JP2711085B2

JP2711085B2 - ガスタービン設備

Info

Publication number: JP2711085B2
Application number: JP7245320A
Authority: JP
Inventors: 稔中安; 俊彦井上
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2015-08-29
Also published as: JPH0968006A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの駆
動により発電を行うとともに、ガスタービンの排ガスの
熱を冷暖房や給湯などの熱需要に利用するコージェネレ
ーションシステムのようなガスタービン設備に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、省エネルギーを促進するため
に、ガスタービンにより発電を行うとともに、ガスター
ビンの排熱回収により、冷暖房や給湯の熱需要をまかな
うコージェネレーションシステムが導入されている。こ
のコージェネレーションシステムの一例として、図４に
示すような構成を備えたものが知られている（特開平６
−１０８８７７号公報参照）。

【０００３】図４において、ガスタービン１は、圧縮機
２で空気を圧縮して燃焼器３に導くとともに、燃焼器内
に都市ガスのようなガス燃料を噴射して燃焼させ、その
高温高圧の燃焼ガスでタービン４を駆動させる。このタ
ービン４は圧縮機２を駆動するとともに、減速機２１お
よびカップリング７を介して発電機８を駆動する。発電
機８からの発電電力は種々の電力負荷に供給される。一
方、上記燃料は、燃焼器３内の圧縮空気による高い圧力
に抗して噴射させるために、ガス圧縮装置９において、
モータ１０の回転により駆動されるスクリュー式または
レシプロ式の燃料圧縮機１１で圧縮されて高圧力に昇圧
されたのちに、燃焼器３に噴射される。なお、３４は燃
料の開閉弁、３７は燃料圧縮機１１をバイパスする燃料
流量を調整するバイパス弁である。

【０００４】ガスタービン１の排ガスは、排気ダンパ１
２の調節により必要な流量だけ排ガス流路１４に設けら
れた排熱ボイラ１３に導かれ、排ガス流路１４、煙突１
６およびサイレンサー１７を通って大気中に放出され
る。一方、給水タンク１８から給水ポンプ１９により送
られた水は、煙突１６内のエコノマイザー２０で排ガス
Ｇにより予熱されたのちに、排熱ボイラ１３で排ガスと
熱交換される。すなわち、排熱ボイラ１３では排ガス流
路１４に導入された排ガスから熱回収して蒸気を生成
し、その蒸気は圧力制御弁２２により一定圧力に制御さ
れ、プロセス蒸気として、冷暖房機器や給湯機器などの
種々の蒸気使用機器に供給される。このようにして、単
一のエネルギー源から電気と熱の有効な二次エネルギー
を得ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のコー
ジェネレーションシステムに適用されるガスタービン１
では、比較的高温となる排ガスの熱エネルギーと発電電
力との熱電比が高いために、ガスタービン１からの排ガ
スの全てを排熱ボイラ１３に導いて熱回収すると、必要
以上の蒸気が発生することが多々ある。そこで、上述の
ように、排気ダンパ１２を調節して、必要な蒸気量に応
じた排ガスのみを排熱ボイラ１３に導き、余った排ガス
は排気ダンパ１２からバイパス排気消音器２３を介して
大気中に放出している。或いは、排熱ボイラ１３での発
生蒸気のうちの熱需要に使用して残った余剰分は、放蒸
弁２４を開放して放蒸サイレンサー２５を通じ大気中に
放出している。そのため、コージェネレーションシステ
ムはガスタービン１の排ガスの熱を無駄なく有効利用す
ることを目的としているにもかかわらず、それに反し
て、排ガスまたはそれにより生成した蒸気を無駄に棄て
ているので、システム全体としての熱効率を低下させる
結果を招いている。

【０００６】一方、燃料圧縮装置９において、モータ１
０は、商用電力または発電機８からの発電電力により駆
動するようになっている。したがって、発電機８の実質
的な発電電力は燃料圧縮装置９で消費する分だけ電力負
荷への有効供給量が減少することになる。言い換える
と、発電電力としては、電力負荷に供給するための所定
電力量に加えて、燃料圧縮装置９での消費電力量を必要
とするため、発電システムとしての電力効率が低下す
る。

【０００７】そこで本発明は、冷暖房や給湯などの熱需
要に利用するだけでは余る蒸気を、燃料圧縮機の動力と
して利用することにより、排ガスの熱回収を有効に行っ
てガスタービン設備の熱効率を向上させるとともに、ガ
スタービンの回転動力を有効利用することを目的とする
ものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係るガスタービン設備は、ガス
タービンと、これにより駆動される回転機械と、前記ガ
スタービンの排ガスを熱源とする排熱ボイラとを備えた
ガスタービン設備であって、前記排熱ボイラから供給さ
れる飽和蒸気を動力源とし、前記回転機械と機械的に非
連結の蒸気駆動機と、この蒸気駆動機により駆動されて
燃料を圧縮して前記ガスタービンの燃焼器に供給する燃
料圧縮機とを備えている。

【０００９】上記ガスタービン設備によれば、回転機械
により発電電力または軸動力を発生させるとともに、排
熱ボイラで生成される飽和蒸気を燃料圧縮機を駆動する
ための蒸気駆動機の動力源として利用する。余った蒸気
は、冷暖房や給湯などの熱需要に利用する。したがっ
て、ガスタービンから出る比較的高温の排ガスの熱をほ
とんど無駄なく回収できるから、システムとしての熱効
率が格段に向上する。しかも、燃料圧縮機の駆動源とし
て、従来のモータに代えて、排熱ボイラからの飽和蒸気
を動力源とする蒸気駆動機を用いているので、ガスター
ビンの回転動力の一部を従来のように燃料の圧縮に使用
しないことから、回転動力の利用効率が向上し、たとえ
ば、発電電力のうち電力負荷に供給できる有効発電電力
量が増大する。

【００１０】また、本発明の請求項２に係るガスタービ
ン設備は、ガスタービンと、これにより駆動される第１
の回転機械と、前記ガスタービンの排ガスを熱源とする
排熱ボイラと、前記排ガスを熱源として前記排熱ボイラ
からの蒸気を過熱蒸気にする過熱器とを備えたガスター
ビン設備であって、前記過熱器から供給される過熱蒸気
を動力源として前記第１の回転機械または第２の回転機
械を駆動する蒸気タービンと、この蒸気タービンの中間
段から抽気された飽和蒸気を動力源とし、前記いずれの
回転機械とも機械的に非連結の蒸気駆動機と、この蒸気
駆動機により駆動されて燃料を圧縮して前記ガスタービ
ンの燃焼器に供給する燃料圧縮機とを備えている。

【００１１】上記ガスタービン設備によれば、排熱ボイ
ラからの飽和蒸気を過熱蒸気にするスーパーヒーターよ
うな過熱器を備えているから、ガスタービンの排ガスか
ら熱回収して生成した過熱蒸気は、飽和蒸気では駆動不
能な蒸気タービンを駆動させるのに利用し、コンバイン
ドサイクルを構成できる。すなわち、ガスタービンと蒸
気タービンとを組み合わせる複合運転により、第１およ
び第２の回転機械を駆動するので、システム効率が向上
する。さらに、燃料圧縮機を駆動するための蒸気駆動機
は蒸気タービンの中間段から抽気した飽和蒸気を動力源
とするので、システム効率がより一層向上する。

【００１２】本発明の好適な実施形態によれば、燃料と
してガス燃料が用いられる。このガス燃料は、液体燃料
と比較して、圧縮するのに多大な仕事量が必要である
が、蒸気駆動機により駆動される燃料圧縮機により支障
なく圧縮して、ガスタービンの燃焼器の燃焼室内に噴射
可能な高圧に昇圧される。

【００１３】本発明に係るガスタービン設備における回
転機械としては、発電機、空気圧縮機などがあるが、発
電機が最も一般的である。

【００１４】他の好ましい実施形態によれば、前記燃料
圧縮機にモータが連結され、このモータにクラッチを介
して前記蒸気駆動機が連結されている。したがって、排
熱ボイラの起動時にはモータの回転により燃料圧縮機を
駆動し、排熱ボイラの蒸気圧が蒸気駆動機を駆動可能な
圧力にまで昇圧した時点で、クラッチを連結状態とし、
かつモータへの給電を停止する。それにより、以後の定
常運転状態時には、モータが空回りして、燃料圧縮機が
蒸気駆動機により駆動される。これにより、十分な蒸気
圧を得られない排熱ボイラの起動時においても、燃料圧
縮機を支障なく駆動することができるとともに、蒸気駆
動機が故障などにより使用不能となっても、クラッチを
非連結状態とし、かつモータに給電して、燃料圧縮機を
モータで駆動して燃料を圧縮できるから、高い運転信頼
性を得ることができる。

【００１５】さらに本発明の他の好ましい実施形態に係
るガスタービン設備は、前記蒸気駆動機から流出する蒸
気を使用する吸収式冷凍機を備えている。蒸気駆動機か
ら出る低圧の蒸気は、通常、未だ十分な熱エネルギーを
有しているから、工場などの雑用蒸気などに利用できる
他に、低圧蒸気でも駆動可能な吸収式冷凍機に供給で
き、この冷凍機により得られた冷水は工場やビルディン
グの空調用に利用できる。このように、排ガスから熱回
収して生成した蒸気の熱エネルギーは高温から常温近く
まで段階的に利用し尽くすことができるので、熱効率が
さらに向上する。

【００１６】別の好ましい実施形態に係るガスタービン
設備は、前記蒸気駆動機としてスクリュー式蒸気エンジ
ンを用いている。このスクリュー式蒸気エンジンは、ス
クリュー式コンプレッサの逆サイクルを利用したもので
あって、蒸気タービンのように過熱蒸気を必要とせず
に、飽和蒸気で駆動させることができる。したがって、
上記スクリュー式蒸気エンジンは、請求項１に係るガス
タービン設備のように過熱器を備えない場合においても
使用することができ、一方、請求項２に係るガスタービ
ン設備のように過熱器を備えている場合、過熱器からの
過熱蒸気で蒸気タービンを駆動して、その蒸気タービン
の中間段から抽気した飽和蒸気を用いて駆動させること
ができる。いずれの場合においても、ガスタービンの排
ガスからの熱回収により生成した蒸気を効率的に利用し
て燃料を圧縮することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一
実施形態のガスタービン設備を示す概略構成図である。
同図において、図４と同一若しくは同等のものには同一
の符号を付してその説明を省略し、相違する構成につい
てのみ説明する。図４における排気ダンパ１２を除外し
て、タービン４の排ガスの全てを排熱ボイラ１３に送給
し、この排ガスＧから熱回収して多量の飽和蒸気を生成
する。この飽和蒸気の一部は、既存の設備と同様に、開
閉弁３１および圧力制御弁２２を介して種々の蒸気使用
機器に供給し、プロセス蒸気として使用される。すなわ
ち、このガスタービン設備はコージェネレーションシス
テムを構成しており、熱電比がかなり高くなっている。
その結果、上述のように多量の飽和蒸気が生成される。

【００１８】一方、燃料圧縮装置２８には、既存の燃料
圧縮機１１、バイパス制御弁３７およびモータ１０に加
えて、モータ１０にクラッチ２９を介してスクリュー式
蒸気エンジン３０が連結されている。このスクリュー式
蒸気エンジン３０は、その構成については後述するが、
排熱ボイラ１３から出る多量の飽和蒸気のうちの一部が
開閉弁３１および制御弁３２を介して供給され、この飽
和蒸気を動力源として作動して、連結状態のクラッチ２
９を介して燃料圧縮機１１を駆動する。飽和蒸気の他部
は圧力制御弁２２を通って、プロセス蒸気として使用さ
れる。蒸気エンジン３０から流出する飽和蒸気は、２〜
５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ程度の圧力を有しているので、低圧蒸
気でも駆動可能な吸収式冷凍機３３に対し、これの熱源
として供給され、この冷凍機３３で作られた冷水は、工
場やビルディングの空調用などの用途に使用される。吸
収式冷凍機３３から出たドレンは給水タンク１８に戻さ
れる。

【００１９】なお、燃料は開閉弁３４を介して燃料圧縮
機１１に供給され、この燃料圧縮機１１からガスタービ
ン１への燃料供給量はバイパス制御弁３７により調節さ
れる。すなわち、燃料供給量を多くしたい場合には、バ
イパス制御弁３７を絞って燃料圧縮機１１の出口から入
口へ戻す燃料バイパス量を減少させ、逆に、燃料供給量
を少なくしたい場合には、バイパス制御弁３７を開放し
て燃料バイパス量を増大させる。一方、蒸気エンジン３
０へ供給される飽和蒸気は、排熱ボイラ１３のドラム１
３ａの圧力を制御する圧力制御弁２２により一定の蒸気
圧に保持され、かつ制御弁３２により、前記バイパス制
御弁３７で制御し切れない大きな負荷変動に追従できる
よう、蒸気流量が制御される。開閉弁３１は、ガスター
ビン１の運転停止時に閉じられて、排熱ボイラ１３への
空気の混入等を防止する。

【００２０】図２は上記スクリュー式蒸気エンジン３０
の要部を示す斜視図である。この蒸気エンジン３０は、
一対のスクリューロータ３０ａ，３０ｂが噛み合って回
転するように設定されている。この両スクリューロータ
３０ａ，３０ｂの間に、蒸気入口側から吸入された高圧
蒸気ＨＳが導かれ、この高圧蒸気ＨＳは両スクリューロ
ータ３０ａ，３０ｂの歯溝空間を押し拡げながら膨張し
て減圧し、低圧蒸気ＬＳとなって蒸気出口側から吐出さ
れる。このように、蒸気が膨張して低圧となる間にエネ
ルギーを放出して、スクリューロータロータ３０ａ，３
０ｂに回転力を与える。すなわち、この蒸気エンジン３
０は、スクリュー型コンプレッサの逆サイクルを利用し
たものであって、容積型で、かつ回転式である上に、駆
動に過熱蒸気を必要とする蒸気タービンとは異なり、飽
和蒸気で駆動できる特長がある。したがって、スーパー
ヒーターなどの過熱器を必要とせずに、排熱ボイラ１３
で生成した飽和蒸気をそのまま使用できる。

【００２１】つぎに、上記ガスタービン設備の作用につ
いて説明する。起動時には、燃料圧縮装置２８におい
て、クラッチ２９を切断状態としてスクリュー式蒸気エ
ンジン３０と燃料圧縮機１１とを非連結状態にし、かつ
商用交流電源２７からモータ１０に給電して燃料圧縮機
１１を駆動する。すなわち、排熱ボイラ１３の起動時に
は、蒸気エンジン３０を駆動するのに十分な蒸気圧の飽
和蒸気が得られないので、モータ１０により燃料圧縮機
１１を一時的に駆動して、圧縮した燃料をガスタービン
１に供給する。

【００２２】そして、排熱ボイラ１３で生成される飽和
蒸気の蒸気圧が所定圧力まで昇圧した時点で、モータ１
０への給電を停止し、かつクラッチ２９を連結状態とす
る。それにより、以後の定常運転状態時では、モータ１
０が空回りして、燃料圧縮機１１が蒸気エンジン３０に
より駆動される。このように、モータ１０は、排熱ボイ
ラ１３の始動時のみ補助的に駆動するだけである。その
ため、発電機８の発電電力は、その全てを電力負荷に供
給できるから、従来設備のように一部を燃料圧縮の動力
源として使用していた分だけ有効発電量が増大する。

【００２３】一方、コージェネレーションシステムに構
成したことによってガスタービン１の熱電比が高くな
り、このガスタービン１の排ガスの全てから熱回収して
生成した飽和蒸気はプロセス蒸気として利用しただけで
は余るから、この飽和蒸気を蒸気エンジン３０の動力源
に利用して、蒸気エンジン３０により燃料圧縮機１１を
駆動している。したがって、ガスタービンから出る比較
的高温の排ガスの熱をほとんど無駄なく回収できるか
ら、システムとしての熱効率が格段に向上する。しか
も、蒸気エンジン３０から流出する飽和蒸気は、未だ十
分な圧力を有していることから、低圧蒸気でも駆動可能
な吸収式冷凍機３３の動力源として利用しており、この
点からもシテスムの熱効率がさらに向上する。

【００２４】また、何らかの原因でスクリュー式蒸気エ
ンジン３０が故障した場合には、クラッチ２９を切断状
態とし、かつ商用交流電源１７からモータ１０に給電し
て、燃料の圧縮を支障なく継続できる。そのため、上記
ガスタービン設備は運転の信頼性が極めて高いものとな
る。

【００２５】なお、上記の実施形態では、ガスタービン
１により駆動する回転機械として発電機８を用いた場合
について説明したが、この発電機８に代えて、空気圧縮
機または塗装機などを設けて、ガスタービン１により軸
動力を得るようにしてもよい。また、燃料として都市ガ
スやＬＰＧなどのガス燃料を用いるガス専焼システムの
場合について説明したが、ガス燃料と石油などの液体燃
料を用いるデュアルフューエルシステムに用いてもよ
い。

【００２６】図３は本発明の他の実施形態に係るガスタ
ービン設備を示す概略構成図であり、同図において、図
１と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してそ
の説明を省略し、図１と相違する構成についてのみ説明
する。排ガス流路１４における排熱ボイラ１３よりも排
ガスＧの流動方向の上流側にスーパーヒーター（過熱
器）３８を配設している。このスーパーヒーター３８に
より、排熱ボイラ１３からの飽和蒸気が過熱蒸気にな
る。この過熱蒸気を動力源とする蒸気タービン３９を設
けて、この蒸気タービン３９により第２の発電機４０を
駆動する。蒸気タービン３９の中間段から蒸気を抽気し
て、この蒸気をスクリュー式蒸気エンジン３０に供給す
る。蒸気タービン３９から流出する飽和蒸気は、復水器
４１により復水となり、給水タンク１８に戻る。

【００２７】このガスタービン設備では、スーパーヒー
ター３８からの過熱蒸気の一部が、飽和蒸気では駆動不
可能な蒸気タービン３９を駆動させるのに利用され、コ
ンバイドサイクルを構成できる。すなわち、ガスタービ
ン１と蒸気タービン３９とを組み合わせる複合運転によ
り、２台の発電機８，４０を駆動し、しかも、燃料圧縮
用の蒸気エンジン３０は蒸気タービン３９の中間段から
抽気した飽和蒸気を動力源として駆動させるので、シス
テム効率が一層向上する。ここで、ガスタービン１と蒸
気タービン３９とにより同一の発電機を駆動する一軸式
にしてもよい。

【００２８】なお、上記ガスタービン設備では排ガスか
らの熱回収により過熱蒸気を生成するので、燃料圧縮装
置２８のスクリュー式蒸気エンジン３０に代えて、蒸気
タービンにより燃料圧縮機１１を駆動する構成とするこ
ともできる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るガスタービ
ン設備によると、排熱ボイラから供給される蒸気を動力
源とする蒸気駆動機を備え、この蒸気駆動機により燃料
圧縮機を駆動するようにしたので、ガスタービンの排ガ
スから熱回収して生成した蒸気が多量であっても、その
一部を蒸気駆動機の動力源として利用することにより、
無駄に廃棄する蒸気が少なくなる。その結果、システム
としての熱効率が向上する。さらに、燃料圧縮機の駆動
源として、従来のモータに代えて蒸気駆動機を用い、こ
の蒸気駆動機を蒸気によって駆動するので、ガスタービ
ンの回転動力の一部を燃料の圧縮に使用する必要がなく
なり、その全てを回転機械の駆動に有効に利用でき、こ
の点からもシステム効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービン設備を
示す概略構成図である。

【図２】同上のガスタービン設備に用いるスクリュー式
蒸気エンジンを示す要部の斜視図である。

【図３】本発明の他の実施形態に係るガスタービン設備
を示す概略構成図である。

【図４】従来のコージェネレーションシステムとして構
成されたガスタービン設備を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１…ガスタービン、３…燃焼器、７…カップリング、８
…発電機（回転機械）、１１…燃料圧縮機、１３…排熱
ボイラ、３０…スクリュー式蒸気エンジン（蒸気駆動
機）、３３…吸収式冷凍機、３８…スーパーヒーター
（過熱器）、３９…蒸気タービン、４０…第２発電機
（第２の回転機械）、Ｇ…排ガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｃ 7/22 Ｆ０２Ｃ 7/22 ＢＤＦ０４Ｃ 18/16 Ｆ０４Ｃ 18/16 Ａ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービンと、これにより駆動される
回転機械と、前記ガスタービンの排ガスを熱源とする排
熱ボイラとを備えたガスタービン設備であって、前記排熱ボイラから供給される飽和蒸気を動力源とし、
前記回転機械と機械的に非連結の蒸気駆動機と、この蒸気駆動機により駆動されて燃料を圧縮して前記ガ
スタービンの燃焼器に供給する燃料圧縮機とを備えたガ
スタービン設備。
【請求項２】ガスタービンと、これにより駆動される
第１の回転機械と、前記ガスタービンの排ガスを熱源と
する排熱ボイラと、前記排ガスを熱源として前記排熱ボ
イラからの蒸気を過熱蒸気にする過熱器とを備えたガス
タービン設備であって、前記過熱器から供給される過熱蒸気を動力源として前記
第１の回転機械または第２の回転機械を駆動する蒸気タ
ービンと、この蒸気タービンの中間段から抽気された飽和蒸気を動
力源とし、前記いずれの回転機械とも機械的に非連結の
蒸気駆動機と、この蒸気駆動機により駆動されて燃料を圧縮して前記ガ
スタービンの燃焼器に供給する燃料圧縮機とを備えたガ
スタービン設備。
【請求項３】請求項１または２において、前記燃料圧
縮機にモータが連結され、このモータにクラッチを介し
て前記蒸気駆動機が連結されているガスタービン設備。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、前記
蒸気駆動機から流出する蒸気を使用する吸収式冷凍機を
備えたガスタービン設備。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記
蒸気駆動機はスクリュー式蒸気エンジンであるガスター
ビン設備。