JP2005098244A - ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】
圧縮機の吸気に液滴を噴霧し、出力増強と効率向上を図るガスタービン設備に関し、より一層の高効率化と大出力化を行うこと。
【解決手段】
空気を圧縮する圧縮機１０と、圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器１２と、燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービン１４と、前記圧縮機の吸気部に水を供給する加水装置４０とを備えたガスタービン設備であって、前記圧縮機を遠心段で構成し、かつ該遠心段のディフューザの弦節比を１.０以下０.６以上とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンに係わり、特にガスタービンの圧縮機の吸気中に液滴を噴霧するガスタービンに関する。

夏期などの気温の上昇によるガスタービン出力の低下を抑制し、かつ簡便な方法で圧縮機動力を低減する手段として、例えば特開平１０−２４６１２７号公報に記載のものがある。これには、圧縮機に供給される空気に液滴を噴霧して前記圧縮機に入る空気の温度を外気温度より低下させ、この温度を低下させた空気と共に前記圧縮機内に導入される液滴を前記圧縮機内を流下中に気化するようにした噴霧装置を、前記圧縮機の上流側の前記吸気流路内であって空気フィルタの下流側に配置したガスタービンが開示されている。

また再公表特許ＷＯ９８／４８１５９号公報には、圧縮機の上流側吸気室に液滴噴霧装置を備えたガスタービン設備に対し、前記圧縮機から燃焼器までの経路の間に圧縮空気に水分を加える加湿装置と、それによって得られた圧縮空気と水分の混合物とタービン排ガスとの熱交換を行う熱交換器を備えたガスタービン設備が開示されている。

特開平１０−２４６１２７号公報

再公表特許ＷＯ９８／４８１５９号公報

しかし、特開平１０−２４６１２７号公報では、前記液滴の蒸発による空気温度の低下や、液滴の蒸発による圧縮機の質量流量の増加などの圧縮機作動条件の変化に対してどのように配慮するのか記載されていない。従って、圧縮機として遠心圧縮機を用いた小型のガスタービン設備に当該技術を適用した場合、ガスタービンに通常用いられる遠心圧縮機のディフューザ翼は固定式の弦節比１.０ 以上の翼付きディフューザもしくはチャネルディフューザであるため、広い作動条件の変化に対応することができず、圧縮機の吸気に十分な液滴を加えられないことから、圧縮機の動力低減やガスタービン設備の効率向上を十分に得られない可能性があった。これに対して、夏場の出力低下が絶対値として大きい大型のガスタービン設備では、通常、圧縮機としては可動静翼を備えた軸流圧縮機を用いており、作動条件に応じて翼の取り付け角を変えられるため、前記のような圧縮機作動条件の変化は特に問題にならなかった。

圧縮機の吸気に液滴を噴霧するガスタービン設備の場合、圧縮機仕事が十分ではないガスタービン起動時には、圧縮機により圧縮された圧縮空気の温度が十分に上がらず、吸気で加えられ圧縮機吐出までに蒸発し得る水分の量は定格運転時よりも少なくなる。これにより通過する気体の流量が減るため燃焼器やタービン部の流体抵抗が減少し、より大容量の空気がガスタービンに吸い込まれ、圧縮機としてはチョーク側で作動することになる。逆に定格運転時に、ガスタービンの出力を増大させるため、より多くの水分を圧縮機吸気に加えると、その蒸発による流量増加によってタービン部での流体抵抗が増加し、圧縮機としてはサージ側で運転することになる。このような作用のため、圧縮機吸気に水分を加えないガスタービンに比べ、圧縮機として通常よりも広い作動範囲が必要となる。

さらに再公表特許ＷＯ９８／４８１５９号公報を、前記のような遠心圧縮機を用いたガスタービンに適用した場合、圧縮機の狭い作動範囲（一定回転数上のチョークからサージまでの流量範囲）のため前記圧縮機から燃焼器までの経路の間で加え得る水分量が制限され、ガスタービンの出力を十分に増強することができない可能性があった。

本発明の目的は、圧縮機吸気または内部で蒸発する水分量を増やして圧縮機仕事を低減し、高効率で高出力なガスタービン設備を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のガスタービン設備は、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気部に水を供給する加水装置とを備えたガスタービン設備であって、前記圧縮機を遠心段で構成し、かつ該遠心段のディフューザの弦節比を１.０以下０.６以上とする。

または、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気部に水を供給する加水装置とを備えたガスタービン設備であって、前記圧縮機を遠心段で構成し、かつ遠心段のディフューザ部に可動静翼を備える。

または、上記に加え、前記圧縮機から燃焼器に供給される圧縮空気に水を供給する加水装置と、該加水装置によって得られた水分を含む圧縮空気の少なくとも一部と前記タービンからの排ガスとを熱交換させる再生熱交換器を備える。

本発明のガスタービン設備によれば、高効率で大出力のガスタービン設備を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本発明の第１実施例を示すガスタービンサイクルの系統図である。ガスタービン発電設備は、図２に示すように、空気を圧縮して吐出する圧縮機１０，圧縮機１０で圧縮して得た圧縮空気と燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、燃焼器１２で生成された前記燃焼ガスにより駆動されるタービン１４とを備えている。ガスタービンの出力軸から動力を得て電気に変換する発電機１６は、図示していない送電系統に接続される。また、ポンプ等は図示を省略した。

圧縮機１０の上流側には、圧縮機１０に供給される吸気を取り込む吸気室２２が連結されている。例えば、吸気室２２の先端（上流側）には、フィルタ２４が設置される吸気フィルタ室２６が配置され、吸気フィルタ室２６の上流側部分にはルーバ２８が配置されている。また吸気室２２には、加水装置４０が設置され、運転条件に合わせて適切な水分が吸気空気に加えられる。

加水装置４０としては、例えば、特開平９−２３６０２４号公報に記載された噴霧ノズルを用いることができる。本実施例においては、加水装置４０は圧縮機１０の入口、例えば第１段動翼から上流側に間隔を置いた吸気室２２内に設置される。本図では、吸気フィルタ室２６内に設けられたフィルタ２４の下流に設置している。加水装置４０で加水された液状水分のうちの一部または全部は、圧縮機１０へ入るまでに蒸発し、吸気に含まれる熱量を水の蒸発潜熱として奪い、吸気の温度を低下させる。残された液滴の一部または全部は、圧縮仕事による空気の昇温により圧縮機内部で蒸発し、圧縮途中の空気を冷却する。また或いは、この液滴の蒸発による圧縮空気の冷却の替わりに、本ガスタービン設備の系外もしくは系内の水を冷却源とする水冷式の冷却器を圧縮機の段間もしくは吐出部に用いてよい。

加水装置４０は、導かれる空気に加える水を供給する経路を有する。補給水供給装置
４８は、例えば本ガスタービン設備及び関連機器の系外から水を導く形態になっていてもよい。或いは、本ガスタービン設備及び関連機器の系内から水を回収する形態でもよい。空気への加水方法としては、圧縮空気流に対して水滴を噴霧する方式や、圧縮空気の流れる流路に面する構造物に水を供給して圧縮気流と接触させる方式等を使用してもよい。

本実施例の圧縮機１０は、単段あるいは複数の遠心圧縮機から成り立ち、例えば図３のように単段の遠心圧縮機で構成される。圧縮機の段数は、必要とされる流量や圧力比から適切に求められれば良い。圧縮機１０に吸い込まれた空気は、羽根車５１で昇圧されたのち、弦節比が１.０から０.６の間にあるディフューザ翼５２で動圧回復されたあと、例えば渦巻きケーシング５３で集められて燃焼器１２へ送られる。ここで弦節比とは翼弦長／ピッチのことで、弦節比＝ｃ／{０.５×π×（Ｄ１＋Ｄ２）／Ｚ｝であり、ｃ：翼弦長，Ｄ１：ディフューザ翼前縁位置の直径，Ｄ２：ディフューザ翼後縁位置の直径，Ｚ：ディフューザ翼枚数である（記号は図３を参照）。

圧縮機１０の吸気に液滴を噴霧するガスタービン設備の場合、加えられた液滴の一部は液滴が噴霧された吸気が圧縮機入口まで流下するまでの間で蒸発し、蒸発潜熱により圧縮機１０の吸気温度を低下させる。これにより吸気の密度が上がって圧縮機に吸い込まれる質量流量が増加し、ガスタービンの出力が増大する。吸気に加えられた液滴のうちの残りの部分は、圧縮機内部で蒸発し、圧縮過程にある空気の温度を低下させて圧縮に必要な圧縮仕事を減少させる。圧縮機で消費されるタービン１４の出力が減少する分、ガスタービン設備の出力が増大し、効率が向上する。

吸気および圧縮機内部で蒸発する水分量が多いほど、圧縮仕事に費やされるタービン出力が減少し、ガスタービン設備の出力増大と効率向上に結びつく。理論上は圧縮機吐出でちょうど飽和状態になるまで水分が蒸発し、その蒸発分だけ圧縮機吸気に液滴を噴霧することができるはずであるが、現実には圧縮内部で蒸発した水分の量だけ圧縮機１０とタービン１４の流量と圧力比のマッチング点がずれるため、圧縮機１０とタービン１４の運転可能範囲を考慮して圧縮吸気に加える水分量を制御する必要がある。

圧縮機１０の内部で液滴が蒸発すると、その分だけタービン１４を通過する流体の質量流量が増加し、流れがタービン１４を通過しにくくなる。従って、圧縮機１０との運転マッチング点としては、より高圧力比側すなわち圧縮機１０としてはサージ側へ運転点が移動する。逆に吸気での加水を停止すると、タービン１４を通過する流体の質量流量が減少して流れはタービン１４を通過しやすくなり、圧縮機１０との運転マッチング点としては、より大流量側すなわちチョーク側へ運転点が移動する。

ガスタービン起動時の運転点の遷移過程を図４の圧縮機作動線図上に示す。なお、図４の縦軸は圧縮機吸気部全圧に対する圧縮機吐出部全圧の比（ＰＲ）、横軸は圧縮機質量流量（Ｍ）である。また、図中のＮは圧縮機回転数、surge regionで示した鎖線より上方の領域は圧縮機のサージ領域、choke regionで示す鎖線より下方領域はチョーク領域を示している。

発電用ガスタービンでは発電周波数が一定であるため、起動時におけるガスタービンの運転点は、停止状態から定格回転数の無負荷状態Ａにまで移行した後、定格回転数を維持したまま燃焼ガス温度と発電負荷の増加を伴いつつ定格負荷状態Ｂにまで移行する。ガスタービン起動時には、定格時に比べ圧力比が小さく圧縮仕事が少ないことから圧縮機吐出の空気温度は低く、その飽和蒸気量は小さい。このため、吸気に水を噴霧するガスタービン設備では、吸気に加え得る蒸気量に関し、定格時の方が起動時よりも多くなる。

図４上でのＡからＢへの変化を、吸気に液滴を噴霧しない単純サイクルのガスタービンとした場合、定格点をＢ点に一致させて考えたときの本実施例のガスタービンでは、吸気に加え得る水分量の変動分だけ、定格回転数の無負荷状態がＡからＡ′へ移動する。すなわち、圧縮機に要求される作動範囲がＡ→ＢからＡ→Ｂ′となり、本実施例のガスタービン設備は、吸気加湿のない単純サイクルのガスタービン設備に比べ、圧縮機の作動範囲が広いことが求められる。

圧縮機がどのような作動範囲を有するかは種々の要因により変化するが、適切に設計された高圧力比型の遠心圧縮機の場合、ディフューザ部の流れによって決定づけられる場合が多い。ディフューザの作動範囲を決める要因としては、翼間のスロート幅と翼前縁と流れのなす角（すなわちインシデンス）が重要な役割を果たす。

ディフューザの一つの翼間に流れ込む一ピッチ分の流体に着目し、その流体の流域を定義する２つの流線をＣ１，Ｃ２とする（図５）。簡単にするため、ここでは流れの粘性は無視するものとする。このＣ１，Ｃ２の両方に接し、かつＣ１，Ｃ２で構成される流路の外にはみ出さない円の集合を考え、そのうち両接点が翼面上にあり、かつ径が最小となる円の直径を翼間スロート幅５４と定義する。ディフューザ翼の弦節比が１.０ 以下の場合は、両接点をともに翼面上に有する円がなくなるため、この場合は翼間スロートなしと定義する。また、翼前縁における流れと翼前縁の方向のなす角をインシデンスと呼ぶ。

ガスタービンに用いられる高圧力比型の遠心圧縮機では、圧力比が高い分、羽根車入口と出口の流れの周方向速度の変化量が大きくなり、通常、入口では軸方向に近い角度で流入するため、静止系で見たときの羽根車流出角β（図５参照）は７０度前後となる。ディフューザのインシデンスｉが小さくなるように、翼の取り付け角γを７０度前後に設定した場合、弦節比が１.０以上のディフューザ翼では、γが大きいため翼間スロート幅が狭くなり、チョーク流量が減少する。チョーク流量すなわちスロート幅を拡大するためディフューザ翼の取り付け角γを小さくすると、逆にインシデンスｉが大きくなり、小流量側で流れ角βが大きくなったときに失速すなわちサージに入りやすい。このことから弦節比１.０ 以上のディフューザ翼列では、チョーク流量の拡大とサージマージンの拡大を両立させることが難しい。

発電用ガスタービンは定格点近傍のみで運転されるのが普通であるため、吸気に液滴を加えない単純サイクルのガスタービン設備に用いられる圧縮機では作動範囲を犠牲にしてまでも定格点の効率を重要視するのが常である。そのようなときには設計点の羽根車流出角βにインシデンスｉを合わせた弦節比１.５から２.０以上の転向角の大きい翼付きディフューザを用いた方が、比較的短い距離で流れが半径方向を向いてくれるため圧縮機の段効率が向上する。これに対し、吸気に液滴を噴霧するガスタービン設備では、十分な作動域を有する圧縮機を用いないと吸気に加え得る水分量が減少するため、断効率を確保して作動域を犠牲にした圧縮機の方が、段効率を犠牲にして作動域を確保した圧縮機よりも、かえってガスタービンの効率が低下する。

本実施例のように、ディフューザ弦節比を１.０ 以下とすると、翼間スロートがなくなってチョークしにくくなり、ディフューザ翼間の最小距離が広がってチョーク流量が拡大する。また、弦節比を０.６ 以上とすることで翼間隔の広がり過ぎを防ぎ、ディフューザ翼による流れの転向性能の劣化や動圧回復の低下を抑制することができる。これらによりディフューザの効率を適度に維持したまま広い作動範囲の圧縮機を提供することが可能となり、その広い作動範囲に応じて、より多くの水分を加水装置４０で圧縮機吸気の加えることができる。圧縮機は圧縮すべき流体の温度が低いほど、同じ圧力比を達成するのに必要な圧縮仕事は少なくなるという性質を持つため、加水装置４０で加える水分量が増すほど、その蒸発によって圧縮作動空気の温度が低下し、圧縮に必要な圧縮仕事が減少する。これによりガスタービン設備の出力増強と効率向上を得ることができる。

本発明の他の実施例を図１に基づいて説明する。

図１は、第２の実施例を示すガスタービンサイクルの系統図である。第２の実施例では、第１の実施例に加えて、圧縮機１０から吐出された圧縮空気が燃焼器１２に至る経路に設置される第２の加水装置４２と、タービン１４から排出された排気ガスを高熱源とする再生熱交換器３８とを有している。加水装置４２は、圧縮機１０の出口部またはその近傍位置に設置され、圧縮機１０により得られた圧縮空気に液滴を噴霧する。また、再生熱交換器３８には加水装置４２で水噴霧された圧縮空気が導かれる。

以上の構成において、第１の加水装置４０で水噴霧された吸気は、圧縮機１０で圧縮された後、加水装置４２でさらに加水される。加水装置４２を経た圧縮空気と水の混合物の全部または一部は再生熱交換器３８に供給され、タービン１４の排気ガスと熱交換が行われる。この排気ガスによる加熱によって、熱交換器を流下する際に圧縮空気中の液滴は蒸発する。排気ガスにより加熱され得られた圧縮空気と水の混合物は、燃焼用の空気として燃焼器１２に供給される。燃焼器１２に供給された空気は燃料５０とともに燃焼させ、タービンを駆動する燃焼ガスを発生させる。

本実施例では、圧縮機１０の広くなった作動範囲に応じて、第１の加水装置４０だけでなく第２の加水装置４２で加えることができる水分量も増加するため、タービン１４を通過する蒸気量が増加し、タービン設備の出力がより増大する。また、加水装置４２で加えられる水分量の増加は、その蒸発により再生熱交換器３８に流入する圧縮空気の温度を一層低下させるため、再生熱交換器３８の温度効率を向上させ、ガスタービン設備の効率をより一層向上させる。従って、圧縮機から燃焼器までの間でより多くの水分を加水し蒸発させて再生熱交換器で熱交換を行う蒸気の量を増やし、より高効率で大出力なガスタービン設備とすることができる。

さらに、本発明の別の実施の形態として、圧縮機１０のディフューザとして可動翼式の静翼５５を備えている方式も考えられる。静翼５５の可動機構としては、例えば図６に示されるように、静翼５５に接続されたシャフト６４にアーム６３を固定し、該アーム６３をガイドリング６１にリンク６２を介して接続することにより可動機構を構成することができる。ガイドリング６１は、図示していないが、アクチュエータなどに接続され、ガイドリング６１の中心位置を維持したまま回転移動する。図６に示すように、ガイドリング６１が図中のガイドリング回転方向に移動すると、リンク６２はガイドリングに引っ張られ、それに伴いリンク６２に回転可能に接続されているアーム６３はシャフト６４を軸とした回転運動を行う。静翼５５とシャフト６４，シャフト６４とアーム６３はそれぞれ剛体結合されており、アーム６３の回転運動に応じて、静翼５５はシャフト６４を中心に回転し、静翼５５の翼間スロートの広さを変化させる。

このような可動静翼機構を使い、圧縮機の作動特性上の大流量側では図６の図中に示される方向にガイドリング６１を回転させ、翼間スロート面積を広げてチョーク流量を拡大し、逆に小流量側では図中の方向とは逆向きにガイドリング６１を回転させることによって、翼と流れのインシデンスを抑え、サージに突入する流量を減少させることができる。流れに応じて静翼５５の向きを調節できるため、ディフューザでの損失が一層小さくなり、圧縮機の作動範囲の拡大も大きい。広くなった作動範囲に応じて吸気への加水や圧縮機吐出後の加水も増大できるため、ガスタービン設備のさらなる大出力化と高効率化を実現できる。

本発明のガスタービン設備の系統図の一実施例である。 本発明のガスタービン設備の系統図の一実施例である。 本発明の圧縮機構造の一実施例である。 本発明の圧縮機作動線図の一例である。 本発明の圧縮機ディフューザ翼の説明図である。 本発明の圧縮機ディフューザ翼の可動機構の一実施例である。

符号の説明

１０…圧縮機、１２…燃焼器、１４…タービン、１６…発電機、２２…吸気室、２４…フィルタ、２６…吸気フィルタ室、２８…ルーバ、３８…再生熱交換器、４０，４２…加水装置、４８…補給水供給装置、５０…燃料、５１…羽根車、５２…ディフューザ翼、
５３…渦巻きケーシング、５４…翼間スロート幅、５５…静翼、６１…ガイドリング、
６２…リンク、６３…アーム、６４…シャフト、ＰＲ…圧縮機吐出部全圧／圧縮機吸気部全圧、Ｍ…圧縮機質量流量、Ｎ…圧縮機回転数。

Claims (5)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気部に水を供給する加水装置とを備えたガスタービン設備であって、
   前記圧縮機を遠心段で構成し、かつ該遠心段のディフューザの弦節比を１.０以下０.６以上としたことを特徴とするガスタービン設備。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機の吸気部に水を供給する加水装置とを備えたガスタービン設備であって、
   前記圧縮機を遠心段で構成し、かつ遠心段のディフューザ部に可動静翼を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
3. 前記圧縮機から燃焼器に供給される圧縮空気に水を供給する第２の加水装置と、該第２の加水装置によって得られた水分を含む圧縮空気の少なくとも一部と前記タービンからの排ガスとを熱交換させる再生熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン設備。
4. 前記可動静翼は、静翼に接続されたシャフトにアームを固定し、該アームをリンクを介してガイドリングと接続して、中心位置を維持した前記ガイドリングの回転移動により、前記ガイドリングと結合された静翼をシャフトを中心に回転させる可動機構に構成されていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン設備。
5. 吸気に水が供給された空気を圧縮する圧縮機を遠心段で構成し、かつ該遠心段のディフューザの弦節比を１.０以下０.６以上としたことを特徴とする圧縮機。
   

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