(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン、ガスエンジン及びディーゼルエンジンのいずれかの内燃機関に排熱回収ボイラを設け、内燃機関を駆動させて動力又は電気を発生させるとともに、内燃機関からの燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入し、燃焼排ガスを加熱源として排熱回収ボイラで蒸気及び／又は温水を発生させて熱を取り出すようにしたコージェネレーション装置において、排熱回収ボイラに水又は／及び蒸気を噴射してボイラ内の排ガス温度を制御するに際し、熱の需要が下がり余剰蒸気及び／又は余剰温水が発生したときに、排熱回収ボイラに水又は／及び蒸気を噴射してボイラ内の排ガス温度を下げて、熱電可変範囲を広げることを特徴とするコージェネレーション装置の運転方法。
【請求項２】
排熱回収ボイラに噴射する水又は／及び蒸気として、排熱回収ボイラからの余剰温水又は／及び余剰蒸気を用いる請求項１記載のコージェネレーション装置の運転方法。
【請求項３】
排熱回収ボイラに噴射する水又は／及び蒸気として、系外からの水又は／及び蒸気を用いる請求項１記載のコージェネレーション装置の運転方法。
【請求項４】
内燃機関と排熱回収ボイラを接続する排気ダクト中、又は排熱回収ボイラに設けた過熱器、蒸発器及び節炭器の少なくともいずれかの上流側の排ガス中に、水又は／及び蒸気を噴射する請求項１〜３のいずれかに記載のコージェネレーション装置の運転方法。
【請求項５】
ガスタービンに排熱回収ボイラを設け、圧縮機からの圧縮空気と燃料を燃焼器に供給して得られる高温高圧の燃焼ガスでタービンを駆動させて動力又は電気を発生させるとともに、タービンからの燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入し、燃焼排ガスを加熱源として排熱回収ボイラで蒸気又は蒸気及び温水を発生させて熱を取り出すようにしたコージェネレーション装置において、圧縮機途中、圧縮機出口、燃焼器及びタービンの少なくともいずれかに、排熱回収ボイラからの余剰蒸気をアトマイズガスとして用いて微粒化した水を噴射することを特徴とするコージェネレーション装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるコージェネレーション装置において、ボイラで発生する蒸気等が熱需要に対して過剰なときに、ボイラに水・蒸気を噴射してガス温度を下げ、蒸発量を減少させて熱電可変範囲を広げたり、余剰蒸気を装置各部への水噴射のアトマイズガスとして有効利用してプラント効率の向上を可能とするコージェネレーション装置の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジン、ガスエンジン、ディーゼルエンジンに排熱回収ボイラを設けて、動力（もしくは電気）及び熱（蒸気、温水）の両方を発生するいわゆるコージェネレーション装置においては、エンジンの負荷によりボイラで発生する熱（蒸気、温水）の量が決まってしまい、例えば、熱需要がないときには、これらの蒸気・温水は捨てられることになり、熱需要が少ない場合に余剰蒸気・余剰温水が発生することになる。また、熱負荷にあわせてエンジンを部分負荷運用すると、エンジンの熱効率が下がってしまう。
【０００３】
例えば、図１９に示すように、排気ダクト２６にバイパスダンパ３２等を設けて排ガスの一部を排熱回収ボイラ１８からバイパスすることも考えられるが、この場合、排気系統が複数になり装置が過大になる。また、排気の一部は常にバイパス側にリークする。
【０００４】
また、余剰蒸気をガスタービンに導入し、出力を増大させる蒸気噴射型ガスタービンでも、噴射できる蒸気の量には限界がある。図１７は蒸気噴射型ガスタービンを利用した熱電可変コージェネレーションのシステム系統図の一例であり、表１、図１８はその性能例である。図１７（図１９も同様）について簡単に説明すると、取り込まれた空気は圧縮機１０で圧縮されて圧縮空気となり、この圧縮空気が燃料とともに燃焼器１２に供給される。燃焼器１２で生成した高温高圧の燃焼ガスでタービン１４を駆動させ、発電機１６で発電が行われる。タービン１４からの燃焼排ガスは、排熱回収ボイラ１８における過熱器２０、蒸発器２２、節炭器２４に導入され、順次熱回収されて排出される。２８は給水ポンプ、３０は給水タンク兼水処理設備、３４は煙突である。蒸発器２２で発生した飽和蒸気（あるいは過熱器２０で発生した過熱蒸気）は、プロセス蒸気として取り出される。この場合、余剰蒸気をガスタービン（具体的には、燃焼器１２及び／又はタービン１４）に噴射して利用することで熱電可変を実現している。
【０００５】
【表１】
0003683521.tif 000002
【０００６】
表１等からわかるように、発電出力最大時に２t／hの余剰蒸気が発生し、熱の需要が無い場合には、この蒸気は大気中に無駄に放散される。仮にボイラの定格蒸発量を１０t／hではなく８t／hのものにすると、余剰蒸気は発生しないが、総合効率が９％低下することになる。
【０００７】
特開平９−１２５９８４号公報に記載された蒸気噴射型ガスタービンでは、圧縮機可変静翼により、圧縮機及びタービンの効率を低下させることなくガスタービンへの蒸気投入量を増減できるようにしているが、「全量蒸気噴射」は不可能で投入できる蒸気量に限界があり、やや蒸気が余ることになる。
特開平１１−２２９８９４号公報に記載された蒸気噴射型ガスタービンでは、遠心圧縮機のディフューザやタービンノズルを可変として、ガスタービンへの蒸気投入量を増減できるようにしているが、遠心圧縮機のディフューザやタービンノズルを可変とすると、定格流量点以外での効率が著しく悪くなる。また、高温ガス中のタービンノズルを可変とすることは信頼性の点でも問題がある。
【０００８】
また、特開２０００−２８２８９４号公報に記載されたガスタービンプラントでは、圧縮機出口に水を噴霧しているが、蒸発せずに液相のまま残った水を回収する必要があり、装置が過大なものとなったりする。また、一般にガスタービンの各部に水を噴霧するとき、噴霧粒径が大きいと噴霧がガスタービン作動流体の気流に乗らずに、水滴やドレンとしてガスタービン各部に衝突し、ガスタービン各部を腐食・損傷させたり、ガスタービンの寿命を著しく縮めることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、いわゆるコージェネレーション装置において、熱の需要が下がり余剰蒸気・余剰温水が発生した際に、排熱回収ボイラに水・蒸気を噴射してガス温度を下げ、蒸発量を減少させることにより、熱電可変範囲を広げるだけでなく、ボイラ給水の節約と、ボイラ給水の水処理に要する動力、薬剤等の低減及び水処理設備の長寿命化等を実現することができるコージェネレーション装置の運転方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の目的は、蒸気噴射型ガスタービンコージェネレーション装置において、余剰蒸気をガスタービン各部への水噴射のアトマイズガスとして用いることにより、圧縮機及びタービンの効率を上昇させてガスタービンの効率を向上させることができ、しかも、噴霧粒径が微小となるためガスタービン各部の損傷を回避することができるコージェネレーション装置の運転方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のコージェネレーション装置の運転方法は、ガスタービン、ガスエンジン及びディーゼルエンジンのいずれかの内燃機関に排熱回収ボイラを設け、内燃機関を駆動させて動力又は電気を発生させるとともに、内燃機関からの燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入し、燃焼排ガスを加熱源として排熱回収ボイラで蒸気及び／又は温水を発生させて熱を取り出すようにしたコージェネレーション装置において、排熱回収ボイラに水又は／及び蒸気を噴射してボイラ内の排ガス温度を制御し、熱電可変範囲を広げるように構成されている。例えば、熱の需要が下がり余剰蒸気及び／又は余剰温水が発生したときに、排熱回収ボイラに水又は／及び蒸気を噴射してボイラ内の排ガス温度を下げ、蒸発量を減少させる。
【００１２】
上記の方法において、排熱回収ボイラに噴射する水又は／及び蒸気としては、排熱回収ボイラからの余剰温水又は／及び余剰蒸気を用いることができ、また、系外（他プロセス）からの水又は／及び蒸気を用いてもよい。また、具体的な噴射箇所として、内燃機関と排熱回収ボイラを接続する排気ダクト中、又は排熱回収ボイラに設けた過熱器、蒸発器及び節炭器の少なくともいずれかの上流側の排ガス中に、水又は／及び蒸気を噴射することができる。
【００１３】
本発明は、いわゆるコージェネレーション装置において、熱の需要が下がり余剰蒸気・余剰温水が発生した際に、排熱回収ボイラに水・蒸気を噴射してガス温度を下げ、蒸発量を減少させる。排熱回収ボイラで発生した蒸気の温度は、その蒸気を発生させるために必要なガス温度より必ず低いので、排熱回収ボイラからの余剰蒸気・温水を排熱回収ボイラの排ガス中に噴射してガス温度を下げることが可能である。また、他プロセスからの水もしくは蒸気を噴射して排ガス温度を下げることも勿論可能である。これにより、単に放散する水が節約できるだけでなく、ボイラ給水の水処理設備において処理すべき水の量も減少する。ボイラ給水は脱ミネラル、脱気等の処理が必要で、特にガスタービンに噴射する蒸気は純水にしなければならず、水処理設備の処理量が減ることは所要動力の低減によるプラント効率の向上、イオン交換樹脂の長寿命化、投入薬剤消費量を低減するメリットがある。
【００１４】
また、本発明のコージェネレーション装置の運転方法は、ガスタービンに排熱回収ボイラを設け、圧縮機からの圧縮空気と燃料を燃焼器に供給して得られる高温高圧の燃焼ガスでタービンを駆動させて動力又は電気を発生させるとともに、タービンからの燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入し、燃焼排ガスを加熱源として排熱回収ボイラで蒸気又は蒸気及び温水を発生させて熱を取り出すようにしたコージェネレーション装置において、圧縮機途中、圧縮機出口、燃焼器及びタービンの少なくともいずれかに、排熱回収ボイラからの余剰蒸気をアトマイズガスとして用いて微粒化した水を噴射することを特徴としている。
【００１５】
本発明では、余剰蒸気をコージェネレーション装置各部への水噴射のアトマイズガスとして用いる。蒸気噴射型ガスタービンコージェネレーション装置では、余剰蒸気をガスタービンに投入するための圧縮機可変静翼もしくはタービン可変ノズルの操作量が減少し、より定格に近い運転ができるので、圧縮機及びタービンの効率が上昇し、ガスタービンの効率も上昇する。また、噴霧粒径が微小となりガスタービン各部の損傷を避けることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
図１は、本発明の実施の第１形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置を示している。なお、本実施の形態では、一例として、ガスタービンに排熱回収ボイラを設けて構成されるコージェネレーション装置について説明しているが、本実施形態の方法は、ガスエンジン、ディーゼルエンジンに排熱回収ボイラを設けた装置にも同様に適用できるものである。
【００１７】
図１に示すように、取り込まれた空気は圧縮機１０で圧縮されて圧縮空気となり、この圧縮空気が燃料とともに燃焼器１２に供給される。燃焼器１２で生成した高温高圧の燃焼ガスでタービン１４を駆動させ、発電機１６で発電が行われる。タービン１４からの燃焼排ガスは、排熱回収ボイラ１８における過熱器２０、蒸発器２２、節炭器２４に導入され、順次熱回収されて排出される。２６は排気ダクト、２８は給水ポンプ、３０は給水タンク兼水処理設備、３４は煙突である。蒸発器２２で発生した飽和蒸気（あるいは過熱器２０で発生した過熱蒸気）は、プロセス蒸気として取り出される。また、余剰蒸気をガスタービン（具体的には、燃焼器１２及び／又はタービン１４）に噴射して利用することで熱電可変を実現しているが、噴射できる蒸気の量には限界がある。
【００１８】
そこで、熱の需要が下がり余剰蒸気・余剰温水が発生した際には、排熱回収ボイラ１８に水・蒸気を噴射してボイラ内の排ガス温度を下げ、蒸発量を減少させることで、熱電可変範囲の拡大が可能となる。この場合、噴射する水、蒸気としては、（ａ）ボイラ余剰蒸気・余剰温水、（ｂ）系外からの水・蒸気、のいずれを用いてもよい。例えば、ボイラ余剰蒸気を噴射する場合は、プロセス蒸気の一部を分岐して排熱回収ボイラ１８の排気中に噴射する。また、具体的な噴射箇所は、▲１▼排気ダクト２６、▲２▼過熱器２０上流、▲３▼蒸発器２２上流、▲４▼節炭器２４上流の排気中であり、これらの箇所のうちの１箇所又は複数箇所に噴射ノズル３６を設置して水・蒸気を噴射する。図１では、一例として、蒸発器２２上流に噴射ノズル３６を設置している。
【００１９】
例えば、前述した表１に示す性能の熱電可変コージェネレーションにおいて、プロセス蒸気２．０t／hの蒸気のうち１．５t／hの蒸気（２１１℃）を、過熱器２０上流（０．５t／h）及び蒸発器２２上流（１．０t／h）の排ガス中に噴射すれば、排熱回収ボイラ１８のガス温度が下がって蒸発量が９．５t／hとなり、プロセス蒸気はガスタービン噴射蒸気（燃焼器１２又は／及びタービン１４に噴射する蒸気）８．０t／hを除いた１．５t／hとなり、つりあいがとれることになる。このとき、消費する水の量は０．５t／h減少したことになり、ボイラ給水の節約とボイラ給水処理に要する動力、薬剤等の低減が図れる。上記の余剰蒸気１．５t／hを噴射した場合の物質収支は図２のようになる。なお、図２において、圧力ｐの単位はata、温度Ｔの単位は℃、流量Ｇの単位はt／hである。また、蒸気噴射したときの排熱回収線図は図３のようになり、熱の流れを模式的に示すと図４のようになる。蒸気噴射、水噴射した場合の比較例として、水・蒸気を噴射しないときの物質収支を図８、排熱回収線図を図９、熱の流れを図１０にそれぞれ示す。
【００２０】
また、前述した表１に示す性能の熱電可変コージェネレーションにおいて、系外からの水（１５℃）を蒸発器２２上流の排ガス中に１．０t／h噴射すれば、排熱回収ボイラ１８のガス温度が下がって蒸発量が８．０t／hとなり、全量がガスタービン噴射蒸気（燃焼器１２又は／及びタービン１４に噴射する蒸気）として使用できることになる。このとき、消費する水の量は１．０t／h減少するとともに、水処理設備の所要動力が２．０t／h分減少する（送電端で約０．１％の発電効率上昇）。上記の系外からの水１．０t／hを噴射した場合の物質収支は図５のようになる。また、水噴射したときの排熱回収線図は図６のようになり、熱の流れを模式的に示すと図７のようになる。
【００２１】
図１１は、本発明の実施の第２形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置の一例を示している。本実施の形態では、実施の第１形態と同じ構成については同一の符号を付している。図１１は、ガスタービンコージェネレーションにおいて、中間冷却等を目的として圧縮機１０途中に、余剰蒸気を利用してアトマイズ（微粒化）した水を噴射するようにしたものである。圧縮機１０途中への噴射水をアトマイズするための作動ガスとして、排熱回収ボイラ１８からの余剰蒸気を有効利用する。噴射水をアトマイズ（微粒化）する装置としては、一例として、二流体ノズル３８が用いられる。二流体ノズル３８としては、公知のものが使用できる（例えば、特開２００１−１４９８２２など）。図１２で簡単に説明すると、流路４０内で旋回流となるように側面から導入した液体をガスと衝突混合させて微粒化し、噴射口４２より気液混合の微霧が噴霧される。一流体ノズルでは、図１３に示すように、水の噴霧圧力をかなり高くしても噴霧粒径は微小とならないが（例えば、噴霧圧力１０MPaで２００μm程度）、二流体ノズルを用いて噴射水を余剰蒸気でアトマイズすれば、数１０μmの微霧とすることが可能である。
【００２２】
図１４は、本発明の実施の第２形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置の他の例を示している。図１４は、ガスタービンコージェネレーションにおいて、出力増大、ＮＯｘ低減、効率向上等を目的として圧縮機１０出口に、余剰蒸気を利用してアトマイズ（微粒化）した水を噴射するようにしたものである。圧縮機１０出口への噴射水をアトマイズするための作動ガスとして、排熱回収ボイラ１８からの余剰蒸気を有効利用する。噴射水をアトマイズ（微粒化）する装置としては、一例として、二流体ノズル３８が用いられる。他の構成及び作用等は図１１の場合と同様である。
【００２３】
図１５は、本発明の実施の第２形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置の他の例を示している。図１５は、ガスタービンコージェネレーションにおいて、出力増大、ＮＯｘ低減、効率向上等を目的として燃焼器１２に、余剰蒸気を利用してアトマイズ（微粒化）した水を噴射するようにしたものである。燃焼器１２への噴射水をアトマイズするための作動ガスとして、排熱回収ボイラ１８からの余剰蒸気を有効利用する。噴射水をアトマイズ（微粒化）する装置としては、一例として、二流体ノズル３８が用いられる。他の構成及び作用等は図１１、図１４の場合と同様である。
【００２４】
図１６は、本発明の実施の第２形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置のさらに他の例を示している。図１６は、ガスタービンコージェネレーションにおいて、出力増大、効率向上等を目的としてタービン１４に、余剰蒸気を利用してアトマイズ（微粒化）した水を噴射するようにしたものである。タービン１４への噴射水をアトマイズするための作動ガスとして、排熱回収ボイラ１８からの余剰蒸気を有効利用する。噴射水をアトマイズ（微粒化）する装置としては、一例として、二流体ノズル３８が用いられる。他の構成及び作用等は図１１、図１４、図１５の場合と同様である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１）  いわゆるコージェネレーション装置において、熱の需要が下がり余剰蒸気・余剰温水が発生した際に、排熱回収ボイラに水・蒸気を噴射してガス温度を下げ、蒸発量を減少させることにより、熱電可変範囲が広くなる。
（２）  ボイラ給水の節約と、ボイラ給水の水処理に要する動力、薬剤等の低減及び水処理設備の長寿命化等を実現することができる。
（３）  排熱回収ボイラに通じる排気ダクトにバイパスダンパ、バイパススタック等を設ける必要がなく、簡易な装置とすることができる。
（４）  蒸気噴射型ガスタービンコージェネレーション装置において、余剰蒸気をガスタービン各部への水噴射のアトマイズガスとして用いることにより、圧縮機及びタービンの効率が上昇するので、ガスタービンの効率を向上させることができ、しかも、噴霧粒径が微小となるためガスタービン各部の損傷を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置を示す概略構成説明図である。
【図２】本発明の実施の第１形態における運転例（蒸気噴射）の物質収支を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の第１形態における運転例（蒸気噴射）の排熱回収線図である。
【図４】本発明の実施の第１形態における運転例（蒸気噴射）の熱流れを示す模式図である。
【図５】本発明の実施の第１形態における運転例（水噴射）の物質収支を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の第１形態における運転例（水噴射）の排熱回収線図である。
【図７】本発明の実施の第１形態における運転例（水噴射）の熱流れを示す模式図である。
【図８】コージェネレーション装置において、水・蒸気噴射しないときの物質収支を示す説明図である。
【図９】水・蒸気噴射しないときの排熱回収線図である。
【図１０】水・蒸気噴射しないときの熱流れを示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の第２形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置の一例（圧縮機途中）を示す概略構成説明図である。
【図１２】二流体ノズルの概略縦断面構成図である。
【図１３】一流体ノズルの噴霧圧力と噴霧粒径の関係を示すグラフ（噴霧液体：水（１５℃）、噴霧角：６０度）である。
【図１４】本発明の実施の第２形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置の他の例（圧縮機出口）を示す概略構成説明図である。
【図１５】本発明の実施の第２形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置の他の例（燃焼器）を示す概略構成説明図である。
【図１６】本発明の実施の第２形態によるコージェネレーション装置の運転方法を実施する装置のさらに他の例（タービン）を示す概略構成説明図である。
【図１７】従来の蒸気噴射型ガスタービンを利用した熱電可変コージェネレーション装置の一例を示す概略構成説明図である。
【図１８】熱電可変コージェネレーションの性能例を示す線図である。
【図１９】従来の熱電可変コージェネレーション装置の他の例（バイパスダンパを設けた場合）を示す概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０  圧縮機
１２  燃焼器
１４  タービン
１６  発電機
１８  排熱回収ボイラ
２０  過熱器
２２  蒸発器
２４  節炭器
２６  排気ダクト
２８  給水ポンプ
３０  給水タンク兼水処理設備
３２  バイパスダンパ
３４  煙突
３６  噴射ノズル
３８  二流体ノズル
４０  流路
４２  噴射口
【図１】
0003683521.tif 000003
【図２】
0003683521.tif 000004
【図３】
0003683521.tif 000005
【図４】
0003683521.tif 000006
【図５】
0003683521.tif 000007
【図６】
0003683521.tif 000008
【図７】
0003683521.tif 000009
【図８】
0003683521.tif 000010
【図９】
0003683521.tif 000011
【図１０】
0003683521.tif 000012
【図１１】
0003683521.tif 000013
【図１２】
0003683521.tif 000014
【図１３】
0003683521.tif 000015
【図１４】
0003683521.tif 000016
【図１５】
0003683521.tif 000017
【図１６】
0003683521.tif 000018
【図１７】
0003683521.tif 000019
【図１８】
0003683521.tif 000020
【図１９】
0003683521.tif 000021