JP2005054779A - ガスタービン発電設備及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発電効率を高めることができるガスタービン発電設備を提供することにある。
【解決手段】本発明は、発電機３の軸受を水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂで構成し、前記発電機３を冷却する冷却水循環手段から、放熱ラジエター２６を経由させた冷却水を水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂに供給するように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は店舗や病院等に設置される自家発電設備として好適なガスタービン発電設備及びその運転方法に関する。

一般に自家発電設備として用いられるガスタービン発電設備のうち、比較的大容量のガスタービン発電設備は、特許文献１に開示されているように、発電機の軸受として油潤滑軸受を用いている。

特開２００２−２２１０９０号公報（明細書の段落番号〔０００７〕）

特許文献１に開示のガスタービン発電設備は、油潤滑軸受を用いているため、潤滑油の粘性によって軸受でのエネルギー損失が大きくなり、加えて、潤滑油を供給するための潤滑油供給ポンプの動力も大きくなって補機用電力の消費が増大している。その結果、油潤滑軸受を用いたガスタービン発電設備においては、発電効率を低下させていた。

本発明の目的は、発電効率を高めることができるガスタービン発電設備を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、発電機の軸受を水潤滑軸受で構成し、この水潤滑軸受に、発電機を冷却する冷却水循環手段から、放熱ラジエターを経由させた冷却水を供給するように構成した。

以上説明したように本発明によれば、発電効率を高めることができるガスタービン発電設備を得ることができる。

以下本発明による第１の実施の形態を図１に示すガスタービン発電設備に基づいて説明する。

図１に示すガスタービン発電設備は、大きくはガスタービン１と、このガスタービン１と同軸の圧縮機２と、この圧縮機２と同軸の発電機３と、この発電機３の出力を負荷に応じた出力に変換する電力変換器４と、前記圧縮機２で圧縮された空気と別に供給される燃料とを混合して燃焼させその燃焼ガスを前記ガスタービン１に供給する燃焼器５と、前記ガスタービン１からの排ガスと前記圧縮機２で圧縮された空気との熱交換を行う再生熱交換器６とを備えており、これらによって再生サイクルからなるガスタービン発電設備を構成している。

前記発電機３は、界磁の発生に永久磁石を用いた回転子７と、これを囲むように配置された固定子８を有する永久磁石型三相交流発電機である。回転子７は前記ガスタービン１及び圧縮機２と同軸の回転軸９を有し、この回転軸１０は前記固定子８を支持するハウジングに支持された水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂによって回転自在に支承されている。また、前記固定子８は固定子巻線１１を備えており、この固定子巻線１１と前記電力変換器４とは動力線１２で接続されている。

前記電力変換器４は、発電機３からの交流出力を直流に変換してから商用電源に合わせた交流出力に変換すると共に、発電機３を電動機と使用する場合に交流商用電源を直流に変換し発電機３の電源に合わせた交流に変換する双方向の電力変換器であり、コンバータとインバータとを備えている。

前記圧縮機２には、フィルタ１３介して吸い込まれた外気が供給管１４を介して供給される。供給された外気は圧縮機２で昇圧されて吐出管１５を通して再生熱交換器６の熱吸収管６Ａに供給される。熱吸収管６Ａで加熱された外気は配管１６を通って燃焼器５に放出され、この燃焼器５内で燃料供給管１７から供給される燃料と混合され燃焼する。燃料供給管１７には、燃料の供給−停止を行う遮断弁１８が設けられている。前記燃焼器５で燃焼された燃焼ガスは、前記ガスタービン１に供給され、ガスタービン１のロータ（図示せず）に回転力を付与する。

ガスタービン１を回転駆動した排ガスは排気管１９を通って前記再生熱交換器６の熱放出管６Ｂに供給され、熱吸収管６Ａとの間で熱交換を行う。熱放出管６Ｂを通過した排ガスは消音装置２０を通して外部に排出される。

尚、フィルタ１３介して吸い込まれた外気の一部は、送風機２１及び配管２２を介して発電機３内に供給し、回転子７を冷却している。

一方、発電機３を冷却するための冷却水循環手段の基本構成は、冷却水を貯める冷却水タンク２３と、冷却水タンク２３内の水を各所へ供給する配管２４と、配管２４内の水を加圧する水循環ポンプ２５と、加圧された配管２４内の水を冷却する放熱ラジエター２６と、放熱ラジエター２６を経由した水を発電機３の固定子８に供給する配管２７と、この配管２７に接続され固定子８内に形成された冷却ジャケット２８と、冷却ジャケット２８からの排水を前記冷却水タンク２３に回収する配管２９とを備えている。

このように構成された冷却水循環手段の放熱ラジエター２６を経由した水の一部は、配管３０で分岐され、フィルタ３１で不純物を除去した後、前記水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂよりも上位置に設置された潤滑水タンク３２に一旦貯められる。この潤滑水タンク３２は、大気に開放されている。潤滑水タンク３２内に一旦貯められた潤滑水は、水循環ポンプ２５の脈動の影響を受けず、常に位置エネルギーによる一定した圧力で配管３３を経由して前記水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂに供給される。このように、位置エネルギーを利用して潤滑水を供給するようにしたので、停電等により水循環ポンプ２５が停止して送水不能となっても、発電設備が完全に停止するまで、前記水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂに潤滑水を供給することができ、潤滑水不足による回転軸９と水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂ間の焼き付きを防止することができる。

以上のように、冷却水循環手段に、配管３０−フィルタ３１−潤滑水タンク３２−配管３３からなる潤滑水供給手段が付加されることになる。

尚、ガスタービン１，圧縮機２，発電機３の回転部分の重量が増大により、潤滑水の自重による水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂへの供給が十分でない場合には、フィルタ３１を通過した後の潤滑水を潤滑水タンク３２に貯めずに直接配管３３を経由して前記水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂに供給するようにしてもよい。また、潤滑水タンク３２内の余分な潤滑水は、配管３４を介して前記冷却水タンク２３に戻される。また、水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂの潤滑及び冷却に供した後の冷却水も冷却水タンク２３に戻される。

このほか、配管２７から配管３５を分岐し、この配管３５によって電力変換器４内を冷却させ、冷却後の水を冷却水タンク２３に戻すようにして、前記電力変換器４の冷却を行っている。

さらに、前記放熱ラジエター２６には、送風機３６が設けられ、この送風機３６により放熱ラジエター２６を冷却した後の外気を、電力変換器４、さらにはガスタービン発電設備内に設置される補機類（図示せず）や発電機３の冷却に供するようにしている。

また、前記水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂからの潤滑水が発電機３の内外に飛散することを抑制するために、送風機３７によって外気を配管３８に導き、この配管３８からの外気によって水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂからの飛散水の固定子巻線１１側への浸水を防ぐようにしている。

送風機３７によって導かれた外気は、固定子巻線１１の端面と水潤滑軸受の間に送風され、エアーカーテン状のシール面を形成することにより、水潤滑軸受からの飛散水の固定子巻線側への浸水を防止する。

さらにまた、冷却水タンク２３からの排水は、配管４１及び弁４２を介して排水口４３に導かれている。前記冷却水タンク２３には、弁３９を介して給水配管４０が接続され、弁３９には水供給配管４４が接続されている。

上記のように構成したガスタービン発電設備の運転に際しては、図示を省略した系統から交流商用電源を電力変換器４に供給して発電機３を電動機として駆動し、圧縮機２とガスタービン１を回転させる。回転軸９の回転数の増加に伴って圧縮機２からの外気吐出圧力が増加し、回転軸９が規定の回転数に到達した時点、または圧縮機２からの外気吐出圧力が規定の吐出圧力に到達した時点で、遮断弁１８を開けて燃料供給管１７から燃料を供給する。この燃料と圧縮機２からの吐出外気とを燃焼器５内で混合して燃焼させる。燃焼器５からの燃焼ガスは、ガスタービン１で膨脹仕事を行って回転軸９に回転力を与え、再生熱交換器６で圧縮機２からの吐出外気を昇温させた後、外部に排出される。ガスタービン１が燃焼ガスによって駆動され発電機３による発電が開始されると、交流商用電源からの電力の供給を止め、交流商用電源に接続された負荷への電力供給を開始する。

上記ガスタービン発電設備の可動に伴い、発電機３や電力変換器４は発熱する。これらの発熱を冷却し、また水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂへの給水のため、ガスタービン１の起動前から水循環ポンプ２５を駆動させ、冷却水タンク２３内の水を圧送する。圧送された水は、放熱ラジエター２６で冷却され、配管２７を介して発電機３の固定子８に形成された冷却ジャケット２８に供給され、固定子８を冷却した後、冷却水タンク２３に戻される。一方、放熱ラジエター２６を通過した水の一部は、配管３０，３３を経由して水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂに送られて冷却及び潤滑を行い、その後、冷却水タンク２３に戻される。

以上説明したように本実施の形態によれば、発電機３を冷却していた冷却水循環手段の冷却水を用いて軸受の冷却や潤滑を行うようにしたので、従来の油潤滑に比べて粘度の小さい水による冷却と潤滑が行えるので、軸受部のエネルギー損失を著しく低減することができる。また、軸受の潤滑に供する水は、発電機３を冷却していた水の一部を利用しているので、水潤滑用に専用の配管や水循環ポンプ等は不要となり、さらに、油潤滑に比べて潤滑材供給に消費される循環ポンプの消費動力を少なくすることができる。すなわち、軸受に油潤滑軸受を適用する場合には、発電機の冷却水系統とは別の潤滑油系統を設ける必要があり、これによりポンプ等の補機も別々に設ける必要があったが、本実施の形態のように水潤滑軸受を適用し、発電機の冷却水を潤滑水として共用するような潤滑水系統（冷却水系統）を形成しているので、潤滑水系統のシンプル化を図ることができる。また、本実施の形態では軸受の潤滑水は放熱ラジエター２６によって冷却したものを供給している。すなわち、潤滑材として水を使用する軸受は、油潤滑のものに対して軸受の耐荷重性の点では性能が劣るため、運転時には軸受部に対して十分な潤滑水の供給が必要となる。しかし、潤滑水が沸騰した状態、つまり気液が混合した状態で軸受部に供給された場合では、潤滑水が軸受部に十分に行き渡らない可能性があり、潤滑材としての機能を果たせない虞がある。これに対して、本実施の形態では放熱ラジエター２６を設けて、水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂに供給する潤滑水を冷却しているので、潤滑水の沸騰を防止することが可能となる。このため、軸受部には潤滑水が液体の状態で供給されるため、水潤滑軸受が有する潤滑性能の利点を維持しつつ、前述した耐荷重性の課題も解決することができる。また、軸受部に潤滑剤を供給するポンプが故障等により停止した場合、従来の油潤滑軸受ではその軸受部で高温により油が硬化する可能性があったが、本実施の形態では水を潤滑材に用いているため、仮にポンプが停止したとしても軸受部の水は蒸発することになり、軸受部の信頼性を損なうことも抑制することができる。その結果、ガスタービン発電設備としての発電効率を向上させることができる。

さらに、油潤滑のためのユニットをなくすことができるので、その保守点検を一切省略することができ、維持費が軽減できる。

加えて、本実施の形態によれば、放熱ラジエター２６を冷却する送風機３６の風によって電力変換器やガスタービン発電設備内に設置される補機類（図示せず）を冷却することができる。

このように、本実施の形態では軸受を水潤滑軸受とし、この水潤滑軸受に発電設備の冷却に用いていた冷却水の一部を供給するようにしている。このため、従来の水潤滑軸受を用いたものに対して、潤滑油の粘性による軸受部でのエネルギー損失や潤滑油供給のための補機用消費電力の増大は皆無となり、その分、ガスタービン発電設備の発電効率を高めることができる。

次に、水潤滑軸受１０Ａ,１０Ｂの詳細構造について図１４及び図１５を用いて説明する。

図１４（ａ）は、水潤滑軸受１０Ａを軸側面側から見た断面図で、図１４（ｂ）は軸端面から見た断面図である。高速回転するマイクロタービンにおいては、ホィップ等の不安定振動が発生する可能性がある。このため、本実施の形態では図１４に示すように、ジャーナル軸受にティルティングパッド軸受を用いている。ティルティングパッド軸受は４つのパッドで構成されている。発電機ロータ２０９を支持するパッド２４２は、軸受ケース２４４に収納されており、サイドカバー２４５に設けられた溝２４６により落下を防止するように構成されている。パッド２４２は、背面にピボット２４３が設けられていて、ピボット２４３は軸受ケース２４４に設けられた凹部２４７に挿入されて位置決めされると共に、回転方向及び軸方向に傾斜可能な構造になっている。

潤滑水は、軸受ケース２４４の外周に設けられた給水溝２４８を経由し、軸受ケース２４４のパッド２４２間に設けられた給水孔２４９よりパッド２４２に供給される。潤滑水はパッド２４２と発電機ロータ２０９間で潤滑した後、パッド２４２の側面及び回転方向下流側に排出される。パッド２４２より排出された排水は、サイドカバー２４５に設けられたシール部２５０から外部に排出される。マイクロタービン用の軸受の摺動面に用いられる材料は、例えばPEEK樹脂(Poly-Ether-Ether-Ketone)材のような耐熱性の高いものを用いる。

図１５は、水潤滑軸受１０Ｂに適用する軸受の一例である。図１５（ａ）は軸側面側から見た断面図で、図１５（ｂ）は軸端面から見た断面図である。水潤滑軸受１０Ｂは、スラスト荷重も受けるため、ジャーナル軸受とスラスト軸受の両方を用いる。図１４に示したジャーナル軸受に加えて、その両側面にスラスト軸受を設けている。スラスト軸受には耐荷重性の高いテーパーランド軸受を用いる。

図１５に示したテーパーランド軸受は、６つのセグメントのテーパーランド軸受からなり、給水溝２５４と接するランド部２５１とテーパー部２５２で構成されている。テーパー部２５２は、外周がランド部２５１と同一高さになっている外周シール部２５３が設けられている。

図２は本発明によるガスタービン発電設備の第２の実施の形態を示すもので、発電機３の軸受を水潤滑軸受とし、この水潤滑軸受に発電機冷却用の冷却水循環手段の水を利用することや、各種送風機２１，３６，３７を用いることは、上記第１の実施の形態と同じである。第１の実施の形態と異なる点は、圧縮機２の吸気側と吐出側に噴霧水を供給してガスタービン発電設備の発電効率をさらに向上させる噴霧水供給手段を設けた点である。即ち、要約すれば、圧縮機２に供給される空気に噴霧水を供給することにより、供給される空気の温度を低下させて圧縮機の吸気質量を増大させると共に、圧縮機２の吐出空気を噴霧水によって冷却及び加湿することにより、再生熱交換器での熱交換効率を向上させ、燃焼器５へ高温の空気を供給することでガスタービン発電設備の発電効率を高めたのである。

具体的に図２に基づいて説明する。冷却水タンク２３に接続された配管４０の弁３９よりも上流側に接続された水供給配管４４から配管４６を分岐し、この配管４６に弁４５を介して噴霧水タンク４７を接続している。この噴霧水タンク４７からは噴霧水ポンプ４８を介して送水管４９が接続されている。この送水管４９の上流側にはオリフィス５０を介して噴霧水タンク４７に戻る配管５１が接続されている。オリフィス５０よりも下流側からは、背圧調整弁５２を介して前記配管５１に接続される配管５３が分岐され、前記背圧調整弁５２よりも下流側からは、弁５４を有する配管５５が分岐され、この配管５５の分岐部よりも下流側からは、弁５６Ａ，５６Ｂを有する配管５７Ａ，５７Ｂが分岐されている。前記配管５５の下流側には、オリフィス５８を介して噴霧水ノズル５９が接続されており、この噴霧水ノズル５９は、圧縮機２の吸気側配管である供給管１４に開口している。前記配管５７Ａ，５７Ｂの下流側には、オリフィス６０Ａ，６０Ｂを介して噴霧水ノズル６１Ａ，６１Ｂが接続されており、この噴霧水ノズル６１Ａ，６１Ｂ９は、圧縮機２の吐出管１５に開口している。オリフィス５０が設けられている循環系は、噴霧水ポンプ４８の締切り運転防止循環系で、弁５４，５６Ａ，５６Ｂが全て閉じられている状態で噴霧水ポンプ４８が連続運転されている場合でも、噴霧水ポンプ４８の焼き付きを防止する最低水量を流す循環系である。また、背圧調整弁５２は、下流側の弁５４，５６Ａ，５６Ｂの開閉状態の如何に拘わらず、各噴霧水ノズル５９，６１Ａ，６１Ｂに規定の圧力が加わるようにするものである。

次に上記噴霧水供給手段の作用について説明する。噴霧水タンク４７に貯えられた水は、噴霧水ポンプ４８の運転開始と弁５４の開放により、配管５５内を圧送されてオリフィス５８に至り、ここで絞られ、さらに噴霧水ノズル５９を通して圧縮機２の供給管１４内に噴霧される。この噴霧水により、圧縮機２の吸気側空気の温度低下と、噴霧水分の流量増加が生じ、圧縮機２の圧縮性能を向上させることができる。他方、弁５６Ａ及び／又は５６Ｂの開放により、オリフィス６０Ａ及び／又は６０Ｂと噴霧水ノズル６１Ａ及び／又は６１Ｂを介して圧縮機２の吐出管１５内に噴霧水は噴出される。この噴霧水により再生熱交換器６に流入する圧縮機２からの吐出空気温度を低下させることができ、再生熱交換器６内でのガスタービン１からの排ガスとの熱交換効率を向上できると共に、圧縮機２の吐出流量を増加させることができる。これらにより、ガスタービン１からの排ガスとの熱交換効率を上げることによって排ガスからの熱回収効率を向上でき、結果として、ガスタービン発電設備の発電効率を向上できる効果がある。

以上説明したように、第１の実施の形態と同じ効果を得ることができると共に、噴霧水の供給により、ガスタービン発電設備の発電効率をさらに向上させることができる。

尚、図２に示す第２の実施の形態において、圧縮機２の吐出側に２つの噴霧水ノズル６１Ａ，６１Ｂを備えた噴霧水供給系を設けたが、２つ以上の噴霧水ノズルを備えた噴霧水供給系を設けて噴霧水量の増加を図ることもできる。

図３は、本発明によるガスタービン発電設備の第３の実施の形態を示すものである。本実施の形態の基本構成は図２に示す実施の形態と同じである。第２の実施の形態と異なる第１点は、圧縮機２の吐出管１５に開口する噴霧水ノズル６１の配管５７に設けた弁５６の下流側に流量調整弁６２を設けた点である。また、異なる第２点は、水供給配管４４から分岐した配管４６に設けた弁６３に、噴霧水タンク４７に設けたレベルゲージ６４で検出された水位を信号線６５によって伝え、弁６３の開閉動作を噴霧水タンク４７の水位に応じて行うようにした点である。尚、流量調整弁６２を設けた噴霧水ノズル６１の配管５７は、複数も受けてもよい。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同じ効果を奏することができると共に、圧縮機２の吐出側への噴霧水の流量を流量調整弁６２で制御できるので、広範囲な運転条件に対応する適正な噴霧水量を供給でき、広範囲な運転条件に亘って発電効率を向上することができる。また、噴霧水タンク４７への水の供給が自動的に行えるので、噴霧水の供給を途切れることなく行うことができる。

図４は、本発明によるガスタービン発電設備の第４の実施の形態を示す。本実施の形態の基本構成は図３に示す第３の実施の形態と同じである。第３の実施の形態と異なる点は、噴霧水タンク４７へ供給する水を不純物除去手段を経由して行う点である。

具体的に説明すると、冷却水タンク２３に接続された配管４０の弁３９よりも上流側に、開閉弁６６とフィルタ６７を設けた水供給配管４４を接続し、フィルタ６７と弁３９との間から配管６８を分岐させている。この配管６８の下流側に、順番に弁６９−送水ポンプ７０−塩素除去フィルタ７１−逆浸透膜フィルタ７２を接続し、逆浸透膜フィルタ７２の下流側から、一方は弁７３を介して噴霧水タンク４７に連通させ、他方は弁７４を介して冷却水タンク２３に接続された配管４０へ連通させている。また、逆浸透膜フィルタ７２からの排水は、弁７５を介して排水口４３に導かれている。噴霧水タンク４７に設けられたレベルゲージ６４は、信号線６５で送水ポンプ７０に電気的に接続されており、レベルゲージ６４からの水位検出信号によって送水ポンプ７０の運転がオン／オフ制御されている。

前記逆浸透膜フィルタ７２は、逆浸透膜として高分子材料からなる浸透膜を有し、この浸透膜に圧力をかけて水を通過させ、水中の不純物を除去するものである。その原理を図５に示す。図５（ａ）は、大気に開放されたＵ字管７６の底部中央を仕切るように浸透膜７７を設け、このＵ字管７６に水を満たしたものであり、当初の水位は破線で示すように左右同位置である。大気圧に開放された状態では浸透膜の右側の不純物濃度が薄い水は、浸透膜を通って左側の不純物７８の濃度が濃い水に浸透する。そして、図中に実線で示すように、浸透膜の左側の不純物濃度が濃い水の水位は上昇し、不純物濃度が薄い水との間に水位差が生じる。この浸透膜の両側の溶液に発生する水位差に相当する圧力を浸透圧という。一方、図５（ｂ）に示すように、不純物７８が溜まった左側のＵ字管７６の端部を塞いで、浸透圧よりも大きい圧力Ｐを加えると、浸透膜７７を透過して圧力の低い右側に移動するのは水だけであり、水中に溶解した不純物７８は浸透膜７７で濾過されて左側に残る。このようにしてＵ字管７６の右側の水は純度が高められるのである。

図４に示す第４の実施の形態においては、逆浸透膜フィルタ７２を透過して得られた純度の高い水を噴霧水タンク４７や冷却水タンク２３に送り、不純物が溶解して不純物濃度が濃くなった水を、弁７５を開いて排水口４３に排水するのである。

その結果、圧縮機２の吸気側と吐出側に噴霧される水からシリカやカリウム等の硬質分とナトリウム成分が除去されるので、噴霧水ノズル５９，６１の微細孔に硬質分が析出して塞ぐことがなくなり、長期に亘って水を安定して噴霧することができる。加えて、より微細なノズル孔を適用できることから噴霧水の水滴径を微細化でき、噴霧水を確実に蒸発させることができる。さらに、水中のナトリウムやカリウムを除去できるので、燃焼ガスに含まれる硫黄分との化合物であるナトリウムサルファーの生成を抑制することができ、ナトリウムサルファーによる再生熱交換器６での高温腐食を防止することができる。このようにガスタービン発電設備に用いられる水に含まれる不純物を除去することにより、水の純度を高めることができ、給水される機器の寿命を長期に亘って維持することができ、結果的にガスタービン発電設備の発電効率の低下を防止することができる。

図６は、本発明によるガスタービン発電設備の第５の実施の形態を示す。本実施の形態の基本構成は、図４に示す第４の実施の形態と同じである。第４の実施の形態と異なる第１点は、逆浸透膜フィルタ７２からの排水を、切替え弁である電磁三方弁７９を介して一方は排水口４３に流し、他方は冷却水タンク２３に接続された配管４０に流すようにしたことである。第２点は、冷却水タンク２３にレベルゲージ８０を設けると共に、冷却水タンク２３からの排水用の配管４１に電磁遮断弁８１を設け、かつ噴霧水タンク４７のレベルゲージ６４と、送水ポンプ７０と、電磁三方弁７９と、冷却水タンク２３のレベルゲージ８０と、電磁遮断弁８１とを信号線８２〜８６によって制御装置８７に接続した点である。

上記構成において、いま、冷却水タンク２３に、発電機３と電力変換器４の冷却用及び水潤滑軸受（図示せず）の潤滑水用の水が十分に満たされているとする。この状態でガスタービン発電設備の運転を開始すると、圧縮機２の吸気側と吐出側に噴霧水を供給するために弁３９，７４を閉じ、弁６６，６９，７３を開く。その結果、水供給配管４４からフィルタ６７を通して送水ポンプ７０に水が供給される。ここで、制御装置８７からの指令で送水ポンプ７０を運転し、噴霧水タンク４７に純度の高い水を供給する。このとき、電磁三方弁７９は、逆浸透膜フィルタ７２からの排水を排水口４３に導くように開放されている。レベルゲージ６４での水位検出により、噴霧水タンク４７の水位が適度に達したところで、噴霧水ポンプ４８を起動し、弁５４，５６を開く。これにより、噴霧水は圧縮機２の吸気管１４及び吐出管１５に噴霧される。

本実施の形態においては、噴霧水の噴霧中に、電磁三方弁７９の排水口４３側を閉じると共に配管４０側を開くように切替えることで、逆浸透膜フィルタ７２からの排水を、配管４０に流して冷却水タンク２３に導く。次に、電磁弁８１を開いて冷却水タンク２３内の水を排水口４３に排出する。このとき、冷却水タンク２３の水位はレベルゲージ８０で監視しており、水位低下が激しい場合には電磁弁８１を閉じ、水位増加が激しい場合には電磁三方弁７９の切替えにより逆浸透膜フィルタ７２からの排水を排水口４３に排出するようにする。冷却水タンク２３のレベルゲージ８０による信号で、電磁三方弁７９と電磁弁８１との切替え及び開閉操作を繰返すことで、圧縮機２の吸気側と吐出側への噴霧水の供給が行われている間、冷却水タンク２３内の冷却水の入れ替えを行うことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第４の実施の形態と同じ効果を奏するほか、噴霧水の供給中に冷却水タンク２３内の冷却水の入れ替えを行うことができるので、冷却水タンク２３内の冷却水の水質と鮮度を維持することができる。前記したように、噴霧水ノズルから噴霧される水は、ノズルの微細孔での不純物の析出防止と、燃焼ガスに含まれる硫黄分との化合を防止するため、不純物除去は必須であるが、一方、発電機冷却水と軸受潤滑水は水路中に微細孔を有しないことと、それらが直接燃焼ガスと接触することはないので、逆浸透膜フィルタの排水を使用しても特に問題はなく、発電設備に供給される水の有効活用の点からは好ましい。

その結果、冷却水タンク２３内に水垢の発生や微生物の発生を防止でき、ガスタービン発電設備の保守頻度を顕現でき、水の有効利用が図れる効果がある。

図７は、本発明によるガスタービン発電設備の第６の実施の形態を示す。本実施の形態の基本構成は図６に示す第５の実施の形態と同じである。第５の実施の形態と異なる点は、フィルタ６７を通した水供給配管４４から分岐させた配管６８を、再生熱交換器６と消音装置２０で熱交換できるように迂回させ、再生熱交換器６と消音装置２０と対向する部分に昇温手段となる熱交換部８８を設けたのである。

本実施の形態では、フィルタ６７から送水ポンプ７０に至る水は、配管６８の熱交換部８８によって再生熱交換器６と消音装置２０からの熱を受けて昇温する。この昇温した水を送水ポンプ７０によって、逆浸透膜フィルタ７２に送水するのである。逆浸透膜フィルタ７２での透過水量は、水温によって著しく左右され、水温の低下と共に急激に低下する。しかし、本実施の形態においては、昇温した水が逆浸透膜フィルタ７２に供給されるので、透過水量は増加し、その結果、送水ポンプ７０等の補機動力を軽減することができる。さらに、逆浸透膜フィルタ７２の浸透膜は、凍結した場合、水の透過機能を失うので、冬季時には保温する必要があるが、本実施の態様においては、そのような不都合はなく、ガスタービン発電設備の設置に地域や場所を選ぶ必要はない。また、配管６８の熱交換部８８は、再生熱交換器６と消音装置２０の熱から、周辺に設置されるポンプ，送風機，電磁弁等の補機類を熱遮蔽することもでき、補機類の寿命を延ばし、信頼性を確保することができる。

尚、図７に示す実施の形態では、配管６８の熱交換部８８を再生熱交換器６と消音装置２０に接近して設置したが、要は、逆浸透膜フィルタ７２に昇温させた水を透過させることが重要であるので、昇温した水が配管６８内で沸騰しない領域であれば、熱交換部８８をガスタービン１や燃焼器５に接近して配置してもよい。または、ガスタービン発電設備内で、ガスタービン１と燃焼器５，再生熱交換器６やその下流に配置される排ガス流路からの熱から前記補機類を保護するための熱遮蔽できる場所に、前記熱交換部８８を設置することもできる。

以上説明したように本実施の形態によれば、第５の実施の形態と同じ効果を奏することができるほか、逆浸透膜フィルタ７２の透過水量を増加させて、送水ポンプ７０等の補機動力を軽減することができる。さらに、ガスタービン発電設備の設置に地域や場所を選ぶ必要はない。熱から、周辺に設置されるポンプ，送風機，電磁弁等の補機類を熱遮蔽することもでき、補機類の寿命を延ばし、信頼性を確保することができる。

図８は、本発明によるガスタービン発電設備の第７の実施の形態を示す。ガスタービン１、圧縮機２、発電機３の回転部分の重量の増大により、潤滑水の自重による水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂへの供給が十分でない場合には、前述した実施例のようにフィルタ３１を通過した後の潤滑水を潤滑水タンク３２に貯めずに、直接配管３３を経由して前記水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂに供給するようにしてもよい。さらには、水潤滑軸受１０Ａ，１０Ｂの高速回転時の不安定振動を防止するため、軸受減衰を増加させるべく、軸受支持部と軸受ハウジング間に僅かな間隙を設け、この間隙に水を供給することによって減衰効果を高めるスクイズダンパ方式の軸受を採用しても良い。この場合、スクイズダンパとなる前記間隙に、水循環ポンプ２５からの水を潤滑水タンク３２を経由せずに直接供給することで、軸受部に高圧の潤滑水を供給することができる。

図９は、本発明によるガスタービン発電設備の第８の実施の形態を示す。なお、図９はガスタービンシステムの循環水及び潤滑水系のみ記載した図で、タービンシステムの吸排気部の記載は省略している。

循環水ポンプ２５が何らかの故障を起こした場合は、ガスタービンシステムは自動的に停止操作される。この時、回転機に重大な損傷を起こさずにタービンを停止させるためには、タービンの停止動作中も常に潤滑水を供給しなければならない。前述した図８に示す実施例では、軸受部に高圧の潤滑水を供給できるが、循環水ポンプ２５の故障等により潤滑水の供給が途絶えた場合、回転軸に潤滑水を供給できなくなり、場合によっては軸受の焼き付き等の損傷を起こす可能性がある。

そこで、図９に示す実施の形態では図８の構成に加えて、循環水ポンプ２５の故障時に軸受損傷を防止する手段として、回転軸９よりも重力方向から見て高位置に循環水タンク３２を設置している。そして、発電機３の軸受部には、この循環水タンク３２から位置エネルギーを利用して供給する手段と、図８でも説明した水循環ポンプ２５の加圧によって供給する手段の２つの供給手段を併用して潤滑水を供給している。

以下、図９の構成について詳細に説明する。水循環ポンプ２５から圧送された水の一部は、配管２７を経由して、電力変換器４と発電機３の冷却水として用いられ、他はフィルタ３１を経由して軸受の潤滑水として用いられる。フィルタ３１を通過した潤滑水は更に分岐され、その一部は配管１０１，逆止弁１０２を経由して、加圧された状態で軸受部に供給される。フィルタ３１の下流側で分岐した残りの潤滑水は、配管３０を経由して、回転軸（図示せず。図１と同じ）より高位置に設置された潤滑水タンク３２に導かれる。潤滑水タンク３２への供給水量は配管３０に設置されたオリフィス等からなる潤滑水調整器１０３で規定される。発電機回転軸に対する潤滑水タンク３２の高さは、水循環ポンプ２５の故障時に軸受破損防止に必要な最低限の供給圧を確保できるヘッド差を取り、また、潤滑水タンク３２の容積を非常時に回転軸が停止するまで軸受部のみに水の供給を維持できる容量とすることで、潤滑水タンク３２を図１に示した潤滑水タンクに比べて小型にすることができる。

図９において通常時は、軸受部には水循環ポンプ２５により加圧された潤滑水を供給する配管１０１と、潤滑水タンク３２から位置エネルギーを利用して潤滑水を供給する配管３３の両方から潤滑水が供給される。ここで、水循環ポンプ２５が故障した場合には、配管１０１を経由する潤滑水の供給は停止することになるが、回転軸が停止するまでの間、軸受部には潤滑水タンク３２に貯蔵されている潤滑水が供給される。なお、配管１０１には逆止弁１０２が設置されており、水循環ポンプ２５の故障時に、潤滑水タンク３２からの供給水が水循環ポンプ側に逆流することを防止し、確実に軸受部に供給されるようにしている。

図１０は、本発明によるガスタービン発電設備の第９の実施の形態を示す。本実施の形態も、図９に示した実施の形態と同様に、水循環ポンプ故障時でも潤滑水を供給可能にした構成を示したものである。本実施の形態では、潤滑水供給配管１０１にアキュムレータ１０４を設置している。また、このアキュムレータ１０４にはアキュムレータ入水側の逆止弁１０５と放出側逆止弁１０６を備えている。アキュムレータ内圧と、逆止弁１０５、１０６のクラッキング圧の調整により、配管１０１に通水されると、アキュムレータ１０４内に水が貯められ、配管１０１の圧力が低下すると自動的にアキュムレータ内に貯えられた水は配管１０１に放出される。アキュムレータは、回転軸が停止するまでに必要な軸受供給水量を保有できる容積を有している。

図１１は、本発明によるガスタービン発電設備の第１０の実施の形態を示す。図１１は非常用循環水ポンプ１０７を設置したものである。非常用循環水ポンプの配管１０８は逆止弁１０９を介して、水循環ポンプ２５の吐出側配管２４に設置される逆止弁１１０の下流側に合流する。ここで、非常用ポンプ１０７と逆止弁１０９は、循環水タンク２３の循環水ポンプ２５運転時の保有水位（図中Ｈで記載）以下の高さに設置する。図１１で通常のポンプ作動時は水は逆止弁１０９の下流まで達している。また、非常用ポンプ１０７と逆止弁１０９までは、循環水タンクの水位よりも低位置にあるため、循環水に満たされている。図１１では循環水ポンプの故障時、非常用ポンプ１０７が起動して配管２４に循環水を供給するものである。非常用ポンプの配管１０８は、常に水で満たされているためポンプの運転切替え時に配管２４に空気を混入させることはない。

図１２は、本発明によるガスタービン発電設備の第１１の実施の形態を示す。本実施の形態は図１１の構成に対して、潤滑水供給配管１０１にアキュムレータ１０４を設置したもので、ポンプ運転の切替え時に非常用ポンプ１０７の起動時にアキュムレータ１０４からも水を供給して、軸受部への水切れを防止するものである。

図１３は、本発明によるガスタービン発電設備の第１２の実施の形態を示す。図１１に示した実施の形態と同様であるが、非常用ポンプ１０７は軸受部のみに供給する水量を圧送するだけの小型のポンプで構成されている。循環水ポンプ故障時の回転軸停止までに必要な最小流量を圧送するようにしたものである。図１３では、図１２に示した構成と同様にアキュムレータを併設しても良い。

本発明によるガスタービン発電設備の第１の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第２の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第３の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第４の実施の形態を示すブロック図。 図４の逆浸透膜フィルタの原理図。 本発明によるガスタービン発電設備の第５の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第６の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第７の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第８の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第９の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第１０の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第１１の実施の形態を示すブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第１２の実施の形態を示すブロック図。 図１の水潤滑軸受１０Ａに用いる軸受の一例を示す図。 図１の水潤滑軸受１０Ｂに用いる軸受の一例を示す図。

符号の説明

１…ガスタービン、２…圧縮機、３…発電機、４…電力変換器、５…燃焼器、６…再生熱交換器、１０Ａ，１０Ｂ…水潤滑軸受、１４…供給管、１５…吐出管、１７…燃料供給管、２３…冷却水タンク、２６…放熱ラジエター、２８…冷却ジャケット、４７…噴霧水タンク、５９，６１，６１Ａ，６１Ｂ…噴霧水ノズル、７０…送水ポンプ、７２…逆浸透膜フィルタ、８８…熱交換部、１０７…非常用ポンプ、１０２,１０５,１０６,１０９,１１０…逆止弁、１０４…アキュムレータ。

Claims (16)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンによって駆動され軸受によって支承される回転子を有する発電機と、この発電機を冷却する冷却水循環手段とを備えたガスタービン発電設備において、
   前記発電機の軸受を水潤滑軸受で構成するとともに、この水潤滑軸受に前記冷却水循環手段から放熱ラジエターを経由させた冷却水を供給するように構成したことを特徴とするガスタービン発電設備。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンによって駆動され軸受によって支承される回転子を有する発電機と、この発電機に冷却水を循環させて冷却する冷却水循環手段とを備えたガスタービン発電設備において、
   前記発電機の軸受を水潤滑軸受によって構成し、前記冷却水循環手段から放熱ラジエターを経由した冷却水を前記水潤滑軸受に供給する潤滑水供給手段を設けたことを特徴とするガスタービン発電設備。
3. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンの排気ガスと前記燃焼器に導かれる圧縮空気との熱交換を行う再生熱交換器と、前記ガスタービンによって駆動される発電機と、この発電機の回転子を支承する水潤滑軸受と、前記発電機からの出力を商用周波数に合わせた出力に変換する電力変換器と、冷却水タンクの冷却水を放熱ラジエターを経由して前記発電機に供給し再び冷却水タンクに戻す冷却水循環手段と、前記水潤滑軸受に前記冷却水循環手段の放熱ラジエターを経由した冷却水を供給する潤滑水供給手段とを有することを特徴とするガスタービン発電設備。
4. 前記圧縮機の吸気側と吐出側に噴霧水を供給する噴霧水供給手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン発電設備。
5. 前記噴霧水供給手段に供給される水の不純物を除去する不純物除去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設備。
6. 前記不純物除去手段の排水を前記冷却水循環手段に供給する切替え弁を設けたことを特徴とする請求項５記載のガスタービン発電設備。
7. 前記不純物除去手段は、逆浸透膜フィルタであることを特徴とする請求項６記載のガスタービン発電設備。
8. 前記不純物除去手段に供給される水を昇温させる昇温手段を設けたことを特徴とする請求項７記載のガスタービン発電設備。
9. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンによって駆動され軸受によって支承される回転子を有する発電機と、この発電機を冷却するための冷却水循環手段とを備えたガスタービン発電設備において、
   前記冷却水循環手段は、冷却水タンクと、このタンク内の水の熱を放熱ラジエターを経由して前記発電機に形成した冷却ジャケットに送水する水循環ポンプと、前記発電機の軸受を水潤滑軸受としてこの水潤滑軸受に前記冷却水循環手段の前記放熱ラジエターを経由した冷却水を供給する潤滑水供給手段と、前記冷却水タンクに供給される水を分岐して貯める噴霧水タンクと、この噴霧水タンクの水を送水する噴霧水ポンプと、この噴霧水ポンプからの送水をオリフィスを介して噴霧水タンクに戻す配管と、前記噴霧水ポンプの下流側に設けられそこの水圧を設定する背圧調整弁と、この背圧調整弁を介して噴霧水タンクに水を戻す配管と、前記背圧調整弁の下流側に設置され弁とオリフィスと噴霧水ノズルを介して前記圧縮機の吸気側及び吐出側に夫々噴霧水を噴出させる配管とを備えた噴霧水供給手段を設けたことを特徴とするガスタービン発電設備。
10. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンによって駆動され軸受によって支承される回転子を有する発電機と、この発電機を冷却するための冷却水循環手段とを備えたガスタービン発電設備において、
    前記冷却水循環手段は、冷却水タンクと、このタンク内の水の熱を放熱ラジエターを経由して前記発電機に形成した冷却ジャケットに送水する水循環ポンプと、前記発電機の軸受を水潤滑軸受としてこの水潤滑軸受に前記冷却水循環手段の前記放熱ラジエターを経由した冷却水を供給する潤滑水供給手段と、前記冷却水タンクに供給される水を分岐して送水する送水ポンプと、この送水ポンプからの送水を貯める噴霧水タンクと、この噴霧水タンクの水を送水する噴霧水ポンプと、この噴霧水ポンプからの送水をオリフィスを介して噴霧水タンクに戻す配管と、前記噴霧水ポンプの下流側に設けられそこの水圧を設定する背圧調整弁と、この背圧調整弁を介して噴霧水タンクに水を戻す配管と、前記背圧調整弁の下流側に設置され弁とオリフィスと噴霧水ノズルを介して前記圧縮機の吸気側及び吐出側に夫々噴霧水を噴出させる配管とを備えた噴霧水供給手段を設け、前記送水ポンプの下流側に前記噴霧水タンクに連なる塩素除去フィルタと逆浸透膜フィルタとを設けたことを特徴とするガスタービン発電設備。
11. 前記逆浸透膜フィルタからの排水を排水口側と前記冷却水タンク側に切替える切替え弁と、前記冷却水タンクに設けた排水用の配管に設けた電磁弁と、前記送水ポンプとを、前記冷却水タンクと前記噴霧水タンクの水位を検出するレベルゲージの信号によって制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１０記載のガスタービン発電設備。
12. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該ガスタービンによって駆動され軸受によって支承される発電機とを備えたガスタービン発電設備において、
    前記発電機の回転子を支承する軸受を水潤滑軸受で構成して、冷却水タンクの冷却水を水循環ポンプによって送水し、放熱ラジエターを経由して前記発電機に供給し再び冷却水タンクに戻す冷却水循環手段と、前記冷却水循環手段の放熱ラジエターを経由した冷却水の一部を、前記水循環ポンプからの送水によって前記水潤滑軸受に供給するとともに、残りを前記水潤滑軸受よりも高位置に設置された潤滑水タンクに送水し該潤滑水タンクから位置エネルギーを利用して前記水潤滑軸受に供給するように構成した潤滑水供給手段とを設けたことを特徴とするガスタービン発電設備。
13. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該ガスタービンによって駆動され軸受によって支承される発電機とを備えたガスタービン発電設備において、
    前記発電機の回転子を支承する軸受を水潤滑軸受で構成して、冷却水タンクの冷却水を水循環ポンプによって送水し、放熱ラジエターを経由して前記発電機に供給し再び冷却水タンクに戻す冷却水循環手段と、前記冷却水循環手段の放熱ラジエターを経由した冷却水をアキュムレータを介して前記水潤滑軸受に供給するように構成した潤滑水供給手段とを設けたことを特徴とするガスタービン発電設備。
14. 前記水循環ポンプの故障時に前記冷却水タンクの冷却水を前記発電機或いは水潤滑軸受に供給する非常用冷却水循環手段を設けたことを特徴とする請求項１２又は１３に記載のガスタービン発電設備。
15. 前記非常用冷却水循環手段は、冷却水タンクの冷却水を放熱ラジエターより上流側の系統に供給するように構成したことを特徴とする請求項１４に記載のガスタービン発電設備。
16. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、回転子を支承する軸受が水潤滑軸受によって構成された発電機と、この発電機を冷却する冷却水循環手段と、冷却水タンクの冷却水を水循環ポンプによって送水し、放熱ラジエターを経由して前記発電機に供給し再び冷却水タンクに戻す冷却水循環手段と、前記冷却水循環手段の放熱ラジエターを経由した冷却水の一部を、前記水循環ポンプからの送水によって前記水潤滑軸受に供給するとともに、残りを前記水潤滑軸受よりも高位置に設置された潤滑水タンクに送水し該潤滑水タンクから位置エネルギーを利用して前記水潤滑軸受に供給するように構成した潤滑水供給手段とを備えたガスタービン発電設備の運転方法において、
    通常運転時には前記水循環ポンプと潤滑水タンクの両方又は一方から潤滑水を前記水潤滑軸受に供給し、故障による前記水循環ポンプの停止時には、前記潤滑水タンクから潤滑水を供給することを特徴とするガスタービン発電設備の運転方法。
    

Images