JP2011047365A - ガスタービン用吸気調温装置、並びに、これを備えたガスタービン及びガスタービンコンバインドサイクル発電プラント - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービン設備に用いられるガスタービン用吸気調温装置であって、外部から前記圧縮機へと吸い込まれる吸込空気と熱交換可能な熱交換手段と、前記ガスタービン設備の要求出力に応じて前記熱交換手段によって前記吸込空気の温度を調整させる吸気温度制御部とを備え、前記吸気温度制御部は、前記圧縮機入口における前記吸込空気の圧縮機入口温度TINが、ガスタービン設備の定格出力WPNに応じた定格温度TPN未満、かつ、前記ガスタービン設備の最大許容出力WMAXに応じた最低温度TMIN以上となるように制御することを特徴とする。
【選択図】図2
Description
一方、常に所望する出力を確保しようとすると、出力が増大し過ぎてガスタービン設備の構成装置・構成部品(例えば、軸受等)が損傷する恐れがあるという問題がある。
(1)所望する出力に対して十分な出力を得る。
(2)適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止する。
すなわち、本発明に係るガスタービン用吸気調温装置は、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービン設備に用いられるガスタービン用吸気調温装置であって、外部から前記圧縮機へと吸い込まれる吸込空気と熱交換可能な熱交換手段と、前記ガスタービン設備の要求出力に応じて前記熱交換手段によって前記吸込空気の温度を調整させる吸気温度制御部とを備え、前記吸気温度制御部は、前記圧縮機入口における前記吸込空気の圧縮機入口温度が、ガスタービン設備の定格出力に応じた定格温度未満、かつ、前記ガスタービン設備の最大許容出力に応じた最低温度以上となるように制御することを特徴とする。
この構成によれば、吸気温度制御部が、圧縮機入口における吸込空気の圧縮機入口温度を、ガスタービン設備の定格出力に応じた定格温度未満、かつ、前記ガスタービン設備の最大許容出力に応じた最低温度以上となるように制御するので、ガスタービン設備の出力が定格出力よりも大きく、かつ、最大許容出力以下となる範囲に制御される。これにより、十分な出力を継続して確保することができ、また、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
なお、「ガスタービン設備」とは、ガスタービンの他、例えば、ガスタービンを備える発電プラントを含む意味で用いている。
また、「定格出力」「最大許容出力」は、ガスタービン設備の仕様によって定まる。
この構成によれば、タービンから排出された排気ガスを熱源とするので、新たに熱源を付加する必要がなく、外部に放出される熱を有効利用することで、エネルギー効率が良好なものとなる。
この構成によれば、圧縮機より抽気した圧縮空気を熱源とするので、新たに熱源を付加する必要がなく、エネルギー効率が良好なものとなる。
この構成によれば、圧縮機入口温度が、常に最低温度となるように制御するので、最大許容出力を継続して得ることができる。
この構成によれば、要求出力と定格出力とを比較して、発電に伴う収支が所定の基準を満たすことを条件として、圧縮機入口温度を定格温度未満、かつ、最低温度以上にするので、発電に伴う収支とは無関係に圧縮機入口温度を定格温度未満とすることを避けることができる。これにより、発電に伴う収支に基づいて限定的に吸込空気を定格温度未満とするので、経済的な運転が可能となる。
この構成によれば、上記いずれかのガスタービン用吸気調温装置を備えるので、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
この構成によれば、上記いずれかのガスタービン用吸気調温装置を備えるので、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
また、本発明に係るガスタービンによれば、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
また、本発明に係るガスタービンコンバインドサイクル発電プラントによれば、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、ガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態に係るGTCC発電プラントG1の概略構成図である。図1に示すように、GTCC発電プラントG1は、ガスタービン1と、ガスタービン用吸気調温装置2と、発電機4と、ボイラと蒸気タービンとから概略構成される不図示の排熱利用手段5とを備えている。
第一熱交換器21は、外部から吸い込んだ吸込空気Aの吸込流路に設けられており、吸込空気Aとの熱交換によって昇温した熱媒体H1を冷凍機22に供給する。
冷凍機22は、第一熱交換器21から昇温した熱媒体H1を受けて降温させると共に、排熱を熱媒体H2に放出し、第二熱交換器23に供給する。
第二熱交換器23は、熱媒体H2から排熱された熱を外部へ放出すると共に、排熱後の熱媒体H2を冷凍機22に供給する。
第一熱交換器21は、吸込空気Aによって降温した熱媒体H1を第三熱交換器31に供給する。
第三熱交換器31は、タービン1cと排熱利用手段5との間に配されており、排気ガスg1を熱源として熱媒体H1を加熱する。具体的には、吸込空気Aによって降温した熱媒体H1を管路20a及び管路30aを介して第一熱交換器21から受けると共に、排気ガスg1と熱交換して昇温した熱媒体H1を第一熱交換器21に供給する。
図2に示すように、最低温度TMINは、GTCC発電プラントG1の最大許容出力WMAXに対応する圧縮機入口温度TINである。すなわち、最大許容出力WMAXにおいて、定格温度TPNよりも相対的に低温となり質量流量が大きくなる圧縮機入口温度TINであり、最大許容出力WMAXから定まるものである。この最大許容出力WMAXは、プラントの仕様として予め定められるものであって、例えば、ロータ1dの機械的な強度や稼働条件等が考慮されて定められている。
図3に示すように、吸気温度制御部50は、測定部40から大気温度Tambが入力されると、この入力された大気温度Tambが定格温度TPN未満であるか否かを判定する(ステップS1)。
一方、常に所望する出力Wを確保しようとすると、特に冬季や寒暖の差が激しい春季及び秋季に出力Wが増大し過ぎてGTCC発電プラントG1やガスタービン1の構成装置・構成部品が損傷する恐れがある。
しかしながら、GTCC発電プラントG1によれば、圧縮機入口温度TINを、定格温度TPN未満、かつ、最低温度TMIN以上となるように制御するので、GTCC発電プラントG1の出力Wが定格出力WPNよりも大きく、かつ、最大許容出力WMAX以下となる範囲に制御される。
従って、十分な出力Wを継続して確保することができ、また、適切な出力WでGTCC発電プラントG1やガスタービン1の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
なお、熱源としてタービン1cからの排気ガスg1の一部を利用してもよいし、排気ガスg1の全部を利用しても良い。
図5は、本発明の第二実施形態に係るGTCC発電プラントG2を示す概略構成図である。なお、図5において、図1〜図4と同様の構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
第四熱交換器61は、圧縮空気a1を熱源として熱媒体H1を加熱する。具体的には、吸込空気Aによって降温した熱媒体H1を第一熱交換器21から受けると共に、圧縮空気a1と熱交換して昇温した熱媒体H1を第一熱交換器21に供給する。
図6は、本発明の第三実施形態に係るGTCC発電プラントG3の概略構成図である。なお、図6において、図1〜図5と同様の構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
なお、本実施形態においては、動翼等の消耗コスト増分と燃料差分コストCF等からなる差分コストCCのうち、大部分を占める燃料差分コストCFを差分コストCCとして擬制している。
ここで、電力需要は、販売可能な電力を含んでおり、例えば、自家発電で売電可能な場合には、売電することができる電力、電気事業者で顧客に販売した電力の残りを他の電力事業者に売電できる場合には、他の電気事業者に売電することができる電力を含むものである。
なお、要求出力WPRと要求入口温度TPRとの所定の関係は、例えば、”Gas Turbine Theory 5th Edition”,Sarabanamuttoo,HIH,et al.,2001“等に示されるものを用いることができる。
この差分冷凍動力演算手段81bは、比エンタルピ差演算部81b1と、差分冷凍能力演算部81b2と、差分冷凍動力演算部81b3とを備えている。
吸込空気Aの吸気流量GINは、図6に例示したように、ガスタービン制御装置1fから得る構成としてもよいし、別途ガスタービン吸気流量演算部を設けて、圧縮機入口温度TINから吸込空気Aの吸気流量GINを演算する構成としても良い。ガスタービン吸気流量演算部を設ける場合には、例えば、”Gas Turbine Theory 5th Edition”,Sarabanamuttoo,HIH,et al.,2001“等に示される方法を用いて吸込空気Aの吸気流量GINを演算することができる。
なお、電力価格PEは、より最新のものが好ましい。
燃料差分コスト演算部82aは、差分出力演算部81cに演算された差分出力ΔWと、予め記憶部85に記憶された単位発熱量当たりの燃料価格PF及びガスタービン制御装置1fから与えられる発電効率EG(図6の(3))に基づいて、燃料差分コストCFを演算する。
なお、発電効率EGは、冷凍機動力を差し引かないGTCC発電プラントG3の出力(W)を投入する燃料発熱量(Q)で除した値である。
判定手段83は、定格出力WPNよりも要求出力WPRが大きく、かつ、差分コストCC(または燃料差分コストCF)よりも差分収入INCが大きいか否かを判定する。
一方、WPR>WPNである場合において、0<(差分収入INC−差分コストCC)…(収支が黒字)のときには、吸込空気Aを定格温度TPN未満、かつ、最低温度TMIN以上に冷却する。
まず、図6に示すように、要求入口温度演算部81aは、入力された要求出力WPRと、要求出力WPRを得るために必要な圧縮機入口温度TINである要求入口温度TPRと要求出力WPRとの所定の関係(図6の(1))から、要求入口温度TPRを演算する。
従って、吸込空気Aを経済的に冷却すると共に適切に電力需要に応えることができる。
従って、吸込空気Aを効率的に冷却すると共に適切に電力需要に応えることができる。
例えば、上述した実施の形態では、加熱循環系30(60)を構成し、排気ガスg1(圧縮空気a1)を熱源としたが、熱源を別途設ける構成としてもよい。
また、ボイラなどで一旦排熱を利用した後の排気ガスg1を熱源としてもよいし、ボイラや蒸気タービンからの蒸気を利用してもよい。
また、冷却循環系20と独立的に加熱循環系30(60)を構成したが、加熱源と冷却源とを同一の循環系に設けてもよい。
また、冷却循環系20と独立的に加熱循環系30(60)を構成したが、完全に独立させて、第一熱交換器21に別々に熱媒体H1を供給する構成にしてもよい。また、第一熱交換器21を一つとせず、複数設けてもよい。
また、記憶部85に保管されたデータ等は予め記憶させておいてもよいし、その都度直接入力してもよい。
また、上述した実施の形態では、吸込空気Aを冷却する熱交換手段として第一熱交換器21を設けたが、他の構成を採用してもよい。
1a…圧縮機
1b…燃焼器
1c…タービン
2…ガスタービン用吸気調温装置
4…発電機
5…排熱利用手段
20…冷却循環系
21…第一熱交換器(熱交換手段)
30,60…加熱循環系
50,70,80…吸気温度制御部
A…吸込空気
H1,H2…熱媒体
EG…発電効率
G1〜G3…GTCC発電プラント(ガスタービン設備)
PE…電力価格
a1…圧縮空気
g1…排気ガス
TIN…圧縮機入口温度
TPN…定格温度
WPN…定格出力
TMIN…最低温度
WMAX…最大許容出力
Claims (7)
- 圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービン設備に用いられるガスタービン用吸気調温装置であって、
外部から前記圧縮機へと吸い込まれる吸込空気と熱交換可能な熱交換手段と、
前記ガスタービン設備の要求出力に応じて前記熱交換手段によって前記吸込空気の温度を調整させる吸気温度制御部とを備え、
前記吸気温度制御部は、前記圧縮機入口における前記吸込空気の圧縮機入口温度が、ガスタービン設備の定格出力に応じた定格温度未満、かつ、前記ガスタービン設備の最大許容出力に応じた最低温度以上となるように制御することを特徴とするガスタービン用吸気調温装置。 - 前記熱交換手段は、前記タービンの排気ガスを熱源と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吸気調温装置。
- 前記熱交換手段は、前記圧縮機より抽気した圧縮空気を熱源と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吸気調温装置。
- 前記吸気温度制御部は、前記圧縮機入口における前記吸込空気の圧縮機入口温度が、前記最低温度となるように制御することを特徴とする請求項1から3のうちいずれか一項に記載のガスタービン用吸気調温装置。
- 前記ガスタービン設備は、発電機を備え、
前記吸気温度制御部は、前記定格出力と前記要求出力とを比較し、前記要求出力が大きい場合において、設定された電力価格に基づいて発電に伴う収支が所定の基準を満たすことを条件として、前記圧縮機入口温度を前記定格温度未満、かつ、前記最低温度以上となるように制御することを特徴とする請求項1から4のうちいずれか一項に記載のガスタービン用吸気調温装置。 - 請求項1から5のうちいずれか一項に記載のガスタービン用吸気調温装置を備えるガスタービン。
- 請求項1から5のうちいずれか一項に記載のガスタービン用吸気調温装置と、
圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービンと、
前記ガスタービンからの排熱を利用する排熱利用手段とを備えることを特徴とするガスタービンコンバインドサイクル発電プラント。
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