JP5743046B2 - ガスタービン用冷却用空気生成装置、ガスタービンプラント、既設ガスタービンプラントの再構築方法、及び、ガスタービン用冷却用空気生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機で生成される圧縮空気を抽気冷却して、ガスタービン内の高温部を冷却するための冷却用空気を生成するガスタービン用冷却用空気生成装置、ガスタービンプラント、既設ガスタービンプラントの再構築方法、及び、ガスタービン用冷却用空気生成方法に関する。

従来、圧縮機、燃焼器及びタービンを基本構成とするガスタービンにおいて、燃焼器やタービン内部では、静翼、動翼、隔壁など、各部を構成する部材が燃焼ガスに曝されることから、これらの部材を、冷却用空気で冷却する技術が適用されている。このような冷却用空気は、圧縮機で生成される圧縮空気を、圧縮機中間段や圧縮機出口から抽気して、該圧縮空気を冷却することによって生成される。

ここで、圧縮空気の冷却には、一般的に加湿冷却が適用される（例えば、特許文献１、２参照）。加湿冷却は、圧縮空気に水分を供給し、該水分が蒸発して潜熱を奪うことにより冷却するものである。このため、必要な動力が最小限であり、また、水蒸気によって冷却用空気中の空気量を削減して圧縮機からの抽気量を削減することができるので、効率的である。そして、特許文献１の方法では、冷却用空気の温度を測定して、測定された温度が供給した水の全量を速やかに蒸発させるに十分な温度の場合に水分を供給するものとしている。また、特許文献２の方法では、供給する水分量の調整によって冷却用空気の温度の調整を行うものとしている。

特開昭５９−１６００３３号公報 特開２００４−１６２７０８号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、もともと抽気する圧縮空気の圧力が高い場合には、同じ温度でも供給する水分の全てを蒸発させることができずに、冷却用空気内に液滴が発生してしまう場合があった。また、特許文献２の方法でも、目標とする温度まで冷却用空気を冷却しようとして水分量を増大させても液滴が発生してしまう場合があった。そして、このように冷却用空気に液滴が発生してしまうと、この冷却用空気で冷却対象となる部材を冷却した時に、液滴が対象となる部材に付着して、当該部材を過度に冷却してしまう問題があった。そして、冷却対象となる部材が、周辺の他の部材で拘束されている場合には熱応力が発生してしまう。また、冷却対象となる部材が、周辺の他の部材と離間した状態となっていたとしても、熱変形が顕著となり、他の部材と必要なクリアランスを確保することができなくなってしまう。さらに、冷却対象となる部材に液滴が付着してしまうと、当該部材の腐食、エロージョンの原因となる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、圧縮機で生成される圧縮空気の一部を加湿冷却によって液滴の発生を防止しつつ効果的に冷却して冷却用空気を生成することが可能なガスタービン用冷却用空気生成装置、ガスタービンプラント、ガスタービンプラントの再構築方法、及び、ガスタービン用冷却用空気生成方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明は、圧縮機で生成される圧縮空気の一部を冷却して、ガスタービン内の高温部を
冷却するための冷却用空気を生成するガスタービン用冷却用空気生成装置であって、前記
圧縮空気の一部に水分を供給し、冷却用空気を生成する水分供給手段と、該水分供給手段
で水分が供給された後の前記冷却用空気の温度に係る温度情報を取得する温度情報取得手
段と、前記水分供給手段で水分が供給された後の前記冷却用空気の水蒸気分圧に係る圧力
情報を取得する圧力情報取得手段と、前記温度情報取得手段で取得された前記温度情報、
及び前記圧力情報取得手段で取得された前記圧力情報に基づいて、前記水分供給手段の駆
動を制御する制御部とを備えることを特徴としている。
また、上記のガスタービン用冷却用空気生成装置において、前記制御部は、予め設定さ
れ、飽和水蒸気曲線を所定量オフセットして得られる圧力と温度との関係を示す境界線を
参照して、該境界線に対して、現在の冷却用空気の温度及び水蒸気分圧で構成された測定
点が飽和側にある場合には前記水分供給手段によって供給する水分量を現在の水分量から
減少させることを特徴とする。
また、上記のガスタービン用冷却用空気生成装置において、前記水分供給手段で水分を供給する上流側または下流側で前記圧縮空気との間で熱交換を行うことにより該圧縮空気を冷却する冷却手段とを備え、前記制御部は、前記測定点が前記境界線に対して飽和側である場合に、さらに、現在の冷却用空気の温度と予め設定された第二の閾値とを比較して、現在の冷却用空気の温度が前記第二の閾値以上である場合には、前記冷却手段による熱交換量を増大させることを特徴とする。

また、本発明は、圧縮機で生成される圧縮空気の一部を冷却して、ガスタービン内の高
温部を冷却するための冷却用空気を生成するガスタービン用冷却用空気生成方法であって
、前記圧縮機で生成される圧縮空気の一部に水分を供給して冷却用空気を生成する水分供
給工程と、現在の前記冷却用空気の温度を取得する温度情報取得工程と、現在の前記冷却
用空気の水蒸気分圧を取得する圧力情報取得工程と、前記温度情報取得工程で取得した温
度、及び前記圧力情報取得工程で取得した水蒸気分圧に基づいて、前記水分供給工程で供
給する水分量を決定する水分量決定工程とを備えることを特徴としている。
さらに、上記のガスタービン用冷却用空気生成方法において、前記水分量決定工程で、
予め設定され、飽和水蒸気曲線を所定量オフセットして得られる圧力と温度との関係を示
す境界線を参照して、該境界線に対して、現在の冷却用空気の温度及び水蒸気分圧で構成
された測定点が飽和側にある場合には、前記水分供給工程で供給する水分量を現在の水分
量から減少させることを特徴とする。
加えて、上記のガスタービン用冷却用空気生成方法において、前記水分供給工程で水分を供給する前または後に前記圧縮空気との間で熱交換を行うことにより該圧縮空気を冷却する熱交換冷却工程を備え、前記水分量決定工程で、前記測定点が前記境界線に対して飽和側である場合に、さらに、現在の冷却用空気の温度と予め設定された第二の閾値とを比較して、現在の冷却用空気の温度が前記第二の閾値以上である場合には、水分量を減少させると共に前記熱交換冷却工程での熱交換量を増大させることを特徴とする。

この構成及び方法によれば、温度情報取得工程及び圧力情報工程として、冷却用空気の
現在の温度及び水蒸気分圧を取得することができる。このため、水分量決定工程として、
取得した温度及び水蒸気分圧に基づいて、冷却用空気が飽和状態となって液滴が発生して
しまわない範囲で供給する水分量を決定して、水分供給工程で水分を供給して加湿冷却を
実施することができる。
さらに、この構成及び方法によれば、水分量決定工程で、飽和水蒸気曲線を所定量オフ
セットして得られる圧力と温度との関係を示す境界線を参照して、現在の冷却用空気の温
度及び水蒸気分圧で構成された測定点が飽和側である場合、すなわち液滴が発生してしま
う飽和状態となってしまう前に、水分供給工程で供給する水分量を現在の水分量から減少
させることで、液滴の発生を確実に防止することができる。
加えて、この構成及び方法によれば、水分量決定工程で、前記測定点が前記境界線に対して飽和側である場合に、すなわち、さらに水分を供給すると飽和状態となって液滴が発生してしまうおそれがある状態で、さらに現在の冷却用空気の温度が第二の閾値以上である場合に、熱交換冷却工程として熱交換によって冷却する時の熱交換量を増大させる。このため、液滴の発生しないように圧縮空気を熱交換によって効果的に冷却し、冷却用空気の温度が第二の閾値未満となるようにすることができる。また、前記測定点が前記境界線に対して飽和側である場合に熱交換量を増大させると共に、水分量を減少させることにより、液滴の発生を防止することができる。

また、上記のガスタービン用冷却用空気生成装置において、前記制御部は、前記測定点が前記境界線に対して飽和側でない場合に、さらに、現在の冷却用空気の温度と予め設定された第一の閾値とを比較して、現在の冷却用空気の温度が前記第一の閾値以上である場合には、前記水分供給手段によって供給する水分量を現在の水分量から増大させることがより好ましい。

また、上記のガスタービン用冷却用空気生成方法において、前記水分量決定工程で、前記測定点が前記境界線に対して飽和側でない場合に、さらに、現在の冷却用空気の温度と予め設定された第一の閾値とを比較して、現在の冷却用空気の温度が前記第一の閾値以上である場合には、前記水分供給工程で供給する水分量を現在の水分量から増大させることがより好ましい。

この構成及び方法によれば、水分量決定工程で、前記測定点が前記境界線に対して飽和側でない場合に限り、すなわち、水分をさらに供給しても飽和状態となって液滴が発生しない状態の場合に限り、さらに、現在の冷却用空気の温度が第一の閾値以上である場合に、水分供給工程で供給する水分量を現在の水分量から増大させる。このため、液滴の発生しない範囲で、圧縮空気をより効果的に冷却し、冷却用空気の温度が第一の閾値未満となるようにすることができる。また、冷却用空気の温度を第一の閾値未満とすることよりも、液滴の発生の防止を優先することにより、冷却空気の温度上昇よりも大きな不具合につながる液滴の発生を確実に防止することができる。

また、本発明のガスタービンプラントは、上記のガスタービン用冷却用空気生成装置と、 前記ガスタービンとを備えることを特徴としている。

この構成によれば、上記のガスタービン用冷却用空気生成装置を備えることで、液滴が発生してしまうことなく冷却用空気を生成して、ガスタービンの高温部を効果的に冷却することができる。また、効果的に冷却することができるが故に圧縮機から抽気する圧縮空気量を削減することができ、ガスタービンの出力増大、効率化を図ることができる。

また、本発明の既設ガスタービンプラントの再構築方法は、既設である前記ガスタービンに対して前記ガスタービン用冷却用空気生成装置を追設することで請求項５に記載のガスタービンプラントを構築することを特徴としている。

この方法によれば、上記のガスタービン用冷却用空気生成装置を追設するだけで、既設のガスタービンを効果的に冷却することができる。また、効果的に冷却することができるが故に圧縮機から抽気する圧縮空気量を削減することができ、既設のガスタービンの出力増大、効率化を図ることができる。

本発明のガスタービン用冷却用空気生成装置によれば、圧縮機で生成される圧縮空気の一部を加湿冷却によって液滴の発生を防止しつつ効果的に冷却して冷却用空気を生成することができる。
また、本発明のガスタービン用冷却用空気生成方法によれば、圧縮機で生成される圧縮空気の一部を加湿冷却によって液滴の発生を防止しつつ効果的に冷却して冷却用空気を生成することができる。
また、本発明のガスタービンプラントによれば、ガスタービン用冷却用空気生成装置によって液滴を発生させることなく冷却用空気を生成して高温部を効果的に冷却することができ、またそれ故にガスタービンの出力増大、効率化を図ることができる。
また、本発明のガスタービンプラントの再構築方法によれば、ガスタービン用冷却用空気生成装置によって液滴を発生させることなく冷却用空気を生成して高温部を効果的に冷却することができ、またそれ故に既設ガスタービンの出力増大、効率化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態のガスタービンプラントの全体図である。 本発明の第１実施形態のガスタービンプラントにおいて、圧縮空気の抽気箇所、冷却用空気の供給箇所の詳細を示す詳細図である。 本発明の第１の実施形態のガスタービン用冷却用空気生成装置において、制御部で参照する境界線を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態のガスタービン用冷却用空気生成装置において、制御部による制御フローを示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例のガスタービンプラントの全体図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例のガスタービンプラントの詳細図である。 本発明の第１の実施形態の第３の変形例のガスタービンプラントの詳細図である。 本発明の第１の実施形態の第４の変形例のガスタービンプラントの詳細図である。 本発明の第２の実施形態のガスタービンプラントの全体図である。 本発明の第２の実施形態のガスタービン用冷却用空気生成装置において、制御部による制御フローを示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態のガスタービン用冷却用空気生成装置において、制御部による冷却用空気の冷却制御の詳細を説明する説明図である。 本発明の第３の実施形態のガスタービンプラントの全体図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。図１は、以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成図である。図１に示すように、ガスタービンプラント１は、ガスタービン２と、ガスタービン２と接続された発電機３と、ガスタービン２で使用する冷却用空気Ａ３を生成するガスタービン用冷却用空気生成装置１００とを備える。

ガスタービン２は、大気から空気Ａ１を吸気圧縮して圧縮空気Ａ２を生成する圧縮機２ａと、圧縮機２ａで生成された圧縮空気Ａ２に燃料Ｆを混合させて燃焼ガスＧを生成する燃焼器２ｂと、燃焼器２ｂで生成された燃焼ガスＧにより回転駆動するタービン２ｃと、圧縮機２ａ及びタービン２ｃを貫通するロータ２ｄとを備える。発電機３はロータ２ｄに接続されている。

図２に示すように、圧縮機２ａは、ロータ２ｄを囲むように配されてロータ２ｄとの間に圧縮空気流路１０ａを形成する圧縮機ケーシング１０と、圧縮空気流路１０ａ内に交互に配された圧縮機動翼１１及び圧縮機静翼１２とを備える。圧縮機動翼１１は、ロータ２ｄに放射状に複数、さらにロータ２ｄの軸方向に複数段設けられている。また、圧縮機静翼１２は、圧縮機ケーシング１０の内周面に放射状に複数、さらにロータ２ｄの軸方向に複数段設けられている。また、圧縮機ケーシング１０は、外郭をなす外郭部１０ｂと、外郭部１０ｂの内周側に間隔を有して配されて圧縮空気流路１０ａと外側とを区画するとともに外郭部１０ｂとの間に抽気室１０ｄを形成する隔壁部１０ｃとを有する。隔壁部１０ｃには、一部に隙間１０ｅが形成されていて、該隙間１０ｅから抽気室１０ｄに、生成過程の圧縮空気Ａ２が流入する構造となっている。

また、燃焼器２ｂは、圧縮機２ａの圧縮空気流路１０ａの出口１０ｆと連通する車室２０と、車室２０内に環状に複数配列して設けられた燃焼器本体２１とを有する。そして、圧縮機２ａで生成された圧縮空気流路１０ａの出口１０ｆから排出される圧縮空気Ａ２は、車室２０内を経て燃焼器本体２１へ供給されて、該燃焼器本体２１内で燃料と混合、燃焼されることで燃焼ガスＧが生成される。

また、タービン２ｃは、ロータ２ｄを囲むように配されてロータ２ｄとの間に燃焼ガス流路３０ａを形成するタービンケーシング３０と、燃焼ガス流路３０ａ内に交互に配されたタービン動翼３１及びタービン静翼３２とを備える。タービン動翼３１は、ロータ２ｄに放射状に複数、ロータ２ｄの軸方向に複数段設けられている。また、タービン静翼３２は、タービンケーシング３０の内周面に放射状に複数、ロータ２ｄの軸方向に複数設けられている。また、タービンケーシング３０は、外郭をなす外郭部３０ｂと、外郭部３０ｂの内周側に間隔を有して配されて燃焼ガス流路３０ａと外側とを区画するとともに、外郭部３０ｂとの間に冷却室３０ｄを形成する隔壁部３０ｃとを有する。隔壁部３０ｃには、図示しないが、一部に開口が形成されてタービン静翼３２の内部に形成された冷却用流路と連通しいている。そして、本実施形態のガスタービン用冷却用空気生成装置１００では、圧縮機２ａで生成される圧縮空気Ａ２の内、中間段で生成され抽気室１０ｅ内に流入する圧縮空気Ａ２を抽気して加湿冷却して冷却用空気Ａ３を生成し、タービン２ｃにおいて冷却室３０ｄ内に供給し、タービン静翼３２の冷却を行う。
以下に、ガスタービン用冷却用空気生成装置１００の構成の詳細を説明する。

図１及び図２にように、ガスタービン用冷却用空気生成装置１００は、圧縮機２ａの抽気室１０ｄの少なくとも一つと連通するとともに、タービン２ｃの各冷却室３０ｄと連通する管路１０１と、管路１０１内に水分を供給する水分供給手段１０２と、水分供給手段１０２で水分を供給した後の管路１０１の内の冷却用空気Ａ３の温度に係る温度情報を取得する温度情報取得手段１０３及び水蒸気分圧に係る圧力情報を取得する圧力情報取得手段１０４と、水分供給手段１０２の駆動を制御する制御部１０５と、各種データが記憶された記憶部１０６とを備える。水分供給手段１０２は、図示しないタンクから水分を圧送する送出部１０２ａと、送出部１０２ａから送られる水を管路１０１へと案内する接続管１０２ｂと、接続管１０２ｂに設けられた電磁バルブ１０２ｃとを有する。電磁バルブ１０２ｃの開度は、後述するように制御部１０５により制御されており、該制御部１０５による制御のもと所望の流量となるように開閉制御される。

また、温度情報取得手段１０３は、管路１０１内を流通する冷却用空気Ａ３の温度を測定する温度計１０３ａで構成され、測定した温度Ｔを、電気信号によって温度情報として制御部１０５へ出力する。圧力情報取得手段１０４は、管路１０１内を流通する冷却用空気Ａ３の水蒸気分圧Ｐを測定する圧力計１０４ａで構成され、測定した水蒸気分圧を、電気信号によって圧力情報として制御部１０５へ出力する。また、記憶部１０６には、図３に示すような横軸を温度Ｔ、縦軸を水蒸気分圧Ｐとして、管路１０１内を流れる空気と水蒸気とが混合された気体についての飽和水蒸気曲線Ｍ＜Ｐ＝ｆ１（Ｔ）＞から、非飽和状態側に一定温度ΔＴ分オフセットした境界線Ｎ＜Ｐ＝ｆ２（Ｔ）＝ｆ１（Ｔ−ΔＴ）＞がグラフとして記憶されている。ここで、オフセット分となるΔＴは、冷却用空気Ａ３が飽和状態すなわち飽和水蒸気曲線Ｍ上でないとしても、その近傍であり、管路１０１内、あるいは冷却室３０ｄ内において局所的に飽和状態になる可能性を考慮して安全側とするためのものであり、管路１０１や冷却室３０ｄの構造などが考慮されて決定される値である。なお、飽和水蒸気曲線Ｍに対する境界線Ｎのオフセット量は、上記においては一定温度ΔＴ分としたが、一定圧力ΔＰ分としても良いし、両曲線同士の距離によって規定するものとしても良い。また、記憶部１６には、冷却用空気Ａ３による冷却対象物、例えば本実施形態ではタービン静翼３２の要求冷却性能に基づいて決定される冷却用空気Ａ３の温度の閾値Ｔｍａｘが記憶されている。そして、制御部１０５は、記憶部１６に記憶されたグラフ及び閾値Ｔｍａｘを参照し、入力された温度情報及び圧力情報に基づいて電磁バルブ１０２ｃの開度を制御することにより水分供給手段１０２によって供給する水分量を調整し、冷却用空気Ａ３を連続的に生成する。
以下に、冷却用空気Ａ３を生成する手順とともに、制御部１０５による制御の詳細を説明する。

ガスタービン用冷却用空気生成装置１００においては、ガスタービンプラント１の稼動中、圧縮機２ｃで圧縮空気Ａ２が生成されるのに伴って、抽気工程として、抽気室１０ｄから管路１０１へと順次抽気を行っていく。そして、抽気されて管路１０１を流通する圧縮空気Ａ２は、水分供給工程として、水分供給手段１０２の電磁バルブ１０２ｃの開度に応じた水分量が加湿され、これにより冷却されて冷却用空気Ａ３が生成される。次に、管路１０１内において水分供給手段１０２によって水分が供給された下流側では、温度情報取得工程として、温度情報取得手段１０３により管路１０１内を流れる現在の冷却用空気Ａ３の温度が取得されるとともに、圧力情報取得工程として、圧力情報取得手段１０４により管路１０１内を流れる現在の冷却用空気Ａ１の水蒸気分圧が取得される。

そして、水分量決定工程として、制御部１０５は、取得された温度情報及び圧力情報に基づいて水分供給手段１０２によって供給する水分量を決定する。図４は制御部５による水分量決定フローを示している。
すなわち、図４に示すように、制御部１０５では、まず同期して得られた温度情報及び圧力情報から、現在の管路１０１内の冷却用空気Ａ３の温度Ｔ及び水蒸気分圧Ｐを取得する。そして、制御部１０５は、まずステップＳ１として、記憶部１０６のグラフ（図３）を参照する。そして、現在の冷却用空気Ａ３の温度Ｔと圧力Ｐとで構成される測定点が、境界線Ｎよりも非飽和側、すなわち境界線Ｎよりも下側であり、「Ｐ＜ｆ２（Ｔ）」を満たす否かを判定する。そして、現在の冷却用空気Ａ３の測定点が境界線Ｎよりも飽和水蒸気線Ｍ側、言い換えれば境界線Ｎ上若しくは境界線Ｎよりも上側であり、すなわち図３における点Ａ３−１のような温度Ｔと圧力Ｐとが「Ｐ≧ｆ２（Ｔ）」の関係である場合（ＮＯ）には、現状の水分量を維持すると液滴が発生するおそれがあるものとして、電磁バルブ１０２ｃの開度を低くして、供給される水分量を減少させる（ステップＳ２）。このため、冷却用空気Ａ３の水蒸気分圧Ｐは低下し、液滴が確実に発生するおそれのない境界線Ｎよりも下側の領域で冷却用空気Ａ３を生成することができる。なお、減少させる水分量は、予め設定された一定量としても良いし、測定された圧力Ｐと、温度Ｔによる計算値ｆ２（Ｔ）の値との差分の大きさに応じて変更するようにしても良い。

一方、現在の冷却用空気Ａ３の測定点が境界線Ｎよりも非飽和側、言い換えれば境界線Ｎよりも下側であり、すなわち図３における点Ａ３−２、Ａ３−３のような温度Ｔと圧力Ｐとが「Ｐ＜ｆ２（Ｔ）」の関係である場合（ＹＥＳ）には、現状の水分量で液滴が発生するおそれがないとして、さらに現在の温度Ｔが閾値Ｔｍａｘ未満かどうか判定する。そして、現在の温度Ｔが閾値Ｔｍａｘ以上である、例えば点Ａ３−２のよう場合には、さらに冷却して冷却用空気Ａ３の温度を低下させる必要があるとして、電磁バルブ１０２ｃの開度を高くして、供給される水分量を増大させる。このため、冷却用空気Ａ３は、加湿冷却による冷却が促進され、温度を低下させることができる。なお、この場合の増大させる水分量は、予め設定された一定量としても良いし、測定された温度Ｔと、閾値Ｔｍａｘとの差分の大きさに応じて変更するようにしても良い。一方、現在の温度Ｔが閾値Ｔｍａｘ未満である、例えば点Ａ３−３のような場合には、現状の冷却用空気Ａ３で液滴が発生するおそれもなく、温度Ｔも適正であるとして、水分供給手段１０２による現状の水分量を維持させる。

そして、上記の抽気工程、水分供給工程を実施しつつ、温度情報取得工程、圧力情報取得工程及び水分量決定工程を繰り返し実施することで、水分供給手段１０２によって供給する水分量を液滴が発生してしまわない範囲で決定し、水分供給手段１０２によって供給して加湿冷却することができる。このため、生成される冷却用空気Ａ３を、液滴が発生しない状態を保ちつつ、温度Ｔを閾値Ｔｍａｘ未満に維持して、冷却対象となるガスタービン静翼３２に供給して効果的に冷却することができる。

上記水分量決定工程では、制御部１０５は、境界線Ｎを参照することにより、現在の冷却用空気Ａ３の温度Ｔ及び水蒸気分圧Ｐで構成された測定点が境界線Ｎで規定される飽和水蒸気曲線Ｍとの距離以下とならない範囲で水分量を調整することができる。このため、液滴が発生してしまう飽和状態となってしまう前に、水分供給工程で供給する水分量を現在の水分量から減少させることで、液滴の発生を確実に防止することができる。また、水分量決定工程では、測定点の飽和水蒸気曲線との離間距離が所定距離よりも大きい場合、すなわち、水分をさらに供給しても飽和状態となって液滴が発生しない状態で、さらに、現在の冷却用空気Ａ３の温度Ｔが閾値Ｔｍａｘ以上である場合には水分量を増大させる。このため、液滴の発生しない範囲で圧縮空気Ａ２を効果的に冷却し、冷却用空気Ａ３の温度が閾値Ｔｍａｘ未満となるようにすることができる。また、上記のとおり、ステップＳ１による液滴の発生の有無の判定と、ステップＳ３による冷却用空気の温度の判定との内、ステップＳ１の液滴の発生の有無の判定を先行して実施することで、より確実に液滴の発生を防止することができる。

そして、ガスタービンプラント１では、このようなガスタービン用冷却用空気生成装置１００を備えることで、液滴が発生してしまうことなく冷却用空気Ａ３を生成して、ガスタービン２の高温部となる、例えばタービン静翼３２を効果的に冷却することができる。また、効果的に冷却することができるが故に圧縮機２ａから抽気する圧縮空気量を削減することができ、ガスタービン２の出力増大、効率化を図ることができる。

なお、上記においては、温度計１０３ａで構成される温度情報取得手段１０３及び圧力計１０４ａで構成される圧力情報取得手段１０４により、冷却用空気Ａ３の温度及び水蒸気分圧が直接測定により取得されるものとしたが、これに限るものではない。図５は、この実施形態の第１の変形例を示している。図５に示すように、本変形例のガスタービン用冷却用空気生成装置１１０では、管路１０１において水分供給手段１０２の上流側に設けられ、水分が供給されていない抽気された圧縮空気Ａ２の温度Ｔ´を測定する温度計１０３ｂ及び水蒸気分圧Ｐ´を測定する圧力計１０４ｂを有する。また、制御部１０５には、温度計１０３ｂで測定された圧縮空気Ａ２の温度Ｔ´と、現在の水分供給手段１０２で供給される水分量とに基づいて、加湿後の冷却用空気Ａ３の温度Ｔを演算し取得する温度演算部１０５ａと、圧力計１０４ｂで測定された圧縮空気Ａ２の水蒸気分圧Ｐ´と、現在の水分供給手段１０２で供給される水分量とに基づいて、加湿後の冷却用空気Ａ３の水蒸気分圧Ｐを演算し取得する圧力演算部１０５ｂとが備えられている。すなわち、温度計１０３ｂと温度演算部１０５ａによって冷却用空気Ａ３の温度に係る温度情報を取得する温度情報取得手段１０３が構成され、圧力計１０４ｂと圧力演算部１０５ｂによって冷却用空気Ａ３の水蒸気分圧に係る圧力情報を取得する圧力情報取得手段１０４が構成されている。このように演算で冷却用空気Ａ３の温度及び水蒸気分圧を取得するようにしても良い。また、演算の際には水分供給手段１０２で供給される水温を測定して考慮するものとしても良いし、さらに圧縮空気Ａ２の温度及び水蒸気分圧も図示しないガスタービン２側の制御部からの情報によるものとしても良い。

また、上記においては、ガスタービン用冷却装置１００は、圧縮機２ａで生成される圧縮空気Ａ２を、中間段で抽気室１０ｄから抽気して冷却用空気Ａ３を生成し、タービン２ｃの冷却室３０ｄに供給するものとしたが、これに限るものではない。図６は、この実施形態の第２の変形例を示している。図６に示すように、この変形例のガスタービン用冷却用空気生成装置１２０では、管路１０１の上流端は、車室２０に接続され、また、管路１０１の下流端は、タービン動翼３１の内部に連通する該タービン動翼３１とロータ２ｄとの間の空間に連通している。このような変形例では、圧縮機２ｃの圧縮空気流路１０ａの出口１０ｆから排出されて車室２０の内部へと流入した圧縮空気Ａ２の一部を抽気して、冷却用空気Ａ３を生成し、タービン動翼３１の内部に供給することができる。このように、圧縮空気Ａ２を抽気するために管路１０１の上流端を接続する位置としては、圧縮機２ｃの出口１０ｆ側でも良いし、中間段としても良い。また、冷却空気Ａ３を供給するための管路１０１の下流端を接続する位置としては、その冷却対象に応じて様々の部位に接続可能である。

また、上記においては、管路１０１によって抽気した圧縮空気Ａ２を外部に取り出して冷却するものとしたが、これに限るものではなく、ガスタービン２の内部において各工程を実施するものとしても良い。図７、図８は、それぞれこの実施形態の第３、４の変形例を示している。図７に示すように、第３の変形例のガスタービン用冷却用空気生成装置１３０では、圧縮機２ｃの出口１０ｆから車室２０に流入した圧縮空気Ａ２の内、抽気されて燃焼器本体２１に流入せずに冷却室３０ｄに流入する圧縮空気Ａ２を加湿冷却して冷却用空気Ａ３を生成するものである。具体的には、水分供給手段１３１は、図示しないタンクから水分を圧送する送出部１３１ａと、送出部１３１ａから送られる水を車室２０内の圧縮空気Ａ２の抽気箇所へと案内する接続管１３１ｂと、接続管１３１ｂに設けられた電磁バルブ１３１ｃと、接続管１３１ｂの先端に設けられたノズル１３１ｄとを有する。また、温度情報取得手段１０３を構成する温度計１０３ａ及び圧力情報取得手段１０４を構成する圧力計１０４ａは、車室２０内において、水分供給手段１３１のノズル１３１ｄと、冷却室３０ｄとの間で測定可能に設けられている。

この変形例のガスタービン用冷却用空気生成装置１３０においても、車室２０内において抽気された圧縮空気Ａ２にノズル１３１ｄから水分を供給して加湿冷却して冷却用空気Ａ３を生成する。そして、生成された当該冷却用空気Ａ３の温度及び圧力が温度計１０３ａ及び圧力計１０４ａで測定され、制御部１０５ではこれに基づいて水分供給手段１３１で供給される水分量を決定し、当該水分量で加湿冷却した冷却用空気Ａ３を冷却室３０ｄに供給することができる。

また、図８に示すように、第４の変形例のガスタービン用冷却用空気生成装置１４０では、水分を供給する水分供給手段１３１のノズル１３１ｄが、タービン動翼３１の内部に連通する該タービン動翼３１とロータ２ｄとの間の空間に設けられている。また、温度情報取得手段１０３を構成する温度計１０３ａ及び圧力情報取得手段１０４を構成する圧力計１０４ａは、タービン動翼３１の内部に連通する該タービン動翼３１とロータ２ｄとの間の空間において、水分供給手段１３１のノズル１３１ｄよりも下流側に設けられている。

この変形例のガスタービン用冷却用空気生成装置１４０においても、圧縮機２ｃの出口１０ｆから上記空間へと抽気された圧縮空気Ａ２にノズル１３１ｄから水分を供給して加湿冷却して冷却用空気Ａ３を生成する。そして、生成された当該冷却用空気Ａ３の温度及び圧力が温度計１０３ａ及び圧力計１０４ａで測定され、制御部１０５ではこれに基づいて水分供給手段１３１で供給される水分量を決定し、当該水分量で加湿冷却した冷却用空気Ａ３をタービン動翼３１の内部に供給することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図９から図１１は、本発明の第２の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図９に示すように、この実施形態のガスタービン用冷却用空気生成装置１５０は、水分供給手段１０２で水分を供給する下流側で、管路１０１内を流れる圧縮空気との間で熱交換を行うことにより圧縮空気Ａ２を冷却する冷却手段１５１をさらに備えている。なお、冷熱源としては例えば大気や海水等が利用される。そして、水分供給工程として水分供給手段１０２で加湿冷却し、さらに熱交換冷却工程として冷却手段１５１で冷却したものを冷却用空気Ａ３として、温度情報取得手段１０３を構成する温度計１０３ａ及び圧力情報取得手段１０４を構成する圧力計１０４ａで温度及び圧力を測定した後に冷却対象へと供給する。ここで、本実施形態では、水分量決定工程において、制御部１０５は、第１の実施形態同様に、取得した冷却用空気Ａ３の温度Ｔ及び水蒸気分圧Ｐに基づいて、水分供給手段１０２による水分量を制御するが、あわせて冷却手段１５１による熱交換量の制御も行う。

すなわち、図１０に示すように、制御部１０５では、まず同期して得られた温度情報及び圧力情報から、現在の管路１０１内の冷却用空気Ａ３の温度Ｔ及び水蒸気分圧Ｐを取得する。そして、制御部１０５は、同様にステップＳ１として、記憶部１０６のグラフ（図３）を参照し、「Ｐ＜ｆ２（Ｔ）」を満たす否かを判定する。そして、図１１における点Ａ３−１、Ａ３−４のような温度Ｔと圧力Ｐとが「Ｐ≧ｆ２（Ｔ）」の関係である場合（ＮＯ）には、現状の水分量を維持すると液滴が発生するおそれがあるものとして、電磁バルブ１０２ｃの開度を低くして、供給される水分量を減少させる（ステップＳ２）。次に、制御部１０５は、ステップＳ２で温度Ｔと圧力Ｐとが「Ｐ≧ｆ２（Ｔ）」と判定された場合（ＹＥＳ）には、さらに温度Ｔが閾値Ｔｍａｘ未満か否かの判定を行う（ステップＳ２ａ）。そして、例えば点Ａ３−４のように温度が閾値Ｔｍａｘ以上である場合（ＮＯ）は、制御部１０５は、冷却手段１５１による熱交換量を増大させる（ステップＳ２ｂ）。この結果、測定点Ａ３−４で表される現在の冷却用空気Ａ３を、「Ｐ＜ｆ２（Ｔ）」かつ「Ｔ＜Ｔｍａｘ」となるようにすることができる。なお、ステップＳ２ａで、例えば点Ａ３−１のように温度が閾値Ｔｍａｘ未満である場合（ＹＥＳ）は、制御部１０５は、冷却手段１５１による熱交換量を現状のまま維持する。また、ステップＳ１で「Ｐ≧ｆ２（Ｔ）」と判定され、ステップＳ３に移行した場合の制御フローは第１の実施形態と同様であるので省略する。

本実施形態のガスタービン用冷却用空気生成装置１５０では、液滴が発生するおそれがあるため水分供給手段１０２によって供給する水分量を減少させる場合でも冷却手段１５１による熱交換量を増大させることで、冷却用空気Ａ３の温度を閾値Ｔｍａｘ未満とすることができる。

なお、本実施形態では、ステップＳ３において、水分供給手段１０２による水分を増大させるか否かを判定するための閾値Ｔｍａｘと、ステップＳ２ａにおいて、冷却手段１５１による熱交換量を増大させるか否かを判定するための閾値Ｔｍａｘとを同じものとして扱ったがこれに限るものではない。前者を第一の閾値、後者を第二の閾値として、互いに異なる閾値に設定するものとしても良い。また、ガスタービン用冷却用空気装置１５０で圧縮空気Ａ２を抽気する箇所、及び、冷却用空気Ａ３を供給する箇所については詳細を省略したが、第１の実施形態同様に様々なパターンに適用可能である。また、図７及び図８のようなパターンにおいても、一度管路１０１などによって外部に取り出すことで、冷却手段１５１による冷却を実施することが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１２は、本発明の第３の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

また、図１２に示すように、本実施形態のガスタービンプラント２００では、ガスタービン２、発電機３及びガスタービン用冷却用空気生成装置１００に加えて、さらにガスタービン２における排気ガスを利用した排気ガス利用手段を備えたガスタービンコンバインプラントとして構成されている。すなわち、この実施形態のガスタービンプラント２００は、ガスタービン２と、発電機３と、ガスタービン用冷却用空気生成装置１００と、排気ガス利用手段である蒸気生成手段２０１と、蒸気生成手段２０１から排出された蒸気で駆動する高圧蒸気タービン２０２及び低圧蒸気タービン２０３と、低圧蒸気タービン２０３から排出された蒸気から水を生成する復水器２０４とを備えている。

蒸気生成手段２０１は、本実施形態では、高圧過熱器２０１ａと、高圧蒸発器２０１ｂと、高圧節炭器２０１ｃと、低圧過熱器２０１ｄと、低圧蒸発器２０１ｅと、低圧節炭器２０１ｆとを有し、ガスタービン２から供給される排気ガスがこの順に流通し、それぞれ排気ガスから熱の供給を受ける。

低圧節炭器２０１ｆでは、復水器２０４からポンプ２０４ａによって水が供給され、供給された水をタービン２ｃからの排気ガスから供給された熱によって予熱して低圧蒸発器２０１ｅ及び高圧節炭器２０１ｃに供給する。低圧蒸発器２０１ｅでは、低圧節炭器２０１ｆで予熱された水を排気ガスから供給された熱によって加熱して蒸気を生成して低圧過熱器２０１ｄに供給する。低圧過熱器２０１ｄでは、供給された蒸気をタービン２ｃからの排気ガスから供給された熱によって加熱し、過熱蒸気を生成し低圧蒸気タービン２０３に供給する。

また、高圧節炭器２０１ｃは、低圧節炭器２０１ｆからポンプ２０１ｇによって加圧されて供給された水がタービン２ｃからの排気ガスから供給された熱によってさらに予熱されて高圧蒸発器２０１ｂに供給される。高圧蒸発器２０１ｂでは、高圧節炭器２０１ｃで予熱された水が排気ガスから供給された熱によって加熱され蒸気が生成されて高圧過熱器２０１ａに供給される。高圧過熱器２０１ａでは、供給された蒸気をタービン２ｃからの排気ガスから供給された熱によって加熱し、過熱蒸気を生成し高圧蒸気タービン２０２に供給する。

そして、高圧蒸気タービン２０２では、高圧過熱器２０１ａから供給された蒸気によって駆動し、発電機２０５で発電を行うことが可能である。また、高圧蒸気タービン２０２内を流通した蒸気は、低圧過熱器２０１ｄからの蒸気とともに低圧蒸気タービン２０３に供給され、これにより低圧蒸気タービン２０３は駆動し、発電機２０６で発電を行うことが可能である。なお、低圧蒸気タービン２０３内を流通した蒸気は、復水器２０４に供給され、再び蒸気生成手段２０１に供給される。

以上のように、排気ガス利用手段として蒸気生成手段２０１を備えたガスタービンプラント２００では、排気ガスを利用して高圧蒸気タービン２０２及び低圧蒸気タービン２０３を駆動させて発電させることができ、出力増大、効率化をさらに向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

例えば、本発明は、新設のガスタービンプラントのみ適用される技術ではなく、既設のガスタービンプラントにも適用可能である。すなわち、既設のガスタービンプラントとして、ガスタービン２が備えられていて、ここに本発明のガスタービン用冷却用空気生成装置を設置する。あるいは、既設のガスタービンプラントとして、ガスタービン２と水供給手段とが備えられていて、ここに温度情報取得手段、圧力情報取得手段及び制御部を設置することで本発明のガスタービン用冷却用空気生成装置を構成させるようにしても良い。いずれのパターンにおいても、再構築されることで構成された上記実施形態のようなガスタービンプラントでは、ガスタービン用冷却用空気生成装置によって液滴を発生させることなく冷却用空気Ａ３を生成して冷却対称となる高温部を効果的に冷却することができ、またそれ故に既設ガスタービン２の出力増大、効率化を図ることができる。

１、２００ ガスタービンプラント
２ ガスタービン
２ａ 圧縮機
２ｂ 燃焼器
２ｃ タービン
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０ ガスタービン用冷却用空気生成装置
１０２ 水分供給手段
１０３ 温度情報取得手段
１０４ 圧力情報取得手段
１０５ 制御部

Claims (6)

1. 圧縮機で生成される圧縮空気の一部を冷却して、ガスタービン内の高温部を冷却するための冷却用空気を生成するガスタービン用冷却用空気生成装置であって、
   前記圧縮空気の一部に水分を供給し、冷却用空気を生成する水分供給手段と、
   該水分供給手段で水分が供給された後の前記冷却用空気の温度に係る温度情報を取得する温度情報取得手段と、
   前記水分供給手段で水分が供給された後の前記冷却用空気の水蒸気分圧に係る圧力情報を取得する圧力情報取得手段と、
   前記温度情報取得手段で取得された前記温度情報、及び前記圧力情報取得手段で取得された前記圧力情報に基づいて、前記水分供給手段の駆動を制御する制御部と、
   前記水分供給手段で水分を供給する上流側または下流側で前記圧縮空気との間で熱交換を行うことにより該圧縮空気を冷却する冷却手段と、
   を備え、
   前記制御部は、予め設定され、飽和水蒸気曲線を所定量オフセットして得られる圧力と温度との関係を示す境界線を参照して、該境界線に対して、現在の冷却用空気の温度及び水蒸気分圧で構成された測定点が飽和側にある場合には前記水分供給手段によって供給する水分量を現在の水分量から減少させ、
   前記測定点が前記境界線に対して飽和側である場合に、さらに、現在の冷却用空気の温度と予め設定された第二の閾値とを比較して、現在の冷却用空気の温度が前記第二の閾値以上である場合には、前記冷却手段による熱交換量を増大させる
   ことを特徴とするガスタービン用冷却用空気生成装置。
2. 請求項１に記載のガスタービン用冷却用空気生成装置において、
   前記制御部は、前記測定点が前記境界線に対して飽和側でない場合に、さらに、現在の冷却用空気の温度と予め設定された第一の閾値とを比較して、現在の冷却用空気の温度が前記第一の閾値以上である場合には、前記水分供給手段によって供給する水分量を現在の水分量から増大させることを特徴とするガスタービン用冷却用空気生成装置。
3. 請求項１又は２に記載のガスタービン用冷却用空気生成装置と、
   前記ガスタービンとを備えることを特徴とするガスタービンプラント。
4. 既設である前記ガスタービンに対して前記ガスタービン用冷却用空気生成装置を追設することで請求項３に記載のガスタービンプラントを構築することを特徴とする既設ガスタービンプラントの再構築方法。
5. 圧縮機で生成される圧縮空気の一部を冷却して、ガスタービン内の高温部を冷却するための冷却用空気を生成するガスタービン用冷却用空気生成方法であって、
   前記圧縮機で生成される圧縮空気の一部に水分を供給して冷却用空気を生成する水分供給工程と、
   現在の前記冷却用空気の温度を取得する温度情報取得工程と、
   現在の前記冷却用空気の水蒸気分圧を取得する圧力情報取得工程と、
   前記温度情報取得工程で取得した温度、及び前記圧力情報取得工程で取得した水蒸気分圧に基づいて、前記水分供給工程で供給する水分量を決定する水分量決定工程と、
   前記水分供給工程で水分を供給する前または後に前記圧縮空気との間で熱交換を行うことにより該圧縮空気を冷却する熱交換冷却工程と、
   を含み、
   前記水分量決定工程で、予め設定され、飽和水蒸気曲線を所定量オフセットして得られる圧力と温度との関係を示す境界線を参照して、該境界線に対して、現在の冷却用空気の温度及び水蒸気分圧で構成された測定点が飽和側にある場合には、前記水分供給工程で供給する水分量を現在の水分量から減少させ、
   前記測定点が前記境界線に対して飽和側である場合に、さらに、現在の冷却用空気の温度と予め設定された第二の閾値とを比較して、現在の冷却用空気の温度が前記第二の閾値以上である場合には、前記熱交換冷却工程での熱交換量を増大させる
   ことを特徴とするガスタービン用冷却用空気生成方法。
6. 請求項５に記載のガスタービン用冷却用空気生成方法において、
   前記水分量決定工程で、前記測定点が前記境界線に対して飽和側でない場合に、さらに、現在の冷却用空気の温度と予め設定された第一の閾値とを比較して、現在の冷却用空気の温度が前記第一の閾値以上である場合には、前記水分供給工程で供給する水分量を現在
   の水分量から増大させることを特徴とするガスタービン用冷却用空気生成方法。

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