JP2005069087A

JP2005069087A - コージェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2005069087A
Application number: JP2003299131A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kishida; 寛之岸田; Mamoru Shiragaki; 守白垣; Satoshi Shibata; 聡柴田
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-17
Also published as: WO2005019622A1; EP1662115A4; US20070137215A1; EP1662115A1; CN1836098A

Abstract

【課題】異常時等において電力の供給が遮断された場合でもバイパスダンパーを確実に切替え操作することができ、しかも排ガスのリークの恐れもなく、かつ大型化してもコスト的に有利なコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】ガスタービン２からの排ガスを排熱回収熱交換器８に導入する排ガス通路１０にバイパス通路１１を設けるとともに、このバイパス通路１１の入口部にバイパスダンパー１２を設け、このバイパスダンパー１２を圧縮機３からの圧縮空気にて駆動されるエアーシリンダにより開閉制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン発電機と排熱回収熱交換器とを組み合わせて電力と温水等を同時に供給するコージェネレーションシステム（熱電併給システム）に関するものである。

従来、ガスタービン発電機によって電力を得るとともに、ガスタービンからの高温排ガスの熱を排熱回収熱交換器により回収して温水等を得るようにしたコージェネレーションシステム（熱電併給システム）が知られており、実用に供されている。また、この種のシステムのうち、１５〜３００ＫＷ程度の比較的小容量のシステムがマイクロガスタービン・コージェネレーションシステムとして利用されている（特許文献１参照）。

前述のコージェネレーションシステムにおいて、ガスタービンからの排ガスを排熱回収熱交換器に導入する排ガス通路にバイパス通路を設け、電気需要はあるが熱需要が無くなったときなどに、このバイパス通路の入口部に設けたバイパスダンパーを切替え操作して、ガスタービンからの排ガスをバイパス通路に導いて煙突を通して大気中へ放出し、ガスタービンを停止させずに発電を継続させるようにしたものも知られている。ここで、前記バイパスダンパーは、電動モータの駆動力によって直接に、もしくはリンク機構を介して駆動されるように構成されている。また、通常、このバイパスダンパーを駆動する電動モータは、ガスタービン発電機の出力もしくはガスタービンの内部動力からの電力によって駆動される。

特開２００２−４９４５号公報

ところで、前記バイパスダンパーを備えるコージェネレーションシステムにおいては、システムの停止動作時に、バイパスダンパーをバイパス通路側へ切替えた後にガスタービンを停止させるように構成されているが、前記従来システムのようにバイパスダンパーを電動モータにより駆動するものでは、異常時などに電動モータへの電力の供給が遮断されると、バイパスダンパーを切替えることができないという問題点がある。

また、この種の従来システムでは、バイパスダンパーが切替え操作されて所定位置に達すると、モータ巻線の焼損を防ぐためにリミットスイッチ等を作動させてモータの電源を切断するような制御が行われるが、モータ軸が完全に固定されていないために、排ガスの風力もしくはバイパスダンパーの弾性等によって弁体と弁座との間に隙間ができ、排ガスがリークしてしまうという問題点がある。

さらに、前記従来システムでは、バイパスダンパーが大型化するとそのダンパーを操作するための必要トルクも大きくなり、それに応じて大型の電動モータが必要となって、コスト高が避けられないという問題点もある。

本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、異常時等において電力の供給が遮断された場合でもバイパスダンパーを確実に切替え操作することができ、しかも排ガスのリークの恐れもなく、かつ大型化してもコスト的に有利なコージェネレーションシステムを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明によるコージェネレーションシステムは、
燃焼用空気を加圧する圧縮機と、この圧縮機にて加圧された燃焼用空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器より排出される燃料ガスを回転エネルギーに変換するガスタービンと、このガスタービンの回転エネルギーにより電気を発生する発電機と、前記ガスタービンからの排ガスの熱を回収する排熱回収熱交換器を備えるコージェネレーションシステムにおいて、
前記ガスタービンからの排ガスを前記排熱回収熱交換器に導入する排ガス通路にバイパス通路を設けるとともに、このバイパス通路の入口部にバイパスダンパーを設け、このバイパスダンパーを前記圧縮機からの圧縮空気にて駆動されるエアーシリンダにより開閉制御することを特徴とするものである（第１発明）。

本発明において、前記圧縮機から前記エアーシリンダに至る空圧回路中には、前記圧縮機側への圧縮空気の逆流を阻止する逆止弁と、圧縮空気を一時的に貯留するアキュムレータと、前記エアーシリンダへ供給される圧縮空気の方向を切替える方向制御弁が配されるのが好ましい（第２発明）。

ここで、前記方向制御弁は電磁式切替弁であり、この電磁式切替弁への通電が遮断されたときに、前記バイパスダンパーは、前記排熱回収熱交換器側の通路を閉作動するとともに、前記バイパス通路を開作動するように操作されるのが好ましい（第３発明）。

本発明によれば、バイパス通路の入口部に設けられるバイパスダンパーが、圧縮機からの圧縮空気にて駆動されるエアーシリンダにより開閉制御されるので、異常時等において電力の供給が遮断された場合でも、圧縮空気を利用してバイパスダンパーを常に適正な方向へ切替え操作することができ、このバイパスダンパーの切替え不能によるトラブルの発生を未然に防ぐことができる。また、電動モータを用いる場合と異なり、バイパスダンパーを常に一定方向へ押し当てておくことができるので、排ガスのリークの問題も解消することができる。さらに、大型のバイパスダンパーを用いるシステムにおいても、エアーシリンダ本体は若干大きくなるものの、付帯機器についてはほとんど変わらないため、電動モータを用いるシステムに比べて低コストでシステムを構成することができる。

また、前記第２発明によれば、逆止弁を設けることで、ガスタービンの緊急停止時等においても圧縮空気の逆流を確実に防止することができ、またアキュムレータを設けることで、ガスタービンの緊急停止時等において圧縮機からの圧縮空気の圧力が十分でない場合でも、エアーシリンダを駆動するのに十分な空気量を確保することができる。

さらに、第３発明によれば、エアーシリンダへ供給される圧縮空気の方向を切替える方向制御弁への通電が無くなった場合でも、バイパスダンパーが、排熱回収熱交換器側の通路を閉作動するとともにバイパス通路を開作動する安全な方向に切替えられるので、システムの信頼性をより向上させることができる。

次に、本発明によるコージェネレーションシステムの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係るマイクロガスタービンコージェネレーションシステムのシステム構成図が示されている。また、図２には、バイパスダンパーを駆動するエアーシリンダ駆動回路の回路構成図が示されている。

本実施形態のコージェネレーションシステム１において、燃焼用空気Ａは、ガスタービン２に直結された圧縮機３に供給されてその圧縮機３にて加圧された後、再生器４を経由して燃焼器５へ供給される。前記再生器４において、燃焼用空気（圧縮空気）Ａはガスタービン２の出口ガス（高温排ガス）Ｇ_１と熱交換されることによって予熱される。前記燃焼器５内では、前記再生器４にて予熱された燃焼用空気Ａと、この燃焼器５に供給される燃料ガスＦとが混合燃焼し、高温燃焼ガスが発生する。この高温燃焼ガスはガスタービン２に導入されて回転エネルギーに変換され、この回転エネルギーより圧縮機３およびその圧縮機３に連結される発電機６が駆動され、電力負荷７にて電力が取り出される。

また、前記ガスタービン２の高温排ガスＧ_１は再生器４へ送られ、この再生器４にて燃焼用空気Ａと熱交換した後タービン排ガスＧ_２となる。このタービン排ガスＧ_２は排熱回収熱交換器８へ導入され、温水Ｗを発生させた後、排ガスＧ_０となって大気中へ放出される。なお、この発生された温水Ｗは熱負荷９にて取り出される。

前記ガスタービン２から再生器４を経て前記排熱回収熱交換器８に導入されるタービン排ガスＧ_２の排ガス通路１０には、前記排熱回収熱交換器８をバイパスするバイパス通路１１が設けられ、このバイパス通路１１の入口部にバイパスダンパー１２が設けられる。このバイパスダンパー１２は、電気需要はあるが熱需要が無くなったときなどにバイパス通路１１側にタービン排ガスＧ_２を導くように切替え操作される。これにより、ガスタービン２を停止させずに発電を継続させることが可能である。

本実施形態のコージェネレーションシステム１においては、前記バイパスダンパー１２を開閉操作するのに前記圧縮機３からの圧縮空気（燃焼用空気Ａ）が用いられ、この圧縮空気がエアーシリンダ駆動回路１３を介してエアーシリンダ１４に供給され、このエアーシリンダ１４の伸縮動作によって前記バイパスダンパー１２が開閉制御される。以下、前記エアーシリンダ駆動回路１３の詳細構成ついて説明する。

図１において、圧縮機３からの燃焼用空気Ａは導出通路１５に分岐供給される。この導出通路１５には常閉の緊急ダンプ弁１６が設けられるとともに、この緊急ダンプ弁１６の直上流部に分岐通路１７が接続され、この分岐通路１７が前記エアーシリンダ駆動回路１３に接続されている。なお、前記緊急ダンプ弁１６の下流側は図示されないサイレンサに接続されるか、もしくは大気に開放されている。前記緊急ダンプ弁１６は、ガスタービン２に異常が発生した際に開作動されて空気圧を大気に逃がす役目をする。

図２に示されるように、前記圧縮機３からの圧縮空気が導入される前記分岐通路１７には、上流側から順に、常開の電磁弁（電磁弁に限らない）１８、逆止弁１９、ニードル弁で構成されるスピードコントロール弁（スピードコントローラ）２０およびアキュムレータ２１が配され、前記圧縮空気がそれら電磁弁１８、逆止弁１９およびスピードコントロール弁２０を通ってアキュムレータ２１に蓄えられるように構成されている。ここで、前記電磁弁１８は、エアーシリンダ駆動回路１３のメンテナンス時に閉操作される。また、前記逆止弁１９は、ガスタービン２の緊急停止等に際して前記緊急ダンプ弁１６が開作動されたときに、圧縮機３内の圧力が減少した場合にもアキュムレータ２１内の圧力を維持するために設けられている。さらに、前記スピードコントロール弁２０は、エアーシリンダ１４が動作した際に圧縮機３からアキュムレータ２１への急激な空気の流入によるガスタービン２への悪影響を防止するために、空気の通過流量を一定にしてアキュムレータ２１内の空気圧を徐々に上げていくために設けられている。また、アキュムレータ２１は、ガスタービン２の緊急停止時等において圧縮機３の空気圧が十分でない場合においても、少なくとも１回だけエアーシリンダ１４を駆動するのに十分な空気量を保持できる容量に設定されている。なお、前記アキュムレータ２１内の温度低下により発生したドレンを抜くために、このアキュムレータ２１はオートドレンセパレータ（図示せず）に接続されている。

前記分岐通路１７は、前記アキュムレータ２１の後流側において、圧力変動防止の役目をするレギュレータ２２を介して、エアーシリンダ１４のボトム側通路２３およびヘッド側通路２４に分岐されている。また、これらボトム側通路２３およびヘッド側通路２４はそれぞれ電磁式の第１の三方切替弁２５および第２の三方切替弁２６を介してエアーシリンダ１４のボトム側室１４ａおよびヘッド側室１４ｂに接続されるとともに、各三方切替弁２５，２６が排出通路２７を介して相互に接続され、この排出通路２７がオリフィス２８を介して図示されないサイレンサに接続されるか、もしくは大気に開放されている。

より具体的には、前記第１の三方切替弁２５は、圧縮機側ポート２５ａとエアーシリンダ側ポート２５ｂと排出通路側ポート２５ｃとを備え、排出通路側ポート２５ｃを閉じて、圧縮機側ポート２５ａとエアーシリンダ側ポート２５ｂとを連通させることで、圧縮空気がエアーシリンダ１４のボトム側室１４ａに導入され、また圧縮機側ポート２５ａを閉じて、エアーシリンダ側ポート２５ｂと排出通路側ポート２５ｃとを連通させることで、エアーシリンダ１４のボトム側室１４ａ内の圧縮空気が排出通路２７およびオリフィス２８を通して大気に排出される。同様に、前記第２の三方切替弁２６は、圧縮機側ポート２６ａとエアーシリンダ側ポート２６ｂと排出通路側ポート２６ｃとを備え、排出通路側ポート２６ｃを閉じて、圧縮機側ポート２６ａとエアーシリンダ側ポート２６ｂとを連通させることで、圧縮空気がエアーシリンダ１４のヘッド側室１４ｂに導入され、また圧縮機側ポート２６ａを閉じて、エアーシリンダ側ポート２６ｂと排出通路側ポート２６ｃとを連通させることで、エアーシリンダ１４のヘッド側室１４ｂ内の圧縮空気が排出通路２７およびオリフィス２８を通して大気に排出される。

前記バイパスダンパー１２は、エアーシリンダ１４のロッド１４ｃの直線運動を回転運動に変換するリンク機構（図示せず）を介して駆動されるように構成されており、本実施形態の場合、ロッド１４ｃが伸張作動されたとき、バイパス通路１１が閉じられてタービン排ガスＧ_２が排ガス通路１０側に導かれ、ロッド１４ｃが収縮作動されたとき、バイパス通路１１が開かれてタービン排ガスＧ_２がバイパス通路１１側に導かれる。

次に、上述の構成よりなるエアーシリンダ駆動回路１３の作動について説明する。

まず、三方切替弁２５，２６に通電されていないときには、第１の三方切替弁２５は、排出通路側ポート２５ｃを閉じるとともに、圧縮機側ポート２５ａとエアーシリンダ側ポート２５ｂとを連通した状態にあり、第２の三方切替弁２６は、圧縮機側ポート２６ａを閉じるとともに、エアーシリンダ側ポート２６ｂと排出通路側ポート２６ｃとを連通した状態にある。すなわち、エアーシリンダ１４のロッド１４ｃが収縮作動された状態にあり、バイパス通路１１が開かれ排ガス通路１０が閉じられた状態にある。

この状態からシステムの運転が開始されると、ガスタービン２の運転が立ち上がるまでは、前記三方切替弁２５，２６は上述の位置を保持しており、タービン排ガスＧ_２がバイパス通路１１側に導かれる。そして、ガスタービン２の運転立ち上がりに必要な所定時間が経過すると、三方切替弁２５，２６に通電されて、第１の三方切替弁２５は、圧縮機側ポート２５ａが閉じられるとともに、エアーシリンダ側ポート２５ｂと排出通路側ポート２５ｃとが連通する一方、第２の三方切替弁２６は、排出通路側ポート２６ｃが閉じられるとともに、圧縮機側ポート２６ａとエアーシリンダ側ポート２６ｂとが連通し、アキュムレータ２１からの圧縮空気は、第２の三方切替弁２６の圧縮機側ポート２６ａおよびエアーシリンダ側ポート２６ｂを通ってエアーシリンダ１４のヘッド側室１４ｂに導入され、またボトム側室１４ａ内の圧縮空気は第１の三方切替弁２５のエアーシリンダ側ポート２５ｂおよび排出通路側ポート２５ｃを通って排出通路２７およびオリフィス２８から排出される。こうして、エアーシリンダ１４のロッド１４ｃが伸張作動され、バイパス通路１１が閉じられてタービン排ガスＧ_２が排ガス通路１０側に導かれて熱負荷９から温水Ｗが取り出される。

上述の通常運転時に、熱需要がなくなったときには、三方切替弁２５，２６への通電を遮断することで、第１の三方切替弁２５は、排出通路側ポート２５ｃが閉じられるとともに、圧縮機側ポート２５ａとエアーシリンダ側ポート２５ｂとが連通し、第２の三方切替弁２６は、圧縮機側ポート２６ａが閉じられるとともに、エアーシリンダ側ポート２６ｂと排出通路側ポート２６ｃとが連通し、これによってエアーシリンダ１４のロッド１４ｃが収縮作動されて、バイパス通路１１が開かれて排ガス通路１０が閉じられ、タービン排ガスＧ_２はバイパス通路１１側に導かれる。

また、システムの運転を停止させる際には、ガスタービン２の停止釦を押圧操作すると、三方切替弁２５，２６への通電が遮断されて、前述と同様にしてエアーシリンダ１４のロッド１４ｃが収縮作動されて、バイパス通路１１が開かれて排ガス通路１０が閉じられる。こうして、ガスタービン２のクールダウンの所定時間の間タービン排ガスＧ_２はバイパス通路１１に導かれるので、このクールダウン中に熱負荷９に温水Ｗを流しておく必要がない。

一方、運転中にガスタービン２が緊急停止した際には、システム停止時と同様、第１の三方切替弁２５は、排出通路側ポート２５ｃが閉じられるとともに、圧縮機側ポート２５ａとエアーシリンダ側ポート２５ｂとが連通し、第２の三方切替弁２６は、圧縮機側ポート２６ａが閉じられるとともに、エアーシリンダ側ポート２６ｂと排出通路側ポート２６ｃとが連通する。このとき、圧縮機３の圧力が十分でない場合であっても。アキュムレータ２１に蓄圧された空気圧によりエアーシリンダ１４のロッド１４ｃが収縮作動され、バイパス通路１１が開かれることになる。

以上のように、本実施形態のコージェネレーションシステム１によれば、バイパスダンパー１２は圧縮機３からの圧縮空気にて常に適正な方向に切替え操作されるので、このバイパスダンパー１２の切替え不能によるトラブルの発生を未然に防ぐことができる。また、このバイパスダンパー１２の作動を電動モータにより行うものに比べて、バイパスダンパー１２を圧縮空気によって常に一定方向へ押し当てておくことができるので、排ガスのリークの問題も解消することができる。さらに、大型のバイパスダンパー１２を用いるシステムにおいても、エアーシリンダ１４の本体は若干大きくなるものの、三方切替弁２５，２６等の付帯機器についてはほとんど変わらないため、電動モータを用いるシステムに比べて低コストで経済性が良好であるという優れた効果を有している。

また、本実施形態のシステムでは、商用電源に系統連繋されていないスタンドアローンタイプのコージェネレーションシステムに適用した場合でも、ガスタービン２が緊急停止したときに、三方切替弁２５，２６への通電が遮断されてバイパス通路１１が開かれる方向にエアーシリンダ１４が作動されるので、バイパスダンパー１２の切替え不能の問題を生じることはない。

本実施形態においては、三方切替弁２５，２６を電磁式の方向制御弁で構成したものを説明したが、この三方切替弁はばね式の方向制御弁であっても良い。

図３には、エアーシリンダ駆動回路の他の実施形態による回路構成図が示されている。

先の実施形態では、エアーシリンダ１４のボトム側通路２３およびヘッド側通路２４をそれぞれ三方切替弁２５，２６を介してエアーシリンダ１４のボトム側室１４ａおよびヘッド側室１４ｂに接続するとともに、各三方切替弁２５，２６を排出通路２７を介して相互に接続するように構成したが、本実施形態では、前記ボトム側通路２３およびヘッド側通路２４にそれぞれ二位置切替式の開閉弁２９，３０を設けるとともに、各開閉弁２９，３０のエアーシリンダ１４側から分岐される各排出通路２７ａ，２７ｂの途中にそれぞれ二位置切替式の開閉弁３１，３２を設けるように構成したものである。このような構成によっても先の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

図４には、エアーシリンダ駆動回路の更に他の実施形態による回路構成図が示されている。

本実施形態では、先の実施形態のものに対して、各開閉弁２９，３０のエアーシリンダ１４側から分岐される各排出通路２７ａ，２７ｂの途中にそれぞれ二位置切替式の開閉弁３１，３２を設けるとともに、各排出通路２７ａ，２７ｂがそれぞれ別個のオリフィス２８ａ，２８ｂを介してサイレンサに接続されるか、もしくは大気に開放されるように構成したものである。このような構成によってもやはり先の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロガスタービンコージェネレーションシステムのシステム構成図バイパスダンパーを駆動するエアーシリンダ駆動回路の回路構成図他の実施形態によるエアーシリンダ駆動回路の回路構成図更に他の実施形態によるエアーシリンダ駆動回路の回路構成図

符号の説明

１コージェネレーションシステム
２ガスタービン
３圧縮機
４再生器
５燃焼器
６発電機
７電力負荷
８排熱回収熱交換器
９熱負荷
１０排ガス通路
１１バイパス通路
１２バイパスダンパー
１３エアーシリンダ駆動回路
１４エアーシリンダ
１６緊急ダンプ弁
１８電磁弁
１９逆止弁
２０スピードコントロール弁
２１アキュムレータ
２２レギュレータ
２５第１の三方切替弁
２６第２の三方切替弁
２９，３０，３１，３２開閉弁

Claims

燃焼用空気を加圧する圧縮機と、この圧縮機にて加圧された燃焼用空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器より排出される燃料ガスを回転エネルギーに変換するガスタービンと、このガスタービンの回転エネルギーにより電気を発生する発電機と、前記ガスタービンからの排ガスの熱を回収する排熱回収熱交換器を備えるコージェネレーションシステムにおいて、
前記ガスタービンからの排ガスを前記排熱回収熱交換器に導入する排ガス通路にバイパス通路を設けるとともに、このバイパス通路の入口部にバイパスダンパーを設け、このバイパスダンパーを前記圧縮機からの圧縮空気にて駆動されるエアーシリンダにより開閉制御することを特徴とするコージェネレーションシステム。
前記圧縮機から前記エアーシリンダに至る空圧回路中には、前記圧縮機側への圧縮空気の逆流を阻止する逆止弁と、圧縮空気を一時的に貯留するアキュムレータと、前記エアーシリンダへ供給される圧縮空気の方向を切替える方向制御弁が配される請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
前記方向制御弁は電磁式切替弁であり、この電磁式切替弁への通電が遮断されたときに、前記バイパスダンパーは、前記排熱回収熱交換器側の通路を閉作動するとともに、前記バイパス通路を開作動するように操作される請求項２に記載のコージェネレーションシステム。