(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２）で圧縮した圧縮空気を燃焼器（３）の手前で全量抽気し、これをタービン排熱による再生熱交換器（１６）で加熱した後、燃焼器に供給する再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置において、
前記圧縮空気を昇圧して再生熱交換器に供給する空気昇圧装置（２０）と、該空気昇圧装置をバイパスして圧縮空気を燃焼器に直接供給するバイパス空気ライン（２３）と、該バイパス空気ラインに設置され圧縮機側が燃焼器側より圧力が高いときのみ該ラインを連通させる逆止弁（２４）とを備えたことを特徴とする再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【請求項２】
前記空気昇圧装置（２０）は、タービン（２０ａ）と圧縮機（２０ｂ）が機械的に連結されたターボコンプレッサであり、該タービン（２０ａ）は、タービン排熱による排熱回収ボイラ（１２）で発生した高圧蒸気で駆動される、ことを特徴とする請求項１に記載の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【請求項３】
前記ターボコンプレッサのタービン（２０ａ）を出た水蒸気の少なくとも一部が圧縮機（２０ｂ）を出た高圧空気と混合され、再生熱交換器（１６）に供給され、前記水蒸気の残部はプロセス蒸気として、外部に供給される、ことを特徴とする請求項２に記載の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【請求項４】
前記排熱回収ボイラ（１２）は、低圧蒸気と高圧蒸気を発生し、前記タービン（２０ａ）は、高圧蒸気で駆動され、低圧蒸気はタービンをバイパスして圧縮機（２０ｂ）を出た高圧空気と混合され、再生熱交換器（１６）に供給される、ことを特徴とする請求項２に記載の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【請求項５】
前記空気昇圧装置（２０）は、タービン（２０ａ）、圧縮機（２０ｂ）及び発電機（３１）が機械的に連結されたタービン発電機である、ことを特徴とする請求項１に記載の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【請求項６】
前記燃焼器（３）で発生する燃焼ガスにより駆動され圧縮機（２）を駆動するタービン（７）を備え、前記空気昇圧装置（２０）は、互いに機械的に連結されたタービン（２０ａ）と圧縮機（２０ｂ）からなり、かつそのタービン軸は、前記タービン（７）で駆動される発電機（１１）に機械的に連結されている、ことを特徴とする請求項１に記載の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置。
【請求項７】
前記空気昇圧装置（２０）は、タービン排熱による排熱回収ボイラ（１２）で発生した高圧蒸気で駆動されるエジェクターである、ことを特徴とする請求項１に記載の再生式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、発電と水蒸気生成を行うガスタービン発電装置に係り、更に詳しくは、ガスタービンに昇温・昇圧した空気とともに水蒸気を噴射する再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンへ水蒸気を注入する二流体サイクルガスタービンとしては、例えば特公昭５４−３４８６５号の「二作動流体ヒートエンジン」が知られている。
この二流体サイクルガスタービン（以下、発明者の名前からチエン・サイクルと呼ぶ）は、図７に例示するように、絞り弁１、コンプレッサー２、燃焼室３、水処理装置４、ポンプ５、熱交換器６、タービン７、８、コンデンサー９、等から構成され、大気中から吸入した空気をコンプレッサー２で圧縮して燃焼室３に供給し、この圧縮空気で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスによりタービン７、８を駆動してコンプレッサー４及び負荷を駆動し、更にタービンを出た燃焼ガスにより熱交換器６で水蒸気を発生させ、コンデンサー９で水分を回収して大気中に放出するようになっている。
かかるチエン・サイクルは、燃焼室３に熱交換器６で発生した水蒸気Ｓを噴射するためタービンに流入する燃焼ガスの流量が増大し、かつ燃焼ガスの比熱が増大することからタービンの出力と熱効率を高めることができる特徴を有している。
【０００３】
また、このチエン・サイクルを改善した二流体サイクルガスタービンとして、本願発明の発明者は、特公平８-２６７８０号を創案し出願している。
【０００４】
特公平８-２６７８０号の「部分再生式二流体ガスタービン」は、図８に模式的に示すように、空気を圧縮する圧縮機２と、燃料を燃焼させる燃焼器３と、燃焼ガスにより駆動され圧縮機を駆動するタービン７とからなるガスタービンと、水蒸気Ｓ（飽和蒸気）を駆動源として圧縮空気を昇圧しかつ両流体を混合する混合器１０と、タービン７の下流に設けられ混合器１０による混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器６と、過熱器６の下流に設けられタービン排気を熱源として水を蒸発させる排熱ボイラ１２と、圧縮機２による圧縮空気の一部を燃焼器３へその残部を混合器１０に導くための空気ライン１３と、排熱ボイラ１２による水蒸気Ｓの一部を混合器に送る主蒸気ライン１４と、混合器１０による混合ガスを過熱器６を介して燃焼器３に導くための混合ガスライン１５と、を備えたものである。
【０００５】
この部分再生式二流体ガスタービンでは、ガスタービンの排熱を回収して生成された水蒸気Ｓで圧縮空気の一部を吸引・混合し、更に過熱器６でガスタービンの排熱回収を行った後、燃焼器内に噴射するので、ガスタービンの排熱回収で温度を高められた空気の分、チエン・サイクルより多くのエネルギー回収ができ、サイクル効率を向上させることができる。
【０００６】
図９と図１０は、上述したチエン・サイクルと二流体ガスタービンの排熱回収線図である。これらの図において、横軸はガスタービン排ガスを基準とした交換熱量、縦軸は温度である。なお、横軸は具体的にはガスタービン排ガスの０℃を基準とするエンタルピーに相当する。
これらの図において、ガスタービン排ガスは、約５５０℃から約１５０℃まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【０００７】
蒸発後の熱回収が、図７のチエン・サイクルでは蒸気のみの加熱であるのに対して、図８の部分再生式二流体ガスタービンでは蒸気と空気の混合ガスの加熱となる。そのため、図８では、圧縮空気の混合により温度が上昇し、更に混合ガスの流量が増大するので温度上昇勾配が緩くなる。その結果、図８に斜線で示す領域に相当する分の有効エネルギーの回収がチエン・サイクルより多くなり、その分サイクル効率が向上する。その結果、この例では、発電機端効率が４１．１０％から４１．１８％に上昇している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、発電と水蒸気生成を行うガスタービン発電装置としては、図１１に示すように、圧縮機２で圧縮した空気の全量を再生熱交換器１６に供給して昇温・昇圧し、これを燃焼器３に供給する再生サイクルも知られている。この再生サイクルは、熱交換過程におけるエクセルギ−ロスが小さいため、上述した部分再生式二流体ガスタービンよりも発電効率を向上させることができる。また、この再生サイクルは、圧縮機２における圧縮比が小さいため、圧縮機出口の空気温度が低くなり、高温部の冷却に有利である特徴がある。
【０００９】
しかしこの再生サイクルは、以下の問題点があった。
（１）再生熱交換器１６の圧損が大きく、これにより性能が低下する。
（２）圧縮機出口温度が高いため、排熱回収量が少ない。
（３）負荷遮断時の対応が困難である。
すなわち、発電装置において、落雷等の影響で負荷が急激に０となる負荷遮断への対応は不可欠であり、従来は負荷遮断時にこれを検知して燃料を急激に絞っている。しかし、この手段では再生熱交換器の蓄熱は高温の空気として燃焼器を介してタ−ビンに持ち込まれるため、燃料を絞ってもオ−バ−スピ−ドを回避できなかった。また、この対策として、図のＡ弁又はＢ弁を備え、これを負荷遮断時に開放して高温空気の導入を低減しているが、大型弁を必要とするため、瞬時停電（１００ｍｓ以下）に対応できず、かつその後タ−ビンの自立運転ができなくなる問題点があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、負荷遮断時にタービンのオ−バ−スピ−ドを確実に回避でき、かつエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧縮機（２）で圧縮した圧縮空気を燃焼器（３）の手前で全量抽気し、これをタービン排熱による再生熱交換器（１６）で加熱した後、燃焼器に供給する再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置において、前記圧縮空気を昇圧して再生熱交換器に供給する空気昇圧装置（２０）と、該空気昇圧装置をバイパスして圧縮空気を燃焼器に直接供給するバイパス空気ライン（２３）と、該バイパス空気ラインに設置され圧縮機側が燃焼器側より圧力が高いときのみ該ラインを連通させる逆止弁（２４）とを備えたことを特徴とする再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、空気昇圧装置（２０）により圧縮機（２）で圧縮した圧縮空気を昇圧して再生熱交換器（１６）に供給するので、再生熱交換器（１６）でタービン排熱の熱エネルギーを回収してエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる。また、バイパス空気ライン（２３）に逆止弁（２４）を備えているので、負荷遮断時にタービンの回転を停止させるだけで、逆止弁（２４）が開き、空気昇圧装置及び再生熱交換器をバイパスして圧縮空気を加熱せずに燃焼器に直接供給することができ、タービンの自立回転を維持したままで、オ−バ−スピ−ドを確実に回避できる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記空気昇圧装置（２０）は、タービン（２０ａ）と圧縮機（２０ｂ）が機械的に連結されたターボコンプレッサであり、該タービン（２０ａ）は、タービン排熱による排熱回収ボイラ（１２）で発生した高圧蒸気で駆動される。
この構成により、排熱回収ボイラ（１２）によりタービン排熱の熱エネルギーを更に回収することができ、かつ発生した高圧蒸気でターボコンプレッサを駆動して、圧縮空気を効率的に昇圧することができる。
【００１４】
また、前記ターボコンプレッサのタービン（２０ａ）を出た水蒸気の少なくとも一部が圧縮機（２０ｂ）を出た高圧空気と混合され、再生熱交換器（１６）に供給され、前記水蒸気の残部はプロセス蒸気として、外部に供給される。
この構成により、水蒸気を高圧空気と混合して燃焼器に噴射することができ、その分、発電出力を高め、かつ低ＮＯｘ化を図ることができる。また、必要に応じてプロセス蒸気を外部に供給することができる。
【００１５】
前記排熱回収ボイラ（１２）は、低圧蒸気と高圧蒸気を発生し、前記タービン（２０ａ）は、高圧蒸気で駆動され、低圧蒸気はタービンをバイパスして圧縮機（２０ｂ）を出た高圧空気と混合され、再生熱交換器（１６）に供給される。
この構成により、排熱回収ボイラ（１２）で低圧蒸気と高圧蒸気を発生するので、タービン排熱の熱エネルギーを可能な限り回収することができる。また、発生した高圧蒸気でターボコンプレッサを駆動して、圧縮空気を効率的に昇圧することができ、かつ全ての蒸気を高圧空気と混合して燃焼器に噴射することができ、その分、発電出力を高め、かつ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００１６】
前記空気昇圧装置（２０）は、タービン（２０ａ）、圧縮機（２０ｂ）及び発電機（３１）が機械的に連結されたタービン発電機である。この構成により、タービン出力に余裕がある場合に、タービン発電機で発電ができ、発電出力を高めることができる。
【００１７】
前記燃焼器（３）で発生する燃焼ガスにより駆動され圧縮機（２）を駆動するタービン（７）を備え、前記空気昇圧装置（２０）は、互いに機械的に連結されたタービン（２０ａ）と圧縮機（２０ｂ）からなり、かつそのタービン軸は、前記タービン（７）で駆動される発電機（１１）に機械的に連結されている。この構成により、１つの発電機（１１）を２つのタービン（７，２０ａ）が駆動することができる。
【００１８】
前記空気昇圧装置（２０）は、タービン排熱による排熱回収ボイラ（１２）で発生した高圧蒸気で駆動されるエジェクターである。この構成により、機械的な可動部分なしに圧縮機（２）で圧縮した圧縮空気を昇圧して再生熱交換器（１６）に供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明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使用する。
図１は、本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置１０の第１実施形態の全体構成図である。この図に示すように、本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置１０は、圧縮機２で圧縮した圧縮空気を燃焼器３の手前で抽気ライン２２を介して全量抽気し、これを加熱ライン２５を介して再生熱交換器１６に供給し、ここでタービン排熱により全量の圧縮空気を加熱した後、燃焼器ライン２６を介して圧縮空気を燃焼器３に供給するようになっている。
【００２０】
本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置は、更に、空気昇圧装置２０、バイパス空気ライン２３及び逆止弁２４を備える。
空気昇圧装置２０は、この例では、タービン２０ａと圧縮機２０ｂが機械的に連結されたターボコンプレッサであり、圧縮機２で圧縮した圧縮空気を昇圧し、加熱ライン２５を介して再生熱交換器１６に供給する。また、タービン２０ａは、タービン排熱による排熱回収ボイラ１２で発生した高圧蒸気が高圧蒸気ライン２８を介して供給されて駆動される。この高圧蒸気ライン２８には、電磁開閉弁２８ａが設けられている。
【００２１】
更にターボコンプレッサ２０のタービン２０ａを出た水蒸気の少なくとも一部が圧縮機２０ｂを出た高圧空気と混合され、加熱ライン２５を介して再生熱交換器１６に供給されま。また、水蒸気の残部はプロセス蒸気として、プロセスライン２９から外部に供給される。
【００２２】
バイパス空気ライン２３は、空気昇圧装置２０（ターボコンプレッサ）をバイパスして圧縮空気を燃焼器３に直接供給する。なお、この例では、バイパス空気ライン２３が燃焼器ライン２６に連通しこのラインを介して圧縮空気を燃焼器３に供給するようになっているが、独立して燃焼器３に直接供給してもよい。
逆止弁２４は、バイパス空気ライン２３に設置され、圧縮機側が燃焼器側より圧力が高いときのみこのライン２３を開放して連通させる。この逆止弁２４は、例えば、逆止ダンパーであり、数１００ｍｍＡｑ程度の差圧で作動するのがよい。
【００２３】
上述した図１の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置によれば、空気昇圧装置２０により圧縮機２で圧縮した圧縮空気を昇圧して再生熱交換器１６に供給するので、再生熱交換器１６でタービン排熱の熱エネルギーを回収してエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる。
また、バイパス空気ライン２３に逆止弁２４を備えているので、負荷遮断時に電磁開閉弁２８ａを瞬時に閉じてタービンの回転を停止させるだけで、逆止弁２４が開き、空気昇圧装置及び再生熱交換器をバイパスして圧縮空気を加熱せずに燃焼器に直接供給することができ、タービンの自立回転を維持したままで、オ−バ−スピ−ドを確実に回避できる。なお、電磁開閉弁２８ａは、高圧蒸気用の小径の弁であるため、瞬時停電（１００ｍｓ以下）に十分対応できる。
【００２４】
図２は、本発明の第２実施形態図である。この図において、空気昇圧装置２０は、図１におけるターボコンプレッサの代わりに、タービン２０ａ、圧縮機２０ｂ及び発電機３１が機械的に連結されたタービン発電機となっている。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。
この構成により、タービン２０ａの出力に余裕がある場合に、発電機１と共にタービン発電機でも発電ができ、発電出力を高めることができる。
【００２５】
また、空気昇圧装置２０を、互いに機械的に連結されたタービン２０ａと圧縮機２０ｂで構成し、そのタービン軸を、タービン７で駆動される発電機１１（主発電機）に機械的に連結してもよい。この構成により、１つの発電機１１を２つのタービン７，２０ａが駆動することができる。
以上
【００２６】
図３は、本発明の第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は図１における空気昇圧装置２０（ターボコンプレッサ）、（Ｂ）はこれに代わるエジェクターである。この図に示すように、空気昇圧装置２０を、タービン排熱による排熱回収ボイラ１２で発生した高圧蒸気Ａで駆動されるエジェクターに置き換え、蒸気と空気の混合気Ｃを高圧蒸気ライン２８を介して再生熱交換器１６に供給してもよい。
この構成により、機械的な可動部分なしに圧縮機２で圧縮した圧縮空気を昇圧して再生熱交換器１６に供給することができる。
【００２７】
図４は、本発明の第４実施形態図である。この図において、排熱回収ボイラ１２は、低圧排熱回収ボイラ１２ａと高圧排熱回収ボイラ１２ｂからなり、低圧蒸気と高圧蒸気の２圧の蒸気を発生する。また、空気昇圧装置２０（ターボコンプレッサ）のタービン２０ａは、この高圧蒸気で駆動され、低圧蒸気は低圧蒸気ライン２７によりタービン２０ａをバイパスして加熱ライン２５に合流し、ここで圧縮機２０ｂを出た高圧空気と混合され、再生熱交換器１６に供給されるようになっている。その他の構成は、第１実施形態と同様である。
この構成により、排熱回収ボイラ１２で低圧蒸気と高圧蒸気を発生するので、タービン排熱の熱エネルギーを可能な限り回収することができる。また、発生した高圧蒸気でターボコンプレッサを駆動して、圧縮空気を効率的に昇圧することができ、かつ全ての蒸気を高圧空気と混合して燃焼器に噴射することができ、その分、発電出力を高め、かつ低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２８】
図５は、図１の排熱回収線図である。この図において、横軸はガスタービン排ガスを基準とした交換熱量（ガスタービン排ガスの０℃を基準とするエンタルピー）であり、縦軸は温度である。
【００２９】
この図において、ガスタービン排ガスは、約６００℃から約２００℃まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【００３０】
図５から明らかなように、排熱ボイラ１２には低圧給水ポンプで給水（例えば約５０℃）が供給され、その一部が高圧（例えば約２．５ＭＰａ）の蒸気として、タービン２０ａに供給される。この高圧蒸気の蒸発線は、図２における約２２０℃の定温線である。
【００３１】
その後の再生熱交換器１６における加熱では、タービン２０ａを出た低圧蒸気が混合されているので、空気量及び蒸気量とも従来より多く、温度上昇勾配が一層緩くなる。
【００３２】
この排熱回収線図から明らかなように、本発明の構成では、水＋蒸気の水平線、及び蒸気＋空気の線がそれぞれ排ガス温度に近づいている。従って排ガス温度線との間の面積、いわゆるエクセルギー・ロス（無効エネルギー）が小さくなる。その結果、この例では、発電機端効率を約４１．５８％まで向上させることができる。
【００３３】
図６は、図４の排熱回収線図である。この図において、ガスタービン排ガスは、約６００℃から約１６０℃まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【００３４】
図６から明らかなように、排熱ボイラ１２には低圧給水ポンプで給水（例えば約５０℃）が供給され、その一部が低圧（例えば約１．４ＭＰａ）の蒸気となり、更に高圧（約６．３ＭＰａ）の蒸気となる。この高圧蒸気がタービン２０ａに供給される。この高圧蒸気の蒸発線は、図６における約２８０℃の定温線である。
【００３５】
その後の再生熱交換器１６における加熱では、タービン２０ａを出た全蒸気が圧縮空気と混合されているので、空気量及び蒸気量とも更に多くなり、温度上昇勾配が一層緩くなる。
【００３６】
この排熱回収線図から明らかなように、本発明の構成では、水＋蒸気の水平線、及び蒸気＋空気の線がそれぞれ更に排ガス温度に近づいている。従って排ガス温度線との間の面積、いわゆるエクセルギー・ロス（無効エネルギー）が小さくなる。その結果、この例では、発電機端効率を約４３．１３％まで向上させることができる。
【００３７】
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勿論である。
【００３８】
【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．圧縮空気と蒸気の混合気でガスタービン排熱を回収することにより、圧縮空気のみで排熱回収を行う再生サイクルに比べ、排熱回収におけるエクセルギーロスが小さくなるため、熱効率が向上する。圧縮空気に混合する蒸気は、前記の熱交換を完了した排ガスにより生成させるため、低温域の排熱まで有効に回収することができる。
２．圧縮空気と蒸気とは、混合前にそれぞれ圧縮と膨張を行う。蒸気はエキスパンダーで膨張し、発生動力により圧縮機を駆動し、１段目の圧縮機を出た圧縮空気を更に昇圧する。これにより、エキスパンダー出口の蒸気圧力と２段目の圧縮機出口の圧縮空気圧力とは等しくなって混合される。この操作により、従来の再生サイクルにおける再生熱交換器の圧損を補うことができる。
３．前記２の操作により、燃焼器入口圧力が１段目圧縮機出口の圧力より高くなるため、１段目圧縮機出口と燃焼器入口とを短絡させる回路は逆止弁により閉じられているため、エキスパンダーが駆動している間は圧縮空気の全量が再生熱交換器に導入される。負荷遮断が発生しても、エキスパンダーへの蒸気を遮断することにより、前記の逆止弁が開となり、圧縮空気は再生熱交換器をバイパスし、過速度を防止できる。
【００３９】
従って、本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置は、負荷遮断時にタービンのオ−バ−スピ−ドを確実に回避でき、かつエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置の第１実施形態の全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態図である。
【図３】本発明の第３実施形態図である。
【図４】本発明の第４実施形態図である。
【図５】図１の排熱回収線図である。
【図６】図４の排熱回収線図である。
【図７】従来の二流体サイクルガスタービンの全体構成図である。
【図８】先行出願の部分再生式二流体サイクルガスタービンの全体構成図である。
【図９】図７の排熱回収線図である。
【図１０】図８の排熱回収線図である。
【図１１】従来の再生サイクル（再生式ガスタービン発電装置）の全体構成図である。
【符号の説明】
１  絞り弁、２  圧縮機（コンプレッサー）、３  燃焼器（燃焼室）、
４  水処理装置、５  ポンプ、６  過熱器、７，８  タービン、
９  コンデンサー、
１０  再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置、１１  発電機（主発電機）
１２，１２ａ，１２ｂ  排熱回収ボイラ、１６  再生熱交換器、
２０  空気昇圧装置（ターボコンプレッサ）、
２０ａ  タービン、２０ｂ  圧縮機、
２３  バイパス空気ライン、２４  逆止弁、３１  発電機
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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