(57)【要約】【課題】超臨界状態で動作する閉サイクルガスタービンを安定かつ高効率で運転する方法を見出すこと。【解決手段】圧縮機入り口の温度と圧力を臨界点の近傍で圧縮係数が最小となる領域に設定することにより、圧縮動力を最小化しガスタービンの熱効率を最大限に高めた運転方法を提供する。また、上記の運転範囲を制御盤面に表示し可視化することにより運転操作性を向上する。【選択図】図１
2012251508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界状態で運転される閉サイクルガスタービンにおいて、圧縮機の入口の温度と圧力が、圧力と臨界圧力との比Rpと絶対温度で表した温度と臨界温度との比Rtが不等式-9.925≦ Rp -10.96 Rt≦-9.818、1<Rt≦1.016を満たす範囲にあることを特徴とする閉サイクルガスタービンの運転方法。
【請求項２】
二酸化炭素を作動媒体にして超臨界状態で運転される閉サイクルガスタービンにおいて、圧縮機の入口における摂氏温度Tと単位がMPaの圧力pが不等式-0.619≦p-0.266T≦0.171、31≦T≦36を満たす範囲にあることを特徴とする閉サイクルガスタービンの運転方法。
【請求項３】
圧縮機入口の温度、圧力と圧縮係数のうち二つを選択してグラフの縦軸、横軸に選び（請求項１）または（請求項2）に記載の範囲を制御盤面に表示するディスプレイを有することを特徴とする閉サイクルガスタービンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの運転方法に関し、特に圧縮機１の入口における作動流体の制御技術に関する。圧縮機１の上流に前置冷却器４が設置された閉サイクルガスタービンにおいて、圧縮機１の入口における流体の圧力と温度を適切に制御することにより圧縮動力を低減する。
【背景技術】
【０００２】
産業用の熱システムの小型化の一環として、ガスタービンのコンパクト化が模索されている。なかでも、閉サイクルガスタービンは間接加熱であることにより多様な熱源や燃料に対応できるほか、サイクルの内圧を高圧にして単位体積あたりの流体が有するエネルギー（以下エネルギー密度と称す）を高められるので設備を小型化できるという特徴がある。このため適用分野を問わず活発に机上検討がなされている。
【０００３】
たとえば、超臨界状態にある高圧の二酸化炭素を作動流体にすると、低中温度域の熱から効率よく動力を回収できしかも機器の設置面積が少なくてすむ。たとえば図6  に示す閉サイクルガスタービンでは、作動流体が圧縮機１で加圧、加熱器５で加熱、タービン２で膨張、前置冷却器４で冷却されてサイクルを一巡し発電機３で動力を回収している。このサイクルの運転方法として、貯気タンク６でサイクル内の作動流体の質量（インベントリー）を制御することで部分負荷運転の熱効率を高める方法が知られている（例えば特許文献１などを参照）。また、インベントリー制御に使用される貯気タンク６の小型化技術も知られている（例えば特許文献２などを参照）。
【特許文献１】特開２００９−２４２５６２
【特許文献２】特開２００７−７７０６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１などに見られる従来の技術は、部分負荷時にターボ機械の回転数を変えずに系統の密度を制御することで部分負荷運転時のターボ機械の効率の低下を避けている。この方法はターボ機械が理想気体に近い領域で動作する場合に有効であるが、超臨界領域で動作する場合には適用が難しい。その理由は、臨界点の近傍では物性値が大きく変化するので、圧縮機入口７の熱力学的状態を適切に制御しないと圧縮機１の動作が不安定になるからである。
【０００５】
そこで本発明は、上記した課題を解決しサイクルが常に高い効率で動作するように、圧縮機の入口７における作動流体の状態を制御して、圧縮機１が安定に動作しかつ動力が極小となる運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、超臨界状態で動作するガスタービンにおいて、指定された温度において圧縮仕事が最小かつ安定に動作可能な圧力領域に作動流体を制御したことを特徴とする超臨界ガスタービンの運転方法。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の運転方法において、作動流体に二酸化炭素を用いた場合について指定された温度において圧縮仕事が最小かつ安定に動作可能な圧力領域に作動流体を制御したことを特徴とする超臨界ガスタービンの運転方法。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の運転方法において、運転中に圧縮機入口で評価した圧縮係数、温度と圧力を、その許容範囲とともに表示したディスプレイを具備したことを特徴とする超臨界ガスタービンの運転方法。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、作動流体の種類や圧縮方法や負荷の大小によらず普遍的に圧縮動力を最小化した運転を可能とする。その結果超臨界ガスタービンの性能を高く保持できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、作動媒体に超臨界二酸化炭素を用いた場合について圧縮動力を最小化した運転を可能とするので、超臨界二酸化炭素ガスタービンの性能を向上できる。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、圧縮機入口の運転状態と目標との乖離を可視化できるので、ガスタービンの運転操作性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧縮動力が最小になる温度と圧力の範囲を示す図
【図２】制御盤上のディスプレイの一例
【図３】制御盤上のディスプレイの他の例
【図４】圧縮動力と圧縮係数との関係を示す図
【図５】圧縮係数が最小になる圧力を示す図
【図６】閉サイクルガスタービンの一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
ガスタービンの正味出力Ｑはタービンの膨張仕事Ｗtから圧縮機の圧縮仕事Ｗcを差し引いたもの（Ｑ＝Wt-Wc）であるから、圧縮動力の低減は正味出力を増し、サイクルの熱効率を向上させる。作動流体が理想気体である通常のオープンサイクルガスタービンではWc/Wt比は５５％程度である。図４は超臨界ＣＯ２（二酸化炭素）を作動流体とする閉サイクルガスタービンで測定した圧縮動力の挙動を示す。出願時点（２０１１．６）において世界初の発電時のデータである。臨界点（圧力７．３８２５MPa,温度３１．０６℃）近傍での実験データ８がプロットされている。図中の記号πは圧力比  （圧縮機の出口圧力と入口圧力との比）  を表す。横軸の圧縮係数は圧縮機入口７で測定された諸量を用いて次式で計算される。
（数1）
z≡pv/RT                                                                                  
ここで、p:圧力(Pa), v:比体積(m3/kg),T:絶対温度(K),R:ガス定数である。0<z≦1であり実ガスの程度を表す。定義から理想気体では１である。また、縦軸の実ガスと理想気体との圧縮動力の比Rは、次式で計算される。
（数2）
R=Δhs/Ws,id                                                                                
ここで、Δhs：実ガスの可逆断熱圧縮時の出入り口の比エンタルピ落差(J/kg)、Ws,id：理想気体の比圧縮仕事(J/kg)
臨界点の近傍では作動流体は実ガスとして振舞う。図からRはzにほぼ等しく、ＣＯ2の臨界点（圧力７．３８２５MPa,  温度３１．０６℃）の近傍では約０．２である。すなわち、臨界点の近傍では実ガス効果が顕著で、圧縮動力が理想気体の約1/5に低減することがわかる。したがって、この領域でガスを圧縮すればガスタービンの正味出力Qを大幅に増大できる。
【００１３】
図5は、超臨界ＣＯ2のｚの温度（Ｔ）、圧力（p）依存性を示す。温度を与えたときzが最小となる圧力１０p0が存在し、最小のｚ（≡ｚmin（Ｔ））は温度の低下とともに減少することがわかる。
p0は擬臨界圧力９psより高圧側にあり、圧力がpsに近づくにつれてｚの値が急増する傾向がある。擬臨界圧力とは超臨界状態である温度において比熱が極大になる圧力の状態である。
図5から点線で囲まれた範囲はｚの値が極小に近く、かつ変動が小さく圧縮機１を安定に運転できることが読み取れる。ここで、p0は温度ｔの関数であり次式で表せる。
（数3）
p0=0.266Ｔ-0.329
ここに、圧力p0の単位はMPa,温度Tの単位は℃である。
【００１４】
上記した臨界点近傍の構造は、流体の種類によらない普遍的な性質である。そこで、
この運転範囲を物質に固有の臨界圧力pc、臨界温度Tcで規格化すると本発明の第一の運転方法を表現した次式を得る。
（数4）
-9.925≦Rp -10.96 Rt≦-9.818                                              
1<Rt≦1.016
ここで、Rp:規格圧力(≡p/pc), Rt:規格温度(≡t/tc),
また温度ｔ,  臨界温度tcは絶対温度である。数４式は温度Rtを与えたとき圧縮仕事が最小かつ状態が安定な圧力Rpの範囲を与える運転指標であり流体の種類によらず適用できる。
図1はこの領域を運転変数である温度(Ｒｔ)と圧力(Rp)の範囲として示したものである。
平行四辺形で示される領域１１のなかの温度と圧力が本発明の運転方法である。
【００１５】
数４式は媒体がＣＯ２の場合次式で表現される。
-0.619≦p-0.266T≦0.171                                                            
31≦T≦36
ここで、p:圧力(MPa), T:温度(℃)である。
【実施例２】
【００１６】
図2は第三の発明である制御盤上のディスプレイの一実施例を示す。縦軸に圧縮係数、横軸に圧力をとり運転温度と圧力の上下限で囲まれる領域１２を圧縮機１の最適運転範囲として示したものである。本例では作動流体に二酸化炭素をとりあげているが、他の媒質でも同様な表示は可能である。目標とする状態１３と現在の運転状態１４を表示し、温度、圧力制御の方向を可視化している。圧縮機入り口の温度と圧力の操作は、例えば図6において前置冷却器４で温度を、また圧力は貯気タンク６で系統の作動流体の質量を調節することにより実現できる。図2の例では隠れた変数が温度１５であり等温線表示されている。太い２本の実線と曲線の２本の等温線で囲まれた領域が最適運転範囲１２を示す。これに対し、図3は縦軸に温度、横軸に圧力をとって示し合わせて圧縮係数１７を等高線表示したものである。平行四辺形で囲まれる領域が最適運転範囲１６を示す。この他、圧縮係数、温度、圧力の３変数のうち２変数を縦軸、横軸にとり、必要に応じて残りの変数を等高線表示するものであればどのような組み合わせでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明は、これまで未利用の産業排熱やバイオマス燃焼熱、太陽熱など再生可能エネルギーを熱源とする発電システムや自家発電に用いることができる。
【符号の説明】
【００１８】
1・・・圧縮機
2・・・タービン
3・・・発電機
4・・・前置冷却器
5・・・加熱器
6・・・貯気タンク
7・・・圧縮機入口
8・・・実ガス/理想気体の仕事比
9・・・擬似臨界点
10・・・圧縮係数が最小になる圧力
11・・・運転許容範囲(p,T)
12・・・運転許容範囲(p,z)
13・・・圧縮機の運転目標
14・・・現在の圧縮機運転状態
15・・・等温線
16・・・運転許容範囲（p,T）
17・・・圧縮係数の等高線
【図１】
2012251508.tif 000003
【図２】
2012251508.tif 000004
【図３】
2012251508.tif 000005
【図４】
2012251508.tif 000006
【図５】
2012251508.tif 000007
【図６】
2012251508.tif 000008