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技術 アクティブ油圧式ギャップ調整によるガスタービンの運転方法

出願人 シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
発明者 マルコ・ラーソンニコラス・ザヴィリウス
出願日 2015年2月12日 (5年9ヶ月経過) 出願番号 2016-553819
公開日 2017年3月16日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2017-507280
状態 特許登録済
技術分野 タービンの制御 タービンロータ・ノズル・シール ガスタービン、高圧・高速燃焼室
主要キーワード メンテナンス運転 閉ループ制御ユニット 方向ストップ 技術効果 最大許容温度 幾何学的形 アキシアル軸受 通常バーナ
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年3月16日)のものです。
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図面 (3)

課題・解決手段

本発明は、定置ガスタービン(1)を部分負荷運転する方法に関連し、ガスタービンは、少なくとも1つの圧縮機(11)と、少なくとも1つの膨張タービン(14)と、少なくとも1つのバーナー(13)が設けられた燃焼室(12)とを備え、ガスタービン(1)は、油圧式ギャップ調整手段(20)をさらに備え、方法は、以下のステップ:−ガスタービン(1)を部分負荷で運転するステップ;−油圧式ギャップ調整手段(20)を動作させるステップ;−油圧式ギャップ調整手段(20)の動作中に、膨張タービン(14)へ誘導される燃焼ガスの温度を上昇させながらバーナー(13)への燃料供給を増加させるステップ、を備える。

概要

背景

高効率でガスタービン運転するために、または特に始動中、また始動後に出力を増加させるために、ガスタービンにおける主流れ方向と逆にガスタービンローターを移動させることが好都合である。そのためには、ガスタービンは、油圧式ギャップ調整手段を好ましく設け、タービンブレード先端および膨張タービンケーシング内壁の間のギャップ間隔をより小さくおよび、対応する圧縮機ブレード先端および圧縮機のケーシング内壁の間のギャップ間隔をより大きく設定するようにガスタービンローターを移動させることができる。典型的には、このようなガスタービンの幾何学的形状は、ギャップ間隔の減少により膨張タービンにおける出力の増加よりも圧縮機において生じる損失がより少なくなることを意味する。

このようにガスタービンローターの位置を変えることは、通常十分温められたガスタービンにおいてのみ行うことができる。そうでなければ、ブレード先端およびケーシング内壁の間の間隔が一時的に不所望に変化するという危険性があり、これは、ガスタービンの損傷を導くことがある。本明細書において、ギャップ調整とは、典型的には軸方向ストップの領域における油圧式移動手段の形をとることを意味し、それらは、アキシアル軸受における主および二次トラックの領域における油圧ピストンによる正確な経路変位許容する。油圧式ギャップ調整手段はまた、これらの油圧式移動手段に加えて、適切な閉ループまたは開ループ制御手段を備え、これによって所望のギャップ間隔調整を実行することができる。

油圧式ギャップ調整手段による調整により、膨張タービンは、より効果的に動作することができ、それにより、熱エネルギーから力学的エネルギーへの変換を向上させることができる。したがって、これは、タービン入口温度が一定の場合に排ガスタービン出口温度を低減することができる。ガスタービンが一定のタービン出口温度となるように設定された場合、ギャップ調整があるか、実施される場合に限り、逆にタービン入口温度を上げる必要がある。

定格負荷での運転の場合、ガスタービンの過燃焼の結果により、膨張タービンの第1ブレード列の損傷をもたらす可能性がある。このような損傷を防ぐために、油圧式ギャップ調整のための手段を作動する前に、排ガス温度制御(ATK制御)によってタービン出口温度を低下させるようにガスタービンの運転が常に調整される。このような種類の調整は、通常バーナーに供給される燃料の量を制御することによって実行され、それによって、許容タービン入口温度を確実に越えないことが可能となる。

この点において、特に第1タービンステージの領域における材料の負荷をできるだけ低く維持するために、ATK制御は、タービン入口温度を可能な限り低く設定することを保証する。さらに、ATK制御はまた、できるだけ高いガスタービン効率を達成するために、最大可能タービン入口温度を利用するのに役立つ。

概要

本発明は、定置ガスタービン(1)を部分負荷で運転する方法に関連し、ガスタービンは、少なくとも1つの圧縮機(11)と、少なくとも1つの膨張タービン(14)と、少なくとも1つのバーナー(13)が設けられた燃焼室(12)とを備え、ガスタービン(1)は、油圧式ギャップ調整手段(20)をさらに備え、方法は、以下のステップ:−ガスタービン(1)を部分負荷で運転するステップ;−油圧式ギャップ調整手段(20)を動作させるステップ;−油圧式ギャップ調整手段(20)の動作中に、膨張タービン(14)へ誘導される燃焼ガスの温度を上昇させながらバーナー(13)への燃料供給を増加させるステップ、を備える。

目的

したがって、目的は、油圧式ギャップ調整手段の動作中に、同時に効率を向上させることができる運転方法を提案することである

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

定置ガスタービン(1)を部分負荷運転する方法であって、該ガスタービンは、少なくとも1つの圧縮機(11)と、少なくとも1つの膨張タービン(14)と、少なくとも1つのバーナー(13)が設けられた燃焼室(12)とを有し、ガスタービン(1)は、油圧式ギャップ調整手段(20)をさらに備え、以下のステップ−前記ガスタービン(1)を部分負荷で運転するステップと、−前記油圧式ギャップ調整手段(20)を動作させるステップと、−油圧式ギャップ調整手段(20)を動作させる間、前記バーナー(13)への燃料供給を増加させ、前記膨張タービン(14)へ供給される燃焼ガス(15)の温度を上昇させるステップであって、特に前記温度が定格負荷運転の所定の温度上限より低い、ステップと、を有する、方法。

請求項2

前記燃焼ガス(15)の温度がさらに上昇するように、前記燃料供給の増加中、またはその後で前記ガスタービン(1)のガイドベーン調整装置(30)が調整されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

請求項3

燃焼ガスの温度を決定するために、前記燃焼ガス(15)の温度に関連付けられる物理的な運転パラメータを測定によって記録するステップ、および前記物理的な運転パラメータの記録された値が所定の制限値を越える場合に、前記バーナー(13)への前記燃料供給を増加し始めるステップが追加的に含まれることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。

請求項4

部分負荷におけるタービン出口温度定格負荷におけるタービン出口温度よりも低くなるように、前記バーナー(13)への前記燃料供給、および/またはガイドベーン調整装置(30)の設定が行われることを特徴とする、請求項2または3に記載の方法。

請求項5

ガイドベーン調整装置(30)の設定に応じて、前記バーナー(13)への前記燃料供給の増加が行われることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。

請求項6

周囲温度および/または周囲圧力に応じて、前記バーナー(13)への前記燃料供給の増加が行われることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。

請求項7

少なくとも1つの圧縮機(11)と、少なくとも1つの膨張タービン(14)と、少なくとも1つのバーナー(13)が設けられた燃焼室(12)とを有する定置ガスタービン(1)であって、ガスタービン(1)は、油圧式ギャップ調整手段(20)をさらに備え、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法で前記ガスタービン(1)を運転するよう設計されたガスタービン閉ループ制御ユニット(40)をまた備えることを特徴とする、定置ガスタービン。

技術分野

0001

本発明は、部分負荷でのアクティブ油圧式ギャップ調整を有する定置ガスタービン運転方法、およびこのような方法を採用するよう設計されたガスタービンに関する。

背景技術

0002

高効率でガスタービン運転するために、または特に始動中、また始動後に出力を増加させるために、ガスタービンにおける主流れ方向と逆にガスタービンローターを移動させることが好都合である。そのためには、ガスタービンは、油圧式ギャップ調整手段を好ましく設け、タービンブレード先端および膨張タービンケーシング内壁の間のギャップ間隔をより小さくおよび、対応する圧縮機ブレード先端および圧縮機のケーシング内壁の間のギャップ間隔をより大きく設定するようにガスタービンローターを移動させることができる。典型的には、このようなガスタービンの幾何学的形状は、ギャップ間隔の減少により膨張タービンにおける出力の増加よりも圧縮機において生じる損失がより少なくなることを意味する。

0003

このようにガスタービンローターの位置を変えることは、通常十分温められたガスタービンにおいてのみ行うことができる。そうでなければ、ブレード先端およびケーシング内壁の間の間隔が一時的に不所望に変化するという危険性があり、これは、ガスタービンの損傷を導くことがある。本明細書において、ギャップ調整とは、典型的には軸方向ストップの領域における油圧式移動手段の形をとることを意味し、それらは、アキシアル軸受における主および二次トラックの領域における油圧ピストンによる正確な経路変位許容する。油圧式ギャップ調整手段はまた、これらの油圧式移動手段に加えて、適切な閉ループまたは開ループ制御手段を備え、これによって所望のギャップ間隔調整を実行することができる。

0004

油圧式ギャップ調整手段による調整により、膨張タービンは、より効果的に動作することができ、それにより、熱エネルギーから力学的エネルギーへの変換を向上させることができる。したがって、これは、タービン入口温度が一定の場合に排ガスタービン出口温度を低減することができる。ガスタービンが一定のタービン出口温度となるように設定された場合、ギャップ調整があるか、実施される場合に限り、逆にタービン入口温度を上げる必要がある。

0005

定格負荷での運転の場合、ガスタービンの過燃焼の結果により、膨張タービンの第1ブレード列の損傷をもたらす可能性がある。このような損傷を防ぐために、油圧式ギャップ調整のための手段を作動する前に、排ガス温度制御(ATK制御)によってタービン出口温度を低下させるようにガスタービンの運転が常に調整される。このような種類の調整は、通常バーナーに供給される燃料の量を制御することによって実行され、それによって、許容タービン入口温度を確実に越えないことが可能となる。

0006

この点において、特に第1タービンステージの領域における材料の負荷をできるだけ低く維持するために、ATK制御は、タービン入口温度を可能な限り低く設定することを保証する。さらに、ATK制御はまた、できるだけ高いガスタービン効率を達成するために、最大可能タービン入口温度を利用するのに役立つ。

発明が解決しようとする課題

0007

しかし、従来技術において既知のこれらの方法における欠点は、部分負荷の場合、ATK制御されたタービン出口温度の低下は、また同時に不所望のガスタービンの効率の低下を導くということである。したがって特に、タービン部分負荷運転となるガスタービンの始動の間、例えばガスタービンの潜在能力および全ての効率を使用することが不可能となる。

0008

この点に関して、従来技術において生じる欠点を回避、または低減することができる方法を提案することが技術的に必要である。したがって、目的は、油圧式ギャップ調整手段の動作中に、同時に効率を向上させることができる運転方法を提案することである。

課題を解決するための手段

0009

本発明の基礎となるこの目的は、請求項1に記載の方法、および請求項7に記載のガスタービンによって達成される。

0010

特に、本発明の基礎となるこの目的は、部分負荷で定置ガスタービンを運転する方法によって達成され、定置ガスタービンは、少なくとも1つの圧縮機、少なくとも1つの膨張タービン、および少なくとも1つのバーナーが設けられた燃焼室を有し、ガスタービンは、油圧式ギャップ調整手段をさらに備え、方法は、以下のステップ
− ガスタービンを部分負荷で運転するステップ
− 油圧式ギャップ調整手段を動作させるステップ
− 油圧式ギャップ調整手段を動作させる間に、バーナーに供給する燃料を増やし、燃焼温度を上げるステップ
を有する。

0011

本発明の基礎となる目的はまた、少なくとも1つの圧縮機、少なくとも1つの膨張タービン、および少なくとも1つのバーナーが設けられた燃焼室を有する定置ガスタービンによって達成され、ガスタービンはさらに、油圧式ギャップ調整手段を備え、また前述および/または後述の方法の1つによってガスタービンを運転するように設計されるガスタービン閉ループ制御ユニットを備える。

0012

この点において、部分負荷運転範囲がこの場合定格負荷運転範囲より下の運転範囲であることが理解されるべきであることに留意されたい。特に、部分負荷範囲は、ガスタービンの定格速度に達する前の比較的冷たい運転状態からの始動中の負荷範囲に関連する。

0013

また油圧式ギャップ調整手段の動作は、典型的にはギャップ制御として実行される能動的な移動プロシージャとして理解することができることに留意されたい。同様に、これらの手段が非活性化することなしに作動手段によってギャップ調整が既に行われている場合、手段の動作は、既に存在する。このタイプの制御の場合、したがって調整の動作状態は、調整が行われないメンテナンス運転の動作状態と交代することが時々発生する。したがって、油圧式ギャップ調整手段の動作は、ギャップ制御が厳密には非活性化されない全ての活性動作状態包含する。したがって言い換えれば、手段の動作は、ギャップ間隔の調整を行う必要はないが、関連する手段が作動される場合に既に存在し、それによりギャップ調整をいつでも行うことができる。

0014

また「'燃焼ガス」という用語は、膨張タービンに入る前に燃焼室から流出するガスに関連するということに留意されたい。したがって燃焼ガス温度は主に、タービン入口温度を決定するこれらのガスの温度に関連する。

0015

タービン入口温度は、膨張タービンを通過する間の温度低下に関する技術的な推測に基づくと、タービン出口温度から概ね計算することができる。したがって、測定可能なタービン出口温度は、このタービン入口温度の指標として機能することができる。

0016

したがって本発明は、油圧式ギャップ調整手段の動作中にバーナーに供給される燃料が増加する、部分負荷運転中の方法を提案する。この燃料供給の増加は、よりリッチな燃焼を作りだし、これにより膨張タービンに供給される燃焼ガスの温度が上昇する。したがってこの点において、燃焼ガスの温度上昇はまた、タービン出口温度の上昇につながるため、油圧式ギャップ調整手段の動作中に、同時にガスタービンの効率を向上させることができる。本明細書において、部分負荷においてのみこの動作が行われることが本発明にとって重要である。なぜなら、これによって過燃焼を行うことができ、それにより最大許容タービン入口温度を越えることができるからである。しかし、油圧式ギャップ調整手段は、典型的にはガスタービンの始動中、つまり部分負荷運転に動作するため、2つの方法ステップの組み合わせが特に効率的なガスタービン運転を保証することができる。

0017

本発明による方法の第1の特に好ましい実施形態によると、ガスタービンのガイドベーン調整装置が設けられ、燃焼ガスの温度をさらに上昇させるように、ガイドベーン調整装置は、燃料供給の増加中、またはその後で調整される。本明細書において、ガイドベーン調整装置によって覆われるガイドベーンの軸方向位置を好都合に調整することによって、ガイドベーン調整装置により、ガスタービンによって吸引される空気の質量流の設定を調整することが可能となる。したがって実施形態によると、例えばガイドベーン調整装置が比較的小さい質量流を設定することが可能であり、それにより燃焼室における燃焼がますますリッチになる。しかし、これはまた、膨張タービンに供給される燃焼ガスの温度を上昇させる。したがってガイドベーン調整装置の調整は、油圧式ギャップ調整手段の動作中にガスタービンのパワーを増加させるための効率的なサポート手法である。

0018

本発明による方法の別の特に好都合な態様によると、別のステップを含む。この方法ステップは、燃料ガスを決定するために、測定によって燃焼ガスの温度に関連する物理的な運転パラメータを記録するステップ、および物理的な運転パラメータの記録される値が所定の制限値を越える場合に、バーナーへの燃料供給を増加し始めるステップである。このような適切な物理的な運転パラメータは、例えばガスタービンパワーまたはガイドベーン調整装置の設定とすることができる。また、物理的な運転パラメータとして排ガス温度を使用することが可能であり、これによってタービン入口における燃焼ガスの温度に関する結論に結び付けることができる。したがって、例えばタービン出口温度または排ガス温度の値が所定の制限値(下限値)に達する場合、バーナーへの燃料供給の増加を引き起こすことができる。結果として、本発明による方法は、容易に決定される変数によって開始することができる。

0019

本発明による方法の好ましい実施形態によると、部分負荷におけるタービン出口温度が定格負荷におけるタービン出口温度より低くなるように、バーナーへの燃料供給および/またはガイドベーン調整装置の設定が行われる。したがって、タービン入口温度の最大許容温度を越えないようにすることが可能である。特に、方法が行われている場合に、物理的な運転パラメータの開始点、変化中の勾配、および/または最大値をガスタービンの過燃焼を回避するように選択することができる。

0020

また、ガイドベーン調整装置の設定に応じてバーナーの燃料供給を増加することができる。したがってガイドベーン設定は、燃料供給のための制御パラメータとして提供され得る。

0021

あるいは、またはこれに加えて、周囲温度および/または周囲圧力に応じてバーナーへの燃料供給を増加することができる。

0022

以下に、個々の図を参照して本発明が詳細に説明される。本明細書において、図は、単に概略図として理解されるべきであること、また有効化に関していかなる制限がなされないことに留意されるべきである。

0023

また同じ参照符号の技術的な特徴は、同じ技術効果を有するというに留意すべきである。

0024

さらに、以下に示される本発明の技術的な特徴は、この組み合わせが本発明の目的を達成することが可能である限り、互いに組み合わせることができる。

図面の簡単な説明

0025

本発明による方法の第1の例示的な実施形態をフローチャートの形で示す図である。
本発明による方法の第1の例示的な実施形態をフローチャートの形で示す図である。

実施例

0026

図1は、本発明による定置ガスタービン1を部分負荷で運転する方法の実施形態をフローチャートの形で図に示したものであり、ガスタービン1は、例えば図2に描かれるように設計される。本明細書において、ガスタービン1は、圧縮機11、少なくとも1つの膨張タービン14、および少なくとも1つのバーナー13が設けられた燃焼室12を有し、油圧式ギャップ調整手段20をさらに備える。本明細書において、実施形態による方法は、以下の3つのステップ:
− ガスタービン1を部分負荷で運転するステップ(第1方法ステップ101)
− 油圧式ギャップ調整手段20を動作させるステップ(第2方法ステップ102)、および
− 油圧式ギャップ調整手段20を動作させる間、バーナー13への燃料供給を増加させ、膨張タービン14へ供給される燃焼ガス15の温度を上昇させるステップ(第3方法ステップ103)
を備える。

0027

図2は、圧縮機11、膨張タービン14、および燃焼のために燃焼室12と協働する少なくとも1つのバーナー13を有する本発明による定置ガスタービン1の実施形態を示す。ガスタービン1は、圧縮機11および膨張タービン14を接続するガスタービンローター10を軸方向に移動するよう設計された油圧式ギャップ調整手段20をさらに備える。

0028

上述のように、所望の調整工程において、タービンブレード先端(図示せず)が膨張タービン14の内側のケーシング壁に対してより小さいギャップ間隔を有するように、ガスタービンローター10が移動される。ギャップ間隔の減少により、流体動的損失が低減され(そうでなければ内部の表面に沿って流れるガスが膨張タービン14内での膨張仕事に貢献しない)、ガスタービン1の出力が向上する。

0029

したがって、油圧式ギャップ調整手段20を同時に動作させながらガスタービン1が部分負荷で運転する場合、燃料ライン16を介したバーナー13への燃料供給を増加させることができる。実施形態によると、この増加は、燃料ライン16に接続された燃料弁17と協働するガスタービン閉ループ制御ユニット40によって行われる。

0030

同時に、ガスタービン閉ループ制御ユニット40は、油圧式ギャップ調整手段20と、圧縮機11の入口領域におけるガイドベーン調整装置30と、測定によって排ガス温度またはタービン出口温度を記録することができるようにガスタービン1の排ガス流相互作用する温度センサ19と通信する。

0031

実施形態によると、温度センサ19は、膨張タービンから出る排ガスを通す排ガスライン18に接続される。

0032

ガスタービン閉ループ制御ユニット40が油圧式ギャップ調整手段の起動または動作を検出する場合、またはガスタービン閉ループ制御ユニット40が油圧式ギャップ調整手段20の動作を開始する場合、燃料ライン16の燃料弁を適切に調整することによってバーナー13への燃料供給が行われる。特に、燃料供給が増加する。

0033

実施形態によると、特に燃焼ガスの温度を決定するための燃焼ガス15の温度に関連付けられる物理的な運転パラメータが記録される場合、バーナー13へ供給される燃料の増加が開始される。特に、これは、ガイドベーン調整装置30の設定、または排ガスライン18の温度センサ19によって記録される排ガス温度とすることができる。

0034

本発明の代替の実施形態によると、またガスタービン1のガイドベーン調整装置が油圧式ギャップ調整手段20の動作中に追加的に設定される。

0035

この変更はまた、閉ループ、または開ループ制御に関しては、例えばガスタービン閉ループ制御ユニット40によって開始されることが可能である。

0036

実施形態によると、ガスタービン閉ループ制御ユニット40はまた、ガスタービン開ループ制御ユニット40として設計され得る。

0037

両方の調整の形は、ガスタービン閉ループ制御ユニット40によって包含されるべきである。

0038

さらなる実施形態は、従属請求項に記載される。

0039

1ガスタービン
10ガスタービンローター
11圧縮機
12燃焼室
13バーナー
14膨張タービン
15燃焼ガス
16燃料ライン
17燃料弁
18排ガスライン
19温度センサ
20油圧式ギャップ調整手段
30ガイドベーン調整装置
40 ガスタービン閉ループ制御ユニット

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