JP2012159212A - 高湿分空気利用ガスタービンシステムの加湿構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高湿分空気利用ガスタービンで、圧縮空気への蒸気注入量を多量にした場合でも、圧縮空気と蒸気とを十分に混合する。
【解決手段】燃焼器を設置するケーシング１に仕切部５を設けて２分割コンパートメント構造とし、燃焼器上流側のコンパートメントを蒸気供給マニホールド３として、仕切部５に設けられた複数の蒸気注入口５１から燃焼器下流側の車室４へ水蒸気Ｓを注入する。注入された蒸気は圧縮機からの圧縮空気Ａと混合しながら燃焼器上流側へ流れ、燃焼器のトランジションピース８の先端から外筒１０と内筒９の隙間へ流入することにより、混合距離の長い加湿構造を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高湿分空気を利用するガスタービンシステムの空気への加湿構造に関する。

高湿分空気を利用したガスタービン再生サイクルでは、圧縮機で圧縮された高圧空気に湿分を添加し、この高湿分空気を燃焼器で燃料と混合して燃焼させた燃焼ガスでタービンを回して発電あるいは動力源とする。タービンを回した後の排ガスと高湿分空気とを熱交換させ、熱エネルギーを回収することにより、熱効率を向上している。

水蒸気を圧縮空気と混合するための先行技術として、以下のような特許文献が公開されている。

特開昭５９−５６６１８号公報 特開平９−１２５９８４号公報 特開２００４−２９３５１９号公報

特許文献２では、蒸気混合方法として、排熱ボイラより供給される飽和蒸気を環状の蒸気マニホールドを介して蒸気ノズルから車室へ噴射し、圧縮空気と混合した後に燃焼器に供給する例が示されている。

特許文献１では、蒸気混合方法として、蒸気供給管から燃焼器のトランジションピースの内筒と外筒との間の空間に蒸気を供給し、燃焼器ラッパの外周上で圧縮機からの圧縮空気と混合される例が示されている。

特許文献３では、蒸気混合方法として、燃焼器の燃料噴射弁へ流入する空気と混合するようにケーシングに水蒸気を供給する蒸気噴射管を備える構造が示されている。

高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、熱効率を大幅に向上するため圧縮空気への蒸気注入量を多量にする方法がある（例えば１０％以上）。しかし、上記各文献の技術では、蒸気注入量を多量にした場合には特に圧縮空気と蒸気を均一に混合することが難しい。

本発明の目的は、高湿分空気利用ガスタービンで、圧縮空気への蒸気注入量を多量にした場合でも、圧縮空気と蒸気とを十分に混合することにある。

本発明は、内筒と、前記内筒の外側に設けられた外筒を有し、前記内筒と前記外筒の間を下流側から上流側に向かって流した空気を燃焼に用いる燃焼器において、蒸気供給系統が接続され、前記蒸気供給系統からの蒸気が供給される第一の空間と、前記空気の流れる第二の空間とを有するケーシングを備えたことを特徴とする。

高湿分空気利用ガスタービンで、圧縮空気への蒸気注入量を多量にした場合でも、圧縮空気と蒸気とを十分に混合することができる。

本発明の一実施形態の加湿構造を示す。 本発明の一実施形態の仕切部の断面構造を示す。 本発明の一実施形態の仕切部の断面構造を示す。 本発明の一実施形態の加湿構造を適用した高湿分空気利用ガスタービンシステムの系統図である。 比較例である高湿分空気利用ガスタービンシステムの系統図である。

高湿分利用ガスタービンシステムの比較例を図５に示す。このシステムでは、圧縮機吸気である空気Ａに水噴霧器１１４で水を噴霧して圧縮空気を中間冷却することにより、圧縮機１１１の駆動力の低減と作動ガスの流量増加を図っている。湿分を含む圧縮空気は一旦外部に取り出し、増湿塔１６でさらに加湿して高湿分空気とする。熱容量の大きな高湿分空気を再生熱交換器１７でタービン排ガスＧと熱交換させて高効率に排熱を回収した後、温度上昇した高湿分空気Ｈを燃焼器１１３で燃料Ｆと混合して燃焼させ、この燃焼ガスでタービン１１２を駆動している。

増湿塔１６で使用する加湿水は、給水加熱器１８で排ガスとの熱交換により熱回収しており、さらに熱効率の向上が図られている。排ガス中の水分は、水回収器１９により回収して加湿水として再利用することにより、使用水量の低減も図られている。

このようなシステムでは、熱効率の向上と使用水量の低減という利点がある一方で、再生熱交換器１７がガス−ガス熱交換のため大型化することや、増湿塔１６，給水加熱器１８，水回収器１９といった付帯設備、あるいは圧縮機１１１から増湿塔１６，増湿塔１６から再生熱交換器１７まで高圧空気用の外部配管などが必要になり、コスト低減のためのシステムの簡素化が重要課題となっている。

これに対して、図４に示すような機器構成で加湿系統を簡素化するシステムが考えられている。このシステムでは、タービン排ガスを排熱回収ボイラ１５へ導いて発生させた水蒸気Ｓを圧縮機１１からの高圧空気と混合させ、高湿分空気とする。図５のような比較例のシステムと比較すると、排ガスＧの温度が比較的高いためにシステムの熱効率は若干低下するが、増湿塔１６，給水加熱器１８，水回収器１９といった付帯設備、さらに圧縮機１１１から増湿塔１６，増湿塔１６から再生熱交換器１７までの高圧空気用の外部配管が不要になり、システムを簡素化できるので、大幅なコスト低減が可能になる。

本実施例で示す高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、熱効率を大幅に向上するため圧縮空気への蒸気注入量を１０％以上と多量にしたものを想定している。一方、特許文献１〜３で開示されている技術では、想定される蒸気注入量は数％オーダであり、かなり少ない。特許文献１〜３のガスタービンでは、比較的多量の蒸気を供給すると、圧縮空気と蒸気を均一に混合することが難しい。不均一な混合ガスとなった場合、燃焼器での燃焼が不安定になる。また、多量の蒸気を注入するとそのぶん駆動ガスの流量は増加するが、特許文献１〜３のガスタービンでは駆動ガスの流量増加に対応するのも非常に難しい。

本実施例で示すような高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、そもそも多量の水蒸気を供給することを想定していない特許文献１〜３のようなガスタービンとは異なり、あらかじめ駆動ガスの流量増加に対応できるようなタービン仕様設計をしている。

高湿分空気利用ガスタービンで、圧縮空気への蒸気注入量を多量にした場合でも、圧縮空気と蒸気とを十分に混合するために、本実施例の高湿分空気利用ガスタービンシステムの加湿構造では、燃焼器を設置するケーシング１に仕切部５を設けて２分割コンパートメント構造とし、燃焼器上流側のコンパートメントに蒸気を供給して、このコンパートメントから燃焼器下流側のコンパートメントへ蒸気を注入し、注入した蒸気と圧縮空気とを混合した高湿分空気を燃焼器のトランジションピース８の先端から燃焼器の外壁である外筒１０と内壁である内筒９の隙間へ導入している。すなわち燃焼器まわりのケーシングを仕切って環状の蒸気供給マニホールドを形成し、蒸気供給ラインから蒸気供給マニホールドへ蒸気を供給している。蒸気供給マニホールドに充満した蒸気を周方向に複数開けられた蒸気注入口から車室内へ注入することにより、車室内蒸気をタービン周方向に均一に混合できるようにしたことが特徴である。

また、蒸気供給マニホールドを燃焼器上流側に配置することで、蒸気注入口からトランジションピース先端までの混合距離を長く取ることができ、圧縮空気と蒸気を十分混合できるようにしたことが特徴である。

本実施例のガスタービンは、高湿分空気利用ガスタービンシステムで使用する大流量の蒸気を圧縮空気と均一に混合でき、燃焼器で燃料を安定に燃焼できるので、排熱回収ボイラを使用したシステム構成が可能となる。この結果、増湿塔を使用したシステム構成と比較して、増湿塔，給水加熱器などの付帯設備，圧縮機から増湿塔，増湿塔から再生熱交換器までの高圧空気用の外部配管が不要になり、さらに大型の再生熱交換器を排熱回収ボイラに変更できるため、大幅なコスト低減が可能になる。また、高圧空気用の外部配管が不要になることで空気側の圧力損失を低減することができ、システム効率が向上する。さらにコンバインドサイクルなどで多くの実績があり技術的に確立された排熱回収ボイラを使用することで、システムの信頼性を向上することができる。

以下、各図を用いて実施例について説明する。

図１は本実施例の高湿分空気利用ガスタービンシステムの加湿構造を示している。燃焼器はガスタービンを周方向に取り囲んでいるケーシング１に設置されており、ケーシング１は仕切部５で二つのコンパートメントに分かれている。燃焼器上流側のコンパートメントはタービン周方向に環状の蒸気供給マニホールド３を形成し、蒸気供給ライン２から図４の排熱回収ボイラ１５で発生させた蒸気が導入される。空気よりも伝熱性能が高い蒸気が燃焼器ケーシング７の周りを流れて冷却するため、燃焼器の強度信頼性が向上できる。

環状の蒸気供給マニホールド３に導入された蒸気は、仕切部５に複数配置された蒸気注入口５１から車室４へ注入されるので、タービン周方向に蒸気を均一に分配することができる。

車室４へ注入された蒸気は圧縮機からの圧縮空気Ａと混合しながらトランジションピース８の先端まで流れる。蒸気供給マニホールド３を燃焼器の上流側に配置しているので、蒸気供給マニホールド３の仕切部５に開けられた蒸気注入口５１からトランジションピース８の先端までの混合距離を長く取ることができ、高湿分空気利用ガスタービンシステムで特徴的な大流量の蒸気を圧縮空気Ａと十分に混合することができる。また伝熱性能が高い高湿分空気でトランジションピース８を外側から冷却することができ、燃焼器の強度信頼性が向上する。

車室４で十分に混合した高湿分空気はトランジションピース８の先端の外筒１０と内筒９の隙間へ流入し、燃焼器ケーシング７を内部から冷却しながら燃料噴射ノズル６の方向へ流れ、燃料Ｆと混合して燃焼される。蒸気濃度が均一であるので、燃焼器で燃料を安定に燃焼することができる。また、燃焼器ケーシング７を内外から伝熱性能の高い高湿分空気で冷却することで、燃焼器の強度信頼性が向上する。

図２は、図１の加湿構造に使用するケーシングの仕切部５の断面構造の一例を示しており、タービン周方向に燃焼器取付口５０と蒸気注入口５１が設けてある。この例では１０缶の燃焼器を取り付ける構造となっている。蒸気注入口５１は、蒸気注入量が周方向に均等になるように対称に配置してあるが、数と口径は、蒸気と圧縮空気の圧力差に応じて必要流量が流れるように決定すれば良い。

図３は、図１の加湿構造に使用するケーシングの仕切部５の断面構造のその他の例を示しており、図２の実施例と同様に１０缶の燃焼器を取り付ける構造となっている。図２の実施例と異なり、蒸気注入口５１は燃焼器を取り囲むように複数列設けてあり、個々の燃焼器周りの蒸気混合をさらに促進することができるので、燃焼器で燃料をより一層安定に燃焼することができる。図２の実施例よりも蒸気注入口５１の数が多くなっているため口径が小さくなるが、その結果生じる圧力損失の増加や構造強度の低下を考慮して、設計上の制限範囲内に収まるように数と口径とを選択すれば良い。

以上説明したように本実施例のガスタービンは、空気に水を噴霧する水噴霧器１４と、水噴霧器１４で水を噴霧された空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器１３と、燃焼器１３で生成された駆動ガスで駆動するタービン１２を備え、燃焼器１３は、内筒９と、内筒９の外側に設けられた外筒１０を有し、内筒９と外筒１０の間を下流側から上流側に向かって流した空気を燃焼に用いるように構成された、高湿分利用ガスタービンであり、タービン１２から排出された駆動ガスの熱を利用して蒸気を生成する排熱回収ボイラ１５を有し、燃焼器１３には、排熱回収ボイラ１５からの蒸気を供給する蒸気供給系統が接続され、蒸気供給系統からの蒸気が供給される第一の空間である蒸気マニホールドと、圧縮空気の流れる第二の空間であり車室とを有するケーシング１を備えている。

以上のような圧縮空気への蒸気注入による加湿構造を採用することにより、排熱回収ボイラを使用したシステム構成が可能となり、増湿塔１６と再生熱交換器１７を使用する加湿方法よりも遥かに簡素化されたシステムとすることができる。この結果、高効率な高湿分空気利用ガスタービンシステムを低コストで実現することが可能となる。また高圧空気用の外部配管が不要になることで空気側の圧力損失を低減することができ、システム効率をさらに向上することができる。またコンバインドサイクルなどで多くの実績があり技術的に確立された排熱回収ボイラを使用することで、システムの信頼性を向上することができる。

図４に示したシステム構成では、コスト低減を主眼としたため水回収器１９を省いているが、供給水Ｗが入手しにくい地域では水回収器１９を設置したシステム構成とすることももちろん可能である。

１ ケーシング
２ 蒸気供給ライン
３ 蒸気供給マニホールド
４ 車室
５ 仕切部
６ 燃料噴射ノズル
７ 燃焼器ケーシング
８ トランジションピース
９ 内筒
１０ 外筒
１１，１１１ 圧縮機
１２，１１２ タービン
１３，１１３ 燃焼器
１４，１１４ 水噴霧器
１５ 排熱回収ボイラ
１６ 増湿塔
１７ 再生熱交換器
１８ 給水加熱器
１９ 水回収器
５０ 燃焼器取付口
５１ 蒸気注入口
Ａ 空気
Ｆ 燃料
Ｇ 排ガス
Ｈ 高湿分空気
Ｓ 水蒸気
Ｗ 供給水

Claims (6)

1. 内筒と、前記内筒の外側に設けられた外筒を有し、前記内筒と前記外筒の間を下流側から上流側に向かって流した空気を燃焼に用いる燃焼器において、
   蒸気供給系統が接続され、前記蒸気供給系統からの蒸気が供給される第一の空間と、前記空気の流れる第二の空間とを有するケーシングを備えたことを特徴とする燃焼器。
2. 請求項１の燃焼器において、
   前記第一の空間と前記第二の空間とが、仕切部で仕切られていることを特徴とする燃焼器。
3. 請求項２の燃焼器において、
   前記仕切部が、複数の蒸気供給口を有することを特徴とする燃焼器。
4. 請求項１から３の何れかの燃焼器において、
   前記第一の空間が、環状のマニホールドであることを特徴とする燃焼器。
5. 空気に水を噴霧する水噴霧器と、
   前記水噴霧器で水を噴霧された空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器で生成された駆動ガスで駆動するタービンを備え、
   前記燃焼器は、内筒と、前記内筒の外側に設けられた外筒を有し、前記内筒と前記外筒の間を下流側から上流側に向かって流した空気を燃焼に用いるように構成された、高湿分利用ガスタービンにおいて、
   前記タービンから排出された駆動ガスの熱を利用して蒸気を生成する排熱回収ボイラを有し、
   前記燃焼器には、前記排熱回収ボイラからの蒸気を供給する蒸気供給系統が接続され、前記蒸気供給系統からの蒸気が供給される第一の空間と、前記空気の流れる第二の空間とを有するケーシングを備えたことを特徴とする燃焼器。
6. 高湿分空気を利用したガスタービンシステムにおいて、燃焼器を設置するケーシングに仕切部を設けて２分割コンパートメント構造とし、燃焼器上流側のコンパートメントに蒸気を供給して、このコンパートメントから燃焼器下流側のコンパートメントへ蒸気を注入し、注入した蒸気と圧縮空気とを混合した高湿分空気を燃焼器のトランジションピース先端から燃焼器の外壁と内壁の隙間へ導入することを特徴とするガスタービンシステム。

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