JP2014001741A - ガスタービン用吸気冷却装置、ガスタービンプラント、既設ガスタービンプラントの再構築方法、及び、ガスタービンの吸気冷却方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスタービン用吸気冷却装置10は、冷凍機11を駆動させて発電用ガスタービン2の吸気冷却を行う第一の冷却手段12と、加湿することで発電用ガスタービン2の吸気冷却を行う第二の冷却手段13と、第一の冷却手段12及び第二の冷却手段13のそれぞれを稼動または非稼動に切替可能な冷却制御部20とを備え、冷却制御部20は、前記第一の冷却手段で吸気冷却を行って発電することによる発電収支と、第二の冷却手段で吸気冷却を行って発電することによる発電収支との大小比較に基づいて、第一の冷却手段及び第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定する。
【選択図】図1
Description
また、冷凍冷却によるタイプの吸気冷却装置では、冷凍機によって冷却することで、大気の状態に係らず目的とする温度まで冷却することができる一方、冷凍機を駆動させる動力が必要となり、ガスタービンによって高出力を得ることができても、冷凍動力分のロスが生じてしまい経済性が悪化してしまう問題があった。
両者を具備する特許文献1のような吸気冷却装置においても、加湿冷却と冷凍冷却とを使い分けることでガスタービンにより高効率で出力できるものの、冷凍冷却を行う場合には冷凍動力分のロスにより必ずしも経済性の良い運転を行っているとは限らなかった。
本発明の一態様としてのガスタービン用吸気冷却装置は、圧縮機、燃焼器及びタービンを有する発電用ガスタービンの吸気冷却に用いられるガスタービン用吸気冷却装置であって、冷凍機を駆動させて前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第一の冷却手段と、加湿することで前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第二の冷却手段と、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれを稼動または非稼動に切替可能な冷却制御部とを備え、該冷却制御部は、前記第一の冷却手段と前記第二の冷却手段とのうち、少なくとも一方で吸気冷却を行って、前記発電用ガスタービンで発電することにより発生する収入と支出とのうち、少なくとも一方を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とする。
本発明は、圧縮機、燃焼器及びタービンを有する発電用ガスタービンの吸気冷却に用いられるガスタービン用吸気冷却装置であって、冷凍機を駆動させて前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第一の冷却手段と、加湿することで前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第二の冷却手段と、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれを稼動または非稼動に切替可能な冷却制御部とを備え、該冷却制御部は、前記第一の冷却手段で吸気冷却を行って予め取得される要求出力で前記発電用ガスタービンによって発電することによる発電収支の差分である第一の発電収支差分と、前記第二の冷却手段で吸気冷却を行うことにより可能な最大出力で前記発電用ガスタービンで発電することによる発電収支の差分である第二の発電収支差分との大小比較に基づいて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴としている。
また、取得する大気温度及び大気湿度に基づいて、大気の露点温度及び湿球温度を求めることができる。このため、求めた前記要求入口温度及び露点温度に基づいて、必要冷凍動力を求めることができ、さらに、要求出力及び求めた前記湿球温度に基づいて差分出力を演算することができる。
また、本発明のガスタービンの吸気冷却方法によれば、上記工程に従って第一の冷却手段による冷凍冷却と第二の冷却手段による加湿冷却とにより吸気冷却を行うことで、発電用ガスタービンによる発電の高出力化と経済性向上との両立を図ることができる。
また、本発明のガスタービンプラントによれば、上記ガスタービン用吸気冷却装置によって発電の高出力化と経済性向上との両立を図ることができる。
また、既設ガスタービンプラントの再構築方法によれば、上記ガスタービン用吸気冷却装置を追設することにより、既設発電用ガスタービンの発電の高出力化と経済性向上との両立を図ることができる。
図1は、本発明の実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成図である。図1に示すように、ガスタービンプラント1は、発電用ガスタービン2と、発電用ガスタービン2と接続された発電機3と、発電用ガスタービン2の吸気冷却を行うガスタービン用吸気冷却装置10とを備える。
同様に第二熱交換器12bと冷凍機11との間にも循環路をなす第二配管12eが配されており、内部に冷却水が循環している。そして、冷凍機11は、冷凍機制御部12cによる制御のもと、内部の冷媒から第二配管12eを循環する冷却水に放熱し、第一配管12dを循環する冷水との間で吸熱することで、第一配管12dを循環する冷水を冷却させる。そして、第一熱交換器12aにおいて、冷凍機11で冷却された第一配管12dを循環する冷水と吸気される空気A1との間で熱交換を行うことで、空気A1は冷却される。ここで、冷凍機制御部12cは、冷却制御部20と接続されており、冷却制御部20から入力される制御信号に基づいて、冷凍機11を駆動させて第一熱交換器12aで空気A1を所望の温度まで冷却することが可能となっている。
比エンタルピ差演算部23aは、要求入口温度演算手段22から入力される要求入口温度TPRと、大気露点温度演算部21aから入力される露点温度Tdと、大気温度測定部15から入力される乾球温度Tamb(図2の(5))と、大気湿度測定部16から入力される絶対湿度φamb(図2の(4))とに基づいて、現在の大気を第一の冷却手段12で要求入口温度TPRまで冷却するのに現在の大気から奪う必要のある比エンタルピ差Δhを演算する。具体的には、比エンタルピ差演算部23aは、図3に示す記憶部28に記憶されたNC線図(図2の(1))を参照し、入力された乾球温度Tamb及び絶対湿度φambを入力し、現在の大気の状態を表す点Bを求める。さらに、比エンタルピ差演算部23aは、要求入口温度TPRを入力し、吸気温度Tが要求入口温度TPRで相対湿度100%である点Aを求める。次に、現在の大気の状態を表す点Bが、点Aを通る湿球温度一定線Laよりも低温側にあるかどうか判定する。そして、現在の大気の状態を表す点Bが湿球温度一定線Laよりも低温側にあると判定された場合には、比エンタルピ差Δhを「0」として出力する。これは、乾球温度Tambが要求入口温度TPR以下である場合には、冷却する必要がなく、また、乾球温度Tambが要求入口温度TPRより高くても湿球温度一定線Laよりも低温側にある場合には、加湿冷却だけで良いからである。
詳細は後述する。なお、現在の大気の状態を表す点Bが湿球温度一定線Laよりも低温側とは、図3において、大気の状態を表す点BがT=TPR一定の線よりも吸気温度Tが小さい領域Xに位置(例えば、点B1)するか、または、T=TPR一定の線と点Aを通る湿球温度一定線Laとで挟まれた領域Y1に位置(例えば、点B2)することを意味する。
このため、例えば点B4に位置する大気は、絶対湿度φamb一定のまま相対湿度が100%となるまで降温して露点B4d(露点温度Td4)に達し、相対湿度100%曲線に沿って降温して要求入口温度TPRとなる点Aの状態となるまで冷却される。このため、要求入口温度TPRで吸気されて発電用ガスタービン2を駆動し要求出力WPRを得ることができる。
また、本発明は、新設のガスタービンプラントのみ適用される技術ではなく、既設のガスタービンプラントにも適用可能である。すなわち、既設のガスタービンプラントとして、発電用ガスタービン2が備えられていて、ここにガスタービン用吸気冷却装置10を設置する。あるいは、既設のガスタービンプラントとして、発電用ガスタービン2と第一の冷却手段12または第二の冷却手段13の少なくとも一方が備えられていて、ここに第一の冷却手段12または第二の冷却手段13の他方及び冷却制御部20を設置することでガスタービン用吸気冷却装置10を構成させる。さらには、第一の冷却手段12及び第二の冷却手段13がともに既設として備えられていて、そこに冷却制御部20を組み込んでガスタービン用吸気冷却装置10を構成しても良い。
いずれのパターンにおいても、再構築されることで構成された上記実施形態のようなガスタービンプラント1、30では、既設の発電用ガスタービンによる発電を、経済的、かつ、高出力のものとすることができる。
Claims (24)
- 圧縮機、燃焼器及びタービンを有する発電用ガスタービンの吸気冷却に用いられるガスタービン用吸気冷却装置であって、
冷凍機を駆動させて前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第一の冷却手段と、
加湿することで前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第二の冷却手段と、
前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれを稼動または非稼動に切替可能な冷却制御部とを備え、
該冷却制御部は、前記第一の冷却手段と前記第二の冷却手段とのうち、少なくとも一方で吸気冷却を行って、前記発電用ガスタービンで発電することにより発生する収入と支出とのうち、少なくとも一方を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項1のガスタービン用吸気冷却装置において、
前記冷却制御部は、前記第一の冷却手段と前記第二の冷却手段とのうち、少なくとも一方で吸気冷却を行って、前記発電用ガスタービンで発電することにより発生する収入及び支出を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 圧縮機、燃焼器及びタービンを有する発電用ガスタービンの吸気冷却に用いられるガスタービン用吸気冷却装置であって、
前記発電用ガスタービンに吸気される空気を互いに異なる冷却手法で冷却する第一の冷却手段及び第二の冷却手段と、
前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれを稼動または非稼動に切替可能な冷却制御部とを備え、
該冷却制御部は、前記第一の冷却手段で吸気冷却を行った場合及び前記第二の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる発電収入を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 圧縮機、燃焼器及びタービンを有する発電用ガスタービンの吸気冷却に用いられるガスタービン用吸気冷却装置であって、
冷凍機を駆動させて前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第一の冷却手段と、
加湿することで前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第二の冷却手段と、
前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれを稼動または非稼動に切替可能な冷却制御部とを備え、
該冷却制御部は、前記第一の冷却手段で吸気冷却を行った場合及び前記第二の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる発電収入を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項4に記載のガスタービン用吸気冷却装置において、
前記冷却制御部は、前記第一の冷却手段で吸気冷却を行った場合及び前記第二の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる発電支出をさらに用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項4に記載のガスタービン用吸気冷却装置において、
前記冷却制御部は、
前記発電用ガスタービンが予め取得される要求出力で出力可能となる吸気温度である要求入口温度に、吸気される空気を前記第一の冷却手段によって冷却するのに前記冷凍機で必要とされる動力である必要冷凍動力を演算する必要冷凍動力演算手段を有し、前記必要冷凍動力を用いて、前記第一の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる前記発電収入を求めると共に、
前記要求出力と前記第二の冷却手段で吸気冷却を行うことにより前記発電用ガスタービンで出力可能な最大出力との差分出力を演算する差分出力演算手段を有し、前記差分出力を用いて、前記第二の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる前記発電収入を求めることを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項6に記載のガスタービン用吸気冷却装置において、
前記冷却制御部は、
前記差分出力演算手段で求められた前記差分出力に基づいて、前記第一の冷却手段で吸気冷却して前記要求出力で前記発電用ガスタービンから出力させた場合と、前記第二の冷却手段で吸気冷却して前記最大出力で前記発電用ガスタービンから出力させた場合との発電に伴う支出の差である差分コストを演算する差分コスト演算手段を有し、前記発電収入と前記差分コストとを用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項5に記載のガスタービン用吸気冷却装置において、
前記冷却制御部は、
予め取得される要求出力と前記第二の冷却手段で吸気冷却を行うことにより前記発電用ガスタービンで出力可能な最大出力との差分出力を演算する差分出力演算手段と、
前記差分出力演算手段で求められた前記差分出力に基づいて、前記第一の冷却手段で吸気冷却して前記要求出力で前記発電用ガスタービンから出力させた場合と、前記第二の冷却手段で吸気冷却して前記最大出力で前記発電用ガスタービンから出力させた場合との発電に伴う支出の差である差分コストを演算する差分コスト演算手段と、を有し、
前記発電収入と前記差分コストとを用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項6又は請求項7に記載のガスタービン用吸気冷却装置において、
予め取得される前記要求出力に基づいて前記要求入口温度を演算する要求入口温度演算手段と、
取得する大気の乾球温度及び湿度に基づいて、大気の露点温度及び湿球温度を演算する温度演算手段とを備え、
前記必要冷凍動力演算手段は、前記要求入口温度演算手段で演算された前記要求入口温度及び前記温度演算手段で演算された前記露点温度に基づいて前記必要冷凍動力を演算し、
前記差分出力演算手段は、前記要求出力及び前記温度演算手段で演算された前記湿球温度に基づいて前記差分出力を演算することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項6、請求項7、請求項9のいずれか一項に記載のガスタービン用吸気冷却装置において、
前記冷却制御部は、大気の乾球温度、及び、前記要求入口温度を取得して大小比較し、前記要求入口温度が前記乾球温度以上である場合には、前記発電収入に係らず前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段を非稼動とすることを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項6、請求項7、請求項9、請求項10のいずれか一項に記載のガスタービン用吸気冷却装置において、
前記冷却制御部は、大気の乾球温度及び湿球温度、並びに、前記要求入口温度を取得して大小比較し、前記要求入口温度が前記乾球温度未満、前記湿球温度から求めた加湿冷却最低温度以上である場合には、前記発電収入に係らず前記第一の冷却手段を非稼動とし、前記第二の冷却手段を稼動とすることを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項1から請求項11のいずれか一項に記載のガスタービン用吸気冷却装置と、
前記発電用ガスタービンとを備えることを特徴とするガスタービンプラント。 - 既設である前記発電用ガスタービンに対して前記ガスタービン用吸気冷却装置を追設することで請求項12に記載のガスタービンプラントを構築することを特徴とする既設ガスタービンプラントの再構築方法。
- 圧縮機、燃焼器及びタービンを有する発電用ガスタービンに吸気を、冷凍機を駆動させて前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第一の冷却手段と、加湿することで前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第二の冷却手段とのいずれかで冷却させるガスタービンの吸気冷却方法であって、
前記第一の冷却手段と前記第二の冷却手段とのうち、少なくとも一方で吸気冷却を行って、前記発電用ガスタービンで発電することにより発生する収入と支出とのうち、少なくとも一方を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 請求項14のガスタービンの吸気冷却方法において、
前記第一の冷却手段と前記第二の冷却手段とのうち、少なくとも一方で吸気冷却を行って、前記発電用ガスタービンで発電することにより発生する収入及び支出を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 圧縮機、燃焼器及びタービンを有する発電用ガスタービンの吸気を、互いに異なる冷却手法で冷却する第一の冷却手段と第二の冷却手段とのいずれかで冷却させるガスタービンの吸気冷却方法であって、
前記第一の冷却手段で吸気冷却を行った場合及び前記第二の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる発電収入を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 圧縮機、燃焼器及びタービンを有する発電用ガスタービンに吸気を、冷凍機を駆動させて前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第一の冷却手段と、加湿することで前記発電用ガスタービンに吸気される空気を冷却する第二の冷却手段とのいずれかで冷却させるガスタービンの吸気冷却方法であって、
前記第一の冷却手段で吸気冷却を行った場合及び前記第二の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる発電収入を用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 請求項17に記載のガスタービンの吸気冷却方法において、
前記第一の冷却手段で吸気冷却を行った場合及び前記第二の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる発電支出をさらに用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービン用吸気冷却装置。 - 請求項17に記載のガスタービンの吸気冷却方法において、
予め取得される要求出力で出力可能となる吸気温度である要求入口温度に、吸気される空気を前記第一の冷却手段によって冷却するのに前記冷凍機で必要とされる動力である必要冷凍動力を演算する必要冷凍動力演算工程を実行し、前記必要冷凍動力を用いて、前記第一の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる前記発電収入を求めると共に、
前記要求出力と前記第二の冷却手段で吸気冷却を行うことにより前記発電用ガスタービンで出力可能な最大出力との差分出力を演算する差分出力演算工程を実行し、前記差分出力を用いて、前記第二の冷却手段で吸気冷却を行った場合の前記発電用ガスタービンによって発電することによる前記発電収入を求めることを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 請求項19に記載のガスタービンの吸気冷却方法において、
前記差分出力演算工程で求められた前記差分出力に基づいて、前記第一の冷却手段で吸気冷却して前記要求出力で前記発電用ガスタービンから出力させた場合と、前記第二の冷却手段で吸気冷却して前記最大出力で前記発電用ガスタービンから出力させた場合との発電に伴う支出の差である差分コストを演算する差分コスト演算工程を実行し、前記発電収入と前記差分コストとを用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 請求項18に記載のガスタービンの吸気冷却方法において、
予め取得される要求出力と前記第二の冷却手段で吸気冷却を行うことにより前記発電用ガスタービンで出力可能な最大出力との差分出力を演算する差分出力演算工程と、
前記差分出力演算工程で求められた前記差分出力に基づいて、前記第一の冷却手段で吸気冷却して前記要求出力で前記発電用ガスタービンから出力させた場合と、前記第二の冷却手段で吸気冷却して前記最大出力で前記発電用ガスタービンから出力させた場合との発電に伴う支出の差である差分コストを演算する差分コスト演算工程と、を実行し、
前記発電収入と前記差分コストとを用いて、前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段のそれぞれの稼動または非稼動を決定することを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 請求項19又は請求項20に記載のガスタービンの吸気冷却方法において、
予め取得される前記要求出力に基づいて前記要求入口温度を演算する要求入口温度演算工程と、
取得する大気の乾球温度及び湿度に基づいて、大気の露点温度及び湿球温度を演算する温度演算工程と、を実行し、
前記必要冷凍動力演算工程では、前記要求入口温度演算工程で演算された前記要求入口温度及び前記温度演算工程で演算された前記露点温度に基づいて前記必要冷凍動力を演算し、
前記差分出力演算工程では、前記要求出力及び前記温度演算工程で演算された前記湿球温度に基づいて前記差分出力を演算することを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 請求項19、請求項20、請求項22のいずれか一項に記載のガスタービンの吸気冷却方法において、
大気の乾球温度、及び、前記要求入口温度を取得して大小比較し、前記要求入口温度が前記乾球温度以上である場合には、前記発電収入に係らず前記第一の冷却手段及び前記第二の冷却手段を非稼動とすることを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。 - 請求項19、請求項20、請求項22、請求項23のいずれか一項に記載のガスタービンの吸気冷却方法において、
大気の乾球温度及び湿球温度、並びに、前記要求入口温度を取得して大小比較し、前記要求入口温度が前記乾球温度未満、前記湿球温度から求めた加湿冷却最低温度以上である場合には、前記発電収入に係らず前記第一の冷却手段を非稼動とし、前記第二の冷却手段を稼動とすることを特徴とするガスタービンの吸気冷却方法。
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