(57)【要約】【課題】  高湿分ガスタービン発電プラントのガスタービンの昇速，降速，負荷変動時において、ガスタービン高温部を冷却する冷却流路内における水分の凝縮を抑制する。【解決手段】  圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に供給する圧縮空気供給系統と、増湿塔で発生する増湿空気をガスタービン高温部に供給する増湿空気供給系統とを有する高湿分ガスタービン発電システムにおいて、圧縮空気供給系統と増湿空気供給系統のそれぞれに流量を調整可能な弁を備え、ガスタービンの昇速および負荷上昇時においては冷却媒体を圧縮空気から増湿空気に切り替え、負荷降下，高速および増湿系統異常時においては冷却媒体を増湿空気から圧縮空気に切り替える。【選択図】図１
2006016971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記圧縮空気供給系統上の圧縮空気の流量を調整する圧縮空気供給弁と、前記増湿空気供給系統上の増湿空気の流量を調整する増湿空気供給弁とを有することを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項２】
請求項１に記載の高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記ガスタービンの昇速時もしくは負荷上昇時に、ガスタービン冷却空気の供給を前記圧縮空気供給系統から前記増湿空気供給系統に切り替えるように構成したことを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項３】
請求項１に記載の高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記ガスタービンの昇速時もしくは負荷上昇時に、ガスタービン冷却空気の供給を前記圧縮空気供給系統単独から、前記圧縮空気供給系統と前記増湿空気供給系統からの供給に切り替えるように構成したことを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項４】
請求項１に記載の高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記ガスタービンの昇速時もしくは負荷上昇時に、ガスタービン高温部の温度もしくはガスタービン高温部を代用する部位の温度から求めたガスタービン高温部の推定温度が冷却媒体の温度よりも上昇した場合に、ガスタービン冷却空気の供給を前記圧縮空気供給系統から前記増湿空気供給系統に切り替えるように構成したことを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項５】
請求項１に記載の高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記ガスタービンの負荷降下時もしくは降速時に、ガスタービン冷却空気の供給を前記増湿空気供給系統から前記圧縮空気供給系統に切り替えるように構成したことを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項６】
請求項１に記載の高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記増湿空気供給系統の異常時に、ガスタービン冷却空気の供給を前記増湿空気供給系統から前記圧縮空気供給系統に切り替えるように構成したことを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項７】
請求項１に記載の高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記増湿空気供給系統の異常時に、増湿空気の湿分と圧力の少なくとも一方がある閾値以下になった場合に、ガスタービン冷却空気の供給を前記増湿空気供給系統から前記圧縮空気供給系統に切り替えるように構成したことを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項８】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記ガスタービン高温部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系統を有することを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項９】
請求項８に記載の高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、
前記ガスタービンの負荷降下時もしくは降速時に、ガスタービン冷却空気の供給を前記圧縮空気供給系統又は前記増湿空気供給系統から前記不活性ガス供給系統に切り替えるように構成したことを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラント。
【請求項１０】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法において、
前記ガスタービンの昇速時もしくは負荷上昇時に圧縮空気による冷却から増湿空気による冷却に切り替えることを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法。
【請求項１１】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法において、
前記ガスタービンの昇速時もしくは負荷上昇時に圧縮空気による冷却から圧縮空気と増湿空気による冷却に切り替えることを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法。
【請求項１２】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法において、
前記ガスタービンの昇速時もしくは負荷上昇時に、ガスタービン高温部の温度もしくはガスタービン高温部を代用する部位の温度から求めたガスタービン高温部の推定温度が冷却媒体の温度よりも上昇した時に圧縮空気による冷却から増湿空気による冷却に切り替えを開始することを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法。
【請求項１３】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法において、
前記ガスタービンの負荷降下時もしくは降速時に、増湿空気による冷却から圧縮空気による冷却に切り替えることを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法。
【請求項１４】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法において、
前記増湿空気供給系統の異常時に、増湿空気による冷却から圧縮空気による冷却に切り替えることを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法。
【請求項１５】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法において、
前記増湿空気供給系統の異常時に、増湿空気の湿分と圧力の少なくとも一方がある閾値以下になった時に、増湿空気による冷却から圧縮空気による冷却に切り替えることを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法。
【請求項１６】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から導かれる圧縮空気を加湿する増湿塔と、燃料と前記増湿塔から供給される増湿空気とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、該燃焼器から排出される排ガスと前記燃焼器に供給される増湿空気とを熱交換する再生器と、前記圧縮機で発生する圧縮空気をガスタービン高温部に冷却空気として供給する圧縮空気供給系統と、前記増湿塔で加湿された増湿空気を前記ガスタービン高温部供給する増湿空気供給系統とを備えた高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法において、
前記ガスタービンの負荷降下時もしくは降速時に、圧縮空気または増湿空気による冷却から不活性ガスによる冷却に切り替えることを特徴とする高湿分ガスタービン発電プラントの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに供給するガスを増湿する増湿系統を有する高湿分ガスタービン発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
高湿分ガスタービンにおいては、燃焼ガスは湿分を含んでいるため粘性係数やプラントル数等の物理量の違いから空気よりも熱伝達率が大きく、更に比熱も大きい。このため、タービン翼などのガスタービン高温部における熱的負荷は通常のガスタービンに比べて増大する。これに伴ってガスタービン高温部の冷却を強化しなければならないが、通常のガスタービンと同じ空気冷却では大量の冷却空気が必要となるため、主流ガスの温度を下げ、結果としてガスタービンの熱効率を低下させてしまう。そこで高湿分ガスタービンにおいては、空気よりも冷却性能の高い冷却媒体を用いてガスタービン高温部を冷却する必要があり、その冷却媒体として増湿塔において発生する増湿空気の一部を用いる方法が考えられている。増湿空気は湿分を含んでいるため、空気よりも熱伝達率が大きく、更に比熱も大きいため、冷却性能が高い。よって機器を増やすことなく、少量の冷却媒体で効果的にガスタービン高温部を冷却することが可能となる。
【０００３】
このような高湿分ガスタービン（ＨＡＴ）発電プラントの従来技術としては、例えば特開平１１−２５７００６号公報に記載の技術がある。この従来技術では、燃焼用空気あるいは燃焼用湿分空気供給系統の複数の個所で空気あるいは湿分空気を抽出し、それらを混合させた冷媒によって高温部を冷却する冷却方式が提案されている。具体的には、圧縮機からの圧縮空気の一部と増湿塔からの増湿空気の一部をそれぞれ抽出し、それらを混合器で混合し、ガスタービンの冷却流路に供給することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２５７００６号公報（図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した特開平１１−２５７００６号公報による冷却方式には、どのような運転状態の時にどのような冷却媒体をどのように形成するか、という詳細な機器構成および運転方法については言及されていなかった。
【０００６】
増湿空気を冷却媒体として用いる際に、最も注意しなければならない運転状態は、ガスタービンの昇速時，負荷上昇時，負荷降下時，降速時あるいは増湿系統の異常時である。
【０００７】
まず、ガスタービンの昇速および負荷上昇時においては、ガスタービンは十分に暖機されていない。そのため、ガスタービンの増湿空気を冷却媒体として用いると、ガスタービン高温部内の冷却流路のメタル温度が増湿空気の露点温度よりも低くなってしまい、水分の凝縮が起こる可能性がある。この凝縮した水分が冷却流路に付着し、温度上昇に伴い蒸発すると、そこに不純物が蓄積して回転振動や流路閉塞の原因となったり、蒸発潜熱により局所的に急冷され壊食する原因となったりする。
【０００８】
また、ガスタービンの負荷降下および降速時においては、ガスタービンの温度が低下してくると、ガスタービン高温部内の冷却流路のメタル温度が増湿空気の露点温度よりも低くなってしまい、水分の凝縮が起こる可能性がある。水分が凝縮すると、起動時と同様に、回転振動，流路閉塞，壊食の原因となる。さらにガスタービン停止後において、増湿空気が冷却流路内に残留していると、残留空気中の水分および酸素により酸化して腐食する原因となる。
【０００９】
さらに、増湿系統に異常が発生した場合、冷却媒体である増湿空気を十分に供給できなくなるため、ガスタービン高温部の温度が上昇するという問題が生じる。一時的にも高温部に冷却媒体が供給されないと、高温部材に損傷をきたすことになる。
【００１０】
本発明の目的は、ガスタービン高温部の冷却媒体として増湿空気を用いる発電システムにおいて、ガスタービンの負荷変動時，起動停止時あるいは増湿系統の異常時に、冷却流路中に水分が凝縮することを抑制した高湿分ガスタービン発電プラントおよびその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために、圧縮機で発生する圧縮空気の一部を冷却媒体としてガスタービン高温部に供給する圧縮空気供給管と、増湿塔で発生する増湿空気の一部を冷却媒体としてガスタービン高温部に供給する増湿空気供給管とを有する高湿分ガスタービン発電システムにおいて、圧縮空気供給管と増湿空気供給管のそれぞれに流量を調整可能な弁を備えることを特徴とする。これにより、ガスタービンの昇速時，負荷上昇時，負荷降下時，降速時および増湿系統異常時において圧縮空気を冷却媒体とすることで、水分の凝縮を抑え、かつ、ガスタービン高温部に熱的負荷をかけない冷却を行うことが可能となり、ガスタービンの信頼性が向上する。
【００１２】
また本発明は、ガスタービン回転数と負荷状態，タービンのロータ側面の空気温度、および冷却媒体供給管において計測した増湿空気の温度と湿度に合わせてこれらの弁を開閉することを特徴とする。これにより、ガスタービンの昇速時，負荷上昇時，負荷降下時，降速時および増湿系統異常時において、冷却空気を圧縮空気から増湿空気もしくは増湿空気から圧縮空気へ切り替える時に、効果的に切り替えを行うことが可能となり、ガスタービンの信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高湿分ガスタービン発電プラントのガスタービンの昇速，降速，負荷変動時において、ガスタービン高温部を冷却する冷却流路内における水分の凝縮を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施例であるガスタービン発電プラントの系統図を示す。図中の実線は気体の経路を示しており、以下においては、気体の経路とこの経路上にある機器を合わせて空気系統と呼ぶこととする。また、図中の点線は水の経路を示しており、水の経路とこの経路上にある機器を合わせて増湿系統と呼ぶこととする。更に、図中の太線は、本発明の特徴である、冷却媒体の経路を示している。以下においては、冷却媒体の経路とこの経路上にある機器を合わせて冷却系統と呼ぶこととする。
【００１６】
まず、空気系統について説明する。同図に示すようにガスタービン発電プラントは、ガスタービン１，圧縮機２，発電機３が一軸に結合されている。大気空気は圧縮機２に供給され、定格負荷運転の状態において、温度は約３００℃、圧力は約２０００Ｐａの高圧な圧縮空気を生成する。圧縮空気は空気冷却器４において約１００℃に冷却された後に、増湿装置として設置した増湿塔５に供給され、水分が加えられ増湿・増量した約１５０℃の増湿空気となる。増湿塔５を出た増湿空気は、再生器６においてガスタービン排ガスとの熱交換によって５５０℃付近まで昇温される。昇温した増湿空気は、燃料とともに燃焼器７において燃焼されて温度は１３００℃以上、圧力は約１９００Ｐａの高温高圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはガスタービン１に供給され、このガスタービンと連結された発電機３を駆動する。増湿空気を燃焼することによって、燃焼ガスは多量の水分を含み重量流量が増加し、また、水蒸気の比熱は空気よりも大きく、内部により多くのエネルギーを保有できるため、通常のガスタービンよりも出力を増加させることができる。ガスタービン１において膨張し低圧となった燃焼ガスは排ガスとして排出されるが、まだ十分に高温である。このため、再生器６において増湿空気と熱交換を行い、更に給水加熱器８において水と熱交換を行って、熱エネルギーが回収される。給水加熱器８を出た排ガスは、排ガス再熱器９において冷却された後、水回収装置１０に供給される。水回収装置１０においては、低温の水を排ガスに対して噴霧することで排ガスの温度を下げ、排ガス中の水分を凝縮させ回収している。凝縮しなかった一部の水分を含んだ排ガスは再び排ガス再熱器９に導かれ、加熱されて煙突１１より大気に放出される。
【００１７】
次に、増湿系統について説明する。増湿系統は、増湿塔５と水回収装置１０および空気噴霧器１４の３箇所において空気系統の気体と直接接触しており、増湿塔５と空気噴霧器１４において気体に水分を放出し、水回収装置１０において気体から水分を回収している。以下それぞれについて説明する。
【００１８】
増湿塔５においては、空気冷却器４および給水加熱器８で昇温された高温水が、圧縮空気に対して向流接触するように噴霧されている。これによって高温水の一部が蒸発気化し、圧縮空気を昇温増湿して増湿空気とする。蒸発しなかった高温水は、蒸発潜熱を奪われながら増湿塔５内を下降し、最終的に供給空気の温度以下まで冷却され、液相水となって増湿塔５の下部へ滞留する。液相水は、増湿塔５を出た後に２つに分岐され、一方は空気冷却器４に供給されて圧縮空気から熱エネルギーを回収し、他方は給水加熱器８に供給されて排ガスから熱エネルギーを回収する。
【００１９】
一方、水回収装置１０においては、低温の水を排ガスに対して噴霧することで排ガスの温度を下げ、増湿塔５において圧縮空気に付加した水分を凝縮させ回収している。排ガス中の水分の一部は回収されることなく大気に放出されるが、放出された量に相当する水分を冷却水タンク１５から補給する。これにより、外部からの補給水を最小限に抑え、発電効率の向上を図っている。回収および補給された水の一部は、ポンプ１２によって昇圧された後、脱塩装置１３を経由して、空気冷却器４と空気噴霧器１４に分岐して供給される。空気冷却器４側に分岐した水は、増湿塔５からの液相水と合流し、空気冷却器４側を経由した後、再び増湿塔５において高温水として噴霧される。一方、空気噴霧器１４側に分岐した水は、空気噴霧器１４にて圧縮機２の吸気に対する噴霧水として噴霧される。また、水回収装置１０での回収水，補給水の残りはポンプ１６によって昇圧された後、冷却器１７で冷却され、再び水回収装置１０に排ガスの冷却水として供給される。
【００２０】
次に、冷却系統について説明する。本発明は、ガスタービン起動時，低負荷時，停止時および増湿系統異常時におけるガスタービン高温部の冷却は、圧縮機２で発生する圧縮空気と、増湿塔５で発生する増湿空気を切り替えて行うことを特徴としており、以下のような機器構成を持つ。
【００２１】
圧縮機２から空気冷却器４に導かれる圧縮空気の一部は、ガスタービン高温部の冷却空気として、圧縮空気供給管２１，圧縮空気供給弁２２，逆止弁２３を通じて混合器２７へ供給される。圧縮空気の流量は、圧縮空気供給弁２２によって調整される。さらに、増湿塔５で水分が加えられた増湿空気の一部が、増湿空気供給管２４，増湿空気供給弁２５，逆止弁２６を通じて混合器２７へ供給される。増湿空気供給管２４によって供給される増湿空気の流量は、増湿空気供給弁２５によって調整される。混合器２７に供給された圧縮空気および増湿空気は混合され、冷却空気を形成して冷却空気供給管２８を通してガスタービン高温部内の冷却流路２９に供給される。高温部を冷却した冷却空気はガスタービン１内へと放出される。また、圧縮空気供給弁２２および増湿空気供給弁２５の開閉はスムーズに行うものとする。
【００２２】
以上で説明した空気系統，増湿系統および冷却系統で構成される高湿分ガスタービン発電プラントにおいて、ガスタービンの昇速時，降速時，負荷変動時および増湿系統異常時の運転方法について説明する。運転時においては、ガスタービンの状態量としてガスタービンの回転数と負荷，冷却媒体の温度，湿度および圧力，ガスタービン高温部内の冷却流路２９のメタル温度を計測する。ガスタービン回転数と負荷については発電機３において、冷却媒体の温度，湿度および圧力は検知器３０において計測可能である。しかし、冷却流路２９のメタル温度については直接計測することが困難であるため、ガスタービン高温部に検知器３１を設けて、タービンのホイール側面の空気温度を静止側から計測することによって、冷却流路２９のメタル温度を推定するものとする。
【００２３】
ガスタービンの昇速および負荷上昇時における運転方法について、図２を用いて説明する。まず、ガスタービンが回転し始める時刻０においては、ガスタービンおよび配管は低温であり、増湿空気を供給すると凝縮が発生する可能性がある。このため、増湿空気供給弁２５を全閉、圧縮空気供給弁２２を全開にして、圧縮空気のみの供給を行っている。ガスタービン起動直後は、始動機によって回転数が上昇する。ある時刻Ｔ１において燃焼器７が着火し、検知器３１で計測する冷却流路２９のメタル推定温度は上昇を始める。また、時刻Ｔ１においては着火を安定させるために燃焼用の増湿空気は供給されていない状態である。
【００２４】
燃焼器７において燃焼が安定した時刻Ｔ２から燃焼用の増湿空気が供給され始めるが、前記の弁の開閉状態が維持されているので、ガスタービン高温部の冷却流路２９にはまだ増湿空気は供給されず、空気冷却器４に入る前の圧縮空気が流れている。ガスタービンの昇速および負荷上昇時のガスタービンの暖機されていない状態においては、冷却流路２９のメタル温度が増湿空気の露点温度よりも低くなり水分が凝縮する可能性があり、圧縮空気を冷却流路２９に流すことでこの状態を回避する。また、空気冷却器４に入る前の圧縮空気は増湿塔５を出た増湿空気に比べて温度が高いため、冷却流路２９の温度が上昇し、ガスタービンの暖機が加速される。
【００２５】
やがて時刻Ｔ３において冷却流路２９のメタル推定温度が冷却媒体の温度を上回る。この時刻Ｔ３でガスタービンの暖機が完了したとみなし、圧縮空気供給弁２２を閉め始めると同時に増湿空気供給弁２５を開き始める。この弁の開閉に伴って、冷却媒体中の圧縮空気の割合が減少し、増湿空気の割合が増加し始めるが、圧縮空気に比べ増湿空気は空気冷却器４において冷却されているため温度が低く、更に冷却性能も高い。従って、冷却流路２９のメタル温度と冷却媒体の温度の差が小さい時刻Ｔ３に冷却媒体の切り替えを開始することによって、ガスタービン高温部に与える熱衝撃を抑えることができる。また、弁の開閉は徐々に行い、混合器２７を出た冷却媒体の温度が急激に変わらないようしてガスタービン高温部に与える熱衝撃を抑える。
【００２６】
時刻Ｔ４において圧縮空気供給弁２２は完全に閉じ、増湿空気供給弁２５は完全に開き、ガスタービン高温部を流れる冷却媒体は増湿空気のみとなる。時刻Ｔ４以降、タービン入口温度は上昇するが、冷却性能が高い増湿空気によって冷却されているため、ガスタービン高温部の温度は許容温度以下に抑えられる。この弁の開閉状態を維持したまま、時刻Ｔ５において、ガスタービンは負荷１００％の、定格負荷運転に入る。
【００２７】
以上のように、冷却流路２９のメタル推定温度が冷却空気供給管２８における冷却媒体の温度を上回ったところで冷却媒体を切り替えることによって、ガスタービンの昇速および負荷上昇時における冷却流路内での水分の凝縮を完全に回避し、かつガスタービン高温部に熱衝撃を与えずに定格負荷運転に移行することができる。
【００２８】
なお、本実施例においては、ガスタービンの昇速および負荷上昇時において、冷却流路２９のメタル推定温度が、検知器３０で計測した冷却媒体の温度を上回る時刻Ｔ３でガスタービンの暖機が完了したとみなしているが、検知器３０を増湿塔５の出口に配置し、増湿塔出口温度を冷却媒体の温度に代用することも可能である。
【００２９】
また、本実施例においては、ガスタービンの昇速および負荷上昇時の冷却切り替え後において、圧縮空気供給弁２２を全閉、増湿空気供給弁２５を全開とし、圧縮空気による冷却から完全な増湿空気による冷却に切り替えている。しかしながら、増湿空気の温度は
１５０℃と低いため、ガスタービンの高温部材内において急激な温度勾配が発生し、高温部材の熱応力が大きくなる可能性がある。このような状態を防ぐために、検知器３１で計測するホイール側面温度から求める冷却流路２９のメタル推定温度に対して、検知器３０で計測する冷却媒体の温度が低すぎる場合（冷却流路のメタル推定温度に対する冷却媒体の温度が所定値を下回る場合）には、圧縮空気供給弁２２を部分開とし、温度の高い圧縮空気と混合させることによってガスタービン高温部の冷却流路２９を流れる冷却媒体の温度を上昇させる運転をすることもできる。
【００３０】
次に、ガスタービンの負荷降下および降速時における運転方法について、図３を用いて説明する。定格負荷運転においては、圧縮空気供給弁２２は全閉、増湿空気供給弁２５は全開の状態となっており、混合器２７から出る冷却媒体は全て増湿空気である。時刻Ｔ11において負荷降下が開始すると、ある時刻Ｔ１２において増湿空気よりも冷却性能の低い圧縮空気でも十分にガスタービン高温部を冷却することが可能となる。この時刻Ｔ１２において、圧縮空気供給弁２２を開き始めると同時に増湿空気供給弁２５を閉じ始め、時刻Ｔ１３には圧縮空気供給弁２２は全開、増湿空気供給弁２５は全閉となる。よって、時刻Ｔ１３以降は冷却流路を流れる冷却空気は圧縮空気のみとなるため、冷却流路内で凝縮を起こさずに運転することができる。ガスタービン１は時刻Ｔ１４において停止状態となるが、増湿空気が冷却流路２９に残留していると、ガスタービン停止後において残留空気中の水分および酸素により冷却流路２９の表面が酸化して腐食する可能性がある。しかし、本実施例では時刻Ｔ１３以降に供給する冷却空気は圧縮空気となっており、時刻Ｔ１４においては冷却流路内の増湿空気は全て押し出されているので、腐食を抑制することができる。
【００３１】
次に、増湿系統の異常時における運転方法について図４を用いて説明する。増湿塔５において、噴霧器の異常により加湿量が低下したり、目詰まり等によって増湿塔内の圧力損失が増加すると、ガスタービン高温部を十分に冷却することができないため、この状態のままではガスタービン高温部の温度が上昇することになる。この解決方法として、検知器３０で計測した増湿空気中の湿度もしくは圧力が増湿系統異常を示すある閾値を下回った時に冷却媒体を圧縮空気に切り替え、ガスタービンを空気冷却による運転状態に移行することにより対応する。
【００３２】
本実施例では、定格負荷の状態において、検知器３０で計測した増湿空気中の湿度が低下した場合を想定する。検知器３０において計測した増湿空気中の湿度がある閾値を下回ったとき異常発生とみなし、この時刻Ｔ２１において、即時に圧縮空気供給弁２２を開き始めると同時に増湿空気供給弁２５を閉じ始める。また、同時刻においてガスタービンの負荷を下げ始め、ガスタービン高温部の温度を低下させる。圧縮空気によってガスタービン高温部の温度を許容温度以下にすることができる負荷状態になる時刻Ｔ２２において圧縮空気供給弁２２は全開、増湿空気供給弁２５は全閉となる。
【実施例２】
【００３３】
図５は、本発明の第２の実施例であるガスタービン発電プラントの系統図を示す。図１と同一の構成については説明を省略する。図１では、ガスタービン高温部の冷却空気に用いる増湿空気として、増湿塔５から再生器６に供給される増湿空気を利用していたが、本実施例では再生器６で温度を上昇させた増湿空気を利用するものである。具体的には、再生器６の流路途中から増湿空気の一部を分岐させる増湿空気供給管３６を設けている。この増湿空気供給管３６で分岐した増湿空気は、増湿空気供給弁２５，逆止弁２６を経由して混合器２７に供給される。
【００３４】
増湿塔５を出た増湿空気の温度は、圧縮空気を出た圧縮空気の温度に比べて低く、温度差のある２つの冷却媒体を切り替える時にはガスタービン高温部に熱衝撃がかかってしまう。そこで本実施例においては、再生器６に一度入り、ガスタービン１の排ガスとの熱交換によって温度上昇した増湿空気の一部をガスタービン高温部の冷却媒体とすることによって、圧縮空気との温度差を小さくすることを特徴としている。これにより、圧縮空気供給管２１によって供給する圧縮空気から増湿空気に冷却媒体を切り替える時に、ガスタービン高温部にかかる熱衝撃を抑えられるとともに、圧縮空気供給弁２２と増湿空気供給弁
２５の開閉作業にかかる時間を短縮し、スムーズに冷却媒体を切り替えることができる。
【実施例３】
【００３５】
図６は、本発明の第３の実施例であるガスタービン発電プラントの系統図を示す。図１では、ガスタービン高温部の冷却空気に用いる圧縮空気としては、圧縮機２から空気冷却器４に供給される圧縮空気を利用していたが、本実施例では空気冷却器４で温度を低下させた後の圧縮空気を供給するようにしたものである。具体的には、空気冷却器４で冷却された圧縮空気を増湿塔５に供給する経路の途中から、高温部冷却流路２９（冷却空気供給管２８）に圧縮空気の一部を分岐させる圧縮空気供給管３７を設けている。この圧縮空気供給管３７で分岐した圧縮空気は、圧縮空気供給弁２２，逆止弁２３を経由して混合器
２７に供給される。
【００３６】
増湿系統に異常が発生した直後は、ガスタービン高温部は高温を保ったまま、冷却媒体の冷却性能が低下してしまうため、ガスタービン高温部の温度が上昇する。よって、冷却媒体を増湿空気から圧縮空気に切り替える時、圧縮空気の温度は出来るだけ低いことが望ましい。そこで、本実施例においては、空気冷却器４を出た圧縮空気の一部を冷却媒体とすることによって、空気冷却器４の通過前より温度の低い圧縮空気をガスタービン高温部に供給することを特徴としている。
【実施例４】
【００３７】
図７は、本発明の第４の実施例であるガスタービン発電プラントの系統図を示す。本実施例では、図１のシステム系統に対し、ガスタービン冷却系統の腐食防止手段として不活性ガス供給系統を追加した構成となっている。具体的には、不活性ガス供給源４０からの不活性ガスを混合器２７に供給する不活性ガス供給管４１を設け、不活性ガス供給管４１に不活性ガス供給弁４２及び逆止弁４３を設置している。なお、図７に図示する本実施例では、不活性ガス供給管４１を混合器２７に接続した構成となっているが、増湿空気供給管２４あるいは圧縮空気供給管２１の途中に接続するようにしても良い。この場合には、逆止弁２３，２６あるいは増湿空気供給弁２５，圧縮空気供給弁２２より下流側の供給管に接続することが望ましい。
【００３８】
ガスタービン停止後において、ガスタービン高温部の冷却流路２９に増湿空気が残留すると、残留空気中の水分および酸素により冷却流路２９の内表面が酸化して腐食する可能性がある。これに対して、実施例１に示すように冷却媒体を増湿空気から圧縮空気に切り替えることによって腐食を抑えることができる。さらに、本実施例においては、冷却媒体を圧縮空気から不活性ガス供給管４１からの不活性ガスに切り替えることによって、腐食の原因となる水分および酸素を冷却流路から完全に押し出すことができるようになる。
【００３９】
本実施例によるガスタービン停止時における運転方法について図８を用いて説明する。図中の時刻Ｔ１３において、冷却空気の供給を増湿空気から圧縮空気に切り替えた状態となっている。このとき、圧縮空気供給弁２２は全開、増湿空気供給弁２５および不活性ガス供給弁４２は全閉となっている。その後、ある時刻Ｔ３１において、圧縮空気供給弁
２２を閉じ始めると同時に不活性ガス供給弁４２を開き始める。そして、時刻Ｔ３２において圧縮空気供給弁２２は全閉、不活性ガス供給弁４２は全開となって、冷却流路２９を流れる冷却媒体は不活性ガスに切り替わる。時刻Ｔ３１からガスタービンが停止する時刻Ｔ１４の間に冷却流路２９内の圧縮空気は不活性ガスによって完全に押し出される。最後に時刻Ｔ１４において不活性ガス供給弁４２を閉じ始め、時刻Ｔ３３において不活性ガス供給弁４２は全閉となる。これによって、少量の不活性ガスによって効果的に腐食の原因となる水分および酸素を冷却流路から完全に押し出すことができる。
【００４０】
上記の各実施例にて説明したように、本発明はガスタービンの昇速時，負荷上昇時，負荷降下時，降速時および増湿系統異常時において、増湿空気による冷却と圧縮空気による冷却とを切り替える機能を備えたものである。そして、ガスタービンの昇速および負荷上昇時においては圧縮空気を供給し、ガスタービン高温部内の冷却流路の暖機を加速し、かつ冷却媒体の露点温度を下げて水分の凝縮を防ぐことができる。また、ガスタービンの負荷降下および降速時においても圧縮空気を供給することで、水分の凝縮を防ぐことができ、さらに圧縮空気をパージガスとして利用することで停止後における腐食を抑えることができる。また、増湿系統の異常時においては、圧縮空気を補助の冷却媒体として用いることで、ガスタービン高温部の熱的負荷を増大させることなく、ガスタービンの運転を継続させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
増湿空気を高温部の冷却媒体とするガスタービン。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施例である高湿分ガスタービン発電プラントの構成図。
【図２】本発明による昇速および負荷上昇時の運転方法についての説明図。
【図３】本発明による負荷降下および降速時の運転方法についての説明図。
【図４】本発明による増湿系統異常時の運転方法についての説明図。
【図５】本発明の第２の実施例である高湿分ガスタービン発電プラントの構成図。
【図６】本発明の第３の実施例である高湿分ガスタービン発電プラントの構成図。
【図７】本発明の第４の実施例である高湿分ガスタービン発電プラントの構成図。
【図８】実施例４における昇速および負荷上昇時の運転方法についての説明図。
【符号の説明】
【００４３】
１…ガスタービン、２…圧縮機、３…発電機、４…空気冷却器、５…増湿塔、６…再生器、７…燃焼器、８…給水過熱器、９…排ガス再熱器、１０…水回収装置、１１…煙突、１２，１６…ポンプ、１３…脱塩装置、１４…空気噴霧器、１５…冷却水タンク、１７…冷却器、２１，３７…圧縮空気供給管、２２…圧縮空気供給弁、２３，２６，４３…逆止弁、２４，３６…増湿空気供給管、２５…増湿空気供給弁、２７…混合器、２８…冷却空気供給管、２９…高温部冷却流路、３０，３１…検知器、４０…不活性ガス供給源、４１…不活性ガス供給管、４２…不活性ガス供給弁。
【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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【図７】
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【図８】
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