JP2014190283A - 太陽熱利用ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン排熱に太陽熱を複合し噴霧微粒化に適した高温の高圧水を安定的に生成できる太陽熱利用ガスタービンシステムを提供する。
【解決手段】ガスタービン１５と、排熱回収ボイラ２０とを有するガスタービンシステムにおいて、前記排熱回収ボイラの蒸気ドラム２８からの抽水で加熱後、太陽熱で昇温させた噴霧冷却水を前記ガスタービンの吸気に噴霧する吸気噴霧冷却機構８を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱を複合したガスタービンシステムに関する。

ガスタービン吸気噴霧冷却によりガスタービン出力を向上する技術が知られている。特許文献１には、吸気噴霧冷却用に複数の噴霧ノズルを配置し吸気に噴霧する例が開示されている。噴霧ノズルには加圧した液体が送られ、吸気に噴霧し微粒化される。

液滴サイズの縮小は液滴群の表面積を増やし蒸発を容易にし、特に、圧縮機段落内での吸気冷却に適している。通常、圧縮機の通過時間は短く、速やかな蒸発が求められるからである。さらに、液滴サイズの縮小により気流への追従性が高まり、圧縮機翼への衝突、付着が減少する。液滴サイズの縮小、すなわち、微粒化が重要となる。極微粒化に適した噴霧ノズルが特許文献２に開示されている。旋回型の噴霧ノズルから高温水を噴霧し、フラッシュ蒸発により微粒化を促進する。これにより数μmの極微細な液滴が生成されるとされる。非特許文献１では140℃から240℃までの高温水の噴霧微粒化特性が調べられ、高温になるほど微粒化することが明らかになっている。

特許文献３には、高温水を太陽熱で生成する方式が開示されている。だが、変動する太陽熱の安定化については述べられていない。しかしながら、ガスタービンシステムに太陽熱を複合するためには、変動する太陽熱の安定化が不可欠である。変動を低減するために蓄熱が考えられるが、放熱により蓄熱系の温度が低下するため気象条件によっては高温水生成が困難となることが予想される。一方、ガスタービンは排熱が豊富であり、通常、排熱回収ボイラで蒸気を生成し蒸気タービンでも電力を得るコンバインドサイクル発電が用いられる。回収熱の一部で高温水を生成することが考えられるが、通常、蒸気タービンの出力が低下する。

特開２０１１−７１９０号公報 ＷＯ１９９９／６７５１９ ＷＯ２０１２／２５９６７

L. A. Dombrovskii,他 "Atomization of Superheated Water: Results from Experimental Studies"

本発明の目的は、ガスタービン排熱に太陽熱を複合し噴霧微粒化に適した高温の高圧水を安定的に生成できる太陽熱利用ガスタービンシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために、ガスタービンと、排熱回収ボイラとを有するガスタービンシステムにおいて、前記排熱回収ボイラの蒸気ドラムからの抽水で加熱後、太陽熱で昇温させた噴霧冷却水を前記ガスタービンの吸気に噴霧する吸気噴霧冷却機構を有することを特徴とする。

ガスタービン排熱に太陽熱を複合し噴霧微粒化に適した高温の高圧水を安定的に生成できる。

本発明の一実施例である太陽熱利用ガスタービンシステムの構成図であり、吸気噴霧に適した高温水を生成する例である。 本発明の他の実施例である太陽熱利用ガスタービンシステムの構成図であり、バイナリー発電を駆動する応用例である。 抽水を生成する場合の排熱回収ボイラの熱平衡線図である。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

図１は本発明の一実施例である太陽熱利用ガスタービンシステムの構成図であり、吸気噴霧に適した高温水を生成する例である。ここに１は太陽熱集熱フィールド、２は低温蓄熱タンク、３は高温蓄熱タンク、４は保温ヒータ、５は噴霧水源、６は低温熱交換器、７は高温熱交換器、８は噴霧ノズル、１０は吸気ダクト、１１は圧縮機、１２は燃焼器、１３はタービン、２０は排熱回収ボイラ、２１は高圧蒸気過熱器、２２は高圧蒸気発生器、２４は高圧エコノマイザ、２４は低圧蒸気過熱器、２５は低圧蒸気発生器、２６は低圧エコノマイザ、２７は高圧ドラム、２８は低圧ドラム、３０は蒸気タービン、３１は復水器、１００は抽水管、２００は熱媒体管である。

ガスタービン１５では吸気ダクト１０から取り入れた空気を圧縮機１１で圧縮し、燃焼器１２で燃焼し高温化した空気をタービン１２に入れ動力を得る。ガスタービン排気は高温のため、排熱回収ボイラ２０で熱を回収し蒸気を発生、蒸気タービン３０を駆動し動力を得る。吸気ダクト１０中には噴霧ノズル８から高温高圧水が噴霧され、微粒化された液滴が吸気と伴に圧縮機１１に入り、蒸発潜熱により圧縮空気を冷却する。高温高圧水は噴霧水源５からポンプで昇圧され、低温熱交換器６、高温熱交換器７を経由し噴霧ノズル８に送られる。

低圧ドラム２８からは低圧エコノマイザ２６で加熱された温水が抽水され、抽水管１００により低温タンク２に設けられた保温ヒータ４に送られる。低温タンク２内の熱媒体の温度は抽水温度に保たれる。次に、抽水、低温熱交換器６で熱交換後、常温となり復水器３１に戻される。抽水温度に保たれた低温タンク２内の熱媒体は熱媒体管２００により、太陽熱集熱フィールド１に送られ、太陽熱で加熱昇温後、高温蓄熱タンク３に送られる。
高温蓄熱タンク３に蓄えられた高温の熱媒体は高温熱交換器７で噴霧水の加熱により温度降下し、低温タンク２に戻される。

本実施例では排熱回収ボイラ２０から温水を抽水し熱媒体の加熱源とする。この有効性を図３の熱平衡線図を用い述べる。蒸気の発生には蒸発潜熱を要するため、交換熱量を加えても蒸気温度が一定となる蒸気と液の混合状態が生じる。この結果、排ガス温度と給水温度が接近するピンチポイントが生じる。排熱回収ボイラでの、高温高圧の蒸気を発生するためにはピンチポイントで排ガス温度が蒸気発生温度よりも高い条件を満たす必要があり、交換熱量が減少する。この結果、蒸気タービン３０の出力が低下する。逆に、回収熱量を増加させると、発生蒸気の温度、圧力が低下するため、熱効率が低下し、出力が低下する。発生蒸気の温度、圧力は一般に、蒸気タービンの出力を最大化するように計画される。給水に抽水を加え低圧エコノマイザ２６で加熱した場合、抽水の加熱分、排ガス出口温度が低下するため、ピンチポイントでの温度差は給水のみの加熱と比べほとんど変化しない。ピンチポイントでは抽水が取り出されるため、発生蒸気の温度、圧力は蒸気タービンの出力を最大化する温度、圧力に一致する。したがって、ガスタービン排熱を熱媒体加熱の熱源としても蒸気タービンの出力を低下させない。ただし、蒸気ドラムとして高温ドラムと低温ドラムを備えた複圧式の排熱回収ボイラの低圧蒸発温度は通常、100℃から200℃の間にある。

一方、噴霧微粒化について、非特許文献１では高温になるほど微粒化することが明らかになっており、最適値は200℃近辺にあると思われる。本実施例では、噴霧水は常温から生成するため、低温熱交換器６の加熱源に抽水１００を用い、高温熱交換器７の加熱源に太陽熱を用いている。さらに低温蓄熱タンク２に蓄えられた熱媒体温度は低圧蒸発温度に保持されるため、いかなる気象条件でも放熱し常温に近づくことが避けられる。

本実施例によれば、ガスタービン排熱に太陽熱を複合し噴霧微粒化に適した高温の高圧水を安定的に生成できる。かつ、ガスタービン排熱で駆動される蒸気タービンの出力を保持できる。

図２は本発明の他の実施例である太陽熱利用ガスタービンシステムの構成図であり、バイナリー発電を駆動する応用例である。ここに新たに５０はバイナリー発電タービン、５１は凝縮器、５００は作動媒体である。噴霧水の高温化に代わって、ガスタービンの排熱と太陽熱はバイナリー発電の作動媒体の加熱に用いられる。通常、バイナリー発電の冷却には大気や常温水が用いられるため、凝縮器５１での凝縮温度は常温に近い。また、バイナリー発電タービン５０へ送る作動媒体を高温にするほど熱効率が向上し、出力が増加するため、太陽熱で安定的に加熱する利点がある。

実施例１、２に共通する概念は、排熱回収ボイラ２６から抽水した温水により加熱した熱媒体を太陽熱で加熱し、高温化した熱媒体を得ることである。これは複圧式排熱回収ボイラに限らない。また、複圧式排熱回収ボイラの高圧ボイラからの抽水であっても、蒸気タービンの出力低下を最小に留め排熱を取り出すことができる。排ガス出口温度の低下する熱量で抽水の加熱がなされるためである。

また、実施例１、２に共通の必要条件は高温化した熱媒体の生成に合わせ、排熱回収ボイラ２６への給水量を増加させることである。

１ 太陽熱集熱フィールド
２ 低温蓄熱タンク
３ 高温蓄熱タンク
４ 保温ヒータ
５ 噴霧水源
６ 低温熱交換器
７ 高温熱交換器
８ 噴霧ノズル
１０ 吸気ダクト
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１５ ガスタービン
２０ 排熱回収ボイラ
２１ 高圧蒸気過熱器
２２ 高圧蒸気発生器
２４ 高圧エコノマイザ
２４ 低圧蒸気過熱器
２５ 低圧蒸気発生器
２６ 低圧エコノマイザ
２７ 高圧ドラム
２８ 低圧ドラム
３０ 蒸気タービン
３１ 復水器
５０ バイナリー発電タービン
５１ 凝縮器
１００ 抽水管
２００ 熱媒体管
５００ 作動媒体

Claims (6)

1. ガスタービンと、排熱回収ボイラとを有するガスタービンシステムにおいて、
   前記排熱回収ボイラの蒸気ドラムからの抽水で加熱後、太陽熱で昇温させた噴霧冷却水を前記ガスタービンの吸気に噴霧する吸気噴霧冷却機構を有することを特徴とする太陽熱利用ガスタービンシステム。
2. 請求項１に記載の太陽熱利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記蒸気ドラムからの抽水で噴霧冷却水を加熱する低温熱交換器と、該低温熱交換器で加熱された噴霧冷却水を太陽熱により加熱する高温熱交換器を備えたことを特徴とする太陽熱利用ガスタービンシステム。
3. 請求項２に記載の太陽熱利用ガスタービンシステムにおいて、
   太陽熱により加熱された熱媒体を貯蔵する高温蓄熱タンクと、該熱媒体から前記高温熱交換器を経由して低温となった熱媒体を貯蔵する低温蓄熱タンクとを備え、前記蒸気ドラムからの抽水は、前記低温蓄熱タンクで熱媒体を加熱した後に前記低温熱交換器に供給するように構成したことを特徴とする太陽熱利用ガスタービンシステム。
4. 請求項３に記載の太陽熱利用ガスタービンシステムにおいて、
   前記排熱回収ボイラは、蒸気ドラムとして高温ドラムと低温ドラムを備えた複圧式排熱回収ボイラであって、前記低温ドラムの抽水を前記噴霧冷却水の加熱源に用いることを特徴とする太陽熱利用ガスタービンシステム。
5. 請求項４に記載の太陽熱利用ガスタービンシステムにおいて、
   高温化した熱媒体の生成に合わせて、排熱回収ボイラへの給水量を増加させることを特徴とする太陽熱利用ガスタービンシステム。
6. ガスタービンと、排熱回収ボイラとを有するガスタービンシステムにおいて、
   前記排熱回収ボイラの蒸気ドラムからの抽水で加熱後、太陽熱で昇温させた作動媒体により発電するバイナリサイクル発電機構を有することを特徴とする太陽熱利用ガスタービンシステム。