JP2010116855A - ガスタービンプラント及びその出力向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの保有熱を利用可能なガスタービンプラントにおいて、夏場など大気温度が高い時でも、ガスタービンの定格出力を維持でき、かつ排ガスの保有熱をさらに有効活用可能にした。
【解決手段】外気ａを熱交換器６２で冷却して外気密度を増大させた後ガスタービン１０に供給すると共に、燃焼後の排ガスの保有熱で温水を製造し、該温水を駆動熱源として冷凍装置に供給するようにしたガスタービンプラントの出力向上方法において、熱交換器６２で外気ａを加圧しながら冷却することにより、外気に含まれる水蒸気の分圧を高めながら外気の相対湿度を増大させて水蒸気の凝縮を促進すると共に、該熱交換器の出口部で外気を再加熱して圧縮機１４に供給し、製造した温水を吸収式冷凍機４２に供給した後、吸着式冷凍機４４に供給してこれら冷凍機の駆動熱源として循環使用し、該吸着式冷凍機及び該吸収式冷凍機で製造した冷媒を熱交換器６２の冷熱源として使用するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気温度が高くなる夏場などでもガスタービンの出力を維持可能にすると共に、燃焼排ガスが保有する排熱を冷凍装置の駆動熱源とし、この冷凍装置によりガスタービンプラント内の設備に利用する冷熱源を製造するようにしたガスタービンプラント及びその出力向上方法に関する。

ガスタービンは、大気温度が高くなると、圧縮機に吸入される吸気の密度が減少して出力が低下する特性がある。特に、夏場の昼間で電力需要がピークを迎える時、前記理由で発電出力が減少する。そのため、夏場に吸気温度を下げることにより、発電出力を維持すると共に、発電効率の低下を防ぐことが重要であり、これがＣＯ_２排出量の削減につながる。
また、ガスタービンの燃焼排ガス路に排熱回収ボイラを設けて、排ガスの保有熱を利用して蒸気を製造することにより、排ガスの保有熱を有効利用すると共に、排ガスの保有熱を冷凍装置の駆動熱源として利用することは従来公知である。

例えば、特許文献１（特開平６−２９９８６８号公報）には、ガスタービンと排熱回収ボイラとを備えたガスタービン装置において、排熱回収ボイラから出た排ガスを供給して温水を製造する温水発生装置と、この温水発生装置で発生した温水を駆動熱源として動作する冷凍機と、この冷凍機で製造した冷水とガスタービンの吸気を熱交換させる水−空気熱交換器とを備えたガスタービン装置が開示されている。以下、このガスタービン装置の構成を図２により説明する。

図２において、ガスタービン１０１の排ガス系統１０３に排熱回収ボイラ１０２が設けられている。排熱回収ボイラ１０２の蒸気発生系統は、給水加熱器１０４、蒸発器１０５及び過熱器１０６から構成されている。ガスタービン１０１には、燃料ｆと、圧縮機１０７を経た外気ａが供給され、燃焼により動力が発生して発電機１０８を駆動する。約５００℃の排ガスは、排熱回収ボイラ１０２に導入され、排熱回収ボイラ１０２で蒸気を発生させた後、系外に排出される。

排熱回収ボイラ１０２から排出された約１４０〜１５０℃の排ガスは、温水発生装置１０９に導入され、ここで温水循環系統１１０の温水と熱交換して、約８５〜９０℃の温水を発生させる。この昇温された温水は、水−水熱交換器１１４で冷凍機側温水循環系統１１３の温水と熱交換して、冷凍機側温水循環系統１１３の温水を約７０〜７５℃に昇温する。この昇温された温水は、冷凍機１１１に供給され、吸収サイクルや吸着サイクルにおける再生に供されて冷凍機１１１を動作させる。

冷凍機１１１の動作により冷水循環系統１１２の冷水は、約１２℃から約７℃に冷却されて水−空気熱交換器１１５に供給され、水−空気熱交換器１１５を通る約３５℃の外気を約１５℃に冷却する。そして、冷却された外気は吸気系統１１６を通り、圧縮機１０７で圧縮されて、ガスタービン１０１に供給され燃焼に供される。

また、特許文献２（特開昭６０−１７２３２号公報）には、ガスタービンプラントにおいて、燃焼排ガスの保有熱を駆動熱源として稼動する吸収式冷凍機を設け、この吸収式冷凍機の冷媒によりガスタービンの吸気を冷却するようにしたガスタービン装置が開示されている。
吸収式冷凍機や吸着式冷凍機は、比較的低温度の熱源を駆動熱源として利用できるので、排ガスの保有熱を利用するのに適している。

特開平６−２９９８６８号公報 特開昭６０−１７２３２号公報号公報

特許文献１に開示されたガスタービン装置は、温水発生装置１０９や複数の熱交換器を設ける必要があり、設備費が増大すると共に、熱損失が大きい。
また、特許文献１や特許文献２に開示されたガスタービン装置では、排ガスの保有熱をもっと有効に活用できる余地があると共に、ガスタービンの圧縮機に供給される外気を冷却するだけでなく、外気に含まれる湿分を除去することによって、発電出力を向上できる余地が残されている。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、排ガスの保有熱を利用可能なガスタービンプラントにおいて、夏場など大気温度が高い時でも、ガスタービンの定格出力を維持でき、かつ排ガスの保有熱をさらに有効活用可能にしたことを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明のガスタービンの出力向上方法は、
外気を熱交換器で冷却して外気密度を増大させた後ガスタービンに供給すると共に、燃焼後の排ガスの保有熱で温水を製造し、該温水を駆動熱源として冷凍装置に供給するようにしたガスタービンの排熱回収方法において、
前記熱交換器で外気を加圧しながら冷却することにより、外気に含まれる水蒸気の分圧を高めながら外気の相対湿度を増大させて水蒸気の凝縮を促進すると共に、該熱交換器の出口部で外気を再加熱して圧縮機に供給し、
前記温水を吸収式冷凍機に供給した後、吸着式冷凍機に供給してこれら冷凍機の駆動熱源として循環使用し、
該吸着式冷凍機及び該吸収式冷凍機で製造した冷媒を前記熱交換器の冷熱源として使用するようにしたものである。

本発明方法では、ガスタービンの吸気として用いる外気を熱交換器に導入する場合に、熱交換器内で加圧して、外気に含まれる単位体積当りの水蒸気分圧を増大させる。この状態で外気を冷却することにより、相対湿度を増大させ、水蒸気の凝縮を促進させる。
そして、熱交換器の出口部で吸気を再加熱して吸気の相対湿度を低下させ、湿り度が低く冷却されて密度が大きい吸気をガスタービンの圧縮機に供給する。これによって、ガスタービンの発電効率を向上できる。従って、夏場など外気温度が高い時でも、ガスタービンの定格出力を維持できる。

また、排ガスの保有熱で製造した温水をまず吸収式冷凍機に導入して、該吸収式冷凍機の駆動熱源として利用する。次に、吸収式冷凍機の駆動熱源として利用された温水を、吸着式冷凍機の駆動熱源として利用する。吸収式冷凍機より吸着式冷凍機のほうがより低温の熱源を駆動熱源として利用できる。従って、温水をまず吸収式冷凍機に供給し、その後温度が下がった温水を吸着式冷凍機に導入することによって、これら両方の冷凍装置の駆動熱源として有効利用できる。

そして、両冷凍装置で製造した冷媒を前記熱交換器に導入して、外気の冷却に供するようにする。これによって、排熱回収プラントの熱効率を高めることができる。

本発明方法において、排ガスの保有熱で８０〜１００℃の温水を製造し、該温水を前記吸収式冷凍機に供給した後、４０〜８０℃となった温水を前記吸着式冷凍機に供給してこれら冷凍機の駆動熱源として循環使用するようにするとよい。図２に示すように、排熱回収ボイラ１０２を出た排ガスは、約１４０〜１５０℃の温度を有しており、この温度で８０〜１００℃の温水を製造することが可能である。この温水を吸収式冷凍機の駆動熱源として利用し、その後、４０〜８０℃となった温水を吸着式冷凍機の駆動熱源として利用する。これによって、排ガスが低温度となるまでその保有熱を有効利用できる。

また、前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明のガスタービンプラントは、
ガスタービンと、ガスタービンの圧縮機に供給する外気を冷却して外気密度を増大させる熱交換器と、燃焼後の排ガスを熱源として温水を製造する温水発生装置と、該温水を駆動熱源とする冷凍装置とからなるガスタービンプラントにおいて、
前記熱交換器の入口部に外気を取り込んで加圧する加圧装置を設けると共に、該熱交換器の内部に外気流路上流側から順に、外気を冷却する冷却域、該冷却域で凝縮した湿分を捕集する捕集域、及び冷却された外気を再加熱する再熱域を設け、
前記冷凍装置が吸収式冷凍機と吸着式冷凍機とからなり、前記温水発生装置で製造した温水を該吸収式冷凍機から該吸着式冷凍機に順に供給して該温水発生装置に戻す温水循環路を設け、
該吸収式冷凍機及び吸着式冷凍機で製造した冷媒を前記熱交換器の冷却域に供給するように構成したものである。

本発明装置では、外気を導入して冷却する熱交換器に、前記熱交換器の入口部に、例えば押込みファン等のように、外気を取り込んで加圧する加圧装置を設ける。熱交換器内で外気を加圧することによって、外気が保有する水蒸気の分圧が上がる。この状態で外気を冷却することにより、相対湿度を増大させ、水蒸気の凝縮を促進させることができる。
また、熱交換器出口部に設けた再熱域で外気を再加熱し、外気の相対湿度を下げる。こうして、相対湿度が低く冷却されて密度が大きい吸気をガスタービンの圧縮機に導入できるので、ガスタービンの熱効率を高めることができる。従って、夏場など外気温度が高い時でも、ガスタービンの定格出力を維持できる。

また、温水発生装置で製造した温水をまず吸収式冷凍機に供給し、吸収式冷凍機の駆動熱源として利用した後、次に、温水を吸着式冷凍機夫々の冷凍機の駆動熱源として有効利用することにより、排ガスが低温度になるまでその保有熱を最大限に利用できる。

本発明装置において、吸収式冷凍機及び吸着式冷凍機で製造した冷媒の一部をガスタービンプラント内設備の冷熱源として用いるようにするとよい。これによって、排ガスの保有熱をさらに有効活用できると共に、ガスタービンプラント全体の熱効率を向上できる。

本発明方法によれば、外気を熱交換器で冷却して外気密度を増大させた後ガスタービンに供給すると共に、燃焼後の排ガスの保有熱で温水を製造し、該温水を駆動熱源として冷凍装置に供給するようにしたガスタービンプラントの出力向上方法において、前記熱交換器で外気を加圧しながら冷却することにより、外気に含まれる水蒸気の分圧を高めながら外気の相対湿度を増大させて水蒸気の凝縮を促進すると共に、該熱交換器の出口部で外気を再加熱して圧縮機に供給し、前記温水を吸収式冷凍機に供給した後、吸着式冷凍機に供給してこれら冷凍機の駆動熱源として循環使用し、該吸着式冷凍機及び該吸収式冷凍機で製造した冷媒を前記熱交換器の冷熱源として使用するようにしたことにより、外気温度が高くなる夏場等においても、ガスタービンの定格出力を維持し、ガスタービンプラントの熱効率を高めることができると共に、排ガスの保有熱を最大限に利用できて、排熱回収プラントの熱効率を向上できる。

また、本発明装置によれば、ガスタービンと、ガスタービンの圧縮機に供給する外気を冷却して外気密度を増大させる熱交換器と、燃焼後の排ガスを熱源として温水を製造する温水発生装置と、該温水を駆動熱源とする冷凍装置とからなるガスタービンプラントにおいて、前記熱交換器の入口部に外気を取り込んで加圧する加圧装置を設けると共に、該熱交換器の内部に外気流路上流側から順に、外気を冷却する冷却域、該冷却域で凝縮した湿分を捕集する捕集域、及び冷却された外気を再加熱する再熱域を設け、前記冷凍装置が吸収式冷凍機と吸着式冷凍機とからなり、前記温水発生装置で製造した温水を該吸収式冷凍機から該吸着式冷凍機に順に供給して該温水発生装置に戻す温水循環路を設け、
該吸収式冷凍機及び吸着式冷凍機で製造した冷媒を前記熱交換器の冷却域に供給するように構成したことにより、前記本発明方法の実施が可能になり、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の一実施形態に係るガスタービンプラントの構成図である。図１において、ガスタービン１０の燃焼器１２には、燃料ｆと、圧縮機１４を経た外気が供給され、燃焼により動力が発生して発電機１６を駆動する。ガスタービン１０の燃焼排ガスは、排ガス路１８を経て排熱回収ボイラ２０に導入される。排熱回収ボイラ２０の蒸気発生系統は、給水加熱器２２、蒸発器２４及び過熱器２６から構成されている。排ガスは、排ガスボイラ２０で蒸気を発生させた後、排気塔２８から系外に排出される。

排熱回収ボイラ２０で製造された過熱蒸気は、蒸気供給管３２で消費先に送られ、一部が蒸気枝管３４を経て温水槽３６に供給される。そして、過熱蒸気の保有熱で温水槽３６に貯留された水を加熱して、８０〜１００℃の温水を製造する。温水槽３６には、温水循環路３８が設けられ、これらの機器類により温水供給系統３０が構成される。
温水循環路３８は、温水槽３６と吸収式冷凍機４２及び吸着式冷凍機４４とを接続している。

冷水製造系統４０は、吸収式冷凍機４２、吸着式冷凍機４４、冷却塔４６及び冷水槽５０等から構成されている。
吸収式冷凍機４２には、循環路４８により、臭化リチウム等の吸収液を冷却する冷却水が供給される。また、冷却塔４６で冷却された冷却水が循環路５２を介して吸収式冷凍機４２の凝縮器４２ａに供給されると共に、冷却塔４６から循環路５４を介して冷却水が吸着式冷凍機４４の凝縮器４４ａに供給される。

かかる構成において、温水槽３６から温水循環路３８を介して８０〜１００℃の温水が吸収式冷凍機４２に供給される。吸収式冷凍機４２ではこの温水を駆動熱源として冷水を製造する。吸収式冷凍機４２で製造された冷水は、循環路５６を経て冷水槽５０に送られ、冷水槽５０に貯留される。
吸収式冷凍機４２で駆動熱源として利用された温水は、吸収式冷凍機４２の出口で４０〜８０℃となり、次に、温水循環路３８を通って吸着式冷凍機４４に供給される。
吸着式冷凍機４４では、この温水を駆動熱源として使い、冷水を製造する。製造された冷水は、循環路５８を経て冷水槽５０に送られ、冷水槽５０に貯留される。

次に、ガスタービン１０の圧縮機１４に吸入される吸気の吸入系統６０の構成を説明する。外気ａは吸気冷却熱交換器６２の入口部に設けられた押込みファン６４によって吸気冷却熱交換器６２の内部に取入れられる。吸気冷却熱交換器６２の内部には、外気流路に面して上流側から順に採熱域６６、冷却域６８、湿分捕集域７０及び再熱域７２が設けられている。

採熱域６６には採熱管６６ａが配置され、採熱管６６ａは再熱域７２に配置された再熱管７２ａと循環路７４で接続されている。循環路７４にはポンプ７６が介設され、ポンプ７６により循環路７４内で採熱水を循環させるようにしている。冷却域６８には、冷却管６８ａが配設され、冷却管６８ａは循環路７８と接続されている。循環路７８は、冷水槽５０に接続され、冷水槽５０に貯留された冷水が循環路７８を介して冷却管６８ａ内を循環するように構成されている。
湿分捕集域７０には、多数の湿分捕集材７０ａが分散配置され、湿分捕集材７０ａを通る外気に含まれる湿分を湿分捕集材７０ａで捕集するように構成されている。

かかる構成により、外気ａが吸気冷却熱交換器６２の入口部に設けられた押込みファン６４により吸気冷却熱交換器６２の内部に導入される。吸気冷却熱交換器６２内では、押込みファン６４の駆動により外気ａが大気圧より高圧となっている。循環路７４ではポンプ７６により採熱水が循環している。採熱水は、採熱管６６ａを流れる時、外気ａの保有熱で暖められ、再熱域７２に配置された再熱管７２ａに到達した時に、再熱域７２を通る外気ａを加温する。

加圧された外気ａは、冷却域６８で冷却管６８ａを流れる冷水で冷却される。外気ａは加圧されることによって、外気ａ中の水蒸気分圧が上がる。また、冷却域６８で冷却されることで、飽和水蒸気圧は低下する。そのため、冷却管６８ａで外気ａの相対湿度が急激に上がり、水蒸気の凝縮が促進される。凝縮した湿分は、湿分捕集域７０で湿分捕集材７０ａに捕集される。湿分を除去された外気ａは、再熱域７２で加温されて、相対湿度を低下される。相対湿度を低下された外気ａは、吸気路８０を通り、吸気フィルタ８２でごみ等の夾雑物を除去されて、圧縮機１４に吸入される。

なお、吸気路８０に吸気フィルタ８２を設ける代わりに、吸気冷却熱交換器６２の湿分捕集域７０にごみ等の夾雑物を除去する機能を持たせるようにすれば、吸気フィルタ８２を省略することができる。これによって、吸入系統６０のメンテナンスの頻度を節減でき、ガスタービンプラントの運転を延長できる。

冷水槽５０には、熱交換器８０に冷水を供給する循環路８４が設けられている。熱交換器８６には、ガスタービンプラントの冷却系統を構成する冷媒循環路８８が接続されている。そして、熱交換器８６で冷媒循環路８８から送られてくる潤滑油等を冷水と熱交換して冷却している。

本実施形態によれば、外気ａを吸気冷却熱交換器６２で加圧して、外気ａ中の水蒸気分圧を上げ、その後冷却域６８で冷却するようにしているので、外気ａ中の水蒸気の凝縮を促進させ、水蒸気の凝縮量を増大させることができる。
さらに、凝縮した湿分を湿分捕集域７０で除去した後、再熱域７２で再加熱しているので、外気ａの相対湿度を一気に低下させることができる。これによって、相対湿度の低い冷却された外気ａを圧縮機１４に供給できるので、ガスタービン１０の熱効率及び発電出力を向上させ、大気温度が高い夏場でも定格出力を維持できる。

また、温水槽３６に８０〜１００℃の温水を貯留し、まずこの温水を吸収式冷凍機４２に供給して吸収式冷凍機４２の駆動熱源として使用し、次に、４０〜８０℃に降温した温水を吸着式冷凍機４４に供給し、吸着式冷凍機４４の駆動熱源として使用するようにしているので、温水が４０℃の低温度となるまで温水の保有熱を最大限まで利用できる。
そして、吸収式冷凍機４２及び吸着式冷凍機４４で製造した冷水を一旦冷水槽５０に貯留し、冷水槽５０に貯留した冷水を吸気冷却熱交換器６２に送って、吸気冷却熱交換器６２の冷熱源として利用しているので、ガスタービンプラントの熱効率を向上できる。

さらには、吸収式冷凍機４２及び吸着式冷凍機４４で製造した冷水の一部を、冷媒循環路８８を介してガスタービンプラントの冷却系統に供給しているで、ガスタービンプラント全体の熱効率を向上できる。

本発明によれば、大気温度が高い夏場でも低温かつ低湿度の吸気をガスタービンに供給できるので、発電出力を向上できると共に、排ガスの保有熱を有効利用して、ガスタービンプラントの熱効率を向上できる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンプラントの構成図である。 ガスタービンプラントの構成図である。

符号の説明

１０ ガスタービン
１４ 圧縮機
２０ 排熱回収ボイラ
３０ 温水供給系統
３６ 温水槽
３８ 温水循環路
４０ 冷水製造系統
４２ 吸収式冷凍機
４４ 吸着式冷凍機
５０ 冷水槽
６０ 吸気吸入系統
６２ 吸気冷却熱交換器
６４ 押込みファン（加圧装置）
６８ 冷却域
６８ａ 冷却管
７０ 湿分捕集域
７２ 再熱域
８６ 熱交換器
８８ 冷媒循環路
ａ 外気

Claims (4)

1. 外気を熱交換器で冷却して外気密度を増大させた後ガスタービンに供給すると共に、燃焼後の排ガスの保有熱で温水を製造し、該温水を駆動熱源として冷凍装置に供給するようにしたガスタービンプラントの出力向上方法において、
   前記熱交換器で外気を加圧しながら冷却することにより、外気に含まれる水蒸気の分圧を高めながら外気の相対湿度を増大させて水蒸気の凝縮を促進すると共に、該熱交換器の出口部で外気を再加熱して圧縮機に供給し、
   前記温水を吸収式冷凍機に供給した後、吸着式冷凍機に供給してこれら冷凍機の駆動熱源として循環使用し、
   該吸着式冷凍機及び該吸収式冷凍機で製造した冷媒を前記熱交換器の冷熱源として使用するようにしたことを特徴とするガスタービンプラントの出力向上方法。
2. 排ガスの保有熱で８０〜１００℃の温水を製造し、該温水を前記吸収式冷凍機に供給した後、４０〜８０℃となった温水を前記吸着式冷凍機に供給してこれら冷凍機の駆動熱源として循環使用するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンプラントの出力向上方法。
3. ガスタービンと、ガスタービンの圧縮機に供給する外気を冷却して外気密度を増大させる熱交換器と、燃焼後の排ガスを熱源として温水を製造する温水発生装置と、該温水を駆動熱源とする冷凍装置とからなるガスタービンプラントにおいて、
   前記熱交換器の入口部に外気を取り込んで加圧する加圧装置を設けると共に、該熱交換器の内部に外気流路上流側から順に、外気を冷却する冷却域、該冷却域で凝縮した湿分を捕集する捕集域、及び冷却された外気を再加熱する再熱域を設け、
   前記冷凍装置が吸収式冷凍機と吸着式冷凍機とからなり、前記温水発生装置で製造した温水を該吸収式冷凍機から該吸着式冷凍機に順に供給して該温水発生装置に戻す温水循環路を設け、
   該吸収式冷凍機及び吸着式冷凍機で製造した冷媒を前記熱交換器の冷却域に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プラント。
4. 前記吸収式冷凍機及び吸着式冷凍機で製造した冷媒の一部をガスタービンプラント内設備の冷熱源として用いるようにしたことを特徴とする請求項３に記載のガスタービンプラント。

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