(57)【要約】【課題】冷却対象のガスが流れるガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能な熱交換システムを提供する。【解決手段】熱交換システムは、冷却対象のガスが流れるガスラインと、前記ガスラインに設けられ、冷却媒体との熱交換により前記ガスを冷却するように構成された第１熱交換器と、前記第１熱交換器に前記冷却媒体を導入するための冷媒導入ラインと、前記ガスを冷却した後の前記冷却媒体を前記第１熱交換器から排出するための冷媒排出ラインと、前記冷媒排出ラインを流れる前記冷却媒体の少なくとも一部を前記冷媒導入ラインに再循環させるための再循環ラインと、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度が閾値以上となるように前記再循環ラインを流れる前記冷却媒体の流量を調節するための流量調節部と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象のガスが流れるガスラインと、
前記ガスラインに設けられ、冷却媒体との熱交換により前記ガスを冷却するように構成された第１熱交換器と、
前記第１熱交換器に前記冷却媒体を導入するための冷媒導入ラインと、
前記ガスを冷却した後の前記冷却媒体を前記第１熱交換器から排出するための冷媒排出ラインと、
前記冷媒排出ラインを流れる前記冷却媒体の少なくとも一部を前記冷媒導入ラインに再循環させるための再循環ラインと、
前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度が閾値以上となるように前記再循環ラインを流れる前記冷却媒体の流量を調節するための流量調節部と、
を備えることを特徴とする熱交換システム。
【請求項２】
前記流量調節部は、
前記再循環ラインに設けられた流量調節弁と、
前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の前記温度と前記閾値以上の目標温度との偏差に基づいて、前記流量調節弁を制御するように構成された弁コントローラと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
【請求項３】
前記再循環ラインに設けられる再循環ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換システム。
【請求項４】
前記ガスラインは、ガスタービンの圧縮機から該ガスタービンの冷却対象部に圧縮空気を供給するように構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の熱交換システム。
【請求項５】
前記冷媒導入ラインには、前記ガスタービンとともにＧＴＣＣを構成する蒸気タービンの復水器からの復水の一部が供給されるように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の熱交換システム。
【請求項６】
前記ガスラインの前記第１熱交換器よりも上流側に設けられた第２熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の熱交換システム。
【請求項７】
前記第２熱交換器は、前記ガスタービンを含むＧＴＣＣの高圧給水と前記ガスとを熱交換させて前記ガスを冷却するように構成されたことを特徴とする請求項６に記載の熱交換システム。
【請求項８】
前記流量調節部は、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度をＴ［℃］とし、前記ガスの露点をＴｄ［℃］としたとき、（Ｔｄ−１５）≦Ｔ≦（Ｔｄ＋５）の関係を満たすように前記再循環ラインを流れる前記冷却媒体の流量を調節するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の熱交換システム。
【請求項９】
ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を冷却するように構成された請求項１乃至８の何れか一項に記載の熱交換システムと、
前記熱交換システムにより冷却した前記圧縮空気を前記ガスタービンの冷却対象部に供給するための冷却空気供給ラインと、を備えることを特徴とするガスタービンの冷却システム。
【請求項１０】
前記冷却空気供給ラインに設けられる空気圧縮機をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンの冷却システム。
【請求項１１】
ガスタービンと、
前記ガスタービンを冷却するように構成された請求項９又は１０に記載の冷却システムと、
を備えることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項１２】
第１熱交換器において、冷却媒体との熱交換により冷却対象のガスを冷却するステップと、
前記ガスを冷却した後の前記冷却媒体を前記第１熱交換器から排出するための冷媒排出ラインから、前記第１熱交換器に前記冷却媒体を導入するための冷媒導入ラインに、前記冷却媒体の一部を再循環させるステップと、を備え、
前記再循環させるステップでは、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度が閾値以上となるように、前記冷媒排出ラインから前記冷媒導入ラインに再循環させる前記冷却媒体の流量を調節する
ことを特徴とする熱交換システムの運転方法。
【請求項１３】
前記再循環させるステップでは、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度をＴ［℃］とし、前記ガスの露点をＴｄ［℃］としたとき、（Ｔｄ−１５）≦Ｔ≦（Ｔｄ＋５）の関係を満たすように、前記冷媒排出ラインから前記冷媒導入ラインに再循環させる前記冷却媒体の流量を調節する
ことを特徴とする請求項１２に記載の熱交換システムの運転方法。
【請求項１４】
請求項１２又は１３に記載の方法により熱交換システムを運転し、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を冷却するステップと、
前記熱交換システムにより冷却した前記圧縮空気を前記ガスタービンの冷却対象部に供給するステップと、
を備えることを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱交換システム及びその運転方法、ガスタービンの冷却システム及び冷却方法、並びにガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスと冷却媒体とを熱交換させることによりガスを冷却することがある。
例えば、特許文献１には、ガスタービンの圧縮機で圧縮された圧縮空気と、外部から取り込まれた常温の冷却空気とを熱交換器で熱交換することにより、圧縮空気を冷却することが記載されている。この熱交換器では、冷却対象の圧縮空気の過冷却又は過熱を抑制するために、熱交換器を流れる圧縮空気の流量を調節するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１５２２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、熱交換器でガスを冷却する場合、熱交換器に供給する冷却媒体の温度が低いと、冷却対象のガスが露点以下の温度となる過冷却が起こりやすくなり、特に、冷却対象のガスと冷却媒体との熱交換が行われる熱交換器の伝熱面の近傍で、局所的にガスの過冷却が起こりやすくなる。このように過冷却が生じると、冷却対象のガス中に含まれる水分からドレン（凝縮水分）が生じ、ガスが流れる配管に腐食等の損傷が生じる場合がある。
この点、特許文献１に記載の熱交換器では、熱交換器を流れる圧縮空気の流量（熱負荷）を調節して圧縮空気の過冷却を抑制するようになってはいるが、伝熱面の近傍における局所的な過冷却を防止するための具体的な構成は記載されていない。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、冷却対象のガスが流れるガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能な熱交換システム及びその運転方法、ガスタービンの冷却システム及び冷却方法、並びにガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る熱交換システムは、
冷却対象のガスが流れるガスラインと、
前記ガスラインに設けられ、冷却媒体との熱交換により前記ガスを冷却するように構成された第１熱交換器と、
前記第１熱交換器に前記冷却媒体を導入するための冷媒導入ラインと、
前記ガスを冷却した後の前記冷却媒体を前記第１熱交換器から排出するための冷媒排出ラインと、
前記冷媒排出ラインを流れる前記冷却媒体の少なくとも一部を前記冷媒導入ラインに再循環させるための再循環ラインと、
前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度が閾値以上となるように前記再循環ラインを流れる前記冷却媒体の流量を調節するための流量調節部と、
を備える。
【０００７】
上記（１）の構成によれば、再循環ラインを介して冷媒排出ラインから冷媒導入ラインへと戻す高温の冷却媒体の流量（冷却媒体の再循環流量）を流量調節部により調節するようにしたので、第１熱交換器に流入する冷却媒体の温度を閾値以上に保持することができる。これにより、第１熱交換器の伝熱面の近傍における局所的なガスの過冷却を防止し、ガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能となる。よって、ガスラインの配管腐食を抑制することができる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記流量調節部は、
前記再循環ラインに設けられた流量調節弁と、
前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の前記温度と前記閾値以上の目標温度との偏差に基づいて、前記流量調節弁を制御するように構成された弁コントローラと、
を含む。
【０００９】
上記（２）の構成によれば、第１熱交換器に流入する冷却媒体の温度と目標温度との偏差に基づいて弁コントローラによる制御下で流量調節弁を作動させることで、第１熱交換器に流入する冷却媒体の温度を適切に調節し、ガスラインにおけるドレンの発生を効果的に抑制できる。
【００１０】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記熱交換システムは、前記再循環ラインに設けられる再循環ポンプをさらに備える。
【００１１】
上記（３）の構成によれば、再循環ラインに再循環ポンプを設けたので、第１熱交換器における圧力損失の分だけ冷媒排出ラインよりも高圧である冷媒導入ラインへの冷却媒体の再循環が可能となる。
【００１２】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、前記ガスラインは、ガスタービンの圧縮機から該ガスタービンの冷却対象部に圧縮空気を供給するように構成される。
【００１３】
上記（４）の構成によれば、ガスタービンの圧縮機で生成した圧縮空気を第１熱交換器にて冷却した後、ガスタービンの冷却対象部に供給することができる。また、上記（１）で述べたように、再循環ラインおよび流量調節部の働きによりガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能であるから、ガスラインからガスタービンへのドレンの持ち込みを防止して、ドレンに起因したガスタービンの効率低下を抑制できる。
【００１４】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、前記熱交換システムは、前記冷媒導入ラインには、前記ガスタービンとともにＧＴＣＣを構成する蒸気タービンの復水器からの復水の一部が供給されるように構成される。
【００１５】
上記（５）の構成によれば、復水を利用した熱交換により圧縮空気を冷却することが可能になる。また、上記（１）で述べた再循環ラインおよび流量調節部の働きにより、比較的温度が低い復水そのものを冷却媒体として第１熱交換器に流入させる場合とは異なり、ガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能である。
【００１６】
（６）幾つかの実施形態では、上記（４）又は（５）の構成において、前記熱交換システムは、前記ガスラインの前記第１熱交換器よりも上流側に設けられた第２熱交換器をさらに備える。
【００１７】
上記（６）の構成によれば、第１熱交換器とその上流側の第２熱交換器とを用いて、ガスタービン圧縮機からの高温の圧縮空気を、ガスタービンの冷却対象部を冷却するのに適した温度域まで段階的に降温させることができる。この場合、下流側の第１熱交換器ではガスラインにおけるドレン発生のリスクが相対的に高くなるが、上記（１）で述べたように、再循環ラインおよび流量調節部の働きにより、第１熱交換器内におけるガスラインでのドレン発生を抑制することができる。
【００１８】
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、前記第２熱交換器は、前記ガスタービンを含むＧＴＣＣの高圧給水と前記ガスとを熱交換させて前記ガスを冷却するように構成される。
【００１９】
上記（７）の構成によれば、第２熱交換器にて圧縮空気を高圧給水により冷却することで、ガスタービン圧縮機からの高温の圧縮空気の熱エネルギーを高圧給水に回収させることでＧＴＣＣの熱効率を向上させることができる。
【００２０】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記流量調節部は、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度をＴ［℃］とし、前記ガスの露点をＴｄ［℃］としたとき、（Ｔｄ−１５）≦Ｔ≦（Ｔｄ＋５）の関係を満たすように前記再循環ラインを流れる前記冷却媒体の流量を調節するように構成される。
【００２１】
上記（８）の構成によれば、冷媒導入ラインから第１熱交換器に導入される冷却媒体の温度Ｔを適度な温度範囲内に維持することで、ガスラインにおける局所的なドレン発生を抑制しながら、第１熱交換器における熱交換を効率的に行うことができる。
【００２２】
（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの冷却システムは、
ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を冷却するように構成された上記（１）乃至（８）の何れかに記載の熱交換システムと、
前記熱交換システムにより冷却した前記圧縮空気を前記ガスタービンの冷却対象部に供給するための冷却空気供給ラインと、を備える。
【００２３】
上記（９）の構成によれば、ガスタービンの圧縮機で生成した圧縮空気を熱交換システムにて冷却した後、ガスタービンの冷却対象部に供給することができる。また、上記（１）で述べたように、再循環ラインおよび流量調節部の働きによりガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能であるから、ガスラインからガスタービンへのドレンの持ち込みを防止して、ドレンに起因したガスタービンの効率低下を抑制できる。
【００２４】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、前記ガスタービンの冷却システムは、前記冷却空気供給ラインに設けられる空気圧縮機をさらに備える。
【００２５】
上記（１０）の構成によれば、熱交換システムにより冷却された圧縮空気を空気圧縮機で昇圧するようにしたので、ガスタービンの冷却対象部に比較的低温の圧縮空気（冷却空気）を円滑に供給することができる。
【００２６】
（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンシステムは、
ガスタービンと、
前記ガスタービンを冷却するように構成された上記（９）又は（１０）に記載の冷却システムと、
を備える。
【００２７】
上記（１１）の構成によれば、ガスタービンの圧縮機で生成した圧縮空気を熱交換システムにて冷却した後、ガスタービンの冷却対象部に供給することができる。また、上記（１）で述べたように、再循環ラインおよび流量調節部の働きによりガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能であるから、ガスラインからガスタービンへのドレンの持ち込みを防止して、ドレンに起因したガスタービンの効率低下を抑制できる。
【００２８】
（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る熱交換システムの運転方法は、
第１熱交換器において、冷却媒体との熱交換により冷却対象のガスを冷却するステップと、
前記ガスを冷却した後の前記冷却媒体を前記第１熱交換器から排出するための冷媒排出ラインから、前記第１熱交換器に前記冷却媒体を導入するための冷媒導入ラインに、前記冷却媒体の一部を再循環させるステップと、を備え、
前記再循環させるステップでは、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度が閾値以上となるように、前記冷媒排出ラインから前記冷媒導入ラインに再循環させる前記冷却媒体の流量を調節する。
【００２９】
上記（１２）の方法によれば、冷媒排出ラインから冷媒導入ラインへと戻す高温の冷却媒体の流量（冷却媒体の再循環流量）を調節するようにしたので、第１熱交換器に流入する冷却媒体の温度を閾値以上に保持することができる。これにより、第１熱交換器の伝熱面の近傍における局所的なガスの過冷却を防止し、冷却対象のガスが流れるガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能となる。よって、ガスラインの配管腐食を抑制することができる。
【００３０】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の方法において、前記再循環させるステップでは、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度をＴ［℃］とし、前記ガスの露点をＴｄ［℃］としたとき、（Ｔｄ−１５）≦Ｔ≦（Ｔｄ＋５）の関係を満たすように、前記冷媒排出ラインから前記冷媒導入ラインに再循環させる前記冷却媒体の流量を調節する。
【００３１】
上記（１３）の方法によれば、冷媒導入ラインから第１熱交換器に導入される冷却媒体の温度Ｔを適度な温度範囲内に維持することで、冷却対象のガスが流れるガスラインにおける局所的なドレン発生を抑制しながら、第１熱交換器における熱交換を効率的に行うことができる。
【００３２】
（１４）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの冷却方法は、
上記（１２）又は（１３）に記載の方法により熱交換システムを運転し、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を冷却するステップと、
前記熱交換システムにより冷却した前記圧縮空気を前記ガスタービンの冷却対象部に供給するステップと、
を備える。
【００３３】
上記（１４）の方法によれば、ガスタービンの圧縮機で生成した圧縮空気を熱交換システムにて冷却した後、ガスタービンの冷却対象部に供給することができる。また、上記（１２）で述べたように、再循環ステップにおいて再循環させる冷却媒体の流量を調節することにより、冷却対象のガスが流れるガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能である。よって、ガスラインからガスタービンへのドレンの持ち込みを防止して、ドレンに起因したガスタービンの効率低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、冷却対象のガスが流れるガスラインにおけるドレンの発生を抑制可能な熱交換システム及びその運転方法、ガスタービンの冷却システム及び冷却方法、並びにガスタービンシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施形態に係るガスタービンシステムの全体構成例を示す図である。
【図２】熱交換器を構成する伝熱管近傍の温度分布の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３７】
以下、一実施形態に係る熱交換システムが適用されるガスタービンシステムの一例として、ガスタービンを含むコンバインドサイクル発電プラントについて説明する。本発明に係る熱交換システムの適用先は、コンバインドサイクル発電プラントに限定されず、ガスを冷却する熱交換器一般に適用できる。
【００３８】
図１は、一実施形態に係るガスタービンシステムであるガスタービンを含むコンバインドサイクル発電プラント（以下、ＧＴＣＣ発電プラントと称する）の全体構成例を示す図である。図１に示すように、ＧＴＣＣ発電プラント１は、主として、ガスタービン２と、蒸気タービン１１と、排熱回収ボイラ１０と、ガスタービン２を冷却するための冷却システム７と、を備えている。
【００３９】
なお、ＧＴＣＣ発電プラント１は、図１に示すような、ガスタービン２及び蒸気タービン１１のロータが互いに独立である多軸型であってもよいし、あるいは、ガスタービン２及び蒸気タービン１１のロータが共通である１軸型であってもよい。
【００４０】
ガスタービン２は、空気を圧縮するための圧縮機３と、燃料（例えば天然ガス等）を燃焼させて燃焼ガスを発生させるための燃焼器４と、燃焼ガスにより回転駆動されるように構成されたタービン５と、を備える。
燃焼器４には、圧縮機３で圧縮された圧縮空気が送り込まれるようになっているとともに、該圧縮空気とは別のライン（不図示）を介して燃料が供給されるようになっている。圧縮空気は、燃焼器４において燃料が燃焼する際の酸化剤としての役割を有する。
【００４１】
燃焼器４における燃料の燃焼によって生成した燃焼ガスはタービン５に供給され、タービン５を駆動する。タービン５には回転シャフトを介して発電機６が連結されており、タービン５の回転エネルギーによって発電機６が駆動されて電力が生成されるようになっている。
タービン５で仕事を終えてタービン５から排出された燃焼ガス（排ガス）は、排熱回収ボイラ１０に導かれて、排熱回収ボイラ１０における蒸気生成用熱源として利用された後、煙突（不図示）等から排気される。
【００４２】
なお、圧縮機３で生成される圧縮空気の一部は、後述する冷却システム７に導かれ、冷却器（第１熱交換器１４及び／又は第２熱交換器１５）を含む熱交換システム８によって冷却された後、ガスタービン２を冷却するために用いられる。
【００４３】
排熱回収ボイラ１０には、低圧節炭器４４、低圧蒸発器４６、中圧節炭器４８、中圧蒸発器５０、高圧節炭器５２及び高圧蒸発器５４が設けられている。なお、低圧蒸発器４６、中圧蒸発器５０及び高圧蒸発器５４には、それぞれ、低圧ドラム４５、中圧ドラム４９及び高圧ドラム５３が附属されている。
【００４４】
蒸気タービン１１は、高圧タービン３０、中圧タービン３２及び低圧タービン３４を備えている。高圧タービン３０には、高圧ドラム５３からの飽和蒸気を排熱回収ボイラ１０内の高圧過熱器（不図示）で過熱した高圧蒸気が供給される。高圧タービン３０に供給された高圧蒸気は、高圧タービン３０で仕事をした後、排熱回収ボイラ１０内の再熱器（不図示）に送られる。
【００４５】
排熱回収ボイラ１０の再熱器には、高圧タービン３０で仕事をした後の高圧蒸気（再熱前の低温蒸気）に加えて、中圧ドラム４９からの飽和蒸気を排熱回収ボイラ１０内の中圧過熱器（不図示）で過熱した蒸気も供給される。そして、再熱器で昇温された蒸気は、再熱蒸気として、中圧タービン３２に供給される。中圧タービン３２に供給された再熱蒸気は、中圧タービン３２で仕事をした後、低圧タービン３４に供給される。
【００４６】
低圧タービン３４には、中圧タービン３２で仕事をした後の再熱蒸気に加えて、低圧ドラム４５からの飽和蒸気を排熱回収ボイラ１０内の低圧過熱器（不図示）で過熱した蒸気も供給される。
【００４７】
高圧タービン３０、中圧タービン３２及び低圧タービン３４には、回転シャフトを介して発電機３６が連結されており、各タービン（３０，３２，３４）の回転エネルギーによって発電機３６が駆動されて電力が生成されるようになっている。
【００４８】
なお、ガスタービン２と蒸気タービン１１とは、共通の発電機を駆動するように構成されていてもよい。すなわち、ガスタービン２により駆動される発電機６と、蒸気タービン１１によって駆動される発電機３６は、同一の発電機であってもよい。
【００４９】
低圧タービン３４からの排気（蒸気）は、復水器３８に導かれて復水される。復水器３８で生成された水は、低圧給水ポンプ３９により、低圧節炭器４４に導入される。低圧節炭器４４を通過した水は、一部が低圧ドラム４５に給水され、残りは中圧給水ポンプ５６及び高圧給水ポンプ５８に導かれる。中圧給水ポンプ５６は、中圧節炭器４８を介して中圧給水を中圧ドラム４９に供給する。また、高圧給水ポンプ５８は、高圧節炭器５２を介して高圧給水を高圧ドラム５３に供給する。高圧ドラム５３、中圧ドラム４９及び低圧ドラム４５に導かれた給水は、それぞれ、高圧蒸発器５４、中圧蒸発器５０及び低圧蒸発器４６において、ガスタービン２のタービン５からの排ガスと熱交換されて蒸発し、各ドラム（５３，４９，４５）に飽和蒸気として溜まるようになっている。
【００５０】
冷却システム７は、ガスタービン２の冷却対象部（例えば燃焼器４、又は、タービン５の動翼又は静翼等）を冷却するように構成されている。
冷却システム７は、ガスタービン２の圧縮機３からの圧縮空気を冷却するように構成された熱交換システム８と、熱交換システム８により冷却した圧縮空気をガスタービン２の冷却対象部に供給するための冷却空気供給ライン９と、を備えている。
【００５１】
なお、図１に示す例では、熱交換システム８により冷却された圧縮空気は、冷却空気供給ライン９を介して冷却対象部としての燃焼器４に供給されるようになっているが、冷却対象部は燃焼器４に限定されず、ガスタービン２の各コンポーネント（例えばタービン５の動翼又は静翼等）が冷却対象部となり得る。
【００５２】
冷却空気供給ライン９には、熱交換システム８により冷却された圧縮空気を昇圧させるための空気圧縮機６６が設けられていてもよい。熱交換システム８により冷却された空気圧縮機６６によって圧縮空気を昇圧することにより、ガスタービン２の冷却対象部に比較的低温の圧縮空気（冷却空気）を円滑に供給することができる。
【００５３】
以下、幾つかの実施形態に係る熱交換システム８について、より詳細に説明する。
幾つかの実施形態では、熱交換システム８は、図１に示すように、冷却対象のガスが流れるガスライン１２と、ガスライン１２に設けられる第１熱交換器１４と、第１熱交換器１４に接続される冷媒導入ライン１６及び冷媒排出ライン１８と、を備えている。図１に示す例示的な実施形態において、冷却対象のガスは、ガスタービン２の圧縮機３で生成された圧縮空気の一部であり、この圧縮空気の一部が、ガスライン１２を介して冷却システム７に導かれるようになっている。
【００５４】
第１熱交換器１４には、冷媒導入ライン１６から冷却媒体が導入されるようになっており、ガスライン１２を流れる冷却対象のガスと、冷却媒体との熱交換により、冷却対象のガスを冷却するように構成される。
図１に示す実施形態では、蒸気タービン１１からの排気（蒸気）を復水器３８で凝縮することにより得られる復水が、冷却媒体として第１熱交換器１４に導入される。そして、第１熱交換器１４において、冷却媒体である復水と、ガスライン１２を流れる圧縮空気との熱交換により、圧縮空気が冷却されるようになっている。
【００５５】
図１に示す実施形態では、復水器３８からの復水の一部が、冷却媒体として冷媒導入ライン１６を介して第１熱交換器１４に供給されるようになっている。復水器３８からの復水の残部は、復水器３８と排熱回収ボイラ１０の低圧節炭器４４との間に設けられる復水主流ライン４０を介して、第１熱交換器１４を経由せずに低圧節炭器４４に導かれるようになっている。すなわち、図１に示す実施形態において、冷媒導入ライン１６は、復水主流ライン４０から分岐して設けられている。
【００５６】
なお、冷媒導入ライン１６を介して第１熱交換器１４に導かれる冷却媒体としての復水の流量は、例えば復水主流ライン４０に設けられたバルブ４１等によって調節するようになっていてもよい。
【００５７】
第１熱交換器１４に導入された復水（冷却媒体）は、第１熱交換器１４での熱交換により圧縮空気（冷却対象のガス）を冷却した後、冷媒排出ライン１８を介して第１熱交換器１４から排出される。冷媒排出ライン１８を介して排出された復水（冷却媒体）は、復水主流ライン４０を流れる復水と合流し、排熱回収ボイラ１０の低圧節炭器４４へと導かれる。
【００５８】
熱交換システム８は、冷媒導入ライン１６と、冷媒排出ライン１８との間に設けられる再循環ライン２０をさらに備えている。再循環ライン２０は、冷媒排出ライン１８を流れる復水（冷却媒体）の一部を冷媒導入ライン１６に再循環させる（戻す）ように構成される。
【００５９】
また、熱交換システム８は、再循環ライン２０を流れる復水（冷却媒体）の流量を調節するための流量調節部２２をさらに備えている。図１に示す実施形態において、流量調節部２２は、再循環ライン２０に設けられた流量調節弁２４を含む。
流量調節部２２は、冷媒導入ライン１６から第１熱交換器１４に導入される復水の温度が閾値Ｔｓ以上となるように、再循環ライン２０を流れる復水の流量を調節するように構成される。例えば、冷媒導入ライン１６から第１熱交換器１４に導入される復水の温度が閾値Ｔｓ以上となるように、流量調節弁２４の開度が調節されるようになっている。
【００６０】
ここで、図２は、第１熱交換器１４を構成する伝熱管１３近傍の温度分布の一例を示す図である。図２に示す例において、第１熱交換器１４に導入される冷却媒体（図１に示す実施形態では復水）の温度（バルク温度）はＴであり、第１熱交換器１４に導入される冷却対象のガス（図１に示す実施形態では圧縮空気）の温度（バルク温度）はＴａである。
【００６１】
典型的には、伝熱管１３の近傍では、冷却媒体の温度Ｔと冷却対象のガスの温度Ｔａとの温度差や、冷却媒体及び冷却対象のガスの伝熱係数等に応じて、図２に示すような温度分布となる。すなわち、伝熱面１３ａ（伝熱管１３の表面）の近傍で冷却媒体及び冷却対象のガスの温度勾配が大きく、伝熱面１３ａに近づくにつれて冷却対象のガスの温度は低くなる。ここで、冷却媒体の温度Ｔが低いほど、伝熱面１３ａ近傍における冷却対象のガスの温度が低くなり、伝熱面１３ａの近傍で局所的にガスの過冷却が起こりやすくなる。このように過冷却が生じると、冷却対象のガス中に含まれる水分からドレン（凝縮水分）が生じ、ガスが流れる配管に腐食等の損傷が生じる場合がある。
【００６２】
この点、図１に示す第１熱交換器１４において、冷却媒体である復水は圧縮空気との熱交換により熱を受け取るので、第１熱交換器１４から冷媒排出ライン１８に排出される復水は、冷媒導入ライン１６を流れる復水よりも高温である。
よって、再循環ライン２０を介して、冷媒排出ライン１８を流れる復水（冷却媒体）の一部を冷媒導入ライン１６に再循環させることにより、冷媒導入ライン１６から第１熱交換器１４に導入される復水（冷却媒体）の温度を上昇させることができる。
また、再循環ライン２０を介して冷媒排出ライン１８から冷媒導入ライン１６へと戻す高温の復水の流量（冷却媒体の再循環流量）を流量調節部により調節することにより、第１熱交換器１４に流入する復水（冷却媒体）の温度を閾値以上に保持することができる。
よって、第１熱交換器１４の伝熱面の近傍における局所的なガスの過冷却を防止し、ガスライン１２におけるドレンの発生を抑制することができる。これにより、ガスライン１２の配管腐食を抑制することができる。
【００６３】
幾つかの実施形態では、流量調節部２２は、図１に示すように、流量調節弁２４を制御するための弁コントローラ２６をさらの備えていてもよい。なお、弁コントローラ２６等による流量調節部２２における流量制御については、後で説明する。
【００６４】
再循環ライン２０には、再循環ポンプ２８が設けられていてもよい。再循環ポンプ２８を再循環ライン２０に設けることにより、第１熱交換器１４における圧力損失の分だけ冷媒排出ライン１８よりも高圧である冷媒導入ライン１６への復水（冷却媒体）の再循環が可能となる。
【００６５】
幾つかの実施形態では、熱交換システム８は、図１に示すように、ガスライン１２の第１熱交換器１４よりも上流側に設けられた第２熱交換器１５をさらに備えている。
この場合、第１熱交換器１４よりも上流側の第２熱交換器１５（すなわち、一段目の冷却器）と、第１熱交換器１４（すなわち、二段目の冷却器）とを用いて、ガスタービン２の圧縮機３からの高温の圧縮空気を、ガスタービン２の冷却対象部（例えば燃焼器４）を冷却するのに適した温度域まで段階的に降温させることができる。
【００６６】
第２熱交換器１５において冷却対象のガス（図１に示す実施形態では、ガスタービン２の圧縮機３で生成された圧縮空気）を冷却するための冷却媒体としては、例えば、復水器３８からの復水、あるいは、排熱回収ボイラ１０の低圧蒸発器４６、中圧蒸発器５０又は高圧蒸発器５４に供給される低圧給水、中圧給水又は高圧給水を利用してもよい。
【００６７】
図１に示す例示的な実施形態では、第２熱交換器１５は、ＧＴＣＣ発電プラント１における高圧給水と、ガスライン１２を流れる圧縮空気とを熱交換させて、圧縮空気を冷却するように構成されている。
【００６８】
図１に示すように、高圧給水ポンプ５８からの高圧給水は、高圧給水主流ライン６０を介して高圧節炭器５２に導かられるようになっている。そして、高圧給水ポンプ５８からの高圧給水の一部が、高圧給水主流ライン６０から分岐する高圧給水導入ライン６２を介して、冷却媒体として第２熱交換器１５に供給されるようになっている。
【００６９】
第２熱交換器１５での熱交換により圧縮空気を冷却した高圧給水（冷却媒体）は、高圧給水排出ライン６４を介して第２熱交換器１５から排出される。高圧給水排出ライン６４を介して排出された高圧給水（冷却媒体）は、高圧給水主流ライン６０を流れる高圧給水と合流し、排熱回収ボイラ１０の高圧節炭器５２へと導かれる。
【００７０】
なお、高圧給水導入ライン６２を介して第２熱交換器１５に導かれる冷却媒体としての高圧給水の流量は、例えば高圧給水主流ライン６０に設けられたバルブ６１等によって調節するようになっていてもよい。
【００７１】
このように、第２熱交換器１５にて圧縮空気を高圧給水により冷却することで、ガスタービン２の圧縮機３からの高温の圧縮空気の熱エネルギーを高圧給水に回収させることで、ＧＴＣＣ発電プラント１の熱効率を向上させることができる。
【００７２】
次に、熱交換システム８における、冷媒排出ライン１８から再循環ライン２０を介して冷媒導入ライン１６に再循環させる復水（第１熱交換器１４における冷却媒体）の流量（以下、再循環流量と称する）の制御について説明する。
なお、冷却媒体の再循環流量の制御は、流量調節部２２によって行われてもよく、弁コントローラ２６で流量調節弁２４の開度を制御することにより行われてもよい。
【００７３】
幾つかの実施形態では、復水（冷却媒体）の再循環流量は、冷媒導入ライン１６から第１熱交換器１４に導入される復水（冷却媒体）の温度Ｔと、上述の閾値Ｔｓ以上の目標温度Ｔｇとの偏差に基づいて制御される。
このように、第１熱交換器１４に流入する復水（冷却媒体）の温度Ｔと目標温度Ｔｇとの偏差に基づいて、例えば弁コントローラによる制御下で流量調節弁を作動させることにより、再循環流量を調節することで、第１熱交換器１４に流入する復水（冷却媒体）の温度Ｔを適切に調節し、ガスライン１２におけるドレンの発生を効果的に抑制できる。
【００７４】
復水（冷却媒体）の再循環流量は、ガスライン１２を流れる圧縮空気（冷却対象のガス）の温度が、第１熱交換器１４の伝熱面１３ａ（図２参照）において、該圧縮空気の露点よりも高くなるように調節されてもよい。
【００７５】
あるいは、幾つかの実施形態では、復水（冷却媒体）の再循環流量は、冷媒導入ライン１６から第１熱交換器１４に導入される復水（冷却媒体）の温度Ｔ［℃］とし、ガスライン１２を流れる圧縮空気（冷却対象のガス）の露点をＴｄ［℃］としたとき、（Ｔｄ−１５）≦Ｔ≦（Ｔｄ＋５）の関係を満たすように調節される。
【００７６】
このように、冷媒導入ライン１６から第１熱交換器１４に導入される復水（冷却媒体）の温度Ｔを適度な温度範囲内に維持することで、ガスライン１２における局所的なドレン発生を抑制しながら、第１熱交換器１４における熱交換を効率的に行うことができる。
【００７７】
なお、弁コントローラ２６には、復水（冷却媒体）が流れる各ラインに設けられた各種センサの検出結果に基づいて、上述の再循環流量の制御を行うようになっていてもよい。
【００７８】
図１に示す例示的な実施形態では、冷媒導入ライン１６には、第１熱交換器１４に導入される復水（冷却媒体）の温度Ｔを検出する温度センサ６８が設けられ、冷媒排出ライン１８には、第１熱交換器１４から排出される復水（冷却媒体）の温度を検出する温度センサ７０が設けられている。また、再循環ライン２０には、冷媒導入ライン１６に再循環させる復水（冷却媒体）の流量を検出するための流量センサ７２が設けられている。さらに、冷媒導入ライン１６には、復水主流ライン４０と冷媒導入ライン１６とが分岐する分岐点よりも下流側かつ再循環ライン２０が冷媒導入ライン１６に合流する合流点よりも上流側において、復水器３８からの復水のうち、冷却媒体として冷媒導入ライン１６に流入する復水の流量を検出する流量センサ７４が設けられている。
【００７９】
弁コントローラ２６は、例えば、温度センサ６８、温度センサ７０、流量センサ７２、又は流量センサ７４の少なくとも１つの検出結果に基づいて、復水（冷却媒体）の再循環流量の制御を行うように構成されていてもよい。
【００８０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【００８１】
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【００８２】
１    ＧＴＣＣ発電プラント
２    ガスタービン
３    圧縮機
４    燃焼器
５    タービン
６    発電機
７    冷却システム
８    熱交換システム
９    冷却空気供給ライン
１０  排熱回収ボイラ
１１  蒸気タービン
１２  ガスライン
１４  第１熱交換器
１５  第２熱交換器
１６  冷媒導入ライン
１８  冷媒排出ライン
２０  再循環ライン
２２  流量調節部
２４  流量調節弁
２６  弁コントローラ
２８  再循環ポンプ
３０  高圧タービン
３２  中圧タービン
３４  低圧タービン
３６  発電機
３８  復水器
３９  低圧給水ポンプ
４０  復水主流ライン
４１  バルブ
４４  低圧節炭器
４５  低圧ドラム
４６  低圧蒸発器
４８  中圧節炭器
４９  中圧ドラム
５０  中圧蒸発器
５２  高圧節炭器
５３  高圧ドラム
５４  高圧蒸発器
５６  中圧給水ポンプ
５８  高圧給水ポンプ
６０  高圧給水主流ライン
６１  バルブ
６２  高圧給水導入ライン
６４  高圧給水排出ライン
６６  空気圧縮機
６８  温度センサ
７０  温度センサ
７２  流量センサ
７４  流量センサ
【図１】
2018084208.tif 000003
【図２】
2018084208.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成30年2月6日(2018.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象のガスが流れるガスラインと、
前記ガスラインに設けられ、冷却媒体との熱交換により前記ガスを冷却するように構成された第１熱交換器と、
前記第１熱交換器に前記冷却媒体を導入するための冷媒導入ラインと、
前記ガスを冷却した後の前記冷却媒体を前記第１熱交換器から排出するための冷媒排出ラインと、
前記冷媒排出ラインを流れる前記冷却媒体の少なくとも一部を前記冷媒導入ラインに再循環させるための再循環ラインと、
前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度が閾値以上となるように前記再循環ラインを流れる前記冷却媒体の流量を調節するための流量調節部と、
を備え、
前記ガスラインは、ガスタービンの圧縮機から該ガスタービンの冷却対象部に圧縮空気を供給するように構成される
ことを特徴とする熱交換システム。
【請求項２】
前記流量調節部は、
前記再循環ラインに設けられた流量調節弁と、
前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の前記温度と前記閾値以上の目標温度との偏差に基づいて、前記流量調節弁を制御するように構成された弁コントローラと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
【請求項３】
前記再循環ラインに設けられる再循環ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換システム。
【請求項４】
前記冷媒導入ラインには、前記ガスタービンとともにＧＴＣＣを構成する蒸気タービンの復水器からの復水の一部が供給されるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の熱交換システム。
【請求項５】
前記ガスラインの前記第１熱交換器よりも上流側に設けられた第２熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の熱交換システム。
【請求項６】
前記第２熱交換器は、前記ガスタービンを含むＧＴＣＣの高圧給水と前記ガスとを熱交換させて前記ガスを冷却するように構成されたことを特徴とする請求項５に記載の熱交換システム。
【請求項７】
前記流量調節部は、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度をＴ［℃］とし、前記ガスの露点をＴｄ［℃］としたとき、（Ｔｄ−１５）≦Ｔ≦（Ｔｄ＋５）の関係を満たすように前記再循環ラインを流れる前記冷却媒体の流量を調節するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の熱交換システム。
【請求項８】
ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を冷却するように構成された請求項１乃至７の何れか一項に記載の熱交換システムと、
前記熱交換システムにより冷却した前記圧縮空気を前記ガスタービンの冷却対象部に供給するための冷却空気供給ラインと、を備えることを特徴とするガスタービンの冷却システム。
【請求項９】
前記冷却空気供給ラインに設けられる空気圧縮機をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンの冷却システム。
【請求項１０】
ガスタービンと、
前記ガスタービンを冷却するように構成された請求項８又は９に記載の冷却システムと、
を備えることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項１１】
熱交換システムを運転し、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を冷却する運転ステップと、
前記熱交換システムにより冷却した前記圧縮空気を前記ガスタービンの冷却対象部に供給するステップと、
を備えるガスタービンの冷却方法であって、
前記運転ステップは、
第１熱交換器において、冷却媒体との熱交換によりガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を冷却するステップと、
前記圧縮空気を冷却した後の前記冷却媒体を前記第１熱交換器から排出するための冷媒排出ラインから、前記第１熱交換器に前記冷却媒体を導入するための冷媒導入ラインに、前記冷却媒体の一部を再循環させるステップと、を含み、
前記再循環させるステップでは、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度が閾値以上となるように、前記冷媒排出ラインから前記冷媒導入ラインに再循環させる前記冷却媒体の流量を調節する
ことを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【請求項１２】
前記再循環させるステップでは、前記冷媒導入ラインから前記第１熱交換器に導入される前記冷却媒体の温度をＴ［℃］とし、前記圧縮空気の露点をＴｄ［℃］としたとき、（Ｔｄ−１５）≦Ｔ≦（Ｔｄ＋５）の関係を満たすように、前記冷媒排出ラインから前記冷媒導入ラインに再循環させる前記冷却媒体の流量を調節する
ことを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンの冷却方法。