JP4086510B2 - ガス圧縮装置及びその運転方法、及び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、ガス圧縮装置及びその運転方法に係り、特にマイクロガスタービン発電装置などに使用されるガスを圧縮するためのガス圧縮装置及びその運転方法に関するものである。また、本発明は、このようなガス圧縮装置を備えた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】
従来から、圧縮機の内部に潤滑油を噴霧して圧縮機の内部を潤滑しながらガスを圧縮するガス圧縮装置が知られている。圧縮機の内部に噴霧された潤滑油は圧縮されたガスと共に排出されるが、圧縮機の下流側に設けられたオイルセパレータでガスと分離されて、再び圧縮機に戻され循環されるようになっている。
【０００３】
このようなガス圧縮装置は、例えば、マイクロガスタービン発電装置に使用される燃料ガスを圧縮するために用いられている。このマイクロガスタービン発電装置は、極小型のタービンに極小型の発電機を直結し、タービンに燃焼ガスを供給することで、例えば毎分１０万回転程度の高速で運転を行うものである。このようなガスタービン発電装置によれば、極小型の設備でありながら、例えば５０〜１００ｋＷ程度の発電電力を供給することができるので、近年、地域分散型の電源の１つとして特に注目を集めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、上述したマイクロガスタービン発電装置の燃料ガスとして用いられるガスの中には、液化石油ガス（ＬＰＧ）のようにある加圧状態において沸点が大気の温度に近くなるものがある。このようなガスを用いた場合に、圧縮機及び潤滑油の温度が大気温度に近い状態でガス圧縮装置を起動すると、圧縮されたガスが潤滑油と接触して、凝縮・液化してしまうことがある。この場合、液化したガスは、潤滑油と共に圧縮機の吸込側に戻され、圧縮機で蒸発することとなるため、圧縮機の吸込圧力が不安定となったり、吐出圧力が十分に上がらないなどの動作不良が生じ、運転に支障をきたす。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、ある加圧状態で沸点が大気温度に近いガスを圧縮する場合にも、起動時に動作不良を生じることなく、効率のよい運転を行うことができるガス圧縮装置及びその運転方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このようなガス圧縮装置を備えたガスタービン発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の第１の態様は、圧縮機の内部に潤滑油を循環させながらガスの圧縮を行うガス圧縮装置の運転方法であって、ガス圧縮装置の起動時に、ガス供給源と上記圧縮機とを接続する配管に設けられたガス供給調節弁を閉じた状態で、上記圧縮機を駆動させて暖機運転を行い、上記暖機運転により上記潤滑油の温度が上記ガスの沸点以上になった後、上記ガス供給調節弁を開いて、上記圧縮機によるガスの圧縮を開始することを特徴とするガス圧縮装置の運転方法である。
【０００７】
本発明の第２の態様は、ガスを圧縮する圧縮機と該圧縮機に潤滑油を循環させる潤滑油循環系とを備えたガス圧縮装置であって、ガス供給源と上記圧縮機とを接続する配管にガス供給調節弁を設け、ガス圧縮装置の起動時に、上記ガス供給調節弁を閉じた状態で、上記圧縮機を駆動させて暖機運転を行い、上記暖機運転により上記潤滑油の温度が上記ガスの沸点以上になった後、上記ガス供給調節弁を開いて、上記圧縮機によるガスの圧縮を開始することを特徴とするガス圧縮装置である。
【０００８】
このように、ガス圧縮装置の起動時には、ガス供給調節弁を閉じ、ガスの吸入を遮断した状態で、圧縮機を駆動させて暖機運転を行うので、圧縮機及び潤滑油を加熱することができ、短時間で圧縮機及び潤滑油の温度を上げることができる。そして、潤滑油の温度がガスの沸点以上になった後、上記ガス供給調節弁を開いて、圧縮機によるガスの圧縮を開始するので、圧縮されたガスが潤滑油と接触しても、液化することがない。従って、液化したガスが圧縮機に戻されて動作不良が生じることがなく、効率のよい運転が可能となる。
【０００９】
また、より短時間で潤滑油の温度を上昇させるためには、上記暖機運転中に、上記潤滑油を冷却するオイルクーラを停止することが好ましい。
【００１０】
また、上記潤滑油循環系に、潤滑油を加熱するヒータを設け、上記暖機運転開始前及び暖機運転中に、上記ヒータにより潤滑油を加熱することとすれば、更に短時間で潤滑油の温度を上げることができる。
【００１１】
また、上記潤滑油循環系に、上記潤滑油の温度が上記ガスの沸点以上になったことを検知する温度センサを設けることとしてもよい。
【００１２】
本発明の第３の態様は、上述したガス圧縮装置と、空気を圧縮する空気圧縮機と、上記空気圧縮機により圧縮された空気と上記ガス圧縮装置により圧縮されたガスとの混合気を燃焼させる燃焼器と、上記燃焼器において発生した燃焼ガスにより回転するタービンと、上記タービンの回転により発電を行う発電機とを備えたことを特徴とするガスタービン発電装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン発電装置の実施形態について図１及び図２を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明するガスタービン発電装置には、極小型のタービンを使用して発電を行うマイクロガスタービン発電装置も含まれる。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態におけるガスタービン発電装置の全体構成を模式的に示す系統図である。図１に示すように、ガスタービン発電装置は、圧縮空気と燃料ガスとの混合気を燃焼させることにより発電を行うガスタービン１と、ガスタービン１に天然ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）などの燃料ガスを供給するガス圧縮装置２と、ガスタービン１から排出された排気ガスから排熱を回収する温水ボイラ３とを備えている。
【００１５】
ガスタービン１は、空気吸入ポート１０から吸入された空気を圧縮する空気圧縮機１１と、空気圧縮機１１により圧縮された圧縮空気と上記ガス圧縮装置２からの燃料ガスとの混合気を燃焼させる燃焼器１２と、燃焼器１２において発生した燃焼ガスを受けて高速で回転する複数の回転翼を有するタービン１３と、タービン１３の高速回転により発電を行う発電機１４と、タービン１３から排出された排気ガスの熱を利用して燃焼器１２に供給される圧縮空気を加熱する再生器１５とを備えている。タービン１３及び空気圧縮機１１は、回転軸１６を介して図示しないケーシング内に回転自在に支持されており、この回転軸１６の一端部には発電機１４が連結されている。これらタービン１３、空気圧縮機１１、及び発電機１４は回転軸１６を介して一体に回転するようになっている。
【００１６】
このような構成のガスタービン１において、空気吸入ポート１０から吸入された空気は、配管４１を介して空気圧縮機１１に供給され、空気圧縮機１１により圧縮されて圧縮空気となる。空気圧縮機１１により圧縮された空気は、配管４２を介して再生器１５に供給され、再生器１５の内部を通過する間にタービン１３から排出された排気ガスの熱により加熱される。再生器１５において加熱された圧縮空気は、燃焼器１２に供給され、ガス圧縮装置２から供給される燃料ガスと混合される。これにより、燃焼器１２の内部には圧縮空気と燃料ガスとの混合気が形成される。圧縮空気と燃料ガスとの混合気は燃焼器１２の内部で燃焼され、この混合気の燃焼によって高温・高圧の燃焼ガスが発生する。
【００１７】
燃焼器１２における燃焼により発生した燃焼ガスは配管４３を介してタービン１３に供給され、この燃焼ガスを受けてタービン１３が高速で回転する。このタービン１３の高速回転に伴って、発電機１４及び空気圧縮機１１が高速で回転駆動される。発電機１４において発生した交流電流は、図示しない直流変換部、昇圧部、インバータ装置などにより商用交流電流として使用できるように調整された後、外部に出力される。タービン１３からの排気ガスは、配管４４を介して再生器１５に供給され、再生器１５内の配管４２を流れる圧縮空気を加熱し、その後、温水ボイラ３に供給される。
【００１８】
温水ボイラ３は、タービン１３からの排気ガスと温水との間で熱交換を行う排熱回収熱交換器３０を備えており、温水パイプ４５の内部を循環する温水をタービン１３からの排気ガスの熱によって加熱して排熱を回収するようになっている。排熱回収熱交換器３０において温水と熱交換を行った排気ガスは、温水ボイラ３の排気ポート３１から外部に排気される。
【００１９】
次に、本実施形態におけるガス圧縮装置２について図２を参照して詳細に説明する。図２は、図１のガス圧縮装置２の構成を模式的に示す系統図である。図２に示すように、ガス圧縮装置２は、燃料ガス供給源２０に接続される燃料ガス供給ポート２１と、燃料ガス供給ポート２１から吸入された燃料ガスを圧縮するガス圧縮機２２と、ガス圧縮機２２を回転駆動させるモータ２３とを備えている。モータ２３の回転速度は図示しないインバータによって制御され、モータ２３の回転速度を制御することによってガス圧縮機２２から排出される燃料ガスの圧力が調整される。
【００２０】
ガス圧縮機２２は例えばスクリュー型圧縮機であり、スクリューの噛み合わせ部分に潤滑油を供給してガス圧縮機２２内の潤滑を行っている。潤滑油循環系として、ガス圧縮装置２は、図２に示すように、潤滑油５０を貯留する潤滑油タンク２４と、ガス圧縮機２２の加圧による潤滑油５０の発熱を抑えるためのオイルクーラ２５と、ガス圧縮機２２から排出される燃料ガスと潤滑油５０とを分離するオイルセパレータ２６とを備えている。
【００２１】
潤滑油タンク２４内の潤滑油５０は、例えばファンとモータからなるオイルクーラ２５によって冷却された後、配管５１を介してガス圧縮機２２に供給され、ガス圧縮機２２の内部を潤滑する。この潤滑油は、ガス圧縮機２２に供給される燃焼ガスと共にガス圧縮機２２から排出されることとなるが、燃料ガスと潤滑油との混合物は配管５２を介して潤滑油タンク２４及びオイルセパレータ２６に送られる。このオイルセパレータ２６において燃料ガスと潤滑油とが分離され、分離された潤滑油の一部は潤滑油タンク２４に回収され、残りは配管５３を介して再びガス圧縮機２２に供給される。このようにして、潤滑油がガス圧縮装置２の内部を循環するようになっている。
【００２２】
一方、オイルセパレータ２６で分離された燃料ガスは、配管５４を介してガスタービン１の燃焼器１２（図１参照）に供給される。この配管５４には、燃焼器１２への燃料の供給量を調節する燃料調節弁２７が設けられており、この燃料調節弁２７の開度を調節することにより、燃焼器１２への燃料ガスの供給量が調節される。このように、燃焼器１２への燃料ガスの供給量を調節することにより、タービン１３の回転速度又は加速度のいずれかの制御が行われる。
【００２３】
ここで、燃料ガス供給ポート２１とガス圧縮機２２とを接続する配管５５には、ガス供給調節弁２８が設けられている。このガス供給調節弁２８を開くと、燃料ガス供給源２０から燃料ガスがガス圧縮機２２に供給され、ガス供給調節弁２８を閉じると、燃料ガスの供給が遮断されるようになっている。
【００２４】
上述したガスタービン発電装置を起動する場合、ガスタービン１の燃焼器１２には予め加圧されたガスを供給しておく必要があるため、ガスタービン１の起動に先立ち、ガス圧縮装置２を起動して燃焼器１２に加圧ガスを供給する。このガス圧縮装置２の起動時には、ガス供給調節弁２８を閉じた状態で、モータ２３によりガス圧縮機２２を駆動させて暖機運転を行う。従って、この暖機運転においては、燃料ガスはガス圧縮機２２に供給されずに潤滑油だけがガス圧縮機２２に供給され、この潤滑油が次第に加熱される。
【００２５】
このような暖機運転を一定の時間だけ続け、潤滑油の温度を燃料ガスの沸点以上にした後、ガス供給調節弁２８を開けて、ガス圧縮機２２に燃料ガスを供給して、燃料ガスの圧縮を開始する。燃料ガスがガス圧縮機２２に供給される時点では、上述した暖機運転によって潤滑油の温度が燃料ガスの沸点以上の温度となっているため、圧縮された燃料ガスが潤滑油タンク２４やオイルセパレータ２６などにおいて潤滑油と接触しても、液化することがない。従って、液化した燃料ガスがガス圧縮機２２に戻されて動作不良が生じることがなく、効率のよい運転が可能となる。
【００２６】
なお、図２に示すように、潤滑油タンク２４内の潤滑油の温度を測定する温度センサ６０を設け、この温度センサ６０により潤滑油の温度が燃料ガスの沸点以上になったことが検知されたときに暖機運転を終了することとしてもよい。また、より短時間で潤滑油の温度を上昇させるためには、上述した暖機運転中においてオイルクーラ２５を停止しておくことが好ましい。あるいは、上記温度センサ６０により潤滑油の温度が一定値以上になったときにオイルクーラ２５が作動するようにしてもよい。
【００２７】
また、ガス供給調節弁２８を閉じた状態でガス圧縮機２２を駆動させて潤滑油を加熱するのではなく、潤滑油循環系内、例えば図２に示すように潤滑油タンク２４の外周部にヒータ６１を設け、このヒータ６１によって直接潤滑油を加熱することとしてもよい。ガス供給調節弁２８を閉じた状態でガス圧縮機２２を駆動させ、更にヒータ６１によって直接潤滑油を加熱することとすれば、更に短時間で潤滑油の温度を上げることができる。
【００２８】
このようにして、ガス圧縮装置２により燃料ガスを圧縮し、この燃料ガスを燃焼器１２に供給した後、起動用モータ（図示せず）によりタービン１３を回転駆動してガスタービン１を起動する。燃焼器１２には空気圧縮機１１から圧縮空気が供給され、圧縮空気と燃料ガスとの混合気が形成される。そして、燃焼器１２において着火プラグ（図示せず）により混合気の着火動作を開始し、混合気の燃焼により燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスによりタービン１３は動力を得て昇速する。なお、タービン１３が所定の回転速度まで昇速すると、起動用モータによる回転駆動は解除される。
【００２９】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、ガス圧縮装置の起動時には、ガス供給調節弁を閉じ、ガスの吸入を遮断した状態で、圧縮機を駆動させて暖機運転を行うので、圧縮機及び潤滑油を加熱することができ、短時間で圧縮機及び潤滑油の温度を上げることができる。そして、潤滑油の温度がガスの沸点以上になった後、上記ガス供給調節弁を開いて、圧縮機によるガスの圧縮を開始するので、圧縮されたガスが潤滑油と接触しても、液化することがない。従って、液化したガスが圧縮機に戻されて動作不良が生じることがなく、効率のよい運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるガスタービン発電装置の全体構成を模式的に示す系統図である。
【図２】図１のガスタービン発電装置のガス圧縮装置の構成を模式的に示す系統図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ ガス圧縮装置
３ 温水ボイラ
１０ 空気吸入ポート
１１ 空気圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ 発電機
１５ 再生器
１６ 回転軸
２０ 燃料ガス供給源
２１ 燃料ガス供給ポート
２２ ガス圧縮機
２３ モータ
２４ 潤滑油タンク
２５ オイルクーラ
２６ オイルセパレータ
２７ 燃料調節弁
２８ ガス供給調節弁
３０ 排熱回収熱交換器
３１ 排気ポート
４１〜４４，５１〜５５ 配管
４５ 温水パイプ
５０ 潤滑油
６０ 温度センサ
６１ ヒータ

Claims (6)

1. 圧縮機の内部に潤滑油を循環させながらガスの圧縮を行うガス圧縮装置の運転方法であって、
   ガス圧縮装置の起動時に、ガス供給源と前記圧縮機とを接続する配管に設けられたガス供給調節弁を閉じた状態で、前記圧縮機を駆動させて暖機運転を行い、前記暖機運転により前記潤滑油の温度が前記ガスの沸点以上になった後、前記ガス供給調節弁を開いて、前記圧縮機によるガスの圧縮を開始することを特徴とするガス圧縮装置の運転方法。
2. 前記暖機運転中には、前記潤滑油を冷却するオイルクーラを停止することを特徴とする請求項１に記載のガス圧縮装置の運転方法。
3. ガスを圧縮する圧縮機と該圧縮機に潤滑油を循環させる潤滑油循環系とを備えたガス圧縮装置であって、
   ガス供給源と前記圧縮機とを接続する配管にガス供給調節弁を設け、
   ガス圧縮装置の起動時に、前記ガス供給調節弁を閉じた状態で、前記圧縮機を駆動させて暖機運転を行い、
   前記暖機運転により前記潤滑油の温度が前記ガスの沸点以上になった後、前記ガス供給調節弁を開いて、前記圧縮機によるガスの圧縮を開始することを特徴とするガス圧縮装置。
4. 前記潤滑油循環系に、潤滑油を加熱するヒータを設け、
   前記暖機運転開始前及び暖気運転中に、前記ヒータにより潤滑油を加熱することを特徴とする請求項３に記載のガス圧縮装置。
5. 前記潤滑油循環系に、前記潤滑油の温度が前記ガスの沸点以上になったことを検知する温度センサを設けたことを特徴とする請求項３又は４に記載のガス圧縮装置。
6. 請求項３乃至５のいずれか一項に記載のガス圧縮装置と、
   空気を圧縮する空気圧縮機と、
   前記空気圧縮機により圧縮された空気と前記ガス圧縮装置により圧縮されたガスとの混合気を燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器において発生した燃焼ガスにより回転するタービンと、
   前記タービンの回転により発電を行う発電機とを備えたことを特徴とするガスタービン発電装置。

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