JP3936123B2

JP3936123B2 - 小容量のガスタービンコージェネレーションシステムの運転制御方法

Info

Publication number: JP3936123B2
Application number: JP2000190378A
Authority: JP
Inventors: 聡柴田; 梅夫井上; 俊彦田中; 信機植松
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2020-06-26
Also published as: JP2002004944A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力と温水や蒸気や冷水を同時に供給する小容量のガスタービンコージェネレーションシステムの運転制御方法に関するものであり、主として、比較的小規模な各種工場やマーケット、事務所、温室農場、集合住宅等で単独又は複数台を組み合せした状態で使用するパッケージタイプのガスタービンコージェネレーションシステムに適用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン発電機と排ガスボイラ等を組み合わせた熱電併給システム（コージェネレーションシステム）は従前から広く知られており、実用にも供されている。この熱電併給システムは、タービン発電機を駆動して電力を得ると共に、ガスタービンからの高温排ガスの熱を排熱ボイラ又は排熱温水ボイラにより回収して蒸気又は温水を得るものであり、電力と温水や蒸気を同時に必要とする事業所等に於いては、別個に電力と温水等の供給を受ける場合に比較して総合的なエネルギー効率が向上し、経済性に優れている。
【０００３】
図５は従前のコージェネレーションシステムの一例を示すものであり、外部を騒音防止用のエンクロージャで覆ったガスタービン１００及び発電機１０１と排熱ボイラ１０２とを連結し、これに吸気フィルタ１０３、ガスタービン排気チャンバ１０４、排気ダクト１０５等を組み合せると共に、別途に設けた電気制御室に各種の制御用機器を配置することにより、コージェネレーションシステムが形成されている。
【０００４】
ところで、従前のこの種コージェネレーションシステムは、何れも発電容量が５０００ＫＷ前後の比較的大容量のものであり、理念的には発電装置が主体であって、その排熱を排ガスボイラで回収しようとするものである。
従って、この種のコージェネレーションシステムに於いては、電力負荷への電力供給を第１としてガスタービン発電機を定格出力で連続運転すると共に、熱負荷への排熱回収による温水又は蒸気の供給を従とする運転制御方法が、一般に多く採用されている。
【０００５】
尚、上記の運転制御方法とは逆に、熱負荷への温水又は蒸気の供給を第１として排熱回収熱交換器を定格下で連続運転すると共に、ガスタービン発電機による電力供給を従とし、余剰電力を売電に廻すようにした運転制御方法が採られることもある。しかし、この運転制御方法が用いられるのは極く限られたケースであり、一般的な運転制御方法ではない。
【０００６】
図６及び図７は、前者のガスタービン発電機による電力供給を主体とする運転制御を行なうコージェネレーションシステムの代表例を示すものであり、図６は、ガスタービン３とこれに直結した発電機５を定格状態下で連続運転し、電力負荷１３へ発生電力を供給すると共に、熱負荷１２が存在する時には、排ガスＧの全量を排熱回収熱交換器７へ送って排熱回収を行なう。また、熱負荷１２が軽くなると、ダンパー１５を操作して排ガスＧの一部をバイパスさせ、排熱回収熱量を調整するようにしたものである。
この方法は、発電機５の発電効率を高く維持することが出来るものの、排熱の一部を排気筒１６を通して外部へ放棄するため、システム全体の総合的なエネルギー効率が低下すると云う問題がある。
【０００７】
また、後者の図７は、ガスタービン３及び発電機５を定格状態下で連続運転すると共に、回収した熱エネルギーの余剰分をラジェター１７又はクーリングタワー１８を介して外部へ放棄するようにしたものであり、図６の場合と同様にシステム全体の総合的なエネルギー効率が低下すると云う問題がある。
【０００８】
更に、前記熱負荷１２への熱エネルギーの供給を主体とする運転制御方法に於いては、発電機５の発生電力の大部分が所謂売電に廻されるのが一般的である。
そのため、発電機５の方も全負荷状態で連続運転されることになり、発電機効率のみならずシステム全体の総合的なエネルギー効率も高くなる。
しかし、発生電力の販売価格が低いと経済性の点に問題を生ずることになり、コージェネレーションシステムとしての経済的なメリットが得られないと云う問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前のコージェネレーションシステムの運転制御に於ける上述の如き問題、即ち▲１▼電力負荷への電力供給を主体として発電機を定格状態で連続運転する場合には、発電機効率は高められるが、システム全体の総合的なエネルギー効率が低くなる場合があること及び▲２▼熱負荷への熱エネルギーの供給を主体として発電機の発電々力の余剰分を売却する場合には、発電機効率及び総合的なエネルギー効率は向上するものの、電力の販売価格が低いとランニングコストが高騰し、コージェネレーションシステムを採用したことによる経済的メリットが喪失されること等の問題を解決せんとするものであり、比較的小容量のガスタービンコージェネレーションシステムを、システム全体の総合的なエネルギー効率を高い状態に保ちつつ、しかもランニングコストの高騰を招くことなしに経済的に運転できるようにした小容量のガスタービンコージェネレーションシステムの運転制御方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
近年、小容量、例えば１５〜５０ＫＷの発電容量のガスタービンコージェネレーションシステムが広く利用され出している。
このガスタービンコージェネレーションシステムで使用されている小容量のガスタービン発電機は、一般に２５〜２８％程度の発電効率を有しており、大型事業用発電所の発電機の発電効率（約３７〜３８％）に比較して、発電効率が約１０％程度低い。
従って、発電のみを行なう場合には、小容量のガスタービン発電機では大型事業用発電所の発電コストに対抗することが困難であり、仮りにガスタービンコージェネレーションシステムに於いて余剰電力が生じても、これをその発電原価よりも高い価格で事業用発電所側へ販売することは不可能である。
【００１１】
しかし、小容量のガスタービンコージェネレーションシステムであっても、熱及び電力を含めたシステム全体の総合的なエネルギー効率が高い場合には、個別に熱エネルギーと電気エネルギーの供給を受ける場合に比較して経済的となるケースがある。
【００１２】
ところで、小容量のガスタービン発電機には、一般に出力の変動に対して発電効率の低下が比較的少ないと云う特性があり、定格出力から約３０％の出力まで出力が低下をしても、発電効率は２５〜２８％の間に保持されて、発電効率の低下は極く僅かである。
そこで、本願発明者は、小容量のガスタービンコージェネレーションシステムに於いて、ガスタービン発電機の出力が定格値の約３０％程度になるまではガスタービン発電機の出力を絞り乍ら熱電併給方式の運転を行ない、前記出力が定格値の約３０％まで低下したときにガスタービン発電機の運転を停止すると云う制御方法を採ることにより、小容量のガスタービンコージェネレーションシステムをより高い総合的なエネルギー効率の下で経済的に運転できることを着想した。
【００１４】
請求項１の発明は、ガスタービン発電機ユニットと排熱回収ユニットと制御装置ユニットとを備えた小容量のガスタービンコージェネレーションシステムに於いて、前記排熱回収ユニットを排熱温水ボイラと貯湯槽と温水循環ポンプとを備えた排熱回収ユニットとし、前記排熱温水ボイラの缶水部に設けた温度検出センサにより検出した缶水温度に基づいて、制御装置ユニットを介してガスタービン発電機ユニットの出力を定格出力の１００〜３０％の範囲に亘って調整すると共に、前記貯湯槽に設けた温度検出センサにより検出した貯湯槽内の温水温度により、前記缶水温度に基づくガスタービン発電機ユニットの出力調整を補完し、前記ガスタービン発電機ユニットの出力が定格出力の約３０％に到達したときにはガスタービン発電機ユニットの運転を停止するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、排熱温水ボイラを真空式の排熱温水ボイラとするようにしたものである。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、ガスタービン発電機ユニットを空気圧縮機と再生器と燃焼室とガスタービンと発電機とを一体化して成るガスタービン発電機ユニットとするようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を実施した小容量のガスタービンコージェネレーションシステムのブロック構成図であり、図２はタービン出力と缶水温度の関係を示す曲線である。
図１に於いて、Ｕはガスタービン発電機ユニット、Ｔは排熱回収ユニット、Ｃは制御装置ユニットである。
【００１８】
前記ガスタービン発電機ユニットＵは空気圧縮機１、燃料圧縮機２、ガスタービン３、再生器４及び発電機５、運転操作盤６等から形成されている。
また、排熱回収ユニットＴは排熱回収熱交換器７、貯湯槽８、温水循環ポンプ９等から形成されている。
更に、制御装置ユニットＣへは排熱回収熱交換器７の缶水部７ｃに設けた缶水温度センサ１０と貯湯槽８に設けた温度検出センサ１１とから夫々温度検出信号Ｔ₁、Ｔ₂が入力されると共に、ガスタービン発電機ユニットＵの運転操作盤６へ運転制御信号Ｓが出力される。
【００１９】
尚、図３は、本実施形態で使用するガスタービン発電機ユニットＵの概要説明図であり、空気圧縮機１・燃焼室３ａ・ガスタービン３・発電機５・再生器４・空気予熱管（通路）１９・排ガス管（通路）２０・空気ベアリング２１・発電機冷却フィン２２・再生器ケーシング２３及び排ガス口２４等を一体的に組み付けることにより、ガスタービン発電機ユニットＵが形成されている。
【００２０】
前記図１のガスタービンコージェネレーションシステムは燃料Ｆに都市ガス１３Ａ（９，９３０ｋｃａｌ／Ｎｍ³・９．７Ｎｍ³／ｈ）を用い、熱入力１１２ＫＷ・発電出力２８ＫＷのタービン発電機のタービン排熱を排熱温水ボイラ７で温水として熱回収（５６ＫＷ）するものであり、総合効率は７５％である。また、ガスタービンコージェネレーションシステムを形成する各ユニットは、一つの支持枠体上に乗せられてパッケージケーシング内に収納されており、工場内で量産されたあと、据付場所へ搬送される。
尚、燃料としては、都市ガス１３Ａ以外の燃料ガスや灯油等の液体燃料を用いてもよく、また、排熱ボイラによって蒸気を取り出すようにしてもよいことは勿論である。
【００２１】
前記排熱回収熱交換器７としては、図１に示す如き構成の公知の真空式排熱温水ボイラを使用するのが望ましい。
即ち、当該真空式排熱ボイラは、タービン排ガスＧによつて缶水（熱媒水）７ｃを加熱し、これによって缶水７ｃを蒸発せしめると共に、減圧蒸気室７ｄに温水加熱管７ａを設け、前記缶水７ｃの蒸発蒸気により温水加熱管７ａ内の温水Ｗを加熱するよう構成されており、減圧蒸気室７ｄ内に蒸気が無い場合には、温水Ｗ側から缶水７ｃ側へ熱が移行しないと云う特徴を有している。
尚、図１に於いて７ｂは熱交換管、７ｅは排気筒、１２は熱負荷、１３は電力負荷である。
【００２２】
尚、図１の実施形態に於いては、排熱回収ユニットＴを排熱回収熱交換器７と貯湯槽８と温水循環ポンプ９等から形成すると共に、排熱回収熱交換器７を真空式排熱温水ボイラとし、温水を得るようにしているが、排熱回収ユニットＴを吸収式の冷温水発生ユニットとし、排熱回収ユニットＴを形成する排熱回収熱交換器７を、例えば吸収式冷温水機の発生器とすることにより、冷水を得るようにしてもよい。
また、図１の実施形態に於いては、排熱回収熱交換器７として公知の真空式排熱温水ボイラを使用しているが、通常の排熱温水ボイラであっても良いことは勿論である。
更に、本実施形態に係るガスタービンコージェネレーションシステムは、これを複数台並列状に組み合せて使用する場合が屡々あり、所謂複数のシステムの台数制御を行ないつつ負荷に対応するケースが多くある。
このような場合、例えば３台のシステムの並列運転に於いて、１台を運転休止にし、他の２台のシステムにより熱負荷へ温水を供給するとすると、通常の排熱温水ボイラを使用している場合には、運転中のシステムの排熱温水ボイラの熱が温水ヘッダを通して運転休止中の排熱温水ボイラの缶水（熱媒水）側へ伝わり、これによって熱損失が大幅に増大する。
これに対して、真空式排熱温水ボイラの場合には、前述の通り運転休止中のシステムの温水加熱管７ａを通してその缶水７ｃ側へ熱が伝わることが全くないため、システム全体としての熱効率の低下が防止されることになる。
【００２３】
次に、本発明を実施したガスタービンコージェネレーションシステムの作動について説明をする。図１を参照して、再生器４で加熱された空気圧縮機１からの圧縮空気Ａと、燃料圧縮機１からの燃料Ｆとがガスタービン３の燃焼室へ供給され、ここで燃焼することにより燃焼ガスが発生する。
この発生した燃焼ガスにより、ガスタービン３及びこれに直結した発電機５が回転駆動され、発生した電力は電力負荷１３へ供給される。
また、ガスタービン３から排出された排ガスＧは再生器４を通して排熱回収熱交換器７へ送られ、ここで缶水７ｃと熱交換をしたあと、低温排ガスとなって排気筒７ｅから大気中へ放出される。
【００２４】
排熱回収熱交換器７が真空式排熱温水ボイラの場合、必要な温水Ｗの温度を７０℃とすると、温水ボイラ下部の缶水７ｃの温度は約７５℃（沸点）に、また温水ボイラ上部の減圧蒸気室７ｄ内は約７５℃の飽和蒸気Ｓｔとなる。そして、加熱管７ａと飽和蒸気Ｓｔとの熱交換により加熱管７ａ内の温水Ｗは約７０℃に加熱される。
【００２５】
尚、約７０℃に加熱された温水Ｗは一旦貯湯槽８に貯えられたのち、熱負荷１２へ供給される。熱負荷１２へ熱を供給し、低温（例えば約６０℃）となった温水Ｗは貯湯槽８へ戻ったのち、温水循環ポンプ９によって加熱管７ａへ送られ、ここで再び約７０℃に加温される。
【００２６】
今、熱負荷１２側の熱負荷が低減すると、熱負荷１２側から貯湯槽８へ戻る温水Ｗの温度が６０℃より上昇し、これにより温水循環ポンプ９によって加熱管７ａへ送られる。温水Ｗの温度も上昇する。
この温水Ｗの温度上昇により、前記温水加熱管７ａを介しての熱交換量が減少すると、排ガス温水ボイラ７の缶水７ｃの温度が上昇する。この缶水温度は温度検出センサ１０によって連続的に検出されており、検出された温度信号Ｔ₁は制御装置ユニットＣへ入力される。
【００２７】
前記制御装置ユニットＣは入力された温度検出信号Ｔ₁に応じたタービン出力の運転制御信号Ｓをガスタービン発電機ユニットＵの運転操作盤６へ出力し、ガスタービン３の出力を調整する。例えば、図２に示すように、缶水温度ｔ₁が７５°〜８０℃のとき、ガスタービン３の出力は、定格１００％の出力から３０％の出力へ缶水温度ｔ₁と直線的な関係でもって絞られて行き、ガスタービン３の出力が約３０％まで低減されたときの缶水温度ｔ₁は、約８０℃になる。
【００２８】
前述の通り、発電機出力が１５〜５０ＫＷ程度の小容量ガスタービン発電機ユニットＵに於いては、タービン出力が１００％〜３０％の範囲のときには発電効率を２５〜２８％程度に維持することができ、ガスタービンの出力低下に対して発電効率は殆んど低下しない。
これに対して、ガスタービン出力が３０％以下になると、著しく発電効率が低下するので、ガスタービン出力が３０％以下となる点を排ガス温水ボイラ７の缶水温度ｔ₁の上昇によって検出し、例えば缶水温度ｔ₁が約８２℃になった時点で、制御装置ユニットＣからガスタービン発電機ユニットＵの運転操作盤６へ運転停止信号を発信し、ユニットＵの運転を停止する。
【００２９】
また、貯湯槽８に設けた温度検出センサ１１から貯湯槽内の温水温度ｔ₂の温度検出信号Ｔ₂が制御装置ユニットＣへ入力されており、当該温度検出信号Ｔ₂を用いて、前記缶水温度検出センサ１０からの温度検出信号Ｔ₁によるガスタービン出力の調整が補完される。
例えば、熱負荷１２の負荷が軽負荷から急激に増加することにより、貯湯槽内の温水温度ｔ₂が急激に低下したような場合には、缶水温度ｔ₁の低下が温度検出センサ１０により検出される以前に、前記温度検出センサ１１の温度検出信号Ｔ₂により運転操作盤６へガスタービン出力を増加する制御信号Ｓが発信され、所謂ガスタービンの出力アップの制御遅れが防止される。
【００３０】
上記缶水温度ｔ₁によるガスタービン出力の制御により、ガスタービン発電機ユニットＵを熱負荷の変動に応じて発電効率の著しい低下をもたらさない出力１００〜３０％の範囲内で運転することができる。これにより、タービンコージェネレーションシステム全体としてのエネルギー効率を略７５％の高率に維持することができ、ガスタービンコージェネレーションの長所が１００％発揮されることになる。
【００３１】
尚、ガスタービン発電機ユニットＵの運転停止後に於ける熱負荷の急激な上昇に対しては、貯湯槽８により一時的にカバーすることができる。従って、熱負荷変動が予め想定される場合には、貯湯槽８の容量に予め余裕を持たせておくのが望ましい。
また、熱負荷の減少にも拘らず電力負荷が大きい場合には、▲１▼従来法と同様に総合的なエネルギー効率を犠牲にして必要な電力の発電をし、余剰な熱はラジェター（図示省略）等により放熱するか、若しくは▲２▼外部から不足電力分の供給を受けることにより、電力負荷に対応する。
更に、熱負荷が無く且つ電力負荷が定格の３０％以下の場合でも、放熱対策をすることにより、必要に応じて発電機５の運転が出来ることは勿論であり、また、熱負荷変動が激しくて、ユニットＵの運転が頻繁にオン・オフされる場合には、連続運転に切替えて運転してもよいことは勿論である。
【００３２】
図４は、本発明の第２実施形態に係るガスタービンコージェネレーションシステムの説明図であり、排熱回収ユニットＴの排熱回収熱交換器７を排ガス蒸気ボイラとした点と、缶水温度ｔ₁の検出に替えて蒸気出口７ｆに蒸気圧力検出センサ１４を設けた点とが前記図１の場合と異なっており、その他の構成は図１の場合と全く同様である。
尚、前記排ガス蒸気ボイラ７としては、公知の煙管式、自然循環水管式、強制循環（貫流）水管式等の各種の型式のものが使用可能である。
【００３３】
熱負荷１２側の負荷変動は蒸気圧力の変化として蒸気圧力検出センサ１４により検出され、圧力検出信号Ｐ₁が制御装置ユニットＣへ入力される。また、制御装置ユニットＣはガスタービン発電機ユニットＵの運転操作盤６へ運転制御信号Ｓを発信し、熱負荷１２の変動に応じて、ユニットＵの出力を定格の１００〜３０％の範囲に亘って調整をする。これによって、ガスタービン発電機の発電効率が、その出力の１００〜３０％の範囲に亘って２５〜２８％の高効率に維持される。
【００３４】
また、熱負荷の減少により蒸気圧力ｐ₁が上昇し、ユニットＵの出力が約３０％以下になると、ガスタービン発電機ユニットＵの運転が停止される。これにより、ガスタービンコージェネレーションシステムの総合的なエネルギー効率を約７５％の高率に維持することが可能となり、熱電併給システムのメリットを最大限に発揮することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明では、ガスタービンコージェネレーションシステムに於いて、排熱回収熱交換器の缶水温度若しくは発生蒸気圧を検出することにより熱負荷の変動を捉え、前記缶水温度若しくは発生蒸気圧の検出信号に基づいてガスタービン発電機ユニットの出力を、高発電効率下で運転可能な出力１００〜３０％の範囲に亘って調整すると共に、発電効率が低下する約３０％の出力の点でガスタービン発電機ユニットの運転を停止する構成としている。
その結果、ガスタービンコージェネレーションシステムの熱・電全体の総合的なエネルギー効率が略約７５％の高い値に維持されることになり、熱電併給システムの経済的な長所が完全且つ十分に発揮されることになる。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した小容量のガスタービンコージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【図２】タービン出力と排熱回収熱交換器の缶水温度との関係を示す線図である。
【図３】本発明で使用するガスタービン発電機ユニットの概要説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る小容量のガスタービンコージェネレーションシステムのブロック構成図である。
【図５】従前の熱電併給システムの概要説明図である。
【図６】従前のガスタービン発電機による電力供給を主体とする熱電併給システムの構成概要図である。
【図７】従前のガスタービン発電機による電力供給を主体とする熱電併給システムの構成概要図である。
【符号の説明】
Ｕはガスタービン発電機ユニット、Ｔは排熱回収ユニット、Ｃは制御装置ユニット、Ｗは温水、Ａは圧縮空気、Ｆは燃料、Ｇはタービン排ガス、Ｓｔは減圧蒸気室の飽和蒸気、Ｔ₁・Ｔ₂は温度検出信号、Ｐ₁は圧力検出信号、Ｓは運転制御信号、ｔ₁は缶水温度、ｔ₂は貯湯槽内の温水温度、ｐ₁は蒸気圧力、１は空気圧縮機、２は燃料圧縮機、３はガスタービン、４は再生器、５は発電機、６は運転操作盤、７は排熱回収熱交換器、７ａは温水加熱管、７ｂは熱交換器、７ｃは缶水、７ｄは減圧蒸気室、７ｅは排気筒、７ｆは蒸気出口、８は貯湯槽、９は温水循環ポンプ、１０は缶水温度検出センサ、１１は温度検出センサ、１２は熱負荷、１３は電力負荷、１４は蒸気圧力検出センサ、１９は空気予熱管、２０は排ガス管、２１は空気ベアリング、２２は発電機冷却フィン、２３は再生器ケーシング、２４は排ガス口。

Claims

ガスタービン発電機ユニットと排熱回収ユニットと制御装置ユニットとを備えた小容量のガスタービンコージェネレーションシステムに於いて、前記排熱回収ユニットを排熱温水ボイラと貯湯槽と温水循環ポンプとを備えた排熱回収ユニットとし、前記排熱温水ボイラの缶水部に設けた温度検出センサにより検出した缶水温度に基づいて、制御装置ユニットを介してガスタービン発電機ユニットの出力を定格出力の１００〜３０％の範囲に亘って調整すると共に、前記貯湯槽に設けた温度検出センサにより検出した貯湯槽内の温水温度により、前記缶水温度に基づくガスタービン発電機ユニットの出力調整を補完し、前記ガスタービン発電機ユニットの出力が定格出力の約３０％に到達したときにはガスタービン発電機ユニットの運転を停止するようにしたことを特徴とする小容量のガスタービンコージェネレーションシステムの運転制御方法。
排熱温水ボイラを真空式の排熱温水ボイラとするようにした請求項１に記載の小容量のガスタービンコージェネレーションシステムの運転制御方法。
ガスタービン発電機ユニットを空気圧縮機と再生器と燃焼室とガスタービンと発電機とを一体化して成るガスタービン発電機ユニットとするようにした請求項１に記載の小容量のガスタービンコージェネレーションシステムの運転制御方法。