JP6261956B2 - 高湿分利用ガスタービンシステム - Google Patents

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Description

本発明は、高湿分利用ガスタービンシステムに係り、詳しくは、燃焼後の排ガスから水分を回収して再度高湿分空気として利用する高湿分利用ガスタービンシステムに関する。
ガスタービンシステムの運用において、発電効率を向上させるために、その燃焼用圧縮空気に蒸気を導入することが広く知られている。これは、蒸気の導入により燃焼用圧縮空気の作動流体量が増加し、圧縮機動力が低減されるためである。
燃焼後の排ガスからガスタービンに導入した蒸気を凝縮させ回収水として回収し、不純物除去装置により不純物を除去した後、この回収水を用いて増湿し高湿分の燃焼用圧縮空気とする高湿分利用ガスタービンシステムがある。（例えば、特許文献１参照）。本システムにより、燃焼後の排ガスから燃焼器入口側への熱回収を行うことが可能となり、燃焼用圧縮空気温度を上昇させることができるため、燃料消費量の低減によるさらなる発電効率の向上が図れる。
特開２０１０−２５５４５６号公報
高湿分利用ガスタービンシステムは、ガスタービンの排ガスから水分を回収する水回収系統と、ガスタービンの排ガスを熱源とする排熱回収ボイラにて過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成系統とを備えていて、過熱蒸気生成系統で生成した過熱蒸気をガスタービンの燃焼用圧縮空気に導入する。
ところで、ガスタービンの運転において起動時や停止時には、ガスタービン内部での水分の凝縮を防止するために、過熱蒸気の燃焼用圧縮空気への導入を行わない。また、ガスタービンシステム運転時における系統事故等を原因とする負荷遮断が行われた後の運転の場合にも、過熱蒸気の燃焼用圧縮空気への導入は行わない。
このようなガスタービンが過熱蒸気を導入できない場合、従来の高湿分利用ガスタービンシステムでは、排熱回収ボイラ出口に設置した逃し弁にて生成した過熱蒸気を系外に排出する運用がなされていた。
このため、高湿分利用ガスタービンシステムがＤＳＳ運用（Daily Start and Stop 日間起動停止）の場合や、負荷遮断後、再並列までの時間が長い場合には、水消費量が増大するため、補給水量の増加によりランニングコストが増大するという問題がある。
本発明は上述の事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、ガスタービンシステムの起動時、停止時及び負荷遮断時における、水消費量を低減することで、外部からの補給水供給量を低減できる省水型の高湿分利用ガスタービンシステムを提供することにある。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から導入される高圧空気と蒸気とを混合して加湿した燃焼用空気を生成する圧縮空気ヘッダと、前記圧縮空気ヘッダからの燃焼用空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンとからなるガスタービンシステムと、前記タービンからの排ガスによって蒸気を発生する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラの下流側に配置され、前記排ガスの中に含まれた水分を回収する水回収装置とを備えた高湿分利用ガスタービンシステムであって、前記圧縮空気ヘッダに前記排熱回収ボイラからの蒸気を供給する第１蒸気系統と、前記排熱回収ボイラからの蒸気を前記排熱回収ボイラまたは前記水回収装置のいずれかの内部の排ガス流路に供給する第２蒸気系統を備え、前記ガスタービンシステムが起動時または停止時または負荷遮断時には、前記第１蒸気系統を遮断して、前記第２蒸気系統を連通させて前記排熱回収ボイラからの蒸気を回収することを特徴とする。
本発明によれば、排熱回収ボイラの蒸気出口に、ガスタービンをバイパスして、高湿分利用ガスタービンシステム系統の内部の排ガス流路へ発生蒸気を導くバイパス系統を設置したので、ガスタービンの起動時、停止時及び負荷遮断時の水消費量を低減することができる。このことにより、ガスタービンの起動停止時及び負荷遮断時の外部からの補給水供給量を低減できるため、ランニングコストの低減を図ることができる。
本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第１の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第２の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第３の実施の形態を示す概略構成図である。
以下、本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第１の実施の形態を示す概略構成図である。
高湿分利用ガスタービンシステムは、圧縮機１、圧縮空気ヘッダ２、燃焼器３、タービン４、駆動軸１Ａ及び発電機５を備えたガスタービンシステムと、排熱回収ボイラ１０と、水回収装置６とを基本構成として備えている。圧縮機１とタービン４と発電機５とは、駆動軸１Ａにより機械的に連結している。
圧縮機１は、外部空気を吸気・圧縮して、燃焼用空気として流路５１を介して圧縮空気ヘッダ２に供給する。圧縮空気ヘッダ２は、排熱回収ボイラ１０の過熱器１４から配管５２と配管５５とを介して供給される過熱蒸気と、燃焼用空気とを混合して加湿した燃焼用空気を生成する。燃焼器３は、流路５３を介して供給される加湿した燃焼用空気と、配管５０を介して供給される燃料Ｆとを混合・燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを発生する。この燃焼ガスは、流路５４を介してタービン４に導入され、タービン４を駆動し、駆動軸１Ａを通して圧縮機１及び発電機５を駆動する。タービン４の回転動力は発電機５によって電力に変換されている。
排熱回収ボイラ１０は、ガスタービンシステムにおいてタービン４を駆動した後の排ガスを熱源として蒸気を発生させる装置である。排熱回収ボイラ１０は、外周部を保温材で被覆した箱型のケーシング１０ａと、ケーシング１０ａの上流側に設けられ、タービン４を駆動した後の排ガスを導入するダクト６０が接続される上流開口部と、上流開口部から導入された排ガスが流通する排ガス流路と、排ガス流路内に上流から順に配置された過熱器１４と、蒸気ドラム３１を備えた蒸発器１３と、高温節炭器１２と、低温節炭器１１とからなる熱交換器群と、ケーシング１０ａの下流側に設けられ、熱交換器群を通過した後の排ガスを水回収装置６へ供給する下流開口部とを備えている。
また、本実施の形態においては、排熱回収ボイラ１０の排ガス流路の過熱器１４の上流側に、排ガス流路の方向に過熱蒸気を噴射する蒸気ノズル１５を設けている。蒸気ノズル１５のヘッダには、配管５８の一端が接続されている。配管５８の他端は、排熱回収ボイラ１０の加熱器１４と圧縮空気ヘッダ２とを接続する配管５５に設けた分岐部５６に接続されている。配管５８には、蒸気ノズル１５に供給される過熱蒸気の流量を調整する蒸気ノズル調節弁９１とオリフィス１００とが設けられている。蒸気ノズル調節弁９１は、通常運転時には閉止されている。
また、本実施の形態においては、排熱回収ボイラ１０の箱底に該当するケーシング１０ａの下部構造を、上流側から下流側に向けて下っていく傾斜構造１６としている。この傾斜構造１６の最下流側の最低高さの部分には、ドレンを貯留するドレンタンク３２と連通する配管８２が設けられている。ドレンタンク３２に貯留されたドレンは、高湿分利用ガスタービンシステムの系統の外部（系外）へ向けて配設された配管８３と、この配管８３に設置されたドレンポンプ４１により、系外へ排出される。
水回収装置６は、排熱回収ボイラ１０からの排ガスにスプレノズル１２０から冷却水を噴霧することで、排ガス中の水分を凝縮して、冷却水に混入させた後に回収水２０として回収するものである。排ガス中の水分が除去された残りのガス成分は、水回収装置６の上部に設けた煙突１１０から大気に放出される。スプレノズル１２０より噴霧する冷却水は、水回収装置６の下部から配管８１を介して図示しない外部冷却装置に供給して冷却された回収水２０を用いている。また、この外部冷却装置に供給して冷却された回収水２０は、図示しない水処理装置で浄化処理し、排熱回収ボイラ１０の給水として再利用しても良い。
ガスタービンシステムにおいて通常運転がなされている場合、タービン４を駆動した後の排ガスは、ダクト６０を介して排熱回収ボイラ１０に供給され、上述した熱交換器群の内部を流れる給水または蒸気と熱交換する。このことにより、過熱器１４から発生した過熱蒸気は、過熱器１４と過熱蒸気調節弁９０とを連結する配管５５を通過し、ガスタービンシステムの必要とする圧力に減圧する過熱蒸気調節弁９０と配管５２とを介して圧縮空気ヘッダ２に供給される。この結果、燃焼器３に供給する加湿空気が生成される。
また、通常運転時には、外部から配管７０を介して低温節炭器１１に給水が供給され、この給水は、低温節炭器１１で熱交換された後、配管７４を介して脱気器３０に供給され脱気される。その後、配管７３を通り給水ポンプ４０で昇圧され、配管７２を介して高温節炭器１２に供給され熱交換される。高温節炭器１２を出た給水は、配管７８と配管７６とを介して蒸気ドラム３１に供給される。
蒸気ドラム３１に供給された給水は、蒸発器１３と配管７９及び配管８０を介して循環されて加熱され、蒸気ドラム３１で水と蒸気とに分離される。蒸気は、配管５７を介して過熱器１４に供給される。過熱器１４に供給された蒸気は、さらに加熱されることで過熱蒸気となり、配管５５に供給される。
次に、本実施の形態において、ガスタービンシステムの起動時、停止時及び負荷遮断時等の動作について説明する。
ガスタービンシステムの起動時や停止時など、ガスタービン内での水分の凝縮を防止する場合や負荷遮断後のように蒸気を必要としない場合には、まず、蒸気ノズル調節弁９１を開動作させると共に、過熱蒸気調節弁９０を閉動作させる。このことにより、配管５８に過熱蒸気が導かれ、蒸気ノズル１５から排熱回収ボイラ１０の排ガス流路の方向に過熱蒸気が噴射されると共に、ガスタービン側への過熱蒸気の流入は遮断される。
蒸気ノズル１５から排熱回収ボイラ１０の排ガス流路の方向に噴射された過熱蒸気は、排熱回収ボイラ１０内の高温節炭器１２または低温節炭器１１で凝縮されドレン化する場合がある。このようなドレンは、排熱回収ボイラ１０のケーシング１０ａ下部の傾斜構造１６を通って、最下流側の最低高さの部位を経由してドレンタンク３２に貯留され、ドレンポンプ４１により、高湿分利用ガスタービンシステムの系統の外部へ排出される。
上述した本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第１の実施の形態によれば、排熱回収ボイラ１０の蒸気出口に、ガスタービンをバイパスして、高湿分利用ガスタービンシステム系統の内部へ発生蒸気を導くバイパス系統を設置したので、ガスタービンの起動時、停止時及び負荷遮断時の水消費量を低減することができる。このことにより、ガスタービンの起動停止時及び負荷遮断時の外部からの補給水供給量を低減できるため、ランニングコストの低減を図ることができる。
なお、本実施の形態においては、蒸気ノズル１５を排熱回収ボイラ１０の排ガス流路の最上流側に設置した場合を例に説明したが、これに限るものではなく、サーマルショック等の問題が発生することを避けるため、排熱回収ボイラ１０の排ガス流路内の排ガス温度が、蒸気ドラム３１の器内圧力の飽和温度以上であり、蒸気ノズル１５設置部において水分凝縮が生じない箇所であれば、蒸気ノズル１５を設置することは可能である。例えば、蒸発器１３と過熱器１４との間に設置する構成や、蒸発器１３を２つに分割し、分割した２つの蒸発器１３の間に設置する構成でも良い。
また、本実施の形態においては、排熱回収ボイラ１０内のドレンを排出するために、ドレン配管８２、ドレンタンク３２、及びドレンポンプ４１等からなるドレン排出系統を備えた場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、傾斜構造１６により水回収装置６に直接ドレンを排出できる構成として、ドレン排出系統を省略しても良い。
以下、本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図２は本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第２の実施の形態を示す概略構成図である。図２において、図１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図２に示す本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、蒸気ノズル１５を水回収装置６の内部に設けたことと、ドレン配管８２、ドレンタンク３２、及びドレンポンプ４１等からなるドレン排出系統を省略したことと、排熱回収ボイラ１０のケーシング１０ａ下部を傾斜構造ではなくフラットな構造としたことが異なる。
本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第２の実施の形態において、ガスタービンシステムの起動時や停止時など、ガスタービン内での水分の凝縮を防止する場合や負荷遮断後のように蒸気を必要としない場合には、まず、蒸気ノズル調節弁９１を開動作させると共に、過熱蒸気調節弁９０を閉動作させる。このことにより、配管５８に過熱蒸気が導かれ、蒸気ノズル１５から水回収装置６の内部に過熱蒸気が噴射され、ガスタービン側への過熱蒸気の流入が遮断される。水回収装置６内に噴射された過熱蒸気は、スプレノズル１２０から噴出される冷却水によって凝縮され、回収水２０として高湿分利用ガスタービンシステムの系統の内部に回収される。
なお、蒸気ノズル１５より噴出する過熱蒸気は高温であり、水回収装置６の内部の温度条件と異なるが、噴出蒸気が水回収装置６を構成する部材に直接接触しないように蒸気ノズル１５を配置構成するので、水回収装置６は、通常の運転仕様で計画することができる。
上述した本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に効果を得ることができる。
また、上述した本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第２の実施の形態によれば、排熱回収ボイラ１０内でのドレン発生の恐れがないので、ドレン排出系統を設ける必要がなく、排熱回収ボイラ１０のケーシング１０ａ下部を傾斜構造にする必要がない。この結果、生産コストを削減できる。
以下、本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図３は本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第３の実施の形態を示す概略構成図である。図３において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図３に示す本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第３の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、配管５５の分岐部５６に他端が接続された配管５８の一端側をガスタービンシステムの冷却装置に接続したことと、ドレン配管８２、ドレンタンク３２、及びドレンポンプ４１等からなるドレン排出系統を省略したことと、排熱回収ボイラ１０のケーシング１０ａ下部を傾斜構造ではなくフラットな構造としたことが異なる。
本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第３の実施の形態において、ガスタービンシステムの起動時や停止時など、ガスタービン内での水分の凝縮を防止する場合や負荷遮断後のように蒸気を必要としない場合には、まず、蒸気ノズル調節弁９１を開動作させると共に、過熱蒸気調節弁９０を閉動作させる。このことにより、配管５８に過熱蒸気が導かれ、ガスタービン側への過熱蒸気の流入が遮断される。配管５８に導かれた過熱蒸気は、高湿分利用ガスタービンシステムの系統の外部（系外）の冷却装置で凝縮させることで、再利用することができる。
上述した本発明の高湿分利用ガスタービンシステムの第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に効果を得ることができる。
１ 圧縮機
１Ａ 駆動軸
２ 圧縮空気ヘッダ
３ 燃焼器
４ タービン
５ 発電機
６ 水回収装置
１０ 排熱回収ボイラ
１０ａ ケーシング
１１ 低温節炭器
１２ 高温節炭器
１３ 蒸発器
１４ 過熱器
１５ 蒸気ノズル
１６ 傾斜構造（排熱回収ボイラ下部構造）
２０ 回収水
３０ 脱気器
３１ 蒸気ドラム
３２ ドレンタンク
４０ 給水ポンプ
４１ ドレンポンプ
５０ 燃料配管
５１〜５８ 配管及び流路（圧縮空気及び蒸気）
６０ ダクト
７０〜８３ 配管（給水及び回収水）
９０ 過熱蒸気調節弁
９１ 蒸気ノズル調節弁
１００ オリフィス
１１０ 煙突
１２０ スプレノズル

Claims (4)

  1. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から導入される高圧空気と蒸気とを混合して加湿した燃焼用空気を生成する圧縮空気ヘッダと、前記圧縮空気ヘッダからの燃焼用空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンとからなるガスタービンシステムと、
    前記タービンからの排ガスによって蒸気を発生する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラの下流側に配置され、前記排ガスの中に含まれた水分を回収する水回収装置とを備えた高湿分利用ガスタービンシステムであって、
    前記圧縮空気ヘッダに前記排熱回収ボイラからの蒸気を供給する第１蒸気系統と、
    前記排熱回収ボイラからの蒸気を前記排熱回収ボイラまたは前記水回収装置のいずれかの内部の排ガス流路に供給する第２蒸気系統を備え、
    前記ガスタービンシステムが起動時または停止時または負荷遮断時には、前記第１蒸気系統を遮断して、前記第２蒸気系統を連通させて前記排熱回収ボイラからの蒸気を回収することを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
  2. 請求項１に記載の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
    前記第２蒸気系統は、前記排熱回収ボイラの排ガス流路内に蒸気を噴射する蒸気ノズルに接続されていることを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
  3. 請求項１または２に記載の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
    前記排熱回収ボイラは箱型のケーシングを有し、前記ケーシングの底部を前記タービンからの排ガスの上流側から下流側に向かって下る傾斜構造として、最下流側の部分にドレン排出系統を設けたことを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
  4. 請求項１に記載の高湿分利用ガスタービンシステムにおいて、
    前記第２蒸気系統は、前記水回収装置の内部の排ガス流路に蒸気を噴射する蒸気ノズルに接続されていることを特徴とする高湿分利用ガスタービンシステム。
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