JP3646834B2 - ガスタービン発電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力（又は動力）及び水蒸気を生成するガスタービンコージェネレーションの分野において使用され、省エネルギーを実現するガスタービン発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の二流体サイクルガスタービンの構成は、例えば図３に示すように、大気中から吸入された空気Ａが圧縮機１で圧縮されて燃焼器２に流入し、この圧縮空気は燃料Ｆの燃焼により高温の燃焼ガスとなり、タービン３に流入し、タービンで仕事をした燃焼ガスＥは排熱ボイラ４にて水蒸気を発生した後、大気中に排出される。燃焼器２には排熱ボイラ４で発生した水蒸気Ｓが噴射されタービン３に流入する燃焼ガスの流量を増大させかつ燃焼ガスの比熱を増大させてタービン３の出力を増大させる。このタービン３の発生する仕事は圧縮機１を駆動すると同時に発電機５を駆動し、電力を発生する。排熱ボイラの下流にはタービン排熱により加熱さる排熱ボイラ用給水加熱器６、及び煙突９が配置される。
【０００３】
一方、従来の再生サイクルガスタービンの構成は、例えば図４に示すように、タービン３の下流に熱交換器７が配置され、圧縮機１で圧縮された空気Ａがこの熱交換器７によりタービン排熱Ｅで予熱された後、燃焼器２に供給されるようになっており、燃焼器２に供給する圧縮空気の温度を高め、燃焼器２における燃料Ｆの消費を減少させる。
【０００４】
しかし、上述した二流体ガスタービン（図３）では、排熱ボイラ４で生成される水蒸気の全量を燃焼器２に噴射する場合、水蒸気の噴射量が吸気空気量の２０〜３０％にも達するため、▲１▼水蒸気の注入を停止するとタービンの流量が少なくなりすぎ、タービン効率が大幅な低下をきたし、熱効率が大幅に低下する問題点があり、かつ▲２▼注入水蒸気は排ガスと共に大気に捨てられるため注入する水蒸気量が多いほど注入水蒸気の製造のための原水等の費用が増大する問題点があった。
【０００５】
一方、上述した再生ガスタービン（図４）では、圧縮機１の出口温度が高いため、空気の予熱に限度があり、大幅な熱効率の向上が達成できないという問題点があった。かかる再生ガスタービンにおいては、圧縮機による圧縮空気が燃焼器に導入される前にその全量が熱交換器において排熱により予熱されるため、▲３▼熱交換器及びその前後の配管における圧力損失が熱効率を低下させる要因となる、▲４▼熱交換器の大きな熱容量が制御の応答性に問題を生じさせる、▲５▼負荷遮断時のタービンの過大速度（オーバースピード）を防止するために熱交換器をバイパスさせるためのバイパス弁８（図４参照）が相当大きくなる、等の問題点があった。
【０００６】
上述した問題点を解決するために、本発明の出願人は、図５に示すように、圧縮機１と燃焼器２とタービン３とからなるガスタービンと、水蒸気を駆動源として空気を昇圧しかつ両流体を混合する混合器１０と、混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器１２と、タービン排気を熱源として水を蒸発させる排熱ボイラ４と、圧縮機による圧縮空気の一部を燃焼器へ、その残部を混合器に導くための空気ライン１５と、排熱ボイラによる水蒸気の一部を混合器に送る主蒸気ライン１６と、混合器による混合ガスを過熱器を介して燃焼器に導くための混合ガスライン１７と、を備えた部分再生式二流体ガスタービンを創案し、出願した（特開平７−２４８９７４号公報）。これにより、燃焼器への注入水蒸気量を減少させることができ、かつ過熱器及びその前後の配管における圧力損失を低減し、熱効率の低下を防止することができるようになった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、図３〜図５に示した二流体サイクル、再生サイクル及び部分再生式二流体サイクルを適用し、ごみ焼却場から発生する余剰蒸気を用いたごみ発電システムが提案されている。このごみ発電システムでは、例えば図６に示すように、タービン３の排熱により余剰蒸気Ｓを加熱し、これをガスタービンの燃焼器２に供給することにより、タービン流量を増大させて、発電出力を増大させるとともに全体の熱効率を高めるようになっている。なお、かかるごみ発電システムは、▲１▼「蒸気噴射型ガスタービン方式スーパーごみ発電システムの性能特性とその具体的検討事例」（日本機械学会、第５回動力・エネルギー技術シンポジュウム’９６講演論文集、１９９６−１１−１３，１４）、▲２▼「蒸気噴射型ガスタービンを適用したごみ発電システムの性能特性」（第８回熱工学シンポジュウム、１９９５年７月７日）、等に開示されている。
【０００８】
上述した従来のごみ発電システムでは、圧縮機吸込み空気量Ｇａに対する噴射蒸気量Ｇｓ（単位空気量当たりの噴射蒸気量又は蒸気空気比率：α＝Ｇｓ／Ｇａ）を増すほどガスタービン全体の出力及び熱効率が向上する。従って、ごみ焼却場から発生する余剰蒸気が多い場合には、蒸気空気比率αをできるだけ大きくすることが望ましい。
【０００９】
しかし、従来のごみ発電システムでは、▲１▼圧縮機とタービンの組み合わせをそのままにした場合、蒸気空気比率αは、最大でも約２０〜３０％程度にすぎず、それ以上にすると圧縮機とタービンのマッチングが乱れ、発電機の一定回転駆動ができなくなる等の問題点があった。また、▲２▼圧縮機をそのままにし、タービンのみを相対的に大型化した場合には、蒸気空気比率αを例えば約５０〜６０％程度まで増大させることができるが、それ以上にタービンを大型化すると、ごみ焼却場が操業停止するような場合に、タービンの安定運転が困難となり、安定した電力供給ができなくなる問題点があった。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、余剰蒸気を利用して蒸気空気比率αを従来以上に大幅に増大させ、これによりガスタービン全体の出力及び熱効率を向上させることができ、かつ余剰蒸気が利用できない場合でも安定して電力供給ができるガスタービン発電装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、互いに連結された空気圧縮機及び第１タービンと、第１燃焼器とからなり、前記圧縮機による圧縮空気で燃料を燃焼させその燃焼ガスで第１タービンを駆動する第１ガスタービンと、第２タービン及び第２燃焼器からなり、前記圧縮機による圧縮空気で燃料を燃焼させその燃焼ガスで第２タービンを駆動する第２ガスタービンと、第１ガスタービン及び第２ガスタービンで駆動される発電機と、該発電機と第２ガスタービンとの間に設置され、その間の連結及び切断が可能なカップリングと、を備え、余剰蒸気が十分にある場合には、カップリングを連結して余剰蒸気を第１燃焼器及び第２燃焼器に供給し、余剰蒸気が不足する場合には、カップリングを切断して余剰蒸気を第１燃焼器のみに供給する、ことを特徴とするガスタービン発電装置が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、余剰蒸気が十分にある場合には、カップリングを連結して、余剰蒸気を第１燃焼器及び第２燃焼器に供給することにより、第１タービン及び第２タービンにおける蒸気空気比率αを従来以上に大幅に増大させても（例えば約６０％〜１００％に）、各タービンを流れるガス量を最適化することができる。これによりガスタービン全体の出力及び熱効率を向上させることができる。また、余剰蒸気が利用できない場合、或いは余剰蒸気が不足する場合には、カップリングを切断して、余剰蒸気を第１燃焼器のみに供給することにより、従来のガスタービンと同様に、第１ガスタービンのみにより発電機を駆動して安定した電力供給を継続できる。更に、この構成によれば、圧縮機と第１タービンの組み合わせを従来のままにすることができるため、タービンのみを相対的に大型化する特殊設計・製作を回避して設備費の増大を防止することができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、水蒸気を駆動源として空気を昇圧し、かつ両流体を混合する混合器と、前記第１タービン及び第２タービンの下流に設けられ前記混合器による混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器と、前記過熱器の下流に設けられタービン排気を熱源として水を蒸発させる排熱ボイラと、前記圧縮機による圧縮空気の一部を前記第１燃焼器及び第２燃焼器へ、その残部を前記混合器に導くための空気ラインと、前記排熱ボイラによる水蒸気の一部を前記混合器に送る主蒸気ラインと、前記混合器による混合ガスを前記過熱器を介して前記第１燃焼器及び第２燃焼器に導くための混合ガスラインと、を備える。
【００１４】
この構成によれば、水蒸気と圧縮空気を混合する混合器を備え、圧縮空気の一部が混合器で水蒸気と混合され、この混合ガスが過熱器で予熱されて第１及び第２の燃焼器に供給されるので、ガスタービン排気で生成される水蒸気の量を減少させることができる。このため、燃焼器への噴射蒸気量を増減させる場合でも、ガスタービンの出力、熱効率の変化を小さくすることができる。
【００１５】
また、排熱ボイラで発生した水蒸気の残部をユーティリティ用水蒸気として導く補助蒸気ラインを更に有し、かつ排熱ボイラで発生した水蒸気を主蒸気ラインを流れる水蒸気と補助蒸気ラインを流れる水蒸気とに配分するための蒸気流量制御弁が前記主蒸気ラインに設けられている。この構成により、蒸気流量制御弁により排熱ボイラで発生した水蒸気を主蒸気ラインと補助蒸気ラインとに配分し、ユーティリティとして用いることができる。
【００１６】
更に、前記混合器は、水蒸気で駆動され圧縮空気を吸引するエジェクタであることが好ましい。この構成により、水蒸気を駆動源として空気を昇圧することができるので、空気ラインの圧力損失を低減し、熱効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を使用する。
図１は本発明によるガスタービン発電装置の全体構成図である。この図に示すように、本発明のガスタービン発電装置は、第１ガスタービン２０、第２ガスタービン２２、発電機２７及びカップリング２３から構成される。また、このガスタービン発電装置は、ごみ焼却場、製材所、ガスタービン発電所等３０（以下、ごみ焼却場等という）に併設されており、ごみ焼却場等３０から発生する余剰蒸気Ｓを受け入れるようになっている。
【００１８】
第１ガスタービン２０は、互いに連結された空気圧縮機２１及び第１タービン２４ａと、第１燃焼器２５ａとからなり、圧縮機２１による圧縮空気Ａで燃料Ｆを燃焼させ、その燃焼ガスＥで第１タービン２４ａを回転駆動するようになっている。かかる構成は従来のガスタービンと同様である。
第２ガスタービン２２は、第２タービン２４ｂ及び第２燃焼器２５ｂからなり、第１ガスタービン２１の共通の圧縮機２１による圧縮空気Ａで燃料Ｆを燃焼させ、その燃焼ガスＥで第２タービン２４ｂを駆動するようになっている。
【００１９】
更に、発電機２７と第１ガスタービン２１及び第２ガスタービン２２との間には、減速器２６が設置され、各タービン２１，２２の速度を減速し、発電機２７を所定の同期速度（例えば１５００ｒｐｍ）で回転駆動するようになっている。更にカップリング２３は、発電機２７と第２ガスタービン２２との間（具体的には減速器２６と第２タービン２４ｂとの間）に設置され、図示しない制御装置からの信号により電気的に連結／切断ができるようになっている。
【００２０】
図１において、本発明のガスタービン発電装置は、更に、混合器１０、過熱器１２、排熱ボイラ４、空気ライン１５、主蒸気ライン１６及び混合ガスライン１７を備えている。
混合器１０は、この実施形態では、水蒸気Ｓで駆動され圧縮空気Ａを吸引するエジェクタであり、水蒸気Ｓを駆動源として空気Ａを昇圧し、かつ両流体を混合するようになっている。
【００２１】
過熱器１２は、第１タービン２４ａ及び第２タービン２４ｂの下流に設けられ混合器１０による混合ガスをタービン排気で十分高温まで加熱する。排熱ボイラ４は、過熱器１２の下流に設けられタービン排気を熱源として水を蒸発させる。なお、この実施形態では、排熱ボイラ４と過熱器１２を一体の排熱回収装置として構成しているが、本発明はこれに限定されず、別体に構成してもよい。
【００２２】
空気ライン１５は、圧縮機２１による圧縮空気の一部を第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂへ、その残部を混合器１０に導き、主蒸気ライン１６は、排熱ボイラ４による水蒸気の一部を混合器１０に送り、混合ガスライン１７は、混合器１０による混合ガスを過熱器１２を介して第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに導くように構成されている。
【００２３】
空気ライン１５は、圧縮機２１で圧縮された空気の一部を第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに直接送るラインと、残りの圧縮空気を混合器１０に導くラインとからなる。
更に、排熱ボイラ４で発生した水蒸気の残部をユーティリティ用水蒸気として導く補助蒸気ライン１８を有し、主蒸気ライン１６に蒸気流量制御弁１４が設けられている。これにより排熱ボイラ４で発生した水蒸気を主蒸気ライン１６を流れる水蒸気と補助蒸気ライン１８を流れる水蒸気とに配分することができる。
【００２４】
図１に示した本発明によるガスタービン発電装置は、以下のように作動する。
作動用空気Ａは大気より吸入され、圧縮機２１により昇圧された後、一部が第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに送られ、残部の圧縮空気は抽気され混合器１０に送られる。
混合器１０にて水蒸気の圧力エネルギにより昇圧された圧縮空気Ａは水蒸気Ｓと混合された後、過熱器１２に送られ、第１タービン２４ａ及び第２タービン２４ｂの排熱で加熱され、更に第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに送られ、圧縮機２１から直接燃焼器２５ａ，２５ｂに流入する圧縮空気と共に燃料Ｆの燃焼により昇温される。
【００２５】
燃焼器２５ａ，２５ｂ内で生成される高温、高圧の燃焼ガスＥはタービン２４ａ，２４ｂで仕事をした後、過熱器１２、排熱ボイラ４、給水加熱器６を通り、これらにより排熱回収された後、排気煙突９により大気に排出される。
給水Ｗは給水ポンプ１１により昇圧された後、給水加熱器６に送られ、給水加熱器６を出た飽和水は排熱ボイラ４に給水として送られ、次いで排熱ボイラ４に送られた飽和水は排熱ボイラ４にて飽和蒸気となり、蒸気流量制御弁１４により計量された後、ごみ焼却場等３０の排熱により発生する余剰蒸気と混合して混合器１０に送られる。なおこの場合、生成された水蒸気の一部を混合器１０に送らず、ユーティリィティとして使用することもできる。
【００２６】
上述した構成により、▲１▼ごみ焼却場等３０の排熱により発生する余剰蒸気が十分にある場合には、カップリング２３を連結して、余剰蒸気を空気と混合し過熱器１２で加熱後に第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに供給することにより、図２に模式的に示すように、第１タービン２４ａ及び第２タービン２４ｂにおける蒸気空気比率αを従来以上に大幅に増大させても（例えば約６０％〜１００％に）、各タービン２４ａ，２４ｂを流れるガス量を定格より少なくすることができ、これによりガスタービン全体の出力及び熱効率を向上させることができる。
【００２７】
また、▲２▼ごみ焼却場等３０が運転を停止し、余剰蒸気が利用できない場合、或いは余剰蒸気が不足する場合には、カップリング２３を切断して、余剰蒸気を空気と混合し過熱器１２で加熱後に第１燃焼器２５ａのみに供給することにより、第１ガスタービン２０のみにより発電機２７を駆動して安定した電力供給を継続できる。
【００２８】
更に、▲３▼この構成によれば、圧縮機２１と第１タービン２４ａの組み合わせを従来のままにすることができるため、タービン２４ａのみを相対的に大型化する特殊設計・製作を回避して設備費の増大を防止することができる。
更にまた、圧縮空気の一部が混合器で水蒸気と混合され、この混合ガスが加熱器で予熱されて燃焼器２５ａ，２５ｂに供給されるので、ガスタービン排気で生成される水蒸気の量を減少させることができる。このため、燃焼器への噴射蒸気量を増減させる場合でも、ガスタービン２０，２２の出力、熱効率の変化を小さくすることができる。また、混合器は、水蒸気を駆動源として空気を昇圧することができるので、空気ラインの圧力損失を低減し、熱効率を向上させることができる。
【００２９】
【発明の効果】
上述したガスタービン発電装置により以下の効果を得ることができる。
▲１▼ ガスタービンの排熱及びゴミ焼却場等の余剰蒸気を可能な限り電気に変換することができる。
▲２▼ ゴミ焼却場等から送られる蒸気の変動及び停止に対してもフレキシブルな発電運転が可能となる。
【００３０】
▲３▼ 得られた電力量単位（ｋｗｈ）当たりの二酸化炭素排出量が低減でき、地球温暖化防止のための有効手段と１つとなる。
【００３１】
すなわち、本発明のガスタービン発電装置は、余剰蒸気を利用して蒸気空気比率αを従来以上に大幅に増大させ、これによりガスタービン全体の出力及び熱効率を向上させることができ、かつ余剰蒸気が利用できない場合でも安定して電力供給ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービン発電装置の全体構成図である。
【図２】蒸気空気比率と出力比を比較した図である。
【図３】従来の二流体サイクルガスタービンの全体構成図である。
【図４】従来の再生サイクルガスタービンの全体構成図である。
【図５】同一出願人の先行する部分再生式二流体ガスタービンの全体構成図である。
【図６】従来のごみ発電システムの構成図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 排熱ボイラ
５ 発電機
６ 給水加熱器
７ 熱交換器
８ バイパス弁
９ 煙突
１０ 混合器
１２ 熱交換器
１４ 蒸気流量制御弁
１５ 空気ライン
１６ 主蒸気ライン
１７ 混合ガスライン
１８ 補助蒸気ライン
２０ 第１ガスタービン
２１ 空気圧縮機
２２ 第２ガスタービン
２３ カップリング
２４ａ 第１タービン
２４ｂ 第２タービン
２５ａ 第１燃焼器
２５ｂ 第２燃焼器
２６ 減速機
２７ 発電機
Ａ 空気
Ｆ 燃料
Ｓ 水蒸気
Ｅ 燃焼ガス
Ｗ 給水
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力（又は動力）及び水蒸気を生成するガスタービンコージェネレーションの分野において使用され、省エネルギーを実現するガスタービン発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の二流体サイクルガスタービンの構成は、例えば図３に示すように、大気中から吸入された空気Ａが圧縮機１で圧縮されて燃焼器２に流入し、この圧縮空気は燃料Ｆの燃焼により高温の燃焼ガスとなり、タービン３に流入し、タービンで仕事をした燃焼ガスＥは排熱ボイラ４にて水蒸気を発生した後、大気中に排出される。燃焼器２には排熱ボイラ４で発生した水蒸気Ｓが噴射されタービン３に流入する燃焼ガスの流量を増大させかつ燃焼ガスの比熱を増大させてタービン３の出力を増大させる。このタービン３の発生する仕事は圧縮機１を駆動すると同時に発電機５を駆動し、電力を発生する。排熱ボイラの下流にはタービン排熱により加熱さる排熱ボイラ用給水加熱器６、及び煙突９が配置される。
【０００３】
一方、従来の再生サイクルガスタービンの構成は、例えば図４に示すように、タービン３の下流に熱交換器７が配置され、圧縮機１で圧縮された空気Ａがこの熱交換器７によりタービン排熱Ｅで予熱された後、燃焼器２に供給されるようになっており、燃焼器２に供給する圧縮空気の温度を高め、燃焼器２における燃料Ｆの消費を減少させる。
【０００４】
しかし、上述した二流体ガスタービン（図３）では、排熱ボイラ４で生成される水蒸気の全量を燃焼器２に噴射する場合、水蒸気の噴射量が吸気空気量の２０〜３０％にも達するため、▲１▼水蒸気の注入を停止するとタービンの流量が少なくなりすぎ、タービン効率が大幅な低下をきたし、熱効率が大幅に低下する問題点があり、かつ▲２▼注入水蒸気は排ガスと共に大気に捨てられるため注入する水蒸気量が多いほど注入水蒸気の製造のための原水等の費用が増大する問題点があった。
【０００５】
一方、上述した再生ガスタービン（図４）では、圧縮機１の出口温度が高いため、空気の予熱に限度があり、大幅な熱効率の向上が達成できないという問題点があった。かかる再生ガスタービンにおいては、圧縮機による圧縮空気が燃焼器に導入される前にその全量が熱交換器において排熱により予熱されるため、▲３▼熱交換器及びその前後の配管における圧力損失が熱効率を低下させる要因となる、▲４▼熱交換器の大きな熱容量が制御の応答性に問題を生じさせる、▲５▼負荷遮断時のタービンの過大速度（オーバースピード）を防止するために熱交換器をバイパスさせるためのバイパス弁８（図４参照）が相当大きくなる、等の問題点があった。
【０００６】
上述した問題点を解決するために、本発明の出願人は、図５に示すように、圧縮機１と燃焼器２とタービン３とからなるガスタービンと、水蒸気を駆動源として空気を昇圧しかつ両流体を混合する混合器１０と、混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器１２と、タービン排気を熱源として水を蒸発させる排熱ボイラ４と、圧縮機による圧縮空気の一部を燃焼器へ、その残部を混合器に導くための空気ライン１５と、排熱ボイラによる水蒸気の一部を混合器に送る主蒸気ライン１６と、混合器による混合ガスを過熱器を介して燃焼器に導くための混合ガスライン１７と、を備えた部分再生式二流体ガスタービンを創案し、出願した（特開平７−２４８９７４号公報）。これにより、燃焼器への注入水蒸気量を減少させることができ、かつ過熱器及びその前後の配管における圧力損失を低減し、熱効率の低下を防止することができるようになった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、図３〜図５に示した二流体サイクル、再生サイクル及び部分再生式二流体サイクルを適用し、ごみ焼却場から発生する余剰蒸気を用いたごみ発電システムが提案されている。このごみ発電システムでは、例えば図６に示すように、タービン３の排熱により余剰蒸気Ｓを加熱し、これをガスタービンの燃焼器２に供給することにより、タービン流量を増大させて、発電出力を増大させるとともに全体の熱効率を高めるようになっている。なお、かかるごみ発電システムは、▲１▼「蒸気噴射型ガスタービン方式スーパーごみ発電システムの性能特性とその具体的検討事例」（日本機械学会、第５回動力・エネルギー技術シンポジュウム’９６講演論文集、１９９６−１１−１３，１４）、▲２▼「蒸気噴射型ガスタービンを適用したごみ発電システムの性能特性」（第８回熱工学シンポジュウム、１９９５年７月７日）、等に開示されている。
【０００８】
上述した従来のごみ発電システムでは、圧縮機吸込み空気量Ｇａに対する噴射蒸気量Ｇｓ（単位空気量当たりの噴射蒸気量又は蒸気空気比率：α＝Ｇｓ／Ｇａ）を増すほどガスタービン全体の出力及び熱効率が向上する。従って、ごみ焼却場から発生する余剰蒸気が多い場合には、蒸気空気比率αをできるだけ大きくすることが望ましい。
【０００９】
しかし、従来のごみ発電システムでは、▲１▼圧縮機とタービンの組み合わせをそのままにした場合、蒸気空気比率αは、最大でも約２０〜３０％程度にすぎず、それ以上にすると圧縮機とタービンのマッチングが乱れ、発電機の一定回転駆動ができなくなる等の問題点があった。また、▲２▼圧縮機をそのままにし、タービンのみを相対的に大型化した場合には、蒸気空気比率αを例えば約５０〜６０％程度まで増大させることができるが、それ以上にタービンを大型化すると、ごみ焼却場が操業停止するような場合に、タービンの安定運転が困難となり、安定した電力供給ができなくなる問題点があった。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、余剰蒸気を利用して蒸気空気比率αを従来以上に大幅に増大させ、これによりガスタービン全体の出力及び熱効率を向上させることができ、かつ余剰蒸気が利用できない場合でも安定して電力供給ができるガスタービン発電装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、互いに連結された空気圧縮機及び第１タービンと、第１燃焼器とからなり、前記圧縮機による圧縮空気で燃料を燃焼させその燃焼ガスで第１タービンを駆動する第１ガスタービンと、第２タービン及び第２燃焼器からなり、前記圧縮機による圧縮空気で燃料を燃焼させその燃焼ガスで第２タービンを駆動する第２ガスタービンと、第１ガスタービン及び第２ガスタービンで駆動される発電機と、該発電機と第２ガスタービンとの間に設置され、その間の連結及び切断が可能なカップリングと、を備え、余剰蒸気が十分にある場合には、カップリングを連結して余剰蒸気を第１燃焼器及び第２燃焼器に供給し、余剰蒸気が不足する場合には、カップリングを切断して余剰蒸気を第１燃焼器のみに供給する、ことを特徴とするガスタービン発電装置が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、余剰蒸気が十分にある場合には、カップリングを連結して、余剰蒸気を第１燃焼器及び第２燃焼器に供給することにより、第１タービン及び第２タービンにおける蒸気空気比率αを従来以上に大幅に増大させても（例えば約６０％〜１００％に）、各タービンを流れるガス量を最適化することができる。これによりガスタービン全体の出力及び熱効率を向上させることができる。また、余剰蒸気が利用できない場合、或いは余剰蒸気が不足する場合には、カップリングを切断して、余剰蒸気を第１燃焼器のみに供給することにより、従来のガスタービンと同様に、第１ガスタービンのみにより発電機を駆動して安定した電力供給を継続できる。更に、この構成によれば、圧縮機と第１タービンの組み合わせを従来のままにすることができるため、タービンのみを相対的に大型化する特殊設計・製作を回避して設備費の増大を防止することができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、水蒸気を駆動源として空気を昇圧し、かつ両流体を混合する混合器と、前記第１タービン及び第２タービンの下流に設けられ前記混合器による混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器と、前記過熱器の下流に設けられタービン排気を熱源として水を蒸発させる排熱ボイラと、前記圧縮機による圧縮空気の一部を前記第１燃焼器及び第２燃焼器へ、その残部を前記混合器に導くための空気ラインと、前記排熱ボイラによる水蒸気の一部を前記混合器に送る主蒸気ラインと、前記混合器による混合ガスを前記過熱器を介して前記第１燃焼器及び第２燃焼器に導くための混合ガスラインと、を備える。
【００１４】
この構成によれば、水蒸気と圧縮空気を混合する混合器を備え、圧縮空気の一部が混合器で水蒸気と混合され、この混合ガスが過熱器で予熱されて第１及び第２の燃焼器に供給されるので、ガスタービン排気で生成される水蒸気の量を減少させることができる。このため、燃焼器への噴射蒸気量を増減させる場合でも、ガスタービンの出力、熱効率の変化を小さくすることができる。
【００１５】
また、排熱ボイラで発生した水蒸気の残部をユーティリティ用水蒸気として導く補助蒸気ラインを更に有し、かつ排熱ボイラで発生した水蒸気を主蒸気ラインを流れる水蒸気と補助蒸気ラインを流れる水蒸気とに配分するための蒸気流量制御弁が前記主蒸気ラインに設けられている。この構成により、蒸気流量制御弁により排熱ボイラで発生した水蒸気を主蒸気ラインと補助蒸気ラインとに配分し、ユーティリティとして用いることができる。
【００１６】
更に、前記混合器は、水蒸気で駆動され圧縮空気を吸引するエジェクタであることが好ましい。この構成により、水蒸気を駆動源として空気を昇圧することができるので、空気ラインの圧力損失を低減し、熱効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を使用する。
図１は本発明によるガスタービン発電装置の全体構成図である。この図に示すように、本発明のガスタービン発電装置は、第１ガスタービン２０、第２ガスタービン２２、発電機２７及びカップリング２３から構成される。また、このガスタービン発電装置は、ごみ焼却場、製材所、ガスタービン発電所等３０（以下、ごみ焼却場等という）に併設されており、ごみ焼却場等３０から発生する余剰蒸気Ｓを受け入れるようになっている。
【００１８】
第１ガスタービン２０は、互いに連結された空気圧縮機２１及び第１タービン２４ａと、第１燃焼器２５ａとからなり、圧縮機２１による圧縮空気Ａで燃料Ｆを燃焼させ、その燃焼ガスＥで第１タービン２４ａを回転駆動するようになっている。かかる構成は従来のガスタービンと同様である。
第２ガスタービン２２は、第２タービン２４ｂ及び第２燃焼器２５ｂからなり、第１ガスタービン２１の共通の圧縮機２１による圧縮空気Ａで燃料Ｆを燃焼させ、その燃焼ガスＥで第２タービン２４ｂを駆動するようになっている。
【００１９】
更に、発電機２７と第１ガスタービン２１及び第２ガスタービン２２との間には、減速器２６が設置され、各タービン２１，２２の速度を減速し、発電機２７を所定の同期速度（例えば１５００ｒｐｍ）で回転駆動するようになっている。更にカップリング２３は、発電機２７と第２ガスタービン２２との間（具体的には減速器２６と第２タービン２４ｂとの間）に設置され、図示しない制御装置からの信号により電気的に連結／切断ができるようになっている。
【００２０】
図１において、本発明のガスタービン発電装置は、更に、混合器１０、過熱器１２、排熱ボイラ４、空気ライン１５、主蒸気ライン１６及び混合ガスライン１７を備えている。
混合器１０は、この実施形態では、水蒸気Ｓで駆動され圧縮空気Ａを吸引するエジェクタであり、水蒸気Ｓを駆動源として空気Ａを昇圧し、かつ両流体を混合するようになっている。
【００２１】
過熱器１２は、第１タービン２４ａ及び第２タービン２４ｂの下流に設けられ混合器１０による混合ガスをタービン排気で十分高温まで加熱する。排熱ボイラ４は、過熱器１２の下流に設けられタービン排気を熱源として水を蒸発させる。なお、この実施形態では、排熱ボイラ４と過熱器１２を一体の排熱回収装置として構成しているが、本発明はこれに限定されず、別体に構成してもよい。
【００２２】
空気ライン１５は、圧縮機２１による圧縮空気の一部を第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂへ、その残部を混合器１０に導き、主蒸気ライン１６は、排熱ボイラ４による水蒸気の一部を混合器１０に送り、混合ガスライン１７は、混合器１０による混合ガスを過熱器１２を介して第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに導くように構成されている。
【００２３】
空気ライン１５は、圧縮機２１で圧縮された空気の一部を第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに直接送るラインと、残りの圧縮空気を混合器１０に導くラインとからなる。
更に、排熱ボイラ４で発生した水蒸気の残部をユーティリティ用水蒸気として導く補助蒸気ライン１８を有し、主蒸気ライン１６に蒸気流量制御弁１４が設けられている。これにより排熱ボイラ４で発生した水蒸気を主蒸気ライン１６を流れる水蒸気と補助蒸気ライン１８を流れる水蒸気とに配分することができる。
【００２４】
図１に示した本発明によるガスタービン発電装置は、以下のように作動する。
作動用空気Ａは大気より吸入され、圧縮機２１により昇圧された後、一部が第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに送られ、残部の圧縮空気は抽気され混合器１０に送られる。
混合器１０にて水蒸気の圧力エネルギにより昇圧された圧縮空気Ａは水蒸気Ｓと混合された後、過熱器１２に送られ、第１タービン２４ａ及び第２タービン２４ｂの排熱で加熱され、更に第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに送られ、圧縮機２１から直接燃焼器２５ａ，２５ｂに流入する圧縮空気と共に燃料Ｆの燃焼により昇温される。
【００２５】
燃焼器２５ａ，２５ｂ内で生成される高温、高圧の燃焼ガスＥはタービン２４ａ，２４ｂで仕事をした後、過熱器１２、排熱ボイラ４、給水加熱器６を通り、これらにより排熱回収された後、排気煙突９により大気に排出される。
給水Ｗは給水ポンプ１１により昇圧された後、給水加熱器６に送られ、給水加熱器６を出た飽和水は排熱ボイラ４に給水として送られ、次いで排熱ボイラ４に送られた飽和水は排熱ボイラ４にて飽和蒸気となり、蒸気流量制御弁１４により計量された後、ごみ焼却場等３０の排熱により発生する余剰蒸気と混合して混合器１０に送られる。なおこの場合、生成された水蒸気の一部を混合器１０に送らず、ユーティリィティとして使用することもできる。
【００２６】
上述した構成により、▲１▼ごみ焼却場等３０の排熱により発生する余剰蒸気が十分にある場合には、カップリング２３を連結して、余剰蒸気を空気と混合し過熱器１２で加熱後に第１燃焼器２５ａ及び第２燃焼器２５ｂに供給することにより、図２に模式的に示すように、第１タービン２４ａ及び第２タービン２４ｂにおける蒸気空気比率αを従来以上に大幅に増大させても（例えば約６０％〜１００％に）、各タービン２４ａ，２４ｂを流れるガス量を定格より少なくすることができ、これによりガスタービン全体の出力及び熱効率を向上させることができる。
【００２７】
また、▲２▼ごみ焼却場等３０が運転を停止し、余剰蒸気が利用できない場合、或いは余剰蒸気が不足する場合には、カップリング２３を切断して、余剰蒸気を空気と混合し過熱器１２で加熱後に第１燃焼器２５ａのみに供給することにより、第１ガスタービン２０のみにより発電機２７を駆動して安定した電力供給を継続できる。
【００２８】
更に、▲３▼この構成によれば、圧縮機２１と第１タービン２４ａの組み合わせを従来のままにすることができるため、タービン２４ａのみを相対的に大型化する特殊設計・製作を回避して設備費の増大を防止することができる。
更にまた、圧縮空気の一部が混合器で水蒸気と混合され、この混合ガスが加熱器で予熱されて燃焼器２５ａ，２５ｂに供給されるので、ガスタービン排気で生成される水蒸気の量を減少させることができる。このため、燃焼器への噴射蒸気量を増減させる場合でも、ガスタービン２０，２２の出力、熱効率の変化を小さくすることができる。また、混合器は、水蒸気を駆動源として空気を昇圧することができるので、空気ラインの圧力損失を低減し、熱効率を向上させることができる。
【００２９】
【発明の効果】
上述したガスタービン発電装置により以下の効果を得ることができる。
▲１▼ ガスタービンの排熱及びゴミ焼却場等の余剰蒸気を可能な限り電気に変換することができる。
▲２▼ ゴミ焼却場等から送られる蒸気の変動及び停止に対してもフレキシブルな発電運転が可能となる。
【００３０】
▲３▼ 得られた電力量単位（ｋｗｈ）当たりの二酸化炭素排出量が低減でき、地球温暖化防止のための有効手段と１つとなる。
【００３１】
すなわち、本発明のガスタービン発電装置は、余剰蒸気を利用して蒸気空気比率αを従来以上に大幅に増大させ、これによりガスタービン全体の出力及び熱効率を向上させることができ、かつ余剰蒸気が利用できない場合でも安定して電力供給ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービン発電装置の全体構成図である。
【図２】蒸気空気比率と出力比を比較した図である。
【図３】従来の二流体サイクルガスタービンの全体構成図である。
【図４】従来の再生サイクルガスタービンの全体構成図である。
【図５】同一出願人の先行する部分再生式二流体ガスタービンの全体構成図である。
【図６】従来のごみ発電システムの構成図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 排熱ボイラ
５ 発電機
６ 給水加熱器
７ 熱交換器
８ バイパス弁
９ 煙突
１０ 混合器
１２ 熱交換器
１４ 蒸気流量制御弁
１５ 空気ライン
１６ 主蒸気ライン
１７ 混合ガスライン
１８ 補助蒸気ライン
２０ 第１ガスタービン
２１ 空気圧縮機
２２ 第２ガスタービン
２３ カップリング
２４ａ 第１タービン
２４ｂ 第２タービン
２５ａ 第１燃焼器
２５ｂ 第２燃焼器
２６ 減速機
２７ 発電機
Ａ 空気
Ｆ 燃料
Ｓ 水蒸気
Ｅ 燃焼ガス
Ｗ 給水
Claims (4)
- 互いに連結された空気圧縮機及び第１タービンと、第１燃焼器とからなり、前記圧縮機による圧縮空気で燃料を燃焼させその燃焼ガスで第１タービンを駆動する第１ガスタービンと、
第２タービン及び第２燃焼器からなり、前記圧縮機による圧縮空気で燃料を燃焼させその燃焼ガスで第２タービンを駆動する第２ガスタービンと、
第１ガスタービン及び第２ガスタービンで駆動される発電機と、該発電機と第２ガスタービンとの間に設置され、その間の連結及び切断が可能なカップリングと、を備え、
余剰蒸気が十分にある場合には、カップリングを連結して余剰蒸気を第１燃焼器及び第２燃焼器に供給し、余剰蒸気が不足する場合には、カップリングを切断して余剰蒸気を第１燃焼器のみに供給する、ことを特徴とするガスタービン発電装置。 - 水蒸気を駆動源として空気を昇圧し、かつ両流体を混合する混合器と、
前記第１タービン及び第２タービンの下流に設けられ前記混合器による混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器と、
前記過熱器の下流に設けられタービン排気を熱源として水を蒸発させる排熱ボイラと、
前記圧縮機による圧縮空気の一部を前記第１燃焼器及び第２燃焼器へ、その残部を前記混合器に導くための空気ラインと、
前記排熱ボイラによる水蒸気の一部を前記混合器に送る主蒸気ラインと、
前記混合器による混合ガスを前記過熱器を介して前記第１燃焼器及び第２燃焼器に導くための混合ガスラインと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電装置。 - 更に、排熱ボイラで発生した水蒸気の残部をユーティリティ用水蒸気として導く補助蒸気ラインを有し、かつ排熱ボイラで発生した水蒸気を主蒸気ラインを流れる水蒸気と補助蒸気ラインを流れる水蒸気とに配分するための蒸気流量制御弁が前記主蒸気ラインに設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン発電装置。
- 前記混合器は、水蒸気で駆動され圧縮空気を吸引するエジェクタである、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン発電装置。
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