(57)【要約】【課題】タービンの効率低下を防ぐ方法を提供する。【解決手段】タービンの部分負荷性能を制御する方法は、タービンの圧縮機から圧縮された流体の一部を取り出すことでタービン内にバイパス流を生成するステップと、タービンの運転負荷を決定するステップと、バイパス流をタービンのタービン部に送るステップと、タービンの決定された運転負荷に応じてバイパス流を選択的に加熱するステップとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を吸入して前記流体を圧縮する圧縮機と、
燃料を燃焼させて、前記圧縮機からの前記流体を加熱することで加熱された流体を生成する燃焼部と、
前記加熱された流体を仕事に変換するタービン部と、
圧縮された流体を前記圧縮機から取り込むことでバイパス流を生成し、前記タービン部の運転状態に応じて前記バイパス流を選択的に加熱し、前記バイパス流を前記タービン部に吐出するバイパス回路と
を備えたタービン。
【請求項２】
前記バイパス回路は、前記タービンが部分負荷状態で運転するときに前記バイパス流を加熱し、かつ、前記タービンが最大負荷状態で運転するときに前記バイパス流を加熱しない請求項１記載のタービン。
【請求項３】
前記加熱された流体を前記タービン部から吐出する排気部をさらに備え、
前記バイパス回路が、前記排気部に前記バイパス流を通過させることで前記バイパス流を加熱する請求項１記載のタービン。
【請求項４】
前記バイパス回路は、前記バイパス流を前記圧縮機から前記排気部および前記タービン部の一方に選択的に吐出する弁を具備する請求項３記載のタービン。
【請求項５】
前記弁は、前記タービンが部分負荷状態で運転するときに前記バイパス流を前記排気部に吐出し、かつ、前記タービンが最大負荷状態で運転するときに前記バイパス流を前記タービン部に吐出する請求項４記載のタービン。
【請求項６】
前記バイパス回路は、
前記バイパス流を前記圧縮機から前記弁に送る第１導管と、
前記バイパス流を前記弁から前記タービン部に送る第２導管と、
前記バイパス流を前記弁から前記排気部に送る第３導管と、
前記バイパス流を前記排気部から前記タービン部に送る第４導管と
をさらに具備する請求項４記載のタービン。
【請求項７】
前記第２導管および前記第４導管が互いに接続する請求項６記載のタービン。
【請求項８】
前記排気部は、
熱交換器と、
前記バイパス流を前記弁から前記熱交換器に送る入口と、
前記バイパス流を前記熱交換器から前記タービン部に送る出口と
を具備する請求項３記載のタービン。
【請求項９】
前記タービン部は、前記加熱された流体を動翼の円環状の複数の段に向かわせる複数の静翼を具備し、前記バイパス回路は、前記バイパス流を前記タービン部の前記複数の静翼に吐出する請求項１記載のタービン。
【請求項１０】
流体を取り込んで圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの前記流体を加熱する燃焼部と、前記燃焼部によって加熱された前記流体で軸を駆動するタービン部と、前記流体を前記タービン部から排出する排気部と、前記圧縮機によって圧縮された前記流体の一部を取り込むことでバイパス流を生成し、前記バイパス流を前記タービン部および前記排気部に選択的に向かわせるバイパス回路とを具備したタービンを備え、かつ、
前記タービンの運転状態を決定し、決定された運転状態に応じて前記バイパス流を前記タービン部および前記排気部の一方に送るように、前記バイパス回路を制御するタービン制御部を備える発電システム。
【請求項１１】
前記タービン制御部は、前記タービンが最大負荷状態で運転するときに前記バイパス流を前記タービン部に直接的に送り、前記タービンが部分負荷状態で運転するときに前記バイパス流を前記排気部に送るように、前記タービンの前記バイパス回路を制御する請求項１０記載の発電システム。
【請求項１２】
前記タービン制御部は、
前記タービンを所定の運転状態で運転させる入力指令を受信し、
前記タービンの前記運転状態を決定する前記入力指令を分析し、
前記燃焼部における燃焼のレベルを制御し、前記タービンが最大負荷状態で運転するときに前記バイパス流を前記タービン部に直接的に送る制御信号を出力し、ならびに、前記タービンが部分負荷状態で運転するときに前記バイパス流を前記排気部に送る制御信号を送信する請求項１１記載の発電システム。
【請求項１３】
前記タービンの前記バイパス回路は、前記バイパス流を前記排気部から前記タービン部へ向かわせるように、前記排気部から前記タービン部への導管を含む請求項１０記載の発電システム。
【請求項１４】
前記タービンの前記排気部は熱交換器を含み、
前記バイパス回路は、前記バイパス流を、前記バイパス回路から前記熱交換器に送り、前記熱交換器から前記タービン部に送る請求項１０記載の発電システム。
【請求項１５】
タービンの部分負荷性能を制御する方法であって、
前記タービンの圧縮機からの圧縮された流体の一部を取り出すことで前記タービン内にバイパス流を生成するステップと、
前記タービンの運転負荷を決定するステップと、
前記バイパス流を前記タービンのタービン部に送るステップと、
前記タービンの前記決定された運転負荷に応じて前記バイパス流を選択的に加熱するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記タービンが最大負荷で運転することが決定されたときに、前記バイパス流は前記タービン部に直接的に送られ、
前記タービンが部分負荷で運転することが決定されたときに、前記バイパス流は、前記タービン部に送られる前に加熱される請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記タービンの排気部は、前記タービンが部分負荷で運転することが決定されたときに、前記バイパス流を加熱する請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記バイパス流を選択的に加熱するステップは、前記バイパス流が加熱されないときに前記タービンの排気部への導管を閉じ、前記バイパス流が加熱されるときに前記タービン部への導管を閉じるように、弁を制御するステップを含む請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記タービンの前記運転負荷を決定するステップは、
前記タービンを所定の運転負荷で運転する指令を受信するステップと、
前記タービンの前記運転負荷を決定する前記指令を分析するステップと
を含む請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ガスタービンなどのタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、最大負荷または基底負荷で運転するように設計されている。タービンは、流体を取り込んでその流体を圧縮する圧縮機と、燃料を燃焼させて流体を加熱する燃焼部と、加熱された流体で動力を発生させるタービン部とを備える。タービンが最大負荷で運転する場合、タービンは所定の燃焼レベルで運転してタービン部を駆動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２６３３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、タービンが最大負荷以外で、つまり部分負荷で運転する場合、タービンの効率は低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、タービンは、流体を吸入してその流体を圧縮する圧縮機と、燃料を燃焼させて、圧縮機からの流体を加熱することで加熱された流体を生成する燃焼部と、加熱された流体を仕事に変換するタービン部と、加熱された流体をタービン部から吐出する排気部と、圧縮された流体を圧縮機から取り込むことでバイパス流を生成し、バイパス流を排気部からの加熱された流体で加熱し、加熱されたバイパス流をタービン部に吐出するバイパス回路とを含む。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、発電システムは、流体を取り込んで圧縮する圧縮機と、圧縮機からの流体を加熱する燃焼部と、燃焼部からの加熱された流体で軸を駆動するタービン部と、加熱された流体をタービン部から排出する排気部と、圧縮機からの圧縮された流体の一部を取り込むことでバイパス流を生成し、バイパス流をタービン部および排気部に選択的に向かわせるバイパス回路とを具備したタービンを備え、かつ、最大負荷状態と部分負荷状態とからタービンの運転状態を決定し、決定された運転状態に応じてバイパス流をタービン部および排気部の一方に送るように、バイパス回路を制御するタービン制御部を備える。
【０００７】
本発明のさらに別の態様によれば、タービンの部分負荷性能を制御する方法は、タービンの圧縮機からの圧縮された流体の一部を取り出すことでタービン内にバイパス流を生成するステップと、タービンの運転負荷を決定するステップと、バイパス流をタービンのタービン部に送るステップと、タービンの決定された運転負荷に応じてバイパス流を選択的に加熱するステップとを含む。
【０００８】
これらおよび他の有利性および特徴は、図面と共に以下の説明からより明らかとなるだろう。
【０００９】
本発明と見なされる対象は、本明細書の末尾にある特許請求の範囲において具体的に指摘され、かつ、明確に請求される。本発明の前述のおよび他の特徴および有利性は、添付の図面と共に以下の詳細な説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一態様によるタービンの図である。
【図２】タービンおよびタービン制御部の図である。
【図３】本発明の実施形態によるタービン部の図である。
【図４】タービンの制御運転を例示する流れ図である。
【図５】本発明の実施形態によるタービンの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な記載によって、本発明の実施形態が、有利性および特徴と共に、図面を参照する実施例の方法によって説明される。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態によるタービン１の図である。タービン１は、吸入部つまり圧縮機１０と、燃焼部２０と、タービン部３０と、排気部４０とを含む。圧縮機１０は、流体を吸入し、その流体を燃焼部２０に送る前に圧縮する。本実施形態によれば、流体は空気であり、圧縮機１０は、軸の周りを回転する翼から成る円環部と、それに続く静翼から成る円環部とをそれぞれが含む複数の段を備える。
【００１３】
燃焼部２０は、圧縮された空気を迎え入れ、燃焼室２１で燃料Ｆを燃焼させることで圧縮された空気を加熱する。加熱および圧縮された空気はタービン部３０に送られ、軸の周りを回転する動翼を含むロータを駆動し、回転する軸は動力を発生させる。
【００１４】
排気部４０は、タービン部３０から加熱された空気を迎え入れ、加熱された空気を吐出する。
【００１５】
本発明の実施形態では、タービン１はバイパス回路５０も含む。バイパス回路５０は、空気を圧縮機１０から弁５１に送る導管５２、空気を弁５１からタービンに送る導管５３、および、空気を弁５１から排気部４０に送る導管５４を含む。また、導管５５は、空気を排気部４０からタービン部３０へと送る。
【００１６】
排気部４０は、導管５４からの空気を加熱する熱交換機４１を含む。次いで、加熱された空気は、導管５５を通ってタービン部３０へと送られる。
【００１７】
最大負荷または基底負荷の間、弁５１は、導管５４への空気の流れを遮断し、導管５２から導管５３への空気の流れを許容する。したがって、比較的冷たい空気がタービン部３０へと提供され、軸、動翼、ノズルなどのタービン部の構成部品を冷却する。しかしながら、冷たい空気が部分負荷運転の間にタービン部３０に提供されると、タービン１の効率は低下する。
【００１８】
したがって、部分負荷の間、弁５１は、導管５３への空気の流れを遮断し、導管５４を通じて排気部４０への空気の流れを許容する。空気は、排気部４０の熱交換器４１および導管５５を通過して、排気部４０からタービン部３０へと流れる。その結果、熱交換器４１から導管５５を通ってタービン部３０へと流れる空気は加熱される。それにより、燃焼部２０からタービン部３０における空気の熱損失を低減することで、タービン部の効率を増加させる。
【００１９】
換言すれば、本発明の実施形態によれば、タービン部３０の構成部品は、最大負荷運転の間にバイパス回路５０によって冷却され、構成部品の過熱が防止されつつ、比較的高い温度で燃焼部２０からタービン部３０に吐出される。しかしながら、部分負荷運転の間は、燃焼部２０からタービン部３０への吐出の温度は、最大負荷運転に対して低く、バイパス回路５０は、加熱された空気をタービン部３０に提供し、燃焼部２０から提供された空気の熱損失を低減する。その結果、最大負荷運転の間の構成部品の冷却と、部分負荷運転の間の効率の増加との２つの目的が満たされる。
【００２０】
図２には、タービン制御システムが例示される。タービン制御システムは、タービン１およびタービン制御部６０を含む。タービン制御部６０は、例えば、処理部６１、記憶部６２、インターフェース部６３を含む。タービン制御部６０は、端子６８を通じて入力データＩを受信し、制御信号Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを端子６４、６５、６６、および６７を通じて出力する。
【００２１】
運転中、タービン制御部６０は、タービン１を部分負荷で運転する指令または命令を受信する。指令は、インターフェース部６３に入力される。インターフェース部６３は、有線ポートと、無線ポートまたはアンテナとの少なくとも一方を含む。インターフェース部６３は、指令Ｉを処理部６１に送信する。処理部６１は、指令Ｉが部分負荷運転に相当するかどうかを決定し、それに応じて制御信号Ａ〜Ｄを制御する。ある実施形態では、処理部６１は、指令Ｉによる負荷のレベルと、記憶部６２に保管された所定のレベルとを比較し、指令Ｉが部分負荷運転に相当するかどうかを決定する。
【００２２】
例えば、制御信号Ａは、吸入制御装置１２の特性を調整することで、圧縮機１０の空気の吸入を調整する。本実施形態では、吸入制御装置１２は、隣接する静翼同士の間で調整可能な開口を有する静翼と、送風機との一方である。制御信号Ｂは、燃焼室２１の入口２２を制御し、部分負荷運転において燃焼室２１への燃料投入を減らす。制御信号Ｃは、燃料供給部２３から導管２４を経由して燃焼室２１に供給される燃料を調整する。制御信号Ｄは、弁５１を制御し、部分負荷運転においては出口５７を閉じて出口５８を開ける。
【００２３】
最大負荷運転の間、バイパス回路５０は、出口１１を通じて圧縮機１０から空気を取り込む。空気は入口５６を通って弁５１に入り、出口５７を通って弁５１から出る。比較的冷たい空気は、導管５３内を進み、入口３１を通ってタービン部３０に入る。最大負荷運転以外、つまり部分負荷運転の間、比較的冷たい空気は、出口５８を通って弁５１から出ていき、導管５４内を進み、入口４２を通って排気部４０の熱交換器４１に入る。加熱された空気は、出口４３を通って排気部４０から出ていき、導管５５内を進み、入口３２を通ってタービン部３０に入る。
【００２４】
図２では、説明の目的および説明を明確にするために、導管５３、５５がタービン部３０の相対する側に接続されて例示されている。しかしながら、いくつかの実施形態によれば、導管５３、５５は、それぞれ、タービン部３０の周囲の複数の位置でタービン部３０に空気を導入する。
【００２５】
図２では、別々の入口３１、３２に接続された別々の導管５３、５５が例示されているが、いくつかの実施形態によれば、導管５３、５５は互いに接続される。図３は、空気を同じ入口に導入するように、互いに接続された導管５３、５５の一例を示す。図３に示されるように、各導管５３、５５は連結導管７１に接続され、その連結導管７１が、タービン部３０の筺体７６の入口７２へと供給する。入口７２は、図２の入口３１、３２に相当する。タービン部３０は、軸７３を備え、軸７３の周りに動翼７４が回転する。タービン部３０は、静翼７５を備えたノズルも備えており、ノズルは、軸７３を駆動するために燃焼部２０の方向から動翼７４へと空気を向かわせる開口を、静翼７５同士の間に有する。本実施形態では、入口７２は、静翼７５に対応する位置に配置されている。タービン部３０への矢印によって示される、バイパス回路５０からの空気は、入口７２に入って、静翼７５内に配置された管の中を静翼７５の全長にわたって進み、軸７３の近傍で静翼７５から出て、静翼７５と動翼７４との間の空間へと流れる。
【００２６】
図３では、連結導管７１に接続された導管５３、５５が例示されているが、代わりの実施形態によれば、導管５３、５５は各静翼７５に対応する別々の入口に接続される。他の実施形態では、導管５３、５５は静翼７５に対して１つおきで接続される。
【００２７】
図４は、タービン１の制御運転を例示する流れ図である。工程３０１では、運転状態が検出される。タービン制御部６０は、所定の負荷でタービン１を運転する入力指令つまり入力命令Ｉを受信する。工程３０２において、タービン１が最大負荷で運転していることが決定された場合は、バイパス回路５０にある圧縮機１０からの空気、つまりバイパス流は、タービン部３０へと直接的に導かれ、排気部４０を迂回する。このような場合、タービン制御部６０は、制御信号Ｂ〜Ｄを出力し、燃焼室２１に最大負荷レベルの燃料を提供し、バイパス弁５１から排気部４０への出口５８を閉じ、バイパス弁５１からタービン部３０への出口５７を開ける。また、いくつかの実施形態によれば、タービン制御部６０は、吸入制御装置１２を制御信号Ａで制御することで、吸入空気のレベルを最大負荷レベルに制御する。
【００２８】
工程３０２において、タービン１が部分負荷で運転していることが決定された場合は、バイパス流を加熱するように、圧縮機１０からのバイパス流は排気部４０の熱交換器４１を通るように導かれる。タービン制御部６０は、指令Ｉがタービン１を部分負荷で運転するものであることを検出し、制御信号Ｂ〜Ｄを調整し、燃焼室２１に提供される燃料を減らし、バイパス弁５１からの出口５７を閉じ、バイパス弁５１からの出口５８を開ける。バイパス弁５１からのバイパス流は、導管５４を通って熱交換器４１に流れ、加熱されたバイパス流は、導管５５を通ってタービン部３０へと戻される。
【００２９】
したがって、最大負荷運転の間、冷たいバイパス流がタービン部３０に付与され、タービン部３０の構成部品の温度を所定の範囲内に維持し、部分負荷運転の間、冷たいバイパス流は加熱されてタービン部３０に供給され、タービン１の運転効率を向上させる。
【００３０】
上記の実施形態では、バイパス流は排気部４０によって加熱されるように説明されたが、別の実施形態によれば、任意の熱源が排気を加熱するのに用いられてもよい。図５では、バイパス回路５０がバイパス流を加熱部８０に選択的に送るタービン１が例示される。加熱部８０は、例えば、排気部４０、蒸気源、熱交換器、および燃料燃焼部のいずれか一つを含む。
【００３１】
本発明は、限られた数の実施形態に関連してのみ詳細に説明されたが、これらの開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、本発明の精神および範囲に相応する、ここまで説明されていないあらゆる変形品、代替品、代用品、または同等品を組み入れるように変更することができる。また、本発明の様々な実施形態が説明された一方で、本発明の態様は、説明された実施形態の一部だけを含んでいてもよいことは理解されよう。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると理解されることはなく、添付の特許請求の範囲のみによって限定される。
【符号の説明】
【００３２】
１  タービン
１０  圧縮機
１１、４３、５７、５８  出口
１２  吸入制御装置
２０  燃焼部
２１  燃焼室
２２、３１、３２、４２、５６、７２  入口
２３  燃料供給部
２４、５２、５３、５４、５５  導管
３０  タービン部
４０  排気部
４１  熱交換器
４２  入口
５０  バイパス回路
５１  バイパス弁
６０  タービン制御部
６１  処理部
６２  記憶部
６３  インターフェース部
６４〜６８  端子
Ａ〜Ｄ  制御信号
Ｆ  燃料
Ｉ  入力命令
３０１〜３０４  運転
７１  連結導管
７３  軸
７４  動翼
７５  静翼
７６  筺体
【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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