JP2006118368A - Gas turbine power generation facility - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービン装置により発電機を駆動する発電設備、ことに、発電機を駆動するマイクロガスタービンと呼ばれる小型のガスタービン装置を備え、小規模工場、店舗、医療施設等において商用電力と併用しながら使用される発電設備に関する。 The present invention comprises a power generation facility for driving a generator by a gas turbine device, and in particular, a small gas turbine device called a micro gas turbine for driving the generator, and commercial power in a small factory, store, medical facility, etc. It relates to power generation equipment used in combination.
昨今の電力事情の変化に伴って、電力会社から供給される商用電力の利用について見直しが行われ、電力コストなどの問題から、小規模工場あるいは店舗等では分散電力となる自家用発電設備を設置する事例が増加している。このような自家用発電設備には、発電機を駆動する原動機が設けられ、発電機は、例えば照明、空調、冷凍機などの工場、店舗等の電力負荷をまかなうと同時に、商用電力と接続されて余剰電力を商用電力側に供給できるようになっている。発電機の駆動には、通常、燃料を燃焼させて動力を発生する熱機関が用いられ、最近では、マイクロガスタービンを熱機関として利用する自家発電設備が注目されている。 Along with recent changes in the power situation, the use of commercial power supplied from electric power companies has been reviewed, and due to problems such as power costs, private power generation facilities that will be distributed power will be installed in small-scale factories or stores. Cases are increasing. Such a private power generation facility is provided with a prime mover for driving a generator, and the generator is connected to commercial power at the same time as, for example, a lighting, air conditioning, refrigerator, etc. factory, store, etc. Surplus power can be supplied to the commercial power side. In order to drive the generator, a heat engine that normally generates power by burning fuel is used. Recently, a private power generation facility that uses a micro gas turbine as a heat engine has attracted attention.
ガスタービン装置は、圧縮機、燃焼器及びタービンを備え、圧縮機により圧縮された空気中で燃料を連続的に燃焼させ、発生した燃焼ガスによりタービンを回転させる連続燃焼式内燃機関である。ガスタービン装置には、圧縮機を駆動するタービンと発電機等の負荷を駆動するタービンとをそれぞれ独立に備えた、いわゆる２軸式のガスタービン装置も存在する。こうしたガスタービン装置は、ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンと比べると、小型軽量であり各種の燃料が使用可能で、かつ、排気ガス中の有害成分の量が少なく環境特性にも優れている。しかし、ガスタービン装置、特にマイクロガスタービンのような小型のガスタービン装置は、熱効率の面ではディーゼルエンジン等に比較して劣るため、その改善が要望されている。 The gas turbine device is a continuous combustion internal combustion engine that includes a compressor, a combustor, and a turbine, continuously burns fuel in air compressed by the compressor, and rotates the turbine by generated combustion gas. There is also a so-called two-shaft gas turbine apparatus that includes a turbine that drives a compressor and a turbine that drives a load such as a generator, independently of each other. Such a gas turbine device is smaller and lighter than a diesel engine or a gasoline engine, can use various fuels, has a small amount of harmful components in exhaust gas, and has excellent environmental characteristics. However, gas turbine devices, particularly small gas turbine devices such as micro gas turbines, are inferior to diesel engines and the like in terms of thermal efficiency, and therefore there is a need for improvement.
ガスタービン装置の熱効率を向上させるには、タービン入口温度を上昇させる手段があるが、タービン入口温度を上昇させるとタービンの熱負荷が増大し、ジェットエンジンのような中空冷却翼又は特殊な耐熱材料の採用が困難なマイクロガスタービンでは、入口温度の上昇にも限界がある。熱効率向上の手段としては、タービン排気ガスの熱により圧縮機出口の空気の温度を上昇させる再生熱交換器を設置し、いわゆる再生サイクルを構成する手段もある。 In order to improve the thermal efficiency of the gas turbine device, there is a means for increasing the turbine inlet temperature. However, if the turbine inlet temperature is increased, the thermal load of the turbine increases, and a hollow cooling blade such as a jet engine or a special heat resistant material is used. In a micro gas turbine that is difficult to adopt, there is a limit to an increase in inlet temperature. As a means for improving the thermal efficiency, there is also a means for configuring a so-called regeneration cycle by installing a regeneration heat exchanger that raises the temperature of the air at the compressor outlet by the heat of the turbine exhaust gas.
また、タービン排気ガスを熱源とする排熱ボイラを設置して蒸気を発生し、タービンを駆動する作動流体、例えば燃焼ガス中に導入してタービン出力を増大させることにより、排熱を回収する形でガスタービン装置の熱効率を増加させることも知られている。特開平９−２０３３２７号公報に示されるガスタービン発電装置は、排熱ボイラにより発生した蒸気を加熱、空調等の設備にプロセス蒸気として利用するとともに、ガスタービンの作動流体中にも噴射して、プラント全体の熱利用効率を改善するコージェネレーション設備であって、以下、この公報に開示された技術を図５により説明する。 In addition, a waste heat boiler that uses turbine exhaust gas as a heat source is installed to generate steam and introduced into a working fluid that drives the turbine, for example, combustion gas, to increase turbine output, thereby recovering exhaust heat. It is also known to increase the thermal efficiency of the gas turbine device. The gas turbine power generator disclosed in JP-A-9-203327 uses steam generated by an exhaust heat boiler as process steam for equipment such as heating and air conditioning, and also injects it into the working fluid of the gas turbine, A cogeneration facility that improves the heat utilization efficiency of the entire plant, and the technique disclosed in this publication will be described below with reference to FIG.
ガスタービン装置は、圧縮機１、燃焼器２及びタービン３を備え、圧縮機１で圧縮された空気は燃焼器２に導かれ、ここで燃料を燃焼させ、生じた燃焼ガスによりタービン３が駆動される。タービン３は圧縮機１を駆動すると同時に減速機５１を介して発電機４を駆動し、必要な電力を発生させる。
The gas turbine device includes a compressor 1, a combustor 2, and a turbine 3, and air compressed by the compressor 1 is guided to the combustor 2, where fuel is burned, and the turbine 3 is driven by the generated combustion gas. Is done. The turbine 3 drives the compressor 1 and simultaneously drives the generator 4 via the
タービン３の排気ガスは未だ相当の高温である。この排熱を回収するため、排気ガスの流路中に排熱ボイラ５を設置して蒸気を発生させる。発生した蒸気は管路５２からプロセス蒸気として熱利用装置に送られるとともに、管路５３を経てガスタービン装置の燃焼器２にも送られる。これらに送られる蒸気の量は、それぞれの管路に設置された調節弁により、プロセス蒸気の需要量等に応じて制御され、また、燃焼器２に送られる蒸気は、圧縮機１から吐出される高温の圧縮空気と熱交換してさらに昇温される。
The exhaust gas of the turbine 3 is still very hot. In order to recover this exhaust heat, an
圧縮空気によって昇温された蒸気は、管路５３から燃焼ガス中に噴射され燃焼ガスと混合してタービン３を駆動する。このように、排熱ボイラ5で発生した蒸気を、タービンを駆動する作動流体の一部とすることにより熱効率を改善することができる。なお、燃焼器２に蒸気を導入し噴射すると圧縮機１がサージングを起こす虞れがある。これを防ぐ目的で、この従来技術では、圧縮空気の一部を抽出しバイパスさせる管路５４を設置する。バイパスされた圧縮空気は蒸気との熱交換後タンク５５に貯留され、エア工具等の駆動用空気として利用される。
排熱ボイラを設置して蒸気を発生させ、タービンを駆動する燃焼ガスと混合して作動流体の量を増加したり、燃焼ガスの一部を置換すれば、タービン排熱を回収し動力に変換することとなるから、ガスタービン装置の熱効率を上昇させることができる。しかし、一般的なガスタービン装置では、単に蒸気噴射を行うと圧縮機がサージングを生じる虞れがあり、また、タービン入口がいわゆるチョーク状態になると体積流量がそれ以上は増加しないから、このようなガスタービン装置に排熱ボイラを付加し発生した蒸気を噴射しようとしても、圧縮空気等に円滑に蒸気を導入してタービンを駆動する作動流体の量を増大するのは困難である。 Install a waste heat boiler to generate steam, mix with the combustion gas that drives the turbine to increase the amount of working fluid, or replace part of the combustion gas to recover the turbine exhaust heat and convert it to power Therefore, the thermal efficiency of the gas turbine device can be increased. However, in a general gas turbine apparatus, there is a possibility that the compressor will surging if only steam injection is performed, and when the turbine inlet is in a so-called choke state, the volume flow rate does not increase any more. Even if an attempt is made to inject steam generated by adding a waste heat boiler to a gas turbine device, it is difficult to increase the amount of working fluid that drives the turbine by smoothly introducing steam into compressed air or the like.
また、自家発電設備などにおいて発電機の出力電力を商用電力の系統と接続し、商用電力側に余剰電力を供給するように構成するときは、発電機の出力周波数を５０サイクル又は６０サイクルに合致させる必要がある。つまり、ガスタービン装置により駆動される発電機の回転数は、商用電力が５０サイクルの周波数であれば３０００ｒｐｍとしなければならない。特許文献1にも、減速機により駆動される発電機の回転数を商用電力のサイクル数に合わせる旨の記載がある。 In addition, when the output power of the generator is connected to the commercial power system in a private power generation facility, etc., and the surplus power is supplied to the commercial power side, the generator output frequency matches 50 cycles or 60 cycles. It is necessary to let That is, the rotational speed of the generator driven by the gas turbine device must be 3000 rpm if the commercial power has a frequency of 50 cycles. Patent Document 1 also describes that the rotational speed of a generator driven by a speed reducer is matched to the number of commercial power cycles.
商用電力に接続する発電機において、排熱ボイラからの蒸気を噴射しタービンの出力を増大させるには、回転数が定まっているため作動流体の流量を増加させることとなるが、通常のガスタービン装置では、タービン入口のノズル部（最小流路面積部分）の面積は一定である。ノズル部の断面積及びタービンへの流入角度を変えることのできるいわゆる可変ノズル装置は公知であるけれども、１０００℃に近いタービン入口温度の下で作動させるため、可変ノズル装置は複雑で高価なものとなり、経済性を重視する自家発電装置に採用するのは好ましくない。 In a generator connected to commercial power, in order to inject steam from the exhaust heat boiler and increase the output of the turbine, the flow rate of the working fluid is increased because the rotational speed is fixed. In the apparatus, the area of the nozzle portion (minimum flow path area portion) at the turbine inlet is constant. Although a so-called variable nozzle device that can change the cross-sectional area of the nozzle section and the inflow angle into the turbine is known, the variable nozzle device is complicated and expensive because it operates under a turbine inlet temperature close to 1000 ° C. Therefore, it is not preferable to employ it in a private power generation apparatus that emphasizes economic efficiency.
他方、前記の特許文献1の従来技術では、燃焼器に蒸気を噴射するため圧縮空気をバイパスさせる。このような技術は、圧縮空気を利用する装置が手近にある工場等でないと圧縮空気を無駄に排出する結果となる。本発明は、排熱ボイラからの蒸気を噴射しタービンの出力を増大させ熱効率を向上させる手段を、簡易かつ効果的に、商用電力と接続されガスタービン装置を用いた自家発電設備に適用することを課題とする。 On the other hand, in the prior art disclosed in Patent Document 1, compressed air is bypassed to inject steam into the combustor. Such a technique results in wasteful discharge of the compressed air unless the device using the compressed air is in a nearby factory. The present invention applies a means for injecting steam from an exhaust heat boiler to increase the output of a turbine and improving thermal efficiency to a private power generation facility using a gas turbine device connected to commercial power in a simple and effective manner. Is an issue.
上記の課題に鑑み、本発明は、ガスタービン装置を原動機とし商用電力と接続される発電機を備えた発電設備の出力並びに熱効率を上昇させることを目的として、排熱ボイラにより蒸気を発生させ、これをタービンの作動流体中に噴射するとともに、発電機の出力電力をインバータにより周波数を変換して商用電力に接続するものである。すなわち、本発明は、
「圧縮機、タービン及び燃焼器を有するガスタービン装置と、前記ガスタービン装置の前記タービンにより駆動され商用電力に接続される発電機とを備えた発電設備において、
前記発電設備は、前記ガスタービン装置の排熱により蒸気を発生させる排熱ボイラを備えるとともに、前記排熱ボイラにより発生された蒸気が前記ガスタービン装置の前記タービンの上流に注入されるように構成され、かつ、
前記発電機は、その出力電力の周波数を変換するインバータを介して前記商用電力に接続されている」
ことを特徴とする発電設備となっている。
In view of the above problems, the present invention generates steam with an exhaust heat boiler for the purpose of increasing the output and thermal efficiency of a power generation facility equipped with a generator connected to commercial power using a gas turbine device as a prime mover, This is injected into the working fluid of the turbine, and the output power of the generator is converted into a frequency by an inverter and connected to commercial power. That is, the present invention
“In a power generation facility comprising a gas turbine device having a compressor, a turbine and a combustor, and a generator driven by the turbine of the gas turbine device and connected to commercial power,
The power generation facility includes an exhaust heat boiler that generates steam by exhaust heat of the gas turbine apparatus, and is configured such that the steam generated by the exhaust heat boiler is injected upstream of the turbine of the gas turbine apparatus. And
The generator is connected to the commercial power via an inverter that converts the frequency of its output power. ''
It is a power generation facility characterized by this.
請求項２に記載のように、前記ガスタービン装置の前記タービンは、前記圧縮機及び前記発電機を駆動するよう、それぞれを一体に連結する構成とすることができる。 According to a second aspect of the present invention, the turbine of the gas turbine apparatus may be configured to be integrally connected so as to drive the compressor and the generator.
前記ガスタービン装置には、請求項３に記載のように、前記排熱ボイラの上流に再生熱交換器を設け、前記タービンを駆動した後の排熱により前記圧縮機で圧縮した後の空気を昇温させることが好ましい。そして、このような構成としたときは、前記排熱ボイラにより発生された蒸気が、請求項４に記載のように、前記圧縮機の下流で、かつ、前記再生熱交換器の上流の空気に噴射される構成とすることができる。 As described in claim 3, the gas turbine device is provided with a regenerative heat exchanger upstream of the exhaust heat boiler, and the air after being compressed by the compressor by exhaust heat after driving the turbine. It is preferable to raise the temperature. And when it was set as such a structure, the vapor | steam produced | generated by the said exhaust heat boiler is downstream of the said compressor and upstream of the said regeneration heat exchanger as described in Claim 4. It can be set as the structure injected.
また、請求項５に記載のように、前記発電機を、永久磁石が設けられた回転子を有する永久磁石式発電機とすることが好ましい。
In addition, as described in
請求項６に記載のように、前記排熱ボイラに燃焼装置を設け、燃料を燃焼させることにより発生する蒸気の量を増加させることができる。さらに、前記排熱ボイラにより発生した蒸気を、前記ガスタービン装置の前記タービンの上流に注入するとともに、熱利用装置にも供給するよう構成してもよい。 According to a sixth aspect of the present invention, a combustion device is provided in the exhaust heat boiler, and the amount of steam generated by burning fuel can be increased. Furthermore, the steam generated by the exhaust heat boiler may be injected upstream of the turbine of the gas turbine apparatus and supplied to the heat utilization apparatus.
ガスタービン装置を用いた本発明の発電設備では、排熱ボイラをタービン下流に配置して蒸気を発生させ、その蒸気をタービン上流に噴射し注入するとともに、発電機の出力電力を、インバータを介して商用電力の系統に接続している。発電機に連結されたインバータでは、その出力電力の周波数を自由に設定することが可能であるから、発電機の回転数を商用電力の周波数に合わせる必要はない。したがって、例えば、タービンを圧縮機と発電機とに直結したガスタービン装置において、発電機の回転数を低下することにより、圧縮機の回転数を下げて圧縮空気の量を減少させ、蒸気の導入を可能とすることができる。前記の特許文献１に記載されたような圧縮空気をバイパスさせる手段は不要である。 In the power generation equipment of the present invention using a gas turbine device, an exhaust heat boiler is disposed downstream of the turbine to generate steam, and the steam is injected and injected upstream of the turbine, and the output power of the generator is supplied via an inverter. Connected to the commercial power system. In the inverter connected to the generator, it is possible to freely set the frequency of the output power, so it is not necessary to match the rotation speed of the generator with the frequency of the commercial power. Therefore, for example, in a gas turbine device in which a turbine is directly connected to a compressor and a generator, by reducing the rotational speed of the generator, the rotational speed of the compressor is reduced to reduce the amount of compressed air, and the introduction of steam Can be made possible. The means for bypassing the compressed air as described in Patent Document 1 is not necessary.
これによりガスタービン装置の出力及び熱効率を向上させることができる。つまり、ガスタービン装置の出力（発電機の出力）は、タービンが発生する出力と圧縮機の所要動力との差であって、
ガスタービン装置出力＝タービン発生出力−圧縮機所要動力 （１）
と表すことができる。圧縮機の回転数を下げ圧縮空気の量を減少させると、空気を圧縮するのに必要な圧縮機所要動力が低下し、その分、ガスタービン装置の出力が増加するとともに熱効率も増大する。つまり、タービンと圧縮機の回転数の低下によりタービン発生出力が減少するが、それ以上に圧縮機所要動力が減少する結果となる。また、蒸気を噴射することにより、排気ガス中の有害物質であるＮＯｘの濃度を低減することができる。
Thereby, the output and thermal efficiency of the gas turbine apparatus can be improved. In other words, the output of the gas turbine device (the output of the generator) is the difference between the output generated by the turbine and the required power of the compressor,
Gas turbine equipment output = turbine generation output-compressor power requirement (1)
It can be expressed as. When the rotation speed of the compressor is decreased and the amount of compressed air is reduced, the power required for the compressor required to compress the air is reduced, and the output of the gas turbine apparatus is increased correspondingly and the thermal efficiency is also increased. That is, although the turbine generation output decreases due to the decrease in the rotational speed of the turbine and the compressor, the required power of the compressor further decreases. Further, by injecting the steam, the concentration of NOx that is a harmful substance in the exhaust gas can be reduced.
請求項２の発明のように、ガスタービン装置のタービンにより圧縮機及び発電機を駆動するよう、それぞれを一体に連結する軸を有する構成とした場合、すなわち、一軸式のガスタービン装置に発電機を直結した場合には、発電設備全体が小型で単純化されたものとなり、ことに、マイクロガスタービンによる発電設備には好適である。 As in the second aspect of the invention, when the compressor and the generator are driven by the turbine of the gas turbine device, the shafts are integrally connected to each other, that is, the generator is added to the single-shaft gas turbine device. Are directly connected to each other, the entire power generation equipment is small and simplified, and is particularly suitable for power generation equipment using a micro gas turbine.
ガスタービン装置自体の熱効率をさらに改善するため、請求項３の発明のように、排熱ボイラの上流に再生熱交換器を設け、発電機を駆動した後の排熱により圧縮機で圧縮した後の空気を昇温させることができる。これは再生サイクルを構成させるものであって、排熱を回収することにより、圧縮機、燃焼器及びタービンのみから成る単純なガスタービン装置に比べ熱効率が高まることとなる。 In order to further improve the thermal efficiency of the gas turbine device itself, after the regenerative heat exchanger is provided upstream of the exhaust heat boiler and compressed by the compressor by exhaust heat after driving the generator, as in the invention of claim 3 The temperature of the air can be raised. This constitutes a regeneration cycle. By recovering the exhaust heat, the heat efficiency is increased as compared with a simple gas turbine device including only a compressor, a combustor, and a turbine.
また、請求項３の発明においては、排熱ボイラにより発生させた蒸気を再生熱交換器上流の圧縮空気中に注入する、つまり、請求項４の発明のように構成することが好ましい。この位置に蒸気を注入した場合、蒸気は比熱が大きいので再生熱交換器における回収熱量が大きくなり、熱効率の向上のうえで有効なものとなる。 In the invention of claim 3, it is preferable that the steam generated by the exhaust heat boiler is injected into the compressed air upstream of the regenerative heat exchanger, that is, as in the invention of claim 4. When steam is injected at this position, the steam has a large specific heat, so that the amount of heat recovered in the regenerative heat exchanger increases, which is effective in improving thermal efficiency.
マイクロガスタービンによる発電設備に用いる発電機としては、請求項５の発明のように、永久磁石が取付けられた回転子を有する永久磁石式発電機が適している。この発電機は、回転子には永久磁石による磁極を備えるのみでコイル等は存在しないため、回転子を単純な構成にすることができ、高速回転による大きな遠心力に耐える構造とすることが容易である。
As the generator used for the power generation facility using the micro gas turbine, a permanent magnet generator having a rotor with a permanent magnet attached thereto is suitable as in the invention of
請求項６の発明のように、排熱ボイラに燃焼装置を設け、蒸気量が不足するようなときはいわゆる追い炊きを行わせることにより、発生する蒸気の量を増加させることができる。また、熱利用装置を併設したプラントにおいては、請求項６の発明のように、排熱ボイラにより発生した蒸気を熱利用装置にも供給し、コージェネレーション設備としてさらに熱利用効率を改善することができる。
As in the sixth aspect of the present invention, the amount of generated steam can be increased by providing a combustion device in the exhaust heat boiler and causing so-called additional cooking when the amount of steam is insufficient. Further, in a plant equipped with a heat utilization device, steam generated by an exhaust heat boiler can be supplied to the heat utilization device as in the invention of
以下、図面によって本発明の発電設備について説明する。図１はマイクロガスタービンを利用した本発明の発電設備の概要を表す図であり、図２は本発明の変形例を表す図である。これらの図においては、図５に示す従来例の装置の機器、部品と対応するものについては同一の番号が付してある。 The power generation equipment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a power generation facility of the present invention using a micro gas turbine, and FIG. 2 is a diagram showing a modification of the present invention. In these drawings, the same numbers are assigned to the devices and parts of the conventional apparatus shown in FIG.
ガスタービン装置は、圧縮機１及びタービン３を備え、これらを連結する軸に発電機４が直結され、例えば９００００ｒｐｍを超える回転数で駆動されている。このガスタービン装置は再生サイクルとして構成されており、圧縮機１で圧縮された空気は、燃焼器２に導かれる前に再生熱交換器６においてタービン３の排気ガスが保有する熱によって昇温される。この圧縮空気は燃焼器２で燃料を燃焼させ、生じた燃焼ガスはタービン３の作動流体となる。
The gas turbine apparatus includes a compressor 1 and a turbine 3, and a generator 4 is directly connected to a shaft connecting the compressor 1 and the turbine 3, and is driven at a rotational speed exceeding, for example, 90000 rpm. This gas turbine device is configured as a regeneration cycle, and the air compressed by the compressor 1 is heated by the heat held by the exhaust gas of the turbine 3 in the
タービン３の排気ガスの通路には、再生熱交換器６の下流に排熱ボイラ５が設置される。排熱ボイラ５によって排気ガスの排熱を回収し、ここに供給される給水を加熱して蒸気を発生させる。発生した蒸気は、管路５３を介して再生熱交換器６の上流の圧縮空気中に噴射される。排熱ボイラ５には、図２に示されるように、燃焼装置５６を配置して燃料を燃焼させる「追い炊き」を行って、蒸気量を増加させたり蒸気温度を上昇させたりすることができる。また、自家発電設備に暖房施設等の熱利用装置が付属しているときは、管路５２及び調節弁を経て、発生蒸気をプロセス蒸気としてその熱利用装置にも送るようにすることができる。
An
マイクロガスタービンにより駆動される発電機４は永久磁石式発電機であり、永久磁石が取付けられたローター（回転子）と電機子コイルを設けたステーターとを有している。発電機４は整流器７及びインバータ８を介して電力負荷９に接続されるとともに商用電力にも接続されており、発電機4の余剰電力は商用電力側に提供される。そのため、発電機４の１０００Ｈｚを超える高周波数の出力電力は、整流器７により直流に変換された後、インバータ８により周波数と位相が調整されて商用電力の周波数と等しい周波数となる。このように、発電機４の回転数、つまり圧縮機１及びタービン３の回転数は、商用電力の周波数とは無関係に設定することが可能である。なお、電力負荷９には、商用電力からの電力も供給できるようになっている。
The generator 4 driven by the micro gas turbine is a permanent magnet generator, and has a rotor (rotor) to which a permanent magnet is attached and a stator provided with an armature coil. The generator 4 is connected to a
本発明のガスタービン装置においては、タービン３の入口温度及び圧力は、例えば９５０℃、０．４ＭＰａであり、発電機４の負荷が低下してもほぼ一定の入口温度を保つように制御されている。そして、本発明では、排ガスボイラ５の発生蒸気を作動流体中に噴射した際は、圧縮機１の回転数が低下しその吐出空気量が減少して、その代わりに作動流体中に蒸気が導入されることとなる。このときには、圧縮空気発生に必要な圧縮機１の所要動力も減少し、前述の式（１）から明らかなように、ガスタービン装置の出力すなわち発電機４の出力電力が増加する。ちなみに、発電機の回転数が一定に制限されている発電設備では、こうした効果は期待できない。
In the gas turbine apparatus of the present invention, the inlet temperature and pressure of the turbine 3 are, for example, 950 ° C. and 0.4 MPa, and are controlled to maintain a substantially constant inlet temperature even when the load on the generator 4 is reduced. Yes. And in this invention, when the vapor | steam generate | occur | produced in the
本発明によるガスタービン装置の出力の増大及び熱効率の向上について、図３並びに図４の実験データに基づき説明する。これらの図においては、蒸気を噴射しないときのデータが白三角のプロットで示され、蒸気噴射を行ったときのデータが黒四角のプロットで示されている。 The increase in output and the improvement in thermal efficiency of the gas turbine apparatus according to the present invention will be described based on the experimental data shown in FIGS. In these figures, data when steam is not injected is shown by a white triangle plot, and data when steam is injected is shown by a black square plot.
図３は、ガスタービン装置における圧縮機１の吸気温度が変化したときの、発電機４の出力の変化を測定したものである。この実施例のガスタービン装置では、発電機４の定格出力は６０Ｋｗであり、吸気温度が２０℃以下では出力を定格出力に制限する制御が実施されている。しかし、夏季等に吸気温度が２０℃を超えると、白三角のプロットに示されるとおり、吸気温度の上昇に応じて作動流体の質量流量が減少するため、発電機４の出力も低下してしまう。これに対し、本発明のように作動流体中に蒸気を噴射すると発電電力が増加する。例えば、吸気温度が３２℃のときに蒸気を噴射すると、圧縮空気に対する蒸気量の噴射比率の増大に応じて発電電力も増加し、４〜６％の蒸気量としたときには、ほぼ定格出力まで回復させることができる。 FIG. 3 shows the change in the output of the generator 4 when the intake air temperature of the compressor 1 in the gas turbine apparatus changes. In the gas turbine device of this embodiment, the rated output of the generator 4 is 60 Kw, and control is performed to limit the output to the rated output when the intake air temperature is 20 ° C. or lower. However, if the intake air temperature exceeds 20 ° C. in summer or the like, the mass flow rate of the working fluid decreases as the intake air temperature increases as shown by the white triangle plot, and the output of the generator 4 also decreases. . In contrast, when steam is injected into the working fluid as in the present invention, the generated power increases. For example, when steam is injected when the intake air temperature is 32 ° C., the generated power increases as the ratio of the steam volume to the compressed air increases, and when the steam volume is 4 to 6%, it almost recovers to the rated output. Can be made.
図４には、本発明によるガスタービン装置の熱効率向上の状況を示す。本来、ガスタービン装置の熱効率は、吸気温度の上昇に応じて白三角のプロットのように低下するが、吸気温度２２℃において蒸気を噴射したときも、あるいは３２℃において噴射したときも、圧縮空気に対する蒸気量の噴射比率の増大に応じて熱効率が増大する結果が得られる。ただし、出力自体は定格以上に増加しないような制御が実施されている。このように、熱効率はいかなる吸気温度についても蒸気噴射量にほぼ比例して増大し、噴射比率を６％とした場合は、３〜４％の熱効率向上を達成することができる。 FIG. 4 shows the state of improvement in thermal efficiency of the gas turbine apparatus according to the present invention. Originally, the thermal efficiency of the gas turbine apparatus decreases as a white triangle plot as the intake air temperature rises. However, when the steam is injected at an intake air temperature of 22 ° C. or when injected at 32 ° C., the compressed air As a result, the thermal efficiency increases as the injection ratio of the amount of steam with respect to increases. However, control is performed so that the output itself does not increase beyond the rating. Thus, the thermal efficiency increases almost in proportion to the steam injection amount for any intake air temperature, and when the injection ratio is 6%, a thermal efficiency improvement of 3 to 4% can be achieved.
ガスタービン装置が再生熱交換器６を備えているときは、再生熱交換器６の上流の圧縮空気に蒸気を噴射することが好ましい。このようにすると再生熱交換器６で回収する排気ガスの熱量が大となり、より一層熱効率を向上させることができる。再生熱交換器を備えていないガスタービン装置では、例えば燃焼器に蒸気を噴射することができる。また、蒸気を噴射することにより燃焼ガスの過度の温度上昇が抑制され、排気ガス中のＮＯｘの濃度を大幅に下げることができる。これを測定した結果では、蒸気の噴射比率を６％とした場合には、蒸気を噴射しないものと比較して、ＮＯｘの濃度が３分の１に低下するというデータが得られている。
When the gas turbine device includes the
以上詳述したように、本発明は、ガスタービン装置により駆動され商用電力と接続される発電機を備えた発電設備において、出力並びに熱効率を上昇させるため、排熱ボイラにより蒸気を発生させてタービンの作動流体中に噴射するとともに、発電機の出力電力をインバータにより周波数を変換して商用電力に接続するものである。したがって、ガスタービン装置としては１軸のものに限らず、発電機を駆動するタービンを独立して備えた２軸式ガスタービン装置についても、本発明を適用することができる。さらに、いわゆるピークロード用として発電所等に設置され系統電力に接続されたガスタービン装置に対しても、適用が可能である。 As described above in detail, in the power generation facility provided with the generator driven by the gas turbine device and connected to the commercial power, the present invention generates steam by the exhaust heat boiler to increase the output and the thermal efficiency. Are injected into the working fluid, and the output power of the generator is converted into frequency by an inverter and connected to commercial power. Therefore, the present invention can be applied not only to a single-shaft gas turbine apparatus but also to a 2-shaft gas turbine apparatus that is independently provided with a turbine that drives a generator. Furthermore, the present invention can also be applied to a gas turbine apparatus installed at a power plant or the like for so-called peak load and connected to the system power.
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 発電機
５ 排熱ボイラ
６ 再生熱交換器
７ 整流器
８ インバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor 2 Combustor 3 Turbine 4
Claims (7)
前記発電設備は、前記ガスタービン装置の排熱により蒸気を発生させる排熱ボイラ（５）を備えるとともに、前記排熱ボイラ（５）により発生された蒸気が前記ガスタービン装置の前記タービン（３）の上流に噴射されるように構成され、かつ、
前記発電機（４）は、その出力電力の周波数を変換するインバータ（８）を介して前記商用電力に接続されていることを特徴とする発電設備。 A power generation facility comprising a gas turbine device having a compressor (1), a turbine (3) and a combustor (2), and a generator (4) driven by the turbine of the gas turbine device and connected to commercial power In
The power generation facility includes an exhaust heat boiler (5) that generates steam by exhaust heat of the gas turbine device, and steam generated by the exhaust heat boiler (5) is generated in the turbine (3) of the gas turbine device. And is configured to be injected upstream of
The generator (4) is connected to the commercial power via an inverter (8) that converts the frequency of the output power.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110284971A (en) * | 2019-06-12 | 2019-09-27 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | Natural gas power system |
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2004
- 2004-10-19 JP JP2004304160A patent/JP2006118368A/en active Pending
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