JP3882107B2 - Gas turbine built-in boiler - Google Patents

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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、業務用、小規模産業用などに利用される小型ボイラと小型ガスタービンとを組合わせたガスタービン組込みボイラ及びそれを用いたコージェネレーションシステムに関する。
【0002】
本発明のガスタービン組込みボイラは、業務用、小規模産業用などに利用される小型ボイラの省エネルギー化、電気出力取り出しを可能とする。
【0003】
【従来の技術】
従来、小型貫流ボイラ及び炉筒煙管ボイラは、その発生する低圧(0.7MPa程度)飽和水蒸気の凝縮潜熱を利用することにより、空調用、業務用及び小規模産業用プロセスに用いられている。
【0004】
このような用途では、同時に電力を使用することも多いため、比較的規模の大きな施設では、コージェネレーションが設置され、レシプロエンジンやガスタービンにて発電し、その廃熱にてボイラを加熱して水蒸気を得ている。
【0005】
しかしながら、このような従来のコージェネレーションでは、レシプロエンジンの場合には、ジャケット水では温度が低くて蒸気ボイラを運転することはできず、また、ガスタービンの場合には、単純サイクルの場合は大規模(数千kW以上)でないと発電効率を高く維持することができない。
【0006】
最近、出力が300kW未満で、圧縮機及び膨張タービンに遠心式を用いるいわゆるマイクロガスタービンが実用に供されるようになっている。マイクロガスタービンの多くは、再生サイクルを用い、低い圧力比(4程度)でも、数千kWクラスのガスタービン(圧力比15程度)と同等の発電効率(約30%)を得ることが可能である。
【0007】
しかしながら、マイクロガスタービンには、膨張タービン入口許容温度(約900℃;以下、この温度を「TIT」と記載する場合がある。)の制限と、排ガス温度が低い(約250℃)という排ガス利用上の不便とがある。前者は小型又は輻流構造故に金属翼の空冷構造をとれないためであり、後者は再生サイクルを採用して廃熱を燃焼用空気の予熱に用いるためである。そこで、膨張タービン入口温度を抑制するため、これらのマイクロガスタービンでは圧縮機にて過剰の空気を圧縮して燃焼器に投入し、燃焼器の冷却と共に、燃焼ガスを希釈冷却している。
【0008】
廃熱ボイラの発生蒸気をガスタービンの燃焼器や膨張タービンに戻し、タービンの軸出力を増大させる手段(二流体サイクル)には、例えば、チェンサイクル及びフレックスサイクルがある。前者は過熱蒸気を吹き込むものであり、後者は飽和蒸気及び圧縮機出口空気の混合気体を吹き込むものである。いずれも、タービン翼のエロージョン抑止のために飽和蒸気噴射は回避されている。
【0009】
また、大量の蒸気を噴射するため、ボイラ水及びその原水の確保と費用、また、水蒸気飽和排ガスを放散する際に白煙が発生するなどの問題がある。
【0010】
残存酸素濃度の高い(15%前後)ガスタービン排ガスは、その排ガス中の酸素を酸化剤として用いて補助燃料を燃焼させると、新鮮空気で燃焼させるよりも省エネルギー化が図れる。これは、新鮮空気を加熱する熱量が不要になるためであり、いわゆる排気再燃ボイラの省エネルギー原理である。
【0011】
しかしながら、この排気再燃技術の利用も、バーナが低酸素燃焼時にも吹き飛ばない特殊な構造のものを使う必要があるため、その投資が回収できる大規模用途でないと利用できない問題がある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のコージェネレーションは、大規模施設でないとエネルギー的にも経済的にも効率的でなく、また、廃熱利用や蒸気利用にも種々の制限がある。
【0013】
従って、本発明は、従来のコージェネレーションの改良技術を提供することを目的とする。具体的には、小型ガスタービン及び小型ボイラを一体化することにより、発電出力300kW未満の小型のコージェネレーションにおいて、下記の課題を解決することを主な目的とする。
(1)小型のコージェネレーションであっても、発電出力を中型と同等に維持しながら、廃熱を蒸気として有効に回収する。
(2)蒸気を利用して更に電気出力を増大させる。
(3)現場施工技術によらない安定した性能を確保する。
(4)コージェネレーションシステムを小型軽量且つ安価に提供する。
(5)二流体サイクル採用に伴うボイラ水使用量増加を抑制する。
(6)騒音、窒素酸化物(NOX)、白煙等の排出を防止又は抑制する。
【0014】
【課題を解決するための手段】
〔構成1〕
本発明に係るガスタービン組込みボイラは、請求項1に記載した如く、再生サイクルを用いた小型ガスタービンの排ガスを熱源とする小型貫流形式又は炉筒煙管形式のボイラ構造を有するボイラであって、
・ガスタービン排ガスを、煙道を介することなく直接ボイラの燃焼ガス導入室に導き、
・その排ガス保有熱を用いて飽和水蒸気を発生させる
構成としたガスタービン組込みボイラである。
【0015】
ここで、燃焼ガス導入室とは、通常の燃料を燃焼させるボイラにおける燃焼室に相当する熱交換室である。通常、ボイラの燃焼室をそのまま使用できるが、燃焼排ガスの温度が低いこと及び燃焼空間が不要であることより、燃焼室内面に伝熱促進フィンを取り付けたり、伝熱管を増設したりするなどの伝熱面積増加手段を併用して用いても良い。更に、ガスタービンの全部又は一部を燃焼ガス導入室内に没入させて設置しても良い。
【0016】
〔作用効果〕
本構成の如く、再生サイクルを用いた小型ガスタービンの排ガスを、煙道を介することなく直接ボイラの燃焼ガス導入室に導けば、温度低下無く全ての排ガス保有熱をボイラに導くことができる。更に、設置現場での断熱煙道工事を省略できるため、信頼性を確保しながら安価にコージェネレーションシステムを構成できる。
【0017】
再生サイクルを用いた小型ガスタービンの排ガス温度は250℃程度、0.7MPaの飽和水蒸気の温度は165℃程度であるため、排ガス保有熱を有効に回収するためには、放熱損失を生じる煙道などの設備を減らすことは極めて重要である。また、温度差が小さいため、ボイラ出力を確保するためには伝熱面積を大きくしてボイラを構成する必要がある。
【0018】
しかし、加熱用ガスが燃焼排ガスの場合には、燃焼室は不要であるため、その空間を伝熱面積増加用の空間とすることができる。小型貫流ボイラでは伝熱管の増数、炉筒煙管ボイラでは炉筒内面への伝熱フィン設置等にて、伝熱面積を拡大できる。これらの手段による伝熱面積増加は、ボイラの外形寸法を増大させないため有利である。
【0019】
マイクロガスタービンは一般に小型軽量であり、容易に小型貫流ボイラや炉筒煙管ボイラに一体的に取り付けることができる。また、ガスタービンの全部又は一部を燃焼ガス導入室内に没入させて設置すれば、全体をコンパクトに構成することも可能である。
【0020】
ガスタービン組込みボイラをケーシングにて一体的に囲繞すれば、ケーシング構造の工夫により、効果的に両者の防音を行うことができる。特に、ガスタービンの騒音発生部分を燃焼ガス導入室に没入設置する場合には、ボイラ壁をも遮音壁として利用でき、一層防音に効果的である。
【0021】
〔構成2〕
本発明に係るガスタービン組込みボイラは、請求項2に記載した如く、再生サイクルを用いた小型ガスタービンの排ガスを熱源とする小型貫流形式のボイラ構造を有するボイラであって、
・ガスタービン排ガスを、煙道を介することなく直接ボイラの燃焼ガス導入室に導き、
・その排ガス保有熱を用いてボイラ給水を加熱した後、
・ガスタービン燃焼器の燃焼ガス保有熱の一部を用いて膨張タービン上流においてボイラ給水を更に加熱し、
・得られた汽水二相流を気液分離器にて分離して飽和水蒸気を発生させる
構成としたガスタービン組込みボイラである。
【0022】
ここで、気液分離器は、通常、ボイラにおける蒸気ドラムに相当する。
【0023】
〔作用効果〕
構成1の場合には、再生サイクルガスタービンの排ガス温度が低いため、その廃熱を回収するためには、大きな伝熱面積を必要とする。また、マイクロガスタービンの場合には、燃焼ガスの温度を、膨張タービンの材料制約のために、その入口許容温度(TIT;通常900℃程度)まで低下させなければならないという制約がある。従って、ガスタービンを用いる場合には、通常、圧縮機で得られた圧縮空気にて燃焼ガスを希釈冷却することによりこの温度(TIT)まで冷却している。
【0024】
ところで、ガスタービンの場合、圧縮空気を製造するのに要した動力は膨張タービンにて回収されるが、その回収率は、圧縮機と膨張タービンの断熱効率の積で決まる。小型のガスタービンの場合、各効率は80%程度であるから、一部熱を経由して回収されるとはいえ、希釈空気圧縮動力の30%程度は損失となる。
【0025】
従って、排ガスで予熱されたボイラ水(又は湿り飽和蒸気)を用いて燃焼ガスの温度をTITまで冷却すれば、燃焼ガスの冷却と希釈空気圧縮動力の削減が同時に達成でき、ガスタービンの効率が向上すると共に、ボイラ水を有効に加熱でき、蒸気の量(蒸発量=ボイラ能力)及び質(高圧、高乾き度、過熱)の改善を行うことができる。
【0026】
なお、燃焼器の冷却もボイラ水によって行うことができる。この場合、冷却は沸騰伝熱となるため、安定した温度且つ小さな伝熱面積にて冷却できる。
【0027】
〔構成3〕
本発明に係るガスタービン組込みボイラは、請求項3に記載した如く、再生サイクルを用いた小型ガスタービンの直下流に補助バーナを設けてボイラの燃焼ガス導入口に直結し、
・補助バーナで用いる酸化剤の全部又は一部としてガスタービン排ガス中の酸素を用い、
・ガスタービン排ガスの保有熱及び補助バーナ燃料燃焼熱を熱源とする
構成とした構成1又は2に記載のガスタービン組込みボイラである。
【0028】
〔作用効果〕
本構成により、ボイラは、ガスタービンの運転負荷に拘わらず、ガスタービン排ガスと補助バーナ熱の定格合算値以下の入力範囲にて、自由にその負荷を変えて運転することができる。これは、ボイラを蒸気利用設備の運転負荷に合わせて制御する場合に便利である。
【0029】
また、いわゆる排気再燃ボイラとしての運転であるため、新鮮空気を排ガス温度まで加熱するに必要な熱量が不要となり、省エネルギーである。本発明の特長は、マイクロガスタービンを小型ボイラに組込んで一体化することにより、その量産効果にて安定した性能の排気再燃バーナを安価に提供できるところにある。しかも、ガスタービン排ガスを最も無駄の無い形で取り入れる構造の排気再燃バーナを製作することも可能であり、無駄な排ガスダクトを省略できる。
【0030】
〔構成4〕
本発明に係るガスタービン組込みボイラは、請求項4に記載した如く、発生させた飽和蒸気の全部又は一部を、小型ガスタービンの燃焼器又は燃焼ガスの冷却に用いて、
・その熱交換の結果得られた過熱蒸気の全部又は一部をガスタービンの燃焼器又は膨張タービンに吹き込むことにより、
・ガスタービンの軸出力を増大させる
構成とした構成1〜3のいずれかに記載のガスタービン組込みボイラである。
【0031】
〔作用効果〕
構成1〜4に係る発明で得られる蒸気は、低圧(0.7MPa程度)の飽和蒸気である。小型ボイラでは、通常、発電などの適切な用途がないため、過熱蒸気は製造しない。そこで、飽和蒸気にてガスタービン燃焼器の冷却を行い、熱交換の結果発生した過熱蒸気を燃焼器又は膨張タービンに吹き込むことにより、水滴によるエロージョンを抑制しながら、二流体ガスタービンを構成することができ、ガスタービンの軸出力を増大させることができる。
【0032】
本構成の方法は、チェンサイクルの一種であるが、燃焼器又は燃焼ガスの冷却にて過熱蒸気を得るところにチェンサイクルとの相違がある。しかも、小型ガスタービンでは圧力比が4程度(中型以上のガスタービンでは圧力比は15程度)であるため、低圧蒸気を利用できる。
【0033】
ちなみに、ボイラの蒸気圧力を蒸気噴射に必要な最小限の圧力に抑えるとすれば、蒸気の温度を低下(例えば、0.48MPaの飽和蒸気温度は150℃であるので、0.7MPa蒸気に比べて15℃低下)させることができるため、ガスタービン排ガスから回収可能な熱量を増加させることができる。
【0034】
また、本構成により、燃焼器冷却用及び燃焼ガス冷却用圧縮空気の一部又は全部が不要になるため、圧縮空気量を低減することができる。その効果は、前述の通りである。マイクロガスタービンの場合、通常、発電機として高速発電機を用い、発電した電力をコンバータにて直流に変換し、その後インバータにて商用周波数の交流に変換するため、ガスタービンの回転数を商用電力周波数と無関係に選ぶことができる。従って、ガスタービンの回転数を変えることにより、圧縮機の能力を変化させることができ、吹き込み蒸気量に応じて希釈空気量を変化させる制御を行うことができる。これにより、吹き込み蒸気量を変化させてもTITを一定値又は上限値以下に保つことができる。
【0035】
なお、圧縮機入口にダンパーやベーンを設けて圧縮空気量を制御することも可能である。これによっても、空気圧縮動力を低減することができ、ガスタービン軸出力を増大させることができる。
【0036】
本構成により、ガスタービンの軸出力を効率的に変化させることができ、熱電比可変のコージェネレーションを提供できる。構成3の発明を組合せた場合には、より大きな熱電比の変化率を得ることができる。
【0037】
〔構成5〕
本発明に係るガスタービン組込みボイラは、請求項5に記載した如く、発生させた飽和蒸気の全部又は一部を、
・燃焼器中の火炎存在領域、火炎存在領域より上流位置の燃焼器部分、燃料ノズル近傍及び圧縮空気から選ばれる少なくとも1箇所に吹き込むことにより、
・燃焼ガスの温度を膨張タービン入口許容ガス温度(TIT)以下に制御すると共に、
・ガスタービンの軸出力を増大させる
構成とした構成1〜3のいずれかに記載のガスタービン組込みボイラである。
【0038】
〔作用効果〕
本構成においては、低圧の飽和蒸気の全部又は一部を、小型ガスタービンに吹き込むところがチェンサイクルやフレックスサイクルと異なる。本構成では、蒸気の噴射位置を燃焼器中の火炎存在領域、火炎存在領域より上流位置の燃焼器部分、燃料ノズル近傍及び圧縮空気から選ばれる少なくとも1箇所に設定することにより、高温の燃焼ガスと混合接触を行って蒸気の飽和度を減じ、過熱蒸気噴射と同等のエロージョン抑制効果を得る。また、膨張タービン入口許容温度(TIT)制御も蒸気の噴射量の制御にてそれ以下になるように行う。
【0039】
これにより、先述の圧縮空気低減効果を得ることができると共に、ガスタービンがサージを起こさない範囲での蒸気の大量投入により、最も電気出力が大きく取れるようにガスタービンを運転することができる。
【0040】
なお、吹き込み蒸気の乾き度が低く、不幸にして膨張タービンにエロージョンが起きた場合であっても、マイクロガスタービンでは膨張タービンそのものが安価で取替え容易であるため被害額は小さく、むしろ発電効率向上、発電出力増大の経済効果の方が大きい。
【0041】
また、蒸気吹き込みに付帯して、火炎温度低下による窒素酸化物(NOx)の抑制効果も発揮される。
【0042】
〔構成6〕
本発明に係るガスタービン組込みボイラは、請求項6に記載した如く、ボイラの排ガス出口に凝縮型エコノマイザを付設し、
・エコノマイザにて回収した熱を用いてボイラ給水を予熱すると共に、
・エコノマイザにて排ガスより分離回収した凝縮水をボイラ給水の一部として再利用する
構成とした構成1〜5のいずれかに記載のガスタービン組込みボイラである。
【0043】
〔作用効果〕
本発明では、再生サイクルガスタービン排ガス保有熱をボイラの主要な熱源とするため、低温の大量ガスからの熱回収となり、その熱を回収するためにはエコノマイザ(節炭器)の設置が有効である。また、蒸気噴射を行う二流体ガスタービンの排ガスには大量の水蒸気が含まれる故、排ガス露点が上昇しているため、比較的高い温度にて排ガス中の水蒸気の凝縮潜熱を回収可能である。
【0044】
エコノマイザで分離回収された排ガスの凝縮水には、燃焼で生成した炭酸ガス、窒素酸化物、硫黄酸化物等が微量に含まれているが、その濃度は水蒸気吹き込みにより通常の燃焼排ガスよりも更に低下しているため、腐食環境は比較的穏和である。
【0045】
従って、二流体ガスタービンの消費する大量のボイラ水の一部を排ガス凝縮式エコノマイザにて回収することにより、その原水の費用と使用量を減少させることができる。これにより、凝縮水の中和などの水処理に若干の費用が必要になるものの、全体としてコストを抑制でき、水資源を節約できる。
【0046】
〔構成7〕
本発明に係るガスタービン組込みボイラは、請求項7に記載した如く、ボイラに付帯する凝縮型エコノマイザを用いて含有水蒸気の一部を凝縮水として分離した排ガスを、
・ボイラから排出される蒸気又は回収ドレンの一部にて再加熱することにより 、
・煙突から放出される排ガスの白煙化を防止又は抑制する
構成とした構成6に記載のガスタービン組込みボイラである。
【0047】
〔作用効果〕
凝縮型エコノマイザを出た排ガスは水蒸気で飽和しているため、そのまま煙突から放出すると、気象条件によっては、水蒸気が凝縮して水滴となり、白煙となって目視できるようになる。特に、大気の温度が低い冬季や湿度の高い梅雨時に白煙が発生しやすい。白煙そのものは有害ではないが、有害物質を放出しているように受け取られるため、水蒸気の白煙化を防止又は抑制することがしばしば必要になる。
【0048】
本構成では、エコノマイザを出た飽和排ガスを、ボイラから排出される蒸気又は回収ドレンの一部にて再加熱することにより、その湿度を減少させて白煙化を防止又は抑制する。再加熱の方式としては、例えば、熱交換器を使った間接加熱及び蒸気吹き込みによる直接加熱のいずれもが可能である。前者は熱交換器設置コストを伴うものの、使用蒸気量が少なくかつ排ガス含有水蒸気量を増加させなくてすむ特徴がある。
【0049】
本来ガスタービンの廃熱である蒸気又はさらにその蒸発潜熱を使用された後のドレンにて白煙化を防止又は抑制するため、本構成には新たなエネルギーを必要としないという省エネルギー性と経済性がある。
【0050】
【発明の実施の形態】
本発明のガスタービン組込みボイラについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【0051】
図1は、請求項1に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表す外観斜視図である。図1では、小型ガスタービンは、遠心型の圧縮機1、輻流型の膨張タービン2、燃焼器3、再生器4、発電機5及びダクト6から構成され、再生器4の出口はボイラ11(小型貫流ボイラ)の燃焼ガス導入室に煙道を介することなく直接接合されている。小型ガスタービンとしては、例えば、マイクロガスタービンが挙げられ、運転方法としては、通常のブレイトンサイクルを応用した再生サイクルなどが好ましい。
【0052】
再生器4を出たガスタービン排ガスは、ボイラ11に入り、伝熱管にてボイラ水と熱交換を行い飽和蒸気を発生する。これにより、ガスタービン組込みボイラは、電気及び蒸気(熱)の二種の出力を発生する。電気は、独立又は商用電力と系統連携して使用できる。蒸気は、プロセスをはじめ暖房としても使用できる。
【0053】
特に、電気を独立で使用する場合であって、発電機5が高速発電機である場合には、発電電力をコンバータで交直変換した直流電力を直接直流電動機に利用できる。また、消費機器側で適当な周波数の交流に変換利用すれば、周波数変換に伴う損失を減少できるため効率的である。消費機器側での周波数変換が有効である機器には、例えば、蛍光灯、同期電動機、誘導加熱機器等がある。
【0054】
ボイラ11は炉筒煙管ボイラであっても良く、この場合にはマイクロガスタービン部分は横置きされる。また、ガスタービンの全部又は一部をボイラ燃焼室に陥入するように構成しても良い。この場合には、ガスタービン組込みボイラをコンパクトに構成できると共に、ガスタービンの騒音を遮蔽できる。更に、マイクロガスタービンとボイラ11を一体のケーシングで囲繞すれば、効果的に防音エンクロージャーを設置できる。
【0055】
また、ガスタービンの再生器4の熱交換能力を調整可能とすることもできる。ガスタービン排ガスを再生器4の上流で分流し、再生器4をバイパスした後再生器通過排ガスと合流させれば、その分流割合をダンパ等で調節することで再生器熱交換能力を調整することができる。熱交換量を減じればボイラへ供給される排ガスの温度が上昇し、ボイラの蒸気出力を増大させることができる。
【0056】
図2は、請求項2に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。ボイラ水は給水ポンプ13にて加圧されてボイラ11に入り、ガスタービンの再生器4を出た排ガスで加熱され、さらにガスタービン燃焼器3にて燃焼ガスで加熱されて汽水二相流となり、気液分離器17(通常ボイラの蒸気ドラムに相当する。)にて飽和蒸気と飽和水に分離される。飽和蒸気はそのままプロセスや暖房に利用され、飽和水は一部ブローされた後、給水ポンプ13にてボイラに戻される。ボイラ水の加熱をボイラ缶体とガスタービン燃焼器3の熱交換器の二段で行うため、ボイラ形式は貫流型が好適である。
【0057】
なお、ガスタービン燃焼器3でのボイラ水の加熱はその部分に熱交換器を設置して行うが、燃焼器3の冷却を兼ねて行えば好都合である。また、燃焼ガス温度は膨張タービン入口許容温度(TIT)以下に冷却する必要があるが、冷却手段としては、本熱交換器による構成と、圧縮機1からの圧縮空気による希釈冷却との二種類がある。本構成による冷却割合を増大させることにより、圧縮機軸動力の低減とボイラ蒸気の取得熱量の増大とによってガスタービン組込みボイラ全体としての性能と効率向上の効果が得られる。
【0058】
図3は、請求項3に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表す外観斜視図である。ガスタービンの再生器4の直下流に補助燃料を燃焼させる補助バーナ12を直結し、ガスタービン排ガスの温度低下を最小限に留めることができる。
【0059】
補助バーナ12では、補助燃料をガスタービン排ガス中の残留酸素にて燃焼させる。補助バーナ12は低酸素燃焼性能が要求されるため、保炎性能の高い、旋回を伴う拡散燃焼方式などを有するものが好適である。
【0060】
補助燃料の投入により、ボイラの蒸気発生量をガスタービンの運転負荷から独立して、ガスタービン廃熱量を最小能力として、ボイラ定格出力の範囲内で制御することができる。
【0061】
また、本構成は、本発明中の他の構成と組合わせて実施できる。図3における蒸気の出入りは、構成2と組合せた一実施態様を表している。
【0062】
図4及び図5は、請求項4に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。ボイラ11で発生させた飽和蒸気をガスタービン燃焼器3に送り、燃焼器3の冷却及び/又は燃焼器内燃焼ガスの冷却を行うことにより過熱蒸気を得る。
【0063】
発生した過熱蒸気は、その全部を燃焼器3に噴射(図4)、又はその一部を膨張タービン2入口に噴射(図5)してガスタービンの軸動力増大を図る。余剰の過熱蒸気は乾き度の高い蒸気としてプロセス他に利用する。補助燃料による排気再燃や、飽和蒸気の併用も可能である。
【0064】
図6は、請求項5に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。ボイラ11で発生させた飽和蒸気をガスタービン燃焼器3の火炎存在領域又はその上流に噴射している。飽和蒸気は火炎又は高温の燃焼ガスにより加熱され、乾き度を増して膨張タービン2に入り、ガスタービン軸出力を増大させる。飽和蒸気噴射位置は火炎存在領域又はその上流であれば良く、圧縮機1出口、ガスノズル或いはその近傍とすることもできる。
【0065】
これにより、飽和蒸気を使用しても通常はエロージョン無く二流体サイクルを運転できる。なお、飽和蒸気の乾き度が極端に低く、その水滴により膨張タービン翼にエロージョンが生じたとしても、マイクロガスタービンの膨張タービンは安価に且つ容易に取替えが可能である。
【0066】
また、水蒸気の吹き込みにより火炎の燃焼温度を低下させることができるので、NOx排出量低減にも有効である。
【0067】
図7は、請求項6に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。ボイラ11の排ガス出口に凝縮型エコノマイザ14を取り付け、排ガス中の水蒸気を凝縮させることにより凝縮水をボイラ給水の一部として回収する。凝縮水をボイラに再投入する際には、必要に応じて水処理装置15を設けてpH調整軟水化処理又は純水処理を行うこともできる。
【0068】
ガスタービン燃料としては、天然ガス、LPG、灯油等の硫黄分の少ないクリーンな燃料を用いる。ガスタービンに蒸気噴射を行った場合には、大量の水蒸気が排ガスに含まれるため、ボイラ原水の節水のために本方法は有効である。勿論、排ガスの凝縮潜熱はボイラ給水の予熱に使われるため、再生サイクルガスタービンの低温廃熱回収手段としても有効である。
【0069】
図8は、請求項7に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。凝縮型エコノマイザ14にて排ガスを冷却すると、排ガスは飽和状態となるため、そのまま煙突から屋外に排出すると白煙化する場合がある。そこで、凝縮型エコノマイザ14を出た排ガスを再熱器16にて再加熱することにより飽和状態から脱せしめ、煙突から排ガスが大気放散されるときの排ガスの白煙化を防止又は抑制する。
【0070】
再加熱に用いる熱源は、ボイラよりの飽和蒸気を用いる。元々ガスタービン排ガスの廃熱回収にて発生させた蒸気であるため、新たなエネルギーは不要である。なお、他の熱源としてプロセスや暖房から回収されたドレン水(蒸気の潜熱を消費した後回収された飽和水)の保有顕熱を用いることも可能である。
【0071】
図9は、従来のチェンサイクルを応用したコージェネレーションの一実施態様を表すフロー図である。燃焼器3又は膨張タービン2に吹き込む蒸気は過熱蒸気である。
【0072】
【発明の効果】
本発明に係るガスタービン組込みボイラによれば、下記の如く優れた効果が奏される。
(1)小型のコージェネレーションであっても、再生サイクルガスタービンを採用することにより、発電出力を中型と同等に維持できる。
(2)再生サイクルガスタービンよりの低温廃熱を飽和又は過熱蒸気として有効に回収できる。
(3)蒸気噴射を行うことにより、更に電気出力を増大させることができる。
(4)補助燃料を燃焼させることにより、熱電比を変化させることができる。
(5)現場施工技量によらない安定した性能を確保できる。
(6)コージェネレーションシステムを小型軽量かつ安価に提供できる。
(7)蒸気噴射に伴うボイラ水消費増大を抑制できる。
(8)騒音、窒素酸化物(NOx)、白煙等の発生を防止又は抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表す外観斜視図である。
【図2】請求項2に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。
【図3】請求項3に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表す外観斜視図である。
【図4】請求項4に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。
【図5】請求項4に係るガスタービン組込みボイラの他の一実施態様を表すフロー図である。
【図6】請求項5に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。
【図7】請求項6に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。
【図8】請求項7に係るガスタービン組込みボイラの一実施態様を表すフロー図である。
【図9】従来のガスタービンチェンサイクルを応用したコージェネレーションを表すフロー図である。
【符号の説明】
1 圧縮機
2 膨張タービン
3 燃焼器
4 再生器
5 発電機
6 空気ダクト
11 ボイラ
12 補助バーナ
13 給水ポンプ
14 凝縮型エコノマイザ
15 水処理装置
16 再熱器
17 気液分離器(蒸気ドラム)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine built-in boiler combining a small boiler and a small gas turbine used for business use, small-scale industry, and the like, and a cogeneration system using the same.
[0002]
The gas turbine built-in boiler of the present invention enables energy saving and electric output extraction of a small boiler used for business use, small-scale industry, and the like.
[0003]
[Prior art]
Conventionally, small once-through boilers and flue-tube flue boilers are used in air-conditioning, commercial, and small-scale industrial processes by utilizing the latent heat of condensation of the low-pressure (about 0.7 MPa) saturated steam that is generated.
[0004]
In such applications, electric power is often used at the same time, so in relatively large facilities, cogeneration is installed, generating electricity with a reciprocating engine or gas turbine, and heating the boiler with the waste heat. I get steam.
[0005]
However, in such conventional cogeneration, the temperature of the jacket water is low in the case of a reciprocating engine, and the steam boiler cannot be operated, and in the case of a gas turbine, it is large in the case of a simple cycle. The power generation efficiency cannot be maintained high unless the scale (several thousand kW or more) is used.
[0006]
Recently, so-called micro gas turbines having an output of less than 300 kW and using a centrifugal type for a compressor and an expansion turbine have come into practical use. Many micro gas turbines use a regeneration cycle, and even with a low pressure ratio (about 4), it is possible to obtain power generation efficiency (about 30%) equivalent to a gas turbine of several thousand kW class (about 15 pressure ratio). is there.
[0007]
However, in the micro gas turbine, the allowable temperature at the inlet of the expansion turbine (about 900 ° C .; hereinafter, this temperature may be described as “TIT”) is limited, and the exhaust gas temperature is low (about 250 ° C.). There is an inconvenience above. The former is because the air cooling structure of the metal blades cannot be taken because of the small size or the radiation structure, and the latter is because the waste heat is used for preheating the combustion air by adopting a regeneration cycle. Therefore, in order to suppress the temperature at the inlet of the expansion turbine, in these micro gas turbines, excess air is compressed by a compressor and injected into the combustor, and the combustion gas is diluted and cooled together with cooling of the combustor.
[0008]
Examples of means for returning the steam generated from the waste heat boiler to the combustor or expansion turbine of the gas turbine and increasing the shaft output of the turbine (two fluid cycle) include a chain cycle and a flex cycle. The former is for blowing superheated steam, and the latter is for blowing a mixed gas of saturated steam and compressor outlet air. In both cases, saturated steam injection is avoided to prevent erosion of the turbine blades.
[0009]
In addition, since a large amount of steam is injected, there are problems such as securing and cost of boiler water and its raw water, and generation of white smoke when releasing steam saturated exhaust gas.
[0010]
Gas turbine exhaust gas having a high residual oxygen concentration (around 15%) can save energy when the auxiliary fuel is combusted using oxygen in the exhaust gas as an oxidant rather than burning with fresh air. This is because the amount of heat for heating the fresh air becomes unnecessary, and this is the energy saving principle of a so-called exhaust refire boiler.
[0011]
However, the use of the exhaust gas reburning technique also requires a special structure that does not blow off the burner even during low-oxygen combustion.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, the conventional cogeneration is not efficient in terms of energy and economy unless it is a large-scale facility, and there are various restrictions on the use of waste heat and steam.
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an improved technique for conventional cogeneration. Specifically, the main object is to solve the following problems in a small cogeneration system with a power generation output of less than 300 kW by integrating a small gas turbine and a small boiler.
(1) Even in a small cogeneration system, waste heat is effectively recovered as steam while maintaining the power generation output equivalent to that of the medium size.
(2) Further increase the electrical output using steam.
(3) Ensure stable performance that does not depend on site construction technology.
(4) Provide a cogeneration system that is small, light and inexpensive.
(5) Suppress the increase in boiler water usage associated with the adoption of a two-fluid cycle.
(6) Noise, nitrogen oxides (NO X ) To prevent or suppress the emission of white smoke.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
[Configuration 1]
A gas turbine built-in boiler according to the present invention is a boiler having a boiler structure of a small once-through type or a flue-tube type using an exhaust gas of a small gas turbine using a regeneration cycle as a heat source, as described in claim 1.
・ Gas turbine exhaust gas is led directly to the combustion gas introduction chamber of the boiler without going through the flue,
・ Saturated steam is generated using the heat stored in the exhaust gas
This is a boiler with a built-in gas turbine.
[0015]
Here, the combustion gas introduction chamber is a heat exchange chamber corresponding to a combustion chamber in a boiler for burning ordinary fuel. Usually, the combustion chamber of the boiler can be used as it is, but because the temperature of the combustion exhaust gas is low and the combustion space is unnecessary, heat transfer promotion fins are installed on the combustion chamber surface, and heat transfer tubes are added. Heat transfer area increasing means may be used in combination. Further, all or part of the gas turbine may be installed in the combustion gas introduction chamber.
[0016]
[Function and effect]
If the exhaust gas of the small gas turbine using the regeneration cycle is directly led to the combustion gas introduction chamber of the boiler without passing through the flue as in this configuration, all the heat stored in the exhaust gas can be led to the boiler without lowering the temperature. Furthermore, since the heat insulation flue work at the installation site can be omitted, a cogeneration system can be configured at low cost while ensuring reliability.
[0017]
The exhaust gas temperature of the small gas turbine using the regeneration cycle is about 250 ° C., and the temperature of the saturated water vapor of 0.7 MPa is about 165 ° C. Therefore, in order to effectively recover the exhaust gas retained heat, the flue that causes heat dissipation loss It is extremely important to reduce such facilities. Further, since the temperature difference is small, it is necessary to configure the boiler with a large heat transfer area in order to ensure the boiler output.
[0018]
However, when the heating gas is combustion exhaust gas, the combustion chamber is unnecessary, so that the space can be used as a space for increasing the heat transfer area. With a small once-through boiler, the heat transfer area can be expanded by increasing the number of heat transfer tubes, and with a furnace tube smoke tube boiler, heat transfer fins can be installed on the inner surface of the furnace tube. The increase in the heat transfer area by these means is advantageous because it does not increase the external dimensions of the boiler.
[0019]
The micro gas turbine is generally small and light, and can be easily attached integrally to a small once-through boiler or a flue tube boiler. Further, if all or part of the gas turbine is installed so as to be immersed in the combustion gas introduction chamber, the whole can be made compact.
[0020]
If the gas turbine built-in boiler is integrally surrounded by the casing, the sound insulation of both can be effectively performed by devising the casing structure. In particular, when the noise generating part of the gas turbine is installed in the combustion gas introduction chamber, the boiler wall can also be used as a sound insulation wall, which is more effective for sound insulation.
[0021]
[Configuration 2]
A gas turbine built-in boiler according to the present invention is a boiler having a small once-through boiler structure that uses exhaust gas from a small gas turbine using a regeneration cycle as a heat source, as described in claim 2.
・ Gas turbine exhaust gas is led directly to the combustion gas introduction chamber of the boiler without going through the flue,
・ After heating the boiler feed water using the heat stored in the exhaust gas,
-Further heating the boiler feedwater upstream of the expansion turbine using a portion of the combustion gas holding heat of the gas turbine combustor,
・ Saturated steam is generated by separating the obtained brackish water two-phase flow with a gas-liquid separator
This is a boiler with a built-in gas turbine.
[0022]
Here, the gas-liquid separator usually corresponds to a steam drum in a boiler.
[0023]
[Function and effect]
In the case of the configuration 1, since the exhaust gas temperature of the regeneration cycle gas turbine is low, a large heat transfer area is required to recover the waste heat. Further, in the case of a micro gas turbine, there is a restriction that the temperature of the combustion gas must be lowered to the allowable inlet temperature (TIT; usually about 900 ° C.) due to the material restriction of the expansion turbine. Therefore, when a gas turbine is used, the combustion gas is usually cooled to this temperature (TIT) by dilution cooling with compressed air obtained by a compressor.
[0024]
By the way, in the case of a gas turbine, the power required to produce compressed air is recovered by an expansion turbine, and the recovery rate is determined by the product of the heat insulation efficiency of the compressor and the expansion turbine. In the case of a small gas turbine, each efficiency is about 80%, so that about 30% of the diluted air compression power is lost even though it is recovered partially through heat.
[0025]
Therefore, if the temperature of the combustion gas is cooled to TIT using boiler water (or wet saturated steam) preheated with exhaust gas, cooling of the combustion gas and reduction of diluted air compression power can be achieved at the same time, and the efficiency of the gas turbine is improved. While improving, it can heat boiler water effectively and can improve the quantity (evaporation amount = boiler capability) and quality (high pressure, high dryness, overheating) of steam.
[0026]
The combustor can also be cooled by boiler water. In this case, since cooling is boiling heat transfer, cooling can be performed at a stable temperature and a small heat transfer area.
[0027]
[Configuration 3]
A gas turbine built-in boiler according to the present invention, as described in claim 3, is provided with an auxiliary burner directly downstream of a small gas turbine using a regeneration cycle and directly connected to a combustion gas inlet of the boiler,
-Using oxygen in the gas turbine exhaust as all or part of the oxidant used in the auxiliary burner,
・ Uses heat stored in gas turbine exhaust gas and combustion heat from auxiliary burner fuel as heat sources
It is a gas turbine built-in boiler given in composition 1 or 2 made into composition.
[0028]
[Function and effect]
With this configuration, the boiler can be operated by freely changing the load in an input range that is equal to or less than the rated sum of the gas turbine exhaust gas and the auxiliary burner heat regardless of the operation load of the gas turbine. This is convenient when the boiler is controlled in accordance with the operation load of the steam utilization facility.
[0029]
Moreover, since it is the operation as a so-called exhaust gas refired boiler, the amount of heat necessary for heating fresh air to the exhaust gas temperature is unnecessary, and energy is saved. The feature of the present invention is that, by integrating a micro gas turbine into a small boiler, an exhaust gas reburning burner with stable performance can be provided at a low cost by its mass production effect. In addition, it is possible to manufacture an exhaust gas reburning burner having a structure that takes in gas turbine exhaust gas in the least wasteful manner, and a wasteful exhaust gas duct can be omitted.
[0030]
[Configuration 4]
A gas turbine built-in boiler according to the present invention uses, as described in claim 4, all or part of the generated saturated steam for cooling a combustor or combustion gas of a small gas turbine,
-By blowing all or part of the superheated steam obtained as a result of the heat exchange into the combustor or expansion turbine of the gas turbine,
・ Increase shaft output of gas turbine
It is a gas turbine built-in boiler in any one of composition 1-3 set as composition.
[0031]
[Function and effect]
The steam obtained in the inventions according to configurations 1 to 4 is a low-pressure (about 0.7 MPa) saturated steam. Small boilers usually do not produce superheated steam because they do not have appropriate applications such as power generation. Therefore, a gas turbine combustor is cooled with saturated steam, and superheated steam generated as a result of heat exchange is blown into the combustor or expansion turbine, thereby forming a two-fluid gas turbine while suppressing erosion due to water droplets. And the shaft output of the gas turbine can be increased.
[0032]
Although the method of this structure is a kind of chain cycle, it differs from the chain cycle in that superheated steam is obtained by cooling the combustor or the combustion gas. Moreover, since the pressure ratio is about 4 in a small gas turbine (the pressure ratio is about 15 in a medium-sized or larger gas turbine), low-pressure steam can be used.
[0033]
Incidentally, if the steam pressure of the boiler is suppressed to the minimum pressure necessary for steam injection, the steam temperature is reduced (for example, the saturated steam temperature of 0.48 MPa is 150 ° C., so compared to 0.7 MPa steam). Therefore, the amount of heat recoverable from the gas turbine exhaust gas can be increased.
[0034]
Further, with this configuration, part or all of the compressed air for cooling the combustor and the cooling gas for the combustion gas becomes unnecessary, so that the amount of compressed air can be reduced. The effect is as described above. In the case of a micro gas turbine, a high-speed generator is usually used as a generator, and the generated power is converted into direct current by a converter and then converted into alternating current at a commercial frequency by an inverter. Can be selected regardless of frequency. Therefore, by changing the rotation speed of the gas turbine, the capacity of the compressor can be changed, and control for changing the amount of diluted air according to the amount of blown steam can be performed. Thereby, even if it changes the amount of blowing steam, TIT can be maintained below a fixed value or an upper limit.
[0035]
It is also possible to control the amount of compressed air by providing a damper or vane at the compressor inlet. Also by this, air compression power can be reduced and a gas turbine shaft output can be increased.
[0036]
With this configuration, the shaft output of the gas turbine can be changed efficiently, and cogeneration with a variable thermoelectric ratio can be provided. When the invention of configuration 3 is combined, a higher rate of change in thermoelectric ratio can be obtained.
[0037]
[Configuration 5]
The gas turbine built-in boiler according to the present invention, as described in claim 5, all or part of the generated saturated steam,
-By blowing into at least one place selected from the flame existing area in the combustor, the combustor part upstream of the flame existing area, the vicinity of the fuel nozzle and compressed air,
-Controlling the temperature of the combustion gas below the expansion turbine inlet allowable gas temperature (TIT),
・ Increase shaft output of gas turbine
It is a gas turbine built-in boiler in any one of composition 1-3 set as composition.
[0038]
[Function and effect]
In this configuration, the point where all or part of the low-pressure saturated steam is blown into the small gas turbine is different from the chain cycle or the flex cycle. In this configuration, the steam injection position is set to at least one location selected from the flame existence region in the combustor, the combustor portion upstream of the flame existence region, the vicinity of the fuel nozzle, and the compressed air, so that the high-temperature combustion gas To reduce the degree of saturation of the steam and obtain the same erosion suppressing effect as that of superheated steam injection. Also, the expansion turbine inlet allowable temperature (TIT) control is performed so as to be less than that by controlling the injection amount of steam.
[0039]
As a result, the above-described compressed air reduction effect can be obtained, and the gas turbine can be operated so as to obtain the largest electrical output by supplying a large amount of steam within a range where the gas turbine does not cause a surge.
[0040]
Even if the blown steam is dry and unfortunately erosion occurs in the expansion turbine, the micro gas turbine is inexpensive and easy to replace, so the damage amount is small, rather power generation efficiency is improved. The economic effect of increased power generation output is greater.
[0041]
In addition, the effect of suppressing nitrogen oxides (NOx) due to a drop in the flame temperature is also accompanied with the blowing of steam.
[0042]
[Configuration 6]
As described in claim 6, the gas turbine built-in boiler according to the present invention is provided with a condensing economizer at the exhaust gas outlet of the boiler,
・ Preheat boiler feedwater using heat recovered by economizer,
・ Condensate water separated and recovered from exhaust gas by economizer is reused as part of boiler feed water
It is a gas turbine built-in boiler in any one of composition 1-5 made into composition.
[0043]
[Function and effect]
In the present invention, the heat stored in the regenerative cycle gas turbine exhaust gas is used as the main heat source of the boiler, so that heat recovery from a large amount of low-temperature gas is possible. is there. Further, since the exhaust gas of the two-fluid gas turbine that performs steam injection contains a large amount of water vapor, the exhaust gas dew point is raised, so that the condensation latent heat of water vapor in the exhaust gas can be recovered at a relatively high temperature.
[0044]
The condensed water of the exhaust gas separated and recovered by the economizer contains a small amount of carbon dioxide, nitrogen oxide, sulfur oxide, etc. generated by combustion, but its concentration is further increased than that of ordinary combustion exhaust gas by blowing steam. Since it is decreasing, the corrosive environment is relatively mild.
[0045]
Therefore, by recovering a part of the large amount of boiler water consumed by the two-fluid gas turbine by the exhaust gas condensing economizer, the cost and amount of the raw water can be reduced. Thereby, although some expense is required for water treatment, such as neutralization of condensed water, cost can be suppressed as a whole and water resources can be saved.
[0046]
[Configuration 7]
The gas turbine built-in boiler according to the present invention is, as described in claim 7, exhaust gas obtained by separating a part of the contained water vapor as condensed water using a condensing economizer attached to the boiler,
・ By reheating the steam discharged from the boiler or a part of the recovered drain,
・ Prevent or suppress white smoke from exhaust gas emitted from chimneys
It is a gas turbine built-in boiler of the structure 6 made into the structure.
[0047]
[Function and effect]
Since the exhaust gas exiting the condensing economizer is saturated with water vapor, if it is directly discharged from the chimney, depending on the weather conditions, the water vapor may condense into water droplets and become white smoke that can be visually observed. In particular, white smoke tends to be generated in the winter when the temperature of the atmosphere is low or in the rainy season when the humidity is high. Although white smoke itself is not harmful, it is often necessary to prevent or suppress the whitening of water vapor since it is perceived as releasing harmful substances.
[0048]
In this configuration, the saturated exhaust gas discharged from the economizer is reheated with steam discharged from the boiler or part of the recovered drain, thereby reducing its humidity and preventing or suppressing white smoke. As a reheating method, for example, either indirect heating using a heat exchanger or direct heating by steam blowing is possible. The former is characterized by the fact that the amount of steam used is small and the amount of water vapor containing exhaust gas does not need to be increased, although it involves a heat exchanger installation cost.
[0049]
In order to prevent or suppress white smoke from the steam that was originally the waste heat of the gas turbine, or the drain after using the latent heat of vaporization, this configuration does not require new energy and is economical and economical There is.
[0050]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A gas turbine built-in boiler according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0051]
FIG. 1 is an external perspective view showing an embodiment of a gas turbine built-in boiler according to claim 1. In FIG. 1, the small gas turbine includes a centrifugal compressor 1, a radiant flow type expansion turbine 2, a combustor 3, a regenerator 4, a generator 5 and a duct 6, and an outlet of the regenerator 4 is a boiler 11. It is joined directly to the combustion gas introduction chamber of the (small once-through boiler) without going through the flue. An example of the small gas turbine is a micro gas turbine, and an operation method is preferably a regeneration cycle using a normal Brayton cycle.
[0052]
The gas turbine exhaust gas exiting the regenerator 4 enters the boiler 11 and exchanges heat with the boiler water in the heat transfer tube to generate saturated steam. As a result, the gas turbine built-in boiler generates two types of output, electricity and steam (heat). Electricity can be used independently or in system linkage with commercial power. Steam can be used for heating as well as for processes.
[0053]
In particular, when electricity is used independently and the generator 5 is a high-speed generator, DC power obtained by AC / DC conversion of the generated power by a converter can be directly used for the DC motor. In addition, if the consumer device converts it to an alternating current of an appropriate frequency, it is efficient because the loss accompanying the frequency conversion can be reduced. Examples of devices for which frequency conversion on the consumer device side is effective include fluorescent lamps, synchronous motors, and induction heating devices.
[0054]
The boiler 11 may be a furnace flue tube boiler. In this case, the micro gas turbine part is placed horizontally. Moreover, you may comprise so that all or one part of a gas turbine may intrude into a boiler combustion chamber. In this case, the gas turbine built-in boiler can be made compact, and the noise of the gas turbine can be shielded. Furthermore, if the micro gas turbine and the boiler 11 are surrounded by an integral casing, a soundproof enclosure can be effectively installed.
[0055]
Moreover, the heat exchange capability of the regenerator 4 of the gas turbine can be adjusted. If the gas turbine exhaust gas is diverted upstream of the regenerator 4 and combined with the regenerator passing exhaust gas after bypassing the regenerator 4, the regenerator heat exchange capacity is adjusted by adjusting the diversion ratio with a damper or the like. Can do. If the amount of heat exchange is reduced, the temperature of the exhaust gas supplied to the boiler rises, and the steam output of the boiler can be increased.
[0056]
FIG. 2 is a flowchart showing an embodiment of the gas turbine built-in boiler according to claim 2. The boiler water is pressurized by the feed water pump 13 and enters the boiler 11 and is heated by the exhaust gas exiting the regenerator 4 of the gas turbine, and further heated by the combustion gas in the gas turbine combustor 3 to become a brackish water two-phase flow. Then, it is separated into saturated steam and saturated water by a gas-liquid separator 17 (which usually corresponds to a steam drum of a boiler). The saturated steam is used as it is for the process and heating, and the saturated water is partially blown and then returned to the boiler by the feed water pump 13. Since the boiler water is heated in two stages of the boiler can and the heat exchanger of the gas turbine combustor 3, the boiler type is preferably a once-through type.
[0057]
In addition, although heating of the boiler water in the gas turbine combustor 3 is performed by installing a heat exchanger in that portion, it is convenient to perform the cooling of the combustor 3 as well. The combustion gas temperature must be cooled below the allowable temperature at the inlet of the expansion turbine (TIT), but there are two types of cooling means: a configuration with this heat exchanger and dilution cooling with compressed air from the compressor 1. There is. By increasing the cooling rate according to this configuration, the performance and efficiency of the gas turbine built-in boiler as a whole can be improved by reducing the compressor shaft power and increasing the amount of heat acquired by the boiler steam.
[0058]
FIG. 3 is an external perspective view showing an embodiment of the gas turbine built-in boiler according to claim 3. An auxiliary burner 12 for combusting auxiliary fuel is directly connected directly downstream of the regenerator 4 of the gas turbine, so that the temperature drop of the gas turbine exhaust gas can be minimized.
[0059]
In the auxiliary burner 12, the auxiliary fuel is burned with residual oxygen in the gas turbine exhaust gas. Since the auxiliary burner 12 is required to have low oxygen combustion performance, it is preferable that the auxiliary burner 12 has a flame holding performance and a diffusion combustion system with swirling.
[0060]
By introducing the auxiliary fuel, the steam generation amount of the boiler can be controlled within the range of the boiler rated output with the gas turbine waste heat amount as the minimum capacity independently of the operation load of the gas turbine.
[0061]
Moreover, this structure can be implemented in combination with the other structure in this invention. The entry and exit of steam in FIG. 3 represents one embodiment in combination with configuration 2.
[0062]
4 and 5 are flowcharts showing an embodiment of the gas turbine built-in boiler according to claim 4. Saturated steam generated in the boiler 11 is sent to the gas turbine combustor 3 to cool the combustor 3 and / or cool the combustion gas in the combustor to obtain superheated steam.
[0063]
All of the generated superheated steam is injected into the combustor 3 (FIG. 4), or a part thereof is injected into the inlet of the expansion turbine 2 (FIG. 5) to increase the shaft power of the gas turbine. Excess superheated steam is used for other processes as steam with high dryness. Exhaust gas re-burning with auxiliary fuel and saturated steam can be used together.
[0064]
FIG. 6 is a flowchart showing an embodiment of the gas turbine built-in boiler according to claim 5. Saturated steam generated in the boiler 11 is injected into the flame existence region of the gas turbine combustor 3 or upstream thereof. The saturated steam is heated by a flame or a high-temperature combustion gas, increases in dryness and enters the expansion turbine 2 to increase the gas turbine shaft output. The saturated steam injection position may be in the flame existence region or upstream thereof, and may be the compressor 1 outlet, the gas nozzle, or the vicinity thereof.
[0065]
Thereby, even if saturated steam is used, the two-fluid cycle can be operated normally without erosion. Even if the dryness of the saturated steam is extremely low and erosion occurs on the expansion turbine blades due to the water droplets, the expansion turbine of the micro gas turbine can be easily and inexpensively replaced.
[0066]
Further, since the combustion temperature of the flame can be lowered by blowing water vapor, it is also effective in reducing NOx emissions.
[0067]
FIG. 7 is a flowchart showing an embodiment of the gas turbine built-in boiler according to claim 6. A condensing economizer 14 is attached to the exhaust gas outlet of the boiler 11, and condensed water is recovered as part of boiler feed water by condensing water vapor in the exhaust gas. When the condensed water is reintroduced into the boiler, a water treatment device 15 may be provided as necessary to perform pH adjustment water softening treatment or pure water treatment.
[0068]
As the gas turbine fuel, a clean fuel with a low sulfur content such as natural gas, LPG, kerosene or the like is used. When steam injection is performed on a gas turbine, a large amount of water vapor is contained in the exhaust gas, so this method is effective for saving boiler raw water. Of course, the condensation latent heat of the exhaust gas is used for preheating boiler feedwater, so it is also effective as a low-temperature waste heat recovery means for the regeneration cycle gas turbine.
[0069]
FIG. 8 is a flowchart showing an embodiment of the gas turbine built-in boiler according to claim 7. When exhaust gas is cooled by the condensing economizer 14, the exhaust gas becomes saturated, and if discharged from the chimney as it is, it may become white smoke. Therefore, the exhaust gas exiting the condensation economizer 14 is reheated by the reheater 16 to be released from the saturated state, thereby preventing or suppressing whitening of the exhaust gas when the exhaust gas is diffused into the atmosphere from the chimney.
[0070]
Saturated steam from the boiler is used as the heat source for reheating. Since it is steam originally generated by waste heat recovery of gas turbine exhaust gas, no new energy is required. In addition, it is also possible to use the retained sensible heat of drain water (saturated water recovered after consuming the latent heat of steam) recovered from the process or heating as another heat source.
[0071]
FIG. 9 is a flowchart showing an embodiment of cogeneration to which a conventional chain cycle is applied. The steam blown into the combustor 3 or the expansion turbine 2 is superheated steam.
[0072]
【The invention's effect】
The gas turbine built-in boiler according to the present invention has the following excellent effects.
(1) Even with a small-sized cogeneration system, the power generation output can be maintained at the same level as that of the medium size by adopting the regeneration cycle gas turbine.
(2) The low-temperature waste heat from the regeneration cycle gas turbine can be effectively recovered as saturated or superheated steam.
(3) The electric output can be further increased by performing the steam injection.
(4) The thermoelectric ratio can be changed by burning the auxiliary fuel.
(5) Stable performance independent of on-site construction skills can be secured.
(6) A cogeneration system can be provided in a small, light and inexpensive manner.
(7) Increase in boiler water consumption accompanying steam injection can be suppressed.
(8) Generation of noise, nitrogen oxides (NOx), white smoke, etc. can be prevented or suppressed.
[Brief description of the drawings]
1 is an external perspective view showing an embodiment of a gas turbine built-in boiler according to claim 1;
FIG. 2 is a flowchart showing an embodiment of a gas turbine built-in boiler according to claim 2;
3 is an external perspective view showing an embodiment of a gas turbine built-in boiler according to claim 3. FIG.
FIG. 4 is a flow chart showing an embodiment of a gas turbine built-in boiler according to claim 4.
FIG. 5 is a flowchart showing another embodiment of the gas turbine built-in boiler according to claim 4;
6 is a flow chart showing an embodiment of a gas turbine built-in boiler according to claim 5. FIG.
7 is a flow chart showing an embodiment of a gas turbine built-in boiler according to claim 6. FIG.
FIG. 8 is a flowchart showing an embodiment of a gas turbine built-in boiler according to claim 7;
FIG. 9 is a flowchart showing cogeneration to which a conventional gas turbine chain cycle is applied.
[Explanation of symbols]
1 Compressor
2 Expansion turbine
3 Combustors
4 Regenerator
5 Generator
6 Air duct
11 Boiler
12 Auxiliary burner
13 Water supply pump
14 Condensing economizer
15 Water treatment equipment
16 Reheater
17 Gas-liquid separator (steam drum)

Claims (6)

再生サイクルを用いた小型ガスタービンの排ガスを熱源とする小型貫流形式のボイラ構造を有するボイラであって、
・再生サイクルを用いた小型ガスタービンの全部又は一部をボイラの燃焼ガス導入室内に没入させて設置することにより、再生器を通過したガスタービン排ガスを、煙道を介することなく直接ボイラの燃焼ガス導入室に導き、
・その排ガス保有熱を用いてボイラ給水を加熱した後、
・ガスタービン燃焼器の燃焼ガス保有熱の一部を用いて膨張タービン上流においてボイラ給水を更に加熱し、
・得られた汽水二相流を気液分離器にて分離して飽和水蒸気を発生させるガスタービン組込みボイラ。
A boiler having a small once-through boiler structure that uses the exhaust gas of a small gas turbine using a regeneration cycle as a heat source,
・ By immersing all or part of the small gas turbine using the regeneration cycle into the combustion gas introduction chamber of the boiler, the gas turbine exhaust gas that has passed through the regenerator is directly burned without passing through the flue. Led to the gas introduction room,
・ After heating the boiler feed water using the heat stored in the exhaust gas,
-Further heating the boiler feedwater upstream of the expansion turbine using a portion of the combustion gas holding heat of the gas turbine combustor,
A gas turbine built-in boiler that generates saturated steam by separating the resulting brackish water two-phase flow with a gas-liquid separator.
再生サイクルを用いた小型ガスタービンの直下流に補助バーナを設けて、
・補助バーナで用いる酸化剤の全部又は一部としてガスタービン排ガス中の酸素を用い、
・ガスタービン排ガス保有熱及び補助バーナ燃料燃焼熱を熱源とする請求項1に記載のガスタービン組込みボイラ。
Provide an auxiliary burner directly downstream of the small gas turbine using the regeneration cycle,
-Using oxygen in the gas turbine exhaust as all or part of the oxidant used in the auxiliary burner,
Gas turbine built boiler according to the gas turbine exhaust gas potential heat and the auxiliary burner fuel combustion heat to claim 1, the heat source.
発生させた飽和蒸気の全部又は一部を、小型ガスタービンの燃焼器又は燃焼ガスの冷却に用いて、
・その熱交換の結果得られた過熱蒸気の全部又は一部をガスタービンの燃焼器又は膨張タービンに吹き込むことにより、
・ガスタービンの軸出力を増大させる請求項1又は2に記載のガスタービン組込みボイラ。
Using all or part of the generated saturated steam to cool the combustor or combustion gas of a small gas turbine,
-By blowing all or part of the superheated steam obtained as a result of the heat exchange into the combustor or expansion turbine of the gas turbine,
The gas turbine built-in boiler according to claim 1 or 2 , wherein the shaft output of the gas turbine is increased.
発生させた飽和蒸気の全部又は一部を、
・燃焼器中の火炎存在領域、火炎存在領域より上流位置の燃焼器部分、燃料ノズル近傍及び圧縮空気から選ばれる少なくとも1箇所に吹き込むことにより、
・燃焼ガスの温度を膨張タービン入口許容ガス温度以下に制御すると共に、
・ガスタービンの軸出力を増大させる請求項1又は2に記載のガスタービン組込みボイラ。
All or part of the generated saturated steam,
-By blowing into at least one place selected from the flame existing area in the combustor, the combustor part upstream of the flame existing area, the vicinity of the fuel nozzle and compressed air,
・ Control the temperature of the combustion gas below the allowable gas temperature at the inlet of the expansion turbine,
The gas turbine built-in boiler according to claim 1 or 2 , wherein the shaft output of the gas turbine is increased.
ボイラの排ガス出口に凝縮型エコノマイザを付設し、
・エコノマイザにて回収した熱を用いてボイラ給水を予熱すると共に、
・エコノマイザにて排ガスより分離回収した凝縮水をボイラ給水の一部として再利用する請求項1〜のいずれかに記載のガスタービン組込みボイラ。
A condensing economizer is attached to the exhaust gas outlet of the boiler.
・ Preheat boiler feedwater using heat recovered by economizer,
The gas turbine built-in boiler according to any one of claims 1 to 4 , wherein the condensed water separated and recovered from the exhaust gas by the economizer is reused as a part of boiler feed water.
ボイラに付帯する凝縮型エコノマイザを用いて含有水蒸気の一部を凝縮水として分離した排ガスを、
・ボイラから排出される蒸気又は回収ドレンの一部にて再加熱することにより、
・煙突から放出される排ガスの白煙化を防止又は抑制する請求項に記載のガスタービン組込みボイラ。
Exhaust gas separated from condensed water vapor as condensed water using a condensing economizer attached to the boiler,
-By reheating with steam discharged from the boiler or part of the recovered drain,
The gas turbine built-in boiler according to claim 5 , wherein the exhaust gas emitted from the chimney is prevented or suppressed from becoming white smoke.
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