(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン装置と、該ガスタービン装置によって駆動され圧気を製造するためのエアコンプレッサと、前記圧気から断熱圧縮による発生熱を回収するための熱回収装置と、前記ガスタービン装置の排ガスから排熱を回収するための排熱回収装置と、前記圧気により作動される回転駆動手段と、該回転駆動手段により駆動される発電装置と、前記圧気が前記回転駆動手段にて断熱膨張することによって得られる冷熱を回収するための冷熱回収装置と、を備えてなるコージェネレーション装置。
【請求項２】
前記排熱回収装置が、排ガスボイラと、該排ガスボイラの上流部に設けられた追い焚きバーナ装置にして、前記ガスタービン装置の排ガス中の残存酸素を燃焼させることにより前記排ガスボイラからの蒸気発生量を増大させるとともに発生蒸気を高温高圧な過熱蒸気とするための追い焚きバーナ装置とを備えており、
さらに、前記過熱蒸気により作動される背圧式蒸気タービンと、該背圧式蒸気タービンにより駆動される第２の発電機と、が設けられており、
前記背圧式蒸気タービンが排蒸気として中圧蒸気を発生させることを特徴とする、請求項１に記載のコージェネレーション装置。
【請求項３】
前記冷熱回収装置が、前記圧気の断熱膨張によって得られる冷気と給水との間で熱交換を行う熱交換器であり、前記給水に不凍液を用いることを特徴とする、請求項１または２に記載のコージェネレーション装置。
【請求項４】
ガスタービン装置と、該ガスタービン装置によって駆動されて断熱圧縮により圧気を製造するためのエアコンプレッサと、前記圧気から熱を回収するための熱回収装置と、前記ガスタービン装置の排ガスから排熱を回収するための排熱回収装置にして排ガスボイラを有する排熱回収装置と、前記圧気により作動される回転駆動手段と、該回転駆動手段により駆動される発電装置と、前記圧気が前記回転駆動手段にて断熱膨張することによって得られる冷熱を回収するための冷熱回収装置と、前記排ガスボイラからの発生蒸気により作動される蒸気タービンと、該蒸気タービンにより駆動される第２の発電機と、前記蒸気タービンからの排蒸気を復水するための復水器と、を備え、前記冷熱回収装置によって得られる冷熱が前記復水器において前記排蒸気の冷却に利用されることを特徴とする、コンバインドサイクル発電装置。
【請求項５】
前記排熱回収装置が、前記排ガスボイラの上流部に設けられた追い焚きバーナ装置にして、前記ガスタービン装置の排ガス中の残存酸素を燃焼させることにより前記排ガスボイラからの蒸気発生量を増大させるとともに発生蒸気を高温高圧な過熱蒸気とするための追い焚きバーナ装置を備えており、
前記蒸気タービンが、前記排熱回収装置からの低圧蒸気および高圧蒸気により作動される混圧蒸気タービンであることを特徴とする、請求項４に記載のコンバインドサイクル発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガスタービン装置を利用したエネルギ供給装置に関する。ガスタービン装置を利用したエネルギ供給装置として、コージェネレーション装置およびコンバインドサイクル発電装置がある。
【０００２】
コージェネレーション装置は、電力を供給するとともに、蒸気の形で熱を供給する。かかるガスタービン利用コージェネレーション装置は、産業用としては、例えば紙パルプ産業、食品産業等のプロセス用蒸気を多く消費する産業での使用に特に適している。また、民生用としては、例えば大規模な地域冷暖房設備、病院、ホテル、健康人工温泉ランド等での使用に特に適している。
【０００３】
コンバインドサイクル発電装置は、熱需要がない場合、または電力需要が大半である場合に電力を供給するのに適している。産業用としては、工場の自家発電装置などに適している。
【０００４】
【従来の技術】
従来技術のガスタービン利用エネルギ供給装置は、ガスタービン装置に接続した発電機により発電を行うとともに、ガスタービン装置の排ガスを利用して排ガスボイラで発生させた蒸気を利用するようにしている。
【０００５】
従来技術のガスタービン利用コージェネレーション装置においては、この発生蒸気をプロセス加熱用または暖房用として、そのまま利用している。
【０００６】
一方、従来技術のガスタービン利用コンバインドサイクル発電装置においては、この発生蒸気により蒸気タービンを作動させ、該蒸気タービンによって発電機を駆動させている。蒸気タービンからの排蒸気は復水器で冷却される。
【０００７】
また、熱需要には温熱需要のほかに冷熱の需要もある。この冷熱需要に関し、従来技術のガスタービン利用コージェネレーション装置においては、ガスタービン装置発電により得られた電力を利用してターボ冷凍機を作動させることにより、または発生蒸気を利用して吸収式冷凍機を使用することにより冷水を製造し、それによって冷房等を行うようにしていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術のガスタービン利用エネルギ供給装置は、前述したようにガスタービン装置により発電機を直接駆動する方式を前提として考えられているため、需要側の様々な要求に充分対応できていないのが現状である。
【０００９】
例えば、地域冷暖房設備等における熱と電力との需要バランスは、熱が主であり、電力は従である。しかしながら、ガスタービン装置で発電機を直接駆動する方式に基づく従来技術のコージェネレーション装置は電力主力型であり、このような現実の需要バランスに対応したエネルギ供給を行っているとはいえない。したがって、需要バランスに応じて効率のよいエネルギ供給の行える熱主力型のコージェネレーション装置が望まれる。
【００１０】
また、従来技術のガスタービン利用コージェネレーション装置において冷熱を利用するには、ターボ冷凍機や吸収式冷凍機のような高価で複雑な設備が必要であった。したがって、設備費をより低減させることが望まれる。
【００１１】
一方、従来技術のコンバインドサイクル発電装置は、効率を上げるため、それぞれが大型のガスタービン装置、排ガスボイラ、蒸気タービン等を組み合わせて構成されている。さらに、復水器で大量の冷却水を使用するため、設備の立地条件が海岸や河川の近くに限定される傾向にある。さもなければ、大型の冷却塔が必要となる。冷却塔で使用される電動ファンは消費電力が大きく、電力のロスが発生する。したがって、立地条件の制約を受けず、小中規模で効率のよいコンバインドサイクル発電装置が望まれる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によれば、ガスタービン装置と、該ガスタービン装置によって駆動され圧気を製造するためのエアコンプレッサと、前記圧気から断熱圧縮による発生熱を回収するための熱回収装置と、前記ガスタービン装置の排ガスから排熱を回収するための排熱回収装置と、前記圧気により作動される回転駆動手段と、該回転駆動手段により駆動される発電装置と、前記圧気が前記回転駆動手段にて断熱膨張することによって得られる冷熱を回収するための冷熱回収装置と、を備えてなるコージェネレーション装置が提供される。
【００１３】
前記排熱回収装置は、排ガスボイラと、該排ガスボイラの上流部に設けられた追い焚きバーナ装置にして、前記ガスタービン装置の排ガス中の残存酸素を燃焼させることにより前記排ガスボイラからの蒸気発生量を増大させるとともに発生蒸気を高温高圧な過熱蒸気とするための追い焚きバーナ装置とを備えることができるものとし、コージェネレーション装置はさらに、前記過熱蒸気により作動される背圧式蒸気タービンと、該背圧式蒸気タービンにより駆動される第２の発電機と、を設け、前記背圧式蒸気タービンが排蒸気として中圧蒸気を発生させることができるようにしてもよい。
【００１４】
前記冷熱回収装置は、前記圧気の断熱膨張によって得られる冷気と給水との間で熱交換を行う熱交換器とし、前記給水に不凍液を用いるようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明によれば、ガスタービン装置と、該ガスタービン装置によって駆動されて断熱圧縮により圧気を製造するためのエアコンプレッサと、前記圧気から熱を回収するための熱回収装置と、前記ガスタービン装置の排ガスから排熱を回収するための排熱回収装置にして排ガスボイラを有する排熱回収装置と、前記圧気により作動される回転駆動手段と、該回転駆動手段により駆動される発電装置と、前記圧気が前記回転駆動手段にて断熱膨張することによって得られる冷熱を回収するための冷熱回収装置と、前記排ガスボイラからの発生蒸気により作動される蒸気タービンと、該蒸気タービンにより駆動される第２の発電機と、前記蒸気タービンからの排蒸気を復水するための復水器と、を備え、前記冷熱回収装置によって得られる冷熱が前記復水器において前記排蒸気の冷却に利用されることを特徴とする、コンバインドサイクル発電装置も提供される。
【００１６】
前記排熱回収装置を、前記排ガスボイラの上流部に設けられた追い焚きバーナ装置にして、前記ガスタービン装置の排ガス中の残存酸素を燃焼させることにより前記排ガスボイラからの蒸気発生量を増大させるとともに発生蒸気を高温高圧な過熱蒸気とするための追い焚きバーナ装置を備えるものとし、前記蒸気タービンを、前記排熱回収装置からの低圧蒸気および高圧蒸気により作動される混圧蒸気タービンとすることもできる。
【００１７】
なお、本明細書において使用される「エアコンプレッサ」の語は、空気の代わりに他の気体が使用された場合に代用される「ガスコンプレッサ」をも含む概念を示すものである。
【００１８】
【作用】
本発明によるガスタービン利用エネルギ供給装置、すなわちコージェネレーション装置およびコンバインドサイクル発電装置の特徴を作用の点から述べれば、従来装置のようにガスタービン装置で発電機を直接駆動する方式をとらず、ガスタービン装置のエネルギ出力を一旦すべて熱エネルギとして回収することにある。
【００１９】
本発明によるガスタービン利用コージェネレーション装置においては、ガスタービン装置はエアコンプレッサを直接駆動させ、圧気が製造される。断熱圧縮加熱により温度が上昇した圧気からは、熱回収装置により熱が回収される。典型的には熱交換器を用いて圧気と冷却水との間で熱交換が行われる。このようにして、エアコンプレッサの軸入力の大半は温水として回収される。この温水は、排熱回収装置の排ガスボイラ用のボイラ給水として用いることができる。
【００２０】
熱が回収された後の圧気は、ラジアルタービン等の空気タービンまたは空気モータといった回転駆動手段を作動するのに使用される。圧気は、例えばタービンのノズルから噴出されることによりタービン内で背圧を大気圧として完全に膨張せしめられる。圧気がノズルを流れるにしたがって、その圧力エネルギは速度エネルギに変換される。空気タービンは高圧空気により高速回転せしめられて発電装置を駆動する。また、これと同時に圧気はノズルからタービン室を経るにしたがって断熱膨張され、空気タービンで消費された運動エネルギ量だけ空気の内部エネルギが低下する。その結果、空気の温度が低下して冷気が得られる。この冷気はそのまま使用してもよいが、給水と熱交換させて冷水を得るようにしてもよい。一方、ガスタービン装置からの排熱は排熱回収装置によって回収される。
【００２１】
排熱回収装置が、排ガスボイラと、該排ガスボイラの上流部に設けた追い焚きバーナ装置とを備えている場合、上述した温水が排ガスボイラで飽和蒸気に変えられる。追い焚きバーナ装置（典型的にはダクトバーナ）は、ガスタービン装置からの排ガス中の残存酸素を燃焼させることにより、排ガスボイラからの蒸気発生量を増大させ、また、排ガスボイラからの飽和蒸気を加熱してこれを高温高圧な過熱蒸気とすることができる。この過熱蒸気は、背圧式蒸気タービンを作動させるのに用いられる。この蒸気タービンにより第２の発電機を駆動し、発電を行う。蒸気タービンからの排蒸気は、中圧蒸気（減圧蒸気）として回収され、プロセス加熱あるいは地域冷暖房用の暖房または給湯用蒸気として利用することができる。
【００２２】
上述した冷熱回収装置を、冷気と給水との間で熱交換を行う熱交換器とした場合、給水に不凍液（例えばエチレングリコールなどのグリコール類を含むもの）を用いることにより、給水管内における凍結を防止することができる。
【００２３】
本発明によるガスタービン利用コンバインドサイクル発電装置においても、ガスタービン装置はエアコンプレッサを直接駆動させ、圧気が製造される。圧気からは、熱回収装置（典型的には熱交換器）によって熱が温水の形で回収される。この温水は、排熱回収装置の排ガスボイラ用のボイラ給水として用いることができる。熱が回収された後の圧気は、上述したような回転駆動手段を作動するのに使用される。回転駆動手段は発電機を駆動させる。回転駆動手段で断熱膨張して温度が低下した空気の持つ冷熱は、冷熱回収装置によって回収される。
【００２４】
排ガスボイラからの発生蒸気は蒸気タービンを作動させ、該蒸気タービンは第２の発電機を駆動させる。蒸気タービンからの排蒸気は、復水器によって冷却される。このとき、冷熱回収装置によって得られた冷熱が復水器において排蒸気の冷却に利用される。
【００２５】
追い焚きバーナ装置を備え、蒸気タービンを混圧蒸気タービンとした場合には、該混圧蒸気タービンは、排熱回収装置からの低圧蒸気および高圧蒸気により作動される。
【００２６】
【実施例】
図１は、本発明によるガスタービン利用コージェネレーション装置の一実施例を示す概略図である。コージェネレーション装置は、基本的には、ガスタービン装置１、ガスタービン装置１により駆動されるエアコンプレッサ２、エアコンプレッサ２からの圧気から熱を回収するための熱回収装置としての熱交換器３、ガスタービン装置１の排ガスから排熱を回収するための排熱回収装置としての熱回収型ボイラ装置４、圧気により作動される回転駆動手段としての空気タービン５、空気タービン５により駆動される発電装置６、および圧気が空気タービン５にて断熱膨張することによって得られる冷熱を回収するための冷熱回収装置としての熱交換器７を備えている。
【００２７】
ガスタービン装置１はスタータ用モータ８によって作動を開始する。ガスタービン装置１の給気用コンプレッサ９で加圧された空気は、燃料とともに燃焼器１０で燃焼され、高温の加圧ガスとなってガスタービン１１を駆動させる。
【００２８】
ガスタービン１１の出力軸はエアコンプレッサ２に接続されている。吸気はエアコンプレッサ２で断熱圧縮され高温加圧状態とされた後、熱交換器３で冷却水と熱交換される。このようにして、エアコンプレッサ２の軸入力の大半は温水として回収される。
【００２９】
温水は、ボイラ給水として給水ポンプ１２によってボイラ装置４のエコノマイザ１３へと送られる。エコノマイザ１３で加熱された温水は、ボイラ１４内で高温の飽和蒸気となる。
【００３０】
ダクトバーナ１５がボイラ装置４の上流部に設けられて追い焚きバーナ装置を構成している。ダクトバーナ１５は、ガスタービン１１の排ガス中の残存酸素を燃焼させることにより、飽和蒸気発生量を増加させるとともに、飽和蒸気を過熱器１６にて高温高圧な過熱蒸気とする。
【００３１】
この過熱蒸気を利用して背圧式蒸気タービン１７が作動される。該タービン１７により第２の発電機１８が駆動され、電力を得る。それと同時に、蒸気タービン１７の排蒸気を中圧の減圧蒸気として回収し、熱電需要側のプロセス加熱、地域冷暖房の暖房または給湯用蒸気として使用する。
【００３２】
一方、エアコンプレッサ２で断熱圧縮状態で加圧されて高温となった空気（圧気）は、熱交換器３で冷却水と熱交換した後、ドライヤ１９で除湿され、空気タービン５へと送られる。圧気は、空気タービン５を作動させ、空気タービン５は発電装置６を駆動して発電を行わせる。
【００３３】
空気タービン５の代わりに空気モータ（図示せず）を利用するようにしてもよい。
【００３４】
空気タービン５で断熱膨張した空気は、温度が低下して冷気となる。この冷気は、熱交換器７によって給水と熱交換され、冷水を製造する。この場合、熱交換器７が冷熱回収装置となる。冷気は、そのまま熱電需要側で利用されてもよい。この場合には、冷気を熱電需要側へと搬送するダクト類が冷熱回収装置となる。冷水または冷気は、冷房等に使用することができる。
【００３５】
図２は、本発明によるガスタービン利用コンバインドサイクル発電装置の一実施例を示す概略図である。基本的な構成およびその作用は図１のコージェネレーション装置のものとほぼ同様であり、同じ構成要素には同じ参照符号を付してある。したがって異なる点のみについて説明する。
【００３６】
図２の実施例では蒸気タービンとして混圧蒸気タービン１７’が用いられている。ボイラ装置４において、ボイラ１４から発生する比較的低圧の蒸気の一部は直接混圧蒸気タービン１７’へ送られ、残りの低圧蒸気は一旦過熱器１７に送られてそこで高圧過熱蒸気となってから混圧蒸気タービン１７’へと送られる。このようにボイラ装置４を低圧部と高圧部とに分離した場合、低圧部では受熱側の温度が低いため、高圧蒸気だけを使用した場合に比べ、ボイラ１４の出口ガス温度を低くすることができ、装置全体の効率を数パーセント高めることができる。
【００３７】
混圧蒸気タービン１７’からの排蒸気は、図１のコージェネレーション装置におけるようにプロセス加熱用等としてそのまま需要側で利用されるのではなく、復水器２０へ送られる。一方、熱交換器７で得られた冷水も、図１のコージェネレーション装置におけるように冷房等としてそのまま需要側で利用されるのではなく、復水器２０において混圧蒸気タービン１７’からの排蒸気を冷却して水に戻すための冷却水として利用される。復水器２０で加熱された冷却水は、給水ポンプ２１により熱交換器７へ送られ、循環使用される。復水器２０で冷却されて蒸気から戻った水は、脱気器２２へ送られてそこで脱気された後、熱交換器３へと送られて循環使用される。
【００３８】
復水器２０の能力が不充分となった場合、図示のごとく設けたバックアップ用復水器２３および冷却塔ファン２４を稼働させる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のガスタービン利用エネルギ供給装置は、ガスタービン装置のエネルギ出力を一旦すべて熱エネルギとして回収する方式をとっているので、従来技術における、ガスタービン装置により発電機を直接駆動する方式を前提とするエネルギ供給装置では充分に対応できていなかった需要側の様々な要求を以下のように満たすことができる。
【００４０】
まず、本発明のガスタービン利用コージェネレーション装置によれば、地域冷暖房設備や紙パルプ工場、食品工場等における熱を主体としたエネルギ需要バランスに合ったエネルギ供給を効率よく行うことができる。
【００４１】
本発明のコージェネレーション装置を、従来技術における、ガスタービン装置で発電機を直接駆動する方式の熱電供給装置と、発生エネルギ総量の点で比較すると、ガスタービン装置の排ガスから回収される熱エネルギは互いにほぼ同程度である。従来装置においてガスタービン装置の軸出力から発電機で得られる電力と、本発明の装置においてガスタービン装置の軸出力の大半をエアコンプレッサの駆動に用いてその結果製造される圧気から回収される熱とは、ほぼ等価である。異なる点は、本発明の装置においては、圧気を利用した発電による電力と、圧気を断熱膨張して得られる冷熱の分だけ、従来装置よりも発生エネルギ総量を増加させることができるということである。
【００４２】
また、本発明のコージェネレーション装置においては、ターボ冷凍機や吸収式冷凍機のような高価で複雑な設備を用いることなく、具体的には熱交換器により、冷水を得ることができるので、設備費を大きく低減することができる。
【００４３】
一方、本発明によるコンバインドサイクル発電装置においては、ガスタービン装置によりエアコンプレッサを駆動して圧気を発生させ、この圧気で空気タービンを作動させて発電を行うと同時に、圧気の断熱膨張により大量の冷熱を得ることができる。この冷熱を、蒸気タービン発電の際に発生する排蒸気の復水用に用いることにより、大量の冷却水が節約できることになる。したがって、これまで冷却水として利用していた海水や河川の水に頼る必要がなくなるので、設備の立地条件が海岸や河川に近い場所に限定されることがない。また、海や河川からの冷却水取得設備や大型の冷却塔が必要なくなるので、消費電力は少なくてすむ。かなり大規模な電力需要に対応する場合でも、バックアップ用の冷却塔の使用や他からの冷却水の入手の可能性は小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコージェネレーション装置の一実施例を示す概略図。
【図２】本発明によるコンバインドサイクル発電装置の一実施例を示す概略図。
【符号の説明】
１  ガスタービン装置、２  エアコンプレッサ、３  熱回収装置（熱交換器）、４  排熱回収装置（ボイラ装置）、５  空気タービン（回転駆動手段）、６  発電装置、７  冷熱回収装置（熱交換器）、８  スタータ用モータ、９  給気用コンプレッサ、１０  燃焼器、１１  ガスタービン、１２  給水ポンプ、１３  エコノマイザ、１４  ボイラ、１５  追い焚きバーナ装置（ダクトバーナ）、１６過熱器、１７  背圧式蒸気タービン、１８  第２の発電装置、１９  ドライヤ、２０  復水器、２１  給水ポンプ、２２  脱気器、２３  バックアップ用復水器、２４  冷却塔ファン、２５  給水ポンプ。
【図１】
0003681434.tif 000002
【図２】
0003681434.tif 000003