[发明专利]燃气轮机及其运转方法

说明书

本申请是申请日为2009年09月24日、申请号为200980130681.0(国际申请号为PCT/JP2009/066485)、发明名称为“燃气轮机及其运转方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃气轮机及其运转方法，尤其涉及燃气轮机起动时的主动间隙控制(Active Clearance Control；ACC)系统及燃气轮机停止时的猫背(cat back)防止。

背景技术

通常的燃气轮机由压缩机、燃烧器和涡轮构成，通过压缩机将从空气取入口取入的空气压缩而成为高温·高压的压缩空气。该压缩空气向燃烧器供给，在燃烧器内，对压缩空气供给燃料而使该燃料燃烧，从而生成高温·高压的燃烧废气。该燃烧废气驱动与压缩机连接的涡轮，因此若在例如燃气轮机的输出轴侧连结发电机，则能够通过燃气轮机驱动发电机而使其发电。

在这样的燃气轮机中，通过主动间隙控制(以下，称为ACC)系统，将受到根据运转状态变化的温度、离心力的影响而变动的顶隙控制为最小，实现旋转部/静止部间的干涉防止及运转的高效化。

通常，在未控制顶隙的燃气轮机中，顶隙为最小的位置不是额定运转时而是起动时。因此，在ACC系统中，通过在起动燃气轮机前的阶段使对顶隙波及影响的静止系部件升温，将顶隙为最小的运转状态设定成额定运转时。即，如图12A至图12D所示，ACC系统是在起动燃气轮机前使涡轮静止部升温而预先扩大间隙，在额定运转时调整涡轮静止部的温度，从而在额定运转时实现最小的间隙而确保运转效率的方法。

此外，基于上述的ACC系统的燃气轮机的运转可以大致划分为下述的五个状态。

(1)即将即将起动之前

为了运行ACC系统，在涡轮静叶片侧的静止系部件中使温度调整介质(加热介质)流动而使该静止系部件升温，扩大伸长率而使叶片环等的静止部与作为旋转部的动叶片之间的间隙扩大。

(2)起动状态(增加负载的中途)

与即将即将起动之前同样地使静止系部件继续升温，以消除起动状态下没有间隙(静止部与旋转部不接触)。

(3)额定运转时

通过改变在静止系部件中流动的温度调整介质(加热介质)的状态(温度等)，使静止部与旋转部之间的间隙最小。

(4)停止状态(减小负载的中途)

与即将即将起动之前同样地使静止系部件继续升温，以消除停止时没有间隙(静止部与旋转部不接触)。

(5)停止时

为了防止猫背，将残留在燃气轮机内部的高温的气体向燃气轮机外部排出。此外，为了防止猫背，在静止系部件中使温度调整介质(加热介质)流动而消除残留在燃气轮机内部的气体的分布。

在上述的ACC系统中，燃气轮机的间隙控制方法分成下述的三类。

(1)使在涡轮叶片内部流动的冷却介质的状态变化而控制的方法

是通过变更冷却介质的冷却方法(例如从无冷却变更为空气冷却或蒸气冷却)等而使在涡轮内部流动的冷却介质的温度变化，使涡轮叶片自身的伸长量变化而调整间隙的控制方法，其需要改变冷却介质的冷却方法的机构。

(2)通过空气或蒸气对静止系部件进行温度调整而进行控制的方法

在通过阀等调整由排气锅炉产生的蒸气等后，使其在静止系部件中流动而控制间隙的方式，通常在使用空气的情况下，不进行回收而向气体排出侧放掉，因此循环效率降低。

此外，在使用蒸气的情况下，通过单循环无法运转，需要进行锅炉暖机因此起动时间长。另外，在使用蒸气的情况下，需要用于起动的辅助锅炉、来自排气锅炉的蒸气配管等附带设备。

(3)通过机械的机构使叶片或箱体动作而进行控制的方法

是通过设置致动器这样的机械的机构而使叶片或箱体移动而调整间隙的控制方法。

作为与上述的ACC系统相关的现有技术，存在抽取压缩空气，使其经过流量调整阀后将静止系部件的分割环冷却的技术。(例如，参照专利文献1)

此外，存在取出在蒸气涡轮中使用的蒸气的一部分，使其通过阀调整后冷却分割环并返回蒸气涡轮系统的技术。(例如，专利文献2参照)

如此，在通过ACC系统将燃气轮机停止时，发现存在猫背的问题。该猫背是在燃气轮机停止时因温度差引起燃气轮机弯曲的现象。即，由于在运转时燃气轮机内部为高温，因此停止后在燃气轮机内部也产生温度分层，在燃气轮机上部(高温)与燃气轮机下部(低温)之间形成温度差。其结果是，由于在燃气轮机的上部与下部之间产生伸长量的差，因此燃气轮机整体如猫背那样弯曲。