JP4446215B2

JP4446215B2 - Regenerative steam injection gas turbine generator

Info

Publication number: JP4446215B2
Application number: JP2000183361A
Authority: JP
Inventors: 茂一宇治
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: JP2002004814A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電と水蒸気生成を行うガスタービン発電装置に係り、更に詳しくは、ガスタービンに昇温・昇圧した空気とともに水蒸気を噴射する再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンへ水蒸気を注入する二流体サイクルガスタービンとしては、例えば特公昭５４−３４８６５号の「二作動流体ヒートエンジン」が知られている。
この二流体サイクルガスタービン（以下、発明者の名前からチエン・サイクルと呼ぶ）は、図７に例示するように、絞り弁１、コンプレッサー２、燃焼室３、水処理装置４、ポンプ５、熱交換器６、タービン７、８、コンデンサー９、等から構成され、大気中から吸入した空気をコンプレッサー２で圧縮して燃焼室３に供給し、この圧縮空気で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスによりタービン７、８を駆動してコンプレッサー４及び負荷を駆動し、更にタービンを出た燃焼ガスにより熱交換器６で水蒸気を発生させ、コンデンサー９で水分を回収して大気中に放出するようになっている。
かかるチエン・サイクルは、燃焼室３に熱交換器６で発生した水蒸気Ｓを噴射するためタービンに流入する燃焼ガスの流量が増大し、かつ燃焼ガスの比熱が増大することからタービンの出力と熱効率を高めることができる特徴を有している。
【０００３】
また、このチエン・サイクルを改善した二流体サイクルガスタービンとして、本願発明の発明者は、特公平８-２６７８０号を創案し出願している。
【０００４】
特公平８-２６７８０号の「部分再生式二流体ガスタービン」は、図８に模式的に示すように、空気を圧縮する圧縮機２と、燃料を燃焼させる燃焼器３と、燃焼ガスにより駆動され圧縮機を駆動するタービン７とからなるガスタービンと、水蒸気Ｓ（飽和蒸気）を駆動源として圧縮空気を昇圧しかつ両流体を混合する混合器１０と、タービン７の下流に設けられ混合器１０による混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器６と、過熱器６の下流に設けられタービン排気を熱源として水を蒸発させる排熱ボイラ１２と、圧縮機２による圧縮空気の一部を燃焼器３へその残部を混合器１０に導くための空気ライン１３と、排熱ボイラ１２による水蒸気Ｓの一部を混合器に送る主蒸気ライン１４と、混合器１０による混合ガスを過熱器６を介して燃焼器３に導くための混合ガスライン１５と、を備えたものである。
【０００５】
この部分再生式二流体ガスタービンでは、ガスタービンの排熱を回収して生成された水蒸気Ｓで圧縮空気の一部を吸引・混合し、更に過熱器６でガスタービンの排熱回収を行った後、燃焼器内に噴射するので、ガスタービンの排熱回収で温度を高められた空気の分、チエン・サイクルより多くのエネルギー回収ができ、サイクル効率を向上させることができる。
【０００６】
図９と図１０は、上述したチエン・サイクルと二流体ガスタービンの排熱回収線図である。これらの図において、横軸はガスタービン排ガスを基準とした交換熱量、縦軸は温度である。なお、横軸は具体的にはガスタービン排ガスの０℃を基準とするエンタルピーに相当する。
これらの図において、ガスタービン排ガスは、約５５０℃から約１５０℃まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【０００７】
蒸発後の熱回収が、図７のチエン・サイクルでは蒸気のみの加熱であるのに対して、図８の部分再生式二流体ガスタービンでは蒸気と空気の混合ガスの加熱となる。そのため、図８では、圧縮空気の混合により温度が上昇し、更に混合ガスの流量が増大するので温度上昇勾配が緩くなる。その結果、図８に斜線で示す領域に相当する分の有効エネルギーの回収がチエン・サイクルより多くなり、その分サイクル効率が向上する。その結果、この例では、発電機端効率が４１．１０％から４１．１８％に上昇している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、発電と水蒸気生成を行うガスタービン発電装置としては、図１１に示すように、圧縮機２で圧縮した空気の全量を再生熱交換器１６に供給して昇温・昇圧し、これを燃焼器３に供給する再生サイクルも知られている。この再生サイクルは、熱交換過程におけるエクセルギ−ロスが小さいため、上述した部分再生式二流体ガスタービンよりも発電効率を向上させることができる。また、この再生サイクルは、圧縮機２における圧縮比が小さいため、圧縮機出口の空気温度が低くなり、高温部の冷却に有利である特徴がある。
【０００９】
しかしこの再生サイクルは、以下の問題点があった。
（１）再生熱交換器１６の圧損が大きく、これにより性能が低下する。
（２）圧縮機出口温度が高いため、排熱回収量が少ない。
（３）負荷遮断時の対応が困難である。
すなわち、発電装置において、落雷等の影響で負荷が急激に０となる負荷遮断への対応は不可欠であり、従来は負荷遮断時にこれを検知して燃料を急激に絞っている。しかし、この手段では再生熱交換器の蓄熱は高温の空気として燃焼器を介してタ−ビンに持ち込まれるため、燃料を絞ってもオ−バ−スピ−ドを回避できなかった。また、この対策として、図のＡ弁又はＢ弁を備え、これを負荷遮断時に開放して高温空気の導入を低減しているが、大型弁を必要とするため、瞬時停電（１００ｍｓ以下）に対応できず、かつその後タ−ビンの自立運転ができなくなる問題点があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、負荷遮断時にタービンのオ−バ−スピ−ドを確実に回避でき、かつエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧縮機（２）で圧縮した圧縮空気を燃焼器（３）の手前で全量抽気し、これをタービン排熱による再生熱交換器（１６）で加熱した後、燃焼器に供給する再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置において、前記圧縮空気を昇圧して再生熱交換器に供給する空気昇圧装置（２０）と、該空気昇圧装置をバイパスして圧縮空気を燃焼器に直接供給するバイパス空気ライン（２３）と、該バイパス空気ラインに設置され圧縮機側が燃焼器側より圧力が高いときのみ該ラインを連通させる逆止弁（２４）とを備えたことを特徴とする再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、空気昇圧装置（２０）により圧縮機（２）で圧縮した圧縮空気を昇圧して再生熱交換器（１６）に供給するので、再生熱交換器（１６）でタービン排熱の熱エネルギーを回収してエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる。また、バイパス空気ライン（２３）に逆止弁（２４）を備えているので、負荷遮断時にタービンの回転を停止させるだけで、逆止弁（２４）が開き、空気昇圧装置及び再生熱交換器をバイパスして圧縮空気を加熱せずに燃焼器に直接供給することができ、タービンの自立回転を維持したままで、オ−バ−スピ−ドを確実に回避できる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記空気昇圧装置（２０）は、タービン（２０ａ）と圧縮機（２０ｂ）が機械的に連結されたターボコンプレッサであり、該タービン（２０ａ）は、タービン排熱による排熱回収ボイラ（１２）で発生した高圧蒸気で駆動される。
この構成により、排熱回収ボイラ（１２）によりタービン排熱の熱エネルギーを更に回収することができ、かつ発生した高圧蒸気でターボコンプレッサを駆動して、圧縮空気を効率的に昇圧することができる。
【００１４】
また、前記ターボコンプレッサのタービン（２０ａ）を出た水蒸気の少なくとも一部が圧縮機（２０ｂ）を出た高圧空気と混合され、再生熱交換器（１６）に供給され、前記水蒸気の残部はプロセス蒸気として、外部に供給される。
この構成により、水蒸気を高圧空気と混合して燃焼器に噴射することができ、その分、発電出力を高め、かつ低ＮＯｘ化を図ることができる。また、必要に応じてプロセス蒸気を外部に供給することができる。
【００１５】
前記排熱回収ボイラ（１２）は、低圧蒸気と高圧蒸気を発生し、前記タービン（２０ａ）は、高圧蒸気で駆動され、低圧蒸気はタービンをバイパスして圧縮機（２０ｂ）を出た高圧空気と混合され、再生熱交換器（１６）に供給される。
この構成により、排熱回収ボイラ（１２）で低圧蒸気と高圧蒸気を発生するので、タービン排熱の熱エネルギーを可能な限り回収することができる。また、発生した高圧蒸気でターボコンプレッサを駆動して、圧縮空気を効率的に昇圧することができ、かつ全ての蒸気を高圧空気と混合して燃焼器に噴射することができ、その分、発電出力を高め、かつ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００１６】
前記空気昇圧装置（２０）は、タービン（２０ａ）、圧縮機（２０ｂ）及び発電機（３１）が機械的に連結されたタービン発電機である。この構成により、タービン出力に余裕がある場合に、タービン発電機で発電ができ、発電出力を高めることができる。
【００１７】
前記燃焼器（３）で発生する燃焼ガスにより駆動され圧縮機（２）を駆動するタービン（７）を備え、前記空気昇圧装置（２０）は、互いに機械的に連結されたタービン（２０ａ）と圧縮機（２０ｂ）からなり、かつそのタービン軸は、前記タービン（７）で駆動される発電機（１１）に機械的に連結されている。この構成により、１つの発電機（１１）を２つのタービン（７，２０ａ）が駆動することができる。
【００１８】
前記空気昇圧装置（２０）は、タービン排熱による排熱回収ボイラ（１２）で発生した高圧蒸気で駆動されるエジェクターである。この構成により、機械的な可動部分なしに圧縮機（２）で圧縮した圧縮空気を昇圧して再生熱交換器（１６）に供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を使用する。
図１は、本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置１０の第１実施形態の全体構成図である。この図に示すように、本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置１０は、圧縮機２で圧縮した圧縮空気を燃焼器３の手前で抽気ライン２２を介して全量抽気し、これを加熱ライン２５を介して再生熱交換器１６に供給し、ここでタービン排熱により全量の圧縮空気を加熱した後、燃焼器ライン２６を介して圧縮空気を燃焼器３に供給するようになっている。
【００２０】
本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置は、更に、空気昇圧装置２０、バイパス空気ライン２３及び逆止弁２４を備える。
空気昇圧装置２０は、この例では、タービン２０ａと圧縮機２０ｂが機械的に連結されたターボコンプレッサであり、圧縮機２で圧縮した圧縮空気を昇圧し、加熱ライン２５を介して再生熱交換器１６に供給する。また、タービン２０ａは、タービン排熱による排熱回収ボイラ１２で発生した高圧蒸気が高圧蒸気ライン２８を介して供給されて駆動される。この高圧蒸気ライン２８には、電磁開閉弁２８ａが設けられている。
【００２１】
更にターボコンプレッサ２０のタービン２０ａを出た水蒸気の少なくとも一部が圧縮機２０ｂを出た高圧空気と混合され、加熱ライン２５を介して再生熱交換器１６に供給されま。また、水蒸気の残部はプロセス蒸気として、プロセスライン２９から外部に供給される。
【００２２】
バイパス空気ライン２３は、空気昇圧装置２０（ターボコンプレッサ）をバイパスして圧縮空気を燃焼器３に直接供給する。なお、この例では、バイパス空気ライン２３が燃焼器ライン２６に連通しこのラインを介して圧縮空気を燃焼器３に供給するようになっているが、独立して燃焼器３に直接供給してもよい。
逆止弁２４は、バイパス空気ライン２３に設置され、圧縮機側が燃焼器側より圧力が高いときのみこのライン２３を開放して連通させる。この逆止弁２４は、例えば、逆止ダンパーであり、数１００ｍｍＡｑ程度の差圧で作動するのがよい。
【００２３】
上述した図１の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置によれば、空気昇圧装置２０により圧縮機２で圧縮した圧縮空気を昇圧して再生熱交換器１６に供給するので、再生熱交換器１６でタービン排熱の熱エネルギーを回収してエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる。
また、バイパス空気ライン２３に逆止弁２４を備えているので、負荷遮断時に電磁開閉弁２８ａを瞬時に閉じてタービンの回転を停止させるだけで、逆止弁２４が開き、空気昇圧装置及び再生熱交換器をバイパスして圧縮空気を加熱せずに燃焼器に直接供給することができ、タービンの自立回転を維持したままで、オ−バ−スピ−ドを確実に回避できる。なお、電磁開閉弁２８ａは、高圧蒸気用の小径の弁であるため、瞬時停電（１００ｍｓ以下）に十分対応できる。
【００２４】
図２は、本発明の第２実施形態図である。この図において、空気昇圧装置２０は、図１におけるターボコンプレッサの代わりに、タービン２０ａ、圧縮機２０ｂ及び発電機３１が機械的に連結されたタービン発電機となっている。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。
この構成により、タービン２０ａの出力に余裕がある場合に、発電機１と共にタービン発電機でも発電ができ、発電出力を高めることができる。
【００２５】
また、空気昇圧装置２０を、互いに機械的に連結されたタービン２０ａと圧縮機２０ｂで構成し、そのタービン軸を、タービン７で駆動される発電機１１（主発電機）に機械的に連結してもよい。この構成により、１つの発電機１１を２つのタービン７，２０ａが駆動することができる。
以上
【００２６】
図３は、本発明の第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は図１における空気昇圧装置２０（ターボコンプレッサ）、（Ｂ）はこれに代わるエジェクターである。この図に示すように、空気昇圧装置２０を、タービン排熱による排熱回収ボイラ１２で発生した高圧蒸気Ａで駆動されるエジェクターに置き換え、蒸気と空気の混合気Ｃを高圧蒸気ライン２８を介して再生熱交換器１６に供給してもよい。
この構成により、機械的な可動部分なしに圧縮機２で圧縮した圧縮空気を昇圧して再生熱交換器１６に供給することができる。
【００２７】
図４は、本発明の第４実施形態図である。この図において、排熱回収ボイラ１２は、低圧排熱回収ボイラ１２ａと高圧排熱回収ボイラ１２ｂからなり、低圧蒸気と高圧蒸気の２圧の蒸気を発生する。また、空気昇圧装置２０（ターボコンプレッサ）のタービン２０ａは、この高圧蒸気で駆動され、低圧蒸気は低圧蒸気ライン２７によりタービン２０ａをバイパスして加熱ライン２５に合流し、ここで圧縮機２０ｂを出た高圧空気と混合され、再生熱交換器１６に供給されるようになっている。その他の構成は、第１実施形態と同様である。
この構成により、排熱回収ボイラ１２で低圧蒸気と高圧蒸気を発生するので、タービン排熱の熱エネルギーを可能な限り回収することができる。また、発生した高圧蒸気でターボコンプレッサを駆動して、圧縮空気を効率的に昇圧することができ、かつ全ての蒸気を高圧空気と混合して燃焼器に噴射することができ、その分、発電出力を高め、かつ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２８】
図５は、図１の排熱回収線図である。この図において、横軸はガスタービン排ガスを基準とした交換熱量（ガスタービン排ガスの０℃を基準とするエンタルピー）であり、縦軸は温度である。
【００２９】
この図において、ガスタービン排ガスは、約６００℃から約２００℃まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【００３０】
図５から明らかなように、排熱ボイラ１２には低圧給水ポンプで給水（例えば約５０℃）が供給され、その一部が高圧（例えば約２．５ＭＰａ）の蒸気として、タービン２０ａに供給される。この高圧蒸気の蒸発線は、図２における約２２０℃の定温線である。
【００３１】
その後の再生熱交換器１６における加熱では、タービン２０ａを出た低圧蒸気が混合されているので、空気量及び蒸気量とも従来より多く、温度上昇勾配が一層緩くなる。
【００３２】
この排熱回収線図から明らかなように、本発明の構成では、水＋蒸気の水平線、及び蒸気＋空気の線がそれぞれ排ガス温度に近づいている。従って排ガス温度線との間の面積、いわゆるエクセルギー・ロス（無効エネルギー）が小さくなる。その結果、この例では、発電機端効率を約４１．５８％まで向上させることができる。
【００３３】
図６は、図４の排熱回収線図である。この図において、ガスタービン排ガスは、約６００℃から約１６０℃まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【００３４】
図６から明らかなように、排熱ボイラ１２には低圧給水ポンプで給水（例えば約５０℃）が供給され、その一部が低圧（例えば約１．４ＭＰａ）の蒸気となり、更に高圧（約６．３ＭＰａ）の蒸気となる。この高圧蒸気がタービン２０ａに供給される。この高圧蒸気の蒸発線は、図６における約２８０℃の定温線である。
【００３５】
その後の再生熱交換器１６における加熱では、タービン２０ａを出た全蒸気が圧縮空気と混合されているので、空気量及び蒸気量とも更に多くなり、温度上昇勾配が一層緩くなる。
【００３６】
この排熱回収線図から明らかなように、本発明の構成では、水＋蒸気の水平線、及び蒸気＋空気の線がそれぞれ更に排ガス温度に近づいている。従って排ガス温度線との間の面積、いわゆるエクセルギー・ロス（無効エネルギー）が小さくなる。その結果、この例では、発電機端効率を約４３．１３％まで向上させることができる。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、以下の効果が得られる。
１．圧縮空気と蒸気の混合気でガスタービン排熱を回収することにより、圧縮空気のみで排熱回収を行う再生サイクルに比べ、排熱回収におけるエクセルギーロスが小さくなるため、熱効率が向上する。圧縮空気に混合する蒸気は、前記の熱交換を完了した排ガスにより生成させるため、低温域の排熱まで有効に回収することができる。
２．圧縮空気と蒸気とは、混合前にそれぞれ圧縮と膨張を行う。蒸気はエキスパンダーで膨張し、発生動力により圧縮機を駆動し、１段目の圧縮機を出た圧縮空気を更に昇圧する。これにより、エキスパンダー出口の蒸気圧力と２段目の圧縮機出口の圧縮空気圧力とは等しくなって混合される。この操作により、従来の再生サイクルにおける再生熱交換器の圧損を補うことができる。
３．前記２の操作により、燃焼器入口圧力が１段目圧縮機出口の圧力より高くなるため、１段目圧縮機出口と燃焼器入口とを短絡させる回路は逆止弁により閉じられているため、エキスパンダーが駆動している間は圧縮空気の全量が再生熱交換器に導入される。負荷遮断が発生しても、エキスパンダーへの蒸気を遮断することにより、前記の逆止弁が開となり、圧縮空気は再生熱交換器をバイパスし、過速度を防止できる。
【００３９】
従って、本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置は、負荷遮断時にタービンのオ−バ−スピ−ドを確実に回避でき、かつエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置の第１実施形態の全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態図である。
【図３】本発明の第３実施形態図である。
【図４】本発明の第４実施形態図である。
【図５】図１の排熱回収線図である。
【図６】図４の排熱回収線図である。
【図７】従来の二流体サイクルガスタービンの全体構成図である。
【図８】先行出願の部分再生式二流体サイクルガスタービンの全体構成図である。
【図９】図７の排熱回収線図である。
【図１０】図８の排熱回収線図である。
【図１１】従来の再生サイクル（再生式ガスタービン発電装置）の全体構成図である。
【符号の説明】
１絞り弁、２圧縮機（コンプレッサー）、３燃焼器（燃焼室）、
４水処理装置、５ポンプ、６過熱器、７，８タービン、
９コンデンサー、
１０再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置、１１発電機（主発電機）
１２，１２ａ，１２ｂ排熱回収ボイラ、１６再生熱交換器、
２０空気昇圧装置（ターボコンプレッサ）、
２０ａタービン、２０ｂ圧縮機、
２３バイパス空気ライン、２４逆止弁、３１発電機[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine power generation apparatus that performs power generation and steam generation, and more particularly to a regenerative steam injection gas turbine power generation apparatus that injects steam with air that has been heated and pressurized to a gas turbine.
[0002]
[Prior art]
As a two-fluid cycle gas turbine for injecting steam into a gas turbine, for example, a “two-working fluid heat engine” of Japanese Patent Publication No. 54-34865 is known.
This two-fluid cycle gas turbine (hereinafter referred to as the chain cycle from the inventor's name) includes a throttle valve 1, a compressor 2, a combustion chamber 3, a water treatment device 4, a pump 5, a heat, as illustrated in FIG. It is composed of an exchanger 6, turbines 7 and 8, a condenser 9, and the like. Air sucked from the atmosphere is compressed by the compressor 2 and supplied to the combustion chamber 3, and fuel is combusted with this compressed air to produce high-temperature combustion gas. The combustion gas is used to drive the turbines 7 and 8 to drive the compressor 4 and the load. Further, the combustion gas emitted from the turbine generates water vapor in the heat exchanger 6, and the condenser 9 collects moisture. Released into the atmosphere.
In this chain cycle, since the steam S generated in the heat exchanger 6 is injected into the combustion chamber 3, the flow rate of the combustion gas flowing into the turbine increases and the specific heat of the combustion gas increases, so that the turbine output and thermal efficiency are increased. It has the characteristic which can improve.
[0003]
The inventors of the present invention have created and applied for Japanese Patent Publication No. 8-26780 as a two-fluid cycle gas turbine with an improved chain cycle.
[0004]
As shown schematically in FIG. 8, the “partially regenerative two-fluid gas turbine” of Japanese Patent Publication No. 8-26780 is driven by a compressor 2 that compresses air, a combustor 3 that burns fuel, and combustion gas. A gas turbine composed of a turbine 7 that drives the compressor, a mixer 10 that pressurizes compressed air using steam S (saturated steam) as a drive source, and mixes both fluids, and a mixer provided downstream of the turbine 7. 10, a superheater 6 for heating the mixed gas by the turbine exhaust, a waste heat boiler 12 provided downstream of the superheater 6 to evaporate water using the turbine exhaust as a heat source, and a part of the compressed air by the compressor 2 An air line 13 for guiding the remainder to the combustor 3 to the mixer 10, a main steam line 14 for sending a part of the steam S by the exhaust heat boiler 12 to the mixer, and a gas mixture by the mixer 10 for the superheater 6. Through And a mixed gas line 15 for leading to the combustor 3.
[0005]
In this partially regenerative type two-fluid gas turbine, a part of the compressed air is sucked and mixed with the steam S generated by recovering the exhaust heat of the gas turbine, and the exhaust heat recovery of the gas turbine is performed with the superheater 6. After that, since the fuel is injected into the combustor, more energy can be recovered than that of the chain cycle by the amount of air whose temperature has been increased by exhaust heat recovery of the gas turbine, and cycle efficiency can be improved.
[0006]
9 and 10 are exhaust heat recovery diagrams of the above-described chain cycle and two-fluid gas turbine. In these figures, the horizontal axis represents the amount of exchange heat based on the gas turbine exhaust gas, and the vertical axis represents the temperature. The horizontal axis specifically corresponds to the enthalpy based on 0 ° C. of the gas turbine exhaust gas.
In these figures, the gas turbine exhaust gas is cooled from about 550 ° C. to about 150 ° C., and the heat is used to heat water to the saturation temperature, evaporates at the saturation temperature to become saturated steam, and is further heated to become superheated steam. .
[0007]
The heat recovery after the evaporation is heating of only steam in the chain cycle of FIG. 7, whereas the partially regenerating two-fluid gas turbine of FIG. 8 is heating of a mixed gas of steam and air. Therefore, in FIG. 8, the temperature rises due to the mixing of the compressed air, and the flow rate of the mixed gas further increases, so the temperature rise gradient becomes gentle. As a result, the recovery of the effective energy corresponding to the area shown by the oblique lines in FIG. 8 is more than that of the chain cycle, and the cycle efficiency is improved accordingly. As a result, in this example, the generator end efficiency is increased from 41.10% to 41.18%.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, as shown in FIG. 11, the gas turbine power generation device that generates power and generates steam supplies the entire amount of air compressed by the compressor 2 to the regenerative heat exchanger 16 to raise the temperature and pressurize it. A regeneration cycle for supplying to the vessel 3 is also known. Since this regeneration cycle has a small exergy loss in the heat exchange process, the power generation efficiency can be improved as compared with the partial regeneration type two-fluid gas turbine described above. Further, this regeneration cycle has a feature that since the compression ratio in the compressor 2 is small, the air temperature at the outlet of the compressor is lowered, which is advantageous for cooling of the high temperature portion.
[0009]
However, this regeneration cycle has the following problems.
(1) The pressure loss of the regenerative heat exchanger 16 is large, thereby reducing the performance.
(2) Since the compressor outlet temperature is high, the amount of exhaust heat recovery is small.
(3) It is difficult to cope with load interruption.
That is, in a power generation device, it is indispensable to cope with a load interruption in which the load suddenly becomes 0 due to lightning or the like, and conventionally, this is detected at the time of load interruption and the fuel is rapidly reduced. However, with this means, the heat stored in the regenerative heat exchanger is brought into the turbine as high-temperature air through the combustor, and therefore overspeed cannot be avoided even if the fuel is throttled. In addition, as a countermeasure, the A or B valve shown in the figure is provided and opened when the load is shut off to reduce the introduction of high-temperature air. However, since a large valve is required, instantaneous power failure (100 ms or less) There was a problem that the turbine could not be handled and the turbine could not be operated independently thereafter.
[0010]
The present invention has been made to solve such problems. That is, an object of the present invention is a regenerative steam injection gas turbine power generation that can reliably avoid turbine overspeed when the load is interrupted, reduce exergy loss, and improve power generation efficiency. To provide an apparatus.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the entire amount of compressed air compressed by the compressor (2) is extracted before the combustor (3) and heated by the regenerative heat exchanger (16) by exhaust heat from the turbine. In the regenerative steam injection gas turbine power generator to be supplied, an air booster (20) for boosting the compressed air and supplying the compressed air to the regenerative heat exchanger, and supplying the compressed air directly to the combustor bypassing the air booster And a check valve (24) which is installed in the bypass air line and communicates only when the pressure on the compressor side is higher than that on the combustor side. A steam-injected gas turbine power generator is provided.
[0012]
According to the configuration of the present invention, the compressed air compressed by the compressor (2) is boosted by the air booster (20) and supplied to the regenerative heat exchanger (16), so that the regenerative heat exchanger (16) The heat energy of turbine exhaust heat can be recovered to reduce exergy loss and improve power generation efficiency. Further, since the check valve (24) is provided in the bypass air line (23), the check valve (24) is opened only by stopping the rotation of the turbine when the load is shut off, and the air booster and the regenerative heat exchanger are opened. Thus, compressed air can be supplied directly to the combustor without heating, and overspeed can be reliably avoided while maintaining the turbine's self-sustaining rotation.
[0013]
According to a preferred embodiment of the present invention, the air booster (20) is a turbo compressor in which a turbine (20a) and a compressor (20b) are mechanically connected, and the turbine (20a) is a turbine exhaust. It is driven by high-pressure steam generated in the heat exhaust heat recovery boiler (12).
With this configuration, the exhaust heat recovery boiler (12) can further recover the heat energy of the turbine exhaust heat, and can drive the turbo compressor with the generated high-pressure steam to efficiently increase the pressure of the compressed air. .
[0014]
Further, at least a part of the steam exiting the turbine (20a) of the turbo compressor is mixed with high-pressure air exiting the compressor (20b) and supplied to the regenerative heat exchanger (16), and the remainder of the steam is a process. It is supplied to the outside as steam.
With this configuration, water vapor can be mixed with high-pressure air and injected into the combustor, and accordingly, power generation output can be increased and NOx reduction can be achieved. Further, the process steam can be supplied to the outside as required.
[0015]
The exhaust heat recovery boiler (12) generates low pressure steam and high pressure steam, the turbine (20a) is driven by high pressure steam, and the low pressure steam bypasses the turbine and exits the compressor (20b). And supplied to the regenerative heat exchanger (16).
With this configuration, low-pressure steam and high-pressure steam are generated in the exhaust heat recovery boiler (12), so that the heat energy of the turbine exhaust heat can be recovered as much as possible. In addition, the turbo compressor can be driven by the generated high-pressure steam to efficiently boost the compressed air, and all the steam can be mixed with the high-pressure air and injected into the combustor. The output can be increased and NOx can be reduced.
[0016]
The air booster (20) is a turbine generator in which a turbine (20a), a compressor (20b), and a generator (31) are mechanically connected. With this configuration, when there is a margin in the turbine output, power can be generated by the turbine generator, and the power generation output can be increased.
[0017]
A turbine (7) that is driven by combustion gas generated in the combustor (3) to drive the compressor (2), and the air booster (20) includes a turbine (20a) mechanically coupled to each other. It consists of a compressor (20b) and its turbine shaft is mechanically connected to a generator ( 11 ) driven by the turbine (7) . With this configuration, one generator ( 11 ) can be driven by two turbines (7, 20 a).
[0018]
The air booster (20) is an ejector driven by high-pressure steam generated in the exhaust heat recovery boiler (12) by turbine exhaust heat. With this configuration, the compressed air compressed by the compressor (2) can be pressurized and supplied to the regenerative heat exchanger (16) without a mechanical moving part.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is used for a common part in each figure.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a first embodiment of a regenerative steam injection gas turbine power generator 10 according to the present invention. As shown in this figure, the regenerative steam-injection gas turbine power generator 10 of the present invention bleeds the compressed air compressed by the compressor 2 in front of the combustor 3 through the bleed line 22 and supplies it to the heating line. The regenerative heat exchanger 16 is supplied to the regenerative heat exchanger 16 through 25, where the entire amount of compressed air is heated by the turbine exhaust heat, and then the compressed air is supplied to the combustor 3 through the combustor line 26.
[0020]
The regenerative steam injection gas turbine power generator of the present invention further includes an air booster 20, a bypass air line 23, and a check valve 24.
In this example, the air booster 20 is a turbo compressor in which a turbine 20 a and a compressor 20 b are mechanically connected. The compressed air compressed by the compressor 2 is boosted, and a regenerative heat exchanger is provided via a heating line 25. 16 is supplied. The turbine 20 a is driven by supplying high-pressure steam generated in the exhaust heat recovery boiler 12 due to turbine exhaust heat through a high-pressure steam line 28. The high-pressure steam line 28 is provided with an electromagnetic on-off valve 28a.
[0021]
Further, at least a part of the water vapor exiting the turbine 20 a of the turbo compressor 20 is mixed with the high-pressure air exiting the compressor 20 b and supplied to the regenerative heat exchanger 16 via the heating line 25. Further, the remainder of the water vapor is supplied to the outside from the process line 29 as process steam.
[0022]
The bypass air line 23 bypasses the air booster 20 (turbo compressor) and supplies compressed air directly to the combustor 3. In this example, the bypass air line 23 communicates with the combustor line 26 and the compressed air is supplied to the combustor 3 through this line. Also good.
The check valve 24 is installed in the bypass air line 23 and opens the line 23 only when the pressure on the compressor side is higher than that on the combustor side. The check valve 24 is, for example, a check damper, and is preferably operated with a differential pressure of about several hundred mmAq.
[0023]
According to the regenerative steam injection gas turbine power generator of FIG. 1 described above, the compressed air compressed by the compressor 2 by the air booster 20 is boosted and supplied to the regenerative heat exchanger 16. The heat energy of turbine exhaust heat can be recovered to reduce exergy loss and improve power generation efficiency.
Further, since the check valve 24 is provided in the bypass air line 23, the check valve 24 is opened only by instantaneously closing the electromagnetic on-off valve 28a and stopping the rotation of the turbine when the load is shut off. By bypassing the heat exchanger, the compressed air can be supplied directly to the combustor without heating, and overspeed can be reliably avoided while maintaining the turbine's self-sustaining rotation. In addition, since the electromagnetic on-off valve 28a is a small diameter valve for high-pressure steam, it can sufficiently cope with an instantaneous power failure (100 ms or less).
[0024]
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. In this figure, the air booster 20 is a turbine generator in which a turbine 20a, a compressor 20b, and a generator 31 are mechanically connected instead of the turbo compressor in FIG. Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
With this configuration, when there is a margin in the output of the turbine 20a, the turbine generator can generate power together with the generator 1, and the power generation output can be increased.
[0025]
The air booster 20 is composed of a turbine 20a and a compressor 20b which are mechanically connected to each other, and the turbine shaft is mechanically connected to a generator 11 (main generator) driven by the turbine 7. May be. With this configuration, one generator 11 can be driven by two turbines 7 and 20a.
[0026]
FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. In this figure, (A) is an air booster 20 (turbo compressor) in FIG. 1, and (B) is an ejector that replaces this. As shown in this figure, the air booster 20 is replaced with an ejector driven by high-pressure steam A generated in the exhaust heat recovery boiler 12 by turbine exhaust heat, and the mixture C of steam and air is passed through a high-pressure steam line 28. The regenerative heat exchanger 16 may be supplied.
With this configuration, the compressed air compressed by the compressor 2 can be boosted and supplied to the regenerative heat exchanger 16 without a mechanical moving part.
[0027]
FIG. 4 is a diagram of a fourth embodiment of the present invention. In this figure, the exhaust heat recovery boiler 12 includes a low pressure exhaust heat recovery boiler 12a and a high pressure exhaust heat recovery boiler 12b, and generates two-pressure steam of low pressure steam and high pressure steam. The turbine 20a of the air booster 20 (turbo compressor) is driven by this high pressure steam, and the low pressure steam bypasses the turbine 20a by the low pressure steam line 27 and joins the heating line 25, where it exits the compressor 20b. The high-pressure air is mixed and supplied to the regenerative heat exchanger 16. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
With this configuration, low-pressure steam and high-pressure steam are generated in the exhaust heat recovery boiler 12, so that the thermal energy of the turbine exhaust heat can be recovered as much as possible. In addition, the turbo compressor can be driven with the generated high-pressure steam to efficiently boost the compressed air, and all the steam can be mixed with the high-pressure air and injected into the combustor. The output can be increased and NOx can be reduced.
[0028]
FIG. 5 is an exhaust heat recovery diagram of FIG. In this figure, the horizontal axis represents the amount of exchange heat based on the gas turbine exhaust gas (the enthalpy based on 0 ° C. of the gas turbine exhaust gas), and the vertical axis represents the temperature.
[0029]
In this figure, the gas turbine exhaust gas is cooled from about 600 ° C. to about 200 ° C., and water is heated to the saturation temperature by the amount of heat, evaporated at the saturation temperature to become saturated steam, and further heated to become superheated steam.
[0030]
As is apparent from FIG. 5, the exhaust heat boiler 12 is supplied with feed water (for example, about 50 ° C.) by a low-pressure feed water pump, and a part thereof is supplied to the turbine 20a as high-pressure (for example, about 2.5 MPa) steam. The The evaporation line of the high-pressure steam is a constant temperature line of about 220 ° C. in FIG.
[0031]
In the subsequent heating in the regenerative heat exchanger 16, since the low-pressure steam that has exited the turbine 20a is mixed, both the amount of air and the amount of steam are greater than in the prior art, and the temperature rise gradient becomes even gentler.
[0032]
As is apparent from this exhaust heat recovery diagram, in the configuration of the present invention, the water + steam horizontal line and the steam + air line approach the exhaust gas temperature. Accordingly, the area between the exhaust gas temperature lines, that is, the so-called exergy loss (reactive energy) is reduced. As a result, in this example, the generator end efficiency can be improved to about 41.58%.
[0033]
6 is an exhaust heat recovery diagram of FIG. In this figure, the gas turbine exhaust gas is cooled from about 600 ° C. to about 160 ° C., and water is heated to the saturation temperature with the amount of heat, evaporated at the saturation temperature to become saturated steam, and further heated to become superheated steam.
[0034]
As is clear from FIG. 6, the waste heat boiler 12 is supplied with feed water (for example, about 50 ° C.) by a low-pressure feed water pump, a part of which becomes low-pressure (for example, about 1.4 MPa) steam, and a higher pressure (about 6). .3 MPa) steam. This high-pressure steam is supplied to the turbine 20a. The evaporation line of this high-pressure steam is a constant temperature line of about 280 ° C. in FIG.
[0035]
In the subsequent heating in the regenerative heat exchanger 16, since all the steam that has exited the turbine 20a is mixed with the compressed air, both the amount of air and the amount of steam are further increased, and the temperature rise gradient is further relaxed.
[0036]
As is apparent from this exhaust heat recovery diagram, in the configuration of the present invention, the horizontal line of water + steam and the line of steam + air are closer to the exhaust gas temperature. Accordingly, the area between the exhaust gas temperature lines, that is, the so-called exergy loss (reactive energy) is reduced. As a result, in this example, the generator end efficiency can be improved to about 43.13%.
[0037]
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, the following effects can be obtained.
1. By recovering gas turbine exhaust heat with a mixture of compressed air and steam, exergy loss in exhaust heat recovery is reduced compared to a regeneration cycle in which exhaust heat recovery is performed only with compressed air, so that thermal efficiency is improved. Since the steam mixed with the compressed air is generated by the exhaust gas that has completed the heat exchange, it can be effectively recovered up to the exhaust heat in the low temperature region.
2. Compressed air and steam respectively compress and expand before mixing. The steam expands in the expander, drives the compressor with the generated power, and further pressurizes the compressed air exiting the first stage compressor. Thereby, the vapor pressure at the expander outlet and the compressed air pressure at the second-stage compressor outlet are equalized and mixed. This operation can compensate for the pressure loss of the regenerative heat exchanger in the conventional regeneration cycle.
3. By the above operation 2, since the combustor inlet pressure becomes higher than the pressure at the first stage compressor outlet, the circuit for short-circuiting the first stage compressor outlet and the combustor inlet is closed by a check valve. While the expander is operating, the entire amount of compressed air is introduced into the regenerative heat exchanger. Even when the load is interrupted, the check valve is opened by shutting off the steam to the expander, and the compressed air can bypass the regenerative heat exchanger to prevent overspeed.
[0039]
Therefore, the regenerative steam-injection gas turbine power generator according to the present invention can reliably avoid the turbine overspeed when the load is interrupted, and can reduce the exergy loss and improve the power generation efficiency. , Etc. have excellent effects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a first embodiment of a regenerative steam injection gas turbine power generator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram of a fourth embodiment of the present invention.
5 is a waste heat recovery diagram of FIG. 1. FIG.
6 is a waste heat recovery diagram of FIG. 4. FIG.
FIG. 7 is an overall configuration diagram of a conventional two-fluid cycle gas turbine.
FIG. 8 is an overall configuration diagram of a partially regenerative two-fluid cycle gas turbine of a prior application.
9 is a waste heat recovery diagram of FIG. 7. FIG.
10 is a waste heat recovery diagram of FIG. 8. FIG.
FIG. 11 is an overall configuration diagram of a conventional regeneration cycle (regenerative gas turbine power generator).
[Explanation of symbols]
1 throttle valve, 2 compressor (compressor), 3 combustor (combustion chamber),
4 Water treatment equipment, 5 pumps, 6 superheaters, 7, 8 turbines,
9 condenser,
10 Regenerative steam injection gas turbine power generator, 11 Generator (main generator)
12, 12a, 12b Waste heat recovery boiler, 16 Regenerative heat exchanger,
20 Air pressure booster (turbo compressor),
20a turbine, 20b compressor,
23 Bypass air line, 24 check valve, 31 generator

Claims

Regenerative steam injection for extracting all the compressed air compressed by the compressor (2) before the combustor (3), heating it in the regenerative heat exchanger (16) using turbine exhaust heat, and then supplying it to the combustor In the gas turbine power generator,
An air booster (20) that boosts the compressed air and supplies it to the regenerative heat exchanger, a bypass air line (23) that bypasses the air booster and supplies compressed air directly to the combustor, and the bypass air A regenerative steam-injection gas turbine power generator comprising a check valve (24) installed in the line and communicating with the line only when the pressure on the compressor side is higher than that on the combustor side.

The air booster (20) is a turbo compressor in which a turbine (20a) and a compressor (20b) are mechanically connected. The turbine (20a) is a waste heat recovery boiler (12) by turbine exhaust heat. The regenerative steam-injected gas turbine power generator according to claim 1, wherein the regenerative steam-injected gas turbine power generator is driven by the generated high-pressure steam.

At least a part of the steam exiting the turbine (20a) of the turbo compressor is mixed with the high-pressure air exiting the compressor (20b) and supplied to the regenerative heat exchanger (16), with the remainder of the steam as process steam The regenerative steam injection gas turbine power generation device according to claim 2, wherein the regenerative steam injection gas turbine power generation device is supplied to the outside.

The exhaust heat recovery boiler (12) generates low pressure steam and high pressure steam, the turbine (20a) is driven by high pressure steam, and the low pressure steam bypasses the turbine and exits the compressor (20b). The regenerative steam-injection gas turbine power generator according to claim 2, wherein the regenerative steam-injection gas turbine generator is mixed with the regenerative heat exchanger (16).

Regeneration according to claim 1, characterized in that the air booster (20) is a turbine generator in which a turbine (20a), a compressor (20b) and a generator (31) are mechanically connected. Type steam injection gas turbine power generator.

A turbine (7) that is driven by combustion gas generated in the combustor (3) to drive the compressor (2), and the air booster (20) includes a turbine (20a) mechanically coupled to each other. Regenerative type according to claim 1, characterized in that it consists of a compressor (20b) and whose turbine shaft is mechanically connected to a generator ( 11 ) driven by the turbine (7). Steam injection gas turbine generator.

The regenerative steam-injection gas turbine according to claim 1, wherein the air booster (20) is an ejector driven by high-pressure steam generated in an exhaust heat recovery boiler (12) by turbine exhaust heat. Power generation device.