(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともガスタービン発電設備と、前記ガスタービン発電設備のガスタービンからの排熱を回収する排熱ボイラを有する排熱回収設備とを備えてなるガスタービンシステムであって、
前記ガスタービン発電設備のガスタービンには、ＮＯｘ低減用純水供給ラインと、ＮＯｘ低減用送気ラインと、出力増加用送気ラインとが接続され、
前記排熱ボイラが圧力可変型とされ、
前記ガスタービンシステムが、送気モードと発電モードと通常モードとの切り替えがなし得るようにされてなる
ことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
前記排熱ボイラへの給水流量の調節がボイラ給水ポンプの回転数制御によりなされることを特徴とする請求項１記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
ボイラ給水ポンプの制御がインバータ制御によりなされることを特徴とする請求項２記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載のガスタービンシステムの運転方法であって、
送気モードにおいては、ＮＯｘ低減用純水供給ラインからガスタービンの燃焼室に純水が噴射され、かつ排熱ボイラが送気に必要な最低圧力にまで減圧され、 発電モードにおいては、ＮＯｘ低減用送気ラインおよび出力増加用送気ラインからガスタービンの燃焼室に蒸気が噴射され、
通常モードにおいては、ＮＯｘ低減用送気ラインからガスタービンの燃焼室に蒸気が噴射されてなる
ことを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンシステムおよびその運転方法に関する。さらに詳しくは、工場やプラントの操業状況応じた対応がなし得るガスタービンシステムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、発電機とその発電機を駆動するガスタービンとそのガスタービンからの排ガスの熱回収が図られたシステムが知られている。
【０００３】
例えば、排ガスの熱回収に排熱ボイラを用いて熱（蒸気）と電気の両方を利用可能とした熱電併用システム、いわゆるコージェネレーションシステム、排熱ボイラからの蒸気を蒸気タービンに供給して発電をするコンバインドサイクル発電システムなどが知られている。
【０００４】
かかるシステムに関し、特開昭５５−３５１０８号公報には、ガスタービン蒸気噴射系統の制御方式が提案されている。すなわち、ガスタービンと、蒸気噴射用ボイラを有し該ガスタービンの排ガスによって加熱される排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンとを含んで構成されるコンバインドサイクル発電システムにおいて、前記蒸気噴射ボイラとガスタービンを連結している蒸気噴射用蒸気配管を分岐して前記排熱回収ボイラの給水を加熱する手段に連結し、該分岐管には、ガスタービンの負荷に応じて蒸気流量および／または蒸気圧力を調整する制御器を設けたことを特徴とするコンバインドサイクル発電システムにおけるガスタービン蒸気噴射系統の制御方式が提案されている。
【０００５】
前記提案に係る制御方式によれば、ガスタービンの部分負荷での発生蒸気量を増加させその増加した蒸気をその系内において有効に活用できる。
【０００６】
しかしながら、前記提案に係る制御方式には次のような問題がある。
【０００７】
（１）排熱ボイラで発生した蒸気をプロセスに送気することはできない。
【０００８】
（２）工場やプラントの操業状態に応じて電力供給量および蒸気供給を適宜調整することはできない。その上、排熱ボイラで発生した蒸気を全量プロセスに送気することはできない。
【０００９】
（３）ＮＯｘの低減については何等考慮されていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、工場やプラントの操業状況応じた対応がなし得るガスタービンシステムおよびその運転方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスタービンシステムは、少なくともガスタービン発電設備と、前記ガスタービン発電設備のガスタービンからの排熱を回収する排熱ボイラを有する排熱回収設備とを備えてなるガスタービンシステムであって、前記ガスタービン発電設備のガスタービンには、ＮＯｘ低減用純水供給ラインと、ＮＯｘ低減用送気ラインと、出力増加用送気ラインとが接続され、前記排熱ボイラが圧力可変型とされ、前記ガスタービンシステムが、送気モードと発電モードと通常モードとの切り替えがなし得るようにされてなることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明のガスタービンシステムにおいては、排熱ボイラへの給水流量の調節がボイラ給水ポンプの回転数制御によりなされるのが好ましい。その場合、ボイラ給水ポンプの制御は、例えばインバータ制御によりなされる。
【００１５】
一方、本発明のガスタービンシステムの運転方法は、前記いずれかに記載のガスタービンシステムの運転方法であって、送気モードにおいては、ＮＯｘ低減用純水供給ラインからガスタービンの燃焼室に純水が噴射され、かつ排熱ボイラが送気に必要な最低圧力にまで減圧され、発電モードにおいては、ＮＯｘ低減用送気ラインおよび出力増加用送気ラインからガスタービンの燃焼室に蒸気が噴射され、通常モードにおいては、ＮＯｘ低減用送気ラインからガスタービンの燃焼室に蒸気が噴射されてなることを特徴とする。
【００１８】
【作用】
本発明のガスタービンシステムは、前記の如く構成されているので、工場やプロセスの操業状況に応じた柔軟な対応がなし得るとともに、ガスタービンシステムの利用効率の増大を図りながら、工場やプラントの消費エネルギーの低減を図ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００２０】
本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムを図１にブロック図で示す。このガスタービンシステムＳは、図１に示すように、ガスタービン発電設備１０と、このガスタービン発電設備１０からの排ガスの排熱回収をなす排熱回収設備２０と、ガスタービン発電設備１０および排熱回収設備２０を制御する制御装置３０とを主要構成要素としてなる。
【００２１】
ガスタービン発電設備１０は、ガスタービン１１と、このガスタービン１１により駆動される発電機１２とを備えてなるものとされる。
【００２２】
ガスタービン１１は、例えば１軸ガスタービンとされ、その燃焼室１１ａにはＮＯｘ低減のために純水および蒸気噴射が切り替えてなされるようにされ、また出力増加のために前記蒸気噴射とは別に蒸気噴射がなされるようにされている。このため、ガスタービン１１には、純水供給ライン１３と後述するＮＯｘ低減用送気ラインと出力増加用送気ラインとが接続されている。純水供給ライン１３には、純水を所定圧力にまで加圧する純水加圧ポンプ１３ａおよびモータ仕切弁１３ｂが介装されている。
【００２３】
このガスタービン１１の燃料には、例えば都市ガスやＡ重油が用いられる。
【００２４】
ＮＯｘ低減用の純水および蒸気の噴射量はガスタービン１１のサイズおよび使用される燃料に応じて適宜調整されるが、例えば発電出力が６０００ＫＷ程度の中型ガスタービンにおいては、燃料を都市ガスとした場合には、純水の噴射量は１５００リットル／ｈ程度とされ、蒸気の噴射量は２１００ｋｇ／ｈ程度とされ、燃料をＡ重油とした場合には、純水の噴射量は１０００リットル／ｈ程度とされ、蒸気の噴射量は１４００ｋｇ／ｈ程度とされる。
【００２５】
また、出力増加のために噴射される蒸気量は、前記中型ガスタービンにおいては、増加させる出力に応じて０．０〜８．０ｔ／ｈの範囲で適宜調整される。
【００２６】
なお、ガスタービン１１のその余の構成は従来のガスタービンと同様とされているので、その構成の詳細な説明は省略する。
【００２７】
発電機１２は、公知の交流発電機とされる。
【００２８】
排熱回収設備２０は、ガスタービン１１の排ガスから蒸気を生成する排熱ボイラ２１と、排熱ボイラ２１への給水を予熱する給水予熱器（エコノマイザ）２２と、排熱ボイラ２１により生成された蒸気を送気する蒸気ライン２３と、エコノマイザ２２に給水する給水ライン２４とを備えてなるものとされる。
【００２９】
排熱ボイラ２１は、例えば蒸気ドラムと水管群とからなるものとされる。
【００３０】
蒸気ドラムの圧力つまりボイラ２１の圧力は、排熱ボイラ２１で生成された蒸気全量を工場やプロセスに送気する場合を考慮して圧力可変型とされている。例えば、蒸気全量を工場やプロセスに送気する場合は、ボイラ２１の圧力は０．８３ＭＰａＧ程度とされる一方、ガスタービン１１に蒸気を噴射させる場合には、ボイラ２１の圧力は１．７７ＭＰａＧ程度とされる。
【００３１】
また、蒸気ドラムの水位制御は、ボイラ給水ポンプ２４ａを駆動しているモータ２４ｂの回転数をインバータ制御により可変とすることによりなされる。
【００３２】
エコノマイザ２２は、公知のエコノマイザとされる。例えば、水管式エコノマイザとされる。
【００３３】
蒸気ライン２３は、工場やプロセスに送気するプロセス送気ライン２５と、ＮＯｘ低減用送気ライン２６と、出力増加用送気ライン２７とに分岐される。
【００３４】
プロセス送気ライン２５には、ガスタービン１１に送気中にも工場やプロセスへの送気がなし得るように減圧弁２５ａが介装されている。
【００３５】
ＮＯｘ低減用送気ライン２６には遮断弁２６ａおよび制御弁２６ｂが介装され、出力増加用送気ライン２７には遮断弁２７ａおよび制御弁２７ｂが介装されている
給水ライン２４には、従来と同様にボイラ給水ポンプ２４ａが介装されているが、ボイラ２１の給水制御はボイラ給水ポンプ２４ａを駆動しているモータ２４ｂの回転数制御によりなされているので、水位調節弁は設けられていない。
【００３６】
制御装置３０は例えばコンピュータにより構成され、工場やプロセスから入力される操業状況に応じた発電や送気がなし得るようにプログラムされている。例えば、以下に説明する各運転モードに対応した制御がなし得るようにプログラムされている。また、各運転モードの切替は例えば、制御装置３０に設けられたタッチパネルを操作することによりなされる。
【００３７】
次に、かかる構成とされているガスタービンシステムＳの運転について説明する。
【００３８】
（１）最大発電量確保を目的とした運転モード
最大発電量確保を目的とした運転モード（以下、発電モードという）においては、ＮＯｘ低減はＮＯｘ低減用送気ライン２６によりガスタービン１１の燃焼室１１ａに蒸気を噴射することによりなされ、また発電量の増加を図るために出力増加用送気ライン２７によりガスタービン１１の燃焼室１１ａに所定量の蒸気噴射がなされる。そして、残余の蒸気が減圧弁２５ａにより減圧されてプロセス送気ライン２５により工場やプロセスに送気される。この発電モードにおいては、ガスタービン１１への蒸気噴射圧力を確保するためにボイラ２１の圧力は１．７７ＭＰａＧ程度とされる。
【００３９】
（２）最大送気量確保を目的とした運転モード
最大送気量確保を目的とした運転モード（以下、送気モードという）においては、ＮＯｘ低減は純水供給ライン１３によりガスタービン１１の燃焼室１１ａに純水を噴射することによりなされる。そして、ボイラ２１により生成された蒸気全量がプロセス送気ラインにより工場やプロセスに送気される。この送気モードにおいては、最大送気を確保するためにボイラ２１の圧力はプロセス送気に必要な最低圧力、例えば０．８３ＭＰａＧ程度に減圧される。
【００４０】
（３）通常運転モード
通常運転モード（以下、単に通常モードという）においては、ＮＯｘ低減はＮＯｘ低減用送気ライン２６によりガスタービン１１の燃焼室１１ａに蒸気を噴射することによりなされ、そして残余の蒸気が減圧弁２５ａにより減圧されてプロセス送気ライン２５により工場やプロセスに送気される。この通常モードにおいては、ガスタービン１１への蒸気噴射圧力を確保するためにボイラの圧力は１．７７ＭＰａＧ程度とされる。しかして、この通常モードにおいては、ランニングコストを最小限に抑えながらＮＯｘを低減させながら発電がなし得るとともに、工場やプロセスへの送気もなし得る。
【００４１】
このように、この実施形態によれば工場やプロセスの操業状況に応じた柔軟な対応がなし得る。例えば、蒸気の消費量が多い昼には送気モードにより運転し、蒸気の消費量が少ない夜には発電モードにより運転することができる。また、蒸気の消費量が多い冬には送気モードにより運転し、電力の消費量が多い夏には発電モードにより運転することができる。したがって、この実施形態によれば、ガスタービンシステムの利用効率の増大を図りながら、工場やプラントの消費エネルギーの低減を図ることができる。
【００４２】
また、この実施形態によれば送気モードではボイラの圧力を他のモードにより減圧して運転がなされているので、ボイラの蒸発量の増大を図ってガスタービンシステムの熱効率を増大させることができる。その上、ボイラ給水ポンプを駆動しているモータをインバータ制御しているので、モータの動力を可変とすることができボイラ給水ポンプの消費動力の低減も図られる。また、モータ２４ｂをインバータ制御により駆動してボイラ給水ポンプにより蒸気ドラムの水位制御をなしているので、水位制御弁を無とすることで制御系統を簡素化できるとともに水位制御弁に用いられるエアの消費量の低減が図られる。
【００４３】
【実施例】
以下、本発明をより具体的な実施例に基づいてより具体的に説明する。
【００４４】
表１に最大発電出力が６５００ＫＷのガスタービンシステムにおける燃料に都市ガス１３Ａを用い、吸気温度を１５℃とした場合の各運転モードでの性能比較を示す。ここで、発電モードにおける出力増加用送気ラインからの送気量は８ｔ／ｈとされている。
【００４５】
【表１】
0003616826.tif 000002
【００４６】
表１より、送気モードにおいては通常モードより最大送気量が３ｔ／ｈ増加するとともに総合効率が６％程度増加する一方、発電モードにおいては通常モードより最大発電量が７８０ＫＷ増加するのが理解される。
【００４７】
図２に前記ガスタービンシステムの運転範囲を示す。図中、破線は送気モードによる運転範囲を示し、曲線Ａ−Ｃ−Ｅ−ａ−Ａで囲まれた領域が発電モードの運転範囲を示し、直線ａ−Ａが通常モードの運転範囲を示す。なお、図２において、点Ａ’は送気モードにおける最大発電量の点を示し、点Ａは通常モードにおける最大発電量の点を示し、点Ｃは発電モードにおける最大発電量の点を示す。
【００４８】
以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明かかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。
【００４９】
例えば、実施形態ではガスタービンシステムをガスタービン発電設備と、排熱回収設備との組合わせにより構成したが、ガスタービンシステムの構成は前記に限定されるものではなく、各種のものとすることができる。例えば、実施形態のシステムに蒸気発電設備を付加していわゆるコンバインドサイクル・システムとしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば次のような優れた効果が得られる。
【００５１】
（１）工場やプロセスの操業状況に応じた柔軟な対応がなし得る。
【００５２】
（２）ガスタービンシステムの利用効率の増大を図りながら、工場やプラントの消費エネルギーの低減を図ることができる。
【００５３】
（３）送気モードではボイラの圧力を他のモードより減圧して運転がなされているので、ボイラの蒸発量の増大を図ってガスタービンシステムの熱効率を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービンシステムのブロック図である。
【図２】本発明の実施例の各運転モードにおける送気蒸気量−発電出力線図である。
【符号の説明】
１０      ガスタービン発電設備
１１      ガスタービン
１１ａ    燃焼室
１２      発電機
１３      純水供給ライン
２０      排熱回収設備
２１      排熱ボイラ
２３      蒸気ライン
２４      給水ライン
２４ａ    ボイラ給水ポンプ
２５      プロセス送気ライン
２５ａ    減圧弁
２６      ＮＯｘ低減用送気ライン
２７      出力増加用送気ライン
３０      制御装置
Ｓ      ガスタービンシステム
【図１】
0003616826.tif 000003
【図２】
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