(57)【要約】【課題】低温の蒸気やお湯を得るだけでなく、より大きな電気出力を望むニーズも比較的多く、また単純な再生だけでは使い切れない排ガスの熱エネルギーを負荷増加に対応する出力増加のためのエネルギー源として利用する方法の確立も望まれている。【解決手段】タービンプラントにおいて、空気圧縮機１と再生器４の間の圧縮空気供給路１４中に水噴射部１５を設け、水噴射部１５に給水する給水系統１６に弁開度の調整により水噴射量を調整する第１の水量調整弁２４ａを設け、再生器４から排気されたガスタービン排熱を利用して蒸気や温水を作る熱交換器２１を設け、熱交換器２１に水を供給する給水系統に第２の水量調整弁２４ｂとを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮機と、この空気圧縮機と軸結合されたガスタービンと、前記空気圧縮機から吐出される圧縮空気を導入し昇温させる再生器と、この再生器の出口ガスを導入し燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器の燃焼ガスを導入して膨張仕事をして回転するガスタービンとからなるタービンプラントにおいて、
前記空気圧縮機と前記再生器間の圧縮空気供給路中に設けた水噴射部と、この水噴射部に水を供給する給水系統に設けられ弁開度の調整により水噴射量を調整する第１の水量調整弁と、
前記再生器から排気されたガスタービン排熱を利用して水を加熱する熱交換器と、
この熱交換器に水を供給する給水系統に設けられ前記第１の水量調整弁から独立して弁開度を調整可能な第２の水量調整弁とを備えたことを特徴とするタービンプラント。
【請求項２】
前記空気圧縮機の内部に吸気口から水を噴射することを特徴とする請求項１記載のタービンプラント。
【請求項３】
前記燃焼器の内部に水を噴射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービンプラント。
【請求項４】
前記空気圧縮機をディフューザベーンを備えた遠心形空気圧縮機で構成し、前記ディフューザベーンの先端に水噴射部を設けるとともに、この水噴射部に前記給水系統からの水を供給する給水管を設けたことを特徴とする請求項１記載のタービンプラント。
【請求項５】
前記第１の流量調整弁よりも上流側の給水系統に貯水タンクを設け、この貯水タンクを前記水噴射部に所定値以上の水圧が加わる高さに設置したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のタービンプラント。
【請求項６】
前記給水系統に不純物を除去するフィルタを設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のタービンプラント。
【請求項７】
前記空気圧縮機と前記再生器間の圧縮空気供給路に流れる混合ガスの湿り度を計測する湿り度計測手段を設け、前記混合ガスが過飽和とならないように前記湿り度計測手段の出力により前記第１の流量調節弁の弁開度を調節することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のタービンプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電出力を高くするための再生器を備えたタービンプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小規模分散電源を担う原動機として図１０に示すように再生器を備えたマイクロガスタービンＧＴが脚光を浴びている。このマイクロガスタービンＧＴは、空気圧縮機１、燃焼器２およびガスタービン３のほかに、ガスタービンの熱効率を上げるためにガスタービン３の出口に再生器４を備えている。そしてこのマイクロガスタービンＧＴの一般的な仕様は、出力帯が数十ＫＷから数百ＫＷ程度、圧力比が３ataから４ata程度、ガスタービン入口温度が８００℃〜９００℃程度である。
【０００３】
なお図中、５は発電機、６は空気圧縮機１の入口空気、７は空気圧縮機吐出空気、８は燃焼器入口温度（＝再生器出口温度）、９はタービン入口燃焼ガス、１０はタービン出口ガス、１１は排ガス、１２は燃料である。
【０００４】
ガスタービン３に導入される燃焼ガス９の入口温度が８００℃〜９００℃程度の場合、再生器４の排ガス１１の温度はまだ３００℃前後あり、この排ガス１１の熱エネルギーを回収して低温の蒸気やお湯を得ること等が提案されている。
【０００５】
しかしながら、低温の蒸気やお湯を得る場合だけでなく、より大きな電気出力を望むニーズも比較的多い。また単純な再生だけでは使い切れない排ガスの熱エネルギーを負荷増加に対応する出力増加のためのエネルギー源として利用する方法の確立も望まれている。
【０００６】
ところで、図１０で示したガスタービンシステムにおいて、タービン出力向上ならびに低Ｎｏｘ化を図るために、空気圧縮機１の吐出空気７に水を噴霧して混合ガスを生成し、これを再生器４に導入するようにした技術が下記の特許文献１で開示されている。
【特許文献１】特開平６−２６３６１号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に開示された技術では、再生器４の排ガスを利用して温水や蒸気を得るために蒸発器または給水加熱器を設置した場合、空気圧縮機吐出空気７に噴霧する水量を特に制御していない。このため、特許文献１に開示された技術では、電気出力と蒸気・温水との比率すなわち、熱電比率を需要者の出力要求に応じて制御することができない。
【０００８】
本発明の目的は、出力要求に応じて温水や蒸気を供給するほか、ガスタービン軸出力の増加を図るようにした熱電比率制御形のタービンプラントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係わるタービンプラントの発明は、空気圧縮機と、この空気圧縮機と軸結合されたガスタービンと、前記空気圧縮機から吐出される圧縮空気を導入し昇温させる再生器と、この再生器の出口ガスを導入し燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器の燃焼ガスを導入して膨張仕事をして回転するガスタービンとからなるタービンプラントにおいて、前記空気圧縮機と前記再生器間の圧縮空気供給路中に設けた水噴射部と、この水噴射部に水を供給する給水系統に設けられ弁開度の調整により水噴射量を調整する第１の水量調整弁と、前記再生器から排気されたガスタービン排熱を利用して水を加熱する熱交換器と、この熱交換器に水を供給する給水系統に設けられ前記第１の水量調整弁から独立して弁開度を調整可能な第２の水量調整弁とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によれば、再生器に導入される圧縮空気に水を噴射することで、水を噴射しない場合の最大出力よりもさらに大きなタービン軸出力を得ることができる。また、再生器からの出口ガスの熱エネルギーを利用した熱交換器（蒸発器または給水加熱器）を設置することにより更に温水または蒸気を発生できる。しかも、この熱交換器に供給する水量を、前記圧縮空気供給路に噴射する水量から独立して制御できるようにしたので、出力要求に応じて熱電比率を制御することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の請求項２に係わるタービンプラントの発明は、前記空気圧縮機の内部に吸気口から水を噴射することを特徴とするものである。
この発明によれば、流量調整弁の開度を調整して噴射する水の量を制御することにより、圧縮空気に対する中間冷却の効果が付加でき、更にプラント効率を上げることができる。
【００１２】
また、本発明の請求項３に係わるタービンプラントの発明は、前記燃焼器の内部に水を噴射することを特徴とするものである。
この発明によれば、燃焼器の内部に水を噴射することにより多くの水の付加が可能となってタービン軸出力をさらに増加させることができる。
【００１３】
また、本発明の請求項４に係わるタービンプラントの発明は、前記空気圧縮機をディフューザベーンを備えた遠心形空気圧縮機で構成し、前記ディフューザベーンの先端に水噴射部を設けるとともに、この水噴射部に前記給水系統からの水を供給する給水管を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
この発明によれば、水噴射室を特別に設けずに圧縮空気と霧との混合ガスを得ることができるとともに、水粒子がより均一に圧縮空気と混合し、下流側の再生器での熱交換を効率よく行うことができる。
【００１５】
更に、本発明の請求項５に係わるタービンプラントの発明は、前記第１の流量調整弁よりも上流側の給水系統に貯水タンクを設け、この貯水タンクを前記水噴射部に所定値以上の水圧が加わる高さに設置したことを特徴とするものである。
この発明によれば、既にビル屋上に設置してある貯水タンク１７からの水を利用することによりノズルから水噴射が可能であり、昇圧ポンプを省くことができる。
【００１６】
更にまた、本発明の請求項６に係わるタービンプラントの発明は、前記給水系統に不純物を除去するフィルタを備えたことを特徴とするものである。
この発明によれば、純水の供給が困難のため、カルキ等の不純物を含んだ上水等を利用せざるを得ない場合であっても、フィルタによって確実に不純物を除去することができるので、ガスタービンの運転に支障をきたすことはない。
【００１７】
更にまた、本発明の請求項７に係わるタービンプラントの発明は、前記空気圧縮機と前記再生器間の圧縮空気供給路に流れる混合ガスの湿り度を計測する湿り度計測手段を設け、混合ガスが過飽和とならないように前記湿り度計測手段の出力により前記第１の流量調節弁の弁開度を調節することを特徴とするものである。
この発明によれば、混合ガスによる過飽和現象の発生を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は空気圧縮機の吐出部から再生器に導かれる圧縮空気に水を霧状に噴射して得た混合ガスを再生器に導入するように構成したので、再生器での吸熱量が増大し、結果としてガスタービンの軸出力を増加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図を通して共通する部分には共通符号を付けて重複する部分の説明は適宜省略するものとする。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図である。図１において、ＧＴはガスタービンシステムであり、空気圧縮機１、この空気圧縮機１からの圧縮空気により燃料を燃焼させ、燃焼ガスを排気する燃焼器２、この燃焼器２の燃焼ガスを導入し膨張仕事をするガスタービン３、このガスタービン３の排気を導入して熱交換を行う再生器４およびガスタービンによって駆動される発電機５とから構成されている。
【００２１】
そして、吸気フィルタ１３を通って空気圧縮機１に吸い込まれた空気６は、空気圧縮機１によって圧縮・昇圧され吐出される。この空気圧縮機１から吐出された圧縮空気７は圧縮空気供給路１４中に設けた水噴射室１５へ導かれ、ここで後述する給水系統１６から給水され、水噴射ノズル１５ａから霧状に噴射される水１７と混合されて混合ガス１８となる。
【００２２】
混合ガス１８は単なる圧縮空気に比べて流量、比熱共に大きいので再生器４で回収する熱量も当然大きくなり、したがって圧縮空気だけを再生器４に導入する場合に比べてガスタービン３の軸出力を増加させることができる。
【００２３】
この混合ガス１８は再生器４に導入され、ガスタービン３の出口ガス１０と熱交換により昇温され、前述した入口空気８として燃焼器２へ導かれる。この燃焼器２は入口空気８を用いて燃料１２を燃焼させ、発生した燃焼ガス９をガスタービン３に導入する。ガスタービン３は燃焼ガス９に膨張仕事を行わせて回転トルクを得、発電機５を回して電力を発生させる。
【００２４】
前記再生器４は、ガスタービン３から吐出された出口ガス１０を導入し、この出口ガス１０と前記混合ガス１８とを熱交換を行わせて出口ガス１０の熱エネルギーを回収し、混合ガス１８を昇温させる。そしてこの再生器４で熱交換を終えた出口ガス（図１０の排ガスと同じ）１１は、温水または蒸気２１を発生するための熱交換器２０に導入され、前記給水系統１６から供給される水１７を加熱した後、排ガス１９として大気に放出される。
【００２５】
一方、前記給水系統１６は、前記水噴射室１５に供給する水１７に含まれるカルキ等の不純物を除去するためのフィルタ２２と、不純物の除去された水１７を所定の水圧まで昇圧させることによりノズル１５ａから前記水噴射室１５内で霧状に噴射させるための昇圧ポンプ２３と、噴射する水の量を調整するための第１の流量調整弁２４ａとを備えている。
【００２６】
なお、前記フィルタ２２は、前述したように水１７に含まれるカルキ等の不純物が長時間運転でタービンの各部に付着する等の悪影響を避けるために設けたのであり、純水を供給できるプラントの場合は特に設けなくてもよい。しかし、出力規模の小さいプラントのように純水の供給が難しく、上水等カルキを含む水に頼らざるを得ない場合にはフィルタ２２の設置は意義がある。
【００２７】
図２はガスタービンの出力と水噴射量の一例を示す特性図である。この特性図は、ガスタービン出力が水噴射無しの場合の最大出力Ｐｗｌとなってから、水噴射量を増やしていけば、ガスタービン出力を更にランプ関数的に増加することができることを示している。
【００２８】
したがって水噴射無しの場合の最大出力Ｐｗｌよりも、更に大きな出力を得たい場合には水噴射量を増加することにより要求値に応えることができる。
【００２９】
本実施形態の場合、上記の基本的な構成に加え、再生器４からの出口ガスの熱エネルギーを利用して、更に温水または蒸気を発生できるように、熱交換器２０（蒸発器または給水加熱器）を設置している。
【００３０】
しかも、この熱交換器２０に供給する水量を、前記圧縮空気供給路１４に噴射する水量から独立して制御できるよう第２の流量調整弁２４ｂを設けている。これにより、電気出力が欲しい場合は、第１の流量調整弁２４ａの弁開度を大きくして混合ガス１８中の水分を多くし、一方温水や蒸気２１が欲しい場合は第２の流量調整弁２４ｂの弁開度を開けて熱交換器２０に供給する水量を多くすることにより、出力要求に応じて熱電比率を制御することが可能となる。
【００３１】
なお、本実施の形態の場合、圧縮空気供給路１４中に水噴射室１５を設けるようにしたが、これに限定される必要はなく、噴射室１５を設けずに圧縮空気供給路１４内に直接噴射するようにしてもよい。
【００３２】
以上述べたように、本実施形態は混合ガス１８は単なる圧縮空気に比べて流量、比熱共に大きいということに注目し、圧縮空気７に水１７を噴射して混合ガス１８を生成して再生器４に導入するようにしたので、再生器４で回収する熱量も当然大きくなり、したがって圧縮空気だけを再生器４に導入する場合に比べてガスタービン３の軸出力を増加させることができる。しかも、ガスタービン３の出力は、調整弁２４ａで水の流量を調整することによって制御することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図である。本実施の形態は第１の実施形態に加え、空気圧縮機１の吸い込み側からも水噴射を行うように構成したことを特徴とするものである。
【００３４】
図３において、給水系統１６に分岐部１６ａを設け、この分岐部１６ａから第３の流量調整弁２４ｃを通して空気圧縮機１の吸い込み側に連通する給水管１６ｂを設け、この給水管１６ｂから水を空気圧縮機１の吸い込み側に噴射するように構成したものである。
【００３５】
本実施の形態によれば、流量調整弁２４ｃの開度を調整して噴射する水の量を制御することで、圧縮空気に対する中間冷却の効果が付加でき、更にプラント効率を上げることができる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図である。本実施の形態は第１の実施形態に加え、燃焼器２にも水噴射を行うように構成したことを特徴とするものである。
【００３７】
図４において、前記分岐部１６ａから流量調整弁２４ｄを通して燃焼器２に連通する給水管１６ｃを設け、この給水管１６ｃから水を燃焼器２に噴射するように構成したものである。
【００３８】
本実施の形態によれば、より多くの水の付加が可能となってタービン軸出力を更に増加させることができる。
【００３９】
（第４の実施形態）
図５、図６および図７は本発明のタービンプラントに係わる第４の実施形態を説明する図であり、図５は遠心形空気圧縮機の主要部を示す断面図、図６は図５で示した空気圧縮機主要部を上流から見た図、図７は図６で示したディフューザベーンの拡大図である。
【００４０】
図５に示した遠心形空気圧縮機１のインペラー２５の下流側すなわち圧縮空気の吐出側には、図６で示すように圧縮空気の速度成分を圧力に回復させるためのディフューザベーン２６を円周方向に複数個設けている。
【００４１】
本実施形態は、このディフューザベーン２６自体に図７で示すように水を供給する給水管２７と、この給水管２７から供給された水を噴射する水噴射ノズル２８とを設けることにより、第１の実施形態のように圧縮空気供給路１４中に水を霧状に噴射する水噴射室１５を特別に設けずに圧縮空気と水との混合ガス１８を得ることができるようにしたことを特徴とするものである。
【００４２】
この実施の形態によれば、給水管２７の中央高さから水噴射が可能となり、水粒子がより均一に圧縮空気と混合し、下流側に位置する再生器での熱交換を効率よく行うことができる。
【００４３】
（第５の実施例）
図８は本発明の第５の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図である。本実施の形態は第１の実施形態における給水系統１６の一部を変形したものである。
【００４４】
図８で示すように、図１における昇圧ポンプ２３を省き、代わりに所定の落差２９が得られるように給水タンク３０を設置したものである。この場合の所定の落差２９とは、空気圧縮機１の出口側で水噴射が行える程度の水圧が生じる落差である。
【００４５】
一般にマイクロタービンの空気圧縮機出口圧力は３ataから４ata程度であり、この空気圧縮機出口側で水噴射を行うには、水圧として４ataから６ata程度あれば可能である。したがって、４ataから６ata程度の水圧が得られる落差である。
【００４６】
マイクロガスタービンの用途をビルの補助電源用と考えた場合、既にビル屋上に設置してある給水タンク３０からの水を利用すればその落差２９によりノズル１５ａから水噴射が可能であり、昇圧ポンプ２３を設置する必要がなくなる。
【００４７】
（第６の実施形態）
図９は本発明の第６の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図である。本実施形態は、空気圧縮機１と再生器４の間の圧縮空気供給路１４内に、湿り度計測手段３１を設けて圧縮空気と水との混合ガス１８の湿り度を計測し、この計測値と設定値とを比較することにより混合ガス１８が過飽和とならないように、第１の流量調整弁２４ａの弁開度を調節し、水噴射ノズル１５ａに供給する水量を制御するようにしたものである。
【００４８】
本実施の形態によれば、混合ガス１８による過飽和現象の発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図。
【図２】ガスタービン出力と水噴射量との関係を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係わるタービンプラントに採用する空気圧縮機の一例を示す構成図。
【図６】図５の空気圧縮機を上流から見た構成図。
【図７】ディフューザベーンの一例を示す図。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係わるタービンプラントの構成図。
【図１０】従来の例を示す構成図。
【符号の説明】
【００５０】
１…空気圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…再生器、５…発電機、６…入口空気、７…空気圧縮機吐出空気、８…燃焼器入口温度（＝再生器出口温度）、９…タービン入口燃焼ガス、１０…タービン出口ガス、１１…排ガス（出口ガス）、１２…燃料、１３…吸気フィルタ、１４…圧縮空気供給路、１５…水噴射室、１６…給水系統、１６ａ…分岐部１６ｂ、１６ｃ…給水管、１７…水、１８…混合ガス、１９…排ガス、２０…熱交換器、２１…蒸気、温水、２２…フィルタ、２３…昇圧ポンプ、２４ａ〜２４ｄ…流量調整弁、２５…インペラー、２６…ディフューザベーン、２７…給水管、２８…水噴射ノズル、２９…落差、３０…給水タンク、３１…湿り度計測手段。
【図１】
2006022693.tif 000003
【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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【図７】
2006022693.tif 000009
【図８】
2006022693.tif 000010
【図９】
2006022693.tif 000011
【図１０】
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