JP2015004300A - コンバインドサイクル発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン吸込み空気温度を冷却するための冷却水を、専用の水供給設備を設置することなく供給可能なコンバインドサイクル発電設備を提供する。【解決手段】実施形態によれば、コンバインドサイクル発電設備は、空気圧縮機９に吸入される前の空気を水が蒸発する際の気化熱によって冷却する吸気冷却装置８と、燃焼器１５で発生する燃焼ガスにより駆動されるガスタービン１０と、排熱回収ボイラ１８で発生した蒸気によって駆動される蒸気タービン１７と、蒸気タービン１７で仕事をした蒸気を復水とする復水器１と、復水器１からの水を排熱回収ボイラ１８に供給する給水管４に設けられた昇圧ポンプ２，３と、吸気冷却装置８に水を供給する水供給管５と、を備え、昇圧ポンプ２，３の吐出側の給水管４を分岐して水供給管５に接続したものである。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ガスタービンの吸込み空気温度を冷却する吸気冷却システムを備えたコンバインドサイクル発電設備に関する。

一般に、ガスタービンの出力は、その吸込み空気温度に大きく影響される。具体的には、夏季に大気温度が上昇する時には、ガスタービンの出力が低下するという特性がある。これは、大気温度が上昇するため、吸込み空気の密度が低下し、その密度が低下した分だけガスタービンに供給される空気の重量流量が減少することによる。したがって、ガスタービンの出力が低下する現象は、物理的に回避することができない。

このようなガスタービンが夏季に出力が低下する問題を改善する対策としては、吸気冷却システムがある。この吸気冷却システムには、主に直接熱交換方式と、非接触熱交換器方式の２種類がある。直接熱交換方式には、さらに液滴噴霧方式と、蒸発冷却方式の２種類がある。

図５は従来のガスタービン吸気冷却システムの液滴噴霧方式の概略構成を示す系統図である。

図５に示すように、ガスタービン発電設備の吸気冷却装置８の吸気ダクト８ａ内には、吸気フィルタ８ｂ及びノズルマニホールド８ｃが設置されている。このノズルマニホールド８ｃは、水供給管５を介して冷却水供給装置２１に接続されている。この冷却水供給装置２１は、高圧ポンプ２１ａ、水タンク等を備えている。

夏季に大気温度が上昇すると、冷却水供給装置２１内の高圧ポンプ２１ａが稼動し、上記水タンクから供給された冷却水は約２０Ｍｐａ程度まで昇圧される。この昇圧された冷却水は、水供給管５を通して吸気冷却装置８の吸気ダクト８ａに供給される。

吸気ダクト８ａに供給された冷却水は、ノズルマニホールド８ｃにより、吸気フィルタ８ｂを通して吸い込まれた吸込み空気中に微粒化した液滴として噴霧される。この噴霧された水は、吸気ダクト８ａ内で気化し、気化する際の気化熱を周囲の空気から吸収し、吸込み空気を冷却する。

この吸込み空気は、空気圧縮機９に吸入されて圧縮される。この空気圧縮機９から吐出された圧縮空気は、図示しない燃焼器に供給される。この燃焼器には、圧縮空気とともに燃料が加えられ、高温の燃焼ガスを生成している。この高温の燃焼ガスがガスタービン１０に供給され、ガスタービン１０で膨張仕事をする。

図６は従来のガスタービン吸気冷却システムの蒸発冷却方式の概略構成を示す系統図である。

図６に示すように、ガスタービン発電設備の吸気冷却装置８の吸気ダクト８ａ内には、吸気フィルタ８ｂ及び多孔層８ｄが設置されている。この多孔層８ｄは、水供給管５ａを介して水供給ポンプ２２に接続されている。この水供給ポンプ２２は、水供給管５ｂを介して水槽１２に接続されている。この水槽１２には、多孔層８ｄを流下した水が溜まるように構成されている。

夏季に大気温度が上昇すると、水供給ポンプ２２が稼動し、水槽１２内の冷却水が水供給管５ｂと、水供給管５ａを通して吸気ダクト８ａに供給される。吸気ダクト８ａに供給された冷却水は、多孔層８ｄの上部に供給されて流下し多孔層８ｄ全体が湿潤状態となる。この多孔層８ｄに含まれる水と、吸気フィルタ８ｂを通して吸い込まれた吸込み空気とが接触して水が蒸発する。この蒸発する際の気化熱を周囲の空気から吸収し、吸込み空気温度を低下させる。

この吸込み空気は、上記と同様に空気圧縮機９に吸入されて圧縮される。この空気圧縮機９から吐出された圧縮空気は、図示しない燃焼器に供給される。この燃焼器には、圧縮空気とともに燃料が加えられ、高温の燃焼ガスを生成している。この高温の燃焼ガスがガスタービン１０に供給され、ガスタービン１０で膨張仕事をする。

これらいずれの方式においても、吸込み空気が冷却されることで、空気密度が増加し、空気圧縮機９の吸込空気質量が増加する。これにより、ガスタービン出力は、増加することが可能になる。

このような図５及び図６に示すガスタービン吸気冷却システムは、例えば特許文献１〜３に記載されている。

特開２００４−２１８５８８号公報 特表２００５−５１１９４７号公報 特開２００７−２８５２９８号公報

ところで、上述した図５に示すガスタービン吸気冷却システムでは、ノズルマニホールド８ｃに高圧の水を供給する冷却水供給装置２１を設置する必要がある。また、図６に示すガスタービン吸気冷却システムでは、多孔層８ｄへ水を供給する水供給ポンプ２２等を設置する必要がある。

したがって、図５及び図６に示す吸気冷却システムでは、専用の水供給設備を設置する必要がある。この吸気冷却システムの稼動中には、その装置専用の所内動力が必要となり、また専用の設備の設置スペースを確保するとともに、メンテナンスが必要になるという課題があった。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、ガスタービン吸込み空気温度を冷却するための冷却水を、専用の水供給設備を設置することなく供給可能なコンバインドサイクル発電設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係るコンバインドサイクル発電設備は、空気を吸入して圧縮する空気圧縮機と、前記空気圧縮機に吸入される前の空気を水が蒸発する際の気化熱によって冷却する吸気冷却装置と、前記空気圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で発生する燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンからの排気を取り入れて蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンで仕事をした蒸気を復水とする復水器と、前記復水器からの水を前記排熱回収ボイラに供給する給水管と、前記給水管に設けられた昇圧ポンプと、前記吸気冷却装置に水を供給する水供給管と、を備え、前記昇圧ポンプの吐出側の前記給水管を分岐して前記水供給管に接続したことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、ガスタービン吸込み空気温度を冷却するための冷却水を、専用の水供給設備を設置することなく供給することができる。

本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の第１実施形態の概略構成を示す系統図である。 本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の第２実施形態の概略構成を示す系統図である。 本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の第３実施形態の概略構成を示す系統図である。 本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の第４実施形態の概略構成を示す系統図である。 従来のガスタービン吸気冷却システムの液滴噴霧方式の概略構成を示す系統図である。 従来のガスタービン吸気冷却システムの蒸発冷却方式の概略構成を示す系統図である。

以下に、本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の実施形態について、図面を参照して説明する。

なお、以下の各実施形態では、一軸型のコンバインドサイクル発電設備に適用した例について説明する。また、以下の各実施形態では、図５及び図６と同一又は対応する部分に同一の符号を付して説明する。

（第１実施形態）
（構 成）
図１は本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の第１実施形態の概略構成を示す系統図である。

図１に示すように、本実施形態のコンバインドサイクル発電設備は、空気を吸入して圧縮する空気圧縮機９、吸気冷却装置８、燃焼器１５、ガスタービン１０、蒸気タービン１７、発電機１６及び排熱回収ボイラ１８を備えている。空気圧縮機９、ガスタービン１０、蒸気タービン１７及び発電機１６は、それぞれの回転軸が同軸に配置されて結合されている。

本実施形態の吸気冷却装置８は、液滴噴霧方式を採用し、空気圧縮機９に吸入される前の空気中に冷却水を噴霧することにより冷却水が蒸発する際の気化熱によって吸気温度を低下させる。燃焼器１５は、空気圧縮機９により圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる。ガスタービン１０は、燃焼器１５で発生する燃焼ガスにより駆動される。発電機１６は、ガスタービン１０及び蒸気タービン１７によって駆動される。

本実施形態のコンバインドサイクル発電設備は、ガスタービン１０の排ガス出口端に接続された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１８、蒸気タービン１７の出口端に接続された復水器１、高圧給水管４に設けられた復水ポンプ２及びボイラ給水ポンプ３を備えている。復水ポンプ２は、復水器１側の給水管としての高圧給水管４に設けられている。ボイラ給水ポンプ３は、復水ポンプ２に対して排熱回収ボイラ１８側の高圧給水管４に設けられている。蒸気タービン１７の蒸気出口端は、復水器１、昇圧ポンプとしての復水ポンプ２及びボイラ給水ポンプ３を介して排熱回収ボイラ１８に接続されている。

排熱回収ボイラ１８は、ガスタービン１０からの排気ガスが供給されて蒸気を発生し、この蒸気が蒸気タービン１７に供給される。この蒸気タービン１７で仕事をした蒸気は、復水器１により復水とされる。この復水器１の水は、復水ポンプ２及びボイラ給水ポンプ３を駆動することにより、高圧給水管４を通って排熱回収ボイラ１８に供給される。この排熱回収ボイラ１８に供給された水は、上記のようにガスタービン１０からの排気ガスと熱交換されて蒸気を発生する。

ところで、本実施形態においては、ボイラ給水ポンプ３の吐出側の高圧給水管４を分岐して水供給管５に接続している。この水供給管５には、水供給弁６が設置されている。

吸気冷却装置８は、吸気ダクト８ａと、吸気ダクト８ａ内に設置されたノズルマニホールド８ｃと、吸入した大気中の塵埃を除去する吸気フィルタ８ｂとを有している。吸気ダクト８ａに供給された冷却水は、ノズルマニホールド８ｃにより、吸気フィルタ８ｂを通して吸い込まれた吸込み空気中に微粒化した液滴として噴霧する。ノズルマニホールド８ｃは、水供給管５に接続されている。

（作 用）
このように構成された本実施形態において、通常運転時、復水器１より復水ポンプ２で昇圧されたボイラ給水は、ボイラ給水ポンプ３にてさらに昇圧され、排熱回収ボイラ１８に供給される。

夏季に大気温度が上昇し、所定の条件に達した時点で、水供給弁６が開になる。水供給弁６が開になると、ボイラ給水が水供給管５を経てノズルマニホールド８ｃに供給される。このノズルマニホールド８ｃに供給された冷却水は、吸気フィルタ８ｂを通して吸い込まれた吸込み空気中に噴霧される。この噴霧された水は、吸気ダクト８ａ内で気化し、気化する際の気化熱を周囲の空気から吸収し、吸込み空気を冷却する。

この吸込み空気は、空気圧縮機９に吸入されて圧縮される。この空気圧縮機９から吐出された圧縮空気は、燃焼器１５に供給される。この燃焼器１５には、圧縮空気とともに燃料が加えられ、高温の燃焼ガスを生成している。この高温の燃焼ガスがガスタービン１０に供給され、ガスタービン１０で膨張仕事をする。

このように本実施形態では、ボイラ給水ポンプ３の吐出側からのボイラ給水を分岐してガスタービンの吸込み空気温度を冷却するために利用することで、従来のように専用の水供給装置を設けずに、ノズルマニホールド８ｃへ水を供給することが可能となる。

なお、ボイラ給水ポンプ３の吐出量の設計点は、蒸気タービン１７及びガスタービン１０の出力が高く、必要なボイラ給水量が最も大きい条件で決定される。夏季の大気温度が設計点での大気温度に比べて高い条件では、ガスタービン出力が低下するため、ボイラ給水ポンプ３の吐出量も低下する。

本実施形態では、設計点での吐出量と、夏季における吐出量との差分の量を噴霧水として供給することによって、ボイラ給水ポンプ３の設計に影響を与えずに吸気冷却装置８を構成することができる。

ボイラ給水ポンプ３の設計に影響を与えないことは、本実施形態を追設する場合、水供給管５、水供給弁６及びノズルマニホールド８ｃを設置するのみでよいため、追設する場合の費用を抑制することが可能となる。

このように本実施形態によれば、高圧給水管４を分岐して水供給管５に接続し、この水供給管５を吸気冷却装置８に接続している。そのため、ガスタービン吸込み空気温度を冷却するための冷却水を、専用の水供給設備を設置することなく供給することができる。その結果、冷却水を供給する専用の所内動力を不要とし、また専用の設備の設置スペース、メンテナンスを不要にすることが可能となる。

（第２実施形態）
図２は本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の第２実施形態の概略構成を示す系統図である。なお、以下の実施形態では、蒸気タービン１７、発電機１６及び排熱回収ボイラ１８と、これらを接続する配管の図示を省略している。また、以下の実施形態では、前記第１実施形態と重複する説明を省略する。

図２に示すように、本実施形態の吸気冷却装置８は、蒸発冷却方式を採用し、空気圧縮機９に吸入される前の空気中に、冷却水により湿潤される多孔層８ｄを設置することにより吸気温度を低下させる。

すなわち、吸気冷却装置８は、吸気ダクト８ａと、吸気ダクト８ａ内に設置された多孔層８ｄと、吸入した大気中の塵埃を除去する吸気フィルタ８ｂとを有している。吸気ダクト８ａに供給された冷却水は、多孔層８ｄの上部に供給されて流下し多孔層８ｄ全体が湿潤状態となる。

本実施形態においては、ボイラ給水ポンプ３の吐出側の高圧給水管４を分岐して水供給管５に接続している。この水供給管５には、水供給弁６が設置されている。水供給管５は、吸気冷却装置８の多孔層８ｄ上部から水を供給するように接続されている。

このように構成された本実施形態では、通常運転時、復水器１より復水ポンプ２で昇圧されたボイラ給水は、ボイラ給水ポンプ３にてさらに昇圧され、排熱回収ボイラ１８に供給される。

夏季に大気温度が上昇し、所定の条件に達した時点で、水供給弁６が開となる。水供給弁６が開になると、ボイラ給水が水供給管５を通して吸気ダクト８ａに供給される。この吸気ダクト８ａに供給された冷却水は、多孔層８ｄの上部に供給されて流下し多孔層８ｄ全体が湿潤状態となる。この多孔層８ｄに含まれる水と、吸気フィルタ８ｂを通して吸い込まれた吸込み空気とが接触して水が蒸発する。この蒸発する際の気化熱を周囲の空気から吸収し、吸込み空気温度を低下させる。

このように本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様に、高圧給水管４を分岐して水供給管５に接続し、この水供給管５を吸気冷却装置８に接続している。そのため、ガスタービン吸込み空気温度を冷却するための冷却水を、専用の設備を設置することなく供給することができる。その結果、冷却水を供給する専用の所内動力を不要とし、また専用の設備の設置スペース、メンテナンスを不要にすることが可能となる。

また、本実施形態によれば、吸気冷却装置８の吸気ダクト８ａ内に多孔層８ｄを設置したことにより、空気圧縮機９に吸入される吸込み空気を確実に冷却することができる。

（第３実施形態）
図３は本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の第３実施形態の概略構成を示す系統図である。

図３に示すように、本実施形態の吸気冷却装置８は、前記第２実施形態と同様に蒸発冷却方式を採用し、空気圧縮機９に吸入される前の空気中に、冷却水により湿潤される多孔層８ｄを設置することにより吸気温度を低下させる。

本実施形態においては、前記第３実施形態と異なり復水ポンプ２の吐出側の高圧給水管４を分岐して水供給管５に接続している。この水供給管５には、水供給弁６が設置されている。また、水供給管５は、吸気冷却装置８の多孔層８ｄ上部から水を供給するように接続されている。

このように構成された本実施形態では、通常運転時、復水器１より復水ポンプ２で昇圧されたボイラ給水は、ボイラ給水ポンプ３にてさらに昇圧され、排熱回収ボイラ１８に供給される。

夏季に大気温度が上昇し、所定の条件に達した時点で、水供給弁６が開となる。水供給弁６が開になると、ボイラ給水が水供給管５を通して吸気ダクト８ａに供給される。この吸気ダクト８ａに供給された冷却水は、多孔層８ｄの上部に供給されて流下し多孔層８ｄ全体が湿潤状態となる。この多孔層８ｄに含まれる水と、吸気フィルタ８ｂを通して吸い込まれた吸込み空気とが接触して水が蒸発する。この蒸発する際の気化熱を周囲の空気から吸収し、吸込み空気温度を低下させる。

ここで、前記第１、第２実施形態では、復水ポンプ２及びボイラ給水ポンプ３で昇圧されたボイラ給水が流れる高圧給水管４を分岐して水供給管５に接続している。本実施形態では、復水ポンプ２だけで昇圧されたボイラ給水が流れる高圧給水管４を分岐して水供給管５に接続している。

したがって、本実施形態では、吸気冷却装置８の多孔層８ｄ上部から水を供給するので、復水ポンプ２で昇圧させるだけでも、確実に多孔層８ｄ上部に水を供給することができる。

（第４実施形態）
図４は本発明に係るコンバインドサイクル発電設備の第４実施形態の概略構成を示す系統図である。

図４に示すように、本実施形態は、前記第３実施形態と異なり、排熱回収ボイラ１８が低圧ドラム、高圧ドラムを有し、その低圧ドラム、高圧ドラム間を接続する給水管にボイラ給水ポンプ３が設けられている。

このように本実施形態では、低圧ドラム、高圧ドラム間を接続する配管にボイラ給水ポンプ３を設けたコンバインドサイクル発電設備にも適用することができる。

（その他の実施形態）
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上記各実施形態では、一軸コンバインドサイクル発電設備に適用した例について説明したが、これに限らず多軸コンバインドサイクル発電設備にも適用してもよい。

１…復水器、２…復水ポンプ（昇圧ポンプ）、３…ボイラ給水ポンプ（昇圧ポンプ）、４…高圧給水管（給水管）、５…水供給管、５ａ…水供給管、５ｂ…水供給管、６…水供給弁、８…吸気冷却装置、８ａ…吸気ダクト、８ｂ…吸気フィルタ、８ｃ…ノズルマニホールド、８ｄ…多孔層、９…空気圧縮機、１０…ガスタービン、１２…水槽、１５…燃焼器、１６…発電機、１７…蒸気タービン、１８…排熱回収ボイラ、２１…冷却水供給装置、２１ａ…高圧ポンプ、２２…水供給ポンプ

Claims (5)

1. 空気を吸入して圧縮する空気圧縮機と、
   前記空気圧縮機に吸入される前の空気を水が蒸発する際の気化熱によって冷却する吸気冷却装置と、
   前記空気圧縮機によって圧縮された空気とともに燃料を燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器で発生する燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
   前記ガスタービンからの排気を取り入れて蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンで仕事をした蒸気を復水とする復水器と、
   前記復水器からの水を前記排熱回収ボイラに供給する給水管と、
   前記給水管に設けられた昇圧ポンプと、
   前記吸気冷却装置に水を供給する水供給管と、を備え、
   前記昇圧ポンプの吐出側の前記給水管を分岐して前記水供給管に接続したことを特徴とするコンバインドサイクル発電設備。
2. 前記吸気冷却装置は、吸気ダクトと、この吸気ダクト内に設置されて前記水供給管から供給された水を噴霧水にする装置とを有することを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電設備。
3. 前記吸気冷却装置は、吸気ダクトと、この吸気ダクト内に設置されて前記水供給管から供給された水により湿潤される多孔層とを有することを特徴とする請求項１に記載のコンバインドサイクル発電設備。
4. 前記昇圧ポンプは、前記復水器側の前記給水管に設けられた復水ポンプと、前記排熱回収ボイラ側の前記給水管に設けられたボイラ給水ポンプとを有し、このボイラ給水ポンプの吐出側の前記給水管を分岐して前記水供給管に接続したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のコンバインドサイクル発電設備。
5. 前記昇圧ポンプは、前記復水器側の前記給水管に設けられた復水ポンプと、前記排熱回収ボイラ側の前記給水管に設けられたボイラ給水ポンプとを有し、前記復水ポンプの吐出側の前記給水管を分岐して前記水供給管に接続したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のコンバインドサイクル発電設備。

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