JP2007040286A - ガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】 吸気冷却に使用できる冷熱量は、吸気がドライ時換算で１５〜２０℃程度ある。そして真夏はこの程度の冷熱量で冷却することが好ましい。しかし中間冷却冷媒の凝縮による液化燃料を蒸発する蒸発器では、蒸発器で熱を吸収したあとのガスからは、冷熱を吸収していなかった。
【解決手段】中間冷却冷媒の凝縮による液化燃料を蒸発する蒸発器からの蒸発したガスからさらに冷熱を吸収する。冷熱を吸収するためには、冷熱を受け取るためにもどる冷却媒体を熱交換器において蒸発したガスと熱交換して冷熱を吸収する。この後に冷熱を吸収した冷却媒体を液化燃料蒸発器に入れて、中間冷却媒体の凝縮で液化燃料を蒸発して、中間冷却媒体がこの冷却媒体を冷却して、この冷却媒体の冷熱でガスタービンの吸気を冷却する。
【選択図】 図３

Description

本出願は、ガスタービンの吸気を冷却する設備について、特には夏期及び春秋期に関するもので、中間冷却冷媒の凝縮による液化燃料を蒸発する蒸発器を用いるシステムにおいて、液化燃料の蒸発熱をより多く吸収する技術に関する。

従来は、中間冷却冷媒の凝縮による液化燃料を蒸発する蒸発器においては、中間冷却冷媒の凝縮による冷熱を利用していた。

従来の例として、中間冷却冷媒の凝縮による液化燃料を蒸発する蒸発器は、構造が単純で信頼性も高いが、蒸発した燃料からの冷熱吸収は無かった（特許文献１，２，３）。
特開Ｈ０７−１１９４８７ 特開２００１−１７３４６０（図６） 特開２００１−３０３９７０（図８）

吸気冷却に使用できる冷熱量は、吸気がドライ時換算で１５℃以上ある。ガスタービンの傾向として、燃焼器の温度が上昇（たとえば１５００℃）したり、翼を水蒸気冷却したりする方向にあるが、この場合には、さらに冷熱量が増加する傾向にある。そして真夏はこの程度の冷熱量で冷却することが好ましい。

しかし中間冷却冷媒の凝縮による液化燃料を蒸発する蒸発器では、蒸発器で熱を吸収したあとの蒸発したガスからは、冷熱を吸収していなかった。

第１の発明（図１〜３参照）では、中間冷却冷媒の凝縮による液化燃料を蒸発する蒸発器からの蒸発ガスから冷熱を吸収する。冷熱を吸収するためには、冷熱を受け取るためにもどる冷却媒体を熱交換器において蒸発したガスと熱交換してさらに冷熱を吸収する。この後に冷熱を吸収した冷却媒体を液化燃料蒸発器に入れて、中間冷却媒体の凝縮で液化燃料を蒸発して、ガスタービンの吸気を冷却する。

上記の構成により、液化燃料の冷熱を十分に吸収できる。またガスの温度を上げることにもなるのでガスタービンの熱効率を少し上昇させることも出来る。図１〜図３では、液化燃料蒸発器と熱交換器は離れているが、両者は一体物としても良いし、熱交換器を液化燃料蒸発器の中に組み込んでも良い。

なお、本出願では、「吸気冷却部」とは、吸気を冷却する冷却管などからなり、複数でも構わない。また「第２冷却部」とは、吸気冷却を除いた対象を冷却するもので、海水などを冷却する熱交換器などからなるが、冷却対象は特に限定しない。冷却対象は真水、外気でも良い。そしてこの第２冷却部は複数でも構わない。そしてポンプ類があればそれも含む。そして「第２冷却部」は「他の冷却部」と読み替えることが出来る。

また、本出願では、「冷却媒体」とは主に不凍液（ブライン）であり、冷却方法によってはフロン類、アンモニア、炭化水素類などを含む。不凍液の場合では、氷点（０℃）以下で凍結せずに熱を蓄積でき、搬送できる流体を言う。そして、凍結開始温度が低いほうが好ましく、そして比熱は高いほうが好ましい。不凍液の例としては水にグリコール類やアルコール類又は塩類を混合したものがある。また温度が０℃以上の場合では水も使用できる。

そして、液化燃料蒸発部から供給する冷却媒体の温度は、高くても氷点（０℃）以下が好ましく、さらに好ましくは−１０℃以下、より好ましくは−１０〜−５０℃程度である。この温度が高い場合は、流量や配管径が大きくなるデメリットがあり、一方低い場合は冷却媒体が凍結する懸念がある。

第２の発明（図３）では、液化燃料蒸発部から吸気冷却部までの間に熱交換器を複数おいて、吸気冷却部のところで流量を増加させても良い。図２でも同様なことが可能である。

電力供給の面から最もタイトな夏期の電力ピーク時には液化燃料蒸発部からの冷熱を十分に吸気冷却に使用でき、一方冬期には、第２冷却却部に冷熱を処理する。

ガスタービンの運転開始時から吸気冷却を始めると、吸気冷却部が０℃より低くなって凍結の可能性があるので、冷熱を第２冷却部で実質的に全て処理することで、吸気冷却部の凍結を防止する。

本出願では次の効果が得られる。（１）ＬＮＧ蒸発器からのＮＧ（天然ガス）の有する冷熱を有効に吸収して、吸気冷却に供給できる。（２）ＮＧの温度を上げるのでガスタービンの熱効率が少しだが向上できる。

発明の実施するための最良の形態

中間冷却冷媒の凝縮による液化燃料を蒸発する蒸発器からの蒸発したガスからさらに冷熱を吸収する。冷熱を吸収するためには、冷熱を受け取るためにもどる冷却媒体を熱交換器において蒸発したガスと熱交換してガスの冷熱を吸収する。この後にガスの冷熱を吸収した冷却媒体を液化燃料蒸発器に入れて、中間冷却媒体の凝縮で液化燃料を蒸発して、中間冷却媒体がこの冷却媒体を冷却して、この冷却媒体の冷熱でガスタービンの吸気を冷却する

図１は本出願における実施の形態である。ＬＮＧ（液化燃料）蒸発器９で冷却した（０℃以下、さらには−１０℃〜−５０℃程度が好ましい）冷却媒体（不凍液／冷媒）は調節弁１６と同１７で配分される。調節弁１６を出た冷却媒体は、冷却管３、混合器７、ポンプ１３からなる吸気冷却部１８に入る。なお吸気冷却部１８は冷却媒体の独立した循環経路を有する。混合器７を出た冷却媒体は０℃程度もしくは０℃より少し高めであり、ポンプ１３で冷却管３に送られる。そして冷却媒体は冷却管３で吸気を冷却して温度は１０℃程度となり、その一部はＬＮＧ蒸発器に送り、残りは混合器７に戻って循環する。冷却媒体としては不凍液（水とアルコール類の混合物など）などを使用する。ＬＮＧ蒸発器に送る場合にはポンプ１５を用いて、熱交換器１２で蒸発したＮＧ（天然ガス）と熱交換して蒸発器９に入る。

一方、調節弁１７を出た冷却媒体は、混合器８、熱交換器１１、ポンプ１４からなる第２冷却部１９に入る。そして第２吸気冷却部１９は独立した循環経路を有する。混合器８を出た冷却媒体は約−２℃である。そして冷却媒体は熱交換器で海水などを冷却し温度は約１０℃となり、その一部はＬＮＧ蒸発器に送り、残りは混合器８に戻る。

図１では、調節弁１６，同１７で冷却媒体流量を配分して、各々の循環経路の冷却媒体と混合するので、各冷却部で冷却に供する冷却媒体の温度は、対象流体の凍結温度以上とすることができる。それらの温度は各々独立して設定できる。

そして冷却管入口温度を０℃、同出口温度を１０℃、ＬＮＧ蒸発器からの出口温度を−３０℃とすると、ポンプ１３の循環経路の流量を１００（指数）とすると、ポンプ１５から送られる循環量は２５（指数）で済む。

ポンプ１５の循環量を少なくできるので、ポンプ容量やＬＮＧ蒸発器の容量及び配管類も小さくでき、またそれらの運転時の電力消費量も当然小さくできる。

そして図１では、「極低温」とは、温度が高くても氷点（０℃）以下、好ましくは−数１０℃、さらに好ましくは−１０〜−５０℃程度である。この温度が高い場合は、流量や配管径が大きくなるデメリットがあり、一方低い場合は冷却媒体が凍結する懸念があり、また配管の熱膨張や材料強度などのエンジンアリング面の問題もある。したがってこの温度は使用する冷却媒体の物性や許容流量などから決めることができる。

ＬＮＧ（液化燃料）蒸発器９では中間冷却媒体（気化・凝縮熱利用）１０が介在してＬＮＧから冷却媒体に冷熱を移動している。中間冷却媒体１０の例としてはフロン類、ブタンなどの炭化水素類、アンモニアなどである。なお循環している冷却媒体（不凍液）には水とエチレングリコール混合液を使用している。

図２は本出願における実施の形態である。ＬＮＧ（液化燃料）蒸発器２９で冷却した（０℃以下、さらには−２０℃〜−５０℃程度が好ましい）冷却媒体（不凍液／冷媒）は調節弁３８と同３９で配分される。調節弁３８を出た冷却媒体の冷熱は、熱交換器２７を経由して冷却管２３、混合器２７、ポンプ３３からなる吸気冷却部４０に入る。なお吸気冷却部４０は冷却媒体の独立した循環経路を有する。熱交換器２７を出た冷却媒体は０℃程度もしくは０℃より少し高めであり、ポンプ３３で冷却管２３に送られる。そして冷却媒体は冷却管２３で吸気を冷却して温度は１０℃程度となり、この冷却媒体は熱交換器２７部に戻り、熱交換器２７で再度冷却されて循環する。冷却媒体としては不凍液（水とアルコール類の混合物など）などを使用する。

一方、調節弁３９を出た冷却媒体は、熱交換器３１、同３２、ポンプ３６、同３７からなる第２冷却部４１に入る。そして第２吸気冷却部４１は独立した循環経路を有する。調節弁３９を出た冷却媒体は約−２０℃である。そして冷却媒体は熱交換器で海水などを冷却し温度は約１０℃程度となり、熱交換器３１でＬＮＧ（液化燃料）蒸発器２９を循環する冷却媒体の温度を上げる。

図２では、調節弁３８，同３９で冷却媒体流量を配分して、各々の循環経路の冷却媒体と混合するので、各冷却部で冷却に供する冷却媒体の温度は、対象流体の凍結温度以上とすることができる。それらの温度は各々独立して設定できる。

そして冷却管入口温度を０℃、同出口温度を１０℃、ＬＮＧ蒸発器からの出口温度を−３０℃とすると、ポンプ３３の循環経路の流量を１００（指数）とすると、ポンプ３５から送られる循環量は２５（指数）で済む。

ポンプ３５の循環量を少なくできるので、ポンプ容量やＬＮＧ蒸発器の容量及び配管類も小さくでき、またそれらの運転時の電力消費量も当然小さくできる。

そして図２では、「極低温」とは、温度が高くても氷点（０℃）以下、好ましくは−数１０℃、さらに好ましくは−１０〜−５０℃程度である。この温度が高い場合は、流量や配管径が大きくなるデメリットがあり、一方低い場合は冷却媒体が凍結する懸念があり、また配管の熱膨張や材料強度などのエンジンアリング面の問題もある。したがってこの温度は使用する冷却媒体の物性や許容流量などから決めることができる。

ＬＮＧ（液化燃料）蒸発器２９では中間冷却媒体（気化・凝縮熱利用）３０が介在してＬＮＧから冷却媒体に冷熱を移動している。中間冷却媒体３０の例としてはフロン類、ブタンなどの炭化水素類、アンモニアなどである。なお循環している冷却媒体（不凍液）には水とエチレングリコール混合液を使用している。

図３は本出願における実施の形態である。ＬＮＧ（液化燃料）蒸発器５９で冷却した（０℃以下、さらには−２０℃〜−５０℃程度が好ましい）冷却媒体（不凍液／冷媒）は熱交換器６１で配分される。熱交換器６１を出た冷却媒体は、次の熱交換器６２に入る。熱交換器６２を出た冷却媒体は冷却管５３、ポンプ６５からなる吸気冷却部６８に入る。なお吸気冷却部６８は冷却媒体の独立した循環経路を有する。熱交換器６２を出た冷却媒体は０℃程度もしくは０℃より少し高めであり、ポンプ６５で冷却管５３に送られる。そして冷却媒体は冷却管５３で吸気を冷却して温度は１０℃程度となる。冷却媒体としては不凍液（水とアルコール類の混合物など）などを使用する。

ポンプ６４の循環経路では、送る冷媒の温度が低く、この経路で長い距離を受け持てば配管の管径を小さく出来る。この経路は図１，図２でも適用できる。

一方、熱交換器６１を通過した冷却媒体は、ポンプ６６、熱交換器６３からなる第２冷却部６９に入る。そして第２吸気冷却部６９は独立した循環経路を有する。ポンプ６６を出た冷却媒体は約０℃である。そして冷却媒体は熱交換器で海水などを冷却し温度は約１０℃となり、その一部はＬＮＧ蒸発器に送る。

図３では、熱交換器６１で冷却媒体流量を配分して、各々の循環経路の冷却媒体と混合するので、各冷却部で冷却に供する冷却媒体の温度は、対象流体の凍結温度以上とすることができる。それらの温度は各々独立して設定できる。

そして冷却管入口温度を０℃、同出口温度を１０℃、ＬＮＧ蒸発器からの出口温度を−３０℃とすると、ポンプ６５の循環経路の流量を１００（指数）とすると、ポンプ６４から送られる循環量は２５（指数）で済む。

ポンプ６４の循環量を少なくできるので、ポンプ容量やＬＮＧ蒸発器の容量及び配管類も小さくでき、またそれらの運転時の電力消費量も当然小さくできる。

第２冷却部６９を出た冷媒はポンプ６７で熱交換器５８に入る。熱交換器５８ではＮＧと熱交換して蒸発器５９に入る。

そして図３では、「極低温」とは、温度が高くても氷点（０℃）以下、好ましくは−数１０℃、さらに好ましくは−２０〜−５０℃程度である。この温度が高い場合は、流量や配管径が大きくなるデメリットがあり、一方低い場合は冷却媒体が凍結する懸念があり、また配管の熱膨張や材料強度などのエンジンアリング面の問題もある。したがってこの温度は使用する冷却媒体の物性や許容流量などから決めることができる。

ＬＮＧ（液化燃料）蒸発器５９では中間冷却媒体（気化・凝縮熱利用）６０が介在してＬＮＧから冷却媒体に冷熱を移動している。中間冷却媒体６０例としてはフロン類、ブタンなどの炭化水素類、アンモニアなどである。なお循環している冷却媒体（不凍液）には水とエチレングリコール混合液を使用している。

図１〜図３では、真夏においては、吸気冷却部側の調節弁１４，同４３を全開し、第２冷却部側の調節弁１５，同４４を全閉とすることができる。一方冬期においては、吸気冷却部側の調節弁１４，同４３を全閉し、第２冷却部側の調節弁１５，同４４を全開とすることができる。また図１〜図３では、ＬＮＧ蒸発部１台につき吸気冷却部１基であるが、ＬＮＧ蒸発部は集合するとスペースやコストで有利になることがあり、したがって、ＬＮＧ蒸発部１台につき吸気冷却部を複数にすることができる。また逆に吸気冷却部１基に対してＬＮＧ蒸発部を複数とすることもできる。

以上の例では、弁やポンプ類は必要に応じて付加・削減しても構わないし、冷却媒体の配分は弁とポンプを併用してもできる。吸気冷却部と第２冷却部に冷却媒体を配分する場合に使用する調節弁２個は３方弁１個に置き換えることができる。また以上の図では、吸気冷却部と第２冷却部では冷却対象を凍結しない様に冷却媒体の温度・流量を制御している。また図７〜図１０では、冷却媒体は主に気化しない冷却媒体（不凍液）を対象にしているが、気化及び凝縮する冷媒でも構わない。この場合には気化する前の経路に絞り弁を置くことができる。また以上の図のサイレンサーには撥水性吸音材を使用している。これによって湿った吸気が流れても吸音性能の低下が少ない。

産業上の利用の可能性

ＬＮＧを気化して燃料とするガスタービンの春〜秋にかけての吸気冷却に使用できる。

実施の形態である。 実施の形態である。 実施の形態である。

符号の説明

１，２１，５１ 吸気室
２，２２，５２ フィルター
３，２３，５３ 冷却管
４，２４，５４ サイレンサー
５，２５，５５ コンプレッサー
６，２６，５６ ガスタービン
７，８，５７ 混合器
９，２９，５９ ＬＮＧ蒸発器
１０，３０，６０ 中間冷却媒体
１１，１２，２７，２８，３１，３２，５８，６３，６４，６５ 熱交換器
１３〜１５，３３〜３７，６４〜６７， ポンプ
１６，１７，３８，３９ 調節弁
１８，４０，６８ 吸気冷却部
１９，４１，６９ 第２冷却部

Claims (2)

1. コンプレッサーからの吸気で作動するガスタービンを備え、ガスタービンの燃料に使用する液化燃料の蒸発熱で、夏期に加えて、春期及び又は秋期に吸気を冷却するガスタービンプラントにおいて、
   中間冷却媒体の凝縮により液化燃料を蒸発させる液化燃料蒸発器と、
   冷却媒体によりコンプレッサー吸気を冷却する吸気冷却部と、
   冷却媒体により海水などを冷却させる第２冷却部とを有し、
   液化燃料蒸発器からの冷熱を有する冷却媒体を第２冷却部と吸気冷却部とに任意の割合に配分する手段、第２冷却部からの冷却媒体が液化燃料の蒸発で生じた冷熱を受けとる箇所に戻る手段、吸気冷却部からの熱を受けて温度が上昇して冷却媒体が液化燃料の蒸発で生じた冷熱を受けとるために前記と同じ箇所に戻る手段を設けて、
   液化燃料蒸発器からのガスの冷熱を冷却媒体で吸収してから、冷却媒体が液化燃料蒸発器に入り中間冷却媒体の凝縮による冷熱を吸収することを特徴とするガスタービンプラント。
2. コンプレッサーからの吸気で作動するガスタービンを備え、ガスタービンの燃料に使用する液化燃料の蒸発熱で、夏期に加えて、春期及び又は秋期に吸気を冷却するガスタービンプラントにおいて、
   中間冷却媒体の凝縮により液化燃料を蒸発させる液化燃料蒸発器と、
   冷却媒体によりコンプレッサー吸気を冷却する吸気冷却部と、
   冷却媒体により海水などを冷却させる第２冷却部とを有し、
   液化燃料蒸発器からの冷熱を有する冷却媒体は吸気冷却部及び又は第２冷却部を冷却する手段を有し、
   吸気冷却部及び又は第２冷却部を冷却した冷却媒体は液化燃料の蒸発で生じた冷熱を受けとる箇所に戻る手段を有し、
   液化燃料蒸発器からの冷熱を有する冷却媒体の冷熱を配分する経路に熱交換器を有し、
   前記熱交換器を用いて吸気冷却部への冷熱を任意の割合に配分する手段を有し、
   前記吸気冷却部からの熱を受けて温度が上昇した冷却媒体が熱交換器に戻る手段を有し、
   そして吸気冷却部側は、液化燃料蒸発器からの冷熱を有する冷却媒体とは混合しない独立した冷却循環手段を有し、
   液化燃料蒸発器からのガスの冷熱を冷却媒体で吸収してから、冷却媒体が液化燃料蒸発器に入り中間冷却媒体の凝縮による冷熱を吸収することを特徴とするガスタービンプラント。

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