JP2005098156A

JP2005098156A - ガスタービンコージェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2005098156A
Application number: JP2003330894A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Nakahara; 貢中原; Nobuhiro Seiki; 信宏清木; Shigeo Hatamiya; 重雄幡宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】
圧縮空気の全量あるいは一部とガスタービン排気で加熱した温水とを用いて再生熱交換器にて排熱回収することにより、ガスタービンの発電効率の低下を抑制する。
【解決手段】
ガスタービン排気から効果的に排熱回収するために、空気流量の分配調節により圧縮空気の全量あるいは一部とガスタービン排気で加熱した温水とを用いて、低温用再生熱交換器８１と高温用再生熱交換器８２とに分離配置した再生熱交換器にて排熱回収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力及び水蒸気を生成するガスタービンコージェネレーションシステムに係り、特に、再生サイクルにおける熱回収量を変化させることによって柔軟性の高い熱電可変設備を提供するガスタービンコージェネレーションシステムに関する。

従来のガスタービンコージェネレーションシステムの構成を図３に示す。図３において、大気中から吸入された空気Ａは、圧縮機１で圧縮されて燃焼器２に流入し、燃料Ｆの燃焼により高温の燃焼ガスとなった後にタービン３に流入する。タービン３で仕事をした燃焼ガスは、排気配管Ｅに接続された排熱ボイラー４に導かれてさらに水蒸気を発生した後、大気中に排出される。また、燃焼器２には排熱ボイラー４で発生した水蒸気が蒸気配管Ｓにて導かれて噴射され、タービンに流入する燃焼ガスの流量を増大させると共に、燃焼ガスの比熱を増大させてタービン出力を増大させる。この時、タービンが発生する仕事は、圧縮機１を駆動すると同時に発電機５を駆動し、電力を発生する。排熱ボイラー４の下流にはタービン排熱により加熱される排熱ボイラー用給水加熱器６、及び燃焼ガス排出のための放出塔９が配置される。

上述したガスタービンコージェネレーションシステムでは、排熱ボイラーで生成される水蒸気の全量を燃焼器２に噴射する場合、水蒸気の噴射量が吸気空気量の２０〜３０％にも達する。このため、水蒸気の注入を停止するとタービン３の流量が少なくなりすぎ、タービン効率の低下をきたし、熱効率が低下する。

以上のような問題点を解決する従来技術として、特許文献１に記載のような部分再生式二流体ガスタービンがある。その構成を図４に示す。

すなわち、部分再生式二流体ガスタービンでは、水蒸気と圧縮空気を混合する混合器７を備え、圧縮空気の一部が混合器７で水蒸気と混合され、この混合ガスが再生熱交換器８にて予熱されて燃焼器２に供給されるので、ガスタービン排気を用いて排熱ボイラー４で生成される排熱回収のための水蒸気の量を減少させることが出来る。このため、燃焼器２への蒸気流入量を増減させる場合でも、ガスタービンの出力、熱効率の変化を小さくすることが出来る。

特開平６−２４８９７４号公報

部分再生式二流体ガスタービンは、燃焼器への蒸気流入量を増減する場合において、ガスタービンの出力、及び熱効率の変化を小さくすることが可能なシステム構成である。

しかしながら、圧縮空気の一部とガスタービン排気で生成した水蒸気とを用いて再生熱交換器にて排熱回収をすることから、圧縮空気による排熱回収量が少ない。また、水蒸気の顕熱による排熱回収のため、その排熱回収量が多くないことから、ガスタービンの発電効率が相対的に低下する。

本発明の目的は、ガスタービン排気からの効果的に排熱回収するために、圧縮空気の全量あるいは一部にガスタービン排気で加熱した温水を噴霧し、再生熱交換器にて空気と水蒸気の混合ガスにより排熱回収することにより、ガスタービンの発電効率の低下を抑制することが出来るガスタービンコージェネレーションシステム提供することにある。

本発明のガスタービンコージェネレーションシステムは、ガスタービンの吸気空気を加湿する水噴霧器と、高湿分空気を圧縮する圧縮機と、燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスにより駆動され前記圧縮機を駆動するガスタービンと、圧縮空気に温水を噴霧する温水噴霧器と、前記温水噴霧器にて水分が添加された混合ガスをタービンの下流に設けられたタービン排気を用いて加熱蒸発させるための再生熱交換器と、前記再生熱交換器の下流に設けられタービン排気を熱源として水を加熱蒸発させるボイラーと、前記ボイラーの下流に設けられタービン排気を熱源として給水を加熱して温水とする加熱器と、前記圧縮機による圧縮空気を温水噴霧器へ導くための空気配管と、前記空気配管の一部から分岐して前記燃焼器へ空気を分岐する空気分岐配管と、前記温水噴霧器による水分添加の混合ガスを前記再生熱交換器を介して前記燃焼器に導くための混合ガス配管と、前記加熱器による温水の一部を前記温水噴霧器へ導くための温水配管と、を備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい例によれば、ボイラーで発生した水蒸気を外部供給用蒸気として導く蒸気配管を有し、かつ空気分岐配管に圧縮空気の流量調整のための空気流量調節弁が設けられている。さらに、再生熱交換器は低温用再生熱交換器と高温用再生熱交換器とに分離され、温水噴霧器は圧縮機と空気分岐配管との間の空気配管、及び低温用再生熱交換器入口あるいは低温用再生熱交換器内にそれぞれ設けられた構成とする。

以下、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムについて、その一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を使用する。

図１は、本発明によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。大気より取り込まれた空気Ａは、水噴霧器１０にて水Ｗが噴霧され加湿空気となり、さらに圧縮機１にて圧縮される。この時、吸気空気Ａに水噴霧することにより、噴霧水が蒸発する際に吸気空気Ａから熱を奪うため吸気空気温度が低下し、空気密度が増加すると共に加湿により体積流量も増加する。また、吸気空気温度の低下は、圧縮機１による空気圧縮動力の低減にも寄与することから、ガスタービンの出力並びに熱効率が増加する。なお、典型的には、噴霧水量は吸気空気流量の数％程度である。

この圧縮された加湿空気は、圧縮機１の下流側に接続された空気配管Ｐ１と空気分岐配管Ｐ３との間に設けた温水噴霧器１１、並びに空気配管Ｐ１の分岐部より下流に設けられた低温用再生熱交換器８１の入口の温水噴霧器１２にて、さらに水分がそれぞれ添加され混合ガスとなる。温水の噴霧量は、温水流量調節弁１５，１６にてそれぞれ調整される。

ここで、温水噴霧器１１，１２の機能について詳細に説明する。温水噴霧器１１は、圧縮機１の出口部分に配置する。吸気空気Ａは圧縮機１による加圧により温度上昇する。従って、空気配管Ｐ１内の加湿空気の中に噴霧された温水は、この高温雰囲気の空気配管内を移送中に下流の温水噴霧器１２に到達するまでに蒸発する。この加湿空気に対して、さらに低温用再生熱交換器８１の入口に設置（低温用再生熱交換器８１内に設置する場合もある）した温水噴霧器１２にて水分を添加する。この追添加された水分は、低温用再生熱交換器８１にてタービン排気により加熱され蒸発する。この時、水分の蒸発加熱（潜熱）にてタービン排気から熱回収すると共に、その後の水蒸気加熱（顕熱）と空気加熱においてもタービン排気から効果的に熱回収する。

この空気と蒸気の混合ガスは、さらに高温用再生熱交換器８２にて過熱されることで、タービン排気から熱回収する。

燃焼器２では、この過熱された混合ガスと燃料Ｆとにより高温の燃焼ガスを生成し、タービン３及びタービン３に連結された圧縮機１を駆動する。また、同時にタービン３に連結した発電機５を駆動して発電する。タービン３からの排気は、高温用再生熱交換器８２及び低温用再生熱交換器８１にて排熱回収されるが、その下流のボイラー４の熱源となって水を加熱して蒸気を生成し、生成した蒸気は外部供給用蒸気として用いる。さらに、加熱器６にて給水ポンプ１８にて加圧給水した水を加熱し、生成した温水をボイラー４のドラム１９へ供給すると共に、温水噴霧器１１，１２にて圧縮空気へ噴霧する温水として使用される。圧縮空気へ噴霧する際に温水を利用することの利点として、ボイラーによる熱回収により蒸気に比較してより簡単に得ることができることがあげられる。

ここで、低温用再生熱交換器８１、及び高温用再生熱交換器８２の機能についてさらに説明する。上述したように低温用再生熱交換器８１及び高温用再生熱交換器８２は、空気と湿分とによりタービン排気から熱回収するための重要な機器であり、再生熱交換器の性能がシステムの性能を大きく左右する。このため、高い温度効率が期待できる（熱交換特性に優れた）プレートフィン構造の熱交換器を高温用再生熱交換器８２として採用する。このプレートフィン構造の熱交換器は、通常ガス−ガス熱交換器としての性能を確保するために緻密な構造となっており、また使用実績も豊富である。しかしながら、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムのように水分が含まれる空気雰囲気において、耐腐食性等の十分な信頼性が確認されていないのが実情である。このため、温水を噴霧する低温用再生熱交換器８１では、水分が含まれる空気雰囲気に対して十分な使用実績があるシェルアンドチューブ構造の熱交換器を採用する。この低温用再生熱交換器８１の入口の温水噴霧器１２にて噴霧した温水は、温水噴霧量，タービン排ガス温度等によってその蒸発完了位置が変化するため、噴霧した温水の全量を低温用再生熱交換器８１内で蒸発させる必要がある。これにより、高温用再生熱交換器８２へ水分が流入することを防止し、高温用再生熱交換器８２の腐食の問題が回避できる水蒸気の状態で排熱回収する。

本発明のガスタービンコージェネレーションシステムにおいて、空気分岐配管Ｐ３にて圧縮空気の一部を直接燃焼器２へ分岐供給し、残りの圧縮空気を用いて低温用再生熱交換器８１，高温用再生熱交換器８２にて排熱回収した後燃焼器２へ供給する運転状態について説明する。この時、高温用再生熱交換器８２の出口の混合ガス温度は、タービン排気で加熱されていることから、圧縮機１の出口の圧縮空気温度より高温となる。

ここで、ドラム１９から外部へ供給する蒸気を減少させ発電量を増加させるためには、温水噴霧量並びに燃料量を増加させることにより対応する。また、蒸気の供給量の調整は、蒸気流量調節弁１７の開度調節による。

この時、単に温水噴霧量のみを増加させた場合には、低温用再生熱交換器８１の空気側温度が低下すると共に、燃焼器２へ湿分が増加した空気が流入し燃焼温度が低下する。このため、タービン排気温度も低下することから、低温用再生熱交換器８１内の温水蒸発完了位置が高温用再生熱交換器８２側（下流側）へ移動することになり、高温用再生熱交換器８２の機器信頼性を確保する上で好ましくない。従って、温水噴霧量の増加と共に、空気分岐配管Ｐ３の空気流量調節弁１３の開度をさらに絞り、空気配管Ｐ２への圧縮空気の流量を増加する。これにより、燃焼器２へ供給される同一燃料流量の条件においては、圧縮空気より高温の混合ガスがより多く燃焼器２へ供給されることから燃焼温度の低下幅が少なくなり、その結果タービン排気の温度低下が少なくなる。従って、低温用再生熱交換器８１入口で温水噴霧された水分は、高温用再生熱交換器８２側（下流側）への蒸発完了位置の移動も少なくなる。最終的には、燃焼器２の燃焼温度（間接的にはタービン排気温度で測定）が制限値内になるように燃料流量を燃料流量調整弁１４の弁開度調節により増加させ、ガスタービンによる発電量を増加させ目標発電機出力とする。この時、燃料流量の増加に伴ってタービン排気温度も上昇することから、低温用再生熱交換器８１の入口にて温水噴霧された水分の蒸発完了位置は、再び上流側へ移動することになる。また、低温用再生熱交換器８１並びに高温用再生熱交換器８２において、タービン排気と熱交換する混合ガスの量が増加するため、ガスタービン下流のボイラー４での交換熱量が減少することから、ドラム１９から外部へ供給される蒸気量は減少する。

同様に、ドラム１９から外部へ供給する蒸気を増加させ発電量を減少させるためには、温水噴霧量並びに燃料量を減少させることにより対応する。単に温水噴霧量のみを減少させた場合には、低温用再生熱交換器８１の空気側温度が上昇すると共に、燃焼器２へ湿分が減少した混合ガスが流入し燃焼温度が上昇する。従って、温水噴霧量を減少すると共に、空気分岐配管Ｐ３の空気流量調節弁１３の開度をさらに開き、空気配管Ｐ２への圧縮空気の流量を減少する。これにより、燃焼器２へ供給される同一燃料流量の条件においては、圧縮空気より高温の混合ガスが燃焼器２へより少なく供給されるが、燃焼器２へ供給される湿分量も減少することから燃焼温度の低下幅が少なくなり、その結果タービン排気の温度低下も少なくなる。従って、低温用再生熱交換器８１にて温水噴霧された水分の蒸発完了位置の高温用再生熱交換器８２側（下流側）への移動も少なくなる。最終的には、燃焼器２の燃焼温度（間接的にはタービン排気温度で測定）が制限値内になるように燃料流量を減少させ、ガスタービンによる発電量を目標発電機出力まで減少させる。また、低温用再生熱交換器８１並びに高温用再生熱交換器８２において、タービン排気と熱交換する混合ガスの量が減少するため、ガスタービン下流のボイラー４での交換熱量が増加することから、ドラム１９から外部へ供給される蒸気量は増加する。

上述したように、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムでは、空気分岐配管の空気流量，温水噴霧量、及び燃料流量とを変化させることにより、外部へ供給する蒸気量とガスタービンによる発電量を調整することが出来る。また、この時、低温用再生熱交換器８１の入口にて温水噴霧した水分の蒸発完了位置が高温用再生熱交換器８２に至らないように調整し、機器の信頼性を確保することが可能となる。

本発明のガスタービンコージェネレーションシステムにおいて、空気分岐配管Ｐ３に設置した空気流量調節弁１３は、圧縮機１から燃焼器２に直接供給される圧縮空気量と低温用再生熱交換器８１及び高温用再生熱交換器８２を介して燃焼器２に供給される混合ガスとの流量比を調節する機能を有している。これとは別に、ガスタービンコージェネレーションシステムの異常時における保護機能をも併せ持つ。

すなわち、ガスタービンコジェネレーションシステムでは、発電した電気は外部へ供給するが、何等かの要因で外部の負荷が急速に喪失した場合、負荷が急激に軽くなったことによりガスタービン３の過速が発生する。このため、通常、ガスタービンの機器保全を目的に最大許容過速を設定し、その最大許容過速を超えないように燃料緊急遮断の保護システムを設けて、負荷遮断後における燃焼器での高温の燃焼ガスの発生を抑える。

本発明のガスタービンコジェネレーションシステムでは、低温用再生熱交換器８１並びに高温用再生熱交換器８２にて、圧縮空気と水蒸気との混合ガスとタービン排気とを熱交換するシステム構成である。このため、上述したように燃料流量のみを緊急遮断したとしても、これらの低温用再生熱交換器８１，高温用再生熱交換器８２の保有熱量によって加熱された高温の混合ガスが燃焼器２へ流入し、無負荷のタービン３を駆動することから、タービン３が機器保全の限度を超えて過速状態となる可能性が有る。従って、負荷遮断が発生した場合には、燃料流量調節弁１４による燃料Ｆの緊急遮断だけでなく、温水噴霧を温水流量調節弁１５，１６にて緊急停止すると共に空気分岐配管Ｐ３に設けられた空気流量調節弁１３を緊急全開とし、高温の混合ガスが燃焼器２へ流入することを抑制する。これにより、タービン３の機器保全のための許容限度以上となるような過速を防止する。

なお、低温用再生熱交換器８１，高温用再生熱交換器８２の熱容量、発電機５を含むガスタービン３の慣性質量、等によっては、空気分岐配管Ｐ３に設けた空気流量調節弁１３を緊急全開にする必要がないことは当然であり、ガスタービンコジェネレーションシステムの設備構成に応じて、タービン過速を防止するために緊急時の空気流量調節弁１３の開度及び弁開度速度は調整されることになる。

本発明のガスタービンコジェネレーションシステムのその他の一実施例を図２に示す。図１と異なる点は、温水噴霧器１１が空気分岐配管Ｐ３の位置より下流側の空気配管Ｐ１に設けたことである。図１においては、圧縮機１による圧縮空気の全量に対して温水噴霧器１１による温水噴霧が可能であり、ガスタービンの出力増加幅を大きくすることが出来る。

これに対して図２においては、空気分岐配管Ｐ３にて予め燃焼器２側へ空気分岐した残りの空気に対して温水噴霧することになる。従って、空気配管Ｐ１内にて温水噴霧器１１にて噴霧した温水を蒸発させるためには、その温水噴霧量を図１と比較して少なくする必要がある。これは、ガスタービン出力の増加幅が少なくすることを意味している。しかしながら、温水噴霧後の混合ガスを低温用再生熱交換器８１，高温用再生熱交換器８２にて加熱し燃焼器２へ供給した場合、この混合ガス内の湿分の増減によって直接的に燃焼ガス温度が変化するため、より感度の高い細かなガスタービン出力の調整並びに外部への蒸気供給のための操作ができる。

なお、通常システム運転時において、空気分岐配管Ｐ３に設けた空気流量調節弁１３を全閉運用する場合には、図１と図２とは同一特性となることは明らかである。

本発明のガスタービンコージェネレーションシステムによれば、ガスタービン排気から効果的に排熱回収するために、圧縮空気の全量あるいは一部とガスタービン排気で加熱した温水とを用いて再生熱交換器にて排熱回収することにより、ガスタービンの発電効率の低下を抑制することが出来る。

また、再生熱交換器を低温用再生熱交換器と高温用再生熱交換器とに分離配置し、圧縮機下流の空気分岐配管に設けた空気流量調節弁の開度を調整して、低温用再生熱交換器内に設けた温水噴霧器から圧縮空気へ噴霧した温水を低温用再生熱交換器内にて蒸発完了させるようにできるため、高温用再生熱交換器への水分流入防止により機器信頼性を確保することができ、ガスタービンコージェネレーションの安定運転上好ましい。

本発明のガスタービンコジェネレーションシステムの一実施例の全体構成図である。本発明のガスタービンコジェネレーションシステムのその他の一実施例の全体構成図である。従来のガスタービンコジェネレーションシステムの全体構成を示す図である。従来の部分再生式二流体ガスタービンによるコジェネレーションシステムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…ボイラー、５…発電機、６…加熱器、
１０…水噴霧器、１１，１２…温水噴霧器、１３…空気流量調節弁、１５，１６…温水流量調節弁、１９…ドラム、８１…低温用再生熱交換器、８２…高温用再生熱交換器、Ｐ１，Ｐ２…空気配管、Ｐ３…空気分岐配管。

Claims

圧縮機の吸気空気を加湿する水噴霧器と、該水噴霧器で加湿された高湿分空気を圧縮する圧縮機と、燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動され前記圧縮機を駆動するガスタービンと、前記圧縮機からの圧縮空気に温水を噴霧する温水噴霧器と、前記温水噴霧器にて水分が添加された混合ガスをタービンの下流に設けられたタービン排気を用いて加熱蒸発させるための再生熱交換器と、前記再生熱交換器の下流に設けられタービン排気を熱源として水を加熱蒸発させるボイラーと、前記ボイラーの下流に設けられタービン排気を熱源として給水を加熱して温水とする加熱器と、前記圧縮機による圧縮空気を温水噴霧器へ導くための空気配管と、前記空気配管の一部から分岐して前記燃焼器へ空気を分岐する空気分岐配管と、前記温水噴霧器による水分添加の混合ガスを前記再生熱交換器を介して前記燃焼器に導くための混合ガス配管と、前記加熱器による温水の一部を前記温水噴霧器へ導くための温水配管とを備えたことを特徴とするガスタービンコージェネレーションシステム。
ボイラーで発生した水蒸気を外部供給用蒸気として導く蒸気配管を有し、かつ空気分岐配管に圧縮空気の流量調整のための空気流量調節弁が設けられ、さらに、再生熱交換器は低温用再生熱交換器と高温用再生熱交換器とに分離され、複数の温水噴霧器は圧縮機と空気分岐配管との間の空気配管、及び低温用再生熱交換器入口あるいは低温用再生熱交換器内にそれぞれ設けられた構成であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンコージェネレーションシステム。
ボイラーで発生した水蒸気を外部供給用蒸気として導く蒸気配管を有し、かつ空気分岐配管に圧縮空気の流量調整のための空気流量調節弁が設けられ、さらに、再生熱交換器は低温用再生熱交換器と高温用再生熱交換器とに分離され、複数の温水噴霧器は圧縮機と空気分岐配管と空気配管との間、及び低温用再生熱交換器入口あるいは低温用再生熱交換器内にそれぞれ蒸発距離を有するように設けられた構成であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンコージェネレーションシステム。