JP2007211597A

JP2007211597A - プラント設備

Info

Publication number: JP2007211597A
Application number: JP2006029505A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Miyagi; 雅一宮城; Tetsuo Sasada; 哲男笹田; Isao Takehara; 勲竹原; Eitaro Murata; 英太郎村田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-23
Also published as: US20070200351A1; CN101016904A; EP2014879A1

Abstract

【課題】減速機や増速機といった変速機を不要とし、プラント全体効率を向上させたプラント設備を提供する。
【解決手段】電源周波数より高い周波数で回転するタービン１と、該タービンに直結され、前記タービンと同じ回転数で回転する発電機２と、負荷装置６と直結され、前記発電機２から出力される電源周波数より高い周波数の電気１３で作動する電動モータ５とを備え、前記負荷装置６を前記電動モータ５と同じ回転数で駆動するように構成したことを特徴とするプラント設備。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電設備で発生した電気で負荷装置を駆動するプラント設備に関する。

タービンにより駆動される発電機により発電される電気で、電動モータを作動させ、当該電動モータの動力により負荷装置を駆動する技術としては、例えば特開２０００−
１０４６９８号公報に記載のものがある。

特開２０００−１０４６９８号公報

前述の特開２０００−１０４６９８号公報の従来技術では、ガスタービンと発電機の間に減速機を設置し、モータとガス圧縮機の間に増速機を用いているため、これら減速機，増速機などの変速機により発生する損失によって、プラント設備の効率が低下することになる。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、変速機を不要とし、プラント全体効率を向上させたプラント設備を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のプラント設備は、電源周波数より高い周波数で回転するタービンと、該タービンに直結され、前記タービンと同じ回転数で回転する発電機と、負荷装置と直結され、前記発電機から出力される電源周波数より高い周波数の電気で作動する電動モータとを備え、前記負荷装置を前記電動モータと同じ回転数で駆動するように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、減速機や増速機などの変速機を必要せず、プラント全体の効率を向上させたプラント設備を提供できるという効果を奏する。

本発明の実施例を説明する前に、先ず一般的なプラント設備について図８を用いて説明する。なお、以下の説明では発電設備としてガスタービンを用いた例を説明するが、蒸気タービンを用いた発電設備にも適用することが可能である。また、モータにより駆動する負荷として、ガス圧縮機を例に用いて説明するが、ポンプなどの負荷装置にも適用することが可能である。

図示するプラント設備は、大別して発電側設備１００と負荷側設備２００によって構成されている。発電側設備１００は、主に発電設備であるガスタービン２０と、このガスタービンによって駆動される発電機２２を備えており、ガスタービン２０で発生した動力はガスタービン回転軸２３から減速機２１を介して発電機回転軸２４に伝達される。減速機２１では、発電機２２で発生する電力が電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）となるように、発電機２２に伝達される回転数が調節される。なお、ガスタービン２０，減速機
２１，発電機２２のそれぞれの回転軸は軸受３０，３１，３２を介して支持されている。

また、負荷側設備２００は、発電機２２から供給される電源周波数の電気３６により駆動される電動モータ２５と、この電動モータ２５を動力源とするガス圧縮機２７によって構成されている。電動モータ２５で発生した動力は、電動モータ回転軸２８から増速機
２６を介してガス圧縮機回転軸２９に伝達される。なお、電動モータ２５，増速機２６，ガス圧縮機２７のそれぞれの回転軸は軸受３３，３４，３５を介して支持されている。

上述のように構成したプラント設備では、負荷装置としてガス圧縮機２７を用い、ガスを高い圧力まで圧縮している。そして、同じプラント設備内にガスタービン発電設備を有しており、電動モータ２５を駆動する電気を発電機２２によって作り出している。一般的にプラント設備における発電用ガスタービンは、比較的中小型のガスタービンが用いられる。大型ガスタービンは回転数を、電源周波数である５０Ｈｚ、あるいは６０Ｈｚに合わせる設計となっているが、中小型ガスタービンでは、熱効率を最適とするため、通常６０Ｈｚ以上の高速回転数で作動する。

一方、発電機２２は２極式発電機の場合は、電源周波数の５０Ｈｚ、もしくは６０Ｈｚで回転し、４極式等、極数が増える場合は、さらに小さい回転数となる。したがって、中小型のガスタービン発電設備の場合には、ガスタービン２０と発電機２２の間に減速機
２１を設置し、ガスタービン回転軸２３の回転数を発電機回転軸２４の回転数に合わせている。

ここで、ガスタービン発電設備の減速機２１は、大きさの異なる歯車の組み合わせにより構成されたものであるため、歯車のかみ合い損失や風損により、発電効率が低下してしまう。また、歯車は減速機軸受３１により支持されているため、軸受損失が発生し、発電効率を低下させることになる。さらに、歯車や軸受には潤滑油を多量の潤滑油を供給する必要があるため、タンク，ポンプ，フィルタ，クーラ等の潤滑油関連機器の容量が大きくなり、各種弁の数や配管長さも大きくなるという問題点もある。

ガスタービン発電設備により発電された、電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の電気３６は、同じプラント内に設置された電動モータ２５に送られ、電動モータ２５を作動させる。電動モータ２５が作動することにより、ガス圧縮機２７が駆動され、必要な仕事を行う。電動モータ２５の回転数は通常、電源周波数の５０Ｈｚ、あるいは６０Ｈｚである。一方、ガス圧縮機２７は大きい回転数の方が効率が良いため、通常６０Ｈｚより大きい回転数で駆動される。したがって、電動モータ２５とガス圧縮機２７の間に増速機２６を設置し、電動モータ回転軸２８から伝達された回転数を、ガス圧縮機回転軸２９が所望する回転数となるように増速機２６で増速させている。

増速機２６も前述した減速機２１と同様に、大きさの異なる歯車の組み合わせであるため、歯車のかみ合い損失や風損により、発電効率が低下する。歯車は増速機軸受３４により支持されているため、軸受損失が発生し、発電効率を低下させる。さらに、歯車や軸受に潤滑油を多量の潤滑油を供給する必要があるため、タンク，ポンプ，フィルタ，クーラ等の潤滑油関連機器の容量が大きくなり、各種弁の数や配管長さも大きくなるという問題点もある。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例であるプラント設備の全体構成を示す図である。

図示する本実施例は、図８の構成と同様に大別して発電側設備１００と負荷側設備200によって構成されている。発電側設備１００は、主に発電設備であるガスタービン１と、このガスタービンによって駆動される発電機２を備えている。また、ガスタービン１，発電機２のそれぞれの回転軸は、軸受９，１０を介して回転可能に支持されている。そして、本実施例ではガスタービン回転軸と発電機回転軸は直結カップリング４によって連結されており、ガスタービン−発電機回転軸３として機械的に一体に構成している。

また、負荷側設備２００は、発電機２から供給される電源周波数の電気１３により駆動される電動モータ５と、この電動モータ５を動力源とするガス圧縮機６によって構成され、電動モータ５，ガス圧縮機６のそれぞれの回転軸は、軸受１１，１２を介して支持されている。そして、負荷側設備２００においても、電動モータ回転軸とガス圧縮機回転軸は直結カップリング８によって連結されており、電動モータ−ガス圧縮機回転軸７として一体に構成している。

以上のように構成した本実施例では、前述した図８の構成と同様に、ガスタービン１で発電機２を駆動することによって発電し、発電した電気１３により電動モータ５を作動させ、ガス圧縮機６を駆動させている。

ここで、本実施例が図８の構成と異なるのは、発電側設備１００と負荷側設備２００がそれぞれ変速機を備えていない点にある。すなわち、ガスタービン１と発電機２の回転軸は減速機を介さずに直結し、また電動モータ５とガス圧縮機６の回転軸も増速機を介さずに直結している。ガスタービン１の回転数は６０Ｈｚより大きい回転数（ＸＨｚとする）であり、発電機２の回転数も同じＸＨｚである。したがって、発電機２によって発生する電気の周波数もＸＨｚとなる。（２極式発電機の場合）

ＸＨｚの電気１３は、同じプラント内の電動モータ５に送られ、電動モータ５を作動させる。電動モータ５はＸＨｚの電気１３で作動する仕様となっており、電動モータ回転数はＸＨｚである。電動モータ５によりガス圧縮機６を駆動させ、所要の仕事を行うが、図１の電動モータ５は図８の例と異なり、通常の電源周波数５０Ｈｚ、あるいは６０Ｈｚより大きい回転数ＸＨｚであるため、増速機を介することなく、ガス圧縮機６と直結できる。

以上説明した本実施例によれば、ガスタービン１，発電機２，電動モータ５，ガス圧縮機６といった各機器の効率を下げることなく、従来設置していた減速機，増速機を削除することができる。また、減速機，増速機では歯車のかみ合い損失，風損，軸受損失といった損失が生じるが、本実施例では減速機，増速機が存在しないため、前述した損失は発生しない。さらには、減速機，増速機の削減により、これらに供給が必要であった潤滑油が不要となる。これにより、タンク，ポンプ，フィルタ，クーラ等の潤滑油関連機器の容量を小さくすることができるとともに、ポンプ等の補機動力も低減できる。この結果、プラント設備の効率を向上させることができるという効果を奏する。

また、減速機，増速機の削減による潤滑油関連機器の減少に伴い、各種弁の数や配管の長さも小さくなり、コストを低減することができる。そして、減速機，増速機の削除、及び潤滑油機器の容量縮小化により、プラント設備全体の設置面積を減少させることができる。

なお、ガスタービン−発電機回転軸３と電動モータ−ガス圧縮機軸７の回転数(ＸＨｚ)は、色々な選択方法があるが、ガスタービン１，ガス圧縮機６には、その出力によって、効率が最大となる最適な回転数があるため、プラント設備全体で効率が最大となる回転数を選択する。

図２は、本発明の他の実施例を示したものである。本実施例では、図１の構成に加えて、発電機２から電動モータ５に供給される電気１３の周波数を可変にするインバータ１４を設置した構成となっている。

ここで、本実施例ではガスタービン１の回転数は６０Ｈｚより大きい回転数（ＸＨｚとする）であり、発電機２の回転数も同じＸＨｚであるため、発電機２によって発生する電気の周波数もＸＨｚとなる（２極式発電機の場合）。一方、ガス圧縮機６は電動モータ５に直結されているため、電動モータ５と同じ回転数で作動する。ガス圧縮機６は回転数に応じて負荷が変化することになる。このため、本実施例ではＸＨｚの電気１３をインバータ１４により周波数を調整し、ＹＨｚの電気３８として電動モータ５に供給している。これにより、電動モータ５、およびガス圧縮機６の回転数を可変にすることができ、負荷を調整することができる。この結果、本実施例ではガス圧縮機６の部分負荷運転が可能となる。

図３は、本発明の別の実施例である。従来技術の発電機は、電源周波数の５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚで回転するが、本実施例の発電機は６０Ｈｚ以上の高速回転数（ＸＨｚ）で回転する。ここで、本実施例において発電機のロータ径を従来６０Ｈｚ用の発電機ロータ径と同じにした場合、発電機ロータには（Ｘ／６０）² 倍の遠心荷重が作用し、強度信頼性を低下させる。そこで、本実施例では強度信頼性に対する課題を解決するため、発電機のロータ径を従来よりも小さい小径ロータ発電機を用いて、遠心荷重を低下させている。また、ロータ径を小さくすると、発電出力も小さくなるため、小径ロータ発電機３９を複数台直列につなぎ、必要な出力を確保している。

一方、電動モータも回転数が大きくなると、ロータの遠心荷重が大きくなり、強度信頼性が低下する。したがって、電動モータについてもロータ径の小さい小径ロータ電動モータ４０を用い、複数台つなげることにより必要な動力を確保している。

図４は本発明の他の実施例である。本実施例では、発電側設備１００のガスタービン１と小径ロータ発電機３９の構成は図３と同じである。一方、負荷側設備２００のガス圧縮機６と小径ロータ電動モータ４０はロータ径の小さいものを用い、ガス圧縮機６と小径ロータ電動モータ４０のセットを複数セット（ｎ軸）設置している。本実施例では、ガス圧縮機６と小径ロータ電動モータ４０のロータ径を小さくしているため、ロータ遠心荷重は小さく、信頼性が高い。また、稼動させるガス圧縮機６と小径ロータ電動モータ４０のセット数を変えることにより、負荷の調整を行うことができる。

図５は本発明の他の実施例である。本実施例のプラント設備はガスタービン−発電機の発電設備を複数備え（１００ａ〜１００ｎ）、電動モータ−ガス圧縮機の負荷設備を複数備えている（２００ａ〜２００ｎ）。発電設備の各軸、および負荷設備の各軸は、プラント設備に要求される仕事量に応じて、必要なだけ作動させる。ガス圧縮機６を駆動させて、余った電気は、インバータ１４により周波数を通常の電源周波数である５０Ｈｚ、あるいは６０Ｈｚに変換して、プラント内の種々の電気機器１５を作動させる。

図６は本発明の他の実施例である。本実施例では、プラント設備内の全ての電気機器を、ＸＨｚの電気で作動するように設計された機器を用いている。通常、一般的な電気機器は５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの電源周波数で作動するように作られている。そのため、本発明のプラント設備内で電気機器を使用する場合、一つの方法は、図２のようにインバータを設置して、周波数を変換することである。この場合、インバータによる損失が発生し、またインバータ設置コストが発生する。あるいは、別の方法としては、プラント内の発電設備で発電した電気を用いずに、外部系統から電気を供給してもらう方法もある。しかし、プラントで使用する電気を賄うために、発電設備を設けているにも関わらず、その電気を使わないのは、不合理かつ不経済である。

そこで、本実施例では、プラント内の全ての電気機器３７をＸＨｚの電気で作動するように設計している。これにより、インバータを設ける必要がないため、インバータによる損失がなく、プラント全体の効率が向上する。また、外部系統と連絡することないため、当該プラントのみで自立運用することができる。

図７は、本発明の他の実施例である。本実施例は、図１のガスタービン１，発電機２，電動モータ５，ガス圧縮機６の各軸受１６，１７，１８，１９を全て磁気軸受としたプラント設備である。ここで、磁気軸受とは、電磁的な吸引力、あるいは反発力によってロータを浮上させ、支持する軸受である。

従来のガスタービン１，発電機２，電動モータ５，ガス圧縮機６の各軸は、一般的に油で潤滑されたすべり軸受で支持されるが、磁気軸受とすることにより、潤滑油が一切不要となる。したがって、減速機，増速機を削除することによる潤滑油削減をさらに進め、完全にオイルフリーのプラント設備とすることが可能となる。

これにより、タンク，ポンプ，フィルタ，クーラ等の潤滑油関連機器を設置する必要がなくなり、各種弁の数や配管長さも小さくなる。そのため、コスト低減することができ、ポンプ等の補機駆動力が小さくなり、プラント効率も上昇する。また、プラント設置面積も大幅に減少させることができる。

本発明の一実施例であるプラント設備の全体構成図。本発明の他の実施例であるプラント設備の全体構成図。本発明の他の実施例であるプラント設備の全体構成図。本発明の他の実施例であるプラント設備の全体構成図。本発明の他の実施例であるプラント設備の全体構成図。本発明の他の実施例であるプラント設備の全体構成図。本発明の他の実施例であるプラント設備の全体構成図。一般的なプラント設備の全体構成図。

符号の説明

１，２０…ガスタービン、２，２２…発電機、３…ガスタービン−発電機回転軸、４，８…直結カップリング、５，２５…電動モータ、６，２７…ガス圧縮機、７…電動モータ−ガス圧縮機回転軸、９，３０…ガスタービン軸受、１０…発電機軸受、１１…ガス圧縮機軸受、１２…電動モータ軸受、１３…ＸＨｚの電気、１４…インバータ、１５，３７…電気機器、１６…ガスタービン磁気軸受、１７…発電機磁気軸受、１８…ガス圧縮機磁気軸受、１９…電動モータ磁気軸受、２１…減速機、２３…ガスタービン回転軸、２４…発電機回転軸、２６…増速機、２８…電動モータ回転軸、２９…ガス圧縮機回転軸、３１…減速機軸受、３２…発電機軸受、３３…電動モータ軸受、３４…増速機軸受、３５…ガス圧縮機軸受、３６…電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の電気、３８…ＹＨｚの電気、３９…小径ロータ発電機、４０…小径ロータ電動モータ、１００…発電側設備、２００…負荷側設備。

Claims

電源周波数より高い周波数で回転するタービンと、該タービンに直結され、前記タービンと同じ回転数で回転する発電機と、負荷装置と直結され、前記発電機から出力される電源周波数より高い周波数の電気で作動する電動モータとを備え、前記負荷装置を前記電動モータと同じ回転数で駆動するように構成したことを特徴とするプラント設備。
発電側設備と負荷側設備により構成されるプラント設備において、
前記発電側設備は、電源周波数より高い周波数で回転するタービンと、該タービンに直結され、前記タービンと同じ回転数で回転する発電機とを備え、
前記負荷側設備は、負荷装置と直結された電動モータを備え、
前記発電機から出力される電源周波数より高い周波数の電気で前記電動モータを作動させ、該電動モータに連結された負荷装置を前記電動モータと同じ回転数で駆動するように構成したことを特徴とするプラント設備。
電源周波数より高い周波数で回転するタービンと、該タービンに直結され、前記タービンと同じ回転数で回転する発電機と、該発電機により発電した電気の周波数を変換するインバータと、負荷装置と直結され、前記インバータにより調節された周波数の電気で作動する電動モータとを備え、前記負荷装置を前記電動モータと同じ回転数で駆動するように構成したことを特徴とするプラント設備。
電源周波数より高い周波数で回転するタービンと、該タービンに直結され、前記タービンと同じ回転数で回転する複数台の発電機と、負荷装置と直結され、前記複数台の発電機から出力される電源周波数より高い周波数の電気で作動する複数台の電動モータとを備え、前記負荷装置を前記複数台の電動モータと同じ回転数で駆動するように構成したことを特徴とするプラント設備。
請求項１に記載するプラント設備において、
前記電動モータは６０Ｈｚより大きい周波数で負荷装置を駆動することを特徴とするプラント設備。
請求項１に記載するプラント設備において、
プラントが備える電気機器を電源周波数より高い周波数の電気で作動するように構成したことを特徴とするプラント設備。
請求項１に記載するプラント設備において、
各回転機器の軸受を磁気軸受により構成したことを特徴とするプラント設備。