(57)【要約】【課題】  水分の多い木質バイオマス等を燃料とする比較的小規模の発電においても熱効率の高い間接加熱ガスタービンエンジンが発明されているが、その熱効率を一層高くし一般の発電にも適用しやすくする。【解決手段】  間接的に過熱された圧縮空気でタービンを駆動後に、その排気を燃焼装置に還流して燃焼に利用し、煙道に金属製熱交換パイプを取り付けた簡単な構造の熱交換器で圧縮空気を過熱して駆動するタービンエンジンにおいて、圧縮空気経路内に注水器を設置して圧縮空気中に水を噴霧することで、例えば、圧縮比３．７で圧縮空気温度が１６３℃の場合であっても空気量の６％程度に相当する量の水を注入することで圧縮空気温度を３０℃以下に下げることが可能であり、熱交換温度差を３０℃程度とすれば排ガス温度が６０℃以下となって排出熱量を大きく減らすことが出来、その結果熱効率を高くすることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気の混じった空気を作動媒体とする圧縮空気の間接加熱式ガスタービンエンジンに属し、燃焼装置と空気圧縮機と注水器と煙道に設けられた圧縮空気加熱熱交換器と煙道末端の燃焼ガス吸引ファンと膨張タービンと各装置を接続して空気又は燃焼ガスを移動させる配管と予め設定したプログラムにより圧縮空気の熱交換器出口温度が目標とする温度の範囲になるよう各装置機器に指令信号を出すことの出来る制御指令装置と指令信号を必要な装置機器に伝達する配線とによって構成されており、燃焼装置は燃料投入量を自動的に加減できる構造の燃料自動供給装置を有し、燃焼装置への給気は膨張タービンの排気によって行う構造とし、タービン作動媒体である蒸気混じり空気は、圧縮機で圧縮され注水器で注水された後、煙道内の熱交換器に送られて加熱された後、膨張タービンへ送られて動力を生んだ後、燃焼装置に送られ燃焼に利用されて高温の燃焼ガスとなり、煙道内の熱交換器で冷えて燃焼ガス吸引ファンを経て排気されるように配管で各装置が接続された構造とし、注水器によって圧縮空気に水を注入することを特徴とする間接加熱ガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  普及しているガスタービンエンジンは圧縮空気中に液体か気体の燃料を噴射して急速に燃焼させ、その燃焼熱で高温高圧燃焼ガスを作り、それを膨張タービンで動力に変えてエネルギーを取り出すものであるが、この発明は、固体などの燃料を燃焼させた熱によって熱交換器を用いて間接的に加熱した圧縮空気でタービンを駆動する方法の分野に属し、圧縮空気に注水することで圧縮空気温度を下げ、圧縮空気と熱交換する排ガス温度を下げることで排ガス熱を減少させ、エンジンの熱効率を高めることが出来る。
【背景技術】
【０００２】  木質バイオマス等の固体燃料を用いた発電において、高価なガス化設備が不要で安価な生木等を燃焼させた熱により間接的に加熱した圧縮空気で駆動するガスタービンエンジンが特許文献１で提案されている。【０００３】  段落０００２のエンジンにおいてはタービン排気の全てを燃焼装置に導いて燃焼に利用するため再熱率が１００％となることから出力が１００ｋｗ未満の小型であるにもかかわらず理論熱効率は３０％を超える。再熱率が１００％となる構造であるため熱効率に及ぼすタービン効率の影響は小さく、炉壁等からの貫流熱量と排ガス流出熱量の影響が大きい。炉壁等からの貫流熱量はエンジン全体の断熱を高めることで容易に減らすことが出来るので、熱効率を高めるためには排ガス流出熱量を減らすのが最大の課題である。【０００４】  燃焼ガスは１０００℃近い高温であるが、圧縮空気と熱交換して温度が下がり排ガスとなって放出される。排ガス流出熱量を減らすためには排ガス温度を下げる必要があり、それには熱交換器の性能も重要であるが、熱交換効率が１００％であったとしても圧縮空気温度より低くはならないことからを、圧縮空気の温度を低くすることが重要である。【０００５】  圧縮空気の温度は圧縮比に依存していることから圧縮比を下げることも有効であるが、タービンの効率を維持する上からは２〜２．５が下げられる限界と考えられ、その場合に圧縮空気温度は９３〜１１７℃となり、排ガス温度は熱交換の温度差を考慮すると１５０℃程度となり、なお多量の熱が排出されることから改善の余地が大きい。
【先行技術文献】
【０００６】
【特許文献１】特許願  ２００１５年  受付番号：２１５００７３０１１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  固体などの燃料を燃焼させた熱によって熱交換器を用いて間接的に加熱した圧縮空気でタービンを駆動し、そのタービン排気を全て燃焼装置の燃焼に用いてタービンを駆動する方法の分野に属し、排ガスと熱交換する圧縮空気温度を下げることで排ガス温度を下げ、排ガス流出熱を減少させ、エンジンの熱効率を高める。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  空気圧縮機１と熱交換器４の内部までの間の圧縮空気経路内に注水ノズルを有す注水器５を設置して圧縮空気中に水を噴霧することで、例えば、圧縮比３．７で圧縮空気温度が１６３℃の場合であっても空気量の６％程度を注水することで圧縮空気温度を３０℃以下に下げることが可能であり、熱交換温度差を３０℃程度とすれば排ガス温度を６０℃以下にすることが出来、排出熱量を大きく減らすことが出来る。
【発明の効果】
【０００９】  圧縮空気は熱交換器４において燃焼ガスから熱を受け取って加熱圧縮空気となる。熱交換前の圧縮空気温度が低いほどより多くの熱が燃焼ガスから圧縮空気に移動し排ガス温度は一層低くなり排ガス流出熱は減少する。そこで、熱交換器４の低温側末端に設置した注水器５において圧縮空気中に水を噴霧すると気化潜熱によって圧縮空気の温度が低下するため、温度の低下した圧縮空気と熱交換する排ガス温度も低下する結果、排ガス流出熱量が減少する。減少した排ガス流出熱量と同等の熱量が圧縮空気に添加されるためタービン出力、タービン排気熱量（タービン排気再熱量）、燃焼ガス熱量とも増加する結果、熱効率が向上する。【００１０】  なお、炉に給気される６５０℃程度のタービン排気は注水量に応じて質量が増加しているため、１０００℃近くにまで温度を上げるのに要する熱量が増加し、供給燃料も増加するが、排ガス熱量の減少と出力増加の影響の方が大きいため熱効率は向上する。【００１１】  燃焼温度が過剰に上昇又は低下した場合に、予め作成されたプログラムにより注水量を加減することで熱交換器とタービンの過熱を容易に防ぐことが出来る。【００１２】  注水器を取り付ける簡単な追加工事で熱効率が向上し、エンジンの安全性も高まる大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】注水式間接加熱ガスタービンエンジンの構造
【発明を実施するための形態】
【００１４】  圧縮機内部を含め、熱交換器までの圧縮空気が通る経路のどの部分に注水器を設置してもよいが、最も望ましい事例としては、熱交換器４の低温側末端に注水器を設置する。この部分に設置すると圧縮空気は燃焼ガスで暖められるため噴霧された水が気化しやすい。気化を容易にするため注水ノズルは霧滴が細かくなる物が望ましい。
【００１５】  このエンジンにおいては排ガス温度が低いため、イオウや窒素などの酸化物を含む多量の水が凝縮する。そこで熱交換器末端付近は腐食に強い材料で構成すると共にＳ字状に曲げて滴下させた凝縮水を煙道に設けた穴から外部に排出させ中和などの浄化処理を行う。
【産業上の利用可能性】
【００１６】  注水式間接加熱ガスタービンエンジンは小型ガスタービンエンジンに比べると燃焼装置と熱交換器が嵩張るため体積が大きく、重くなるが、バイオマスのガス化発電や蒸気発電に比べると小さくなり、構造が簡単なため建設経費は低減できる。同じ燃料を用いる場合の熱効率は、小型ガスタービンエンジンに比べ炉や配管からの熱流亡がわずかに増えるものの、圧縮空気への注水効果で排ガス温度が低くなり排ガス流出熱量が少ないため小型ガスタービンエンジンよりかなり高くなることから、あらゆる燃料による発電等へ適用できる。【００１７】  注水式間接加熱ガスタービンエンジンはタービンの熱効率は高いものの排ガス温度が５０〜６０℃と低いため、廃熱の利用場面は限定される。
【符号の説明】
【００１８】１  空気圧縮機２  燃焼ガス吸引ファン３  煙道４  圧縮空気加熱熱交換器５  注水器６  燃焼装置７  膨張タービン８  燃料自動供給装置
【図１】
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