JP4382513B2 - 熱電併給装置及びその出力の熱電比制御方法 - Google Patents

熱電併給装置及びその出力の熱電比制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、電力と温水等を同時に供給する小容量のガスタービン・コージェネレーションシステム(以下熱電併給装置と呼ぶ)とその出力の熱電比制御方法に関するものであり、比較的小規模な各種工場やマーケット、事務所、温室農場、集合住宅等で単独又は複数台を組み合せした状態で使用する小容量の熱電併給システムに適用されるものである。
従前から、小規模の病院、スポーツクラブ、店舗、ホテルなどの業務用ビルや中小工場等に於いては、省エネルギーを図る目的から、マイクロガスタービンを用いた熱電併給装置が広く利用されている。
ところで、この種のマイクロガスタービンを用いた小型分散発電をベースとする熱電併給装置に於いては、熱需要先きの都合から温水ボイラを排熱回収装置として用い、温水の形で熱回収が多く行なわれており、また、この種の熱電併給装置は、一般に電気出力と熱出力との比が常にほぼ一定の値になると云う特性を有している。
一方、熱電併給装置を使用する上記各事業所等では、その業務内容からして、電力需要と熱需要のピークが必ずしも時間的に一致するとは限らず、電力需要のピークと熱需要のピークとが夫々異なった時刻となるのが通常である。
そのため、熱電併給装置を利用する各事業所等に於いては、電力需要や熱需要に対する供給力に過不足が生ずるのを防止するため、予かじめ分散設置した複数台の熱電併給装置の運転台数を変更したり、或いは各熱電併給装置の電気出力と熱出力の比(熱電比)を調整するようにしている。
図4乃至図6は、従前の上記熱電併給装置の熱電比の調整方法を示すものであり、図4は熱電併給装置の運転台数の制御と共に、排熱回収装置6にバイパスダクト9を設け、余剰な熱をバイパスダクト9を通して外部へ放散させる方法である。また、図5は排熱回収装置6にラジェータ10を併設し、過剰な熱をラジェータ10を介して外部へ放散させるようにしたものである。
尚、図4及び図5に於いて1はガスタービン、2は圧縮機、3は再生器、4は燃焼器、5は発電機、6は排熱回収装置、6′は温水ボイラ、6″は蒸気ボイラ、7は電力負荷、8は熱負荷、9はバイパスダクト、10はラジエータ、11は自動ダンパー装置、12は温水循環用ポンプ、13は温水温度制御装置、14は三方温度制御弁、15はファン装置、Aは燃焼用空気、Fは燃料用ガス、Epは発電機出力、Whは温水、G1 は高温タービン排ガス、G2 はタービン排ガス、G0 は放出排ガスであり、図4の装置では、熱負荷8の熱需要が減少すると、温水Whの温度が上昇し、温水温度制御装置13を介して自動ダンパー装置11が開放され、バイパスダクト9を通してタービン排ガスG2 が外部へ放散される。
同様に、図5の装置では、熱負荷8の熱需要が減少すると温水Whの温度が上昇し、温水温度制御装置13により三方温度制御弁14を切換えしてラジェータ10側へ温水Whを流通させると共に、ファン装置15を駆動することにより、温水Whの余剰な熱が外部へ放散される。
尚、図4及び図5に示した熱電併給装置そのものは公知であるため、ここではその作動の詳細な説明は省略する。
しかし、前記図4に示した熱電比の調整方法に於いては、バイパスダクト9や自動ダンパー装置11を必要とするうえ、自動ダンパー装置11を締切り性能が高性能なものにするとその製造コストが高騰する。そのため、通常は3〜5%程度のガスリークを許容する必要があり、結果として熱回収効率が5〜10%程度低下するだけでなく、バイパスダクト9の使用時の騒音防止のために排気サイレンサーが必要となり、熱回収効率の低下や設備費の上昇を招くと云う問題がある。
また、図5に示した熱電比調整の場合も同様であり、放熱により熱回収効率が低下するだけでなく、冷却用ファン装置15の運転用動力を必要とする等様々な問題が存在する。
一方、上述の如き問題、特に熱回収効率の低下の問題を解決する方策として、本願発明者等は、先きに図6に示す如き熱電比制御方法を開発し、特開2002−4946号としてこれを公開している。
即ち、当該図6に示す熱電比制御方法は、排熱回収装置6に排熱回収ボイラを用い、熱需要の減少により発生蒸気S1 が余剰の場合(又は、電力需要の増加により発生電力が不足した場合)には、発生蒸気S1 の一部S3 を蒸気制御弁16及び蒸気供給管路17を通して燃焼器4へ供給し、発電機2の出力増を図ることによって熱電併給装置の熱電比を調整する構成としたものである。尚、図6に於いて、S1 は発生蒸気、S2 は熱負荷への供給蒸気、S3 は燃焼器への供給蒸気、18は蒸気圧力制御装置である。
上記特開2002−4946号の熱電比制御方法は、外部への直接的なタービン排ガスG2 の放散が無く、余剰な蒸気S3 でもって発電機5の電気出力Epの増加を図ることができ、優れた実用的効用を具備するものである。
しかし、図6からも明らかなように、排熱回収ボイラ6″で発生した蒸気S1 の一部S3 を燃焼器4へ供給する構成としているため、排熱回収ボイラ6″の運転圧力を燃焼器4の内部圧力よりも高い高圧力に保持する必要があり、必然的に排熱回収ボイラ6″の運転温度は、排熱回収装置6を温水ボイラ6′とした場合に比較して高温となる。その結果、熱回収効率が温水ボイラ6′の場合に比較して低下せざるを得ず、更に排熱回収装置6及びこれらの制御システムが複雑となり、その設備コストが上昇すると云う難点がある。
特開2002−4946号公報 特開2002−4945号公報
本願発明は、従前のこの種熱電併給装置及びその熱電比制御方法に於ける上述の如き問題、即ち(イ)熱回収効率が低下すること及び(ロ)排熱回収装置やその制御システムの設備費の引下げを図り難いこと等の問題を解決せんとするものであり、排熱回収装置6を温水用熱交換器を内蔵した変圧運転の可能な排熱回収ボイラとし、当該排熱回収ボイラの蒸気圧力を必要に応じて調整可能とすることにより、常に最大の熱回収効率を維持しつつ、しかも熱電比制御装置の複雑化を招くことなしに簡素な制御装置でもって、高精度な熱電比制御を行なえるようにした熱電併給装置とその熱電比制御方法を提供することを、発明の主たる目的とするものである。
請求項1の発明は、ガスタービンと発電機と圧縮機と再生器と燃焼器と温水用熱交換器を備えた変圧運転の可能な蒸気発生用ボイラとを備え、ガスタービンからの高温タービン排ガスを再生器で圧縮燃焼用空気を加熱したあと蒸気発生用ボイラへ供給する構成とした熱電併給装置に於いて、熱負荷の熱需要が多いときには前記蒸気発生用ボイラを減圧蒸気下で運転して温水用熱交換器による熱回収を増加させ、また、熱負荷の熱需要が少ないときには前記蒸気発生用ボイラを高圧蒸気下で運転すると共に、発生した高圧蒸気の一部を圧縮機と再生器を含む圧縮燃焼用空気系内若しくは燃焼器内へ噴射して発電機出力を増加させることを発明の基本構成とするものである。
請求項2の発明は、ガスタービンと発電機と圧縮機と再生器と燃焼器と温水用熱交換器を備えた変圧運転の可能な蒸気発生用ボイラとを備え、ガスタービンからの高温タービン排ガスを再生器で圧縮燃焼用空気を加熱したあと蒸気発生用ボイラへ供給する構成とした熱電併給装置に於いて、前記温水用熱交換器20と熱負荷8との温水循環通路に温水循環用ポンプ12と三方温度調整弁14を介設すると共に、三方温度調整弁14を介して温水用熱交換器20の温水出口と温水入口間を温水バイパス管23で連通させ、また、前記蒸気発生用ボイラ24と前記圧縮機2と再生器3を含む圧縮燃焼用空気系25若しくは燃焼器4とを逆止弁22を介設した蒸気噴射通路21により連通し、前記熱負荷8の熱需要が減少した時には、熱負荷8の出口側の温水Whの温度に基づいて前記温水循環用ポンプ12と三方温度調整弁14の何れか一方又は両方の作動を制御して温水用熱交換器20へ流通する温水流量を減少させ、温水用熱交換器20に於ける熱回収量を減少させると共に蒸気発生用ボイラ24に於ける熱回収量を増加させて高圧蒸気を発生させ、当該高圧蒸気を前記逆止弁22を通して圧縮燃焼用空気系25内又は燃焼器4内へ噴射することにより発電機出力を増加させることを発明の基本構成とするものである。
請求項3の発明は、請求項2の発明に於いて、蒸気発生用ボイラ24の缶体24aの蒸気溜24b内に温水用熱交換器20の熱交換管20′を配設するようにしたものである。
請求項4の発明は、請求項2の発明に於いて、温水用熱交換器20と蒸気発生用ボイラ24とを別体とし、温水用熱交換器20の缶体20a内と蒸気発生用ボイラ24の蒸気溜24b間を蒸気制御弁26を介して連通すると共に、前記温水用熱交換器20の缶体20aの底部と蒸気発生用ボイラ24の給水溜24c間を連通管路24dにより連通するようにしたものである。
本願発明では、(イ)蒸気発生用ボイラ24からの蒸気Sを圧縮機2の出口と再生器3の入口とを連結する圧縮空気系25内又は燃焼器4内へ噴射するようにしているため、蒸気Sが0.3〜0.5MPa・160℃〜170℃の比較的低温・低圧蒸気でよく、その結果従前の燃焼器4内へ高温・高圧蒸気を噴射する場合に比較して、蒸気発生用ボイラ24を常により高い熱回収効率の下で運転することができる。
また、(ロ)再生器3の入口側へ160℃〜170℃の温度の蒸気を噴射することにより、圧縮機2からの燃焼用空気Aの温度が若干低下することになり、結果として再生器3に於ける熱交換効率が向上することになる。
更に、(ハ)上記(イ)及び(ロ)等により、本願発明では従前の燃焼器4へ蒸気を噴射する場合に比較して発電機効率の上昇がより大きくなる。
以下、図面に基づいて本発明の各実施形態を説明する。
実施形態1
図1は、本発明の実施形態1を適用した熱電併給装置の全体系統図であり、図1に於いて1はガスタービン、2は圧縮機、3は再生器、4は燃焼器、5は発電機、6は排熱回収装置(温水用熱交換器20を備えた蒸気発生用ボイラ24)、7は電力負荷、8は熱負荷、12は温水循環用ポンプ、13は温水温度制御装置、14は三方温度調整弁、20は温水用熱交換器、20′は熱交換管、20aは缶体、21は蒸気噴射管、22は逆止弁、23は温水バイパス管、24は蒸気発生用ボイラ、24′は熱交換管、24aは缶体、24bは蒸気溜、24cは給水溜、24dは連通管路、Aは燃焼用空気、Fは燃料用ガス、G1 は高温タービン排ガス、G2 はタービン排ガス、G0 は放出排ガス、Whは温水、T1 ・T2 は温度センサ、Wh′はバイパス温水である。
尚、図1に於いて、前記図4乃至図6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。
図1を参照して、本件発明に於いては、タービン排ガスG2 の排熱回収装置6として、温水用熱交換器20を備えた蒸気圧の変圧運転が可能な蒸気発生用ボイラ24が利用されており、缶体24a内に蒸気発生用の熱交換管24′と温水用熱交換器20の熱交換管20′とが配設されている。尚、図1に於いて24bは蒸気発生用ボイラ24の蒸気溜、24cは給水溜である。
圧縮機2で圧縮された燃焼用空気Aが再生器3で予熱され、燃焼器4で燃料用ガスFと混合燃焼されることにより約850℃の高温燃焼ガスが生成される。この高温燃焼ガスによりガスタービン1が回転駆動され、発電機5で15〜100kw程度の発電機出力E0 が発生される。
前記ガスタービン1からの約600℃高温タービン排ガスG1 は再生器3での圧縮空気Aとの熱交換により約280〜300℃のタービン排ガスG2 となって蒸気発生用ボイラ24の熱交換管24′へ送られ、蒸気Sを発生することにより約80〜90℃の放出排ガスG0 となって、外部へ放散されて行く。
温水循環ポンプ12により熱負荷8側から還流されて来た温水Whは、温水用熱交換器20で、前記蒸気溜24b内に発生した蒸気Sにより約60〜70℃に加熱され、熱負荷8側へ循環して行く。
今、熱負荷8側の温水熱需要が大きい場合には、熱負荷8の出口側の温水Whの温度が設定値近傍の温度以下にまで低下すると共に、温水循環用ポンプ12は全負荷運転の状態となる。これにより、温水用熱交換器20の熱負荷は最大状態となる。
ところで、一般に給湯暖房等の熱負荷8の温水温度は通常60〜70℃であるため、温水用熱交換器20のピンチポイント温度差を夫々10℃とすれば、加熱側の蒸気発生用ボイラ24の蒸気溜24b内の蒸気圧力は、70〜80℃の飽和蒸気圧となる。
また、再生器3からのタービン排ガスG2 の温度は通常約280〜300℃であり、蒸気発生用の熱交換管24′に於ける熱交換により80〜90℃にまで冷却され、放出排ガスG0 となる。即ち、排熱回収装置6としては、タービン排ガスG2 の冷却温度差ΔT=200〜210℃に相当する熱量を回収することになる。
尚、この状態に於いては、蒸気発生用ボイラ24の缶体24a内の蒸気圧は前述の通り70〜80℃の飽和蒸気圧であり、圧縮機2や燃焼器4の器内圧力に比較して低い圧力である。そのため、逆止弁22は閉鎖状態にあり、圧縮空気Aや燃焼ガス等が蒸気発生用ボイラ24側へ流入することは無い。
これに対して、熱負荷8側の熱負荷が減少した場合には、熱負荷8の出口側の温水温度が上昇する。この温水温度の上昇が温度センサT2 により検出されると、温水温度制御器13を介して温水循環用ポンプ12の運転が低速運転に切換えられ、温水循環量が減少する。これにより、温水用熱交換器20の熱交換管20′の出口側の温水Wh″温度が上昇するため、三方温度調整弁14が作動され、温水バイパス管23内を流通するバイパス温水Wh′の流量を増大させることにより、熱負荷8へ送出する温水Whの温度が一定値に保持される。即ち、温水用熱交換器20を流通する温水Wh″が減少して温水温度が上昇することにより、温水用熱交換器20による熱回収量が減少する。
尚、本実施形態では、温水循環用ポンプ12と三方温度調整弁14の両方の作動を調整するようにしているが、何れか一方のみの調整でもって対処することも可能である。
一方、再生器3を備えた小容量ガスタービンの圧縮比は3〜5程度であるため、圧縮機2と燃焼器4の圧縮空気系統内へ蒸気噴射管21を通して蒸気噴射を行なうには、0.3〜0.5MPaの蒸気圧力を必要とする。
そのため、本発明に於いては、熱負荷8の熱需要が減少して来た場合には蒸気発生用ボイラ24の器内蒸気圧力が、0.3〜0.5MPaとなるように予かじめ設計されている。
即ち、この時の前記発生蒸気S(飽和蒸気圧0.3〜0.5MPa)の温度は150〜160℃となるため、蒸気発生用ボイラ24からの排出ガスG0 の温度は160〜170℃となり、蒸気発生用ボイラ24ではタービン排ガスG2 の冷却温度差ΔT=130〜140℃(280〜300℃→160〜170℃)に相当する熱量が、飽和蒸気Sの型で回収されることになる。
上記温水用熱交換器20内の流通温水Wh″の流通量の減少と温水Wh″の温度上昇により、温水用熱交換器20による回収熱量が減少するに伴なって、蒸気発生用ボイラ24の器内蒸気Sの圧力が徐々に上昇し、これが圧縮機2と再生器3間の圧縮燃焼用空気系25の内圧を越えると、逆止弁22が開放され、蒸気噴射管21を通して蒸気発生用ボイラ24内の蒸気Sが前記圧縮燃焼用空気系25内へ噴射される。
尚、前記圧縮燃焼用空気系25内へ噴射する蒸気Sの流量を増すことにより、ガスタービン1の出力(即ち、発電機出力Ep)は増大し、これによって熱電併給装置の熱電比が調整されることになる。
本願発明では、(イ)蒸気発生用ボイラ24からの蒸気Sを圧縮機2の出口と再生器3の入口とを連結する圧縮空気系25内へ噴射するようにしているため、蒸気Sが0.3〜0.5MPa・160〜170℃比較的低温低圧蒸気でよく、その結果従前の燃焼器4内へ高温・高圧蒸気を噴射する場合に比較して、蒸気発生用ボイラ24における熱回収効率が高くなる。
また、(ロ)再生器3の入口側へ160〜170℃の温度の蒸気を噴射することにより、圧縮機2からの燃焼用空気Aの温度が若干低下することになり、結果として再生器3に於ける熱交換効率が向上することになる。
更に、(ハ)上記(イ)及び(ロ)等により、本願発明では従前の燃焼器4へ蒸気を噴射する場合に比較して発電機効率の上昇がより大きくなる。
実施形態2
図2は、本発明の実施形態2を適用した熱電併給装置の全体系統図である。
当該第2実施形態に於いては、蒸気発生用ボイラ24からの蒸気Sの一部を燃焼器4へ噴射する構成としており、蒸気噴射管21の一端側が燃焼器4へ連通されている点を除いて、その他の構成は実施形態1の場合と全く同一である。
当該実施形態2に於いては、燃焼器4へ160〜170℃の燃焼ガスよりも低温の蒸気Sを供給するため、燃焼器4に於ける燃焼効率が若干低下することになる。しかし、低温・低圧蒸気の利用による蒸気発生用ボイラ24に於ける熱回収効率の上昇より、総合的な熱回収効率は、従前の高温・高圧蒸気を噴射する特開2002−4946号の場合よりも、大幅に向上する。
実施形態3
図3は、本発明の実施形態3を適用した熱電併給装置の全体系統図を示すものである。 当該実施形態3に於いては、温水用熱交換器20が蒸気発生用ボイラ24と別体として設けられており、且つ温水用熱交換器20の缶体20aと蒸気発生用ボイラ24の缶体24aとが蒸気制御弁26及び連結管27a・27bを介して連通されている。
尚、上記温水用熱交換器20が蒸気発生用ボイラ24と別体になっている点を除いて、その他の構成は実施形態1の場合と同一である。
当該実施形態3では、熱負荷8の熱需要が減少した場合には、温水Whの温度センサT2 の検出信号により温水循環用ポンプ12と三方温度調整弁14の他に蒸気制御弁26の開度も調整され、蒸気発生用ボイラ24から温水用熱交換器20へ流入する加熱用蒸気S′の流量を調整する構成となっている。
また、当該実施形態3では、熱需要の減少時に蒸気噴射管21を介して、蒸気発生用ボイラ24内の蒸気Sを圧縮燃焼用空気系25内へ噴射する構成としているが、当該蒸気Sを燃焼器4内へ噴射するようにしても良いことは勿論である。
本発明は、小容量のガスタービン・ユージェネレーションシステムの全てに適用することが可能なものであり、ガスタービンや排熱回収装置の種類・型式等に関係なく全ての所謂熱電併給装置に適用可能である。
本発明の実施形態1を適用した熱電併給装置の全体系統図である。 本発明の実施形態2を適用した熱電併給装置の全体系統図である。 本発明の実施形態3を適用した熱電併給装置の全体系統図である。 従前の熱電併給装置に於ける熱電比制御方法の一例を示す説明図である。 従前の熱電併給装置に於ける熱電比制御方法の他例を示す説明図である。 従前の熱電併給装置に於ける熱電比制御方法の他例を示す説明図である。
符号の説明
1はガスタービン、2は圧縮機、3は再生器、4は燃焼器、5は発電機、6は排熱回収装置、7は電力負荷、8は熱負荷、9はバイパスダクト、10はラジエータ、11は自動ダンパー装置、12は温水循環用ポンプ、13は温水温度制御装置、14は三方温度制御弁、15はファン装置、Aは燃焼用空気、Fは燃料用ガス、G1 は高温タービン排ガス、G2 はタービン排ガス、G0 は放出排ガス、Whは温水、Wh″は熱交換管出口側温度、Wh′はバイパス温水、Epは発電機出力、T1 ・T2 は温度センサ、S・S1 は蒸気、20は温水用熱交換器、20′は熱交換管、20aは缶体、21は蒸気噴射通路、22は逆止弁、温水循環通路、23は温水バイパス管、24は蒸気発生用ボイラ、24′は熱交換管、24aは缶体、24bは蒸気溜、24cは給水溜、24dは連通管路、25は圧縮燃焼用空気系、26は蒸気制御弁、27a・27bは連結管。

Claims (4)

  1. ガスタービンと発電機と圧縮機と再生器と燃焼器と温水用熱交換器を備えた変圧運転の可能な蒸気発生用ボイラとを備え、ガスタービンからの高温タービン排ガスを再生器で圧縮燃焼用空気を加熱したあと蒸気発生用ボイラへ供給する構成とした熱電併給装置に於いて、熱負荷の熱需要が多いときには前記蒸気発生用ボイラを減圧蒸気下で運転して温水用熱交換器による熱回収を増加させ、また、熱負荷の熱需要が少ないときには前記蒸気発生用ボイラを高圧蒸気下で運転すると共に、発生した高圧蒸気の一部を圧縮機と再生器を含む圧縮燃焼用空気系内若しくは燃焼器内へ噴射して発電機出力を増加させる構成としたことを特徴とする熱電併給装置に於ける出力の熱電比制御方法。
  2. ガスタービンと発電機と圧縮機と再生器と燃焼器と温水用熱交換器を備えた変圧運転の可能な蒸気発生用ボイラとを備え、ガスタービンからの高温タービン排ガスを再生器で圧縮燃焼用空気を加熱したあと蒸気発生用ボイラへ供給する構成とした熱電併給装置に於いて、前記温水用熱交換器(20)と熱負荷(8)との温水循環通路に温水循環用ポンプ(12)と三方温度調整弁(14)を介設すると共に、三方温度調整弁(14)を介して温水用熱交換器(20)の温水出口と温水入口間を温水バイパス管(23)で連通させ、また、前記蒸気発生用ボイラ(24)と前記圧縮機(2)と再生器(3)を含む圧縮燃焼用空気系(25)若しくは燃焼器(4)とを逆止弁(22)を介設した蒸気噴射通路(21)により連通し、前記熱負荷(8)の熱需要が減少した時には、熱負荷(8)の出口側の温水(Wh)の温度に基づいて前記温水循環用ポンプ(12)と三方温度調整弁(14)の何れか一方又は両方の作動を制御して温水用熱交換器(20)へ流通する温水流量を減少させ、温水用熱交換器(20)に於ける熱回収量を減少させると共に蒸気発生用ボイラ(24)に於ける熱回収量を増加させて高圧蒸気を発生させ、当該高圧蒸気を前記逆止弁(22)を通して圧縮燃焼用空気系(25)内又は燃焼器(4)内へ噴射することにより発電機出力を増加させる構成としたことを特徴とする熱電併給装置。
  3. 蒸気発生用ボイラ(24)の缶体(24a)の蒸気溜(24b)内に温水用熱交換器(20)の熱交換管(20′)を配設して成る蒸気発生用ボイラとした請求項2に記載の熱電併給装置。
  4. 温水用熱交換器(20)と蒸気発生用ボイラ(24)とを別体とし、温水用熱交換器(20)の缶体(20a)内と蒸気発生用ボイラ(24)の蒸気溜(24b)間を蒸気制御弁(26)を介して連通すると共に、前記温水用熱交換器(20)の缶体(20a)の底部と蒸気発生用ボイラ(24)の給水溜(24c)間を連通管路(24d)により連通する構成とした請求項2に記載の熱電併給装置。
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