JP2000337170A

JP2000337170A - ガスタービン発電システムおよびその運転方法

Info

Publication number: JP2000337170A
Application number: JP11151120A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Nakahara; 中原　　貢; Koichi Chino; 耕一千野; Harumi Wakana; 晴美若菜; Hidefumi Araki; 秀文荒木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-05
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP3777875B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、安定した継続運転を可能とす
るガスタービン発電システム及びその制御方法を提供す
ることにある。【解決手段】夜間電力を利用した液体空気製造時におい
て、圧縮空気との熱交換に伴う蓄冷槽の温度上昇を検出
して、蓄冷槽の冷熱による液体空気の製造能力状態を判
定し、蓄冷槽と空気圧縮機から燃焼器への空気供給量を
適正配分する。また、気化空気製造時においては、蓄冷
槽の温度変化から液体空気の気化時に蓄冷槽に回収され
る冷熱量を検出して、蓄冷槽と液体空気との熱交換状態
を判定し、蓄冷槽と空気圧縮機から燃焼器への空気供給
量を適正配分する発電システム構成とする。

Description

【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発電シ
ステムおよびその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気の必要量は昼間と夜間で大きく異な
るので、従来より水力発電所とコンバインドサイクル発
電所は需要量の多い昼間のみ運転している場合が多い。
さらに、揚水発電所のように夜間電力を用いてポンプを
駆動し、発電所より高位置の貯蔵池に水を移送して位置
エネルギーとして貯蔵し、それを昼間に流下させて発電
することで、電気の需要と供給のバランスを取ってき
た。

【０００３】しかしながら、近年では家庭用エアコン等
が普及したために電気の最大需要量と最低需要量の比が
年々大きくなり、特に季節による需要の違いが増大して
いる。最大需要の必要時期は真夏の１０日ほどと短く、
このためだけに大型の発電設備を設けるのは経済的に引
き合わない。また、大規模な揚水発電所の建設場所が日
本国内には少なくなってきており、大容量のエネルギー
貯蔵方式を必要としている。この対策として、エネルギ
ー貯蔵効率が高い種々の電池システムの研究が進められ
ているが、設置面積当たりのエネルギー貯蔵量が少な
く、大規模な電力量の十分な調整が可能にはなっていな
い。

【０００４】なお、特開平9−250360 号公報には、昼夜
間の電力需要の格差調整のために、夜間電力を利用して
液体空気を蓄冷槽にて製造してエネルギー貯蔵し、昼間
の電力ピーク時にこの液体空気を加熱気化させて、この
気化空気を燃焼器に供給しガスタービンを駆動するエネ
ルギー貯蔵型のガスタービン発電システムについて記載
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】夜間の余剰電力で液体
空気を製造及び貯蔵して、電力需要のピーク時に液体空
気を気化させてガスタービンの燃焼器に供給するエネル
ギー貯蔵型の発電システムにおいては、圧縮空気及び液
体空気に対する蓄冷槽での冷熱の熱交換状態が特に重要
となる。すなわち、蓄冷槽での圧縮空気の冷却に必要な
冷熱量が不足した場合には、昼間の電力ピーク時の発電
に使用される液体空気の製造量が十分に得られなくな
る。また、液体空気の加熱に必要な蓄熱量が不足した場
合には、やはり昼間の電力ピーク時に燃焼器へ供給され
る気化空気量を確保することができなくなり、昼間の発
電に支障を来たしてしまう虞があった。

【０００６】本発明の目的は、安定した継続運転を可能
とするガスタービン発電システム及びその制御方法を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は以下のガスタービン発電システムを提供す
る。

【０００８】すなわち、本発明のガスタービン発電シス
テムは、空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮空気を
冷却するおよび、または液化空気を気化して該気化空気
の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却された空気
を液化する装置と、前記液化された液体空気を貯蔵する
貯蔵槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器と、前記
燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガスタービン
とを備えたガスタービン発電システムにおいて、前記蓄
冷槽で気化され前記燃焼器に導かれる空気の流量を制御
する第１の制御手段と、前記空気圧縮機で圧縮され前記
燃焼器に導かれる空気の流量を制御する第２の制御手段
とを備えたものである。

【０００９】好ましくは、前記第１及び第２の制御手段
は、前記蓄冷槽で気化された空気の流量または／および
前記空気圧縮機で圧縮された空気の流量を、前記蓄冷槽
で気化された気化空気の温度に基づいて制御するもので
ある。

【００１０】また、好ましくは、前記第１及び第２の制
御手段は、前記蓄冷槽で気化され前記燃焼器に導かれる
空気の流量と、前記空気圧縮機で圧縮され前記燃焼器に
導かれる空気の流量の合計値が所定値に制御するもので
ある。

【００１１】また、好ましくは、前記ガスタービン発電
システムは、前記燃焼器に供給される燃料と前記空気圧
縮機に供給される空気とを熱交換する熱交換器を備えた
ものである。

【００１２】また、本発明のガスタービン発電システム
は、空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮空気を冷却
するおよび、または液化空気を気化して該気化空気の冷
熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却された空気を液
化する装置と、該液化された液体空気を貯蔵する貯蔵槽
と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器と、前記燃焼器
で生じた燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとを備
えたガスタービン発電システムにおいて、前記蓄冷槽で
気化され前記燃焼器に導かれる空気の流量を制御する第
１の制御弁と、前記空気圧縮機で圧縮され前記燃焼器に
導かれる空気の流量を制御する第２の制御弁と、前記蓄
冷槽の温度に基づいて前記第１及び第２の制御弁を制御
する制御装置を備えたものである。

【００１３】また、本発明のガスタービン発電システム
は、空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮空気を冷却
するおよび、または液化空気を気化して該気化空気の冷
熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却された空気を液
化する装置と、前記液化された液体空気を貯蔵する貯蔵
槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器と、前記燃焼
器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとを
備えたガスタービン発電システムにおいて、前記蓄冷槽
で加熱気化された空気の少なくとも一部と、前記空気圧
縮機で圧縮された空気の少なくとも一部とを前記蓄冷槽
の温度に基づいて混合させて供給する手段を備えたもの
である。

【００１４】また、本発明のガスタービン発電システム
は、空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮空気を冷却
するおよび、または液化空気を気化して該気化空気の冷
熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却された空気を液
化する装置と、前記液化された液体空気を貯蔵する貯蔵
槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器と、前記燃焼
器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとを
備えたガスタービン発電システムにおいて、前記空気圧
縮機で圧縮された空気を前記蓄冷槽に導く第１の経路の
途中から分岐し、前記蓄冷槽で気化された空気を前記燃
焼器に導く第２の経路の途中に連通する第３の経路を設
置し、前記蓄冷槽で気化され前記燃焼器に供給される空
気の流量を制御する第１の制御手段と、前記空気圧縮機
で圧縮された空気の流量を制御する第２の制御手段を夫
々備えたものである。

【００１５】また、本発明のガスタービン発電システム
は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から導かれる
空気を冷却するおよび、または液体空気を気化して該気
化空気の冷熱を貯蔵する第１の蓄冷槽と、該第１の蓄冷
槽で冷却された空気を液化する装置と、前記液化された
液体空気を貯蔵する貯蔵槽と、空気に燃料を混合して燃
焼する燃焼器と、該燃焼器に供給される燃料の冷熱を貯
蔵して前記圧縮機に導く空気を冷却する第２の蓄冷槽
と、前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガス
タービンと、前記第１の蓄冷槽で気化され前記燃焼器に
導かれる空気の流量を制御する第１の制御手段と、前記
空気圧縮機で圧縮され前記燃焼器に導かれる空気の流量
を制御する第２の制御手段とを備えたものである。

【００１６】上記目的を達成するために、本発明は以下
のガスタービン発電システムの運転方法を提供する。

【００１７】すなわち、本発明のガスタービン発電シス
テムの運転方法は、空気を圧縮する空気圧縮機と、液体
空気製造時に圧縮空気を冷却し、気化空気製造時に液体
空気を気化して該気化空気の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、
該蓄冷槽で冷却された空気を液化する装置と、前記液化
された空気を貯蔵する貯蔵槽と、空気に燃料を混合して
燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより
駆動されるガスタービンとを備えたガスタービン発電シ
ステムの運転方法において、前記蓄冷槽で気化され前記
燃焼器に導かれる空気の流量と、前記空気圧縮機で圧縮
され前記燃焼器に導かれる空気の流量を前記蓄冷槽の温
度に基づいて制御するものである。

【００１８】また、本発明のガスタービン発電システム
の運転方法は、空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮
空気を冷却するおよび、または液化空気を気化して該気
化空気の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却され
た空気を液化する装置と、前記液化された液体空気を貯
蔵する貯蔵槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器
と、前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガス
タービンとを備えたガスタービン発電システムの運転方
法において、前記蓄冷槽で気化され前記燃焼器に導かれ
る空気の流量と、前記空気圧縮機で圧縮され前記燃焼器
に導かれる空気の流量の合計値を所定値に制御するもの
である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を用いて詳細に説明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施例であるエネルギ
ー貯蔵型のガスタービン発電システムの構成図を示す。
貯槽タンク１には、冷熱を有する液化天然ガス（以下Ｌ
ＮＧと称する）として貯蔵されている。この貯蔵される
ＬＮＧは、弁２を介してコンクリートや砂利などの蓄冷
材が充填された蓄冷槽３に供給され、ここで常温の空気
と熱交換され加熱気化される。気化された天然ガス（以
下、ＮＧと称する）は、ブロア−８によって大気から取
り込まれ、含有する水分や二酸化炭素が吸着塔９にて除
去された空気と混合され、燃焼器５にて燃焼される。

【００２１】この時、蓄冷槽３での熱交換量が不足した
場合には、ＬＮＧは弁２１を介して気化器４に供給さ
れ、ここで海水等を用いて更に加熱気化される。気化さ
れたＮＧは弁２２を介して燃焼器５へ供給される。燃焼
器５で燃焼され発生した高温の燃焼ガスは、ガスタービ
ン６内にて膨張し、ガスタービン６と連結された発電機
７を回転させることにより発電する。また、気化したＬ
ＮＧのうち、余剰となった天然ガス（ＮＧ）は、他のガ
スタービン発電システム８０にて使用されることにな
る。

【００２２】通常のガスタービン発電システムでは、燃
焼器５においてＮＧと混合される空気は、空気圧縮機１
１にて加圧圧縮された空気が使用される。この時、空気
圧縮機１１とガスタービン６や発電機７の運転は連動し
ており、発電機７にて発生した電力の一部は空気圧縮機
１１の動力用電力として消費されることになる。

【００２３】また、液体空気を製造する場合は、主に夜
間の余剰電力にて空気圧縮機１１に連結された電動機１
２を駆動させて、圧縮空気を蓄冷槽３，１５にて冷却す
ることにより液体空気を夜間に製造している。製造され
た液体空気は、昼間の電力ピーク時にポンプ２９によっ
て加圧された後に蓄冷槽１５で加熱することで気化さ
せ、再生熱交換器４でガスタービン排ガスとさらに熱交
換が行われた後に燃焼器５に供給される。このような運
転方法によれば、昼間のガスタービン発電システムにお
いて、空気圧縮機１１を動作させることなく高圧の燃焼
用空気を得ることができる。すなわち、昼間の電力ピー
ク時において、空気圧縮機１１の動力が不要となること
から、ガスタービン発電システムによる発電量が増加さ
せることができる。

【００２４】次に、液体空気の夜間における製造方法、
及び昼間における液体空気の気化方法について、以下詳
細に説明する。

【００２５】夜間において、液体空気を製造するのは以
下の方法による。液体空気用の原料空気は、ブロアー８
にて大気より取り込まれ、水分や二酸化炭素が吸着塔９
にて除去される。乾燥状態となった空気は、蓄冷槽３に
て外部冷熱源であるＬＮＧと熱交換し、ＬＮＧの冷熱に
より必要とされる温度まで冷却される。ＬＮＧ流量は、
蓄冷槽３の出口における冷却後の空気温度に応じて調整
される。冷却された空気は、弁１０を介して空気圧縮機
１１に供給される。空気圧縮機１１は、電動機１２によ
り夜間電力を使用して駆動され、空気は所定の圧力とし
て、例えば、空気の臨界圧力以上である約４０気圧まで
一段、あるいは複数段の圧縮にて昇圧される。なお、循
環弁１３は、空気圧縮機１１の安定運転を想定し、ここ
では閉状態としている。

【００２６】空気圧縮機１１にて昇圧された空気は、加
圧により温度がＬＮＧ温度付近から常温程度まで上昇し
ており、予め冷却され冷熱が貯蔵された状態の蓄冷槽１
５にて再び熱交換され、空気の臨界温度である−１４０
℃以下に再冷却される。蓄冷槽１５は、温度上昇した圧
縮空気により加熱されるため、貯蔵している冷熱量は減
少する。蓄冷槽１５の出口にて空気の臨界状態以上とな
った空気は、ジュールトムソン弁１６にて大気圧まで等
エンタルピーにて自由膨張して取り出され、約−１９０
℃まで温度低下する。その結果、空気の一部は液化し、
液体空気貯槽１７に分離貯蔵される。液化しなかった空
気については、その温度は約−１９０℃程度であり、蓄
冷槽１５内部及び弁１３２，１９が設けられた熱交換経
路にて、その空気の冷熱は回収される。

【００２７】昼間において、ガスタービン６の燃焼器５
へ液体空気を気化し供給するのは、以下の方法による。
すなわち、夜間に製造し液体空気貯槽１７に貯蔵された
液体空気は、再循環弁２８を有するポンプ２９にて、例
えば約４０気圧まで昇圧され、弁３０を介して蓄冷槽１
５に移送される。蓄冷槽１５は、圧縮空気の冷却により
部分的には常温程度まで温度上昇しているため、この液
体空気との熱交換により加熱された結果、約４０気圧の
空気に気化することになる。この気化した空気は、再生
熱交換器１４によりタービン排ガスで更に加熱された
後、弁３２を介してガスタービン６の燃焼器５に供給さ
れる。この時、ガスタービン発電システムが必要とする
燃焼用空気圧力まで液体空気の状態にてポンプで加圧す
る動力は、気体空気の状態にて空気圧縮機で加圧する場
合と比較して、より少ない動力にて実現することがで
き、ガスタービン発電システムの効率向上にも寄与する
ことになる。なお、気化空気が安定に供給されるまでに
おいては、弁３３の開度調整により燃焼器５への空気供
給量を調整する。

【００２８】以上説明した液体空気の製造時間と液体空
気からの気化空気製造時間との関係は、代表的には以下
のような運転パターンで示される。すなわち、一日２４
時間を１サイクルとし、電力需要が比較的少ない夜間の
８時間にて空気圧縮機１１と蓄冷槽３，１５により空気
圧縮と冷却を行い、前述した方法により液体空気を製造
する。その後の５時間は、液体空気を液体空気貯槽１７
に貯蔵しておく。そして昼間に、例えば約５時間の電力
ピークを迎えると、ポンプ２９と蓄冷槽１５により液体
空気の加圧と加熱気化を行い、気化した空気は燃焼器５
に供給されて、ガスタービン６を回転させ発電機７によ
る発電を行う。

【００２９】液体空気を利用したガスタービン発電シス
テムでは、これまで述べたように、圧縮空気及び液体空
気に対する蓄冷槽１５での冷熱の交換状態が特に重要と
なる。すなわち、蓄冷槽での圧縮空気の冷却に必要な冷
熱量が不足した場合には、昼間の電力ピーク時の発電に
使用される液体空気の製造量が十分に得られなくなる。
また、液体空気の加熱に必要な蓄熱量が不足した場合に
は、やはり昼間の電力ピーク時に燃焼器へ供給される気
化空気量を確保することができなくなり、昼間の発電に
支障をきたすことになる。このような蓄冷槽状態となっ
た場合には、エネルギー貯蔵型発電システムとしての機
能を十分には果たしてるとはいえず、蓄冷槽の熱交換状
態に応じた燃焼用空気の供給方法が必要である。

【００３０】このため本実施例では、図１に示すように
空気圧縮機１１で圧縮された空気を畜冷槽１５に導く経
路の途中から分岐し、畜冷槽１５で気化された空気を燃
焼器５へ導く経路の途中に連通するバイパス経路を設置
し、このバイパス経路に圧縮空気流量調節弁５６を設け
た構成としている。圧縮空気流量調節弁５６は、蓄冷槽
１５の温度状態に応じてバイパス経路を流れる圧縮空気
流量を調節する。このような構成とすることにより、従
来のエネルギー貯蔵型ガスタービン発電システムと比較
して、大きく次の二つの特徴がある。

【００３１】先ず一点目として、空気圧縮機１１からの
低温圧縮空気について、その使用方法が液体空気を製造
するだけでなく、直接的に再生熱交換器１４を介してガ
スタービン６の燃焼器５へ供給することが可能となるた
め、液体空気の製造及び圧縮空気を用いた発電を同時に
行うことができる。

【００３２】この時、圧縮空気流量調節弁５６を流れる
圧縮空気流量の調節は、空気圧縮機流量制御器５０によ
り行われる。すなわち、空気圧縮機１１への空気は予め
蓄冷槽３によりＬＮＧ冷熱を利用して冷却されているこ
とから、空気圧縮機１１の動力の低減が図られ、結果的
にはＬＮＧ冷熱を利用した高効率な発電が実現できる。
なお、燃焼器５における空気供給圧力の条件と空気圧縮
機１１の出口圧力との条件が不一致となり、その結果発
電効率の低下が大きくなる場合や燃焼温度などで不都合
が発生する場合などには、空気圧縮機１１を多段階圧縮
としたり空気取入口のガイドベーンの調整などにより圧
力条件の一致を図ることが可能である。次に二点目とし
て、燃焼器５への燃焼用空気の供給といった点からみる
と、蓄冷槽１５に蓄熱した圧縮空気の熱による液体空気
の気化空気だけでなく、空気圧縮機１１からの圧縮空気
を混合してガスタービン６の燃焼器５へ供給することが
可能となる。そして、蓄冷槽１５の温度状態が液体空気
の気化能力を十分に保有していないと判断されたような
場合、あるいは、蓄冷槽１５の熱容量を小さく設計して
いるような場合などにおいては、蓄冷槽１５による液体
空気の気化機能をバイパスした運用が可能となる。この
時、圧縮空気流量調節弁５６を流れる圧縮空気流量の調
節は、燃焼空気流量制御器５１により行われる。

【００３３】図１に示した本発明のエネルギー貯蔵型ガ
スタービン発電システムにおいて、液体空気によるエネ
ルギー貯蔵だけでなく、空気圧縮機１１を連続的に運転
し、ＬＮＧ冷熱を利用して発電するような場合の動作特
性を図２を用いて詳細に説明する。この時は、蓄冷槽温
度変化の把握が重要となる。なお、図２は蓄冷槽１５の
温度上昇の上限値への到達時間と、液体空気製造の運転
時間とが一致した例を示している。

【００３４】図２において、説明を簡単にするために、
１日２４時間を発電システムの運転の１サイクルとし、
液体空気の製造に関わる運転時間を８時間、空気気化に
関わる運転時間を５時間とし、またそれぞれの運転時間
の間に６時間、及び５時間の蓄冷槽１５の運転休止時間
を設定する。ここで、空気圧縮機１１はＬＮＧ冷熱によ
り蓄冷槽３にて冷却された空気を連続的に圧縮し、一定
流量の空気圧縮機流量を供給している。

【００３５】このような状態において、蓄冷槽１５へ供
給される圧縮空気流量は空気圧縮機流量から分岐されて
いるため、蓄冷槽１５の運転休止時間中の空気圧縮機流
量に比較して燃焼器空気流量は減少し、その結果、燃料
であるＮＧ流量も減少させるため発電機出力は減少す
る。また、液体空気貯槽１７の液体空気の貯蔵量は、図
２に示すように、液体空気製造に関わる時間（Ｔａ，Ｔ
ｂ）において増加することになり、液体空気によるエネ
ルギー貯蔵が行われる。

【００３６】ここで、圧縮空気流量調節弁５６を流れる
圧縮空気流量の調節は、空気圧縮機１１の電動機１２の
運転状態信号Ｓ１の条件成立を受け、空気圧縮機流量制
御器５０により以下のように行われる。すなわち、当初
想定した液体空気製造時における発電機出力の設定値に
対応して、圧縮空気流量調節弁５６の開度を設定し、空
気圧縮機１１の圧縮空気の残りについては、蓄冷槽１５
に供給する。蓄冷槽１５は、液体空気製造時における圧
縮空気の熱によって温度上昇するが、最終的にはジュー
ルトムソン弁１６の前段における圧縮空気温度が臨界温
度である約−１４０℃以上とならなければ、液体空気の
製造を継続することができる。しかしながら、圧縮空気
温度が臨界温度付近となるに従って、ジュールトムソン
弁１６により膨張させた空気の液化率は低下する。この
ため、蓄冷槽１５の出口空気の温度上昇を検出し、その
温度信号Ｓ２に基づいて蓄冷槽入口弁５４の開度要求信
号Ｓ４を減少させ、蓄冷槽１５への圧縮空気の供給量を
減少させる。また、蓄冷槽入口弁５４の開度要求信号Ｓ
４の減少に伴い、空気圧縮機流量を一定とするために、
圧縮空気流量調節弁５６の開度要求信号Ｓ３を増加さ
せ、圧縮空気による発電へと連続的に移行させる。

【００３７】一方、液体空気貯槽１７の液体空気量は、
図２に示すように、液体空気製造に関わる時間（Ｔｃ，
Ｔｄ）において減少することになり、液体空気を気化し
た空気を利用した発電が行われる。このような状態にお
いて、燃焼器５へ供給される燃焼器空気流量は、空気圧
縮機流量が合流されているため増加し、その結果、燃料
であるＮＧ流量も増加させるため発電機出力は増加す
る。

【００３８】ここで、圧縮空気流量調節弁５６を流れる
圧縮空気流量の調節は、空気圧縮機１１と連結された電
動機１２の運転状態信号Ｓ１とポンプ２９の運転状態信
号Ｓ８の条件成立を受け、燃焼空気流量制御器５１によ
り以下のように行われる。すなわち、当初想定した気化
空気製造時における発電機出力の設定値に対応して、圧
縮空気流量調節弁５６の開度を設定し、発電機出力の設
定値に対する空気不足分については、蓄冷槽１５からの
気化空気を供給する。蓄冷槽１５の温度は、気化空気の
冷熱により低下し、最終的には液体空気温度程度である
約−１６０℃となる。

【００３９】このように、蓄冷槽１５の温度が低下する
に従い、液体空気の気化及び気化空気の加熱性能が低下
する。このため、蓄冷槽１５の出口側の気化空気の温度
低下を検出し、その温度信号Ｓ７に基づいて蓄冷槽出口
弁５５の開度要求信号Ｓ６を減少させ、蓄冷槽１５から
の気化空気の供給量を減少させる。空気圧縮機流量につ
いては、空気圧縮機１１の安定な運転状態を考慮して一
定流量運転としているため、圧縮空気流量調節弁５６の
開度要求信号Ｓ５についてはここでは全開状態から変更
せず、従って発電機出力は気化空気の減少に伴って燃焼
器空気流量が減少した分だけ減少することになる。

【００４０】また、液体空気の製造、及び液体空気から
の気化空気の製造を行わない蓄冷槽１５の運転休止時間
（Ｔｂ，Ｔｃ）及び（Ｔｄ，Ｔｅ）では、空気圧縮機１
１により低温圧縮空気を圧縮空気流量調節弁５６、及び
再生熱交換器１４を介して直接的に燃焼器へ供給し、Ｌ
ＮＧ冷熱の利用により圧縮機動力を低減した高効率発電
を行う。

【００４１】以上述べたように、本実施例によれば、蓄
冷槽の温度状態に応じて必要とされる発電を行うことが
できるようになるため、運転パターンに対応した発電を
実現することにより、当初計画されている電力ピーク時
の電力需要格差の調整に対して大きく寄与することがで
きる。

【００４２】図３は本発明の他の実施例を示すガスター
ビン発電システムの構成図である。なお、図１と同一の
構成については説明を省略する。図１と異なるのは、空
気圧縮機１１からの圧縮空気について、蓄冷槽出口側と
圧縮空気流量調節弁５６を介して接続する構成にて、圧
縮空気流量調節弁５６の開度調整を空気圧縮機流量制御
器５０のみによって行う点である。

【００４３】すなわち、圧縮空気との熱交換によって蓄
冷槽１５の温度が上昇すると、効率的に空気液化ができ
なくなるが、本実施例では、この蓄冷槽１５の温度上昇
を温度検出器で検出し、蓄冷槽入口弁５４の開度を絞る
とともに、空気圧縮機１１からの圧縮空気流量が一定と
なるように圧縮空気流量調節弁５６の開度を増加させて
いる。このように本実施例によれば、空気圧縮機１１を
一定運転状態として、蓄冷槽１５の温度状態に応じて液
体空気製造のための蓄冷槽１５への圧縮空気の供給量
と、発電のための燃焼器５への圧縮空気の供給量を調整
することができる。

【００４４】図４は、本発明の他の実施例であるガスタ
ービン発電システムの構成図である。なお、図１と同一
の構成については説明を省略する。本実施例では、空気
圧縮機１１からの低温圧縮空気について、蓄冷槽出口側
と圧縮空気流量調節弁５６を介して接続する構成におい
て、圧縮空気流量調節弁５６の開度調整を燃焼空気流量
制御器５１で制御している。

【００４５】すなわち、液体空気との熱交換によって蓄
冷槽１５の温度が下降すると、効率的に空気気化ができ
なくなるが、この蓄冷槽１５の温度低下を温度検出器で
検出し、蓄冷槽出口弁５５の開度を絞り、空気圧縮機１
１からの圧縮空気流量を一定状態となるように圧縮空気
流量調節弁５６の開度を保持している。このように本実
施例によれば、空気圧縮機１１を一定運転状態とした場
合、蓄冷槽１５の温度状態に応じて気化空気製造のため
の蓄冷槽１５への加圧した液体空気の供給量を調整し、
発電のための燃焼器５への圧縮空気の供給量を調整する
ことができる。よって、ガスタービン発電システムが何
らかの理由により停止した場合、停止した原因が除去さ
れれば、速やかに発電システムの運転再開をすることに
より設備の利用率を高めることができる。図５に示した
運転正常パターンに従い発電システムを運用している場
合には、本発明によれば速やかに発電再開が可能とな
る。以下、図５について詳細に説明する。

【００４６】図５は本実施例における動作特性を示した
図である。エネルギー貯蔵型発電システムの運転パター
ンとして、液体空気製造のみの運転時間を８時間，空気
気化製造とその空気を用いた発電運転時間を５時間と
し、それらの運転時間の間に６時間及び５時間の運転休
止時間をここでは想定する。液体空気製造の運転中に何
らかの原因により発電システムが時間Ｔ１で停止した場
合、蓄冷槽１５の温度は空気圧縮の熱を十分に蓄熱して
いない状態となる。発電システムの停止原因が除去さ
れ、このような状態から運転再開をする場合には、以下
の大きく二つの方法が考えられる。

【００４７】先ず、液体空気を製造するいずれかの運転
パターンの時間内に、発電システムを運転再開する場合
（case−Ａ）である。この場合には、蓄冷槽１５に残っ
ている冷熱を利用し、液体空気の製造が継続可能となる
ことから大きな影響はない。具体的には、時間Ｔｅで発
電システムが運転再開した場合には、時間Ｔ３までの液
体空気製造時間により、次の液体空気を気化するための
圧縮空気の熱の蓄熱と、液体空気貯槽１７の液体空気量
を確保することができる。仮に、液体空気製造時間の運
転パターンの時間内に液体空気製造の運転が完了しない
ような場合には、液体空気製造の時間を幾分延長するこ
とにより、当初計画されている電力ピーク時の空気気化
とそれに伴う発電の時間帯には支障を及ぼさない。

【００４８】これに対して、液体空気を気化して発電す
るいずれかの運転パターンの時間内に、発電システムを
運転再開する場合（case−Ｂ）については、従来技術に
おいては、以下のような問題が発生する。すなわち、こ
の場合には、蓄冷槽１５に蓄熱した圧縮空気の熱を利用
して液体空気を気化するため、液体空気製造途中におけ
る発電システムの停止は、圧縮空気の熱の蓄熱に不足を
引き起こすことになる。具体的には、時間Ｔｃで発電シ
ステムが運転再開した場合には、時間Ｔ２まで液体空気
を気化することはできるが、時間Ｔ２から時間Ｔｄまで
はこのままでは気化空気を得ることができないために、
発電の続行ができず発電時間に制約が発生する。

【００４９】本実施例のエネルギー貯蔵型のガスタービ
ン発電システムでは、このような状態を以下の方法によ
り回避することができる。すなわち、蓄冷槽１５の温度
低下を検出して液体空気の気化能力の低下を判定して、
圧縮空気流量調節弁５６を開状態とするとともに、一時
的に空気圧縮機１１を起動して蓄冷槽３にてＬＮＧ冷熱
により冷却された空気を圧縮し、冷温圧縮空気を再生熱
交換器１４を介して、直接的にガスタービン６の燃焼器
５へ供給することである。以上によれば、引き続き発電
を継続することができる。このとき、圧縮空気流量調節
弁５６で調節する圧縮空気の流量は、蓄冷槽１５から燃
焼器５へ供給される空気供給量との合計を継続運転に必
要な流量に制御することで、負荷を低下させることなく
安定した発電を継続して行うことができる。なお、時間
Ｔｄまで空気圧縮機１１を運転した後は、この運転パタ
ーンの場合には発電を継続する必要がないため、空気圧
縮機１１は運転を停止する。

【００５０】その後は、蓄冷槽１５の冷熱状態は正常温
度状態に復帰しているために、発電システムとしての運
転方法についても通常の運転パターンに復帰することに
なる。

【００５１】このように、運転パターンに対応した発電
を実現することにより、当初計画されている電力ピーク
時の電力需要格差の調整に対して大きく寄与することが
できる。

【００５２】図６は本実施例における動作特性を示す図
である。図６に示すように、空気気化の運転中に何らか
の原因により発電システムが時間Ｔｉで停止した場合、
蓄冷槽１５の温度は気化空気の冷熱を十分に回収してい
ない状態となる。発電システムの停止原因が除去され、
このような状態から運転再開をする場合には、大きく以
下の二つの発電システムの状態が考えられる。

【００５３】先ず、液体空気を製造するいずれかの運転
パターンの時間内に、発電システムを運転再開する場合
（case−Ｃ）である。この場合には、蓄冷槽１５に残っ
ている冷熱を利用し、液体空気の製造が継続可能となる
ことから大きな影響はない。具体的には、時間Ｔａで発
電システムが運転再開した場合には、時間Ｔｊまでの液
体空気製造時間により、次の液体空気を気化するための
圧縮空気の熱の蓄熱と、液体空気貯槽１７の液体空気量
を確保することができる。仮に、液体空気製造時間の運
転パターン内の時間に液体空気製造の運転が完了しない
ような場合には、液体空気製造の時間を幾分延長するこ
とにより、当初計画されている電力ピーク時の空気気化
とそれに伴う発電の時間帯には支障を及ぼさない。

【００５４】これに対して、液体空気を気化し発電する
いずれかの運転パターンの時間内に、発電システムを運
転再開する場合（case−Ｄ）については、従来技術にお
いては、以下のような問題が発生する。すなわち、この
場合には、蓄冷槽１５に蓄熱した圧縮空気の熱を利用し
て液体空気を気化するため、気化空気製造途中における
発電システムの停止は、蓄冷槽１５に残っている圧縮空
気の熱の蓄熱量不足を引き起こすことになる。具体的に
は、時間Ｔｃで発電システムが運転再開した場合には、
時間Ｔｋまで液体空気を気化することはできるが、発電
が必要とされる時間Ｔｋから時間Ｔｄまでは、このまま
では気化空気を得ることができないために、発電の続行
ができない。

【００５５】しかしながら、本実施例によれば、このよ
うな状態を以下の方法により回避することができる。す
なわち、蓄冷槽１５の温度低下を検出して液体空気の気
化能力の低下を判定して、圧縮空気流量調節弁５６を開
状態とするとともに、一時的に空気圧縮機１１を起動し
て蓄冷槽３にてＬＮＧ冷熱により冷却された空気を圧縮
し、冷温圧縮空気を再生熱交換器１４を介して、直接的
にガスタービン６の燃焼器５へ供給することにより、発
電を継続することができる。なお、時間Ｔｄまで空気圧
縮機１１を運転した後は、この運転パターンの場合には
発電を継続する必要がないため、空気圧縮機１１は運転
を停止する。その後は、蓄冷槽の冷熱状態は正常温度状
態に復帰しているために、発電システムとしての運転方
法についても通常の運転パターンに復帰することにな
る。

【００５６】以上述べたように、本実施例によれば、蓄
冷槽の温度状態に応じて必要とされる発電を行うことが
できるようになるため、運転パターンに対応した発電を
実現することにより、当初計画されている電力ピーク時
の電力需要格差の調整に対して大きく寄与することがで
きる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、昼間の電力ピーク時に
も安定して運転継続することが可能となるという効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるガスタービン発電シス
テムの構成図。

【図２】本実施例における動作特性を示す図。

【図３】本発明の他の実施例であるガスタービン発電シ
ステムの構成図。

【図４】本発明の他の実施例であるガスタービン発電シ
ステムの構成図。

【図５】本実施例における動作特性を示す図。

【図６】本実施例における動作特性を示す図。

【符号の説明】

３，１５…蓄冷槽、５…燃焼器、６…ガスタービン、７
…発電機、１１…空気圧縮機、１６…ジュールトムソン
弁、１７…液体空気貯槽、２９…ポンプ、５０…空気圧
縮機流量制御器、５１…燃焼空気流量制御器、５６…圧
縮空気流量調節弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者若菜晴美茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者荒木秀文茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮空
気を冷却するおよび、または液化空気を気化して該気化
空気の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却された
空気を液化する装置と、前記液化された液体空気を貯蔵
する貯蔵槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガスター
ビンとを備えたガスタービン発電システムにおいて、前記蓄冷槽で気化され前記燃焼器に導かれる空気の流量
を制御する第１の制御手段と、前記空気圧縮機で圧縮さ
れ前記燃焼器に導かれる空気の流量を制御する第２の制
御手段とを備えたことを特徴とするガスタービン発電シ
ステム。
【請求項２】空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮空
気を冷却するおよび、または液化空気を気化して該気化
空気の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却された
空気を液化する装置と、該液化された液体空気を貯蔵す
る貯蔵槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器と、前
記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガスタービ
ンとを備えたガスタービン発電システムにおいて、前記蓄冷槽で気化され前記燃焼器に導かれる空気の流量
を制御する第１の制御弁と、前記空気圧縮機で圧縮され
前記燃焼器に導かれる空気の流量を制御する第２の制御
弁と、前記蓄冷槽の温度に基づいて前記第１及び第２の
制御弁を制御する制御装置を備えたことを特徴とするガ
スタービン発電システム。
【請求項３】空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮空
気を冷却するおよび、または液化空気を気化して該気化
空気の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却された
空気を液化する装置と、前記液化された液体空気を貯蔵
する貯蔵槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガスター
ビンとを備えたガスタービン発電システムにおいて、前記蓄冷槽で加熱気化された空気の少なくとも一部と、
前記空気圧縮機で圧縮された空気の少なくとも一部とを
前記蓄冷槽の温度に基づいて混合させて供給する手段を
備えたことを特徴とするガスタービン発電システム。
【請求項４】空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮空
気を冷却するおよび、または液化空気を気化して該気化
空気の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却された
空気を液化する装置と、前記液化された液体空気を貯蔵
する貯蔵槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガスター
ビンとを備えたガスタービン発電システムにおいて、前記空気圧縮機で圧縮された空気を前記蓄冷槽に導く第
１の経路の途中から分岐し、前記蓄冷槽で気化された空
気を前記燃焼器に導く第２の経路の途中に連通する第３
の経路を設置し、前記蓄冷槽で気化され前記燃焼器に供
給される空気の流量を制御する第１の制御手段と、前記
空気圧縮機で圧縮された空気の流量を制御する第２の制
御手段を夫々備えたことを特徴とするガスタービン発電
システム。
【請求項５】空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から
導かれる空気を冷却するおよび、または液体空気を気化
して該気化空気の冷熱を貯蔵する第１の蓄冷槽と、該第
１の蓄冷槽で冷却された空気を液化する装置と、前記液
化された液体空気を貯蔵する貯蔵槽と、空気に燃料を混
合して燃焼する燃焼器と、該燃焼器に供給される燃料の
冷熱を貯蔵して前記圧縮機に導く空気を冷却する第２の
蓄冷槽と、前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動され
るガスタービンと、前記第１の蓄冷槽で気化され前記燃
焼器に導かれる空気の流量を制御する第１の制御手段
と、前記空気圧縮機で圧縮され前記燃焼器に導かれる空
気の流量を制御する第２の制御手段とを備えたことを特
徴とするガスタービン発電システム。
【請求項６】前記第１及び第２の制御手段は、前記蓄冷
槽で気化された空気の流量または、および前記空気圧縮
機で圧縮された空気の流量を、前記蓄冷槽で気化された
気化空気の温度に基づいて制御することを特徴とする請
求項１に記載のガスタービン発電システム。
【請求項７】前記第１及び第２の制御手段は、前記蓄冷
槽で気化され前記燃焼器に導かれる空気の流量と、前記
空気圧縮機で圧縮され前記燃焼器に導かれる空気の流量
の合計値が所定値に制御することを特徴とする請求項１
に記載のガスタービン発電システム。
【請求項８】前記燃焼器に供給する燃料は液化天然ガス
であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記
載のガスタービン発電システム。
【請求項９】前記ガスタービン発電システムは、前記燃
焼器に供給される燃料と前記空気圧縮機に供給される空
気とを熱交換する熱交換器を備えたことを特徴とする請
求項１から４のいずれかに記載のガスタービン発電シス
テム。
【請求項１０】空気を圧縮する空気圧縮機と、液体空気
製造時に圧縮空気を冷却し、気化空気製造時に液体空気
を気化して該気化空気の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄
冷槽で冷却された空気を液化する装置と、前記液化され
た空気を貯蔵する貯蔵槽と、空気に燃料を混合して燃焼
する燃焼器と、前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動
されるガスタービンとを備えたガスタービン発電システ
ムの運転方法において、前記蓄冷槽で気化され前記燃焼器に導かれる空気の流量
と、前記空気圧縮機で圧縮され前記燃焼器に導かれる空
気の流量を前記蓄冷槽の温度に基づいて制御することを
特徴とするガスタービン発電システムの運転方法。
【請求項１１】空気を圧縮する空気圧縮機と、前記圧縮
空気を冷却するおよび、または液化空気を気化して該気
化空気の冷熱を貯蔵する蓄冷槽と、該蓄冷槽で冷却され
た空気を液化する装置と、前記液化された液体空気を貯
蔵する貯蔵槽と、空気に燃料を混合し燃焼する燃焼器
と、前記燃焼器で生じた燃焼ガスにより駆動されるガス
タービンとを備えたガスタービン発電システムの運転方
法において、前記蓄冷槽で気化され前記燃焼器に導かれる空気の流量
と、前記空気圧縮機で圧縮され前記燃焼器に導かれる空
気の流量の合計値を所定値に制御することを特徴とする
ガスタービン発電システムの運転方法。