JP2004108377A - ガスタービンプラント及びその吸気冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　吸気に水を噴霧ガスタービンプラントにおいて、コンプレッサー内の堆積物を出来るだけ少なくすること及び噴霧に用いる水を純水化処理するコストを下げること。
【解決手段】（１）噴霧水にガスタービンの廃熱を利用して蒸留した蒸留水を用いる。（２）噴霧水を純水化処理・蒸留処理して、かつ噴霧時間を制限し、一方水処理設備は長時間稼動する
【選択図】　図３

Description

　本出願は、ガスタービンを有する電力・動力発生用ガスタービンプラントにおいて、コンプレッサー前で水噴霧する機能を有し、ガスタービンの作動流体（空気）をコンプレサーの入り口前後にかけて冷却して出力を増加することに関することで、噴霧水の水処理、噴霧時間に関する。

最近、電力・動力発生用ガスタービンが、コンバインドサイクルシステム、石炭ガス化発電システムなどに広く使用されつつある。

　しかし、ガスタービンにおいては、夏期の吸気温度が高くなった場合に空気密度が低下して吸入空気質量が減少するが、しかし吸入空気容積は減少しないのでコンプレッサーの圧縮仕事は大きく変わらない。そのためにガスタービン出力が大きく低下する現象がある。この結果、夏場のガスタービン出力は冬場の８５〜８０％程度にも低下する。

　一方、北海道地方を除けば、年間を通じての電力需要のピークは夏期の昼間に起きているが、この最も出力が望まれる場合にガスタービンの出力が大幅に低下することは、ガスタービンの設置が漸次増加するにつれて、電力供給能力への影響は大きいものになりつつある。

　この最も出力が望まれる場合に陥る出力低下に対して従来から種々の技術が提案されている。それらの提案の多くはガスタービンの吸気を冷却して出力を回復するものである。

　従来からガスタービンの吸気を冷却する方法としては、その燃料であるＬＮＧの蒸発熱エネルギーで冷却する方法、夜間電力で製氷してその融解熱で冷却する方法、液体空気で冷却する方法、水を噴霧する方法及び廃熱回収熱交換器から排出されたガスの熱エネルギーを吸収冷却サブシステムの加熱熱源として利用して、このシステムからの冷熱を利用する方法などが知られている。これらの方法の中で、費用の面からは水を噴霧する方法が最も有利に構築できる可能性がある。

　ただし水に溶解している物質が、水が蒸発した時にコンプレッサーに堆積する問題がある。そのため水質を管理する必要がある（非特許文献１）。また従来技術としては、排ガスを冷却して水を回収する例（特許文献１）がある。
　特開平９−２３６０２４（図１） 　Ｊ．Ｐ．ＮＡＬＯＮ　他「Ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｉｘｉｎｇ　Ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ａｔｌａｓ　Ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｆａｃｉｌｉｔｙ　Ｒｉｆｌｅ　Ｃｏｌｏｒａｄｏ」ＴＨＥ　ＡＭＥＲＩＣＡＮ　ＳＯＣＩＥＴＹ　ＯＦ　ＭＥＣＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＳ　Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　ａｎｄ　Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（１９９０年６月１１〜１４日）発表論文

　しかし吸気に水を噴射する方法では下記に記載するいくつかの課題がある。

　吸気に水を噴霧する方法では、水に含まれているコンプレッサー内堆積物質とくにＣａ，Ｎａイオンに代表される金属イオンなどの溶解物が水滴の蒸発とともに微細な粒子となってコンプレッサー翼にスケールとなって付着する。例えば噴霧水に堆積性物質が１リットル中に１０ｍｇ在れば、吸気が６５０ｋｇ／秒の場合にその質量の１％の水を噴霧すると、１時間では２３４ｇの堆積性物質が吸入される。この中の一部が堆積する。

　コンプレッサー内の堆積物はケーシングを開けると除去出来るが、ケーシングを閉じたままでは除去が難しい。ケーシングは定期点検時に開く程度であり、この作業は日数を要する大作業なので通常時は行わない。コンプレッサー翼にこの付着物があるとコンプレッサーの効率が低下して所定の出力が達成出来ない。よって噴霧する水をより純水化（本出願ではより純水に近づけることを意味する）する水処理装置が必要であり、このためのコストが付加されるが、このコスト、特にランニングコストは少ないことが望ましい。

　そこで、本出願は、コンプレッサー吸気に水を噴霧するガスタービンプラントの水処理の改善関する。

コンプレッサー吸気に噴霧する水を、ガスタービンの廃熱を利用して蒸留した水を用いる。原料の水は工業用水の類を使用できる。わざわざ海水を蒸留するまでもない。ガスタービンの廃熱温度が高い場合には多段蒸留が好ましく、ガスタービンの廃熱温度が低い場合には単蒸留でも良い。また噴霧する水は電力需要にあわせて対応する。

　吸気に水を噴霧するガスタービンプラントにおいて、コンプレッサー内の堆積物を出来るだけ少なくすること及び水処理のランニングコストを下げることが出来る。

　噴霧水の蒸留処理に、ガスタービンの廃熱を利用することで、蒸留用に新たな熱エネルギーを必要としない。

　コンプレッサーの吸気に噴霧する水を蒸留水としてさらに噴霧時間をピーク時中心とすることで、コンプレッサー翼への堆積及び同翼の腐食を出来るだけ少なくとどめる。

　蒸気タービンに供給する蒸気は温度が１００℃以上で、多段蒸留に使用できる。多段蒸留することで、エネルギーロスを少なくする。

　蒸気タービンに供給する水を加熱した排ガスは、温度が低いが、熱量的には大きい。
したがって無理に多段蒸留しなくても大きな熱量を受けられる。そのため単段蒸留方式として、蒸留装置を簡素化する。

　図３は本発明の実施例である。ガスタービン５８に入る空気は、吸気室５１で、フィルター５２を通り、噴霧器５３で蒸留水の水滴を混合される。噴霧器は水と空気の２流体混合噴霧型である。この水滴はサイレンサー５４を経てコンプレッサー５７に入るが、途中にこの水滴は多少蒸発して吸気を冷却する。蒸発しない部分はコンプレッサー５７に送る。なおサイレンサー５４は噴霧水で濡れるが、濡れた面でも蒸発出来るのでより蒸発量を増加できる。コンプレッサー５７に入る前に噴霧器５５でも蒸留水の水滴を噴霧する。そしてコンプレッサー５７の入り口に近い翼でこれらの水滴は蒸発する。この時の冷却熱で空気温度上昇を押さえ、コンプレッサーの駆動動力減少させる。これによってガスタービンプラントの出力が増加する。コンプレッサー５７を出た空気に燃料を入れて燃焼し、ガスタービン５８に入る。燃焼ガスはガスタービン５８で膨張して出力を発生する。ガスタービンから出た廃ガスは廃熱回収熱交換器５９に入り水蒸気を発生して蒸気タービンを駆動する。

　廃熱回収熱交換器５９の低温側から熱を取り出し、この熱を蒸留器６１で水の蒸留に使用する。蒸留した水はタンク６２に貯えられ、吸気に噴霧器５３，５５から噴霧する。タンク６２に貯えることで蒸留関係機器の処理容量を少なくできる。そして蒸留水には、溶解物が皆無なので、噴霧に使用しても、コンプレッサー内で蒸発する際に堆積物をほとんど生成しない。廃熱回収熱交換器５９内の蒸留用配管が、蒸気タービン用の配管と共用して、蒸留を多段蒸留に対応し、また廃熱回収熱交換器５９内の蒸留用配管が蒸気タービン用の配管よりスタック６０側の配置である場合は単段蒸留に対応する。

　夏期昼間の電力需要ピーク時を中心とした時間帯にコンプレッサーの吸気に水を噴霧し、その前後にはコンプレッサーの吸気への水の噴霧は電力需要ピーク時より減少させるか又は実質的に停止し、そしてコンプレッサーの吸気に噴霧する水を、ガスタービンの駆動中にその廃熱を利用して蒸留処理して好ましくは貯えた水を使用できる。

　また夏期１日の電力需要のピーク時には、コンプレッサーの吸気に水を噴霧して、その蒸発熱でコンプレッサーに入る前の吸気の温度を低下させ、さらにコンプレッサー内で蒸発して作動空気の温度を低下させるが、一方このピーク時の前及び又は後には、コンプレッサー内で蒸発する水の方を停止し、そしてコンプレッサーの吸気に噴霧する水を、ガスタービンの駆動中にその廃熱を利用して蒸留処理して好ましくは貯えた水を使用こともできる。

　図４は本発明の実施例である。ガスタービン７８に入る空気は、吸気室７１で、フィルター７２を通り、冷却器７３で冷却される。冷却の際にミストを生成して、吸気に混合する。このミストはサイレンサー７４を経てコンプレッサー７７に入るが、途中に噴霧器７５で水滴を付加する。この水滴は主にコンプレッサー７７内で蒸発する。コンプレッサー７７を出た空気に燃料を入れて燃焼し、ガスタービン７８に入る。燃焼ガスはガスタービン７８で膨張し出力を発生する。ガスタービン７８から出た廃ガスは廃熱回収熱交換器７９に入り水蒸気を発生して蒸気タービンを駆動する。廃熱回収熱交換器７９の低温側から蒸気を取り出し、この蒸気の熱を多段蒸留ユニット８２で水の蒸留に使用する。蒸留した水はタンク８３に貯えられ、吸気に噴霧器７５から噴霧する。蒸留水には、溶解物が皆無なので、噴霧に使用しても、コンプレッサー内で蒸発する際に堆積物をほとんど生成しない。

　図５は本発明の実施例である多段蒸留ユニットの形態である。廃熱回収熱交換器からの蒸気は、蒸発兼凝縮器９１で供給水を蒸発し、そして凝縮する。凝縮水は廃熱回収熱交換器に戻る。蒸発兼凝縮器は９１から９２、９３、９４の順序で蒸発圧力を低くする。また凝縮圧力、凝縮温度も同じ順序で低くなる。蒸発兼凝縮器９１で蒸発しなかった供給水は、次の蒸発兼凝縮器９２で噴霧される。この噴霧の際には器内の圧力はその前のより低い。なお、より勢い良く噴霧すると蒸発し易くなるが、このためにはポンプで加圧しても良い。供給水は順次圧力を下げて蒸発する。このような多段式の蒸発兼凝縮器は蒸発した水蒸気が凝縮する際に供給水を蒸発するので、加熱用蒸気の消費量は少なくて済む。

　図１は本発明の実施例である。ガスタービン８に入る空気は、吸気室１で、フィルター２を通り、噴霧器３で水滴を混合される。噴霧器は水と空気の２流体混合噴霧型である。噴霧した水粒子の平均粒子径は２０〜３０ミクロンである。この水滴はサイレンサーを経てコンプレッサーに入るが、途中にこの水滴は主に蒸発して吸気を冷却する。蒸発しない部分はコンプレッサー７に送る。噴霧は上方に密度を高く偏って行う。なおサイレンサーは噴霧水で濡れるが、濡れた面でも蒸発出来るのでより蒸発量を増加できる。

　サイレンサーを通過した吸気は噴霧器５で再度水滴を混合される。この図において噴霧器は水の加圧噴霧型であるが、２流体混合噴霧型でも良い。噴霧した水粒子の平均粒子径はこの場合５０〜７０ミクロンである。この水滴はコンプレッサー前で蒸発する割合は少なく、コンプレッサーに入り、コンプレッサー内で蒸発する。吸気室１や吸気プレナム６の壁に付着した水は回収して、再度噴霧する。夏期の全負荷の場合では、噴霧器からの噴霧量は噴霧器５からの量の方が噴霧器３からの量よりも多い。

　そして、噴霧する水は外部から供給を受けて濾過装置９、脱塩装置１０（Ｃａ，Ｎａなどの金属イオンを除去する装置）をへてタンクに貯えられる。コンプレッサー堆積性の混入物、溶解物を減少させて、噴霧器に供給する。これらの濾過装置、脱塩装置は夏期の電力需要ピーク時期では１日２４時間稼動が好ましく、一方噴霧時間は１日数時間程度が好ましい。

　夏期昼間の電力需要ピーク時を中心とした時間にコンプレッサーの吸気に水を噴霧し、一方夜間はコンプレッサーの吸気への水の噴霧は実質的に停止し、そして噴霧する水のコンプレッサー内堆積性物質を減少する水処理は、昼間及び夜間に行い、この夜間に処理した水は一時貯蔵して昼間の噴霧に使用することができる。

　夏期昼間の電力需要ピーク時を中心とした時間帯にコンプレッサーの吸気に水を噴霧し、その前後にはコンプレッサーの吸気への水の噴霧は電力需要ピーク時より減少させるかまたは実質的に停止し、そして噴霧する水のコンプレッサー内堆積性物質を減少する水処理は、昼間及び夜間も行うことができる。この夜間に処理した水は一時貯蔵して昼間の噴霧に使用することもできる。

　夏期１日の電力需要のピーク時には、コンプレッサーの吸気に水を噴霧して、その蒸発熱でコンプレッサーに入る前の吸気の温度を低下させ、さらにコンプレッサー内で蒸発して作動空気の温度を低下させるが、一方このピーク時の前及び又は後には、コンプレッサー内で蒸発する水の方を停止し、そして噴霧する水のコンプレッサー内堆積性物質を減少する水処理は、昼間及び夜間も行うことができる。この夜間に処理した水は一時貯蔵して昼間の噴霧に使用することもできる。

　以上の実施の形態においては調整弁，ポンプは必要に応じて新たに設けることができる。

　また、ガスタービンの廃熱（蒸気タービンに使用する場合も当然含む）を利用して蒸留した水は、他のガスタービンプラントのコンプレッサー吸気への水噴霧にももちろん融通できる。そして蒸留機器は必要機能を有するならば、他の方式でも構わない。

　また、噴霧する蒸留水は、この使用目的からして、非堆積性の物質を混合することは妨げない。もちろんガスタービン性能に対して影響が少ないことが重要である。

　この出願の技術は、ガスタービンを有するシステムであればこの技術的範囲内において当然使用できる。例えば、石炭ガス化発電システム（ＩＧＣＣ）などである。

実施の形態である。 夏期１日の電力需要（指数）の例である。 実施の形態である。 実施の形態である。 実施の形態である。多段蒸留ユニットの形態である。

符号の説明

　１，５１，７１　吸気室
　２，５２，７２　フィルター
　３，５，５３，５５，７５　噴霧器
　４，５４，７４　サイレンサー
　６，５６，７６　吸気プレナム
　７，５７，７７　コンプレッサー
　８，５８，７８　ガスタービン
　９　濾過装置
　１０　脱塩装置
　１１，６２，８３　タンク
　１２〜１５，６３〜６５，８４〜８５，９９〜１０２　ポンプ
　１６〜１８，８６，１０３〜１０５　調整弁
　５９，７９　廃熱回収熱交換器
　６１　蒸留器
　７３　冷却器
　８０　低圧ドラム
　８２　多段蒸留ユニット
　９１〜９４　蒸発兼凝縮器
　９５　脱気器
　９６〜９８　熱交換器

Claims (10)

1. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントにおいて、
   コンプレッサーの吸気に噴霧する水が、ガスタービンの駆動中にその廃熱を利用して蒸留処理した水からなることを特徴とするガスタービンプラント。
2. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントの吸気冷却方法において、
   　夏期昼間の電力需要ピーク時を中心とした時間帯にコンプレッサーの吸気に水を噴霧し、その前後にはコンプレッサーの吸気への水の噴霧は電力需要ピーク時より減少させるか又は実質的に停止し、
   　そしてコンプレッサーの吸気に噴霧する水が、ガスタービンの駆動中にその廃熱を利用して蒸留処理した水からな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。
3. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントの吸気冷却方法において、
   　夏期１日の電力需要のピーク時には、コンプレッサーの吸気に水を噴霧して、その蒸発熱でコンプレッサーに入る前の吸気の温度を低下させ、さらにコンプレッサー内で蒸発して作動空気の温度を低下させるが、
   　一方このピーク時の前及び又は後には、コンプレッサー内で蒸発する水の方を停止し、
   　そしてコンプレッサーの吸気に噴霧する水が、ガスタービンの駆動中にその廃熱を利用して蒸留処理した水からな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。
4. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力等に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントにおいて、
   　ガスタービンの廃熱を回収する熱交換器を有し、蒸気タービンに供給する水を加熱する経路から蒸気を取り出し、この蒸気で水を多段蒸留し、
   　そしてコンプレッサーの吸気に噴霧する水がこの多段蒸留した水からなることを特徴とするガスタービンプラント
5. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力等に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントにおいて、
   　ガスタービンの廃熱を回収する熱交換器を有し、蒸気タービンに供給する水を加熱する経路から温水を取り出し、この温水で水を多段蒸留し、
   　そしてコンプレッサーの吸気に噴霧する水がこの多段蒸留した水からなることを特徴とするガスタービンプラント。
6. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力等に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントにおいて、
   　ガスタービンの廃熱を回収する熱交換器を有し、蒸気タービンに供給する水を加熱した排ガスで水を加熱して温水を取り出し、この温水で水を単段蒸留し、
   　そしてコンプレッサーの吸気に噴霧する水がこの単段蒸留した水からなることを特徴とするガスタービンプラント。
7. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントの吸気冷却方法において、
   　夏期昼間の電力需要ピーク時を中心とした時間帯にコンプレッサーの吸気に水を噴霧しその前後にはコンプレッサーの吸気への水の噴霧は電力需要ピーク時より減少させるか又は実質的に停止し、
   　そして噴霧する水はコンプレッサー内堆積性物質を減少する水処理を行い、一時貯蔵した水を噴霧に使用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。
8. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントの吸気冷却方法において、
   　夏期１日の電力需要のピーク時には、コンプレッサーの吸気に水を噴霧して、その蒸発熱でコンプレッサーに入る前の吸気の温度を低下させ、さらにコンプレッサー内で蒸発して作動空気の温度を低下させるが、
   　一方このピーク時の前及び又は後には、コンプレッサー内で蒸発する水の方を停止し、
   　そして噴霧する水はコンプレッサー内堆積性物質を減少する水処理を行い、一時貯蔵した水を噴霧に使用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。
9. 　請求項７，８において、
   　コンプレッサー内堆積性物質を減少する水処理を昼間及び夜間に行う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。
10. 　空気を圧縮するコンプレッサーと、コンプレッサーから圧縮空気を受けて燃料を燃焼してその燃焼ガスで駆動するガスタービン及びガスタービンの発生動力を電力に変換する機器からなり、コンプレッサーの吸気に水を噴霧するガスタービンプラントの吸気冷却方法において、
    　夏期昼間の電力需要ピーク時を中心とした時間にコンプレッサーの吸気に水を噴霧し、一方夜間はコンプレッサーの吸気への水の噴霧は実質的に停止し、
    　そして噴霧する水のコンプレッサー内堆積性物質を減少する水処理は、昼間及び夜間に行い、この夜間に処理した水は一時貯蔵して昼間の噴霧に使用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。

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