(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン高温部冷却用の空気を供給する冷却空気系統と、燃焼器内へ燃料を噴霧するための空気を供給する噴霧空気系統とを備え、前記冷却空気系統及び噴霧空気系統の空気に、ガスタービン圧縮機にて圧縮された高圧空気の一部が用いられるように形成されているガスタービンにおいて、
前記ガスタービン圧縮機の圧縮空気出口側の下流に、熱交換器及びブースト圧縮機を配設するとともに、該ブースト圧縮機をタービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機との並列結合で構成し、かつこのブースト圧縮機からの昇圧空気を前記冷却空気系統用及び噴霧空気系統用の空気に用いるようにしたことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
ガスタービン高温部冷却用の空気を供給する冷却空気系統と、燃焼器内へ燃料を噴霧するための空気を供給する噴霧空気系統とを備え、前記冷却空気系統及び噴霧空気系統の空気に、ガスタービン圧縮機にて圧縮された高圧空気の一部が用いられるように形成されているガスタービンにおいて、
前記ガスタービン圧縮機の圧縮空気出口側の下流に、熱交換器及びブースト圧縮機を配設するとともに、該ブースト圧縮機を、タービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動され、かつガスタービンの起動時に作動する圧縮機との並列結合で構成し、かつこのブースト圧縮機からの昇圧空気を前記冷却空気系統用及び噴霧空気系統用の空気に用いるようにしたことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
前記タービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機との間に、前記噴霧空気系統への切換を行う切替手段を設けたものである請求項１または２記載のガスタービン。
【請求項４】
前記タービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機の高圧空気出力側に、逆止弁を設置したものである請求項１，２または３記載のガスタービン。
【請求項５】
前記ブースト圧縮機の高圧空気出力側の噴霧空気系統に、噴霧空気を冷却する熱交換器を設置したものである請求項１，２，３または４記載のガスタービン。
【請求項６】
前記ブースト圧縮機の高圧空気出力側に、出口圧力を調整する圧力調整手段を設けたものである請求項１乃至５いずれかに記載のガスタービン。
【請求項７】
前記タービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機が、電動機駆動の圧縮機もしくは内燃機関駆動の圧縮機である請求項１乃至６いずれかに記載のガスタービン。
【請求項８】
前記タービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機を電動機駆動の圧縮機とし、各圧縮機の出口に夫々逆止弁を設けるとともに、前記噴霧空気系統に、噴霧空気を冷却する熱交換器を設置し、かつ各圧縮機の高圧空気出力側に、吐出圧力を調整する調節弁を設置したものである請求項１または２記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンに係わり、特に冷却空気系統及び噴霧空気系統の空気に、ガスタービン圧縮機にて圧縮された高圧空気の一部が用いられるように形成されているガスタービンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電力需要の増大、地球温暖化対策としてガスタービン発電設備の大容量化および高効率化が求められている。特に圧縮機により圧縮された空気を燃焼器へと導き燃料を供給して燃焼させ、その燃焼ガスによりガスタービンを駆動するガスタービン発電設備においては、燃焼温度をより高温化することにより大容量・高効率が実現できる。
【０００３】
しかしながら、熱回収型のガスタービン，すなわち、より高温の燃焼ガスの持つエネルギーを回収するガスタービンは、冷却無しでは高温に曝される部品に損傷を招き重大な事故へと発展する可能性がある。このため、燃焼ガス温度の高いガスタービン発電設備においては、圧縮空気や蒸気を冷却媒体としてガスタービン高温部の冷却を行なっている。
【０００４】
一方、燃料として軽油等の油を使用する際には、燃焼器内へ燃料を噴霧するための噴霧空気が必要となる。従来における噴霧空気系統は、圧縮機吐出空気の一部を用い熱交換器にて温度調整を行った後に、圧縮機にて昇圧し燃焼用空気よりも高圧の空気とし、燃料ノズルの目詰まりを防止する為にフィルターを通して清浄な空気とした後に燃焼器へと空気を供給し燃料の噴霧に使用するようにしている。
【０００５】
また、従来の冷却空気系統は、圧縮機抽気を直接または温度調整のために熱交換器を通した後にタービン高温部へと供給している。ここで、タービン効率を向上するために圧縮機吐出空気の一部をタービン翼冷却に用いた後に燃焼器へと回収するガスタービンにおいては、冷却空気を適切な温度にする為の熱交換器と冷却空気をより清浄にする為のフィルター、ミストセパレータが設置される。
【０００６】
圧縮機から吐出された空気を熱交換器にて冷却し、タービン高温部を冷却するとともに燃料噴霧空気として利用する系統構成については、例えば特開平４−２１４９３１号公報などに開示されている。
【０００７】
【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ガスタービン，すなわち燃料油噴霧空気系統と冷却空気系統とを共有し、冷却空気供給の信頼性の面よりブースト圧縮機をタービン軸駆動とした場合のガスタービンにおいては、起動時にはタービン回転数が低いことから、ブースト圧縮機の吐出圧力が不足することになり、このため、起動時にはこれらを補うための空気系統が必要となる。
【０００８】
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、起動時であっても、燃料油噴霧空気系統及び冷却空気系統に高圧空気を充分供給することができるガスタービンを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、ガスタービン高温部冷却用の空気を供給する冷却空気系統と、燃焼器内へ燃料を噴霧するための空気を供給する噴霧空気系統とを備え、前記冷却空気系統及び噴霧空気系統の空気に、ガスタービン圧縮機にて圧縮された高圧空気の一部が用いられるように形成されているガスタービンにおいて、前記ガスタービン圧縮機の圧縮空気出口側の下流に、熱交換器及びブースト圧縮機を配設するとともに、このブースト圧縮機をタービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機との並列結合で構成し、かつこのブースト圧縮機からの昇圧空気を前記冷却空気系統用及び噴霧空気系統用の空気に用いるようにし所期の目的を達成するようにしたものである。
【００１０】
また本発明は、ガスタービン高温部冷却用の空気を供給する冷却空気系統と、燃焼器内へ燃料を噴霧するための空気を供給する噴霧空気系統とを備え、前記冷却空気系統及び噴霧空気系統の空気に、ガスタービン圧縮機にて圧縮された高圧空気の一部が用いられるように形成されているガスタービンにおいて、前記ガスタービン圧縮機の圧縮空気出口側の下流に、熱交換器及びブースト圧縮機を配設するとともに、このブースト圧縮機を、タービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動され、かつガスタービンの起動時に作動する圧縮機との並列結合で構成し、かつこのブースト圧縮機からの昇圧空気を前記冷却空気系統用及び噴霧空気系統用の空気に用いるようにしたものである。
【００１１】
また、この場合、前記タービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機との間に、前記噴霧空気系統への切換を行う切替手段を設けるようにしたものである。また、前記タービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機の高圧空気出力側に、逆止弁を設置するようにしたものである。また、前記ブースト圧縮機の高圧空気出力側の噴霧空気系統に、噴霧空気を冷却する熱交換器を設置するようにしたものである。また、前記ブースト圧縮機の高圧空気出力側に、出口圧力を調整する圧力調整手段を設けるようにしたものである。また、前記タービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機が、電動機駆動の圧縮機あるいは内燃機関駆動の圧縮機としたものである。
【００１２】
すなわちこのように形成されたガスタービンであると、ガスタービン圧縮機の圧縮空気出口側の下流に、熱交換器及びブースト圧縮機が配設され、かつ、このブースト圧縮機がタービン軸駆動の圧縮機とタービン軸以外の駆動源により駆動される圧縮機との並列結合で構成され、かつこのブースト圧縮機からの昇圧空気が前記冷却空気系統用及び噴霧空気系統用の空気に用いられるように形成されていることから、起動時にはタービン軸以外の駆動源によるブースト圧縮機が作動されて燃料油噴霧空気及び冷却空気が供給され、したがって起動時であっても、燃料油の噴霧系および冷却系に適切な高圧空気を供給することが可能となるのである。
【００１３】
【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、そのガスタービンの系統が示されている。１が圧縮機であり、２が燃焼器、３がタービン、７がタービン軸駆動のブースト圧縮機、１０が電動機（あるいは内燃機関），すなわちタービン軸以外の駆動源により駆動されるブースト圧縮機（以下電動機駆動の場合を例として説明する）、９ａが高温部冷却空気系統、１１ａが燃料油噴霧空気系統である。
【００１４】
ガスタービン圧縮機１の出口より分岐した一方側の圧縮空気Ａ１は、熱交換器４にて適切な温度まで冷却され、次いでミストセパレータ５へと導かれ、ここで空気中のミストは分離される。その後、圧縮空気はミストセパレータ５からフィルタ６へと導かれ、圧縮空気中に含まれているダスト等の異物が除去される。その後、圧縮空気はブースト圧縮機７により昇圧され、燃料油噴霧空気・冷却用空気として最適な圧力に昇圧される。
【００１５】
タービン軸駆動のブースト圧縮機７の下流にもフィルター８が設置され、燃焼器２、タービン３へ供給される空気が最終的に清浄化される。燃料油噴霧空気および冷却空気として適切な温度・圧力に調整された圧縮空気は、その一方は系統１１ａを介して燃焼器２へと供給され、燃料油系統から供給される燃料油の噴霧空気として供給される。また、分岐された他方の圧縮空気は、冷却空気系統９ａを介してタービン高温部へ冷却空気として供給される。
【００１６】
この場合、特にタービン軸駆動のブースト圧縮機７の部分に、このブースト圧縮機７と並列に、電動機により駆動され、かつタービン起動時に作動されるブースト圧縮機１０が設けられている。このブースト圧縮機１０により、タービンの起動時であっても充分な圧力の燃料油噴霧空気及び高温部冷却空気を供給することができるのである。
【００１７】
すなわち，タービン軸が回転している限りブースト圧縮機を駆動するタービン軸駆動のブースト圧縮機７を使用することで冷却空気供給の信頼性を向上させる場合、タービン起動時にはタービン軸の回転数が低いためブースト圧縮機７の吐出圧力が不足し、燃料油噴霧空気として使用できなかったわけであるが、前述した構成であると、タービン起動時には電動機駆動のブースト圧縮機１０を有する起動用噴霧空気系統１１が使用され、これによりタービン軸駆動による高い信頼性を有する冷却空気供給系統を得ながら起動時にも燃料油噴霧空気を得ることができる。
【００１８】
この場合、勿論、タービンが起動し所定の回転に上昇した後には、電動機駆動のブースト圧縮機１０は停止され、不要な動力は削減される。
【００１９】
図２は、本発明の第２の実施例を示すもので、この場合には、各ブースト圧縮機７，１０の部分に、使用するタービン軸駆動、電動機駆動の各ブースト圧縮機７，１０を切り換る弁２１，２２が設置される。これにより、起動時にはタービン軸駆動のブースト圧縮機７出口の圧力を監視し、吐出圧力が充分高くなった時に起動用の電動機駆動のブースト圧縮機１０からタービン軸駆動のブースト圧縮機７へと系統切替を行うことができる。
【００２０】
また、起動用噴霧空気系統１１の空気出口側部には、バイパス系統１５が設けられる。なお、このバイパス系統１５には、電動機駆動のブースト圧縮機１０が停止した際にバイパス系統を逆流する空気によりブースト圧縮機１０の破損を防止する為の逆止弁１７とバイパス系統１５の圧力を減圧するためのオリフィス１６が設置される。
【００２１】
また、図３には第３の実施例が示されている。タービン軸駆動、電動機駆動の各ブースト圧縮機の出口側に逆止弁１２，１３が設置される。これにより、タービン起動時には電動機駆動のブースト圧縮機１０から燃料油噴霧空気を燃焼器２へと供給していたのが、タービン回転数の上昇とともにタービン軸駆動のブースト圧縮機７の吐出圧力が上昇し、電動機駆動のブースト圧縮機１０の圧力よりも高くなることで、タービン軸駆動のブースト圧縮機と電動機駆動のブースト圧縮機の吐出圧力のバランスによりタービン軸駆動のブースト圧縮機７へと燃焼器２への噴霧空気の供給系統が切替る。よって、系統を切り換える為の制御装置を設置する必要が無く、信頼性が高くシンプルな噴霧空気系統とすることができる。
【００２２】
第４の実施例として図４に示されているように燃焼器２へ空気を供給する噴霧空気系統１１ａに熱交換器１８を設置する。これにより、タービン高温部の冷却に要求される冷却空気温度と燃料油噴霧空気として要求される温度に差があったとしても燃料油噴霧空気の温度を下げ適切な温度に調整することで燃料油が高温の空気にさらされることによる炭化を防ぐことが可能となる。
【００２３】
第５の実施例として図５に示されているようにタービン軸駆動のブースト圧縮機７の入口圧力を調整する圧力調整弁１９と燃料油噴霧空気圧力を調整する圧力調整弁２０を設置する。ここで、それぞれの圧力調整弁１９，２０には弁全閉時の締切運転に対する圧縮機保護のためのバイパスオリフィスを並列に設置する。これにより、冷却空気、噴霧空気のそれぞれの系統圧力を監視および圧力調整弁を制御することで要求される適切な圧力に調整することが可能となる。
【００２４】
タービン起動時には電動機駆動のブースト圧縮機１０により燃料油噴霧空気を燃焼器２へと供給する。この場合、逆止弁１２はタービン軸駆動ブースト圧縮機７の吐出圧力よりも電動機駆動のブースト圧縮機１０の吐出圧力が大きいため全閉となり、タービン軸駆動のブースト圧縮機７の吐出空気は全量タービン高温部へ冷却空気として供給される。燃焼器２へ供給される燃料油噴霧空気の圧力は圧力調整弁２０により適切な圧力に調整される。圧力調整弁２０を絞ることにより生じる電動機駆動のブースト圧縮機１０からの余剰空気はバイパス系統１５を通してオリフィス１６で減圧し熱交換器４の入口に戻す。
【００２５】
タービン３の昇速とともにタービン軸駆動のブースト圧縮機７の吐出圧力が高くなると圧力のバランスにより逆止弁１３が全閉となり電動機駆動のブースト圧縮機の吐出空気は全量バイパス系統１５へ供給される。これにより、燃料油噴霧空気はタービン軸駆動のブースト圧縮機７の吐出空気へと切替る。燃料油噴霧空気系統が切替った後に電動機駆動のブースト圧縮機１０は停止させ、不要な動力を削減する。
【００２６】
タービン高温部の冷却空気は冷却空気供給に要求される空気温度はタービン高温部品に生じる熱応力等を考慮すると燃料油噴霧空気として最適な温度よりも高温であることが考えられる。このため、タービン軸駆動のブースト圧縮機７の吐出空気は熱交換器１８へ供給され、適切な温度に下げることで燃料油の炭化を防ぐ。
【００２７】
また、燃焼器２へと供給する燃料油噴霧空気の流量を調整する為に圧力調整弁２０を介して燃焼器２へと供給される。ここで、冷却空気系統の信頼性の面から圧力調整弁２０は通常全閉運用とし、オリフィスを介して必要圧力に調整し燃焼器２へと供給するとともに故障時全閉となる弁を使用することが望ましい。
【００２８】
この実施例によれば、タービン起動時において起動用の噴霧空気系統から通常の噴霧空気系統への切替が容易に行うことができる。
【００２９】
以上説明してきたようにこのように形成されたガスタービンであると、タービン軸駆動のブースト圧縮機を使用してタービン高温部冷却空気と燃料油噴霧空気を供給する場合、起動時には電動機駆動のブースト圧縮機が駆動されて燃料油噴霧空気が供給され、したがって起動時であっても、燃料油の噴霧に適切な高圧空気を供給することができるのである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、ガスタービンの起動時であっても、燃料油噴霧空気系統及び冷却空気系統に高圧空気を充分供給することが可能なこの種のガスタービンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンの一実施例を示す概略系統図である。
【図２】本発明のガスタービンの他の実施例を示す概略系統図である。
【図３】本発明のガスタービンの他の実施例を示す概略系統図である。
【図４】本発明のガスタービンの他の実施例を示す概略系統図である。
【図５】本発明のガスタービンの他の実施例を示す概略系統図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…熱交換器、５…ミストセパレータ、６…フィルター、７…タービン軸駆動のブースト圧縮機、８…フィルター、９…冷却空気導入配管、９ａ…冷却空気系統、１０…電動機駆動のブースト圧縮機、１１…噴霧空気供給配管、１１ａ…噴霧空気系統、１２…逆止弁、１３…逆止弁、１４…逆止弁、１５…オフィス、１６…バイパス配管、１７…圧力調整弁、１８…熱交換器、１９…圧力調整弁、２０…切替弁、２１…切替弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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