JPH07224681A - ガスタービンの吸気冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ガスタービン吸気冷却に内包される不合理な点
を改良し、電力需要に見合った吸気温度の設定を可能と
し、これにより運転制御性に優れたガスタービンの吸気
冷却装置を提供する。 【構成】ガスタービンの圧縮機１の上流側の吸気管９に
冷却水との熱交換によって吸気を冷却する吸気冷却器１
０を設ける。吸気冷却器１０を、冷却水循環用の冷却水
供給配管１１および冷却水戻し配管１２により冷熱源と
しての蓄熱槽１３に連結する。吸気冷却器の吸気出口に
吸気温度検出器２１を設ける。前記蓄熱槽１３と前記吸
気冷却器１０とを連結する前記冷却水供給配管１１また
は冷却水戻し配管１２の途中に前記温度検出器２１から
出力される温度検出信号に基づいて作動する流量調整弁
２２を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばコンバインドサ
イクル発電プラントに適用されるガスタービンの吸気冷
却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、蒸気タービン単体またはガスター
ビン単体を原動機としてた火力発電プラントに代わり、
両者の利点を巧みに組み合せたコンバインドサイクル発
電プラントが活用されるようになってきている。

【０００３】コンバインドサイクル発電プラントは、高
温域と低温域とで作動する異なるサイクルを組み合せた
もので、高温側のサイクルには燃料の燃焼熱を熱源とす
るガスタービンのブレイトンサイクルを用い、低温側の
サイクルには高温側サイクルの作動媒体である燃焼ガス
排気の余熱を熱源とするランキンサイクルを用いて、総
合熱効率の向上を図ったものである。

【０００４】即ち、コンバインドサイクル発電プラント
は、ガスタービン発電と気力発電との２つのサイクルを
組み合せることにより、ガスタービンの最高利用温度が
高いという利点と蒸気タービンのサイクル最低利用温度
が低いという利点とを活用したものである。

【０００５】コンバインドサイクル発電プラントの一例
として、図５に排熱回収式コンバインドサイクル発電プ
ラントの系統構成を示している。このプラントは近年の
主流となっているもので、圧縮機１および燃焼器２に接
続されたガスタービン３の排熱を排熱回収ボイラ４に導
き、その熱回収によって発生した蒸気を蒸気タービン５
に供給してこれを駆動するようになっている。なお、図
５中、６は発電機，７は復水機，８は復水を排熱回収ボ
イラ４に供給する復水ポンプである。

【０００６】このような排熱回収式コンバインドサイク
ル発電プラントは、 イ）熱効率が高い ロ）部分負荷における熱効率の低下が少ない ハ）起動停止時間が短かい ニ）最大出力が外気温度によって変化する 等の特徴を持つ。

【０００７】上記のイ）〜ハ）は、コンバインドサイク
ル発電の長所であるが、ニ）は、コンバインドサイクル
発電の短所であり、場合によっては致命的な問題となり
得る。即ち、コンバインドサイクル発電は、大気温度が
低いほど大きくなる。ガスタービン３は、その翼の高温
域における耐久性の観点から、ガスタービン第１段入口
燃焼ガス温度の上限を定めて運転される。

【０００８】一方、圧縮機１の吸込可能な空気容積はほ
ぼ一定であるため、大気温度が低下して空気密度が増加
すると、吸込可能な空気質量は増大することとなる。

【０００９】また、吸込温度の低下によって圧縮後の空
気の温度も低下するので、ガスタービン入口燃焼ガス温
度の上限値までの加熱範囲が大きくなり、吸込空気量の
増加との相乗作用によって、より多くの燃料を投入する
ことが可能となるため、ガスタービン３の最大出力は増
大する。

【００１０】蒸気タービン５については、大気温度の低
下に伴うガスタービン排ガス量の増大により、排熱回収
ボイラ６の発生蒸気量が僅かに増加し、それにより最大
出力も増加する。

【００１１】以上により、コンバインドサイクル発電の
最大出力は、大気温度の低下とともに増大することとな
る。

【００１２】図６にコンバインドサイクル発電の最大出
力と大気温度の関係について、一軸型の場合の一例を示
す。横軸は大気温度、縦軸は大気温度０℃時の軸出力
（ガスタービン出力と蒸気タービン出力との和）を１０
０とした場合の値を示す。

【００１３】この図６によれば、大気温度が高くなるに
連れて出力は低下し、大気温度４０℃では０℃の時の約
８２％にまで低下する。このことは、最も電力需要が高
くなる夏期の昼間にコンバインドサイクルの出力が低下
することを意味している。この特性を改善するには、圧
縮機１に入る吸気を冷却することが有効であり、例えば
負荷需要の低い時間帯（例えば夜間）の電力を利用して
氷の形で冷熱を蓄積し、負荷需要の高い時間帯にこの冷
熱を使用して、吸気を冷却し、出力増加運転を行なうシ
ステムがある。

【００１４】図７にこのシステムを示している。即ち、
ガスタービン３の圧縮機１の上流側の吸気管９に冷却水
との熱交換によって吸気を冷却する吸気冷却器１０が設
けられ、この吸気冷却器１０が冷却水循環用の冷却水供
給配管１１および冷却水戻し配管１２により冷熱源とし
ての蓄熱槽１３に連結されている。

【００１５】なお、１４は吸気入口管，１５は冷却水循
環用のポンプ，１６，１７は流量調節弁である。蓄熱槽
１３は氷蓄熱槽であり、冷凍機１８からポンプ１９を介
して冷媒配管２０により送られる冷媒により冷凍サイク
ル運転が行なわれる。

【００１６】このような構成において、夜間電力により
冷凍機１８を用いて氷を生成し、これを氷蓄熱槽１３に
蓄えておく。負荷需要が増大する昼間にこの冷熱を冷却
水の形で取り出し、冷却水供給配管１１により吸気冷却
器１０に送る。この吸気冷却器１０の熱交換作用によ
り、冷却水が吸気入口配管１４から導かれる吸気を冷却
する。

【００１７】吸気冷却器１０で冷却された吸気は、吸気
管９により圧縮機へと導かれる。吸気と熱交換して温度
上昇した冷却水は、冷却水戻し配管１２により蓄熱槽１
３に戻される。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】吸気の温度および湿度
は日毎に、また時間的にも変化し一定ではないため、吸
気冷却器１０の出口の吸気温度も入口の吸気条件に対応
して変化する。

【００１９】したがって、入口吸気の温度や湿度によっ
ては、出口吸気が過冷却となったり、あるいは一定の温
度まで低下しないなどの問題を生ずる。また、吸気温度
が過度に低下した場合に、圧縮機１の入口翼に着霜が生
じ、圧縮機１の損傷を引き起こすなどの問題が生じる。
さらに、吸気温度が所定の値まで低下しない場合には、
負荷需要に合致した出力が得られないことになる。

【００２０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、ガスタービン吸気冷却に内包される不合理な点
を改良し、電力需要に見合った吸気温度の設定を可能と
し、これにより運転制御性に優れたガスタービンの吸気
冷却装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、ガスタービンの圧縮機の上流
側の吸気管に冷却水との熱交換によって吸気を冷却する
吸気冷却器を設け、前記吸気冷却器を、冷却水循環用の
冷却水供給配管および冷却水戻し配管により冷熱源とし
ての蓄熱槽に連結してなるガスタービンの吸気冷却装置
において、前記吸気冷却器の吸気出口に吸気温度検出器
を設けるとともに、前記蓄熱槽と前記吸気冷却器とを連
結する前記冷却水供給配管または冷却水戻し配管の途中
に前記温度検出器から出力される温度検出信号に基づい
て作動する流量調整弁を設置したことを特徴とする。

【００２２】請求項２の発明は、ガスタービンの圧縮機
の上流側の吸気管に冷却水との熱交換によって吸気を冷
却する吸気冷却器を設け、前記吸気冷却器を、冷却水循
環用の冷却水供給配管および冷却水戻し配管により冷熱
源としての蓄熱槽に連結してなるガスタービンの吸気冷
却装置において、前記吸気冷却器の吸気出口に吸気温度
検出器を設けるとともに、前記蓄熱槽と前記吸気冷却器
とを連結する前記冷却水供給配管または冷却水戻し配管
の途中に前記温度検出器から出力される温度検出信号に
基づいて作動する流量調整弁を設置し、かつ前記冷却水
供給配管および冷却水戻し配管をバイパス配管により短
絡させ、このバイパス配管に前記吸気温度検出器から出
力される温度検出信号に基づいて開閉する補助流量調節
弁を設置したことを特徴とする。

【００２３】請求項３の発明は、ガスタービンの圧縮機
の上流側の吸気管に冷却水との熱交換によって吸気を冷
却する吸気冷却器を設け、前記吸気冷却器を、冷却水循
環用の冷却水供給配管および冷却水戻し配管により冷熱
源としての蓄熱槽に連結してなるガスタービンの吸気冷
却装置において、前記吸気冷却器の吸気出口に吸気温度
検出器を設けるとともに、前記蓄熱槽と前記吸気冷却器
とを連結する前記冷却水供給配管または冷却水戻し配管
の途中に前記温度検出器から出力される温度検出信号に
基づいて作動する流量調整弁を設置し、かつ吸気管の前
記吸気冷却器上流側に水噴射式の予備冷却器を設置した
ことを特徴とする。

【００２４】請求項４の発明は、ガスタービンの圧縮機
の上流側の吸気管に冷却水との熱交換によって吸気を冷
却する吸気冷却器を設け、前記吸気冷却器を、冷却水循
環用の冷却水供給配管および冷却水戻し配管により冷熱
源としての蓄熱槽に連結してなるガスタービンの吸気冷
却装置において、前記吸気冷却器の吸気出口に吸気温度
検出器を設けるとともに、前記蓄熱槽と前記吸気冷却器
とを連結する前記冷却水供給配管または冷却水戻し配管
の途中に前記温度検出器から出力される温度検出信号に
基づいて作動する流量調整弁を設置し、さらに前記吸気
冷却器で発生するドレンを前記予備冷却器に噴射水とし
て加圧供給するドレン供給配管およびドレンポンプを設
けたことを特徴とする。

【００２５】

【作用】請求項１の発明によれば、吸気温度に基づく流
量調整弁の操作で冷却水流量を加減することにより、吸
気冷却器の冷却能力を増減することができる。したがっ
て、吸気冷却器出口の吸気温度が所定の温度より低い場
合には、冷却水流量を減少し、冷却能力を低下させて吸
気出口温度を高める一方、吸気冷却器出口温度が所定の
温度よりも高い場合には、冷却水流量を増大することに
より冷却能力を高めて吸気出口温度を低下することがで
き、電力需要に見合った吸気温度が容易に得られ、ター
ビン運転の安定化が図られる。

【００２６】この場合、冷却水流量による吸気冷却器の
冷却能力の調整には限界があり、入口吸気の温度および
湿度が低く、冷却水流量のみでは調整できない場合があ
る。請求項２の発明によれば、吸気冷却器からの戻り冷
却水の一部を吸気冷却器に向う冷却水と混合し、冷却水
温度を上昇させることにより、冷却能力の調整を行なう
ことができる。

【００２７】請求項３の発明によれば、入口吸気の温度
および湿度が高く、冷却水流量の増加のみでは吸気温度
を所定の温度まで下げることができない場合に、吸気冷
却器の上流側の水噴射式の予備冷却器によって吸気を露
点近くまで下げ、吸気冷却器の負荷を低減することによ
り、吸気温度の調整を行なうことができる。

【００２８】請求項４の発明によれば、吸気冷却器のド
レンを利用することによって、他に特別の水源を用意す
る必要なく、サイクル内の水を利用した有効な吸気冷却
が行なえる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００３０】図１は、本発明の第１実施例によるガスタ
ービンの吸気冷却装置を示している。なお、本実施例は
コンバインドサイクル発電プラントのガスタービンに適
用したもので、システム全体の構成は図５に示したもの
と変らないから、その説明を省略する。また、図７に示
した従来の吸気冷却装置と同一の構成部分には同一の符
号を付して説明する。

【００３１】本実施例の吸気冷却装置は図１に示すよう
に、ガスタービン３の圧縮機１の上流側の吸気管９に冷
却水との熱交換によって吸気を冷却する吸気冷却器１０
が設けられ、この吸気冷却器１０が冷却水循環用の冷却
水供給配管１１および冷却水戻し配管１２により冷熱源
としての蓄熱槽１３に連結されている。

【００３２】なお、１４は吸気入口管、１５は冷却水循
環用のポンプである。蓄熱槽１３は氷蓄熱槽であり、冷
凍機１８からポンプ１９を介して冷媒配管２０により送
られる冷媒により冷凍サイクル運転が行なわれる。

【００３３】このような構成において、本実施例では吸
気冷却器１０の吸気出口に吸気温度検出器２１が設けら
れている。また、蓄熱槽１３と吸気冷却器１０とを連結
する冷却水供給配管１１の途中に、吸気温度検出器２１
から出力される温度検出信号に基づいて作動する流量調
節弁２２が設けられている。

【００３４】運転時においては、温度検出器２１によっ
て圧縮機１に流入する吸気温度と設定温度とを比較し、
吸気温度が設定温度より高い場合には、流量調整弁２２
の開度を大きくして、冷却水流量を増大し、吸気冷却器
１０の冷却能力を高める。

【００３５】一方、吸気冷却器１０の出口の吸気温度が
所定の温度より低い場合には、流量調整弁２２の開度を
小さくして、冷却水流量を減少し、給気冷却器１０の冷
却能力を低下させる。

【００３６】本実施例によれば、以上の制御を行なうこ
とにより、吸気の入口温度および湿度が変化する場合に
おいても、冷却水流量を加減することにより、吸気冷却
器１０の出口の吸気温度を所定の温度に保つことができ
るので、吸気温度の過度の低下による圧縮機１の損傷を
防止することができ、また吸気温度が所定の温度に達し
ないことによるプラント出力の低下も防止することがで
きる。なお、流量調整弁２２を冷却水戻し配管１２の途
中に設置しても同様の効果が得られることは勿論であ
る。

【００３７】図２は本発明の第２実施例によるガスター
ビンの吸気冷却装置を示している。

【００３８】本実施例では、図１に示した第１実施例の
構成に加え、冷却水供給配管１１および冷却水戻し配管
１２がバイパス配管２３により短絡され、このバイパス
配管２３に、吸気温度検出信号に基づいて開閉する補助
流量調節弁２４が設けられている。その他の構成は第１
実施例と略同様である。

【００３９】本実施例においては、第１実施例と同様の
作用に加えて、吸気冷却器１０の出口の吸気温度が所定
の温度よりも低い場合に冷却水供給配管１１の流量調整
弁２２の開度を小さくするとともに、バイパス配管２３
に設けた補助流量調整弁２４の開度を大きくし、戻り冷
却水を蓄熱槽１３からの冷却水と混合して、冷却水温度
を上昇させ、吸気冷却器１０の冷却能力を低減すること
ができる。

【００４０】したがって、冷却水供給配管１１の流量調
整弁２２による流量低減の限界を超えて一層の流量低減
を行なう必要がある場合、従来では冷却能力が不安定と
なったり一定温度での吸気送出に支障を来す可能性があ
ったところ、本実施例によれば、補助流量調整弁２４の
開度を大きくして戻り冷却水も吸気冷却に使用すること
で、安定的な吸気出口温度を得ることができる。

【００４１】図３は本発明の第３実施例によるガスター
ビンの吸気冷却装置を示している。

【００４２】本実施例では、図１に示した第１実施例の
構成に加え、吸気冷却器１０の上流側の吸気入口配管１
４に水噴射式の予備冷却器２５が設けられ、この予備冷
却器２５に噴射水供給用の配管２６が接続されている。

【００４３】このような第３実施例においては、運転時
に市水または工水などを水源とする噴射水を配管２６を
介して水噴射式の予備冷却器２５内に導き、吸気中へ噴
射するものである。この水噴射により露点近くまで低温
された吸気が、吸気入口配管１４を介して吸気冷却器１
０に供給される。

【００４４】したがって、本実施例によれば、吸気冷却
器１０のみでは冷却能力が不足するような場合、予備冷
却器２５の冷却作用によって吸気冷却を補足することが
できる。

【００４５】また、吸気の湿度が低い場合においては、
吸気冷却器１０を使用することなく、予備冷却器１４の
みで所定の吸気湿度を得ることも可能となる。

【００４６】図４は本発明の第４実施例によるガスター
ビンの吸気冷却装置を示している。

【００４７】本実施例は、図３に示す第３実施例の変形
例であり、予備冷却器２５の水源を吸気冷却器１０のド
レンとしたものである。即ち、本実施例では、吸気冷却
器１０で発生するドレンを貯留するドレン溜め２７と、
予備冷却器２５の冷却水噴射部２８とがドレン供給配管
２９によって接続されており、このドレン供給配管２９
に、ドレンを噴射水として加圧供給するためのドレンポ
ンプ３０が設けられている。

【００４８】運転時においては、ドレン溜め２７にドレ
ンを収集し、これをドレンポンプ３０によって、予備冷
却器２５に導き、吸気中に噴射するものである。吸気冷
却器１０では、吸気を露点以下まで冷却する等の作用に
よって大量のドレンが生じ、このドレン温度は、吸気冷
却出口の吸気温度に近い低温である。

【００４９】したがって本実施例によれば、吸気冷却器
１０のドレンを利用することによって、他に特別の水源
を用意する必要なく、コンパクトな構成で、能率のよい
水冷却が低コストで行なえるようになる。

【００５０】なお、以上の各実施例においては、本発明
をコンバインドサイクル発電プラントに適用したが、本
発明はこれに限らず、他のガスタービン発電プラント等
に広く適用できることは勿論である。

【００５１】

【発明の効果】以上で詳述したように、請求項１の発明
によれば、吸気温度に基づく流量調整弁の操作で冷却水
流量を加減することにより、吸気冷却器の冷却能力を増
減することができる。したがって、吸気冷却器出口の吸
気温度が所定の温度より低い場合には、冷却水流量を減
少し、冷却能力を低下させて吸気出口温度を高める一
方、吸気冷却器出口温度が所定の温度よりも高い場合に
は、冷却水流量を増大することにより冷却能力を高めて
吸気出口温度を低下することができ、電力需要に見合っ
た吸気温度が容易に得られ、タービン運転の安定化が図
られる。

【００５２】この場合、冷却水流量による吸気冷却器の
冷却能力の調整には限界があり、入口吸気の温度および
湿度が低く、冷却水流量のみでは調整できない場合があ
る。請求項２の発明によれば、吸気冷却器からの戻り冷
却水の一部を吸気冷却器に向う冷却水と混合し、冷却水
温度を上昇させることにより、冷却能力の調整を行なう
ことができる。

【００５３】請求項３の発明によれば、入口吸気の温度
および湿度が高く、冷却水流量の増加のみでは吸気温度
を所定の温度まで下げることができない場合に、吸気冷
却器の上流側の水噴射式の予備冷却器によって吸気を露
点近くまで下げ、吸気冷却器の負荷を低減することによ
り、吸気温度の調整を行なうことができる。

【００５４】請求項４の発明によれば、吸気冷却器のド
レンを利用することによって、他に特別の水源を用意す
る必要なく、サイクル内の水を利用した有効な吸気冷却
が行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る吸気冷却装置の第１実施例を示す
系統図。

【図２】本発明に係る吸気冷却装置の第２実施例を示す
系統図。

【図３】本発明に係る吸気冷却装置の第３実施例を示す
系統図。

【図４】本発明に係る吸気冷却装置の第４実施例を示す
系統図。

【図５】コンバインドサイクル発電プラントを示す系統
図。

【図６】コンバインドサイクル発電プラントの吸気特性
を示す図。

【図７】従来の吸気冷却装置を示す系統図。

【符号の説明】 １ 圧縮機 ３ ガスタービン ９ 吸気管 １０ 吸気冷却器 １１ 冷却水供給配管 １２ 冷却水戻し配管 １３ 蓄熱槽 ２１ 温度検出器 ２２ 流量調整弁 ２３ バイパス配管 ２４ 補助流量調整弁 ２５ 予備冷却器 ２９ ドレン供給配管 ３０ ドレンポンプ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンの圧縮機の上流側の吸気管
   に冷却水との熱交換によって吸気を冷却する吸気冷却器
   を設け、前記吸気冷却器を、冷却水循環用の冷却水供給
   配管および冷却水戻し配管により冷熱源としての蓄熱槽
   に連結してなるガスタービンの吸気冷却装置において、
   前記吸気冷却器の吸気出口に吸気温度検出器を設けると
   ともに、前記蓄熱槽と前記吸気冷却器とを連結する前記
   冷却水供給配管または冷却水戻し配管の途中に前記温度
   検出器から出力される温度検出信号に基づいて作動する
   流量調整弁を設置したことを特徴とするガスタービンの
   吸気冷却装置。
2. 【請求項２】 ガスタービンの圧縮機の上流側の吸気管
   に冷却水との熱交換によって吸気を冷却する吸気冷却器
   を設け、前記吸気冷却器を、冷却水循環用の冷却水供給
   配管および冷却水戻し配管により冷熱源としての蓄熱槽
   に連結してなるガスタービンの吸気冷却装置において、
   前記吸気冷却器の吸気出口に吸気温度検出器を設けると
   ともに、前記蓄熱槽と前記吸気冷却器とを連結する前記
   冷却水供給配管または冷却水戻し配管の途中に前記温度
   検出器から出力される温度検出信号に基づいて作動する
   流量調整弁を設置し、かつ前記冷却水供給配管および冷
   却水戻し配管をバイパス配管により短絡させ、このバイ
   パス配管に前記吸気温度検出器から出力される温度検出
   信号に基づいて開閉する補助流量調節弁を設置したこと
   を特徴とするガスタービンの吸気冷却装置。
3. 【請求項３】 ガスタービンの圧縮機の上流側の吸気管
   に冷却水との熱交換によって吸気を冷却する吸気冷却器
   を設け、前記吸気冷却器を、冷却水循環用の冷却水供給
   配管および冷却水戻し配管により冷熱源としての蓄熱槽
   に連結してなるガスタービンの吸気冷却装置において、
   前記吸気冷却器の吸気出口に吸気温度検出器を設けると
   ともに、前記蓄熱槽と前記吸気冷却器とを連結する前記
   冷却水供給配管または冷却水戻し配管の途中に前記温度
   検出器から出力される温度検出信号に基づいて作動する
   流量調整弁を設置し、かつ吸気管の前記吸気冷却器上流
   側に水噴射式の予備冷却器を設置したことを特徴とする
   ガスタービンの吸気冷却装置。
4. 【請求項４】 ガスタービンの圧縮機の上流側の吸気管
   に冷却水との熱交換によって吸気を冷却する吸気冷却器
   を設け、前記吸気冷却器を、冷却水循環用の冷却水供給
   配管および冷却水戻し配管により冷熱源としての蓄熱槽
   に連結してなるガスタービンの吸気冷却装置において、
   前記吸気冷却器の吸気出口に吸気温度検出器を設けると
   ともに、前記蓄熱槽と前記吸気冷却器とを連結する前記
   冷却水供給配管または冷却水戻し配管の途中に前記温度
   検出器から出力される温度検出信号に基づいて作動する
   流量調整弁を設置し、さらに前記吸気冷却器で発生する
   ドレンを前記予備冷却器に噴射水として加圧供給するド
   レン供給配管およびドレンポンプを設けたことを特徴と
   するガスタービンの吸気冷却装置。