JP5766295B2 - ガスタービン発電装置およびその運転方法 - Google Patents
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Description
従って、外気温度が高くなる夏季での運用や、元来、外気温度の高い地域での運用では、定格出力を下回る場合もある。その為、ガスタービンの上流の圧縮器入口で水を噴霧することで当該霧の蒸発潜熱により温度を低下させ質量流量の低下を防ぎ、外気温度の高い場合でも、定格出力を維持するための装置や方法が考案されている。
また、特許文献1、2には、ガスタービンの燃焼排ガスの熱エネルギを回収し得られた蒸気をガスタービン燃料用の空気に混入し燃焼器で得られた高湿分の燃焼排ガスでタービンを駆動することで、出力(電力)および発電効率の向上を実現するガスタービンサイクルが記載されている。
太陽熱を利用した発電は、単独での発電よりは、既設の発電プラントへの熱供給の利用という用途であり、高温高圧の蒸気を得るには大きなエネルギを必要とするため、エネルギ密度の関係から太陽光発電と同様に広大な設置スペースが必要となる。
特許文献1、2に記載されている方法は、何れも大量の水を利用するため、燃焼の不安定の問題に対応するのは困難である。
前記計測信号が入力され、運転条件を判定する運転条件判定部と、前記運転条件や外気の状態を保存する関連情報記憶部と、前記運転条件をもとに前記ガスタービン発電装置を運転するための方法を決定する第1制御部と、前記計測信号から得られる前記温水の条件および設けられる機器の状態、前記運転条件に応じて、前記ガスタービン発電装置を運転する第2制御部とを備えることを特徴とするガスタービン発電装置である。
図1は、本発明に係る実施形態のガスタービン発電装置の主要装置を示す図である。
実施形態のガスタービン発電装置Sは、太陽熱で加熱された温水w4を圧縮器2に送る空気に噴霧することで発電出力を向上させる機能および運転方法を備える装置である。
ガスタービン発電装置Sは、太陽熱で温水w4を作る温水生成装置700と、当該温水w4を噴霧した圧縮空気と燃料を燃焼させた燃焼排ガスでガスタービン1を駆動して発電するガスタービン発電設備100とを具備している。
さらに、ガスタービン発電装置Sは、太陽熱で水を温水w4に加熱する温水生成装置700と、吸入された圧縮器2に送る空気(吸気)を冷却する吸気冷却室5と、吸気冷却室5内の吸気に温水生成装置700で加熱された温水w4を噴霧する噴霧ノズル6とを備えている。
太陽熱で加熱された温水w4を吸気冷却室5内にある噴霧ノズル6より吸入された空気(吸気)内に噴霧することで、霧の一部が蒸発してその際の蒸発潜熱で空気(吸気)を冷却する。冷却された空気(吸気)は圧縮器2に入る。
従って、噴霧ノズル6からより多くの噴霧水を噴霧することが出来るため、蒸発現象が促進され蒸発潜熱によってさらに低温にされ、もって吸気の密度が高くなる。
また、噴霧される微水滴が一層微粒子化するので、燃焼排ガスがガスタービン1のタービン翼に衝突することに起因するドレインの発生および錆を可及的に抑制できる。
太陽熱を吸熱する温水生成装置700は、太陽からの熱を不図示の集熱管内を流れる第1の作動流体w1に吸収して第1の作動流体w1の温度を上昇させる太陽熱集熱装置701を具えている。
温水生成装置700には、太陽熱で温度が上昇した第1の作動流体w1と第2の作動流体w2の熱媒油(以下、第2の作動流体w2を熱媒油w2として説明を行う)とで熱交換を行う第1の熱交換器702、高温となった熱媒油w2を貯留する第1・第2の蓄熱タンク703、704、水w3が貯留される給水タンク706、および、熱媒油w2と給水タンク706からの水w3とで熱交換を行って噴霧のための温水w4を得る第2の熱交換器705が設けられている。
ポンプ721で送り出される作業流体w1は、太陽熱集熱装置701で不図示の集熱管内を流れ太陽熱で加熱される。ここでは、作動流体w1として熱媒油を用いている。
第1の作動流体w1、第2の作動流体w2は、油(熱媒油)が使用される場合を例示しているが、第1・第2の作動流体w1、w2は、熱媒油に代替して水を使用してもよい。しかし、第1・第2の作動流体w1、w2は、高温にしても圧力の上昇が水より緩慢な油の方が望ましい。なお、第1・第2の作動流体w1、w2は熱媒油以外の熱媒体を使用してもよいが、それぞれ高温にしても圧力の上昇が緩やかで、低温でも粘性が低い熱媒体を選択することに留意する。
調整弁711、714、717は、起動時や緊急時、運転中の作動流体(w1、w2、w3、w4)の状態を制御する時に操作される。
調整弁712、713、715、716は、太陽熱集熱装置700で得た熱量を蓄積あるいは放出する際に操作される。
本実施形態では、熱交換器(702、705)を2つ、蓄熱タンク(703、704)を2つ備えた装置例を示したが、これに限定するものではない。すなわち、熱交換器の数と蓄熱タンクの数は任意に選択可能であり、また、その配置は任意に選択できる。
例えば、熱交換器705が一つ、または、蓄熱タンク703が一つでもよい。或いは、第1の蓄熱タンク703と第2の蓄熱タンク704を直列に接続した形態を採用してもよい。
次に、主要機器を含めたガスタービン発電装置Sの運転方法について説明する。
図2は実施形態の主要機器を含めたガスタービン発電装置とその運転方法を示す図である。
ガスタービン発電装置Sの温水生成装置700とガスタービン発電設備100とは、制御装置200により運転(制御)が行われる。
ガスタービン発電設備100は、制御装置200からの制御信号150を受信して所望の状態に制御される。ガスタービン発電設備100の各部の状態量は計測信号140として制御装置200に取り込まれる(送信される)。
運転情報データベース600は、ガスタービン発電設備100と温水生成装置700から得られた計測信号140、120をそれぞれ格納する。
この制御信号130に基づいて温水生成装置700内の調整弁711〜718やポンプ721〜725が制御される。制御装置200内で生成した信号(130、150)や情報は、必要に応じて、支援ツール910にも出力される。運転条件判定部400による判定結果および制御信号130、150を求めるアルゴリズムについては、後に詳述する。
支援ツール910は、外部入出力インターフェイス920、データ送受信処理部930、および、外部出力インターフェイス940で構成される。
また、ユーザは、入力装置900を使って支援ツール910を用いることで、制御装置200内の情報にアクセスすることができる。
始めに、運転条件判定部400で運転条件を判定する際に必要となる情報について説明する。
図3Aの実測値データテーブル300Jは、関連情報データベースに記憶されるデータであり、気候状態の実測値の情報が記録される。
図3Bは、予測値データテーブル300Yを示す図である。
図3Bの予測値データテーブル300Yは、関連情報データベースに記憶されるデータであり、気候状態の予測値の情報が記録される。
さらに、予測値データテーブル300Yには、後記する予測した温水w4の温度が格納される。
図3Bに示す予測値データテーブル300Yには、例えば予測モデルでの計算結果や配信データをもとにそれぞれの数値が格納される。場所によっては、現在、1時間ごとに、各数値を配信している場合もあるが、それ以外では、過去のデータをもとに予測値を計算するモデルが必要となる。この予測モデルには、例えば、物理式をもとに大気の状態を予測するためのモデルであるメソ気象モデル(Weather Research and Forecastingmodel:WRFmodel)がある。本モデルでは、所望の地域を予報するための設定が必要なため、過去のデータをもとに回帰式などを用いて、簡易的に求める方法もある。ここでは、何れの方式であっても構わない。
次に、ガスタービン発電設備100および温水生成装置700から得られる計測信号140、120の情報について説明する。
図4は運転情報データベース600に保存されている情報(データ)を示す図である。
例えば、太陽熱集熱装置701で加熱された作動流体w1の流量値F、当該作動流体w1の温度値T、当該作動流体w1の圧力値P、発電機3の発電出力値E、燃焼器4の燃焼排ガスに含まれるNOxの濃度値D、温水w4の温度、……などである。尚、図4では1秒周期でデータを保存しているが、データ収集のサンプリング周期は対象となるガスタービン発電設備100によって異なる。
ここで、運転条件判定部400で、太陽熱集熱装置701から吐出される流体(第1の作動流体w1)の温度を推定するのは、流体(第1の作動流体w1)の熱から熱交換して得られる噴霧に用いる温水w4の温度を所定値に設定するための制御情報を得るためである。
これら詳しい計算アルゴリズムについては、「基礎と実践 ニューラルネットワーク、臼井支朗他著、コロナ社」に詳しい。
同様にして、運転条件判定部400により、予測値データテーブル300Y(図3B参照)に格納されているデータなどを用いて、温水w4の温度が予測される。必要に応じて、実測値データテーブル300J(図3A参照)、計測信号120、140の情報、運転情報データベース600の情報などが使用される。
そして、制御部500が、予測される温水w4の温度を使用して、第1・第2の蓄熱タンク703、704に必要な分の熱量を溜めておく。例えば、気温が低いと予測される場合や日射量が少ないと予測される場合などには、第1・第2の蓄熱タンク703、704に熱媒油w2の熱量を多目に溜める。一方、気温が高いと予測される場合や日射量が多いと予測される場合などには、第1・第2の蓄熱タンク703、704に熱媒油w2の熱量を少な目に溜める等々である。
<運転条件判定部400での演算機能>
図6に、運転条件判定部400での処理動作をフローチャートに示す。
図2に示す運転条件判定部400での処理動作は、ガスタービン発電設備100、温水生成装置700の稼動を予測する予測モード、実際の稼動の起動モード、運転モード、停止モードの何れかであるかを振り分ける処理である。予測モード、起動モード、運転モード、停止モード(運転条件)は、ユーザによって支援ツール910より入力される。
図6のフローで求めた蓄熱可、起動モード、運転モード、停止モードの設定情報は、図2の制御装置200内の制御部500に入力される。
図2の制御部500は、運転条件判定部400と運転情報データベース600からの情報を基に、温水生成装置700内にある調整弁711〜718やポンプ721〜725を制御する。以下、起動モード、運転モード、停止モードの各モードに応じた運転方法を説明する。
これによって、第1の熱交換器702で、太陽熱で設定温度に昇温された作動流体w1と熱媒油w2との熱交換が開始される。第2の熱交換器入口705iに流入する熱媒油w2の温度が予め設定した温度になるまで現状を維持する。なお、調整弁714の上流側には、熱媒油w2の温度を測定する不図示の温度センサが配設されている。
第2の熱交換器705の高温側の入口(705i)の熱媒油w2の温度は設定値、出口(705o)の熱媒油w2の温度は熱交換後の熱損失分を考慮した温度となるように高温槽の第1の蓄熱タンク703の調整弁712、713とポンプ723を制御する。第1の熱交換器702の入口(702i)の作動流体w1の温度と出口(702o)の作動流体w1の温度も同様の考えで温度制御をする。
運転モード中に、予測モードが選択され蓄熱可が“1”(第1の蓄熱タンク703に蓄熱可の場合)に設定されている場合、第1の蓄熱タンク703へ積極的に蓄熱するために、調整弁712、713のそれぞれの開度を操作して、ガスタービン発電設備100の安定運転のために余剰の熱量を蓄熱する。
次に、ユーザが支援ツール910(図2参照)を用いて、画像表示装置950に、温水生成装置700で取得した計測信号120、制御装置200から温水生成装置700に送信される制御信号130、運転条件判定部400の判定結果や関連情報データベース300の情報を表示させる方法について説明する。
ユーザは、図2に示すキーボード901、マウス902を用いて、画面G1〜G4で、ボタンを押下して選択したり、空欄となっている箇所にパラメータ値を入力するなどの操作を実行し、ガスタービン発電装置Sの各種情報を表示する。
ユーザは、画像表示装置950にデータ処理装置GUI画面G1を表示し、マウス902(図2参照)を用いてカーソル953を移動させ、運転状態表示ボタン951またはトレンド表示ボタン952のうちから必要な(所望の)ボタンをマウス902でクリックすることにより選択する。これにより、所望の運転状態表示の画面(図8の運転状態表示画面G2)またはトレンド表示の画面(図9のトレンド表示設定画面G3)を表示させることができる。
データ処理装置GUI画面G1(図7参照)において運転状態表示ボタン951をクリックすることにより、図8の運転状態表示画面G2が表示される。
運転状態表示画面G2の系統情報表示欄961では、ユーザは、表示させたい時間を時刻入力欄962に入力する。そして、表示ボタン963をクリック(押下)することにより、系統情報表示欄961に、入力した時間での各種状態が表示される。
なお、ユーザが、系統情報表示欄961に表示される構成のうちの状態表示を見たい何れかの箇所をクリックし、その箇所の状態が表示される構成としてもよい。
また、運転状態表示964で予測モードが選択されると、966欄の推定温度に第1の作動流体w1の推定温度が表示される。
966欄の蓄熱タンク1内温度は第1の蓄熱タンク703内の熱媒油w2の温度が、蓄熱タンク2内温度は第2の蓄熱タンク704内の熱媒油w2の温度が表示される。
運転状態表示画面G2において、戻るボタン968をクリック(押下)することにより、図7のデータ処理装置GUI画面G1に戻ることができる。
図7のデータ処理装置GUI画面G1において、トレンド表示ボタン952をクリック(押下)することにより、図9のトレンド表示設定画面G3が表示される。
所望のトレンドグラフを目視したユーザは、トレンド表示画面G4(図10参照)の戻るボタン991をクリック(押下)することにより、図9の画面に戻ることができる。
つまり、天気の各種類に応じて番号を割り振り、これをトレンド表示する。つまり、快晴を0、晴れを1、薄曇を2というように、順次14まで番号を割り振る。なお、◎(曇り)、●(雨)などの天気を示す記号や絵文字表示で行ってもよい。
終了する場合、ユーザは、図9のトレンド表示設定画面G3において、戻るボタン989をクリック(押下)することにより、図7のデータ処理装置GUI画面G1に戻ることができる。
従って、太陽熱の熱エネルギで得られた温水を噴霧することで出力を向上できるとともに安定運転が可能なガスタービン発電装置Sおよびその運転方法を実現できる。
なお、前記実施形態では、記憶部としてデータベースを例示したが、各種データを記憶できる記憶部であれば一時ファイル(temporary file)、ワークエリアなどでもよく、データを保存できればその態様は限定されない。
また、前記実施形態で説明した各種記憶部は分割して構成してもよく、運転条件判定部400、制御部500はそれぞれ分割して構成してもよいし、統合して一つで構成してもよい。
1j ガスタービン軸(軸)
2 圧縮器
3 発電機(機器)
4 燃焼器(機器)
5 吸気冷却室
6 噴霧ノズル
100 ガスタービン発電設備
120、140 計測信号
300 関連情報データベース(関連情報記憶部)
400 運転条件判定部(温度予測部)
500 制御部(第1制御部、第2制御部、第3制御部)
600 運転情報データベース(運転情報記憶部)
701 太陽熱集熱装置(機器)
703 第1の蓄熱タンク(蓄熱タンク)
704 第2の蓄熱タンク(蓄熱タンク)
705 第2の熱交換器(熱交換器)
712 調整弁(第2調整弁)
717 調整弁(第1調整弁)
910 支援ツール(第1表示部、第2表示部)
950 画像表示装置(表示装置)
b2 第2バイパスライン
b3 第1バイパスライン
S ガスタービン発電装置
w1 第1の作動流体(第2の熱媒体)
w2 第2の作動流体(熱媒体)
w4 温水
Claims (12)
- 空気を圧縮する圧縮器と、
前記圧縮器からの圧縮空気と燃料を燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンと軸を介して連結され、前記ガスタービンの回転によって駆動される発電機と、
太陽熱を用いて加熱された熱媒体との熱交換を行う熱交換器と、前記熱媒体を蓄える蓄熱タンクと、
前記熱交換器で形成された被加熱側の循環路をバイパスする第1バイパスラインと、
前記第1バイパスラインへの流量を調節する第1調整弁と、
前記熱交換器で加熱された温水を前記圧縮器の空気に噴霧ノズルで噴霧するための吸気冷却室と、
前記ガスタービン発電装置での計測信号を保存する運転情報記憶部と、
前記計測信号が入力され、運転条件を判定する運転条件判定部と、
前記運転条件や外気の状態を保存する関連情報記憶部と、
前記運転条件をもとに前記ガスタービン発電装置を運転するための方法を決定する第1制御部と、
前記計測信号から得られる前記温水の条件および設けられる機器の状態、前記運転条件に応じて、前記ガスタービン発電装置を運転する第2制御部とを
備えることを特徴とするガスタービン発電装置。 - 請求の範囲第1項に記載のガスタービン発電装置において、
前記ガスタービン発電装置での計測信号を保存する運転情報記憶部と、
前記計測信号が入力され、運転条件を判定する運転条件判定部と、
前記運転条件や外気の状態を保存する関連情報記憶部と、
前記運転条件をもとに前記ガスタービン発電装置を運転するための方法を決定する第1制御部と、
前記外気の状態より太陽熱集熱装置で加熱される熱媒体の温度を予測する温度予測部とを
備えることを特徴とするガスタービン発電装置。 - 請求の範囲第2項に記載のガスタービン発電装置において、
前記外気の状態より熱媒体の温度を予測した結果と、前記計測信号から得られる前記温水の条件および設けられる機器の状態、前記運転条件に応じて、前記ガスタービン発電装置を運転する第3制御部を
備えることを特徴とするガスタービン発電装置。 - 請求の範囲第1項から第3項のうちの何れか一項に記載のガスタービン発電装置において、
前記第1調整弁は、運転状態に応じて前記温水の流量を制御する
ことを特徴とするガスタービン発電装置。 - 請求の範囲第2項または第3項に記載のガスタービン発電装置において、
前記蓄熱タンクに取り付けられ、前記外気の状態より熱媒体の温度を予測した結果と設けられる機器の状態、得られた前記温水の条件に基づき、前記熱媒体の流量を制御する第2調整弁を備える
ことを特徴とするガスタービン発電装置。 - 請求の範囲第1項から第3項のうちの何れか一項に記載のガスタービン発電装置において、
前記ガスタービンを停止させる場合、前記第1バイパスラインを開く
ことを特徴とするガスタービン発電装置。 - 請求の範囲第1項から第3項のうちの何れか一項に記載のガスタ一ビン発電装置において、
前記熱交換器の加熱側の循環路をバイパスする第2バイパスラインを備え、
前記ガスタービンを起動させる場合、
前記熱交換器の入口側に流れ込む前記熱媒体の温度が設定温度に達するまでは、前記熱媒体を、前記第2バイパスラインを経由させることで前記熱媒体の温度上昇を施し、前記熱媒体の温度が前記設定温度に到達後は当該第2パイパスラインを閉じて、前記熱媒体を、前記熱交換器を経由させる
ことを特徴とするガスタービン発電装置。 - 請求の範囲第1項から第3項のうちの何れか一項に記載のガスタービン発電装置において、
前記運転条件を任意の時間幅で表示装置に表示するための第1表示部を
備えることを特徴とするガスタービン発電装置。 - 請求の範囲第2項に記載のガスタービン発電装置において、
前記温度予測部は、前記温水の温度を予測し、
前記温度予測部にて予測した温水温度の結果と実際に得られた温水温度の結果を任意の時間幅で表示装置に比較表示するための第2表示部を備える
ことを特徴とするガスタービン発電装置。 - 空気を圧縮する圧縮器と、
前記圧縮器からの圧縮空気と燃料を燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンと軸を介して連結され、前記ガスタービンの回転によって駆動される発電機と、
熱交換器と、
熱媒体を蓄える蓄熱タンクと、
前記熱交換器で形成された被加熱側の循環路をバイパスさせる第1バイパスラインと、
前記第1バイパスラインへの流量を調節する第1調整弁と、
前記空気に温水を噴霧する噴霧ノズルと、
前記圧縮器に前記空気を送る吸気冷却室とを備えるガスタービン発電装置の運転方法であって、
太陽熱を用いて加熱される熱媒体が所定の温度に至るまでは前記第1調整弁により熱交換器で形成された循環路を、前記第1バイパスラインを用いてバイパスさせ、
前記蓄熱タンクは、前記所定の温度に至った前記熱媒体を蓄え、
前記熱交換器による前記熱媒体との熱交換で前記温水を作製し、
前記吸気冷却室において、前記噴霧ノズルによって前記熱交換器で加熱された前記温水を前記空気に噴霧し、
前記ガスタービン発電装置は、運転情報記憶部と、運転条件判定部と、関連情報記憶部と、第1制御部と、第2制御部とを備え
前記運転情報記憶部は、前記ガスタービン発電装置での計測信号を保存し、
前記運転条件判定部は、前記計測信号が入力され運転条件を判定し、
前記関連情報記憶部は、前記運転条件や外気の状態を保存し、
前記第1制御部は、前記運転条件をもとに前記ガスタービン発電装置を運転するための方法を決定し、
前記第2制御部は、前記計測信号から得られる前記温水の条件および設けられる機器の状態、前記運転条件に応じて、前記ガスタービン発電装置を運転する
ことを特徴とするガスタービン発電装置の運転方法。 - 請求の範囲第10項に記載のガスタービン発電装置の運転方法において、
前記ガスタービン発電装置は、運転情報記憶部と、運転条件判定部と、関連情報記憶部と、第1制御部と、温度予測部とを備え、
前記運転情報記憶部は、前記ガスタービン発電装置からの計測信号を保存し、
前記運転条件判定部は、前記計測信号が入力され運転条件を判定し、
前記関連情報記憶部は、前記運転条件や外気の状態を保存し、
前記第1制御部は、前記運転条件をもとに前記ガスタービン発電装置を運転するための方法を決定し、
前記温度予測部は、前記外気の状態より太陽熱集熱装置で加熱される熱媒体の温度を予測する
ことを特徴とするガスタービン発電装置の運転方法。 - 請求の範囲第11項に記載のガスタービン発電装置の運転方法において、
前記ガスタービン発電装置は、第3制御部を備え、
前記第3制御部は、前記外気の状態より熱媒体の温度を予測した結果と、前記計測信号から得られる前記温水の条件および設けられる機器の状態、前記運転条件に応じて、前記ガスタービン発電装置を運転する
ことを特徴とするガスタービン発電装置の運転方法。
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