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ガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システム
説明

ガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システム

【課題】
冷凍機や補機冷却水系統の冷却水からの廃熱を、蒸気発生装置である排熱回収ボイラの給水系統に利用できるガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムを提供する。
【解決手段】
吸気冷却器5を有するガスタービン1と、この排気ガスにより蒸気を発生する蒸気発生装置である排熱回収ボイラ2と、排熱回収ボイラ2で発生した蒸気を供給する蒸気系統20と、吸気冷却器5の冷水系統24に設けて冷却水を冷却する冷凍機6と、冷却塔7を有する冷却水系統26とを備えてガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムを構成する。吸気冷却器5の冷水系統24と冷却塔7の冷却水系統26とは、給水接続管31及び還水接続管32にて接続し、冷却水系統26の冷却水の全量又は一部を混入させる調節弁12、13を設けている。調節弁12、13は、入口冷水温度計14の出力を用いる制御装置15で開閉制御する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムに係り、特に冷凍機により冷却された冷水によりガスタービンの空気圧縮機入口空気を冷却するガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ガスタービンを利用したコージェネレーション設備では、夏季などの大気温度高温時にガスタービンの空気圧縮機入口の空気密度が低下し、ガスタービンへ供給するガスタービン作動流体となる空気流量(重量流量)が減少するため、ガスタービンの出力が低下することが知られている。夏季の発電量を維持する対策として、ガスタービンの空気圧縮機入口の吸込空気を冷却し、ガスタービンの空気圧縮機入口の空気密度を増加させる対策が講じられており、その一つに冷凍機で冷却した冷水を使用するガスタービンの吸気冷却システムがある。
【0003】
即ち、この吸気冷却システムでは、冷凍機により冷却した冷水を、ガスタービンの空気圧縮機入口に設置した熱交換器である吸気冷却器へ供給し、ガスタービンの空気圧縮機入口の吸込空気から熱交換による吸熱で吸込空気を冷却する一方で、吸込空気から吸熱した熱は、冷凍機の冷却水を通じて外部へ廃熱するようにしている。このようなガスタービンの空気圧縮機入口に吸気冷却器を設け、吸込空気を冷凍機の冷水で冷却することは、例えば特許文献1に記載されている。
【0004】
【特許文献1】特開2003−206752号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ガスタービンコージェネレーション設備に、冷凍機を使用したガスタービン吸気冷却システムでは、冷凍機が供給可能な冷水温度の下限値から冷凍機が稼動できる期間が夏季などの大気温度高温時に限定されるため、年間を通しての冷凍機稼動時間が短く、経済的でなく、しかも冷凍機の冷却水を通じて廃熱される熱量は、全量がプラント損失となってしまう欠点がある。
【0006】
また、ガスタービンの吸気冷却システムに導入された冷凍機を、冬季にヒートポンプとして運用するには、冷凍機の入口冷水温度をガスタービンの吸気冷却システム運用時と同等とする必要があるが、一般にガスタービンの吸気冷却用冷水の冷凍機入口温度が15℃前後であるのに対して、ヒートポンプ運用時の流入液体となるプラントの補機冷却水の戻り系統の温度域は30℃から40℃程度と異なるため、温度調整機能が必要となる。
【0007】
更に、冷凍機をヒートポンプとして利用した場合、冷却水温度(ヒートポンプの運用では廃熱の回収先)の制約から、蒸気発生設備内の廃熱回収先を考慮することが必要となっている。
【0008】
本発明の目的は、ガスタービンの吸気の冷却に用いる冷凍機をヒートポンプとして活用することにより、年間を通じてプラントの損失となっていた冷凍機の冷却水からの廃熱や補機冷却水系統の冷却水からの廃熱を、蒸気発生装置である排熱回収ボイラの給水系統に利用できるガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明のガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムでは、吸気冷却器を有するガスタービンと、このガスタービンからの排気ガスにより蒸気を発生する蒸気発生装置と、蒸気発生装置で発生した蒸気を供給する蒸気系統と、ガスタービンの吸気冷却器の冷水系統に設けて冷水を冷却する冷凍機と、コージェネレーション設備内の機器を冷却する冷却水系統とを備えて構成する際に、吸気冷却器の冷水系統と冷却塔の冷却水系統とを、給水接続管及び還水接続管にて接続し、これら給水接続管及び還水接続管は、冷却水系統の冷却水の全量又は一部を混入させる調節弁をそれぞれ設け、前記冷凍機は冷却水からの廃熱を前記蒸気発生装置の給水へ回収するヒートポンプとして用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【0010】
本発明のようにガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムを構成すれば、ガスタービンの吸気冷却用の冷凍機をヒートポンプとして活用することにより、年間を通じてプラントの損失となっていた冷凍機の冷却水からの廃熱や補機冷却水系統の冷却水からの廃熱を、蒸気発生装置である排熱回収ボイラの給水系統に利用できる。したがって、ガスタービンコージェネレーション設備の効率向上を図り、経済性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明のガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムを、図に示す実施例を用いて詳細に説明する。
【実施例1】
【0012】
図1に示す本発明の一実施例は、ガスタービンと蒸気タービンを組合せた発電プラントであって、ガスタービン1は吸気系統25より吸込んだ大気と、燃料系統(図示せず)から供給される燃料を、混合し燃焼させて燃焼エネルギーを動力へ変換する。ガスタービン1より排出される排気ガスは、排気ダクト19を経由して蒸気発生装置である排熱回収ボイラ2へ送られ、排熱回収ボイラで排気ガスの廃熱を熱源として、排熱回収ボイラ2の給水系統22より供給された給水を蒸気に変換し、発生した蒸気を蒸気系統20から蒸気タービン3へ送気する。蒸気タービン3では供給された蒸気を動力へ変換し、仕事を終えた蒸気タービン3の排気蒸気は、排気管21から復水器4に至り、この復水器4で凝縮された後、給水ポンプ9により給水系統22から再び排熱回収ボイラ2へ送られる一連の熱サイクルを構成している。
【0013】
ガスタービン1の吸気系統25には、従来と同様に吸気冷却器5が設置されており、夏季などの外気温度の高温時には、冷凍機6で作り出された冷水を冷水ポンプ10により吸気冷却器5の冷水系統24から供給し、ガスタービン1の吸込空気と熱交換させ、ガスタービン1の吸込み空気を冷却し、空気の重量流量を増加させることでガスタービン出力増加を図っている。通常、吸気冷却器5の冷水系統24は、冷凍機6を定格運転とした上で閉サイクルとしての運転を行い、吸気冷却器5での熱交換以外の熱授受は行わず、冷凍機6はガスタービン1の吸気冷却用として使用する。
【0014】
冷凍機6の熱源には、蒸気タービン3の抽気系統23を利用し、冷水系統24の冷水を冷却し、冷凍機6の冷却用冷却水には排熱回収ボイラ2の給水系統22を利用するガスタービン吸気冷却システムとしている。排熱回収ボイラ2の給水は、冷凍機6の冷却水流量調節弁27にて流量を制御され、その全量又は一部を冷凍機6の冷却水として用い、冷凍機6の廃熱で加温された後に排熱回収ボイラ2へ送られるから、排熱回収ボイラ2の効率向上に貢献できる。プラントの損失とならぬようにするため、熱源となる蒸気タービン3の抽気蒸気は、冷凍機6で放熱し凝縮した後、復水器4へ回収する。
【0015】
一方、プラントの補機冷却器8には、冷却塔7で冷却された冷却水を、冷却水ポンプ11で冷却水系統26から供給し、各補機を冷却する。吸気冷却器5の冷水系統24には、冷水入口弁16及び冷水出口弁17を設けると共に冷却水を冷水系統24の途中からバイパスさせるバイパス弁18を設けている。これらは、冬季などの吸気冷却運転が不要な場合に活用して冷水入口弁16及び冷水出口弁17を全閉し、逆にバイパス弁18を全開して吸気冷却器5をバイパスする系統を構成して、冷却水を冷凍機側に循環させる。
【0016】
本発明では、ガスタービン1の吸気冷却器5の冷水系統24と補機冷却器8の冷却水系統26とは、給水接続管31と還水接続管32によって接続している。なお、この冷却水系統26における給水接続管31と還水接続管32の接続点は、任意の点を選択することが可能である。そして、この給水接続管31の接続点には、冷水供給調節弁12を、還水接続管32の接続点には、入口冷水温度調節弁13を設けている。
【0017】
これら冷水供給調節弁12及び入口冷水温度調節弁13は、その開閉操作を適切に行うことによって、冷凍機6を定格負荷で運用できない中間期には、ガスタービンの吸気冷却システムと補機冷却水からのヒートポンプ廃熱回収システムの併用が行える。図の例では、冷水供給調節弁12及び入口冷水温度調節弁13に、三方弁を示しているが、通常の二方向弁を組合せて使用することもできる。
【0018】
冷水供給流量調節弁12及び入口冷水温度調節弁13は、入口冷水温度計14の出力を用いる制御装置15で開閉制御し、入口冷水温度を一定となるように冷却水系統26から冷却水の全量又は一部を冷水系統24に混入させ、プラント補機より排出された廃熱を汲み上げるヒートポンプとして冷凍機6を利用する。
【0019】
即ち、冬期は図4に示す如く冷水系統24では、冷凍機冷水出口からプラント補機の冷却水混入点までは一定温度であり、プラントの補機冷却水混入点で夏季の冷凍機冷水入口の温度と同等となるように、コージェネレーション設備内の機器を冷却する冷却水系統におけるプラント補機の冷却水と混合させる。このように冷水系統24に混入させる冷却水の流量を調整することで、冷凍機冷水入口温度を一定に保ち、ガスタービンの吸気冷却システムに導入された冷凍機を、プラントの冷却水系統から廃熱を汲み上げるヒートポンプとして運用する。
【0020】
一方、冷凍機冷却水となる排熱回収ボイラ2の給水系統22は、ヒートポンプ運用時の廃熱回収先となるが、廃熱回収後の冷凍機6の出口冷却水温度に上限があるから、冷却水の給水系統22からの取出し及び戻し点を考慮する。
【0021】
給水系統22からの取出し点は図5に示す如く、蒸気タービン3におけるグランド蒸気復水器30の40℃程度の排熱回収ボイラ2の給水系統22とし、また戻し点は冷凍機6に吸収式冷凍機を使用の場合には、冷凍機出口の冷却水温度が上限90℃以下の給水系統22とし、機械式冷凍機を使用の場合は、同様に冷凍機出口の冷却水温度が上限50℃以下の給水系統22とする。何れの場合にも、冷凍機出口冷却水の上限温度に見合う低圧給水加熱器群(図示せず)の中間又は出口となる。なお、給水加熱器群を持たないプラントにおいては、この限りではない。このように、排熱回収ボイラの給水を冷凍機冷却水として利用することで、給水加熱器の負荷を減少させプラント効率の向上に貢献できる。
【0022】
図4の一点鎖線で示すように、中間期にはガスタービン1の吸気冷却器5での熱交換量が減少するため、夏季に比べて吸気冷却器出口の冷水温度が低下する。従って、冷凍機入口の冷水温度を夏季と同等とするため、入口冷水温度調節弁13を切換え、冷却水系統26の冷却水を混入することによって、冷凍機冷水入口の温度を調整し、冷却水系統26からの廃熱回収を行うことができる。
また、冬季及び中間期何れの運用においても、冷凍機6の入口冷水流量は一定とする必要があるから、余剰となる冷水を冷水供給流量調節弁12の切換えにより冷却水系統26へ供給し、冷却水系統26の温度を低下させることにより冷却塔7の動力を軽減することができる。
【0023】
図1の例では、熱源として蒸気発生装置である排熱回収ボイラ2からの抽気蒸気を利用する冷凍機6で説明したが、都市ガスなどの燃料を利用している冷凍機、更には熱源を必要とせず、電気等を動力として用いるような機械式冷凍機を利用することもできる。
【0024】
また図3に示すように、復水器4の復水器冷却水系統28が冷却塔7による冷却及び復水器冷却水ポンプ29による循環系統である場合には、図1中の冷却水系統26を復水器冷却水系統28に置き換えることで、上述と同様の効果を得ることできる。
【0025】
更に、ガスタービン1の吸気冷却運転中も冷凍機6の廃熱を、排熱回収ボイラ2の給水系統22に回収しているが、従来のように冷凍機冷6の冷却水を、冷却塔7の冷却水として外部へ廃熱し、冷凍機をヒートポンプとして利用する期間のみ冷凍機6の冷却水を排熱回収ボイラ2の給水系統22に切換える運用とすることもできる。
【実施例2】
【0026】
本発明の他の実施例を示す図2は、本実施例はガスタービン1と排熱回収ボイラ2、補機冷却器8を冷却する冷却水冷却用の冷却塔7から構成されるコージェネレーション設備であって、排熱回収ボイラ2で発生した蒸気をプロセス蒸気として蒸気需要設備(図示せず)へ供給する構成で、しかも冷凍機6の熱源の蒸気は、蒸気系統20から抽出する抽気系統23より供給したものである。
【0027】
この例においても、ガスタービン1の吸気冷却器5の吸気冷却器冷却系統24と補機冷却器8の冷却水系統26とは、給水接続管31と還水接続管32により接続しており、この給水接続管31の接続点には冷水供給調節弁12を、また還水接続管32の接続点には入口冷水温度調節弁13を設け、制御装置15によって上記と同様な開閉操作を行うようにしており、その他の点は図1と同様に構成している。
【0028】
この設備構成では、蒸気タービンを持たないため、冷凍機6の熱源の蒸気は、蒸気系統20から抽出する抽気系統23により供給を受け、冷凍機6で放熱した後の凝縮水はプラントの凝縮水回収設備(図示せず)へ送られる。排熱回収ボイラ2への給水は、凝縮水回収設備(図示せず)及び補給水供給設備(図示せず)より供給され、その全量又は一部を冷却水流量調節弁27から冷凍機6の冷却水として使用し、夏季における吸気冷却器5の運転時の冷凍機冷却水及び冬季のヒートポンプ運転時の冷却水系統からの廃熱回収先としている。
【0029】
この図2の例では、冷凍機6の熱源の蒸気は、蒸気系統20から直接抽出しているが、プラント内部に加熱条件に合致する補助蒸気系統を持つような場合、又は加熱条件に合致する蒸気ヘッダを持つような場合には、該当の設備より冷凍機6の熱源の蒸気を供給することもできる。
【0030】
また冷凍機冷却水の取出し点及び戻し点は、蒸気タービン及びグランド蒸気復水器も有しないため、取出し点は排熱回収ボイラ2の給水系統22や補給水系統(図示せず)の任意の点とすることが可能であるが、戻し点は図1と同様に冷凍機出口の冷却水の上限温度に見合う低圧給水加熱器群(図示せず)の中間又は出口となる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の一実施例であるガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムの構成図である。
【図2】本発明の他の実施例であるガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システムの構成図である。
【図3】復水器冷却水を冷却塔の冷却に用いた場合の構成図である。
【図4】夏季と冬季及び中間期の吸気冷却水系統の温度推移を示す図である。
【図5】冷凍機冷却水系統の詳細を示す構成図である。
【符号の説明】
【0032】
1…ガスタービン、2…排熱回収ボイラ、3…蒸気タービン、4…復水器、5…吸気冷却器、6…冷凍機、7…冷却塔、8…補機冷却器、9…給水ポンプ、10…冷水ポンプ、11、29…冷却水ポンプ、12…冷水供給流量調節弁、13…入口冷水温度調節弁、14…入口冷水温度計、15…制御装置、16…冷水入口弁、17…冷水入口弁、18…バイパス弁、19…排気ダクト、20…蒸気系統、21…排気管、22…給水系統、23…抽気系統、24…冷水系統、25…吸気系統、26…冷却水系統、27…冷却水流量調節弁、28…冷却水系統、30…グランド蒸気復水器、31…給水接続管、32…還水接続管。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
吸気冷却器を有するガスタービンと、前記ガスタービンからの排気ガスにより蒸気を発生する蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置で発生した蒸気を供給する蒸気系統と、前記吸気冷却器の冷水系統に設けて冷水を冷却する冷凍機と、コージェネレーション設備内の機器を冷却する冷却水系統とを備えたガスタービンコージェネレーション設備において、前記吸気冷却器の冷水系統と冷却塔の冷却水系統とを、給水接続管及び還水接続管にて接続すると共に、冷却水系統の冷却水の全量又は一部を混入させる調節弁を設け、前記冷凍機は冷却水からの廃熱を前記蒸気発生装置の給水へ回収するヒートポンプとして用いるように構成したことを特徴とするガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システム。
【請求項2】
第1項において、前記各調節弁は冷凍機の入口冷水温度計の出力を用いる制御装置により開閉制御することを特徴とするガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システム。
【請求項3】
第1項又は2項において、前記吸気冷却器の冷水系統には、冷水入口弁と冷水出口弁を設けると共に、前記冷水入口弁と冷水出口弁の閉鎖時に開いて冷却水を冷凍機側に循環させるバイパス弁を設けたことを特徴とするガスタービンコージェネレーション設備の廃熱回収システム。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2007−64049(P2007−64049A)
【公開日】平成19年3月15日(2007.3.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−249080(P2005−249080)
【出願日】平成17年8月30日(2005.8.30)
【出願人】(390023928)日立エンジニアリング株式会社 (134)
【Fターム(参考)】