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JP2002097970A - ガスタービン発電設備における圧縮機吐出ブリード空気回路及び関連の方法 - Google Patents

ガスタービン発電設備における圧縮機吐出ブリード空気回路及び関連の方法

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JP2002097970A
JP2002097970A JP2001139395A JP2001139395A JP2002097970A JP 2002097970 A JP2002097970 A JP 2002097970A JP 2001139395 A JP2001139395 A JP 2001139395A JP 2001139395 A JP2001139395 A JP 2001139395A JP 2002097970 A JP2002097970 A JP 2002097970A
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フィリップ・ファデル・ベロー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン発電設備における圧縮機吐出ブ
リード空気回路。 【解決手段】 圧縮機、タービン構成要素及び負荷構成
要素を含み、燃料及び圧縮機吐出ブリード空気が燃焼器
に供給され、燃焼による気体生成物がタービン構成要素
内に導かれその後大気に排出されるガスタービンシステ
ム。圧縮機吐出ブリード空気回路は、圧縮機からブリー
ド空気を取出し、ブリード空気の一部を燃焼器に供給
し、ブリード空気の他の部分を単純サイクルシステムで
はタービン構成要素の排気筒に、また複合サイクルシス
テムでは熱回収蒸気発生器に供給する。両システムにお
いて、燃焼器から分岐されたブリード空気は、空気エキ
スパンダ内で膨張し、排気筒又は熱回収蒸気発生器の上
流の圧力を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン発電
設備における圧縮機吐出ブリード空気回路及びその作動
方法に関する。
【０００２】
【従来技術】ガスタービンの応用には、ガスタービン発
電設備の運転でガスタービンの圧力比が圧縮機の作動圧
力比の限界に達し、その結果圧縮機サージを起こす事例
がある。このような事例は、低Ｂｔｕ燃料又はその他大
量の稀釈物が注入された他の何らかの燃料が用いられる
場合、及び／又は寒冷な周囲温度条件において起きてい
る。タービン圧力比はタービン燃焼器内での圧力損失の
影響下にあるところから、圧縮機圧力比は一般的にター
ビン圧縮比より大きい。
【０００３】圧縮機圧力比を維持するために一般的に用
いられてきた１つの解決法は、圧縮機の吐出空気を抽気
（ブリード）し、そのブリード空気を圧縮機入口に再循
環させるものである。入口ブリード熱（ＩＢＨ）制御と
して知られているこのガスタービン運転の方法は、より
低温の周囲空気に高温の圧縮機吐出空気のブリード部分
を混合することによって、圧縮機入口空気の入口温度を
上昇させ、それによってガスタービンに流れる空気密度
と質量流量を減少させるものである。この解決法では、
圧縮機サージは解消されるが、これはまた単純サイクル
運転でも複合サイクル運転でもタービン出力を減少させ
る。複合サイクルの場合には、減少したガスタービン排
出流量が、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）で生成される
蒸気を減少させ、その結果蒸気タービン出力も減少す
る。ＩＢＨは、圧縮空気を絞ることによるエネルギー損
失によりガスタービンの熱効率をも低下させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、圧縮機圧力
比の維持を行なうための改善された圧縮機ブリード空気
法を提供し、それにより単純あるいは複合サイクルガス
タービン発電設備の出力及び効率の改善（ＩＢＨ方式と
比較して）をもたらす。本発明は主として、特にではな
いが、標準型拡散炎燃焼器を用いるガスタービンに適用
できる。
【０００５】本明細書では２つの実施形態を示す。どち
らの形態も、単純及び複合サイクルシステムのいずれに
も適用できる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第１の実施形態では、本
発明は、圧縮機圧力比の限界を維持するのに十分なガス
タービン圧縮機吐出空気を抽気（ブリード）する段階
と、ブリードした空気を単純サイクルシステムではガス
タービン（ＧＴ）排出ガスと混合し、複合サイクルシス
テムにおいては適切な位置（例えば２つの流れの温度差
が最小であるＨＲＳＧの排気筒）で混合する段階を含
む。この技術では、圧縮機入口温度の上昇がなく、ＩＢ
Ｈ方式のように出力の低下がない。
【０００７】第２の実施形態ではガスタービンの運転時
間のうちの大きな部分において圧縮機のブリード機能が
活動しているが、この方法は、圧縮機の空気吐出圧力と
ＧＴ排気筒（あるいはＨＲＳＧ）圧力の差に関連する余
剰エネルギーを回収するための空気エキスパンダ装置を
用いている点を除いて、上記のものに類似している。出
力の増加に加えて、この方法はまた発電設備のより高い
効率をもたらす。この第２実施形態では、圧縮機吐出ブ
リード空気の一部を絞り装置を介してエキスパンダを迂
回させ、エキスパンダから吐出される流路に結合して、
それによって始動時、停止時及びエキスパンダが作動し
ていない他の故障時に設備の運転を可能にしている。
【０００８】以下は、追加の随意選択的な変更形態であ
り、所定の適用例の経済的利点に基づいて選択（単純サ
イクル及び複合サイクル運転の両方において、単独にあ
るいは適切な組み合わせで）することができる。圧縮機
からの高圧力のブリード空気は、必要に応じ、エキスパ
ンダの出力を改善するために空気エキスパンダに導く前
に、予熱器によってさらに加熱される。この熱源は、例
えば高温冷却器を備えたガス化装置の場合のように上流
から、もしくは廃熱ボイラ内のガスタービン排気から回
収される排気ガス熱のように下流から回収される熱エネ
ルギーとすることができる。代わりに、熱源は、予熱器
に別個に供給される空気と燃料の燃焼を含むこともでき
る。
【０００９】従ってより広い態様において、本発明は、
圧縮機、タービン構成要素及び負荷構成要素を含み、燃
料及び圧縮機吐出ブリード空気が燃焼器に供給され、燃
焼による気体生成物がタービン構成要素内に導かれその
後大気に排出され、さらに、圧縮機からブリード空気を
取出し、ブリード空気の一部を燃焼器に供給し、またブ
リード空気の他の部分をタービン構成要素の排気筒に供
給する圧縮機吐出ブリード空気回路を含む単純サイクル
ガスタービンシステムに関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１について、単純サイクルガス
タービンシステム１０は、単一のロータ又はシャフト１
８上に配置された圧縮機１２、タービン構成要素１４及
び負荷構成要素（例えば発電機）１６を備えている。ガ
スタービンの燃焼器２０は、流路２２及び制御弁２４を
介して燃料を、また流路２６を介して圧縮機１２からの
ブリードされた高温吐出空気を受入れる。燃焼ガスは、
流路２８を介してタービン構成要素１４内に導かれる。
【００１１】圧縮機サージの可能性がある状態では、圧
縮機の吐出ブリード空気回路が用いられる。この回路
は、圧縮機吐出ブリード空気の一部を燃焼器を迂回さ
せ、ブリード空気を流路３２及び絞りバルブ３４を介し
て直接ガスタービン排気筒３０へ導く。また、バルブ３
４は、燃焼器２０内に導かれるブリード空気の量を制御
する。
【００１２】十分な圧縮機吐出ブリード空気を取出しそ
れを直接ガスタービン排気筒３０に供給することによっ
て、圧縮機圧力比限界は維持され、同時に、圧縮機入口
空気温度の上昇がなく、従ってタービン出力の損失もな
い。
【００１３】図２において、圧縮機ブリード空気機能が
ガスタービン運転時間のうちの大きな部分にわたって使
用される場合に、特に有利な配置が示されている。この
実施形態においては、ガスタービンシステム３６は、単
一のロータ又はシャフト４４上に配置された圧縮機３
８、タービン構成要素４０及び負荷構成要素（例えば発
電機）４２を備えている。燃焼器４６は、流路４８及び
燃料制御弁５０を介して燃料を、また流路５２を介して
圧縮機３８からの圧縮機吐出ブリード空気を受入れる。
燃焼ガスは、流路５４を介してタービン構成要素４０内
へと導かれる。予め定められた比率の圧縮機吐出ブリー
ド空気が、流量制御／迂回バルブ５６に導かれる。圧縮
機サージの可能性がある状態においては、バルブ５６は
圧縮機吐出ブリード空気を流路７０を介して空気エキス
パンダ６８に供給し、圧縮機空気吐出圧力とガスタービ
ン排出圧力との差を示す空気が、第２の負荷構成要素７
２（例えば発電機）をシャフト７４を介して駆動するの
に用いられる。随意選択的に、バルブ５６は、流路６０
及び流量制御絞りバルブ６２を介して圧縮機吐出ブリー
ド空気をガスタービン排気筒５８に調節可能に切換え流
すことも可能である。これは、始動時、停止時及びエキ
スパンダが作動していない他の故障時に、設備の運転を
継続する迂回方式（エキスパンダ６８を迂回する）とし
て有用である。
【００１４】別の配置として、バルブ５６は、流路６６
を介して圧縮機吐出ブリード空気を予熱器６４に供給す
ることができる。予熱器６４は、流路６６を介して予熱
器６４に供給されるタービン排出空気との熱交換によっ
てブリード空気を加熱する。加熱されたブリード空気
は、次に上記に説明したように膨張させられる。随意選
択的に、予熱器６４は、流路７６を介して別個に導かれ
た燃料を用いて燃焼させることも可能である。エキスパ
ンダ６８からの余剰空気は、流路７８を介して流路６０
へと導かれ、その後ガスタービン排気筒５８に導かれ
る。この余剰空気のある比率のものは、排気筒５８を迂
回させて、流路８０及びバルブ８２を介して排気筒５８
の上流で大気に放出される。
【００１５】次ぎに図３を参照すると、複合サイクルシ
ステム８４は、単一のシャフト９２上に配置された、圧
縮機８６、タービン構成要素８８及び負荷構成要素（例
えば発電機）９０を備えたガスタービンを含む。燃焼器
９４は、流路１００を介して圧縮機８６からブリードさ
れる圧縮機吐出空気と共に、流路９６及び燃料制御弁９
８を介して燃料を受入れる。ガスタービンの排気は、流
路１０２を介して熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１０４
に供給され、蒸気タービン１０６からの蒸気を再加熱す
る。蒸気タービン１０６からの復水された蒸気は、流路
１０８を介してＨＲＳＧ１０４に供給され、再加熱され
た蒸気は流路１１０を介して蒸気タービンに還流され
る。蒸気タービン１０６は、シャフト１１２を通して第
２発電機１０７を駆動する。
【００１６】圧縮機サージの可能性がある状態において
は、圧縮機吐出ブリード空気の一部が、流路１１４及び
流量制御／絞りバルブ１１６を介してＨＲＳＧ１０４に
供給され、そこでガスタービン排気と混合された後ＨＲ
ＳＧ排気筒１１８を介して大気に放出される。図１に示
す実施形態のように、この配置は、圧縮機入口空気温度
の上昇をもたらさず、従って圧縮機は低い周囲温度（あ
るいは圧縮機サージも引き起こす他の要因）の利点を十
分に受けることが可能になる。
【００１７】次ぎに図４には、複合サイクルシステムに
適用可能であり、圧縮機吐出空気圧力とＨＲＳＧ圧力の
差に関連するエネルギーを回収するために空気エキスパ
ンダを用いる配置が示されている。この複合サイクルシ
ステム１２０は、単一のシャフト１２８上に配置され
た、圧縮機１２２、タービン構成要素１２４及び負荷構
成要素（例えば発電機）１２６を備えるガスタービンを
含む。燃焼器１３０は、流路１３６を介して圧縮機１２
２からブリードされる圧縮機吐出空気と共に、流路１３
２及び燃料制御弁１３４を介して燃料を受入れる。燃焼
器１３０からの燃焼ガスは、流路１３１を介してタービ
ン１２４内へ導かれる。ガスタービンの排気は、流路１
３６を介してＨＲＳＧ１４０に供給され、蒸気タービン
１４２からの蒸気を再加熱する。蒸気タービン１４２か
らの復水された蒸気は、流路１４４を介してＨＲＳＧ１
４０に供給され、再加熱された蒸気は、流路１４６を介
して蒸気タービン１４２に還流される。蒸気タービン１
４２は発電機１４５を駆動する。
【００１８】圧縮機サージの可能性がある状態において
は、予め定められた比率の圧縮機吐出ブリード空気が、
流路１５０を介して流量制御／迂回バルブ１４８に導か
れる。バルブ１４８は、流路１６４を介してブリード空
気をエキスパンダ１６２に供給する。随意選択的に、ブ
リード空気は、最初に流路１５８を介して予熱器１５６
に供給されることができる。予熱器１５６は、流路１６
０を介してのＨＲＳＧ内のガスタービン排気との熱交換
を通して圧縮機吐出ブリード空気を加熱する。随意選択
的に、予熱器１５６は、流路１７０を介して導かれた燃
料を使って燃焼させることもできる。加熱された圧縮機
吐出ブリード空気は、次に空気エキスパンダ１６２内で
膨張させられ、余剰空気はシャフト１６８を通して第３
の負荷構成要素(例えば発電機）１６６を駆動するのに
用いられる。始動時、停止時又はエキスパンダが作動し
ていない他の故障時に、バルブ１４８は、流路１５２及
び流量制御／絞りバルブ１５４を介して圧縮機吐出ブリ
ード空気をＨＲＳＧ１４０に切換え流し、従って予熱器
１５６及びエキスパンダ１６２を迂回させることが可能
である。作動中にあっては、エキスパンダ１６２からの
空気は、流路を介してＨＲＳＧ１４０の上流で流路１５
２の中に廃棄される。それは最終的にはＨＲＳＧ排気筒
１７２を介して大気に排出される。この空気のある比率
部分は、ＨＲＳＧ１４０を迂回し、流路１７４及びバル
ブ１７６を介して大気に放出される。
【００１９】上記に説明した圧縮機吐出ブリード空気回
路は、圧縮機サージを生じる条件、即ち、低い周囲空気
温度、タービンへの過剰流量、低熱含量の燃料の使用等
のもとで有用であることは意義深い。圧縮機ブリード空
気を圧縮機の下流に導くことによって、ＩＢＨ方式で起
きるような圧縮機入口温度の上昇及びそれに伴う導入損
失がない。高い周囲温度の場合は、流量が減少し、一般
的に圧縮機サージの危険がないため、本発明のブリード
空気技術は必要ない。
【００２０】本発明を現在最も実用的で好ましいと考え
られる実施形態に関連して説明してきたが、本発明は開
示した実施形態に限定されのではなく、むしろ特許請求
の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる種々の変形
形態及び均等構造を保護しようとするものであることを
理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により圧縮機ブリード空気を排気筒に
導く単純サイクルガスタービンの概略図。
【図２】 本発明により圧縮機ブリード空気の圧力エネ
ルギーを回収する単純サイクルガスタービンの概略図。
【図３】 圧縮機ブリード空気を熱回収蒸気発生器に導
く複合サイクルガスタービンの概略図。
【図４】 縮機ブリード空気の圧力エネルギーを回収す
る複合サイクルガスタービンの概略図。
【符号の説明】
１０ 単純サイクルガスタービンシステム １２ 圧縮機 １４ タービン構成要素 １６ 負荷構成要素 １８ シャフト ２０ 燃焼器 ２２、２６、２８、３２ 流路 ２４ 制御弁 ３０ 排気筒 ３４ 絞りバルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フィリップ・ファデル・ベロー アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ラザ ム、カバリエル・ウェイ、４番 (72)発明者 マイケル・ジャンドリセヴィツ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフ トン・パーク、キャッスル・パインズ、31 番 Ｆターム(参考） 3G071 AB04 BA04 BA11 BA22 DA11 FA03 HA02 JA03 3G081 BA02 BA11 BB00 BC07 BD00 DA30 3H021 AA01 BA13 BA25

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮機（１２）、タービン構成要素（１
    ４）及び負荷構成要素（１６）を含み、燃料及び圧縮機
    吐出ブリード空気が燃焼器（２０）に供給され、燃焼に
    よる気体生成物が前記タービン構成要素（１４）内に導
    かれその後大気に排出され、さらに、前記圧縮機（１
    ２）からブリード空気を取出し、前記ブリード空気の一
    部を前記燃焼器（２０）に供給し、前記ブリード空気の
    他の部分を前記タービン構成要素(１４)の排気筒（３
    ０）に供給する圧縮機吐出ブリード空気回路を含むこと
    を特徴とする単純サイクルガスタービンシステム。
  2. 【請求項２】 圧縮機（８６）、ガスタービン構成要素
    （８８）、第１の負荷構成要素（９０）、熱回収蒸気発
    生器（１０４）及び蒸気タービン（１０６）を含み、燃
    料及び圧縮機吐出ブリード空気が燃焼器（９４）に供給
    され、燃焼による気体生成物が前記ガスタービン構成要
    素（８８）内に導かれその後前記熱回収蒸気発生器（１
    ０４）へ排出されて、前記蒸気タービンからの復水され
    た蒸気（１０６）を再加熱し前記再加熱された蒸気を前
    記蒸気タービン（１０６）に還流させ第２の負荷構成要
    素（１０７）を駆動し、さらに、前記ブリード空気の一
    部を前記燃焼器(９４)に供給し、また前記ブリード空気
    の他の部分を前記熱回収蒸気発生器(１０４)に供給する
    圧縮機吐出ブリード空気回路を含むことを特徴とする複
    合サイクルシステム。
  3. 【請求項３】 圧縮機（１２）、タービン構成要素（１
    ４）及び負荷構成要素（１６）を含み、燃料及び圧縮機
    吐出ブリード空気が燃焼器(２０)に供給され、燃焼によ
    る気体生成物が前記タービン構成要素に導かれ、さら
    に、圧縮機入口空気温度を上昇させることなく低い周囲
    温度条件のもとでの圧縮機サージを避ける手段（３２，
    ３４）を備える圧縮機吐出ブリード空気回路を含むこと
    を特徴とするガスタービン運転システム。
  4. 【請求項４】 圧縮機（１２）、タービン構成要素（１
    ４）及び負荷構成要素（１６）を備えるガスタービン運
    転システムにおいて、低い周囲温度条件のもとでの圧縮
    機サージを避ける方法であって、 ａ．前記圧縮機（１２）から吐出空気をブリードし、前
    記ブリード空気の一部を前記ガスタービンの燃焼器（２
    ０）に供給する段階と、 ｂ．前記ブリード空気の他の部分を前記タービン構成要
    素（１４）の排気筒（３０）に供給し、それにより圧縮
    機入口空気温度を上昇させることなく圧縮機サージを避
    ける段階と、を含むことを特徴とする方法。
JP2001139395A 2000-09-11 2001-05-10 ガスタービン発電設備における圧縮機吐出ブリード空気回路及び関連の方法 Expired - Fee Related JP4754090B2 (ja)

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EP (1) EP1186761B1 (ja)
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CZ (1) CZ200144A3 (ja)

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