トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F02 燃焼機関;風力原動機,ばね原動機,重力原動機;他類に属さない機械動力または反動推進力を発生するもの

【発明の名称】 複圧蒸気噴射型部分再生サイクルガスタービン
【発明者】 【氏名】宇治 茂一

【要約】 【課題】発生蒸気量を減少させることなく、駆動蒸気圧力を高め、これにより、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる部分再生式二流体ガスタービンを提供する。

【解決手段】圧縮機2で圧縮した空気の一部を燃焼器3の手前で抽気し、蒸気と混合し、タービン排熱で過熱した後、この混合ガスを燃焼器に注入する部分再生サイクルガスタービンにおいて、抽気された空気を圧縮する第1混合器22の駆動流体として、高圧蒸気を使用して抽気空気/蒸気の比率を高め、更にこの抽気空気と蒸気との混合ガスに低圧排熱ボイラからの低圧蒸気を第2混合器で混合し、更に過熱器6内でタービン排熱で過熱した後、燃焼器に注入する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 圧縮機(2)で圧縮した空気の一部を燃焼器(3)の手前で抽気し、蒸気と混合し、タービン排熱で過熱した後、この混合ガスを燃焼器に注入する部分再生サイクルガスタービンにおいて、抽気された空気を圧縮する混合器の駆動流体として、高圧蒸気を使用して抽気空気/蒸気の比率を高め、更にこの抽気空気と蒸気との混合ガスに低圧排熱ボイラからの低圧蒸気を混合し、更にタービン排熱で過熱した後、燃焼器に注入することを特徴とする複圧蒸気噴射型部分再生サイクルガスタービン。
【請求項2】 高圧蒸気を駆動源として圧縮空気を昇圧しかつ両流体を混合する第1混合器(22)と、第1混合器で混合した混合ガスに更に低圧蒸気を混合する第2混合器(24)と、タービン(7)の下流に設けられ第2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(6)と、過熱器の下流に設けられタービン排気を熱源として高圧蒸気と低圧蒸気を発生させる排熱ボイラ(26)と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の複圧蒸気噴射型部分再生サイクルガスタービン。
【請求項3】 圧縮機(2)による圧縮空気の一部を燃焼器(3)へその残部を第1混合器(22)に導くための空気ライン(13)と、排熱ボイラ(26)による高圧蒸気を第1混合器に送る主蒸気ライン(28a)と、排熱ボイラ(26)による低圧蒸気を第2混合器に送る補助蒸気ライン(28b)と、第2混合器による混合ガスを過熱器6を介して燃焼器3に導くための混合ガスライン(15)と、を備えたことを特徴とする請求項2に記載の複圧蒸気噴射型部分再生サイクルガスタービン。
【請求項4】 前記第1混合器(22)は、高圧蒸気で駆動され圧縮空気を吸引するエジェクタであり、前記第2混合器(24)は、混合ガス圧と蒸気圧がほぼ等しい混合容器である、ことを特徴とする請求項2に記載の部分再生式二流体ガスタービン。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発電と水蒸気生成を行うガスタービン発電設備に係り、更に詳しくは、ガスタービンに水蒸気を噴射する二流体サイクルガスタービンに関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンへ水蒸気を注入する二流体サイクルガスタービンとしては、例えば特公昭54−34865号の「二作動流体ヒートエンジン」が知られている。この二流体サイクルガスタービン(以下、発明者の名前からチエン・サイクルと呼ぶ)は、図3に例示するように、絞り弁1、コンプレッサー2、燃焼室3、水処理装置4、ポンプ5、熱交換器6、タービン7、8、コンデンサー9、等から構成され、大気中から吸入した空気をコンプレッサー2で圧縮して燃焼室3に供給し、この圧縮空気で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスによりタービン7、8を駆動してコンプレッサー4及び負荷を駆動し、更にタービンを出た燃焼ガスにより熱交換器6で水蒸気を発生させ、コンデンサー9で水分を回収して大気中に放出するようになっている。かかるチエン・サイクルは、燃焼室3に熱交換器6で発生した水蒸気Sを噴射するためタービンに流入する燃焼ガスの流量が増大し、かつ燃焼ガスの比熱が増大することからタービンの出力と熱効率を高めることができる特徴を有している。
【0003】また、このチエン・サイクルを改善した二流体サイクルガスタービンとして、本願発明の発明者は、特公平826780号を創案し出願している。
【0004】特公平826780号の「部分再生式二流体ガスタービン」は、図4に模式的に示すように、空気を圧縮する圧縮機2と、燃料を燃焼させる燃焼器3と、燃焼ガスにより駆動され圧縮機を駆動するタービン7とからなるガスタービンと、水蒸気S(飽和蒸気)を駆動源として圧縮空気を昇圧しかつ両流体を混合する混合器10と、タービン7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加熱するための過熱器6と、過熱器6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12と、圧縮機2による圧縮空気の一部を燃焼器3へその残部を混合器10に導くための空気ライン13と、排熱ボイラ12による水蒸気Sの一部を混合器に送る主蒸気ライン14と、混合器10による混合ガスを過熱器6を介して燃焼器3に導くための混合ガスライン15と、を備えたものである。
【0005】この部分再生式二流体ガスタービンでは、ガスタービンの排熱を回収して生成された水蒸気Sで圧縮空気の一部を吸引・混合し、更に過熱器6でガスタービンの排熱回収を行った後、燃焼器内に噴射するので、ガスタービンの排熱回収で温度を高められた空気の分、チエン・サイクルより多くのエネルギー回収ができ、サイクル効率を向上させることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図5と図6は、上述したチエン・サイクルと二流体ガスタービンの排熱回収線図である。これらの図において、横軸はガスタービン排ガスを基準とした交換熱量、縦軸は温度である。なお、横軸は具体的にはガスタービン排ガスの0℃を基準とするエンタルピーに相当する。これらの図において、ガスタービン排ガスは、約550℃から約150まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【0007】蒸発後の熱回収が、図5のチエン・サイクルでは蒸気のみの加熱であるのに対して、図6の部分再生式二流体ガスタービンでは蒸気と空気の混合ガスの加熱となる。そのため、図6では、圧縮空気の混合により温度が上昇し、更に混合ガスの流量が増大するので温度上昇勾配が緩くなる。その結果、図6に斜線で示す領域に相当する分の有効エネルギーの回収がチエン・サイクルより多くなり、その分サイクル効率が向上する。その結果、この例では、発電機端効率が41.10%から41.18%に上昇している。
【0008】図6の部分再生式二流体ガスタービンでは、サイクル効率を向上させるため、混合器10で吸引される圧縮空気を増加させる混合ガス量を増加させる必要がある。しかし、そのために、混合器の駆動源である排熱回収蒸気の圧力を単に上昇させると、混合器10を駆動するための発生蒸気量が減少してしまい、結果として排熱回収が不十分となる。
【0009】図7は、この例を示しており、蒸気圧力を図6の20kg/cm2gから63kg/cm2gに上昇させたものである。この場合、飽和蒸発温度が約210℃から約280℃まで高まり、その分、排ガス温度に近づいている。排ガス温度線との間の面積は、いわゆるエクセルギー・ロス(無効エネルギー)に相当するので、その点では改善されるが、発生蒸気量が減少し、給水量が減少しているので、排ガスを約200℃までしか、熱回収できず、図7に斜線で示す領域に相当する分のエネルギー回収が図6より不足する。その結果、この例では、発電機端効率が41.18%から40.96%に低下してしまう。
【0010】本発明はかかる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、発生蒸気量を減少させることなく、駆動蒸気圧力を高め、これにより、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる部分再生式二流体ガスタービン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、圧縮機(2)で圧縮した空気の一部を燃焼器(3)の手前で抽気し、蒸気と混合し、タービン排熱で過熱した後、この混合ガスを燃焼器に注入する部分再生サイクルガスタービンにおいて、抽気された空気を圧縮する混合器の駆動流体として、高圧蒸気を使用して抽気空気/蒸気の比率を高め、更にこの抽気空気と蒸気との混合ガスに低圧排熱ボイラからの低圧蒸気を混合し、更にタービン排熱で過熱した後、燃焼器に注入することを特徴とする複圧蒸気噴射型部分再生サイクルガスタービンが提供される。
【0012】上記本発明の構成によれば、混合器の駆動源として排熱回収蒸気の圧力を上げた高圧蒸気を使用するので、抽気空気/蒸気の比率を高め、混合器で吸引される圧縮空気量を増加させることができる。更にこの抽気空気と蒸気との混合ガスに低圧排熱ボイラからの低圧蒸気を混合するので、より多くの空気と水蒸気を燃焼器に供給できる。また、これにより排熱回収に供される排ガス量が増大し、この排ガスから高圧蒸気による排熱回収後、更に低圧蒸気による排熱回収を行うことができ、排ガスを低温まで熱回収できる。従ってこの構成により、排熱回収に使用できる圧縮空気を増大させることができるとともに、排ガスの低温域の排熱回収も増加させることができ、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させることができ、発電効率を向上させることができる。
【0013】本発明の好ましい実施形態によれば、高圧蒸気を駆動源として圧縮空気を昇圧しかつ両流体を混合する第1混合器(22)と、第1混合器で混合した混合ガスに更に低圧蒸気を混合する第2混合器(24)と、タービン(7)の下流に設けられ第2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(6)と、過熱器の下流に設けられタービン排気を熱源として高圧蒸気と低圧蒸気を発生させる排熱ボイラ(26)とを備える。
【0014】第1混合器(22)として例えばエジェクタを用いることにより、15ata前後の圧縮空気を更に低圧蒸気圧(例えば20ata前後)まで昇圧し、かつ両流体を混合することができる。また、第2混合器(24)の出口圧を過熱器に必要な供給圧に設定することにより、第2混合器(24)を圧損の小さい混合器にできる。更に、排熱ボイラ(26)でタービン排気を熱源として高圧蒸気と低圧蒸気を発生させるので、排ガスの低温域の排熱回収を増加させることができ、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させることができる。
【0015】また、圧縮機(2)による圧縮空気の一部を燃焼器(3)へその残部を第1混合器(22)に導くための空気ライン(13)と、排熱ボイラ(26)による高圧蒸気を第1混合器に送る主蒸気ライン(28a)と、排熱ボイラ(26)による低圧蒸気を第2混合器に送る補助蒸気ライン(28b)と、第2混合器による混合ガスを過熱器6を介して燃焼器3に導くための混合ガスライン(15)と、を備える。この構成により、主蒸気ライン(28a)と補助蒸気ライン(28b)を互いに独立させ、それぞれ最適条件に圧力/温度/流量等を設定できる。
【0016】更に、前記第1混合器(22)は、高圧蒸気で駆動され圧縮空気を吸引するエジェクタであり、前記第2混合器(24)は、混合ガス圧と蒸気圧がほぼ等しい混合容器である、ことが好ましい。この構成により、エジェクタで高圧蒸気の噴流によりガスタービン圧縮機出口の空気を吸引し、駆動流体である高圧蒸気と混合し、圧縮空気よりも高圧の空気・蒸気混合ガスを容易に得ることができ、混合容器でエクセルギ・ロスを抑えて効率よく混合ガスと蒸気を混合することができる。
【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、本発明による複圧蒸気噴射型部分再生サイクルガスタービンの全体構成図である。この図において、本発明による部分再生サイクルガスタービンは、空気Aを圧縮する圧縮機2と、燃料Fを燃焼させる燃焼器3と、燃焼ガスEにより駆動され圧縮機2を駆動するタービン7とからなるガスタービンと、タービン7の下流に設けられた過熱器6と、圧縮機2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空気ライン13と、空気と蒸気の混合ガス(混合気)を過熱器6を介して燃焼器3に導くための混合ガスライン15とを備えている。
【0018】本発明の部分再生サイクルガスタービンは、更に、高圧蒸気を駆動源として圧縮空気を昇圧しかつ両流体を混合する第1混合器22と、第1混合器22で混合した混合ガスに更に低圧蒸気を混合する第2混合器24と、過熱器6の下流に設けられタービン排気を熱源として高圧蒸気と低圧蒸気を発生させる排熱ボイラ26とを備える。タービン7の下流に設けられた過熱器6は、第2混合器24による混合ガスをタービン排気で更に加熱する。排熱ボイラ26は、低圧給水ポンプ26aと高圧給水ポンプ26bとを備え、例えば約20kg/cm2gの低圧蒸気と約63kg/cm2gの高圧蒸気を発生するようになっている。
【0019】この実施形態において、第1混合器22は、高圧蒸気で駆動され圧縮空気を吸引するエジェクタである。また、第2混合器24は、第1混合器22からの混合ガス圧と蒸気圧(低圧蒸気圧)がほぼ等しい混合容器である。なお、第2混合器24を圧損の小さい他の形式の混合機器としてもよい。
【0020】また、第1混合器22の出口圧は低圧蒸気とほぼ等しく設定し、第2混合器24の出口圧は、過熱器に必要な供給圧に設定する。この構成により、混合容器でエクセルギ・ロスを抑えて効率よく混合ガスと蒸気を混合することができる。
【0021】更に、本発明の部分再生サイクルガスタービンは、排熱ボイラ26による高圧蒸気を第1混合器22に送る主蒸気ライン28aと、排熱ボイラ26による低圧蒸気を第2混合器24に送る補助蒸気ライン28bとを備えている。また、主蒸気ライン28aには高圧蒸気流量調節弁29が設けられ、その供給流量を調節するようになっている。
【0022】図2は、図1の排熱回収線図である。この図において、横軸はガスタービン排ガスを基準とした交換熱量(ガスタービン排ガスの0℃を基準とするエンタルピー)であり、縦軸は温度である。
【0023】この図において、ガスタービン排ガスは、図5、図6と同様に、約550℃から約150まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【0024】図1から明らかなように、排熱ボイラ26には低圧給水ポンプ26aで給水(例えば約50℃)が供給され、その一部が低圧(例えば約20kg/cm2g)の低圧飽和蒸気として、低圧ドラム、補助蒸気ライン28bを介して第2混合器24に供給される。この低圧蒸気の蒸発線は、図2における約210℃の定温線である。
【0025】次いで、残りの給水が高圧給水ポンプ26bで高圧ドラムに供給され、ボイラの上流側で更に高圧の蒸気(この場合、高圧飽和蒸気)を発生させる。この高圧蒸気は高圧蒸気流量調節弁29、主蒸気ライン28aを介して第1混合器22に供給される。この高圧蒸気の蒸発線は、図2における約280℃の定温線である。また、第1混合器22における混合により、混合ガスの温度が約360℃前後まで上昇している。
【0026】更に、その後の過熱器6における加熱では、第2混合器24で低圧蒸気が混合されているので、空気量及び蒸気量とも従来より多く、温度上昇勾配が一層緩くなる。
【0027】この排熱回収線図から明らかなように、本発明の構成では、飽和蒸発温度が約210℃と約280℃の二段となり、それぞれ排ガス温度に近づいている。従って排ガス温度線との間の面積、いわゆるエクセルギー・ロス(無効エネルギー)が小さくなる。また、発生蒸気量も全体として増加し、従って給水量も増加するので、排ガスを約150℃前後まで熱回収できる。その結果、図2に斜線で示す領域に相当する分のエネルギー回収が図7より増え、この例では、発電機端効率を従来の最大約41.18%から更に42.5%に、約3〜5%向上させることができることがわかる。
【0028】上述したように、本発明の構成によれば、混合器(第1混合器22)の駆動源として排熱回収蒸気の圧力を上げた高圧蒸気を使用するので、抽気空気/蒸気の比率を高め、混合器22で吸引される圧縮空気量を増加させることができる。更にこの抽気空気と蒸気との混合ガスに低圧排熱ボイラからの低圧蒸気を混合するので、より多くの空気と水蒸気を燃焼器に供給できる。また、これにより排熱回収に供される排ガス量が増大し、この排ガスから高圧蒸気による排熱回収後、更に低圧蒸気による排熱回収を行うことができ、排ガスをエクセルギーの少ない低温まで熱回収できる。従ってこの構成により、排熱回収に使用できる圧縮空気を増大させることができるとともに、排ガスの低温域の排熱回収も増加させることができ、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させることができ、発電効率を向上させることができる。
【0029】また、第1混合器22として例えばエジェクタを用いることにより、15ata前後の圧縮空気を更に低圧蒸気圧(例えば20ata前後)まで昇圧し、かつ両流体を混合することができる。また、第2混合器24の出口圧を過熱器に必要な供給圧に設定することにより、第2混合器24を圧損の小さい混合器にできる。更に、排熱ボイラ26でタービン排気を熱源として高圧蒸気と低圧蒸気を発生させるので、排ガスの低温域の排熱回収を増加させることができ、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させることができる。
【0030】また、主蒸気ライン28aと補助蒸気ライン28bを備える構成により、主蒸気ライン28aと補助蒸気ライン28bを互いに独立させ、それぞれ最適条件に圧力/温度/流量等を設定できる。
【0031】更に、エジェクタで高圧蒸気の噴流によりガスタービン圧縮機出口の空気を吸引し、駆動流体である高圧蒸気と混合し、圧縮空気よりも高圧の空気・蒸気混合ガスを容易に得ることができる。また、低圧損の混合容器でエクセルギ・ロスを抑えて効率よく混合ガスと蒸気を混合することができる。
【0032】なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【0033】
【発明の効果】上述したように、本発明の複圧蒸気噴射型部分再生サイクルガスタービンは、発生蒸気量を減少させることなく、駆動蒸気圧力を高め、これにより、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる、等の優れた効果を有する。
【出願人】 【識別番号】000000099
【氏名又は名称】石川島播磨重工業株式会社
【出願日】 平成11年7月16日(1999.7.16)
【代理人】 【識別番号】100097515
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 実 (外1名)
【公開番号】 特開2001−27131(P2001−27131A)
【公開日】 平成13年1月30日(2001.1.30)
【出願番号】 特願平11−202962