(57)【要約】【課題】タービン負荷が変化したときでも、燃焼器噴出速度を適正な範囲に維持し火炎安定が図れるガスタービン設備を提供する。【解決手段】実施形態のガスタービン設備１０は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器２０と、燃焼器２０からの燃焼ガスで回動するタービン２１と、燃焼ガスを冷却する熱交換器２３と、熱交換器２３を通過した燃焼ガスから水蒸気を除去してドライ作動ガスとする熱交換器２４と、ドライ作動ガスを超臨界流体となるまで昇圧する圧縮機２５とを備える。また、圧縮機２５からのドライ作動ガスの一部を、熱交換器２３を通して燃焼器２０に導く配管４２と、熱交換器２３よりも上流側の配管４２から分岐し、ドライ作動ガスの一部を外部に排出する配管４４と、圧縮機２５から排出されたドライ作動ガスの残部をタービン２１の出口と熱交換器２３の入口とを連結する配管４０内に導入する配管４５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン設備であって、
燃料および酸化剤を燃焼させるように構成された燃焼器と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるように構成されたタービンと、
前記タービンから排出された燃焼ガスを冷却するように構成された熱交換器と、
前記熱交換器を通過した燃焼ガスから水蒸気を除去してドライ作動ガスに再生するように構成された水蒸気除去器と、
前記ドライ作動ガスを昇圧するように構成されたポンプであって、前記ポンプの回転数は、前記熱交換器に向けられるドライ作動ガスの流量および圧力を変化させるように、前記タービンの回転数とは独立して制御される、ポンプと、
前記ドライ作動ガスの一部を、前記熱交換器を通して前記燃焼器に導くように構成された燃焼器導入管と、
を具備する、ガスタービン設備。
【請求項２】
前記ガスタービン設備が、前記ドライ作動ガスを超臨界流体となるまで昇圧するように構成された圧縮機をさらに具備し、前記燃焼器導入管が、超臨界流体としての前記圧縮機からのドライ作動ガスの一部を受け入れる、請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項３】
前記圧縮機が、前記タービンと同軸で連結された遠心圧縮機を具備する、請求項２に記載のガスタービン設備。
【請求項４】
前記熱交換器の上流側にある燃焼器導入管から分岐され、前記燃焼器導入管を流れるドライ作動ガスの一部を外部に排出するように構成された排出管をさらに具備する、請求項２に記載のガスタービン設備。
【請求項５】
前記排出管の分岐部の上流側にある燃焼器導入管内に配置され、前記燃焼器導入管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスを冷却するように構成された冷却器をさらに具備する、請求項４に記載のガスタービン設備。
【請求項６】
前記ポンプが、前記排出管の分岐部と前記冷却器との間にある燃焼器導入管内に配置され、タービン負荷に応じて、前記燃焼器導入管を流れるドライ作動ガスの圧力を増加させる、請求項５に記載のガスタービン設備。
【請求項７】
前記圧縮機から排出されたドライ作動ガスの残部を、前記タービンの出口および前記熱交換器の入口を連結する配管内に導入するように構成されたバイパス管をさらに具備する、請求項４に記載のガスタービン設備。
【請求項８】
前記燃焼器に供給される燃料が流れる配管内に配置され、前記燃料の流量を検知するように構成された燃料流量検知部と、
前記燃焼器に供給される酸化剤が流れる配管内に配置され、前記酸化剤の流量を検知するように構成された酸化剤流量検知部と、
前記酸化剤が流れる配管内に設けられ、前記酸化剤の流量を調整するように構成された酸化剤流量調整弁と、
前記燃焼器導入管内に配置され、前記燃焼器導入管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成された燃焼器導入流量検知部と、
前記排出管内に配置され、前記排出管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成された排出流量検知部と、
前記排出管内に設けられ、前記排出管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を調整するように構成された排出流量調整弁と、
前記バイパス管内に配置され、前記バイパス管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成されたバイパス流量検知部と、
前記バイパス管内に設けられ、前記バイパス管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を調整するように構成されたバイパス流量調整弁と、
前記燃料流量検知部、前記酸化剤流量検知部、前記燃焼器導入流量検知部、前記排出流量検知部、および前記バイパス流量検知部からの検知信号に基づいて、前記酸化剤流量調整弁、前記排出流量調整弁、および前記バイパス流量調整弁の開度を制御するように構成された制御部と、
をさらに具備する、請求項７に記載のガスタービン設備。
【請求項９】
前記バイパス管内に設けられ、前記バイパス管を流れるドライ作動ガスの流量を調整するように構成されたバイパス流量調整弁をさらに具備する、請求項７に記載のガスタービン設備。
【請求項１０】
前記バイパス流量調整弁が、一定の容積流量の前記ドライ作動ガスを前記圧縮機に提供するように構成される、請求項９に記載のガスタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガスタービン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントの高効率化は、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から進められている。具体的には、ガスタービンや蒸気タービンの作動流体の高温化、コンバインドサイクル化などが積極的に進められている。また、二酸化炭素の回収技術についても、研究開発が進められている。
【０００３】
図３は、燃焼器において生成した二酸化炭素の一部を作動流体として循環させる、従来のガスタービン設備の系統図である。図３に示すように、空気分離機（図示しない）から分離された酸素は、流量調整弁３１０によって流量が調整され、燃焼器３１１に供給される。燃料は、流量調整弁３１２によって流量が調整され、燃焼器３１１に供給される。この燃料は、例えば、炭化水素である。
【０００４】
燃料および酸素は、燃焼器３１１内で反応（燃焼）する。燃料が酸素と燃焼すると、燃焼ガスとして二酸化炭素と水蒸気が生成する。燃料および酸素の流量は、それぞれが完全に混合した状態において量論混合比（理論混合比）となるように調整されている。
【０００５】
燃焼器３１１で生成した燃焼ガスは、タービン３１３に導入される。タービン３１３において膨張仕事をした燃焼ガスは、熱交換器３１４を通り、さらに、熱交換器３１５を通る。熱交換器３１５を通る際、水蒸気が凝縮して水となる。水は、配管３１６を通り外部に排出される。なお、タービン３１３には、発電機３１７が連結されている。
【０００６】
水蒸気と分離されたドライ作動ガス（二酸化炭素）は、圧縮機３１８で昇圧される。昇圧された二酸化炭素の一部は、流量調整弁３１９によって流量が調整され、外部に排出される。二酸化炭素の残りは、熱交換器３１４において加熱され、燃焼器３１１に供給される。
【０００７】
ここで、ガスタービン設備においては、全速無負荷（ＦＳＮＬ）から定格までタービン負荷制御が行われる。これによって、タービン３１３に導入される作動流体の流量は変化する。このガスタービン設備における作動流体の圧力は高圧であり、圧縮機３１８における作動流体の体積流量は小さい。そのため、圧縮機３１８として、軸流圧縮機は適さず、遠心圧縮機が使用される。
【０００８】
燃焼器３１１に供給される二酸化炭素の一部は、燃料および酸素とともに燃焼領域に導入される。残りの二酸化炭素は、燃焼器３１１の壁面の冷却、燃焼ガスの希釈に使用される。そして、燃焼器３１１内に導入された二酸化炭素は、燃焼ガスとともにタービン３１３に導入される。
【０００９】
上記した系統において、燃焼器３１１において燃料と酸素を燃焼させることで生成した二酸化炭素の生成量に相当する分の二酸化炭素が系統の外部に排出される。系統の外部に排出された二酸化炭素は、例えば、回収装置により回収される。また、例えば、油田の地下造岩から残油を押し出すために、排出された二酸化炭素を利用することもできる。一方、系統内に残された二酸化炭素は、系統内を循環する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】R.J. Allam, et al., High efficiency and low cost of electricity generation from fossil fuels while eliminating atmospheric emissions, including carbon dioxide, Session 8,第11回温室効果ガス制御技術国際会議（GHGT-11）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記した従来のガスタービン設備において、燃焼器３１１内に形成される火炎は、例えば、燃焼器３１１内へ噴出される二酸化炭素の噴出速度（以下、燃焼器噴出速度Ｖという。）によって影響を受ける。
【００１２】
この燃焼器噴出速度Ｖは、次に示す式（１）によって定義される。
Ｖ  ＝  Ｇ×Ｔ×Ｒ×Ｚ／（Ｐ×Ａ）  …式（１）
【００１３】
ここで、Ｇは、燃焼器３１１に流入する二酸化炭素の体積流量、Ｔは、燃焼器３１１に流入する二酸化炭素の温度、Ｒは、ガス定数、Ｚは、圧縮係数である。また、Ｐは、燃焼器３１１に流入する二酸化炭素の圧力、Ａは、燃焼器３１１に流入した二酸化炭素が通過する開口部の全開口面積である。
【００１４】
上記したように、火炎は、燃焼器噴出速度Ｖの影響を受けるため、ガスタービン設備においてタービン負荷制御を行う際には、例えば、この燃焼器噴出速度Ｖを適正な範囲に制御することで、火炎の安定性を図ることが好ましい。
【００１５】
しかしながら、前述した、圧縮機３１８として使用される遠心圧縮機においては、例えば、軸流圧縮機のような入口案内翼を備えず、広範な流量制御を行うことが困難である。そのため、タービン負荷が変化したときに、燃焼器噴出速度Ｖを適正な範囲に制御するのは困難である。
【００１６】
本発明が解決しようとする課題は、タービン負荷が変化したときにおいても、燃焼器噴出速度を適正な範囲に維持し、火炎安定を図ることができるガスタービン設備を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
実施形態のガスタービン設備は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器を通過した前記燃焼ガスから水蒸気を除去してドライ作動ガスに再生する水蒸気除去器とを備える。
【００１８】
さらに、ガスタービン設備は、前記ドライ作動ガスを超臨界流体となるまで昇圧する圧縮機と、前記圧縮機から排出された超臨界流体の前記ドライ作動ガスの一部を、前記熱交換器を通して前記燃焼器に導く燃焼器導入管と、前記熱交換器よりも上流側の前記燃焼器導入管から分岐し、前記燃焼器導入管を流れる前記ドライ作動ガスの一部を外部に排出する排出管と、前記圧縮機から排出された超臨界流体の前記ドライ作動ガスの残部を、前記タービンの出口と前記熱交換器の入口とを連結する配管内に導入するバイパス管とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態のガスタービン設備の系統図である。
【図２】実施の形態のガスタービン設備において、各負荷状態におけるタービンの入口圧力と燃焼器噴出速度Ｖとの関係を示す図である。
【図３】燃焼器において生成した二酸化炭素の一部を作動流体として循環させる、従来のガスタービン設備の系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、実施の形態のガスタービン設備１０の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備１０は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器２０を備えている。燃料を燃焼器２０に供給する配管３５には、燃料の流量を調整するための流量調整弁１５が設けられている。酸化剤を燃焼器２０に供給する配管３６には、酸化剤の流量を調整するための流量調整弁１６が設けられている。なお、流量調整弁１６は、酸化剤流量調整弁として機能する。
【００２２】
ここで、燃料としては、例えば、天然ガス、メタンなどの炭化水素や、石炭ガス化ガスなどが使用される。酸化剤としては、酸素が使用される。この酸素は、例えば、空気分離装置（図示しない）によって大気から分離することで得られる。
【００２３】
燃焼器２０から排出された燃焼ガスは、タービン２１に導かれる。このタービン２１は、燃焼ガスによって回動される。タービン２１には、例えば、発電機２２が連結されている。なお、ここでいう、燃焼器２０から排出される燃焼ガスは、燃料と酸化剤とが燃焼することで生成された燃焼生成物と、燃焼器２０に供給されて燃焼生成物とともに燃焼器２０から排出される、後述するドライ作動ガス（二酸化炭素）とを含んだものである。
【００２４】
タービン２１から排出された燃焼ガスは、配管４０に介在する熱交換器２３を通過することによって冷却される。熱交換器２３を通過した燃焼ガスは、さらに配管４０に介在する熱交換器２４を通過する。燃焼ガスは、この熱交換器２４を通過することで、燃焼ガス中に含まれる水蒸気が除去され、ドライ作動ガスに再生される。ここで、水蒸気は、熱交換器２４を通過することで、凝縮して水となる。この水は、例えば配管４１を通り外部に排出される。なお、熱交換器２４は、水蒸気を除去する水蒸気除去器として機能する。
【００２５】
燃焼器２０から排出される燃焼ガスには、余剰の酸化剤（酸素）や燃料が残存しないことが好ましい。そこで、燃焼器２０に供給する燃料および酸素の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整している。そのため、ドライ作動ガスの成分は、ほぼ二酸化炭素である。なお、ドライ作動ガスには、例えば、微量の一酸化炭素などが混在する場合も含まれる。
【００２６】
ドライ作動ガスは、配管４０によって圧縮機２５に導かれる。ドライ作動ガスは、超臨界流体となるまで圧縮機２５によって昇圧される。圧縮機２５の出口において、ドライ作動ガスの圧力は、例えば、８ＭＰａ〜９ＭＰａ、ドライ作動ガスの温度は、例えば、３５〜４５℃となる。なお、超臨界流体とは、臨界点以上の温度および圧力下における状態をいう。
【００２７】
ここで、圧縮機２５としては、例えば、遠心圧縮機が使用される。圧縮機２５は、例えば、タービン２１のオーバスピードを防止するため、タービン２１と同軸で連結されている。この場合、圧縮機２５は、タービン２１が定格のときには、タービン２１の定格回転数で一定で回転する。遠心圧縮機は、圧力比の上昇に対してサージマージンが少ないため、回転数が一定の場合、体積流量および圧力比を一定で運転することが好ましい。
【００２８】
また、圧縮機２５の出口における圧力を、例えば、一定の超臨界圧力に維持するには、圧縮機２５の入口における圧力も一定の値となる。圧縮機２５の入口における圧力が一定であることは、タービン２１の出口における圧力が一定となるため、タービン２１のシール特性や熱交換器２３、２４の安定使用の観点から好ましい。なお、圧縮機２５の出口における圧力を一定に維持するには、後述する配管４５に流れるドライ作動ガスの流量を調整することが必要となる。
【００２９】
圧縮機２５から排出された超臨界流体のドライ作動ガスの一部は、配管４２を通り燃焼器２０に導かれる。この配管４２は、燃焼器導入管として機能する。配管４２には、超臨界流体のドライ作動ガスを冷却するための冷却器２６が介在している。超臨界流体のドライ作動ガスは、冷却器２６を通過することで、臨界点の圧力以上の圧力を維持しつつ、臨界点の温度よりも低い温度となる。そのため、冷却器２６を通過した後には、ドライ作動ガスは、超臨界流体の状態を脱し、液体となる。
【００３０】
冷却器２６の下流側の配管４２には、液体となったドライ作動ガスを昇圧するポンプ２７が介在している。ポンプ２７は、例えば、タービン負荷に応じて、液体となったドライ作動ガスを昇圧する。ポンプ２７は、例えば、インバータモータによって回転数制御される。液体となったドライ作動ガスは、ポンプ２７によって昇圧されるともに、温度も臨界点の温度以上になる。そのため、液体となったドライ作動ガスは、ポンプ２７を通過することで、再び超臨界流体のドライ作動ガスとなる。
【００３１】
ポンプ２７においては、例えば、所定の流量および圧力のドライ作動ガスを燃焼器２０へ供給するため、例えば、所定の流量および圧力の設定点を通るようにインバータによって回転数制御がなされる。
【００３２】
ここで、冷却器２６を通過したドライ作動ガスを、臨界点の圧力以上の圧力を維持しつつ液体とするのは、例えば、臨界点以下の条件のように気体と液体が共存できる条件下において、気液混合の二層流がポンプ２７に入った際に生じるキャビテーションによる損傷を回避するためである。また、液体とすることで、凝縮熱が奪われることなく、サイクル効率を維持しながら運転することができる。
【００３３】
また、タービン負荷制御によって、ポンプ２７から排出されるドライ作動ガスの流量およびポンプ２７の出口圧力は、広範に変化する。タービン２１において燃焼ガスがチョーク流れとなることから、Swallowing Capacity（ＳＷＣ）が一定となるため、次の式（２）を満たす。
ＳＷＣ  ＝  Ｇｔ×（Ｔｔ）１／２／Ｐｔ  ＝  一定  …式（２）
【００３４】
ここで、Ｇｔは、タービン２１の入口における燃焼ガスの体積流量、Ｔｔは、タービン２１の入口における燃焼ガスの温度、Ｐｔは、タービン２１の入口における燃焼ガスの圧力である。
【００３５】
例えば、タービン２１に供給する燃焼ガスの圧力を上昇させるためには、燃焼ガスの流量が決まっている場合、燃料流量および酸化剤流量を増加して、燃焼ガスの温度を上げる。しかしながら、ポンプ２７を備えない場合、圧縮機２５である遠心圧縮機のサージ圧力マージンがほとんどないため、その圧力上昇に耐えることができない。そこで、ポンプ２７を備えることで、上記した圧力上昇に耐えるシステムが実現される。
【００３６】
ポンプ２７と熱交換器２３との間の配管４２からは、配管４２を流れるドライ作動ガスの一部を外部に排出する配管４４が分岐している。この配管４４は、排出管として機能する。配管４４には、排出するドライ作動ガスの流量を調整するための流量調整弁２９が設けられている。なお、流量調整弁２９は、排出流量調整弁として機能する。
【００３７】
配管４４から排出されたドライ作動ガスは、例えば、回収装置により回収される。また、例えば、油田の地下造岩から残油を押し出すために、排出されたドライ作動ガスを利用することもできる。例えば、燃焼器２０において燃料と酸素を燃焼させることで生成した二酸化炭素の生成量に相当する分の二酸化炭素が配管４４から排出される。なお、配管４４から排出されたドライ作動ガス以外は、燃焼器２０に導入され、系統内を循環する。
【００３８】
配管４４の分岐部よりも下流において配管４２は、熱交換器２３を通り燃焼器２０に連通している。配管４２を流れる超臨界流体のドライ作動ガスは、熱交換器２３において、タービン２１から排出された燃焼ガスからの熱量を得て加熱される。配管４２を通り、燃焼器２０に導入されたドライ作動ガスは、例えば、燃焼器２０の上流側から燃料や酸化剤とともに燃焼領域に噴出されたり、燃焼器ライナの冷却後に希釈孔などから燃焼器ライナ内の燃焼領域の下流側に噴出される。
【００３９】
ここで、配管４２を介して燃焼器２０に導かれたドライ作動ガスの燃焼器２０への噴出速度は、タービン負荷によらずほぼ一定であることが好ましい。噴出速度は、前述した式（１）で定義される燃焼器噴出速度Ｖである。この燃焼器噴出速度Ｖは、火炎安定に寄与する再循環領域が、燃焼領域の適正な範囲に形成されるように設定される。燃焼器噴出速度Ｖがほぼ一定とは、例えば、各タービン負荷における平均燃焼器噴出速度を中心として±１０％の範囲をいう。
【００４０】
燃焼器２０に流入したドライ作動ガス（二酸化炭素）が通過する開口部の全開口面積Ａは一定であるため、燃焼器噴出速度Ｖをタービン負荷によらずほぼ一定に設定すれば、タービン負荷によって、燃焼器に供給されるドライ作動ガスの質量流量は変化するが、体積流量はタービン負荷によらずほぼ一定となる。
【００４１】
圧縮機２５から排出された超臨界流体のドライ作動ガスの残部は、配管４５を通り、タービン２１の出口と熱交換器２３の入口とを連結する配管４０内に導入される。配管４５は、バイパス管として機能する。配管４５には、配管４０に導入される超臨界流体のドライ作動ガスの流量を調整するための流量調整弁３０が設けられている。圧縮機２５の回転数が一定で、圧縮機２５の出口における圧力を一定に維持するためには、圧縮機２５の入口における圧力を一定にする必要がある。そのため、バイパスするドライ作動ガスの流量が流量調整弁３０によって調整される。なお、流量調整弁３０は、バイパス流量調整弁として機能する。
【００４２】
また、ガスタービン設備１０は、配管３５を流れる燃料の流量を検知する流量検知部５０、配管３６を流れる酸化剤の流量を検知する流量検知部５１、配管４２を流れるドライ作動ガスの流量を検知する流量検知部５２、配管４４を流れるドライ作動ガスの流量を検知する流量検知部５３、配管４５を流れるドライ作動ガスの流量を検知する流量検知部５４を備えている。各流量検知部は、例えば、ベンチュリ式やコリオリ式などの流量計で構成される。
【００４３】
ここで、流量検知部５０は、燃料流量検知部として、流量検知部５１は、酸化剤流量検知部として、流量検知部５２は、燃焼器導入流量検知部として、流量検知部５３は、排出流量検知部として、流量検知部５４は、バイパス流量検知部として機能する。
【００４４】
ガスタービン設備１０は、上記した各流量検知部５０、５１、５２、５３、５４からの検知信号に基づいて、各流量調整弁１６、２９、３０の開度を制御する制御部６０を備えている。この制御部６０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの記憶手段、出入力手段などを主に備えている。ＣＰＵでは、例えば、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。
【００４５】
出入力手段は、外部機器から電気信号を入力したり、外部機器に電気信号を出力する。具体的には、出入力手段は、例えば、各流量検知部５０、５１、５２、５３、５４、各流量調整弁１５、１６、２９、３０などと各種信号の出入力が可能に接続されている。この制御部６０が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。
【００４６】
次に、燃焼器２０に供給される、燃料、酸素およびドライ作動ガス（二酸化炭素）の流量調整に係る動作について、図１を参照して説明する。
【００４７】
ガスタービン設備１０の運転時において、制御部６０は、流量検知部５０からの出力信号を出入力手段を介して入力する。入力した出力信号に基づいて、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて演算装置において、当量比を１とするために必要な酸素流量を算出する。なお、燃料流量は、例えば、要求されるガスタービン出力に基づいて、流量調整弁１５の弁開度を調整することで制御される。
【００４８】
続いて、制御部６０は、出入力手段から入力された流量検知部５１からの出力信号に基づいて、算出した酸素流量が配管３６に流れるように、弁開度を調整するための出力信号を出入力手段から流量調整弁１６に出力する。
【００４９】
続いて、制御部６０の演算装置において、出入力手段から入力された流量検知部５０からの出力信号に基づいて、燃焼器２０に導入する超臨界流体のドライ作動ガス（二酸化炭素）の流量、配管４４から排出する超臨界流体のドライ作動ガスの流量および配管４５を介してバイパスする超臨界流体のドライ作動ガスの流量を算出する。なお、この流量の算出は、上記した酸素流量の算出と同時に行われてもよい。また、ドライ作動ガスの流量を、流量検知部５１からの出力信号に基づいて算出することもできる。
【００５０】
ここで、燃焼器２０に導入するドライ作動ガス（二酸化炭素）の流量は、燃焼器噴出速度Ｖが設定値となるように算出される。なお、配管４４から排出するドライ作動ガスの流量は、前述したように、燃焼器２０において燃料と酸素を燃焼させることで生成した二酸化炭素の生成量に相当する分である。例えば、燃料流量が減少した場合には、配管４５を介してバイパスされるドライ作動ガスの流量は増加する。一方、燃料流量が増加した場合には、配管４５を介してバイパスされるドライ作動ガスの流量は減少する。
【００５１】
なお、圧縮機２５は、タービン２１と同軸で連結されているため、タービン２１が定格のときには、タービン２１の定格回転数で一定に回転する。また、圧縮機２５の入口における圧力が一定で、圧縮機２５の出口におけるドライ作動ガスの圧力が一定の超臨界圧力であるため、圧縮機２５から排出されるドライ作動ガスの流量は一定となる。
【００５２】
続いて、制御部６０は、出入力手段から入力された流量検知部５２、５３、５４からの出力信号に基づいて、それぞれ算出したドライ作動ガスの流量が、各配管４２、４４、４５に流れるように、弁開度を調整するための出力信号を出入力手段から流量調整弁２９、３０に出力する。なお、図１に示された構成では、流量検知部５２で検知されるのは、燃焼器２０に導入するドライ作動ガスおよび配管４４から排出するドライ作動ガスの流量である。
【００５３】
ここで、ポンプ２７は、制御部６０によって、燃焼器２０に導入するドライ作動ガスおよび配管４４から排出するドライ作動ガスの流量を引き込める回転数に制御される。また、ポンプ２７の出口におけるドライ作動ガスの圧力は、燃焼器２０の入口、換言するとタービン２１の入口において要求される圧力となる。
【００５４】
ここで、例えば、燃焼器２０に導入するドライ作動ガスの流量を減少する場合には、制御部６０は、例えば、流量調整弁３０を制御する。
【００５５】
そして、配管４４に分岐後の配管４２を流れるドライ作動ガスは、熱交換器２３を通り燃焼器２０に導入される。
【００５６】
上記したような制御を行うことで、タービン負荷が変化したときにおいても、燃焼器噴出速度Ｖを適正な範囲でほぼ一定に維持することができる。これによって、再循環領域が燃焼領域の適正な範囲に形成され、燃焼器２０における火炎安定を図ることができる。
【００５７】
ここで、図２は、実施の形態のガスタービン設備１０において、各負荷状態におけるタービン２１の入口圧力と燃焼器噴出速度Ｖとの関係を示す図である。なお、例示におけるタービン２１の出口圧力は、３ＭＰａである。また、図２において、例えば、ＦＳＮＬは、全速無負荷状態であり、２５％はタービン負荷が２５％であることを示している。
【００５８】
図２に示すように、タービン負荷が変化したときにおいても、燃焼器噴出速度Ｖは、ほぼ一定に維持されている。
【００５９】
上記したように、実施の形態のガスタービン設備１０によれば、圧縮機２５の出口におけるドライ作動ガスの圧力を一定の超臨界圧力とし、配管４２にはポンプ２７が設けられ、ドライ作動ガスの一部を配管４０にバイパスする配管４５が設けられている。これによって、タービン負荷が変化したときにおいても、燃焼器噴出速度Ｖを適正な範囲でほぼ一定に維持し、燃焼器２０における火炎安定を図ることができる。
【００６０】
以上説明した実施形態によれば、タービン負荷が変化したときにおいても、燃焼器噴出速度を適正な範囲に維持し、火炎安定を図ることが可能となる。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
１０…ガスタービン設備、１５，１６，２９，３０…流量調整弁、２０…燃焼器、２１…タービン、２２…発電機、２３，２４…熱交換器、２５…圧縮機、２６…冷却器、２７…ポンプ、３５，３６，４０，４１，４２，４４，４５…配管、５０，５１，５２，５３，５４…流量検知部、６０…制御部。
【図１】
2018048646.tif 000003
【図２】
2018048646.tif 000004
【図３】
2018048646.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月1日(2017.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン設備であって、
燃料および酸化剤を燃焼させるように構成された燃焼器と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるように構成されたタービンと、
前記タービンから排出された燃焼ガスを冷却するように構成された熱交換器と、
前記熱交換器を通過した燃焼ガスから水蒸気を除去してドライ作動ガスに再生するように構成された水蒸気除去器と、
前記ドライ作動ガスを昇圧するように構成されたポンプであって、前記ポンプの回転数は、前記熱交換器に向けられるドライ作動ガスの流量および圧力を変化させるように、前記タービンの回転数とは独立して制御される、ポンプと、
前記ドライ作動ガスの一部を、前記熱交換器を通して前記燃焼器に導くように構成された燃焼器導入管と、
前記ドライ作動ガスを超臨界流体となるまで昇圧するように構成された圧縮機をさらに具備し、前記燃焼器導入管が、超臨界流体としての前記圧縮機からのドライ作動ガスの一部を受け入れる、圧縮機と、
前記圧縮機から排出されたドライ作動ガスの残部を、前記タービンの出口および前記熱交換器の入口を連結する配管内に導入するように構成されたバイパス管と、
を具備する、ガスタービン設備。
【請求項２】
前記圧縮機が、前記タービンと同軸で連結された遠心圧縮機を具備する、請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項３】
前記熱交換器の上流側にある燃焼器導入管から分岐され、前記燃焼器導入管を流れるドライ作動ガスの一部を外部に排出するように構成された排出管をさらに具備する、請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項４】
前記排出管の分岐部の上流側にある燃焼器導入管内に配置され、前記燃焼器導入管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスを冷却するように構成された冷却器をさらに具備する、請求項３に記載のガスタービン設備。
【請求項５】
前記ポンプが、前記排出管の分岐部と前記冷却器との間にある燃焼器導入管内に配置され、タービン負荷に応じて、前記燃焼器導入管を流れるドライ作動ガスの圧力を増加させる、請求項４に記載のガスタービン設備。
【請求項６】
前記燃焼器に供給される燃料が流れる配管内に配置され、前記燃料の流量を検知するように構成された燃料流量検知部と、
前記燃焼器に供給される酸化剤が流れる配管内に配置され、前記酸化剤の流量を検知するように構成された酸化剤流量検知部と、
前記酸化剤が流れる配管内に設けられ、前記酸化剤の流量を調整するように構成された酸化剤流量調整弁と、
前記燃焼器導入管内に配置され、前記燃焼器導入管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成された燃焼器導入流量検知部と、
前記排出管内に配置され、前記排出管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成された排出流量検知部と、
前記排出管内に設けられ、前記排出管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を調整するように構成された排出流量調整弁と、
前記バイパス管内に配置され、前記バイパス管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成されたバイパス流量検知部と、
前記バイパス管内に設けられ、前記バイパス管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を調整するように構成されたバイパス流量調整弁と、
前記燃料流量検知部、前記酸化剤流量検知部、前記燃焼器導入流量検知部、前記排出流量検知部、および前記バイパス流量検知部からの検知信号に基づいて、前記酸化剤流量調整弁、前記排出流量調整弁、および前記バイパス流量調整弁の開度を制御するように構成された制御部と、
をさらに具備する、請求項３に記載のガスタービン設備。
【請求項７】
前記バイパス管内に設けられ、前記バイパス管を流れるドライ作動ガスの流量を調整するように構成されたバイパス流量調整弁をさらに具備する、請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項８】
前記バイパス流量調整弁が、一定の容積流量の前記ドライ作動ガスを前記圧縮機に提供するように構成される、請求項７に記載のガスタービン設備。
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月4日(2017.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン設備であって、
燃料および酸化剤を燃焼させるように構成された燃焼器と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるように構成されたタービンと、
前記タービンから排出された燃焼ガスを冷却するように構成された熱交換器と、
前記熱交換器を通過した燃焼ガスから水蒸気を除去してドライ作動ガスに再生するように構成された水蒸気除去器と、
前記ドライ作動ガスを昇圧するように構成されたポンプであって、前記ポンプの回転数は、前記熱交換器に向けられるドライ作動ガスの流量および圧力を変化させるように、前記タービンの回転数とは独立して制御される、ポンプと、
前記ドライ作動ガスの一部を、前記熱交換器を通して前記燃焼器に導くように構成された燃焼器導入管と、
前記ドライ作動ガスを超臨界流体となるまで昇圧するように構成された圧縮機であって、前記燃焼器導入管が、超臨界流体としての前記圧縮機からのドライ作動ガスの一部を受け入れる、圧縮機と、
前記圧縮機から排出されたドライ作動ガスの残部を、前記タービンの出口および前記熱交換器の入口を連結する配管内に導入するように構成されたバイパス管と、
を具備する、ガスタービン設備。
【請求項２】
前記圧縮機が、前記タービンと同軸で連結された遠心圧縮機を具備する、請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項３】
前記熱交換器の上流側にある燃焼器導入管から分岐され、前記燃焼器導入管を流れるドライ作動ガスの一部を外部に排出するように構成された排出管をさらに具備する、請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項４】
前記排出管の分岐部の上流側にある燃焼器導入管内に配置され、前記燃焼器導入管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスを冷却するように構成された冷却器をさらに具備する、請求項３に記載のガスタービン設備。
【請求項５】
前記ポンプが、前記排出管の分岐部と前記冷却器との間にある燃焼器導入管内に配置され、タービン負荷に応じて、前記燃焼器導入管を流れるドライ作動ガスの圧力を増加させる、請求項４に記載のガスタービン設備。
【請求項６】
前記燃焼器に供給される燃料が流れる配管内に配置され、前記燃料の流量を検知するように構成された燃料流量検知部と、
前記燃焼器に供給される酸化剤が流れる配管内に配置され、前記酸化剤の流量を検知するように構成された酸化剤流量検知部と、
前記酸化剤が流れる配管内に設けられ、前記酸化剤の流量を調整するように構成された酸化剤流量調整弁と、
前記燃焼器導入管内に配置され、前記燃焼器導入管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成された燃焼器導入流量検知部と、
前記排出管内に配置され、前記排出管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成された排出流量検知部と、
前記排出管内に設けられ、前記排出管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を調整するように構成された排出流量調整弁と、
前記バイパス管内に配置され、前記バイパス管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を検知するように構成されたバイパス流量検知部と、
前記バイパス管内に設けられ、前記バイパス管を流れる超臨界流体のドライ作動ガスの流量を調整するように構成されたバイパス流量調整弁と、
前記燃料流量検知部、前記酸化剤流量検知部、前記燃焼器導入流量検知部、前記排出流量検知部、および前記バイパス流量検知部からの検知信号に基づいて、前記酸化剤流量調整弁、前記排出流量調整弁、および前記バイパス流量調整弁の開度を制御するように構成された制御部と、
をさらに具備する、請求項３に記載のガスタービン設備。
【請求項７】
前記バイパス管内に設けられ、前記バイパス管を流れるドライ作動ガスの流量を調整するように構成されたバイパス流量調整弁をさらに具備する、請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項８】
前記バイパス流量調整弁が、一定の容積流量の前記ドライ作動ガスを前記圧縮機に提供するように構成される、請求項７に記載のガスタービン設備。