JP2020159324A - タービンシステム - Google Patents
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Abstract
Description
上述したタービンシステムでは、夏季等で吸気温度が上昇している場合、圧縮機への燃焼用空気の取り込み量が減少することから、タービンの軸出力が低下する。即ち、吸気温度が高いほど、タービンの軸出力が低下し、熱効率が低下することになる。
このため、上記特許文献1に開示の技術にあっては、吸気路の内部に水を噴霧して吸気温度を低下させて吸気密度を増加させることで、タービンの軸出力の低下を抑制している。
一方、上記特許文献1に開示の技術において、燃焼用空気が高湿度の場合で、吸気路に水を噴霧しない場合には、特に出力低下が見込まれる夏季等において、吸気温度を低下させることができず、改善の余地があった。
吸気路に取り入れた燃焼用空気を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機にて圧縮された燃焼用空気を燃料と共に燃焼させる燃焼器と、前記圧縮機と同軸に構成されると共に前記燃焼器から排出される排気により回転して前記圧縮機を回転駆動するタービンとを備えると共に、前記吸気路を通流する燃焼用空気から熱回収する熱回収機構を備えるタービンシステムであって、その特徴構成は、
前記熱回収機構として、前記吸気路を通流する燃焼用空気と当該燃焼用空気よりも低温の冷却媒体とを熱交換させる形態で燃焼用空気の熱を回収する熱交換器を有する第1熱回収部と、前記吸気路に水を噴霧する形態で燃焼用空気から当該水の蒸発潜熱を回収する第2熱回収部とを備え、
前記吸気路の内部において、燃焼用空気の通流方向で前記熱回収機構の下流側を通流する燃焼用空気の湿度に関連する第1湿度関連値を計測する第1湿度関連値計測部を備え、
前記第1湿度関連値計測部にて計測された前記第1湿度関連値が、燃焼用空気の湿度が高いと判定される閾値である高湿度判定閾値以上のときに、前記第1熱回収部のみを働かせる第1熱回収制御を実行すると共に、前記第1湿度関連値計測部にて計測された前記第1湿度関連値が、前記高湿度判定閾値未満のときに、少なくとも前記第2熱回収部を働かせる第2熱回収制御を実行する熱回収制御部を備える点にある。
一方、燃焼用空気の湿度関連値が比較的高い高湿度判定閾値以上のときには、水噴霧を行うと燃焼用空気に含まれる水蒸気量が飽和水蒸気量に達し易いことから、第1熱回収部の熱交換器にて燃焼用空気と冷却冷媒と熱交換する形態で、吸気路の燃焼用空気の熱を回収する第1熱回収制御を実行するから、燃焼用空気に水蒸気が噴霧されず、湿分を追加されないため、燃焼用空気の第1湿度関連値の上昇を抑制しながら、燃焼用空気から熱を回収することができる。
更に言えば、第1熱回収制御では、燃焼用空気に含まれる水蒸気の凝縮潜熱を回収でき、燃焼用空気に含まれる水蒸気量を低下でき、燃焼用空気の比熱を低下できるから、燃焼器でのピーク温度を上昇させ、膨張した燃焼排ガスによりタービンを回転させて得られる軸出力の増加を見込むことができる。
結果、外気の湿度に応じて吸気からの熱回収を適切に実行することで、タービンに損傷が発生するリスクを十分に低下しつつも熱効率の向上を図るとことができるタービンシステムを実現できる。
尚、本明細書において、第1湿度関連値計測部にて計測される第1湿度関連値は、相対湿度を含む概念であるが、絶対湿度等の他の概念を排除するものでないものとする。
前記吸気路の内部において、前記通流方向で前記熱回収機構の下流側を通流する燃焼用空気の温度を計測する温度計測部を備え、
前記熱回収制御部は、前記第2熱回収制御において、前記温度計測部にて計測される燃焼用空気の温度が高いほど、前記第2熱回収部による水の噴霧量を増加する第1噴霧量増加処理を実行する点にある。
上記特徴構成によれば、熱回収制御部は、第2熱回収制御において、温度計測部にて計測される燃焼用空気の温度が高いほど、第2熱回収部による水の噴霧量を増加する第1噴霧量増加処理を実行するから、吸気温度が高くタービンの軸出力の低下量が大きい場合ほど、水の蒸発潜熱による燃焼用空気の冷却度を高めることで、タービンの軸出力の低下を抑制して、吸気温度の変動に伴うタービンの軸出力の変動を低下でき、吸気温度が高い場合であっても、吸気温度の低い通常時の出力に近い出力を得ることができる。
前記吸気路の内部において、前記通流方向で前記熱回収機構の下流側を通流する燃焼用空気の温度を計測する温度計測部を備え、
前記熱回収制御部は、前記温度計測部にて計測される燃焼用空気の温度が、吸気温度が高いと判定する閾値である高温判定閾値以上であると判定した場合、
前記第2熱回収制御において、前記第1湿度関連値計測部にて計測される前記第1湿度関連値が低いほど、前記第2熱回収部による水の噴霧量を増加する第2噴霧量増加処理を実行する点にある。
このような場合、上記特徴構成によれば、熱回収制御部は、第2熱回収制御において、第1湿度関連値計測部にて計測される第1湿度関連値が低いほど、第2熱回収部による水の噴霧量を増加する第2噴霧量増加処理を実行するから、第1湿度関連値が低く、燃焼用空気に含まれる水蒸気が飽和水蒸気量に達する可能性が低いほど水噴霧量を増加することで、圧縮機へ液状の水が導かれるリスクを低下しながらも吸気温度の効果的に低下できる。
前記第1熱回収部は、水を冷却媒体として前記熱交換器へ通流させるものであり、
前記吸気路の内部において、前記通流方向で上流側から前記第1熱回収部と前記第2熱回収部とを記載の順に備え、
前記第1熱回収部の前記熱交換器にて燃焼用空気と熱交換した後の水を、前記第2熱回収部にて噴霧される水として導く水通流路を備える点にある。
また、第2熱回収部で噴霧する水を加熱する加熱器を設ける必要がなく、コンパクトな構成で経済性の向上を図りながらも、水噴霧による圧縮機の損傷リスクを低減できる。
更に、上記特徴構成によれば、第2熱回収部に導かれる燃焼用空気は、第1熱回収部での第1熱回収制御にて一部の水蒸気が凝縮され除去されたものであるから、第2熱回収部での水噴霧による水をより効果的に蒸発させて、圧縮機への液状の水の流入をより効果的に防ぐことができる。
以下、図面に基づいてタービンシステム100について説明する。
タービンTBの回転軸AXには、圧縮機CPに加えて発電機Gが連結されており、当該発電機Gにて発電された電力は、タービンシステム100の圧送ポンプP等の補機等を駆動するのに用いられると共に、外部に給電可能に構成されている。
タービンTBを通過した後の排ガスEは、排気路EHを通過するのであるが、当該排気路EHには、排ガスEの排熱を用いて給水Wを過熱して蒸気Stを発生させる排ガスボイラ60が設けられている。説明を追加すると、排ガスボイラ60は、複数の蒸気生成管が配設された蒸気生成部62と、当該蒸気生成部62の下流側に配置されると共に複数の湯水加熱管が配置された湯水予熱部61とが、排気路EHに設けられる形で備えられ、湯水予熱部61の湯水加熱管は蒸気生成部62の蒸気生成管に連通接続されている。
吸気路ITを通流する燃焼用空気Aから熱回収する熱回収機構NKとして、吸気路ITを通流する燃焼用空気Aと当該燃焼用空気Aよりも低温の冷却媒体とを熱交換させる形態で燃焼用空気Aの熱を回収する熱交換器HEを有する第1熱回収部NK1と、吸気路ITに水を噴霧する形態で燃焼用空気Aから当該水の蒸発潜熱を回収する第2熱回収部NK2とを備えている。当該第1熱回収部NK1と第2熱回収部NK2とは、吸気路ITの内部において、燃焼用空気Aの通流方向で上流側から記載の順に設けられている。
説明を追加すると、第1熱回収部NK1は、冷却部にて冷却された冷却媒体を熱交換器HEへ導くように構成されている。具体的には、冷却部としてのヒートポンプHの蒸発器H4と熱交換器HEとの間で冷却媒体を通流可能な冷却媒体循環路C1と、当該冷却媒体循環路C1で冷却媒体を圧送する圧送ポンプPを備えている。
ヒートポンプHは、冷媒を圧縮する圧縮機H1と、圧縮機H1にて圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器H2と、凝縮器H2にて凝縮された冷媒を膨張する膨張弁H3と、冷却媒体循環路C1を通流する冷却媒体と熱交換する形態で膨張弁H3にて膨張された冷媒を蒸発する蒸発器H4と、圧縮機H1と凝縮器H2と膨張弁H3と蒸発器H4とに冷媒を循環する冷媒循環路C2とを備えて構成されている。
更に、冷却媒体循環路C1には、熱交換器HEから蒸発器H4へ冷却媒体が通流する流路部位において三方弁Vが設けられると共に、冷却媒体循環路C1を通流する冷却媒体を第2熱回収部NK2の側へ導く分岐路Bが設けられている。分岐路Bの下流側には、吸気路ITの内部に冷却媒体を噴霧する複数の噴射口IJが第2熱回収部NK2として備えられている。
第2熱回収部NK2では、複数の噴射口IJから冷却冷媒を吸気路ITの内部へ噴霧するため、吸気路ITの内壁やその下流側の圧縮機CPへの悪影響を避けるため、冷却媒体として純水が供給される。
具体的には、冷却媒体循環路C1には、外部から供給される給水Wを純水化する純水製造装置JPからの純粋を供給する純水供給路が連通接続されており、第2熱回収部NK2の噴射口IJからの純水の噴射量に応じて、純水供給路から純水が供給されるよう制御される。
即ち、冷却媒体循環路C1及び分岐路Bが水通流路として機能する。
ここで、表1における温度域及び相対湿度域について、一例を挙げると、低温度域は15℃未満であり、中温度域は15℃以上25℃未満であり、高温度域は25℃以上であり、低湿度域は70%以下であり、中湿度域は70%を超えて80%以下であり、高湿度域は80%を超えて90%以下であり、超高湿度域は90%を超える湿度域である。
また、第2熱回収制御は、第1熱回収制御に加えて第2熱回収部NK2としての噴射口IJから冷却媒体としての水を噴霧する制御、又は第1熱回収制御を実行せずに冷却部での冷却媒体の冷却を停止した状態で第2熱回収部NK2としての噴射口IJから冷却媒体を噴霧する制御の何れか一方である。
具体的には、熱回収制御部は、表1に示すように、低湿度域においては、低温度域で第2熱回収制御を実行せず噴霧量を零とし、中温度域で少ない噴霧量で第2熱回収制御を実行し、高温度域で多い噴霧量で第2熱回収制御を実行する。
中湿度域においては、低温度域で第2熱回収制御を実行せず噴霧量を零とし、中温度域で少ない噴霧量で第2熱回収制御を実行し、高温度域で中程度の噴霧量で第2熱回収制御を実行する。
高湿度域においては、低温度域で第2熱回収制御を実行せず噴霧量を零とし、中温度域及び高温度域で少ない噴霧量で第2熱回収制御を実行する。
具体的には、表1に示すように、第1温度センサTaにて計測される温度が高温度域である場合、高湿度域では少ない噴霧量で第2熱回収制御を実行し、中湿度域では中程度の噴霧量で第2熱回収制御を実行し、低湿度域では多い噴霧量で第2熱回収制御を実行する。
(1)上記実施形態においては、第1湿度センサHaにて計測された相対湿度が、高湿度判定閾値未満のときには、第2熱回収部NK2のみを働かせる構成例を示したが、第2熱回収部NK2に加えて第1熱回収部NK1を働かせる制御を実行しても構わない。
他の構成例として、圧縮機駆動用のタービンとは別に出力用のタービンを有する、所謂、2軸式のタービンであっても本発明を有効に適用可能である。
また、外部への軸出力を持たず、ジェット噴流を利用して推進力を得るターボジェットエンジン等においても本発明を好適に適用することが可能である。
即ち、第1湿度センサHaの相対湿度を計測するのに伴って計測される温度を、第1温度センサTaにて計測される温度に代えて用いても構わない。
また、第1湿度センサHaは、第1湿度関連値として相対湿度を計測するものであるとしたが、絶対湿度を計測するものであっても構わない。
A :燃焼用空気
AX :回転軸
F :燃料
H :ヒートポンプ
HE :熱交換器
Ha :第1湿度センサ
IT :吸気路
NK :熱回収機構
NK1 :第1熱回収部
NK2 :第2熱回収部
P :圧送ポンプ
S :制御装置
St :蒸気
TB :タービン
Ta :第1温度センサ
W :給水
Claims (4)
- 吸気路に取り入れた燃焼用空気を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機にて圧縮された燃焼用空気を燃料と共に燃焼させる燃焼器と、前記圧縮機と同軸に構成されると共に前記燃焼器から排出される排気により回転して前記圧縮機を回転駆動するタービンとを備えると共に、前記吸気路を通流する燃焼用空気から熱回収する熱回収機構を備えるタービンシステムであって、
前記熱回収機構として、前記吸気路を通流する燃焼用空気と当該燃焼用空気よりも低温の冷却媒体とを熱交換させる形態で燃焼用空気の熱を回収する熱交換器を有する第1熱回収部と、前記吸気路に水を噴霧する形態で燃焼用空気から当該水の蒸発潜熱を回収する第2熱回収部とを備え、
前記吸気路の内部において、燃焼用空気の通流方向で前記熱回収機構の下流側を通流する燃焼用空気の湿度に関連する第1湿度関連値を計測する第1湿度関連値計測部を備え、
前記第1湿度関連値計測部にて計測された前記第1湿度関連値が、燃焼用空気の湿度が高いと判定される閾値である高湿度判定閾値以上のときに、前記第1熱回収部のみを働かせる第1熱回収制御を実行すると共に、前記第1湿度関連値計測部にて計測された前記第1湿度関連値が、前記高湿度判定閾値未満のときに、少なくとも前記第2熱回収部を働かせる第2熱回収制御を実行する熱回収制御部を備えるタービンシステム。 - 前記吸気路の内部において、前記通流方向で前記熱回収機構の下流側を通流する燃焼用空気の温度を計測する温度計測部を備え、
前記熱回収制御部は、前記第2熱回収制御において、前記温度計測部にて計測される燃焼用空気の温度が高いほど、前記第2熱回収部による水の噴霧量を増加する第1噴霧量増加処理を実行する請求項1に記載のタービンシステム。 - 前記吸気路の内部において、前記通流方向で前記熱回収機構の下流側を通流する燃焼用空気の温度を計測する温度計測部を備え、
前記熱回収制御部は、前記温度計測部にて計測される燃焼用空気の温度が、吸気温度が高いと判定する閾値である高温判定閾値以上であると判定した場合、
前記第2熱回収制御において、前記第1湿度関連値計測部にて計測される前記第1湿度関連値が低いほど、前記第2熱回収部による水の噴霧量を増加する第2噴霧量増加処理を実行する請求項1又は2に記載のタービンシステム。 - 前記第1熱回収部は、水を冷却媒体として前記熱交換器へ通流させるものであり、
前記吸気路の内部において、前記通流方向で上流側から前記第1熱回収部と前記第2熱回収部とを記載の順に備え、
前記第1熱回収部の前記熱交換器にて燃焼用空気と熱交換した後の水を、前記第2熱回収部にて噴霧される水として導く水通流路を備える請求項1〜3の何れか一項に記載のタービンシステム。
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