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技術 ガスタービンシステム

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 本間雅也田口英俊木戸長生西山吉継
出願日 2017年6月20日 (2年1ヶ月経過) 出願番号 2017-120177
公開日 2019年1月10日 (7ヶ月経過) 公開番号 2019-002389
状態 未査定
技術分野 ガスタービン、高圧・高速燃焼室
主要キーワード 食品スーパー 抽気弁 着火回転数 自立回転数 冷熱出力 流入経路 水分離機 分岐経路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

圧縮機の起動消費される電力を低減するのに適した技術を提供する。

解決手段

第1シャフト22は、第1圧縮機21と第1膨張タービン23とを連結している。第1経路70aは、第1圧縮機21と、第1接続点p1と、燃焼器26と、第1膨張タービン23と、をこの順に接続している。第2経路70bは、第1接続点p1と、第2圧縮機51と、第2接続点p2と、第1弁75aと、第2膨張タービン53と、をこの順に接続している。第3経路70cは、第2接続点p2と、第2弁75bと、第1膨張タービン23とを、この順に接続している。

概要

背景

従来、ガスタービンシステムについて、種々の検討がなされている。特許文献1には、ガスタービンシステムの一例が記載されている。

特許文献1のガスタービンシステムは、ガスタービン装置を備えている。このガスタービン装置は、発電機と圧縮機とを有している。特許文献1には、起動時に、発電機を電動機として用いることによって、圧縮機を駆動することが記載されている。

概要

圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適した技術を提供する。第1シャフト22は、第1圧縮機21と第1膨張タービン23とを連結している。第1経路70aは、第1圧縮機21と、第1接続点p1と、燃焼器26と、第1膨張タービン23と、をこの順に接続している。第2経路70bは、第1接続点p1と、第2圧縮機51と、第2接続点p2と、第1弁75aと、第2膨張タービン53と、をこの順に接続している。第3経路70cは、第2接続点p2と、第2弁75bと、第1膨張タービン23とを、この順に接続している。

目的

本開示は、圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適した技術を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ガスタービンシステムであって、作動流体が流れる流体経路であって、第1経路、第2経路および第3経路を有する流体経路を備え、第1圧縮機と、第2圧縮機と、第1膨張タービンと、第2膨張タービンと、第1シャフトと、燃焼器と、第1弁と、第2弁と、を含み、前記第1シャフトは、前記第1圧縮機と前記第1膨張タービンとを連結し、前記第1経路は、前記第1圧縮機と、第1接続点と、前記燃焼器と、前記第1膨張タービンと、をこの順に接続し、前記第2経路は、前記第1接続点と、前記第2圧縮機と、第2接続点と、前記第1弁と、前記第2膨張タービンと、をこの順に接続し、前記第3経路は、前記第2接続点と、前記第2弁と、前記第1膨張タービンと、をこの順に接続している、ガスタービンシステム。

請求項2

前記第1膨張タービンは、前記第1シャフトに固定された羽根車を有し、前記羽根車は、前記第1シャフトの中心軸を中心に放射状に延びる複数の動翼を有し、前記第3経路は、前記作動流体を吐出方向に吐出させて前記作動流体を前記複数の動翼に衝突させる吐出口を有し、前記吐出口の中心から前記吐出方向に延びる直線を仮想線と定義し、前記中心軸と前記複数の動翼の外周端の間の距離を径と定義したとき、前記中心軸と前記仮想線の間の距離は、前記翼径の50%〜100%である、請求項1に記載のガスタービンシステム。

請求項3

前記ガスタービンシステムは、第3弁を含み、前記第1経路は、前記第1圧縮機と、前記第3弁と、前記燃焼器と、をこの順に接続している、請求項1または2に記載のガスタービンシステム。

請求項4

前記ガスタービンシステムは、前記第1シャフトによって前記第1膨張タービンに連結された第1発電機および/または第2シャフトによって前記第2膨張タービンに連結された第2発電機を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。

技術分野

0001

本開示は、ガスタービンシステムに関する。

背景技術

0002

従来、ガスタービンシステムについて、種々の検討がなされている。特許文献1には、ガスタービンシステムの一例が記載されている。

0003

特許文献1のガスタービンシステムは、ガスタービン装置を備えている。このガスタービン装置は、発電機と圧縮機とを有している。特許文献1には、起動時に、発電機を電動機として用いることによって、圧縮機を駆動することが記載されている。

先行技術

0004

特許第5810253号公報

発明が解決しようとする課題

0005

起動時に圧縮機に発電機から駆動トルクを与える場合、発電機で電力消費される。この電力は、小さいことが望ましい。

0006

本開示は、圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適した技術を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本開示は、
ガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる流体経路であって、第1経路、第2経路および第3経路を有する流体経路を備え、
第1圧縮機と、第2圧縮機と、第1膨張タービンと、第2膨張タービンと、第1シャフトと、燃焼器と、第1弁と、第2弁と、を含み、
前記第1シャフトは、前記第1圧縮機と前記第1膨張タービンとを連結し、
前記第1経路は、前記第1圧縮機と、第1接続点と、前記燃焼器と、前記第1膨張タービンと、をこの順に接続し、
前記第2経路は、前記第1接続点と、前記第2圧縮機と、第2接続点と、前記第1弁と、前記第2膨張タービンと、をこの順に接続し、
前記第3経路は、前記第2接続点と、前記第2弁と、前記第1膨張タービンと、をこの順に接続している、ガスタービンシステムを提供する。

発明の効果

0008

本開示に係る技術は、圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適している。

図面の簡単な説明

0009

実施の形態1に係るガスタービンシステムの概略構成を示す図
実施の形態1に係るガスタービンシステムの起動フローを示す図
実施の形態1における第1膨張タービンの構成図
図3に示す第1膨張タービンの内部構造を説明するための図
作動流体が動翼に向かって吐出される様を模式的に示す図
実施の形態2に係るガスタービンシステムの概略構成を示す図
実施の形態2に係るガスタービンシステムの起動フローを示す図

実施例

0010

本開示の第1態様は、
ガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる流体経路であって、第1経路、第2経路および第3経路を有する流体経路を備え、
第1圧縮機と、第2圧縮機と、第1膨張タービンと、第2膨張タービンと、第1シャフトと、燃焼器と、第1弁と、第2弁と、を含み、
前記第1シャフトは、前記第1圧縮機と前記第1膨張タービンとを連結し、
前記第1経路は、前記第1圧縮機と、第1接続点と、前記燃焼器と、前記第1膨張タービンと、をこの順に接続し、
前記第2経路は、前記第1接続点と、前記第2圧縮機と、第2接続点と、前記第1弁と、前記第2膨張タービンと、をこの順に接続し、
前記第3経路は、前記第2接続点と、前記第2弁と、前記第1膨張タービンと、をこの順に接続している、ガスタービンシステムを提供する。

0011

第3経路は、作動流体を、第1膨張タービンに導くことができる。このようにして導かれた作動流体は、第1膨張タービンにトルクを与える。このトルクは、第1シャフトによって、第1圧縮機に伝達される。伝達されたトルクは、第1圧縮機の起動に消費される電力を低減させる。このような理由で、第1態様は、第1圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適している。

0012

本開示の第2態様は、第1態様に加え、
前記第1膨張タービンは、前記第1シャフトに固定された羽根車を有し、
前記羽根車は、前記第1シャフトの中心軸を中心に放射状に延びる複数の動翼を有し、
前記第3経路は、前記作動流体を吐出方向に吐出させて前記作動流体を前記複数の動翼に衝突させる吐出口を有し、
前記吐出口の中心から前記吐出方向に延びる直線を仮想線と定義し、前記中心軸と前記複数の動翼の外周端の間の距離を径と定義したとき、前記中心軸と前記仮想線の間の距離は、前記翼径の50%〜100%である、ガスタービンシステムを提供する。

0013

第2態様によれば、第1膨張タービンの羽根車を好適に回転させることができる。従って、第2態様は、第1膨張タービンのトルクを確保するのに適している。

0014

本開示の第3態様は、第1態様または第2態様に加え、
前記ガスタービンシステムは、第3弁を含み、
前記第1経路は、前記第1圧縮機と、前記第3弁と、前記燃焼器と、をこの順に接続している、ガスタービンシステムを提供する。

0015

第3態様の第3弁によれば、第1圧縮機への作動流体の供給量を絞ることができる。これにより、第1圧縮機の起動に必要なトルクを低減させることができる。

0016

本開示の第4態様は、第1態様〜第3態様のいずれか一つに加え、
前記ガスタービンシステムは、前記第1シャフトによって前記第1膨張タービンに連結された第1発電機および/または第2シャフトによって前記第2膨張タービンに連結された第2発電機を含む、ガスタービンシステムを提供する。

0017

第4態様のガスタービンシステムによれば、電力と、温熱と、冷熱と、を使用することができる。

0018

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されない。

0019

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係るガスタービンシステム1Aの概略構成を示す図である。

0020

ガスタービンシステム1Aは、作動流体が流れる流体経路70を備えている。流体経路70は、第1経路70a、第2経路70bおよび第3経路70cを有している。また、流体経路70は、第4経路70dおよび第5経路70eを有している。これらの経路70a,70b,70c,70dおよび70eは、互いに独立した経路である。

0021

ガスタービンシステム1Aは、燃料が流れる燃料経路71を備えている。

0022

ガスタービンシステム1Aは、第1圧縮機21と、第2圧縮機51と、を含んでいる。システム1Aは、第1膨張タービン23と、第2膨張タービン53と、を含んでいる。システム1Aは、第1発電機77と、第2発電機78と、を含んでいる。システム1Aは、第1シャフト22と、第2シャフト52と、を含んでいる。システム1Aは、燃焼器26を含んでいる。システム1Aは、再生熱交換器27と、抽気冷却器73と、を含んでいる。システム1Aは、回転数検出器80を含んでいる。システム1Aは、制御装置99を含んでいる。システム1Aは、第1弁75aと、第2弁75bと、を含んでいる。システム1Aは、第4弁75dと、第5弁75eと、を含んでいる。

0023

本実施の形態では、第1圧縮機21および第2圧縮機51は、ターボ圧縮機である。

0024

本実施の形態では、第1発電機77および第2発電機78は、発電機としても電動機としても動作する。

0025

再生熱交換器27は、熱供給部27aと、熱回収部27bと、を含んでいる。熱供給部27aおよび熱回収部27bは、第1経路70aの一部を構成している。

0026

本実施の形態では、第1弁75a、第2弁75b、第4弁75dおよび第5弁75eは、仕切弁である。仕切弁は、その開度が0%および100%の2つから選択される弁である。ただし、これらの弁75a,75b,75dおよび75eは、0%以上100%以下の任意の開度をとることができる弁であってもよい。

0027

第1シャフト22は、第1圧縮機21と第1膨張タービン23とを連結している。具体的には、第1シャフト22は、第1圧縮機21と第1膨張タービン23と第1発電機77とを連結している。第2シャフト52は、第2圧縮機51と第2膨張タービン53とを連結している。具体的には、第2シャフト52は、第2圧縮機51と第2膨張タービン53と第2発電機78とを連結している。なお、第1発電機77、第2シャフト52及び第2発電機78は、省略することができる。

0028

第1経路70aは、第1圧縮機21と、第1接続点p1と、燃焼器26と、第1膨張タービン23と、をこの順に接続している。具体的には、第1経路70aは、第1圧縮機21と、第1接続点p1と、再生熱交換器27の熱供給部27aと、燃焼器26と、第1膨張タービン23と、再生熱交換器27の熱回収部27bと、をこの順に接続している。

0029

第1経路70aは、第1部分70a1と、第2部分70a2と、を有している。第1部分70a1は、第1圧縮機21と燃焼器26との間に存在する部分である。第2部分70a2は、燃焼器26と第1膨張タービン23との間に存在する部分である。

0030

第2経路70bは、第1接続点p1と、第2圧縮機51と、第2接続点p2と、第1弁75aと、第2膨張タービン53と、をこの順に接続している。本実施の形態では、第2経路70bは、第1接続点p1と、第5弁75eと、第2圧縮機51と、抽気冷却器73と、第2接続点p2と、第1弁75aと、第2膨張タービン53と、をこの順に接続している。

0031

第3経路70cは、第2接続点p2と、第2弁75bと、第1膨張タービン23と、をこの順に接続している。

0032

第4経路70dは、ガスタービンシステム1Aの外部と、第4弁75dと、第2圧縮機51と、をこの順に接続している。本実施の形態では、第4経路70dは、システム1Aの外部における大気中の空気を、作動流体として第2圧縮機51に導く。

0033

第5経路70eは、ガスタービンシステム1Aの外部と第1圧縮機21とを接続している。本実施の形態では、第5経路70eは、システム1Aの外部における大気中の空気を、作動流体として第1圧縮機21に導く。

0034

燃料経路71は、抽気冷却器73と燃焼器26とを接続している。燃料経路71は、図示しないタンクから燃焼器26へと燃料を導く。

0035

ガスタービンシステム1Aでは、ガスタービン装置2と、冷却流体生成装置5と、が構成されている。

0036

ガスタービン装置2は、第1圧縮機21と、第1膨張タービン23と、第1発電機77と、第1シャフト22と、再生熱交換器27と、燃焼器26と、回転数検出器80と、を含んでいる。

0037

冷却流体生成装置5は、第2圧縮機51と、第2膨張タービン53と、第2発電機78と、第2シャフト52と、抽気冷却器73と、第1弁75aと、を含んでいる。

0038

以下、ガスタービンシステム1Aの定常運転時の動作および作用を説明する。

0039

本実施の形態では、大気中の空気が、作動流体として第5経路70eを介してガスタービン装置2に流入する。第1圧縮機21は、この作動流体を吸入し、圧縮する。

0040

次に、作動流体は、再生熱交換器27の熱供給部27aに流入する。一方、再生熱交換器27の熱回収部27bには、第1膨張タービン23から吐出された高温ガスが流入する。再生熱交換器27において、熱供給部27aにおける作動流体は、熱回収部27bにおける高温ガスと熱交換し、高温となる。

0041

なお、再生熱交換器27は、省略することができる。

0042

次に、作動流体は、燃焼器26に流入する。燃焼器26では、流入した作動流体中に燃料が噴射され、該燃料が燃焼する。これにより、高温の燃焼ガスが発生する。このようにして、燃焼器26において、作動流体は、燃焼ガスとなり、さらに高温となる。

0043

燃焼器26で燃焼させる燃料としては、液体燃料および気体燃料が例示される。液体燃料としては、液化天然ガスLNG)、ガソリンディーゼル油メタノールおよびエタノール等のアルコール燃料が例示される。液体燃料は、アルコール燃料を含むアルコール混合燃料であってもよい。気体燃料としては、圧縮天然ガス(CNG)、プロパンLPG)および水素が例示される。液体燃料によれば、燃料タンク容積を小さくすることができる。気体燃料によれば、燃焼器26への燃料噴射機構簡易化することができる。

0044

次に、作動流体は、第1膨張タービン23に流入する。第1膨張タービン23において、作動流体は、膨張し、その圧力が大気圧程度まで減少する。

0045

次に、作動流体は、再生熱交換器27の熱回収部27bに流入する。先に説明したとおり、熱回収部27bに流入する作動流体は、高温ガスであり、熱供給部27aにおける作動流体を加熱する。

0046

第1膨張タービン23は、膨張する燃焼ガスから回転トルクとして動力を取り出し、第1圧縮機21を駆動するとともに、余剰電力を第1発電機77に与える。このように、第1発電機77では、第1膨張タービン23の出力を用いた発電が行われる。

0047

第1圧縮機21から吐出された作動流体の一部は、第1接続点p1を経由して、上述のように再生熱交換器27および燃焼器26へと流れていく。第1圧縮機21から吐出された作動流体の別の一部は、第1接続点p1で分岐して、第2経路70bに流入する。

0048

第1接続点p1から第2経路70bに流入した作動流体は、第5弁75eを経由して、第2圧縮機51に流入する。このようにして第2圧縮機51に流入する作動流体を、抽気と称することができる。また、第5弁75eを、抽気弁と称することができる。第2圧縮機51は、作動流体を吸入し、圧縮する。

0049

第2圧縮機51から吐出された高圧の作動流体は、抽気冷却器73に流入する。作動流体は、抽気冷却器73において、燃料経路71における燃料と熱交換する。これにより、作動流体が冷却される。一方、燃料は、加熱される。この加熱は、燃焼器26で得られる燃焼エネルギーを大きくする。

0050

抽気冷却器73における熱交換によれば、第2圧縮機51で作動流体が圧縮されて発生した熱を無駄に捨てることなくガスタービンシステム1A内で有効利用できる。これにより、システム1A全体の効率が向上する。ただし、抽気冷却器73を省略してもよい。また、第2圧縮機51から吐出された作動流体を、燃料以外の媒体と熱交換させてもよい。

0051

抽気冷却器73から流出した高圧の作動流体は、第1弁75aを経由して、第2膨張タービン53に流入する。作動流体は、第2膨張タービン53において、膨張し、その圧力が大気圧程度まで減少する。この膨張により、作動流体が冷気等の冷却流体となる。

0052

第2膨張タービン53は、膨張する作動流体から回転トルクとして動力を取り出し、第2圧縮機51を駆動するとともに、余剰電力を第2発電機78に与える。このように、第2発電機78では、第2膨張タービン53の出力を用いた発電が行われる。

0053

ガスタービンシステム1Aによれば、温熱すなわち第1膨張タービン23の排熱を利用することができる。具体的には、第1経路70aにおける第1膨張タービン23よりも下流側の部分(以下、第1下流部分と称することがある)を流れる作動流体の温熱を利用できる。より具体的には、第1経路70aにおける熱回収部27bよりも下流側の部分を流れる作動流体の温熱を利用できる。この温熱は、暖房給湯等に利用できる。また、この温熱を利用した発電機を構成することもできる。

0054

ガスタービンシステム1Aによれば、冷熱を利用することができる。具体的には、第2経路70bにおける第2膨張タービン53よりも下流側の部分(以下、第2下流部分と称することがある)を流れる作動流体の冷熱を利用できる。この冷熱は、冷房冷蔵冷凍等に利用できる。第2下流部分を流れる作動流体をそのまま利用してもよく、水分離機器を用いて第2下流部分を流れる作動流体の水分を減少させてもよく、ブロア等を用いて第2下流部分を流れる作動流体に空気を混合させてもよい。

0055

ガスタービンシステム1Aは、第1下流部分における作動流体と第2下流部分における作動流体との熱交換を行う熱交換器を含んでいてもよい。このような熱交換器があれば、第1下流部分における高温の作動流体により第2下流部分における低温の作動流体を適度に加熱して、第2下流部分における作動流体を暖房、給湯等に利用することができる。

0056

このように、ガスタービンシステム1Aは、第1シャフト22によって第1膨張タービン23に連結された第1発電機77および/または第2シャフト52によって第2膨張タービン53に連結された第2発電機78を含んでいる。しかも、システム1Aによれば、第1下流部分を流れる作動流体の温熱を利用できる。また、第2下流部分を流れる作動流体の冷熱を利用できる。このため、システム1Aによれば、電力、温熱および冷熱を使用することができる。

0057

次に、ガスタービンシステム1Aの起動時に使用される構成の役割について説明する。

0058

本実施の形態では、第4経路70dには、大気中の空気が、ガスタービンシステム1Aの外部から作動流体として流入する。第4経路70dを流入経路と称することができる。第4弁75dは、この作動流体の第2圧縮機51への吸入を許可または禁止する。第4弁75dを吸入弁と称することができる。

0059

第1圧縮機21の起動時には、第1発電機77は、電動機として動作し、第1シャフト22を回転させることにより第1圧縮機21を駆動する。ただし、本実施の形態では、後述の説明により理解されるように、第1圧縮機21の起動時に第1発電機77で消費される電力を抑えることができる。

0060

第2圧縮機51の起動時には、第2発電機78は、電動機として動作し、第2シャフト52を回転させることにより第2圧縮機51を駆動する。

0061

以下、ガスタービンシステム1Aの起動時の動作および作用の詳細を、図2を参照しつつ説明する。図2は、システム1Aの起動フローを示す図である。

0062

図2のステップS1では、ガスタービンシステム1A、具体的には制御装置99が、第5弁75eおよび第1弁75aを閉じ、第2弁75bおよび第4弁75dを開く。ステップS1は、システム1A外部から運転指令が入力されたときに実行される。

0063

ステップS1の次に、ステップS2が実行される。ステップS2では、ガスタービンシステム1A、具体的には制御装置99が、第1発電機77を駆動用モータとして使用して第1圧縮機21を起動させる。また、システム1A、具体的には制御装置99が、第2発電機78を駆動用モータとして使用して、第2圧縮機51を起動させる。

0064

ステップS2が実行されると、第4経路70dを通じて第2圧縮機51に作動流体が吸入される。先に述べたとおり、本実施形態では、この作動流体は、空気である。吸入された作動流体は、第2圧縮機51において圧縮される。圧縮された作動流体は、第3経路70cを通って、第1膨張タービン23へと導かれる。

0065

第3経路70cは、第2経路70bから分岐した経路である。第3経路70cを分岐経路と称することができる。第3経路70cは、作動流体を第2接続点p2から第2弁75bを介して第1膨張タービン23に導く。

0066

図3は、第1膨張タービン23の構成図である。図4は、第1膨張タービン23の内部構造を説明するための図である。図4では、ケーシング81等が取り除かれている。図3および図4に示すように、本実施の形態の第1膨張タービン23は、吸入口84と、ケーシング81と、羽根車90と、静翼83と、ディフューザー82と、を有している。吸入口84は、第1経路70aを流れてきた作動流体を第1膨張タービン23の内部に導く。第3経路70cを流れてきた作動流体も、第1膨張タービン23の内部に導かれる。ケーシング81は、羽根車90を収納している。ディフューザー82は、第1膨張タービン23で膨張した作動流体を吹き出す。

0067

具体的には、図5に示すように、羽根車90は、第1シャフト22に固定されている。羽根車90は、第1シャフト22の中心軸91を中心に放射状に延びる複数の動翼72を有している。第3経路70cは、作動流体を吐出方向92に吐出させて作動流体を複数の動翼72に衝突させる吐出口IOを有している。中心軸91と仮想線93の間の距離Xは、翼径Yの50%〜100%である。ここで、仮想線93は、吐出口IOの中心から吐出方向92に延びる直線である。翼径Yは、中心軸91と複数の動翼72の外周端72fの間の距離である。

0068

第3経路70cを通じて第1膨張タービン23の内部に流入した作動流体は、第1膨張タービン23にトルクを与える。このトルクは、第1シャフト22によって第1圧縮機21に伝達される。このため、第1発電機77のトルクのみならず、第3経路70cを通じて第1膨張タービン23内部に流入した作動流体に由来するトルクを用いて、第1圧縮機21を駆動させることができる。後者のトルクのアシストによれば、第1圧縮機21の起動に消費される電力を低減させることができる。

0069

さらに、本実施形態では、上述のように距離Xおよび翼径Yが関係づけられているため、第1膨張タービン23の羽根車90を好適に回転させることができる。従って、本実施の形態は、第1膨張タービン23のトルクを確保するのに適している。距離Xは、翼径Yの70%〜100%であってもよく、翼径Yの90%〜100%であってもよい。

0070

なお、図5では、図面を簡略化し、動翼72を直線状に描いている。動翼72の形状は、特に限定されない。

0071

ステップS2の次に、ステップS3が実行される。ステップS3では、回転数検出器80が、第1圧縮機21の回転数を検出する。具体的には、ガスタービンシステム1A全体の圧力バランス安定状態に保ちながら、第1圧縮機21の回転数を検出する。

0072

ステップS3の次に、ステップS4が実行される。ステップS4では、第1圧縮機21の回転数が、着火回転数まで昇速したかどうかが判定される。着火回転数は、燃焼器26で燃料を安定して着火できる回転数として予め定められた回転数である。この判定は、制御装置99によって行われる。着火回転数は、例えば、第1圧縮機21の定常運転時の回転数(以下、定格回転数と称することがある)の40〜60%である。着火回転数は、具体的には、定格回転数の50%にすることができる。第1圧縮機21の回転数が着火回転数まで高まったと判定された場合には、ステップS5に進む。第1圧縮機21の回転数が着火回転数まで高まっていないと判定された場合には、ステップS3に戻る。

0073

ステップS3およびS4以外の方法で、ステップS5に進むかどうかを判定することもできる。一変形例では、図示しないタイマーによって、起動開始からの時間を計測する。起動開始から所定時間が経過したときに、フローがステップS5に進む。起動開始は、運転指令が入力された時点を指す。所定時間は、例えば1〜3分である。

0074

ステップS5では、第1圧縮機21の回転数を着火回転数に維持した状態で、燃焼器26に燃料を噴射し、該燃料に着火する。

0075

着火を確認した後、第1圧縮機21の回転数を昇速させる。具体的には、ガスタービンシステム1A全体の圧力バランスを安定状態に保ちながら、第1圧縮機21の回転数を昇速させる。

0076

この昇速の開始後に、ステップS6が実行される。ステップS6では、回転数検出器80が、第1圧縮機21の回転数を検出する。

0077

ステップS6の次に、ステップS7が実行される。ステップS7では、第1圧縮機21の回転数が、自立回転数に到達したかどうかが判定される。この判定は、制御装置99によって行われる。自立回転数は、第1圧縮機21に駆動トルクが与えられなくても第1圧縮機21が回転を維持できる回転数として予め定められた回転数である。自立回転数は、例えば定格回転数の80〜100%であり、具体的には定格回転数であり得る。第1圧縮機21の回転数が自立回転数まで高まったと判定された場合には、ステップS8に進む。第1圧縮機21の回転数が自立回転数まで高まっていないと判定された場合には、ステップS6に戻る。

0078

ステップS8では、ガスタービンシステム1A、具体的には制御装置99が、駆動用モータとして使用されていた第1発電機77を、発電機に切り替える。

0079

ステップS8の次に、ステップS9が実行される。ステップS9では、ガスタービンシステム1A、具体的には制御装置99が、第5弁75eおよび第1弁75aを開き、第2弁75bおよび第4弁75dを閉じる。

0080

ステップS9の次に、ステップS10が実行される。ステップS10では、ガスタービンシステム1A、具体的には制御装置99が、駆動用モータとして使用されていた第2発電機78を、発電機に切り替える。これにより、起動運転から定常運転へと移行する。

0081

本実施の形態では、第1圧縮機21の起動時に、第2圧縮機51から第3経路70cを介して第1膨張タービン23へと作動流体を吹き付ける。この吹き付けによるアシストの分だけ、起動時において第1発電機77が第1圧縮機21に与えるトルクが小さくなる。その結果、第1圧縮機21の起動に消費される電力が低減される。

0082

本実施の形態では、ステップS5において燃料に着火するまでは、第1発電機77により第1圧縮機21の回転数を急速に上昇させる。着火後には、燃焼ガスが、第1膨張タービン23に吹き付けられる。その後、ステップS8において、第1圧縮機21の自立運転が開始される。条件にもよるが、自立運転開始後は、自立運転開始前に比べ、第1圧縮機21が失速し易い。そこで、本実施の形態の制御装置99は、自立運転が開始されてから定常運転に移行されるまでの期間において、第1圧縮機21の回転数を徐々に上昇させる制御を実行する。これにより、この期間において、第1圧縮機21の失速が防止され、第1圧縮機21が安定して動作する。また、このような制御によれば、ガスタービンシステム1A全体の圧力バランスを安定状態に保ち易い。

0083

(実施の形態2)
以下、実施の形態2について説明する。なお、実施の形態2では、実施の形態1と同様の部分については同一符号を付し、説明を省略することがある。

0084

図6は、実施の形態2に係るガスタービンシステム2Aの概略構成を示す図である。

0085

ガスタービンシステム2Aは、第3弁75cを有している。実施の形態2では、第1経路70aは、第1圧縮機21と、第3弁75cと、燃焼器26と、をこの順に接続している。具体的には、第1経路70aは、第1圧縮機21と、第3弁75cと、第1接続点p1と、をこの順に接続している。より具体的には、第3弁75cは、第1圧縮機21の吐出部に設けられている。第3弁75cは、ガスタービン装置2に含まれる。

0086

第3弁75cは、第1圧縮機21を流れる作動流体の流量を制御することができる。第3弁75cを、流量制御弁と称することができる。第3弁75cは、0%以上100%以下の任意の開度をとることができる弁である。

0087

以下、ガスタービンシステム2Aの起動時の動作および作用の詳細を、図7を参照しつつ説明する。図7は、システム2Aの起動フローを示す図である。

0088

実施の形態2では、実施の形態1のステップS1に代えて、ステップS21が実行される。ステップS21では、ガスタービンシステム2A、具体的には制御装置99が、第5弁75eおよび第1弁75aを閉じ、第2弁75bおよび第4弁75dを開き、第3弁75cの開度を所定開度に調整する。ステップS21は、システム2A外部から運転指令が入力されたときに実行される。

0089

所定開度は、100%よりも小さい予め設定された開度であり、定常運転時の開度よりも小さい開度である。本実施の形態では、開度が所定開度に設定されることにより、第1圧縮機21が失速しない程度に作動流体の流量が制限される。例えば、第1圧縮機21を流れる作動流体の流量をFRと定義し、第1圧縮機21が自立運転可能となる流量FRの最小値をFRminと定義したとき、所定開度は、流量FRが最小値FRminの15〜25%になる開度である。本明細書では、「開度」とは、弁を全開にしたときに作動流体が通る通路断面積を100%としたときの、作動流体が通る通路の断面積を百分率で表したものである。

0090

実施の形態2では、ステップS7において第1圧縮機21の回転数が自立回転数まで高まったと判定された場合には、ステップS25に進む。ステップS25では、ガスタービンシステム2A、具体的には制御装置99が、第3弁75cの開度を全開すなわち100%にする。ステップS25の後に、ステップS8に進む。

0091

上述のように第3弁75cの開度を所定開度に調整すれば、第1圧縮機21への作動流体の供給量を絞ることができる。これにより、第1圧縮機21の起動に必要なトルクを低減させることができる。

0092

ターボ圧縮機においては、作動流体の流量が低下すると、圧縮機の翼に作動流体の流れが沿わなくなり、流れの剥離が生じ、圧縮機が失速することがある。失速は、サージングを引き起こし、圧縮機の性能を低下させることがある。また、失速は、翼、軸等を過大に振動させ破損させることもある。この点、本実施の形態では、第3弁75cの開度を所定開度にまで狭める。これにより、失速およびサージングを回避し、第1圧縮機21の運転を安定させることができる。このように、第3弁75cの開度の調整により、第1圧縮機21の翼車への負荷を小さくし、第1圧縮機21の寿命延ばすことができる。

0093

本実施の形態では、所定開度は、流量FRが最小値FRminの15〜25%になる開度である。これにより、第1圧縮機21の起動に必要なトルクが低減するという効果と、第1圧縮機21の寿命が延びるという効果を好適に得ることができる。

0094

第1圧縮機21を起動させるためのトルクを、第2圧縮機51から第3経路70cを通って第1膨張タービン23に流入する作動流体で全て賄うこともできる。従って、第1圧縮機21の起動時に第1発電機77から第1圧縮機21に与えるトルクをゼロにすることができる。そのようにする場合には、第1発電機77が不要となる。第1発電機77の省略は、ガスタービンシステム2Aの小型化、軽量化および低コスト化に繋がる。第1発電機77が省略されたガスタービンシステムは、第1発電機77での発電要求がなく、冷熱出力を主とした運転を行う場合において好適に用いることができる。なお、実施の形態1のような、第3弁75cが存在しない場合であっても、第1発電機77を省略してもよい。

0095

上記実施の形態に係るガスタービンシステムは、冷熱・電力・温熱を使用する設備で好適に利用することができる。このガスタービンシステムは、例えば、食品スーパー食品加工工場、車両、医療バイオ分野等で利用することができる。

0096

1A,2Aガスタービンシステム
2ガスタービン装置
5冷却流体生成装置
21 第1圧縮機
22 第1シャフト
23 第1膨張タービン
26燃焼器
27再生熱交換器
27a熱供給部
27b熱回収部
51 第2圧縮機
52 第2シャフト
53 第2膨張タービン
70流体経路
70a 第1経路
70a1 第1部分
70a2 第2部分
70b 第2経路
70c 第3経路
70d 第4経路
70e 第5経路
71燃料経路
72動翼
72f外周端
73抽気冷却器
75a 第1弁
75b 第2弁
75c 第3弁
75d 第4弁
75e 第5弁
77 第1発電機
78 第2発電機
80回転数検出器
81ケーシング
82ディフューザー
83静翼
84吸入口
90羽根車
91中心軸
92吐出方向
93仮想線
99制御装置
IO 吐出口
p1 第1接続点
p2 第2接続点

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