JP2004169584A

JP2004169584A - Gas turbine equipment and method for cooling high temperature part of turbine

Info

Publication number: JP2004169584A
Application number: JP2002334497A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Yamanaka; 和典山中; Shinya Marushima; 信也圓島; Shinichi Higuchi; 眞一樋口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【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１An object of the present invention is to provide a gas turbine facility and a method for cooling a turbine high-temperature portion, which enable appropriate control of a flow rate of a refrigerant supplied to a high-temperature portion of the turbine and improve turbine efficiency.
A gas turbine equipment provided with a cooling system for cooling a high temperature part of a turbine and a method for cooling a turbine high temperature part of the gas turbine equipment, wherein the cooling system comprises: a heat exchanger for exchanging heat of a refrigerant; It is characterized by comprising a compressor for compressing the refrigerant from the heat exchanger, and control means capable of adjusting a supply flow rate of the refrigerant. Further, in the cooling system, a step of exchanging heat with the refrigerant, and thereafter, a step of compressing the refrigerant is performed.In the cooling system, a supply flow rate of the refrigerant is adjusted, and the refrigerant is supplied to the turbine high temperature section. And cool.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【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。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to gas turbine equipment and a method for cooling a high-temperature portion of a turbine.
[0002]
[Prior art]
The air discharged from the compressor is cooled by the heat exchanger, and the pressure loss in the cooling air flow path formed in the equipment, piping, and cooling air flow path formed in the high temperature part of the turbine to cool the high temperature part of the turbine is reduced. A system configuration in which the boost compressor is installed in consideration of the above is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-248260 (Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-5-248260
[Problems to be solved by the invention]
Since high-temperature components of a gas turbine are exposed to a combustion gas exceeding the melting point of a metal, cooling with a refrigerant such as air is required. In addition, a boost compressor for increasing the pressure of the refrigerant in consideration of the pressure loss in the cooling passage when supplying the refrigerant for cooling the turbine high-temperature section is required. The power required to drive the boost compressor depends on the refrigerant flow rate, pressure ratio, and the like. As a result, the auxiliary equipment loss of the gas turbine is affected, which also affects the turbine efficiency.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a gas turbine facility and a method for cooling a turbine high-temperature portion, which enable appropriate control of a flow rate of a refrigerant supplied to a high-temperature portion of the turbine and improve turbine efficiency.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the cooling system that cools the high temperature section of the turbine is provided with control means capable of adjusting the supply flow rate of the refrigerant.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As a countermeasure against global warming, it is required to increase the capacity and efficiency of gas turbine power generation equipment. In particular, in gas turbine power generation equipment, in which air compressed by a compressor is guided to a combustor to supply fuel and burn, and the combustion gas drives a gas turbine, the combustion temperature is increased to increase the capacity and capacity. High efficiency can be realized. However, gas turbines that are exposed to hotter combustion gases and recover the energy of the combustion gases can cause damage and develop serious accidents without cooling. For this reason, in a gas turbine power generation facility having a high combustion gas temperature, the high temperature portion of the gas turbine is cooled using compressed air or steam.
[0008]
In a closed cooling air system in which cooling air for cooling the high-temperature portion of the turbine is extracted from the compressor outlet, that is, the combustor chamber, and the cooled air is collected in the original combustor, the pressure at the cooling air extraction position and the pressure at the collection position are the same. Therefore, it is necessary to increase the pressure of the air extracted from the turbine compressor outlet by the boost compressor by an amount corresponding to the pressure loss in the cooling air flow path, the piping, and the accessories in the high temperature portion of the turbine.
[0009]
Since high-temperature components of a gas turbine are exposed to a combustion gas exceeding the melting point of a metal, cooling with a refrigerant such as air is required. By increasing the flow rate of the refrigerant supplied to the high-temperature components, the temperature of the high-temperature components can be lowered, and the reliability of the high-temperature components improves. On the other hand, when the supply pressure of the refrigerant is increased in order to increase the supply flow rate of the refrigerant, the amount of leakage of the refrigerant from the joint of the parts and the like increases, and as a result, the efficiency of the gas turbine decreases.
[0010]
When the supplied refrigerant is cooled and supplied by the heat exchanger, the heat energy exchanged by the heat exchanger is lost. Even if heat recovery is performed to reduce this heat loss, all the heat energy cannot be recovered, so that the unrecovered heat energy is lost and causes a reduction in turbine efficiency. Further, when cooling the high temperature portion of the turbine, the cooling flow path has a complicated and precise structure in order to improve the cooling performance. For this reason, the pressure loss in the cooling channel increases. In some cases, a boost compressor for increasing the pressure of the refrigerant in consideration of the pressure loss in the cooling passages such as pipes, accessories, and blades when supplying the refrigerant for cooling the high temperature portion of the turbine is required. The power required to drive the boost compressor depends on the refrigerant flow rate, pressure ratio, and the like. Therefore, the shaft power required by the boost compressor can be reduced by reducing the flow rate of the refrigerant. When the shaft power of the boost compressor is reduced, the auxiliary efficiency loss of the gas turbine is reduced, so that the turbine efficiency is improved.
[0011]
(Example)
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 shows a high-temperature section cooling system of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
[0012]
The gas turbine facility shown in FIG. 1 mainly includes a compressor 1, a combustor 2, a turbine 3, and a generator 15. The air compressed by the compressor 1 is guided to the combustor 2, mixed with fuel by the combustor 2, and burned to generate combustion gas. The generated combustion gas drives the turbine 3. The compressor 1 disposed coaxially with the turbine 3 is driven by the rotation of the turbine 3. Further, the rotation of the turbine 3 is transmitted to the boost compressor 6 via the transmission 16.
[0013]
In the high temperature section cooling system of the gas turbine according to the embodiment of the present invention, the heat exchanger 4, which is a means for sequentially exchanging heat to an appropriate temperature as cooling air from the upstream side, means for removing foreign substances such as mist and dust. , A boost compressor 6 as a means for increasing the pressure to an optimum pressure as cooling air for cooling the turbine high-temperature section, and a strainer 7 as a means for purifying the air.
[0014]
In the high temperature section cooling system of the gas turbine, the compressed air compressed by the compressor 1 and supplied from the outlet of the compressor 1 is branched at a branch point A.
[0015]
One of the compressed air branched at the branch point A is cooled by the heat exchanger 4 as cooling air. The heat exchanger 4 is cooled to an appropriate air temperature in consideration of an increase in the air temperature in the boost compressor 6 so that the outlet air temperature of the boost compressor 6 becomes an appropriate temperature for cooling the high-temperature portion of the turbine. . The air that has been heat-exchanged to an appropriate air temperature in the heat exchanger 4 is guided to the filter 5. This filter 5 can remove foreign matters such as mist and dust contained in the air. Thereafter, the pressure of the cooling air is increased by the boost compressor 6, and is increased to an optimum pressure as the cooling air for the turbine high-temperature section. A filter or a strainer 7 or the like is also provided downstream of the boost compressor 6, and the cooling air supplied to the high-temperature portion of the turbine 3 or the fuel to the combustor 2 used when the fuel of the gas turbine is a liquid fuel such as A heavy oil. The fuel oil spray air for spraying is finally cleaned.
[0016]
An anti-surge system 9 that connects B downstream of the boost compressor 6 and the cooler 4 includes an anti-surge valve 10. The boost compressor 6 may be damaged by a surge depending on the state of the flow rate of the refrigerant passing therethrough and the pressure ratio before and after the compressor. Therefore, in order to prevent the boost compressor 6 from being damaged by the surge, an anti-surge system 9 that bypasses the high-temperature portion of the turbine is provided to prevent the boost compressor 6 from operating in the surge region.
[0017]
Next, the flow rate control of the cooling air for cooling the high-temperature portion of the turbine 3 will be described. Conventionally, the cooling air flow rate is limited by installing an orifice near the end of the cooling air pipe. In this case, there is only a slight flow rate change as the discharge pressure of the gas turbine compressor 1 changes depending on the atmospheric temperature, and a substantially constant flow rate is basically supplied. In this case, the diameter of the orifice that restricts the flow rate of the cooling air is considered under the design conditions that are the most severe conditions as the operating conditions of the gas turbine. When operated at a low ambient temperature, the pressure of the air extracted from the gas turbine compressor, which is the supply source of the cooling air, is high. Further, since the pressure of the cooling air is high, the pressure loss in equipment installed in the piping or the cooling air system is reduced. Under such operating conditions, the ratio between the supply pressure of the cooling air system and the pressure of the gas turbine high-temperature section becomes larger than the design conditions. For this reason, under such operating conditions, the actually supplied cooling air flow rate is supplied more than the cooling air flow rate required for cooling the high temperature portion of the gas turbine. Further, in the operation in a state where the atmospheric temperature is low, the combustion gas temperature necessary for obtaining the rated load can be lower than in the operation in a state where the atmospheric temperature is high. Here, since the flow rate of the cooling air in the high temperature portion of the turbine is designed under the condition that the combustion gas temperature is high, the cooling air is supplied more than necessary in the operation when the atmospheric temperature is low.
[0018]
Here, if the cooling air flow rate for cooling the gas turbine high temperature part is large, the metal temperature of the high temperature parts can be kept low, so that the reliability of the high temperature parts of the turbine is improved. On the other hand, the thermal efficiency of the turbine during operation decreases due to a loss caused by supplying cooling air more than necessary.
[0019]
On the other hand, if the supply air flow rate is large, the supply pressure of the cooling air increases, and the amount of leakage of the cooling air from the joints of the parts and the like increases, and as a result, the efficiency of the gas turbine decreases.
[0020]
If the cooling air to be supplied is cooled by a heat exchanger in consideration of the temperature rise in the boost compressor so that the cooling air to be supplied becomes the optimum temperature as the turbine high-temperature cooling air, the heat energy exchanged by the heat exchanger Is a loss. Even if heat recovery is performed to reduce this heat loss, all the heat energy cannot be recovered, so that the unrecovered heat energy is lost and causes a reduction in turbine efficiency.
[0021]
Further, the shaft driving power of the boost compressor 6 necessary for increasing the supply pressure of the cooling air increases as the flow rate of the cooling air to be increased increases. Since the shaft driving force consumed by the boost compressor 6 results in auxiliary equipment loss, excessively increasing the flow rate of the cooling air by the boost compressor lowers the efficiency of the turbine.
[0022]
As described above, in the structure in which the orifice is installed near the end of the cooling air pipe, the flow rate of the cooling air is not changed by various conditions during operation, and a substantially constant flow rate is basically supplied. Various changes in conditions were not taken into account.
[0023]
On the other hand, in the embodiment of the present invention, there is provided means for adjusting the flow rate of the cooling air as the refrigerant. That is, the cooling system includes a heat exchanger 4 for exchanging heat with the refrigerant, a compressor (boost compressor 6) in the cooling system for compressing the refrigerant from the heat exchanger 4, and a control capable of adjusting the supply flow rate of the refrigerant. Means. Therefore, it is possible to appropriately control the flow rate of the refrigerant to be supplied to the high temperature portion of the turbine, thereby improving the turbine efficiency. Further, unlike the above-mentioned orifice, the orifice has a function of adjusting the supply flow rate of the refrigerant during the operation of the gas turbine equipment.
[0024]
As shown in FIG. 1, specifically, for example, a control valve 11 disposed between the filter 5 of the cooling system and the boost compressor 6 and a control device 13 for controlling the adjustment of the control valve 11 are provided. I have. In this case, the supply flow rate of the cooling air can be appropriately controlled without being affected by the change of the pressure loss over time due to clogging of the filter 5, so that the flow rate can be controlled more accurately and the turbine efficiency can be improved. Is effective.
[0025]
As shown in FIG. 2, when the control valve 11 is installed between the heat exchanger 4 and the filter 5, the temperature at which the control valve 11 is used is about 100 ° C., which is lower than the discharge temperature of the compressor 1 at about 500 ° C. The control valve design specifications can be made more reliable.
[0026]
In addition, since foreign matter such as rust is generated by the control valve 11 by being installed upstream of the filter 5, it is possible to remove the foreign matter by the filter. Blockage of the cooling air flow path in the high-temperature portion can be prevented, which leads to improvement in reliability. When the control valve 11 is located downstream of the filter 5, it is necessary to use a more expensive material, for example, a stainless steel control valve from the viewpoint of rust prevention. It is also possible to install a control valve using a less expensive carbon steel material than is acceptable, leading to cost reduction.
[0027]
As described above, when the control valve 11 is installed at any position between the heat exchanger 4 and the boost compressor 6, the operating temperature is lower than when the control valve 11 is located upstream of the heat exchanger 4. Since both the operating pressure and the temperature are lower than those at the downstream, reliability is improved. That is, by installing the cooling system at any position between the heat exchanger 4 and the boost compressor 6, reliability can be improved.
[0028]
On the other hand, as shown in FIG. 3, when the control valve 11 is installed downstream of the boost compressor 6, the supply pressure of the cooling air can be controlled more directly. In particular, after the cooling air system branches at each turbine high-temperature section that supplies cooling air, such as stationary blades and moving blades, a control valve 11 is installed in each system, and the metal temperature of the turbine high-temperature section is measured for each system. However, if the required cooling air flow rate is controlled for each system, the flow rate can be controlled more accurately, which is effective in improving the efficiency of the turbine.
[0029]
Next, a specific method of adjusting the cooling air flow rate will be described. The adjustment of the cooling air flow rate is desirably controlled depending on the operating conditions such as the metal temperature of the turbine high-temperature portion, the number of revolutions of the turbine, the load, and the like. Each configuration will be described below.
[0030]
In the control method based on the metal temperature of the high-temperature portion of the turbine, in order to optimize the supply flow rate of the cooling air, the metal temperature of the high-temperature portion of the turbine that requires the cooling air is measured by the temperature detecting means 12. At this time, the flow rate of the cooling air to be supplied is controlled by operating the control valve 11 so that the measured metal temperature does not exceed the design temperature and does not decrease more than necessary. The measured value of the metal temperature measured by the temperature detecting means 12 is transmitted to the control device 13 by a signal system 14, and the control device 13 controls the control valve 11 based on the metal temperature.
[0031]
When measuring the metal temperature of the moving blade used under more severe conditions when measuring the metal temperature of the high-temperature portion, the effect of controlling the supply flow rate of the cooling air becomes higher. This is because the rotor blade is rotating at a high speed, and there are many uncertainties, so that a large design margin is provided to enable operation under safe conditions.
[0032]
Further, since the pressure loss of the cooling air system of the moving blade is larger than that of the stationary blade, the pressure required by the supplied cooling air is determined by the cooling air system of the moving blade. Therefore, by controlling the cooling air flow rate by measuring the metal temperature of the moving blade, appropriate flow rate control becomes possible.
[0033]
On the other hand, measurement of the metal temperature of the moving blade requires extraction of measurement wiring from a turbine rotor rotating at a high speed, which requires a measurement system such as a telemeter. On the other hand, when measuring the metal temperature of the stationary blade, there is no problem of measurement wiring from the rotating body, which is a problem when measuring the moving blade, so the metal temperature can be easily measured and reliability High metal temperature measurement. Therefore, by controlling the cooling air flow rate by measuring the temperature of the stationary blade metal, a highly reliable cooling air flow rate control system becomes possible.
[0034]
Alternatively, the temperature of the metal of the stationary blade and the moving blade supplying the cooling air may be measured at the same time, and the flow rate of the cooling air may be controlled in accordance with the portion operated under the severest conditions.
[0035]
In addition, instead of directly measuring the metal temperature of the moving blade and the stationary blade, the metal temperature is measured by using a component such as a turbine wheel or a turbine casing, which is a substitute for the moving blade and the stationary blade, and the cooling air flow rate is controlled. May be.
[0036]
In the case where the metal temperature of the turbine high temperature section is measured and the cooling air flow rate is controlled by feedback control based on the metal temperature, the same controllability of the cooling air flow rate can be obtained regardless of the installation position of the control valve.
[0037]
Further, when the turbine changes from the operation at the rated load to the operation at the partial load according to the supplied electric energy, the heat load of the high temperature portion of the turbine is reduced. Therefore, the required cooling air flow rate is reduced. Therefore, by controlling the cooling air flow rate in accordance with the metal temperature of the turbine high-temperature portion at the load where the turbine is operating, it is possible to improve the turbine efficiency during partial load operation.
[0038]
Since the thermal load of the high temperature part of the turbine varies depending on the operating load, even if the flow rate of the cooling air to be supplied is controlled according to the operating conditions such as the rotation speed of the turbine and the load, the cooling air is measured by measuring the metal temperature. The same effect as controlling the flow rate can be obtained. In the case of control based on such operating conditions, the relationship between the metal temperature of the high-temperature portion of the turbine and the operating conditions is determined at the time of test operation at the first unit and each plant when the turbine is developed, and is reflected in the flow rate control, so that it is more accurate. It is possible to control the flow rate of the cooling air.
[0039]
Similarly, since the metal temperature in the high temperature portion of the turbine changes in accordance with the temperature of the combustion gas, the temperature may be measured to control the flow rate of the cooling air.
[0040]
Next, the combustion gas temperature is determined from the air flow rate and the supplied fuel flow rate determined based on the operating conditions such as the number of rotations of the turbine, the atmospheric temperature, and the load, and the combustion gas temperature determined by this calculation in the same manner as described above. It is also possible to control the cooling air flow according to the temperature. In this case, the relationship between the metal temperature of the high-temperature part of the turbine and the operating conditions is determined during the trial operation of the first unit and each plant when the turbine is developed, and is reflected in the flow rate control to more accurately control the cooling air flow rate. It becomes possible. In this case, the operation status information may be sent from the operation status data 17 to the control device 13, and the flow rate may be controlled based on the operation status information and the combustion gas temperature based on the above-described processing.
[0041]
When the boost compressor is driven by a motor instead of being driven by a turbine shaft, the rotation speed of the boost compressor can be changed by inverter-controlling the rotation speed of the motor. The flow rate of the supplied cooling air can be changed by changing the rotation speed of the boost compressor. Thus, the same effect as controlling the cooling air flow rate by the control valve 11 can be obtained.
[0042]
As described above, the thermal efficiency of the turbine is improved by appropriately controlling the supply flow rate of the cooling air. Further, the efficiency of the turbine can be improved by reducing the shaft power of the boost compressor that boosts the cooling air and reducing the auxiliary equipment loss.
[0043]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is effective in the ability to provide the gas turbine installation which can control the flow volume of the refrigerant | coolant supplied to a turbine high temperature part appropriately, and can improve turbine efficiency, and the cooling method of a turbine high temperature part.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cooling system of a gas turbine facility according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a cooling system of the gas turbine equipment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a cooling system of the gas turbine equipment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Compressor, 2 ... Combustor, 3 ... Turbine, 4 ... Heat exchanger, 5 ... Filter, 6 ... Boost compressor, 7 ... Strainer, 9 ... Anti-surge system, 10 ... Anti-surge valve, 11 ... Control valve , 12 temperature detecting means, 13 control device, 14 signal system,
15: generator, 16: transmission, 17: operation status data.

Claims

A gas turbine facility provided with a cooling system for cooling a high-temperature portion of a turbine,
The gas, wherein the cooling system includes a heat exchanger that exchanges heat with the refrigerant, a compressor that compresses the refrigerant from the heat exchanger, and a control unit that can adjust a supply flow rate of the refrigerant. Turbine equipment.

Gas compressor equipment comprising a compressor for compressing air, a combustor for mixing and burning fuel and air, and a turbine driven by combustion gas from the combustor,
A cooling system for cooling a high-temperature portion of the turbine,
The cooling system includes a heat exchanger that is supplied by the compressor as a part of compressed air that is compressed by the compressor and led to the combustor, and a boost compressor that is disposed downstream of the heat exchanger. A system for supplying air that has passed through the boost compressor to a high-temperature portion of the turbine,
A gas turbine facility comprising a control unit capable of adjusting a supply flow rate of the cooling air in the cooling system.

A gas turbine facility provided with a cooling system for cooling a high-temperature portion of a turbine,
The cooling system includes a heat exchanger that exchanges heat with the refrigerant, and a compressor that compresses the refrigerant from the heat exchanger,
Control means capable of adjusting the supply flow rate of the refrigerant during operation of the gas turbine equipment is provided between the heat exchanger in the cooling system and the compressor in the cooling system. Gas turbine equipment.

The gas turbine facility according to claim 1,
The gas turbine equipment according to claim 1, wherein the control means controls a supply flow rate of the refrigerant based on at least one of a metal temperature of a high temperature portion of the turbine, a turbine speed, and a turbine load.

A method for cooling a turbine high-temperature part of a gas turbine facility having a cooling system for cooling a turbine high-temperature part,
In the cooling system, a step of exchanging heat with the refrigerant, and then, performing a step of compressing the refrigerant,
And in the cooling system, the supply flow rate of the refrigerant is adjusted,
A method for cooling a turbine high-temperature section, comprising supplying a cooling medium to the turbine high-temperature section for cooling.