JP2004044411A

JP2004044411A - 可変昇圧エゼクタ

Info

Publication number: JP2004044411A
Application number: JP2002199954A
Authority: JP
Inventors: Tadaaki Watanabe; 渡邉　忠昭
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】高圧ガス（例えば加圧水蒸気）で低圧ガス（例えば低圧の燃料ガス）を昇圧しかつそれらのガスを混合することができ、所望の範囲で連続的に圧力調節でき、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持することができる可変昇圧エゼクタを提供する。
【解決手段】噴射ノズル１４が、軸線方向に移動可能な可動ノズル１５を有し、この移動により、可動ノズルの内側に形成され低圧ガスＬを噴射する低圧スロートＳ１と、可動ノズルの外側に形成され高圧ガスＨを噴射する高圧スロートＳ２の面積がそれぞれ連続的に変化するように形成されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ガス（例えば加圧水蒸気）で低圧ガス（例えば低圧の燃料ガス）を昇圧しかつそれらのガスを混合する可変昇圧エゼクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来のガスタービン発電装置の模式図である。このガスタービン発電装置は、圧縮機１、燃焼器２及びタービン３からなるガスタービン４と、ガスタービン４で駆動される電動機兼用発電機５と、燃料ガス（例えば都市ガス）を昇圧する燃料昇圧装置６（例えば電動機駆動のルーツブロア）とを備えている。
【０００３】
このような燃料ガスを燃料とするガスタービン発電装置の起動は、従来以下のように行っている。
（１）まず、電動機兼用発電機５を起動用電動機として用い、圧縮機１及びこれに連結されたタービン３を低速で回転駆動する。この際、回転速度は定格回転より低い起動可能な速度に設定する。
（２）次に、燃焼器２に燃料ガスを供給し、着火する。この際、燃料ガスはほとんど昇圧せず、元圧（約２．０ａｔａ）前後に設定する。また発生する燃焼ガスはタービン３に供給し、回転出力を発させる。
（３）次いで、燃料ガス量を増加し、ガスタービン４が電動機兼用発電機５の動力なしに自立運転できるようになった後、電動機兼用発電機５を遮断し無負荷にする。なお、ガスタービンの回転数の上昇と共に圧力比も高まるため、これに合わせて燃料昇圧装置６で燃料ガスを昇圧する。
（４）次に、燃料ガス量を更に増加し、ガスタービンの回転数（回転速度）を上昇させ、定格回転に達した後、定格運転に切り替える。定格運転では、定格回転数で燃料ガス量を制御し、要求電力に応じた電力を発電機５で発電し外部に取り出す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のガスタービン発電装置において、従来の燃料昇圧装置６（例えば電動機駆動のルーツブロア）は、故障しやすく、大型で高価である。そのため、ガスタービン発電システムの簡略化、低コスト化及び効率向上のために、これを水蒸気で駆動するエゼクタポンプに置き換えることが検討されている。
【０００５】
エゼクタポンプは、高圧ガスをノズルから吸引室内に噴出させ、随伴流として低圧ガスを吸引するポンプであり、高圧ガスとして加圧水蒸気、低圧ガスとして低圧の燃料ガスをそれぞれ用いることにより、加圧水蒸気で低圧の燃料ガスを昇圧しかつ加圧水蒸気と燃料ガスを混合してこれを燃焼器２に供給し、熱効率を高めかつ発電出力を増大することができる。
【０００６】
しかし、従来のエゼクタポンプは、従来の燃料昇圧装置６（例えば電動機駆動のルーツブロア）のように、ガスタービン発電装置の上述した起動工程や出力変動に対応して、所望の範囲で連続的に圧力調節できない問題点があった。また、昇圧して供給されるガスは混合ガスであり、混合ガス中の燃料ガスの比率を所望の安定燃焼範囲に維持するのが困難な問題点もあった。
【０００７】
すなわち従来のエゼクタポンプの場合、以下の問題点があった。
（１）従来の可変エゼクタポンプは、一次流体（高圧ガスＨ）または二次流体（低圧ガスＬ）の一方のみに関する可変機構を有している。
一次流体可変機構は、図５に例示するように、高圧ガスＨのノズルにニードル弁を有し、ニードル７を軸方向に動かしてノズル面積を変更するようになっている。
また、二次流体可変機構は、図示しない高圧ガスのノズルと混合管の軸間距離を変更させて、二次流体（低圧ガス）の流路にスロート（流路面積の最小部）を生成し、このスロートの面積が軸間距離に応じて変化するような形状にすることでノズル面積を変更するようになっている。
そのため、一次流体可変機構および二次流体可変機構のどちらの機構でも、高圧ガス又は低圧ガスの一方の流体しか流量変更ができず、両流体の流量を同時に変更する作動要求に対応できないため、流量変更によりガス組成が大きく変動し、混合ガス中の燃料ガスの比率を安定燃焼範囲に維持できなかった。
（２）また、一次流体可変機構および二次流体可変機構を併用した場合は、機構が複雑になるうえ、混合管軸間距離を変更する二次流体可変機構は圧損が大きく、エネルギーロスが大きい問題点があった。
【０００８】
本発明は上述した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、高圧ガス（例えば加圧水蒸気）で低圧ガス（例えば低圧の燃料ガス）を昇圧しかつそれらのガスを混合することができ、所望の範囲で連続的に圧力調節でき、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持することができる可変昇圧エゼクタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、相対的に低圧の低圧ガスＬが供給される吸引室（１２）と、該吸引室内に相対的に高圧の高圧ガスＨを噴射する噴射ノズル（１４）と、低圧ガスと高圧ガスの混合ガスＭを下流に流す混合管（１６）とを備え、混合ガスＭを低圧ガスＬより高い圧力に昇圧しかつそれらを混合する可変昇圧エゼクタであって、前記噴射ノズル（１４）は、軸線方向に移動可能な可動ノズル（１５）を有し、該移動により、可動ノズルの内側に形成され低圧ガスＬを噴射する低圧スロートＳ１と、可動ノズルの外側に形成され高圧ガスＨを噴射する高圧スロートＳ２の面積がそれぞれ連続的に変化するように形成されている、ことを特徴とする可変昇圧エゼクタが提供される。
【００１０】
上記本発明の構成によれば、高圧ガスＨを噴射ノズル（１４）から吸引室（１２）内に噴出させ、随伴流として低圧ガスＬを吸引し、混合ガスＭを下流の混合管（１６）に流すことにより、高圧ガス（例えば加圧水蒸気）で低圧ガス（例えば低圧の燃料ガス）を昇圧しかつそれらのガスを混合することができる。従ってこれをガスタービン発電装置に適用して、加圧水蒸気で低圧の燃料ガスを昇圧しかつ加圧水蒸気と燃料ガスを混合してこれを燃焼器に供給し、熱効率を高めかつ発電出力を増大することができる。
【００１１】
また、本発明によれば、可動ノズル（１５）の移動により、低圧ガスＬを噴射する低圧スロートＳ１と、高圧ガスＨを噴射する高圧スロートＳ２の面積がそれぞれ連続的に変化するので、低圧スロートＳ１と高圧スロートＳ２の面積変化により、所望の範囲で連続的に圧力調節でき、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持することができる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記噴射ノズル（１４）は、前記可動ノズル（１５）の内側に位置しその間に低圧スロートＳ１を構成する固定ニードル（１４ａ）と、可動ノズル（１５）の外側に位置しその間に高圧スロートＳ２を形成する固定ノズル（１４ｂ）とを備える。
【００１３】
この構成により、可動ノズル（１５）の内外面、及び／又は、固定ニードル（１４ａ）の外面と固定ノズル（１４ｂ）の内面の形状を、適切に設定するだけで、可動ノズルの移動量に対応して任意の流量（すなわちスロート面積変化）を実現できる。従って、簡易な構造で一次、二次流体の双方を可変にする機構を実現できる。
【００１４】
また、前記固定ノズル（１４ｂ）と吸引室（１２）との間に、固定ノズル（１４ｂ）を囲みその間から低圧ガスＬを混合管（１６）に流す第３のスロートＳ３を有する。
【００１５】
この第３のスロートＳ３を設けることにより、低圧ガスＬの供給量を増大させ、所望の範囲（例えばガスタービン発電装置に必要な範囲）で連続的に圧力調節でき、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持することができる。
【００１６】
さらに、前記低圧スロートＳ１及び高圧スロートＳ２の内面形状は、前記可動ノズル（１５）のアイドル位置から定格点位置までの移動により、ガスタービン発電装置の起動時から定格運転時までに対応した圧力に混合ガスＭを昇圧し、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持するように形成されている。
【００１７】
この構成により、可動ノズル（１５）をアイドル位置から定格点位置まで移動させることにより、ガスタービン発電装置の起動時から定格運転時までに対応させることができ、ガスタービン発電装置への適用がより容易となる。
【００１８】
【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、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明による可変昇圧エゼクタの構成図である。この図で、（Ａ）は、ガスタービン発電装置へ適用する場合の定格時、（Ｂ）はそのアイドル時を示している。
【００２０】
本発明の可変昇圧エゼクタ１０は、吸引室１２、噴射ノズル１４及び混合管１６を備える。
【００２１】
吸引室１２は、下流側のみが混合管１６に連通した中空の気密室であり、相対的に低圧の低圧ガスＬ（例えば、２．０ａｔａ前後の都市ガス）が外部から供給される。噴射ノズル１４は、吸引室１２内に相対的に高圧の高圧ガスＨ（例えば、４．０ａｔａ以上の加圧水蒸気）を噴射する。混合管１６は、低圧ガスと高圧ガスの混合ガスＭを下流に流し、例えばガスタービン発電装置の燃焼器に供給する。
この構成により、本発明の可変昇圧エゼクタ１０は、混合ガスＭを低圧ガスＬより高い圧力に昇圧しかつそれらを混合するようになっている。
【００２２】
噴射ノズル１４は、軸線方向に移動可能な可動ノズル１５を有する。この可動ノズル１５は、吸引室１２の外側に位置する連動部材１７にシール１８ａを介して気密に連結され、さらに連動部材１７は図示しない駆動装置（例えば電動シリンダ）により、軸線方向に移動できるようになっている。
【００２３】
噴射ノズル１４は、更に、可動ノズル１５の内側に位置しその間に低圧スロートＳ１を構成する固定ニードル１４ａと、可動ノズル１５の外側に位置しその間に高圧スロートＳ２を形成する固定ノズル１４ｂとを備える。
固定ニードル１４ａと固定ノズル１４ｂはそれぞれ、吸引室１２の内部に固定されている。また、可動ノズル１５と固定ノズル１４ｂとの間には、シール１８ｂが設けられ、可動ノズル１５の移動時にその間を気密に保持するようになっている。
【００２４】
固定ニードル１４ａと可動ノズル１５の間には、低圧ガスＬが常に供給され、低圧スロートＳ１から低圧ガスＬを混合管１６に噴射するようになっている。また、固定ノズル１４ｂと可動ノズル１５の間には、高圧ガスＨが外部から供給され、高圧スロートＳ２から高圧ガスＨを混合管１６に噴射するようになっている。
【００２５】
さらに本発明では、低圧スロートＳ１及び高圧スロートＳ２の内面形状は、可動ノズル１５の軸方向移動により、それぞれの面積が連続的に変化するように形成されている。
【００２６】
すなわち、この例では、低圧スロートＳ１及び高圧スロートＳ２の内面形状は、可動ノズル１５のアイドル位置（図１Ｂ）から定格点位置（図１Ａ）までの移動により、ガスタービン発電装置の起動時から定格運転時までに対応した圧力に混合ガスＭを昇圧し、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持するように形成されている。
なお、固定ニードル１４ａ、可動ノズル１５及び固定ノズル１４ｂは、同心円であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、その他の形状であってもよい。
【００２７】
上述した本発明の構成によれば、高圧ガスＨを噴射ノズル１４から吸引室１２内に噴出させ、随伴流として低圧ガスＬを吸引し、混合ガスＭを下流の混合管１６に流すことにより、高圧ガス（例えば加圧水蒸気）で低圧ガス（例えば低圧の燃料ガス）を昇圧しかつそれらのガスを混合することができる。従ってこれをガスタービン発電装置に適用して、加圧水蒸気で低圧の燃料ガスを昇圧しかつ加圧水蒸気と燃料ガスを混合してこれを燃焼器に供給し、熱効率を高めかつ発電出力を増大することができる。
【００２８】
また、可動ノズル１５の移動により、低圧ガスＬを噴射する低圧スロートＳ１と、高圧ガスＨを噴射する高圧スロートＳ２の面積がそれぞれ連続的に変化するので、低圧スロートＳ１と高圧スロートＳ２の面積変化により、所望の範囲で連続的に圧力調節でき、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持することができる。
【００２９】
さらに、可動ノズル１５の内外面、及び／又は、固定ニードル１４ａの外面と固定ノズル１４ｂの内面の形状を、適切に設定するだけで、可動ノズルの移動量に対応して任意の流量（すなわちスロート面積変化）を実現できる。従って、簡易な構造で一次、二次流体の双方を可変にする機構を実現できる。
【００３０】
また、本発明の可変昇圧エゼクタ１０は更に、固定ノズル１４ｂと吸引室１２との間に、固定ノズル１４ｂを囲みその間から低圧ガスＬを混合管１６に流す第３のスロートＳ３を有し、低圧ガスＬの供給量を増大させ、所望の範囲（例えばガスタービン発電装置に必要な範囲）で連続的に圧力調節でき、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持することができるようになっている。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の可変昇圧エゼクタ１０をガスタービン発電装置に適用した場合の実施例を説明する。
【００３２】
図２は、本発明の可変昇圧エゼクタの作動特性図である。この図において、横軸はアクチュエータストローク、すなわち可動ノズル１５の軸方向移動量であり、縦軸は低圧スロートＳ１と高圧スロートＳ２の面積（ノズル面積）である。図中の燃料ノズル面積は低圧スロートＳ１の面積、蒸気ノズル面積は高圧スロートＳ２の面積に相当する。
【００３３】
この図から、可動ノズル１５の内外面、及び／又は、固定ニードル１４ａの外面と固定ノズル１４ｂの内面の形状を、適切に設定するだけで、可動ノズルの移動量に対応して任意の流量（すなわちスロート面積変化）を実現できることがわかる。
【００３４】
図３は、本発明の可変昇圧エゼクタをガスタービン発電装置に適用した場合の作動特性図である。この図において、横軸は昇圧比、縦軸はノズル面積の基準面積に対する比率と、蒸気圧力比及びノズル面積比である。なお図３の燃料ノズル面積は低圧スロートＳ１とスロートＳ３の合計面積である。
【００３５】
図２と図３の比較から、可動ノズルの移動量に対応して燃料ノズル面積と蒸気ノズル面積が連続的に変化し、これに対応して、昇圧比および蒸気圧力比を連続的に変化させることができることがわかる。
【００３６】
なお本発明は、上述した実施形態に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で種々の変更が可能である。例えば、上述した実施例では、ガスタービン発電装置に適用した場合について詳述したが、本発明はこれに限定されず、その他の用途にも適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の可変昇圧エゼクタは、ニードルまたはそれに類する固体センターボディ（固定ニードル１４ａ）を有し、一次、二次流体の隔壁（可動ノズル１５）を可動弁として利用することで、この隔壁を動かす１つのアクチュエータで双方の流路面積を可変にできる。また、この隔壁（可動ノズル１５）の内外面を適当な形状にすることで任意の流量を実現できる。
すなわちセンターボディ（固定ニードル１４ａ）とそれを取り巻く複数の環状流路（スロートＳ１、Ｓ２、Ｓ３）で構成されたエゼクタノズルにおいて、隣接する環状流路の隔壁（可動ノズル１５）の断面形状（内周半径および外周半径）を軸方向に任意に設定できるので、内外の環状流路断面積も変更できる。
【００３８】
従って、本発明の可変昇圧エゼクタは、高圧ガス（例えば加圧水蒸気）で低圧ガス（例えば低圧の燃料ガス）を昇圧しかつそれらのガスを混合することができ、所望の範囲で連続的に圧力調節でき、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持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】本発明による可変昇圧エゼクタの構成図である。
【図２】本発明の可変昇圧エゼクタの作動特性図である。
【図３】本発明の可変昇圧エゼクタをガスタービン発電装置に適用した場合の作動特性図である。
【図４】従来のガスタービン発電装置の模式図である。
【図５】従来の可変エゼクタの構成図である。
【符号の説明】
１　圧縮機、２　燃焼器、３　タービン、
４　ガスタービン、５　発電機（電動機兼用発電機）、
６　燃料昇圧装置、７　ニードル、
１０　可変昇圧エゼクタ、１２　吸引室、
１４　噴射ノズル、１４ａ　固定ニードル、
１４ｂ　固定ノズル、１５　可動ノズル、
１６　混合管、

Claims

相対的に低圧の低圧ガスＬが供給される吸引室（１２）と、該吸引室内に相対的に高圧の高圧ガスＨを噴射する噴射ノズル（１４）と、低圧ガスと高圧ガスの混合ガスＭを下流に流す混合管（１６）とを備え、混合ガスＭを低圧ガスＬより高い圧力に昇圧しかつそれらを混合する可変昇圧エゼクタであって、
前記噴射ノズル（１４）は、軸線方向に移動可能な可動ノズル（１５）を有し、該移動により、可動ノズルの内側に形成され低圧ガスＬを噴射する低圧スロートＳ１と、可動ノズルの外側に形成され高圧ガスＨを噴射する高圧スロートＳ２の面積がそれぞれ連続的に変化するように形成されている、ことを特徴とする可変昇圧エゼクタ。
前記噴射ノズル（１４）は、前記可動ノズル（１５）の内側に位置しその間に低圧スロートＳ１を構成する固定ニードル（１４ａ）と、可動ノズル（１５）の外側に位置しその間に高圧スロートＳ２を形成する固定ノズル（１４ｂ）とを備える、ことを特徴とする可変昇圧エゼクタ。
前記固定ノズル（１４ｂ）と吸引室（１２）との間に、固定ノズル（１４ｂ）を囲みその間から低圧ガスＬを混合管（１６）に流す第３のスロートＳ３を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の可変昇圧エゼクタ。
前記低圧スロートＳ１及び高圧スロートＳ２の内面形状は、前記可動ノズル（１５）のアイドル位置から定格点位置までの移動により、ガスタービン発電装置の起動時から定格運転時までに対応した圧力に混合ガスＭを昇圧し、かつ混合ガスのガス比率を所望の範囲に維持するように形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の可変昇圧エゼクタ。