(57)【要約】【課題】  洗浄モードによって予防保全を可能にし、運転モード中の効率回復をもたらす水供給システムを提供する。【解決手段】  回転軸（１１２）の周りに配置された複数のブレード段（１１０）を有するガスタービン圧縮機（１０２）のための水供給システム（１００）が提供される。複数のブレード段（１１０）は空気流（１１８）を圧縮するように構成される。水供給システム（１００）は、複数のブレード段（１１０）のうちの少なくとも１つの対の間に水を噴射するノズルシステム（１２０）と、ノズルシステム（１２０）から噴射される水が、複数のブレード段（１１０）の運転モード中に出力を増加させる第１の圧力で噴射されるか、複数のブレード段（１１０）の洗浄モード中に複数のブレード段（１１０）のうちの少なくとも一部を洗浄する第２の低い圧力で噴射されるように制御する制御装置（１２２）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】
回転軸（１１２）の周りに配置された複数のブレード段（１１０）を有するガスタービン圧縮機（１０２）のための水供給システム（１００）であって、前記複数のブレード段（１１０）は空気流（１１８）を圧縮するように構成されており、
前記複数のブレード段（１１０）のうちの少なくとも１つの対の間に水を噴射するノズルシステム（１２０）と、
前記ノズルシステム（１２０）から噴射される水が、前記複数のブレード段（１１０）の運転モード中に出力を増加させる第１の圧力で噴射されるか、前記複数のブレード段（１１０）の洗浄モード中に前記複数のブレード段（１１０）のうちの少なくとも一部を洗浄する第２の低い圧力で噴射されるように制御する制御装置（１２２）と、
を備える水供給システム（１００）。
【請求項２】
前記第１の圧力の水は、低圧蒸気タービン（１２４）から熱回収蒸気発生器（１３２）を経由して供給され、前記第２の圧力の水は、高圧蒸気タービン（１２８）から熱回収蒸気発生器（１３２）を経由して供給される、請求項１に記載の水供給システム（１００）。
【請求項３】
前記複数のブレード段（１１０）の上流で前記空気流（１１８）中に水を噴射するための湿潤システム（１６０）をさらに備える、請求項１に記載の水供給システム（１００）。
【請求項４】
前記ノズルシステム（１２０）から噴射される水は、高圧蒸気タービン（１２８）から熱回収蒸気発生器（１３２）を経由して供給され、前記湿潤システム（１６０）から噴射される水は、ウォーターリザーバからポンプ（１６２）によって供給される、請求項３に記載の水供給システム（１００）。
【請求項５】
前記ノズルシステム（１２０）から供給される水は、高圧蒸気タービン（１２８）から熱回収蒸気発生器（１３２）を経由して供給され、前記湿潤システム（１６０）から噴射される水は、低圧蒸気タービン（１２４）から熱回収蒸気発生器（１３２）を経由して供給される、請求項３に記載の水供給システム（１００）。
【請求項６】
前記湿潤システム（１６０）は、蒸発冷却システムを含む、請求項３に記載の水供給システム（１００）。
【請求項７】
前記ブレード段（１１０）の各々は、回転ブレードのセット及び固定ベーン（１４２）のセットを含み、前記ノズルシステム（１２０）は、前記固定ベーン（１４２）の各対の間に配置されたノズル（１４４）を含む、請求項１に記載の水供給システム（１００）。
【請求項８】
前記ノズル（１４４）の各々は、前記固定ベーン（１４２）の後縁よりも前縁の近くに配置される、請求項７に記載の水供給システム（１００）。
【請求項９】
前記ブレード段（１１０）の各々は、回転ブレードのセット及び固定ベーン（１４２）のセットを含み、前記ノズルシステム（１２０）は、前記ノズル（１４４）の各々は、前記固定ベーン（１４２）の後縁よりも前縁の近くに配置されるノズル（１４４）を含む、請求項１に記載の水供給システム（１００）。
【請求項１０】
前記運転モード中に前記ノズルシステム（１２０）から噴射される水は、超微細噴霧を含む、請求項１に記載の水供給システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に圧縮機に関し、より具体的には、ガスタービン圧縮機、及びこれを備えたガスタービン及び複合サイクル発電プラントのための水供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは発電機と併せて使用されて、様々な環境で電力を生成するようになっている。しかしながら、ガスタービンは、最大出力を必要とする場合が多い高温環境では低出力及び低効率である。加えて、ガスタービンは、接続される電気配電網に現れる需要増加の際に発電量の急増を要求される。電力需要の増加は、電力網の再生可能エネルギ要素の出力が急激に低下した等のいくつかの理由で生じる。ガスタービンの発電量を増加させる１つの手法は、圧縮機回転ブレード上流の圧縮機システム入口に、又は圧縮機の中間段に水を噴射することである。圧縮機内での水の噴射及び蒸発は空気流を冷却し、これによって、圧縮機は、少ない仕事でより多くの質量流を圧縮することができ、ガスタービンの瞬間的なより多くの電力発生につながる（最大３０ＭＷ）。この運転モードにおいて、大きな水滴は圧縮機の運転モード中にブレードを損傷する可能性があるので、水滴サイズは、一般に２０ミクロンよりも小さい。
【０００３】
また、水は、圧縮機ブレードの前段からの蓄積物を浄化するメンテナンスステップの一部として、回転ブレード上流のガスタービン圧縮機入口に噴射することができる。水浄化は、ブレード上の蓄積物を取り除くように作用するので、圧縮機の性能を改善する。しかしながら、浄化に関する１つの課題は、従来の水洗浄では圧縮機ブレードの下流段を浄化できないことである。浄化モードにおいて、蓄積物を浄化するために大きなサイズの水滴、例えば２０ミクロンよりも大きな水滴が使用される。大きなサイズの水滴は、圧縮機内部で蒸発せず及び空気流を冷却しないので出力増加には有効でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，７８４，２８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
洗浄モードによって予防保全を可能にすると共に、運転モード中の効率回復をもたらす水供給システムを提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様では、回転軸の周りに配置された複数のブレード段を有するガスタービン圧縮機のための水供給システムが提供され、複数のブレード段は空気流を圧縮するように構成されており、この水供給システムは、複数のブレード段のうちの少なくとも１つの対の間に水を噴射するノズルシステムと、ノズルシステムから噴射される水が、複数のブレード段の運転モード中に出力を増加させる第１の圧力で噴射されるか、複数のブレード段の洗浄モード中に複数のブレード段のうちの少なくとも一部を洗浄する第２の低い圧力で噴射されるように制御する制御装置と、を備える。
【０００７】
本開示の第２の態様では、ガスタービンのための圧縮機が提供され、圧縮機は、回転軸の周りに配置され、空気流を圧縮するように構成された複数のブレード段と、複数のブレード段のうちの少なくとも１つの対の間に水を噴射するためのノズルシステムと、ノズルシステムから噴射される水が、複数のブレード段の運転モード中に出力を増加させる第１の圧力で噴射されるか、複数のブレード段の洗浄モード中に複数のブレード段のうちの少なくとも一部を洗浄する第２の低い圧力で噴射されるように制御する制御装置と、を備える。
【０００８】
本開示の第１の態様では、蒸気タービンシステムと、該蒸気タービンシステムに作動可能に結合された熱回収蒸気発生器と、該蒸気タービンシステムに作動可能に結合され、燃焼器を含むガスタービンと、ガスタービンの燃焼器に作動可能に結合される圧縮機とを備える複合サイクル発電プラントが提供され、圧縮機は、回転軸の周りに配置され、空気流を圧縮するように構成された複数のブレード段と、複数のブレード段のうちの少なくとも１つの対の間に水を噴射するためのノズルシステムと、ノズルシステムから噴射される水が、複数のブレード段の運転モード中に出力を増加させる第１の圧力で噴射されるか、複数のブレード段の洗浄モード中に複数のブレード段のうちの少なくとも一部を洗浄する第２の低い圧力で噴射されるように制御する制御装置と、を備える。
【０００９】
本開示の例示的な態様は、本明細書で記載される問題及び／又は考察していない他の問題を解決するように意図されている。
【００１０】
本開示のこれらの及びその他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明によるガスタービン圧縮機のための水供給システムの１つの実施形態の概略図。
【図２】本発明の実施形態によるガスタービン圧縮機の中間段を示す断面図。
【図３】本発明の実施形態による水供給システムのノズルの詳細な断面図。
【図４】本発明によるガスタービン圧縮機のための水供給システムの別の実施形態の概略図。
【図５】本発明によるガスタービン圧縮機のための水供給システムのさらに別の実施形態の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の図面は必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。
【００１３】
前述のように、本開示は、ガスタービン圧縮機のための水供給システムを提供する。水供給システムは、相反する要件にもかかわらず湿り圧縮及び水洗浄を組み合わせた様式で提供する。
【００１４】
図１を参照すると、本発明の実施形態によるガスタービン圧縮機１０２のための水供給システム１００の実施形態を組み込んだ複合サイクル発電プラント９０の概略図が示されている。本発明の実施形態は複合サイクル発電プラント９０の環境で説明されているが、これらの教示は、例えば蒸気タービンシステムをもたないシステムといった多様な別の環境に適用できることに留意されたい。一般に、複合サイクル発電プラント９０は、蒸気タービンシステム１０８、及び公知の様式で蒸気タービンシステム１０８に作動可能に結合した熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１３２を含むことができる。加えて、プラント９０は、蒸気タービンシステム１０８に作動可能に結合したガスタービン１０６を含み、ガスタービンは燃焼器１０４を含む。圧縮空気流を供給するための圧縮機１０２は、ガスタービン１０６の燃焼器１０４に作動可能に結合する。
【００１５】
ガスタービン圧縮機１０２は、ガスタービン１０６のための燃焼器１０４に空気流１１８を供給する。図示のように、ガスタービン１０６は、蒸気タービンシステム１０８に結合する。ガスタービン圧縮機１０２は、回転軸１１２の周りに配置された複数のブレード段１１０を含む。特定の段数、つまり８段のブレード段１１０が示されているが、より多い又はより少ないブレード段を設けることができることを理解されたい。慣例として、本明細書の他のところで説明するように、各ブレード段１１０は、回転ブレードのセット及び固定ベーンのセットを含む。回転軸１１２は、圧縮機１０２、ガスタービン１０６、及び蒸気タービンシステム１０８を連結することができるが、必要であれば、ガスタービン１０６及び蒸気タービンシステム１０８は別個の回転軸上に設けることができる。複数のブレード段１１０は、公知の様式で、空気流１１８を圧縮して燃焼器１０４に供給するように構成される。ガスタービン１０６及び蒸気タービンシステム１０８は、１つ又は複数の発電機（図示せず）に結合することができ、公知の様式で、これらの稼働で発電するようになっている。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、水供給システム１００は、ノズルシステム１２０を含むことができ、例えば、２つの隣接する回転ブレードセットの間の固定ベーン領域において、複数のブレード段１１０の少なくとも１つの対の間に水を噴射するようになっている。本明細書で説明するように、ノズルシステム１２０は、この機能性を可能にする様々なパイプ、バルブ、ノズル等を含む。また、水供給システム１００は制御装置１２２を含み、この制御装置は、ノズルシステム１２０で噴射された水が、複数のブレード段１１０の運転モード中に出力を増加させる第１の圧力で噴射されるか、複数のブレード段の洗浄モード中にブレード段１１０の少なくとも一部のブレードを洗浄する第２の低い圧力で噴射されるかを制御する。
【００１７】
図１の実施形態において、水供給システム１００のための水は、例えば、低圧（ＬＰ）蒸気タービン１２４、中間圧力（ＩＰ）蒸気タービン１２６、及び高圧（ＨＰ）蒸気タービン１２８を含むことができる蒸気タービンシステム１０８から供給することができる。ノズルシステム１２０のための水は、例えば、ＨＰ蒸気タービン１２８から熱回収蒸気発生器１３２を経由して供給することができる。熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１３２は、低圧回収セクション１３４、中間圧力回収セクション１３６、及び高圧回収セクション１３８を含むことができる。従来通り、各回収セクション１３４、１３６、１３８は、蒸気を回収する過熱器部分、蒸気及び水を回収する蒸発器部分、水だけを回収するエコノマイザを含むことができる。ノズルシステム１２０のための水は、例えば、ＨＰ蒸気タービン１２８からＨＲＳＧ１３２を経由して供給することができる。例えば、水は、ＨＲＳＧ１３２のＨＰ回収セクション１３８のエコノマイザから供給することができる。制御装置１２２は、ＨＰ蒸気タービン１２８からの水を、第１の圧力でノズルシステム１２０に供給するか、又は第２の低い圧力でノズルシステム１２０を経由して供給するかを制御する。制御装置１２２は、水をノズルシステム１２０に供給する配管１４０のバルブ１４８を制御する等の、種々の機構を利用してこの制御を行うことができる。別の実施形態において、ポンプ１７０（図１に破線で示す）は、制御装置１２２で制御することができ、ノズルシステム１２０に第１の圧力の水を又は第２の圧力の水を供給するかを決定するようになっている。ポンプ１７０は、バルブ１４８の代替手段として又は追加手段として使用することができる。可能であれば、ポンプ１４８の可変周波数駆動装置は、制御装置１２２によって制御することができ、ノズルシステム１２０から噴射される水は、第１の圧力か又は第２の低い圧力で噴射されるようになっている。
【００１８】
図２を参照すると、本発明の実施形態によるガスタービン圧縮機１０２（図１）の例示的な中間段１１０Ａの断面図が示されている。中間段１１０Ａは、複数のブレード段１１０のうちの第１、第２、最後から２段目、及び最終段以外の任意の段とすることができる。例えば、１４段の圧縮機において、段１１０Ａは、３段から１２段の間の任意の段とすることができる。図２に示すように、各ブレード段１１０は、回転ブレード１４０のセット及び固定ベーン１４２のセットを含む。回転ブレード１４０は、図２に示すように、固定ベーン１４２の隣の平面内にある。
【００１９】
１つの実施形態において、ノズルシステム１２０は、段１１０Ａの固定ベーン１４２の各対の間に配置されたノズル１４４を含む。換言すれば、ノズル１４４は、円周方向に離間した各ベーン１４２の間に配置され、各ノズル１４４は、圧縮機１０２（図１）のケーシング１４６を貫通して又はその内部に配置されている。各ノズル１４４は、圧縮機１０２内の流体流に可変圧力で水滴を噴射することができる、任意の公知の又は今後開発されるノズル構造を含むことができ、結果的に様々なサイズの水滴がもたらされる。図３を参照すると、１つの実施形態において、水を確実に分配及び供給するために、各ノズル１４４は、それぞれの固定ベーン１４２の後縁１５２よりも固定ベーン１４２の前縁１５０の近くに配置することができる。図２に示すベーン及びノズルの数は、例示的であり本発明を限定すると見なすべきではなく、種々の異なる構成が可能であることを理解されたい。
【００２０】
図１及び４を参照すると、複数のブレード段１１０の上流の空気流１１８に水を噴射するための湿潤システム１６０を備えることもできる。ノズル式システムとして概略的に示すが、湿潤システム１６０は、任意の公知の又は今後開発されるノズルシステム又は蒸発冷却システムを含むことができる。蒸発冷却システムは、湿潤することができる何らかの媒体を含むことができ、空気流１１８はその中を通過して加湿及び冷却される。ノズルの形態の場合、このノズルは、圧縮機１０２の入口、例えばベルマウス形入口の周りでリング状に配置することができる。図１に示すように、本明細書に記載の１つの実施形態において、ノズルシステム１２０から噴射される水は、高圧蒸気タービン１２８からＨＲＳＧ１３２経由で供給することができる。ＨＰ蒸気タービン１２８からノズルシステム１２０に供給される圧力、流速、従って水滴のサイズは、制御装置１２２で制御することができる。対照的に、湿潤システム１６０から噴射される水は、制御装置１２２の制御の下で低圧蒸気タービン１２４からＨＲＳＧ１３２を経由して供給することができる。例えば、ＬＰ蒸気タービンからＨＲＳＧ１３２のエコノマイザ経由である。水は、公知の又は今後開発される配管１４２を用いて湿潤システム１６０に供給に供給することができ、この配管は、制御装置１２２で制御されるバルブ１４９を含むことができる。従って、湿潤システム１６０に供給される水は、ノズルシステム１２０に供給される水よりも低圧である。
【００２１】
図４に示す別の実施形態において、ノズルシステム１２０から噴射される水は、高圧蒸気タービン１２８からＨＲＳＧ１３２経由で供給することができ、湿潤システム１６０から噴射される水は、ウォーターリザーバ１６４からポンプ１６２によって供給することができる。ウォーターリザーバ１６４は、複合サイクル発電プラント９０内の任意の水供給源とすることができ、例えば凝縮器リザーバである。ポンプ１６２、例えばその可変周波数駆動装置は、従来方式で制御装置１２２によって制御することができる。
【００２２】
図５に示すさらに別の実施形態において、ノズルシステム１２０から噴射される水、及び湿潤システム１６０から噴射される水の両方は、それぞれ配管２４０、２４２を経由してウォーターリザーバ１６４からポンプ２６２によって供給することができる。この場合も、ウォーターリザーバ１６４は、複合サイクル発電プラント９０内の何らかの水供給源とすることができ、例えば凝縮器リザーバである。ポンプ１６２、例えばその可変周波数駆動装置は、従来方式で制御装置１２２によって制御することができる。また、ノズルシステム１２０から噴射される水は、ポンプ２６２とは独立してバルブ２４８によって制御することができ、第１の圧力又は第２の圧力の水を供給するようになっている。
【００２３】
運転モードにおいて、出力増大状態では、制御装置１２２は、ノズルシステム１２０から噴射する水を第１の圧力で供給し、これによって出力増加のための超微細噴霧が生成される。本明細書で用いる場合、用語「超微細噴霧」は、ＤＶ９０で２０ミクロンの水滴サイズ分布を指し、例えば、水分量の９０％が３０ミクロンより小さな液滴サイズを有する。第１の圧力は、約１３．７メガパスカル（ＭＰａ）から約１７．９ＭＰａの範囲とすることができる。別の方法として、ノズルシステム１２０がブレード段１１０の中間段１１０Ａに水を供給すると同時に、湿潤システム１６０は、さらなる出力増大をもたらすために各段１１０の上流に水を供給することができる。また、必要であれば、湿潤システム１６０は、ノズルシステム１２０なしで作動することができる。圧縮機１０２の中間段１１０Ａ及び後段のための洗浄モードにおいて、制御装置１２２は、ノズルシステム１２０から噴射する水を第２の低い圧力で供給する。第２の低い圧力において、水滴サイズは、約１００ミクロンから約２００ミクロンの範囲となることができる。第２の圧力は、約１．２ＭＰａから約２．５ＭＰａの範囲とすることができる。湿潤システム１６０は、典型的には洗浄モードでは不作動となる。
【００２４】
水供給システム１００は、古い機械に対して洗浄モードによって予防保全を可能にすると共に、運転モード中の効率回復をもたらす。水供給システム１００の第１の圧力を使用した迅速な出力増加は、例えば最大２０％であり、一方でシステム１００は、追加構造なしで洗浄モードにおいて中間ブレード段１１０Ａの洗浄を行うことができる。加えて、水供給システム１００は、運転モードにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）排出を低減することができる。最後に、水供給システム１０は、ガスタービンの燃焼温度を低下させることができ、高温ガス部品の寿命が延びる。
【００２５】
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び／又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
【００２６】
特許請求の範囲における全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する構造、材料、作用及びその均等物は、特に特許請求したような他の特許請求した要素と組合せて機能を実行するあらゆる構造、材料又作用を含むことを意図している。本開示の記載は例示及び説明の目的で示してきたが、本開示を開示の形態のみを包含するものとすること或いはその形態に限定することを意図するものではない。本開示の範囲及び技術的思想から逸脱することなく、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本実施形態は、本開示の原理及び実施可能な用途を最も良く説明するようにまた企図される特定の用途に適するような様々な修正を含む様々な実施形態の開示を当業者が理解するのを可能にするように、選択しかつ説明してきた。
【符号の説明】
【００２７】
９０  複合サイクル発電プラント
１００  水供給システム
１０２  ガスタービン圧縮機
１０４  燃焼器
１０６  ガスタービン
１０８  蒸気タービンシステム
１１０  ブレード段
１１２  回転軸
１１８  空気流
１２０  ノズルシステム
１２２  制御装置
１２４  低圧（ＬＰ）蒸気タービン
１２６  中間圧力（ＩＰ）蒸気タービン
１２８  高圧（ＨＰ）蒸気タービン
１３２  熱回収蒸気発生器
１３４  低圧回収セクション
１３６  中間圧力回収セクション
１３８  高圧回収セクション
１４０  配管
１４２  固定ベーン
１４４  ノズル
１４６  ケーシング
１４８  バルブ
１４９  バルブ
１５０  前縁
１５２  後縁
１６０  湿潤システム
１６２  ポンプ
１６４  ウォーターリザーバ
１７０  ポンプ
２４０  配管
２４２  配管
２４８  バルブ
１１０Ａ  段
【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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【外国語明細書】
2016084809000001.pdf