JP5291576B2 - ガスタービン用吸気調温装置、並びに、これを備えたガスタービン及びガスタービンコンバインドサイクル発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン用吸気調温装置、並びに、これを備えたガスタービン及びガスタービンコンバインドサイクル発電プラントに関するものである。

従来、圧縮機、燃焼器及びタービンを基本構成とするガスタービンを備えた発電プラントにおいては、タービンから排出される排熱を利用した排熱利用手段を備えるガスタービンコンバインドサイクル（以下、「ＧＴＣＣ」と称する。）発電プラントが知られている。具体例としては、ガスタービンの排熱を利用するボイラを備えると共に、このボイラで生成された蒸気を利用する蒸気タービンを備えたものがある。このＧＴＣＣ発電プラントでは、ガスタービンの他、タービンの排熱を利用した蒸気タービンにより発電を行うことができるため、全体として発電効率の向上を図ることができる。

このようなＧＴＣＣ発電プラントにおいては、圧縮機へと吸い込まれる吸込空気の温度によって出力が影響を受ける。特に夏季においては、大気温度が上昇するために、吸込空気の密度が低下して、質量流量が低下し、出力が低下する。このような出力低下を抑止するために、上記吸込空気を冷却する冷却装置を備えるものがある（例えば、下記特許文献１）。

特開平１１−９３６９２号公報

しかしながら、従来の技術では、低下した出力を回復させることができるが、所望する出力に対して、十分な出力を得ることができるとは限らないという問題がある。特に、大気温度は通年で変化するために、継続して十分な出力を得ることが難しいという問題がある。
一方、常に所望する出力を確保しようとすると、出力が増大し過ぎてガスタービン設備の構成装置・構成部品（例えば、軸受等）が損傷する恐れがあるという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、以下のことを目的とする。
（１）所望する出力に対して十分な出力を得る。
（２）適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係るガスタービン用吸気調温装置は、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービン設備に用いられるガスタービン用吸気調温装置であって、外部から前記圧縮機へと吸い込まれる吸込空気と熱交換可能な熱交換手段と、前記ガスタービン設備の要求出力に応じて前記熱交換手段によって前記吸込空気の温度を調整させる吸気温度制御部とを備え、前記吸気温度制御部は、前記圧縮機入口における前記吸込空気の圧縮機入口温度が、ガスタービン設備の定格出力に応じた定格温度未満、かつ、前記ガスタービン設備の最大許容出力に応じた最低温度以上となるように制御することを特徴とする。
この構成によれば、吸気温度制御部が、圧縮機入口における吸込空気の圧縮機入口温度を、ガスタービン設備の定格出力に応じた定格温度未満、かつ、前記ガスタービン設備の最大許容出力に応じた最低温度以上となるように制御するので、ガスタービン設備の出力が定格出力よりも大きく、かつ、最大許容出力以下となる範囲に制御される。これにより、十分な出力を継続して確保することができ、また、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
なお、「ガスタービン設備」とは、ガスタービンの他、例えば、ガスタービンを備える発電プラントを含む意味で用いている。
また、「定格出力」「最大許容出力」は、ガスタービン設備の仕様によって定まる。

また、前記熱交換手段は、前記タービンの排気ガスを熱源とすることを特徴とする。
この構成によれば、タービンから排出された排気ガスを熱源とするので、新たに熱源を付加する必要がなく、外部に放出される熱を有効利用することで、エネルギー効率が良好なものとなる。

また、前記熱交換手段は、前記圧縮機より抽気した圧縮空気を熱源とすることを特徴とする。
この構成によれば、圧縮機より抽気した圧縮空気を熱源とするので、新たに熱源を付加する必要がなく、エネルギー効率が良好なものとなる。

また、前記吸気温度制御部は、前記圧縮機入口における前記吸込空気の圧縮機入口温度が、前記最低温度となるように制御することを特徴とする。
この構成によれば、圧縮機入口温度が、常に最低温度となるように制御するので、最大許容出力を継続して得ることができる。

また、前記ガスタービン設備は、発電機を備え、前記吸気温度制御部は、前記定格出力と前記要求出力とを比較し、前記要求出力が大きい場合において、設定された電力価格に基づいて発電に伴う収支が所定の基準を満たすことを条件として、前記圧縮機入口温度を前記定格温度未満、かつ、前記最低温度以上となるように制御することを特徴とする。
この構成によれば、要求出力と定格出力とを比較して、発電に伴う収支が所定の基準を満たすことを条件として、圧縮機入口温度を定格温度未満、かつ、最低温度以上にするので、発電に伴う収支とは無関係に圧縮機入口温度を定格温度未満とすることを避けることができる。これにより、発電に伴う収支に基づいて限定的に吸込空気を定格温度未満とするので、経済的な運転が可能となる。

また、本発明に係るガスタービンは、上記いずれかのガスタービン用吸気調温装置を備えることを特徴とする。
この構成によれば、上記いずれかのガスタービン用吸気調温装置を備えるので、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。

また、本発明に係るガスタービンコンバインドサイクル発電プラントは、上記いずれかのガスタービン用吸気調温装置と、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービンと、前記ガスタービンからの排熱を利用する排熱利用手段とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、上記いずれかのガスタービン用吸気調温装置を備えるので、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。

本発明に係るガスタービン用吸気調温装置によれば、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
また、本発明に係るガスタービンによれば、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、適切な出力でガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。
また、本発明に係るガスタービンコンバインドサイクル発電プラントによれば、所望する出力に対して十分な出力を得ることができると共に、ガスタービン設備の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。

本発明の第一実施形態に係るＧＴＣＣ発電プラントＧ１の概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係る吸気温度制御部５０の制御条件説明図であって、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮと、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の出力Ｗとの関係を示した図である。 本発明の第一実施形態に係る吸気温度制御部５０の動作を示すフローチャートである。 本発明の第一実施形態に係るＧＴＣＣ発電プラントＧ１の作用説明図であって、温度と時間との相関を示す相関図である。 本発明の第二実施形態に係るＧＴＣＣ発電プラントＧ２を示す概略構成図である。 本発明の第三実施形態に係るＧＴＣＣ発電プラントＧ３の吸気温度制御部８０のブロック図である。 本発明の第三実施形態に係るＧＴＣＣ発電プラントＧ３の判定手段８３の判定基準を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係るＧＴＣＣ発電プラントＧ１の概略構成図である。図１に示すように、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１は、ガスタービン１と、ガスタービン用吸気調温装置２と、発電機４と、ボイラと蒸気タービンとから概略構成される不図示の排熱利用手段５とを備えている。

ガスタービン１は、大気（外部空気）から圧縮機１ａへと吸い込まれる吸込空気Ａを圧縮機１ａによって圧縮して燃焼器１ｂに供給し、燃焼器１ｂで燃料Ｆと混合して燃焼させて燃焼ガスＧを生成し、これをタービン１ｃ内に供給することで、図示しない翼構造によりロータ１ｄを回転させて発電機４で発電を行うことが可能である。また、タービン１ｃ内を流通した燃焼ガスＧは、排気ガスｇ１として不図示の排熱利用手段（ボイラ等）に供給され、その排熱を利用して蒸気を生成するようになっている。

ガスタービン用吸気調温装置２は、冷却循環系２０と、加熱循環系３０と、測定部４０と、これら冷却循環系２０と加熱循環系３０とを制御する吸気温度制御部５０とを備えている。

冷却循環系２０は、第一熱交換器２１と、冷凍機２２と、第二熱交換器２３と、第一熱交換器２１と冷凍機２２との間で熱媒体Ｈ１を循環させる管路２０ａと、冷凍機２２と第二熱交換器２３との間で熱媒体Ｈ２を循環させる管路２０ｂとから構成されている。
第一熱交換器２１は、外部から吸い込んだ吸込空気Ａの吸込流路に設けられており、吸込空気Ａとの熱交換によって昇温した熱媒体Ｈ１を冷凍機２２に供給する。
冷凍機２２は、第一熱交換器２１から昇温した熱媒体Ｈ１を受けて降温させると共に、排熱を熱媒体Ｈ２に放出し、第二熱交換器２３に供給する。
第二熱交換器２３は、熱媒体Ｈ２から排熱された熱を外部へ放出すると共に、排熱後の熱媒体Ｈ２を冷凍機２２に供給する。

加熱循環系３０は、第一熱交換器２１と、第三熱交換器３１と、管路２０ａと、これらの間で熱媒体Ｈ１を循環させる管路３０ａとから構成されている。
第一熱交換器２１は、吸込空気Ａによって降温した熱媒体Ｈ１を第三熱交換器３１に供給する。
第三熱交換器３１は、タービン１ｃと排熱利用手段５との間に配されており、排気ガスｇ１を熱源として熱媒体Ｈ１を加熱する。具体的には、吸込空気Ａによって降温した熱媒体Ｈ１を管路２０ａ及び管路３０ａを介して第一熱交換器２１から受けると共に、排気ガスｇ１と熱交換して昇温した熱媒体Ｈ１を第一熱交換器２１に供給する。

これら冷却循環系２０と加熱循環系３０とは、三方弁１１等を介して接続されており、第一熱交換器２１の接続が、冷凍機２２及び第三熱交換器３１の一方に択一的に切り替わるようになっている。

測定部４０は、大気温度測定部４１を有しており、大気温度Ｔ_ａｍｂを吸気温度制御部５０に出力する。

吸気温度制御部５０は、測定部４０から入力された大気温度Ｔ_ａｍｂに基づいて、三方弁１１とポンプ１２とを制御（図１の※１及び※２）することにより、冷却循環系２０と加熱循環系３０とを切り換える。具体的には、吸気温度制御部５０は、吸込空気Ａの圧縮機１ａ入口における温度である圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上、定格温度Ｔ_ＰＮ未満に制御する。

図２は、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮと、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の出力Ｗとの関係を示した図である。
図２に示すように、最低温度Ｔ_ＭＩＮは、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の最大許容出力Ｗ_ＭＡＸに対応する圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮである。すなわち、最大許容出力Ｗ_ＭＡＸにおいて、定格温度Ｔ_ＰＮよりも相対的に低温となり質量流量が大きくなる圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮであり、最大許容出力Ｗ_ＭＡＸから定まるものである。この最大許容出力Ｗ_ＭＡＸは、プラントの仕様として予め定められるものであって、例えば、ロータ１ｄの機械的な強度や稼働条件等が考慮されて定められている。

図２に示すように、定格温度Ｔ_ＰＮは、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の定格出力Ｗ_ＰＮに対応する圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮである。すなわち、定格出力Ｗ_ＰＮにおいて、最低温度Ｔ_ＭＩＮよりも相対的に高温となり質量流量が小さくなる圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮであり、定格出力Ｗ_ＰＮから定まるものである。この定格出力Ｗ_ＰＮは、最大許容出力Ｗ_ＭＡＸと同様に、プラントの仕様として予め定められているものである。

これら最低温度Ｔ_ＭＩＮ及び定格温度Ｔ_ＰＮは、予め求められて、ガスタービン用吸気調温装置２の不図示の記憶部に記憶されている。そして、吸気温度制御部５０が、入力された大気温度Ｔ_ａｍｂが最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上、定格温度Ｔ_ＰＮ未満でない場合に、冷却循環系２０と加熱循環系３０とを切り換えて吸込空気Ａを調温するようになっている。

次に、上述した構成からなるＧＴＣＣ発電プラントＧ１の作用を説明する。図３は、吸気温度制御部５０の動作を示すフローチャートであり、図４は、温度と時間との相関を示す相関図である。
図３に示すように、吸気温度制御部５０は、測定部４０から大気温度Ｔ_ａｍｂが入力されると、この入力された大気温度Ｔ_ａｍｂが定格温度Ｔ_ＰＮ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１）。

ステップＳ１の判定が「Ｎｏ」の場合、すなわち、大気温度Ｔ_ａｍｂ（圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮ）が定格温度Ｔ_ＰＮ以上である場合には、吸気温度制御部５０は、三方弁１１を制御し、冷却循環系２０に切り換えて（第一熱交換器２１に冷凍機２２を接続して）、吸込空気Ａを冷却する（ステップＳ２）。そして、再びステップＳ１の判定を行う。

ステップＳ１の判定が「Ｙｅｓ」の場合、すなわち、大気温度Ｔ_ａｍｂ（圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮ）が定格温度Ｔ_ＰＮ未満である場合には、大気温度Ｔ_ａｍｂ（圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮ）が最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上であるか否か判定する（ステップＳ３）。なお、この際、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の出力Ｗが定格出力Ｗ_ＰＮよりも大きくなっている。

ステップＳ３の判定が「Ｎｏ」の場合、すなわち、大気温度Ｔ_ａｍｂ（圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮ）が最低温度Ｔ_ＭＩＮ未満である場合には、吸気温度制御部５０は、三方弁１１を制御し、加熱循環系３０に切り換えて（第一熱交換器２１に第三熱交換器３１を接続して）、吸込空気Ａを加熱する（ステップＳ４）。そして、再びステップＳ３の判定を行う。

ステップＳ３の判定が「Ｙｅｓ」の場合には、すなわち、大気温度Ｔ_ａｍｂ（圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮ）が最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上である場合には、第一熱交換器２１に熱媒体Ｈ１の供給を停止して（ステップＳ５）、処理を終了する。この際、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の出力Ｗが最大許容出力Ｗ_ＭＡＸ以下となっている。

このような構成により、図４に示すように、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の通年の稼働において圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮが、最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上、定格温度Ｔ_ＰＮ未満となる。換言すれば、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の出力Ｗが定格出力Ｗ_ＰＮよりも大きく、最大許容出力Ｗ_ＭＡＸ以下となる。

以上説明したように、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１によれば、吸気温度制御部５０が、圧縮機１ａ入口における吸込空気Ａの圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の定格出力Ｗ_ＰＮに応じた定格温度Ｔ_ＰＮ未満、かつ、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の最大許容出力Ｗ_ＭＡＸに応じた最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上となるように制御するので、十分な出力Ｗを継続して確保することができ、また、適切な出力ＷでＧＴＣＣ発電プラントＧ１やガスタービン１の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。

すなわち、吸込空気Ａを冷却して圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮをＴ_ＰＮとしても、出力Ｗの増大が不完全なものとなって、定格出力Ｗ_ＰＮを上回る所望する出力Ｗを得ることができない場合があった。
一方、常に所望する出力Ｗを確保しようとすると、特に冬季や寒暖の差が激しい春季及び秋季に出力Ｗが増大し過ぎてＧＴＣＣ発電プラントＧ１やガスタービン１の構成装置・構成部品が損傷する恐れがある。
しかしながら、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１によれば、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを、定格温度Ｔ_ＰＮ未満、かつ、最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上となるように制御するので、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１の出力Ｗが定格出力Ｗ_ＰＮよりも大きく、かつ、最大許容出力Ｗ_ＭＡＸ以下となる範囲に制御される。
従って、十分な出力Ｗを継続して確保することができ、また、適切な出力ＷでＧＴＣＣ発電プラントＧ１やガスタービン１の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。

また、大気温度Ｔ_ａｍｂが最低温度Ｔ_ＭＩＮ未満となった場合は、加熱循環系３０の第三熱交換器３１が、タービン１ｃから排出された排気ガスｇ１を熱源として、吸込空気Ａを加熱するので、新たに熱源を付加する必要がなく、外部に放出される熱を有効利用することで、エネルギー効率を良好にすることができる。
なお、熱源としてタービン１ｃからの排気ガスｇ１の一部を利用してもよいし、排気ガスｇ１の全部を利用しても良い。

また、ＧＴＣＣ発電プラントＧ１がガスタービン用吸気調温装置２を備えるので、所望する定格出力Ｗ_ＰＮに対して十分な出力Ｗを得ることができると共に、適切な出力Ｗの範囲でＧＴＣＣ発電プラントＧ１やガスタービン１の構成装置・構成部品の損傷を防止することができる。

なお、上述した吸気温度制御部５０の動作（図３に示したフローチャート）は一例であり、計算手順はこれに限られない。

（第二実施形態）
図５は、本発明の第二実施形態に係るＧＴＣＣ発電プラントＧ２を示す概略構成図である。なお、図５において、図１〜図４と同様の構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。

図５に示すように、ＧＴＣＣ発電プラントＧ２は、ガスタービン１がＴＣＡクーラ１ｅを有する点、ガスタービン用吸気調温装置２が加熱循環系３０の代わりに加熱循環系６０を有する点、吸気温度制御部５０の代わりに吸気温度制御部７０を有する点が上述したＧＴＣＣ発電プラントＧ１と異なる。

ＴＣＡクーラ１ｅは、圧縮機１ａから圧縮空気ａ１の一部を抽気して、この圧縮空気ａ１を冷却した後に、タービン１ｃに高温部分冷却用の空気として供給するものである。

加熱循環系６０は、第一熱交換器２１と、第四熱交換器６１（ＴＣＡクーラ１ｅ）と、管路２０ａと、これらの間で熱媒体Ｈ１循環させる管路６０ａとから構成されている。
第四熱交換器６１は、圧縮空気ａ１を熱源として熱媒体Ｈ１を加熱する。具体的には、吸込空気Ａによって降温した熱媒体Ｈ１を第一熱交換器２１から受けると共に、圧縮空気ａ１と熱交換して昇温した熱媒体Ｈ１を第一熱交換器２１に供給する。

吸気温度制御部７０は、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを最低温度Ｔ_ＭＩＮとなるように制御する。

このＧＴＣＣ発電プラントＧ２によれば、上述した第一実施形態の主要な効果を得られる他、加熱循環系６０を備えて圧縮機１ａより抽気した圧縮空気ａ１を熱源とするので、新たに熱源を付加する必要がなく、効率的に保守・運用をすることができる。

また、吸気温度制御部７０を有し、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを最低温度Ｔ_ＭＩＮとなるように制御するので、最大許容出力Ｗ_ＭＡＸを継続して得ることができ、通年で最大許容出力Ｗ_ＭＡＸで稼働することができる。

（第三実施形態）
図６は、本発明の第三実施形態に係るＧＴＣＣ発電プラントＧ３の概略構成図である。なお、図６において、図１〜図５と同様の構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。

ＧＴＣＣ発電プラントＧ３は、上述した吸気温度制御部５０に代えて、吸気温度制御部８０を有している点が、上述したＧＴＣＣ発電プラントＧ１と異なる。この吸気温度制御部８０は、定格出力Ｗ_ＰＮと要求出力Ｗ_ＰＲとを比較し、要求出力Ｗ_ＰＲが大きい場合において、設定された電力価格Ｐ_Ｅに基づいて発電に伴う収支が所定の基準を満たすことを条件として、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上、定格温度Ｔ_ＰＮ未満に制御する。

吸気温度制御部８０は、要求出力Ｗ_ＰＲと定格出力Ｗ_ＰＮとの差分である要求差分出力ΔＷ及び電力価格Ｐ_Ｅに基づいて差分収入ＩＮＣを演算する差分収入演算手段８１と、要求出力Ｗ_ＰＲに対応した圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮまで冷却した場合のガスタービン１の燃料コスト増分である燃料差分コストＣ_Ｆを演算する燃料差分コスト演算手段８２と、差分収入ＩＮＣと差分コストＣ_Ｃとを比較して、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上、定格温度Ｔ_ＰＮ未満にするか否かを判定する判定手段８３とを備えている。
なお、本実施形態においては、動翼等の消耗コスト増分と燃料差分コストＣ_Ｆ等からなる差分コストＣ_Ｃのうち、大部分を占める燃料差分コストＣ_Ｆを差分コストＣ_Ｃとして擬制している。

差分収入演算手段８１は、要求入口温度演算部８１ａと、差分冷凍動力演算手段８１ｂと、差分出力演算部８１ｃと、差分収入演算部８１ｄとを備えている。

要求入口温度演算部８１ａは、稼働時の電力需要に基づいて外部から入力される要求出力Ｗ_ＰＲと、予め記憶部８５に記憶され、要求出力Ｗ_ＰＲを得るために必要な圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮである要求入口温度Ｔ_ＰＲと要求出力Ｗ_ＰＲとの所定の関係（図６の（１））から、要求入口温度Ｔ_ＰＲを演算する。
ここで、電力需要は、販売可能な電力を含んでおり、例えば、自家発電で売電可能な場合には、売電することができる電力、電気事業者で顧客に販売した電力の残りを他の電力事業者に売電できる場合には、他の電気事業者に売電することができる電力を含むものである。
なお、要求出力Ｗ_ＰＲと要求入口温度Ｔ_ＰＲとの所定の関係は、例えば、”Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｔｈｅｏｒｙ ５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ”,Ｓａｒａｂａｎａｍｕｔｔｏｏ，ＨＩＨ，ｅｔ ａｌ．，２００１“等に示されるものを用いることができる。

差分冷凍動力演算手段８１ｂは、要求入口温度演算部８１ａに演算された要求入口温度Ｔ_ＰＲと、記憶部８５に記憶された定格温度Ｔ_ＰＮ（図６の（２））と、大気温度測定部４１に計測された大気温度Ｔ_ａｍｂと、大気湿度測定部４２に計測された大気湿度φと、ガスタービン制御装置１ｆから与えられる吸気流量Ｇ_ＩＮと、冷凍機制御装置２２ａから与えられる冷凍機２２の成績係数ＣＯＰとに基づいて、定格温度Ｔ_ＰＮから要求入口温度Ｔ_ＰＲまで冷却する際に必要となる差分冷凍動力ΔＷ_ＩＮを演算する。
この差分冷凍動力演算手段８１ｂは、比エンタルピ差演算部８１ｂ１と、差分冷凍能力演算部８１ｂ２と、差分冷凍動力演算部８１ｂ３とを備えている。

比エンタルピ差演算部８１ｂ１は、要求入口温度演算部８１ａで演算された要求入口温度Ｔ_ＰＲと、予め記憶部８５に記憶された定格温度Ｔ_ＰＮと、大気温度測定部４１から入力された大気温度Ｔ_ａｍｂと、大気湿度測定部４２から入力された大気湿度φと、予め記憶部８５に記憶されたＮＣ線図（図６の（４）（例えば、「徹底マスター 空気線図の読み方・使い方」，空気調和・衛生工学会編，１９９８，ｐｐ１６））とに基づいて、以下のようにして比エンタルピ差Δｈを演算する。すなわち、この比エンタルピ差演算部８１ｂ１は、定格温度Ｔ_ＰＮよりも大気の露点温度が低い場合には、大気温度Ｔ_ａｍｂ及び大気湿度φから求まる絶対湿度の空気を定格温度Ｔ_ＰＮから要求入口温度Ｔ_ＰＲまで冷却する際に奪う必要のある比エンタルピ差Δｈを、定格温度Ｔ_ＰＮよりも大気の露点温度が高い場合には、飽和空気を定格温度Ｔ_ＰＮから要求入口温度Ｔ_ＰＲまで冷却する際に奪う必要のある比エンタルピ差Δｈを比エンタルピ差Δｈとして演算する。

差分冷凍能力演算部８１ｂ２は、比エンタルピ差演算部８１ｂ１で演算された比エンタルピ差Δｈとガスタービン制御装置１ｆから与えられる吸気流量Ｇ_ＩＮとから吸気を定格温度Ｔ_ＰＮから要求入口温度Ｔ_ＰＲまで冷却する際に奪う必要のある熱量ΔＨを演算する。
吸込空気Ａの吸気流量Ｇ_ＩＮは、図６に例示したように、ガスタービン制御装置１ｆから得る構成としてもよいし、別途ガスタービン吸気流量演算部を設けて、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮから吸込空気Ａの吸気流量Ｇ_ＩＮを演算する構成としても良い。ガスタービン吸気流量演算部を設ける場合には、例えば、”Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｔｈｅｏｒｙ ５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ”,Ｓａｒａｂａｎａｍｕｔｔｏｏ，ＨＩＨ，ｅｔ ａｌ．，２００１“等に示される方法を用いて吸込空気Ａの吸気流量Ｇ_ＩＮを演算することができる。

差分冷凍動力演算部８１ｂ３は、差分冷凍能力演算部８１ｂ２に演算された熱量ΔＨと冷凍機制御装置２２ａから与えられる冷凍機２２の成績係数ＣＯＰとに基づいて、差分冷凍動力ΔＷ_ＩＮを演算する。上記の冷凍機２２の成績係数ＣＯＰは、図６に例示したように、冷凍機制御装置２２ａから与える構成としても良いし、記憶部８５から与える構成としても良い。

差分出力演算部８１ｃは、定格出力Ｗ_ＰＮと要求出力Ｗ_ＰＲとの差である差分出力ΔＷを演算する。

差分収入演算部８１ｄは、差分出力演算部８１ｃに演算された差分出力ΔＷと、差分冷凍動力演算部８１ｂ３が演算した差分冷凍動力ΔＷ_ＩＮとの差分に、記憶部８５に予め記憶された電力価格Ｐ_Ｅを乗じて、差分収入ＩＮＣを演算する。
なお、電力価格Ｐ_Ｅは、より最新のものが好ましい。

燃料差分コスト演算手段８２は、燃料差分コスト演算部８２ａを有している。
燃料差分コスト演算部８２ａは、差分出力演算部８１ｃに演算された差分出力ΔＷと、予め記憶部８５に記憶された単位発熱量当たりの燃料価格Ｐ_Ｆ及びガスタービン制御装置１ｆから与えられる発電効率Ｅ_Ｇ（図６の（３））に基づいて、燃料差分コストＣ_Ｆを演算する。
なお、発電効率Ｅ_Ｇは、冷凍機動力を差し引かないＧＴＣＣ発電プラントＧ３の出力（Ｗ）を投入する燃料発熱量（Ｑ）で除した値である。

図７は、判定手段８３の判定基準を示す図である。
判定手段８３は、定格出力Ｗ_ＰＮよりも要求出力Ｗ_ＰＲが大きく、かつ、差分コストＣ_Ｃ（または燃料差分コストＣ_Ｆ）よりも差分収入ＩＮＣが大きいか否かを判定する。

吸気温度制御部８０は、判定手段８３の判断結果に基づいて、Ｗ_ＰＲ≦Ｗ_ＰＮである場合においては、０≧（差分収入ＩＮＣ−差分コストＣ_Ｃ）…（収支が赤字または０）、（差分収入ＩＮＣ−差分コストＣ_Ｃ）＞０…（収支が黒字）の双方のときに、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にせず、定格温度Ｔ_ＰＮ以上で稼働する。

また、Ｗ_ＰＲ＞Ｗ_ＰＮである場合において、（差分収入ＩＮＣ−差分コストＣ_Ｃ）≦０…（収支が赤字または０）のときには、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にせず、定格温度Ｔ_ＰＮ以上で稼働する。
一方、Ｗ_ＰＲ＞Ｗ_ＰＮである場合において、０＜（差分収入ＩＮＣ−差分コストＣ_Ｃ）…（収支が黒字）のときには、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満、かつ、最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上に冷却する。

次に、上記の構成からなるＧＴＣＣ発電プラントＧ１の動作について説明する。
まず、図６に示すように、要求入口温度演算部８１ａは、入力された要求出力Ｗ_ＰＲと、要求出力Ｗ_ＰＲを得るために必要な圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮである要求入口温度Ｔ_ＰＲと要求出力Ｗ_ＰＲとの所定の関係（図６の（１））から、要求入口温度Ｔ_ＰＲを演算する。

次に、差分冷凍動力演算手段８１ｂの比エンタルピ差演算部８１ｂ１は、要求入口温度演算部８１ａで演算された要求入口温度Ｔ_ＰＲと、予め記憶部８５に記憶された定格温度Ｔ_ＰＮ（図６の（２））と、大気温度測定部４１から入力された大気温度Ｔ_ａｍｂと、大気湿度測定部４２から入力された大気湿度φと、予め記憶部８５に記憶されたＮＣ線図（図６の（４）とに基づいて、比エンタルピ差Δｈを演算する。

次に、差分冷凍能力演算部８１ｂ２は、比エンタルピ差演算部８１ｂ１で演算された比エンタルピ差Δｈとガスタービン制御装置１ｆから与えられる吸気流量Ｇ_ＩＮとから、吸気を定格温度Ｔ_ＰＮから要求入口温度Ｔ_ＰＲまで冷却する際に奪う必要のある熱量ΔＨを演算する。

次に、差分冷凍動力演算部８１ｂ３は、差分冷凍能力演算部８１ｂ２に演算された熱量ΔＨと冷凍機制御装置２２ａから与えられる冷凍機２２の成績係数ＣＯＰとに基づいて、差分冷凍動力ΔＷ_ＩＮを演算する。

一方、差分出力演算部８１ｃは、予め記憶部８５に記憶された定格出力Ｗ_ＰＮと、外部から入力された要求出力Ｗ_ＰＲとに基づいて、定格出力Ｗ_ＰＮと要求出力Ｗ_ＰＲとの差分出力ΔＷを演算する。

次に、差分収入演算部８１ｄは、差分冷凍動力演算手段８１ｂに演算された差分冷凍動力ΔＷ_ＩＮと、記憶部８５に予め記憶された電力価格Ｐ_Ｅ及び差分出力演算部８１ｃに演算された差分出力ΔＷに基づいて、差分収入ＩＮＣを演算する。

一方、燃料差分コスト演算部８２ａは、差分出力演算部８１ｃに演算された差分出力ΔＷと、予め記憶部８５に記憶された単位発熱量当たりの燃料価格Ｐ_Ｆ及びガスタービン制御装置１ｆから与えられる発電効率Ｅ_Ｇ（図６の（３））に基づいて、燃料差分コストＣ_Ｆを演算する。

次に、判定手段８３は、定格出力Ｗ_ＰＮよりも要求出力Ｗ_ＰＲが大きく、かつ、差分コストＣ_Ｃよりも差分収入ＩＮＣが大きいか否かを判定する。

そして、吸気温度制御部８０は、判定手段８３の判断結果に基づいて、Ｗ_ＰＲ≦Ｗ_ＰＮである場合においては、０≧（差分収入ＩＮＣ−差分コストＣ_Ｃ）…（収支が赤字または０）、（差分収入ＩＮＣ−差分コストＣ_Ｃ）＞０…（収支が黒字）の双方のときに、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にせず、定格温度Ｔ_ＰＮ以上で稼働する。すなわち、この場合は、要求出力Ｗ_ＰＲが定格出力Ｗ_ＰＮを下回っているから、あえて効率の悪い稼働範囲で、定格出力Ｗ_ＰＮを上回る出力を得る必要性があまりない。従って、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にする必要もない。

また、吸気温度制御部８０は、Ｗ_ＰＲ＞Ｗ_ＰＮである場合において、差分収入ＩＮＣ−差分コストＣ_Ｃ）≦０…（収支が赤字または０）のときには、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にせず、定格温度Ｔ_ＰＮ以上で稼働する。すなわち、この場合は、要求出力Ｗ_ＰＲが定格出力Ｗ_ＰＮを上回っており、電力需要に応える必要性はあるものの、差分収入ＩＮＣ＜差分コストＣ_Ｃとなっており、収支が０であるか、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満とすると赤字となる場合であるために、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にすると非効率である。従って、効率の良い稼働範囲において、最も出力Ｗを得ることができるように、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ以上にして稼働する。

一方、Ｗ_ＰＲ＞Ｗ_ＰＮである場合において、０＜（差分収入ＩＮＣ−差分コストＣ_Ｃ）…（収支が黒字）のときには、電力需要に応える必要性があり、差分収入ＩＮＣ＞差分コストＣ_Ｃとなっており、稼働すれば黒字となるため、経済的である。従って、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にして、定格出力Ｗ_ＰＮを上回る出力を得るほうが効率的である。かつ、最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上に制御することにより、ガスタービン１及びＧＴＣＣ発電プラントＧ３の最大許容出力Ｗ_ＭＡＸを上回ってしまうことを回避し、構成装置及び構成部品の損傷を防止しながら稼動することができる。

以上、説明したように、ＧＴＣＣ発電プラントＧ３によれば、要求出力Ｗ_ＰＲと定格温度Ｔ_ＰＮでの出力Ｗとを比較して、発電に伴う収支が所定の基準を満たすことを条件として、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを最低温度Ｔ_ＭＩＮ以上、定格温度Ｔ_ＰＮ未満にするので、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮが発電に伴う収支と無関係に定格温度Ｔ_ＰＮ未満とすることを避けることができる。これにより、発電に伴う収支に基づいて限定的に吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満とするので、経済的に吸込空気Ａを冷却することができる。また、発電に伴う収支が所定の基準を満たす場合には、吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満に冷却するので、定格出力Ｗ_ＰＮを上回る稼働が一律に禁止されず、適切に電力需要に応えることが可能となる。
従って、吸込空気Ａを経済的に冷却すると共に適切に電力需要に応えることができる。

また、差分収入演算手段８１と燃料差分コスト演算手段８２と判定手段８３とを備え、差分収入ＩＮＣと差分コストＣ_Ｃとを比較して、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にするか否かを判定するので、差分収入ＩＮＣと差分コストＣ_Ｃとから発電に伴う収支を的確に判断することができる。

また、差分出力演算部８１ｃと差分収入演算部８１ｄとを備えるので、定格出力Ｗ_ＰＮと要求出力Ｗ_ＰＲと電力価格Ｐ_Ｅとに基づいて、比較的に予測信頼性が高い差分収入ＩＮＣを求めることができる。

また、定格出力Ｗ_ＰＮと要求出力Ｗ_ＰＲとの差である差分出力ΔＷを求め、この差分出力ΔＷと単位発熱量当たりの燃料価格Ｐ_Ｆと発電効率Ｅ_Ｇとに基づいて、比較的に予測信頼性が高い燃料差分コストＣ_Ｆを求めることができる。

また、要求入口温度Ｔ_ＰＲと大気湿度φと大気温度Ｔ_ａｍｂとに基づいて、比エンタルピ差Δｈを求め、この比エンタルピ差Δｈと成績係数ＣＯＰとに基づいて、比較的に予測信頼性が高い差分冷凍動力ΔＷ_ＩＮを求めることができる。

また、吸気温度制御部８０が、判定手段８３が定格出力Ｗ_ＰＮよりも要求出力Ｗ_ＰＲが大きく、かつ、差分コストＣ_Ｃよりも差分収入ＩＮＣが大きいと判定した場合に、圧縮機入口温度Ｔ_ＩＮを定格温度Ｔ_ＰＮ未満にするので、収支が黒字である場合に限定的に吸込空気Ａを定格温度Ｔ_ＰＮ未満とするので、利益を得ることができる場合にのみ定格出力Ｗ_ＰＮを上回る稼働を行って適切に電力需要に応えることが可能となる。
従って、吸込空気Ａを効率的に冷却すると共に適切に電力需要に応えることができる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、加熱循環系３０（６０）を構成し、排気ガスｇ１（圧縮空気ａ１）を熱源としたが、熱源を別途設ける構成としてもよい。
また、ボイラなどで一旦排熱を利用した後の排気ガスｇ１を熱源としてもよいし、ボイラや蒸気タービンからの蒸気を利用してもよい。
また、冷却循環系２０と独立的に加熱循環系３０（６０）を構成したが、加熱源と冷却源とを同一の循環系に設けてもよい。
また、冷却循環系２０と独立的に加熱循環系３０（６０）を構成したが、完全に独立させて、第一熱交換器２１に別々に熱媒体Ｈ１を供給する構成にしてもよい。また、第一熱交換器２１を一つとせず、複数設けてもよい。

また、上述した実施の形態では、冷却循環系２０と加熱循環系３０（６０）とを設けて、吸込空気Ａを加熱冷却可能としたが、例えば、寒冷地であれば、冷却循環系２０を省略してもよいし、温暖地であれば、加熱循環系３０（６０）を省略してもよい。

燃料差分コストＣ_Ｆのみを差分コストＣ_Ｃと擬制して燃料差分コストＣ_Ｆ＝差分コストＣ_Ｃとしたが、差分コストＣ_Ｃを燃料差分コストＣ_Ｆと動翼等の消耗に係る消耗コストとを併せたものとしてもよい。なお、消耗コストは、例えば、解析や実験結果から求められる消耗率と、定格温度Ｔ_ＰＮ未満で稼働した時間を乗じて求めることができる。

また、上述した実施の形態では、冷凍機制御装置２２ａから与えた成績係数ＣＯＰや、ガスタービン制御装置１ｆから与えた発電効率Ｅ_Ｇは、記憶部８５から与える構成にしてもよい。
また、記憶部８５に保管されたデータ等は予め記憶させておいてもよいし、その都度直接入力してもよい。
また、上述した実施の形態では、吸込空気Ａを冷却する熱交換手段として第一熱交換器２１を設けたが、他の構成を採用してもよい。

１…ガスタービン
１ａ…圧縮機
１ｂ…燃焼器
１ｃ…タービン
２…ガスタービン用吸気調温装置
４…発電機
５…排熱利用手段
２０…冷却循環系
２１…第一熱交換器（熱交換手段）
３０，６０…加熱循環系
５０，７０，８０…吸気温度制御部
Ａ…吸込空気
Ｈ１，Ｈ２…熱媒体
Ｅ_Ｇ…発電効率
Ｇ１〜Ｇ３…ＧＴＣＣ発電プラント（ガスタービン設備）
Ｐ_Ｅ…電力価格
ａ１…圧縮空気
ｇ１…排気ガス
Ｔ_ＩＮ…圧縮機入口温度
Ｔ_ＰＮ…定格温度
Ｗ_ＰＮ…定格出力
Ｔ_ＭＩＮ…最低温度
Ｗ_ＭＡＸ…最大許容出力

Claims (7)

1. 圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービン設備に用いられるガスタービン用吸気調温装置であって、
   外部から前記圧縮機へと吸い込まれる吸込空気と熱交換可能な熱交換手段と、
   前記ガスタービン設備の要求出力に応じて前記熱交換手段によって前記吸込空気の温度を調整させる吸気温度制御部とを備え、
   前記吸気温度制御部は、前記圧縮機入口における前記吸込空気の圧縮機入口温度が、ガスタービン設備の定格出力に応じた定格温度未満、かつ、前記ガスタービン設備の最大許容出力に応じた最低温度以上となるように制御することを特徴とするガスタービン用吸気調温装置。
2. 前記熱交換手段は、前記タービンの排気ガスを熱源とすることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用吸気調温装置。
3. 前記熱交換手段は、前記圧縮機より抽気した圧縮空気を熱源とすることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用吸気調温装置。
4. 前記吸気温度制御部は、前記圧縮機入口における前記吸込空気の圧縮機入口温度が、前記最低温度となるように制御することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載のガスタービン用吸気調温装置。
5. 前記ガスタービン設備は、発電機を備え、
   前記吸気温度制御部は、前記定格出力と前記要求出力とを比較し、前記要求出力が大きい場合において、設定された電力価格に基づいて発電に伴う収支が所定の基準を満たすことを条件として、前記圧縮機入口温度を前記定格温度未満、かつ、前記最低温度以上となるように制御することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載のガスタービン用吸気調温装置。
6. 請求項１から５のうちいずれか一項に記載のガスタービン用吸気調温装置を備えるガスタービン。
7. 請求項１から５のうちいずれか一項に記載のガスタービン用吸気調温装置と、
   圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービンと、
   前記ガスタービンからの排熱を利用する排熱利用手段とを備えることを特徴とするガスタービンコンバインドサイクル発電プラント。

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