(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器が設けられる設備の運転停止時に当該熱交換器の熱を蓄えるための蓄熱機構であって、
当該熱交換器の加熱媒体を外部に排出する排気通路に、前記設備の運転停止時に前記加熱媒体の外部への流出を防止する流出防止手段が設けられており、
前記流出防止手段は、前記排気通路に設けられて、前記熱交換器を通過して上方に向かう加熱媒体を折り返して下方に向ける折返し部と、前記折返し部の下流側に設けられて、下方に向かう前記折返し部からの加熱媒体を偏向して水平方向または上方に向ける偏向部とを有しており、
前記偏向部の排ガスが流入する部分である導入部の高さ位置が、前記熱交換器の下端よりも低く設定されており、
前記偏向部に、運転停止時に開弁されて外気を当該偏向部に導入する空気導入弁が設けられている、
熱交換器の蓄熱機構。
【請求項２】
熱交換器が設けられる設備の運転停止時に当該熱交換器の熱を蓄えるための蓄熱機構であって、
当該熱交換器の加熱媒体を外部に排出する排気通路に、前記設備の運転停止時に前記加熱媒体の外部への流出を防止する流出防止手段が設けられており、
前記流出防止手段は、前記排気通路における前記熱交換器の下流側に配置されて運転停止時に前記排気通路を閉じる開閉弁を有する熱交換器の蓄熱機構。
【請求項３】
圧縮機からの圧縮空気を、タービンからの排ガスを加熱媒体として加熱して燃焼器に導入する再生熱交換器を備える再生式ガスタービンであって、前記再生熱交換器の蓄熱機構として、請求項１または２に記載の蓄熱機構を備える再生式ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器が設けられる設備、例えば再生式のガスタービンの運転停止時に当該熱交換器の熱を蓄えるための機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やエネルギー問題の解決策として、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーを活用することが提案されている。もっとも、自然エネルギーを利用して発電する場合、発電量が自然環境によって大きく変動するので、安定的に電力を供給するために、供給電力の変動を補うための負荷応答性が高く、かつ高効率な発電手段として、再生熱交換器を備える再生式ガスタービンを併用することが考えられる。再生式ガスタービンでは、タービンからの高温の排ガスを加熱媒体として利用して、圧縮機からの圧縮空気を加熱し、これを燃焼器に導入することにより、熱効率を高める（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０５２７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
再生式ガスタービンに設けられる再生熱交換器では、圧縮機からの圧縮空気側（低温高圧側）と排ガス側（高温低圧側）との作動流体間で熱交換を行うため、再生熱交換器内の温度分布が不均一になり、これにより再生熱交換器に熱応力が発生する。特に、ガスタービンを断続的に運転する場合、ガスタービンの再始動時に再生熱交換器が低温状態から定格温度に達するまでに大きな熱応力が生じ、再生熱交換器の使用回数寿命を低下させる原因となる。さらには、高効率を実現するためには大型の再生熱交換器を使用することが好ましいが、大型の再生熱交換器は熱容量が大きいため、低温状態から再始動した場合に、低い熱効率からスタートして、定格の高効率に達するまでに長時間を要する。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、熱交換器を使用する設備が断続的に運転する場合にも熱交換器の寿命を損なわず、かつ設備の再始動時の効率低下が抑制される熱交換器の蓄熱機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱交換器の蓄熱機構は、熱交換器が設けられる設備の運転停止時に当該熱交換器の熱を蓄えるための蓄熱機構であって、当該熱交換器の加熱媒体を外部に排出する排気通路に、前記設備の運転停止時に前記加熱媒体の外部への流出を防止する流出防止手段が設けられている。上記設備は、例えば、圧縮機からの圧縮空気を、タービンからの排ガスを加熱媒体として加熱して燃焼器に導入する再生熱交換器を備える再生式ガスタービンである。
【０００７】
この構成によれば、設備の運転停止中に高温の加熱媒体が外部へ流出することが防止され、熱交換器の近傍に滞留するので、設備の排熱を利用して運転停止中の熱交換器の温度低下を抑制することができる。これにより、設備の再始動時に熱交換器に大きな熱応力が生じることが防止されるので、断続的に運転を繰り返す場合でも熱交換器の使用回数寿命消費が抑制される。また、熱交換器の定格温度に達するまでの時間を短縮して効率低下を抑制することが可能となる。
【０００８】
本発明の一実施形態に係る熱交換器の蓄熱機構において、前記流出防止手段は、前記排気通路に設けられて、前記熱交換器を通過して上方に向かう排ガスを折り返して下方に向ける折返し部と、前記折返し部の下流側に設けられて、下方に向かう前記折返し部からの排ガスを偏向して水平方向または上方に向ける偏向部とを有するものであってもよい。この構成によれば、折返し部の下流側（下方）の偏向部に滞留する低温の空気によって、高温の排ガスを確実に折返し部に滞留させることができるので、熱交換器の下流部に簡易な構造を追加するのみで、効果的に運転停止時の熱交換器の温度低下を抑制することができる。
【０００９】
本発明の一実施形態に係る熱交換器の蓄熱機構において、前記偏向部に、設備の運転停止時に開弁されて外気を当該偏向部に導入する空気導入弁を設けることが好ましい。この構成によれば、必要に応じて偏向部に低温の空気を導入することができるので、一層確実に高温の加熱媒体を折返し部に滞留させることが可能となる。
【００１０】
本発明の一実施形態に係る熱交換器の蓄熱機構において、前記流出防止手段は、前記排気通路における前記熱交換器の下流側に配置されて運転停止時に前記排気通路を閉じる開閉弁を有するものであってもよい。この構成によれば、設備全体の寸法増大を抑えつつ、運転停止時の熱交換器の温度低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る熱交換器の蓄熱機構によれば、設備を断続的に運転する場合にも熱交換器の寿命を損なわず、かつ設備の再始動時の効率低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蓄熱機構を備える再生式ガスタービンの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の蓄熱機構の要部を示す模式図である。
【図３】図２の蓄熱機構の変形例を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る蓄熱機構を備える再生式ガスタービンの要部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の蓄熱機構を備える設備である再生式ガスタービンＧＴを示す概略構成図である。この再生式ガスタービンＧＴは、圧縮機１、単缶式の燃焼器３、タービン５および、蓄熱機構を備える熱交換器として再生熱交換器７を備えている。この再生式ガスタービンＧＴの出力により、発電機１１が駆動される。
【００１４】
再生熱交換器７は、圧縮機１から燃焼器３に導入される低温・高圧の圧縮ガスＧ１を、タービン５からの高温・低圧の排ガスＧ２を加熱媒体として加熱する。すなわち、再生熱交換器７は、被加熱媒体である圧縮ガスＧ１と加熱媒体である排ガスＧ２との間で熱交換をおこなう。より詳細には、圧縮機１からの圧縮ガスＧ１は、圧縮ガス通路２１を介して再生熱交換器７に送られ、ここで加熱された後に高温圧縮ガス通路２５を介して燃焼器３に送られる。燃焼器３およびタービン５を経た排ガスＧ２は、排気通路２９を通って再生熱交換器７に加熱媒体として流入する。再生熱交換器７から流出した排ガスＧ２は、再生式ガスタービンＧＴの運転中は、図示しないサイレンサを通って消音されたのち、排気通路２９から外部に放出される。
【００１５】
一方、再生式ガスタービンＧＴの運転停止時には、排気通路２９に設けられた流出防止手段３１によって、再生熱交換器７から流出した排ガスＧ２の大部分は、外部へ排出されることなく排気通路２９における再生熱交換器７の下流部に滞留する。
【００１６】
具体的には、本実施形態に係る再生式ガスタービンＧＴは、流出防止手段３１として、再生熱交換器７を通過して上方に向かう排ガスＧ２を折り返して下方に向ける折返し部３３と、折返し部３３によって下方に向けられた排ガスＧ２を偏向させて水平方向または上方に向ける偏向部３５とを有している。さらに、偏向部３５には、偏向部３５に外気を導入するための空気導入弁３７が設けられている。
【００１７】
図２に示すように、折返し部３３は、上方から下方へほぼ１８０°折り返すＵ字管として形成されている。また、偏向部３５は、折返し部３３の下流側かつ下方に配置されており、下方から上方へほぼ１８０°折り返すＵ字管として形成されている。折返し部３３と偏向部３５とは、ストレートに延びる接続管部３９によって接続されている。偏向部３５に排ガスＧ２が流入する導入部３５ａの高さ位置は、ストレート状の接続管部３９の長さを調節することにより、再生熱交換器７の下端７ａの高さ位置よりも低く設定されている。偏向部３５の導入部３５ａの高さ位置をこのように設定することにより、自然対流を遮断することができるので、確実に再生熱交換器７の温度低下を抑制することができる。
【００１８】
折返し部３３は、再生熱交換器７から上方に流出した高温の排ガスＧ２が滞留する空間を確保できる形状のものであればよく、折返し角度は１８０°に限らないが、排ガスＧ２の流出を効果的に防止し、かつ設備全体の設置スペースの増大を抑制するためには、折返し角度はほぼ１８０°であることが好ましい。同様に、偏向部３５も、低温の空気が滞留する空間を確保できる形状のものであればよく、偏向角度は１８０°に限らないが、偏向部３５に滞留する空気によって折返し部３３の排ガスＧ２を効果的に閉じ込め、かつ設備全体の設置スペースの増大を抑制するために、図示の例では、偏向角度はほぼ１８０°に設定している。
【００１９】
空気導入弁３７は、具体的には、偏向部３５の上流部分に接続された空気導入管４１に設けられている。空気導入弁３７は、再生式ガスタービンＧＴの運転中には破線で示すように空気導入管４１を閉塞し、再生式ガスタービンＧＴの停止中には実線で示すように開弁される。空気導入弁３７の開度は、図１に示すコントローラ４３によって制御される。なお、コントローラ４３は再生式ガスタービンＧＴ全体の運転の制御も行う。偏向部３５に対して空気導入弁３７が設けられる位置は図２に示す例に限定されないが、偏向部３５の湾曲部分に効率よく低温の外気を滞留させるために、偏向部を形成するＵ字状管部材の外周側の下端と内周側の下端との鉛直方向の中間点Ｐよりも下方に配置することが好ましい。空気導入管４１は、偏向部３５の下流部分に接続されていてもよい。また、空気導入弁３７および空気導入管４１は割愛してもよく、その場合でも偏向部３５よりも下流側の排ガスＧ２は高温なので、徐々に上方に抜け、代わりに外部の低温の空気が偏向部３５内に侵入する。偏向部３５内に入った空気は、接続管部３９および折返し部３３内の排ガスＧ２により遮られるので、再生熱交換器７に達することはない。
【００２０】
また、タービン５には、再生式ガスタービンＧＴ内部と外部を連通させる連通路４５が接続されており、連通路４３にタービン開閉弁４７が設けられている。再生式ガスタービンＧＴの運転停止中には、タービン開閉弁４７を開放してタービン５内に外気を導入し、再始動時に排ガスＧ２の温度が過度に上昇することを防止する。一方、再始動時にもタービン開閉弁４７を開放して排ガスＧ２の一部を排出することにより、再始動時に再生熱交換器７に流入する排ガスＧ２の量を調整して再生熱交換器７の温度が急上昇することを防止できる。タービン開閉弁４７の開度はコントローラ４３（図１）によって制御される。
【００２１】
なお、図３に示すように、偏向部３５を通過した排ガスＧ２を、他の設備、例えばボイラＢＬに送って、排ガスＧ２の排熱をさらに利用してもよい。その場合、偏向部３５の偏向角度はほぼ９０°（水平方向）とし、偏向部３５とボイラとの接続流路４９の最上部の高さ位置を、再生熱交換器７の下端７ａの高さ位置よりも低く設定することが好ましい。ボイラＢＬを通過した排ガスＧ２は、ボイラＢＬ下流の排気ダクト５０を介して上方へ排出される。
【００２２】
このように、本実施形態に係る熱交換器の蓄熱構造によれば、流出防止手段３１を設けたことにより、再生式ガスタービンＧＴの排熱を利用して、ガスタービンＧＴの運転停止中における再生熱交換器７の温度低下を防止することができる。これにより、再生式ガスタービンＧＴの再始動時に再生熱交換器７に大きな熱応力が生じることが防止されるので、断続的に運転を繰り返す場合でも再生熱交換器７の使用回数寿命消費が抑制される。また、再生熱交換器７の定格温度に達するまでの時間を短縮して効率低下を抑制することが可能となる。特に、本実施形態では、折返し部３３の下流側（下方）の偏向部３５に滞留する低温の空気によって、高温の排ガスＧ２を確実に折返し部３３に滞留させることができるので、再生熱交換器７の下流部に簡易な構造の折返し部３３を追加するのみで、効果的に運転停止時の再生熱交換器７の温度低下を抑制することができる。
【００２３】
次に、図４に示す本発明の第２実施形態に係る再生式ガスタービンについて説明する。なお、以下の説明においては、上記の第１実施形態と異なる点について詳述し、第１実施形態と同様の構成については説明を省く。
【００２４】
本実施形態では、流出防止手段３１として、排気通路２９に複数の排気通路開閉弁５１が排気通路２９の横断方向に並べて設けられている。排気通路開閉弁５１は、排気通路２９における再生熱交換器７の下流側に配置されており、再生式ガスタービンＧＴの運転中には破線で示すように排気通路２９を開放し、運転停止中には実線で示すように排気通路２９を閉じる。
【００２５】
排気通路２９内に排気通路開閉弁５１を設けて排気ガス５１の流出を防止することにより、ガスタービンＧＴ全体の寸法増大を抑えつつ、運転停止時の再生熱交換器７の温度低下を抑制することができる。
【００２６】
なお、図４の第２実施形態では、流出防止手段３１として、第１実施形態の折返し部３３に代えて排気通路開閉弁５１を設けたが、第１実施形態の折返し部３３に追加して排気通路開閉弁５１を設けてもよい。
【００２７】
また、本発明に係る熱交換器の蓄熱機構は、上記したガスタービンエンジンＧＴに限らず、排熱を熱交換器における加熱に利用する種々の設備に適用することができる。
【００２８】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００２９】
１  圧縮機
３  燃焼器
５  タービン
７  再生熱交換器（熱交換器）
２９  排気通路
３１  流出防止手段
３３  折返し部
３５  偏向部
５１  排気通路開閉弁
Ｇ２  排ガス（加熱媒体）
ＧＴ  再生式ガスタービン（設備）
【図１】
0005642834.tif 000002
【図２】
0005642834.tif 000003
【図３】
0005642834.tif 000004
【図４】
0005642834.tif 000005