JP2010071281A - タービン排気ガス温度を管理するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンの排気ガスを管理するための方法及びシステムを提供すること。
【解決手段】排気ガス（２２）の温度を管理するシステムは、ターボ機械の排気と流体連通して配置されるように構成されたノズル（２６）と、ノズル（２６）と流体連通した混合導管（２８）と、ノズル（２６）の周辺に配置され、混合導管（２８）の外部と内部との間に延びる１以上の２次入口（３６）と、ｉ）１以上の２次入口（３６）を閉鎖するように構成された第１の位置とｉｉ）１以上の２次入口（３６）を開放するとともにノズル（２６）の所定の直径を調整するように構成された第２の位置との間を移動できるように構成された可変ノズル機構（４６）と、可変ノズル機構（４６）を第１の位置と第２の位置との間で移動させるように構成されたアクチュエータ（５２）とを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より詳細には、タービンの排気ガスを管理するための方法及びシステムに関する。

ガスタービンは、一般に、ガスタービンからの排気を利用する排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）などの補助システムと共に使用される。ＨＲＳＧシステムは、例えば、発電において有用である。ＨＲＳＧシステムは、ガスタービンの排気装置アセンブリに結合され、ここから高温の排気ガスが送給され、該排気ガスを用いて蒸気を生成し、次いで、蒸気タービンを駆動する。

ガスタービンの始動中、過熱器及び再熱器などの関連のＨＲＳＧの種々の部品は、急激な温度上昇の影響を受ける傾向がある。このような温度上昇により、ＨＲＳＧ内の管体に構造的損傷が生じる可能性がある。このような急激な温度上昇を相殺するための技術には、ガスタービンの始動時間を遅くすること、及び管体内側の流体用に温度調節装置を使用することがあるが、これはタービンの出力効率を損なう可能性がある。従って、効率を損なうことなくガスタービンの排気ガスの温度を管理するための改善されたシステム及び方法に対する必要性がある。

米国特許第３７２２７９７号明細書 米国特許第７０６９７１６号明細書

本発明の例示的な実施形態に従って構成される排気ガスの温度を管理するシステムは、ターボ機械の排気と流体連通して配置されるように構成されたノズルと、ノズルと流体連通した混合導管と、ノズルの周辺に配置され、混合導管の外部と内部との間に延びる１以上の２次入口と、ｉ）１以上の２次入口を閉鎖するように構成された第１の位置とｉｉ）１以上の２次入口を開放するとともにノズルの所定の直径を調整するように構成された第２の位置との間を移動できるように構成された可変ノズル機構（４６）と、可変ノズル機構を第１の位置と第２の位置との間で移動させるように構成されたアクチュエータとを備える。

本発明の他の例示的な実施形態は、排気ガスの温度を制御する方法を含む。本方法は、ノズルと、ノズルと流体連通した混合導管と、ノズルの周辺に配置され混合導管の外部と内部との間に延びる１以上の２次入口とを備えた排気アセンブリにターボ機械から排気ガスの流れを配向する段階と、可変ノズル機構を、該可変ノズル機構がｉ）１以上の２次入口を閉鎖するように構成された第１の位置とｉｉ）外部ガスが混合導管に流入できるように１以上の２次入口を開放するとともにノズルの所定の直径を調整するよう可変ノズル機構が構成された第２の位置との間を移動させる段階とを含む。付加的な特徴及び利点は、本発明の例示的な実施形態の技術全体にわたり利用される。本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書で詳細に説明され、これらは請求項に記載されている発明の一部とみなされる。その利点及び特徴を備えた本発明の理解をより十分にするために、明細書及び図面を参照する。

本発明の例示的な実施形態に係るガスタービンアセンブリの側面図。 排気システムの例示的な実施形態の斜視側面図。 図２の排気システムの一部の側面図。 図２の排気システムの一部の側断面図。 図２の排気システムの回転可能部材の前面図。 排気ガスの熱管理の温度を制御するための例示的な方法を提供するフローチャート。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態に従って構成されたガスタービンアセンブリを全体として符号１０で示す。アセンブリ１０は、圧縮機に取り付けられたロータ１２と、出力タービン１６とを含む。燃焼室１８は、圧縮機１４及び出力タービン１６の両方と流体連通し、燃料及び空気混合気を点火させて出力タービン１６及びロータ１２の回転を引き起こすよう動作する。ロータ１２の回転の結果として、例えば発電機２０が作動される。排気ガス２２が出力タービン１６から排気され、その少なくとも一部が排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２４に誘導され、排気ガスから熱を回収して蒸気を発生し、これは、例えば、発電システムにおける蒸気タービンで使用可能である。

図２及び図３を参照すると、例えば、出力タービン１６の排気エジェクタと流体連通して配置されるように構成された排気ガス２２の温度を管理するための排気システム２５を示す。排気システム２５は、混合ダクト２８及び移行ダクト３０と流体連通したノズル２６を含む。排気ガスは、移行ダクト３０を通ってスタック３２及び／又はＨＲＳＧ２４に排気することができる。一実施形態では、排気ガス２２は、ＨＲＳＧ管体バンドル３４などの排気プロセッサを通って配向される。

一実施形態では、１以上の２次入口３６は、排気ガスがＨＲＳＧ２４又は大気に導入される前に、周囲空気３８又は他の冷却ガスなどの外部ガスが混合ダクト２８に流入して排気ガス２２を冷却することができるように配置・構成される。混合ダクト２８は、負圧効果により１以上の２次入口３６を介して周囲空気３８を混合ダクト２８内に付勢するように構成される。一実施形態では、複数の２次入口３６がノズル２６の周りに位置付けられ、混合ダクト２８の中心軸線４０の周りで略対称である。一実施形態では、２次入口３６は、混合ダクト２８の円錐状の入口部分４２とノズル２６との間に形成される。２次入口３６の数及び構成は例示的なものである。２次入口は、周囲空気又は他の冷却ガスの流入を可能にして、始動時の排気ガス２２を調整し、例えば、ＨＲＳＧ２４に対する熱衝撃を緩和又は阻止するように構成される。

図４を参照すると、混合ダクト２８は、混合管体４４及びディフューザ４６を含む。一実施形態では、混合管体４４は、内径「Ｄ１」を有する略円筒型の管体であり、ディフューザ４６は、混合管体４４と流体連通した略円錐形の管体である。

一実施形態では、ノズル２６は、ノズル２２の直径を変え、更に２次入口３６を通る周囲空気３８又は他の外部ガスの量及び流速を変えるための可変ノズル機構４６を含む。可変ノズル機構４６は、ノズル２６の周辺の周りの選択位置に配置された複数の回転部材４８を含む。一実施形態では、各回転部材４８は、ノズル２６の周辺又はその近傍に配置された枢動ピンのような関連する周辺部材５０に回転可能に接続される。一実施形態では、回転可能部材４８の各々は、ノズル２６の周辺から延びて、各回転可能部材４８が中心軸線４０に垂直な軸線の周りを回転するように周辺部材５０に接続される。一実施形態では、周辺部材５０は、ノズル２６周辺又はその近傍でリングを形成する１以上の部材５０である。回転部材４８の１以上は、第１の部分と第２の部分との間で回転部材を移動させるアクチュエータ５２に動作可能に接続される。各アクチュエータ５２は、モータ、或いは油圧、空気圧、又は電力源のような他の電力源に動作可能に接続され、アクチュエータを動かし、回転部材４８が第１及び第２の位置間で移動させる。一実施形態では、バネのような付勢部材が、第１及び第２の位置に向けて回転部材４８をバイアスするために含められる。

本明細書で記載される「第１の位置」とは、回転可能部材４８が円錐部分４２の内面に少なくとも実質的に接触するようになる、リングの周りの回転位置を意味する。また、本明細書で記載される「第２の位置」とは、第１の位置から離れ、円錐位置とノズル２６とノズル２６との間に２次入口３６の開口を生じさせる、リングの周りのあらゆる回転可能な位置を意味する。一実施形態では、第２の位置は、ノズル開口４９が混合ダクト２８の内部に形成されるように配置される。第１の位置では、回転部材は、２次入口３６を閉鎖し、例えば定常状態運転中に２次入口３６を通る周囲空気３８の進入を阻止するように機能する。第２の位置では、回転部材４８は、選択された温度を有するノズル開口を形成し、周囲空気又は他の冷却ガスが２次入口３６を通って入ることができる。

回転部材４８が第２の位置に向かって回転されると、ノズル２６を通る排気ガス２２の運動量が利用されて、周囲空気３８を排気ガス２２内にポンプ供給して温度を低下させる。排気ガス流れに周囲空気又は他のガスを導入することを、本明細書では「同伴」という。

一実施形態では、回転部材が第２の位置に移動すると、回転部材は、小直径「Ｄ２」のノズル開口を形成して、例えばタービン始動時に排気ガス２２を調整するための周囲空気３８へのポンプ力を生成する。この実施形態では、直径Ｄ２は、混合管体４４の直径Ｄ１よりも小さい。運転中、排気ガス２２は、ガスタービンからノズル２６及び機構４６を通って混合管体４４に流れる。混合管体４４の断面Ｄ１がより大きいことに起因して、排気ガス２２は、混合管体４４内の比較的低圧の領域を拡大して生成する。低圧により負圧作用がもたらされ、周囲空気３８を１以上の２次入口３６を通って混合管体４４に引き込む。一実施形態では、ディフューザ４６は、混合管体４４内に追加の低圧を生成し、負圧作用を増大させる。周囲空気３６は、混合ダクト２８内で排気ガス２２と混合し、排気ガス／周囲空気混合気の全体の温度を低下させる。

一実施形態では、回転部材４８、は、第２の位置に向けて回転されて、所定の直径を有するノズル開口４９を形成する。一実施形態では、所定の直径Ｄ２は、混合管体４４の直径Ｄ１よりも小さいように選択され、負圧量及びこれに応じて周囲空気流の流れを規制するよう制御することができる。従って、このようにして、混合管体４４を通る排気ガス２２の温度を制御することができる。

図５を参照すると、回転部材４８は、第１の位置におけるゲート又は所定の直径を有するノズル開口の何れかを協働して形成するのに好適なあらゆるサイズ及び形状のものである。一実施形態では、回転部材３６は各々、複数の重なりベーン又はリーフなどの比較的幅広で平坦な部材を形成する。この実施形態では、各回転部材４８は、回転部材４８の回転軸に略平行に延びる比較的平坦な部分を有する。回転部材のサイズ及び形状は限定ではなく、第１の位置におけるゲート及び第２の位置におけるノズル開口を協働して形成するのに好適なあらゆるサイズ及び形状とすることができる。

上述のように、２次入口３６は、周囲空気３８及び他の冷却ガスの流入を可能にして、始動時の排気ガス２２を調整し、例えば、ＨＲＳＧ２４に対する熱衝撃を緩和又は阻止するように構成される。一実施形態では、回転部材４８は、始動時に第２の位置で回転され又は維持され、ＨＲＳＧ２４部品が運転温度に達するまで排気ガス２２を冷却し、ＨＲＳＧ２４が稼働温度にまで漸次的且つ制御可能に立ち上がることができるようになる。関連の部品が全て稼働温度にまで立ち上がると、回転部材４８は、第１の位置に向けて回転され、２次入口３６を密封して周囲空気３８の更なる流入を阻止する。

図６は、タービン又は他の装置の排気ガスの温度を制御するための例示的な方法６０を示す。本方法６０は１以上の段６１〜６３を含む。例示低な実施形態では、本方法は、上記の順序での段６１〜６３の全ての実行を含む。しかしながら、幾つかの段は省略することができ、又は追加することができ、或いは、その順序を変えることができる。本方法６０は、タービンアセンブリ１０及び排気システム２５と共に説明してきたが、本方法６０は、高温のガスを排気することができるあらゆるターボ機械及び装置と共に使用することができる。

第１の段６１において、出力タービン１６からの排気ガス２２がノズル２６に誘導される。一実施形態では、排気ガス２２は、始動運転中又は定常状態運転中に出力タービン１６から放出される。

第２の段６２において、排気ガス２２が混合タービン４４に配向される。可変ノズル機構４６が第１の位置すなわち閉鎖位置にある場合には、混合管体４４に入る周囲空気３８又は他の外部ガスは流入しない。機構４６が第２の位置すなわち開放位置にある場合、周囲空気３８又は他の外部ガスは、回転可能部材４８により形成されたノズル開口４９の直径Ｄ２に依存する負圧力により混合管体４４に引き込まれる。

第３の段６３において、例えばアクチュエータ５２を介して第１の位置と第２の位置との間で可変ノズル機構４６が移動される。一実施形態では、機構４６は、何れかの選択した位置に又はその間に移動され、所定の直径Ｄ２を定め、又は調整する。

例えば、タービン始動プロセス中に、機構４６は、アクチュエータ５２を介して第２の位置に移動され、第２の入口３６を開いて周囲空気３８と共に排気ガス２２を冷却する。第２の位置は、ノズル開口４９の直径Ｄを制御してこれに応じて温度を調整するよう調整可能である。定常状態運転に移行すると、機構４６はアクチュエータ５２を介して第１の位置に移動し、２次入口３６を閉鎖して周囲空気３８の流入を阻止する。

本明細書で説明されるシステム及び方法は、ガスタービンと共に提供されているが、他のあらゆる好適なタービン、ターボ機械、又は入口及び排気ガス材料を組み込む他のデバイスを用いることもできる。例えば、本明細書で説明されるシステム及び方法は、蒸気タービンと、又はガス及び蒸気生成の両方を含むタービンと共に用いることができる。

本明細書で説明されるシステム及び方法は、従来のシステムに比べて多くの利点を提供する。本システム及び方法は、可能性のある熱衝撃又は他の損傷を回避しながら比較的急激な立ち上がりを可能にし、排気システムに入る周囲空気に対する容量を制御することによって排気ガス温度の有効且つ正確な制御を可能にする。更に、本システム及び方法は、定常状態運転中の混合ダクトへの周囲空気の流入を阻止し、これにより背圧を減少させ及び効率を増大させながら、熱衝撃を回避するような始動中の排気ガス温度の制御を可能にする。

本明細書で開示された実施形態の能力は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はこれらの何れかの組み合わせにおいて実装することができる。一例として、開示された実施形態の１以上の態様は、例えばコンピュータ利用可能な媒体を有する製造物品（例えば、１以上のコンピュータプログラム製品）に含めることができる。媒体には、例えば、本発明の機能を備え且つ可能にするためのコンピュータ読取り可能プログラムコード手段がその中に具現化されている。製造物品は、コンピュータシステムの一部として含まれるか、又は別個に販売することができる。加えて、開示した実施形態の機能を実行するために機械により実行可能な命令の１以上のプログラムを有形的に具現化した機械読取り可能な１以上のプログラム記憶装置を設けることができる。

全体として、本明細書は、最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して本発明を開示し、更にあらゆる装置又はシステムを実施及び使用してあらゆる組込み方法を実行することを含む、本発明の当業者による実施を可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定まり、当業者に想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の例示的な実施形態の範囲内にあるものとする。

１０ アセンブリ
１２ ロータ
１４ 圧縮機
１６ 出力タービン
１８ 燃焼室
２０ 発電機
２２ 排気ガス
２４ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
２５ 排気システム
２６ ノズル
２８ 混合ダクト
３０ 移行ダクト
３２ スタック
３４ ＨＲＳＧ管体束
３６ ２次入口
３８ 周囲空気
４０ 中心軸線
４２ 一部
４４ 混合管体
４６ ディフューザ
４６ 可変ノズル機構
４８ 回転部材
５０ 関連周辺部材
５２ アクチュエータ
４９ ノズル開口
６０ 方法
６１，６２，６３ 段

Claims (10)

1. 排気ガス（２２）の温度を管理するシステムであって、
   ターボ機械の排気と流体連通して配置されるように構成されたノズル（２６）と、
   ノズル（２６）と流体連通した混合導管（２８）と、
   ノズル（２６）の周辺に配置され、混合導管（２８）の外部と内部との間に延びる１以上の２次入口（３６）と、
   ｉ）１以上の２次入口（３６）を閉鎖するように構成された第１の位置とｉｉ）１以上の２次入口（３６）を開放するとともにノズル（２６）の所定の直径を調整するように構成された第２の位置との間を移動できるように構成された可変ノズル機構（４６）と、
   可変ノズル機構（４６）を第１の位置と第２の位置との間で移動させるように構成されたアクチュエータ（５２）と
   を備えるシステム。
2. 可変ノズル機構（４６）が、ノズル（２６）の周辺に配置され且つノズル（２６）の周辺から延びる複数の回転可能部材（４８）を含む、請求項１記載のシステム。
3. 複数の回転可能部材（４８）の各々が、第１の位置で混合導管（２８）の内面に実質的に接触する、請求項２記載のシステム。
4. 複数の回転可能部材（４８）が、所定の直径を有するノズル開口（４９）に重なり合う、請求項２記載のシステム。
5. 周辺に配置され且つリングを形成する複数の周辺部材（５０）を更に備える、請求項２記載のシステム。
6. 混合導管（２８）が、第２の位置においてノズル（２６）の直径よりも大きな内径を有する円筒混合導管（４４）を含む、請求項１記載のシステム。
7. 可変ノズル機構（４６）を第１の位置又は第２の位置に向かってバイアスするように構成されたバイアス部材を更に備える、請求項１記載のシステム。
8. 排気ガス（２２）の温度を制御する方法であって、
   ノズル（２６）と、ノズル（２６）と流体連通した混合導管（２８）と、ノズル（２６）の周辺に配置され且つ混合導管（２８）の外部と内部との間に延びる１以上の２次入口（３６）とを備えた排気アセンブリ（２５）にターボ機械から排気ガス（２２）の流れを配向する段階と、
   可変ノズル機構（４６）を、ｉ）可変ノズル機構（４６）が１以上の２次入口（３６）を閉鎖するように構成された第１の位置とｉｉ）可変ノズル機構（４６）が外部ガスが混合導管（２８）に流入できるように１以上の２次入口（３６）を開放するとともにノズル（２６）の所定の直径を調整するように構成された第２の位置との間を移動させる段階と
   を含む方法。
9. 可変ノズル機構（４６）が、ターボ機械の定常状態運転中に第１の位置に移動され、ターボ機械の始動運転中に第２の位置に移動される、
   請求項８記載の方法。
10. 可変ノズル機構（４６）が、ノズル（２６）の周辺に配置され、且つ記ノズル（２６）の周辺から延びている複数の回転可能部材（４８）を含む、
    請求項８記載の方法。

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