JPH08261015A - ガスタービン発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱効率を効果的に向上させることができるガ
スタービン発電装置を提供する。 【構成】 空気を圧縮する圧縮機２１と、圧縮された空
気を用いて燃料３２を燃焼する燃焼器２２と、燃焼によ
って発生した燃焼ガス３５により発電機２４を回転して
電気を発生するガスタービン２３とを有するガスタービ
ン装置において、燃焼器２２の入口に圧縮空気３４を予
熱するラジアントチューブ型高速切換式蓄熱型燃焼器を
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン発電装置
に係り、特に熱効率の向上を図ることができるガスター
ビン発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン発電装置は、タービンの翼
材料の開発および翼面冷却技術の進展等により、タービ
ン入口温度の高温化が可能となり、高効率化が達成され
つつある。図４は、このような従来のガスタービン発電
機関の装置構成を示す概略図である。この装置は、大気
中の新鮮な空気Ａを用いて圧縮空気をつくるコンプレッ
サ４１と、該コンプレッサ４１でつくられた圧縮空気を
用いて燃料Ｆを燃焼させる燃焼器４２と、該燃焼器４２
から排出される燃焼ガスＢによって回転するタービン４
３と、該タービン４３の回転に伴って回転し、電気を発
生する発電機４４とから主として構成されている。コン
プレッサ４１で圧縮され、例えば４００℃、１５ａｔａ
となった圧縮空気は、後流の燃焼器４２に流入し、ここ
で、例えば噴射投入される燃料Ｆと混合してこれを燃焼
する。燃焼によって発生した高温高圧の燃焼ガスＢは、
後流のタービン４３に流入し、ここで断熱膨脹し、発電
機４４を回転させて電気を発生する。このようにして断
熱膨脹仕事を終えた、例えば６００℃のガスタービン排
気Ｃは必要に応じて廃熱回収ボイラ等に導入されて熱回
収される。

【０００３】ガスタービン発電機関をはじめとする熱機
関において、熱効率の向上は永遠の重要課題であり、種
々の改良、工夫が繰返されている。図５は、図４のガス
タービン機関を改良したものであり、タービンの排気を
利用して燃焼器に流入する圧縮空気を予熱する熱交換器
を設けたものである。すなわち、このガスタービン機関
は、図４のコンプレッサ４１と燃焼器４２とを連結する
圧縮空気流路に、コンプレッサ４１で圧縮されて燃焼器
４２に流入する圧縮空気をタービン４３の排気Ｃを用い
て予熱する回転式蓄熱型熱交換器４５を設けたものであ
り、例えば６００℃のタービン排気Ｃは前記回転式蓄熱
型熱交換器４５に流入し、ここで、例えば４００℃の圧
縮空気を、例えば５５０℃に加熱して自身は４５０℃と
なる。

【０００４】しかしながら、このような回転式蓄熱型熱
交換器を用いて熱効率の向上を図る装置は、例えば１５
ａｔａに加圧された高圧空気Ａと、ほぼ大気圧まで減圧
されたタービン排気Ｃとを熱交換するために、圧力差が
大き過ぎて前記回転式蓄熱型熱交換器４５において、い
わゆるエア漏れが生じ、両流体が混合するおそれがあ
る。また両流体の圧力差に基づく流体流量の違いが大き
いために、ダクト設計にバランスを欠くという問題があ
った。なお、約４００℃の圧縮空気温度と約６００℃の
タービン排気との流体温度差は比較的小さいために、大
きな熱量回収を期待できないという問題もあった。

【０００５】一方、図６は、上記図５の回転式蓄熱型熱
交換器４５の代わりに通常の静止式熱交換器、例えばシ
ェルアンドチューブ型の熱交換器４６を適用したもので
あるが、圧縮空気とタービン排気の圧力差が大きいため
に熱交換器の流路設計が困難であることに加え、ガス−
ガス熱交換であるために対流熱伝達率が小さく、有効な
熱交換を行うためには、伝熱面積、すなわち熱交換器自
体を非常に大型化しなければならず、実用性に欠けると
いう問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来技術の問題点を解決し、熱交換器等を大型化するこ
となく、ガスタービン発電機関における熱効率を効果的
に向上させることができるガスタービン発電装置を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、燃焼器入口側の圧縮空気流路に、圧縮機で圧
縮された圧縮空気を予熱する高速切換式蓄熱型燃焼器を
設けたことを特徴とするものである。すなわち、本願で
特許請求する発明は以下のとおりである。 （１）空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気を用い
て燃料を燃焼する燃焼器と、該燃焼器で発生する燃焼ガ
スにより発電機を回転して電気を発生するガスタービン
とを有するガスタービン発電装置において、前記燃焼器
の入口に、前記圧縮空気を予熱するラジアントチューブ
型高速切換式蓄熱型燃焼器を設けたことを特徴とするガ
スタービン発電装置。 （２）前記ラジアントチューブ型高速切換式蓄熱型燃焼
器の排ガス流路に、前記燃焼器で燃焼される燃料を予熱
する熱交換器を設けたことを特徴とする（１）記載のガ
スタービン発電装置。

【０００８】

【作用】燃焼器の入口側に圧縮空気を予熱するラジアン
トチューブ型高速切換式蓄熱型燃焼器を設けたことによ
り、圧縮機で圧縮された、例えば４００℃の圧縮空気
は、例えば６００〜９００℃に予熱されるので、後流の
燃焼器での燃焼が促進され、熱効率が向上する。

【０００９】本発明において、ラジアントチューブ型の
高速切換式蓄熱型燃焼器（Ｈｉｇｈ−ｃｙｃｌｅ Ｒｅ
ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｓｙｓ
ｔｅｍ）とは、高速切換式燃焼器と蓄熱型熱交換器を組
合わせたＨＲＳ燃焼方式をラジアントチューブ加熱シス
テムに適用したもので、ラジアントチューブの両端にそ
れぞれ蓄熱器および燃焼バーナを有する加熱装置を有
し、１系統のバーナを燃焼させたときの燃焼排ガスを他
系統の蓄熱器に流通させて燃焼排ガスが有する熱量を回
収して蓄積し、他系統のバーナを燃焼させたときは、そ
の燃焼排ガスを前記１系統の蓄熱器に流通させてその熱
量を回収して蓄積し、これを順次繰返することにより燃
焼中のバーナの燃焼排ガスが有する熱量を燃焼停止中の
加熱装置の蓄熱器に蓄え、次に燃焼する際の燃焼用空気
の加熱源とする燃焼器をいい、このような切替燃焼によ
って加熱された前記ラジアントチューブによって、該ラ
ジアントチューブと接触する被加熱流体を加熱するもの
である。

【００１０】図１は、本発明に用いられる代表的なラジ
アントチューブ型高速切換式蓄熱型燃焼器（以下、ＨＲ
Ｓ−Ｒ／Ｔともいう）の説明図である。図において、Ｈ
ＲＳ−Ｒ／Ｔは、ラジアントチューブ１と、該ラジアン
トチューブ１の一方端に設けられた、蓄熱器２および燃
焼バーナ４を有する第１系統の加熱装置６と、他方端に
設けられた、蓄熱器３および燃焼バーナ５を有する第２
系統の加熱装置７と、第１系統の加熱装置６および第２
系統の加熱装置７に燃焼用空気１２を供給する空気配管
８と、該空気配管８の端部に設けられた四方バルブ９
と、該四方バルブ９と前記第１系統の加熱装置６および
第２系統の加熱装置７とをそれぞれ連結する連結管１０
および１１とから主として構成されている。

【００１１】このような構成において、ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ
による被加熱流体の加熱は次のように行われる。すなわ
ちラジアントチューブ１の一方端に設けられた第１系統
の加熱装置６の燃焼バーナ４に供給された燃料１３、例
えば高炉ガスは、空気配管８、四方バルブ９および連結
管１０を経て流入し、蓄熱器２で所定温度に加熱された
燃焼用空気１２と混合して燃焼し、燃焼火炎を生じてラ
ジアントチューブ１を加熱する。このとき発生する、例
えば１０００℃の燃焼排ガス１４は、ラジアントチュー
ブ１の他方端に配置された休止中の燃焼装置７に流入
し、蓄熱器３に熱を与えて、例えば１５０℃の低温排ガ
スとして連結管１１、四方バルブ９を経て系外に排出さ
れる。一方、第２系統の加熱装置７の燃焼バーナ５が稼
働するときは、前記四方バルブ９が切り換えられ、燃焼
バーナ５に供給された燃料１３は、空気配管８、四方バ
ルブ９および連結管１１を経て第２系統の加熱装置７に
流入し、前記第１系統の加熱装置の燃焼によって発生し
た排ガス１４の熱量を蓄積した蓄熱器３で所定温度、例
えば約９００℃まで加熱された燃焼用空気１２と混合し
て燃焼し、燃焼火炎で前記ラジアントチューブ１を加熱
する。燃焼排ガス１４はラジアントチューブ１内を第１
燃焼装置６に向かって流れ、燃焼装置６の蓄熱器２を加
熱した後、連結管１０、四方バルブ９を経て系外に排出
される。以下、所定のインターバル、例えば２０〜３０
秒間隔で第１系統の加熱装置６と第２系統の加熱装置７
との燃焼が切り換えられる。このようにしてラジアント
チューブ１が加熱され、該ラジアントチューブの表面に
接触する流体、例えば圧縮空気は所定温度に加熱され
る。

【００１２】ＨＲＳ−Ｒ／Ｔは、排ガスと燃焼用空気の
流れが短い周期、例えば６０秒以内で切り換えられるの
で、従来不可避とされていた伝熱管表面に生じる高温部
と低温部を相互に打ち消すことができる。従って、ラジ
アントチューブ表面温度差は２０℃以内に抑えられるの
で被加熱物に対し、温度むらのない均一な加熱源とな
る。このように一様な温度を持つ加熱源は、被加熱物表
面に直交する方向に熱流束が形成され最も高い状態に維
持されるので、効率的な加熱が可能である。

【００１３】ＨＲＳ−Ｒ／Ｔは、超過エンタルピ燃焼を
特徴とする高温燃焼器であり、排気温度を十分低く、例
えば１５０〜２００℃にできるにもかかわらず、容易に
高温度が得られる。したがって放射伝熱を主とする表面
伝熱性能が大きい。またＨＲＳ−Ｒ／Ｔは、ガスタービ
ン燃焼機関の燃焼器に較べて十分小さい空気比で燃料を
完全燃焼することができ、例えばガスタービン機関の燃
焼器の空気比ｍ＝４〜５に対して、ＨＲＳの場合はｍ＝
１．３程度となる。したがって、熱利用率が高く、しか
も維持費が廉価となる。なお、ＨＲＳ−Ｒ／Ｔの排気温
度は、ガスタービン排気温度に較べて十分低いので、そ
の温度差による熱量を回収利用したことになる。

【００１４】ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ用の燃料として、通常の天
然ガス、プロパンガスやＣＯＧ、高炉ガス、その他プロ
セスから排出される低カロリガスをはじめとするバイプ
ロダクトガスが使用でき、軽油、灯油、Ａ重油等も使用
できる。ラジアントチューブは、例えば母材がグラファ
イトで構成されており、その内壁面および外壁面に、例
えばＳｉＣを、例えば化学蒸着法でコーティングしたも
のが好適に使用される。ラジアントチューブは、燃焼装
置内の入口側に設けることもできるが、燃焼器外に別置
きとすることもできる。蓄熱器２または３として、例え
ばハニカム型のものを用いることにより温度効率は、例
えば約９０％となる。

【００１５】本発明において、ＨＲＳ−Ｒ／Ｔの排ガス
流路に、燃焼器で燃焼される燃料を予熱する熱交換器を
設けることが好ましく、これによって熱効率がさらに向
上する。この熱交換器としては、例えば多重管式熱交換
器、コイル式熱交換器等公知のものが使用される。

【００１６】

【実施例】次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説
明する。図２は、本発明の一実施例を示すガスタービン
発電装置の説明図である。この装置は、圧縮空気の流路
に高速切換式蓄熱型燃焼器を備えたものであり、圧縮機
２１と、該圧縮機２１で圧縮された空気を用いて燃料３
２を燃焼する燃焼器２２と、該燃焼器２２の入口側に設
けられたラジアントチューブ型高速切換式蓄熱型燃焼器
（ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ）２５と、該ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ２５に燃
焼用空気３３を送るブロワ２９と、ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ２５
の空気流路と排ガス流路を切り換える四方バルブ３０
と、前記燃焼器２２の後流に設けられたガスタービン２
３と、該ガスタービン２３と同軸に設けられた発電機２
４とから主として構成されており、前記ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ
２５はＵ字状のラジアントチューブ２６と、該ラジアン
トチューブ２６の両端にそれぞれ設けられた高速切換式
蓄熱型燃焼器２７および２８を有している。

【００１７】このような構成において、圧縮機２１で、
例えば４００℃、１５ａｔａに圧縮された圧縮空気３４
は燃焼器２２の入口に設けられたＨＲＳ−Ｒ／Ｔ２５
で、例えば６００〜９００℃に加熱された後、図示省略
した燃料供給装置から燃焼器２２内に噴射供給される液
体燃料３２、例えば軽油と混合してこれを燃焼する。燃
焼によって発生した高温高圧、例えば１１００℃、１
４．８ａｔａの燃焼ガス３５は、後流のガスタービン２
３に流入し、ここで断熱膨脹し、発電機２４を駆動して
電気を発生する。このようにして断熱膨脹仕事を終え、
例えば６００℃まで温度降下したガスタービン排気３６
は必要に応じて廃熱回収ボイラ等に導入されて熱回収さ
れる。

【００１８】本実施例によれば、ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ２５を
用いて圧縮機２１から流出する圧縮空気３４を、後流の
燃焼器２２における燃焼温度近くまで予熱することによ
り、燃焼器２２での着火性が大幅に向上するので、低質
燃料でも十分に燃焼させることができ、熱効率が向上す
る。また本実施例によれば、予熱空気が従来に比べ非常
に高温化される。その結果、燃焼反応率が上がると共に
反応領域が広くなり、希釈燃焼、内部排ガス再循環燃焼
が容易にできるので均一化された温度場が形成される。
従って局所的な高温燃焼が抑制され、燃焼器排出燃焼ガ
ス３５中のサーマルＮＯｘ濃度が低減されるとともに、
タービン入口温度分布を均一にすることができる。従っ
て、タービン翼の高温耐久性が向上するとともに、該タ
ービンの安全率を加味した最高の温度まで燃焼ガス温度
を高めることができるので効率が向上する。

【００１９】本実施例によれば、圧縮空気の加熱源とし
てラジアントチューブを有するＨＲＳ−Ｒ／Ｔを用いた
ことにより、加熱源流体のリークがなく、該加熱源流体
と被加熱源流体との混合を皆無とすることができる。本
実施例において、ＨＲＳ−Ｒ／Ｔの伝熱律速となるラジ
アントチューブの表面積を増加するために、その表面に
フィン等の表面積拡大手段を設けることにより、例えば
同じ伝熱効率を得るための加熱器の大きさをよりコンパ
クトなものとすることができる。

【００２０】図３は、本発明の他の実施例を示すガスタ
ービン発電装置の説明図である。この装置は、図２の装
置のＨＲＳ−Ｒ／Ｔの排気ガス流路に熱交換器（燃料予
熱器）３１を設け、燃焼器２２に供給される燃料を予熱
するようにしたものである。本実施例によれば、例えば
１５０℃のＨＲＳ−Ｒ／Ｔ排気３７を利用して燃焼器用
の燃料３２を予熱することができるので熱効率がさらに
向上する。

【００２１】

【発明の効果】本願の請求項１記載の発明によれば、圧
縮機の後流で燃焼器の入口側に、前記圧縮器から流出し
た圧縮空気を予熱するＨＲＳ−Ｒ／Ｔを設けたことによ
り、後流の燃焼器における燃焼が促進し、熱効率を向上
させることができるうえ、低質燃料の利用可能性が向上
する。

【００２２】本願の請求項２記載の発明によれば、ＨＲ
Ｓ−Ｒ／Ｔの排ガス流路に燃焼器用燃料を予熱するため
の熱交換器を設けたことにより、前記発明の効果に加
え、熱効率をさらに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に適用されるラジアントチューブ型高速
切換式蓄熱型燃焼器の説明図。

【図２】本発明の一実施例を示すガスタービン装置の説
明図。

【図３】本発明の他の実施例を示す説明図。

【図４】従来技術の説明図。

【図５】従来技術の説明図。

【図６】従来技術の説明図。

【符号の説明】

１…ラジアントチューブ、２、３…蓄熱器、４、５…燃
焼バーナ、６…第１系統加熱装置、７…第２系統加熱装
置、８…空気配管、９…四方バルブ、１０、１１…連結
管、１２…燃焼用空気、１３…燃料、１４…燃焼排ガ
ス、２１…圧縮機、２２…燃焼器、２３…ガスタービ
ン、２４…発電機、２５…ラジアントチューブ型高速切
換式蓄熱型燃焼器（ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ）、２６…ラジアン
トチューブ、２７、２８…高速切換式燃焼器、２９…ブ
ロワ、３０…四方バルブ、３１…熱交換器（燃料予熱
器）、３２…燃焼器燃料、３３…燃焼用空気、３４…圧
縮空気、３５…燃焼ガス、３６…ガスタービン排気、３
７…ＨＲＳ−Ｒ／Ｔ排気、４１…コンプレッサ、４２…
燃焼器、４３…タービン、４４…発電機、４５…回転式
熱交換器、４６…静止式熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永田 健一 千葉県市原市八幡海岸通１番地 三井造船 株式会社千葉事業所内 (72)発明者 田中 良一 神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53号 日本ファーネス工業株式会社内 (72)発明者 保田 力 神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53号 日本ファーネス工業株式会社内 (72)発明者 松尾 護 神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53号 日本ファーネス工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空
   気を用いて燃料を燃焼する燃焼器と、該燃焼器で発生す
   る燃焼ガスにより発電機を回転して電気を発生するガス
   タービンとを有するガスタービン発電装置において、前
   記燃焼器の入口に、前記圧縮空気を予熱するラジアント
   チューブ型高速切換式蓄熱型燃焼器を設けたことを特徴
   とするガスタービン発電装置。
2. 【請求項２】 前記ラジアントチューブ型高速切換式蓄
   熱型燃焼器の排ガス流路に、前記燃焼器で燃焼される燃
   料を予熱する熱交換器を設けたことを特徴とする請求項
   １記載のガスタービン発電装置。