(57)【要約】      （修正有）【課題】化石燃料を燃焼してガスタービンを駆動して発電するガスタービン発電設備と、その排熱を回収して得られる高温空気で空気タービンを駆動して発電する空気タービン発電設備を効率的かつ経済的に組み合わせて発電する複合発電設備を提供する。【解決手段】ガスタービン５の排気エネルギにより空気を加熱しその加圧高温空気により空気タービン２４を駆動する複合発電設備であって、ガスタービン５の排気系統出口部に妥当な高さを持ったガスタービン排気塔１３と、空気タービン２４の排気系統出口部に空気タービン排気塔２６または排気誘引塔を設置して両タービン排気塔入口部を負圧にして、各タービンの排気圧力を下げて効率的かつ経済的に発電する複合発電設備である。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
液化天然ガスまたは軽油等の流体燃料を燃焼する燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンで駆動されるガスタービン発電機と、該ガスタービンの排ガスで空気を加熱する空気加熱器と、該空気加熱器により加熱された加圧高温空気で駆動される空気タービンと、該空気タービンで駆動される空気タービン発電機と、該空気加熱器出口ダクトに連なるように設けたガスタービン排気塔と、空気タービン出口ダクトに連なるように設けた空気タービン排気塔を有し、該ガスタービン排気塔入口部と該空気タービン排気塔入口部圧力とを、各排気塔のドラフト誘引圧力により負圧状態にして各タービンの排気圧力を下げて各タービン出力を増加することを特徴とするガスタービンと空気タービンを用いた複合発電設備。
【請求項２】
液化天然ガスまたは軽油等の流体燃料を燃焼するガスタービンと、該ガスタービンで駆動されるガスタービン発電機と、同上ガスタービンの排ガスで空気を加熱する空気加熱器と、該空気加熱器にて加熱された加圧高温空気で駆動される空気タービンと、該空気タービンで駆動される空気タービン発電機と、該空気加熱器出口ダクトの排ガスダクト出口に設けたガスタービン排気塔と、空気タービン圧縮機の圧縮機から圧縮空気の一部を分岐して空気タービン排気誘引塔へ圧縮空気を送る管路と、分岐した圧縮空気を調整する圧縮空気調整装置と、空気タービン排気ダクトの出口部に設けた空気タービン排気誘引塔により、該ガスタービン排気塔入口部と、該空気タービン排気塔入口部圧力とを、各排気塔のドラフト誘引圧力により負圧状態にして各タービンの排気圧力を下げて各タービン出力を増加することを特徴とするガスタービンと空気タービン複合発電設備。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、液化天然ガスまたは軽油等の流体燃料を燃焼してガスタービンを駆動しガスタービン発電機により発電すると同時に、該ガスタービンの排熱を回収して加熱された空気で空気タービンを駆動し空気タービン発電機により発電する経済的なガスタービンと空気タービンの複合発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】  ガスタービンの排気系統にあるガスタービン排熱回収装置出口に誘引通風機を設ける事によりコンバインド発電の熱サイクル効率を高めた設備について、先行特許文献、特開２００４−１９０５５８号では、誘引通風機の駆動装置として電動機または蒸気タービン軸動力を用いた設備を開示している。また、先行特許文献、特開２０１３−４０５６７号ではガスタービンの排熱回収設備例として蒸気タービンを用いた例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９０５５８号  公報
【特許文献２】特開２０１３−４０５６７号  公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】  先行例、特開２００４−１９０５５８号では誘引通風機の吸い込み圧力や吐出圧力や風圧の具体的数値が開示されていない。また、蒸気タービン発生動力から誘引通風機への駆動動力数値に関する記載がない。さらに、誘引通風機出口ダクトに設置された煙突のドラフト効果の具体的な数値の説明がなされていない。さらに、先行例、特開２０１３−４０５６７号ではガスタービンの排気ガス系統に排熱回収ボイラを用いてその発生蒸気により蒸気タービンを駆動して蒸気タービン発電機を回転して発電させる設備の例が開示されている。
【課題を解決する手段】
【０００５】  ガスタービン及び空気タービンの排気塔の入口部を負圧にして各タービンの出力を増加する設備を考案した。すなわち、ある妥当な高さを持ったガスタービン排気塔及び、空気タービン排気塔または空気タービン排気誘引塔を各タービンの排気系統の排気ダクト出口に設置することにより、各排気塔が生み出す排気誘引力（別名：ドラフト誘引力）を活用して各タービンの排気系統の排気圧力を設備費用の経済性を考慮して妥当な程度に下げることが可能となる。さらに、該空気タービン排気系統出口部に空気タービン排気誘引塔を設け空気タービン圧縮機出口の圧縮空気の一部を分岐して空気タービン排気誘引塔下部に注入して、空気タービン排気塔下部の圧力を下げる設備を考案した。
【考案の効果】
【０００６】  本考察によるガスタービンと空気タービンの複合発電設備により、経済的で高効率な空気条件（＝空気タービン入口の計画温度／計画圧力条件）のみならず、妥当な各タービン排気系統計画圧力と温度を明確にした。すなわち、ガスタービンと空気タービンの高効率かつ経済的な複合発電設備により安定した電力を生みだす効果がある。
【０００７】  さらに、ガスタービンの排熱を排熱回収ボイラで熱回収し蒸気タービンを駆動して発電する従来の複合発電設備ではなく、本考案は、ガスタービンの排熱を空気で回収して空気タービンを駆動して発電する設備である。蒸気タービン方式の場合、蒸気タービンサイクル水や、蒸気タービン用復水器冷却水が多量に必要となる。これに対し、本考案の複合発電設備は乾燥し水資源そのものが貴重で入手困難な高温乾燥地域において安価で安定した電力を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ガスタービンと空気タービンからなる複合発電設備全体構成を示す。
【図２】空気タービン排気誘引塔を設置した複合発電設備全体構成を示す。
【図３】ガスタービンの空気ガス温度対エントロピ線図（ガスのＴ−ｓ線図）上にガスタービンの熱サイクルを示す。
【図４】空気タービンの空気温度−エントロピ線図（Ｔ−ｓ線図）上に空気タービンの熱サイクルを示す。
【図５】本考案のガスタービン空気タービン複合発電設備の計画圧力／温度を示す。
【図６】空気タービン排気塔入口温度対ドラフト誘引圧力変化を示す。
【図７】空気タービン排気誘引塔入口温度対空気タービン排気誘引塔静圧変化を示す。
【考案を実施するための形態】
【０００９】  ガスタービンと空気タービンからなる複合発電設備の両タービンの排出部にそれぞれ妥当な高さを持った排気塔を設けて、両タービン排気塔入口部を若干の負圧にして両タービンの出力を増加させる複合発電設備と、空気タービン出口部に空気タービン排気誘引塔を設けた複合発電設備の実施例を以下、図１〜図７に従い説明する。
【実施例】
【００１０】  図１は気体または液体燃料を燃焼させてガスタービン５を駆動して発電するガスタービン発電設備と、空気タービン２４を駆動して発電する空気タービン発電設備を示す。さらに、図１は、ガスタービン５の排気ガス熱エネルギを圧縮空気で熱回収する空気加熱器２９と、ある高さを持つガスタービン排気塔１３を有するガスタービン発電設備と、ガスタービン５の排熱を空気加熱器２９により回収して得られる加圧高温空気により駆動される空気タービン２４と空気タービン排気塔２６を有する複合発電設備の基本構成を示す。【００１１】  大気中の空気は、図１のガスタービン圧縮機入口ダクト８を経て、ガスタービン圧縮機吸込フィルタ−９を通過してガスタービン空気圧縮機４にて昇圧される。ガスタービン性能の基準となる条件として、吸い込み大気の空気圧力は０．１０１３ＭＰａ、温度は１５℃（２８８Ｋ）、相対湿度は６０％である。ガスタービンの機種によって圧縮機４の圧力比は変化するが、例えば一般的な値として圧力比を１４とすると、圧縮機４出口の空気圧力すなわちガスタービン５の入口圧力は大気圧０．１０１３ＭＰａの１４倍の圧力１．４ＭＰａ程度となる。【００１２】  ガスタービンの燃焼器３の平均燃焼温度はガスタービン５入口部の公称ガスタービン燃焼温度とした。この温度はガスタービンの出力や機種によって代表数値が決まるが、本考案では代表的な温度１１００℃（１３７３Ｋ）を採用した。ガスタービン排気系統に設置される機器、例えば、空気加熱器２９や高温脱硝装置１１や空気タービン２４等の入口出口温度はこの温度とガスタービン５の熱効率と各排ガスダクトから系外へ出る熱損失による温度差で決まる。図５にこれら各機器の計画温度圧力例を示す。【００１３】  燃料配管２を通過したガスタービン燃料は燃料調整弁１を経緯して燃焼器３へ送られる。燃焼器３内で発生した燃焼ガスはガスタービン圧縮機４で圧縮された約１．４ＭＰａの空気と混合されガスタービン５に流入してガスタービン空気圧縮機４とガスタービン発電機６を駆動する。ガスタービン起動用電動機７は、ガスタービン５を起動する際用いる。ガスタービン５を出たガスタービン排気ガスは空気加熱器２９と高温脱硝装置１１を通過してガスタービン排気塔１３のドラフト誘引圧力により系外に排出される。【００１４】  ガスタービン排気塔１３に入る排気ガスは約３３０℃程度の温度を持っており、この温度に対応するドラフト誘引圧力がガスタービン排気塔１３内において生じる。この圧力と温度を図５にて示す。【００１５】  図１のガスタービン排気ダクト２８内を通過した約６０５℃の高温ガスは空気加熱器２９に流入して、空気タービン圧縮機２３で基準大気圧０．１０１３ＭＰａから０．５ＭＰａ程度（圧力比約５）に圧縮された圧縮空気を加熱する。高温ガスは空気加熱管１６の外側を流れて圧縮空気を昇温し、昇温された圧縮空気は空気加熱器出口管１７、空気タービン調整弁１８、空気タービン入口管１９を通過し空気タービン２４に流入する。その圧力は約０．５ＭＰａ、温度は６００℃である。この加圧高温空気が空気タービン圧縮機２３と空気タービン発電機１４を駆動して空気を圧縮し、かつ発電する。なお、空気タービン起動用電動機２７は空気タービン２４を起動する際に用いられる。【００１６】  空気タービン２４を出た約３１０℃の空気が、空気タービン排気塔２６に流下する。空気タービン排気ダクト２５での排空気の温度降下を５℃とすると空気タービン排気塔２６に入る空気の温度は、約３０５℃程度の温度を持っており、この温度により発生するドラフト誘引圧力が生じる。【００１７】  図２は図１の空気タービン排気塔２６入口の負圧力を増す為に、図１の空気タービン排気塔２６の代わりに、空気タービン排気誘引塔３４を設置した設備を示す。図２の空気タービン圧縮機出口管１５から圧縮空気を一部取り出し、この圧縮空気は空気タービン圧縮機分岐管３０と圧縮空気調整装置３１を通過し圧縮空気調整装置出口ダクト３２を経由して圧縮空気導入ダクト３３に送られる。圧縮空気導入ダクト３３を通過してきた圧縮空気は、空気タービン排気ダクト２５を通過してきた空気タービン２４の排気空気と合流することにより空気タービン排気誘引塔３４内を流れる排気空気の動圧を上げて静圧を下げる。空気タービン排気誘引塔３４の静圧を下げることにより、空気タービン排気誘引塔３４の誘引圧力が増加して空気タービン２４の出力が増加する。【００１８】  図３は、ガスタービン空気ガス温度対エントロピ線図（ガスのＴ−ｓ線図）上にガスタービンの熱サイクル４点Ｅ点→Ｆ点→Ｇ点→Ｈ点を示す。図３において、ガスタービン５の入口空気大気圧力／温度（０．１０１３ＭＰａ／１５℃）から空気がガスタービン圧縮機４により圧縮され、約１．４ＭＰａ／３７０℃程度に昇圧昇温している状態をＥ点からＦ点にて示す。次に、燃焼器にて燃料を燃やしてガス温度が上昇し、代表的な燃焼温度を１１００℃（１３７３Ｋ）とする点をＧ点で示す。次に、ガスタービン５を出たガスタービン排気ガスは空気加熱器２９と空気加熱器出口ダクト１０と高温脱硝装置１１と高温脱硝装置出口ダクト１２を通過してガスタービン排気塔１３に流れる。この際に排ガスに圧力損失が生まれる。これらの圧力損失の合計をΔＰ１とすると、ガスタービン５の排気圧力は基準大気圧力０．１０１３ＭＰａ＋ΔＰ１となり図３の点Ｈまでしか膨張できず、点Ｅ→点Ｈ→点Ｉの３点で囲まれた分のエネルギが回収できなくなり損失エネルギとなる。【００１９】  ガスタービンの排ガス系統には何らかの排ガス機器が設置され、ΔＰ１を「０」にすることは不可能であるが、できるだけ、外気基準圧力０．１０１３ＭＰａまで圧力を下げた図３のＩ点に近くなるガスタービン排気圧力を得ること、例えば排気塔高さを、経済性を考慮した妥当な高さにすることが、ガスタービン効率を向上させる有効な手段の一つである。【００２０】  図４は空気温度−空気エントロピ線図（空気のＴ−ｓ線図）上に本考案における空気タービン発電サイクルをＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ各点で示した図である。空気タービン圧縮機入口大気圧力を０．１０１３ＭＰａ、温度１５℃、相対湿度６０％としこれを基準状態として、この状態を図４の記号Ａで示し空気タービン空気圧縮機２３入口の状態とする。この該圧縮機２３の入口空気条件はその地域の気象条件による。以下、該圧縮機２３により該圧縮機出口圧力を約０．５ＭＰａに圧縮させる。代表的な圧縮効率を約８２％とする��、圧縮空気温度は約２０７℃程度となる。この状態を図４の記号Ｂで示す。次にこの空気を空気加熱器２９で約６００℃程度にガスタービン排ガスで加熱する。この状態を図４の記号Ｃで示す。次にこの空気を大気圧０．１０１３ＭＰａ程度まで空気タービン２４内で膨張させて発電動力と空気圧縮動力を生み出す。該タービン効率を代表的な値約８８％程度とした場合該タービン出口空気温度は約３１０℃程度となる。この状態を図４の記号Ｄで示す。次にＤを出た空気タービン排気空気は空気タービン排気ダクト２５を通過して空気タービン排気塔２６の誘引圧力により空気が吸い出され系外に排出される。【００２１】  図５はガスタービンと空気タービンの複合発電設備を計画する際、妥当な各機器の計画圧力／計画温度例を示す。ガスタービン５出口排気部からガスタービン排気塔１３入口部間に設置された空気加熱器２９や高温脱硝装置１１やガスタービン排気ダクト２８や空気加熱器出口ダクト１０や高温脱硝装置出口ダクト１２の各圧力損失の合計値をΔＰ１とすると、ガスタービン５排気圧力は大気圧力＋ΔＰ１となる。一方ガスタービン排気塔１３入口部の圧力は大気圧−ガスタービン排気塔誘引圧力ΔＰ３となる。【００２２】  図５で示すように、一般的なガスタービンの燃焼温度を１１００℃とすると、ガスタービン５出口温度はその効率によるが、約６０５℃程度に下がる。この排ガスを空気加熱器２９に導入し、排ガスの熱エネルギによって約６００℃程度の高温空気を生み出す。この空気を空気タービン２４に導入して空気タービン２４を駆動して、空気タービン排ガス温度を約３１０℃まで下げて、空気タービン排気塔２６に導く。この温度に対応する空気タービン排気塔ドラフト誘引圧力は、図６より、０．６１ｍＡｑである。空気タービン排気塔の高さを１０ｍとすると、空気タービン排気塔２６の誘引圧力ΔＰ４は約６．１ｍＡｑ程度発生する。空気タービン排気ダクト２５の計画圧力損失ΔＰ２は内部構造と内部の大きさに左右される。一般的な空気ダクトの圧損実績値から判断して、空気タービン排気ダクト２５の計画圧力損失ΔＰ２は、空気タービン誘引圧力ΔＰ４約６．１ｍＡｑ以下に収まるように設計が可能である。【００２３】  図６は空気タービン排気塔２６の入口部の空気温度変化に対応した空気タービンドラフト誘引圧力の変化を示す。誘引圧力の具体的な数値は大気温度１５℃、圧力０．１０１３ＭＰａ、相対湿度６０％時の空気の比重と空気タービン排気塔２６の入口部の排気空気温度の比重との比重差を計算して算出した。大気圧力が標準気圧０．１０１３ＭＰａ時の湿り空気の飽和温度は１００℃であるので、図６で示すように空気タービン排気温度が１５℃〜１００℃の間のドラフト誘引圧力は排気温度が上昇すると急に上昇して約０．５ｍＡｑ程度に上昇する。水の飽和温度１００℃を超えた以降は湿り水蒸気が乾き水蒸気に変わるので、そのドラフト誘引圧力の上昇勾配は緩やかな増加傾向となり、その圧力増加量は、排気空気温度が１００℃〜５００℃に増加してもドラフト誘引圧力の変化は最少０．５〜最大０．７ｍＡｑ、増加幅０．２ｍＡｑ程度と変化幅が少なくなる。【００２４】  空気タービン排気塔２６入口部におけるドラフト誘引圧力は、空気タ���ビン排気塔２６の空気温度３０５℃における、空気の比重約０．６１５ｋｇ／ｍ３、外部の基準大圧力／温度／湿度条件（０．１０１３ＭＰａ／１５℃／６０％）での比重は１．２２２ｋｇ／ｍ３両者の差は０．６０７ｋｇ／ｍ３である。よって空気タービン排気塔１ｍあたりのドラフト誘引圧力は両者の差となり０．６０５ｍＡｑとなる。【００２５】  空気加熱器２９を出たガスタービン排気ガスは、空気加熱器出口ダクト１０、高温脱硝装置１１、高温脱硝装置出口ダクト１２を通過しガスタービン排気塔１３に流下する。このガスの温度は約３３０℃程度である。このガス比重の変化は、ガスタービンの燃焼温度、機種別、燃料の種類、大気条件によって変化するので一概に決められない。しかし、図６に示した空気用のドラフト誘引圧力特性図は、ガスタービン排ガス用のドラフト誘引圧力特性図と類似している。すなわち、大まかなガスタービン排気塔１ｍあたりのドラフト誘引圧力を推定できる。【００２６】  本考案で取り上げたガスタービンの燃焼温度は一般的な温度１１００℃である。ガスタービン排ガス温度は、図３より、約６０５℃程度となる。また空気加熱器でのガス温度降下幅を２７５℃程度とすると、ガスタービン排気塔１３の入口ガス温度は約３３０℃程度となる。よって、図６からはガスタービン排気塔１３の高さ１ｍ当たりのドラフト誘引圧力は約０．６２ｍＡｑ程度と推定できる。【００２７】  ガスタービン排気塔の高さを代表的に１０ｍとすると、ガスタービン排気塔１３の誘引圧力は、約６．２ｍＡｑ程度と推定できる。図５で示すガスタービン排気部圧損ΔＰ１は主として空気加熱器２９や高温脱硝装置１１の内部構造と内部の大きさや各装置の長さに左右される。同種の実績のある各機器の実績値から判断して、ガスタービン排気部圧損ΔＰ１は誘引圧力約６．２ｍＡｑ以下に収まるように設計が可能である。【００２８】  図７に空気タービン排気誘引塔３４入口排気空気温度の変化に対する空気タービン排気誘引塔３４の高さ１ｍ当たりの空気タービン排気誘引塔３４の静圧変化を、空気タービン排気誘引塔３４内の流速をパラメータにして示す。【００２９】  図７の空気タービン排気誘引塔３４の入口温度が０℃〜１００℃まで上昇すると空気タービン排気誘引塔３４の静圧が上昇するが、該温度が１００℃〜５００℃まで上昇すると空気タービン排気誘引塔３４の静圧の上昇幅は減少する。しかし、空気タービン排気誘引塔３４の平均流速を１．１１ｍ／ｓから１．６ｍ／ｓに上げると、空気タービン排気誘引塔３４の静圧は減少し、空気タービン排気圧力の負圧程度が増すので空気タービン２４の出力が増加する。【００３０】  ガスタービン５または空気タービン２４の排気圧力が下がることによるガスまたは空気タービン出力増加は期待できるが、ガスまたは空気タービンと各空気圧縮機は空気流路で大気と繋がっており、大気圧以下の負圧領域にするのはガスまたは空気タービン排気部出口部からガスまたは空気タービン排気塔入口部までであり、ガスまたは空気タービン排気部出口部から上流側は大気圧より高い正圧の運転領域になるように、各排気塔や排気誘引塔の経済性を考慮して各塔の高さを計画する必要がある。
【符号の説明】
【００３１】１  燃料調整弁
２  燃料配管
３  燃焼器
４  ガスタービン空気圧縮機
５  ガスタービン
６  ガスタービン発電機
７  ガスタービン起動用電動機
８  ガスタービン圧縮機入口ダクト
９  ガスタービン圧縮機吸込フィルタ−
１０  空気加熱器出口ダクト
１１  高温脱硝装置
１２  高温脱硝装置出口ダクト
１３  ガスタービン排気塔
１４  空気タービン発電機
１５  空気タービン圧縮機出口管
１６  空気加熱管
１７  空気加熱器出口管
１８  空気タービン調整弁
１９  空気タービン入口管
２０  空気タービン圧縮機入口ダクト
２１  空気タービン圧縮機吸込フィルタ−
２２  空気タービン入口ダクト
２３  空気タービン圧縮機
２４  空気タービン
２５  空気タービン排気ダクト
２６  空気タービン排気塔
２７  空気タービン起動用電動機
２８  ガスタービン排気ダクト
２９  空気加熱器
３０  空気タービン圧縮機分岐管
３１  圧縮空気調整装置
３２  圧縮空気調整装置出口ダクト
３３  圧縮空気導入ダクト
３４  空気タービン排気誘引塔
【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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