(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンと、これによって作動する発電装置と、前記ガスタービンの排ガスから熱を回収して乾燥機に供給する排熱回収手段とを有して成るガスタービン利用の乾燥機システムであって、
前記ガスタービンを、無給油式のマイクロガスタービンの複数で構成するとともに、前記排熱回収手段を、前記ガスタービンの排ガスを前記乾燥機に直接供給するための排ガス供給経路で構成されていることを特徴とするガスタービン利用の乾燥機システム。
【請求項２】
前記排ガス供給経路は、前記乾燥機の燃焼室に前記排ガスを送るものであり、前記発電装置で発電された電気を前記乾燥機の電装機器に供給する電力移送手段を設けてあることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン利用の乾燥機システム。
【請求項３】
複数の前記マイクロガスタービンからの全排ガスによる圧力を所定の値に制御する第１圧力制御手段と、前記乾燥機に供給された排ガスによる前記乾燥機内でのガス圧を所定の値に制御する第２圧力制御手段とを設けてあることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載のガスタービン利用の乾燥機システム。
【請求項４】
前記第１圧力制御手段は、前記排ガス供給経路における前記全排ガスが通る主経路の設定ガス圧に応じて、複数のマイクロガスタービンのうちの一部のものの出力をフィードフォワード制御するものに構成され、前記第２圧力制御手段は、前記乾燥機に装備された圧力検知手段による検出情報に基づいて、前記排ガス供給経路に設けられたバイパス弁の開度を調節するものに構成されていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン利用の乾燥機システム。
【請求項５】
前記乾燥機に、前記マイクロガスタービン用の燃料が供給される燃焼装置を設けてあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスタービン利用の乾燥機システム。
【請求項６】
ガスタービンによって発電を行うとともに、その排ガスから熱を回収して乾燥機に供給するガスタービン利用の乾燥機使用方法であって、
前記ガスタービンを無給油式のマイクロガスタービンの複数として、これら複数のマイクロガスタービンからの排ガスを、前記乾燥機に直接供給することを特徴とするガスタービン利用の乾燥機システム使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンによって発電を行い、その排ガスを乾燥機に利用するガスタービン利用の乾燥機システム及び使用方法に係り、詳しくは、比較的小型のガスタービンを用いて発電と排熱利用とを行う効率の良い乾燥機システム及び使用方法を実現させるための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンによる発電装置は、電力供給状態の芳しくない地域でのビルや飲食店等において、又、コージェネレーション設備（システム）の主要部として用いられることが多い。そのガスタービン発電装置を有したガスタービン利用の乾燥機システムの原理構造が図６に示されている。
【０００３】
即ち、ガスタービン利用の乾燥機システムＡは、一端にタービン１０１が、かつ、他端に圧縮機１０２が装備されたタービン軸１０３、圧縮機１０２の出力軸１０４の回転によって発電作動する発電機１０５、圧縮機１０２からの高圧空気を用いて燃焼する燃焼器１０６、再生器１０７、排熱回収装置１０８、及びインバータ（整流器）１０９等から構成されている。
【０００４】
つまり、フィルター１１０を介して吸入された空気を圧縮機１０２にて高圧に圧縮し、その圧縮された大量の空気を燃焼器１０６に吹き込んで燃焼させ、その高温ガス流によってタービン１０１が高速回転されて圧縮機１０２及び発電機１０５を回転させ、発電機１０５にて発電された電気が、インバータ１０９を介して発電出力として取り出されるのである。タービン１０１を通って出てくる高温の排ガスは、再生器１０７にて吸入空気と熱交換されるとともに、排熱回収装置１０８で回収された熱を乾燥機等の熱源として再利用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ガスタービン利用の乾燥機システムにおいては、発電後の排ガスの熱を有効利用することで効率の良いシステムとするものであり、そこで、ＬＮＧ（液化天然ガス）を燃料として、ガスタービン発電装置からの排熱を製造プラントの乾燥機等の加熱機に利用する高効率なガスタービン利用の乾燥機システムが注目されてきている。
【０００６】
このような乾燥機システムを設けた場合、製造プラントの全体を稼動させるために、燃焼用の燃料であるＬＮＧと、各電装機器の駆動源である電気とが必要であるので、比較的大型のガスタービン発電装置と、その排ガスを熱として回収できる排熱回収装置等の熱交換器とを設けて、回収された熱を乾燥機の補助熱源として用いることにより、全体として必要となるエネルギーの総量を減少していた。
【０００７】
しかしながら、前記のようなガスタービンは大型であるため、タービン軸を支承する軸受けに潤滑油を必要とし、それによってこの潤滑油が排ガスに混入していた。潤滑油の混入した排ガスを直接乾燥機に導入することは、製品への異物混入の原因となるため、上記のシステムでは、一度、排ガスを熱として回収した後に、乾燥機の補助熱源として利用していたが、これは排ガスのエネルギーを十分活用するものではなかった。
【０００８】
また、大型のガスタービン発電装置１台で乾燥機を稼動している場合、ガスタービンが故障すると、ガスタービンの修理が終了するまで、長期間、ガスタービン利用の乾燥機システムを使用することが不可能になっていた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、前述のようなガスタービン利用の乾燥機システム及び使用方法を、より効率に優れる状態で提供できるようにする点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の構成は、ガスタービンと、これによって作動する発電装置と、ガスタービンの排ガスから熱を回収して乾燥機に供給する排熱回収手段とを有しているガスタービン利用の乾燥機システムにおいて、
ガスタービンを、無給油式のマイクロガスタービンの複数で構成するとともに、排熱回収手段を、ガスタービンからの排ガスを乾燥機に直接供給するための排ガス供給経路で構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項１の構成によれば、ガスタービンを、小型のマイクロガスタービンを複数用意することで構成してあるので、タービン軸の軸受けとして潤滑油の不要な空気軸受けが設定でき、タービンを通過して出る高温の排ガスに、軸受け用の潤滑油が入ることを回避できるようになり、それによって排ガスをクリーンなものとすることができる。これにより、ガスタービンの高温排ガスをそのまま乾燥機の熱源として用いることが可能となり、従来のように熱交換機を通す必要が無いので、その分のエネルギーロスが無くなり、システムとしての効率が向上するようになる。
【００１２】
そして、１つのガスタービン出力が小さくても、複数のマイクロガスタービンからなる発電装置とすることによって、合計出力は所定の値とすることが出来るとともに、マイクロガスタービンが例えば、１台故障したとしても、他のマイクロガスタービンは稼動したままであるので、他のマイクロガスタービンから十分に排ガスを供給することが出来、ガスタービン利用の乾燥機システムは運転続行を行うことが可能である。さらにまた、乾燥機の能力が変動しても、マイクロガスタービンの稼動数によってシステムをコントロールすることができる。
【００１３】
これにより、ガスタービンの排ガスをそのまま乾燥機に供給して用いることが可能となり、従来のように排ガスから熱を取り出す熱交換器を設ける必要がないので、その分のエネルギーロスが無くなり、システムとしての効率が向上するようになるとともに、故障などの多少の不都合な事態が生じても乾燥機を稼動しつづけるようになる。
【００１４】
請求項２の構成は、請求項１の構成において、排ガス供給経路は、乾燥機の燃焼室に排ガスを送るものであり、発電装置で発電された電気を乾燥機の電装機器に供給する電力移送手段を設けてあることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２の構成によれば、排ガスからの排熱を乾燥機の燃焼室に直接供給して効率の良い乾燥作用が得られるとともに、発電装置によって発電された電気を乾燥機の電装機器に使用することができる。これにより、システムとしてエネルギーを自己補充することが可能であり、場合によってはエネルギーの自己完結が可能になる等、より効率の良いガスタービン利用の乾燥機システムを構築することが可能になる。
【００１６】
請求項３の構成は、請求項１又は２の構成において、複数のマイクロガスタービンからの全排ガスによる圧力を所定の値に制御する第１圧力制御手段と、乾燥機に供給された排ガスによる乾燥機内でのガス圧を所定の値に制御する第２圧力制御手段とを設けてあることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３の構成によれば、第１圧力制御手段により、複数のマイクロガスタービンの運転による全排ガスの圧力を所定圧に制御できるので、ガスタービン全体としての効率の良い運転状況に制御することが出来、また、単一又は複数の乾燥機に必要となるガス圧に制御するといった全体的なガス圧制御が行えるようになる。そして、第２圧力制御手段により、乾燥機に供給されてくる排ガスの圧力を、乾燥機において実際に必要となるガス圧に制御することが出来るので、乾燥機を能率よく運転させるとか、良好な熱効率として乾燥作用を発揮させるといった制御を行うことが可能となる。つまり、ガスタービン及び乾燥機夫々の良好な運転状態を、２種のガス圧制御から得ることが出来るようになる。
【００１８】
また、乾燥機が複数存在する場合、一般的な圧力制御では各乾燥機内の圧力がハンチングして、外気との差圧が大きくなってしまうことが考えられるが、第２圧力制御手段は乾燥機内でのガス圧を所定の値に制御するものであるから、乾燥機における精度の高い圧力制御が行えるようになっている。
【００１９】
請求項４の構成は、請求項３の構成において、第１圧力制御手段は、排ガス供給経路における全排ガスが通る主経路の設定ガス圧に応じて、複数のマイクロガスタービンのうちの一部のものの出力をフィードフォワード制御するものに構成され、第２圧力制御手段は、乾燥機に装備された圧力検知手段による検出情報に基づいて、排ガス供給経路に設けられたバイパス弁の開度を調節するものに構成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４の構成によれば、一部のマイクロガスタービンの出力を制御することにより、残りのマイクロガスタービンは定常運転できて熱効率の良い運転状態を維持できるようにしながら、フィードフォワード制御を行うものであるから、比較的構造が簡単で、廉価で済む制御装置で良いものとなる。そして、バイパス弁の開度調節によって乾燥機内での圧力を所定値に制御することにより、前述したハンチングによる制御不能を回避することが出来るようになるとともに、乾燥機に必要な熱量を随時確保することが可能となり、燃焼用空気の導入量を可及的に少なくすることが出来る等、より詳細な圧力制御を行うことが出来る。
【００２１】
請求項５の構成は、請求項１〜４の構成において、マイクロガスタービン用の燃料が供給される燃焼装置を設けてあることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項５の構成によれば、乾燥機に燃焼装置を設けたので、ガスタービンの排ガスだけでは能力不足の際の補助熱源として使用することができ、また、故障や点検整備等によって排ガスが使用できない場合における熱源として用いることが出来て便利である。そして、その燃焼装置は、ガスタービン用の燃料を用いるものであるから、ガスタービンと共通燃料を使用できて燃料供給系統が単一のもので賄え、別々の燃料や供給系統を設ける場合に比べて、構造の簡素化やコストダウンが図れるようになる。
【００２３】
請求項６の使用方法は、ガスタービンによって発電を行うとともに、その排ガスから熱を回収して乾燥機に供給するガスタービン利用の乾燥機使用方法において、ガスタービンを無給油式のマイクロガスタービンの複数として、これら複数のマイクロガスタービンからの排ガスを、乾燥機に直接供給することを特徴とするものである。
【００２４】
請求項６は、請求項１の構成を方法化したものであり、請求項１の構成による作用と同等の作用を得ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に、複数のマイクロガスタービン発電装置Ｈを用いて発電と乾燥機Ｋでの排ガス利用とを行うようにしたガスタービン・コージェネレーションシステムの一つ、即ち、ガスタービン利用の乾燥機システム（以下、ガス乾燥機システムと略称する）Ａの概略図が、かつ、図２に乾燥機Ｋの原理構造が夫々示されている。
【００２６】
ガス乾燥機システムＡは、送られて来る原料ｇを横方向に搬送するベルトコンベヤ３、ベルトコンベヤ３にて搬送される原料ｇを乾燥させる乾燥機Ｋ、複数のマイクロガスタービン発電装置Ｈ、ＬＮＧやＬＰＧ（液化石油ガス）等の燃料の供給手段６等から構成されている。
【００２７】
図２に示すように、乾燥機Ｋは、箱状の枠体７、上部にベルトコンベヤ３が通された状態で枠態の内部に形成された燃焼室８、燃焼室８に配置されるバーナ１０及び排ガス供給管（排ガス供給経路の一例であり、排熱回収手段ｈｋの一例でもある）１９の先端部１１、これらバーナ１０の燃焼熱と排ガス供給管１９からの排ガスの熱を、ベルトコンベヤ３に載置されている原料ｇにその上方側から供給するための電動モータ利用の循環ファン１２（電装機器Ｄの一つである）、ガイド壁９、及び排気管１３等を設けて構成されている。なお、乾燥機Ｋは吸気手段として吸気口１４より適宜外気（フレッシュエアー）を燃焼室へ吸引してもよい。
【００２８】
つまり、バーナ１０の燃焼熱と、マイクロガスタービンＭＧＴからの高温の排ガスの排熱とを、循環ファン１２によってベルトコンベヤ３上の原料ｇに吹き付け、その原料ｇを乾燥させるのである。
【００２９】
図３に示すように、マイクロガスタービン発電装置Ｈは、無給油式の小型ガスタービン、即ちマイクロガスタービンＭＧＴの複数台によってガスタービンとしてある以外は、基本的には前述した図６に示すものと同じである。即ち、一端にタービン２１が、かつ、他端に圧縮機２２が装備されたタービン軸２３、圧縮機２２の出力軸２４の回転によって発電作動する発電機２５、圧縮機２２からの高圧空気を用いて燃焼する燃焼器２６、排ガスの熱によって燃焼器２６への高圧空気を予熱する再生器２７、及びインバータ２８を備えて構成されている。この場合の排熱回収装置（図６に示す符号１０８のもの）は乾燥機Ｋである。
【００３０】
つまり、出力の小さいマイクロガスタービンＭＧＴでは、高速回転するタービン軸２３を支承する軸受けとして、空気軸受け（公知につき図示省略）１８の採用が可能となっている。故に、大型ガスタービンのように軸受けに潤滑油を供給する必要がない。したがって、マイクロガスタービンＭＧＴの排ガスに、軸受け用の潤滑油が混入することが無く、クリーンな排ガスとして取り出すことが出来る。これより、排ガスを直接乾燥機Ｋに供給することができる。
【００３１】
次に、制御装置について説明する。図１及び図５に示すように、複数のマイクロガスタービンＭＧＴからの全排ガスによる圧力を所定の値に制御する第１圧力制御手段３０と、乾燥機Ｋに導入された排ガスによる乾燥機Ｋ内でのガス圧を所定の値に制御する第２圧力制御手段３１とからなる圧力制御手段２９を備えている。
【００３２】
第１圧力制御手段３０は、排ガス供給管１９における主導管（排ガス供給経路における全排ガスが通る主経路の一例）１９ａの設定ガス圧に応じて、複数のマイクロガスタービンのうちの一部のものの出力をフィードフォワード制御するものに構成されている。より詳述すると、各マイクロガスタービン発電装置Ｈに装備された燃焼出力手段３２を各別に、或いは一斉に増減操作自在な第１圧力設定手段３５を設けて構成されている。尚、主導管１９ａのガス圧を検出する第１圧力検出手段３６を設けて、これの検出情報に基づいて、マイクロガスタービンＭＧＴの出力を増減調節するフィードバック制御を行うようにしても良い。
【００３３】
第２圧力制御手段３１は、乾燥機Ｋに装備された圧力検出手段ＰＣによる検出情報に基づいて、排ガス供給管１９、詳しくは各乾燥機Ｋ毎に用意された分岐路１９ｂに、ダクト弁３３と並列に設けられたバイパス弁３４の開度を調節するものに構成されている。又、各乾燥機Ｋの燃焼室８に設けられた温度検出手段ＴＣの検出情報に基づいて、バーナ１０の開度即ち燃焼温度調節を行う温度制御手段３７を設けても良い。
【００３４】
前述のように、主に圧力に関する制御装置を設けたことにより、次の▲１▼〜▲４▼の利点を得ている。▲１▼：圧力制御手段２９により、乾燥機Ｋの燃焼室８の温度と圧力とが所定の条件となるように乾燥機Ｋへの高温排ガスの供給量を、各燃焼室８毎に制御することができる。▲２▼：一般的な圧力制御では、乾燥機Ｋの各燃焼室８の圧力がハンチングし、外気との差圧が設定以上に大きくなり易い懸念があるが、本発明のものでは、定量吹き込みの配管・バルブ（ダクト弁３３）とは別に、計算によって求めた制御用風両に合わせた配管径と制御弁とをバイパス弁３４として設置したので、精度の高い制御が可能になり、前述の懸念を回避することができる。
【００３５】
▲３▼：複数のマイクロガスタービンＭＧＴのうちの一部の出力をフィールドフォワード制御させて、ガスタービンとしての出力側圧力が一定となるようにしてあるので、各燃焼室８の制御弁が互いに干渉して制御不能となることが回避されるとともに、残りのマイクロガスタービンＭＧＴは定常運転させることにより、全体としての熱効率が落ちないように制御されている。▲４▼：圧力制御手段２９により、燃焼室８に供給されるフレッシュエアーを限りなくゼロにすることができ、実質的に乾燥機Ｋの熱効率が改善されている。
【００３６】
このガス乾燥機システムＡ全体としての概略作用は、次のようである。すなわち、ＬＮＧ等の燃料を、マイクロガスタービン発電装置Ｈと乾燥機Ｋにおける主燃焼装置であるバーナ１０に供給し、マイクロガスタービン発電装置Ｈにおいて発電された電気を各電装機器Ｄに配線（電力移送手段の一例）１７を介して供給するように構成されている。不足分の電気は、図示しない外部電源から供給されるようになっている。これにより、必要となる燃料と電気とによる総エネルギー量量が削減され、コストダウンできるものとなっている。
【００３７】
例えば、図４に示す比較例のガス乾燥機システムのように、大型の給油式ガスタービンを用いるシステムの場合には、タービン軸の軸受けは潤滑油を必要とするものになるので、排ガスに潤滑油が混入する。従って、高温排ガスから熱交換器を用いてフレッシュエアーを温め、その温められたフレッシュエアーを乾燥機に供給するようになるので、熱交換器の存在によって熱効率が下がり、エネルギーロスが生じるようになる。
【００３８】
従って、複数台のマイクロガスタービン発電装置Ｈを設ける本発明のガス乾燥機システムＡでは、排ガスを直接に乾燥機Ｋの燃焼室８に導入させることができるので、熱交換器が不要であり、その分のエネルギーロスが無い分、より高効率なガスタービン利用の乾燥機システムを実現できるのである。
【００３９】
そして、ガスタービンが小型であるから、ガスタービン発電装置としての運転及び停止が、容易かつ短時間に行えるとともに、発電機２５が複数設置されるので、機器のトラブルによる電源や燃料供給側への悪影響が少なくなり、安定した運転が行えるようになる利点もある。なお、乾燥機Ｋは、乾燥機は１台でも複数台でもいずれでも良い。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるガスタービン利用の乾燥機システム、及び使用方法では、ガスタービンを複数で小型のマイクロガスタービンとして、タービン軸の軸受けを潤滑油の不要なタイプに設定して、クリーンな排ガスにできるとともに、それによって高温排ガスの効率の良い再利用が行える高効率な設備として、或いは、高効率な使用方法として提供することができた。
特に、大なる熱量を必要とする乾燥機プラント等に好適であるとともに、発電電気やガスタービン用燃料を乾燥機に用いるシステムとして、エネルギーの自己完結が行え、さらに効率の良いガスタービン利用の乾燥機システムや使用方法が実現できる利点もある。又、圧力制御装置を設けると、さらに効率の良いガスタービン利用の乾燥機システムを、信頼性に優れる状態のものとして実現できる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービン利用の乾燥機システムの概略構成を示す系統図
【図２】乾燥機の概略構造を示す断面図
【図３】マイクロガスタービンによる発電装置を示す概略の系統図
【図４】比較例のガスタービン利用の乾燥機システムの概略図
【図５】制御装置及びその制御回路を示すブロック図
【図６】従来のガスタービン発電装置を有したガスタービン利用の乾燥機システムの概略構成を示す系統図
【符号の説明】
８              燃焼室
１０            バーナ
１７            電力移送手段
１９            排ガス供給経路
１９ａ          排ガス供給経路（主経路）
３０            第１圧力制御手段
３１            第２圧力制御手段
３３            ダクト弁
３４            バイパス弁
ｈｋ            排熱回収手段
Ｄ              電装機器
Ｈ              発電装置
Ｋ              乾燥機
ＭＧＴ          マイクロガスタービン
ＰＣ            圧力検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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