JP2002106361A - 熱電併給ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱供給時の発電効率低下が比較的小さく、かつ
小型で低コストである熱電併給ガスタービン設備を提供
する。 【解決手段】空気または空気を主体とする支燃焼ガスを
圧縮する圧縮機１と、この圧縮機の圧縮ガス及び燃料と
の燃焼ガスにより駆動されるガスタービン６と、このガ
スタービンに駆動される発電装置７とを備え、電力及び
熱を併給するようにした熱電併給ガスタービン設備にお
いて、前記設備に、前記圧縮機１から吐出された圧縮ガ
ス，あるいは圧縮機の中間から抽気された圧縮ガスの熱
により蒸気を発生させるボイラ２を設け、このボイラの
蒸気により熱を供給するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱電併給設備に係わ
り、特に空気あるいは空気を主体とする支燃焼ガスを圧
縮する圧縮機と、この圧縮機の圧縮ガス及び燃料との燃
焼ガスにより駆動されるガスタービンと、このガスター
ビンに駆動される発電装置とを備え、電力及び熱を併給
する熱電併給ガスタービン設備に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されているこの種の熱電
併給設備、いわゆるコージェネレーションについての動
向は、例えば、文献「コージェネレーション、Ｖｏｌ．
１４、Ｎｏ．２、ｐ．ｐ．４６−５２、１９９９」に記
載されている。これによれば、今後もコージェネレーシ
ョンに対する需要が成長することが予測されている。ガ
スタービンによる熱電併給設備、いわゆるガスタービン
を用いたコージェネレーションシステムについては、例
えば、「コージェネレーション、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．
１、ｐ．ｐ．５１−５８」にも開示されており、様々な
システムが提案され、一部実用化されている。

【０００３】また、例えば特開昭５３−９９４５号公報
に記載の二作動流体ヒートエンヂン（チェンサイク
ル）、特開平６−２４８９７４号公報に記載の部分再生
式二流体ガスタービンなどは、コージェネレーションシ
ステムに関するものであり、そのサイクル中において、
タービン排ガスの排熱を利用して蒸気を発生し、必要に
応じてその蒸気を外部に供給することにより、動力を減
じて熱を供給する、いわゆる熱電併給が可能である。

【０００４】ガスタービンを用い、かつ排ガスの排熱以
外の熱を利用して蒸気を発生させる設備としては、特開
平１０−２３１７１０号公報に記載のガスタービン発電
設備がある。この従来技術では、圧縮過程を２分割して
中間に冷却器を設け、その中間冷却器での回収熱を利用
して蒸気を発生させ、この蒸気を燃焼器に供給すること
により、熱効率の向上を図っている。しかし、この従来
の中間冷却器で回収される熱は排ガスの排熱と比較する
と、低温で、かつ少量であるため、供給することのでき
る蒸気も比較的低温、かつ少量となる。そのため、蒸気
従来技術では、発生した蒸気を用いた熱電併給を考慮し
ていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような設備におい
て、加熱源として用いられるガスタービン排ガスは、タ
ービンでの膨張後のガスで、例えば大気圧とほぼ同程度
の低い圧力であり、また比較的高温でもあるため、密度
が小さく、体積が大きい。このため、排熱を回収して蒸
気を発生させるための熱交換器が、圧力損失を低く、か
つ必要な熱交換量を保つために、ある程度大きな容積を
有する必要が生じる。

【０００６】これは、ある一定の断面積を持った流路を
流体が通過すると、その流速が大きいほど圧力損失が大
きくなるためで、ガスの体積が大きいと、流速が大きく
なり、圧力損失も大きくなることに起因している。ガス
タービン設備では、タービン排ガスの流出流路で、圧力
損失が大きくなることは、タービン背圧が高くなり、タ
ービンにおける圧力落差が小さくなる、つまりは、取り
出すことのできる動力が小さくなり、設備の効率上好ま
しくない。

【０００７】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、熱供給時の発電効率低下が比較的
小さく、かつ小型で低コストであるこの種の熱電併給ガ
スタービン設備を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、空気
または空気を主体とする支燃焼ガスを圧縮する圧縮機
と、この圧縮機の圧縮ガス及び燃料との燃焼ガスにより
駆動されるガスタービンと、このガスタービンに駆動さ
れる発電装置とを備えたガスタービン設備において、前
記設備に、前記圧縮機から吐出された圧縮ガス，あるい
は圧縮機の中間から抽気された圧縮ガスの熱により蒸気
を発生させるボイラを設け、このボイラの蒸気により熱
を供給するようにし所期の目的を達成するようにしたも
のである。

【０００９】また、本発明は、空気または空気を主体と
する支燃焼ガスを昇圧する圧縮機と、この圧縮機の支燃
焼ガスと燃料の燃焼反応により高温ガスを発生する燃焼
器と、この燃焼器の高温ガスにより動力を発生するター
ビンと、このタービンの排気ガスにより支燃焼ガスおよ
び液体を加熱する熱回収装置と、この熱回収装置におい
て加熱された液体と支燃焼ガスを直接接触させることに
より、支燃焼ガスに蒸気を加える加湿器と、前記タービ
ンに駆動される発電装置とを備えたガスタービン設備に
おいて、前記設備に、前記圧縮機から吐出、もしくは抽
気された支燃焼ガスにより蒸気を発生させるボイラを設
け、このボイラの蒸気により熱を供給するようにしたも
のである。

【００１０】なお、この場合、前記ボイラに供給される
液体として、前記熱回収装置にて加熱された液体を用い
るようにしたり、また、前記圧縮機に、圧縮する途中の
支援燃焼ガスを冷却する冷却器を設け、この冷却器にて
回収された液体を用いるようにしたものである。

【００１１】すなわちこのように形成された熱電併給ガ
スタービン設備であると、圧縮機の吐出側にボイラが設
けられ、すなわち圧縮機から吐出された圧縮ガス，ある
いは圧縮機の中間から抽気された圧縮ガスの熱により蒸
気を発生させるボイラが設けられ、圧縮機から吐出され
る昇圧空気の熱を利用して蒸気が発生させられるので、
圧力損失を小さくすることが可能となる。すなわち圧縮
機吐出空気は高圧であるために密度が高く、タービン排
ガスと比較すれば体積はおよそ１０分の１程度であり、
ボイラ断面積が小さくても通過流速が小さく、圧力損失
を充分小さく保つことが可能で、また、空気は圧力が高
い状態であるほど熱伝導率が高く、このことは熱交換器
における熱伝達の促進につながり、伝熱面積を比較的小
さく設定することができ、従来のボイラに比し小型とす
ることができ、したがって熱供給時の発電効率低下が小
さく、かつ小型で低コストな設備とすることができるの
である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。なお、各図において共通する部
分には同一の符号が使用されている。図１はその第１の
実施例であり、例えば特開昭５８−１０１２２８号公報
に記載のＨＡＴサイクルが主要な構成となっている。

【００１３】本発明における熱電併給ガスタービン設備
は、主として次の機器から構成されている。すなわち、
空気を昇圧する圧縮機１と、この圧縮機から吐出される
昇圧空気の熱を利用して蒸気を発生させるボイラ２と、
このボイラから吐出された空気と液相の水との直接接触
により空気の増湿を行う加湿器３と、この加湿器から吐
出された加湿された空気をタービン排ガスにより加熱す
る熱回収装置４と、この熱回収装置から吐出される空気
を燃料の燃焼により加熱して燃焼ガスを発生させる燃焼
器５と、この燃焼ガスを膨張させて動力を取り出すター
ビン６と、この動力を電気に変換する発電機７と、液相
の水を昇圧する３つのポンプ８，９，１０より構成され
ている。

【００１４】この実施例では、圧縮機から吐出される昇
圧空気の熱を利用して蒸気を発生させるボイラ２が設け
られていることから、このボイラで発生させる蒸気量を
調節することにより、ガスタービン設備の出力、発電効
率の調節をも行うことができる。また、熱回収装置で
は、燃焼用空気を加熱した後の排ガスの熱を用いて液相
の水を加熱し、加熱された水を加湿器に供給している。
加湿器から吐出した液相の水は加湿器に流入した際の温
度よりも低温となり、熱回収装置に供給されるが、その
際、補給水が添加される。

【００１５】上述した実施例によれば、ＨＡＴサイクル
において、比較的小型な熱交換器を用いた熱電併給が行
える。すなわち、通常、ボイラはある程度の圧力損失を
生じるものであるが、流体のボイラ通過流速に応じてほ
ぼ圧力損失が決定され、この圧力損失をある程度の値以
下に押さえるよう、ボイラの断面積が決定される。ボイ
ラの断面積が大きいほどボイラは大型化することになる
が、この実施例においては、圧縮機吐出空気は高圧であ
るために密度が高く、タービン排ガスと比較すれば体積
はおよそ１０分の１程度であり、ボイラ断面積が小さく
ても通過流速が小さく、圧力損失を充分小さく保つこと
が可能なのである。

【００１６】また、空気は圧力が高い状態であるほど熱
伝導率が高く、このことは熱交換器における熱伝達の促
進につながり、伝熱面積を比較的小さく設定することが
できるのである。以上により、従来のものよりも、ボイ
ラは小型となるのである。

【００１７】通常、圧縮機吐出空気を冷却すると、燃焼
器に流入する高圧空気の温度が低くなるため、より多く
の燃料が必要となり、熱効率が低下する場合が多い。し
かし、ＨＡＴシステムにおいては、燃焼器に流入する前
の高圧空気を、タービン排ガスにより加熱するため、上
記のような効率低下はほとんどない。

【００１８】加湿器において、より低温の回収水を得る
ことが熱効率上望ましい。ＨＡＴサイクルの基本構成に
おいては、圧縮機出口に空気冷却器を設けることによ
り、回収水が低温となり、効率が向上するという結果が
ある。この空気冷却器に蒸気発生の機能を付加したもの
が本実施例である。

【００１９】圧縮機から吐出される空気は、圧縮機の圧
力比に応じて高温となり、例えば、圧力比１５程度で
は、吐出空気温度は三百数十度程度の高温となる。この
熱を用いて、液相の水を蒸気にすることが可能である。
蒸気を発生するボイラは、通常、節炭器および蒸発器の
２つの熱交換器からなり、節炭器においては液相の水を
液相の状態のままで加熱する。一方、蒸発器においては
液相の水がボイラ内を、例えば、自然循環などにより循
環し、気液混相状態となる。蒸発器には、通常、蒸気ド
ラムが設置され、気液を分離して、気相である蒸気だけ
をドラム外に供給する。今回の実施例では、蒸発器内を
液相の水が循環することにより、不純物が蓄積していく
ことを考慮して、蒸気ドラム内の液相の水の一部を排出
し、水の純度を維持する構造例を示している。

【００２０】前記した蒸気量の調節方法としては、最も
単純なものでは、例えば、ポンプからボイラの節炭器に
送り出される液相の水の量を調節する、節炭器から蒸発
器に送り出される液相の水の量を調節するなどの方法が
挙げられる。この場合、節炭器で生じた余剰水を、加湿
器に導く配管を経由して、加湿器に送ることもできる。
蒸気発生量を減少させることにより、燃焼器に送り出さ
れる空気の温度は高くなり、燃料流量が固定されている
場合は燃焼温度が上昇し、燃焼温度が固定されている場
合は燃料流量が減少し、結果的には、蒸気発生のために
設備外に供給した熱量分だけ、タービン出力が増加す
る、もしくは、ガスタービン設備の発電効率が向上する
こととなる。

【００２１】ボイラにより発生させた蒸気の利用方法と
しては、様々なものが挙げられ、いわゆるコージェネレ
ーション分野に説明は譲るものとするが、例えば、冷暖
房、乾燥用熱源、蒸気タービンの動力源などが考えられ
る。

【００２２】本実施例は、コージェネレーションに必要
とされる性能を満足しつつ、コンパクトな設備構成が提
供できる。コンパクト化が可能となる理由は、従来例と
は異なり、加熱源として、圧縮機から吐出される空気を
用いた点にある。

【００２３】図２は本発明の第２の実施例であり、圧縮
機１の吐出空気による蒸気の発生を、ＨＡＴサイクルで
はなく、いわゆる、通常のガスタービンサイクルに前述
したボイラを組み込んだものである。このものは、比較
的単純、かつ低コストで、制御の簡単な熱電併給ガスタ
ービン設備が実現できる。また、この実施例において
は、タービン排ガスは高温のまま設備外に放出されてい
るが、何らかの手段を用いて排ガスの熱を有効利用する
ことも可能である。例えば、既存のコンバインドサイク
ルの、ガスタービン設備部分だけを本実施例と入れ替え
る、いわゆる、リプレイスなども可能である。

【００２４】図３は本発明の第３の実施例であり、圧縮
機１が空気を昇圧する過程において、この昇圧途中の空
気を液相の水により冷却を行う点が、図２の実施例とは
異なる。昇圧過程において空気の冷却を行うことの意
義、手段については、例えば、特開昭５８−１０１２２
８号公報に記載のＨＡＴサイクルについても述べられて
いる。この冷却に用いられた液相の水は熱を回収してい
るため、第２の実施例のボイラ２に供給することによ
り、第２の実施例で必要であったボイラにおける節炭器
での加熱量を減らすことができる。これにより、蒸発器
での加熱量を増やして、蒸気の発生量を増加させてい
る。このように、ガスタービン設備内で発生させること
のできる蒸気量は、第２の実施例よりも増加させること
が可能である。

【００２５】冷却の手段としては、例えば、圧縮機を２
段に分割し、その中間に冷却器を設ける手段や、圧縮機
の外部ケーシングに冷却管を設ける手段や、翼の内部に
冷却流路を設ける手段などが挙げられる。

【００２６】図４は本発明の第４の実施例であり、図２
の実施例に、タービン６から吐出される排ガスから熱回
収を行う熱回収装置４を付け加えたものである。タービ
ンの排ガスは比較的高温である場合が多く、例えば、特
開昭５３−９９４５号公報に記載の二作動流体ヒートエ
ンヂン（チェンサイクル）では、この排ガスの熱を利用
して蒸気を発生させている。本実施例では、熱回収装置
で加熱された液相の水をボイラ２に供給する。これによ
り、第３の実施例と同様の蒸気の増量効果を得ることが
可能である。

【００２７】図５は、本発明の第５の実施例を示すもの
であり、ボイラ２において発生させた蒸気の一部もしく
は全部を、ボイラから吐出された高圧空気に、もしく
は、燃焼器３において発生する燃焼ガスに添加する流路
を備えたことを特徴としている。この実施例により、燃
焼器におけるＮＯｘの発生が低減される効果が得られる
と同時に、タービン６を通過する流体の流量が増加し、
タービン出力が増加する。

【００２８】図６は本発明の第６の実施例であり、ボイ
ラ２において発生させた蒸気の一部もしくは全部を、こ
のガスタービン設備内での動力発生に用いる。この実施
例によれば、例えばボイラから吐出される蒸気により、
蒸気タービン１１を回転させることも可能である。ま
た、水の昇圧ポンプ８の動力源とすることも可能であ
り、このガスタービン設備の送電端効率が向上する。

【００２９】図７は本発明の第７の実施例であり、ボイ
ラ２の空気配管の入口、もしくは出口に、空気を抽気す
る構造を有している。この実施例によれば、例えば抽気
した圧縮空気を、このガスタービン設備外において、動
力発生手段、貯蔵空気、もしくは原料として利用するこ
とが可能である。また、このガスタービン設備内におい
ても、例えば、タービン翼の冷却空気として利用可能で
ある。これにより、電気、熱、圧縮空気の３通りの供給
が可能な発電設備が得られる。

【００３０】以上説明してきたようにこのように形成さ
れた熱電併給ガスタービン設備であると、圧縮機の吐出
側にボイラが設けられ、圧縮機から吐出される昇圧空気
の熱を利用して蒸気が発生させられるので、すなわち圧
縮機吐出空気は高圧であるために密度が高く、タービン
排ガスと比較すれば体積はおよそ１０分の１程度であ
り、ボイラ断面積が小さくても通過流速が小さく、圧力
損失を充分小さく保つことが可能で、また、空気は圧力
が高い状態であるほど熱伝導率が高く、このことは熱交
換器における熱伝達の促進につながり、伝熱面積を比較
的小さく設定することができ、従来のボイラに比し小型
とすることができるのである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、熱供給時の発電効率低下が比較的小さく、かつ小型
で低コストである熱電併給ガスタービン設備を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電併給ガスタービン設備の一実施例
を示す系統図である。

【図２】本発明の熱電併給ガスタービン設備の他の実施
例を示す系統図である。

【図３】本発明の熱電併給ガスタービン設備の他の実施
例を示す系統図である。

【図４】本発明の熱電併給ガスタービン設備の他の実施
例を示す系統図である。

【図５】本発明の熱電併給ガスタービン設備の他の実施
例を示す系統図である。

【図６】本発明の熱電併給ガスタービン設備の他の実施
例を示す系統図である。

【図７】本発明の熱電併給ガスタービン設備の他の実施
例を示す系統図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…ボイラ、３…加湿器、４…熱回収装
置、５…燃焼器、６…タービン、７…発電機、８，９，
１０…昇圧ポンプ、１１…蒸気タービン。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気または空気を主体とする支燃焼ガス
   を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の圧縮ガス及び燃料との
   燃焼ガスにより駆動されるタービンと、該タービンに駆
   動される発電装置とを備えたガスタービン設備におい
   て、 前記設備に、前記圧縮機から吐出された圧縮ガス，若し
   くは圧縮機の中間から抽気された圧縮ガスの熱により蒸
   気を発生させるボイラを設け、該ボイラの蒸気により熱
   を供給するようにしたことを特徴とする熱電併給ガスタ
   ービン設備。
2. 【請求項２】 空気または空気を主体とする支燃焼ガス
   を昇圧する圧縮機と、該圧縮機の支燃焼ガスと燃料の燃
   焼反応により高温ガスを発生する燃焼器と、該燃焼器の
   高温ガスにより動力を発生するタービンと、該タービン
   の排気ガスにより支燃焼ガスおよび液体を加熱する熱回
   収装置と、該熱回収装置において加熱された液体と支燃
   焼ガスを直接接触させることにより、支燃焼ガスに蒸気
   を加える加湿器と、前記タービンに駆動される発電装置
   とを備えたガスタービン設備において、 前記設備に、前記圧縮機から吐出、もしくは抽気された
   支燃焼ガスにより蒸気を発生させるボイラを設け、該ボ
   イラの蒸気により熱を供給するようにしたことを特徴と
   する熱電併給ガスタービン設備。
3. 【請求項３】 前記ボイラに供給される液体として、前
   記熱回収装置にて加熱された液体を用いるようにした請
   求項２記載の熱電併給ガスタービン設備。
4. 【請求項４】 前記設備に、圧縮機の圧縮途中の支援燃
   焼ガスを冷却する冷却器を設けるとともに、該冷却器に
   て回収された液体を、前記ボイラに供給するようにした
   請求項１記載の熱電併給ガスタービン設備。
5. 【請求項５】 前記ボイラにて発生した蒸気を、工業用
   若しくはガスタービン設備内で用いるようにした請求項
   １〜４いずれかに記載の熱電併給ガスタービン設備。