JP2001140657A

JP2001140657A - ガスタービン・コージェネレーション装置

Info

Publication number: JP2001140657A
Application number: JP32859499A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Hisakado; 喜徳久角; Osamu Sugiyama; 杉山　　修; Yasuki Kubota; 泰基久保田; Taisei Cho; 黛青趙; Norio Arai; 紀男新井; Tomohiko Furuhata; 朋彦古畑
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン・コージェネレーション装置で
部分負荷における発電効率を高める。【解決手段】一段側燃焼器１０および二段側燃焼器１
２で２段燃焼を行い、発電機３を回転駆動して電力を発
生させる。二段側ガスタービン１３からの排ガスは、排
熱ボイラ４の熱源となり、水蒸気を発生させる。水蒸気
は、水蒸気弁２３を介して一段側燃焼器１０に噴射さ
れ、燃料との予混合用、および火炎冷却用に使用され
る。二段側ガスタービン１３の出口の排ガス温度は７２
０℃を超えないように、制御装置が第１燃料弁２１およ
び第２燃料弁２２を調整して、一段側燃焼器１０および
二段側燃焼器１２への燃料供給量を制御し、一段側燃焼
器１０からの出口排ガス温度を１２００℃前後に維持す
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
いて発電と熱エネルギの発生とを行うガスタービン・コ
ージェネレーション装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、省エネルギやエネルギの有効
利用のために、コージェネレーション・システムが用い
られている。コージェネレーション・システムでは、エ
ンジンやタービンなどの熱機関の軸出力で発電機を駆動
して電力を発生させるとともに、熱機関の排熱を熱源と
して、冷暖房や給湯などに利用し、総合的なエネルギ効
率を高めるようにしている。コージェネレーション・シ
ステムのような分散型の熱エネルギの利用に対し、発電
所などを代表とする集中型の熱エネルギの利用でも、Ｌ
ＮＧを燃料として用い、総合的な効率は年々向上してい
る。また、電気駆動のヒートポンプ式冷房・暖房装置の
成績係数（ＣＯＰ）は５以上となってきているので、商
用電力を用いて冷房や暖房を行っても、総合的な効率は
かなり高くなってきている。

【０００３】都市ガスなどの機体燃料を用いるコージェ
ネレーション・システムには、熱機関としてガスタービ
ンとガスエンジンとが用いられる。ガスタービンの方が
装置を小形化することが容易であり、ＮＯｘの発生も少
ない。ただし、ガスタービンは一般に効率が悪いので、
ガスタービンを使用する場合は、効率の改善が必要とな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、最新の
ＬＮＧ火力発電所の発電効率は益々上がる傾向にあり、
タービン入口燃焼ガス温度（Turbine Inlet Temperatur
e）が１５００℃である改良されたコンバインド・サイ
クル（Advanced Combined Cycle）の効率は５８％に達
している。電気駆動のヒートポンプ式冷房・暖房装置の
成績係数は５以上となってきているので、発電から冷暖
房までの総合的な効率として、電動式の冷暖房装置で
も、エネルギ効率の面で、むしろ分散型のコージェネレ
ーション・システムよりも向上する可能性がでてきてい
る。ただし、タービン入口燃焼ガス側温度が１５００℃
となると、ガスタービンとして使用可能な耐熱材料など
が限定され、高価になる。

【０００５】大規模なＬＮＧ火力発電所などでは、この
ような高い温度で使用するガスタービンが高価であって
も、発電効率の向上で充分に採算がとれる。しかしなが
ら、火力発電所に比較して規模が小さいガスタービン・
コージェネレーション・システムでは、高価な高温用の
ガスタービンを使用すると、採算をとることが困難にな
ってしまう。

【０００６】コージェネレーション・システムでは、排
熱の有効利用を図るとともに、電力や熱の需要の変化に
対応しうる柔軟性も必要となる。現行のコージェネレー
ション・システムで経済的に使用可能なガスタービンの
発電効率は、６０００ｋＷのクラスで約３３％であっ
て、かなり低い水準に止まっている。しかも、負荷が減
少して部分負荷になると、発電効率はさらに低下してし
まう。また、排ガスは最終的に大気中に放出されるの
で、ＮＯｘなどの発生を抑える必要もある。

【０００７】本発明の目的は、部分負荷においても発電
効率を高めることができるガスタービン・コージェネレ
ーション装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガス燃料を水
蒸気と混合して燃焼させる一段側燃焼器と、一段側燃焼
器からの燃焼ガスで回転される一段側ガスタービンと、
一段側ガスタービンからの排ガスを用いてガス燃料を燃
焼させる二段側燃焼器と、二段側燃焼器の燃焼ガスで回
転される二段側ガスタービンと、二段側ガスタービンか
らの排ガスを熱源として、水蒸気を発生し、一段側燃焼
器に供給する排熱ボイラと、一段側ガスタービンによっ
て駆動される空気圧縮機と、二段側ガスタービンによっ
て駆動される発電機と、排熱ボイラからの排ガス中に含
まれる水蒸気の潜熱を回収する熱交換器と、一段側燃焼
器出口での燃焼ガスの温度を１２００℃付近に維持する
とともに、二段側ガスタービン出口での排ガスの温度を
７２０℃までに抑えるように制御する制御装置とを含む
ことを特徴とするガスタービン・コージェネレーション
装置である。

【０００９】本発明に従えば、一段側燃焼器および一段
側ガスタービンと、二段側燃焼器および二段側ガスター
ビンとで、二段燃焼のガスタービン装置を構成し、発電
機を回転駆動して電力を発生させることができる。二段
側ガスタービンからの７２０℃までの排ガスを熱源とし
て水蒸気を発生する排熱ボイラを設け、排熱ボイラから
の水蒸気を一段側燃焼器でガス燃料と混合して燃焼さ
せ、酸素ガスの相対的な濃度を調整し、燃焼条件を制御
することができる。また水蒸気は燃焼中の火炎を冷却す
るので、二段側ガスタービンに導入する排ガスの温度を
１２００℃付近に高め、部分負荷状態であっても、発電
効率を上昇させることができる。排熱ボイラからの排ガ
ス中に含まれる水蒸気の潜熱は、熱交換器で回収される
ので、熱エネルギを高効率で利用することができる。し
かも、ガスタービンを利用するので、ＮＯｘの発生量を
少なくすることができる。

【００１０】また本発明の前記一段側燃焼器では、前記
水蒸気が均等に予混合用と火炎冷却用とに分配して噴射
されることを特徴とする。

【００１１】本発明に従えば、一段側燃焼器に水蒸気が
予混合用と火炎冷却用とに均等に噴射されるので、失火
を防止するとともに、出口での燃焼ガス温度を容易に１
２００℃程度に維持することができる。

【００１２】また本発明は、前記二段側ガスタービン出
口での排ガスの温度を検出する温度検出器をさらに含
み、前記制御装置は、温度検出器が検出する温度に基づ
いて、前記一段側燃焼器および前記二段側燃焼器への燃
料流量、および一段側燃焼器に噴射する水蒸気の流量を
調整し、前記発電機からの発電出力を制御することを特
徴とする。

【００１３】本発明に従えば、温度検出器は、７２０℃
までに抑える二段側ガスタービン出口での排ガス温度を
検出すればよいので、比較的容易に精度の高い検出を行
うことができる。制御装置は、検出される温度に従っ
て、一段側燃焼器および二段側燃焼器への燃料流量、お
よび一段側燃焼器に噴射する水蒸気の流量を調整し、一
段側燃焼器出口での燃焼ガス温度が１２００℃程度に維
持されるように、安定な制御を行うことができる。

【００１４】また本発明の前記熱交換器では、熱交換に
よって暖房用の温水を発生させることを特徴とする。

【００１５】本発明に従えば、排熱ボイラからの排ガス
中に含まれる蒸気の潜熱を回収して、暖房用の温水を発
生させることができるので、比較的低温の温水として、
排ガスの熱エネルギを有効に回収することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態と
しての基本的な構成を示す。本実施形態のガスタービン
・コージェネレーション装置では、一段側ガスタービン
装置１および二段側ガスタービン装置２で、二段の同芯
２軸型ガスタービン装置を構成し、発電機３を回転駆動
する。二段側ガスタービン装置２からの排ガスは、排熱
ボイラ４の熱源となって、水供給ポンプ５から供給され
る水を蒸発させ、水蒸気を発生させる。発生した水蒸気
は、一段側ガスタービン装置１で燃焼する燃料と混合さ
れる。排熱ボイラ４からの排ガスは、熱交換器である潜
熱回収器６を通る。潜熱回収器６は、主として排ガス中
に含まれる水蒸気の潜熱を回収するために、排ガスと温
水７とを熱交換する。排ガスは、潜熱回収器６で冷却さ
れ、大気中に放出される。燃焼排ガスを大気中にそのま
ま放出することができる燃料として、一段側ガスタービ
ン装置１には都市ガス８を供給する。都市ガス８を燃焼
させるための空気は、一段側ガスタービン装置１が回転
駆動する空気圧縮機９によって圧縮して供給する。

【００１７】一段側ガスタービン装置１は、一段側燃焼
器１０および一段側ガスタービン１１によって構成され
る。二段側ガスタービン装置２は、二段側燃焼器１２お
よび二段側ガスタービン１３によって構成される。一段
側燃焼器１０には、都市ガス８と空気圧縮機９で圧縮さ
れた空気とが供給され、都市ガス８が燃焼するととも
に、排熱ボイラ４で発生される水蒸気も噴射される。ま
た、二段側燃焼器１２には、一段側ガスタービン１１か
らの高温排気が導入されて、再燃焼が行われる。二段側
燃焼器１２にも、都市ガス８を供給して噴射することが
可能である。二段側燃焼器１２の燃焼ガスは、二段側ガ
スタービン１３を回転駆動する。潜熱回収器６に温水を
供給するために、温水ポンプ１４が設けられている。

【００１８】一段側燃焼器１０は、出口温度、すなわ
ち、一段側ガスタービン１１へのタービン入口燃焼ガス
温度（ＴＩＴ）が１２００℃付近となるような条件で燃
焼を行う。二段側燃焼器１２は、二段側ガスタービン１
３へのタービン入口燃焼ガス温度（ＴＩＴ）が１１００
℃付近となるような条件で燃焼を行う。しかしながら、
１０００℃を超える温度を精度よく検出することは困難
である。そこで、温度が低下する二段側ガスタービン１
３出口の排ガスの温度を、温度検出器１５によって検出
する。検出された温度は、制御装置２０に入力される。
制御装置２０は、一段側燃焼器１０への燃料供給量を調
整する第１燃料弁２１、二段側燃焼器１２への燃料供給
量を調整する第２燃料弁２２および１段側燃焼器１０に
噴射する水蒸気量を調整する水蒸気弁２３を制御するこ
とによって、各ガスタービンへのタービン入口燃焼ガス
温度を制御する。制御装置２０は、水供給ポンプ５およ
び温水ポンプ１４も制御する。本実施形態では、最新の
高温ガスタービンの翼冷却やコーティング技術さらに燃
焼器の蒸気冷却技術を導入するとともに、水資源のリサ
イクルをめざした新しいコンセプトの高効率ガスタービ
ン・コージェネレーションシステムの制御方法を用いて
いる。

【００１９】図２は、本実施形態を２０００ｋＷクラス
のシステムに適用する場合の基本コンセプトと主要な運
転条件とを示す。コンセプトのキーワードは、２段燃
焼、全量蒸気噴射、排ガスからの潜熱回収である。排熱
ボイラ４で発生した全量の蒸気を第１段目ガスタービン
装置１に噴射し、さらに膨張の過程で２段燃焼させる。
二段側燃焼器１２への燃料供給率が０％の時は、二段側
ガスパタービン出口温度は、従来型と同じ約５４０℃で
ある。図２に示すように、二段側燃焼器１２への燃料供
給率を増して２９％に上げると、二段側燃焼器１２から
の排ガスの出口温度は１１００℃となり、二段側ガスタ
ービン１３からの排ガスの出口温度は７２０℃まで上が
る。これによって、排熱ボイラ４からの蒸気発生量が増
す。同時に一段側燃焼器１０からの排ガス出口温度は１
２００℃一定に制御されるため、蒸気噴射量が増加する
と空気流量増加効果として機能し、一段側燃焼器１０へ
の燃料供給量が増える。したがって本システムでは、二
段側燃焼器１２への燃料流量を第２燃料弁２２によって
制御し、二段側ガスタービン１３の出口温度を上げるこ
とによって、発電機３からの発電出力を高い発電効率に
おいて大幅に変えることができる。

【００２０】図３に本実施形態に用いることが可能なガ
スタービン本体３０の断面構成を示す。図３の左端が発
電機用減速機への出力パッド３１であり、右端が排気フ
レーム３２である。図中の左から空気圧縮機９、一段側
燃焼器１０、および一段側ガスタービンを含む高圧系
と、二段側燃焼器１２および二段側ガスタービン１３の
低圧系で構成される。高圧系はたとえば４５，０００ｒ
ｐｍ、低圧系はたとえば３０，０００ｒｐｍの異なる回
転数であり、一軸構造とするため各タービンを同期させ
るための減速機を設ける。

【００２１】ガスタービンの仕様を決定するにあたり、
蒸気混在下の低酸素状態の排ガス中において二段側燃焼
器１２に投入された燃料が安定して燃焼する条件を決め
る必要がある。そこで高圧系の一段側燃焼器１０の出口
と低圧系の二段側燃焼出口の排ガス温度を決め、プロセ
ス計算を行い、二段燃焼における温度、酸素濃度を検討
した。検討に当り、高い発電効率が得られるように、両
燃焼器には蒸気冷却を適用した。また動静翼の空気冷却
量、各構成要素の圧力損失、圧縮機、タービン、発電機
の効率については、メーカの設計値を採用した。

【００２２】図４は、本実施形態でプロセス検討に用い
るヒートバランス系統を示す。図においてＡＣは空気圧
縮機９、ＨＰＣおよびＬＰＣは高圧燃焼器すなわち一段
側燃焼器と再燃器すなわち二次側燃焼器１２にそれぞれ
対応する。図中の流体番号ｆ５およびｆ９は高圧タービ
ンＧＴすなわち一段側ガスタービン１１と、低圧タービ
ンＰＴすなわち二段側ガスタービン１３の冷却空気であ
り、燃焼温度に応じ適切な流量を採用する。またＳＨ１
Ｇ／Ｓ、ＳＨ２Ｇ／Ｓ、ＳＨ３Ｇ／Ｓは、蒸気冷却形式
の燃焼器での熱負荷を与えるものである。排熱ボイラ４
などを含むボイラーシステムは、給水予熱器ＥＣＯ、蒸
発器ＥＶＡ、蒸気過熱器ＳＨで構成される。排熱ボイラ
４を出た排ガスは、潜熱回収熱交換器ＣＨＸで冷却され
ドレン１４Ｄを回収される。

【００２３】流体番号ｆ２２の温度と酸素濃度が、二段
側燃焼器１２に投入される燃料Ｎ３の安定燃焼性を左右
する。すなわち、一段側燃焼器１０の出口の温度を上げ
ると、二段側燃焼器１２での温度は上がるけれども、酸
素濃度が下がる。逆に二段側燃焼器１０の出口の温度を
下げると、二段側燃焼器１２内の酸素濃度は上がるけれ
ども、温度が下がってしまう。また二段側燃焼器１２か
らの出口の温度を上げ過ぎると、排熱ボイラ４からの水
蒸気発生量が増え、発電出力は増しても、二段側燃焼器
１２内の酸素濃度が大幅に下がり、失火する恐れがあ
る。そこで、プロセスの最適検討に合わせて、メタンの
安定燃焼に関する実験ならびにその数値解析を行い、設
計条件の妥当性を検証した。

【００２４】図５は、燃焼実験装置４０の概略的な構成
を示す。ボイラ４１で発生させた水蒸気を燃焼ガスと混
合させ、その下流で燃焼ガス中に２段目のメタンを注入
し、熱電対４２による燃焼器４３の内温度分布の測定、
および燃焼器４３からの出口ガス組成から２段目の燃焼
状況を把握する。燃焼器４３へは、空気圧縮機４４から
空気を供給し、ボンベ４５から燃料としてのメタンを、
流量調節器４６を介して供給する。メタンの一部は、前
述の２段目のメタンとして、燃焼器４３の後半に供給す
る。燃焼器４３からの排ガスは、分析装置４７によって
サンプリングされる。熱電対４２によって検出される温
度は、制御装置４８に入力される。

【００２５】図６は、図５の燃焼実験装置４０を用いて
の実験によって得られた火炎安定形成のマップを示す。
図中○印は自着火した実験値であり、△印は自着火する
ことはなくても、着火した状態から蒸気量を増やしても
失火しない実験値であり、●印は失火した実験値であ
る。この実験結果から、図１のコージェネレーション・
システムを実現させるための重要な運転条件を得ること
ができる。すなわち、図４の流体番号ｆ２２の条件とし
て、約８００℃以上（１０７３°Ｋ以上）の温度でかつ
６％以上の酸素濃度があれば、水蒸気の増加によっては
失火しないことが判る。また蒸気噴射を行わない起動時
には、一端、二段燃焼を行ない、二段燃焼器１２の火炎
を安定させれば、それ以降の蒸気噴射で出力を増やして
いく過程では、△の失火しない領域で運転できることが
判った。ちなみに、図１における２０００kＷ定格出力
での二段燃焼における温度と酸素濃度は、約８７０℃と
約６．９％であり、投入された燃料は、常に自着火し拡
散火炎で燃焼する。

【００２６】図７は、二段燃焼と水蒸気添加とを行う燃
焼システムのモデルを示す。本実施形態では、一段燃焼
の火炎温度を抑えるため、排熱ボイラ４で発生した約半
分の水蒸気（燃料と水蒸気の重量比では約１：６）を予
混合燃焼器内に噴射し、残りの水蒸気を排ガスと混合す
る。すなわち、一段目は一次元予混合燃焼であり、二段
目は排ガスと二段側燃焼器１２用の燃料との対向流拡散
火炎である。そこで、両燃焼器の燃焼特性やＮＯｘ生成
特性を検討するため、「詳細素反応機構ＧＲＩ−Ｍｅｃ
ｈ」と呼ばれるソフトウエアを用いて、コンピュータに
よる数値解析を行なった。

【００２７】図８は、水蒸気を添加する二段燃焼での数
値解析の結果を示す。一段目では、水蒸気を添加した希
薄予混合燃焼のため、ＮＯｘ生成量は１ｐｐｍ程度とな
る。二段目では、酸化剤となる排ガスが低酸素濃度かつ
高水蒸気濃度のために、ＮＯｘ濃度は３ｐｐｍ程度に抑
制されることが示されている。

【００２８】本システムの特徴を以下に示す。・１，０００ｋＷ級でも発電効率は４０％以上、７，０
００ｋＷ級なら４４％以上が得られる。・中間負荷以上で二段燃焼となり、その場合の発電効率
は３５％以上が得られる。・定格の３０％負荷での発電効率は、従来型の設計点効
率とほぼ同じ３０％である。・計算によるタービン出口のＮＯｘ値は１０ｐｐｍ以下
であり、脱硝設備が不要となる。・排ガス当たりの出力が大きいく、従来型の約１／４の
空気で同じ発電出力が得られる。・排ガスに大量の水蒸気を含むため、ボイラや熱回収設
備をコンパクトにすることができる。・潜熱回収器６により、負荷の定格点では投入燃料の約
５５％を約７５℃温水として回収できる。・温水を有効活用できるホテルや病院などの業種では、
総合熱効率９５％が期待できる。・水蒸気を含む排ガスからボイラ給水に相当する凝縮液
を回収することができ、貴重な水資源をリサイクルする
ことができる。

【００２９】図９は、本実施形態を適用する２０００ｋ
Ｗ級ガスタービンの発電効率、温熱回収量の部分負荷特
性を示す。図中の１０００ｋＷ以上において、二段燃焼
となる。二段燃焼では、発電効率は３５％以上であり、
回収した温水を４０℃まで給湯や暖房に利用できれば、
投入燃料（低発熱量基準）に対する総合熱効率も９０％
以上となる。また１５００ｋＷ以上では、発電効率は４
０％となり、総合熱効率は９５％以上となる。

【００３０】図１０は、２０００ｋＷの発電出力に対す
る一段側ガスタービン１１の入口温度、二段側ガスター
ビン１３への入口温度および出口温度と、水蒸気添加量
との関係を示す。図から判るように、一段側ガスタービ
ン１１からの出口温度と発電出力との間には相関性があ
る。１０００ｋＷ以下に出力を下げるには、一段側燃焼
器１０の出口の温度を下げる。一段側燃焼器１１出口の
温度が、約１，０００℃前後になると発電出力は約３３
０ｋＷとなる。このポイントが、従来型ガスタービンの
空気圧縮機の容量や燃焼温度の設計点とほぼ同じ値とな
る。このことが、本実施形態のガスタービン・コージェ
ネレーション装置の最大の特徴である。すなわち、少量
の空気から大きな発電出力を高い効率で達成することが
できる。また、負荷が下がると、水蒸気の発生量が下が
り、排ガス中の水蒸気分圧が低下するため露点が下が
る。そのため、回収可能な温水の温度は設計点の７５℃
から出力の低下とともに徐々に下がり、２０％負荷では
約６５℃となる。

【００３１】次の表１は、本実施形態でガスタービン入
口温度が前述の条件を満たすことを条件として、発電機
９からの発電出力と、一段側燃焼器１０および二段側燃
焼器１２への燃料供給量と、二段側ガスタービン１３か
らの排ガス出口温度との関係を示す。制御装置２０は、
温度検出器１５が検出する出口温度に基づいて、第１燃
料弁２１および第２燃料弁２２を制御する。

【００３２】

【表１】

【００３３】本実施形態のように、二段燃焼を行うに
は、空気圧縮機９の吐出圧力を、従来のガスタービン装
置よりも高める必要がある。しかし、空気圧縮機９の耐
熱強度の問題から、温度は５００℃以下に抑える必要が
ある。そこで、空気圧縮機９の吐出圧力を２．１ＭＰ
ａ、プロセス蒸気圧力を２．５ＭＰａ、外気温度を１８
℃の条件として、現状のタービン燃焼器や動静翼の冷却
技術の動向から、タービン入口燃焼ガス温度（ＴＩＴ）
は前述のように、１２００℃付近が適切である。

【００３４】一般に、熱機関の性能評価は、エンタルピ
を基準として行われている。また、燃料あるいは電力を
熱に変換する効率を評価する場合は、成績係数ＣＯＰ
（thermal co-efficient of performance）が用いられ
ている。しかしながら、ＣＯＰは、電気や熱という質の
異なるエネルギを評価する場合には必ずしも適していな
い。コージェネレーション・システムのように、熱を電
力に効率よく変換する技術を評価する必要がある場合に
は、熱を電力と等価のエネルギとして評価することがで
き、また圧力や燃料の質を表すことができるエクセルギ
が適している。エクセルギを用いれば、熱機関で発生す
る損失の箇所と、その定量化を行うこともでき、熱量し
か評価することができないエンタルピに比べて、省エネ
ルギ設備への投資額と、削減することができるエネルギ
コストとの関係をより厳密に取扱うこともできる。

【００３５】エクセルギは、標準（大気圧力、大気温
度）の状態と平衡するまでに、可逆的状態変化させる際
に得られる力学的仕事量を表す。定常流れの有する比エ
クセルギｅは、比エンタルピｈおよび比エントロピＳを
用いて、次の第１式で表される。ｅ＝（ｈ−ｈｏ）−Ｔｏ（Ｓ−Ｓｏ） …（１）

【００３６】ここで、添字ｏは、標準での状態を表す。
したがって、エクセルギを計算するためには、エンタル
ピとエントロピとが必要となる。これまでは、これらの
数値の算出がエクセルギ評価は一般的な手法として普及
していない。しかしながら、現在は物性推算手法のコン
ピュータ用プログラムが確立され、プロセスシミュレー
タによって混合成分の熱物性、輸送物性を容易に計算す
ることができるようになっている。

【００３７】図１１は、一段燃焼の蒸気発生量を１０と
した場合の二段燃焼での蒸気発生量、有効エクセルギ効
率、発電効率、および総合熱効率の変化をそれぞれ示
す。有効エクセルギ効率は、一段燃焼の出力１００時の
５０．８％から、出力約１２０のときに最高の５３．１
％となり、蒸気噴射量に応じて減少し、全量噴射時では
４６．６％となる。発電効率は、一段燃焼時の３３．１
％から、二段側燃焼器１２への燃料供給量の増加に応じ
て、２８．５％まで低下するけれども、蒸気噴射を行う
ことで上昇し、全量噴射時では４４．０％となる。一
方、蒸気の発生量は、一段燃焼時の発電出力１ｋＷ当た
り１．８ｋｇ／ｈで、これを基準とすれば、出力の増加
に応じて増え、二段燃焼時においてプロセス蒸気使用量
は、基準の２．３倍に達する。

【００３８】本実施形態に対する従来と同様な総合熱効
率による評価では、排ガス温度３０℃の潜熱回収器６を
熱交換器として設置していることにより、一段燃焼にお
いても９３．４％と高い値が得られている。この値は二
段燃焼において最高の９５．８％に達する。蒸気噴射時
においては、ほぼ９５．６％で一定となる。プロセス蒸
気を必要とする需要家の場合、蒸気発生ボイラへの燃料
供給比率が１０％以上であれば、ＡＣＣとボイラとの組
合わせ方式よりも、本実施形態の方式の方が有利である
ことが判明している。次に、冷房および暖房の場合の各
方式のＣＯＰ特性を、次の表１にまとめて示す。本実施
形態の方式は、従来方式のガスタービン・コージェネレ
ーション装置やガスエンジン・コージェネレーション方
式よりも冷房および暖房において高い熱効率を有するこ
とが分かる。特に、全量蒸気噴射では、潜熱回収器６の
設置によって、空調に対して高いＣＯＰ特性を有するこ
とが分かる。また潜熱回収器６で、排ガスを３０℃まで
冷却した場合は、排熱ボイラ５に供給する給水量以上の
凝縮水も得られる。したがって本実施形態のコージェネ
レーション・システムは、燃料使用効率面はもちろん、
水資源のリサイクルの面でも優れていると言える。

【００３９】現状の中小クラスのガスタービン・コージ
ェネレーション・システムのエクセルギ効率は、約４２
％であり、ガスエンジン・コージェネレーション・シス
テムの約４５％に比べて低い状況にある。しかしなが
ら、ガスタービンは、ガスエンジンに比べＮＯｘの発生
量が少なく、また出力に対して設備がコンパクトである
ので、管理維持も容易となる長所がある。したがって、
上述したように電力と蒸気との最高有効出力が５３％で
あり、かつ熱と電気の発生割合を大きく変化させること
ができる本発明のガスタービン・コージェネレーション
装置は省エネルギ面から大きな効果が期待される。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、二段燃焼
のガスタービンの装二段側ガスタービンからの排ガスを
熱源として水蒸気を発生する排熱ボイラを設け、排熱ボ
イラからの水蒸気を一段側燃焼器でガス燃料と混合して
燃焼させ、部分負荷状態であっても、発電効率を上昇さ
せることができる。排熱ボイラからの排ガス中に含まれ
る水蒸気の潜熱は、熱交換器で回収されるので、熱エネ
ルギを高効率で利用することができる。しかも、ガスタ
ービンを利用するので、ＮＯｘの発生量を少なくするこ
とができる。

【００４１】また本発明によれば、一段側燃焼器に水蒸
気が予混合用と火炎冷却用とに均等に噴射され、失火を
防止するとともに、出口での燃焼ガス温度を容易に１２
００℃程度に維持することができる。

【００４２】また本発明によれば、二段側ガスタービン
出口での排ガス温度を検出しながら７２０℃までに抑
え、一段側燃焼器出口での燃焼ガス温度が１２００℃程
度に維持されるように、安定な制御を行うことができ
る。

【００４３】また本発明によれば、熱交換器で回収する
熱で暖房用の温水を発生させるので、比較的低温の温水
として排ガスの有する熱エネルギを効率的に回収するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の基本的な構成を示すブ
ロック図である。

【図２】図１の実施形態を２０００ｋＷクラスのシステ
ムに適用する場合の基本コンセプトと主要な運転条件と
を示すプロセスフロー図である。

【図３】図１の実施形態に使用可能なガスタービン本体
３０の概略的な構成を示す断面図である。

【図４】図１の実施形態でプロセス検討に用いるヒート
バランス系統を示す図である。

【図５】図１の実施形態の二段燃焼についての燃焼実験
装置４０の概略的な構成を示す断面図である。

【図６】図５の燃焼実験装置４０を用いての実験によっ
て得られた火炎安定形成のマップである。

【図７】図１の実施形態で二段燃焼と水蒸気添加とを行
う燃焼システムのモデルを示す図である。

【図８】図１の実施形態について、水蒸気を添加する二
段燃焼での数値解析の結果を示すグラフである。

【図９】図１の実施形態を２０００ｋＷ級ガスタービン
に適用するときの発電効率、温熱回収量の部分負荷特性
を示すグラフである。

【図１０】図１の実施形態を２０００ｋＷ級ガスタービ
ンに適用するときの発電出力に対する一段側ガスタービ
ン１１の入口温度、二段側ガスタービン１３への入口温
度および出口温度と、水蒸気添加量との関係を示すグラ
フである。

【図１１】図１の実施形態で、一段燃焼の蒸気発生量を
１０とした場合の二段燃焼での蒸気発生量、有効エクセ
ルギ効率、発電効率、および総合熱効率の変化をそれぞ
れ示すグラフである。

【符号の説明】

１一段側ガスタービン装置２二段側ガスタービン装置３発電機４排熱ボイラ６潜熱回収器９空気圧縮機１０一段側燃焼器１１一段側ガスタービン１２二段側燃焼器１３二段側ガスタービン１５温度検出器２０制御装置２１第１燃料弁２２第２燃料弁２３水蒸気弁３０ガスタービン本体４０燃焼実験装置

───────────────────────────────────────────────────── 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 7/16 Ｆ０２Ｃ 7/16 Ｚ 9/28 9/28 Ｃ (72)発明者久保田泰基大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者趙黛青愛知県名古屋市千種区不老町名古屋大学高温エネルギー変換研究センター内 (72)発明者新井紀男愛知県名古屋市千種区不老町名古屋大学高温エネルギー変換研究センター内 (72)発明者古畑朋彦愛知県名古屋市千種区不老町名古屋大学高温エネルギー変換研究センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス燃料を水蒸気と混合して燃焼させる
一段側燃焼器と、一段側燃焼器からの燃焼ガスで回転される一段側ガスタ
ービンと、一段側ガスタービンからの排ガスを用いてガス燃料を燃
焼させる二段側燃焼器と、二段側燃焼器の燃焼ガスで回転される二段側ガスタービ
ンと、二段側ガスタービンからの排ガスを熱源として、水蒸気
を発生し、一段側燃焼器に供給する排熱ボイラと、一段側ガスタービンによって駆動される空気圧縮機と、二段側ガスタービンによって駆動される発電機と、排熱ボイラからの排ガス中に含まれる水蒸気の潜熱を回
収する熱交換器と、一段側燃焼器出口での燃焼ガスの温度を１２００℃付近
に維持するとともに、二段側ガスタービン出口での排ガ
スの温度を７２０℃までに抑えるように制御する制御装
置とを含むことを特徴とするガスタービン・コージェネ
レーション装置。
【請求項２】前記一段側燃焼器では、前記水蒸気が均
等に予混合用と火炎冷却用とに分配して噴射されること
を特徴とする請求項１記載のガスタービン・コージェネ
レーション装置。
【請求項３】前記二段側ガスタービン出口での排ガス
の温度を検出する温度検出器をさらに含み、前記制御装置は、温度検出器が検出する温度に基づい
て、前記一段側燃焼器および前記二段側燃焼器への燃料
流量、および一段側燃焼器に噴射する水蒸気の流量を調
整し、前記発電機からの発電出力を制御することを特徴
とする請求項２記載のガスタービン・コージェネレーシ
ョン装置。
【請求項４】前記熱交換器では、熱交換によって暖房
用の温水を発生させることを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載のガスタービン・コージェネレーション
装置。