ガスタービン発電設備の起動方法
【課題】圧縮機インペラ（１）とタービンホイール（６）の外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）を大きくして大容量化を図った場合でも、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら着火・起動できるガスタービン発電設備を提供する。
【解決手段】空気を圧縮する遠心圧縮機と、該遠心圧縮機により圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される半径流タービンとを備えたガスタービン発電設備の起動方法において、システム全体の圧力バランスが不安定となる回転数より低い回転数でのモータリング運転時に着火し、タービン本来の動作ができるようになる所定温度までタービン入口温度を上昇させ、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら昇速させることを特徴としたガスタービン発電設備の起動方法。
【解決手段】空気を圧縮する遠心圧縮機と、該遠心圧縮機により圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される半径流タービンとを備えたガスタービン発電設備の起動方法において、システム全体の圧力バランスが不安定となる回転数より低い回転数でのモータリング運転時に着火し、タービン本来の動作ができるようになる所定温度までタービン入口温度を上昇させ、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら昇速させることを特徴としたガスタービン発電設備の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機と半径流タービンの組み合わせにより構成されたガスタービン発電設備及びその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、数十から数百ｋＷのガスタービンを用いて発電機を運転するガスタービン発電設備の市場投入や新規開発が進んでいるが、発電出力が１００ｋＷ以下の設備では、発電機を駆動するガスタービン部分に遠心圧縮機と半径流タービンを組み合わせた構造を採用している場合が多い。
【０００３】
このような構造から成るガスタービン発電設備を起動する場合、エヌ・ティー・エス、マイクロガスタービンの開発動向と将来展望、（２００１年）、第１６１頁から第１６２頁において記載されているように、まず発電機をモータとして使用して、システム全体の圧力バランスを安定状態に保ちながら燃焼器で安定して着火できる着火回転数（定格回転数の２５％）まで昇速した後、そのまま着火回転数に保持して着火する。着火を確認した後、さらにシステム全体の圧力バランスを安定状態に保ちながら定格回転数まで昇速する起動方法が一般的である。
【０００４】
また、このような構造から成るガスタービン発電設備において発電出力を大容量化するためには、半径流タービンの出力を増大する必要があり、必然的にタービンホイールの外径を大きくすることとなる。これに対して、圧縮機は、圧縮機を駆動するための消費動力を低減する必要があり、圧縮機インペラの外径は必要な圧力比を満足する範囲でできるだけ小さくすることが求められる。結果として、発電出力を大容量化すると、圧縮機インペラとタービンホイールの外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）が大きくなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】エヌ・ティー・エス、マイクロガスタービンの開発動向と将来展望、（２００１年）、第１６１頁〜第１６２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術のように、発電出力の大容量化に伴い圧縮機インペラとタービンホイールの外径差がある程度より大きくなると、タービン入口温度がほぼ常温で、かつ定格流量に対して少ない空気流量でのモータリング運転となる起動時において、昇速するのに従い遠心圧縮機が、半径流タービンのポンプ動作に打ち勝って空気をタービン側へ送り込むことが困難となり、システム全体の圧力バランスを安定状態に保てなくなる現象が起こる。その結果、回転数の増加に見合った空気流量の増加が得られなくなり、従来技術に記載した着火回転数である定格回転数の２５％まで昇速できなくなる問題点があった。
【０００７】
本発明の目的は、圧縮機インペラとタービンホイールの外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）を大きくして大容量化を図った場合でも、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら着火・起動できるガスタービン発電設備およびその起動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための、遠心圧縮機と半径流タービンを組み合わせた構造を適用した、本発明のガスタービン発電設備の起動方法は、システム全体の圧力バランスが不安定となる回転数より低い回転数でのモータリング運転時に着火し、タービン本来の動作ができるようになる所定温度までタービン入口温度を上昇させ、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら昇速させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧縮機インペラとタービンホイールの外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）を大きくして大容量化を図った場合でも、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら着火・起動できるガスタービン発電設備およびその起動方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のガスタービン構造の一実施例（第１の実施例）に関わるガスタービン発電設備の断面図。
【図２】着火しないモータリング運転により昇速したときのタービンと圧縮機それぞれの回転数に対する圧力変化を示した概念図。
【図３】圧力Ｐ１および空気流量と、着火回転数およびタービンホイール外径と圧縮機インペラ外径の径比の関係を示した概念図。
【図４】本発明のガスタービン起動方法の一実施例（第１の実施例）に関わる燃焼器縦断面図。
【図５】本発明のガスタービン起動方法の別の実施例（第２の実施例）に関わる燃焼器縦断面図。
【図６】第１あるいは第２の実施例を実施した場合と従来技術によりガスタービン発電設備を起動した場合で着火回転数までの消費電力を比較した概念図。
【図７】本発明のガスタービン起動方法の別の実施例（第３の実施例）に関わるガスタービン発電設備の断面図。
【図８】本発明のガスタービン起動方法の別の実施例（第４の実施例）に関わるガスタービン発電設備の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明に関わるガスタービン発電設備の一実施例（第１の実施例）について図１を用いて詳細に説明する。図１は本発明に関わるガスタービン発電設備における発電機を駆動するガスタービン部分の断面図である。
【００１３】
本実施例におけるガスタービン発電設備は、１００ｋＷを超える発電出力を有し、特に発電機を駆動するガスタービン部分に単段の遠心圧縮機と単段の半径流タービンを組み合わせた構造を適用した場合の実施例である。本実施例におけるガスタービン発電設備において、特に発電機を駆動するガスタービン部分に着目し、空気の流れに従い、機器構成およびその動作について説明する。
【００１４】
大気中より流入した空気２１は、ガスタービン回転軸と一体に組み立てられた遠心圧縮機の動翼である圧縮機インペラ１により昇圧され、遠心圧縮機の静翼であるディフューザ２に流入する。ここで、ディフューザ２は圧縮機ケーシング３あるいは圧縮機背板４のどちらかと一体構造を成すものとする。空気２１は、ディフューザ２を周方向外向きに通過する際に、さらに減速されて静圧回復した後、約４〜５気圧、約２００℃の高圧空気２２となる。高圧空気２２は、図示しないスクロールへ導かれてさらに静圧回復した後、図示しない燃焼器に流入する。ここで、スクロールを出た高圧空気２２を、場合によっては図示しない再生熱交換器に導き、タービンの排気ガスとの熱交換により余熱した後に、図示しない燃焼器へ流入させても良い。
【００１５】
高圧空気２２は、図示しない燃焼器において、燃焼ガスと混合・燃焼により、約４〜５気圧、約１０００℃の高温ガス２３となる。
【００１６】
高温ガス２３は、半径流タービンの静翼であるノズル５に流入し、流路断面積の縮小に伴い加速される。ここで、ノズル５はタービン背板７あるいはタービンシェル８のどちらかと一体構造を成すものとする。加速された高温ガス２３は、ガスタービン回転軸と一体に組み立てられた半径流タービンの動翼であるタービンホイール６に流入し、膨張してタービンホイール６に回転エネルギーを与えて高温低圧ガス２４となり、図示しない排気ディフューザに導かれてさらに静圧回復した後に大気中へ排気される。ここで、排気ディフューザを出た高温低圧ガス２４を、場合によっては図示しない再生熱交換器に導き、圧縮機の吐出空気である高圧空気２２との熱交換をして温度を下げた後に、大気中へ排気しても良い。
【００１７】
本実施例のように、発電出力が１００ｋＷを超える大容量化に対応してタービン出力を増大するには、半径流タービンの場合、ノズルにより加速された流体がタービンホイールへ衝突することで発生する回転トルクを大きくするため、タービンホイールの外径を大きくすることが一般的である。
【００１８】
これに対し、発電出力が１００ｋＷを超える大容量化に対応して遠心圧縮機の消費動力を低減するには、回転に費やす消費動力を低減するため、圧縮機インペラの外径は必要な圧力比を満足する範囲でできるだけ小さくすることが求められる。結果として、発電出力を大容量化すると、必然的にタービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の外径差が大きくなる。本実施例では、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上となっている。
【００１９】
上記のガスタービン発電設備を従来技術で起動する場合は、系統からの外部電力やバッテリー電力を使用してガスタービン回転軸をモータリング運転し、定格回転数の約２５％相当の着火回転数まで昇速することが必要になるが、本実施例のようにタービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上になると、システム全体の圧力バランスが不安定となる現象が生じ起動できなくなる。
【００２０】
このシステム全体の圧力バランスが不安定となる現象について図２を用いて説明する。図２は発電機を駆動するガスタービン部分に単段の遠心圧縮機と単段の半径流タービンを組み合わせた構造を適用したガスタービン発電設備を、着火しないモータリング運転により昇速したときのタービンと圧縮機それぞれの回転数に対する圧力変化を示したものである。ここで、タービンの圧力はノズル入口で定義した圧力であり、圧縮機の圧力は圧縮機スクロール出口で定義した圧力とする。
【００２１】
モータリングによる起動時は、タービン入口温度がほぼ常温で、かつ定格流量に対して少ない空気流量での運転となるため、タービンは本来の動作と異なるポンプ動作となる。昇速するに従いタービンのポンプ動作はその強さを増し、タービン入口圧力と圧縮機吐出圧力が均衡してシステム全体の圧力バランスを安定状態に保てなくなるため、遠心圧縮機がタービン側へ空気を送り込むことが困難となる。結果として回転数の増加に見合った空気流量の増加が得られなくなり、ある回転数以上に昇速させることができなくなってしまう。
【００２２】
すなわち、図２に示すように、起動直後におけるタービン入口圧力と圧縮機吐出圧力の関係は「タービン入口圧力＜圧縮機吐出圧力」の状態にあるが、ある回転数ＮSに達すると、「タービン入口圧力＝圧縮機吐出圧力」（このときの圧力をＰ1とする）となる。そして、それ以上昇速すると「タービン入口圧力＞圧縮機吐出圧力」と相互の圧力の大小関係が逆転して、空気流量が減少する状態になってしまい、それ以上昇速できなくなる。
【００２３】
次に、タービンホイール外径と圧縮機インペラ外径の径比と、圧力Ｐ1、空気流量及び着火回転数の関係について、図３を用いて説明する。
【００２４】
図３においてタービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が増加するに従い、圧力Ｐ1は２次曲線的に低下し、その圧力Ｐ1における空気流量（すなわち、回転数Ｎsにおける空気流量）も減少する。ただし、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５付近より小さくなると、圧力Ｐ1における空気流量に関しては、圧力Ｐ1の減少幅が小さくなるのに伴い、流量の減少幅も小さくなる。これに対し、着火回転数における空気流量は、図３に示すように燃焼器の着火できる流量範囲で制限されるため、「圧力Ｐ1における空気流量≧着火回転数における空気流量」でなければ着火できないことになる。本実施例のガスタービン発電設備は、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上であり、「圧力Ｐ1における空気流量＞着火回転数における空気流量」の条件をクリアするためには、定格回転数の１０％の運転点まで引き下げて定格空気流量の５％の空気流量Ｇsで着火する必要がある。
【００２５】
なお、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.２以上になると、後述するように、圧縮機がタービンのポンプ動作に打ち勝って空気をタービン側へ送り込むことができるように、外部から噴霧水やアシスト空気を圧縮機入口へ送り込むことで圧力Ｐ1における空気流量を増加し、着火回転数における空気流量を上回る手段が必要となる。
【００２６】
定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で安定して着火することができるガスタービン燃焼器の一例としては、例えば国際公開公報ＷＯ２００５／０５９４４２Ａ１が挙げられる。図４にその縦断面図を示す。
【００２７】
図４に示した燃焼器は、大きく分けてパイロットバーナ３１，燃焼器ライナー３２，燃焼器エンドカバー３３，燃焼器外筒３４によって構成されている。
【００２８】
パイロットバーナ３１は、ガスタービン発電設備の起動に関わる着火を担うバーナであり、第１次燃料ノズル４３の周囲に、旋回羽４１を有する旋回通路４６を設けている。また、この旋回通路４６には、その内部に燃焼用空気を導入する第１次空気導入孔４２が形成されている。この第１次空気導入孔４２は円周方向８箇所に持っている。
【００２９】
燃焼器ライナー３２は燃焼室を構成する部品であり、燃焼器出口ガス温度分布を平滑化するための円周方向６箇所に設けた希釈孔５２および円周方向３箇所に設けた第２次空気導入孔５３を持ち、図示しないタービンとの連絡部品であるトランジッションピースに対してスプリングシール５１で取り合っている。
【００３０】
図示しない圧縮機から導かれた燃焼用空気は、燃焼器ライナー３２と燃焼器外筒３４の間の空間を流れ、その一部の燃焼用空気は円周方向６箇所に設けた希釈孔５２、円周方向３箇所に設けた第２次空気導入孔５３から燃焼室内に流入する。また、残りの燃料用空気は、円周方向８箇所に設けた第１次空気導入孔４２から旋回通路４６に流入し、旋回羽４１により所定の旋回を与えられた後、燃焼器ライナー３２の内側を流れる。そして、燃焼室内部で発生した燃焼ガスは、図示しないタービンとの連絡部品であるトランジッションピースへ流出する。
【００３１】
燃料は図面下側中央に位置する第１次燃料ノズル４３および図面中央の第２次燃料ノズル６１にそれぞれ独立して供給され、第１次燃料噴孔４４および第２次燃料噴孔６２から燃焼室内に噴出する。全ての燃料は直接燃焼室に向けて噴射されており、燃焼室外で燃料と空気が混在する予混合器のような部品がないため、原理的に自発火あるいは逆火といった事故は生じない。
【００３２】
パイロットバーナ３１は通常の拡散燃焼方式を採用している。ガスタービン発電設備において、着火時を除いて空気流量が十分に確保できる場合には、第１次空気導入孔４２から旋回通路４６に流入し旋回羽４１により所定の旋回を与えられた第１次燃焼用空気７１は旋回通路４６出口から燃焼室に入って急拡大するため、燃焼器頭部の第１次燃料ノズル４３下流に循環流領域を形成する。この循環流領域に対して第１次燃料ノズル４３端面に開口した第１次燃料噴孔４４から燃料を噴射し、拡散燃焼を行わせる。
【００３３】
一方、第２次空気導入孔５３から燃焼室内に噴出する第２次空気７２には、第２次空気導入孔５３と同じ位置に設置した第２次燃料ノズル６１から放射状に燃料が噴射される。但し、第２次燃料噴射直後は第２次空気７２が燃焼室に突入する流速が大きく、また周囲の燃焼ガスとの剪断が強いために、燃焼反応が始まってもすぐに火炎が吹き消えてしまい、第２次燃料ノズル６１近傍では火炎保持しないので第２次燃料ノズル６１や燃焼器ライナー３２壁面近傍には局所的な高温領域が現れず、信頼性確保の観点からも有利である。
【００３４】
このガスタービン燃焼器を定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で着火する場合、第１次燃焼用空気７１は、第１次空気導入孔４２から旋回通路４６に流入し旋回羽４１により所定の旋回を与えられ、旋回通路４６出口から燃焼室に入って急拡大するが、流速が遅いため燃焼器頭部の第１次燃料ノズル４３下流に循環流領域を形成するには至らず、燃焼器ライナー３２内を下流側へ向かう。
【００３５】
この下流側へ向かう第１次燃焼用空気７１は、周方向３箇所の第２次空気導入孔５３から燃焼器ライナー３２内に噴出した第２次空気７２と、燃焼器ライナー３２中心軸近傍で互いに衝突して内向き流れの循環流９１となり、淀み領域を形成する。この淀み領域内では流速は低下し充分に伝播火炎が維持できる条件となるため、第１次燃焼用空気７１中に投入された第１次燃料８１は、上記の内向き流れの循環流９１内で燃焼反応を開始し、着火に至る。
【００３６】
また、本実施例において、燃料は第１次燃料ノズル４３にのみ供給し、第１次燃料噴孔４４から燃焼器ライナー３２内へ噴出するが、第１次燃焼用空気７１と混合した段階では、空気流量が少ないため燃料過多の着火性が悪い状態である。
【００３７】
しかし、燃焼器ライナー３２内下流で周方向３箇所の第２次空気導入孔５３から燃焼器ライナー３２内に噴出した第２次空気７２と、燃焼器ライナー３２中心軸近傍で互いに衝突して淀み領域を形成する段階では、第２次空気７２により希釈され着火性が良好な状態に至る。
【００３８】
定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で着火するためには、第２次空気４２の噴流が燃焼器ライナー３２の中心軸近傍までパイロットバーナ３１の燃焼ガス流を横切って貫通し、第２次空気７２の噴流が相互に衝突して淀み領域を形成し、循環流領域を形成することが安定して着火する観点から重要である。
【００３９】
第２次空気７２の噴出流速を確保し、かつ第２次空気７２の噴流が燃焼器ライナー３２の中心軸近傍まで貫通することを確保するためには、燃焼器ライナー２断面で定義する平均空気流速に対する第２次空気４２の噴流の流速の比を約３倍以上に設計することが適当であり、燃焼器ライナー３２の表面積に対する開口部面積の比率を２０〜３０％、燃焼器の全圧損失係数を４０〜５０の間で設計することが望ましい。
【００４０】
なお、着火時における燃焼温度は、タービン入口温度が上がるとタービン本来の動作がポンプ動作を上回り、圧縮機がタービン側へ送り込む空気流量が増加する現象に着目し、システム全体の圧力バランスが不安定な状態での空気流量から、着火回転数に見合った本来の空気流量まで回復する温度以上かつ機器に昇温によるダメージを与えない温度以下とする。
【実施例２】
【００４１】
本発明に関わるガスタービン発電設備の起動方法の別の実施例（第２の実施例）について図５を用いて詳細に説明する。本実施例におけるガスタービン発電設備の構造および起動方法は第２の実施例と同様であるため重複する説明は割愛する。本実施例が第１の実施例と異なる点は、定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で着火する際の、燃焼器の着火方法である。図５は、国際公開公報ＷＯ２００５／０５９４４２Ａ１に記載の従来技術に関わるガスタービン用燃焼器の縦断面図であり、機器構成およびその動作は図４と全く同様であるため、ここでは説明を割愛する。
【００４２】
このガスタービン燃焼器を定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で安定して着火する運用方法の別の実施例を以下に説明する。なお、前に述べた実施例と重複する説明は割愛する。
【００４３】
このガスタービン燃焼器を定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で着火する場合、第１次燃焼用空気７１は、流速が遅いため燃焼器頭部の第１次燃料ノズル４３下流に循環流領域を形成するには至らず、燃焼器ライナー３２内を下流側へ向かう。この下流側へ向かう第１次燃焼用空気７１は、周方向３箇所の第２次空気導入孔５３から燃焼器ライナー２内に噴出した第２次空気４２と、燃焼器ライナー２中心軸近傍で互いに衝突して外向き流れの循環流９２となり、淀み領域を形成する。この淀み領域に向けて第２次空気導入孔５３と同じ位置に設置した第２次燃料ノズル６１から放射状に第２次燃料８２を噴射すると、これらの淀み領域における外向き流れの循環流９２内では、流速が低下し充分に伝播火炎が維持できる条件となるため、第２次燃料８２は第１次燃焼用空気７１および第２次空気７２と混合し、上記の循環流内で燃焼反応を開始し、着火に至る。
【００４４】
また、本実施例において、燃料は第２次燃料ノズル６１にのみ供給し、第２次燃料噴孔６２から燃焼器ライナー３２内へ噴出するが、周方向３箇所の第２次空気導入孔５３から燃焼器ライナー３２内に噴出した第２次空気７２のみと混合した段階では、空気流量が少ないため燃料過多の着火性が悪い状態である。
【００４５】
しかし、燃焼器ライナー３２内上流から流出して来る第１次燃焼用空気７１と、燃焼器ライナー３２中心軸近傍で互いに衝突して淀み領域を形成する段階では、第１次燃焼用空気７１により希釈され着火性が良好な状態に至る。なお、着火時における燃焼温度は、第１の実施例で述べたのと同様に設定するものとする。
【００４６】
本発明に関わるガスタービン発電設備において第１あるいは第２の実施例に述べた起動方法を実施した場合と、比較対象として従来技術に関わる起動方法で本発明に関わるガスタービン設備を起動できたと仮定した場合の着火回転数に至るまでの消費電力を比較した概念図を図６に示す。ここでの本発明に関わるガスタービン発電設備の起動方法を実施した場合の着火回転数は、定格回転数の１０％を想定した。これに対し、従来技術に関わる起動方法でガスタービン設備を起動した場合は、エヌ・ティー・エス、マイクロガスタービンの開発動向と将来展望、（２００１年）、第１６１頁から第１６２頁において論じられた起動方法に基づき、着火回転数を定格の２５％と想定した。なお、着火時のタービン入口温度はエヌ・ティー・エス、マイクロガスタービンの開発動向と将来展望、（２００１年）、第１６１頁から第１６２頁において論じられた起動方法に基づき、従来技術および本発明に関わる技術とも同一条件で比較するため４００℃を想定した。
【００４７】
図６からわかるように、従来技術に関わる起動方法でガスタービン設備を起動した場合の消費電力は、ガスタービンの空気との回転摩擦損失により回転数の３乗に比例して増加し、着火回転数において図６中（２）の値となる。これに対し、本実施例に関わるガスタービン用燃焼器の運用方法を実施してガスタービン設備を着火した場合の消費電力は、従来技術に関わる着火回転数においても図６中（１）の値へ減少する。これは、本発明に関わる着火回転数から従来技術に関わる着火回転数までの領域は、タービン入口温度が４００℃と高温であるためタービン本来の動作となることと、高温により空気の密度が減少した分だけタービンの回転摩擦損失も小さくなることにより、消費電力が従来技術より図６中（Ａ）の分だけ削減できるためである。
【実施例３】
【００４８】
本発明に関わるガスタービン発電設備の起動方法の別の実施例（第３の実施例）について図７を用いて詳細に説明する。本実施例におけるガスタービン発電設備は、数十から数百ｋＷの発電出力を有し、特に発電機を駆動するガスタービン部分に単段の遠心圧縮機と単段の半径流タービンを組み合わせた構造を適用した場合の実施例である。本実施例におけるガスタービン発電設備のガスタービン部分は、その機器構成が図１に示した断面図と同様であり、重複する説明は割愛する。本実施例のガスタービン発電設備は、少流量で着火できる燃焼器や再生熱交換器を備え付ける必要は必ずしも無い。
【００４９】
図７において、タービンホイール６は、圧縮機インペラ１だけでなく、ガスタービン回転軸と一体に組み立てられた永久磁石９を有する発電機ロータも駆動する。駆動された発電機ロータは発電機ステータ１０と電磁場を形成し発電する。ただし、駆動エネルギーの全てが発電力にはならず、数％はロスとなり発電機ステータ１０が加熱する。本実施例では、発電機ステータ１０が過度に加熱しないよう、外部より発電機冷却空気２５を発電機ケーシング１１と発電機ステータ１０の間に導入するようになっている。発電機冷却空気２５は発電機ステータ１０を冷却しながら、発電機ケーシング１１と発電機ステータ１０の間に設けられた冷却流路を通過し、発電機冷却後空気２６として大気中より流入する空気２１と合流して（空気２１の流量＞発電機冷却空気２５の流量＝発電機冷却後空気２６の流量）圧縮機インペラ１へ流入する。
【００５０】
本実施例のガスタービン発電設備を着火回転数までモータリング運転で昇速して起動する場合、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上の組み合わせでもタービンのポンプ動作に打ち勝って圧縮機からタービン側へ空気を送り込み易くするため、最終的に圧縮機インペラ１へ空気２１と供に流入する発電機冷却空気２５を圧縮機のアシスト空気として使用し、圧縮機からタービン側へ送り込む空気量を増加する。その際、発電機冷却空気２５は、システム全体の圧力バランスが安定な状態での着火回転数に見合った空気流量まで流量が回復するよう、通常より加圧して流量を増加して送り込む。着火後は通常の発電機ステータ１０の冷却に必要な流量まで減少しても良いが、着火回転数までシステム全体の圧力バランス不安定により不足する流量分を把握しておき、その不足流量分をアシスト空気として最初から発電機冷却空気２５に追加しておけば、着火回転数までは加圧して冷却空気流量を増加するといった冷却空気送付圧力の切替動作が発生しないで済む。
【００５１】
なお、本実施例において、アシスト空気として発電機冷却空気２５を使用しなくても、外部より圧縮機インペラ１へ直接導入するよう別系統としても良い。
【実施例４】
【００５２】
本発明に関わるガスタービン発電設備の起動方法の別の実施例（第４の実施例）について図８を用いて詳細に説明する。本実施例におけるガスタービン発電設備は、数十から数百ｋＷの発電出力を有し、特に発電機を駆動するガスタービン部分に単段の遠心圧縮機と単段の半径流タービンを組み合わせた構造を適用した場合の実施例である。本実施例におけるガスタービン発電設備のガスタービン部分は、その機器構成が図１に示した断面図と同様であり、重複する説明は割愛する。本実施例のガスタービン発電設備は、少流量で着火できる燃焼器や再生熱交換器を備え付ける必要は必ずしも無い。
【００５３】
図８に示すように、本実施例のガスタービン発電設備の圧縮機は、圧縮機インペラ入口に直接水噴霧する水噴霧装置１２を設置している。本実施例のガスタービン発電設備を着火回転数までモータリング運転で昇速して起動する場合、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上の組み合わせでもタービンのポンプ動作に打ち勝って圧縮機からタービン側へ空気を送り込み易くするため、圧縮機インペラ入口へ水噴霧することにより圧縮機効率を改善し、圧縮機の吐出圧力を昇圧する。その際、噴霧する水の量はシステム全体の圧力バランスが安定な状態での着火回転数に見合った空気流量まで流量が回復するまで増加していく。ここで、噴霧する水の量を増加してもシステム全体の圧力バランスが安定化して空気流量が増加する効果が得られなくなった場合は、第３の実施例に述べたようにアシスト空気を圧縮機入口へ導入するなどの手段を補助的に追加して、圧力バランスの安定化を図る。または、第１および第２の実施例に述べたように少流量で着火できる燃焼器を備えておき、着火回転数を定格回転数の２５％相当より下げる手段を追加することで着火・起動することもできるが、水噴霧することにより、水噴霧しない場合よりも着火回転数を下げる幅が小さくて済む。
【００５４】
ここまで、本発明に関わるガスタービン発電設備のようにタービンホイール外径と圧縮機インペラ外径の径比が１.１５以上になると、従来技術の起動方法では起動できないといった内容の説明を述べてきたが、この構造には定格運転時のスラストを小さくできるというメリットも有している。
【００５５】
遠心圧縮機と半径流タービンの遠心ターボ機械の組み合わせにより構成するガスタービン発電設備において、タービン入口温度を上げて発電出力を定格に向けて増加していくと、タービンノズルでの高温ガスの加速が促進され、タービンホイール入口の静圧は低下していく。これに対し、圧縮機はタービン入口温度が上がるに連れて設計点に近づくので圧力比が大きくなり、圧縮機インペラ出口の静圧も上昇する。結果として、定格運転時には、タービンホイールから圧縮機インペラ側へ押す方向のスラストが発生することになる。この定格運転時のスラストを小さくするには、タービンホイール外径を大きくすることでタービンホイールの受圧面積を広くすれば良いので、すなわちタービンホイール外径と圧縮機インペラ外径の径比が１.１５以上と大きくすることが有効ということになる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、圧縮機インペラとタービンホイールの外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）を大きくして大容量化を図った場合でも、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら着火・起動できるガスタービン発電設備およびその起動方法を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 圧縮機インペラ
２ ディフューザ
３ 圧縮機ケーシング
４ 圧縮機背板
５ ノズル
６ タービンホイール
７ タービン背板
８ タービンシェル
１５ 圧縮機インペラ外径
１６ タービンホイール外径
３１ パイロットバーナ
３２ 燃焼器ライナー
３３ 燃焼器エンドカバー
３４ 燃焼器外筒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機と半径流タービンの組み合わせにより構成されたガスタービン発電設備及びその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、数十から数百ｋＷのガスタービンを用いて発電機を運転するガスタービン発電設備の市場投入や新規開発が進んでいるが、発電出力が１００ｋＷ以下の設備では、発電機を駆動するガスタービン部分に遠心圧縮機と半径流タービンを組み合わせた構造を採用している場合が多い。
【０００３】
このような構造から成るガスタービン発電設備を起動する場合、エヌ・ティー・エス、マイクロガスタービンの開発動向と将来展望、（２００１年）、第１６１頁から第１６２頁において記載されているように、まず発電機をモータとして使用して、システム全体の圧力バランスを安定状態に保ちながら燃焼器で安定して着火できる着火回転数（定格回転数の２５％）まで昇速した後、そのまま着火回転数に保持して着火する。着火を確認した後、さらにシステム全体の圧力バランスを安定状態に保ちながら定格回転数まで昇速する起動方法が一般的である。
【０００４】
また、このような構造から成るガスタービン発電設備において発電出力を大容量化するためには、半径流タービンの出力を増大する必要があり、必然的にタービンホイールの外径を大きくすることとなる。これに対して、圧縮機は、圧縮機を駆動するための消費動力を低減する必要があり、圧縮機インペラの外径は必要な圧力比を満足する範囲でできるだけ小さくすることが求められる。結果として、発電出力を大容量化すると、圧縮機インペラとタービンホイールの外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）が大きくなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】エヌ・ティー・エス、マイクロガスタービンの開発動向と将来展望、（２００１年）、第１６１頁〜第１６２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術のように、発電出力の大容量化に伴い圧縮機インペラとタービンホイールの外径差がある程度より大きくなると、タービン入口温度がほぼ常温で、かつ定格流量に対して少ない空気流量でのモータリング運転となる起動時において、昇速するのに従い遠心圧縮機が、半径流タービンのポンプ動作に打ち勝って空気をタービン側へ送り込むことが困難となり、システム全体の圧力バランスを安定状態に保てなくなる現象が起こる。その結果、回転数の増加に見合った空気流量の増加が得られなくなり、従来技術に記載した着火回転数である定格回転数の２５％まで昇速できなくなる問題点があった。
【０００７】
本発明の目的は、圧縮機インペラとタービンホイールの外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）を大きくして大容量化を図った場合でも、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら着火・起動できるガスタービン発電設備およびその起動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための、遠心圧縮機と半径流タービンを組み合わせた構造を適用した、本発明のガスタービン発電設備の起動方法は、システム全体の圧力バランスが不安定となる回転数より低い回転数でのモータリング運転時に着火し、タービン本来の動作ができるようになる所定温度までタービン入口温度を上昇させ、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら昇速させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧縮機インペラとタービンホイールの外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）を大きくして大容量化を図った場合でも、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら着火・起動できるガスタービン発電設備およびその起動方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のガスタービン構造の一実施例（第１の実施例）に関わるガスタービン発電設備の断面図。
【図２】着火しないモータリング運転により昇速したときのタービンと圧縮機それぞれの回転数に対する圧力変化を示した概念図。
【図３】圧力Ｐ１および空気流量と、着火回転数およびタービンホイール外径と圧縮機インペラ外径の径比の関係を示した概念図。
【図４】本発明のガスタービン起動方法の一実施例（第１の実施例）に関わる燃焼器縦断面図。
【図５】本発明のガスタービン起動方法の別の実施例（第２の実施例）に関わる燃焼器縦断面図。
【図６】第１あるいは第２の実施例を実施した場合と従来技術によりガスタービン発電設備を起動した場合で着火回転数までの消費電力を比較した概念図。
【図７】本発明のガスタービン起動方法の別の実施例（第３の実施例）に関わるガスタービン発電設備の断面図。
【図８】本発明のガスタービン起動方法の別の実施例（第４の実施例）に関わるガスタービン発電設備の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明に関わるガスタービン発電設備の一実施例（第１の実施例）について図１を用いて詳細に説明する。図１は本発明に関わるガスタービン発電設備における発電機を駆動するガスタービン部分の断面図である。
【００１３】
本実施例におけるガスタービン発電設備は、１００ｋＷを超える発電出力を有し、特に発電機を駆動するガスタービン部分に単段の遠心圧縮機と単段の半径流タービンを組み合わせた構造を適用した場合の実施例である。本実施例におけるガスタービン発電設備において、特に発電機を駆動するガスタービン部分に着目し、空気の流れに従い、機器構成およびその動作について説明する。
【００１４】
大気中より流入した空気２１は、ガスタービン回転軸と一体に組み立てられた遠心圧縮機の動翼である圧縮機インペラ１により昇圧され、遠心圧縮機の静翼であるディフューザ２に流入する。ここで、ディフューザ２は圧縮機ケーシング３あるいは圧縮機背板４のどちらかと一体構造を成すものとする。空気２１は、ディフューザ２を周方向外向きに通過する際に、さらに減速されて静圧回復した後、約４〜５気圧、約２００℃の高圧空気２２となる。高圧空気２２は、図示しないスクロールへ導かれてさらに静圧回復した後、図示しない燃焼器に流入する。ここで、スクロールを出た高圧空気２２を、場合によっては図示しない再生熱交換器に導き、タービンの排気ガスとの熱交換により余熱した後に、図示しない燃焼器へ流入させても良い。
【００１５】
高圧空気２２は、図示しない燃焼器において、燃焼ガスと混合・燃焼により、約４〜５気圧、約１０００℃の高温ガス２３となる。
【００１６】
高温ガス２３は、半径流タービンの静翼であるノズル５に流入し、流路断面積の縮小に伴い加速される。ここで、ノズル５はタービン背板７あるいはタービンシェル８のどちらかと一体構造を成すものとする。加速された高温ガス２３は、ガスタービン回転軸と一体に組み立てられた半径流タービンの動翼であるタービンホイール６に流入し、膨張してタービンホイール６に回転エネルギーを与えて高温低圧ガス２４となり、図示しない排気ディフューザに導かれてさらに静圧回復した後に大気中へ排気される。ここで、排気ディフューザを出た高温低圧ガス２４を、場合によっては図示しない再生熱交換器に導き、圧縮機の吐出空気である高圧空気２２との熱交換をして温度を下げた後に、大気中へ排気しても良い。
【００１７】
本実施例のように、発電出力が１００ｋＷを超える大容量化に対応してタービン出力を増大するには、半径流タービンの場合、ノズルにより加速された流体がタービンホイールへ衝突することで発生する回転トルクを大きくするため、タービンホイールの外径を大きくすることが一般的である。
【００１８】
これに対し、発電出力が１００ｋＷを超える大容量化に対応して遠心圧縮機の消費動力を低減するには、回転に費やす消費動力を低減するため、圧縮機インペラの外径は必要な圧力比を満足する範囲でできるだけ小さくすることが求められる。結果として、発電出力を大容量化すると、必然的にタービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の外径差が大きくなる。本実施例では、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上となっている。
【００１９】
上記のガスタービン発電設備を従来技術で起動する場合は、系統からの外部電力やバッテリー電力を使用してガスタービン回転軸をモータリング運転し、定格回転数の約２５％相当の着火回転数まで昇速することが必要になるが、本実施例のようにタービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上になると、システム全体の圧力バランスが不安定となる現象が生じ起動できなくなる。
【００２０】
このシステム全体の圧力バランスが不安定となる現象について図２を用いて説明する。図２は発電機を駆動するガスタービン部分に単段の遠心圧縮機と単段の半径流タービンを組み合わせた構造を適用したガスタービン発電設備を、着火しないモータリング運転により昇速したときのタービンと圧縮機それぞれの回転数に対する圧力変化を示したものである。ここで、タービンの圧力はノズル入口で定義した圧力であり、圧縮機の圧力は圧縮機スクロール出口で定義した圧力とする。
【００２１】
モータリングによる起動時は、タービン入口温度がほぼ常温で、かつ定格流量に対して少ない空気流量での運転となるため、タービンは本来の動作と異なるポンプ動作となる。昇速するに従いタービンのポンプ動作はその強さを増し、タービン入口圧力と圧縮機吐出圧力が均衡してシステム全体の圧力バランスを安定状態に保てなくなるため、遠心圧縮機がタービン側へ空気を送り込むことが困難となる。結果として回転数の増加に見合った空気流量の増加が得られなくなり、ある回転数以上に昇速させることができなくなってしまう。
【００２２】
すなわち、図２に示すように、起動直後におけるタービン入口圧力と圧縮機吐出圧力の関係は「タービン入口圧力＜圧縮機吐出圧力」の状態にあるが、ある回転数ＮSに達すると、「タービン入口圧力＝圧縮機吐出圧力」（このときの圧力をＰ1とする）となる。そして、それ以上昇速すると「タービン入口圧力＞圧縮機吐出圧力」と相互の圧力の大小関係が逆転して、空気流量が減少する状態になってしまい、それ以上昇速できなくなる。
【００２３】
次に、タービンホイール外径と圧縮機インペラ外径の径比と、圧力Ｐ1、空気流量及び着火回転数の関係について、図３を用いて説明する。
【００２４】
図３においてタービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が増加するに従い、圧力Ｐ1は２次曲線的に低下し、その圧力Ｐ1における空気流量（すなわち、回転数Ｎsにおける空気流量）も減少する。ただし、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５付近より小さくなると、圧力Ｐ1における空気流量に関しては、圧力Ｐ1の減少幅が小さくなるのに伴い、流量の減少幅も小さくなる。これに対し、着火回転数における空気流量は、図３に示すように燃焼器の着火できる流量範囲で制限されるため、「圧力Ｐ1における空気流量≧着火回転数における空気流量」でなければ着火できないことになる。本実施例のガスタービン発電設備は、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上であり、「圧力Ｐ1における空気流量＞着火回転数における空気流量」の条件をクリアするためには、定格回転数の１０％の運転点まで引き下げて定格空気流量の５％の空気流量Ｇsで着火する必要がある。
【００２５】
なお、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.２以上になると、後述するように、圧縮機がタービンのポンプ動作に打ち勝って空気をタービン側へ送り込むことができるように、外部から噴霧水やアシスト空気を圧縮機入口へ送り込むことで圧力Ｐ1における空気流量を増加し、着火回転数における空気流量を上回る手段が必要となる。
【００２６】
定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で安定して着火することができるガスタービン燃焼器の一例としては、例えば国際公開公報ＷＯ２００５／０５９４４２Ａ１が挙げられる。図４にその縦断面図を示す。
【００２７】
図４に示した燃焼器は、大きく分けてパイロットバーナ３１，燃焼器ライナー３２，燃焼器エンドカバー３３，燃焼器外筒３４によって構成されている。
【００２８】
パイロットバーナ３１は、ガスタービン発電設備の起動に関わる着火を担うバーナであり、第１次燃料ノズル４３の周囲に、旋回羽４１を有する旋回通路４６を設けている。また、この旋回通路４６には、その内部に燃焼用空気を導入する第１次空気導入孔４２が形成されている。この第１次空気導入孔４２は円周方向８箇所に持っている。
【００２９】
燃焼器ライナー３２は燃焼室を構成する部品であり、燃焼器出口ガス温度分布を平滑化するための円周方向６箇所に設けた希釈孔５２および円周方向３箇所に設けた第２次空気導入孔５３を持ち、図示しないタービンとの連絡部品であるトランジッションピースに対してスプリングシール５１で取り合っている。
【００３０】
図示しない圧縮機から導かれた燃焼用空気は、燃焼器ライナー３２と燃焼器外筒３４の間の空間を流れ、その一部の燃焼用空気は円周方向６箇所に設けた希釈孔５２、円周方向３箇所に設けた第２次空気導入孔５３から燃焼室内に流入する。また、残りの燃料用空気は、円周方向８箇所に設けた第１次空気導入孔４２から旋回通路４６に流入し、旋回羽４１により所定の旋回を与えられた後、燃焼器ライナー３２の内側を流れる。そして、燃焼室内部で発生した燃焼ガスは、図示しないタービンとの連絡部品であるトランジッションピースへ流出する。
【００３１】
燃料は図面下側中央に位置する第１次燃料ノズル４３および図面中央の第２次燃料ノズル６１にそれぞれ独立して供給され、第１次燃料噴孔４４および第２次燃料噴孔６２から燃焼室内に噴出する。全ての燃料は直接燃焼室に向けて噴射されており、燃焼室外で燃料と空気が混在する予混合器のような部品がないため、原理的に自発火あるいは逆火といった事故は生じない。
【００３２】
パイロットバーナ３１は通常の拡散燃焼方式を採用している。ガスタービン発電設備において、着火時を除いて空気流量が十分に確保できる場合には、第１次空気導入孔４２から旋回通路４６に流入し旋回羽４１により所定の旋回を与えられた第１次燃焼用空気７１は旋回通路４６出口から燃焼室に入って急拡大するため、燃焼器頭部の第１次燃料ノズル４３下流に循環流領域を形成する。この循環流領域に対して第１次燃料ノズル４３端面に開口した第１次燃料噴孔４４から燃料を噴射し、拡散燃焼を行わせる。
【００３３】
一方、第２次空気導入孔５３から燃焼室内に噴出する第２次空気７２には、第２次空気導入孔５３と同じ位置に設置した第２次燃料ノズル６１から放射状に燃料が噴射される。但し、第２次燃料噴射直後は第２次空気７２が燃焼室に突入する流速が大きく、また周囲の燃焼ガスとの剪断が強いために、燃焼反応が始まってもすぐに火炎が吹き消えてしまい、第２次燃料ノズル６１近傍では火炎保持しないので第２次燃料ノズル６１や燃焼器ライナー３２壁面近傍には局所的な高温領域が現れず、信頼性確保の観点からも有利である。
【００３４】
このガスタービン燃焼器を定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で着火する場合、第１次燃焼用空気７１は、第１次空気導入孔４２から旋回通路４６に流入し旋回羽４１により所定の旋回を与えられ、旋回通路４６出口から燃焼室に入って急拡大するが、流速が遅いため燃焼器頭部の第１次燃料ノズル４３下流に循環流領域を形成するには至らず、燃焼器ライナー３２内を下流側へ向かう。
【００３５】
この下流側へ向かう第１次燃焼用空気７１は、周方向３箇所の第２次空気導入孔５３から燃焼器ライナー３２内に噴出した第２次空気７２と、燃焼器ライナー３２中心軸近傍で互いに衝突して内向き流れの循環流９１となり、淀み領域を形成する。この淀み領域内では流速は低下し充分に伝播火炎が維持できる条件となるため、第１次燃焼用空気７１中に投入された第１次燃料８１は、上記の内向き流れの循環流９１内で燃焼反応を開始し、着火に至る。
【００３６】
また、本実施例において、燃料は第１次燃料ノズル４３にのみ供給し、第１次燃料噴孔４４から燃焼器ライナー３２内へ噴出するが、第１次燃焼用空気７１と混合した段階では、空気流量が少ないため燃料過多の着火性が悪い状態である。
【００３７】
しかし、燃焼器ライナー３２内下流で周方向３箇所の第２次空気導入孔５３から燃焼器ライナー３２内に噴出した第２次空気７２と、燃焼器ライナー３２中心軸近傍で互いに衝突して淀み領域を形成する段階では、第２次空気７２により希釈され着火性が良好な状態に至る。
【００３８】
定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で着火するためには、第２次空気４２の噴流が燃焼器ライナー３２の中心軸近傍までパイロットバーナ３１の燃焼ガス流を横切って貫通し、第２次空気７２の噴流が相互に衝突して淀み領域を形成し、循環流領域を形成することが安定して着火する観点から重要である。
【００３９】
第２次空気７２の噴出流速を確保し、かつ第２次空気７２の噴流が燃焼器ライナー３２の中心軸近傍まで貫通することを確保するためには、燃焼器ライナー２断面で定義する平均空気流速に対する第２次空気４２の噴流の流速の比を約３倍以上に設計することが適当であり、燃焼器ライナー３２の表面積に対する開口部面積の比率を２０〜３０％、燃焼器の全圧損失係数を４０〜５０の間で設計することが望ましい。
【００４０】
なお、着火時における燃焼温度は、タービン入口温度が上がるとタービン本来の動作がポンプ動作を上回り、圧縮機がタービン側へ送り込む空気流量が増加する現象に着目し、システム全体の圧力バランスが不安定な状態での空気流量から、着火回転数に見合った本来の空気流量まで回復する温度以上かつ機器に昇温によるダメージを与えない温度以下とする。
【実施例２】
【００４１】
本発明に関わるガスタービン発電設備の起動方法の別の実施例（第２の実施例）について図５を用いて詳細に説明する。本実施例におけるガスタービン発電設備の構造および起動方法は第２の実施例と同様であるため重複する説明は割愛する。本実施例が第１の実施例と異なる点は、定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で着火する際の、燃焼器の着火方法である。図５は、国際公開公報ＷＯ２００５／０５９４４２Ａ１に記載の従来技術に関わるガスタービン用燃焼器の縦断面図であり、機器構成およびその動作は図４と全く同様であるため、ここでは説明を割愛する。
【００４２】
このガスタービン燃焼器を定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で安定して着火する運用方法の別の実施例を以下に説明する。なお、前に述べた実施例と重複する説明は割愛する。
【００４３】
このガスタービン燃焼器を定格空気流量の５％が得られる定格回転数の１０％の運転点で着火する場合、第１次燃焼用空気７１は、流速が遅いため燃焼器頭部の第１次燃料ノズル４３下流に循環流領域を形成するには至らず、燃焼器ライナー３２内を下流側へ向かう。この下流側へ向かう第１次燃焼用空気７１は、周方向３箇所の第２次空気導入孔５３から燃焼器ライナー２内に噴出した第２次空気４２と、燃焼器ライナー２中心軸近傍で互いに衝突して外向き流れの循環流９２となり、淀み領域を形成する。この淀み領域に向けて第２次空気導入孔５３と同じ位置に設置した第２次燃料ノズル６１から放射状に第２次燃料８２を噴射すると、これらの淀み領域における外向き流れの循環流９２内では、流速が低下し充分に伝播火炎が維持できる条件となるため、第２次燃料８２は第１次燃焼用空気７１および第２次空気７２と混合し、上記の循環流内で燃焼反応を開始し、着火に至る。
【００４４】
また、本実施例において、燃料は第２次燃料ノズル６１にのみ供給し、第２次燃料噴孔６２から燃焼器ライナー３２内へ噴出するが、周方向３箇所の第２次空気導入孔５３から燃焼器ライナー３２内に噴出した第２次空気７２のみと混合した段階では、空気流量が少ないため燃料過多の着火性が悪い状態である。
【００４５】
しかし、燃焼器ライナー３２内上流から流出して来る第１次燃焼用空気７１と、燃焼器ライナー３２中心軸近傍で互いに衝突して淀み領域を形成する段階では、第１次燃焼用空気７１により希釈され着火性が良好な状態に至る。なお、着火時における燃焼温度は、第１の実施例で述べたのと同様に設定するものとする。
【００４６】
本発明に関わるガスタービン発電設備において第１あるいは第２の実施例に述べた起動方法を実施した場合と、比較対象として従来技術に関わる起動方法で本発明に関わるガスタービン設備を起動できたと仮定した場合の着火回転数に至るまでの消費電力を比較した概念図を図６に示す。ここでの本発明に関わるガスタービン発電設備の起動方法を実施した場合の着火回転数は、定格回転数の１０％を想定した。これに対し、従来技術に関わる起動方法でガスタービン設備を起動した場合は、エヌ・ティー・エス、マイクロガスタービンの開発動向と将来展望、（２００１年）、第１６１頁から第１６２頁において論じられた起動方法に基づき、着火回転数を定格の２５％と想定した。なお、着火時のタービン入口温度はエヌ・ティー・エス、マイクロガスタービンの開発動向と将来展望、（２００１年）、第１６１頁から第１６２頁において論じられた起動方法に基づき、従来技術および本発明に関わる技術とも同一条件で比較するため４００℃を想定した。
【００４７】
図６からわかるように、従来技術に関わる起動方法でガスタービン設備を起動した場合の消費電力は、ガスタービンの空気との回転摩擦損失により回転数の３乗に比例して増加し、着火回転数において図６中（２）の値となる。これに対し、本実施例に関わるガスタービン用燃焼器の運用方法を実施してガスタービン設備を着火した場合の消費電力は、従来技術に関わる着火回転数においても図６中（１）の値へ減少する。これは、本発明に関わる着火回転数から従来技術に関わる着火回転数までの領域は、タービン入口温度が４００℃と高温であるためタービン本来の動作となることと、高温により空気の密度が減少した分だけタービンの回転摩擦損失も小さくなることにより、消費電力が従来技術より図６中（Ａ）の分だけ削減できるためである。
【実施例３】
【００４８】
本発明に関わるガスタービン発電設備の起動方法の別の実施例（第３の実施例）について図７を用いて詳細に説明する。本実施例におけるガスタービン発電設備は、数十から数百ｋＷの発電出力を有し、特に発電機を駆動するガスタービン部分に単段の遠心圧縮機と単段の半径流タービンを組み合わせた構造を適用した場合の実施例である。本実施例におけるガスタービン発電設備のガスタービン部分は、その機器構成が図１に示した断面図と同様であり、重複する説明は割愛する。本実施例のガスタービン発電設備は、少流量で着火できる燃焼器や再生熱交換器を備え付ける必要は必ずしも無い。
【００４９】
図７において、タービンホイール６は、圧縮機インペラ１だけでなく、ガスタービン回転軸と一体に組み立てられた永久磁石９を有する発電機ロータも駆動する。駆動された発電機ロータは発電機ステータ１０と電磁場を形成し発電する。ただし、駆動エネルギーの全てが発電力にはならず、数％はロスとなり発電機ステータ１０が加熱する。本実施例では、発電機ステータ１０が過度に加熱しないよう、外部より発電機冷却空気２５を発電機ケーシング１１と発電機ステータ１０の間に導入するようになっている。発電機冷却空気２５は発電機ステータ１０を冷却しながら、発電機ケーシング１１と発電機ステータ１０の間に設けられた冷却流路を通過し、発電機冷却後空気２６として大気中より流入する空気２１と合流して（空気２１の流量＞発電機冷却空気２５の流量＝発電機冷却後空気２６の流量）圧縮機インペラ１へ流入する。
【００５０】
本実施例のガスタービン発電設備を着火回転数までモータリング運転で昇速して起動する場合、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上の組み合わせでもタービンのポンプ動作に打ち勝って圧縮機からタービン側へ空気を送り込み易くするため、最終的に圧縮機インペラ１へ空気２１と供に流入する発電機冷却空気２５を圧縮機のアシスト空気として使用し、圧縮機からタービン側へ送り込む空気量を増加する。その際、発電機冷却空気２５は、システム全体の圧力バランスが安定な状態での着火回転数に見合った空気流量まで流量が回復するよう、通常より加圧して流量を増加して送り込む。着火後は通常の発電機ステータ１０の冷却に必要な流量まで減少しても良いが、着火回転数までシステム全体の圧力バランス不安定により不足する流量分を把握しておき、その不足流量分をアシスト空気として最初から発電機冷却空気２５に追加しておけば、着火回転数までは加圧して冷却空気流量を増加するといった冷却空気送付圧力の切替動作が発生しないで済む。
【００５１】
なお、本実施例において、アシスト空気として発電機冷却空気２５を使用しなくても、外部より圧縮機インペラ１へ直接導入するよう別系統としても良い。
【実施例４】
【００５２】
本発明に関わるガスタービン発電設備の起動方法の別の実施例（第４の実施例）について図８を用いて詳細に説明する。本実施例におけるガスタービン発電設備は、数十から数百ｋＷの発電出力を有し、特に発電機を駆動するガスタービン部分に単段の遠心圧縮機と単段の半径流タービンを組み合わせた構造を適用した場合の実施例である。本実施例におけるガスタービン発電設備のガスタービン部分は、その機器構成が図１に示した断面図と同様であり、重複する説明は割愛する。本実施例のガスタービン発電設備は、少流量で着火できる燃焼器や再生熱交換器を備え付ける必要は必ずしも無い。
【００５３】
図８に示すように、本実施例のガスタービン発電設備の圧縮機は、圧縮機インペラ入口に直接水噴霧する水噴霧装置１２を設置している。本実施例のガスタービン発電設備を着火回転数までモータリング運転で昇速して起動する場合、タービンホイール外径１６と圧縮機インペラ外径１５の径比が１.１５以上の組み合わせでもタービンのポンプ動作に打ち勝って圧縮機からタービン側へ空気を送り込み易くするため、圧縮機インペラ入口へ水噴霧することにより圧縮機効率を改善し、圧縮機の吐出圧力を昇圧する。その際、噴霧する水の量はシステム全体の圧力バランスが安定な状態での着火回転数に見合った空気流量まで流量が回復するまで増加していく。ここで、噴霧する水の量を増加してもシステム全体の圧力バランスが安定化して空気流量が増加する効果が得られなくなった場合は、第３の実施例に述べたようにアシスト空気を圧縮機入口へ導入するなどの手段を補助的に追加して、圧力バランスの安定化を図る。または、第１および第２の実施例に述べたように少流量で着火できる燃焼器を備えておき、着火回転数を定格回転数の２５％相当より下げる手段を追加することで着火・起動することもできるが、水噴霧することにより、水噴霧しない場合よりも着火回転数を下げる幅が小さくて済む。
【００５４】
ここまで、本発明に関わるガスタービン発電設備のようにタービンホイール外径と圧縮機インペラ外径の径比が１.１５以上になると、従来技術の起動方法では起動できないといった内容の説明を述べてきたが、この構造には定格運転時のスラストを小さくできるというメリットも有している。
【００５５】
遠心圧縮機と半径流タービンの遠心ターボ機械の組み合わせにより構成するガスタービン発電設備において、タービン入口温度を上げて発電出力を定格に向けて増加していくと、タービンノズルでの高温ガスの加速が促進され、タービンホイール入口の静圧は低下していく。これに対し、圧縮機はタービン入口温度が上がるに連れて設計点に近づくので圧力比が大きくなり、圧縮機インペラ出口の静圧も上昇する。結果として、定格運転時には、タービンホイールから圧縮機インペラ側へ押す方向のスラストが発生することになる。この定格運転時のスラストを小さくするには、タービンホイール外径を大きくすることでタービンホイールの受圧面積を広くすれば良いので、すなわちタービンホイール外径と圧縮機インペラ外径の径比が１.１５以上と大きくすることが有効ということになる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、圧縮機インペラとタービンホイールの外径差（タービンホイール外径＞圧縮機インペラ外径）を大きくして大容量化を図った場合でも、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら着火・起動できるガスタービン発電設備およびその起動方法を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 圧縮機インペラ
２ ディフューザ
３ 圧縮機ケーシング
４ 圧縮機背板
５ ノズル
６ タービンホイール
７ タービン背板
８ タービンシェル
１５ 圧縮機インペラ外径
１６ タービンホイール外径
３１ パイロットバーナ
３２ 燃焼器ライナー
３３ 燃焼器エンドカバー
３４ 燃焼器外筒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する遠心圧縮機と、該遠心圧縮機により圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される半径流タービンとを備えたガスタービン発電設備の起動方法において、
システム全体の圧力バランスが不安定となる回転数より低い回転数でのモータリング運転時に着火し、タービン本来の動作ができるようになる所定温度までタービン入口温度を上昇させ、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら昇速させることを特徴としたガスタービン発電設備の起動方法。
【請求項１】
空気を圧縮する遠心圧縮機と、該遠心圧縮機により圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動される半径流タービンとを備えたガスタービン発電設備の起動方法において、
システム全体の圧力バランスが不安定となる回転数より低い回転数でのモータリング運転時に着火し、タービン本来の動作ができるようになる所定温度までタービン入口温度を上昇させ、システム全体の圧力バランスを安定した状態に保ちながら昇速させることを特徴としたガスタービン発電設備の起動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２２３２（Ｐ２０１２−２２３２Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１８８４３（Ｐ２０１１−２１８８４３）
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【分割の表示】特願２００９−５１０６８８（Ｐ２００９−５１０６８８）の分割
【原出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【分割の表示】特願２００９−５１０６８８（Ｐ２００９−５１０６８８）の分割
【原出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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