WO2005071244A1

WO2005071244A1 - ガスタービン発電設備

Info

Publication number: WO2005071244A1
Application number: PCT/JP2005/000682
Authority: WO
Inventors: Itsuro Sawada; Toshihiko Fukushima; Masatoshi Watanabe
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2005-08-04
Also published as: JP2005207290A; JP4287754B2

Abstract

　本発明は、ガスタービン発電設備において、発電出力の増大および発電効率の向上を図るためになされたものである。ガスタービン発電設備（１０）は、大気から吸入される空気を圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）に吸入される空気に水滴を噴霧する噴霧装置（９）と、圧縮機（１）から吐出される圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器（２）と、燃焼器（２）からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービン（３）と、ガスタービン（３）により駆動される発電機（４）と、圧縮機（１）に吸入される空気および噴霧装置（９）から噴霧する水の少なくとも何れかを加熱する加熱装置（１１）とを備える。

Description

明細書

ガスタービン発電設備

技術分野

[0001] 本発明はガスタービン発電設備に係わり、特に圧縮機の吸入空気に水を噴霧して圧縮機の吸入空気を冷却するガスタービン発電設備に好適なものである。

背景技術

[0002] 従来の一般的なガスタービン発電設備は、大気力吸入した空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機カゝら吐出される圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンにより駆動される発電機と、大気から空気を吸入して発電機を冷却する送風機と、を備えて構成されている (従来技術 1)。

[0003] また、従来のガスタービン発電設備としては、特開平 9— 236024号公報 (特許文献 1)に示されたものがある（従来技術 2)。このガスタービン発電設備は、大気より吸入した空気を圧縮機にて圧縮して高温、高圧化し、この高圧空気に燃料を加えて燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをタービンに流すことで膨張仕事をさせ、その際に発生する回転トルクで発電機を駆動して電気を取り出すものであって、圧縮機の吸入空気に微細な水滴を噴霧して、圧縮機内で水滴が蒸発する際の蒸発潜熱を利用して、圧縮空気を冷却するものである。

[0004] 特許文献 1：特開平 9 236024号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 火力発電所などに設置するガスタービン発電設備では、発電出力の増大および発電効率を向上することが重要である。

[0006] 一般的なガスタービン発電設備は、季節によってあるいは時間帯によって、発電出力および発電効率が変動することが知られている。この原因は、圧縮機に吸入する空気の質量流量が気温の影響を受け、圧縮機の出力および効率が変化するためである。すなわち、空気の密度は外気温の関数になっており、外気温が高ければ密度力、さくなるため、圧縮機の出力および効率が低下する。

[0007] 従来技術 1では、大気より吸入した空気を単に圧縮機に吸入して圧縮して高温、高圧化しているので、図 2の a b c dに示す特性を有し、発電出力および発電効率が低いという問題があった。また、従来技術 1では、夏季などの気温の高いときに、大気力吸い込む空気の質量流量が設計値より低くなり、発電機の出力が大幅に低下してしまうという課題があった。さらに、従来技術 1では、大気力空気を吸入して発電機を冷却する通風用ファンを独立して備えているため、設備の大型化を招くと共に、通風用ファンの動力を必要としてその分だけ効率が低下するという問題があった。

[0008] 一方、従来技術 2では、圧縮機の吸入空気に微細な水滴を噴霧して、圧縮機内で水滴が蒸発する際の蒸発潜熱を利用して、圧縮空気を冷却するようにしているので、図 2の a'— b '— c ' d'に示す特性を有し、従来技術 1の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができるものである。しかし、従来技術 2では、噴霧した水滴の蒸発される量は吸入される大気の温度状態および噴霧装置に供給される水の水源の温度状態で定まるため、発電出力の増大および発電効率の向上がこれによつて制限されていた。

[0009] また、従来技術 2において、外気温が低下すると、噴霧した水滴が完全に蒸発されなくなり、その水滴によって圧縮機の翼の信頼性を低下するおそれがあった。

[0010] 本発明の目的は、発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができるガスタービン発電設備を提供することにある。

[0011] なお、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。

課題を解決するための手段

[0012] 前記目的を達成するために、本発明は、大気から吸入される空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機に吸入される空気に水滴を噴霧する噴霧装置と、前記圧縮機から吐出される圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器力ゝらの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動される発電機とを備えたガスタービン発電設備において、前記圧縮機に吸入される空気および前記噴霧装置力噴霧する水の少なくとも何れかを加熱する加熱装置を備えた構成にしたことにある。 [0013] 前記本発明のガスタービン発電設備において、より好ましくは次の構成にすることである。

(1)前記噴霧装置は前記圧縮機に吸入される空気の温度に基づいて噴霧を制御するものであること。

(2)前記噴霧装置は、前記圧縮機に吸入される空気中に水滴を噴霧する噴霧器と、前記圧縮機に吸入される空気の温度を検出する温度検出器と、前記噴霧器へ供給する水量を制御する制御弁と、前記温度検出器の検出温度に基づいて前記制御弁を制御する制御装置とを備えること。

(3)前記温度検出器は前記噴霧器より吸入側の空気の温度を検出するものであり、前記制御弁は開状態と閉状態の二つの状態に制御される開閉弁であること。

(4)前記発電機は大気力吸入した空気で冷却されるものであり、前記発電機を冷却して温度上昇した空気で前記圧縮機に吸入する空気を加熱する加熱装置を備えたこと。

(5)前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気の全部を、前記圧縮機に吸入する空気の流路に導くものであること。

(6)前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を流出する流出口を、前記噴霧器と前記圧縮機の吸入口とを結ぶ流路の中間位置に連通したこと。

(7)前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を流出する流出口を、前記噴霧器の噴霧部またはその近傍に連通したこと。

(8)発電機は大気力吸入した空気で冷却されるものであり、前記発電機を冷却して温度上昇した空気で前記噴霧装置力噴霧する水を加熱する加熱装置を備えたこと

(9)前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を、前記噴霧器に水を供給する配管と熱交換する空気流路に導くものであること。

(10)前記噴霧器に水を供給する配管と熱交換する空気流路とを多重管で形成したこと。

発明の効果

[0014] 本発明のガスタービン発電設備によれば、圧縮機に吸入される空気および噴霧装置から噴霧する水の少なくとも何れかを加熱する加熱装置を備えたことにより、噴霧した水滴の蒸発される量を増大することができ、発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができる。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下、本発明の複数の実施例を、図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

[0016] まず、本発明の第 1実施例のガスタービン発電設備を、図 1および図 2を用いて説明する。図 1は本発明の第 1実施例のガスタービン発電設備を示す構成図、図 2はガスタービン発電設備の出力および効率を示す特性図である。

[0017] 本実施例のガスタービン発電設備 10は、図 1に示すように、大気力も空気を吸い込む圧縮機 1と、圧縮機 1に吸入される空気に水滴を噴霧する噴霧装置 9と、圧縮機 1 に吸入される空気を加熱する加熱装置 11と、圧縮機 1が吐出する圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器 2と、燃焼器力ゝらの燃焼ガスにより駆動されるガスタービン 3と、ガスタービン 3により駆動される発電機 4とを備えて構成されている。

[0018] 圧縮機 1には吸気ダクト laが接続され、吸気ダクト la内に微細な水滴を噴霧する噴霧器 5が設置されている。発電機 4の冷却のために、発電機の内部または外部または内部と外部に空気を流す冷却空気流路 4aを有している。冷却空気流路 4aは、圧縮機 1の吸気ダクト laに接続されており、発電機 4を冷却した空気が吸気ダクト la内に流れる構造になっている。したがって、大気からの空気は、吸気ダクト laおよび冷却空気流路 4aを通して圧縮機 1へ吸込まれる。吸気ダクト 1 aが圧縮機 1への主たる吸気流路を構成し、冷却空気流路 4aが補助的な吸気流路を構成する。

[0019] なお、図示例では、冷却空気流路 4aが単一で、吸気ダクト laに接続されている力冷却空気流路 4aを複数に分岐し、その一部を吸気ダクト laに接続し、残りを大気に放出するような形態でもよい。

[0020] 噴霧装置 9は噴霧器 5および水供給配管 5aを備えて構成されている。噴霧器 5は、圧縮機 1に吸入される空気中に水滴を噴霧するものであり、吸気ダクト laの途中に設けられている。噴霧器 5は、吸気ダクト laの吸気口に近い位置に設けられ、圧縮機 1 との間の吸気ダクト laの長さを水滴が十分に蒸発できる長さを確保するようになっている。水供給配管 5aは水源より水を噴霧器 5に供給する流路を構成するものである。

[0021] 加熱装置 11は、圧縮機 1および冷却空気流路 4aから構成され、大気力吸入した空気で発電機 1を冷却する冷却装置を兼ねている。すなわち、加熱装置 11は、発電機 1を冷却して温度上昇した空気で、圧縮機 1に吸入する吸気ダクト 1 a内の空気を加熱するものである。冷却空気流路 4aは、噴霧器 5と圧縮機 1との間の吸気ダクト la の途中の位置に連通されている。この冷却空気流路 4aの連通位置は、噴霧器 5側から約 2 : 1の位置である。なお、加熱装置 11による加熱量が十分であれば、発電機 1 を冷却して温度上昇した空気の一部で圧縮機 1に吸入する空気を加熱し、残りを大気中に放出するようにしてもよ!、。

[0022] 次に、係る構成のガスタービン発電設備 10の動作について説明する。ガスタービン発電設備 10が運転され、圧縮機 1が駆動されると、大気から圧縮機 1の吸気側に連通された吸気ダクト laおよび冷却空気流路 4aに空気が吸込まれる。

[0023] 吸気ダクト laに吸込まれた空気は、噴霧器 5を通る際に、噴霧器 5から水滴が噴霧される。噴霧された水滴は、吸入空気と共に吸気ダクト la内を流れ、その間にその一部または全部が蒸発される。その蒸発潜熱により、水滴と共に吸気ダクト la内を流れる吸入空気の温度が大気温度よりも低くなる。

[0024] 冷却空気流路 4aに吸込まれた空気は、発電機 4を通る際に、圧縮機 1を冷却して温度上昇し、吸気ダクト la内に吸込まれ、吸気ダクト laを流れる吸入空気を加熱する。これによつて、噴霧器 5から吸気ダクト la内を流れる空気中に噴霧される水滴の蒸発能力が増大される。

[0025] したがって、本実施例によれば、噴霧器 5からの噴霧量を増大することができるので、図 2の a"— b"— c" d"に示す特性を有し、従来技術 1、 2の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができるものである。

[0026] また、加熱装置 11の加熱源として圧縮機 1の排熱を利用しているので、新たな加熱源を必要とせず、発電効率を向上することができる。さらに、温度上昇した空気の全部を吸気ダクト la内に供給するようにしているので、十分な加熱量を確保でき、発電出力の増大および発電効率を図ることができる。し力も、発電機 1を冷却する空気の吸入が圧縮機 1によって行われるので、発電機 4に冷却空気を流すための送風機などの補機を不要とすることができ、ガスタービン発電設備の効率向上や部品点数の低減、コストダウンが可能となると共に、設備の小型化を図ることができる。

[0027] 次に、本発明の第 2実施例を、図 2および図 3を用いて説明する。図 3は本発明の第 2実施例のガスタービン発電設備の構成図である。この第 2実施例は、次に述べる通り第 1実施例と相違するものであり、その他の点については第 1実施例と基本的には同一である。

[0028] この第 2実施例では、噴霧装置 9は、図 3に示すように、噴霧器 5、温度検出器 8、制御弁 6および制御装置 7を備えて構成されて、る。

[0029] 温度検出器 8は、圧縮機 1に吸入される空気の温度を検出するものであり、具体的には、噴霧器 5より吸入側の空気の温度を検出するものである。なお、温度検出器 8 は、圧縮機 1に吸入される空気の温度を間接的に検出するものであってもよぐあるいは吸気ダクト la内に吸気された空気の温度を検出するものであってもよい。

[0030] 制御弁 6は、噴霧器 5へ供給する水量を制御するものであり、具体的には、開状態と閉状態の二つの状態に制御される開閉弁で構成され、水供給配管 5aの途中に設けられている。なお、制御弁 6を流量を比例的に調整することができるタイプにしてもよい。

[0031] 制御装置 7は、温度検出器 8の検出温度 (外気温）に基づいて、制御弁 6を制御するものであり、具体的には、外気温が図 2の T1以上で制御弁 6を開路し、 T1未満で制御弁 6を閉路するものである。噴霧器 5から水滴を噴霧する量は、この外気温 T1において水滴が完全に蒸発して吸入空気が圧縮機 1に吸込まれることができる最大量に設定されている。

[0032] 水滴の蒸発量は一般に吸入空気の温度 (外気温）により変化する。すなわち、外気温度が高いほど多くの水滴が蒸発する。したがって、外気温が高い時に噴霧した水滴が蒸発できる最大量を合わせて噴霧量を設定すると、外気温が低！ヽ時に噴霧した水滴の一部が蒸発せずに、水滴のまま圧縮機 1内に入り、圧縮機 1の翼に損傷を及ぼす恐れがある。本実施例では、噴霧装置 9は圧縮機 1に吸入される空気の温度に基づ、て噴霧を制御するものであるので、外気温が低!、時に噴霧した水滴の一部が蒸発せずに圧縮機 1内に入ることを防止できる。具体的には、図 2の a' -b ' -b"-c"- d"に示す特性を有し、外気温 T1未満で従来技術 1の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができると共に、外気温 T1以上で従来技術 1、 2 の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができ、しかも、圧縮機 1の信頼性を確保することができるものである。

[0033] なお、冷却空気流路 4aを吸気ダクト laに連通せずに加熱装置 11の機能を用いず、外気温 T2において水滴が完全に蒸発して吸入空気が圧縮機 1に吸込まれることができる最大量に設定し、外気温 T2以上で制御弁 6を開路し、 T2未満で制御弁 6を閉路するようにすれば、図 2の a— b— c c' d'に示す特性を有し、外気温 T2以上で従来技術 1の特性と比較して発電出力の増大および発電効率の向上を図ることができ、し力も、圧縮機 1の信頼性を確保することができるものである。

[0034] 次に、本発明の第 3—第 5実施例について図 4一図 9を用いて説明する。この第 3 一第 5実施例は、以下に述べる通り第 1実施例と相違するものであり、その他の点については第 1実施例と基本的には同一である。

[0035] 図 4は本発明の第 3実施例のガスタービン発電設備の構成図である。本実施例では、発電機 4の冷却空気流路 4aの出口を、圧縮機 1の吸気ダクト la内に設置した噴霧器 5の近傍に接続している。これにより、発電機 4を冷却し、外気よりも温度が高くなった空気が噴霧器 5近傍に流れ、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。

[0036] 図 5は本発明の第 4実施例のガスタービン発電設備の構成図である。本実施例では、発電機 4の冷却空気流路 4aの出口を、噴霧器 5に水を供給する水供給配管 5aと熱交換する流路に連通している。これにより、発電機 4を冷却し、外気よりも温度が高くなつた空気が、水供給配管 5aと熱交換する流路に流れ、水供給配管 5a内を流れる水の温度を高くし、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。

[0037] 図 6は本発明の第 5実施例のガスタービン発電設備の構成図である。本実施例では、噴霧器 5に水を供給する水供給配管 5aの一部または全部を図 7—図 9に示すような多重管 5bとし、その一部に水を流し、それ以外の管に発電機 4の冷却空気流路 4aの出口を接続する。これにより、発電機 4を冷却し、多重管 5bの水が流れる管以外の管に外気よりも温度が高くなつた空気が流れ、多重管 5bを流れる水の温度を高くし、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。 [0038] なお、多重管 5bの断面形状は、図 5に示すような同心円断面、図 6に示すような偏心した円形断面、あるいは図 7に示すような多角形断面でも良い。

[0039] 次に、本発明の第 6実施例について図 10—図 13を用いて説明する。この第 6実施例は、以下に述べる通り第 4実施例と相違するものであり、その他の点については第 4実施例と基本的には同一である。

[0040] 図 10は本発明の第 6実施例のガスタービン発電設備の構成図である。本実施例では多重管を構成する二重管 5bのうち、発電機冷却空気を流す管の出口の一部または全部を圧縮機 1の吸気ダクト laに接続している。これにより、発電機 4を冷却し、外気よりも温度が高くなつた空気が、多重管である水供給配管 5aの一部に流れ、水供給配管 5a内を流れる水の温度を高くし、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。さらに、二重管 5bにおいて、噴霧器 5に供給する水と熱交換をして温度の低くなつた発電機冷却空気を吸気ダクト laに流すことができる。これにより、圧縮機の吸入空気の温度を低下させることができ、ガスタービンの出力を増カロさせることができる。

[0041] また、冷却空気の出口を圧縮機 1の吸気ダクト laに設置することにより、冷却空気の出口が負圧となり、空気を送るための送風機などの補機動力を低減、あるいは補機そのものを不要とすることができ、ガスタービン発電設備の効率向上や部品点数の低減、コストダウンが可能となる。

[0042] 第 6実施例における二重管 5bは、図 11に示すような二重管とし、その内管に水を流し、外管に発電機 4の冷却空気流路 4aの出口を接続している。これにより、発電機 4を冷却し、外気よりも温度が高くなつた空気力二重管 5bの外管に流れ、二重管 5b の内管を流れる水の温度を高くし、噴霧した水滴の蒸発を促進することができる。

[0043] 図 11においては、二重管 5bの断面形状を同心円としているが、図 12に示すような偏心した円形断面、あるいは図 13に示すような多角形断面でも良い。

図面の簡単な説明

[0044] [図 1]本発明の第 1実施例のガスタービン発電設備を示す構成図である。

[図 2]従来および本発明に実施例のガスタービン発電設備の出力および効率を示す特性図である。

[図 3]本発明の第 2実施例のガスタービン発電設備の構成図である。 [図 4]本発明の第 3実施例のガスタービン発電設備の構成図である。

[図 5]本発明の第 4実施例のガスタービン発電設備の構成図である。

[図 6]本発明の第 5実施例のガスタービン発電設備の構成図である。

[図 7]図 5の多重管の断面図である。

[図 8]図 5の多重管の変形例の断面図である。

[図 9]図 5の多重管の更に別の変形例の断面図である。

[図 10]本発明の第 6実施例のガスタービン発電設備の構成図である。

[図 11]図 10の二重管の断面図である。

[図 12]図 10の二重管の変形例の断面図である。

[図 13]図 10の二重管の更に別の変形例の断面図である。

符号の説明

1…圧縮機、 la…吸気ダクト、 2…燃焼器、 3…タービン、 4…発電機、 4a…冷却空気流路、 5…噴霧器、 5a…水供給配管、 5b…多重管（二重管）、 6…制御弁、 7…制御装置、 8…温度検出器、 9…噴霧装置、 10…ガスタービン発電設備、 11 · · ·加熱装置。

Claims

請求の範囲

[1] 大気から吸入される空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機に吸入される空気に水滴を噴霧する噴霧装置と、前記圧縮機から吐出される圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記ガスタ一ビンにより駆動される発電機とを備えたガスタービン発電設備において、

前記圧縮機に吸入される空気および前記噴霧装置から噴霧する水の少なくとも何れかを加熱する加熱装置を備えたことを特徴とするガスタービン発電設備。

[2] 請求項 1に記載のガスタービン発電設備にぉ、て、前記噴霧装置は前記圧縮機に吸入される空気の温度に基づいて噴霧を制御するものであることを特徴とするガスタ一ビン発電設備。

[3] 請求項 2に記載のガスタービン発電設備におヽて、前記噴霧装置は、前記圧縮機に吸入される空気中に水滴を噴霧する噴霧器と、前記圧縮機に吸入される空気の温度を検出する温度検出器と、前記噴霧器へ供給する水量を制御する制御弁と、前記温度検出器の検出温度に基づいて前記制御弁を制御する制御装置とを備えることを特徴とするガスタービン発電設備。

[4] 請求項 3に記載のガスタービン発電設備において、前記温度検出器は前記噴霧器より吸入側の空気の温度を検出するものであり、前記制御弁は開状態と閉状態の二つの状態に制御される開閉弁であることを特徴とするガスタービン発電設備。

[5] 請求項 1に記載のガスタービン発電設備にぉ、て、前記発電機は大気から吸入した空気で冷却されるものであり、前記発電機を冷却して温度上昇した空気で前記圧縮機に吸入する空気を加熱する加熱装置を備えたことを特徴とするガスタービン発電設備。

[6] 請求項 5に記載のガスタービン発電設備において、前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気の全部を、前記圧縮機に吸入する空気の流路に導くものであることを特徴とするガスタービン発電設備。

[7] 請求項 5に記載のガスタービン発電設備において、前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を流出する流出口を、前記噴霧器と前記圧縮機の吸入口とを結ぶ流路の中間位置に連通したことを特徴とするガスタービン発電設備。

[8] 請求項 5に記載のガスタービン発電設備において、前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を流出する流出口を、前記噴霧器の噴霧部またはその近傍に連通したことを特徴とするガスタービン発電設備。

[9] 請求項 1に記載のガスタービン発電設備にぉ、て、発電機は大気から吸入した空気で冷却されるものであり、前記発電機を冷却して温度上昇した空気で前記噴霧装置から噴霧する水を加熱する加熱装置を備えたことを特徴とするガスタービン発電設備。

[10] 請求項 9に記載のガスタービン発電設備におヽて、前記加熱装置は、前記発電機を冷却して温度上昇した空気を、前記噴霧器に水を供給する配管と熱交換する空気流路に導くものであることを特徴とするガスタービン発電設備。

[11] 請求項 10に記載のガスタービン発電設備において、前記噴霧器に水を供給する配管と熱交換する空気流路とを多重管で形成したことを特徴とするガスタービン発電設備。