JP2003129860A - Thermoelectric variable composite gas turbine - Google Patents

Thermoelectric variable composite gas turbine

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JP2003129860A JP2001323266A JP2001323266A JP2003129860A JP 2003129860 A JP2003129860 A JP 2003129860A JP 2001323266 A JP2001323266 A JP 2001323266A JP 2001323266 A JP2001323266 A JP 2001323266A JP 2003129860 A JP2003129860 A JP 2003129860A
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Takeshi Suzuki
鈴木　　剛
Toshiyuki Takagi
俊幸 高木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric variable composite gas turbine which can correspond to the change of heat demand and does not cause the deterioration of performance at normal operation. SOLUTION: This gas turbine has a co-generation system in which power is generated from a generator 8 driven by a standard gas turbine 1, and also a steam (h) is generated by recovering waste heat from an exhaust gas (g) discharged from the turbine 1. An auxiliary gas turbine 17 is installed in conjunction with the turbine 1 and further, a steam mixer 6 is installed in a high pressure air supply path 5 extending from a compressor 2 composing the turbine 1 to a combustor 3. When the demand of steam decreases, surplus steam is introduced into the steam mixer 6, and a gas mixture (i) of the surplus steam (h) with high pressure air (d') and a fuel (e') are fed into a combustor 11 of the auxiliary gas turbine to be burned. By the combustion gas (f') from the combustor 11, the auxiliary gas turbine 17 is driven to assist power generation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電可変合成ガス
タービンに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric variable synthesis gas turbine.

【０００２】[0002]

【従来の技術】一般に、コージェネレーションシステム
は、熱需要及び電力需要の相互の需要を満たした時に最
も優れた省エネルギー効果を発揮する。2. Description of the Related Art In general, a cogeneration system exhibits the best energy saving effect when the mutual demands of heat demand and electric power demand are met.

【０００３】しかしながら、電力需要より熱需要の変化
が著しく、熱エネルギーを無駄にせざるを得ない場合が
ある。そのような状況下では、コージェネレーションシ
ステムを導入する効果が低い。However, there is a case where the heat demand changes more significantly than the electric power demand, and the heat energy must be wasted. Under such circumstances, the effect of introducing a cogeneration system is low.

【０００４】その方策として、発生蒸気の一部をガスタ
ービン燃焼器に供給して発生電力を増加し、熱エネルギ
ーの供給を抑えることが可能なガスタービンがある。As a measure, there is a gas turbine capable of supplying a part of generated steam to a gas turbine combustor to increase generated electric power and suppressing supply of thermal energy.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
式は、電力の需要状況に合わせた運転が可能であるが、
タービン内を通過する燃焼ガスに加え、導入蒸気量が増
加するため、タービン通路面積が蒸気噴射を行わない通
常のタービンに比べて広い。However, this system can be operated according to the demand situation of electric power,
Since the amount of introduced steam increases in addition to the combustion gas passing through the turbine, the turbine passage area is wider than that of a normal turbine that does not perform steam injection.

【０００６】従って、通常運転点における性能を犠牲に
して性能低下が起きることや、蒸気が噴射されることに
伴って圧縮機の作動点がずれ、サージングに至り、最悪
の場合、作動が停止する可能性がある。Therefore, the performance at the normal operating point is sacrificed and the performance is degraded, and the operating point of the compressor shifts due to the injection of steam, leading to surging, and in the worst case, the operation stops. there is a possibility.

【０００７】本発明は、このような問題を解消するため
になされたものであり、その目的とするところは、熱需
要の変化に対応可能なタービンでありながら、通常運転
点時における性能低下が生じない熱電可変合成ガスター
ビンを提供することにある。The present invention has been made in order to solve such a problem, and an object of the present invention is to reduce the performance at a normal operating point even though the turbine can cope with a change in heat demand. It is to provide a thermoelectric variable synthesis gas turbine that does not occur.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、次のように構成されている。In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.

【０００９】すなわち、 （１） 標準ガスタービンによって駆動される発電機で
発電する一方、前記標準ガスタービンから排出される排
ガスから廃熱回収して蒸気を発生させるコージェネレー
ションシステムにおいて、前記標準ガスタービンに補助
ガスタービンを併設し、前記標準ガスタービンを構成し
ている圧縮機から燃焼器に至る高圧空気供給路に蒸気混
合器を設け、蒸気の需要が少なくなった時、前記蒸気混
合器に余剰蒸気を導入し、余剰蒸気と高圧空気が混合し
た混合ガスと燃料とを補助ガスタービンの燃焼器に供給
して燃焼させ、その燃焼ガスによって前記補助ガスター
ビンを駆動して発電に供することを特徴とする熱電可変
合成ガスタービン。(1) In a cogeneration system for generating steam by recovering waste heat from exhaust gas discharged from the standard gas turbine while generating power with a generator driven by the standard gas turbine, the standard gas turbine is used. Auxiliary gas turbine is installed at the same time, and a steam mixer is provided in the high-pressure air supply path from the compressor that constitutes the standard gas turbine to the combustor, and when the demand for steam is reduced, excess steam is added to the steam mixer. Introducing steam, supplying a mixed gas in which excess steam and high-pressure air are mixed and fuel to a combustor of an auxiliary gas turbine for combustion, and driving the auxiliary gas turbine by the combustion gas for power generation Variable thermoelectric synthesis gas turbine.

【００１０】（２） 標準ガスタービンと補助ガスター
ビンによって両者共通の発電機を駆動する（１）記載の
熱電可変合成ガスタービン。(2) The thermoelectric variable synthesis gas turbine according to (1), wherein a generator common to both the standard gas turbine and the auxiliary gas turbine is driven.

【００１１】（３） 標準ガスタービンと補助ガスター
ビンによって両者独自の発電機をそれぞれ駆動する
（１）記載の熱電可変合成ガスタービン。(3) The thermoelectric variable synthesis gas turbine according to (1), wherein the standard gas turbine and the auxiliary gas turbine respectively drive their own generators.

【００１２】（４） 標準ガスタービンと補助ガスター
ビンとから排出された排ガスを両者共通の廃熱ボイラに
供給する（１）記載の熱電可変合成ガスタービン。(4) The thermoelectric variable synthesis gas turbine according to (1), wherein the exhaust gas discharged from the standard gas turbine and the auxiliary gas turbine is supplied to a common waste heat boiler.

【００１３】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【００１４】図１において、１は、標準のガスタービン
であり、このガスタービン１は、圧縮機２と、第１の燃
焼器３と、通常タービン４により構成されている。そし
て、圧縮機２から第１の燃焼器３に至る高圧空気供給路
５中に蒸気混合器６が設けられている。In FIG. 1, reference numeral 1 is a standard gas turbine, and this gas turbine 1 is composed of a compressor 2, a first combustor 3 and a normal turbine 4. A steam mixer 6 is provided in the high pressure air supply path 5 from the compressor 2 to the first combustor 3.

【００１５】この標準ガスタービン１では、空気ｄは、
圧縮機２に導入され、そこで圧縮されて高圧空気ｄ′と
なり、蒸気混合器６を経て第１の燃焼器３に導入され
る。In this standard gas turbine 1, the air d is
It is introduced into the compressor 2, where it is compressed into high pressure air d ′, which is introduced into the first combustor 3 via the vapor mixer 6.

【００１６】一方、第１の燃焼器３には、燃料ｅが供給
され、既に説明した高圧空気ｄ′と混合して激しく燃焼
し、その燃焼ガスｆは、通常のタービン４に導入され、
当該タービン４を回転させる。通常タービン４の回転
は、圧縮機２および減速機７を経て発電機８に伝達さ
れ、発電機８による発電が行われる。On the other hand, the fuel e is supplied to the first combustor 3, mixed with the high-pressure air d'which has already been described, and vigorously combusted, and the combustion gas f is introduced into the ordinary turbine 4,
The turbine 4 is rotated. The rotation of the turbine 4 is normally transmitted to the generator 8 via the compressor 2 and the speed reducer 7, and the generator 8 generates electric power.

【００１７】上記通常タービン４から排出された排ガス
ｇは、廃熱ボイラ９に導入され、廃熱回収が行われる。
廃熱ボイラ９で発生した蒸気（プロセス蒸気）ｈは、次
工程（図示せず）に供給される。The exhaust gas g discharged from the normal turbine 4 is introduced into the waste heat boiler 9 and waste heat is recovered.
The steam (process steam) h generated in the waste heat boiler 9 is supplied to the next step (not shown).

【００１８】蒸気の需要が少なくなった場合には、余剰
の蒸気を過熱器１０により過熱した後、過熱蒸気ｈ′と
して蒸気混合器６に導入し、高圧空気ｄ′と混合させ
る。すると、一般に、通常のタービン４における流入ガ
ス圧力が上昇する。When the demand for steam is reduced, the excess steam is superheated by the superheater 10 and then introduced into the steam mixer 6 as superheated steam h ', and mixed with the high pressure air d'. Then, generally, the inflow gas pressure in the normal turbine 4 increases.

【００１９】これを避けるために、蒸気混合器６から第
２の燃焼器１１に至る経路１２中に制御弁１３及び遮断
弁１４を設け、制御弁１３の開度を圧力上昇割合に応じ
て調整し、一定圧力を維持するようにする。なお、廃熱
ボイラ９は、予熱器１５及び過熱器１６を備えている。In order to avoid this, a control valve 13 and a shutoff valve 14 are provided in the path 12 from the steam mixer 6 to the second combustor 11, and the opening degree of the control valve 13 is adjusted according to the rate of pressure increase. To maintain a constant pressure. The waste heat boiler 9 includes a preheater 15 and a superheater 16.

【００２０】従って、余剰ガス（過熱蒸気ｈ′と高圧空
気ｄ′の混合ガス）ｉが第２の燃焼器１１に流入する。
この第２の燃焼器１１には、燃料ｅ′が供給され、余剰
ガスｉと混合して激しく燃焼する。この燃焼ガスｆ′
は、補助タービン１７に導入され、同タービン１７を回
転させる。補助タービン１７の回転は、クラッチ１８を
介して上記の減速機７に伝えられ、補助タービン１７の
出力と、既に説明した標準ガスタービン１の出力とを合
わせた総合出力として減速機７を介して発電機８に伝達
され、発電機８による高発電出力が得られる。ここで、
第２の燃焼器１１及び補助タービン１７によって補助ガ
スタービン１９が構成される。Therefore, the surplus gas (mixed gas of superheated steam h'and high-pressure air d ') i flows into the second combustor 11.
The fuel e'is supplied to the second combustor 11 and is mixed with the surplus gas i to burn violently. This combustion gas f '
Is introduced into the auxiliary turbine 17 and rotates the turbine 17. The rotation of the auxiliary turbine 17 is transmitted to the speed reducer 7 via the clutch 18, and the output of the auxiliary turbine 17 and the output of the standard gas turbine 1 described above are combined and output via the speed reducer 7 as a total output. It is transmitted to the generator 8 and high power generation output by the generator 8 is obtained. here,
An auxiliary gas turbine 19 is configured by the second combustor 11 and the auxiliary turbine 17.

【００２１】一方、補助タービン１７から排出された排
ガスｇ′は、上記の廃熱ボイラ９に供給され、蒸発に供
される。On the other hand, the exhaust gas g'exhausted from the auxiliary turbine 17 is supplied to the waste heat boiler 9 for evaporation.

【００２２】以上の説明では、２台のタービン４及び１
７と、１台の発電機８とを適用した場合について説明し
たが、これに限らず、例えば、図２に示すように、２台
のタービン４及び１７と、２台の発電機８及び２０とを
用いても同様の効果が得られる。なお、図中、２１及び
２２は、それぞれ、減速機を示している。その他の機器
については、同じ機器に同じ符号を付け、詳しい説明を
省略する。In the above description, the two turbines 4 and 1
7 and one generator 8 have been described, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 2, two turbines 4 and 17 and two generators 8 and 20 are used. The same effect can be obtained by using and. In addition, in the figure, 21 and 22 have respectively shown the reduction gears. For other devices, the same reference numerals are given to the same devices, and detailed description will be omitted.

【００２３】次に、図３により標準ガスタービン（図
１）の作動状況を説明する。Next, the operating condition of the standard gas turbine (FIG. 1) will be described with reference to FIG.

【００２４】標準ガスタービン１は、通常運転におい
て、標準圧縮機特性曲線Ｒｓ上のＡ点で、圧縮機２と通
常タービン４がマッチングしている。この状況下におい
て、廃熱ボイラ９からの噴射蒸気量Ｇｓが加味されるこ
とにより、図１中の制御弁１３が「閉」のとき、標準ガ
スタービン通過ガス量増大に伴って圧力上昇を招き、圧
縮機２から供給される空気量は、標準圧縮機特性性能Ｒ
ｓ上を移動し、点ｃで空気量はＧ１に減少する。In the normal operation of the standard gas turbine 1, the compressor 2 and the normal turbine 4 are matched at the point A on the standard compressor characteristic curve Rs. Under this circumstance, the injection steam amount Gs from the waste heat boiler 9 is taken into consideration, so that when the control valve 13 in FIG. 1 is “closed”, the pressure rises as the standard gas turbine passing gas amount increases. , The amount of air supplied from the compressor 2 is the standard compressor characteristic performance R
Moving on s, the amount of air decreases to G1 at point c.

【００２５】噴射蒸気量Ｇｓは、標準ガスタービン抵抗
線Ｌｓによって決められる蒸気噴射に伴う標準圧縮機吐
出圧力ＣＤＰｓ′の交差点ｃ′で示すＧｓ＋Ｇ１（＝Ｇ
ｔ）である。The injection steam amount Gs is Gs + G1 (= G), which is indicated by the intersection c'of the standard compressor discharge pressure CDPs' associated with the steam injection determined by the standard gas turbine resistance line Ls.
t).

【００２６】ｃ点は、圧縮機２のサージングラインを越
えた点に存在するため、ガスタービンは、不安定な運転
となり、危険である。制御弁１３は、ＣＤＰｓ′になら
ないように開度調整して標準ガスタービン圧縮機定格吐
出圧力ＣＤＰｓを維持するように作動する。Since point c exists at a point beyond the surging line of the compressor 2, the gas turbine becomes unstable in operation and is dangerous. The control valve 13 operates so as to maintain the standard gas turbine compressor rated discharge pressure CDPs by adjusting the opening so as not to become CDPs'.

【００２７】次に、補助ガスタービン単独の抵抗線Ｌａ
を示し、ＣＤＰｓと交差するａａ点の風量Ｇａに相当す
る補助ガスタービン１７の単独出力として発生する。両
者タービン合成抵抗線Ｌｃのａａａ点、即ち、前述の噴
射蒸気量Ｇｓが標準時の風量に加わった点である。ここ
で、合成タービン出力相当の風量（＝Ｇｏ＋Ｇｓ）を示
すこととなる（但し、補助ガスタービン燃焼器１１に供
給される燃料量を無視する）。Next, the resistance line La of the auxiliary gas turbine alone
Is generated and is generated as an independent output of the auxiliary gas turbine 17 corresponding to the air volume Ga at the point aa intersecting the CDPs. Both points are points aaa of the turbine combined resistance line Lc, that is, the point where the above-mentioned injected steam amount Gs is added to the standard air amount. Here, the amount of air corresponding to the combined turbine output (= Go + Gs) is shown (however, the amount of fuel supplied to the auxiliary gas turbine combustor 11 is ignored).

【００２８】結局、標準ガスタービンの風量Ｇｏに対
し、噴射蒸気量Ｇｓが加算された風量は、ＣＤＰｓ状態
で圧縮機の安定運転が可能である。After all, the air volume obtained by adding the injection steam volume Gs to the air volume Go of the standard gas turbine enables stable operation of the compressor in the CDPs state.

【００２９】なお、噴射蒸気量は、蒸気需要に応じて変
化するため、補助ガスタービン１７は、部分負荷を余儀
なくされること、また、小容量のため、極力、一定入口
圧力を維持した運転が好ましい。そこで、標準ガスター
ビン１の圧縮器２にインレットガイドベーン又は可変静
翼などの風量可変制御機構２３′（図２参照）が具備さ
れる、また、補助タービン１７に同風量可変制御機構２
３（図１参照）が具備される。Since the amount of injected steam changes according to steam demand, the auxiliary gas turbine 17 is forced to have a partial load, and because of its small capacity, it can be operated while maintaining a constant inlet pressure as much as possible. preferable. Therefore, the compressor 2 of the standard gas turbine 1 is provided with an air flow rate variable control mechanism 23 '(see FIG. 2) such as an inlet guide vane or a variable vane, and the auxiliary turbine 17 has the same air volume variable control mechanism 2'.
3 (see FIG. 1).

【００３０】このコージェネレーションシステムの適用
により、標準機に対し、出力は約７０％向上し、効率で
３２％の改善が得られた。By applying this cogeneration system, the output was improved by about 70% and the efficiency was improved by 32% with respect to the standard machine.

【００３１】なお、図３中、Ｇａは補助タービン通気
量、Ｌｓ′は標準タービンの仮想抵抗線である。In FIG. 3, Ga is the auxiliary turbine air flow rate, and Ls' is the virtual resistance line of the standard turbine.

【００３２】[0032]

【発明の効果】上記のように、本発明は、標準ガスター
ビンによって駆動される発電機で発電する一方、前記標
準ガスタービンから排出される排ガスから廃熱回収して
蒸気を発生させるコージェネレーションシステムにおい
て、前記標準ガスタービンに補助ガスタービンを併設
し、前記標準ガスタービンを構成している圧縮機から燃
焼器に至る高圧空気供給路に蒸気混合器を設け、蒸気の
需要が少なくなった時、前記蒸気混合器に余剰蒸気を導
入し、余剰蒸気と高圧空気が混合した混合ガスと燃料と
を補助ガスタービンの燃焼器に供給して燃焼させ、その
燃焼ガスによって前記補助ガスタービンを駆動して発電
に供するようにしたので、熱需要の変化に対応可能なタ
ービンでありながら、通常運転点時における性能低下が
生じないようになり、安定した運転が可能になった。As described above, the present invention is a cogeneration system for generating steam with a generator driven by a standard gas turbine while recovering waste heat from exhaust gas discharged from the standard gas turbine. In the above, a standard gas turbine is provided with an auxiliary gas turbine, a steam mixer is provided in a high-pressure air supply path from a compressor that constitutes the standard gas turbine to a combustor, and when the demand for steam is reduced, Introducing surplus steam into the steam mixer, supplying mixed gas and fuel in which surplus steam and high-pressure air are mixed to a combustor of an auxiliary gas turbine for combustion, and driving the auxiliary gas turbine by the combustion gas. Since it is used for power generation, it is a turbine that can respond to changes in heat demand, but performance will not deteriorate at the normal operating point. It has enabled stable operation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明に係る熱電可変合成ガスタービンの概略
図である。FIG. 1 is a schematic view of a thermoelectric variable synthesis gas turbine according to the present invention.

【図２】本発明に係る熱電可変合成ガスタービンの概略
図である。FIG. 2 is a schematic view of a thermoelectric variable synthesis gas turbine according to the present invention.

【図３】横軸に風量、縦軸に圧縮機吐出圧力（ＣＤＰ）
を採った作動状況図である。[FIG. 3] The horizontal axis represents the air flow rate and the vertical axis represents the compressor discharge pressure (CDP)
FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 標準ガスタービン ２ 圧縮機 ３ 燃焼器 ５ 高圧空気供給路 ６ 蒸気混合器 ８ 発電機 １１ 補助ガスタービンの燃焼器 １７ 補助ガスタービン １９ 補助ガスタービン ｄ′高圧空気 ｅ′燃料 ｆ′燃焼ガス ｇ 排ガス ｈ 蒸気 ｉ 混合ガス 1 Standard gas turbine 2 compressor 3 combustor 5 High pressure air supply path 6 steam mixer 8 generator 11 Combustor of auxiliary gas turbine 17 Auxiliary gas turbine 19 Auxiliary gas turbine d'high pressure air e'fuel f'combustion gas g Exhaust gas h steam i mixed gas

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｐ 9/04 Ｈ０２Ｐ 9/04 Ｆ Ｐ Ｆターム(参考） 5H590 AA01 AA03 AA04 CA08 CA29 CE01 EB21 EB29 FA01 FA05 GA04 HA02 HA04 HA18 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H02P 9/04 H02P 9/04 FPF Term (reference) 5H590 AA01 AA03 AA04 CA08 CA29 CE01 EB21 EB29 FA01 FA05 GA04 HA02 HA04 HA18

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 標準ガスタービンによって駆動される発
電機で発電する一方、前記標準ガスタービンから排出さ
れる排ガスから廃熱回収して蒸気を発生させるコージェ
ネレーションシステムにおいて、前記標準ガスタービン
に補助ガスタービンを併設し、前記標準ガスタービンを
構成している圧縮機から燃焼器に至る高圧空気供給路に
蒸気混合器を設け、蒸気の需要が少なくなった時、前記
蒸気混合器に余剰蒸気を導入し、余剰蒸気と高圧空気が
混合した混合ガスと燃料とを補助ガスタービンの燃焼器
に供給して燃焼させ、その燃焼ガスによって前記補助ガ
スタービンを駆動して発電に供することを特徴とする熱
電可変合成ガスタービン。1. In a cogeneration system for generating steam by recovering waste heat from exhaust gas discharged from the standard gas turbine while generating electricity with a generator driven by the standard gas turbine, an auxiliary gas is supplied to the standard gas turbine. A steam mixer is installed in the high-pressure air supply path from the compressor that composes the standard gas turbine to the combustor, and a surplus steam is introduced into the steam mixer when the steam demand decreases. However, a mixed gas of excess steam and high-pressure air and fuel are supplied to a combustor of an auxiliary gas turbine for combustion, and the auxiliary gas turbine is driven by the combustion gas for power generation. Variable synthesis gas turbine. 【請求項２】 標準ガスタービンと補助ガスタービンに
よって両者共通の発電機を駆動する請求項１記載の熱電
可変合成ガスタービン。2. The thermoelectric variable synthesis gas turbine according to claim 1, wherein a generator common to both the standard gas turbine and the auxiliary gas turbine is driven. 【請求項３】 標準ガスタービンと補助ガスタービンに
よって両者独自の発電機をそれぞれ駆動する請求項１記
載の熱電可変合成ガスタービン。3. The thermoelectric variable synthesis gas turbine according to claim 1, wherein a generator unique to each of them is driven by a standard gas turbine and an auxiliary gas turbine. 【請求項４】 標準ガスタービンと補助ガスタービンと
から排出された排ガスを両者共通の廃熱ボイラに供給す
る請求項１記載の熱電可変合成ガスタービン。4. The thermoelectric variable synthesis gas turbine according to claim 1, wherein the exhaust gas discharged from the standard gas turbine and the auxiliary gas turbine is supplied to a common waste heat boiler.
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