(57)【要約】【課題】（１）本発明の目的は排熱回収により発生した蒸気の蒸発潜熱を有効活用し、簡易な構成により複数のボイラを用いた場合と同様な低圧飽和蒸気を発生させることによりエクセルギー効率の低下を抑え、（２）外部プロセスへの蒸気の供給を可能とし、（３）さらに大気中にガスを排気する際の白煙の発生防止をすることができる蒸気噴射ガスタービン発電装置を提供する。【解決手段】圧縮機、燃焼器、タービンからなるガスタービンと、エコノマイザと、蒸発部および過熱器を有する、蒸気噴射ガスタービン発電装置において、前記蒸発部で発生した飽和蒸気を加熱する蒸気過熱器と、前記蒸気過熱器にて過熱した蒸気により発電を行う蒸気膨張機と、前記エコノマイザで過熱した給水を膨張させ湿り蒸気を発生させる膨張弁と、前記膨張弁により発生した湿り蒸気の残りを飽和蒸気と飽和水に分離する汽水分離器と、分離した前記飽和水をエコノマイザの給水に混入する第１流路と、分離した前記飽和蒸気を蒸気膨張機より流出した高温蒸気と混入し燃焼器に注入する第２流路と、を備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、燃焼器、タービンからなるガスタービンと、エコノマイザと、蒸発部および過熱器を有する、蒸気噴射ガスタービン発電装置において、
前記蒸発部で発生した飽和蒸気を加熱する蒸気過熱器と、
前記蒸気過熱器にて過熱した蒸気により発電を行う蒸気膨張機と、
前記エコノマイザで過熱した給水を膨張させ湿り蒸気を発生させる膨張弁と、
前記膨張弁により発生した湿り蒸気の残りを飽和蒸気と飽和水に分離する汽水分離器と、
分離した前記飽和水をエコノマイザの給水に混入する第１流路と、
分離した前記飽和蒸気を蒸気膨張機より流出した高温蒸気と混入し燃焼器に注入する第２流路と、を備えたことを特徴とする蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【請求項２】
分離した前記飽和蒸気の一部を給水に供給する第３流路を備え、該第３流路に蒸気流量調整弁と、インライン混合加熱器と、を有することを特徴とする請求項１記載の蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【請求項３】
前記第２流路に低圧蒸気加熱器を備えることを特徴とする請求項１記載の蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は蒸気噴射ガスタービン発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】蒸気噴射型ガスタービンは排熱により発生した蒸気をタービンに噴出させて発電電力を増加するシステムで、代表的なものに図５に示すチェンサイクル等がある。図５では、エコノマイザにより加熱された給水は排熱回収ボイラに注入され、排熱回収ボイラにより発生された飽和蒸気が、蒸気過熱器によりさらに加熱され過熱蒸気として燃焼器に注入される。
さらに、近年では関連する技術として特許文献１〜特許文献３等が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１２９９８４号公報
【特許文献２】
特開平１１−２８０４９３号公報
【特許文献３】
特願２００１−３２０６８７号
【０００５】ここで、特許文献１は、図５に示す水又は水蒸気をガスタービン内部に噴射するガスタービン設備において、煙突より発生する白煙を防止するためのものである。このため、前記ガスタービンから出た高温の排ガスの一部を煙突内の低温排ガスに混入させおり、これにより、煙突からの排ガス温度を白煙が発生しない程度にまで上昇させるものである。
【０００６】特許文献２は、図５に示す水又は水蒸気をガスタービン内部に噴射するガスタービン設備において、前記ガスタービンから出た高温の排ガスにより加熱された高温水蒸気のエネルギーを他の蒸気タービンで回収することにより、単位蒸気量あたりの熱エネルギーの交換量を増加するものである。
【０００７】特許文献３は、図５に示す水又は水蒸気をガスタービン内部に噴射するガスタービン設備において、前記ガスタービンにより回転駆動されたブースト圧縮機を利用することにより、燃焼器内に流入する高温水蒸気の量を増大するものである。これにより従来使用されていなかった余剰蒸気を有効利用して、発電出力と熱効率を向上するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】これらの特許文献では、ガスタービン排熱で与えられた蒸気の蒸発潜熱は最終的には仕事として回収されず、排ガスと共に大気中に排気されてしまう問題点がある。また、排熱回収におけるエクセルギー効率の損失低減のためには、一般的にボイラドラムを複数用いる手法がとられるが、この場合システムが複雑となる問題点がある。さらに、従来蒸気噴射ガスタービン発生装置では、文献１で指摘された様に排ガス中の水蒸気比率が高く、大気中で水蒸気が凝縮して白煙が発生しやすい問題点があった。
【０００９】本発明は上述した種々の問題を解決するために創案されたものである。すなわち、（１）本発明の目的は排熱回収により発生した蒸気の蒸発潜熱を有効活用し、簡易な構成により複数のボイラを用いた場合と同様な低圧飽和蒸気を発生させることによりエクセルギー効率の低下を抑え、（２）外部プロセスへの蒸気の供給を可能とし、（３）さらに大気中にガスを排気する際の白煙の発生防止をすることができる蒸気噴射ガスタービン発電装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧縮機、燃焼器、タービンからなるガスタービンと、エコノマイザと、蒸発部および過熱器を有する、蒸気噴射ガスタービン発電装置において、前記蒸発部で発生した飽和蒸気を加熱する蒸気過熱器と、前記蒸気過熱器にて過熱した蒸気により発電を行う蒸気膨張機と、前記エコノマイザで過熱した給水を膨張させ湿り蒸気を発生させる膨張弁と、前記膨張弁により発生した湿り蒸気の残りを飽和蒸気と飽和水に分離する汽水分離器と、分離した前記飽和水をエコノマイザの給水に混入する第１流路と、分離した前記飽和蒸気を蒸気膨張機より流出した高温蒸気と混入し燃焼器に注入する第２流路と、を備えたことを特徴とする蒸気噴射ガスタービン発電装置提供される。
【００１１】上述した本発明の構成によれば、エコノマイザにより加熱された高温給水は、膨張弁にてフラッシュされ減圧される。減圧により高圧飽和水と飽和蒸気が生成された後、前記高圧飽和水を汽水分離器で飽和水と飽和蒸気に分離する。さらに、飽和水はエコノマイザの給水に混入しインライン混合加熱器により加熱を行い補給水と混合され、エコノマイザにより加熱され循環することにより、蒸発潜熱を有効活用し循環する給水の温度を上昇させることができ、これにより、大気中に放出する排ガス温度を高めて白煙の発生を防止することができる。
また、分離された飽和蒸気は、複数のドラムを持つ複圧ボイラにおける低圧蒸気と同等の蒸気として用いることが可能となる。
エコノマイザにより加熱された給水は、一部蒸発部に供給され、ボイラ内の圧力の維持に用いられる。蒸発部で加熱され生成された蒸気は、さらに蒸気過熱器により加熱され、蒸気過熱器の入口温度を十分高めることができる。これにより、蒸気膨張機の入口と出口間の温度差および圧力差を大きくすることができ、蒸気膨張機でのエネルギーの回収を可能とする。
また、膨張弁を通過した後および蒸気膨張機を通過した後の低圧の蒸気については、低圧蒸気過熱器で加熱後に燃焼器に投入することが可能となる。一般に燃焼器で燃焼を行う為には、投入される蒸気の温度、圧力、流量に制約があることを考慮すると、本構成によりこれらの特徴をうまく利用して効率よくエネルギーを変換することができる。
【００１２】本発明によれば、分離した前記飽和蒸気の一部を給水に供給する第３流路を備え、該第３流路に蒸気流量調整弁と、インライン混合加熱器と、を有することを特徴とする蒸気噴射ガスタービン発電装置が提供される。
【００１３】上述した本発明の構成によれば、白煙の発生の程度に応じて、蒸気流量調節弁の開度を調整し、分離蒸気により循環水の温度を調節することが可能となる。さらに、余分な蒸気については、プロセス蒸気として使用するまたは燃焼器に注入するといったことが可能となる。
【００１４】本発明によれば、前記第２流路に低圧蒸気加熱器を備えることを特徴とする蒸気噴射ガスタービン発電装置が提供される。
【００１５】上述した本発明の構成によれば、燃焼器に供給される蒸気の熱量が奪われた後でも、低圧蒸気過熱器による加熱を行い燃焼器へと投入することが可能となる。ここで、蒸気の熱量が奪われる場合とは、例えば白煙防止のために汽水分離器より分離された蒸気を大量に循環水と混合させた場合、プロセス蒸気を大量に外部に供給した場合等を示す。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】図１は、本発明の第１の実施形態を示す概念図である。本実施例では、供給された補給水は給水ポンプにより加圧されエコノマイザへと供給される。エコノマイザでは、排気を利用して給水を加熱する。エコノマイザで昇温された給水の一部は蒸発部に供給され、残りは膨張弁へと供給される。膨張弁により給水は、膨張され飽和水と蒸気が混在する状態になる。この水と蒸気が混在した状態で汽水分離器を通過させることにより、飽和水と飽和水蒸気が分離生成される。この後、分離された飽和水を補給水に、飽和水蒸気を燃焼器に供給する。
一方で、エコノマイザで昇温され蒸発部に供給された水は、過熱器にて過熱され、過熱蒸気となり蒸気膨張機に供給される。蒸気膨張機では、過熱蒸気により発電を行う。さらに、発電後の蒸気は、前記汽水分離器により分離された蒸気と混合され燃焼器へと供給される。
燃焼器により発生した排気ガスはタービンにより動力回収され圧縮機および発電機を駆動する。圧縮機では外部から酸素の吸入後に酸素を圧縮し燃焼器に供給する事により燃焼を増加させる。さらに、発電機では回収された動力により発電を行う。動力回収された排ガスは、過熱器、蒸発部および白煙防止用のエコノマイザを加熱後、排気として大気中に放出される。
【００１８】図２は、本発明の第２の実施形態を示す図である。本実施例では、汽水分離器により分離された蒸気の一部を、飽和蒸気弁およびインライン混合過熱器を介してエコノマイザに供給する給水に混入することにより、白煙防止の際にエコノマイザの給水の温度を制御できるようになっている。
【００１９】図３は、本発明の第３の実施形態を示す図である。本実施例では、汽水分離器により分離された飽和蒸気と、蒸気膨張機から排出された蒸気の混合蒸気を、低圧蒸気過熱器により過熱後、燃焼器へと注入する。また、汽水分離器より分離された飽和蒸気の一部は燃焼器に直接注入される。
さらに、図４には図３の実施形態における排熱回収線図を示す。この図において排熱回収ボイラの圧力は４０ａｔａに設定されている。また、ガスタービン排ガスの温度は８７度となっている。更にこの例で、発電出力は約６４００Ｋｗ、発電効率は約４０．８５％となる。本実施例では、補給水は約６０度、１３．１ａｔａで供給され給水ポンプと膨張弁により前記４０ａｔａ付近まで加圧される。さらに蒸発部および過熱器により約２５０度付近まで過熱され過熱蒸気となって蒸気膨張機に送られる。排熱回収線図において、蒸気の交換熱量が２５００Ｋｃａｌ／ｓ付近で約４５０度から３５０度付近まで下降しているのは、蒸気膨張機によるエネルギーの動力への変換を示している。蒸気はこの後、低圧蒸気過熱器により熱量を加えられ燃焼器へと供給される。低圧蒸気過熱器により燃焼器に投入される蒸気を過熱することにより、従来例のように出力／効率の向上を図ることができるだけでなく、白煙防止の為の給水への蒸気供給や、蒸気膨張機による発電およびプロセスへの蒸気供給により燃焼器へ投入する蒸気の温度が下がった場合でも、エクセルギーロスを低減することができる。
【００２０】また、上述した発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置では、給水ポンプ、膨張弁、汽水分離器により発生した飽和水の一部を白煙防止に用いるとともに、蒸発部により生成された蒸気を、先述の汽水分離器により生成された蒸気と混合することにより、プロセスへの蒸気供給をも可能としている。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは無論である。
【００２１】
【発明の効果】上述した本発明によれば、以下の効果が得られる。
１．蒸気膨張機出口に含まれる凝縮水は排熱回収ボイラによる蒸気潜熱の一部が膨張機の軸動力ならびに蒸気の顕熱に変換されたものである。蒸気膨張機へ供給される水の一部を膨張弁、汽水分離器により飽和水と飽和蒸気に分離し、飽和水を再蒸発させることなく系外に排除することができる。このため、最終的に排ガス中に含まれる蒸発潜熱を有効に回収しサイクル効率が向上する。
また、水をエコノマイザから膨張弁、汽水分離器を経て再度エコノマイザへ循環させ、その過程でフラッシュ蒸気として低圧蒸気を得る操作は、ボイラドラムなしで低圧蒸気を生成することができると同時に、膨張弁出口で圧倒的に液相の多い気液混相状態を作り出す役割も担っている。この状態が蒸気膨張機を出た蒸気にわずかに含まれる凝縮水ミストを効率よく分離することを可能にする。すなわち、サイクル率向上のための複圧蒸気による排熱回収と同等の効果を１個のドラムで実現できる。
２．蒸気膨張機により出力された蒸気を汽水分離器を経ずに燃焼室へ投入する構造としたことにより、その間で他のプロセスに用いられる蒸気を取り出して利用することができる。このため、ユーザーのニーズに合わせ、プロセス蒸気を利用することが可能となる。
３．蒸気膨張機、白煙の防止およびプロセスへの供給によって、燃焼器へ供給される蒸気の温度が下降した場合でも、低圧蒸気過熱器によって過熱されることにより、エクセルギーロスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置の第１実施形態の構成図である。
【図２】本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置の第２実施形態の構成図である。
【図３】本発明の蒸気噴射ガスタービン発電装置の第３実施形態の構成図である。
【図４】図３の排熱回収線図である。
【図５】従来の蒸気噴射ガスタービン発電装置の構成図である。
【符号の説明】
１  ガスタービン
１ａ圧縮機
１ｂ燃焼器
１ｃタービン
２  発電機
２ａ  減速機
３ａ  エコノマイザ
３ｂ  蒸発部
３ｃ  過熱器
３ｄ  低圧蒸気過熱器
３ｆ  給水ポンプ
１０  蒸気噴射ガスタービン発電装置
１２  蒸気膨張機
１４  汽水分離器
１６  膨張弁
１８  インライン混合過熱器
１８ａ  蒸気流量調節弁
２１  第１流路
２２  第２流路
２３  第３流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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