JP2002129984A

JP2002129984A - ガスタービン設備の白煙防止方法及び装置

Info

Publication number: JP2002129984A
Application number: JP2000329947A
Authority: JP
Inventors: Toshitsugu Mihashi; 俊嗣三橋; Katsuaki Aoki; 克彰青木; Moichi Uji; 茂一宇治; Hitoshi Mochida; 斉持田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】水噴射や水蒸気噴射により大量の水分を排ガ
スが含む場合でも、煙突出口での白煙の発生を防止する
ことができるガスタービン設備の白煙防止方法及び装置
を提供する。【解決手段】水又は水蒸気を内部に噴射するガスター
ビン装置２２と、ガスタービン装置を出た高温の排ガス
を熱回収して水蒸気を発生させる排熱回収装置２４と、
排熱回収装置を出た低温の排ガスを大気解放する煙突２
６とを備えたガスタービン設備。ガスタービン装置２２
を出た高温排ガスの一部を排熱回収装置２４をバイパス
して排熱回収装置を出た低温排ガスに混入させ、これに
より煙突からの排ガス温度を白煙が発生しない領域まで
上昇させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電機等を回転駆
動するガスタービン装置に係わり、更に詳しくは、水蒸
気又は水を噴射するガスタービン設備の白煙防止方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンへ水蒸気を注入する二流体
サイクルガスタービンとしては、例えば特公昭５４−３
４８６５号の「二作動流体ヒートエンジン」が知られて
いる。この二流体サイクルガスタービン（以下、発明者
の名前からチエン・サイクルと呼ぶ）は、図５に例示す
るように、絞り弁１、コンプレッサー２、燃焼室３、水
処理装置４、ポンプ５、熱交換器６、タービン７、８、
コンデンサー９、等から構成され、大気中から吸入した
空気をコンプレッサー２で圧縮して燃焼室３に供給し、
この圧縮空気で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生
し、この燃焼ガスによりタービン７、８を駆動してコン
プレッサー４及び負荷を駆動し、更にタービンを出た燃
焼ガスにより熱交換器６で水蒸気を発生させ、コンデン
サー９で水分を回収して大気中に放出するようになって
いる。かかるチエン・サイクルは、燃焼室３に熱交換器
６で発生した水蒸気Ｓを噴射するためタービンに流入す
る燃焼ガスの流量が増大し、かつ燃焼ガスの比熱が増大
することからタービンの出力と熱効率を高めることがで
きる特徴を有している。

【０００３】また、このチエン・サイクルを改善した二
流体サイクルガスタービンとして、本願発明の発明者
は、特公平８−２６７８０号を創案し出願している。

【０００４】特公平８−２６７８０号の「部分再生式二
流体ガスタービン」は、図６に模式的に示すように、空
気を圧縮する圧縮機２と、燃料を燃焼させる燃焼器３
と、燃焼ガスにより駆動され圧縮機を駆動するタービン
７とからなるガスタービンと、水蒸気Ｓ（飽和蒸気）を
駆動源として圧縮空気を昇圧しかつ両流体を混合する混
合器１０と、タービン７の下流に設けられ混合器１０に
よる混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器６
と、過熱器６の下流に設けられタービン排気を熱源とし
て水を蒸発させる排熱ボイラ１２と、圧縮機２による圧
縮空気の一部を燃焼器３へその残部を混合器１０に導く
ための空気ライン１３と、排熱ボイラ１２による水蒸気
Ｓの一部を混合器に送る主蒸気ライン１４と、混合器１
０による混合ガスを過熱器６を介して燃焼器３に導くた
めの混合ガスライン１５と、を備えたものである。

【０００５】この部分再生式二流体ガスタービンでは、
ガスタービンの排熱を回収して生成された水蒸気Ｓで圧
縮空気の一部を吸引・混合し、更に過熱器６でガスター
ビンの排熱回収を行った後、燃焼器内に噴射するので、
ガスタービンの排熱回収で温度を高められた空気の分、
チエン・サイクルより多くのエネルギー回収ができ、サ
イクル効率を向上させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した水蒸気噴射型
や水噴射型のガスタービン装置の排ガスは、噴射型でな
い従来のガスタービン装置に比較して、大量の水分を含
んでいる。このため、煙突出口で排ガス中の水分が大気
中で凝縮して可視化し白煙を発生することがある。かか
る白煙は、ほとんどが凝縮した水分であり、有害物質を
含まないにもかかわらず、特に都市部では美観上の理由
で問題点となる。また、例えば特に高層ビルの屋上に煙
突出口を設けた場合、赤色の夜間照明等を反射して火災
と見間違うような場合もある。

【０００７】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、水噴
射や水蒸気噴射により大量の水分を排ガスが含む場合で
も、煙突出口での白煙の発生を防止することができるガ
スタービン設備の白煙防止方法及び装置を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、水又は
水蒸気を内部に噴射するガスタービン装置（２２）と、
該ガスタービン装置を出た高温の排ガスを熱回収して水
蒸気を発生させる排熱回収装置（２４）と、該排熱回収
装置を出た低温の排ガスを大気解放する煙突（２６）と
を備えたガスタービン設備の白煙防止方法であって、ガ
スタービン装置（２２）を出た高温排ガスの一部を排熱
回収装置（２４）をバイパスして排熱回収装置を出た低
温排ガスに混入させ、これにより煙突からの排ガス温度
を白煙が発生しない領域まで上昇させる、ことを特徴と
するガスタービン設備の白煙防止方法が提供される。

【０００９】また、本発明によれば、水又は水蒸気を内
部に噴射するガスタービン装置（２２）と、該ガスター
ビン装置を出た高温の排ガスを熱回収して水蒸気を発生
させる排熱回収装置（２４）と、該排熱回収装置を出た
低温の排ガスを大気解放する煙突（２６）とを備えたガ
スタービン設備の白煙防止装置であって、ガスタービン
装置（２２）を出た高温排ガスの一部を排熱回収装置
（２４）をバイパスして排熱回収装置を出た低温排ガス
に混入させるバイパス装置（２８）と、バイパスする高
温排ガスの流量を排ガスが白煙を発生しないように制御
する白煙制御装置（３０）と、を備えたことを特徴とす
るガスタービン設備の白煙防止装置が提供される。

【００１０】上記本発明の方法及び装置によれば、バイ
パス装置（２８）によりガスタービン装置（２２）を出
た高温排ガスの一部を排熱回収装置（２４）をバイパス
して排熱回収装置を出た低温排ガスに混入させることが
できる。また、白煙制御装置（３０）によりバイパスす
る高温排ガスの流量を排ガスが白煙を発生しないように
制御できる。従って、ガスタービン装置（２２）を出た
高温排ガスの一部を排熱回収装置（２４）をバイパスし
て排熱回収装置を出た低温排ガスに混入させ、これによ
り煙突からの排ガス温度を白煙が発生しない領域まで上
昇させ煙突からの白煙発生を防止することができる。

【００１１】本発明の好ましい実施形態によれば、白煙
制御装置（３０）により、湿り空気線図において白煙が
発生するか否かを判定する関数ｆ（ｔ）を設定し（領域
設定ステップ（Ａ））、ガスタービン装置（２２）の運
転条件から煙突を出る排ガス中の絶対湿度ｘを算出し
（絶対湿度算出ステップ（Ｂ））、前記絶対湿度ｘと逐
次計測される気温と相対湿度から白煙が発生しない最低
温度ｔｍを設定し（最低温度設定ステップ（Ｃ））、煙
突を出る排ガス温度ｔｓを検出し、該排ガス温度ｔｓと
前記最低温度ｔｍとを比較し（温度比較ステップ
（Ｄ））、煙突（２６）を出る排ガス温度ｔｓが前記最
低温度ｔｍを上回るように高温排ガスのバイパス量を制
御する（バイパス量調節ステップ（Ｅ））。

【００１２】この方法及び装置により、煙突からの排気
ガスの白煙化を目視で観察できない場合（例えば夜間）
でも、白煙を確実に防止することができる。また、高温
排ガスのバイパス量を必要最小限度に抑え、エネルギー
ロスを最小に抑える制御ロジックをバイパス量調節ステ
ップ（Ｅ）に持つものとする。

【００１３】また、煙突が大気解放する外気の温度と湿
度を示す外気点Ａと、ガスタービンの排ガスの温度と湿
度を示す排ガス点Ｂとを湿り空気線図上において直線で
結び、該直線が湿り蒸気の飽和線と接する直線を前記関
数ｆ（ｔ）と設定する。この方法により、比較的簡単に
関数ｆ（ｔ）を設定することができる。

【００１４】前記バイパス装置（２８）は、排熱回収装
置（２４）の上流側及び／又は下流側に設けられたダン
パー（２８ａ，２８ｂ）と、その間を直接接続するバイ
パスライン（２８ｃ）とからなる。この構成により、ダ
ンパー（２８ａ，２８ｂ）の調整により、バイパスライ
ン（２８ｃ）を流れる高温排ガスの量を任意に調節し、
低温排ガスと混入することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を使用する。

【００１６】図１は、本発明の白煙防止装置を備えたガ
スタービン設備の全体構成図である。図１において、ガ
スタービン設備は、ガスタービン装置２２、排熱回収装
置２４及び煙突２６を備える。ガスタービン装置２２
は、水又は水蒸気を内部に噴射する水噴射型又は水蒸気
噴射型のガスタービン装置である。このガスタービン装
置２２は、図示しないコンプレッサ、燃焼器、及びター
ビン（ガスタービン）を有し、発電機やポンプ等を駆動
するようになっている。水又は水蒸気は、燃焼器又は需
要先へ供給する。

【００１７】排熱回収装置２４は、この例ではボイラ２
４ａとエコノマイザ２４ｂとからなり、給水ポンプ２３
で供給した給水をエコノマイザ２４ｂで予熱し、ボイラ
２４ａで蒸発させるようになっている。この構成によ
り、ガスタービン装置２２を出た高温排ガスの熱エネル
ギーを熱回収して水蒸気を発生させる。なお、この例で
は、発生した水蒸気を直接ガスタービン装置２２（例え
ば燃焼器）に供給しているが、本発明はこの例に限定さ
れず、ガスタービンの燃焼器に水噴射するものと図６に
示したように、圧縮空気と水蒸気を混合し過熱器で再加
熱した後に供給してもよい。

【００１８】煙突２６（スタック）は、排熱回収装置２
４を出た低温の排ガスを大気解放する。またこの煙突の
排ガス出口には、煙突を出る排ガス温度ｔｓを検出する
温度検出器３１が設けられている。この温度検出器３１
の出力信号は、後述する白煙制御装置３０に入力され
る。なお、煙突２６は、独立に設置しても、ビルの内部
に設置し屋上から大気解放するようにしてもよい。

【００１９】本発明の白煙防止装置２０は、更に、バイ
パス装置２８と白煙制御装置３０を備える。バイパス装
置２８は、この例では、排熱回収装置２４の上流側と下
流側にそれぞれ設けられたダンパー２８ａ，２８ｂと、
その間を直接接続するバイパスライン２８ｃとからな
る。ダンパー２８ａ，２８ｂの少なくとも一方は、白煙
制御装置３０によりその開閉量を遠隔制御できるように
なっている。この構成により、ガスタービン装置２２を
出た高温排ガスの一部を排熱回収装置２４をバイパスし
て排熱回収装置２４を出た低温排ガスに混入させること
ができる。なお、ダンパー２８ａ，２８ｂは片側のみで
もよい。

【００２０】白煙制御装置３０には、ガスタービン装置
２２の運転条件、温度検出器３１の出力信号が入力さ
れ、バイパスライン２８ｃを介してバイパスする高温排
ガスの流量を排ガスが白煙を発生しないように制御する
ようになっている。

【００２１】図２は、湿り空気線図の説明図である。こ
の図において、横軸は温度、縦軸は絶対湿度ｘ、図中の
斜めの曲線は相対湿度ψを示している。また、相対湿度
ψが１００％の線を特に飽和線と呼ぶ。飽和線の左側の
領域は水分が完全に液化している状態である。また、飽
和線上においても水分が完全に凝縮（液化）しており、
この線上にある水蒸気（相対湿度：１００％）は大気中
で白煙化する。飽和線の右側は、水蒸気とその他の気体
（空気、排ガス等）が混在している状態にある。この状
態のガスは相対湿度ψが高いほど水分が凝縮して白煙化
する条件に近い。すなわち、相対湿度ψが高い（例えば
８０％）のガスは、大気解放と共に外気で冷却されて図
中で左に向かい、部分的に飽和線に達すると凝縮して白
煙化する。これに対して、相対湿度ψが低い（例えば２
０％）のガスは、外気で冷却されと同時に拡散されるた
め、図中で左下に向かい、飽和線に達しないため白煙が
発生しない。

【００２２】上述した湿り空気線図において、煙突が大
気解放する外気の温度と湿度を示す湿り空気線図上の点
を外気点Ａとし、ガスタービンの排ガスの温度と湿度を
示す湿り空気線図上の点を排ガス点Ｂとする。次に外気
点Ａと排ガス点Ｂを湿り空気線図上において直線ｇで結
び、かつこの直線ｇが湿り蒸気の飽和線と接しないよう
にする。このように直線ｇを設定することにより、この
直線ｇより飽和線側（左側）では排ガスが白煙化し、飽
和線の反対側（右側）では白煙化しないようにできる。
なお、実際の状態では、天気や風速等により必ずしもこ
の通りには冷却及び拡散されないので、実際の白煙化状
況に基づき直線ｇを補正するのがよい。

【００２３】図３は、本発明の白煙防止方法の原理説明
図である。この図は、上述した湿り空気線図を更に模式
的に示している。この図において、直線ｇは、白煙が発
生する領域と発生しない領域を区分する線であり、直線
ｇより飽和線側（左側）では排ガスが白煙化し、飽和線
の反対側（右側）では白煙化しない領域を示している。
本発明の方法によれば、ガスタービン装置２２を出た高
温排ガスの一部を排熱回収装置２４をバイパスして排熱
回収装置を出た低温排ガスに混入させ、これにより煙突
からの排ガス温度を上昇させる。すなわち、煙突からの
排ガスの温度と全体湿度が図中のＣ点にある場合、その
まま大気解放すると白煙が発生するが、高温排ガスを混
合して予め図中のＤ点まで加熱して大気解放すれば、白
煙の発生を防止することができる。

【００２４】図４は、本発明の白煙防止方法の制御フロ
ー図である。この図に示すように、白煙制御装置３０に
よる制御は、ステップ（Ａ）からステップ（Ｅ）の５ス
テップからなる。

【００２５】領域設定ステップ（Ａ）では、湿り空気線
図において白煙が発生するか否かを判定する関数ｆ
（ｔ）を設定する。この関数ｆ（ｔ）は、湿り空気線図
上では温度と絶対湿度との関係であり、ｘ＝ｆ（ｔ）と
表すことができる。なお、図２、図３の例では関数ｆ
（ｔ）は直線ｇに相当する。

【００２６】絶対湿度算出ステップ（Ｂ）では、ガスタ
ービン装置２２の運転条件から煙突を出る排ガス中の絶
対湿度ｘを算出する。排ガスの全流量は供給空気流量と
燃料流量、気温、相対湿度、その他ガスタービン運転条
件から計算でき、全体水分量は、供給した水又は水蒸気
量と、燃料の燃焼による発生量とから計算できる。従っ
て、排ガス中の絶対湿度ｘは、ガスタービン装置２２の
運転条件から正確に算出可能である。

【００２７】最低温度設定ステップ（Ｃ）では、ステッ
プ（Ｂ）で求めた絶対湿度ｘとステップ（Ａ）で設定し
た関数ｆ（ｔ）又は直線ｇから白煙が発生しない最低温
度ｔｍを設定する。温度比較ステップ（Ｄ）では、煙突
を出る排ガス温度ｔｓを温度検出器３１により検出し、
この排ガス温度ｔｓと白煙が発生しない最低温度ｔｍと
を比較する。バイパス量調節ステップ（Ｅ）では、煙突
２６を出る排ガス温度ｔｓが前記最低温度ｔｍを上回る
ように高温排ガスのバイパス量を調節する。なお、この
場合に、排ガス温度ｔｓが最低温度ｔｍよりも高すぎる
とその分がエネルギーロスとなるので、高温排ガスのバ
イパス量を必要最小限度に抑えるのでよい。

【００２８】上述した本発明の方法及び装置によれば、
バイパス装置２８によりガスタービン装置２２を出た高
温排ガスの一部を排熱回収装置２４をバイパスして排熱
回収装置を出た低温排ガスに混入させることができる。
また、白煙制御装置３０によりバイパスする高温排ガス
の流量を排ガスが白煙を発生しないように制御できる。
従って、ガスタービン装置２２を出た高温排ガスの一部
を排熱回収装置２４をバイパスして排熱回収装置を出た
低温排ガスに混入させ、これにより煙突からの排ガス温
度を上昇させ煙突からの白煙発生を防止することができ
る。

【００２９】また、本発明の方法及び装置により、煙突
からの排気ガスの白煙化を目視で観察できない場合（例
えば夜間）でも、白煙を確実に防止することができる。
更に、高温排ガスのバイパス量を必要最小限度に抑え、
エネルギーロスを最小に抑えることができる。

【００３０】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】上述したように、本発明のガスタービン
設備の白煙防止方法及び装置は、水噴射や水蒸気噴射に
より大量の水分を排ガスが含む場合でも、煙突出口での
白煙の発生を防止することができる等の優れた効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の白煙防止装置を備えたガスタービン設
備の全体構成図である。

【図２】湿り空気線図の説明図である。

【図３】本発明の白煙防止方法の原理説明図である。

【図４】本発明の白煙防止方法の制御フロー図である。

【図５】従来の二流体サイクルガスタービンの全体構成
図である。

【図６】先行出願の部分再生式二流体サイクルガスター
ビンの全体構成図である。

【符号の説明】

１絞り弁、２圧縮機（コンプレッサー）、３燃焼
器（燃焼室）、４水処理装置、５ポンプ、６過熱
器、７，８タービン、９コンデンサー、１０混合
器、１２排熱ボイラ、１３空気ライン、１４主蒸
気ライン、１５混合ガスライン、２０白煙防止装
置、２２ガスタービン装置、２３給水ポンプ、２４
排熱回収装置、２４ａボイラ、２４ｂエコノマイ
ザ、２６煙突、２８バイパス装置、２８ａ，２８ｂ
ダンパー、２８ｃバイパスライン、３０白煙制御
装置、３１温度検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宇治茂一東京都江東区豊洲２丁目１番１号石川島播磨重工業株式会社東京第一工場内 (72)発明者持田斉東京都江東区豊洲２丁目１番１号石川島播磨重工業株式会社東京第一工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水又は水蒸気を内部に噴射するガスター
ビン装置（２２）と、該ガスタービン装置を出た高温の
排ガスを熱回収して水蒸気を発生させる排熱回収装置
（２４）と、該排熱回収装置を出た低温の排ガスを大気
解放する煙突（２６）とを備えたガスタービン設備の白
煙防止方法であって、ガスタービン装置（２２）を出た高温排ガスの一部を排
熱回収装置（２４）をバイパスして排熱回収装置を出た
低温排ガスに混入させ、これにより煙突からの排ガス温
度を白煙が発生しない領域まで上昇させる、ことを特徴
とするガスタービン設備の白煙防止方法。
【請求項２】湿り空気線図において白煙が発生するか
否かを判定する関数ｆ（ｔ）を設定する領域設定ステッ
プ（Ａ）と、ガスタービン装置（２２）の運転条件から
煙突を出る排ガス中の絶対湿度ｘを算出する絶対湿度算
出ステップ（Ｂ）と、前記絶対湿度ｘと逐次計測される
気温と相対湿度から白煙が発生しない最低温度ｔｍを算
出する最低温度設定ステップ（Ｃ）と、煙突を出る排ガ
ス温度ｔｓを検出し、該排ガス温度ｔｓと前記最低温度
ｔｍとを比較する温度比較ステップ（Ｄ）と、煙突（２
６）を出る排ガス温度ｔｓが前記最低温度ｔｍを上回る
ように高温排ガスのバイパス量を調節するバイパス量調
節ステップ（Ｅ）と、からなることを特徴とする請求項
１に記載のガスタービン設備の白煙防止方法。
【請求項３】煙突が大気解放する外気の温度と湿度を
示す外気点Ａと、ガスタービンの排ガスの温度と湿度を
示す排ガス点Ｂとを湿り空気線図上において直線で結
び、該直線が湿り蒸気の飽和線と接する直線を前記関数
ｆ（ｔ）と設定する、ことを特徴とする請求項１に記載
のガスタービン設備の白煙防止方法。
【請求項４】水又は水蒸気を内部に噴射するガスター
ビン装置（２２）と、該ガスタービン装置を出た高温の
排ガスを熱回収して水蒸気を発生させる排熱回収装置
（２４）と、該排熱回収装置を出た低温の排ガスを大気
解放する煙突（２６）とを備えたガスタービン設備の白
煙防止装置であって、ガスタービン装置（２２）を出た高温排ガスの一部を排
熱回収装置（２４）をバイパスして排熱回収装置を出た
低温排ガスに混入させるバイパス装置（２８）と、バイ
パスする高温排ガスの流量を排ガスが白煙を発生しない
ように制御する白煙制御装置（３０）と、を備えたこと
を特徴とするガスタービン設備の白煙防止装置。
【請求項５】前記白煙制御装置（３０）は、湿り空気
線図において白煙が発生するか否かを判定する関数ｆ
（ｔ）を設定し、ガスタービン装置（２２）の運転条件
から煙突を出る排ガス中の絶対湿度ｘを算出し、前記絶
対湿度ｘと関数ｆ（ｔ）から白煙が発生しない最低温度
ｔｍを設定し、煙突を出る排ガス温度ｔｓを検出し、該
排ガス温度ｔｓと前記最低温度ｔｍとを比較し、煙突
（２６）を出る排ガス温度ｔｓが前記最低温度ｔｍを上
回るように高温排ガスのバイパス量を制御する、ことを
特徴とする請求項４に記載のガスタービン設備の白煙防
止装置。
【請求項６】前記バイパス装置（２８）は、排熱回収
装置（２４）の上流側及び／又は下流側に設けられたダ
ンパー（２８ａ，２８ｂ）と、その間を直接接続するバ
イパスライン（２８ｃ）とからなる、ことを特徴とする
請求項４に記載のガスタービン設備の白煙防止装置。