JPS58176407A - 多軸式複合サイクル発電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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法に関し
、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ットの空気圧
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
にガス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ザイクル発電方
法がある。第１図はガスタ−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ッ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１第２図に於て圧縮機１により加圧さ
れた空気は燃焼器２Ｖｃ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、−万この排
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に入って復水し次いで給水ポンプ８Ｖｃ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、最大出力に
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。従っ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、単機出カフ万ｌ（ｗ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。こうし友需！＆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
しておく必要があった。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ｌ−で行く
に従い、需要変動を吸収するピークロード発電所の役割
が重要になって来る。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、ｌ軸式と多軸式を
比較した場合ｌ軸式が優れていることが分かる。しかし
ｌ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は一長一短がある。ま友いずれの
方式に於ても、（１）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
それが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。（Ｉ
Ｉ）低需要時に於ける部分負荷効率が悪く、特に設備コ
ストの面でメリットのある多軸式の場合にそれが著しい
、等の不都合があった。

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（ＬＮＧ、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１〜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っ
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％’ｉ差引い友
ものが発電出力として取り出される。従って例えば前記
の単機出カフ万商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１０．５万りであるので、上記方法により外部より
の加圧空気を用いてユニッ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、ガスタービンユニットを追加
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ＬＮＧ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の冷熱を利用し友空気液化方法としては例え
ば特開昭５１−１４０８８０号、特開昭５１−１４０８
８１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った。

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、ピーク四−ト時はシステ
ムヲ構成する複数基のガスタービンユニットの内少なく
とも１基についてユニッ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、ガスタービンユニット内の空気圧縮機はその
間無負荷運転とすることによってガスタービンユニット
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＋　　ｌｄ。

燃焼器２　ａ、　ｉスターヒフ　３　Ｆｋ、＋　　３　
ｂ＋　　３０ｓ　　３ｄ１発電機４ａｌ　　４１）１４
０１４ｄｌ　　４’、排熱回収Ｍ’ｒ　ラ−５ａｔ　　
５　ｂｓ　　５０ｒ　　５　ｄ、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
ビ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にガスタービン
単機出カフ万ｋｗを４台で計２８万ｌ（ｖ、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、従って合計４２万ｋｖｒである。このガスター
ビンユニット内圧縮機１ａ＋　　１ｂ＋　　ｌｃ、ｌｄ
は夫々空気容量９５０　Ｔ／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ｉｊ　１０，５万ｋｗで
あり、ガスタービｙ３ａｔ　３ｂ＋　　３ｃ、３ｄＨ夫
々入口温度１０８５Ｃで運転され出力に各々１７．５万
ｋｗである。また蒸気タービン６は入口圧力４０気圧、
入口圧力４８０Ｃ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１３２００ｕ／Ｋｇ）を用い、
ガスタービン１ユニツトあたり１５Ｔ／ｈｔ−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ｒ
ｊｊｔに於けるガスタービンユニット１０ａｌ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、ユニット内空気圧縮機ｌａ
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５２５　Ｔ／ｈの割合で導出し液体空気昇圧
ポンプ１４によって２００気圧以上に昇圧する。この昇
圧液体空気を液中気化器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（
２０Ｃ）まで加温した後、空気タービン１７に導入し断
熱膨張させる。該空気タービン１７に於て約１２気圧迄
膨張し、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）　
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速空気圧
縮機１９を駆動することにより有効に回収される。即ち
該加速空気圧縮機１９は管２０より導入され前記液中気
化器１５に於て液体空気と熱交換して降温した一１５０
Ｃの低温空気４２５　Ｔ／ｈを低温圧縮【〜、約１２気
圧、常温の状態で管２１工り導出し、前記管１８よりの
気化空気と合流Ｉ−計９５０　Ｔ／ｈとなって管２２よ
りガスタービンユニットＩＱａへ送られる。この様に加
速空気圧縮機１９を設けたことによりガスタービンユニ
ツ）ＩＱａ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張すルアｔ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速空気圧縮機
１９に負荷することによっ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。

ガスタービンユニット１０ａ内の空気圧縮機１ａによる
加圧空気を前記管２２よりの加圧空気に切換えるＶＣは
次の操作による。即ち弁２３、管２４．２５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升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９ｆ
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３
２工り放出する。管２４工り管２５へ至る空気量が定格
値になった時升２９を全閉にする。この後空気圧縮機１
ａを無負荷状態にする。まず升３１ｉ開にして吐出圧を
最底圧迄低下させ、その後入口弁３３を閉方向にして圧
縮機吸入側を減圧し、吐出圧力が大気圧に至るとバイパ
ス弁３４を開方向へ放出弁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
升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３８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μ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１０８５ｔＺ’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ｋｗｌｄはとん
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．ｌｋｗ／ＩＱで製造された
液体空気を５２５　Ｔ／ｈ使用１−１燃料天然カスはガ
スタービン３ａ用として２２Ｔ／ｈ＋３ｂ＋　　３ｃ、
３ｄ用として夫々１５Ｔ／ｈ従って燃料総消費量は６７
Ｔ／ｈ、これによる総発生動力に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チとなる。従って、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ットを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之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ビーク需要
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的１０００Ｔｏｎ、液体空気の製
造は約６Ｔ／ｈで良いことがわかる。

従っ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３ａ用）１基分の設置と同じ発電
が可能となる。

また多軸式複合す“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全向上させる効果が
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ビークロ
ード時の発電出力Ｕ　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
スタービンユニット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 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。

上表に於てケース１は従来法、本発明方法共ガスタービ
ンユニット１基と蒸気タービン（１７，５Ｘ　Ｏ，２＝
　３．５万ｋｗ、　　１４　Ｘｏ、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ニ液体空気の気化空気供給、
それに蒸気タービンとを稼動させ友状態である。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８０９６
負荷率の点がガスタービン、蒸気タービン共１００チ負
荷率になる。また蒸気タービンの負荷率ハ本発明方法の
場合が従来法の場合の１．２５倍になる。

これはガスタービンのユニッ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１ｊ１７゜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ｌの場合のガスタービンの排ガス量は両方
法典同量であるからその負荷率は夫々２０％と２５チと
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ａＩｂ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ηＡｏ″Ｉｔ
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ビ
ークロード時ガスタービンユニットの少なくとも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。 １２Ｌ１１　ｂｓ　　Ｉ　ＣＦ’ｌ圧縮機、２ａｉｊ燃
焼器、３ａ＋　　３　ｂｓ　　３０ｙ　　３　ｄｔ’ｊ
ガスタービン、４ａ＋４ｂ＋　４０＋　　４６．ａ’ｉ
発電機、４“ａは附加発電機、５ａｔ　　５ｂ＋　　ｓ
ｏｌ　　５ｄは排熱回収ホイラー、６は蒸気タービン、
７は復水器、８は給水ポンプ、１０ａ、１０ｂ、１００
，１０ｄは夫々ガスタービンユニット、１ｌｆｌ液体空
気貯槽、１４は液体空気昇圧ポンプである。 特　許　出　願　人　日本酸素株式会社代理人弁理土木
戸傳一部 同　　　　　　　　　　　　　　木　　戸　　　−音間
　　　　版部　重徳 同　　　　鶴若　俊雄 夛Ｉ図 ｒ ガ２図 麦３図 来５図 発電客量 矛７図 ビーフ発電時ＷＩ　（’１回） 麦４図 出力比（Ｚ）　　　Ｐ／Ｐ。 置方Ｊ＋：、（＝７．）Ｉｌ／Ｐ。 差６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 龜 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や電ユニット複数基と、該各ガ
   スタービン海電ユニットの排ガスの排熱を回収する排熱
   回収ボイラー、蒸負タービン、発電機、復水器、給水ポ
   ンプよりなる蒸気タービン発電ユニットで構成される多
   軸式複合サイクル発電システムの少くとも１ユニツトの
   前記ガスタービンユニットに於ける前記圧縮機による加
   圧空気を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工り昇圧後、気化して得られる
   空気に代えて上記燃焼器に供給することにより、該圧縮
   機の駆動用動力を発電機の負荷増大または附加発電機の
   駆動用に転用するようにしたことを特徴とする多軸式複
   合サイクル発電方法。