以下、本発明の実施形態を、図面を参照� ��つつ説明する。

 本発明の第1の実施形態を図1及び図2によ� ��説明する。

 図1は、本実施形態による天然ガス液化プ ラントの構成を表す概略図であり、図2は、� �然ガス液化設備の構成を表す概略図である� �

 これら図1及び図2において、天然ガス液� �プラントは、大きく分けて、配管69から導入 した天然ガス原料を精製する天然ガス精製設 備70と、この天然ガス精製設備70で精製した� �然ガス(気体状態)を冷却して液化する天然ガ ス液化設備68と、発電設備71とを備えている� �天然ガス精製設備70は、天然ガスの液化のた めに必要な例えば酸性ガス除去工程や水分除 去工程等の精製処理(前処理)を行い、天然ガ� ��原料から二酸化炭素等を含む酸性ガスや水� ��等を分離するようになっている。

 天然ガス液化設備68は、天然ガス精製設� �70から配管20を介して導入した高圧の天然ガ� ��を例えば混合冷媒により冷却して液化する� ��熱交換器21と、この主熱交換器21に供給する 混合冷媒を作動流体とした冷凍サイクル系統 60と、この冷凍サイクル系統60の混合冷媒を� �却する例えばプロパン冷媒を作動流体とし� �冷媒サイクル系統61とを備えている。

 冷凍サイクル系統60は、例えばメタン、� �タン、及びプロパンからなる混合冷媒を作� �流体としており、この混合冷媒を圧縮する� �圧段冷媒圧縮機23と、この低圧段冷媒圧縮機 23で圧縮した混合冷媒を冷却する中間冷却器2 5と、この中間冷却器25で冷却した混合冷媒を 圧縮する高圧段冷媒圧縮機24と、この高圧段� ��媒圧縮機24で圧縮した混合冷媒を冷却する� �置冷却器26と、この後置冷却器26で冷却した� ��合冷媒をさらに段階的に冷却する高圧蒸発� ��15、中圧蒸発器16、及び低圧蒸発器17と、こ� ��低圧蒸発器17で例えば-35℃程度まで冷却し� �混合冷媒を気液分離する気液分離器27とを有 している。低圧段冷媒圧縮機23及び高圧段冷� ��圧縮機24は、電動機65に同軸で連結されてお り、電動機65は、発電設備71からの電力が供� �されるようになっている。

 主熱交換器21の内部には、天然ガス製造� �備70からの配管20が延在しており、主熱交換� ��21の内部における配管20には伝熱経路31,32が� ��けられている。また、主熱交換器21の内部� �は、気液分離器27の液体出口側と接続された 配管43が延在しており、主熱交換器23の内部� �おける配管43には伝熱経路28が設けられてい� ��。配管43の伝熱経路28の下流側は、主熱交換 器23の外部に取り出されて膨張弁33が設けら� �、この膨張弁33の下流側には、主熱交換器23� ��内部に配置されたノズル35が接続されてい� �。また、主熱交換器23の内部には、気液分離 器27の気体出口側と接続された配管44が延在� �ており、主熱交換器23の内部における配管44� ��は伝熱経路29,30が設けられている。配管44の 伝熱経路30の下流側は、主熱交換器23の外部� �取り出されて膨張弁34が設けられ、この膨張 弁34の下流側には、主熱交換器23の内部に配� �されたノズル36が接続されている。

 そして、配管43,44を流通する混合冷媒は� �膨張弁33,34で断熱膨張して温度が低下し、ノ ズル35,36から主熱交換器21の内部に散布され� �ようになっている。これにより、配管43を流 通する液相の混合冷媒は、散布された混合冷 媒と伝熱経路28において熱交換して自冷却さ� ��るようになっている。また、配管44を流通� �る気相の混合冷媒は、散布された混合冷媒� �伝熱経路29,30において熱交換して自冷却され 、その大部分が凝縮するようになっている。 また、配管20を流通する天然ガスは、散布さ� ��た混合冷媒と伝熱経路31,32において熱交換� �て、例えば-150℃程度まで冷却されるように� ��っている。そして、主熱交換器21で冷却さ� �た天然ガスは、配管22を経由し膨張弁37に導� ��れ、膨張弁37で断熱膨張して温度が低下す� �ようになっている。一方、主熱交換器21の内 部に散布された冷媒は、伝熱経路28~32におけ� ��熱交換により温度上昇して蒸発し、配管40� �介し低圧段圧縮機23に供給されるようになっ ている。

 冷凍サイクル系統61は、作動流体である� �ロパン冷媒を圧縮する冷媒圧縮機1と、この� ��媒圧縮機1で圧縮したプロパン冷媒を大気又 は海水等に放熱して凝縮させる凝縮器10と、� ��の凝縮器10で凝縮したプロパン冷媒を受け� �れる受液器11と、この受液器11からのプロパ� ��冷媒を段階的に膨張させて温度を低下させ� ��高圧膨張弁12、中圧膨張弁13、及び低圧膨張 弁14と、これら膨張弁12,13,14で低温となった� �ロパン冷媒との熱交換により上記冷凍サイ� �ル系統60の混合冷媒を段階的に冷却する上記 高圧蒸発器15、中圧蒸発器16、及び低圧蒸発� �17とで構成されている。冷媒圧縮機1は、低� �段冷媒圧縮機2、中圧段冷媒圧縮機3、及び高 圧段冷媒圧縮機4で構成され、これら冷媒圧� �機2,3,4は電動機5に同軸で連結されており、� �動機5は、発電設備70からの電力が供給され� �ようになっている。

 高圧蒸発器15は配管51を介し受液器11に接� ��され、その配管51に高圧膨張弁12が設けられ ている。また、中圧蒸発器16は配管52を介し� �圧蒸発器15の液体出口側に接続され、その配 管52に中圧膨張弁13が設けられている。また� �低圧蒸発器17は配管53を介し中圧蒸発器16の� �体出口側に接続され、その配管53に低圧膨張 弁14が設けられている。

 高圧蒸発器15の気体出口側は配管54を介し 高圧段冷媒圧縮機4の吸込側に接続され、そ� �配管54に高圧吸込調整機構62が設けられてい� ��。また、中圧蒸発器16の気体出口側は配管55 を介し中圧段冷媒圧縮機3の吸込側に接続さ� �、その配管55に中圧吸込調整機構63が設けら� ��ている。また、低圧蒸発器17の気体出口側� �配管56を介し低圧段冷媒圧縮機2の吸込側に� �続され、その配管56に低圧吸込調整機構64が� ��けられている。これら吸込調整機構62,63,64� �、運転状態に応じて操作され、冷媒圧縮機1� ��吸気流量を調整可能としている。

 そして、高圧蒸発器15は、高圧膨張弁12で 断熱膨張されて温度が低下し気液混合状態と なったプロパン冷媒が導入され、プロパン冷 媒の液相の一部が蒸発して、その蒸発潜熱を 奪うことにより後置冷却器26からの混合冷媒� ��冷却するようになっている。また、高圧蒸� ��器15は、気相のプロパン冷媒を高圧段冷媒� �縮機4に供給し、液相のプロパン冷媒を中圧� ��発器16に供給するようになっている。中圧� �発器16は、中圧膨張弁13で断熱膨張されて温� ��が低下し気液混合状態となったプロパン冷� ��が導入され、プロパン冷媒の液相の一部が� ��発して、その蒸発潜熱を奪うことにより高� ��蒸発器15からの混合冷媒をさらに冷却する� �うになっている。また、中圧蒸発器16は、気 相のプロパン冷媒を中圧段冷媒圧縮機3に供� �し、液相のプロパン冷媒を低圧蒸発器17に供 給するようになっている。低圧蒸発器17は、� ��圧膨張弁14で断熱膨張されて温度が低下し� �液混合状態となったプロパン冷媒が導入さ� �、プロパン冷媒の液相の全部が蒸発し、そ� �蒸発潜熱を奪うことにより中圧蒸発器16から の混合冷媒をさらに冷却するようになってい る。また、低圧蒸発器17は、気相のプロパン� ��媒を低圧段冷媒圧縮機2に供給するようにな っている。

 発電設備71は、例えば5つのガスタービン� ��電装置72a~72eと、これらガスタービン装置72a ~72eに係わる機器をそれぞれ制御する制御装� �81a~81e(制御手段)と、ガスタービン発電装置72 a~72eの運転状態等に係わる情報を取得すると� ��もに、それらの情報に応じて所定の演算処� ��が行って生成した指令信号を制御装置81a~81e 等に出力する全体制御装置81(制御手段)とを� �えている。ガスタービン発電装置72a~72eは、� ��えばこの種のものとして公知のシンプルサ� ��クルガスタービンであり、それぞれ、吸気� ��クト(図示せず)から外気を吸入して圧縮す� �空気圧縮機74と、圧縮した空気と燃料を混合 して燃焼させ高温高圧の燃焼ガスを生成する 燃焼器75と、燃焼ガスを膨張させて運動エネ� ��ギーに変換するタービン76と、このタービ� �76の運動エネルギーを電力に変換する発電機 73とを備えている。なお、本実施形態では、� ��常運転時、4つのガスタービン発電装置72a~72 dを稼働させ、1つのガスタービン発電装置72e� ��予備機として停止させるものとする。

 ところで、本実施形態の天然ガス精製設� ��70は、例えばガス田で採掘された天然ガス� �料を精製しており、天然ガス原料に多く含� �れる二酸化炭素(気体状態)を分離している。 そのため、分離された二酸化炭素を処理する 処理装置83と、天然ガス精製設備70から弁82を 介し処理装置83に二酸化炭素を供給する処理� ��統84とが設けられている。

 そして、本実施形態の大きな特徴として� ��処理系統84の弁82の上流側で分岐接続され、 二酸化炭素を発電設備71のガスタービン発電� ��置72a~72eに供給する供給系統85が設けられて� ��る。供給系統85は、遮断弁79と、この遮断弁 79の下流側で分岐接続され、二酸化炭素をガ� ��タービン発電72a~72dのタービン76の高温部(例 えば動翼や静翼等)を冷却する冷却系統にそ� �ぞれ注入する分岐系統86a~86eと、これら分岐� ��統86a~86eにそれぞれ設けた弁79a~79eとを有し� �いる。そして、通常は、処理系統84の弁82が� ��き状態、供給系統85の遮断弁79が閉じ状態に あり、天然ガス精製設備70で分離された二酸� ��炭素は、処理系統84を介し処理装置83に供給 されて処理されるようになっている。

 次に、本実施形態の動作及び作用効果を� ��明する。

 例えば何らかの理由でガスタービン発電� ��置72aが故障して稼働停止した場合、全体制� ��装置81は、取得した停止情報に応じて制御� �置81eに起動指令信号を出力し、これに応じ� �制御装置81eは、予備機であるガスタービン� �電装置72eを起動させる。しかし、この起動� �は数分から数十分程度の時間を要する。そ� �で、全体制御装置81は、制御装置81b~81dに出� �増加指令信号を出力し、これに応じて制御� �置81b~81dは、稼働継続中のガスタービン発電� ��置72b~72dの燃焼器75に供給する燃料を増加さ� ��て、ガスタービン発電装置72b~72dを過負荷運 転させる。これにより、燃焼器75の燃焼ガス� ��度が上昇し、ガスタービン発電装置72b~72dの 発電量が増加する。本実施形態では、ガスタ ービン発電装置72b~72dのそれぞれの発電量増� �分は、通常運転時の1台当たりの発電量の1/3� ��設定されており、合計すると通常運転時の4 台分の発電量を確保することができ、プラン ト電源の安定化しいてはプラント操業の安定 化を図ることができる。すなわち、天然ガス 液化設備68の運転条件を維持することができ� ��プラント能力を維持することができる。

 また、このガスタービン発電装置72b~72dの 過負荷運転において、全体制御装置81は、処� ��系統84の弁82に制御信号を出力して閉じ状態 に切換えるとともに、供給系統85の遮断弁79� �制御信号を出力して開き状態に切換える。� �た、制御装置80b~80dは、供給系統85の弁79b~79d� ��制御信号を出力して開き状態とする。これ� ��より、天然ガス精製設備70で分離された二� �化炭素は、供給系統85を介しガスタービン発 電装置72b~72dのタービン76の高温部を冷却する 冷却系統に供給されて、タービン76の高温部� ��冷却する。その結果、燃焼ガス温度の増加� ��伴って通常運転時よりも高温となるタービ� ��76の高温部の冷却能力を高めることができ� �高温部のメタル温度を設計許容値に抑えて� �全性を保つことができ、寿命を維持するこ� �ができる。

 その後、予備機であるガスタービン発電� ��置72eが定格発電運転に達すると、全体制御� ��置81は、制御装置81b~81dに出力増加の解除指� ��信号を出力し、これに応じて制御装置81b~81d は、ガスタービン発電装置72b~72dを通常運転� �復帰させる。同時に、全体制御装置81は、供 給系統85の遮断弁79に制御信号を出力して閉� �状態に切換えるとともに、処理系統84の弁82� ��制御信号を出力して開き状態に切換える。� ��た、制御装置81b~81dは、供給系統85の弁79b~79d に制御信号を出力して閉じ状態とする。

 このようにして本実施形態においては、� ��スタービン発電装置を過負荷運転させた場� ��に通常運転時よりも高温となるタービン76� �高温部の冷却材として、天然ガスの精製過� �で得られ通常処分される二酸化炭素を有効� �用することができる。また、ガスタービン� �電装置のタービン76の高温部を冷却する冷却 材を新たに用意する必要がないため、コスト の低減を図ることができる。したがって、コ スト低減を図りつつガスタービン発電装置を 過負荷運転させることができ、プラント電源 の安定化しいてはプラント操業の安定化を図 ることができる。

 本発明の第2の実施形態を図3により説明� �る。本実施形態は、例えば天然ガス原料に� �まれる二酸化炭素が少ない場合に適用した� �のであり、天然ガス精製設備70で分離された 二酸化炭素を液化して貯蔵する実施形態であ る。

 図3は、本実施形態による天然ガス液化プ ラントの構成を表す概略図である。なお、こ の図3において、上記第1の実施形態と同等の� ��分には同一の符号を付し、適宜説明を省略� ��る。

 本実施形態では、天然ガス精製設備70で� �離された二酸化炭素を発電設備71のガスター ビン発電装置72a~72eに供給する供給系統85Aが� �けられている。供給系統85Aは、天然ガス精� �設備70で分離された二酸化炭素(気体状態)を� ��化する冷凍装置77と、この冷凍装置77で液化 した二酸化炭素を貯蔵する貯蔵タンク78と、� ��の貯蔵タンク78から遮断弁79を介し供給され た二酸化炭素を気化する蒸発器80と、この蒸� ��器80からの二酸化炭素(気体状態)をガスター ビン発電装置72a~72eのタービン76の高温部(例� �ばタービン76の動翼や静翼等)を冷却する冷� �系統にそれぞれ注入する分岐系統86a~86eと、� ��れら分岐系統86a~86eにそれぞれ設けた弁79a~79 eとを有している。

 冷凍装置77は、詳細を図示しないが、例� �ば天然ガス液化設備68の冷凍サイクル系統60� ��は61の冷媒の一部を用いて、二酸化炭素を� �却するようになっている。貯蔵タンク78の容 量は、予備機であるガスタービン発電装置72e が起動した際の定格発電運転に達するまでの 時間に基づいて決められている。また、貯蔵 タンク78は、ガスタービン発電装置72a~72eのタ ービン76の高温部への注入に十分な内部圧力� ��確保できるように設定されている。なお、� ��蔵タンク78の出口側に加圧ポンプを設ける� �とにより、貯蔵タンク78の内部圧力を低くし て壁厚みを小さくすることも可能である。

 以上のように構成された本実施形態にお� ��ても、上記第1の実施形態と同様、コスト低 減を図りつつガスタービン発電装置を過負荷 運転させることができ、プラント電源の安定 化しいてはプラント操業の安定化を図ること ができる。また本実施形態においては、二酸 化炭素を液化して貯蔵するので、例えば二酸 化炭素を気相のまま貯蔵する場合に比べ、貯 蔵タンク78の内部圧力が低くなり、その壁厚� ��を小さくしコスト低減を図ることができる� ��また、貯蔵タンク78の容積が減少し、スペ� �ス低減を図ることができる。

 なお、上記第1及び第2の実施形態におい� �は、特に説明しなかったが、全体制御装置81 及び制御装置81a~81eは、ガスタービン発電装� �を過負荷運転させる場合に燃料の増加量が� �れぞれ異なるように制御してもよく、燃料� �増加量に応じて弁79a~79eの開度をそれぞれ制� ��してもよい。このような場合も、上記同様� ��効果を得ることができる。

 また、上記第1及び第2の実施形態におい� �は、供給系統85,85Aは、ガスタービン発電装� �のタービン76の高温部(例えば動翼や静翼等)� ��冷却する冷却系統に二酸化炭素を供給して� ��却させる場合を例にとって説明したが、こ� ��に限られない。すなわち、他の高温部とし� ��、例えば燃焼器ライナ、燃焼器とタービン� ��を接続するダクト、及びタービン排気ディ� ��ューザ等に供給して冷却させてもよい。こ� ��場合も、上記同様の効果を得ることができ� ��。

 また、上記第1及び第2の実施形態におい� �は、特に説明しなかったが、例えばタービ� �76の高温部を冷却した後の二酸化炭素を、タ ービン76のガス流路に流出させてもよい。ま� ��、例えば供給系統85,85Aの分岐系統86a~86bはそ れぞれ、圧縮機74の出口又は燃焼器75の入口� �二酸化炭素を注入する注入系統を設けても� �い。これらの場合には、作動流体の流量が� �加し、ガスタービン発電装置の発電量をさ� �に増加させることができる。

 本発明の第3の実施形態を図4により説明� �る。本実施形態は、貯蔵タンク78で貯蔵した 液相の二酸化炭素をそのままガスタービン発 電装置72a~72eに供給する実施形態である。

 図4は、本実施形態による天然ガス液化プ ラントの構成を表す概略図である。なお、こ の図4において、上記第2の実施形態と同等の� ��分には同一の符号を付し、適宜説明を省略� ��る。

 本実施形態では、供給系統85Bは、天然ガ� ��精製設備70で分離された二酸化炭素(気体状� ��)を液化する冷凍装置77と、この冷凍装置77� �液化した二酸化炭素を貯蔵する貯蔵タンク78 と、この貯蔵タンク78からの二酸化炭素(液体 状態)を遮断弁79を介しガスタービン発電装置 72a~72eにそれぞれ供給する分岐系統87a~87eと、� ��れら分岐系統87a~87eにそれぞれ設けた弁79a~79 eとを有している。分岐系統87aの弁79aの下流� �には、圧縮機の73の吸気側に二酸化炭素を注 入する注入系統88aと、圧縮機73の中間段に二� ��化炭素を注入する注入系統88bと、圧縮機73� �出口又は燃焼器の入口に二酸化炭素を注入� �る注入系統88cとが分岐して設けられている� �また、分岐系統87b~87eにも、同様の注入系統8 8a~88cがそれぞれ設けられている。

 次に、本実施形態の動作及び作用効果を� ��明する。

 例えば何らかの理由でガスタービン発電� ��置72aが故障して稼働停止した場合、全体制� ��装置81は、取得した停止情報に応じて制御� �置81eに起動指令信号を出力し、制御装置81e� �、予備機であるガスタービン発電装置72eを� �動させる。また、全体制御装置81は、供給系 統85Bの遮断弁79に制御信号を出力して開き状� ��に切換えるとともに、制御装置81b~81dに出力 増加指令信号を出力する。これに応じて、制 御装置81a~81dは、供給系統85の弁79b~79dに制御� �号を出力して開き状態とする。そして、注� �系統88aから注入した二酸化炭素が蒸発し、� �の蒸発潜熱を奪うことにより圧縮機73の吸気 が冷却されて密度が大きくなり、かつ蒸発し た二酸化炭素が混入することによって作動流 体の流量が増加する。また、注入系統88bから 注入した二酸化炭素が蒸発し、その蒸発潜熱 を奪うことにより圧縮機73の圧縮過程の空気� ��冷却されて後段の圧縮動力が低減する。ま� ��、注入系統88cから注入した二酸化炭素が混� ��することによって作動流体の流量が増加す� ��。その結果、燃焼ガス温度が通常時と同じ� ��あっても、ガスタービン発電装置72a~72dの発 電量を増加させることができる。

 このように本実施形態においては、ガス� ��ービン発電装置を過負荷運転させるために� ��動流体に混入させる流体として、天然ガス� ��精製過程で得られて通常処分される二酸化� ��素を有効利用することができる。また、作� ��流体に混入させる流体を新たに用意する必� ��がないため、コストの低減を図ることがで� ��る。したがって、コスト低減を図りつつ、� ��スタービン発電装置を過負荷運転させるこ� ��ができる。

 なお、上記第3の実施形態においては、供 給系統85Bは、液体状態の二酸化炭素を圧縮機 74の吸気側、圧縮機74の中間段、圧縮機74の出 口又は燃焼器75の入口に注入する場合を例に� ��って説明したが、これに限られない。すな� ��ち、例えば液体状態の二酸化炭素をガスタ� ��ビン発電装置の高温部(例えばタービン動翼 や静翼、燃焼器ライナ、燃焼器とタービンと を接続するダクト、及びタービン排気ディフ ューザ等)に供給してもよい。但し、この場� �、注入部の低温側メタル温度が低下しすぎ� �熱応力が増加する可能性があるため、注入� �位及び注入量の設計には細心の注意を払う� �要がある。

 なお、以上においては、天然ガスの精製� ��程で得られた二酸化炭素をガスタービン発� ��装置に供給する場合を例にとって説明した� ��、これに限られない。すなわち、例えば天� ��ガスの精製過程で得られた窒素をガスター� ��ン発電装置に供給するようにしてもよく、� ��の場合も上記同様の効果を得ることができ� ��。但し、窒素に比べて二酸化炭素は、液化� ��度が低いので液化しやすく、蒸発潜熱が大� ��いので冷却効果が高いため、好ましい。

 また、ガスタービン発電装置72a~72eは、シ ンプルサイクルガスタービンの構成とする場 合を例にとって説明したが、これに限られず 、例えば蒸気タービン等と組み合わせたコン バインドサイクルガスタービンの構成として もよいことは言うまでもない。