実際上より低くなる。このような条件下で、具体的には出力レベルが４０％以下である時のような極めて低いターンダウン時において、低圧及び中圧入力ポートにおいてタービン６に対して高圧抽気を利用することにより、適切な冷却空気の供給が保証されると同時に、より低いレベルのターンダウンにおいてエミッションコンプライアンス性レベルでエンジン２を運転することが保証される。
【００１６】
本発明の別の態様によると、非最適運転状態の間には、低圧制御弁６４及び中圧制御弁７４は開いた状態のままに維持され、また高圧弁８７及び８８もまた開かれて、制御量の高圧抽出空気がそれぞれ低圧抽出空気及び中圧抽出空気と混合するのを可能にする。上述したものと同様に、混合空気ストリームは、タービン６の翼形部分をオーバフローしかつ十分な冷却を行う。その結果、低圧入力ポート４０及び中圧入力ポート４１において、適切な空気流が維持されると同時に、燃焼器組立体８内にリーン燃焼状態を確立して燃焼温度をエミッションコンプライアンス性の状態に維持することを保証する大きな冷却回路圧力比が形成される。
【００１７】
この時点において、本発明は、冷却回路圧力比を増大させかつタービンの翼形部をオーバフローさせることによって、低需要期間の間に発電装置が電力網に対して維持されるのを可能にすると同時に費用効果のある方法で運転するのを可能にする特有の利点を生じることが解る筈である。その結果、発電プラントは、多くの場に１５分又はそれ以下で全出力まで迅速に立ち上げることができる。さらに、極めて低いターダウンにおいて効率的な運転状態を生じさせることによって、エンジン２は、需要が増大した時に最初にインライン状態になって電力を提供し、発電機出力をベース負荷レベルまで上昇させることができる。この迅速な応答時間により、突然でありかつ予期しない需要の増加が発生した場合に、エネルギー供給者は、出力を迅速に上昇させることが可能になる。つまり、本発明は、中圧及び低圧タービン入力ポート上に設計圧力比よりも高い圧力比を生じさせ、それにより、予想外にも、タービンが、ＩＳＯデイ（ｄａｙ）性能であるベース負荷を犠牲にしない状態で、極めて低いターンダウンで及び／又は設計温度以下で運転することが可能になる。
【００１８】
いずれにしても、本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、またあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用すること及びあらゆる組入れ方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うことを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まりかつ当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合或いはそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、この特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の１つの態様により構成した、低ダーンダウンの間に及び／又は設計温度以下で運転している間に性能を最適化するために多段圧縮機からタービンに空気を送給するためのシステムを含むタービンエンジンの概略図。
【符号の説明】
【００２０】
２  タービンエンジン
４  圧縮機
６  タービン
８  燃焼器組立体
１２  燃焼室
１７  冷却システム
２０  第１のケーシング／プレナム部分
２２  低圧抽出空気出口
２６  第２のケーシング／プレナム部分
２８  中圧抽出空気出口
３２  第３のケーシング／プレナム部分
３４  高圧抽出空気出口
４０  低圧入力ポート
４１  中圧入力ポート
４２  高圧入力ポート
５１  低圧抽気回路
５２  中圧抽気回路
５３  高圧抽気回路
６０  低圧出力管路
６４  低圧制御弁
６５  低圧エジェクタ
６６  低圧出力管路部分
７０  中圧出力管路部分
７４  中圧制御弁
７５  中圧エジェクタ
７６  中圧出力管路部分
８０  直接管路
８２  分岐管路
８５  第１の高圧フィーダ管路
８６  第２の高圧フィーダ管路
８７  弁
【図１】
0005591462.tif 000002