JP2005140023A - Micro gas turbine power generating installation - Google Patents
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本発明は、水噴霧により発電出力を増加させるマイクロガスタービン設備に関する。 The present invention relates to a micro gas turbine facility that increases power generation output by water spray.
水噴霧によって発電出力を増強するタイプの再生式ガスタービンとしては、例えば特開2001−254632号公報に記載の技術がある。この特開2001−254632号公報には、再生式ガスタービン圧縮機吐出部に温水噴射による加湿器を設けて、発電出力を増加させることを可能とする熱電併給設備について記載されている。 As a type of regenerative gas turbine that enhances the power generation output by water spray, for example, there is a technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-254632. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-254632 describes a combined heat and power supply facility that can increase a power generation output by providing a humidifier by hot water injection at a discharge portion of a regenerative gas turbine compressor.
水噴霧によって圧縮機吐出空気を加湿する場合、限られたスペースで噴霧水を完全に蒸発させるためには、噴霧水の水滴径を微小にする必要がある。微小水滴を発生させる噴霧ノズルでは、単独のノズルでは自ずと供給流量に限界がある。このため、広範囲な噴霧水流量をカバーすることが要求される場合、複数のノズルを備え、これらのノズルの流量制御を実施する必要がある。一方、マイクロガスタービンの利点は構造が単純で部品点数が少ないこと、さらには運転制御は回転数と燃料流量の制御のみで行うという点にある。水噴霧を伴う場合には、これに噴霧水の流量制御が加わることになり、その流量制御のためにシンプルが特徴であるマイクロタービンの運転制御は複雑化し、その利点が失われる。 When the compressor discharge air is humidified by water spray, it is necessary to make the water droplet diameter of the spray water minute in order to completely evaporate the spray water in a limited space. In the spray nozzle that generates minute water droplets, the supply flow rate is naturally limited by a single nozzle. For this reason, when it is required to cover a wide range of spray water flow rates, it is necessary to provide a plurality of nozzles and control the flow rate of these nozzles. On the other hand, the advantage of the micro gas turbine is that the structure is simple and the number of parts is small, and that the operation control is performed only by controlling the rotation speed and the fuel flow rate. When water spray is accompanied, the flow rate control of the spray water is added to this, and the operation control of the micro turbine, which is characterized by simplicity for the flow rate control, becomes complicated and the advantages are lost.
本発明の目的は、広範囲な噴霧水流量領域を扱えて、その流量制御を簡単にすることができるマイクロガスタービン発電設備を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a micro gas turbine power generation facility capable of handling a wide range of spray water flow rate and simplifying the flow rate control.
上記目的を達成する為に、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンの排気ガスと前記燃焼器に導かれる圧縮空気とを熱交換する再生熱交換器とを有するマイクロガスタービン設備において、圧縮機吐出空気への噴霧水を供給する給水ラインとして、給水流量を連続的に調整する第1の噴霧水供給ラインと、遮断弁の開閉によって規定流量の供給の有無を調節する第2の噴霧水供給ラインを設ける。 In order to achieve the above object, a compressor that compresses air, a combustor that combusts compressed air and fuel, a turbine that is driven by combustion gas generated in the combustor, and an exhaust gas of the turbine And a regenerative heat exchanger for exchanging heat between the compressed air guided to the combustor and a feed water line for supplying spray water to the compressor discharge air, the feed water flow rate is continuously adjusted A first spray water supply line and a second spray water supply line for adjusting the presence or absence of supply of the prescribed flow rate by opening and closing the shut-off valve are provided.
本発明によれば、噴霧水を利用するマイクロガスタービン発電設備において、広範囲な噴霧水流量領域を扱えて、その流量制御を簡単にすることができる。 According to the present invention, in a micro gas turbine power generation facility using spray water, a wide range of spray water flow rate regions can be handled, and the flow rate control can be simplified.
以下、本発明に関わるマイクロガスタービン発電設備の実施例について、図1から図4を用いて説明する。 Embodiments of a micro gas turbine power generation facility according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1は本発明の一実施例であるマイクロガスタービン発電設備のシステム系統図を示す。図示するマイクロガスタービン発電設備は、タービン1,圧縮機2,発電機3,電力変換器4,再生熱交換器5および燃焼器6によって構成される再生サイクルからなるガスタービンシステムである。発電機3は、界磁発生に永久磁石を用いた永久磁石三相発電機で、駆動軸15にはその同一軸の延長端に圧縮機2とタービン1が取り付けられている。また、発電機3は電力変換器4と動力配線16で接続されている。電力変換器4は、交流電力を直流に変えるコンバータとその直流電力を商用周波数に合わせた交流電力に変換するインバータで構成されている。
FIG. 1 is a system diagram of a micro gas turbine power generation facility according to an embodiment of the present invention. The illustrated micro gas turbine power generation facility is a gas turbine system including a regeneration cycle including a
タービンシステムの運転開始時は、図示していない系統側から電気を引き入れ、発電機に供給して発電機3を電動機として作動させる。共通の駆動軸15の回転により、圧縮機2とタービン1が回転する。圧縮機2はフィルタ7を介して外気を吸い込み、昇圧して再生熱交換器5を通して燃焼器6に吐出空気を供給する。駆動軸15の回転数の増加に伴い吐出空気圧力が増加し、規定の回転数または吐出圧力に到達したところで、燃料供給ラインである燃料配管8に設置された燃料供給弁9を開けて燃料を燃焼器6に供給し、圧縮機からの吐出空気と混合させ燃焼させる。燃焼ガスはタービン1で膨張仕事をして再生熱交換器5を通り、タービンシステム外部に排出される。燃焼ガスのタービン1での膨張仕事の増加により発電機3で発電が開始されると、電力変換器4は、動力配線16を介して流入する電力を系統側電力の周波数に変換して出力する。
At the start of operation of the turbine system, electricity is drawn from the system side (not shown) and supplied to the generator to operate the
また、図示するマイクロタービン設備では、タービン1からの排ガスは配管13を介して再生熱交換器5に導かれる。再生熱交換器5内では、圧縮機からの吐出配管11によって導かれた圧縮空気と熱交換して、圧縮機からの吐出空気温度を上昇させる。圧縮機吐出空気を加熱した排ガスは、配管14を通して再生熱交換器5から排出される。
In the illustrated micro turbine facility, the exhaust gas from the
図示するような再生サイクルでは、再生熱交換器5で排気からいかに多くの熱エネルギーを回収できるかがサイクルの効率向上と発電出力の増加に繋がる。そこで、本実施例では再生熱交換器5での熱交換量を増加させる目的で、吐出空気に水噴霧を行う第1の噴霧水供給ラインとして飽和加湿水ライン30を圧縮機吐出配管11に設置している。この飽和加湿水ライン30には、再生熱交換器5に供給される空気に水噴霧する噴霧水ノズル
17,給水流量をコントロールする噴霧水流量制御弁18,給水を遮断する遮断弁23、及び噴霧水ノズル17で噴霧する水を供給する導水管19によって構成される。水噴霧の効果は、水噴霧による加湿で再生熱交換器の低温側空気配管の入口温度を低下させて、再生熱交換器での熱交換量を増加させて排熱回収量を増加させることと、水噴霧によって燃焼器への流量そのものが増加するという効果がある。
In the regeneration cycle as shown in the figure, how much heat energy can be recovered from the exhaust by the
噴霧水の量は、再生熱交換器の低温空気側(圧縮機吐出空気)の入口圧力状態において、空気温度を飽和温度まで低下させるのに必要な量である。圧縮機の吐出空気温度は、吸気側、つまり大気温度条件によって変わるため、噴霧水ノズル17から噴霧する水量は噴霧水流量制御弁18でコントロールする。なお、大気温度の上昇によって、例えば、タービン設計点(ISO条件、15℃,101.3kPa ,30%相対湿度)での定格出力を発生するのに必要な空気流量が不足する場合、先に示した水噴霧による流量増加効果で、不足空気流量を補うことができる。このように、圧縮機吐出空気に供給される水分量は、外気温度と、要求負荷によって、広範囲の流量が必要になる。さらに噴霧された水は、その後、再生熱交換器5に流入するため、水滴が再生熱交換器の高温壁に付着することで生じる熱衝撃による損傷を回避するため、再生熱交換器の入口までの距離で完全に蒸発していることが望ましい。
The amount of spray water is an amount necessary for lowering the air temperature to the saturation temperature in the inlet pressure state on the low temperature air side (compressor discharge air) of the regenerative heat exchanger. Since the discharge air temperature of the compressor varies depending on the intake side, that is, the atmospheric temperature condition, the amount of water sprayed from the
そこで本実施例では、圧縮機吐出空気に水噴霧する第2の噴霧水供給ラインとして、導水管22,遮断弁21、及び噴霧水ノズル20によって構成される過飽和加湿水ライン
31を圧縮機吐出配管11に設置している。すなわち、本実施例では飽和加湿水ライン
30と過飽和加湿水ライン31の二つのラインによって水噴霧を行うように構成している。導水管19の上流側に設置される遮断弁23はON/OFF操作で、このラインへの水の供給自体をコントロールしている。
Therefore, in the present embodiment, as the second spray water supply line for spraying water on the compressor discharge air, the supersaturated
噴霧水の制御は、大気温度があまり高くない状態で、圧縮機からの吐出空気量で設計の定格出力を発電できる場合は、配管11における再生熱交換器5の入口の空気圧力状態における飽和温度まで温度低下させるのに必要な量だけの水を噴霧水ノズル17から供給する。噴霧水量は全て流量制御弁18によって流量制御される。飽和温度まで温度低下させるのに必要な水量は、再生熱交換器の入口に設置された温度計26と圧力計27からデータによって算出される。
In the control of the spray water, when the rated output of the design can be generated by the amount of air discharged from the compressor in a state where the atmospheric temperature is not so high, the saturation temperature in the air pressure state at the inlet of the
大気温度が上昇して、定格出力発電に対する空気流量が不足するような大気状態になった場合は、噴霧水ノズル20からの噴霧水によって噴霧水量を増加する。ここで、噴霧水ノズル20が設置される過飽和加湿水ライン31の噴霧水流量は、遮断弁21の開閉操作のみで制御されるため、規定流量100%が供給されるか、0%となるかの2通りの供給方法のみである。タービンシステムとしては、噴霧水ノズル17から成る飽和加湿水ライン30の水の連続制御と、噴霧水ノズル20から成る過飽和加湿水ライン31のON/
OFF制御によって供給される水との合計量となる。
When the atmospheric temperature rises and the air flow for the rated output power generation becomes insufficient, the amount of spray water is increased by the spray water from the
This is the total amount of water supplied by the OFF control.
図2(a)は、再生熱交換器入口状態を飽和温度まで低下させるのに必要な加湿水流量と外気温との関係を示したもので、図2(b)は、再生熱交換器入口で図2(a)に示された加湿水が供給された場合のタービンシステムの発電出力を示したものである。外気温度が例えば30℃を超えるような状態になると、タービンの定格出力発生に必要な空気量が不足するため、飽和状態までの加湿を行っても出力低下が生じる。 FIG. 2 (a) shows the relationship between the humidified water flow rate required to lower the regeneration heat exchanger inlet state to the saturation temperature and the outside air temperature, and FIG. 2 (b) shows the regeneration heat exchanger inlet. 2 shows the power generation output of the turbine system when the humidified water shown in FIG. 2 (a) is supplied. When the outside air temperature exceeds 30 ° C., for example, the amount of air necessary for generating the rated output of the turbine is insufficient, so that the output is reduced even when humidification is performed up to the saturation state.
図3は、本発明の噴霧水の供給方法を示した図である。図3は図2と同様に外気温に対する噴霧水量の関係を示したものである。図2(a)において、再生熱交換器入口において飽和温度までの温度低下で、タービン発電量が定格発電を確保できる外気温(図中のA点)までは、飽和加湿水ライン30のみによる噴霧水の供給を行う。このとき、噴霧水量は外気温に合わせて、飽和加湿水ライン30に設置された流量制御弁によって制御される。図中A点以上の外気温の高い領域では、飽和加湿水ライン30からの噴霧水の供給を止め、代わりに過飽和加湿水ライン31の遮断弁を開放してこのラインから噴霧水を供給する。過飽和加湿水ライン31での噴霧水量は、図3(a)に示すように、飽和加湿水ライン30での噴霧水供給量よりも多くなるように導水管,遮断弁およびノズルを設定しておく。図中A点以上の外気温の高い状態では、発電出力が、要求負荷に達するまで噴霧水の供給を行う。図3(a)のB点は、過飽和加湿水の供給だけでは要求負荷に見合う発電ができなくなった点であり、飽和加湿水ライン30からの噴霧水の供給も開始して、必要な噴霧水量を確保する。図中B点以上の領域に対しては、要求負荷を満足する発電量に達するまで噴霧水流量を供給し、流量のコントロールは飽和加湿水ライン30に設置された流量制御弁によって行われる。
FIG. 3 is a view showing the spray water supply method of the present invention. FIG. 3 shows the relationship of the amount of spray water with respect to the outside air temperature as in FIG. In FIG. 2A, spraying by only the saturated
図3(a)に示した噴霧水の供給方法では、流量のコントロールは飽和加湿水ライン
30に設置された流量制御弁のみで、他のラインに関してはON/OFF指令のみの制御となる。
In the spray water supply method shown in FIG. 3A, the flow rate is controlled only by a flow rate control valve installed in the saturated humidified
図1に示した噴霧水供給システム構成と図3に示した噴霧水供給方法によって、広範囲な外気温領域まで、要求負荷を満足できる噴霧水流量の供給ができ、さらに噴霧水流量のコントロールは、飽和加湿水ライン30に設置された流量制御弁のみで、噴霧水流量の制御が簡素化できるという効果がある。
The spray water supply system configuration shown in FIG. 1 and the spray water supply method shown in FIG. 3 can supply a spray water flow rate that satisfies the required load up to a wide range of outside air temperature. There is an effect that the control of the spray water flow rate can be simplified only by the flow rate control valve installed in the saturated humidified
また、噴霧水流量が2本のラインからの供給で足りない場合には、遮断弁,導水管,噴霧ノズルから成る過飽和加湿水ライン31を増加して対応でき、要求負荷を満足する噴霧水量が確保されるまで過飽和加湿水ライン31の遮断弁を順次開放して、水を供給し、最後に再度、飽和加湿水ラインの流量制御弁の開度調整を行う。この場合も、図1及び図3に示したものと同様に広範囲の流量を単純な操作で制御できるという効果がある。
In addition, when the supply of spray water is insufficient from two lines, it is possible to increase the number of supersaturated humidified
本発明の他の実施例を図4に示す。図1と同じ構成については説明を省略する。図4に示す本実施例は、圧縮機2からの吐出空気配管11を2つの配管24と25に分岐して、飽和加湿水ライン30からの噴霧水供給と、過飽和加湿水ライン31からの噴霧水供給をそれぞれ別配管で実施するものである。導水管19,流量制御弁18,噴霧水ノズル17から成る飽和加湿水ライン30は、配管24に取り付けられ、導水管22,遮断弁21,噴霧水ノズル20から成る過飽和加湿水ライン31は配管25に取り付けられている。図4の実施例では、飽和加湿水ライン30からの噴霧水と、過飽和加湿水ライン31からの噴霧水は、別配管に設置されるため、それぞれのノズルから噴霧される水滴の干渉を避けられる。これにより、水滴の合体による水滴径の肥大化を防止でき噴霧水の蒸発を早めるという効果がある。また、再生熱交換器5への水滴流入を防止できるため、流入水滴の再生熱交換器壁面への付着により生じる熱衝撃を防止でき、再生熱交換器の長寿命化が図れるという効果がある。
Another embodiment of the present invention is shown in FIG. The description of the same configuration as in FIG. 1 is omitted. In the present embodiment shown in FIG. 4, the
以上のように、図1〜図4に示す実施例では、飽和空気温度まで圧縮機吐出空気温度を低下させるのに必要な噴霧水流量を供給する飽和加湿水ラインと、大気温度上昇時に要求負荷に必要な空気量確保のために水噴霧する過飽和加湿水ラインとを分割して、水量制御は飽和加湿水ラインから供給される噴霧水量のみとし、過飽和加湿水を行う噴霧水ラインからはON/OFF制御による噴霧水の供給を行っている。2系統に分けた噴霧水供給ラインにより、発電効率向上と、大気温が上昇した場合にも要求負荷を満足するのに必要となる広範囲な噴霧水量を供給でき、さらにその流量制御を簡素化できる。これにより、噴霧水を利用するマイクロタービンシステムにおいて、噴霧水供給ラインと噴霧水流量の制御が簡素化でき、かつ、大気温の高い雰囲気条件においても設計計画点の大気温度と同等の発電出力が得られる。 As described above, in the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the saturated humidified water line that supplies the spray water flow rate necessary for lowering the compressor discharge air temperature to the saturated air temperature, and the required load when the atmospheric temperature rises. The supersaturated humidified water line that sprays water to secure the amount of air required to divide the water is controlled only by the amount of sprayed water supplied from the saturated humidified water line. Spray water is supplied by OFF control. The spray water supply line divided into two systems can improve the power generation efficiency, supply a wide range of spray water required to satisfy the required load even when the temperature rises, and simplify the flow control. . This makes it possible to simplify the control of the spray water supply line and the flow rate of the spray water in a micro turbine system that uses spray water, and to generate a power output that is equivalent to the air temperature at the design plan point even under atmospheric conditions with a high atmospheric temperature. can get.
1…タービン、2…圧縮機、3…発電機、4…双方向電力変換器、5…再生熱交換器、6…燃焼器、7…吸気フィルタ、8…燃料配管、9…燃料供給弁、15…駆動軸、16…動力配線、17,20…噴霧水ノズル、18…噴霧水流量制御弁、19,22…導水管、
21,23…遮断弁、26…温度計、27…圧力計、30…飽和加湿水ライン、31…過飽和加湿水ライン。
DESCRIPTION OF
21 ... 23 shutoff valve, 26 ... thermometer, 27 ... pressure gauge, 30 ... saturated humidified water line, 31 ... supersaturated humidified water line.
Claims (7)
圧縮機吐出空気への噴霧水を供給する給水ラインとして、流量調節弁により給水流量を連続的に調整する第1の噴霧水供給ラインと、遮断弁により規定流量の供給の有無を調節する第2の噴霧水供給ラインを設けたことを特徴とするマイクロガスタービン発電設備。 Compressor for compressing air, combustor for burning compressed air and fuel, turbine driven by combustion gas generated in the combustor, exhaust gas of the turbine, and compression guided to the combustor In a micro gas turbine facility having a regenerative heat exchanger for exchanging heat with air,
As a water supply line for supplying spray water to the compressor discharge air, a first spray water supply line that continuously adjusts the supply water flow rate by a flow rate adjustment valve, and a second that adjusts whether or not a specified flow rate is supplied by a shut-off valve A micro gas turbine power generation facility provided with a spray water supply line.
圧縮機吐出空気への噴霧水を供給する給水ラインとして、流量調節弁によって給水流量を連続的に調整する第1の噴霧水供給ラインと、遮断弁によって規定流量の供給の有無を調節する第2の噴霧水供給ラインを備え、
前記遮断弁が閉状態の時は、再生熱交換器入口における圧縮機吐出空気の状態が飽和温度まで低下するように調節弁で噴霧水の供給量を制御し、遮断弁が開状態のときは、発電機出力が要求される出力に達するまで噴霧水を供給するよう流量制御を行い、遮断弁の開閉操作は外気温が規定する温度まで上昇したときに開となるよう制御することを特徴とするマイクロガスタービン発電設備の制御方法。
Compressor for compressing air, combustor for burning compressed air and fuel, turbine driven by combustion gas generated in the combustor, exhaust gas of the turbine, and compression guided to the combustor In a control method of a micro gas turbine facility having a regenerative heat exchanger for exchanging heat with air,
As a water supply line for supplying spray water to the compressor discharge air, a first spray water supply line that continuously adjusts the supply water flow rate by a flow rate adjustment valve, and a second that adjusts whether or not a specified flow rate is supplied by a shut-off valve Equipped with a spray water supply line
When the shut-off valve is closed, the supply amount of spray water is controlled by a control valve so that the state of the compressor discharge air at the inlet of the regenerative heat exchanger is lowered to the saturation temperature, and when the shut-off valve is open The flow rate is controlled so that spray water is supplied until the generator output reaches the required output, and the shut-off valve opening / closing operation is controlled to open when the outside air temperature rises to the specified temperature. A control method for a micro gas turbine power generation facility.
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