JPH0826780B2 - 部分再生式二流体ガスタービン - Google Patents

部分再生式二流体ガスタービン

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JPH0826780B2
JPH0826780B2 JP5037217A JP3721793A JPH0826780B2 JP H0826780 B2 JPH0826780 B2 JP H0826780B2 JP 5037217 A JP5037217 A JP 5037217A JP 3721793 A JP3721793 A JP 3721793A JP H0826780 B2 JPH0826780 B2 JP H0826780B2
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電力（又は動力）及び
水蒸気を生成するガスタービンコージェネレーションの
分野において使用され、省エネルギーを実現する部分再
生式二流体ガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の二流体サイクルガスタービンの構
成は、例えば図８に示すように、大気中から吸入された
空気Ａが圧縮機１で圧縮されて燃焼器２に流入し、この
圧縮空気は燃料Ｆの燃焼により高温の燃焼ガスとなり、
タービン３に流入し、タービンで仕事をした燃焼ガスＥ
は排熱ボイラ４にて水蒸気を発生した後、大気中に排出
される。燃焼器２には排熱ボイラ４で発生した水蒸気Ｓ
が噴射されタービン３に流入する燃焼ガスの流量を増大
させかつ燃焼ガスの比熱を増大させてタービン３の出力
を増大させる。このタービン３の発生する仕事は圧縮機
１を駆動すると同時に発電機５を駆動し、電力を発生す
る。排熱ボイラの下流にはタービン排熱により加熱さる
排熱ボイラ用給水加熱器６、及び煙突９が配置される。
一方、従来の再生サイクルガスタービンの構成は、例え
ば図９の示すように、タービン３の下流に熱交換器７が
配置され、圧縮機１で圧縮された空気Ａがこの熱交換器
７によりタービン排熱Ｅで予熱された後、燃焼器２に供
給されるようになっており、燃焼器２に供給する圧縮空
気の温度を高め、燃焼器２における燃料Ｆの消費を減少
させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した二流
体ガスタービン（図８）では、排熱ボイラ４で生成され
る水蒸気の全量を燃焼器２に噴射する場合、水蒸気の噴
射量が吸気空気量の２０〜３０％にも達するため、水
蒸気の注入を停止するとタービンの流量が少なくなりす
ぎ、タービン効率が大幅な低下をきたし、熱効率が大幅
に低下する問題点があり、かつ注入水蒸気は排ガスと
共に大気に捨てられるため注入する水蒸気量が多いほど
注入水蒸気の製造のための原水等の費用が増大する問題
点があった。一方、上述した再生ガスタービン（図９）
では、圧縮機１の出口温度が高いため、空気の予熱に限
度があり、大幅な熱効率の向上が達成できないという問
題点があった。かかる再生ガスタービンにおいては、圧
縮機による圧縮空気が燃焼器に導入される前にその全量
が熱交換器において排熱により予熱されるため、熱交
換器及びその前後の配管における圧力損失が熱効率を低
下させる要因となる、熱交換器の大きな熱容量が制御
の応答性に問題を生じさせる、負荷遮断時のタービン
の過大速度（オーバースピード）を防止するために時定
数の大きい熱交換器をバイパスさせるためのバイパス弁
８（図９参照）が相当大きくなる、等の問題点があっ
た。
【０００４】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、燃焼器への注入水蒸気量を減少させることができ、
かつ熱交換器及びその前後の配管における圧力損失を補
償し、これにより熱効率の低下を防止することができる
部分再生式二流体ガスタービンを提供することを目的と
する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、空気を
圧縮する圧縮機と、燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガ
スにより駆動され前記圧縮機を駆動するタービンと、か
らなるガスタービンと、水蒸気を駆動源として空気を昇
圧し、かつ両流体を混合する混合器と、タービンの下流
に設けられ前記混合器による混合ガスをタービン排気で
加熱するための熱交換器と、前記熱交換器の下流に設け
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
ラと、前記圧縮機による圧縮空気の一部を前記燃焼器
へ、その残部を前記混合器に導くための空気ラインと、
前記排熱ボイラによる水蒸気の一部を前記混合器に送る
主蒸気ラインと、前記混合器による混合ガスを前記熱交
換器を介して前記燃焼器に導くための混合ガスライン
と、を備えたことを特徴とする部分再生式二流体ガスタ
ービンが提供される。本発明の好ましい実施例によれ
ば、排熱ボイラで発生した水蒸気の残部をユーティリテ
ィ用水蒸気として導く第１補助蒸気ラインを更に有し、
かつ排熱ボイラで発生した水蒸気を主蒸気ラインを流れ
る水蒸気と第１補助蒸気ラインを流れる水蒸気とに配分
するための蒸気流量制御弁が前記主蒸気ラインに設けら
れている。更に、前記混合器をバイパスして主蒸気ライ
ンと混合ガスラインとを連通させる第２補助蒸気ライン
を有し、かつ前記熱交換器で加熱される空気と水蒸気の
流量比を調節するための蒸気バイパス弁が前記第２補助
蒸気ラインに設けられている、ことが好ましい。また、
本発明の好ましい実施例によれば、前記混合器は、圧縮
空気を更に圧縮する圧縮機と、水蒸気により駆動され前
記圧縮機を駆動するタービンと、前記圧縮機を出た圧縮
空気と前記タービンを出た水蒸気を合流させる合流ライ
ンと、からなる。また、前記混合器は、水蒸気で駆動さ
れ圧縮空気を吸引するエジェクタからなることが好まし
い。
【０００６】
【作用】上記本発明の構成によれば、水蒸気と圧縮空気
を混合する混合器を備え、圧縮空気の一部が混合器で水
蒸気と混合され、この混合ガスが熱交換器で予熱されて
燃焼器に供給されるので、ガスタービン排気で生成され
る水蒸気の量を減少させることができる。このため、燃
焼器への噴射蒸気量を増減させる場合でも、ガスタービ
ンの出力、熱効率の変化を小さくすることができる。ま
た、上記混合器は、水蒸気を駆動源として空気を昇圧す
ることができるので、空気ラインの圧力損失を低減し、
熱効率を向上させることができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
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は本発明による部分再生式二
流体ガスタービンの全体構成図である。この図におい
て、本発明による部分再生式二流体ガスタービンは、空
気Ａを圧縮する圧縮機１と、燃料Ｆを燃焼させる燃焼器
２と、燃焼ガスにより駆動され前記圧縮機１を駆動する
タービン３とからなるガスタービンと、水蒸気を駆動源
として空気を昇圧し、かつ両流体を混合する混合器１０
と、タービン３の下流に設けられ前記混合器１０による
混合ガスをタービン排気で加熱するための熱交換器１２
と、前記熱交換器１２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４と、前記圧縮機
１による圧縮空気の一部を前記燃焼器２へ、その残部を
前記混合器１０に導くための空気ライン２０と、前記排
熱ボイラによる水蒸気の一部を前記混合器に送る主蒸気
ライン２２と、前記混合器による混合ガスを前記熱交換
器を介して前記燃焼器に導くための混合ガスライン２４
と、を備えている。空気ライン２０は、圧縮機１で圧縮
された空気の一部を燃焼器２に直接送るラインと、残り
の圧縮空気を混合器１０に導くラインとからなる。ま
た、混合器１０から出てくる空気−蒸気混合ガスをガス
タービン排熱で加熱するための熱交換器１２がガスター
ビン３の下流に配置されている。更に、排熱ボイラ４で
発生した水蒸気の残部をユーティリティ用水蒸気として
導く第１補助蒸気ライン２６を有し、主蒸気ライン２２
に蒸気流量制御弁１４が設けられている。これにより排
熱ボイラ４で発生した水蒸気を主蒸気ライン２２を流れ
る水蒸気と第１補助蒸気ライン２６を流れる水蒸気とに
配分することができる。
【０００８】図２は本発明による部分再生式二流体ガス
タービンの別の実施例であり、図１と比較すると、更
に、前記混合器１０をバイパスして主蒸気ライン２２と
混合ガスライン２４とを連通させる第２補助蒸気ライン
２８を有し、この第２補助蒸気ラインに蒸気バイパス弁
１６が設けられている。これにより、前記熱交換器１２
で加熱される空気と水蒸気の流量比を調節することがで
きる。その他の箇所は図１と同様である。
【０００９】図１及び図２における混合器１０は、燃焼
器２の直前で抽気された圧縮空気を昇圧し、排熱ボイラ
４で生成される水蒸気の一部と混合する機能を有する。
図３及び図４は、かかる混合器１０の実施例である。図
３において、混合器１０は、圧縮空気を更に圧縮する圧
縮機３１と、水蒸気により駆動され前記圧縮機３１を駆
動するタービン３２と、前記圧縮機３１を出た圧縮空気
と前記タービン３２を出た水蒸気を合流させる合流ライ
ン３３と、からなる。かかる構成により、水蒸気を駆動
源として空気を昇圧し、かつ両流体を混合することがで
きる。図４において、混合器１０は、水蒸気で駆動され
圧縮空気を吸引するエジェクタ３６からなる。かかる構
成によっても、水蒸気を駆動源として空気を昇圧し、か
つ両流体を混合することができる。
【００１０】図１及び図２に示した本発明による部分再
生式二流体ガスタービンは、以下のように作動する。作
動用空気Ａは大気より吸入され、圧縮機１により昇圧さ
れた後、一部が燃焼器２に送られる。残部の圧縮空気は
燃焼器２の直前で抽気され混合器１０に送られる。混合
器１０にて水蒸気の圧力エネルギにより昇圧された圧縮
空気は水蒸気と混合された後、熱交換器１２に送られ、
タービン３の排熱で加熱され、更に燃焼器２に送られ、
圧縮機１から直接燃焼器２に流入する圧縮空気と共に燃
料Ｆの燃焼により昇温される。燃焼器２内で生成される
高温、高圧の燃焼ガスはタービン３で仕事をした後、熱
交換器１２、排熱ボイラ４、給水加熱器６を通り、これ
らによりタービン排熱を回収された後、排気煙突９によ
り大気に排出される。給水Ｗは給水ポンプ１１により昇
圧された後、給水加熱器６に送られ、給水加熱器６を出
た飽和水は排熱ボイラ４に給水として送られ、次いで排
熱ボイラ４に送られた飽和水は排熱ボイラ４にて飽和蒸
気となり、蒸気流量制御弁１４により計量された後、混
合器１０に送られる。なおこの場合、生成された水蒸気
の一部を混合器１０に送らず、ユーティリィティとして
使用することもできる。
【００１１】
【発明の効果】上述した部分再生式二流体ガスタービン
により以下の効果を得ることができる。 従来の二流体ガスタービンに比べ、高い熱効率を実
現することができる。従来の二流体ガスタービンとの熱
効率比較の一例を図５に示す。なお、コージェネレーシ
ョンへの適用を考慮した場合、単位出力当たりのユーテ
ィリィティ蒸気の送出量を一定にした比較が必要であ
り、このため、図５は横軸を「送出蒸気量／出力比」と
している。本発明による部分再生式二流体ガスタービン
においては、圧縮機出口空気の一部と、タービン排熱の
回収により生成された蒸気とを混合してタービン出口排
熱の回収に使用するため、従来の二流体ガスタービンの
如く、蒸気の過熱器のみでタービン出口排熱を回収する
方法に比べ、排熱回収系のエクセルギーロスが小さくな
り、結果として、全体の熱効率が向上する。本発明の効
果が発揮されるのは、図５、図６、図７に示す範囲に限
らず、横軸は３ｔｏｎ／ｈ／ＭＷ程度まで有効である。 本発明は燃焼器への蒸気噴射と圧縮空気の部分再生
を併用しているため、図６に示す通り噴射蒸気量が従来
の二流体ガスタービンほど多くなく、そのため、ユーテ
ィリィティ蒸気の送出量を増やし、燃焼器への噴射蒸気
量を減らしていく場合でも、タービンの流量変化は二流
体ガスタービンほど大きくなく、このため図７に示す通
り従来の二流体ガスタービンほどの出力の低下はない。
【００１２】すなわち、上記本発明の構成によれば、水
蒸気と圧縮空気を混合する混合器を備え、圧縮空気の一
部が混合器で水蒸気と混合され、この混合ガスが熱交換
器で予熱されて燃焼器に供給されるので、熱効率を向上
させることができるとともにガスタービン排気で生成さ
れる水蒸気の量を減少させることができる。このため、
燃焼器への噴射蒸気量を増減させる場合でも、ガスター
ビンの出力、熱効率の変化を小さくすることができる。
また、上記混合器は、水蒸気を駆動源として空気を昇圧
することができるので、空気ラインの圧力損失を低減
し、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】本発明による部分再生式二流体ガスタービンの
全体構成図である。
【図２】本発明による部分再生式二流体ガスタービンの
別の全体構成図である。
【図３】本発明における混合器の構成図である。
【図４】本発明における混合器の別の構成図である。
【図５】熱効率を比較した図である。
【図６】噴射蒸気量／出力比を比較した図である。
【図７】出力比を比較した図である。
【図８】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９】従来の再生サイクルガスタービンの全体構成図
である。
【符号の説明】
１ 圧縮機 ２ 燃焼器 ３ タービン ４ 排熱ボイラ ５ 発電機 ６ 給水加熱器 ７ 熱交換器 ８ バイパス弁 ９ 煙突 １０ 混合器 １２ 熱交換器 １４ 蒸気流量制御弁 １６ 蒸気バイパス弁 ２０ 空気ライン ２２ 主蒸気ライン ２４ 混合ガスライン ２６ 第１補助蒸気ライン ２８ 第２補助蒸気ライン ３１ 圧縮機 ３２ タービン ３３ 合流ライン ３６ エジェクタ Ａ 空気 Ｆ 燃料 Ｓ 水蒸気 Ｅ 燃焼ガス Ｗ 給水

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気を圧縮する圧縮機と、燃料を燃焼さ
    せる燃焼器と、燃焼ガスにより駆動され前記圧縮機を駆
    動するタービンと、からなるガスタービンと、 水蒸気を駆動源として空気を昇圧し、かつ両流体を混合
    する混合器と、 タービンの下流に設けられ前記混合器による混合ガスを
    タービン排気で加熱するための熱交換器と、 前記熱交換器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と、 前記圧縮機による圧縮空気の一部を前記燃焼器へ、その
    残部を前記混合器に導くための空気ラインと、 前記排熱ボイラによる水蒸気の一部を前記混合器に送る
    主蒸気ラインと、 前記混合器による混合ガスを前記熱交換器を介して前記
    燃焼器に導くための混合ガスラインと、を備えたことを
    特徴とする部分再生式二流体ガスタービン。
  2. 【請求項２】 更に、排熱ボイラで発生した水蒸気の残
    部をユーティリティ用水蒸気として導く第１補助蒸気ラ
    インを有し、かつ排熱ボイラで発生した水蒸気を主蒸気
    ラインを流れる水蒸気と第１補助蒸気ラインを流れる水
    蒸気とに配分するための蒸気流量制御弁が前記主蒸気ラ
    インに設けられている、ことを特徴とする請求項１に記
    載の部分再生式二流体ガスタービン。
  3. 【請求項３】 更に、前記混合器をバイパスして主蒸気
    ラインと混合ガスラインとを連通させる第２補助蒸気ラ
    インを有し、かつ前記熱交換器で加熱される空気と水蒸
    気の流量比を調節するための蒸気バイパス弁が前記第２
    補助蒸気ラインに設けられている、ことを特徴とする請
    求項２に記載の部分再生式二流体ガスタービン。
  4. 【請求項４】 前記混合器は、圧縮空気を更に圧縮する
    圧縮機と、水蒸気により駆動され前記圧縮機を駆動する
    タービンと、前記圧縮機を出た圧縮空気と前記タービン
    を出た水蒸気を合流させる合流ラインと、からなる、こ
    とを特徴とする請求項１に記載の部分再生式二流体ガス
    タービン。
  5. 【請求項５】 前記混合器は、水蒸気で駆動され圧縮空
    気を吸引するエジェクタからなる、ことを特徴とする請
    求項１に記載の部分再生式二流体ガスタービン。
JP5037217A 1993-02-26 1993-02-26 部分再生式二流体ガスタービン Expired - Lifetime JPH0826780B2 (ja)

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