JPH11280493A - 複合蒸気噴射ガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンの燃焼器に過剰に蒸気を噴射す
ることによりサージングを引き起こすことなく、かつ余
剰蒸気を無駄に放出せずに、余剰蒸気を有効に活用して
発電出力及び熱効率を改善することができるガスタービ
ン発電設備を提供する。 【解決手段】 空気を圧縮する圧縮機１と、燃料を燃焼
させる燃焼器２と、燃焼ガスにより駆動され圧縮機を駆
動するタービン３と、からなるガスタービン３０と、タ
ービン排気を熱源として水を蒸発させ過熱する排熱ボイ
ラ４と、排熱ボンラで発生した過熱蒸気で駆動される蒸
気タービン３２と、を備え、蒸気タービンの排出蒸気を
ガスタービンの燃焼器に噴射する。この構成により、燃
焼器に噴射する水蒸気量を保持したままで、排熱ボイラ
で従来より高温高圧に水蒸気を過熱してその分のエネル
ギーを蒸気タービンで余分に回収する。これにより、単
位蒸気量当たりの熱エネルギーの交換量を増加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力（又は動力）
及び水蒸気を生成するガスタービンコージェネレーショ
ンの分野において使用され、省エネルギーを実現する部
分再生式二流体ガスタービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の二流体サイクルガスタービンの構
成は、例えば図５に示すように、大気中から吸入された
空気Ａが圧縮機１で圧縮されて燃焼器２に流入し、この
圧縮空気は燃料Ｆの燃焼により高温の燃焼ガスとなり、
タービン３に流入し、タービンで仕事をした燃焼ガスＥ
は排熱ボイラ４にて水蒸気を発生した後、大気中に排出
される。燃焼器２には排熱ボイラ４で発生した水蒸気Ｓ
が噴射されタービン３に流入する燃焼ガスの流量を増大
させかつ燃焼ガスの比熱を増大させてタービン３の出力
を増大させる。このタービン３の発生する仕事は圧縮機
１を駆動すると同時に発電機５を駆動し、電力を発生す
る。排熱ボイラの下流にはタービン排熱により加熱され
る排熱ボイラ用給水加熱器６、及び煙突９が配置され
る。

【０００３】一方、従来の再生サイクルガスタービンの
構成は、例えば図６の示すように、タービン３の下流に
熱交換器７が配置され、圧縮機１で圧縮された空気Ａが
この熱交換器７によりタービン排熱Ｅで予熱された後、
燃焼器２に供給されるようになっており、燃焼器２に供
給する圧縮空気の温度を高め、燃焼器２における燃料Ｆ
の消費を減少させる。

【０００４】しかし、上述した二流体ガスタービン（図
５）では、排熱ボイラ４で生成される水蒸気の全量を燃
焼器２に噴射する場合、水蒸気の噴射量が吸気空気量の
２０〜３０％にも達するため、水蒸気の注入を停止す
るとタービンの流量が少なくなりすぎ、タービン効率が
大幅な低下をきたし、熱効率が大幅に低下する問題点が
あり、かつ注入水蒸気は排ガスと共に大気に捨てられ
るため注入する水蒸気量が多いほど注入水蒸気の製造の
ための原水等の費用が増大する問題点があった。

【０００５】一方、上述した再生ガスタービン（図６）
では、圧縮機１の出口温度が高いため、空気の予熱に限
度があり、大幅な熱効率の向上が達成できないという問
題点があった。かかる再生ガスタービンにおいては、圧
縮機による圧縮空気が燃焼器に導入される前にその全量
が熱交換器において排熱により予熱されるため、熱交
換器及びその前後の配管における圧力損失が熱効率を低
下させる要因となる、熱交換器の大きな熱容量が制御
の応答性に問題を生じさせる、負荷遮断時のタービン
の過大速度（オーバースピード）を防止するために時定
数の大きい熱交換器をバイパスさせるためのバイパス弁
８（図６参照）が相当大きくなる、等の問題点があっ
た。

【０００６】そこで、本願発明の出願人は、燃焼器への
注入水蒸気量を減少させることができ、かつ熱交換器及
びその前後の配管における圧力損失を低減し、これによ
り熱効率の低下を防止することができる部分再生式二流
体ガスタービンを創案し、出願した（特公平８−２６７
８０号）。この部分再生式二流体ガスタービンは、図７
に例示するように、水蒸気と圧縮空気を混合する混合器
１０を備え、圧縮空気の一部を混合器で水蒸気と混合さ
せ、この混合ガスを熱交換器１２で予熱して燃焼器２に
供給するので、ガスタービン排気で生成される水蒸気の
量を減少させることができる。このため、燃焼器への噴
射蒸気量を増減させる場合でも、ガスタービンの出力、
熱効率の変化を小さくすることができる。また、図７の
混合器１０で、水蒸気を駆動源として空気を昇圧するこ
とができるので、空気ラインの圧力損失を低減し、熱効
率を向上させることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の部分再
生式二流体ガスタービンは、ガスタービンの出力最大時
等の運転状態によっては、排熱ボイラの発生蒸気の全量
をガスタービンの燃焼器に噴射することができない場合
がある。すなわち、ガスタービンの燃焼器に噴射できる
水蒸気量は限度があり、過剰に供給すると圧縮機出口圧
力が高くなりすぎ、サージングを引き起こす問題点があ
った。

【０００８】また、サージングが生じない量に噴射水蒸
気を制限すると、プロセス蒸気が必要とされない場合に
は、余剰蒸気を無駄に放出せざるを得ず、エネルギーロ
スとなる。同様に、排熱ボイラで必要量だけ水蒸気を発
生させても、排ガス温度が高まり、エネルギーロスが大
きくなる。

【０００９】本発明は、上述した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、
排熱ボイラで十分なエネルギー回収を行うことができ、
かつ発生する余剰蒸気を有効に活用して発電出力及び熱
効率を改善することができるガスタービンを提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、空気を
圧縮する圧縮機（１）と、燃料を燃焼させる燃焼器
（２）と、燃焼ガスにより駆動され前記圧縮機を駆動す
るタービン（３）と、からなるガスタービン（３０）
と、タービンの下流に設けられタービン排気を熱源とし
て水を蒸発させ過熱する排熱ボイラ（４）と、排熱ボイ
ラで発生した過熱蒸気で駆動される蒸気タービン（３
２）と、を備え、蒸気タービンの排出蒸気をガスタービ
ンの燃焼器に噴射する、ことを特徴とする複合蒸気噴射
ガスタービンが提供される。

【００１１】この構成により、燃焼器に噴射する水蒸気
量を保持し、ガスタービン（３０）における発電出力を
保持したままで、排熱ボイラ（４）で従来より高温高圧
（例えば４００〜５００℃、５０〜６０ａｔａ）まで水
蒸気を過熱してその分のエネルギーを蒸気タービン（３
２）で余分に回収することができる。従って、単位蒸気
量当たりの熱エネルギーの交換量が増加し、ガスタービ
ンの排気エネルギーの電力への変換の割合を増加するこ
とができ、発電出力の増加または発電効率を増加するこ
とができる。

【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
蒸気タービンの排出蒸気と圧縮空気を混合する混合器
（３４）と、前記圧縮機による圧縮空気の一部を前記燃
焼器へ、その残部を混合器に導くための空気ライン（２
０）と、を備え、混合器で混合された混合ガスを燃焼器
に噴射する。この構成により、混合器（３４）により高
温蒸気と圧縮空気を混合して空気を加熱することがで
き、熱効率を改善できる。

【００１３】また、前記タービン（３）と排熱ボイラ
（４）の間に設置された第２段過熱器（３６）と、前記
混合ガスを第２段過熱器（３６）を介して燃焼器に噴射
する過熱噴射ライン（３７）とを備えるのがよい。この
構成により、圧縮空気の一部が混合器で水蒸気と混合さ
れ、この混合ガスが第２段過熱器（３６）で予熱されて
燃焼器に供給されるので、ガスタービン排気で生成され
る水蒸気の量を減少させることができる。このため、燃
焼器への噴射蒸気量を増減させる場合でも、ガスタービ
ンの出力、熱効率の変化を小さくすることができる。

【００１４】また、前記ガスタービン（３０）と蒸気タ
ービン（３２）により駆動され、発電機（３８）を駆動
する歯車装置（３９）を備える、ことが好ましい。この
構成により、単一の発電機をガスタービン（３０）と蒸
気タービン（３２）で駆動することができ、発電出力を
高めることができる。

【００１５】更に、前記蒸気タービンの上流側蒸気ライ
ンの蒸気量を調節する調節弁（４０）と、この調節弁
（４０）と蒸気タービン（３２）の間に蒸気を供給する
蒸気供給ラインと（４１）とを備え、調節弁を閉じ蒸気
で蒸気タービンを駆動してガスタービンを始動する、こ
とが好ましい。この構成により、始動用のタービンを別
に設置することなく、蒸気タービン（３２）を起動機と
して使用でき、発電設備を簡略化できる。なお、この始
動に用いる蒸気には、圧縮空気、高圧ガス、その他のガ
スを用いることができる。

【００１６】

【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、本発明の複
合蒸気噴射ガスタービンの第１実施例を示す構成図であ
る。以下、図１の複合蒸気噴射ガスタービンを「複合部
分再生式二流体ガスタービン」と呼ぶ。

【００１７】この複合部分再生式二流体ガスタービン
は、ガスタービン３０、排熱ボイラ４、及び蒸気タービ
ン３２を備えている。ガスタービン３０は、従来例と同
様に、空気を圧縮する圧縮機１と、燃料を燃焼させる燃
焼器２と、燃焼ガスにより駆動され圧縮機１を駆動する
タービン３とからなる。排熱ボイラ４は、タービン３の
下流に設けられた蒸発器と第１段過熱器とからなり、タ
ービン排気を熱源として水を蒸発させ過熱するようにな
っている。また、この例では、タービン３と排熱ボイラ
４の間に第２段過熱器３６が設置されている。なお、第
２段過熱器３６は、この図のように、排熱ボイラ４に組
み込んでもよく、或いは別に設置してもよい。

【００１８】蒸気タービン３２は、排熱ボイラ４で発生
した過熱蒸気で駆動される。また、この蒸気タービン３
２の上流側蒸気ライン３１の蒸気量を調節する調節弁４
０と、この調節弁４０と蒸気タービン３２の間に蒸気を
供給する蒸気供給ライン４１とを備えている。また、蒸
気タービン３２に、他の蒸気発生源から供給された蒸気
を蒸気供給ライン４１を介して供給してもよい。

【００１９】また、図に示すように、蒸気タービン３２
の排出蒸気と圧縮空気を混合する混合器３４と、圧縮機
１による圧縮空気の一部を燃焼器２へ導き、その残部を
混合器３４に導くための空気ライン２０とを備える。ま
た、混合器３４で混合した混合ガスを第２段過熱器３６
を介して燃焼器２に噴射する過熱噴射ライン３７とを備
えている。更に、ガスタービン３０と蒸気タービン３２
により駆動され、発電機３８を駆動する歯車装置３９を
備えている。

【００２０】この歯車装置３９は、この例では圧縮機１
側に設置され、圧縮機軸で駆動されるようになっている
が、本発明はこれに限定されず、タービン３側に設置し
てタービン軸で直接駆動してもよい。また、発電機３８
の歯車装置の軸端と同一側の軸端に蒸気タービン３２を
接続し、発電機３８を駆動してもよい。また、本発明で
は、２つのタービン３，３２で単一の歯車装置３９を介
して単一の発電機３８を駆動しているが、歯車装置、発
電機をそれぞれ別々に設置してもよい。また、回転速度
が一致する場合には歯車装置を省略してもよい。

【００２１】上述した複合部分再生式二流体ガスタービ
ンの構成により、燃焼器２に噴射する水蒸気量を保持
し、ガスタービン３０における発電出力を保持したまま
で、排熱ボイラ４で従来より高温高圧（例えば４００〜
５００℃、５０〜６０ａｔａ）まで水蒸気を過熱してそ
の分のエネルギーを蒸気タービン３２で余分に回収する
ことができる。従って、単位蒸気量当たりの熱エネルギ
ーの交換量が増加し、ガスタービンの排気エネルギーの
電力への変換の割合を増加することができ、発電出力の
増加または発電効率を増加することができる。

【００２２】また、混合器３４で混合された混合ガスを
燃焼器２に噴射することにより、混合器３４により高温
蒸気と圧縮空気を混合して空気を加熱することができ、
熱効率を改善できる。また、この混合ガスは燃焼器２に
直接噴射することに加え、ガスタービンのケースを介し
て燃焼器に導いてもよい。

【００２３】また、圧縮空気の一部が混合器３４で水蒸
気と混合され、この混合ガスが第２段過熱器３６で予熱
されて燃焼器に供給されるので、ガスタービン排気で生
成される水蒸気の量を減少させることができる。このた
め、燃焼器への噴射蒸気量を増減させる場合でも、ガス
タービンの出力、熱効率の変化を小さくすることができ
る。

【００２４】更に、単一の発電機をガスタービン３０と
蒸気タービン３２で駆動することができ、発電出力を高
めることができる。また、始動用のタービンを別に設置
することなく、蒸気タービンを起動機として使用でき、
発電設備を簡略化できる。

【００２５】図２は、本発明の複合蒸気噴射ガスタービ
ンの第２実施例を示す構成図である。以下この複合蒸気
噴射ガスタービンを「複合二流体ガスタービン」と呼
ぶ。この複合二流体ガスタービンは、図１の複合部分再
生式二流体ガスタービンから、第２段過熱器３６と過熱
噴射ライン３７が省略されているが、その他の構成は同
様である。

【００２６】この構成によっても、単位蒸気量当たりの
熱エネルギーの交換量が増加し、ガスタービンの排気エ
ネルギーの電力への変換の割合を増加することができ、
発電出力の増加または発電効率を増加することができ
る。また、混合器３４で混合された混合ガスを燃焼器２
に噴射することにより、混合器３４により高温蒸気と圧
縮空気を混合して空気を加熱することができ、熱効率を
改善できる。

【００２７】図３は、本発明の複合蒸気噴射ガスタービ
ンの第３実施例を示す構成図である。この図の複合蒸気
噴射ガスタービンは、図２の複合二流体ガスタービンか
ら、更に、空気ライン２０が簡略化され、かつ混合器３
４が省略されている。その外の構成は図２と同様であ
る。この構成によっても、単位蒸気量当たりの熱エネル
ギーの交換量が増加し、ガスタービンの排気エネルギー
の電力への変換の割合を増加することができ、発電出力
の増加または発電効率を増加することができる。

【００２８】

【実施例】図４は、本発明の複合蒸気噴射ガスタービン
の実施例を示す特性図である。この図において、横軸は
送出蒸気量であり、縦軸は、蒸発器蒸気量、ガスタービ
ン噴射蒸気量、発電熱効率、総発電量、及び送出蒸気量
を示している。この図から、ガスタービン噴射蒸気量を
一定に保持したままで、送出蒸気量が少なくするほど、
発電熱効率及び総発電量を高めることができ、特に発電
熱効率は最大で約３９％の高い熱効率を達成することが
できることがわかる。

【００２９】なお、本発明は、上述した実施形態及び実
施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々に変更できることは勿論である。

【００３０】

【発明の効果】上述したように、本発明の複合蒸気噴射
ガスタービンは、単位蒸気量当たりの熱エネルギーの交
換量が増加し、ガスタービンの排気エネルギーの電力へ
の変換の割合を増加することができ、これにより、排熱
ボイラで十分なエネルギー回収を行うことができ、かつ
発生する余剰蒸気を有効に活用して発電出力及び熱効率
を改善することができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合蒸気噴射ガスタービンの第１実施
例を示す構成図である。

【図２】本発明の複合蒸気噴射ガスタービンの第２実施
例を示す構成図である。

【図３】本発明の複合蒸気噴射ガスタービンの第３実施
例を示す構成図である。

【図４】本発明の複合蒸気噴射ガスタービンの実施例を
示す特性図である。

【図５】従来の二流体サイクルガスタービンの全体構成
図である。

【図６】従来の再生サイクルガスタービンの全体構成図
である。

【図７】本願出願人による部分再生式二流体ガスタービ
ンの構成図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 燃焼器 ３ タービン ４ 排熱ボイラ ５ 発電機 ６ 給水加熱器 ７ 熱交換器 ８ バイパス弁 ９ 煙突 １０ 混合器 １２ 熱交換器 １４ 蒸気流量制御弁 ２０ 空気ライン ３０ ガスタービン ３２ 蒸気タービン ３４ 混合器 ３６ 第２段過熱器 ３７ 過熱噴射ライン ３８ 発電機 ３９ 歯車装置 ４０ 調節弁 ４１ 蒸気供給ライン Ａ 空気 Ｆ 燃料 Ｓ 水蒸気 Ｅ 燃焼ガス Ｗ 給水

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を圧縮する圧縮機（１）と、燃料を
   燃焼させる燃焼器（２）と、燃焼ガスにより駆動され前
   記圧縮機を駆動するタービン（３）と、からなるガスタ
   ービン（３０）と、 タービンの下流に設けられタービン排気を熱源として水
   を蒸発させ過熱する排熱ボイラ（４）と、排熱ボイラで
   発生した過熱蒸気で駆動される蒸気タービン（３２）
   と、を備え、 蒸気タービンの排出蒸気をガスタービンの燃焼器に噴射
   する、ことを特徴とする複合蒸気噴射ガスタービン。
2. 【請求項２】 前記蒸気タービンの排出蒸気と圧縮空気
   を混合する混合器（３４）と、前記圧縮機による圧縮空
   気の一部を前記燃焼器へ、その残部を混合器に導くため
   の空気ライン（２０）と、を備え、混合器で混合された
   混合ガスを燃焼器に噴射する、ことを特徴とする請求項
   １に記載の複合蒸気噴射ガスタービン。
3. 【請求項３】 前記タービン（３）と排熱ボイラ（４）
   の間に設置された第２段過熱器（３６）と、前記混合ガ
   スを第２段過熱器（３６）を介して燃焼器に噴射する過
   熱噴射ライン（３７）とを備える、ことを特徴とする請
   求項１又は２に記載の複合蒸気噴射ガスタービン。
4. 【請求項４】 前記ガスタービン（３０）と蒸気タービ
   ン（３２）により駆動され、発電機（３８）を駆動する
   歯車装置（３９）を備える、ことを特徴とする請求項１
   乃至３に記載の複合蒸気噴射ガスタービン。
5. 【請求項５】 前記蒸気タービンの上流側蒸気ラインの
   蒸気量を調節する調節弁（４０）と、該調節弁と蒸気タ
   ービンの間に蒸気を供給する蒸気供給ライン（４１）と
   を備え、調節弁を閉じ蒸気で蒸気タービンを駆動してガ
   スタービンを始動する、ことを特徴とする請求項４に記
   載の複合蒸気噴射ガスタービン。