JP2013007324A - ガスタービン及びガスタービン複合発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン・ローターの冷却空気として使用する圧縮空気からの熱回収効率を向上させたガスタービンを提供する。
【解決手段】圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３とを具備し、タービン・ローターを冷却する冷却空気として圧縮機１１から燃焼器１２に供給される圧縮空気の一部を抽気して使用するガスタービン１０Ａであって、熱回収流体の燃料ガスがタービン・ローターを冷却する前の冷却空気から吸熱する熱交換により駆動されるスターリング機関３０を備えるとともに、該スターリング機関３０により駆動される熱回収発電機４０を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン及びガスタービン複合発電設備に関する。

図３に示す従来のガスタービン１０は、圧縮機１１と、燃焼器（ガスタービン燃焼器）１２と、タービン１３とを具備して構成される原動機の一種である。このガスタービン１０は、圧縮機１１から供給される圧縮空気を用いて燃焼器１２で天然ガス等の燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスがタービン１３に導入されると、動翼／静翼間を通過する燃焼ガスが膨張してタービン１３を回転させるので、ガスタービン１０は、燃料を燃焼させた熱エネルギーを回転運動エネルギーに変換して出力を得る内燃機関となる。
ガスタービン１０の出力は、たとえば圧縮機１１及びタービン１３と同軸に連結された発電機１４の駆動原として使用される。

上述したガスタービン１０は、燃焼器１２からタービン１３に高温の燃焼ガスを供給して出力を得るため、高温の燃焼ガスからタービン・ローターを保護するための冷却空気が必要となる。この冷却空気には、たとえば燃兼圧車室から抽気した圧縮空気の一部が使用されている。なお、冷却空気を抽気する燃兼圧車室は、圧縮機１１から供給される圧縮空気が燃焼器に入る前に滞留する空間である。

また、ガスタービン１０で使用される冷却空気は、燃兼圧車室から抽気した圧縮空気を外部の冷却装置１５で冷却してからタービン１３へ供給する。この冷却装置１５は、ガスタービン１０の熱損失を小さくして発電効率の低下を防ぐため、冷却空気と燃焼器１２に供給される燃料ガスとを熱交換させる熱交換器である。このような熱交換器を用いることにより、冷却空気の保有熱を燃料ガスに熱回収することができる。

上述したガスタービン１０は、たとえば図４に示すように、タービン１３で仕事をした後に排気される燃焼排ガスから熱回収することにより、熱効率を向上させたガスタービン複合発電設備（以下、「ＧＴＣＣ」と呼ぶ）２０にも使用されている。
ＧＴＣＣ２０は、タービン１３から排気された高温の燃焼排ガスを排熱回収ボイラ２１に導入して蒸気を生成し、この蒸気で蒸気タービン２２を駆動して出力を得るように構成されている。蒸気タービン２２の出力は、ガスタービン１０と共用の発電機１４または蒸気タービン２２の専用発電機の駆動源として使用される。

このようなＧＴＣＣ２０の場合、タービン・ローターを保護する冷却空気の冷却には、排熱回収ボイラ２１に供給される水が使用される。すなわち、ガスタービン１０の熱損失を小さくして発電効率の低下を防ぐために冷却装置１５Ａを設置し、冷却空気と排熱回収ボイラに供給されて蒸気となる水とを熱交換させることで、冷却空気の保有熱を水に熱回収することができる。

一方、シリンダー内の気体（ガスや空気等）を外部から加熱・冷却して仕事を得る外燃機関として、スターリングエンジンが知られている。
ガスタービン及びスターリングエンジンを組み合わせた従来技術としては、たとえば下記の特許文献１に開示されているスターリングエンジンとガスタービンの複合機関が公知である。この場合、スターリングエンジンの燃焼ガスがガスタービンの駆動に利用され、ガスタービンの迅速な応答性をスターリングエンジンの平均圧力の加減に利用できる。
また、下記の特許文献２は、廃熱源からエネルギーを取り出すエネルギー回収システムに関するものであり、循環作動流体を有するクローズドランキンサイクルを適用したシステムが開示されている。

特開平１−１５１７２４号公報 特表２００７−５０３５４６号公報

ところで、上述した図３及び図４の従来技術は、冷却空気として使用する圧縮空気からの熱回収を冷却装置１５，１５Ａのような単純な熱交換器で行うため、回収効率が低いという問題を有している。
一方、ガスタービン１０の熱効率を上げるため、タービン入口温度（Ｔ１Ｔ）を高く設定する動向がある。しかし、タービン入口温度を高く設定すると、その分だけタービン・ローターを保護するために必要となる冷却空気量が増大するため、ガスタービン効率の改善効果を低下させることとなる。

このような背景から、ガスタービン及びガスタービン複合発電設備においては、タービン・ローターの冷却空気として使用する圧縮空気から熱回収する効率の向上が望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、タービン・ローターの冷却空気として使用する圧縮空気からの熱回収効率を向上させたガスタービン及びガスタービン複合発電設備を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを具備し、タービン・ローターを冷却する冷却空気として前記圧縮機から前記燃焼器に供給される圧縮空気の一部を抽気して使用するガスタービンであって、熱回収流体が前記ガスタービンの高温部を冷却する前の前記冷却空気から吸熱する熱交換により駆動されるスターリング機関を備えるとともに、該スターリング機関により駆動される発電機を設けたことを特徴とするものである。

本発明のガスタービンによれば、熱回収流体がガスタービンの高温部を冷却する前の冷却空気から吸熱する熱交換により駆動されるスターリング機関を備えるとともに、該スターリング機関により駆動される発電機を設けたので、スターリング機関の駆動により冷却空気を冷却するとともに、熱回収流体への回収熱及び電気エネルギーとして効率よく熱回収することができる。この場合のスターリング機関は、１台に限定されることはなく、複数台に分割した構成としてもよい。
なお、ガスタービンの熱回収流体としては、燃焼器へ供給する燃料ガスが好ましい。また、ガスタービンの高温部として、タービン・ローター、タービン静翼、燃焼器などが挙げられる。

上記の発明において、前記発電機で発電した電力の保存設備を備えていることが好ましく、これにより、発電した電力を必要に応じて使用することができる。
この場合に好適な保存設備としては、蓄電池やコンデンサ等がある。

本発明に係るガスタービン複合発電設備は、請求項１または２に記載のガスタービンと、前記タービンから排気された燃焼排ガスを導入して蒸気を生成する排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラから供給される蒸気により駆動される蒸気タービンとを備え、該蒸気タービンの出力で発電機を駆動して発電するとともに、前記スターリング機関の熱回収流体として、前記排熱回収ボイラに供給される蒸気生成用の水が用いられていることを特徴とするものである。

本発明のガスタービン複合発電設備によれば、スターリング機関の熱回収流体として、排熱回収ボイラに供給される蒸気生成用の水が用いられているので、排熱回収ボイラの給水予熱源及び電気エネルギーとして、効率よく熱回収することができる。
なお、体積当り熱容量の大きい水を熱回収流体とすることで、スターリング機関の小型化が可能となる。

上述した本発明によれば、タービン・ローターの冷却空気として使用する圧縮空気からの熱回収が、高温流体と低温流体との熱交換により回転エネルギーを発生するスターリング機関を使用したので、熱交換による熱回収と同時に発電機の駆動による電力を得ることができる。従って、タービン・ローターの冷却空気として使用する圧縮空気から効率よく熱回収できるようになり、ガスタービン及びガスタービン複合発電設備の効率向上に顕著な効果を奏する。

本発明に係るガスタービンの一実施形態として、構成例を示す系統図である。 本発明に係るガスタービン複合発電設備の一実施形態として、構成例を示す系統図である。 ガスタービンの従来例を示す系統図である。 ガスタービン複合発電設備の従来例を示す系統図である。

以下、本発明に係るガスタービン及びガスタービン複合発電設備の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態のガスタービン１０Ａは、大気を吸入して圧縮する圧縮機１１と、天然ガス等の燃料ガス及び圧縮空気の供給を受けて高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、燃焼器１２から燃焼ガスを導入して回転するタービン１３とを具備して構成される原動機である。すなわち、ガスタービン１０Ａは、高温高圧の燃焼ガスがタービン１３に導入されて動翼／静翼間を通過することにより、燃焼ガスが膨張してタービン１３を回転させるので、燃料を燃焼させた熱エネルギーを回転運動エネルギーに変換して出力を得る内燃機関である。

圧縮機１１はタービン１３と同軸に連結され、ガスタービン１０Ａの起動時を除いてタービン１３が発生させる出力の一部で駆動される。
ガスタービン１０Ａの出力は、たとえば圧縮機１１及びタービン１３と同軸に連結された発電機１４の駆動原として使用される。図示の構成例では、発電機１４が圧縮機１１側に連結されているが、タービン１３側に連結した構成としてもよい。

圧縮機１１から供給される圧縮空気は、その主流が燃焼器１２に導かれる。また、圧縮空気の一部は、高温燃焼ガスに曝されるタービン１３のタービン・ローター（不図示）を保護する冷却空気として、たとえばガスタービン１０Ａの燃兼圧車室（不図示）から抽気される。この冷却空気は、圧縮機１１で圧縮されたことなどにより、吸入した大気より温度上昇した状態にある。
そこで、本実施形態では、タービン・ローターの冷却空気から熱回収するため、スターリング機関３０を使用する。このスターリング機関３０は、熱回収流体がタービン・ローターを冷却する前の冷却空気から吸熱する熱交換により駆動される外燃機関である。この場合の熱回収流体は、燃焼器１２に供給される燃料ガスが使用されている。なお、図示のスターリング機関３０は１台とされるが、これに限定されることはなく、複数台に分割した構成としてもよい。

すなわち、スターリング機関３０は、冷却空気を高温側流体とし、燃料ガスを低温側流体とすることにより、燃料ガスが冷却空気から吸熱する熱交換を行うのと同時に、回転エネルギーとして軸出力を発生する。このような熱交換により、高温側流体の冷却空気は、燃料ガスに吸熱されて温度低下したものがタービン１３に供給され、低温側流体の燃料ガスは冷却空気から吸熱して温度上昇する。
そして、スターリング機関３０の主軸には、スターリング機関３０により駆動される発電機として、熱回収発電機４０が連結されている。なお、スターリング機関３０が複数台に分割されている場合には、各スターリング機関３０に対して各々独立した熱回収発電機４０を連結することが望ましい。

このように、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３とを具備し、タービン・ローターを冷却する冷却空気として圧縮機１１から燃焼器１２に供給される圧縮空気を抽気して使用するガスタービン１０Ａにおいては、熱回収流体の燃料ガスがタービン・ローターを冷却する前の冷却空気から吸熱する熱交換により駆動されるスターリング機関３０を備えるとともに、このスターリング機関３０により駆動される熱回収発電機４０を設けたことにより、スターリング機関３０の駆動により冷却空気を燃料ガスで冷却するとともに、電気エネルギーを得ることができる。
すなわち、燃料ガスによる冷却空気の冷却と同時に、吸熱側となる燃料ガスに回収した回収熱に加えて、熱回収発電機４０により発電した電気エネルギーの電力とを得ることが可能になるので、熱回収の効率が向上する。

また、熱回収発電機４０で発電した電力は、たとえば蓄電池やコンデンサ等のような保存設備５０を設けておき、必要に応じて設備電力等に使用できるようにしておくことが望ましい。
このような保存設備５０を備えていると、スターリング機関３０の駆動力により発電される発電量が運転状態に応じて変動しても、安定した電源として使用することが可能になる。さらに、保存設備５０に保存できる電気容量を大きく設定することで、ガスタービン１０Ａの停止中や起動時に必要となる電力として使用できるので、外部電源に頼ることなくプラントの必用電力を賄うことができる。

次に、上述した構成のガスタービン１０Ａを備えたガスタービン複合発電設備（以下、「ＧＴＣＣ」と呼ぶ）２０Ａの構成例として、図２に示す実施形態を参照して説明する。なお、上述したガスタービン１０Ａと同様の構成部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図示のＧＴＣＣ２０Ａは、ガスタービン１０Ａと、タービン１３から排気された燃焼排ガスを導入して蒸気を生成する排熱回収ボイラ２１と、排熱回収ボイラ２１から供給される蒸気により駆動される蒸気タービン２２とを備えている。

蒸気タービン２２の出力は、発電機１４を駆動して発電するために使用される。この場合、発電機１４は圧縮機１１とも連結されてガスタービン１０Ａでも駆動されるが、蒸気タービン２２が単独で駆動する発電機を設けてもよい。
このように構成された本実施形態のＧＴＣＣ２０Ａでは、スターリング機関３０Ａの熱回収流体として、排熱回収ボイラ２１に供給される蒸気生成用の水が用いられている。

すなわち、スターリング機関３０Ａは、冷却空気を高温側流体とし、蒸気生成用の水を低温側流体とすることにより、水が冷却空気から吸熱する熱交換を行うのと同時に軸出力を発生する。このような熱交換により、高温側流体の冷却空気は、水に吸熱されて温度低下したものがタービン１３に供給され、低温側流体の水は冷却空気から吸熱して温度上昇したものが排熱回収ボイラ２１に供給される。

このようなＧＴＣＣ２０Ａによれば、スターリング機関３０Ａの熱回収流体として、排熱回収ボイラ２１に供給される蒸気生成用の水を使用するので、スターリング機関３０Ａは排熱回収ボイラ２１の給水予熱源として機能し、給水予熱による熱回収と同時に、熱回収発電機４０で発電した電力としても熱回収することができ、従って、熱回収の効率が向上する。なお、熱回収流体として体積当り熱容量の大きい水を使用するので、上述したガス燃料を熱回収流体として使用する場合と比較すれば、スターリング機関３０Ａの小型化が可能となる。
また、この場合においても、熱回収発電機４０で発電した電力を保存する保存設備５０を設けておくことが望ましい。

上述したように、本実施形態のガスタービン１０Ａ及びＧＴＣＣ２０Ａによれば、タービン・ローターの冷却空気として使用する圧縮空気からの熱回収が、高温流体の冷却空気と低温流体の燃料ガスまたは水との熱交換により回転エネルギーを発生するスターリング機関３０，３０Ａを使用して行われるので、熱交換による熱回収と同時に、スターリング機関３０，３０Ａに駆動される熱回収発電機４０で発電した電力を得ることができる。
このため、タービン・ローターの冷却空気として使用する圧縮空気から効率よく熱回収できるようになり、ガスタービン１０Ａ及びＧＴＣＣ２０Ａの効率を向上させることが可能になる。

すなわち、熱回収流体である燃流ガスまたは水への回収熱の他に、熱エネルギーの一部を電気エネルギーとして余分に熱回収することができるので、従来の熱交換器による冷却装置１５，１５Ａからの熱回収と比較すれば、熱エネルギーの回収効率を向上させることができる。

さらに、発生した電気エネルギーについては、保存設備５０を設けていったん保存するとともに、必要に応じて使用することができるので、ガスタービン１０Ａの運転状態に応じた給電能力の変動を吸収し、ガスタービン１０Ａの停止中に必要となる消費電力や、ガスタービン１０Ａの起動モータを駆動するのに必要な電力を賄うことも可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。たとえば、スターリング機関３０，３０Ａによって熱回収された圧縮空気は、タービン・ローターの冷却空気のみではなく、燃焼器１２やタービン静翼の冷却空気としても使用可能であり、圧縮機抽気を利用した冷却システム全般に適用可能であることを付記しておく。

１０，１０Ａ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ 発電機
２０，２０Ａ ガスタービン複合発電設備（ＧＴＣＣ）
３０，３０Ａ スターリング機関
４０ 熱回収発電機
５０ 保存設備

Claims (3)

1. 圧縮機と、燃焼器と、タービンとを具備し、ガスタービンの高温部を冷却する冷却空気として前記圧縮機から前記燃焼器に供給される圧縮空気の一部を抽気して使用するガスタービンであって、
   熱回収流体が前記ガスタービンの高温部を冷却する前の前記冷却空気から吸熱する熱交換により駆動されるスターリング機関を備えるとともに、該スターリング機関により駆動される発電機を設けたことを特徴とするガスタービン。
2. 前記発電機で発電した電力の保存設備を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 請求項１または２に記載のガスタービンと、前記タービンから排気された燃焼排ガスを導入して蒸気を生成する排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラから供給される蒸気により駆動される蒸気タービンとを備え、該蒸気タービンの出力で発電機を駆動して発電するとともに、
   前記スターリング機関の熱回収流体として、前記排熱回収ボイラに供給される蒸気生成用の水が用いられていることを特徴とするガスタービン複合発電設備。
   

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