JPH08261016A - 発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】ガスタービンを含む発電プラントにおいて、ガ
スタービンに流入する低温冷媒の貯槽とガスタービンで
熱交換して流出する高温冷媒の貯槽を分離して設けてコ
ンプレッサの吸気を冷却し、ガスタービンの出力増加量
の時間的変動を防止して、年間定出力を実現する。 【構成】低温の冷媒を内蔵する貯槽Ａ７と高温の冷媒を
内蔵する貯槽Ｂ８がガスタービンの吸気部に連結され、
貯槽Ａから貯槽Ｂへ冷媒が流れる流路Ａ１０を構成し、
貯槽Ｂから貯槽Ａの向きに冷熱源を介して冷媒が流れる
流路Ｂ１１を構成する。 【効果】高温冷媒と低温冷媒の混合を防止できるのでガ
スタービンに一定温度の空気を供給でき、出力の安定化
を図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気温が高い時にガスタ
ービンの吸気を冷却して出力の減少を防止するガスター
ビン吸気冷却設備を備えた複合発電プラント、及びガス
タービン吸気冷却設備を運用するための運用方法に係
り、特にガスタービン吸気の冷却を行うときに吸気温度
の変動を抑制して、常に一定の吸気温度を確保すること
によりガスタービンの出力を略一定に維持するのに好適
な複合発電プラント、及びガスタービン吸気冷却設備を
運用するための運用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コジェネレーションプラントは、熱併給
を行う多目的の産業用小規模発電プラントとして、近年
普及しつつある。

【０００３】その主機の１つであるガスタービンは、回
転圧縮機により大気を吸引，加圧した後に燃焼させて得
た、加圧高温ガスをタービンで膨張させることによって
出力を発生する。ガスタービンは一定速度で回転してお
り、大気の比重が出力に与える影響が大きい。すなわ
ち、図３に示すように大気温度が高いほど大気の比重は
小さくなりガスタービンの出力は減少するという特性を
有している。この性質により、ガスタービンを含む発電
プラントの出力は季節変動する。これを解決するものと
して、夏場にガスタービンの吸気を大気温度より下げて
ガスタービンに供給することにより、夏場のガスタービ
ン出力低下を防ぐガスタービン吸気の冷却方法がある。

【０００４】例えば、ＬＮＧ冷熱を利用するものとして
特開平1−142219 号公報がある。しかし、ＬＮＧは使用
可能な立地が限定されるので、普遍性のあるものとし
て、ＡＳＭＥ ９２−ＧＴ−２６５(International Gas
Turbine and AeroengineCongress and Exposition,June
1992)に記載のチラーを利用するシステムがある。図２
はチラーを利用したガスタービン吸気冷却システムの従
来技術を示す。チラーは、低沸点の熱媒体を断熱圧縮→
除熱→断熱膨張させることにより冷媒を生成し、これを
空気冷却器に導くことによりコンプレッサに流入する大
気を冷却している。チラーで発生する熱はクーリングタ
ワーで大気に散逸させている。除熱の他の方法として海
や河川から冷却水を汲み上げる方法も知られている。

【０００５】これらは、いずれも蓄熱槽から流出してガ
スタービンに供給される冷媒がガスタービンで熱交換を
行った後に再び同じ蓄熱槽に戻る構成になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような構成のガス
タービン吸気冷却システムには、ガスタービンの出力に
変動が生じやすいという問題点がある。すなわち、蓄熱
槽内の低温冷媒がガスタービンで吸気を冷却することに
より昇温した冷媒と混合することにより、蓄熱槽から流
出しガスタービンに供給される冷媒の温度は時間ととも
に上昇する。

【０００７】この結果、冷媒の循環流量が変わらないも
のとすると、交換熱量の低下に伴いガスタービンの吸気
温度は徐々に上昇し、ガスタービンの出力増分が時間と
共に減少する。蓄熱槽から流出する冷媒の温度が上昇し
たら、供給水量を増加して熱交換量を回復する方法も考
えられるが回復可能な交換熱量には限度が存在し、制御
も複雑になるのでこの方法は得策ではない。冷媒の潜熱
を利用した蓄冷方法を採用しても本質的な事情は同じで
ある。例えば、冷媒が水で氷蓄熱槽を設けた場合でも氷
の融解速度は有限であるために、ガスタービンから戻っ
た冷媒の顕熱が氷の融解のみに消費されることはない。
このため、蓄熱槽から流出する冷媒の温度は氷の融解に
寄与しなかった戻り水の顕熱と融解水（０℃）の加重平
均になり、溶け残った氷の量が少なくなるほど流出水温
は上昇することになる。図３は冷媒水温の上昇とガスタ
ービン出力増分の減少の時間的推移を示している。この
図からも明らかなように、時間の経過に伴って冷媒の温
度が上昇していき、それに従って吸気温度が上昇してガ
スタービンの出力が低下する。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みて為された
ものであり、その目的は、時間経過に伴う冷媒の温度上
昇を抑制してガスタービン出力の低下及び変動を防止す
るのに好適な発電プラント及びガスタービン吸気冷却設
備、並びにその運用方法を提供することにある。したが
って又、年間一定出力のガスタービンプラントを提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の特徴は、貯槽に冷媒を蓄え、該蓄えら
れた冷媒を用いてガスタービンの吸込み空気を冷却する
設備を備えた発電プラントにおいて、前記ガスタービン
の吸気側に供給する冷媒を蓄える第１の貯槽と，前記ガ
スタービンの吸気を冷却した後の冷媒を蓄える第２の貯
槽とを設けたことを特徴とする。

【００１０】また、貯槽に冷媒を蓄え、該蓄えられた冷
媒を用いてガスタービンの吸込み空気を冷却するように
なされたガスタービンの吸気冷却設備であっては、前記
ガスタービンの吸気側に供給する冷媒を蓄える第１の貯
槽と、前記ガスタービンの吸気を冷却した後の冷媒を蓄
える第２の貯槽とを有することを特徴とする。

【００１１】また、上記目的を達成するための本発明の
第２の特徴は、貯槽に冷媒を蓄え、該蓄えられた冷媒を
用いてガスタービンの吸込み空気を冷却する設備を備え
た発電プラントにおいて、前記ガスタービンの吸気側に
供給する冷媒を蓄える部屋を複数個備える第１の貯槽
と，前記ガスタービンの吸気を冷却した後の冷媒を蓄え
る第２の貯槽とを設け、前記複数の部屋の少なくとも１
つの部屋に蓄えられている冷媒を前記ガスタービンの吸
気に供給し、他の部屋の少なくとも１つの部屋に前記第
２の貯槽に蓄えられている冷媒が流入されるように構成
したことを特徴とする。

【００１２】更に、上記目的を達成するための本発明の
第３の特徴は、冷媒を冷却する冷熱源を備え、この冷熱
源により冷却された冷媒を用いてガスタービンの吸気を
冷却するガスタービン吸気冷却設備の運用方法におい
て、前記冷熱源により冷却された冷媒を第１の貯槽に蓄
えておき、ガスタービン吸気の冷却を行うときには、前
記第１の貯槽に蓄えられた冷媒を用いてガスタービンの
吸気を冷却し、このガスタービンの吸気を冷却した後の
冷媒を第２の貯槽に蓄えることを特徴とするガスタービ
ン吸気冷却設備の運用方法。

【００１３】更にまた、上記目的を達成するための本発
明の第４の特徴は、冷媒を冷却する冷熱源を有し、該冷
熱源により冷却された冷媒を貯槽に蓄え前記冷媒を前記
貯槽からガスタービンの吸気口に導いて前記ガスタービ
ンの吸込み空気を冷却するガスタービンの吸気冷却設備
において、前記冷媒を前記ガスタービンに導く供給管の
吸込口を前記貯槽の下部に配置すると共に前記ガスター
ビンからの高温冷媒の戻り管の吐出口を前記貯槽の水面
上方もしくは水面近傍に配置し、かつ前記貯槽の前記冷
媒を前記冷熱源に導く供給管の吸込口を前記貯槽の水面
近傍に配置すると共に前記冷熱源を経由した低温冷媒の
戻り管の吐出口を前記貯槽の下部に配置したことを特徴
とする

【００１４】

【作用】上記本発明の第１及び第３の特徴によれば、ガ
スタービンで吸気冷却を終えた高温冷媒を供給貯槽とは
別の貯槽に戻すことにより、供給貯槽内での高温冷媒と
低温冷媒との混合が避けられ、ガスタービンに供給する
冷媒の温度の変動を抑制できるので吸気冷却運転中にガ
スタービンの出力増分の変動がなく所要の電力を系統に
安定供給できる。このような運用を可能とするには供給
貯槽内の冷媒の形態は液状である必要がある。

【００１５】また、上記本発明の第２の特徴によれば、
複数の部屋の少なくとも１つの部屋に蓄えられている冷
媒を前記空気冷却器に供給し、他の部屋の少なくとも１
つの部屋に第２の貯槽に蓄えられている冷媒が流入され
るようにしたので、供給貯槽内での高温冷媒と低温冷媒
との混合が避けられることができると共に、第２の貯槽
は、第１の貯槽に蓄えられている冷媒の全てを蓄えてお
く必要が無いので、第２の貯槽の容量を小さくすること
ができる。少なくとも、第２の貯槽の容量は、第１の貯
槽のそれよりも小さくできる。

【００１６】更に、上記本発明の第４の特徴によれば、
貯槽が１つの場合でも、高温冷媒と低温冷媒の密度差に
着目することにより、高温冷媒を貯槽の上部に、かつ低
温冷媒を貯槽の下部に配置することにより流体の密度差
に起因して形成する温度成層により、両冷媒の混合を回
避することができる。また、熱伝導率の小さい冷媒（例
えば水）を用いれば両冷媒間の熱移動は抑制されるので
温度成層は長時間にわたり保持されるので実質的に高温
冷媒と低温冷媒の分離格納が可能である。このように冷
媒を配置するには、高温冷媒が貯槽水面の上部又は水面
近傍で流出し、冷熱源からの低温冷媒が貯槽の下部に流
出する様に冷媒を搬送する管の開口端を配置すれば良
い。

【００１７】更に、本発明の第１及び第３の特徴におけ
るガスタービン吸気冷却設備の動作原理を以下に示す。
前記した高温冷媒が貯えられる貯槽を貯槽Ｂ(第２の貯
槽)、低温冷媒が貯蔵される貯槽を貯槽Ａ（第１の貯
槽）とする。

【００１８】貯槽Ｂ中の高温冷媒を冷熱源（例えばチラ
ー）に導き、低温冷媒として貯槽Ａに蓄える。貯槽Ａに
蓄える冷媒量は次回吸気冷却を行う際に予想される電力
量に見合う量とする。この状態で待機し、昼間の電力ピ
ーク時間帯に貯槽Ｂから低温冷媒をガスタービンに供給
してガスタービンの吸込み空気を冷却する。冷却後の高
温冷媒は貯槽Ｂに貯えられ最初の状態に戻る。

【００１９】チラーは昼間運転しても良いがチラーは内
蔵するコンプレッサが相当量の電力を消費するので、夜
間に時間をかけて蓄冷し昼間の電力ピーク時間帯に合わ
せて蓄積した冷熱を空気冷却器に供給することも可能で
ある。このようにすれば機器（ポンプ・チラー）の小型
化に加えて単価の安い夜間電力を利用できるので経済的
なメリットが増加する。

【００２０】本発明の特性を活用すれば気温の季節変動
にも拘らず、年間一定出力のプラントを提供することが
できる。

【００２１】

【実施例】本発明の一実施例を図１により説明する。本
発明の適用対象であるガスタービン１はコンプレッサ
２，燃焼器３，タービン４，発電機５より構成されてお
り、コンプレッサ２から吸引した大気を加圧・燃焼して
得られる高温・高圧ガスのタービンでの膨張仕事を利用
して発電している。

【００２２】本発明になるガスタービン吸気冷却設備
は、空気冷却器６，冷媒を貯蔵する第１の貯槽である貯
槽Ａ７，第２の貯槽である貯槽Ｂ８，冷熱源９および流
路Ａ10，流路Ｂ１１からなる配管で構成されている。流
路Ａ，ＢにはそれぞれポンプＡ１２，Ｂ１３、弁Ａ１
４，Ｂ１５が設置されている。

【００２３】所定の低温冷媒が貯槽Ａ７に貯えられてい
るものとする。電力需要に応じてガスタービンの出力上
昇が要請されると、ポンプＡ１２を駆動し、弁Ａ１４を
開することにより、低温冷媒を流路Ａ１０を介して空気
冷却器６に供給する。空気冷却器６に夏期には暖気が流
入しているが、低温冷媒流入により熱交換される結果冷
気が生成されると共に低温冷媒は昇温する。この冷媒を
高温冷媒と呼ぶことにする。高温冷媒は貯槽Ｂ８に流入
し貯蔵される。この過程でポンプＢ１３を駆動し弁Ｂ１
５を開することで冷熱源に冷媒を供給して低温冷媒を生
成しても良いし、ガスタービンの吸気冷却運転が終了し
たのちに、すなわちポンプＡ１２を停止し、弁Ａ１４を
閉したのちに、上記の低温冷媒を生成する運転を行って
も良い。通常吸気冷却運転は昼間の３〜４時間程度であ
るから、後者の運用方法を採択すれば、１日のうち残り
の時間を低温冷媒生成に回せるので冷熱源９，ポンプＢ
13の小型化が図れるというメリットがある。図４は後者
の運転手法を示している。午前８時に発電が開始される
が、気温の上昇と共にガスタービンの出力は徐々に低下
する。吸気冷却が１１時に開始されると、吸気温度は低
下しガスタービンの出力は増加する。本例では吸気冷却
は１５時までの４時間継続するが、温度一定の低温冷媒
を供給しているので吸気温度が一定に保持され、この間
に出力変動は生じない。

【００２４】このように、本実施例では、ガスタービン
で吸気冷却を終えた高温冷媒を供給貯槽（貯槽Ａ７）と
は別の貯槽（貯槽Ｂ８）に戻すように構成しているの
で、供給貯槽内での高温冷媒と低温冷媒との混合が避け
られ、ガスタービンに供給する冷媒の温度の変動を抑制
できるので吸気冷却運転中にガスタービンの出力増分の
変動が抑制され、所要の電力を系統に安定供給すること
が可能となる。

【００２５】吸気冷却時に冷媒循環流量Ｗは中央給電所
からの要求負荷Ｐとその時の気温Ｔａを入力して得ら
れ、その原理を図５に示す。

【００２６】関数発生器Ａ１７で吸気温度Ｔｃの目標値
を得、それを関数発生器Ｂ１８に入力して冷媒循環流量
Ｗの目標値を算出する。関数発生器Ａ１７，Ｂ１８に
は、ガスタービン４の出力とＰと吸気温度Ｔｃとの相関
Ｔｃ＝ｆ(Ｐ)ならびに空気冷却器６の流量−温度特性Ｗ
＝ｇ(Ｔｃ，Ｔａ)が組み込まれている。

【００２７】吸気冷却期間、貯槽Ａ７内の冷媒液位は低
下し、貯槽Ｂ８内の液位は上昇して、吸気冷却の終了す
る１５時には、貯槽Ａ７内の冷媒は貯槽Ｂ８に完全に移
動する。

【００２８】２０時までその状態を保持し、その後貯槽
Ｂ８内高温冷媒を冷熱源を介して貯槽Ａ７に移送し、低
温冷媒を生成貯蔵する。このように本発明では、冷媒貯
槽を低温側と高温側とに分離することにより、要求負荷
に応じたガスタービン出力を安定供給できるという効果
がある。

【００２９】図６は、本発明の変形例を示す。貯槽Ａ７
とＢ８が２重円筒容器を形成し、内筒に低温媒体を外筒
に高温冷媒を貯蔵している。この様な構成では長時間低
温冷媒を保持する際に、外筒が断熱層を形成するので冷
熱損失が少ないというメリットが生じる。

【００３０】図７は本発明の他の実施例を示す。貯槽Ａ
７は複数の部屋１９に分割されており、貯槽Ｂ８は第１
の実施例に示したものよりは容積が小さいことを特徴と
している。本実施例での運用方法を以下に示す。貯槽Ａ
７の低温冷媒は、好ましくは部屋単位に利用するものと
する。即ち、任意の時刻に１つの部屋の冷媒を空気冷却
器に供給し、この部屋の冷媒がなくなったら次の部屋に
弁を切り替えて冷媒供給を続ける。部屋が空になった
ら、貯槽Ｂ８内の高温冷媒を前記の空の部屋に移送す
る。このようにして、吸気冷却が終了した後に高温冷媒
が貯槽Ａ７に全部移送されたら、今度は貯槽Ａ７中の高
温冷媒を部屋単位に冷熱源９を介して貯槽Ｂ８に送り、
空になった貯槽Ａ７中の部屋に貯槽Ｂ８から低温冷媒を
戻す。すなわち、吸気冷却時とは逆のルートで冷媒を流
すことにより、最終的に貯槽Ａ７の各部屋１９に低温冷
媒を貯蔵し、翌日の吸気冷却開始時刻まで待機する。も
ちろん貯槽Ａ７を小部屋に分割するかわりに、等価な小
容量の容器を複数個用意しても構わない。本実施例の効
果は、貯槽Ｂ８を小型化できるというメリットがあり、
少なくとも貯槽貯槽ＡのＡ７内の部屋の数を増やすほど
その効果は大きくなる。

【００３１】図８は発明の他の実施例を示す。ガスター
ビン１に供給される低温冷媒２５の吸込口Ａ２０は貯槽
２１の下部に配置し、ガスタービン１から戻る高温冷媒
２６の戻り管の吐出口Ａ２２は吐出口が水面上方に配置
しているが、貯槽２１内の水面近傍に配置しても良い。
また、冷熱源９に供給する高温冷媒２６の供給管の吸込
口Ｂ２３は貯槽２１内の水面近傍に配置し、冷熱源９か
ら戻る低温冷媒２５の戻り管の吐出口Ｂ２４は貯槽２１
の下部に配置する。

【００３２】このように、空気冷却器６により加熱され
た高温冷媒２６が流入する吐出口Ａ２２と、この高温冷
媒２６を冷熱源９に供給するための吸込口Ｂ２３とを貯
槽２１の上部（貯槽２１内の水面上方及び水面近傍）に
配置し、更に空気冷却器６に低温冷媒を供給するための
吸込口Ａ２０と、冷熱源９より冷却された低温冷媒２５
が流入する吐出口Ｂ２４とを貯槽２１の下部に配置すれ
ば、貯槽２１内には高温冷媒２６と低温冷媒２５がその
密度差によって分離格納され、かつそれらの冷媒が貯槽
２１内で混合されにくくなるので、低温冷媒２５の温度
上昇を抑制でき、既に説明した貯槽を複数設置する実施
例と同様に冷熱を有効利用することが可能である。換言
すれば、本実施例では１つの貯槽を用いた場合でも貯槽
を複数設置する場合と同様の効果を得ることができるも
のであり、プラントの設置面積の減少及び設備コストの
削減にも大きく寄与できるものである。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ガスタービン吸気冷却
システムに用いる冷媒の貯槽を低温冷媒用の貯槽と高温
冷媒用の貯槽とに分離して設置することにより、ガスタ
ービンの空気冷却器に時間経過に伴わないほぼ一定の温
度の冷媒を供給することができるので、ガスタービンの
吸込み空気温度が変動せず、ガスタービンの出力を一定
に保持することができるという効果がある。この特性を
利用して、年間定出力のプラントを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す図。

【図２】従来技術を示す図。

【図３】ガスタービン出力と吸気温度の時間変化を示す
図。

【図４】本発明を適用した時の運転スケジュールを示す
図。

【図５】要求負荷に対する冷媒の所要循環流量の決定原
理を示す図。

【図６】冷媒の貯槽を２重円筒にした実施例を示す図。

【図７】貯槽Ａを小部屋に分割した変形例を示す図。

【図８】本発明の他の実施例を示す図。

【符号の説明】

１…ガスタービン、２…コンプレッサ、３…燃焼器、４
…タービン、５…発電機、６…空気冷却器、７…貯槽
Ａ、８…貯槽Ｂ、９…冷熱源、１０…流路Ａ、１１…流
路Ｂ、１２…ポンプＡ、１３…ポンプＢ、１４…弁Ａ、
１５…弁Ｂ、１７…関数発生器Ａ、１８…関数発生器
Ｂ、１９…部屋、２０…吸込口Ａ、２１…貯槽、２２…
吐出口Ａ、２３…吸込口Ｂ、２４…吐出口Ｂ、２５…低
温冷媒、２６…高温冷媒。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】貯槽に冷媒を蓄え、該蓄えられた冷媒を用
   いてガスタービンの吸込み空気を冷却する設備を備えた
   発電プラントにおいて、 前記ガスタービンの吸気側に供給する冷媒を蓄える第１
   の貯槽と，前記ガスタービンの吸気を冷却した後の冷媒
   を蓄える第２の貯槽とを設けたことを特徴とする発電プ
   ラント。
2. 【請求項２】貯槽に冷媒を蓄え、該蓄えられた冷媒を用
   いてガスタービンの吸込み空気を冷却する設備を備えた
   発電プラントにおいて、 前記ガスタービンの吸気側に供給する冷媒を蓄える部屋
   を複数個備える第１の貯槽と，前記ガスタービンの吸気
   を冷却した後の冷媒を蓄える第２の貯槽とを設け、前記
   複数の部屋の少なくとも１つの部屋に蓄えられている冷
   媒を前記ガスタービンの吸気に供給し、他の部屋の少な
   くとも１つの部屋に前記第２の貯槽に蓄えられている冷
   媒が流入されるように構成したことを特徴とする発電プ
   ラント。
3. 【請求項３】冷媒を冷却する冷熱源を備え、この冷熱源
   により冷却された冷媒を用いてガスタービンの吸気を冷
   却するガスタービン吸気冷却設備の運用方法において、 前記冷熱源により冷却された冷媒を第１の貯槽に蓄えて
   おき、ガスタービン吸気の冷却を行うときには、前記第
   １の貯槽に蓄えられた冷媒を用いてガスタービンの吸気
   を冷却し、このガスタービンの吸気を冷却した後の冷媒
   を第２の貯槽に蓄えることを特徴とするガスタービン吸
   気冷却設備の運用方法。
4. 【請求項４】冷媒を冷却する冷熱源を有し、該冷熱源に
   より冷却された冷媒を貯槽に蓄え前記冷媒を前記貯槽か
   らガスタービンの吸気口に導いて前記ガスタービンの吸
   込み空気を冷却するガスタービンの吸気冷却設備におい
   て、 前記冷媒を前記ガスタービンに導く供給管の吸込口を前
   記貯槽の下部に配置すると共に前記ガスタービンからの
   高温冷媒の戻り管の吐出口を前記貯槽の水面上方もしく
   は水面近傍に配置し、かつ前記貯槽の前記冷媒を前記冷
   熱源に導く供給管の吸込口を前記貯槽の水面近傍に配置
   すると共に前記冷熱源を経由した低温冷媒の戻り管の吐
   出口を前記貯槽の下部に配置したことを特徴とするガス
   タービン吸気冷却設備。
5. 【請求項５】貯槽に冷媒を蓄え、該蓄えられた冷媒を用
   いてガスタービンの吸込み空気を冷却するようになされ
   たガスタービンの吸気冷却設備において、 前記ガスタービンの吸気側に供給する冷媒を蓄える第１
   の貯槽と，前記ガスタービンの吸気を冷却した後の冷媒
   を蓄える第２の貯槽とを有することを特徴とするガスタ
   ービンの吸気冷却設備。