(57)【要約】【課題】ガスタービン装置で駆動され、商用電力と接続される発電機４を備えた発電設備において、排熱ボイラ５により発生させた蒸気を円滑に作動流体中に噴射し、ガスタービン装置の出力と熱効率を上昇させる。【解決手段】ガスタービン装置の圧縮機１とタービン３は発電機４に直結され、その排気ガス流路には再生熱交換器６の下流に排ガスボイラ５が設置される。発電機４は、インバータ８により出力電力の周波数を変換して商用電力に接続される。排熱ボイラ５により発生させた蒸気を作動流体中に噴射したときは、発電機４の回転数を下げることができるため、圧縮機１の所要動力が減少し、ガスタービン装置の出力と熱効率が向上する。蒸気は再生式熱交換器６の上流の圧縮空気に噴射される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１）、タービン（３）及び燃焼器（２）を有するガスタービン装置と、前記ガスタービン装置の前記タービンにより駆動され商用電力に接続される発電機（４）とを備えた発電設備において、
前記発電設備は、前記ガスタービン装置の排熱により蒸気を発生させる排熱ボイラ（５）を備えるとともに、前記排熱ボイラ（５）により発生された蒸気が前記ガスタービン装置の前記タービン（３）の上流に噴射されるように構成され、かつ、
前記発電機（４）は、その出力電力の周波数を変換するインバータ（８）を介して前記商用電力に接続されていることを特徴とする発電設備。
【請求項２】
前記ガスタービン装置の前記タービン（３）は、前記圧縮機（１）及び前記発電機（４）と一体に連結されている請求項1に記載の発電設備。
【請求項３】
前記ガスタービン装置は、前記排熱ボイラ（５）の上流に再生熱交換器（６）を備え、前記タービン（３）を駆動した後の排熱により前記圧縮機（１）で圧縮した後の空気を昇温させる請求項1又は請求項２に記載の発電設備。
【請求項４】
前記排熱ボイラ（５）により発生された蒸気は、前記圧縮機（１）の下流で、かつ、前記再生熱交換器（６）の上流の空気に噴射される請求項3に記載の発電設備。
【請求項５】
前記発電機（４）は、永久磁石が設けられた回転子を有する永久磁石式発電機である請求項1乃至請求項４のいずれかに記載の発電設備。
【請求項６】
前記排熱ボイラ（５）は燃焼装置（５６）を有し、燃料を燃焼させることにより発生する蒸気の量を増加させる請求項1乃至請求項５のいずれかに記載の発電設備。
【請求項７】
前記排熱ボイラ（５）により発生した蒸気が、前記ガスタービン装置の前記タービン（３）の上流に噴射されるとともに、熱利用装置にも供給されるよう構成された請求項1乃至請求項６のいずれかに記載の発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン装置により発電機を駆動する発電設備、ことに、発電機を駆動するマイクロガスタービンと呼ばれる小型のガスタービン装置を備え、小規模工場、店舗、医療施設等において商用電力と併用しながら使用される発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の電力事情の変化に伴って、電力会社から供給される商用電力の利用について見直しが行われ、電力コストなどの問題から、小規模工場あるいは店舗等では分散電力となる自家用発電設備を設置する事例が増加している。このような自家用発電設備には、発電機を駆動する原動機が設けられ、発電機は、例えば照明、空調、冷凍機などの工場、店舗等の電力負荷をまかなうと同時に、商用電力と接続されて余剰電力を商用電力側に供給できるようになっている。発電機の駆動には、通常、燃料を燃焼させて動力を発生する熱機関が用いられ、最近では、マイクロガスタービンを熱機関として利用する自家発電設備が注目されている。
【０００３】
ガスタービン装置は、圧縮機、燃焼器及びタービンを備え、圧縮機により圧縮された空気中で燃料を連続的に燃焼させ、発生した燃焼ガスによりタービンを回転させる連続燃焼式内燃機関である。ガスタービン装置には、圧縮機を駆動するタービンと発電機等の負荷を駆動するタービンとをそれぞれ独立に備えた、いわゆる２軸式のガスタービン装置も存在する。こうしたガスタービン装置は、ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンと比べると、小型軽量であり各種の燃料が使用可能で、かつ、排気ガス中の有害成分の量が少なく環境特性にも優れている。しかし、ガスタービン装置、特にマイクロガスタービンのような小型のガスタービン装置は、熱効率の面ではディーゼルエンジン等に比較して劣るため、その改善が要望されている。
【０００４】
ガスタービン装置の熱効率を向上させるには、タービン入口温度を上昇させる手段があるが、タービン入口温度を上昇させるとタービンの熱負荷が増大し、ジェットエンジンのような中空冷却翼又は特殊な耐熱材料の採用が困難なマイクロガスタービンでは、入口温度の上昇にも限界がある。熱効率向上の手段としては、タービン排気ガスの熱により圧縮機出口の空気の温度を上昇させる再生熱交換器を設置し、いわゆる再生サイクルを構成する手段もある。
【０００５】
また、タービン排気ガスを熱源とする排熱ボイラを設置して蒸気を発生し、タービンを駆動する作動流体、例えば燃焼ガス中に導入してタービン出力を増大させることにより、排熱を回収する形でガスタービン装置の熱効率を増加させることも知られている。特開平９−２０３３２７号公報に示されるガスタービン発電装置は、排熱ボイラにより発生した蒸気を加熱、空調等の設備にプロセス蒸気として利用するとともに、ガスタービンの作動流体中にも噴射して、プラント全体の熱利用効率を改善するコージェネレーション設備であって、以下、この公報に開示された技術を図５により説明する。
【０００６】
ガスタービン装置は、圧縮機１、燃焼器２及びタービン３を備え、圧縮機１で圧縮された空気は燃焼器２に導かれ、ここで燃料を燃焼させ、生じた燃焼ガスによりタービン３が駆動される。タービン３は圧縮機１を駆動すると同時に減速機５１を介して発電機４を駆動し、必要な電力を発生させる。
【０００７】
タービン３の排気ガスは未だ相当の高温である。この排熱を回収するため、排気ガスの流路中に排熱ボイラ５を設置して蒸気を発生させる。発生した蒸気は管路５２からプロセス蒸気として熱利用装置に送られるとともに、管路５３を経てガスタービン装置の燃焼器２にも送られる。これらに送られる蒸気の量は、それぞれの管路に設置された調節弁により、プロセス蒸気の需要量等に応じて制御され、また、燃焼器２に送られる蒸気は、圧縮機１から吐出される高温の圧縮空気と熱交換してさらに昇温される。
【０００８】
圧縮空気によって昇温された蒸気は、管路５３から燃焼ガス中に噴射され燃焼ガスと混合してタービン３を駆動する。このように、排熱ボイラ5で発生した蒸気を、タービンを駆動する作動流体の一部とすることにより熱効率を改善することができる。なお、燃焼器２に蒸気を導入し噴射すると圧縮機１がサージングを起こす虞れがある。これを防ぐ目的で、この従来技術では、圧縮空気の一部を抽出しバイパスさせる管路５４を設置する。バイパスされた圧縮空気は蒸気との熱交換後タンク５５に貯留され、エア工具等の駆動用空気として利用される。
【特許文献１】特開平９−２０３３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
排熱ボイラを設置して蒸気を発生させ、タービンを駆動する燃焼ガスと混合して作動流体の量を増加したり、燃焼ガスの一部を置換すれば、タービン排熱を回収し動力に変換することとなるから、ガスタービン装置の熱効率を上昇させることができる。しかし、一般的なガスタービン装置では、単に蒸気噴射を行うと圧縮機がサージングを生じる虞れがあり、また、タービン入口がいわゆるチョーク状態になると体積流量がそれ以上は増加しないから、このようなガスタービン装置に排熱ボイラを付加し発生した蒸気を噴射しようとしても、圧縮空気等に円滑に蒸気を導入してタービンを駆動する作動流体の量を増大するのは困難である。
【００１０】
また、自家発電設備などにおいて発電機の出力電力を商用電力の系統と接続し、商用電力側に余剰電力を供給するように構成するときは、発電機の出力周波数を５０サイクル又は６０サイクルに合致させる必要がある。つまり、ガスタービン装置により駆動される発電機の回転数は、商用電力が５０サイクルの周波数であれば３０００ｒｐｍとしなければならない。特許文献1にも、減速機により駆動される発電機の回転数を商用電力のサイクル数に合わせる旨の記載がある。
【００１１】
商用電力に接続する発電機において、排熱ボイラからの蒸気を噴射しタービンの出力を増大させるには、回転数が定まっているため作動流体の流量を増加させることとなるが、通常のガスタービン装置では、タービン入口のノズル部（最小流路面積部分）の面積は一定である。ノズル部の断面積及びタービンへの流入角度を変えることのできるいわゆる可変ノズル装置は公知であるけれども、１０００℃に近いタービン入口温度の下で作動させるため、可変ノズル装置は複雑で高価なものとなり、経済性を重視する自家発電装置に採用するのは好ましくない。
【００１２】
他方、前記の特許文献1の従来技術では、燃焼器に蒸気を噴射するため圧縮空気をバイパスさせる。このような技術は、圧縮空気を利用する装置が手近にある工場等でないと圧縮空気を無駄に排出する結果となる。本発明は、排熱ボイラからの蒸気を噴射しタービンの出力を増大させ熱効率を向上させる手段を、簡易かつ効果的に、商用電力と接続されガスタービン装置を用いた自家発電設備に適用することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題に鑑み、本発明は、ガスタービン装置を原動機とし商用電力と接続される発電機を備えた発電設備の出力並びに熱効率を上昇させることを目的として、排熱ボイラにより蒸気を発生させ、これをタービンの作動流体中に噴射するとともに、発電機の出力電力をインバータにより周波数を変換して商用電力に接続するものである。すなわち、本発明は、
「圧縮機、タービン及び燃焼器を有するガスタービン装置と、前記ガスタービン装置の前記タービンにより駆動され商用電力に接続される発電機とを備えた発電設備において、
前記発電設備は、前記ガスタービン装置の排熱により蒸気を発生させる排熱ボイラを備えるとともに、前記排熱ボイラにより発生された蒸気が前記ガスタービン装置の前記タービンの上流に注入されるように構成され、かつ、
前記発電機は、その出力電力の周波数を変換するインバータを介して前記商用電力に接続されている」
ことを特徴とする発電設備となっている。
【００１４】
請求項２に記載のように、前記ガスタービン装置の前記タービンは、前記圧縮機及び前記発電機を駆動するよう、それぞれを一体に連結する構成とすることができる。
【００１５】
前記ガスタービン装置には、請求項３に記載のように、前記排熱ボイラの上流に再生熱交換器を設け、前記タービンを駆動した後の排熱により前記圧縮機で圧縮した後の空気を昇温させることが好ましい。そして、このような構成としたときは、前記排熱ボイラにより発生された蒸気が、請求項４に記載のように、前記圧縮機の下流で、かつ、前記再生熱交換器の上流の空気に噴射される構成とすることができる。
【００１６】
また、請求項５に記載のように、前記発電機を、永久磁石が設けられた回転子を有する永久磁石式発電機とすることが好ましい。
【００１７】
請求項６に記載のように、前記排熱ボイラに燃焼装置を設け、燃料を燃焼させることにより発生する蒸気の量を増加させることができる。さらに、前記排熱ボイラにより発生した蒸気を、前記ガスタービン装置の前記タービンの上流に注入するとともに、熱利用装置にも供給するよう構成してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
ガスタービン装置を用いた本発明の発電設備では、排熱ボイラをタービン下流に配置して蒸気を発生させ、その蒸気をタービン上流に噴射し注入するとともに、発電機の出力電力を、インバータを介して商用電力の系統に接続している。発電機に連結されたインバータでは、その出力電力の周波数を自由に設定することが可能であるから、発電機の回転数を商用電力の周波数に合わせる必要はない。したがって、例えば、タービンを圧縮機と発電機とに直結したガスタービン装置において、発電機の回転数を低下することにより、圧縮機の回転数を下げて圧縮空気の量を減少させ、蒸気の導入を可能とすることができる。前記の特許文献１に記載されたような圧縮空気をバイパスさせる手段は不要である。
【００１９】
これによりガスタービン装置の出力及び熱効率を向上させることができる。つまり、ガスタービン装置の出力（発電機の出力）は、タービンが発生する出力と圧縮機の所要動力との差であって、
ガスタービン装置出力＝タービン発生出力−圧縮機所要動力  （１）
と表すことができる。圧縮機の回転数を下げ圧縮空気の量を減少させると、空気を圧縮するのに必要な圧縮機所要動力が低下し、その分、ガスタービン装置の出力が増加するとともに熱効率も増大する。つまり、タービンと圧縮機の回転数の低下によりタービン発生出力が減少するが、それ以上に圧縮機所要動力が減少する結果となる。また、蒸気を噴射することにより、排気ガス中の有害物質であるＮＯｘの濃度を低減することができる。
【００２０】
請求項２の発明のように、ガスタービン装置のタービンにより圧縮機及び発電機を駆動するよう、それぞれを一体に連結する軸を有する構成とした場合、すなわち、一軸式のガスタービン装置に発電機を直結した場合には、発電設備全体が小型で単純化されたものとなり、ことに、マイクロガスタービンによる発電設備には好適である。
【００２１】
ガスタービン装置自体の熱効率をさらに改善するため、請求項３の発明のように、排熱ボイラの上流に再生熱交換器を設け、発電機を駆動した後の排熱により圧縮機で圧縮した後の空気を昇温させることができる。これは再生サイクルを構成させるものであって、排熱を回収することにより、圧縮機、燃焼器及びタービンのみから成る単純なガスタービン装置に比べ熱効率が高まることとなる。
【００２２】
また、請求項３の発明においては、排熱ボイラにより発生させた蒸気を再生熱交換器上流の圧縮空気中に注入する、つまり、請求項４の発明のように構成することが好ましい。この位置に蒸気を注入した場合、蒸気は比熱が大きいので再生熱交換器における回収熱量が大きくなり、熱効率の向上のうえで有効なものとなる。
【００２３】
マイクロガスタービンによる発電設備に用いる発電機としては、請求項５の発明のように、永久磁石が取付けられた回転子を有する永久磁石式発電機が適している。この発電機は、回転子には永久磁石による磁極を備えるのみでコイル等は存在しないため、回転子を単純な構成にすることができ、高速回転による大きな遠心力に耐える構造とすることが容易である。
【００２４】
請求項６の発明のように、排熱ボイラに燃焼装置を設け、蒸気量が不足するようなときはいわゆる追い炊きを行わせることにより、発生する蒸気の量を増加させることができる。また、熱利用装置を併設したプラントにおいては、請求項６の発明のように、排熱ボイラにより発生した蒸気を熱利用装置にも供給し、コージェネレーション設備としてさらに熱利用効率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面によって本発明の発電設備について説明する。図１はマイクロガスタービンを利用した本発明の発電設備の概要を表す図であり、図２は本発明の変形例を表す図である。これらの図においては、図５に示す従来例の装置の機器、部品と対応するものについては同一の番号が付してある。
【００２６】
ガスタービン装置は、圧縮機１及びタービン３を備え、これらを連結する軸に発電機４が直結され、例えば９００００ｒｐｍを超える回転数で駆動されている。このガスタービン装置は再生サイクルとして構成されており、圧縮機１で圧縮された空気は、燃焼器２に導かれる前に再生熱交換器６においてタービン３の排気ガスが保有する熱によって昇温される。この圧縮空気は燃焼器２で燃料を燃焼させ、生じた燃焼ガスはタービン３の作動流体となる。
【００２７】
タービン３の排気ガスの通路には、再生熱交換器６の下流に排熱ボイラ５が設置される。排熱ボイラ５によって排気ガスの排熱を回収し、ここに供給される給水を加熱して蒸気を発生させる。発生した蒸気は、管路５３を介して再生熱交換器６の上流の圧縮空気中に噴射される。排熱ボイラ５には、図２に示されるように、燃焼装置５６を配置して燃料を燃焼させる「追い炊き」を行って、蒸気量を増加させたり蒸気温度を上昇させたりすることができる。また、自家発電設備に暖房施設等の熱利用装置が付属しているときは、管路５２及び調節弁を経て、発生蒸気をプロセス蒸気としてその熱利用装置にも送るようにすることができる。
【００２８】
マイクロガスタービンにより駆動される発電機４は永久磁石式発電機であり、永久磁石が取付けられたローター（回転子）と電機子コイルを設けたステーターとを有している。発電機４は整流器７及びインバータ８を介して電力負荷９に接続されるとともに商用電力にも接続されており、発電機4の余剰電力は商用電力側に提供される。そのため、発電機４の１０００Ｈｚを超える高周波数の出力電力は、整流器７により直流に変換された後、インバータ８により周波数と位相が調整されて商用電力の周波数と等しい周波数となる。このように、発電機４の回転数、つまり圧縮機１及びタービン３の回転数は、商用電力の周波数とは無関係に設定することが可能である。なお、電力負荷９には、商用電力からの電力も供給できるようになっている。
【００２９】
本発明のガスタービン装置においては、タービン３の入口温度及び圧力は、例えば９５０℃、０．４ＭＰａであり、発電機４の負荷が低下してもほぼ一定の入口温度を保つように制御されている。そして、本発明では、排ガスボイラ５の発生蒸気を作動流体中に噴射した際は、圧縮機１の回転数が低下しその吐出空気量が減少して、その代わりに作動流体中に蒸気が導入されることとなる。このときには、圧縮空気発生に必要な圧縮機１の所要動力も減少し、前述の式（１）から明らかなように、ガスタービン装置の出力すなわち発電機４の出力電力が増加する。ちなみに、発電機の回転数が一定に制限されている発電設備では、こうした効果は期待できない。
【００３０】
本発明によるガスタービン装置の出力の増大及び熱効率の向上について、図３並びに図４の実験データに基づき説明する。これらの図においては、蒸気を噴射しないときのデータが白三角のプロットで示され、蒸気噴射を行ったときのデータが黒四角のプロットで示されている。
【００３１】
図３は、ガスタービン装置における圧縮機１の吸気温度が変化したときの、発電機４の出力の変化を測定したものである。この実施例のガスタービン装置では、発電機４の定格出力は６０Ｋｗであり、吸気温度が２０℃以下では出力を定格出力に制限する制御が実施されている。しかし、夏季等に吸気温度が２０℃を超えると、白三角のプロットに示されるとおり、吸気温度の上昇に応じて作動流体の質量流量が減少するため、発電機４の出力も低下してしまう。これに対し、本発明のように作動流体中に蒸気を噴射すると発電電力が増加する。例えば、吸気温度が３２℃のときに蒸気を噴射すると、圧縮空気に対する蒸気量の噴射比率の増大に応じて発電電力も増加し、４〜６％の蒸気量としたときには、ほぼ定格出力まで回復させることができる。
【００３２】
図４には、本発明によるガスタービン装置の熱効率向上の状況を示す。本来、ガスタービン装置の熱効率は、吸気温度の上昇に応じて白三角のプロットのように低下するが、吸気温度２２℃において蒸気を噴射したときも、あるいは３２℃において噴射したときも、圧縮空気に対する蒸気量の噴射比率の増大に応じて熱効率が増大する結果が得られる。ただし、出力自体は定格以上に増加しないような制御が実施されている。このように、熱効率はいかなる吸気温度についても蒸気噴射量にほぼ比例して増大し、噴射比率を６％とした場合は、３〜４％の熱効率向上を達成することができる。
【００３３】
ガスタービン装置が再生熱交換器６を備えているときは、再生熱交換器６の上流の圧縮空気に蒸気を噴射することが好ましい。このようにすると再生熱交換器６で回収する排気ガスの熱量が大となり、より一層熱効率を向上させることができる。再生熱交換器を備えていないガスタービン装置では、例えば燃焼器に蒸気を噴射することができる。また、蒸気を噴射することにより燃焼ガスの過度の温度上昇が抑制され、排気ガス中のＮＯｘの濃度を大幅に下げることができる。これを測定した結果では、蒸気の噴射比率を６％とした場合には、蒸気を噴射しないものと比較して、ＮＯｘの濃度が３分の１に低下するというデータが得られている。
【００３４】
以上詳述したように、本発明は、ガスタービン装置により駆動され商用電力と接続される発電機を備えた発電設備において、出力並びに熱効率を上昇させるため、排熱ボイラにより蒸気を発生させてタービンの作動流体中に噴射するとともに、発電機の出力電力をインバータにより周波数を変換して商用電力に接続するものである。したがって、ガスタービン装置としては１軸のものに限らず、発電機を駆動するタービンを独立して備えた２軸式ガスタービン装置についても、本発明を適用することができる。さらに、いわゆるピークロード用として発電所等に設置され系統電力に接続されたガスタービン装置に対しても、適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に基づく発電設備の概要を示す図である。
【図２】本発明に基づく発電設備の変形例を示す図である。
【図３】本発明によるガスタービン装置の出力の増加を表すグラフである。
【図４】本発明によるガスタービン装置の熱効率の向上を表すグラフである。
【図５】従来の発電設備の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  発電機
５  排熱ボイラ
６  再生熱交換器
７  整流器
８  インバータ
【図１】
2006118368.tif 000003
【図２】
2006118368.tif 000004
【図３】
2006118368.tif 000005
【図４】
2006118368.tif 000006
【図５】
2006118368.tif 000007