JP2002339760A - ガスタービン発電方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体空気利用エネルギー貯蔵方式のガスター
ビン発電プラントにおいて、液体空気の原料となる吸気
空気から湿分及び二酸化炭素を除去し、極低温となる蓄
冷槽の伝熱管内部での氷結を防止し、また、原料空気の
圧縮動力の最大値を低減し、さらに、蓄冷槽による液体
空気の気化において伝熱管内部の気化位置に依存せずに
安定な気化を実現すること。 【解決手段】 第１の吸着器で吸気空気中の湿分及び二
酸化炭素を吸着除去すると同時に、第２の吸着器で蓄冷
槽の加熱空気により吸着器を再生運転する。液体空気を
吸気空気中に噴霧し、空気温度を下げ圧縮動力の最大値
を低減する。さらに、蓄冷槽による安定な気化を得るた
め、蓄冷槽内の伝熱管を水平配置とし、出口に圧力調整
手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、夜間等の余剰電力
を利用して空気を液化して貯蔵し、昼間等の電力需要が
多いときに、貯蔵している液体空気を気化し、その気化
した空気と燃料（石油、天然ガス）とを混合して燃焼さ
せることにより燃焼ガスを発生し、その燃焼ガスにより
タービンを駆動して電力を発生するガスタービン発電方
法及び装置に係わり、特に、空気の液化及び気化に蓄冷
槽の冷熱との熱交換を利用するガスタービン発電方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気の需要量は昼間と夜間とでは大きく
異なるので、従来より水力発電所とコンバインドサイク
ル発電所は昼間のみ運転している場合が多くなってい
る。さらに、揚水発電所のように余剰な夜間電力を用い
てポンプを駆動し、水を位置的に高い貯水池に移送して
位置エネルギーとして貯蔵し、それを昼間に落下させて
発電することで電気の需要と供給とをバランスさせてい
る。

【０００３】最近、家庭用エアコン等が普及したために
電気の最大需要量と最小需要量の差が年々大きくなり、
特に、季節による需要の違いが増大している。最大需要
の発生時期は真夏の１０日間ほどと短く、このためだけ
に大型の発電設備を設けるのは、経済的に引き合わなく
なってきている。また、大規模な揚水発電所の建設場所
の適地が国内には少なくなってきており、電力需要と供
給とをバランスさせるための大容量のエネルギー貯蔵方
式を新たに必要としている。

【０００４】さらに、地球全体での温暖化防止の重要性
が認識されてきたために、原子力発電の増設が計画され
ている。原子力発電は最大限の安全性を維持するために
は、昼夜ともに一定の電気出力で運転することが望まし
い。このため、原子力発電設備が増加するほど、大容量
のエネルギー貯蔵設備が必要となる。

【０００５】エネルギー貯蔵技術としては、効率が高い
種々の電池システムの研究開発が進められているが、設
置面積あたりのエネルギー貯蔵量が少なく、大規模な供
給電力量の調整を可能とするまでには至っていない。

【０００６】また、特開平４−１９１４１９号公報や特
開平４−１３２８３７号公報には、夜間電力を用いて液
体空気を製造しこれを常圧で貯蔵し、昼間にこの液体空
気をポンプで加圧してタービンの燃焼器に供給すること
で圧縮機の動力を削減して、ガスタービン発電プラント
の発電量を大幅に増大させるエネルギー貯蔵方式が記載
されている。これらの液体空気利用方式は、エネルギー
貯蔵密度は高い利点はあるが、−１９０℃の液体空気を
製造するために必要なエネルギーが大きく、エネルギー
の貯蔵効率としては約２０％程度でしかないために実際
には使用されていない。

【０００７】さらに、特開平１１−３０３６４６号公報
や特開２０００−１３０１８５号公報には、液体空気を
気化するときの冷熱を蓄冷槽を利用して回収することに
より、液体空気を効率的に製造しエネルギー貯蔵効率を
大幅に高めたエネルギー貯蔵方式が記載されている。

【０００８】なお、空気分離技術において，吸着器を２
系統設け、吸着と再生を切替え使用することは、例えば
特開平６−１７４３６６号公報、特開平１０−２５９９
８９号公報に開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】特開平１１−３０３６
４６号公報にて示された液体空気利用エネルギー貯蔵方
式のガスタービン発電プラントでは、夜間等の余剰電力
を用いて圧縮機により吸気空気を圧縮し、さらに極低温
の蓄冷槽の内部に配置した伝熱管内へ圧縮空気を流して
冷却した後に、膨張弁を通して膨張させることにより一
定割合の極低温の液体空気を製造し常圧で貯蔵する。こ
の時、蓄冷槽は圧縮空気の熱により加熱され温度上昇す
る。一方、昼間等においては、貯蔵している液体空気は
ポンプを加圧した後に蓄冷槽内部の伝熱管を通すこと
で、蓄冷槽の熱により加熱され液体空気は気化する。従
って、蓄冷槽は液体空気の気化熱のため再び冷却されて
極低温となり、液体空気を製造するための冷熱源として
再利用されることになる。

【００１０】この液体空気利用エネルギー貯蔵方式によ
る従来技術では、極低温の液体空気を取り扱うことか
ら、液体空気の原料となる空気についてはその中に含ま
れている湿分や二酸化炭素を取り除く手段を講じておく
必要がある。すなわち、原料空気中に湿分や二酸化炭素
の各成分が含まれたまま冷却すると、蓄冷槽に設置した
伝熱管内部でこれらの成分が氷結し、伝熱管の熱伝導率
の低下ならびに配管流路の閉塞を引き起こす恐れがあ
り、エネルギー貯蔵のための安定な液体空気の製造がで
きなくなる。

【００１１】また、原料空気の圧縮においては、圧縮空
気が温度上昇することにより必要となる圧縮機動力も増
大する。従って、圧縮機の最大動力を抑制するために
は、原料空気を予め冷却しておき圧縮空気の温度上昇を
抑えることが効果的であるが、その冷却源を発電プラン
トの外部から供給することはエネルギー貯蔵効率の大幅
な低下となり好ましくない。

【００１２】一方、蓄冷槽に設置した伝熱管の内部に液
体空気を流して蓄冷槽の熱により加熱気化する場合、伝
熱管内部で気泡が発生するような圧力条件下では、伝熱
管の流路配置によっては安定な液体空気の気化が得られ
なくなることがある。すなわち、蓄冷槽の材料として例
えば取り扱いが容易で安価なコンクリートを選定した場
合、熱伝導性が比較的低いため蓄冷槽の内部に配置する
伝熱管は、液体空気の加熱の有効長さを確保するために
鉛直方向に上下に折り返した構造としている。このよう
な伝熱管の構造配置においては、液体空気の流れ方向が
上向きの場合には発生した気泡が浮力を受けて加速す
る。一方、液体空気の流れ方向が下向きの場合には、発
生した気泡は液体空気の流れを阻害する。これらのこと
は、蓄冷槽温度が変化するに伴い、蓄冷槽内部の伝熱管
での液体空気の気化位置が変化することによって、流れ
の圧力損失が変動することになり、安定な液体空気の気
化ができなくなる可能性があることを示すものである。
液体空気の気化が安定に行えないことは、タービンの燃
焼器へ供給される気化空気量が変動するため、最終的に
はガスタービン発電プラントの発電量が変動することに
なり好ましくない。

【００１３】本発明の目的は、液体空気利用エネルギー
貯蔵方式のガスタービン発電プラントにおいて、液体空
気の原料となる吸気空気から湿分及び二酸化炭素を除去
し、極低温となる蓄冷槽の伝熱管内部での氷結を防止す
ることにより安定な空気液化を実現するとともに、蓄冷
槽を用いて製造した液体空気を利用して原料空気の圧縮
動力の最大値を低減し、さらに、蓄冷槽による液体空気
の気化において伝熱管内部の気化位置に依存せずに安定
な気化を実現するガスタービン発電方法および装置を提
供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、液体空気利用エネルギー貯蔵方式によるガ
スタービン発電方法および装置において、吸気空気の中
に含まれる湿分及び二酸化炭素を除去するために、切替
え可能な複数の吸着器を設置し、そのうちの一方を吸気
空気中の湿分及び二酸化炭素の吸着に使用する。他方の
吸着器は、蓄冷槽で冷却した圧縮空気の中の液化されな
かった一部の極低温の空気について、圧縮機による空気
圧縮熱や蓄冷槽の熱にて加熱し、その加熱空気により吸
着性能を再生する構成とする。

【００１５】また、蓄冷槽を用いて液体空気を製造する
ときの原料空気の圧縮動力の最大値を低減するために、
予め製造しておいた液体空気を圧縮機の吸気側へ噴霧
し、低温状態の吸気空気を圧縮する構成とする。

【００１６】一方、蓄冷槽による液体空気の気化におい
て伝熱管内部の気化位置の変化の影響を受けにくく安定
な気化を実現するために、蓄冷槽の内部に配置する伝熱
管は水平方向に折り返し、液体空気の加熱の有効長さを
十分に確保した構造とする。さらに、蓄冷槽にて液体空
気を加熱するが、気化状態の変化に起因するタービン燃
焼器への供給圧力の変動を抑制するために、蓄冷槽出口
側に気化空気の圧力調整手段を設けた構成とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照して詳
細に説明する。図１は、本発明の一実施例によるガスタ
ービン発電装置の全体概略構成図である。

【００１８】図１において、原料空気は大気より吸気フ
ィルター１にて塵埃を除去されて取り込まれる。取り込
まれた空気は、空気冷却器２にて予め冷却されて相対湿
度が高められ、湿分及び二酸化炭素を除去するための吸
着剤の吸着条件を高めて吸着器３へ移送される。吸着器
３で湿分及び二酸化炭素が除去された空気は、夜間等の
余剰電力で駆動される空気圧縮機４にて所定の圧力まで
圧縮される。空気圧縮機４による圧縮により温度上昇し
た空気は、圧縮空気冷却器５にて冷却され予め冷却され
た蓄冷槽６に導かれる。蓄冷槽６に導かれた圧縮空気
は、蓄冷槽６で極低温まで冷却された後、膨張弁７を通
過して大気圧まで膨張させることによりさらに冷却さ
れ、膨張前後の圧力差に応じてある一定割合の空気が液
化する。蓄冷槽６は、この時、圧縮空気の圧縮熱により
加熱され、除々に温度上昇する。液化した空気は液体空
気貯蔵タンク８にて、常圧及び極低温の液体空気として
貯蔵される。

【００１９】膨張弁７を通過した時に、液化しなかった
極低温の空気は蓄冷槽６及び圧縮空気冷却器５にて冷熱
回収が図られる。その結果、液体空気の原料となる圧縮
空気は温度低下するが、他方の圧縮空気の膨張後の液化
しなかった空気は温度上昇し、吸着剤の再生のための加
熱用空気として吸着器３へ導かれる。

【００２０】空気を圧縮するために必要な空気圧縮機４
の圧縮動力は、圧縮中の空気の温度上昇によって大幅に
増加する。このことは、圧縮機４の駆動電動機の容量が
圧縮空気の温度上昇の程度によって増加することを意味
する。空気圧縮機４の駆動動力を低減するためには、吸
気空気の温度を低くし、圧縮による温度上昇を抑制する
ことが効果的である。このため、空気圧縮機４にて空気
を圧縮する際には、貯蔵している液体空気をポンプ９に
より移送し、液体空気流量調節弁１０を介して空気圧縮
機４の吸気側へ噴霧する構成とする。これにより、空気
圧縮機４の吸気空気の温度が大幅に低下し、その結果、
空気圧縮機４にて使用する空気圧縮動力の最大値が低減
できる。

【００２１】次に、液体空気を利用した発電は以下のよ
うな方法による。液体空気は、ガスタービン発電装置に
適合する運転圧力まで加圧ポンプ１１で加圧され、蓄冷
槽６に移送される。蓄冷槽６は、圧縮空気の圧縮熱によ
り加熱されており、液体空気はこの蓄冷槽６の熱によっ
て加熱気化される。気化した空気は蓄冷槽６から取り出
され、気化空気の圧力調整弁１２を通ってガスタービン
へ供給される。すなわち、気化空気は再生熱交換器１３
を通った後、タービン燃焼器１４へ供給される。燃焼器
１４では、燃料１５（石油、天然ガス）と空気が混合さ
れて燃焼される。このとき発生した燃焼ガスは、タービ
ン１６へ送られて膨張してタービン１６を駆動すると共
に、タービン１６と軸結合した発電機１７を回転させる
ことで発電する。タービン１６にて大気圧まで膨張し温
度低下した燃焼ガスは、まだ比較的高温であるため再生
熱交換器１３にて蓄冷槽６から取り出した気化空気と熱
交換し、最終的には燃焼ガスの廃熱は気化空気の加熱源
として回収される。

【００２２】気化空気の圧力調整は以下の方法による。
すなわち、気化空気の圧力は、圧力計１９にて検出さ
れ、圧力調整器２０にて演算され所定の圧力となるよう
に、圧力調整弁１２の開度が演算される。気化空気の圧
力が上昇し、圧力調整弁１２の開度調整で圧力上昇を抑
制できないような場合には、通常は閉状態である気化空
気のバイパス弁１８の開度が増加し、蓄冷槽６およびガ
スタービン側の異常な圧力上昇を防止する。

【００２３】図２は、図１に示した本発明の実施例につ
いて、特に、液体空気の製造に係わる部分について、さ
らに詳細にその構成を示したものである。図２におい
て、吸気空気の中に含まれる湿分及び二酸化炭素を除去
する吸着器３は、内蔵する２つの吸着器３Ａと３Ｂを以
下のように使い分けて運転する。

【００２４】吸着器３の上流で空気冷却器２により冷却
され相対湿度を高められた吸気空気は、吸着剤の吸着条
件が高められて吸着器３へ移送される。ここで、吸着器
３が２系統ある場合には、一方の系統が吸着運転してい
る時は他方は再生運転している。

【００２５】すなわち、弁３１、３７、３４、３６を開
状態及び弁３２、３８、３３、３５を閉状態とすること
により第１の吸着器３Ａが吸着運転状態となり、吸着器
３Ａの吸着剤により吸気空気の中の湿分及び二酸化炭素
が吸着除去され、電動機４１にて駆動される圧縮機４へ
送られる。一方、圧縮空気冷却器５にて加熱された空気
は、前述した弁装置の状態においては第２の吸着器３Ｂ
に導かれ、吸着器３Ｂは再生運転となる。再生運転で利
用するこの加熱された空気は、温度が高いばかりでなく
相対湿度も低いことから、吸着器３Ｂの吸着剤が吸着し
た湿分及び二酸化炭素を吸着剤から放出させることがで
きる。従って、この吸着器３Ａ及び３Ｂを吸着運転及び
再生運転として、一定時間ごとに弁装置の開閉操作によ
って切り替えて使用することにより、吸気空気から連続
的に湿分及び二酸化炭素を除去することができる。

【００２６】吸着器３Ｂの再生用の加熱空気は、以下の
ような方法で得られる。すなわち、空気圧縮機４にて圧
縮された圧縮空気は、圧縮空気冷却器５を通った後、蓄
冷槽６にて冷却される。この時、蓄冷槽６１については
特に圧縮機４の出口側に近いことから、圧縮空気との熱
交換によって加熱されることになる。蓄冷槽６１、６２
にて極低温に冷却された圧縮空気は、膨張弁７にて大気
圧まで膨張させられることにより、その一部分が液化し
液体空気貯蔵タンク８にて貯蔵される。液化しなかった
低温の空気は、相対的に高温状態となっている蓄冷槽６
１を通ることにより、その冷熱が蓄冷槽６１にて回収さ
れる。さらに、前述した圧縮空気冷却器５での圧縮空気
との熱交換によりさらに加熱され、吸着器３Ｂの再生用
空気として利用される。

【００２７】ここで、圧縮空気冷却器５と吸着器３との
間には、空気の逆止弁４２が設置される。これは、液体
空気貯蔵タンク８側の圧力が吸着器３側の圧力より低く
なった場合に、吸着器３を通して除湿されていない空気
が液体空気貯蔵タンク８へ逆流することを防止するため
である。

【００２８】図３は、図１に示した本発明のガスタービ
ン発電装置について、空気温度とエントロピーとの概略
の関係を示したものである。

【００２９】空気液化は以下の過程による。すなわち、
吸着器３により空気中から湿分及び二酸化炭素が除去さ
れた吸気空気は、図３のＡ点に示したようにほぼ大気圧
状態で空気圧縮機４に入る。この空気は、空気圧縮機４
で圧力Ｐ１まで圧縮され、それに伴い温度もＢ点まで上
昇する。温度上昇した圧縮空気は、圧縮空気冷却器５及
び蓄冷槽６により、Ｃ点及びＤ点に示すように極低温ま
で順次冷却される。Ｄ点まで冷却された圧縮空気は、膨
張弁７にて大気圧まで膨張させられることによりＥ点ま
で、さらに冷却される。このとき、Ｅ点に対応した一定
割合の液体空気が生成されることになる。生成された液
体空気は、最終的にはＦ点の状態にて液体空気貯蔵タン
ク８にて貯蔵される。

【００３０】また、気化は以下の過程による。すなわ
ち、液体空気貯蔵タンク８内に大気圧で貯蔵されている
極低温の液体空気は、加圧ポンプ１１にて圧力Ｐ２まで
加圧される。加圧された液体空気は、蓄冷槽６の熱によ
り加熱されて気化し、蓄冷槽６の出口ではＧ点の状態と
なる。気化した空気は、再生熱交換器１３にてガスター
ビン廃熱によりさらに加熱され、その後燃焼器１４へ送
られる、燃焼器１４では、燃料と空気との燃焼反応によ
り高温の燃焼ガスとなりＨ点の状態となる。高温の燃焼
ガスは、タービンで膨張して仕事を行いＩ点となる。そ
の後、再生熱交換器１３にて気化空気により廃熱が回収
されることから、最終的にはＪ点まで、さらに温度は低
下し、排ガスとして大気に放出されることになる。

【００３１】このように、主に蓄冷槽６を利用して空気
の冷却あるいは加熱を行うのであるが、空気冷却時の空
気圧力Ｐ１及び空気加熱時の空気圧力Ｐ２は発電システ
ムの運転条件によって決められる。例えば、空気圧縮機
４の圧縮比を比較的高くせず、空気の臨界点以下で冷却
を行う場合には、Ｐ１としては約３７気圧以下（例えば
２０気圧）での冷却となる。また、発電システムで利用
するガスタービンの圧力条件は、比較的低いほうが装置
設計が容易であるため、運転圧力に適合するガスタービ
ンも多くなりシステムを構築する上で好ましい。このた
め、ガスタービンの圧力条件を考慮して、Ｐ２としては
Ｐ１より低圧力の１５気圧程度として装置設計を行うこ
ともできる。

【００３２】ただし、空気の臨界点以下の圧力で気化を
行う場合には、蓄冷槽で加熱する際に伝熱管内にて液体
空気の沸騰現象が発生することになる。従って、この液
体空気の沸騰を考慮した伝熱管配置を設計する必要があ
る。具体的には、液体空気の沸騰により発生した気泡
が、伝熱管内の流れ方向によっては浮力の影響を受ける
ため、伝熱管内の流体の圧力損失が変動する。このよう
な流体の圧力損失の変動を低減するために、蓄冷槽内伝
熱管配置が水平方向となるように機器設計する。

【００３３】図４は、図１に示した本発明のガスタービ
ン発電方法装置について、蓄冷槽の伝熱管配置の一実施
例を示したものである。図４において、蓄冷槽伝熱管６
Ａは配管ヘッダ６Ｂにより個々の蓄冷槽６Ｃ１〜３から
６Ｅ１〜３に分岐され、蓄冷槽内での有効長さを確保す
るために水平方向に折り返して曲げながら格納配置され
る。また、配管ヘッダ６Ｆで再び蓄冷槽伝熱管６Ｇとし
て集められる。このとき、蓄冷槽６内では伝熱管の長さ
方向で温度差が発生する。伝熱管を介して圧縮空気を冷
却、あるいは加圧空気を加熱することでこの温度差は小
さくなるが、蓄冷材間での熱伝導により温度差が小さく
なることは空気への熱移動が不十分であることを意味し
ており、熱の有効利用が図られない。このため、蓄冷材
間の熱移動を抑制するため断熱材６５が蓄冷槽６内に配
置される。

【００３４】図５は、図１に示した本発明のガスタービ
ン発電装置について、蓄冷槽及びその他の機器の配置関
係の一実施例を示したものである。図５において、空気
の流れが水平方向となるように蓄冷槽内の伝熱管を配置
する。従って、この場合には蓄冷槽全体についても高さ
方向の長さと比較して相対的に水平方向に長くし、伝熱
管を蓄冷材で取り囲むことを容易とした構造とする。ま
た、空気液化時には、弁６８、７１は開状態、弁６９、
１１１は閉状態とする。さらに、気化時には、弁６９、
１１１は開状態、弁６８、７１は閉状態として空気の流
路を形成する。

【００３５】また、蓄冷槽６１１〜６１５には、空気の
集配を行う蓄冷槽ヘッダ６Ｂ、６Ｆがあり、この蓄冷槽
ヘッダ６Ｂ、６Ｆを接続することにより、流れ方向に空
気冷却及び加熱に必要な個数の蓄冷槽を結合させる。さ
らに、液体空気貯蔵タンク８を取り囲むように蓄冷槽を
配置することで、蓄冷槽が液体空気貯蔵タンク８の断熱
機能としても作用させる。すなわち、液体空気貯蔵タン
ク８に外部から入熱があると、液体空気が一部気化する
が、それはシステムとしての損失となり好ましくない。
このため、蓄冷槽の断熱機能を利用して、外部からの入
熱を抑制する。

【００３６】第１段の蓄冷槽６１１には、圧縮空気を膨
張弁７で膨張させ液体空気を生成するときに、液化しな
かった空気を流す配管８１を設置する。すなわち、この
第１段蓄冷槽６１１は空気圧縮機４のすぐ下流に設置さ
れるため、他の蓄冷槽と比較して相対的に温度が高く、
蓄冷槽６１１にとっては膨張後の空気からの冷熱の回収
が容易となる。このことは、膨張後の空気にとっては加
熱されやすいことでもあり、吸着器３の吸着性能再生運
転のための高温空気を得るためには好都合である。

【００３７】図６は、図５に示した本発明のガスタービ
ン発電装置における蓄冷槽について、蓄冷槽及び弁その
他の機器の接続関係の詳細を示したものである。図６に
おいて、空気液化時には、弁６８及び蓄冷槽ヘッダに取
り付けられている弁７Ｆ２、７Ｆ３、７Ｆ４のいずれか
を開状態とすることで、流路を形成する。液体空気は、
膨張弁７あるいは膨張タービン７２を用いて、極低温の
圧縮空気を膨張させることにより生成する。また、蓄冷
槽ヘッダの弁１１Ｂ１、１１Ｂ２、１１Ｂ３と弁６９は
閉状態とする。同様にして、気化時には、弁１１１と蓄
冷槽ヘッダの弁１１Ｂ１、１１Ｂ２、及び１１Ｂ３のい
ずれかを開状態とすることにより、蓄冷槽内に流路を形
成する。この時には、弁６８、及び弁７Ｆ２、７Ｆ３、
７Ｆ４は閉状態である。最終的には、弁６９を介して気
化空気は蓄冷槽から取り出されることになる。

【００３８】複数の蓄冷槽は、以上に述べた蓄冷槽ヘッ
ダに取り付けられた弁の開閉により、空気液化時の圧縮
空気あるいは気化時の気化空気の流路が切り替えられて
使用される。以下に、その切り替え方法について説明す
る。

【００３９】図７は、圧縮空気冷却（液体空気製造）運
転時について、図６の蓄冷槽及び弁装置その他の機器の
使用手順を説明したものである。また、図９は、蓄冷槽
ヘッダの弁の切り替えによる蓄冷槽内部の空気温度変化
の一例を示したものである。このような弁の切り替え
は、蓄冷槽の冷熱を有効に利用して液体空気の製造を高
効率で行うために必要な操作である。すなわち、蓄冷槽
により圧縮空気を必要以上に冷却して蓄冷槽温度が上昇
することは、蓄冷槽冷熱が余分に消費されることであ
り、次に来るべき液体空気の気化時の冷熱の再回収時に
おいて、蓄冷槽温度が十分に低下しなくなる場合があ
る。

【００４０】図６の蓄冷槽及び蓄冷槽ヘッダの弁の初期
状態としては、ｉは２（第２段）とした場合（ステップ
７０１）であり、また、弁７Ｆ２、７Ｆ３、７Ｆ４は
閉、弁６８は開である。さらに、第２段以降の蓄冷槽
は、液体空気を製造するために必要な極低温状態に冷却
されているものとする。なお、ｉが１の場合には蓄冷槽
の第１段（初段）、ｉがｎの場合には蓄冷槽の最終段で
ある。ｎは、必要とする液体空気の製造量に依存するこ
とになり、この場合にはｎは５とする。また、最終段の
蓄冷槽ヘッダの弁７Ｆ５は開状態とする。すなわち、他
の蓄冷槽ヘッダの弁の開閉時においても、常に圧縮空気
の流路を確保することにより、空気圧縮機４の安定な運
転を実現する。

【００４１】以上のような条件において先ず最初に、第
２段の蓄冷槽出口温度を測定（ステップ７０２）し、設
定温度Ｔ２以下であれば当該蓄冷槽ヘッダの冷却空気取
り出し弁７Ｆ２を開とする（ステップ７０３）。この冷
却空気取り出し弁７Ｆ２から取り出された圧縮空気は第
１段及び第２段の蓄冷槽により冷却されているため、膨
張弁（ＪＴ弁）７で膨張することで一部の空気が液化
（ステップ７０４）し、液体空気が製造される。その
後、液体空気製造運転の継続の可否を製造した液体空気
量、運転継続時間等で判断（ステップ７０５）し、運転
継続の場合には蓄冷槽出口温度を再度測定（ステップ７
０２）する。

【００４２】一方、第２段の蓄冷槽温度が設定温度Ｔ２
以上であれば、蓄冷槽による圧縮空気の冷却が十分にで
きていないと判断される。このとき、蓄冷槽が最終段で
ないことが判断（ステップ７０６）されると、第２段蓄
冷槽の冷却空気取り出し弁７Ｆ２を閉（ステップ７０
７）とし、次の段である第３段の蓄冷槽出口温度を測定
する（ステップ７０８，７０２）ことになる。第３段の
蓄冷槽出口温度が設定温度Ｔ２以下であった場合には、
先ほどと同様な手順により空気の液化が膨張弁７を利用
して行われる。蓄冷槽が最終段であった場合には、蓄冷
槽出口温度を再度測定（ステップ７０９）し、設定温度
Ｔ１以下であれば、膨張タービン７２の前後弁７３、７
４を開として、さらに膨張弁７の止め弁７１を閉とする
ことで膨張タービン７２を利用した空気液化（ステップ
７１０）を行う。これに対して、設定温度Ｔ１以上であ
った場合には、これ以上の液体空気製造はできないと判
断（ステップ７０５）されるため、圧縮空気冷却（液体
空気製造）運転は終了となる。

【００４３】ここで、冷却した圧縮空気の液化におい
て、膨張弁を使用しないで膨張タービンを使用する理由
は以下である。すなわち、圧縮空気の圧力及び温度条件
によっては、膨張弁では膨張後の空気状態が空気液化の
領域外となって液化できない場合がある。このような場
合においても、膨張タービンを利用すると、圧縮空気の
持つ内部エネルギーの一部が動力として外部に取り出さ
れ、その結果として空気温度が低下して空気液化の領域
内に入り液化できる。圧縮空気冷却による空気液化運転
の継続の判断は、代表的には運転時間や液体空気貯蔵タ
ンク内の液体空気の貯蔵量、さらには蓄冷槽出口の温度
から行う。

【００４４】以上のような蓄冷槽ヘッダの弁の切り替え
時において、蓄冷槽内部の空気温度の変化の一例を図９
により説明する。図９において、それぞれの蓄冷槽出口
温度の初期値は、、、、及びで示される温度と
する。この時、第２段蓄冷槽の出口温度は設定値Ｔ２以
下であるため、第２段蓄冷槽ヘッダの冷却空気取り出し
弁７Ｆ２は開とすることにより、圧縮空気は第３段以降
の蓄冷槽をバイパスして流れ、膨張弁７へと導かれる。
その結果、第２段蓄冷槽の温度は上昇するが、第３段以
降の蓄冷槽温度は低温状態が維持される。第２段蓄冷槽
の出口温度がまで上昇すると、圧縮空気の冷却が不十
分となることから蓄冷槽ヘッダの冷却空気取り出し弁７
Ｆ２は閉となり、次の第３段蓄冷槽ヘッダの冷却空気取
り出し弁７Ｆ３が開となる。これにより、圧縮空気は第
３段蓄冷槽により再び十分に冷却され、取り出された冷
却空気は膨張弁７へと導かれる。以下、同様に、蓄冷槽
出口温度が、まで上昇すると蓄冷槽ヘッダの冷却空
気取出し弁は開閉操作され、圧縮空気冷却のために蓄冷
槽は順次切り替えられる。

【００４５】最終段蓄冷槽における圧縮空気の流路の切
り替えは、蓄冷槽ヘッダの弁７Ｆ５の切り替えではな
く、圧縮空気の膨張方法に関するものである。すなわ
ち、蓄冷槽出口温度が設定温度Ｔ２以下であれば、膨張
弁（ＪＴ弁）７で膨張することで一部の空気を液化し、
液体空気を製造する。これに対して、蓄冷槽出口温度が
設定温度Ｔ１以下であれば、膨張タービン７２で空気を
膨張させて液化し、液体空気を製造することになる。

【００４６】図８は、液体空気加熱（気化空気製造）運
転時について、図６の蓄冷槽及び弁その他の機器の使用
手順を説明したものである。また、図１０は、蓄冷槽ヘ
ッダの弁の切り替えによる蓄冷槽内部の空気温度変化の
一例を示したものである。このような弁の切り替えは、
蓄冷槽に冷熱を有効に蓄冷して来るべき液体空気の製造
を高効率で行うために必要な操作である。すなわち、蓄
冷槽により液体空気あるいは液体空気が気化した気化空
気を必要以上に加熱して蓄冷槽温度が下降することは、
蓄冷槽の熱が余分に消費されることになる。このこと
は、想定する気化空気製造の運転時間内において、所定
の温度に加熱された気化空気を得ることができなくなる
場合があることを意味しており、安定な気化空気製造を
実現する上で好ましくない。

【００４７】液体空気加熱運転における図６の蓄冷槽及
び蓄冷槽ヘッダの弁の初期状態は、蓄冷槽の温度分布か
らｉを３（第３段）とした場合（ステップ８０１）であ
り、また、弁１１Ｂ１、１１Ｂ２、７Ｆ２、７Ｆ３、７
Ｆ４は閉、弁１１１、７Ｆ５、１１Ｂ３は開である。さ
らに、蓄冷槽は、気化空気を製造するために必要な状態
に加熱されているものとする。

【００４８】以上のような条件において先ず最初に、第
３段の蓄冷槽出口温度を測定（ステップ８０２）し、設
定温度Ｔ３以下であれば当該蓄冷槽ヘッダの加熱空気取
り出し弁１１Ｂ３を閉（ステップ８０３）とする。その
後、最終段の蓄冷槽の前段出口温度を再度測定すること
を繰り返す。蓄冷槽の出口温度が設定温度Ｔ３以上の場
合には、当該蓄冷槽ヘッダの加熱空気取り出し弁を開
（ステップ８０４）とする。その後、当該蓄冷槽が第１
段であると判断（ステップ８０５）すれば、液体空気加
熱（気化空気製造）の運転継続の可否について、気化空
気温度や運転継続時間等で判断（ステップ８０６）す
る。例えば、気化空気温度がガスタービン発電装置の空
気温度条件に適合しないと判断される場合には、気化空
気製造運転を停止する。ステップ８０５で、第１段でな
いと判断された場合には、ステップ８０７を介してステ
ップ８０２に戻り、第１段まで繰返す。

【００４９】以上のような蓄冷槽ヘッダの弁の切り替え
時において、蓄冷槽内部の空気温度の変化の一例を図１
０により説明する。図１０において、それぞれの蓄冷槽
出口温度の初期値は、、、及びで示される温度と
する。この時、第３段蓄冷槽の出口温度は設定値Ｔ３以
上であるため、第３段蓄冷槽ヘッダの加熱空気取り出し
弁１１Ｂ３は開とすることにより、加熱気化空気は第２
段及び第１段の蓄冷槽をバイパスして流れ、蓄冷槽外部
へと導かれる。その結果、第３段から最終段までの蓄冷
槽の温度は下降するが、第２段及び第１段の蓄冷槽温度
は相対的に高温状態が維持される。第３段蓄冷槽の出口
温度がまで下降すると、加圧空気の加熱が不十分とな
ることから蓄冷槽ヘッダの加熱空気取り出し弁１１Ｂ３
は閉となり、次の第２段蓄冷槽ヘッダの加熱空気取り出
し弁１１Ｂ２が開となる。これにより、圧縮空気は第２
段蓄冷槽により再び十分に加熱され、取り出された冷却
空気はガスタービン発電設備へと導かれる。以下、同様
に、蓄冷槽出口温度がまで下降すると、蓄冷槽ヘッダ
の加熱空気取出し弁１１Ｂ２は開閉操作により切り替え
られる。

【００５０】第１段蓄冷槽における気化空気の取り出し
については、蓄冷槽出口温度が設定温度Ｔ３以下となっ
た場合に、加圧した気化空気の加熱が不十分であるとみ
なされることから、気化空気製造運転は停止されること
になる。

【００５１】図１１は、図１に示した本発明のガスター
ビン発電装置について、燃焼器へ供給する加圧した気化
空気の圧力調整装置を示したものである。図１１におい
て、空気供給配管に取り付けられた圧力計１９で検出さ
れた燃焼器供給空気圧力の圧力信号は、燃焼器運転に適
合した設定圧力Ｓ１と比較され、圧力偏差信号Ｓ２が得
られる。この偏差信号Ｓ２は、圧力制御器２０１にて比
例積分演算することにより圧力調整弁開度要求信号Ｓ３
となり、圧力調整弁駆動装置２０２へ入力され圧力調整
弁１２の開度が制御される。また、圧力調整弁開度要求
信号Ｓ３はバイパス弁バイアス信号Ｓ４と比較され、そ
の偏差信号はバイパス弁開度要求信号Ｓ５となる。この
バイパス弁開度要求信号Ｓ５は、バイパス弁駆動装置２
０３へ入力されバイパス弁１８の開度が制御される。な
お、設定圧力Ｓ１とバイアス信号Ｓ４は、ガスタービン
発電装置の負荷状態（燃焼器の運転状態）に応じて可変
となる。

【００５２】図１２は、図１１の圧力調整装置による供
給空気の圧力制御状態を示した一例である。図１２にお
いて、燃焼器供給空気圧力が設定圧力Ｓ１より低い場合
には、圧力調整弁１２へは開度減少要求信号が出力され
ることから、燃焼器供給空気圧力は次第に上昇する。そ
の結果、圧力調整弁１２の開度は再び増加し整定する。
同様にして、燃焼器供給空気圧力が設定圧力Ｓ１より高
い場合には、圧力調整弁１２へは開度増加信号が出力さ
れる。これにより、燃焼器供給空気圧力は次第に低下
し、圧力調整弁１２の開度も減少する。

【００５３】燃焼器供給空気圧力が上昇した際に、圧力
調整弁１２の開度増加にもかかわらず圧力が低下しない
ような場合、蓄冷槽内の伝熱管内の圧力も上昇する。そ
の結果、伝熱管内空気の平均的な気化位置が下流側に移
動し、それに伴い蓄冷槽からの空気加熱量も増加し、さ
らなる圧力上昇を引き起こす可能性がある。このため、
予め設定した圧力を超えて燃焼器供給空気圧力が増加し
た場合には、バイパス弁１８が開動作し蓄冷槽内の空気
圧力の増加を抑制する。これにより、蓄冷槽を用いた気
化空気の安定な供給を実現する。

【００５４】

【発明の効果】本発明のガスタービン発電方法および装
置によれば、液体空気の原料となる吸気空気から湿分及
び二酸化炭素を吸着器により連続的に除去し、極低温と
なる蓄冷槽の伝熱管内部での氷結を防止することにより
安定な空気液化を実現することができる。また、製造し
た液体空気を空気圧縮機の吸気側に噴霧することにより
吸気温度を低下させることにより、必要とする圧縮機動
力の最大値を低減し圧縮機容量を小さくすることができ
る。さらに、蓄冷槽による液体空気の気化において、蓄
冷槽内の伝熱管を水平配置とすることにより内部の気化
位置の影響を受けにくくした構造、及び蓄冷槽からの気
化空気圧力調整手段を設置して安定な気化を実現するガ
スタービン発電方法および装置が実現できる。

【００５５】以上のガスタービン発電方法および装置に
より、安定な空気液化及び気化の運転様態が得られるこ
とから、発電システムとして好適な運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるガスタービン発電装置
の全体概略構成図。

【図２】図１に示した本発明の一実施例の要部の詳細構
成図。

【図３】図１に示した本発明における空気状態変化を示
す図。

【図４】図１に示した本発明の一実施例における蓄冷槽
内の伝熱管配置構造図。

【図５】図１に示した本発明の一実施例における蓄冷槽
その他の機器の配置関係図。

【図６】図５の実施例における蓄冷槽、弁、その他の機
器の接続関係の詳細図。

【図７】図６の圧縮空気冷却（液体空気製造）運転方法
を示すフローチャート図。

【図８】図６の液体空気加熱（気化空気製造）運転方法
を示すフローチャート図。

【図９】図７に示した本発明の運転時の蓄冷槽内部の空
気温度の変化の一例を示す図。

【図１０】図８に示した本発明の運転時の蓄冷槽内部の
空気温度の変化の一例を示す図。

【図１１】図１に示した本発明の一実施例における気化
空気の圧力調整装置の詳細説明図。

【図１２】図１１に示した本発明の一実施例における供
給空気の圧力制御状態図。

【符号の説明】

２…空気冷却器、３…吸着器、３Ａ…第１の吸着器、３
Ｂ…第２の吸着器、４…空気圧縮機、６…蓄冷槽、７…
膨張弁、８…液体空気貯蔵タンク、１２，１９，２０…
圧力調整手段、１３…再生熱交換器、１４…燃焼器、１
６…タービン、１７…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） Ｆ２５Ｊ 1/00 Ｆ２５Ｊ 1/00 Ｚ 5/00 5/00 Ｈ０２Ｐ 9/04 Ｈ０２Ｐ 9/04 Ｆ (72)発明者 荒木 秀文 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 横溝 修 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 Ｆターム(参考） 4D012 CA01 CA03 CB16 CD01 CH10 CK01 4D047 AA08 BA06 BB03 CA03 CA16 DB01 DB05 4D052 AA00 CD01 DA02 FA06 5H590 AA01 CA08 CA21 CE02 KK07

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蓄冷槽にて冷却した圧縮空気から液体空気
   を製造して貯蔵し、該液体空気を前記蓄冷槽の熱により
   気化してガスタービンへ供給して発電するガスタービン
   発電方法において、空気圧縮機への吸入空気から第１の
   吸着器により湿分及び二酸化炭素を除去するステップ
   と、液体空気製造時の液化できなかった空気を圧縮空気
   熱との熱交換により加熱して第２の吸着器へ供給し，前
   記第１の吸着器で除去した湿分及び二酸化炭素を外部へ
   放出し，第１の吸着器の吸着機能を再生するステップと
   を含むことを特徴とするガスタービン発電方法。
2. 【請求項２】予め製造した液体空気を前記空気圧縮機の
   吸気側に供給噴霧し、前記空気圧縮機へ吸気される空気
   の温度を低下させることを特徴とする請求項１記載のガ
   スタービン発電方法。
3. 【請求項３】貯蔵した液体空気をポンプで加圧して前記
   蓄冷槽内に移送し、該蓄冷槽に蓄えられた圧縮空気熱に
   より加熱気化する際に、前記液体空気を前記蓄冷槽内で
   水平方向に折り返して曲げられた伝熱管を通し、該蓄冷
   槽内での有効長さを確保することを特徴とする請求項１
   記載のガスタービン発電方法。
4. 【請求項４】蓄冷槽にて冷却した圧縮空気から液体空気
   を製造して貯蔵し、該液体空気を該蓄冷槽の熱により気
   化してガスタービンへ供給して発電するガスタービン発
   電装置において、圧縮空気を製造する空気圧縮機の吸気
   側に設置され，湿分及び二酸化炭素を除去する２個以上
   の吸着器と、前記２個以上の吸着器の一方を介して吸入
   された空気を前記空気圧縮機に導く第１の弁装置と、液
   体空気製造時の液化できなかった空気を圧縮空気熱との
   熱交換により加熱する手段と、前記吸着器の吸着器能を
   再生するため，前記加熱された空気を前記２個以上の吸
   着器の他方の吸着器に供給する第２の弁装置とを備えた
   こと特徴とするガスタービン発電装置。
5. 【請求項５】前記の空気圧縮機において、吸気空気温度
   を低下させることにより、空気圧縮に必要な圧縮動力を
   低減するため、予め製造した液体空気を該空気圧縮機の
   吸気側に供給噴霧する手段を備えたことを特徴とする請
   求項４記載のガスタービン発電装置。
6. 【請求項６】貯蔵した液体空気をポンプで加圧して前記
   蓄冷槽内の伝熱管に移送し、該蓄冷槽に蓄えられた圧縮
   空気熱により加熱気化する手段を備えた請求項４記載の
   ガスタービン発電装置において、前記蓄冷槽内の前記伝
   熱管を水平方向に折り返して曲げながら配置したことを
   特徴とするガスタービン発電装置。
7. 【請求項７】前記蓄冷槽の出口に、タービン燃焼器への
   供給圧力の変動を抑制する圧力調整手段を設けたことを
   特徴とする請求項４記載のガスタービン発電装置。