JP3851165B2 - ガスタービンとその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、気体の圧力、特に発電所で圧縮機から供給される空気の圧力をブースタを用いて増大する方法とその装置に関する。気体は、特に上述のとおり、圧縮機により大きな質量流量と高い温度で用意される空気である。
【０００２】
加圧下で石炭を転換する装置を備えた発電所では、圧縮機や送風機の出口から圧縮空気が取出され、ガス化過程後および／又は燃焼過程後に、燃焼ガスとして高温でガスタービンの膨張部分に導入される。石炭転換過程に条件づけられて、圧縮機出口からガスタービン入口迄の経路において、或る圧力損失が生ずる。圧縮機サージ限度に対して必要な裕度を維持するため、圧縮機出口からタービン入口迄の経路でのこの圧力損失は、危険な限界値（ポンプ限界曲線、運転限界曲線）を超過してはならない。そしてこの種発電所において、空気の流れラインに、接続回路に応じ圧力渦流層燃焼装置、石炭ガス化装置、ガス浄化装置および／又は再燃焼バーナのような或る構成要素が配置されているので、非常に大きな圧力損失が生ずる。この圧力損失は、例えば第二世代の圧力渦流層燃焼装置で運転する発電所の場合、２バールの大きさになる。この大きな圧力損失は、特別な処置なしでは「高負荷ガスタービン」級のガスタービンを利用不能にする。
【０００３】
大きな圧力損失を送風機やブースタで克服することもできる。ブースタは、必要な空気の総質量流量に応じ設計せねばならない。しかし今日利用できるこの種ブースタは、材料上の理由から、圧縮機から供給される空気の温度よりおそらくは低い運転温度でしか使えない。従ってこのブースタ方式の場合、場合によっては補助的に非常に高価な大形の空気冷却器が必要となり、この冷却器はブースタに前置接続せねばならない。ブースタ自体は特殊な要件、即ち非常に大きな質量流量の処理、比較的小さな約１．５バールの圧力差の発生および高い温度に対する耐久性を満たすために、同様に経費がかかる。
【０００４】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の気体圧力の増大方法およびその装置を、ブースタは送風機を同様に使用するが、所望の圧力増大が非常に安価な経費で達成できるよう改良することにある。
【０００５】
方法に関する課題は、本発明に基づき、気体の質量流量を小部分流と大部分流に分割し、小部分流はブースタを介してエジェクタに導き、そこでエジェクタの吸込みノズルに導入される大部分流と合流させ、その合流気体質量流量をエジェクタの出口で取出すことによって解決される。
【０００６】
ここで、場合によってはブースタを高温から保護するため、本発明の実施態様において、小部分流をブースタへの導入前に冷却してもよい。
【０００７】
小部分流は、供給気体の質量流量の約２０〜４０％、好適には約２０％にされる。その質量流量比は、発電所の分野における構成要素の設計に左右される。
【０００８】
ブースタ出口から流出する小部分流の圧力変動を平滑化すると有利である。
【０００９】
第二世代の圧力渦流層燃焼装置を持つ発電所に本発明の方法を採用するためには、特に分割前と合流後の質量流量における圧力の差が、圧縮機出口とガスタービン入口の間で生ずる圧力損失が減少するのみか、実際に完全に補償される程に高いと有利である。
【００１０】
上述の課題を解決するために用いる気体圧力の増大装置は、本発明に基づき、気体の質量流量を小部分流と大部分流に分割する分流器と、ブースタを介して小部分流を導入するエジェクタと、大部分流をエジェクタの吸込みノズルに導入するバイパス管とを備えることを特徴とする。
【００１１】
供給する気体流の温度が著しく高く、ブースタを熱的に損傷する恐れがある場合、本発明の有利な実施態様では、空気冷却器を介して小部分流をブースタに導入する。
【００１２】
本発明の他の有利な実施態様では、配管を介してブースタをエジェクタに接続し、この配管に圧力変動を平滑化するためのバッファタンクを接続する。
【００１３】
エジェクタの出口は、発電所において、その運転のために昇圧された気体、特に空気を必要とする種々の構成要素に接続される。
【００１４】
本発明の他の有利な実施態様を、従属請求項に記載してある。
【００１５】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、ガスタービン４を備えた発電所２を示す。ガスタービン４の軸６上に圧縮機８と発電機１０が存在する。発電機１０は電源系統１２に電気エネルギを供給する。圧縮機８に空気清浄器（図示せず）を介して吸込み空気１が導入される。圧縮機８で圧縮された吸込み空気１は、一方でガスタービン４に冷却空気ｐとして、他方で発電所２の別の構成要素に質量流量ｍとして導入される。質量流量ｍは三方弁１４を通り圧力増大装置１６に到達する。非常時質量流量ｍは、三方弁１４から非常用バイパス路１８を通ってガスタービン４に直接供給される。
【００１７】
圧力増大装置１６は分流器２０を有する。この分流器２０により気体の質量流量ｍは、小部分流ｔ１と大部分流ｔ２に分割される。両部分流ｔ１、ｔ２の質量流量比は、別の構成要素の設計に左右され、例えば２０％：８０％である。小部分流ｔ１は、水・蒸気回路（図示せず）に挿入した空気冷却器２２を通り、電動機２６で駆動されるブースタ２４に導かれる。このブースタ２４は、配管２８を経てエジェクタ３０に連結している。圧力変動の平滑化のため、配管２８にバッファタンク３２が接続されている。大部分流ｔ２はバイパス管３４を介しエジェクタ３０の吸込みノズルに導入される。従って、両部分流ｔ１、ｔ２は、エジェクタ３０で再び合流し、合流質量流量ｍ’はエジェクタ３０の出口から取出される。質量流量ｍと合流質量流量ｍ’の圧力差は、後続の構成要素で生ずる圧力損失に応じ、ここでは約２バールとされている。
【００１８】
エジェクタ３０の出口は、出口配管３４を介して圧力渦流層燃焼装置３６に接続されている。この出口配管３４に、発電所２の別の構成要素に通じる２つの空気取出し管Ａ、Ｂが設けられている。
【００１９】
圧力渦流層燃焼装置３６に、圧縮空気だけでなく、石炭ｋと、吸収剤ｓ、例えば石灰石（ＣａＣＯ₃）とが供給される。出口から渦流層の灰ｗが取出される。圧力渦流層燃焼装置３６で生じた、例えば９００℃の温度を持つ渦流層燃焼ガスｒは、燃焼ガス清浄器４０が存在する配管３８を介し再燃焼バーナ４２に導かれる。再燃焼バーナ４２には、空気取出し管Ａからの空気も供給される。渦流層燃焼ガスｒは、例えば９００℃の温度を有する。
【００２０】
再燃焼バーナ４２に燃料ガスｂも供給される。この燃料ガスｂは、例えば６００℃の温度を有する。これは石炭ガス化装置４６から燃料ガスフィルタ４４を介して取出される。その石炭ガス化装置４６は、一方では石炭ｋが、他方では空気取出し管Ｂからの空気が供給される。
【００２１】
再燃焼バーナ４２から、例えば約１４００℃の高温燃焼ガスｈが流出する。この燃焼ガスｈは、燃焼ガス管４８を介してガスタービン４の入口に導かれる。
【００２２】
ガスタービン４から出た排気ガスａは、排気ガス管５０および廃熱ボイラ５２を介して煙突（図示せず）に導かれ、大気に放出される。
【００２３】
即ち要約すれば、重要なのは、被圧縮空気質量流量ｍが小部分流ｔ１と大部分流ｔ２に分割されることである。両部分流ｔ１、ｔ２の質量流量比は、上述したように別の構成要素の設計に左右される。小部分流ｔ１は空気冷却器２２において、例えば４００℃から約１５０〜２００℃に冷却される。このために必要な熱交換器２２は、全質量流量ｍを冷却せねばならない場合より非常に小形であり、従って安価である。そして小部分流ｔ１はブースタ２４において正に大きな圧力差で圧縮される。この圧力差は、例えば１０〜２０バールである。非常に小さな質量流量に対し大きな圧力差を生ずるよう設計されたこの種圧縮機やブースタ２４は、一般的な構成要素である。従ってブースタ２４は、大きな質量流量下で小さな圧力差に対処する、上述のブースタよりかなり安価である。ブースタ２４の吐出側に、圧力変動を減少させるバッファタンク３２が設けられる。
【００２４】
大部分流ｔ２は、バイパス管３４を通り、空気冷却器２２、ブースタ２４および圧力緩衝器あるいはバッファタンク３２を迂回して導かれる。この大部分流ｔ２は、いわゆる水ジェットポンプや蒸気ジェットポンプの原理で構成されたエジェクタ３０の吸込みノズルに到達する。エジェクタ３０の駆動媒体或は加速媒体として、高い圧力レベルの小部分流ｔ１が使われる。エジェクタ３０の出口における総空気流ｍ’は圧力増大装置１６により、圧縮機８の出口とガスタービン４の入口との間にある系統内の圧力損失を必要な高さで補償するのに必要な総合圧力を有するよう調整される。
【００２５】
被冷却空気流ｔ１が少量なので、総質量流量を空気冷却器とそれに後置したブースタに供給する冒頭に述べた形式のブースタ方式と比べ、空気冷却器２２に接続した水・蒸気回路に伝達すべき熱量は減少する。総出力に占めるガスタービン４の出力分は増大し、従って総合効率が向上する。
【００２６】
本発明の骨子は、冒頭に述べたブースタ方式と異なり、圧力増大のための大形で高価な２つの構成要素、即ち大形空気冷却器と大形ブースタに代えて、空気冷却器２２と通常の小さなブースタ２４とエジェクタ３０とバッファタンク３２から成るシステムを利用する点にある。特に大きな圧力比の小形ブースタ２４に移行する際、その寸法づけは通常に行え、従って非常に安価なので、経費を節約できる。空気冷却器２２についても、小形の構造故、コストダウンが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくガスタービン付き発電所の配管系統図。
【符号の説明】
１ 吸込み空気
２ 発電所
８ 圧縮機
１６ 圧力増大装置
２２ 空気冷却器
２４ ブースタ
２８ 配管
３０ エジェクタ
３６ 圧力渦流層燃焼装置
４６ 石炭ガス化装置

Claims (8)

1. 気体の質量流量（ｍ）を小部分流（ｔ１）と大部分流（ｔ２）に分割し、小部分流（ｔ１）をブースタ（２４）を介してエジェクタ（３０）に導き、そこでエジェクタ（３０）の吸込みノズルに導入される大部分流（ｔ２）と合流させ、その合流気体質量流量（ｍ’）をエジェクタ（３０）の出口で取出すことにより気体の圧力を増大させ、この高圧の気体を利用してガスタービンを運転する方法において、
   小部分流（ｔ１）をブースタ（２４）への導入前に冷却すること、
   エジェクタ（３０）の出口で取出した合流気体質量流量（ｍ’）を、圧力渦流層燃焼装置（３６）、再燃焼バーナ（４２）および石炭ガス化装置（４６）に供給することおよび
   前記圧力渦流層燃焼装置（３６）において合流気体質量流量（ｍ’）の供給下に石炭を燃焼させて渦流層燃焼ガスを発生し、前記石炭ガス化装置（４６）において合流気体質量流量（ｍ’）の供給下に石炭をガス化させて燃料ガスを発生し、前記再燃焼バーナ（４２）において合流気体質量流量（ｍ’）の供給下に燃料ガスを燃焼させて高温燃焼ガスを発生し、これをガスタービンに供給すること
   を特徴とする方法。
2. 小部分流（ｔ１）を、供給気体の質量流量（ｍ）の２０〜４０％にすることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ブースタ（２４）の出口から流出する小部分流（ｔ１）の圧力変動を平滑化することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 分割前と合流後の質量流量（ｍ、ｍ’）における圧力の差が２×１０⁵Ｐａであることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の方法。
5. 気体の質量流量（ｍ）を小部分流（ｔ１）と大部分流（ｔ２）に分割する分流器（２０）と、その小部分流（ｔ１）がブースタ（２４）を介して導入されるエジェクタ（３０）と、大部分流（ｔ２）をエジェクタ（３０）の吸込みノズルに導入するバイパス管（３４）とを有する気体圧力の増大装置を備えたガスタービンにおいて、
   小部分流（ｔ１）が、空気冷却器（２２）を介してブースタ（２４）に導入されること、
   エジェクタ（３０）の出口が、圧力渦流層燃焼装置（３６）、再燃焼バーナ（４２）および石炭ガス化装置（４６）に接続されたこと、および
   前記石炭ガス化装置（４６）において合流気体質量流量（ｍ’）の供給下に石炭をガス化させて発生した燃料ガスを、前記圧力渦流層燃焼装置（３６）において合流気体質量流量（ｍ’）の供給下に石炭を燃焼させることで発生した渦流層燃焼ガスと、前記再燃焼バーナ（４２）への合流気体質量流量（ｍ’）との供給下に、前記再燃焼バーナ（４２）内で燃焼させて発生した高温燃焼ガスが、燃焼ガス管を介してガスタービンの入口に導かれること
   を特徴とするガスタービン。
6. 小部分流（ｔ１）が、供給気体の質量流量（ｍ）の２０〜４０％にされたことを特徴とする請求項５記載のガスタービン。
7. ブースタ（２４）が、エジェクタ（３０）に配管（２８）を介して接続され、該配管（２８）に、圧力変動を平滑化するバッファタンク（３２）が接続されたことを特徴とする請求項５又は６記載のガスタービン。
8. 発電所（２）に組み込まれたことを特徴とする請求項５ないし７の１つに記載のガスタービン。

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