JP2004060478A - ２流体ガスタービン及びその運転方法及びガスタービンのリパワリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、サージングの発生を防止し、しかも出力の増大と熱効率の向上を効果的に図ることが可能な、２流体ガスタービンを提供する。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機と、その圧縮機により圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、その燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンとを有し、蒸気又は水を前記圧縮機出口から前記燃焼器に至る管路、前記燃焼器、前記燃焼器から前記タービンに至る管路のいずれかに投入する構成において、前記タービンを並列に複数備えた構成とする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気又は水を燃焼器、空気流路、ガス流路のいずれかに投入するいわゆる２流体ガスタービンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蒸気又は水を燃焼器、空気流路、ガス流路のいずれかに投入することで、ガスタービンの出力増大と熱効率向上を図る、いわゆる２流体ガスタービンが用いられている。図８は、従来の代表的な２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図である。同図に示すように、ここではまず、大気中等から空気，酸素等を吸入し、これを圧縮機１で圧縮して高圧とする。次に、この高圧ガスを燃焼器２に導き、ここで燃料を連続的に燃焼させて高温高圧ガスを作る。さらに、これをタービン３に入れて膨張させ、回転仕事を得る。
【０００３】
仕事を終えたガスはタービン３から排出されるが、その途中で排熱回収ボイラ４を通過し、ここで給水ポンプ５により供給された水を加熱して蒸気を発生させる。発生した蒸気の一部は燃焼器２に投入される。これにより、ガスタービンの出力が増大し、熱効率が向上する。なお、発生した蒸気の残りは、コージェネレーションシステム等として熱利用にまわされる。このようにして、従来からの２流体ガスタービンを用いることにより、比較的低いコストで高い効率を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような、従来の２流体ガスタービンの構成では、蒸気を噴射する際に圧縮機流量が少なくなり、更に圧力曲線の頂点以下の流量となったときには、圧力が脈動して騒音，振動が生じるという、いわゆるサージング発生の問題がある。このようなサージングが発生すると、甚だしい場合は運転が不可能となる。このため、従来の２流体ガスタービンにおいては、サージングが発生しない範囲でしか蒸気や水を投入することができなかった。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で、サージングの発生を防止し、しかも出力の増大と熱効率の向上を効果的に図ることが可能な、２流体ガスタービンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンとを有し、蒸気又は水を前記燃焼器、空気流路、ガス流路のいずれかに投入する構成において、前記タービンを並列に複数備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記タービンから排出される燃焼排ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラを有し、その排熱回収ボイラからの蒸気を前記燃焼器、空気流路、ガス流路のいずれかに投入することを特徴とする。
【０００８】
また、前記燃焼器を並列に複数備えたことを特徴とする。そして、前記複数のタービン各々に発電機を接続したことを特徴とする。
【０００９】
或いは、前記複数のタービンを同軸として、それぞれの間に発電機を挟んで接続したことを特徴とする。そして、前記発電機とその片側又は両側のタービンとの間にクラッチ手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
その他、前記複数備えた各燃焼器を互いに異なる種類の燃料用としたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記複数のタービンの内、少なくとも１台を休止させて運転することを特徴とする２流体ガスタービンの運転方法を行う。或いは、既存のガスタービンにタービンを増設することを特徴とするガスタービンのリパワリング方法を行う。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ここでは前記従来例と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態では、図８に示した上記従来の２流体ガスタービンの構成に加えて、タービン３にタービン６を並列に設けた構成としている。つまり、複数の並列なタービンを有する２流体ガスタービンとしている。図１では、タービンから排出される燃焼排ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラを有し、排熱回収ボイラからの蒸気を燃焼器入口に投入する構成となっているが、ボイラを利用して水を直接燃焼器入口に投入する構成や、外部からの蒸気を燃焼器入口に投入する構成も可能である。
【００１３】
これにより、圧縮機流量を減らすことなく、多くの蒸気を噴射することができるので、サージングが防止され、しかも出力の増大と熱効率の向上を効果的に図ることが可能となる。加えて、タービンを複数設置としたことにより、既存の設計を活用することができるので、新たに設計する場合と比較して、開発コストを低減することができる。また、既存の単純サイクルガスタービンに排熱回収ボイラと追加のタービンを設置するだけで、本実施形態の２流体ガスタービンを実現することができる。
【００１４】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態では、第１の実施形態の構成に加えて、燃焼器を増設した構成としている。ここではタービン６に対応する燃焼器７を新たに設け、タービン３には燃焼器２を対応させている。つまり、複数の並列なタービン及び燃焼器を有する２流体ガスタービンとしている。これにより、既存の燃焼器を活用することができ、新設する燃焼器を比較的小型のもので済ませることができる。
【００１５】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態では、第２の実施形態の構成において、破線で示す如く燃焼器及びタービンの一系列を休止する運転方法を行っている（具体的には燃焼器７及びタービン６を休止）。電力需要が少なく熱需要が多い場合はこのような運転を行い、一点鎖線で示す如く燃焼器入口への蒸気の投入を減らし、熱利用に使う蒸気を増やす。
【００１６】
このように、一時的に蒸気噴射を減らしタービン一台を休止することによって、電力に比較して排熱を増大させ、熱供給を増やすことができる。これは、例えばコージェネレーションシステムにおいて、需要の熱電比が変化する場合に有効である。
【００１７】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態では、既存の単純サイクルガスタービンに、破線で示した追加の燃焼器やタービン、さらにはボイラ及び給水系統を付加している。具体的にここでは、既存の圧縮機１，燃焼器２，及びタービン３に、排熱回収ボイラ４，給水ポンプ５，タービン６，及び燃焼器７を付加した構成としている。これにより、低コストで第２或いは第３の実施形態の構成を実現し、出力増大（リパワリング）を図っている。
【００１８】
図５は、本発明の第５の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態では、タービン３にタービン６を並列に設け、それぞれ発電機８，９を取り付けた構成としている。つまり、複数の並列なタービンを設けて別軸とし、それぞれに発電機を接続した２流体ガスタービンとしている。
【００１９】
これにより、既存の設備に対して増設する場合には、既設の発電機（ここでは発電機８）を活用しつつ、比較的小さな容量の発電機（ここでは発電機９）を追加するだけで、リパワリングを実現することが可能となる。また、一軸の運転休止を容易に行うことができるようになるので、負荷の変化に合わせた運転が可能となる。なお、本実施形態は勿論、燃焼器を増設した構成においても実施可能である。
【００２０】
図６は、本発明の第６の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態では、複数のタービンをダブルフローに配置し、間に発電機を挟んだ構成としている。具体的にはタービン３，６にそれぞれ燃焼器２，７を対応させ、タービン３，６を同軸として、間に発電機８を挟んでいる。
【００２１】
これにより、軸に加わるスラスト力を低減することができるので、比較的小さなスラスト軸受を用いることが可能となる。また、タービン同士を接続するためのギヤや、複数の発電機を必要としないので、装置を簡素化することができるとともに、設置面積を節約することが可能となる。なお、本実施形態は勿論、燃焼器一台のみの構成においても実施可能である。
【００２２】
図７は、本発明の第７の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態では、上記第６の実施形態において片側のタービンにクラッチ或いは複数の歯車等を設置し、片側のタービンのみでの運転が可能になるようにしている。具体的にここでは、タービン６と発電機８の間にクラッチ１０を設けた構成としている。これにより、負荷が大きいときにはクラッチ１０をつないでタービン６を稼働させ、負荷が小さいときにはクラッチ１０を切る等して、負荷の変化に合わせた運転が可能となる。
【００２３】
また、図示しないが、両側のタービンにクラッチなどを設けた場合、任意の片側のタービンのみでの運転が可能となるので、メンテナンス時でも常時いずれかのタービンを運転することが可能となる。
【００２４】
さらにまた、図示しないが、本発明の第８の実施形態として、上述した第２〜第４，第６，及び第７の実施形態のような、複数の燃焼器を持つ構成において、各燃焼器を互いに異なる種類の燃料用とすることにより、２種類以上の燃料を用いることを可能としたものが実現できる。これは、例えば食品加工工場から発生するバイオマス燃料で発電を行いたいが、バイオマス燃料のみでは必要な電力が賄えない場合等で有用となる。
【００２５】
つまり、例えば燃焼器一台をバイオマス用とし、他の一台を都市ガス用とすることにより、バイオマス燃料を有効に利用することができるとともに、電力需要を満たすことが可能となる。またこれにより、複数の種類の燃料に対応するような特殊な燃焼器を用いることなく、燃料の多様化に対応することが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成で、安価にサージングの発生を防止し、しかも出力の増大と熱効率の向上を効果的に図ることが可能な、２流体ガスタービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図。
【図８】従来の２流体ガスタービンのサイクルを模式的に示す図。
【符号の説明】
１　　圧縮機
２，７　　燃焼器
３，６　　タービン
４　　排熱回収ボイラ
５　　給水ポンプ
８，９　　発電機
１０　　クラッチ

Claims (9)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンとを有し、蒸気又は水を前記圧縮機出口から前記燃焼器に至る管路、前記燃焼器、前記燃焼器から前記タービンに至る管路のいずれかに投入する２流体ガスタービンにおいて、
   前記タービンを並列に複数備えたことを特徴とする２流体ガスタービン。
2. 前記タービンから排出される燃焼排ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラを有し、該排熱回収ボイラからの蒸気を圧縮機出口から前記燃焼器に至る管路、前記燃焼器、前記燃焼器から前記タービンに至る管路のいずれかに投入することを特徴とする請求項１に記載の２流体ガスタービン。
3. 前記燃焼器を並列に複数備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の２流体ガスタービン。
4. 前記複数のタービン各々に発電機を接続したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の２流体ガスタービン。
5. 前記複数のタービンを同軸として、それぞれの間に発電機を挟んで接続したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の２流体ガスタービン。
6. 前記発電機とその片側又は両側のタービンとの間にクラッチ手段を設けたことを特徴とする請求項５に記載の２流体ガスタービン。
7. 前記各燃焼器を互いに異なる種類の燃料用としたことを特徴とする請求項３に記載の２流体ガスタービン。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の２流体ガスタービンにおいて、前記複数のタービンの内、少なくとも１台を休止させて運転することを特徴とする２流体ガスタービンの運転方法。
9. 既存のガスタービンにタービンを増設することにより、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の２流体ガスタービンを実現させることを特徴とするガスタービンのリパワリング方法。

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