JP2015025415A - 高湿分空気利用ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】水回収効率と発電効率を向上させることができる高湿分空気利用ガスタービンシステム。【解決手段】空気圧縮機と、圧縮空気と燃料により燃焼を行う燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとから構成されるガスタービンシステムと、圧縮空気に水分を追加させる増湿塔と、増湿空気をガスタービン排ガスと熱交換させる再生器から構成される増湿再生サイクルと、再生器からの排ガスを導入し、排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置とから構成された高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、水回収装置内部を冷却して水分を回収するための冷却系統は、冷却材として低沸点媒体を使用し、排ガスと低沸点媒体の熱交換を行い、ガスタービン排ガスの水分を凝縮するための低沸点媒体蒸発器と、水回収装置外部に設置され低沸点媒体と冷却水の熱交換を行い、低沸点媒体を凝縮するための低沸点媒体凝縮器により構成された閉サイクルである。【選択図】図１

Description

本発明は、高湿分空気利用ガスタービンシステムに係り、特にガスタービンへ投入した水分を効率よく回収することが可能な高湿分空気利用ガスタービンシステムに関する。

出力増加と発電効率の向上を図ることができるガスタービンシステムとして、ガスタービンに水または蒸気を注入して流量を増加させる高湿分空気利用ガスタービンシステムが知られている。

従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、排ガス中に含まれる水分をそのまま大気中に放出していた。係るシステムにおいて発電効率を向上させるには、ガスタービンで仕事をした後の燃焼排ガスから熱を効果的に回収し利用すれば良い。然しながら、排ガス中の湿分が高いために、排ガスから熱回収し排ガスの温度を低下させると、場合によっては、煙突から放出された際に、白い湯気からなる白煙を生ずることがある。

この白煙が例えば排ガス中に含まれる亜硫酸ガスや塩素ガスと反応し硫酸や塩酸等の酸性のミストを含む場合には、環境保全上好ましくない影響を及ぼすことも考えられる。また、白煙が水分のみを含むものであったとしても、この白煙が有害物を含んでいるのではないかとの第３者の疑いを招かれ、あるいは、美観を損ねるといったこともあるので、排ガスは白煙を出さない条件で放出したいという要求がある。

このことから、ガスタービンシステムでは水分を回収してから排ガスを排出することが必要とされている。特にガスタービンに水分を投入する形で利用される高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいては、ガスタービンに投入した水分以上の水分を回収することが要求されている。

係る技術分野の背景技術として、特許文献１には、「湿分を多量に含むガスタービンの排気ガスを冷却して、排ガス中の水分の一部を回収し再利用するとともに、排ガス中の湿分含有量を低下させ、より低い温度まで熱回収した場合にも、排ガス〜白煙を生じさせないようにする」と記載されている。

特開平１０−１１０６２８号公報

図２は、特許文献１の図７に記載のガスタービン発電設備の構成例を示している。図２に示すガスタービン発電設備では、空気は空気圧縮機２、空気冷却器３、増湿塔４、再生器５を経由した後、燃焼器６で燃料と混合されて燃焼し、高温のガスとなりガスタービン７に流入する。

ガスタービン７に流入した燃焼ガスは、発電機８、空気圧縮機２を駆動し仕事をした後、再生器５、熱交換器９、水回収装置１０、排ガス再加熱器１１を経由して熱が回収され、排ガスとして排出される。なお、増湿塔４はここでは蒸気発生器として働いており、燃焼器６において燃料に注入する蒸気を発生している。そのため、この例では熱交換器９を通過する排ガスは多量の水分を含んだ燃焼排ガスとなっている。

燃焼排ガスは、熱交換器９で冷却された後、水回収装置１０に流入し、そこで冷却されて湿り蒸気となり、一部は凝縮する。残りの排ガスは熱交換器１１で加熱された後、煙突を経由して大気に放出される。水回収装置１０で回収された水は、増湿塔４の補給水として再利用される。

図２の設備では、水回収装置１０に循環冷却系統を設置している。水回収装置１０の凝縮水を水回収循環水ポンプ４２により取り出し、水回収循環水冷却器４３において冷却水と熱交換した後に、水回収装置１０に戻る。水回収装置１０内には水回収装置充填物４１が充填されている。

なお以上の説明では省略したが、１２、１３は増湿塔４から水を取り出し、または補給するための増湿塔循環水ポンプ、増湿塔補給水ポンプである。またこの例では燃料に水分を混入する例を示したが、吸気加湿装置１に給水を投入し、空気圧縮機２に空気を供給するものでもよい。この場合に吸気加湿装置１に投入された水分は、空気圧縮機２、空気冷却器３を経由して増湿塔４に至り、以後は先の説明のように燃焼器６に投入される。

この例では、増湿塔４を利用して燃料に多量の湿分を加えているが、熱交換器９は沸騰や凝縮といった相変化を利用せず、水の強制対流で熱を回収している。このため、コンバインドサイクルの排熱回収ボイラに見られる熱交換時のピンチポイントの制限が無く、より低い温度まで排ガスから熱を回収できる。増湿塔４や水回収装置１０と組み合わせた上記の高湿分空気利用ガスタービンシステムは、このように大きな効果を得ることができる。

然しながらガスタービン排ガス系統に水回収装置１０を備えた高湿分空気利用ガスタービンシステムでは、水回収装置１０はガス中水分の潜熱分も冷却しなくてはならないため熱負荷が高い。このため、水回収効率を上げるためには冷却水を大量に使用することになる。結果、冷却水を循環させるためのポンプの動力が大きくなり発電効率が低下することになる。

以上のことから本発明においては、水回収効率をあげるとともに発電効率を向上させることができる高湿分空気利用ガスタービンシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明においては、空気圧縮機と、空気圧縮機からの圧縮空気と燃料により燃焼を行う燃焼器と、燃焼器による燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとから構成されるガスタービンシステムと、空気圧縮機からの圧縮空気に水分を追加させる増湿塔と、増湿塔の増湿空気をガスタービンの排ガスと熱交換させる再生器から構成される増湿再生サイクルと、再生器からの排ガスを導入し、排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置とから構成された高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、水回収装置内部を冷却して水分を回収するための冷却系統は、冷却材として低沸点媒体を使用し、水回収装置内部に設置され排ガスと低沸点媒体の熱交換を行い、ガスタービン排ガスの水分を凝縮するための低沸点媒体蒸発器と、水回収装置外部に設置され低沸点媒体と冷却水の熱交換を行い、低沸点媒体を凝縮するための低沸点媒体凝縮器により構成された閉サイクルであることを特徴とする。

水回収装置に低沸点媒体を利用したサイクルを構成することで、従来の水回収装置よりも排ガス温度を低減させることができるため、注入水の回収だけではなく、燃焼生成水分も回収することが可能である。また、水分を多量に含んだ排ガスの熱量を、低沸点媒体を介して低沸点媒体蒸気タービン発電機にて発電を行うので発電効率も向上する。

実施例１に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成例を示す図。 従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成例を示す図。 排ガス温度と蒸気分圧の関係を示した図。 実施例２に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成例を示す図。 実施例３に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成例を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成例を示す図である。図１に示す本発明による高湿分空気利用ガスタービンシステムは、主要設備としてガスタービンシステムＧＴと、増湿再生サイクルシステムＡＷと、水回収システムＷＲと、低沸点媒体サイクルシステムで構成されている。

このうちガスタービンシステムＧＴは、吸気を加湿する吸気加湿装置１と、吸気加湿装置１からの空気を圧縮する空気圧縮機２と、空気を支燃剤として燃料を燃焼させる燃焼器６と、燃焼ガスにより駆動され、空気圧縮機２とガスタービン発電機８を駆動するガスタービン７とから構成される。

増湿再生サイクルシステムＡＷは、空気圧縮機２の排出空気に水分を追加させる増湿塔４と、その増湿空気をガスタービン７の排ガスと熱交換させる再生器５を含んで構成されている。また、増湿再生サイクルシステムＡＷには、熱効率向上のため節炭器９を設置して排ガスからの熱回収を図るとともに、水回収装置１０で回収した水を増湿塔補給水ポンプ１３にて増湿塔４に水を補給するとともに、増湿塔４に保有している水を増湿塔循環水ポンプ１２にて、空気冷却器３、排ガス再加熱器１１および節炭器９に水を循環させている。

水回収システムＷＲは、水回収装置１０を主体に構成され、増湿塔４で投入した水分や燃料の燃焼によって生成した水分などを回収する水回収装置１０を有している。水回収装置１０における排ガス冷却の機能は、本発明により付加された低沸点媒体サイクルシステムＦが担う。このため水回収装置１０の内部には、低沸点媒体サイクルシステムＦの一部を構成する低沸点媒体蒸発器２１が配置されている。低沸点媒体蒸発器２１は、排ガスと低沸点媒体との熱交換を行う熱交換器である。

水回収装置１０における水回収は、水回収装置１０に流入した排ガスが、低沸点媒体サイクルシステムＦ内の低沸点媒体蒸発器２１で冷却され、排ガス中の水分が凝縮することで回収される。低沸点媒体蒸発器２１で蒸発した低沸点媒体は、低沸点媒体蒸気タービン２２を駆動し、低沸点媒体蒸気タービン発電機２３にて発電を行う。低沸点媒体蒸気タービン２２を駆動した低沸点媒体は低沸点媒体凝縮器２４にて凝縮し、低沸点媒体循環ポンプ２５にて低沸点媒体蒸発器２１に送液される低沸点媒体サイクルを構成する。

図３は排ガス温度と蒸気分圧の関係を示した図である。この図で横軸は排ガス温度であり、６０℃から３０度の範囲を示している。縦軸には蒸気の分圧として０．２以下の領域を示している。またこの図で曲線は飽和線を示しており、排ガス温度と蒸気分圧の関係がこの曲線よりも上に位置するときには、蒸気は水になり、水回収されることを表している。

縦軸の蒸気分圧に着目したとき、蒸気分圧の構成要因には大気中の水分Ａがある。大気中の水分Ａは、例えば、標準気圧のもとで大気温度１５℃かつ相対湿度６０％で蒸気分圧０．０１程度となる。

蒸気分圧の第２の構成要因として燃焼により生成された燃焼生成水分Ｂがある。例えば、メタンを主成分とする天然ガスをガスタービンで燃焼させた場合には、メタンが１モルに対して水蒸気が２モル生成することで、蒸気分圧は０．０９程度になることを図３は示している。

蒸気分圧の第３の構成要因は、水分注入による増分Ｃである。水分注入による増分Ｃに関して、高湿分空気利用ガスタービンでは、容積比で１５〜２０％の水分（水蒸気）をガスタービンに注入する。このため、排ガス中の合計の水蒸気分圧は０．２５を超えることになる。

図３の例では、排ガス温度を４４℃に冷却すれば、飽和線との関係によりガスタービンに注入した水分Ｃは全量回収可能であることを示している。さらに本発明では低沸点媒体を利用して排ガスを冷却することで、排ガス温度を４４℃以下にできるので、冷却燃焼生成水分Ｂも回収することが可能である。

実施例２では、水回収効率を高める装置の例を説明する。

図４は、実施例２における高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成図である。図４の構成は、低沸点媒体サイクルシステムＦの部分が図１とは相違している。このため、図４の説明では、図１の高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成のうち、図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図４の低沸点媒体サイクルシステムＦでは、排ガス中水分の水回収は、水回収装置１０に流入した排ガスが低沸点媒体蒸発器３１で冷却され、排ガス中の水分が凝縮することで回収される。低沸点媒体蒸発器３１では、蒸発潜熱を利用できるため、従来の技術よりも排ガス温度をより低温に設定することができることに特徴がある。

低沸点媒体蒸発器３１で蒸発した低沸点媒体は、低沸点媒体圧縮機３２で圧縮され、低沸点媒体凝縮器３３にて凝縮し、再び低沸点媒体蒸発器３１に送液される低沸点媒体サイクルを有することを特徴とする。低沸点媒体の温度は低沸点媒体蒸発器３１側で低温、低沸点媒体凝縮器３３側で高温となるため、低沸点媒体凝縮器３３の冷却媒体として空気も利用でき、水回収装置１０の出口排ガス温度を図１で示した実施例よりもさらに低温にすることが可能であり、燃焼生成水分をも回収することが可能となる。

実施例３では、実施例１の基本構成例を説明する。基本構成例では、空気冷却器３、節炭器９、排ガス再加熱器１１を削減することで、設備コストを低減している。

基本構成によれば、水と排ガスの熱交換器の場合、水側のスチーミング防止のため、常時水を流さないとならないが、これらの機器を削減したことで運用性が良くなる。

水回収装置１０の入口ガス温度は節炭器９を削除したことにより、１１０℃程度から２５０℃程度に上昇し、低沸点媒体蒸発器２１出口の低沸点媒体の温度を上げることができ、低沸点媒体蒸気タービン２２の効率を上げることができる。

総合効率としては、ガスタービン７の効率は低下するが、低沸点媒体蒸気タービン２２の効率が増加することで、従来のＡＨＡＴサイクルのみの場合よりも効率をあげることができる。つまり、空気冷却器３、節炭器９、排ガス再加熱器１１を削減することで、６％ｐｔｓ．効率が低下し、低沸点媒体を設置することで７％ｐｔｓ．効率が増加する。したがって従来のＡＨＡＴサイクル（図２）に比べ、およそ１％ｐｔｓ．効率が増加する。

排ガス再加熱器１１の機能は、水回収装置１０出口の排ガスを再加熱し白煙防止することであるが、水回収装置バイパスライン１４を設置することで同じ機能を持たせた。水回収装置バイパスライン１４を設置することで、ガスタービン７を止めなくても、水回収装置１０や低沸点媒体蒸気タービン２２のメンテナンスをすることができる。

なお本発明で使用できる低沸点媒体としては、代替フロン（ＨＦＥ）をはじめ、各種のものが採用可能である。冷却水よりも低い沸点温度を有する媒体であれば適用ができる。

１：吸気加湿装置
２：空気圧縮機
３：空気冷却器
４：増湿塔
５：再生器
６：燃焼器
７：ガスタービン
８：ガスタービン発電機
９：節炭器
１０：水回収装置
１１：排ガス再加熱器
１２：増湿塔循環水ポンプ
１３：増湿塔補給水ポンプ
２１：低沸点媒体蒸発器
２２：低沸点媒体蒸気タービン
２３：低沸点媒体蒸気タービン発電機
２４：低沸点媒体凝縮器
２５：低沸点媒体循環ポンプ
３１：低沸点媒体蒸発器
３２：低沸点媒体圧縮機
３３：低沸点媒体凝縮機
４１：水回収装置充填物
４２：水回収循環水ポンプ
４３：水回収循環水冷却器

Claims (4)

1. 空気圧縮機と、該空気圧縮機からの圧縮空気と燃料により燃焼を行う燃焼器と、該燃焼器による燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとから構成されるガスタービンシステムと、前記空気圧縮機からの圧縮空気に水分を追加させる増湿塔と、該増湿塔の増湿空気を前記ガスタービンの排ガスと熱交換させる再生器から構成される増湿再生サイクルと、前記再生器からの排ガスを導入し、該排ガスに含まれる水分を回収する水回収装置とから構成された高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、
   前記水回収装置内部を冷却して前記水分を回収するための冷却系統は、冷却材として低沸点媒体を使用し、前記水回収装置内部に設置され前記排ガスと前記低沸点媒体の熱交換を行い、前記ガスタービン排ガスの水分を凝縮するための低沸点媒体蒸発器と、前記水回収装置外部に設置され前記低沸点媒体と冷却水の熱交換を行い、前記低沸点媒体を凝縮するための低沸点媒体凝縮器により構成された閉サイクルであることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
2. 請求項１記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、
   前記閉サイクルの冷却系統は、前記水回収装置内の低沸点媒体蒸発器と前記低沸点媒体凝縮器とのあいだに、低沸点媒体で駆動される低沸点媒体蒸気タービンを備えており、該低沸点媒体蒸気タービンにより低沸点媒体蒸気タービン発電機を駆動することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
3. 請求項１または請求項２に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、
   前記再生器からの排ガスの一部を前記水回収装置に与えるとともに、前記水回収装置で冷却された排ガスと前記再生器からの排ガスの一部を混合して排出することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
4. 請求項１または請求項２に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムであって、
   前記空気圧縮機からの圧縮空気を、空気冷却器を介して前記増湿塔に送り、前記再生器からの排ガスを、節炭器を介して前記水回収装置に送り、前記水回収装置からの排ガスを、排ガス再加熱器を介して排出するとともに、
   前記空気冷却器、前記節炭器、前記排ガス再加熱器における流体は、前記水回収装置の凝縮水と熱交換が行われていることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。

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