JP3681968B2

JP3681968B2 - バイパス付き熱交換器を用いたガスタービン装置

Info

Publication number: JP3681968B2
Application number: JP2000288714A
Authority: JP
Inventors: 総介木野内; 勇志竹原
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-09-22
Also published as: JP2002098001A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの排ガスのような高温の流体をバイパスさせるバイパス付き熱交換器を用いたガスタービン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおいては、熱効率を上げるために熱交換器を設けて、タービンを出た排ガスと、圧縮機を出て燃焼器に導入される前の圧縮空気との間で熱交換を行うようにしたものがある。この場合、例えば熱交換後の排ガスを熱源として温水を製造する排ガスボイラを設けると、熱交換後の排ガスの熱量は小さいので、前記温水の使用量が増加したとき、温水の温度が低下してしまう。
【０００３】
このような課題を解決する対策の一例として、熱交換器における排ガスの入口と出口との間を、熱交換器の外部を通るバイパス配管で接続し、温水の使用量が多いときには、前記バイパス配管を全開し排ガスの熱交換量を少なくして、熱交換器出口側の排ガス温度を高くし、また温水の使用量が少ないときには、バイパス配管の開度を小さくして熱交換器出口側の排ガス温度を低くすることが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した対策では、バイパス配管を熱交換器の外部に設けるので、排ガスがバイパス配管を流れるときの熱損失が大きくなるばかりか、構造が複雑になりコストも増大する。
【０００５】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたもので、簡略な構造で、熱交換量を調整して熱交換に供される高温の流体の熱交換器出口側での温度を調整できるバイパス付き熱交換器を用いたガスタービン装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービン装置では、バイパス付き熱交換器の筒形のケーシングの内方に低温の第１の流体と高温の第２の流体間で熱交換を行うコアが収納されている。前記第１の流体は前記コアの側面から導入および導出され、前記第２の流体は前記コアに、その前端面から導入されて後端面から導出される。前記コアの中心部には第２の流体を通過させるバイパス通路が設けられ、さらに、前記バイパス通路の開度を調整する調整弁を備えている。前記熱交換器の前部にガスタービンが連結されて、ガスタービンの圧縮機から燃焼器へ送られる途中の圧縮空気が前記第１の流体として熱交換器に供給され、タービンからの排ガスが第２の流体として熱交換器に供給される。さらに、熱交換器の下流には、前記排ガスを熱源とする排ガスボイラが設置される。また、前記排ガスボイラから外部に供給される第３の流体の温度に基づいて前記調整弁の開度を制御するバイパス制御手段が設けられる。前記バイパス通路を通過した排ガスは前記コアを通った排ガスとともに前記排ガスボイラに供給されている。
【０００７】
前記ガスタービン装置によれば、熱交換用のコアの前端面から導入され後端面から導出される高温の第２の流体の一部がバイパス通路を通過し、その通過量が調整弁によって調整されるので、調整弁により熱交換量を調整してコア出口での第２の流体の温度を調整できる。また、バイパス通路がコアの中心部に設けられているから、コアの外部を通るバイパス配管が不要になるので、バイパス通路をコンパクトに、かつ低コストで設置でき、バイパス通路を通過するときの第２の流体の熱損失も少なくなる。
【０００９】
さらに、ガスタービンの圧縮機から燃焼器へ送られる途中の圧縮空気とタービンからの排ガスとの間の熱交換が、バイパス付き熱交換器で行われ、バイパス制御手段による調整弁の開度制御により、排ガスを熱源とする排ガスボイラから供給される温水のような第３の流体の使用量に応じて、バイパス通路を通過する排ガスのバイパス量が自動的に適切に調整される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明の一実施形態であるバイパス付き熱交換器を用いたガスタービン装置の全体の概略構成図を示し、図２はそのガスタービン装置の要部の縦断面図を示す。図１において、ガスタービン装置は、バイパス付き熱交換器１と、その前部に連結されたガスタービン２とを有する。
【００１１】
ガスタービン２は、図２に示すように、圧縮機４と、この圧縮機４の回転軸５に固定されたタービン６と、燃焼器７とを有する。圧縮機４は、吸気通路８から導入される空気ＩＡを圧縮して、その圧縮空気Ａをガスタービン２の後部の熱交換器１を経て燃焼器７に供給するものであり、タービン６によって駆動される。燃焼器７は、ガスまたは液体の燃料Ｆを燃焼室９内に噴射する燃料ノズル１０を有し、その燃料Ｆが熱交換器１を経て燃焼室９内に送給されてくる圧縮空気Ａと混合されて燃焼する。その高温高圧の燃焼ガスＧはタービン６に送られ、燃焼ガスＧのエネルギによりタービン６が駆動される。前記回転軸５の前端には発電機１１（図１）が連結される。
【００１２】
熱交換器１は、ガスタービン２の圧縮機４を出た低温の圧縮空気（第１の流体）Ａと、ガスタービン２のタービン６を出た高温の排ガス（第２の流体）Ｅとの間で熱交換を行うものであり、図５に示すように、横断面円形の筒形ケーシング１８の内方に横断面形状が円形の熱交換用コア１９を収納して構成される。コア１９の横断面形状は適宜設定でき、四角形以上の多角形でもよい。このコア１９は、第１の流体である低温の圧縮空気Ａが流れる第１通路２１と、第２の流体である高温の排ガスＥが流れる第２通路２２とが、両通路を仕切る平坦な伝熱プレート２３を挟んで、交互に配置されている。コアの軸心部であるコア中心部には、コアの軸心と平行に延びる排ガスＥ通過用の横断面円形のバイパス通路２０が設けられている。伝熱プレート２３はコア１９の軸心と平行に延びており、伝熱プレート２３，２３間の間隔は、この例では、すべての伝熱プレートにつき、一定となっている。
【００１３】
図２に示すように、バイパス通路２０の出口には、その開度を調整する調整弁３１が設けられている。この調整弁３１は、バイパス通路２０を形成する円筒形の管体５１に回転自在に支持されてバイパス通路２０を横断する弁軸３１ａと、この弁軸３１ａに固定された円盤状の弁体３１ｂとからなる。この調整弁３１が、ここでは管体５１の後端部、つまりバイパス通路２０におけるコア１９から外方へはみ出した後端部に設けられているので、弁軸３１ａをコア１９の内部を通すことなくケーシング１８の外方へ延出して、モータのような駆動機に連結することができる利点がある。ただし、これに限らず、バイパス通路２０のコア１９を外れた前端に設けてもよいし、バイパス通路２０の中間部分に設けられてもよい。
【００１４】
このように、熱交換用のコア１９の前端面から導入され後端面から導出される高温の第２の流体である排ガスＥの一部がバイパス通路２０を通過し、その通過量が調整弁３１によって調整されるので、調整弁３１により熱交換量を調整してコア出口での排ガスＥの温度を調整できる。また、バイパス通路２０がコア１９の中心部に設けられているから、コア１９の外部を通るバイパス配管が不要になるので、バイパス通路２０をコンパクトに、かつ低コストで設置でき、バイパス通路２０を通過するときの排ガスＥの熱損失も少なくなる。
【００１５】
図３に示すように、前記コア１９の後部の側面には、圧縮空気Ａを前記第１通路２１に流入させる第１流入口２４が設けられている。また、コア１９の前部の側面には、第１通路２１を通った圧縮空気Ａの流出口２５が設けられている。
図４（Ａ）は、前記第１通路２１を伝熱プレート２３のプレート面と平行に切断した断面図を示す。第１通路２１は、その通路の長手方向に平行な複数の仕切り板２１ａで複数の通路部に仕切られている。また、第１通路２１の前後端は、盲板２１ｂで閉塞されている。図４（Ｂ）は、前記第２通路２２を伝熱プレート２３のプレート面と平行に切断した断面図を示す。第２通路２２も、その通路の長手方向に平行な複数の仕切り板２２ａで複数の通路部に仕切られている。
【００１６】
図２に示すように、コア１９とケーシング１８との間には、圧縮空気Ａをコア１９の前方からコア１９の側面の外側を通って前記第１流入口２４に導入する導入路２６が形成されている。これにより、導入路２６を通る低温の圧縮空気Ａがケーシング１８に触れることになり、ケーシング１８が高温化するのを抑制できる。ガスタービン２のハウジング１３と、熱交換器１のケーシング１８とは、接続部１４で接続されており、この接続部１４に合致した熱交換器前面に、圧縮空気Ａを前記導入路２６に流入させる第２流入口２７が形成されている。前記ハウジング１３と、タービン６の径方向外方に配置された環状の燃焼器７との間には、圧縮機４を出た圧縮空気Ａを前記第２流入口２７に導く圧縮空気通路１５が形成されている。
【００１７】
さらに、熱交換器１の前面には、前記第２流入口２７の内周側に、熱交換器１の流出口２５からの圧縮空気Ａをガスタービン２の燃焼器７に導く燃焼器向け導出口２８が形成され、この導出口２８の内周側に、ガスタービン２のタービン６を出た排ガスＥをコア１９の第２通路２２に流入させる排ガス流入口２９が形成されている。熱交換器１の後端面には、第２通路２２を通った排ガスＥを排出する排気口３０が形成されている。
【００１８】
前記熱交換器１の下流には、図１に示すように、熱交換後の排ガスＥを熱源とする排ガスボイラ３２が設置されている。すなわち、熱交換器１の後部には、排ガス流路３３が接続され、この排ガス流路３３の途中に排ガスボイラ３２が設置されている。熱交換器１を出た排ガスＥは、排ガスボイラ３２に導かれ、排ガス流路３３、煙突３４およびサイレンサー３５を通って大気中に放出される。排ガスボイラ３２へは、例えば給水タンク等から煙突３４内のエコノマイザー３６を経て、排ガスＥとの熱交換により予熱された水が供給され、その供給水が排ガスボイラ３２で排ガスＥとの熱交換により温水とされ、温水取出し口３７ａを有するユーザ配管３７を経て外部に供給される。ユーザ配管３７の途中には、そのユーザ配管３７を流れる温水（第３の流体）の温度を検出する温度センサ３８が設けられている。
【００１９】
コントローラ４１は、前記ガスタービン装置の全体の動作を制御するものであり、前記バイパス通路２０における調整弁３１の開度を制御するバイパス制御手段４２と、ガスタービン２への燃料供給量を制御する燃料制御手段４３とを備えている。すなわち、バイパス制御手段４２は、前記温度センサ３８が検出するユーザ配管３７の温水温度に基づいて、調整弁３１を駆動する駆動機であるサーボモータ４４を制御する。調整弁３１の駆動によりバイパス量が変動すると、圧縮空気Ａに排ガスＥから供給されるエネルギーが変化するので、回転数も変動しようとするが、燃料制御手段４３は、回転軸５の回転速度をフィードバック量として、その回転速度が一定となるように、燃料ノズル１０から燃焼室９への燃料供給量を調整する燃料調整弁４５の開度を制御する。なお、一定に保たれる回転速度値は、発電機１１の出力とタービン出口の排ガス温度などを入力値として、コントローラ４１により設定されるようになっており、一般に発電機１１の出力変動に応じて変動する。
【００２０】
このように構成されたガスタービン装置では、ガスタービン２の圧縮機４から燃焼器７へ送られる途中の圧縮空気Ａと、タービン６からの排ガスＥとの間の熱交換が、バイパス付き熱交換器１で行われ、バイパス制御手段４２による調整弁３１の開度制御により、排ガスＥを熱源とする排ガスボイラ３２から供給される第３の流体である温水の使用量に応じて、熱交換器１のバイパス通路２０を通過する排ガスＥのバイパス量が自動的に適切に調整される。すなわち、温水の使用量が多くて、温水温度が低下傾向になると、バイパス制御手段４２が調整弁３１の開度を大きくして排ガスＥのバイパス量を増大させるので、コア１９内を通った熱交換済の排ガスＥと、バイパス通路２０を通った排ガスＥとが混合された熱交換器出口での排ガスＥの温度が、それだけ高くなり、温水温度の低下を防ぐ。また、逆に温水の使用量が少なくなり、温水温度が上昇傾向になると、バイパス制御手段４２が調整弁３１の開度を絞って排ガスＥのバイパス量を減少させるので、熱交換量が増大してガスタービン２の熱効率が向上するとともに、熱交換器１の出口での排ガスＥの温度がそれだけ低くなり、温水温度の上昇を防ぐ。
【００２１】
また、前記バイパス制御手段４２によって排ガスＥのバイパス量が変化しても、燃料制御手段４３により、回転軸５の回転速度が前記設定された回転速度値となるように、前記ガスタービン２への燃料供給量が制御されて、ガスタービン２の出力である発電機の電気出力が一定に保たれる。
【００２２】
なお、前記実施形態では、バイパス付き熱交換器１の下流の排ガスボイラ３２から第３の流体として温水を外部に供給する場合について説明したが、第３の流体として蒸気を供給する場合にも同様の効果が得られる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスタービン装置によれば、バイパス付き熱交換器において、熱交換用のコアの前端面から導入され後端面から導出される高温の第２の流体の一部がバイパス通路を通過し、その通過量が調整弁によって調整されるので、調整弁により熱交換量を調整してコア出口での第２の流体の温度を調整できる。また、バイパス通路がコアの中心部に設けられているから、コア１９の外部を通るバイパス配管が不要になるので、バイパス通路をコンパクトに、かつ低コストで設置でき、バイパス通路を通過するときの第２の流体の熱損失も少なくなる。
【００２５】
また、本発明のガスタービン装置によれば、ガスタービンの圧縮機から燃焼器へ送られる途中の圧縮空気と、タービンからの排ガスとの間の熱交換がバイパス付き熱交換器で行われ、バイパス制御手段による調整弁の開度制御により、排ガスを熱源とする排ガスボイラから供給される第３の流体の使用量に応じて、バイパス通路を通過する排ガスのバイパス量が自動的に適切に調整される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るバイパス付き熱交換器を用いたガスタービン装置を示す概略構成図である。
【図２】同ガスタービン装置の要部を示す縦断面図である。
【図３】同熱交換器のコアを示す斜視図である。
【図４】（Ａ）は同コアにおける第１通路の断面図、（Ｂ）は同コアにおける第２通路の断面図である。
【図５】前記熱交換器の概略構成を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１…バイパス付き熱交換器、２…ガスタービン、４…圧縮器、６…タービン、７…燃焼器、１８…筒形ケーシング、１９…熱交換用コア、２０…バイパス通路、２１…第１通路、２２…第２通路、３１…調整弁、３２…排ガスボイラ、３７ａ…温水取出し口、４２…バイパス制御手段、４３…燃料制御手段、Ａ…圧縮空気（第１の流体）、Ｅ…排ガス（第２の流体）

Claims

筒形のケーシングの内方に低温の第１の流体と高温の第２の流体間で熱交換を行うコアが収納され、
前記第１の流体は前記コアの側面から導入および導出され、
前記第２の流体は前記コアに、その前端面から導入されて後端面から導出され、
前記コアの中心部に第２の流体を通過させるバイパス通路が設けられ、
さらに、前記バイパス通路の開度を調整する調整弁を備え、
前記熱交換器の前部にガスタービンが連結されて、ガスタービンの圧縮機から燃焼器へ送られる途中の圧縮空気が前記第１の流体として前記熱交換器に供給され、タービンからの排ガスが前記第２の流体として前記熱交換器に供給され、
さらに前記熱交換器の下流に前記排ガスを熱源とする排ガスボイラが設置され、
前記排ガスボイラから外部に供給される第３の流体の温度に基づいて前記調整弁の開度を制御するバイパス制御手段が設けられ、
前記バイパス通路を通過した排ガスは前記コアを通った排ガスとともに前記排ガスボイラに供給されるガスタービン装置。