JP3605141B2 - 圧縮空気貯蔵形発電プラント - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ Ｓｔａｒｔ Ｓｔｏｐ）運用に供される圧縮空気貯蔵形発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービンを使用した圧縮空気貯蔵形発電プラントの系統図を図３に示す。図に示すものは、完全なＤＳＳ運用に供するようにしたもので、クラッチ０１を嵌、クラッチ０２を脱にし、発電・電動機０３を電動機として使用し、夜間の余剰電力によって作動させ、増速歯車装置０４を介して低圧空気圧縮機０５、および高圧空気圧縮機０６を駆動する。このとき、大気は吸気フィルタ０７を通って、低圧空気圧縮機０５に導入され、該低圧空気圧縮機０５で低圧縮空気にされ、低圧空気圧縮機０５を出た低圧縮空気は、インタークーラ０８で冷却された後、高圧空気圧縮機０６で、さらに高圧の高圧縮空気にされる。
さらに、高圧空気圧縮機０６を出た高圧縮空気は、アフタークーラ０９により５０℃程度まで冷却されて、廃抗等の地下空洞を利用して作られた貯気槽０１０に、電動弁０１１を介して流入させ、貯えられる。
インタークーラ０８による低圧縮空気の冷却は、高圧空気圧縮機０６の動力を削減し、アフタークーラ０９による高圧縮空気の冷却は、高圧縮空気の貯蔵体積を減らして貯蔵容量を増大させる働きをする。
【０００３】
次に、昼間の電力需要時間帯においては、クラッチ０１を脱、クラッチ０２を嵌にして、発電・電動機０３と増速歯車装置０４との連結を解除するとともに、発電・電動機０３を減速歯車装置０１３に連結して、電動弁０１１を閉じて、電動弁０１２を開く。
これにより、貯気槽０１０に貯えられている圧縮空気は、再生器０１３で後述する低圧ガスタービン０１８からの排気により加熱されて、高圧燃焼器０１５に流入する。高圧燃焼器０１５では、流入した圧縮空気に別途供給した燃料０１６を混合して、高圧の燃焼ガスを発生させる。また、高圧の燃焼ガスは、高圧ガスタービン０１７に導入され、高圧ガスタービン０１７を作動させた後、低圧燃焼器０１９に流入する。低圧燃焼器０１９では、さらに、新たに供給された燃料０２０と混合されて低圧の燃焼ガスを発生させる。低圧の燃焼ガスは低圧ガスタービン０１８を作動させた後、再生器０１３に流入し、前述の通り圧縮空気を加熱した後、排ガスとなって煙突０２１から大気へ排出される。
【０００４】
高圧の燃焼ガスで作動する高圧ガスタービン０１７、および低圧の燃焼ガスで作動する低圧ガスタービン０１８は同軸状に連結されて、減速歯車装置０１３のピニオンと連結しており、クラッチ０２を嵌にすることにより、減速歯車装置０１３を介して連結された発電・電動機０３を駆動する。
このとき発電・電動機０３は発電機として機能し発電を行う。
また、再生器０１４による圧縮空気の加熱は、高圧燃焼器０１５の入口空気温度を上げて燃料を節約する働きをする。
【０００５】
なお、別の圧縮空気貯蔵形発電プラントでは、上記高圧燃焼器０１５を設けず、高圧ガスタービン０１７に代えて、圧縮空気で作動させる膨脹タービンを採用する場合もある。
【０００６】
しかしながら、上述した従来の圧縮空気貯蔵形発電プラントにおいては、次に示す不具合があった。
（１）ガスタービン０１７，０１８による発電運転時、軸系に負荷の大きい空気圧縮機が結合されていないために、昇速及び昇負荷が急激に行われ、制御特性が不安定となる。また、負荷遮断時過速して、過速度危急遮断装置が作動することがあり、さらには、制御性が低いために無負荷定格回転状態の確保が困難である。
（２）空気圧縮機の設置によるガスタービンの軸推力の釣合いをとることができないため、特別な、大形バランスピストンをガスタービンに設ける必要がある。
（３）インタークーラ、及びアフタークーラで圧縮空気を冷却して昇温した冷却水の熱量は回収されることなく、例えばラジェータ等から大気へ放出されるだけであるので、プラントの熱効率が低下する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の圧縮空気貯蔵形発電プラントの、上述不具合を解消し、
（１）制御特性が安定し、負荷遮断時においても過速度危急遮断装置が作動することなく、また無負荷定格回転状態の確保が容易で、
（２）ガスタービン軸推力を釣合すためのバランスピストンの設置が不安で、
（３）プラントの熱効率を向上できる、
圧縮空気貯蔵形発電プラントを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントは次の手段とした。
（１）電力需要の大きい時間帯に貯蔵圧縮空気を使用して発電を行う圧縮空気貯蔵形発電プラントにおいて、貯蔵用空気圧縮機を駆動して前記貯蔵圧縮空気を製造する電動機と、発電機のロータ軸の一側とクラッチを介して連結され、前記貯蔵圧縮空気で作動する膨脹タービンと、前記ロータ軸の他側に連結され、前記膨脹タービンからの排気、若しくは大気から導入された空気を燃焼用圧縮空気にする空気圧縮機を軸結し前記燃焼用圧縮空気の燃焼ガスで作動するガスタービンと、前記ガスタービンの排気により蒸気を発生させる排ガスボイラと、前記排ガスボイラからの蒸気により作動し、発電機を駆動する蒸気タービンを設けた。
【０００９】
そして、前記膨脹タービンを作動させる前記貯蔵圧縮空気の供給管に介装され排ガスボイラからの蒸気、若しくは高温水で前記貯蔵圧縮空気を加熱する加熱器を設けた。
【００１０】
また、他の本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントは、上記（１）に加え、次の手段とした。
（２）前記加熱器における前記貯蔵圧縮空気の加熱は前記蒸気タービンから抽気された蒸気で行うものとした。
【００１１】
また、他の本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントは、次の手段とした。
（３）電力需要の大きい時間帯に貯蔵圧縮空気を使用して発電を行う圧縮空気貯蔵形発電プラントにおいて、貯蔵用空気圧縮機を駆動して前記貯蔵圧縮空気を製造する電動機と、発電機のロータ軸の一側とクラッチを介して連結され、前記貯蔵圧縮空気で作動する膨脹タービンと、前記ロータ軸の他側に連結され、前記膨脹タービンからの排気、若しくは大気から導入された空気を燃焼用圧縮空気にする空気圧縮機を軸結し前記燃焼用圧縮空気の燃焼ガスで作動するガスタービンと、前記ガスタービンの排気により蒸気を発生させる排ガスボイラと、前記排ガスボイラからの蒸気により作動し、発電機を駆動する蒸気タービンと、貯蔵される前記貯蔵圧縮空気を前記排ガスボイラの給水を使用して冷却する冷却器を設けた。
【００１２】
【作用】
（１）上記（１）の手段とした、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントによれば、夜間等における余剰電力を使って、独立した電動機により、貯蔵空気圧縮機を駆動し、大気から取入れた空気を貯蔵圧縮空気にして、地下空洞等を利用して作られた貯気槽に貯えることができる。
更に、昼間の電力需要の大きい時間帯等に、貯蔵圧縮空気で膨脹タービンを作動させ、発電機を駆動することにより、余剰電力による、いわゆる動力源（燃料）を必要としない、電力供給ができる。
膨脹タービンから排出された低温の排気を空気圧縮機で圧縮し、その燃焼ガスでガスタービンを作動させるので、ガスタービンの出力及び効率を向上させることができる。
また、発電機は、ガスタービン又は膨脹タービンの何れか一方で駆動することもでき、若しくは、これらを協同させて駆動することもでき、電力需要に応じた運転ができる。
ガスタービンは空気圧縮機と軸結して作動するため、昇速など昇負荷が緩かに行われ、制御特性の安定したものになる。また、発電機負荷の遮断時、過速して過速度危急遮断装置が作動することもなく、無負荷定格回転状態を確保できる。
ガスタービンは空気圧縮機と軸結して作動するため、軸推力の釣合せができ、ガスタービンへのバランスピストンの設置が不要になる。
ガスタービンの排気により、排ガスボイラで蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービンを作動させ発電機を駆動するので、熱回収率が向上でき、発電効率を上げることができる。
【００１３】
また、膨脹タービンに供給される貯蔵圧縮空気を、高温高圧にでき膨脹タービンを効率良く運転でき、出力及び効率を向上させることができる。
【００１４】
（２）また、上記（２）の手段とした、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントによれば、上記（１）に加え、膨脹タービンの出力及び効率向上に加え、蒸気タービンの熱効率も向上させることができ、発電プラントの熱効率をさらに向上させることができる。
【００１５】
（３）また、上記（３）の手段とした、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントによれば、夜間等における余剰電力を使って、独立した電動機により、貯蔵空気圧縮機を駆動し、大気から取入れた空気を貯蔵圧縮空気にして、地下空洞等を利用して作られた貯気槽に貯えることができる。
昼間の電力需要の大きい時間帯等に、貯蔵圧縮空気で膨脹タービンを作動させ、発電機を駆動することにより、余剰電力による、いわゆる動力源（燃料）を必要としない、電力供給ができる。
膨脹タービンから排出された低温の排気を空気圧縮機で圧縮し、その燃焼ガスでガスタービンを作動させるので、ガスタービンの出力及び効率を向上させることができる。
また、発電機は、ガスタービン又は膨脹タービンの何れか一方で駆動することもでき、若しくは、これらを協同させて駆動することもでき、電力需要に応じた運転ができる。
ガスタービンは空気圧縮機と軸結して作動するため、昇速など昇負荷が緩かに行われ、制御特性の安定したものになる。また、発電機負荷の遮断時、過速して過速度危急遮断装置が作動することもなく、無負荷定格回転状態を確保できる。
ガスタービンは空気圧縮機と軸結して作動するため、軸推力の釣合せができ、ガスタービンへのバランスピストンの設置が不要になる。
ガスタービンの排気により、排ガスボイラで蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービンを作動させ発電機を駆動するので、熱回収率が向上でき、発電効率を上げることができる。更に、貯蔵用空気圧縮機で圧縮されるとき、昇温した貯蔵圧縮空気の熱量が大気に放出されることなく、排ガスボイラの熱源として回収できるので、発電プラントの熱効率が、さらに一層向上できる。
【００１６】
【実施例】
本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントの実施例を図面にもとづき説明する。
図１は、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントの第１実施例、図２は第２実施例を、それぞれ示す系統図である。
【００１７】
図１において、空気圧縮機２、燃焼器３、及び空気圧縮機２と同軸状に連結されて、燃焼ガスで作動するタービン４で構成される、単純１軸形の従来形をしたガスタービン１と、膨脹タービン５とはクラッチ６を介して、発電機７の各々の側に１軸に結合されており、発電機７を駆動して発電を行うとともに、ガスタービン１はタービン４に供給される燃焼ガスを発生させるための空気圧縮機２を駆動する。また、膨脹タービン５の排気口はガスタービン１の空気圧縮機２の吸入口へ連結されている。また、ガスタービン１の単独運転に備え、空気圧縮機２の吸入口に連結する吸気フィルタ９が別に設置されており、空気圧縮機２は膨脹タービン５の排気、又は大気から導入した空気、又は膨脹タービン５の排気と大気から導入した空気を一定の割合で混合したガスを圧縮し、燃焼用圧縮空気にする。燃焼用圧縮空気は燃焼器３に導入され、燃焼器３に別途供給された燃料２９と混合され燃焼ガスとなってタービン４を作動する。
【００１８】
貯蔵圧縮空気９を製造する貯蔵用空気圧縮機としての、低圧空気圧縮機１２、及び高圧空気圧縮機１３は独立した電動機１１により増速歯車装置１４を介して駆動される。また、低圧空気圧縮機１２の吸入口には、吸気フィルタ１６が設置されるとともに、低圧空気圧縮機１２の吐出口と高圧空気圧縮機１３の吸入口との間には、低圧空気圧縮機１２で圧縮され昇温した低圧縮空気を冷却し、高圧空気圧縮機１３の動力を削減するための冷却器としての、インタークーラ１５が設けられている。
しかし、本実施例では、従来高圧空気圧縮機１３の吐出側に設置されていた、アフタークーラは廃止されている。これにより、貯蔵圧縮空気９は高圧空気圧縮機１３で高圧縮空気にされ、電動弁１７を経由して、廃抗等を利用して地下空間に形成された貯気槽１８に貯蔵される。
【００１９】
また、燃焼ガスで駆動されるタービン４の排気は、排ガスボイラ２１に流入し、給水を加熱し蒸気を発生させた後、排ガスとなって、煙突３０より大気へ放出される。
排ガスボイラ２１で発生した蒸気は、蒸気タービン２２を作動させた後、復水器２４で復水となり、排ガスボイラ２１へ再循環する。
また、蒸気タービン２２は軸結した発電機２３を駆動し発電を行う。
【００２０】
本実施例は上述のように構成されるので、夜間の余剰電力を使って、独立した電動機１１により、低圧、および高圧空気圧縮機１２，１３を駆動し、貯蔵圧縮空気９を地下空洞等に設けた貯気槽１８に貯える。このとき高圧空気圧縮機１３の吐出側に従来設けているアフタークーラを廃止することにより、貯蔵圧縮空気９の温度は高く、２００〜３００℃に保持できる。
【００２１】
一方、昼間の電力需要時、高温高圧の貯蔵圧縮空気９を膨脹タービン５に流入させ発電機７を駆動し、燃料を使用することなく、発電を行い、膨脹タービン５の排気は０〜１５℃にまで低下して、単純１軸形に代表される従来形をしたガスタービン１の空気圧縮機２の吸気室へ流入する。また、吸気室は吸気フィルタ８を介して大気とも連通しているので、大気吸込との割合は自由に制御する。
また、膨脹タービン５排気温度を０℃近くの常温以下に制御することにより、ガスタービン１の出力及び効率の向上が可能となる。
【００２２】
さらに、ガスタービン１の排気は排ガスボイラ２１へ導かれて、ガスタービン１、蒸気タービン２２、コンバインドプラントとして発電を行うので熱効率を向上させることができる。
また、発電機７のロータ軸のクラッチはガスタービン１、及び膨脹タービン５のそれぞれ単独運転を可能にするので、色々の負荷に対応した運転ができる。
なお、本実施例では発電機７及び２３を別体のものとして示したが、勿論これは一体の発電機とすることもできるものである。
【００２３】
次に、図２に示す第２実施例においては、上記第１実施例に加え貯気槽１８から膨脹タービン５へ貯蔵圧縮空気を供給する配管２７の途中に加熱器１０を設け、加熱器１０の加熱媒体として蒸気タービン２２から抽気した蒸気を使用するようにしている。
また、本実施例においては、第一実施例では廃止した、高圧空気圧縮機１３の吐出側の冷却器としての、アフタークーラ２０を設け、アフタークーラ２０の冷却媒体として、低圧空気圧縮機１２の吐出側に設けられた、冷却器としてのインタークーラ１５とともに、復水器３１で復水された蒸気タービン２２の排気、及び加熱器１０で貯蔵圧縮空気を加熱しドレンとなった、排ガスボイラ２１の給水２６を使用するようにしている。
【００２４】
本実施例は、上述の構成により、高圧空気圧縮機１３で高圧にされた貯蔵圧縮空気９は、アフタークーラで５０℃程度に冷却され貯気槽１８に貯蔵される。また、貯蔵圧縮空気９は、加熱器２０で蒸気タービン２２の抽気２５で加熱され、高温となって膨脹タービン５へ流入し、膨脹タービン５の出力及び効率を向上させる。また復水器２４からの復水は上記加熱器からのドレンと合流して、貯蔵圧縮空気を冷却するインタークーラ１５、及びアフタークーラ２０へ導かれ、圧縮空気を冷却すると共に温度が上がって、排ガスボイラ２１へ給水され、従来、大気へ放出されていた熱エネルギーを回収でき、発電プラントとしての熱効率を向上させることができる。
【００２５】
なお、本実施例では加熱器１０の加熱媒体に蒸気タービン２２の抽気蒸気を使用する例を示したが、これは排ガスボイラ２１から蒸気、又は高温水を直接供給するようにしても良い。これらは発電プラントの経済性を考慮して適宜選択すれば良い。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントによれば、請求項１に示す構成により、次の効果がえられる。
（１）ガスタービンによる発電運転時、ガスタービンの軸系に空気圧縮機を有するため、制御特性が安定し、負荷遮断時に過速せず、また安定した無負荷定格回転運転ができる。
また、空気圧縮機を設けたことにより、ガスタービンの軸推力が釣合い、特別な大形バランスピストンをガスタービンに設ける必要がない。
夜間等における余剰電力を使って、独立した電動機により貯蔵空気圧縮機を駆動し、大気から取入れた空気を貯蔵圧縮空気にして、地下空洞等を利用して作られた貯気槽に貯えることができ、昼間の電力需要の大きい時間帯等に、これで膨脹タービンを作動させ、発電機を駆動することにより、余剰電力による、いわゆる動力源（燃料）を必要としない電力供給ができる。
膨脹タービンから排出された低温の排気を空気圧縮機で圧縮し、その燃焼ガスでガスタービンを作動させるのでガスタービンの出力及び効率を向上させることができる。
また、発電機は、ガスタービン又は膨脹タービンの何れかの単独でも、若しくはガスタービン、膨脹タービンの協同でも駆動できるので、電力需要に対応した運転ができる。
排ガスボイラで、ガスタービンの排気を利用して発生させた蒸気で、蒸気タービンを作動し発電機を駆動するので、熱回収率が向上できプラントの発電効率を上げることができる。
【００２７】
更に、膨脹タービンに供給される貯蔵圧縮空気を高温高圧にでき、膨脹タービンを効率良く運転でき、出力及び効率を向上させることができる。
【００２８】
また、請求項２に示す構成により、
（２）膨脹タービンの出力、及び効率向上に加え、蒸気タービンの熱効率も向上させることができ、発電プラントの熱効率をさらに向上させることができる。
【００２９】
また、請求項３に示す構成により、
（３）ガスタービンによる発電運転時、ガスタービンの軸系に空気圧縮機を有するため、制御特性が安定し、負荷遮断時に過速せず、また安定した無負荷定格回転運転ができる。
また、空気圧縮機を設けたことにより、ガスタービンの軸推力が釣合い、特別な大形バランスピストンをガスタービンに設ける必要がない。
夜間等における余剰電力を使って、独立した電動機により貯蔵空気圧縮機を駆動し、大気から取入れた空気を貯蔵圧縮空気にして、地下空洞等を利用して作られた貯気槽に貯えることができ、昼間の電力需要の大きい時間帯等に、これで膨脹タービンを作動させ、発電機を駆動することにより、余剰電力による、いわゆる動力源（燃料）を必要としない電力供給ができる。
膨脹タービンから排出された低温の排気を空気圧縮機で圧縮し、その燃焼ガスでガスタービンを作動させるのでガスタービンの出力及び効率を向上させることができる。
また、発電機は、ガスタービン又は膨脹タービンの何れかの単独でも、若しくはガスタービン、膨脹タービンの協同でも駆動できるので、電力需要に対応した運転ができる。
排ガスボイラで、ガスタービンの排気を利用して発生させた蒸気で、蒸気タービンを作動し発電機を駆動するので、熱回収率が向上できプラントの発電効率を上げることができる。
更に、圧縮機で圧縮されるとき、昇温した貯蔵圧縮空気の熱量が大気に放出されることなく、排ガスボイラの熱源として回収できるので、発電プラントの熱効率が一層向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントの第１実施例を示す系統図。
【図２】本発明の第２実施例を示す系統図。
【図３】従来の圧縮空気貯蔵形発電プラントを示す系統図。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ 空気圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 膨脹タービン
６ クラッチ
７ 発電機
８ 吸気フィルタ
９ 貯蔵圧縮空気
１０ 加熱器
１１ 電動機
１２ 貯蔵用空気圧縮機としての低圧空気圧縮機
１３ 貯蔵用空気圧縮機としての高圧空気圧縮機
１４ 増速歯車装置
１５ 冷却器としてのインタークーラ
１６ 吸気フィルタ
１７，１９ 電動弁
１８ 貯気槽
２０ 冷却器としてのアフタークーラ
２１ 排ガスボイラ
２２ 蒸気タービン
２３ 発電機
２４ 復水器
２５ 抽気
２６ 給水
２７ 貯蔵空気供給用の配管
２９ 燃料
３０ 煙突
【産業上の利用分野】
本発明は、ＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ Ｓｔａｒｔ Ｓｔｏｐ）運用に供される圧縮空気貯蔵形発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービンを使用した圧縮空気貯蔵形発電プラントの系統図を図３に示す。図に示すものは、完全なＤＳＳ運用に供するようにしたもので、クラッチ０１を嵌、クラッチ０２を脱にし、発電・電動機０３を電動機として使用し、夜間の余剰電力によって作動させ、増速歯車装置０４を介して低圧空気圧縮機０５、および高圧空気圧縮機０６を駆動する。このとき、大気は吸気フィルタ０７を通って、低圧空気圧縮機０５に導入され、該低圧空気圧縮機０５で低圧縮空気にされ、低圧空気圧縮機０５を出た低圧縮空気は、インタークーラ０８で冷却された後、高圧空気圧縮機０６で、さらに高圧の高圧縮空気にされる。
さらに、高圧空気圧縮機０６を出た高圧縮空気は、アフタークーラ０９により５０℃程度まで冷却されて、廃抗等の地下空洞を利用して作られた貯気槽０１０に、電動弁０１１を介して流入させ、貯えられる。
インタークーラ０８による低圧縮空気の冷却は、高圧空気圧縮機０６の動力を削減し、アフタークーラ０９による高圧縮空気の冷却は、高圧縮空気の貯蔵体積を減らして貯蔵容量を増大させる働きをする。
【０００３】
次に、昼間の電力需要時間帯においては、クラッチ０１を脱、クラッチ０２を嵌にして、発電・電動機０３と増速歯車装置０４との連結を解除するとともに、発電・電動機０３を減速歯車装置０１３に連結して、電動弁０１１を閉じて、電動弁０１２を開く。
これにより、貯気槽０１０に貯えられている圧縮空気は、再生器０１３で後述する低圧ガスタービン０１８からの排気により加熱されて、高圧燃焼器０１５に流入する。高圧燃焼器０１５では、流入した圧縮空気に別途供給した燃料０１６を混合して、高圧の燃焼ガスを発生させる。また、高圧の燃焼ガスは、高圧ガスタービン０１７に導入され、高圧ガスタービン０１７を作動させた後、低圧燃焼器０１９に流入する。低圧燃焼器０１９では、さらに、新たに供給された燃料０２０と混合されて低圧の燃焼ガスを発生させる。低圧の燃焼ガスは低圧ガスタービン０１８を作動させた後、再生器０１３に流入し、前述の通り圧縮空気を加熱した後、排ガスとなって煙突０２１から大気へ排出される。
【０００４】
高圧の燃焼ガスで作動する高圧ガスタービン０１７、および低圧の燃焼ガスで作動する低圧ガスタービン０１８は同軸状に連結されて、減速歯車装置０１３のピニオンと連結しており、クラッチ０２を嵌にすることにより、減速歯車装置０１３を介して連結された発電・電動機０３を駆動する。
このとき発電・電動機０３は発電機として機能し発電を行う。
また、再生器０１４による圧縮空気の加熱は、高圧燃焼器０１５の入口空気温度を上げて燃料を節約する働きをする。
【０００５】
なお、別の圧縮空気貯蔵形発電プラントでは、上記高圧燃焼器０１５を設けず、高圧ガスタービン０１７に代えて、圧縮空気で作動させる膨脹タービンを採用する場合もある。
【０００６】
しかしながら、上述した従来の圧縮空気貯蔵形発電プラントにおいては、次に示す不具合があった。
（１）ガスタービン０１７，０１８による発電運転時、軸系に負荷の大きい空気圧縮機が結合されていないために、昇速及び昇負荷が急激に行われ、制御特性が不安定となる。また、負荷遮断時過速して、過速度危急遮断装置が作動することがあり、さらには、制御性が低いために無負荷定格回転状態の確保が困難である。
（２）空気圧縮機の設置によるガスタービンの軸推力の釣合いをとることができないため、特別な、大形バランスピストンをガスタービンに設ける必要がある。
（３）インタークーラ、及びアフタークーラで圧縮空気を冷却して昇温した冷却水の熱量は回収されることなく、例えばラジェータ等から大気へ放出されるだけであるので、プラントの熱効率が低下する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の圧縮空気貯蔵形発電プラントの、上述不具合を解消し、
（１）制御特性が安定し、負荷遮断時においても過速度危急遮断装置が作動することなく、また無負荷定格回転状態の確保が容易で、
（２）ガスタービン軸推力を釣合すためのバランスピストンの設置が不安で、
（３）プラントの熱効率を向上できる、
圧縮空気貯蔵形発電プラントを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントは次の手段とした。
（１）電力需要の大きい時間帯に貯蔵圧縮空気を使用して発電を行う圧縮空気貯蔵形発電プラントにおいて、貯蔵用空気圧縮機を駆動して前記貯蔵圧縮空気を製造する電動機と、発電機のロータ軸の一側とクラッチを介して連結され、前記貯蔵圧縮空気で作動する膨脹タービンと、前記ロータ軸の他側に連結され、前記膨脹タービンからの排気、若しくは大気から導入された空気を燃焼用圧縮空気にする空気圧縮機を軸結し前記燃焼用圧縮空気の燃焼ガスで作動するガスタービンと、前記ガスタービンの排気により蒸気を発生させる排ガスボイラと、前記排ガスボイラからの蒸気により作動し、発電機を駆動する蒸気タービンを設けた。
【０００９】
そして、前記膨脹タービンを作動させる前記貯蔵圧縮空気の供給管に介装され排ガスボイラからの蒸気、若しくは高温水で前記貯蔵圧縮空気を加熱する加熱器を設けた。
【００１０】
また、他の本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントは、上記（１）に加え、次の手段とした。
（２）前記加熱器における前記貯蔵圧縮空気の加熱は前記蒸気タービンから抽気された蒸気で行うものとした。
【００１１】
また、他の本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントは、次の手段とした。
（３）電力需要の大きい時間帯に貯蔵圧縮空気を使用して発電を行う圧縮空気貯蔵形発電プラントにおいて、貯蔵用空気圧縮機を駆動して前記貯蔵圧縮空気を製造する電動機と、発電機のロータ軸の一側とクラッチを介して連結され、前記貯蔵圧縮空気で作動する膨脹タービンと、前記ロータ軸の他側に連結され、前記膨脹タービンからの排気、若しくは大気から導入された空気を燃焼用圧縮空気にする空気圧縮機を軸結し前記燃焼用圧縮空気の燃焼ガスで作動するガスタービンと、前記ガスタービンの排気により蒸気を発生させる排ガスボイラと、前記排ガスボイラからの蒸気により作動し、発電機を駆動する蒸気タービンと、貯蔵される前記貯蔵圧縮空気を前記排ガスボイラの給水を使用して冷却する冷却器を設けた。
【００１２】
【作用】
（１）上記（１）の手段とした、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントによれば、夜間等における余剰電力を使って、独立した電動機により、貯蔵空気圧縮機を駆動し、大気から取入れた空気を貯蔵圧縮空気にして、地下空洞等を利用して作られた貯気槽に貯えることができる。
更に、昼間の電力需要の大きい時間帯等に、貯蔵圧縮空気で膨脹タービンを作動させ、発電機を駆動することにより、余剰電力による、いわゆる動力源（燃料）を必要としない、電力供給ができる。
膨脹タービンから排出された低温の排気を空気圧縮機で圧縮し、その燃焼ガスでガスタービンを作動させるので、ガスタービンの出力及び効率を向上させることができる。
また、発電機は、ガスタービン又は膨脹タービンの何れか一方で駆動することもでき、若しくは、これらを協同させて駆動することもでき、電力需要に応じた運転ができる。
ガスタービンは空気圧縮機と軸結して作動するため、昇速など昇負荷が緩かに行われ、制御特性の安定したものになる。また、発電機負荷の遮断時、過速して過速度危急遮断装置が作動することもなく、無負荷定格回転状態を確保できる。
ガスタービンは空気圧縮機と軸結して作動するため、軸推力の釣合せができ、ガスタービンへのバランスピストンの設置が不要になる。
ガスタービンの排気により、排ガスボイラで蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービンを作動させ発電機を駆動するので、熱回収率が向上でき、発電効率を上げることができる。
【００１３】
また、膨脹タービンに供給される貯蔵圧縮空気を、高温高圧にでき膨脹タービンを効率良く運転でき、出力及び効率を向上させることができる。
【００１４】
（２）また、上記（２）の手段とした、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントによれば、上記（１）に加え、膨脹タービンの出力及び効率向上に加え、蒸気タービンの熱効率も向上させることができ、発電プラントの熱効率をさらに向上させることができる。
【００１５】
（３）また、上記（３）の手段とした、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントによれば、夜間等における余剰電力を使って、独立した電動機により、貯蔵空気圧縮機を駆動し、大気から取入れた空気を貯蔵圧縮空気にして、地下空洞等を利用して作られた貯気槽に貯えることができる。
昼間の電力需要の大きい時間帯等に、貯蔵圧縮空気で膨脹タービンを作動させ、発電機を駆動することにより、余剰電力による、いわゆる動力源（燃料）を必要としない、電力供給ができる。
膨脹タービンから排出された低温の排気を空気圧縮機で圧縮し、その燃焼ガスでガスタービンを作動させるので、ガスタービンの出力及び効率を向上させることができる。
また、発電機は、ガスタービン又は膨脹タービンの何れか一方で駆動することもでき、若しくは、これらを協同させて駆動することもでき、電力需要に応じた運転ができる。
ガスタービンは空気圧縮機と軸結して作動するため、昇速など昇負荷が緩かに行われ、制御特性の安定したものになる。また、発電機負荷の遮断時、過速して過速度危急遮断装置が作動することもなく、無負荷定格回転状態を確保できる。
ガスタービンは空気圧縮機と軸結して作動するため、軸推力の釣合せができ、ガスタービンへのバランスピストンの設置が不要になる。
ガスタービンの排気により、排ガスボイラで蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービンを作動させ発電機を駆動するので、熱回収率が向上でき、発電効率を上げることができる。更に、貯蔵用空気圧縮機で圧縮されるとき、昇温した貯蔵圧縮空気の熱量が大気に放出されることなく、排ガスボイラの熱源として回収できるので、発電プラントの熱効率が、さらに一層向上できる。
【００１６】
【実施例】
本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントの実施例を図面にもとづき説明する。
図１は、本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントの第１実施例、図２は第２実施例を、それぞれ示す系統図である。
【００１７】
図１において、空気圧縮機２、燃焼器３、及び空気圧縮機２と同軸状に連結されて、燃焼ガスで作動するタービン４で構成される、単純１軸形の従来形をしたガスタービン１と、膨脹タービン５とはクラッチ６を介して、発電機７の各々の側に１軸に結合されており、発電機７を駆動して発電を行うとともに、ガスタービン１はタービン４に供給される燃焼ガスを発生させるための空気圧縮機２を駆動する。また、膨脹タービン５の排気口はガスタービン１の空気圧縮機２の吸入口へ連結されている。また、ガスタービン１の単独運転に備え、空気圧縮機２の吸入口に連結する吸気フィルタ９が別に設置されており、空気圧縮機２は膨脹タービン５の排気、又は大気から導入した空気、又は膨脹タービン５の排気と大気から導入した空気を一定の割合で混合したガスを圧縮し、燃焼用圧縮空気にする。燃焼用圧縮空気は燃焼器３に導入され、燃焼器３に別途供給された燃料２９と混合され燃焼ガスとなってタービン４を作動する。
【００１８】
貯蔵圧縮空気９を製造する貯蔵用空気圧縮機としての、低圧空気圧縮機１２、及び高圧空気圧縮機１３は独立した電動機１１により増速歯車装置１４を介して駆動される。また、低圧空気圧縮機１２の吸入口には、吸気フィルタ１６が設置されるとともに、低圧空気圧縮機１２の吐出口と高圧空気圧縮機１３の吸入口との間には、低圧空気圧縮機１２で圧縮され昇温した低圧縮空気を冷却し、高圧空気圧縮機１３の動力を削減するための冷却器としての、インタークーラ１５が設けられている。
しかし、本実施例では、従来高圧空気圧縮機１３の吐出側に設置されていた、アフタークーラは廃止されている。これにより、貯蔵圧縮空気９は高圧空気圧縮機１３で高圧縮空気にされ、電動弁１７を経由して、廃抗等を利用して地下空間に形成された貯気槽１８に貯蔵される。
【００１９】
また、燃焼ガスで駆動されるタービン４の排気は、排ガスボイラ２１に流入し、給水を加熱し蒸気を発生させた後、排ガスとなって、煙突３０より大気へ放出される。
排ガスボイラ２１で発生した蒸気は、蒸気タービン２２を作動させた後、復水器２４で復水となり、排ガスボイラ２１へ再循環する。
また、蒸気タービン２２は軸結した発電機２３を駆動し発電を行う。
【００２０】
本実施例は上述のように構成されるので、夜間の余剰電力を使って、独立した電動機１１により、低圧、および高圧空気圧縮機１２，１３を駆動し、貯蔵圧縮空気９を地下空洞等に設けた貯気槽１８に貯える。このとき高圧空気圧縮機１３の吐出側に従来設けているアフタークーラを廃止することにより、貯蔵圧縮空気９の温度は高く、２００〜３００℃に保持できる。
【００２１】
一方、昼間の電力需要時、高温高圧の貯蔵圧縮空気９を膨脹タービン５に流入させ発電機７を駆動し、燃料を使用することなく、発電を行い、膨脹タービン５の排気は０〜１５℃にまで低下して、単純１軸形に代表される従来形をしたガスタービン１の空気圧縮機２の吸気室へ流入する。また、吸気室は吸気フィルタ８を介して大気とも連通しているので、大気吸込との割合は自由に制御する。
また、膨脹タービン５排気温度を０℃近くの常温以下に制御することにより、ガスタービン１の出力及び効率の向上が可能となる。
【００２２】
さらに、ガスタービン１の排気は排ガスボイラ２１へ導かれて、ガスタービン１、蒸気タービン２２、コンバインドプラントとして発電を行うので熱効率を向上させることができる。
また、発電機７のロータ軸のクラッチはガスタービン１、及び膨脹タービン５のそれぞれ単独運転を可能にするので、色々の負荷に対応した運転ができる。
なお、本実施例では発電機７及び２３を別体のものとして示したが、勿論これは一体の発電機とすることもできるものである。
【００２３】
次に、図２に示す第２実施例においては、上記第１実施例に加え貯気槽１８から膨脹タービン５へ貯蔵圧縮空気を供給する配管２７の途中に加熱器１０を設け、加熱器１０の加熱媒体として蒸気タービン２２から抽気した蒸気を使用するようにしている。
また、本実施例においては、第一実施例では廃止した、高圧空気圧縮機１３の吐出側の冷却器としての、アフタークーラ２０を設け、アフタークーラ２０の冷却媒体として、低圧空気圧縮機１２の吐出側に設けられた、冷却器としてのインタークーラ１５とともに、復水器３１で復水された蒸気タービン２２の排気、及び加熱器１０で貯蔵圧縮空気を加熱しドレンとなった、排ガスボイラ２１の給水２６を使用するようにしている。
【００２４】
本実施例は、上述の構成により、高圧空気圧縮機１３で高圧にされた貯蔵圧縮空気９は、アフタークーラで５０℃程度に冷却され貯気槽１８に貯蔵される。また、貯蔵圧縮空気９は、加熱器２０で蒸気タービン２２の抽気２５で加熱され、高温となって膨脹タービン５へ流入し、膨脹タービン５の出力及び効率を向上させる。また復水器２４からの復水は上記加熱器からのドレンと合流して、貯蔵圧縮空気を冷却するインタークーラ１５、及びアフタークーラ２０へ導かれ、圧縮空気を冷却すると共に温度が上がって、排ガスボイラ２１へ給水され、従来、大気へ放出されていた熱エネルギーを回収でき、発電プラントとしての熱効率を向上させることができる。
【００２５】
なお、本実施例では加熱器１０の加熱媒体に蒸気タービン２２の抽気蒸気を使用する例を示したが、これは排ガスボイラ２１から蒸気、又は高温水を直接供給するようにしても良い。これらは発電プラントの経済性を考慮して適宜選択すれば良い。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントによれば、請求項１に示す構成により、次の効果がえられる。
（１）ガスタービンによる発電運転時、ガスタービンの軸系に空気圧縮機を有するため、制御特性が安定し、負荷遮断時に過速せず、また安定した無負荷定格回転運転ができる。
また、空気圧縮機を設けたことにより、ガスタービンの軸推力が釣合い、特別な大形バランスピストンをガスタービンに設ける必要がない。
夜間等における余剰電力を使って、独立した電動機により貯蔵空気圧縮機を駆動し、大気から取入れた空気を貯蔵圧縮空気にして、地下空洞等を利用して作られた貯気槽に貯えることができ、昼間の電力需要の大きい時間帯等に、これで膨脹タービンを作動させ、発電機を駆動することにより、余剰電力による、いわゆる動力源（燃料）を必要としない電力供給ができる。
膨脹タービンから排出された低温の排気を空気圧縮機で圧縮し、その燃焼ガスでガスタービンを作動させるのでガスタービンの出力及び効率を向上させることができる。
また、発電機は、ガスタービン又は膨脹タービンの何れかの単独でも、若しくはガスタービン、膨脹タービンの協同でも駆動できるので、電力需要に対応した運転ができる。
排ガスボイラで、ガスタービンの排気を利用して発生させた蒸気で、蒸気タービンを作動し発電機を駆動するので、熱回収率が向上できプラントの発電効率を上げることができる。
【００２７】
更に、膨脹タービンに供給される貯蔵圧縮空気を高温高圧にでき、膨脹タービンを効率良く運転でき、出力及び効率を向上させることができる。
【００２８】
また、請求項２に示す構成により、
（２）膨脹タービンの出力、及び効率向上に加え、蒸気タービンの熱効率も向上させることができ、発電プラントの熱効率をさらに向上させることができる。
【００２９】
また、請求項３に示す構成により、
（３）ガスタービンによる発電運転時、ガスタービンの軸系に空気圧縮機を有するため、制御特性が安定し、負荷遮断時に過速せず、また安定した無負荷定格回転運転ができる。
また、空気圧縮機を設けたことにより、ガスタービンの軸推力が釣合い、特別な大形バランスピストンをガスタービンに設ける必要がない。
夜間等における余剰電力を使って、独立した電動機により貯蔵空気圧縮機を駆動し、大気から取入れた空気を貯蔵圧縮空気にして、地下空洞等を利用して作られた貯気槽に貯えることができ、昼間の電力需要の大きい時間帯等に、これで膨脹タービンを作動させ、発電機を駆動することにより、余剰電力による、いわゆる動力源（燃料）を必要としない電力供給ができる。
膨脹タービンから排出された低温の排気を空気圧縮機で圧縮し、その燃焼ガスでガスタービンを作動させるのでガスタービンの出力及び効率を向上させることができる。
また、発電機は、ガスタービン又は膨脹タービンの何れかの単独でも、若しくはガスタービン、膨脹タービンの協同でも駆動できるので、電力需要に対応した運転ができる。
排ガスボイラで、ガスタービンの排気を利用して発生させた蒸気で、蒸気タービンを作動し発電機を駆動するので、熱回収率が向上できプラントの発電効率を上げることができる。
更に、圧縮機で圧縮されるとき、昇温した貯蔵圧縮空気の熱量が大気に放出されることなく、排ガスボイラの熱源として回収できるので、発電プラントの熱効率が一層向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧縮空気貯蔵形発電プラントの第１実施例を示す系統図。
【図２】本発明の第２実施例を示す系統図。
【図３】従来の圧縮空気貯蔵形発電プラントを示す系統図。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ 空気圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 膨脹タービン
６ クラッチ
７ 発電機
８ 吸気フィルタ
９ 貯蔵圧縮空気
１０ 加熱器
１１ 電動機
１２ 貯蔵用空気圧縮機としての低圧空気圧縮機
１３ 貯蔵用空気圧縮機としての高圧空気圧縮機
１４ 増速歯車装置
１５ 冷却器としてのインタークーラ
１６ 吸気フィルタ
１７，１９ 電動弁
１８ 貯気槽
２０ 冷却器としてのアフタークーラ
２１ 排ガスボイラ
２２ 蒸気タービン
２３ 発電機
２４ 復水器
２５ 抽気
２６ 給水
２７ 貯蔵空気供給用の配管
２９ 燃料
３０ 煙突
Claims (3)
- 電力需要の大きい時間帯に貯蔵圧縮空気を使用して発電を行う圧縮空気貯蔵形発電プラントにおいて、貯蔵用空気圧縮機を駆動して前記貯蔵圧縮空気を製造する電動機と、発電機のロータ軸の一側とクラッチを介して連結され、前記貯蔵圧縮空気で作動する膨脹タービンと、前記ロータ軸の他側に連結され、前記膨脹タービンからの排気、若しくは大気から導入された空気を燃焼用圧縮空気にする空気圧縮機を軸結し前記燃焼用圧縮空気の燃焼ガスで作動するガスタービンと、前記ガスタービンの排気により蒸気を発生させる排ガスボイラと、前記排ガスボイラからの蒸気により作動し、発電機を駆動する蒸気タービンと、前記膨脹タービンを作動させる前記貯蔵圧縮空気の供給管に介装され排ガスボイラからの蒸気、若しくは高温水で前記貯蔵圧縮空気を加熱する加熱器とを具えたことを特徴とする圧縮空気貯蔵形発電プラント。
- 前記加熱器における前記貯蔵圧縮空気の加熱は前記蒸気タービンから抽気された蒸気で行うことを特徴とする請求項１の圧縮空気貯蔵形発電プラント。
- 電力需要の大きい時間帯に貯蔵圧縮空気を使用して発電を行う圧縮空気貯蔵形発電プラントにおいて、貯蔵用空気圧縮機を駆動して前記貯蔵圧縮空気を製造する電動機と、発電機のロータ軸の一側とクラッチを介して連結され、前記貯蔵圧縮空気で作動する膨脹タービンと、前記ロータ軸の他側に連結され、前記膨脹タービンからの排気、若しくは大気から導入された空気を燃焼用圧縮空気にする空気圧縮機を軸結し前記燃焼用圧縮空気の燃焼ガスで作動するガスタービンと、前記ガスタービンの排気により蒸気を発生させる排ガスボイラと、前記排ガスボイラからの蒸気により作動し、発電機を駆動する蒸気タービンと、貯蔵される前記貯蔵圧縮空気を前記排ガスボイラの給水を使用して冷却する冷却器とを具えたことを特徴とする圧縮空気貯蔵形発電プラント。
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