JP4287754B2 - ガスタービン発電設備 - Google Patents

Description

本発明はガスタービン発電設備に係わり、特に圧縮機の吸入空気に水を噴霧して圧縮機の吸入空気を冷却するガスタービン発電設備に好適なものである。

従来の一般的なガスタービン発電設備は、大気から吸入した空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンにより駆動される発電機と、大気から空気を吸入して発電機を冷却する送風機と、を備えて構成されている（従来技術１）。

また、従来のガスタービン発電設備としては、特開平９−２３６０２４号公報（特許文献１）に示されたものがある（従来技術２）。このガスタービン発電設備は、大気より吸入した空気を圧縮機にて圧縮して高温、高圧化し、この高圧空気に燃料を加えて燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをタービンに流すことで膨張仕事をさせ、その際に発生する回転トルクで発電機を駆動して電気を取り出すものであって、圧縮機の吸入空気に微細な水滴を噴霧して、圧縮機内で水滴が蒸発する際の蒸発潜熱を利用して、圧縮空気を冷却するものである。

特開平９−２３６０２４号公報

火力発電所などに設置するガスタービン発電設備では、発電出力の増大および発電効率を向上することが重要である。

一般的なガスタービン発電設備は、季節によってあるいは時間帯によって、発電出力および発電効率が変動することが知られている。この原因は、圧縮機に吸入する空気の質量流量が気温の影響を受け、圧縮機の出力および効率が変化するためである。すなわち、空気の密度は外気温の関数になっており、外気温が高ければ密度が小さくなるため、圧縮機の出力および効率が低下する。

従来技術１では、大気より吸入した空気を単に圧縮機に吸入して圧縮して高温、高圧化しているので、図２のａ−ｂ−ｃ−ｄに示す特性を有し、発電出力および発電効率が低いという問題があった。また、従来技術１では、夏季などの気温の高いときに、大気から吸い込む空気の質量流量が設計値より低くなり、発電機の出力が大幅に低下してしまうという課題があった。さらに、従来技術１では、大気から空気を吸入して発電機を冷却する通風用ファンを独立して備えているため、設備の大型化を招くと共に、通風用ファンの動力を必要としてその分だけ効率が低下するという問題があった。

一方、従来技術２では、圧縮機の吸入空気に微細な水滴を噴霧して、圧縮機内で水滴が蒸発する際の蒸発潜熱を利用して、圧縮空気を冷却するようにしているので、図２のａ’−ｂ’−ｃ’−ｄ’に示す特性を有し、従来技術１の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができるものである。しかし、従来技術２では、噴霧した水滴の蒸発される量は吸入される大気の温度状態および噴霧装置に供給される水の水源の温度状態で定まるため、発電出力の増大および発電効率の向上がこれによって制限されていた。

また、従来技術２において、外気温が低下すると、噴霧した水滴が完全に蒸発されなくなり、その水滴によって圧縮機の翼の信頼性を低下するおそれがあった。

本発明の目的は、発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができるガスタービン発電設備を提供することにある。

なお、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。

前記目的を達成するために、本発明は、大気から吸入される空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機に吸入される空気に水滴を噴霧する噴霧装置と、前記圧縮機から吐出される圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動される発電機とを備えたガスタービン発電設備において、前記圧縮機に吸入される空気および前記噴霧装置から噴霧する水の少なくとも何れかを加熱する加熱装置を備え、前記噴霧装置は、前記圧縮機に吸入される空気の温度に基づいて噴霧を制御するものであり、前記圧縮機に吸入される空気中に水滴を噴霧する噴霧器と、前記圧縮機に吸入される空気の温度を検出する温度検出器と、前記噴霧器へ供給する水量を制御する制御弁と、前記温度検出器の検出温度に基づいて前記制御弁を制御する制御装置とを備え、前記温度検出器は前記噴霧器より吸入側の空気の温度を検出するものであり、前記制御弁は開状態と閉状態の二つの状態に制御される開閉弁である構成にしたことにある。

前記本発明のガスタービン発電設備において、より好ましくは次の構成にすることである。
（１）前記発電機は大気から吸入した空気で冷却されるものであり、前記発電機を冷却して温度上昇した空気で前記圧縮機に吸入する空気を加熱する加熱装置を備えたこと。
（２）前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気の全部を、前記圧縮機に吸入する空気の流路に導くものであること。
（３）前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を流出する流出口を、前記噴霧器と前記圧縮機の吸入口とを結ぶ流路の中間位置に連通したこと。
（４）前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を流出する流出口を、前記噴霧器の噴霧部またはその近傍に連通したこと。
（５）発電機は大気から吸入した空気で冷却されるものであり、前記発電機を冷却して温度上昇した空気で前記噴霧装置から噴霧する水を加熱する加熱装置を備えたこと。
（６）前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を、前記噴霧器に水を供給する配管と熱交換する空気流路に導くものであること。
（７）前記噴霧器に水を供給する配管と熱交換する空気流路とを多重管で形成したこと。

本発明のガスタービン発電設備によれば、圧縮機に吸入される空気および噴霧装置から噴霧する水の少なくとも何れかを加熱する加熱装置を備えたことにより、噴霧した水滴の蒸発される量を増大することができ、発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができる。

以下、本発明の複数の実施例を、図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

まず、本発明の第１実施例のガスタービン発電設備を、図１および図２を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例のガスタービン発電設備を示す構成図、図２はガスタービン発電設備の出力および効率を示す特性図である。

本実施例のガスタービン発電設備１０は、図１に示すように、大気から空気を吸い込む圧縮機１と、圧縮機１に吸入される空気に水滴を噴霧する噴霧装置９と、圧縮機１に吸入される空気を加熱する加熱装置１１と、圧縮機１が吐出する圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器２と、燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービン３と、ガスタービン３により駆動される発電機４とを備えて構成されている。

圧縮機１には吸気ダクト１ａが接続され、吸気ダクト１ａ内に微細な水滴を噴霧する噴霧器５が設置されている。発電機４の冷却のために、発電機の内部または外部または内部と外部に空気を流す冷却空気流路４ａを有している。冷却空気流路４ａは、圧縮機１の吸気ダクト１ａに接続されており、発電機４を冷却した空気が吸気ダクト１ａ内に流れる構造になっている。したがって、大気からの空気は、吸気ダクト１ａおよび冷却空気流路４ａを通して圧縮機１へ吸込まれる。吸気ダクト１ａが圧縮機１への主たる吸気流路を構成し、冷却空気流路４ａが補助的な吸気流路を構成する。

なお、図示例では、冷却空気流路４ａが単一で、吸気ダクト１ａに接続されているが、冷却空気流路４ａを複数に分岐し、その一部を吸気ダクト１ａに接続し、残りを大気に放出するような形態でもよい。

噴霧装置９は噴霧器５および水供給配管５ａを備えて構成されている。噴霧器５は、圧縮機１に吸入される空気中に水滴を噴霧するものであり、吸気ダクト１ａの途中に設けられている。噴霧器５は、吸気ダクト１ａの吸気口に近い位置に設けられ、圧縮機１との間の吸気ダクト１ａの長さを水滴が十分に蒸発できる長さを確保するようになっている。水供給配管５ａは水源より水を噴霧器５に供給する流路を構成するものである。

加熱装置１１は、圧縮機１および冷却空気流路４ａから構成され、大気から吸入した空気で発電機１を冷却する冷却装置を兼ねている。すなわち、加熱装置１１は、発電機１を冷却して温度上昇した空気で、圧縮機１に吸入する吸気ダクト１ａ内の空気を加熱するものである。冷却空気流路４ａは、噴霧器５と圧縮機１との間の吸気ダクト１ａの途中の位置に連通されている。この冷却空気流路４ａの連通位置は、噴霧器５側から約２：１の位置である。なお、加熱装置１１による加熱量が十分であれば、発電機１を冷却して温度上昇した空気の一部で圧縮機１に吸入する空気を加熱し、残りを大気中に放出するようにしてもよい。

次に、係る構成のガスタービン発電設備１０の動作について説明する。ガスタービン発電設備１０が運転され、圧縮機１が駆動されると、大気から圧縮機１の吸気側に連通された吸気ダクト１ａおよび冷却空気流路４ａに空気が吸込まれる。

吸気ダクト１ａに吸込まれた空気は、噴霧器５を通る際に、噴霧器５から水滴が噴霧される。噴霧された水滴は、吸入空気と共に吸気ダクト１ａ内を流れ、その間にその一部または全部が蒸発される。その蒸発潜熱により、水滴と共に吸気ダクト１ａ内を流れる吸入空気の温度が大気温度よりも低くなる。

冷却空気流路４ａに吸込まれた空気は、発電機４を通る際に、圧縮機１を冷却して温度上昇し、吸気ダクト１ａ内に吸込まれ、吸気ダクト１ａを流れる吸入空気を加熱する。これによって、噴霧器５から吸気ダクト１ａ内を流れる空気中に噴霧される水滴の蒸発能力が増大される。

したがって、本実施例によれば、噴霧器５からの噴霧量を増大することができるので、図２のａ”−ｂ”−ｃ”−ｄ”に示す特性を有し、従来技術１、２の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができるものである。

また、加熱装置１１の加熱源として圧縮機１の排熱を利用しているので、新たな加熱源を必要とせず、発電効率を向上することができる。さらに、温度上昇した空気の全部を吸気ダクト１ａ内に供給するようにしているので、十分な加熱量を確保でき、発電出力の増大および発電効率を図ることができる。しかも、発電機１を冷却する空気の吸入が圧縮機１によって行われるので、発電機４に冷却空気を流すための送風機などの補機を不要とすることができ、ガスタービン発電設備の効率向上や部品点数の低減、コストダウンが可能となると共に、設備の小型化を図ることができる。

次に、本発明の第２実施例を、図２および図３を用いて説明する。図３は本発明の第２実施例のガスタービン発電設備の構成図である。この第２実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。

この第２実施例では、噴霧装置９は、図３に示すように、噴霧器５、温度検出器８、制御弁６および制御装置７を備えて構成されている。

温度検出器８は、圧縮機１に吸入される空気の温度を検出するものであり、具体的には、噴霧器５より吸入側の空気の温度を検出するものである。なお、温度検出器８は、圧縮機１に吸入される空気の温度を間接的に検出するものであってもよく、あるいは吸気ダクト１ａ内に吸気された空気の温度を検出するものであってもよい。

制御弁６は、噴霧器５へ供給する水量を制御するものであり、具体的には、開状態と閉状態の二つの状態に制御される開閉弁で構成され、水供給配管５ａの途中に設けられている。なお、制御弁６を流量を比例的に調整することができるタイプにしてもよい。

制御装置７は、温度検出器８の検出温度（外気温）に基づいて、制御弁６を制御するものであり、具体的には、外気温が図２のＴ１以上で制御弁６を開路し、Ｔ１未満で制御弁６を閉路するものである。噴霧器５から水滴を噴霧する量は、この外気温Ｔ１において水滴が完全に蒸発して吸入空気が圧縮機１に吸込まれることができる最大量に設定されている。

水滴の蒸発量は一般に吸入空気の温度（外気温）により変化する。すなわち、外気温度が高いほど多くの水滴が蒸発する。したがって、外気温が高い時に噴霧した水滴が蒸発できる最大量を合わせて噴霧量を設定すると、外気温が低い時に噴霧した水滴の一部が蒸発せずに、水滴のまま圧縮機１内に入り、圧縮機１の翼に損傷を及ぼす恐れがある。本実施例では、噴霧装置９は圧縮機１に吸入される空気の温度に基づいて噴霧を制御するものであるので、外気温が低い時に噴霧した水滴の一部が蒸発せずに圧縮機１内に入ることを防止できる。具体的には、図２のａ’−ｂ’−ｂ”−ｃ”−ｄ”に示す特性を有し、外気温Ｔ１未満で従来技術１の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができると共に、外気温Ｔ１以上で従来技術１、２の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができ、しかも、圧縮機１の信頼性を確保することができるものである。

なお、冷却空気流路４ａを吸気ダクト１ａに連通せずに加熱装置１１の機能を用いず、外気温Ｔ２において水滴が完全に蒸発して吸入空気が圧縮機１に吸込まれることができる最大量に設定し、外気温Ｔ２以上で制御弁６を開路し、Ｔ２未満で制御弁６を閉路するようにすれば、図２のａ−ｂ−ｃ−ｃ’−ｄ’に示す特性を有し、外気温Ｔ２以上で従来技術１の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができ、しかも、圧縮機１の信頼性を確保することができるものである。

次に、本発明の第３〜第５実施例について図４〜図９を用いて説明する。この第３〜第５実施例は、以下に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。

図４は本発明の第３実施例のガスタービン発電設備の構成図である。本実施例では、発電機４の冷却空気流路４ａの出口を、圧縮機１の吸気ダクト１ａ内に設置した噴霧器５の近傍に接続している。これにより、発電機４を冷却し、外気よりも温度が高くなった空気が噴霧器５近傍に流れ、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。

図５は本発明の第４実施例のガスタービン発電設備の構成図である。本実施例では、発電機４の冷却空気流路４ａの出口を、噴霧器５に水を供給する水供給配管５ａと熱交換する流路に連通している。これにより、発電機４を冷却し、外気よりも温度が高くなった空気が、水供給配管５ａと熱交換する流路に流れ、水供給配管５ａ内を流れる水の温度を高くし、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。

図６は本発明の第５実施例のガスタービン発電設備の構成図である。本実施例では、噴霧器５に水を供給する水供給配管５ａの一部または全部を図７〜図９に示すような多重管５ｂとし、その一部に水を流し、それ以外の管に発電機４の冷却空気流路４ａの出口を接続する。これにより、発電機４を冷却し、多重管５ｂの水が流れる管以外の管に外気よりも温度が高くなった空気が流れ、多重管５ｂを流れる水の温度を高くし、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。

なお、多重管５ｂの断面形状は、図５に示すような同心円断面、図６に示すような偏心した円形断面、あるいは図７に示すような多角形断面でも良い。

次に、本発明の第６実施例について図１０〜図１３を用いて説明する。この第６実施例は、以下に述べる通り第４実施例と相違するものであり、その他の点については第４実施例と基本的には同一である。

図１０は本発明の第６実施例のガスタービン発電設備の構成図である。本実施例では多重管を構成する二重管５ｂのうち、発電機冷却空気を流す管の出口の一部または全部を圧縮機１の吸気ダクト１ａに接続している。これにより、発電機４を冷却し、外気よりも温度が高くなった空気が、多重管である水供給配管５ａの一部に流れ、水供給配管５ａ内を流れる水の温度を高くし、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。さらに、二重管５ｂにおいて、噴霧器５に供給する水と熱交換をして温度の低くなった発電機冷却空気を吸気ダクト１ａに流すことができる。これにより、圧縮機の吸入空気の温度を低下させることができ、ガスタービンの出力を増加させることができる。

また、冷却空気の出口を圧縮機１の吸気ダクト１ａに設置することにより、冷却空気の出口が負圧となり、空気を送るための送風機などの補機動力を低減、あるいは補機そのものを不要とすることができ、ガスタービン発電設備の効率向上や部品点数の低減、コストダウンが可能となる。

第６実施例における二重管５ｂは、図１１に示すような二重管とし、その内管に水を流し、外管に発電機４の冷却空気流路４ａの出口を接続している。これにより、発電機４を冷却し、外気よりも温度が高くなった空気が、二重管５ｂの外管に流れ、二重管５ｂの内管を流れる水の温度を高くし、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。

図１１においては、二重管５ｂの断面形状を同心円としているが、図１２に示すような偏心した円形断面、あるいは図１３に示すような多角形断面でも良い。

本発明の第１実施例のガスタービン発電設備を示す構成図である。 従来および本発明に実施例のガスタービン発電設備の出力および効率を示す特性図である。 本発明の第２実施例のガスタービン発電設備の構成図である。 本発明の第３実施例のガスタービン発電設備の構成図である。 本発明の第４実施例のガスタービン発電設備の構成図である。 本発明の第５実施例のガスタービン発電設備の構成図である。 図５の多重管の断面図である。 図５の多重管の変形例の断面図である。 図５の多重管の更に別の変形例の断面図である。 本発明の第６実施例のガスタービン発電設備の構成図である。 図１０の二重管の断面図である。 図１０の二重管の変形例の断面図である。 図１０の二重管の更に別の変形例の断面図である。

符号の説明

１…圧縮機、１ａ…吸気ダクト、２…燃焼器、３…タービン、４…発電機、４ａ…冷却空気流路、５…噴霧器、５ａ…水供給配管、５ｂ…多重管（二重管）、６…制御弁、７…制御装置、８…温度検出器、９…噴霧装置、１０…ガスタービン発電設備、１１…加熱装置。

Claims (8)

1. 大気から吸入される空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機に吸入される空気に水滴を噴霧する噴霧装置と、前記圧縮機から吐出される圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動される発電機とを備えたガスタービン発電設備において、
   前記圧縮機に吸入される空気および前記噴霧装置から噴霧する水の少なくとも何れかを加熱する加熱装置を備え、
   前記噴霧装置は、前記圧縮機に吸入される空気の温度に基づいて噴霧を制御するものであり、前記圧縮機に吸入される空気中に水滴を噴霧する噴霧器と、前記圧縮機に吸入される空気の温度を検出する温度検出器と、前記噴霧器へ供給する水量を制御する制御弁と、前記温度検出器の検出温度に基づいて前記制御弁を制御する制御装置とを備え、
   前記温度検出器は前記噴霧器より吸入側の空気の温度を検出するものであり、
   前記制御弁は開状態と閉状態の二つの状態に制御される開閉弁であることを特徴とするガスタービン発電設備。
2. 請求項１に記載のガスタービン発電設備において、前記発電機は大気から吸入した空気で冷却されるものであり、前記発電機を冷却して温度上昇した空気で前記圧縮機に吸入する空気を加熱する加熱装置を備えたことを特徴とするガスタービン発電設備。
3. 請求項２に記載のガスタービン発電設備において、前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気の全部を、前記圧縮機に吸入する空気の流路に導くものであることを特徴とするガスタービン発電設備。
4. 請求項２に記載のガスタービン発電設備において、前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を流出する流出口を、前記噴霧器と前記圧縮機の吸入口とを結ぶ流路の中間位置に連通したことを特徴とするガスタービン発電設備。
5. 請求項２に記載のガスタービン発電設備において、前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を流出する流出口を、前記噴霧器の噴霧部またはその近傍に連通したことを特徴とするガスタービン発電設備。
6. 請求項１に記載のガスタービン発電設備において、発電機は大気から吸入した空気で冷却されるものであり、前記発電機を冷却して温度上昇した空気で前記噴霧装置から噴霧する水を加熱する加熱装置を備えたことを特徴とするガスタービン発電設備。
7. 請求項２に記載のガスタービン発電設備において、前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を、前記噴霧器に水を供給する配管と熱交換する空気流路に導くものであることを特徴とするガスタービン発電設備。
8. 請求項７に記載のガスタービン発電設備において、前記噴霧器に水を供給する配管と熱交換する空気流路とを多重管で形成したことを特徴とするガスタービン発電設備。

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