JP4131951B2 - マイクロガスタービン発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、水噴霧により発電出力を増加させるマイクロガスタービン設備に関する。

水噴霧によって発電出力を増強するタイプの再生式ガスタービンとしては、例えば特開２００１−２５４６３２号公報に記載の技術がある。この特開２００１−２５４６３２号公報には、再生式ガスタービン圧縮機吐出部に温水噴射による加湿器を設けて、発電出力を増加させることを可能とする熱電併給設備について記載されている。

特開２００１−２５４６３２号公報（図３）

水噴霧によって圧縮機吐出空気を加湿する場合、限られたスペースで噴霧水を完全に蒸発させるためには、噴霧水の水滴径を微小にする必要がある。微小水滴を発生させる噴霧ノズルでは、単独のノズルでは自ずと供給流量に限界がある。このため、広範囲な噴霧水流量をカバーすることが要求される場合、複数のノズルを備え、これらのノズルの流量制御を実施する必要がある。一方、マイクロガスタービンの利点は構造が単純で部品点数が少ないこと、さらには運転制御は回転数と燃料流量の制御のみで行うという点にある。水噴霧を伴う場合には、これに噴霧水の流量制御が加わることになり、その流量制御のためにシンプルが特徴であるマイクロタービンの運転制御は複雑化し、その利点が失われる。

本発明の目的は、広範囲な噴霧水流量領域を扱えて、その流量制御を簡単にすることができるマイクロガスタービン発電設備を提供することにある。

上記目的を達成する為に、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンの排気ガスと前記燃焼器に導かれる圧縮空気とを熱交換する再生熱交換器とを有するマイクロガスタービン設備において、圧縮機吐出空気への噴霧水を供給する給水ラインとして、給水流量を連続的に調整する第１の噴霧水供給ラインと、遮断弁の開閉によって規定流量の供給の有無を調節する第２の噴霧水供給ラインを設ける。

本発明によれば、噴霧水を利用するマイクロガスタービン発電設備において、広範囲な噴霧水流量領域を扱えて、その流量制御を簡単にすることができる。

以下、本発明に関わるマイクロガスタービン発電設備の実施例について、図１から図４を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例であるマイクロガスタービン発電設備のシステム系統図を示す。図示するマイクロガスタービン発電設備は、タービン１，圧縮機２，発電機３，電力変換器４，再生熱交換器５および燃焼器６によって構成される再生サイクルからなるガスタービンシステムである。発電機３は、界磁発生に永久磁石を用いた永久磁石三相発電機で、駆動軸１５にはその同一軸の延長端に圧縮機２とタービン１が取り付けられている。また、発電機３は電力変換器４と動力配線１６で接続されている。電力変換器４は、交流電力を直流に変えるコンバータとその直流電力を商用周波数に合わせた交流電力に変換するインバータで構成されている。

タービンシステムの運転開始時は、図示していない系統側から電気を引き入れ、発電機に供給して発電機３を電動機として作動させる。共通の駆動軸１５の回転により、圧縮機２とタービン１が回転する。圧縮機２はフィルタ７を介して外気を吸い込み、昇圧して再生熱交換器５を通して燃焼器６に吐出空気を供給する。駆動軸１５の回転数の増加に伴い吐出空気圧力が増加し、規定の回転数または吐出圧力に到達したところで、燃料供給ラインである燃料配管８に設置された燃料供給弁９を開けて燃料を燃焼器６に供給し、圧縮機からの吐出空気と混合させ燃焼させる。燃焼ガスはタービン１で膨張仕事をして再生熱交換器５を通り、タービンシステム外部に排出される。燃焼ガスのタービン１での膨張仕事の増加により発電機３で発電が開始されると、電力変換器４は、動力配線１６を介して流入する電力を系統側電力の周波数に変換して出力する。

また、図示するマイクロタービン設備では、タービン１からの排ガスは配管１３を介して再生熱交換器５に導かれる。再生熱交換器５内では、圧縮機からの吐出配管１１によって導かれた圧縮空気と熱交換して、圧縮機からの吐出空気温度を上昇させる。圧縮機吐出空気を加熱した排ガスは、配管１４を通して再生熱交換器５から排出される。

図示するような再生サイクルでは、再生熱交換器５で排気からいかに多くの熱エネルギーを回収できるかがサイクルの効率向上と発電出力の増加に繋がる。そこで、本実施例では再生熱交換器５での熱交換量を増加させる目的で、吐出空気に水噴霧を行う第１の噴霧水供給ラインとして飽和加湿水ライン３０を圧縮機吐出配管１１に設置している。この飽和加湿水ライン３０には、再生熱交換器５に供給される空気に水噴霧する噴霧水ノズル
１７，給水流量をコントロールする噴霧水流量制御弁１８，給水を遮断する遮断弁２３、及び噴霧水ノズル１７で噴霧する水を供給する導水管１９によって構成される。水噴霧の効果は、水噴霧による加湿で再生熱交換器の低温側空気配管の入口温度を低下させて、再生熱交換器での熱交換量を増加させて排熱回収量を増加させることと、水噴霧によって燃焼器への流量そのものが増加するという効果がある。

噴霧水の量は、再生熱交換器の低温空気側（圧縮機吐出空気）の入口圧力状態において、空気温度を飽和温度まで低下させるのに必要な量である。圧縮機の吐出空気温度は、吸気側、つまり大気温度条件によって変わるため、噴霧水ノズル１７から噴霧する水量は噴霧水流量制御弁１８でコントロールする。なお、大気温度の上昇によって、例えば、タービン設計点（ＩＳＯ条件、１５℃，１０１.３ｋＰａ ，３０％相対湿度）での定格出力を発生するのに必要な空気流量が不足する場合、先に示した水噴霧による流量増加効果で、不足空気流量を補うことができる。このように、圧縮機吐出空気に供給される水分量は、外気温度と、要求負荷によって、広範囲の流量が必要になる。さらに噴霧された水は、その後、再生熱交換器５に流入するため、水滴が再生熱交換器の高温壁に付着することで生じる熱衝撃による損傷を回避するため、再生熱交換器の入口までの距離で完全に蒸発していることが望ましい。

そこで本実施例では、圧縮機吐出空気に水噴霧する第２の噴霧水供給ラインとして、導水管２２，遮断弁２１、及び噴霧水ノズル２０によって構成される過飽和加湿水ライン
３１を圧縮機吐出配管１１に設置している。すなわち、本実施例では飽和加湿水ライン
３０と過飽和加湿水ライン３１の二つのラインによって水噴霧を行うように構成している。導水管１９の上流側に設置される遮断弁２３はＯＮ／ＯＦＦ操作で、このラインへの水の供給自体をコントロールしている。

噴霧水の制御は、大気温度があまり高くない状態で、圧縮機からの吐出空気量で設計の定格出力を発電できる場合は、配管１１における再生熱交換器５の入口の空気圧力状態における飽和温度まで温度低下させるのに必要な量だけの水を噴霧水ノズル１７から供給する。噴霧水量は全て流量制御弁１８によって流量制御される。飽和温度まで温度低下させるのに必要な水量は、再生熱交換器の入口に設置された温度計２６と圧力計２７からデータによって算出される。

大気温度が上昇して、定格出力発電に対する空気流量が不足するような大気状態になった場合は、噴霧水ノズル２０からの噴霧水によって噴霧水量を増加する。ここで、噴霧水ノズル２０が設置される過飽和加湿水ライン３１の噴霧水流量は、遮断弁２１の開閉操作のみで制御されるため、規定流量１００％が供給されるか、０％となるかの２通りの供給方法のみである。タービンシステムとしては、噴霧水ノズル１７から成る飽和加湿水ライン３０の水の連続制御と、噴霧水ノズル２０から成る過飽和加湿水ライン３１のＯＮ／
ＯＦＦ制御によって供給される水との合計量となる。

図２（ａ）は、再生熱交換器入口状態を飽和温度まで低下させるのに必要な加湿水流量と外気温との関係を示したもので、図２（ｂ）は、再生熱交換器入口で図２（ａ）に示された加湿水が供給された場合のタービンシステムの発電出力を示したものである。外気温度が例えば３０℃を超えるような状態になると、タービンの定格出力発生に必要な空気量が不足するため、飽和状態までの加湿を行っても出力低下が生じる。

図３は、本発明の噴霧水の供給方法を示した図である。図３は図２と同様に外気温に対する噴霧水量の関係を示したものである。図２（ａ）において、再生熱交換器入口において飽和温度までの温度低下で、タービン発電量が定格発電を確保できる外気温（図中のＡ点）までは、飽和加湿水ライン３０のみによる噴霧水の供給を行う。このとき、噴霧水量は外気温に合わせて、飽和加湿水ライン３０に設置された流量制御弁によって制御される。図中Ａ点以上の外気温の高い領域では、飽和加湿水ライン３０からの噴霧水の供給を止め、代わりに過飽和加湿水ライン３１の遮断弁を開放してこのラインから噴霧水を供給する。過飽和加湿水ライン３１での噴霧水量は、図３（ａ）に示すように、飽和加湿水ライン３０での噴霧水供給量よりも多くなるように導水管，遮断弁およびノズルを設定しておく。図中Ａ点以上の外気温の高い状態では、発電出力が、要求負荷に達するまで噴霧水の供給を行う。図３（ａ）のＢ点は、過飽和加湿水の供給だけでは要求負荷に見合う発電ができなくなった点であり、飽和加湿水ライン３０からの噴霧水の供給も開始して、必要な噴霧水量を確保する。図中Ｂ点以上の領域に対しては、要求負荷を満足する発電量に達するまで噴霧水流量を供給し、流量のコントロールは飽和加湿水ライン３０に設置された流量制御弁によって行われる。

図３（ａ）に示した噴霧水の供給方法では、流量のコントロールは飽和加湿水ライン
３０に設置された流量制御弁のみで、他のラインに関してはＯＮ／ＯＦＦ指令のみの制御となる。

図１に示した噴霧水供給システム構成と図３に示した噴霧水供給方法によって、広範囲な外気温領域まで、要求負荷を満足できる噴霧水流量の供給ができ、さらに噴霧水流量のコントロールは、飽和加湿水ライン３０に設置された流量制御弁のみで、噴霧水流量の制御が簡素化できるという効果がある。

また、噴霧水流量が２本のラインからの供給で足りない場合には、遮断弁，導水管，噴霧ノズルから成る過飽和加湿水ライン３１を増加して対応でき、要求負荷を満足する噴霧水量が確保されるまで過飽和加湿水ライン３１の遮断弁を順次開放して、水を供給し、最後に再度、飽和加湿水ラインの流量制御弁の開度調整を行う。この場合も、図１及び図３に示したものと同様に広範囲の流量を単純な操作で制御できるという効果がある。

本発明の他の実施例を図４に示す。図１と同じ構成については説明を省略する。図４に示す本実施例は、圧縮機２からの吐出空気配管１１を２つの配管２４と２５に分岐して、飽和加湿水ライン３０からの噴霧水供給と、過飽和加湿水ライン３１からの噴霧水供給をそれぞれ別配管で実施するものである。導水管１９，流量制御弁１８，噴霧水ノズル１７から成る飽和加湿水ライン３０は、配管２４に取り付けられ、導水管２２，遮断弁２１，噴霧水ノズル２０から成る過飽和加湿水ライン３１は配管２５に取り付けられている。図４の実施例では、飽和加湿水ライン３０からの噴霧水と、過飽和加湿水ライン３１からの噴霧水は、別配管に設置されるため、それぞれのノズルから噴霧される水滴の干渉を避けられる。これにより、水滴の合体による水滴径の肥大化を防止でき噴霧水の蒸発を早めるという効果がある。また、再生熱交換器５への水滴流入を防止できるため、流入水滴の再生熱交換器壁面への付着により生じる熱衝撃を防止でき、再生熱交換器の長寿命化が図れるという効果がある。

以上のように、図１〜図４に示す実施例では、飽和空気温度まで圧縮機吐出空気温度を低下させるのに必要な噴霧水流量を供給する飽和加湿水ラインと、大気温度上昇時に要求負荷に必要な空気量確保のために水噴霧する過飽和加湿水ラインとを分割して、水量制御は飽和加湿水ラインから供給される噴霧水量のみとし、過飽和加湿水を行う噴霧水ラインからはＯＮ／ＯＦＦ制御による噴霧水の供給を行っている。２系統に分けた噴霧水供給ラインにより、発電効率向上と、大気温が上昇した場合にも要求負荷を満足するのに必要となる広範囲な噴霧水量を供給でき、さらにその流量制御を簡素化できる。これにより、噴霧水を利用するマイクロタービンシステムにおいて、噴霧水供給ラインと噴霧水流量の制御が簡素化でき、かつ、大気温の高い雰囲気条件においても設計計画点の大気温度と同等の発電出力が得られる。

本発明の一実施例を示す図。 飽和加湿水量と外気温の関係と、その時のタービン発電量の関係を示す図。 本発明による噴霧水の供給方法と外気温の関係と、その時のタービン発電量の関係を示す図。 本発明の他の実施例を示す図。

符号の説明

１…タービン、２…圧縮機、３…発電機、４…双方向電力変換器、５…再生熱交換器、６…燃焼器、７…吸気フィルタ、８…燃料配管、９…燃料供給弁、１５…駆動軸、１６…動力配線、１７，２０…噴霧水ノズル、１８…噴霧水流量制御弁、１９，２２…導水管、
２１，２３…遮断弁、２６…温度計、２７…圧力計、３０…飽和加湿水ライン、３１…過飽和加湿水ライン。

Claims (7)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンによって駆動される発電機と、前記タービンの排気ガスと前記燃焼器に導かれる圧縮空気とを熱交換する再生熱交換器とを有するマイクロガスタービン発電設備において、
   圧縮機吐出空気への噴霧水を供給する給水ラインとして、流量制御弁により飽和空気温度まで圧縮機吐出空気温度を低下させるに必要な噴霧水流量を連続的に調整する第１の噴霧水供給ラインと、大気温度上昇時に要求負荷に必要な空気量確保のために遮断弁により規定流量の噴霧水の供給の有無を調節する第２の噴霧水供給ラインを設けたことを特徴とするマイクロガスタービン発電設備。
2. 前記第１の噴霧水供給ラインは、圧縮機吐出空気の再生熱交換器入口の状態が飽和温度まで低下するように噴霧水の供給を行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロガスタービン発電設備。
3. 再生熱交換器の入口圧力と温度から噴霧水流量を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載したマイクロガスタービン発電設備。
4. 前記遮断弁が閉状態の時は、再生熱交換器入口における圧縮機吐出空気の状態が飽和温度まで低下するように流量制御弁で噴霧水の供給量を制御し、遮断弁が開状態のときは、発電機出力が要求される出力に達するまで噴霧水を供給するように流量制御弁で流量制御を行い、遮断弁の開閉操作は、タービンの定格出力発生に必要な空気量が不足して飽和状態までの加湿を行っても出力低下が生じるような外気温まで上昇したときに開となるように制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロガスタービン発電設備。
5. 前記圧縮機吐出空気に噴霧水を供給する噴霧水供給設備を圧縮空気吐出空気配管に設置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロガスタービン発電設備。
6. 前記圧縮機から再生熱交換器に圧縮空気吐出空気を供給する配管を分岐させ、一方の配管には流量制御弁によって噴霧水流量を調節するラインを、他方の配管には遮断弁によって規定流量の噴霧水の供給の有無を調整するラインを設置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロガスタービン発電設備。
7. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンによって駆動される発電機と、前記タービンの排気ガスと前記燃焼器に導かれる圧縮空気とを熱交換する再生熱交換器とを有するマイクロガスタービン発電設備の制御方法において、
   圧縮機吐出空気への噴霧水を供給する給水ラインとして、流量制御弁によって飽和空気温度まで圧縮機吐出空気温度を低下させるに必要な噴霧水流量を連続的に調整する第１の噴霧水供給ラインと、大気温度上昇時に要求負荷に必要な空気量確保のために遮断弁によって規定流量の噴霧水の供給の有無を調節する第２の噴霧水供給ラインを備え、
   前記遮断弁が閉状態の時は、再生熱交換器入口における圧縮機吐出空気の状態が飽和温度まで低下するように流量制御弁で噴霧水の供給量を制御し、遮断弁が開状態のときは、発電機出力が要求される出力に達するまで噴霧水を供給するように流量制御弁で流量制御を行い、遮断弁の開閉操作は、タービンの定格出力発生に必要な空気量が不足して飽和状態までの加湿を行っても出力低下が生じるような外気温まで上昇したときに開となるように制御することを特徴とするマイクロガスタービン発電設備の制御方法。

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