(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサ部、燃焼部及びタービン部を備えたガスタービンのコンプレッサ部で生成される圧縮空気の一部を抽気して空気源として利用し、タービン部で生成される排気を熱源として利用するシステムであって、
前記ガスタービンとは別異に、回転シャフトを介してターボコンプレッサと直結された膨張タービンを設け、前記コンプレッサ部からの抽気を前記膨張タービンと前記ターボコンプレッサとに分割供給して、膨張タービンの膨張時に生じる膨張エネルギでターボコンプレッサに供給された空気を前記ガスタービンで生成された時点よりも高い圧力にまで圧縮するように構成したことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
膨張タービンで膨張した際に生成される周囲温度よりも低い温度の空気を冷却対象物の冷却に供するようにしたことを特徴する請求項１記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
ターボコンプレッサで圧縮した際に生成される周囲温度よりも高い温度の空気を加熱対象物の加熱に供するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、曝気用空気源と汚泥乾燥用熱源が必要な下水道施設、塗装吹付け、清掃用空気源と乾燥用熱源が必要な塗装工場、乾燥、粉体加工用空気源と加熱、殺菌用熱源が必要な食品加工工場、さらには設備空気源と給湯、蒸気用熱源を持つ工場や建設現場、災害活動現場などで利用されるガスタービンシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮空気源と熱源の双方が必要とされる現場は多々にある。例えば工場では、圧縮空気は装置の駆動用、清掃用、冷却用等の用途に、熱源は空調、照明、動力、炉や反応槽等の用途に利用される。さらに、屋外の土木工事や災害活動現場等では、圧縮空気は破砕、清掃、空圧工具、曝気、型締め等の用途に、熱源は照明、ポンプ、電動工具、電気溶接等の用途に利用される。
【０００３】
これらの圧縮空気や熱を生成する場合、従来では、火力発電所等の熱機関において燃料から得たエネルギを電力の形で施設に送電し、施設においてかかる電力を利用して圧縮空気を得るための電動コンプレッサを駆動したり、エアコン、ヒータ等を作動させるようにしていた。
【０００４】
しかしながら、このようなシステムでは、発電所とエネルギ使用者との間が離れているため、火力発電所のように熱サイクルを組んでいる場所で発生する排熱が全く利用されず、エネルギ利用効率の大幅な低下を招くという問題があった。
【０００５】
これに対して、近時、ガスタービン駆動のコンプレッサをエネルギ使用者の施設に配置し、このガスタービンに燃料を投入することで、コンプレッサ部で生成される圧縮空気の一部を抽気して圧縮空気源として利用し、タービン部からの排気を熱源として利用する手法が新たに考えられるようになってきた。ガスタービンに燃料を投入して圧縮空気と熱を同時に取り出すようにすれば、火力発電所におけるような未利用の排熱を発生することがなく、燃料の持つエネルギの利用効率を大幅に高めることが期待できるからである。この考え方は、これまでにも特開平６−２８５４８６号公報の出願等があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにガスタービンを圧縮空気源及び熱源として利用する態様においても、以下のような問題が残る。
【０００７】
例えば、圧縮空気の用途として、曝気用空気と他の用途とを考えると、曝気用空気では必要な空気圧がゲージ圧で１００ｋＰａ（約１気圧）前後と低いのに対して、他の用途では必要な圧力はゲージ圧で７００ｋＰａ（約７気圧）〜８００ｋＰａ（約８気圧）と高い場合がある。一方、１００ｋＷ以下のクラスのガスタービン内の空気サイクルは、圧縮比４〜５程度（すなわち、圧縮後の圧力は３００ｋＰａ（約３気圧）〜４００ｋＰａ（約４気圧））が採用されている場合が多い。このように、空気源用のコンプレッサとガスタービン自身の圧縮機との圧縮比は一致していない場合が多く、用途に応じて、これを一致させるためにガスタービンにさらに別個のコンプレッサを追加するために設計を変更する必要があった。特にコンプレッサ駆動をガスタービン自身の回転体で行う場合は、それぞれの翼車を同一回転速度で高い効率に保持するには、仕様に応じて翼車の翼形状を変更しなければならないという問題があった。ガスタービンの設計では、エネルギ効率と排気への有害物質低減を両立させるには、この回転体と燃焼部のマッチングが難しくなり、仕様ごとに翼車設計を変更するのは現実的ではない。
【０００８】
また、回転シャフトを延長してこれに空気源用コンプレッサ翼車を取り付けると、回転体が複雑となり、機械構造上もバランス不良などの故障の原因になり易い問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を講じたものである。
【００１０】
先ず、ガスタービンとは別異に、回転シャフトを介してターボコンプレッサと直結された膨張タービンを設ける。
【００１３】
そして、本発明は、前記ガスタービンのコンプレッサ部からの抽気を前記膨張タービンと前記ターボコンプレッサとに分割供給して、膨張タービンの膨張時に生じる膨張エネルギでターボコンプレッサに供給された空気を前記ガスタービンで生成された時点よりも高い圧力にまで圧縮するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
このような構成により、必要な圧縮空気量はさほど多くはないが、高圧が要求される場合は、抽気を２分割し、一方を膨張タービンで膨張させ、他方を前記膨張タービンによって駆動されるコンプレッサで圧縮する。この結果、膨張した側は大気開放されるが、圧縮した側には流量は少量であるがより高圧の圧縮空気が得られ、本発明を増圧ユニットとして利用することが可能になる。
【００１５】
上記の増量ユニット、増圧ユニットをより高効率で利用するためには、膨張タービンで膨張した際に生成される周囲温度よりも低い温度の空気を冷却対象物の冷却に供する構成や、ターボコンプレッサで圧縮した際に生成される周囲温度よりも高い温度の空気を加熱対象物の加熱に供する構成を付加することが有効となる。
【００１６】
【実施形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜参考例＞
図１に示すガスタービンシステムは、下水道施設等に適用されるもので、コンプレッサ部１１、燃焼部１２及びタービン部１３を備えたガスタービン１のコンプレッサ部１１で生成される圧縮空気の一部を抽気して曝気用の空気源として利用し、タービン部１３で生成される排気を汚泥乾燥等の熱源として利用するようにしている。
【００１７】
ガスタービン１は、コンプレッサ部１１とタービン部１３の間を回転シャフト１４を介して連結し、コンプレッサ部１１の出口とタービン部１３の入口の間をレクーパレータ１５及び燃焼部１２を有する流路を介して接続した構成からなるもので、燃焼部１２で燃料を注入し、燃焼させた空気をタービン部１３で膨張させ、その際の発生動力をコンプレッサ部１１に入力するようにしたものである。レクーパレータ１５は、コンプレッサ部１１からの圧縮空気とタービン部１３からの排気とを熱交換させ、これによりコンプレッサ部１１からの圧縮空気を昇温させて、燃焼部１２の燃料消費の軽減を図る役割を担う。
【００１８】
上記の構成に加えて、本参考例は、ガスタービン１とは別異に、回転シャフト２１を介してターボコンプレッサ２２と直結された膨張タービン２３を設け、コンプレッサ部１１の出口と膨張タービン２３の入口とを抽気管２４を介して接続するとともに、膨張タービン２３の出口とターボコンプレッサ２２の出口を混合ダクト２５の一端側に接続し、混合ダクト２５の他端側を曝気槽３に接続している。
【００１９】
このような構成において、ガスタービン１に吸い込まれた空気は、コンプレッサ部１１で昇圧され、レクーパレータ１５でさらに昇温し、燃焼部１２に入る。ここで、燃料が噴射され燃焼することでさらに高温になる。この燃焼後の高温空気はタービン部１３で膨張し、シャフト１４を駆動し、レクーパレータ１５に入り、コンプレッサ部１１で圧縮された空気を加熱する。その後、熱を保有した排気ａとして、汚泥の乾燥装置等に供給される。なお、１６は起動及び回転数制御を兼ねたスタータジェネレータである。
【００２０】
一方、コンプレッサ部１１で圧縮された空気の一部は抽気管２４からガスタービン１外に抽気される。この部位の空気は、ガスタービン１の熱サイクルにとって最適な圧力（圧縮比）で昇圧されており、この結果、抽気ｂの圧力も、一般的にはゲージ圧で３００ｋＰａ（約３気圧）〜４００ｋＰａ（約４気圧）になっている。
【００２１】
これに対して、本参考例における圧縮空気の使用先は曝気槽３であり、この曝気槽３に必要な圧力はゲージ圧で１００ｋＰａ（約１気圧）程度である。そこで、抽気ｂは膨張タービン２３に導かれ、ここで規定圧まで膨張する。この時の膨張仕事はシャフト２１を介してターボコンプレッサ２２に伝えられる。一方、ターボコンプレッサ２２の入口は大気に開放されており、ターボコンプレッサ２２は大気ｃを吸い込んで規定圧にまで圧縮する。そして、ターボコンプレッサ２２から排出される空気と膨張タービン２３から排出される空気が混合ダクト２５で混合され、増量された空気が曝気槽３に供給されることとなる。
【００２２】
以上のようなものであると、曝気槽３に規定圧の圧縮空気を供給するためにガスタービン１の設計を変更する必要がなく、ガスタービン１を、その熱サイクルが最適になるようにコンプレッサ部１１、燃焼部１２、タービン部１３を設計し、コンプレッサ部１１の圧縮比もガスタービン１設計で決定することができる。
【００２３】
しかも、空気源として必要な空気は、ガスタービン１自体のコンプレッサ部１１で圧縮された空気の一部を抽出することによって実現できるため、空気源専用のコンプレッサ翼車を設けることも不要にすることができる。
【００２４】
その上、ガスタービン１からの抽気は、膨張タービン２３で規定圧に降圧され、その際のエネルギで新たにターボコンプレッサ２２から空気を取り込んで圧縮するので、全体として圧縮空気を効果的に増量して曝気槽３に送り込むことが可能となる。
【００２５】
なお、ターボコンプレッサ２２、膨張タービン２３は、曝気槽近傍に配置すると、コンプレッサ部１１からの空気の体積流量が非常に小さくなるため、配管を細くできるなどの効果も生じる。さらに途中にバッファタンクを設けることによって、曝気槽空気の瞬間的な流量変動に対しても対応が可能となる。
＜実施例＞
図２に示すガスタービンシステムは、塗装工程等に適用されるもので、前記参考例と同様の構成からなるガスタービン１のコンプレッサ部１１で生成される圧縮空気の一部を抽気して曝気用の塗装用の空気源として利用し、タービン部１３で生成される排気を塗装乾燥のための熱源として利用するようにしている。
【００２６】
そのために、ガスタービン１とは別異に、回転シャフト４１を介してターボコンプレッサ４２と直結された膨張タービン４３を設け、コンプレッサ部１１の出口を抽気管２４及び分割ダクト４４を介して膨張タービン４３の入口及びターボコンプレッサ４２の入口に並列に接続するとともに、ターボコンプレッサ４２の出口を排気管４５を介して塗装用の吹付け装置４６に接続し、排気管４５を流れる空気ｂ１と前記膨張タービン４３からの排気ｂ２とを熱交換させる位置に熱交換器４７を設けたものである。なお、吹付け装置４６の上流に設けられた符号４８で示すものは空気を貯溜するタンクである。
【００２７】
このような構成において、ガスタービン１から抽気管２４を介して送られてくる抽気ｂは、流量分割ダクト４４で分割され、一方は膨張タービン４３に、もう一方は膨張タービン４３とシャフト４１で直結されたターボコンプレッサ４２に供給される。その際、膨張タービン４３の後流側は大気開放となっており、その圧力差の膨張仕事が動力として回収され、ターボコンプレッサ４２における圧縮仕事として利用される。この結果、ターボコンプレッサ４２の出口圧は抽気圧よりも高い圧力の空気源として利用される。振り分けの流量にもよるが、ターボコンプレッサ４２を出た空気ｂ１に抽気ｂのほぼ２倍程度の圧力（絶対圧で）は期待でき、ゲージ圧で８００ｋＰａ（約８気圧）程度が実現可能である。この空気ｂ１は、膨張タービン４３で膨張した後の空気ｂ２と熱交換器４７で熱交換することによって冷却され、タンク４８に一旦貯えられた後、塗装用の吹付け装置４６で利用されることとなる。
【００２８】
以上のようなものであると、曝気槽３に規定圧の圧縮空気を供給するためにガスタービン１の設計を変更する必要がなく、ガスタービン１を、その熱サイクルが最適になるようにコンプレッサ部１１、燃焼部１２、タービン部１３を設計し、コンプレッサ部１１の圧縮比もガスタービン１の設計で決定することができる。
【００２９】
しかも、空気源として必要な空気は、ガスタービン１自体のコンプレッサ部１１で圧縮された空気の一部を抽出することによって実現できるため、空気源専用のコンプレッサ翼車を設けることも不要にすることができる。
【００３０】
その上、ガスタービン１からの抽気ｂは、一部ｂ２を膨張タービン４３で膨張させ、その際の動力でターボコンプレッサ４２を駆動して抽気ｂの残りｂ１を圧縮するようにしているので、膨張した側の空気ｂ２は大気開放されるものの、ターボコンプレッサ４２から出たより高圧の空気ｂ１を吹付け装置４６に供給することができる。
【００３１】
以上のようにして、本発明は、１台のガスタービン１で空気源と熱源を実現するにあたり、ガスタービン１自身を変更することなく、空気源として求められる圧力の空気供給を実現することができ、現実的なシステムとして種々の施設に利用することが可能になる。特に、上記のような増量機能、増圧機能を組み替えれば、複数の最適圧の要求にも応じることが可能となる。
【００３２】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、上記実施態様においてレクーパレータ１５は燃焼部１２に投入する燃料を節約する意味で有意義なものではあるが、タービン部１３からの排気により高温を必要とするときには、これを設けずに燃焼部１２における燃料投入料を増やすようにしてもよい。また、膨張タービン４３から排気される周囲温度よりも低い空気ｂ２によって塗料保管庫内の空気を冷却し、塗料の保存のために用いたり、ターボコンプレッサ４２から排気される周囲温度よりも高い空気によって加熱対象物の予熱チャンバ内を昇温するのに利用する態様なども有効である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような構成であるから、燃料の持つエネルギを空気源と熱源の両方に有効利用することができ、燃料エネルギの利用効率を著しく高めた空気、熱併給システムとして種々の用途に実用的なレベルで適用することができる。
【００３４】
特に、用途に応じて圧縮空気の供給量や供給圧を容易にシステム変更できるため、幅広い応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例を示すシステム図。
【図２】  本発明の実施例を示すシステム図。
【符号の説明】
１…ガスタービン１
１１…コンプレッサ部
１２…燃焼部
１３…タービン部
２１、４１…回転シャフト
２２、４２…ターボコンプレッサ
２３、４３…膨張タービン
【図１】
0004453180.tif 000002
【図２】
0004453180.tif 000003