JP2002089209A - ガスタービン‐水力コンバインド発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力の制御が容易な発電装置を提供するこ
と。 【解決手段】 ガスタービン１６駆動のタービン発電機
１８からなる第１の発電系に加え、その廃熱を回収して
廃熱回収ボイラ２２で蒸気を発生させ、その蒸気によっ
て駆動される複数の蒸気タービン２４ａ、２４ｂ、２４
ｃ…に連結されたポンプ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…と、
その加圧水流で駆動される水車２８と、その水車２８で
駆動される水車発電機４０とからなる第２の発電系を構
成する。蒸気タービン２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…駆動に
よるポンプ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…の吸入口が各々水
車２８の排水口と連結され、ポンプ２６ａ、２６ｂ、２
６ｃ…の吐出口が各々水車２８の導水口に連結されて、
循環水系を形成し、限定された水量の循環水により水車
発電機４０の駆動を可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規構成のコンバ
インド発電装置に関し、特にガスタービン発電系と排熱
回収ボイラを利用した蒸気タービン駆動ポンプの吐出水
流によって駆動される水車発電系とを組合わせたガスタ
ービン‐水力コンバインド発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近代化された社会の維持には電気エネル
ギーが不可欠となっており、たとえ瞬時の停電であって
も極めて重大な影響を受ける業種が多く、安定供給に向
けて多大の努力が払われている。したがって、電力の安
定供給は現代社会の利益を守るために課せられた大命題
である。特に、国内の大規模な河川の水力点は殆ど開発
され尽くしており、その上ダムその他付帯設備の建設コ
ストも膨大である上、自然保護の観点からも大規模水力
発電所を建設することは極めて困難である。

【０００３】また、化石燃料資源を自国内に殆ど持たな
いわが国に於いては、大規模汽力発電所の建設・運用に
関しても常に高効率で運用しなければならないとの大き
な制約を受けている。このような背景を考慮して、全国
需要電力の約３０％程度を発生するかなりの数に及ぶ原
子力発電所が運用されているが、建設可能地点も極めて
限定されており、安全性の観点からも自由に増設できる
機運にはない。この種の大規模汽力発電所や原子力発電
所の起動停止には極めて長時間にわたる準備が必要とな
り、迅速な負荷変動に追随させることは困難である。し
たがって通常は基底電力を負担させることになり、絶え
ず変動する電力需要に柔軟に対応するためには別の手段
を考慮せざるを得ない。

【０００４】他方、このような大規模汽力発電や原子力
発電の基底電力によって生ずる夜間余剰電力を有効利用
する揚水発電設備も建設されているが、上部ダム(上池)
と下部ダム(下池)とが不可欠であるため大規模な土木工
事を必要とし、建設地点の条件が厳しいことからこのよ
うな大規模設備の建設は大きな制約を受ける。また太陽
光発電や風力発電のように自然エネルギーを利用する発
電設備も出現してはいるが、立地条件や規模の点で大き
な問題を包含しており、未だ問題解決の決め手とはなっ
ていない。

【０００５】このような背景と長距離送電に伴う電力損
失の欠点を補うために、需要電力の大きい都市近郊にお
いてピーク電力に対応可能なガスタービン機関を駆動源
とするガスタービン発電設備が注目されている。ガスタ
ービンは極めて高温の作動ガスによって駆動され、起動
停止も短時間で行える熱機関であり、ディーゼル機関よ
りも大容量化が可能であるため中規模以上のピーク電力
の供給にも適している。その上、大規模汽力発電所のよ
うな大量の冷却水も要しないため、都市近郊や需要場所
近傍への設置も容易であり、変動負荷に対応するような
用途が期待される機運にある。

【０００６】更に、タービンを作動させた排出ガスが極
めて高温で大きな熱エネルギーを保有していることに着
目して、廃熱回収ボイラを設けて蒸気を発生させ、この
蒸気によって蒸気タービンを駆動してタービン発電機に
よる発電を行うコンバインドサイクル発電が採用されつ
つある。このようなコンバインドサイクルによる発電
は、ガスタービン自体による発電に加えて廃熱回収ボイ
ラによる蒸気タービンによっても発電が行なわれるた
め、燃料の有効利用が達成され、したがって総合発電効
率が大幅に向上する利点がある。

【０００７】しかし、このようなガスタービンを基本機
関とする従来のコンバインドサイクルでは、ガスタービ
ン装置における高温排出ガスの回収を行うものの、廃熱
回収ボイラ以降では汽力発電設備が付加されている。そ
のため、復水式蒸気タービンが採用された場合は、大量
の冷却水を必要とし、背圧タービンが採用された場合に
は大量の清浄化されたボイラ水を必要とする。

【０００８】ガスタービン自体は付帯設備も小規模なも
のが多く、立地条件が比較的緩やかであるのに対して、
汽力発電に関しては海水、河川水又は清水のいずれかが
豊富な建設地点であることが重要な条件となる。そのた
め、従来のコンバインドサイクル発電設備では、ガスタ
ービン本来の設置条件に比して都市近郊や需要場所近傍
への建設自由度は低下せざるを得なかった。更に汽力発
電部分についてみれば負荷需要に即応する出力調整可能
範囲も制限され、小刻みな変動が不可避のピーク電力供
給に適応するガスタービン本来の特質も制限されたもの
となる欠点がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来技術の問題点を解消し、起動停止の容易なガスター
ビン発電と、ガスタービンに付設された廃熱回収ボイラ
から得られる蒸気により駆動されるポンプ‐水車を利用
して駆動される水車発電機により発電を行う新規構成で
出力調整が容易であるガスタービン‐水力コンバインド
発電装置を提供することを解決の課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の１は、ガスター
ビンを動力として駆動されるタービン発電機からなる第
１の発電系に加えて、前記ガスタービンの廃熱を回収し
て蒸気を発生させ、該蒸気によって駆動される複数の蒸
気タービンに連結されたポンプ群と、該ポンプ群によっ
て形成される加圧水流により駆動される水車と、該水車
によって駆動される水車発電機と、で構成した第２の発
電系を配設したガスタービン‐水力コンバインド発電装
置である。

【００１１】本発明の２は、本発明の１のガスタービン
‐水力コンバインド発電装置に於いて、前記蒸気タービ
ン駆動による複数のポンプ群の吸入口がそれぞれ前記水
車の排水口と連結され、該ポンプ群の吐出口がそれぞれ
水車の導水口に連結されて、循環水系を形成し、限定さ
れた水量の循環水により水車発電機の駆動を可能にした
ガスタービン‐水力コンバインド発電装置である。

【００１２】本発明の３は、本発明の１又は２のガスタ
ービン‐水力コンバインド発電装置に於いて、負荷需要
に応じて駆動すべき蒸気タービンの駆動台数及び／又は
出力を調整し、前記ポンプ群により形成される循環水流
の流量及び／又は圧力を調整し、水車発電機の出力制御
を可能にしたガスタービン‐水力コンバインド発電装置
である。

【００１３】本発明の４は、本発明の１、２又は３のガ
スタービン‐水力コンバインド発電装置に於いて、前記
水車発電機の動力源である水車の循環水路系の水車導水
口側及び／又は排水口側に緩衝タンクが配設されている
ガスタービン‐水力コンバインド発電装置である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、起動停止操作の容易な
ガスタービンを動力源として駆動されるタービン発電機
からなる第１の発電系に於いて基礎出力の発電を行い、
ガスタービンの高温廃熱を利用した蒸気タービン駆動ポ
ンプによって循環水流を形成し、かつこの循環水流のエ
ネルギーにより水車発電機を回転させ、この水車発電機
によって可変出力の発電を行う、新規構成のガスタービ
ン‐水車コンバインド発電装置に関するものである。

【００１５】ガスタービン発電は、起動停止が容易でピ
ーク負荷電力の供給に適した発電装置であるが、その廃
熱が高温で多大の熱エネルギーを保有していることに着
目して廃熱ボイラにより蒸気を発生させ、複数併置され
た蒸気タービンを駆動する。これらの蒸気タービンに
は、それぞれポンプが連結されている。これらの各ポン
プの吐出口は水車の導水口に接続されている主配管に接
続され、また各ポンプの吸入口はそれぞれ水車の排水口
に接続されている主配管に接続されている。このよう
に、廃熱ボイラの出力蒸気により駆動される蒸気タービ
ンに連結された複数のポンプは、水車に接続された主配
管に対して各々並列に接続されている。したがって、ポ
ンプの台数制御及び／又は圧力制御によるポンプ出力の
増減により水車発電機を駆動する水車の出力が制御可能
となっている。

【００１６】本発明の発電装置は、基本的にはガスター
ビンによる第１の発電系で最大効率が得られる基底出力
により運用され、基底出力に加算される水車発電機によ
る第２の発電系の出力に於いて可変出力に対応するよう
に運用される。可変出力の制御は、蒸気タービンに供給
される蒸気の流量又は圧力調整で微調整を行い、大きな
変化に対しては蒸気タービン‐ポンプ群の台数制御によ
り対応することができる。

【００１７】前述の水車発電機の発電電力は、流量Q〔m
³〕、落差H〔m〕とした場合の通常の水車発電機に於け
る理論出力Pの式、P=9.8HQ〔kW〕に於いて、位置水頭に
関する9.8Hを圧力水頭のKに置換した式、P=KQ〔kW〕と
なり、実際の発電電力は、この理論出力に水車効率及び
発電機効率を乗じたものとなる。したがって蒸気タービ
ン駆動ポンプの回転数制御又は台数制御によるポンプ吐
出圧力K及び／又は流量Qの調整によって適宜調整可能で
ある。なお水車の回転を平準化し同期発電機の乱調を防
止するために、水車の導水口側主配管及び／又は排水口
側主配管には、緩衝タンクを設けることが望ましい。こ
の場合、導水口側主配管の緩衝タンクは、加圧水が充満
するため閉鎖型でなければならないが、排水口側主配管
の緩衝タンクは、水車を回転させた後の開放水であるた
め閉鎖型、開放型のいずれでもよい。

【００１８】本発明のガスタービン‐水車コンバインド
発電装置では、ガスタービンによる第１の発電系による
発電電力と、蒸気タービン駆動のポンプによって形成さ
れる水流を利用した水車発電機による第２の発電系によ
る発電電力とを組合わせた合計電力が供給される。ガス
タービンの特徴は、水力発電、原子力発電、汽力発電等
に比して付帯設備が少ない、膨大な冷却水を必要としな
い、起動停止が容易である、都市その他需要場所近傍へ
の設置が容易であるため送電損失が極めて小さくなる等
の点にある。このようなガスタービンの特徴に対して出
力制御が容易である水車発電機を組み合わせたことによ
り、ガスタービン‐汽力発電を組合わせた従来のコンバ
インドサイクル発電よりも高い自由度をもって設置可能
であり、かつ出力調整可能な給電ができる。

【００１９】ここに使用される水車の水系は、水車の導
水口と排水口とにそれぞれ主配管を接続し、これら主配
管同士の間に複数の蒸気タービン駆動ポンプを並列接続
したものである。したがって水車は循環水流によって作
動させられ、漏水その他の原因による僅かな減少を補充
すれば足り、膨大な水量や落差は必要がない。そのた
め、立地条件の制限も緩やかで、都市内その他の需要個
所近傍に設置することができることとなり送電損失も低
減される。また電力系統に連係しての運用はもとより単
独運用も可能であるため、電力事業用をはじめ、電力自
由化に対応する小売電力用や自家発電用としても適する
発電設備が得られる。

【００２０】

【実施例】以下、添付図を参照しつつ本発明の実施例を
開示する。図１は、本発明のガスタービン‐水車コンバ
インド発電装置の基本システム構成図である。なおこの
システム構成図ではガスタービンの廃熱の再利用方式と
して廃熱回収方式により説明しているが、排気助燃方式
や排気再燃方式であっても差し支えない。

【００２１】第１の発電系１０を構成するガスタービン
発電装置は、空気圧縮機１２、燃焼機１４、ガスタービ
ン１６からなる動力発生部と、タービン主軸に連結され
た通常は同期発電機であるタービン発電機１８とから構
成される。燃焼機１４には空気圧縮機１２で圧縮された
空気とLNG、LPG等の気体燃料又は灯油のような液体燃料
のいずれでもあり得る燃料とが供給され、燃焼過程を経
て高温高圧の作用熱ガスを発生させる。この高温高圧作
用熱ガスがガスタービン１６に導入され、タービンブレ
ードに作用して、その際の衝動又は反動により回転動力
が発生させられる。この回転動力によってタービン発電
機１８により電力が発生させられる。この第１の発電系
１０であるガスタービン発電系は、基本的には通常のガ
スタービン発電と同様の構成であり、これ以上詳述はし
ない。

【００２２】第２の発電系２０である水車発電部は、廃
熱回収ボイラ２２、廃熱回収ボイラ２２の発生蒸気によ
って駆動される複数の蒸気タービン２４ａ、２４ｂ、２
４ｃ…、これらの蒸気タービン２４ａ、２４ｂ、２４ｃ
…にそれぞれ連結されたポンプ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ
…、水車２８、発電機４０から構成される。上記水車２
８の導水口の主配管３０には、前記ポンプ２６ａ、２６
ｂ、２６ｃ…の吐出部からの配管がそれぞれ接続されて
いる。また水車２８の排水口の主配管３２は、前記ポン
プ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…のそれぞれの吸入口に分岐
して接続されている。なお、蒸気タービン２４ａ、２４
ｂ、２４ｃ…の排気は復水器（図示していない）によっ
て熱水として廃熱回収ボイラ２２に循環させることが望
ましい。

【００２３】図１の実施例に於いて、ポンプ２６ａ、２
６ｂ、２６ｃ…の各吐出口から主配管３０を経て水車２
８に至り水車ランナを回転させた後に、排水口側主配管
３２を経て前記ポンプ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…のそれ
ぞれの吸入口に至る水車の作動水系は、一旦満水状態に
なれば循環水流により運用される。当初の給水並びに漏
水補充等のために、外部からの給水配管３４が配してあ
り、バルブ３６を介して必要に応じて循環水系への給水
が行なわれる。

【００２４】なお、この場合の給水は当該設置個所に於
いて入手し易い水源からフィルタを介して夾雑物を取り
除いた状態で取り入れればよく、特に限定されない。配
管内部、ポンプ、水車等の内部に適宜材質のライニング
等を施しておけば、海水その他の自然水であっても差し
支えないが、物理的及び化学的に処理をした清水であれ
ば構造保護や装置耐久性の観点からなお望ましい。

【００２５】このような構成に於いて、出力の制御、特
に出力低減を行う場合、第１の発電系１０であるガスタ
ービン側に於いて発生電力を制御することも可能ではあ
るが、ガスタービン出力を絞ったとすると、排ガスの温
度が変化し、廃熱ボイラ２２に於ける蒸気発生量が大幅
に変動する可能性がある。したがって総合発電電力を低
減するように制御する場合には、第１の発電系１０は最
大効率を発生する出力で常時運用しておき、廃熱回収ボ
イラ２２によって駆動される蒸気タービン２４‐ポンプ
２６によって循環水量及び／又は圧力を調整して、結果
的に水車２８‐発電機４０の出力調整を行う方が制御し
易い。

【００２６】蒸気タービン２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…並
びにこれらの蒸気タービン２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…に
それぞれ連結されたポンプ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…に
於ける負荷調整にあたっては、蒸気タービン２４ａ、２
４ｂ、２４ｃ…に供給される蒸気流量を制御し、あるい
はタービン‐ポンプ２４、２６の運転台数を制御する方
法によって実施することができる。並列接続されたポン
プ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…の総送水量を自動制御する
ことにより、循環水量及び／又は圧力が制御され、水車
２８の出力が変動し、水車発電機４０による発生電力の
微細な制御が可能となる。

【００２７】蒸気タービン２４によって駆動されるポン
プ２６については、高速回転型であっても、また複数台
のうちに異なる回転数のものがあっても差し支えない。
高速回転のものを採用することによってポンプランナや
ケーシング等を小形化することができる。しかし過度に
高速化することは回転部、軸受等の耐久性に問題が生じ
るためおのずから制限がある。

【００２８】このように、蒸気タービン駆動による並列
ポンプの流量及び／又は圧力の調整は、並列ポンプ相互
の同期等の問題もなく、出力制御が行える。なお通常の
正弦波交流の商用電力を発生する発電機は、５０Hz又は
６０Hzの一定周波数を発生する同期発電機が使用され
る。したがって常に同期速度で運転される必要があり、
水車２８の回転数は常時一定速度で回転させられる。し
かし水車発電機は、タービン発電機のような２極の高速
機である必要はなく、設置点の諸条件に応じた平均出力
時に高効率となるような極数及び同期回転速度に設定し
ておくことが望ましい。

【００２９】なお、通常は同期発電機を使用するが、常
時電力系統と連系運転のみ行うもので単独運転があり得
ない用途に於いては、所定周波数の外部電力の存在を条
件として可変速運転による発電が可能な誘導発電機を採
用することも可能である。

【００３０】図２は、水車２８の作動水系に於いて、水
車導水口に接続される主配管３０に緩衝タンク３１を設
置した実施例を示すものである。このような緩衝タンク
３１は、完全な循環水路によって水車２８を運転する場
合、作為又は無作為を問わず複数のポンプ２６ａ、２６
ｂ、２６ｃ…群の吐出口から水車２８に送り込まれる水
流の圧力及び流量に変動が生じた際に、水車２８に直接
変動となって伝わり、回転速度や出力が変動する事態を
避けるために用いるものである。このような緩衝タンク
３１により廃熱回収ボイラ２２、蒸気タービン２４ａ、
２４ｂ、２４ｃ…群等の不可避的な状態変化や出力制御
によって生ずる水量変化の影響を回避することができ
る。このような緩衝タンク３１は、例えば、密閉タンク
の上方に若干の空気室を設け、空気加圧の際の膨張収縮
によって変動を吸収するような閉鎖型タンクの構成とす
ることができる。

【００３１】この緩衝タンク３１を単独で設けることも
可能ではあるが、図３のように水車排水口側の主配管３
２にも緩衝タンク３３を構成することができる。この場
合の緩衝タンク３３は、水車２８を作動させた後の開放
水であるため閉鎖型はもとより開放型タンクであっても
よい。このように水車２８の導水口側及び排水口側の各
主配管３０、３２に緩衝タンク３１、３３を配設するこ
とにより、より滑らかな運転が可能となり、出力調整時
に同期発電機に生ずる可能性のある乱調を防止し安定出
力の発電が可能となる。

【００３２】

【発明の効果】本発明のガスタービン‐水力コンバイン
ド発電装置は、以上のように構成される結果、起動停止
の容易なガスタービンによるタービン発電機の第１の発
電系から基礎出力としての電力を発生させ、更にタービ
ン廃熱を回収して蒸気タービンにより複数のポンプを駆
動し、これらのポンプ群の形成する循環水流により水力
発電を行う第２の発電系により出力可変の追加的発電を
行うものである。この蒸気タービン‐水車の組合わせに
よる第２の発電系は、従来のガスタービン‐汽力発電コ
ンバインドサイクルに於ける蒸気タービンの発電よりも
出力調整が容易である。したがって需要電力の変化への
対応が容易となる特徴がある。

【００３３】また、第２の発電系に於ける水車の作用水
は蒸気タービン駆動の複数のポンプと水車とを配管で接
続した循環水系であり、限定された水量の循環水によっ
て運転される。したがって復水タービンを使用する際の
ような冷却水や通常の水力発電を行う際の作用水のよう
な大水量は不要であり、落差も必要としない。したがっ
て設置場所の制限は少なく、都市近郊はもとより都会そ
の他需要場所に近接して設置することができる。そのた
め長距離送電をする必要はなく、電力損失を低減するこ
とができる。その結果、起動停止や出力調整の容易な発
電装置を経済的に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン‐水力コンバインド発電
装置の基本システム構成図。

【図２】本発明のガスタービン‐水力コンバインド発電
装置に於ける循環水系の他の実施例構成図。

【図３】本発明のガスタービン‐水力コンバインド発電
装置に於ける循環水系の更に他の実施例構成図。

【符号の説明】

１０ 第１の発電系（ガスタービン発電系） １２ 空気圧縮機 １４ 燃焼器 １６ ガスタービン １８ タービン発電機 ２０ 第２の発電系（タービン‐ポンプ駆動水力発電
系） ２２ 廃熱回収ボイラ ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ 蒸気タービン ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ ポンプ ２８ 水車 ３０ 主配管（水車導水口側） ３１ 緩衝タンク（水車導水口側） ３２ 主配管（水車排水口側） ３３ 緩衝タンク（水車排水口側） ３４ 給水管 ３６ バルブ ４０ 水車発電機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０３Ｂ 17/06 Ｆ０３Ｂ 17/06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンを動力として駆動されるタ
   ービン発電機からなる第１の発電系に加えて、 前記ガスタービンの廃熱を回収して蒸気を発生させ、該
   蒸気によって駆動される複数の蒸気タービンに連結され
   たポンプ群と、 該ポンプ群によって形成される加圧水流により駆動され
   る水車と、 該水車によって駆動される水車発電機と、で構成した第
   ２の発電系を配設したガスタービン‐水力コンバインド
   発電装置。
2. 【請求項２】 前記蒸気タービン駆動による複数のポン
   プ群の吸入口がそれぞれ前記水車の排水口と連結され、
   該ポンプ群の吐出口がそれぞれ水車の導水口に連結され
   て、循環水系を形成し、限定された水量の循環水により
   水車発電機の駆動を可能にした請求項１のガスタービン
   ‐水力コンバインド発電装置。
3. 【請求項３】 負荷需要に応じて駆動すべき蒸気タービ
   ンの駆動台数及び／又は出力を調整し、前記ポンプ群に
   より形成される循環水流の流量及び／又は圧力を調整
   し、水車発電機の出力制御を可能にした請求項１又は２
   のガスタービン‐水力コンバインド発電装置。
4. 【請求項４】 前記水車発電機の動力源である水車の循
   環水路系の水車導水口側及び／又は排水口側に緩衝タン
   クが配設されている請求項１、２又は３のガスタービン
   ‐水力コンバインド発電装置。