JP2006138263A - ガスタービン用空気圧縮機の吸気冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 気温が高い夏季でも、ガスタービンの出力を定格出力に近い出力に保つとともに、大気中の粉塵をろ過するためのエアフィルタを不要とするガスタービン用空気圧縮機の吸気冷却システムを提供する。
【解決手段】 吸気口を有する空気圧縮機と、空気圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる燃焼器と、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、ガスタービンと同軸に連結された発電機とを備えた発電プラントにおける空気圧縮機の吸気冷却システムであって、空気圧縮機の吸気口１９に、冷熱源からの冷水を散布するエアワッシャ７を設けることにより、フィルタを介することなく空気圧縮機に冷却空気を供給することとした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コンバインドサイクル方式等の発電プラントで用いられるガスタービンの空気圧縮機へ供給される空気を冷却するガスタービン用空気圧縮機の吸気冷却システムに関するものである。

従来より、例えば特許文献１に記載されているようなコンバインドサイクル発電等の発電プラントにおいて、ガスタービンが用いられている。

図６は、コンバインドサイクル発電の概要を示す。コンバインドサイクル発電は、ガスタービン１３と蒸気タービン１５とを組み合わせた発電方式である。

吸気口１９から取り入れた空気を、吸気通路２０を通して空気圧縮機１４に導入し、空気圧縮機１４で圧縮して燃焼器１２へ送出する。吸気口１９には、ゴミや異物を除去するために、不織布等からなるプレフィルタ２２が設けられる。また、吸気通路２０内には、１０μｍ程度およびそれ以上の大きさの塵埃を除去するために、ＨＥＰＡまたはその他の高性能フィルタからなるメインフィルタ２３が設けられる。燃焼器１２において、圧縮空気と混合して燃料ガスを燃やし、このときの燃焼ガスの膨張力を利用してガスタービン１３を駆動する。ガスタービン１３から排出される高温の排ガスの余熱を、排熱回収ボイラ１１で回収して蒸気を発生させ、その高圧の蒸気を蒸気タービン１５に供給して蒸気タービンを駆動する。このように、ガスタービン１３と蒸気タービン１５とを組み合わせて発電機１６を駆動することにより、高い熱効率を得る。発電機１６により発電された電力は、変圧器１７および送電線１８を介して送電される。このような発電方法による発電プラント１は、高い熱効率と優れた環境特性のために、大容量発電設備として全国で建設されている。

また、近年は、ガスタービン１３の燃焼ガスの温度を高めた改良型コンバインドサイクル発電（ＡＣＣ発電）が採用され、更にガスタービン１３の高出力化が図られて、大容量の発電を行っている。

このような発電プラント１において、ガスタービン１５で駆動される発電機１６は、定格出力で運用すれば、運転効率が高く経済的である。定格出力は、空気圧縮機１４に供給する空気の温度が５℃のときの出力である。

図７は、改良型コンバインドサイクル発電プラントの出力特性曲線の例を示す。この例では、空気圧縮機に送られる空気の温度が５℃以下の場合、定格出力は３８０ＭＷである。夏季等に気温が高くなって空気の密度が低下すると、出力が低くなる。図７の例において、例えば気温が３０℃を超えると、出力が５０ＭＷ以上、すなわち１５％前後低下する。

ところが、夏季に気温が上昇すると、家庭等で冷房を使用することにより消費電力が増えるため、年間を通じて電力需要のピークは、最も気温の高い夏季の昼間となる。この夏季の昼間に出力が低下すると、電力不足を招いてしまう。

従って、夏季の出力低下を防ぐために、従来より、ガスタービンへの吸気を冷却して高出力を図る方法が提案されている。

それらの冷却方法のうち、例えば常温水の散水によって吸気を冷却する方式では、吸気温度が湿球温度に近づくだけであり、温度の低下度合は極めて少なく、発電機の定格出力を確保するには不十分である。また、液体空気を吹き付けて冷却する方式は、設備費用が極めて高価であり、実用的ではない。

特許文献２では、夜間電力を利用して製氷し、その氷を冷媒とした冷却器に空気を通過させて、その空気をガスタービンに吸気させるものが提案されている。ところが、空気をこのような冷却器に通過させて熱交換を行う方式では、吸気に圧力損失が生じて、ＡＣＣ発電のように高出力を得るための大量の空気を吸気させることが困難である。

一方、空気圧縮機１４やガスタービン１３の内部に塵埃が侵入すると、羽根が浸食されて出力が低下するため、従来の空気圧縮機１４の吸気通路２０には、比較的大きなゴミをろ過するためのプレフィルタ２２と、１０μｍ程度およびそれ以上の塵埃をろ過するためのメインフィルタ２３とが必ず設置されている。殊に大規模な出力を得るための発電設備では、大量の吸気をろ過するため、数百枚のフィルタが設置される。これらのフィルタは、交換時その都度、設備の運転を停止しなければならないため、極めて非効率的である。このフィルタの交換は、１年に１〜２回程度の頻度で行う必要があり、毎年、大量の産業廃棄物を発生し、環境的に好ましくない。
特開平５−１４９５０１号公報 特開平７−１５８４６７号公報

本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、気温が高い夏季でも、ガスタービンの出力を定格出力に近い出力に保つとともに、大気中の塵埃をろ過するためのエアフィルタを不要とするガスタービン用空気圧縮機の吸気冷却システムの提供を目的とする。

請求項１の発明は、吸気口を有する空気圧縮機と、空気圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる燃焼器と、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、ガスタービンと同軸に連結された発電機とを備えた発電プラントにおける空気圧縮機の吸気冷却システムであって、空気圧縮機の吸気口に、冷熱源からの冷水を散布するエアワッシャを設けることにより、フィルタを介することなく空気圧縮機に冷却空気を供給することを特徴とするガスタービン用空気圧縮機の吸気冷却システムを提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、エアワッシャは、樹脂製の充填材からなる熱交換部に散水することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、冷熱源は、氷蓄熱槽であることを特徴とする。

請求項１の発明によると、冷水を散布するエアワッシャによって空気が冷却され、気温が高い夏季でも、吸気温度を下げてガスタービンの出力低下を防ぐことができる。また、空気がエアワッシャを通過する際、冷水に接触することにより、空気中の微細な塵埃等の異物を除去することができる。そのため、従来設置していたエアフィルタを使用する必要がなくなり、フィルタ交換の手間がなくなって、物的および人的コストが大幅に削減できる。また、大量の産業廃棄物を発生させることがなくなる。更に、フィルタを設置しなくても、フィルタ設置時以上に微細な塵埃が侵入しにくくなるので、空気圧縮機等の羽根を洗浄する回数を大幅に減らすことができる。従って、洗浄の手間が省けるうえ、装置を停止させる回数が減り、稼働率が向上する。

請求項２の発明によると、冷水が散布された充填材の表面を空気が流通するため、冷水と空気との接触面積が増すとともに接触時間も長くなって、十分な熱交換作用およびろ過作用が得られる。従って、空気の冷却効果が更に高まるとともに、空気中の極めて微細な塵埃等の異物を除去することができる。

請求項３の発明によると、氷蓄熱槽内の氷を融解して散水に用いることにより、低温で安定した冷水を使用することができる。この場合、夜間電力を利用して製氷し、氷蓄熱槽に蓄えておけば、効率よく冷水を使用することができるうえ、昼間冷凍機の運転を停止させても、冷水を散水することができる。従って、消費電力が増大する夏季の昼間に、発電プラントのために多くの電力を消費することなく、十分な発電機の出力を確保して電力を供給することができる。また、散水用の冷水を循環させて用いることにより、熱エネルギーのロスを抑えるとともに、消費される水の量を節約できる。

図１は、本発明に係るコンバインドサイクル方式の発電プラントの概要を示す。尚、図６に示した前述の従来例と同じものに関しては、同じ符号で示している。

コンバインドサイクル方式の発電プラント１は、燃焼ガスを作動流体とするガスタービン１３と、ガスタービン１３の排ガスを熱源とする排熱回収ボイラ１１と、この排熱回収ボイラ１１で発生する高圧の蒸気により駆動する蒸気タービン１５とを備え、ガスタービン１３と蒸気タービン１５の両出力を結合して高出力の発電を行う。ガスタービン１３と蒸気タービン１５、および発電機１６は、同一軸上に配置されている。

吸気口１９から取り入れた空気を空気圧縮機１４で圧縮し、燃焼器１２に送出する。燃焼器１２において、圧縮空気と例えばＬＮＧガス等の燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。その燃焼ガスの膨張力によって、ガスタービン１３が駆動される。ガスタービン１３から排出される高温の排ガスの余熱を、排熱回収ボイラ１１で回収して高圧の蒸気を発生させ、その蒸気を蒸気タービン１５に供給して蒸気タービンを駆動する。ガスタービン１３および蒸気タービン１５の出力により、発電機１６で発電が行われ、その電力は、変圧器１７および送電線１８を介して送電される。

空気圧縮機１４へ空気を取り込む吸気通路２０の端部の吸気口１９にエアワッシャ７が設けられる。このエアワッシャ７に、冷水を供給する冷熱源２５が接続される。冷熱源２５は、例えば冷凍機や蓄熱槽である。本発明の冷却システム２は、エアワッシャ７および冷熱源２５により構成される。

図２は、本発明の冷却システム２全体の概略図である。冷却システム２を構成する冷熱源２５は、氷蓄熱槽３、水冷式のブライン冷凍機４、冷却塔５、熱交換器６により構成される。この冷熱源２５に接続されるエアワッシャ７は、この例では３段積みであり、それぞれダクト７６を介して空気圧縮機１４（図１）の吸気口１９に接続される。図中の配管系で、細線は冷媒配管２６、太線は冷水配管２１、点線は冷却水配管２７を示す。各配管の循環流に関しては後述する（図３，図４）。

氷蓄熱槽３には、冷媒が循環する製氷コイル３１が複数台、例えば６段積みで６０台程度設置される。冷媒は、ブライン冷凍機４と氷蓄熱槽３との間を循環し、ブライン冷凍機４によって冷やされて氷蓄熱槽３の各製氷コイル３１へ送られる。製氷コイル３１を流れた冷媒はブライン冷凍機４へ戻される。この製氷コイル３１により、氷蓄熱槽３へ送り込まれた水が氷となって製氷コイル３１の周囲に形成される。

エアワッシャ７で散水される冷水には、氷蓄熱槽３内で氷が融解した冷水を用いる。多量の冷水を短時間に必要とするとき、例えば冷房運転開始時などには、エアポンプ３２を駆動して氷蓄熱槽３内に空気を送り、氷蓄熱槽３下部のノズル３３から空気を噴出させて、氷の融解を促進する。融解した冷水は、冷水配管２１を流れてエアワッシャ７へ送出される。この方法により、約３℃の冷水がエアワッシャ７へ供給される。氷蓄熱槽３内の製氷は、通常、夜間電力を利用して、夜間に行われる。

図３は、図２の配管系統説明図である。図３において、点線は冷却水配管２７を示し、実線は冷水配管２１および冷媒配管２７を示す。

冷媒（ブライン）は、ブラインポンプ４１により冷媒配管２６を通して循環する。通常運転時の製氷プロセスでは、バルブ２６ｂを開き、バルブ２６ａ，２６ｃを閉じる。この状態で、ブラインポンプ４１によりブライン冷凍機４へ戻された冷媒は冷凍機４で冷却され、再び氷蓄熱槽３へ送り出される。送り出された冷媒は、氷蓄熱槽３内の製氷コイル３１（図２）を通った後ブラインポンプ４１によりブライン冷凍機４に戻る。これにより、製氷コイル３１の周囲に氷が形成される。

昼間の冷凍機追いかけ運転プロセスのとき、即ち氷蓄熱槽３内の氷を融解しながらもその消費を抑制し、冷凍機の冷却能力を最大限に利用するプロセスにおいてはバルブ２６ａを開きバルブ２６ｂ，２６ｃを閉じる。冷媒（ブライン）は熱交換器６と冷凍機４をブラインポンプ４１によって循環してエアワッシャからの戻り冷水を冷却する。一方、冷水は熱交換器６において予冷された後、氷蓄熱槽に送られ、氷と接触することで最終温度まで冷却される。所定温度以下になるときは、三方弁等によって所定温度に維持される。このときの冷凍機はブラインを例えば５℃程度に冷却するため、製氷プロセスに比較して運転効率を高く維持することができる。

夏季の午後１時から３時など電力需要がピークになるときは、冷凍機４、冷却塔５及びブラインポンプ４１、冷却水ポンプ５１を停止して、自家消費電力を極力抑制し、氷の融解のみによって所定温度の冷水を作る。

なお、夜間の製氷プロセスから昼間の追いかけプロセスに転換する際、それまで−５℃〜−２℃の低温で循環されていたブラインがいきなり熱交換器６に送られて冷水を凍結させることのないようバルブ２６ａ，２６ｂを閉じ、２６ｃを開いてバイパス運転を行い、ブラインが０℃以上になってから前述の冷凍機追いかけ運転プロセスに入る。

冷却水は、冷却水配管２７を通して、冷却水ポンプ５１により、冷却塔５とブライン冷凍機４との間を循環する。

冷水は、冷水配管２１を通して、エアワッシャ７（図４参照）で散布され、熱交換器６および氷蓄熱槽３を循環する。

図４は、エアワッシャ７部分の拡大図である。散水室７４は、例えば図４のように同じものが３層に積み上げて設置され、各散水室７４は、図４における左右両側面に開口７４ｂ，７４ａを有する。右側の開口７４ａから外気が流入し、左側の開口７４ｂはダクト７６の片側に連結されている。ダクト７６の反対側はガスタービンの空気圧縮機の吸気口１９に連結される。各散水室７４の上部には、シャワーノズル等からなる散水ヘッド７２が設けられる。散水ポンプ７１により、散水ヘッド７２に氷蓄熱槽３から冷水が送られ、散水室７４内に散布される。

散水ヘッド７２の下部には、充填材からなる熱交換部７３が設けられる。充填材は、多孔の円筒状、ねじれ形状、その他、各種形状のプラスチック成形体を詰めたものである。この充填材は、詰めた状態で十分な隙間を有し、空気が通過する際に圧力損失が小さく、且つ空気との接触面積が大きくなるような形状である。

このように、エアワッシャ７の熱交換部７３内において、冷水と空気とを直接接触させることにより、空気中の５μｍ以上の塵埃を９５％以上ろ過することができる。従って、従来設置されていたメインフィルタがろ過していた１０μｍ以上の塵埃よりも微細な塵埃を、フィルタを設置することなくろ過することができる。

冷水配管２１を通して氷蓄熱槽３（図２）から約３℃の冷水が散水ヘッド７２に送られる。散水ヘッド７２から、その下方に設置された熱交換部７３に冷水が散布される。空気は、開口７４ａから流入し、熱交換部７３を通過して冷却およびろ過される。左側の開口７４ｂの全面にエリミネータ７５が取り付けられ、水滴がガスタービンの内部へ浸入することを防ぐ。冷却された空気は、エリミネータ７５を通過し、ダクト７６を介して、吸気口１９へ送られる。吸気口１９の入口部には、必要に応じてプレフィルタ９１が設けられる。

散水ヘッド７２から散布された冷水は、充填材を通して下部水槽７７に溜まる。下部水槽７７のオーバーフロー用切り欠き７８から溢れた冷水は、還水槽８に流入する。

各散水ヘッド７２に接続される冷水配管２１は、散水ポンプ７１の手前側で三方弁２８を介して分岐し、下部水槽７７に接続される。三方弁２８により、散水ヘッド７２に送られる冷水温度が調整される。これにより、エアワッシャ７を通る空気の熱交換量を調整し、外気温度に応じて、必要な吸気温度が得られる。

還水槽８に溜まったエアワッシャ７からの還水は、フィルタ８２を介して還水ポンプ８１により吸引され、熱交換器６（図２）を介して氷蓄熱槽３に戻される。

図５は、エアワッシャ７の一配置例を示す平面図である。エアワッシャ７は、例えば図４に示すように上下に３層積み重ねたものを、図５に示すように、吸気口１９の周囲に５個所設置する。このように、吸気口１９の周囲をエアワッシャ７と鋼板等の囲い板で囲むことにより、ダクトを省略できるなどスペース的に効率よく、大量の冷却空気をガスタービン内に吸気させることができる。例えば３８０ＭＷのＡＣＣ発電プラントの場合では、外気が３５℃のときに、毎秒５１０立方米の空気が８℃程度まで冷却されるように、エアワッシャ７の大きさや数、散水量等を設計する。尚、エアワッシャ７の設置台数は、吸気量や出力の規模により異なり、図４および図５の例に限らない。

還水は、前述のように、熱交換器６（図２および図３）を通過する。ブライン冷凍機４の運転中は、例えば１２℃に温度上昇した還流水が８℃まで冷却される。８℃に冷却された還流水は、氷蓄熱槽３へ送られて、製氷コイル３１の周囲の氷の融解によってさらに冷却され、散水用の冷水として再び用いられる。

通常、ブライン冷凍機４は、ガスタービンの運転中は戻り冷水の予冷用として連続運転されるが、外気温が低くそのままで十分に低温の吸気が得られる場合には、運転を停止する。また、例えば真夏の日中における消費電力のピーク時には、発電プラント内の使用電力を抑えるために、停止する。このような場合には、還水は、熱交換器６を通過する際に冷却されることがなく、そのまま氷蓄熱槽３へ送られる。この氷蓄熱槽３内の氷の融解水が散水用の冷水として再利用される。通常、一日の終わりすなわち夜間の８時〜１０時までには氷蓄熱槽３内の氷を使い切った後、ブライン冷凍機４の運転を再開して、製氷コイル３１で製氷する。エアワッシャでは、下部水槽７７から散水ヘッド７２の間を循環するだけの散水を行い、自然蒸発冷却以外のいわゆる機械冷却は行わない。この間に、冷凍機は専ら蓄熱槽において製氷という形の冷熱蓄熱を行う。

夏季の夜間並びに中間期や冬季など、吸気冷却を必要としないときはエアワッシャは空気清浄装置をしての運転となる。このときは、前述のとおり、散水用の水は下部水槽７７から散水ヘッド７２、充填材７３の間を循環するのみであり、一部蒸発で失われた水は、蓄熱層からのヘッドにより補給される。

本発明は、新設の発電設備の他、既存の設備においても、設備の本体内部を改修することなく実施することができる。既存設備の場合、吸気口にエアフィルタが設置されているが、本発明の実施に影響を及ぼすことはない。尚、エアフィルタの耐用期間が過ぎた後は、エアフィルタを外して運転することができる。

本発明は、既存または新設のコンバインドサイクル方式あるいは蒸気タービンを用いない発電設備におけるガスタービンの空気圧縮機への吸気冷却システムに適用できる。

エアワッシャに連結される冷熱源は氷蓄熱槽に限定されず、各種冷凍機を用いることができる。また、冷凍機はブライン冷凍機に限らず、吸収式冷凍機やヒートポンプ式冷凍機、その他各種冷凍機が使用可能である。

発電プラントは大規模発電に限らず、空気圧縮機を備えたガスタービンを用いる発電機であれば、規模に関わらず適用可能である。

本発明に係る発電設備の例を示すブロック図。 本発明の実施の形態を示す概略図。 図２の配管系統の説明図。 図２のエアワッシャ部の拡大図。 エアワッシャの配置例を示す平面図。 従来の発電設備の例を示すブロック図。 吸気温度に対する発電機出力の例を示すグラフ。

符号の説明

１：発電プラント、２：冷却システム、３：氷蓄熱槽、４：ブライン冷凍機、５：冷却塔、６：熱交換器、７：エアワッシャ、８：環水槽、１１：排熱回収ボイラ、１２：燃焼器、１３：ガスタービン、１４：空気圧縮機、１５：蒸気タービン、１６：発電機、１７：変圧器、１８：送電線、１９：吸気口、２１：冷水配管、３１：製氷コイル、３２：エアポンプ、３３：ノズル、４１：ブラインポンプ、５１：冷却水ポンプ、７１：散水ポンプ、７２：散水ヘッド、７３：熱交換部、７４：散水室、７４ａ，７４ｂ：開口、７５：エリミネータ、７６：ダクト、７７：下部水槽、７８：切り欠き、７９：還水管、８１：還水ポンプ、８２：フィルタ、９１：プレフィルタ。

Claims (3)

1. 吸気口を有する空気圧縮機と、
   前記空気圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる燃焼器と、
   前記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、
   前記ガスタービンと同軸に連結された発電機とを備えた発電プラントにおける空気圧縮機の吸気冷却システムであって、
   前記空気圧縮機の吸気口に、冷熱源からの冷水を散布するエアワッシャを設けることにより、フィルタを介することなく前記空気圧縮機に冷却空気を供給する
   ことを特徴とするガスタービン用空気圧縮機の吸気冷却システム。
2. 前記エアワッシャは、樹脂製の充填材からなる熱交換部に散水することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用空気圧縮機の吸気冷却システム。
3. 前記冷熱源は、氷蓄熱槽であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用空気圧縮機の吸気冷却システム。
   

Images