JP2001173460A

JP2001173460A - ガスタービンプラント及びその吸気冷却方法

Info

Publication number: JP2001173460A
Application number: JP2000144175A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Nakamura; 吉秀中村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】春秋期にガスタービンの吸気をＬＮＧ蒸発熱で
冷却する場合、夏期に合わせた冷却量は必ずしも必要と
しない。そこで春秋期での必要性に合わせたコンパクト
な吸気冷却システムを構築する。【解決手段】液化燃料蒸発部と吸気冷却部及び第２冷却
部を有し、これらの各部は同じ成分からなる共通の冷却
媒体を使用し、極低温の冷却媒体を、温度信号により調
節配分する弁を通して、吸気冷却部及び第２冷却部の両
方に送り、この冷却媒体をその部の循環冷却媒体と混合
して冷却対象流体が凍結しない温度以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本出願は、ガスタービンの吸
気を冷却する設備について、特には春秋期に関するもの
で、ＬＮＧ蒸発器からの冷却媒体送り出し量を少なくす
る技術、吸気冷却部と他の冷却部とに冷却媒体を配分す
る技術、そして吸気冷却部を効率よく冷却する技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、吸気冷却は、ピーク時対応を主
とした技術が中心であり、或いは吸気冷却を全く使用し
ない時期との切り替えに関するものが対象であり、それ
らの中間の時期における使用に関しての技術は特に無か
った。

【０００３】参考として、最近のＬＮＧ蒸発熱で吸気を
冷却する例を上げると、特開平１１−１０１１３０と特
開平１１−１１７７６６がある。特開平１１−１０１１
３０では、吸気冷却に送る冷却媒体は、そのまま冷却に
使用するためその温度は０℃近辺またはそれを超えるこ
とになるので、多量の流量が必要である。そのための配
管は大きいものになる。そしてＬＮＧ蒸発熱が余剰の場
合の方法は不明である。一方、特開平１１−１１７７６
６は、ＬＮＧ蒸発器から出た冷却媒体を循環冷却媒体で
温度を高めて冷却するので、送る流量は少ない。しかし
ＬＮＧ蒸発熱が余剰の場合の対応は不明である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】吸気冷却に使用できる
冷熱量は、吸気がドライ時換算で１５〜２０℃程度あ
る。ガスタービンの傾向として、燃焼器の温度が上昇
（たとえば１５００℃）したり、翼を水蒸気冷却したり
する方向にあるが、この場合には、さらに冷熱量が増加
する傾向にある。そして真夏はこの程度の冷熱量を吸気
冷却で処理する能力が好ましい。

【０００５】そして春秋期にも吸気冷却した方が、出力
増加及び熱効率が当然向上するので望ましい。しかし吸
気冷却の熱交換器は０°以下にすると吸気中の水分を凍
結させるので熱交換器の最低温度は一般に０°程度に制
限される。

【０００６】そして春秋期に上記の冷熱量を全て吸気冷
却に使用とすると、吸気温度が低いため伝熱温度差が少
なくなるので、熱交換器の伝熱面積はさらに広い面積が
必要になる。一方、春秋期には真夏ほどの出力の絶対必
要性は少ない。したがって、春秋期には真夏よりは吸気
冷却の度合いを小さくしてもよい。この場合には吸気冷
却部分の熱交換器の伝熱面積は真夏の条件のものが使用
できる。

【０００７】吸気冷却の度合いを小さくするということ
は、吸気冷却だけでは冷熱が過剰になるので他にも冷熱
を分配してやる必要がある。冷熱は分配するに際して、
大元のＬＮＧ蒸発器は共通化した方がコストで有利であ
る。そしてＬＮＧ蒸発器を共通化すると、冷却媒体で冷
却する個所が複数になるので、冷却媒体を送る配管はで
きるだけ小さい方が好ましい。そして冷却媒体を送る配
管を小さくするには冷却媒体の温度を下げればよいが、
一方、冷却対象物（水分も含む吸、海水など）を凍結さ
せると伝熱量が大幅低下するのでこれは避けなければな
らない。そこで、吸気冷却部（冷却管）において、冷却
媒体の最低温度を０℃程度に制限することになるが、こ
の場合には循環流量が多くなる。したがって吐出量が多
いポンプが必要になるが、ポンプ容量や配管径は小さい
ことが好ましい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１では、ガスター
ビンの燃料に使用する液化燃料の蒸発熱で吸気を冷却す
るガスタービンプラントにおいて、液化燃料蒸発部と吸
気冷却部及び第２冷却部を有し、これらの各部は同じ成
分からなる共通の冷却媒体を使用し、液化燃料蒸発部で
液化燃料の蒸発に使用して温度が極低温以下の冷却媒体
を、吸気冷却部及び第２冷却部の両方に配分し、この冷
却媒体をその部の各々の循環している冷却媒体と混合す
ることでそれぞれの冷却対象流体（吸気、海水、吸気中
の水分も含まれる）が凍結しない温度以下として、混合
した冷却媒体が冷却対象流体を冷却することを特徴とす
るガスタービンプラントからなる。

【０００９】なお、本出願では、「吸気冷却部」とは、
吸気を冷却する冷却管などからなり、また「第２冷却
部」とは、冷却対象が吸気以外で、海水などを冷却する
熱交換器などからなるが、冷却対象は特に限定しない。
第２冷却部の個数はガスタービン１基に対して単数でも
複数でも構わない。そして循環ポンプ類があればそれら
も含む。

【００１０】また、本出願では、「冷却媒体」とはフロ
ン類、アンモニア、不凍液（シャーベット状態も含む）
ブラインなどからなり、氷点（０℃）以下で凍結せずに
熱を蓄積でき、搬送できる流体を言う。この冷却媒体
は、凍結開始温度が低いほうが好ましく、比熱が高いほ
うが好ましい。

【００１１】そして本出願では、「極低温」とは、温度
が高くても氷点（０℃）以下、好ましくは−１０℃以
下、さらに好ましくは−１０〜−５０℃程度である。こ
の温度が高い場合は、流量や配管径が大きくなるデメリ
ットがあり、一方低い場合は冷却媒体が凍結する懸念が
あり、また配管の熱膨張や材料強度などのエンジンアリ
ング面の問題もある。したがってこの温度は使用する冷
却媒体の物性や許容流量などから定まる。但し、氷点
（０℃）以下は必要である。

【００１２】請求項２では、ガスタービンの燃料に使用
する液化燃料の蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプ
ラントにおいて、液化燃料蒸発部で液化燃料の蒸発に使
用して温度が極低温の冷却媒体を、吸気冷却部及び第２
冷却部の両方に配分し、吸気冷却部及び第２冷却部には
同じ成分からなる共通の冷却媒体をそれぞれ独立して循
環させ、前記極低温の冷却媒体をこれら循環している冷
却媒体と混合してから冷却対象流体の冷却に使用し、冷
却した後に、これらの循環している冷却媒体の一部を抜
き出して液化燃料蒸発器に戻すことを特徴とするガスタ
ービンプラントからなる。

【００１３】請求項３では、ガスタービンの燃料に使用
する液化燃料の蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプ
ラントにおいて、液化燃料蒸発部と吸気冷却部及び第２
冷却部を有し、液化燃料蒸発部で液化燃料の蒸発に使用
して温度が極低温の冷却媒体を、吸気冷却部及び第２冷
却部の両方に配分し、それを用いて吸気及び他の冷却対
象流体（吸気、吸気中の水分や海水など）を冷却する
が、冷却媒体を配分するには、吸気冷却部（特には入口
側又は入口近辺）の温度（冷却媒体の温度、機器の温度
など）により調節することを特徴とするガスタービンプ
ラントからなる。この構成により、吸気冷却温度をコン
トロールでき、また吸気冷却部の最低温度を０℃に設定
すると、冷熱を最大限活用できる。

【００１４】請求項４では、ガスタービンの燃料に使用
する液化燃料の蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプ
ラントの吸気冷却方法において、液化燃料蒸発部と吸気
冷却部及び第２冷却部を有し、液化燃料蒸発部から吸気
冷却部及び第２冷却部の両部に冷熱を送り、吸気冷却部
の冷却管（或いは冷却伝熱要素）の入口側又は入口近辺
での冷却媒体の温度（特にはその最低温度）は、液化燃
料蒸発部から送る冷却媒体の量を変えて制御し、一方第
２冷却部の熱交換機の入口側又は入口近辺での冷却媒体
の温度は、そこを循環している冷却媒体の循環速度を変
えて制御することを特徴とするガスタービンプラントの
吸気冷却方法からなる。なお吸気冷却部の温度制御は、
第２冷却部の温度制御より優先することが好ましい。

【００１５】請求項５では、ガスタービンの燃料に使用
する液化燃料の蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプ
ラントの吸気冷却方法において、液化燃料蒸発部と吸気
冷却部及び第２冷却部を有し、ガスタービンの全負荷時
において、春秋期には、液化燃料蒸発部からの冷熱を吸
気冷却部及び第２冷却部の両方で消費し、夏期には液化
燃料蒸発部からの冷熱を吸気冷却部で消費し、冬期には
液化燃料蒸発部からの冷熱を第２冷却部で消費すること
を特徴とするガスタービンプラントの吸気冷却方法から
なる。なお、夏期のピーク時には、冷却後の吸気に水を
噴霧してさらに出力を上げることもできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本出願における請求項１，
５の実施の形態である。ＬＮＧ（液体燃料）蒸発器９で
冷却した（０℃以下、さらには−２０℃〜−５０℃程度
が好ましい）冷却媒体（不凍液／冷媒）は調節弁１４と
同１５で分配される。調節弁１４を出た冷却媒体は、冷
却管３、混合器７、ポンプ１２からなる吸気冷却部１６
に入る。なお吸気冷却部１６は独立した循環経路を有す
る。混合器７を出た冷却媒体は０℃程度もしくは０℃よ
り少し高めであり、ポンプ１２で冷却管３に送られる。
そして冷却媒体は冷却管３で吸気を冷却して温度は１０
℃程度となり、その一部はＬＮＧ蒸発器に送り、残りは
混合器７に戻って循環する。冷却媒体としては水とアル
コールの混合物などガある。

【００１７】一方、調節弁１５を出た冷却媒体は、混合
器８、熱交換器１０、ポンプ１３からなる第２冷却部１
７に入る。なお第２吸気冷却部１７は独立した循環経路
を有する。混合器８を出た冷却媒体は約−２℃である。
そして冷却媒体は熱交換器で海水などを冷却し温度は約
１０℃となり、その一部はＬＮＧ蒸発器に送り、残りは
混合器８に戻る。

【００１８】図１では、調節弁１４，同１５で冷却媒体
流量を配分して、各々の循環経路の冷却媒体と混合する
ので、各冷却部で冷却に供する冷却媒体の温度は、対象
流体の凍結温度以下とすることができる。それらの温度
は各々独立して設定できる。

【００１９】そして冷却管入口温度を０℃、同出口温度
を１０℃、ＬＮＧ蒸発器からの出口温度を−３０℃とす
ると、ポンプ１２の循環経路の流量を１００（指数）と
すると、ポンプ１１から送られる循環量は２５（指数）
で済む。

【００２０】ポンプ１１の循環量を少なくできるので、
ポンプ容量やＬＮＧ蒸発器の容量及び配管類も小さくで
き、またそれらの運転時の電力消費量も当然小さくでき
る。

【００２１】図２は本出願における請求項３，４の実施
の形態である。図１との相違点はの１つは、吸気冷却側
の温度信号で調節弁１４，同１５を調整する点である。
図２では制御盤１８を備えており、これにより吸気冷却
部（冷却管もしくは冷却管を流れる冷却媒体）の温度信
号により調節弁１４，同１５の開度を電動で調節して各
冷却部へ送る流量を調節する。図１とのもう１つ相違点
は、第２冷却部側の温度信号でモーターの回転数を変え
て循環温度を調整する点である。

【００２２】また、図２では、吸気冷却側の温度はＬＮ
Ｇ蒸発器からの冷却媒体の送り量で調整し、一方第２冷
却部側の温度はそこの冷却媒体循環量で調整するもので
ある。そして吸気冷却側の温度制御を第２冷却部側の温
度制御より優先している。

【００２３】図３は本出願における請求項１，２，５の
実施の形態である。図１とは吸気冷却部４５が異なる。
ここではポンプ４１で冷却媒体を独立した経路で循環さ
せている。そして調節弁４３を出た極低温の冷却媒体
を、ポンプ４１で循環するものと吸気冷却途中の冷却媒
体に混合するものとに分ける。ポンプ４１で冷却管３３
に送った冷却媒体は、吸気を冷却して温度が上昇した後
に極低温の冷却媒体を混合する。これにより冷却媒体温
度を低く保てる。この図では、冷却媒体と吸気の熱交換
は向流熱交換であるが、冷却開始と終了とで冷却媒体の
温度差を小さくできる。また、冷却管を流れる量を１／
２〜数分の１まで大幅に少なくすることもできる。

【００２４】図１〜図３では、真夏においては、吸気冷
却部側の調節弁１４，同４３を全開し、第２冷却部側の
調節弁１５，同４４を全閉とすることができる。一方冬
期においては、吸気冷却部側の調節弁１４，同４３を全
閉し、第２冷却部側の調節弁１５，同４４を全開とする
ことができる。そして春秋期には吸気冷却部側と第２冷
却部側を同時に作動させる。

【００２５】また図１〜図３では、ＬＮＧ蒸発部１台に
つき吸気冷却部１基であるが、ＬＮＧ蒸発部は集合する
とスペースやコストで有利になることがあり、したがっ
て、ＬＮＧ蒸発部１台につき吸気冷却部を複数にするこ
ともできる。

【００２６】図４は本出願における請求項１，５の実施
の形態である。図４は、図１の実施の形態に水を噴霧す
るノズル６８を付加したものである。真夏の電力需要ピ
ーク時に水を噴霧して、ガスタービンの出力をさらに増
加できる。

【００２７】図５は本出願における請求項１，２，５の
実施の形態である。図５は、図３の実施の形態に水を噴
霧するノズル８７を付加したものである。真夏の電力需
要ピーク時に水を噴霧して、ガスタービンの出力をさら
に増加できる。

【００２８】図６は本出願における請求項１，５の実施
の形態である。図６は、図４とは９９ＬＮＧ（液体燃
料）蒸発器が異なる。ＬＮＧ（液体燃料）蒸発器９９で
は中間冷却媒体（気化・凝縮熱利用）１００が介在して
ＬＮＧから冷却媒体に冷熱を移動している。中間冷却媒
体１００の例としてはフロン類、ブタンなどの炭化水素
類、アンモニアなどである。なお循環している冷却媒体
（不凍液）には水とエチレングリコール混合液等が使用
できる。

【００２９】図７は本出願における請求項５の実施の形
態である。図７は、吸気冷却部１２７側に熱交換器１１
９が介在していること及びタンク１２９，１３０を備え
ていることが特徴である。熱交換器１１９があること
で、ＬＮＧ冷却側の冷却媒体と吸気冷却部の冷却媒体の
種類を分けることができる。例えばＬＮＧ冷却側に可燃
性の冷却媒体（水と高濃度アルコールを含む不凍液）を
使用し、吸気冷却部の冷却媒体に難燃性の冷却媒体（水
と低濃度アルコールを含む不凍液）を使用することがで
きる。一方吸気冷却部タンク１２９，１３０は冷却媒体
の供給・貯蔵用であり、他の図にも同様に備えることが
できる。

【００３０】図８は本出願における請求項５の実施の形
態である。図８は、図４とは第２冷却部が異なる。第２
冷却部には循環経路が無く、ＬＮＧ蒸発器からの冷却媒
体でそのまま冷却する。一方、吸気冷却部１５４には循
環経路がある。第２冷却部の熱交換器１４８は海水を冷
却しているので、氷点下より少し低い温度（例えば−２
℃）を流す場合、海水は凍結しないのでそのまま冷却媒
体で冷却できる。一方、吸気冷却部１５４では吸気を冷
却する冷却媒体が氷点下より低いと吸気中の水分を凍結
させることがあるので、それを避けるために循環経路で
温度を高めている．なお循環している冷却媒体（不凍
液）には水とエチレングリコール混合液を使用してい
る。

【００３１】図４〜図８における第２冷却部の冬期にお
ける冷却能力は、吸気冷却部への冷熱供給を停止しても
冷熱を処理できる容量を有する。また同図における吸気
冷却部の真夏（夏期の電力ピーク時）における冷却能力
は、吸気冷却部に供給可能な冷熱を殆ど又は全て（ミス
トが発生する程度まで冷却する）を処理できる容量（春
秋期には冷熱の一部のみ処理できる容量の方が建設コス
トでは有利）を有する。

【００３２】以上の例では、弁やポンプ類は必要に応じ
て付加・削減しても構わないし、冷却媒体の配分は弁と
ポンプを併用してもできる。吸気冷却部と第２冷却部に
冷却媒体を配分する場合に使用する調節弁２個は３方弁
１個に置き換えることができる。また以上の図では、吸
気冷却部と第２冷却部では冷却対象を凍結しない様に冷
却媒体の温度・流量を制御している。また図４〜図８で
は、冷却媒体は主に気化しない冷却媒体（不凍液）を対
象にしているが、気化及び凝縮する冷媒でも構わない。
この場合には気化する前の経路に絞り弁を置くことがで
きる。また以上の図のサイレンサーには撥水性吸音材を
使用している。これによって湿った吸気が流れても吸音
性能の低下が少ない。

【００３３】

【発明の効果】本出願では次の効果が得られる。（１）
ＬＮＧ蒸発器が１系列で最小の１台で済みしかも容積を
小さくできる。（２）ＬＮＧ蒸発器に冷却媒体を循環さ
せるポンプの容量を小さくでき、配管も小さくできる。
（３）全シーズンにかけてガスタービンを高効率・高出
力にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態である。

【図２】実施の形態である。

【図３】実施の形態である。

【図４】実施の形態である。

【図５】実施の形態である。

【図６】実施の形態である。

【図７】実施の形態である。

【図８】実施の形態である。

【符号の説明】

１，３１，５１，７１，９１，１１１，１４１吸気室２，３２，５２，７２，９２，１１２，１４２フィル
ター３，３３，５３，７３，９３，１１３，１４３冷却管４，３４，５４，７４，９４，１１４，１４４サイレ
ンサー５，３５，５５，７５，９５，１１５，１４５コンプ
レッサー６，３６，５６，７６，９６，１１６，１４６ガスタ
ービン７，８，３７，５７，５８，７７，９７，９８，１１７
混合器９，３８，５９，７８，９９，１１８，１４７ＬＮＧ
蒸発器１０，３９，６０，７９，１０１，１１９，１２０，１
４８熱交換器１１〜１３，４０〜４２，６１〜６３，８０〜８２，１
０２〜１０４，１２１〜１２４，１４９〜１５０ポン
プ１４，１５，４３，４４，６４，６５，８３，８４，１
０４，１０６，１２５，１２６，１５２，１５３調節
弁１６，４５，６６，８５，１０７，１２７，１５４吸
気冷却部１７，４６，６７，８６，１０８，１２８，１５５第
２冷却部１８制御盤１９，２１温度信号２０弁開度信号２２モーター回転数信号６８，８７，１０９，１２９，１５６ノズル１００中間冷却媒体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービンの燃料に使用する液化燃料の
蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプラントにおい
て、液化燃料蒸発部と吸気冷却部及び第２冷却部を有
し、これらの各部は同じ成分からなる共通の冷媒（冷却
媒体）を使用し、液化燃料蒸発部で液化燃料の蒸発に使
用して温度が極低温の冷媒（冷却媒体）を、吸気冷却部
及び第２冷却部の両方に配分し、この冷媒（冷却媒体）
をその部の各々の循環している冷媒（冷却媒体）と混合
することでそれぞれの冷却対象流体が凍結しない温度以
下として、混合した冷媒（冷却媒体）が冷却対象流体を
冷却することを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項２】ガスタービンの燃料に使用する液化燃料の
蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプラントにおい
て、液化燃料蒸発部で液化燃料の蒸発に使用して温度が
極低温の冷媒（冷却媒体）を、吸気冷却部及び第２冷却
部の両方に配分し、吸気冷却部及び第２冷却部には同じ
成分からなる共通の冷媒（冷却媒体）をそれぞれ独立し
て循環させ、前記極低温の冷媒（冷却媒体）をこれら循
環している冷媒（冷却媒体）と混合してから冷却対象流
体の冷却に使用し、冷却した後に、これらの循環してい
る冷媒（冷却媒体）の一部を抜き出して液化燃料蒸発器
に戻すことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項３】ガスタービンの燃料に使用する液化燃料の
蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプラントにおい
て、液化燃料蒸発部と吸気冷却部及び第２冷却部を有
し、液化燃料蒸発部で液化燃料の蒸発に使用して温度が
極低温の冷媒（冷却媒体）を、吸気冷却部及び第２冷却
部の両方に配分し、それを用いて吸気及び他の冷却対象
流体を冷却するが、冷媒（冷却媒体）を配分するには、
吸気冷却部側（特には入口側又は入口近辺）の温度によ
り調節することを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項４】ガスタービンの燃料に使用する液化燃料の
蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプラントの吸気冷
却方法において、液化燃料蒸発部と吸気冷却部及び第２
冷却部を有し、液化燃料蒸発部から吸気冷却部及び第２
冷却部の両部に冷熱を送り、吸気冷却部の冷却管（或い
は冷却伝熱要素）の入口側又は入口近辺での冷却媒体の
温度は、液化燃料蒸発部から送る冷却媒体の量を変えて
制御し、一方第２冷却部の熱交換器の入口側又は入口近
辺での冷却媒体の温度は、そこを循環している冷却媒体
の循環速度を変えて制御することを特徴とするガスター
ビンプラントの吸気冷却方法。
【請求項５】ガスタービンの燃料に使用する液化燃料の
蒸発熱で吸気を冷却するガスタービンプラントの吸気冷
却方法において、液化燃料蒸発部と吸気冷却部及び第２
冷却部を有し、ガスタービンの全負荷運転時において、
春秋期には、液化燃料蒸発部からの冷熱を吸気冷却部及
び第２冷却部の両方で消費し、夏期には液化燃料蒸発部
からの冷熱を吸気冷却部で消費し、冬期には液化燃料蒸
発部からの冷熱を第２冷却部で消費することを特徴とす
るガスタービンプラントの吸気冷却方法。