JPH0333890B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は多軸式排熱回収型複合サイクル発電方
に関し、詳しくは多軸式排熱回収型複合サイクル
発電システムに於ける少くとも１基のガスタービ
ンユニツトの空気圧縮機による加圧空気を予め製
造、貯蔵されている液体空気を気化して得られる
加圧空気に代えて供給することにより設備費の低
減と効率の向上を実現した発電方法に関する。 最近大容量発電用として採用されつつある発電
システムに蒸気タービンの排熱をスチームボイラ
ーに使用して蒸気タービンを駆動させる排熱回収
型複合サイクル発電方法がある。第１図はガスタ
ービンと蒸気タービンと発電機を一軸に結合した
発電ユニツト複数基により構成される一軸式排熱
回収型複合サイクル発電システムであり、第２図
は複数基のガスタービンに対し１台の蒸気タービ
ンを結合した多軸式排熱回収型複合サイクル発電
システムである。第１図、第２図に於て圧縮機１
により加圧された空気は燃焼器２に於て燃料を燃
焼させ生成した高温ガスがガスタービン３に導入
されて動力を発生し発電機４を駆動する。ガスタ
ービン３より排出した廃ガスは排熱回収ボイラー
５に入り排熱を回収され、一方この排熱により発
生した蒸気は蒸気タービン６を駆動した後復水器
７に入つて復水し次いで給水ポンプ８により循環
する。蒸気タービン６は発電機４または４′を駆
動し発電する。これらの複合発電に於ては発電出
力はガスタービンと蒸気タービンの出力の総和で
決まり、最大出力は全てのガスタービンと蒸気タ
ービンが定格稼動した出力の総和となる。従つて
発電所の設備はその発電所に要求される最大出力
に見合うガスタービン数およびスチームタービン
としなければならない。例えば第２図の型式に於
て、単機出力７万kwのガスタービン発電装置４
基によりシステムを構成するとガスタービンの最
大出力は28万kwとなり、またその排熱で駆動さ
れる蒸気タービンは約14万kwで、合計42万kwの
発電容量を持つ発電所となりこれ以上の需要には
応じられない。一般に電力需要は季節、曜日、昼
夜により変動し、特に昼夜変動はその巾が大きく
第３図の様な負荷パターンになるが、ここで図中
の斜線で示す短時間のピーク需要が問題となる。
こうした需要は夏期において週に数回発生する
が、それに対応するために、予め大容量の設備を
設置しておく必要があつた。今後原子力発電や石
炭火力発電によるベースロード発電がその割合を
大きくして行くに従い、需要変動を吸収するピー
クロード発電所の役割が重要になつて来る。第４
図はこの様なピークロード発電所に於ける部分負
荷発電時の排熱回収型複合サイクル発電システム
の効率を示す図であり、１軸式と多軸式を比較し
た場合１軸式が優れていることが分かる。しかし
１軸式は第５図に示す様に設備コストの面に於て
は多軸式より劣り両者の方式には一長一短があ
る。またいずれの方式に於ても、(i)発電容量はガ
スタービン単機の出力の倍数で決まるため、短時
間のピーク需要に対してもそれぱ定格発電容量を
オーバーする場合、１ユニツトのガスタービン発
電装置を追加設置する必要がある。(ii)低需要時に
於ける部分負荷効率が悪く、特に設備コストの面
でメリツトのある多軸式の場合にそれが著しい、
等の不都合があつた。 一方上記の様なピークロード用の発電方法とし
て、予め液化天然ガス（LPG、以下同じ）の冷
熱を利用する等により液体空気を低電力原単位で
製造して貯溜しておき、電力需要のピーク時間帯
にこの液体空気をポンプにより昇圧後気化して得
られる加圧空気を圧縮機による加圧空気に代えて
燃焼器に供給することにより発電出力を略倍増さ
せるガスタービン発電方法が提案されている（例
えば特開昭52−34148号）。即ち通常ガスタービン
発電は圧縮機とガスタービンが結合した構成にな
つているため、ガスタービンの発生動力から圧縮
機の所要動力即ちガスタービン発生動力の約60％
を差引いたものが発電出力として取り出される。
従つて例えば前記の単機出力７万kwのガスター
ビン発電装置に於てはタービン発生動力は約17.5
万kwであり、圧縮機消費動力は10.5万kwである
ので、上記方法により外部よりの加圧空気を用い
てユニツト内圧縮機を無負荷とすれば理想的には
タービンの出力17.5万kwを全て電力として取り
出すことになり、ガスタービンユニツトを追加設
置すること無しに10.5万kwの出力増が可能であ
る。また外部よりの加圧空気源としての液体空気
はガスタービン発電の燃料として大量に消費され
るLPGの冷熱を利用して製造するが、この冷熱
は通常LNGを気化する際海水に放出されている
ので得られる液体空気は低コストである。この
LNGの冷熱を利用した空気液化方法としては例
えば特開昭51−140880号、特開昭51−140881号等
が提案されている。 この様に液体空気を利用するガスタービン発電
方法はピークロード発電方法として有利な特徴を
有するがこの発電設備を液体空気製造装置も含め
て単独に設置すると建設費が高価になる不都合が
あつた。 本発明は上記夫々の不都合に鑑み多軸式排熱回
収型複合サイクル発電システムに於て、ピークロ
ード時はシステムを構成する複数基のガスタービ
ンユニツトの内少なくとも１基についてユニツト
内圧縮機による加圧空気の代りに小さな附加設備
による他の手段で製造する加圧空気を供給し、ガ
スタービンユニツト内の空気圧縮機はその間無負
荷運転とすることによつてガスタービンユニツト
１基分以上の発電出力増と発電効率の向上を実現
したものである。以下本発明を図により詳細に説
明する。第６図は本発明の一実施例の系統図であ
る。該図に於て、圧縮機１ａ，１ｂ，１ｃ，１
ｄ、燃焼器２ａ、ガスタービン３ａ，３ｂ，３
ｃ，３ｄ、発電機４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４′、
排熱回収ボイラー５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ、蒸気
タービン６、復水器７、給水ポンプ８は第２図の
場合と同様であり、オフピーク時は通常の多軸式
排熱回収型複合サイクル発電装置として作動す
る。この発電設備の出力はガスタービン単機出力
７万kwを４台で計28万kw、これらの排熱を回収
して駆動される蒸気タービンは１台で出力14万
kw、従つて合計42万kwである。このガスタービ
ンユニツト内圧縮機１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは
夫々空気容量950T／ｈで空気を大気圧から12気
圧まで圧縮するに要する動力は10.5万kwであり、
ガスタービン３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは夫々入口
温度1085℃で運転され出力は各々17.5万kwであ
る。また蒸気タービン６は入口圧力40気圧、入口
温度480℃の復水タービン１基で出力14万kwであ
る。 燃料はLNG（発熱量13200Kcal／Kg）を用い、
ガスタービン１ユニツトあたり15T／ｈを消費し
ているため全体の熱効率は雑用動力8000kwを差
引き、送電端において44.7％である。 本実施例はこの多軸式排熱回収型複合サイクル
発電装置に於けるガスタービンユニツト１０a1
基についてその燃焼用加圧空気を液体空気の気化
空気等外部よりの供給される加圧空気とし、ユニ
ツト内空気圧縮機１ａを無負荷運転とする場合の
例である。ピークロード時の作動は次の如くな
る。液体空気貯槽１１に予め貯溜されている液体
空気１２を管１３より525T／ｈの割合で導出し
液体空気昇圧ポンプ１４によつて200気圧以上に
昇圧する。この昇圧液体空気を液空気化器１５で
気化・昇温し、次いで空気加温器１６で海水ある
いは温排水と熱交換して常温（20℃）まで加温し
た後、空気タービン１７に導入し断熱膨脹させ
る。該空気タービン１７に於て約12気圧迄膨脹
し、降温した空気は再び上記空気加温器１６に導
入されて昇温し管１８より前記のガスタービンユ
ニツト１０ａへ送られる。上記空気タービン１７
で発生した動力は該空気タービン１７に連結して
設置した加送空気圧縮機１９を駆動することによ
り有効に回収される。即ち該加送空気圧縮機１９
は管２０より導入され前記液空気化器１５に於て
液体空気と熱交換して降温した−150℃の低温空
気425T／ｈを低温圧縮し、約12気圧、常温の状
態で管２１より導出し、前記管１８よりの気化空
気と合流し計950T／ｈとなつて管２２よりガス
タービンユニツト１０ａへ送られる。この様に加
送空気圧縮機１９を設けたことによりガスタービ
ンユニツト１０ａへ供給する液体空気量を減らす
ことが出来ると同時に高圧空気を膨脹するために
高速回転で運転する空気タービン１７の動力を高
速回転の加送空気圧縮機１９に負荷することによ
つて経済的にかつ効率的に回収し、低コストの加
圧空気を供給する。 ガスタービンユニツト１０ａ内の空気圧縮機１
ａによる加圧空気を前記管２２よりの加圧空気に
切換えるには次の操作による。即ち弁２３、管２
４，２５を経て燃焼器２ａに加圧空気を供給する
が、燃焼器２ａの入口、管２５の圧力を一定に保
つ様に弁２６を制御し、一方空気圧縮機１ａの送
出管２７，２８，３０に設けられた弁２９を閉方
向にし該圧縮機１ａの吐出圧力は弁３１により制
御することにより圧縮機１ａよりの加圧空気は管
３２より放出する。管２４より管２５へ至る空気
量が定格値になつた時弁２９を全閉にする。この
後空気圧縮機１ａを無負荷状態にする。まず弁３
１を開にして吐出圧を最低圧迄低下させ、その後
入口弁３３を閉方向にして圧縮機吸入側を減圧
し、吐出量が大気圧に至るとバイパス弁３４を開
方向は放出弁３１を閉方向に操作し最終的に放出
弁３１および入口弁３３を全閉とする。これによ
り空気圧縮機１ａの空気経路は密閉系となるが、
次いで弁３５を開にし真空排気装置３６を作動さ
せて前記密閉系内を真空状態にすることにより空
気圧縮機１ａの無負荷運転に近い状態が得られ
る。あるいはまた弁３７を開いてヘリウム容器３
８よりヘリウムガスを供給し前記密閉系内を置換
することにより同様に空気圧縮機１ａのほぼ無負
荷運転状態が得られる。 この様に空気圧縮機１ａを無負荷運転状態と
し、代りに管２４より供給される加圧空気を燃焼
器２ａに送り、ここで天然ガスを燃焼させ生成し
た約1085℃の高温ガスがガスタービン３ａに導入
される。この状態ではガスタービン３ａの発生動
力17.5万kwはほとんど全量を出力として取り出
すことが出来るので、発電機４ａの容量を予め大
容量にしておくか、あるいは附加発電機４a″を設
置しておく。 このピークロード時に於ける発電効率を求める
と次の如くなる。即ち電力原単位0.1kw／Kgで製
造された液体空気を525T／ｈ使用し、燃料天然
ガスはガスタービン３ａ用として22T／ｈ、３
ｂ，３ｃ，３ｄ用として夫々15T／ｈ従つて燃料
総消費量は67T／ｈ、これによる総発生動力は
52.5万kw、また総消費雑動力1.4万kwであるので
これより送電端熱効率を求めると44.6％となる。
従つて、前記オフピーク時に於ける複合サイクル
発電とほぼ同じ熱効率で出力を約10万kw、即ち
複合サイクル発電システムに於てガスタービンユ
ニツトを１基増設したと同じ出力を得ることが出
来た。 本実施例に於ける液体空気供給のために必要な
液体空気製造設備の容量と液体空気貯槽の容量は
電力ピーク需要により変動し第７図の様になる。
例えば１週間に１回ピーク需要がありその時間が
２時間とすると該図から貯槽約1000Ton、液体空
気の製造は約6T／ｈで良いことがわかる。従つ
てこれらの小さな附加設備を設置しただけで10万
kw即ちガスタービンユニツト１基分の設置と同
じ発電が可能となる。 また多軸式複合サイクル発電システムに液体空
気の気化空気を供給するガスタービン発電方法を
組合せたことにより発電システム全体の負荷効率
を向上させる効果が得られた。以下この理由を説
明する本発明方法による複合サイクル発電システ
ムの前記実施例によればピークロード時の発電出
力は52.5万kwであり、これに相当する通常の複
合サイクル発電システムは７万kwのガスタービ
ンユニツト５基と17.5万kwの蒸気タービン１基
よりなる合計出力52.5万kwの複合サイクル発電
システムである。即ち

【表】 となる。そしてこの両者の部分負荷運転の状態を
比較すると下表の様になる。

【表】 上表に於てケース１は従来法、本発明方法共ガ
スタービンユニツト１基と蒸気タービン（17.5×
0.2＝3.5万kw、14×0.25＝3.5万kw）を稼動させ
た状態、ケース５は従来法ではガスタービン５基
と蒸気タービンを本発明方法ではガスタービン４
基で４基目のガスタービンは液体空気の気化空気
供給、それに蒸気タービンと稼動させた状態であ
る。上記運転状態に於ける部分負荷特性は第８図
に示す様になる。即ち従来法の部分負荷特性は実
線で示した如くなり第４図と同様であるが本発明
方法のそれは点線で示した如くなり、液体空気を
使用しない運転では従来法の80％負荷率の点がガ
スタービン、蒸気タービン共100％負荷率になる。
また蒸気タービンの負荷率は本発明方法の場合が
従来法の場合の約1.25倍になる。これはガスター
ビンのユニツト数の相異に由来する両方法の蒸気
タービンの容量の相異によるものである。即ち従
来法の蒸気タービンの容量は17.5万kwであり、
本発明方法のそれは14万kwであるのに対して例
えば表のケース１の場合のガスタービンの排ガス
量は両方法共同量であるからその負荷率は夫々20
％と25％となり1.25倍の差が生じる。この蒸気タ
ービンに於ける両方法の負荷率の相違を全負荷率
について求めると第８図のａ，ｂ線の様な効率比
曲線が得られる。この効率比の相違を考慮してシ
ステム全体の効率比η／η₀を求めたものが第８図
のＡ線（従来法）およびＢ線（本発明方法）であ
る。即ち多軸式複合サイクル発電に於てピークロ
ード時ガスタービンユニツトの少なくとも１基の
空気圧縮機の加圧空気を液体空気の気化空気等に
置換することにより発電出力を増加させるのみな
らず、システム全体の熱効率の向上をも実現する
ことが出来た。

【図面の簡単な説明】

第１図は一軸式排熱回収型複合サイクル発電シ
ステムを示す系統図、第２図は多軸式排熱回収型
複合サイクル発電システムを示す系統図、第３図
は電力の負荷パターンを示す図、第４図は排熱回
収型複合サイクル発電システムの部分負荷効率を
示す図、第５図は排熱回収型複合サイクル発電シ
ステムの設備コストを示す図、第６図は本発明の
方法を示す系統図、第７図は本発明方法に必要な
液体空気の製造設備の容量及び液体空気貯槽の容
量を示す図、第８図は本発明方法の蒸気タービン
の効率比と従来法のそれとの比較を示す図及び本
発明方法の全体の効率比と従来法のそれとの比較
を示す図である。 １ａ，１ｂ，１ｃは圧縮機、２ａは燃焼器、３
ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄはガスタービン、４ａ，４
ｂ，４ｃ，４ｄ，４′は発電機、４″ａは附加発電
機、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは排熱回収ボイラ
ー、６は蒸気タービン、７は復水器、８は給水ポ
ンプ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは夫々ガ
スタービンユニツト、１１は液体空気貯槽、１４
は液体空気昇圧ポンプである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機、燃焼器、ガスタービンおよび発電機
   よりなるガスタービン発電ユニツト複数基と、該
   各ガスタービン発電ユニツトの排ガスの排熱を回
   収する排熱回収ボイラー、蒸気タービン、発電
   機、複水器、給水ポンプよりなる蒸気タービン発
   電ユニツトで構成される多軸式複合サイクル発電
   システムの少なくとも１ユニツトの前記ガスター
   ビンユニツトに於ける前記圧縮機による加圧空気
   に代えて、電力需要増大に応じて、予め製造、貯
   蔵されている液体空気をポンプにより昇圧後、空
   気と熱交換させて気化し、得られた空気を空気膨
   脹タービンに導入して膨脹させた後昇温し、一
   方、前記液体空気を気化させる際に、該液体空気
   と熱交換して降温した空気を前記空気膨脹タービ
   ンにより駆動される加送圧縮機にて低温圧縮し、
   前記膨脹後昇温した空気と該圧縮後の空気とを合
   流させて前記燃焼機に供給するとともに、前記圧
   縮機の空気経路を密閉系とし、該密閉系内を真空
   あるいはヘリウム置換状態にして該圧縮機を無負
   荷運転とし、該圧縮機の駆動用動力相当分を、前
   記発電機、または付加発電機の駆動用に用いるこ
   とを特徴とする多軸式複合サイクル発電方法。 ２ 前記ポンプにより昇圧する液体空気の圧力が
   200気圧以上であることを特徴とする請求項１記
   載の多軸式複合サイクル発電方法。 ３ 前記空気膨脹タービンで膨脹した空気の圧力
   が約12気圧であることを特徴とする請求項１記載
   の多軸式複合サイクル発電方法。