JP2013174152A

JP2013174152A - ガスタービン吸気冷却装置及びガスタービン発電システム

Info

Publication number: JP2013174152A
Application number: JP2012038159A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Saegusa; 茂三枝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: JP5635023B2

Abstract

【課題】
吸気ダクトの外側から冷媒を噴霧するようにしたガスタービン吸気冷却において、冷媒噴霧による吸入空気の冷却を十分に行うことができるガスタービン吸気冷却装置及びそれを備えたガスタービン発電システムを提供する。
【解決手段】
冷媒を噴霧する冷媒噴霧系統２を吸気ダクト２００の入口に設置し、噴霧ノズルと吸気ダクト入口の間隔（距離）が可変となるように、例えば、噴霧ノズルが設けられた冷却水供給配管２ｃを支持する冷却水供給配管用架台２ｂに架台移動用車輪２ｄと車輪駆動用モータ２ｅを取り付ける。噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間を横切る風の風速に基づき、噴霧ノズルから噴霧されるミストの噴霧距離を定め、ミスト噴霧距離に応じて噴霧ノズルの位置を移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン吸気冷却装置及びガスタービン発電システムに関する。

ガスタービン発電システムにおいて吸入空気を冷媒（冷却水）の気化熱により冷却し出力の増加を図るガスタービン冷却装置が知られている。従来のガスタービン吸気冷却装置としては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。

この特許文献1には、冷媒（冷却水）の供給系統を複数備えた場合であっても大気条件（温度、湿度）やガスタービンの運転状態を示す信号から冷媒（冷却水）を効率よく噴霧・気化させる方法が開示されている。

特開2011-111944号公報

従来、特許文献１に記載の技術も含めて、冷却水の噴霧量の調節は、大気条件（温度、湿度）に基づき行うようにしている。しかし、本発明者等の検討によれば、吸気ダクトの外側から冷却水を噴霧する場合には、風の影響を考慮する必要がある。即ち、風の影響により噴霧が流されてしまい、噴霧による吸入空気の冷却が十分に行われず、期待した出力増加が得られない。特許文献１に記載の技術を含めて、従来、風の影響については考慮されていない。

本発明は、吸気ダクトの外側から冷媒を噴霧するようにしたガスタービン吸気冷却において、冷媒噴霧による吸入空気の冷却を十分に行うことができるガスタービン吸気冷却装置及びそれを備えたガスタービン発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、冷媒を噴霧する噴霧ノズルと吸気ダクト入口の間隔（距離）が可変となるように、噴霧ノズルを移動可能に構成したことを特徴とする。

また、本発明は、噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間を横切る風の風速に基づき、噴霧ノズルから噴霧されるミストの噴霧距離（若しくは噴霧ノズルと吸気ダクト入口との距離）を定め、ミスト噴霧距離（若しくは噴霧ノズルと吸気ダクト入口との距離）に応じて、吸気ダクト入口に対する噴霧ノズルの位置を移動させる（若しくはミスト噴霧距離を調整する）ようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、複数の噴霧ノズルで所定の噴霧流量を噴霧し、噴霧ノズルの個数を変更することにより、噴霧ノズル１個あたりの噴霧流量を変更してミスト噴霧距離を変更するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、噴霧ノズルを移動可能に構成しているので、風速の状況に応じて、噴霧ノズルと吸気ダクト入口の間隔を可変とすることができ、そして、風速が強いときに間隔を狭めることができ、噴霧が風に流されないようにして吸気を冷却することができる。

また、本発明によれば、風の影響を受けにくいようにミスト噴霧距離（若しくは噴霧ノズルと吸気ダクト入口との距離）を定めることができ、そして、ミスト噴霧距離（若しくは噴霧ノズルと吸気ダクト入口との距離）に応じて噴霧ノズルと吸気ダクト入口の間隔を設定（若しくはミスト噴霧距離を調整）できるので、未気化のミスト（水滴）が残ったまま吸気ダクトに流入することを抑制することができる。

また、本発明によれば、全体の噴霧流量を変えることなく容易にミスト噴霧距離を変更することができる。

本発明の一実施例を適用したガスタービン発電システムの概要図である。本発明の一実施例のガスタービン吸気冷却装置を示す図である。本発明の一実施例における制御装置の処理内容を示す図である。本発明の一実施例における制御装置の吸気ダクト入口温度の演算処理を示すフロー図である。本発明の一実施例における制御装置の吸気ダクト入口温度の冷却に必要な冷却水量の演算処理を示すフロー図である。本発明の一実施例における可動式ノズルの噴霧距離と移動距離の関係を示す図である。本発明の一実施例における制御装置の可動式ノズルの移動距離の演算処理を示すフロー図である。

以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。

図１に本発明の一実施例のガスタービン吸気冷却装置を適用したガスタービン発電システムを示す。ガスタービン発電システムは、大気を吸入する吸気ダクト２００と、吸入空気を圧縮する圧縮機３００と、燃料を圧縮空気とともに燃焼させる燃焼器４００と、燃焼ガスで駆動するガスタービン５００と、ガスタービンの回転で駆動される発電機６００を有する。さらに、ガスタービン発電システムは、吸入空気を冷媒の気化熱により冷却し出力の増加を図るガスタービン吸気冷却装置１００が吸気ダクト２００の外に設けられている。吸気ダクト内に吸気冷却装置を設ける場合があるが、既設のガスタービン発電システムに新たに吸気冷却装置を設ける場合、吸気ダクトの改造を伴うので、本実施例のように、吸気ダクトの外に吸気冷却装置を設けるのが好ましい。もちろん、新設のガスタービン発電システムに本実施例を適用するようにしても良い。

本実施例のガスタービン吸気冷却装置１００は、図１に示すように、冷媒として使用する冷却水を供給する冷媒供給系統１と、冷却水を吸気ダクト２００にミスト状にして噴霧する冷媒噴霧系統２と、大気条件やガスタービン設備及び冷媒供給系統などの運転状態を示す信号を基に各種演算を行い、冷媒供給系統１と冷媒噴霧系統２に制御指令を送信する制御装置３から構成されている。

冷媒供給系統１は、図２に示すように、受水タンク１ａ１と高圧送水ポンプ１ａ２で構成された高圧ミストユニット１ａと、冷却水の流量を調節する流調弁１ｂと、噴霧系統の切替を行う電磁弁１ｃ（１ｃ１、１ｃ２）から構成されており、接続用チューブ２ａで冷媒噴霧系統２と連結している。また、高圧ミストユニット１ａには圧力逃がし機構１ａ３が設けられている。また、流調弁１ｂの下流には流量検出器１ｄが設置され、全体の噴霧ノズルからミストとして噴霧される流量（ミスト噴出水流量）を計測している。また、電磁弁１ｃ（１ｃ１、１ｃ２）の下流には圧力検出器１ｅ１、１ｅ２が設置され、噴霧ノズルのノズル圧力を計測している。

冷媒噴霧系統２は、図２に示すように、冷却水供給配管２ｃを固定する冷却水供給配管用架台２ｂと、冷却水を噴霧する噴霧ノズルを取付けた冷却水供給配管２ｃ（２ｃ１、２ｃ２）から構成されている。また、冷却水供給配管用架台２ｂは架台移動用車輪２ｄ（２ｄ１、２ｄ２）を有しており、車輪駆動用モータ２ｅの駆動力により吸気ダクトに対して前後に移動し、噴霧ノズルと吸気ダクト入口の間隔を調節できるようになっている。

冷却水供給配管２ｃは、本実施例では、冷却水供給配管２ｃ１と冷却水供給配管２ｃ２の２系統で構成されている。また、冷却水供給配管２ｃ１には噴霧ノズルが288個取付けられ、冷却水供給配管２ｃ２には噴霧ノズルが200個取付けられている。噴霧ノズルは同じ特性のものが用いられている。冷却水供給配管２ｃ１は、後述のように、短距離噴霧用として用い、冷却水供給配管２ｃ２は、長距離噴霧用として用いる。

制御装置３は、図３に示すように、大気条件（温度、湿度、風速）や冷媒供給系統１（１ｄ、１ｅ１、１ｅ２）１からデータを取得する入力部３ａと、各種演算処理を行う演算部３ｂと、演算した結果を出力する出力部３ｃを有している。

演算部３ｂは、ミスト噴霧による吸気ダクト入口温度の目標値算出処理３ｂ１と、目標温度に低下に必要なミスト噴出水量算出処理３ｂ２と、流量調節弁制御信号と配管経路（２ｃ１、２ｃ２の選択）を算出する弁開閉信号算出処理３ｂ３と、冷却水供給配管用架台２ｂの移動位置算出処理３ｂ４とを有する。

ガスタービンの出力が目標出力より低いとき、ミストの噴霧により吸気ダクト入口空気温度を低下させ、ガスタービンの出力上昇を図る例について、これらの演算処理（３ｂ１〜３ｂ４）を以下に詳細に説明する。

ガスタービンの出力は、大気温度で変動するため大気温度に対する出力特性を持っている（図４におけるＧＴ出力特性関数３１参照）。本特性は、大気温度が高い時はガスタービンの効率が低下し出力が低くなる。

吸気ダクト入口温度算出処理３ｂ１は、図４に示すように、乾球温度Taを入力値としてＧＴ出力特性関数３１から計画出力Paを求める。計画出力Paとガスタービン制御装置（図示省略）から取込んだガスタービン出力値３２（Po）を基に計算式３３で目標ガスタービン出力Pを求める。目標ガスタービン出力Pを入力値として出力特性関数３１から吸気ダクト入口温度Tin（目標値）を求める。

ミスト噴出水量算出処理３ｂ２は、図５に示すように、乾球温度Taと湿球温度Thと吸気ダクト入口温度Tinを基に、湿り空気線図関数３４から乾球温度Ta時の絶対湿度Haと吸気ダクト入口温度Tin時の絶対湿度Hinを求める。絶対湿度Haと絶対湿度Hinとガスタービン制御装置（図示省略）から取込んだ吸気ダクト吸込み空気流量Faから、計算式３５でミスト噴出水量（目標値）Fwを求める。

弁開閉信号算出処理３ｂ３の流量調節弁開度算出は、図３に示すように、冷媒供給系統１の流量検出器１ｄから取込んだ冷却水流量の実測値FXとミスト噴出水量（目標値）Fwを基にフィードバック制御により冷媒供給系統の流量調節弁の開度を求め、出力部３ｃで弁の開閉信号に変換して冷却水流量がミスト噴出水量（目標値）になるように制御する。

３ｂ１〜３ｂ３の演算処理に基づきミスト噴霧水量を制御すれば、ガスタービン出力を目標値まで出力増加させることができる。しかしながら、上述したように、吸気ダクトの外側から冷却水を噴霧する場合には、風の影響により噴霧が流されてしまい、噴霧による吸入空気の冷却が十分に行われず、期待した出力増加が得られなくなる。本実施例では、次のようにして冷媒噴霧による吸入空気の冷却が十分に行われ、目的の出力増加ができるようにしている。

先ず、風の影響を受けないようにするためには、噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間の距離を短くすれば良い。しかし、従来の噴霧ノズルは運転位置が固定されており、噴霧ノズルの位置が調整できるようになっていない。本実施例では、上述したように、噴霧ノズルを取付けた冷却水供給配管を固定支持する冷却水供給配管用架台２ｂを、架台移動用車輪２ｄと車輪駆動用モータ２ｅとによって吸気ダクトに対して前後に移動可能とし、噴霧ノズルと吸気ダクト入口の間隔を調節できるようにしており、噴霧ノズルが吸気ダクト入口に対して最適な位置で噴霧できるようにしている。これにより風の影響を緩和することができる。

また、風の影響を緩和するために噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間の距離を縮めればよいが、単純に縮めた場合には、水滴が残ったまま吸気ダクトに流入し、ガスタービン設備を損傷する原因になる可能性がある。そこで、本実施例では、噴霧ノズルのミスト噴霧距離を、風速に応じて変更し、このミスト噴霧距離に応じて噴霧ノズルの位置、即ち、噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間の距離を変えるようにしている。例えば、風速が強いときには、通常運転時（風速が小さいとき）よりも、ミスト噴霧距離を短くすると共に、噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間の距離を短くし、風の影響を緩和する。なお、風速に応じて、噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間の距離を変更し、この噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間の距離に応じて、噴霧ノズルから噴霧されるミスト噴霧距離を調節するようにしても同じである。即ち、吸気ダクト入口との距離、及び、ミスト噴霧距離を短くすれば、ミストの気化が吸気ダクト入口で最適に行われ、ミスト噴霧で冷却した空気を効率的に吸気ダクトに吸入させることができる。以下に説明する具体例では、噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間を横切る風の風速に基づき、噴霧ノズルから噴霧されるミストの噴霧距離を変更し（切換え）、ミスト噴霧距離に応じて、吸気ダクト入口に対する噴霧ノズルの位置を移動させるようにしている。

また、本実施例では、噴霧ノズルの噴霧距離を変える方法として、噴霧ノズル１個あたりの噴霧量を変えるようにしている。また、所定の出力増加を得るためには、上述の３ｂ１〜３ｂ３の演算処理に基づき得られたミスト噴霧水量が必要であるため、本実施例では、噴霧を実施する噴霧ノズルの個数を変更して噴霧ノズル１個あたりの噴霧量を変えるようにしている。噴霧ノズル１個あたりの噴霧量を変えることにより、ノズル圧力が変わりミスト噴霧距離を調節することができる。

上述の概念を実施するための具体的な制御内容を弁開閉信号算出処理３ｂ３及び架台移動位置算出処理３b４に基づき説明する。

弁開閉信号算出処理３ｂ３の電磁弁開閉切替え算出は、ミスト噴霧距離を風速に基づき変えるためのもので、図３に示すように、風速計（図示省略）から取込んだ風速Voに基づき切替えるようにしている。風速Voがα以下の場合は冷媒供給系統の電磁弁１ｃ１を閉じ、電磁弁１ｃ２を開く。風速Voがαを超えた場合は電磁弁１ｃ１を開き、電磁弁１ｃ２を閉じる。即ち、風速が早いときには、噴霧ノズルの個数が多い冷却水供給配管２ｃ１による噴霧を行い、風速が遅いときには噴霧ノズルの個数が少ない冷却水供給配管２ｃ２による噴霧を行う。言い換えれば、冷却水供給配管２ｃ１は短距離噴霧用として用いられ、冷却水供給配管２ｃ２は長距離噴霧用として用いられる。切替により噴霧ノズルの個数を変更することによって、ノズル圧力が変わりミスト噴霧距離が変わる。即ち、ミスト噴霧距離は噴霧ノズルの特性であり、図７のノズル噴霧距離特性関数３６に示すようにノズル圧力により定まる。本実施例では、２段切替としているが、さらに、電磁弁１ｃ１と電磁弁１ｃ２の両方を開け、ノズル圧力をもう一段下げてより速い風速に対応するようにしても良い。また、冷却水供給配管を３系統以上として噴霧を実施する噴霧ノズルの個数を多段階に変えるようにしても良い。

風速Voは、吸気ダクト入口と噴霧ノズル（冷却水供給配管用架台２ｂ）との間に風速計を設置して、吸気ダクト入口と噴霧ノズルの間を横切る風の風速を直接計測するのが望ましい。また、予め実地試験を行い、ガスタービン設備の設置敷地内に設けられた風速計データと、吸気ダクトと噴霧ノズルとの間の風速との関係を求めておき、ガスタービン設備の設置敷地内に設けられた風速計データに基づき、吸気ダクトと噴霧ノズルとの間の風速を推測するようにしても良い。また、切替を行う風速αについても予め実地試験を行なって決める。例えば、風速αと、ミスト噴霧距離（若しくは噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間の距離）との関係を予め検討し、風速の影響が顕著になるときの風速αを見定め、その風速αで風の影響を緩和できるミスト噴霧距離（若しくは噴霧ノズルと吸気ダクト入口との間の距離）を見定める。二段切替の場合には、求めたミスト噴霧距離に近くなるように、短距離噴霧用の冷却水供給配管の噴霧ノズルの個数などを設定し、求めたミスト噴霧距離が略実現できるように調節しておく。

架台移動位置算出処理３b４は、水滴が残ったまま吸気ダクトに流入しないようにするため、ミスト噴霧距離に応じた噴霧ノズルの位置を求めるためのもので、図６及び図７に示すように、冷媒供給系統１の圧力検出器１ｅ１（１ｅ２）から取込んだノズル圧力PXを入力値として、ノズル噴霧距離特性関数３６からミストの噴霧距離Dを求める。このミスト噴霧距離Dが、噴霧ノズルと吸気ダクト入口の間隔よりも小さいと、水滴が残ったまま吸気ダクトに流入し、ガスタービン設備を損傷する原因になる。そこで、冷却水供給配管用架台の最大移動距離Hとミスト噴霧距離Dから計算式３７で架台の移動距離Lを求める。この移動距離Lの信号を車輪駆動用モータ２ｅに送信し、冷却水供給配管用架台の位置、即ち、噴霧ノズルの位置を調節する。

本実施例によれば、吸気ダクトの外側から冷媒を噴霧するようにしたガスタービン吸気冷却において、風速が強いときでも、吸気ダクト入り口で冷却水を気化させ、冷却した空気を吸入ダクトに効率的に吸入させることができるので、冷却水噴霧による吸入空気の冷却を十分に行うことができる。従って、吸気ダクト入口の温度を最適に調節し、ガスタービンの出力向上を図ることができる。

１…冷媒供給系統、２…冷媒噴霧系統、２ａ…接続用チューブ、２ｂ…冷却水供給配管用架台、２ｃ、２ｃ１、２ｃ２…冷却水供給配管、２ｄ、２ｄ１、２ｄ２…架台移動用車輪、２ｅ… 車輪駆動用モータ、３…制御装置、１００…ガスタービン吸気冷却装置、２００…吸気ダクト、３００…圧縮機、４００…燃焼器、５００…ガスタービン、６００…発電機。

Claims

ガスタービン設備の吸気ダクト入口に噴霧ノズルにより冷媒を噴霧して吸気を冷却するようにしたガスタービン吸気冷却装置であって、
前記噴霧ノズルと前記吸気ダクト入口との距離が可変となるように、前記噴霧ノズルを移動可能に構成したことを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
請求項１において、前記噴霧ノズルと前記吸気ダクト入口との間を横切る風の風速に基づき、前記噴霧ノズルから噴霧されるミストの噴霧距離を変更し、前記ミスト噴霧距離に応じて、前記吸気ダクト入口に対する噴霧ノズルの位置を移動させるようにしたことを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
請求項１において、前記噴霧ノズルと前記吸気ダクト入口との間を横切る風の風速に基づき、前記噴霧ノズルと前記吸気ダクト入口との距離を定め、前記噴霧ノズルと前記吸気ダクト入口との距離に応じて、前記噴霧ノズルのミスト噴霧距離を調整するようにしたことを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
請求項１において、前記噴霧ノズルと前記吸気ダクト入口との間を横切る風の風速が所定の風速を超えるとき、前記噴霧ノズルと前記吸気ダクト入口との距離、及び、前記噴霧ノズルのミスト噴霧距離を通常運転時よりも短くすることを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
請求項２〜４の何れかにおいて、複数の噴霧ノズルで所定の噴霧流量を噴霧し、噴霧ノズルの個数を変更することにより、噴霧ノズル１個あたりの噴霧流量を変更してミスト噴霧距離を変更するようにしたことを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
請求項５において、前記所定の噴霧流量は、大気条件、ガスタービン出力、及び、吸気ダクト吸い込み空気量に基づき算出することを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
大気を吸入する吸気ダクトと、前記吸気ダクトの入り口の外に設けられ、吸入空気を冷媒の気化熱により冷却するガスタービン吸気冷却装置と、吸入空気を圧縮する圧縮機と、燃料を圧縮空気とともに燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスで駆動するガスタービンと、ガスタービンの回転で駆動される発電機を有し、前記ガスタービン吸気冷却装置として請求項１〜６の何れかに記載のガスタービン吸気冷却装置を用いたことを特徴とするガスタービン発電システム。