JP2011007149A - Gas turbine plant - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービンプラントに関するものである。 The present invention relates to a gas turbine plant.
近年、地球温暖化の防止、化石燃料の使用抑制の観点から、二酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質の排出が少ない自然エネルギー、資源を再利用するリサイクルエネルギーなどのクリーンエネルギーを利用した発電が注目されている。クリーンエネルギーは、全世界で必要とされる電力エネルギーを上回る量がある。しかしながら、クリーンエネルギーのエネルギー分布は広範囲にわたり、有効エネルギー(外部に取り出して利用可能なエネルギー)が低い。これに起因して、クリーンエネルギーを利用した発電は、電力への変換効率が低く発電コストが高くなるため、十分に普及していない。発電方式としては、ガスタービン、蒸気タービン及びカスタービンコンバインドサイクル(GTCC)などの発電技術を利用した太陽熱エネルギーによる発電が期待されている。 In recent years, from the viewpoint of preventing global warming and reducing the use of fossil fuels, power generation using clean energy such as natural energy that emits less harmful substances such as carbon dioxide and nitrogen oxides, and recycled energy that recycles resources Attention has been paid. The amount of clean energy exceeds the amount of power energy required worldwide. However, the energy distribution of clean energy is wide, and effective energy (energy that can be taken out and used outside) is low. Due to this, power generation using clean energy is not sufficiently widespread because of low conversion efficiency to power and high power generation costs. As a power generation method, power generation by solar thermal energy using a power generation technology such as a gas turbine, a steam turbine, and a gas turbine combined cycle (GTCC) is expected.
従来技術としては、太陽熱を集熱して熱媒体(例えば合成油や溶融塩)を加熱し、熱媒体の熱を熱交換して蒸気を生成することで蒸気タービンによる発電を行うものが主流である。蒸気タービン発電には、例えばトラフ式(二次元集光)がある。トラフ式は、半円筒型のミラー(トラフ)によって太陽光を反射させ、円筒の中心を通るパイプに集光・集熱し、パイプ内を通る熱媒体の温度を上昇させるものである。 As a conventional technique, the mainstream is to generate power by a steam turbine by collecting solar heat to heat a heat medium (for example, synthetic oil or molten salt) and exchanging heat of the heat medium to generate steam. . Steam turbine power generation includes, for example, a trough type (two-dimensional condensing). The trough type reflects sunlight by a semi-cylindrical mirror (trough), collects and collects heat on a pipe passing through the center of the cylinder, and raises the temperature of the heat medium passing through the pipe.
一方、特許文献としては以下のような技術が開示されている。特許文献1に示される太陽熱発電システムは、太陽熱を受ける受熱器と、圧縮流体をつくる圧縮機と、圧縮機を出た圧縮流体を受熱器へ供給する系統に配置され圧縮流体に熱回収する再生器と、受熱器から圧縮流体を導入し出力を得るタービンと、タービンに供給される圧縮流体を補助的に加熱するバックアップ用加熱装置と、タービンに連結された発電機と、を具備して構成されている。 On the other hand, the following techniques are disclosed as patent documents. The solar thermal power generation system shown in Patent Document 1 is arranged in a heat receiver that receives solar heat, a compressor that produces a compressed fluid, and a system that supplies the compressed fluid that has exited the compressor to the heat receiver, and that recovers heat to the compressed fluid. And a turbine that obtains an output by introducing a compressed fluid from a heat receiver, a backup heating device that supplementarily heats the compressed fluid supplied to the turbine, and a generator connected to the turbine. Has been.
従来の蒸気タービン発電では、ガスタービン発電に比べて低出力であり発電サイクルの高効率化を図ることは困難である。また、トラフ式の場合、ミラーは太陽光を追尾するよう向きを変えるものの一軸制御であるため、熱媒体の高い温度上昇を期待することはできない。また、蒸気タービン発電では、発電サイクルにおける蒸気生成のために大量の水(冷却水)が必要とされる。また、蒸気発生器や復水器などの付帯設備の数が多いため、設備設置面積が大きくなり設備設置コストやメンテナンスコストが高くなる。また、付帯設備の数が多いと全体として動力の消費が多くなるため、発電コストが高くなる。 Conventional steam turbine power generation has a lower output than gas turbine power generation, and it is difficult to increase the efficiency of the power generation cycle. Further, in the case of the trough type, since the mirror is uniaxial control that changes its direction so as to track sunlight, a high temperature rise of the heat medium cannot be expected. Further, in steam turbine power generation, a large amount of water (cooling water) is required for generating steam in the power generation cycle. Moreover, since there are many incidental facilities, such as a steam generator and a condenser, an installation area becomes large and an installation cost and a maintenance cost become high. Moreover, since the consumption of motive power increases as a whole when the number of incidental facilities is large, the power generation cost increases.
一方、特許文献1では、受熱器に太陽熱が必要量得られない場合、受熱器からタービンに供給される圧縮流体の温度が低くなりタービンを効率よく駆動できないため、補助的に作動するバックアップ用加熱装置の負担が大きくなり発電コストが高くなる。また、圧縮機とタービンとが直結されていないため、圧縮機の駆動動力が大きくなり、圧縮機駆動用モーターやトルクコンバータの容量を大きくする必要がある。 On the other hand, in Patent Document 1, when the required amount of solar heat cannot be obtained in the heat receiver, the temperature of the compressed fluid supplied from the heat receiver to the turbine becomes low and the turbine cannot be driven efficiently. The burden on the apparatus is increased and the power generation cost is increased. Further, since the compressor and the turbine are not directly connected, the driving power of the compressor is increased, and it is necessary to increase the capacity of the compressor driving motor and the torque converter.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、発電サイクルの高効率化を図り、発電コストを低減したガスタービンプラントを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: It aims at improving the efficiency of a power generation cycle and providing the gas turbine plant which reduced the power generation cost.
上記の課題を解決するため、本発明のガスタービンプラントは、太陽からの熱を受ける受熱器と、圧縮機及び該圧縮機で圧縮されるとともに前記受熱器によって加熱された流体を作動流体として作動するタービンを有するガスタービンと、太陽からの熱を検知する温度センサーと、前記温度センサーが検知した熱の温度に基づいて駆動し、前記ガスタービンを始動させる補助駆動装置と、前記タービンの回転により生じる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a gas turbine plant of the present invention operates with a heat receiver that receives heat from the sun, a compressor, and a fluid that is compressed by the compressor and heated by the heat receiver as a working fluid. A gas turbine having a turbine that performs heat, a temperature sensor that detects heat from the sun, an auxiliary drive device that is driven based on the temperature of the heat detected by the temperature sensor and starts the gas turbine, and rotation of the turbine And a generator for converting the generated kinetic energy into electric energy.
この構成によれば、蒸気タービンに替えて燃焼器なしのガスタービン(圧縮機及びタービン)を用いているので、蒸気タービンに比べて発電サイクルの高効率化を図ることが可能となる。具体的には、燃焼器に替えて受熱器を用いているので、圧縮機から出た圧縮流体を太陽からの熱により温度上昇させてタービンに供給することができる。また、本発明では、蒸気タービンのように発電サイクル内で水を必要としない。また、蒸気発生器や復水器などの付帯設備を設ける必要がないため、設備設置面積を縮小でき設備設置コストやメンテナンスコストを低減することができる。また、付帯設備の数が少ないので全体として動力の消費が小さくなり、発電コストが低くなる。また、本発明では、温度センサーが検知した熱の温度に基づいて補助駆動装置が駆動するので、受熱器に太陽熱が必要量得られない場合は圧縮機及びタービンが始動しない。つまり、受熱器からタービンに供給される作動流体の温度が低くタービンを効率よく駆動できない場合に、圧縮機及びタービンの駆動エネルギーが抑えられるので発電コストを低減できる。したがって、発電サイクルの高効率化を図り、発電コストを低減したガスタービンプラントが提供できる。 According to this configuration, since a gas turbine (compressor and turbine) without a combustor is used instead of the steam turbine, the efficiency of the power generation cycle can be increased as compared with the steam turbine. Specifically, since a heat receiver is used in place of the combustor, the temperature of the compressed fluid that has come out of the compressor can be increased by the heat from the sun and supplied to the turbine. Further, the present invention does not require water in the power generation cycle unlike a steam turbine. Moreover, since it is not necessary to provide incidental facilities such as a steam generator and a condenser, the facility installation area can be reduced, and the facility installation cost and the maintenance cost can be reduced. In addition, since the number of incidental facilities is small, overall power consumption is reduced and power generation costs are reduced. Moreover, in this invention, since an auxiliary drive device drives based on the temperature of the heat | fever detected by the temperature sensor, when a required amount of solar heat is not acquired to a heat receiver, a compressor and a turbine do not start. That is, when the temperature of the working fluid supplied from the heat receiver to the turbine is low and the turbine cannot be driven efficiently, the driving energy of the compressor and the turbine can be suppressed, so that the power generation cost can be reduced. Therefore, it is possible to provide a gas turbine plant that improves the efficiency of the power generation cycle and reduces the power generation cost.
また、上記ガスタービンプラントにおいては、前記圧縮機及び前記タービンは互いに同軸の回転軸で直結され、前記回転軸は前記補助駆動装置の駆動により回転されていてもよい。 Moreover, in the said gas turbine plant, the said compressor and the said turbine may be directly connected by the mutually coaxial rotating shaft, and the said rotating shaft may be rotated by the drive of the said auxiliary drive device.
この構成によれば、圧縮機とタービンとが互いに同軸の回転軸で直結されているため、圧縮機の駆動動力をタービンの回転による動力で補うことができる。このため、補助駆動装置やトルクコンバータの容量を小さくすることができる。したがって、発電サイクルの高効率化を確実に図り、発電コストを格段に低減したガスタービンプラントが提供できる。 According to this configuration, since the compressor and the turbine are directly connected to each other by the coaxial rotating shaft, the driving power of the compressor can be supplemented by the power generated by the rotation of the turbine. For this reason, the capacity | capacitance of an auxiliary drive device or a torque converter can be made small. Therefore, it is possible to provide a gas turbine plant that can reliably increase the efficiency of the power generation cycle and significantly reduce the power generation cost.
また、上記ガスタービンプラントにおいては、前記作動流体が前記受熱器で加熱される前に該作動流体と前記タービンの排気との熱交換を行う再生熱交換器を備えていてもよい。 The gas turbine plant may further include a regenerative heat exchanger that exchanges heat between the working fluid and the turbine exhaust before the working fluid is heated by the heat receiver.
この構成によれば、作動流体が受熱器で加熱される前にタービンの排気により昇温されるので、受熱器によって加熱される作動流体の温度を予め上昇させることができる。したがって、発電サイクルの高効率化を確実に図り、発電コストを格段に低減したガスタービンプラントが提供できる。 According to this configuration, the temperature of the working fluid heated by the heat receiver can be increased in advance because the temperature of the working fluid is raised by the exhaust of the turbine before being heated by the heat receiver. Therefore, it is possible to provide a gas turbine plant that can reliably increase the efficiency of the power generation cycle and significantly reduce the power generation cost.
また、上記ガスタービンプラントにおいては、前記圧縮機と前記受熱器とが直結されていてもよい。 In the gas turbine plant, the compressor and the heat receiver may be directly connected.
この構成によれば、圧縮機と受熱器とが直結されるので設備設置面積を縮小でき設備設置コストを低減することができる。また、圧縮機から出た圧縮流体が圧力損失することなく高圧のまま受熱器に供給されて加熱される。したがって、発電サイクルの安定性及び信頼性を図ったガスタービンプラントが提供できる。 According to this configuration, since the compressor and the heat receiver are directly connected, the facility installation area can be reduced and the facility installation cost can be reduced. Moreover, the compressed fluid that has flowed out of the compressor is supplied to the heat receiver and heated without being lost in pressure. Therefore, the gas turbine plant which aimed at the stability and reliability of the power generation cycle can be provided.
また、上記ガスタービンプラントにおいては、前記作動流体を補助燃焼して前記タービンに流入させる補助燃焼器を備えていてもよい。 Further, the gas turbine plant may include an auxiliary combustor that performs auxiliary combustion of the working fluid and flows into the turbine.
この構成によれば、太陽エネルギーを利用できない夜間や天候条件が悪く太陽エネルギーが不十分な場合、受熱器で加熱された作動流体を補助的に加熱して温度上昇させてタービンに供給することができる。したがって、発電サイクルの安定性及び信頼性を図ったガスタービンプラントが提供できる。 According to this configuration, when the solar energy cannot be used at night or when the weather conditions are poor and the solar energy is insufficient, the working fluid heated by the heat receiver is supplementally heated to increase the temperature and supply it to the turbine. it can. Therefore, the gas turbine plant which aimed at the stability and reliability of the power generation cycle can be provided.
また、上記ガスタービンプラントにおいては、前記受熱器が上部に配置されたタワーと、前記タワーの周囲に配置され太陽からの光を集光して前記受熱器に反射するヘリオスタットと、を有していてもよい。 Further, the gas turbine plant includes a tower in which the heat receiver is disposed at an upper portion, and a heliostat that is disposed around the tower and collects light from the sun and reflects the light to the heat receiver. It may be.
この構成によれば、ヘリオスタットによりタワー上部の受熱器に太陽光が集光されるので、高温の熱エネルギーに変換される。したがって、発電サイクルの高効率化を格段に図ったガスタービンプラントが提供できる。 According to this structure, sunlight is condensed on the heat receiver at the upper part of the tower by the heliostat, so that it is converted into high-temperature heat energy. Therefore, it is possible to provide a gas turbine plant that greatly improves the efficiency of the power generation cycle.
また、上記ガスタービンプラントにおいては、前記タワーには複数の補強部材が前記タワーの長手方向に交差して間隔を空けて設けられ、前記間隔は前記ヘリオスタットから前記受熱器に太陽からの光を入光させる光路となる範囲でタワー上部に近づくにつれて大きく設定されていてもよい。 Further, in the gas turbine plant, the tower is provided with a plurality of reinforcing members that are spaced apart from each other in the longitudinal direction of the tower, and the interval transmits light from the sun from the heliostat to the heat receiver. It may be set larger as it approaches the upper part of the tower in the range of the optical path for entering light.
この構成によれば、ヘリオスタットによりタワー上部の受熱器に太陽光が確実に集光されるので、高温の熱エネルギーに変換される。つまり、ヘリオスタットにより反射された光が補強部材に遮られることなくタワー上部の受熱器に集光される。したがって、発電サイクルの高効率化を格段に図ったガスタービンプラントが提供できる。 According to this structure, sunlight is reliably condensed on the heat receiver at the top of the tower by the heliostat, so that it is converted into high-temperature heat energy. That is, the light reflected by the heliostat is collected on the heat receiver at the top of the tower without being blocked by the reinforcing member. Therefore, it is possible to provide a gas turbine plant that greatly improves the efficiency of the power generation cycle.
また、上記ガスタービンプラントにおいては、前記タワー上部には、前記温度センサーと、前記補助駆動装置と、前記ガスタービンと、前記発電機とが配置されていてもよい。 Moreover, in the said gas turbine plant, the said temperature sensor, the said auxiliary drive device, the said gas turbine, and the said generator may be arrange | positioned at the said tower upper part.
この構成によれば、タワー上部に装置が集約されるので設備設置面積を縮小でき設備設置コストを低減することができる。 According to this configuration, since the apparatus is concentrated on the upper part of the tower, the facility installation area can be reduced and the facility installation cost can be reduced.
また、上記ガスタービンプラントにおいては、前記タワー上部には、前記発電機の振動を打ち消す消振機が設けられていてもよい。 Moreover, in the said gas turbine plant, the silencer which cancels the vibration of the said generator may be provided in the said tower upper part.
この構成によれば、消振機により発電機の振動が打ち消され、タワー共振を防止することができる。したがって、発電サイクルの安定性及び信頼性を図ったガスタービンプラントが提供できる。 According to this configuration, the vibration of the generator is canceled by the vibration absorber, and tower resonance can be prevented. Therefore, the gas turbine plant which aimed at the stability and reliability of the power generation cycle can be provided.
本発明のガスタービンプラントは、太陽からの熱を受ける受熱器と、圧縮機及び該圧縮機で圧縮されるとともに受熱器によって加熱された流体を作動流体として作動するタービンを有するガスタービンと、太陽からの熱を検知する温度センサーと、温度センサーが検知した熱の温度に基づいて駆動し、ガスタービンを始動させる補助駆動装置と、タービンの回転により生じる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を有し、蒸気タービンに替えて燃焼器なしのガスタービンを用いているので、蒸気タービンに比べて発電サイクルの高効率化を図ることが可能となる。具体的には、燃焼器に替えて受熱器を用いているので、圧縮機から出た圧縮流体を太陽からの熱により温度上昇させてタービンに供給することができる。また、本発明では、蒸気タービンのように発電サイクル内で水を必要としない。また、蒸気発生器や復水器などの付帯設備を設ける必要がないため、設備設置面積を縮小でき設備設置コストやメンテナンスコストを低減することができる。また、付帯設備の数が少ないので全体として動力の消費が小さくなり、発電コストが低くなる。また、本発明では、温度センサーが検知した熱の温度に基づいて補助駆動装置が駆動するので、受熱器に太陽熱が必要量得られない場合は圧縮機及びタービンが始動しない。つまり、受熱器からタービンに供給される作動流体の温度が低くタービンを効率よく駆動できない場合に、圧縮機及びタービンの駆動エネルギーが抑えられるので発電コストを低減できる。したがって、発電サイクルの高効率化を図り、発電コストを低減したガスタービンプラントが提供できる。 A gas turbine plant of the present invention includes a heat receiver that receives heat from the sun, a gas turbine that includes a compressor and a turbine that is compressed by the compressor and that operates using a fluid heated by the heat receiver as a working fluid, A temperature sensor that detects heat from the engine, an auxiliary drive device that starts driving the gas turbine based on the temperature of the heat detected by the temperature sensor, and a generator that converts kinetic energy generated by the rotation of the turbine into electrical energy Since a gas turbine without a combustor is used instead of the steam turbine, the efficiency of the power generation cycle can be improved as compared with the steam turbine. Specifically, since a heat receiver is used in place of the combustor, the temperature of the compressed fluid that has come out of the compressor can be increased by the heat from the sun and supplied to the turbine. Further, the present invention does not require water in the power generation cycle unlike a steam turbine. Moreover, since it is not necessary to provide incidental facilities such as a steam generator and a condenser, the facility installation area can be reduced, and the facility installation cost and the maintenance cost can be reduced. In addition, since the number of incidental facilities is small, overall power consumption is reduced and power generation costs are reduced. Moreover, in this invention, since an auxiliary drive device drives based on the temperature of the heat | fever detected by the temperature sensor, when a required amount of solar heat is not acquired to a heat receiver, a compressor and a turbine do not start. That is, when the temperature of the working fluid supplied from the heat receiver to the turbine is low and the turbine cannot be driven efficiently, the driving energy of the compressor and the turbine can be suppressed, so that the power generation cost can be reduced. Therefore, it is possible to provide a gas turbine plant that improves the efficiency of the power generation cycle and reduces the power generation cost.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment shows one aspect of the present invention, and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention. Moreover, in the following drawings, in order to make each structure easy to understand, an actual structure and a scale, a number, and the like in each structure are different.
図1は本発明のガスタービンプラントの発電サイクルを示す図である。図1に示すように、ガスタービンプラント1は、受熱器10と、温度センサー20と、補助駆動装置34と、回転軸33と、ガスタービン30と、補助燃焼器21と、再生熱交換器35と、発電機36と、を具備して構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing a power generation cycle of a gas turbine plant of the present invention. As shown in FIG. 1, the gas turbine plant 1 includes a
受熱器10は、太陽光が照射する位置に配置されており、太陽からの熱を受ける機能を有する。受熱器10としては、例えば受熱管をケーシングの内部に置いたキャビティ型のものを用いることができる。なお、受熱器10の詳細構造については後述する(図4及び図5参照)。
The
温度センサー20は、受熱器10の近傍に配置されており、受熱器10が受けた熱を検知する機能を有する。温度センサー20としては、例えば熱電対を用いることができる。また、熱電対としては、測定範囲や測定精度の面から白金ロジウム合金と白金とを接合したものを用いるのが好ましい。
The
補助駆動装置34は、回転軸33の一端に接続されており、温度センサー20が検知した熱の温度に基づいて駆動する。補助駆動装置34としては、例えば電動モーターを用いることができる。電動モーター34は、温度センサー20が検知した熱の温度が許容温度以上になると、制御装置(図示略)の制御信号に基づいて回転軸33を回転させる。つまり、受熱器10に太陽熱が必要量得られない場合、回転軸33は回転しない。
The
ガスタービン30は、圧縮機31と、タービン32とを有し、電動モーター34の駆動により始動する。圧縮機31は、熱媒体となる流体(例えば大気)を吸入して圧縮し、圧縮流体を生成する。タービン32は、再生熱交換器35、受熱器10を経て供給される作動流体(高温圧縮流体)のエネルギーにより回転する。このように、本実施形態では蒸気タービンに替えて燃焼器なしのガスタービン30を用いているので、蒸気タービンに比べて効率よく発電サイクルを行うことができる。また、蒸気タービンのように発電サイクル内で水を必要としない。また、蒸気発生器や復水器などの付帯設備を設ける必要がないため、設備設置面積を縮小できる。また、付帯設備の数が少ないので全体として動力の消費が小さくなる。
The
圧縮機31及びタービン32は互いに同軸の回転軸33で直結されている。回転軸33は電動モーター34の駆動により回転される。これにより、圧縮機31の駆動動力をタービン32の回転による動力で補うことができる。このため、電動モーター34やトルクコンバータ(図示略)の容量を小さくすることができる。
The
補助燃焼器21は、受熱器10とタービン32との間に設けられている。補助燃焼器21は、タービン32に供給される作動流体の補助燃焼を行うものである。補助燃焼器21は、タービン32に供給される作動流体の温度が十分でないときに、制御装置(図示略)の制御信号に基づいて作動するようになっている。これにより、太陽エネルギーを利用できない夜間や天候条件が悪く太陽エネルギーが不十分の場合、圧縮機31から出て受熱器10で加熱された作動流体を補助的に加熱して温度上昇させてタービン32に供給することができる。
The
再生熱交換器35は、ガスタービン30の近傍に配置されており、圧縮機31から供給された圧縮流体(低温流体)とタービン32からの排気(高温流体)とを熱交換させる機能を有する。再生熱交換器35としては、例えばヘリカルコイル型熱交換器やプレートフィン型熱交換器を用いることができる。
The
発電機36は、回転軸34の他端に接続されており、タービン32の回転により生じる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有する。
The
次に、上述した構成のガスタービンプラント1の発電サイクルについて説明する。温度センサー20が検知した太陽からの熱の温度が許容温度以上になると、電動モーター34が駆動する。電動モーター34が駆動すると、圧縮機31及びタービン32が始動する。すると、圧縮機31は流体(例えば大気)を吸入して圧縮し圧縮流体を生成する。圧縮機31により生成された圧縮流体は、再生熱交換器35を通ってタービン32の排気と熱交換される。再生熱交換器35における熱交換(熱回収)により昇温された圧縮流体は、受熱器10に供給され、太陽からの熱によりさらに加熱される。受熱器10においてさらに昇温された高温圧縮流体は、作動流体としてタービン32に供給される。すると、タービン32は供給された高温圧縮流体のエネルギーにより回転する。そして、タービン32の回転により生じる運動エネルギーが発電機36によって電気エネルギーに変換され、電力として取り出される。
Next, the power generation cycle of the gas turbine plant 1 configured as described above will be described. When the temperature of the heat from the sun detected by the
このように、本実施形態では燃焼器に替えて受熱器10を用いているので、圧縮機31から出た圧縮流体を太陽からの熱により高効率で温度上昇させてタービン32に供給することができる。
Thus, in this embodiment, since the
なお、夜間時、または曇りや雨の日で太陽の光が十分に得られない場合には、受熱器10とタービン32との間に配置された補助燃焼器21により燃料を噴射燃焼させ、タービン32に供給される作動流体を所定の温度まで昇温させる。
In addition, when sufficient sunlight is not obtained at night or on a cloudy or rainy day, fuel is injected and burned by the
また、タービン32で仕事をした排気は、前述のように再生熱交換器35を通り圧縮機31より供給される圧縮流体により熱回収された後、排出される。
Further, the exhaust gas that has worked in the
次に、本発明のガスタービンプラント1の一実施例としてタワー式(三次元集光)を挙げて説明する。タワー式は、受熱器を高いタワーの上に置き、周囲の地上にヘリオスタットと呼ばれる集光用の反射光制御鏡を多数台置き、タワー上部の受熱器に集光させるものである。 Next, a tower type (three-dimensional condensing) will be described as an example of the gas turbine plant 1 of the present invention. In the tower type, a heat receiver is placed on a high tower, and a number of reflecting light control mirrors for collecting light called heliostats are placed on the surrounding ground, and the heat is received by the heat receiver at the top of the tower.
図2は、ヘリオスタットとタワー上部の受熱器の位置関係を示す説明図である。図3は、タワー周辺のヘリオスタットの配置構成を示す平面図である。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing the positional relationship between the heliostat and the heat receiver at the top of the tower. FIG. 3 is a plan view showing an arrangement configuration of heliostats around the tower.
図2に示すように、グランドG上にはヘリオスタットフィールド101が設けられている。このヘリオスタットフィールド101上には、太陽光線を反射するための複数のヘリオスタット102が配置されている。また、ヘリスタットフィールド101の中央部には、ヘリオスタット101で導かれた太陽光線を受けるタワー型太陽光集光受熱器100が設けられている。図3に示すように、ヘリオスタット102はタワー型太陽光集光受熱器100の360度全周に配置されている。
As shown in FIG. 2, a
タワー型太陽光集光受熱器100は、グランドGに立設されたタワー110と、タワー110上部の収容室120内に設置された受熱器10とから構成されている。
The tower-type solar
タワー110には、複数の補強部材111が設けられている。補強部材111は、タワー110の長手方向に交差して間隔(隣り合う補強部材間の距離)Pを空けて設けられている。間隔Pは、ヘリオスタット102から受熱器10に太陽からの光を入光させる光路となる範囲でタワー110上部(受熱器10の設置された側)に近づくにつれて大きくなっている。これにより、ヘリオスタット102により反射された光が補強部材111に遮られることなくタワー110上部の受熱器10に集光される。なお、補強部材111の配置構造としては、剛性確保の面から例えばトラス構造とするのがよい。
The
図4は、タワー上部の概略構成を示す模式図である。図4(a)は、タワー上部の概略構成を示す平面図である。図4(b)は、タワー上部の概略構成を示す断面図である。図5は、受熱器の概略構成を示す斜視図である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the upper part of the tower. Fig.4 (a) is a top view which shows schematic structure of the tower upper part. FIG. 4B is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the upper part of the tower. FIG. 5 is a perspective view showing a schematic configuration of the heat receiver.
図4(a)に示すように、タワー110上部の収容室120は平面視円形状になっている。受熱器10は、円筒形状のケーシング11と、受熱管12と、から構成されている。
As shown in FIG. 4A, the
図4(b)に示すように、収容室120は、上部収容室121及び下部収容室122の2つの収容室を有する構造となっている。下部収容室122の下面側には、太陽光線を取り込むための開口部122cが設けられている。開口部122cは太陽光線のスポット径に応じて円形状となっている。
As illustrated in FIG. 4B, the
受熱器10は下部収容室122内に設けられている。具体的には、受熱器10は下部収容室122の上壁122aに吊り具123を介して固定され、下部収容室122内において上壁122aから吊り下げられる構造となっている。つまり、受熱器10は下部収容室122の内壁と接触しないように、下部収容室122の内壁と離間して配置されている。吊り具123は上壁122aの周方向に複数設けられており、可撓性を有する構造となっている。また、吊り具123はケーシング11を貫通して後述する吊り具124と一体になっている。これにより、受熱器10内部で熱交換が行われ高温(例えば900℃以上)となった場合、ケーシング11の熱膨張による変形を許容できるようになっている。また、ケーシング11の下面側には、太陽光線を取り込むための開口部11bが設けられている。開口部11bは、前述の開口部122cと同様に、太陽光線のスポット径に応じて円形状となっている。
The
一方、上部収容室121内には、温度センサー20と、電動モーター34と、回転軸33と、ガスタービン30と、補助燃焼器21と、再生熱交換器35と、発電機36と、消振器37と、が配置されている。つまり、上部収容室121内には、上述したガスタービンプラント1を構成する装置のうち受熱器10を除いた装置が配置され、加えて消振器37が配置されている。このように、タワー110上部に装置が集約されることで、設備設置面積が縮小されている。
On the other hand, in the
また、上部収容室121の側面には、圧縮機31に供給される流体(大気)を取り込むための開口部121bが設けられている。なお、開口部121bは必要に応じてタービン32からの排気を外部に放出するために用いられる。
Further, an
消振器37は、発電機36の近傍に配置されている。具体的には、消振器37は上部収容室121の下壁121aと発電機36との間に配置されている。消振器37としては、例えば、天然ゴム系積層ゴム(薄い天然ゴムと鉄板とを積層したもの)、弾性すべり支承(積層ゴムとすべり材との構成体)、鉛プラグ入り積層ゴム、オイルダンパーを用いることができる。このような構成により、発電機36の振動が打ち消され、タワー共振を防止することができる。
The
受熱管12は、上部ヘッダー管12aと、受熱管本体12bと、下部ヘッダー管12cと、から構成されている。上部ヘッダー管12aは環形状となっておりケーシング11上部に配置されている。具体的には、上部ヘッダー管12aはケーシング11の上壁11aに吊り具124を介して吊り具123と一体に固定され、上壁122aから吊り下げられる構造となっている。吊り具124は吊り具123と一体に上壁122aの周方向に複数設けられており、可動構造となっている。これにより、受熱器10内部で熱交換が行われ高温(例えば900℃以上)となった場合、受熱管12の熱膨張による変形を許容できるようになっている。
The
受熱管本体12bは、上部ヘッダー管12aと下部ヘッダー管12cとの間に複数設けられており、一端が上部ヘッダー管12aに接続され、他端が下部ヘッダー管12cに接続されている。また、受熱管本体12bは、上部ヘッダー管12a(下部ヘッダー管12c)の周方向に所定の間隔(隙間)を空けて設けられている。受熱管本体12bの他端はケーシング11の外側に露出している。受熱管本体12bはケーシング11の長手方向に沿った直線形状となっており、自重による曲げ応力がかからないようになっている。また、受熱管本体12b内を流れる作動流体の流動方向が一方向になるようになっている。
A plurality of heat receiving pipe
下部ヘッダー管12cは、環形状あるいは多角形屈折管となっておりケーシング11下部に配置されている。具体的には、下部ヘッダー管12cはケーシング11の外側に露出され、下部収容室122内の下壁122b近傍に配置されている。以上の構成により、受熱管12は、上部ヘッダー管12aが下部収容室122内の上壁122aに吊り具124を介して固定され、全体として上壁122aから吊り下げられる構造となっている。
The
また、下部ヘッダー管12cにはL字状の入口配管15が設けられている。この入口配管15と圧縮機31との間には接続配管19が設けられている。接続配管19は、ケーシング11の外側に露出され、下部収容室122の内壁に沿って配置されている。圧縮機31により生成された圧縮流体は、接続配管19及び入口配管15を経由して下部ヘッダー管12cに供給されるようになっている。下部ヘッダー管12cに供給された圧縮流体は、複数の受熱管本体12b及び上部ヘッダー管12aを経由する間、開口部11bから入射した太陽光線の熱エネルギーにより加熱される。
The
図5に示すように、ケーシング11の内壁面には、太陽熱を吸収する断熱材16が設けられている。断熱材16で吸収した熱により断熱材16内面は温度上昇し、受熱管本体12bの背面(太陽光線が直接入射しない側の面)に熱放射し受熱管12の周方向全体が加熱される。また、断熱材16は、受熱管本体12bから発せられる輻射熱を受熱管本体12bの背面に戻し、受熱管本体12bを安定して加熱させている。また、断熱材16は、受熱管本体12b及び上部ヘッダー管12aから外部に向かう発熱量を低減させている。
As shown in FIG. 5, a
なお、断熱材16内面(ケーシング11と断熱材16の間)に反射鏡を設け、熱放射の代わりに光を反射させてもよい。この反射鏡は、ケーシング11内の受熱管本体12bの配置される部分に設けるのがよい。これにより、受熱管本体12bの隙間を通じて入射された太陽光線の反射光を、受熱管本体12bの背面(断熱材16の側の面)に照射して、熱エネルギーに変換させることができる。
In addition, you may provide a reflective mirror in the
一方、上部ヘッダー管12aには複数の接続配管13を介して出口配管14が接続されている。複数の接続配管13は、一端が上部ヘッダー管12aに接続され、他端が出口配管14に接続され、平面視X字状になっている。出口配管14は上部収容室121内において屈曲して断面視L字状になっており、出口配管14の複数の接続配管13に接続された側と反対の側の端部はタービン32に接続されている。受熱管本体12b及び上部ヘッダー管12aを通って加熱された圧縮流体は、複数の接続配管13を経由してさらに出口配管14を経由した後、高温高圧の作動流体となりタービン32に供給される。
On the other hand, an
本実施形態のガスタービンプラント1によれば、太陽からの熱を受ける受熱器10と、圧縮機31及び該圧縮機31で圧縮されるとともに受熱器10によって加熱された流体を作動流体として作動するタービン32を有するガスタービン30と、太陽からの熱を検知する温度センサー20と、温度センサー20が検知した熱の温度に基づいて駆動し、ガスタービン30を始動させる電動モーター34と、タービン32の回転により生じる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機36と、を有し、蒸気タービンに替えて燃焼器なしのガスタービン30を用いているので、蒸気タービンに比べて発電サイクルの高効率化を図ることが可能となる。具体的には、燃焼器に替えて受熱器10を用いているので、圧縮機31から出た圧縮流体を太陽からの熱により温度上昇させてタービン32に供給することができる。また、本発明では、蒸気タービンのように発電サイクル内で水を必要としない。また、蒸気発生器や復水器などの付帯設備を設ける必要がないため、設備設置面積を縮小でき設備設置コストやメンテナンスコストを低減することができる。また、付帯設備の数が少ないので全体として動力の消費が小さくなり、発電コストが低くなる。また、本発明では、温度センサー20が検知した熱の温度に基づいて電動モーター34が駆動するので、受熱器に太陽熱が必要量得られない場合は圧縮機31及びタービン32が始動しない。つまり、受熱器10からタービン32に供給される作動流体の温度が低くタービン32を効率よく駆動できない場合に、圧縮機31及びタービン32の駆動エネルギーが抑えられるので発電コストを低減できる。したがって、発電サイクルの高効率化を図り、発電コストを低減したガスタービンプラント1が提供できる。
According to the gas turbine plant 1 of the present embodiment, the
また、この構成によれば、圧縮機31とタービン32とが互いに同軸の回転軸33で直結されているため、圧縮機31の駆動動力をタービン32の回転による動力で補うことができる。このため、電動モーター34やトルクコンバータの容量を小さくすることができる。したがって、発電サイクルの高効率化を確実に図り、発電コストを格段に低減したガスタービンプラント1が提供できる。
Further, according to this configuration, since the
また、この構成によれば、圧縮機31と受熱器10との間に圧縮機31から出た圧縮流体とタービン32の排気との熱交換を行う再生熱交換器35が設けられているので、作動流体が受熱器10で加熱される前にタービン32の排気により昇温される。このため、受熱器10によって加熱される作動流体の温度を予め上昇させることができる。したがって、発電サイクルの高効率化を確実に図り、発電コストを格段に低減したガスタービンプラント1が提供できる。
Further, according to this configuration, the
また、この構成によれば、受熱器10とタービン32との間にタービン32に供給される圧縮流体の補助燃焼を行う補助燃焼器21が設けられているので、太陽エネルギーを利用できない夜間や天候条件が悪く太陽エネルギーが不十分な場合、受熱器10で加熱された作動流体を補助的に加熱して温度上昇させてタービン32に供給することができる。したがって、発電サイクルの安定性及び信頼性を図ったガスタービンプラント1が提供できる。
Further, according to this configuration, since the
また、この構成によれば、タワー式を採用しているので、ヘリオスタット102によりタワー110上部の受熱器10に太陽光が集光されて、高温の熱エネルギーに変換される。したがって、発電サイクルの高効率化を格段に図ったガスタービンプラント1が提供できる。
Moreover, according to this structure, since the tower type is employ | adopted, sunlight is condensed on the
また、この構成によれば、タワー110に複数の補強部材111がタワーの長手方向に交差して間隔Pを空けて設けられ、間隔Pがヘリオスタット102から受熱器10に太陽からの光を入光させる光路となる範囲でタワー110上部に近づくにつれて大きくなっているので、ヘリオスタット102によりタワー110上部の受熱器10に太陽光が確実に集光される。つまり、ヘリオスタット102により反射された光が補強部材111に遮られることなくタワー110上部の受熱器10に集光される。したがって、発電サイクルの高効率化を格段に図ったガスタービンプラント1が提供できる。
Further, according to this configuration, the
また、この構成によれば、タワー110上部に、温度センサー20、電動モーター34、ガスタービン30、発電機36などの各種装置が配置されているので、タワー110上部に装置が集約され、設備設置面積を縮小できる。したがって、設備設置コストを低減することができる。
Moreover, according to this structure, since various apparatuses, such as the
また、この構成によれば、タワー110上部に、発電機36の振動を打ち消す消振機37が設けられているので、発電機36の振動が打ち消され、タワー共振を防止することができる。したがって、発電サイクルの安定性及び信頼性を図ったガスタービンプラント1が提供できる。
Moreover, according to this structure, since the
なお、本実施形態では、圧縮機31と受熱器10との間に再生熱交換器35が設けられているが、これに限らない。例えば、圧縮機31と受熱器10が直結された構造であってもよい。これにより、設備設置面積を縮小でき設備設置コストを低減することができる。また、圧縮機31から出た圧縮流体が圧力損失することなく高圧のまま受熱器10に供給され加熱される。したがって、発電サイクルの安定性及び信頼性を図ったガスタービンプラント1が提供できる。
In addition, in this embodiment, although the
また、本実施形態では、温度センサー20が受熱器10の近傍に設けられているが、これに限らない。例えば、温度センサー20がヘリオスタット102の近傍に設けられていてもよい。すなわち、温度センサー20は太陽からの熱を検知できる位置に配置されていればよい。
Moreover, in this embodiment, although the
また、本実施形態では、電動モーター34が回転軸33の一端に設けられ、発電機36が回転軸33の他端に設けられているが、これに限らない。例えば、電動モーター34及び発電機36が回転軸33の一端に設けられていてもよい。また、発電機36が電動モーター34の機能を兼ね、回転軸33の一端に設けられていてもよい。すなわち、電動モーター34及び発電機36が回転軸33と同軸上に設けられていればよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、再生熱交換器35がガスタービン30の近傍に配置されているが、これに限らない。例えば、再生熱交換器35が受熱器10の近傍に配置されていてもよい。すなわち、再生熱交換器35は作動流体が受熱器10で加熱される前に作動流体とタービン32の排気との熱交換を行える位置に配置されていればよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、ヘリオスタット102がタワー110の360度全周に配置されているが、これに限らない。例えば、ヘリオスタット102がタワー110の片側(平面視で180度以下の角度範囲)に配置されていてもよい。すなわち、ヘリオスタット102の配置構成は、実際の太陽の高度変化に対応して、ヘリオスタット102の入反射角度の大小による鏡の有効面積が大きく取れる側に配置されていればよい。
Moreover, in this embodiment, although the
1 ガスタービンプラント
10 受熱器
20 温度センサー
21 補助燃焼器
30 ガスタービン
31 圧縮機
32 タービン
33 回転軸
34 電動モーター(補助駆動装置)
35 再生熱交換器
36 発電機
37 消振機
102 ヘリオスタット
110 タワー
111 補強部材
P 間隔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
35
Claims (9)
圧縮機及び該圧縮機で圧縮されるとともに前記受熱器によって加熱された流体を作動流体として作動するタービンを有するガスタービンと、
太陽からの熱を検知する温度センサーと、
前記温度センサーが検知した熱の温度に基づいて駆動し、前記ガスタービンを始動させる補助駆動装置と、
前記タービンの回転により生じる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を有することを特徴とするガスタービンプラント。 A heat receiver that receives heat from the sun,
A gas turbine having a compressor and a turbine that operates with a fluid compressed by the compressor and heated by the heat receiver as a working fluid;
A temperature sensor that detects the heat from the sun,
An auxiliary drive device that drives based on the temperature of the heat detected by the temperature sensor and starts the gas turbine;
A gas turbine plant comprising: a generator that converts kinetic energy generated by rotation of the turbine into electric energy.
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