JP3464267B2 - ガスタービン吸気冷却装置 - Google Patents

ガスタービン吸気冷却装置

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JP3464267B2 JP03432194A JP3432194A JP3464267B2 JP 3464267 B2 JP3464267 B2 JP 3464267B2 JP 03432194 A JP03432194 A JP 03432194A JP 3432194 A JP3432194 A JP 3432194A JP 3464267 B2 JP3464267 B2 JP 3464267B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
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  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、コンバイドサイクル発
電プラントを構成するガスタービン設備のガスタービン
吸気冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、工業プラントや高層建築等におけ
る空調システムには、夜間の割安な電力を使用してヒー
トポンプ(冷凍機と同一、以下HPと称す)により冷水
や温水を生成蓄熱し、これを主に昼間の空調に使用する
ことで経済性を向上させた蓄熱型の空調システムが提案
されている。特に、最近では夏季において昼間の冷房負
荷が急速に増大し、電力安定供給が阻害される恐れがあ
り、社会的にも夜間電力の活用が望まれている。
【0003】このような背景から、顕熱蓄熱(冷水や温
水で蓄熱するもの)に比べて蓄熱量の高い潜熱蓄熱装
置、特に氷蓄熱装置を有する空調設備が多数研究され、
ほぼ実用化研究の段階にあるが、現在では蓄熱容量が従
来の水蓄熱に比して飛躍的に増大する氷蓄熱装置は未だ
開発されていない。
【0004】また、電力を供給する側の火力発電設備
は、シングルサイクル発電プラントの老朽更新を期にコ
ンバインドサイクル発電プラントへ移行しつつある。こ
のコンバインドサイクル発電プラントは、シングルサイ
クル発電プラントとは異なり、従来のボイラの代わりに
ガスタービンを持っており、このガスタービン駆動によ
る発電機と、ガスタービンの排ガスを排熱回収ボイラに
供給し、この蒸気による蒸気タービン駆動の発電機とか
ら発電を行うもので、発電効率はシングルサイクル発電
プラントに比べて10%ほど向上する。
【0005】ところで、ガスタービンは、圧縮した空気
を燃料と燃焼させることで高温・高圧ガスを作り、これ
でタービンを回転させ、動力を得るものである。このガ
スタービンの出力は、燃焼用空気の温度と湿度により影
響される。特に、吸入可能酸素量(空気量)に関係し、
吸入空気量が多いほど又低温空気であればあるほどその
出力は増大する。また、空気中の水分が多いと、高圧・
高温ガス中の水蒸気量も多くなり、この水蒸気の潜熱量
は、排熱回収ボイラで冷却された後も使用されずに外部
に放出されるため、吸入空気中の水分(湿度)は少ない
方が、コンバインドサイクル発電プラントの出力を上昇
させることができる。従って、夏季と冬季ではコンバイ
ンドサイクル発電プラントの出力性能が異なる。特に、
夏季の昼間は電力需要がピークに達するときであるか
ら、このコンバインドサイクル発電の出力低下は深刻な
問題となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで、夜間の低電力
需要の間に、冷凍機により冷熱を氷の形で蓄熱し、昼間
のピーク時にこの冷熱を取り出し、ガスタービンの吸気
を冷却し、吸気の温度・湿度を低下させるシステムが考
えられている。このシステムは、氷蓄熱槽と冷凍機のユ
ニットをガスタービンの吸気流路とは別置きしてあり、
夜間に海水等を冷却水として冷凍機を運転し、氷蓄熱槽
に氷を貯えておく。そして、昼間のピーク時にこの氷を
解氷して冷水として吸気流路内に設置してある空気冷却
器(空気冷却用の熱交換器)へ供給し、ガスタービンの
吸気を冷却するものである。
【0007】上述したように、このシステムでは主要大
型構成機器が、氷蓄熱槽・冷凍機・空気冷却器の三つと
なり、コスト・スペースの面でなかなか実用化しにくい
状況にある。
【0008】また、このシステムの氷蓄熱槽における技
術的問題は、夜間から昼間のピーク時までの間に製氷
し、昼間のピーク時の4時間ほどで製氷した冷熱を取り
出すため、高速で氷を溶かすこと、及び吸気温度を下げ
るために空気冷却器から戻り水温度をあまり高くできな
いことの2点がある。このため、氷蓄熱槽と空気冷却器
間の冷水循環量を非常に多く必要とし、従来の空調用の
氷蓄熱システムと比較して4〜6倍程度となる。
【0009】さらに、冷水の循環流量が多くなると、氷
蓄熱槽内での戻り水の滞留時間が短くなり、充分に氷を
溶かしきらずに循環されるため、冷水の取水温度が高く
なり、まだ槽内に氷があるにもかかわらず、所定の温度
に吸気を冷却できなくなってしまうという問題がある。
【0010】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は製氷と解氷をスムーズに行える非常にコ
ンパクトなガスタービン吸気冷却装置を提供することに
ある。また、他の目的はより低コスト・省スペースを図
ったガスタービン吸気冷却装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1記載の発明は、コンバイドサイクル発電
プラントを構成するガスタービンの燃焼用空気の吸い込
み冷却吸気流路を二つに分岐し、一つの冷却吸気流路内
に鉛直設置した伝熱管を多数設置し、その伝熱管内で冷
凍機から低圧冷媒蒸気を供給・蒸発させることで、前記
伝熱管外表面に氷を付着成長させ、この氷により空気を
冷却するようにしたガスタービン吸気冷却装置におい
て、前記伝熱管上部から製氷用を水液膜状に供給してこ
の伝熱管に沿って流下させ、外表面に氷を付着成長させ
ることを特徴とする。請求項2記載の発明は、請求項1
において、前記伝熱管に多孔の皿型フィンを鉛直方向に
一定の割合で固定し、吸気との熱交換時に氷の脱落を防
止することを特徴とする。請求項3記載の発明は、請求
項1において、前記鉛直伝熱管の外表面へ製氷用水を供
給するために、前記伝熱管の上部に上部貯水槽を、下部
に下部貯水槽をそれぞれ設け、この上部貯水槽の前記伝
熱管のU字部に鉛直落下型供給ノズルを、また前記伝熱
管の直管が上部貯水槽を突き抜ける突き抜け部には環状
間隙を有する流体分配器を設けたことを特徴とする。
求項4記載の発明は、請求項3において前記流体分配器
環状間隙に間隙維持用のフィンと埋め込みヒータを設
けると共に、前記伝熱管の外表面に断熱性樹脂被覆を施
して凍結による間隙閉塞を防止したことを特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項3において前記上部貯水
槽および下部貯水槽間を循環ポンプを備えた製氷用水配
管によって接続したことを特徴とする。
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【作用】本発明によると、氷を吸気流路内に直接置くこ
とが可能となり、効率良く空気を冷却するとともに、従
来のようにガスタービンの吸気流路から離れた所に大き
な氷蓄熱槽をおくことなく、多管の熱交換器(伝熱管)
を氷蓄熱器として用いているので大幅に省スペースを実
現することができる。また氷を吸気流路内に直接置く手
法として、鉛直伝熱管に流下液膜流を形成しながら氷を
生成・付着させており、また解氷時氷の脱落・落下を防
止するメッシュ状の皿型フィンを設けている。これによ
り製氷・解氷を容易に行るので、水の保有量も氷なる分
量以外に上下の貯水槽に循環する水量だけですむ。した
がて、非常にコンパクトな氷蓄熱を利用したガスタービ
ン吸気冷却装置を提供できる。
【0018】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図1は本発明による氷蓄熱装置を利用したガスター
ビン吸気冷却装置の一実施例の構成図、図2は鉛直伝熱
管(製氷パイプ)に設置する皿型フィンの構成図、図3
は鉛直伝熱管(製氷パイプ)へ水を供給するノズルと流
体分配器の構成図である。
【0019】図1に示すように、ガスタービン(G/
T)1の吸気流路2を二つに分岐し、昼間のピーク時に
は、氷蓄熱の製氷パイプ5を有する吸気流路2aから空
気をガスタービン1へ供給し、夜間のオフピーク時には
吸気流路2bから空気を供給する、この吸気流路2a,
2bの選択は、流路の上流にある吸気流路切り換えダン
パ12より行なう。また空気中に含まれるゴミを捕獲す
るために、吸い込みフィルタ3が二つの吸気流路2a,
2bの下流に設置してある。
【0020】吸気流路2a内には、鉛直に固定された製
氷パイプ5からなる製氷パイプ群があり、その製氷パイ
プ群のある流路壁の下側に下部貯水槽7を設置し、所定
の水量を貯蔵してある。また、この製氷パイプ群のある
流路壁の上部には上部貯水槽6が設置してある。この二
つの貯水槽6,7は、製氷用水循環配管10によって接
続されている。この製氷用水接続配管10には、下部貯
水槽7から上部貯水槽6へ製氷用水8を供給する製氷用
水循環ポンプ9が設けられている。上部貯水槽6に供給
された製氷用水8は、製氷用水分配器13aと13bに
より、鉛直管構成の製氷パイプ5に製氷用水8を液膜状
に流下させるようになっている。
【0021】ところで、夜間のオフピーク時には、吸気
流路2bへ空気を流すとともに、この製氷パイプ5の内
側に冷凍機4から冷却流体循環配管11を介して、0℃
以下の冷媒液またはブラインを供給し、製氷用水8を製
氷パイプ5の外表面で氷を生成・付着させ、氷を蓄積さ
せていく。製氷パイプ5を流下していく間に氷にならな
かった製氷用水は、製氷パイプ5群の下部流路壁に設け
た非凝固水戻り孔14から下部貯水槽7に戻るように構
成されている。
【0022】昼間のピーク時には、上述した製氷運転を
停止し、吸気流路切り換えダンパ12を用いて吸気流路
2aに空気を通過させるように切り換え、夜間オフピー
ク時に製氷パイプ5群の外表面に蓄積した氷により空気
を直接冷却し、空気温度・湿度を低下させ、コンバイン
ドサイクル発電の出力を増加させる。
【0023】この時、氷は空気により温められ融解して
水となり、鉛直設置した製氷パイプ5に沿って流下し、
非凝固水の戻り孔14から下部貯水槽7に戻る。この氷
と空気との熱交換により円筒状になっていた氷は、熱伝
導率の一番良い所(空気流の上流方向が熱伝導率が一番
高い)から融解していくので、氷は円筒状のまま均一に
細くなっていくのではなく、周方向の一部分だけ氷がな
くなり、氷が脱落する可能性がある。そこで、図2に示
すようなメッシュ16状の皿型フィン15を設けること
により氷の脱落・落下を防止する。
【0024】夜間のオフピーク時に、鉛直設置した製氷
パイプ5群に上部貯水槽6から製氷用水8を供給する
時、水が製氷パイプ5から外れるとスムーズに製氷が行
えないので、図3に示すように、製氷パイプ5のU字部
には鉛直落下型ノズルの製氷用水分配器13bにより製
氷用水8を製氷パイプ5の頂上部へ流下させる。また、
製氷パイプ5の流路壁17を突き抜ける直管部には、間
隙維持用フィン19を有し且つ円周上に埋め込みヒータ
18を設置した製氷用水分配器13aから製氷用水を供
給し、その製氷用水分配器13aの近傍から上部の水と
接触する製氷パイプ5の外表面に断熱樹脂20で覆い、
間隙付近で凍結閉塞を防止している。このようにして、
製氷・解氷をスムーズに行える氷蓄熱槽をガスタービン
の吸気流路2a内に設置している。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
氷蓄熱装置をガスタービンの吸気流路内に設置している
ので、効率良く空気を冷却することができ、また製氷と
解氷をスムーズに行える非常にコンパクトなガスタービ
ン吸気冷却装置を提供できる。また、多管の熱交換器を
氷蓄熱器として用いているので、従来のような大きな氷
蓄熱槽を設置しなくてもよくなり、省スペースと低コス
トを実現した氷蓄熱を利用したガスタービン吸気冷却装
置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるガスタービン吸気冷却
装置の構成図。
【図2】図1の鉛直製氷パイプに設置した皿型フィンの
構成図で、同図(a)は同図(b)のA−A線方向の平
面図、同図(b)はその側面図。
【図3】図1の製氷用水分配器の構成図で、同図(a)
は側面図、同図(b)は平面図。
【符号の説明】
1…ガスタービン、2…ガスタービン吸気流路、3…吸
い込みフィルタ、4…冷凍機、5…製氷パイプ、6…上
部貯水槽、7…下部貯水槽、8…製氷用水、9…製氷用
水循環ポンプ、10…製氷用水循環配管、11…冷却流
体循環配管、12…吸気流路切り換えダンパ、13…製
氷用水分配器、14…非凝固水戻り孔、15…皿型フィ
ン、16…メッシュ、17…流路壁、18…埋め込みヒ
ータ、19…間隙維持用フィン、20…断熱樹脂。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コンバイドサイクル発電プラントを構成
    するガスタービンの燃焼用空気の吸い込み冷却吸気流路
    を二つに分岐し、一つの冷却吸気流路内に鉛直設置した
    伝熱管を多数設置し、その伝熱管内で冷凍機から低圧冷
    媒蒸気を供給・蒸発させることで、前記伝熱管外表面に
    氷を付着成長させ、この氷により空気を冷却するように
    したガスタービン吸気冷却装置において、 前記 伝熱管上部から製氷用水を液膜状に供給してこの伝
    熱管に沿って流下させ、外表面に氷を付着成長させるこ
    とを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
  2. 【請求項2】 前記伝熱管に多孔の皿型フィンを鉛直方
    向に一定の割合で固定し、吸気との熱交換時に氷の脱落
    を防止することを特徴とする請求項1記載のガスタービ
    ン吸気冷却装置。
  3. 【請求項3】 前記鉛直伝熱管の外表面へ製氷用水を供
    給するために、前記伝熱管の上部に上部貯水槽を、下部
    に下部貯水槽をそれぞれ設け、この上部貯水槽の前記伝
    熱管のU字部に鉛直落下型供給ノズルを、また前記伝熱
    管の直管が上部貯水槽を突き抜ける突き抜け部には環状
    間隙を有する流体分配器を設けたことを特徴とする請求
    項1記載のガスタービン吸気冷却装置。
  4. 【請求項4】 前記流体分配器環状間隙に間隙維持用
    のフィンと埋め込みヒータを設けると共に、前記伝熱管
    の外表面に断熱性樹脂被覆を施して凍結による間隙閉塞
    を防止したことを特徴とする請求項3記載のガスタービ
    ン吸気冷却用装置。
  5. 【請求項5】 前記上部貯水槽および下部貯水槽間を循
    環ポンプを備えた製氷用水配管によって接続したことを
    特徴とする請求項3記載のガスタービン吸気冷却用装
    置。
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