JPH094466A - 複合サイクル・ガスタービンを運転する方法 - Google Patents
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Abstract
なしにタービンのある部品を使うことが出来る様にする
単純サイクル又は複合サイクル形式の陸用ガスタービン
を提供する。 【解決手段】 複合サイクル・ガスタービンを運転する
方法は、約23対1の圧力比を持つ多段圧縮機を用いて
入口空気を圧縮し、圧縮機から吐出された略全部の空気
を燃焼装置に差し向けて、気体状燃焼生成物を発生し、
気体状燃焼生成物をタービンに差し向け、気体状燃焼生
成物を排出する工程を含むように構成する。
Description
くして、ユーザがガスタービンの高温部品の空冷又は蒸
気冷却を取り入れることが出来る様にすると共に、50
及び60Hzの何れにおいても変更なしにタービンのある
部品を使うことが出来る様な設計変更を用いた、好まし
くは複合サイクル形式で表された新規な陸上用ガスター
ビンの設計方針に関する。特にこの発明は、複合サイク
ル形式で、蒸気冷却を用いる50及び60Hzガスタービ
ンの運転サイクルに対するパラメータの選択に関する。
式は単軸複合サイクル発電装置であり、ガスタービン、
蒸気タービン及び発電機が単軸又は回転子上に縦続的に
設けられている。単軸複合サイクル装置は、1台の空冷
ガスタービン、1台の蒸気タービン、及び1台の熱回収
形蒸気発生器(HRSG)で構成される。現在、単軸複
合サイクル装置は、50及び60Hz用の両方に対するガ
スタービンを含む出願人の生産ラインでは、各々のヘビ
ー・デューティ・ガスタービンに対して最適化されてい
る。ガスタービンの設計では、例えば増大した動力出力
に達する為に、幾何学的な倍率の原理を利用するのが常
套手段である。この倍率作用は、機械の物理的な寸法を
減少又は増加すると同時に、回転速度を増加又は減少す
れば、圧縮機及びタービンのラインは空気力学的並びに
機械的に類似になると云う原理に基づいている。この
為、現在の60Hz用ガスタービンを上向きの倍率にする
と、同様であるが一層大形の50Hzガスタービンに達す
る。
成功したが、重要な制約がある。例えば、現存の機械か
ら上向きの倍率を採る時、倍率によって決められた機械
の動力出力は選択し得る変数ではない。従って、動力出
力Xを定格とする現存の60Hzガスタービンを上向きの
倍率にして、動力出力Yの50Hzガスタービンにするこ
とが出来る。しかし、50Hzの市場で動力出力Zが要求
される場合、この倍率作用を利用することが出来ない。
この為、顧客/市場の必要条件に合わせ易くする別の設
計の考え方が必要である。
が夫々に別個の部品を必要とし、製造、在庫及び切換え
にコストがかゝると云う場合がある。この為、50及び
60Hzで運転する様に設計されたタービンの間での部品
の共通性を最大にする必要がある。コストを更に節約
し、熱効率及び動力出力を増加することは、発電業界に
於ける長年の目標であり、複合サイクル形式に於けるガ
スタービンの蒸気冷却によって効率を高めることが出来
ることは評価されているが、従来、蒸気冷却は目に付く
程の成功を伴う様には利用されていなかった。今日の単
純サイクルの正味の熱効率は36%前後であり、これに
対して複合サイクルの正味の熱効率は約55%前後であ
る。単純サイクルのプラントでは、60Hzの動力出力は
約168MWであり、50Hzの動力出力は約242MWであ
る。複合サイクル・プラントでは、60Hzの動力出力は
約252MWであり、50Hzの動力出力は約364MWであ
る。
択の比較の為、出願人の生産ラインにある単一サイクル
及び複合サイクルの現在の60Hz及び一層大形の50Hz
の空冷機械に対する運転パラメータを下の表Iに示す。
間で移り変わる時に倍率作用を設計の考え方として必要
としない又は利用しない様な新しい系列のガスタービン
機関を開発している。その過程で、出願人は、50及び
60Hzタービンの部品の共通性の考え方を著しく強め
た。更に、複合サイクル形式に於けるガスタービンの高
温部品の蒸気冷却を、複合サイクル装置の熱効率を大幅
に改善する為の方法として採用した。この他の係属中の
出願には、この新しい設計の考え方を反映する物理的並
びに/又は機械的な面も取り上げている。この発明は、
特に、ガスタービンのノズル、バケット及びシュラウド
の開放回路空冷又は閉回路蒸気冷却(閉回路が好まし
い)を取り入れ、現在の機械に較べて、高いレベルの効
率及び出力を達成する複合サイクル発電所に対する新し
いガスタービン・サイクルに関する。上に述べた全ての
目標を達成する為、幾つかの具体的な問題を取り上げ
る。
発電市場に対するものとして、NO X 放出物を低く保ち
ながら、今日の技術よりも一層高いレベルの効率及び出
力を発生する様に複合サイクル発電所で使うことの出来
るガスタービン・サイクルの設計である。第2の問題は
タービンの設計に「共通」タービン方式を適用すること
が出来る様に、50Hz及び60Hzの複合サイクル蒸気冷
却発電所に対するガスタービン・サイクルの定義をする
ことである。云い換えれば、生産コストを切り下げる為
には、作られる部品の数を減らして、作られるこう云う
部品が一層大量であることによって、部品のコストが一
層低くなり、工具の投資も減らすことが出来る様にする
ことが望ましい。低電力規模(80MW未満)では、50
Hz及び60Hzの発電市場は、正しい電気的な周波数の出
力が得られる様に調整した1種類のガスタービンで充当
することが出来る。しかし、この発明が目標とする一層
大規模な機械(80MWを越える)では、ガスタービンは
3,000rpm 又は3,600rpm で配送電流のHzで運
転しなければならない。従来、50Hzガスタービン及び
60Hzガスタービンが互いの目盛であって、2組の部品
及び2組の工具を必要としていた。50Hz及び60Hzガ
スタービンを、同じタービン回転子のハードウエア、同
じ固定子のハードウエア、及びタービンの第2段及び第
3段の同じエーロフォイルの若干を利用する様に設計出
来る様なガスタービン・サイクルを設計すれば、かなり
のコスト節約を実現することが出来る。
に対するガスタービン・サイクルの設計として、現在の
技術で可能であるよりも一層高いレベルの効率及び出力
を発生する様に、「単純サイクル」発電所又は空冷複合
サイクル・プラントで、並びに中間技術レベルとして
(即ち、複合サイクル蒸気冷却装置に転換する前の)使
うことが出来るガスタービン・サイクルの設計である。
単純サイクル発電所は、発電機を駆動するガスタービン
が動力を発生する唯一の源であるものである。云い換え
れば、この発明のガスタービンは主に複合サイクルで利
用することを意図するものであるが、複合サイクル装置
に切換える用意の出来ていない顧客に対しては、このタ
ービンが単純サイクル発電所でも使えることが望まし
い。しかし、それでも重点とするのは複合サイクル形式
である。
て、空冷タービンを蒸気冷却ガスタービンへと等格を高
めることが出来る様な空冷及び蒸気冷却ガスタービン・
サイクルの設計である。こう云う問題に対する解決策
が、大部分出願人の係属中の特許出願に記載されてい
る。例えば、出願人の係属中の米国特許出願通し番号第
08/414698(出願人控え番号839−34
6)、発明の名称「バケット先端すき間制御を持つ取外
し自在の内側タービン殻体」には、タービンの段1及び
2の固定子及び回転子部品に接近し易くすると共に、そ
れを空冷から蒸気冷却に転換することが出来る様にする
取外し自在の内側殻体が記載されている。出願人の係属
中の米国特許出願通し番号第08/414695(出願
人控え番号839−358)、発明の名称「乱流回転子
部品の閉又は開放回路冷却」には、段1及び2のタービ
ン・バケットに冷却蒸気を供給するやり方が記載されて
いる。出願人の係属中の米国特許出願通し番号第08/
414700(出願人控え番号839−352)、発明
の名称「閉回路蒸気冷却バケット」には、タービンの第
1段及び第2段バケットに対する冷却閉回路が記載され
ている。1993年12月3日に出願された出願人の係
属中の米国特許出願通し番号第08/161,070
号、発明の名称「蒸気冷却ガスタービンを持つ複合サイ
クルに対する蒸気サイクル」には、複合サイクル装置に
あるガスタービンに対する蒸気冷却回路が記載されてい
る。以上記載した全ての出願をこゝで引用する。
気流量、タービン入口温度、タービン点火温度、段1の
タービン・ノズルを出て行く時の温度(これは回転子入
口温度とも呼ばれる)、タービン排気マッハ数及びター
ビン排気温度を含むパラメータの組合せに基づいて、複
合サイクル形式で蒸気冷却ガスタービンを利用して、5
0Hz及び60Hzの両方の発電市場に対する特定のガスタ
ービン・サイクルを指し示す。蒸気冷却を伴う複合サイ
クル形式に転換する用意が出来ていない顧客の為に、6
0Hz空冷単純サイクル用の中間サイクルも指し示す。全
体としての目標は、NOX 放出物を少なくして、ガスタ
ービンの効率及び出力を改善しようとする発電業界の需
要に応えることである。
ル・パラメータの重要な変更は、圧縮機の圧力比を約1
8乃至25の範囲、好ましくは約23.2に高めるこ
と、タービン点火温度を約2,622°Fに高めるこ
と、タービン入口温度を(タービン排気温度に余り影響
せずに)約2,700°Fに高めること、及びタービン
に装填し得る空気(冷却空気)流量をタービン全体の流
量の約5−6%にずっと引き下げることである。蒸気並
びにその他のパラメータについてこれから更に詳しく説
明する。
23.2対1の圧力比を持つ多段圧縮機を用いて入口空
気を圧縮し、圧縮機から吐出された略全部の空気を燃焼
装置に差し向けて気体状燃焼生成物を発生し、気体状燃
焼生成物をタービンに差し向け、その後気体状燃焼生成
物を排出する工程を含む複合サイクル・ガスタービンを
運転する方法が提供される。
係属中の特許出願に記載された発明は、NOX 放出物を
少なくして、効率及び出力を改善すると云う必要を充た
し、ハードウエアにかなりの程度の共通性を達成し、蒸
気冷却へと簡単に等級を高めることが出来る様にし、そ
れに見合ったサイクル・パラメータを指し示す。
ヘビー・デューティ・ガスタービン10の略図である。
ガスタービンは、回転子軸14を持つ多段軸流圧縮機1
2で構成されていると見なすことが出来る。16の所で
圧縮機の入口に入った空気が軸流圧縮機12によって圧
縮され、その後燃焼器18に吐出され、そこで天然ガス
の様な燃料を燃焼させて、タービン20を駆動する高エ
ネルギの燃焼ガスを発生する。タービン20では、高温
ガスのエネルギが仕事に変換され、その仕事の一部分を
使って、軸14を介して圧縮機12を駆動し、残りは、
電力を発生する為に、回転子軸24(軸14の延長部)
によって発電機22の様な負荷を駆動する為の有効仕事
に利用し得る。典型的な単純サイクル・ガスタービンは
燃料入力の30乃至35%を軸出力に変換する。残りの
1乃至2%を除いた全部は、26の所で廃熱としてター
ビン20を出て行く。
す。この場合、26の所でタービン20を出て行く、排
ガスのエネルギが別の有効仕事に変換される。排ガスが
熱回収形蒸気発生器(HRSG)28に入り、そこでボ
イラー式に水が蒸気に変換される。こうして発生された
蒸気が蒸気タービン30を駆動し、こゝで更に仕事を抽
出して、軸32を介して、別の電力を発生する2番目の
発電機34の様な別の負荷を駆動する。ある形式では、
タービン20、30が共通の発電機を駆動する。電力だ
けを発生する複合サイクルは、高級なガスタービンを使
うと、熱効率が50%乃至60%の範囲内にある。
単にした形で示す。圧縮機12′からの空気が、普通の
様に、ガスタービン回転子14′の周りに円周方向に設
けられた幾つかの燃焼器に吐出される。この様な1つの
燃焼器を36に示してある。燃焼の後、その結果得られ
たガスを使ってタービン20′を駆動する。この例で
は、タービンは4つのホィール38、40、42、44
で表した相次ぐ4段を持ち、これらがガスタービン回転
子上に設けられてそれと一緒に回転し、各々は参照数字
46、48、50、52で表したバケット又は羽根を含
む。こう云うバケットがベーン54、56、58、60
で表した固定の固定子の間に交互に配置されている。
パラメータの決定は、多くの因子に基づいており、その
内の最も重要なものを次に説明する。特に断らない限
り、選ばれた運転パラメータは好ましい複合サイクル蒸
気冷却形式の50及び60Hz機械に対するものである。
蒸気冷却を用いた複合サイクル装置への予想された転換
以前の、上に引用した係属中の米国特許出願に論じられ
た種々のハードウエアの変更を取り入れているが、第1
段及び第2段に対して空冷を利用している60Hz単純サ
イクル空冷タービンについても説明する。
を解決する為のタービンの運転パラメータ又は仕様の選
択は、部分的には、材料の制限、並びに現存のガスター
ビン機関に存在するその他の条件又は配置によって決定
され、これは新しいタービンの設計にも持ち込まれる。
例えば、ガスタービンの熱効率及び比出力は、圧力比と
点火温度と云う2つのサイクル・パラメータの影響を強
く受ける。サイクルの圧力比は、圧縮機の吐出圧力を圧
縮機の入口圧力で除したものである。タービン冷却損失
を考慮しない理想的なサイクルでは、熱効率は化学量論
的な点火温度レベル及び50:1又は60:1の圧力比
次第で増加する。今日の超合金は2,200°Fで融け
始めるので、高温ガス通路の部品を冷却して、金属温度
を2,200°Fより十分低く保たなければならない。
圧縮機から空気を抽出して、タービンの高温ガス通路の
部品を冷却するのが常套手段であり、この為理論的な圧
力比は簡単には得られない。
ノズル、バケット及びシュラウドの蒸気冷却により(第
3段は空冷のまゝであり、第4段は無冷却のまゝであ
る)、普通ならば燃焼器を側路して、タービン流路の中
央にあるガス通路に入るタービン冷却空気(装入可能な
冷却)を減らすことにより、効率及び出力の重要な利得
が得られる。こゝで説明する例では、装入可能な(冷
却)流量は、空気流量全体の百分率として、約12%か
ら約5−6%に減らすことが出来る。蒸気冷却の別の利
点は、熱伝達が潜在的に優れていることである。例え
ば、典型的な高圧抽出蒸気を圧縮機抽出空気と比較する
と、蒸気は(他の点が同等として)その比熱が一層高い
ことにより、乱流性のダクトの流れの中での伝熱係数が
目立って有利である。しかし、更に重要な利点はガスタ
ービンの熱効率が一層高いことである。ガスタービンの
第1段及び第2段の冷却にもはや圧縮機抽出空気を必要
としないので、それを軸仕事に変換される様に、ガス通
路内の流量増加と云うよい用途に回すことが出来、同じ
燃料熱入力に対してタービン出力が一層高くなる。更
に、こゝで説明するサイクル・パラメータは、第1段及
び第2段を空冷から蒸気冷却に変えた時に起こるガス通
路の温度降下の固有の減少を反映する。云い換えれば、
タービン排気温度を上昇させる代わりに、一層高い圧縮
機の圧力比、即ち18−25の範囲、好ましくは20よ
り大きい、即ち、約23.2の圧力比を選ぶことによっ
て、温度効果を抑える。この比は、50及び60Hzの複
合サイクル蒸気冷却、及び60Hz単純サイクル空冷の両
方の機関に適用される。
子は、第4段の最終段が無冷却のまゝである現在の(尚
受入れられている)ガスタービン冷却方式である。即
ち、最終タービン段の冷却を避ける為、即ち、過大なタ
ービン排気温度を防ぐ為、圧力比を高めることが必要に
なるが、これは上に述べた所と見合っている。圧縮機の
圧力比は、最終段バケットに於けるマッハ数、タービン
排気温度並びに最終的には材料の選択を含むこの他のパ
ラメータも考慮に入れなければならない。この為、圧力
比並びに圧縮機の空気流量の値の決定は、妥当なコスト
で部品寿命(特に最終タービン段に於ける)が最大にな
る様に設計された材料を用いることに必然的に基づいて
いる。最終タービン段にとって好ましい材料は方向性凝
固をさせたR108合金であり、従って、タービン排気
温度は必然的に材料の選択によって定まる。最終タービ
ン段が無冷却のまゝと決まっているので、特にそうであ
る。
機の空気流量及び圧力比とも関係する。前に述べた様
に、排気温度は排気装置の材料及び最終段のタービン・
バケットの寿命によって制限される。現在の機械は約
1,110°Fまでの温度で運転される。このレベルよ
りずっと高くすると、排気装置の材料の選択に階段形の
変化が生じ、その結果、ハードウエアのコストが上昇す
る。現在のガスタービンでは、排気温度は主にタービン
点火温度及び圧縮機圧力比の影響を受け、排気温度が高
すぎる時は、排気温度を下げる為に圧力比の増加が用い
られる。この発明では、排気装置のコストの階段形の変
化による増加を避ける為に、排気温度は妥当なレベルの
範囲内に抑える。60Hz蒸気冷却機関では、タービン排
気温度は約1,121°Fに設定し、50Hz蒸気冷却機
関では、約1,140°Fに設定する。60Hz空冷機関
に対するタービン排気温度は約1,044°Fである。
これは、50Hz及び60Hzガスタービンを共通のタービ
ン構造で結び合わせて、空冷サイクルを蒸気冷却サイク
ルに等級を上げることが出来る様にした結果である。
約1,044°F)から、蒸気冷却サイクルよりも、圧
縮機の空気流量を一層高くして、又は圧力比を一層低く
して設計することが出来る。しかし、両方の機械で同じ
圧縮機を使うことが出来る様にし、空冷サイクルを蒸気
冷却サイクルに等級を高める時に圧縮機の変更を何ら必
要としない様にする為、圧力比及び流量は同じまゝにす
る。同じ空気流量にすると、空冷及び蒸気冷却の両方の
サイクルで、最大限に共通のタービン・ハードウエアを
使うことが出来る。
ハ数も、機械に通される圧縮機空気流量並びにタービン
排気温度の関数である。典型的には、排気マッハ数は、
圧縮機空気流量を設定するパラメータの1つであり、目
標は出力を増大する為に空気流量を最大にすることであ
る。現在のガスタービンは、約0.62乃至約0.65
の範囲内の排気マッハ数で運転される。この発明は妥当
な排気マッハ数のレベルをサイクル設計の圧縮機空気流
量の選択と関係づけ、好ましい構成では、タービン排気
マッハ数は、60Hz蒸気冷却機関では0.65であり、
50Hz蒸気冷却機関では0.68であり、60Hz空冷機
関では0.62である。
が選択され(好ましくは方向性凝固をさせたR108合
金)、それによってある温度の最大値が決まると、空気
流量をマッハ数の限界の関数として選ぶことが出来る。
60Hz蒸気冷却及び空冷機関に対する圧縮機空気流量は
約1,230pps であり、50Hz蒸気冷却機関では約
1,514pps である。
25ppm 未満、最終的には10ppm未満と云う目標が決
まると、60Hz蒸気冷却機関及び50Hz蒸気冷却機関に
対しては約2,700°Fのタービン入口温度が選ばれ
る。60Hz空冷機関に対するタービン入口温度は約2,
800°Fである。ガスタービンの効率及び出力は、タ
ービン入口温度の関数であるタービン点火温度の上昇と
共に本質的に増加する。選ばれたタービン入口温度によ
り、NOx 放出物の条件によって制限されていた現在の
技術による機械に較べて、サイクルの性能が高められ
る。NOx 放出物は、燃焼温度と共に増加するが、この
燃焼温度がその結果としてのタービン入口温度に反映す
る。これがサイクルに於けるタービン入口温度のレベル
を制限し、放出物の目標の変化又は燃焼技術の改良の変
化の結果としてだけ、変化する。こゝでこの発明は放出
物の目標並びに最近の燃焼技術をサイクルの設計内で組
合せる。
出力は本質的にタービン点火温度の上昇と共に増加す
る。タービン点火温度は、タービン入口温度のガスが段
1のノズルを通過した後の温度である。現在の技術の機
械では、段1のノズルが空冷であるが、150乃至25
0°Fの温度降下が起こり得る。段1のノズルを蒸気冷
却にすると、温度降下が約80°Fに少なくなり、その
結果、同じタービン入口温度に対し、タービン点火温度
を実質的に高め、こうして効率及び出力が増加する。こ
の発明では、50Hz及び60Hzの両方の機関に於けるタ
ービン点火温度は2,622°Fに設定する。
に於ける50Hz及び60Hz機関並びに中間の60Hz空冷
形式に対する例としての種々の運転パラメータをまとめ
たものである。 この発明を現在最も実用的で好ましい実施例と考えられ
るものについて説明したが、この発明がこゝにに開示し
た実施例に制限されず、むしろ特許請求の範囲に含まれ
る種々の変更及び均等物を包括するものであることを承
知されたい。
ービンの略図。
蒸気タービン装置の略図。
な断面図。
Claims (10)
- 【請求項1】 複合サイクル・ガスタービンを運転する
方法に於て、約23対1の圧力比を持つ多段圧縮機を用
いて入口空気を圧縮し、該圧縮機から吐出された略全部
の空気を燃焼装置に差し向けて気体状燃焼生成物を発生
し、該気体状燃焼生成物をタービンに差し向け、前記気
体状燃焼生成物を排出する工程を含む方法。 - 【請求項2】 タービンが、段1及び段2が蒸気冷却で
ある4段タービンである請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 圧縮機を通る空気流が約1,200−
1,600 pps である請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 タービン点火温度が約2,590乃至約
2,622°Fである請求項1記載の方法。 - 【請求項5】 前記燃焼装置から吐出される気体状燃焼
生成物が2,650−2,800°Fでタービンの第1
段に入る請求項1記載の方法。 - 【請求項6】 気体状燃焼生成物がタービンから約1,
040−約1,140°Fで排出される請求項1記載の
方法。 - 【請求項7】 気体状燃焼生成物の排気マッハ数が約
0.65である請求項1記載の方法。 - 【請求項8】 ガスタービンの排気を利用して熱回収形
蒸気発生器内の蒸気タービンからの復水を再熱し、ガス
タービンに於ける冷却デューティの為に蒸気タービンか
ら蒸気を抽出する複合サイクル形式の蒸気冷却ガスター
ビンを運転する方法に於て、多段圧縮機を用いて入口空
気を圧縮し、該圧縮機から吐出された略全部の空気を燃
焼装置に差し向けて気体状燃焼生成物を発生し、該気体
状燃焼生成物をタービンに差し向け、気体状燃焼生成物
を排出する工程を含み、タービンは4段タービンであっ
て、第1段及び第2段が蒸気冷却であり、第3段が空冷
であり、第4段は無冷却であり、タービンが50Hz又は
60Hzの何れで運転されるかに応じて、タービンが下記
のサイクル・パラメータ及び性能特性 60Hz(蒸気) 50Hz(蒸気) 「定格」出力(MW) 400 480 「定格」効率(%) 60 60 RPM 3600 3000 圧力比 23.2 23.2 圧縮機空気流(pps) 1230.3 1514 タービン(ノズル)入口温度(°F) 2700 2700 タービン点火温度(°F) 2622 2622 回転子入口温度(°F) 2600 2600 タービン排気温度(°F) 1121 1140 排気マッハ数 0.65 0.68 タービン装填流量(%Wc) 5.5 5.75 に従って運転される方法。 - 【請求項9】 圧縮機、燃焼装置及び発電機に接続され
たタービンを含むガスタービンを含んでいて、ガスター
ビンの排気を利用して熱回収形蒸気発生器内の蒸気ター
ビンに対する蒸気を加熱し、タービンの第1段及び第2
段が蒸気冷却である様な発電装置を運転する方法に於
て、20より大きい圧縮機圧力比、並びに約2,622
°Fのタービン燃焼装置点火温度を用いて前記ガスター
ビンを運転し、発電装置の熱効率を約60%にする工程
を含む方法。 - 【請求項10】 表IIに記載する夫々の運転パラメータ
に略従って運転される50Hz又は60Hz蒸気冷却又は6
0Hz空冷ガスタービン。
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