JP4288845B2 - ガスタービンシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、曝気用空気源と汚泥乾燥用熱源が必要な下水道施設、塗装吹付け、清掃用空気源と乾燥用熱源が必要な塗装工場、乾燥、粉体加工用空気源と加熱、殺菌用熱源が必要な食品加工工場、さらには設備空気源と給湯、蒸気用熱源を持つ工場や建設現場、災害活動現場などで利用されるガスタービンシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮空気源と熱源の双方が必要とされる現場は多々にある。例えば工場では、圧縮空気は装置の駆動用、清掃用、冷却用等の用途に、熱源は空調、照明、動力、炉や反応槽等の用途に利用される。さらに、屋外の土木工事や災害活動現場等では、圧縮空気は破砕、清掃、空圧工具、曝気、型締め等の用途に、熱源は照明、ポンプ、電動工具、電気溶接等の用途に利用される。
【０００３】
これらの圧縮空気や熱を生成する場合、従来では、火力発電所等の熱機関において燃料から得たエネルギを電力の形で施設に送電し、施設においてかかる電力を利用して圧縮空気を得るための電動コンプレッサを駆動したり、エアコン、ヒータ等を作動させるようにしていた。
【０００４】
しかしながら、このようなシステムでは、発電所とエネルギ使用者との間が離れているため、火力発電所のように熱サイクルを組んでいる場所で発生する排熱が全く利用されず、エネルギ利用効率の大幅な低下を招くという問題があった。
【０００５】
これに対して、近時、ガスタービン駆動のコンプレッサをエネルギ使用者の施設に配置し、このガスタービンに燃料を投入することで、コンプレッサ部で生成される圧縮空気の一部を抽気して圧縮空気源として利用し、タービン部からの排気を熱源として利用する手法が新たに考えられるようになってきた。ガスタービンに燃料を投入して圧縮空気と熱を同時に取り出すようにすれば、火力発電所におけるような未利用の排熱を発生することがなく、燃料の持つエネルギの利用効率を大幅に高めることが期待できるからである。この考え方は、これまでにも特開平６−２８５４８６号公報の出願等があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにガスタービンを圧縮空気源及び熱源として利用する態様においても、以下のような問題が残る。
【０００７】
例えば、圧縮空気の用途として、曝気用空気と他の用途とを考えると、曝気用空気では必要な空気圧がゲージ圧で１００ｋＰａ（約１気圧）前後と低いのに対して、他の用途では必要な圧力はゲージ圧で７００ｋＰａ（約７気圧）〜８００ｋＰａ（約８気圧）と高い場合がある。一方、１００ｋＷ以下のクラスのガスタービン内の空気サイクルは、圧縮比４〜５程度（すなわち、圧縮後の圧力は３００ｋＰａ（約３気圧）〜４００ｋＰａ（約４気圧））が採用されている場合が多い。このように、空気源用のコンプレッサとガスタービン自身の圧縮機との圧縮比は一致していない場合が多く、用途に応じて、これを一致させるためにガスタービンにさらに別個のコンプレッサを追加するために設計を変更する必要があった。特にコンプレッサ駆動をガスタービン自身の回転体で行う場合は、それぞれの翼車を同一回転速度で高い効率に保持するには、仕様に応じて翼車の翼形状を変更しなければならないという問題があった。ガスタービンの設計では、エネルギ効率と排気への有害物質低減を両立させるには、この回転体と燃焼部のマッチングが難しくなり、仕様ごとに翼車設計を変更するのは現実的ではない。
【０００８】
また、回転シャフトを延長してこれに空気源用コンプレッサ翼車を取り付けると、回転体が複雑となり、機械構造上もバランス不良などの故障の原因になり易い問題がある。
【０００９】
そこで、このような背景から、本発明者らは、ガスタービンのコンプレッサで生成された圧縮空気を利用するシステムを提案している（特願２０００−２９０２６１）。このシステムは、次の構成からなる。
▲１▼ガスタービンは、その熱サイクルが最適になるようにコンプレッサ部、燃焼器、タービン部を設計する。コンプレッサ部の圧縮比もガスタービン設計で決定する。
▲２▼空気源として必要な空気は、ガスタービン自体のコンプレッサで圧縮された空気の一部を抽出することで実現する。従って、空気源専用としてのコンプレッサ翼車は持たない。
▲３▼前記ガスタービンから抽出された圧縮空気（以下「抽気」と呼ぶ）は、その空気が利用される状況に応じて、次のように加工する。
（ｉ）曝気施設のように必要空気量は多いが、必要圧力はせいぜい１気圧（ゲージ圧）程度と低い場合、抽気を膨張タービンで膨張させる。一方、この膨張タービンでコンプレッサを回し、大気を圧縮する。膨張タービンで抽気を膨張したものとコンプレッサで大気を圧縮したものを混合して、抽気よりも圧力が低いが流量が増大させて利用する（以下、「増量ユニット」という）。
（ii）塗装施設のように必要空気量はそれほど多くないが、圧力は7〜8気圧（ゲージ圧）と高い場合、抽気を２分割し、片方を膨張タービンで膨張させ、他方を、この膨張タービンで回転するコンプレッサで圧縮させる。この結果、膨張した側は大気開放されるが、圧縮した側は流量は減少するが、より高圧となる（以下、「増圧ユニット」という）。
【００１０】
ところが、下水処理施設などでは、処理汚水の量は様々な要因から日々変化するため、曝気槽に送られる空気量もこれに合せて増減する必要がある。ところが、ガスタービン抽気量の上限はガスタービンの能力で決まるため、めったに生じない曝気空気量最大ポイントの運用のために、ガスタービン能力を設定すると、通常の稼働率が低下し、装置運用効率が低いという問題が生じる。
また、乾燥しなければならない汚泥蓄積量が小さい時に必要曝気空気量を増大しなければならないような運転条件では、排気の熱は全て有効に利用されずに廃棄されることになり、システム全体としてのエネルギー消費効率が低下すると言う問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、曝気槽で必要となる空気量を増大させなければならない上、その増大に応じてガスタービンの出力を増大しても処理する汚泥がない場合、排気ガスの持つ熱により蒸気を発生させ、この蒸気を「増量ユニット」または「増圧ユニット」の膨張タービンに供給している空気に混合させる。
この結果、膨張タービンで膨張するガス量が増大する結果、この膨張仕事により回転するコンプレッサの圧縮能力も増大し、供給空気量が増加することになる。
【００１２】
具体的に、本発明は、コンプレッサ部、燃焼部及びタービン部を備えたガスタービンと、前記ガスタービンとは別異に、回転シャフトを介してターボコンプレッサと直結された膨張タービンとを設け、前記ガスタービンのコンプレッサ部からの抽気を前記膨張タービンに供給して、この膨張タービンの膨張時に生じる膨張エネルギでターボコンプレッサを駆動し、これによりガスタービン以外の部位から取り込んだ空気を圧縮するとともに、前記膨張タービンで膨張した空気と前記ターボコンプレッサで圧縮した空気とを混合するように構成したガスタービンシステムであって、前記ガスタービンのタービン部の排気熱で生成される蒸気を前記膨張タービンの入口に供給する手段を設けたことを特徴とする。
ここで、蒸気を膨張タービンの入口に供給する手段は、ガスタービンのタービン部出口と膨張タービンの入口を結ぶ配管を設けることにより達成できる。この配管には補助ボイラなどをを設け、蒸気を生成する。また、配管に流量調整弁を設けてもよい。
【００１３】
このような構成により、必要な圧力はさほど高くないが、大量の圧縮空気量が要求される場合は、抽気を膨張タービンで膨張させる。一方、この膨張タービンでコンプレッサを回し、周辺の大気等を圧縮する。そして、膨張タービンで抽気を膨張したものとコンプレッサで大気を圧縮したものを混合すれば、抽気よりも圧力は低いが流量を増大させることができ、本発明を増量ユニットとして利用することが可能になる。しかも、蒸気を増量ユニットの膨張タービンに供給している抽気に混合させる結果、膨張タービンで膨張するガス量が増大し、この膨張仕事により回転するコンプレッサの圧縮能力も増大し、供給空気量が増加する。
【００１４】
また、本発明は、コンプレッサ部、燃焼部及びタービン部を備えたガスタービンと、前記ガスタービンとは別異に、回転シャフトを介してターボコンプレッサと直結された膨張タービンとを設け、前記ガスタービンのコンプレッサ部からの抽気を前記膨張タービンと前記ターボコンプレッサとに分割供給して、膨張タービンの膨張時に生じる膨張エネルギでターボコンプレッサに供給された空気を前記ガスタービンで生成された時点よりも高い圧力にまで圧縮するように構成したガスタービンシステムであって、前記ガスタービンのタービン部の排気熱で生成される蒸気を前記膨張タービンの入口に供給する手段を設けたことを特徴とする。
【００１５】
このような構成により、必要な圧縮空気量はさほど多くはないが、高圧が要求される場合は、抽気を２分割し、一方を膨張タービンで膨張させ、他方を前記膨張タービンによって駆動されるコンプレッサで圧縮する。この結果、膨張した側は大気開放されるが、圧縮した側には流量は少量であるがより高圧の圧縮空気が得られ、本発明を増圧ユニットとして利用することが可能になる。しかも、前述と同様に蒸気を増圧ユニットの膨張タービンに供給している抽気に混合させる結果、膨張タービンで膨張するガス量が増大し、この膨張仕事により回転するコンプレッサの圧縮能力も増大し、供給空気量が増加する。
【００１６】
上記の増量ユニット、増圧ユニットをより高効率で利用するためには、膨張タービンで膨張した際に生成される周囲温度よりも低い温度の空気を冷却対象物の冷却に供する構成や、ターボコンプレッサで圧縮した際に生成される周囲温度よりも高い温度の空気を加熱対象物の加熱に供する構成を付加することが有効となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
図１に示すガスタービンシステムは、下水道施設等に適用されるもので、コンプレッサ部１１、燃焼部１２及びタービン部１３を備えたガスタービン１のコンプレッサ部１１で生成される圧縮空気の一部を抽気して曝気用の空気源として利用し、タービン部１３で生成される排気を汚泥乾燥等の熱源として利用するようにしている。
【００１８】
ガスタービン１は、コンプレッサ部１１とタービン部１３の間を回転シャフト１４を介して連結し、コンプレッサ部１１の出口とタービン部１３の入口の間をレクーパレータ１５及び燃焼部１２を有する流路を介して接続した構成からなるもので、燃焼部１２で燃料を注入し、燃焼させた空気をタービン部１３で膨張させ、その際の発生動力をコンプレッサ部１１に入力するようにしたものである。レクーパレータ１５は、コンプレッサ部１１からの圧縮空気とタービン部１３からの排気とを熱交換させ、これによりコンプレッサ部１１からの圧縮空気を昇温させて、燃焼部１２の燃料消費の軽減を図る役割を担う。なお、１６は起動及び回転数制御を兼ねたスタータジェネレータである。
【００１９】
また、ガスタービン１とは別異に、回転シャフト２１を介してターボコンプレッサ２２と直結された膨張タービン２３を設け、コンプレッサ部１１の出口と膨張タービン２３の入口とを抽気管２４を介して接続するとともに、膨張タービン２３の出口とターボコンプレッサ２２の出口を混合ダクト２５の一端側に接続し、混合ダクト２５の他端側を曝気槽３に接続する。
【００２０】
さらに、本発明では、タービン部１３からの排気管７に補助ボイラ７１を追加し、この補助ボイラ７１で生成された蒸気は、抽気管２４に設けた混合ダクト７２に供給される。
【００２１】
このような構成において、ガスタービン１に吸い込まれた空気は、コンプレッサ部１１で昇圧され、レクーパレータ１５でさらに昇温し、燃焼部１２に入る。ここで、燃料が噴射され燃焼することでさらに高温になる。この燃焼後の高温空気はタービン部１３で膨張し、シャフト１４を駆動し、レクーパレータ１５に入り、コンプレッサ部１１で圧縮された空気を加熱する。その後、熱を保有した排気として、その一部は汚泥の乾燥装置等に供給され、また一部は補助ボイラ７１に供給される。補助ボイラ７１で生成された蒸気は、混合ダクト７２に供給される。
【００２２】
一方、コンプレッサ部１１で圧縮された空気の一部は抽気管２４からガスタービン１外に抽気される。この部位の空気は、ガスタービン１の熱サイクルにとって最適な圧力（圧縮比）で昇圧されており、この結果、抽気の圧力も、一般的にはゲージ圧で３００ｋＰａ（約３気圧）〜４００ｋＰａ（約４気圧）になっている。
【００２３】
これに対して、本実施形態における圧縮空気の使用先は曝気槽３であり、この曝気槽３に必要な圧力はゲージ圧で１００ｋＰａ（約１気圧）程度である。そこで、抽気は膨張タービン２３に導かれ、ここで規定圧まで膨張する。この時の膨張仕事はシャフト２１を介してターボコンプレッサ２２に伝えられる。一方、ターボコンプレッサ２２の入口は大気に開放されており、ターボコンプレッサ２２は大気を吸い込んで規定圧にまで圧縮する。そして、ターボコンプレッサ２２から排出される空気と膨張タービン２３から排出される空気が混合ダクト２５で混合され、増量された空気が曝気槽３に供給されることとなる。
なお、膨張タービン２３の膨張空気に混合された水蒸気は、タービン膨張中に一部は結露し、細かな水滴になるが、これはそのまま曝気槽３に吹き込まれても何ら障害にはならない。
【００２４】
以上のようなものであると、曝気槽３に規定圧の圧縮空気を供給するためにガスタービン１の設計を変更する必要がなく、ガスタービン１を、その熱サイクルが最適になるようにコンプレッサ部１１、燃焼部１２、タービン部１３を設計し、コンプレッサ部１１の圧縮比もガスタービン１設計で決定することができる。
しかも、空気源として必要な空気は、ガスタービン１自体のコンプレッサ部１１で圧縮された空気の一部を抽出することによって実現できるため、空気源専用のコンプレッサ翼車を設けることも不要にすることができる。
【００２５】
その上、ガスタービン１からの抽気に補助ボイラ７１で生成した蒸気を混合するので、膨張タービン２３で膨張するガス量が増大する結果、この膨張仕事により回転するターボコンプレッサ２２の圧縮能力も増大し、曝気槽３に送り込む供給空気が増加する。
【００２６】
なお、ターボコンプレッサ２２、膨張タービン２３は、曝気槽近傍に配置すると、コンプレッサ部１１からの空気の体積流量が非常に小さくなるため、配管を細くできるなどの効果も生じる。さらに途中にバッファタンクを設けることによって、曝気槽空気の瞬間的な流量変動に対しても対応が可能となる。
【００２７】
＜第２実施形態＞
図２に示すガスタービンシステムは、塗装工程等に適用されるもので、前記実施形態と同様の構成からなるガスタービン１のコンプレッサ部１１で生成される圧縮空気の一部を抽気して曝気用の塗装用の空気源として利用し、タービン部１３で生成される排気を塗装乾燥のための熱源として利用するようにしている。
【００２８】
そのために、ガスタービン１とは別異に、回転シャフト４１を介してターボコンプレッサ４２と直結された膨張タービン４３を設け、コンプレッサ部１１の出口を抽気管２４及び分割ダクト４４を介して膨張タービン４３の入口及びターボコンプレッサ４２の入口に並列に接続するとともに、ターボコンプレッサ４２の出口を排気管を介して塗装用の吹付け装置４６に接続している。なお、吹付け装置４６の上流に設けられた符号４８で示すものは空気を貯溜するタンクである。
【００２９】
また、前記実施形態と同様にタービン部１３からの排気管７に補助ボイラ７１を追加し、この補助ボイラ７１で生成された蒸気は、膨張タービン４３の入口側の管路に設けた混合ダクト７２に供給される。なお、２８は冷却ユニットである。この冷却ユニットで、供給空気の熱を放散するとともに、その熱は、暖房や給湯などのユーティリティに利用してもよい。
【００３０】
このような構成において、ガスタービン１から抽気管２４を介して送られてくる抽気は、流量分割ダクト４４で分割され、一方は膨張タービン４３に、もう一方は膨張タービン４３とシャフト４１で直結されたターボコンプレッサ４２に供給される。その際、膨張タービン４３の後流側は大気開放となっており、その圧力差の膨張仕事が動力として回収され、ターボコンプレッサ４２における圧縮仕事として利用される。この結果、ターボコンプレッサ４２の出口圧は抽気圧よりも高い圧力の空気源として利用される。
振り分けの流量にもよるが、ターボコンプレッサ４２を出た空気に抽気のほぼ２倍程度の圧力（絶対圧で）は実現でき、ゲージ圧で８００ｋＰａ（約８気圧）程度が実現可能である。この空気は、タンク４８に一旦貯えられた後、塗装用の吹付け装置４６で利用されることとなる。
なお、増圧ユニットの場合、膨張タービン４３への供給側に混合ダクト７２を設け、こちらへの空気供給はなるべく温度低下が起こらないようにする一方、ターボコンプレッサ４２への供給空気側は、冷却ユニット２８で冷却されることで、圧縮空気量をさらに増やすことができる。
また、ターボコンプレッサ４２を出た空気は、アフタークーラーにより外気と熱交換させて、冷却してもよい。
【００３１】
以上のようなものであると、曝気槽３に規定圧の圧縮空気を供給するためにガスタービン１の設計を変更する必要がなく、ガスタービン１を、その熱サイクルが最適になるようにコンプレッサ部１１、燃焼部１２、タービン部１３を設計し、コンプレッサ部１１の圧縮比もガスタービン１の設計で決定することができる。
【００３２】
しかも、空気源として必要な空気は、ガスタービン１自体のコンプレッサ部１１で圧縮された空気の一部を抽出することによって実現できるため、空気源専用のコンプレッサ翼車を設けることも不要にすることができる。
【００３３】
その上、ガスタービン１からの抽気は、一部を膨張タービン４３で膨張させ、その際の動力でターボコンプレッサ４２を駆動して抽気ｂの残りを圧縮するようにしているので、膨張した側の空気は大気開放されるものの、ターボコンプレッサ４２から出たより高圧の空気を吹付け装置４６に供給することができる。
【００３４】
さらに、ガスタービン１からの抽気に補助ボイラ７１で生成した蒸気を混合するので、膨張タービン４３で膨張するガス量が増大する結果、この膨張仕事により回転するターボコンプレッサ４２の圧縮能力も増大し、塗装用の吹き付け空気が増加する。
【００３５】
以上のようにして、本発明は、１台のガスタービン１で空気源と熱源を実現するにあたり、ガスタービン１自身を変更することなく、空気源として求められる圧力の空気供給を実現することができ、現実的なシステムとして種々の施設に利用することが可能になる。特に、上記のような増量機能、増圧機能を組み替えれば、複数の最適圧の要求にも応じることが可能となる。
【００３６】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、上記実施態様においてレクーパレータ１５は燃焼部１２に投入する燃料を節約する意味で有意義なものではあるが、タービン部１３からの排気により高温を必要とするときには、これを設けずに燃焼部１２における燃料投入料を増やすようにしてもよい。また、第２実施形態で、膨張タービン４３から排気される周囲温度よりも低い空気ｂ２によって塗料保管庫内の空気を冷却し、塗料の保存のために用いたり、ターボコンプレッサ４２から排気される周囲温度よりも高い空気によって加熱対象物の予熱チャンバ内を昇温するのに利用する態様なども有効である。
また、第１実施形態、第２実施形態ともに、蒸気を混合する量は、空気供給量の大小に応じて変動させる機能を追加することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような構成であるから、燃料の持つエネルギを空気源と熱源の両方に有効利用することができ、燃料エネルギの利用効率を著しく高めた空気、熱併給システムとして種々の用途に実用的なレベルで適用することができる。
【００３８】
特に、用途に応じて圧縮空気の供給量や供給圧を容易にシステム変更できるため、幅広い応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すシステム図。
【図２】本発明の第２実施形態を示すシステム図。
【符号の説明】
１：ガスタービン１
１１：コンプレッサ部
１２：燃焼部
１３：タービン部
２１、４１：回転シャフト
２２、４２：ターボコンプレッサ
２３、４３：膨張タービン
７１：補助ボイラ
７２：混合ダクト

Claims (2)

1. コンプレッサ部、燃焼部及びタービン部を備えたガスタービンと、前記ガスタービンとは別異に、回転シャフトを介してターボコンプレッサと直結された膨張タービンとを設け、前記ガスタービンのコンプレッサ部からの抽気を前記膨張タービンに供給して、この膨張タービンの膨張時に生じる膨張エネルギでターボコンプレッサを駆動し、これによりガスタービン以外の部位から取り込んだ空気を圧縮するとともに、前記膨張タービンで膨張した空気と前記ターボコンプレッサで圧縮した空気とを混合するように構成したガスタービンシステムであって、
   前記ガスタービンのタービン部の排気熱で生成される蒸気を前記膨張タービンの入口に供給する手段を設けたことを特徴とするガスタービンシステム。
2. コンプレッサ部、燃焼部及びタービン部を備えたガスタービンと、前記ガスタービンとは別異に、回転シャフトを介してターボコンプレッサと直結された膨張タービンとを設け、前記ガスタービンのコンプレッサ部からの抽気を前記膨張タービンと前記ターボコンプレッサとに分割供給して、膨張タービンの膨張時に生じる膨張エネルギでターボコンプレッサに供給された空気を前記ガスタービンで生成された時点よりも高い圧力にまで圧縮するように構成したガスタービンシステムであって、
   前記ガスタービンのタービン部の排気熱で生成される蒸気を前記膨張タービンの入口に供給する手段を設けたことを特徴とするガスタービンシステム。

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