(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された気体を圧縮し吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した気体および燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機に供給される気体に水を噴霧し出力を増加させる出力増加手段とを含むガスタービンプラントにおいて、
前記出力増加手段への給水系統の配管に乾燥空気を供給するラインを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記乾燥空気供給ラインが、前記圧縮機の吐出空気を前記給水系統の配管乾燥用空気源とすることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記乾燥空気供給ラインが、前記圧縮機の中間段抽気空気を前記給水系統の配管乾燥用空気源とすることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記乾燥空気供給ラインが、前記給水系統の配管乾燥用空気源として別置きの空気源を備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記給水配管内の温度検出手段および湿度検出手段と給水配管表面温度検出手段と、検出した前記温度および湿度に基づき前記給水配管内の結露を検知し前記乾燥空気の供給を制御する手段とを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記水を霧化するための噴霧空気配管を有し、
前記噴霧空気配管内の温度検出手段および湿度検出手段と噴霧空気配管表面温度検出手段と、検出した前記温度および湿度に基づき前記噴霧空気配管内の結露を検知し前記乾燥空気の供給を制御する手段とを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項７】
前記請求項５または６に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記乾燥空気供給制御手段が、乾燥空気の供給開始から所定時間は供給を継続させるタイマを含むことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載のガスタービンプラントにおいて、
結露した水滴を前記配管の最下点に集め水滴ドレン量を検出する手段を備え、
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントに係り、特に、ガスタービンの圧縮機の吸気中に液滴を噴霧するガスタービンの出力増加系統に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、夏期に気温が上昇すると、ガスタービンの出力が低下する。この出力の低下分を補う方法が、種々提案されている.
特開平７−９７９３３号公報，実公昭６１−３７７９４号公報，特開平５−１９５８０９号公報は、圧縮機の吸気を冷却する方式を示している。
【０００３】
特開昭６１−２８３７２３号公報は、ガス化炉とガスタービンとの複合システムにおいて、圧縮機入口および圧縮機中間段から水を供給する方式を開示している。
【０００４】
実開昭５６−４３４３３号公報は、圧縮機内に水滴の供給孔を設けることを記載しており、特開平２−２１１３３１号公報は、高圧および低圧の２つの圧縮機を備え、これらの圧縮機間に中間冷却器を備えたガスタービンを記載している。特開平６−１０７０２号公報は、複数の圧縮機段を備えるコンプレッサグループについて、電力消費を低減するために、上流の圧縮機段と下流の圧縮機段との間の中間部に水を噴霧する技術を記載している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平７−９７９３３号公報，実公昭６１−３７７９４号公報，特開平５−１９５８０９号公報は、単に圧縮機に導入される吸気温度を低下させて出力を上げることを開示しているにすぎない。
【０００６】
特開昭６１−２８３７２３号公報は、圧縮中に液滴を蒸発させタービンの羽根を冷却する媒体として利用することと、タービンサイクル特性を向上させることを示しているだけである。
【０００７】
また、特開平２−２１１３３１号公報は、高圧および低圧の２つの圧縮機間に中間冷却器を備えたガスタービンにおいて、高圧圧縮機入口の温度および湿度を検知する手段を備え、中間冷却器の給水流量を制御することを示しているにすぎない。
【０００８】
実際のガスタービンプラントまたはガスタービンと蒸気タービンとを用いたコンバインドプラントにおいては、出力を上げて熱効率を高めることは、基本的な目標であるが、さらに、簡単な系統設備の増強で、ガスタービン本体を常に保護しながら安全な運転を実現し、長期使用に対して十分な信頼性のあるプラントを構築し維持していくことが要求される。
【０００９】
しかし、上記従来例では、いずれも設備が大きくなり、系統が複雑化し、制御が大変になるという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、圧縮機の入口に導入される吸気中に液滴を噴霧し出力を上げて熱効率を高めることができるガスタービンを採用したプラントにおいて、簡単な系統設備の増強で出力増加系統の長期信頼性を確保する手段を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、供給された気体を圧縮し吐出する圧縮機と、圧縮機から吐出した気体および燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、圧縮機に供給される気体に水を噴霧し出力を増加させる出力増加手段とを含むガスタービンプラントにおいて、前記出力増加手段への給水系統の配管に乾燥空気を供給するラインを備えたガスタービンプラントを提案する。
【００１２】
水噴霧による出力増加方法としては、噴霧された液滴が圧縮機入口で一部気化して圧縮機に入る気体の温度を外気温度より低下させ、気化しきれなかった残りの液滴を圧縮機内ですべて気化させる方法と、噴霧された水が圧縮機入口ですべて気化して圧縮機に入る気体の温度を外気温度より低下させる方法と、噴霧された水がすべて液滴の状態で圧縮機内に導入され、圧縮機内を流下中に気化する方法のいずれでもよい。
【００１３】
本発明においては、長期に亘りガスタービンの出力増加系統を使用しない場合に、給水系統および噴霧空気系統の配管を乾燥保管し、配管内における錆などの腐食現象を防止し、出力増加系統の再使用時に水噴霧装置の目詰まりなどの不具合を完全に防止できる。
【００１４】
前記乾燥空気供給ラインは、圧縮機の吐出空気を給水系統の配管乾燥用空気源とすることができる。前記乾燥空気供給ラインは、圧縮機の中間段抽気空気を給水系統の配管乾燥用空気源としてもよい。いずれの場合も、ガスタービン運転中に空気を供給でき、空気の温度と圧力が高いので、効率的に乾燥させることができる。
【００１５】
また、前記乾燥空気供給ラインは、給水系統の配管乾燥用空気源として別置きの空気源を備えることも可能である。この場合は、ガスタービン停止中でも、配管を乾燥できる。
【００１６】
いずれのガスタービンプラントにおいても、給水配管内の温度検出手段および湿度検出手段と給水配管表面温度検出手段と、検出した温度および湿度に基づき給水配管内の結露を検知し乾燥空気の供給を制御する手段とを備えることができる。
【００１７】
前記水を霧化するための噴霧空気配管を有する場合は、噴霧空気配管内の温度検出手段および湿度検出手段と噴霧空気配管表面温度検出手段と、検出した温度および湿度に基づき噴霧空気配管内の結露を検知し乾燥空気の供給を制御する手段とを備えることになる。
【００１８】
乾燥空気供給制御手段は、乾燥空気の供給開始から所定時間は供給を継続させるタイマを含むことが望ましい。結露を検知してから所定時間内だけ乾燥空気を送風すると、効率良く乾燥運転できる。
【００１９】
さらに、結露した水滴を配管の最下点に集め水滴ドレン量を検出する手段を備え、乾燥空気供給制御手段が、水滴ドレン量が所定量を超えた場合に乾燥空気を送風させる手段を含むようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図６を参照して、本発明によるガスタービンプラントの実施例を説明する。
【００２１】
《実施例１》
図１は、水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例１の全体構成を示す系統図である。ガスタービンプラントは、気体を圧縮して吐出する圧縮機１と、圧縮機された気体が供給される燃焼器２と、燃焼器２の燃焼ガスにより駆動されるタービン３と、タービン３の軸に連結されて駆動される発電機４とを備えている。ガスタービン排気ガスは、排熱回収ボイラ７２に導入されて、蒸気タービン７３の作動媒体となる蒸気または水と熱交換した後に、大気に排出される。加熱された蒸気により駆動される蒸気タービン７３も、発電機４と連結されている。蒸気タービン７３から排出された蒸気は、復水器７４で冷却され、液体の水に凝縮される。
【００２２】
圧縮機１には、空気を取り込む吸気室１１が連結されている。一般に、吸気室１１の上流側には、ルーバ１０を配置してある。ルーバ１０の圧縮機側すなわち後流側には、空気フィルタを配置する。この場合は、ルーバ１０のすぐ後ろの位置に空気フィルタを設けてあるが、図示を省略する。吸気室１１の下流には、吸気ダクト１３が接続されており、吸気ダクト１３内には、サイレンサ１２が設置されている。サイレンサ１２の下流には、噴霧水配管１５，噴霧空気配管１６，噴霧ノズル１７が、設置されている。吸気ダクト１３は、圧縮機吸気部１４と接続され、空気を圧縮機１に導入する。
【００２３】
水滴微粒化用噴霧空気は、圧縮機１からの抽気空気の一部を還流させた空気である。すなわち、圧縮機１からの抽気空気の一部は、空気遮断弁２７，空気圧力調節弁２８，異物除去用サイクロンセパレータ２９，空気流量計３０，空気流量調節弁３１を介して、噴霧空気ヘッダ３２に供給される。噴霧空気ヘッダ３２からの空気は、吸気ダクト１３内に配置された噴霧空気配管１６に供給される。
【００２４】
ここでは、圧縮機１の吐出部から空気を抽気しているが、圧縮機中間段から抽気してもよい。また、噴霧空気を使用しないで水滴を微粒化できる場合は、噴霧空気系統は、無くてもよい。
【００２５】
噴霧水は、補給水タンク１８から、異物除去用ストレーナ１９，給水ポンプ２０，給水遮断弁２１，給水流量調節弁２２，水流量計２３，異物除去用フィルタ２４を介して、給水ヘッダ２５に供給される。噴霧水は、さらに、給水ヘッダ２５から、給水ヘッダ出口流量調節弁２６を介して、噴霧水配管１５に供給される。
【００２６】
水流量計２３および空気流量計３０でそれぞれ計測された給水流量および噴霧空気量の信号は、制御装置３５に送信される。制御装置３５は、ガスタービン本体の運転状態に応じて、必要な水量および空気量を演算し、給水流量調節弁２２および空気流量調節弁３１を制御する。制御装置３５は、また、ガスタービン本体の運転制限と水量とを比較演算し、給水ポンプ２０および給水遮断弁２１に開閉操作信号を送る。
【００２７】
水噴霧による出力増加手段として、圧縮機１の上流で水噴霧ノズル１７から噴霧された水滴は、吸気ダクト１３内で、圧縮機入口に到達するまでに、一部の水滴を気化させながら、周囲空気から熱を吸収し、周囲空気温度を低下させつつ、圧縮機１に導入される。このとき、吸気ダクト１３内で気化する水滴量は、大気温度および湿度に応じて、一義的に決まる。気化しきれなかった水滴は、圧縮機１内に流入し、圧縮機１内を流下するうちに気化し、圧縮機１内の気体の温度を下げる。圧縮機１の入口温度の低下に伴う圧縮機の入口空気量の増加と、圧縮機１内温度の低下による圧縮機動力の低減と、気化した水滴によるタービン作動媒体の増加とが、ガスタービンの出力を増加させる。このように条件がそろうと、水噴霧による出力増加手段としては、最大の効果を得られる。
【００２８】
この出力増加方式は、図１に示すガスタービンと蒸気タービンとのコンバインドサイクルだけでなく、ガスタービン単体のプラントにも適用可能である。
【００２９】
また、噴霧される水は、純水だけに限らず、大気温度が低い時を考慮した不凍液との混合溶液，メタノールなどのアルコールとの混合液など、他の物質の水溶液でもよい。
【００３０】
ガスタービンの出力増加運転は、特に、夏場のように大気温度が高く、圧縮機１の吸込み空気流量が減少し、ガスタービンの出力が低下してしまう場合、必要となる。この場合、出力増加手段の使用から再使用までの間隔が１週間程度であれば、配管内に水を張ったままの満水保管の方が、配管内に水を充填する時間を省略できるので、出力増加要求に迅速に対応でき、都合が良い。
【００３１】
これに対して、冬場は、実際の電力需要とガスタービンの出力特性とを考慮すると、出力増加系統を使用しない期間が、長く継続することが考えられる。冬場に使用から再使用までの間隔が長い場合、配管内の水が夜間に凍結し、系統設備に損傷を与えるおそれがある。このような場合に対処するには、配管内を乾燥させて保管することが好ましい。そこで、基本的な本実施例１においては、水配管を乾燥させるために、乾燥空気供給ライン３４を設ける。ここでは、乾燥空気の供給源を特定していない。
【００３２】
また、配管内の水を完全に抜いて乾燥させた後でも、長期間放置すると、配管内に水が溜まる。昼間と夜間では、配管内温度が変化するため、配管が膨張，収縮を繰り返し、エア抜き用ベントや配管などから空気が出入りする。配管廻りの空気は、日々の大気条件により湿度が変化するので、高湿度の空気が配管内に入った後に主に夜間の温度低下が生ずると、水分が配管内で結露する。この繰り返しで配管内に溜まった水が、配管内の錆などの腐食を発生させてしまう。錆などの異物が発生すると、出力増加手段を再使用する時に、錆の塊が噴霧ノズル１７まで流れ下り、ノズルを閉塞させるおそれがある。
【００３３】
本実施例１においては、このような現象が予想される場合、乾燥空気供給ライン３４を乾燥保管中にも、定期的に動作させればよい。
【００３４】
配管内を監視して、結露を検出し、乾燥運転を実施するようにしてもよい。例えば、給水配管内に温度センサ４１，湿度センサ４２を設置し、配管内側の表面に配管表面温度センサ４４を設置し、配管内の温度および湿度と配管表面の温度とを計測する。図１は、系統図なので、湿度センサ４２の図示を省略し、温度センサ４１と表面温度センサ４３とをまとめて図示してあるが、実際は、図５に示すように、温度センサ４１は、配管内部の空気温度を測定し、表面温度センサ４３は、配管の表面温度を測定するようになっている。
【００３５】
制御装置３５は、これらセンサ４１，４２，４４の測定結果に基づき、結露する条件になっているか否かを判断し、結露のおそれがある場合には、乾燥運転を実行する。
【００３６】
同様に、空気配管内にも温度センサ５１，湿度センサ５２を設置し、配管内側の表面に表面温度センサ５３を設置し、結露の有無を監視する。空気配管の温度センサ５１と表面温度センサ５３との関係は、図６に示す通りである。
【００３７】
配管内の結露の監視方法としては、配管内のドレン量を監視する方法もある。給水配管の最下点にドレン排出配管４５を設け、その配管４５にレベルスイッチ４４を設置する。結露によりドレン量が増加し、水位がスイッチレベルに達すると、これを検知し、乾燥運転を実行する。空気配管の場合も同様に、最下点にドレン排出配管５５を設け、その配管５５にレベルスイッチ５４を設置し、ドレン量の増加を検知する
《実施例２》
図２は、水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例２の全体構成を示す系統図である。本実施例２においては、乾燥空気供給ライン３４の空気源として、圧縮機１の吐出空気を使用する。
【００３８】
実施例２のように、圧縮機１からの空気を乾燥用に使用する場合、ガスタービン運転中に空気を供給でき、空気の温度と圧力が高いので、効率的に乾燥させることができる。
【００３９】
《実施例３》
図３は、水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例１の全体構成を示す系統図である。本実施例３においては、乾燥空気供給ライン３４の空気源として、圧縮機１の中間段抽気空気を使用する。
【００４０】
実施例３のように、圧縮機１からの空気を乾燥用に使用する場合、ガスタービン運転中に空気を供給でき、空気の温度と圧力が高いので、効率的に乾燥させることが可能となる。
【００４１】
《実施例４》
図４は、水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例１の全体構成を示す系統図である。本実施例４においては、乾燥空気供給ライン３４の空気源として、別置きの空気源７６を使用する。
【００４２】
実施例４のように、別置きの空気源７６からの乾燥用空気を使用する場合は、ガスタービンが停止中であっても、乾燥運転できる。
【００４３】
なお、実施例２または実施例３の圧縮機１からの空気と実施例４の別置きの空気源７６からの空気とのいずれかを選択的に供給するように、乾燥空気の供給系統を併設してもよい。
【００４４】
いずれの実施例においても、例えば給水系統側の乾燥運転に当たり、まず、給水配管の全てのベント弁とドレン弁とを開いて水を抜き、元弁を閉じる。次に、ドレン弁とベント弁とを全開したままで、給水ヘッダ出口流量調節弁２６を全開し、給水系統乾燥空気供給ライン３４上の乾燥空気供給弁を開く。この状態にすると、乾燥空気が、水噴霧ノズルの先端まで含めて、水配管全体に行き渡ることになる。所定時間の乾燥運転の後に、乾燥空気供給弁を閉じ、乾燥運転を終了する。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、供給された気体を圧縮し吐出する圧縮機と、圧縮機から吐出した気体および燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、圧縮機に供給される気体に水を噴霧し出力を増加させる手段として噴霧水配管，空気配管，噴霧ノズルなどを含むガスタービンプラントにおいて、出力増加手段への給水系統の配管を乾燥させるために、乾燥空気を供給する給水系統乾燥空気供給ラインを備えたので、圧縮機入口の吸気ダクトに水を噴霧するガスタービン出力増加系統の給水配管を乾燥させ、系統設備の寿命を延ばすとともに、信頼性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例１の全体構成を示す系統図である。
【図２】水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例２の全体構成を示す系統図である。
【図３】水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例３の全体構成を示す系統図である。
【図４】水を噴霧する方式のガスタービン出力増加系統に、本発明による長期信頼性を確保する手段を備えたガスタービンプラントの実施例４の全体構成を示す系統図である。
【図５】給水配管内に温度センサ(および湿度センサ)を設置し、配管内側の表面に配管表面温度センサを設置した様子を示す図である。
【図６】空気配管内に温度センサ(および湿度センサ)を設置し、配管内側の表面に配管表面温度センサを設置した様子を示す図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  発電機
１０  ルーバ
１１  吸気室
１２  サイレンサ
１３  吸気ダクト
１４  圧縮機吸気部
１５  噴霧水配管
１６  噴霧空気配管
１７  噴霧ノズル
１８  補給水タンク
１９  ストレーナ
２０  給水バルブ
２１  給水遮断弁
２２  給水流量調節弁
２３  水量流計
２４  フィルタ
２５  給水ヘッダ
２６  給水ヘッダ出口流量調節弁
２７  抽気空気遮断弁
２８  空気圧力調節弁
２９  サイクロンセパレータ
３０  空気流量計
３１  空気流量調節弁
３２  噴霧空気ヘッダ
３３  噴霧空気ヘッダ流量調節弁
３４  給水系統乾燥空気供給ライン
３５  制御装置
４１  水配管内温度センサ
４２  水配管内湿度センサ
４３  水配管表面温度センサ
４４  水配管内ドレン検出用レベルスイッチ
４５  ドレン排出配管
４６  ドレン排出弁
５１  空気配管内温度センサ
５２  空気配管内湿度センサ
５３  空気配管表面温度センサ
５４  空気配管内ドレン検出用レベルスイッチ
５５  ドレン排出配管
５６  ドレン排出弁
７２  排熱回収ボイラ
７３  蒸気タービン
７４  復水器
７６  別置きの空気源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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