JPH08261011A - ガスタービン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 石炭を主燃料とするガスタービン装置に関
し、トツピング燃焼器からの熱ガスをタービン入口に対
称的に分配する熱ガス分配マニホルド装置を提供する。 【構成】 各トッピング燃焼器は別個のマニホルド５
２，５４に接続される。前後配列で互いに隣接している
両マニホルドはガスタービンの圧縮機部２とタービン部
４との間でケーシング４０内に配置され、夫々、ロータ
１２を囲繞しトロイド状の室６０，６２を形成してい
る。ダクト５０，４８が各マニホルドから下流側に延出
し、前部マニホルドのダクトは後部マニホルドを貫通す
る。各ダクトは、タービン部に対する環状の入口９５と
整合する環状の熱ガス流路を形成する円弧状のダクト出
口ポート７４，７２を有する。各ダクト出口ポートは、
各トツピング燃焼器からの熱ガス流３６，３５がタービ
ン入口９５の周囲に対称的に分配されるように交互配列
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軸動力を発生するため
のガスタービン装置に関し、特に、加圧流動床式燃焼器
（ＰＦＢＣとも略称する）からのガスを加熱するための
複数の外部トッピング（topping)燃焼器を有するガスタ
ービン装置のための熱ガスマニホルドに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術及び問題点】効率が高く、設備費用が廉価
で立上り時間が短いガスタービンを基本的要素とするシ
ステムは、電力を発生するための手段として電気事業者
にとり特に魅力的である。しかし、従来、ガスタービン
の運転に用いられる燃料は、高価、時として驚くほど高
価な燃料、主として蒸留油及び天然ガスに制限されてい
た。他方、石炭は容易に入手可能でしかも低コストであ
るので、主燃料として石炭を利用することができる発電
用ガスタービン装置を開発すべく多大な努力が払われて
きている。このような努力が主として向けられた１つの
システムとして、石炭の燃焼を加圧流動床式燃焼器内で
行うシステムがある。

【０００３】最も単純なガスタービン・ＰＦＢＣ発電プ
ラントの一例においては、ガスタービンの圧縮機部で圧
縮された周囲空気を用いてＰＦＢＣの流動床を流動化し
ＰＦＢＣに対し燃焼用空気を供給する方式がある。ＰＦ
ＢＣ内での燃焼後、高温度を有し燃焼生成物や随伴粒状
物質により汚染されている空気がＰＦＢＣから排出され
る。この空気は、次いで、遠心分離器に流され、ここで
多くの粒状物質は除去される。その後、空気はガスター
ビンのタービン部に送られて、そこで膨張し、それによ
り有用な軸動力が発生される。膨張後、タービンから排
出される使用済み空気は大気に放出される。

【０００４】しかし、このようなシステムの熱力学的効
率は芳しくない。その理由は、石炭に含まれる硫黄の捕
捉を最適化し有害なアルカリ性蒸気がタービン部に運び
込まれるのを回避するために、流動床の温度、従って、
タービン部に流入する空気の温度を制限する必要がある
からである。この点で、上述のタービン装置は現在一般
に用いられており、１４２５℃（２６００°Ｆ）もの高
いタービン入口ガス温度で動作することができるガス又
は液体燃料燃焼式ガスタービンと顕著に異なる。当該技
術分野で周知のように、タービン部に流入するガスの温
度を高めることにより、ガスタービンの出力及び効率を
増大することができる。

【０００５】従って、最大の効率を達成するために、タ
ービンにおいて最大の効率を実現するのに必要な温度に
まで、ＰＦＢＣから流出する空気の温度を上昇する企図
から、ガスタービン及びＰＦＢＣの外部に設けられてい
る燃焼器、即ち、別個のトッピング燃焼器を採用するこ
とが提案されている。このトッピング燃焼器は油或は天
然ガスで燃焼動作をすることができるが、石炭の利用度
を最大限に確保するために、システムに熱分解処理動作
（炭化装置もしくはカーボナイザ）を付加することが提
案されている。このカーボナイザは石炭を低ＢＴＵのガ
ス及び固体の炭素質のチャコールに変換する。低ＢＴＵ
ガスはトッピング燃焼器内で燃焼され、他方、チャコー
ルはＰＦＢＣ内で燃焼される。

【０００６】更に、例えば、ガスタービンがトッピング
燃焼器の内の１つを修理中でも動作し続けるようにする
ために、２つ以上のトッピング燃焼器を利用するのが望
ましい。しかし、このような場合、使用状態に存続する
トッピング燃焼器からの熱ガスは、休止しているトッピ
ング燃焼器が原因でタービン部内に非対称の流れパター
ンが生ずるのを回避するために、タービン部の周囲に可
能な限り均等に分配しなければならない。従って、個々
の燃焼器からの熱ガスがタービンの入口の周囲に対称的
に分布されるようにガスタービンのタービン部の入口に
対し、複数のトッピング燃焼器の各々からの熱ガスを分
配するためのマニホルド装置を設けるのが望ましい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の一般
的な目的は、各燃焼器からの熱ガスがタービンの入口に
対称的に分配されるようにガスタービンのタービン部へ
の入口に、複数のトッピング燃焼器の各々からの熱ガス
を分配するためのマニホルド装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】簡略に述べると、本発明
の上述及び他の目的は、圧縮ガス内で燃料を燃焼して第
１熱ガス流を発生する第１燃焼器と、圧縮ガス内で燃料
を燃焼して第２熱ガス流を発生する第２燃焼器と、該第
１熱ガス流及び第２熱ガス流を受けて膨張させる入口を
有するタービンと、第１マニホルド及び第２マニホルド
とを含むガスタービン装置により達成される。ここで、
該第１マニホルドは、第１熱ガス流を第１燃焼器から受
ける受入れ手段と、第１熱ガス流の第１部分及び第２部
分をタービン入口の第１部分及び第２部分に導くための
案内手段を有する。また、第２マニホルドは第２燃焼器
からの第２熱ガス流を受ける受入れ手段と、該第２熱ガ
ス流の第１部分及び第２部分をタービン入口の第３部分
及び第４部分に導くための案内手段とを含み、タービン
入口の第３部分は第１部分及び第２部分間に配置され
る。

【０００９】本発明の一実施例においては、ガスタービ
ン装置は、中心に配置されたロータと、該ロータを収容
するシェルとを含む。第１マニホルド及び第２マニホル
ドはロータを包囲し、且つ上記シェルに収容され、他
方、第１燃焼器及び第２燃焼器はシェルの外部に配置さ
れる。この実施例においては、第１マニホルドの熱ガス
導入手段は、第１熱ガス流の第１部分及び第２部分をタ
ービン入口の第１部分及び第２部分に導く第１ダクト及
び第２ダクトを含み、第２マニホルドの熱ガス導入手段
は、第２熱ガス流の第１部分及び第２部分をタービン入
口の第３部分及び第４の部分に導くための第３ダクト及
び第４ダクトを含む。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照し、本発明の好適な実施例
について説明する。図１には、固体燃料ガスタービン装
置が示してある。周囲の空気のような酸素含有ガス６は
ガスタービン１の圧縮機部２内に流入して圧縮される。
圧縮機部２によって発生される圧縮空気２０の主たる部
分２１は加圧流動床式燃焼器（ＰＦＢＣとも略称する）
８に送られる。該ＰＦＢＣ８は後述するように、炭化装
置もしくはカーボナイザ９によって発生されるチャコー
ルとすることができる固体燃料１８を消費する。該ＰＦ
ＢＣ８は燃焼室を備えており、この燃焼室内で、固体燃
料は、燃焼を促進するために加圧流動床に維持される。
圧縮空気２０は上記流動床を流動化し、固体燃料の燃焼
に必要とされる酸素を供給する。圧縮空気内での流動化
された固体燃料の燃焼の結果として、ＰＦＢＣ８は圧縮
された熱ガス３２を発生する。

【００１１】既に述べたように、固体燃料における硫黄
の捕捉を最適化して有害なアルカリ性蒸気がタービン部
４に搬入するのを回避するために、ＰＦＢＣ８によって
発生される熱ガス３２の温度は制限される。しかし、ガ
スタービン１により発生される動力は、そのタービン部
４における温度降下に比例し、ガスタービンに流入する
ガスの温度が高ければ高い程より大きな動力が発生され
る。従って、本発明の１つの重要な様相によれば、燃焼
生成物により汚染されているＰＦＢＣ８で発生した熱ガ
ス３２は、遠心分離器１０へ送られ、然る後に２つの外
部トッピング燃焼器１４及び１５に送られる（ここで用
いられている術語「外部」とは、図２に示すようにガス
タービンのシェル４０の外部であることを意味す
る。）。これ等の外部トッピング燃焼器１４及び１５に
は、カーボナイザ９からガス燃料が供給される。

【００１２】図１に示すように、カーボナイザ９には石
炭１１が供給され、この石炭は熱分解プロセスを用い
て、炭素質のチャコール１８及び炭化水素をベースとす
る気体燃料２８、典型的には低ＢＴＵガスに変換され
る。石炭１１に加えて、カーボナイザ９には高圧の酸素
を供給する必要がある。この酸素は圧縮機部２から排出
される圧縮空気２０の一部２２をブースタ圧縮機１３、
そしてそこからカーボナイザ９へと抽気することにより
得られる。カーボナイザ９により発生される低ＢＴＵの
気体燃料２８は２つの流れのガス燃料２９及び３０に分
割され、これ等の流れはトッピング燃焼器１４及び１５
にそれぞれ送られる。これ等の燃焼器１４及び１５内
で、燃料は熱ガス３２中で燃焼されることになり、それ
によりその温度は更に高められる。トッピング燃焼器１
４及び１５から排出されるガス流３５及び３６が、ター
ビンの所望出力を得るのに要求される温度にまで加熱さ
れるように、該トッピング燃焼器１４及び１５において
は充分なガス燃料２９及び３０が燃焼される。

【００１３】トッピング燃焼器１４及び１５からの高温
ガス流３５及び３６は次いで、後述するように、本発明
のマニホルド装置を用いて、ガスタービン１のタービン
部４に送られる。タービン部４において、熱ガス流３５
及び３６は膨張され、それにより発電機５を駆動するの
に充分な動力がガスタービンのロータ１２に発生され
る。膨張後のガス７は、大気に排出されるか又は熱回収
蒸気発生器（図示せず）に送られる。

【００１４】図２は、図１に示したガスタービン１の一
部の断面図である。図２に示すように、ほぼ円筒形のケ
ーシング４０は、圧縮機部２とタービン部４との間に配
設されているガスタービン１の中央部３を囲繞してい
る。圧縮機部２は、ロータ１２の一部から構成され、そ
の周囲には複数個のディスク９０及び動翼９１が円周方
向に列の形態で配列されている。更に、圧縮機部は、動
翼９１の列間に、円周方向に延在する列の形態で配設さ
れた複数個の静翼１０４を具備する。該圧縮機部は、周
囲空気６をその入口から吸引して、その出口間で、円錐
形状のディフューザ１７を介し圧縮された空気２０を排
出する。

【００１５】圧縮機部２から吐出された圧縮空気２０
は、ガスタービンのケーシング４０により画成される環
状の室４２内に流入する。室４２は、トルク管と称する
ロータ１２の一部分を囲繞しており、このロータ部分は
ロータの圧縮機部分を該ロータのタービン部分に連結し
ていて、それにより、圧縮機部２をタービン部４によっ
て発生される動力で駆動することを可能にしている。ロ
ータ１２は室４２から円筒状のハウジング４６により分
離されている。

【００１６】ケーシング４０には、室４２をＰＦＢＣ８
及びカーボナイザ９と空気流動連通関係に設定し、それ
により圧縮空気２０が室４２から流出し得るようにする
ためにパイプ２４が接続されている。ＰＦＢＣ８並びに
トッピング燃焼器１４及び１５内で加熱された後に、Ｐ
ＦＢＣ８に送られた圧縮空気２０の一部２１は、熱ガス
流３５及び３６の形態で室４２に戻される。図２に示す
ように、熱ガス流３５及び３６は、ケーシング４０を貫
通するパイプ２５及び２６により室４２に送られる。

【００１７】パイプ２６は、トッピング燃焼器１４から
の熱ガス流３５を後部マニホルド５４に形成された入口
（受入れ手段）５８に送る。また、パイプ２５は、トッ
ピング燃焼器１５からの熱ガス流３６を前部マニホルド
５２に形成された入口（受入れ手段）５６に送る。尚、
該前部マニホルド５２は軸方向において後部マニホルド
５４の上流側に配置される。図２に示すように、マニホ
ルド５２及び５４はケーシング４０によって囲繞される
室４２内に配置される。

【００１８】前部マニホルド５２は、半径方向に延びる
円形の前部及び後部端壁９６及び９７並びに同心関係に
ある内側及び外側円筒状壁１００及び１０１により形成
されて、トロイド状の室６０を画成している。後部マニ
ホルド５４は半径方向に延びる円形の前部及び後部端壁
９８及び９９並びに同心関係にある内側及び外側の円筒
状壁１０２及び１０３によって形成されていて、トロイ
ド状の室６２を画成している。マニホルド５２及び５４
は、圧縮機ディフューザ１７及びロータ１２を取り囲む
ように、それぞれ中心に位置する孔８４及び８５を有す
る。

【００１９】図３に示すように、後部マニホルド５４
は、後部端壁９９に形成されている開口７０から延びる
室の実質的に軸方向に配位されたダクト４８を有する
（本実施例において、各マニホルド毎に３つのダクトが
設けられるものとして説明しているが、本発明はまた、
それよりも多い数又は少ない数のダクトを用いる場合に
も同様に適用可能である。）。上記開口７０はダクト４
８をトロイド状の室６２と流れ連通関係にする該ダクト
４８用の入口を形成していて、円形に均等に離間配置さ
れている。このようにして、後部マニホルド５４は、第
１トッピング燃焼器１４から受ける熱ガス流３５を、ダ
クト４８の各々に対して１つずつ３つの部分に分配す
る。後部端壁９９には３個の開口８２が付加的に形成さ
れていて、３つのダクト入口７０と同じ円に沿い均等に
離間配置されている。更に加えて、３つの開口８０が３
つの前部端壁９４に形成されていて、後部端壁９９に形
成された孔８２と軸方向に整列して設けられている。孔
７０及び８２の各対は、前部及び後部端壁９８及び９９
間に延在する軸方向に配向されたスリーブ６４によって
接続されている。

【００２０】ダクト４８の各々は、その後端に形成され
た円弧状の出口ポート７２を有している。これ等のダク
ト４８は、円形の入口ポート７０から円弧状の出口ポー
ト７２に遷移するように形成されている。出口ポート７
２はダクトの入口７０が離間配設されている円よりも若
干小さい直径の円に沿い均等に離間配置されており、従
って、これ等のダクト４８は、図２に明瞭に示すよう
に、軸方向において後部に延在する際に若干半径方向内
向きとなっている。

【００２１】図４に示すように、前部マニホルド５２
は、その後部端壁９７に形成されている開口６８から延
びる３個の実質的に軸方向に配位されたダクト５０を有
している。開口６８は、ダクト５０をトロイド状の室６
０と流れ連通関係にする入口を該ダクト５０に対して形
成すると共に、後部マニホルド５４の入口ポート７０が
離間配設されている円と同心関係でしかも該円と同じ直
径を有する円に沿い均等の間隔で離間配設されている。
このようにして、前部マニホルド５２は、第２トッピン
グ燃焼器１５から受ける熱ガス流３６を、各ダクト５０
に対し１つずつ３つの部分に分配する。

【００２２】前部マニホルドのダクト５０の各々は、そ
の後端に形成されている円弧状の出口ポート７４を有す
る。これ等の出口ポート７４は、後部マニホルドの出口
ポート７２が離間して配置されている円と同心関係で、
しかも該円と同じ直径を有する円に沿い均等に離間して
設けられており、従って、これ等のダクト５０も同様
に、軸方向において後部に延在する際若干半径方向内向
きとなる。ダクト５０の各々は、上流側の円筒状部分７
６と下流側の円筒状部分７８とを有しており、これ等の
部分は、ダクト４８の場合と同様に、円筒状部分７６か
ら円弧状の出口ポート７４に遷移するように形成されて
いる。

【００２３】図５に示すように、マニホルド５２及び５
４は、前部マニホルド５２のダクト５０の上流側の円筒
状部分７６が、後部マニホルド５４内のスリーブ６４を
貫通するように結合されてマニホルド組立体を構成して
いる。上述の構造の結果として、ダクト４８及び５０は
ロータ１２を中心に円形の交互配列の形態で配設され、
各ダクトは、他のマニホルドからの２つの隣接するダク
ト間に配置される。また、ダクト４８及び５０の長さ
は、ダクトの出口ポート７２及び７４の総てが共通の半
径方向に延びる面内に位置し、組み合わせた場合に、熱
ガス流３５及び３６に対する環状の排出もしくは吐出路
を形成している。

【００２４】図２に示すように、ダクトの出口ポート７
２及び７４により形成される環状の排出路は、タービン
部４の環状の入口９５の形状及び寸法と整合しており、
熱ガス流３５及び３６を直接タービン入口９５に導くよ
うに配置されている。このようにして、ダクトの出口ポ
ート７２'、７２"、７２'"、７４'、７４"及び７４'"の
各々は、熱ガスを、その直ぐ下流側にあるタービン入口
９５の部分に導く。タービン部４内に流入すると、熱ガ
ス流３５及び３６は、ディスク９２の周辺部から延出し
ている静翼９４及び動翼９３上を流れて膨張し、それに
より冷却される。かくして、ロータ１２に動力が発生す
る。

【００２５】図５に示すように、マニホルド５２及び５
４を組み立てる際には、ダクト４８及び５０を、円周方
向において交互するように組み合わせる。その結果、第
１前部マニホルドダクト出口ポート７４’は第１及び第
２後部マニホルドダクト出口ポート７２’及び７２”間
に配置され、第２前部マニホルドダクト出口ポート７
４”は第２及び第３後部マニホルドダクト出口ポート７
２”及び７２'"間に配置され、そして第３マニホルドダ
クト出口ポート７４"'は第１及び第３の後部マニホルド
ダクト出口ポート７２’及び７２'"間に配置される。

【００２６】同様に、第１前部マニホルドダクト出口７
４’から熱ガス流が送られるタービン入口９５の部分
は、第１及び第２後部マニホルドダクト出口ポート７
２’及び７２”が熱ガス流を送り込むタービン入口の部
分間に配置され、第２前部マニホルドダクト出口ポート
７４”から熱ガス流を受けるタービン入口９５の部分
は、第２及び第３の後部マニホルドダクト出口ポート７
２”及び７２'"が熱ガス流を送り込むタービン入口の部
分間に配置され、そして、第３前部マニホルドダクト出
口ポート７４"'が熱ガス流を送り込むタービン入口９５
の部分は、第１及び第３後部マニホルドダクト出口ポー
ト７２’及び７２'"が熱ガス流を送り込むタービン入口
の部分間に位置する。

【００２７】従って、本発明の１つの重要な様相によれ
ば、後部マニホルド５４のダクト出口ポート７２及び前
部マニホルド５２のダクト出口ポート７４はそれぞれ、
各熱ガス流３５及び３６が個々にタービン入口９５の周
囲に対称に分布されるように、他のマニホルドとは関係
なくロータ１２の周囲に対称に配設される。従って、ト
ッピング燃焼器１４又は１５のいずれかの運転を停止し
て、図１に示す弁１６によりシステムから隔離した場合
でも、他のトッピング燃焼器からの熱ガス流３５又は３
６は、依然として、タービン入口９５の周囲に対称に分
配され、それにより、タービン部４における熱ガス流の
有害な歪みが回避される。

【００２８】以上、ＰＦＢＣをベースとするガスタービ
ン装置のための２つのトッピング燃焼器と関連して本発
明を説明したが、本発明は、それより多い数のトッピン
グ燃焼器を使用するシステム或はまた他の用途において
複数の燃焼器を使用するシステムにも適用可能である。
従って、本発明は、その精神または本質的属性から逸脱
することなく他の特定の実施形態で具現することが可能
であり、上に述べた実施例に限定されるものでないこと
を付記する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ＰＦＢＣ（加圧流動床式燃焼器）、複式トッ
ピング燃焼器及び本発明による熱ガスマニホルド装置を
具備する本発明の一実施例に基づくガスタービン装置の
簡略図である。

【図２】 熱ガスマニホルド装置近傍における図１に示
したガスタービンの部分の縦断面図である。

【図３】 図２に示した後部熱ガスマニホルドの斜視図
である。

【図４】 図２に示した前部熱ガスマニホルドの斜視図
である。

【図５】 図３及び図４に示した後部及び前部マニホル
ドを組み立てた状態で示す斜視図である。

【符号の説明】

１…ガスタービン、２…圧縮機部、４…タービン部、１
２…ロータ、１４，１５…トッピング燃焼器、２８，２
９，３０…ガス燃料、３２…熱ガス、３５，３６…熱ガ
ス流、４８，５０…ダクト（案内手段）、５２，５４…
マニホルド、５６…マニホルドの入口（受入れ手段）、
５８…マニホルドの入口（受入れ手段）、７２，７４…
ダクト出口ポート、９５…タービンの入口。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン装置であって、 ａ） 圧縮ガス内で燃料を燃焼して第１熱ガス流を発生
   する第１燃焼器と、 ｂ） 圧縮ガス内で燃料を燃焼して第２熱ガス流を発生
   する第２燃焼器と、 ｃ） 内部で膨張させるため前記第１熱ガス流及び前記
   第２熱ガス流を受ける入口を有するタービンと、 ｄ） 前記第１燃焼器から前記第１熱ガス流を受けるた
   めの受入れ手段と、前記第１熱ガス流の第１部分及び第
   ２部分を、前記タービンの入口の第１部分及び第２部分
   と流れ連通関係にある第１出口ポート及び第２出口ポー
   トに導く案内手段とを有する第１マニホルドと、 ｅ） 前記第２燃焼器からの前記第２熱ガス流を受ける
   受入れ手段と、前記第２熱ガス流の第１部分及び第２部
   分を、前記タービンの入口の第３部分及び第４部分と流
   れ連通関係にある第３出口ポート及び第４出口ポートに
   導く案内手段とを有し、前記第３出口ポートが、前記第
   １出口ポート及び前記第２出口ポート間に配置されてい
   る第２マニホルドと、 を含むガスタービン装置。
2. 【請求項２】 ガスタービン装置であって、 ａ） ロータと、 ｂ） 熱ガスを発生するための複数個の燃焼器と、 ｃ） 前記熱ガスを膨張するタービン部と、 ｄ） 前記燃焼器の各々からの前記熱ガスを前記タービ
   ン部に分配するための熱ガス分配手段とを含み、該熱ガ
   ス分配手段は、前記燃焼器の各々に対しマニホルドを有
   し、該マニホルドの各々は、該マニホルドから延出する
   複数個のダクトを有し、該ダクトの各々には出口ポート
   が形成され、該ダクト出口ポートは円周方向の配列とし
   て前記ロータの周囲に配置され、前記各マニホルドのた
   めの前記ダクト出口ポートは、前記各マニホルドからの
   前記ダクト出口ポートが、他のマニホルドからのダクト
   出口ポートに隣接して配置されるように前記円周方向の
   配列の周囲に交互に配設されてなる、ガスタービン装
   置。