(57)【要約】【課題】システム全体を複雑化することなく伝熱管の損傷を抑制することができるガスタービン設備を提供する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器４と、燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービン１と、タービン排ガスにより液相の水を加熱する温水器６とを備えたガスタービン設備において、温水器に導かれる排ガスに冷却水を噴霧する噴霧水装置７を設ける。この噴霧水装置７からの水噴霧によって、排ガス温度を温水器６内の水の飽和温度以下に調節する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、タービン排ガスにより液相の水を加熱する温水器とを備えたガスタービン設備において、前記温水器に導かれる排ガスに水を供給する水供給装置を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
空気または空気を主体とする支燃焼ガスを昇圧する圧縮機と、昇圧された空気又は支燃焼ガスと燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記燃焼器に供給される昇圧された空気又は支燃焼ガスとタービン排ガスとを熱交換する再生熱交換器と、該再生熱交換器を経た排ガスにより液相の水を加熱する温水器と、該温水器で加熱された水によって前記再生熱交換器に導かれる圧縮空気を加湿する加湿装置とを備えたガスタービン設備において、前記温水器入口の排ガスに水を供給する水供給装置を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項３】
前記温水器から水供給装置に前記排ガスへの供給水を導く系統を備えたことを特徴とする請求項１，２に記載のガスタービン設備。
【請求項４】
前記温水器は、前記水供給装置によって排ガスに供給された水の未蒸発分を回収する水回収部を備えたことを特徴とする請求項１，２に記載のガスタービン設備。
【請求項５】
前記水回収部で回収された水を昇圧するポンプと、該ポンプで昇圧された回収水を前記排ガスへの供給水として前記水供給装置に導く系統を設けたことを特徴とする請求項４に記載のガスタービン設備。
【請求項６】
前記水供給装置は、該水供給装置から排ガスに供給された水が前記温水器の伝熱管表面を濡らすように供給するものであることを特徴とする請求項１，２に記載のガスタービン設備。
【請求項７】
前記温水器入口と出口の排ガス温度に基づいて、前記水供給装置が排ガスに供給する水の供給量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１，２に記載のガスタービン設備。
【請求項８】
前記制御装置は、前記温水器入口の排ガス温度が温水器伝熱管内の水の飽和温度以下で、かつ温水器出口の排ガス温度が排ガスの酸露点よりも高い温度に排ガスに供給する水の温度を制御するものであることを特徴とする請求項７に記載のガスタービン設備。
【請求項９】
ガスタービンシステムの起動又は停止時に、前記圧縮機で昇圧された空気又は支燃焼ガスに対する加湿装置からの水の供給を停止させ、前記タービン排ガスに対して前記水供給装置から水を供給するように制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン設備。
【請求項１０】
空気を圧縮する圧縮機と、圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、タービン排ガスと前記燃焼器に供給される圧縮空気とを熱交換する再生熱交換器と、該再生熱交換器を経た排ガスにより液相の水を加熱する温水器とを備えたガスタービン設備の制御方法において、前記温水器入口の排ガス温度が温水器伝熱管内の水の飽和温度以下で、かつ温水器出口の排ガス温度が排ガスの酸露点よりも高い温度に排ガスに供給する水の温度を制御することを特徴とするガスタービン設備の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮空気中に液相の水を添加することにより、ガスタービン設備の熱効率を向上させるようにしたＨＡＴ（Ｈｕｍｉｄ  Ａｉｒ  Ｔｕｒｂｉｎｅ）サイクルにおいて、特開２０００−１０４５６３号公報には、補給水流量を調節して増湿器の出口水温を制御することにより、給水加熱器内の給水の沸騰による伝熱管の損傷を防止するようにしたガスタービン発電プラントが記載されている。
【０００３】
また、特開平５−２１４９５６号公報には、再生式ガスタービン発電プラントにおいて、再生熱交換器より排ガスボイラ１３を通る排ガスボイララインより排ガスボイラをバイパスする排ガスボイラバイパスラインを設け、このバイパスラインに風量調整ダンパを設けると共に、この風量調整ダンパを排ガスボイラの温水出口に設置された温度調整器によって温水温度に基づいて調節するようにした技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１０４５６３号公報（第４頁、図１）
【特許文献２】
特開平５−２１４９５６号公報（第３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のようなガスタービン排ガスの熱を利用して温水を製造するシステムにおいては、排ガス温度の大幅な上昇や、温水器内の水の流動停止が生ずる運転条件では、温水器伝熱管内の水が沸騰し、温度や圧力の急激な変動によって温水器伝熱管を損傷させてしまう可能性がある。また、温水器伝熱管内の沸騰を防止するために２次冷却系統やバイパスラインを設置することは、付帯設備の増加につながり、システムが複雑化してしまう。
【０００６】
本発明の目的は、システム全体を複雑化することなく伝熱管の損傷を抑制することができるガスタービン設備を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では温水器に流入する排ガス中に水を供給する装置を設けて排ガス温度を下げることにより、温水器伝熱管内の沸騰を防止し、システム全体を複雑化することなく伝熱管の損傷を抑制するようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例であるガスタービン発電プラントの系統図を示す。図１に示すガスタービン設備は、空気２１を昇圧する圧縮機２と、圧縮空気をタービン排ガスにより加熱する再生熱交換器５と、圧縮機から吐出される圧縮空気２２に液相の水を添加する加湿部８と、燃料２０の燃焼により圧縮空気を加熱して燃焼ガスを発生させる燃焼器４と、該燃焼ガスを膨張させて動力を取り出すタービン１と、該動力を電気に変換する発電機３と、タービン排ガス２３により液相の水１１を加熱する温水器６とにより構成される。温水器６で加熱された水は加湿部８（加湿装置）に供給される構造となっている。また、温水器入口の排ガス中に水１０を供給する水供給装置として噴霧水装置７を有している。排ガスに供給される水は、流量調節弁３０（バルブ）を介して噴霧水装置７に導かれる。この噴霧水装置７の具体例としては、例えば噴霧ノズルがある。
【０００９】
このシステムでは、通常の運転時には圧縮空気は加湿部８において液相の水を添加されることにより冷却され、再生熱交換器５に流入する圧縮空気温度は例えば１５０℃程度である。再生熱交換器５では、ガスタービン排ガスと圧縮空気の間で熱交換が行われ、再生熱交換器５を出た排ガス２３の温度は例えば２００℃程度である。この排ガスは温水器６で給水と熱交換し、温水器６からは１００℃以上の温水を得ることができる。なお、通常の運転において温水器６では、温水を圧縮機２から吐出した高圧空気中に供給可能な圧力まで加圧しているので温水器伝熱管内の水の飽和温度は２００℃近くなり、排ガス２３の温度が２００℃程度の通常運転時に温水器伝熱管内の水が沸騰することはない。
【００１０】
しかし、図１に示すシステム起動時は空気流量も燃料流量も少なく、燃焼安定性を確保するために、燃焼器に流入する空気には湿分を加えない運転方法が考えられる。この場合、再生熱交換器５に流入する圧縮空気の温度は、例えば３００℃程度と高温となり、再生熱交換器出口、つまりは温水器入口の排ガス温度２３は３００℃を超える高温となる。また、加湿部８への水の供給が行われないため、温水器伝熱管内は水が滞留した状態となり、運転条件によっては、温水器配管内の水が沸騰して伝熱管６ａを損傷する可能性がある。これを防ぐため、本実施例では温水器入口に設置した噴霧水装置７によって、再生熱交換器５を経た排ガス中に噴霧水を供給し、排ガス温度を低下させている。
【００１１】
ただし、通常運転時は前述したように、排ガス温度が低く、かつ、温水器内の水も流動しているため、排ガス中に水を供給する必要はない。システムの起動や停止時のような過渡時に温水器入口の排ガス温度を監視し、排ガス温度が温水器６の水１１の飽和温度以下となるように噴霧水の温度，流量を調節する。このとき、噴霧水の供給量が多すぎると排ガス温度２４が下がりすぎて、排ガス中の水分が伝熱管表面上で結露しやすくなる。この結露した水に排ガス中の燃焼生成物が溶け込むと酸性となるため、金属製の伝熱管を腐食させ熱交換器の長期信頼性を損なうこととなる。それゆえ、温水器出口排ガス温度が酸露点よりも十分高い温度、例えば１６０℃程度となるように噴霧量を調節する。さらに、システムの起動・停止時のみならず、通常運転中において、温水器給水系の故障による緊急時の対応としても水の噴霧は利用可能である。以上のように、排ガス温度上昇時や温水器内の水の流動停止時に温水器入口の排ガス中に冷却水を噴霧することにより、温水器内の水が沸騰することを防ぎ、温水器の伝熱管の損傷を防止することができる。また、本実施例によれば従来における排ガスバイパスラインを追加設置する構成に対してシステムを簡素化させることができる。
【００１２】
図２は、本発明の他の実施例を示す図である。本実施例では、温水器６の給水を噴霧水装置７の給水として利用するように構成している。具体的には、温水器６に供給された水１１の一部を、水供給量を制御する流量調節弁３０を介して噴霧水装置７に供給する系統を設けている。
【００１３】
システムの起動時には加湿部８に水を供給するラインのバルブ３１を閉め、排ガス中に水を供給する噴霧水装置７のラインの流量調節弁３０を開けることにより、噴霧水が供給され缶ガス温度を低下させることが可能となる。この例では、噴霧水装置７で噴霧する水を温水器６から供給することを特徴とする。これにより、排ガス２３の温度が高い条件においても温水器内の水が滞留することなく流動するので温水器配管内での沸騰を防止できると共に、図１の実施例に示した噴霧水供給ラインを削減することができる。
【００１４】
ここで、加湿部８および噴霧水装置７への水の供給方法について説明する。システムの起動後、出力の増加に伴い温水器入口の排ガス温度は高くなる。排ガス温度が例えば１９０℃を超えると噴霧水装置７のラインの流量調節弁３０を徐々に開けて、排ガス温度が１９０℃以下となるよう噴霧量を制御する。そして、システムの出力を増加させて定格運転に近づいていく段階において、加湿部８に水を供給するラインのバルブ３１を徐々に開けていく。これにより排ガス温度２３は徐々に低下するので、温水器入口温度が酸露点以下にならないよう流量調節弁３０を徐々に閉めていき、温水器入口の温度が２００℃程度で安定したら流量調節弁３０を完全に閉める。反対に、システムの停止時はこの操作の逆となる。
【００１５】
図３及び図４は水噴霧の実施例を示したものである。給水母管４０に取り付けられた噴霧ノズル４１から水は微細な液滴となって排ガス中に噴霧される。図３のように排ガスの流れと順方向に噴霧を行うと噴霧に伴う排ガスの圧力損失が小さく、液滴はより下流側まで到達するため、温水器伝熱管表面を一様に濡らすのに好適である。一方、図４のように流れと逆方向に噴霧を行うと圧力損失は若干大きくなるが、排ガスと噴霧された液滴の相対速度が局所的に大きくなり、蒸発が促進されるので、液滴の蒸発に必要な容積が小さくて済み、冷却水噴霧構造がコンパクトになる。排ガスの流れ方向と水噴霧の方向は順方向と逆方向に限られるものではなく、これらを組み合わせる、あるいは排ガスと水噴霧の方向が直交するものでもよい。
【００１６】
図５は噴霧水が給水ヘッダー５０に取り付けられた複数の噴霧ノズルから排ガスと直交して噴霧される他の実施例である。この例は液滴密度が高く、かつ、均一な噴霧を行うことができるので排ガスの空間的な温度分布の偏りを少なくして、温度を低下させるのに好適である。給水ヘッダーは図中に示した横置きに限らず、縦置きでも何ら支障はない。
【００１７】
図６は排ガスの流れと逆方向に噴霧を行う場合の噴霧装置と温水器伝熱管の相互関係を示す実施例で、噴霧位置は噴霧水の大部分が蒸発するのに十分な距離を想定してある。例えば水の平均液滴が約５０μｍのものを３００℃で流速が１０ｍ／ｓの排ガス中に噴霧し、排ガス温度が１９０℃まで低下するのは噴霧位置から約２ｍ下流となる。この時、排ガス中への噴霧水量は排ガス質量の約４％である。液滴の蒸発速度は液滴径に大きく影響されるので、液滴径が適切となるノズルを選定すれば、液滴が伝熱管に達する前に蒸発させることができる。排ガス中に浮遊している液滴が多数存在した場合、この液滴が伝熱管に衝突すると、液滴の蒸発時に伝熱管表面に不純物が蓄積して、伝熱特性の劣化や伝熱管の腐食の問題が発生しやすくなる。故に、噴霧水を完全に蒸発させて排ガス温度を低下させる構造の場合には、排ガスの流れと逆方向に噴霧を行い蒸発するに必要な距離を確保することが効果的な方法となる。
【００１８】
図７は排ガスの流れと順方向に噴霧を行う場合の噴霧装置と温水器伝熱管の相互関係を示す実施例である。噴霧位置は例えば温水器伝熱管の上流１ｍ以内であり、ノズルから噴霧された液滴が温水器伝熱管を均一に濡らす。この方法を用いれば、伝熱管表面は液膜に包まれるため、排ガス温度が十分に低下しなくても、温水器伝熱管内は水の飽和温度よりも低くなるので、伝熱管内の水が沸騰することはない。また、この実施例においては蒸発せずに残留したドレン水を水回収部６０で回収し、この回収水を噴霧水として再利用するように構成している。水回収部６０で回収された水は、水を昇圧するポンプを介して、噴霧水装置７に水１０を供給する系統に導入される。本実施例のように、未蒸発分の水を回収して噴霧水装置７での噴霧水として再利用することで、噴霧水装置７に供給する水１０の水量を低減することができる。
【００１９】
図８は噴霧水の流量制御装置を有する本発明の一実施例である。温度センサ３５により、噴霧手段上流側および下流側，温水器入口，温水器出口の排ガス温度を測定し、それに応じて流量調節弁３０をコントロールする制御装置３３を備えている。これにより、排ガス温度の変化に応じて、冷却水の噴霧量の調節を行うことができ、排ガス温度を目標とする温度範囲に保つことができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、システム全体を複雑化することなく伝熱管の損傷を抑制することができるガスタービン設備を提供できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるガスタービン設備の系統図。
【図２】本発明の他の実施例であるガスタービン設備の系統図。
【図３】噴霧水装置の一実施形態を示す図。
【図４】噴霧水装置の一実施形態を示す図。
【図５】噴霧水装置の一実施形態を示す図。
【図６】噴霧水装置の一実施形態を示す図。
【図７】噴霧水装置の一実施形態を示す図。
【図８】噴霧水の制御装置。
【符号の説明】
１…タービン、２…圧縮機、３…発電機、４…燃焼器、５…再生熱交換器、６…温水器、７…噴霧水装置、８…加湿部、３０…流量調節弁、３３…制御装置、３５…温度センサ、４０…給水母管、４１…噴霧ノズル、５０…給水ヘッダー。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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