JP3623913B2 - ガス専焼ガスタービン発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、常用と非常用とに兼用できるガス専焼ガスタービン発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、都市ガスを燃料とするガスタービンは、発電機からの電力もしくは商用電源によって駆動されるガス圧縮機で都市ガスを昇圧して用いているが、ガス圧縮機は、停電時には始動できない。そのため、都市ガスのみを燃料とするガス専焼ガスタービンを用いた常用発電装置は、そのままでは非常用に兼用できないので、同一建築物内などに常用と非常用との２種の発電装置を設置する必要があった。これに対し、従来では、都市ガスを燃料とするレシプロのガス機関を用いた常用の発電装置に、高圧液化ガスボンベを接続して、停電時にこのガスボンベからガス燃料を供給してガス機関を作動させることにより、常用・非常用に兼用可能とした発電装置が提案されている。（特公平８−２６８１８号公報参照） 。
【０００３】
ところが、上記発電装置は、非常時に１時間以上の定格運転が要求されているので、前記ガスボンベの容量が相当大きくなる。したがって、この方式をガスタービンに使用すると、多量の燃料を必要とすることから、ガスボンベの容量が極めて大きくなり、実用化は困難となる。
【０００４】
他方、近年、都市ガスの導管は、震災時でも都市ガスの供給が確保できるようになってきている。これに着目して、本件出願人は、停電を伴う非常時に、貯蔵した圧縮ガスをガスタービンに供給して発電し、この電力でガス圧縮機を駆動して都市ガスを昇圧し、この昇圧した都市ガスでガスタービンを駆動するように構成し、非常時にも使用可能な状態にある都市ガスを使用して、保有するガスボンベの個数を少なくした簡略なガス専焼ガスタービン発電装置を先に提案している（特許第２９４０８２３号）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記提案したガス専焼ガスタービン発電装置は、非常時に電源がなくても、ガス貯蔵器のガスボンベからの非常用ガス燃料によってガスタービンを起動し、起動後にはガスタービンで駆動した発電機からの電力によりガス圧縮機を駆動できるので、常用のガス燃料（都市ガス）でガスタービンの運転を継続できる。したがって、震災時にも生き残る都市ガス単独供給系統として評価を受けたガス供給管と組み合わせることにより、常用・非常用兼用のガス専焼設備を構築できるとともに、ガスの貯蔵量は、始動時から自家発電電力によるガス圧縮機の稼働までに必要な少量で済むという利点がある。
【０００６】
ところが、上記ガス専焼ガスタービン発電装置は、その実用化に際して、なお解決しなければならない問題が残存している。すなわち、非常時にガスボンベの圧縮ガスが使用された場合には、これを新しいものに交換する必要がある。そのため、使用されたガスボンベは、ガス貯蔵器から取り出してガス充填場所まで移送し、ガス充填後に再びガス貯蔵器まで移送して設置しなければならない。しかも、ガスボンベは、一般に、地震時にも転倒しないように架台に交換可能な状態に固定されているとともに、メンテナンス弁を介してガスタービンへのガス供給通路に接続されているので、ガスボンベの取り付けおよび取り外しには、面倒な作業を伴う。
【０００７】
そこで、本発明は、非常時に使用したガス貯蔵器に、これのガスボンベの取り外しや移送を行うことなしに支障なくガスを充填することのできるガス専焼ガスタービン発電装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のガス専焼ガスタービン発電装置は、ガス燃料を使用するガスタービンと、このガスタービンで駆動される発電機と、外部電源又は前記発電機から電力を受けて、常用ガス源からのガス燃料を昇圧する電動式の第１のガス圧縮機と、ガス燃料を貯蔵するガス貯蔵器と、常時に、第１のガス圧縮機からのガス燃料を前記ガスタービンに供給する主供給通路と、非常時に、ガス貯蔵器からのガス燃料を前記ガスタービンに供給する副供給通路と、前記第１のガス圧縮機及びガス貯蔵器から前記ガスタービンへのガス燃料の前記両供給通路を開閉する開閉装置と、前記外部電源の停電を伴う非常時に、前記開閉装置を制御して前記主供給通路を遮断し、前記副供給通路を開放して前記ガス貯蔵器からのガス燃料を前記ガスタービンに供給させる第１モード設定手段と、前記第１のガス圧縮機の運転を監視して前記開閉装置を制御し、前記副供給通路を遮断して前記ガス貯蔵器から前記ガスタービンへのガス燃料の供給を停止し、前記主供給通路を開放して前記第１のガス圧縮機からのガス燃料を前記ガスタービンに供給させる第２モード設定手段と、前記常用ガス源からのガス燃料を前記ガス貯蔵器に導入するガス充填通路と、前記ガス充填通路に設けられて前記ガス燃料を昇圧し前記ガス貯蔵器に貯蔵させる第２のガス圧縮機とを備え、前記常用ガス源からのガス燃料を前記第１のガス圧縮機に導入するガス導入通路に、そのガス燃料を第１のガス圧縮機に供給するときに開かれる遮断弁と、その上流側に位置する第１の導入用開閉弁とが設けられ、前記ガス充填通路は、前記第１の導入用開閉弁の上流側で前記ガス導入通路に接続され、前記第２のガス圧縮機とガス貯蔵器との間に第２の導入用開閉弁を有している。前記常用ガス源としては、例えば、産業用の都市ガス管を使用できる。
【０００９】
この構成によれば、非常時に電源がなくても、ガス貯蔵器からのガス燃料によってガスタービンを起動し、起動後は、ガスタービンで駆動した発電機からの電力によりガス圧縮機を駆動できるので、常用のガス燃料でガスタービンの運転を継続できる。そして、非常時にガス貯蔵器のガス燃料を使用した場合には、常用ガス源からのガス燃料を第２のガス圧縮機で昇圧させたガス燃料をガス貯蔵器の例えばガスボンベに充填できる。したがって、ガスボンベには、ガス貯蔵器内に設置された状態のままで使用分のガスを充填できるとともに、一般にガス圧力の低い都市ガスなどを第２のガス圧縮機によって昇圧してガスボンベに充填するので、ガスボンベを所定の圧力になるよう充填できる。第２のガス圧縮機は、例えば前記外部電源または発電機により駆動される。
【００１０】
さらに、上記構成によれば、前記常用ガス源のガス燃料をガス貯蔵器内に充填するから、前記常用ガス源からのガス燃料を前記第１のガス圧縮機に導入するガス導入通路に、そのガス燃料を第１のガス圧縮機２に供給するときに開かれる遮断弁４１と、その上流側に位置する第１の導入用開閉弁４７とが設けられ、前記ガス充填通路４８は、前記第１の導入用開閉弁の上流側で、前記ガス導入通路に接続されている。これにより、ガス燃料は、常用ガス源からガス充填通路に導かれて、このガス充填通路に設けられた第２のガス圧縮機で昇圧されたのちにガス貯蔵器のガスボンベに充填される。ここで、第１および第２の導入用開閉弁は、電気事業法の適用を受ける箇所とガス事業法の適用を受ける箇所とを区分する、いわゆる区分弁となる。第１および第２の導入用開閉弁の下流側の箇所は、電気工作物であるから、一般に防爆仕様が必要となるが、上流側の箇所はガス工作物であるから、ある一定の条件さえ満たせば、防爆仕様が不要である。したがって、ガス充填通路および第２のガス圧縮機は、防爆仕様とする必要がないことから、汎用品で比較的安価に構成できる利点がある。
【００１１】
また、上記発明のガス専焼ガスタービン発電装置において、前記第２のガス圧縮機は、前記外部電源からの電力により駆動されることが好ましい。これにより、ガス貯蔵器へのガス燃料の充填は、ガスタービンの運転中、運転休止中にかかわらず、随時行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るガス専焼ガスタービン発電装置を示す系統図であり、本発明の発電装置は、ガスのみを燃料とするガスタービン１を備えており、常用時には、第１のガス圧縮機２を駆動して、常用ガス源である都市ガス管３からの都市ガス（ガス燃料）を昇圧し、この昇圧された都市ガスを中途に開閉装置４が介装された主供給通路５を経てガスタービン１に供給して、ガスタービン１を駆動し、このガスタービン１により発電機６を駆動して発電し、この電力を工場等の各種電力負荷に供給するように構成されている。
【００１３】
他方、非常用としてガス貯蔵器７が設けられており、これに貯蔵されたガス燃料が、副供給通路８を経てガスタービン１に供給されるようになっている。副供給通路８には、上流側から遮断弁９、減圧弁１０、加温器１１、逆止弁１２が介装されている。副供給通路８の下流側は、主供給通路５と共通になっている。
【００１４】
開閉装置４は、主供給通路５における第１のガス圧縮機２の下流側に介装された遮断弁１３と、遮断弁１３に対し下流側に配置されて副供給通路８からのガス燃料が主供給通路５の第１のガス圧縮機２側に流れるのを防止する逆止弁１４と、副供給通路８における加温器１１の下流側に介装された遮断弁１５と、コントローラ１６とを備えている。開閉装置４のコントローラ１６は、制御装置４０により制御されて、前記遮断弁１３、１５を選択的に開閉するものである。前記遮断弁９、減圧弁１０、遮断弁１３、遮断弁１５は、エア駆動されるもので、エア源１７から高圧エアが供給されている。
【００１５】
ガスタービン１は、圧縮機１８で空気を圧縮して燃焼器１９に導くと共に、主供給通路５又は副供給通路８を通って供給されるガス燃料を、燃焼器１９内に噴射して燃焼させ、その高温高圧の燃焼ガスのエネルギによりタービン２０を駆動させる。タービン２０は、圧縮機１８を駆動すると共に、減速機２１及びカップリング２２を介して発電機６を駆動する。
【００１６】
第１のガス圧縮機２は、電動機２３によりコンプレッサ２４を駆動して都市ガス管３からの都市ガスを昇圧するものであり、電動機２３は、ガスタービン１で駆動される発電機６からの電力により駆動される。但し、電動機２３は、始動時には、商用交流電源のような外部電源２５により駆動される。都市ガス管３からの都市ガスは、遮断弁４１が開かれることにより、ガス導入通路４６を介して第１のガス圧縮機２に導入される。
【００１７】
ガス貯蔵器７は、ガス燃料として、天然ガスを圧縮して貯蔵した複数のガスボンベ２６を、地震時にも転倒しないように、架台（図示せず）に交換可能な状態で固定されたものである。各ガスボンベ２６はメンテナンス用弁２７を介して共通の管路２８に連結され、この管路２８の出口は供給元弁２９を介して副供給通路８に連結されている。前記管路２８には圧力計元弁３０を介して圧力計３１が配設されている。
【００１８】
前記副供給通路８に設けた遮断弁９には、高圧エアにより作動する調整弁３２が接続されている。遮断弁９は、調整弁３２を介して高圧エアが供給されることにより開閉して、副供給通路８を遮断する。
【００１９】
減圧弁１０には、コントローラ３３が接続されており、このコントローラ３３が、加温器１１の下流側の副供給通路８の圧力を検知する圧力センサ３４からの圧力検知信号により制御されて、副供給通路８の圧力が一定になるように調整される。
【００２０】
加温器１１は、大気との間で熱交換させる多数のフィン（図示せず）を有しており、この加温器１１の上方には温水を噴射する噴射ノズル３５が配設されている。この加温器１１は、ガス燃料が減圧されて膨張すると大気温度よりも低温になるので、加温器１１よりも下流側のガス燃料系の機器の許容下限温度を考慮し、汎用機器が使用できるように、冷えたガス燃料を暖めるためのものである。前記フィンを有する配管中を低温のガスが通過すると、大気により当該ガスが暖められる。ガス貯蔵器７からのガス燃料による運転時間は、通常２〜３分程度であるから、加温器１１に霜がつくおそれはないが、長時間使用すると大気中の水分が霜となって前記フィンに付着して熱交換能力が低下するので、この場合には、当該配管の上方に設けた噴射ノズル３５から温水を噴射し、霜を溶かして除去する。
【００２１】
制御装置４０は、調整弁３２、遮断弁１３，１５，４１を制御する弁制御手段３６と、第１モード設定手段３７と、第２モード設定手段３８と、警報装置３９を有している。また、この制御装置４０は、前記圧力計３１を監視し、前記ガス貯蔵器７が非常時に直ちにガス燃料を供給できる状態を維持する。前記制御装置４０による監視は、圧力計元弁３０に取り付けた圧力計３１からの圧力信号を取り込み、予め設定されたデータと比較して、非常時に必要となるガス圧力以下に低下していると判別した場合に、予め定めたプログラムに従って警報装置３９から、例えば、音もしくは光、又はその両方よりなる警報を発して、ガス貯蔵器７の点検を作業員などに対し促すものである。
【００２２】
都市ガス管３からの都市ガスを第１のガス圧縮機２に導くガス導入通路４６における、遮断弁４１の上流側に、第１の導入用開閉弁４７が配設されており、ガス導入通路４６における第１の導入用開閉弁４７の上流側とガス貯蔵器７における各ガスボンベ２６に共通の管路２８との間が、都市ガスを貯蔵器７に導入するためのガス充填通路４８により接続されている。このガス充填通路４８には、上流側から第２のガス圧縮機４９、逆止弁５４および第２の導入用開閉弁５１が順次配設されている。
【００２３】
第２のガス圧縮機４９は、電動機５２によりコンプレッサ５３を駆動して、ガス充填通路４８に導入された都市ガス管３からの都市ガスをガスボンベ２６に貯蔵可能な高い圧力、例えば最大２００ｋｇｆ／ｍ^２ の圧力まで昇圧するものであり、電動機５２は、商用交流電源のような外部電源２５により駆動される。なお、第１のガス圧縮機２では、都市ガス管３からの都市ガスが、ガスタービン１に供給するのに適した圧力、例えば１４ ｋｇｆ／ｍ^２ 程度に昇圧される。第１の導入用開閉弁４７は、常用時に都市ガスを遮断弁４１を介し第１のガス圧縮機２に供給できるように常時開弁されている。第２の導入用開閉弁５１は、充填要求に応じて開弁されて、第２のガス圧縮機４９で圧力を高められた都市ガス管３からの都市ガスをガス貯蔵器７のガスボンベ２６に供給する。逆止弁５４は、第２の導入用開閉弁５１が開弁されたときに、ガス貯蔵器７に残存する圧縮ガスが第２のガス圧縮機４９に流入するのを防止する。
【００２４】
つぎに、上記ガス専焼ガスタービン発電装置の動作について説明する。常用時には、始動の際、遮断弁４１を開いて第１のガス圧縮機２に都市ガス管３からの都市ガスを供給し、外部電源２５からの電力によって第１のガス圧縮機２を駆動して都市ガス管３からの都市ガスを昇圧し、昇圧した都市ガス管３からの都市ガスを、開閉装置４の遮断弁１３を開弁状態にして、主供給通路５を介しガスタービン１に供給して駆動し、このガスタービン１により発電機６を駆動して発電し、工場等の電力負荷部及び第１のガス圧縮機２に供給する。
【００２５】
外部電源２５の停電を伴う非常時に、火災や発煙等が検知されると、消化ポンプなどの防災設備４３に電力を供給するためにガスタービン１を始動する。その際、第１モード設定手段３７と第２モード設定手段３８により、ガス燃料をガスタービン１に供給する。
【００２６】
すなわち、第１モード設定手段３７は、制御装置４０に停電信号と防災信号の両方が入力されることにより、制御装置４０は、エアーモータのような始動装置５０を駆動して、ガスタービン１を始動させ、つづいて、開閉装置４のコントローラ１６と副供給通路８の遮断弁９の調整弁３２に制御信号を出力して、遮断弁９を開弁し、遮断弁１３を閉弁し、遮断弁１５を開弁する。これにより、前記第１のガス圧縮機２からガスタービン１へのガス燃料の主供給通路５を遮断し、前記ガス貯蔵器７からのガス燃料を、副供給通路８を経てガスタービン１に供給させ、ガスタービン１の起動を完了させる。
【００２７】
次に、ガスタービン１の駆動により発電機６で発電された電力は、制御装置４０からの信号で遮断器４５が投入されることにより、第１のガス圧縮機２の電動機２３に供給されて、これを駆動する。このとき、制御装置４０は、遮断弁４１を連動して開弁し、第１のガス圧縮機２に都市ガスを供給して昇圧させる。
【００２８】
第２モード設定手段３８は、第１のガス圧縮機２の出口圧力を検知する圧力センサ４２からの圧力検知信号を受けて第１のガス圧縮機２の運転状態を監視し、第１のガス圧縮機２が定常運転となって出口圧力が所定値に達したと判別したときに、開閉装置４のコントローラ１６を制御して、遮断弁１３を開弁し、遮断弁１５を閉弁して、第１のガス圧縮機２からの昇圧された都市ガスをガスタービン１に供給する。これにより、ガスタービン１に供給するガス燃料を、貯蔵された圧縮ガスから都市ガスに切り替えることができ、その後は、ガス圧縮機２からの都市ガスによってガスタービン１の運転が継続される。
【００２９】
こうして、都市ガスを燃料として駆動されるガスタービン１によって発電機６を駆動して発電し、この電力を継続的に防災設備４３や電力負荷部に供給する。したがって、非常時にも、始動時の短時間、例えば２〜３分間だけ貯蔵ガス燃料でガスタービン１を駆動するので、ガス貯蔵器７に貯蔵するガス燃料は少なくて済む。
【００３０】
非常時にガス貯蔵器７の貯蔵ガスを使用した場合、使用される時間が上述のように２〜３分間程度であることから、使用ガス量は僅かであるが、ガスボンベ２６の圧力が下がる。そこで、第２の導入用開閉弁５１および各メンテナンス用弁２７をそれぞれ開弁する。これにより、都市ガス管３からの都市ガスは、ガス導入通路４６からガス充填通路４８に取り出されて第２のガス圧縮機５２に導入され、この第２のガス圧縮機４９で所定の圧力まで昇圧されたのちに、ガス充填通路４８および管路２８を通って各ガスボンベ２６に、これが所定の圧力になるまで充填される。したがって、各ガスボンベ２６には、ガス貯蔵器７内に設置された状態のままで非常時に使用分の都市ガスを充填できる。また、一般にガス圧力の低い都市ガス管３からの都市ガスは、第２のガス圧縮機４９によって昇圧されたのちにガスボンベ２６に充填されるので、ガスボンベ２６内を所定の圧力に維持できる。
【００３１】
ところで、ガス充填通路４８は、ガス導入通路４６に設けた第１の導入用開閉弁４７の上流側でガス導入通路４６に接続されており、第２の導入用開閉弁５１は、ガス充填通路４８におけるガス貯蔵器７の上流側に設けられている。これら第１および第２の導入用開閉弁４７，５１は、電気事業法の適用を受ける箇所とガス事業法の適用を受ける箇所とを区分する、いわゆる区分弁となっている。すなわち、各導入用開閉弁４７，５１の下流側の箇所は、電気工作物であるから、一般に、防爆仕様が必要となる。これに対し各導入用開閉弁４７，５１の上流側の箇所、つまりガス充填通路４８におけるガス導入通路４６との接続点から第２の導入用開閉弁５１に至る箇所６０は、ガス工作物であるから、通風の良い場所への設定等の条件を満たせば、防爆仕様が不要である。したがって、ガス充填通路４８および第２のガス圧縮機４９は、汎用品で構成できる利点がある。
【００３２】
また、上記のガスボンベ２６に対するガス充填は、ガス貯蔵器７の運用外時に第２の導入用開閉弁５１を開弁し、外部電源２５から電動機５２に電力供給して第２のガス圧縮機４９を駆動して行われる。なお、第２のガス圧縮機４９は、ガスタービン１の運転休止中に外部電源２５からの電力によって駆動してもよいし、ガスタービン１の運転中に、発電機６または外部電源２５からの電力によって駆動してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガス専焼ガスタービン発電装置によれば、非常時に電源がなくても、ガス貯蔵器からのガス燃料によってガスタービンを起動し、起動後は、ガスタービンで駆動した発電機からの電力によりガス圧縮機を駆動できるので、常用ガス源からのガス燃料でガスタービンの運転を継続できる。そして、非常時にガス貯蔵器のガスを使用した場合、常用ガス源からのガス燃料を第２のガス圧縮機で昇圧させたガス燃料を、ガス貯蔵器のガスボンベに充填する。したがって、ガスボンベには、ガス貯蔵器内に設置された状態のままで非常時に使用分のガスを充填できるとともに、一般にガス圧力の低い都市ガスなどを第２のガス圧縮機によって昇圧して充填できる。さらに、ガス充填通路が、ガス導入通路に設けた第１の導入用開閉弁の上流側で、前記ガス導入通路に接続され、第１および第２の導入用開閉弁が、電気事業法の適用を受ける箇所とガス事業法の適用を受ける箇所とを区分する区分弁となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガス専焼ガスタービン発電装置を示す系統図である。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…第１のガス圧縮機、３…常用ガス源、４…開閉装置、６…発電機、７…ガス貯蔵器、２５…外部電源、３７…第１モード設定手段、３８…第２モード設定手段、４０…制御装置、４６…ガス導入通路、４７…第１の導入用開閉弁、４８…ガス充填通路、４９…第２のガス圧縮機、５１…第２の導入用開閉弁

Claims (2)

1. ガス燃料を使用するガスタービン１と、
   このガスタービン１で駆動される発電機６と、
   外部電源２５又は前記発電機６から電力を受けて、常用ガス源３からのガス燃料を昇圧する電動式の第１のガス圧縮機２と、
   ガス燃料を貯蔵するガス貯蔵器７と、
   常時に、第１のガス圧縮機２からのガス燃料を前記ガスタービン１に供給する主供給通路５と、
   非常時に、ガス貯蔵器７からのガス燃料を前記ガスタービン１に供給する副供給通路８と、
   前記第１のガス圧縮機２及びガス貯蔵器７から前記ガスタービン１へのガス燃料の前記両供給通路５，８を開閉する開閉装置４と、
   前記外部電源２５の停電を伴う非常時に、前記開閉装置４を制御して前記主供給通路５を遮断し、前記副供給通路８を開放して前記ガス貯蔵器７からのガス燃料を前記ガスタービン１に供給させる第１モード設定手段３７と、
   前記第１のガス圧縮機２の運転を監視して前記開閉装置４を制御し、前記副供給通路８を遮断して前記ガス貯蔵器７から前記ガスタービン１へのガス燃料の供給を停止し、前記主供給通路５を開放して前記第１のガス圧縮機２からのガス燃料を前記ガスタービン１に供給させる第２モード設定手段３８と、
   前記常用ガス源３からのガス燃料を前記ガス貯蔵器７に導入するガス充填通路４８と、
   前記ガス充填通路４８に設けられて前記ガス燃料を昇圧し前記ガス貯蔵器７に貯蔵させる第２のガス圧縮機４９とを備え、
   前記常用ガス源３からのガス燃料を前記第１のガス圧縮機２に導入するガス導入通路４６に、そのガス燃料を第１のガス圧縮機２に供給するときに開かれる遮断弁４１と、その上流側に位置する第１の導入用開閉弁４７とが設けられ、
   前記ガス充填通路４８は、前記第１の導入用開閉弁４７の上流側で前記ガス導入通路４６に接続され、前記第２のガス圧縮機４９とガス貯蔵器７との間に第２の導入用開閉弁５１を有している、
   ガス専焼ガスタービン発電装置。
2. 請求項１において、前記第２のガス圧縮機４９は、前記外部電源２５からの電力により駆動されるガス専焼ガスタービン発電装置。

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