JP5321340B2 - Steam injection gas turbine generator - Google Patents

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Description

本発明は、発電機駆動用のガスタービンの排熱を熱源として発生させた蒸気を、上記ガスタービンの燃焼器へ噴射して、該ガスタービンの出力を増大させるようにしてある蒸気噴射ガスタービン発電装置に関するものである。   The present invention relates to a steam injection gas turbine configured to inject steam generated by using exhaust heat of a gas turbine for driving a generator as a heat source to a combustor of the gas turbine to increase the output of the gas turbine. The present invention relates to a power generation device.

いわゆるコージェネレーションシステムと云われる熱併給発電を行う手法の1つとして、ガスタービンにより発電機を駆動して電力を発生させると共に、上記ガスタービンより排出される燃焼排ガスが高い温度となっていることから、その熱を排熱回収ボイラで回収して蒸気を発生させ、この蒸気を、熱源として利用可能なプロセス蒸気として熱需要があるところへ供給するようにする手法が広く知られている。   As one of the methods of cogeneration power generation called so-called cogeneration system, the generator is driven by a gas turbine to generate electric power, and the combustion exhaust gas discharged from the gas turbine has a high temperature. Therefore, a technique is widely known in which the heat is recovered by an exhaust heat recovery boiler to generate steam, and this steam is supplied to a place where there is heat demand as process steam that can be used as a heat source.

ところが、上記のような熱併給発電を行う場合に得られる電力と熱の供給量のバランスが、電力の需要と熱の需要のバランスと一致しないことがあり、たとえば、電力の需要が熱の需要に比して大きな場合が多い。   However, the balance between the amount of power and heat obtained when performing cogeneration as described above may not match the balance between the demand for power and the demand for heat. For example, the demand for power is the demand for heat. It is often larger than.

そのために、熱併給発電にて、より多くの電力を得ることができるようにするための装置として、蒸気噴射ガスタービン発電装置が従来提案されてきている。   For this reason, a steam injection gas turbine power generation device has been conventionally proposed as a device for enabling more electric power to be obtained by cogeneration.

上記蒸気噴射ガスタービン発電装置は、図2にその一例の概略を示す如く、圧縮機2とタービン3とをタービン軸4で同軸に連結し、且つ該圧縮機2とタービン3との間に燃焼器5を備えて、外部より取り入れる空気(吸気)6を上記圧縮機2で圧縮し、この圧縮された空気6を上記燃焼器5に導くと共に、該燃焼器5にて、図示しない燃料供給装置より供給される燃料7を上記圧縮された空気6を用いて燃焼させることにより高温、高圧の燃焼ガス8を発生させ、該燃焼ガス8を上記タービン3に導いて膨張させることにより該タービン3を駆動させて出力を取り出すようにしてあり、該取り出される出力の一部を、上記タービン軸4を介して上記圧縮機2に伝えて駆動用動力として用いると共に、残りを外部出力として取り出すことができるようにしてあるガスタービン1を備える。   In the steam-injected gas turbine power generator, a compressor 2 and a turbine 3 are coaxially connected by a turbine shaft 4 and burned between the compressor 2 and the turbine 3 as schematically shown in FIG. An air (intake air) 6 taken in from the outside is compressed by the compressor 2, the compressed air 6 is guided to the combustor 5, and the combustor 5 uses a fuel supply device (not shown). Combustion of the fuel 7 supplied by the compressed air 6 generates a high-temperature and high-pressure combustion gas 8, and the combustion gas 8 is guided to the turbine 3 to be expanded to thereby expand the turbine 3. The output is extracted by driving, and a part of the extracted output is transmitted to the compressor 2 via the turbine shaft 4 and used as driving power, and the rest can be extracted as an external output. It comprises a gas turbine 1 which are to so that.

上記ガスタービン1のタービン軸4には、発電機9を連結して、上記ガスタービン1の外部出力により該発電機9を駆動して電力を発生させるようにしてある。   A generator 9 is connected to the turbine shaft 4 of the gas turbine 1, and the generator 9 is driven by an external output of the gas turbine 1 to generate electric power.

更に、上記ガスタービン1のタービン3にて燃焼ガス8を膨張させた後に排出される燃焼排ガス8aを導いて外部に放出するためのガス排出ライン10の途中位置に、排熱回収ボイラ11を設けて、該排熱回収ボイラ11にて、上記燃焼排ガス8aの排熱を回収して蒸気12を発生させるようにし、この発生させた蒸気12の一部を、蒸気ライン13を通して上記ガスタービン1の燃焼器5へ噴射すると共に、蒸気12の残部を、プロセス蒸気ライン14を通して熱需要があるところ(図示せず)へプロセス蒸気として供給できるようにしてある。15は上記廃熱回収ボイラ11へ給水する水(軟水)である(たとえば、特許文献1参照)。   Further, an exhaust heat recovery boiler 11 is provided in the middle of the gas discharge line 10 for guiding the combustion exhaust gas 8a discharged after the combustion gas 8 is expanded by the turbine 3 of the gas turbine 1 and releasing it to the outside. The exhaust heat recovery boiler 11 recovers the exhaust heat of the combustion exhaust gas 8 a to generate steam 12, and a part of the generated steam 12 passes through the steam line 13 in the gas turbine 1. In addition to being injected into the combustor 5, the remainder of the steam 12 can be supplied as process steam through a process steam line 14 where there is a heat demand (not shown). Reference numeral 15 denotes water (soft water) supplied to the waste heat recovery boiler 11 (see, for example, Patent Document 1).

かかる構成としてある蒸気噴射ガスタービン発電装置によれば、上記排熱回収ボイラ11で上記ガスタービン1より排出される燃焼排ガス8aに残存する熱を利用して発生させる高温高圧の蒸気12を、蒸気ライン13を通して導いて上記ガスタービン1の燃焼器5へ噴射することで、該燃焼器5よりタービン3へ導かれるガスの質量流量を増大させることができるため、該タービン3の出力を増大させることができて、発電機9の発電量を増加させることができると共に、発電効率を向上させることができるようにしてある。   According to the steam injection gas turbine power generator having such a configuration, the high-temperature and high-pressure steam 12 generated by using the heat remaining in the combustion exhaust gas 8a discharged from the gas turbine 1 by the exhaust heat recovery boiler 11 is Since the mass flow rate of the gas led from the combustor 5 to the turbine 3 can be increased by being guided through the line 13 and injected into the combustor 5 of the gas turbine 1, the output of the turbine 3 is increased. Thus, the power generation amount of the generator 9 can be increased and the power generation efficiency can be improved.

ところで、上記蒸気噴射ガスタービン発電装置では、排熱回収ボイラ11で発生させる蒸気12をガスタービン1の燃焼器5へ噴射して、タービン3に流すガスの質量流量を増大させて出力の増大を図ることができるが、ある程度以上の蒸気12を燃焼器5に噴射すると、圧縮機2の流量が減少してサージングを起こすことから、噴射できる蒸気12の量には限界があるというのが実状である。   By the way, in the steam injection gas turbine power generator, the steam 12 generated in the exhaust heat recovery boiler 11 is injected into the combustor 5 of the gas turbine 1 to increase the mass flow rate of the gas flowing through the turbine 3 and increase the output. However, if a certain amount of steam 12 is injected into the combustor 5, the flow rate of the compressor 2 decreases and surging occurs, so the actual amount of steam 12 that can be injected is limited. is there.

そのために、蒸気噴射ガスタービン発電装置におけるガスタービン1の燃焼器5へ噴射可能な蒸気12の量を増大させてもサージ限界を回避できるようにするための種々の手法が、従来提案されてきている(たとえば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5参照)。   For this purpose, various techniques have been proposed in the past for avoiding the surge limit even when the amount of steam 12 that can be injected into the combustor 5 of the gas turbine 1 in the steam-injected gas turbine power generator is increased. (For example, see Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, and Patent Document 5).

なお、蒸気噴射ガスタービン発電装置において、ガスタービンの燃焼排ガスの排熱を利用して排熱回収ボイラ(ガスタービン排ガスボイラ)で発生させる蒸気を、トルエン等の揮発性有機化合物(以下、VOCと云う)を含有する排ガスを燃焼処理するVOC処理用の脱臭炉より排出される燃焼排ガスの排熱を利用して過熱した後、ガスタービンの燃焼器へ噴射させる手法は従来提案されている(たとえば、特許文献6参照)。   In the steam-injected gas turbine power generator, the steam generated in the exhaust heat recovery boiler (gas turbine exhaust gas boiler) using the exhaust heat of the combustion exhaust gas of the gas turbine is converted into volatile organic compounds such as toluene (hereinafter referred to as VOC). Conventionally proposed is a method of overheating using exhaust heat of combustion exhaust gas discharged from a VOC treatment deodorizing furnace for combustion treatment of exhaust gas containing gas and then injecting it into a combustor of a gas turbine (for example, And Patent Document 6).

特開2000−213372号公報JP 2000-213372 A 特開平11−229894号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-229894 特開2003−120332号公報JP 2003-120332 A 特開2003−129860号公報JP 2003-129860 A 特許第3646834号公報Japanese Patent No. 3664634 特許第4186181号公報Japanese Patent No. 4186181

ところが、ガスタービン1の燃焼排ガス8aを利用して排熱回収ボイラ11で発生させる蒸気12の温度は、通常、210℃程度と比較的低温であるため、該蒸気12をガスタービン1の燃焼器5に噴射しても、該燃焼器5の下流側のタービン3へ持ち込まれるエネルギーがあまり大きくなっていないというのが実状である。   However, since the temperature of the steam 12 generated in the exhaust heat recovery boiler 11 using the combustion exhaust gas 8a of the gas turbine 1 is normally as low as about 210 ° C., the steam 12 is used as the combustor of the gas turbine 1. The fact is that the energy brought into the turbine 3 on the downstream side of the combustor 5 is not so large even if it is injected into the turbine 5.

しかも、上記特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5に示されている種々の手法により、サージ限界を回避しつつ蒸気噴射ガスタービン発電装置におけるガスタービン1の燃焼器5へ噴射可能な蒸気12の量を増大させることができるとしても、上記排熱回収ボイラ11で発生する蒸気12は210℃程度と、通常、1000℃程度となる燃焼器5内の燃焼温度に比して大幅に低いため、排熱回収ボイラ11で発生させた蒸気12のガスタービン1の燃焼器5への噴射量が多くなると、該燃焼器5内の温度が低下して失火に繋がる虞が懸念されるというのが実状である。   Moreover, the combustion of the gas turbine 1 in the steam-injected gas turbine power generator while avoiding the surge limit by various methods shown in Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, and Patent Document 5 described above. Even if the amount of the steam 12 that can be injected into the combustor 5 can be increased, the steam 12 generated in the exhaust heat recovery boiler 11 is about 210 ° C., and usually the combustion temperature in the combustor 5 that is about 1000 ° C. Therefore, if the injection amount of the steam 12 generated in the exhaust heat recovery boiler 11 to the combustor 5 of the gas turbine 1 increases, the temperature in the combustor 5 decreases, leading to misfire. The reality is that there are concerns.

なお、上記特許文献6には、蒸気噴射ガスタービン発電機のガスタービンに付設した排熱回収ボイラで発生させる蒸気を、VOC処理用の脱臭炉より排出される燃焼排ガスの排熱を利用して過熱してからガスタービンの燃焼器へ噴射させる考えは示されているが、上記蒸気の過熱温度は350℃程度に過ぎず、ガスタービンの燃焼器内の燃焼温度に比して温度が大幅に低いという点では、排熱回収ボイラで発生させる蒸気の温度レベルとあまり変わらない。したがって、この特許文献6に記載された手法を採用しても、前記したようなガスタービンの燃焼器の下流側のタービンへ持ち込まれるエネルギーがあまり大きくならないという現象や、ガスタービンの燃焼器への蒸気の噴射量が多くなると、該燃焼器内の温度が低下して失火に繋がるという現象の対策としては不十分である。   In Patent Document 6, the steam generated by the exhaust heat recovery boiler attached to the gas turbine of the steam injection gas turbine generator is used by utilizing the exhaust heat of the combustion exhaust gas discharged from the deodorizing furnace for VOC treatment. Although the idea of injecting into the gas turbine combustor after overheating has been shown, the superheat temperature of the steam is only about 350 ° C., which is significantly higher than the combustion temperature in the combustor of the gas turbine. In the low point, it is not much different from the temperature level of the steam generated in the exhaust heat recovery boiler. Therefore, even if the method described in Patent Document 6 is adopted, the energy that is brought into the turbine on the downstream side of the combustor of the gas turbine as described above does not increase so much. When the amount of steam injection increases, the temperature in the combustor decreases and this is insufficient as a countermeasure against the phenomenon of misfire.

しかも、特許文献6に示されたものでは、VOC処理用の脱臭炉が必須のため、VOCの脱臭炉がない場合は採用し得ない。更に、上記VOC処理用の脱臭炉では、助燃燃料として外部燃料を必要とするという問題もある。   Moreover, since the deodorizing furnace for VOC treatment is essential in the one disclosed in Patent Document 6, it cannot be adopted when there is no VOC deodorizing furnace. Furthermore, the VOC treatment deodorization furnace has a problem that an external fuel is required as a supplementary fuel.

そこで、本発明は、ガスタービンの燃焼排ガスを利用して排熱回収ボイラで発生させる蒸気を上記ガスタービンの燃焼器へ噴射するときに、何ら外部燃料を要することなく該燃焼器の下流側のタービンへ持ち込まれるエネルギーを増加させることができて、該燃焼器での燃料消費を抑えることができ、更に、ガスタービンの燃焼器への蒸気噴射量を多くしても、該燃焼器の失火に繋がる虞を抑制することができる蒸気噴射ガスタービン発電装置を提供しようとするものである。   Therefore, the present invention uses the combustion exhaust gas of the gas turbine to inject the steam generated in the exhaust heat recovery boiler into the combustor of the gas turbine without any external fuel. The energy brought into the turbine can be increased, fuel consumption in the combustor can be suppressed, and even if the amount of steam injection to the combustor of the gas turbine is increased, the combustor can be misfired. It is an object of the present invention to provide a steam-injected gas turbine power generator that can suppress the possibility of being connected.

本発明は、上記課題を解決するために、請求項1に対応して、圧縮機とタービンをタービン軸にて同軸に連結して備え、上記圧縮機で圧縮した空気を用いて燃焼器内で燃料を燃焼させることにより発生させた高温高圧の燃焼ガスを、上記タービンで膨張させることによりタービン軸を回転させて出力を取り出すようにしてあるガスタービンと、上記タービン軸に連結した発電機と、上記ガスタービンより排出される燃焼排ガスの排熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで発生した蒸気を上記ガスタービンの燃焼器へ導いて噴射させるための蒸気ラインを備えた蒸気噴射ガスタービン発電装置において、上記蒸気ラインの途中位置に、太陽熱集熱装置に接続した熱交換器を設けて、上記蒸気ラインに導かれる蒸気を過熱してから上記ガスタービンの燃焼器へ噴射させるようにした構成とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the present invention comprises a compressor and a turbine that are coaxially connected to each other by a turbine shaft in accordance with claim 1 and uses air compressed by the compressor in a combustor. A gas turbine configured to extract the output by rotating the turbine shaft by expanding the high-temperature and high-pressure combustion gas generated by burning the fuel in the turbine; and a generator connected to the turbine shaft; An exhaust heat recovery boiler that recovers exhaust heat of combustion exhaust gas discharged from the gas turbine to generate steam, and steam for introducing the steam generated in the exhaust heat recovery boiler to the combustor of the gas turbine for injection In the steam-injected gas turbine power generator equipped with a line, a heat exchanger connected to a solar heat collector is provided in the middle of the steam line, and the steam guided to the steam line From overheating and configuration so as to be injected into the combustor of the gas turbine.

又、上記構成において、蒸気ラインの途中位置に、太陽熱集熱装置に接続した熱交換器を多段に設けるようにした構成とする。   Moreover, in the said structure, it is set as the structure which provided the heat exchanger connected to the solar thermal collector in multiple stages in the middle position of the steam line.

更に、上記各構成において、蒸気ラインにおける太陽熱集熱装置に接続した熱交換器の設置個所よりも上流側位置に、蒸気流量調整弁を設け、且つ蒸気ラインにおける太陽熱集熱装置に接続した熱交換器の設置個所よりも下流側位置に温度センサを設けて、該温度センサにより検出される上記熱交換器通過後の蒸気温度に応じて上記蒸気流量調整弁を制御するようにした構成とする。   Furthermore, in each of the above configurations, a heat exchange connected to the solar heat collector in the steam line is provided at a position upstream of the installation location of the heat exchanger connected to the solar heat collector in the steam line and connected to the solar heat collector in the steam line A temperature sensor is provided at a position downstream of the place where the heat exchanger is installed, and the steam flow rate adjusting valve is controlled according to the steam temperature detected by the temperature sensor after passing through the heat exchanger.

本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)圧縮機とタービンをタービン軸にて同軸に連結して備え、上記圧縮機で圧縮した空気を用いて燃焼器内で燃料を燃焼させることにより発生させた高温高圧の燃焼ガスを、上記タービンで膨張させることによりタービン軸を回転させて出力を取り出すようにしてあるガスタービンと、上記タービン軸に連結した発電機と、上記ガスタービンより排出される燃焼排ガスの排熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで発生した蒸気を上記ガスタービンの燃焼器へ導いて噴射させるための蒸気ラインを備えた蒸気噴射ガスタービン発電装置において、上記蒸気ラインの途中位置に、太陽熱集熱装置に接続した熱交換器を設けて、上記蒸気ラインに導かれる蒸気を過熱してから上記ガスタービンの燃焼器へ噴射させるようにした構成としてあるので、ガスタービンにて燃焼器の下流側のタービンへ持ち込まれるエネルギーを、外部燃料を要することなく増加させることができ、このため、従来に比して、同じガスタービンの外部出力を得る際の燃焼器での燃料消費を抑えることができる。
(2)更に、ガスタービンの燃焼器へ噴射する蒸気の温度と、該燃焼器内の燃焼温度との温度差を小さくすることができるため、燃焼器への蒸気噴射量を多くしても、該燃焼器内の温度低下により失火に繋がる虞を抑制することができる。したがって、サージ限界を回避しつつガスタービンの燃焼器へ噴射可能な蒸気の量を増大させるための種々の手法と組み合わせることで、サージ限界の回避と、失火の防止を共に図ることが可能で、且つ燃料消費量の大幅な削減が達成可能な蒸気噴射ガスタービン発電装置を実現することができる。
(3)蒸気ラインの途中位置に、太陽熱集熱装置に接続した熱交換器を多段に設けるようにした構成とすることにより、排熱回収ボイラで発生させる蒸気の温度を、ガスタービンの燃焼器内の燃焼温度との温度差が小さくなるように大幅に過熱する際に、各段の熱交換器では、徐々に蒸気の温度を上げるようにすればよいため、各熱交換器の入口側温度と出口側温度との温度差を小さくすることが可能となる。したがって、各熱交換器の構造が、熱交換器を入口側温度と出口側温度の大きい温度差に耐え得る構造とする場合のように複雑になることを防ぐ効果が期待できる。
(4)蒸気ラインにおける太陽熱集熱装置に接続した熱交換器の設置個所よりも上流側位置に、蒸気流量調整弁を設け、且つ蒸気ラインにおける太陽熱集熱装置に接続した熱交換器の設置個所よりも下流側位置に温度センサを設けて、該温度センサにより検出される上記熱交換器通過後の蒸気温度に応じて上記蒸気流量調整弁を制御するようにした構成とすることにより、天候等の影響により太陽熱集熱装置で収集される太陽熱のエネルギー量が減少して、熱交換器で蒸気の過熱が十分に行われなくなるときには、温度センサによる熱交換器を通過後の過熱されているべき蒸気の温度低下の検出に伴って蒸気流量調整弁の開度を絞ることが可能になるため、十分な過熱が行われていない低い温度の蒸気が、ガスタービンの燃焼器へ多量に供給される虞を未然に防止することができて、該燃焼器が失火する虞を未然に防止できる。
According to the steam injection gas turbine power generator of the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) A compressor and a turbine are coaxially connected by a turbine shaft, and the high-temperature and high-pressure combustion gas generated by burning fuel in the combustor using the air compressed by the compressor is A gas turbine configured to extract the output by rotating the turbine shaft by being expanded by the turbine, a generator connected to the turbine shaft, and exhaust heat of the combustion exhaust gas discharged from the gas turbine to recover the steam In a steam-injection gas turbine power generator comprising a waste heat recovery boiler for generating steam and a steam line for directing and injecting steam generated in the exhaust heat recovery boiler to a combustor of the gas turbine, At the position, a heat exchanger connected to the solar heat collector is provided, and the steam guided to the steam line is superheated and then injected into the combustor of the gas turbine. As a result, the energy brought into the turbine downstream of the combustor by the gas turbine can be increased without requiring external fuel. Fuel consumption in the combustor when obtaining output can be suppressed.
(2) Furthermore, since the temperature difference between the temperature of the steam injected into the combustor of the gas turbine and the combustion temperature in the combustor can be reduced, even if the amount of steam injected into the combustor is increased, The risk of misfire due to a temperature drop in the combustor can be suppressed. Therefore, by combining with various methods for increasing the amount of steam that can be injected into the combustor of the gas turbine while avoiding the surge limit, it is possible to both avoid the surge limit and prevent misfire, In addition, a steam-injected gas turbine power generator that can achieve a significant reduction in fuel consumption can be realized.
(3) By setting the heat exchanger connected to the solar heat collector in multiple stages in the middle of the steam line, the temperature of the steam generated in the exhaust heat recovery boiler is changed to the combustor of the gas turbine. When heat is greatly heated so that the temperature difference from the internal combustion temperature becomes small, it is only necessary to gradually increase the temperature of the steam in each stage heat exchanger. And the outlet side temperature can be reduced. Therefore, it can be expected that the structure of each heat exchanger is prevented from becoming complicated as in the case where the heat exchanger has a structure capable of withstanding a large temperature difference between the inlet side temperature and the outlet side temperature.
(4) Location of the heat exchanger connected to the solar heat collector in the steam line provided with a steam flow rate adjusting valve upstream of the location of the heat exchanger connected to the solar heat collector in the steam line By providing a temperature sensor at a position downstream of the heat exchanger and controlling the steam flow rate adjusting valve in accordance with the steam temperature detected by the temperature sensor after passing through the heat exchanger, the weather, etc. When the amount of solar heat energy collected by the solar heat collector decreases due to the influence of the heat and the steam is not sufficiently heated by the heat exchanger, it should be overheated after passing through the heat exchanger by the temperature sensor. As the temperature drop of the steam is detected, the opening of the steam flow adjustment valve can be reduced, so a large amount of low-temperature steam that is not sufficiently heated is supplied to the combustor of the gas turbine. Possibility to be able to be prevented and that, combustor can be prevented the risk that misfire.

本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置の実施の一形態を示す概要図である。It is a schematic diagram showing one embodiment of a steam injection gas turbine power generator of the present invention. 従来の蒸気噴射ガスタービン発電装置の一例の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of an example of the conventional steam injection gas turbine electric power generating apparatus.

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置の実施の一形態を示すもので、図2に示した蒸気噴射ガスタービン発電装置と同様に、発電機9を駆動するガスタービン1より燃焼排ガス8aを排出するガス排出ライン10の途中に排熱回収ボイラ11を設け、且つ該排熱回収ボイラ11で発生させる蒸気12の一部を導く蒸気ライン13を、上記ガスタービン1の燃焼器5に接続した構成において、上記蒸気ライン13の途中位置に、太陽熱集熱装置16に接続した熱交換器17を設けて、上記蒸気ライン13を流通する蒸気12を、該熱交換器17にて上記太陽熱集熱装置16で集熱した太陽熱と熱交換させて大幅に過熱してから、該過熱蒸気12aを上記ガスタービン1の燃焼器5へ噴射できるようにする。   FIG. 1 shows an embodiment of a steam-injected gas turbine power generator according to the present invention. Like the steam-injected gas turbine power generator shown in FIG. 2, a combustion exhaust gas 8a is produced from a gas turbine 1 that drives a generator 9. An exhaust heat recovery boiler 11 is provided in the middle of the gas exhaust line 10 for exhausting the gas, and a steam line 13 for guiding a part of the steam 12 generated by the exhaust heat recovery boiler 11 is connected to the combustor 5 of the gas turbine 1. In the configuration described above, a heat exchanger 17 connected to the solar heat collector 16 is provided in the middle of the steam line 13, and the steam 12 flowing through the steam line 13 is passed through the solar heat collector 17 by the heat exchanger 17. The superheated steam 12a can be injected into the combustor 5 of the gas turbine 1 after it is superheated by heat exchange with the solar heat collected by the heat device 16.

詳述すると、上記太陽熱集熱装置16は、たとえば、太陽追尾用の多数の平面鏡(ヘリオスタット)等の図示しない一次集光装置を用いて一次集光した太陽光18を、パラボラ状や複合放物面を備えた二次集光器16aで二次集光することで、太陽熱エネルギーを収集できる構成としてあると共に、この収集された太陽熱エネルギーを上記熱交換器17における蒸気12との熱交換部(図示せず)へ与えることで、該熱交換器17へ供給される蒸気12を、800℃程度まで過熱することができるようにしてあるものとする。   More specifically, the solar heat collecting device 16 is configured such that, for example, the sunlight 18 primarily condensed using a primary condensing device (not shown) such as a number of flat mirrors (heliostats) for solar tracking is parabolic or combined. The solar heat energy is collected by the secondary condensing by the secondary concentrator 16a provided with an object surface, and the collected solar thermal energy is used as a heat exchange part with the steam 12 in the heat exchanger 17. It is assumed that the steam 12 supplied to the heat exchanger 17 can be overheated to about 800 ° C. by giving to (not shown).

更に、上記太陽熱集熱装置16に接続した熱交換器17は、上記蒸気ライン13の途中位置に、図1に示す如く、多段に設けるようにすることが望ましい。図では熱交換器17を3段に設けた場合が示してある。このような構成とすれば、上記排熱回収ボイラ11で発生させる210℃程度の蒸気12を、800℃程度まで過熱する際に各段の熱交換器17で徐々に蒸気12の温度を上げることができるようになることから、該各熱交換器17の入口側温度と出口側温度との温度差を小さくすることが可能となる。したがって、一般に、熱交換器を入口側温度と出口側温度の大きい温度差に耐え得る構造とする場合には、設計が難しく、構造が複雑化すると考えられるが、上記各熱交換器17における入口側温度と出口側温度との温度差を小さくすることで、該各熱交換器17の構造が複雑になることを防ぐ効果が期待できる。   Furthermore, it is desirable that the heat exchanger 17 connected to the solar heat collecting device 16 be provided in multiple stages in the middle of the steam line 13 as shown in FIG. In the figure, the case where the heat exchanger 17 is provided in three stages is shown. With such a configuration, when the steam 12 of about 210 ° C. generated in the exhaust heat recovery boiler 11 is heated to about 800 ° C., the temperature of the steam 12 is gradually raised by the heat exchanger 17 in each stage. Thus, the temperature difference between the inlet side temperature and the outlet side temperature of each heat exchanger 17 can be reduced. Therefore, in general, when the heat exchanger has a structure that can withstand a large temperature difference between the inlet side temperature and the outlet side temperature, the design is difficult and the structure is considered to be complicated. The effect of preventing the structure of each heat exchanger 17 from becoming complicated can be expected by reducing the temperature difference between the side temperature and the outlet side temperature.

ところで、天候等の影響により上記各太陽熱集熱装置16に対する太陽光の照射量が減少すると、上記各太陽熱集熱装置16で収集して各熱交換器17で蒸気12を過熱するために用いる太陽熱のエネルギー量が減少するため、該各熱交換器17より得られる過熱蒸気12aの温度が低下することが考えられる。更に、太陽熱集熱装置16に太陽光の照射が全くない場合は、上記各熱交換器17では、蒸気ライン13を流通する蒸気12の過熱を行うことができないこととなる。この点に鑑みて、本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置では、上記蒸気ライン13における上記各熱交換器17の設置個所よりも上流側位置に、蒸気流量調整弁19を設けると共に、該蒸気ライン13における上記各熱交換器17の設置個所よりも下流側位置に、温度センサ20を設け、更に、該温度センサ20より入力される温度検出信号に基づいて上記蒸気流量調整弁19に制御指令を与える温度制御器21を備える。   By the way, when the amount of sunlight irradiated to each solar heat collector 16 decreases due to the influence of the weather or the like, the solar heat collected by each solar heat collector 16 and used to superheat the steam 12 by each heat exchanger 17. Therefore, it is conceivable that the temperature of the superheated steam 12a obtained from each heat exchanger 17 decreases. Furthermore, when the solar heat collecting device 16 is not irradiated with sunlight, the heat exchangers 17 cannot superheat the steam 12 flowing through the steam line 13. In view of this point, in the steam-injected gas turbine power generator according to the present invention, the steam flow adjustment valve 19 is provided in the steam line 13 at a position upstream of the installation location of each heat exchanger 17, and the steam line 13, a temperature sensor 20 is provided at a position downstream of the place where each of the heat exchangers 17 is installed, and a control command is sent to the steam flow rate adjusting valve 19 based on a temperature detection signal input from the temperature sensor 20. A temperature controller 21 is provided.

更に、上記温度制御器21を、上記温度センサ20より入力される温度検出信号を基に、上記蒸気ライン13を流通する蒸気12が上記各熱交換器17を通過した後に得られる過熱蒸気12aの温度の低下が検出されると、上記蒸気流量調整弁19へ開度を絞るようにさせるための制御指令を与える機能を有するものとしてある。これにより、上記各太陽熱集熱装置16で収集される太陽熱のエネルギー量が減少して、各熱交換器17を通過した後に得られる過熱蒸気12aの温度が低下するときには、上記温度制御器21により上記蒸気流量調整弁19の開度が絞られるようになるため、蒸気ライン13を経て上記各熱交換器17へ供給される蒸気12の量を減少させて、太陽熱のエネルギーを受け取る蒸気12の量を減らして、蒸気12の過熱温度の低下を防ぐと共に、十分な過熱が行われていない800℃よりも低い温度の過熱蒸気12aや、各熱交換器17での過熱が行われていない210℃程度のままの蒸気12が、上記ガスタービン1の燃焼器5へ多量に供給される虞を未然に防止することができるようにしてある。   Further, based on the temperature detection signal input from the temperature sensor 20, the temperature controller 21 is used for the superheated steam 12 a obtained after the steam 12 flowing through the steam line 13 passes through the heat exchangers 17. When a decrease in temperature is detected, the steam flow control valve 19 has a function of giving a control command for reducing the opening degree. Thereby, when the amount of solar heat energy collected by each solar heat collecting device 16 decreases and the temperature of the superheated steam 12a obtained after passing through each heat exchanger 17 decreases, the temperature controller 21 Since the opening degree of the steam flow rate adjusting valve 19 is reduced, the amount of steam 12 supplied to the heat exchangers 17 through the steam line 13 is reduced, and the amount of steam 12 that receives solar heat energy. To prevent a decrease in the superheated temperature of the steam 12, and a superheated steam 12a having a temperature lower than 800 ° C that is not sufficiently heated or 210 ° C that is not heated in each heat exchanger 17 It is possible to prevent the possibility that a large amount of the steam 12 as it is is supplied to the combustor 5 of the gas turbine 1 in advance.

22は蒸気ライン13における上記各熱交換器17の設置個所の直ぐ上流側位置に設けたミストセパレータ、23はガスタービン1の出力軸となるタービン軸4と発電機9との間に介装した減速機である。   22 is a mist separator provided in the steam line 13 at a position immediately upstream of the place where each heat exchanger 17 is installed, and 23 is interposed between the turbine shaft 4 serving as the output shaft of the gas turbine 1 and the generator 9. It is a reduction gear.

その他、図2に示したものと同一のものには同一符号が付してある。   In addition, the same components as those shown in FIG.

以上の構成としてある本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置を使用する場合は、ガスタービン1の燃焼器5に燃料7を供給して該ガスタービン1を運転すると、該ガスタービン1の外部出力により発電機9が駆動されて発電が行われる。   When the steam-injected gas turbine power generator of the present invention having the above configuration is used, when the fuel 7 is supplied to the combustor 5 of the gas turbine 1 and the gas turbine 1 is operated, the external output of the gas turbine 1 The generator 9 is driven to generate power.

更に、上記ガスタービン1のタービン3より排出される燃焼排ガス8aが、ガス排出ライン10を通して排熱回収ボイラ11に導かれると、該排熱回収ボイラ11では、上記燃焼排ガス8aの保有する熱により蒸気12が発生させられる。   Further, when the combustion exhaust gas 8a discharged from the turbine 3 of the gas turbine 1 is guided to the exhaust heat recovery boiler 11 through the gas exhaust line 10, the exhaust heat recovery boiler 11 uses the heat held by the combustion exhaust gas 8a. Steam 12 is generated.

上記排熱回収ボイラ11で発生した蒸気12の一部は、蒸気ライン13を通して上記ガスタービン1の燃焼器5へ導かれる間に、該蒸気ライン13の途中位置に設けてある各熱交換器17を通過するときに該各熱交換器17に接続してある太陽熱集熱装置16で収集された太陽熱のエネルギーとの熱交換により800℃程度まで過熱されて、800℃程度の過熱蒸気12aとされた状態で上記ガスタービン1の燃焼器5へ噴射されるようになる。   A part of the steam 12 generated in the exhaust heat recovery boiler 11 is led to the combustor 5 of the gas turbine 1 through the steam line 13, and each heat exchanger 17 provided in the middle of the steam line 13. Is heated to about 800 ° C. by the heat exchange with the solar heat energy collected by the solar heat collecting device 16 connected to each heat exchanger 17, and the superheated steam 12 a is about 800 ° C. In this state, the fuel is injected into the combustor 5 of the gas turbine 1.

したがって、上記ガスタービン1では、燃焼器5へ吹き込まれる過熱蒸気12aの温度が、従来の蒸気噴射ガスタービン発電装置でガスタービンの燃焼器に噴射していた蒸気よりも大幅に温度が高くなるため、同じ蒸気噴射量であっても、上記燃焼器5の下流側のタービン3へ持ち込まれるエネルギーが増加することで、ガスタービン1の外部出力が高まるようになる。   Therefore, in the gas turbine 1, the temperature of the superheated steam 12a blown into the combustor 5 is significantly higher than the steam injected into the combustor of the gas turbine by the conventional steam injection gas turbine power generator. Even if the steam injection amount is the same, the external output of the gas turbine 1 is increased by increasing the energy brought into the turbine 3 on the downstream side of the combustor 5.

よって、ガスタービン1の外部出力として、従来の蒸気噴射ガスタービン発電装置のガスタービンと同じ外部出力を得る場合に、上記燃焼器5における燃料7の使用量が低減されるようになる。   Therefore, when the same external output as the gas turbine of the conventional steam injection gas turbine power generator is obtained as the external output of the gas turbine 1, the amount of fuel 7 used in the combustor 5 is reduced.

更に、太陽熱集熱装置16に対する太陽光の照射が弱かったり、照射がない場合は、上記蒸気ライン13の途中位置に設けてある各熱交換器17を経て上記ガスタービン1の燃焼器5へ噴射される過熱蒸気12aの温度が低下したり、過熱されない蒸気12が上記ガスタービン1の燃焼器5へ噴射されるようになるが、この場合は、上記蒸気ライン13における各熱交換器17の下流側位置に設けてある温度センサ20によって該各熱交換器17を通過した後の過熱蒸気12aの温度低下、あるいは、過熱されない蒸気12の温度が検出されることに伴って、温度制御器21により蒸気ライン13に設けてある蒸気流量調整弁19の開度が自動的に絞られることで、上記過熱が十分に行われていない過熱蒸気12aや、過熱されない蒸気12が、上記ガスタービン1の燃焼器5へ多量に噴射されることは自動的に防止される。よって、該ガスタービン1の燃焼器5内の温度の低下は未然に防止されるようになる。   Further, when the solar heat collector 16 is weakly irradiated or not irradiated, it is injected into the combustor 5 of the gas turbine 1 through the heat exchangers 17 provided in the middle of the steam line 13. The temperature of the heated superheated steam 12a decreases or the steam 12 that is not overheated is injected into the combustor 5 of the gas turbine 1. In this case, downstream of each heat exchanger 17 in the steam line 13 The temperature controller 21 detects the temperature drop of the superheated steam 12a after passing through the heat exchangers 17 by the temperature sensor 20 provided at the side position or the temperature of the steam 12 that is not overheated. The degree of opening of the steam flow rate adjusting valve 19 provided in the steam line 13 is automatically throttled, so that the superheated steam 12a that is not sufficiently heated or the steam 12 that is not overheated. , Be a large amount injected into the combustor 5 of the gas turbine 1 is automatically prevented. Therefore, the temperature drop in the combustor 5 of the gas turbine 1 is prevented in advance.

このように、本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置によれば、ガスタービン1の燃焼排ガス8aを利用して排熱回収ボイラ11で発生させる蒸気12を、太陽熱集熱装置16で収集した太陽熱のエネルギーとの熱交換により、何ら外部燃料を要することなく800℃程度と大幅に温度を高めてから上記ガスタービン1の燃焼器5へ噴射することができるため、該燃焼器5の下流側のタービン3へ持ち込まれるエネルギーを増加させることができて、燃焼器5での燃料消費を抑えることができる。   Thus, according to the steam injection gas turbine power generator of the present invention, the solar heat collected by the solar heat collector 16 is generated by the exhaust heat recovery boiler 11 using the combustion exhaust gas 8a of the gas turbine 1. By heat exchange with energy, it is possible to inject into the combustor 5 of the gas turbine 1 after the temperature has been significantly increased to about 800 ° C. without requiring any external fuel. The energy brought into 3 can be increased, and the fuel consumption in the combustor 5 can be suppressed.

更に、ガスタービン1の燃焼器5へ供給する過熱蒸気12aの温度を800℃程度とすることで、燃焼器5内の燃焼温度(約1000℃)との温度差が小さくなるため、上記ガスタービン1の燃焼器5への蒸気噴射量を多くしても、該燃焼器5内の温度低下により失火に繋がる虞を抑制することができる。したがって、従来の特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5で提案されているような、圧縮機2のサージ限界を回避しつつガスタービン1の燃焼器5へ噴射可能な蒸気12の量を増大させるための種々の手法を採用する場合に有利な構成とすることができて、サージ限界の回避と、失火の防止を共に図ることができて、燃料消費量の大幅な削減が達成可能な蒸気噴射ガスタービン発電装置を実現することができる。   Further, by setting the temperature of the superheated steam 12a supplied to the combustor 5 of the gas turbine 1 to about 800 ° C., the temperature difference from the combustion temperature (about 1000 ° C.) in the combustor 5 becomes small, so the gas turbine Even if the amount of steam injection to one combustor 5 is increased, the risk of misfire due to temperature drop in the combustor 5 can be suppressed. Therefore, injection to the combustor 5 of the gas turbine 1 while avoiding the surge limit of the compressor 2 as proposed in the conventional Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, and Patent Document 5. It is possible to obtain an advantageous configuration when employing various methods for increasing the amount of steam 12 that can be used, thereby avoiding surge limits and preventing misfires, thereby reducing fuel consumption. A steam-injected gas turbine power generator that can achieve a significant reduction can be realized.

なお、図1の構成の本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置について本発明者等が実施した数値計算によれば、2MW級の蒸気噴射ガスタービン発電装置において、ガスタービン1の燃焼器5への蒸気噴射量を2500kg/hrとする際、太陽の入射熱流束を、晴天ならば日本でも達成可能な入射熱流束である860W/mと仮定して、蒸気12の温度を207℃から800℃まで過熱するようにすると、燃料7を約11.9%節約でき、太陽光の電力への変換効率として13.7%と、太陽電池と同程度の変換効率を得ることができるという結果が得られている。 According to the numerical calculation performed by the present inventors on the steam-injected gas turbine power generator of the present invention configured as shown in FIG. 1, in the 2 MW class steam-injected gas turbine power generator, the combustor 5 of the gas turbine 1 is supplied to the combustor 5. When the steam injection amount is 2500 kg / hr, assuming that the incident heat flux of the sun is 860 W / m 2 , which is an incident heat flux that can be achieved in Japan if it is fine weather, the temperature of the steam 12 is 207 ° C. to 800 ° C. If it is made to overheat, the fuel 7 can be saved by about 11.9%, and the conversion efficiency of solar light to electric power can be obtained as 13.7%, which is the same conversion efficiency as a solar cell. It has been.

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、発電機9の駆動用のガスタービン1と、その排熱を回収する排熱回収ボイラ11と、排熱回収ボイラ11で発生させる蒸気12を上記ガスタービン1の燃焼器5へ導いて噴射させるための蒸気ライン13を備えた構成としてあれば、ガスタービン1、排熱回収ボイラ11はいかなる形式のものでもよく、更には、ガスタービン1と排熱回収ボイラ11にいかなる形式の周辺機器構成を備えていてもよい。   The present invention is not limited to the above embodiment, and is generated in the gas turbine 1 for driving the generator 9, the exhaust heat recovery boiler 11 for recovering the exhaust heat, and the exhaust heat recovery boiler 11. The gas turbine 1 and the exhaust heat recovery boiler 11 may be of any type as long as the steam line 13 for introducing and injecting the steam 12 to be introduced into the combustor 5 of the gas turbine 1 to be injected. The gas turbine 1 and the exhaust heat recovery boiler 11 may have any type of peripheral device configuration.

太陽熱集熱装置16に接続した熱交換器17の蒸気ライン13上に設ける数は適宜変更してもよく、単数であってもよい。   The number provided on the steam line 13 of the heat exchanger 17 connected to the solar heat collector 16 may be appropriately changed or may be singular.

太陽熱集熱装置16は、熱交換器17に、排熱回収ボイラ11で発生する蒸気12を800℃程度まで過熱することができるような太陽熱のエネルギーを与えることができるようにしてあれば、いかなる形式の太陽熱集熱装置16を採用してもよい。   As long as the solar heat collecting device 16 can give the heat exchanger 17 solar energy that can heat the steam 12 generated in the exhaust heat recovery boiler 11 to about 800 ° C., any solar heat collecting device 16 can be used. A solar heat collecting device 16 of a form may be adopted.

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。   Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

1 ガスタービン
2 圧縮機
3 タービン
4 タービン軸
5 燃焼器
6 空気
7 燃料
8 燃焼ガス
8a 燃焼排ガス
9 発電機
11 排熱回収ボイラ
12 蒸気
12a 過熱蒸気
13 蒸気ライン
16 太陽熱集熱装置
17 熱交換器
19 蒸気流量調整弁
20 温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas turbine 2 Compressor 3 Turbine 4 Turbine shaft 5 Combustor 6 Air 7 Fuel 8 Combustion gas 8a Combustion exhaust gas 9 Generator 11 Exhaust heat recovery boiler 12 Steam 12a Superheated steam 13 Steam line 16 Solar heat collector 17 Heat exchanger 19 Steam flow control valve 20 Temperature sensor

Claims (3)

圧縮機とタービンをタービン軸にて同軸に連結して備え、上記圧縮機で圧縮した空気を用いて燃焼器内で燃料を燃焼させることにより発生させた高温高圧の燃焼ガスを、上記タービンで膨張させることによりタービン軸を回転させて出力を取り出すようにしてあるガスタービンと、上記タービン軸に連結した発電機と、上記ガスタービンより排出される燃焼排ガスの排熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで発生した蒸気を上記ガスタービンの燃焼器へ導いて噴射させるための蒸気ラインを備えた蒸気噴射ガスタービン発電装置において、上記蒸気ラインの途中位置に、太陽熱集熱装置に接続した熱交換器を設けて、上記蒸気ラインに導かれる蒸気を過熱してから上記ガスタービンの燃焼器へ噴射させるようにした構成を有することを特徴とする蒸気噴射ガスタービン発電装置。   A compressor and a turbine are coaxially connected by a turbine shaft, and high-temperature and high-pressure combustion gas generated by burning fuel in a combustor using air compressed by the compressor is expanded in the turbine. The gas turbine is configured to rotate the turbine shaft to take out the output, the generator connected to the turbine shaft, and the exhaust heat of the combustion exhaust gas discharged from the gas turbine to recover and generate steam In a steam-injection gas turbine power generator having an exhaust heat recovery boiler and a steam line for introducing and injecting steam generated in the exhaust heat recovery boiler to the combustor of the gas turbine, in the middle of the steam line, A heat exchanger connected to the solar heat collector is provided so that the steam guided to the steam line is superheated and then injected into the combustor of the gas turbine. Steam injection gas turbine power generation apparatus characterized by having the configurations. 蒸気ラインの途中位置に、太陽熱集熱装置に接続した熱交換器を多段に設けるようにした請求項1記載の蒸気噴射ガスタービン発電装置。   The steam-injected gas turbine power generator according to claim 1, wherein heat exchangers connected to the solar heat collector are provided in multiple stages in the middle of the steam line. 蒸気ラインにおける太陽熱集熱装置に接続した熱交換器の設置個所よりも上流側位置に、蒸気流量調整弁を設け、且つ蒸気ラインにおける太陽熱集熱装置に接続した熱交換器の設置個所よりも下流側位置に温度センサを設けて、該温度センサにより検出される上記熱交換器通過後の蒸気温度に応じて上記蒸気流量調整弁を制御するようにした請求項1又は2記載の蒸気噴射ガスタービン発電装置。   A steam flow rate adjustment valve is provided upstream of the installation location of the heat exchanger connected to the solar heat collector in the steam line, and downstream of the installation location of the heat exchanger connected to the solar heat collection device in the steam line. The steam injection gas turbine according to claim 1 or 2, wherein a temperature sensor is provided at a side position, and the steam flow rate adjusting valve is controlled according to a steam temperature detected by the temperature sensor after passing through the heat exchanger. Power generation device.
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