JPH09264158A - ガスタービンサイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧縮空気と水の混合によるサイクル内循環液相
水を熱回収媒体に用いた注水再生燃焼サイクルにおい
て、高熱効率を維持しながら長期間安定して運転するこ
とができ、また建設費を削減し、より安価な発電コスト
が得られるガスタービンサイクルを提供する。 【解決手段】圧縮空気の溶解した液相水がもつ圧力を低
下させることにより脱気された液相水をサイクル内循環
液相水を熱回収媒体に使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はサイクル内循環液相
水を熱回収媒体に用いてなる注水再生燃焼ガスタービン
サイクルに関する。

【従来の技術】

【０００２】我国のような先進工業国では、燃料費が高
価であるので、エネルギー費を抑制するためには燃料中
の化学エネルギーから機械エネルギーまたは電気エネル
ギーを効率良く、しかも安価に得ることが必須な開発課
題として挙げられる。燃焼ガスタービンサイクルは、燃
料中の化学エネルギーから機械エネルギーまたは電気エ
ネルギーを得るシステムであり、空気圧縮機、燃焼器、
タービンで構成される単純サイクルが最もシンプルかつ
最も熱効率の低い燃焼ガスタービンサイクルである。こ
の単純サイクルの熱効率は２５〜３５％である。この燃
焼ガスタービンサイクルの熱効率を向上させる必要があ
り、次のような改良型サイクルが開発されている。

【０００３】中間冷却サイクルは単純サイクルにおいて
空気圧縮段階を二段に分け圧縮し、低圧段圧縮機と高圧
段圧縮機の間に空気冷却器を設けて、高圧段圧縮機に導
入される中温低圧空気を冷却することにより熱効率の向
上が達成される。中間冷却サイクルの特徴は、空気圧縮
段階における所要機械エネルギーを低減するために、低
圧段圧縮機から高圧段圧縮機へ導入される中温低圧な空
気を冷却して低温低圧な空気とし、この低温低圧な空気
を高圧段圧縮機へ導入している点であり、熱力学的見地
から高圧段圧縮機導入温度を中温度から低温度に設定す
ることにより高圧段圧縮機での所要機械エネルギーが低
減する点である。中間冷却サイクルは、低圧段圧力と高
圧段圧力の設定、中間冷却器での除熱量等により熱効率
向上への寄与に差はあるものの、熱効率は単純サイクル
よりは５〜１０％向上して３５〜４０％である。

【０００４】再生サイクルは、単純サイクルにおいてタ
ービン排気ガスからの熱回収方法として、熱回収媒体と
して燃焼器導入空気を用いたサイクルである。再生サイ
クルの特徴は単純サイクルのタービン排気ガスから熱回
収を行っている点であり、一般的な単純サイクルのター
ビン排気ガス温度が約５００℃の高温であるので、この
タービン排気ガスと燃焼器導入空気との熱交換器（再生
器）を用いてタービン排気ガスにより加熱された燃焼器
導入空気を用いることで燃焼器での必要燃料量が低減
し、サイクルの熱効率の向上を達成している点である。
再生サイクルの熱効率は、単純サイクルよりは５〜１０
％向上して３５〜４０％である。

【０００５】再生注水サイクルは、再生サイクルにおい
て再生器から出てくるタービン排気ガスからの熱回収方
法として、熱回収媒体として水を用いてスチームを発生
し、得られたスチームをタービン駆動媒体の一部として
用いるものである。再生注水サイクルの特徴は、前記し
た再生サイクルの特徴以外に、再生器から出てくるター
ビン排気ガスから更に熱を回収し、その回収熱を熱回収
媒体である水の加熱、蒸発およびスチームの過熱に用い
てスチームを発生し、得られたスチームをタービンの駆
動媒体の一部として利用するために、例えば燃焼器から
サイクル内に導入する。この導入されたスチームはサイ
クル内においては、空気圧縮機による圧縮動力（所要機
械エネルギー）を必要としないタービン駆動媒体として
働き、導入スチーム量分のタービン出力が増加し、サイ
クルの熱効率の向上を達成している点である。再生注水
サイクルの熱効率は、単純サイクルよりは１０〜１５％
向上して４０〜４５％である。なおサイクル内循環液相
水を熱回収媒体に用いてなる注水再生燃焼ガスタービン
サイクルには、従来のガスタービンサイクルにおけるタ
ービン排気の熱回収は空気の予熱、廃熱ボイラーによる
熱媒蒸気の回収、吸収冷凍による冷凍エネルギーの回収
等が行われており、空気の予熱の一種として圧縮空気に
水を混合して得た空気／水蒸気の混合物による方法も行
われている。

【０００６】複合サイクルは単純サイクルにボトミング
サイクルと称するタービン排気ガスの熱回収サイクルを
付加することにより熱効率の向上が図られている。この
複合サイクルの特徴は、単純サイクルのタービン排気ガ
スから熱回収を行っている点であり、一般的な単純サイ
クルのタービン排気ガス温度が約５００℃の高温である
ので、この排気ガスから水を熱交換媒体として熱回収し
てスチームを発生し、スチームタービンを駆動して機械
エネルギーまたは電気エネルギーを発生することによ
り、単純サイクルにおいては廃棄していた排気熱から機
械エネルギーまたは電気エネルギーを得、熱効率の向上
を達成している点である。複合サイクルの熱効率は、単
純サイクルよりは２０〜２５％向上して４５〜５０％で
あり、最も高熱効率である。しかし複合サイクルは、単
純サイクルに較べてボトミングサイクルを付加しなけれ
ばならない分の建設費が多額になること、ボトミングサ
イクルにおいてスチームと液相水からなるスチームター
ビン駆動後の作動媒体を完全な液相水に復水させるため
に多量の冷却水が必要であること等の短所がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】先に本発明者らは圧縮
空気と水の混合によるサイクル内循環液相水を熱回収媒
体に用いてなる再生注水サイクルでの水の注水方法と熱
回収方法について検討し、空気を圧縮機で所定の圧力に
圧縮し、サイクル内循環液相水による中間冷却段階を経
て、前記圧縮空気との中間冷却段階において熱回収媒体
として用い加熱された前記液相水と前記圧縮空気の一部
もしくは全部に接触させて空気／水蒸気の混合物を得る
とともに、該接触操作で得られる冷却されかつ圧縮空気
が溶解した液相水を熱回収媒体としてタービン排気の熱
回収段階及び圧縮機の前記中間冷却段階に用い前記圧縮
空気との接触操作に供し、かつ該接触操作で蒸発し空気
との混合物として圧縮空気中に移行した量に当たる液相
水を必要に応じ前記中間冷却段階の熱回収媒体として使
用し該接触操作および該接触操作に供せられる前記液相
水中に補給するごとくしてなるガスタービンサイクル
（以下、ＨＡＴサイクルと称する）により、熱効率が向
上することを見い出し、先に特許出願を行った（特公平
01-31012号）。このＨＡＴサイクルは、従来までに最大
熱効率を達成している複合サイクルに較べて、２〜５％
向上して５０〜５５％の高熱効率を達成している。

【０００８】ＨＡＴサイクルの如き圧縮空気と水の混合
によるサイクル内循環液相水を熱回収媒体に用いてなる
再生注水サイクルは５０〜５５％の高熱効率を達成して
いるが、機器構成は単純サイクルに中間冷却器、増湿
塔、高温再生器、低温再生器、および熱回収媒体である
液相水配管等の附属機器が必要であり、またサイクル内
循環液相水は増湿塔において圧縮空気と直接接触するた
めに酸素が溶解していることと、高圧 (15〜40ata)、高
温 (90〜120 ℃) で操作されるために、腐食性が高く、
発電設備を長期間安定して運転するためには、配管や熱
交換器に耐腐食性の材質を用いる必要がある等によっ
て、単純サイクルに較べて建設費が２．０〜２．５倍と
高額になる。本発明の目的は上記の如き圧縮空気と水の
混合によるサイクル内循環液相水を熱回収媒体に用いて
なる注水再生燃焼サイクルにおいて、高熱効率を維持し
ながら長期間安定して運転することができ、また建設費
を削減し、より安価な発電コストが得られるガスタービ
ンサイクルを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは圧縮空気と
水の混合によるサイクル内循環液相水を熱回収媒体に用
いてなる注水再生燃焼サイクルにおける上記の如き課題
について鋭意検討を行った結果、増湿塔から出るサイク
ル内循環液相水中の溶存酸素を脱気することによりサイ
クル内循環液相水配管等の腐食を予防することができ、
配管等材質を高価な耐食性材質から安価な材質にするこ
とができて建設費が削減され、より安価な発電コストが
得られることを見い出し、本発明に到達した。

【００１０】即ち本発明は、支燃性ガス・作動媒体ガス
等として空気もしくは空気を主体とするガスを圧縮機で
圧縮してなる圧縮空気の一部もしくは全部と、熱回収媒
体として用い加熱された液相水とを接触させて、空気／
水蒸気の混合物および冷却された液相水を得、空気／水
蒸気の混合物でタービン排気の熱回収を、また冷却され
た液相水を熱回収媒体としてタービン排気の熱回収およ
び圧縮機の中間冷却段を行うガスタービンサイクルにお
いて、熱回収媒体として使用される液相水が脱気された
ものであることを特徴とする燃焼ガスタービンサイクル
である。

【００１１】支燃性ガス・作動媒体ガス等として空気も
しくは空気を主体とするガスを圧縮機で圧縮してなる圧
縮空気の一部もしくは全部と、熱回収媒体として用い加
熱された液相水とを接触させて、空気／水蒸気の混合物
および冷却された液相水を得る装置（以下、増湿塔と称
す）としては充填塔が最も一般的である。従来、増湿塔
から出るサイクル内循環液相水は、高圧（１５〜４０ａ
ｔａ）、高温（９０〜１２０℃）、液相水中の溶存酸素
濃度は１００〜１５０ｐｐｍであり、この条件下では液
相水中の溶存酸素が配管腐食の原因となるため耐食性材
料で配管施工をする必要があり、配管には例えばステン
レス鋼のように高価な耐食性材料を使用するため配管材
料費が高価となっている。本発明では液相水配管腐食の
原因となる増湿塔から出るサイクル内循環液相水中の溶
存酸素を脱気して腐食原因を取り除くことにより配管材
質に耐食性材質を使用する必要性が無くなり、例えば炭
素鉄鋼のような安価な材質を使用できるようになるの
で、建設費が削減され、より安価な発電コストが得られ
る。

【００１２】本発明において熱回収媒体として使用され
る液相水を脱気する方法としては、例えば化学薬品を用
いて処理等の種々の方法があるが、圧縮空気の溶解した
液相水がもつ圧力を低下させることにより脱気する方法
が好適であり、脱気装置としては公知の充填塔などによ
る気液分離器が用いられる。また脱気に要する動力増を
回避するために、圧縮空気の溶解した液相水の圧力低下
におけるエネルギーを回収し、脱気した液相水を昇圧す
るための動力に供するようにすることができる。

【００１３】熱回収媒体として使用される液相水が、圧
縮空気の溶解した液相水がもつ圧力を低下させることに
より脱気する方法としては、圧縮空気の溶解した液相水
を一段で真空排風機により減圧して脱気する方法（１段
脱気法）や、大気圧に低い圧力まで液相水の圧力低下の
エネルギーを行って脱気した液相水を昇圧するための動
力に供するようにし、次に真空排風機により大気圧より
低い圧力とする方法（２段脱気法）等が用いられる。こ
の２段脱気法は１段脱気法と比較して真空排風機の所要
動力が減少するが、液相水の圧力低下のエネルギーも低
下することから使用機器数が増え、建設費が増大するこ
とになるので、両者の優劣は状況により異なる。

【００１４】本発明において熱回収媒体として使用され
る液相水の脱気は勿論サイクル内の配管や装置が腐食条
件とならない程度とする必要があり、圧力を低下させる
ことにより脱気する場合にはできるだけ低圧とすること
が好ましい。脱気される圧力は選定されるサイクル内の
配管や装置の材質や操作条件により異なるが、炭素鉄鋼
を用いる場合には循環水中の溶存酸素が０．５ｐｐｍ以
下となるようにする必要があることから、真空排風機を
用い５５０〜６６０ｍｍＨｇ程度に減圧する。上記の２
段脱気法では大気圧に近い圧力として０．００５〜０．
０３ｋｇ／ｃｍ² Ｇ程度とし、次に真空排風機を用い５
５０〜６６０ｍｍＨｇ程度に減圧する。

【００１５】本発明は種々の圧縮空気と水の混合による
サイクル内循環液相水を熱回収媒体に用いてなる注水再
生燃焼ガスタービンサイクルに適用されるが、前述のＨ
ＡＴサイクルに本発明の２段脱気法を適用した場合につ
いてのフローを図１に示し説明する。図１において、空
気1 を圧縮機ＡＣ1 で所定の圧力に圧縮し、サイクル内
循環液相水26を冷却媒体とする中間冷却器Ｒ1 を経て冷
却されるとともに冷却媒体であるサイクル内循環液相水
26を加熱し、次にサイクル補給水24を冷却媒体とする給
水予熱器Ｒ2 を経て冷却されるとともに冷却媒体である
サイクル補給水24を加熱する。

【００１６】給水予熱器Ｒ2 を出た冷却された空気４を
圧縮機ＡＣ2 で所定の圧力に圧縮し、サイクル内循環液
相水33を冷却媒体とする最終段冷却器Ｒ3 を経て冷却さ
れるとともに冷却媒体であるサイクル内循環液相水33を
加熱する。最終段冷却器Ｒ3 を出た冷却された空気６は
増湿塔ＥＸＴにおいて中間冷却段階にて熱回収媒体とし
て用い加熱された前記液相水と前記圧縮空気の一部もし
くは全部に接触させて空気／水蒸気の混合物を得ると共
に、該接触操作で得られる冷却されかつ圧縮空気が溶解
した液相水を熱回収媒体としてタービン排気の熱回収段
階及び圧縮機の中間冷却段階に用い圧縮空気との接触操
作に供する。

【００１７】該接触操作により増湿加熱された圧縮空気
7 は、高温再生器Ｒ5 を経てタービン排気ガス10から回
収した回収熱により加熱されるとともに、加熱媒体であ
るタービン排気ガス10を冷却する。高温再生器Ｒ5 を出
た加熱された空気8 は燃料40とともに燃焼器ＣＣへ導入
し、燃焼ガス9 を生成する。生成した燃焼ガス9 はター
ビンＥＴに導入し動力発生が行われ、その後のタービン
排ガス10は高温再生器Ｒ5 ならびにサイクル内循環液相
水29を冷却媒体とする低温再生器Ｒ4 を経て熱回収後に
系外へ排出される。

【００１８】このＨＡＴサイクルにおいて、増湿塔ＥＸ
Ｔから出るサイクル内循環液相水32をまず気液分離器Ｆ
1 で大気圧に近い圧力に減圧した後、気液分離器Ｆ2 で
は真空圧に減圧され、サイクル内循環液相水中の溶存圧
縮空気と液相水に気液分離される。液相水2Lは昇圧ポン
プＷＰで所定の圧力に昇圧され、中間冷却器Ｒ1 、最終
段冷却器Ｒ3 、低温再生器Ｒ4 へ導入される。なお動力
回収タービンＢでサイクル内循環液相水の減圧による動
力が回収され昇圧ポンプＷＰに供される。サイクル内循
環液相水中の溶存ガスは、気液分離器Ｆ1 では放出管1V
から分離され、気液分離器Ｆ2 では真空排風機ＶＰによ
りに放出管2Vより系外へ排出される。なお１段脱気法の
場合には、気液分離器Ｆ1 が無く、サイクル内循環液相
水が動力回収タービンＢから直接気液分離器Ｆ2 に導入
される。

【００１９】

【実施例】実施例として図１に示す９０ＭＷ級ＨＡＴサ
イクルの発電設備を建設する場合について、熱回収媒体
として使用される液相水の脱気を行わず、サイクル内循
環液相水が通過する熱交換器（中間冷却器Ｒ1 、給水予
熱器Ｒ2 、最終段冷却器Ｒ3 、低温再生器Ｒ4 ）および
配管等に耐食性材料(SUS304)を用いる場合（従来法）
と、本発明により熱回収媒体として使用される液相水の
脱気を行い、これらの熱交換器と配管等に炭素鉄鋼を用
いる場合（１段脱気法、２段脱気法）の諸性能と発電コ
ストを計算した結果を表１に示す。

【００２０】

【表１】 従来法 １段脱気法 ２段脱気法 （脱気条件） 圧力(ata) 0.875ata (1段) 1.043ata (2段) 0.895ata 液相水(32A) 温度 (℃) 94.9 93.9 95.0 (諸性能) 送電端出力(MW) 86.05 85.80 85.93 送電端熱効率(%,LHV) 51.81 51.73 51.76 注水量(kg/h) 82870 83450 83220 脱気装置から排気される水量(kg/h) 1039 377 正味のサイクル内有効水量＝− 82411 92843 脱気装置から排気される空気量(kg/h) 146 146 燃料量(kg/h) 13550 13530 13540 (設備費) 発電設備¹⁾ (億円) 41.00 40.93 40.97 熱交換器類²⁾ (億円) 27.50 22.83 22.90 配管その他³⁾ (億円) 31.50 31.58 31.68 設備費計 (億円) 100.00 95.34 95.55 (変動費) 燃料費 (円/kwh) 3.320 3.325 3.323 注水費 (円/kwh) 0.963 0.973 0.968 変動費計 (円/kwh) 4.283 4.298 4.291 固定費計 (円/kwh) 5.306 5.074 5.077 発電コスト (円/kwh) 9.589 9.372 9.369 注1)発電設備・・・ガスタービン本体 2)熱交換器類・・各熱交換器、増湿塔 3)配管その他・・各配管設備、ポンプ、脱気器、動力回収タービン 真空排風機、電気・計装設備、土木建築工事費等

【００２１】なお表１におけるガスタービン設備等の計
算条件は次の通りである。 １、吸入空気条件 吸入量 ５００ Ｔｏｎ／ｈ 吸入空気温度 １５ ℃ 相対湿度 ６０ ％ 吸入空気圧（大気圧） １. ０３３ ａｔａ ２、使用燃料条件 使用燃料 ＮＧ（天然ガス） 温度 １５ ℃ 圧力 １. ０３３ ａｔａ 真発熱量（ＬＨＶ） １０５４５ ｋｃａｌ／ｋｇ ３、補給水条件 温度 １５ ℃ 圧力 １. ０３３ ａｔａ ４、圧縮部条件 低圧段圧縮機 圧力（出口） ６. ０ ａｔａ 断熱効率 ８８. ０ ％ 高圧段圧縮機 圧力（出口） ２６. ０ ａｔａ 断熱効率 ８８. ０ ％ ５、増湿塔条件 圧力（塔頂） ２５. ５ ａｔａ 圧力損失 ０. ３ ａｔａ ６、燃焼条件 燃焼効率 １００ ％ ７、タービン部条件 吸入ガス温度 １３５０ ℃ 圧力（出口） １. ０９３ ａｔａ 断熱効率 ９０. ０ ％ ８、サイクル内循環水条件 圧力 ３１. ０ ａｔａ ９、圧損率条件 空気吸入フィルター ２. ２３ ％ 増湿塔 １. １６ ％ 燃焼器 ４. ００ ％ Ｒ１ ０. ８３ ％ Ｒ２ ０. ８４ ％ Ｒ３ ０. ７７ ％ Ｒ４ １. ８８ ％ Ｒ５ ２. ７４ ％ １０、各種効率 ギヤ損失効率 ９８. ００ ％ 発電機効率 ９９. ００ ％ 配電器損失効率 ９９. ９９ ％ １１、発電コスト試算における各種設定 燃料単価 ２. ００ 円／１０００ｋｃａｌ 補給水単価 １００ 円／Ｔｏｎ 年間設備稼動率 ５０ ％（ミドル級用） 固定費率 ２０ ％

【００２２】以上の計算例において、本発明の方法によ
り液相水の脱気を行った場合には、脱気装置から極少量
のスチームおよび空気の系外に排気されることと、真空
排風機の動力が必要となることから、送電端出力が若干
低下している。しかしながら９０ＭＷ級ＨＡＴサイクル
発電設備で約４億５０００万円の建設費の節減となるこ
とから、年間発電コストで約９０００万円の節減とな
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明のガスタービンサイクルでは熱回
収媒体として使用される液相水を脱気することによりサ
イクル内循環液相水の腐食性が低下するのでより長期間
安定して運転できるようになる。また配管や熱交換器で
安価な材質を用いることができるようになり、発電設備
の建設費と発電コストの節減が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧縮空気と水の混合によるサイクル内循環液相
水を熱回収媒体に用いてなる注水再生燃焼サイクルの一
つであるＨＡＴサイクルに本発明の２段脱気法を適用し
た場合についてのフロー図である。

【符号の説明】

ＡＣ1 ：低圧段圧縮機 ＡＣ2 ：高圧段圧縮機 ＥＴ ：タービン ＥＸＴ：増湿塔 Ｒ1 ：中間冷却器 Ｒ2 ：給水予熱器 Ｒ3 ：最終段冷却器 Ｒ4 ：低温再生器 Ｒ5 ：高温再生器 ＣＣ ：燃焼器 Ｆ1 ：第１段気液分離器 Ｆ2 ：第２段気液分離器 ＶＰ ：真空排風機 ＷＰ ：昇圧ポンプ Ｂ ：動力回収タービン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支燃性ガス・作動媒体ガス等として空気
   もしくは空気を主体とするガスを圧縮機で圧縮してなる
   圧縮空気の一部もしくは全部と、熱回収媒体として用い
   加熱された液相水とを接触させて、空気／水蒸気の混合
   物および冷却された液相水を得、空気／水蒸気の混合物
   でタービン排気の熱回収を、また冷却された液相水を熱
   回収媒体としてタービン排気の熱回収および圧縮機の中
   間冷却段を行うガスタービンサイクルにおいて、熱回収
   媒体として使用される液相水が脱気されたものであるこ
   とを特徴とする燃焼ガスタービンサイクル。
2. 【請求項２】 熱回収媒体として使用される液相水が、
   圧縮空気の溶解した液相水がもつ圧力を低下させること
   により脱気されたものである請求項１記載の燃焼ガスタ
   ービンサイクル。
3. 【請求項３】 圧縮空気の溶解した液相水の圧力低下に
   おけるエネルギーを回収し、脱気した液相水を昇圧する
   ための動力に供するように構成された請求項２記載の燃
   焼ガスタービンサイクル。
4. 【請求項４】 大気圧に低い圧力まで液相水の圧力低下
   のエネルギーの回収を行って脱気した液相水を昇圧する
   ための動力に供するようにし、次に真空排風機により大
   気圧より低い圧力とするように構成された請求項３記載
   の燃焼ガスタービンサイクル。