(57)【要約】【課題】低負荷での運転用のガスタービンシステム（１００）を提供する。【解決手段】本ガスタービンシステム（１００）は、幾つかの入口案内翼（１５０）と、圧縮機（１１０）と、タービン（１４０）と、該ガスタービンシステム（１００）からのエミッションを所定のレベル以下に保つための空気移動手段（１５５、１７５、１８０、２１０）とを含むことができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低負荷での運転用のガスタービンシステム（１００）であって、
複数の入口案内翼（１５０）と、
圧縮機（１１０）と、
タービン（１４０）と、
該ガスタービンシステム（１００）からのエミッションを所定のレベル以下に保つための空気移動手段（１５５、１７５、１８０、２１０）と
を備えるガスタービンシステム（１００）。
【請求項２】
前記空気移動手段（１５５、１７５、１８０、２１０）が、前記圧縮機（１１０）から前記複数の入口案内翼（１５０）の上流まで延びる入口ブリード加熱ライン（１６０）を含む、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項３】
前記圧縮機（１１０）が圧縮機吐出ケーシング（１２０）を備えていて、空気再循環手段（１５５、１７５、１８０、２１０）が、前記圧縮機吐出ケーシング（１２０）から前記複数の入口案内翼（１５０）の上流まで延びる入口ブリード加熱ライン（１６０）を含む、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項４】
前記圧縮機（１１０）が複数の段を含んでいて、前記空気移動手段（１５５、１７５、１８０、２１０）が、下流圧縮機段から上流圧縮機段まで延びる圧縮機再循環ライン（１６０）を含む、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項５】
前記空気移動手段（１５５、１７５、１８０、２１０）が、前記圧縮機（１１０）から前記タービン（１４０）まで延びる圧縮機冷却ライン（１９０）を含む、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項６】
前記空気移動手段（１５５、１７５、１８０、２１０）が、前記圧縮機（１１０）から前記タービン（１４０）の下流まで延びる抽出ライン（１９０）を含む、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項７】
前記圧縮機（１１０）が圧縮機吐出ケーシング（１２０）を含んでいて、空気抽出手段（１５５、１７５、１８０、２１０）が、前記圧縮機吐出ケーシング（１２０）から前記タービン（１４０）の下流まで延びる抽出ライン（１９０）を含む、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項８】
該ガスタービンシステム（１００）の負荷が、約３０％程度の低さである、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項９】
低負荷での運転用のガスタービン（１００）であって、
複数の入口案内翼（１５０）と、
圧縮機（１１０）と、
前記圧縮機から流出する出口空気ストリームの温度を上昇させるための空気再循環手段（１７５）と
を備えるガスタービン（１００）。
【請求項１０】
低負荷での運転用のガスタービンシステム（１００）であって、
複数の入口案内翼（１５０）と、
圧縮機（１１０）と、
タービン（１４０）と、
前記圧縮機から空気を抽出するための空気抽出手段（１８０）と
を備えるガスタービンシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービンエミッション規制順守を低負荷において拡大適用するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料コストの上昇のために、殆ど全出力で運転するように設計された天然ガス燃焼発電プラントは、現在では間欠的に運転されている。現在では、安定した電力出力の大半は一般的に、石炭及び核エネルギーによって発電されている。ガスタービンはますます、ピーク需要期間の間の差を補うために使用されている。例えば、ガスタービンは、日中の間にだけ使用し、電力需要がより低い夜間の間には休止させることができる。
【０００３】
負荷の減少又は「ターンダウン」時に、ガスタービンは一般的に、全定格負荷出力の約４５パーセント（４５％）に至るまでエミッション規制順守（コンプライアンス）を保つことができる。この負荷以下では、一酸化炭素（ＣＯ）エミッションが指数関数的に増加し、システムが全体としてエミッション規制順守しなくなる可能性がある。一般的に言われているが、エミッション規制順守というのは、タービンが全体として保証又は所定最低エミッションレベルよりも低いレベルを発生することを必要とする。そのようなレベルは、周囲温度、システム寸法及びその他の変数によって変化する可能性がある。
【０００４】
低出力需要によりエミッション規制順守状態を保つことができないためにガスタービンを運転停止しなければならない場合には、複合サイクル用途におけるその他の装置もまた、オフラインにする必要がある可能性がある。そのような装置には、熱回収蒸気発生器、蒸気タービン及びその他の装置を含むことができる。ガスタービンの運転停止後に、これらの他のシステムを再びオンラインに戻すことは、費用がかかりかつ時間がかかるものとなる可能性がある。
【０００５】
そのような起動の要件は、需要が高い時に発電プラントを発電に利用するのを妨げるおそれがある。低電力需要期間の間にガスタービンをオンラインにかつエミッション規制順守状態に保って起動の時間及び費用を回避するようにすることができる場合には、戦略的運転の利点があることになる。
【特許文献１】米国特許第７，１２４，５９１号公報
【特許文献２】米国特許第７，１８１，９１６号公報
【特許文献３】米国特許第７，１８５，４９４号公報
【特許文献４】米国特許第６，４４９，９５６号公報
【特許文献５】米国特許第３，３９４，２６５号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５／０２３５６４９号公報
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５／０２６８６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、低負荷の期間の間にガスタービンのエミッション規制順守を拡大適用する方法に対する要望が存在する。エミッション規制順守を保ちながらガスタービンの負荷を減少させることにより、オペレータは、これらのピーク需要機会の利点を生かすことが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本出願は、低負荷での運転用のガスタービンシステムを提供する。本ガスタービンシステムは、幾つかの入口案内翼と、圧縮機と、タービンと、該ガスタービンシステムからのエミッションを所定のレベル以下に保つための空気移動手段とを含むことができる。
【０００８】
本出願はさらに、低負荷での運転用のガスタービンについて記述する。本ガスタービンは、幾つかの入口案内翼と、圧縮機と、該圧縮機から流出する出口空気ストリームの温度を上昇させるための空気再循環システムとを含むことができる。
【０００９】
本出願はさらに、低負荷での運転用のガスタービンシステムについて記述する。本ガスタービンシステムは、幾つかの入口案内翼と、圧縮機と、タービンと、圧縮機から空気を抽出するための空気抽出システムとを含むことができる。
【００１０】
本出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と共に以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、幾つかの図全体にわたって同じ参照番号が同様の要素を指す図面を参照すると、図１は、ガスタービンシステム１００の概略図である。ガスタービンシステム１００は、圧縮機吐出ケーシング１２０を備えた圧縮機１１０と、燃焼器１３０と、タービン１４０とを含むことができる。一般的に言われているが、ガスタービンシステム１００は、入口案内翼１５０の組を通して周囲空気を受ける。周囲空気は、圧縮機１１０によって加圧されかつ燃焼器１３０に送給され、燃焼器１３０において、加圧空気は、燃料流を燃焼させて高温燃焼ガスを生成するために使用される。高温燃焼ガスは、タービン１４０に送給され、タービン１４０において、高温燃焼ガスは、膨張して幾つかのブレード及びシャフトを介して機械エネルギーになる。タービン１４０及び圧縮機１１０は一般的に、共通のシャフトに連結され、共通のシャフトはまた、発電機又は他の種類の負荷に連結することができる。燃焼反応区域温度を上昇させてＣＯ（一酸化炭素）形成を抑制しかつさらに火炎を安定させることによって、エミッション規制順守を拡大適用することを可能にすることができる。エミッション規制順守というのは、ガスタービンシステム１００からの全体としてのエミッションが、所定のレベル以下に保たれることを意味する。
【００１２】
第１の方法は、入口ブリード加熱の使用と入口案内翼１５０の角度を減少させることとを含む。入口案内翼１５０の最小角度を減少させることにより、ガスタービンシステム１００を通るコア空気流量が減少して、燃焼器１３０内の反応区域温度が上昇するようになる。ターンダウンの間に、入口案内翼１５０の角度は、最小角度又は排気温度等温線に到達するまで減少させることができる。この温度レベル以上での運転は、下流の構成要素に損傷を与えることになる可能性がある。これらの限界値のいずれかに到達した後には、負荷を減少させるのに、燃料流量を減少させることが必要になる。しかしながら、このように減少させることは、燃焼器１３０内の反応区域温度を低下させ、ＣＯの形成を促進する可能性がある。従って、入口案内翼１５０の最小角度をさらに減少させることにより、燃料流量を減少させることが必要となる前に低負荷における排気温度等温線に沿った運転を可能にすることができる。これらの最小角度により、周囲温度範囲の一部分にわたってターンダウンの改善を得ることができる。本明細書では、ガスタービン１００の性質に応じて、一般的な全運転範囲を約４０度〜約９０度に拡大した状態で、約３０〜約５０度の角度を使用することができる。本明細書では、その他の角度も、使用することができる。
【００１３】
入口案内翼１５０の角度は一般的に、排気温度を等温線に又は等温線以下に保つように開かれる。排気温度等温線を高めることによりまた、入口案内翼１５０のより小さい角度での運転を可能にすることができる。等温線を高めることは、ガスタービン１００の運転パラメータを全体として調整することによって達成することができる。さらに、ダクト絶縁材の追加、異なる材料選定及び他の構成要素の変更によって、等温線は変動させることができる。
【００１４】
図１の実施形態では、入口ブリード加熱構成１５５を示している。この構成は、入口ブリード加熱ライン１６０を含み、入口ブリード加熱ライン１６０は、圧縮機吐出ケーシング１２０と入口案内翼１５０との間に配置することができる。入口ブリード加熱ライン１６０は、圧縮機吐出ケーシング１２０から空気を抽出し、その空気を入口案内翼１５０の上流に導入する。入口ブリード加熱ラインバルブ１７０は、入口ブリード加熱ライン上に配置することができる。バルブ１７０は、従来型の設計とすることができる。圧縮機吐出ケーシング１２０から空気を再循環させることにより、圧縮機１１０の入口温度を上昇させ、コア空気流量を減少させ、かつサージマージンを改善して、入口案内翼１５０のより小さい角度での運転を可能にすることができる。
【００１５】
図２は、圧縮機再循環構成１７５を示している。この構成１７５では、入口ブリード加熱ライン１６０は、直接圧縮機１１０に連結される。圧縮機空気はまた、あらゆる段において抽出し、次に必要とされる早い段に再導入することができる。従って、そのような入口ブリード加熱は圧縮機１１０の全流路（図１）に影響を与えるので、圧縮機１１０からの空気の再循環は、入口ブリード加熱の使用に見られた全体効率への悪影響なしでサージマージンを改善することができる。再循環空気は、コア空気流量を減少させかつ燃焼器１３０内の燃焼温度を上げるように入口案内翼１５０の小さい角度での運転を可能にする。
【００１６】
図３は、圧縮機抽出構成１８０の概略図を示している。この構成１８０は、幾つかの圧縮機冷却ライン１９０を含むことができる。圧縮機冷却ライン１９０の各々は、該圧縮機冷却ライン１９０上に配置されたバルブ２００を有することができる。バルブ２００は、従来型の設計のものとすることができる。圧縮機冷却ライン１９０は、圧縮機１１０からの抽出を行い、燃焼器１３０をバイパスし、かつタービン１４０を冷却する。この構成１８０は、ターンダウンの間における抽出流を増加させる。抽出流は、タービン１４０内又は排気通路内に再導入することができる。
【００１７】
例えば、第１の圧縮機冷却ライン１９０は、圧縮機１１０の第１３段からタービン１４０内の第２段ノズルまで延びると共に、第２の圧縮機冷却ライン１９０は、圧縮機器１１０の第９段からタービン１４０内の第３段ノズルまで延びることができる。排気通路内への導入は、いずれかの種類の排気温度計測位置の上流又は下流とすることができる。抽出は、圧縮機１１０のあらゆる段から取出すことができる。冷却のためには、共通の抽出位置とすることができ、又は特に空気をバイパスさせるためには、別個の位置とすることができる。位置の選択は、再循環効率、圧縮機作動性、耐久性及び音響特性のような要因に応じて決めることができる。現存の抽出位置を使用することもできる。
【００１８】
図４は、圧縮機吐出ケーシング抽出構成２１０の概略図を示している。この構成２１０は、その上にバルブ２３０を備えた圧縮機吐出ケーシング冷却ライン２２０を含むことができる。バルブ２３０は、従来型の設計のものとすることができる。抽出は、入口ブリード加熱ラインで使用したのと同じ位置から取出すことができ、或いは付加的な抽出部を使用することもできる。圧縮機吐出ケーシング抽出構成２１０は、圧縮機のサージマージンを改善することができ、また抽出量を増加させ、入口ブリード加熱を高め、かつ入口案内翼１５０の最小角度を減少させることができるようにすることができる。
【００１９】
ガスタービン１００の全体構成に応じて幾つかのこれらの方法を使用することができる。事実、各方法は、ターンダウン性能を改善するのに適用可能とすることができる。方法及びそれらの作動及び相互作用は、ガスタービンシステム１００及び関連する燃焼技法の全体設計に応じて決まることになる。具体的には、ターンダウンの改善レベルは、ガスタービンシステム１００のフレーム寸法及び特定の使用燃焼技法に応じて決まることになる。
【００２０】
例えば、乾式低ＮＯｘ２．６燃焼器システムを備えた７ＦＡ＋ｅ型ガスタービンでは、好ましい構成は、入口案内翼１５０の最小角度を減少させること、抽出流量を２倍にすること、及び圧縮機吐出ケーシング１２０から抽出を排気へのバイパス付加的空気に付加することを含むことができる。７ＦＡ＋ｅ型ガスタービンは、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能である。同様の燃焼器システムを備えた９ＦＢ型ガスタービンの場合には、等温線を高めることで入口案内翼１５０の最小角度を減少させることのみが必要とされることになる。９ＦＢ型ガスタービンもまた、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能である。本明細書では、その他の種類のガスタービンも使用することができる。これら様々な方法を使用することによって、エミッション規制順守は、負荷の約３０パーセント（３０％）に至るまで保つことができる。その他の改善もまた、可能である。
【００２１】
以上の説明は、本出願の好ましい実施形態のみに関するものであること、また当業者は、提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく本明細書において数多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】入口ブリード加熱構成の概略図。
【図２】圧縮機再循環構成の概略図。
【図３】圧縮機抽出構成の概略図。
【図４】圧縮機吐出ケーシング構成の概略図。
【符号の説明】
【００２３】
１００  ガスタービンシステム
１１０  圧縮機
１２０  圧縮機吐出ケーシング
１３０  燃焼器
１４０  タービン
１５０  入口案内翼
１５５  入口ブリード加熱構成
１６０  入口ブリード加熱ライン
１７０  バルブ
１７５  圧縮機再循環構成
１８０  圧縮機抽出構成
１９０  圧縮機冷却ライン
２００  バルブ
２１０  圧縮機吐出ケーシング抽出構成
２２０  圧縮機吐出ケーシング冷却ライン
２３０  バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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