三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)

自動車関連技術特集

技 術 論 文49

外気高温下における吸気冷却によるガスタービン複合発電プラントの出力アップ
Power Output Augmentation of Gas Turbine Combined Cycle
under High Ambient Air Temperature by Turbine Air Cooling of Chiller

小 室 隆 信 *1

伊 藤 栄 作 *2

Takanobu Komuro

Eisaku Iito

園 田 隆 *3

冨 田 康 意 *4

Takashi Sonoda

Yasuoki Tomita

日 高 孝 平 *5

澁 谷 誠 司 *6

Kohei Hidaka

Seiji Shibutani

当社の発電事業用大型ガスタービンは高砂製作所で設計製造されている．その高度な回転機器と熱交換器の設計製造技術を反映し，大容量の高性能ターボ冷凍機も，同じ敷地内の冷熱高砂工場で設計製造されている．その２製品の技術を組み合わせたガスタービン複合発電プラント(ＧＴＣＣ)向けのタービン入口の吸気冷却システムを開発した．冷凍機器はターボ冷凍機，冷却塔，送水ポンプ，電源設備を１パッケージ化した．入口ダクトに取り付ける空気冷却コイルも，主要点検期間までに据え付けられるように工夫されている．当社原動機部門と冷熱部門が一体となり，ワンストップサービスを展開する．

|1. はじめに当社の発電事業用大型ガスタービンは高砂製作所で設計製造されている．その高度な回転機器と熱交換器の設計製造技術を反映し，大容量の高性能ターボ冷凍機も，同じ敷地内の冷熱高砂工場で設計製造されている．その２製品の技術を組み合わせたガスタービン複合発電プラント(ＧＴＣＣ)向けのタービン入口吸気冷却システムを開発した．複合発電プラントの中核を示すガスタービン(GT)の発電出力と大気温度の関係を図１に示す．ガスタービンは，大気を吸入圧縮し，燃焼器で燃料と混合させ燃焼し発電するが，大気温度が上昇すると，空気密度が小さくなるので，燃焼器へ送られる空気の質量が低下し，発電量が減少する．35℃の空気を 15℃まで冷やせば，空気の密度は約 10％増え，発電量も約 10％増えることになる．

図１ ガスタービン複合発電(GTCC)の吸気冷却による出力回復のメカニズム
吸気温度を下げることで、吸込み空気の密度が回復し出力が回復する．
*1 冷熱事業本部大型冷凍機部技監・主幹技師*2 技術本部高砂研究所主席研究員*3 技術本部高砂研究所主席研究員*4 高砂製作所サービス部グループ長*5 高砂製作所サービス部*6 冷熱事業本部大型冷凍機部主席技師

三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)50|2. 吸気冷却システム
2.1 ターボ冷凍機の冷却のメカニズム
図２にターボ冷凍機の冷却のメカニズムを示す．
①蒸発器上部にある 10℃以下，0.3Mp レベルの冷媒ガスをターボ(遠心)コンプレッサで圧縮し，凝縮器へ 40℃以上，１Mp レベルのガスを送り込む．②湿式冷却塔(その他の熱交換方法もあり，これは１例)で，大気と熱交換した 30℃前後の冷却水が，先の凝縮器に送られ，冷媒と熱交換し，冷媒を液化させる．③凝縮器の高圧冷媒液を，膨張弁を経て蒸発器へ断熱膨張させ，数℃レベルの低圧冷媒液とする．④蒸発器で冷却コイルからの十数℃の戻り冷水とこの低圧冷媒を熱交換させ，冷媒をガスに戻す．この時，冷水は，数℃(例えば５℃)に冷やされる．当社のターボ冷凍機は，圧縮機の駆動モータへの電力の約 6.5 倍の冷熱エネルギーを冷却コイルに供給できる．これを，成績係数 COP=6.5 と称す．

図２ ターボ冷凍機の冷却のメカニズム

2.2 吸気冷却方式の比較
表１に一般的な吸気冷却方式の比較を示す．①吸気ダクト入口の吸気フィルタ室の後流に水を流下させるエレメントを設け，水の蒸発潜熱で空気を冷やすエバクーラ方式と，②吸気フィルタ室の後流に水ミストを噴霧し，その蒸発潜熱で空気を冷やすフォグ方式と③ターボ冷凍機などのチラーから，吸気フィルタ室の後流に設置した冷却コイルに冷水を供給し，空気を冷やすチラー方式がある．今回の開発は，湿球温度以下に吸気温度の下げられ，出力増加量が多いチラー方式とした．
表１ 吸気冷却方式の比較方式

エバクーラ方式
フォグ方式
チラー方式(Evaporative Cooler)(Fog)(Chiller)
蒸発クーラの媒体に水を流下さ 噴霧ミストの蒸発潜熱による吸 吸気フィルタ室の後流に空気冷せその蒸発潜熱による吸気冷却 気冷却
却コイルを設け、そこへターボ冷凍機などのチラーから冷水を供給して、空気を冷やす

システム構成吸気温度低下量
出力回復
特徴

約５℃
約５℃
約 15℃
(大気条件:30℃，RH:60％)(大気条件:30℃，RH:60％)(大気条件:30℃)
約３％
約３％
約９％
① 湿球温度以下には下がらな ① 吸気ダクト内に排水設備が ① 出力回復を大きい② 湿度に余り関係なく吸気温必要
いので高湿度時には効果が度を下げられる② 湿球温度以下には下がらな
低い
いので高湿度時には効果が ③ 冷却コイルとミストエリミネー② ミストエリミネータが必要
タの設置が必要低い④ チラーを設置する分，初期投資が高い三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)51

2.3 吸気冷却システムの構成要素
図３に，吸気冷却の主要構成要素を示す．①空気冷却コイル(ダクト入口のフィルタ室の後流に設けられる．) ②ターボ冷凍機③冷却塔，④①②間の冷水を循環させる冷水ポンプと，⑤ ②③間の冷却水を循環させる冷却水ポンプ⑥ターボ冷凍機圧縮機モータ，冷却塔ファンモータ，ポンプモータを駆動する電気設備で構成されている．②～⑥は，冷却塔と組み合わせ，図中に示すようにパッケージ化した．

図３ 吸気冷却システムの構成要素

2.4 冷凍容量の選定
図４に，タイ・Chon Buri 市の１年間１時間ごとの気温と相対湿度のデータを示す．
図中に 7800Rt で吸気温度を 10℃まで下げられる範囲と同じターボ冷凍機で冷水温度を少し上げて冷凍能力を 8 600Rt まで増やし，吸気温度を 13.5℃まで冷やせる範囲を示している．このようにして対象地点の気象条件における，適正な冷凍機の冷凍能力が選定される．

図４ 発電所地点付近の気温と相対湿度の１時間ごとの年間データと吸気冷却システムの冷凍容量選定例

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図５に湿度パラメータで，各気温条件での GTCC の出力増加を示す．
エバクーラ方式に比べ大きい出力増加が得られることが分かる．
(注；１USRT；１US トン(2 000 ポンド)，０℃の水を 24 時間で氷にする冷凍能力)

図５ ターボ冷凍機を用いた吸気冷却による電力回復例

2.5 機器の配置
図６に冷却システムの配置図例を示す．２セットの冷凍機モジュールとフィルタ室とダクトの間に挟み込んだ冷却コイル室とからなり，冷凍機モジュールから冷却コイル室につながった配管で，冷凍機モジュール内の送水ポンプで冷水が送られ，両側のヘダーを介し冷却コイルに分配される．吸気を冷却後の戻り水が冷凍機モジュールに戻る．

2.6 冷凍機モジュール
図７に冷凍機モジュールを示す．冷凍機モジュールは，２台のターボ冷凍機と４台の送水ポンプ(冷水２台，冷却水２台)及び，それらの電動機盤，変圧器盤(６kＶ→400V ほか)，受電盤や制御盤を１階に配置し，２階に冷却塔を配置し，各機器間の配管と電気配線をしている．
冷凍機は，型式 AART-200 をシリーズにつなぎ，冷水は 16℃イン，５℃アウトの条件で，冷水を1210m3/h 送水し，4 400USRt の能力がある．

図６ 吸気冷却システムの機器配置例

図７ 4 400USRT 冷凍機モジュールの構成

2.7 冷却コイル室と組立工法
図８に，冷却コイル室の１例を示す．フィルタ室とダクトの間の３m のスペースに，納められている．この例は，2.3MW の冷却能力のあるコイルを２列６段積み上げ，総計 28MW の冷却能力がある．

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図８ タービン入口の空気冷却コイル室の構成

図９にコイルの組立方法の一例を示す．既存設備の場合は，まず①フィルタ室を，ダクトから分離し上流側へ３ｍ移動させる．②コイル室のフィルタ室側とダクト側の各々のハウジングを組み立て，フィルタ室とダクトに結合する．③コイルを釣り込み床の鉄骨に結合する．④順次コイルを積み上げ，コイル同士を結合する．⑤コイルの冷水入口と出口のノズルはコイル室の側面から出しておく．コイルと上流・下流のコイルハウジング間は，シール板でふさがれる．⑥ヘダー間とノズルを結合する．(ヘダーと各ノズル間は，バルブとフレキシブル継ぎ手で結合される．)
なお，②の時点で，図示されていないが，フィルタ室側コイルハウジングには，コイル２段分の高さに合せたステージが作成されている．また，ハウジング側面には，各ステージと天井まで上がれる階段(図８に示す)が，組み立てられている．
この組立手法により，ガスタービンの総合点検期間内に，据付が可能になるように工夫されている．



図９ 空気冷却コイル室のへのコイルの取付け

三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)54|3. エンジニアリングとサービス
図１０に示すように，ターボ冷凍機は，ガスタービンの開発・設計・製造をしている高砂製作所の敷地内に，製造工場があり，開発・設計・製造をしている．今回の吸気冷却システムに関しても，隣接する高砂研究所のメンバーを交えて，原動機部門と冷熱部門が共同で開発している．
個々のお客様のガスタービン複合発電プラントへ吸気冷却システム適用は，原動機部門からOEM としてのプラント情報が冷熱部門に連絡され，気象情報とあわせ，最適なシステムがすぐに選定され，お客様へ回答される．
メンテナンスサービスに関しても同様に，原動機サービス部門にご連絡いただければ，すぐに冷熱サービス部門に伝達され，メンテナンスサービスを実施する．

図１０ ワンストップサービス|4. まとめ
高性能ターボ冷凍機を適用したガスタービン複合発電プラント向けのチラー方式の吸気冷却システムを開発した．システムは，冷却コイルモジュールと冷凍機モジュールで構成されており，個々のプラントに対し，OEM としてのプラント情報と地点の気象情報から，最適な吸気冷却温度と冷凍機容量が選定される．その冷凍容量に対しては，冷凍機モジュールの組合せで対応が可能である．冷凍機モジュールは，ターボ冷凍機，冷却塔，送水ポンプ，電源装置・変圧器・制御装置がパッケージ化されている．吸気冷却コイルモジュールは，今回の例では，フィルタ室とダクトの間の３m の空間を設け，２列６段積みで，ガスタービンの主要点検期間内で据え付けられる．兵庫県高砂地区の同一敷地内に，ガスタービンとターボ冷凍機の研究部門・設計部門・製造部門・サービス部門があり，ワンストップサービスの提供が可能である．