(57)【要約】【課題】本発明の目的は、タービン高温部に供給する冷媒流量の適切な制御を可能としタービン効率の向上が図れるガスタービン設備及びタービン高温部の冷却方法を提供することにある。【解決手段】タービンの高温部を冷却する冷却系統を備えたガスタービン設備及びそのガスタービン設備のタービン高温部の冷却方法であって、前記冷却系統は、冷媒を熱交換する熱交換器と、該熱交換器からの冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒の供給流量を調整可能な制御手段とを備えたことを特徴とする。また、前記冷却系統では、冷媒を熱交換する工程と、その後、該冷媒を圧縮する工程とを行い、前記冷却系統では、前記冷媒の供給流量を調整し、該タービン高温部に冷媒を供給して冷却する。【選択図】  図１
2004169584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの高温部を冷却する冷却系統を備えたガスタービン設備であって、
前記冷却系統は、冷媒を熱交換する熱交換器と、該熱交換器からの冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒の供給流量を調整可能な制御手段とを備えたことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
空気を圧縮する圧縮機と、燃料と空気を混合し燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えたガスタービン設備であって、
該タービンの高温部を冷却する冷却系統を有し、
前記冷却系統は、前記圧縮機により圧縮され該燃焼器へと導かれる圧縮空気の一部を冷却空気として供給される熱交換器と、該熱交換器の下流側に配置されるブースト圧縮機とを備え、該ブースト圧縮機を通過した空気をタービンの高温部に供給する系統であって、
前記冷却系統内に前記冷却空気の供給流量を調整可能な制御手段を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項３】
タービンの高温部を冷却する冷却系統を備えたガスタービン設備であって、
前記冷却系統は、冷媒を熱交換する熱交換器と、該熱交換器からの冷媒を圧縮する圧縮機とを備え、
前記ガスタービン設備の運転中に前記冷媒の供給流量を調整可能な制御手段を、前記冷却系統内の該熱交換器と前記冷却系統内の該圧縮機との間に設置することを特徴とするガスタービン設備。
【請求項４】
請求項１に記載のガスタービン設備において、
前記制御手段は、該タービンの高温部のメタル温度，タービン回転数及びタービン負荷の少なくとも１つに基づいて、該冷媒の供給流量を制御するものであることを特徴とするガスタービン設備。
【請求項５】
タービン高温部を冷却する冷却系統を備えたガスタービン設備のタービン高温部の冷却方法であって、
前記冷却系統では、冷媒を熱交換する工程と、その後、該冷媒を圧縮する工程とを行い、
且つ、前記冷却系統では、前記冷媒の供給流量を調整し、
該タービン高温部に冷媒を供給して冷却することを特徴とするタービン高温部の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン設備及びタービン高温部の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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為に冷却系等を構成する機器・配管・タービン高温部に形成される冷却空気流路での圧力損失を考慮してブースト圧縮機を設置する系統構成については、例えば、特開平５−２４８２６０号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２４８２６０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンの高温部品は金属の融点を越える燃焼ガスにさらされる為、空気などの冷媒による冷却が必要となる。また、タービン高温部冷却の為の冷媒を供給する際に冷却流路の圧力損失を考慮して冷媒を昇圧する為のブースト圧縮機が必要となる。ブースト圧縮機の駆動に必要な動力は冷媒の流量，圧力比等に左右される。これより、ガスタービンの補機損失が左右され、タービン効率にも影響する。
【０００５】
本発明の目的は、タービン高温部に供給する冷媒流量の適切な制御を可能としタービン効率の向上が図れるガスタービン設備及びタービン高温部の冷却方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、タービンの高温部を冷却する冷却系統に、冷媒の供給流量を調整可能な制御手段を設ける。
【０００７】
【発明の実施の形態】
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・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。しかしながら、より高温の燃焼ガスにさらされ、燃焼ガスの持つエネルギーを回収するガスタービンは、冷却無しでは損傷を招き重大事故へと発展する可能性がある。この為、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用いてガスタービン高温部の冷却を行っている。
【０００８】
タービン高温部を冷却する冷却空気を圧縮機出口すなわち燃焼器室から抽気して、冷却後の空気を元の燃焼器に回収するクローズド冷却空気系統では、冷却空気抽気位置と回収位置の圧力が同レベルにあるため、タービン高温部での冷却空気流路・配管・付属機器での圧力損失分だけタービン圧縮機出口から抽気した空気をブースト圧縮機にて昇圧する必要が有る。
【０００９】
ガスタービンの高温部品は金属の融点を越える燃焼ガスにさらされる為、空気などの冷媒による冷却が必要となる。高温部品に供給する冷媒の流量を多くする事で高温部品の温度を下げる事が出来、高温部品の信頼性が向上する。一方で、冷媒の供給流量を多くする為に冷媒の供給圧力を上げると部品の継ぎ目等からの冷媒のリーク量が増加するので結果的にガスタービンの効率が低下する。
【００１０】
また、供給する冷媒を熱交換器により冷却して供給する場合、熱交換器にて熱交換した熱エネルギーは損失となる。この熱損失を低減する為に熱回収を実施しても全ての熱エネルギーは回収できないので未回収分の熱エネルギーは損失となりタービン効率を低下させる原因となる。また、タービン高温部を冷却する場合、冷却流路はその冷却性能を向上するために複雑で精密な構造を有している。この為、冷却流路の圧力損失が大きくなる。場合によるとタービン高温部冷却の為の冷媒を供給する際に配管，付属機器，翼部等の冷却流路の圧力損失を考慮して冷媒を昇圧する為のブースト圧縮機が必要となる。ブースト圧縮機の駆動に必要な動力は冷媒の流量や圧力比等に左右される。よって、冷媒の流量を低減する事でブースト圧縮機が必要とする軸動力は低減できる。ブースト圧縮機の軸動力を低減するとガスタービンの補機損失が低減されるのでタービン効率が向上する。
【００１１】
（実施例）
以下図示した実施例にしたがって本発明を詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態であるガスタービンの高温部冷却系統を示す。
【００１２】
図１に示すガスタービン設備は、主に、圧縮機１，燃焼器２，タービン３，発電機１５を備えている。圧縮機１にて圧縮した空気を燃焼器２に導き、燃焼器２によって燃料と混合させた後燃焼させ、燃焼ガスを発生する。発生した燃焼ガスにより、タービン３を駆動する。タービン３の回転により、タービン３と同軸に配置された圧縮機１が駆動される。また、タービン３の回転は、変速機１６を介して、ブースト圧縮機６に伝達される。
【００１３】
本発明の実施の形態のガスタービンの高温部冷却系統では、上流側から順次、冷却用空気として適切な温度に熱交換する手段である熱交換器４，ミスト及びダスト等の異物を除去する手段であるフィルタ５，タービン高温部冷却用空気として最適な圧力まで昇圧する手段であるブースト圧縮機６，空気を清浄化する手段であるストレーナ７を備えている。
【００１４】
このガスタービンの高温部冷却系統では、圧縮機１で圧縮され、圧縮機１の出口から供給される圧縮空気は、分岐点Ａで分岐される。
【００１５】
分岐点Ａで分岐した一方の圧縮空気は、冷却用空気として、熱交換器４で冷却される。この熱交換器４では、ブースト圧縮機６の出口空気温度がタービン高温部の冷却に適切な温度となる様に、ブースト圧縮機６での空気温度上昇を考慮した適切な空気温度まで冷却される。熱交換器４で適切な空気温度に熱交換された空気は、フィルタ５へと導かれる。このフィルタ５によって空気中に含まれるミスト及びダスト等の異物を除去することができる。その後、冷却用空気は、ブースト圧縮機６によって昇圧され、タービン高温部冷却用空気として最適な圧力まで昇圧される。ブースト圧縮機６の下流にも、フィルタまたはストレーナ７等を設置し、タービン３の高温部へ供給する冷却空気やガスタービンの燃料がＡ重油等の液体燃料の場合に使用する燃焼器２へ燃料を噴霧する為の燃料油噴霧空気を最終的に清浄化する。
【００１６】
ブースト圧縮機６の下流のＢと冷却器４とを結ぶアンチサージ系統９では、アンチサージ弁１０を備えている。ブースト圧縮機６は、通過する冷媒の流量・圧縮機前後圧力比の状態によっては、サージにより破損する恐れがある。そこで、ブースト圧縮機６がサージによる破損を防ぐために、タービン高温部をバイパスするアンチサージ系統９を設け、ブースト圧縮機６がサージ域で運転されることを回避するようにしている。
【００１７】
次に、タービン３の高温部を冷却する冷却空気の流量制御につき説明する。この冷却空気流量は、従来では冷却空気配管の末端付近にオリフィスを設置して流量を制限している。この場合、大気温度によりガスタービン圧縮機１の吐出圧力が変化するのに合わせて若干の流量変化があるだけであり、基本的にはほぼ一定の流量が供給される。この場合、冷却空気の流量を制限するオリフィスの口径はガスタービンの運転状況として最も過酷な条件となる設計条件にて検討される。大気温度が低い状態で運転した場合、冷却空気の供給元であるガスタービン圧縮機から抽気した空気の圧力は高い。さらに冷却空気の圧力が高い為、配管や冷却空気系統に設置されている機器での圧力損失が小さくなる。このような運転条件では、冷却空気系統の供給圧力とガスタービン高温部の圧力の比が設計条件よりも大きくなる。この為、このような運転条件では実際に供給される冷却空気流量はガスタービン高温部の冷却に必要な冷却空気流量に対して多く供給される事となる。また、大気温度が低い状態での運転では大気温度が高い条件での運転よりも定格負荷を取るのに必要な燃焼ガス温度を低く出来る。ここで、タービン高温部の冷却空気流量は燃焼ガス温度が高い条件で設計されているので大気温度が低い場合の運転では必要以上に冷却空気を供給している事となる。
【００１８】
ここで、ガスタービン高温部を冷却する冷却空気流量が多いと高温部品のメタル温度を低く保つ事が出来るのでタービン高温部品の信頼性は向上する。一方で必要以上に冷却空気を供給する事による損失のために運転時のタービンの熱効率は低下する。
【００１９】
一方で、供給空気流量が多いと冷却空気の供給圧力が上がる為、部品の継ぎ目等からの冷却空気のリーク量が増加するので結果的にガスタービンの効率が低下する。
【００２０】
また、供給する冷却空気をタービン高温部冷却空気として最適な温度となるようにブースト圧縮機での温度上昇分を考慮して熱交換器により冷却する場合、熱交換器にて熱交換した熱エネルギーは損失となる。この熱損失を低減する為に熱回収を実施しても全ての熱エネルギーは回収できないので未回収分の熱エネルギーは損失となりタービン効率を低下させる原因となる。
【００２１】
また、冷却空気の供給圧力を昇圧するのに必要なブースト圧縮機６の軸駆動動力は昇圧する冷却空気の流量が多いほど多くなる。このブースト圧縮機６で消費される軸駆動力は補機損失となるので必要以上に冷却空気の流量をブースト圧縮機で昇圧することはタービンの効率を低下させる事となる。
【００２２】
以上のように、冷却空気配管の末端付近にオリフィスを設置する構造では、運転中に種々の条件により冷却空気の流量を変化させておらず、基本的にはほぼ一定の流量が供給され、運転中に種々の条件変化を考慮していなかった。
【００２３】
これに対して、本発明の実施の形態では、冷媒である冷却用空気の流量を調整を可能とする手段を設けている。つまり、冷却系統は、冷媒を熱交換する熱交換器４と、熱交換器４からの冷媒を圧縮する冷却系統内の圧縮機（ブースト圧縮機６）と、冷媒の供給流量を調整可能な制御手段とを備えている。そのため、タービン高温部に供給する冷媒流量の適切な制御を可能としタービン効率の向上が図れる。また、前述のオリフィスとは異なり、ガスタービン設備の運転中に冷媒の供給流量を調整可能な機能を備えている。
【００２４】
図１に示すように、具体的には、例えば、冷却系統のフィルタ５とブースト圧縮機６の間に配置された制御弁１１と、この制御弁１１の調整を制御する制御装置１３を設けている。この場合、フィルタ５が目詰まりする事による経年的な圧力損失の変化に左右されずに冷却空気の供給流量を適切に制御する事が出来るのでより正確に流量制御が可能でありタービン効率の向上に効果がある。
【００２５】
また、図２に示すように、熱交換器４とフィルタ５の間に設置すると制御弁
１１を使用する温度が圧縮機１の吐出温度約５００℃に比べて熱交換器出口温度の約１００℃まで低減できるのでより信頼性の高い制御弁設計仕様とすることが出来る。
【００２６】
また、フィルタ５の上流に設置されている事より制御弁１１にて錆等の異物が発生してもフィルタにて除去する事が可能な為、異物の吸込みよるブースト圧縮機６の破損やタービン高温部の冷却空気流路の閉塞を防止できるので信頼性向上に繋がる。制御弁１１をフィルタ５の下流とすると防錆の観点からより高価な材料である例えばステンレス製の制御弁とする必要があるのに対して、フィルタ５の上流に設置すれば異物の発生をある程度許容できる事より安価な炭素鋼の材料を使用した制御弁を設置することも可能でありコスト削減に繋がる。
【００２７】
前述のように、制御弁１１は、熱交換器４からブースト圧縮機６の間の何れかの位置に設置する事で熱交換器４より上流とするよりも使用温度が低く、ブースト圧縮機６下流とするよりも使用圧力・温度共に低くなるので信頼性向上に繋がる。つまり、冷却系統のうち、熱交換器４からブースト圧縮機６の間の何れかの位置に設置する事によって、信頼性向上が図れる。
【００２８】
一方で、図３に示すように、ブースト圧縮機６の下流に、制御弁１１を設置した場合、冷却空気の供給圧力をより直接的に制御可能である。特に、静翼，動翼等冷却空気を供給するタービン高温部毎に冷却空気系統が分岐した後にそれぞれの系統に制御弁１１を設置し、さらにそれぞれの系統毎にタービン高温部のメタル温度を計測し、系統毎で必要な冷却空気流量を制御すると、より正確に流量制御が出来るのでタービンの効率向上に効果がある。
【００２９】
次に、具体的な冷却空気流量の調整方法につき説明する。冷却空気流量の調整は、タービン高温部のメタル温度，タービンの回転数や負荷等の運転状況などで、制御することが望ましく、以下、夫々の構成につき説明する。
【００３０】
タービン高温部のメタル温度による制御方法では、冷却空気の供給流量を適正化するため、冷却空気を必要とするタービン高温部のメタル温度を温度検知手段１２で計測する。この計測したメタル温度が設計温度を超えないようにすると同時に、必要以上に下がらないように制御弁１１を操作する事で供給する冷却空気流量を制御する。温度検知手段１２で計測されたメタル温度の計測値は、信号系統１４で制御装置１３に伝達され、制御装置１３によりメタル温度に基づき制御弁１１を制御する。
【００３１】
高温部のメタル温度を計測する際に、より過酷な条件で使用されている動翼のメタル温度を計測すると冷却空気の供給流量の制御による効果がより高くなる。これは、動翼は高速で回転している為、不確定要素が多いので設計上のマージンを多く取り安全な条件で運転が可能となるようにしている事による。
【００３２】
また、静翼に比べて動翼の冷却空気系統は系統の圧力損失が大きい為、供給する冷却空気が必要とする圧力は動翼の冷却空気系統により決まる。この為、動翼のメタル温度を計測して冷却空気流量を制御する事で適切な流量制御が可能となる。
【００３３】
一方で、動翼のメタル温度計測には高速で回転するタービンロータから計測配線を取り出す必要があるためテレメータ等の計測システムが必要となる。これに対して、静翼のメタル温度を計測する際には動翼の計測を行う際に問題となる回転体からの計測配線の問題は無いので容易にメタル温度の計測が可能であり信頼性の高いメタル温度計測が出来る。よって、静翼メタル温度を計測して冷却空気流量を制御する事で信頼性の高い冷却空気の流量制御システムが可能となる。
【００３４】
また、冷却空気を供給している静翼，動翼のメタル温度を同時に計測して最も過酷な条件で運転されている部位に合わせて冷却空気流量を制御しても良い。
【００３５】
また、動翼，静翼のメタル温度を直接計測しなくても、例えばタービンホイールやタービンケーシング等の動翼，静翼の代わりとなる部品にてメタル温度を計測し、冷却空気流量を制御しても良い。
【００３６】
タービン高温部のメタル温度を計測し、メタル温度によるフィードバック制御にて冷却空気流量を制御する場合は、制御弁の設置位置に関係なく同等の冷却空気流量の制御性が得られる。
【００３７】
また、供給電力量に応じてタービンが定格負荷での運転から部分負荷での運転となった場合、タービン高温部の熱負荷は小さくなる。この為、必要とされる冷却空気流量は少なくなる。よって、タービンが運転されている負荷でのタービン高温部のメタル温度に合わせて冷却空気流量を制御する事で部分負荷運用時のタービン効率を向上させる事が可能である。
【００３８】
タービン高温部の熱負荷は運用される負荷に応じて異なる事より、タービンの回転数や負荷等の運転状況に応じて供給する冷却空気の流量を制御しても、メタル温度の計測により冷却空気流量を制御するとの同様の効果を得られる。このような運転状況による制御の場合、タービンを開発した際の初号機や各プラントでの試運転時にタービン高温部のメタル温度と運転条件の関係を求め、流量制御に反映する事で、より正確に冷却空気の流量を制御することが可能となる。
【００３９】
また、同様に燃焼ガス温度に応じてタービン高温部のメタル温度は変化する為、これらの温度を計測して冷却空気の流量を制御しても良い。
【００４０】
次に、タービンの回転数や大気温度，負荷等の運転状況により求められた空気流量と供給している燃料流量から燃焼ガス温度を求め、前述の場合と同様にこの計算により求められた燃焼ガス温度に応じて冷却空気流量を制御することも可能である。この場合、タービンを開発した際の初号機や各プラントでの試運転時にタービン高温部のメタル温度と運転条件の関係を求め、流量制御に反映する事で、より正確に冷却空気の流量を制御することが可能となる。この場合、運転状況データ１７から運転状況の情報が制御装置１３に送られ、前述の処理を踏まえ、運転状況の情報や燃焼ガス温度に基づき、流量を制御しても良い。
【００４１】
なお、ブースト圧縮機をタービン軸駆動とせずに、モータにより駆動するとモータの回転数をインバータ制御することでブースト圧縮機の回転数を変更する事が出来る。ブースト圧縮機の回転数を変えることで供給する冷却空気の流量を変えることが出来る。これにより、制御弁１１にて冷却空気流量を制御するのと同等の効果を得る事が出来る。
【００４２】
以上示してきたように冷却空気の供給流量を適切に制御する事でタービンの熱効率を向上させる。また、冷却空気を昇圧するブースト圧縮機の軸動力を低減し補機損失を低減する事でタービンの効率を向上させる事が出来る。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によると、タービン高温部に供給する冷媒流量の適切な制御を可能としタービン効率の向上が図れるガスタービン設備及びタービン高温部の冷却方法を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン設備の冷却系統を示す図。
【図２】本発明のガスタービン設備の冷却系統を示す図。
【図３】本発明のガスタービン設備の冷却系統を示す図。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…熱交換器、５…フィルタ、６…ブースト圧縮機、７…ストレーナ、９…アンチサージ系統、１０…アンチサージ弁、１１…制御弁、１２…温度検知手段、１３…制御装置、１４…信号系統、
１５…発電機、１６…変速機、１７…運転状況データ。
【図１】
2004169584.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004169584.tif 000005