JP3967795B2 - ２流体ガスタービンシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、２流体ガスタービンシステムに関し、特にその排ガスの白煙が発生することを防止するための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からのいわばシンプルサイクルであるガスタービン装置では、新しい空気を圧縮機で圧縮し、これを燃焼室に送って燃料を燃焼し、その排ガスをタービンに送って膨張させた後、大気放散する。このガスタービン装置からの排ガスの水分は、たとえば７〜９％程度であり、したがって気温が低い冬場においても、排ガス中の水分が凝縮することはなく、白煙は発生しない。
【０００３】
発電出力および発電効率の向上を図った２流体ガスタービン装置では、ガスタービンからの排ガスをボイラに導き、排ガスの排熱回収によって得られる過熱蒸気を、燃焼器に噴射し、これによって燃焼器で多量の燃料を焚くことができるようにし、熱効率を向上する。この２流体ガスタービン装置では、燃焼器に水蒸気が噴射されるので、ガスタービンからの排ガス中の水分は、たとえば約２６〜２８％であり、したがって気温が低い冬場では、排ガスが大気放散される際、排ガス中の水分が凝縮し、白煙が生じ、視覚的公害が発生する。
【０００４】
この問題を解決する先行技術は図１０に示されている。２流体ガスタービン装置１からの排ガスはボイラ２に導かれて排熱回収され、ここで得られた過熱蒸気は、管路３から、前述のようにガスタービン装置１の燃焼器に供給される。ボイラ２からの排ガスは、管路４から煙突５に導かれる。煙突５から排出される排ガスの白煙が生じることを防ぐために、煙突５内にはガスバーナ６に管路７から燃料ガスが供給されるとともに、送風機８から燃焼用空気が供給される。こうして煙突５内で排ガスを加温し、排ガスの温度を上昇する。
【０００５】
図１０に示される先行技術では、白煙の発生を防止するためにバーナ６を用いており、したがって熱効率が悪い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、排ガスの大気放散時における白煙が発生することを防止するとともに、熱効率を向上した２流体ガスタービンシステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（ａ）ガスタービン装置であって、
空気の圧縮機と、
圧縮機からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からのガスが供給され、圧縮機を駆動するタービンとを含み、
燃焼器入口からタービン入口までの間に水蒸気が供給されるガスタービン装置と、
（ｂ）タービンからの排ガスの排熱回収をして水蒸気を発生し、ガスタービン装置に供給するボイラと、
（ｃ）ボイラに並列に設けられ、タービンからの排ガスを導くバイパス路と、
（ｄ）ボイラとバイパス路とにおける排ガスの流量比を、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスとの混合排ガスが大気に放散されるとき、混合排ガス中の水分が凝縮しない温度になるように、制御する制御手段であって、
（ｄ１）ボイラに流れる排ガスの流量またはバイパス路に流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段と、
（ｄ２）ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算する第１演算手段であって、
ガスタービン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを検出する手段と、
水蒸気流量検出手段と燃料流量検出手段と空気流量検出手段との出力に応答し、燃料の燃焼反応後の排ガス中の水分の分圧を演算する排ガス水分分圧演算手段とを含む第１演算手段と、
（ｄ３）排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を演算する第２演算手段と、
（ｄ４）第１および第２演算手段の出力に応答し、前記温度範囲のうち、前記混合排ガスの温度を設定する目標排ガス温度設定手段と、
（ｄ５）前記混合排ガスの温度を検出する実ガス温度検出手段と、
（ｄ６）目標排ガス温度設定手段と、実ガス温度検出手段との出力に応答し、検出される実ガス温度が目標排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動する駆動制御手段とを含む制御手段とを含むことを特徴とする２流体ガスタービンシステムである。
【０００８】
本発明に従えば、ガスタービン装置は圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含み、このタービンによって発電機が駆動され、またはこのタービンからの排ガスが供給される出力タービンをさらに有し、この出力タービンによって発電機を駆動し、こうして発電を行うことができる。このガスタービン装置において、燃焼器の入口からタービン入口までの間、または出力タービンの入口までの間、たとえば燃焼器の入口またはタービンの入口に、水蒸気を噴射して供給する。これによって熱効率が向上し、発電出力が増加する。噴射される水蒸気の温度は、ガスタービン本来の燃焼ガス温度よりも低いので、水蒸気を噴射しない構成に比べて、多量の燃料を焚くことができる。したがってタービンでは、水蒸気の流量の分だけ多く出力が発生し、これに対して圧縮機の負荷は増えない。これによって出力が増大し、熱効率が向上される。水蒸気は燃焼器内に噴射されてもよく、あるいはまた出力タービンの入口に供給されてもよい。
【０００９】
排ガスの有している排熱を回収するためにボイラが設けられる。このボイラによって水蒸気が発生されて、上述のように燃焼器入口からタービン入口までの間に供給される。
【００１０】
本発明に従えば、タービンからの排ガスを、バイパス路を介して導き、ボイラからの排ガスに混合する。これによって混合ガスの温度を上昇する。したがって混合排ガスが大気に放散されるとき、その混合排ガス中の水分が凝縮する温度にまで低下してしまうおそれはない。したがって混合排ガスが大気放散されたとき、過飽和領域に入ることはなく、その混合排ガス中の水分が凝縮してミスト、すなわち白煙を発生することはない。このことは特に、気温が低い冬場では、有利である。しかも白煙防止のために、前述の図１０に関連して述べた燃料を、本発明では必要としないので、熱効率の向上を図ることができる。
第１演算手段によってガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算して求め、第２演算手段によって、排ガスが放散される大気の温度および湿度に依存して、水分が凝縮してミストが生じない水分の分圧に対応した温度範囲を演算し、これによってガスタービン装置からの排ガスが大気放散されたときに水分が凝縮しない前記混合排ガスの目標排ガス温度を設定し、実ガス温度検出手段によって検出される混合排ガスの温度が、目標排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動制御する。流量制御手段は、たとえばボイラに導かれる排ガスの流量を制御する流量制御弁であってもよく、またはバイパス路に流れる排ガスの流量を制御する流量制御弁であってもよく、またはガスタービン装置からの排ガスをボイラおよびバイパス路に分岐し、その分岐する流量比を変化する三方弁などであってもよく、流量制御弁は、たとえばダンパなどのように羽根が角変位する構成であってもよい。
ガスタービン装置の燃焼器入口またはタービン入口に噴射して供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する。また燃焼器に供給される燃料ガスなどの燃料の流量Ｇｆを検出して、燃料の組成から、燃焼反応によって得られる水分の分圧を演算する。さらに燃焼器に供給される空気の流量Ｇａを検出して、その空気に含まれる水分の分圧を求める。こうして水蒸気と燃料の燃焼によって生じる水分と燃焼用空気に含まれる水分とを加算することによって、ガスタービン装置からの排ガスの水分の分圧を演算して求めることができる。
本発明は、（ａ）ガスタービン装置であって、
空気の圧縮機と、
圧縮機からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からのガスが供給され、圧縮機を駆動するタービンとを含み、
燃焼器入口からタービン入口までの間に水蒸気が供給されるガスタービン装置と、
（ｂ）タービンからの排ガスの排熱回収をして水蒸気を発生し、ガスタービン装置に供給するボイラと、
（ｃ）ボイラに並列に設けられ、タービンからの排ガスを導くバイパス路と、
（ｄ）ボイラとバイパス路とにおける排ガスの流量比を、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスとの混合排ガスが大気に放散されるとき、混合排ガス中の水分が凝縮しない温度になるように、制御する制御手段であって、
（ｄ１）ボイラに流れる排ガスの流量またはバイパス路に流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段と、
（ｄ２）ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算する第１演算手段であって、
ガスタービン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを、予め定める演算式に基づいて演算して求める空気流量演算手段と、
水蒸気流量検出手段と燃料流量検出手段と空気流量演算手段との出力に応答し、燃料の燃焼反応後の排ガス中の水分の分圧を演算する排ガス水分分圧演算手段とを含む第１演算手段と、
（ｄ３）排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を演算する第２演算手段と、
（ｄ４）第１および第２演算手段の出力に応答し、前記温度範囲のうち、前記混合排ガスの温度を設定する目標排ガス温度設定手段と、
（ｄ５）前記混合排ガスの温度を検出する実ガス温度検出手段と、
（ｄ６）目標排ガス温度設定手段と、実ガス温度検出手段との出力に応答し、検出される実ガス温度が目標排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動する駆動制御手段とを含む制御手段とを含むことを特徴とする。
本発明に従えば、ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａが比較的大流量であることに鑑み、この空気の流量Ｇａを、たとえば後述のように外気温度Ｔに依存する実験によって求めた演算式に基づいて得る。これによって空気の流量Ｇａを求めることが容易になる。
【００１１】
また本発明は、ボイラとバイパス路との各排ガスを混合する混合手段が設けられ、この混合手段は、
ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガスが導かれ、ほぼ水平な軸線を有する第１管路と、
ボイラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガスが導かれ、第１管路の上部に接続される縦の軸線を有する第２管路と、
第２管路との接続位置よりも第１管路の下流で立上る第３管路とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスを充分混合してその混合排ガスの温度を上昇することを確実にするために、後述の図２に関連して説明されるように、ほぼ水平な第１管路の上部に縦の軸線を有する第２管路を接続し、混合排ガスを、第１管路の下流で立上る第３管路に導く。こうして第３管路内では、第１管路および第２管路からの各排ガスが充分混合される。したがって、混合ガスの温度分布が一様であり、温度の低い排ガスが存在することはなく、これによって白煙の発生を確実に防止することができる。
【００１３】
また本発明は、ボイラとバイパス路との各排ガスを混合する混合手段が設けられ、この混合手段は、
ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガスが導かれる第１管路と、
第１管路の外周に環状空間を形成して第１管路を外囲し、この環状空間は、第１管路内に供給孔を介して連通するハウジングと、
ボイラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガスを、ハウジングの環状空間に導く第２管路とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、第１管路内の排ガスに、ハウジングに導かれた排ガスが供給孔を介して入り込み、こうして混合排ガスが充分に混合されてたとえば煙突に導かれる。このような構成によってもまた、混合排ガスの温度分布が一様となり、白煙の発生を確実に防止することができる。
【００１５】
また本発明は、第１管路は、ほぼ水平な軸線を有し、
ハウジングよりも第１管路の下流で立上る第３管路がさらに設けられることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、後述の図４に関連して述べるように、第１管路はほぼ水平であり、第１管路の下流で立上る第３管路がさらに設けられ、したがって第３管路内で排ガスが充分に混合され、混合性能がさらに向上されることになる。
【００２３】
また本発明は、第２演算手段は、
湿り空気の温度・水分モル分率の線図または表に基づき、水分モル分率Ｙと温度Ｘとの近似式ｆ（Ｘ）を作成する近似式作成手段と、
大気の温度を検出する大気温度検出手段と、
大気の湿度を検出する大気湿度検出手段と、
近似式作成手段と大気温度検出手段と大気湿度検出手段との出力に応答し、検出された大気温度および検出された大気湿度の座標（Ｔ，φ）を通りかつ前記近似式ｆ（Ｘ）の接線である白煙発生限界線を求める白煙発生限界線作成手段とを含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を演算するために、空気線図である飽和水蒸気曲線などに基づいて、湿り空気の温度・水分モル分率の線図または表に基づいてその近似式ｆ（Ｘ）を作成し、その近似式に接しかつ排ガスが放散される大気の温度と湿度座標（Ｔ，φ）を通る白煙発生限界線を演算して求める。この白煙発生限界線上の温度よりも高い温度で、白煙の発生が防がれる。
【００２７】
また本発明は、駆動制御手段は、流量制御手段の流量を、予め定める値ずつ、予め定める時間毎に変化させることを特徴とする。
【００２８】
本発明に従えば、駆動制御手段は、ダンパなどの流量制御手段の開度を制御するために、予め定める値、たとえば予め定める開度５％ずつ、予め定める時間毎に、たとえば５分毎に、変化させ、こうして検出される実ガス温度が目標排ガス温度に一致されるまで、流量制御手段の開度が徐々に、変化される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の全体の構成を示すブロック図である。ガスタービン装置１１は、空気の圧縮機１２と、圧縮機１２からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器１３と、燃焼器１３からのガスが供給され、圧縮機１２および発電機１４を駆動するタービン１５とを有する。圧縮機１２には、空気が管路１６を介して供給され、その空気の質量流量は、流量計１７によって検出される。燃焼器１３には、管路１８を介して燃料ガスが供給され、その燃料ガスの質量流量Ｇｆは、流量計１９によって検出される。さらに管路２０を介して過熱水蒸気が燃焼器１３の入口からタービン１５の入口までの間に噴射されて供給される。この実施の形態では、管路２０から水蒸気は燃焼器１３内に噴射される。
【００３０】
本発明の実施の他の形態では、タービン１５からの排ガスを、出力タービンに供給し、この出力タービンによって発電機１４を駆動するようにしてもよく、水蒸気は出力タービンの入口に噴射して供給するようにしてもよい。
【００３１】
噴射される水蒸気の温度は、ガスタービン本来の燃焼ガス温度よりも低いので、水蒸気を噴射しない構成に比べて、多量の燃料を焚くことができる。ガスタービン装置１１の各段落では、水蒸気の流量分だけ多く出力が発生し、これに対して圧縮機１２の負荷は増えないので、結局、出力が増大し、熱効率が向上する。
【００３２】
タービン１５からの排ガスは、管路２１から、排熱回収ボイラ２２の過熱器２３、蒸発器２４および節炭器２５に、この順序で導かれる。節炭器２５からの排ガスは、管路２６から、バイパス路２７からの排ガスとともに混合手段２８で混合され、煙突２９の上部３０から大気放散される。水ポンプなどから圧送される水は、管路３１から節炭器で加熱され、蒸発器２４で蒸発され、過熱器２３で過熱され、前述の管路２０からガスタービン装置１１に供給される。
【００３３】
排熱回収ボイラ２２には、前記バイパス路２７が並列に接続され、タービン１５からの排ガスを導く。このバイパス路２７には、排ガスの流量を制御するダンパなどの流量制御弁３２が介在される。この流量制御弁３２の開度を制御することによって、タービン１５から管路２１に供給される排ガスは、管路３３から排熱回収ボイラ２２に導かれるとともに、バイパス路２７に導かれ、それらの管路３３およびバイパス路２７に流れる排ガスの流量比を制御することができる。
【００３４】
本発明の実施の他の形態では、管路２７に流量制御弁３２を設ける代わりに、管路３３に流量制御弁を設けてもよい。本発明の実施のさらに他の形態では、管路２１からの排ガスを、バイパス路２７および管路３３に分岐して流し、その流量比を制御することができる三方弁が用いられ、図１における流量制御弁３２が省略されてもよい。
【００３５】
管路２０には、水蒸気の質量流量Ｇｓを検出する流量計３４が介在される。
【００３６】
煙突２９の排ガスを大気放散する上部３０の排ガス温度ＴＥは、温度計３５によって検出される。さらに排ガスが放散される大気の温度Ｔは、温度計３６によって検出される。この大気の湿度φは、湿度計３７によって検出される。本発明の制御手段３８は、流量計１７，１９，３４の出力を受信し、さらに温度計３５，３６および湿度計３７の出力を受信し、流量制御弁３２の開度を制御し、煙突２９の上部３０から排ガスが大気放散されるときにおける水分の凝縮を防ぎ、白煙の発生を防止する。
【００３７】
図２は、混合手段２８の簡略化した断面図である。熱回収ボイラ２２からの排ガスが供給される管路２６の端部２６ａは、ほぼ水平な軸線を有する。バイパス路２７の管路２７ａは、管路２６ａの上部に接続され、縦、たとえば鉛直の軸線を有する。管路２６ａは、管路２７ａの接続位置３９よりも管路２６ａの下流（図２の右方）で煙突２９の下部である管路２９ａに接続される。この管路２９ａは縦、たとえば鉛直の軸線を有し、立上って設けられる。したがってバイパス路２７から管路２７ａに供給される排ガスは、斜線を施して示すように、管路２６ａからの排ガスとともに混合され、立上って設けられる管路２９ａで、ほぼ均一な温度分布となるように充分に混合される。したがって管路２９ａにおける混合排ガスは、上述のように温度分布が均一であり、部分的に低い温度を有する部分が存在しないので、白煙の発生を確実に防止することができる。
【００３８】
本発明の実施の他の形態では、管路２６ａには、バイパス路２７からの排ガスが導かれ、管路２７ａには、排熱回収ボイラ２２からの排ガスが導かれるようにしてもよい。
【００３９】
図３は本発明の実施のさらに他の形態における混合手段２８の簡略化した断面図であり、図４は図３における切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。前述の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符を付す。管路２６ａは、ほぼ水平な軸線を有し、筒状、たとえば直円筒状に形成される。
【００４０】
ハウジング４０は、管路２６ａを外囲し、管路２６ａの外周に環状空間４１を形成する。このハウジング４０は、周壁４０ａと周壁４０ａの軸線方向両端部を塞ぐ一対の端壁４０ｂ，４０ｃとから成る。管路２６ａのハウジング４０によって外囲された環状空間４１に臨む部分には、周方向に等間隔をあけて供給孔４２が形成される。供給孔４２によって、環状空間４１は管路２６ａ内に連通する。管路２７ａは、縦の軸線を有し、ハウジング４０の上部に接続される。
【００４１】
したがってバイパス路２７から管路２７ａを介する排ガスは、環状空間４１から周方向にほぼ均一な流量で、管路２６ａ内の排ガスに混入される。したがって管路２６ａの端部に接続される立上った管路２９ａ内では、排熱回収ボイラ２２からの排ガスとバイパス路２７からの排ガスとが充分に混合され、この混合排ガスの温度分布は均一である。したがって白煙の発生を確実に防止することができる。図３および図４に示される実施の形態では、ハウジング４０よりも管路２６ａの下流側で、管路２６ａ，２７ａの各混合ガスが充分に混合される。さらにこの混合排ガスは、管路２９ａに導かれ、上昇することによって、さらに一層充分に、混合される。
【００４２】
図５は、本発明の実施のさらに他の形態の断面図である。図２〜図４の実施の形態に対応する部分には同一の参照符を付す。この実施の形態では、管路２６ａ，２７ａはほぼ水平な軸線を有し、立上って延びる管路２９ａに上下に間隔をあけて接続される。管路２７ａからの排ガスは、図５において斜線を施して示される。管路２９ａおよび煙突２９を高く構成することによって、その煙突２９の上部３０付近では、温度分布が均一である混合排ガスが得られ、したがって温度が低い混合排ガスの部分が存在せず、白煙の発生が防止される。
【００４３】
図６は、前述の図１に示される制御手段３８の構成と動作を説明するためのフローチャートである。図６のステップａ１〜ａ１６によって、煙突２９の上部３０から排出される混合排ガス、したがって燃焼器１３からの排ガスの中に含まれる水分のモル分率Ｗ３を求める。
【００４４】
ステップａ３，ａ１１〜ａ１４，ａ１７によって、排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を示す白煙防止限界線４９を演算して求める。
【００４５】
ステップａ１８，ａ１９では、前記温度範囲のうち、白煙の発生を防止する混合排ガスの温度を、目標排ガス温度として設定する。こうして温度計３５によって検出される混合排ガスの温度を表す実ガス温度が、前記目標排ガス温度になるように、ステップａ２１〜ａ２５において、流量制御弁３２を駆動して制御する。
【００４６】
図７は、本発明の白煙防止のメカニズムの原理を説明するための温度と排ガスに含まれる水分のモル分率との関係を示すグラフである。図７における状態Ａは、流量制御弁３２が全閉状態とされ、ボイラ２２から煙突２９に導かれる排ガスの状態であり、その排ガスが、大気放散される外気状態Ｊと混合すると、状態Ａのガスは大気によって冷却されてライン４５を辿って冷却され、温度が下がる。この冷却された排ガスは、湿り空気線図から得られる飽和蒸気曲線４６と交点Ｂで交わり、この交点Ｂから過飽和領域４７に入り、したがって排ガス中の水分が凝縮してミストとなり白煙が発生されることになる。さらに排ガスは冷却され、最終的には、外気と同じ状態Ｊになる。
【００４７】
図８は、図７の一部を拡大して示す図である。図７および図８において、白煙の発生領域４８は、点Ａと点Ｊとを結んだ直線４５と、飽和蒸気曲線４６とが交わる点Ｂ，Ｋとの間の斜線を施して示す領域である。水蒸気を用いない前述の通常のシンプルサイクルのガスタービンでは、その排ガス中の水分は、状態Ｂで示されるように、７〜９％程度であり、したがってその排ガスが大気放散されるときに白煙が生じることはない。しかしながら本発明では、ガスタービン装置１１では水蒸気を用いるチエンサイクルであって、大気放散される排ガス中の水分がたとえば約２６〜２８％であって、前述の状態Ａであり、したがって気温が低い冬場では、従来では、白煙発生領域４８において水分が凝縮して白煙が発生している。
【００４８】
そこで本発明では、白煙の発生を防止するために、ガスタービン装置１１からの排ガス中の水分のモル分率を前述のように演算して求めるとともに、外気条件の状態Ｊにおける外気条件の温度計３６によって検出される温度Ｔと湿度計３７によって検出される湿度φから、飽和蒸気曲線４６と接点（Ｘ１，ｆ（Ｘ１））を通る白煙防止限界線ｆ（Ｘ）とを求め、これによって排ガスが大気に放散されるときに水分が凝縮しない温度範囲、すなわち白煙防止限界線ｆ（Ｘ）よりも図７および図８における右側の範囲を演算し、これによって目標排ガス温度を、図７および図８から求めることができる。図７の状態Ｃは、タービン１５からのガスの全量をバイバス路２７に導いた状態を示す。
【００４９】
再び図６を参照して、ステップａ１における燃焼器１３の管路２０からの水蒸気の噴射される質量流量Ｇｓは、流量計３４によって検出される。の質量流量Ｇｓの単位はｋｇ／ｈである。ステップａ７では、この質量流量Ｇｓを、体積流量Ｆｓ（単位Ｎｍ3／ｈ）に換算する。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで気体定数は２２．４であり、水蒸気の分子量は１８である。
ステップａ６では、燃焼器１３に管路１８を介して供給される燃料ガスの流量計１９によって検出される燃料ガスの質量流量Ｇｆ（ｋｇ／ｈ）を、ステップａ７において体積流量Ｆｆに換算する。
【００５２】
【数２】
【００５３】
ここで燃料ガスは、気化した液化天然ガスであって、表１の組成を有し、その燃料ガスの分子量は１８．８である。
【００５４】
【表１】
【００５５】
ステップａ５では、燃焼器１３に供給される圧縮空気の質量流量Ｇａとその組成から、ステップａ７では、圧縮空気の体積流量Ｆａを演算して求める。燃焼器１３に供給される圧縮空気の質量流量Ｇａは、管路１６に介在されている流量計１７によって実測することができるけれども、実施の他の形態では、ステップａ２，ａ３，ａ４によって演算して求めることもできる。水蒸気の燃焼器１３への噴射量の質量流量Ｇｓを、圧縮機１２の圧縮比に対応して流量制御している構成では、その流量Ｇｓに対応した圧縮機１２の圧縮比を、予め定める基準状態、たとえば５℃で演算して求め、その後、ステップａ４では、ステップａ３で温度計３６によって検出された外気温度Ｔに対応して圧縮空気の質量流量Ｇａを補正して演算して求める。
【００５６】
さらにステップａ２６では、圧縮空気の組成、すなわちその空気中に含まれる水分のモル分率ｙｓ、窒素のモル分率ｙＮ2および酸素のモル分率ｙＯ2を得る。これによって圧縮空気の分子量Ｍａを求めることができる。
【００５７】
Ｍａ ＝ １８ｙｓ＋２８ｙＮ2＋３２ｙＯ2 …（３）
これによって圧縮空気の体積流量Ｆａを、ステップａ７で演算して求める。
【００５８】
【数３】
【００５９】
前述の式３から明らかなように、圧縮空気の分子量は、その空気に含まれる水分に依存して異なる。この圧縮空気の組成を計算するために、ステップａ１５では、空気中の水分を計算し、このためにステップａ１２において得られる飽和蒸気曲線の近似関数４６（前述の図７参照）と、ステップａ３で得られる温度計３６によって検出される外気温度Ｔと、ステップａ１４で得られる湿度計３７によって得られる外気湿度φとによって、その空気中の水分を計算する。さらにステップａ１６では、乾燥空気の組成を表す信号を導出する。こうしてステップａ２６では、空気中の水分に対応する空気の組成ｙｓ，ｙＮ2，ｙＯ2を計算して求めることができる。
【００６０】
ステップａ７では、燃焼反応に関する計算を行う。メタンに関して、
ＣＨ4 ＋２Ｏ2 → ＣＯ2 ＋２Ｈ2Ｏ …（５）
したがってメタンの燃焼後の体積変化（単位ｍｏｌ）を計算すると、
０．８８×（３−３）＝ ０ …（６）
であり、体積変化は零である。
【００６１】
エタンに関して、
Ｃ2Ｈ6 ＋ ３．５Ｏ2 → ２ＣＯ2 ＋３Ｈ2Ｏ …（７）
燃焼後の体積変化は、
０．０６×（５−４.５） ＝ ０．０３ …（８）
から、０．０３モルである。
【００６２】
プロパンに関して、
Ｃ3Ｈ8 ＋ ５Ｏ2 → ３ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2Ｏ …（９）
燃焼後の体積変化に関して、
０．０４×（７−６） ＝ ０．０４ …（10）
から、０．０４モルである。
【００６３】
ブタンに関して、
Ｃ4Ｈ10 ＋ ６．５Ｏ2 → ４ＣＯ2 ＋ ５Ｈ2Ｏ …（11）
燃焼後の体積変化は、
０．０２×（９−７．５）＝ ０．０３ …（12）
から、０．０３モルである。
【００６４】
したがって燃焼後の体積は、式６、式８、式１０および式１２から、合計の値０．１モルの体積流量が増加することになる。すなわち燃料ガスの体積流量Ｆｆを燃焼することによって、燃焼排ガスは、０．１モル増加することになる。
【００６５】
燃焼前の合計の体積流量Ｆ１は、
Ｆ１ ＝ Ｆｓ＋Ｆｆ＋Ｆａ …（13）
であり、燃焼後の合計の体積流量Ｆ２は、
Ｆ２ ＝ Ｆｓ＋１．１Ｆｆ＋Ｆａ …（14）
燃焼器１３における燃料ガスの燃焼前の水分のモル分率Ｗ１は、
【００６６】
【数４】
【００６７】
燃料の各成分毎の燃焼後における水分のモルは、メタン、エタン、プロパンおよびブタンに関連して、式１６〜式１９に示されるとおりとなる。
【００６８】
Ｆｆ×０．８８×２ｍｏｌ ＝ １．７６Ｆｆ …（16）
Ｆｆ×０．０６×３ｍｏｌ ＝ ０．１８Ｆｆ …（17）
Ｆｆ×０．０４×４ｍｏｌ ＝ ０．１６Ｆｆ …（18）
Ｆｆ×０．０２×５ｍｏｌ ＝ ０．１０Ｆｆ …（19）
したがって、燃料の燃焼によって生じた水分の体積流量Ｗ２は、式１６〜式１７によって得られた値の合計値であって、
Ｗ２ ＝ ２．２Ｆｆ …（20）
である。
【００６９】
したがって燃料ガスの燃焼後の水分のモル分率Ｗ３は、
【００７０】
【数５】
【００７１】
ステップａ８では、上述の式２１で示される排ガスの水分のモル分率Ｗ３が得られることになる。
【００７２】
ステップａ１７において白煙防止限界線である接線４９を算出するために、まずステップａ１１では、日本機械学会発行の蒸気表から、温度・蒸気圧曲線を求め、これによって温度・水分モル分率に変換して、前述の図７に示される飽和蒸気曲線４６を得る。この飽和蒸気曲線４６は、図７のようにグラフで求めてもよく、または表で得るようにしてもよい。この飽和蒸気曲線４６の回帰分析を行い、３次関数の近似式を求める。温度を変数Ｘとし、水分のモル分率をＹとする。
【００７３】
次に外気状態Ｊ（Ｔ，φ）を通り、式２２で示される飽和蒸気曲線４６に接点（Ｘ１，ｆ（Ｘ１））を通る接線４９を求める。
【００７４】
近似式を、
Ｙ ＝ ｆ（Ｘ） …（23）
接点を（Ｘ１，ｆ（Ｘ１））とすると、接線４９の式は、下記のように表される。
Ｙ−ｆ（Ｘ１）＝ｆ′（Ｘ１）（Ｘ−Ｘ１） …（24）
【００７５】
次に接線４９の傾きｆ′（Ｘ１）を求める。
３次関数の近似式は、
ｆ（Ｘ１） ＝ ａ・Ｘ１3＋ｂ・Ｘ１2＋ｃ・Ｘ１＋ｄ …（25）
と表されるので、傾きｆ′（Ｘ1）は、下記のようになる。
ｆ′（Ｘ１）＝ ３ａ・Ｘ１2＋２ｂ・Ｘ１＋ｃ …（26）
【００７６】
接線４９の切片Ｖを求める。
式２４から、切片Ｖは下記のようになる。
Ｖ ＝ｆ（Ｘ１）−ｆ′（Ｘ１）・Ｘ１＝−２ａ・Ｘ１3−ｂ・Ｘ１2＋ｄ…（27）
接線４９の傾き、切片をＴ，φの値から、求める。すなわち式２４にＸ＝Ｔ、Ｙ＝φ、式２８および式２７を代入し、Ｘ１の３次方程式を解くことによって、Ｘ１を求め、傾き・切片を得る。
【００７７】
上記の代入により、３次方程式は、次のようになる。
【００７８】
【数６】
【００７９】
３次方程式の公式より、
Ｘ１3 ＋Ｅ・Ｘ１2 ＋Ｆ・Ｘ１＋Ｇ ＝ ０ …（29）
において、
【００８０】
【数７】
【００８１】
とすると、
Ｚ3 ＋３ｐＺ＋２ｑ ＝ ０ …（31）
の形になる。
【００８２】
この方程式の実根は、
Ｚ ＝ 3√{−ｑ ＋ √(ｑ2＋ｐ3）}＋3√{−ｑ−√（ｑ2＋ｐ3）｝…（32）
である。
ただし、
【００８３】
【数８】
【００８４】
したがって３次方程式の解Ｘ１は、次のようにして求められる。
【００８５】
【数９】
【００８６】
こうしてステップａ１８では、前述のステップａ８で求めた排ガス中の水分のモル分率に対応する白煙防止限界線４９上におけるＷ３に対応する温度Ｘ５０を得る。すなわちＸ１を式２４に代入して、接線４９の式を得る。この接線４９の式に、水分モル分率Ｗ３を代入することによって、目標値である温度Ｘ５０を得ることができる。
【００８７】
ステップａ１９では、この値Ｘ５０を補正し、たとえば２０℃を加算して（＝Ｘ５０＋２０）を、目標排ガス温度Ｔ１１として設定する。
【００８８】
ステップａ２０では、温度計３５によって煙突２９の上部３０における大気放散される排ガスの温度である実排ガス温度Ｔ２を検出して求める。
【００８９】
ステップａ２１では、
Ｔ２ ＞ Ｔ１１ …（39）
であるかどうかを判断し、そうでなければステップａ２２に移り、流量制御弁３２の開度を、予め定める値、たとえば５％だけ開き、その状態をステップａ２３においてタイマによって設定した時間、たとえば５分間保ち、その後、ステップａ２１に戻る。また式３９が成立すれば、ステップａ２４に移り、流量制御弁３２の開度を予め定める値たとえば５％だけ閉じ、その状態をステップａ２５において５分間保ち、その後ステップａ２１に移る。
【００９０】
図９は、本発明の上述の実施の一形態の発電出力と総合効率を、前述の図１０に示される先行技術と比較して示すグラフである。図１０に示される先行技術では、白煙発生防止のためにバーナを用い、その発電出力は、ライン５１で示され、総合効率はライン５２で示される。これに対して前述の図１〜図８に関連して説明される本発明の実施の一形態では、発電出力はライン５３のように、ライン５１に比べて低下するけれども、総合効率がライン５４で示されるように、良好であり、結局、本発明が優れていることが理解される。
【００９１】
本発明の実施の一形態では、空気の質量流量Ｇａを、直接に、測定するように構成してもよいけれども、本発明の実施の他の形態では、温度計３６によって検出された外気温度Ｔを、予め定める演算式４０に基づいて演算して求めるようにしてもよい。空気の質量流量Ｇａに最も大きく影響する因子は外気温度Ｔであり、この外気温度Ｔによって近似的に質量流量Ｇａを求めることができ、本件発明者の実験によれば、式４０によって、誤差１％以内で近似することができることが確かめられた。
【００９２】
質量流量Ｇａの単位はｋｇ／ｈ、外気温度Ｔの単位は℃である。本発明の実施のさらに他の形態では、外気温度Ｔだけでなく、空気圧縮機１２の圧力比をもさらに考慮した演算式を用いて、算出するように構成してもよい。
【００９３】
【発明の効果】
請求項１の本発明によれば、排ガスの排熱回収によって得られた過熱水蒸気を噴射して熱効率の向上を図ることができ、このとき排ガス中に比較的多くの水分が含まれているので、特に気温が低い冬場などにその排ガス中の水分が凝縮して白煙化することを防ぐために、ボイラに並列にバイパス路が設けられ、このバイパス路からの高温度の排ガスを混合して、ボイラからの排ガスとの混合ガスの温度を上昇する。こうして混合排ガス中の水分が、混合排ガスの大気放散時に凝縮しない温度になるように制御手段によって制御することが可能になる。したがって大気の気温に拘わらず、熱効率を向上することができ、前述の図１０に関連して述べた先行技術における白煙化防止のための燃料を必要とせず、総合効率を高くすることができる。
【００９４】
ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を第１演算手段によって演算し、第２演算手段によって演算して求めた水分が凝縮しない温度範囲になるように、前記混合排ガスの目標排ガス温度を設定し、このような目標排ガス温度に実ガス温度が一致するように、流量制御手段、たとえばダンパなどの流量制御弁などの開度を、駆動制御するので、流量制御手段の制御を正確に行うことができる。
【００９５】
ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算するために、燃焼器の入口からタービンの入口に至る間に噴射される水蒸気の流量Ｇｓと、燃焼器に供給される燃料の流量Ｇｆと、燃焼器に供給される圧縮された燃焼用空気の流量Ｇａとに基づいて、演算するので、その排ガスに含まれる水分の分圧を正確に求めることができる。これによって白煙化防止対策が確実になる。
【００９６】
請求項２の本発明によれば、ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを、予め定める演算式に基づいて演算して求め、これによって流量Ｇａを容易に求めることができる。
【００９７】
請求項３の本発明によれば、第１管路の排ガスと第２管路の排ガスとが、第３管路内で充分に混合されてその混合排ガスの温度が均一になる。したがって混合排ガスの一部が低い温度にはならず、白煙の発生を確実に防止することができる。
【００９８】
請求項４の本発明によれば、第１管路内の排ガスに、ハウジングの環状空間から供給孔を介してもう１つの排ガスが混合されるので、混合ガスの混合性が良好であり、これによって混合排ガスの温度分布が均一になり、前述と同様に、白煙の発生を防止することができる。
【００９９】
請求項５の本発明によれば、ハウジングよりも第１管路の下流で第３管路が立上っているので、この第３管路内において混合ガスの混合性がさらに良好になり、白煙化防止を一層確実に達成することができる。
【０１００】
請求項６の本発明によれば、湿り空気線図などから、温度・水分モル分率の近似式ｆ（Ｘ）を作成して、前記混合排ガスが放散される大気の温度Ｔと湿度φとを検出してその近似式の接線を求めて白煙発生限界線を求めるようにしたので、大気の温度と湿度が変化しても、常に白煙化防止対策を確実に行うことができる。
【０１０２】
請求項７の本発明によれば、駆動制御手段は、流量制御手段の流量を、予め定める値ずつ、段階的に、予め定める時間毎に変化させるので、本件システム全体の動作が急変することはなく、安定した動作を継続しながら、白煙の発生の防止を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の全体の構成を示すブロック図である。
【図２】混合手段２８の簡略化した断面図である。
【図３】本発明の実施のさらに他の形態における混合手段２８の簡略化した断面図である。
【図４】図３における切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。
【図５】本発明の実施のさらに他の形態の断面図である。
【図６】前述の図１に示される制御手段３８の構成と動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の白煙防止のメカニズムの原理を説明するための温度と排ガスに含まれる水分のモル分率との関係を示すグラフである。
【図８】図７の一部を拡大して示す図である。
【図９】 本発明の上述の実施の一形態の発電出力と総合効率を、図１０に示される先行技術と比較して示すグラフである。
【図１０】先行技術の２流体ガスタービン装置である。
【符号の説明】
１１ ガスタービン装置
１２ 圧縮機
１３ 燃焼器
１４ 発電機
１５ タービン
１７，１９，３４ 流量計
２２ 排熱回収ボイラ
２３ 過熱器
２４ 蒸発器
２５ 節炭器
２７ バイパス路
２８ 混合手段
２９ 煙突
３２ 流量制御弁
３４ 流量計
３５，３６ 温度計
３７ 湿度計
３８ 制御手段
４０ ハウジング
【発明が属する技術分野】
本発明は、２流体ガスタービンシステムに関し、特にその排ガスの白煙が発生することを防止するための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からのいわばシンプルサイクルであるガスタービン装置では、新しい空気を圧縮機で圧縮し、これを燃焼室に送って燃料を燃焼し、その排ガスをタービンに送って膨張させた後、大気放散する。このガスタービン装置からの排ガスの水分は、たとえば７〜９％程度であり、したがって気温が低い冬場においても、排ガス中の水分が凝縮することはなく、白煙は発生しない。
【０００３】
発電出力および発電効率の向上を図った２流体ガスタービン装置では、ガスタービンからの排ガスをボイラに導き、排ガスの排熱回収によって得られる過熱蒸気を、燃焼器に噴射し、これによって燃焼器で多量の燃料を焚くことができるようにし、熱効率を向上する。この２流体ガスタービン装置では、燃焼器に水蒸気が噴射されるので、ガスタービンからの排ガス中の水分は、たとえば約２６〜２８％であり、したがって気温が低い冬場では、排ガスが大気放散される際、排ガス中の水分が凝縮し、白煙が生じ、視覚的公害が発生する。
【０００４】
この問題を解決する先行技術は図１０に示されている。２流体ガスタービン装置１からの排ガスはボイラ２に導かれて排熱回収され、ここで得られた過熱蒸気は、管路３から、前述のようにガスタービン装置１の燃焼器に供給される。ボイラ２からの排ガスは、管路４から煙突５に導かれる。煙突５から排出される排ガスの白煙が生じることを防ぐために、煙突５内にはガスバーナ６に管路７から燃料ガスが供給されるとともに、送風機８から燃焼用空気が供給される。こうして煙突５内で排ガスを加温し、排ガスの温度を上昇する。
【０００５】
図１０に示される先行技術では、白煙の発生を防止するためにバーナ６を用いており、したがって熱効率が悪い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、排ガスの大気放散時における白煙が発生することを防止するとともに、熱効率を向上した２流体ガスタービンシステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（ａ）ガスタービン装置であって、
空気の圧縮機と、
圧縮機からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からのガスが供給され、圧縮機を駆動するタービンとを含み、
燃焼器入口からタービン入口までの間に水蒸気が供給されるガスタービン装置と、
（ｂ）タービンからの排ガスの排熱回収をして水蒸気を発生し、ガスタービン装置に供給するボイラと、
（ｃ）ボイラに並列に設けられ、タービンからの排ガスを導くバイパス路と、
（ｄ）ボイラとバイパス路とにおける排ガスの流量比を、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスとの混合排ガスが大気に放散されるとき、混合排ガス中の水分が凝縮しない温度になるように、制御する制御手段であって、
（ｄ１）ボイラに流れる排ガスの流量またはバイパス路に流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段と、
（ｄ２）ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算する第１演算手段であって、
ガスタービン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを検出する手段と、
水蒸気流量検出手段と燃料流量検出手段と空気流量検出手段との出力に応答し、燃料の燃焼反応後の排ガス中の水分の分圧を演算する排ガス水分分圧演算手段とを含む第１演算手段と、
（ｄ３）排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を演算する第２演算手段と、
（ｄ４）第１および第２演算手段の出力に応答し、前記温度範囲のうち、前記混合排ガスの温度を設定する目標排ガス温度設定手段と、
（ｄ５）前記混合排ガスの温度を検出する実ガス温度検出手段と、
（ｄ６）目標排ガス温度設定手段と、実ガス温度検出手段との出力に応答し、検出される実ガス温度が目標排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動する駆動制御手段とを含む制御手段とを含むことを特徴とする２流体ガスタービンシステムである。
【０００８】
本発明に従えば、ガスタービン装置は圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含み、このタービンによって発電機が駆動され、またはこのタービンからの排ガスが供給される出力タービンをさらに有し、この出力タービンによって発電機を駆動し、こうして発電を行うことができる。このガスタービン装置において、燃焼器の入口からタービン入口までの間、または出力タービンの入口までの間、たとえば燃焼器の入口またはタービンの入口に、水蒸気を噴射して供給する。これによって熱効率が向上し、発電出力が増加する。噴射される水蒸気の温度は、ガスタービン本来の燃焼ガス温度よりも低いので、水蒸気を噴射しない構成に比べて、多量の燃料を焚くことができる。したがってタービンでは、水蒸気の流量の分だけ多く出力が発生し、これに対して圧縮機の負荷は増えない。これによって出力が増大し、熱効率が向上される。水蒸気は燃焼器内に噴射されてもよく、あるいはまた出力タービンの入口に供給されてもよい。
【０００９】
排ガスの有している排熱を回収するためにボイラが設けられる。このボイラによって水蒸気が発生されて、上述のように燃焼器入口からタービン入口までの間に供給される。
【００１０】
本発明に従えば、タービンからの排ガスを、バイパス路を介して導き、ボイラからの排ガスに混合する。これによって混合ガスの温度を上昇する。したがって混合排ガスが大気に放散されるとき、その混合排ガス中の水分が凝縮する温度にまで低下してしまうおそれはない。したがって混合排ガスが大気放散されたとき、過飽和領域に入ることはなく、その混合排ガス中の水分が凝縮してミスト、すなわち白煙を発生することはない。このことは特に、気温が低い冬場では、有利である。しかも白煙防止のために、前述の図１０に関連して述べた燃料を、本発明では必要としないので、熱効率の向上を図ることができる。
第１演算手段によってガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算して求め、第２演算手段によって、排ガスが放散される大気の温度および湿度に依存して、水分が凝縮してミストが生じない水分の分圧に対応した温度範囲を演算し、これによってガスタービン装置からの排ガスが大気放散されたときに水分が凝縮しない前記混合排ガスの目標排ガス温度を設定し、実ガス温度検出手段によって検出される混合排ガスの温度が、目標排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動制御する。流量制御手段は、たとえばボイラに導かれる排ガスの流量を制御する流量制御弁であってもよく、またはバイパス路に流れる排ガスの流量を制御する流量制御弁であってもよく、またはガスタービン装置からの排ガスをボイラおよびバイパス路に分岐し、その分岐する流量比を変化する三方弁などであってもよく、流量制御弁は、たとえばダンパなどのように羽根が角変位する構成であってもよい。
ガスタービン装置の燃焼器入口またはタービン入口に噴射して供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する。また燃焼器に供給される燃料ガスなどの燃料の流量Ｇｆを検出して、燃料の組成から、燃焼反応によって得られる水分の分圧を演算する。さらに燃焼器に供給される空気の流量Ｇａを検出して、その空気に含まれる水分の分圧を求める。こうして水蒸気と燃料の燃焼によって生じる水分と燃焼用空気に含まれる水分とを加算することによって、ガスタービン装置からの排ガスの水分の分圧を演算して求めることができる。
本発明は、（ａ）ガスタービン装置であって、
空気の圧縮機と、
圧縮機からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からのガスが供給され、圧縮機を駆動するタービンとを含み、
燃焼器入口からタービン入口までの間に水蒸気が供給されるガスタービン装置と、
（ｂ）タービンからの排ガスの排熱回収をして水蒸気を発生し、ガスタービン装置に供給するボイラと、
（ｃ）ボイラに並列に設けられ、タービンからの排ガスを導くバイパス路と、
（ｄ）ボイラとバイパス路とにおける排ガスの流量比を、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスとの混合排ガスが大気に放散されるとき、混合排ガス中の水分が凝縮しない温度になるように、制御する制御手段であって、
（ｄ１）ボイラに流れる排ガスの流量またはバイパス路に流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段と、
（ｄ２）ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算する第１演算手段であって、
ガスタービン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを、予め定める演算式に基づいて演算して求める空気流量演算手段と、
水蒸気流量検出手段と燃料流量検出手段と空気流量演算手段との出力に応答し、燃料の燃焼反応後の排ガス中の水分の分圧を演算する排ガス水分分圧演算手段とを含む第１演算手段と、
（ｄ３）排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を演算する第２演算手段と、
（ｄ４）第１および第２演算手段の出力に応答し、前記温度範囲のうち、前記混合排ガスの温度を設定する目標排ガス温度設定手段と、
（ｄ５）前記混合排ガスの温度を検出する実ガス温度検出手段と、
（ｄ６）目標排ガス温度設定手段と、実ガス温度検出手段との出力に応答し、検出される実ガス温度が目標排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動する駆動制御手段とを含む制御手段とを含むことを特徴とする。
本発明に従えば、ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａが比較的大流量であることに鑑み、この空気の流量Ｇａを、たとえば後述のように外気温度Ｔに依存する実験によって求めた演算式に基づいて得る。これによって空気の流量Ｇａを求めることが容易になる。
【００１１】
また本発明は、ボイラとバイパス路との各排ガスを混合する混合手段が設けられ、この混合手段は、
ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガスが導かれ、ほぼ水平な軸線を有する第１管路と、
ボイラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガスが導かれ、第１管路の上部に接続される縦の軸線を有する第２管路と、
第２管路との接続位置よりも第１管路の下流で立上る第３管路とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスを充分混合してその混合排ガスの温度を上昇することを確実にするために、後述の図２に関連して説明されるように、ほぼ水平な第１管路の上部に縦の軸線を有する第２管路を接続し、混合排ガスを、第１管路の下流で立上る第３管路に導く。こうして第３管路内では、第１管路および第２管路からの各排ガスが充分混合される。したがって、混合ガスの温度分布が一様であり、温度の低い排ガスが存在することはなく、これによって白煙の発生を確実に防止することができる。
【００１３】
また本発明は、ボイラとバイパス路との各排ガスを混合する混合手段が設けられ、この混合手段は、
ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガスが導かれる第１管路と、
第１管路の外周に環状空間を形成して第１管路を外囲し、この環状空間は、第１管路内に供給孔を介して連通するハウジングと、
ボイラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガスを、ハウジングの環状空間に導く第２管路とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、第１管路内の排ガスに、ハウジングに導かれた排ガスが供給孔を介して入り込み、こうして混合排ガスが充分に混合されてたとえば煙突に導かれる。このような構成によってもまた、混合排ガスの温度分布が一様となり、白煙の発生を確実に防止することができる。
【００１５】
また本発明は、第１管路は、ほぼ水平な軸線を有し、
ハウジングよりも第１管路の下流で立上る第３管路がさらに設けられることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、後述の図４に関連して述べるように、第１管路はほぼ水平であり、第１管路の下流で立上る第３管路がさらに設けられ、したがって第３管路内で排ガスが充分に混合され、混合性能がさらに向上されることになる。
【００２３】
また本発明は、第２演算手段は、
湿り空気の温度・水分モル分率の線図または表に基づき、水分モル分率Ｙと温度Ｘとの近似式ｆ（Ｘ）を作成する近似式作成手段と、
大気の温度を検出する大気温度検出手段と、
大気の湿度を検出する大気湿度検出手段と、
近似式作成手段と大気温度検出手段と大気湿度検出手段との出力に応答し、検出された大気温度および検出された大気湿度の座標（Ｔ，φ）を通りかつ前記近似式ｆ（Ｘ）の接線である白煙発生限界線を求める白煙発生限界線作成手段とを含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を演算するために、空気線図である飽和水蒸気曲線などに基づいて、湿り空気の温度・水分モル分率の線図または表に基づいてその近似式ｆ（Ｘ）を作成し、その近似式に接しかつ排ガスが放散される大気の温度と湿度座標（Ｔ，φ）を通る白煙発生限界線を演算して求める。この白煙発生限界線上の温度よりも高い温度で、白煙の発生が防がれる。
【００２７】
また本発明は、駆動制御手段は、流量制御手段の流量を、予め定める値ずつ、予め定める時間毎に変化させることを特徴とする。
【００２８】
本発明に従えば、駆動制御手段は、ダンパなどの流量制御手段の開度を制御するために、予め定める値、たとえば予め定める開度５％ずつ、予め定める時間毎に、たとえば５分毎に、変化させ、こうして検出される実ガス温度が目標排ガス温度に一致されるまで、流量制御手段の開度が徐々に、変化される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の全体の構成を示すブロック図である。ガスタービン装置１１は、空気の圧縮機１２と、圧縮機１２からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器１３と、燃焼器１３からのガスが供給され、圧縮機１２および発電機１４を駆動するタービン１５とを有する。圧縮機１２には、空気が管路１６を介して供給され、その空気の質量流量は、流量計１７によって検出される。燃焼器１３には、管路１８を介して燃料ガスが供給され、その燃料ガスの質量流量Ｇｆは、流量計１９によって検出される。さらに管路２０を介して過熱水蒸気が燃焼器１３の入口からタービン１５の入口までの間に噴射されて供給される。この実施の形態では、管路２０から水蒸気は燃焼器１３内に噴射される。
【００３０】
本発明の実施の他の形態では、タービン１５からの排ガスを、出力タービンに供給し、この出力タービンによって発電機１４を駆動するようにしてもよく、水蒸気は出力タービンの入口に噴射して供給するようにしてもよい。
【００３１】
噴射される水蒸気の温度は、ガスタービン本来の燃焼ガス温度よりも低いので、水蒸気を噴射しない構成に比べて、多量の燃料を焚くことができる。ガスタービン装置１１の各段落では、水蒸気の流量分だけ多く出力が発生し、これに対して圧縮機１２の負荷は増えないので、結局、出力が増大し、熱効率が向上する。
【００３２】
タービン１５からの排ガスは、管路２１から、排熱回収ボイラ２２の過熱器２３、蒸発器２４および節炭器２５に、この順序で導かれる。節炭器２５からの排ガスは、管路２６から、バイパス路２７からの排ガスとともに混合手段２８で混合され、煙突２９の上部３０から大気放散される。水ポンプなどから圧送される水は、管路３１から節炭器で加熱され、蒸発器２４で蒸発され、過熱器２３で過熱され、前述の管路２０からガスタービン装置１１に供給される。
【００３３】
排熱回収ボイラ２２には、前記バイパス路２７が並列に接続され、タービン１５からの排ガスを導く。このバイパス路２７には、排ガスの流量を制御するダンパなどの流量制御弁３２が介在される。この流量制御弁３２の開度を制御することによって、タービン１５から管路２１に供給される排ガスは、管路３３から排熱回収ボイラ２２に導かれるとともに、バイパス路２７に導かれ、それらの管路３３およびバイパス路２７に流れる排ガスの流量比を制御することができる。
【００３４】
本発明の実施の他の形態では、管路２７に流量制御弁３２を設ける代わりに、管路３３に流量制御弁を設けてもよい。本発明の実施のさらに他の形態では、管路２１からの排ガスを、バイパス路２７および管路３３に分岐して流し、その流量比を制御することができる三方弁が用いられ、図１における流量制御弁３２が省略されてもよい。
【００３５】
管路２０には、水蒸気の質量流量Ｇｓを検出する流量計３４が介在される。
【００３６】
煙突２９の排ガスを大気放散する上部３０の排ガス温度ＴＥは、温度計３５によって検出される。さらに排ガスが放散される大気の温度Ｔは、温度計３６によって検出される。この大気の湿度φは、湿度計３７によって検出される。本発明の制御手段３８は、流量計１７，１９，３４の出力を受信し、さらに温度計３５，３６および湿度計３７の出力を受信し、流量制御弁３２の開度を制御し、煙突２９の上部３０から排ガスが大気放散されるときにおける水分の凝縮を防ぎ、白煙の発生を防止する。
【００３７】
図２は、混合手段２８の簡略化した断面図である。熱回収ボイラ２２からの排ガスが供給される管路２６の端部２６ａは、ほぼ水平な軸線を有する。バイパス路２７の管路２７ａは、管路２６ａの上部に接続され、縦、たとえば鉛直の軸線を有する。管路２６ａは、管路２７ａの接続位置３９よりも管路２６ａの下流（図２の右方）で煙突２９の下部である管路２９ａに接続される。この管路２９ａは縦、たとえば鉛直の軸線を有し、立上って設けられる。したがってバイパス路２７から管路２７ａに供給される排ガスは、斜線を施して示すように、管路２６ａからの排ガスとともに混合され、立上って設けられる管路２９ａで、ほぼ均一な温度分布となるように充分に混合される。したがって管路２９ａにおける混合排ガスは、上述のように温度分布が均一であり、部分的に低い温度を有する部分が存在しないので、白煙の発生を確実に防止することができる。
【００３８】
本発明の実施の他の形態では、管路２６ａには、バイパス路２７からの排ガスが導かれ、管路２７ａには、排熱回収ボイラ２２からの排ガスが導かれるようにしてもよい。
【００３９】
図３は本発明の実施のさらに他の形態における混合手段２８の簡略化した断面図であり、図４は図３における切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。前述の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符を付す。管路２６ａは、ほぼ水平な軸線を有し、筒状、たとえば直円筒状に形成される。
【００４０】
ハウジング４０は、管路２６ａを外囲し、管路２６ａの外周に環状空間４１を形成する。このハウジング４０は、周壁４０ａと周壁４０ａの軸線方向両端部を塞ぐ一対の端壁４０ｂ，４０ｃとから成る。管路２６ａのハウジング４０によって外囲された環状空間４１に臨む部分には、周方向に等間隔をあけて供給孔４２が形成される。供給孔４２によって、環状空間４１は管路２６ａ内に連通する。管路２７ａは、縦の軸線を有し、ハウジング４０の上部に接続される。
【００４１】
したがってバイパス路２７から管路２７ａを介する排ガスは、環状空間４１から周方向にほぼ均一な流量で、管路２６ａ内の排ガスに混入される。したがって管路２６ａの端部に接続される立上った管路２９ａ内では、排熱回収ボイラ２２からの排ガスとバイパス路２７からの排ガスとが充分に混合され、この混合排ガスの温度分布は均一である。したがって白煙の発生を確実に防止することができる。図３および図４に示される実施の形態では、ハウジング４０よりも管路２６ａの下流側で、管路２６ａ，２７ａの各混合ガスが充分に混合される。さらにこの混合排ガスは、管路２９ａに導かれ、上昇することによって、さらに一層充分に、混合される。
【００４２】
図５は、本発明の実施のさらに他の形態の断面図である。図２〜図４の実施の形態に対応する部分には同一の参照符を付す。この実施の形態では、管路２６ａ，２７ａはほぼ水平な軸線を有し、立上って延びる管路２９ａに上下に間隔をあけて接続される。管路２７ａからの排ガスは、図５において斜線を施して示される。管路２９ａおよび煙突２９を高く構成することによって、その煙突２９の上部３０付近では、温度分布が均一である混合排ガスが得られ、したがって温度が低い混合排ガスの部分が存在せず、白煙の発生が防止される。
【００４３】
図６は、前述の図１に示される制御手段３８の構成と動作を説明するためのフローチャートである。図６のステップａ１〜ａ１６によって、煙突２９の上部３０から排出される混合排ガス、したがって燃焼器１３からの排ガスの中に含まれる水分のモル分率Ｗ３を求める。
【００４４】
ステップａ３，ａ１１〜ａ１４，ａ１７によって、排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を示す白煙防止限界線４９を演算して求める。
【００４５】
ステップａ１８，ａ１９では、前記温度範囲のうち、白煙の発生を防止する混合排ガスの温度を、目標排ガス温度として設定する。こうして温度計３５によって検出される混合排ガスの温度を表す実ガス温度が、前記目標排ガス温度になるように、ステップａ２１〜ａ２５において、流量制御弁３２を駆動して制御する。
【００４６】
図７は、本発明の白煙防止のメカニズムの原理を説明するための温度と排ガスに含まれる水分のモル分率との関係を示すグラフである。図７における状態Ａは、流量制御弁３２が全閉状態とされ、ボイラ２２から煙突２９に導かれる排ガスの状態であり、その排ガスが、大気放散される外気状態Ｊと混合すると、状態Ａのガスは大気によって冷却されてライン４５を辿って冷却され、温度が下がる。この冷却された排ガスは、湿り空気線図から得られる飽和蒸気曲線４６と交点Ｂで交わり、この交点Ｂから過飽和領域４７に入り、したがって排ガス中の水分が凝縮してミストとなり白煙が発生されることになる。さらに排ガスは冷却され、最終的には、外気と同じ状態Ｊになる。
【００４７】
図８は、図７の一部を拡大して示す図である。図７および図８において、白煙の発生領域４８は、点Ａと点Ｊとを結んだ直線４５と、飽和蒸気曲線４６とが交わる点Ｂ，Ｋとの間の斜線を施して示す領域である。水蒸気を用いない前述の通常のシンプルサイクルのガスタービンでは、その排ガス中の水分は、状態Ｂで示されるように、７〜９％程度であり、したがってその排ガスが大気放散されるときに白煙が生じることはない。しかしながら本発明では、ガスタービン装置１１では水蒸気を用いるチエンサイクルであって、大気放散される排ガス中の水分がたとえば約２６〜２８％であって、前述の状態Ａであり、したがって気温が低い冬場では、従来では、白煙発生領域４８において水分が凝縮して白煙が発生している。
【００４８】
そこで本発明では、白煙の発生を防止するために、ガスタービン装置１１からの排ガス中の水分のモル分率を前述のように演算して求めるとともに、外気条件の状態Ｊにおける外気条件の温度計３６によって検出される温度Ｔと湿度計３７によって検出される湿度φから、飽和蒸気曲線４６と接点（Ｘ１，ｆ（Ｘ１））を通る白煙防止限界線ｆ（Ｘ）とを求め、これによって排ガスが大気に放散されるときに水分が凝縮しない温度範囲、すなわち白煙防止限界線ｆ（Ｘ）よりも図７および図８における右側の範囲を演算し、これによって目標排ガス温度を、図７および図８から求めることができる。図７の状態Ｃは、タービン１５からのガスの全量をバイバス路２７に導いた状態を示す。
【００４９】
再び図６を参照して、ステップａ１における燃焼器１３の管路２０からの水蒸気の噴射される質量流量Ｇｓは、流量計３４によって検出される。の質量流量Ｇｓの単位はｋｇ／ｈである。ステップａ７では、この質量流量Ｇｓを、体積流量Ｆｓ（単位Ｎｍ3／ｈ）に換算する。
【００５０】
【数１】
ここで気体定数は２２．４であり、水蒸気の分子量は１８である。
ステップａ６では、燃焼器１３に管路１８を介して供給される燃料ガスの流量計１９によって検出される燃料ガスの質量流量Ｇｆ（ｋｇ／ｈ）を、ステップａ７において体積流量Ｆｆに換算する。
【００５２】
【数２】
ここで燃料ガスは、気化した液化天然ガスであって、表１の組成を有し、その燃料ガスの分子量は１８．８である。
【００５４】
【表１】
ステップａ５では、燃焼器１３に供給される圧縮空気の質量流量Ｇａとその組成から、ステップａ７では、圧縮空気の体積流量Ｆａを演算して求める。燃焼器１３に供給される圧縮空気の質量流量Ｇａは、管路１６に介在されている流量計１７によって実測することができるけれども、実施の他の形態では、ステップａ２，ａ３，ａ４によって演算して求めることもできる。水蒸気の燃焼器１３への噴射量の質量流量Ｇｓを、圧縮機１２の圧縮比に対応して流量制御している構成では、その流量Ｇｓに対応した圧縮機１２の圧縮比を、予め定める基準状態、たとえば５℃で演算して求め、その後、ステップａ４では、ステップａ３で温度計３６によって検出された外気温度Ｔに対応して圧縮空気の質量流量Ｇａを補正して演算して求める。
【００５６】
さらにステップａ２６では、圧縮空気の組成、すなわちその空気中に含まれる水分のモル分率ｙｓ、窒素のモル分率ｙＮ2および酸素のモル分率ｙＯ2を得る。これによって圧縮空気の分子量Ｍａを求めることができる。
【００５７】
Ｍａ ＝ １８ｙｓ＋２８ｙＮ2＋３２ｙＯ2 …（３）
これによって圧縮空気の体積流量Ｆａを、ステップａ７で演算して求める。
【００５８】
【数３】
前述の式３から明らかなように、圧縮空気の分子量は、その空気に含まれる水分に依存して異なる。この圧縮空気の組成を計算するために、ステップａ１５では、空気中の水分を計算し、このためにステップａ１２において得られる飽和蒸気曲線の近似関数４６（前述の図７参照）と、ステップａ３で得られる温度計３６によって検出される外気温度Ｔと、ステップａ１４で得られる湿度計３７によって得られる外気湿度φとによって、その空気中の水分を計算する。さらにステップａ１６では、乾燥空気の組成を表す信号を導出する。こうしてステップａ２６では、空気中の水分に対応する空気の組成ｙｓ，ｙＮ2，ｙＯ2を計算して求めることができる。
【００６０】
ステップａ７では、燃焼反応に関する計算を行う。メタンに関して、
ＣＨ4 ＋２Ｏ2 → ＣＯ2 ＋２Ｈ2Ｏ …（５）
したがってメタンの燃焼後の体積変化（単位ｍｏｌ）を計算すると、
０．８８×（３−３）＝ ０ …（６）
であり、体積変化は零である。
【００６１】
エタンに関して、
Ｃ2Ｈ6 ＋ ３．５Ｏ2 → ２ＣＯ2 ＋３Ｈ2Ｏ …（７）
燃焼後の体積変化は、
０．０６×（５−４.５） ＝ ０．０３ …（８）
から、０．０３モルである。
【００６２】
プロパンに関して、
Ｃ3Ｈ8 ＋ ５Ｏ2 → ３ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2Ｏ …（９）
燃焼後の体積変化に関して、
０．０４×（７−６） ＝ ０．０４ …（10）
から、０．０４モルである。
【００６３】
ブタンに関して、
Ｃ4Ｈ10 ＋ ６．５Ｏ2 → ４ＣＯ2 ＋ ５Ｈ2Ｏ …（11）
燃焼後の体積変化は、
０．０２×（９−７．５）＝ ０．０３ …（12）
から、０．０３モルである。
【００６４】
したがって燃焼後の体積は、式６、式８、式１０および式１２から、合計の値０．１モルの体積流量が増加することになる。すなわち燃料ガスの体積流量Ｆｆを燃焼することによって、燃焼排ガスは、０．１モル増加することになる。
【００６５】
燃焼前の合計の体積流量Ｆ１は、
Ｆ１ ＝ Ｆｓ＋Ｆｆ＋Ｆａ …（13）
であり、燃焼後の合計の体積流量Ｆ２は、
Ｆ２ ＝ Ｆｓ＋１．１Ｆｆ＋Ｆａ …（14）
燃焼器１３における燃料ガスの燃焼前の水分のモル分率Ｗ１は、
【００６６】
【数４】
燃料の各成分毎の燃焼後における水分のモルは、メタン、エタン、プロパンおよびブタンに関連して、式１６〜式１９に示されるとおりとなる。
【００６８】
Ｆｆ×０．８８×２ｍｏｌ ＝ １．７６Ｆｆ …（16）
Ｆｆ×０．０６×３ｍｏｌ ＝ ０．１８Ｆｆ …（17）
Ｆｆ×０．０４×４ｍｏｌ ＝ ０．１６Ｆｆ …（18）
Ｆｆ×０．０２×５ｍｏｌ ＝ ０．１０Ｆｆ …（19）
したがって、燃料の燃焼によって生じた水分の体積流量Ｗ２は、式１６〜式１７によって得られた値の合計値であって、
Ｗ２ ＝ ２．２Ｆｆ …（20）
である。
【００６９】
したがって燃料ガスの燃焼後の水分のモル分率Ｗ３は、
【００７０】
【数５】
ステップａ８では、上述の式２１で示される排ガスの水分のモル分率Ｗ３が得られることになる。
【００７２】
ステップａ１７において白煙防止限界線である接線４９を算出するために、まずステップａ１１では、日本機械学会発行の蒸気表から、温度・蒸気圧曲線を求め、これによって温度・水分モル分率に変換して、前述の図７に示される飽和蒸気曲線４６を得る。この飽和蒸気曲線４６は、図７のようにグラフで求めてもよく、または表で得るようにしてもよい。この飽和蒸気曲線４６の回帰分析を行い、３次関数の近似式を求める。温度を変数Ｘとし、水分のモル分率をＹとする。
【００７３】
【００７４】
近似式を、
Ｙ ＝ ｆ（Ｘ） …（23）
接点を（Ｘ１，ｆ（Ｘ１））とすると、接線４９の式は、下記のように表される。
Ｙ−ｆ（Ｘ１）＝ｆ′（Ｘ１）（Ｘ−Ｘ１） …（24）
【００７５】
次に接線４９の傾きｆ′（Ｘ１）を求める。
３次関数の近似式は、
ｆ（Ｘ１） ＝ ａ・Ｘ１3＋ｂ・Ｘ１2＋ｃ・Ｘ１＋ｄ …（25）
と表されるので、傾きｆ′（Ｘ1）は、下記のようになる。
ｆ′（Ｘ１）＝ ３ａ・Ｘ１2＋２ｂ・Ｘ１＋ｃ …（26）
【００７６】
接線４９の切片Ｖを求める。
式２４から、切片Ｖは下記のようになる。
Ｖ ＝ｆ（Ｘ１）−ｆ′（Ｘ１）・Ｘ１＝−２ａ・Ｘ１3−ｂ・Ｘ１2＋ｄ…（27）
接線４９の傾き、切片をＴ，φの値から、求める。すなわち式２４にＸ＝Ｔ、Ｙ＝φ、式２８および式２７を代入し、Ｘ１の３次方程式を解くことによって、Ｘ１を求め、傾き・切片を得る。
【００７７】
上記の代入により、３次方程式は、次のようになる。
【００７８】
【数６】
３次方程式の公式より、
Ｘ１3 ＋Ｅ・Ｘ１2 ＋Ｆ・Ｘ１＋Ｇ ＝ ０ …（29）
において、
【００８０】
【数７】
とすると、
Ｚ3 ＋３ｐＺ＋２ｑ ＝ ０ …（31）
の形になる。
【００８２】
この方程式の実根は、
Ｚ ＝ 3√{−ｑ ＋ √(ｑ2＋ｐ3）}＋3√{−ｑ−√（ｑ2＋ｐ3）｝…（32）
である。
ただし、
【００８３】
【数８】
したがって３次方程式の解Ｘ１は、次のようにして求められる。
【００８５】
【数９】
こうしてステップａ１８では、前述のステップａ８で求めた排ガス中の水分のモル分率に対応する白煙防止限界線４９上におけるＷ３に対応する温度Ｘ５０を得る。すなわちＸ１を式２４に代入して、接線４９の式を得る。この接線４９の式に、水分モル分率Ｗ３を代入することによって、目標値である温度Ｘ５０を得ることができる。
【００８７】
ステップａ１９では、この値Ｘ５０を補正し、たとえば２０℃を加算して（＝Ｘ５０＋２０）を、目標排ガス温度Ｔ１１として設定する。
【００８８】
ステップａ２０では、温度計３５によって煙突２９の上部３０における大気放散される排ガスの温度である実排ガス温度Ｔ２を検出して求める。
【００８９】
ステップａ２１では、
Ｔ２ ＞ Ｔ１１ …（39）
であるかどうかを判断し、そうでなければステップａ２２に移り、流量制御弁３２の開度を、予め定める値、たとえば５％だけ開き、その状態をステップａ２３においてタイマによって設定した時間、たとえば５分間保ち、その後、ステップａ２１に戻る。また式３９が成立すれば、ステップａ２４に移り、流量制御弁３２の開度を予め定める値たとえば５％だけ閉じ、その状態をステップａ２５において５分間保ち、その後ステップａ２１に移る。
【００９０】
図９は、本発明の上述の実施の一形態の発電出力と総合効率を、前述の図１０に示される先行技術と比較して示すグラフである。図１０に示される先行技術では、白煙発生防止のためにバーナを用い、その発電出力は、ライン５１で示され、総合効率はライン５２で示される。これに対して前述の図１〜図８に関連して説明される本発明の実施の一形態では、発電出力はライン５３のように、ライン５１に比べて低下するけれども、総合効率がライン５４で示されるように、良好であり、結局、本発明が優れていることが理解される。
【００９１】
本発明の実施の一形態では、空気の質量流量Ｇａを、直接に、測定するように構成してもよいけれども、本発明の実施の他の形態では、温度計３６によって検出された外気温度Ｔを、予め定める演算式４０に基づいて演算して求めるようにしてもよい。空気の質量流量Ｇａに最も大きく影響する因子は外気温度Ｔであり、この外気温度Ｔによって近似的に質量流量Ｇａを求めることができ、本件発明者の実験によれば、式４０によって、誤差１％以内で近似することができることが確かめられた。
【００９２】
【００９３】
【発明の効果】
請求項１の本発明によれば、排ガスの排熱回収によって得られた過熱水蒸気を噴射して熱効率の向上を図ることができ、このとき排ガス中に比較的多くの水分が含まれているので、特に気温が低い冬場などにその排ガス中の水分が凝縮して白煙化することを防ぐために、ボイラに並列にバイパス路が設けられ、このバイパス路からの高温度の排ガスを混合して、ボイラからの排ガスとの混合ガスの温度を上昇する。こうして混合排ガス中の水分が、混合排ガスの大気放散時に凝縮しない温度になるように制御手段によって制御することが可能になる。したがって大気の気温に拘わらず、熱効率を向上することができ、前述の図１０に関連して述べた先行技術における白煙化防止のための燃料を必要とせず、総合効率を高くすることができる。
【００９４】
ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を第１演算手段によって演算し、第２演算手段によって演算して求めた水分が凝縮しない温度範囲になるように、前記混合排ガスの目標排ガス温度を設定し、このような目標排ガス温度に実ガス温度が一致するように、流量制御手段、たとえばダンパなどの流量制御弁などの開度を、駆動制御するので、流量制御手段の制御を正確に行うことができる。
【００９５】
ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算するために、燃焼器の入口からタービンの入口に至る間に噴射される水蒸気の流量Ｇｓと、燃焼器に供給される燃料の流量Ｇｆと、燃焼器に供給される圧縮された燃焼用空気の流量Ｇａとに基づいて、演算するので、その排ガスに含まれる水分の分圧を正確に求めることができる。これによって白煙化防止対策が確実になる。
【００９６】
請求項２の本発明によれば、ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを、予め定める演算式に基づいて演算して求め、これによって流量Ｇａを容易に求めることができる。
【００９７】
請求項３の本発明によれば、第１管路の排ガスと第２管路の排ガスとが、第３管路内で充分に混合されてその混合排ガスの温度が均一になる。したがって混合排ガスの一部が低い温度にはならず、白煙の発生を確実に防止することができる。
【００９８】
請求項４の本発明によれば、第１管路内の排ガスに、ハウジングの環状空間から供給孔を介してもう１つの排ガスが混合されるので、混合ガスの混合性が良好であり、これによって混合排ガスの温度分布が均一になり、前述と同様に、白煙の発生を防止することができる。
【００９９】
請求項５の本発明によれば、ハウジングよりも第１管路の下流で第３管路が立上っているので、この第３管路内において混合ガスの混合性がさらに良好になり、白煙化防止を一層確実に達成することができる。
【０１００】
請求項６の本発明によれば、湿り空気線図などから、温度・水分モル分率の近似式ｆ（Ｘ）を作成して、前記混合排ガスが放散される大気の温度Ｔと湿度φとを検出してその近似式の接線を求めて白煙発生限界線を求めるようにしたので、大気の温度と湿度が変化しても、常に白煙化防止対策を確実に行うことができる。
【０１０２】
請求項７の本発明によれば、駆動制御手段は、流量制御手段の流量を、予め定める値ずつ、段階的に、予め定める時間毎に変化させるので、本件システム全体の動作が急変することはなく、安定した動作を継続しながら、白煙の発生の防止を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の全体の構成を示すブロック図である。
【図２】混合手段２８の簡略化した断面図である。
【図３】本発明の実施のさらに他の形態における混合手段２８の簡略化した断面図である。
【図４】図３における切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。
【図５】本発明の実施のさらに他の形態の断面図である。
【図６】前述の図１に示される制御手段３８の構成と動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の白煙防止のメカニズムの原理を説明するための温度と排ガスに含まれる水分のモル分率との関係を示すグラフである。
【図８】図７の一部を拡大して示す図である。
【図９】 本発明の上述の実施の一形態の発電出力と総合効率を、図１０に示される先行技術と比較して示すグラフである。
【図１０】先行技術の２流体ガスタービン装置である。
【符号の説明】
１１ ガスタービン装置
１２ 圧縮機
１３ 燃焼器
１４ 発電機
１５ タービン
１７，１９，３４ 流量計
２２ 排熱回収ボイラ
２３ 過熱器
２４ 蒸発器
２５ 節炭器
２７ バイパス路
２８ 混合手段
２９ 煙突
３２ 流量制御弁
３４ 流量計
３５，３６ 温度計
３７ 湿度計
３８ 制御手段
４０ ハウジング
Claims (7)
- （ａ）ガスタービン装置であって、
空気の圧縮機と、
圧縮機からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からのガスが供給され、圧縮機を駆動するタービンとを含み、
燃焼器入口からタービン入口までの間に水蒸気が供給されるガスタービン装置と、
（ｂ）タービンからの排ガスの排熱回収をして水蒸気を発生し、ガスタービン装置に供給するボイラと、
（ｃ）ボイラに並列に設けられ、タービンからの排ガスを導くバイパス路と、
（ｄ）ボイラとバイパス路とにおける排ガスの流量比を、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスとの混合排ガスが大気に放散されるとき、混合排ガス中の水分が凝縮しない温度になるように、制御する制御手段であって、
（ｄ１）ボイラに流れる排ガスの流量またはバイパス路に流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段と、
（ｄ２）ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算する第１演算手段であって、
ガスタービン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを検出する手段と、
水蒸気流量検出手段と燃料流量検出手段と空気流量検出手段との出力に応答し、燃料の燃焼反応後の排ガス中の水分の分圧を演算する排ガス水分分圧演算手段とを含む第１演算手段と、
（ｄ３）排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を演算する第２演算手段と、
（ｄ４）第１および第２演算手段の出力に応答し、前記温度範囲のうち、前記混合排ガスの温度を設定する目標排ガス温度設定手段と、
（ｄ５）前記混合排ガスの温度を検出する実ガス温度検出手段と、
（ｄ６）目標排ガス温度設定手段と、実ガス温度検出手段との出力に応答し、検出される実ガス温度が目標排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動する駆動制御手段とを含む制御手段とを含むことを特徴とする２流体ガスタービンシステム。 - （ａ）ガスタービン装置であって、
空気の圧縮機と、
圧縮機からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からのガスが供給され、圧縮機を駆動するタービンとを含み、
燃焼器入口からタービン入口までの間に水蒸気が供給されるガスタービン装置と、
（ｂ）タービンからの排ガスの排熱回収をして水蒸気を発生し、ガスタービン装置に供給するボイラと、
（ｃ）ボイラに並列に設けられ、タービンからの排ガスを導くバイパス路と、
（ｄ）ボイラとバイパス路とにおける排ガスの流量比を、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスとの混合排ガスが大気に放散されるとき、混合排ガス中の水分が凝縮しない温度になるように、制御する制御手段であって、
（ｄ１）ボイラに流れる排ガスの流量またはバイパス路に流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段と、
（ｄ２）ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算する第１演算手段であって、
ガスタービン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検出する手段と、
ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを、予め定める演算式に基づいて演算して求める空気流量演算手段と、
水蒸気流量検出手段と燃料流量検出手段と空気流量演算手段との出力に応答し、燃料の燃焼反応後の排ガス中の水分の分圧を演算する排ガス水分分圧演算手段とを含む第１演算手段と、
（ｄ３）排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範囲を演算する第２演算手段と、
（ｄ４）第１および第２演算手段の出力に応答し、前記温度範囲のうち、前記混合排ガスの温度を設定する目標排ガス温度設定手段と、
（ｄ５）前記混合排ガスの温度を検出する実ガス温度検出手段と、
（ｄ６）目標排ガス温度設定手段と、実ガス温度検出手段との出力に応答し、検出される実ガス温度が目標排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動する駆動制御手段とを含む制御手段とを含むことを特徴とする２流体ガスタービンシステム。 - ボイラとバイパス路との各排ガスを混合する混合手段が設けられ、この混合手段は、
ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガスが導かれ、ほぼ水平な軸線を有する第１管路と、
ボイラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガスが導かれ、第１管路の上部に接続される縦の軸線を有する第２管路と、
第２管路との接続位置よりも第１管路の下流で立上る第３管路とを含むことを特徴とする請求項１または２記載の２流体ガスタービンシステム。 - ボイラとバイパス路との各排ガスを混合する混合手段が設けられ、この混合手段は、
ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガスが導かれる第１管路と、
第１管路の外周に環状空間を形成して第１管路を外囲し、この環状空間は、第１管路内に供給孔を介して連通するハウジングと、
ボイラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガスを、ハウジングの環状空間に導く第２管路とを含むことを特徴とする請求項１または２記載の２流体ガスタービンシステム。 - 第１管路は、ほぼ水平な軸線を有し、
ハウジングよりも第１管路の下流で立上る第３管路がさらに設けられることを特徴とする請求項４記載の２流体ガスタービンシステム。 - 第２演算手段は、
湿り空気の温度・水分モル分率の線図または表に基づき、水分モル分率Ｙと温度Ｘとの近似式ｆ（Ｘ）を作成する近似式作成手段と、
大気の温度を検出する大気温度検出手段と、
大気の湿度を検出する大気湿度検出手段と、
近似式作成手段と大気温度検出手段と大気湿度検出手段との出力に応答し、検出された大気温度および検出された大気湿度の座標（Ｔ，φ）を通りかつ前記近似式ｆ（Ｘ）の接線である白煙発生限界線を求める白煙発生限界線作成手段とを含むことを特徴とする請求項１または２記載の２流体ガスタービンシステム。 - 駆動制御手段は、流量制御手段の流量を、予め定める値ずつ、予め定める時間毎に変化させることを特徴とする請求項１〜６のうちの１つに記載の２流体ガスタービンシステム。
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