(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数台のガスタービンを備える多軸型ガスタービンプラントに適用され、各軸に設けられる圧縮機の空気導入部にそれぞれ熱交換器を備え、この各熱交換器によって吸込空気を冷却して前記各圧縮機にそれぞれ送り出すガスタービンの吸気冷却システムであって、前記各熱交換器に冷却媒体を供給する共通な一つ又は複数の冷熱源を備え、この冷熱源から前記各熱交換器の冷却媒体入口に冷却媒体を分岐型の供給配管を介してそれぞれ分配する一方、前記各熱交換器の冷却媒体出口から熱交換後の冷却媒体を統合型の戻し配管を介して合流させて前記冷熱源に戻すことを特徴とするガスタービン吸気冷却システム。
【請求項２】
請求項１記載のガスタービン吸気冷却システムにおいて、冷熱源から供給される冷却媒体の全量を全ての熱交換器に均等に分配した場合の各分配量を前記各熱交換器における流量の計画点として定め、この計画点の流量は前記各熱交換器に流通し得る冷却媒体の最大流量の範囲内とし、運転時には前記各熱交換器に前記計画点の流量から一定割合を増減した流量の冷却媒体を供給することを特徴とするガスタービン吸気冷却システム。
【請求項３】
請求項２記載のガスタービン吸気冷却システムにおいて、１台以上の熱交換器からの冷却媒体流量の要求値が変化した場合に、冷熱源からの全供給量を一定に保持した状態で、残りの供給量を他の熱交換器に均等に分配することを特徴とするガスタービン吸気冷却システム。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載のガスタービン吸気冷却システムにおいて、各圧縮機の空気導入部は、吸込み空気を素通しできる第１流路と、吸込み空気の熱交換を行う第２流路とを並列配置で備え、かつ前記第１流路および第２流路を通過する空気の量を熱交換要求量に応じて調整することを特徴とするガスタービン吸気冷却システム。
【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適用される吸気冷却システムに係り、特に多軸型ガスタービンプラントへの適用に際して冷熱源を効率よく運用できるガスタービン吸気冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスタービン発電プラントは図３に示すように、共通な回転軸１上に圧縮機２、ガスタービン４および発電機５を連結し、回転軸１の周囲に複数の燃焼器３を備えた構成とされている。
【０００３】
圧縮機２では大気中の空気を吸い込んで高圧空気とし、この高圧空気を燃焼器３に送り出して燃料を燃焼させ、発生した燃焼ガスを高温作動ガスとしてガスタービン４に供給するようになっている。ガスタービン４では高温作動ガスのエネルギを回転トルクに代え、その回転トルクをもとに発電機５を回転駆動し、電気出力を行う。ガスタービン４に供給された高温作動ガスは、エネルギーを回転トルクに代えた後、排気として再び大気に送り出される。
【０００４】
このようなガスタービン発電プラントは、急速起動および急速停止が容易であることから、負荷変動等に対して大きい利便性を発揮でき、近年その適用が増大してきている。
【０００５】
ところで、ガスタービン発電プラントは吸気温度の違いによって出力に大きな影響を受けることが知られている。すなわち、大気中の空気温度とガスタービン出力とは図４に示すように、ほぼ反比例の関係にあり、例えば空気温度が１５℃の時のガスタービン出力を１００％として設計した場合には、冬季のように空気温度が１０℃の時に出力が向上し、逆に夏季のように空気温度が３０℃の時には出力が低下する。
【０００６】
また、夏季の１日を例にとって大気温度と電力需要との関係を観察すると、図５に示すように、深夜から朝にかかる時間帯では電力需要が比較的低いのに対し、午前中から夕方にかけては深夜の電力需要よりも倍加している。そこで、このように電力需要が倍加する夏季等の高気温時においては、圧縮機２への吸込み空気を冷却し、ガスタービン出力を高く保持することが望ましい。
【０００７】
このような要望に沿い、これまでガスタービン吸気冷却システムについての研究が種々行われており、例えば圧縮機の空気導入部に熱交換器を設け、この熱交換器によって吸込空気を冷却して圧縮機に送り出す技術が提案されている（特開平６−３０７２５８号公報、実開平６−８７６３９号公報等）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に多用されているガスタービンプラントは、複数のガスタービンを異なる軸上に設けた多軸型ガスタービンプラントである。このような多軸型ガスタービンプラントに対し、上述したガスタービン吸気冷却システムを適用するこれまでの案では、各軸の圧縮機の空気導入部に設けた熱交換器毎に対応して複数の冷熱源を備え、その各冷熱源から各熱交換器にそれぞれ冷却媒体を供給して、各軸の圧縮器の空気導入部毎に個別的に冷却制御を行うようにしている。つまり、各軸の圧縮機毎にガスタービン吸気冷却システムを組込んだ構成としている。
【０００９】
ところが、多軸型のガスタービンプラントでは、定期点検などのメンテナンスのために、通常少なくとも１軸のガスタービンが停止していることが多い。したがって、各軸の圧縮機毎にガスタービン吸気冷却システムを組込んだ構成では、圧縮機の入口側に設けられる熱交換器に供給される熱交換媒体およびその冷熱源等が、吸気冷却運転を行わない時に他に使用されることなく放置されることになり、運用上の効率が低下するという問題があった。
【００１０】
また、熱交換器に供給される冷却媒体、例えば冷水について観察すると、一般にガスタービンプラントでは設備のコンパクト志向から伝熱面積を低減するために、伝熱管内への冷水流量を最大限に高めた設計を行っている。この設計値以上に冷水流量を増大させることは、エロージョンなどの可能性を伴う。そこで従来では、何らかの理由で熱交換器での冷却運転を高める必要が生じた場合、例えば１軸以上の軸のガスタービンを休止し、他の軸のガスタービンで高出力運転を行う必要が生じた場合においても、それに伴わせて吸気冷却システムの冷却運転を高めるために熱交換器に通水する冷水流量を増大させることはエロージョンなどの可能性から実行することができず、吸気冷却機能の向上が要望されていた。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、多軸型のガスタービン発電プラントへの吸気冷却についても、冷却媒体および熱源を効率よく運用することができるとともに、冷却媒体の流量増大の要請に対してもエロージョンなどの可能性が生じることなく対応することができ、常に的確な冷却機能が発揮できるガスタービン吸気冷却システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１の発明では、複数台のガスタービンを備える多軸型ガスタービンプラントに適用され、各軸に設けられる圧縮機の空気導入部にそれぞれ熱交換器を備え、この各熱交換器によって吸込空気を冷却して前記各圧縮機にそれぞれ送り出すガスタービンの吸気冷却システムであって、前記各熱交換器に冷却媒体を供給する共通な一つ又は複数の冷熱源を備え、この冷熱源から前記各熱交換器の冷却媒体入口に冷却媒体を分岐型の供給配管を介してそれぞれ分配する一方、前記各熱交換器の冷却媒体出口から熱交換後の冷却媒体を統合型の戻し配管を介して合流させて前記冷熱源に戻すことを特徴とするガスタービン吸気冷却システムを提供する。
【００１３】
請求項２の発明では、請求項１記載のガスタービン吸気冷却システムにおいて、冷熱源から供給される冷却媒体の全量を全ての熱交換器に均等に分配した場合の各分配量を前記各熱交換器における流量の計画点として定め、この計画点の流量は前記各熱交換器に流通し得る冷却媒体の最大流量の範囲内とし、運転時には前記各熱交換器に前記計画点の流量から一定割合を増減した流量の冷却媒体を供給することを特徴とするガスタービン吸気冷却システムを提供する。
【００１４】
請求項３の発明では、請求項２記載のガスタービン吸気冷却システムにおいて、１台以上の熱交換器からの冷却媒体流量の要求値が変化した場合に、冷熱源からの全供給量を一定に保持した状態で、残りの供給量を他の熱交換器に均等に分配することを特徴とするガスタービン吸気冷却システムを提供する。
【００１５】
請求項４の発明では、請求項１から３までのいずれかに記載のガスタービン吸気冷却システムにおいて、各圧縮機の空気導入部は、吸込み空気を素通しできる第１流路と、吸込み空気の熱交換を行う第２流路とを並列配置で備え、かつ前記第１流路および第２流路を通過する空気の量を熱交換要求量に応じて調整することを特徴とするガスタービン吸気冷却システムを提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン吸気冷却システムの一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。なお、本実施形態は４軸構成のガスタービン発電プラントへの適用例を示したものである。図１はそのシステム構成を示す系統図であり、図２は図１に示した圧縮機の空気導入部の構成を詳細に示す構成図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態では４軸のガスタービンプラント１０ａ〜１０ｄにおいて、それぞれ各回転軸１１ａ〜１１ｄ上に、圧縮機１２ａ〜１２ｄ、ガスタービン１４ａ〜１４ｄおよび発電機１５ａ〜１５ｄが連結され、各回転軸１ａ〜１１ｄの周囲にそれぞれ燃焼器１３ａ〜１３ｄが配置されている。
【００１８】
そして、各圧縮機１２ａ〜１２ｄで吸込まれた大気中の空気が高圧空気となり、燃焼器１３ａ〜１３ｄにそれぞれ送り出されて燃料の燃焼に供され、発生した燃焼ガスが高温作動ガスとしてガスタービン４に供給されるようになっている。各ガスタービン１４ａ〜１４ｄは高温作動ガスのエネルギを回転トルクに代え、その回転トルクをもとに発電機１５ａ〜１５ｄを回転駆動し、これにより電気出力がなされる。
【００１９】
このものにおいて、各圧縮機１２ａ〜１２ｄの空気導入部１２ａ１〜１２ｄ１に空気冷却器１６ａ〜１６ｄがそれぞれ設置され、この各空気冷却器１６ａ〜１６ｄに対して共通な一つの冷熱源１７が備えられている。すなわち、冷熱源１７は例えば吸気冷却運転中または運転後に稼動する冷凍機１８との熱交換により、冷水を氷点温度以下に保持する槽として構成され、これにより冷熱を得るようになっている。
【００２０】
そして、この１つの冷熱源１７が、各軸の熱交換器１６ａ〜１６ｄの冷却媒体入口に分岐型の供給配管１９を介してそれぞれ連結され、各熱交換器１６ａ〜１６ｄに冷却媒体としての冷水が分配されるようになっている。また、各熱交換器１６ａ〜１６ｄの冷却媒体出口は統合型の戻し配管２０を介して冷熱源１７に連結され、各熱交換器１６ａ〜１６ｄにおいて熱交換された後の冷水が戻し配管２０の枝管部分２０ｂから統合配管部分２０ａに流入して合流した後、冷熱源１７に戻るようになっている。なお、供給配管１９の母管部分１９ａには冷水循環ポンプ２１が設けられ、また戻し配管２０の各枝管部分２０ｂにはそれぞれ流量調整弁２２ａ〜２２ｄが設けられている。
【００２１】
このような熱交換器１６ａ〜１６ｄが設けられた圧縮機１２ａ〜１２ｄの空気導入部１２ａ１〜１２ｄ１は、図２に示すように、フィルタ２３の下流側に吸込み空気ａを素通しできる第１流路２４と、吸込み空気ａの熱交換を行う第２流路２５とを並列配置で備え、かつ第１流路２４および第２流路２５を通過する空気の量を、熱交換要求量に応じてダンパ２６によって調整することができるようになっている。
【００２２】
次に、作用について説明する。
【００２３】
本実施形態では、冷熱源１７から供給される冷水の全量を全ての熱交換器１６ａ〜１６ｄに均等に分配した場合の各分配量を各熱交換器１６ａ〜１６ｄにおける流量の計画点として定めてある。この計画点の流量は、各熱交換器１６ａ〜１６ｄに流通し得る冷却媒体の最大流量の範囲内としてある。そして、運転時においては、各熱交換器１６ａ〜１６ｄの要求に応じて計画点の流量から一定割合を増減した流量の冷却媒体を供給することができるようになっている。
【００２４】
詳述すると、熱交換器１６ａ〜１６ｄのうち１台以上からの冷却媒体流量の要求値が変化した場合には、冷熱源１７からの全供給量を一定に保持した状態で、残りの供給量を他の熱交換器１６ａ〜１６ｄに均等に分配するようになっている。
【００２５】
表１は、この運用例を具体的に示している。
【００２６】
【表１】
0003764576.tif 000002
【００２７】
この表１では、各熱交換器１６ａ〜１６ｄにおける冷水流量の値を、計画点に対する百分率で示してある。計画点においては、冷熱源１７から供給される冷水流量は均等に各々１００％であることを示している。また表１のカッコ内の値は、各熱交換器１６ａ〜１６ｄに最大限通水可能な流量割合を示す。つまり、本実施形態では、各熱交換器１６ａ〜１６ｄへ通水することができる最大流量の半分が計画点として定めてある。
【００２８】
そして、表１に示したように、運用例１は、例えば１つの熱交換器１６ａの冷水流量の要求値がゼロ、すなわち運用を停止した場合についてのものである。この場合には、残りの空気冷却器１６ｂ，１６ｃ，１６ｄへ通水する冷水流量はそれらの空気冷却器１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの出口側に設けた流量調整弁２２ｂ，２２ｃ，２２ｄによって制御され、均等に分配される。つまり、残りの空気冷却器１６ｂ，１６ｃ，１６ｄへの冷水流量値は１３３％で同一である。
【００２９】
また、運用例２は、例えば１つの熱交換器１６ａの冷水流量の要求値が計画点よりも大きい値を示した場合についてのものである。この例では熱交換器１６ａの冷水流量の要求値が１６０％であり、この場合には、残りの熱交換器１６ｂ，１６ｃ，１６ｄへ通水する冷水流量は、それらの熱交換器１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの各出口側にに設けた流量調整弁２２ｂ，２２ｃ，２２ｄによって制御され、均等に分配される。つまり、残りの空気冷却器１６ｂ，１６ｃ，１６ｄへの冷水流量値は８０％で同一である。
【００３０】
さらに運用例３は、例えば２つの熱交換器１６ａおよび６ｂの冷水流量の要求値が計画点よりも大きい値を示した場合についてのものである。すなわち、これらの熱交換器１６ａおよび６ｂへ通水する冷水流量が例えば１２０％の場合には、残りの熱交換器１６ｃ，１６ｄへ通水する冷水流量は、それらの熱交換器１６ｃ，１６ｄの出口にある流量調整弁２２ｃ，２２ｄによって制御され、均等に分配される。つまり、残りの空気冷却器１６ｃ，１６ｄの冷水流量値は８０％で同一である。
【００３１】
このように、本実施形態のガスタービン吸気冷却システムによれば、熱交換器１６ａ〜１６ｄの任意の１台以上からの冷水流量要求値が変化した運用においても、供給する冷水流量はその全量を一定に保ったまま、残りの熱交換器１６ａ〜１６ｄへ流量を均等にして通水することができる。したがって、１つの冷熱源１７を各軸の圧縮器１２ａ〜１２ｄの空気導入部１２ａ１〜１２ｄ１に効率よく導いて常に効率よく空気冷却することが可能となり、従来のように１対１で吸気冷却システムを各軸の熱交換器に対応させた場合に比して、多軸型のガスタービン発電プラントへの吸気冷却について、冷却媒体および熱源を効率よく運用することができる。
【００３２】
しかも、本実施形態では、計画点の流量（１００％）を各熱交換器１６ａ〜１６ｄに流通し得る冷却媒体の最大流量（２００％）の範囲内としてあり、また運転時において増減する流量割合は最大流量（２００％）の範囲内で均等な分配とするので、冷水の流量増大の要請に対してもエロージョンなどの可能性が生じることなく対応することができ、常に的確な冷却機能が発揮できるものとなる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、空気導入部１２ａ１〜１２ｄ１がフィルタ２３の下流側に吸込み空気ａを素通しできる第１流路２４と、吸込み空気ａの熱交換を行う第２流路２５とを並列配置で備え、かつ第１流路２４および第２流路２５を通過する空気の量を、熱交換要求量に応じてダンパ２６によって調整できるようにしたので、季節あるいは時間に応じて熱交換要求量が変化する場合に、各流路２４，２５への空気流量を変化させて熱交換器１６ａ〜１６ｄと空気との接触量を調整することができる。例えば、流量抵抗を伴う第２流路２５での流量を低減させ、第１流路２４による空気流量を相対的に多くすることで、運転効率を向上させることも可能である。
【００３４】
なお、以上の実施形態では冷却媒体として冷水を用いたが、これに限らず、他の液体、気体等の種々の冷却媒体を適用できることは勿論である。また、４軸構成のガスタービンプラントへの適用例について説明したが、３以下または５以上の多軸構成のものについても適宜実施することができる。さらに、計画点等についても種々の設定変更が可能である。
【００３５】
また、共通な冷熱源を１つとしたが、２以上についても適用できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明に係るガスタービン吸気冷却システムによれば、多軸型のガスタービン発電プラントへの吸気冷却についても、冷却媒体および熱源を効率よく運用することができるとともに、冷却媒体の流量増大の要請に対してもエロージョンなどの可能性が生じることなく対応することができ、常に的確な冷却機能が発揮できる等の優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービン吸気冷却システムの一実施形態を示す系統図。
【図２】図１に示した圧縮機の空気導入部の構成を詳細に示す構成図。
【図３】従来のガスタービン発電プラントの概略構成図。
【図４】ガスタービン回転トルクと大気空気温度との関係を示すグラフ。
【図５】夏季などのある１日の時刻と、大気温度、電力需要の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１  回転軸
２  圧縮機
４  ガスタービン
５  発電機
３  燃焼器
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  ガスタービンプラント
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  回転軸
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  圧縮機
１２ａ１，１２ｂ１，１２ｃ１，１２ｄ１  空気導入部
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ  燃焼器
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ  ガスタービン
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ  発電機
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ  発電機
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ  空気冷却器
１７  冷熱源
１８  冷凍機
１９  供給配管
１９ａ  母管部分
２０  戻し配管
２０ａ  統合配管部分
２０ｂ  枝管部分
２１  冷水循環ポンプ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ  流量調整弁
２３  フィルタ
２４  第１流路
２５  第２流路
２６  ダンパ
ａ  吸込み空気
【図１】
0003764576.tif 000003
【図２】
0003764576.tif 000004
【図３】
0003764576.tif 000005
【図４】
0003764576.tif 000006
【図５】
0003764576.tif 000007