(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型ガスタービンの排ガスを熱源とするボイラにおいて、当該ガスタービン排ガスを、ボイラの燃焼ガス導入室に導いて、飽和水蒸気を発生させるガスタービン組込みボイラであると共に当該ボイラとガスタービンの両方を一体に囲繞するケーシングをガスタービンの消音設備として利用し、さらに、小型ガスタービン燃焼器の後段に熱交換器を設置し、燃焼ガスの保有熱の一部をその熱交換器を介して排気に与えることを特徴とするガスタービン組込みボイラ。
【請求項２】
小型ガスタービンの排ガスを熱源とするボイラにおいて、当該ガスタービン排ガスを、ボイラの燃焼ガス導入室に導いて、飽和水蒸気を発生させるガスタービン組込みボイラであると共に当該ボイラとガスタービンの両方を一体に囲繞するケーシングをガスタービンの消音設備として利用し、ガスタービン駆動の発電機により発生した電力を、ガスタービンやボイラに付属するガスタービン燃料圧縮機、給水ポンプ、ボイラ補助燃焼器用空気送風機、もしくは制御用電力の内いずれか一つ以上の用途に用いて、さらに、小型ガスタービン燃焼器の後段に熱交換器を設置し、燃焼ガスの保有熱の一部をその熱交換器を介して排気に与えることを特徴とするガスタービン組込みボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、業務用もしくは小規模産業用に利用される小型ボイラの省エネルギーと電気出力の取得を目的としたガスタービン組込みボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小型貫流ボイラや炉筒煙管ボイラは、その発生する低圧（０．７ＭＰａ程度）飽和水蒸気の凝縮潜熱を利用する目的で、空調用、業務用及び小規模産業用プロセスに用いられてきた。このような用途では、同時に電力を使用することも多いため、比較的規模の大きな施設では、コージェネレーションが設置され、レシプロエンジンやガスタービンにて発電し、その廃熱にてボイラを加熱して蒸気を得ていた。このような従来のコージェネレーションにおいては、レシプロエンジンを用いた場合、ジャケット水の温度が低いため蒸気ボイラを運転することはできず、また、ガスタービンを用いた場合、ガスタービンが単純サイクルである場合には、大規模（数千ｋＷ以上）でないと高い発電効率を維持することができなかった。
最近、出力が３００ｋＷ未満で、圧縮機や膨張タービンに遠心式を用いる、いわゆるマイクロガスタービンが実用に供されるようになってきた。マイクロガスタービンの多くは再生サイクルを用い、低い圧力比（４程度）でも、数千ｋＷクラスのガスタービン（圧力比１５程度）と同様の発電効率（約３０％）を得ている。しかしながら、マイクロガスタービンには、膨張タービン入口許容温度（ＴＩＴ；約９００℃）の制限と、排ガス温度が低い（約２５０℃）という排ガス利用上の不便とがある。前者は小型あるいは輻流構造故に金属翼の空冷構造を取れないためであり、後者は再生サイクルを採用して廃熱を燃焼用空気の予熱に使用しているためである。膨張タービン入口温度を抑制するため、これらのマイクロガスタービンでは圧縮機にて過剰の空気を圧縮して燃焼器に投入し、燃焼器の冷却とともに、燃焼ガスを希釈冷却している。廃熱ボイラの発生蒸気をガスタービンの燃焼器や膨張タービンに戻して、タービンの軸出力を増大させる手段（二流体サイクル）には、チェンサイクルやフレックスサイクルがある。前者は過熱蒸気を吹き込むものであり、後者は飽和蒸気と圧縮機出口空気の混合気体を吹き込むものである。いずれも、タービン翼のエロージョン抑止のために飽和蒸気噴射は回避されている。また、大量の蒸気を噴射するため、ボイラ水やその原水の確保と費用、また、水蒸気飽和排ガスを放散する際に白煙が発生するなどの問題があった。
残存酸素濃度の高い（１５％前後）ガスタービン排ガスは、その排ガス中の酸素を酸化剤として補助燃料を燃焼させると新鮮空気で燃焼させるよりも省エネルギーになる。新鮮空気を加熱する熱量が不要になるためである。このようないわゆる排気再燃技術の利用も、バーナが低酸素燃焼時にも吹き飛ばない特殊な構造のものを使う必要があるため、その投資が回収できる大規模用途でないと利用できなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前項で述べたように、従来のコージェネレーションは、大規模施設でないとエネルギー的にも経済的にも効率的ではなく、また、廃熱利用や蒸気利用に種々の課題があった。具体的には、以下のような課題が挙げられる。
（１）小型のコージェネレーションであっても、発電出力を中型と同等に維持しながら、廃熱を蒸気として有効に回収すること。
（２）蒸気を利用してさらに電気出力を増大させること。
（３）現場施工技術によらない安定した性能を確保すること。
（４）コージェネレーションシステムを小型軽量かつ安価に提供すること。
（５）二流体サイクル採用に伴うボイラ水使用量増加を抑制すること。
（６）騒音、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の公害を防止すること。
本発明は、小型ガスタービンと小型ボイラを一体化させることにより、発電出力３００ｋＷ程度未満の小型のコージェネレーションにおいてこれらの課題の解決を図るものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕本発明に係わるガスタービン組込みボイラは、小型ガスタービンの排ガスを、ボイラの燃焼ガス導入室に導いて、飽和水蒸気を発生させるガスタービン組み込みボイラであると共に、当該ボイラとガスタービンの両方を一体に囲繞するケーシングをガスタービンの消音設備として利用することを特徴とする。ここで、ガスタービン排ガスは煙道を介することなく直接ボイラの燃焼ガス導入室に導かれる。また、燃焼ガス導入室とは、通常の燃料を燃焼させるボイラにおける燃焼室に相当する熱交換室である。通常ボイラの燃焼室をそのまま使用しても良いが、燃焼排ガスの温度が低くかつ燃焼空間が不要なため、燃焼室内面に伝熱促進フィンを取り付けたり、伝熱管を増設したりするなどの伝熱面積増加手段を併用して使用することもできる。さらには、ガスタービンの全部もしくは一部を燃焼ガス導入室内に没入させて設置しても良い。
〔作用効果〕本構成のごとく、小型ガスタービンの排ガスを、煙道を介すことなく直接ボイラの燃焼ガス導入室に導けば、温度低下無く全部の排ガス保有熱をボイラに導くことができる。さらに、現場での断熱煙道工事を省略できるので、信頼性を確保しながら安価にコージェネレーションシステムを構成できる。排ガス保有熱を有効に回収するためには、煙道などにおける放熱損失を減少させることは極めて重要である。加熱用ガスが燃焼排ガスの場合燃焼室は不要であるため、その空間を伝熱面積増加用の空間とすることができる。小型貫流ボイラでは伝熱管の増数、炉筒煙管ボイラでは炉筒内面への伝熱フィン設置等にて、伝熱面積を拡大できる。これらの手段による伝熱面積増加は、ボイラの外形寸法を増大させない効果がある。マイクロガスタービンは一般に小型軽量であるので、容易に小型貫流ボイラや炉筒煙管ボイラに一体的に取り付けることができる。また、ガスタービンの一部を燃焼ガス導入室内に没入させて設置すれば、全体をコンパクトに構成できる可能性がある。
【０００５】
以上の効果により、先に述べた（１）小型のコージェネレーションであっても、発電出力を中型と同等に維持しながら、廃熱を蒸気として有効に回収すること。（３）現場施工技術によらない安定した性能を確保すること。（４）コージェネレーションシステムを小型軽量かつ安価に提供すること、といった課題を達成することが可能となる。また、ガスタービン組込みボイラにケーシングを一体的に囲繞させれば、ケーシングの構造の工夫により効果的に両者の防音を行うことができる。特に、ガスタービンの騒音発生部分を燃焼ガス導入室に没入設置すれば、ボイラ壁をも遮音壁として利用でき一層防音に効果的である。この効果により、先に述べた課題、（６）騒音、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の公害を防止すること、の内騒音をを達成することが可能となる。
〔構成２〕本発明に係わるガスタービン組込みボイラは、ガスタービン駆動の発電機により発生した電力を、ガスタービンやボイラに付属するガスタービン燃料圧縮機動力、給水ポンプ、ボイラ補助燃焼器用空気送風機、もしくは制御用電力の内いずれか一つ以上の用途に用いると共に、構成１を用いたことを特徴とする。
〔作用効果〕本構成のごとく、ガスタービン駆動の発電機にて発生した電力を、ボイラに付属する給水ポンプ、ボイラ補助燃焼器用送風機動力、ガスタービン燃料圧縮機動力、もしくは制御用電力の内いずれか一つ以上の用途に用いることして、商用電力の省電力に貢献する。また、発生した電力から上記付属機器使用電力分を除いた残りは、隣接または工場内等の機器で消費しても良いし、系統連携システムを利用して、売電しても良い。これらもまた、商用電力の省電力に貢献する。なお、ガスタービンが高速発電機を駆動するものである場合、発生した高周波電力を直流変換し、さらに商用周波数に交流変換するのではなく、高周波電力より変換された直流を直接これらの補機を駆動する直流電動機に供給したり、必要周波数に変換して交流同期電動機に供給したりすることで、これらの機器を回転数制御にて出力制御できる。これにより、周波数変換に伴うロスを減少させることができるのみならず、補機の制御による省エネルギーをも達成できる。
〔構成３〕本発明に係わるガスタービン組込みボイラは、小型ガスタービン燃焼器の後段に熱交換器を設置し、再生サイクルとは逆に、燃焼ガスの保有熱の一部をその熱交換器を介して排気に与えるシステムを特徴として構成する構成１もしくは構成２記載のガスタービン組込みボイラ(請求項１もしくは請求項２記載のガスタービン組込みボイラ)である。
〔作用効果〕構成１の発明では、通常の再生サイクルを用いたガスタービンではないため排ガス温度が高く、ボイラにとっては有利な条件となるが、再生器なしのため燃料消費率が高く、発電効率が低い。一方、マイクロガスタービンの場合、燃焼ガスの温度を膨張タービンの材料制約のために、その入口許容温度（ＴＩＴ；通常９００℃程度）まで低下させなければならないという制約がある。通常、ガスタービンでは圧縮機で得られた圧縮空気にて燃焼ガスを希釈冷却することでこの温度まで冷却している。ガスタービンの場合、圧縮空気を製造するのに要した動力は膨張タービンにて回収されるが、その回収率は、圧縮機と膨張タービンの断熱効率の積で決まる。小型のガスタービンの場合、それぞれの効率は８０％程度であるから、一部熱を経由して回収されるとはいえ、希釈空気圧縮動力の３０％程度は損失となる。そこで、タービン入口温度の制限を守りつつ、空気比を下げるために、燃焼器の後段に熱交換器を設置し、燃焼ガスから排気側に熱を与えることにより燃焼ガスの温度をＴＩＴまで冷却すれば、燃焼ガスの冷却と希釈空気圧縮動力の削減が同時に達成でき、ガスタービンの効率が向上すると共に、ボイラにとっても、再生サイクルなしシステムの場合と同程度（５００℃）もしくはそれ以上の高温の熱源を手に入れることができ、非常に効果・効率的である。
【０００６】
以上の効果により、先に述べた（１）小型のコージェネレーションであっても、発電出力を中型と同等に維持しながら、廃熱を蒸気として有効に回収すること。（３）現場施工技術によらない安定した性能を確保すること、といった課題を達成することが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明によるガスタービン組込みボイラの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の構成１及び構成２に係わるガスタービン組込みボイラの実施例の外観斜視図である。図１では小型ガスタービンはいわゆるマイクロガスタービンであり、遠心型の圧縮機１、輻流型の膨張タービン２、燃焼器３、発電機４から構成され、燃焼器３の出口が小型貫流ボイラ１１の燃焼ガス導入室に煙道を介することなく直接接合されている。燃焼器を出たガスタービン排ガスはボイラに入り伝熱管にてボイラ水と熱交換を行って飽和蒸気を発生する。これにて、ガスタービン組込みボイラは、電気と蒸気の二種の出力を発生する。電気は独立、もしくは商用電力と系統連携を行って使用する。蒸気はプロセスや暖房に使用する。特に、電気を独立で使用する場合であって発電機４が高速発電機である場合には、発電電力をコンバータで交直変換した直流電力を直接直流電動機に利用、もしくは適当な周波数の交流に消費機器側で変換して利用すれば周波数変換に伴う損失を減少できて効率的である。  消費機器側での周波数変換が有効である機器には、蛍光灯、同期電動機、誘導加熱機器等がある。ボイラは炉筒煙管ボイラであっても良く、この場合にはマイクロガスタービン部分は横置きされる。また、ガスタービン部分をボイラ燃焼室に陥入するように構成しても良く、この場合、ガスタービン組込みボイラをコンパクトに構成できると共に、ガスタービンの騒音を遮蔽できる。さらには、マイクロガスタービンとボイラを一体のケーシング２１で囲繞すれば、効果的に防音エンクロージャーを設置できる。図２は、本発明の請求項３に係わるガスタービン組込みボイラの実施例を表す流れ図である。ガスタービン燃焼器３を出た高温の排ガス（例えば、約１２００℃）は、タービン入口制限温度上限に合わせて約９００℃程度まで、燃焼器後段（タービン入口手前）に設置された熱交換器５にて抜熱される。その熱は、タービン２出口とボイラ１１との間に設置された前述の熱交換器５により、排ガス温度を高める（例えば、約６００℃→８００℃程度）のに用いられる。
【０００９】
こうすることにより、ガスタービンとボイラを合わせた総合効率を高めることが可能となる。また、ガスタービン燃焼器での燃焼排ガス量と熱交換器５での熱交換量を調整制御することにより、ボイラ側の負荷変動に対応した運転をすることが可能となる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明により、以下の効果が得られる。
【００１１】
構成１を採用することにより、小型ガスタービンの燃焼排ガスを熱損失させることなく有効利用することができ、また、ボイラとガスタービンの両方を一体に囲繞するケーシングをガスタービンの消音設備として利用することができるため、下記のように課題達成できる。
（１）小型のコージェネレーションであっても、本システムを採用することで発電出力を中型と同等に維持できる。
（２）現場施工技量によらない安定した性能を確保できる。
（３）騒音、等の公害を防止できる。
【００１２】
構成２を採用することにより、発電した電力を有効使用することができ、更に構成３を採用すると、熱効率が向上するため、下記のように課題達成できる。
（３）高効率なコージェネレーションシステムを小型軽量かつ安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成１に係わるガスタービン組込みボイラの構成例を説明する概略構成図
【図２】本発明の請求項1〜2に係わるガスタービン組込みボイラの構成例を説明する流れ図
【符号の説明】
１  圧縮機
２  膨張タービン
３  燃焼器
４  発電機
５  熱交換器
１１  ボイラ
２１  ケーシング
【図１】
0003597173.tif 000002
【図２】
0003597173.tif 000003