JP2009174542A - 高湿分ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率の低下を抑えつつ、コジェネ効率の向上を図ることができる高湿分ガスタービン設備を提供する。
【解決手段】圧縮機１からの圧縮空気と燃料を燃焼する燃焼器２と、燃焼器２からの燃焼ガスにより駆動するガスタービン３と、発電機４と、圧縮機１からの圧縮空気を加湿する加湿器５と、加湿器５からの圧縮空気をガスタービン３の排ガスによって加熱し燃焼器２へ送る再生熱交換器６とを備えた高湿分ガスタービン設備において、再生熱交換器６からの排ガスを利用して外部供給用の蒸気を生成するボイラ７と、ボイラ７からの排ガスから湿分を回収する水回収装置８と、水回収装置８で回収した水を加湿器５に供給する補給配管系統１６と、加湿器５で使用された水を再使用するための循環配管系統１４と、循環配管系統１４及び補給配管系統１６に設けられ、外部からの工場排熱媒体Ａを利用して加湿器５用の温水を生成する熱交換器１７，１８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼器に供給する圧縮空気を加湿し、タービン出力及び効率の向上を図る高湿分ガスタービン設備に関する。

高湿分ガスタービン設備は、例えば、空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で生成した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、このガスタービンの駆動によって発電する発電機と、ガスタービンの排ガスによって水を加熱する給水加熱器と、この給水加熱器で生成した温水で圧縮機からの圧縮空気を加湿する加湿器と、この加湿器からの圧縮空気をガスタービンの排ガスによって加熱し燃焼器へ送る再生熱交換器とを備えている（例えば、特許文献１参照）。この高湿分ガスタービン設備では、燃焼器に供給する圧縮空気を加湿することにより、燃焼ガスの流量が増加するとともに燃焼ガスの比熱が増加し、これによってタービン出力が増大するようになっている。また、加湿器用の温水生成や圧縮空気の加熱などの発電に必要な熱量をガスタービンの排ガスから回収することにより、発電効率が向上するようになっている。また、この高湿分ガスタービン設備では、ガスタービンの排ガスによって水を加熱し、外部供給用の蒸気を生成する排熱ボイラを設けている。これにより、コジェネ効果が得られるようになっている。

特開２００５−９８１５６号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記従来技術においては、ガスタービンの排ガスから回収した熱量の一部を例えば加湿器用の温水生成等に利用することにより、発電効率を向上させ、またガスタービンの排ガスから回収した熱量の一部を外部供給用の蒸気生成に利用することにより、コジェネ効果を得るようになっている。そのため、例えばコジェネ効率の向上を意図して、外部供給用の蒸気生成に利用する熱量を増加させると、加湿器用の温水生成に利用するための熱量などが不足して、発電効率が低下する恐れがあった。

本発明の目的は、発電効率の低下を抑えつつ、コジェネ効率の向上を図ることができる高湿分ガスタービン設備を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で生成した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動によって発電する発電機と、前記圧縮機からの圧縮空気を温水と直接接触させて加湿する加湿器と、前記加湿器からの圧縮空気を前記ガスタービンの排ガスによって加熱し前記燃焼器へ送る再生熱交換器とを有する高湿分ガスタービン設備であって、前記再生熱交換器からの排ガスを利用して水を加熱し、外部供給用の蒸気又は温水を生成する第１加熱装置と、前記第１加熱装置からの排ガスから湿分を回収する水回収装置と、前記水回収装置で回収した水を前記加湿器に供給する補給配管系統と、前記加湿器で使用された水を前記加湿器で再使用するための循環配管系統と、前記補給配管系統及び前記循環配管系統のうちの少なくとも一方に設けられ、外部からの工場排熱媒体を利用して前記水を加熱し、前記加湿器用の温水を生成する第２加熱装置とを有する。

（２）上記目的を達成するために、また本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で生成した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動によって発電する発電機と、前記圧縮機からの圧縮空気を温水と直接接触させて加湿する加湿器と、前記加湿器からの圧縮空気を前記ガスタービンの排ガスによって加熱し前記燃焼器へ送る再生熱交換器とを有する高湿分ガスタービン設備であって、前記再生熱交換器からの排ガスから湿分を回収する水回収装置と、前記水回収装置で回収した水を前記加湿器に供給する補給配管系統と、前記加湿器で使用された水を前記加湿器で再使用するための循環配管系統と、前記補給配管系統及び前記循環配管系統のうちの少なくとも一方に設けられ、外部からの工場排熱媒体を利用して前記水を加熱し、前記加湿器用の温水を生成する第２加熱装置と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を利用して水を加熱し、外部供給用の蒸気又は温水を生成する第３加熱装置とを有する。

（３）上記目的を達成するために、また本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で生成した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動によって発電する発電機と、前記圧縮機からの圧縮空気を温水と直接接触させて加湿する加湿器と、前記加湿器からの圧縮空気を前記ガスタービンの排ガスによって加熱し前記燃焼器へ送る再生熱交換器とを有する高湿分ガスタービン設備であって、前記再生熱交換器からの排ガスを利用して水を加熱し、外部供給用の蒸気又は温水を生成する第１加熱装置と、前記第１加熱装置からの排ガスから湿分を回収する水回収装置と、前記水回収装置で回収した水を前記加湿器に供給する補給配管系統と、前記加湿器で使用された水を前記加湿器で再使用するための循環配管系統と、前記補給配管系統及び前記循環配管系統のうちの少なくとも一方に設けられ、外部からの工場排熱媒体を利用して前記水を加熱し、前記加湿器用の温水を生成する第２加熱装置と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を利用して水を加熱し、外部供給用の蒸気又は温水を生成する第３加熱装置とを有する。

（４）上記（１）又は（３）において、好ましくは、前記第２加熱装置に導入される工場排熱媒体の温度は、前記第１加熱装置に導入される排ガスの温度より低い。

（５）上記（２）又は（３）において、好ましくは、前記第２加熱装置に導入される工場排熱媒体の温度は、前記第３加熱装置に導入される圧縮空気の温度より低い。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記第１加熱装置又は／及び前記第３加熱装置が外部供給用の蒸気又は温水を生成するときの第１配管系統と、前記第１加熱装置又は／及び前記第３加熱装置が前記加湿器用の温水を生成するときの第２配管系統とを設け、前記第１配管系統及び第２配管系統のうちいずれか一方が連通状態、他方が遮断状態となるように切換え可能な弁手段を設ける。

本発明によれば、発電効率の低下を抑えつつ、コジェネ効率の向上を図ることができ、かつ、廃熱媒体を利用して、利用した廃熱媒体より高温の蒸気を生成できる。

本発明の高湿分ガスタービン設備の一実施形態の構成を表す概略図である。 本発明の高湿分ガスタービン設備の他の実施形態の構成を表す概略図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の高湿分ガスタービン設備の一実施形態の構成を表す概略図である。

この図１において、高湿分ガスタービン設備は、空気を圧縮する圧縮機１と、この圧縮機１で生成した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器２と、この燃焼器２で生成した燃焼ガスによって駆動するガスタービン３と、このガスタービン３の駆動によって発電する発電機４と、圧縮機１からの圧縮空気を温水と直接接触させて加湿する加湿器５と、この加湿器５からの圧縮空気をガスタービン３の排ガスによって加熱し燃焼器２へ送る再生熱交換器６とを備えている。なお、圧縮機１、ガスタービン３、及び発電機４は、同軸で連結されており、ガスタービン３の回転駆動に伴って圧縮機１及び発電機４が回転駆動するようになっている。

再生熱交換器６の排ガス下流側には、ガスタービン３の排ガスから熱を回収するボイラ７と、排ガスから湿分を回収する水回収装置８と、排ガスを大気中に放出する煙突９とがその順序で設けられている。水回収装置８は、散水部８ａから排ガス中に散水することにより、排ガス中に含まれる湿分が凝縮し、その凝縮水が落下して水溜め部８ｂに回収されるようになっている。水回収装置８の水溜め部８ｂに溜められた水は、循環ポンプ１０によって冷却装置１１に送られて冷却された後、散水部８ａから散水されるようになっている。なお、水回収装置８の水溜め８ｂの水は、補給ポンプ１２によって補給されるようになっている。

加湿器５は、液分散部５ａから圧縮空気中に温水（例えば１５０℃程度の温水）を散布し、この散布した温水の一部が圧縮空気と接触して蒸発することにより圧縮空気を加湿し、蒸発しなかった温水が落下して水溜め部５ｂに回収されるようになっている。加湿器５の水溜め部５ｂに溜められた水は、循環ポンプ１３によって循環配管系統１４を介し液分散部５ａに送られ、液分散部５ａから散布されるようになっている。また、加湿器５の水溜め部５ｂの水は、供給ポンプ１５によって水回収装置８の水溜め部８ｂから補給配管系統１６を介し補給されるようになっている。

ここで本実施形態の大きな特徴として、循環配管系統１４及び補給配管系統１６には熱交換器１７，１８がそれぞれ設けられており、これら熱交換器１７，１８は、例えば産業用プラント等で発生する工場排熱媒体Ａ（主に２００℃程度以下の排熱媒体）を利用して加熱するようになっている。詳細には、熱交換器１７は、工場排熱媒体Ａとの熱交換により加湿器５の水溜め部５ｂからの水を加熱し、熱交換器１８は、工場排熱媒体Ａとの熱交換により水回収装置８の水溜め部８ｂからの水を加熱するようになっている。

ボイラ７は、ガスタービン３の排ガス（例えば２５０℃程度以上の排ガス）との熱交換により、例えば工場で使用され配管１９Ａを介し導入された水を加熱し、生成した蒸気（例えば２５０℃程度以上の蒸気、又は温水としてもよい）を配管１９Ｂを介し工場へ供給するようになっている。

また、圧縮機１と加湿器５との間には、圧縮機１から吐出された圧縮空気から熱を回収するボイラ２０が設けられている。ボイラ２０は、圧縮機１で圧縮昇温された圧縮空気（例えば２５０℃程度以上の圧縮空気）との熱交換により、例えば工場で使用され配管２１Ａを介し導入された水を加熱し、生成した蒸気（例えば２５０℃程度以上の蒸気、又は温水としてもよい）を配管２１Ｂを介し工場へ供給するようになっている。

以上のように構成された本実施形態においては、熱交換器１７，１８は、工場廃熱媒体Ａを利用して加熱し、加湿器５用の温水を生成する。これにより、工場廃熱を有効利用することができる。すなわち、工場では多種の廃熱媒体Ａが発生するが、これら工場廃熱媒体Ａのなかには温度が低いために有効利用されず、廃棄されているものが多くある。また、工場廃熱媒体Ａを廃棄する際には、法規上の理由により６０℃程度まで冷却しなければならず、そのための冷却設備を設置する必要がある。本実施形態では、このような工場廃熱媒体Ａを利用するので、工場全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。また、工場廃熱媒体Ａを廃棄するための冷却設備を削減又は縮小することができる。

また、加湿器５用の温水を生成するために必要な熱量を工場廃熱で補うことにより、例えばガスタービン３の排ガスや圧縮機１から吐出された圧縮空気などを利用しなくとも発電効率の低下を抑えることができる。そして、本実施形態においては、ボイラ７は、ガスタービン３の排ガスを利用して加熱し、生成した蒸気を工場などに供給する。また、ボイラ２０は、圧縮機１から吐出された圧縮空気を利用して加熱し、生成した蒸気を工場などに供給する。これにより、ガスタービンの排ガスや圧縮機１から吐出された圧縮空気から回収した熱量を、加湿器５用の温水生成のために分配することなく、外部供給用の蒸気生成に利用することができ、コジェネ効率の向上を図ることができる。したがって本実施形態においては、発電効率の低下を抑えつつ、コジェネ効率の向上を図ることができる。

また本実施形態においては、ガスタービン３の排ガスを利用して加熱し、外部供給用の蒸気を生成するボイラ７と、圧縮機１から吐出された圧縮空気を利用して加熱し、外部供給用の蒸気を生成するボイラ２０とを設けることにより、いずれか一方を設けた場合に比べ、コジェネ効率の向上を図ることができる。

なお、上記一実施形態においては、工場排熱媒体Ａを利用して加湿器５の水溜め部５ｂからの水を加熱する熱交換器１７と、工場排熱媒体Ａを利用して水回収装置８の水溜め部８ｂからの水を加熱する熱交換器１８とを備えた場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば熱交換器１７，１８のうちいずれか一方だけを設けてもよい。また、例えば工場排熱媒体Ａから回収した熱量だけでは加湿器５用の温水を十分に生成できないような場合に対応するため、ヒートポンプや助燃装置等を組み合わせて設けてもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、ガスタービン３の排ガスを利用して加熱し、外部供給用の蒸気（又は温水）を生成するボイラ７と、圧縮機１から吐出された圧縮空気を利用して加熱し、外部供給用の蒸気（又は温水）を生成するボイラ２０とを設けた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばボイラ７，２０のうちいずれか一方だけを設けてもよいし、また例えばボイラ７，２０のうちいずれか一方を加湿器５用の温水を生成するために用いてもよい。また、例えばガスタービン３の排ガスや圧縮機１から吐出された圧縮空気から回収した熱量だけでは外部供給用の蒸気（又は温水）を十分に生成できないような場合に対応するため、ヒートポンプや助燃装置等を組み合わせて設けてもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の他の実施形態を図２により説明する。本実施形態は、ボイラ７，２０が外部供給用の蒸気を生成する場合と、ボイラ７，２０が加湿器５用の温水を生成する場合とを切換え可能にした実施形態である。

図２は、本実施形態による高湿分ガスタービン設備の構成を表す概略図である。この図２において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、ボイラ７は、第１配管系統としての上記配管１９Ａ，１９Ｂが接続されており、これら配管１９Ａ，１９Ｂには連通・遮断状態に切換え可能な切換弁２２Ａ，２２Ｂを設けている。また、ボイラ７は、循環配管系統１４をバイパスする第２配管系統として、循環配管系統１４における循環ポンプ１３の下流側に分岐接続された配管２３Ａと、循環配管系統１４における熱交換器１７の下流側に合流接続された配管２３Ｂとが接続されており、これら配管２３Ａ，２３Ｂには連通・遮断状態に切換え可能な切換弁２４Ａ，２４Ｂをそれぞれ設けている。

ボイラ２０は、第１配管系統としての上記配管２１Ａ，２１Ｂが接続されており、これら配管２１Ａ，２１Ｂには連通・遮断状態に切換え可能な切換弁２５Ａ，２５Ｂを設けている。また、ボイラ２０は、循環配管系統１４をバイパスする第２配管系統として、循環配管系統１４における循環ポンプ１３の下流側（図２では、熱交換器１７の下流側）に分岐接続された配管２６Ａと、循環配管系統１４における熱交換器１７の下流側（図２では、循環配管系統１４における配管２６Ａの分岐部より下流側）に合流接続された配管２６Ｂとが接続されており、これら配管２６Ａ，２６Ｂには連通・遮断状態に切換え可能な切換弁２７Ａ，２７Ｂを設けている。

また、循環配管系統には、配管２３Ａ，２６Ａの分岐部より下流側かつ配管２３Ｂ，２６Ｂの合流部より上流側（言い換えれば、バイパス部）に、連通・遮断状態に切り換え可能な切換弁２８を設けている。

そして、例えば切換弁２２Ａ，２２Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ，２８を連通状態、切換弁２４Ａ，２４Ｂ，２７Ａ，２７Ｂを遮断状態に切換えた場合は、上記第１の実施形態同様、ボイラ７は、タービン３の排ガスを利用して外部供給用の蒸気を生成し、ボイラ２０は、圧縮機１から吐出された圧縮空気を利用して外部供給用の蒸気を生成し、熱交換器１７は、外部からの工場廃熱媒体Ａを利用して加湿器５の水溜め部５ｂからの水を加熱することができる。これにより、上記第１の実施形態同様、発電効率の低下を抑えつつ、コジェネ効率の向上を図ることができる。

一方、図２に示すように、例えば切換弁２２Ａ，２２Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ，２８を遮断状態（図中黒塗りで図示）、切換弁２４Ａ，２４Ｂ，２７Ａ，２７Ｂを連通状態（図中白抜きで図示）に切換えた場合は、ボイラ７は、タービン３の排ガスを利用して加湿器５の水溜め部５ｂからの水を加熱し、ボイラ２０は、圧縮機１から吐出された圧縮空気を利用して加湿器５の水溜め部５ｂからの水を加熱することができる。これにより、例えば工場の稼働状況などによって工場排熱媒体Ａを利用することができない場合でも、発電に必要な加湿器５用の温水を確実に生成することができる。

なお、上記他の実施形態においては、ボイラ７，２０は、循環配管系統１４をバイパスする第２配管系統をそれぞれ接続した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、ボイラ７，２０のうちいずれか一方は、これに代えて、例えば補給配管系統１６をバイパスする第２配管系統を接続してもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ ガスタービン
４ 発電機
５ 加湿器
６ 再生熱交換器
７ ボイラ（第１加熱装置）
８ 水回収装置
１４ 循環配管系統
１６ 補給配管系統
１７ 熱交換器（第２加熱装置）
１８ 熱交換器（第２加熱装置）
１９Ａ，１９Ｂ 配管（第１配管系統）
２０ ボイラ（第３加熱装置）
２１Ａ，２１Ｂ 配管（第１配管系統）
２２Ａ，２２Ｂ 切換弁（弁手段）
２３Ａ，２３Ｂ 配管（第２配管系統）
２４Ａ，２４Ｂ 切換弁（弁手段）
２５Ａ，２５Ｂ 切換弁（弁手段）
２６Ａ，２６Ｂ 配管（第２配管系統）
２７Ａ，２７Ｂ 切換弁（弁手段）
２８ 切換弁（弁手段）
Ａ 工場排熱媒体

Claims (6)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で生成した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動によって発電する発電機と、前記圧縮機からの圧縮空気を温水と直接接触させて加湿する加湿器と、前記加湿器からの圧縮空気を前記ガスタービンの排ガスによって加熱し前記燃焼器へ送る再生熱交換器とを有する高湿分ガスタービン設備であって、
   前記再生熱交換器からの排ガスを利用して水を加熱し、外部供給用の蒸気又は温水を生成する第１加熱装置と、
   前記第１加熱装置からの排ガスから湿分を回収する水回収装置と、
   前記水回収装置で回収した水を前記加湿器に供給する補給配管系統と、
   前記加湿器で使用された水を前記加湿器で再使用するための循環配管系統と、
   前記補給配管系統及び前記循環配管系統のうちの少なくとも一方に設けられ、外部からの工場排熱媒体を利用して前記水を加熱し、前記加湿器用の温水を生成する第２加熱装置とを有することを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で生成した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動によって発電する発電機と、前記圧縮機からの圧縮空気を温水と直接接触させて加湿する加湿器と、前記加湿器からの圧縮空気を前記ガスタービンの排ガスによって加熱し前記燃焼器へ送る再生熱交換器とを有する高湿分ガスタービン設備であって、
   前記再生熱交換器からの排ガスから湿分を回収する水回収装置と、
   前記水回収装置で回収した水を前記加湿器に供給する補給配管系統と、
   前記加湿器で使用された水を前記加湿器で再使用するための循環配管系統と、
   前記補給配管系統及び前記循環配管系統のうちの少なくとも一方に設けられ、外部からの工場排熱媒体を利用して前記水を加熱し、前記加湿器用の温水を生成する第２加熱装置と、
   前記圧縮機から吐出された圧縮空気を利用して水を加熱し、外部供給用の蒸気又は温水を生成する第３加熱装置とを有することを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
3. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で生成した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動によって発電する発電機と、前記圧縮機からの圧縮空気を温水と直接接触させて加湿する加湿器と、前記加湿器からの圧縮空気を前記ガスタービンの排ガスによって加熱し前記燃焼器へ送る再生熱交換器とを有する高湿分ガスタービン設備であって、
   前記再生熱交換器からの排ガスを利用して水を加熱し、外部供給用の蒸気又は温水を生成する第１加熱装置と、
   前記第１加熱装置からの排ガスから湿分を回収する水回収装置と、
   前記水回収装置で回収した水を前記加湿器に供給する補給配管系統と、
   前記加湿器で使用された水を前記加湿器で再使用するための循環配管系統と、
   前記補給配管系統及び前記循環配管系統のうちの少なくとも一方に設けられ、外部からの工場排熱媒体を利用して前記水を加熱し、前記加湿器用の温水を生成する第２加熱装置と、
   前記圧縮機から吐出された圧縮空気を利用して水を加熱し、外部供給用の蒸気又は温水を生成する第３加熱装置とを有することを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
4. 請求項１又は３記載の高湿分ガスタービン設備において、前記第２加熱装置に導入される工場排熱媒体の温度は、前記第１加熱装置に導入される排ガスの温度より低いことを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
5. 請求項２又は３記載の高湿分ガスタービン設備において、前記第２加熱装置に導入される工場排熱媒体の温度は、前記第３加熱装置に導入される圧縮空気の温度より低いことを特徴とする高湿分ガスタービン設備。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の高湿分ガスタービン設備において、前記第１加熱装置又は／及び前記第３加熱装置が外部供給用の蒸気又は温水を生成するときの第１配管系統と、前記第１加熱装置又は／及び前記第３加熱装置が前記加湿器用の温水を生成するときの第２配管系統とを設け、前記第１配管系統及び第２配管系統のうちいずれか一方が連通状態、他方が遮断状態となるように切換え可能な弁手段を設けたことを特徴とする高湿分ガスタービン設備。

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