JPS62135619A - ガスタ−ビンを用いる熱併給動力発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はガスタービンを用いる熱併給動力発生装置に
関し、さらに詳しくは１発電機などの動力負荷駆動のた
めの動力供給と共に、温水回収。

乾燥などの熱負荷への熱源供給を併せて行ない得るよう
にしたガスタービンを用いる熱併給動力発生装置に係る
ものである。

〔従来の技術〕

近年、燃料の保有するエネルギーの可及的有効活用のた
めの一つの手段として、燃焼ガスエネルギーの多段利用
が提案されており、ガスタービンを用いる熱併給動力発
生装置がその代表例として知られている。

すなわち、このカスタービンを用いる熱併給動力発生装
置９例えば動力負荷としての発電機駆動のための熱併給
動力発生装置は、燃料が本来的に有しているエクセルギ
ーを、可及的低損失で有効に活用するため、エクセルギ
ーの高い時点では、実質的により高レベルエネルギーを
必要とする発電機駆動々力として利用し、かつエクセル
キーの低い時点では、低しベルエネルキーであってよい
温水などとしてのエネルギー回収を図るという手段であ
り、このような手段を効果的に活用するとき、最も適合
性の良い装置構成に対応させた場合には、そのエクルキ
ー効率が８０％にも達することがあって、燃料の燃焼カ
スエネルギーを低損失で有効活用できる。しかし一方、
この手段を適合性に欠ける装置構成に適用した場合２例
えば動力および熱のそれぞれの需要が個別に変動するよ
うな装置構成に適用した場合には、前記のようなエネル
上−効率の維持が非常に困難である。

こ＼で従来例によるこの種の動力負荷としての発′市機
駆動のための、カスタービンを用いた熱併給動力発生装
置の概要構成を第５図に示す。

すなわち、この第５図従来例において、符号ｌは燃焼用
空気圧縮機、２はこの燃焼用空気圧縮機１に同軸結合さ
れた空気圧縮機駆動を兼ねる発電様駆動のための動力発
生用ガスタービン、３はこの動力発生用ガスタービン２
に直結された動力負荷としての発電機である。また４は
前記燃焼用空気圧縮機ｌからの圧縮空気と、燃料制御弁
５を通して供給される燃料とを混合燃焼させ、燃焼カス
によって前記動力発生用ガスタービン２．ひいては動力
負荷である発電機３を駆動させる燃焼器、ｅは動力発生
用ガスタービン２からの排出カスの排熱を回収する。熱
負荷としての蒸気発生装置からなる排熱回収装置であっ
て、装置内の水浴７に導入された水を加熱することで排
熱回収をなし、このようにして得た蒸気を、蒸気制御弁
８を通して燃焼器４内に直接噴射させるようにしている
。なお、図中、８は排熱回収装置８で得た蒸気を他の用
途ａに供給するための蒸気加減弁、１０は煙突である。

そしてこの従来例装置構成の場合には、燃焼用空気圧縮
機ｌで得た圧縮空気を燃焼器４に供給して燃料と一緒に
、また後述する基気噴射を加えて燃焼させ、その燃焼ガ
スエネルキーにより、エクセルギーの高い所で動力発生
用ガスタービン２を駆動させ、ついでこの動力発生用ガ
スタービン２により動力負荷である発電機３を駆動させ
て電力を得ると共に、動力発生用ガスタービン２からの
排出ガス、こ＼ではよりエクセルギーの低くなった排出
ガスを、熱負荷としての排熱回収装置６に通して、その
熱エネルギーを蒸気として回収し、他の用途ａに供給す
ると共に、併せてこの蒸気を燃焼器４内に直接噴射して
出力アップを図り、このようにして燃焼ガスエネルギー
の多段利用、ひいてはエネルギー効率の有効活用をなす
ようにしているのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一般的に、この種のガスタービン燃焼器において、その
−次的な出力アップを図るために、燃焼器内に水、また
は蒸気を直接噴射させる技術手段は、例えば航空機のジ
ェットエンジン駆動に関して、既によく知られていると
ころであり、また前記従来例として示した装置構成、つ
まりエネルギー効率を向にさせる「Ｉ的で、カスタービ
ンからの排出ガス熱を回収して得た蒸気を、燃焼器内に
常時噴射させる技術についても、例えば′特公昭５４−
３４．８６５号公報により既に公知の技術手段となって
いる。

こ＼で、本来、燃焼に必要な空気供給量としては、通常
の燃焼器の場合、理論燃焼空気量に対して１．０４〜１
．１程度の過剰空気率であればよいのであるが、ガスタ
ービン燃焼器の場合には、この空気供給量を４〜５程度
の過剰空気率にする必要があるもので、その理由として
は、ガスタービンの許容温度（現在の技術では約１１５
０℃）を挙げることができ、ガスタービンを同温度に維
持して駆動させる目的で、このように過大な空気供給量
にしており、このためにガスタービンにおいては、直接
、燃焼に関与することのない無駄な空気を、大ＩＩｊに
圧縮して燃焼器に送り込まなければならず、ガスタービ
ン単独では、他の熱機関はどに効率を」―げ得ない要因
となっている。

前記公報によって提案された公知技術は、この点を改善
するための一つの手段として提案されたもので、いわゆ
る、チェンサイクルと呼ばれており、これは前記ガスタ
ービン燃焼器での直接、燃焼に関与しない無駄な空気に
代え、排熱回収で得た茶気を利用して、ガスタービンへ
の供給温度を所定値に保持しようとするもので、従来に
比較して圧縮動力が極めて小さくなると共に、排熱回収
による相乗効果によって非常に大きな効率Ｃ８０％。

３０００°Ｆ）を得ているのである。

しかしながらこの公知技術の場合にあっては、空気圧縮
機を通過する空気量が、ガスタービンを通過するガス量
に比較して相対的に小さくなるために、空気圧縮機とガ
スタービンとのマツチングに関して、一方の立場からは
、少なくとも通常のガスタービンを採用する限りにおい
ては、不可能である。つまり新たなガスタービンの開発
を要するもので、また他方のケ場からは、反対に通常の
ガスタービンを採用する限りにおいては、排熱回収で得
たノ入気量の全てを有効利用できない、つまり通常のガ
スタービンで利用可能な範囲は、空気圧縮機がサージン
グに至らない程度に限られるという欠点（通常のカスタ
ービンにおいては、燃焼器に茶気を供給することによっ
て、この燃焼器圧力、ひいては空気圧縮機の吐出圧が上
昇して、通常のサージマージンの領域をはずれてくる）
があるもので、従ってこのように排熱利用に制限がある
一方９例えば補助ボイラーなどと並列運転する場合に、
この補助ボイラーの余剰茶気を利用するなどは、なおさ
らのこと不可能になるものであった。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は前記従来例装置でのこのような問題点を改善
して、動力および熱需要を効果的に満足し得るようにし
たカスタービンを用いる熱併給動力発生装置を提供しよ
うとするものであって、空気圧縮機駆動用ガスタービン
を前段側に配して、これを空気圧１１１機の駆動に必要
な動力発生のみに用い（この組み合せを、以下、カスゼ
ネレータと呼称する）、この空気圧縮機駆動用カスター
ビンからの１」１出ガスが、未だ十分に全列エネルギー
を有していることから、後段側に配した動力発生用１膨
張タービン、ひいては動力負荷を駆動させるようにして
（この組み合せを、以下、パワーゼネレータと呼称する
）、こ＼では全体として、いわゆる２軸型のタービンサ
イクルを構成させ、かつまた、動力発生用膨張タービン
の前段にあっては、ノヘ気混合器または蒸気混合形燃焼
器、後流にあっては、熱負荷としての、または蒸気発生
のための排熱回収装置、その他の熱負荷を配したもので
ある。

〔作　　　用〕

従ってこの発明によるときは、前段側に配されるガスゼ
ネレータからの、十分に余剰エネルギーを有している排
出ガスに対し、蒸気混合器または蒸気混合形燃焼器によ
り、後流での排熱回収装置を用いた排出ガスの熱回収に
よる発生蒸気を噴射混合させた上で、後段側に配したパ
ワーゼネレータの駆動によって、動力および熱需要を効
果的に満すことができ、また動力負荷の増加時には蒸気
量を多く、減少時には供給燃料量を少なく制御すること
で、これらに容易に対応できるのであり、さらに補助ボ
イラーとの並列運転にあっては、その余剰ノ人気を導い
てより一層の動力を発生し得るのである。

〔実　施　例〕

以下、この発明に係るガスタービンを用いる熱併給動力
発生装置の実施例につき、第１図ないし第４図を参照し
て詳細に説明する。

これらの第１図、第２図および第４図は各別個による実
施例装置の概要構成を示すそれぞれブロック図であり、
また第３図はｗＩｊ２図実施例装置に適用される然気混
合形燃焼器の概要構成を示す断面図である。

まず第１図実施例装置において、符号１１は燃焼用空気
圧縮機、１２はこの燃焼用空気圧縮機１１に同軸結合さ
れた空気圧縮機駆動用ガスタービン、１３は前記燃焼用
空気圧縮機１１からの圧縮空気と、燃料制御弁１４ａを
通して供給される燃料とを混合燃焼させ、燃焼ガスによ
ってこの空気圧縮機駆動用ガスタービン１２を駆動させ
る燃焼器である。

また１５は前記空気圧縮機駆動用ガスタービン１２から
の、未だ余剰エネルギーを十分に有している排出ガスに
対して、後述する蒸気を混合噴射させるだめの蒸気混合
器、１８はこの蒸気混合器１５を経た排出ガスによって
駆動される動力発生用膨張タービン、１７はこの動力発
生用膨張タービン１６に直結された動力負荷としての発
１ｒＬ機である。

ざらに１８および１９は前記動力発生用膨張タービン１
６からの排出ガスの排熱を回収する。熱負荷としての熱
交換器からなる排熱回収装置、および排熱回収後の排気
によって適宜乾燥などの熱回収をなすところの、こ−で
も熱負荷としての乾燥装置を示し、一方の排熱回収装置
１８によっては、装訝内に配した水管２２に、給水タン
ク２０から給水ポンプ２１で水を導入させ、この水を加
熱して排熱回収をなし、このようにして得た蒸気を、ノ
Ｎ気制御弁２３による茶気量制御の下に前記蒸気混合器
１５に供給して、同混合器１５内に直接噴射させるよう
にすると共に、他の用途ａに蒸気加減弁２４を経て同様
に供給させるようにしており、他方の乾燥装置１９によ
っては、排熱回収装置１日を経た排気に残存している熱
エネルギーをより多く回収し、かつこ＼で発生するドレ
ンについては、ドレンポンプ２５により前記給水タンク
２０に復水させるようにしている。なお１１図中７２６
は煙突である。

また第２図実施例装置は、前記第１図実施例における蒸
気混合器１５を、第３図に一例としての詳細構造を示す
蒸気混合形燃焼器２７に代えたものであり、この蒸気混
合形燃焼器２７は、器体ガス流路内の中央に配されて、
燃料制御弁１４ｂから燃料を供給させるようにした助燃
バーナ２８と、ガス流路を取り囲んで同ガス流路内に順
次開口させた内筒２９と、この内筒２８の周りを囲壜す
るように配した蒸気噴射ノズル３０とから構成されてい
る。

従ってこれらの第１図および第２図実施例による装置構
成においては、燃焼用空気圧縮機１１で得た圧縮空気を
燃焼器１３に供給し、燃料制御弁＋４ａを経て供給され
る燃料と一緒に混合燃焼させ、その燃焼ガスエネルキー
によって、エクセルキーの高い所で空気圧縮機駆動用カ
スタービン１２を駆動させることにより、ガスゼネレー
タとして作用させ、続いてこの空気圧縮機駆動用ガスタ
ービン１２からの排出ガスには、蒸気混合器１５．また
は蒸気混合浴燃焼器２７にあって、後述するところの、
蒸気噴射を加えた上で、動力発生用膨張タービン１６を
駆動させることにより、パワーゼネレータとして作用さ
せ、かつこの動力発生用膨張タービン１６により、動力
負荷である発電機１７を駆動させて電力を得ることがで
きる。

そして前記動力発生用膨張タービン１Ｇからの排出ガス
、こ＼ではよりエクセルギーの低くなった排出ガスは、
まず熱負荷としての排熱回収装置１８に通して、その熱
エネルギーの大半を蒸気として回収し、かつこのように
して得た蒸気を、蒸気制御弁２３による蒸気量制御の下
に、前記蒸気混合器１５、または蒸気混合形燃焼器２７
内に直接噴射させることによって、動力発生用膨張ター
ビン１Ｂの出力アップを図り、ついでこの排熱回収装置
１８を経た排気については、同様に熱負荷としての乾燥
装置１９に供給し、残余の熱エネルギーを回収すると共
に、この乾燥装置１９で生ずるトレンを再度給水タンク
２０に復水させる。すなわち、このようにして燃焼ガス
エネルギーの多段利用、ひいてはエネルギー効ニＢの有
効活用をなすことができるのである。

すなわち、これらの第１図および第２図実施例構成の場
合にあって、前段側に配された空気圧縮機駆動用ガスタ
ービン１２は、空気圧縮機１１の駆動に必要な動力発生
のみに用いており、また（の空気圧１１ｉ（Ｌ’Ｓ駆動
用ガスタービン１２からの排出ガスについては、これが
未だ十分に余剰エネルギーを有していることから、後段
側に配した動力発生用膨張タービン１６の駆動、ひいて
は動力負荷としての発電機１７を駆動させ、こ−では全
体として、いわゆる２軸型のタービンサイクルを構成し
、さらに動力発生用膨張タービン１６の前段にあっては
、この１膨張タービン１６からの排出ガスの熱回収によ
る発生蒸気を、空気圧縮機駆動用ガスタービン１２の排
出ガス中に噴射混合させて、より強力な駆動々力を得る
のである。

そしてさらに第３図実施例装置においては、補助ボイラ
ーなどを並列運転させる場合、その余剰蒸気すをも、蒸
気制御弁３１を介し、前記排熱回収装置１８からの蒸気
と共に蒸気混合浴燃焼器２７に導いて動力発生に寄与さ
せ得るのであって、この際の排出ガス温度の低下につい
ては、必要に応じて同蒸気混合形燃焼器２７の助燃バー
ナ２８での、燃料制御弁１４ｂからの供給燃料の燃焼に
より、タービンへの流入ガスを所定温度まで助燃加熱し
て、なお一層強力な駆動々力を得られるのであり、また
この蒸気混合浴燃焼器２７においては、防燃バーナ２８
を配したガス流路を取り囲む内筒２９の周囲にあって、
蒸気噴射ノズル３０を設けであるために、噴射される蒸
気により内筒２９の冷却保護がなされると共に、噴射蒸
気による火焔の吹き切れを防１ヒし得て、排出ガスに対
する所定温度までの加熱を可能にするのである。

またこれらの第１図、および第２図実施例装置の構成に
あって、動力、および熱それぞれの需要イξ−Ｒｈ＋−
東ｔ「七壮スのＬ・Ｌ＋　　ｔｈ−ｈイ１＋　／＋ｒの
ｔ曽ｈｏｉｌ与りご訊つて、蒸気制御弁２３．および３
１の制御により供給蒸気量を多くし、また反対に動力負
荷の減少時にあって、燃料制御弁１４ａ、および＋４ｂ
の制御により供給燃料量ヲ少なくするようにすれば良く
、これらの何れの場合にあっても、ｌ膨張タービン１６
からの排気中には多）Ｎ、の蒸気が混入されているので
、排熱回収装置１８の後流に、さらに同様な熱負荷とし
ての乾燥装置１９．あるいは必要に応じてその他の例え
ば暖房装置などを配置させるのが良く、熱利用率の向ヒ
、ならびに排気中の水分回収に効果的である。

そしてまたこれらの各実施例装置の構成では、ざきに述
べた従来例装置の構成でのように、導入される蒸気量に
制限がないことから、エネルギー効率を格段に向−ヒで
きる。すなわちご覧では膨張タービン１６に流入するガ
ス量が、空気圧縮機１１で吹き込む空気ｊｉＶよりも格
段に多くなるために、空気圧縮機１１の駆動々力に比較
して動力発生Ｍ合が相対的に大きくなり、これによって
エネルギー効率の向Ｆを図り得るのである。

さらに前記第１図、第２図番実施例装置における供給エ
ネルギーは、燃料と排熱回収による蒸気とであったが、
第４図実施例に示すように、燃焼器１３を加熱器３２と
し、燃料供給に代えて他の熱源（例えば必要に応じて太
陽熱などを含む）の排熱などを、同様に制御弁３３を経
て利用するようにしても、同様な作用、効果が得られる
。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、この発明装着によるときは、空気
圧縮機駆動用ガスタービンを前段側に配して、これを空
気圧縮機の駆動に必要な動力発生のみに用いるようにさ
せ、またこの空気圧縮機駆動用ガスタービンからの十分
に余剰エネルギーを有している排出ガスに対しては、蒸
気混合器、または蒸気混合形燃焼器において、後流での
排熱回収装置を用いた排ガスの熱回収による発生蒸気を
噴宵混合させた上で、後段側に配した動力発生用膨張タ
ービン、ひいては動力負荷を駆動させるようにし、さら
に動力発生用膨張タービンの後流にあって熱負荷として
の、また蒸気発生のための排熱回収装置、その他の熱負
荷を配したので、この種の装置構成における動力および
熱のそれぞれの需要を効果的に満すことができ、また動
力負荷の増加Ｉ＋！？には蒸気量を多くし、動力負荷の
減少時には供給燃料量を少なく制御して、これらの動力
および熱需要の変動に容易に対応でき、結果的にエネル
ギー利用効率を格段に向上し得るという特長がある。

そしてまたこの発明装置においては、従来例装置に比較
するとき、次のような利点もある。すなわち、従来例装
置の場合には、蒸気が加えられることから、標準的なガ
スタービンでは、相互に対応する空気圧縮機とタービン
との流量比が著るしく異なり、その圧力比が変動するた
めに、新たに設計したタービンを必要とする。つまり既
存タービンでは、タービン入口圧力、ひいては空気圧縮
機吐出圧力が上昇することになって、この空気圧縮機の
サージングが問題になる惧れがあるが、これに対してこ
の発明装置では、カスゼネレータとパワーゼネレータと
の組み合せを、数種類の機種として標準的に予め設定し
ておき、適用プラントに併せて合口的々な膨張タービン
のみを製作するようにすれば良いもので、このようにす
ることによって、例えば他の蒸気発生源の余剰蒸気をも
利用でき、従来例装置でのように空気圧縮機の圧力比を
変えるなどの必要が全く解消され、プラント装置全体の
製造コストを格段に低減し得るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第４図はこの発明に係るカスター
ビンを用いる熱併給動力発生装置の各別の実施例による
概要構成を示すブロック図、第３図は同上第２図実施例
に適用される蒸気混合形燃焼器の概要構成を示す断面図
であり、また第５図は従来例によるガスタービンを用い
る熱併給動力発生装置の概要構成を示すブロック図であ
る。 １１・・・・燃焼用空気圧縮機、１２・・・・空気圧縮
機用ガスタービン、１３・・・・燃焼器、１４ａおよび
＋４ｂ・・・・燃料側り１弁、１５・・・・蒸気混合器
、１６・・・・動力発生用膨張タービン、１７・・・・
発゛市機（動力負荷）、１８・・・・υＩ熱回収装置（
熱負荷、蒸気発生装置）、１９・・・・乾燥装置、２０
・・・・給水タンク、２１および２５・・・・給水およ
びドレンポンプ、２２・・・・水管、２３および３１・
・・・蒸気制御弁、２４・・・・蒸気加減弁、２７・・
・・蒸気混合形燃焼器、２８・・・・助燃／ヘーナ、２
９・・・・燃焼器の内筒、３０・・・・蒸気噴射ノズル
、３２・・・・加熱器、３３・・・・制御弁。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）相互に同軸結合させた燃焼用空気圧縮機、および
   空気圧縮機駆動用ガスタービンと、前記燃焼用空気圧縮
   機からの圧縮空気を燃料と共に混合燃焼、もしくは他の
   熱源により加熱させて前記空気圧縮機駆動用ガスタービ
   ンを駆動させる燃焼器、もしくは加熱器と、前記空気圧
   縮機駆動用ガスタービンの排出ガスに対し、後段での排
   熱回収によって得た蒸気を噴射混合させる蒸気混合器と
   、この蒸気混合器を経た排出ガスによって駆動される動
   力発生用膨張タービン、およびこの動力発生用膨張ター
   ビンに同軸結合させた動力負荷と、前記動力発生用膨張
   タービンの後流に配されて前記蒸気混合器に発生蒸気を
   供給する熱負荷としての蒸気発生装置からなる排熱回収
   装置とを備えたことを特徴とするガスタービンを用いる
   熱供給動力発生装置。
2. （２）排熱回収装置の後流にその他の熱負荷を配したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガスタービ
   ンを用いる熱供給動力発生装置。
3. （３）熱負荷で生ずるドレンを排熱回収装置の給水タン
   クに復水させるようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項および第２項の何れかに記載のガスタービン
   を用いる熱併給動力発生装置。
4. （４）相互に同軸結合させた燃焼用空気圧縮機、および
   空気圧縮機駆動用ガスタービンと、前記燃焼用空気圧縮
   機からの圧縮空気を燃料と共に混合燃焼、もしくは他の
   熱源により加熱させて前記空気圧縮機駆動用ガスタービ
   ンを駆動させる燃焼器、もしくは加熱器と、前記空気圧
   縮機駆動用ガスタービンの排出ガスに対し、後段での排
   熱回収によって得た蒸気を噴射混合させ、かつ必要に応
   じ併せて燃料と共に混合燃焼させる蒸気混合形燃焼器と
   、この蒸気混合形燃焼器を経た排出ガスによって駆動さ
   れる動力発生用膨張タービン、およびこの動力発生用膨
   張タービンに同軸結合させた動力負荷と、前記動力発生
   用膨張タービンの後流に配されて前記蒸気混合形燃焼器
   に発生蒸気を供給する熱負荷としての蒸気発生装置から
   なる排熱回収装置とを備えたことを特徴とするガスター
   ビンを用いる熱併給動力発生装置。
5. （５）排熱回収装置の後流にその他の熱負荷を配したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のガスタービ
   ンを用いる熱併給動力発生装置。
6. （６）熱負荷で生ずるドレンを排熱回収装置の給水タン
   クに復水させるようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第４項および第５項の何れかに記載のガスタービン
   を用いる熱併給動力発生装置。
7. （７）並列運転される補助ボイラーなどの余剰蒸気を、
   蒸気発生装置で得た蒸気に併用して蒸気混合形燃焼器へ
   供給させるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載のガスタービンを用いる熱併給動力発生装置
   。
8. （８）蒸気混合形燃焼器には、ガス流路を取り囲んで同
   流路に適宜に開口する内筒と、ガス流路内に配した助燃
   バーナと、内筒の周囲に配した蒸気噴射ノズルとを設け
   、供給蒸気によって内筒冷却をなし得るようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第４項および第７項の何れ
   かに記載のガスタービンを用いる熱併給動力発生装置。