JP2007023976A - ガスタービン発電装置及びガスタービン複合発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で、効率的にエネルギを有効利用可能な、又はエネルギを回収可能なガスタービン発電装置、又はガスタービン複合発電システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りライン５０を備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機３２、燃料ガスを燃焼させる燃焼器３５、及び該燃焼器３５に圧縮空気を送る空気圧縮機３７を含み構成されるガスタービン発電装置において、該燃料ガス戻りライン５０を流通する、該燃料ガス圧縮機３２で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置５５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギの有効利用が可能なガスタービン発電装置、ガスタービン複合発電システムに関し、特に燃料ガスの一部を循環する燃料ガス圧縮機を有するガスタービン発電装置、ガスタービン発電装置を備える複合発電システムに関する。

図７は、従来の高炉ガスなどの低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン複合発電システム１の概略的構成を示す図である。ガスタービン複合発電システム１は、ガスタービン発電装置と、汽力発電装置とに大別される。ガスタービン発電装置は、高炉ガスなどの燃料を燃焼させた燃焼ガスで、ガスタービン、ガスタービンに連結される発電機を駆動させ発電を行う。一方、汽力発電装置は、ガスタービンを出た燃焼ガスの熱を、排熱回収ボイラーで回収し、蒸気を発生させ、蒸気タービン、発電機を駆動させ発電を行う。このように燃焼ガスの熱を回収することで熱効率を高めるシステムとなっている。

高炉ガスなどの低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン発電装置では、燃料ガスは、圧力が低いため軸流式の燃料ガス圧縮機２で所定の圧力まで昇圧して、燃焼器３に送られ燃焼される。具体的には、燃料ガスは、管路４を通じて電気集じん装置５に導かれ、ここで除じんされた後、燃料ガス圧縮機２に導かれ、ここで所定圧力まで昇圧される。圧縮された燃料ガスは、燃料遮断弁６を経由して燃焼器３に送られ、空気圧縮機７で圧縮された空気と混合して燃焼する。この燃焼ガスは、ガスタービン８の駆動源となり、ガスタービン８は、空気圧縮機７、燃料ガス圧縮機２を駆動するとともに、発電機９を駆動し、これにより発電を行う。

燃料ガス圧縮機２に使用する軸流式圧縮機は、サージングの範囲が広く、燃料ガスの流量が所定量以下になるとサージングが発生するため、これを回避する目的で、所定の流量以下とならないように、燃料ガス戻りライン１０を通じて吐出ガス（燃料ガス）の一部を循環運転している。燃料ガス戻りライン１０の途中には、戻りガス（循環ガス）量を調整するための第一のガス戻量制御弁１１が備えられている。また、燃料ガス戻りライン１０は、大量の戻りガスを処理するためのバイパスライン１２を有し、バイパスライン１２には、第二のガス戻量制御弁１３が配設されている。燃料ガス圧縮機２で燃料ガスを圧縮すると、燃料ガスの温度が上昇するため、循環ガスは、燃料ガス戻りライン１０に配設されたガス冷却器１４で冷却され、燃料ガス圧縮機２に返送される。

排熱回収ボイラー２０は、低圧節炭器２１を備え、低圧給水ポンプ２２で送水された給水を、ガスタービン８からの燃焼ガスで予熱する。予熱された給水の大部分は、高圧給水ポンプ２３を経由して、排熱回収ボイラー２０の高圧節炭器、高圧蒸発器、高圧過熱器に送られ高圧蒸気となり、蒸気タービン２４を駆動する。また、予熱された給水の一部は、排熱回収ボイラー２０の低圧蒸発器、低圧過熱器に送られ低圧蒸気となり、蒸気タービン２４を駆動する。蒸気タービン２４は、連結する発電機９を駆動し、発電を行う。

蒸気タービン２４を出た蒸気は、復水器２５で復水となり、復水ポンプ２６を経由して低圧給水ポンプ２２に送られ、循環使用される。また本排熱回収ボイラーは、低圧節炭器２１の腐食を防止するための節炭器循環ポンプ２７を備えるとともに、排熱回収ボイラー２０から排出される燃焼ガスを放出する煙突２８を備える。

ガスタービン複合発電システム１は、概略上記のような構成からなるが、燃料ガス圧縮機には、燃料ガス戻りラインから返送される燃料ガスと、管路４から供給される燃料ガスのカロリーが相違し、ガスタービンの回転数や負荷が変動する課題が指摘されている。これを解決するため、燃料ガス戻りラインから返送される燃料ガスと、管路４から供給される燃料ガスの混合を行う技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
特開平９−７９０４６号公報

高炉ガスなどの低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン発電装置、又はガスタービン発電装置を備える複合発電システムであって、圧縮した燃料ガスの一部を循環しながら運転を行う発電システムにおいては、図７に示したように燃料ガス戻りラインの高温、高圧の循環ガスの有するエネルギが十分に利用、回収されていない。これは循環ガスが発電システムの運転上、重要な役割を果し、循環ガスを安定的に循環させることが必要なこと、循環ガスを十分に冷却し、かつ大気圧近傍まで減圧した後、燃料ガス圧縮機へ戻さなければならないという制約を伴うことによる。

これら発電システムにおいて、エネルギを有効に利用、あるいは回収することができれば、これら発電システムにとって有用であることは言うに及ばない。特許文献１に記載の技術は、高炉ガスなどの低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン発電システムにとって有用な技術であるが、エネルギの有効利用、又はエネルギの回収に関する技術ではない。エネルギを有効に利用する技術、あるいはエネルギを効率的に回収する技術を備えた、高炉ガスなどの低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン発電装置、ガスタービン発電装置を備える複合発電システムは、他の文献等にも開示されておらず、開発が待たれている。

本発明の目的は、簡便な構成で、効率的にエネルギを有効利用可能な、又はエネルギを回収可能なガスタービン発電装置、又はガスタービン複合発電システムを提供することにある。

本発明は、燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機、燃料ガスを燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置において、
該燃料ガス戻りラインを流通する、該燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を備えることを特徴とするガスタービン発電装置である。

また本発明で、前記エネルギ回収装置は、発電機を備える膨張タービン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発電装置である。

また本発明で、前記エネルギ回収装置は、膨張タービン、該膨張タービンと連結された冷媒圧縮機、該冷媒圧縮機により圧縮された冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁、及び該膨張弁から送られる冷媒を蒸発させる蒸発器を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置であり、
該蒸発器で、前記燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は前記空気圧縮機の吸気エアーと冷媒との熱交換を行い、該燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は前記空気圧縮機の吸気エアーを冷却することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電装置である。

また本発明は、燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機、燃料ガスを燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置と、
節炭器、排熱回収ボイラー、及び蒸気タービンを含み構成される汽力発電装置と、を備えるガスタービン複合発電システムにおいて、
該燃料ガス戻りラインを流通する、該燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を備えることを特徴とするガスタービン複合発電システムである。

また本発明で、前記エネルギ回収装置は、発電機を備える膨張タービンであることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン複合発電システムである。

また本発明で、前記エネルギ回収装置は、前記燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスと前記排熱回収ボイラーの給水とで熱交換を行う熱交換器であり、該熱交換器を用いて前記排熱回収ボイラーの給水温度を上昇させた後、該給水を前記節炭器へ送ることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン複合発電システムである。

また本発明で、前記エネルギ回収装置は、ヒートパイプであり、ヒートパイプを用いて前記燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスから熱を回収し、この回収した熱を用いて前記排熱回収ボイラーの給水温度を上昇させた後、該給水を前記節炭器へ送ることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン複合発電システムである。

また本発明で、前記エネルギ回収装置は、膨張タービン、該膨張タービンと連結された冷媒圧縮機、該冷媒圧縮機により圧縮された冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁、及び該膨張弁から送られる冷媒を蒸発させる蒸発器を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置であり、
該蒸発器で、前記燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は前記空気圧縮機の吸気エアーと冷媒との熱交換を行い、該燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は前記空気圧縮機の吸気エアーを冷却することを特徴とする請求項４に記載のガスタービン複合発電システムである。

また本発明で、さらに前記凝縮器は、前記節炭器の入口側の給水管路途中に配設され、該給水温度を上昇させることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン複合発電システムである。

また本発明は、燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機を備えるガスタービン発電装置において、
該燃料ガス戻りラインの途中に配設され、圧縮された燃料ガスの循環量を制御可能なガス戻量制御弁と、
該燃料ガス戻りラインの途中であり、該ガス戻量制御弁の出口に配設される膨張タービンと、
該燃料ガス戻りラインの途中であり、該膨張タービンの出口に配設されるガス冷却器と、を含み構成し、
流通する高温、高圧の燃料ガスからエネルギを回収するとともに、高温、高圧の燃料ガスを冷却し、かつ燃料ガスの圧力を大気圧近傍の圧力まで減圧した後、該燃料ガス圧縮機へ返送することを特徴とするガスタービン発電装置である。

また本発明は、燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機、燃料ガスを燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置と、
節炭器、排熱回収ボイラー、及び蒸気タービンを含み構成される汽力発電装置と、を備えるガスタービン複合発電システムにおいて、
該燃料ガス戻りラインの途中に配設され、圧縮された燃料ガスの循環量を制御可能なガス戻量制御弁と、
該燃料ガス戻りラインの途中であり、該ガス戻量制御弁の出口に配設される膨張タービンと、
該燃料ガス戻りラインの途中であり、該膨張タービンの出口に配設されるガス冷却器と、を含み構成し、
流通する高温、高圧の燃料ガスからエネルギを回収するとともに、高温、高圧の燃料ガスを冷却し、かつ燃料ガスの圧力を大気圧近傍の圧力まで減圧した後、該燃料ガス圧縮機へ返送することを特徴とするガスタービン複合発電システムである。

本発明によれば、燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置において、燃料ガス戻りラインを流通する、燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスから、エネルギを回収するエネルギ回収装置を備えるので、従来回収されることなく無駄に放出されていたエネルギを回収することができる。これによりエネルギを有効に利用することが可能なガスタービン発電装置を構築することができる。

また本発明は、燃料ガス戻りラインを流通する、燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスから、エネルギを回収するエネルギ回収装置を備えるので、既存のガスタービン発電装置のプロセスフローと大きく異なることがなく、既存のガスタービン発電装置にも容易に適用することができる。

また本発明によれば、エネルギ回収装置は、発電機を備える膨張タービンであるので、燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスから容易にエネルギを回収することができる。また燃料ガスの持つエネルギを電気の形で回収することができるので、回収したエネルギを利用しやすい。

また本発明によれば、エネルギ回収装置は、膨張タービン、膨張タービンと連結された冷媒圧縮機、冷媒圧縮機により圧縮された冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁、及び膨張弁から送られる冷媒を蒸発させる蒸発器を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置であり、蒸発器で、燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は空気圧縮機の吸気エアーと冷媒との熱交換を行い、吸気ガス及び／又は吸気エアーを冷却するので、吸気ガス及び／又は吸気エアーの密度を大きくすることができる。吸気ガス、吸気エアーの密度が大きくなることで、燃料ガス圧縮機、空気圧縮機の圧縮効率が増加し、燃料ガス圧縮機、空気圧縮機の動力を低減させることができる。ガスタービンに、燃料ガス圧縮機及び／又は空気圧縮機、及び発電機が連結されるガスタービン発電装置にあっては、燃料ガス圧縮機及び／又は空気圧縮機の駆動動力を低減（ガスタービン作動流体としての燃焼ガス量を増加）させることで発電量を増大させることができる。

また本発明によれば、燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機、燃料ガスを燃焼させる燃焼器、及び燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置と、節炭器、排熱回収ボイラー、及び蒸気タービンを含み構成される汽力発電装置と、を備えるガスタービン複合発電システムにおいて、燃料ガス戻りラインを流通する、燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を設けるので、従来回収されることなく無駄に放出されていたエネルギを回収することができる。これによりエネルギを有効に利用することが可能なガスタービン複合発電システムを構築することができる。

また本発明は、燃料ガス戻りラインを流通する、燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスから、エネルギを回収するエネルギ回収装置を備えるので、既存のガスタービン複合発電システムのプロセスフローと大きく異なることがなく、既存のガスタービン複合発電システムにも容易に適用することができる。

また本発明のガスタービン複合発電システムは、エネルギ回収装置を備え、エネルギ回収装置が、発電機を備える膨張タービンであるので、燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスから容易にエネルギを回収することができる。また燃料ガスの持つエネルギを電気の形で回収することができるので、回収したエネルギを利用しやすい。

また本発明のガスタービン複合発電システムは、エネルギ回収装置を備え、エネルギ回収装置が、燃料ガスと排熱回収ボイラーの給水とで熱交換を行う熱交換器であり、熱交換器を用いて排熱回収ボイラーの給水温度を上昇させた後、給水を節炭器へ送るので、節炭器の熱負荷を低減させることができる。この結果、排熱回収ボイラーでの蒸気発生量が増大し、発電量を増加させることができる。また節炭器への給水温度が高いので、節炭器の腐食を防止するために必要な節炭器循環ラインの熱負荷が低減し、節炭器循環ラインの循環量を低減することが可能となる。よって節炭器循環ポンプの動力、又は節炭器循環ポンプの台数、容量を抑えることができる。

また本発明のガスタービン複合発電システムは、エネルギ回収装置を備え、エネルギ回収装置が、ヒートパイプであり、ヒートパイプを用いて排熱回収ボイラーの給水温度を上昇させた後、給水を節炭器へ送るので、節炭器の熱負荷を低減させることができる。この結果、排熱回収ボイラーでの蒸気発生量が増大し、発電量を増加させることができる。また、節炭器への給水温度が高いので、節炭器の腐食を防止するために必要な節炭器循環ラインの熱負荷が低減し、節炭器循環ラインの循環量を低減させることができる。その結果、節炭器循環ポンプの動力、又は節炭器循環ポンプの台数、容量を抑えることができる。

また本発明のガスタービン複合発電システムは、エネルギ回収装置を備え、エネルギ回収装置が膨張タービン、膨張タービンと連結された冷媒圧縮機、冷媒圧縮機により圧縮された冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁、及び膨張弁から送られる冷媒を蒸発させる蒸発器を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置であり、蒸発器で、燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は空気圧縮機の吸気エアーと冷媒との熱交換を行い、吸気ガス及び／又は吸気エアーを冷却するので、吸気ガス及び／又は吸気エアーの密度を大きくすることができる。吸気ガス、吸気エアーの密度が大きくなることで、燃料ガス圧縮機、空気圧縮機の圧縮効率が増加し、燃料ガス圧縮機、空気圧縮機の動力を低減させることができる。ガスタービンに、燃料ガス圧縮機及び／又は空気圧縮機、及び発電機が連結されるガスタービン複合発電システムにあっては、燃料ガス圧縮機及び／又は空気圧縮機の動力を低減（ガスタービン作動流体としての燃焼ガス量を増加）させることで発電量を増大させることができる。

また本発明のガスタービン複合発電システムは、蒸気圧縮式冷凍装置を備え、さらに蒸気圧縮式冷凍装置の凝縮器が、節炭器の入口側の給水管路途中に配設され、給水温度を上昇させるので、節炭器の熱負荷を低減することができる。この結果、排熱回収ボイラーでの蒸気発生量が増大し、発電量を増加させることができる。

また本発明によれば、燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機を備えるガスタービン発電装置において、燃料ガス戻りラインの途中に配設され、圧縮された燃料ガスの循環量を制御可能なガス戻量制御弁と、ガス戻量制御弁の出口に配設される膨張タービンと、膨張タービンの出口に配設されるガス冷却器と、を含み構成し、流通する高温、高圧の燃料ガスからエネルギを回収するとともに、高温、高圧の燃料ガスを冷却し、かつ燃料ガスの圧力を大気圧近傍の圧力まで減圧した後、燃料ガス圧縮機へ返送するので、エネルギを有効に回収することが可能なガスタービン発電装置を提供することができる。

また本発明によれば、燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機、燃料ガスを燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置と、節炭器、排熱回収ボイラー、及び蒸気タービンを含み構成される汽力発電装置と、を備えるガスタービン複合発電システムにおいて、燃料ガス戻りラインの途中に配設され、圧縮された燃料ガスの循環量を制御可能なガス戻量制御弁と、燃料ガス戻りラインの途中であり、ガス戻量制御弁の出口に配設される膨張タービンと、燃料ガス戻りラインの途中であり、膨張タービンの出口に配設されるガス冷却器と、を含み構成し、流通する高温、高圧の燃料ガスからエネルギを回収するとともに、高温、高圧の燃料ガスを冷却し、かつ燃料ガスの圧力を大気圧近傍の圧力まで減圧した後、該燃料ガス圧縮機へ返送するので、エネルギを有効に回収することが可能なガスタービン複合発電システムを提供することができる。

図１は本発明の第一の実施形態としてのガスタービン複合発電システム３０の概略的な構成を示す図である。本ガスタービン複合発電システム３０は、製鉄所で生成する高炉ガスなどを燃料とするものである。ガスタービン複合発電システム３０は、ガスタービン発電装置と、汽力発電装置とに大別される。

ガスタービン発電装置は、高炉ガスなどの燃料を燃焼させた燃焼ガスで、ガスタービン、ガスタービンに連結される発電機を駆動させ発電を行う。一方、汽力発電装置は、ガスタービンを出た燃焼ガスの熱を、排熱回収ボイラーで回収し、蒸気を発生させ、蒸気タービン、発電機を駆動させ発電を行う。このように燃焼ガスの熱を回収することで熱効率を高めるシステムとなっている。

製鉄所から送られてくる高炉ガスは、燃料受入管路３１を通じて燃料ガス圧縮機３２へ送られる。燃料受入管路３１の途中には、燃料ガスに含まれる酸化鉄などの粉じんを除去するため湿式電気集じん装置３３が設けられている。製鉄所から送られてくる高炉ガスは、圧力が約０．１０５ＭＰａと低いため、燃料ガス圧縮機３２で所定の圧力まで昇圧され、ガス供給管路３４を通じて、燃焼器３５へ送られる。ガス供給管路３４には、管路途中に燃焼器３５への燃料供給を遮断する燃料遮断弁３６が設けられている。

また燃焼器３５には、空気圧縮機３７から高圧の空気が供給される。空気圧縮機３７は、吸込管３８に備えられる吸気フィルタ３９を介して外気を吸気し、所定圧力まで圧縮する。高圧の燃料ガスは、燃焼器で高圧の空気と混合、燃焼し高温、高圧の燃焼ガスを形成する。高温、高圧の燃焼ガスは、ガスタービン４０に導かれ、ガスタービン４０を駆動する。ガスタービン４０には、空気圧縮機３７及び発電機４１が連結され、ガスタービン４０の駆動に伴い、空気圧縮機３７及び発電機４１も駆動される結果、発電が行われる。

本ガスタービン複合発電システム３０に用いられる燃料ガス圧縮機３２は、軸流式圧縮機である。軸流式圧縮機は、サージングの範囲が広く、燃料ガスの流量が所定量以下になるとサージングが発生する。このためこれを回避する目的で、燃料ガスの流量が所定の流量以下とならないように、燃料ガス戻りライン５０を通じて燃料ガスの一部を循環運転している。燃料ガス戻りライン５０は、燃料ガス圧縮機３２の吐出側に設けられるガス供給管路３４を分岐し、この分岐部５１に設けられている。

燃料ガス戻りライン５０は、管路、ガス戻量制御弁、膨張タービン、ガス冷却器などを含み構成される。ガス供給管路３４の分岐部５１に連結された管路５２は、一端にガスの循環量を制御する第一のガス戻量制御弁５３を備える。第一のガス戻量制御弁５３の出口には管路５４が連結され、管路途中に膨張タービン５５が装着されている。膨張タービン５５が連結する管路５６、５７には、各々燃料ガスを遮断するための遮断弁として、入口弁５８、出口弁５９が設けられている。膨張タービン５５には、発電機６０が連結され、膨張タービン５５を駆動させることで、発電機６０で発電を行うことができる。後述のように膨張タービン５５がエネルギ回収装置として機能する。

膨張タービン５５の出口側の管路５７には、出口弁５９のほか循環ガスを冷却するための、ガス冷却器６５が装着されている。循環ガスを冷却するのは、ガス密度を大きくし、燃料ガス圧縮機の圧縮効率を高めるためである。ガス冷却器６５の出口には管路６６が配設され、管路６６の一端は、燃料受入管路３１と連結する。これにより冷却された燃料ガスは、再び燃料ガス圧縮機３２へ送られる。

燃料ガス戻りライン５０には、さらに膨張タービン５５をバイパスする膨張タービンバイパスライン７０が設けられている。膨張タービンバイパスライン７０は、第一のガス戻量制御弁５３と入口弁５８とを連結する管路５４を分岐させ、この分岐部７１に連結されている。膨張タービンバイパスライン７０は、膨張タービン５５が不調などの場合に、膨張タービン５５をバイパスさせ、燃料ガスを循環させるためのものである。膨張タービンバイパスライン７０の管路７２の途中には、バイパス弁７３が設けられ、管路７２の一端は、大量の戻りガスを処理するための第二のガス戻量制御弁８０を有する第一のガス戻量制御弁バイパスライン８１の管路８２と連結する。

膨張タービンバイパスライン７０の管路７２と、第一のガス戻量制御弁バイパスライン８１の管路８２との連結部８３には、さらに別の管路８４が連結され、この管路８４は、一端を膨張タービン５５の出口弁５９が配設された管路５７と連結する。第二のガス戻量制御弁８０は、第一のガス戻量制御弁５３に比較して、多量の戻りガスを流通させることが可能なため、第一のガス戻量制御弁バイパスライン８１は、ユニットトリップなど流量変動の大きい場合に使用される。なお第二のガス戻量制御弁８０は、燃料ガス戻りライン５０が連結するガス供給管路３４の分岐部５１よりも、上流（燃料ガス圧縮機）側のガス供給管路３４の分岐部８５に連結する管路の途中に設けられている。

上記のように、本発明の燃料ガス戻りライン５０は、膨張タービン５５のバイパスライン７０、及び第一のガス戻量制御弁５３のバイパスライン８１を有するので、膨張タービン５５、又は第一のガス戻量制御弁５３に不調が生じた場合であっても、バイパスライン７０、８１を通じて、燃料ガスを確実に循環させることができる。燃料ガスの循環が停止すると、ガスタービン複合発電システム３０全体を停止させる必要が生じるが、このような構成を採用することで、ガスタービン複合発電システム３０を安定的に運転させることができる。

燃料ガス戻りライン５０に設けられるガス冷却器６５は、熱交換器の一種であり外部から供給される冷却水で燃料ガスを冷却する。ガス冷却器６５への冷却水供給は、ガス冷却器冷却水ポンプ９０、ガス冷却水冷却器９１、及び管路９２を含み構成される冷却水循環ライン９３を通じて行われる。ガス冷却器冷却水ポンプ９０は、ガス冷却器６５へ冷却水を送水するものであり、ガス冷却水冷却器９１は、冷却水循環ライン９３を循環する冷却水を冷却する冷却器である。冷却水循環ライン９３は、バイパス弁９４を含み構成されるバイパスライン９５も有している。

ガス冷却水冷却器９１への冷却水（海水）供給は、海水供給管路９７に設けられた海水ポンプ９８により行う。海水供給管路９７は、数台の取水ポンプ９６（９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ）で海水を取水し、復水器１３３に送られる海水供給管路９９の途中より分岐させている。ガス冷却水冷却器９１に供給された海水は、冷却水循環ライン９３を循環する冷却水を冷却し、温度が高くなった海水は、海に戻される。

以上のガスタービン発電装置は、膨張タービン５５、膨張タービンに連結する発電機６０、膨張タービンの入口弁５８、出口弁５９、膨張タービンバイパスライン７０を除けば、従来のガスタービン発電装置の構成と類似している。本実施形態のガスタービン発電装置の特徴は、燃料ガス戻りライン５０の途中に、膨張タービン５５を備え、循環中の燃料ガスからエネルギを回収する点にある。詳細については、後述する。

本ガスタービン複合発電システム３０は、さらに汽力発電装置を有している。ガスタービンを出た燃料ガスの温度は、スチームを発生させるには十分に高い温度であるため、ガスタービンを出た燃焼ガスの熱を、排熱回収ボイラーで回収している。排熱回収ボイラーを出た燃焼ガスは、煙突９８から排出される。

排熱回収ボイラー１００は、低圧節炭器１０１、高圧節炭器１０２、低圧蒸発器１０３、高圧蒸発器１０４、低圧ドラム１０５、高圧ドラム１０６、低圧過熱器１０７、高圧過熱器１０８を備える。排熱回収ボイラー１００への給水は低圧給水ポンプ１１０を通じて行われる。低圧給水ポンプ１１０の吐出水は、管路１１１を通じて低圧節炭器１０１へ導かれ、ここで予熱される。予熱された給水の大半は、管路１１２を通じて高圧給水ポンプ１１３へ導かれ、昇圧された後、高圧節炭器１０２でさらに予熱される。また低圧節炭器１０１で予熱された給水の一部は、低圧ドラム１０５へ送られる。

低圧節炭器１０１には、節炭器の腐食を防止するため、節炭器循環ライン１２０が設けられ、低圧節炭器１０１で予熱され温度の高くなった給水の一部が、節炭器循環ポンプ１２１を介して循環されている。温度の高い給水の一部を循環することで、低圧節炭器１０１を加熱する燃焼ガス中の亜硫酸ガスの露点以上に、給水の温度を高め、低圧節炭器１０１の腐食を防止している。よって低圧節炭器１０１へ供給される管路１１１を通過する給水の温度が低いほど、節炭器循環ライン１２０の循環量を多くする必要が生じる。

高圧節炭器１０２で温度を高めた給水は、高圧ドラム１０６、高圧蒸発器１０４、高圧過熱器１０８へ送られ、過熱蒸気となった後、高圧蒸気ライン１３０を通じて蒸気タービン１３１へ送られ、蒸気タービン１３１を駆動する。低圧ドラム１０５に送られた給水も、低圧蒸発器１０３、低圧過熱器１０７へ送られ、過熱蒸気となった後、低圧蒸気ライン１３２を通じて蒸気タービン１３１へ送られ、蒸気タービン１３１を駆動する。蒸気タービン１３１を駆動し、圧力、温度を低下させた蒸気は、復水器１３３へ送られ、ここで冷却され復水となる。蒸気タービン１３１は発電機４１と連結し、発電機４１を駆動し発電を行う。

復水器１３３は、管路１３４を通じて復水を復水ポンプ１３５へ送り、復水ポンプ１３５は、復水を昇圧した後、管路１３６を通じて、低圧給水ポンプ１１０に送水する。これにより排熱回収ボイラー１００へ送られる給水は、蒸気、復水を経由しながら循環使用される。

本実施形態の汽力発電装置は、従来から使用されている汽力発電装置と類似の構成となっている。以上のことから、第一の実施形態としてのガスタービン複合発電システム３０の特徴は、ガスタービン発電装置を構成する燃料ガス戻りライン５０に、エネルギ回収装置である膨張タービン５５を備える点にあると言える。

次に、ガスタービン発電装置を構成する燃料ガス戻りライン５０に設けられる、エネルギ回収装置である膨張タービン５５、及び膨張タービン５５を用いたエネルギの回収メカニズムについて説明する。高炉ガスなどを燃料ガス圧縮機３２で圧縮した燃料ガスは、ガス温度が約４１０℃、圧力が約１．５ＭＰａと、高温、高圧の状態にある。従来のガスタービン発電装置では、この状態の燃料ガスを、ガス戻量制御弁で断熱膨張させ圧力、温度を低下させていた。これは高温、高圧の状態では、燃料ガス圧縮機へ燃料ガスを返送できないことに起因していた。

本発明の第一の実施形態に示すガスタービン複合発電システム３０では、燃料ガス戻りライン５０の高温、高圧の燃料ガスが有するエネルギを、膨張タービン５５を用いて回収しようとするものである。管路を通じて膨張タービン５５に導かれた高温、高圧の燃料ガスは、膨張タービン５５で断熱的に膨張することで、膨張タービンを駆動する。膨張タービン５５には発電機６０が連結されており、膨張タービン５５の駆動に伴い、発電機６０が駆動され発電を行う。このことは、燃料ガス戻りライン５０の高温、高圧の燃料ガスが有するエネルギを、電気エネルギとして回収することを意味する。本発明の実施形態においては、燃料ガスが有するエネルギを、電気エネルギとして回収するので、回収したエネルギを使用しやすい。

本発明では、膨張タービン５５でエネルギを回収するため、膨張タービン５５の入口部における燃料ガスの温度、圧力は高いことが望ましい。よって、第一のガス戻量制御弁５３などにより、燃料ガスの温度、圧力ができるだけ低下しないように、弁の型式などを選定する必要がある。

膨張タービン５５で断熱的に膨張した高温、高圧の燃料ガスは、温度、圧力を低下させ膨張タービン５５から吐出される。温度、圧力を低下させた燃料ガスは、従来技術と同様にさらにガス冷却器６５で冷却され、燃料ガス圧縮機３２へ返送される。この際、従来のガス戻量制御弁に比較して、膨張タービン５５は、より低温まで燃料ガスを膨張させることが可能なため、ガス冷却器６５の熱負荷を低減することができる。これにより従来のガスタービン複合発電システムに比較して、海水ポンプ９８、取水ポンプ９６の動力又は運転台数を低減させることができる。

次に、膨張タービンで回収できるエネルギを、ガスタービン複合発電システム３０に当てはめ、計算した結果の一例を示す。燃料ガス圧縮機の吐出ガス（燃料ガス）量は、約３０万ｍ^３Ｎ／ｈで、ガス戻り（ガス循環）量は、約１．６万ｍ^３Ｎ／ｈとした。この値は、現在当社が使用中の燃料ガス圧縮機の処理量である。計算は、下記の条件下で、断熱膨張の理論式（例えば、機械工学便覧、基礎編、応用編、２００１年、Ｂ５−６）である式（１）、及び式（２）で示される熱収支の式を用いて行った。その結果、１７００〜１８００ｋＷ程度のエネルギを回収することができることが分かった。

以上のように、ガスタービン発電装置を構成する燃料ガス戻りライン５０に膨張タービン５５を装着することで、燃料ガスの有するエネルギを効率的に回収することができる。また、膨張タービン５５を装着し、燃料ガスを断熱膨張させることで、従来のガスタービン発電装置以上に燃料ガスの温度を低下させることができるので、ガス冷却器６５の熱負荷を低下させることが可能で、エネルギを有効に利用することができる。第一の実施形態では、ガスタービン複合発電システムの例を示したけれども、ガスタービン発電装置であってもよいことは、言うまでもない。

図２は、本発明の第二の実施形態としてのガスタービン複合発電システム２００の概略的な構成を示す図である。図１と同一の部材、個所には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本ガスタービン複合発電システム２００も、第一の実施形態に示したガスタービン複合発電システム３０と同様、ガスタービン発電装置が、燃料ガス圧縮機の燃料ガスの一部を循環させる燃料ガス戻りラインを備え、この燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を有する点に特徴を有する。

第二の実施形態では、燃料ガス戻りライン５０からエネルギを回収する装置として、給水加熱器２１０を用いる。第一の実施形態と本実施形態とを比較すると、概略的には第一の実施形態での膨張タービン５５、及び発電機６０が、給水加熱器２１０に変更されたものとなっている。給水加熱器２１０は、隔壁式の熱交換器であり、燃料ガス戻りライン５０を流通する高温、高圧の燃料ガスと、排熱回収ボイラー１００の給水と、を固体壁を隔てて熱交換することで、燃料ガス戻りライン５０を流通する高温、高圧の燃料ガスから熱回収を行うものである。

復水ポンプ出口部の管路２２０には、分岐管２３０が設けられ、分岐管２３０には給水加熱器入口弁２３１が配設されている。給水加熱器入口弁２３１出口には、一端を給水加熱器２１０と接続する管路２３２が配設されている。一方、給水加熱器２１０出口には、管路２３３が配設され、管路２３３の出口部には給水加熱器出口弁２３４が連結されている。さらに給水加熱器出口弁２３４は、管路２３５と連結し、管路２３５は一端を管路２２１と連結する。

管路２４０と管路２４１とは、バイパス弁２４２を介して連結されている。通常、バイパス弁２４２は、閉じられており、給水は管路２３０、２３２などを通じて給水加熱器２１０へ導かれ加温される。温度を高めた給水は、管路２３３、２３５を通じて、管路２２１へ導かれ、低圧給水ポンプ１１０で低圧節炭器１０１へ送られる。

これにより、排熱回収ボイラー１００の給水温度が高まり、低圧節炭器１０１の熱負荷を低減させることができる。低圧節炭器１０１には、低圧節炭器１０１の腐食を防止するために、節炭器循環ライン１２０が設けられ、低圧節炭器１０１で予熱され温度の高くなった給水の一部が、節炭器循環ポンプ１２１を介して循環されていることは、第一の実施形態で記述した通りである。

温度の高い給水の一部を循環することで、低圧節炭器１０１を加熱する燃焼ガス中の亜硫酸ガスの露点以上に、給水の温度を高める。このような構成を採用することで、低圧節炭器１０１の腐食を防止する。本第二の実施形態のように低圧節炭器１０１への給水温度を高めると、節炭器循環ライン１２０の循環量を低減させることができる。節炭器循環ライン１２０の循環は、節炭器循環ポンプ１２１で行っているため、第二の実施形態を採用することで、節炭器循環ポンプ１２１の動力、又は運転台数などを低減することができる。また、低圧節炭器１０１への給水温度を高めるとことで、排熱回収ボイラーでの蒸気発生量が増大し、発電量を増加させることができる。

一方、給水加熱器２１０で熱を奪われ温度を低下させた燃料ガスは、第一の実施形態と同様、管路５７を通じてガス冷却器６５に導かれ冷却される。給水加熱器２１０は、給水との熱交換により燃料ガスの温度を十分に低下させるため、第一の実施形態と同様、ガス冷却器６５の熱負荷を低減することができる。これにより従来のガスタービン複合発電システムに比較して、海水ポンプ９８、取水ポンプ９６の動力又は運転台数を低減させることができる。なお、給水加熱器２１０は、気体―液体の熱交換を行うことが可能な隔壁式の熱交換器であれば、特に型式は問われないので、例えば多管式熱交換器を使用することができる。

給水加熱器で回収できるエネルギを、ガスタービン複合発電システム２００に当てはめ、計算した結果の一例を示す。燃料ガス圧縮機の吐出ガス（燃料ガス）量は、約３０万ｍ^３Ｎ／ｈで、ガス戻り（ガス循環）量は、約１．６万ｍ^３Ｎ／ｈとした。この値は、現在当社が使用中の燃料ガス圧縮機の処理量である。物性値は、式（１）で使用した物性値を使用した。従来、復水ポンプ１３５の入口温度が２０〜４０℃に対し、低圧給水ポンプ１１０の出口部での給水温度は、４０〜６５℃と約２０℃の温度上昇であった。これに対して、第二の実施形態のガスタービン複合発電システム２００においては、復水ポンプ１３５の入口温度が２０〜４０℃に対し、低圧給水ポンプ１１０の出口部での給水温度は、４８〜７３℃と約３０℃の温度上昇となる。

第二の実施形態では、給水加熱器２１０で燃料ガスの有するエネルギを回収するため、給水加熱器２１０の入口部における燃料ガスのエンタルピは、高いことが望ましい。よって、第一のガス戻量制御弁５３などにより、燃料ガスのエンタルピができるだけ低下しないように、弁の型式などを選定する必要がある。以上のように、ガスタービン複合発電システム２００は、給水加熱器２１０を有するので、燃料ガス戻りライン５０を流通する燃料ガスのエネルギを有効に回収、利用することができる。

図３は、本発明の第三の実施形態としてのガスタービン複合発電システム３００の概略的な構成を示す図である。図１、図２と同一の部材、個所には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本ガスタービン複合発電システム３００も、第一の実施形態に示したガスタービン複合発電システム３０と同様、ガスタービン発電装置が、燃料ガス圧縮機の燃料ガスの一部を循環させる燃料ガス戻りラインを備え、この燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を有する点に特徴を有する。

第三の実施形態では、燃料ガス戻りライン５０からエネルギを回収する装置として、ヒートパイプ３１０を用いる。燃料ガス戻りライン５０は、ヒートパイプの蒸発部に熱を与える循環ガスクーラー３２０を備えている。燃料ガス戻りライン５０を流通する高温、高圧の燃料ガスで、ヒートパイプ３１０内の作動液を蒸発させ、この蒸気を排熱回収ボイラー１００の給水で冷却する。これにより燃料ガスの有するエネルギを、排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めるかたちで回収することができる。

ヒートパイプ３１０は、蒸発部３１１を、燃料ガス戻りライン５０の管路５６に設けられた循環ガスクーラー３２０と接触させ、凝縮部３１２を、復水ポンプ１３５出口部に設けられた給水加熱器２１０と接触するように配設されている。循環ガスクーラー３２０からの受熱で、ヒートパイプ３１０の蒸発部３１１が加熱され、ヒートパイプ３１０内の作動液が蒸発する。この蒸気はヒートパイプを構成する金属パイプ３１３内を移動し、復水ポンプ１３５出口部に設けられている給水加熱器２１０で、熱を放出して液体となる。液体となった作動液は、金属パイプ３１３内を移動し、蒸発部３１１に戻り再度加熱される。上記動作を繰り返すことで、燃料ガスの有するエネルギを有効に回収することができる。一方、循環ガスクーラー３２０を通じて熱を奪われ、温度を低下させた燃料ガスは、第二の実施形態と同様、管路５７を通じてガス冷却器６５に導かれ冷却される。

第三の実施形態も第二の実施形態と同様、燃料ガス戻りラインの燃料ガスから熱回収を行い、排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めるものであるから、これに伴う効果は、第二の実施形態と同一である。さらに、ヒートパイプ３１０の蒸発部３１１に熱を与えることで燃料ガスの温度を十分に低下させるため、ガス冷却器６５の熱負荷を低減することができる点においても、第一及び第二の実施形態と同様である。これにより従来のガスタービン複合発電システムに比較して、海水ポンプ９８、取水ポンプ９６の動力又は運転台数を低減させることができる。さらに、第三の実施形態は、燃料ガス戻りライン５０の管路５６、５７と給水加熱器２１０との距離が離れている場合であっても、適用することができる利点がある。

第三の実施形態では、循環ガスクーラー３２０と給水加熱器２１０との間の熱の移動を、ヒートパイプ３１０を用いて行っているが、ヒートパイプ３１０の代わりに、循環ガスクーラー３２０と給水加熱器２１０を結ぶ循環管路を設け、循環管路内の流体を循環ポンプで循環させることで、熱回収を行うこともできる。

図４は、本発明の第四の実施形態としてのガスタービン複合発電システム４００の概略的な構成を示す図である。図１から図３と同一の部材、個所には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本ガスタービン複合発電システム４００も、第一から第三の実施形態に示したガスタービン複合発電システムと同様、ガスタービン発電装置が、燃料ガス圧縮機の燃料ガスの一部を循環させる燃料ガス戻りラインを備え、この燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を有する点に特徴を有する。

第四の実施形態では、燃料ガス戻りライン５０からエネルギを回収する装置として、第一の実施形態と同様、膨張タービン５５、及び膨張タービン５５に連結する発電機６０を有する。さらに第四の実施形態では、燃料ガス圧縮機３２の吸気ガスを冷却するための燃料ガス冷却用クーラー４１８、排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めるための給水加熱器２１０を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置４１０を備える点に特徴を有する。

蒸気圧縮式冷凍装置４１０は、冷媒を圧縮するための冷媒圧縮機４１１を備える。冷媒圧縮機４１１で圧縮され圧力、温度が高くなった冷媒は、管路４１２を通じて、給水加熱器２１０に送られる。給水加熱器２１０は、第二及び第三の実施形態に示したように、排熱回収ボイラー１００の給水の温度を高める。一方で、給水加熱器２１０は、管路４１２を通じて送られてくる冷媒を冷却し、凝縮させる凝縮器としても機能する。

給水加熱器２１０で凝縮した冷媒は、管路４１３を通じて受液器４１４に送られる。冷媒は、受液器４１４で気液分離され、液化した冷媒が、管路４１５を通じて膨張弁４１６に導かれる。膨張弁４１６は、液化した冷媒を等エンタルピ的に減圧する。冷媒は、それにより温度を低下させた湿り蒸気となる。湿り蒸気となった冷媒は、管路４１７を通じて、燃料ガス圧縮機３２の吸気ガスを冷却するための燃料ガス冷却用クーラー４１８に導かれる。燃料ガスは、燃料ガス冷却用クーラー４１８を介して、湿り蒸気に熱を奪われて温度を低下させる。一方、湿り蒸気は、燃料ガス冷却用クーラー４１８を介して燃料ガスから熱を受け、飽和蒸気となる。よって燃料ガス冷却用クーラー４１８は、燃料ガスの温度を低下させる冷却器として機能する一方、冷媒の湿り蒸気を飽和蒸気にする蒸発器として機能する。

燃料ガス冷却用クーラー４１８で熱を受け、飽和蒸気となった冷媒は、管路４１９を通じて冷媒圧縮機４１１に送られる。蒸気圧縮式冷凍装置４１０は、概略的には以上の構成からなる。冷媒圧縮機４１１の駆動源は、燃料ガス戻りライン５０に設けられている膨張タービン５５であり、膨張タービンの回転を、流体継手４２０を通じて受けて駆動する。

蒸気圧縮式冷凍装置４１０によるエネルギ回収は、以下のように行うことができる。夏季など外気温の高い時期においては、必然的に燃料ガス圧縮機３２の吸気ガスの温度が高くなる。吸気ガスの温度が高くなると、ガス密度が低下し、燃料ガス圧縮機３２の圧縮効率が低下する。本実施形態によれば、蒸気圧縮式冷凍装置４１０を構成する燃料ガス冷却用クーラー４１８により、吸気ガスの温度を低下させることが可能なため、燃料ガスのガス密度が大きくなり、燃料ガス圧縮機３２の圧縮効率を高めることができる。これにより燃料ガス圧縮機３２の駆動動力が低減（ガスタービン作動流体としての燃焼ガス量が増加）され、結果的に発電機４１による発電量が増加する。

さらに蒸気圧縮式冷凍装置４１０は、蒸気圧縮式冷凍装置４１０を構成する給水加熱器２１０により、排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めることができる。排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めた効果は、第二及び第三の実施形態で述べた通りである。また、膨張タービン５５は、従来のガスタービン複合発電システムに比較して、より低温まで燃料ガスを膨張させることが可能なため、ガス冷却器６５の熱負荷を低減することができる。これに伴う効果は第一の実施形態に示した通りである。

第四の実施形態では、膨張タービン５５は、発電機６０と連結するとともに、流体継手４２０を介して冷媒圧縮機４１１と連結しているので、発電機６０での発電と、蒸気圧縮式冷凍装置４１０によるエネルギ回収と、を選択することができる。発電機６０で発電を行う場合には、冷媒圧縮機４１１を切り離して行い、蒸気圧縮式冷凍装置４１０でエネルギ回収を行う場合は、発電機６０を切り離して行う。必要に応じて、発電機６０と蒸気圧縮式冷凍装置４１０とを同時に稼動させることも可能である。また第四の実施形態では、膨張タービン５５に発電機６０を連結させているけれども、発電機６０を備えることなく、蒸気圧縮式冷凍装置４１０のみ具備する構成であってもよいことは言うまでもない。

図５は、本発明の第五の実施形態としてのガスタービン複合発電システム５００の概略的な構成を示す図である。図１から図４と同一の部材、個所には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本ガスタービン複合発電システム５００も、第一から第四の実施形態に示したガスタービン複合発電システムと同様、ガスタービン発電装置が、燃料ガス圧縮機の燃料ガスの一部を循環させる燃料ガス戻りラインを備え、この燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を有する点に特徴を有する。

第五の実施形態は、第四の実施形態と類似の構成を採用する。燃料ガス戻りライン５０からエネルギを回収する装置として、第四の実施形態と同様、膨張タービン５５、及び膨張タービン５５に連結する発電機６０を有する。さらに第四の実施形態と同様、吸気ガスを冷却するためのクーラー、排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めるための給水加熱器を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置５１０を備える。

第五の実施形態と第四の実施形態との基本的な構成は同一であり、相違点は、蒸気圧縮式冷凍装置５１０を構成するクーラー（空気冷却用クーラー４２１）の設置場所にある。第四の実施形態では、燃料ガス圧縮機３２の吸気ガスを冷却する構成を採用したけれども、第五の実施形態では、空気圧縮機３７の吸気エアーを冷却する構成を採用する。これにより、吸気エアーの密度が大きくなり、空気圧縮機３７の圧縮効率が増加する。これにより空気圧縮機３７の駆動動力が低減（ガスタービン作動流体としての燃焼ガス量が増加）され、結果的に発電機４１による発電量が増加する。排熱回収ボイラー１００の給水温度を高める効果については、第二から第四の実施形態に示した通りである。

さらに、膨張タービン５５は、従来のガスタービン複合発電システムに比較して、より低温まで燃料ガスを膨張させることが可能なため、ガス冷却器６５の熱負荷を低減することができる。これに伴う効果は第一及び第四の実施形態に示した通りである。また、発電機６０と蒸気圧縮式冷凍装置５１０によるエネルギ回収が選択可能な点などについても第四の実施形態に同じである。

図６は、本発明の第六の実施形態としてのガスタービン複合発電システム６００の概略的な構成を示す図である。図１から図５と同一の部材、個所には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本ガスタービン複合発電システム６００も、第一から第五の実施形態に示したガスタービン複合発電システムと同様、ガスタービン発電装置が、燃料ガス圧縮機の燃料ガスの一部を循環させる燃料ガス戻りラインを備え、この燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を有する点に特徴を有する。

第六の実施形態は、第四及び第五の実施形態と類似の構成を採用する。燃料ガス戻りライン５０からエネルギを回収する装置として、第四及び第五の実施形態と同様、膨張タービン５５、及び膨張タービン５５に連結する発電機６０を有する。さらに第四及び第五の実施形態と同様、吸気ガスを冷却するためのクーラー、排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めるための給水加熱器を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置６１０を備える。

第六の実施形態と第四及び第五の実施形態との相違点は、蒸気圧縮式冷凍装置６１０を構成するクーラー４１８、４２１にある。第四の実施形態では、燃料ガス圧縮機３２の吸気ガスを冷却するため、管路３１の途中に燃料ガス冷却用クーラー４１８が設けられている。一方、第五の実施形態では、空気圧縮機３７の吸気ガスを冷却するため、管路３８の途中に空気冷却用クーラー４２１が設けられている。

これらに対して、第六の実施形態においては、燃料ガス圧縮機３２の吸気ガスを冷却するための燃料ガス冷却用クーラー４１８、空気圧縮機３７の吸気エアーを冷却するための空気冷却用クーラー４２１の両方を備えている。膨張弁４１６の出口に連結された管路４１７は、分岐部を有し、管路４２２、管路４２３と連結する。管路４２２は、一端に燃料ガス冷却用クーラー入口弁４２４を備え、燃料ガス冷却用クーラー入口弁４２４は連結する管路４２５を通じて、冷媒を燃料ガス冷却用クーラー４１８へ送る。

燃料ガス冷却用クーラー４１８で熱を受けて飽和蒸気となった冷媒は、燃料ガス冷却用クーラー出口弁４２６、管路４２７を通じて輸送された後、管路４１９を通じて冷媒圧縮機４１１に返送される。空気冷却用クーラー４２１も、管路４２３の一端に連結される空気冷却用クーラー入口弁４２８、空気冷却用クーラー入口弁４２８に連結される管路４２９を通じて、冷媒を受入れる。空気冷却用クーラー４２１で熱を受けて飽和蒸気となった冷媒は、空気冷却用クーラー出口弁４３０、管路４３１を通じて輸送された後、管路４１９を通じて冷媒圧縮機４１１に返送される。

第六の実施形態においては、吸気ガスクーラーとして、燃料ガス圧縮機３２の吸気ガスを冷却する燃料ガス冷却用クーラー４１８、空気圧縮機３７の吸気エアーを冷却する空気冷却用クーラー４２１を備え、各々入口弁４２４、４２８、出口弁４２６、４３０を有するので、燃料ガス冷却用クーラー４１８、及び空気冷却用クーラー４２１を選択的に使用することができる。さらに必要に応じて燃料ガス冷却用クーラー４１８、及び空気冷却用クーラー４２１を同時に使用することも可能である。

さらに第六の実施形態においても、第四及び第五の実施形態と同様、排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めるための給水加熱器２１０を備えている。吸気ガス温度を低下させることの利点、給水加熱器２１０で排熱回収ボイラー１００の給水温度を高めることの利点、さらにガス冷却器６５の熱負荷を低減することができる利点は、第四及び第五の実施形態に示した通りである。

燃料ガス圧縮機の燃料ガスの一部を循環させる燃料ガス戻りラインを備えるガスタービン発電システム、ガスタービン複合発電システムにおいて、燃料ガス戻りラインは、発電システム上、必須の構成要件であり、燃料ガス戻りラインが正常に機能しない場合は、発電システムを正常に安定的に稼動させることができない。このため燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置は、燃料ガス戻りラインの機能を損なうことなく、燃料ガスの有するエネルギを回収するものでなければならない。

例えば、エネルギを効率的に回収することが可能な装置であっても、燃料ガス戻りラインの圧力損失を必要以上に高めたり、燃料ガスの循環流量を低下させるようなものであってはならない。この点に関し、本発明のエネルギ回収装置は、燃料ガス戻りラインの機能を損なうことなくエネルギを回収することができる。本発明は、第一から第六の実施形態に限定されるものではなく、燃料ガス戻りラインの機能を損なうことなくエネルギを回収することができる装置、方法であれば使用可能なことは当然である。

また、第一から第六の実施形態に示したように本発明のガスタービン複合発電システムのプロセスフローは、既存のガスタービン発電装置、又はガスタービン複合発電システムのプロセスフローと類似する。このため既存のガスタービン発電装置、又はガスタービン複合発電システムに容易に適用することができる。

本発明の第一の実施形態としてのガスタービン複合発電システム３０の概略的な構成を示す図である。 本発明の第二の実施形態としてのガスタービン複合発電システム２００の概略的な構成を示す図である。 本発明の第三の実施形態としてのガスタービン複合発電システム３００の概略的な構成を示す図である。 本発明の第四の実施形態としてのガスタービン複合発電システム４００の概略的な構成を示す図である。 本発明の第五の実施形態としてのガスタービン複合発電システム５００の概略的な構成を示す図である。 本発明の第六の実施形態としてのガスタービン複合発電システム６００の概略的な構成を示す図である。 従来の高炉ガスなどの低圧・低発熱量燃料を使用するガスタービン複合発電システム１の概略的構成を示す図である。

符号の説明

３０、２００、３００ ガスタービン複合発電システム
４００、５００、６００ ガスタービン複合発電システム
３２ 燃料ガス圧縮機
３５ 燃焼器
３７ 空気圧縮機
４０ ガスタービン
４１、６０ 発電機
５０ 燃料ガス戻りライン
５３ ガス戻量制御弁
５５ 膨張タービン
６５ ガス冷却器
９０ ガス冷却器冷却水ポンプ
９８ 煙突
１００ 排熱回収ボイラー
１０１ 低圧節炭器
１２１ 節炭器循環ポンプ
１３１ 蒸気タービン
１３３ 復水器
２１０ 給水加熱器
３１０ ヒートパイプ
４１０、５１０、６１０ 蒸気圧縮式冷凍装置
４１１ 冷媒圧縮機
４１８ 燃料ガス冷却用クーラー
４２１ 空気冷却用クーラー

Claims (11)

1. 燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機、燃料ガスを燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置において、
   該燃料ガス戻りラインを流通する、該燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を備えることを特徴とするガスタービン発電装置。
2. 前記エネルギ回収装置は、発電機を備える膨張タービン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発電装置。
3. 前記エネルギ回収装置は、膨張タービン、該膨張タービンと連結された冷媒圧縮機、該冷媒圧縮機により圧縮された冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁、及び該膨張弁から送られる冷媒を蒸発させる蒸発器を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置であり、
   該蒸発器で、前記燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は前記空気圧縮機の吸気エアーと冷媒との熱交換を行い、該燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は前記空気圧縮機の吸気エアーを冷却することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電装置。
4. 燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機、燃料ガスを燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置と、
   節炭器、排熱回収ボイラー、及び蒸気タービンを含み構成される汽力発電装置と、を備えるガスタービン複合発電システムにおいて、
   該燃料ガス戻りラインを流通する、該燃料ガス圧縮機で圧縮され高温、高圧となった燃料ガスからエネルギを回収するエネルギ回収装置を備えることを特徴とするガスタービン複合発電システム。
5. 前記エネルギ回収装置は、発電機を備える膨張タービンであることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン複合発電システム。
6. 前記エネルギ回収装置は、前記燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスと前記排熱回収ボイラーの給水とで熱交換を行う熱交換器であり、該熱交換器を用いて前記排熱回収ボイラーの給水温度を上昇させた後、該給水を前記節炭器へ送ることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン複合発電システム。
7. 前記エネルギ回収装置は、ヒートパイプであり、ヒートパイプを用いて前記燃料ガス戻りラインを流通する燃料ガスから熱を回収し、この回収した熱を用いて前記排熱回収ボイラーの給水温度を上昇させた後、該給水を前記節炭器へ送ることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン複合発電システム。
8. 前記エネルギ回収装置は、膨張タービン、該膨張タービンと連結された冷媒圧縮機、該冷媒圧縮機により圧縮された冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を減圧する膨張弁、及び該膨張弁から送られる冷媒を蒸発させる蒸発器を含み構成される蒸気圧縮式冷凍装置であり、
   該蒸発器で、前記燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は前記空気圧縮機の吸気エアーと冷媒との熱交換を行い、該燃料ガス圧縮機の吸気ガス及び／又は前記空気圧縮機の吸気エアーを冷却することを特徴とする請求項４に記載のガスタービン複合発電システム。
9. さらに前記凝縮器は、前記節炭器の入口側の給水管路途中に配設され、該給水温度を上昇させることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン複合発電システム。
10. 燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機を備えるガスタービン発電装置において、
    該燃料ガス戻りラインの途中に配設され、圧縮された燃料ガスの循環量を制御可能なガス戻量制御弁と、
    該燃料ガス戻りラインの途中であり、該ガス戻量制御弁の出口に配設される膨張タービンと、
    該燃料ガス戻りラインの途中であり、該膨張タービンの出口に配設されるガス冷却器と、を含み構成し、
    流通する高温、高圧の燃料ガスからエネルギを回収するとともに、高温、高圧の燃料ガスを冷却し、かつ燃料ガスの圧力を大気圧近傍の圧力まで減圧した後、該燃料ガス圧縮機へ返送することを特徴とするガスタービン発電装置。
11. 燃料ガスの一部を循環可能な燃料ガス戻りラインを備え、燃料ガスの一部を循環しながら燃料ガスの圧縮を行う燃料ガス圧縮機、燃料ガスを燃焼させる燃焼器、及び該燃焼器に圧縮空気を送る空気圧縮機を含み構成されるガスタービン発電装置と、
    節炭器、排熱回収ボイラー、及び蒸気タービンを含み構成される汽力発電装置と、を備えるガスタービン複合発電システムにおいて、
    該燃料ガス戻りラインの途中に配設され、圧縮された燃料ガスの循環量を制御可能なガス戻量制御弁と、
    該燃料ガス戻りラインの途中であり、該ガス戻量制御弁の出口に配設される膨張タービンと、
    該燃料ガス戻りラインの途中であり、該膨張タービンの出口に配設されるガス冷却器と、を含み構成し、
    流通する高温、高圧の燃料ガスからエネルギを回収するとともに、高温、高圧の燃料ガスを冷却し、かつ燃料ガスの圧力を大気圧近傍の圧力まで減圧した後、該燃料ガス圧縮機へ返送することを特徴とするガスタービン複合発電システム。

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