JP5134401B2 - 複合原動装置 - Google Patents

Description

本発明は発電装置等に用いられる複合原動装置に関する。

発電装置等では、エネルギーの効率的利用を図るため、種類の異なる原動機を組み合わせた複合原動装置が用いられることがある。例えば特許文献１には、ガスタービンにガスエンジンを組み合わせたコージェネレーション装置が記載されている。
特開平８−２３２６８１

本発明は、ガスタービンとレシプロエンジンを組み合わせた複合原動装置の有効出力向上を目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、ガスタービンとレシプロエンジンを備えた複合原動装置において、前記ガスタービンの圧縮機の吐出空気を前記レシプロエンジンの給気路に送り込み、前記レシプロエンジンの排気を前記ガスタービンの燃焼器に送り込むことを特徴としている。

この構成によると、ガスタービン及びその後流の出力と効率が向上し、複合原動装置の性能を高めることができる。

また本発明は、上記構成の複合原動装置において、前記圧縮機の吐出空気を、直接前記ガスタービンの排気路に送ることができるタービンバイパス路と、直接前記レシプロエンジンの排気路に送ることができるエンジンバイパス路とを設けたことを特徴としている。

この構成によると、複合原動装置の起動が容易になる。

また本発明は、上記構成の複合原動装置において、前記レシプロエンジンの排気を、前記ガスタービンの排気路に送ることができる燃焼器／タービンバイパス路を設けたことを特徴としている。

この構成によると、ガスタービンを停止せざるを得ない事態が発生した場合、レシプロエンジンの排気を燃焼器にではなくガスタービンの排気路に送ることができるから、燃焼器における燃焼ガスの生成を停止してガスタービンを速やかに停止することができる。またレシプロエンジンの排気の行き場が確保されているので、レシプロエンジンを無理なく停止させることができる。さらに、通常運転時にあっても、燃焼器／タービンバイパス路を適宜開閉することにより、ガスタービンとレシプロエンジンの出力バランスをとることができる。

また本発明は、上記構成の複合原動装置において、前記レシプロエンジンへの給気路に冷却器を設けたことを特徴としている。

この構成によると、レシプロエンジンの給気温度が適切に調整され、安全且つ安定した運転が可能となる。

また本発明は、上記構成の複合原動装置において、前記冷却器がボイラーであり、この冷却器が生成した水蒸気を前記ガスタービンの給気路に導入することを特徴としている。

この構成によると、ガスタービンの出力が向上する。

また本発明は、上記構成の複合原動装置において、前記冷却器を前記レシプロエンジンまたは前記ガスタービンの燃料予熱に用いることを特徴としている。

この構成によると、レシプロエンジンまたはガスタービンの効率が向上する。

また本発明は、上記構成の複合原動装置において、前記ガスタービンの排気を排熱回収ボイラーに導入することを特徴としている。

この構成によると、ガスタービンの排気の持つ熱を排熱回収ボイラーで回収して蒸気を発生させ、蒸気タービンを回転させたり蒸気を直接利用したりすることにより、複合原動装置の熱機関としての効率を高めることができる。

また本発明は、上記構成の複合原動装置において、レシプロエンジンが燃料の多段階投入システムを備えることを特徴としている。

この構成によると、レシプロエンジンの出力と効率を向上させることができる。

本発明によると、ガスタービンとレシプロエンジンを備えた複合原動装置の出力と効率を向上させ、複合原動装置の性能を高めることができる。

本発明の第１実施形態を図１及び図２に示す。図１は複合原動装置の概略系統図、図２はＰｖ線図である。

複合原動装置１はガスタービン１０とレシプロエンジン２０を備える。レシプロエンジン２０としてはガスエンジン、ディーゼルエンジン、気体燃料と液体燃料の混焼エンジン等を用いることができる。

ガスタービン１０は圧縮機１１と燃焼器１２を備え、主軸には発電機１３が連結されている。圧縮機１１は給気路１４から入口案内翼１１ａを経由して吸い込んだ空気を圧縮し、吐出路１５から吐出する。燃焼器１２はガスタービン１０に高温・高圧の燃焼ガスを吹き込んで回転力を生じさせる。ガスタービン１０を通り抜けた燃焼ガスは排気路１６から排熱回収ボイラー１７を通り、煙突１８より大気中に排出される。排熱回収ボイラー１７は排気から回収した熱で水蒸気を生成し、その水蒸気で蒸気タービン１９を駆動する。

レシプロエンジン２０は給気路２１と排気路２２を有し、給気路２１は圧縮機１１の吐出路１５に連続しており、排気路２２は燃焼器１２の給気側配管へと連続している。給気路２１には冷却器２３が設けられ、レシプロエンジン２０の主軸には発電機２４が連結される。

複合原動装置１の運転においては、圧縮機１１は給気路１４から吸い込んだ空気を圧縮し、圧縮空気を吐出路１５からレシプロエンジン２０の給気路２１に送り込む。圧縮空気はレシプロエンジン２０に入る前に冷却器２３で冷却され、温度を調整される。レシプロエンジン２０には圧縮空気に加えて燃料ｆ₁が送り込まれ、燃料ｆ₁の燃焼で動力を得て発電機２４を駆動する。

レシプロエンジン２０の排気は排気路２２を通じて燃焼器１２に送り込まれる。燃焼器１２には燃料ｆ₂も送り込まれる。燃焼器１２は燃料ｆ₂を燃焼して得た燃焼ガスをガスタービン１０に吹き込む。これによりガスタービン１０は動力を得、発電機１３を駆動する。

ガスタービン１０に回転力を生じさせた燃焼ガスは排気として排気路１６から排出される。その排気の持つ熱は排熱回収ボイラー１７で回収され、蒸気タービン１９の駆動に役立てられる。

通常のガスタービンであると、圧縮機の吐出圧力Ｐ_2Cとガスタービンの入口圧力Ｐ_1Tは大体同じであるが、本発明では、圧縮機１１の吐出圧力Ｐ_2Cは高圧（例えば１５ｋｇ／ｃｍ²Ａ）であるものの、ガスタービン１０の入口圧力Ｐ_1Tは低圧（例えば８ｋｇ／ｃｍ²Ａ）とする。圧縮機１１の吐出空気が一旦レシプロエンジン２０に送り込まれ、レシプロエンジン２０で燃料ｆ₁を燃焼した後の排気が燃焼器１２に送り込まれるという仕組みにより、そのような圧力のアンバランスが可能となる。このような圧力のアンバランスのため、レシプロエンジン２０は図２のＰｖ線図に示すような出力特性を備えることとなる。

図２の（ａ）は複合原動装置（ＥＴＣＳ：Engine Turbo Compound System）を高圧給気／高圧排気（ＨＰＳ／ＨＰＥ：High Pressure Suction／High Pressure Exhaust）の条件下で駆動したときのＰｖ線図、（ｂ）は複合原動装置（ＥＴＣＳ）を高圧給気／低圧排気（ＨＰＳ／ＬＰＥ：High Pressure Suction／Low Pressure Exhaust）の条件下で駆動したときのＰｖ線図である。Ｐ₁はレシプロエンジンの入口側圧力、Ｐ₂はレシプロエンジンの排気側圧力を示す。ＳＴ₁はレシプロエンジンの上死点、ＳＴ₂はレシプロエンジンの下死点を示す。

（ａ）の高圧給気／高圧排気状態ではＰｖ出力が次のようになる。

Ｐｖ出力＝（８−１０−５−６−７−８で囲った面積）−（３−４−１１−１０−３で囲った面積：吸／排気損失）
（ｂ）の高圧給気／低圧排気状態ではＰｖ出力が次のようになる。

Ｐｖ出力＝（１２−２−３−５−６−７−１２で囲った面積）＋（Ｂ−Ａ−３−２−Ｂで囲った面積：吸気出力）
給気圧力が例えば８ｋｇ／ｃｍ²Ａであると、ピストン背圧の大気圧を差し引いた７ｋｇ／ｃｍ²Ａの力がピストンを押すことになり、これを「吸気出力」にカウントする。他方、シリンダー圧力が例えば８ｋｇ／ｃｍ²Ａであると、それは「大気圧と一緒にピストンを押す圧力７ｋｇ／ｃｍ²Ａ」を余計に与えることから、「排気損失」にカウントする。

レシプロエンジンの正味出力は出力−損失である。（ａ）の高圧給気／高圧排気状態では（ＳＴ₁−４−３−１−ＳＴ₁）が吸気出力となり、（ＳＴ₁−１１−８−９−ＳＴ₁）が排気損失となる。この場合、排気側圧力Ｐ₂が入口側圧力Ｐ₁を上回るため排気損失（ＳＴ₁−１１−８−９−ＳＴ₁）が大きく、吸気出力（ＳＴ₁−４−３−１−ＳＴ₁）を消滅させ、（１−３−４−１１−８−９−１）の分が損失として残る。

（ｂ）の高圧給気／低圧排気状態の場合、吸気出力は（ＳＴ₁−Ａ−３−１−ＳＴ₁）であって、これは（ａ）と変わらないものの、排気側圧力Ｐ₂が入口側圧力Ｐ₁を下回るため、排気損失（ＳＴ₁−Ｂ−１２−１３−ＳＴ₁）が（ａ）より小さいので、吸気出力（ＳＴ₁−Ａ−３−１−ＳＴ₁）のうち一部（ＳＴ₁−Ｂ−２−１−ＳＴ₁）を消滅させ、（１−２−１２−１３−１）が損失として残るが、吸気出力のうち（Ｂ−Ａ−３−２−Ｂ）は有効分として残る。このため、正味出力を比較すると、（ｂ）の高圧給気／低圧排気状態の方が（ａ）の高圧給気／高圧排気状態よりも正味出力が大きくなる。

また、Ｐｖ線図では、（ｂ）の高圧給気／低圧排気状態の場合、（２−３−５−６−７−１２−２）が出力として成立する。これは（ａ）の高圧給気／高圧排気状態の（１０−５−６−７−８−１０）を上回っており、この点からも（ｂ）の方が有効出力が大きくなる。

本発明の第２実施形態を図３に示す。図３は複合原動装置の概略系統図である。

第２実施形態は第１実施形態に次の要素を加えたものである。すなわち、圧縮機１１の吐出空気を直接ガスタービン１０の排気路１６に送ることができるタービンバイパス路３０を設け、ここに開閉弁３１を配置した。また、圧縮機１１の吐出空気を直接レシプロエンジン２０の排気路２２に送ることができるエンジンバイパス路３２を設け、ここに開閉弁３３と減圧用絞り装置３４を配置した。吐出路１５には、エンジンバイパス路３２の接続箇所より下流の位置に開閉弁３５を配置し、排気路２２には、エンジンバイパス路３２の接続箇所より上流の位置に開閉弁３６を配置する。なお吐出路１５はレシプロエンジン２０の給気路とみなし、排気路２２はガスタービン１０の給気路とみなすことができる。

さらに、レシプロエンジン２０の排気路２２をガスタービン１０の排気路１６に直接送ることができる燃焼器／タービンバイパス路３７を設け、ここに開閉弁３８を配置した。なお開閉弁３８は開度調節ができるものであるのがよい。

第２実施形態では、ガスタービン１０の次にレシプロエンジン２０を立ち上げるシリーズ起動を行う。最初に、起動操作の第１段階（昇速）で、入口案内翼１１ａを閉じ、タービンバイパス路３０とエンジンバイパス路３２を開いてガスタービン１０を起動する。このとき圧縮機１１とガスタービン１０の圧力は低く、作動流体の流量は少ない。開閉弁３５、３６、３８は閉じている。

起動操作の第２段階（ガスタービン待機）では、入口案内翼１１ａを半ば開き、タービンバイパス路３０も半ば開いて、圧縮機１１とガスタービン１０の圧力を低圧とし、作動流体の流量は中量とする。開閉弁３３と減圧用絞り装置３４の操作で圧縮機１１とガスタービン１０の差圧を確保する。なお、減圧用絞り装置３４の位置に膨張タービンを設けて動力を取り出すようにしてもよい。この状況から開閉弁３５、３６を開き、開閉弁３３を閉じることにより、レシプロエンジン２０に作動流体（圧縮空気）を送り込み、レシプロエンジン２０を低圧吸気／低圧排気（ＬＰＳ／ＬＰＥ：Low Pressure Suction／Low Pressure Exhaust）の条件下で起動する。このような起動操作を行うことにより、複合原動装置１の起動が容易になる。

起動後の定格運転では、入口案内翼１１ａを全開、タービンバイパス路３０を全閉、エンジンバイパス路３２を全閉として、レシプロエンジン２０を高圧吸気／低圧排気（ＨＰＳ／ＬＰＥ：High Pressure Suction／Low Pressure Exhaust）の条件で運転する。

ガスタービン１０とレシプロエンジン２０を一体として起動する場合は、レシプロエンジン２０の排気が燃焼器１２とガスタービン１０を必要以上の駆動しないように配慮し、入口案内翼１１ａを閉じ、エンジンバイパス路３２も閉じ、タービンバイパス路３０と燃焼器／タービンバイパス路３７を開いた状態でレシプロエンジン２０を起動する。レシプロエンジン２０が定格速度から定格負荷になったときは、タービンバイパス路３０、エンジンバイパス路３２、燃焼器／タービンバイパス路３７の全てを閉じ、入口案内翼１１ａを開く。

運転中に何らかの原因でガスタービン１０が停止したときは、タービンバイパス路３０と燃焼器／タービンバイパス路３７を開き、開閉弁３６を閉じ、燃料ｆ₁とｆ₂の供給をカットして、ガスタービン１０にレシプロエンジン２０の排気が流入しないようにする。

本発明の第３実施形態を図４に示す。図４は複合原動装置の概略系統図である。

第３実施形態は第２実施形態を次のように改変したものである。冷却器２３は、圧縮機１１が吐出する圧縮空気（３００℃〜４００℃）を冷却（２００℃程度）するのであるが、この圧縮空気を熱源とするボイラーとして冷却器２３を構成する。

ボイラーである冷却器２３に水ｗを給水し、水蒸気ｓ₁を生成する。水蒸気ｓ₁は排気路２２に導入され、排気路２２のダクトと開閉弁３６を冷却した後、自らは昇温し、一部は蒸気タービン１９を作動させるための水蒸気ｓ₂となり、一部は燃焼器１２の冷却とガスタービン１０への水蒸気噴射用に使用される水蒸気ｓ₃となる。

水蒸気ｓ₂は排熱回収ボイラー１７から蒸気タービン１９に供給される水蒸気を補うものである。なお排気路２２のダクトを冷却する水蒸気ｓ₁が不足するときは、排熱回収ボイラー１７と蒸気タービン１９の系統から水蒸気ｓ₄を抽気して補う。

水蒸気ｓ₃は燃焼器１２の冷却とガスタービン１０への水蒸気噴射用のどちらに使用してもよく、両方に使用してもよい。燃焼器１２を冷却した後、ガスタービン１０に送り込んでもよい。燃焼器１２を冷却した水蒸気ｓ₃は昇温しているので水蒸気としての品位は上がっている。水蒸気ｓ₃をガスタービン１０に噴射することにより、ガスタービン１０の出力が向上する。

燃焼器１２を冷却した水蒸気ｓ₃、さらには蒸気タービン１９の系統から抽気した水蒸気ｓ₄を、吐出路１５または給気路２１でレシプロエンジン２０の給気に混入して、蒸気噴射レシプロエンジンとすることもできる。

本発明の第４実施形態を図５に示す。図５は複合原動装置の概略系統図である。

第４実施形態は第３実施形態を次のように改変したものである。すなわち冷却器２３は圧縮機１１が吐出する圧縮空気を熱源とするボイラーとして構成されているが、この冷却器２３を、レシプロエンジン２０またはガスタービン１０用の燃料の予熱にも活用する。図５の構成では、燃料ｆを冷却器２３で予熱した後、それをレシプロエンジン２０用の燃料ｆ₁及びガスタービン１０用の燃料ｆ₂として分配している。

このように燃料を予熱して用いることにより、レシプロエンジン２０とガスタービン１０の効率が向上する。

本発明の第５実施形態を図６〜図８に示す。図５はレシプロエンジンのシリンダー部の模式図、図７は燃焼方式説明用の表、図８はＰｖ線図である。

第５実施形態はレシプロエンジン２０の構成に係るものであり、第１〜第４実施形態と組み合わせて実施することができる。その特徴は、レシプロエンジン２０が燃料の多段階（図に示す例では２段階）投入システムを備える点にある。

図６において、レシプロエンジン２０のシリンダー４０には吸気ダクト４１と排気ダクト４２が接続され、吸気ダクト４１の出口には吸気弁４３が設けられ、排気ダクト４２の入口には排気弁４４が設けられている。燃料噴射ノズル（ＦＩ：Fuel Injector）４５がシリンダー４０内に燃料を噴射する。吸気ダクト４１には予混合器（ＣＡ：Carburetor）４６が設けられている。

燃料はシリンダー４０で２段燃焼する。２段燃焼方式にはＰｅａｋ制御方式とＦｌａｔ制御方式の２通りがある。Ｐｅａｋ制御方式では予混合器（ＣＡ）４６で燃料を噴射した予混合気で１段目燃焼を行い、燃料噴射ノズル（ＦＩ）４５からの燃料噴射で２段目燃焼を行う。１段目燃焼の際も、燃料噴射ノズル（ＦＩ）４５に設けた、あるいはその付近に設けたパイロット炎で着火する。Ｆｌａｔ制御方式では１段目燃焼も２段目燃焼も燃料噴射ノズル（ＦＩ）４５からの燃料噴射で行う。なお、これらの燃料投入方式はＰｅａｋ制御方式とＦｌａｔ制御方式のいずれとも組み合わせ自由である。

ＳＩ（Series Injection）技術を用い、シリンダー４０の許容最大圧力・温度内で燃料投入量を多くすると、膨張行程の出力が増大し、レシプロエンジン２０の出力と効率が向上する。高圧給気／低圧排気（ＨＰＳ／ＬＰＥ）の複合原動装置（ＥＴＣＳ）では、「吸気圧力＞排気圧力」であるため、膨張行程の膨張比が大きい。すなわち、膨張行程の開始温度圧力が同じであっても、低い圧力まで膨張するため、膨張比（開始圧力／終了圧力）が大になる。吸気温度が一定であれば、排気温度が低くなる。排気温度を一定（例えば９００℃）とすれば、燃料を多く投入することが可能になる。一度に大量の燃料を投入すると、シリンダー内の圧力と温度が設計限界を超えて大きくなってしまうが、多段階で投入すればそれを避けることができる。このように、膨張行程の膨張比が大きく、排気を低温にできることから、高圧給気／低圧排気方式はＳＩ技術と親和性が高い。

図８のＰｖ線図において、（ａ）はＰｅａｋ制御方式、（ｂ）はＦｌａｔ制御方式を示す。（ａ）ではＰｅａｋが２個現れ、（ｂ）ではＰｅａｋの存在するストロークが長い。（ａ）では（１１−Ｂ−Ａ−３−５−６−７−８−９−１０−１１）の領域、（ｂ）では（９−Ｂ−Ａ−３−５−６−８−９）の領域がレシプロエンジン２０の有効出力の向上を示している。

以上本発明の各実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はガスタービンとレシプロエンジンを組み合わせた複合原動装置に広く利用可能である。

第１実施形態に係る複合原動装置の概略系統図 第１実施形態のＰｖ線図 第２実施形態に係る複合原動装置の概略系統図 第３実施形態に係る複合原動装置の概略系統図 第４実施形態に係る複合原動装置の概略系統図 第５実施形態に係るレシプロエンジンのシリンダー部の模式図 燃焼方式説明用の表 第５実施形態のＰｖ線図

符号の説明

１ 複合原動装置
１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１７ 排熱回収ボイラー
２０ レシプロエンジン
２１ 給気路
２２ 排気路
２３ 冷却器

Claims (7)

1. ガスタービンとレシプロエンジンを備え、前記ガスタービンの圧縮機の吐出空気を前記レシプロエンジンの給気路に送り込み、前記レシプロエンジンの排気を前記ガスタービンの燃焼器に送り込む複合原動装置であって、
   前記圧縮機の吐出空気を、直接前記ガスタービンの排気路に送ることができるタービンバイパス路と、直接前記レシプロエンジンの排気路に送ることができるエンジンバイパス路とを設け、
   前記レシプロエンジンの排気を、前記ガスタービンの排気路に送ることができる燃焼器／タービンバイパス路を設けたことを特徴とする複合原動装置。
2. 前記エンジンバイパス路に設けられ、複合発電装置の起動操作時に、前記圧縮機と前記ガスタービンとの差圧を確保する圧力調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の複合原動装置。
3. 前記レシプロエンジンへの給気路に冷却器を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合原動装置。
4. 前記冷却器がボイラーであり、この冷却器が生成した水蒸気を前記ガスタービンの給気路に導入することを特徴とする請求項３に記載の複合原動装置。
5. 前記冷却器を前記レシプロエンジンまたは前記ガスタービンの燃料予熱に用いることを特徴とする請求項３に記載の複合原動装置。
6. 前記ガスタービンの排気を排熱回収ボイラーに導入することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の複合原動装置。
7. 前記レシプロエンジンが燃料の多段階投入システムを備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の複合原動装置。

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