JP2000008878A - コージェネレーション設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小規模で性能が安定し、且つ安価に実施する
ことができる燃焼器後置再生式ガスタービンを用いたコ
ージェネレーション設備を提供する。 【解決手段】 圧縮機１とタービン２とからなるタービ
ン駆動装置に代えて、圧縮機１とタービン２とを有する
ターボチャージャ１６と、出力タービン１７と発電機１
８とを有するターボ発電機１９とからなる小型の２軸タ
ービン２０を設け、圧縮機１出口の圧縮空気Ａの一部を
取入れて貯蔵し貯蔵した圧縮空気Ａによりターボチャー
ジャ１６を起動し得るエアスタータ２５を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンを用
いたコージェネレーション設備、特に燃焼器後置再生式
ガスタービンを用いた小規模のコージェネレーション設
備に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ガスタービンを用いたコージ
ェネレーション設備としては種々の方式のものが実施及
び提案されている。

【０００３】図２は、従来におけるガスタービンを用い
たコージェネレーション設備の一例を示したものであ
り、図２では圧縮機１とタービン２とが同一の軸３上に
設けられたタービン駆動装置４を備えており、圧縮機１
で大気を吸引して圧縮し、圧縮した圧縮空気Ａを燃焼器
５に導いて昇圧装置１２で昇圧した燃料６と共に燃焼さ
せ、高温・高圧となった排ガスＧを前記タービン２に供
給してタービン２を駆動し、タービン２と同軸に設けた
発電機７を駆動することにより発電を行うようにしてい
る。

【０００４】また、前記タービン２出口の排ガスＧは、
排気管８により外部に排気したり、排熱回収装置９に導
いて排熱を回収するようにしている。図２の排熱回収装
置９は、排ガスＧの排熱により冷水を得るようにした吸
収式冷凍機１０と、前記排ガスＧの排熱により蒸気或い
は温水を得て暖房、給湯等を行うようにしたボイラ１１
の場合を示している。

【０００５】上記図２におけるタービン駆動装置４は、
燃焼器５で圧縮空気Ａと共に燃料６を燃焼した高温・高
圧の排ガスＧをタービン２に導入するようにしており、
タービン駆動装置４の効率を上げるためには前記排ガス
Ｇの温度を高く保持する必要があるが、タービン２は排
ガスＧの高温から保護する必要があるために複雑な冷却
構造を備える必要があり、そのために小型のタービン駆
動装置４を実施することは困難であった。

【０００６】また、上記冷却の問題を解消するためには
タービン２入口の排ガスＧの温度を低く押さえるように
することが考えられるが、このようにした場合には、タ
ービン効率が極端に低下してしまうという問題がある。
このために、図２に示したような高温・高圧の排ガスＧ
によってタービン２を駆動するようにしたタービン駆動
装置４は大型の設備においてのみ実施されており、小型
の設備はごく一部の用途にのみ実施されているにすぎな
い。

【０００７】更に、図２に示した設備では、燃焼器５
は、圧縮機１で圧縮した高圧の圧縮空気Ａ中で燃料６を
燃焼させる必要があり、従って液体燃料の場合でもガス
燃料の場合でも、燃料６を圧縮空気Ａの圧力以上に加圧
する昇圧装置１２が必要であり、特にガス燃料の場合に
はガスの昇圧に多大のエネルギーが必要となり、よって
特に小型の設備には適用が困難となる。

【０００８】また、前記したように燃料６を高圧力下で
燃焼させると、窒素酸化物（ＮＯx）の排出が大きくな
る傾向があり、窒素酸化物の排出を低下するための技術
的な構成を更に必要とする問題がある。

【０００９】一方、近年では、図３に示すような燃焼器
後置再生式ガスタービンを用いた設備が考えられてい
る。

【００１０】図３の設備は、圧縮機１とタービン２とが
同一の軸３上に設けられたタービン駆動装置４を備えて
おり、前記圧縮機１で空気を吸引して圧縮し、圧縮した
圧縮空気Ａを再生熱交換器１３に導いて加熱することに
より温度と圧力を高めた後、温度と圧力が高められた圧
縮空気Ａを前記タービン２に導入して該タービン２を駆
動するようにしている。また、タービン２には、モータ
として作用させることができるようにした発電機７を同
軸上に設けるようにしている。

【００１１】更に、前記タービン２の出側空気Ａは大気
圧燃焼器１４に導いて燃料１５と共に燃焼させるように
しており、大気圧燃焼器１４で燃焼した高温の燃焼ガス
は前記再生熱交換器１３に導いて前記圧縮空気Ａの加熱
を行い、圧縮空気Ａを加熱した後の排ガスＧは下流の排
熱回収装置に導くようにしている。

【００１２】上記図３の設備を起動する際は、発電機７
をモータとして作用させてタービン駆動装置４を起動す
ることにより、圧縮機１から取入れて圧縮した圧縮空気
Ａをタービン２から吐出させて大気圧燃焼器１４に供給
し、これと同時に大気圧燃焼器１４に燃料１５を供給し
て点火・燃焼させることにより大気圧燃焼器１４内部及
び再生熱交換器１３内部を加熱し、これにより前記圧縮
機１からの圧縮空気Ａを加熱することにより行う。

【００１３】または、あらかじめ大気圧燃焼器１４に燃
料１５を供給して点火・燃焼させることにより大気圧燃
焼器１４の内部及び再生熱交換機１３の内部を加熱し、
この後発電機７をモータとして作用させてタービン駆動
装置４を起動することにより、圧縮機１から取り入れて
圧縮した圧縮空気Ａをあらかじめ加熱されている再生熱
交換器１３に導き、圧縮空気Ａを加熱し高温になった圧
縮空気Ａでタービン２を駆動する。タービン２から吐出
された空気Ａは大気圧燃焼器１４に導かれこれに燃料１
５が供給され運転が継続される。なお、この場合、最初
に大気圧燃焼器１４で燃料１５を燃焼させる時に、補助
ブロワーで燃焼用の空気を送ってもよい。上記のいずれ
の方法においても、大気圧燃焼器１４に供給される空気
Ａは大気圧となっているために、大気圧燃焼器１４での
燃料１５の着火は容易であり、着火失敗は生じ難い。

【００１４】図３の燃焼器後置再生式ガスタービンを用
いた設備では、タービン２は高温・高圧のクリーンな圧
縮空気Ａによって駆動されるようになっており、従っ
て、タービン駆動装置４が排ガスで汚れるようなことが
ない。

【００１５】更に、タービン２から出て大気圧となった
空気Ａが大気圧燃焼器１４に導かれて燃料１５と燃焼さ
れるようになっているために、燃料１５を加圧するため
の昇圧装置を設ける必要がなく、よって燃料として、一
般家庭で使用されている低圧ラインの都市ガス、或いは
ＬＰガス等を昇圧することなしにそのまま利用すること
ができ、また灯油などの液体燃料も燃料１５として容易
に利用することができる。また、燃料１５を大気圧で燃
焼させるために、窒素酸化物の発生を抑制できるので、
脱硝のための設備も省略することができる。

【００１６】また、前記タービン２から出た比較的温度
の高いクリーンな空気Ａは、そのまま温風暖房などに利
用することができる利点がある。

【００１７】上記図３の設備においては、圧縮機１の圧
力比とタービン２の軸端熱効率との関係を図４に示して
いるように、タービン２の入口温度が８００℃，８５０
℃，９００℃と変化した場合において、圧力比が小さく
なると熱効率が低下する変化量は大きいが、圧力比があ
る程度以上に大きくなると熱効率の変化量は小さいこと
が明らかであり、従って、図４に示すように、比較的圧
力比が低い計画点Ｓで運転を行うことにより、圧縮機１
の負荷を低減して設備の効率を高めることができる。

【００１８】また、前記図３の燃焼器後置再生式ガスタ
ービンを用いた設備では、図５に再生熱交換器１３の温
度効率とタービン２の軸端熱効率との関係を示している
ように（圧縮機圧力比を変化させて示している）、再生
熱交換器１３の温度効率が高いほどタービン２の軸端熱
効率を高く維持できることが明らかであり、従って、図
３の設備の性能を高めるには再生熱交換器１３の熱交換
効率を如何にして高めるかに掛かっている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記図３に示
した従来の燃焼器後置再生式ガスタービンを用いた設備
においては、タービン２の出力と再生熱交換器１３の容
積との関係を図６に示しているように、ガスタービン出
力を増加しようとすると、再生熱交換器の容積が大幅に
増大する。即ち、１００ｋＷのガスタービン出力を得る
には約８立方メートルの容積をもつ再生熱交換器１３が
必要であり、１０００ｋＷのガスタービン出力を得るに
は約６５立方メートルの容積をもつ再生熱交換器１３が
必要であり、このような大型の再生熱交換器１３は実際
に製作して設置することは困難である。

【００２０】従って、現在では、図３に示したような燃
焼器後置再生式ガスタービンを用いた設備は実用化され
ていない。

【００２１】また、前記図２及び図３に示したように同
一の軸３上に、圧縮機１とタービン２と発電機７が設置
されたタービン駆動装置４においては、全体重量が増加
し、そのためにタービン駆動装置４を起動するのに必要
な起動力が大きくなり、そのために従来では、前記発電
機７をモータとして作用させ得るようにしており、起動
時にはモータによって圧縮機１とタービン２との回転を
駆動し、起動終了後は発電機７として発電を行って電力
を出力するようにしている。

【００２２】しかし、このような発電機７を備えて、該
発電機７を起動時のモータとしての作用と、発電が開始
されてからの発電機としての作用とに連続してスムーズ
に切り替えるためには高級で高価な制御回路が必要であ
り、従って例えば図３の設備において小型のタービン駆
動装置４を実施しようとしても、前記したように高価な
制御回路のために設備全体が高価なものとなってしまっ
て、実用化することは困難である。

【００２３】本発明は、小規模で性能が安定し、且つ安
価に実施することができる燃焼器後置再生式ガスタービ
ンを用いたコージェネレーション設備を提供することを
目的としている。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮機とター
ビンとからなるタービン駆動装置を備え、前記圧縮機に
て圧縮した圧縮空気を再生熱交換器に導いて加熱するこ
とにより温度と圧力を高め、温度と圧力が高められた圧
縮空気により前記タービンを駆動するようにし、且つ該
タービンの出側空気を大気圧燃焼器に導いて燃料と共に
燃焼し、高温の排ガスを前記再生熱交換器に導いて前記
圧縮空気の温度と圧力を高めた後、下流の排熱回収装置
に導いて排熱回収を行うようにしているコージェネレー
ション設備であって、前記タービン駆動装置に代えて、
圧縮機とタービンとを有するターボチャージャと、出力
タービンと発電機とを有するターボ発電機とからなる２
軸タービンを設け、更に前記圧縮機出口の圧縮空気の一
部を取入れて貯蔵し貯蔵した圧縮空気により前記ターボ
チャージャを起動し得るエアスタータを備えたことを特
徴とするコージェネレーション設備、に係るものであ
る。

【００２５】また、ターボ発電機の出力を約１０ｋＷ以
下に設定したり、ターボチャージャのタービンに導入さ
れる高温の圧縮空気の温度を約８００℃〜８５０℃程度
に設定するようにしている。

【００２６】本発明によれば、従来考えられている燃焼
器後置再生式ガスタービンのタービン駆動装置に代え
て、２軸タービンを設けるようにしたことにより、２軸
タービンの構成を小型化することが可能となり、それに
よって再生熱交換器の容積も小型の構成とすることがで
き、従って再生熱交換器の製作、設置、取り扱いが容易
となり、しかも燃焼器後置再生式ガスタービンとしての
高い効率を安定して発揮できるコージェネレーション設
備を提供することができる。

【００２７】更に、２軸タービンの構成によってターボ
発電機にて発電を行うようにしているので、ターボチャ
ージャの回転負荷を小さくすることができ、従ってター
ボ発電機のタービン出力を約１０ｋＷ以下程度とする
と、２軸タービンの起動をエアスタータによって容易に
行うことができるようになる。また、２軸タービンは一
度起動されると、圧縮空気の一部をエアスタータに貯留
しておくことによって、以後の起動は貯留した圧縮空気
を利用してできるので、何らの起動エネルギーを要する
ことなしに容易に起動することができるようになる。

【００２８】また、２軸タービンにおけるガスタービン
入口の温度を約８５０℃以下に保持するようにすると、
タービンは冷却することなしに長期間安定した運転が可
能となる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。

【００３０】図１は、本発明のコージェネレーション設
備の一例を示したものであり、図中図３と同一のものに
は同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【００３１】図１に示すように、図３に示した燃焼器後
置再生式ガスタービンにおいて備えているタービン駆動
装置４に代えて、圧縮機１とタービン２とを備えたター
ボチャージャ１６と、出力タービン１７と発電機１８と
を備えたターボ発電機１９と、からなる２軸タービン２
０を設けている。

【００３２】前記ターボチャージャ１６は既に知られて
いる技術的に確立されたものであり、圧縮機１の空気取
入口にはサイレンサ付きの空気フィルタ２１が備えられ
ており、また軸３部等を潤滑するための潤滑油供給装置
２２が備えられている。

【００３３】前記ターボ発電機１９は、ターボチャージ
ャ１６のタービン２の出口に出力タービン１７が接続さ
れるようになっている。

【００３４】前記２軸タービン２０としては、出力ター
ビン１７の出力が約１０ｋＷ程度以下、更に詳しくは３
ｋＷ〜１０ｋＷ程度の小型のものを用いるようにし、更
に２軸タービン２０の大きさに応じた容量の再生熱交換
器２３を設置する。

【００３５】また、２軸タービン２０におけるタービン
２の入口の温度が約８５０℃以下、例えば８００℃〜８
５０℃に保持されるように、圧縮機１、大気圧燃焼器１
４、再生熱交換器２３の容量及び性能を設定する。

【００３６】また、前記圧縮機１出口の圧縮空気Ａの一
部を取入れて貯蔵するようにした空気溜２４を備え、該
空気溜２４に貯蔵した圧縮空気Ａを前記ターボチャージ
ャ１６に供給することによりターボチャージャ１６を起
動し得るようにしたエアスタータ２５を設ける。図中２
６は、ターボチャージャ１６の初期の起動時に空気溜２
４に圧縮空気Ａを供給して溜めて置くための補助空気ポ
ンプである。また、２７は、太陽光集光熱源等の別の熱
源を利用して前記圧縮空気Ａを加熱するようにした加熱
装置である。

【００３７】以下に、図１に示した設備の作用を説明す
る。

【００３８】ターボチャージャ１６の圧縮機１で大気を
吸引して圧縮した圧縮空気Ａは再生熱交換器２３で温度
と圧力が高められた後、タービン２に導かれてタービン
２を駆動し、続いてターボ発電機１９の出力タービン１
７に導入されて出力タービン１７を駆動することにより
発電機１８を回転させて発電を行う。

【００３９】ターボ発電機１９の出力タービン１７から
出て大気圧となった空気Ａは、大気圧燃焼器１４に導か
れて都市ガス或いは灯油などの通常圧力のままの燃料１
５と混合されて燃焼し、高温となった燃焼ガスは、前記
再生熱交換器２３に導かれて前記圧縮機１からの圧縮空
気Ａの加熱を行う。

【００４０】圧縮空気Ａの加熱を行った排ガスＧは、排
熱回収装置９に導かれて排熱が回収される。また、前記
出力タービン１７出口のクリーンな高温の空気Ａは、そ
のまま温風暖房などに用いることができる。

【００４１】前記２軸タービン２０の構成を小型化し、
ターボ発電機１９のタービン出力を１０ｋＷとした場合
（タービン２の直径は５０ｍｍ程度及び出力タービン１
７の直径は１００ｍｍ程度）における再生熱交換器２３
の容積は０．６５立方メートル程度であり（図６参
照）、再生熱交換器２３を図１に示すように小型の構成
とすることができる。因みに、ターボ発電機１９のター
ビン出力が３ｋＷの場合（タービン２の直径は３０ｍｍ
程度及び出力タービン１７の直径は６０ｍｍ程度）にお
ける再生熱交換器２３の容積は約０．２立方メートルと
非常に小型のものとなる。

【００４２】このように再生熱交換器２３の容積が小型
になると、再生熱交換器の製作、設置、取り扱いが容易
となり、しかも燃焼器後置再生式ガスタービンとしての
高い効率を安定して発揮できるコージェネレーション設
備が提供できるようになる。従って、家庭用等のコージ
ェネレーション設備として汎用性あるものとすることが
できる。

【００４３】また、２軸タービン２０におけるタービン
２の入口の温度を約８５０℃以下、例えば８００℃〜８
５０℃に保持するように圧縮機１、大気圧燃焼器１４、
再生熱交換器２３の容量及び性能を設定すれば、タービ
ン２及び出力タービン１７は冷却することなしに長期間
安定した運転が可能となる。

【００４４】更に、２軸タービン２０を構成して、ター
ボ発電機１９にて発電を行うようにしているので、ター
ボチャージャ１６の回転負荷は非常に小さなものとする
ことができ、従って前記したように約１０ｋＷ以下程度
のタービン出力とした２軸タービン２０の起動は、前記
エアスタータ２５によって容易に行うことができる。

【００４５】また、２軸タービン２０は一度起動される
と、圧縮空気Ａの一部が空気溜２４に貯留されるので、
以後の起動は上記貯留された圧縮空気Ａで行うことがで
きるので、以後は何らの起動エネルギーを要することな
しに容易に起動することができる。

【００４６】また、太陽光集光熱源等の別の熱源を利用
して前記圧縮空気Ａを高温に加熱できるようにした加熱
装置２７を備えるようにすると、前記再生熱交換器２３
の容量を更に小さくしたり、燃料１５の使用量を削減す
ることができる。

【００４７】尚、本発明は上記形態例にのみ限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内におい
て種々変更を加え得ることは勿論である。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、従来考えられている燃
焼器後置再生式ガスタービンのタービン駆動装置に代え
て、２軸タービンを設けるようにしたことにより、２軸
タービンの構成を小型化することが可能となり、それに
よって再生熱交換器の容積も小型の構成とすることがで
き、従って再生熱交換器の製作、設置、取り扱いが容易
となり、しかも燃焼器後置再生式ガスタービンとしての
高い効率を安定して発揮できるコージェネレーション設
備を提供することができる。

【００４９】更に、２軸タービンの構成によってターボ
発電機にて発電を行うようにしているので、ターボチャ
ージャの回転負荷を小さくすることができ、従ってター
ボ発電機のタービン出力を約１０ｋＷ以下程度とする
と、２軸タービンの起動をエアスタータによって容易に
行うことができるようになる。また、２軸タービンは一
度起動されると、圧縮空気の一部をエアスタータに貯留
しておくことによって、以後の起動は貯留した圧縮空気
を利用してできるので、何らの起動エネルギーを要する
ことなしに容易に起動することができるようになる。

【００５０】また、２軸タービンにおけるガスタービン
入口の温度を約８５０℃以下に保持するようにすると、
タービンは冷却することなしに長期間安定した運転が可
能となる。

【００５１】従来のガスタービンでは燃焼器において燃
料が供給されるため燃料の未燃焼成分等がタービンに入
り、これらの外部異物による損傷（ＦＯＤ：Foreign Ob
jectDamage）が発生するため脆性材料であるセラミック
材料を使うためには特別な注意が必要であった。しかし
ながら、本発明によると圧縮機で高圧に圧縮された空気
は再生熱交換器で間接的に熱を供給され、クリーンな高
温空気の状態でタービン及び出力タービンに導入される
ため、外部異物は混入しないのでセラミック材料が容易
に使用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコージェネレーション設備の一例を示
す概略系統図である。

【図２】従来のコージェネレーション設備の一例を示す
概略系統図である。

【図３】従来考えられた燃焼器後置再生式ガスタービン
を用いたコージェネレーション設備の一例を示す概略系
統図である。

【図４】圧縮機の圧力比とガスタービン軸端熱効率との
関係の一例を示す線図である。

【図５】再生熱交換器の温度効率とガスタービン軸端熱
効率との関係を示す線図である。

【図６】ガスタービン出力と再生熱交換器の容積との関
係を示す線図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ タービン ４ タービン駆動装置 ９ 排熱回収装置 １４ 大気圧燃焼器 １５ 燃料 １６ ターボチャージャ １７ 出力タービン １８ 発電機 １９ ターボ発電機 ２０ ２軸タービン ２３ 再生熱交換器 ２５ エアスタータ Ａ 圧縮空気（空気） Ｇ 排ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｃ 6/00 Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０１Ｂ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機とタービンとからなるタービン駆
   動装置を備え、前記圧縮機にて圧縮した圧縮空気を再生
   熱交換器に導いて加熱することにより温度と圧力を高
   め、温度と圧力が高められた圧縮空気により前記タービ
   ンを駆動するようにし、且つ該タービンの出側空気を大
   気圧燃焼器に導いて燃料と共に燃焼し、高温の排ガスを
   前記再生熱交換器に導いて前記圧縮空気の温度と圧力を
   高めた後、下流の排熱回収装置に導いて排熱回収を行う
   ようにしているコージェネレーション設備であって、前
   記タービン駆動装置に代えて、圧縮機とタービンとを有
   するターボチャージャと、出力タービンと発電機とを有
   するターボ発電機とからなる２軸タービンを設け、更に
   前記圧縮機出口の圧縮空気の一部を取入れて貯蔵し貯蔵
   した圧縮空気により前記ターボチャージャを起動し得る
   エアスタータを備えたことを特徴とするコージェネレー
   ション設備。
2. 【請求項２】 ターボ発電機の出力は約１０ｋＷ以下と
   したことを特徴とする請求項１記載のコージェネレーシ
   ョン設備。
3. 【請求項３】 ターボチャージャのタービンに導入され
   る高温の圧縮空気の温度は約８００℃〜８５０℃程度と
   したことを特徴とする請求項１又は２記載のコージェネ
   レーション設備。