JP4982390B2 - 高湿分空気利用ガスタービン及び高湿分空気利用ガスタービンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、高湿分空気を燃焼用空気として利用する高湿分空気利用ガスタービン及び高湿分空気利用ガスタービンの運転方法に関する。

ガスタービンの排熱を回収したエネルギーにより、加湿装置でガスタービンの圧縮空気に加湿した高加湿空気を加熱して燃焼用空気の質量流量とエンタルピーを増加させ、この加熱した高湿分空気と燃料とをガスタービン燃焼器で燃焼させた高温の燃焼ガスでタービンを駆動させて、ガスタービン出力および発電効率を向上させる高湿分空気利用ガスタービンの技術が、特開２００６−２５７０号公報に開示されている。

この特開２００６−２５７０号公報に記載された高湿分空気利用ガスタービンは、タービンから排出した排ガス中の湿分を回収する水回収装置を備えており、この水回収装置で回収された水は、水を循環させる第一の系統に設置された不純物を除去する分離装置により浄化されて再び水回収装置に供給される。

また、この水回収装置で回収された水は、水を循環させる第二の系統に設置された不純物を除去する分離装置により浄化されて加湿装置に供給される。

特開２００６−２５７０号公報に記載された不純物を除去する前記分離装置は、第一の系統と第二の系統とでは、それぞれ除去する不純物の種類、水の処理容量、及び処理後の水質純度が異なっていることが開示されている。

また、特開２０００−５４８５４号公報には、ガスタービンの排熱を回収する排熱回収ボイラで水蒸気を発生させ、この水蒸気をガスタービン燃焼器に注入してガスタービン出力を増大する蒸気注入式ガスタービンが開示されている。

特開２０００−５４８５４号公報に記載されたガスタービンには、排熱回収ボイラ出口の排ガスを凝縮させる凝縮器が設置されており、排ガスから除湿することにより排ガスを大気に放出した際の白煙発生を防止するとともに、凝縮器で回収した水分を水処理装置に導き、排熱回収ボイラの給水として再利用する技術が開示されている。

そしてこの水処理装置には、除塵フィルタ、脱気器、及びイオン交換装置が備えられている。

特開２００６−２５７０号公報 特開２０００−５４８５４号公報

ところで、高湿分空気利用ガスタービンでタービンから排出される排ガス中の湿分を回収する場合、回収水が排ガス中の窒素酸化物、二酸化炭素を吸収することにより、回収水には硝酸イオン、炭酸イオンなど不純物が混入する。

さらに、ガスタービン燃焼器に供給する圧縮空気に加湿する高湿分空気利用ガスタービンの場合には、大気中に含まれる微量の亜硫酸ガスが加湿装置の循環水に吸収され、亜硫酸水素イオンが不純物として循環水に混入する。

これらの回収水及び循環水を浄化する際に、ガスタービン燃焼器に加湿空気を供給して出力あるいは発電効率を向上する高湿分空気利用ガスタービンに対して以下の課題がある。

課題（１）：回収水及び循環水の水質浄化の際に水質浄化装置の動作の動作に伴なう水の損失量が比較的多く、水回収装置を設置した効果を減少させる。

課題（２）：回収水及び循環水を浄化する水質浄化装置の動作可能温度が比較的低温であり、この動作可能温度にまで比較的高温の回収水及び循環水を冷却する必要があるので、この冷却が高湿分空気利用ガスタービンの熱損失となって出力及び発電効率が低下する。

上記課題（１）に関しては、回収水及び循環水の浄化で不純物イオンを除去するためにイオン交換樹脂を用いた場合、イオン交換樹脂の再生処理が必要であり、その際に水を消耗する。

イオン交換樹脂の再生処理では運転時間と再生時間の時間平均で、処理量の概ね１０％の水が損失となる。

イオン交換樹脂の再生処理で樹脂再生の頻度を低減するためにイオン交換樹脂の上流側に逆浸透膜を設置する方法が知られているが、逆浸透膜からは常に不純物の濃縮水が排出されるため、逆浸透膜を設置しても水質浄化処理により失われる水量を低減することは難しい。

また、前記特開２００６−２５７０号公報に開示された高湿分空気利用ガスタービンにおいて、水を循環させる第二の系統とは高湿分空気利用ガスタービンに設置された水回収装置で回収した回収水を加湿装置に供給する系統であり、その流量は加湿装置での加湿量に相当する。

水質浄化装置を設置した場合に処理量の１０％が失われると仮定すると、加湿装置の加湿量の１０％が損失することになる。

前記特開２００６−２５７０号公報に開示された水を循環させる第一の系統の損失水量を加えると、高湿分空気利用ガスタービンのシステム全体の損失水量はさらに増加する。

次に、上記課題（２）に関しては、水質浄化装置としてイオン交換樹脂を用いた場合、強塩基性陰イオン交換樹脂の耐熱温度は約４０℃であるので、水回収装置で回収された比較的高温の水を実際の運用上は３５℃以下まで冷却する必要がある。

水回収装置で回収する回収水の温度は排ガスの露点温度より若干低温な５５℃程度であり、加湿装置の加湿量相当の水を５５℃から３５℃まで、２０℃の冷却が必要となる。

この場合、高湿分空気利用ガスタービンのシステム計算の結果では、発電効率が０．１６ｐｔ％低下する。

本発明の目的は、高湿分空気利用ガスタービンで排ガスから湿分を回収して加湿装置の循環水として再利用する場合に、循環水の水質浄化の際に生じる損失水量と熱損失量の低減を可能にする高湿分空気利用ガスタービン及び高湿分空気利用ガスタービンの運転方法を提供することにある。

本発明の高湿分空気利用ガスタービンは、空気を圧縮して高圧空気を吐出する圧縮機と、圧縮機から吐出された高圧空気を加湿する加湿装置と、燃焼用空気と燃料とを混合燃焼して燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動するタービンと、タービンから排出された排ガスを熱源として前記加湿装置で加湿された加湿空気を加熱する再生熱交換器を備え、再生熱交換器で加熱された加湿空気を前記ガスタービン燃焼器の燃焼用空気として供給する高湿分空気利用ガスタービンにおいて、前記再生熱交換器を流下した排気ガスから水分を回収する水回収装置を設置し、前記水回収装置は排気ガスに含まれる湿分を凝縮させた水を回収する回収水容器を備え、前記水回収装置の前記回収水容器に回収された回収水の一部を加湿装置の循環水として供給する第一の配管系統と、加湿装置から抜き出した循環水の一部を水回収装置の回収水容器に供給する第二の配管系統とを配設し、前記第二の配管系統に該第二の配管系統を流下する循環水を浄化する水質浄化装置を設置したことを特徴とする。

また、本発明の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法は、圧縮機によって空気を圧縮して高圧空気を吐出し、圧縮機から吐出された高圧空気に加湿装置によって加湿して加湿空気を生成し、加湿装置で加湿された加湿空気をタービンから排出した排ガスから熱を回収する再生熱交換器によって加熱し、再生熱交換器で加熱した加湿空気を燃焼用空気として供給してガスタービン燃焼器によって燃料と混合燃焼させて燃焼ガスを生成し、ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスを駆動流体として前記タービンを駆動するように構成した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法において、前記再生熱交換器の下流側に設置された水回収装置によってタービンから排出した排気ガスから該排気ガスに含まれた水分を凝縮させて前記回収水容器に備えた回収水容器に回収し、前記水回収装置の該回収水容器に回収された回収水の一部を前記回収水容器から前記加湿装置に至るように配設した第一の配管系統を通じて前記加湿装置に循環水として供給し、前記加湿装置に溜まった循環水の一部を加湿装置から引き出して水回収装置の前記回収水容器に至るように配設した第二の配管系統を流下させ、この第二の配管系統に設置された水質浄化装置によって該第二の配管系統を流下する循環水を浄化し、浄化された循環水を前記水回収装置の前記回収水容器に供給するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、高湿分空気利用ガスタービンで排ガスから湿分を回収して加湿装置の循環水として再利用する場合に、循環水の水質浄化の際に生じる損失水量と熱損失量の低減を可能にした高湿分空気利用ガスタービン及び高湿分空気利用ガスタービンの運転方法が実現できる。

本発明の実施例である高湿分空気利用ガスタービン及び高湿分空気利用ガスタービンの運転方法について図面を参照して以下に説明する。

図１は本発明の一実施例である高湿分空気利用ガスタービン及び高湿分空気利用ガスタ

ービンの運転方法を示す高湿分空気利用ガスタービン設備の概略系統図である。

図１において、高湿分空気利用ガスタービン設備は、空気を圧縮して高圧空気を吐出する圧縮機２と、この圧縮機２から吐出した高圧空気と燃料とを混合燃焼するガスタービン燃焼器４と、ガスタービン燃焼器４が燃料と高圧空気とを混合燃焼させて生成する高温の燃焼ガスを駆動流体にして駆動されるタービン１と、このタービン１によって回転し発電する発電機３とを備えている。

圧縮機２とタービン１と発電機３とを連結する軸５は図示しない減速機に接続されており、発電機３で発電した電力は図示しない電力系統に送電可能に構成している。

前記した高湿分空気利用ガスタービン設備を構成する圧縮機２には、圧縮機２が吸入する空気を取り込む吸気室１４が設置されており、この吸気室１４の入口には図示しない吸気フィルタが設置されている。

圧縮機２から吐出された高圧空気がガスタービン燃焼器４に供給される経路３１には、圧縮機２による圧縮により高温となった高圧空気から熱を回収して水を生成する空気冷却器２１と、この空気冷却器２１にて高温の高圧空気から熱を回収されて冷却した圧縮空気を加湿する加湿装置７と、タービン１から排出された高温の排気ガス１３を熱源として加湿装置７を経た加湿空気を加熱する再生熱交換器１２とがそれぞれ設置するように構成されている。

そして再生熱交換器１２によって加熱された加湿空気は再生熱交換器１２から経路３２を通じてガスタービン燃焼器４に燃焼用空気として供給されるように構成されている。

また、再生熱交換器１２を流下した排気ガス１３の下流側にはエコノマイザ１６が設置されており、再生熱交換器１２を経た排気ガス１３を熱源として該エコノマイザ１６にて加熱した加湿用の水を、加湿装置７の循環水として配管６５を通じて加湿装置７に供給するように構成されている。

更に、エコノマイザ１６を流下した排気ガス１３の下流側には水回収装置１７が設置されており、エコノマイザ１６を経た排気ガス１３に含まれる湿分を該水回収装置１７にて凝縮させて回収し、この回収した水を加湿装置７の循環水として配管６４を通じて加湿装置７に供給するように構成されている。

加湿装置７は充填物７２を内蔵した容器であり、一方で空気冷却器２１とエコノマイザ１６でそれぞれ熱回収して生成した水は配管６７及び配管６５を通じて該加湿装置７に導いて、充填物７２の上方に設置された液分散器（図示せず）から散布させており、他方で圧縮機２から吐出されて空気冷却器２１を経由した高圧空気は経路３１を通じて該加湿装置７に流入させている。

そして加湿装置７の内部では、散布して充填物７２の表面を流下する水と、充填物７２の下方から上向きに流れる高圧空気とを気液直接接触させることによって前記高圧空気を加湿する構造となっている。

加湿装置７の下部容器６２には、充填物７２表面を流下した水が収集されるが、この収集された水は配管４０に設置されたポンプ６３により加圧されて、配管４０から分岐した配管６６を経由して排ガス１３から熱を回収する水としてエコノマイザ１６へ給水されると共に、同じく配管４０の途中から分岐した配管６７を経由して高圧空気から熱を回収する水として空気冷却器２１へ給水されるように構成されている。

エコノマイザ１６で排ガス１３から熱を回収して加熱された水、及び空気冷却器２１で高温空気から熱を回収して加熱された水は、配管６５及び経路３１を通じて再び加湿装置７に導かれて、この加湿装置７の内部に配設された充填物７２の上方の液分散器にそれぞれ供給されるように構成されている。

そして加湿装置７によって加湿され、再生熱交換器１２によって加熱された高温の加湿空気は、燃焼用空気として経路３２を通じてガスタービン燃焼器４に供給され、このガスタービン燃焼器４にて燃料と混合して燃焼し、高温の燃焼ガスを生成する。

このガスタービン燃焼器４で生成した高温の燃焼ガスはタービン１を駆動して発電機３を回転させて発電した後に、高温の排気ガス１３としてタービン１から排気される構成となっている。

さらに、タービン１から排気された高温の排気ガス１３は、再生熱交換器１２、エコノマイザ１６を順次流下して熱回収され、最下流側に配設した水回収装置１７に導入される。

水回収装置１７は、スプレイノズル７１から供給される水と排気ガス１３との気液直接接触により排気ガス１３に含まれる湿分を凝縮させ、下部空間の回収水容器６０に凝縮した水を回収する構造となっている。

また、回収水容器６０の回収水の一部は、配管６４に設置されたポンプ６１によって加圧されて配管６４から分岐した配管７５を通じて冷却器１８に供給され、この冷却器１８にて冷却されたのちに配管７５を経由して前記水回収装置１７の内部に配設されたスプレイノズル７１に供給され、スプレイノズル７１から散水される構造となっている。

水回収装置１７の回収水容器６０に回収された回収水の一部は、ポンプ６１によって加圧されて配管６４を経由して加湿装置７の下部容器６２に供給される構造となっている。

また、水回収装置１７の回収水容器６０には、補給水タンク７０に保有する補給水が配管６８を通じて供給可能なように補給水タンク７０からポンプ６９を備えた配管６８が配設されている。

更に、加湿装置７の下部容器６２に回収された水の一部は、ポンプ６３を備えた配管４０を通じて水回収装置１７の回収容器６０に供給されるように構成されており、また、水回収装置１７の回収容器６０で回収された回収水の一部はポンプ６１を備えた配管６４を通じて加湿装置７の下部容器６２に供給されるように構成されている。

ところで、加湿装置７とエコノマイザ１６との間で加湿装置７の下部容器６２に回収された水の一部を循環水として循環させる配管４０から分岐した配管６６と配管６５とによって水の循環水ラインが形成されている。

また加湿装置７と空気冷却器２１との間で加湿装置７の下部容器６２に回収された水の一部を循環水として循環させる配管４０から分岐した配管６７によって水の循環水ラインが形成されている。

そして、加湿装置７から水回収装置１７に至るポンプ６３を備えた配管４０の途中には水質浄化装置４１が設置されており、この水質浄化装置４１の上流側となる配管４０には配管４０を流れる流量を調節する弁４２が配設されている。

尚、図１に示した太い破線は水を流下させる各配管を、同じく細線は空気又はガスを流下させる各経路をそれぞれ示している。

次に図２を用いて、図１に示した高湿分空気利用ガスタービン設備に備えられた水質浄化装置４１について更に詳細に説明する。

図２において、水質浄化装置４１は、上流側より下流側に向かって受入槽５０と、ポンプ５１と、冷却器５２と、脱気装置５３と、イオン交換樹脂５４とを順次配設した構成となっており、これらの各機器は配管によって接続されている。

冷却器５２には、図示しない配管によって冷却水が供給されており、この冷却器５２による冷却によって前記した循環水ラインを通じて加湿装置７に循環する循環水を３５℃以下に冷却可能な機能を有している。

また、イオン交換樹脂５４は、陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂から構成され、樹脂の消耗に応じて再生薬品を自動注入して樹脂を再生する機能を備えている。

次に図１及び図２を用いて、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備の動作を説明する。

図１及び図２において、吸気室１４に吸い込まれた空気は吸気フィルタによって煤塵などを除去されたあと圧縮機２に流入し、この圧縮機２によって圧縮されて高温の高圧空気を吐出する。

圧縮機２から吐出された高温の高圧空気は、経路３１を通じて空気冷却器２１に流入し、この空気冷却器２１によって熱を回収されて冷却される。

空気冷却器２１によって高温の高圧空気を冷却する理由は、高圧空気を加湿する加湿装置７の内部に配設した充填物７２から流下する水の温度を可及的に低下させて、加湿装置７からエコノマイザ１６に供給する水の給水温度を低下させるものである。

この結果、前記エコノマイザ１６でタービン１から排出された高温の排ガス１３の温度を効果的に低下させることが出来、高湿分空気利用ガスタービンのシステムとしての排熱回収量を増加させことが可能となる。

空気冷却器２１で冷却された高温の高圧空気は、経路３１を通じて加湿装置７に内蔵された充填物７２の下部に供給され、配管６５を通じて加湿装置７の充填物７２の上方から散布されて流下する水と充填物７２の表面で気液接触を繰返すことによって加湿される。

加湿装置７において充填物７２の上方から散布された水は、高圧空気を加湿することにより蒸発した分だけ流量が減少し、蒸発しなかった水が加湿装置７の下部容器６２に収集される。

加湿装置７の下部容器６２に収集された循環水の一部は、配管４０に設置されたポンプ６３により加圧されて配管４０の途中から分岐した配管６６を経由してエコノマイザ１６へ給水され、このエコノマイザ１６によってタービン１から排出された高温の排ガス１３から熱を回収して加熱された循環水となり、配管６５を通じて再び加湿装置７の上部空間に配設された図示していない液分散器に供給することによって加湿装置７を循環する。

一方、配管４０に設置されたポンプ６３により加圧された循環水の一部は、配管４０の途中から分岐した配管６７を経由して空気冷却器２１へ供給され、この空気冷却器２１によって圧縮機２から吐出された高温の高圧空気から熱を回収して加熱された循環水となり、配管６７を通じて再び加湿装置７の上部空間に配設された図示していない液分散器に供給することによって加湿装置７を循環する。

この加湿装置７の循環水は、加湿装置７にて高圧空気を加湿することにより減少してくるので、水回収装置１７の回収容器６０に回収された回収水を配管６４を通じて加湿装置７に供給して補給し、この加湿装置７の下部容器６２の循環水の水位が一定になるように制御する。

そして加湿装置７内で加湿された高圧空気は、経路３１を通じて再生熱交換器１２に供給され、この再生熱交換器１２にてタービン７から排出される排ガス１３と熱交換して熱回収することにより高温に加熱し、この高温の加湿された高圧空気を再生熱交換器１２から経路３２を通じてガスタービン燃焼器４に燃焼用空気として供給する。

ガスタービン燃焼器４では、燃料とこの高温の加湿された高圧空気とを混合させて燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成させる。

このときガスタービン燃焼器４で必要な燃料は、燃焼用空気となる高温の加湿された高圧空気が再生熱交換器１２によって高温に加熱されているため、再生熱交換器１２が無い場合に比較して大幅に燃料の供給量を節約することができ、よって高湿分空気利用ガスタービン設備のプラント熱効率が向上する。

ガスタービン燃焼器４での燃焼によって生成した高温の燃焼ガスはタービン１に駆動流体として供給され、タービン１を構成する図示しない静翼と動翼とを通過することにより、ブレイトンサイクルの膨張過程を経て熱エネルギーが回転運動エネルギーに変換される。

タービン１で変換された回転運動エネルギーは、タービン１と同じ軸で連結された圧縮機２を駆動することに消費されると共に、発電機３を回転させて発電することにより電気エネルギーとして取り出される。

この際、加湿装置７によってガスタービン燃焼器４に供給される高圧空気には湿分が加えられていることにより、ガスタービン燃焼器４で燃焼して生成される燃焼ガスの流量は、加湿していない場合と比較して湿分の流量分だけ増加する。従って、タービン１を駆動する駆動流体の流量が増加したことにより、通常のシンプルサイクルのガスタービンと比較してより多くのエネルギーを取り出すことができ、ガスタービン設備のプラント熱効率の向上に寄与する。

本実施例の高湿分空気利用ガスタービンでは、タービン１を駆動して排出された高温の排ガス１３は、下流側に設置された再生熱交換器１２に流入して熱を回収され、前記した加湿装置７から供給される加湿された高圧空気の加熱に利用される。

さらに、再生熱交換器１２を流下した排ガス１３は再生熱交換器１２の下流側に設置されたエコノマイザ１６に流入して熱を回収され、このエコノマイザ１６によって加湿装置７の循環水ラインを構成する配管６６から供給された循環水を加熱して、加湿装置７に配管６５を通じて戻す循環水を加熱するために利用される。

また、エコノマイザ１６を流下した排ガス１３はエコノマイザ１６の下流側に設置された水回収装置１７に流入する。

この水回収装置１７では、配管７５から供給されスプレイノズル７１から散布される水と排ガス１３とが気液直接接触して排ガス１３に含まれる湿分が凝縮し、水回収装置１７の下部空間の回収水容器６０に凝縮水が回収される。

また水回収装置１７を流下した排ガス１３は図示しないスタックから大気中に放出される。

水回収装置１７の回収水容器６０で回収した回収水の一部は配管６４に設置されたポンプ６１により昇圧され、配管６４を経由して加湿装置７の下部容器６２に供給され、循環水となる。

水回収装置１７の回収水容器６０に回収した回収水の他の一部は、配管６４に設置されたポンプ６１により昇圧され、配管６４から分岐した配管７５を経由して冷却器１８に供給され、この冷却器１８で冷却されたのちに再び配管７５を経由して水回収装置１７に供給してスプレイノズル７１から水回収装置１７の内部に散布される。

水回収装置１７の回収水容器６０の水位は、排ガス１３に含まれた湿分を凝縮することにより回収された水量と、配管６４から加湿装置７へ供給される水量（加湿装置７での高圧空気への加湿量に相当）のバランスにより変化する。

そこで、水回収装置１７での水の回収量が加湿装置７での加湿量よりも多い場合は、図示しない排水機構によって水回収装置１７の回収水容器６０から外部に余分な水を排出し、回収量が加湿量よりも少ない場合には、補給水タンク７０の補給水を配管６８を通じて水回収装置１７の回収水容器６０に補給して、回収水容器６０の水位を一定に維持する。

水回収装置１７のスプレイノズル７１から散布された水は、水回収装置１７の内部で排ガス１３と気液接触して排ガス中の窒素酸化物、二酸化炭素を吸収し、水回収装置１７の回収水容器６０に回収された回収水の水中でこれらの不純物が電離して硝酸イオン、炭酸イオンとなる。

これらの不純物イオンは時間とともに濃度が上昇するが、さらに時間が経過すると回収水容器６０から配管６４を経由して加湿装置７に供給される回収水の硝酸イオンと炭酸イオンの濃度が上昇する。

さらに、水回収装置１７の回収水容器６０に回収された回収水の水中から、気液平衡によって排ガス１３側に放散する炭酸イオンの量も増加することから、各イオン濃度が平衡状態に達する。

次に本実施例の高湿分空気利用ガスタービンを構成する水回収装置１７で回収された循環水となる水回収循環水の不純物イオン濃度について、その時間変化を図３に示す。

図３に水回収循環水に関する不純物イオン濃度の時間変化は、硝酸イオンを細線で示し、炭酸イオンを破線で示すだけでなく、ｐＨの時間変化も太い実線で示して併記してある。

図３に示したように、水回収循環水は、（１）水回収装置１７の回収水容器６０から配管６４を経由して加湿装置７の循環水へ不純物イオンの硝酸イオンと炭酸イオンが移送される効果、（２）水回収装置１７での気液平衡により水中から排ガス側に炭酸が放散する効果により、特に水質浄化装置を設置しなくとも、ｐＨ＝４．８程度、炭酸イオン１ｍｇ／Ｌ程度、硝酸イオン０．２ｍｇ／Ｌ程度で平衡状態となる。

従って、水回収装置１７を構成する材料として、ｐＨ＝４．８程度に対応可能な材料を選択すれば、配管６５に水質浄化装置を設置しなくとも水回収装置を構成することが可能である。

また、ｐＨ＝４．８程度の条件であれば高価なステンレス鋼を用いなくても、例えばボイラの過熱器や再熱器に用いられるＳＴＢＡ２４やＳＴＢＡ２６などの低合金鋼が利用でき、比較的低コストに機器を構成することができる。

次に、加湿装置７の循環水は、（１）水回収装置１７の回収水容器６０から配管６４を経由して移送される硝酸イオンと炭酸イオンの混合、（２）加湿装置７の充填物７２での気液接触による空気中からの亜硫酸ガスの吸収の影響を受ける。

このとき、亜硫酸ガスが吸収された後、不揮発性の亜硫酸水素イオンとなるため、気液平衡により加湿装置７で水中から空気側に不純物が放散するものは、炭酸イオンのみとなる。

そこで、本実施例の高湿分空気利用ガスタービンを構成する加湿装置７の循環水の不純物イオン濃度について、水質浄化装置４１を稼動させない場合における加湿装置７の循環水の時間変化を図４に示す。

図４に示したように、水質浄化装置４１を稼動させない場合には、加湿装置７の循環水の硝酸イオンは細線で、炭酸イオンは破線で、ｐＨは太い実線で、亜硫酸水素イオンは太い破線でそれぞれ示されているように、硝酸イオンと亜硫酸水素イオンの濃度は時間経過にしたがって単調増加し、ｐＨと炭酸イオン濃度は時間経過に従って単調減少する。

炭酸イオン濃度が減少する理由は、炭酸が弱酸であり、ｐＨの低下とともに炭酸イオンが解離しない向きに化学平衡が移動するためである。

このような循環水の不純物イオンの濃縮を制限するため、本実施例の高湿分空気利用ガスタービンでは、加湿装置７の下部容器６２から配管４０を通じて加湿装置７の循環水を抜き出し、配管４０に設置した水質浄化装置４１に供給し、この水質浄化装置４１を稼動させて循環水を浄化処理して循環水に含まれている前記各不純物イオンを除去するように構成している。

そして水質浄化装置４１によって前記各不純物イオンを除去して浄化された循環水は配管４０を通じて水回収装置１７に供給され、この水回収装置１７を経由して配管６４を通じて再び加湿装置７に循環水として供給されるように構成されている。

前記水質浄化装置４１は、図２を用いて既に説明したように水質浄化装置４１を構成する受入槽５０で加湿装置７から供給された循環水を受け入れ、ポンプ５１で昇圧して一定の水量の循環水を冷却器５２に供給する。

冷却器５２では、図示しない配管を通じて供給された冷却水によってポンプ５１から送出された循環水を３５℃以下に冷却する。

冷却器５２で冷却された循環水は脱気装置５３に供給されて主に炭酸ガスを脱気する。

脱気装置５３によって脱気する理由は、排ガスとの接触により循環水に大量に吸収した炭酸ガスを排出し、後段のイオン交換樹脂５４の消耗を少なくするためである。

この脱気装置５３は充填塔で構成しても良いし、脱気膜で構成しても良い。

脱気装置５３を充填塔で構成する場合は大気との接触で脱気するため、大気中から新たに亜硫酸ガスなどを吸収する可能性があるが、圧力損失が小さく、機器コストが比較的安価な特徴がある。

脱気装置５３を脱気膜で構成する場合は大気との接触は発生しないが、脱気膜での圧力損失、脱気膜のメンテナンスなどの留意すべき点がある。

脱気装置５３によって脱気された循環水はイオン交換樹脂５４に供給されて、炭酸イオン、硝酸イオン、亜硫酸水素イオンなどの不純物イオンが除去される。

このイオン交換樹脂５４で不純物イオンが除去される際に、ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩素イオンなど、補給水タンク７０から水回収装置１７の回収装置６０に供給される補給水に由来する不純物イオン成分も除去される。

イオン交換樹脂５４は、陰イオンと陽イオンを除去できる混床式の塔内に格納されており、樹脂の再生に備えて複数の切り替え可能な系統から構成されている。

イオン交換樹脂５４は時間の経過とともに使用中の塔のイオン交換樹脂が消耗してくるので、別の系統に切り替えて水質浄化運転を継続させる。

別の系統に切り替えて水質浄化運転を継続している間に、消耗したイオン交換樹脂塔には再生薬品を自動注入して樹脂を再生する。

樹脂を再生する際には浄化した水により樹脂を洗浄するので、浄化水の損失が発生する。

また、イオン交換樹脂５４によって不純物を除去された循環水は、配管４０を通じて水回収装置１７の回収水容器６０に供給される。

加湿装置７の下部容器６２に貯蔵された循環水は、配管４０を通じて循環水の一部を抜き出すようにした結果、加湿装置７の循環水から継続的に不純物が排出されるため、加湿装置７の循環水の不純物イオン濃度の時間変化は、図５に示したようになる。

即ち、図５に硝酸イオンを細線で、炭酸イオンを破線で、ｐＨを太い実線で、亜硫酸水素イオンを太い破線でそれぞれ示したように、時間経過にしたがって、（ａ）加湿装置７から配管４０を経由して系外に排出される循環水の不純物と、（ｂ）配管６４を経由して水回収装置１７から加湿装置７に流入する循環水に含まれている不純物と、（ｃ）加湿装置７の充填物７２表面で空気から循環水に吸収される不純物の量が釣り合い、不純物濃度は平衡状態になる。

図５は、加湿装置７から配管４０を通じて抜き出す循環水の量を、加湿装置７で高圧空気に加湿される湿分量の１０％とした場合の例であり、平衡状態での循環水の亜硫酸水素イオン濃度は１ｍｇ／Ｌ程度、硝酸イオン濃度は０．２ｍｇ／Ｌ程度、ｐＨは４．８程度となっている。

この際、加湿装置７から約９０℃の循環水を連続して系外に抜き出すため、高湿分空気利用ガスタービン設備の発電効率は０．０５ｐｔ％低下する。

これに対して、水質浄化装置を水回収装置１７から回収水を加湿装置７に供給する配管６４に設置する従来の技術では、加湿装置７へ補給される水の不純物は水質浄化装置によって除去されているが、加湿装置７で吸収した不純物の浄化はなされないため、時間とともに加湿装置７の循環水の不純物は濃縮することになる。

更に、配管６４に前記水質浄化装置を設置した場合には、加湿装置７で高圧空気に加湿する加湿量と同等量の水を水質浄化装置で浄化処理するため、浄化に伴い加湿量の１０％程度の水をロスすることになる。

その上、前記水質浄化装置としてイオン交換樹脂を用いた場合には、水質浄化装置が設置される配管６４の水温を水回収装置１７での回収水の温度５５℃からイオン交換樹脂の耐熱温度より低い３５℃にまで冷却する必要があることから、高湿分空気利用ガスタービン設備の発電効率は０．１６ｐｔ％低下する。

次に本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備に関して、加湿装置７の循環水を配管４０によって加湿装置７から抜き出して水質浄化装置で浄化する量を変化させた場合における、（ａ）発電効率の変化、（ｂ）損失水量の変化、（ｃ）加湿装置７の循環水のｐＨ値の各データについて、図６（ａ）〜図６（ｃ）にそれぞれ示す。

図６（ａ）〜図６（ｃ）には、本実施例の上記各データと比較するために、水質浄化装置を配管６４に設置する比較例の場合の測定値（黒色の菱形）も参考として表示している。

ここで、比較例の測定値としては、加湿装置による加湿量と水質浄化装置による循環水の処理量とが同量で、加湿装置から抜き出した循環水の全量を水質浄化装置で水質浄化する場合を想定した測定値を示した。

図６（ａ）に発電効率の変化として表示されているように、比較例においては水質浄化装置に水を供給する配管６４の水温を５５℃から３５℃に冷却することにより高湿分空気利用ガスタービン設備の発電効率は０．１６ｐｔ％低下するが、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備においては加湿装置７から配管４０を通じて抜き出す循環水の量は、横軸に表示した処理水量（加湿量基準）が加湿量の３０％に達した場合に、縦軸の発電効率は０．１６ｐｔ％低下することが示されている。

従って、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備において比較例よりも発電効率を向上させるためには、配管４０によって加湿装置７から抜き出す循環水の量は加湿量の３０％以下であることが望ましい。

また、図６（ｂ）に損失水量の変化として表示されているように、水質浄化により失われる水の量は比較例では加湿量の１０％程度であるが、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備においては配管４０によって加湿装置７から抜き出す循環水の量を加湿量の１０％とした場合には、水質浄化により失われる水の量は、縦軸で示したように加湿量の１％程度となり、比較例よりも大幅に低減できることが示されている。

このことは、水質浄化装置４１の設備容量と運転コストを低減できるだけでなく、水回収装置１７で回収した回収水を加湿装置７の循環水として有効に利用することができ、また、補給水タンク７０から水回収装置１７に供給する補給水を低減できるため、環境への負荷を低減できることになる。

また、図６（ｃ）にｐＨの変化として表示されているように、加湿装置７の循環水のｐＨ値は、比較例では不純物が濃縮する一方であるので平衡とはならず、運転開始後１００時間経過した場合のｐＨは３．６となる。

一方、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備では、加湿装置７の循環水を配管４０を通じてより多く抜き出すことにより、循環水のｐＨは中性側にシフトする。

加湿装置７および周辺機器にステンレス鋼以外の低コストな材料を用いるには、例えば循環水のｐＨが４．５以上であれば可能であり、図６（ｃ）の縦軸に示したようにｐＨを４．５以上に変化させるためには、配管４０によって加湿装置７から抜き出す循環水の量は加湿量の５％以上にすれば良いことが示されている。

図６（ａ）〜図６（ｃ）に基づいた考察の結果、配管４０によって加湿装置７から抜き出す循環水の量は、加湿装置７の加湿量に対して５％〜３０％の範囲内に設定されていることが望ましく、そのためには配管４０に設置された流量調整を行う弁４２を開度調整して、循環水の抜き出し量を制御することにより実現できる。

その結果、加湿装置７の循環水のｐＨは４．５〜５．０の範囲に維持でき、この循環水が供給される加湿装置７および周辺機器に使用する材料として高価なステンレス鋼を用いなくても、例えばボイラの過熱器や再熱器に用いられるＳＴＢＡ２４やＳＴＢＡ２６などの比較的安価な低合金鋼が利用できるので、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備の建設コストを低減できる。

また、配管４０に設置した循環水の浄化を行う水質浄化装置４１の動作に伴う損失水量は、加湿装置７での高圧空気への加湿量に対して０．５％〜３％の量に節約でき、比較例と比べて水質浄化装置４１の設備容量と運転コストを低減できるだけでなく、水回収装置１７で回収した回収水を加湿装置７の循環水として有効に利用することができ、補給水タンク７０から水回収装置１７に供給する補給水を低減できるため、環境への負荷を低減できる。

また、水質浄化装置４１の設置に伴う本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備の発電効率の低下は０．０３ｐｔ％〜０．１６ｐｔ％に抑制できるので、ガスタービン設備に供給する燃料を有効に利用できるだけでなく、ガスタービンから排出する排ガスから環境に放出される窒素酸化物、二酸化炭素などの量を減らすことができ、環境への負荷を低減できる。

なお、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備では、水回収装置１７の構成としてスプレイ式の水回収装置１７を例示したが、スプレイ式に代えて充填物式、又は伝熱管方式の水回収装置１７を採用しても同様の機能を発揮することが可能である。

尚、スプレイ式の水回収装置１７では、排ガス１３側の圧力損失を小さくできる特徴があるが、湿分の凝縮性能を高めるためには、排ガスやスプレイ液滴の流量配分の均一化などが求められる。

また、充填物式の水回収装置１７では、排ガス１３側の流量配分の均一化が比較的容易であるが、排ガス１３側の圧力損失が大きくなる傾向がある。

また、伝熱管式の水回収装置１７では、冷却水が得られない場合に空冷式で排ガスから湿分を回収できる特徴があるが、伝熱面積を多く取る必要があり大型化する傾向がある。

また、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備では加湿装置７の構成として充填物を使用したものを想定したが、空気に対して水をスプレイするスプレイ式の加湿装置７を採用することも可能である。

スプレイ式の加湿装置７では、空気と、スプレイの流量配分の均一化が必要であり、スプレイミストの捕集も重要となってくるが、充填物方式のように垂直流れである必要が無いため配置が自由となり、充填物方式よりもコンパクトに加湿装置７を構成できる可能性がある。

また、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備では、水質浄化装置４１に供給する循環水は連続処理する内容の説明としたが、循環水の処理は連続処理ではなくバッチ処理でも同様の効果が得られる。

また、図４に加湿装置の循環水の不純物イオン濃度について経過時間を示したように、循環水の水質変化の速度は数時間のオーダーであるので、循環水を浄化する水質浄化装置４１の運転の周期を２〜３時間とすることができる。

この場合、水質浄化装置４１のイオン交換樹脂の再生中に水質浄化処理を停止しても、ガスタービンを運転することが可能となるメリットがある。

但し水質浄化装置４１による循環水の処理がバッチ式の場合は、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備の運転期間中に加湿装置７の循環水の水質がステップ状に変動することになる。

さらに、本実施例の高湿分空気利用ガスタービン設備では、水回収装置１７から排出される排ガスをそのままスタックから大気へ排出することを想定したが、白煙防止のために水回収装置１７の下流側に排ガス再加熱器を設置しても良い。

白煙の正体は水蒸気であり環境への影響は無いが、景観の保全上、白煙を防止したい要求がある場合には排ガス再加熱器の設置が有効である。

その場合には、水回収装置１７の下流の排ガス出口側に排ガス再加熱器を設置する。

その際、加湿装置７からエコノマイザ１６に導かれる高温の循環水を供給する配管６６は、エコノマイザ１６の上流側で迂回させて前記排ガス再加熱器を経由するように配設して高温の循環水をこの排ガス再加熱器に供給して該排ガス再加熱器を流下する排ガスを高温の循環水によって加熱し、前記排ガス再加熱器を経た循環水をエコノマイザ１６に流入させるように構成したものである。

このようにすれば、水回収装置１７から排出される排ガスに含まれる水分は露点以上に加熱されるので、大気中に排ガスを放出した際に白煙の発生を防止することが可能となる。

上記した本発明の実施例によれば、高湿分空気利用ガスタービンで排ガスから湿分を回収して加湿装置の循環水として再利用する場合に、循環水の水質浄化の際に生じる損失水量と熱損失量の低減を可能にした高湿分空気利用ガスタービン及び高湿分空気利用ガスタービンの運転方法が実現できる。

本発明は高湿分空気利用ガスタービン及び高湿分空気利用ガスタービンの運転方法に利用可能である。

本発明の一実施例である高湿分空気利用ガスタービンの構成を示す概略系統図。 図１に示した実施例の高湿分空気利用ガスタービンを構成する水質浄化装置の概略図。 図１に示した本発明の実施例である高湿分空気利用ガスタービンによる水回収循環水の水質変化予測図。 図１に示した本発明の実施例である高湿分空気利用ガスタービンで水質浄化しなかった場合の加湿装置循環水の水質変化予測図。 図１に示した本発明の実施例である高湿分空気利用ガスタービンで水質浄化した場合の加湿装置循環水の水質変化予測図。 図１に示した本発明の実施例である高湿分空気利用ガスタービンの水質浄化装置による処理水量と発電効率、損失水量、水質変化予測を夫々示す図。

符号の説明

１：タービン、４：ガスタービン燃焼器、２：圧縮機、７：加湿装置、１２：再生熱交換器、１６：エコノマイザ、１７：水回収装置、２１：空気冷却器、３１，３２：経路、４０、６４、６５、６７、６８、７５：配管、４１：水質浄化装置、４２：弁、６１、６３、６９：ポンプ、７０：補給水タンク。

Claims (8)

1. 空気を圧縮して高圧空気を吐出する圧縮機と、圧縮機から吐出された高圧空気を加湿する加湿装置と、燃焼用空気と燃料とを混合燃焼して燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動するタービンと、タービンから排出された排ガスを熱源として前記加湿装置で加湿された加湿空気を加熱する再生熱交換器を備え、再生熱交換器で加熱された加湿空気を前記ガスタービン燃焼器の燃焼用空気として供給する高湿分空気利用ガスタービンにおいて、
   前記再生熱交換器を流下した排気ガスから水分を回収する水回収装置を設置し、
   前記水回収装置は排気ガスに含まれる湿分を凝縮させた水を回収する回収水容器を備え、
   前記水回収装置の前記回収水容器に回収された回収水の一部を加湿装置の循環水として供給する第一の配管系統と、加湿装置から抜き出した循環水の一部を水回収装置の回収水容器に供給する第二の配管系統とを配設し、前記第二の配管系統に該第二の配管系統を流下する循環水を浄化する水質浄化装置を設置したことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
2. 請求項１に記載した高湿分空気利用ガスタービンにおいて、前記第二の配管系統に加湿装置から水質浄化装置に供給される循環水の流量を調節する流量調節手段を設置したことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
3. 請求項１又は請求項２に記載した高湿分空気利用ガスタービンにおいて、前記圧縮機から吐出された加湿装置に導く高圧空気を該加湿装置の循環水の一部で冷却する空気冷却器を設置し、前記再生熱交換器を流下した燃焼ガスを熱源として前記加湿装置の循環水を加熱するエコノマイザを設置したことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載した高湿分空気利用ガスタービンにおいて、前記水回収装置の前記回収水容器に補給水を供給する補給水タンクを設置したことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
5. 圧縮機によって空気を圧縮して高圧空気を吐出し、圧縮機から吐出された高圧空気に加湿装置によって加湿して加湿空気を生成し、加湿装置で加湿された加湿空気をタービンから排出した排ガスから熱を回収する再生熱交換器によって加熱し、再生熱交換器で加熱した加湿空気を燃焼用空気として供給してガスタービン燃焼器によって燃料と混合燃焼させて燃焼ガスを生成し、ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスを駆動流体として前記タービンを駆動するように構成した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法において、
   前記再生熱交換器の下流側に設置された水回収装置によってタービンから排出した排気ガスから該排気ガスに含まれた水分を凝縮させて前記回収水容器に備えた回収水容器に回収し、前記水回収装置の該回収水容器に回収された回収水の一部を前記回収水容器から前記加湿装置に至るように配設した第一の配管系統を通じて前記加湿装置に循環水として供給し、前記加湿装置に溜まった循環水の一部を加湿装置から引き出して水回収装置の前記回収水容器に至るように配設した第二の配管系統を流下させ、この第二の配管系統に設置された水質浄化装置によって該第二の配管系統を流下する循環水を浄化し、浄化された循環水を前記水回収装置の前記回収水容器に供給するようにしたことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンの運転方法。
6. 請求項５に記載の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法において、前記第二の配管系統に設置された流量調節手段によって第二の系統を流下して前記水質浄化装置に供給する循環水の流量は、前記加湿装置によって高圧空気を加湿する加湿量の５〜３０パーセントに設定するように制御していることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンの運転方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法において、前記圧縮機から吐出された高圧空気は加湿装置から供給された循環水で冷却する空気冷却器によって冷却して該加湿装置に導き、前記加湿装置の循環水はタービンから排出された燃焼ガスを熱源とするエコノマイザによって加熱して該加湿装置に供給するようにしたことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンの運転方法。
8. 請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法において、前記水回収装置の前記回収水容器には補給水タンクから補給水を供給するようにしたことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンの運転方法。

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