JP3936160B2 - ガスタービン発電装置及びこれに用いる混合ガス燃焼装置 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガス等の燃料ガスを燃焼させて発電をするガスタービン発電装置とこれに用いる混合ガス燃焼装置の改良に関するものであり、ガスタービン発電装置の製造コストの引下げ、燃焼ガス内のサーマルNOx量の減少及びエネルギー効率の向上等を可能にしたガスタービン発電装置とこれに用いる混合ガス燃焼装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
都市ガス等の燃料ガスを燃焼させて発電をする容量が5〜100kW程度の小容量ガスタービン発電装置(以下、マイクロガスタービン発電装置と呼ぶ)は従前から広く知られており、各種工場やマーケット、事務所、温室農場、集合住宅等の電力供給源或いは熱電併給システムの発電源として、単独又は複数台を組み合せした状態で使用に供されている。
【0003】
図3は、従前のこの種マイクロガスタービン発電装置のシステム構成図の一例を示すものであり、図3に於いてPはガスタービン発電装置、Aは外部空気、Bは清浄空気、B1 は圧縮空気、Cは燃料ガス、Dは燃焼ガス、E・E1 は燃焼排ガス、1はフィルタ、2は発電機、3は空気圧縮機、4は再生装置、5は燃焼装置、6は燃料ガス圧縮機、7はガスタービン、8は燃料ガス圧縮機の駆動モータ、9・10・11・12・13は導管である。
【0004】
外部空気Aは、先ずフィルタ1により清浄化される。清浄化された空気Bは、発電機2の内・外部に設けられた間隙(冷却通路)を通る間に発電機2の発生熱を吸収して加熱され、空気圧縮機3へ流入する。流入した清浄空気Bは、空気圧縮機3により加圧され、約250℃・0.35MPaの圧縮空気B1 となって再生装置4へ送られる。そして、再生装置4で燃焼排ガスEとの熱交換により約500℃に加熱された圧縮空気B1 は、燃焼装置5へ導入される。
【0005】
また、前記燃焼装置5へは、燃料ガス圧縮機6により約0.45MPaに加圧された燃料ガスCが導入されており、前記圧縮空気B1 との混合により燃料ガスCが燃焼し、高温の燃焼ガスDが生成される。
【0006】
燃焼装置5で生じた約900℃程度の高温燃焼ガスDは、ガスタービン7へ導入され、この高温燃焼ガスDを駆動源としてガスタービン7が約100,000rpmの高速で回転されると共に、ガスタービンの駆動軸に直結された空気圧縮機3及び発電機2が同時に回転駆動される。
【0007】
尚、燃料ガス圧縮機8へは発電機2の発生電力の一部が供給される。また、ガスタービン7から排出された約600℃の燃焼排ガスEは再生装置4へ送られ、ここで圧縮空気B1 と熱交換をすることにより冷却され、約300℃の低温燃焼排ガスE1 として、外部へ排出されて行く。
【0008】
前記図3に示したシステム構成のガスタービン発電装置は多くの運転実績を有すると共に運転上の安定性も高かく、優れた実用的効用を有するものである。
しかし、当該ガスタービン発電装置にも解決すべき多くの問題が残されており、特に発電容量が5〜100kW程度のマイクロガスタービン発電装置に於いては、単位容量当りの発電設備費の増加や燃焼排ガス内のサーマルNOxの増加、ランニングコストの増加等が大きな問題となっている。
【0009】
即ち、従前のガスタービン発電装置に於いては、前述の如く燃焼装置5を約0.35MPaの圧力下で運転するようにしている。そのため、燃焼装置5へ供給する燃料ガスCを約0.45MPaにまで昇圧する必要があり、燃料ガス圧縮機6を別途に必要とする。
例えば、都市ガスを燃料ガスCとする場合、都市ガス供給圧は約2kPa程度であるため、これを約0.45MPaまで加圧する必要がある。しかし、この種マイクロガスタービン発電装置向けの小容量で且つ消費電力の小さな燃料ガス圧縮機6は汎用品として存在せず、その結果高価な特注品である燃料ガス圧縮機6を用いねばならないため、発電設備費の高騰を招くことになる。
【0010】
また、従前のガスタービン発電装置では、燃焼装置5内へ圧縮空気B1 と燃料ガスCとを別個に供給し、燃焼装置5内で両者を混合したうえ燃料ガスCを燃焼させる構成としている。
しかし、燃焼装置5の限られた空間内では、短時間内に両者を均一に混合させることが困難である。その結果、両者の混合の不均一に起因する部分的な高温燃焼が発生し、所謂サーマルNOx濃度の上昇を招くことになる。
【0011】
更に、燃料ガス圧縮機6の駆動に発電機2の発生電力の一部を使用しているため、タービン発電装置Pの総合効率が低下し、ランニングコストの上昇を来たすことになる。
【0012】
加えて、燃料ガスには都市ガスが多く利用されているため、バイオガスや溶剤混合気等の可燃性希薄混合気等を用いて、熱・エネルギー再循環の手法による省エネルギーを図ることが困難な状況にある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従前のガスタービン発電装置に於ける上述の如き問題、即ち▲1▼高価な燃料ガス圧縮機を必要とし、設備費が高騰すること、▲2▼燃焼排ガスE内のサーマルNOx濃度が上昇すること及び▲3▼ガスタービン発電装置の総合効率の低下によりランニングコストが上昇すること、▲4▼バイオガス等の利用による省エネルギーの実現が困難なこと等の問題を解決せんとするものであり、先ず燃料ガスCと清浄ガスBとの混合ガスを形成し、この混合ガスを圧縮すると共に、圧縮した混合ガスを燃焼装置内へ導入して燃焼させることにより、発電装置のイニシャルコストの引下げ、サーマルNOx濃度の低減及びエネルギー効率の向上等が図れ、しかも安定した連続運転を出来るようにしたガスタービン発電装置とこれに用いる混合ガス燃焼装置を提供せんとするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、発電機と混合ガス圧縮機とガスタービンと再生装置と混合ガス燃焼装置とを備え、混合ガス燃焼装置で発生した高温燃焼ガスを駆動源として、ガスタービンとこれに連結した発電機及び混合ガス圧縮機を回転駆動するようにしたガスタービン発電装置であって、前記発電機を冷却した後の加熱空気を混合ガス圧縮機の上流側の圧縮機吸込部へ導入すると共に、当該圧縮機吸込部へ都市ガス、LPG、バイオガス、可燃性希薄混合気の中の何れか一種を気体燃料として供給し、当該気体燃料と空気の混合比を、気体燃料の大気圧下の空気中に於ける爆発濃度範囲の下限値より低く且つ前記混合ガス燃焼装置内で燃焼が可能な下限濃度値より高い希薄混合領域の濃度として前記混合ガス圧縮機により圧縮し、この圧縮混合ガスを、再生装置により当該混合ガス内の気体燃料の大気圧下の空気中に於ける自然発火温度より低い温度に加熱したあと、一側に圧縮混合ガスの入口を、また他側に燃焼ガスの出口を有する本体ケースと、本体ケース内の混合ガス入口側に入口側空間部を設けて配設され、酸化触媒を添加した酸化物セラミックから形成されて内部を通過する圧縮混合ガスの一部に着火及び燃焼を生じさせる多孔性の第1セラミック体と、本該ケースの燃焼ガス出口側に出口側空間部を設けて配設され、内部を通過する高温燃焼ガスにより加熱されると共に輻射熱により前記第1セラミック体を加熱する多孔性の第2セラミック体と、第1セラミック体と第2セラミック体との間の空間部であって圧縮混合ガスが燃焼する燃焼室と、から成る混合ガス燃焼装置の前記圧縮混合ガス入口へ供給して燃焼させる構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【0016】
請求項2の発明は、多孔性の第2セラミック体を酸化触媒を添加した酸化物セラミックから形成するようにしたものである。
【0018】
請求項3の発明は、請求項1の発明において、気体燃料を都市ガスとすると共に、気体燃料と空気の混合比を1/70〜1/90(容積比)とするようにしたものである。
【0019】
請求項4の発明は、請求項1の発明において、発電機の容量を5〜100kwとしたものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図1は本発明の実施に係るガスタービン発電装置のシステム系統図であり、図2は本発明のガスタービン発電装置で使用する混合ガス燃焼装置の縦断面概要図である。
尚、図1及び図2に於いて、前記図3の場合と同一の部位・部材には、これと同じ参照番号が付されている。
【0022】
図1に於いて、Pはガスタービン発電装置、Aは外部空気、Bは清浄空気、Cは燃料ガス、F・F1 は混合ガス、Dは燃焼ガス、E・E1 は燃焼排ガス、1はフィルタ、2は発電機、4は再生装置、20は混合ガス燃焼装置、7はガスタービン、9・10・11・12・13は導管、14は混合ガス圧縮機、15は圧縮機吸込部、16は燃料ガス噴射ノズルである。
【0023】
本発明は図1に示す如く、先ず清浄空気B内へ所定流量の燃料ガスCを混入して混合ガスFを形成し、次にこの混合ガスFを混合ガス圧縮機14で圧縮したあと再生装置4で加熱し、高温・高圧の圧縮混合ガスF1 を混合ガス燃焼装置5へ供給するようにしたものであり、前記フィルタ1、発電機2、混合ガス圧縮機14、再生装置4、ガスタービン7等の構造は、図1に示した従前のガスタービン発電装置の場合の機材とほぼ同一である。
【0024】
次に、本発明に係るガスタービン発電装置Pの作動について説明する。従前のガスタービン発電装置Pの場合と同様に、外部から吸引した外部空気Aは、先ずフィルタ1により清浄化される。清浄化された空気Bは発電機2の内・外部に設けられた間隙(冷却通路)を通り、この間に発電機2の発生熱を吸収して加熱されたあと、圧縮機吸込部15へ流入する。
一方、圧縮機吸込部15へは、所定流量の燃料ガスCが燃料ガス噴射ノズル16を通して噴出されており、ここで前記清浄化空気Bに燃料ガスCが混合されることにより、混合ガスFが形成される。
【0025】
尚、燃料ガスCが都市ガスの場合、清浄空気Bと燃料ガスCとの混合比C/Bは、後述するように都市ガス内に含まれるメタンの空気中に於ける爆発限界濃度の点から、約1/70〜1/90に選定されており、燃料ガスCの濃度の極めて低い希薄混合気Fとなっている。
尚、混合比が1/70以上になると、後述の如くメタンガスの爆発の危険性が高まることになり、また逆に混合比が1/90以下になると、混合ガスFの燃焼が不安定になる。その結果混合ガスFの混合比は1/70〜1/90の間に選定される。
【0026】
圧縮機吸込部15で形成された混合ガスFは、混合ガス圧縮機14内へ導入されて加圧され、約250℃・0.35MPaの圧縮混合ガスF1 となって再生装置4へ送られる。そして、ここで圧縮混合ガスF1 は、燃焼排ガスEとの熱交換により約500℃に加熱されたあと、混合ガス燃焼装置20へ導入され、着火されることにより燃焼をする。
【0027】
混合ガス燃焼装置20で発生した約900℃の高温燃焼ガスDは、ガスタービン7へ導入され、これを駆動源としてガスタービン7が約100,000rpmの回転速度で高速回転されると共に、ガスタービン7に直結された混合ガス圧縮機14と発電機2も同時に回転駆動される。
【0028】
また、ガスタービン7から排出された約600℃の燃焼排ガスEは再生装置4へ送られ、ここで圧縮混合ガスF1 と熱交換をすることにより約300℃の低温燃焼排ガスE1 となり、外部へ排出されて行く。
【0029】
燃料ガスCとして都市ガスを用いる場合、清浄空気B1 と都市ガスCとの混合比C/Bは、通常前述の通りC/B=1/70〜1/90程度に選定されており、この場合の混合ガスFのメタンガス濃度(メタンガス/混合ガス)は約1.2%(混合比1/80のとき)となる。
【0030】
一方、メタンガスの26℃・大気圧の空気中に於ける爆発限界濃度は、15%(爆発上限界)から5%(爆発下限界)の間であり、前記1.2%の場合には、爆発の恐れは無いと云える。
また、メタンの大気圧下の空気中に於ける発火温度は537℃であり、これに対して再生装置4の出口に於ける圧縮混合ガスF1 の温度は約500℃に選定されているので、混合ガス燃焼装置20へ流入する前に、高温の圧縮混合ガスB1 が自然発火する危険性は全く無い。つまり、混合ガス燃焼装置20の入口部に於ける圧縮混合ガスB1 の温度を発火温度以下に制御することにより、導管10内に於ける発火は完全に防止することが出来る。
【0031】
前記混合ガスFは、前述の如き爆発防止の観点から燃料ガスCの混合比の極めて低い希薄混合気にされている。そのため、混合ガス燃焼装置20内に於いて着火し難いと云う問題がある。従って、本願発明では、特にこの着火性能に改良を加えて、所謂希薄混合気であっても確実に着火できるようにした混合ガス燃焼装置20が使用されている。
【0032】
尚、前記図1及び図2の実施形態に於いては、燃料ガスCとして都市ガスを使用しているが、都市ガスの他に、LPGや生ごみ等の発酵分解により発生したバイオガス、塗装ブース等から排出される溶剤混合気等の可燃性希薄混合気等を燃料ガスCとして用いることも可能である。
また、燃料ガスCとしては、上記都市ガスやLPG、バイオガス、可燃性希薄混合気を一種又は複数種の混合体として使用することができる。
【0033】
また、燃焼装置5へ供給する混合ガスF内の燃料ガスCの濃度は、燃料ガスCの空気中に於ける爆発濃度範囲の下限値より低くて、しかも燃焼装置5内での安定燃焼が可能な下限濃度値より高い範囲(この範囲を希薄混合領域と呼ぶ)とするのが望ましく、当該希薄混合領域の混合気を用いることにより、マイクロガスタービンは高効率で運転される。その結果、前述の如くバイオガスや溶剤混合気等の可燃性希薄混合気を燃料ガスCとして利用することが可能となり、所謂熱・ エネルギーの再循環手法により省資源・省エネルギーを図ることが可能となる。
【0034】
図2は、本発明で使用する前記着火性能を高めた混合ガス燃焼装置20の縦断面概要図であり、ケース体21の内部に多孔質の第1セラミック体17と多孔質の第2セラミック体18とを間隔を置いて配設すると共に、両セラミック体17・18の間の空間部を燃焼室19とする構成になっている。
尚、本体ケース21の形状は、角筒状であっても、或いは円筒状であってもよい。また、本体ケース21は耐熱壁で形成され、断熱構造になっていることは勿論である。
更に、第1セラミック体17及び第2セラミック体18の形状は、本体ケース21の断面形状に適応したものに選定されており、各セラミック体17・18の内部を圧縮混合ガスF1 及び燃焼ガスDが比較的低い圧力損でもって流通可能な構造体に形成されている。
【0035】
前記両セラミック体17・18は約1200℃の高温に耐えられるものであれば如何なる材質のものであってもよく、本実施形態ではアルミナ、ジルコニア等を用いた酸化物セラミックが使用されている。
また、セラミック体17・18には、少量のTiO2 等の酸化触媒を添加したものが望ましい。
【0036】
再生装置4からの高温・高圧の圧縮混合ガスF1 は、導管10を通して混合ガス燃焼装置20の入口側空間部21a内へ入り、多孔質セラミックより成る第1特殊セラミック体17内を通過する間に圧縮混合ガスF1 の一部に着火が生じ、その一部が燃焼をすると共に、圧縮混合ガスF1 内の燃焼ガスCは、燃焼室19内に至って本格的に燃焼をする。
【0037】
圧縮混合ガスF1 の燃焼により、燃焼室19内で生成された燃焼ガスDは、本体ケース21の出口側に設けた多孔質セラミックより成る第2セラミック体18内を通して出口側空間部21bへ至り、導管11を通してガスタービン7へ導入される。
この時、前記第2特殊セラミック体18は、内部を通過する約1000℃程度の高温燃焼ガスDによって加熱され、ほぼ1000℃に近い高温になると共に、輻射熱を上流側の第1セラミック体17へ供給することにより、これを加熱する。
【0038】
即ち、前記第2セラミック体18からの輻射熱によって第1セラミック体17が加熱されることにより、入口側空間部21aから流入して来た高温の圧縮混合ガスF1 が更に加熱されることになり、第1セラミック体17の内部及び燃焼室19の内部に於ける圧縮混合ガスF1 の着火がより円滑、確実に行なわれる。
【0039】
換言すれば、本発明に係る混合ガス燃焼装置20では、燃焼室19に於ける圧縮混合ガスF1 の燃焼と、第2セラミック体18による熱回収と、第2セラミック体18による第1セラミック体17の輻射熱とが有機的に結合されることにより、圧縮混合ガスF1 の円滑且つ確実な着火及び燃焼が行なわれることになる。その結果、燃焼室19内に於ける圧縮混合ガスF1 の局部的な高温燃焼が略皆無となり、これに起因するサーマルNOxの発生が大幅に減少する。
【0040】
【発明の効果】
本発明に於いては、予かじめ燃料ガスCと空気Bとを混合させ、この混合ガスFを圧縮及び加熱して混合ガス燃焼装置20へ供給する構成としているため、燃料ガス用の圧縮機を必要としない。その結果、ガスタービン発電装置Pを形成する機器が減少して、装置のイニシャルコストが減少すると共に、燃料ガス用圧縮機のメンテナンスも不要となり、ランニングコストの引下げが可能となる。
また、本発明では燃料ガスCと空気Bとを予め十分に混合させたあと、この混合ガスFを混合ガス燃焼装置20へ供給する構成としている。その結果、混合ガス燃焼装置20における混合ガスF1 の燃焼が、局部的な高温部を生じない所謂均一な燃焼となり、サーマルNOxの発生が大幅に減少する。
更に、燃料ガス用圧縮機の駆動エネルギーが不要となるため、発電機2の発生電力の消費が少なくなる。これによりガスタービン発電装置のエネルギー効率が相対的に上昇する。
【0041】
加えて、本発明の混合ガス燃焼装置20に於いては、本体ケース21の内部に多孔質の第1セラミック体17と第2セラミック体18とを間隔を置いて配設し、両者の間の空間部を燃焼室19として圧縮混合ガスF1 の大部分をここで燃焼させる構成としている。
その結果、燃焼ガスDの流通により加熱された第2セラミック体18の熱が、輻射によって第1セラミック体17へ伝達されることになり、この輻射熱による第1セラミック体17の加熱によって、流入してきた圧縮混合ガスF1 が、第1セラミック体17内を流通する間に更に加熱され、これに円滑に着火されることになる。従って、低カロリーガスである希薄混合ガスであっても、円滑に安定して連続燃焼されることになり、都市ガスは勿論のことLPGやバイオガス、可燃性希薄混合気等を燃料ガスCとして用いることができ、省資源・省エネルギーの達成が可能となる。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すガスタービン発電装置のシステム系統図である。
【図2】本発明のガスタービン発電装置で使用する燃焼装置の縦断面概要図である。
【図3】従前のガスタービン発電装置のシステム系統図である。
【符号の説明】
Pはガスタービン発電装置、Aは外部空気、Bは清浄空気、Cは燃料ガス、Dは燃焼ガス、E・E1 は燃焼排ガス、Fは混合ガス、F1 は圧縮混合ガス、1はフィルタ、2は発電機、3は空気圧縮機、4は再生装置、5は燃焼装置、7はガスタービン、9〜13は導管、14は混合ガス圧縮機、15は圧縮機吸込部、16は燃料ガス噴射ノズル、17は第1セラミック体、18は第2セラミック体、19は燃焼室20は混合ガス燃焼装置、21は本体ケース、21aは入口側空間部、21bは出口側空間部。
Claims (4)
- 発電機と混合ガス圧縮機とガスタービンと再生装置と混合ガス燃焼装置とを備え、混合ガス燃焼装置で発生した高温燃焼ガスを駆動源として、ガスタービンとこれに連結した発電機及び混合ガス圧縮機を回転駆動するようにしたガスタービン発電装置であって、前記発電機を冷却した後の加熱空気を混合ガス圧縮機の上流側の圧縮機吸込部へ導入すると共に、当該圧縮機吸込部へ都市ガス、LPG、バイオガス、可燃性希薄混合気の中の何れか一種を気体燃料として供給し、当該気体燃料と空気の混合比を、気体燃料の大気圧下の空気中に於ける爆発濃度範囲の下限値より低く且つ前記混合ガス燃焼装置内で燃焼が可能な下限濃度値より高い希薄混合領域の濃度として前記混合ガス圧縮機により圧縮し、この圧縮混合ガスを、再生装置により当該混合ガス内の気体燃料の大気圧下の空気中に於ける自然発火温度より低い温度に加熱したあと、一側に圧縮混合ガスの入口を、また他側に燃焼ガスの出口を有する本体ケースと、本体ケース内の混合ガス入口側に入口側空間部を設けて配設され、酸化触媒を添加した酸化物セラミックから形成されて内部を通過する圧縮混合ガスの一部に着火及び燃焼を生じさせる多孔性の第1セラミック体と、本体ケースの燃焼ガス出口側に出口側空間部を設けて配設され、内部を通過する高温燃焼ガスにより加熱されると共に輻射熱により前記第1セラミック体を加熱する多孔性の第2セラミック体と、第1セラミック体と第2セラミック体との間の空間部であって圧縮混合ガスが燃焼する燃焼室と、から成る混合ガス燃焼装置の前記圧縮混合ガス入口へ供給して燃焼させる構成としたことを特徴とするガスタービン発電装置。
- 多孔性の第2セラミック体を酸化触媒を添加した酸化物セラミックから形成するようにした請求項1に記載のガスタービン発電装置。
- 気体燃料を都市ガスとすると共に、気体燃料と空気の混合比を1/70〜1/90(容積比)とするようにした請求項1に記載のガスタービン発電装置。
- 発電機の容量を5〜100kwとした請求項1に記載のガスタービン発電装置。
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