(57)【要約】  空気（Ａ）を取り込んで圧縮するガスタービン圧縮機（１０）と、ガスタービン圧縮機（１０）で生成された圧縮空気（ＣＡ）と燃料（Ｆ）とを混合して燃焼し、燃焼ガス（ＣＧ）を生成する燃焼器（１１）と、燃焼ガス（１１）で回転駆動する高圧タービン（１２）と、高圧タービン（１２）を回転駆動した後の燃焼ガス（ＣＧ）によって回転駆動する低圧タービン（１３）と、を有する二軸式のガスタービン（２）と、低圧タービン（１３）からの回転駆動力で駆動してプロセスガス（ＰＧ）を圧縮する主圧縮機（３）と、主圧縮機（３）と低圧タービン（１３）との間に設けられて、低圧タービン（１３）の回転駆動力によって発電を行う可変速発電機（４）と、可変速発電機（４）に接続されて、可変速発電機（４）からの電力（ＥＰ１）の周波数及び電圧を変換するインバータ装置（５）と、インバータ装置（５）からの電力によって駆動する被駆動機（６）と、を備えているガスタービンシステム（１）である。
2016129030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を取り込んで圧縮するガスタービン圧縮機と、前記ガスタービン圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスで回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した後の前記燃焼ガスによって回転駆動する低圧タービンと、を有する二軸式のガスタービンと、
前記低圧タービンからの回転駆動力で駆動して流体を圧縮する主圧縮機と、
前記主圧縮機と前記低圧タービンとの間に設けられて、該低圧タービンの回転駆動力によって発電を行う可変速発電機と、
前記可変速発電機に接続されて、該可変速発電機からの電力の周波数及び電圧を変換するインバータ装置と、
前記インバータ装置からの電力によって駆動する被駆動機と、
を備えるガスタービンシステム。
【請求項２】
前記ガスタービン圧縮機及び前記高圧タービンに接続されて、前記二軸式のガスタービンの始動時には前記インバータ装置を経由した外部電源の電力を用いて前記二軸式のガスタービンを回転駆動させるスタータモータをさらに備える請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
前記スタータモータは、前記二軸式のガスタービンの定常運転時には、前記二軸式のガスタービンの回転駆動力によって発電可能であり、
前記始動時には、前記外部電源からの電力を前記インバータ装置を経由させて前記スタータモータに送電可能とし、前記定常運転時には、前記スタータモータで発電した電力を前記インバータ装置を経由させずに前記外部電源に送電可能とする送電切換部をさらに備える請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
前記被駆動機は、流体を圧縮する圧縮機を有する請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二軸式のガスタービンを用いたガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧縮空気と燃料とから生成した燃焼ガスを用いてタービンを駆動することで、回転駆動力を得る一軸式のガスタービンが知られている。【０００３】
このようなガスタービンには、特許文献１に開示されているように、例えば圧縮機が接続されて圧縮流体が生成されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−４８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された従来の技術では、ガスタービンに一軸式のものを用いているため、ガスタービンによって駆動される圧縮機（以下、主圧縮機）は一定速（一定回転数）で回転駆動される。主圧縮機が例えばプラントで使用される圧縮機である場合、主圧縮機の運転条件はプラントの運転条件によって左右されるため、主圧縮機が一定速で回転駆動されると不都合が生じる場合がある。即ち、主圧縮機で必要な負荷が一定ではない。従って、一軸式のガスタービンを用いる場合、主圧縮機には、圧縮機容量を制御するインレットガイドベーン等の追加設備が必要となってしまう。【０００６】
本発明は、簡易な構成で、主圧縮機の運転条件に対応可能なガスタービンシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の態様に係るガスタービンシステムは、空気を取り込んで圧縮するガスタービン圧縮機と、前記ガスタービン圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスで回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンを回転駆動した後の前記燃焼ガスによって回転駆動する低圧タービンと、を有する二軸式のガスタービンと、前記低圧タービンからの回転駆動力で駆動して流体を圧縮する主圧縮機と、前記主圧縮機と前記低圧タービンとの間に設けられて、該低圧タービンの回転駆動力によって発電を行う可変速発電機と、前記可変速発電機に接続されて、該可変速発電機からの電力の周波数及び電圧を変換するインバータ装置と、前記インバータ装置からの電力によって駆動する被駆動機と、を備えている。【０００８】
このようなガスタービンシステムによれば、高圧タービンと低圧タービンとが直結されない二軸式のガスタービンを用いて主圧縮機を駆動させている。従って、主圧縮機で要求される負荷に応じて、主圧縮機に、任意の回転数で回転駆動力を供給することができる。また、可変速発電機を設けたことで、低圧タービン及び主圧縮機の回転数の変化にかかわらず、発電を行うことができる。
ここで、発電された電力の周波数及び電圧は、低圧タービン及び主圧縮機の回転数によって異なるが、インバータ装置を用いることで被駆動機の要求する電力の周波数及び電圧に応じて可変速発電機で発電された電力を、任意の周波数及び電圧を有する電力に変換することができる。よって、主圧縮機の運転状況（負荷）によらず、被駆動機を駆動することが可能となり、二軸式のガスタービンを用いたとしても、ガスタービンで得られるエネルギーを有効に活用することができる。【０００９】
本発明の第二の態様に係るガスタービンシステムは、上記第一の態様における前記ガスタービン圧縮機及び前記高圧タービンに接続されて、前記二軸式のガスタービンの始動時には前記インバータ装置を経由した外部電源の電力を用いて前記二軸式のガスタービンを回転駆動させるスタータモータをさらに備えていてもよい。【００１０】
このように、被駆動機を駆動させるためのインバータ装置を経由させて、外部電源からの電力によってスタータモータを駆動し、二軸式のガスタービンの始動を行う。このため、新たにスタータモータ用のインバータ装置を別途で設置することなく、被駆動機を駆動するための既設のインバータ装置を兼用して、二軸式のガスタービンの始動をも行うことができる。この結果、ガスタービンシステムの省スペース化が可能である。また、新たなインバータ装置が不要であることでガスタービンシステムの構造が簡素化され、メンテナンスの省力化やコストの抑制を図ることができる。【００１１】
本発明の第三の態様に係るガスタービンシステムでは、上記第二の態様における前記スタータモータは、前記二軸式のガスタービンの定常運転時には、前記二軸式のガスタービンの回転駆動力によって発電可能であり、前記始動時には、前記外部電源からの電力を前記インバータ装置を経由させて前記スタータモータに送電可能とし、前記定常運転時には、前記スタータモータで発電した電力を前記インバータ装置を経由させずに前記外部電源に送電可能とする送電切換部をさらに備えていてもよい。【００１２】
このように、スタータモータを二軸式のガスタービンの始動に用いるだけでなく、定常運転時にガスタービンで得られる回転駆動力の一部によって発電を行うことができる。そして、送電切換部が設けられていることで、ガスタービンの定常運転時には、始動時から送電経路を切り換え、スタータモータで発電した電力を外部電源へ送電することができる。従って、二軸式のガスタービンから得られるエネルギーをさらに有効に活用することができる。【００１３】
本発明の第四の態様に係るガスタービンシステムでは、上記第一から第三のいずれかの態様における前記被駆動機は、流体を圧縮する圧縮機を有していてもよい。【００１４】
このように、被駆動機が圧縮機であることで、主圧縮機とともに、プラント設備などに必要な圧縮流体を生成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記のガスタービンシステムによれば、二軸式のガスタービンによって主圧縮機を駆動するとともに、可変速発電機及びインバータ装置を設置することで、簡易な構成で、主圧縮機の運転条件に対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第一実施形態におけるガスタービンシステムの全体構成図である。
【図２】本発明の第二実施形態におけるガスタービンシステムの全体構成図であって、ガスタービンの始動時の状態を示す図である。
【図３】本発明の第二実施形態におけるガスタービンシステムの全体構成図であって、ガスタービンの定常運転時の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔第一実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係るガスタービンシステム１について説明する。
図１に示すように、ガスタービンシステム１は、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）プラント等に用いられて、圧縮ガスＧを生成する装置である。
【００１８】
ガスタービンシステム１は、回転駆動力を発生するガスタービン２と、ガスタービン２からの回転駆動力で駆動してプロセスガスＰＧ（流体）を圧縮する主圧縮機３と、主圧縮機３とガスタービン２との間に設けられた可変速発電機４と、可変速発電機４からの電力ＥＰ１の周波数及び電圧を変換するインバータ装置５と、インバータ装置５からの電力ＥＰ２によって駆動する被駆動機６と、を備えている。
【００１９】
ガスタービン２は、空気Ａを圧縮するガスタービン圧縮機１０と、圧縮機２０で圧縮されて生成された圧縮空気ＣＡと燃料Ｆとから燃焼ガスＣＧを生成する燃焼器１１と、燃焼器１１からの燃焼ガスＣＧで回転駆動する高圧タービン１２と、高圧タービン１２を回転駆動した後の燃焼ガスＣＧによって回転駆動する低圧タービン１３と、を有している。
【００２０】
ガスタービン圧縮機１０は、第一回転軸１５と、第一回転軸１５に固定された翼部材（不図示）を有する軸流式又は遠心式の圧縮機とを有している。このガスタービン圧縮機１０では、第一回転軸１５及び上記の翼部材の回転によって、外部から取り込んだ空気Ａを圧縮して圧縮空気ＣＡを生成する。
【００２１】
燃焼器１１では、ガスタービン圧縮機１０からの圧縮空気ＣＡが導入されるとともに燃料Ｆを吹き込んで燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスＣＧを生成する。
【００２２】
高圧タービン１２は、第一回転軸１５に固定された翼部材（不図示）を有する軸流式又は遠心式のタービンである。高圧タービン１２は、燃焼器１１で生成された燃焼ガスＣＧを導入して蒸気の翼部材及び第一回転軸１５を回転させることで、第一回転軸１５回りの回転駆動力を発生する。
【００２３】
低圧タービン１３は、第二回転軸１６と、第二回転軸１６に固定された翼部材（不図示）を有する軸流式又は遠心式のタービンである。低圧タービン１３には、高圧タービン１２からの排気ガスである燃焼ガスＣＧによって回転駆動し、第二回転軸１６回りの回転駆動力を発生する。
【００２４】
このようにガスタービン２は、第一回転軸１５と第二回転軸１６とが直結されていないいわゆる二軸式のガスタービン２であって、最適な条件で運転しつつ、負荷に応じて第二回転軸１６の回転数を調整可能となっている。また、このガスタービン２の第一回転軸１５には、始動時に用いるスタータ３０として、圧縮空気を用いたエアスタータ、モータを用いた電動スタータ（スタータモータ）等が設けられている。
【００２５】
主圧縮機３は、例えばＬＮＧプラントで、プロセスガスＰＧとしての天然ガスを液化するために用いられる冷凍機の冷媒を圧縮するための遠心式又は軸流式の圧縮機である。主圧縮機３は、低圧タービン１３の第二回転軸１６に接続されており、この第二回転軸１６に固定された翼部材（不図示）を有している。主圧縮機３は、第二回転軸１６及び上記の翼部材の回転によってプロセスガスＰＧを圧縮して圧縮ガスＧを生成する。この主圧縮機３で要求される負荷、即ち、必要とされる回転駆動力は一定ではなく、主圧縮機３が設けられたプラントの運転条件によって変動する。
【００２６】
可変速発電機４は、主圧縮機３と低圧タービン１３との間で、第二回転軸１６に設けられ、低圧タービン１３の回転駆動力によって発電を行う。この可変速発電機４は誘導発電機であって、第二回転軸１６の回転数に応じて、即ち、主圧縮機３の要求する負荷によって、異なる周波数及び電圧の交流の電力ＥＰ１を発生する。
【００２７】
インバータ装置５は、可変速発電機４からの交流の電力ＥＰ１を直流の電力に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路で得た直流の電力を任意の周波数及び電圧の交流の電力ＥＰ２に変換するインバータ回路とを主に有している。本実施形態では、二つのインバータ装置５が可変速発電機４に電気的に接続されている。
【００２８】
被駆動機６は、自身が要求する電力ＥＰ２をインバータ装置５から受けて駆動する。即ち、インバータ装置５では、可変速発電機４からの電力ＥＰ１を基に被駆動機６の運転に必要な周波数及び電圧の電力ＥＰ２を作り出す。
【００２９】
被駆動機６は、本実施形態では、各々のインバータ装置５に一つずつ接続されている。
一方の被駆動機６は、例えばＬＮＧプラントのＬＮＧ液化の最終工程で発生したＥＦＧ（エンドフラッシュガス）をガスタービン２の燃料Ｆ等に再利用するために使用される圧縮機２０及び、これを駆動する誘導モータ２１を有している。もう一方の被駆動機６は、例えばＬＮＧタンク内で気化したＢＯＧ（ボイルオフガス）をガスタービン２の燃料Ｆ等に再利用するために使用される圧縮機２３及び、これを駆動する誘導モータ２４を有している。
【００３０】
以上説明した本実施形態のガスタービンシステム１によれば、高圧タービン１２と低圧タービン１３とが直結されない二軸式のガスタービン２を用いて主圧縮機３を駆動させる。よって、運転効率が高い最適な条件（回転数等）でガスタービン２の運転を行いつつ、主圧縮機３で要求される負荷に応じて低圧タービン１３の回転数を調整し、主圧縮機３に任意の回転数で回転駆動力を供給することができる。
【００３１】
従って、ガスタービン２の能力を最大限に引き出しつつ、例えばＬＮＧプラントの冷凍機での冷媒圧縮用に主圧縮機３を用いた際には、冷凍機の冷凍能力を容易に調整することができる。
【００３２】
さらに、二軸式のガスタービン２であっても、可変速発電機４を設けたことで、低圧タービン１３及び主圧縮機３の回転数（第二回転軸１６の回転数）の変化にかかわらず、発電を行うことができる。
【００３３】
可変速発電機４で発電された電力ＥＰ１の周波数は低圧タービン１３及び主圧縮機３の回転数によって異なるが、インバータ装置５を用いることで、被駆動機６の要求する電力の周波数、電圧に応じて可変速発電機４で発電した電力を任意の周波数及び電圧を有する電力ＥＰ２に変換することができる。
【００３４】
よって、主圧縮機３の運転状況（負荷）によらず、被駆動機６を駆動することが可能となり、二軸式のガスタービン２を用いたとしても、ガスタービン２で得られるエネルギーを有効に活用することができる。
【００３５】
このように本実施形態では、可変速発電機４及びインバータ装置５を二軸式のガスタービン２に設置することで、簡易な構成で、主圧縮機３の運転条件に対応可能である。
【００３６】
本実施形態では、インバータ装置５及び被駆動機６の数量は限定されない。
また、被駆動機６として、圧縮機２０以外の装置（例えばモータ等）を設けてもよい。
〔第二実施形態〕
次に、図２及び図３を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。
第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態のガスタービンシステム５１は、スタータとしてスタータモータ５５と、スタータモータ５５に電力ＥＰ３を供給可能とする送電切換部５６とをさらに備えている点で、第一実施形態とは異なっている。また、本実施形態では、インバータ装置５及び被駆動機６は各々一つずつ設けられている。
【００３７】
スタータモータ５５は、一定速で回転可能な誘導モータであって、ガスタービン２の第一回転軸１５に接続され、ガスタービン２の始動時に第一回転軸１５を回転させる回転駆動力を発生する。
【００３８】
送電切換部５６は、ガスタービン２以外のプラント設備や商用電源等である外部電源５７からスタータモータ５５に交流の電力ＥＰ３を供給可能とする電源回路である。
【００３９】
詳しくは、送電切換部５６は、外部電源５７とインバータ装置５とを電気的に接続可能とする電源−インバータ間ライン６１と、外部電源５７とスタータモータ５５とを電気的に接続可能とする電源−モータ間ライン６２と、電源−モータ間ライン６２の中途位置とインバータ装置５とを電気的に接続可能とするインバータ−モータ間ライン６３とを有している。
【００４０】
また、送電切換部５６は、電源−インバータ間ライン６１に設けられてライン６１での電気的な接続のＯＮ／ＯＦＦを切り換え可能な電源−インバータ間スイッチ７１と、電源−モータ間ライン６２に設けられてライン６２での電気的な接続のＯＮ／ＯＦＦを切り換え可能な電源−モータ間スイッチ７２と、インバータ−モータ間ライン６３に設けられてライン６３での電気的な接続のＯＮ／ＯＦＦを切り換え可能な第一インバータ−モータ間スイッチ７３及び第二インバータ−モータ間スイッチ７４とを有している。
【００４１】
第一インバータ−モータ間スイッチ７３は、第二インバータ−モータ間スイッチ７４よりもインバータ装置５側に設けられている。また、電源−モータ間スイッチ７２は、インバータ−モータ間ライン６３が電源−モータ間スイッチ７２に接続される位置よりも外部電源５７側に設けられている。
【００４２】
また、可変速発電機４とインバータ装置５との間にはこれらを電気的に接続可能な発電機−インバータ間ライン６４が設けられている。この発電機−インバータ間ライン６４には発電機−インバータ間スイッチ７５が設けられ、ライン６４での電気的な接続のＯＮ／ＯＦＦを切り換え可能となっている。
【００４３】
インバータ装置５と被駆動機６の誘導モータ２１との間には、これらを電気的に接続可能なインバータ−被駆動機間ライン６５が設けられている。このインバータ−被駆動機間ライン６５には、インバータ−被駆動機間スイッチ７６が設けられ、ライン６５での電気的な接続のＯＮ／ＯＦＦを切り換え可能となっている。
【００４４】
次に、図２を参照して、ガスタービン２の始動時の各スイッチの切り換えの操作について説明する。
ガスタービン２の始動時には、発電機−インバータ間スイッチ７５、及び、インバータ−被駆動機間スイッチ７６をＯＦＦにする。これら発電機−インバータ間スイッチ７５、及び、インバータ−被駆動機間スイッチ７６は連動して動作するようになっている。
【００４５】
さらに、電源−インバータ間スイッチ７１、及び、第一インバータ−モータ間スイッチ７３をＯＮにする。これら電源−インバータ間スイッチ７１、及び、第一インバータ−モータ間スイッチ７３は連動して動作するようになっている。
【００４６】
また、電源−モータ間スイッチ７２をＯＦＦにし、第二インバータ−モータ間スイッチ７４をＯＮにする。これら電源−モータ間スイッチ７２、及び、第二インバータ−モータ間スイッチ７４は連動して動作するようになっている。
【００４７】
これらスイッチの操作は、制御部８０を用いるか、若しくは手動で切り換え操作を行う。
【００４８】
次に、図３を参照して、ガスタービン２の定常運転時の各スイッチの切り換えの操作について説明する。ここで定常運転時とは、ガスタービン２の第二回転軸１６が負荷運転可能な状態になったことを示す。
【００４９】
ガスタービン２の定常運転時には、発電機−インバータ間スイッチ７５、及び、インバータ−被駆動機間スイッチ７６をＯＮにする。
【００５０】
また、電源−インバータ間スイッチ７１、及び、第一インバータ−モータ間スイッチ７３をＯＦＦにする。
【００５１】
さらに、電源−モータ間スイッチ７２をＯＮにし、第二インバータ−モータ間スイッチ７４をＯＦＦにする。
【００５２】
このように、スイッチをガスタービン２の始動時と定常運転時とでそれぞれ異なる状態となるように操作することで、送電切換部５６は、ガスタービン２の始動時には外部電源５７からの電力ＥＰ４をインバータ装置５を経由させて電力ＥＰ３とし、スタータモータ５５に送電可能とする。
【００５３】
また、スタータモータ５５は、ガスタービン２の定常運転時にはガスタービン２の回転駆動力によって発電可能となる。そして、送電切換部５６は、定常運転時には、スタータモータ５５からの電力ＥＰ５を、インバータ装置５を経由させずに外部電源５７に送電可能とする。
【００５４】
以上説明した本実施形態のガスタービンシステム５１によれば、外部電源５７からの電力ＥＰ４を被駆動機６を駆動させるためのインバータ装置５を経由させることで電力ＥＰ３を生成し、この電力ＥＰ３によってスタータモータ５５を駆動し、ガスタービン２の始動を行う。このため、新たにスタータモータ５５用のインバータ装置を設置することなく、既設のインバータ装置５を兼用して、ガスタービン２の始動も行うことができる。
【００５５】
この結果、スタータモータ５５専用のインバータ装置をさらに設ける場合に比べ、ガスタービンシステム５１の省スペース化が可能である。また、このような新たなインバータ装置が不要であることで、ガスタービンシステム５１の構造が簡素化される。よって、メンテナンスの省力化やコストの抑制を図ることができる。
【００５６】
そして、スタータモータ５５を二軸式のガスタービン２の始動に用いるだけでなく、定常運転時にはガスタービン２で得られる回転駆動力の一部によって発電を行うことができる。そして、送電切換部５６が設けられていることで、ガスタービン２の定常運転時には、始動時から送電経路を切り換え、スタータモータ５５で発電した電力ＥＰ５を外部電源５７へ送電することができる。
【００５７】
従って、ガスタービン２から得られるエネルギーをさらに有効に活用することができる。
【００５８】
本実施形態では、インバータ−モータ間ライン６３に、第一インバータ−モータ間スイッチ７３及び第二インバータ−モータ間スイッチ７４の二つのスイッチを設けたが、これらの機能を一つのスイッチで兼用してもよい。
【００５９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
上記のガスタービンシステムでは、可変速発電機及びインバータ装置を二軸式のガスタービンに設置することで、簡易な構成で、主圧縮機の運転条件に対応可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１    ガスタービンシステム
２    ガスタービン
３    主圧縮機
４    可変速発電機
５    インバータ装置
６    被駆動機
１０    ガスタービン圧縮機
１１    燃焼器
１２    高圧タービン
１３    低圧タービン
１５    第一回転軸
１６    第二回転軸
２０、２３    圧縮機
２１、２４    誘導モータ
３０    スタータ
５１    ガスタービンシステム
５５    スタータモータ
５６    送電切換部
５７    外部電源
６１    電源−インバータ間ライン
６２    電源−モータ間ライン
６３    インバータ−モータ間ライン
６４    発電機−インバータ間ライン
６５    インバータ−被駆動機間ライン
７１    電源−インバータ間スイッチ
７２    電源−モータ間スイッチ
７３    第一インバータ−モータ間スイッチ
７４    第二インバータ−モータ間スイッチ
７５    発電機−インバータ間スイッチ
７６    インバータ−被駆動機間スイッチ
８０    制御部
Ａ    空気
ＣＡ    圧縮空気
ＣＧ    燃焼ガス
ＰＧ    プロセスガス（流体）
Ｇ    圧縮ガス
Ｆ    燃料
ＥＰ１、ＥＰ２、ＥＰ３、ＥＰ４、ＥＰ５    電力
【図１】
2016129030.tif 000003
【図２】
2016129030.tif 000004
【図３】
2016129030.tif 000005
【国際調査報告】
2016129030.tif 000006
2016129030.tif 000007
2016129030.tif 000008
2016129030.tif 000009