JP3962977B2 - ガスタービンコージェネレーションシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンを用いたコージェネレーションシステムに関し、特にプロセスに送気する蒸気量と発電出力の割合(＝熱電比)を可変とし、かつ、高い発電効率を達成する熱電比可変のコージェネレーションシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電比可変のコージェネレーションシステムの従来例として、チェン(Cheng）サイクルが知られている。このチェンサイクルには、図１０に示すように、空気を圧縮する圧縮機１と、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器２と、燃焼ガスによって駆動され圧縮機１を回転させる膨張タービン３とからなるガスタービン４が設けられている。そして、ガスタービン４からの高温排ガスを排熱回収ボイラ５に通気するとともに、排熱回収ボイラ５内の蒸気発生器６において高温排ガスからの回収熱を利用して、排熱回収ボイラ５に供給された水から蒸気を発生する。発生した蒸気は分岐させて、一部の蒸気はプロセス蒸気として外部へ送気するとともに、残りの蒸気は排熱回収ボイラ５内の過熱器７で更に加熱した後に、ガスタービン４の燃焼器２に注入する。これにより、ガスタービン４で駆動される発電機８の発電出力を増加させることができる。なお、必要なプロセス蒸気量に対して排熱回収ボイラ５での発生蒸気量が不足する場合には、排熱回収ボイラ５を追い炊きして発生蒸気量を増加させている。
【０００３】
このようなチェンサイクルでは、ガスタービン４の燃料流量と燃焼器２への蒸気注入量と追い炊き量を制御することによって、必要な発電量とプロセス蒸気量の幅広い変化に対応した運転が可能である。
【０００４】
チェンサイクルの代表的特性例として、ガスタービンを定格で運転し、かつ追い炊きをしない場合の発電量とプロセス蒸気量の関係を図１１に、そのときの発電効率とプロセス蒸気量の関係を図１２に示す。なお、この例では発生蒸気量の１／２をプロセス蒸気量として出力し、残りの蒸気を燃焼器に注入する条件を設計点としている。
【０００５】
図１１に示すように、チェンサイクルでは、ガスタービンを定格で運転し、かつ追い炊きをしない場合でも、比較的広い範囲のプロセス蒸気量に対応可能であるが、図１２に示すように、チェンサイクルの発電効率は最も良い運転条件においてもシンプルサイクルのガスタービン発電機を幾分上回る程度であり、発電効率が比較的低いという欠点がある。
【０００６】
そこで、図１３に示すように再生器９を設けるとともに、蒸気発生器６で発生した蒸気と圧縮機１からの圧縮空気とを混合して再生器９に供給し、再生器９においてガスタービン４からの高温排ガスによって加熱された空気−蒸気混合ガスを燃焼器２に供給することが提案されている（特公平８−２６７８０号公報）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１３に示すシステムにおける発電量−プロセス蒸気量、及び発電効率−プロセス蒸気量の特性を示すと、それぞれ図１４及び図１５のようになり、プロセス蒸気及び発電量の必要量に応じて、その割合（熱電比）を比較的高い発電効率を維持した状態で変えることができる。
【０００８】
しかし、上記従来の技術では、プロセス蒸気及び発電量の可変範囲が比較的狭く、プロセス蒸気量をさらに大量に供給するためは補助ボイラ等が必要となり、全投入燃料に対する発電効率が大きく低下する。多くのユーザは発電効率をできるだけ高く維持したまま広範囲のプロセス蒸気量範囲での運用を望むことが多く、従来の技術では、これらユーザの要求には十分に答えることができない。
【０００９】
本発明の課題は、発電効率を高く維持したまま、広範囲のプロセス蒸気量範囲での運用が可能なガスタービンコージェネレーションシステムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムは、空気を圧縮する圧縮機、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動され前記圧縮機を回転させる膨張タービンからなるガスタービンと、前記ガスタービンによって回転駆動される発電機と、前記ガスタービンから排出されたガスタービン排ガスが通気され、該ガスタービン排ガスと前記圧縮機から抽気した圧縮空気との間で熱交換して圧縮空気を加熱するとともに、その加熱した圧縮空気を前記燃焼器に導入する再生器と、前記再生器通過後のガスタービン排ガスの熱を利用して水から蒸気を発生する蒸気発生器と、前記圧縮機から抽気した圧縮空気に、前記蒸気発生器で発生した蒸気又は微細水滴を注入して加湿する加湿器と、前記再生器で加熱された圧縮空気に、微細水滴を噴霧して加湿する水噴霧器とを備えたことを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、加湿器において、注入する蒸気の量又は微細水滴の量を増加させると、圧縮機から抽気した圧縮空気は加湿され流量が増加するとともに温度が低下する。そのため、再生器におけるガスタービン排ガスからの回収熱量が増加する。そして、再生器で加熱された圧縮空気はガスタービンの燃焼器に導入されるため、発電出力が増加し、かつ、発電効率も向上する。このとき、再生器後流側の蒸気発生器に流入するガスタービン排ガスの保有熱量は減少するため、発生蒸気量は減少する。
【００１２】
一方、水噴霧器において、再生器で加熱された圧縮空気に微細水滴を噴霧すると、再生器からの高温の圧縮空気は加湿増量かつ減温されて燃焼器に入る。燃焼器からの高温燃焼ガスのタービン入口温度を一定とすると、投入燃料及び燃焼ガス流量が増加して、発電出力は増加するが、発電効率は低下する。このとき、ガスタービン排ガス流量が増加するため、発生蒸気量が増加する。
【００１３】
したがって、加湿器で蒸気又は微細水滴の注入操作と水噴霧器での微細水滴の噴霧操作を組み合わせることにより、必要な発電出力とプロセス蒸気量に対応したシステムの運用が可能となる。
【００１４】
必要とするプロセス蒸気量の増／減に応じて前記加湿器で注入される蒸気又は微細水滴量を減／増させるとともに、必要な発電量の増減に応じて前記水噴霧器で噴霧される微細水滴量を増／減させる制御装置を設けることができる。
【００１５】
また、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムは、上記のシステム構成に加えて、圧縮機が吸気する空気に微細水滴を噴霧する吸気噴霧器を設けたことを特徴としている。この場合、吸気噴霧器で噴霧される微細水滴量を、必要な発電量及びプロセス蒸気量に応じて制御する制御装置を設けることができる。
【００１６】
吸気噴霧器で噴霧された微細水滴は、その一部が蒸発するときに圧縮機入口に流入する空気から熱を奪いその温度を低下させ、空気の体積当りの重量（比重量）が増加する。圧縮機の回転数が一定の場合には圧縮機に流入する空気の体積流量は一定であるので、空気の比重量の増加によって圧縮機に流入する空気の重量流量が増加する。そのため、ガスタービンの作動流体の流量が増加して発電出力が増加する。
【００１７】
また、圧縮機入口で蒸発しなかった微細水滴は圧縮機内部で蒸発して空気温度を下げるのでインタークーラと同様の効果があり、圧縮動力を低下させることができる。この圧縮動力の低下により、プラントの発電効率が向上する。
【００１８】
さらに、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムは、上記の各システム構成に加えて、再生器をバイパスして蒸気発生器に直接流入するガスタービン排ガスの割合を制御する排ガス分流器を設けたことを特徴としている。この場合、必要とするプロセス蒸気量の増／減に応じて加湿器で注入される蒸気量又は微細水滴量を減／増させるとともに、必要な発電出力の増減に応じて水噴霧器で噴霧される微細水滴量を増／減させ、上記制御範囲を超えてプロセス蒸気量を増加させる必要がある場合は、分流する排ガス量を増加させる制御装置を設けることができる。
【００１９】
上記構成によれば、排ガス分流器によって再生器に直接通気するガスタービン排ガス量を増加させると、再生器で回収される熱量が増加し、蒸気発生器で回収される熱量は減少する。そのため、発電出力は増加し、発電効率は向上し、蒸気発生量は低下する。
【００２０】
逆に、この排ガス分流器によって再生器に直接通気するガスタービン排ガス量を減少させると、再生器で回収される熱量が減少し、蒸気発生器で回収される熱量は増加する。そのため、発電出力は減少し、発電効率は低下するが、蒸気発生量は増加する。
【００２１】
このように、加湿器及び水噴霧器を設けた場合、または加湿器、水噴霧器及び吸気噴霧器を設けた場合における制御に加えて、排ガス分流器による再生器バイパス制御を組み合わせることによって、必要な発電出力とプロセス蒸気量に対応したシステムの運用がより広い範囲で可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。図１に示すように、空気を圧縮する圧縮機１１と、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器１２と、燃焼ガスによって駆動され圧縮機１１を回転させる膨張タービン１３とからなるガスタービン１４が設けられている。ガスタービン１４には発電機１５が接続され、この発電機１５は膨張タービン１３によって駆動される。また、ガスタービン１４からの高温の排ガス（ガスタービン排ガス）が通気される再生器１６が設けられ、さらにガスタービン排ガスの流れに沿って再生器１６の後流側に、蒸発器と節炭器とより構成された蒸気発生器１７が設けられている。
【００２３】
圧縮機１１で圧縮した圧縮空気はタービン１３に導入されているが、本実施の形態では、前記圧縮空気の大部分は圧縮機１１出口に取り付けられた圧縮機出口空気配管１８を介して再生器１６に供給される。この圧縮空気は再生器１６でガスタービンからの排ガスと熱交換して高温圧縮空気となり、再生器１６出口に取り付けられた再生器出口配管１９を介して燃焼器１２に導入され、燃焼器１２に供給される燃料を燃焼させて発生した高温燃焼ガスにより膨張タービン１３を駆動する。そして、膨張タービン１３で発生した動力により発電機１５と圧縮機１１は駆動される。
【００２４】
このように、本実施の形態ではいわゆる再生サイクルを基本としている。この再生サイクルでは、再生器１６でガスタービン排ガスから圧縮空気に熱を回収して燃焼器１２に戻すことができるので、高い発電効率での発電が可能となる。
【００２５】
また、本実施の形態では、圧縮機出口空気配管１８の途中に圧縮機出口加湿器２０が設けられ、この圧縮機出口加湿器２０と蒸気発生器１７の蒸発器とが蒸気配管２１で接続されている。蒸気発生器１７で発生した蒸気の一部はプロセス蒸気として他の設備に供給されるが、残りの蒸気は蒸気配管２１を介して圧縮機出口加湿器２０に注入され、圧縮機１１からの圧縮空気を加湿・増量する。圧縮機出口加湿器２０には、蒸気の代わりに微細水滴を注入することもできる。
【００２６】
このように構成することにより、蒸気発生器１７で発生した蒸気が必要なプロセス蒸気より多い場合には、残りの蒸気で圧縮機１１からの圧縮空気を加湿・増量することができ、また再生器１６で回収できる熱量も増加する。この加湿・増量された圧縮空気が燃焼器１２に供給されるため、燃焼ガスの膨張タービン１３入口温度が一定の場合には膨張タービン１３の作動ガス流量が増加し、発電出力が増加し、発電効率も向上する。圧縮空気への加湿量を増加させたときの蒸気発生器１７での発生蒸気量は、再生器１６で回収される熱量が増加して蒸気発生器１７へ流入する排ガス熱量が低下する効果と、膨張タービン１３の作動ガス流量が増加することにより蒸気発生器１７への排ガス熱量が増加する効果のバランスで決まる。
【００２７】
また、本実施の形態では、再生器出口配管１９の途中に水噴霧器２２が設けられ、この水噴霧器２２と蒸気発生器１７の節炭器とが高圧水ポンプ２３を有する温水配管２４で接続されている。そして、蒸気発生器１７の節炭器で加温された温水は高圧水ポンプ２３で昇圧され、水噴霧器２２から微細水滴として噴霧される。
【００２８】
このように、水噴霧器２２において微細水滴を噴霧すると、再生器１６からの高温圧縮空気が加湿・増量され、かつ微細水滴の蒸発潜熱により減温されてから燃焼器１２に入る。このとき、燃焼器１２からの高温燃焼ガスの膨張タービン１３入口温度を一定とすると、膨張タービン１３の作動ガス流量が増加して、発電出力が増加する。また、ガスタービン排ガス流量が増加するため、発生蒸気量も増加する。ただし、燃焼器１２への必要な燃料の流量が増加して、発電効率は低下する。
【００２９】
さらに、本実施の形態では、圧縮機１１に取り付けられた空気吸込配管２５の途中に吸気噴霧器２６が設けられ、この吸気噴霧器２６には給水ポンプ２７及び高圧水ポンプ２８を有する給水配管２９が接続されている。そして、給水ポンプ２７を経て高圧水ポンプ２８で昇圧された水が吸気噴霧器２６に導入され、吸気噴霧器２６では圧縮機１１の吸気空気流量の０.５〜２ｗｔ％の水を微細水滴として噴霧する。給水配管２９は途中が分岐して蒸気発生器１７の節炭器に接続されている。
【００３０】
吸気噴霧器２６において微細水滴を噴霧すると、噴霧された微細水滴は、その一部が蒸発するときに圧縮機１１入口に流入する空気から熱を奪い、その温度を低下させ、空気の比重量を増加させる。圧縮機１１の回転数が一定の場合には圧縮機１１に流入する空気の体積流量は一定であるので、空気の比重量の増加によって圧縮機１１に流入する空気の重量流量が増加する。そのため、ガスタービン１４の作動流体の流量が増加して発電出力が増加する。また、圧縮機１１入口で蒸発しなかった微細水滴は圧縮機１１内部で蒸発して空気温度を下げるのでインタークーラと同様の効果があり、圧縮動力を下げる効果がある。この圧縮動力の低下により、プラントの発電効率が向上する。
【００３１】
また、蒸気配管２１、温水配管２４、及び給水配管２９にはそれぞれバルブ３０，３１，３２が設けられ、また燃焼器１２に接続された燃料配管３３にもバルブ３４が設けられている。これらのバルブ３０，３１，３２，３４は制御装置３５に接続され、この制御装置３５によって開度が制御される。なお、燃焼器１２に供給される燃料量は、バルブ３４の開度を制御することによって行われる。
【００３２】
上述したように本実施の形態によれば、圧縮機出口加湿器２０、水噴霧器２２、及び吸気噴霧器２６を設け、圧縮機出口加湿器２０での蒸気又は微細水滴の注入操作、水噴霧器２２での微細水滴の噴霧操作、及び吸気噴霧器２６での微細水滴の噴霧操作を組み合わせることにより、高い発電効率を維持したままで、必要な発電量とプロセス蒸気量に対応したシステムの運用が可能となる。なお、圧縮機出口加湿器２０での蒸気又は微細水滴の注入操作、及び水噴霧器２２での微細水滴の噴霧操作だけでも、高い発電効率を維持したままで、必要な発電量とプロセス蒸気量に対応したシステムの運用が可能である。
【００３３】
次に、本実施の形態に係るガスタービンコージェネレーションシステムの運用とその特性について、図２及び図３を用いて説明する。図２は圧縮機出口への加湿と再生器出口への加湿および燃料を操作した時の発電量とプロセス蒸気量の関係を示し、図３はそのときの発電効率とプロセス蒸気量の関係を示している。図２及び図３中の記号▲１▼〜▲５▼はシステムの運転状態を示しており、その運転状態は下記の通りである。ただし、図２及び図３は吸気噴霧器２６を作動させていないときの特性を示している。
【００３４】
▲１▼は本実施の形態の設計点であり、プロセス蒸気が不要で、かつ高い発電効率で大きな発電量を必要とする運転状態である。すなわち、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量を圧縮機出口加湿器２０に供給し、水噴霧器２２からは微細水滴を噴霧しない運転状態である。
【００３５】
▲２▼は上記▲１▼の状態よりさらに大きな発電量を必要とする運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量を圧縮機出口加湿器２０に供給し、かつ、ガスタービンの許容範囲内で水噴霧器２２から微細水滴を噴霧する。
【００３６】
▲３▼は、できるだけ多くの発電量とプロセス蒸気量とを出力する運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量をプロセス蒸気に廻し、圧縮機出口加湿器２０へは蒸気を供給しない。これと同時に、水噴霧器２２からガスタービン許容範囲内で最大量の微細水滴を噴霧する。
【００３７】
▲４▼は、必要な発電量とプロセス蒸気量が中間的な場合の代表的運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量をプロセス蒸気に廻し、かつ、水噴霧器２２からも微細水滴を噴霧しない運転状態である。
【００３８】
▲５▼は、必要とする発電量が少なく、かつ、プロセス蒸気を必要としない場合の運転状態である。本運転状態では、▲１▼の運転状態と同様に蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量を圧縮機出口加湿器２０に供給し、水噴霧器２２からは微細水滴を噴霧しない。これと同時に、必要とする発電量に合わせて燃料を絞りＧＴ入口温度を下げるなどして、ガスタービンを部分負荷運転する。
【００３９】
上記の▲１▼〜▲５▼は代表的運転条件であり、必要とする発電量とプロセス蒸気量に応じて、圧縮機出口加湿器２０と水噴霧器２２の運転条件を選ぶことにより、図２の▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲４▼で囲まれる領域の発電量とプロセス蒸気量を、図３に示す高い発電効率で供給することができる。
【００４０】
また、必要とする発電量に合わせてＧＴ入口温度を下げるなどしてガスタービンを部分負荷運転することにより、図２の▲１▼−▲４▼−▲５▼で囲まれる領域の発電量とプロセス蒸気量を、図３に示す高い発電効率で供給することができる。
【００４１】
図２及び図３では吸気噴霧器２６を作動させない場合を示したが、例えば、圧縮機１１の吸い込み空気量の１ｗｔ％の水を吸気噴霧器２６より噴霧することにより、発電量及びプロセス蒸気量にかかわらず発電効率が図３に示した値よりさらに約１.６％（相対値）向上する効果がある。
【００４２】
なお、再生器１６又は蒸気発生器１７の排ガス上流側に追い炊きバーナを設けることにより、図３に示した運転状態▲３▼よりさらに大量のプロセス蒸気を供給することも可能である。
【００４３】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。本実施の形態では、膨張タービン１３の排気口と再生器１６の間に排ガス分流器４０が設けられ、再生器１６をバイパスして蒸気発生器１７に直接流入するガスタービン排ガスの割合を制御できるようになっている。そして、再生器１６を通過したガスタービン排ガスは、再生器１６をバイパスしたガスタービン排ガスと合流して蒸気発生器１７に流入する。なお、他の構成は実施の形態１の場合と同じである。
【００４４】
上記構成において、排ガス分流器４０によって、再生器１６をバイパスするガスタービン排ガス量を減少させると、再生器１６で回収される熱量が増加し、蒸気発生器１７で回収される熱量は減少する。そのため、発電出力は増加し、発電効率は向上し、蒸気発生量は低下する。
【００４５】
逆に、この排ガス分流器４０によって、再生器１６をバイパスして直接蒸気発生器１７に流入するガスタービン排ガス量を増加させると、再生器１６で回収される熱量が減少し、蒸気発生器１７で回収される熱量は増加する。そのため、発電出力は減少し、発電効率は低下するが、蒸気発生量を増加させることができる。
【００４６】
次に、本実施の形態に係るガスタービンコージェネレーションシステムの運用とその特性について、図５及び図６を用いて説明する。図５は圧縮機出口への加湿と再生器出口への加湿操作に加え、ガスタービン排ガスの再生器バイパス操作した時の発電量とプロセス蒸気量の関係を示し、図６はそのときの発電効率とプロセス蒸気量の関係を示している。図５及び図６の中の記号▲１▼〜▲７▼はシステムの運転状態を示しており、その運転状態は下記の通りである。ただし、図５及び図６は吸気噴霧器２６を作動させていないときの特性を示している。
【００４７】
▲１▼〜▲５▼はガスタービン排ガスが再生器バイパスなしの時の運転状態であり、図２に示した実施の形態１の▲１▼〜▲５▼の運転状態と同じである。したがって、▲１▼〜▲５▼の運転状態での発電量、プロセス蒸気量、発電効率等に関する特性は実施の形態１で述べた図２及び図３と同等の効果を得ることができる。
【００４８】
▲６▼は本実施の形態において最大のプロセス蒸気量を得ることのできる運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、ガスタービン排ガスの全量を再生器バイパスしている。この状態で、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量をプロセス蒸気に廻し、圧縮機出口加湿器２０へは蒸気を供給しない。これと同時に、水噴霧器２２からガスタービン許容範囲内で最大量の微細水滴を噴霧する。
【００４９】
▲７▼は上記▲６▼の運転状態のうち、水噴霧器２２からの噴霧を停止した運転状態である。
本実施の形態によれば、ガスタービン排ガスの再生器バイパス割合を制御することにより、実施の形態１で示した▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲４▼−▲５▼で囲まれる発電量とプロセス蒸気量の供給範囲に加え、▲３▼−▲６▼−▲７▼−▲４▼で囲まれる範囲の発電量とプロセス蒸気量の供給が可能となる。
【００５０】
ここで、図１１及び図１２に示した従来技術と本発明のシステムの特性である図５と図６を比較する。
従来技術では、追い炊きなしでかつガスタービンを定格運転している場合の発電量とプロセス蒸気量の関係は、図１１に示すように一本の曲線で表される。そのため、例えば必要な発電量及びプロセス蒸気量がこの曲線より下側にある場合には、必要な発電量、プロセス蒸気量に合わせてガスタービンを部分負荷運転する必要があり、発電効率が低下する。また、ガスタービンの部分負荷運転によってプロセス蒸気量が不足する場合には熱回収ボイラーの追い炊きが必要となり、さらに発電効率が低下する。そのため、必要な発電量とプロセス蒸気量が図１１の曲線上に無い場合は、図１２に示した発電効率より低下する。
【００５１】
これに対して本発明のシステムでは、図５に示す▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲６▼−▲７▼−▲４▼−▲１▼で囲まれる運転領域では、ガスタービンは定格運転のままで、かつ、追い炊きすることなく必要な発電量とプロセス蒸気量を供給できるので、図６に示す高い発電効率が可能となる。さらに、圧縮機１１の吸い込み空気量の１ｗｔ％程度の水を吸気噴霧器２６より噴霧することにより、発電量及びプロセス蒸気量にかかわらず発電効率が図６に示した値よりさらに約１.６％（相対値）向上する効果がある。
【００５２】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。実施の形態１では、圧縮機出口空気配管１８に設けられた圧縮機出口加湿器２０に蒸気発生器１７からの蒸気を注入していた。これに対し本実施の形態では、図７に示すように、圧縮機出口空気配管１８に圧縮機出口加湿器５０を設けるとともに、温水配管２４から分岐した分岐温水配管５１を圧縮機出口加湿器５０に接続し、蒸気発生器１７の節炭器から取り出した温水を温水配管２４及び分岐温水配管５１を介して圧縮機出口加湿器５０に供給し、圧縮機１１からの圧縮空気を加湿・減温している。なお、バルブ３０は分岐温水配管５１の途中に設けられている。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００５３】
次に、本実施の形態に係るガスタービンコージェネレーションシステムの運用とその特性について、図８及び図９を用いて説明する。図８は圧縮機出口への加湿と再生器出口への加湿を操作した時の発電量とプロセス蒸気量の関係を示し、図９はそのときの発電効率とプロセス蒸気量の関係を示している。図８及び図９の中の記号Ａ〜Ｄはシステムの運転状態を示しており、その運転状態は下記の通りである。なお、図８及び図９は圧縮機入口空気量の２ｗｔ％の水を吸気噴霧器２６から噴霧しているときの特性を示している。
【００５４】
Ａは本実施の形態の設計点であり、必要なプロセス蒸気量が少なく、かつ高い発電効率で大きな発電量を必要とする運転状態である。すなわち、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度とし、圧縮機出口加湿器５０の出口空気の相対湿度がほぼ１００％となるように蒸気発生器１７の節炭器から温水を圧縮機出口加湿器３１に供給している。このとき、水噴霧器２２からは微細水滴を噴霧しない運転状態である。
【００５５】
Ｂは、上記Ａの状態よりさらに大きな発電量とプロセス蒸気量を必要とする場合の運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度とし、圧縮機出口加湿器５０の出口空気の相対湿度がほぼ１００％となるように蒸気発生器１７の節炭器から温水を圧縮機出口加湿器５０に供給するとともに、ガスタービンの許容範囲内で水噴霧器２２から微細水滴を噴霧する。
【００５６】
Ｃは、できるだけ多くのプロセス蒸気量を出力する運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として運転している。圧縮機出口加湿器５０へは温水を供給せず、再生器１６での回収熱量を減少さ、蒸気発生器１７での発生蒸気量を増加させる。これと同時に、水噴霧器２２からガスタービン許容範囲内で最大量の微細水滴を噴霧する。
【００５７】
Ｄは、必要な発電量とプロセス蒸気量が比較的少ない場合の代表的運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）は定格温度で運転しているが、圧縮機出口加湿器５０へは温水を供給せず、かつ、水噴霧器２２からも微細水滴を噴霧しない運転状態である。
【００５８】
上記のＡ〜Ｄは代表的運転条件であり、必要とする発電量とプロセス蒸気量に応じて、圧縮機出口加湿器５０と水噴霧器２２の運転条件を選ぶことにより、図８のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄで囲まれる領域の発電量とプロセス蒸気量を、図９に示す高い発電効率で供給することができる。
【００５９】
特に本実施の形態では、圧縮機出口加湿器５０へ温水を供給して圧縮空気を加湿するとともに、空気を水の蒸発潜熱で減温して再生器１６に供給しているため、再生器１６での回収熱量が大きくなる。そのため、上記Ａのように圧縮機出口加湿器５０を運転している時の発電効率が高くなるという効果がある。
【００６０】
なお、再生器１６又は蒸気発生器１７の排ガス上流側に追い炊きバーナを設けることにより、図８に示した運転状態Ｃよりさらに大量のプロセス蒸気を供給することも可能である。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発電効率を高く維持したまま、広範囲のプロセス蒸気量範囲での運用が可能なガスタービンコージェネレーションシステムの実現を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。
【図２】図１のシステムの運用法とその特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図３】図１のシステムの運用法とその特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。
【図５】図４のシステムの運用法とその特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図６】図４のシステムの運用法とその特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態３によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。
【図８】図７のシステムの運用法とその特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図９】図７のシステムの運用法とその特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図１０】従来技術によるガスタービンコージェネレーションシステムの構成図である。
【図１１】図１０のシステムの特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図１２】図１０のシステムの特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図１３】他の従来技術によるガスタービンコージェネレーションシステムの構成図である。
【図１４】図１３のシステムの特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図１５】図１３のシステムの特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ 膨張タービン
１４ ガスタービン
１５ 発電機
１６ 再生器
１７ 蒸気発生器
２０，５０ 圧縮機出口加湿器
２２ 水噴霧器
２６ 吸気噴霧器
３５ 制御装置
４０ 排ガス分流器
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンを用いたコージェネレーションシステムに関し、特にプロセスに送気する蒸気量と発電出力の割合(＝熱電比)を可変とし、かつ、高い発電効率を達成する熱電比可変のコージェネレーションシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電比可変のコージェネレーションシステムの従来例として、チェン(Cheng）サイクルが知られている。このチェンサイクルには、図１０に示すように、空気を圧縮する圧縮機１と、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器２と、燃焼ガスによって駆動され圧縮機１を回転させる膨張タービン３とからなるガスタービン４が設けられている。そして、ガスタービン４からの高温排ガスを排熱回収ボイラ５に通気するとともに、排熱回収ボイラ５内の蒸気発生器６において高温排ガスからの回収熱を利用して、排熱回収ボイラ５に供給された水から蒸気を発生する。発生した蒸気は分岐させて、一部の蒸気はプロセス蒸気として外部へ送気するとともに、残りの蒸気は排熱回収ボイラ５内の過熱器７で更に加熱した後に、ガスタービン４の燃焼器２に注入する。これにより、ガスタービン４で駆動される発電機８の発電出力を増加させることができる。なお、必要なプロセス蒸気量に対して排熱回収ボイラ５での発生蒸気量が不足する場合には、排熱回収ボイラ５を追い炊きして発生蒸気量を増加させている。
【０００３】
このようなチェンサイクルでは、ガスタービン４の燃料流量と燃焼器２への蒸気注入量と追い炊き量を制御することによって、必要な発電量とプロセス蒸気量の幅広い変化に対応した運転が可能である。
【０００４】
チェンサイクルの代表的特性例として、ガスタービンを定格で運転し、かつ追い炊きをしない場合の発電量とプロセス蒸気量の関係を図１１に、そのときの発電効率とプロセス蒸気量の関係を図１２に示す。なお、この例では発生蒸気量の１／２をプロセス蒸気量として出力し、残りの蒸気を燃焼器に注入する条件を設計点としている。
【０００５】
図１１に示すように、チェンサイクルでは、ガスタービンを定格で運転し、かつ追い炊きをしない場合でも、比較的広い範囲のプロセス蒸気量に対応可能であるが、図１２に示すように、チェンサイクルの発電効率は最も良い運転条件においてもシンプルサイクルのガスタービン発電機を幾分上回る程度であり、発電効率が比較的低いという欠点がある。
【０００６】
そこで、図１３に示すように再生器９を設けるとともに、蒸気発生器６で発生した蒸気と圧縮機１からの圧縮空気とを混合して再生器９に供給し、再生器９においてガスタービン４からの高温排ガスによって加熱された空気−蒸気混合ガスを燃焼器２に供給することが提案されている（特公平８−２６７８０号公報）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１３に示すシステムにおける発電量−プロセス蒸気量、及び発電効率−プロセス蒸気量の特性を示すと、それぞれ図１４及び図１５のようになり、プロセス蒸気及び発電量の必要量に応じて、その割合（熱電比）を比較的高い発電効率を維持した状態で変えることができる。
【０００８】
しかし、上記従来の技術では、プロセス蒸気及び発電量の可変範囲が比較的狭く、プロセス蒸気量をさらに大量に供給するためは補助ボイラ等が必要となり、全投入燃料に対する発電効率が大きく低下する。多くのユーザは発電効率をできるだけ高く維持したまま広範囲のプロセス蒸気量範囲での運用を望むことが多く、従来の技術では、これらユーザの要求には十分に答えることができない。
【０００９】
本発明の課題は、発電効率を高く維持したまま、広範囲のプロセス蒸気量範囲での運用が可能なガスタービンコージェネレーションシステムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムは、空気を圧縮する圧縮機、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動され前記圧縮機を回転させる膨張タービンからなるガスタービンと、前記ガスタービンによって回転駆動される発電機と、前記ガスタービンから排出されたガスタービン排ガスが通気され、該ガスタービン排ガスと前記圧縮機から抽気した圧縮空気との間で熱交換して圧縮空気を加熱するとともに、その加熱した圧縮空気を前記燃焼器に導入する再生器と、前記再生器通過後のガスタービン排ガスの熱を利用して水から蒸気を発生する蒸気発生器と、前記圧縮機から抽気した圧縮空気に、前記蒸気発生器で発生した蒸気又は微細水滴を注入して加湿する加湿器と、前記再生器で加熱された圧縮空気に、微細水滴を噴霧して加湿する水噴霧器とを備えたことを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、加湿器において、注入する蒸気の量又は微細水滴の量を増加させると、圧縮機から抽気した圧縮空気は加湿され流量が増加するとともに温度が低下する。そのため、再生器におけるガスタービン排ガスからの回収熱量が増加する。そして、再生器で加熱された圧縮空気はガスタービンの燃焼器に導入されるため、発電出力が増加し、かつ、発電効率も向上する。このとき、再生器後流側の蒸気発生器に流入するガスタービン排ガスの保有熱量は減少するため、発生蒸気量は減少する。
【００１２】
一方、水噴霧器において、再生器で加熱された圧縮空気に微細水滴を噴霧すると、再生器からの高温の圧縮空気は加湿増量かつ減温されて燃焼器に入る。燃焼器からの高温燃焼ガスのタービン入口温度を一定とすると、投入燃料及び燃焼ガス流量が増加して、発電出力は増加するが、発電効率は低下する。このとき、ガスタービン排ガス流量が増加するため、発生蒸気量が増加する。
【００１３】
したがって、加湿器で蒸気又は微細水滴の注入操作と水噴霧器での微細水滴の噴霧操作を組み合わせることにより、必要な発電出力とプロセス蒸気量に対応したシステムの運用が可能となる。
【００１４】
必要とするプロセス蒸気量の増／減に応じて前記加湿器で注入される蒸気又は微細水滴量を減／増させるとともに、必要な発電量の増減に応じて前記水噴霧器で噴霧される微細水滴量を増／減させる制御装置を設けることができる。
【００１５】
また、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムは、上記のシステム構成に加えて、圧縮機が吸気する空気に微細水滴を噴霧する吸気噴霧器を設けたことを特徴としている。この場合、吸気噴霧器で噴霧される微細水滴量を、必要な発電量及びプロセス蒸気量に応じて制御する制御装置を設けることができる。
【００１６】
吸気噴霧器で噴霧された微細水滴は、その一部が蒸発するときに圧縮機入口に流入する空気から熱を奪いその温度を低下させ、空気の体積当りの重量（比重量）が増加する。圧縮機の回転数が一定の場合には圧縮機に流入する空気の体積流量は一定であるので、空気の比重量の増加によって圧縮機に流入する空気の重量流量が増加する。そのため、ガスタービンの作動流体の流量が増加して発電出力が増加する。
【００１７】
また、圧縮機入口で蒸発しなかった微細水滴は圧縮機内部で蒸発して空気温度を下げるのでインタークーラと同様の効果があり、圧縮動力を低下させることができる。この圧縮動力の低下により、プラントの発電効率が向上する。
【００１８】
さらに、本発明のガスタービンコージェネレーションシステムは、上記の各システム構成に加えて、再生器をバイパスして蒸気発生器に直接流入するガスタービン排ガスの割合を制御する排ガス分流器を設けたことを特徴としている。この場合、必要とするプロセス蒸気量の増／減に応じて加湿器で注入される蒸気量又は微細水滴量を減／増させるとともに、必要な発電出力の増減に応じて水噴霧器で噴霧される微細水滴量を増／減させ、上記制御範囲を超えてプロセス蒸気量を増加させる必要がある場合は、分流する排ガス量を増加させる制御装置を設けることができる。
【００１９】
上記構成によれば、排ガス分流器によって再生器に直接通気するガスタービン排ガス量を増加させると、再生器で回収される熱量が増加し、蒸気発生器で回収される熱量は減少する。そのため、発電出力は増加し、発電効率は向上し、蒸気発生量は低下する。
【００２０】
逆に、この排ガス分流器によって再生器に直接通気するガスタービン排ガス量を減少させると、再生器で回収される熱量が減少し、蒸気発生器で回収される熱量は増加する。そのため、発電出力は減少し、発電効率は低下するが、蒸気発生量は増加する。
【００２１】
このように、加湿器及び水噴霧器を設けた場合、または加湿器、水噴霧器及び吸気噴霧器を設けた場合における制御に加えて、排ガス分流器による再生器バイパス制御を組み合わせることによって、必要な発電出力とプロセス蒸気量に対応したシステムの運用がより広い範囲で可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。図１に示すように、空気を圧縮する圧縮機１１と、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器１２と、燃焼ガスによって駆動され圧縮機１１を回転させる膨張タービン１３とからなるガスタービン１４が設けられている。ガスタービン１４には発電機１５が接続され、この発電機１５は膨張タービン１３によって駆動される。また、ガスタービン１４からの高温の排ガス（ガスタービン排ガス）が通気される再生器１６が設けられ、さらにガスタービン排ガスの流れに沿って再生器１６の後流側に、蒸発器と節炭器とより構成された蒸気発生器１７が設けられている。
【００２３】
圧縮機１１で圧縮した圧縮空気はタービン１３に導入されているが、本実施の形態では、前記圧縮空気の大部分は圧縮機１１出口に取り付けられた圧縮機出口空気配管１８を介して再生器１６に供給される。この圧縮空気は再生器１６でガスタービンからの排ガスと熱交換して高温圧縮空気となり、再生器１６出口に取り付けられた再生器出口配管１９を介して燃焼器１２に導入され、燃焼器１２に供給される燃料を燃焼させて発生した高温燃焼ガスにより膨張タービン１３を駆動する。そして、膨張タービン１３で発生した動力により発電機１５と圧縮機１１は駆動される。
【００２４】
このように、本実施の形態ではいわゆる再生サイクルを基本としている。この再生サイクルでは、再生器１６でガスタービン排ガスから圧縮空気に熱を回収して燃焼器１２に戻すことができるので、高い発電効率での発電が可能となる。
【００２５】
また、本実施の形態では、圧縮機出口空気配管１８の途中に圧縮機出口加湿器２０が設けられ、この圧縮機出口加湿器２０と蒸気発生器１７の蒸発器とが蒸気配管２１で接続されている。蒸気発生器１７で発生した蒸気の一部はプロセス蒸気として他の設備に供給されるが、残りの蒸気は蒸気配管２１を介して圧縮機出口加湿器２０に注入され、圧縮機１１からの圧縮空気を加湿・増量する。圧縮機出口加湿器２０には、蒸気の代わりに微細水滴を注入することもできる。
【００２６】
このように構成することにより、蒸気発生器１７で発生した蒸気が必要なプロセス蒸気より多い場合には、残りの蒸気で圧縮機１１からの圧縮空気を加湿・増量することができ、また再生器１６で回収できる熱量も増加する。この加湿・増量された圧縮空気が燃焼器１２に供給されるため、燃焼ガスの膨張タービン１３入口温度が一定の場合には膨張タービン１３の作動ガス流量が増加し、発電出力が増加し、発電効率も向上する。圧縮空気への加湿量を増加させたときの蒸気発生器１７での発生蒸気量は、再生器１６で回収される熱量が増加して蒸気発生器１７へ流入する排ガス熱量が低下する効果と、膨張タービン１３の作動ガス流量が増加することにより蒸気発生器１７への排ガス熱量が増加する効果のバランスで決まる。
【００２７】
また、本実施の形態では、再生器出口配管１９の途中に水噴霧器２２が設けられ、この水噴霧器２２と蒸気発生器１７の節炭器とが高圧水ポンプ２３を有する温水配管２４で接続されている。そして、蒸気発生器１７の節炭器で加温された温水は高圧水ポンプ２３で昇圧され、水噴霧器２２から微細水滴として噴霧される。
【００２８】
このように、水噴霧器２２において微細水滴を噴霧すると、再生器１６からの高温圧縮空気が加湿・増量され、かつ微細水滴の蒸発潜熱により減温されてから燃焼器１２に入る。このとき、燃焼器１２からの高温燃焼ガスの膨張タービン１３入口温度を一定とすると、膨張タービン１３の作動ガス流量が増加して、発電出力が増加する。また、ガスタービン排ガス流量が増加するため、発生蒸気量も増加する。ただし、燃焼器１２への必要な燃料の流量が増加して、発電効率は低下する。
【００２９】
さらに、本実施の形態では、圧縮機１１に取り付けられた空気吸込配管２５の途中に吸気噴霧器２６が設けられ、この吸気噴霧器２６には給水ポンプ２７及び高圧水ポンプ２８を有する給水配管２９が接続されている。そして、給水ポンプ２７を経て高圧水ポンプ２８で昇圧された水が吸気噴霧器２６に導入され、吸気噴霧器２６では圧縮機１１の吸気空気流量の０.５〜２ｗｔ％の水を微細水滴として噴霧する。給水配管２９は途中が分岐して蒸気発生器１７の節炭器に接続されている。
【００３０】
吸気噴霧器２６において微細水滴を噴霧すると、噴霧された微細水滴は、その一部が蒸発するときに圧縮機１１入口に流入する空気から熱を奪い、その温度を低下させ、空気の比重量を増加させる。圧縮機１１の回転数が一定の場合には圧縮機１１に流入する空気の体積流量は一定であるので、空気の比重量の増加によって圧縮機１１に流入する空気の重量流量が増加する。そのため、ガスタービン１４の作動流体の流量が増加して発電出力が増加する。また、圧縮機１１入口で蒸発しなかった微細水滴は圧縮機１１内部で蒸発して空気温度を下げるのでインタークーラと同様の効果があり、圧縮動力を下げる効果がある。この圧縮動力の低下により、プラントの発電効率が向上する。
【００３１】
また、蒸気配管２１、温水配管２４、及び給水配管２９にはそれぞれバルブ３０，３１，３２が設けられ、また燃焼器１２に接続された燃料配管３３にもバルブ３４が設けられている。これらのバルブ３０，３１，３２，３４は制御装置３５に接続され、この制御装置３５によって開度が制御される。なお、燃焼器１２に供給される燃料量は、バルブ３４の開度を制御することによって行われる。
【００３２】
上述したように本実施の形態によれば、圧縮機出口加湿器２０、水噴霧器２２、及び吸気噴霧器２６を設け、圧縮機出口加湿器２０での蒸気又は微細水滴の注入操作、水噴霧器２２での微細水滴の噴霧操作、及び吸気噴霧器２６での微細水滴の噴霧操作を組み合わせることにより、高い発電効率を維持したままで、必要な発電量とプロセス蒸気量に対応したシステムの運用が可能となる。なお、圧縮機出口加湿器２０での蒸気又は微細水滴の注入操作、及び水噴霧器２２での微細水滴の噴霧操作だけでも、高い発電効率を維持したままで、必要な発電量とプロセス蒸気量に対応したシステムの運用が可能である。
【００３３】
次に、本実施の形態に係るガスタービンコージェネレーションシステムの運用とその特性について、図２及び図３を用いて説明する。図２は圧縮機出口への加湿と再生器出口への加湿および燃料を操作した時の発電量とプロセス蒸気量の関係を示し、図３はそのときの発電効率とプロセス蒸気量の関係を示している。図２及び図３中の記号▲１▼〜▲５▼はシステムの運転状態を示しており、その運転状態は下記の通りである。ただし、図２及び図３は吸気噴霧器２６を作動させていないときの特性を示している。
【００３４】
▲１▼は本実施の形態の設計点であり、プロセス蒸気が不要で、かつ高い発電効率で大きな発電量を必要とする運転状態である。すなわち、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量を圧縮機出口加湿器２０に供給し、水噴霧器２２からは微細水滴を噴霧しない運転状態である。
【００３５】
▲２▼は上記▲１▼の状態よりさらに大きな発電量を必要とする運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量を圧縮機出口加湿器２０に供給し、かつ、ガスタービンの許容範囲内で水噴霧器２２から微細水滴を噴霧する。
【００３６】
▲３▼は、できるだけ多くの発電量とプロセス蒸気量とを出力する運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量をプロセス蒸気に廻し、圧縮機出口加湿器２０へは蒸気を供給しない。これと同時に、水噴霧器２２からガスタービン許容範囲内で最大量の微細水滴を噴霧する。
【００３７】
▲４▼は、必要な発電量とプロセス蒸気量が中間的な場合の代表的運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量をプロセス蒸気に廻し、かつ、水噴霧器２２からも微細水滴を噴霧しない運転状態である。
【００３８】
▲５▼は、必要とする発電量が少なく、かつ、プロセス蒸気を必要としない場合の運転状態である。本運転状態では、▲１▼の運転状態と同様に蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量を圧縮機出口加湿器２０に供給し、水噴霧器２２からは微細水滴を噴霧しない。これと同時に、必要とする発電量に合わせて燃料を絞りＧＴ入口温度を下げるなどして、ガスタービンを部分負荷運転する。
【００３９】
上記の▲１▼〜▲５▼は代表的運転条件であり、必要とする発電量とプロセス蒸気量に応じて、圧縮機出口加湿器２０と水噴霧器２２の運転条件を選ぶことにより、図２の▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲４▼で囲まれる領域の発電量とプロセス蒸気量を、図３に示す高い発電効率で供給することができる。
【００４０】
また、必要とする発電量に合わせてＧＴ入口温度を下げるなどしてガスタービンを部分負荷運転することにより、図２の▲１▼−▲４▼−▲５▼で囲まれる領域の発電量とプロセス蒸気量を、図３に示す高い発電効率で供給することができる。
【００４１】
図２及び図３では吸気噴霧器２６を作動させない場合を示したが、例えば、圧縮機１１の吸い込み空気量の１ｗｔ％の水を吸気噴霧器２６より噴霧することにより、発電量及びプロセス蒸気量にかかわらず発電効率が図３に示した値よりさらに約１.６％（相対値）向上する効果がある。
【００４２】
なお、再生器１６又は蒸気発生器１７の排ガス上流側に追い炊きバーナを設けることにより、図３に示した運転状態▲３▼よりさらに大量のプロセス蒸気を供給することも可能である。
【００４３】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。本実施の形態では、膨張タービン１３の排気口と再生器１６の間に排ガス分流器４０が設けられ、再生器１６をバイパスして蒸気発生器１７に直接流入するガスタービン排ガスの割合を制御できるようになっている。そして、再生器１６を通過したガスタービン排ガスは、再生器１６をバイパスしたガスタービン排ガスと合流して蒸気発生器１７に流入する。なお、他の構成は実施の形態１の場合と同じである。
【００４４】
上記構成において、排ガス分流器４０によって、再生器１６をバイパスするガスタービン排ガス量を減少させると、再生器１６で回収される熱量が増加し、蒸気発生器１７で回収される熱量は減少する。そのため、発電出力は増加し、発電効率は向上し、蒸気発生量は低下する。
【００４５】
逆に、この排ガス分流器４０によって、再生器１６をバイパスして直接蒸気発生器１７に流入するガスタービン排ガス量を増加させると、再生器１６で回収される熱量が減少し、蒸気発生器１７で回収される熱量は増加する。そのため、発電出力は減少し、発電効率は低下するが、蒸気発生量を増加させることができる。
【００４６】
次に、本実施の形態に係るガスタービンコージェネレーションシステムの運用とその特性について、図５及び図６を用いて説明する。図５は圧縮機出口への加湿と再生器出口への加湿操作に加え、ガスタービン排ガスの再生器バイパス操作した時の発電量とプロセス蒸気量の関係を示し、図６はそのときの発電効率とプロセス蒸気量の関係を示している。図５及び図６の中の記号▲１▼〜▲７▼はシステムの運転状態を示しており、その運転状態は下記の通りである。ただし、図５及び図６は吸気噴霧器２６を作動させていないときの特性を示している。
【００４７】
▲１▼〜▲５▼はガスタービン排ガスが再生器バイパスなしの時の運転状態であり、図２に示した実施の形態１の▲１▼〜▲５▼の運転状態と同じである。したがって、▲１▼〜▲５▼の運転状態での発電量、プロセス蒸気量、発電効率等に関する特性は実施の形態１で述べた図２及び図３と同等の効果を得ることができる。
【００４８】
▲６▼は本実施の形態において最大のプロセス蒸気量を得ることのできる運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として、ガスタービン排ガスの全量を再生器バイパスしている。この状態で、蒸気発生器１７で発生した蒸気の全量をプロセス蒸気に廻し、圧縮機出口加湿器２０へは蒸気を供給しない。これと同時に、水噴霧器２２からガスタービン許容範囲内で最大量の微細水滴を噴霧する。
【００４９】
▲７▼は上記▲６▼の運転状態のうち、水噴霧器２２からの噴霧を停止した運転状態である。
本実施の形態によれば、ガスタービン排ガスの再生器バイパス割合を制御することにより、実施の形態１で示した▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲４▼−▲５▼で囲まれる発電量とプロセス蒸気量の供給範囲に加え、▲３▼−▲６▼−▲７▼−▲４▼で囲まれる範囲の発電量とプロセス蒸気量の供給が可能となる。
【００５０】
ここで、図１１及び図１２に示した従来技術と本発明のシステムの特性である図５と図６を比較する。
従来技術では、追い炊きなしでかつガスタービンを定格運転している場合の発電量とプロセス蒸気量の関係は、図１１に示すように一本の曲線で表される。そのため、例えば必要な発電量及びプロセス蒸気量がこの曲線より下側にある場合には、必要な発電量、プロセス蒸気量に合わせてガスタービンを部分負荷運転する必要があり、発電効率が低下する。また、ガスタービンの部分負荷運転によってプロセス蒸気量が不足する場合には熱回収ボイラーの追い炊きが必要となり、さらに発電効率が低下する。そのため、必要な発電量とプロセス蒸気量が図１１の曲線上に無い場合は、図１２に示した発電効率より低下する。
【００５１】
これに対して本発明のシステムでは、図５に示す▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲６▼−▲７▼−▲４▼−▲１▼で囲まれる運転領域では、ガスタービンは定格運転のままで、かつ、追い炊きすることなく必要な発電量とプロセス蒸気量を供給できるので、図６に示す高い発電効率が可能となる。さらに、圧縮機１１の吸い込み空気量の１ｗｔ％程度の水を吸気噴霧器２６より噴霧することにより、発電量及びプロセス蒸気量にかかわらず発電効率が図６に示した値よりさらに約１.６％（相対値）向上する効果がある。
【００５２】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。実施の形態１では、圧縮機出口空気配管１８に設けられた圧縮機出口加湿器２０に蒸気発生器１７からの蒸気を注入していた。これに対し本実施の形態では、図７に示すように、圧縮機出口空気配管１８に圧縮機出口加湿器５０を設けるとともに、温水配管２４から分岐した分岐温水配管５１を圧縮機出口加湿器５０に接続し、蒸気発生器１７の節炭器から取り出した温水を温水配管２４及び分岐温水配管５１を介して圧縮機出口加湿器５０に供給し、圧縮機１１からの圧縮空気を加湿・減温している。なお、バルブ３０は分岐温水配管５１の途中に設けられている。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００５３】
次に、本実施の形態に係るガスタービンコージェネレーションシステムの運用とその特性について、図８及び図９を用いて説明する。図８は圧縮機出口への加湿と再生器出口への加湿を操作した時の発電量とプロセス蒸気量の関係を示し、図９はそのときの発電効率とプロセス蒸気量の関係を示している。図８及び図９の中の記号Ａ〜Ｄはシステムの運転状態を示しており、その運転状態は下記の通りである。なお、図８及び図９は圧縮機入口空気量の２ｗｔ％の水を吸気噴霧器２６から噴霧しているときの特性を示している。
【００５４】
Ａは本実施の形態の設計点であり、必要なプロセス蒸気量が少なく、かつ高い発電効率で大きな発電量を必要とする運転状態である。すなわち、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度とし、圧縮機出口加湿器５０の出口空気の相対湿度がほぼ１００％となるように蒸気発生器１７の節炭器から温水を圧縮機出口加湿器３１に供給している。このとき、水噴霧器２２からは微細水滴を噴霧しない運転状態である。
【００５５】
Ｂは、上記Ａの状態よりさらに大きな発電量とプロセス蒸気量を必要とする場合の運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度とし、圧縮機出口加湿器５０の出口空気の相対湿度がほぼ１００％となるように蒸気発生器１７の節炭器から温水を圧縮機出口加湿器５０に供給するとともに、ガスタービンの許容範囲内で水噴霧器２２から微細水滴を噴霧する。
【００５６】
Ｃは、できるだけ多くのプロセス蒸気量を出力する運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）を定格温度として運転している。圧縮機出口加湿器５０へは温水を供給せず、再生器１６での回収熱量を減少さ、蒸気発生器１７での発生蒸気量を増加させる。これと同時に、水噴霧器２２からガスタービン許容範囲内で最大量の微細水滴を噴霧する。
【００５７】
Ｄは、必要な発電量とプロセス蒸気量が比較的少ない場合の代表的運転状態である。本運転状態では、燃焼ガスの膨張タービン１３の入口温度（ＧＴ入口温度）は定格温度で運転しているが、圧縮機出口加湿器５０へは温水を供給せず、かつ、水噴霧器２２からも微細水滴を噴霧しない運転状態である。
【００５８】
上記のＡ〜Ｄは代表的運転条件であり、必要とする発電量とプロセス蒸気量に応じて、圧縮機出口加湿器５０と水噴霧器２２の運転条件を選ぶことにより、図８のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄで囲まれる領域の発電量とプロセス蒸気量を、図９に示す高い発電効率で供給することができる。
【００５９】
特に本実施の形態では、圧縮機出口加湿器５０へ温水を供給して圧縮空気を加湿するとともに、空気を水の蒸発潜熱で減温して再生器１６に供給しているため、再生器１６での回収熱量が大きくなる。そのため、上記Ａのように圧縮機出口加湿器５０を運転している時の発電効率が高くなるという効果がある。
【００６０】
なお、再生器１６又は蒸気発生器１７の排ガス上流側に追い炊きバーナを設けることにより、図８に示した運転状態Ｃよりさらに大量のプロセス蒸気を供給することも可能である。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発電効率を高く維持したまま、広範囲のプロセス蒸気量範囲での運用が可能なガスタービンコージェネレーションシステムの実現を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。
【図２】図１のシステムの運用法とその特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図３】図１のシステムの運用法とその特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。
【図５】図４のシステムの運用法とその特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図６】図４のシステムの運用法とその特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態３によるガスタービンコージェネレーションシステムの全体構成図である。
【図８】図７のシステムの運用法とその特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図９】図７のシステムの運用法とその特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図１０】従来技術によるガスタービンコージェネレーションシステムの構成図である。
【図１１】図１０のシステムの特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図１２】図１０のシステムの特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図１３】他の従来技術によるガスタービンコージェネレーションシステムの構成図である。
【図１４】図１３のシステムの特性（発電量−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【図１５】図１３のシステムの特性（発電効率−プロセス蒸気量）示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ 膨張タービン
１４ ガスタービン
１５ 発電機
１６ 再生器
１７ 蒸気発生器
２０，５０ 圧縮機出口加湿器
２２ 水噴霧器
２６ 吸気噴霧器
３５ 制御装置
４０ 排ガス分流器
Claims (4)
- 空気を圧縮する圧縮機、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動され前記圧縮機を回転させる膨張タービンからなるガスタービンと、前記ガスタービンによって回転駆動される発電機と、前記ガスタービンから排出されたガスタービン排ガスが通気され、該ガスタービン排ガスと前記圧縮機から抽気した圧縮空気との間で熱交換して圧縮空気を加熱するとともに、その加熱した圧縮空気を前記燃焼器に導入する再生器と、前記再生器通過後のガスタービン排ガスの熱を利用して水から蒸気を発生する蒸気発生器と、前記圧縮機から抽気した圧縮空気に、前記蒸気発生器で発生した蒸気又は微細水滴を注入して加湿する加湿器と、前記再生器で加熱された圧縮空気に、微細水滴を噴霧して加湿する水噴霧器とを備えたガスタービンコージェネレーションシステム。
- 請求項１に記載のガスタービンコージェネレーションシステムにおいて、
必要とするプロセス蒸気量の増／減に応じて前記加湿器で注入される蒸気又は微細水滴量を減／増させるとともに、必要な発電量の増減に応じて前記水噴霧器で噴霧される微細水滴量を増／減させる制御装置を設けたことを特徴とするガスタービンコージェネレーションシステム。 - 空気を圧縮する圧縮機、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器、及び前記燃焼ガスによって駆動され前記圧縮機を回転させる膨張タービンからなるガスタービンと、前記ガスタービンによって回転駆動される発電機と、前記ガスタービンから排出されたガスタービン排ガスが通気され、該ガスタービン排ガスと前記圧縮機から抽気した圧縮空気との間で熱交換して圧縮空気を加熱するとともに、その加熱した圧縮空気を前記燃焼器に導入する再生器と、前記再生器通過後のガスタービン排ガスの熱を利用して水から蒸気を発生する蒸気発生器と、前記再生器をバイパスして前記蒸気発生器に直接流入する前記ガスタービン排ガスの割合を制御する排ガス分流器と、前記圧縮機から抽気した圧縮空気に、前記蒸気発生器で発生した蒸気又は微細水滴を注入して加湿する加湿器と、前記再生器で加熱された圧縮空気に、微細水滴を噴霧して加湿する水噴霧器とを備えたガスタービンコージェネレーションシステム。
- 請求項３に記載のガスタービンコージェネレーションシステムにおいて、
必要とするプロセス蒸気量の増／減に応じて前記加湿器で注入される蒸気量又は微細水滴量を減／増させるとともに、必要な発電出力の増減に応じて前記水噴霧器で噴霧される微細水滴量を増／減させ、上記制御範囲を超えてプロセス蒸気量を増加させる必要がある場合は、分流する排ガス量を増加させる制御装置を設けたことを特徴とするガスタービンコージェネレーションシステム。
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