(57)【要約】【課題】再生器での熱交換効率を向上させたガスタービン装置を提供する。【解決手段】本発明のガスタービン装置は、空気圧縮機１１により圧縮された空気とタービン１３から排出される排気ガスとの間で熱交換を行う再生器１５と、燃焼ガスをタービンに供給してタービンを回転させる燃焼器１２と、同軸上に配置された外筒２０、中間筒２１、内筒２２とを備える。外筒と中間筒との間には、空気圧縮機により圧縮された空気が流れる外側流路２４が形成され、中間筒と内筒との間には、再生器で加熱された圧縮空気が流れる中間流路２５が形成され、内筒内には、タービンから排出される排出ガスを再生器に送る内側流路２６が形成される。空気圧縮機により圧縮された空気を外側流路から再生器まで導く接続通路２７を設け、外筒を貫通して中間流路に延びる導入通路２８を設け、該導入通路を通じて再生器で加熱された圧縮空気を中間流路に導入する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンと、
前記タービンと一体に回転する空気圧縮機と、
前記空気圧縮機により圧縮された空気と前記タービンから排出される排気ガスとの間で熱交換を行う再生器と、
前記再生器で加熱された圧縮空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスを前記タービンに供給して該タービンを回転させる燃焼器と、
同軸上に配置された外筒、中間筒、内筒とを備え、
前記外筒と前記中間筒との間には、前記空気圧縮機により圧縮された空気が流れる外側流路が形成され、
前記中間筒と前記内筒との間には、前記再生器で加熱された圧縮空気が流れる中間流路が形成され、
前記内筒内には、前記タービンから排出される排出ガスを前記再生器に送る内側流路が形成され、
前記空気圧縮機により圧縮された空気を前記外側流路から前記再生器まで導く接続通路を設け、
前記外筒を貫通して前記中間流路に延びる導入通路を設け、該導入通路を通じて前記再生器で加熱された圧縮空気を前記中間流路に導入し、
前記外側流路内であって、前記導入通路よりも上流側に、前記空気圧縮機により圧縮された空気を前記接続通路に案内する環状の案内板を設けたことを特徴とするガスタービン装置。
【請求項２】
前記案内板は前記導入通路を覆い、かつ前記外側流路を塞ぐように配置されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。
【請求項３】
前記再生器から外部に排出される排気ガスの方向を、前記再生器に流入する排気ガスの流れ方向と略同一方向または略垂直方向にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン装置。
【請求項４】
前記外側流路と前記中間流路とを連通させる少なくとも１つの通孔を前記中間筒に形成し、
前記少なくとも１つの通孔を塞ぐ少なくとも１つの閉止弁を設け、
前記少なくとも１つの閉止弁を駆動する少なくとも１つの駆動機構を前記外筒の外側に設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスタービン装置。
【請求項５】
前記ガスタービン装置の起動時または停止時に前記閉止弁を開くことを特徴とする請求項４に記載のガスタービン装置。
【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係り、特にマイクロガスタービン発電装置などに使用されるガスタービン装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気を圧縮する空気圧縮機と、空気圧縮機により圧縮された圧縮空気を燃焼させる燃焼器と、燃焼器において発生した燃焼ガスを受けて回転するタービンと、タービンから排出された排気ガスの熱を利用して燃焼器に供給される圧縮空気を加熱する再生器とを備えたガスタービン装置が知られている。
【０００３】
この種のガスタービン装置は、例えばマイクロガスタービン発電装置に応用されている。このマイクロガスタービン発電装置は、極小型のタービンに極小型の発電機を直結し、タービンに燃焼ガスを供給することで、例えば毎分１０万回転程度の高速で運転を行うものである。このようなガスタービン発電装置によれば、極小型の設備でありながら、例えば５０〜１００ｋＷ程度の発電電力を供給することができるので、近年、地域分散型の電源の１つとして特に注目を集めている。
【０００４】
特許文献１には、３重管を用いて、空気圧縮機と再生器とを連通する流路と、再生器と燃焼器とを連通する流路と、タービンと再生器とを連通する流路を形成したガスタービン装置が記載されている。図７は、特許文献１に記載の３重管構造を示す斜視図である。図７において、空気圧縮機により圧縮された空気は外側流路１２４および接続管１２７を通って再生器１１５に導入される。再生器１１５によって加熱された圧縮空気は、圧縮空気出口１２９および断面半円形の導入管１２８を通って中間流路１２５に導入される。そして、タービンから排出される排出ガスは内側流路１２６を通って再生器１１５に導入される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２２０３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図７に示すように、外側流路１２４を流れる圧縮空気は、一旦再生器１１５の前面１１５ａにぶつかって方向を転換し、接続管１２７に流れ込む。しかしながら、導入管１２８は外側流路１２４を貫通して延びているため、圧縮空気の一部がこの導入管１２８に堰き止められて滞留し、外側流路１２４から接続管１２７に向かう滑らかな流れが形成されない。その結果、圧縮空気が高温の導入管１２８や再生器１１５の前面１１５ａと接触する時間が長くなり、圧縮空気の温度が上昇してしまう。さらに、外側流路１２４を流れる圧縮空気が前面１１５ａに衝突するときに、圧縮空気が高温の前面１１５ａにより加熱されてしまう。
【０００７】
このように圧縮空気の温度が上昇すると、次に導入される再生器１１５での熱交換の効率が低下する。すなわち、熱交換器である再生器１１５は、導入される圧縮空気の温度が低いほど、より多くの熱量が排気ガスから圧縮空気に移動する。したがって、再生器１１５に流入する前の圧縮空気の温度上昇は、熱交換の効率を低下させることとなり、結果として再生器１１５での排熱回収量が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、再生器での熱交換効率を向上させたガスタービン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、タービンと、前記タービンと一体に回転する空気圧縮機と、前記空気圧縮機により圧縮された空気と前記タービンから排出される排気ガスとの間で熱交換を行う再生器と、前記再生器で加熱された圧縮空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスを前記タービンに供給して該タービンを回転させる燃焼器と、同軸上に配置された外筒、中間筒、内筒とを備え、前記外筒と前記中間筒との間には、前記空気圧縮機により圧縮された空気が流れる外側流路が形成され、前記中間筒と前記内筒との間には、前記再生器で加熱された圧縮空気が流れる中間流路が形成され、前記内筒内には、前記タービンから排出される排出ガスを前記再生器に送る内側流路が形成され、前記空気圧縮機により圧縮された空気を前記外側流路から前記再生器まで導く接続通路を設け、前記外筒を貫通して前記中間流路に延びる導入通路を設け、該導入通路を通じて前記再生器で加熱された圧縮空気を前記中間流路に導入し、前記外側流路内であって、前記導入通路よりも上流側に、前記空気圧縮機により圧縮された空気を前記接続通路に案内する環状の案内板を設けたことを特徴とするガスタービン装置である。
【００１０】
本発明の好ましい態様は、前記案内板は前記導入通路を覆い、かつ前記外側流路を塞ぐように配置されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記再生器から外部に排出される排気ガスの方向を、前記再生器に流入する排気ガスの流れ方向と略同一方向または略垂直方向にしたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記外側流路と前記中間流路とを連通させる少なくとも１つの通孔を前記中間筒に形成し、前記少なくとも１つの通孔を塞ぐ少なくとも１つの閉止弁を設け、前記少なくとも１つの閉止弁を駆動する少なくとも１つの駆動機構を前記外筒の外側に設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ガスタービン装置の起動時または停止時に前記閉止弁を開くことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、案内板を外側流路内に配置したことにより、導入通路による圧縮空気の滞留が防止され、外側流路から接続通路に向かう圧縮空気の滑らかな流れを形成することができる。その結果、再生器に入る前の圧縮空気の温度上昇が抑えられ、再生器での熱交換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係るガスタービン装置について図１乃至図６を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明するガスタービン発電システムには、極小型のタービンを使用して発電を行うマイクロガスタービン発電装置も含まれる。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態におけるガスタービン装置を用いたガスタービン発電システムの全体構成を模式的に示す系統図である。図１に示すように、ガスタービン発電システムは、圧縮空気と燃料ガスとの混合気を燃焼させることにより発電を行うガスタービン装置１と、ガスタービン装置１に天然ガスや液化石油ガス（ＬＰＧ）などの燃料ガスを供給するガス圧縮装置２と、ガスタービン装置１から排出された排気ガスから排熱を回収する温水ボイラ３とを備えている。
【００１４】
図２は、図１のガスタービン装置１を模式的に示す断面図である。図１及び図２に示すように、ガスタービン装置１は、空気吸入ポート１０から吸入された空気を圧縮する空気圧縮機１１と、空気圧縮機１１により圧縮された圧縮空気と上記ガス圧縮装置２からの燃料ガスとの混合気を燃焼させる環状燃焼器１２と、環状燃焼器１２において発生した燃焼ガスを受けて高速で回転する複数の回転翼を有するタービン１３と、タービン１３の高速回転により発電を行う発電機１４と、タービン１３から排出された排気ガスの熱を利用して環状燃焼器１２に供給される圧縮空気を加熱する再生器１５とを備えている。本実施形態における再生器１５は、プレートフィンにより圧縮空気流路（低温媒体流路）と排気ガス流路（高温媒体流路）とを形成した２基のプレートフィン形熱交換器１９（図２では１基の熱交換器１９のみを示す）を内部に有している。
【００１５】
図２に示すように、空気圧縮機１１、タービン１３、及び発電機１４（図１参照）は、ケーシング１７の内部に回転軸１６を介して同軸上に配置されており、回転軸１６は図示しない軸受により回転自在に支持されている。ケーシング１７の外周部には、空気圧縮機１１から吐出された圧縮空気が流れる流路１８が形成されており、この流路１８とタービン１３のガス吐出口１３ａとの間には、タービン１３を囲むように環状燃焼器１２が配置されている。回転軸１６の一端部には発電機１４が連結されており、タービン１３、空気圧縮機１１、及び発電機１４は回転軸１６を介して一体に回転するようになっている。
【００１６】
ケーシング１７は、再生器１５にフランジ１７ａ，１９ａを介して連結されている。この再生器１５は、環状燃焼器１２に供給される圧縮空気とタービン１３から排出された排気ガスとの間で熱交換を行うものである。再生器１５の前面１５ａの下部には、ケーシング１７と接続される外筒２０と、外筒２０の内周側に位置する中間筒２１と、中間筒２１の内周側に位置する内筒２２とが同軸上に配置されている。また、再生器１５の背面１５ｂの上部には、熱交換器１９を通過した排気ガスを外部に排出する排気口２３が形成されている。外筒２０と中間筒２１との間、中間筒２１と内筒２２との間、内筒２２の内部には、それぞれ外側流路２４、中間流路２５、内側流路２６が形成されており、３重管構造となっている。
【００１７】
再生器１５の外側には、その前面１５ａからやや離間して接続管（接続通路）２７が配置されている。この接続管２７の一方の端部は外筒２０に溶接により固定され、接続管２７と外側流路２４とは連通している。接続管２７の他方の端部は再生器１５の圧縮空気入口に接続されている。
【００１８】
図３は外筒２０、中間筒２１、内筒２２から構成される３重管を軸方向から見た図であり、図４は本実施形態における３重管を示す斜視図である。図３に示すように、再生器１５には２つの圧縮空気出口（加熱された圧縮空気の出口）２９が設けられており、それぞれの圧縮空気出口２９は断面半円形の導入管（導入通路）２８に接続されている。図３及び図４に示すように、それぞれの導入管２８は、外筒２０を貫通して外側流路２４を通過し、中間流路２５に連通している。導入管２８の端部は中間筒２１に溶接により固定されている。内側流路２６は再生器１５の内部に連通している。図２に示すように、ケーシング１７が３重管に連結されると、外側流路２４はケーシング１７の流路１８と連通し、中間流路２５は環状燃焼器１２と連通し、内側流路２６はタービン１３のガス吐出口１３ａと連通するようになっている。
【００１９】
図２乃至図４に示すように、外側流路２４には環状のプラグプレート（案内板）３２が配置されている。図３においては、網目模様によって表された部材がプラグプレート３２である。このプラグプレート３２は、外側流路２４を貫通する２つの導入管２８を覆うように配置され、導入管２８よりも圧縮空気の流れ方向において上流側に位置している。さらに、プラグプレート３２は導入管２８の上流側の位置において、外側流路２４の大部分を塞ぐように配置されている。なお、プラグプレート３２は外側流路２４の全部を塞ぐように配置されてもよい。このような配置により、空気圧縮機１１から送られている圧縮空気は、高温の導入管２８及び再生器１５の前面１５ａとほとんど接触することなく、プラグプレート３２に案内されて外筒２０の上部に接続されている接続管２７に流入する。
【００２０】
上述の構成により、空気吸入ポート１０（図１参照）から吸入された空気は、配管４１を介して空気圧縮機１１に供給され、空気圧縮機１１により圧縮されて圧縮空気となる。空気圧縮機１１により圧縮された空気は、流路１８、外側流路２４、及び接続管２７を通って再生器１５の熱交換器１９に送られる。この圧縮空気は、再生器１５の熱交換器１９を通過する間に、熱交換器１９の外表面を流れる排気ガスにより加熱される。再生器１５において加熱された圧縮空気は、圧縮空気出口２９、導入管２８、及び中間流路２５を通って環状燃焼器１２に供給され、ここでガス圧縮装置２（図１参照）から供給される燃料ガスと混合される。これにより、環状燃焼器１２の内部には圧縮空気と燃料ガスとの混合気が形成される。この混合気は環状燃焼器１２の内部で燃焼され、この混合気の燃焼によって高温・高圧の燃焼ガスが発生する。
【００２１】
環状燃焼器１２における燃焼により発生した燃焼ガスを受けてタービン１３が高速で回転し、このタービン１３の高速回転に伴って、発電機１４及び空気圧縮機１１が高速で回転駆動される。発電機１４において発生した交流電流は、図示しない直流変換部、昇圧部、インバータ装置などにより商用交流電流として使用できるように調整された後、外部に出力される。
【００２２】
タービン１３から排出された排気ガスは、内側流路２６を通って再生器１５の内部に送られる。この再生器１５内を流れる排気ガスは、熱交換器１９を流れる圧縮空気を加熱し、その後、排気口２３から温水ボイラ３に供給される。
【００２３】
図１に示すように、温水ボイラ３は、タービン１３からの排気ガスと温水との間で熱交換を行う排熱回収熱交換器３０を備えており、温水パイプ４２の内部を流通する温水をタービン１３からの排気ガスによって加熱して排熱を回収するようになっている。排熱回収熱交換器３０において温水と熱交換を行った排気ガスは、温水ボイラ３の排気ポート３１から外部に排気される。
【００２４】
このように、再生器１５とタービン１３との間に、３重管構造により流路２４，２５，２６を形成したので、複数の配管を設ける必要がなくなり、簡素な構造とすることができる。従って、部品点数を減らしてコストを低減することができる。また、配管に取付ける断熱材やフランジの数も少なくすることができるので、部品点数をより少なくしてコストを低減することができる。
【００２５】
また、プラグプレート３２を外側流路２４内に配置したことにより、導入管２８による圧縮空気の滞留が防止され、外側流路２４から接続管２７に向かう圧縮空気の滑らかな流れを形成することができる。その結果、再生器１５に入る前の圧縮空気の温度上昇が抑えられ、再生器１５での熱交換効率を向上させることができる。
【００２６】
ここで、空気圧縮機１１により圧縮された空気の圧力は約０．４ＭＰａであるが、この圧縮空気は熱交換器１９のフィンにより多少の圧力損失を受け、圧力が０．４ＭＰａよりやや低くなる。また、タービン１３からの排気ガスの圧力は大気圧に近くなり約０．１０５ＭＰａ程度となる。このように、空気圧縮機１１により圧縮された空気が流れる外側流路２４の圧力、再生器１５により加熱された圧縮空気が流れる中間流路２５の圧力、タービン１３の排気ガスが流れる内側流路２６の圧力を比べると、外側流路２４の圧力が最も高く、次いで中間流路２５の圧力が高く、内側流路２６の圧力が最も低くなる。従って、最も外側の流路（すなわち、外側流路２４）のシールさえ十分にしておけば、その内側の流路（すなわち、中間流路２５または内側流路２６）を流れる空気または排気ガスが外周側に漏れることが防止される。従って、装置全体のシール構造を簡素化することができる。
【００２７】
また、空気圧縮機１１により圧縮された空気の温度は約２００℃であるが、この圧縮空気は再生器１５において加熱されて温度が約６００℃となる。また、タービン１３からの排気ガスの温度は約６５０℃となる。このように、外側流路２４を流れる空気の温度、中間流路２５を流れる空気の温度、内側流路２６を流れる排気ガスの温度を比べると、外側流路２４を流れる空気の温度が最も低く、次いで中間流路２５を流れる空気の温度が低く、内側流路２６を流れる排気ガスの温度が最も高くなる。従って、本実施形態のように、外側流路２４、中間流路２５、内側流路２６を３重管により形成することとすれば、より温度の高い空気又は排気ガスを表面積の小さい内周側流路を通過させて外側に放熱しにくい構造とすることができるので、放熱による熱損失を抑えることが可能となる。さらに、最も外側に位置する外筒２０の温度は比較的低温であるため、外筒２０の熱膨張は比較的小さい。従って、外筒２０と、この外筒２０に固定される部材（例えば、接続管２７や再生器１５）との間のシール性を良好に保つことができる。
【００２８】
また、図２に示すように、再生器１５内において、排気ガスは、再生器１５に流入する排気ガスの流れ方向に対して略垂直方向に流れ、さらに、排気口２３から排出される排気ガスの方向は、再生器１５に流入する排気ガスの流れ方向と略同一方向となっている。このような構成により、排気ガスが流れる流路を単純にすることができるので、排気ガスの通気損失が小さくなり、タービン１３の背圧を低減してガスタービン装置の出力効率を高めることができる。
【００２９】
図５は、本発明の第２の実施形態におけるガスタービン装置を模式的に示す断面図である。本実施形態では、排気口１２３が再生器１５の頂部に形成されており、排気ガスは再生器１５に流入する排気ガスの流れ方向と略垂直の方向にこの排気口１２３から排出される。その他の構成は上述した第１の実施形態と同様である。本実施形態では、再生器１５の内部を流れた排気ガスがそのままの方向で排出されるので、排気ガスの通気損失を更に小さくでき、ガスタービンの出力効率を更に高めることができる。また、排気口１２３を再生器１５の頂部に設けることにより、後流側の温水ボイラ３において排熱回収熱交換器３０を用いる場合に、排熱回収熱交換器３０を再生器１５に直列に接続することができ、接続における損失を減少することができる。
【００３０】
図６は、本発明の第３の実施形態におけるガスタービン装置の一部を模式的に示す断面図である。なお、特に説明しない構成は、第１または第２の実施形態の構成と同様である。図６に示すように、中間筒２１には周方向に等間隔に複数の通孔２１ａが形成されている。また、これらの通孔２１ａを塞ぐための複数の閉止弁３３が設けられ、さらに、閉止弁３３を駆動する駆動機構３４が外筒２０の外周面に設けられている。駆動機構３４は、閉止弁３３に連結される駆動軸３５と、この駆動軸３５を駆動するアクチュエータ（電磁石）３６とを備えている。駆動機構３４により閉止弁３３を開くと、空気圧縮機１１からの圧縮空気は外側流路２４から通孔２１ａを通って中間流路２５に流入し、再生器１５をバイパスする。
【００３１】
再生器１５をバイパスさせることは、主に次の２点を目的としている。まず、第１に、再生器１５は熱容量が大きいため、再生器１５が低温であると、圧縮空気を十分に加熱するにはある程度の長い時間を必要とする。このため、再生器１５が冷えた状態でガスタービン装置を起動させると、起動時間が長くなる。同様に、一旦、再生器１５が高温となると、ガスタービン装置が停止動作に入った後でも、環状燃焼器１２に供給される圧縮空気の温度がしばらく高温のままとなる。このため、圧縮空気を再生器１５に流通させると停止時間が長くなる。したがって、起動時及び停止時に再生器１５をバイパスさせることにより、ガスタービン装置の起動時間及び停止時間を短くすることができる。
【００３２】
第２に、定常運転時に再生器１５をバイパスさせることにより、再生器１５での熱交換量が低下し、結果として、再生器１５から排出される排気ガスの温度が高くなる。従って、図１に示す温水ボイラ（排熱回収装置）３での排熱回収量が増大し、温水あるいは蒸気の量を増加させることができる。このように、定常運転時に必要に応じて再生器１５をバイパスさせることにより、出力される熱量と発電量の比率を変えることができる。この場合、閉止弁３３の開度または開く閉止弁３３の数を調整することにより、圧縮空気のバイパス量を調整することができる。
【００３３】
本実施形態では、同軸上に配置された３つの筒２０，２１，２２によって３つの流路２４，２５，２６が形成されているので、中間筒２１に通孔２１ａを形成するだけで外側流路２４と中間流路２５とを連通することができる。従って、通孔２１ａを閉じる閉止弁３３および駆動機構３４の構造が簡略化でき、閉止弁３３および駆動機構３４の配置も容易となる。
【００３４】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるガスタービン装置を用いたガスタービン発電システムの全体構成を示す系統図である。
【図２】図１に示すガスタービン装置を模式的に示す断面図である。
【図３】外筒、中間筒、内筒から構成される３重管を軸方向から見た図である。
【図４】本実施形態における３重管を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるガスタービン装置を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態におけるガスタービン装置の一部を模式的に示す断面図である。
【図７】従来の３重管構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    ガスタービン装置
２    ガス圧縮装置
３    温水ボイラ（排熱回収装置）
１０    空気吸入ポート
１１    空気圧縮機
１２    環状燃焼器
１３    タービン
１４    発電機
１５    再生器
１６    回転軸
１７    ケーシング
１８    流路
１９    プレートフィン形熱交換器
２０    外筒
２１    中間筒
２１ａ  通孔
２２    内筒
２３，１２３    排気口
２４    外側流路
２５    中間流路
２６    内側流路
２７    接続管（接続通路）
２８    導入管（導入通路）
２９    圧縮空気出口
３０    排熱回収熱交換器
３１    排気ポート
３２    プラグプレート（案内板）
３３    閉止弁
３４    駆動機構
３５    駆動軸
３６    アクチュエータ
４１    配管
４２    温水パイプ
【図１】
2008095653.tif 000003
【図２】
2008095653.tif 000004
【図３】
2008095653.tif 000005
【図４】
2008095653.tif 000006
【図５】
2008095653.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008095653.tif 000009