JPH1150811A - ２流体ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱効率を向上し、気温が低い冬場でも排ガス
の白煙化を防止する。 【解決手段】 ガスタービン装置において、圧縮機から
の圧縮空気と燃料とを燃焼器１３に導くとともに、その
燃焼器には、排熱回収ボイラからの過熱水蒸気を噴射
し、この燃焼器からの排ガスをタービンに供給して発電
機を駆動する。タービンからの排ガスは、ボイラ２２に
導かれるとともに、そのボイラに並列に設けられている
バイパス路２７に導かれる。ボイラとバイパス路との排
ガスの流量比を制御することによって、混合排ガスが、
大気放散される際に、混合排ガス中に含まれている水分
が凝縮して白煙を発生することを防ぐ。排ガス中の水分
のモル分率を演算する。湿り空気線図から、温度と水分
のモル分率とに対応する白煙防止限界線を作成する。燃
焼ガスの前記水分のモル分率に対応する白煙防止限界線
４９の温度以上で、大気放散されるように、前記流量比
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、２流体ガスタービ
ンシステムに関し、特にその排ガスの白煙が発生するこ
とを防止するための構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からのいわばシンプルサイクルであ
るガスタービン装置では、新しい空気を圧縮機で圧縮
し、これを燃焼室に送って燃料を燃焼し、その排ガスを
タービンに送って膨張させた後、大気放散する。このガ
スタービン装置からの排ガスの水分は、たとえば７〜９
％程度であり、したがって気温が低い冬場においても、
排ガス中の水分が凝縮することはなく、白煙は発生しな
い。

【０００３】発電出力および発電効率の向上を図った２
流体ガスタービン装置では、ガスタービンからの排ガス
をボイラに導き、排ガスの排熱回収によって得られる過
熱蒸気を、燃焼器に噴射し、これによって燃焼器で多量
の燃料を焚くことができるようにし、熱効率を向上す
る。この２流体ガスタービン装置では、燃焼器に水蒸気
が噴射されるので、ガスタービンからの排ガス中の水分
は、たとえば約２６〜２８％であり、したがって気温が
低い冬場では、排ガスが大気放散される際、排ガス中の
水分が凝縮し、白煙が生じ、視覚的公害が発生する。

【０００４】この問題を解決する先行技術は図１０に示
されている。２流体ガスタービン装置１からの排ガスは
ボイラ２に導かれて排熱回収され、ここで得られた過熱
蒸気は、管路３から、前述のようにガスタービン装置１
の燃焼器に供給される。ボイラ２からの排ガスは、管路
４から煙突５に導かれる。煙突５から排出される排ガス
の白煙が生じることを防ぐために、煙突５内にはガスバ
ーナ６に管路７から燃料ガスが供給されるとともに、送
風機８から燃焼用空気が供給される。こうして煙突５内
で排ガスを加温し、排ガスの温度を上昇する。

【０００５】図１０に示される先行技術では、白煙の発
生を防止するためにバーナ６を用いており、したがって
熱効率が悪い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、排ガ
スの大気放散時における白煙が発生することを防止する
とともに、熱効率を向上した２流体ガスタービンシステ
ムを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、（ａ）ガスタ
ービン装置であって、空気の圧縮機と、圧縮機からの空
気によって燃料を燃焼する燃焼器と、燃焼器からのガス
が供給された圧縮機を駆動するタービンとを含み、燃焼
器入口からタービン入口までの間に水蒸気が供給される
ガスタービン装置と、（ｂ）タービンからの排ガスの排
熱回収をして水蒸気を発生し、ガスタービン装置に供給
するボイラと、（ｃ）ボイラに並列に設けられ、タービ
ンからの排ガスを導くバイパス路と、（ｄ）ボイラとバ
イパス路とにおける排ガスの流量比を、ボイラからの排
ガスとバイパス路からの排ガスとの混合排ガスが大気に
放散されるとき、混合排ガス中の水分が凝縮しない温度
になるように、制御する制御手段とを含むことを特徴と
する２流体ガスタービンシステムである。

【０００８】本発明に従えば、ガスタービン装置は圧縮
機と、燃焼器と、タービンとを含み、このタービンによ
って発電機が駆動され、またはこのタービンからの排ガ
スが供給される出力タービンをさらに有し、この出力タ
ービンによって発電機を駆動し、こうして発電を行うこ
とができる。このガスタービン装置において、燃焼器の
入口からタービン入口までの間、または出力タービンの
入口までの間、たとえば燃焼器の入口またはタービンの
入口に、水蒸気を噴射して供給する。これによって熱効
率が向上し、発電出力が増加する。噴射される水蒸気の
温度は、ガスタービン本来の燃焼ガス温度よりも低いの
で、水蒸気を噴射しない構成に比べて、多量の燃料を焚
くことができる。したがってタービンでは、水蒸気の流
量の分だけ多く出力が発生し、これに対して圧縮機の負
荷は増えない。これによって出力が増大し、熱効率が向
上される。水蒸気は燃焼器内に噴射されてもよく、ある
いはまた出力タービンの入口に供給されてもよい。

【０００９】排ガスの有している排熱を回収するために
ボイラが設けられる。このボイラによって水蒸気が発生
されて、上述のように燃焼器入口からタービン入口まで
の間に供給される。

【００１０】本発明に従えば、タービンからの排ガス
を、バイパス路を介して導き、ボイラからの排ガスに混
合する。これによって混合ガスの温度を上昇する。した
がって混合排ガスが大気に放散されるとき、その混合排
ガス中の水分が凝縮する温度にまで低下してしまうおそ
れはない。したがって混合排ガスが大気放散されたと
き、過飽和領域に入ることはなく、その混合排ガス中の
水分が凝縮してミスト、すなわち白煙を発生することは
ない。このことは特に、気温が低い冬場では、有利であ
る。しかも白煙防止のために、前述の図１０に関連して
述べた燃料を、本発明では必要としないので、熱効率の
向上を図ることができる。

【００１１】また本発明は、ボイラとバイパス路との各
排ガスを混合する混合手段が設けられ、この混合手段
は、ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガ
スが導かれ、ほぼ水平な軸線を有する第１管路と、ボイ
ラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガスが導か
れ、第１管路の上部に接続される縦の軸線を有する第２
管路と、第２管路との接続位置よりも第１管路の下流で
立上る第３管路とを含むことを特徴とする。

【００１２】本発明に従えば、ボイラからの排ガスとバ
イパス路からの排ガスを充分混合してその混合排ガスの
温度を上昇することを確実にするために、後述の図２に
関連して説明されるように、ほぼ水平な第１管路の上部
に縦の軸線を有する第２管路を接続し、混合排ガスを、
第１管路の下流で立上る第３管路に導く。こうして第３
管路内では、第１管路および第２管路からの各排ガスが
充分混合される。したがって、混合ガスの温度分布が一
様であり、温度の低い排ガスが存在することはなく、こ
れによって白煙の発生を確実に防止することができる。

【００１３】また本発明は、ボイラとバイパス路との各
排ガスを混合する混合手段が設けられ、この混合手段
は、ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガ
スが導かれる第１管路と、第１管路の外周に環状空間を
形成して第１管路を外囲し、この環状空間は、第１管路
内に供給孔を介して連通するハウジングと、ボイラまた
はバイパス路のいずれか他方からの排ガスを、ハウジン
グの環状空間に導く第２管路とを含むことを特徴とす
る。

【００１４】本発明に従えば、第１管路内の排ガスに、
ハウジングに導かれた排ガスが供給孔を介して入り込
み、こうして混合排ガスが充分に混合されてたとえば煙
突に導かれる。このような構成によってもまた、混合排
ガスの温度分布が一様となり、白煙の発生を確実に防止
することができる。

【００１５】また本発明は、第１管路は、ほぼ水平な軸
線を有し、ハウジングよりも第１管路の下流で立上る第
３管路がさらに設けられることを特徴とする。

【００１６】本発明に従えば、後述の図４に関連して述
べるように、第１管路はほぼ水平であり、第１管路の下
流で立上る第３管路がさらに設けられ、したがって第３
管路内で排ガスが充分に混合され、混合性能がさらに向
上されることになる。

【００１７】また本発明は、制御手段は、ボイラに流れ
る排ガスの流量またはバイパス路に流れる排ガスの流量
を制御する流量制御手段と、ガスタービン装置からの排
ガス中の水分の分圧を演算する第１演算手段と、排ガス
が大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分の分圧
に対応した温度範囲を演算する第２演算手段と、第１お
よび第２演算手段の出力に応答し、前記温度範囲のう
ち、前記混合排ガスの温度を設定する目標排ガス温度設
定手段と、前記混合排ガスの温度を検出する実ガス温度
検出手段と、目標排ガス温度設定手段と、実ガス温度検
出手段との出力に応答し、検出される実ガス温度が目標
排ガス温度になるように、流量制御手段を駆動する駆動
制御手段とを含むことを特徴とする。

【００１８】本発明に従えば、第１演算手段によってガ
スタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算して
求め、第２演算手段によって、排ガスが放散される大気
の温度および湿度に依存して、水分が凝縮してミストが
生じない水分の分圧に対応した温度範囲を演算し、これ
によってガスタービン装置からの排ガスが大気放散され
たときに水分が凝縮しない前記混合排ガスの目標排ガス
温度を設定し、実ガス温度検出手段によって検出される
混合排ガスの温度が、目標排ガス温度になるように、流
量制御手段を駆動制御する。流量制御手段は、たとえば
ボイラに導かれる排ガスの流量を制御する流量制御弁で
あってもよく、またはバイパス路に流れる排ガスの流量
を制御する流量制御弁であってもよく、またはガスター
ビン装置からの排ガスをボイラおよびバイパス路に分岐
し、その分岐する流量比を変化する三方弁などであって
もよく、流量制御弁は、たとえばダンパなどのように羽
根が角変位する構成であってもよい。

【００１９】また本発明は、第１演算手段は、ガスター
ビン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する手段
と、ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検
出する手段と、ガスタービン装置に供給される空気の流
量Ｇａを検出する手段と、水蒸気流量検出手段と燃料流
量検出手段と空気流量検出手段との出力に応答し、燃料
の燃焼反応後の排ガス中の水分の分圧を演算する排ガス
水分分圧演算手段とを含むことを特徴とする。

【００２０】本発明に従えば、ガスタービン装置の燃焼
器入口またはタービン入口に噴射して供給される水蒸気
の流量Ｇｓを検出する。また燃焼器に供給される燃料ガ
スなどの燃料の流量Ｇｆを検出して、燃料の組成から、
燃焼反応によって得られる水分の分圧を演算する。さら
に燃焼器に供給される空気の流量Ｇａを検出して、その
空気に含まれる水分の分圧を求める。こうして水蒸気と
燃料の燃焼によって生じる水分と燃焼用空気に含まれる
水分とを加算することによって、ガスタービン装置から
の排ガスの水分の分圧を演算して求めることができる。

【００２１】また本発明は、第１演算手段は、ガスター
ビン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出する手段
と、ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検
出する手段と、ガスタービン装置に供給される空気の流
量Ｇａを、予め定める演算式に基づいて演算して求める
空気流量演算手段と、水蒸気流量検出手段と燃料流量検
出手段と空気流量検出手段との出力に応答し、燃料の燃
焼反応後の排ガス中の水分の分圧を演算する排ガス水分
分圧演算手段とを含むことを特徴とする。

【００２２】本発明に従えば、ガスタービン装置に供給
される空気の流量Ｇａが比較的大流量であることに鑑
み、この空気の流量Ｇａを、たとえば後述のように外気
温度Ｔに依存する実験によって求めた演算式に基づいて
得る。これによって空気の流量Ｇａを求めることが容易
になる。

【００２３】また本発明は、第２演算手段は、湿り空気
の温度・水分モル分率の線図または表に基づき、水分モ
ル分率Ｙと温度Ｘとの近似式ｆ（Ｘ）を作成する近似式
作成手段と、大気の温度を検出する大気温度検出手段
と、大気の湿度を検出する大気湿度検出手段と、近似式
作成手段と大気温度検出手段と大気湿度検出手段との出
力に応答し、検出された大気温度および検出された大気
湿度の座標（Ｔ，φ）を通りかつ前記近似式ｆ（Ｘ）の
接線である白煙発生限界線を求める白煙発生限界線作成
手段とを含むことを特徴とする。

【００２４】本発明に従えば、排ガスが大気に放散され
るとき、水分が凝縮しない水分の分圧に対応した温度範
囲を演算するために、空気線図である飽和水蒸気曲線な
どに基づいて、湿り空気の温度・水分モル分率の線図ま
たは表に基づいてその近似式ｆ（Ｘ）を作成し、その近
似式に接しかつ排ガスが放散される大気の温度と湿度座
標（Ｔ，φ）を通る白煙発生限界線を演算して求める。
この白煙発生限界線上の温度よりも高い温度で、白煙の
発生が防がれる。

【００２５】また本発明は、第１演算手段は、ガスター
ビン装置からの排ガス中の水分のモル分率を演算し、目
標排ガス温度設定手段は、第１演算手段によって演算し
て求められた水分のモル分率に対応する白煙発生限界線
の温度以上の温度を、目標排ガス温度として設定するこ
とを特徴とする。

【００２６】本発明に従えば、第１演算手段は、ガスタ
ービン装置からの排ガス中の水分のモル分率を演算し、
その水分のモル分率に対応する白煙発生限界線の温度を
求め、その温度以上の温度を、目標排ガス温度として設
定することによって、混合排ガスが大気放散されるとき
における水分の凝縮を防ぎ、白煙の発生を防ぐことがで
きる。

【００２７】また本発明は、駆動制御手段は、流量制御
手段の流量を、予め定める値ずつ、予め定める時間毎に
変化させることを特徴とする。

【００２８】本発明に従えば、駆動制御手段は、ダンパ
などの流量制御手段の開度を制御するために、予め定め
る値、たとえば予め定める開度５％ずつ、予め定める時
間毎に、たとえば５分毎に、変化させ、こうして検出さ
れる実ガス温度が目標排ガス温度に一致されるまで、流
量制御手段の開度が徐々に、変化される。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
全体の構成を示すブロック図である。ガスタービン装置
１１は、空気の圧縮機１２と、圧縮機１２からの空気に
よって燃料を燃焼する燃焼器１３と、燃焼器１３からの
ガスが供給され、圧縮機１２および発電機１４を駆動す
るタービン１５とを有する。圧縮機１２には、空気が管
路１６を介して供給され、その空気の質量流量は、流量
計１７によって検出される。燃焼器１３には、管路１８
を介して燃料ガスが供給され、その燃料ガスの質量流量
Ｇｆは、流量計１９によって検出される。さらに管路２
０を介して過熱水蒸気が燃焼器１３の入口からタービン
１５の入口までの間に噴射されて供給される。この実施
の形態では、管路２０から水蒸気は燃焼器１３内に噴射
される。

【００３０】本発明の実施の他の形態では、タービン１
５からの排ガスを、出力タービンに供給し、この出力タ
ービンによって発電機１４を駆動するようにしてもよ
く、水蒸気は出力タービンの入口に噴射して供給するよ
うにしてもよい。

【００３１】噴射される水蒸気の温度は、ガスタービン
本来の燃焼ガス温度よりも低いので、水蒸気を噴射しな
い構成に比べて、多量の燃料を焚くことができる。ガス
タービン装置１１の各段落では、水蒸気の流量分だけ多
く出力が発生し、これに対して圧縮機１２の負荷は増え
ないので、結局、出力が増大し、熱効率が向上する。

【００３２】タービン１５からの排ガスは、管路２１か
ら、排熱回収ボイラ２２の過熱器２３、蒸発器２４およ
び節炭器２５に、この順序で導かれる。節炭器２５から
の排ガスは、管路２６から、バイパス路２７からの排ガ
スとともに混合手段２８で混合され、煙突２９の上部３
０から大気放散される。水ポンプなどから圧送される水
は、管路３１から節炭器で加熱され、蒸発器２４で蒸発
され、過熱器２３で過熱され、前述の管路２０からガス
タービン装置１１に供給される。

【００３３】排熱回収ボイラ２２には、前記バイパス路
２７が並列に接続され、タービン１５からの排ガスを導
く。このバイパス路２７には、排ガスの流量を制御する
ダンパなどの流量制御弁３２が介在される。この流量制
御弁３２の開度を制御することによって、タービン１５
から管路２１に供給される排ガスは、管路３３から排熱
回収ボイラ２２に導かれるとともに、バイパス路２７に
導かれ、それらの管路３３およびバイパス路２７に流れ
る排ガスの流量比を制御することができる。

【００３４】本発明の実施の他の形態では、管路２７に
流量制御弁３２を設ける代わりに、管路３３に流量制御
弁を設けてもよい。本発明の実施のさらに他の形態で
は、管路２１からの排ガスを、バイパス路２７および管
路３３に分岐して流し、その流量比を制御することがで
きる三方弁が用いられ、図１における流量制御弁３２が
省略されてもよい。

【００３５】管路２０には、水蒸気の質量流量Ｇｓを検
出する流量計３４が介在される。

【００３６】煙突２９の排ガスを大気放散する上部３０
の排ガス温度ＴＥは、温度計３５によって検出される。
さらに排ガスが放散される大気の温度Ｔは、温度計３６
によって検出される。この大気の湿度φは、湿度計３７
によって検出される。本発明の制御手段３８は、流量計
１７，１９，３４の出力を受信し、さらに温度計３５，
３６および湿度計３７の出力を受信し、流量制御弁３２
の開度を制御し、煙突２９の上部３０から排ガスが大気
放散されるときにおける水分の凝縮を防ぎ、白煙の発生
を防止する。

【００３７】図２は、混合手段２８の簡略化した断面図
である。熱回収ボイラ２２からの排ガスが供給される管
路２６の端部２６ａは、ほぼ水平な軸線を有する。バイ
パス路２７の管路２７ａは、管路２６ａの上部に接続さ
れ、縦、たとえば鉛直の軸線を有する。管路２６ａは、
管路２７ａの接続位置３９よりも管路２６ａの下流（図
２の右方）で煙突２９の下部である管路２９ａに接続さ
れる。この管路２９ａは縦、たとえば鉛直の軸線を有
し、立上って設けられる。したがってバイパス路２７か
ら管路２７ａに供給される排ガスは、斜線を施して示す
ように、管路２６ａからの排ガスとともに混合され、立
上って設けられる管路２９ａで、ほぼ均一な温度分布と
なるように充分に混合される。したがって管路２９ａに
おける混合排ガスは、上述のように温度分布が均一であ
り、部分的に低い温度を有する部分が存在しないので、
白煙の発生を確実に防止することができる。

【００３８】本発明の実施の他の形態では、管路２６ａ
には、バイパス路２７からの排ガスが導かれ、管路２７
ａには、排熱回収ボイラ２２からの排ガスが導かれるよ
うにしてもよい。

【００３９】図３は本発明の実施のさらに他の形態にお
ける混合手段２８の簡略化した断面図であり、図４は図
３における切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。
前述の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符を
付す。管路２６ａは、ほぼ水平な軸線を有し、筒状、た
とえば直円筒状に形成される。

【００４０】ハウジング４０は、管路２６ａを外囲し、
管路２６ａの外周に環状空間４１を形成する。このハウ
ジング４０は、周壁４０ａと周壁４０ａの軸線方向両端
部を塞ぐ一対の端壁４０ｂ，４０ｃとから成る。管路２
６ａのハウジング４０によって外囲された環状空間４１
に臨む部分には、周方向に等間隔をあけて供給孔４２が
形成される。供給孔４２によって、環状空間４１は管路
２６ａ内に連通する。管路２７ａは、縦の軸線を有し、
ハウジング４０の上部に接続される。

【００４１】したがってバイパス路２７から管路２７ａ
を介する排ガスは、環状空間４１から周方向にほぼ均一
な流量で、管路２６ａ内の排ガスに混入される。したが
って管路２６ａの端部に接続される立上った管路２９ａ
内では、排熱回収ボイラ２２からの排ガスとバイパス路
２７からの排ガスとが充分に混合され、この混合排ガス
の温度分布は均一である。したがって白煙の発生を確実
に防止することができる。図３および図４に示される実
施の形態では、ハウジング４０よりも管路２６ａの下流
側で、管路２６ａ，２７ａの各混合ガスが充分に混合さ
れる。さらにこの混合排ガスは、管路２９ａに導かれ、
上昇することによって、さらに一層充分に、混合され
る。

【００４２】図５は、本発明の実施のさらに他の形態の
断面図である。図２〜図４の実施の形態に対応する部分
には同一の参照符を付す。この実施の形態では、管路２
６ａ，２７ａはほぼ水平な軸線を有し、立上って延びる
管路２９ａに上下に間隔をあけて接続される。管路２７
ａからの排ガスは、図５において斜線を施して示され
る。管路２９ａおよび煙突２９を高く構成することによ
って、その煙突２９の上部３０付近では、温度分布が均
一である混合排ガスが得られ、したがって温度が低い混
合排ガスの部分が存在せず、白煙の発生が防止される。

【００４３】図６は、前述の図１に示される制御手段３
８の構成と動作を説明するためのフローチャートであ
る。図６のステップａ１〜ａ１６によって、煙突２９の
上部３０から排出される混合排ガス、したがって燃焼器
１３からの排ガスの中に含まれる水分のモル分率Ｗ３を
求める。

【００４４】ステップａ３，ａ１１〜ａ１４，ａ１７に
よって、排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮し
ない水分の分圧に対応した温度範囲を示す白煙防止限界
線４９を演算して求める。

【００４５】ステップａ１８，ａ１９では、前記温度範
囲のうち、白煙の発生を防止する混合排ガスの温度を、
目標排ガス温度として設定する。こうして温度計３５に
よって検出される混合排ガスの温度を表す実ガス温度
が、前記目標排ガス温度になるように、ステップａ２１
〜ａ２５において、流量制御弁３２を駆動して制御す
る。

【００４６】図７は、本発明の白煙防止のメカニズムの
原理を説明するための温度と排ガスに含まれる水分のモ
ル分率との関係を示すグラフである。図７における状態
Ａは、流量制御弁３２が全閉状態とされ、ボイラ２２か
ら煙突２９に導かれる排ガスの状態であり、その排ガス
が、大気放散される外気状態Ｊと混合すると、状態Ａの
ガスは大気によって冷却されてライン４５を辿って冷却
され、温度が下がる。この冷却された排ガスは、湿り空
気線図から得られる飽和蒸気曲線４６と交点Ｂで交わ
り、この交点Ｂから過飽和領域４７に入り、したがって
排ガス中の水分が凝縮してミストとなり白煙が発生され
ることになる。さらに排ガスは冷却され、最終的には、
外気と同じ状態Ｊになる。

【００４７】図８は、図７の一部を拡大して示す図であ
る。図７および図８において、白煙の発生領域４８は、
点Ａと点Ｊとを結んだ直線４５と、飽和蒸気曲線４６と
が交わる点Ｂ，Ｋとの間の斜線を施して示す領域であ
る。水蒸気を用いない前述の通常のシンプルサイクルの
ガスタービンでは、その排ガス中の水分は、状態Ｂで示
されるように、７〜９％程度であり、したがってその排
ガスが大気放散されるときに白煙が生じることはない。
しかしながら本発明では、ガスタービン装置１１では水
蒸気を用いるチエンサイクルであって、大気放散される
排ガス中の水分がたとえば約２６〜２８％であって、前
述の状態Ａであり、したがって気温が低い冬場では、従
来では、白煙発生領域４８において水分が凝縮して白煙
が発生している。

【００４８】そこで本発明では、白煙の発生を防止する
ために、ガスタービン装置１１からの排ガス中の水分の
モル分率を前述のように演算して求めるとともに、外気
条件の状態Ｊにおける外気条件の温度計３６によって検
出される温度Ｔと湿度計３７によって検出される湿度φ
から、飽和蒸気曲線４６と接点（Ｘ１，ｆ（Ｘ１））を
通る白煙防止限界線ｆ（Ｘ）とを求め、これによって排
ガスが大気に放散されるときに水分が凝縮しない温度範
囲、すなわち白煙防止限界線ｆ（Ｘ）よりも図７および
図８における右側の範囲を演算し、これによって目標排
ガス温度を、図７および図８から求めることができる。
図７の状態Ｃは、タービン１５からのガスの全量をバイ
バス路２７に導いた状態を示す。

【００４９】再び図６を参照して、ステップａ１におけ
る燃焼器１３の管路２０からの水蒸気の噴射される質量
流量Ｇｓは、流量計３４によって検出される。の質量流
量Ｇｓの単位はｋｇ／ｈである。ステップａ７では、こ
の質量流量Ｇｓを、体積流量Ｆｓ（単位Ｎｍ³／ｈ）に
換算する。

【００５０】

【数１】

【００５１】ここで気体定数は２２．４であり、水蒸気
の分子量は１８である。 ステップａ６では、燃焼器１３に管路１８を介して供給
される燃料ガスの流量計１９によって検出される燃料ガ
スの質量流量Ｇｆ（ｋｇ／ｈ）を、ステップａ７におい
て体積流量Ｆｆに換算する。

【００５２】

【数２】

【００５３】ここで燃料ガスは、気化した液化天然ガス
であって、表１の組成を有し、その燃料ガスの分子量は
１８．８である。

【００５４】

【表１】

【００５５】ステップａ５では、燃焼器１３に供給され
る圧縮空気の質量流量Ｇａとその組成から、ステップａ
７では、圧縮空気の体積流量Ｆａを演算して求める。燃
焼器１３に供給される圧縮空気の質量流量Ｇａは、管路
１６に介在されている流量計１７によって実測すること
ができるけれども、実施の他の形態では、ステップａ
２，ａ３，ａ４によって演算して求めることもできる。
水蒸気の燃焼器１３への噴射量の質量流量Ｇｓを、圧縮
機１２の圧縮比に対応して流量制御している構成では、
その流量Ｇｓに対応した圧縮機１２の圧縮比を、予め定
める基準状態、たとえば５℃で演算して求め、その後、
ステップａ４では、ステップａ３で温度計３６によって
検出された外気温度Ｔに対応して圧縮空気の質量流量Ｇ
ａを補正して演算して求める。

【００５６】さらにステップａ２６では、圧縮空気の組
成、すなわちその空気中に含まれる水分のモル分率ｙ
ｓ、窒素のモル分率ｙＮ₂および酸素のモル分率ｙＯ₂を
得る。これによって圧縮空気の分子量Ｍａを求めること
ができる。

【００５７】 Ｍａ ＝ １８ｙｓ＋２８ｙＮ₂＋３２ｙＯ₂ …（３） これによって圧縮空気の体積流量Ｆａを、ステップａ７
で演算して求める。

【００５８】

【数３】

【００５９】前述の式３から明らかなように、圧縮空気
の分子量は、その空気に含まれる水分に依存して異な
る。この圧縮空気の組成を計算するために、ステップａ
１５では、空気中の水分を計算し、このためにステップ
ａ１２において得られる飽和蒸気曲線の近似関数４６
（前述の図７参照）と、ステップａ３で得られる温度計
３６によって検出される外気温度Ｔと、ステップａ１４
で得られる湿度計３７によって得られる外気湿度φとに
よって、その空気中の水分を計算する。さらにステップ
ａ１６では、乾燥空気の組成を表す信号を導出する。こ
うしてステップａ２６では、空気中の水分に対応する空
気の組成ｙｓ，ｙＮ₂，ｙＯ₂を計算して求めることがで
きる。

【００６０】ステップａ７では、燃焼反応に関する計算
を行う。メタンに関して、 ＣＨ₄ ＋２Ｏ₂ → ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂Ｏ …（５） したがってメタンの燃焼後の体積変化（単位ｍｏｌ）を
計算すると、 ０．８８×（３−３）＝ ０ …（６） であり、体積変化は零である。

【００６１】エタンに関して、 Ｃ₂Ｈ₆ ＋ ３．５Ｏ₂ → ２ＣＯ₂ ＋３Ｈ₂Ｏ …（７） 燃焼後の体積変化は、 ０．０６×（５−４.５） ＝ ０．０３ …（８） から、０．０３モルである。

【００６２】プロパンに関して、 Ｃ₃Ｈ₈ ＋ ５Ｏ₂ → ３ＣＯ₂ ＋ ４Ｈ₂Ｏ …（９） 燃焼後の体積変化に関して、 ０．０４×（７−６） ＝ ０．０４ …（10） から、０．０４モルである。

【００６３】ブタンに関して、 Ｃ₄Ｈ₁₀ ＋ ６．５Ｏ₂ → ４ＣＯ₂ ＋ ５Ｈ₂Ｏ …（11） 燃焼後の体積変化は、 ０．０２×（９−７．５）＝ ０．０３ …（12） から、０．０３モルである。

【００６４】したがって燃焼後の体積は、式６、式８、
式１０および式１２から、合計の値０．１モルの体積流
量が増加することになる。すなわち燃料ガスの体積流量
Ｆｆを燃焼することによって、燃焼排ガスは、０．１モ
ル増加することになる。

【００６５】燃焼前の合計の体積流量Ｆ１は、 Ｆ１ ＝ Ｆｓ＋Ｆｆ＋Ｆａ …（13） であり、燃焼後の合計の体積流量Ｆ２は、 Ｆ２ ＝ Ｆｓ＋１．１Ｆｆ＋Ｆａ …（14） 燃焼器１３における燃料ガスの燃焼前の水分のモル分率
Ｗ１は、

【００６６】

【数４】

【００６７】燃料の各成分毎の燃焼後における水分のモ
ルは、メタン、エタン、プロパンおよびブタンに関連し
て、式１６〜式１９に示されるとおりとなる。

【００６８】 Ｆｆ×０．８８×２ｍｏｌ ＝ １．７６Ｆｆ …（16） Ｆｆ×０．０６×３ｍｏｌ ＝ ０．１８Ｆｆ …（17） Ｆｆ×０．０４×４ｍｏｌ ＝ ０．１６Ｆｆ …（18） Ｆｆ×０．０２×５ｍｏｌ ＝ ０．１０Ｆｆ …（19） したがって、燃料の燃焼によって生じた水分の体積流量
Ｗ２は、式１６〜式１７によって得られた値の合計値で
あって、 Ｗ２ ＝ ２．２Ｆｆ …（20） である。

【００６９】したがって燃料ガスの燃焼後の水分のモル
分率Ｗ３は、

【００７０】

【数５】

【００７１】ステップａ８では、上述の式２１で示され
る排ガスの水分のモル分率Ｗ３が得られることになる。

【００７２】ステップａ１７において白煙防止限界線で
ある接線４９を算出するために、まずステップａ１１で
は、日本機械学会発行の蒸気表から、温度・蒸気圧曲線
を求め、これによって温度・水分モル分率に変換して、
前述の図７に示される飽和蒸気曲線４６を得る。この飽
和蒸気曲線４６は、図７のようにグラフで求めてもよ
く、または表で得るようにしてもよい。この飽和蒸気曲
線４６の回帰分析を行い、３次関数の近似式を求める。
温度を変数Ｘとし、水分のモル分率をＹとする。

【００７３】 Ｙ ＝ ７．２６×１０^-7Ｘ³−２．６２×１０-⁶Ｘ² ＋６．３０×１０^-4Ｘ＋５．５８×１０^-3 …（22） 次に外気状態Ｊ（Ｔ，φ）を通り、式２２で示される飽
和蒸気曲線４６に接点（Ｘ１，ｆ（Ｘ１））を通る接線
４９を求める。

【００７４】近似式を、 Ｙ ＝ ｆ（Ｘ） …（23） 接点を（Ｘ１，ｆ（Ｘ１））とすると、接線４９の式
は、下記のように表される。 Ｙ−ｆ（Ｘ１）＝ｆ′（Ｘ１）（Ｘ−Ｘ１） …（24）

【００７５】次に接線４９の傾きｆ′（Ｘ１）を求め
る。３次関数の近似式は、 ｆ（Ｘ１） ＝ ａ・Ｘ１³＋ｂ・Ｘ１²＋ｃ・Ｘ１＋ｄ …（25） と表されるので、傾きｆ′（Ｘ₁）は、下記のようにな
る。 ｆ′（Ｘ１）＝ ３ａ・Ｘ１²＋２ｂ・Ｘ１＋ｃ …（26）

【００７６】接線４９の切片Ｖを求める。 式２４から、切片Ｖは下記のようになる。 Ｖ ＝ｆ（Ｘ１）−ｆ′（Ｘ１）・Ｘ１＝−２ａ・Ｘ１³−ｂ・Ｘ１²＋ｄ …（27） 接線４９の傾き、切片をＴ，φの値から、求める。すな
わち式２４にＸ＝Ｔ、Ｙ＝φ、式２８および式２７を代
入し、Ｘ１の３次方程式を解くことによって、Ｘ１を求
め、傾き・切片を得る。

【００７７】上記の代入により、３次方程式は、次のよ
うになる。

【００７８】

【数６】

【００７９】３次方程式の公式より、 Ｘ１³ ＋Ｅ・Ｘ１² ＋Ｆ・Ｘ１＋Ｇ ＝ ０ …（29） において、

【００８０】

【数７】

【００８１】とすると、 Ｚ³ ＋３ｐＺ＋２ｑ ＝ ０ …（31） の形になる。

【００８２】この方程式の実根は、 Ｚ ＝ ³√{−ｑ ＋ √(ｑ²＋ｐ³）}＋³√{−ｑ−√（ｑ²＋ｐ³）｝ …（32） である。 ただし、

【００８３】

【数８】

【００８４】したがって３次方程式の解Ｘ１は、次のよ
うにして求められる。

【００８５】

【数９】

【００８６】こうしてステップａ１８では、前述のステ
ップａ８で求めた排ガス中の水分のモル分率に対応する
白煙防止限界線４９上におけるＷ３に対応する温度Ｘ５
０を得る。すなわちＸ１を式２４に代入して、接線４９
の式を得る。この接線４９の式に、水分モル分率Ｗ３を
代入することによって、目標値である温度Ｘ５０を得る
ことができる。

【００８７】ステップａ１９では、この値Ｘ５０を補正
し、たとえば２０℃を加算して（＝Ｘ５０＋２０）を、
目標排ガス温度Ｔ１１として設定する。

【００８８】ステップａ２０では、温度計３５によって
煙突２９の上部３０における大気放散される排ガスの温
度である実排ガス温度Ｔ２を検出して求める。

【００８９】ステップａ２１では、 Ｔ２ ＞ Ｔ１１ …（39） であるかどうかを判断し、そうでなければステップａ２
２に移り、流量制御弁３２の開度を、予め定める値、た
とえば５％だけ開き、その状態をステップａ２３におい
てタイマによって設定した時間、たとえば５分間保ち、
その後、ステップａ２１に戻る。また式３９が成立すれ
ば、ステップａ２４に移り、流量制御弁３２の開度を予
め定める値たとえば５％だけ閉じ、その状態をステップ
ａ２５において５分間保ち、その後ステップａ２１に移
る。

【００９０】図９は、本発明の上述の実施の一形態の発
電出力と総合効率を、前述の図１０に示される先行技術
と比較して示すグラフである。図１０に示される先行技
術では、白煙発生防止のためにバーナを用い、その発電
出力は、ライン５１で示され、総合効率はライン５２で
示される。これに対して前述の図１〜図８に関連して説
明される本発明の実施の一形態では、発電出力はライン
５３のように、ライン５１に比べて低下するけれども、
総合効率がライン５４で示されるように、良好であり、
結局、本発明が優れていることが理解される。

【００９１】本発明の実施の一形態では、空気の質量流
量Ｇａを、直接に、測定するように構成してもよいけれ
ども、本発明の実施の他の形態では、温度計３６によっ
て検出された外気温度Ｔを、予め定める演算式４０に基
づいて演算して求めるようにしてもよい。空気の質量流
量Ｇａに最も大きく影響する因子は外気温度Ｔであり、
この外気温度Ｔによって近似的に質量流量Ｇａを求める
ことができ、本件発明者の実験によれば、式４０によっ
て、誤差１％以内で近似することができることが確かめ
られた。

【００９２】 Ｇａ（Ｔ） ＝ −２．０７６５３２×Ｔ²−１．３１６９８６ ×Ｔ＋５７，５８２ …（40） 質量流量Ｇａの単位はｋｇ／ｈ、外気温度Ｔの単位は℃
である。本発明の実施のさらに他の形態では、外気温度
Ｔだけでなく、空気圧縮機１２の圧力比をもさらに考慮
した演算式を用いて、算出するように構成してもよい。

【００９３】

【発明の効果】請求項１の本発明によれば、排ガスの排
熱回収によって得られた過熱水蒸気を噴射して熱効率の
向上を図ることができ、このとき排ガス中に比較的多く
の水分が含まれているので、特に気温が低い冬場などに
その排ガス中の水分が凝縮して白煙化することを防ぐた
めに、ボイラに並列にバイパス路が設けられ、このバイ
パス路からの高温度の排ガスを混合して、ボイラからの
排ガスとの混合ガスの温度を上昇する。こうして混合排
ガス中の水分が、混合排ガスの大気放散時に凝縮しない
温度になるように制御手段によって制御することが可能
になる。したがって大気の気温に拘わらず、熱効率を向
上することができ、前述の図１０に関連して述べた先行
技術における白煙化防止のための燃料を必要とせず、総
合効率を高くすることができる。

【００９４】請求項２の本発明によれば、第１管路の排
ガスと第２管路の排ガスとが、第３管路内で充分に混合
されてその混合排ガスの温度が均一になる。したがって
混合排ガスの一部が低い温度にはならず、白煙の発生を
確実に防止することができる。

【００９５】請求項３の本発明によれば、第１管路内の
排ガスに、ハウジングの環状空間から供給孔を介しても
う１つの排ガスが混合されるので、混合ガスの混合性が
良好であり、これによって混合排ガスの温度分布が均一
になり、前述と同様に、白煙の発生を防止することがで
きる。

【００９６】請求項４の本発明によれば、ハウジングよ
りも第１管路の下流で第３管路が立上っているので、こ
の第３管路内において混合ガスの混合性がさらに良好に
なり、白煙化防止を一層確実に達成することができる。

【００９７】請求項５の本発明によれば、ガスタービン
装置からの排ガス中の水分の分圧を第１演算手段によっ
て演算し、第２演算手段によって演算して求めた水分が
凝縮しない温度範囲になるように、前記混合排ガスの目
標排ガス温度を設定し、このような目標排ガス温度に実
ガス温度が一致するように、流量制御手段、たとえばダ
ンパなどの流量制御弁などの開度を、駆動制御するの
で、流量制御手段の制御を正確に行うことができる。

【００９８】請求項６の本発明によれば、ガスタービン
装置からの排ガス中の水分の分圧を演算するために、燃
焼器の入口からタービンの入口に至る間に噴射される水
蒸気の流量Ｇｓと、燃焼器に供給される燃料の流量Ｇｆ
と、燃焼器に供給される圧縮された燃焼用空気の流量Ｇ
ａとに基づいて、演算するので、その排ガスに含まれる
水分の分圧を正確に求めることができる。これによって
白煙化防止対策が確実になる。

【００９９】請求項７の本発明によれば、ガスタービン
装置に供給される空気の流量Ｇａを、予め定める演算式
に基づいて演算して求め、これによって流量Ｇａを容易
に求めることができる。

【０１００】請求項８の本発明によれば、湿り空気線図
などから、温度・水分モル分率の近似式ｆ（Ｘ）を作成
して、前記混合排ガスが放散される大気の温度Ｔと湿度
φとを検出してその近似式の接線を求めて白煙発生限界
線を求めるようにしたので、大気の温度と湿度が変化し
ても、常に白煙化防止対策を確実に行うことができる。

【０１０１】請求項９の本発明によれば、第１演算手段
によって求められたガスタービン装置からの排ガス中の
水分のモル分率に対応する白煙発生限界線の温度、また
はそれを越える温度は、目標排ガス温度として設定し、
こうして白煙化防止対策を確実に達成することができ
る。白煙発生限界線の温度に、たとえば２０℃を加算し
て、目標排ガス温度として設定することによって、温度
および湿度の測定誤差および演算の誤差などに拘わら
ず、白煙の発生を確実に防ぐことができる。

【０１０２】請求項１０の本発明によれば、駆動制御手
段は、流量制御手段の流量を、予め定める値ずつ、段階
的に、予め定める時間毎に変化させるので、本件システ
ム全体の動作が急変することはなく、安定した動作を継
続しながら、白煙の発生の防止を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の全体の構成を示すブロ
ック図である。

【図２】混合手段２８の簡略化した断面図である。

【図３】本発明の実施のさらに他の形態における混合手
段２８の簡略化した断面図である。

【図４】図３における切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面
図である。

【図５】本発明の実施のさらに他の形態の断面図であ
る。

【図６】前述の図１に示される制御手段３８の構成と動
作を説明するためのフローチャートである。

【図７】本発明の白煙防止のメカニズムの原理を説明す
るための温度と排ガスに含まれる水分のモル分率との関
係を示すグラフである。

【図８】図７の一部を拡大して示す図である。

【図９】本発明の上述の実施の一形態の発電出力と総合
効率を、前述の図１０に示される先行技術と比較して示
すグラフである。

【図１０】先行技術の２流体ガスタービン装置である。

【符号の説明】

１１ ガスタービン装置 １２ 圧縮機 １３ 燃焼器 １４ 発電機 １５ タービン １７，１９，３４ 流量計 ２２ 排熱回収ボイラ ２３ 過熱器 ２４ 蒸発器 ２５ 節炭器 ２７ バイパス路 ２８ 混合手段 ２９ 煙突 ３２ 流量制御弁 ３４ 流量計 ３５，３６ 温度計 ３７ 湿度計 ３８ 制御手段 ４０ ハウジング

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）ガスタービン装置であって、 空気の圧縮機と、 圧縮機からの空気によって燃料を燃焼する燃焼器と、 燃焼器からのガスが供給された圧縮機を駆動するタービ
   ンとを含み、 燃焼器入口からタービン入口までの間に水蒸気が供給さ
   れるガスタービン装置と、 （ｂ）タービンからの排ガスの排熱回収をして水蒸気を
   発生し、ガスタービン装置に供給するボイラと、 （ｃ）ボイラに並列に設けられ、タービンからの排ガス
   を導くバイパス路と、 （ｄ）ボイラとバイパス路とにおける排ガスの流量比
   を、ボイラからの排ガスとバイパス路からの排ガスとの
   混合排ガスが大気に放散されるとき、混合排ガス中の水
   分が凝縮しない温度になるように、制御する制御手段と
   を含むことを特徴とする２流体ガスタービンシステム。
2. 【請求項２】 ボイラとバイパス路との各排ガスを混合
   する混合手段が設けられ、この混合手段は、 ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガスが
   導かれ、ほぼ水平な軸線を有する第１管路と、 ボイラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガスが
   導かれ、第１管路の上部に接続される縦の軸線を有する
   第２管路と、 第２管路との接続位置よりも第１管路の下流で立上る第
   ３管路とを含むことを特徴とする請求項１記載の２流体
   ガスタービンシステム。
3. 【請求項３】 ボイラとバイパス路との各排ガスを混合
   する混合手段が設けられ、この混合手段は、 ボイラまたはバイパス路のいずれか一方からの排ガスが
   導かれる第１管路と、 第１管路の外周に環状空間を形成して第１管路を外囲
   し、この環状空間は、第１管路内に供給孔を介して連通
   するハウジングと、 ボイラまたはバイパス路のいずれか他方からの排ガス
   を、ハウジングの環状空間に導く第２管路とを含むこと
   を特徴とする請求項１記載の２流体ガスタービンシステ
   ム。
4. 【請求項４】 第１管路は、ほぼ水平な軸線を有し、 ハウジングよりも第１管路の下流で立上る第３管路がさ
   らに設けられることを特徴とする請求項３記載の２流体
   ガスタービンシステム。
5. 【請求項５】 制御手段は、 ボイラに流れる排ガスの流量またはバイパス路に流れる
   排ガスの流量を制御する流量制御手段と、 ガスタービン装置からの排ガス中の水分の分圧を演算す
   る第１演算手段と、 排ガスが大気に放散されるとき、水分が凝縮しない水分
   の分圧に対応した温度範囲を演算する第２演算手段と、 第１および第２演算手段の出力に応答し、前記温度範囲
   のうち、前記混合排ガスの温度を設定する目標排ガス温
   度設定手段と、 前記混合排ガスの温度を検出する実ガス温度検出手段
   と、 目標排ガス温度設定手段と、実ガス温度検出手段との出
   力に応答し、検出される実ガス温度が目標排ガス温度に
   なるように、流量制御手段を駆動する駆動制御手段とを
   含むことを特徴とする請求項１〜４のうちの１つに記載
   の２流体ガスタービンシステム。
6. 【請求項６】 第１演算手段は、 ガスタービン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出
   する手段と、 ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検出す
   る手段と、 ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを検出す
   る手段と、 水蒸気流量検出手段と燃料流量検出手段と空気流量検出
   手段との出力に応答し、燃料の燃焼反応後の排ガス中の
   水分の分圧を演算する排ガス水分分圧演算手段とを含む
   ことを特徴とする請求項５記載の２流体ガスタービンシ
   ステム。
7. 【請求項７】 第１演算手段は、 ガスタービン装置に供給される水蒸気の流量Ｇｓを検出
   する手段と、 ガスタービン装置に供給される燃料の流量Ｇｆを検出す
   る手段と、 ガスタービン装置に供給される空気の流量Ｇａを、予め
   定める演算式に基づいて演算して求める空気流量演算手
   段と、 水蒸気流量検出手段と燃料流量検出手段と空気流量検出
   手段との出力に応答し、燃料の燃焼反応後の排ガス中の
   水分の分圧を演算する排ガス水分分圧演算手段とを含む
   ことを特徴とする請求項５記載の２流体ガスタービンシ
   ステム。
8. 【請求項８】 第２演算手段は、 湿り空気の温度・水分モル分率の線図または表に基づ
   き、水分モル分率Ｙと温度Ｘとの近似式ｆ（Ｘ）を作成
   する近似式作成手段と、 大気の温度を検出する大気温度検出手段と、 大気の湿度を検出する大気湿度検出手段と、 近似式作成手段と大気温度検出手段と大気湿度検出手段
   との出力に応答し、検出された大気温度および検出され
   た大気湿度の座標（Ｔ，φ）を通りかつ前記近似式ｆ
   （Ｘ）の接線である白煙発生限界線を求める白煙発生限
   界線作成手段とを含むことを特徴とする請求項５〜７の
   うちの１つに記載の２流体ガスタービンシステム。
9. 【請求項９】 第１演算手段は、ガスタービン装置から
   の排ガス中の水分のモル分率を演算し、 目標排ガス温度設定手段は、 第１演算手段によって演算して求められた水分のモル分
   率に対応する白煙発生限界線の温度以上の温度を、目標
   排ガス温度として設定することを特徴とする請求項８記
   載の２流体ガスタービンシステム。
10. 【請求項１０】 駆動制御手段は、流量制御手段の流量
    を、予め定める値ずつ、予め定める時間毎に変化させる
    ことを特徴とする請求項５〜８のうちの１つに記載の２
    流体ガスタービンシステム。