JP6965221B2 - ガスタービンシステム - Google Patents

Description

本発明は、貯留した圧縮空気を利用するガスタービンシステムに関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１３−２９０９１号公報（特許文献１）がある。この公報には、発電効率を改善して高効率を実現し得るばかりでなく、ガスタービンシステムと圧縮空気貯留手段とのベストマッチングを実現でき、さらに立地場所の自由度も増すＣＡＥＳ(Compressed Air Energy Storage)システムを提供することが記載され、圧縮手段で圧縮された空気を加湿する加湿手段を備えるとともに加湿手段で加湿された空気をタービンの排ガスで加熱した後、燃焼器に供給する再生サイクルを構成しているガスタービンシステムと、圧縮されて貯留されている空気を加湿手段に供給する圧縮空気貯留手段と、を有することが記載されている（要約参照）。

特開２０１３−２９０９１号公報

前記特許文献１には、ガスタービンシステムと圧縮空気貯留手段とを組み合わせたＣＡＥＳシステムが記載されている。しかし、特許文献１に記載のＣＡＥＳシステムは、圧縮空気を貯留する圧縮空気貯留工程では、ガスタービンによる発電工程とは分離されている。また、特許文献１に記載のＣＡＥＳシステムは、圧縮空気貯留用に設置された別の圧縮機によって圧縮空気が貯留され、圧縮空気貯留工程のために圧縮機を駆動する動力は、ガスタービンに圧縮空気を供給する圧縮機からは得ることができず、圧縮機を駆動する動力のために外部電力を用いる必要がある。

そこで、本発明は、圧縮空気を貯留する際に、圧縮機を駆動するための動力に外部電力を用いずに、ガスタービンシステムの稼働中のガスタービンに圧縮空気を供給する圧縮機により、つまり、ガスタービンの膨張仕事による動力の一部を圧縮機駆動用の動力として用いて、圧縮空気を貯留する。本発明は、ガスタービンシステムの稼働中に圧縮機から吐出され、燃焼器に供給される圧縮空気の一部を貯留し、貯留した圧縮空気を燃焼器に供給することにより、稼働中のガスタービンシステムの出力を急速に増加できるガスタービンシステムを提供する。

上記課題を解決するため、本発明のガスタービンシステムは、大気を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された圧縮空気を貯留する貯留タンクと、貯留タンクに貯留された圧縮空気を昇圧するブースターポンプと、ブースターポンプにより昇圧された圧縮空気を貯留する高圧タンクと、高圧タンクに貯留された圧縮空気、及び／又は、圧縮機により圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させ、燃焼ガスを発生する燃焼器と、圧縮機と一つの回転軸に設置され、燃焼器で発生した燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、ガスタービンと接続する発電機と、を有し、高圧タンクには、圧縮機から吐出される圧縮空気の空気圧よりも高圧の空気を貯留し、高圧タンクと燃焼器との間の配管には、減圧弁と流量調整弁を有する。

本発明によれば、圧縮空気を貯留する際に、ガスタービンシステムの稼働中に圧縮機から吐出され、燃焼器に供給される圧縮空気の一部を貯留し、貯留した圧縮空気を燃焼器に供給することにより、稼働中のガスタービンシステムの出力を急速に増加できるガスタービンシステムを提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

第一の実施例に係るガスタービンシステムの概略を説明する説明図である。 第二の実施例に係るガスタービンシステムの概略を説明する説明図である。 第三の実施例に係るガスタービンシステムの概略を説明する説明図である。 本実施例に係るガスタービンシステムの貯留タンクへの送風時を説明する動作図である。 本実施例に係るガスタービンシステムのガスタービンの瞬時出力時を説明する動作図である。 本実施例に係るガスタービンシステムのガスタービンの冷機起動時を説明する動作図である。 本実施例に係るガスタービンシステムの高圧タンクへの送風時を説明する動作図である。 太陽光発電所に設置された雲量移動計を説明する説明図である。 雲量移動計からの情報を使用して、ソーラーパネルの発電出力の変化とその予測、及び、ガスタービンの発電出力の変化とその予測を示した説明図である。 圧縮機から吐出された圧縮空気を貯留タンク１１に貯留する場合の各タンクの内部の圧力の変化およびブースターポンプや各バルブの運転制御信号を示した説明図である。 高圧タンク１２に貯留された圧縮空気を燃焼器に供給する場合の各タンクの内部の圧力の変化およびブースターポンプや各バルブの運転制御信号を示した説明図である。

以下、図面を用いて、実施例を説明する。なお、同一の構成には、同一の符号を付し、重複する部分については、その説明を省略する。

図１は、第一の実施例に係るガスタービンシステムの概略を説明する説明図である。

本実施例に記載するガスタービンシステムは、大気（空気）９を圧縮する圧縮機１と、燃焼ガスを発生する燃焼器２と、圧縮機１と一つ回転軸５に設置され、燃焼器２で発生した燃焼ガスにより駆動するガスタービン３と、ガスタービン３と減速ギア８を介して接続し、回転軸５の駆動力により発電する発電機４と、を有する。圧縮機１とガスタービン３とは一軸（一つの回転軸５）により連結される。

圧縮機１に供給される大気９は、入口案内弁（以後「ＩＧＶ」と記載する）７により、その流量が調整され、ＩＧＶ７は、圧縮機１に大気（空気）９を供給する流路に設置される。なお、ガスタービン３を駆動した燃焼ガスは、ガスタービン３からタービン排気１０として排出される。

そして、本実施例に記載するガスタービンシステムは、さらに、圧縮機１により圧縮され、吐出された圧縮空気を貯留する貯留タンク１１と、貯留タンク１１に貯留された圧縮空気を昇圧するブースターポンプ１３と、ブースターポンプ１３により昇圧された圧縮空気を貯留する高圧タンク１２と、を有する。なお、圧縮機１により圧縮され、吐出される圧縮空気（吐出空気）は、圧縮機１の入口空気温度や圧縮機１の圧力比にもよるが、この圧力比が１０〜２０の場合には、燃焼器２に供給される際には、約３００℃〜４００℃程度の温度になる。

燃焼器２は、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気、及び／又は、圧縮機１により圧縮され、吐出された圧縮空気と燃料とを燃焼させ、燃焼ガスを発生する。なお、燃焼器２に供給される燃料は、燃料供給ライン６から供給される。

つまり、燃焼器２は、圧縮機１により圧縮され、吐出された圧縮空気を使用する場合、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気及び圧縮機１により圧縮され、吐出された圧縮空気を使用する場合、および、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気を主体に使用する場合がある。

また、本実施例に記載するガスタービンシステムは、さらに、圧縮機１と貯留タンク１１との間の配管には配管を流れる圧縮空気の流量を調整する流量調整弁であるバルブ１５が、ブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管にはバルブ１９が、高圧タンク１２と燃焼器２との間の配管には減圧弁１７と配管を流れる圧縮空気の流量を調整する流量調整弁であるバルブ１８が、それぞれ設置される。

なお、バルブ１９は、バルブが設置される配管を流れる圧縮空気の流れを入り切りするＯＮ／ＯＦＦ弁である。

つまり、本実施例に記載するガスタービンシステムは、貯留タンク１１と高圧タンク１２とを有する点が特徴である。そして、貯留タンク１１に貯留される圧縮空気は、圧縮機１から吐出され、燃焼器２に供給される圧縮空気の一部である。

貯留タンク１１に圧縮空気を貯留する場合も、また、高圧タンク１２から圧縮空気を放出する場合も、いずれも有限容積内への空気の出し入れのため、空気の流入または流出によって、タンクの内部の圧力は変化する。しかも、タンクの内部への圧縮空気の貯留と放出とは、貯留の場合は圧縮機１の出口と貯留タンク１１の内部との圧力差によって、また、放出の場合は高圧タンク１２の内部と燃焼器２の入口との圧力差によって、空気が流動する。

このため、貯留タンク１１に貯留されている圧縮空気は、圧縮機１から吐出される圧縮空気よりも必然的にその圧力が低下する。したがって、貯留タンク１１に貯留されている圧縮空気を燃焼器２に供給する場合には、その圧力を、圧縮機１から吐出され、燃焼器２に供給される圧縮空気の圧力と、同等程度に上昇させる必要がある。そこで、貯留タンク１１に貯留されている圧縮空気を、ブースターポンプ１３により昇圧し、高圧タンク１２に貯留する。つまり、貯留タンク１１に貯留されている圧縮空気よりも高圧タンク１２に貯留されている圧縮空気のほうが高圧となり、高圧タンク１２に貯留されている。これにより、圧縮空気の圧力は、圧縮機１から吐出され、燃焼器２に供給される圧縮空気の圧力と、同等程度となる。

図７Ａは、圧縮機から吐出された圧縮空気を貯留タンク１１に貯留する場合の各タンクの内部の圧力の変化およびブースターポンプや各バルブの運転制御信号を示した説明図である。また、図７Ｂは、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気を燃焼器に供給する場合の各タンクの内部の圧力の変化およびブースターポンプや各バルブの運転制御信号を示した説明図である。

なお、それぞれ（a）は、貯留タンク１１の圧力変化、（b）は、ブースターポンプ１３と各タンクに接続する各バルブとの運転制御信号、（c）は、高圧タンク１２の圧力変化を示すものである。

図７Ａは、圧縮機１から吐出される圧縮空気を貯留タンク１１に貯留する場合を示し、各図とも横軸は時間経過を示す。

図７Ａ（ａ）は、貯留タンク１１の圧力変化を示し、縦軸の１００は圧縮機１の吐出圧力を表す。また、図７Ａ（ｃ）は、高圧タンク１２の圧力変化を示し、縦軸の１００は、図７Ａ（ａ）と同様に圧縮機１の吐出圧力を示し、縦軸の２００は高圧タンク１２の設計許容圧力２４を示す。

図７Ａ（ｂ）に示すように、時間軸０点では、圧縮機１の吐出側に設けられたバルブ１５は、バルブ制御信号ＯＮによって開けられており、また、この時点での貯留タンク１１の内部の圧縮空気の圧力は、圧縮機１の定格吐出圧よりも低減されており、圧縮機１の吐出圧と貯留タンク１１の内圧との差圧によって、圧縮機１から吐出される圧縮空気の一部は貯留タンク１１に流れ込んでいる。

また、バルブ１９は閉じられているため、高圧タンク１２の内部への圧縮空気の流入はなく、高圧タンク１２の空気圧の変化はない。バルブ１５が開放されているため、貯留タンク１１の内部への圧縮空気の流入は継続され、図７Ａ（ａ）に示すように、貯留タンク１１の空気圧は上昇する。

時間経過（１）で、貯留タンク１１の圧力２２が圧縮機１の吐出圧２１に近づき、差圧に基づく貯留タンク１１への圧縮機１から吐出される圧縮空気の送風が鈍化するため、ブースターポンプ１３を稼働させて、同時にバルブ１９を開にして、貯留タンク１１の内部の圧縮空気を高圧タンク１２に圧送することにより、圧縮機１から吐出される圧縮空気の一部を貯留タンク１１に貯留し続けることができる。

図７Ａ（ｃ）に示すように、時間経過（１）以降、ブースターポンプ１３によって圧送される圧縮空気の流入により、高圧タンク１２の圧力は上昇する。

時間経過（２）で、バルブ１５を閉にして、圧縮機１から吐出される圧縮空気の貯留タンク１１への貯留を停止する。しかし、ブースターポンプ１３の稼働を続けると、高圧タンク１２の圧力は上昇を続ける一方、外部からの空気供給を停止された貯留タンク１１の内部の圧力は低下する。

時間経過（３）で、バルブ１９を閉にして、ブースターポンプ１３を停止すると、貯留タンク１１の圧力２２の低下と貯留タンク１２の圧力２３の上昇はとまる。貯留タンク１１の内圧は圧縮機１の吐出圧に比べて減圧されているため、差圧による送風方法を用い、次の空気貯留に備えることができる。

一方、高圧タンク１２は、圧縮機１の吐出圧よりも十分に高圧状態にあるため、差圧による送風方法と減圧弁１７による圧力調整によって、燃焼器２に圧縮機１の吐出圧と同等の圧縮空気を供給することができる。

図７Ｂは、高圧タンク１２に貯留された高圧の圧縮空気を燃焼器２に供給する場合の各タンクの内圧力の変化やブースターポンプ１３および各バルブの運転制御信号を示したものである。

時間軸０点では、各バルブ（１７、１８、１９）が閉じられ、また、ブースターポンプ１３も停止している。また、両タンクとも空気は十分に貯留されている状態とする。

時間経過（１）で、高圧タンク１２の圧縮空気を燃焼器２に供給するため、減圧弁１７とバルブ１８とを開にする。圧縮空気の供給に伴い高圧タンク１２の内部の圧力は低下する。しかし、高圧タンク１２の内部の圧力は圧縮機１の吐出圧よりも高く、減圧弁１７によって燃焼器２に供給する圧縮空気の圧力を圧縮機１の吐出圧に調整することができる。

時間経過（２）で、減圧弁１７、バルブ１８を閉にして、高圧タンク１２の圧縮空気の燃焼器２への供給を停止する。高圧タンク１２の圧力は燃焼器２への圧縮空気の供給により減圧されているので、次の空気供給の準備のため昇圧させる必要がある。

時間経過（３）で、ブースターポンプ１３を稼働させ、バルブ１９を開にする。これにより貯留タンク１１の圧縮空気が高圧タンク１２に圧送され、高圧タンク１２は昇圧する。圧縮空気の供給によって貯留タンク１１の圧力が低下しすぎる場合は、ブースターポンプ１３を停止し、バルブ１９を閉にして、高圧タンク１２への圧送を停止し、図７Ａ（ｂ）に示したように、バルブ１５を開にして圧縮機１から吐出される圧縮空気の一部を貯留タンク１１に補給する。

なお、圧縮機１の吐出圧は、ガスタービン３の負荷によって変化する。負荷が少ない場合は比較的低い圧力で、負荷の増加に伴い増加する。高圧タンク１２から燃焼器２に供給される圧縮空気の空気圧は、ガスタービン３の負荷によって変える必要がある。また、同様に貯留タンク１１に貯留する圧縮空気の空気圧も、ガスタービン３の負荷によって変化するが、２つのタンク（１１、１２）を、ブースターポンプ１３を介して接続する構造とすることによって、ガスタービン３の負荷に合わせた圧縮空気の貯留と放出とが可能になる。

燃料流量の変更以外には、ガスタービン３の回転数等のガスタービンシステムの主要な運転条件を変更することなく、ガスタービンシステムの稼働中に圧縮機１から吐出される圧縮空気の一部を貯留することにより、ガスタービン３の出力の低下による発電量の低減と、高圧タンク１２から燃焼器２への圧縮空気の供給により、ガスタービンシステムの稼働中の急激な発電量の増加が行えるため、ガスタービンシステムの部分負荷運転を急速に行うことができる。なお、各動作条件に基づく弁やバルブの開閉は図示しない制御装置によって行う。

これにより、本実施例に記載するガスタービンシステムは、風車や太陽光発電等の気象変動に伴う発電出力の変動に追随した負荷追随運転に効率的に運用される。

図２は、第二の実施例に係るガスタービンシステムの概略を説明する説明図である。

本実施例に記載するガスタービンシステムは、第一の実施例に記載するガスタービンシステムに加えて、蓄熱槽１４を有する。

つまり、本実施例に記載するガスタービンシステムは、圧縮機１により圧縮され、吐出され、貯留タンク１１に供給される圧縮空気（圧縮空気の一部）の熱（熱エネルギー）を吸熱し、蓄熱し、そして、高圧タンク１２に貯留され、燃焼器２に供給される圧縮空気に熱（熱エネルギー）を放熱する蓄熱槽１４を有する。

圧縮機１により圧縮され、吐出された圧縮空気は、貯留タンク１１に供給される前に、圧縮空気が有する熱を蓄熱槽１４に放熱（放出）し、そして、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気は、燃焼器２に供給される前に、蓄熱槽１４から蓄熱槽１４が有する熱を吸熱（吸収）する。

また、本実施例に記載するガスタービンシステムは、さらに、圧縮機１と蓄熱槽１４との間の配管にはバルブ１５が、蓄熱槽１４と貯留タンク１１との間の配管にはバルブ１６が、ブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管にはバルブ１９が、高圧タンク１２と蓄熱槽１４との間の配管には減圧弁１７が、蓄熱槽１４と燃焼器２との間の配管にはバルブ１８が、それぞれ設置される。

なお、バルブ１５とバルブ１８とは、それぞれのバルブが設置される配管を流れる圧縮空気の流量を調整する流量調整弁であり、バルブ１６、バルブ１９は、それぞれのバルブが設置される配管を流れる圧縮空気の流れを入り切りするＯＮ／ＯＦＦ弁である。

このように、蓄熱槽１４を有することにより、高圧タンク１２に貯留されている圧縮空気の温度を、圧縮機１から吐出され、燃焼器２に供給される圧縮空気の温度と、同等程度とすることができる。

これにより、本実施例に記載するガスタービンシステムは効率的に運用され、効率が向上する。

図３は、第三の実施例に係るガスタービンシステムの概略を説明する説明図である。

本実施例に記載するガスタービンシステムは、第一の実施例に記載するガスタービンシステムに加えて、熱交換器２０を有する。

つまり、本実施例に記載するガスタービンシステムは、ガスタービン３を駆動し、ガスタービン３から排出された燃焼ガス（タービン排気１０）と、高圧タンク１２から燃焼器２に供給される圧縮空気との間で熱交換する熱交換器２０を有する。

また、本実施例に記載するガスタービンシステムは、さらに、圧縮機１と貯留タンク１１との間の配管にはバルブ１５が、ブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管にはバルブ１９が、高圧タンク１２と熱交換機２０との間の配管には減圧弁１７が、熱交換器２０と燃焼器２との間の配管にはバルブ１８が、それぞれ設置される。

なお、バルブ１５とバルブ１８とは、それぞれのバルブが設置される配管を流れる圧縮空気の流量を調整する流量調整弁であり、バルブ１９は、それぞれのバルブが設置される配管を流れる圧縮空気の流れを入り切りするＯＮ／ＯＦＦ弁である。

このように、熱交換器２０を有することにより、高圧タンク１２に貯留されている圧縮空気の温度を、圧縮機１から吐出され、燃焼器２に供給される圧縮空気の温度と、同等程度とすることができる。

これにより、本実施例に記載するガスタービンシステムは効率的に運用され、効率が向上する。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄには、それぞれ、本実施例に係るガスタービンシステムの代表的な運転操作時におけるバルブ１５、バルブ１６、バルブ１７、及びバルブ１８の開度（上図）、ブースターポンプの起動及びバルブ１９の開度（中図１）、燃料の流量とＩＧＢ７の開度（中図２）、発電出力（下図）が記載される。

そして、図４Ａは、本実施例に係るガスタービンシステムの貯留タンクへの送風時を説明する動作図であり、図４Ｂは、本実施例に係るガスタービンシステムのガスタービンの瞬時出力時を説明する動作図であり、図４Ｃは、本実施例に係るガスタービンシステムのガスタービンの冷機起動時を説明する動作図であり、図４Ｄは、本実施例に係るガスタービンシステムの高圧タンクへの送風時を説明する動作図である。

なお、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄは、実施例１、実施例２、および実施例３において、最も多くバルブが設置されている実施例２について、説明しているが、実施例１および実施例３についても、設置されていないバルブを除いて、この動作を適用することができる。

図４Ａは、圧縮機１から吐出される圧縮空気の一部を貯留タンク１１に貯留する場合の動作を示すものである。

貯留タンク１１への送風時、減圧弁１７、バルブ１８、バルブ１９は全閉、バルブ１６は全開、ブースターポンプは停止（ＯＦＦ）とされ、バルブ１５は徐々に開かれ、所定の開度とされ、その開度が所定の時間維持され、その後徐々に閉められる（上図、中図１参照）。これにより、圧縮機１から吐出される圧縮空気の一部が貯留タンク１１に貯留される。

なお、この際、ＩＧＶ７は全開、または、圧縮機１の流量が定格流量になるよう設定された開度とされる。また、燃焼器２に供給される圧縮機１から吐出される圧縮空気の流量が低減した分、燃焼器２に供給される燃料（６）の流量も低減する（中図２参照）。これにより、燃焼器２における燃焼ガスの温度を、バルブ１５、バルブ１６の開放前と同等に保つことができる。

つまり、燃焼器２に供給される圧縮空気の流量及び燃料（６）の流量が低減した分、発電機４の発電出力も低減する。再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）による発電量が増加し、ガスタービン３の発電出力が定格出力以下で良い場合に、貯留タンク１１への圧縮空気の貯留を実施する。

このように実施例２に記載するガスタービンシステムは、圧縮機１により圧縮された圧縮空気の貯留タンク１１への送風時に、蓄熱槽１４と貯留タンク１１との間の配管に設置されるバルブ１６を全開とし、圧縮機１と蓄熱槽１４との間の配管に設置されるバルブ１５を所定の開度で開とし、ブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管に設置されるバルブ１９、高圧タンク１２と蓄熱槽１４との間の配管に設置されるバルブ１７、及び蓄熱槽１４と燃焼器３との間の配管に設置されるバルブ１８を全閉とする。

なお、実施例１に記載のガスタービンシステムに適用した場合は、圧縮機１により圧縮された圧縮空気の貯留タンク１１への送風時、圧縮機１と貯留タンク１１との間の配管に設置されるバルブ１５を全開とし、ブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管に設置されるバルブ１９及び高圧タンク１２と燃焼器２との間の配管に設置される減圧弁１７とバルブ１８を全閉とすることになる。

図４Ｂは、再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）による発電量の増加が予想され、ガスタービン３の発電出力の減少が要求される場合であって、再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）の発電出力が急激に低下し、高圧タンク１２に貯留した圧縮空気を、瞬時的に、燃焼器２に供給し、ガスタービン３の発電出力を増加させる場合の動作を示すものである。

なお、再生可能エネルギーとして、例えば、太陽光発電を考えた場合、発電出力の急激な低下とは、太陽光発電において突然の太陽光の遮蔽（遮光）により、太陽光発電の発電出力が急激に低下する場合が考えられる。

ガスタービン３の瞬時出力時、バルブ１５、バルブ１６、バルブ１９は全閉、減圧弁１７は所定の設定開度まで開け、ブースターポンプは停止（ＯＦＦ）とされ、バルブ１８は、ガスタービン３の発電出力を増加させる必要がある場合、瞬時的に開かれ、所定の開度とされ、その後、ガスタービン３の発電出力を増加させる必要がなくなった場合、瞬時的に閉じられる（上図、中図１参照）。特に、バルブ１８は、ガスタービン３への発電出力の要求に対して、瞬時的に対応するため、その開度を調整する。これにより、燃料器３に供給される圧縮空気の流量が調整される。

なお、ＩＧＶ７は徐々に絞られ、開度が徐々に小さくなる。また、燃焼器２に供給される圧縮機１から吐出される圧縮空気の流量も徐々に低減する。これは、再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）による発電量の増加が予想され、ガスタービン３の発電出力の減少が要求される場合に対応したものである。

しかし、ガスタービン３の発電出力を増加させる必要がある場合、バルブ１８の開閉と連動し、燃焼器２に供給される燃料（６）の流量も、瞬時的に調整（増加、低減）される（中図２参照）。

つまり、燃焼器２に供給される圧縮空気の流量及び燃料（６）の流量が、瞬時的に増加した分、発電機４の発電出力も、瞬時的に増加する。再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）による発電出力の急激な低下に対応し、ガスタービン３の発電出力を、瞬時的に増加させる。

本実施例では、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気は、燃焼器２に供給される前に、蓄熱槽１４が有する熱を吸熱（吸収）することができ、さらに、バルブ１８を瞬時的に開くことにより、燃焼器２に供給される圧縮空気を瞬時的に増加できるため、瞬時的なガスタービン３への発電出力の増加に対応できる。

このように実施例２に記載するガスタービンシステムは、ガスタービンの瞬時出力時（ガスタービン３が瞬時的に発電出力を増加させる必要があるタイミング）に、高圧タンク１２と蓄熱槽１４との間の配管に設置される減圧弁１７と、蓄熱槽１４と燃焼器３との間の配管に設置されるバルブ１８を所定の開度で開とし、圧縮機１と蓄熱槽１４との間の配管に設置されるバルブ１５、蓄熱槽１４と貯留タンク１１との間の配管に設置されるバルブ１６、及びブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管に設置されるバルブ１９を全閉とする。

なお、実施例１に記載のガスタービンシステムに適用した場合は、ガスタービン３の瞬時出力時、高圧タンク１２と燃焼器３との間の配管に設置される減圧弁１７とバルブ１８を所定の開度で開とし、圧縮機２と貯留タンク１１との間の配管に設置されるバルブ１５及びブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管に設置されるバルブ１９を全閉とすることになる。

図４Ｃは、ガスタービン３の冷機（コールド）起動時に、圧縮空気を高圧タンク１２から燃焼器２に供給し、ガスタービン３の発電出力を定格出力に移行させる場合の動作を示すものである。

ガスタービン３の冷機起動時、バルブ１５、バルブ１６、バルブ１９は全閉、ブースターポンプ１３は停止（ＯＦＦ）とされ、減圧弁１７とバルブ１８は、ガスタービン３を冷機起動する場合、瞬時的に所定の開度まで開かれ、その開度が所定の時間維持され、その後徐々に閉められる。（上図、中図１参照）。これにより、燃料器３に供給される圧縮空気の流量が、瞬時的に増加する。

なお、この際、ＩＧＶ７はガスタービン３の起動から無負荷定格回転数到達までは所定の開度に設定され、その後、開度を増加してガスタービン３の負荷を増加させる。減圧弁１７とバルブ１８とは、ガスタービン３の回転数が定格回転数に到達したら開け始める。ＩＧＶ７の開度により圧縮機１から吐出される圧縮空気の空気量が増加する前に、高圧タンク１２の圧縮空気を燃焼器２に供給する。（中図２参照）。

つまり、燃焼器２に供給される圧縮空気の流量及び燃料（６）の流量が、瞬時的に、増加した分、ＩＧＶ７の開度操作中のガスタービンシステムの発電機４の発電出力を、瞬時的に、増加させることができる。

これにより、圧縮機１から吐出される圧縮空気のみを使用して、ガスタービン３を起動する場合（６０）に比較して、高圧タンク１２から蓄熱槽１４を経由して供給される圧縮空気を使用して、ガスタービン３を起動する場合のほうが、ガスタービン４が定格出力に到達する時間を大幅に短縮することができる。

このように実施例２に記載のガスタービンシステムは、ガスタービン３の冷機起動時、高圧タンク１２と蓄熱槽１４との間の配管に設置される減圧弁１７と、蓄熱槽１４と燃焼器３との間の配管に設置されるバルブ１８を所定の開度で開とし、圧縮機１と蓄熱槽１４との間の配管に設置されるバルブ１５、蓄熱槽１４と貯留タンク１１との間の配管に設置されるバルブ１６、及びブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管に設置されるバルブ１９を全閉とする。

なお、実施例１に記載のガスタービンシステムに適用した場合は、ガスタービン３の冷機起動時、高圧タンク１２と燃焼器３との間の配管に設置される減圧弁１７とバルブ１８を所定の開度で開とし、圧縮機１と貯留タンク１１との間の配管に設置されるバルブ１５及びブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管に設置されるバルブ１９を全閉とすることになる。

図４Ｄは、貯留タンク１１に貯留した圧縮空気をブースターポンプ１３により昇圧し、高圧タンク１２に貯留する場合の動作を示すものである。

高圧タンク１２への送風時、減圧弁１７、バルブ１８は全閉、バルブ１６は全開、バルブ１５は徐々に開かれ、所定の開度とされ、その開度が所定の時間維持され、その後徐々に閉められる（上図参照）。これにより、圧縮機１から吐出される圧縮空気の一部が貯留タンク１１に貯留される。

そして、バルブ１９は全開、ブースターポンプは起動（ＯＮ）とされる（中図１参照）。これにより、貯留タンク１１に貯留された圧縮空気が、昇圧され、高圧タンク１２に貯留される。

なお、この際、ＩＧＶ７は、所定の開度まで開かれる。また、燃焼器２に供給される圧縮機１から吐出される圧縮空気の流量が低減した分、燃焼器２に供給される燃料（６）の流量も低減する（中図２参照）。これにより、燃焼器２における燃焼ガスの温度を、バルブ１５、バルブ１６の開放前と同等に保つことができる。

つまり、燃焼器２に供給される圧縮空気の流量及び燃料（６）の流量が低減した分、発電機４の発電出力も低減する。再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）による発電量が増加し、ガスタービン３の発電出力が定格出力以下で良い場合に、高圧タンク１２への圧縮空気の貯留を実施する。

なお、ブースターポンプ１３の駆動電力は系統電力から供給される。つまり、この駆動電力は系統電力を消費することになる。再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）の発電量が、この駆動電力を含む需要電力を上回る場合に、再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）によって発電された発電出力（電力）を消費することになる。

この駆動電力を、本実施例に記載するガスタービンシステムによって発電された発電出力（電力）によって賄おうと考えた場合、破線７０（図２Ｄ下図参照）のように、本実施例に記載するガスタービンシステムが、系統電力からの電力を供給される場合がある。需要電力を上回る再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）によって発電された発電出力（電力）を吸収したことになる。

このように実施例２に記載のガスタービンシステムは、ブースターポンプ１３により昇圧された圧縮空気の高圧タンク１２への送風時に、蓄熱槽１４と貯留タンク１１との間の配管に設置されるバルブ１６、及びブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管に設置されるバルブ１９を全開とし、圧縮機１と蓄熱槽１４との間の配管に設置されるバルブ１５を所定の開度で開とし、高圧タンク１２と蓄熱槽１４との間の配管に設置される減圧弁１７、及び蓄熱槽１４と燃焼器３との間の配管に設置されるバルブ１８を全閉とする。

なお、実施例１に記載のガスタービンシステムに適用した場合は、ブースターポンプ１３により昇圧された圧縮空気の高圧タンク１２への送風時、ブースターポンプ１３と高圧タンク１２との間の配管に設置されるバルブ１９を全開とし、圧縮機１と貯留タンク１１との間の配管に設置されるバルブ１５を所定の開度で開とし、高圧タンク１２と燃焼器２との間の配管に設置される減圧弁１７とバルブ１８を全閉とすることになる。

つまり、実施例２に記載するガスタービンシステムは、貯蓄タンク１１と高圧タンク１２との間に、蓄熱槽１４を設置し、貯蓄タンク１１に圧縮空気を送風する場合は、圧縮機１から吐出される圧縮空気の熱を蓄熱槽１４に吸熱し、また、高圧タンク１２から圧縮空気を燃焼器２に供給する場合は、蓄熱槽１４の熱を圧縮空気に放熱することにより、圧縮機１の断熱圧縮の際の熱エネルギーを有効に利用することができる。

また、実施例３に記載するガスタービンシステムは、熱交換器２０を使用し、ガスタービン３を駆動した際にガスタービン３から排出される燃焼ガス（タービン排気１０）と、高圧タンク１２から燃焼器２に供給される圧縮空気との間で熱交換することにより、ガスタービン３の排熱を有効に回収することができる。

そして、本実施例に記載するこれらガスタービンシステムは、高圧タンク１２に貯留した圧縮空気を燃焼器２に供給するため、高圧タンク１２から供給する圧縮空気を含めた流量を全て圧縮機１で圧縮する場合に比べて、圧縮機１の動力が削減される分、ガスタービン３の発電出力は増加する。つまり、瞬時的にガスタービン３の発電出力を増加させる場合に、瞬時的に圧縮空気を燃焼器２に供給することができ、瞬時的にガスタービン３の発電出力を増加させることができる。

また、圧縮空気を高圧タンク１２から瞬時的に供給し、ガスタービン３の発電出力を増加させることができるため、ガスタービン３の急速な冷機起動時を行う場合でも熱変形の問題がなく、急速な起動が実現できる。

更には、高圧タンク１２に圧縮空気を送風する場合、ブースターポンプ１３を使用して圧縮空気を昇圧するため、再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）の供給電力が需要電力を上回る場合は、電力吸収として作用させることができる。

なお、本実施例における各バルブ等に対する指令は、制御装置（図示なし）から送信される。

本実施例に記載するガスタービンシステムは、再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）による発電出力の負荷平準を実施するものである。高圧タンク１２に貯留された圧縮空気を燃焼器２に供給し、瞬時的にガスタービン３（発電機４）の発電出力を増加することができる。

なお、本実施例では、再生可能エネルギーとして、太陽光発電を使用して説明する。

ここで、圧縮空気を燃焼器２に供給するタイミングは、太陽光発電の出力予測の結果を使用する。

快晴時においても、雲の動きによる突然の太陽光の遮蔽（遮光）により、太陽光発電の発電出力が急激に低下する場合がある。この際、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気を燃焼器２に供給し、ガスタービン３（発電機４）の発電出力を増加させる。しかし、太陽光発電の発電出力を検知した後に、ガスタービンシステムの運転制御を開始したのでは、発電出力の出力変動に追随できない。また、気象予報では、局地の雲の動きまで予測はできない。このため、太陽光発電所に設置した雲の動きを察知するセンサー（雲量移動計）からの信号により、ガスタービンシステムの運転制御を実施する。

図５は、太陽光発電所に設置された雲量移動計を説明する説明図である。

局所的な雲の動きを察知する雲量移動計３２を、太陽光発電所３０に設置する。太陽光発電所３０には、ソーラーパネル３１が設置される。雲量移動計３２は、太陽３３を追従できるように、そのカメラ視野が可動する。そして、雲量移動計３２は、カメラ視野において風下側に太陽３３を捕捉する。

雲量移動計３２は、空の光度、風向３５、雲量を計測する。雲量は、雲量移動計３２により捕捉した空の光度から判断する。そして、雲３４の移動速度や雲量を観測し、太陽光が遮蔽される時間を予測する。したがって、雲量移動計３２のカメラ視野から外れる雲３６は、観測しない。なお、雲３４の移動速度は、カメラ視野の内部における所定の距離を雲３４が進む時間から算出する。これにより、雲３４が、太陽３３に到達する時間が算出される。つまり、本実施例では、地上から、太陽３３、雲３４、風向３５を観測することにより、ソーラーパネル３１に直接影響する情報を入手することができる。

図６は、雲量移動計からの情報を使用して、ソーラーパネルの発電出力の変化とその予測、及び、ガスタービンの発電出力の変化とその予測を示した説明図である。

本実施例に記載するガスタービンシステムにおいて、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気を燃焼器２に供給するタイミングの予測方法を示す。

太陽光発電所３０に設置した雲量移動計３２は、信号線４２を介して、各地（ガスタービン発電所が立地される電力系統であって、比較的大容量の太陽光発電所３０が設置された場所）の雲３４の移動速度と雲量との情報を、ガスタービン発電所の集計器４０に送信する。なお、集計器４０は、ガスタービンシステムに対する各種の指令を発する制御装置の機能を有してもよい。

集計器４０は、各地において判断された雲量と算出された雲３４の移動速度との情報を使用し、ソーラーパネル３１が、遮光される時間及び遮光量を予測し、電力系統におけるソーラーパネル３１の発電出力の変化を予測し、ガスタービン３の運転スケジュール（ガスタービン３（発電機４）の発電出力）４６を決定する。

ソーラーパネル３１の発電スケジュール（ソーラーパネル３１の発電出力）４１は、まず、気象予報等から一日（又はそれに相当する時間）当たりのソーラーパネル３１の発電出力が予測（基本予測）される（破線４３参照）。また、実際にソーラーパネル３１が発電した発電出力（実線４５参照）が記録される。

一方、集計器４０における情報に基づき、所定の時間後（将来）において、ソーラーパネル３１の発電出力が減少することが予測される場合がある（破線４４参照）。これは、各地の雲３４の移動速度と雲量との情報から、ソーラーパネル３１の発電出力が減少することを予測するものである。つまり、集計器４０により予測されたソーラーパネル３１の発電出力は、基本予測（破線４３参照）よりも、低下すると予測される。

この予測（破線４４参照）に基づき、ガスタービン３の運転スケジュール４６が決定される。すなわち、高圧タンク１２に貯留された圧縮空気を燃焼器２に供給し、瞬時的に（又は所定のタイミングで）ガスタービン３（発電機４）の発電出力を増加することになる。また、高圧タンク１２から燃焼器２に供給される圧縮空気の供給量が決定される。

なお、ガスタービン３の運転スケジュール４６は、画面に表示される。

このように、本実施例では、太陽光発電所３０に設置された雲量移動計３２を使用して、電力系統に設置されたソーラーパネル３１が、太陽３３に遮光される時間及び遮光量を予測する。すなわち、太陽光が遮蔽される時間及び太陽光の遮蔽量を局所的に予測し、高圧タンク１２から燃焼器２に供給する圧縮空気の供給タイミングを判断する。

このように本実施例に記載するガスタービンシステムは、ガスタービン３の瞬時出力時（ガスタービン３が瞬時的に発電出力を増加させる必要があるタイミング）が、太陽光を利用して発電するソーラーパネル３１の発電出力が低下するタイミングである。

そして、高圧タンク１２から燃焼器２に供給する圧縮空気の供給タイミング、つまり、高圧タンク１２と燃焼器３との間の配管に設置される減圧弁１７とバルブ１８を所定の開度で開とするタイミングが、太陽光を利用して発電するソーラーパネル３１の発電出力が低下するタイミングである。

また、局所における太陽光が遮蔽される時間及び太陽光の遮光量の変化を予測して、高圧タンク１２から燃焼器２に供給する圧縮空気の供給タイミングを決定するため、天候変化に瞬時的に対応した負荷追随できるガスタービン運転が可能となり、電力系統の安定化が図れる。

また、電力需要の少ない夜間電力を利用して圧縮空気を貯留でき、電力需要が多い昼間に、その貯留した圧縮空気を使用して、発電することができ、発電コストを低減することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。

１：圧縮機、２：燃焼器、３：ガスタービン、４：発電機、５：回転軸、６：燃料供給ライン、７：入口案内弁、８：減速ギア、９：大気、１０：タービン排気、１１：貯留タンク、１２：高圧タンク、１３：ブースターポンプ、１４：蓄熱槽、２０：熱交換器、３０：太陽光発電所、３１：ソーラーパネル、３２：雲量移動計、３３：太陽、３４：雲、３５：風向、４０：集計器、１５、１６、１８、１９：バルブ、１７：減圧弁。

Claims (11)

1. 大気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンクに貯留された圧縮空気を昇圧するブースターポンプと、前記ブースターポンプにより昇圧された圧縮空気を貯留する高圧タンクと、前記高圧タンクに貯留された圧縮空気、及び／又は、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させ、燃焼ガスを発生する燃焼器と、前記圧縮機と一つの回転軸に設置され、前記燃焼器で発生した前記燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンと接続する発電機と、を有し、
   前記高圧タンクには、前記圧縮機から吐出される圧縮空気の空気圧よりも高圧の空気を貯留し、前記高圧タンクと前記燃焼器との間の配管には、減圧弁と流量調整弁を有することを特徴とするガスタービンシステム。
2. 前記圧縮機により圧縮され、前記貯留タンクに供給される圧縮空気の熱を蓄熱し、前記高圧タンクに貯留され、前記燃焼器に供給される圧縮空気に前記熱を放熱する蓄熱槽を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
3. 前記ガスタービンを駆動し、前記ガスタービンから排出された燃焼ガスと、前記高圧タンクから前記燃焼器に供給される圧縮空気との間で熱交換する熱交換器を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
4. 前記圧縮機と前記貯留タンクとの間の配管、前記ブースターポンプと前記高圧タンクとの間の配管、前記高圧タンクと前記燃焼器との間の配管には、それぞれバルブを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
5. 前記圧縮機により圧縮された圧縮空気の貯留タンクへの送風時、前記圧縮機と前記貯留タンクとの間の配管に設置されるバルブを全開とし、前記ブースターポンプと前記高圧タンクとの間の配管に設置されるバルブ及び前記高圧タンクと前記燃焼器との間の配管に設置されるバルブを全閉とすることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンシステム。
6. 前記ガスタービンの瞬時出力時、前記高圧タンクと前記燃焼器との間の配管に設置されるバルブを所定の開度で開とし、前記圧縮機と前記貯留タンクとの間の配管に設置されるバルブ及び前記ブースターポンプと前記高圧タンクとの間の配管に設置されるバルブを全閉とすることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンシステム。
7. 前記ガスタービンの冷機起動時、前記高圧タンクと前記燃焼器との間の配管に設置されるバルブを所定の開度で開とし、前記圧縮機と前記貯留タンクとの間の配管に設置されるバルブ及び前記ブースターポンプと前記高圧タンクとの間の配管に設置されるバルブを全閉とすることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンシステム。
8. 前記ブースターポンプにより昇圧された圧縮空気の高圧タンクへの送風時、前記ブースターポンプと前記高圧タンクとの間の配管に設置されるバルブを全開とし、前記圧縮機と前記貯留タンクとの間の配管に設置されるバルブを所定の開度で開とし、前記高圧タンクと前記燃焼器との間の配管に設置されるバルブを全閉とすることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンシステム。
9. 前記ガスタービンの瞬時出力時が、太陽光を利用して発電するソーラーパネルの発電出力が低下するタイミングであることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンシステム。
10. 前記高圧タンクと前記燃焼器との間の配管に設置されるバルブを所定の開度で開とするタイミングが、太陽光を利用して発電するソーラーパネルの発電出力が低下するタイミングであることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンシステム。
11. 太陽光を利用して発電するソーラーパネルの発電出力が低下するタイミングを、雲の動きを察知する雲量移動計からの信号により、予測することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のガスタービンシステム。

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