JP2000186569A - ガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンの圧縮機入口に水滴を噴霧する
出力増加系統において、簡単な設備増強で、給水配管を
乾燥させ、系統設備の寿命と信頼性を改善する。 【解決手段】 供給された気体を圧縮し吐出する圧縮機
１と、圧縮機１から吐出した気体および燃料を燃焼させ
る燃焼器２と、燃焼器２の燃焼ガスにより駆動されるタ
ービン３と、圧縮機１に供給される気体に水を噴霧し出
力を増加させる手段として噴霧水配管１５，空気配管１
６，噴霧ノズル１７などを含むガスタービンプラントに
おいて、出力増加手段１５，１６，１７への給水系統２
０〜２６の配管を乾燥させるために、給水系統乾燥空気
供給ライン３４を備えたので、圧縮機入口の吸気ダクト
１３に水を噴霧するガスタービン出力増加系統の給水配
管を乾燥させ、系統設備の寿命を延ばすとともに、信頼
性を改善できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンプラ
ントに係り、特に、ガスタービンの圧縮機の吸気中に液
滴を噴霧するガスタービンの出力増加系統に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、夏期に気温が上昇すると、ガス
タービンの出力が低下する。この出力の低下分を補う方
法が、種々提案されている.特開平７−９７９３３号公
報，実公昭６１−３７７９４号公報，特開平５−１９５
８０９号公報は、圧縮機の吸気を冷却する方式を示して
いる。

【０００３】特開昭６１−２８３７２３号公報は、ガス
化炉とガスタービンとの複合システムにおいて、圧縮機
入口および圧縮機中間段から水を供給する方式を開示し
ている。

【０００４】実開昭５６−４３４３３号公報は、圧縮機
内に水滴の供給孔を設けることを記載しており、特開平
２−２１１３３１号公報は、高圧および低圧の２つの圧
縮機を備え、これらの圧縮機間に中間冷却器を備えたガ
スタービンを記載している。特開平６−１０７０２号公
報は、複数の圧縮機段を備えるコンプレッサグループに
ついて、電力消費を低減するために、上流の圧縮機段と
下流の圧縮機段との間の中間部に水を噴霧する技術を記
載している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平７−９
７９３３号公報，実公昭６１−３７７９４号公報，特開
平５−１９５８０９号公報は、単に圧縮機に導入される
吸気温度を低下させて出力を上げることを開示している
にすぎない。

【０００６】特開昭６１−２８３７２３号公報は、圧縮
中に液滴を蒸発させタービンの羽根を冷却する媒体とし
て利用することと、タービンサイクル特性を向上させる
ことを示しているだけである。

【０００７】また、特開平２−２１１３３１号公報は、
高圧および低圧の２つの圧縮機間に中間冷却器を備えた
ガスタービンにおいて、高圧圧縮機入口の温度および湿
度を検知する手段を備え、中間冷却器の給水流量を制御
することを示しているにすぎない。

【０００８】実際のガスタービンプラントまたはガスタ
ービンと蒸気タービンとを用いたコンバインドプラント
においては、出力を上げて熱効率を高めることは、基本
的な目標であるが、さらに、簡単な系統設備の増強で、
ガスタービン本体を常に保護しながら安全な運転を実現
し、長期使用に対して十分な信頼性のあるプラントを構
築し維持していくことが要求される。

【０００９】しかし、上記従来例では、いずれも設備が
大きくなり、系統が複雑化し、制御が大変になるという
問題があった。

【００１０】本発明の目的は、圧縮機の入口に導入され
る吸気中に液滴を噴霧し出力を上げて熱効率を高めるこ
とができるガスタービンを採用したプラントにおいて、
簡単な系統設備の増強で出力増加系統の長期信頼性を確
保する手段を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、供給された気体を圧縮し吐出する圧縮機
と、圧縮機から吐出した気体および燃料を燃焼させる燃
焼器と、燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービン
と、圧縮機に供給される気体に水を噴霧し出力を増加さ
せる出力増加手段とを含むガスタービンプラントにおい
て、前記出力増加手段への給水系統の配管に乾燥を空気
供給するラインを備えたガスタービンプラントを提案す
る。

【００１２】水噴霧による出力増加方法としては、噴霧
された液滴が圧縮機入口で一部気化して圧縮機に入る気
体の温度を外気温度より低下させ、気化しきれなかった
残りの液滴を圧縮機内ですべて気化させる方法と、噴霧
された水が圧縮機入口ですべて気化して圧縮機に入る気
体の温度を外気温度より低下させる方法と、噴霧された
水がすべて液滴の状態で圧縮機内に導入され、圧縮機内
を流下中に気化する方法のいずれでもよい。

【００１３】本発明においては、長期に亘りガスタービ
ンの出力増加系統を使用しない場合に、給水系統および
噴霧空気系統の配管を乾燥保管し、配管内における錆な
どの腐食現象を防止し、出力増加系統の再使用時に水噴
霧装置の目詰まりなどの不具合を完全に防止できる。

【００１４】前記乾燥空気供給ラインは、圧縮機の吐出
空気を給水系統の配管乾燥用空気源とすることができ
る。前記乾燥空気供給ラインは、圧縮機の中間段抽気空
気を給水系統の配管乾燥用空気源としてもよい。いずれ
の場合も、ガスタービン運転中に空気を供給でき、空気
の温度と圧力が高いので、効率的に乾燥させることがで
きる。

【００１５】また、前記乾燥空気供給ラインは、給水系
統の配管乾燥用空気源として別置きの空気源を備えるこ
とも可能である。この場合は、ガスタービン停止中で
も、配管を乾燥できる。

【００１６】いずれのガスタービンプラントにおいて
も、給水配管内の温度検出手段および湿度検出手段と給
水配管表面温度検出手段と、検出した温度および湿度に
基づき給水配管内の露結を検知し乾燥空気の供給を制御
する手段とを備えることができる。

【００１７】前記水を霧化するための噴霧空気配管を有
する場合は、噴霧空気配管内の温度検出手段および湿度
検出手段と噴霧空気配管表面温度検出手段と、検出した
温度および湿度に基づき噴霧空気配管内の露結を検知し
乾燥空気の供給を制御する手段とを備えることになる。

【００１８】乾燥空気供給制御手段は、乾燥空気の供給
開始から所定時間は供給を継続させるタイマを含むこと
が望ましい。露結を検知してから所定時間内だけ乾燥空
気を送風すると、効率良く乾燥運転できる。

【００１９】さらに、露結した水滴を配管の最下点に集
め水滴ドレン量を検出する手段を備え、乾燥空気供給制
御手段が、水滴ドレン量が所定量を超えた場合に乾燥空
気を送風させる手段を含むようにしてもよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、図１〜図６を参照して、本
発明によるガスタービンプラントの実施例を説明する。

【００２１】《実施例１》図１は、水を噴霧する方式の
ガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性
を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例
１の全体構成を示す系統図である。ガスタービンプラン
トは、気体を圧縮して吐出する圧縮機１と、圧縮機され
た気体が供給される燃焼器２と、燃焼器２の燃焼ガスに
より駆動されるタービン３と、タービン３の軸に連結さ
れて駆動される発電機４とを備えている。ガスタービン
排気ガスは、排熱回収ボイラ７２に導入されて、蒸気タ
ービン７３の作動媒体となる蒸気または水と熱交換した
後に、大気に排出される。加熱された蒸気により駆動さ
れる蒸気タービン７３も、発電機４と連結されている。
蒸気タービン７３から排出された蒸気は、復水器７４で
冷却され、液体の水に凝縮される。

【００２２】圧縮機１には、空気を取り込む吸気室１１
が連結されている。一般に、吸気室１１の上流側には、
ルーバ１０を配置してある。ルーバ１０の圧縮機側すな
わち後流側には、空気フィルタを配置する。この場合
は、ルーバ１０のすぐ後ろの位置に空気フィルタを設け
てあるが、図示を省略する。吸気室１１の下流には、吸
気ダクト１３が接続されており、吸気ダクト１３内に
は、サイレンサ１２が設置されている。サイレンサ１２
の下流には、噴霧水配管１５，噴霧空気配管１６，噴霧
ノズル１７が、設置されている。吸気ダクト１３は、圧
縮機吸気部１４と接続され、空気を圧縮機１に導入す
る。

【００２３】水滴微粒化用噴霧空気は、圧縮機１からの
抽気空気の一部を還流させた空気である。すなわち、圧
縮機１からの抽気空気の一部は、空気遮断弁２７，空気
圧力調節弁２８，異物除去用サイクロンセパレータ２
９，空気流量計３０，空気流量調節弁３１を介して、噴
霧空気ヘッダ３２に供給される。噴霧空気ヘッダ３２か
らの空気は、吸気ダクト１３内に配置された噴霧空気配
管１６に供給される。

【００２４】ここでは、圧縮機１の吐出部から空気を抽
気しているが、圧縮機中間段から抽気してもよい。ま
た、噴霧空気を使用しないで水滴を微粒化できる場合
は、噴霧空気系統は、無くてもよい。

【００２５】噴霧水は、補給水タンク１８から、異物除
去用ストレーナ１９，給水ポンプ２０，給水遮断弁２
１，給水流量調節弁２２，水流量計２３，異物除去用フ
ィルタ２４を介して、給水ヘッダ２５に供給される。噴
霧水は、さらに、給水ヘッダ２５から、給水ヘッダ出口
流量調節弁２６を介して、噴霧水配管１５に供給され
る。

【００２６】水流量計２３および空気流量計３０でそれ
ぞれ計測された給水流量および噴霧空気量の信号は、制
御装置３５に送信される。制御装置３５は、ガスタービ
ン本体の運転状態に応じて、必要な水量および空気量を
演算し、給水流量調節弁２２および空気流量調節弁３１
を制御する。制御装置３５は、また、ガスタービン本体
の運転制限と水量とを比較演算し、給水ポンプ２０およ
び給水遮断弁２１に開閉操作信号を送る。

【００２７】水噴霧による出力増加手段として、圧縮機
１の上流で水噴霧ノズル１７から噴霧された水滴は、吸
気ダクト１３内で、圧縮機入口に到達するまでに、一部
の水滴を気化させながら、周囲空気から熱を吸収し、周
囲空気温度を低下させつつ、圧縮機１に導入される。こ
のとき、吸気ダクト１３内で気化する水滴量は、大気温
度および湿度に応じて、一義的に決まる。気化しきれな
かった水滴は、圧縮機１内に流入し、圧縮機１内を流下
するうちに気化し、圧縮機１内の気体の温度を下げる。
圧縮機１の入口温度の低下に伴う圧縮機の入口空気量の
増加と、圧縮機１内温度の低下による圧縮機動力の低減
と、気化した水滴によるタービン作動媒体の増加とが、
ガスタービンの出力を増加させる。このように条件がそ
ろうと、水噴霧による出力増加手段としては、最大の効
果を得られる。

【００２８】この出力増加方式は、図１に示すガスター
ビンと蒸気タービンとのコンバインドサイクルだけでな
く、ガスタービン単体のプラントにも適用可能である。

【００２９】また、噴霧される水は、純水だけに限ら
ず、大気温度が低い時を考慮した不凍液との混合溶液，
メタノールなどのアルコールとの混合液など、他の物質
の水溶液でもよい。

【００３０】ガスタービンの出力増加運転は、特に、夏
場のように大気温度が高く、圧縮機１の吸込み空気流量
が減少し、ガスタービンの出力が低下してしまう場合、
必要となる。この場合、出力増加手段の使用から再使用
までの間隔が１週間程度であれば、配管内に水を張った
ままの満水保管の方が、配管内に水を充填する時間を省
略できるので、出力増加要求に迅速に対応でき、都合が
良い。

【００３１】これに対して、冬場は、実際の電力需要と
ガスタービンの出力特性とを考慮すると、出力増加系統
を使用しない期間が、長く継続することが考えられる。
冬場に使用から再使用までの間隔が長い場合、配管内の
水が夜間に凍結し、系統設備に損傷を与えるおそれがあ
る。このような場合に対処するには、配管内を乾燥させ
て保管することが好ましい。そこで、基本的な本実施例
１においては、水配管を乾燥させるために、乾燥空気供
給ライン３４を設ける。ここでは、乾燥空気の供給源を
特定していない。

【００３２】また、配管内の水を完全に抜いて乾燥させ
た後でも、長期間放置すると、配管内に水が溜まる。昼
間と夜間では、配管内温度が変化するため、配管が膨
張，収縮を繰り返し、エア抜き用ベントや配管などから
空気が出入りする。配管廻りの空気は、日々の大気条件
により湿度が変化するので、高湿度の空気が配管内に入
った後に主に夜間の温度低下が生ずると、水分が配管内
で露結する。この繰り返しで配管内に溜まった水が、配
管内の錆などの腐食を発生させてしまう。錆などの異物
が発生すると、出力増加手段を再使用する時に、錆の塊
が噴霧ノズル１７まで流れ下り、ノズルを閉塞させるお
それがある。

【００３３】本実施例１においては、このような現象が
予想される場合、乾燥空気供給ライン３４を乾燥保管中
にも、定期的に動作させればよい。

【００３４】配管内を監視して、結露を検出し、乾燥運
転を実施するようにしてもよい。例えば、給水配管内に
温度センサ４１，湿度センサ４２を設置し、配管内側の
表面に配管表面温度センサ４４を設置し、配管内の温度
および湿度と配管表面の温度とを計測する。図１は、系
統図なので、湿度センサ４２の図示を省略し、温度セン
サ４１と表面温度センサ４３とをまとめて図示してある
が、実際は、図５に示すように、温度センサ４１は、配
管内部の空気温度を測定し、表面温度センサ４３は、配
管の表面温度を測定するようになっている。

【００３５】制御装置３５は、これらセンサ４１，４
２，４４の測定結果に基づき、結露する条件になってい
るか否かを判断し、結露のおそれがある場合には、乾燥
運転を実行する。

【００３６】空気配管も同様に、温度センサ５１，湿度
センサ５２を、配管内側の表面に表面温度センサ５３を
設置し、結露の有無を監視する。空気配管の温度センサ
５１と表面温度センサ５３との関係は、図６に示す通り
である。

【００３７】配管内の結露の監視方法としては、配管内
のドレン量を監視する方法もある。給水配管の最下点に
ドレン排出配管４５を設け、その配管４５にレベルスイ
ッチ４４を設置する。結露によりドレン量が増加し、水
位がスイッチレベルに達すると、これを検知し、乾燥運
転を実行する。空気配管の場合も同様に、最下点にドレ
ン排出配管５５を設け、その配管５５にレベルスイッチ
５４を設置し、ドレン量の増加を検知する 《実施例２》図２は、水を噴霧する方式のガスタービン
出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手
段を備えたガスタービンプラントの実施例２の全体構成
を示す系統図である。本実施例２においては、乾燥空気
供給ライン３４の空気源として、圧縮機１の吐出空気を
使用する。

【００３８】実施例２のように、圧縮機１からの空気を
乾燥用に使用する場合、ガスタービン運転中に空気を供
給でき、空気の温度と圧力が高いので、効率的に乾燥さ
せることができる。

【００３９】《実施例３》図３は、水を噴霧する方式の
ガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性
を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例
１の全体構成を示す系統図である。本実施例３において
は、乾燥空気供給ライン３４の空気源として、圧縮機１
の中間段抽気空気を使用する。

【００４０】実施例３のように、圧縮機１からの空気を
乾燥用に使用する場合、ガスタービン運転中に空気を供
給でき、空気の温度と圧力が高いので、効率的に乾燥さ
せることが可能となる。

【００４１】《実施例４》図４は、水を噴霧する方式の
ガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性
を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例
１の全体構成を示す系統図である。本実施例４において
は、乾燥空気供給ライン３４の空気源として、別置きの
空気源７６を使用する。

【００４２】実施例４のように、別置きの空気源７６か
らの乾燥用空気を使用する場合は、ガスタービンが停止
中であっても、乾燥運転できる。

【００４３】なお、実施例２または実施例３の圧縮機１
からの空気と実施例４の別置きの空気源７６からの空気
とのいずれかを選択的に供給するように、乾燥空気の供
給系統を併設してもよい。

【００４４】いずれの実施例においても、例えば給水系
統側の乾燥運転に当たり、まず、給水配管の全てのベン
ト弁とドレン弁とを開いて水を抜き、元弁を閉じる。次
に、ドレン弁とベント弁とを全開したままで、給水ヘッ
ダ出口流量調節弁２６を全開し、給水系統乾燥空気供給
ライン３４上の乾燥空気供給弁を開く。この状態にする
と、乾燥空気が、水噴霧ノズルの先端まで含めて、水配
管全体に行き渡ることになる。所定時間の乾燥運転の後
に、乾燥空気供給弁を閉じ、乾燥運転を終了する。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、供給された気体を圧縮
し吐出する圧縮機と、圧縮機から吐出した気体および燃
料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器の燃焼ガスにより駆動
されるタービンと、圧縮機に供給される気体に水を噴霧
し出力を増加させる手段として噴霧水配管，空気配管，
噴霧ノズルなどを含むガスタービンプラントにおいて、
出力増加手段への給水系統の配管を乾燥させるために、
乾燥空気を供給する給水系統乾燥空気供給ラインを備え
たので、圧縮機入口の吸気ダクトに水を噴霧するガスタ
ービン出力増加系統の給水配管を乾燥させ、系統設備の
寿命を延ばすとともに、信頼性を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統
に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガ
スタービンプラントの実施例１の全体構成を示す系統図
である。

【図２】水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統
に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガ
スタービンプラントの実施例２の全体構成を示す系統図
である。

【図３】水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統
に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガ
スタービンプラントの実施例３の全体構成を示す系統図
である。

【図４】水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統
に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガ
スタービンプラントの実施例４の全体構成を示す系統図
である。

【図５】給水配管内に温度センサ(および湿度センサ)を
設置し、配管内側の表面に配管表面温度センサを設置し
た様子を示す図である。

【図６】空気配管内に温度センサ(および湿度センサ)を
設置し、配管内側の表面に配管表面温度センサを設置し
た様子を示す図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 燃焼器 ３ タービン ４ 発電機 １０ ルーバ １１ 吸気室 １２ サイレンサ １３ 吸気ダクト １４ 圧縮機吸気部 １５ 噴霧水配管 １６ 噴霧空気配管 １７ 噴霧ノズル １８ 補給水タンク １９ ストレーナ ２０ 給水バルブ ２１ 給水遮断弁 ２２ 給水流量調節弁 ２３ 水量流計 ２４ フィルタ ２５ 給水ヘッダ ２６ 給水ヘッダ出口流量調節弁 ２７ 抽気空気遮断弁 ２８ 空気圧力調節弁 ２９ サイクロンセパレータ ３０ 空気流量計 ３１ 空気流量調節弁 ３２ 噴霧空気ヘッダ ３３ 噴霧空気ヘッダ流量調節弁 ３４ 給水系統乾燥空気供給ライン ３５ 制御装置 ４１ 水配管内温度センサ ４２ 水配管内湿度センサ ４３ 水配管表面温度センサ ４４ 水配管内ドレン検出用レベルスイッチ ４５ ドレン排出配管 ４６ ドレン排出弁 ５１ 空気配管内温度センサ ５２ 空気配管内湿度センサ ５３ 空気配管表面温度センサ ５４ 空気配管内ドレン検出用レベルスイッチ ５５ ドレン排出配管 ５６ ドレン排出弁 ７２ 排熱回収ボイラ ７３ 蒸気タービン ７４ 復水器 ７６ 別置きの空気源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹原 勲 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 ▼桑▲原 孝明 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 宇田村 元昭 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 Ｆターム(参考） 3G081 BA02 BA11 BC07 DA30

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供給された気体を圧縮し吐出する圧縮機
   と、前記圧縮機から吐出した気体および燃料を燃焼させ
   る燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタ
   ービンと、前記圧縮機に供給される気体に水を噴霧し出
   力を増加させる出力増加手段とを含むガスタービンプラ
   ントにおいて、 前記出力増加手段への給水系統の配管に乾燥を空気供給
   するラインを備えたことを特徴とするガスタービンプラ
   ント。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のガスタービンプラント
   において、 前記乾燥空気供給ラインが、前記圧縮機の吐出空気を前
   記給水系統の配管乾燥用空気源とすることを特徴とする
   ガスタービンプラント。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のガスタービンプラント
   において、 前記乾燥空気供給ラインが、前記圧縮機の中間段抽気空
   気を前記給水系統の配管乾燥用空気源とすることを特徴
   とするガスタービンプラント。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか一項に記載
   のガスタービンプラントにおいて、 前記乾燥空気供給ラインが、前記給水系統の配管乾燥用
   空気源として別置きの空気源を備えたことを特徴とする
   ガスタービンプラント。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか一項に記載
   のガスタービンプラントにおいて、 前記給水配管内の温度検出手段および湿度検出手段と給
   水配管表面温度検出手段と、検出した前記温度および湿
   度に基づき前記給水配管内の露結を検知し前記乾燥空気
   の供給を制御する手段とを備えたことを特徴とするガス
   タービンプラント。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか一項に記載
   のガスタービンプラントにおいて、 前記水を霧化するための噴霧空気配管を有し、 前記噴霧空気配管内の温度検出手段および湿度検出手段
   と噴霧空気配管表面温度検出手段と、検出した前記温度
   および湿度に基づき前記噴霧空気配管内の露結を検知し
   前記乾燥空気の供給を制御する手段とを備えたことを特
   徴とするガスタービンプラント。
7. 【請求項７】 前記請求項５または６に記載のガスター
   ビンプラントにおいて、 前記乾燥空気供給制御手段が、乾燥空気の供給開始から
   所定時間は供給を継続させるタイマを含むことを特徴と
   するガスタービンプラント。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれか一項に記載
   のガスタービンプラントにおいて、 露結した水滴を前記配管の最下点に集め水滴ドレン量を
   検出する手段を備え、 前記乾燥空気供給制御手段が、前記水滴ドレン量が所定
   量を超えた場合に乾燥空気を送風させる手段を含むこと
   を特徴とするガスタービンプラント。