JP2015101966A - ガス設備、ガスタービンプラント、および、コンバインドサイクルプラント - Google Patents

Abstract

【課題】設備の大型化、および、エネルギー効率の低下を抑制しつつ、補給水量を低減できるガス設備、ガスタービンプラント、および、コンバインドサイクルプラントを提供する。【解決手段】ガスが流れるガスライン２９ａ，２９ｂと、開放循環式の冷却塔１２と、冷却塔１２から排出される空気の流路中に配され、ガスライン２９ａから供給されるガスと熱交換することで空気に含まれる水分を凝縮回収する水回収装置１３と、を備える。【選択図】図２

Description

この発明は、ガス設備、ガスタービンプラント、および、コンバインドサイクルプラントに関する。

各種プラントにおいては、冷却水を得るために冷却塔が用いられる場合がある。冷却塔は、様々な形式のものが存在している。その中でも、冷却水を空気中に散水して、その蒸発潜熱により温度低下させる開放式の冷却塔が多く用いられている。この開放式の冷却塔は、密閉式の冷却塔と比較して小型で且つ導入コストが低い点で有利となっている。

開放式の冷却塔は、送風機によって外気を取り入れる。外気は、冷却水と接触して蒸発水を含んだ後、外部に排出される。つまり、冷却水を循環させる循環式の冷却塔であっても、開放式の冷却塔である場合には、蒸発によって失われた分だけ補給水が必要となる。そのため、水資源の少ない地域など補給水の確保が困難な立地条件の場合には、開放循環式の冷却塔の使用が困難となり、設備の大型化やコストの増大を招いていた。

特許文献１には、冷却塔において、冷水により間接的に冷却されたダクトの内面に向けて飽和状態の湿り空気を吹き付ける技術が記載されている。さらに特許文献１には、ダクトの内面に結露が生じて、その結露水を底部の水受けで収集可能な構成が記載されている。この特許文献１においては、収集した結露水を冷却塔の循環水の一部として利用している。

特開２００３−１７２５８６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術は、ダクトを冷却するための冷媒が必要となる。すなわち、特許文献１に記載の技術は、冷媒を供給するための冷媒供給装置が必要となる。そのため、設備が大型化してしまうという課題がある。また、冷媒供給装置は、冷媒の温度を低下させるためのエネルギーが必要となるため、プラント全体のエネルギー効率が低下してしまうという課題がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、設備の大型化、および、エネルギー効率の低下を抑制しつつ、補給水量を低減できるガス設備、ガスタービンプラント、および、コンバインドサイクルプラントを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明に係るガス設備は、ガスが流れるガスラインと、開放循環式の冷却塔と、前記冷却塔から排出される空気の流路中に配され、前記ガスラインから供給されるガスと熱交換することで前記空気に含まれる水分を凝縮回収する水回収装置と、を備えている。
このように構成することで、ガスラインに流れるガスと熱交換して冷却塔から排出された空気に含まれる水分を凝縮回収することができる。そのため、新たな冷却装置を用いることなく水分を凝縮回収することができる。

さらに、この発明に係るガス設備は、上記ガス設備における前記水回収装置が、前記ガスラインを形成して、水平方向に対して垂直又は傾斜して配される伝熱部を備えていてもよい。
このように構成することで、伝熱部の表面で凝縮した凝縮水が、自重により低い側に向かって移動するため、円滑に凝縮水を集めることができる。また、凝縮水が伝熱部から離脱して落下することを抑制できるため、凝縮水の再蒸発を低減できる。

さらに、この発明に係るガス設備は、上記ガス設備における前記伝熱部が、互いに間隔をあけて配される複数の伝熱管を備えていてもよい。
このように構成することで、隣り合う伝熱管同士の間を空気が通過できるため、冷却塔の排気の圧力損失が増大することを抑制できる。また、伝熱管の延びる方向の第一端部が第二端部よりも高い位置に配される場合には伝熱管の表面で凝縮された凝縮水が円滑に第二端部側に移動できる。

さらに、この発明に係るガス設備は、上記ガス設備において、前記伝熱部の下端部から下方に向かって延び、前記伝熱部により凝縮された水を下方に案内する凝縮水ガイド部を備えていてもよい。
このように構成することで、伝熱部の下端部まで流れた凝縮水が凝縮水ガイド部の表面を下方に向かって流れ落ちる。そのため、伝熱部により凝縮された水を円滑に下方に案内することができる。また、凝縮水ガイド部が伝熱部の下端部から下方に向かって延びるため、伝熱部により凝縮水ガイド部が冷されて、凝縮水ガイド部により案内される凝縮水が蒸発することを抑制できる。

さらに、この発明に係るガスタービンプラントは、上記ガス設備を備えるガスタービンプラントであって、ガスタービンを備え、前記ガスラインには、前記ガスタービンの燃料ガスが流れる。
このように構成することで、ガスタービンの燃料ガスと、冷却塔から排出される空気とを熱交換することができる。そのため、ガスタービンの燃料ガスを燃焼させる前に予熱するエネルギーを低減することができる。また、冷却塔から排出された空気に含まれる水分を凝縮回収するための専用の冷熱源を用意する必要が無い。

さらに、この発明に係るコンバインドサイクルプラントは、上記ガスタービンプラントを備えるコンバインドサイクルプラントであって、前記ガスタービンの排ガスから排熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、前記排熱回収ボイラーにより発生させた蒸気で駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された蒸気を冷却水との熱交換により凝縮させて液体に戻し前記排熱回収ボイラーに供給する復水器と、を備え、前記復水器は、前記冷却塔によって冷却水が循環される。
このように構成することで、蒸気タービンで利用された蒸気を凝縮させる冷熱源として開放式の冷却塔を用いつつ、開放式の冷却塔における補給水を抑制することができる。冷熱源としてガスタービンの燃料を用いるので、プラント全体のエネルギー効率を向上することができる。

この発明に係るガス設備、ガスタービンプラント、および、コンバインドサイクルプラントによれば、設備の大型化、および、エネルギー効率の低下を抑制しつつ、補給水量を低減できる。

この実施形態におけるガス設備であるガスタービンコンバインドサイクル発電プラントの概略構成図である。 この実施形態における冷却塔、および、水回収装置の概略構成図である。 この発明の実施形態における冷却塔及び水回収装置の斜視図である。 この発明の実施形態の変形例における図２に相当する概略構成図である。

以下、この発明の第一実施形態に係るガス設備について説明する。
図１は、この実施形態におけるガス設備を備えるガスタービンコンバインドサイクル発電プラント（以下、単にＧＴＣＣ発電プラントと称する）の概略構成図である。
この実施形態におけるＧＴＣＣ発電プラント１は、ガスタービン４の回転動力を発電エネルギーに変換するガスタービンプラントを含んでいる。

ＧＴＣＣ発電プラント１は、ガスタービン４と、圧縮機５と、燃焼器６と、発電機７と、排熱回収ボイラー１０と、冷却塔１２と、水回収装置１３と、蒸気タービン１４と、を備えている。

圧縮機５は、ガスタービン４又は蒸気タービン１４により駆動可能となっている。圧縮機５は、空気を圧縮して燃焼器６に供給する。
燃焼器６は、圧縮空気中で燃料ガスであるＬＮＧなどを燃焼させて燃焼ガスを生成する。燃焼器６で生成された燃焼ガスはガスタービン４に供給される。燃料ガスは、燃料ガスライン２９ａを通じて燃料貯蔵タンク８から燃焼器６に導入される。貯蔵の都合上、燃料ガスは、燃料貯蔵タンク８において低温状態で貯蔵される。そのため、燃料ガスは、燃焼効率を向上させるために、燃焼器６に導入する直前に、例えば、５〜１０℃程度から２００℃程度まで予熱される。ここで、燃料ガスを予熱する予熱設備については図示を省略している。

ガスタービン４は、高温高圧の燃焼ガスによってその出力軸が回転駆動される。ガスタービン４の出力軸は、圧縮機５および蒸気タービン１４に接続されている。ガスタービン４の駆動に利用された燃焼ガスは、排ガスとして排ガス流路９を通じて浄化処理装置（図示せず）などを経由した後に外部に放出される。
発電機７は、ガスタービン４の回転動力や、蒸気タービン１４の回転動力を電気エネルギーに変換して出力する。

排熱回収ボイラー１０は、ガスタービン４から排出される排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる。この排熱を利用して発生させた蒸気は、蒸気タービン１４に供給される。

蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラー１０から供給される高温高圧の蒸気を利用してロータを回転させて回転動力を得る。この回転動力は、発電機７および圧縮機５に伝達可能となっている。
復水器１５は、蒸気タービンから排出される蒸気を冷却して水に戻す。復水器１５は、冷却塔１２から供給される冷却水と蒸気とを熱交換させて、蒸気を凝縮させて水に戻す。
ポンプ１６は、復水器１５で凝縮された水を排熱回収ボイラー１０へ送水する。

図２は、この実施形態における冷却塔１２、および、水回収装置１３の概略構成図である。
図２に示すように、冷却塔１２は、冷却水を復水器１５へと供給する。冷却塔１２で用いられる冷却水は、冷却塔１２と復水器１５との間を循環する。冷却塔１２は、復水器１５で温度上昇した冷却水を、温度を再度低下させて復水器１５へ供給する。冷却塔１２は、いわゆる開放循環式の冷却塔１２である。この冷却塔１２は、送風機１８と、散水装置１９と、冷却水ピット２０と、ポンプ２１と、を備えている。

送風機１８は、冷却塔１２に外部から空気を導入する。送風機１８は、図示しない電動機により回転駆動される。この送風機１８は、電動機によりその回転数が可変とされている。つまり、冷却塔１２内に導入される空気は、送風機１８によってその流量が調整可能となっている。この実施形態における送風機１８は、上方に向けて空気を排出する。

散水装置１９は、送風機１８により導入された空気中に冷却水を散水する。この散水装置１９により散水された冷却水の一部は蒸発する。冷却水は、この蒸発により温度が低下する。散水装置１９の下方には、充填材２２が配置されている。この充填材２２は、表面積が大きい波板状などの部材からなる。この充填材２２に冷却水の液滴を付着させることで、空気と冷却水との接触時間を長くすることが可能となっている。

冷却水ピット２０は、潜熱により温度が低下した冷却水を貯留する。この冷却水ピット２０には、充填材２２などに付着した冷却水の液滴が自重により移動して貯留される。冷却水ピット２０に貯留された冷却水は、ポンプ２１を介して復水器１５に供給される。
ポンプ２１は、冷却水ピット２０に貯留されている冷却水を復水器１５に向けて送水する。このポンプ２１は、復水器１５に供給される冷却水の流量を調整可能とされている。
ここで、冷却塔１２から供給される冷却水の温度は、送風機１８により取り込まれる空気の流量や、ポンプ２１により送水される冷却水の流量を変化させることで調整可能となっている。

図３は、この発明の実施形態における冷却塔１２及び水回収装置１３の斜視図である。
図２、図３に示すように、水回収装置１３は、冷却塔１２から排出される空気に含まれる水分を回収する装置である。この水回収装置１３は、伝熱部２３と、凝縮水ガイド部２４とを備えている。

伝熱部２３は、予熱前の燃料ガスと冷却塔１２から排出される空気との間で熱交換を行う。言い換えれば、予熱前の燃料ガスを用いて冷却塔１２から排出される空気を冷却する。この実施形態における伝熱部２３は、冷却塔１２から排出される空気と効率よく接触可能なように、排気口２５に対向する位置に配されている。この実施形態における伝熱部２３は、その表面で凝縮した水が、伝熱部２３の表面に付着した状態でその自重により下方に向かって移動可能なように、水平方向に対して傾斜して配されている。

図３に示すように、伝熱部２３は、入口管２６と、出口管２７と、伝熱管２８と、を備えている。
入口管２６は、出口管２７よりも高さ方向で上方に配置されている。入口管２６は、伝熱部２３の上端において水平方向に延びるように配されている。入口管２６には、上流側の燃料ガスライン２９ａが接続されている。ここで、上流側の燃料ガスライン２９ａは、冷却水ピット２０の近傍において冷却水ピット２０の設置レベルから立ち上がり入口管２６に接続されている。

出口管２７は、入口管２６よりも高さ方向で下方に配置されている。出口管２７は、伝熱部２３の下端において水平方向に延びるように配されている。出口管２７は、入口管２６と平行に延びている。この出口管２７には、下流側の燃料ガスライン２９ｂが接続されている。

伝熱管２８は、入口管２６と出口管２７とを接続する。伝熱管２８は、複数設けられている。これら複数の伝熱管２８は、入口管２６および出口管２７の延びる方向に所定間隔をあけて互いに平行に配列されている。伝熱管２８は、その延びる方向の第一端部２８ａが入口管２６に接続され、第二端部２８ｂが出口管２７に接続されている。つまり、複数の伝熱管２８は、第一端部２８ａが第二端部２８ｂよりも上下方向で上方に配されるように傾斜している。

これら伝熱管２８は、冷却塔１２の排気口２５の上方を覆うように配されている。つまり、冷却塔１２から排出された空気は、複数の伝熱管２８に接触するようになっている。複数の伝熱管２８は、各伝熱管２８表面の温度が均一化されるように、それぞれ同一形状、同一材質で形成されている。伝熱管２８を形成する材料としては、熱伝導率の高い金属材料を用いることが好ましく、例えば、銅などを用いることができる。

ここで、伝熱部２３に流れる燃料ガスは、少なくとも大気温度よりも低い温度とされる。このように大気温度よりも低い温度とされることで、冷却塔１２から排出される空気に含まれる水分が伝熱部２３の表面で凝縮して凝縮水が得られる。

凝縮水ガイド部２４は、伝熱部２３により凝縮された水を下方に向かって案内する。凝縮水ガイド部２４は、伝熱部２３の出口管２７に接続されている。より具体的には、凝縮水ガイド部２４は、伝熱部２３の出口管２７の下端部から、冷却水ピット２０の直上まで下方に向かって延びている。この凝縮水ガイド部２４も、伝熱管２８と同様に、伝熱部２３の熱が伝達され易いように熱伝導率の高い金属材料により形成されている。凝縮水ガイド部２４は、冷却塔１２の側方を覆う板状に形成されている。ここで、下流側の燃料ガスラインは、凝縮水ガイド部２４の外側において、出口管２７から冷却塔１２ピットの設置面と同レベルにまで下りた後に、ガスタービン４の燃焼器６側に向かって延びている。

すなわち、上述した水回収装置１３の伝熱管２８の表面には、冷却塔１２から排出された空気が冷されて凝縮水が生じる。この凝縮水は、傾斜配置された伝熱管２８の表面をその自重により出口管２７側（図２中、破線矢印で示す方向）に移動する。その後、凝縮水は、凝縮水ガイド部２４の上端部に至る。凝縮水ガイド部２４の上端部に至った凝縮水は、凝縮水ガイド部２４の表面を下方に向かって移動する。そして、凝縮水は、凝縮水ガイド部２４の下端部に至ると、下方に順次滴り落ちて、冷却水ピット２０内の冷却水に加わる。

したがって上述した実施形態におけるＧＴＣＣ発電プラントによれば、水回収装置１３によって燃料ガスライン２９ａ，２９ｂに流れる燃料ガスと熱交換して冷却塔１２から排出された空気に含まれる水分を凝縮回収することができる。そのため、冷却塔１２から排出された空気を冷す新たな冷却装置を用いることなく水分を凝縮回収することができる。その結果、設備の大型化、および、エネルギー効率の低下を抑制しつつ、補給水量を低減することができる。

さらに、伝熱部２３が水平方向に対して傾斜して配されることで、伝熱部２３の表面で凝縮した凝縮水が、自重により低い側に向かって移動するため、円滑に凝縮水を集めることができる。また、凝縮水が伝熱部２３から離脱して落下することを抑制できるため、凝縮水の再蒸発を低減できる。その結果、効率よく凝縮水を回収することができる。

さらに、複数の伝熱管２８同士が間隔をあけて配されていることで、隣り合う伝熱管２８同士の間を空気が通過できる。そのため、冷却塔１２の排気の圧力損失が増大することを抑制できる。また、伝熱管２８の延びる方向の第一端部２８ａが第二端部２８ｂよりも高い位置に配されるので伝熱管２８の表面で凝縮された凝縮水が円滑に第二端部２８ｂ側に移動できる。その結果、凝縮水を効率よく回収しつつ、冷却塔１２の送風機１８の消費エネルギーを抑制できる。

さらに、凝縮水ガイド部２４が、伝熱部２３の下端部から下方に向かって延びていることで、伝熱部２３の下端部まで流れた凝縮水が凝縮水ガイド部２４の表面を下方に向かって流れ落ちる。そのため、伝熱部２３により凝縮された水を円滑に下方に案内することができる。
また、凝縮水ガイド部２４が伝熱部２３の下端部から下方に向かって延びるため、伝熱部２３により凝縮水ガイド部２４が冷されて、凝縮水ガイド部２４により案内される凝縮水が蒸発することを抑制できる。その結果、凝縮水を効率よく下方に導くことができる。

さらに、ガスタービン４の燃料ガスと、冷却塔１２から排出される空気とを熱交換することができるため、ガスタービン４の燃料ガスを温度上昇させることができる。そのため、燃料ガスを予熱するエネルギーを低減することができる。
また、冷却塔１２から排出された空気に含まれる水分を凝縮回収するための専用の冷熱源を用意する必要が無い。そのため、プラントの小型化を図るとともに、エネルギー効率を向上することができる。

さらに、蒸気タービン１４で利用された蒸気を凝縮させる冷熱源として開放式の冷却塔１２を用いつつ、冷却塔１２の補給水を抑制することができる。また、冷熱源としてガスタービン４の燃料ガスを用いるので、プラント全体のエネルギー効率を向上することができる。その結果、水資源が少ない地域においてもガスタービン４の排熱回収を効率よく行うことが可能となる。

さらに、燃料ガスライン２９ａ，２９ｂの配管ルートを変更して水回収装置１３を冷却塔１２に対して設置すればよいので、既設プラントの冷却塔１２に対しても容易に追加することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、ガス設備としてＧＴＣＣ発電プラント１を一例に説明した。しかし、この発明のガス設備は、上述したＧＴＣＣ発電プラント１や、ガスタービン４を有するガスタービンプラントに限られるものではない。ガス設備としては、燃料ガスを使用し、且つ、冷却水を必要とする設備であればよい。

また、上述した実施形態においては、伝熱部２３が水平方向に対して傾斜する場合について説明した。しかし、伝熱部２３の角度は、伝熱部２３の表面に付着している凝縮水が、伝熱部２３の表面上を下方に移動可能であればよく、例えば、水平方向に対して垂直であっても良い。

さらに、上述した実施形態においては、冷却塔１２が上方に向かって空気を排出する場合について説明した。しかし、空気が排出される向きは、冷却塔１２から排出された空気が伝熱部２３に接触可能な向きであれば上方に限られるものではない。

さらに、実施形態においては、伝熱部２３が複数の伝熱管２８を備える場合について説明した。しかし、燃料ガスを内部に流して熱交換が可能な形状であれば管状に限られるものではない。また、伝熱管２８の本数は、複数に限られず、一本だけ設けるようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態においては、水回収装置１３により回収された水を、直接、冷却水ピット２０に戻す場合を一例に説明した。しかし、水回収装置１３で凝縮させた水から不純物などを除去した後に冷却水ピット２０に戻すようにしても良い。

また、上述した実施形態においては、入口管２６が出口管２７よりも上方に配される場合について説明した。しかし、入口管２６が出口管２７よりも下方に配されるようにしても良い。換言すれば、伝熱部２３の下端部に上流側の燃料ガスライン２９ａを接続し、伝熱部２３の上端部に下流側の燃料ガスライン２９ｂを接続するようにしても良い。

また、上述した実施形態においては、伝熱部２３が水平方向の一方に傾斜する場合について説明した。しかし、伝熱部２３の傾斜方向は一つの方向に限られるものではない。例えば、図４に示す変形例のように、複数方向に下るように形成しても良い。この場合、各傾斜方向の下端部に凝縮水ガイド部２４を設ければ良い。

さらに、上述した実施形態においては、伝熱管２８が直線状に形成されている場合について説明した。しかし伝熱管２８は直線状に限られず、凝縮水が伝熱管２８の表面を下方に向かって移動可能であれば曲線状などであってもよい。
さらに、冷却塔１２は、開放循環式の冷却塔１２であればよく、上述した実施形態に記載の冷却塔１２に限られるものではない。

また、上述した実施形態においては、ＧＴＣＣ発電プラント１が備える復水器１５の冷却水を供給するための冷却塔１２に水回収装置１３を適用する一例にして説明した。しかし、水回収装置１３を適用する冷却塔は、復水器１５用の冷却塔１２に限られない。水回収装置１３は、例えば、空調装置など、ガス設備内で冷却水の供給が必要な各種装置用の冷却塔にも適用可能である。

１ ＧＴＣＣ発電プラント
４ ガスタービン
５ 圧縮機
６ 燃焼器
７ 発電機
８ 燃料貯蔵タンク
９ 排ガス流路
１０ 排熱回収ボイラー
１２ 冷却塔
１３ 水回収装置
１４ 蒸気タービン
１５ 復水器
１６ ポンプ
１８ 送風機
１９ 散水装置
２０ 冷却水ピット
２１ ポンプ
２２ 充填材
２３ 伝熱部
２４ 凝縮水ガイド部
２５ 排気口
２６ 入口管
２７ 出口管
２８ 伝熱管
２８ａ 第一端部
２８ｂ 第二端部
２９ａ 上流側の燃料ガスライン
２９ｂ 下流側の燃料ガスライン

Claims (6)

1. ガスが流れるガスラインと、
   開放循環式の冷却塔と、
   前記冷却塔から排出される空気の流路中に配され、前記ガスラインから供給されるガスと熱交換することで前記空気に含まれる水分を凝縮回収する水回収装置と、を備えるガス設備。
2. 前記水回収装置は、
   前記ガスラインを形成して、水平方向に対して垂直又は傾斜して配される伝熱部を備える請求項１に記載のガス設備。
3. 前記伝熱部は、互いに間隔をあけて配される複数の伝熱管を備える請求項２に記載のガス設備。
4. 前記伝熱部の下端部から下方に向かって延び、前記伝熱部により凝縮された水を下方に案内する凝縮水ガイド部を備える請求項２又は請求項３に記載のガス設備。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載のガス設備を備えるガスタービンプラントであって、
   ガスタービンを備え、
   前記ガスラインには、前記ガスタービンの燃料ガスが流れるガスタービンプラント。
6. 請求項５に記載のガスタービンプラントを備えるコンバインドサイクルプラントであって、
   前記ガスタービンの排ガスから排熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、
   前記排熱回収ボイラーにより発生させた蒸気で駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから排出された蒸気を冷却水との熱交換により凝縮させて液体に戻し前記排熱回収ボイラーに供給する復水器と、を備え、
   前記復水器は、前記冷却塔によって冷却水が循環されるコンバインドサイクルプラント。

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