(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用の圧縮空気を加湿する加湿装置と、ガスタービン又は前記圧縮空気からの排熱を回収し前記加湿装置の加湿用水を昇温させる熱回収装置と、ガスタービンからの排熱を回収し前記加湿装置で加湿された燃焼用の圧縮空気を昇温させる再生熱交換器と、この再生熱交換器を通過した排ガス中の湿分を除湿回収する除湿装置と、除湿後の排ガスを加熱する排ガス再加熱装置とを有する高湿分利用ガスタービン設備において、前記高湿分利用ガスタービン設備の起動時から定格負荷運転時まで前記排ガス再加熱装置を通過した排ガス温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定した温度に基づいて運転制御され、前記温度測定手段で測定した排ガス温度が所定値以下の場合、前記排ガス再加熱装置の加熱温度を上昇させるとともに、前記温度測定手段で測定した排ガス温度が白煙を発生しない下限温度以上の場合、前記排ガス再加熱装置の加熱温度を下降させる加熱温度調節手段を設けたことを特徴とする高湿分利用ガスタービン設備。
【請求項２】
前記熱回収装置は、前記加湿装置の上流側に設置された空気冷却器と、前記再生熱交換器の下流側に設置されたエコノマイザを有する請求項１記載の高湿分利用ガスタービン設備。
【請求項３】
燃焼用の圧縮空気を加湿する加湿装置と、ガスタービン又は前記圧縮空気からの排熱を回収し前記加湿装置の加湿用水を昇温させる熱回収装置と、ガスタービンからの排熱を回収し前記加湿装置で加湿された燃焼用の圧縮空気を昇温させる再生熱交換器と、この再生熱交換器を通過した排ガス中の湿分を除湿回収する除湿装置と、除湿後の排ガスを加熱する排ガス再加熱装置とを有する高湿分利用ガスタービン設備において、前記高湿分利用ガスタービン設備の起動時から定格負荷運転時まで前記排ガス再加熱装置を通過した排ガス温度を測定する排気温度測定手段、および外気温度を測定する外気温度測定手段と、これら外気温度測定手段と排気温度測定手段との測定温度を比較する温度比較手段と、前記温度比較手段で測定した温度差に基づき運転制御され、この温度比較手段により所定値以下の温度差が検出された時、前記排ガス再加熱装置の加熱温度を上昇させ、前記温度比較手段で測定した温度差が白煙を発生しない温度差の下限値以上の場合、前記排ガス再加熱装置の加熱温度を下降させる加熱温度調節手段を設けたことを特徴とする高湿分利用ガスタービン設備。
【請求項４】
前記熱回収装置は、前記加湿装置の上流側に設置された空気冷却器と、前記再生熱交換器の下流側に設置されたエコノマイザを有する請求項３記載の高湿分利用ガスタービン設備。
【請求項５】
燃焼用の圧縮空気を加湿する加湿装置と、ガスタービン又は前記圧縮空気からの排熱を回収し前記加湿装置の加湿用水を昇温させる熱回収装置と、ガスタービンからの排熱を回収し前記加湿装置で加湿された燃焼用の圧縮空気を昇温させる再生熱交換器と、この再生熱交換器を通過した排ガス中の湿分を除湿回収する除湿装置と、除湿後の排ガスを加熱する排ガス再加熱装置とを有する高湿分利用ガスタービン設備において、前記熱回収装置と前記排ガス再加熱装置間に昇温水を循環させる再循環配管と、前記高湿分利用ガスタービン設備の起動時から定格負荷運転時まで前記排ガス再加熱装置を通過した排ガス温度を測定する温度測定手段と、前記再循環配管に設けられ前記温度測定手段で測定した温度に基づき運転制御され、前記温度測定手段での計測温度が所定値以下の場合に駆動される再循環ポンプと、前記再循環ポンプの回転数を制御して前記再循環配管を流れる昇温水の流量を調節し、前記温度測定手段で測定した排ガス温度が白煙を発生しない下限温度以上の場合、前記再循環ポンプの回転数を下降させる制御手段とを備えたことを特徴とする高湿分利用ガスタービン設備。
【請求項６】
燃焼用の圧縮空気を加湿する加湿装置と、ガスタービン又は前記圧縮空気からの排熱を回収し前記加湿装置の加湿用水を昇温させる熱回収装置と、ガスタービンからの排熱を回収し前記加湿装置で加湿された燃焼用の圧縮空気を昇温させる再生熱交換器と、この再生熱交換器を通過した排ガス中の湿分を除湿回収する除湿装置と、除湿後の排ガスを加熱する排ガス再加熱装置とを有する高湿分利用ガスタービン設備において、前記熱回収装置と前記排ガス再加熱装置間に昇温水を循環させる再循環配管と、前記排ガス再加熱装置を通過した排ガス温度を測定する温度測定手段と、前記再循環配管に設けられ前記温度測定手段での計測温度が所定値以下の場合に駆動される再循環ポンプとを備え、前記再循環配管は、流れる昇温水の流量を調節する流量調節手段が設けられ、前記流量調節手段は、前記再循環ポンプの吐出側に設けた流量調節弁と、この流量調節弁と前記再循環ポンプ間に接続された溢流配管であることを特徴とする高湿分利用ガスタービン設備。
【請求項７】
前記熱回収装置は、前記加湿装置の上流側に設置された空気冷却器と、前記再生熱交換器の下流側に設置されたエコノマイザを有し、このエコノマイザと前記排ガス再加熱装置間に昇温水を循環させる再循環配管が接続されていることを特徴とする請求項６記載の高湿分利用ガスタービン設備。
【請求項８】
燃焼用の圧縮空気を加湿する加湿装置と、ガスタービン又は前記圧縮空気からの排熱を回収し前記加湿装置の加湿用水を昇温させる熱回収装置と、ガスタービンからの排熱を回収し前記加湿装置で加湿された燃焼用の圧縮空気を昇温させる再生熱交換器と、この再生熱交換器を通過した排ガス中の湿分を除湿回収する除湿装置と、除湿後の排ガスを加熱する排ガス再加熱装置とを有する高湿分利用ガスタービン設備において、前記排ガス再加熱装置を通過する昇温水の温度を測定する昇温水温度測定手段と、この昇温水温度測定手段で測定した昇温水温度が所定値以下の場合、前記排ガス再加熱装置の昇温水温度を上昇させる昇温水温度調節手段を設けたことを特徴とする高湿分利用ガスタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高湿分利用ガスタービン設備に係り、特に、燃焼ガスの排気側に白煙発生防止用の排ガス再加熱装置を備えた高湿分利用ガスタービン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高湿分利用ガスタービン設備においては、排ガスをそのまま煙突等から大気中に排出すると、４０℃程度で湿分が飽和状態であるので、排気ガス中の湿分が凝縮して白煙が発生する。このような白煙の発生をなくすために、例えば、特許文献１に記載のように、外部へ排出する直前の排ガスの加熱することが行われている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８２８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の技術によれば、ガスタービン設備が安定した運転を行っている時や安定した外気温度であれば有効であるが、ガスタービン設備の起動時や冬期時等は、白煙の発生を防止できるだけの十分な熱量を排ガスに与えることができないために、十分に白煙の発生を防止することができなかった。一方、ガスタービン設備の起動時や冬期時を考慮して排ガスの加熱温度を高めに設定すると、夏期時に必要以上の熱を排ガスに与えることになり、余分な熱を排出することになり、熱効率を低下させることになる。
【０００５】
本発明の第１の目的は、年間を通じて白煙の発生を防止できる高湿分利用ガスタービン設備を提供することにある。
【０００６】
本発明の第２の目的は、年間を通じて白煙の発生を防止できると共に、余分な熱の排出を抑えて熱効率の低下を防止できる高湿分利用ガスタービン設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、燃焼用の圧縮空気を加湿する加湿装置と、ガスタービン又は前記圧縮空気からの排熱を回収し前記加湿装置の加湿用水を昇温させる熱回収装置と、ガスタービンからの排熱を回収し前記加湿装置で加湿された燃焼用の圧縮空気を昇温させる熱回収装置と、この熱回収装置を通過した排ガス中の湿分を除湿回収する除湿装置と、除湿後の排ガスを加熱する排ガス再加熱装置とを有する高湿分利用ガスタービン設備において、前記排ガス再加熱装置を通過する排ガス温度を測定する温度測定手段と、この温度測定手段で測定した排ガス温度が所定値以下の場合、前記排ガス再加熱装置の加熱温度を上昇させる加熱温度調節手段を設けたのである。
【０００８】
上記構成とすることで、日中及び年間を通じて排ガス温度の変化に応じて排ガス再加熱装置の加熱温度を制御できるので、外気温度変化に応じて排ガス温度を制御でき、その結果、年間を通じて白煙の発生を防止できると共に、余分な熱の排出を抑えることができるので高湿分利用ガスタービン設備の熱効率の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように本発明によれば、年間を通じて白煙の発生を防止できると共に、余分な熱の排出を抑えて熱効率の低下を防止できる高湿分利用ガスタービン設備を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明による高湿分利用ガスタービン設備の一実施の形態を図１に示す高湿分利用ガスタービン発電設備に基づいて説明する。
【００１１】
本実施の形態による高湿分利用ガスタービン発電設備は、ガスタービン１と同軸の空気圧縮機２及び発電機３と、燃焼器４とを有している。空気圧縮機２に吸入された空気ａは、圧縮昇温された圧縮空気ｂとなって吐出され、空気冷却器５で冷却された後、加湿装置である増湿塔６に導入される。増湿等５で加湿された加湿空気ｃは、熱回収装置を構成する再生熱交換器７を通過することで昇温され、燃焼用圧縮空気ｄとなって燃焼器４に噴出される。この燃焼器４には、燃料を供給する燃料配管８が連結され、この燃料配管で供給された燃料が前記燃焼用圧縮空気ｄと混合されて燃焼する。
【００１２】
前記燃焼器４で燃焼された燃焼ガスｅは、ガスタービン１に供給され、ガスタービン１を回転駆動することで空気圧縮機２及び発電機３を回転させる。ガスタービン１を通過した排ガスｆは、前記再生熱交換器７を通過することで熱交換を行って前記加湿空気ｃを昇温させた後、熱回収装置を構成するエコノマイザ９及び排ガスｆに含まれる湿分を回収する除湿装置である水回収装置１０、さらには湿分回収後の排ガスを加熱する排ガス再加熱装置１１を経由して煙突１２から大気中に放出される。
【００１３】
前記増湿等６は、水を保持し空気を通過する充填物１３を内蔵し底部に増湿用水１４を溜めている。増湿等６の底部の増湿用水１４は、増湿塔循環ポンプ１５によって、その一部Ａ１は、配管１６を通って前記排ガス再加熱装置１１で湿分回収後の排ガスの加熱に供される。排ガス再加熱装置１１を通過して降温された水Ｂは、前記エコノマイザ９で排ガスｆによって昇温され、この昇温水Ｃ１は配管１７を経由して前記増湿等６内の上部に設けられた散水器１８によって散水させられる。昇温水Ｃ１の散水によって前記充填物１３の表面に形成された水液膜に、空気冷却器５を経由して導入された圧縮空気ｂが直接接触することで昇温された水が蒸発して圧縮空気ｂを加湿する。
【００１４】
一方、増湿塔循環ポンプ１５によって送り出された増湿用水１４の他部Ａ２は、前記空気冷却器５で圧縮昇温された圧縮空気ｂの熱を冷却して昇温し、この昇温水Ｃ２は配管１９を通って前記配管１７の散水器１８側に至り、散水器１８から増湿塔６内に散水される。
【００１５】
尚、前記水回収装置１０は、復水ポンプ２０によって増湿用水１４を前記増湿等６内に補充するように構成されている。また、エコノマイザ９を出た排ガスは約２０重量％の高湿分であり、このまま煙突１２から放出した場合、煙突１２内で結露したり白煙を発生したりするので、これを防止するために、水回収装置１０は、回収水循環ポンプ２１，回収水冷却器２２，散水器２３を経由して、上部から散水して排ガス中の湿分を回収している。また、回収の際に失った水は、補給水ポンプ２４で供給される。
【００１６】
ところで、水回収装置１０を通過した排ガスは、温度が約４０℃の飽和状態であるために、排ガス再加熱装置１１で増湿塔６の底部から昇温された増湿用水１４の一部Ａ１によって加熱し、白煙が発生するのを防いでいる。
【００１７】
さらに本実施の形態においては、前記エコノマイザ９の出口側の配管１７と排ガス再加熱装置１１に至る配管１６とをバイパスさせる再循環配管２５を設け、この再循環配管２５に、昇温水Ｃ１を排ガス再加熱装置１１に送水する再循環ポンプ２６を設けたのである。そして、この再循環ポンプ２６の回転数を、排ガス再加熱装置１１の出口側における排ガスの温度を測定する温度測定手段２７の測定温度に基づいて図示しない演算処理手段によって制御するようにしたのである。
【００１８】
次に、上記構成における動作を説明する。
【００１９】
高湿分利用ガスタービン発電設備の起動時には、当然ながら煙突１２から放出される排ガス温度は低く、この状態ではまだ再循環ポンプ２６は停止している。しかし、排ガス温度を温度測定手段２７によって測定し、その測定結果を演算処理手段（図示せず）で処理して白煙を発生させる排ガス温度である判断された場合、再循環ポンプ２６の駆動と回転数を指示する。演算処理手段からの指示により、再循環ポンプ２６が駆動されると、図２（ａ）に示すように、排ガス再加熱装置１１に供給される増湿用水１４の一部Ａ１による高温水合流前の給水温度Ｔ１に比べて、エコノマイザ９からの昇温水Ｃ１を再循環配管２５から合流させた高温水合流後の給水温度Ｔ２は再循環ポンプ２６の回転数の上昇に伴って上昇する。その結果、排ガスに付与する熱量を増加させることができるので、白煙の発生を防止できるのである。
【００２０】
ところで、排ガス再加熱装置１１に高温水を再循環させることで、その分、排ガスへ付与する熱量が増加するので、図２（ｂ）に示すように、増湿塔６内への散水量Ｑを一定にすると散水温度Ｔ３が低下する。散水温度Ｔ３が低下すると増湿塔６内での圧縮空気ｂへの加湿量が減少し、その結果、図２（ｃ）に示すように、発電出力を一定に維持した場合、ガスタービン駆動用の燃料の供給量が増加するので、発電機３の発電効率（熱効率）が低下する。
【００２１】
そこで、発電効率の低下を防ぐために、演算処理手段で再循環ポンプ２６の回転数を木目細かに制御して再循環配管２５から排ガス再加熱装置１１への昇温水Ｃ１の流量を調節し、白煙の発生を防止するのに必要となる以上の熱量を排ガスに付与しないようにしている。例えば、白煙が発生しない排ガス排出条件では、再循環ポンプ２６の運転を止めて排ガス再加熱装置１１への昇温水Ｃ１の供給を停止することで、余分な熱の排出を防ぐことができ、発電効率の低下を抑制することができる。
【００２２】
次に、上記再循環ポンプ２６の回転数制御による白煙発生の防止を、図３に示す高湿分利用ガスタービン発電設備の起動時から定格負荷時までの流れに沿って説明する。
【００２３】
図３は、大気温度・絶対湿度条件下（Ａ）での煙突１２の出口の排ガス温度と絶対湿度との関係を示したものであり、（Ｂ）は高湿分利用ガスタービン発電設備の起動時に再循環ポンプ２６を駆動した場合の排ガス条件を、（Ｃ）は高湿分利用ガスタービン発電設備の起動時に再循環ポンプ２６を使用しなかった場合の排ガス条件を示す。さらに、（Ｄ）は定格負荷時に再循環ポンプ２６を使用した場合の排ガス条件を、（Ｅ）は定格負荷時に再循環ポンプ２６を使用しなかった場合の排ガス条件を示す。
【００２４】
高湿分利用ガスタービン発電設備の起動時に、再循環ポンプ２６を使用しないと、排ガス条件は（Ｃ）の条件で排出され、排ガスの周りの大気と混合しながら、図中の破線（３）に沿って温度と湿度が低下して行き、最終的に大気状態（Ａ）に戻る。この大気状態に戻るとき、空気の飽和湿度曲線（１）を交差するため過飽和状態となり、白煙が発生する。
【００２５】
しかし、再循環ポンプ２６を駆動してエコノマイザ９からの高温水を排ガス再加熱装置１１に供給して排ガス温度を（Ｂ）まで上昇させると、排出ガスは破線（２）に沿って温度と湿度が低下し大気状態（Ａ）に戻る。このとき、空気の飽和湿度曲線（１）を交差しないので白煙は発生しない。
【００２６】
尚、（Ｂ）は、起動時において白煙が発生しない下限温度であるので、排ガス温度を（Ｂ）以上に上昇させればよいが、安易に排ガス温度を（Ｂ）以上に加温すると、その分外ガスに熱量を付与することになるので、余分な熱を排出して発電効率を低下させることになる。したがって、排ガスの再加熱は、白煙が発生しない加減温度である（Ｂ）となるように加熱することが望ましい。
【００２７】
高湿分利用ガスタービン発電設備の起動時から負荷上昇時に、再循環ポンプ２６を一定回転で駆動した場合、排ガスは（Ｂ）から図中の点線（４）に沿って排出条件が変化し、定格負荷時には（Ｄ）の条件で排出される。一方、負荷上昇に伴って排ガス温度も上昇するために、再循環ポンプ２６を駆動しない場合の排ガス条件（Ｅ）においても白煙を発生しない条件となっている。このような場合には、必要以上の熱量を排ガスに付与して発電効率を低下させることになるので、再循環ポンプ２６の回転数を下げる制御して排ガス条件（Ｂ）から図中の線（５）に沿って（Ｅ）まで変化させ、定格負荷に達したら再循環ポンプ２６の運転を停止させればよい。このように再循環ポンプ２６を制御することで、排ガス再加熱用給水温度（排ガス温度）が低温時の白煙の発生を抑制できると共に、排ガス再加熱用給水温度（排ガス温度）が高温時の余分な熱の排出を防止して発電効率の低下を抑制することができる。
【００２８】
ところで上記実施の形態においては、煙突１２から放出される排ガス温度を温度測定手段２７で測定して、再循環ポンプ２６を制御するものであるが、排ガス再加熱装置１１に供給される高温水の温度を測定して再循環ポンプ２６を制御するようにしてもよい。また、排ガス再加熱装置１１を通過する排ガスの温度を測定する排気温度測定手段と、外気温度を測定する外気温度測定手段と、これら外気温度測定手段と排気温度測定手段との測定温度差を比較する演算処理手段などの温度差比較手段とを設け、この温度差比較手段により所定値以上の温度差が検出された時、再循環ポンプ２６を制御するようにしてもよい。
【００２９】
この外、再循環ポンプ２６の回転数を制御する代わりに、再循環ポンプ２６の出口側に温度測定手段２７の測温結果に基づいて開角制御される再循環流量調節弁を設け、かつこの再循環流量調節弁と再循環ポンプ２６との間に溢流配管の一端を接続し他端を配管１７の下流側に接続して流量調節するようにしてもよい。
【００３０】
この流量調節機構を採用することで、再循環流量調節弁の開角調節により、排ガス再加熱装置１１への高温水供給の調節を行うことができ、排ガス再加熱装置１１へ供給に必要とならない高温水は配管１７を経由して増湿塔６内に散水される。その結果、再循環ポンプ２６は回転数制御を必要としないので安価なポンプを用いることができる。
【００３１】
さらに、上記実施の形態において、エコノマイザ９からの昇温水Ｃ１の供給のみで、増湿塔６内における圧縮空気ｂへの加湿が十分に行われる場合には、空気冷却器５を省いても良い。
【００３２】
以上の説明は、高湿分利用ガスタービン発電設備における起動から定格負荷運転に至る間に発生する白煙と発電効率の低下を抑制するものであるが、冬期時において大気温度が低い場合においても同じ設備で同じような運転を行うことで、同様な効果を奏することができる。その結果、日中及び年間を問わず白煙の発生を防止し、余分な熱の排出を抑えて熱効率の低下を抑制することができる。
【００３３】
図４は、本発明による高湿分利用ガスタービン設備である高湿分利用ガスタービン発電設備の他の実施の形態を示すもので、図１に示す符号と同符号は、同一府品を示すので、再度の説明は省略する。
【００３４】
本実施の形態において、図１の実施の形態と異なる構成は、増湿等６に戻る配管１９と排ガス再加熱装置１１に至る配管１６とを再循環配管２８で接続し、この再循環配管２８に温度測定手段２７に応じて回転数を制御される再循環ポンプ２９を設け、空気冷却器５で昇温された昇温水Ｃ２の一部を温度測定手段２７に供給するようにしたのである。
【００３５】
本実施の形態によれば、配管１６から排ガス再加熱装置１１へ供給される給水温度が低く、煙突１２へ至る排ガス温度が低い場合には、温度測定手段２７の計測温度によって、再循環ポンプ２６，２９を駆動して回転数を制御する。これら再循環ポンプ２６，２９の回転数制御により、排ガス再加熱装置１１へ供給される高温水量が増加し、排ガスに付与する熱量を増加させて白煙の発生を抑制することができる。
【００３６】
また、白煙が発生しない条件では、再循環ポンプ２６，２９を停止させて、エコノマイザ９及び空気冷却器５からの昇温水Ｃ１，Ｃ２の排ガス再加熱装置１１への供給を停止させることで、余分な熱の大気中への排出を低減させ発電効率の低下を防止することができる。
【００３７】
尚、図４に示す実施の形態において、空気冷却器５も本発明による熱回収装置の一つであるので、空気冷却器５を通過した昇温水Ｃ２によって、増湿塔６内での圧縮空気ｂへの加湿と排ガス再加熱装置１１の加熱が十分に行える場合には、エコノマイザ９，配管１７，再循環配管２５，再循環ポンプ２６を省略し、かつ排ガス再加熱装置１１で降温された水Ｂを増湿塔６内に散水するようにしても良い。
【００３８】
ところで、以上の各実施の形態において、本発明による排ガス再加熱装置の過熱温度を上昇させる加熱温度調節手段及び昇温水温度調節手段は、図示しない演算処理手段とそれによって制御される再循環ポンプ２６，２９及び再循環流量調節弁、これらに加えて熱源となる空気冷却器５，エコマナイザ９が該当する。尚、熱源を再生熱交換器７としてもよい。また、本発明による流量調節手段としての流量調節弁は、再循環流量調節弁である。
【００３９】
また、上記各実施の形態は、負荷として発電機を連結した高湿分利用ガスタービン発電設備を説明したが、本発明の高湿分利用ガスタービン発電設備は発電機以外の負荷を駆動することに使用できることは云うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による高湿分利用ガスタービン設備の一実施の形態である高湿分利用ガスタービン発電設備を示すブロック図。
【図２】再循環ポンプの回転数に対する給水温度、散水温度と流量、発電出力と効率を示す線図。
【図３】白煙の発生と発生回避との関係を示す線図。
【図４】本発明による高湿分利用ガスタービン設備の他の実施の形態である高湿分利用ガスタービン発電設備を示すブロック図。
【符号の説明】
【００４１】
１…ガスタービン、２…空気圧縮機、３…発電機、４…燃焼器、５…空気冷却器（熱回収装置）、６…増湿塔（加湿装置）、７…再生熱交換器、９…エコノマイザ（熱回収装置）、１０…水回収装置（除湿装置）、１１…排ガス再加熱装置、２５，２８…再循環配管、２６，２９…再循環ポンプ、２７…温度測定手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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