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JP6368611B2 - ガスタービン、コンバインドサイクルプラント、ガスタービンの起動方法 - Google Patents

ガスタービン、コンバインドサイクルプラント、ガスタービンの起動方法 Download PDF

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Description

本発明は、例えば、圧縮した高温・高圧の空気に対して燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービン、このガスタービンが適用されるコンバインドサイクルプラント、このガスタービンの起動方法に関するものである。
一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気とする。燃焼器は、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスを得る。タービンは、この燃焼ガスにより駆動し、同軸上に連結された発電機を駆動する。
このガスタービンにおけるタービンは、車室内に複数の静翼と動翼が燃焼ガスの流動方向に沿って交互に配設されて構成されており、燃焼器で生成された燃焼ガスが、複数の静翼と動翼を通過することでロータを駆動回転し、このロータに連結された発電機を駆動する。
ところで、ガスタービンにて、圧縮機で圧縮した圧縮空気は、一部が抽気されてタービン車室や静翼を冷却する。また、この圧縮空気は、一部が外部に導かれて空気冷却器により冷却されてから、タービンディスクや動翼を冷却する。この場合、空気冷却器は、圧縮空気を、例えば、排熱回収ボイラからの給水(冷却水)により冷却している。タービンにて、動翼の先端とタービン車室の内周面との間は、両者の干渉が生じない範囲で隙間(クリアランス)を小さくして燃焼ガスの隙間流を抑え、ガスタービンの性能が低下しない構造としている。
このようなガスタービンとしては、例えば、特許文献1に記載されたものがある。この特許文献1に記載されたコンバインドサイクル発電設備は、節炭器で加熱された水と圧縮機から抽出された圧縮空気とを熱交換して冷却空気を生成する抽出空気冷却器と、抽出空気冷却器をバイパスするバイパス系統と、バイパス管を流れる空気量を調節する調節弁とを設け、プラントの急激な負荷変化が起こった場合、空気温度を空気量により制御するものである。
特許第4488631号公報
ところで、ガスタービンの起動時、タービンの動翼は、高速回転すると共に燃焼ガスの影響を早く受けることから、先端部が径方向における外側に伸張する。一方、タービン車室は、熱容量が大きいために径方向における外側への伸張量が少ない。そのため、タービンの動翼の先端とタービン車室の内周面とのクリアランスが小さくなってしまう。この場合、ガスタービンの起動時に合わせてタービンの動翼の先端とタービン車室の内周面とのクリアランスを設定すると、ガスタービンの定常運転時に、このクリアランスが必要以上に大きくなってしまい、タービンによる駆動力の回収効率が低下し、ガスタービン自体の性能が低下してしまうという問題がある。このとき、空気冷却器におけるバイパス系統の調節弁を制御弁とすることが考えられるが、駆動源が喪失したり、制御信号が喪失したりすると、開度を維持することができず、全開した場合には冷却空気温度が上昇して接触の危険があり、また、全閉した場合には冷却空気温度が低下してクリアランスが広がり性能低下する問題がある。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、タービン車室側と動翼との隙間を適正量として安全性の確保及び性能の向上を図るガスタービンを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された圧縮空気を前記タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器と、前記空気冷却器に導入される圧縮空気をバイパスする空気冷却器バイパスラインと、前記空気冷却器バイパスラインに設けられる第1弁と、ガスタービンの起動中に前記第1弁の弁開度を予め設定された所定の低レベル開度以下とし、前記ガスタービンの負荷上昇後に前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度より大きくするように前記第1弁を開閉制御する制御部と、を有することを特徴とするものである。
従って、ガスタービンの起動中、第1弁の弁開度を低レベル開度以下にすると、空気冷却器バイパスラインを通る圧縮空気量が減少する一方、空気冷却器に導入される圧縮空気量が増加する。そのため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度が低下し、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を適正量として、動翼の先端とタービン車室の内周面との接触の危険を防止し、安全性を確保することができる。
また、負荷上昇後に第1弁の弁開度を低レベル開度より大きくすることで、空気冷却器バイパスラインを通る圧縮空気量が増加する一方、空気冷却器に導入される圧縮空気量が減少する。そのため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度の低下する度合が、起動中に比べて小さくなる。これにより、上記隙間が狭くなり、性能を向上することができる。
本発明のガスタービンでは、前記第1弁の弁開度を検出する検出部を設け、前記検出部は、前記第1弁の弁開度が前記低レベル開度以下であると検出したとき、前記制御部は、前記ガスタービンの起動を開始することを特徴としている。
従って、ガスタービンの起動前に、第1弁の弁開度が低レベル開度以下であることを確認することで、ガスタービンの起動を、空気冷却器に導入する圧縮空気量が少ない状態で行ってしまい、ロータ系が十分に冷却されないことで、動翼の先端とタービン車室の内周面とが接触する危険に陥ることを防止することができる。
本発明のガスタービンでは、前記第1弁は、弁開度を指示する制御信号や弁駆動源の遮断時にそのときの弁開度を保持可能な弁であることを特徴としている。
従って、第1弁を、制御信号や弁駆動源の遮断時にそのときの弁開度を保持可能な弁とすることで、制御系統や電源系統が喪失しても、第1弁は、現在の開度を維持するため、空気冷却器へ導入される圧縮空気量が変動することはなく、ロータ系を適正に冷却して動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を適正に保持することができる。
本発明のガスタービンでは、前記制御部は、前記ガスタービンにおける回転系と静止系とのクリアランスが小さくなる異常な状態時に、前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度以下まで閉制御することを特徴としている。
従って、何らかの原因で、回転系と静止系とのクリアランスが小さくなる異常な状態が発生すると、第1弁の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御するため、空気冷却器に導入される圧縮空気量が増加し、ロータ系の冷却系統に供給する圧縮空気の温度が低下する。すると、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を拡大することで、安全性を向上することができる。
本発明のガスタービンでは、前記制御部は、前記ガスタービンにおける回転系と静止系とのクリアランスが小さくなるような運転をする場合に、前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度以下まで閉制御することを特徴としている。
従って、負荷変動などに応じて、ガスタービンにおける回転系と静止系とのクリアランスが小さくなるような運転をすると、第1弁の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御するため、空気冷却器に導入される圧縮空気量が増加し、ロータ系の冷却系統に供給する圧縮空気の温度が低下する。すると、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を拡大することで、安全性を向上することができる。
本発明のガスタービンでは、前記所定の低レベル開度以下とした前記第1弁の開度が、微開状態であることを特徴としている。
もし、第1弁の低レベル開度以下の弁開度を完全に閉制御すると、空気冷却器バイパスラインにおける圧縮空気の流れが停滞し、温度低下によりドレンが発生するおそれがある。しかし、第1弁の低レベル開度以下の弁開度を微開状態とすることで、空気冷却器バイパスラインを微少の圧縮空気が流れることとなり、ドレンの発生を抑制することができる。
また、本発明のコンバインドサイクルプラントは、前記ガスタービンと、前記ガスタービンから排出された排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された蒸気を凝縮させて水を生成する復水器と、前記復水器から節炭器を経由して得られる給水を前記空気冷却器に送って圧縮空気と熱交換する給水ラインと、前記節炭器に導入される給水をバイパスする節炭器バイパスラインと、前記節炭器バイパスラインに設けられる第2弁と、を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、前記制御部は、前記ガスタービンの起動中に、前記空気冷却器バイパスラインへの圧縮空気のバイパス量を減らすために前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度以下とするように前記第1弁を閉制御すると共に、前記節炭器バイパスラインへの給水のバイパス量を増やすために前記第2弁の弁開度を開制御し、前記ガスタービンの負荷上昇後に、前記空気冷却器バイパスラインへの圧縮空気のバイパス量を増やすために前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度よりも大きくするように前記第1弁を開制御すると共に、前記節炭器バイパスラインへの給水のバイパス量を減らすために前記第2弁の弁開度を閉制御する、ものである。
従って、ガスタービンの起動中、空気冷却器バイパスラインへの圧縮空気のバイパス量を減らすために第1弁の弁開度を低レベル開度以下とすると共に、節炭器バイパスラインへの給水のバイパス量を増やすために第2弁の弁開度を開制御する。即ち、ガスタービンの起動中に空気冷却器バイパスラインを通る圧縮空気量が減少すると、空気冷却器に導入される圧縮空気量が増加する。また、節炭器バイパスラインを通る給水量が増加すると、節炭器に導入される給水量が減少する。そのため、空気冷却器に導入される圧縮空気量が増加し、この圧縮空気を冷却する給水の温度が低下するため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度を低下することができる。その結果、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を適正量として動翼の先端とタービン車室の内周面との接触の危険を防止し、安全性を確保することができる。
また、負荷上昇後に、空気冷却器バイパスラインへの圧縮空気のバイパス量を増やすために第1弁の弁開度を低レベル開度よりも大きくすると共に、節炭器バイパスラインへの給水のバイパス量を減らすために第2弁の弁開度を閉制御する。即ち、ガスタービンの負荷上昇後に空気冷却器バイパスラインを通る圧縮空気量が増加すると、空気冷却器に導入される圧縮空気量が減少する。また、節炭器バイパスラインを通る給水量が減少すると、節炭器に導入される給水量が増加する。そのため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度の低下する度合が、起動中に比べて小さくなる。これにより、上記隙間が狭くなり、性能を向上することができる。
また、本発明のガスタービンの起動方法は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された圧縮空気を前記タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器と、前記空気冷却器に導入される圧縮空気をバイパスする空気冷却器バイパスラインと、前記空気冷却器バイパスラインに設けられる第1弁と、を有するガスタービンにおいて、ガスタービンの起動中に前記第1弁の弁開度を予め設定された所定の低レベル開度以下とし、前記ガスタービンの負荷上昇後に前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度より大きくする、ことを特徴とするものである。
従って、ガスタービンの起動中、第1弁の弁開度を低レベル開度以下にすると、空気冷却器バイパスラインを通る圧縮空気量が減少する一方、空気冷却器に導入される圧縮空気量が増加する。そのため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度が低下し、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を適正量として、動翼の先端とタービン車室の内周面との接触の危険を防止し、安全性を確保することができる。
また、負荷上昇後に第1弁の弁開度を低レベル開度より大きくすることで、空気冷却器バイパスラインを通る圧縮空気量が増加する一方、空気冷却器に導入される圧縮空気量が減少する。そのため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度の低下する度合が、起動中に比べて小さくなる。これにより、上記隙間が狭くなり、性能を向上することができる。
本発明のガスタービン、コンバインドサイクルプラント、ガスタービンの起動方法によれば、ガスタービンの起動中、第1弁の弁開度を低レベル開度以下にするので、空気冷却器に導入される圧縮空気量が増加し、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度が低下するため、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を適正量として、動翼の先端とタービン車室の内周面との接触の危険を防止して安全性を確保することができると共に、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度の低下する度合が、起動中に比べて小さくなり、隙間が狭くなって性能を向上することができる。
図1は、本実施形態のガスタービンコンバインドサイクルプラントを表す概略構成図である。 図2は、空気冷却器に対する圧縮空気の供給ライン及び給水の供給ラインを表す概略図である。 図3は、ガスタービンの起動時における状態変化を表すタイムチャートである。
以下、添付図面を参照して、本発明に係るガスタービン、コンバインドサイクルプラント、ガスタービンの起動方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
図1は、本実施形態のガスタービンコンバインドサイクルプラントを表す概略構成図である。
本実施例において、図1に示すように、ガスタービンコンバインドサイクルプラント11は、ガスタービン部12と蒸気タービン部13とから構成されている。ガスタービン部12は、ガスタービン20を有している。このガスタービン20は、圧縮機21、燃焼器22、タービン23を有しており、圧縮機21とタービン23は、回転軸(ロータ)24により一体回転可能に連結されている。圧縮機21は、空気取り込みライン25から取り込んだ空気を圧縮する。燃焼器22は、圧縮機21から圧縮空気供給ライン26を通して供給された圧縮空気と、燃料ガス供給ライン27から供給された燃料ガスとを混合して燃焼する。タービン23は、燃焼器22から燃焼ガス供給ライン28を通して供給された燃焼ガスにより回転する。発電機29は、圧縮機21及びタービン23と同軸上に設けられており、タービン23が回転することで発電することができる。
また、ガスタービン部12は、圧縮機21から抽出して得られた圧縮空気を冷却してタービン23におけるロータ系(回転系)の冷却系統に供給する空気冷却器31を有している。即ち、圧縮機21から圧縮空気を抽出する抽気ライン32が設けられると共に、抽気して得られた圧縮空気を冷却してタービン23におけるロータ系の冷却系統に供給する冷却空気供給ライン33が設けられている。空気冷却器31は、抽気ライン32と冷却空気供給ライン33の間に設けられ、圧縮機21からの圧縮空気を冷却する。また、空気冷却器31に導入される圧縮空気をバイパスする空気冷却器バイパスライン34が設けられ、この空気冷却器バイパスライン34に電動弁(第1弁)35が設けられている。この空気冷却器バイパスライン34は、空気冷却器31をバイパスするように抽気ライン32と冷却空気供給ライン33を接続しており、圧縮機21から抽気ライン32を通して抽出した圧縮空気に対して何も負荷を与えずに現在の圧力、温度、流量などを維持したままで冷却空気供給ライン33に流すものである。なお、図示しないが、ガスタービン部12は、圧縮機21の抽気室から抽出して得られた圧縮空気をタービン23におけるタービン車室(静止系)の冷却系統に供給する空気冷却通路を有している。
蒸気タービン部13は、排熱回収ボイラ40を有している。この排熱回収ボイラ40は、ガスタービン20から排ガス排出ライン30を介して排出された排気ガスの排熱によって蒸気を発生させるものであり、高圧ユニット41と低圧ユニット51とを有している。この排熱回収ボイラ40は、内部でガスタービン20からの排気ガスが上方に移送されることで、高圧ユニット41、低圧ユニット51の順に熱回収を行って蒸気を発生させる。
高圧ユニット41は、高圧節炭器42、高圧ドラム43、高圧蒸発器44、高圧過熱器45を有している。そのため、高圧節炭器42で加熱された給水は、第1高圧給水ライン46により高圧ドラム43に送られ、第2高圧給水ライン47の高圧ドラム降水管47a及び高圧ドラム上昇管47bを介して高圧蒸発器44で加熱されて高圧蒸気を発生し、発生した高圧蒸気は、高圧飽和蒸気管48を介して高圧過熱器45に送られ、ここで過熱される。そして、第1高圧給水ライン46に流量調節弁49が設けられている。
低圧ユニット51は、低圧節炭器52、低圧ドラム53、低圧蒸発器54、低圧過熱器55を有している。そのため、低圧節炭器52で加熱された給水は、第1低圧給水ライン56により低圧ドラム53に送られ、第2低圧給水ライン57の低圧ドラム降水管57a及び低圧ドラム上昇管57bを介して低圧蒸発器54で加熱されて低圧蒸気を発生し、発生した低圧蒸気は、低圧飽和蒸気管58を介して低圧過熱器55に送られ、ここで過熱される。
第1高圧給水ライン46は、第1低圧給水ライン56の給水を給水ポンプ60により高圧節炭器42に送る給水ライン59を含んでいる。即ち、給水ライン59は、第1低圧給水ライン56と高圧節炭器42との間に設けられ、給水ポンプ60を有している。
そのため、低圧節炭器52の給水の一部が給水ポンプ60により給水ライン59を介して高圧節炭器42に送られる。給水ライン59における給水ポンプ60より下流側から分岐して空気冷却器31に至る第1冷却水供給ライン61が設けられると共に、空気冷却器31から第1高圧給水ライン46における流量調節弁49より上流側に至る第2冷却水供給ライン62が設けられている。そして、第2冷却水供給ライン62に温度調節弁63が設けられている。
また、蒸気タービン部13は、蒸気タービン70を有している。蒸気タービン70は、排熱回収ボイラ40により生成された蒸気により駆動するものであり、高圧タービン71と低圧タービン72を有している。高圧タービン71と低圧タービン72は、同軸上に配置され、発電機73が連結されている。高圧過熱器45の高圧蒸気は、高圧蒸気供給通路74により高圧タービン71に供給され、低圧過熱器55の低圧蒸気は、低圧蒸気供給通路75により低圧タービン72に供給される。そして、高圧タービン71から排出された高圧蒸気は、高圧蒸気排出通路76により低圧蒸気供給通路75に供給され、低圧タービン72から排出された低圧蒸気は、低圧蒸気排出通路77により復水器78に供給される。
復水器78は、回収された蒸気を海水により冷却して復水とするものである。この復水器78は、生成した復水を復水供給ライン81により低圧節炭器52に送る。復水供給ライン81にグランドコンデンサ82が設けられている。そして、復水供給ライン81から低圧節炭器52に導入される復水(給水)をバイパスする節炭器バイパスライン83が設けられ、この節炭器バイパスライン83にバイパス調節弁(第2弁)84が設けられている。また、第2冷却水供給ライン62における温度調節弁63より上流側から分岐して復水器78に至る給水回収ライン85が設けられ、給水回収ライン85に空気冷却器31に供給する冷却水流量を確保するための流量調整弁86が設けられている。
このように構成されたガスタービンコンバインドサイクルプラント11にて、タービン23における動翼の先端とタービン車室側とのクリアランスは、動翼やタービン車室などの熱延びを考慮したクリアランス量となっており、タービン23による駆動力の回収効率が低下、しいては、ガスタービン20自体の性能の低下の観点から、タービン23における動翼の先端とタービン車室側とのクリアランスをできるだけ小さい量にすることが望ましい。しかし、ガスタービン20の起動時、タービン23の動翼は、高速回転すると共に燃焼ガスの影響を早く受けることから、先端部が径方向における外側に伸張する。一方、タービン車室は、熱容量が大きいために径方向における外側への伸張量が動翼よりも少ない。そのため、タービン23の動翼の先端とタービン車室の内周面とのクリアランスが小さくなり、干渉の危険性が高まってしまう。
そこで、本実施形態では、図2に示すように、電動弁35を開閉制御可能な制御部101を設け、この制御部101は、ガスタービン20の起動中に、電動弁35の弁開度を予め設定された所定の低レベル開度以下とし、ガスタービン20の負荷上昇後に、電動弁35の弁開度を低レベル開度より大きくする。
即ち、復水器78は、復水供給ライン81を介して低圧節炭器52に連結され、低圧節炭器52は、給水ポンプ60を有する給水ライン59を介して高圧節炭器42に連結されている。そして、復水供給ライン81から低圧節炭器52をバイパスして給水ライン59に連結される節炭器バイパスライン83が設けられ、節炭器バイパスライン83にバイパス調節弁84が設けられている。高圧節炭器42は、流量調節弁49を有する第1高圧給水ライン46を介して高圧ドラム43に連結され、給水ライン59における高圧節炭器42より上流側に圧力調整弁91が設けられている。
また、給水ライン59から分岐する第1冷却水供給ライン61は、空気冷却器31に連結され、第1冷却水供給ライン61に冷却水遮断弁としての主弁92と副弁93が並列に設けられている。空気冷却器31からの第2冷却水供給ライン62は、第1高圧給水ライン46における高圧節炭器42より下流側で、且つ、流量調節弁49より上流側に連結され、温度調節弁63が設けられている。
そして、第1冷却水供給ライン61における主弁92及び副弁93より上流側に第1温度センサ111が設けられ、第2冷却水供給ライン62における温度調節弁63より上流側に第2温度センサ112が設けられている。第1、第2温度センサ111,112は、測定した給水(復水)の温度を制御部101に出力する。
一方、圧縮機21から抽気した圧縮空気を空気冷却器31に供給する抽気ライン32が設けられると共に、空気冷却器31で冷却した圧縮空気をタービン23におけるロータ系の冷却系統に供給する冷却空気供給ライン33が設けられている。そして、抽気ライン32から空気冷却器31をバイパスして冷却空気供給ライン33に至る空気冷却器バイパスライン34が設けられ、空気冷却器バイパスライン34に電動弁35が設けられている。
そして、冷却空気供給ライン33における空気冷却器バイパスライン34の連結部より下流側に第3温度センサ113が設けられている。第3温度センサ113は、測定した圧縮空気(冷却空気)の温度を制御部101に出力する。
ここで、電動弁35は、制御部101から弁開度を指示する制御信号が遮断されたり、弁駆動源(図示しない電力装置)からの電力が遮断されたりしたとき、そのときの弁開度を保持可能な弁である。即ち、電動弁35は、図示しないが、電気モータの駆動回転力を減速機で減速して弁体に伝達することで、この弁体を移動してその開度を変更することができるものであり、制御信号や供給電力が遮断されても、開放側や閉止側に移動せず、現在の位置で停止して弁開度を保持することができる。
この電動弁35は、その弁開度を検出する開度センサ(検出部)121が設けられている。開度センサ121は、検出した電動弁35の弁開度を制御部101に出力する。そして、開度センサ121は、電動弁35の弁開度が低レベル開度以下であると検出したとき、制御部101は、ガスタービン20の起動を開始する。
また、制御部101は、ガスタービン20における回転系と静止系とのクリアランスが小さくなる異常な状態時に、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御する。更に、制御部101は、ガスタービン20における回転系と静止系とのクリアランスが小さくなるような運転をする場合に、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御する。ここで、低レベル開度以下とした電動弁35の弁開度とは、微開状態とすることが望ましいが、0度(全閉)とすることもできる。
更に、制御部101は、ガスタービン20の起動中に、空気冷却器バイパスライン34への圧縮空気のバイパス量を減らすために電動弁35の弁開度を低レベル開度以下とするように電動弁35を閉制御すると共に、節炭器バイパスライン83への給水のバイパス量を増やすためにバイパス調節弁84の弁開度を開制御する。一方、ガスタービン20の負荷上昇後に、空気冷却器バイパスライン34への圧縮空気のバイパス量を増やすために電動弁35の弁開度を低レベル開度よりも大きくするように電動弁35を開制御すると共に、節炭器バイパスライン83への給水のバイパス量を減らすためにバイパス調節弁84の弁開度を閉制御する。
ここで、ガスタービン20の起動方法について説明する。図2及び図3に示すように、時間t1にて、ガスタービン20が起動すると、ロータ24の回転数が上昇し、時間t2にて、ロータ24の回転数が定格回転数に到達して一定値に維持される。この間、圧縮機21は、空気取り込みライン25から空気を取り込み、複数の静翼及び動翼を通過して空気が圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気を生成する。燃焼器22は、ロータ24の回転数が定格回転数に達する前に点火され、圧縮空気に燃料を供給して燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスを生成する。タービン23は、燃焼ガスが複数の静翼及び動翼を通過することでロータ24を駆動回転する。そのため、ガスタービン20は、その後、負荷(出力)が上昇し、定格負荷(定格出力)に到達して一定値に維持される。
このようなガスタービン20の起動時、タービン23の動翼は、高速回転することで径方向における外側に変位(伸張)し、その後、高温・高圧の燃焼ガスから熱を受けることで更に外側に変位(伸張)する。一方、タービン車室側の翼環も、高温・高圧の燃焼ガスから熱を受けることで外側に変位(伸張)する。このとき、圧縮機21から抽出して得られた圧縮空気が空気冷却器31により冷却され、タービン23のロータ24や動翼に供給されることで冷却される。また、圧縮機21の抽気室から抽出して得られた圧縮空気がタービン23におけるタービン車室に供給されることで冷却される。
但し、タービン23におけるロータ24や動翼は、タービン車室側の翼環に比べて、高温・高圧の燃焼ガスから多くの熱を受けることから、外側への変位量が大きい。そのため、動翼の先端と翼環の内周面とのクリアランスが一時的に大きく減少するピンチポイント(最小隙間)が発生してしまう。即ち、図3に表す動翼の先端と翼環の内周面とのクリアランスS2(点線)は、ロータ24の回転数が定格回転数に到達前の過渡期に、大きく減少している。
そのため、本実施形態では、ガスタービン20の起動中に電動弁35の弁開度を予め設定された所定の低レベル開度以下とし、ガスタービン20の負荷上昇後に、電動弁35の弁開度を低レベル開度より大きくする。なお、電動弁35における低レベル開度以下の開度は、微開状態(開度A)であるが、0度(全閉)としてもよい。また、制御部101は、ガスタービン20の起動中に、バイパス調節弁84を開制御し、ガスタービン20の負荷上昇後に、バイパス調節弁84の弁開度を閉制御する。
即ち、時間t1にて、ガスタービン20が起動すると、電動弁35の弁開度を低レベル開度(開度数%)とし、バイパス調節弁84の弁開度を予め設定された所定開度(例えば、開度50%)とする。電動弁35の弁開度が低レベル開度となると、空気冷却器バイパスライン34を通る圧縮空気量が減少し、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が増加する。また、バイパス調節弁84の弁開度が所定開度まで大きくなると、節炭器バイパスライン83を通る給水量が増加し、低圧節炭器52に導入される給水量が減少する。
すると、空気冷却器31は、圧縮機21から抽気ライン32を通して導入される圧縮空気量が増加する一方、復水器78から第1冷却水供給ライン61を通して導入される給水の温度が低下する。そのため、空気冷却器31にて、圧縮機21から導入される多量の圧縮空気が、復水器78から導入される低温の給水により冷却される。つまり、起動中は、冷却空気供給ライン33に送出する冷却用の圧縮空気を冷却する度合を、高めている。
例えば、復水器78からの給水(復水)が40℃であるとき、低圧節炭器52を通過した給水と節炭器バイパスライン83を通過した給水が混合して50℃の給水となる。そして、50℃の給水が給水ポンプ60により第1冷却水供給ライン61を通して空気冷却器31に導入される。一方、圧縮機21から抽気した圧縮空気の温度が400℃である。そのため、空気冷却器31は、400℃の圧縮空気を50℃の給水により冷却する。その結果、400℃の圧縮空気は、200℃まで冷却されてからタービン23の冷却系統に供給され、50℃の給水は、300℃まで温度上昇する。ここで、制御部101は、各温度センサ111,112,113が検出した給水及び圧縮空気の温度を監視しており、空気冷却器31から冷却空気供給ライン33を通してタービン23の冷却系統に供給される圧縮空気の温度が第1目標温度(例えば、200℃)になるように、電動弁35とバイパス調節弁84を開閉制御する。
その結果、空気冷却器31は、より低温の圧縮空気をタービン23の冷却系統に供給することで、タービン23のロータ24や動翼を効率良く冷却する。すると、燃焼ガスによるロータ24や動翼の変位(伸張)が抑制され、動翼の先端とタービン車室側とのクリアランスを適正値に維持することができる。つまり、起動中は、タービン23のロータ24や動翼を冷却する度合を高めることで、それらの伸びを大きく抑制し、静止系との接触の危険を確実に防止する。
その後、ガスタービン20が定格回転数に到達すると、タービン車室側の翼環も高温・高圧の燃焼ガスから多くの熱を受けることとなり、外側への変位量が大きくなる。そのため、動翼の先端と翼環の内周面とのクリアランスが徐々に大きくなる。そこで、時間t2にて、電動弁35の弁開度を低レベル開度より大きく(例えば、開度10%)すると共に、バイパス調節弁84の弁開度を予め設定された所定開度(例えば、開度0%)に閉制御する。電動弁35の弁開度が大きくなると、空気冷却器バイパスライン34を通る圧縮空気量が増加し、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が減少する。また、バイパス調節弁84の弁開度が小さくなると、節炭器バイパスライン83を通る給水量が減少し、低圧節炭器52に導入される給水量が増加する。
すると、空気冷却器31は、圧縮機21から抽気ライン32を通して導入される圧縮空気量が減少する一方、低圧節炭器52から第1冷却水供給ライン61を通して導入される給水の温度が上昇する。そのため、空気冷却器31にて、圧縮機21から導入される適量の圧縮空気が、復水器78から導入される給水により冷却される。
例えば、復水器78からの給水(復水)が40℃であるとき、その給水は、節炭器バイパスライン83を通過することがなく、全て低圧節炭器52を通過し、通過後の給水の温度が50℃となる。そして、150℃の給水が給水ポンプ60により第1冷却水供給ライン61を通して空気冷却器31に導入される。一方、圧縮機21から抽気した圧縮空気の温度が500℃である。そのため、空気冷却器31は、500℃の圧縮空気を150℃の給水により冷却し、空気冷却器31で冷却された低温の圧縮空気と空気冷却器バイパスライン34を通った高温の空気とが混合する。その結果、500℃の圧縮空気は、250℃まで冷却されてからタービン23の冷却系統に供給され、150℃の給水は、350℃まで温度上昇する。ここで、制御部101は、各温度センサ111,112,113が検出した給水及び圧縮空気の温度を監視しており、空気冷却器31から冷却空気供給ライン33を通してタービン23の冷却系統に供給される圧縮空気の温度が第2目標温度(例えば、250℃)になるように、温度調節弁63を開閉制御する。
その結果、空気冷却器31は、適温の圧縮空気をタービン23の冷却系統に供給することで、タービン23のロータ24や動翼を効率良く冷却する。すると、燃焼ガスによるロータ24や動翼の変位(伸張)が抑制され、動翼の先端とタービン車室側とのクリアランスを適正値に維持することができる。つまり、負荷上昇後は、タービン23のロータ24や動翼を冷却する度合を低めることで、それらの伸びを、起動中よりも抑制し、静止系とのクリアランスを狭くして性能を上げる。
ここで、圧縮空気及び給水の温度変化、タービン23の回転系と静止系とのクリアランスの変化について説明する。ガスタービン20の起動時、空気冷却器31に導入される給水の温度T1は、例えば、50℃であり、ガスタービン20が定格回転数に到達後は、150度まで上昇する。また、ガスタービン20の起動時、空気冷却器31から排出される給水の温度T2は、例えば、300℃であり、ガスタービン20が定格回転数に到達後は、350℃まで上昇する。更に、ガスタービン20の起動時、空気冷却器31で冷却された後にタービン23に送られる圧縮空気の温度T3は、例えば、200℃であり、ガスタービン20が定格回転数に到達後は、250℃まで上昇する。
そのため、タービン23の回転系と静止系とのクリアランスS1は、タービン23の回転数が上昇する過渡期で若干減少するものの、ほぼ一定値に維持される。このようにクリアランスS1がほぼ一定値に維持されるため、クリアランスS1より小さいクリアランスS3に変更することが可能となる。この場合、例えば、ガスタービン20の負荷が上昇した後の電動弁35の弁開度を、例えば、開度10%から大きくし、目標とする圧縮空気の温度を上昇することで、タービン23の回転系と静止系とのクリアランスS2を小さくすることができる。
また、ガスタービン20にて、タービン23の回転系と静止系とのクリアランスが小さくなる異常な状態時に、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御する。異常な状態時とは、例えば、次のようなときである。即ち、タービン23の静止系に供給されている冷却空気の温度が低下したり、冷却空気の量が増加したりするときである。また、空気冷却器31に供給されている給水の温度が上昇したり、給水の量が低下したりするときである。更に、圧縮機21から抽気した圧縮空気の温度が上昇したり、圧縮空気の量が低下したりするときである。このようなとき、タービン23の回転系と静止系とのクリアランスが小さくなることから、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御し、空気冷却器31で冷却する圧縮空気の量を増加し、タービン23に供給する圧縮空気の温度を低下させる。
更に、ガスタービン20にて、タービン23の回転系と静止系とのクリアランスが小さくなるような運転をする場合に、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御する。例えば、ガスタービン負荷を必要以上に上げるような過渡時、回転系の温度が上昇してクリアランスが小さくなる。このようなとき、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御し、空気冷却器31で冷却する圧縮空気の量を増加し、タービン23に供給する圧縮空気の温度を低下させる。
このように本実施形態のガスタービンにあっては、圧縮機21と燃焼器22とタービン23とを設けると共に、圧縮機21から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された圧縮空気をタービン23におけるロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器31と、空気冷却器31に導入される圧縮空気をバイパスする空気冷却器バイパスライン34と、空気冷却器バイパスライン34に設けられる電動弁35と、ガスタービン20の起動中に電動弁35の弁開度を低レベル開度以下とし、ガスタービン20の負荷上昇後に電動弁35の弁開度を低レベル開度より大きくするように電動弁35を開閉制御する制御部101を設けている。
従って、ガスタービン20の起動中、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下にすると、空気冷却器バイパスライン34を通る圧縮空気量が減少する一方、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が増加する。そのため、タービン23におけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度が低下し、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側とのクリアランスを適正量として、動翼の先端とタービン車室の内周面との接触の危険を防止し、安全性を確保することができる。また、負荷上昇後に電動弁35の弁開度を低レベル開度より大きくすることで、空気冷却器バイパスライン34を通る圧縮空気量が増加する一方、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が減少する。そのため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度の低下する度合が、起動中に比べて小さくなる。これにより、上記隙間が狭くなり、性能を向上することができる。
本実施形態のガスタービンでは、電動弁35の弁開度を検出する検出センサ121を設け、検出センサ121は、電動弁35の弁開度が低レベル開度以下であると検出したとき、制御部101は、ガスタービン20の起動を開始する。従って、ガスタービン20の起動前に、電動弁35の弁開度が低レベル開度以下であることを確認することで、ガスタービン20の起動を、空気冷却器31に導入する圧縮空気量が少ない状態で行ってしまい、ロータ系が十分に冷却されないことで、動翼の先端とタービン車室の内周面とが接触する危険に陥ることを防止することができる。
本実施形態のガスタービンでは、電動弁35は、弁開度を指示する制御信号や弁駆動源の遮断時にそのときの弁開度を保持可能な弁である。従って、制御系統や電源系統が喪失しても、電動弁35は、現在の開度を維持するため、空気冷却器31へ導入される圧縮空気量が変動することはなく、ロータ系を適正に冷却して動翼とタービン車室側とのクリアランスを適正に保持することができる。
本実施形態のガスタービンでは、制御部101は、ガスタービン20における回転系と静止系とのクリアランスが小さくなる異常な状態時に、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御する。従って、何らかの原因で、回転系と静止系とのクリアランスが小さくなる異常な状態が発生すると、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御するため、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が増加し、ロータ系の冷却系統に供給する圧縮空気の温度が低下する。すると、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側とのクリアランスを拡大することで、安全性を向上することができる。
本実施形態のガスタービンでは、制御部101は、ガスタービン20における回転系と静止系とのクリアランスが小さくなるような運転をする場合に、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御する。従って、負荷変動などに応じて、ガスタービン20における回転系と静止系とのクリアランスが小さくなるような運転をすると、電動弁35の弁開度を低レベル開度以下まで閉制御するため、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が増加し、ロータ系の冷却系統に供給する圧縮空気の温度が低下する。すると、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を拡大することで、安全性を向上することができる。
本実施形態のガスタービンでは、電動弁35の低レベル開度以下の弁開度を微開状態としている。もし、電動弁35の弁開度を完全に閉制御すると、空気冷却器バイパスライン34における圧縮空気の流れが停滞し、温度低下によりドレンが発生するおそれがある。しかし、低レベル開度以下の弁開度を微開状態とすることで、空気冷却器バイパスライン34を微少の圧縮空気が流れることとなり、ドレンの発生を抑制することができる。
また、本実施形態のガスタービンコンバインドサイクルプラントにあっては、ガスタービン20と排熱回収ボイラ40と蒸気タービン70と復水器78と空気冷却器31とを設けると共に、低圧節炭器52に導入される給水をバイパスする節炭器バイパスライン83と、節炭器バイパスライン83に設けられるバイパス調節弁84とを設け、制御部101は、ガスタービン20の起動中に、空気冷却器バイパスライン34への圧縮空気のバイパス量を減らすために電動弁35の弁開度を低レベル開度以下とするように電動弁35を閉制御すると共に、節炭器バイパスライン83への給水のバイパス量を増やすためにバイパス調節弁84の弁開度を開制御し、ガスタービン20の負荷上昇後に、空気冷却器バイパスライン34への圧縮空気のバイパス量を増やすために電動弁35の弁開度を低レベル開度よりも大きくするように電動弁35を開制御すると共に、節炭器バイパスライン83への給水のバイパス量を減らすためにバイパス調節弁84の弁開度を閉制御する。
従って、ガスタービン20の起動中、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が増加し、この圧縮空気を冷却する給水の温度が低下するため、タービン23におけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度を低下することができる。その結果、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、動翼とタービン車室側とのクリアランスを適正量として動翼の先端とタービン車室の内周面との接触の危険を防止し、安全性を確保することができる。
また、負荷上昇後に、空気冷却器バイパスライン34への圧縮空気のバイパス量を増やすために電動弁35の弁開度を低レベル開度よりも大きくすると共に、節炭器バイパスライン83への給水のバイパス量を減らすためにバイパス調整弁84の弁開度を閉制御する。即ち、ガスタービン20の負荷上昇後に空気冷却器バイパスライン34を通る圧縮空気量が増加すると、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が減少する。また、節炭器バイパスライン83を通る給水量が減少すると、低圧節炭器52に導入される給水量が増加する。そのため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度の低下する度合が、起動中に比べて小さくなる。これにより、上記隙間が狭くなり、性能を向上することができる。
また、本実施形態のガスタービンの起動方法にあっては、ガスタービン20の起動中に電動弁35の弁開度を所定の低レベル開度以下とし、ガスタービン20の負荷上昇後に電動弁35の弁開度を低レベル開度より大きくする。従って、ガスタービン20の起動中は、タービン23におけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度がより一層低下し、燃焼ガスによるロータ系の熱延びを抑制し、ガスタービン20の負荷上昇後は、動翼とタービン車室側との隙間(クリアランス)を適正量として動翼の先端とタービン車室の内周面との接触の危険を防止し、安全性を確保することができる。
また、負荷上昇後に、空気冷却器バイパスライン34への圧縮空気のバイパス量を増やすために電動弁35の弁開度を低レベル開度よりも大きくすると共に、節炭器バイパスライン83への給水のバイパス量を減らすためにバイパス調整弁84の弁開度を閉制御する。即ち、ガスタービン20の負荷上昇後に空気冷却器バイパスライン34を通る圧縮空気量が増加すると、空気冷却器31に導入される圧縮空気量が減少する。また、節炭器バイパスライン83を通る給水量が減少すると、低圧節炭器52に導入される給水量が増加する。そのため、タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給される圧縮空気の温度の低下する度合が、起動中に比べて小さくなる。これにより、上記隙間が狭くなり、性能を向上することができる。
なお、上述した実施形態にて、本発明のガスタービンをコンバインドサイクルプラントに適用して説明したが、この構成に限定されるものではなく、排熱回収ボイラのないシンプルサイクルに適用してもよい。
11 ガスタービンコンバインドサイクルプラント
12 ガスタービン部
13 蒸気タービン部
20 ガスタービン
21 圧縮機
22 燃焼器
23 タービン
31 空気冷却器
34 空気冷却器バイパスライン
35 電動弁(第1弁)
40 排熱回収ボイラ
41 高圧ユニット
42 高圧節炭器
51 低圧ユニット
52 低圧節炭器
70 蒸気タービン
71 高圧タービン
72 低圧タービン
78 復水器
83 節炭器バイパスライン
84 バイパス調節弁(第2弁)
101 制御部
111 第1温度センサ
112 第2温度センサ
113 第3温度センサ
121 開度センサ(検出部)

Claims (8)

  1. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
    前記圧縮機から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された圧縮空気を前記タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器と、
    前記空気冷却器に導入される圧縮空気をバイパスする空気冷却器バイパスラインと、
    前記空気冷却器バイパスラインに設けられる第1弁と、
    ガスタービンの起動中に前記第1弁の弁開度を予め設定された所定の低レベル開度以下とし、前記ガスタービンの負荷上昇後に前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度より大きくするように前記第1弁を開閉制御する制御部と、
    を有することを特徴とするガスタービン。
  2. 前記第1弁の弁開度を検出する検出部を設け、前記検出部は、前記第1弁の弁開度が前記低レベル開度以下であると検出したとき、前記制御部は、前記ガスタービンの起動を開始することを特徴とする請求項1に記載のガスタービン。
  3. 前記第1弁は、弁開度を指示する制御信号や弁駆動源の遮断時にそのときの弁開度を保持可能な弁であることを特徴とする請求項2に記載のガスタービン。
  4. 前記制御部は、前記ガスタービンにおける回転系と静止系とのクリアランスが小さくなる異常な状態時に、前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度以下まで閉制御することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガスタービン。
  5. 前記制御部は、前記ガスタービンにおける回転系と静止系とのクリアランスが小さくなるような運転をする場合に、前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度以下まで閉制御することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のガスタービン。
  6. 前記所定の低レベル開度以下とした前記第1弁の開度が、微開状態であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のガスタービン。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか一項のガスタービンと、
    前記ガスタービンから排出された排気ガスの排熱により蒸気を生成する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラにより生成された蒸気により駆動する蒸気タービンと、
    前記蒸気タービンから排出された蒸気を凝縮させて水を生成する復水器と、
    前記復水器から節炭器を経由して得られる給水を前記空気冷却器に送って圧縮空気と熱交換する給水ラインと、
    前記節炭器に導入される給水をバイパスする節炭器バイパスラインと、
    前記節炭器バイパスラインに設けられる第2弁と、
    を有するコンバインドサイクルプラントにおいて、
    前記制御部は、
    前記ガスタービンの起動中に、前記空気冷却器バイパスラインへの圧縮空気のバイパス量を減らすために前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度以下とするように前記第1弁を閉制御すると共に、前記節炭器バイパスラインへの給水のバイパス量を増やすために前記第2弁の弁開度を開制御し、
    前記ガスタービンの負荷上昇後に、前記空気冷却器バイパスラインへの圧縮空気のバイパス量を増やすために前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度よりも大きくするように前記第1弁を開制御すると共に、前記節炭器バイパスラインへの給水のバイパス量を減らすために前記第2弁の弁開度を閉制御する、
    ことを特徴とするコンバインドサイクルプラント。
  8. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
    前記圧縮機から抽気した圧縮空気を熱交換して冷却された圧縮空気を前記タービンにおけるロータ系の冷却系統に供給する空気冷却器と、
    前記空気冷却器に導入される圧縮空気をバイパスする空気冷却器バイパスラインと、
    前記空気冷却器バイパスラインに設けられる第1弁と、
    を有するガスタービンにおいて、
    ガスタービンの起動中に前記第1弁の弁開度を予め設定された所定の低レベル開度以下とし、前記ガスタービンの負荷上昇後に前記第1弁の弁開度を前記低レベル開度より大きくする、
    ことを特徴とするガスタービンの起動方法。
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